JP3543068B2

JP3543068B2 - 分散制御型電源システム

Info

Publication number: JP3543068B2
Application number: JP14996499A
Authority: JP
Inventors: 有功岡田; 清滝川; 治人谷口
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 1999-05-28
Publication date: 2004-07-14
Anticipated expiration: 2019-05-28
Also published as: JP2000341958A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願発明は、離島用電源や災害地電源などに利用できる電源システムに関するものである。さらに詳述すると、本発明は、電圧制御型インバータ装置及び電流制御型インバータ装置が混在して負荷に電力を供給する電源システムの改良に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
離島用電源や災害地用電源などに好適な電源システムとしては、従来、独立電源システムが提供されている。
【０００３】
この独立電源システムは、１台の電圧制御型インバータを主とし、これに複数台の電流制御型インバータを従属させる主従制御方式により、負荷に電力を供給するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
この独立電源システムにあっては、電圧制御型インバータは、電圧及び周波数の維持を行うとともに無効電力を供給する必要があり、また、電流制御型インバータは、効率的な運転状態を維持するため、発電電力の最大値で運転されるようにする必要がある。このため、各インバータによる電力分担に対する一定の条件の範囲内のときには、安定して負荷に電力を供給できるものの、その条件外になると需給が不均衡になって負荷に電力を供給できなくなってしまう。
【０００５】
したがって、上述した従来の独立電源システムでは、主従制御方式であることと、効率的な運転を行なわせるために特定の運転条件で運転しなければならないため、電源システムの柔軟性及び拡張性に制約がある。
【０００６】
加えて、従来の独立電源システムでは、上述したとおり特定の運転条件で運転しなければならことから、用途に応じた設計が必要となり、安価なシステム構築が困難である。
【０００７】
本発明は、電源システムの柔軟性及び拡張性の制約を取り除き、システム設計の簡素化により安価な分散制御型電源システムを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の発明は、電圧指令によって交流を出力する電圧型インバータ及び当該電圧型インバータに電圧指令を与えて駆動制御するインバータ制御手段からなる電圧制御型インバータ装置と、電流指令によって交流を出力する電流型インバータ及び当該電流型インバータに電流指令を与えて駆動制御するインバータ制御手段からなる電流制御型インバータ装置とが混在し、これらインバータ装置によって負荷に電力を供給する電源システムにおいて、電圧制御型インバータ装置のインバータ制御手段は、電圧型インバータから出力される出力電圧及び出力電流から出力電力を求める有効電力演算手段と、有効電力演算手段からの出力電力が増加するに伴って出力周波数を低下させる分散制御特性により出力周波数指令を得る分散制御手段と、分散制御手段から出力された周波数指令から角周波数に変換する周波数角周波数変換手段と、周波数角周波数変換手段からの角周波数から出力位相を得る出力位相演算手段と、出力位相演算手段からの出力位相から電圧指令値を得る出力電圧演算手段とを備え、さらに分散制御手段は、電圧型インバータが出力する出力最大電力をＰｄ、出力最大電力Ｐｄのときの最低周波数ｆ L 、電圧型インバータが受け入れる入力最大電力をＰｃ、入力最大電力Ｐｃのときの最高周波数ｆ H 、入出力電力が零のときの周波数ｆ n 、有効電力演算手段で得た出力電力をＰ、周波数指令をｆとすると、次の数式２
【数２】
ｆ＝｛（ｆ L −ｆ H ）／（Ｐｄ−Ｐｃ）｝Ｐ＋ｆ n
からなる分散制御特性でもって周波数指令ｆを得るものとしている。
【０００９】
したがって、分散制御手段によって、出力電力が増加するに伴って出力周波数を低下させる分散制御特性により出力周波数指令が形成され、これを基に電圧指令値が出力電圧演算手段において形成されて、この電圧指令値で電圧型インバータが駆動制御されることになる。これにより、電圧制御型インバータ装置は出力電力の増加に伴って周波数を低下するような動作ができ、負荷の変動により電圧型インバータの出力電力が増加することにより周波数特性が低下し、電圧型インバータの出力電力を抑制する。
