JP4662064B2 - インバータ装置 - Google Patents
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直流電源に接続される直流入力端子と、
前記負荷及び前記交流電力系統に接続される交流出力端子と、
前記直流入力端子に接続され且つ複数の直流―交流変換用スイッチを有している直流―交流変換回路と、
前記交流出力端子を通って流れる電流を検出するための電流検出手段と、
前記交流出力端子における系統電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段と前記電圧検出手段と前記複数の直流―交流変換用スイッチの制御端子とに接続され且つ前記交流出力端子を流れる電流の位相を前記系統電圧の位相に一致させるように前記複数の直流―交流変換用スイッチをオン・オフ制御するスイッチ制御手段と、
前記系統電圧の位相(θ)を検出する位相検出手段と、
前記系統電圧の角速度変化量(△ω)を検出する角速度変化量検出手段と、
前記角速度変化量検出手段から得られた角速度変化量(△ω)の方向が第1の方向の時に第1の方向の位相バイアス値(+α)を出力し、前記角速度変化量(△ω)の方向が第2の方向の時に第2の方向の位相バイアス値(−α)を出力する位相バイアス値発生手段と、
前記位相検出手段から得られた系統電圧位相検出値(θ)と前記位相バイアス値発生手段から得られた位相バイアス値(Δθ1)とを加算して電流位相指令信号(θi)を前記スイッチ制御手段に供給する加算手段と、
角速度変化量基準値(△ωr)を発生する角速度変化量基準値発生手段と、
前記角速度変化量(△ω)と前記角速度変化量基準値(△ωr)とを比較し、前記角速度変化量(△ω)が前記角速度変化量基準値(△ωr)よりも大きい時に前記負荷に対して前記交流電力系統からの電力供給を伴わないで前記インバータ装置から電力が供給されていることを示す信号を出力する単独運転検出手段とを備えていることを特徴とするインバータ装置に係わるものである。
また、請求項3に示すように、前記傾斜位相バイアス値発生手段は、前記角速度変化量(△ω)を所定のゲイン(K)を有して増幅する手段から成ることが望ましい。
また、請求項4に示すように、更に、前記単独運転検出手段から得られた前記交流電力系統からの電力供給を伴わないで前記インバータ装置から電力が供給されていることを示す信号に応答して前記インバータ装置から前記負荷への電力供給を遮断する手段を有していることが望ましい。
また、請求項5に示すように、前記スイッチ制御手段は、出力電流指令値作成手段(12、13又は12a)と、前記出力電流指令値作成手段(12、13又は12a)から得られた出力電流指令値と前記電流検出手段から得られた電流検出値とに基づいて帰還制御信号を形成する帰還制御信号形成手段(14)と、前記帰還制御信号形成手段(14)から得られた前記帰還制御信号に基づいて前記直流―交流変換用スイッチをオン・オフ制御するためのスイッチ制御パルスを形成するスイッチ制御パルス形成手段(15)とを有し、前記加算手段から得られた電流位相指令信号(θi)は前記帰還制御信号形成手段(14)又は前記出力電流指令値作成手段(12、13又は12a)に供給されることが望ましい。
(1)連系運転時には、角速度変化量(△ω)の振動に基づいて位相バイアス値発生手段から第1の方向の位相バイアス値(+α)と第2の方向の位相バイアス値(−α)とが交互に発生する。この第1の方向の位相バイアス値(+α)と第2の方向の位相バイアス値(−α)はランダムに発生する。この連系運転時における第1の方向の位相バイアス値(+α)と第2の方向の位相バイアス値(−α)との繰り返し時間長も不特定でであるが、最大の繰り返し時間長は系統電圧の周期よりも短い。これに対し、単独運転時には、交流電力系統からインバータ装置及び負荷が切り離されて解列状態になるため、負荷インピーダンスに依存して系統電圧(インバータ出力電圧)の位相変化が生じ、角速度変化量(△ω)の変化方向が連続的に同一方向(例えば第1の方向)になり、位相バイアス値発生手段から第1の方向の位相バイアス値(+α)と第2の方向の位相バイアス値(−α)とが交互に発生しなくなる。