JP5670904B2 - 送電網結合型電力変換システムにおける任意の電気波形の適応生成及び制御 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電気波形の生成及び制御に関し、より詳しくは、ハードウェア波形生成器及び制御装置に結合されているソフトウェア処理を使用した任意の電気波形の適応生成及び制御、特に送電網結合型電力変換における前記任意の電気波形の適応生成及び制御の使用に関する。

（関連出願情報）
本出願は、２００８年９月２６日出願の米国仮特許出願第６１／１００，６２８号、及び２００９年２月１９日出願の米国仮特許出願第６１／１５３，９４０号に対する優先権の恩典を主張する。

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波形の高調波歪みは、波形内に基本周波数の整数倍である無用の周波数が存在すること（基本周波数の「高調波」として知られている）を特徴とする。フーリエ解析を使用すると、全ての交流波形は、基本的な正弦波周波数とその高調波の和として特徴付けることができる。エネルギーの伝達にとって理想化された波形は、純粋な正弦波である。よって、所望される理想電力信号波形は、５０／６０ヘルツ（国により異なる）を基本とした高調波歪みのない純粋な正弦波である。

電力送電網では、無用の高調波歪みにより、誘導電動機、変圧器、コンデンサの加熱が引き起こされたり、中性電力線が過負荷になったりする可能性がある。シリコン制御整流器（ＳＣＲ）の様な、正確な電圧波形状を要する機器も同様に、高調波歪みにより影響（例えば、過熱）を被る。

多相システムでは、たった１つの相が負荷を歪めていることに端を発した高調波が、その他（例えば、３つの）相を跨いで広がり、中性電流（即ち、中性線の電流）に有効線電流より高い値を与えてしまう可能性がある。高調波がなければ、中性線は、通常、わずかな電流しか搬送しない。単相負荷が高調波を持ちこむと、中性線が過負荷になる危険性が高まる。中性線が過負荷になると、過熱の危険性及び火災の危険性が高まり、接地問題が引き起こされる可能性がある。

電力送電網システムの高調波は、変電所の変圧器及び力率訂正コンデンサに影響を及ぼす。変圧器が歪んだ電流波形に影響を受けると、過剰な熱を発生させ、期待寿命を縮ませる。コンデンサが電圧波形に影響を受けると、過剰な熱を生み、爆発の危険性が付きまとう。

高調波歪みは、供給と負荷の両方で問題であり、注意深い管理を要する。米国での電力送電網に結合している太陽光発電インバータの様な電気システムは、ＵＬ１７４１相互接続標準に準拠していなくてはならない。この標準では、高調波電圧の総二乗平均平方根が基本二乗平均平方根定格出力電圧の３０パーセントを超過しないことが求められる（第４５条４項１号）。どれ１つの高調波も、基本二乗平均平方根出力の１５パーセントを超えてはならない。これらの測定は、インバータがその定格出力の１００パーセントを抵抗負荷に送達している状態で行われなくてはならない。

太陽光発電又は風力発電システムでよく見られるＤＣ対ＡＣ電力インバータは、正弦波生成のためにパルス幅変調器（ＰＷＭ）を使用している。これは、比較的純粋な正弦波を作り出すが、高調波成分は残存し、実際に高調波成分がインバータの中の他のハードウェアによって持ち込まれる可能性がある。インバータ電力出力は、高調波の削減と一体で最大性能を実現することはできない。加えて、電力送電網に接続されている機器についての相互接続標準に準拠するためには、高調波を制御及び／又は削減する必要があるかもしれない。高調波歪みを打ち消すためにＰＷＭを使用しているインバータの供給では、フィルタがよく使用されている。これらにより、莫大な費用と電力伝送の効率低下が上乗せされる。その様なフィルタに代わるものは、逆高調波信号を生成し、それをＰＷＭに印加して歪みを打ち消すことによって、検出された高調波を補償することである。その様な手法は、拡張的なソフトウェア処理か追加の高価なソフトウェアの何れかを必要とする。これらの従来のシステムでは、機器の費用は、制御が必要な高調波の数が増えるに伴い上昇する。費用と複雑性を縮小するため、或る一定の高調波は無視される場合が多いが、これでは所望の効果に逆行する。

送電網の電圧と電流の間の位相シフトは、送電網において「無効電力」の伝達で重要な役割を果たす。この様な位相シフトが起こると、送電線は誘導負荷として働き、電圧は線に沿って小さくなる。送電線に対するこの効果は、電圧低下や停電の原因となる。送電網の到るところのその様な位相シフティングを或る一定の程度まで低減することは、公共事業の最大利益にかなう。一般的な実践法では、共鳴現象が起こるのを防止するために、位相シフトは約０．９０又は０．９５の力率に維持される。位相シフティングは、誘導負荷によって持ち込まれるが、普通は、何マイルも離れた大型の電力生成器によって埋め合わされる。この位相シフティングは、より局所的には静電容量補償器によって相殺することができるが、それには費用がかかる。