【００１０】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の分散制御型電源システムにおいて、複数の電圧制御型インバータ装置が存在するときに、各インバータ制御手段を、各電圧型インバータ装置の分担する電力が相補される状態の分散制御特性で制御するようにしている。
【００１１】
したがって、複数台の電圧型インバータ装置が同様な特性を有する場合、特定の電圧制御型インバータ装置の出力が増加することなく、負荷による出力変動は、各々の電圧型インバータ装置で分担されることになる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の構成を図面に示す最良の形態に基づいて詳細に説明する。
【００１８】
図１に本発明に係る分散制御型電源システムの一実施形態を、図２に同分散制御型電源システムに使用する分散制御特性を示す。
【００１９】
この分散制御型電源システム１は、分散制御を採用した電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂと、電流制御型インバータ３ａ，３ｂとからなり、これら電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂと電流制御型インバータ３ａ，３ｂとが並列接続されて負荷４に電力を供給するように構成されている。
【００２０】
電圧制御型インバータ装置２ａは、電圧指令によって交流を出力する電圧型インバータ２０ａと、電圧型インバータ２０ａに対して分散制御特性ＩＮＶ１（図２参照）で形成した電圧指令を与えて駆動制御するインバータ制御回路２１ａとからなる。
【００２１】
電圧型インバータ２０ａは、その出力端子にリアクトルＬａを備えている。
【００２２】
インバータ制御回路２１ａは、電圧型インバータ２０ａの出力電力の増加に応じて出力周波数を低下させる分散制御特性を備えており、電圧型インバータ２０ａから出力される実際の出力電力Ｐａと前述の分散制御特性から周波数指令ｆａを形成し、当該指令ｆａを基に電圧指令Ｖｒｅｆａを形成し、これを電圧型インバータ２０ａに与えて駆動制御するように構成されている。
【００２３】
さらに説明すると、インバータ制御回路２１ａは、電圧型インバータ２０ａから出力される出力電圧ｖａ及び出力電流ｉａから出力電力Ｐａを求める有効電力演算手段２２ａと、この有効電力演算手段２２ａからの出力電力Ｐａが増加するに伴って出力周波数を低下させる分散制御特性により出力周波数指令ｆａを得る分散制御手段２３ａと、この分散制御手段２３ａから出力された周波数指令ｆａから角周波数ωａに変換する周波数角周波数変換手段２４ａと、この周波数角周波数変換手段２４ａからの角周波数ωａから出力位相を得る出力位相演算手段２５ａと、この出力位相演算手段２５ａからの出力位相θａから電圧指令Ｖｒｅｆａを得る出力電圧演算手段２６ａとを具備している。
【００２４】
ここで、分散制御手段２３ａは、電圧制御型インバータ装置２ａが出力する出力最大電力をＰｄ、出力最大電力Ｐｄのときの最低周波数ｆＬ（周波数の下限）、電圧制御型インバータが受け入れる入力最大電力をＰｃ、入力最大電力Ｐｃのときの最高周波数ｆＨ（周波数の上限）、入力出力電力が零のときの周波数ｆｎ、有効電力演算手段で得た出力電力をＰａ、周波数指令をｆａとすると、次の数式３
【００２５】
【数３】
ｆａ＝｛（ｆＬ−ｆＨ）／（Ｐｄ−Ｐｃ）｝Ｐａ＋ｆｎ
からなる分散制御特性でもって周波数指令ｆａを得るものである。なお、電圧制御型インバータ装置２ａのインバータ制御回路２１ａにおける分散制御手段２３ａでは、Ｐｄ＝Ｐ１２，Ｐｃ＝Ｐ１１，ｆｎ＝ｆ１とすると、前述の数式３は下記の数式４のようになり、これを図で示せば図２の分散制御特性ＩＮＶ１となる。
【００２６】
【数４】
ｆ＝｛（ｆＬ−ｆＨ）／（Ｐ１２−Ｐ１１）｝Ｐ＋ｆ１
【００２７】
次に、電圧制御型インバータ装置２ｂの構成の説明をする。電圧制御型インバータ装置２ｂが上述した電圧制御型インバータ装置２ａと異なるところは、分散制御特性ＩＮＶ２（図２参照）だけであり、他の構成は全く同一である。したがって、各要素の符号ａを符号ｂに変更し、詳細な説明を省略する。
【００２８】
すなわち、電圧制御型インバータ装置２ｂは、電圧型インバータ２０ｂとインバータ制御回路２１ｂとからなる。電圧型インバータ２０ｂの出力端子にはリアクトルＬｂを備えている。また、インバータ制御回路２１ｂは、有効電力演算手段２２ｂと、分散制御手段２３ｂと、周波数角周波数変換手段２４ｂと、出力位相演算手段２５ｂと、出力電圧演算手段２６ｂとからなる。
【００２９】
ここで、電圧制御型インバータ装置２ｂのインバータ制御回路２１ｂにおける分散制御手段２３ｂは、次の数式５で与えられる。
【００３０】
【数５】
ｆ＝｛（ｆＬ−ｆＨ）／（Ｐ２２−Ｐ２１）｝Ｐ＋ｆ２
【００３１】
