(第1の実施の形態)
図1は本発明の第1の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する制御ブロック構成図である。図21の従来例に対し、有効電力出力演算回路11、1次遅れ回路12、加算器13、乗算器15、出力電流制御回路16、加算器17を追加したものである。
有効電力出力演算回路11ではインバータが接続された系統の電圧検出値V(t)とインバータの出力電流検出値I(t)とから、インバータの直流量としての有効電力出力Pを演算し1次遅れ回路12を介して乗算器13へ与える。V(t)、I(t)はそれぞれ正弦波信号である。乗算器13では定格角速度ωの自走発振信号を余弦波発生回路14に与えて得られる余弦波信号cosωtと有効電力出力Pを掛け算することにより電流指令値Iref(t)を出力する。すなわち電流指令値Iref(t)は波高値が有効電力出力P、角速度がωの余弦波信号である。この電流指令値Iref(t)と出力電流検出値I(t)が加算器15に入力され、その差分が出力電流制御回路16に与えられる。出力電流制御回路16は、例えば比例積分回路等で構成され電流指令値と電流検出値との差分をゼロに近づけるような補正信号を出力する。
一方、交流電圧制御回路8では従来例と同様に、電圧指令値Vrefと実効値電圧検出値Vmagとの差分に応じた値を出力し、それと余弦波信号cosωtからインバータ出力電圧信号Vc(t)を得る。このように、この交流電圧制御の出力に対し、加算器17で出力電流制御回路16の出力を加算することにより補正を行う。
単相インバータが無電源系統に接続されて運転している場合、定常状態では接続された負荷の大きさに応じた有効電力Pを出力し、それが電流指令値Irefとして使用されて、出力電流制御回路16によりインバータ出力電流がそれに追従するよう制御される。この場合、自身の出力値を電流指令値として使用しているので差分は小さく、すなわち出力電流制御回路16の出力値はほとんど零である。従って、インバータ出力電圧Vc(t)は従来方式を採用した場合と同等の信号となり、系統電圧が電圧指令値Vrefを維持するようインバータが制御される。
この状態で、系統において変圧器投入が行われた場合、励磁突入電流により系統電圧が低下し、交流電圧制御回路8の出力は正方向に増加してインバータ出力電圧Vc(t)の振幅が大きくなるよう制御が行われる。有効電力出力演算回路11で演算され1次遅れ回路12を介したインバータ出力検出値は、変圧器投入直前の出力値であり、出力電流制御回路16はインバータ出力電流が変圧器投入直前の値を保持するような信号を出力する。この信号が交流電圧制御回路8の出力に加算されて補正が行われることにより、インバータは系統電圧を電圧指令値に保ちつつ、出力電流が大きく変動するのを抑制しながら運転される。系統に接続された電源がインバータのみの場合、インバータが上記のような運転を行うことで電圧が励磁突入電流自体を低減するような波形となり、インバータの出力電流はその後も大きくなることがなく運転が継続される。
図2は本発明の第1の実施の形態における変圧器投入シミュレーションの結果の波形図であり、図2(a)は電圧制御のみを行った場合の系統電圧、インバータ出力電流、励磁突入電流の波形図、図2(b)は第1の実施の形態を適用した場合の系統電圧、インバータ出力電流、励磁突入電流の波形図である。
電圧制御のみの場合には、変圧器投入により図2(a)に示すように、系統電圧はほぼ一定に保って運転されるが、インバータ出力電流は大きな過電流が流れる。一方、第1の実施の形態を適用した場合には、図2(b)に示すように、変圧器投入直後に一時的に系統電圧が歪んで低下するが、励磁突入電流が急速に減衰し、インバータは大きな過電流とならずに運転を継続できている。
一方、系統において大きな負荷投入が行われた場合も系統電圧が低下し、交流電圧制御回路8の出力は正方向に増加してインバータ出力電圧Vc(t)の振幅が大きくなるよう制御が行われる。有効電力出力演算回路11で演算され1次遅れ回路12を介したインバータ出力検出値は、負荷投入直前の出力値であり、変圧器投入の場合と同様に出力電流制御回路16はインバータ出力電流が負荷投入直前の値を保持するような信号を出力する。この信号が交流電圧制御回路8の出力に加算されて補正が行われるため、インバータは系統電圧を電圧指令値に保ちつつ、出力電流が大きく変動するのを抑制しながら運転される。
なお、変圧器投入の場合と異なり、一時的にインバータの出力電流の変動が抑制されても負荷に供給するべき電流は減らないため、交流電圧制御回路8の動作により徐々にインバータ出力が増加し、これによって有効電力出力演算回路11および1次遅れ回路12の出力値も増加する。これが電流指令値として使用されるため、インバータ出力は最終的には負荷の大きさに見合った値に落着く。負荷がインバータ容量より大きい場合には過電流となり運転できなくなる。
図3は本発明の第1の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する他の一例を示す制御ブロック構成図である。図1に示した制御ブロックに対し、無効電力出力演算回路18、1次遅れ回路19、正弦波発生回路21、、乗算器20、加算器22を追加したものである。
