JP5217397B2 - 電力変換装置の並列運転制御システム - Google Patents

Description

本発明は、複数台の電力変換装置の負荷分担を均等にして並列運転するための並列運転制御システムに関するものである。

複数台の電力変換装置を並列接続して運転する方法として、各変換装置間で制御信号を授受するための信号線を必要とせず、各変換装置が自己の出力電流検出値及び出力電圧検出値を用いて負荷を均等に分担するように運転する運転方式が知られている。
例えば、特許文献１には、並列接続された複数台の電力変換装置が、それぞれ自己の出力電流の振幅に応じて自己の出力電圧の振幅を制御することにより、各変換装置の出力を予め設定された過負荷定格以内に抑えるようにした並列運転制御装置が開示されている。

また、特許文献２には、並列接続された複数台の電源の独立制御方法、独立制御システム及び独立制御電源として、並列接続された複数台の電源が、それぞれ自己の出力電流の有効分及び無効分に応じて自己の出力電圧の位相及び振幅を制御する、垂下特性を利用した制御技術が開示されている。

更に、非特許文献１には、無停電電源装置が並列接続された際に、各電源装置から負荷までの線路のインピーダンスが異なる場合でも各電源装置が独立かつ均等に負荷を分担する運転方式として、仮想インダクタンスを利用した方式が開示されている。

特開２００６−２２３０６０号公報（段落［００２５］，［００２９］，［００３２］，［００３５］、図１〜図６等） 特開２００６−８１３１７号公報（段落［００４４］〜［００４９］，［００５２］〜［００５８］、図１，図２等） 廣瀬 司，小倉 崇，船渡 寛人，小笠原 悟司，「仮想インダクタンスを利用した三相ＵＰＳの自律分散制御法の提案」，電気学会研究会（半導体電力変換／リニアドライブ合同研究会）資料，ＳＰＣ−０５−１１５，Ｐ.２３−Ｐ.２８，２００５年１２月発行

特許文献１に記載された並列運転制御装置では、各変換装置の出力電流の振幅を検出対象とし、特許文献２に記載された独立制御システムでは、各電源の出力電流の有効分及び無効分を検出対象としているため、負荷急変時の過渡状態や、整流器負荷のような非線形負荷が接続されている場合の負荷分担の均等化が困難であった。

一方、非特許文献１に記載された並列運転方式では、不揃いの線路インピーダンスを仮想インダクタンスにて一致させることにより、整流器負荷等の非線形負荷に対する各電源装置の負荷分担の均等化を可能にしている。
しかし、電源装置が電力変換装置によって構成される場合には、スイッチング動作により発生する高調波電圧を抑制するためのフィルタコンデンサを電力変換装置の出力端に設置する必要がある。その結果、上記フィルタコンデンサと仮想インダクタンス動作を行う他の電力変換装置とが共振してしまい、負荷急変時に複数台の電力変換装置の並列運転制御が不安定になるという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、各電力変換装置が独立して負荷の均等分担を行う運転方式して、前述した従来技術の問題点を解消し、線路インピーダンスが異なる場合であっても、整流器負荷などの非線形負荷に対する均等分担を可能にし、かつ、各変換装置が安定して並列運転を行うことができる並列運転制御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、請求項１に係る発明は、並列接続された複数台の電力変換装置の負荷への供給電力を均等に分担するように各電力変換装置の運転を制御する並列運転制御システムにおいて、
各電力変換装置は、電力変換器及びその制御装置を備え、
前記制御装置は、
自己の電力変換器の出力電流から有効電流を求める有効電流検出手段と、
前記有効電流を用いて前記電力変換器の出力電圧の基準位相を制御する位相制御手段と、
前記基準位相及び前記電力変換器の出力電圧を用いて前記電力変換器の出力電圧指令を制御する電圧制御手段と、
前記電力変換器の出力端に接続された高調波フィルタと負荷との間に直列に抵抗が設置されていると仮定し、その仮想抵抗による電圧降下分を前記出力電流から演算する電圧降下演算手段と、
前記出力電圧指令から前記電圧降下分を減じる減算手段と、を備え、
前記減算手段から出力される出力電圧指令に従って前記電力変換器を運転するものである。

請求項２に係る並列運転制御システムは、請求項１に記載した並列運転制御システムにおいて、
自己の電力変換器の出力電流から無効電流を求める無効電流検出手段と、前記無効電流を用いて前記電力変換器の出力電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、を更に備え、前記電圧制御手段は、前記基準位相，前記振幅及び前記電力変換器の出力電圧を用いて前記電力変換器の出力電圧指令を制御するものである。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した並列運転制御システムにおいて、前記仮想抵抗の抵抗値を、前記電力変換器の出力端に接続された前記高調波フィルタとしてのフィルタリアクトルと他の電力変換器の出力端に接続された前記高調波フィルタとしてのフィルタコンデンサとによる共振を抑制可能な値に設定したものである。

