JP2016152683A - Stability discrimination method and device of dc feeding system by simulation - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は直流給電系の回路シミュレーションにより、その安定性を判定・判別する技術に関する。 The present invention relates to a technique for determining and discriminating the stability of a DC power supply system by circuit simulation.
従来、直流電源（以下、単に「電源」と称する。）、負荷とＤＣ−ＤＣコンバータなどで構成される負荷装置およびそれらを接続する配線で構成される直流給電システム（直流給電系）では、ＤＣ−ＤＣコンバータが直流給電側から見ると負性抵抗特性を持つため、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力フィルタのコンデンサと配線のインダクタンスにより、電源や配線で構成される給電側と負荷側のインピーダンスが不整合となり発振することが知られている。このような発振現象が起きると、負荷装置への安定した電力供給の保証ができない上に負荷の故障の原因となるため、システム構成要件における発振に対する安定性評価が必要になる。 Conventionally, a DC power supply (hereinafter referred to simply as “power supply”), a load device composed of a load and a DC-DC converter, and a direct current power supply system (direct current power supply system) composed of wirings connecting them, -Since the DC converter has negative resistance characteristics when viewed from the DC power supply side, the impedance on the power supply side and the load side, which consist of the power supply and wiring, is mismatched due to the inductance of the capacitor and wiring of the input filter of the DC-DC converter And is known to oscillate. When such an oscillation phenomenon occurs, stable power supply to the load device cannot be guaranteed and a load failure may occur. Therefore, it is necessary to evaluate the stability of the system configuration requirements against oscillation.
しかし、実際の直流給電系では電源や負荷装置以外の装置が含まれたり、複数の負荷が接続される場合も有り、装置内部の回路ではノイズを除去するためのフィルタが装置ごとに異なったり、使用する素子の種類も無数に存在することから、回路構成が極めて複雑になるため、理論式を用いた代数的解析による安定性の判別は困難であり、回路シミュレーションによる判定が必要となっていた。 However, in actual DC power supply systems, devices other than power supplies and load devices may be included, or multiple loads may be connected, and the filters for removing noise in the circuits inside the devices differ from device to device, Since there are an infinite number of types of elements to use, the circuit configuration becomes extremely complex, so it is difficult to determine stability by algebraic analysis using theoretical equations, and determination by circuit simulation is necessary. .
従来の回路シミュレーションでは、回路の電流、電圧を時間的変化に沿って数値解析し、最終的な電圧または電流波形の振動の有無により安定性を判別するため、抵抗、インダクタンス、キャパシタ等の回路パラメータに加えて、代数的解析では考慮されていないシミュレーションの初期値パラメータ（時刻ゼロにおけるコンデンサ初期電圧、インダクタ初期電流、配線初期電圧など）の設定が必要となる。 In conventional circuit simulations, circuit parameters such as resistance, inductance, and capacitor are used to numerically analyze the current and voltage of the circuit over time, and to determine stability based on the presence or absence of final voltage or current waveform oscillation. In addition, it is necessary to set initial parameter values (capacitor initial voltage, inductor initial current, wiring initial voltage, etc. at time zero) that are not considered in the algebraic analysis.
これらの初期値パラメータは系が安定状態（一定時間が経過して系の電流や電圧が一定に収束した状態）にあるときの値を用いるべきであるが、回路構成により安定状態にあるときの各々のパラメータは異なるため正確に見積もることは困難であり、見込みの値を入力して回路シミュレーションを行っていた。また、見込みの値を入力し直して精度を高めていたため、評価に時間がかかっていた。 These initial value parameters should use values when the system is in a stable state (a state in which the current and voltage of the system have converged to a certain level after a certain period of time). Since each parameter is different, it is difficult to estimate accurately, and a circuit simulation is performed by inputting expected values. In addition, since the accuracy was improved by re-entering the expected value, the evaluation took time.
そのため、初期値パラメータの入力値と安定状態における値との誤差によりシミュレーションの際に初期電圧振動が発生し、これをきっかけとしてパラメータの組み合わせ条件によっては本来は安定な条件においても発振が起こり、正確な安定性評価が行えないという問題があった。 Therefore, the initial voltage oscillation occurs during simulation due to the error between the input value of the initial value parameter and the value in the stable state, and this causes the oscillation to occur even under originally stable conditions depending on the parameter combination conditions. There was a problem that the stability evaluation could not be performed.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、直流給電系の回路シミュレーションにより安定性の境界線（発振条件）を判定・判別するにあたり、初期電圧振動の影響を排除し、定量的に正確なシミュレーションを行うことを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and eliminates the influence of the initial voltage oscillation in determining and discriminating the stability boundary line (oscillation condition) by the circuit simulation of the DC power supply system. The purpose is to perform accurate simulation.
このような目的を達成するために、本発明による方法は、
電源、負荷装置およびそれらを接続する配線から構成される直流給電系のシミュレーションによる安定性判別方法において、
電源を段階的に電圧変化することができる多段電圧電源として設定するステップと、
初期電圧として本来の電源電圧より高い初期電源電圧を設定してシミュレーションを開始するステップと、
初期電圧変動の振れ幅が一定の値より小さくなった後に電源電圧を本来の電圧値に下げて求めた波形の最終的な振動の有無から安定性の判定を行うステップを有することを特徴とする、
直流給電系のシミュレーションによる安定性判別方法である。
In order to achieve such an object, the method according to the invention comprises:
In a stability determination method by simulation of a DC power supply system composed of a power supply, a load device and wiring connecting them,
Setting the power supply as a multi-stage voltage power supply capable of changing the voltage stepwise;
Setting an initial power supply voltage higher than the original power supply voltage as an initial voltage and starting a simulation;
A step of determining stability based on the presence or absence of a final vibration of a waveform obtained by lowering the power supply voltage to the original voltage value after the fluctuation width of the initial voltage fluctuation becomes smaller than a certain value. ,
This is a stability determination method by simulation of a DC power supply system.