無効電力出力演算回路18では、有効電力出力演算回路11と同様にインバータが接続された系統の電圧検出値V(t)とインバータの出力電流検出値I(t)から、インバータの出力無効電力Qを直流量として演算し1次遅れ回路19を介して乗算器20へ与える。乗算器20では定格角速度ωの自走発振信号を正弦波発生回路21に与えて得られる正弦波信号sinωtと上記の無効電力出力Qを掛け算することにより波高値が無効電力出力Q、角速度がωの余弦波信号を得る。この信号を、加算器22において実施例1と同様の手段で得られた乗算器13の出力信号と加算して電流指令値Irefを得る。すなわち電流指令値Irefは、P×cosωt+Q×sinωtである。この電流指令値Iref(t)と出力電流検出値I(t)が加算器15に入力され、その差分が出力電流制御回路16に与えられる。出力電流制御回路16は例えば比例積分回路等で構成され、電流指令値と検出値の差分をゼロに近づけるような補正信号を出力する。その他の構成は実施例1と同じである。
図1に示した制御ブロックでは、通常運転時に接続される負荷2の力率が1に近く、消費電力がほとんど有効電力分で無効電力分が小さい場合に適用する制御ブロックであり、それに対して、図3に示した制御ブロックは、負荷2の力率が低くて無効電力分が無視できないような場合に適用する制御ブロックである。
図3に示した制御ブロックを用いて単相インバータが無電源系統に接続されて運転している場合、定常状態では接続された負荷の大きさに応じた有効電力Pおよび無効電力Qを出力し、それが電流指令値Irefとして使用されて、出力電流制御回路16によりインバータ出力電流がそれに追従するよう制御される。この場合、自身の有効電力および無効電力出力値を電流指令値として使用しているので差分は小さく、出力電流制御回路16の出力値はほとんど零となる。従って、インバータ出力電圧Vc(t)は従来方式を採用した場合と同等の信号となり、系統電圧が電圧指令値Vrefを維持するようインバータが制御される。
この状態で、系統において変圧器投入が行われた場合、励磁突入電流により系統電圧が低下し、交流電圧制御回路8の出力は正方向に増加してインバータ出力電圧Vc(t)の振幅が大きくなるよう制御が行われる。有効電力出力演算回路11および無効電力出力演算回路18で演算され1次遅れ回路12、1次遅れ回路19を介したインバータ有効・無効電力出力検出値は、変圧器投入直前の出力値であり、電流制御回路16はインバータ出力電流が変圧器投入直前の値を保持するような信号を出力する。この信号が交流電圧制御回路8の出力に加算されて補正が行われることにより、インバータは系統電圧を電圧指令値に保ちつつ、出力電流が大きく変動するのを抑制しながら運転される。系統に接続された電源がインバータのみの場合、インバータが上記のような運転を行うことで電圧が励磁突入電流自体を低減するような波形となり、インバータの出力電流はその後も大きくなることがなく運転が継続される。
図1および図3に示したものでは、有効電力出力演算回路11、無効電力出力演算回路18の後段にそれぞれ1次遅れ回路12、19を設けている。この1次遅れ回路12、19は変圧器投入などの系統急変時に電流指令値が急変しないように設けているものであるが、省略することも可能である。
有効電力出力演算回路11、無効電力出力演算回路18に入力される単相電圧と単相電流から有効・無効電力を演算する際には電圧と電流とを掛け算するが、その結果得られる信号は基本周波数の2倍の周波数で変動する信号であり、これを直流量に変換すると必然的に遅れの要素が生じる。この遅れを1次遅れ回路12、19と同等の機能として使用することができる。この変換による遅れだけでは、系統急変時の電流指令値Irefの変化が大きくなりすぎるような場合には、図1および図3に示すように1次遅れ回路12、19を挿入する。1次遅れ回路12、19を省略した場合も、図1および図3のものと同等の効果を得ることができる。
また、図1および図3に示したものでは、インバータ自身の出力電流の検出値を用いて有効電力出力および無効電力出力を演算しているが、インバータ出力電流の代わりに、接続される系統へ流出する電流の検出値を用いても同等の作用効果を得ることができる。すなわち、図21に示す構成の系統において、交流母線1から負荷2へ流れる電流と交流母線1から変圧器10へ流れる電流の和をとった信号を、図1あるいは図3における出力電流検出値I(t)の代わりに有効電力出力演算回路11および無効電力出力演算回路18に入力する。その他の構成は図1または図3に示すものと同じである。インバータ4から変圧器3を介して母線1へ注入される電流すなわちインバータ出力電流と、母線1から負荷2へ流れる電流と母線1から変圧器10へ流れる電流との和は等しいので、このように構成しても図1および図3のものと同等の作用効果が得られる。
第1の実施の形態によれば、単相インバータが交流電源のない無電源単相負荷系統へ接続されて運転している際に、変圧器の励磁突入電流などの急峻な系統変動が発生した場合、交流電圧制御によりほぼ指令値どおりに電圧を保ちつつ、インバータの出力電流の急激な変動を抑制することができる。こうした動作を行うことにより、系統変動が変圧器突入によるものの場合は、励磁突入電流自体が抑制されてインバータは過電流とならずに運転を継続できる。また、系統変動が負荷の増加によるものであり、負荷量がインバータの容量以内の場合は、過渡的なインバータ過電流を防止しつつ、負荷量に見合った運転点に移行することができる。
