JP2017229166A

JP2017229166A - 交流電源システム

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Publication number: JP2017229166A
Application number: JP2016124120A
Authority: JP
Inventors: 竜治宮川; Ryuji Miyagawa
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2016-06-23
Filing date: 2016-06-23
Publication date: 2017-12-28
Anticipated expiration: 2036-06-23
Also published as: JP6647154B2

Abstract

【課題】システムの大型化および過渡応答特性の低下を招くことなく、ＤＣ／ＡＣインバータ間の横流を抑制することが可能な交流電源システムを提供する。【解決手段】負荷３００に交流電圧を供給する交流電源システム１００であって、並列接続されたＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃと、インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃと、上位制御装置４とを備え、上位制御装置４は、交流電圧の電圧値と第１指令値との差分をゼロに近付けるための電圧フィードバック制御を行い、インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃは、電圧フィードバック制御の結果に基づいて算出した交流電圧の第２指令値と、仮想インピーダンスに基づいて算出した電圧降下と、に基づいて交流電圧の第３指令値を算出する仮想インピーダンス制御を行うことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源システムに関し、特に、並列接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータからなる交流電源システムに関する。

図４に示すように、従来の交流電源システム１００’は、並列接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃと、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃに直流電圧を供給する直流電圧源２Ａ〜２Ｃと、複数のＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃを１対１で制御する複数のインバータ制御装置３Ａ’〜３Ｃ’と、リレー５とを備える。

交流電源システム１００’は、三相交流電源（例えば、系統）２００から負荷３００への電圧供給が停止した場合に、リレー５を開状態にした上で、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃから負荷３００へ三相交流電圧を供給する非常用電源システムである。

インバータ制御装置３Ａ’〜３Ｃ’は、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃの電圧フィードバック制御を行う。具体的には、インバータ制御装置３Ａ’は、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力電圧を検出する第１電圧センサを備え、第１電圧センサで検出した電圧値が負荷３００に供給する三相交流電圧の指令値に一致するように、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａを制御する。インバータ制御装置３Ｂ’は、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂの出力電圧を検出する第２電圧センサを備え、第２電圧センサで検出した電圧値が上記指令値に一致するように、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂを制御する。また、インバータ制御装置３Ｃ’は、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｃの出力電圧を検出する第３電圧センサを備え、第３電圧センサで検出した電圧値が上記指令値に一致するように、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｃを制御する。

ところで、交流電源システム１００’では、第１〜第３電圧センサが同じ電圧値の出力電圧を検出しても、検出誤差により、第１〜第３電圧センサの検出値にばらつきが生じる場合がある。この場合、交流電源システム１００’では、インバータ制御装置３Ａ’〜３Ｃ’の電圧フィードバック制御が発散してしまい、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃ間で横流が発生・拡大してしまう。例えば、インバータ制御装置３Ａ’がＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力電圧を減少させようする一方で、インバータ制御装置３Ｂ’がＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂの出力電圧を増加させようとした場合、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂの出力電流がＤＣ／ＡＣインバータ１Ａに流れてしまうという問題（横流の問題）が生じる。

この横流の問題を解消するために、下記の（１）〜（３）の方法が存在する。
（１）インバータ制御装置３Ａ’〜３Ｃ’が出力電圧の位相同期信号を共有するとともに、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃの出力側にそれぞれリアクトルを介装させる方法（例えば、特許文献１参照）。
（２）上位制御装置を設け、上位制御装置に、直流電圧源２Ａ〜２Ｃの各電圧値に関する情報および負荷３００に供給されている三相交流電圧の電圧値に関する情報を入力し、上位制御装置がインバータ制御装置３Ａ’〜３Ｃ’を緻密に制御する方法。
（３）一のインバータ制御装置（例えば、インバータ制御装置３Ａ’）が電圧フィードバック制御を行い、他のインバータ制御装置（例えば、インバータ制御装置３Ｂ’，３Ｃ’）が電流フィードバック制御を行う、いわゆるマスタースレーブ制御を行う方法。

これらの方法によれば、横流の問題を解消することができる反面、別の問題が生じる。例えば、上記（１）の方法では、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃと同数のリアクトルが必要になるので、交流電源システム１００’が大型化してしまうという問題が生じる。