また、本発明による装置は、
電源、負荷装置およびそれらを接続する配線から構成される直流給電系のシミュレーションにより安定性判別を行う安定性判別装置であって、
電源を段階的に電圧変化することができる多段電圧電源として設定する初期状態安定化手段と、
初期電圧として本来の電源電圧より高い初期電源電圧を設定してシミュレーションを開始する手段と、
初期電圧変動の振れ幅が一定の値より小さくなった後に電源電圧を本来の電圧値に下げて求めた波形の最終的な振動の有無から安定性の判定を行う手段を有することを特徴とする、
直流給電系のシミュレーションによる安定性判別装置である。
The device according to the present invention also comprises:
A stability determination device that performs stability determination by simulation of a DC power supply system composed of a power supply, a load device, and wiring connecting them,
Initial state stabilization means for setting the power supply as a multi-stage voltage power supply capable of changing the voltage stepwise;
Means for setting the initial power supply voltage higher than the original power supply voltage as the initial voltage and starting the simulation;
It is characterized by having means for determining stability from the presence or absence of final vibration of the waveform obtained by lowering the power supply voltage to the original voltage value after the fluctuation width of the initial voltage fluctuation becomes smaller than a certain value. ,
This is a stability determination device based on simulation of a DC power supply system.
本発明は上述した構成によって、シミュレーション初期に発生する初期電圧変動の影響が収束した状態で直流給電系の発振安定性の判定評価を行うことができるため、高い精度での評価が実現され、これまでの評価誤差に基づく直流給電系の過剰な設備対策が抑制され、シミュレーションの手間を増やすことなく正確な評価結果に基づき費用対効果の高い対策を施した直流給電系を設計することが可能となる。 With the above-described configuration, the present invention makes it possible to evaluate and evaluate the oscillation stability of the DC power supply system in a state where the influence of the initial voltage fluctuation that occurs at the beginning of the simulation has converged. It is possible to design a DC power supply system with cost-effective countermeasures based on accurate evaluation results without increasing the amount of time and effort of simulation, because excessive equipment countermeasures based on evaluation errors up to Become.
（直流給電系で起きる発振現象）
まず、図１（ａ）のブロック図に示すように、検討対象である直流給電系システム１００を単純化すると、電源１０１、負荷装置１０２、および、それらを接続する配線１０３で構成される。負荷装置１０２は前述のように、例えばＤＣ−ＤＣコンバータと実際の負荷からなる。
(Oscillation phenomenon that occurs in DC power supply system)
First, as shown in the block diagram of FIG. 1A, when the DC power supply system 100 to be studied is simplified, the system includes a power source 101, a load device 102, and a wiring 103 connecting them. As described above, the load device 102 includes, for example, a DC-DC converter and an actual load.
これを回路図で表すと、図１（ｂ）の様になる。なお、回路図では、電源電圧はＥ，負荷装置は定電力負荷ＰおよびＤＣ−ＤＣコンバータの入力フィルタの平滑用コンデンサＣおよび等価直列抵抗Ｒcで表し、計測点で計測される定電力負荷Ｐの両端の電圧をＶ，流れる電流をＩとする。また、配線ケーブルは分布インダクタンスＬと分布抵抗Ｒ1とで表す。従って、配線長が長くなるとインダクタンス値と抵抗値が配線長に比例して大きくなる。 This can be represented by a circuit diagram as shown in FIG. In the circuit diagram, the power supply voltage is represented by E, the load device is represented by the constant power load P, the smoothing capacitor C of the input filter of the DC-DC converter and the equivalent series resistance Rc, and the constant power load P measured at the measurement point. The voltage at both ends is V, and the flowing current is I. The wiring cable is represented by a distributed inductance L and a distributed resistance R1. Therefore, as the wiring length increases, the inductance value and the resistance value increase in proportion to the wiring length.
直流給電系は交流給電系と比較して高効率・高信頼・低コストであるが、前述のように、負荷装置を構成するＤＣ−ＤＣコンバータなどが直流給電側から見ると負性抵抗特性を持つため、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力フィルタのコンデンサと配線のインダクタンスにより、電源や配線で構成される給電側と負荷側のインピーダンスが不整合となり発振することが知られている。 The DC power supply system has higher efficiency, higher reliability, and lower cost than the AC power supply system. However, as described above, the DC-DC converter that constitutes the load device shows negative resistance characteristics when viewed from the DC power supply side. Therefore, it is known that the impedance of the power supply side and the load side constituted by the power source and the wiring are mismatched and oscillates due to the inductance of the capacitor and the wiring of the input filter of the DC-DC converter.
直流給電系における発振現象とは、交流振動電流が流れることであり、配線インダクタンスＬと負荷装置の入力端近傍のノイズフィルタを構成するコンデンサＣとの共振現象に起因して発生する。 The oscillation phenomenon in the DC power supply system is that an AC oscillation current flows, and is caused by a resonance phenomenon between the wiring inductance L and the capacitor C constituting the noise filter near the input end of the load device.