(第2の実施の形態)
図4は本発明の第2の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する制御ブロック構成図である。この第2の実施の形態は、図21に示す従来例において、交流母線1に複数台のインバータが並列に接続され、それぞれのインバータに対しそれぞれインバータ制御回路が設けられた場合を示している。図4では、2台のインバータA、Bが接続され、それぞれインバータ制御回路62A、62Bが設けられた場合を示している。
すなわち、図1に示した第1の実施の形態ではインバータ自身の出力電流検出値と系統電圧検出値とを有効電力出力演算回路11に入力していたのに対し、図4に示した第2の実施の形態では、インバータ運転状態信号Sおよび2台のインバータA、Bの出力電流検出値IA(t)、IB(t)を出力値配分演算回路23に入力し、出力値配分演算回路23内で各インバータの適切な電流値を求めて、その結果を各インバータ制御回路内の有効電力出力演算回路11に与える構成としたものである。
図5は出力値配分演算回路23の内部構成図である。インバータAの出力電流検出値IA(t)とインバータBの出力電流検出値IB(t)とを加算器24で加算し、その結果、得られた電流検出値の和に対して乗算器25、乗算器26で各インバータの出力配分比率を掛け算し、その結果をそれぞれスイッチ回路27、28の入力端子a、bへ与える。配分比率は係数器63a、63bにより予め決められる。係数器63a、63bに予め設定される値K、K−1は、各インバータの容量などを考慮して決められ比率の和が1となる値である。
例えば、2台のインバータが同じ容量であれば、K=0.5とし乗算器25、26へ与えられる配分比率は両方0.5とする。インバータAの容量がインバータBの4倍であればK=0.8とし乗算器25には0.8、乗算器26には0.2という値が与えられる。スイッチ回路27、28のもう一方の入力端子a’、b’には各インバータの出力電流検出値IA(t)、IB(t)が与えられている。スイッチ回路27、28はインバータ運転状態信号Sにより切り換えられる。インバータ運転状態信号Sは運転されているインバータの台数相当の信号で、2台のインバータA、Bの両方が運転されている場合にはスイッチ27、28で入力端子a、bを選択し、インバータA、Bのいずれか一方が停止している時はスイッチ27、28で入力端子a’、b’を選択する。こうして得られたスイッチ回路27、28の出力が各インバータの制御回路中の有効電力出力回路11へ与えられる。その他の構成は図1に示した第1の実施の形態と同じである。
複数台の単相インバータが並列に無電源系統に接続されて運転している場合、定常状態では各インバータの出力の和が接続された負荷の大きさと等しくなるような有効電力を出力し、その値を予め設定した比率Kで各インバータに配分した値が電流指令値Irefとして使用されて、各インバータでは出力電流制御回路16によりインバータ出力電流がそれに追従するよう制御される。これにより、系統電圧が電圧指令値Vrefを維持し、かつ負荷に必要な電力を予め設定した配分で複数台のインバータから供給するよう、各インバータが制御される。
この状態で、系統において変圧器投入が行われた場合、励磁突入電流により系統電圧が低下し、各インバータの交流電圧制御回路8の出力は正方向に増加してインバータ出力電圧Vc(t)の振幅が大きくなるよう制御が行われる。有効電力出力演算回路11で演算され1次遅れ回路12を介したインバータ出力検出値は、変圧器投入直前の出力値であり、各インバータの出力電流制御回路16はインバータ出力電流が変圧器投入直前の値を保持するような信号を出力する。この信号が交流電圧制御回路8の出力に加算されて補正が行われることにより、各インバータの出力の和が負荷の必要電力と等しくなって系統電圧がほぼ電圧指令値どおりに保たれ、かつ、出力電流が大きく変動するのを抑制しながら運転される。さらにインバータ間の出力の不均衡や横流が防止される。系統に接続された電源がインバータのみの場合、インバータが上記のような運転を行うことで電圧が励磁突入電流自体を低減するような波形となり、インバータの出力電流はその後も大きくなることがなく運転が継続される。
図6は、本発明の第2の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する他の一例を示す制御ブロック構成図である。図4に示した一例では、出力値配分演算回路23においてインバータ出力電流検出値IA(t)、IB(t)から出力電流の和を求め、その値に対して出力配分比率をかけた値を各インバータの制御回路62A、62B内の有効電力出力演算回路11に与えていたのに対し、図6の他の一例では、出力値配分演算回路29内に有効電力出力演算回路11および1次遅れ回路12を設けたものである。
図7は第2の実施の形態における他の一例の出力値配分演算回路29の内部構成図である。図7に示すように、出力値配分演算回路29内に有効電力出力演算回路11および1次遅れ回路12を設け、出力値配分演算回路29内で各インバータが出力すべき直流量の有効電力Pa、Pbを求め、その結果を各インバータ内の制御回路内の乗算器13へ与える。その他の構成は図5に示した出力値配分演算回路23と同じである。
