JP5004021B2 - 電源装置の制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷に交流電力を供給する電源装置の制御装置に関し、詳しくは、並列接続される複数台の電源装置（分散電源）の負荷分担を均等化させ、出力周波数の安定化を可能にした制御装置に関するものである。

無停電電源装置等の複数台の分散電源を並列接続して運転する方法として、各分散電源が自己の出力電力有効分に応じて自己の出力電圧の位相を制御する、いわゆる周波数垂下特性を利用した独立制御方法が知られている。
すなわち、周波数垂下特性を利用した独立制御方法では、各分散電源の自己の出力電力有効分の変化に反比例させて出力電圧の位相の変化率を増減させることにより出力電力有効分を調整する方法や、周波数を増減させることにより出力電力有効分を調整する方法が知られている。

ここで、図５は、各分散電源の自己の出力電力有効分に応じて出力電圧の位相を制御する位相制御回路を示しており、例えば、特許文献１の図３に記載された制御回路と実質的に同一のものである。
図５の位相制御回路では、予め設定した出力電力有効分基準値と分散電源の自己の出力電力有効分との差を減算器１により求め、その出力を比例項及び積分項からなる位相調節器（ＰＩ調節器）３に入力する。次に、加算器２により位相調節器３の出力と基準位相との和を求め、その出力をその分散電源の出力電圧の位相φとしている。

この位相制御回路によれば、出力電力有効分基準値より自己の出力電力有効分が小さい場合には位相の変化率が増加し、逆に出力電力有効分基準値より自己の出力電力有効分が大きい場合には位相の変化率が減少する。すなわち、位相の変化率は周波数であるから、自己の出力電力有効分に反比例して出力電圧の周波数が増減し、その結果、複数台の電源装置が負荷を均等に分担するように各電源装置の位相が制御される。

一方、図６は、各分散電源の自己の出力電力有効分に応じて出力電圧の周波数を制御する周波数制御回路を示している。
図６の周波数制御回路では、予め設定した出力電力有効分基準値と分散電源の自己の出力電力有効分との差を減算器１により求め、その出力を比例項及び微分項からなる周波数調節器（ＰＤ調節器）４に入力する。次に、加算器２により周波数調節器４の出力と基準周波数との和を求め、その出力をその分散電源の出力電圧の周波数ｆとしている。

この制御回路によれば、出力電力有効分基準値より自己の出力電力有効分が小さい場合には周波数が増加し、逆に出力電力有効分基準値より自己の出力電力有効分が大きい場合には周波数が減少する。これにより、自己の出力電力有効分に反比例して周波数が増減し、複数台の電源装置が負荷を均等に分担するように各電源装置の位相が制御される。

しかしながら、上述した図５，図６の制御回路により周波数垂下特性を利用して分散電源を並列運転する場合、負荷状態に応じて出力電力有効分が変動すると、出力電圧の周波数が変動して定格周波数からずれてしまうという問題がある。

上記の問題に対して、特許文献２に記載された従来技術では、複数台の電源装置の並列運転中は周波数垂下特性による電圧制御を行い、並列運転停止時には垂下特性による電圧制御を解除して出力周波数を一定にするか、または、並列運転中に電源装置間で横流が生じたときにのみ垂下特性による電圧制御を行い、横流が所定値よりも小さくなって垂下特性による電圧制御が不要なときには出力周波数を一定に制御している。

また、特許文献３に記載された従来技術では、並列運転される各インバータの出力電力有効分が定常状態で変動が小さいときには、出力電力有効分に対する出力周波数の変化率、すなわち周波数垂下特性の傾きを小さくし、出力電力有効分が過渡状態で変動が大きいときには、周波数垂下特性の傾きを大きくすることにより、定常状態における出力周波数の変動を小さくしている。

更に、特許文献４，５に記載された従来技術では、周波数垂下特性に起因する出力周波数の変動を補正するための自動周波数制御部を新たに設けて、並列運転される複数台の電源装置の出力周波数を一定に調節する制御を行っている。

特開２００６−８１３１７号公報（段落［００７７］，［００７８］，［００８３］、図１，図３等） 特許第２７５８７８２号公報（段落［００３３］〜［００４３］、図１，図２等） 特開２０００−３２７６４号公報（段落［００２３］〜［００５０］、図１〜図４等） 特開平５−２３６６５９号公報（段落［０００６］〜［００１０］、図１，図２等） 特開２００５−３２８６２２号公報（段落［００１６］〜［００２６］、図１，図２等）

しかし、前述した特許文献２の従来技術では、複数台の分散電源を並列運転した際の周波数変動を回避できないと共に、横流が生じたか否かの横流量判定回路が別途必要になるため、回路が複雑化するという問題がある。
また、特許文献３の従来技術によれば、定常時の周波数変動幅は小さくなるが、分散電源の並列運転時における出力周波数の変動は回避することができない。

