JP2015095915A

JP2015095915A - 電力変換装置の制御方法

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Publication number: JP2015095915A
Application number: JP2013232456A
Authority: JP
Inventors: 樋口　裕二; Yuji Higuchi; 裕二樋口; 謙介村井; Kensuke Murai; 忠利馬場崎; Tadatoshi Babasaki
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-11-08
Filing date: 2013-11-08
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】電力値がオーバーシュートしたりすることがない電力変換装置の制御方法を提供する。【解決手段】現在の出力値と目標値との差が所定の閾値より大きいか否かを判定する閾値判定ステップＳ３と、前記閾値判定ステップＳ３において現在の出力値と目標値との差が所定の閾値より大きいと判定したときは、現在の出力よりも大きい目標値に対してさらに大きな出力設定値を設定するか、または現在の出力よりも小さい目標値に対してさらに小さな出力設定値を設定して、設定した出力設定値に基づいてＦＦ制御を行なうＦＦ制御ステップＳ５と、前記閾値判定ステップＳ３において現在の出力値と目標値との差が所定の閾値より大きくないと判定したときは、前記目標値に基づいてＰＩＤ制御を行なうＰＩＤ制御ステップＳ４を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。【選択図】図２

Description

本発明は電力変換装置の制御方法に関する。

電流や電圧などの電力のパラメータを所定の値に変換する制御を行う電力変換装置の制御方法としては、PID制御による制御方法が知られている（特許文献１参照）。PID制御は、フィードバック制御の一種であり、出力値と目標値との偏差（Ｐ： P r o p o r t i o n a l）、積分（Ｉ： I n t e g r a l）、微分（Ｄ： D i f f e r e n t i a l）の３つの要素によって入力値の制御を行う制御方法である。

特開２００５−８０４２４号公報

しかしながら従来のPID制御方式では、電力変換装置の出力値の計測間隔と比較して制御回路の制御間隔が短い装置では、例えば出力増加率を大きくしすぎると、電力変換装置の出力が１回の計測間隔の間に目標値を大幅に超過してしまう恐れがあるので出力増加率が小さく設定されている。よって、現在の出力値と目標値との差が大きい場合には、目標値まで出力を上昇させる際に長い時間が掛かる。したがって、従来のPID制御方式では、目標値との差が大きく且つ電力変換装置の応答速度が遅い場合には、電力変換装置の出力値が指定の電力値となるまでに比較的多くの時間を要したり（整定時間が大きい）、電力値がオーバーシュートしたりする問題があった。

本発明は、上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、目標値との差が大きく且つ電力変換装置の応答速度が遅い場合でも、電力変換装置の出力値が指定の電力値となるまでに比較的多くの時間を要したり（整定時間が大きい）、電力値がオーバーシュートしたりすることがない電力変換装置の制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、一実施形態に記載の発明は、出力値の計測間隔と比較して短い時間間隔で出力制御を行なうことができる制御回路を有する電力変換装置の制御方法であって、現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上であるか否かを判定する閾値判定ステップと、前記閾値判定ステップにおいて現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上であると判定したときは、現在の出力よりも大きい目標値に対してさらに大きな出力設定値を設定するか、または現在の出力よりも小さい目標値に対してさらに小さな出力設定値を設定して、設定した出力設定値に基づいてＦＦ制御を行なうＦＦ制御ステップと、前記閾値判定ステップにおいて現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上でないと判定したときは、前記目標値に基づいてＰＩＤ制御を行なうＰＩＤ制御ステップとを含み、前記ＦＦ制御ステップにおけるＦＦ制御を前記計測間隔の間繰り返した後に再び、前記閾値判定ステップに戻ることを特徴とする電力変換装置の制御方法である。

