JP2008125323A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】 制御精度を向上させると共に制御系の安定性を確保する。
【解決手段】 負荷２０の無効電力とインバータ１０ａ，１０ｂの無効電力との差に基づいて電圧振幅を比例制御する電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂおよびインバータ出力電圧の位相を制御する有効電力制御部７６ａ，７６ｂを有する電圧制御部７０ａ，７０ｂとを具備した制御装置３０ａ，３０ｂを備えた電力変換システムであって、電圧制御部７０ａ，７０ｂの電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂの前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂを直列に付設する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば金融機関のオンラインシステム等の大規模システムで使用されるコンピュータやサーバーを停電や電力障害から保護するＵＰＳ（無停電電源装置）を構成するインバータを具備した電力変換システムに関する。

例えば金融機関のオンラインシステム等の大規模システムで使用されるコンピュータやサーバーを停電や電力障害から保護するＵＰＳ（無停電電源装置）を構成する電力変換システムでは、複数のインバータを並列接続し、これらインバータから出力される三相交流を負荷に給電するようにしている（例えば特許文献１参照）。

図２は二台のインバータ１１０ａ，１１０ｂを並列接続した電力変換システムを例示する。この電力変換システムは、インバータ１１０ａ，１１０ｂの入力側にバッテリー等の直流電源１００ａ，１００ｂを接続し、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力側に負荷１２０を共通して接続することにより、直流電源１００ａ，１００ｂからの直流電圧をインバータ１１０ａ，１１０ｂで交流変換し、その三相交流電力を負荷１２０を供給するようにしている。この電力変換システムでは、負荷１２０に給電される三相交流電力を二台のインバータ１１０ａ，１１０ｂで分担することから、各インバータ１１０ａ，１１０ｂでは、負荷１２０に給電される三相交流電力の１／２ずつを出力するようにしている。

各インバータ１１０ａ，１１０ｂは、図３に示す回路構成を具備する制御装置１３０ａ，１３０ｂにより、直流電圧を交流変換して負荷１２０に給電される三相交流電力の１／２を出力するように制御される。この制御装置１３０ａ，１３０ｂは、同図に示すようにインバータ無効電力変換部１４０ａ，１４０ｂと負荷無効電力変換部１５０ａ，１５０ｂと無効電力制御部１６０ａ，１６０ｂとからなる横流制御部１８０ａ，１８０ｂおよび電圧制御部１７０ａ，１７０ｂで構成されている。

インバータ無効電力変換部１４０ａ，１４０ｂでは、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電流および出力電圧に基づいてインバータ１１０ａ，１１０ｂの無効電力を算出する。一方、負荷無効電力変換部１５０ａ，１５０ｂでは、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧および負荷電流に基づいて負荷１２０の無効電力を算出する。

無効電力制御部１６０ａ，１６０ｂでは、負荷無効電力変換部１５０ａ，１５０ｂから出力される負荷１２０の無効電力をインバータ数で除算し、インバータ無効電力変換部１４０ａ，１４０ｂから出力されるインバータ１１０ａ，１１０ｂの無効電力との差を算出する。この無効電力制御部１６０ａ，１６０ｂから出力される負荷１２０の無効電力とインバータ１１０ａ，１１０ｂの無効電力との差を出力し、電圧制御部１７０ａ，１７０ｂの指令値に加算する。

電圧制御部１７０ａ，１７０ｂでは、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧の振幅成分を取り込んで無効電力制御部１６０ａ，１６０ｂの出力を加算した指令値に基づいてインバータ１１０ａ，１１０ｂを運転する。
特開平８−１４０３５７号公報

ところで、複数のインバータ１１０ａ，１１０ｂを並列接続して共通の負荷１２０に給電する電力変換システムでは、その並列接続されたインバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧間に振幅差や位相差が生じる場合、インバータ１１０ａ，１１０ｂ間で電流が行き来する横流が発生する。このような横流が発生すると、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧にばらつきが生じてそのインバータ１１０ａ，１１０ｂの効率並びに寿命が低下する。また、横流を原因として過電流が発生して機器に悪影響を及ぼすことになる。