第2の実施の形態は、負荷が必要とする電力を予め設定した出力配分比率で各インバータが出力するように、電流指令値を決めるものであり、図4および図5で示した一例と、図6および図7で示した他の一例との相違点は、インバータ間の出力配分をどの段階で行うかという点である。従って、得られる電流指令値信号は等価であり、図6および図7で示す他の一例を採用した場合も、図4および図5に示した一例と同等の作用効果が得られる。
ここで、負荷の力率が低くて無効電力成分が無視できない場合には、第1の実施の形態の場合と同様に、無効電力出力演算回路およびその出力に対する1次遅れ回路を設け、その出力と正弦波信号をかけあわせた値を有効電力成分による信号と合成して電流指令値Irefを発生させることにより、負荷が必要とする有効電力、無効電力を予め設定した配分で各インバータが供給し、変圧器投入時の過電流を防止して運転を行うことができる。また、第1の実施の形態と同様に1次遅れ回路は省略してもよい。
第2の実施の形態によれば、複数台の単相インバータが交流電源のない無電源単相負荷系統へ並列に接続されて運転している際に、負荷が必要とする電力を接続されるインバータの容量等に応じて適切な比率で分担して供給し、変圧器の励磁突入電流などの急峻な系統変動が発生した場合、交流電圧制御によりほぼ指令値どおりの電圧に保ちつつ、インバータの出力電流の急激な変動を抑制することができる。こうした動作を行うことにより、系統変動が変圧器突入によるものの場合は、励磁突入電流自体が抑制されてインバータは過電流とならずに運転を継続できる。また系統変動が負荷の増加や減少によるもので負荷量がインバータの容量以内の場合は、過渡的なインバータ過電流を防止しつつ、複数台のインバータで予め設定した出力の配分比率に従って負荷量に見合った出力を行い、横流の発生や出力の偏りを防止して適切な運転点に移行することができる。
(第3の実施の形態)
図8は本発明の第3の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する制御ブロック構成図、図9は本発明の第3の実施の形態における出力値配分演算回路30の内部構成図である。この第3の実施の形態は、図4および図5に示す第2の実施の形態に対し、インバータAとインバータBの出力電流検出値の和に代えて、負荷電流検出値ILに対して配分比率を掛け算し、それを各インバータが出力すべき電流の値として有効電力演算回路11へ与える構成としたものである。従って、各インバータの出力電流検出値は出力値配分演算回路30には与えられず加算器15のみに与えられる。図4および図5と同一要素には同一符号を付し重複した説明は省略する。
図4および図5に示す第2の実施の形態では、インバータAとインバータBの出力電流検出値の和に対して出力値配分演算回路23内で配分比率を掛け算していたのに対し、図8および図9に示す第3の実施の形態では、負荷電流検出値ILに対して配分比率を掛け算し、それを各インバータが出力すべき電流の値として有効電力演算回路11へ与える。各インバータの出力電流検出値は出力値配分演算回路30には与えられず加算器15のみに与えられる。
図21に示す構成の系統で母線1に複数台のインバータが接続された系統において、負荷電流、すなわち母線1から負荷2へ流れる電流と、母線1から変圧器10へ流れる電流との検出値の和は、複数台のインバータの出力電流の和と等価である。従って、第3の実施の形態においても図4および図5に示す第2の実施の形態と同等の作用効果が得られる。
図10は、本発明の第3の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する他の一例を示す制御ブロック構成図である。 図8に示した一例では、出力値配分演算回路30において負荷電流検出値ILに対して出力配分比率をかけた値を各インバータの制御回路62a、62b内の有効電力出力演算回路11に与えていたのに対し、図10の他の一例では、出力値配分演算回路31内に有効電力出力演算回路11および1次遅れ回路12を設けたものである。
図11は本発明の第3の実施の形態における他の一例の出力値配分演算回路31の内部構成図である。図11に示すように、出力値配分演算回路31内に有効電力出力演算回路11および1次遅れ回路12を設けた構成とし、出力値配分演算回路31内で各インバータが出力すべき直流量の有効電力Pa、Pbを求め、その結果を各インバータ内の制御回路内の乗算器13へ与える。その他の構成は図8に示した出力値配分演算回路30と同じである。
第3の実施の形態は、負荷が必要とする電力を予め設定した出力配分比率で各インバータが出力するように、電流指令値を決めるものであり、図8および図9で示した一例と、図10および図11で示した他の一例との相違点は、インバータ間の出力配分をどの段階で行うかという点である。従って得られる電流指令値信号は等価であり、図10および図11で示す他の一例を採用した場合も、図8および図9の一例と同等の作用および効果が得られる。
ここで、負荷の力率が低くて無効電力成分が無視できない場合には、第2の実施の形態の場合と同様に、無効電力出力演算回路およびその出力に対する1次遅れ回路を設け、その出力と正弦波信号をかけあわせた値を有効電力成分による信号と合成して電流指令値Irefを発生させることにより、負荷が必要とする有効電力、無効電力を予め設定した配分で各インバータが供給し、変圧器投入時の過電流を防止して運転を行うことができる。また、第2の実施の形態と同様に1次遅れ回路は省略してもよい。
