JP2007259682A - 電力供給装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷装置の機器特性による周波数変動を吸収する電力供給装置を提供する。
【解決手段】まず、電力系統１０１より受電している電力の周波数を周波数検出部１１１で検出し、この値と基準周波数１１３とを指令値補正量算出部１１２にて比較・演算し、系統電力の周波数変化に応じた周波数指令値の補正量を算出する。周波数変動量があるしきい値を超えた場合、周波数指令値補正部１１４にて、周波数指令値生成部１０８で生成された周波数指令値１１７の補正を行う。一方、周波数検出部１０９で出力の周波数を検出する。補正された周波数指令値と検出された出力周波数は周波数フィードバック制御部１１６に入力され、その差分に応じたフィードバック制御量が算出され、インバータ駆動部１０４に出力され、主回路駆動パルスが生成される。
【選択図】図１

Description

本発明は産業・民生用機器に広く用いられる電力供給装置（インバータ装置およびコンバータ装置）およびその制御方法に関する。

一般に、インバータ装置は、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの商用電力を所望の周波数や電圧に変換する目的で用いられ、インバータ式蛍光灯、エアコン、洗濯機など幅広い分野で用いられている。

従来のインバータ装置は、図１０に示すように、商用電力系統５０１と負荷部５０３に接続され、インバータ主回路部５０２とインバータ駆動部５０４と電圧フィードバック制御部５０５と周波数フィードバック制御部５０６と電圧指令値生成部５０７と周波数指令値生成部５０８と周波数検出部５０９と電圧検出部５１０で構成されている。

この従来のインバータ装置では、インバータ主回路部５０２の出力における周波数および電圧をそれぞれ周波数検出部５０９および電圧検出部５１０にて検出し、これらの値と周波数指令値生成部５０８、電圧指令値生成部５０７にて生成された指令値を周波数フィードバック制御部５０６、電圧フィードバック制御部５０５で比較し、インバータ駆動部５０４で出力周波数と出力電圧の双方を考慮した駆動パルスを指令値と検出値の差分に応じて生成し、インバータ主回路部５０２に出力することでフィードバック制御を実現し、所望の周波数および電圧の出力電力を得ている。

このようなインバータ装置の重要な役割の一つは、インバータ後段に接続される負荷装置に対し、所望の周波数や電圧の電力を安定的に供給することである。したがって、図１０に示すように、従来のインバータ装置では出力電力の周波数や電圧を周波数検出部５０９、電圧検出部５１０で検出し、その情報を周波数フィードバック制御部５０６、電圧フィードバック制御部５０５にフィードバックすることで、負荷に対して安定な電力を供給していた。このように商用系統からインバータ装置への入力電力については、通常は商用系統の状態によらず負荷の状態のみで決定されていた。

また、一般に、直流電力供給装置であるコンバータ装置は、５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚの商用電力を所望の電圧の直流電力に変換する目的で用いられ、パソコンなどの電子機器分野で主に用いられている。

従来のコンバータ装置は、図１１に示すように、商用電力系統６０１と負荷部６０３に接続され、コンバータ主回路部６０２とコンバータ駆動部６０４と電圧フィードバック制御部６０５と電圧検出部６０６と電圧指令値生成部６０７で構成されている。

この従来のコンバータ装置では、コンバータ主回路部６０２の出力における電圧を電圧検出部６０６にて検出し、この値と電圧指令値生成部６０７にて生成された電圧指令値を電圧フィードバック制御部６０５で比較し、コンバータ駆動部６０４で出力電圧を考慮した駆動パルスを指令値と検出値の差分に応じて生成し、コンバータ主回路部６０２に出力することでフィードバック制御を実現し、所望の電圧の直流電力を得ている。

このようなコンバータ装置の重要な役割の一つは、コンバータ装置後段に接続される負荷装置に対し、所望の電圧の直流電力を安定的に供給することである。したがって、図１１に示すように、従来のコンバータ装置では出力電力の電圧を電圧検出部６０６で検出し、その情報を電圧フィードバック制御部６０５にフィードバックすることで、負荷に対して安定な電力を供給していた。このように商用系統からコンバータ装置への入力電力については、通常は商用系統の状態によらず負荷の状態のみで決定されていた。