また、この数式５を図で示せば図２の分散制御特性ＩＮＶ２となる。
【００３２】
本実施の形態にかかる分散制御型電源システム１では、上述したように二つの電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂが存在するので、各インバータ制御回路２１ａ，２１ｂは、各電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの分担する電力が相補される状態の分散制御特性（ＩＮＶ１，ＩＮＶ２）で制御するものである。
【００３３】
すなわち、電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂは、数式４及び数式５で示す分散制御特性で制御されることにより、これら電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂは最終的に数式６で示す分散制御特性で負荷を分担する形になる。
【００３４】
【数６】

【００３５】
この数式６を図で示せば、図２の分散制御特性（ＩＮＶ１＋ＩＮＶ２）で制御されることになる。したがって、特定の電圧制御型インバータ装置の出力が増加することなく、負荷による出力変動は、各々の電圧型インバータ装置で分担されることになる。
【００３６】
このような分散制御型電源システムの動作を図１〜図３を参照して説明する。なお、図３に、同分散制御型電源システムの負荷変動に対する動作のタイムチャートを示し、（ａ）が周波数に関する特性を、（ｂ）が出力有効電力に関する特性をそれぞれ示す。また、電圧制御型インバータ装置２ａの動作と電圧制御型インバータ装置２ｂの動作は分散制御特性が異なるだけであるので、電圧制御型インバータ装置２ａの動作のみを説明する。
【００３７】
電圧型インバータ２０ａの出力電流ｉａと出力電圧ｖａを有効電力演算手段２２ａに取り込む。有効電力演算手段２２ａは、出力電流ｉａと出力電圧ｖａとから有効電力Ｐａを演算し、分散制御手段２３ａに与える。
【００３８】
分散制御手段２３ａは、与えられた有効電力Ｐａを、図２の分散制御特性ＩＮＶ１に基づき出力周波数ｆａを演算して周波数角周波数変換手段２４ａに与える。
【００３９】
この出力周波数ｆａは、周波数角周波数変換手段２４ａにより角周波数ωａに変換されて、出力位相演算手段２５ａに与えられる。角周波数ωａは、出力位相演算手段２５ａにより出力位相θａに変換される。さらに、出力電圧演算手段２６ａは、出力位相θａから電圧指令信号Ｖｒｅｆａを得る。この電圧指令信号Ｖｒｅｆａは、電圧型インバータ２０ａに供給されて電圧型インバータ２０ａを駆動制御する。
【００４０】
なお、電圧制御型インバータ装置２ｂも、分散制御特性が異なるだけで上述と同様の動作をするので、説明を省略する。
【００４１】
したがって、各電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂは、出力電力増加とともに出力周波数が低下する特性をもつ動作をし、これにより、負荷の変動による出圧の変換は、各電圧型インバータ２０ａ，２０ｂの出力周波数を変化させる。
【００４２】
ここで、電圧型インバータ２０ａ，２０ｂの出力端子には、リアクトルＬａ，Ｌｂを有するため、周波数が低下すると出力電力を抑制する。なお、周波数の増加は、出力電力を増加させる。
【００４３】
次に、有効電力の分担について詳細に説明する。
【００４４】
図２における特性ＩＮＶ１，特性ＩＮＶ２は、既に説明したが、数式４及び数式５により与えられる。また、電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂは、図１に示すように並列運転しているので、特性ＩＮＶ１と特性ＩＮＶ２による合成特性は、既に説明したように、前述の数式６により与えられる。
【００４５】
したがって、分散制御型電源システム１の周波数ｆは、数式６により、図２の特性（ＩＮＶ１＋ＩＮＶ２）の直線で示され、一意に定まる。ここで、電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの合成出力有効電力をゼロとすると、周波数はｆｏとなる。このときの電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂ出力有効電力の分担は、それぞれＰ２２とＰ１１となる。
【００４６】
ここで、電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂにかかる負荷が、図３（ｂ）に示すように、０．５秒おきに増加したとすると、各電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの周波数は、負荷の増加に従って低下することになる。このとき、各電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの出力有効電力は、図２の電圧制御型インバータの自立分散制御特性に従って分担されることになる。