更に、特許文献４，５に記載された従来技術では、分散電源の並列運転時に横流の発生に無関係に出力周波数を一定に調節することが可能であるが、出力周波数の検出回路や周波数制御部が別途必要になり、回路が複雑化するという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、周波数垂下特性を利用して複数台の電源装置を並列接続して運転する場合に、運転状態の判別や横流量の判定を必要とせず、また、出力周波数の検出回路や周波数制御部を用いることなく、周波数垂下特性に起因する出力周波数の変動を簡単に抑制可能とした電源装置の制御装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、負荷に交流電力を供給する電源装置の制御装置であって、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分に応じて出力電圧の位相を調節する位相調節手段を備えた制御装置において、
前記位相調節手段の出力の大きさを調節する振幅調節手段と、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分の基準値と実際値との偏差から前記振幅調節手段の出力を減じる減算手段と、前記位相調節手段の出力を前記出力電圧の基準位相に加える加算手段と、を備え、
前記減算手段の出力を前記位相調節手段に入力したものである。
これにより、周波数垂下特性を利用して複数台の電源装置を並列接続して運転する場合の周波数変動を抑制する。

請求項２に記載した発明は、請求項１に記載した制御装置において、前記振幅調節手段の入力側または出力側に、前記位相調節手段の出力の変動を抑制するフィルタ手段を設けたものである。
これにより、電源装置の自己の出力電力有効分に応じた位相制御が過敏に応答するのを防止する。

請求項３に記載した発明は、負荷に交流電力を供給する電源装置の制御装置であって、自己の出力電力または出力電流の有効分に応じて出力電圧の周波数を調節する周波数調節手段を備えた制御装置において、
前記周波数調節手段の出力を積分する積分手段と、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分の基準値と実際値との偏差から前記積分手段の出力を減じる減算手段と、前記周波数調節手段の出力を前記出力電圧の基準周波数に加える加算手段と、を備え、
前記減算手段の出力を前記周波数調節手段に入力したものである。
これにより、周波数垂下特性を利用して複数台の電源装置を並列接続して運転する場合の周波数変動を抑制する。

請求項４に記載した発明は、請求項３に記載した制御装置において、前記積分手段の入力側または出力側に、前記周波数調節手段の出力の変動を抑制するフィルタ手段を設けたものである。
これにより、電源装置の自己の出力電力有効分に応じた周波数制御が過敏に応答するのを防止する。

本発明によれば、周波数垂下特性を利用して複数台の電源装置を並列接続して運転する場合に、比例項、積分項または微分項からなる調節手段や加減算手段を用いた簡単な構成によって各電源装置の出力周波数の変動を防止することができる。
特に、従来技術における横流量判定回路や出力周波数検出回路、周波数制御部等が不要であるため、制御装置の簡略化、低コスト化が可能である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の第１実施形態に係る制御装置としての位相制御回路であり、請求項１に記載した発明に相当する。この実施形態は、周波数垂下特性を利用して各電源装置を独立制御するために、各電源装置の自己の出力電力有効分に応じて出力電圧の位相を制御する位相制御回路であり、前述した図５の位相制御回路と同一部分には同一符号を付してある。

図１の位相制御回路は、位相調節器３の出力の大きさを調節する比例項にて構成された振幅調節器５を備え、また、減算器１により求めた出力電力有効分基準値と電源装置の自己の出力電力有効分（実際値）との偏差から、更に前記振幅調節器５の出力を減じる減算器６を備えている。
上記減算器６の出力は比例項及び積分項からなる位相調節器３に入力され、その出力が図５と同様に加算器２に入力されている。この加算器２によって位相調節器３の出力と基準位相との和を求めることにより、当該電源装置の出力電圧の位相φが求められる。

この位相制御回路によれば、位相調節器３の出力が振幅調節器５を介してフィードバックされ、減算器６により出力電力有効分基準値と自己の出力電力有効分との偏差から減じられる。これにより、比例項及び積分項により構成された位相調節器３の入力がゼロに均衡するので、位相調節器３の出力は一定値となり、出力電圧の位相φは加算器２にて基準位相に一定値を加算した値となる。位相φの変化率は周波数であることから、結果的に、当該電源装置の出力電圧の周波数は基準周波数（例えば定格周波数）となる。
よって、電源装置の自己の出力電力有効分が変化したとしても、出力電圧の周波数が基準周波数からずれる恐れはない。

次に、図２は本発明の第２実施形態に係る制御装置としての位相制御回路であり、請求項２に記載した発明に相当する。この実施形態も、各電源装置の自己の出力電力有効分に応じて出力電圧の位相を制御するものであり、図１の位相制御回路と同一部分には同一符号を付してある。

図２に示す位相制御回路は、振幅調節器５の入力側に、位相調節器３の出力の変動を抑制するフィルタ７を備えている。
この位相制御回路によれば、前記フィルタ７が位相調節器３の出力の変動を抑制することにより、振幅調節器５を介してフィードバックされる位相調節器３の出力に対して、自己の出力電力有効分に応じた位相制御が過敏に応答しないような制御系を構成することが可能である。
この実施形態も第１実施形態と同様に、電源装置の出力電力有効分が変化した場合にも出力電圧の周波数をほぼ一定に保つことができる。
なお、上記フィルタ７は、振幅調節器５の出力側に設けても良い。