この横流を抑制する手段として、横流制御部１８０ａ，１８０ｂでは、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧および出力電流から無効電力を算出し、負荷１２０の無効電力をインバータ１１０ａ，１１０ｂの並列接続台数で除算した値を指令値として、その指令値に各インバータ１１０ａ，１１０ｂが出力する無効電力を追従させることで、各インバータ１１０ａ，１１０ｂが出力する無効電力を一致させる。

この無効電力はインバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧の振幅を調整することにより制御され、各インバータ１１０ａ，１１０ｂが出力する無効電力が同一になることで、インバータ１１０ａ，１１０ｂの出力電圧の振幅も同一になり、インバータ１１０ａ，１１０ｂ間の振幅差がなくなることから横流が抑制される。

一方、複数のインバータ１１０ａ，１１０ｂを並列接続して共通の負荷１２０に給電する電力変換システムでは、各インバータ１１０ａ，１１０ｂを制御装置１３０ａ，１３０ｂにより電圧振幅制御するようにしている。

ここで、一般的にインバータ１１０ａ，１１０ｂの制御には比例制御と積分制御があるが、複数のインバータ１１０ａ，１１０ｂを並列接続した電力変換システムでは、インバータ１１０ａ，１１０ｂを比例制御で運転するのが通常である。

しかしながら、インバータ１１０ａ，１１０ｂを比例制御のみで運転する場合、十分な制御精度を上げることが困難であるのが現状であった。このインバータ１１０ａ，１１０ｂの比例制御に積分制御を付加すると、制御精度を向上させることが可能であるが、制御系の安定性が損なわれることが知られている。

また、インバータ１１０ａ，１１０ｂを比例制御のみで運転する場合、その比例制御のゲインを増加させることにより制御精度を向上させることが可能であるが、制御が不安定になるという問題があった。さらに、比例制御のゲインを増加させると、電圧制御部１７０ａ，１７０ｂに直列に接続された無効電力制御部１６０ａ，１６０ｂにおけるゲインも増加してしまうことになり、電圧制御部１７０ａ，１７０ｂにおける比例制御のゲインを増加させることが困難であった。

そこで、本発明は、前述した問題点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、制御精度を向上させると共に制御系の安定性を確保し得る電力変換システムを提供することにある。

前述の目的を達成するための技術的手段として、本発明は、負荷の無効電力とインバータの無効電力との差に基づいて比例制御により電圧振幅を制御する電圧振幅制御部およびインバータ出力電圧の位相を制御する有効電力制御部を有する電圧制御部とを具備した制御装置を備えた電力変換システムであって、電圧制御部の電圧振幅制御部の前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部を直列に付設したことを特徴とする。

発明が解決しようとする課題で説明したように、電圧振幅制御における比例制御のゲインを増加させた場合、全周波数帯域でゲインが増加するため、制御系の安定性が損なわれる問題があった。

そこで、本発明では、電圧制御部の電圧振幅制御部の前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部を直列に付設したことにより、低周波帯域でのゲインのみを増加させることでもって制御系の安定性を損なわずに制御精度を向上させる。

この位相遅れ補償部では、低周波帯域でのゲインのみを増加させ、高周波帯域でのゲインを低く抑えることができるので、制御系の安定性を維持することが可能となる。また、積分制御を使用しない点でも、制御系の安定性を損なうことはない。

なお、本発明は、複数のインバータを並列接続し、各インバータの出力に共通接続された負荷に給電する電力変換システムに適用可能であり、各インバータに付設され、各インバータを電圧制御する制御装置において、電圧制御部の電圧振幅制御部の前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部を直列に付設すればよい。

複数のインバータを並列接続し、各インバータの出力に共通接続された負荷に給電する電力変換システムに本発明を適用した場合、制御装置は、電圧制御部の前段に、インバータの出力電圧および負荷電流に基づいて算出された負荷の無効電力とインバータの出力電流および出力電圧に基づいて算出されたインバータの無効電力との差を算出する横流制御部を有する構成とすることが望ましい。このように横流制御部を具備すれば、インバータ間に流れる横流を抑制することができる。