上記（２）の方法では、上位制御装置に多数の情報を入力する必要があるので、上位制御装置に情報を入力するための多数のハーネスが必要になり、しかも、ハーネスの数はインバータ制御装置３Ａ’〜３Ｃ’の数に比例して増加するので、交流電源システム１００’が大型化してしまうという問題が生じる。

上記（３）の方法では、マスターとなるインバータ制御装置３Ａ’が、負荷３００に供給される三相交流電流の電流値に基づいて電流指令値を生成して、上記電流指令値をスレーブとなるインバータ制御装置３Ｂ’，３Ｃ’に出力し、インバータ制御装置３Ｂ’，３Ｃ’が、上記電流指令値に基づいて電流フィードバック制御を行うので、制御が一歩遅れ、過渡応答特性が低下してしまうという問題が生じる。

特開２００７−１０４８２２号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、システムの大型化および過渡応答特性の低下を招くことなく、ＤＣ／ＡＣインバータ間の横流を抑制することが可能な交流電源システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る交流電源システムは、
負荷に交流電圧を供給する交流電源システムであって、
並列接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータと、
前記複数のＤＣ／ＡＣインバータを１対１で制御する複数のインバータ制御装置と、
前記複数のインバータ制御装置を制御する上位制御装置と、を備え、
前記上位制御装置は、
前記交流電圧の電圧値と前記複数のＤＣ／ＡＣインバータの出力目標電圧である第１指令値との差分をゼロに近付けるための電圧フィードバック制御を行い、
前記インバータ制御装置は、
前記電圧フィードバック制御の結果に基づいて算出した前記交流電圧の第２指令値と、予め設定された仮想インピーダンスに基づいて算出した前記仮想インピーダンスによる電圧降下と、に基づいて前記交流電圧の第３指令値を算出する仮想インピーダンス制御を行い、
前記ＤＣ／ＡＣインバータは、
前記第３指令値に応じた出力電圧を出力する
ことを特徴とする。

この構成によれば、仮想インピーダンスによる電圧降下を算出するので、ＤＣ／ＡＣインバータの出力側に仮想インピーダンスを生じさせることがき、その結果、システムの大型化を招くことなく（ＤＣ／ＡＣインバータの出力側にリアクトル等のインピーダンス要素を介装させることなく）、ＤＣ／ＡＣインバータ間の横流を抑制することが可能になる。また、この構成によれば、上位制御装置に入力する情報が交流電圧に関する情報だけになるので、ハーネスの増加を抑制することができる。さらに、この構成によれば、上位制御装置で統合的な制御（電圧フィードバック制御）を行い、下位の各インバータ制御装置で負荷の急峻な変化に対応する制御（仮想インピーダンス制御）を行うので、過渡応答特性の低下を抑制することができる。

上記交流電源システムにおいて、
前記上位制御装置は、
前記交流電圧の電圧値と前記第１指令値との差分を算出する第１演算部と、
前記差分をゼロに近付けるための前記交流電圧の振幅指令値および位相指令値を算出し、前記振幅指令値および前記位相指令値を前記複数のインバータ制御装置に出力する電圧フィードバック制御部と、を備え、
前記インバータ制御装置は、
前記振幅指令値および前記位相指令値に応じた前記第２指令値を算出する第２演算部と、
予め設定された仮想リアクタンスまたは予め設定された仮想抵抗の少なくとも一方を含む前記仮想インピーダンスと、前記ＤＣ／ＡＣインバータの出力電流の電流値とに基づいて、前記仮想インピーダンスによる電圧降下を算出する電圧降下算出部と、
前記第２指令値から前記仮想インピーダンスによる電圧降下を減算した第３指令値を出力する第３演算部と、を備える
ことが好ましい。

上記交流電源システムにおいて、
前記電圧降下算出部は、
前記仮想リアクタンスによる電圧降下と前記仮想抵抗による電圧降下とを加算したものを、前記仮想インピーダンスによる電圧降下として算出する
ように構成することができる。

上記交流電源システムにおいて、
前記電圧降下算出部は、
前記出力電流の電流値が予め設定された閾値を超えた場合に、超えた分に比例して前記仮想インピーダンスを増加させる
ように構成することができる。

