JP2008043151A - 瞬低補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用系統の運用条件や負荷条件に拘わらず、負荷電圧急変を最小限に抑制し、高い精度でインバータから商用系統への電源切り替えができ、さらに電源切り替えのための専用の負荷電流検出器を不要にする。
【解決手段】インバータ４が負荷２に給電時に、演算部１１がインバータ出力電力（有効／無効電力）を検出し、この出力電力をランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑでの出力電力指令値の初期値とし、かつＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑの出力を「０」に初期化しておき、インバータ給電から商用系統給電への切り替え時に、出力電力指令値により電流補正部１４Ｐ、１４Ｑを通してフィードフォワード制御すると共に、ＰＩ制御部によるフィードバック制御を開始し、その後はランプ関数発生器により出力電力指令値を徐々に絞っていくことで負荷への給電をインバータから商用系統に徐々に移行させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、常時は商用系統から負荷に給電し、商用系統に瞬時停電等が発生した時には商用系統から負荷を解列して蓄電体からインバータを介して負荷に給電し、商用系統の復旧時にインバータ給電から商用系統給電に切り替える瞬低補償装置に係り、特にインバータ給電から商用系統給電に切り替えるときのインバータの出力制御に関する。

この種の瞬低補償装置の主回路構成を図３に示す。商用系統１と負荷２との間に高速スイッチ３を介挿し、常時は高速スイッチ３を閉じておくことで商用系統１から負荷２に給電し、商用系統１に瞬時停電、瞬時電圧低下等が発生した時には高速スイッチ３の開放で商用系統１から負荷２を解列する。インバータ４は、商用系統１に停電が発生したときに蓄電体５を直流電源として起動し、負荷２に給電する。高速スイッチ３は電力用半導体素子による構成または電磁接触器と併用した構成にされる。蓄電体５はバッテリや電気二重層キャパシタが使用される。

従来の瞬低補償装置では商用系統が復電し、インバータ給電から商用給電への電源切り替えには以下の制御手順としていた。

（Ｓ１）商用系統１が停電している状態では、高速スイッチ３によって負荷を商用系統から解列し、インバータ４から負荷２に給電する。このときインバータ４は出力電圧を一定に維持するように電圧制御する。

（Ｓ２）商用系統１が復電したとき、商用系統電圧とインバータ出力電圧の振幅と位相を一致させ、一致したところで高速スイッチ３を投入すると同時にインバータ４の運転を停止し、負荷２への給電をインバータ４から商用系統１に切り替える。

（Ｓ３）インバータ４は、その制御を電圧制御から電流制御に変更して再起動し、商用系統１を電源として所定の電流で蓄電体５の予備充電を開始する。

以上の手順によりインバータ給電から商用給電へ切り替えた場合、負荷電力、系統電力、インバータ電力の変化は図４に示すようになる。ここで、インバータ給電時の制御は電圧一定制御、商用給電時はインバータを電流制御するという全く異なる制御になるため、インバータ給電から商用給電に切り替えるときに全負荷電力が一度に商用系統にかかることになり、商用系統のインピーダンスが高い場合には交流電圧が一時的に低下してしまい、この電圧低下を停電と誤検出して再びインバータ給電に戻るおそれがある。

この不都合を解消しようとする方式として、負荷電流を電流検出器で検出し、復電時に全負荷電流に対するインバータの出力電流比率を「１」から「０」に徐々に減少させることで、負荷への電力供給をインバータから商用系統に緩やかに切り替えるインバータの出力制御方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００５−２２９６６４号公報

特許文献１によるインバータの出力電流制御方式では、負荷電流を電流検出器で検出し、復電時にインバータの出力電流指令を現在の全負荷電流からリミッタで徐々に零まで下げ、この出力電流指令が与えられる電流制御用ＰＩアンプではインバータ出力電流との偏差を比例積分（ＰＩ）演算し、インバータの出力電流をフィードバック制御する。