米国仮特許出願第６１／１００，６２８号 米国仮特許出願第６１／１５３，９４０号 米国特許出願第１１／７７４，５６２号

電力変換システムは、出力波形を、所望の出力波形の理想バージョンを表している基準波形に向けて収束させる。システムは、目標周期波形の形状と位相についての固有情報を受信し、出力波形を生成し、当該出力波形を基準波形と比較する。比較の結果、出力波形を変化させて基準波形により密に整合させるべく、出力ハードウェアを変化させる訂正信号がもたらされる。システムは、理想の電圧又は電流波形を目的に出力波形を収束させることができ、位相シフトを導入してもよい。電力システムは、特定の高調波歪み分析を行うことなく、出力波形の高調波歪みが低減された電力信号を出力することができる。

次に続く説明は、本発明の実施形態の実施例の一例として与えられている例示を有する図の考察を含んでいる。図面は、一例として理解されるべきであり、制限を課すものとして理解されてはならない。ここで使用される場合つき、１つ又はそれ以上の「実施形態」への言及は、本発明の少なくとも１つの実施例に含まれる或る特定の機構、構造、及び特性を表しているものと理解されたい。よって、ここで見られる「１つの実施形態では」又は「或る代わりの実施形態では」の様な言い回しは、本発明の様々な実施形態及び実施例を表現しており、必ずしもどれもが同じ実施形態を指しているとは限らない。しかしながら、それらは同時に必ずしも相互排他的であるとは限らない。

高調波歪みを、ハードウェア波形制御装置に連結されたソフトウェアフィードバック制御サブシステムを用いて制御するシステムの或る実施形態のブロック線図である。 高調波歪みを制御するシステムの或る実施形態のブロック線図である。 入れ子型フィードバック制御システムの内側制御ループの或る実施形態のブロック線図である。 理想化された基準信号に基づく出力信号を生成するためのプロセスの或る実施形態の流れ線図である。

次に、以下に記載の実施形態のうちの幾つか又は全てが描かれている図の説明を含め、或る一定の詳細事項及び実施例を説明してゆくが、それに加えて、ここに提示されている発明の概念の見込まれる他の実施形態又は実施例についても論じている。本発明の実施形態の概観を以下に提供し、それに続けて、図面を参照しながら更に詳細に説明してゆく。

ここに説明されている様に、出力は理想化された出力に基づき生成され、所与の入力信号について出力信号の高調波歪み制御がもたらされる。１つの実施形態では、ハードウェア波形生成及び制御と連携するソフトウェア処理は、出力波形の形状、比例、及びタイミングを確保する。出力波形は、限定するわけではないが、タイミング、位相合わせ、及び／又は周波数情報を含む入力同期情報、実際の出力波形の瞬時形状、及び表式データによって表されている基準「理想」波形に基づく。実際の出力を測定し、制御／生成メカニズムに訂正を提供することにより、システムは、タイミング、位相合わせ、及び他の周波数特性に関係のある特定の入力情報、実際の出力波形、及び理想の目標波形を表している特定の表を所与として、任意の出力波形に収束させる。その様なシステムを使用すれば、不要な高調波歪みが低い何らかの任意の出力電気波形はもとより、理想波形を表している基準表式データと相関的な任意の相を作り出すこともできる。よって、出力信号の高調波歪みと位相の両方を制御することができる。

ここに説明されている様に、負荷から遠く離れた「無効電力」問題に対処するのではなく、むしろ、無効電力は局所的に生成されることになり、その結果、送電網結合型システムに現在存在している「無効電力」問題に対処するための費用効果のより高い方法がもたらされる。１つの実施形態では、送電網結合型電力変換システムは、動的に、要求に応じた有効電力と無効電力の混合を提供するので、費用が節約でき、より安定した電力送電網が提供される。１つの実施形態では、電力変換システムは、動的に、その出力電流（局所）と送電網電圧の間の位相シフトを変化させて、要求に応じた有効電力と無効電力の混合を提供する。