【００４７】
なお、図３で使用した電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの自立分散制御特性における具体的な設定値は、Ｐ１１＝５０Ｗ、Ｐ１２＝１５０Ｗ、ｆ１＝５０．１Ｈｚ、Ｐ２１＝１５０Ｗ、Ｐ２２＝５０Ｗ、ｆ２＝４９．９Ｈｚ、ｆＨ＝５０．２Ｈｚ、ｆＬ＝４９．８Ｈｚであった。
【００４８】
この実施の形態によれば、負荷の変動による電力の変化は、各々の電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂに分散されるため、電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの追加を自由に行うことができ、電源システムの柔軟性及び拡張性の制約を取り除くことができる。
【００４９】
さらに、この実施の形態によれば、電圧制御型インバータ装置２ａ，２ｂの分担が容易であるため、システム設計が簡略されることになり安価な電源システムを得ることができる。
【００５０】
【発明の効果】
以上の説明より明らかなように、本発明によれば、分散制御手段によって、出力電力が増加するに伴って出力周波数を低下させる分散制御特性により出力周波数指令が形成され、これを基に電圧指令値が出力電圧演算手段において形成されて、この電圧指令値で電圧型インバータが駆動制御されることとなり、電圧制御型インバータ装置は出力電力の増加に伴って周波数を低下するような動作ができるので、負荷の変動による電力の変化が各々の電圧制御型インバータ装置に分散されるため、電圧制御型インバータ装置の追加を自由に行うことができ、柔軟性及び拡張性の高い電源システムを提供できるとともに、システム設計が簡略化し安価な電源システムとできる。
【００５１】
また、請求項２記載の発明によると、複数台の電圧型インバータ装置が同様な特性を有する場合、特定の電圧制御型インバータ装置の出力が増加することなく、負荷による出力変動は、各々の電圧型インバータ装置で分担されることになる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る分散制御型電源システムを示すブロック図である。
【図２】同分散制御型電源システムに使用する分散制御特性を示す特性図である。
【図３】同分散制御型電源システムの負荷変動に対する動作を説明するためのタイムチャートで、（ａ）は周波数に関する特性を、（ｂ）は出力有効電力に関する特性をそれぞれ示す。
【符号の説明】
１分散制御型電源システム
２ａ，２ｂ電圧制御型インバータ装置
２０ａ，２０ｂ電圧型インバータ
２１ａ，２１ｂインバータ制御回路
２２ａ，２２ｂ有効電力演算手段
２３ａ，２３ｂ分散制御手段
２４ａ，２４ｂ周波数角周波数変換手段
２５ａ，２５ｂ出力位相演算手段
２６ａ，２６ｂ出力電圧演算手段
Ｌａ，Ｌｂリアクトル

Claims

電圧指令によって交流を出力する電圧型インバータ及び当該電圧型インバータに電圧指令を与えて駆動制御するインバータ制御手段からなる電圧制御型インバータ装置と、電流指令によって交流を出力する電流型インバータ及び当該電流型インバータに電流指令を与えて駆動制御するインバータ制御手段からなる電流制御型インバータ装置とが混在し、これらインバータ装置によって負荷に電力を供給する電源システムにおいて、前記電圧制御型インバータ装置の前記インバータ制御手段は、前記電圧型インバータから出力される出力電圧及び出力電流から出力電力を求める有効電力演算手段と、前記有効電力演算手段からの出力電力が増加するに伴って出力周波数を低下させる分散制御特性により出力周波数指令を得る分散制御手段と、前記分散制御手段から出力された周波数指令から角周波数に変換する周波数角周波数変換手段と、前記周波数角周波数変換手段からの角周波数から出力位相を得る出力位相演算手段と、前記出力位相演算手段からの出力位相から電圧指令値を得る出力電圧演算手段とを備え、さらに前記分散制御手段は、前記電圧型インバータが出力する出力最大電力をＰｄ、出力最大電力Ｐｄのときの最低周波数ｆ L 、前記電圧型インバータが受け入れる入力最大電力をＰｃ、入力最大電力Ｐｃのときの最高周波数ｆ H 、入出力電力が零のときの周波数ｆ n 、前記有効電力演算手段で得た出力電力をＰ、周波数指令をｆとすると、次の数式１
【数１】
ｆ＝｛（ｆ L −ｆ H ）／（Ｐｄ−Ｐｃ）｝Ｐ＋ｆ n
からなる分散制御特性でもって周波数指令ｆを得るものであることを特徴とする分散制御型電源システム。
複数の電圧制御型インバータ装置が存在するときには、
前記各インバータ制御手段は、前記各電圧型インバータ装置の分担する電力が相補される状態の分散制御特性で制御するものであることを特徴とする請求項１記載の分散制御型電源システム。