この方式では、インバータ給電から商用給電に切り替えるとき、インバータはそれまでの電圧制御から電流制御に切り替えることになり、フィードバック制御される電流制御系の待機状態や起動時の応答性によっては切り替え時の負荷電圧が不安定になる問題があった。特に、商用系統の運用条件（例えば、非常用発電機が運転中／停止中）や、負荷条件（整流器などの非線形負荷／誘導性負荷／容量性負荷）が変化する場合に問題となる。

また、従来方式では、商用系統からインバータへの切り替え制御に専用の負荷電流検出器が必要となる。

本発明の目的は、商用系統の運用条件や負荷条件に拘わらず、負荷電圧急変を最小限に抑制し、高い精度でインバータから商用系統への電源切り替え（負荷移行）ができ、さらに電源切り替えのための専用の負荷電流検出器を不要にした瞬低補償装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、インバータ給電時にインバータ出力電力（＝負荷電力）を検出し、この出力電力をインバータの出力電力指令値の初期値とし、かつインバータの出力電力制御系の出力を「０」に初期化しておき、インバータ給電から商用系統給電への切り替え時に、前記出力電力指令値によりインバータ出力電力をフィードフォワード制御すると共に、前記出力電力制御系によるフィードバック制御を開始し、その後は出力電力指令値を徐々に絞っていくことで負荷への給電をインバータから商用系統に徐々に移行させるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）常時は商用系統から負荷に給電し、商用系統に瞬時停電等が発生した時には商用系統から負荷を解列して蓄電体からインバータを介して負荷に給電し、商用系統の復旧時にインバータ給電から商用系統給電に切り替える瞬低補償装置において、
前記インバータの制御装置は、
インバータから負荷に給電中のインバータ出力電力を検出し、この出力電力をインバータの出力電力指令値の初期値とし、かつインバータの出力電力制御系の出力を「０」に初期化しておき、インバータ給電から商用系統給電への切り替え時に、前記出力電力指令値によりインバータ出力電力をフィードフォワード制御すると共に、前記出力電力制御系によるフィードバック制御を開始し、その後は前記出力電力指令値を電力設定値まで徐々に絞っていくことで負荷への給電をインバータから商用系統に徐々に移行させる制御手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記制御手段は、有効電力Ｐと無効電力Ｑ別にして、前記フィードフォワード制御およびフィードバック制御を行うことを特徴とする。

（３）前記電力設定値は、商用系統からインバータを介して前記蓄電体を充電するときの充電電力とすることを特徴とする。

（４）前記フィードフォワード制御は、負荷電圧の実効値で割り算して出力電流指令値を得ることを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、商用系統の運用条件や負荷条件に拘わらず、負荷電圧急変を最小限に抑制し、高い精度でインバータから商用系統への電源切り替え（負荷移行）ができ、さらに電源切り替えのための専用の負荷電流検出器が不要になる。具体的には、以下の効果がある。

・電力制御がフィードフォワード制御とフィードバック制御の組み合わせで構成されているため、制御の高速性と精度を両立させることができる。すなわち、フィードフォワード制御はインバータ給電から商用給電に切り替えた直後から有効であり、切り替えによる出力電力変動を最小限に抑制することができる。フィードバック制御は定常運転時に出力電力設定値と出力電力検出値の差で出力電流指令値を補正することによって、高精度で出力電力を制御できるようになる。

・有効電力Ｐと無効電力Ｑ別にして、フィードフォワード制御およびフィードバック制御を行うことにより、負荷条件に応じた電力制御が可能になる。

・電力設定値は、商用系統からインバータを介して蓄電体を充電するときの充電電力とすることにより、インバータ給電制御から蓄電体充電制御への連続的な電力制御ができる。

・フィードフォワード制御は、負荷電圧の実効値で割り算して出力電流指令値を得ることにより、商用系統電圧の変動による補償ができる。

図１は、本発明の実施形態を示す瞬低補償装置の構成図であり、主回路構成は図３と同じものであり、常時は商用系統１から負荷２に給電し、商用系統の異常時には高速スイッチ３で負荷を商用系統から解列してインバータ４から給電し、インバータ給電から商用給電に戻すときには特許文献１と同様に負荷電力をインバータ出力から徐々に商用系統に負荷移行させる。