一般的に直流給電系では、配線インダクタンスを含むインダクタンス値が大きくなるほど、また、定電力負荷の消費電力値が大きくなるほど、発振しやすくなる。 In general, in a DC power supply system, oscillation increases as the inductance value including the wiring inductance increases and as the power consumption value of the constant power load increases.
発振現象が起きると、負荷装置への安定した電力供給が保証できなくなり、負荷装置の故障、破損にもつながる。したがって、発振現象が起きるか否かの発振条件の解析、すなわち安定性判別が重要となる。 When the oscillation phenomenon occurs, it is not possible to guarantee a stable power supply to the load device, leading to a failure or breakage of the load device. Therefore, it is important to analyze the oscillation condition whether or not the oscillation phenomenon occurs, that is, to determine the stability.
（解析とシミュレーションの誤差）
図１の様な単純な直流給電系の場合は、以下の式(1)より解析的に正確な安定条件の算出が可能である。
(Analysis and simulation errors)
In the case of a simple DC power supply system as shown in FIG. 1, the analytically accurate stability condition can be calculated from the following equation (1).
しかし、実際の直流給電系では電源や負荷装置以外の装置が含まれたり、複数の負荷が接続されたりするため、回路が複雑になり、解析的に発振条件を算出して安定条件を判別することができない。このため、解析的な安定条件判別の替わりに回路シミュレーションによって、発振が起きない安定状態と発振の起きる不安定状態の境界線を求める必要がある。 However, in an actual DC power supply system, devices other than the power supply and load device are included, or multiple loads are connected, so the circuit becomes complicated, and the oscillation condition is analytically calculated to determine the stability condition. I can't. Therefore, it is necessary to obtain a boundary line between a stable state where no oscillation occurs and an unstable state where oscillation occurs by circuit simulation instead of analytical stability condition determination.
しかしながら、回路シミュレーションでは、初期条件の設定値によっては発振の条件を正確に導き出せない場合があり、例えば図１の単純な回路であっても、解析による安定性の境界線とシミュレーションによる境界線を求め比較すると、図２のようにずれが生じる場合がある。 However, in circuit simulation, the oscillation condition may not be accurately derived depending on the initial condition setting value. For example, even in the simple circuit of FIG. When obtained and compared, there may be a deviation as shown in FIG.
なお、図２の安定性判定図では、配線のインダクタンス値Ｌと負荷のコンデンサ容量Ｃについて境界線を求めているが、配線のインダクタンス値Ｌと負荷出力Ｐに対して境界線を求めることもできる。 In the stability determination diagram of FIG. 2, the boundary line is obtained for the wiring inductance value L and the load capacitor capacitance C. However, the boundary line can also be obtained for the wiring inductance value L and the load output P. .
（誤差の原因）
回路シミュレーションによる発振条件が解析による値と異なるのは、次の原因が考えられる。
(Cause of error)
The reason why the oscillation condition by the circuit simulation is different from the value by the analysis is considered as follows.
すなわち、解析による場合は、安定な定常状態として安定性を判別するため、初期の電圧変動を考慮する必要がない。一方で、シミュレーションでは初期値に基づき時刻ゼロから時間順に数値計算を行うため、初期電圧変動が含まれている。 That is, in the case of analysis, since stability is determined as a stable steady state, it is not necessary to consider initial voltage fluctuations. On the other hand, in the simulation, since the numerical calculation is performed in time order from time zero based on the initial value, the initial voltage fluctuation is included.
式(1)に示す通り、電圧が高いほど直流給電系は安定であるが、シミュレーション開始時に、本来の電源電圧を初期条件とすると、初期電圧変動でいったん電圧が下がり、不安定な条件に一時的に入る場合がある。これが原因となり、正確にシミュレーションが行えなかった。 As shown in Equation (1), the higher the voltage, the more stable the DC power supply system.However, assuming that the original power supply voltage is the initial condition at the start of the simulation, the voltage drops once due to the initial voltage fluctuation, and temporarily becomes unstable. There is a case to enter. This caused the simulation to fail.
ここで初期電圧変動とは、シミュレーション開始時に過渡現象として、あらかじめコンデンサに充電された電荷などが負荷装置に流れることでコンデンサの電圧が減少し、図８に示すような電圧変動を引き起こすことをいう。 Here, the initial voltage fluctuation means that, as a transient phenomenon at the start of the simulation, the voltage of the capacitor decreases as a result of the electric charge previously charged in the capacitor flowing through the load device, causing voltage fluctuation as shown in FIG. .
そこで、本発明では初期電圧変動が回路シミュレーション上で安定性の判別に影響を与えないように、初期電圧変動を安定性の判別と切り分けてシミュレーションする方法を考案した。 Therefore, the present invention has devised a method of simulating the initial voltage fluctuation separately from the stability determination so that the initial voltage fluctuation does not affect the stability determination on the circuit simulation.
（本発明の基本構成）
初期電圧変動を安定性の判別と切り分けてシミュレーションするためには、初期の電圧変動が通常ある程度の時間が経過すれば収束することを利用する。
(Basic configuration of the present invention)
In order to simulate the initial voltage fluctuation separately from the stability determination, it is utilized that the initial voltage fluctuation usually converges after a certain amount of time has passed.