一般に、商用電力系統においては図１２に示すように経済負荷配分制御、負荷−周波数制御、発電機のガバナーフリー制御、負荷装置の機器特性によって、系統内の負荷変動を吸収している。電力系統内において電力の過不足が発生すると、それに応じて系統電力の周波数が変動する。したがって、図１２における「負荷変動の大きさ」は「周波数変動の大きさ」と読み替えることができる。このなかで負荷装置の機器特性による負荷変動への対応とは、回転機負荷や抵抗負荷の場合において、負荷の特性によって微小な電力の過不足が吸収される現象であり、数秒程度の微小な変動に対応している。

一般に、電力系統内での需給バランスが崩れた場合、電力供給が過剰となった時には周波数が上昇し、供給電力が不足した場合には周波数低下が起こることが知られている。通常のファンやポンプ等に用いられるモータの消費電力はその回転数の３乗に比例する。したがって、供給電力の周波数が上昇（供給過剰）になった場合には、モータの消費電力は増加し、周波数が低下（供給不足）した場合には消費電力が低下することがわかる。これが機器特性による負荷変動（周波数変動）への対応である。
特開２００５−１０２３６４号公報 特開２００５−０８６９５３号公報

大規模な商用系統と連系しない自立型の小規模電力系統（マイクログリッド）についても同様な原理で負荷変動の吸収（＝周波数変動の吸収）が行われる。このような小規模系統においては負荷容量に対する発電機容量がそれほど大きくないために、負荷変動の吸収にはきめ細かな発電機制御が必要となり、これらに対する様々な提案がなされている（特許文献１、特許文献２）。

一方、産業・民生機器におけるインバータ化が近年急速に進んできており、また電子機器の増加に伴うコンバータの普及が近年急速進んできている。このような装置においては前述のように消費電力が商用系統の状態によらず決定されるため、従来のような負荷装置の機器特性による負荷変動の吸収（＝周波数変動の吸収）が行われないという問題があった。特にインバータ負荷またはコンバータを用いた直流負荷が大多数を占めるような状況では、インバータやコンバータが吸収する電力は系統の周波数には全く依存せず、負荷装置の特性による負荷変動吸収（＝周波数変動吸収）が期待できないため、発電機の出力制御のみでは周波数維持が困難となる問題があった。

本発明の目的は、負荷装置の機器特性による周波数変動を吸収する電力供給装置およびその制御方法を提供することにある。

本発明の電力供給装置は、電力系統の周波数を検出する手段と、該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、周波数指令値および／または電圧指令値の補正量を算出する手段と、電力変換装置主回路を駆動する電力変換装置駆動部へ周波数および／または電圧フィードバックをかけるフィードバック制御部へ入力される指令値を前記補正量で補正する手段とを有する。

本発明は、電力系統の周波数を検出し、その基準周波数に対する変動に応じて周波数指令値や電圧指令値を補正して負荷装置に供給する電力を変化させることによって、電力調整装置が電力系統から受け取る電力を調整し、インバータ負荷が多数を占めるような、あるいはコンバータ装置を多数組み込んだマイクログリッド系統においても、負荷装置の特性による負荷変動吸収効果によって微小な周波数変動を吸収しようとするものである。

本発明によれば、マイクログリッドのような小規模系統において微小な周波数変動を吸収し、系統の周波数を安定に維持することができる。

次に、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

[第１の実施形態]
図１は本発明の第１の実施形態によるインバータ装置のブロック図、図２はその制御の流れを示すフローチャートである。

本実施形態のインバータ装置は、商用電力系統１０１と負荷部１０３に接続され、インバータ主回路部１０２とインバータ駆動部１０４と電圧フィードバック制御部１０５と周波数フィードバック制御部１１６と電圧指令値生成部１０７と周波数指令値生成部１０８と周波数検出部１０９と電圧検出部１１０と周波数検出部１１１と指令値補正量算出部１１２と周波数指令値補正部１１４で構成されている。インバータ主回路部１０２とインバータ駆動部１０４と電圧フィードバック制御部１０５と電圧指令値生成部１０７と周波数指令値生成部１０８と周波数検出部１０９と電圧検出部１１０はそれぞれ図１０の従来のインバータ装置のインバータ主回路部５０２とインバータ駆動部５０４と電圧フィードバック制御部５０５と電圧指令値生成部５０７と周波数指令値生成部５０８と周波数検出部５０９と電圧検出部５１０と同じである。