第3の実施の形態によれば、母線1に複数台のインバータが接続された系統において、負荷電流すなわち、母線1から負荷2へ流れる電流と母線1から変圧器10へ流れる電流の検出値の和は、複数台のインバータの出力電流の和と等価であるので、第2の実施の形態と同等の作用効果が得られる。
(第4の実施の形態)
図12は本発明の第4の実施の形態の単相インバータの制御方法が適用される系統構成図である。第1乃至第3の実施の形態では、交流電源の接続されない単相負荷系統に電力を供給する場合であったが、第4の実施の形態では、交流電源のある系統との接続切換を伴い運転される場合である。単相インバータの中には接続系統が切り換えられ、無電源系統に接続されたり、交流電源のある系統へ接続されて交流電源と分担して負荷へ電力を供給したりするシステムもある。
図12は交流電源のある系統へ接続された単相インバータの制御システム構成図である。交流母線1には系統インピーダンス32を介して単相交流電源33がつながっており、単相インバータ4は単相交流電源33と分担して負荷2へ電力を供給する。インバータ制御回路においては、交流電圧検出回路6により系統電圧が検出され、それを規格化した正弦波の信号V(t)と、上位制御系などから与えられる直流量の出力指令値Prefが乗算器34で掛け算されて正弦波信号の電流指令値Irefが得られる。この値と電流検出器36で検出された出力電流I(t)が加算器35で突合わされ、差分が出力電流制御回路16へ与えられる。出力電流制御回路16は、例えば比例積分回路等で構成され、入力信号である電流の差分が零になるような信号を出力するもので、第1乃至第3の実施の形態における出力電流制御回路16と同等のものである。
この信号が加算器64により系統電圧V(t)に加算され得られた値がインバータ出力電圧Vc(t)としてパルス発生回路9へ与えられる。交流電源のある系統と接続される場合には交流電源により系統電圧が確立されているため、図21に示すような系統電圧を確立するための交流電圧制御は行われない。
ここで単相インバータが無電源系統に接続されたり交流電源を含む系統に接続されたりする場合を考える。図21と図12とを比較してわかるように、接続系統の電源の有無によって単相インバータの制御方法は全く異なるものであり、制御回路の切り換えが必要である。
図13は本発明の第4の実施の形態に係わる単相インバータの制御方法を実現する制御ブロック構成図である。この第4の実施の形態においては無電源系統にも交流電源を含む系統にも接続できるものである。図13において、無電源系統接続時制御回路37は、第1乃至第3の実施の形態のいずれかに相当する回路であり、回路中の自走発振信号cosωtがスイッチ回路39の入力端子aに、電流指令値Irefと出力電流検出値との偏差分ΔI、すなわち各実施の形態における加算器15の出力がスイッチ回路40の入力端子bに与えられる。
一方、通常系統接続時制御回路38は図12に示す制御回路であり、回路中の系統電圧検出値V(t)がスイッチ回路39の入力端子a’に、電流指令値Irefと出力電流検出値I(t)との偏差分ΔI、すなわち図12における加算器35の出力がスイッチ回路40の入力端子b’に与えられる。
スイッチ回路39、40は系統条件信号Uにより切り換えが行われ、インバータが無電源系統に接続されている場合はそれぞれ端子a、端子bが選択され、交流電源のある系統に接続されている場合は端子a’、b’が選択される。さらに系統条件信号Uは出力電流制御回路16へも与えられる。
図14は図13における出力電流制御回路16の内部構成を示す制御ブロック図である。図14において、出力電流制御回路16へはスイッチ回路40の出力である電流偏差分ΔIが入力される。一方、スイッチ回路41の入力端子c、c’にはそれぞれ固定の値が与えられている。ここで入力端子cには入力端子c’よりも小さな値が設定される。図14の一例ではそれぞれ、0.5、1.0である。スイッチ回路41は系統条件信号Uにより切り換えが行われ、インバータが無電源系統に接続されている場合は端子cが選択され、交流電源のある系統に接続されている場合は端子c’が選択される。その結果、得られた値を乗算器42に与え、電流偏差ΔIと掛け算して比例積分回路43へ与える。比例積分回路43の出力が出力電流制御回路16の出力として加算器64へ与えられる。
図13および図14に示す第4の実施の形態を採用した場合、単相インバータが交流電源を含む系統に接続されている場合には、スイッチ回路39、40、41において、それぞれ入力端子a’、b’、c’が選択される。これにより制御回路の構成は図12における一般的に使用されている交流電源を含む系統に接続されている時の制御回路と同等になる。一方、単相インバータが無電源系統に接続されている場合には、スイッチ回路39、40、41において、それぞれ入力端子a、b、cが選択される。これにより制御回路の構成は、第1乃至第3の実施の形態と同等となり、さらに出力電流制御回路16内の比例積分回路43へ入力される信号の大きさが交流電源を含む系統に接続されている場合の0.5倍と小さな値になる。従って、等価的に比例積分回路43のゲインが小さくなる。つまり交流電源を含む系統に接続されている場合に比べて電流制御の強さが弱くなり、交流電圧制御が主体で制御が行われる。