このインバータ４の制御装置は、電圧制御アンプ６による設定電圧と検出電圧の偏差に応じたＰＩ（比例積分）演算と、または電流制御アンプ７による電流指令と検出電流の偏差に応じたＰＩ演算によって、インバータ４の出力電圧制御指令を得、この電圧制御指令に応じてＰＷＭ制御部８によるインバータ４のＰＷＭ制御を行う。

本実施形態の制御装置では、インバータから負荷に給電中のインバータ出力電力を検出し、この出力電力をインバータの出力電力指令値の初期値とし、かつインバータの出力電力制御系の出力を「０」に初期化しておき、インバータ給電から商用系統給電への切り替え時に、前記出力電力指令値によりインバータ出力電力をフィードフォワード制御すると共に、前記出力電力制御系によるフィードバック制御を開始し、その後は前記出力電力指令値を徐々に絞っていくことで負荷への給電をインバータから商用系統に徐々に移行させることにより、商用系統の運用条件や負荷条件に拘わらず、負荷電圧急変を最小限に抑制し、高い精度でインバータから商用系統への電源切り替え（負荷移行）を可能にする。

インバータの出力電力制御系は、有効電力Ｐと無効電力Ｑ別にしてインバータ４の出力電力制御を行う構成にされ、以下の制御手段で実現される。

有効電力／無効電力演算部１１は、電圧変成器ＶＴによる負荷電圧検出値と、変流器ＣＴによるインバータ出力電流検出値からインバータ４の出力の有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを求める。ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑは、そのリセットで出力が有効電力／無効電力演算部１１が求めた有効電力Ｐおよび無効電力Ｑに保持され、リセット解除で有効電力設定値Ｐｓおよび無効電力設定値Ｑｓを目標値として一定の傾斜を有して変化するランプ電圧を発生し、これらランプ電圧出力は有効電力指令値および無効電力指令値にする。有効電力設定値Ｐｓおよび無効電力設定値Ｑｓは、インバータ給電から商用系統給電に切り替えた後に、商用系統からインバータ４を通して蓄電体５を充電するための設定値にされる。

自動電力制御用のＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑは、ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑが発生する有効／無効電力指令値と、有効電力／無効電力演算部１１で検出した有効電力Ｐおよび無効電力Ｑとの偏差をＰＩ演算して有効電流および無効電流の指令値を得る（フィードバック制御）。これらＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑは、そのリセットで出力を「０」に強制できる。

電流補正部１４Ｐ、１４Ｑは、ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑが発生する有効／無効電力指令値を、実効値演算部１５が求める電圧実効値で割り算することで、負荷電圧の変動分補正を含めた有効／無効電流指令値を得る（フィードフォワード制御）。

座標変換部１６は、ＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑからの電流指令値と、電圧補正部１４Ｐ、１４Ｑからの電流指令値とを加算した無効／有効電流指令値をベクトル的に合成して電流制御アンプ７の出力電流指令値を得る。

半導体素子構成の切り替えスイッチ１７は、電圧制御アンプ６の出力と電流制御アンプ７の出力を替えてＰＷＭ制御部８の出力電圧指令値とする。

以上の構成にした瞬低補償制御の動作を、図２を参照して説明する。なお、この制御には商用系統の停電発生検出と復旧検出、電圧／電力の各種設定、ランプ関数発生器１２Ｐ，１２Ｑのリセットと解除制御，ＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑのリセットと解除制御、切り替えスイッチ１７の切り替え制御等を行う制御手段（コンピュータなど）を設ける。

（ａ）インバータ給電時の制御
商用系統からインバータ給電に切り替え、電圧制御アンプ６によるインバータ４の出力電圧制御状態で、制御定数の初期化を行う。この初期化には、ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑをリセットし、有効電力／無効電力演算部１１で求めた現在の有効電力Ｐと無効電力Ｑをランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑの出力電力指令値としておく。また、ＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑをリセットし、その出力を「０」にしておく。