具体的には例えば、シミュレーションにおける時刻ゼロの初期パラメータとして、電源電圧を十分高い電圧に設定し、予め計算した初期電圧変動が収束する時間（初期電圧変動の持続時間）よりも長い時間をかけて段階的に本来の電源電圧に下げるように電源を（いわば可変電圧電源として）設定し、シミュレーションを行って、最終的に初期電圧変動の影響が無くなった時点において波形の振動の有無を判定し安定性の判別を行う。 Specifically, for example, as the initial parameter of time zero in the simulation, the power supply voltage is set to a sufficiently high voltage and takes a longer time than the time (initial voltage fluctuation duration) at which the initial voltage fluctuation calculated in advance converges. Set the power supply so that it gradually decreases to the original power supply voltage (so-called variable voltage power supply), perform a simulation, and finally determine whether there is any vibration in the waveform when the influence of the initial voltage fluctuation disappears and stabilize Determine sex.
なお、以下の例では初期の電圧と本来の電圧の二段で電源電圧を下げる例を示したが、多段の可変電圧電源（多段電圧電源）にすることもできる。これは初期の電圧と本来の電圧の差が大きい時に用いる。 In the following example, an example in which the power supply voltage is lowered in two stages of the initial voltage and the original voltage is shown, but a multistage variable voltage power supply (multistage voltage power supply) can also be used. This is used when the difference between the initial voltage and the original voltage is large.
また、シミュレーションで他のパラメータ項目（例えば、コンデンサ容量、抵抗値、インダクタ電流、負荷電力など）を設定することでも同様の効果を得ることができるが、電源電圧において設定変更を行う方法が最も容易に行えるため、本発明では電源電圧を多段で設定して行う方法とした。 The same effect can be obtained by setting other parameter items (for example, capacitor capacity, resistance value, inductor current, load power, etc.) in the simulation, but the method of changing the setting in the power supply voltage is the easiest. In the present invention, the power supply voltage is set in multiple stages.
本発明の方法によれば、初期の電源電圧から初期電圧変動が収束する時間（初期電圧変動の持続時間）よりも長い時間をかけて漸近的に本来の電源電圧に近づけていくため、安定か不安定かの判定を正確にシミュレートすることができる。正確なシミュレーションを行うことで、電源電圧以外の初期値パラメータを種々変更するなどの手間をかけることなく、全体としてのシミュレーションにかける時間を短縮することができ、また、精度の低いシミュレーション結果を用いて発振を抑制するためにマージンとして必要となっていた余分な抵抗やコンデンサにかかる費用とスペースを削減することが可能となる。 According to the method of the present invention, since the initial power supply voltage is asymptotically approached to the original power supply voltage over a longer time than the initial power supply voltage convergence time (the duration of the initial voltage fluctuation), The determination of whether it is unstable can be accurately simulated. By performing accurate simulations, it is possible to shorten the overall simulation time without changing the initial value parameters other than the power supply voltage, and use low-precision simulation results. Thus, it is possible to reduce the cost and space required for extra resistors and capacitors that are necessary as a margin to suppress oscillation.
（シミュレーション演算フロー）
図３に、シミュレーションにおいて安定性を判別するフローを示す。
(Simulation calculation flow)
FIG. 3 shows a flow for determining stability in the simulation.
まず、図３のＳＴＥＰ１において、判定対象の直流給電系システムの構成を基に、その回路接続や素子定数をシミュレーションシステムに入力する。 First, in STEP 1 of FIG. 3, based on the configuration of the DC power supply system to be determined, the circuit connection and element constants are input to the simulation system.
つぎに、ＳＴＥＰ２において、電源電圧を充分高い電圧に設定し、初期電圧変動が収束する時間よりも長い時間をかけて本来の電源電圧に下げるように、シミュレーション対象の直流給電系システムの電源を多段電圧電源として設定する。 Next, in STEP 2, the power supply voltage of the DC power supply system to be simulated is set in a multi-stage so that the power supply voltage is set to a sufficiently high voltage and lowered to the original power supply voltage over a longer time than the initial voltage fluctuation converges. Set as voltage power supply.
（多段電圧電源の設定フロー）
このＳＴＥＰ２の多段電圧電源の設定は詳細には、図４の多段電圧電源の設定フローにおいて、
まずループ制御変数ｍ＝１として、初期電源電圧を本来の電源電圧に設定（ＳＴＥＰ２−１）し、シミュレーションを実行（ＳＴＥＰ２−２）し、初期電圧変動が所定期間で収束するか否かを判定する（ＳＴＥＰ２−３）。電源電圧以外の初期値パラメータは各パラメータに応じた標準的なものを設定すればよい。
(Setting flow of multi-stage voltage power supply)
In detail, the setting of the multi-stage voltage power source in STEP 2 is as follows.
First, with the loop control variable m = 1, the initial power supply voltage is set to the original power supply voltage (STEP 2-1), the simulation is executed (STEP 2-2), and it is determined whether or not the initial voltage fluctuation converges in a predetermined period. (STEP 2-3). Standard values of parameters other than the power supply voltage may be set according to the parameters.
初期電圧変動が収束しない場合（ＳＴＥＰ２−３でＮＯ）は、ループ制御変数ｍを１増加（ＳＴＥＰ２−４）し、ｍが所定整数値（例えば５程度）以上となったか否かを判定する（ＳＴＥＰ２−５）。 When the initial voltage fluctuation does not converge (NO in STEP2-3), the loop control variable m is increased by 1 (STEP2-4), and it is determined whether or not m is equal to or greater than a predetermined integer value (for example, about 5) ( (Step 2-5).