ここで、第1乃至第3の実施の形態では、変圧器投入時の励磁突入電流などによる過電流を防止するために、交流電圧制御回路の出力に対して電流制御による補正を行い、インバータの出力電流が急変しないような制御を行う。この電流制御は無電源系統接続時の主制御である交流電圧制御とは相反する動作をする。たとえば、負荷が増加した場合、交流電圧制御のみの場合、負荷増加に応じてインバータ出力電流が増加して電圧が維持されるのに対し、第1乃至第4の実施の形態の制御を適用するとインバータ出力電流の変化が抑制されるため、一時的に系統電圧が低下する。このため、出力電流制御回路16のゲインが大きいと、系統電圧が維持できなくなったり、交流電圧制御と干渉して不安定になるといった問題が発生する。
一方、交流電源が接続された状態で運転する場合には出力電流制御が主制御であり、過電流防止や指令値に対する追従の面から、出力電流制御の制御ゲインは大きめの値にする。このように、出力電流制御回路16は無電源系統接続時にも交流電源を含む系統に接続する時にも共通で使用できるが、適切な制御ゲインは異なる値である。
以上の説明では、比例積分回路43の入力信号に対して乗算器42によりスイッチ回路41の出力を掛け算することにより、無電源系統接続時の制御ゲインを下げる構成としていたが、この乗算器42を比例積分回路43の出力側に設ける構成としても、同様の作用効果を得ることができる。
また、出力電流制御回路16を無電源系統接続時と交流電源のある系統を接続する時で共通に使用し、内部で制御ゲインを切り換える構成としたが、出力電流制御回路を共用せずに各系統接続時用に全く別の制御回路を設ける構成とすることもできる。
図15はその場合の単相インバータの制御システム構成図である。無電源系統にも交流電源を含む系統にも接続できるものである。図15において、無電源系統接続時制御回路37’は、第1乃至第4の実施の形態のいずれかに相当する回路で出力電流制御回路も含んでおり、インバータ出力電圧Vc(t)を出力してスイッチ回路44の入力端子dへ与える。
一方、通常系統接続時制御回路38’は図12に示す制御回路で出力電流制御回路も含んでおり、インバータ出力電圧Vc(t)を出力してスイッチ回路44の入力端子d’へ与える。スイッチ回路44は系統条件信号Uにより切り換えが行われ、インバータが無電源系統に接続されている場合は端子d、交流電源のある系統に接続されている場合は端子d’が選択される。ここで、無電源系統接続時制御回路37’内の出力電流制御回路は通常系統接続時制御回路38’内の出力電流制御回路よりも小さな制御ゲインを設定する。
図15に示す制御システムを採用した場合、単相インバータが交流電源を含む系統に接続されている場合にはスイッチ回路44において入力端子d’が選択される。これにより制御回路の構成は図12における一般的に使用されている交流電源を含む系統に接続されている時の制御回路が使用される。一方、単相インバータが無電源系統に接続されている場合にはスイッチ回路44において端子dが選択される。これにより制御回路の構成は、第1乃至第3の実施の形態が使用される。それぞれの制御回路に含まれる出力電流制御回路の制御ゲインが異なり、無電源系統接続時の方が小さいゲインを使用しているため、交流電源を含む系統に接続されている場合に比べて電流制御の強さが弱くなり、交流電圧制御が主体で制御が行われる。
第4の実施の形態によれば、無電源系統接続時には交流電源のある系統を接続した時に比べて出力電流制御のゲインを下げることができ、無電源系統接続時には大幅な電圧変動を防止しつつ変圧器の励磁突入電流などによる過電流を防止でき、かつ交流電源のある系統に接続された場合には出力指令値に高速に追従し過電流の発生しにくい単相インバータの制御を行うことができる。
次に、本発明の第1乃至第4の実施の形態における有効電力出力演算回路11および無効電力出力演算回路18について説明する。有効電力出力演算回路11および無効電力出力演算回路18においては、それぞれ単相の正弦波である系統電圧検出値V(t)と出力電流検出値I(t)から直流量としての有効出力電力Pあるいは無効電力出力Qを演算する必要がある。
図16は、有効電力出力演算回路11の入力信号である電圧検出値V(t)、インバータ出力電流検出値I(t)、その掛け算で得られる瞬時出力値V(t)×I(t)、および有効電力出力演算回路11の出力として得られるべき直流量のインバータ出力信号Pの波形図である。
系統電圧V(t)と出力電流I(t)とを単純に掛け算した信号V(t)×I(t)は、図16に示すように電圧、電流の2倍の周波数で振動する信号であり、第1乃至第4の実施の形態における電流指令値Irefの波高値として使用することはできない。これを図16のような出力P(W)直流量に変換する必要がある。
図17は、第1乃至第4の実施の形態のインバータ制御回路が有効電力出力回路11を有している場合の有効電力出力演算回路11の内部構成の一例を示す制御ブロック図である。図17に示す有効電力出力回路11では、それぞれ単相の正弦波信号である電圧検出値V(t)と電流検出値I(t)とを乗算器45で掛算した結果得られた信号に対し、積分器46で積分を行う。積分器46の出力に対して基本周波数の半サイクル分の遅れΔTをもたせる遅延回路47の出力と積分器46の出力とを加算器48に与えて差分をとり、増幅器49で遅延回路47の遅れ時間ΔTの逆数をゲインとした増幅を行うことで、直流成分としての出力値Pを得て、これを1次遅れ回路12へ与える。