電力変換装置の制御方法を実現するシステム構成の一例を示す図である。電力変換装置の制御部の動作を示すフロー図である。電力変換部の出力値Ｐの経時的変化を示す図である。電力変換装置の制御方法で用いるシステム構成を示す図である。本実施形態の電力変換装置の制御方法による出力結果（破線）と従来のＰＩＤ制御方法（比較例）による出力結果（実線）とを示す図である。指数関数に基づいて設定される設定値Ｐsetの変化の一例を示す図である。指数関数に基づいて設定される設定値Ｐsetの変化の他の例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施形態の電力変換装置の制御方法では、現在の出力値と目標値との差（偏差）が所定の閾値よりも大きいときは、通常のPID制御とは異なる制御シーケンスを用いることで応答性を向上させる。この制御方法は、出力値の計測間隔と比較して短い時間間隔で出力制御を行なうことができる制御回路を有する電力変換装置で実行でき、現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上であるか否かを判定する閾値判定ステップと、前記閾値判定ステップにおいて現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上であると判定したときは、現在の出力よりも大きい目標値に対してさらに大きな出力設定値を設定するか、または現在の出力よりも小さい目標値に対してさらに小さな出力設定値を設定して、設定した出力設定値に基づいてＦＦ（feedforward）制御を行なうＦＦ制御ステップと、前記閾値判定ステップにおいて現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上でないと判定したときは、前記目標値に基づいてＰＩＤ制御を行なうＰＩＤ制御ステップとを含み、前記ＦＦ制御ステップにおけるＦＦ制御を前記計測間隔の間繰り返した後に再び、前記閾値判定ステップに戻る。

電力変換装置の制御方法では、出力値を目標値に到達させるように制御する際に、現在の出力値と目標値との差が大きいときは、出力を増大させる場合には目標値より大幅に大きな出力設定値を設定し、出力を低下させる場合には目標値より大幅に小さな出力設定値を設定してＦＦ制御を行うとともに、出力値と目標値との差が小さくなるにつれて、出力設定値を目標値に逐次近づけた値に設定し、出力値が目標値に十分に接近した後（出力値と目標値との差が所定の閾値より小さくなったとき）は、通常のＰＩＤ制御を行う。

目標値と現在値の差（偏差）が大きい場合、電力変換装置の出力設定値を目標値に合わせる処理をする通常のPID制御では、整定時間が大きくなる問題があるが、偏差が大きい場合、上述のように通常のPID制御とは異なる制御シーケンスを適用することで、目標値までの整定時間を短縮する効果が得られる。すなわち、上記の構成により、出力値が目標値に十分に近づくまで出力値の変化率を大きいままで維持することができるので、出力値が目標値に到達するまでの所要時間を短縮することが可能となるとともに、大きなオーバーシュートやアンダーシュートを起こさせることなく、出力値が目標値に到達するまでの所要時間を短縮することができる。

図１は、本実施形態の電力変換装置の制御方法を実現するシステム構成の一例を示す図である。本実施形態の電力変換装置の制御方法は、図１に示すように、電源１０と電力変換装置２０と負荷３０とが直列に接続されたシステム構成において実現できる。電源１０は、太陽電池、交流電源等いずれの形態の電源でもよい。電力変換装置２０は、電源１０の出力の電流、電圧などの電力パラメータを変換して負荷３０に出力する装置である。負荷３０には、電力変換装置２０で変換された出力電力が供給される。

電力変換装置２０は、電力変換部２１と、センサ２２と、計測部２３と、制御部２４と、Duty比決定部２５とを備えている。電力変換部２１は、電源１０からの電力を所望する電力に変換する。センサ２２は、電力変換部２１から出力した電流及び電圧を電圧信号に変換し、計測部２３は、センサ２２からのアナログ信号をデジタル信号に変換して制御部２４に出力する。制御部２４は、センサ２２および計測部２３に電力変換部２１の出力を計測する指示をするとともに、計測値（電流値・電圧値）に基づいて設定値を決定して、Duty比決定部２５に出力する。Duty比決定部２５は、制御部２４から受け取った設定値に基づいて電力変換部のDuty比を決定して電力変換部のDuty比変更信号を出力する電力変換部２１に出力する。電力変換部２１は、決定されたDuty比に基づいてON・OFF制御を行うことにより、電源１０からの出力の電力パラメータを変換して出力する。なお、図１では、センサ２２および計測部２３を電力変換装置２０内に設けた構成を例に挙げて説明しているが、電流値、電圧値等の制御に必要な情報は、ネットワークを介して外部から取得する構成としてもよい。