このような判定を行うのは、これまでのシミュレーション実績から初期電源電圧を３〜４倍程度にすると初期電圧変動が収束することを経験的に確認しているためである。 This determination is made because it has been empirically confirmed that the initial voltage fluctuation converges when the initial power supply voltage is increased to about 3 to 4 times from the past simulation results.
したがって、このｍが５以上に設定されても収束しない場合（ＳＴＥＰ２−５でＹＥＳ）は、エラーを出力して不安定な条件と判定して本発明によるシミュレーション自体は終了する（ＳＴＥＰ２−７）。 Therefore, if convergence does not occur even if this m is set to 5 or more (YES in STEP 2-5), an error is output and it is determined that the condition is unstable, and the simulation according to the present invention ends (STEP 2-7). .
ｍが５を超えない場合は、初期電源電圧を本来の電源電圧のｍ倍に設定（ＳＴＥＰ２−６）し、電源電圧以外の初期値パラメータは同じ値で再度シミュレーションを実行する（ＳＴＥＰ２−２）。 If m does not exceed 5, the initial power supply voltage is set to m times the original power supply voltage (STEP 2-6), and the simulation is executed again with the same initial value parameters other than the power supply voltage (STEP 2-2). .
このようにして初期電圧変動が収束する条件を求め（ＳＴＥＰ２−３でＹＥＳ）、初期電圧変動の条件（初期電圧変動の振幅と持続時間、例えば振幅が１％以下に収まるまでの時間）を導出し（ＳＴＥＰ２−８）、ついで、求めた条件より初期電源電圧の大きさを決定する（ＳＴＥＰ２−９）。 In this way, the condition for convergence of the initial voltage fluctuation is obtained (YES in STEP 2-3), and the condition for the initial voltage fluctuation (the amplitude and the duration of the initial voltage fluctuation, for example, the time until the amplitude falls below 1%) is derived. (STEP 2-8) Then, the magnitude of the initial power supply voltage is determined from the obtained conditions (STEP 2-9).
初期電源電圧の大きさは具体的には、ｍ＝１の場合は、例えば図６に後述のように初期電源電圧に初期電圧変動を加えた場合の振幅の下限値が本来の電源電圧よりも上になるように初期電源電圧を設定し、ｍが１を超える場合は本来の電源電圧のｍ倍された初期電源電圧をもとに同様に設定することが考えられる。 Specifically, when m = 1, the magnitude of the initial power supply voltage is lower than the original power supply voltage when the initial voltage fluctuation is added to the initial power supply voltage, for example, as described later in FIG. It is conceivable that the initial power supply voltage is set so as to be above, and if m exceeds 1, it is similarly set based on the initial power supply voltage that is m times the original power supply voltage.
また、電源電圧変更の段数やタイミング、周期は、上記で決定された初期電源電圧の大きさや初期電圧変動の持続時間に基づき決定することができ（ＳＴＥＰ２−１０）、多段電圧電源の設定として出力される。 Further, the number, timing, and cycle of the power supply voltage change can be determined based on the magnitude of the initial power supply voltage determined above and the duration of the initial voltage fluctuation (STEP 2-10), and output as the setting of the multi-stage voltage power supply. Is done.
例えば電源電圧変更の段数は、上記で決定した初期電源電圧と本来の電源電圧の比に応じて決定することが考えられ、簡易的に上記ｍないしｍ＋１程度とすることもできる。電源電圧変更のタイミング、周期は、初期電圧変動の持続時間の１０倍程度の余裕を取って初期電源電圧を維持し、その後、２次的な電圧変動が発生しないように、同程度の時間を取って本来の電源電圧程度の単位で段階的に反復し下げてゆくことが考えられる。 For example, the number of stages of power supply voltage change can be determined according to the ratio of the initial power supply voltage determined above and the original power supply voltage, and can be simply set to about m to m + 1. The timing and cycle of the power supply voltage change should be about the same time so that the initial power supply voltage is maintained with a margin of about 10 times the duration of the initial voltage fluctuation, and then no secondary voltage fluctuation occurs. It can be considered that the power supply voltage is gradually reduced in units of the original power supply voltage.
（シミュレーション演算フローの続き）
図３に戻ると、ＳＴＥＰ３において、ＳＴＥＰ２で設定された多段電圧電源の条件の下で、安定判別すべきパラメータ（例えば、ＬとＣ、あるいはＬとＰ）を設定し、ＳＴＥＰ４でシミュレーションを実行する。
(Continuation of simulation calculation flow)
Returning to FIG. 3, in STEP 3, parameters (for example, L and C, or L and P) to be stably determined are set under the conditions of the multi-stage voltage power supply set in STEP 2, and simulation is executed in STEP 4. .
そして、ＳＴＥＰ５において、求めた電圧波形の最終的な振動の有無から安定性を判別し、ＳＴＥＰ６において、判定結果を安定性判定図にプロットする。 Then, in STEP 5, the stability is determined from the presence or absence of the final vibration of the obtained voltage waveform, and in STEP 6, the determination result is plotted on the stability determination diagram.
ＳＴＥＰ７で全てのパラメータ（ＬとＣ、あるいはＬとＰなど）範囲についてシミュレーションが実行されたかを判定し、ＮＯであれば必要とされる分解能に当たる刻み幅でパラメータの値を順次変更し、上記ＳＴＥＰ３〜７が反復実行される。 In STEP 7, it is determined whether the simulation has been executed for all parameter ranges (L and C, or L and P, etc.). If NO, the parameter values are sequentially changed in increments corresponding to the required resolution. ~ 7 are repeatedly executed.