請求項４に係る発明は、請求項２に記載した並列運転制御システムにおいて、前記振幅制御手段は、前記電力変換器の出力電圧の振幅が規定値以下にならないように、定常状態では無効電流に比例する電圧振幅降下分を用いて前記振幅を制御し、過渡状態では無効電流に起因する振幅制御を働かせずに基準振幅を出力するものである。

本発明によれば、各電力変換装置が独立して負荷を均等に分担する運転方式として、各電力変換器から負荷までの線路インピーダンスが異なる場合でも、非特許文献１のような仮想インダクタンスを用いないためフィルタコンデンサとの共振のおそれがなく、負荷急変時や非線形負荷の接続時にも複数台の電力変換装置を安定して並列運転することができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は本発明の実施形態に係る並列運転制御システムの全体構成図である。図１において、１００ａ，１００ｂは、負荷１１に対して互いに並列接続された電力変換装置である。ここでは、２台の電力変換装置１００ａ，１００ｂを並列運転する場合について説明するが、電力変換装置の台数は任意である。また、負荷１１は単一に限らず、複数の負荷１１を並列接続したシステムであっても良い。

電力変換装置１００ａ，１００ｂの構成は同一であるため、以下では、一方の電力変換装置１００ａについてその構成を説明する。
電力変換装置１００ａは、直流電源１ａと、その両端に接続されたインバータ等の電力変換器２ａと、その交流出力側に接続された高調波フィルタとしてのフィルタリアクトル３ａ及びフィルタコンデンサ４ａと、これらの接続点に接続された出力電圧検出器６ａと、前記接続点と負荷１１との間に接続された出力電流検出器７ａと、前記出力電圧検出器６ａ及び出力電流検出器７ａによる各検出値に基づいて電力変換器２ａを制御する制御装置５ａと、から構成されている。

他方の電力変換装置１００ｂも同一の構成であり、上記各構成要素に相当するものにはそれぞれ符号ｂを付してある。
これらの電力変換装置１００ａ，１００ｂは、電力線１０を介して負荷１１に接続されている。なお、８ａ，８ｂは電力線１０の線路インピーダンスの抵抗分、９ａ，９ｂはリアクタンス分を示す。これらの抵抗分８ａ，８ｂ及びリアクタンス分９ａ，９ｂは、各変換装置１００ａ，１００ｂと負荷１１との間の距離に依存するので、それぞれ異なる値となる。
図１では電力変換装置１００ａ，１００ｂが単相交流出力である場合を示しているが、三相交流出力の場合にも基本的に同様の構成となる。

次に、図２は、本発明の第１実施形態に係る制御装置のブロック図であり、図１における制御装置５ａ（５ｂも同様）の機能を示したものである。なお、図２では制御装置に符号５ａ_１を付して説明する。

図２において、制御装置５ａ_１は、出力電流検出器７ａにより電力変換器２ａの出力電流を検出する。次に、制御装置５ａ_１内の位相制御手段１３により制御される基準位相に基づいて、有効電流検出手段１２が、出力電流検出値から有効電流を検出する。この有効電流検出値はフィルタ１８に入力されており、高調波歪み成分が除去された有効電流検出値が位相制御手段１３に入力される。
位相制御手段１３は、例えば特許文献２と同様に有効電流と位相との垂下特性を利用して、有効電流検出値から基準位相を演算するものである。

基準位相は、出力電圧検出器６ａにより検出された電力変換器２ａの出力電圧と共に電圧制御手段１４に入力され、電力変換器２ａの出力電圧指令が生成される。
一方、図３に示すように、電力変換器２ａの出力側に抵抗２２ａが直列に接続されていると仮定し、出力電流検出値が入力される図２の電圧降下演算手段１６によって仮想抵抗２２ａによる電圧降下分を演算して減算手段１５に入力し、前記出力電圧指令から電圧降下分を減じるように構成されている。なお、上記仮想抵抗２２ａの値は、電力変換器と負荷との間の線路インピーダンスのアンバランスを小さくできるような任意の値に設定されており、制御パラメータとして各制御装置内の電圧降下演算手段１６内に予め設定されている。
上記減算手段１５の出力はＰＷＭ演算手段１７に送られ、このＰＷＭ演算手段１７により、電力変換器２ａの半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するためのゲート信号が生成される。