その場合、横流制御部は、インバータの出力電圧および負荷電流に基づいて負荷の無効電力を算出する負荷無効電力変換部と、インバータの出力電流および出力電圧に基づいてインバータの無効電力を算出するインバータ無効電力変換部と、負荷無効電力変換部から出力される負荷の無効電力とインバータ無効電力変換部から出力されるインバータの無効電力との差を算出する無効電力制御部とで構成することが可能である。

本発明によれば、電圧制御部の電圧振幅制御部の前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部を直列に付設したことにより、低周波帯域でのゲインのみを増加させ、高周波帯域でのゲインを低く抑えることができるので、制御系の安定性を維持する状態で制御精度を向上させることができる。その結果、制御系の安定性と制御精度の改善を両立させることができ、信頼性の高い高性能の電力変換システムを提供できる。

図１は本発明に係る電力変換システムで、二台のインバータ１０ａ，１０ｂを並列接続した実施形態を例示する。なお、この実施形態では、二台のインバータ１０ａ，１０ｂを並列接続した場合を例示しているが、本発明はこれに限定されることなく、三台以上のインバータを並列接続した場合にも適用可能である。また、複数のインバータを並列接続した場合に限らず、一台のインバータを有する電力変換システムについても適用可能であることは勿論である。

この実施形態の電力変換システムは、インバータ１０ａ，１０ｂの入力側にバッテリー等の直流電源（図示せず）が接続され、インバータ１０ａ，１０ｂの出力側に負荷２０が共通して接続することにより、直流電源からの直流電圧をインバータ１０ａ，１０ｂで交流変換し、その三相交流電力を負荷２０を供給する。この電力変換システムでは、負荷２０に給電される三相交流電力を二台のインバータ１０ａ，１０ｂで分担することから、各インバータ１０ａ，１０ｂでは、負荷２０に給電される三相交流電力の１／２ずつを出力する。

各インバータ１０ａ，１０ｂは、直流電圧を交流変換して負荷２０に給電される三相交流電力の１／２を出力するように制御する制御装置３０ａ，３０ｂが付設されている。この制御装置３０ａ，３０ｂは、インバータ無効電力変換部４０ａ，４０ｂと負荷無効電力変換部５０ａ，５０ｂと無効電力制御部６０ａ，６０ｂからなる横流制御部８０ａ，８０ｂおよび電圧制御部７０ａ，７０ｂで構成されている。なお、この実施形態では、無効電力制御部６０ａ，６０ｂと電圧制御部７０ａ，７０ｂを直列に接続した構成としているが、無効電力制御部６０ａ，６０ｂと電圧制御部７０ａ，７０ｂを並列に接続した構成であってもよい。

インバータ無効電力変換部４０ａ，４０ｂは、インバータ１０ａ，１０ｂの出力側に設けられた計器用変流器ＣＴａ，ＣＴｂおよび計器用変圧器ＶＴａ，ＶＴｂに接続された無効電力変換部４２ａ，４２ｂと、その無効電力変換部４２ａ，４２ｂの出力に接続されたローパスフィルタ４４ａ，４４ｂとで構成され、インバータ１０ａ，１０ｂの出力電流および出力電圧に基づいてインバータ１０ａ，１０ｂの無効電力を算出する。

負荷無効電力変換部５０ａ，５０ｂは、インバータ１０ａ，１０ｂの出力側に設けられた計器用変圧器ＶＴａ，ＶＴｂおよび負荷側に設けられた計器用変流器ＣＴに接続された無効電力変換部５２ａ，５２ｂと、その無効電力変換部５２ａ，５２ｂの出力に接続されたローパスフィルタ５４ａ，５４ｂとで構成され、インバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧および負荷電流に基づいて負荷２０の無効電力を算出する。