全てのパラメータ範囲でシミュレーションが終了した場合は、ＳＴＥＰ８に進み、プロットされた判定結果をもとに、安定と不安定の境界線を引くことができ、ＳＴＥＰ９として判定結果の安定性判定図が出力される。 When the simulation is completed for all parameter ranges, the process proceeds to STEP8, where a stable / unstable boundary line can be drawn based on the plotted determination result, and a stability determination diagram of the determination result is output as STEP9. Is done.
（初期状態安定化装置）
図５は、上記図４の多段電圧電源の設定フローを実行するシミュレーションによる安定性判別装置の初期状態安定化手段としての初期状態安定化装置４００のブロック図である。
(Initial state stabilization device)
FIG. 5 is a block diagram of an initial state stabilization device 400 as an initial state stabilization means of the stability determination device based on a simulation that executes the setting flow of the multi-stage voltage power source of FIG.
図５左側より、電源パラメータ（例えば本来の電源電圧）と回路構成、Ｒ，Ｌ，Ｃの値などが、電源パラメータ入力装置４０１、回路パラメータ入力装置４０２に入力され、入力された値に基づきシミュレーション実行部４０３で図４に述べたような初期電圧振動のシミュレーションが実行され、その結果をもとに電源パラメータ決定部４０４において初期電源電圧、その変更の段数と周期（タイミング）等が決定され、出力装置４０５より初期状態安定化パラメータとして出力され、多段電圧電源が設定されて図３のＳＴＥＰ４のシミュレーションに用いられる。 From the left side of FIG. 5, power supply parameters (for example, original power supply voltage), circuit configuration, R, L, C values, etc. are input to the power supply parameter input device 401 and the circuit parameter input device 402, and simulation is performed based on the input values. The execution unit 403 executes the simulation of the initial voltage oscillation as described in FIG. 4, and based on the result, the power supply parameter determination unit 404 determines the initial power supply voltage, the number of stages and the period (timing) of the change, It is output from the output device 405 as an initial state stabilization parameter, and a multi-stage voltage power source is set and used for the simulation of STEP 4 in FIG.
（電源電圧設定の具体例）
図６は、図１（ｂ）と同様な直流給電系システムの回路（図６（ａ））のシミュレーションにおいて、２段で電源電圧を変更する場合の初期電源電圧の設定および電源電圧を変更する時刻、タイミングの設定例である。
(Specific example of power supply voltage setting)
FIG. 6 shows the setting of the initial power supply voltage and the change of the power supply voltage when the power supply voltage is changed in two stages in the simulation of the circuit (FIG. 6A) of the DC power supply system similar to FIG. It is a setting example of time and timing.
図６（ｂ）（図４のＳＴＥＰ２−１〜３相当）では、まず電源を本来の電圧に設定し、初期電圧変動の振幅および持続時間をシミュレーションにより計測する。 In FIG. 6B (equivalent to STEPs 2-1 to 3 in FIG. 4), the power supply is first set to the original voltage, and the amplitude and duration of the initial voltage fluctuation are measured by simulation.
この場合は、所定時間内で初期電圧振動は収束しているので、ｍ＝１として導出された初期電圧変動の振幅および持続時間（図４のＳＴＥＰ２−８相当）が多段電圧電源の設定に用いられる。 In this case, since the initial voltage oscillation has converged within a predetermined time, the amplitude and duration (equivalent to STEP 2-8 in FIG. 4) of the initial voltage fluctuation derived as m = 1 are used for setting the multistage voltage power source. It is done.
図６（ｃ）（図４のＳＴＥＰ２−９〜１０相当）では、電圧に関しては、計測点の初期電圧変動の振幅の下限値（一点鎖線）を本来の電圧（点線）より上になる様に初期電源電圧を設定する。 In FIG. 6C (corresponding to STEPs 2-9 to 10 in FIG. 4), regarding the voltage, the lower limit value of the initial voltage fluctuation at the measurement point (the one-dot chain line) is set higher than the original voltage (dotted line). Set the initial power supply voltage.
時刻に関しては、0秒から電圧を下げ始める時刻までの時間T1は、0秒から初期電圧変動の振幅が初期の電圧の1%以下になった時刻までの時間（持続時間）を例えば10倍した時間とする。 Regarding the time, the time T1 from 0 seconds to the time when the voltage starts to decrease is 10 times the time (duration) from 0 seconds to the time when the amplitude of the initial voltage fluctuation becomes 1% or less of the initial voltage, for example. Time.
また、電圧を下げ始めてから本来の電圧に到達するまでの時間T2は、T1と同等の時間とする。 In addition, the time T2 from when the voltage starts to decrease to when the voltage reaches the original voltage is equal to T1.
このように設定された多段電圧電源を用いて個別の求めるパラメータ条件ごとに回路シミュレーションを行い（図３のＳＴＥＰ４）、最終的に、本来の電源電圧に達した後（例えば図６（ｃ）の時間０．１５ｍｓ以降）における、シミュレーションにより求められた計測点の波形の振動の有無により、求めるパラメータ条件における安定／不安定の判別（図３のＳＴＥＰ５）がなされる。 A circuit simulation is performed for each individual parameter condition to be obtained using the multistage voltage power supply set in this way (STEP 4 in FIG. 3), and after finally reaching the original power supply voltage (for example, as shown in FIG. 6C). Based on the presence / absence of the vibration of the waveform at the measurement point obtained by simulation at a time of 0.15 ms or later), a determination is made as to whether the parameter is stable or unstable (STEP 5 in FIG. 3).