この結果、位相バイアス値発生手段から同一方向(例えば第1の方向)の位相バイアス値が連続的に発生し、角速度変化量(△ω)が第1の方向又は第2の方向に加速して増大し、角速度変化量基準値(△ωr)を横切り、単独運転が検出される。従って、単独運転の検出を迅速且つ正確に達成することができる。なお、インバータ出力電力と負荷電力とが平衡している場合の単独運転時であっても、同一方向の位相バイアスを伴ってインバータ出力電流の位相制御が行われるため、系統電圧(インバータ出力電圧)の位相もインバータ出力電流の位相と同方向に変化し、角速度変化量(△ω)が同一方向に保たれ、且つ加速して増大するので、単独運転を迅速且つ正確に検出することができる。
(2)位相バイアスに基づいて単独運転を検出するので、系統周波数付近に外乱を与えることがない。
(3)共通の負荷に対して複数台のインバータ装置(分散化電源)が接続されている場合において、複数台のインバータ装置間で位相バイアスを同期させて単独運転を検出すること不要である。従って、単独運転の検出を容易に行うことができる。
また、請求項2に従って、前記傾斜位相バイアス値(Δθ2)を与えると、角速度変化量(△ω)が更に加速して増大し、単独運転を更に迅速且つ正確に検出することができる。
なお、第1〜第4のスイッチS1 〜S4 はIGBT(絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)で示されているが、これ等をNPN型又はPNP型トランジスタ、電界効果トランジスタ等の別のオン・オフ制御可能な半導体スイッチ等とすることができる。
インバータ回路103と第1、第2及び第3相交流出力端子2u、2v、2wとの間に単独運転阻止用の回路遮断器104が接続されている。
変換手段41はライン8u,8wによって図1の第1及び第3相電流検出器CTu、CTwに接続され、且つ本発明に従う位相バイアス及び単独運転検出手段50にも接続され、3相で示される電流を形成し、この3相で示される電流をdq座標軸で示すd軸成分電流Iodとq軸成分電流Ioqとから成る2相の信号に変換し、この信号をライン42,43で第1及び第2の偏差信号作成手段32、33に送る。
なお、減算手段62bに入力させる角速度ωcを角速度検出手段55から得られた角速度ωcの複数のサンプルの平均とし、また減算手段62bに入力させる遅延信号を遅延手段62aから得られた遅延信号の複数のサンプルの平均とすることができる。従って、本発明の角速度変化量Δωは、1つの角速度変化量又は複数のサンプルの平均の角速度変化量を意味する。
図8の時点t0から時点t5までの期間に系統連系運転状態、即ちインバータ装置100と3相交流電力系統3との両方で負荷101に電力が供給されている状態、が示されている。時点t5よりも後に単独運転状態、即ちインバータ装置100のみで負荷101に電力が供給されている状態、が示されている。
時点t5よりも前の系統連系運転時においては、検出電圧波形(実電圧波形)Bが微小位相変化を伴って理想電圧波形Aに添って変化する。また、出力電流も正(第1の方向)の位相バイアス値+αと負(第2の方向)の位相バイアス値−αとに基づく微小位相変化を伴いながら系統電圧即ち検出電圧波形Bに沿って変化する。時点t5よりも後の単独運転時には、インバータ装置100と交流電力系統とが解列するため、負荷インピーダンス特性によって検出電圧波形B(インバータ出力電圧波形)が連系時の理想電圧波形Aから一方向(例えば正方向)に逸脱する。
また、図8のt5よりも後の単独運転時には、角速度変化量Δωが一方向(例えば正方向)に傾斜を有して増大する。従って、角速度変化量検出手段62から得られる角速度変化量Δωを監視することによって単独運転か否かを検出することができる。また、角速度変化量Δωに基づいて位相バイアス値を決定することができる。
なお、インバータ電流位相に位相バイアスを加えない場合であっても、図8(A)に示す理想電圧波形Aと検出電圧波形Bとが完全に一致しない。従って、正位相バイアス値+α及び負位相バイアス値-αとがインバータ装置の運転開始後に自動的に得られる。