上記のように本実施形態では、各電力変換装置が他の電力変換装置との間で制御信号を授受することなく、各制御装置が、負荷までの距離に応じた電圧降下分を反映させた出力電圧指令を個別に生成して自己の電力変換器を独立して制御しているため、非特許文献１のように、フィルタコンデンサと仮想インダクタンス動作を行う他の電力変換装置との共振動作に起因して並列運転制御が不安定になるのを防止することができる。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。
図４は、この第２実施形態に係る制御装置のブロック図であり、並列運転制御システムの全体構成は図１と同様である。なお、図４では、制御装置に符号５ａ_２を付して説明する。
この制御装置５ａ_２では、第１実施形態に係る制御装置５ａ_１に、無効電流検出手段１９、高調波歪み成分を除去するフィルタ２１、及び振幅制御手段２０が追加されており、振幅制御手段２０から出力される振幅値が電圧制御手段１４に入力されている。

以下では、図４における追加部分を中心として、並列運転時の制御動作を説明する。
本実施形態において、位相制御手段１３により制御される基準位相に基づいて、無効電流検出手段１９が、出力電流検出値から無効電流を検出する。この無効電流検出値はフィルタ２１に入力されており、高調波歪み成分が除去された無効電流検出値が振幅制御手段２０に入力される。

振幅制御手段２０は、例えば特許文献２と同様に無効電流と電圧振幅との垂下特性を利用して、無効電流検出値から出力電圧の振幅を演算する。この振幅値は、位相制御手段１３にて得られた基準位相と出力電圧検出手段６ａからの出力電圧検出値と共に電圧制御手段１４に入力され、電力変換器２ａの出力電圧指令が生成される。
また、第１実施形態と同様に、図３に示した仮想抵抗２２による電圧降下分が電圧降下演算手段１６により演算され、この電圧降下分を減算手段１５にて出力電圧指令から減じることにより、電力変換器２ａに対する最終的な出力電圧指令が演算される。以後の動作は第１実施形態と同様である。

本実施形態においても、各変換装置が、負荷までの距離に応じた電圧降下分を反映させた出力電圧指令を生成して個々の電力変換器を独立して制御することができる。

更に、図５は、本発明の第３実施形態を説明するための並列運転制御システムの全体構成図である。
図５または図１に示すように、互いに並列接続される電力変換装置１００ａ，１００ｂは、フィルタコンデンサ４ａ，４ｂの一端で電力線１０を介して接続される。この場合、線路インピーダンスの抵抗分８ａまたは８ｂが微小な場合、フィルタリアクトル３ａまたは３ｂと他の電力変換装置のフィルタコンデンサ４ｂまたは４ａとの間で共振現象が発生し、各電力変換装置の独立した運転が困難になって安定した並列運転が困難になる。

そこで、この実施形態では、前述した仮想抵抗２２ａまたは２２ｂによって共振動作を抑制するように、仮想抵抗２２ａ，２２ｂの抵抗値を電圧降下演算手段１６に設定することとした。
ここで、リアクトル及びコンデンサによる共振の様子を表すものに、数式１に示す減衰比ζがある。
［数式１］
ζ＝（Ｒ／２）×√（Ｃ／Ｌ）
ただし、
Ｒ：仮想抵抗の抵抗値
Ｌ：フィルタリアクトルのインダクタンス値
Ｃ：フィルタコンデンサのキャパシタンス値
である。

上記の減衰比ζがおよそ０．１６以下になると、フィルタリアクトルとフィルタコンデンサとの共振によって起こる振動が、それぞれのインダクタンス値Ｌとキャパシタンス値Ｃによって決まる周波数で１周期以上継続する。そこで、減衰比ζが０．１６を超えるように、仮想抵抗２２ａ，２２ｂの抵抗値を設定する。
上記のように、この実施形態は電圧降下演算手段１６における仮想抵抗２２ａ，２２ｂの抵抗値の設定方法に関するものであるから、前述した第１，第２実施形態にも適用することができる。

最後に、図６に基づいて本発明の第４実施形態を説明する。この実施形態は、図４に示した第２実施形態における振幅制御手段２０の構成に関するものである。
電力変換器、例えば２ａの出力側に設けられる仮想抵抗２２ａは、電力変換器２ａの内部インピーダンスとして機能する。仮に、仮想抵抗２２ａの抵抗値を、出力電流定格１００％の際に出力電圧定格の２０％に相当する電圧降下が発生するように設定すると、電力変換器２ａの出力電圧は出力電流に比例して２０％分低下する。

一方、図４における振幅制御手段２０は、垂下特性を利用して出力電圧の振幅を制御するものであり、図６に示す如く、無効電流に比例する電圧振幅降下分を設定するための比例ゲイン２５と、この比例ゲインを前記フィルタ２１の出力に乗算する乗算手段２４と、出力電圧の基準振幅２３と、この基準振幅２３から乗算手段２４の出力である電圧振幅降下分を減じるための減算手段２６と、を備えている。