（具体例の条件）
以下にシミュレーションに用いた具体的な条件を示す。
・パワーエレクトロニクス回路シミュレータ
・回路：図１（b）に示す．
・時間分解能：1us
・定電力負荷容量P：1100W
・入力電圧E：48VのDC voltage sourceまたは電圧が段階的に変化する多段電圧電源
・配線抵抗R1：10mΩ
・コンデンサの寄生直列抵抗（ESR）：10mΩ
・コンデンサ容量C：100uF
・コンデンサの初期電圧：48V
・定電力負荷の電流制限値：0.1A-60A
(Conditional conditions)
Specific conditions used for the simulation are shown below.
• Power electronics circuit simulator / circuit: Shown in Fig. 1 (b).
・ Time resolution: 1us
・ Constant power load capacity P: 1100W
・ Input voltage E: 48V DC voltage source or multi-stage voltage power supply whose voltage changes stepwise ・ Wiring resistance R1: 10mΩ
-Capacitor parasitic series resistance (ESR): 10mΩ
・ Capacitor capacity C: 100uF
・ Capacitor initial voltage: 48V
・ Current limit value of constant power load: 0.1A-60A
（シミュレーション結果）
本発明のシミュレーションによる安定性判定の結果を図７に示す。
(simulation result)
The result of the stability determination by the simulation of the present invention is shown in FIG.
図７から分かるように、本発明を使用した場合は、シミュレーション値による境界線が実際の値（解析解）とほぼ重なることがわかる。 As can be seen from FIG. 7, when the present invention is used, it can be seen that the boundary line based on the simulation value substantially overlaps the actual value (analysis solution).
課題１〜３の結果は次の通りである．初期電圧変動の影響が無い場合は、
１.インダクタンスLのシミュレーション値は実際の値と比較しておよそ0.03%の差に収まる。
２.コンデンサCのシミュレーション値は実際の値と比較しておよそ0.06%の差に収まる。
３.シミュレーションの初期値を変更してもシミュレーション値に影響は出ない。
The results of assignments 1-3 are as follows. If there is no effect of initial voltage fluctuation,
1. The simulation value of the inductance L falls within a difference of about 0.03% compared to the actual value.
2. The simulation value of capacitor C falls within a difference of about 0.06% compared to the actual value.
3. Changing the initial value of the simulation does not affect the simulation value.
以上のように本発明の直流給電系のシミュレーション方法によれば、本来の電源電圧より高い初期電源電圧から初期電圧変動が収束する時間よりも長い時間をかけて漸近的に本来の電源電圧に近づけていくため、初期電圧変動の影響を排除することができ、システムが安定か不安定かの判定を正確に行うことができる。 As described above, according to the DC power feeding system simulation method of the present invention, asymptotically approaches the original power supply voltage over a longer time than the initial voltage fluctuation converges from the initial power supply voltage higher than the original power supply voltage. Therefore, it is possible to eliminate the influence of the initial voltage fluctuation, and to accurately determine whether the system is stable or unstable.
正確なシミュレーションを行うことで、シミュレーションの手間を増やすことなく、直流給電系の発振対策（発振を抑制するためには、マージンを考慮して抵抗やコンデンサを余分に搭載する必要がある）にかかる余分な費用とスペースを削減することが可能となる。 By performing accurate simulations, it is necessary to mount DC power supply oscillation countermeasures (in order to suppress oscillation, it is necessary to install extra resistors and capacitors in consideration of margins) without increasing the simulation effort. Extra costs and space can be reduced.
１００：直流給電系システム
１０１：電源
１０２：負荷装置
１０３：配線
４００：初期状態安定化装置
４０１：電源パラメータ入力装置
４０２：回路パラメータ入力装置
４０３：シミュレーション実行部
４０４：電源パラメータ決定部
４０５：出力装置
100: DC power supply system 101: Power supply 102: Load device
103: wiring 400: initial state stabilization device 401: power parameter input device 402: circuit parameter input device 403: simulation execution unit 404: power parameter determination unit 405: output device
Claims (6)
電源を段階的に電圧変化することができる多段電圧電源として設定するステップと、
初期電圧として本来の電源電圧より高い初期電源電圧を設定してシミュレーションを開始するステップと、
初期電圧変動の振れ幅が一定の値より小さくなった後に電源電圧を本来の電圧値に下げて求めた波形の最終的な振動の有無から安定性の判定を行うステップを有することを特徴とする、
直流給電系のシミュレーションによる安定性判別方法。 In a stability determination method by simulation of a DC power supply system composed of a power supply, a load device and wiring connecting them,
Setting the power supply as a multi-stage voltage power supply capable of changing the voltage stepwise;
Setting an initial power supply voltage higher than the original power supply voltage as an initial voltage and starting a simulation;
A step of determining stability based on the presence or absence of a final vibration of a waveform obtained by lowering the power supply voltage to the original voltage value after the fluctuation width of the initial voltage fluctuation becomes smaller than a certain value. ,
Stability discrimination method by simulation of DC power supply system.