本実施形態においてはまず、電力系統１０１より受電している電力の周波数を周波数検出部１１１で検出し（ステップ２０１）、この値と５０Ｈｚ、６０Ｈｚといった基準周波数１１３とを指令値補正量算出部１１２にて比較・演算し、系統電力の周波数変化に応じた周波数指令値の補正量を次式により算出する（ステップ２０２）。

周波数補正量Δｆ＝（系統電力の周波数―基準周波数１１３）×α（αは比例定数）
比例定数αにより系統周波数変動に対する応答が決まる。周波数変動量があるしきい値ｆ_thを超えた場合、周波数指令値補正部１１４にて、周波数指令値生成部１０８で生成された周波数指令値１１７の補正を行う（ステップ２０３、２０４）。ただし、あまり敏感に応答しないようにするために、本実施形態では、図３に示すように不感帯が設けられている。一方、周波数検出部１０９で出力の周波数を検出する（ステップ２０５）。補正された周波数指令値と検出された出力周波数は周波数フィードバック制御部１１６に入力され、その差分に応じたフィードバック制御量が算出され（ステップ２０６）、インバータ駆動部１０４に出力され、主回路駆動パルスが生成される（ステップ２０７）。このようにして、本実施形態では、商用電力の周波数変化に応じた周波数指令値を得ることができる。なお、電圧フィードバック制御部１０５におけるフィードバック制御量の算出は従来と同じである。

図３に本実施形態における系統電力の周波数に対するインバータ出力電力の周波数の例を示す。図３に示すように、系統電力の周波数が上昇した場合にはインバータ出力電力の周波数ｆ_outも上昇させ、系統電力の周波数が低下した場合にはインバータ出力電力の周波数ｆ_outも低下させる。ここで、インバータ出力電力の周波数ｆ_outに対し最大値ｆ_max、最小値ｆ_minが設定され、インバータに接続される負荷装置の誤動作や破損等を回避している。

[第２の実施形態]
図４は本発明の第２の実施形態によるインバータ装置のブロック図、図５はその制御の流れを示すフローチャートである。

本実施形態は、図１のインバータ装置における電圧フィードバック制御部１０５、周波数フィードバック制御部１１６、周波数指令値補正部１１４の代わりにそれぞれ電圧フィードバック制御部１１５、周波数フィードバック制御部１０６、電圧指令値補正部１１８を備えている。周波数フィードバック制御部１０６は図１０の従来のインバータ装置の周波数フィードバック制御部５０６と同じである。

インバータ装置の後段に接続される負荷部１０３が、抵抗性の負荷装置である場合には、インバータの出力電圧値を制御することによっても、系統電力の周波数変化に応じてインバータ出力電力の調整を行い、その結果として系統電力周波数の変化に応じたインバータ入力電力の調整を行うことができる。本実施形態はこの場合の実施形態である。本実施形態では周波数検出部１１１で検出した系統電力の周波数と５０Ｈｚ、６０Ｈｚといった基準周波数１１３を指令値補正量算出部１１２にて比較・演算し、電圧指令値の補正量を次式により算出する（ステップ２０１、２０２）。