正位相バイアス値発生手段63b及び負位相バイアス値発生手段63cは、正位相バイアス値と負位相バイアス値との合成値から成る正負位相バイアス値Δθ1を伝送する共通の出力ライン63dと更に別のライン68とを介して位相バイアス加算手段67の一方の入力端子に接続されている。位相バイアス加算手段67の他方の入力端子はライン51を介して系統電圧位相検出手段56に接続されている。位相バイアス加算手段67はライン51の系統電圧位相検出値θ=ωt(rad)を示す信号にライン68の位相バイアス値Δθを加算した値からなる電流位相指令値θi=ωitを図8(E)に示すように出力ライン53に出力する。
即ち、図8の時点t5よりも前の系統連系運転時には、系統電圧の角速度変化量(△ω)は連続して4回同一方向になることはないが、時点t5以後の単独運転時には、検出電圧波形B(インバータ電圧波形)が理想電圧波形A(連系時の系統電圧波形)から逸脱し、4回(4サンプリング周期)以上連続して角速度変化量△ωが正になり、t8時点でカウンタ65cの出力が第1の値(例えば低レベル)から第2の値(例えば高レベル)に転換する。なお、本実施例におけるカウンタ65cは、角速度変化量△ωが正又は負方向であることを示す信号が連続して4回以上発生した時にこれを示す出力を発生しているが、この4回に限ることなく、単独運転を推定することが可能な任意の回数に変更することができる。また、カウンタ65cをこれと等価な機能を有する論理回路に置き換えることができる。
(1)本実施例では系統周波数に依存しないように変化する正負位相バイアス値Δθ1を作成し、この正負位相バイアス値Δθ1によってインバータ出力電流の位相をシフトし、これに基づいてインバー装置100の単独運転を検出している。従って、系統周波数又はこの付近に外乱を与えることなしに、単独運転を検出することができる。このため負荷101に系統周波数又はこの付近に外乱を与えることがなく、負荷101の誤動作を防ぐことができる。なお、本実施例における正負位相バイアス値Δθ1によるインバータ出力電流の微小変化はIEC60950に定められたTHD以内であり、負荷101に対して悪影響を及ぼさない。
(2)角速度変化量Δωは、系統連系運転時に系統電圧周期よりも十分に短い時間で変化し、単独運転時には同一方向の値を連続的に示すので、単独運転の検出を迅速(例えば系統電圧周期の1周期以内)に行うことができる。
(3)発散型の傾斜位相バイアス値Δθ2を電流位相指令に加算して、単独運転を検出するので、単独運転の検出を迅速かつ正確に行うことができる。
(4) 本実施例では、第1相及び第3相連系電流Isu、Iswを検出するための2つの電流検出器を設けない回路で力率を1又はほぼ1に制御することができる。従って、3相V結線インバータの小型化及び低コスト化を図ることができる。なお、この効果は、位相バイアス値Δθ1の加算とは無関係に得られる。従って、この効果のみを得る時には、位相バイアス及び単独運転検出手段50を省いて、変換手段41を位相検出手段20の出力ライン51に直接に接続することができる。また、位相バイアス及び単独運転検出手段50の出力ライン53と位相検出手段20の出力ライン51とを選択的に変換手段41に接続することもできる。
(5) 3相V結線インバータであるので、3相フルブリッジ型インバータに比べてスイッチの数を2個減らすことができ、小型化及び低コスト化が達成される。
(6) コンデンサ電流値作成手段11によってd軸成分電流Icdとq軸成分電流Icqとを形成し、連系電流指令値発生手段12からd軸及びq軸成分としての第1及び第2の連系電流指令値Isd*、Isq*を発生させるので、3相V結線インバータの制御を容易に達成できる。
(7)単独運転検出のための第1及び第2のインバータ装置100、100´における電流位相指令値θiを同期させることが不要である。従って、第1のインバータ装置100の単独運転検出を、第2のインバータ装置100´の単独運転検出に拘束されずに独立に行うことが出来る。
(1) 図1の第1相及び第3相電流検出器CTu、CTwを第1及び第2のフィルタコンデンサCu、Cwと第1及び第3相交流端子2u、2wとの間の電流通路に移動し、第1相及び第3相連系電流Isu,Iswを検出するように変形することができる。この変形例の場合には、図2のコンデンサ電流値作成手段11又は図6のコンデンサ電流値作成手段11aと同一のものを設け、また、図2の連系電流指令値発生手段12の位置に出力電流指令値作成手段を配置し、図2の出力電流指令値作成手段13の位置に連系電流指令値発生手段を配置し、この連系電流指令値発生手段の出力段に図2と同様に帰還制御信号形成手段14とスイッチ制御パルス形成手段15とを配置する。