前記電源を段階的に電圧変化することができる多段電圧電源として設定するステップは、
本来の電源電圧の初期値でシミュレーションを実行し、初期電圧変動が収束しない場合は初期電源電圧を増加しながらシミュレーションを反復実行するステップと、
初期電圧変動が収束した場合は初期電圧変動の振幅と持続時間の条件を導出するステップと、
前記導出した条件より初期電源電圧の高さと電源電圧を変更する段数、および電圧変更のタイミング周期を決定し多段電圧電源を設定するステップ
からなることを特徴とする安定性判別方法。 The stability determination method according to claim 1,
The step of setting the power supply as a multi-stage voltage power supply capable of changing the voltage stepwise,
A simulation is executed with an initial value of the original power supply voltage, and when the initial voltage fluctuation does not converge, a step of repeatedly executing the simulation while increasing the initial power supply voltage,
Deriving initial voltage fluctuation amplitude and duration conditions when the initial voltage fluctuation converges;
A stability determination method comprising the steps of: setting a multi-stage voltage power supply by determining the height of the initial power supply voltage, the number of stages for changing the power supply voltage, and the voltage change timing cycle based on the derived conditions.
前記導出した条件より初期電源電圧の高さと電源電圧を変更する段数、および電圧変更のタイミング周期を決定し多段電圧電源を設定するステップは、
初期電源電圧に初期電圧変動を加えた場合の振幅の下限値が本来の電源電圧よりも上になるように初期電源電圧の高さを決定し、
前記決定した初期電源電圧と本来の電源電圧に応じて電源電圧を変更する段数を決定し、
初期電圧変動の持続時間に基づき電圧変更のタイミングを決定する
ことを特徴とする安定性判別方法。 The stability determination method according to claim 2,
The step of determining the height of the initial power supply voltage and the number of stages for changing the power supply voltage from the derived conditions and the timing period for changing the voltage and setting the multistage voltage power supply,
Determine the height of the initial power supply voltage so that the lower limit of the amplitude when the initial voltage fluctuation is added to the initial power supply voltage is higher than the original power supply voltage,
Determine the number of stages to change the power supply voltage according to the determined initial power supply voltage and the original power supply voltage,
A stability determination method characterized by determining a voltage change timing based on a duration of an initial voltage fluctuation.
電源を段階的に電圧変化することができる多段電圧電源として設定する初期状態安定化手段と、
初期電圧として本来の電源電圧より高い初期電源電圧を設定してシミュレーションを開始する手段と、
初期電圧変動の振れ幅が一定の値より小さくなった後に電源電圧を本来の電圧値に下げて求めた波形の最終的な振動の有無から安定性の判定を行う手段を有することを特徴とする、
直流給電系のシミュレーションによる安定性判別装置。 A stability determination device that performs stability determination by simulation of a DC power supply system composed of a power supply, a load device, and wiring connecting them,
Initial state stabilization means for setting the power supply as a multi-stage voltage power supply capable of changing the voltage stepwise;
Means for setting the initial power supply voltage higher than the original power supply voltage as the initial voltage and starting the simulation;
It is characterized by having means for determining stability from the presence or absence of final vibration of the waveform obtained by lowering the power supply voltage to the original voltage value after the fluctuation width of the initial voltage fluctuation becomes smaller than a certain value. ,
Stability discrimination device by simulation of DC power supply system.
前記初期状態安定化手段は、
本来の電源電圧の初期値でシミュレーションを実行し、初期電圧変動が収束しない場合は初期電源電圧を増加しながらシミュレーションを反復実行する手段と、
初期電圧変動が収束した場合は初期電圧変動の振幅と持続時間の条件を導出する手段と、
前記導出した条件より初期電源電圧の高さと電源電圧を変更する段数、および電圧変更のタイミング周期を決定し多段電圧電源を設定する手段
からなることを特徴とする安定性判別装置。 The stability determination apparatus according to claim 4,
The initial state stabilization means includes
A simulation is executed with the initial value of the original power supply voltage, and when the initial voltage fluctuation does not converge, means for repeatedly executing the simulation while increasing the initial power supply voltage;
Means for deriving the conditions of amplitude and duration of the initial voltage fluctuation when the initial voltage fluctuation converges;
A stability determining apparatus comprising: means for setting a multi-stage voltage power supply by determining the height of the initial power supply voltage, the number of stages for changing the power supply voltage, and the voltage change timing cycle based on the derived conditions.
前記導出した条件より初期電源電圧の高さと電源電圧を変更する段数、および電圧変更のタイミング周期を決定し多段電圧電源を設定する手段は、
初期電源電圧に初期電圧変動を加えた場合の振幅の下限値が本来の電源電圧よりも上になるように初期電源電圧の高さを決定し、
前記決定した初期電源電圧と本来の電源電圧に応じて電源電圧を変更する段数を決定し、
初期電圧変動の持続時間に基づき電圧変更のタイミング周期を決定する
ことを特徴とする安定性判別装置。 In the stability discrimination device according to claim 5,
The means for determining the height of the initial power supply voltage and the number of stages for changing the power supply voltage from the derived condition and the timing period for changing the voltage to set the multistage voltage power supply,
Determine the height of the initial power supply voltage so that the lower limit of the amplitude when the initial voltage fluctuation is added to the initial power supply voltage is higher than the original power supply voltage,
Determine the number of stages to change the power supply voltage according to the determined initial power supply voltage and the original power supply voltage,
A stability discrimination device characterized by determining a voltage change timing cycle based on a duration of an initial voltage fluctuation.
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| JP2007336622A (en) * | 2006-06-12 | 2007-12-27 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | Operation control method, power conversion system and power converter |
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