更に、図３は、本発明の第３実施形態に係る制御装置としての周波数制御回路であり、請求項３に記載した発明に相当する。この実施形態は、周波数垂下特性を利用して各電源装置を独立制御するために、各電源装置の自己の出力電力有効分に応じて周波数を制御する周波数制御回路であり、図１，図２と同一部分には同一符号を付してある。

図３に示す周波数制御回路は、図１における位相調節器３に代えて比例項及び微分項からなる周波数調節器４を設け、また、図１における振幅調節器５に代えて積分項からなる積分器８を設けたものである。
上記構成により、周波数調節器４の出力は積分器８により積分されて減算器６に入力される。減算器６では、前段の減算器１により求めた出力電力有効分基準値と電源装置の自己の出力電力有効分との偏差から、更に前記積分器８の出力が減じられ、その結果が周波数調節器４に入力される。周波数調節器４の出力は図６と同様に加算器２に入力されており、この加算器２によって周波数調節器４の出力と基準周波数との和を求めることにより、当該電源装置の出力電圧の周波数ｆが求められる。

この周波数制御回路によれば、周波数調節器４の出力が積分器８を介してフィードバックされ、減算器６により出力電力有効分基準値と自己の出力電力有効分との偏差から減じられる。これにより、比例項及び微分項により構成された周波数調節器４の入力がゼロに均衡するので、周波数調節器４の出力はゼロになり、加算器２からは基準周波数がそのまま出力される。この結果、当該電源装置の出力電圧の周波数は基準周波数となる。
従って、第１，第２実施形態と同様に、電源装置の出力電力有効分が変化した場合にも出力電圧の周波数をほぼ一定に保つことができる。

また、図４は、本発明の第４実施形態に係る制御装置としての周波数制御回路であり、請求項４に記載した発明に相当する。この実施形態も、各電源装置の自己の出力電力有効分に応じて周波数を制御するものであり、図１〜図３と同一部分には同一符号を付してある。

図４の周波数制御回路は、積分器８の入力側に、周波数調節器４の出力の変動を抑制するフィルタ９を備えている。
この周波数制御回路によれば、前記フィルタ９が周波数調節器４の出力の変動を抑制することにより、積分器８を介してフィードバックされる周波数調節器４の出力に対して、自己の出力電力有効分に応じた周波数制御が過敏に応答しないような制御系を構成することが可能である。
本実施形態でも、電源装置の出力電力有効分の変化に関わらず出力電圧の周波数をほぼ一定に保つことができる。
ここで、上記フィルタ９は、積分器８の出力側に設けても良い。

なお、上記各実施形態では、各電源装置の自己の出力電力の有効分に応じて出力電圧の位相または周波数を制御する場合について説明したが、本発明は、各電源装置の自己の出力電流の有効分に応じて同様な制御を行う場合も含むものである。

本発明の第１実施形態を示す位相制御回路の構成図である。 本発明の第２実施形態を示す位相制御回路の構成図である。 本発明の第３実施形態を示す周波数制御回路の構成図である。 本発明の第４実施形態を示す周波数制御回路の構成図である。 分散電源の制御装置に適用される従来の位相制御回路の構成図である。 分散電源の制御装置に適用される従来の周波数制御回路の構成図である。

符号の説明

１ 減算器
２ 加算器
３ 位相調節器
４ 周波数調節器
５ 振幅調節器
６ 減算器
７，９ フィルタ
８ 積分器

Claims (4)

1. 負荷に交流電力を供給する電源装置の制御装置であって、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分に応じて出力電圧の位相を調節する位相調節手段を備えた制御装置において、
   前記位相調節手段の出力の大きさを調節する振幅調節手段と、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分の基準値と実際値との偏差から前記振幅調節手段の出力を減じる減算手段と、前記位相調節手段の出力を前記出力電圧の基準位相に加える加算手段と、を備え、
   前記減算手段の出力を前記位相調節手段に入力したことを特徴とする電源装置の制御装置。
2. 請求項１に記載した電源装置の制御装置において、
   前記振幅調節手段の入力側または出力側に、前記位相調節手段の出力の変動を抑制するフィルタ手段を設けたことを特徴とする電源装置の制御装置。
3. 負荷に交流電力を供給する電源装置の制御装置であって、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分に応じて出力電圧の周波数を調節する周波数調節手段を備えた電源装置を制御するための制御装置において、
   前記周波数調節手段の出力を積分する積分手段と、電源装置の自己の出力電力または出力電流の有効分の基準値と実際値との偏差から前記積分手段の出力を減じる減算手段と、前記周波数調節手段の出力を前記出力電圧の基準周波数に加える加算手段と、を備え、
   前記減算手段の出力を前記周波数調節手段に入力したことを特徴とする電源装置の制御装置。
4. 請求項３に記載した電源装置の制御装置において、
   前記積分手段の入力側または出力側に、前記周波数調節手段の出力の変動を抑制するフィルタ手段を設けたことを特徴とする電源装置の制御装置。

Images