この変形例の場合の出力電流指令値作成手段は、図1のインバータの第1、第2及び第3相出力電流Iou,Iov,Iowの目標値を2相軸に変換したものに相当する第1(d軸)及び第2(q軸)の出力電流指令値Iod*、Ioq*を発生するように構成する。また、この変形例の場合の連系電流指令値発生手段は、この変形例の出力電流指令値作成手段から得られた第1(d軸)の出力電流指令値Iod*とコンデンサ電流値作成手段11又は11aから得られた第1の信号Icdとに基づいて第1(d軸)の連系電流指令値Isd*を作成し、且つ第2(q軸)の出力電流指令値Ioq*とコンデンサ電流値作成手段11又は11aから得られた第2の信号Icqとに基づいて第2(q軸)の連系電流指令値Isq*を作成する。また、この変形例の場合の帰還制御信号形成手段には、第1相及び第3相電流検出器CTu 、CTw から得られた第1相及び第3相連系電流Isu、Iswの検出値を入力させ、且つ第1相及び第3相連系電流Isu、Iswの検出値に基づいて第2相連系電流Isvを形成する手段を設け、更に第1相、第2及び第3相連系電流Isu、Isv,Iswを回転座標変換してdq座標軸のd軸成分電流Isd及びq軸成分電流Isdを得る3相/dq座標変換手段を設ける。図3に示す第1及び第2の偏差信号作成手段32,33は連系電流指令値作成手段から得られた第1及び第2の連系電流指令値Isd*、Isq*と3相/dq座標変換手段から得られたd軸成分電流Isd及びq軸成分電流Isdとの偏差を求めて2相軸上のd軸帰還制御信号Ifd及びq軸帰還制御信号Ifqを形成する。更に、図4と同様に周知のdq/3相座標変換手段によってd軸帰還制御信号Ifd及びq軸帰還制御信号Ifqを3相軸上の帰還制御信号に回転座標変換して3相軸上の3つの帰還制御信号の内の第1及び第3相帰還制御信号Ifuv、Ifwvを形成する。なお、この変形例の場合においても、第2相連系電流Isvを演算で求める代わりに、第2連系電流Isvを検出する第2相電流検出器を設けることができる。
(2) 同一容量の第1及び第2の電圧分割用コンデンサCa、Cbの代りに同一電圧の第1及び第2の蓄電池を接続することができる。
(3) 連系電流Isu、Isv、Iswに高調波成分又は高周波成分が含まれても差し支えない場合には、これに対応するように連系電流指令値発生手段12を変形することができる。
(4)位相制御用の位相検出手段20を角速度変化量検出手段62で兼用しないで、角速度変化量検出手段62のための専用の位相検出手段を設けることができる。
(5)図6において、カウンタ65cで角速度変化量△ωが連続して4回正方向になるか否かを検出する代りに、角速度変化量△ωが所定時間以上連続して正方向を示しているか否かを検出し、単独運転を検出することができる。
(6)カウンタ65cによって単独運転が正確に検出することができる場合には、傾斜位相バイアス値発生手段64を省くことができる。
(7) 図6では、角速度変化量方向判定手段63aが正位相バイアス値発生手段63b及び負位相バイアス値発生手段63cと分けて示されているが、角速度変化量方向判定手段63aと正位相バイアス値発生手段63bとを一体化すること、角速度変化量方向判定手段63aと負位相バイアス値発生手段63cとを一体化すること、又は角速度変化量方向判定手段63aと正位相バイアス値発生手段63bと負位相バイアス値発生手段63cとを一体化することができる。要するに、正負位相バイアス値発生手段63は角速度変化量に応じて、正位相バイアス値及び負位相バイアス値を発生することがでれば、どのような回路であっても良い。
1a、1b 第1及び第2の直流入力端子
2u、2v、2w 第1、第2及び第3相交流出力端子
3 3相交流電力系統
4 制御回路
5 電圧検出手段
6 制御部
20 位相検出手段
50 位相バイアス及び単独運転検出手段
62 角速度変化量検出手段
63 正負位相バイアス値発生手段
64 傾斜位相バイアス値発生手段
67 位相バイアス加算手段
Claims (5)
- 交流電力系統と連系して負荷に電力を供給するためのインバータ装置であって、