上記交流電源システムにおいて、
前記電圧フィードバック制御部は、
ｄｑ変換を行うことにより、前記振幅指令値としてｄ軸およびｑ軸の指令値を算出するとともに、前記位相指令値として位相角の指令値を算出し、
前記第２演算部は、
前記ｄ軸およびｑ軸の指令値と前記位相角の指令値とに基づいて、前記第２指令値を算出する
ように構成することができる。

本発明によれば、システムの大型化および過渡応答特性の低下を招くことなく、ＤＣ／ＡＣインバータ間の横流を抑制することが可能な交流電源システムを提供することができる。

本発明に係る交流電源システムの構成を示す図である。本発明の上位制御装置の構成を示す図である。本発明のインバータ制御装置の構成を示す図である。従来の交流電源システムの構成を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る交流電源システムの実施形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る交流電源システム１００を示す。交流電源システム１００は、三相交流電源（例えば、系統）２００から負荷（例えば、家庭内負荷）３００への電圧供給が停止した場合に、複数（本実施形態では、３台）のＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃから負荷３００へ、三相交流電圧を供給する非常用電源システムである。

交流電源システム１００は、並列接続された３台のＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃと、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃに直流電圧を供給する直流電圧源２Ａ〜２Ｃと、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃを１対１で制御する複数（本実施形態では、３台）のインバータ制御装置３Ａ〜３Ｃと、インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃを制御する１台の上位制御装置４と、開閉手段５とを備える。

開閉手段５は、三相交流電源２００と負荷３００とを接続する電圧ラインＬ１に介装されており、三相交流電源２００から負荷３００への電圧供給が可能な場合に閉状態となり、三相交流電源２００から負荷３００への電圧供給が不能な場合（例えば、停電の場合）に開状態となる。開閉手段５としては、例えば、リレーを用いることができる。

ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａは、電圧ラインＬ１の点Ｘ０から分岐した電圧ラインＬ２の点Ｘ１に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂは、電圧ラインＬ２の点Ｘ２に接続されている。ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｃは、電圧ラインＬ２の点Ｘ３に接続されている。

ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃは、開閉手段５が開状態の場合に、インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃの制御下で、直流電圧源２Ａ〜２Ｃから入力された直流電圧に基づいて三相交流電圧を生成し、生成した三相交流電圧を負荷３００に供給する。すなわち、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃは、インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃの制御下でＤＣ／ＡＣ変換動作を行う。直流電圧源２Ａ〜２Ｃとしては、例えば、蓄電池を用いることができる。

上位制御装置４は、図２に示すように、第１演算部４１と、電圧フィードバック制御部４２とを備える。第１演算部４１には、負荷３００に供給される三相交流電圧の各相の電圧値（実測値および第１指令値）に関する情報のみが入力される。この点、多数の情報が入力される従来の交流電源システム（従来の（２）の方法を採用した交流電源システム１００’）と大きく異なり、本実施形態ではハーネスの増加を抑制することができる。

三相交流電圧の実測値は、例えば、電圧ラインＬ１の点Ｘ０と負荷３００との間に設けられた電圧センサから、所定の周期で取得することができる。第１指令値は、負荷３００に供給される三相交流電圧の指令値であり、複数のＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃの出力目標電圧である。第１指令値は、予め設定しておくことができ、負荷３００の状態に応じて変更することもできる。第１演算部４１は、第１指令値と実測値との差分を算出し、当該差分に関する信号を電圧フィードバック制御部４２に出力する。

電圧フィードバック制御部４２は、第１演算部４１から入力された差分に関する信号に基づいて、当該差分をゼロに近付けるための三相交流電圧の指令値（振幅指令値および位相指令値）を算出する。具体的には、電圧フィードバック制御部４２は、第１演算部４１から入力された差分に関する信号に基づいて、ｄｑ変換（三相／ｄｑ変換）を行い、振幅指令値としてｄ軸およびｑ軸の指令値を算出するとともに、位相指令値として位相角θの指令値を算出する。電圧フィードバック制御部４２は、ｄ軸およびｑ軸の指令値と位相角θの指令値とを、インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃに共通の指令値（振幅指令値および位相指令値）として出力する。

インバータ制御装置３Ａは、図３に示すように、第２演算部３１と、電圧降下算出部３２と、第３演算部３３とを備える。同様に、インバータ制御装置３Ｂ，３Ｃも、第２演算部３１と、電圧降下算出部３２と、第３演算部３３とを備える。インバータ制御装置３Ｂ，３Ｃの動作は、インバータ制御装置３Ａと同様であるため、以下では、インバータ制御装置３Ａについてのみ説明する。