上記比例ゲイン２５を、例えば無効電流１００％出力の際に電圧振幅が１０％低下するように設定した場合、定常状態では、電力変換器２ａの出力電圧は無効電流に比例して１０％分低下し、内部インピーダンスとして機能する仮想抵抗２２ａによる電圧降下分２０％を補償するように働く。
一方、負荷急変時のような過渡状態では、図６のフィルタ２１により高調波成分に対しては乗算手段２４の出力がゼロになるので、振幅制御手段２０からは振幅値として基準振幅２３が出力されることになり、出力電圧指令の振幅は、仮想抵抗２２ａによる電圧降下分２０％のみを減算手段１５にて減算した値となる。

上記のように、この実施形態では、過渡状態において無効電流に起因する出力電圧の振幅制御を働かせず、仮想抵抗を用いた電圧降下分のみによって出力電圧指令を補正するようにしたので、出力電圧が規定値以下にならないようにその振幅を制御することができる。

本発明の実施形態に係る並列運転制御システムの全体構成図である。 本発明の第１実施形態を示す制御装置のブロック図である。 図２に示した電力変換器の出力側における仮想抵抗の説明図である。 本発明の第２実施形態を示す制御装置のブロック図である。 本発明の第３実施形態を説明するための並列運転制御システムの全体構成図である。 本発明の第４実施形態における制御装置の主要部を示すブロック図である。

符号の説明

１００ａ，１００ｂ：電力変換装置
１ａ，１ｂ：直流電源
２ａ，２ｂ：電力変換器
３ａ，３ｂ：フィルタリアクトル
４ａ，４ｂ：フィルタコンデンサ
５ａ，５ａ_１，５ａ_２，５ｂ：制御装置
６ａ，６ｂ：出力電圧検出器
７ａ，７ｂ：出力電流検出器
８ａ，８ｂ：線路インピーダンスの抵抗分
９ａ，９ｂ：線路インピーダンスのリアクタンス分
１０：電力線
１１：負荷
１２：有効電流検出手段
１３：位相制御手段
１４：電圧制御手段
１５：減算手段
１６：電圧降下演算手段
１７：ＰＷＭ演算手段
１８，２１：フィルタ
１９：無効電流検出手段
２０：振幅制御手段
２２ａ，２２ｂ：仮想抵抗
２３：基準振幅
２４：乗算手段
２５：比例ゲイン
２６：減算手段

Claims (4)

1. 並列接続された複数台の電力変換装置の負荷への供給電力を均等に分担するように各電力変換装置の運転を制御する並列運転制御システムにおいて、
   各電力変換装置は、電力変換器及びその制御装置を備え、
   前記制御装置は、
   自己の電力変換器の出力電流から有効電流を求める有効電流検出手段と、
   前記有効電流を用いて前記電力変換器の出力電圧の基準位相を制御する位相制御手段と、
   前記基準位相及び前記電力変換器の出力電圧を用いて前記電力変換器の出力電圧指令を制御する電圧制御手段と、
   前記電力変換器の出力端に接続された高調波フィルタと負荷との間に直列に抵抗が設置されていると仮定し、その仮想抵抗による電圧降下分を前記出力電流から演算する電圧降下演算手段と、
   前記出力電圧指令から前記電圧降下分を減じる減算手段と、を備え、
   前記減算手段から出力される出力電圧指令に従って前記電力変換器を運転することを特徴とする電力変換装置の並列運転制御システム。
2. 請求項１に記載した並列運転制御システムにおいて、
   自己の電力変換器の出力電流から無効電流を求める無効電流検出手段と、
   前記無効電流を用いて前記電力変換器の出力電圧の振幅を制御する振幅制御手段と、を更に備え、
   前記電圧制御手段は、前記基準位相，前記振幅及び前記電力変換器の出力電圧を用いて前記電力変換器の出力電圧指令を制御することを特徴とする電力変換装置の並列運転制御システム。
3. 請求項１または２に記載した並列運転制御システムにおいて、
   前記仮想抵抗の抵抗値を、
   前記電力変換器の出力端に接続された前記高調波フィルタとしてのフィルタリアクトルと他の電力変換器の出力端に接続された前記高調波フィルタとしてのフィルタコンデンサとによる共振を抑制可能な値に設定したことを特徴とする電力変換装置の並列運転制御システム。
4. 請求項２に記載した並列運転制御システムにおいて、
   前記振幅制御手段は、
   前記電力変換器の出力電圧の振幅が規定値以下にならないように、定常状態では無効電流に比例する電圧振幅降下分を用いて前記振幅を制御し、過渡状態では無効電流に起因する振幅制御を働かせずに基準振幅を出力することを特徴とする電力変換装置の並列運転制御システム。
   

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