直流電源に接続される直流入力端子と、
前記負荷及び前記交流電力系統に接続される交流出力端子と、
前記直流入力端子に接続され且つ複数の直流―交流変換用スイッチを有している直流―交流変換回路と、
前記交流出力端子を通って流れる電流を検出するための電流検出手段と、
前記交流出力端子における系統電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電流検出手段と前記電圧検出手段と前記複数の直流―交流変換用スイッチの制御端子とに接続され且つ前記交流出力端子を流れる電流の位相を前記系統電圧の位相に一致させるように前記複数の直流―交流変換用スイッチをオン・オフ制御するスイッチ制御手段と、
前記系統電圧の位相(θ)を検出する位相検出手段と、
前記系統電圧の角速度変化量(△ω)を検出する角速度変化量検出手段と、
前記角速度変化量検出手段から得られた角速度変化量(△ω)の方向が第1の方向の時に第1の方向の位相バイアス値(+α)を出力し、前記角速度変化量(△ω)の方向が第2の方向の時に第2の方向の位相バイアス値(−α)を出力する位相バイアス値発生手段と、
前記位相検出手段から得られた系統電圧位相検出値(θ)と前記位相バイアス値発生手段から得られた位相バイアス値(Δθ1)とを加算して電流位相指令信号(θi)を前記スイッチ制御手段に供給する加算手段と、
角速度変化量基準値(△ωr)を発生する角速度変化量基準値発生手段と、
前記角速度変化量(△ω)と前記角速度変化量基準値(△ωr)とを比較し、前記角速度変化量(△ω)が前記角速度変化量基準値(△ωr)よりも大きい時に前記負荷に対して前記交流電力系統からの電力供給を伴わないで前記インバータ装置から電力が供給されていることを示す信号を出力する単独運転検出手段と
を備えていることを特徴とするインバータ装置。 - 更に、時間と共に位相バイアス値が増大する傾斜位相バイアス値(Δθ2)を発生する傾斜位相バイアス値発生手段と、
前記角速度変化量(△ω)の方向を判定する角速度変化量方向判定手段と、
前記角速度変化量方向判定手段の出力に基づいて、前記角速度変化量(△ω)が所定回数又は所定時間以上同一方向を保っているか否かを判定するカウンタ手段と、
前記角速度変化量(△ω)が所定回数又は所定時間以上同一方向を保っていることを示す出力が前記カウンタ手段から得られた時に、前記第1の方向の位相バイアス値(+α)と前記第2の方向の位相バイアス値(−α)とからなる前記位相バイアス値(Δθ1)に代わって前記傾斜位相バイアス値(Δθ2)を前記加算手段に供給するモード切換手段と、
を有していることを特徴とする請求項1記載のインバータ装置。 - 前記傾斜位相バイアス値発生手段は、前記角速度変化量(△ω)を所定のゲイン(K)を有して増幅する手段から成ることを特徴とする請求項2記載のインバータ装置。
- 更に、前記単独運転検出手段から得られた前記交流電力系統からの電力供給を伴わないで前記インバータ装置から電力が供給されていることを示す信号に応答して前記インバータ装置から前記負荷への電力供給を遮断する手段を有していることを特徴とする請求項1又は2又は3記載のインバータ装置。
- 前記スイッチ制御手段は、
出力電流指令値作成手段(12、13又は12a)と、
前記出力電流指令値作成手段(12、13又は12a)から得られた出力電流指令値と前記電流検出手段から得られた電流検出値とに基づいて帰還制御信号を形成する帰還制御信号形成手段(14)と、
前記帰還制御信号形成手段(14)から得られた前記帰還制御信号に基づいて前記直流―交流変換用スイッチをオン・オフ制御するためのスイッチ制御パルスを形成するスイッチ制御パルス形成手段(15)と
を有し、
前記加算手段から得られた電流位相指令信号(θi)は前記帰還制御信号形成手段(14)又は前記出力電流指令値作成手段(12、13又は12a)に供給されることを特徴とする請求項1又は2又は3又は4記載のインバータ装置。
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JP2007318928A (ja) | 2007-12-06 |
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