実効値Vの単相交流電圧と、電圧との位相差がθで実効値Iの単相交流電流による有効電力P、無効電力Qは(1)式で求められる。
P=V×I×cosθ
Q=V×I×sinθ …(1)
一方、それらの瞬時信号V(t)、I(t)は(2)式で示される。
V(t)=√2・V×cosωt
I(t)=√2・I×cos(ωt−θ) …(2)
ここで、(2)式のV(t)とI(t)を掛け算して得られる波形、すなわち図16に示すV(t)×I(t)の波形は(3)式で示される。
V(t)×I(t)=V×I×[cos(2ωt−θ)+cosθ]…(3)
この(3)式で得られた信号は、図17の乗算器45の出力信号に相当する。この信号をωt=0からωt=π(基本周波数の半サイクル分)積分すると(4)式となる。
V×I×[1/2・sin(2π−θ)−1/2・sin(−θ)+π・cosθ]
=V×I×π・cosθ …(4)
図17の加算器48の出力は(3)式の信号の積分の半サイクル分であり、すなわち(4)式は加算器48の出力に相当する。これを積分期間である半サイクル(=π)で割るとV×I×cosθとなり、(1)式に示す有効電力Pの値と等しくなる。
このように図17に示す有効電力出力演算回路11を使用することにより、単相交流電圧と単相交流電流との瞬時信号から直流量としての有効電力値を得ることができ、第1乃至第4の実施の形態において有効電力検出値に基づいた出力電力制御を行うことができる。
図18は、第1乃至第4の実施の形態のインバータ制御回路が有効電力出力回路11および無効電力出力回路18を有した場合の有効電力出力回路11および無効電力出力回路18の内部構成の一例を示す制御ブロック図である。
図18に示す有効電力出力回路11の内部構成は図17に示す有効電力出力回路11と同等である。一方、無効電力出力回路18では、それぞれ単相の正弦波信号である電圧検出値V(t)と電流検出値I(t)が入力として与えられ、遅延回路50において電圧検出値V(t)がπ/2(1/4サイクル)遅延される。その値と電流検出値I(t)を乗算器51で掛け算した結果得られた信号に対し、積分器52で積分を行う。積分器52の出力に対して基本周波数の半分サイクル分の遅れΔTをもたせる遅延回路53の出力と積分器52の出力を加算器54に与え差分をとり、増幅器55で遅延回路53の遅れ時間ΔTの逆数をゲインとした増幅を行うことで、直流成分としての無効電力出力値Qを得、これを1次遅れ回路19へ与える。
有効電力値の求め方については、図17に示す有効電力出力回路11と同等である。また、無効電力値は以下のようにして求める。(2)式のV(t)とI(t)のうち、遅延回路50でV(t)にπ/2の遅れを持たせた値とI(t)とを掛け算して得られる波形は(5)式で示される。
V(t−π/2)×I(t)
=V×I×[cos(2ωt−θ−π/2)+cos(θ−π/2)] …(5)
ここで、(5)式で得られた信号は図18の乗算器51の出力信号に相当する。この信号を積分器52でωt=0からωt=π(基本周波数の半サイクル分)積分すると(6)式となる。
V×I×[1/2・sin(2π−θ−π/2)−1/2・sin(−θ−π/2)+π・cos(θ−π/2)]
=V×I×π・cos(θ−π/2)
=V×I×π・sinθ …(6)
図18の加算器54の出力は(5)式の信号の積分の半サイクル分であり、すなわち(6)式は加算器54の出力に相当する。これを積分期間である半サイクル(=π)で割るとV×I×sinθとなり、(1)式に示す無効電力Qの値と等しくなる。
図18に示す無効電力出力演算回路18内において系統電圧検出値V(t)に対し遅延回路50でπ/2(1/4サイクル)の遅れをもたせているが、系統電圧検出値V(t)に対しては遅れなしとし、代わりに出力電流検出値I(t)に対して遅延回路でπ/2(1/4サイクル)の遅れをもたせる構成としても直流量としての無効電力値を得ることができる。その場合、1次遅れ回路19へ与える値については正負の符号を反転させて与える構成とする。
電圧に対しては遅れなし、電流に対してπ/2(1/4サイクル)の遅れをもたせた場合、(5)式、(6)式はそれぞれ(7)式、(8)式となる。
V(t)×I(t−π/2)
=V×I×[cos(2ωt−θ−π/2)+cos(θ+π/2)] …(7)
V×I×[1/2・sin(2π−θ−π/2)−1/2・sin(−θ−π/2)+π・cos(θ+π/2)]
=V×I×π・cos(θ+π/2)=−V×I×π・sinθ …(8)
この(8)式で得られた値は(6)式の値と正負反転した値である。従って、1次遅れ回路19へは正負の符号を反転させて与える構成とする。
このように、単相交流電圧と単相交流電流との瞬時信号から直流量としての有効電力値や無効電力値を得ることができ、第1乃至第4の実施の形態において有効電力値や無効電力値に基づいた出力電力制御を行うことができる。
次に、図19は、第1乃至第4の実施の形態のインバータ制御回路が有効電力出力回路11を有している場合の有効電力出力演算回路11の内部構成の他の一例を示す制御ブロック図である。