第２演算部３１は、振幅指令値および位相指令値に基づいて、三相交流電圧の第２指令値を算出する。具体的には、第２演算部３１は、ｄ軸、ｑ軸および位相角θの指令値に基づいて逆ｄｑ変換（ｄｑ／三相変換）を行い、第２指令値に相当する正弦波関数を算出する。例えば、ｄ軸および位相角θの指令値に所定の正弦波関数を乗算したものと、ｑ軸および位相角θの指令値に所定の正弦波関数を乗算したものとを加算して、三相交流電圧の各相の第２指令値を算出する。第２指令値は、上記実測値を第１指令値に近付けるための三相交流電圧の指令値である。

電圧降下算出部３２は、予め設定された仮想インピーダンスと、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力電流の電流値とに基づいて、仮想インピーダンスによる電圧降下を算出する。本実施形態では、仮想インピーダンスは、仮想リアクタンスＫ１および仮想抵抗Ｋ２である。また、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力電流の電流値は、例えば、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力端に設けられた電流センサから、所定の周期で取得することができる。

具体的には、電圧降下算出部３２は、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力電流の一の相の電流値を微分し、それに仮想リアクタンスＫ１を乗算することで、仮想リアクタンスＫ１による電圧降下を算出するとともに、上記電流値に仮想抵抗Ｋ２を乗算することで、仮想抵抗Ｋ２による電圧降下を算出する。そして、電圧降下算出部３２は、仮想リアクタンスＫ１による電圧降下と仮想抵抗Ｋ２による電圧降下とを加算して仮想インピーダンスによる電圧降下を求め、当該電圧降下の値を第３演算部３３に出力する。また、電圧降下算出部３２は、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力電流の残りの相についても、同様の演算を行い、仮想インピーダンスによる電圧降下を算出する。

第３演算部３３は、第２指令値から仮想インピーダンスによる電圧降下を減算したものを、第３指令値としてＤＣ／ＡＣインバータ１Ａに出力する。ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａは、第３指令値に応じた三相交流電圧を出力する。

結局、インバータ制御装置３Ａによれば、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力側に仮想インピーダンス（仮想リアクタンスＫ１および仮想抵抗Ｋ２）を生じさせることができ、あたかもＤＣ／ＡＣインバータ１Ａの出力側に実在のリアクトルおよび抵抗を配置したのと同様な効果を得ることができる。同様に、インバータ制御装置３Ｂ，３Ｃによれば、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂ，１Ｃの出力側に仮想インピーダンス（仮想リアクタンスＫ１および仮想抵抗Ｋ２）を生じさせることができ、あたかもＤＣ／ＡＣインバータ１Ｂ，１Ｃの出力側に実在のリアクトルおよび抵抗を配置したのと同様な効果を得ることができる。

これにより、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃは、出力側にリアクトルおよび抵抗が設けられている場合と同様に、三相交流電圧を出力することができる。その結果、本実施形態では、システムの大型化を招くことなく（ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃの出力側にリアクトル等のインピーダンス要素を介装させることなく）、ＤＣ／ＡＣインバータ１Ａ〜１Ｃ間の横流を抑制することが可能になる。

また、本実施形態では、上位制御装置４が統合的な制御（電圧フィードバック制御）を行い、下位の各インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃがフィードフォワード的な個別の制御（仮想インピーダンス制御）を行うので、負荷３００の急峻な変化にも対応することができる。言い換えれば、本実施形態では、上位制御装置４とインバータ制御装置３Ａ〜３Ｃによって２段階のカスケード制御が行われるので、過渡応答特性の低下を抑制することができる。

以上、本発明に係る交流電源システムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

例えば、上位制御装置４は、三相交流電圧の電圧値と第１指令値との差分をゼロに近付けるための電圧フィードバック制御を行い、当該電圧フィードバック制御の結果を下位の各インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃに出力するのであれば、その構成を適宜変更することができる。

インバータ制御装置３Ａ〜３Ｃは、電圧フィードバック制御の結果に基づいて算出した三相交流電圧の第２指令値と、仮想インピーダンスに基づいて算出した電圧降下と、に基づいて三相交流電圧の第３指令値を算出する制御（仮想インピーダンス制御）を行うのであれば、その構成を適宜変更することができる。