電圧補正量ΔＶ＝（系統電力の周波数―基準周波数１１３）×β（βは比例定数）
なお、βは、周波数変動量を電圧指令値に変換するために、出力電圧レベルに応じた値を設定する必要がある。周波数変動量があるしきい値ｆ_thよりも大きい場合、電圧指令値補正部１１８にて、電圧指令値生成部１０７で生成された電圧指令値１１９の補正を行う（ステップ２０８、２０９）。一方電圧検出部１１０で出力の電圧を検出する（ステップ２１０）。補正された電圧指令値と検出された出力電圧は電圧フィードバック制御部１１５に入力され、その差分に応じたフィードバック制御量が算出され（ステップ２１１）、インバータ駆動部１０４に出力され、主回路駆動パルスが生成される（ステップ２１２）。このようにして、本実施形態では、電力系統１０１の周波数変化に応じた電圧指令値を得ることができる。なお、周波数フィードバック制御部１０６におけるフィードバック制御量の算出は従来と同じである。

図６に本実施形態における系統電力の周波数に対するコンバータの出力電圧の例を示す。図６に示すように、系統電力の周波数が上昇した場合にはコンバータの出力電圧Ｖ_outも上昇させ、系統電力の周波数が低下した場合にはコンバータの出力電圧Ｖ_outも低下させる。ここで、インバータの出力電圧Ｖ_outに対し最大値Ｖ_max、最小値Ｖ_minが設定され、インバータに接続される負荷装置の誤動作や破損等を回避している。

なお、インバータ装置は周波数指令値補正部１１４と電圧指令値補正部１１８の双方を備えてもよい。この場合、前記α、βに対する重み付けによって周波数指令値補正を主として用いるか、電圧指令値補正を主として用いるかを選択することができる。また、αまたはβの値をゼロに設定することで、いずれか一方の補正機能を停止状態にすることができる。

以上説明した比例定数α、β、周波数しきい値ｆ_thの値は、負荷装置の制御許容量に応じて決定することにより、負荷装置への過剰な負荷を与えることなく効率的な制御が可能となる。例えば、オフィスビル等における排気ダクト用のファン・モータや空調機器用のコンプレッサー、インバータ式蛍光灯などのように、動作している時間が長くかつ大量に存在し、動作状態の変化が利用者へ与える影響の大きな装置に関しては、出力周波数や出力電圧が大きく変動しないように、α、βを小さくし、かつ微小な系統周波数変動に対応できるようにｆ_thを小さくすることにより、発明の効果が十分に期待できる。一方、家庭用の洗濯機や掃除機、ＩＨ調理器具などのように動作状態の変化が利用者に与える影響がさほど大きくないものの、動作時間が短い装置に関しては、α、βを大きくし、かつｆ_thを小さくすることで、発明の効果の最大化を図ることができる。また、産業用ロボットなどの精密動作が要求される装置に関してはα、βを小さくし、ｆ_thを大きく設定することで、インバータ出力周波数や出力電圧が変化しないように設定する必要がある。

[第３の実施形態]
図７は本発明の第３の実施形態によるコンバータ装置のブロック図、図８はその制御の流れを示すフローチャートである。

本実施形態のコンバータ装置は、商用電力系統３０１と負荷部３０３に接続され、コンバータ主回路部３０２とコンバータ駆動部３０４と電圧フィードバック制御部３１２と電圧検出部３０６と電圧指令値生成部３０７と周波数検出部３０８と指令値補正量算出部３０９とで構成されている。コンバータ主回路部３０２とコンバータ駆動部３０４と電圧検出部３０６と電圧指令値生成部３０７とそれぞれ図１１の従来のコンバータ装置のコンバータ主回路部６０２とコンバータ駆動部６０４と電圧検出部６０６と電圧指令値生成部６０７と同じである。