無効電力制御部６０ａ，６０ｂは、負荷無効電力変換部５０ａ，５０ｂのローパスフィルタ５４ａ，５４ｂに接続された除算器６２ａ，６２ｂと、その除算器６２ａ，６２ｂの出力に減算器６４ａ，６４ｂを介して接続された平均値制御部６６ａ，６６ｂとで構成され、負荷無効電力変換部５０ａ，５０ｂから出力される負荷２０の無効電力をインバータ１０ａ，１０ｂの台数で除算し、インバータ無効電力変換部４０ａ，４０ｂから出力されるインバータ１０ａ，１０ｂの無効電力との差を算出する。この無効電力制御部６０ａ，６０ｂから出力される負荷２０の無効電力とインバータ１０ａ，１０ｂの無効電力との差を出力し、電圧制御部７０ａ，７０ｂの指令値に加算する。なお、前述の減算器６４ａ，６４ｂには、インバータ無効電力変換部４０ａ，４０ｂのローパスフィルタ４４ａ，４４ｂが入力接続されている。

電圧制御部７０ａ，７０ｂは、前述の無効電力制御部６０ａ，６０ｂの平均値制御部６６ａ，６６ｂの出力に減算器７１ａ，７１ｂを介して接続された位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂと、その位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂの出力に接続された電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂと、その電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂの出力に接続された乗算器７４ａ，７４ｂに入力接続された有効電力制御部７６ａ，７６ｂと、インバータ１０ａ，１０ｂの出力側に設けられた計器用変圧器ＶＴａ，ＶＴｂに接続された電圧振幅変換部７８ａ，７８ｂとで構成され、インバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧の振幅成分を取り込んで無効電力制御部６０ａ，６０ｂの出力を加算した指令値に基づいてインバータ１０ａ，１０ｂを運転する。なお、前述の乗算器７４ａ，７４ｂはインバータ１０ａ，１０ｂに入力接続されている。また、電圧振幅変換部７８ａ，７８ｂは、減算器７１ａ，７１ｂに入力接続されている。前述した有効電力制御部７６ａ，７６ｂでは、無効電力制御と同様に負荷２０に供給する有効電力をインバータ１０ａ，１０ｂの台数で除算し、各インバータ１０ａ，１０ｂで分担するようにインバータ出力電圧の位相を制御する。

ところで、複数のインバータ１０ａ，１０ｂを並列接続して共通の負荷２０に給電する電力変換システムでは、その並列接続されたインバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧間に振幅差や位相差が生じる場合、インバータ１０ａ，１０ｂ間で電流が行き来する横流が発生する。このような横流が発生すると、インバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧にばらつきが生じてそのインバータ１０ａ，１０ｂの効率並びに寿命が低下する。また、横流を原因として過電流が発生して機器に悪影響を及ぼすことになる。

この横流を抑制する手段として、前述の実施形態における電力変換システムの横流制御部８０ａ，８０ｂでは、インバータ無効電力変換部４０ａ，４０ｂにより、インバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧および出力電流の瞬時値から瞬時無効電力を算出し、電圧、電流の不平衡や高調波の影響によって生じるリップルを緩和するためにローパスフィルタ４４ａ，４４ｂの挿入による信号のフィルタリングを行うことで無効電力の平均値を得る。

一方、負荷無効電力変換部５０ａ，５０ｂにより、負荷電流およびインバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧の瞬時値から瞬時無効電力を算出し、電圧、電流の不平衡や高調波の影響によって生じるリップルを緩和するためにローパスフィルタ５４ａ，５４ｂの挿入による信号のフィルタリングを行うことで無効電力の平均値を得る。

無効電力制御部６０ａ，６０ｂでは、除算器６２ａ，６２ｂにより、負荷２０の無効電力をインバータ１０ａ，１０ｂの並列接続台数で除算した値を指令値として、減算器６４ａ，６４ｂにより負荷の無効電力とインバータ１０ａ，１０ｂの無効電力との差を算出し、平均値制御部６６ａ，６６ｂにより、指令値に各インバータ１０ａ，１０ｂが出力する無効電力を追従させることで、各インバータ１０ａ，１０ｂが出力する無効電力を一致させる。このようにして、インバータ無効電力変換部４０ａ，４０ｂおよび負荷無効電力変換部５０ａ，５０ｂのフィードバック制御でもって横流を抑制する。