本発明の仮想インピーダンスは、仮想リアクタンスＫ１または仮想抵抗Ｋ２の少なくとも一方を含んでいればよい。また、仮想インピーダンスが仮想抵抗Ｋ２を含む場合、電圧降下算出部３２は、出力電流の電流値が予め設定された閾値を超えた際に、閾値を超えた分に比例して仮想抵抗Ｋ２の値を増加させてもよい。

ＤＣ／ＡＣインバータの数は、２台でもよいし、４台以上でもよい。また、本発明の交流電源システムは、並列接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータと、複数のＤＣ／ＡＣインバータを１対１で制御する複数のインバータ制御装置と、複数のインバータ制御装置を制御する上位制御装置とを備え、負荷に交流電圧を供給することが可能な任意の交流電源システムを含む。

上記実施形態では、三相交流電圧を負荷に供給する場合について説明しているが、これに限定されず、単相交流電圧を負荷に供給する場合にも本発明を適用することができる。

１Ａ〜１ＣＤＣ／ＡＣインバータ
２Ａ〜２Ｃ直流電圧源
３Ａ〜３Ｃインバータ制御装置
４上位制御装置
５開閉手段
３１第２演算部
３２電圧降下算出部
３３第３演算部
４１第１演算部
４２電圧フィードバック制御部
１００交流電源システム

Claims

負荷に交流電圧を供給する交流電源システムであって、
並列接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータと、
前記複数のＤＣ／ＡＣインバータを１対１で制御する複数のインバータ制御装置と、
前記複数のインバータ制御装置を制御する上位制御装置と、を備え、
前記上位制御装置は、
前記交流電圧の電圧値と前記複数のＤＣ／ＡＣインバータの出力目標電圧である第１指令値との差分をゼロに近付けるための電圧フィードバック制御を行い、
前記インバータ制御装置は、
前記電圧フィードバック制御の結果に基づいて算出した前記交流電圧の第２指令値と、予め設定された仮想インピーダンスに基づいて算出した前記仮想インピーダンスによる電圧降下と、に基づいて前記交流電圧の第３指令値を算出する仮想インピーダンス制御を行い、
前記ＤＣ／ＡＣインバータは、
前記第３指令値に応じた出力電圧を出力する
ことを特徴とする交流電源システム。
前記上位制御装置は、
前記交流電圧の電圧値と前記第１指令値との差分を算出する第１演算部と、
前記差分をゼロに近付けるための前記交流電圧の振幅指令値および位相指令値を算出し、前記振幅指令値および前記位相指令値を前記複数のインバータ制御装置に出力する電圧フィードバック制御部と、を備え、
前記インバータ制御装置は、
前記振幅指令値および前記位相指令値に応じた前記第２指令値を算出する第２演算部と、
予め設定された仮想リアクタンスまたは予め設定された仮想抵抗の少なくとも一方を含む前記仮想インピーダンスと、前記ＤＣ／ＡＣインバータの出力電流の電流値とに基づいて、前記仮想インピーダンスによる電圧降下を算出する電圧降下算出部と、
前記第２指令値から前記仮想インピーダンスによる電圧降下を減算した第３指令値を出力する第３演算部と、を備える
ことを特徴とする請求項１に記載の交流電源システム。
前記電圧降下算出部は、
前記仮想リアクタンスによる電圧降下と前記仮想抵抗による電圧降下とを加算したものを、前記仮想インピーダンスによる電圧降下として算出する
ことを特徴とする請求項２に記載の交流電源システム。
前記電圧降下算出部は、
前記出力電流の電流値が予め設定された閾値を超えた場合に、超えた分に比例して前記仮想インピーダンスを増加させる
ことを特徴とする請求項３に記載の交流電源システム。
前記電圧フィードバック制御部は、
ｄｑ変換を行うことにより、前記振幅指令値としてｄ軸およびｑ軸の指令値を算出するとともに、前記位相指令値として位相角の指令値を算出し、
前記第２演算部は、
前記ｄ軸およびｑ軸の指令値と前記位相角の指令値とに基づいて、前記第２指令値を算出する
ことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の交流電源システム。