本実施形態では周波数検出部３０８で検出した系統電力の周波数と５０Ｈｚ、６０Ｈｚといった基準周波数３１０を指令値補正量算出部３０９にて比較・演算し、電圧指令値の補正量を、第２の実施形態における電圧補正量ΔＶの算出式と同様の式により算出する（ステップ４０１、４０２）。周波数変動量があるしきい値ｆ_thよりも大きい場合、電圧指令値補正部３１１にて、電圧指令値生成部３０７で生成された電圧指令値３１３の補正を行う（ステップ４０３、４０４）。ただし、あまり敏感に応答しないようにするために、本実施形態では、図９に示すように不感帯が設けられている。一方、電圧検出部３０６で出力の電圧を検出する（ステップ４０５）。補正された電圧指令値と検出された出力電圧は電圧フィードバック制御部３１２に入力され、その差分に応じたフィードバック制御量が算出され（ステップ４０６）、コンバータ駆動部３０４に出力され、主回路駆動パルスが生成される（ステップ４０７）。このようにして、本実施形態では、電力系統３０１の周波数変化に応じた電圧指令値を得ることができる。

コンバータ装置後段に接続される負荷装置の特性にもよるが、一般的な直流負荷装置の場合には高電圧下では消費電力が大きくなり、低電圧下では消費電力が小さくなる。たとえばＬＳＩ、ＣＰＵといった半導体装置の場合には、消費電力は次式で表すことができる（参考文献：T.KURODA and T．Sakurai, "Overview of Low−Power ULSI Circuit Techniques (invited),“ IECE Transactions on Electronics, Ｖol.E78−C, No.
4, pp.334-344, Apr. 1995）
Ｐ=ｋ₁・ｆ・Ｖ_DD ²＋ｋ₂・Ｖ_DD
ｋ₁、ｋ₂は定数、ｆは動作周波数、Ｖ_DDは電源電圧
つまり、動作周波数がある程度早い領域では消費電力は電源電圧の二乗に比例する。また、ヒーターのような抵抗体の消費電力は、オームの法則から電源電圧の二乗に比例することがわかる。

図９に本実施形態における系統電力の周波数に対するコンバータの出力電圧の例を示す。図９に示すように、系統電力の周波数が上昇した場合にはコンバータの出力電圧Ｖ_outも上昇させ、系統電力の周波数が低下した場合にはコンバータの出力電圧Ｖ_outも低下させる。ここで、コンバータの出力電圧Ｖ_outに対し最大値Ｖ_max、最小値Ｖ_minが設定され、大きな周波数変動が発生してもコンバータ出力電圧が一定範囲以上に変化しないようにし、コンバータに接続される負荷装置の誤動作や破損等を回避している。

本実施形態によれば、モータなどの回転負荷が持っている、周波数に応じて自身の消費電力が変化する特性をコンバータ装置に持たせることにより、コンバータ装置がモータなどの回転機負荷と同様の、周波数に応じた消費電力変化を行うようになり、モータなどの回転機負荷と同じように、微小な周波数変動に対する吸収効果を発揮できるようになり、周波数を安定に維持できる。

本発明の第１の実施形態によるインバータ装置のブロック図である。 第１の実施形態によるインバータ装置の制御の流れを示すフローチャートである。 第１の実施形態における出力周波数制御の例を示す図である。 本発明の第２の実施形態によるインバータ装置のブロック図である。 第２の実施形態によるインバータ装置の制御の流れを示すフローチャートである。 第２の実施形態における出力電圧制御の例を示す図である。 本発明の第３の実施形態によるコンバータ装置のブロック図である。 第３の実施形態によるコンバータ装置の制御の流れを示すフローチャートである。 第３の実施形態における出力電圧制御の例を示す図である。 従来のインバータ装置のブロック図である。 従来のコンバータ装置のブロック図である。 負荷変動に対する制御分担の概念図である。

符号の説明

１０１ 電力系統
１０２ インバータ主回路部
１０３ 負荷部
１０４ インバータ駆動部
１０５、１１５ 電圧フィードバック制御部
１０６、１１６ 周波数フィードバック制御部
１０７ 電圧指令値生成部
１０８ 周波数指令値生成部
１０９ 周波数検出部
１１０ 電圧検出部
１１１ 周波数検出部
１１２ 指令値補正量算出部
１１３ 基準周波数
１１４ 周波数指令値補正部
１１７ 周波数指令値
１１８ 電圧指令値補正部
１１９ 電圧指令値
２０１〜２１２ ステップ
３０１ 商用電力系統
３０２ コンバータ主回路部
３０３ 負荷部
３０４ コンバータ駆動部
３０６ 電圧検出部
３０７ 電圧指令値作成部
３０８ 周波数検出部
３０９ 指令値補正量算出部
３１０ 基準周波数
３１１ 電圧指令値補正部
３１２ 電圧フィードバック制御部
３１３ 電圧指令値
４０１〜４０７ ステップ