電力変換装置２０における制御方法について図１、図２を参照しながら説明する。図２は、電力変換装置２０の制御部２４の動作を示すフロー図である。

制御部２４は、制御目標値であるＰtargetを決定する（Ｓ１）。制御部２４は、センサ２２および計測部２３に対し、現在の電力変換部２１の出力値を計測する指示を行う（Ｓ２）。制御部２４は、計測した計測値Ｐをデジタル信号の形態で受け取ると、受け取った計測値Ｐと制御目標値Ｐtargetとの差分Ｐerrorを算出し、算出された差分Ｐerrorが制御閾値Pcont以上であるか否かを判断する（Ｓ３）。Ｓ３において差分Ｐerrorが制御閾値Pcont以下であると判断した場合は、制御部２４は、ＰＩＤ制御を行う（Ｓ４）。

Ｓ３において差分Ｐerrorが制御閾値Pcont以上であると判断した場合は、制御部２４は、さらに、計測値Ｐが制御目標値Ｐtargetより小さいか否かを判断する（Ｓ５）。Ｓ５において計測値Ｐが制御目標値Ｐtargetより小さいと判断した場合は、制御部２４は、制御間隔決定定数Ｋ_Ｔと差分Ｐerrorとを乗算して制御間隔Ｔ（ＤｅｌａｙＴ）を決定し（Ｓ６）、さらに、繰り返し数決定定数Ｋ_ｎと差分Ｐerrorとを乗算して繰り返し数ｎを決定する（Ｓ７）。制御間隔Ｔと繰り返し数ｎとを決定した後、設定値Ｐsetを設定する（Ｓ８）。設定値Ｐsetは、電力設定値の上限値Ｐｍａｘを用いて、Ｐtarget+（Ｐｍａｘ−Ｐtarget）＊ｉ／ｎ・・式（１）により算出する。Ｓ８においては、式（１）にｉ＝ｎからｉの値を１ずつ減少させていきｉ＝０になるまで制御間隔ＤｅｌａｙＴ[ｍｓ]ごとにＰｓｅｔ算出、制御コマンド送信及び待機を繰り返す。

一方、Ｓ５において計測値Ｐが制御目標値Ｐtargetより小さくないと判断した場合は、制御部２４は、制御間隔決定定数Ｋ_Ｔと差分Ｐerrorとを乗算して制御間隔Ｔを決定し（Ｓ９）、さらに、繰り返し数決定定数Ｋ_ｎと差分Ｐerrorとを乗算して繰り返し数ｎを決定する（Ｓ１０）。制御間隔Ｔと繰り返し数ｎとを決定した後、設定値Ｐsetを設定する（Ｓ１１）。設定値Ｐsetは、電力設定値の下限値Ｐｍｉｎを用いて、Ｐtarget+（Ｐｍｉｎ−Ｐtarget）＊ｉ／ｎ・・式（２）により算出する。Ｓ１１においては、式（２）にｉ＝０からｉの値を１ずつ増加させていきｉ＝ｎになるまで制御間隔ＤｅｌａｙＴ[ｍｓ]ごとにＰｓｅｔ算出、制御コマンド送信及び待機を繰り返す。

所定の計測間隔が経過するとＳ８またはＳ１１の処理が終了し、Ｓ２に戻って制御部２４は再び現在の出力値を計測する（Ｓ２）。

図３は、電力変換部２１の出力値Ｐの経時的変化を示す図である。図３に基づいて、Ｓ８またはＳ１１の処理において制御部２４で設定される設定値の変化について説明する。図３に示す例では、制御目標値Ｐtargetは２０００Ｗと決定される。制御部２４は、現在の測定値Ｐを取得して、制御目標値Ｐtargetとの差分Ｐerrorが所定の閾値Pcont以上であるか否かを判断する。その結果、差分Ｐerrorは所定の閾値Pcont以上であると判断され、設定値Ｐsetを、制御目標値Ｐtargetよりも十分に大きな値４０００Ｗに設定し、ＦＦ制御する（図３のＡで示す区間）。