これら初期化により、座標変換部１６の出力電流指令値は、切り替え時のインバータ出力電力に相当する値に保持しておく。

（ｂ）商用給電への切り替え時の制御（図２の時刻ｔ１）
高速スイッチ３を投入し、スイッチ１７の切り替えで電流制御アンプ７の出力をＰＷＭ制御部８の出力電圧指令に切り替え、インバータ給電から商用給電に切り替える。このとき、ＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑのリセットを解除してそのＰＩ演算動作を有効にする。同時に、ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑのリセットを解除してランプ関数発生動作を有効にする。

これらのリセットを解除した時点では、ＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑの出力＝０、ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑの出力＝切り替え制御直前のインバータ出力電力であり、この状態からインバータの出力電流制御を開始する。この電流制御は、最初は電流補正部１４Ｐ、１４Ｑを通した出力電流指令値とするフィードフォワード制御で開始し、その後にＰＩ制御部１３Ｐ、１３Ｑによる応動でその出力分を加算したフィードフォワード制御とフィードバック制御を併用した制御になる。

したがって、切り替え直後は、切り替え直前のインバータ出力に一致する電力（初期値）で負荷移行を開始することで商用系統の負荷急変を防止し、しかも初期にはフィードフォワード制御を行うことで高い応答性を有した制御を行い、この後にフィードバック制御を併用することで高い精度で負荷移行ができる。

（ｃ）商用給電への切り替え後の制御（図２の期間Ｔ）
ランプ関数発生器１２Ｐ、１２Ｑはその出力が有効／無効電力設定値Ｐｓ，Ｑｓに従って緩やかに下がっていき、負荷２への給電電力がインバータ４から商用系統へ徐々に移行していき、インバータ４の出力が零（図２の時刻ｔ２）になった後は商用系統から蓄電体５への充電電流制御に移行し、最終的には有効／無効電力設定値Ｐｓ，Ｑｓに一致した電力で蓄電体５の充電電流制御が継続される（図２の時刻ｔ３以降）。

本発明の実施形態を示す瞬低補償装置の構成図。 実施形態における復電切り替え特性図。 従来の主回路構成図。 従来の復電切り替え特性図。

符号の説明

１ 商用系統
２ 負荷
３ 高速スイッチ
４ インバータ
５ 蓄電体
６ 電圧制御アンプ
７ 電流制御アンプ
８ ＰＷＭ制御部
１１ 有効電力／無効電力演算部
１２Ｐ、１２Ｑ ランプ関数発生器
１３Ｐ、１３Ｑ ＰＩ制御部
１４Ｐ、１４Ｑ 電流補正部
１５ 実効値検出部
１６ 座標変換部
１７ 切り替えスイッチ

Claims (4)

1. 常時は商用系統から負荷に給電し、商用系統に瞬時停電等が発生した時には商用系統から負荷を解列して蓄電体からインバータを介して負荷に給電し、商用系統の復旧時にインバータ給電から商用系統給電に切り替える瞬低補償装置において、
   前記インバータの制御装置は、
   インバータから負荷に給電中のインバータ出力電力を検出し、この出力電力をインバータの出力電力指令値の初期値とし、かつインバータの出力電力制御系の出力を「０」に初期化しておき、インバータ給電から商用系統給電への切り替え時に、前記出力電力指令値によりインバータ出力電力をフィードフォワード制御すると共に、前記出力電力制御系によるフィードバック制御を開始し、その後は前記出力電力指令値を電力設定値まで徐々に絞っていくことで負荷への給電をインバータから商用系統に徐々に移行させる制御手段を備えたことを特徴とする瞬低補償装置。
2. 前記制御手段は、有効電力Ｐと無効電力Ｑ別にして、前記フィードフォワード制御およびフィードバック制御を行うことを特徴とする請求項１に記載の瞬低補償装置。
3. 前記電力設定値は、商用系統からインバータを介して前記蓄電体を充電するときの充電電力とすることを特徴とする請求項１または２に記載の瞬低補償装置。
4. 前記フィードフォワード制御は、負荷電圧の実効値で割り算して出力電流指令値を得ることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の瞬低補償装置。
   

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