図19に示す有効電力出力回路11では、それぞれ単相の正弦波信号である電圧検出値V(t)と電流検出値I(t)とを乗算器45で掛け算した結果得られた信号に対し、帯域除去フィルタ56を介することで、直流成分としての出力値Pを得、これを1次遅れ回路12へ与える。帯域除去フィルタ56は運転周波数の2倍の周波数成分を除去する特性をもつ。
前述したように、系統電圧V(t)と出力電流I(t)とを掛け算した値、すなわち図19における乗算器45の出力は(3)式となる。(3)式において、「cos(2ωt−θ)」の項は運転周波数の2倍の周波数の正弦波成分であり、「cosθ」の項は直流成分である。従って、乗算器45の出力信号を帯域除去フィルタ56に与えることにより「cos(2ωt−θ)」の項が除去され、その出力信号は、V×I×cosθとなり、(1)式に示す有効電力Pの値と等しくなる。
このように図19に示す有効電力出力回路11を使用することにより、単相交流電圧と単相交流電流の瞬時信号から直流量としての有効電力値を得ることができ、第1乃至第4の実施の形態において有効電力検出値に基づいた出力電力制御を行うことができる。
図20は、第1乃至第4の実施の形態のインバータ制御回路が有効電力出力回路11および無効電力出力回路18を有した場合の有効電力出力回路11および無効電力出力回路18の内部構成の他の一例を示す制御ブロック図である。
図20に示す有効電力出力回路11の内部構成は、図19に示す有効電力出力回路11と同等である。一方、無効電力出力回路18では、それぞれ単相の正弦波信号である電圧検出値V(t)と電流検出値I(t)が入力として与えられ、遅延回路50において電圧検出値V(t)がπ/2(1/4サイクル)遅延される。その値と電流検出値I(t)を乗算器51で掛け算した結果得られた信号に対し、帯域除去フィルタ57を介することで、直流成分としての無効電力値Qを得、これを1次遅れ回路19へ与える。帯域除去フィルタ57は帯域除去フィルタ56と同様、運転周波数の2倍の周波数成分を除去する特性をもつ。
有効電力値の求め方については図20に示す有効電力出力回路11と同等である。一方、無効電力値は以下のようにして求める。V(t)とI(t)のうち、V(t)にπ/2の遅れを持たせた値とI(t)を掛け算して得られる信号、すなわち乗算器51の出力は(5)式となる。(5)式において、「cos(2ωt−θ−π/2)」の項は運転周波数の2倍の周波数の正弦波成分であり、「cos(θ−π/2)」の項は直流成分である。
従って、乗算器51の出力信号を帯域除去フィルタ57に与えることにより「cos(2ωt−θ−π/2)」の項が除去され、その出力信号は、V×I×cos(θ−π/2)=V×I×sinθとなり、(1)式に示す無効電力Qの値と等しくなる。
図20に示す無効電力出力演算回路18内において、系統電圧検出値V(t)に対し遅延回路50でπ/2(1/4サイクル)の遅れをもたせているが、系統電圧検出値V(t)に対しては遅れなしとし、代わりに出力電流検出値I(t)に対して遅延回路でπ/2(1/4サイクル)の遅れをもたせる構成としても直流量としての無効電力値を得ることができる。その場合、1次遅れ回路19へ与える値については正負の符号を反転させて与える構成とする。
電圧に対しては遅れなし、電流に対してπ/2(1/4サイクル)の遅れをもたせた場合、それを掛け算した値、すなわち乗算器51の出力は(7)式である。この信号を帯域除去フィルタ57に入力することにより、その出力信号は、V×I×cos(θ+π/2)=−V×I×sinθとなり、(1)式に示す無効電力Qの値と正負反転した値である。従って、1次遅れ回路19へは正負の符号を反転させて与える構成とする。
このように図20に示す有効電力出力回路11および無効電力出力回路18を使用することにより、単相交流電圧と単相交流電流との瞬時信号から直流量としての有効電力値および無効電力値を得ることができ、第1乃至第4の実施の形態において有効電力検出値および無効電力に基づいた出力電力制御を行うことができる。
1…交流母線、2…負荷、3…変圧器、4…単相インバータ、5…直流電源、6…交流電圧検出器、7…実効値検出回路、8…交流電圧制御回路、9…パルス発生回路、10…変圧器、11…有効電力出力演算回路、12…1次遅れ回路、13…乗算器、14…余弦波発生回路、15…加算器、16…出力電流制御回路、17…加算器、18…無効電力出力演算回路、19…1次遅れ回路、20…乗算器、21…正弦波発生回路、22…加算器、23…出力値配分演算回路、24…加算器、25…乗算器、26…乗算器、27…スイッチ回路、28…スイッチ回路、29…出力値配分演算回路、30…出力値配分演算回路、31…出力値配分演算回路、32…系統インピーダンス、33…単相交流電源、34…乗算器、35…加算器、36…電流検出器、37…無電源系統接続時制御回路、38…通常系統接続時制御回路、39…スイッチ回路、40…スイッチ回路、41…スイッチ回路、42…乗算器、43…比例積分回路、44…スイッチ回路、45…乗算器、46…積分器、47…遅延回路、48…加算器、49…増幅器、50…遅延回路、51…乗算器、52…積分器、53…遅延回路、54…加算器、55…増幅器、56…帯域除去フィルタ、57…帯域除去フィルタ、58…遮断器、59…加算器、60…加算器、61…乗算器、62…インバータ制御回路、63…係数器、64…加算器