図３のＡで示す区間のＦＦ制御の後、制御部２４は、現在の測定値Ｐを取得して、制御目標値Ｐtargetとの差分Ｐerrorが所定の閾値Pcont以上であるか否かを判断する。その結果、差分Ｐerrorは所定の閾値Pcont以上であると判断されるので、設定値Ｐsetを、制御目標値Ｐtargetよりも大きな値３０００Ｗに設定し、ＦＦ制御する（図３のＢで示す区間）。Ｂで示す区間の差分Ｐerrorは、Ａで示す区間の差分Ｐerrorよりも小さいので、Ｂで示す区間の設定値Ｐsetは、Ａで示す区間の設定値Ｐsetよりも小さく設定されることとなる。

図３のＢで示す区間のＦＦ制御の後、制御部２４において、現在の測定値Ｐを取得したときに、制御目標値Ｐtargetとの差分Ｐerrorが所定の閾値Pcont以上でないと判断されると、制御目標値Ｐtarget２０００Ｗに設定されたＰＩＤ制御が開始する（図３のＣで示す区間）。

本実施形態の電力変換装置の制御方法は、出力設定値に対する出力値の整定時間が、前記出力値の計測間隔より長い場合により有効である。出力値が制定するまでに少なくとも２回出力値の測定を行なって、出力結果に応じた出力設定値を用いることができるからである。

次に、本実施形態の電力変換装置の制御方法の効果を検証する。本実施例の電力変換装置の制御方法は、図４に示すシステム構成を用いて行なわれた。図４に示すシステムでは、双方向インバータ５５を利用して蓄電池５３の充放電量を制御している。図４に示す系統模擬電源５０は、交流電源などの電源であり、図１の電源１０に対応する構成である。ＰＣＳ（Power Conditioning System）５１はパワーコンディショナであり、コントロールユニット５４と双方向インバータ５５とを有している。ＢＭＵ(Buttery Management Unit)５２は、図１のセンサ２２および計測部２３として機能し、ＰＣＳ５１の出力を負荷である蓄電池５３に供給するとともに、供給する出力値を測定する。

コントロールユニット５４は、図１の制御部２４として機能し、双方向インバータ５５およびＢＭＵ５２とＣＡＮＮｅｔｗｏｒｋで接続されている。双方向インバータ５５は、コントロールユニット５４の制御指令に基づいて所定の処理を行なう、図１の電力変換部２１およびＤｕｔｙ比決定部２５として機能する。

本実施例では、図４に示すシステムにおいて、制御目標値Ｐtargetを１８００Ｗに設定して図２に示すフローチャートに従って制御を行なった。図４に示すシステムでは、計測間隔１ｓに対して、制御間隔Ｔは２７０ｍｓであった。本実施例では、待ち時間ｔは３０ｍｓ、繰り返し数ｎは７回であった。

また、比較例として、図４に示すシステムにおいて、制御目標値Ｐtargetを１８００Ｗに設定したＰＩＤ制御のみにより制御を行なった。

図５は、本実施形態の電力変換装置の制御方法による出力結果（破線）と従来のＰＩＤ制御方法（比較例）による出力結果（実線）とを示している。図４に示す装置では、装置自体の応答性（目標値に設定してから、目標値に到達する時間）が１０ｓ程度と遅いため、通常のＰＩＤ制御を行なったのでは、応答性に限界があった。図５に示すように本実施形態の電力変換装置の制御方法によれば、従来のＰＩＤ制御よりも、立ち上がり時間を短縮し、整定時間が大幅に短縮した。

本実施形態の電力変換装置の制御方法は、計測間隔に比べて制御間隔が短いことを特徴とするシステムでの使用を想定している。適用例は下記の通りである。

（１）制御対象の装置数が多く、ネットワークを介して１台ずつ計測情報を吸い上げる場合、結果として比較的長い計測周期となる。このようなシステムの装置を制御する場合が想定できる。

（２）通信回線の上り速度が遅く、下り速度が速い等、回線速度で上りと下りが平衡でない場合が想定できる。例：ADSLのように明らかに上りと下りで通信速度に差がある場合。