Claims (6)

1. 電力系統および負荷装置に接続され、前記電力系統より受電した電力を前記負荷装置が必要とする電力に変換し前記負荷装置へと供給する電力供給装置において、
   前記電力系統の周波数を検出する手段と、
   該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、周波数指令値および／または電圧指令値の補正量を算出する手段と、
   電力変換装置主回路を駆動する電力変換装置駆動部へ周波数および／または電圧フィードバックをかけるフィードバック制御部へ入力される指令値を前記補正量で補正する手段と
   を有することを特徴とする電力供給装置。
2. 電力系統および負荷装置に接続され、前記電力系統より受電した電力を前記負荷装置が必要とする周波数の電力に変換し前記負荷装置へと供給するインバータ装置において、
   前記電力系統の周波数を検出する手段と、
   該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、周波数指令値および／または電圧指令値の補正量を算出する手段と、
   インバータ主回路を駆動するインバータ駆動部へ周波数フィードバックをかける周波数フィードバック制御部へ入力される周波数指令値および／または前記インバータ駆動部へ電圧フィードバックをかける電圧フィードバック制御部へ入力される電圧指令値を前記補正量で補正する手段と
   を有することを特徴とするインバータ装置。
3. 電力系統および負荷装置に接続され、前記電力系統より受電した電力を前記負荷装置が必要とする電圧の直流電力に変換し前記負荷装置へと供給するコンバータ装置において、
   前記電力系統の周波数を検出する手段と、
   該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、電圧指令値の補正量を算出する手段と、
   コンバータ主回路を駆動するコンバータ駆動部へ電圧フィードバックをかける電圧フィードバック制御部へ入力される電圧指令値を前記補正量で補正する手段と
   を有することを特徴とするコンバータ装置。
4. 電力系統および負荷装置に接続され、前記電力系統より受電した電力を前記負荷装置が必要とする電力に変換し前記負荷装置へと供給する電力供給装置の制御方法において、
   前記電力系統の周波数を検出するステップと、
   該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、周波数指令値および／または電圧指令値の補正量を算出するステップと、
   電力変換装置主回路を駆動する電力変換装置駆動部へ周波数および／または電圧フィードバックをかけるフィードバック制御部へ入力される指令値を前記補正量で補正するステップと
   を有することを特徴とする電力供給装置の制御方法。
5. 電力系統および負荷装置に接続され、前記電力系統より受電した電力を前記負荷装置が必要とする周波数の電力に変換し前記負荷装置へと供給するインバータ装置の制御方法において、
   前記電力系統の周波数を検出するステップと、
   該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、周波数指令値および／または電圧指令値の補正量を算出するステップと、
   インバータ主回路を駆動するインバータ駆動部へ周波数フィードバックをかける周波数フィードバック制御部へ入力される周波数指令値および／または前記インバータ駆動部へ電圧フィードバックをかける電圧フィードバック制御部へ入力される電圧指令値を前記補正量で補正するステップと
   を有することを特徴とするインバータ装置の制御方法。
6. 電力系統および負荷装置に接続され、前記電力系統より受電した電力を前記負荷装置が必要とする電圧の直流電力に変換し前記負荷装置へと供給するコンバータ装置の制御方法において、
   前記電力系統の周波数を検出するステップと、
   該周波数と基準周波数を比較し、電力系統の周波数の変化に応じた、電圧指令値の補正量を算出するステップと、
   コンバータ主回路を駆動するコンバータ駆動部へ電圧フィードバックをかける電圧フィードバック制御部へ入力される電圧指令値を前記補正量で補正するステップと
   を有することを特徴とするコンバータ装置の制御方法。

Images