また、電圧制御部７０ａ，７０ｂでは、電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂおよび電圧振幅変換部７８ａ，７８ｂにより、インバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧を定格出力電圧に維持するために出力電圧振幅指令値に対して電圧振幅制御によりインバータ１０ａ，１０ｂの出力電圧の追従制御を行うことにより、出力電圧振幅を一定に制御する。この電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂの出力に有効電力制御部７６ａ，７６ｂの出力を乗算器７４ａ，７４ｂにより乗算することで、インバータ指令値を生成している。

この電圧制御部７０ａ，７０ｂでは、電圧振幅制御に積分制御を含ませると、制御系の安定性を損なうことになるため、その電圧振幅制御は比例制御のみで構成している。また、電圧振幅制御における比例制御のゲインを増加させると、全周波数帯域でゲインが増加するため、制御系の安定性が損なわれることになる。

そこで、この実施形態における電圧制御部７０ａ，７０ｂでは、電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂの前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂを直列に付設する。このように位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂを設けたことにより、低周波帯域でのゲインのみを増加させることでもって制御系の安定性を損なわずに制御精度を向上させることができる。

このように、位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂでは、低周波帯域でのゲインのみを増加させ、高周波帯域でのゲインを低く抑えることができるので、制御系の安定性を維持することが可能となる。また、積分制御を使用しない点でも、制御系の安定性を損なうことはない。

ここで、一般的な位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂの伝達関数は、
となる。この（１）式において、Ｔｄ：高ゲイン帯域を決定するパラメータ、β：電圧振幅制御の精度を決定するパラメータ、ｓ：ラプラス演算子である。

この式を変形すると、
が得られる。この（２）式に表されるような伝達関数を持つ位相遅れ補償部７３ａ，７３ｂを電圧振幅制御部７２ａ，７２ｂの前段に直列接続することにより、低周波帯域のゲインが高周波帯域のゲインよりも高くなり、制御系の安定性を損なわずに制御精度を向上させることが可能となる。

本発明は前述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、さらに種々なる形態で実施し得ることは勿論のことであり、本発明の範囲は、特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲に記載の均等の意味、および範囲内のすべての変更を含む。

本発明の実施形態で、電力変換システムの回路構成を示すブロック図である。 二台のインバータを並列接続した電力変換システムの構成を示すブロック図である。 電力変換システムの従来例を示すブロック図である。

符号の説明

１０ａ，１０ｂ インバータ
２０ 負荷
３０ａ，３０ｂ 制御装置
４０ａ，４０ｂ インバータ無効電力変換部
５０ａ，５０ｂ 負荷無効電力変換部
６０ａ，６０ｂ 無効電力制御部
７０ａ，７０ｂ 電圧制御部
７２ａ，７２ｂ 電圧振幅制御部
７３ａ，７３ｂ 位相遅れ補償部
７６ａ，７６ｂ 有効電力制御部
８０ａ、８０ｂ 横流制御部

Claims (4)

1. 負荷の無効電力とインバータの無効電力との差に基づいて比例制御により電圧振幅を制御する電圧振幅制御部およびインバータ出力電圧の位相を制御する有効電力制御部を有する電圧制御部とを具備した制御装置を備えた電力変換システムであって、前記電圧制御部の電圧振幅制御部の前段に、電圧振幅制御における低周波帯域でのゲインを増加させる位相遅れ補償部を直列に付設したことを特徴とする電力変換システム。
2. 複数のインバータが並列接続され、前記制御装置は各インバータに配設されている請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記制御装置は、電圧制御部の前段に、インバータの出力電圧および負荷電流に基づいて算出された負荷の無効電力とインバータの出力電流および出力電圧に基づいて算出されたインバータの無効電力との差を算出する横流制御部を有する請求項２に記載の電力変換システム。
4. 前記横流制御部は、インバータの出力電圧および負荷電流に基づいて負荷の無効電力を算出する負荷無効電力変換部と、インバータの出力電流および出力電圧に基づいてインバータの無効電力を算出するインバータ無効電力変換部と、前記負荷無効電力変換部から出力される負荷の無効電力と前記インバータ無効電力変換部から出力されるインバータの無効電力との差を算出する無効電力制御部とで構成されている請求項３に記載の電力変換システム。