（３）制御に必要な情報の数は多いため、計測に時間が掛かるが、制御の情報量は少ない場合が想定できる。（計測項目１０００個に対して、制御項目１個等）例；DEMS（Data Center Energy Management System）の空調制御のように、サーバ群から消費電力や温度情報の取得し（計測情報多）、空調機の温度設定する（制御情報少）。

（４）制御に必要な情報を計測間隔の遅い装置から取得する必要がある場合が想定できる。例；性能差がある新旧装置が入り混じったシステムが、お互いの装置情報に基づき制御する場合が想定できる。

（５）制御に必要な情報の取得に時間が掛かる場合が想定できる。例：月に設置した装置の制御に、地球にある装置の情報を使用する必要があるときが想定できる。

なお、以上の実施形態では、図２のＳ８およびＳ１１において、設定値Ｐsetを一次関数により（直線的に）変化させているが、電力値を指数関数または対数関数で変化させてもよい。指数関数で変化させる場合、例えば、Ｐset=Ｐtarget＋(Ｐｍａｘ−Ｐtarget)^(i/n)・・式（３）により算出することができる。式（３）において、ｉ＝０からｉの値を１ずつ増加させていきｉ＝ｎになるまで制御間隔ＤｅｌａｙＴ[ｍｓ]ごとにＰｓｅｔ算出、制御コマンド送信及び待機を繰り返す。図６は、Ｐtarget＝１０００、Ｐｍａｘ＝３０００、ｎ＝２０としたときに式（３）に従って算出される設定値Ｐsetの変化を示している。また、式（３）に変えてＰset=Ｐｍａｘ−(Ｐｍａｘ−Ｐtarget)^({ｎ−ｉ}／ｎ)・・式（４）に基づいて設定値Ｐsetを算出してもよい。図７は、Ｐtarget ＝１０００、Ｐｍａｘ＝３０００、ｎ＝２０としたときに式（４）に従って算出される設定値Ｐsetの変化を示している。

１０電源
２０電力変換装置
３０負荷
２１電力変換部
２２センサ
２３計測部
２４制御部
２５ Duty比決定部
５０系統模擬電源
５１ＰＣＳ
５２ＭＢＵ
５３蓄電池
５４コントロールユニット
５５双方向インバータ

Claims

出力値の計測間隔と比較して短い時間間隔で出力制御を行なうことができる制御回路を有する電力変換装置の制御方法であって、
現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上か否かを判定する閾値判定ステップと、
前記閾値判定ステップにおいて現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上であると判定したときは、現在の出力よりも大きい目標値に対してさらに大きな出力設定値を設定するか、または現在の出力よりも小さい目標値に対してさらに小さな出力設定値を設定して、設定した出力設定値に基づいてＦＦ制御を行なうＦＦ制御ステップと、
前記閾値判定ステップにおいて現在の出力値と目標値との差が所定の閾値以上でないと判定したときは、前記目標値に基づいてＰＩＤ制御を行なうＰＩＤ制御ステップとを含み、
前記ＦＦ制御ステップにおけるＦＦ制御を前記計測間隔の間繰り返した後に再び、前記閾値判定ステップに戻ることを特徴とする電力変換装置の制御方法。
前記ＦＦ制御ステップにおける出力設定値は、出力値と目標値との差が小さくなるのに応じて、目標値に逐次近づけた値が設定されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置の制御方法。
前記出力設定値に対する出力値の整定時間が、前記出力値の計測間隔より長いことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置の制御方法。
前記ＦＦ制御ステップが２回以上実行される場合に、前回のＦＦ制御ステップにおける出力設定値よりも直線的に減少あるいは増加させた出力設定値を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置の制御方法。
前記ＦＦ制御ステップが２回以上実行される場合に、前回のＦＦ制御ステップにおける出力設定値よりも指数的に減少あるいは増加させた出力設定値を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置の制御方法。
前記ＦＦ制御ステップが２回以上実行される場合に、前回のＦＦ制御ステップにおける出力設定値よりも対数的に減少あるいは増加させた出力設定値を設定することを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換装置の制御方法。
ネットワークを介して外部から取得した値を現在の出力値として用いることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置の制御方法。