無効電力を局所的に生成する、及び出力波形の位相を目標周期波形に関してシフトする、との言及があれば、それらは同様の目的を達成するものと理解されてもよいであろう。１つの実施形態では、力率は、局所的に負荷において、送電網の方を向きながら出力波形の位相シフトを制御することによって、制御されている。よって、負荷を見ると、力率は、出力波形位相シフトを負荷のそれと整合することによって「１」に又は「１」に非常に近く維持されている。こうして、送電網に関して出力波形と負荷を位相外れとすることができ、局所的に負荷で「無効電力の生成」が行われる。位相は、出力をフィルタに掛けるとか送電網及び／又は負荷に整合しようとするのではなく、むしろ出力波形を理想的な所望の出力波形に整合することによって制御されることになる。

制御処理（例えば、マイクロプロセッサ又は他の形態の制御装置のソフトウェアプロセスにより実施）は、特定の所望の周期タイミングや位相合わせについての情報、又は目標又は同期信号のための他の周波数情報を受信する。制御プロセスは、更に、生成された出力波形の瞬時的な大きさをサンプリングする。周波数情報と瞬時的な大きさは、負荷特性によって変わり得る。制御プロセスは、受信データを基準デジタル化理想波形（例えば、表形式で記憶されている基準波形）の設定点と一点毎に比較し、誤差データを一点毎に算出する。１つの実施形態では、比較と算出は並列して行われている。理想波形は、目標又は同期信号に厳密に同期されていてもよいし、固定された位相オフセットを有していてもよい。位相オフセットが適用されている場合、位相オフセットは、ハードコード化することもできるし、動的に変化させることもできる。

システムは、生成された誤差データを、信号更新を生成する適切なフィードバック制御サブシステム（例えば、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御装置）に適用する。１つの実施形態では、誤差データは、基準信号同様に点対点であり、特定の出力点における、変更する又は何もしない、を表示することができる。誤差データの和は、更新表式データと呼ぶこともでき、それがハードウェア波形生成器及び／又は制御装置へ適用される。波形生成器は、参照される理想波形により密に整合している出力波形を作り出す。システムは、動的に、更新アルゴリズムに対してか又は任意の基準波形用に訂正されたデータの表に対してかの何れかに適応した改善を可能にする。

電力変換の実施形態では、電力ソースはサンプリングされ、制御プロセスによって既知の技法を通して制御されるが、その様な技法には、例えば、ＭＰＰＴ（最大電力点追跡）又は動的インピーダンス整合（例えば、「電力変化を検出する電力抽出器」という名称で２００７年７月７日に出願され、同一の法人譲受人に譲渡されている同時係属特許出願第１１／７７４，５６２号）などがある。電力ソースをサンプリングして電力変換のために制御することは、入力電力変換器による電力伝送を最大化するのに役立つ。

説明されている様に、システムは、特定の高調波歪みを分析することも知ることもなく、出力信号を理想基準信号に収束させることになる。しかしながら、出力信号及びその波形を理想化された信号／波形に収束させることにより、システムは、出力波形の多次高調波歪みを、その入力同期信号に対する位相オフセットがどうであれ、個々の高調波に関連付けられている相対電力レベルを知ることなしに低減する。１つの観点から、高調波歪み制御は、出力波形の特定の高調波についての情報に係わりなく、出力波形の生成に、より熟考的に焦点を当てることで実現させることができる。こうして、特定の高調波に焦点を当てるのではなく、むしろ理想出力波形を生成することに焦点を当てることで、歪み更新システムの複雑性を軽減しながら、より効果的に歪みを低減することができる。

ここで説明されている様に、出力波形は、任意の形状及び位相アラインメントの同期又は目標波形へ収束させることができる。出力波形は、電流波形又は電圧波形の何れとすることもできる。システムは、単に、入力信号を修正しよう、及び／又はフィルタに掛けようとするのではなく、それどころか出力信号を生成する。よって、システムは、同期波形のタイミング、位相合わせ、及び他の特性に関係のある入力情報さえあれば、出力を同期（目標）波形に収束させることができる。生成された出力信号は、システムの実行時間中又はアクティブ動作中に、出力波形を修正するべく理想目標波形情報と比較される。比較により、出力波形の高周波成分を分析する必要なしに、値を更新して、当初表されていたものより更に理想に近い新しい出力波形を生成きるようになる。

１つの実施形態では、理想的な目標波形は、値エントリの表として、又はそれ以外では設定点の群として、記憶されている。波形エントリ（又は設定点）は、如何なる長さ又は如何なるフォーマットであってもよく、整数でも非整数でもよい。理想的な目標波形エントリは、実行時に動的に生成されてもよいし、或いは事前算出値からハードコード化されるか又は事前コンパイルされていてもよい。動的又は事前の何れかの波形生成は、所望の出力波形の理想の形に基づく理想基準点の値を算出する段階を含んでいる。値は、正規化された波形（例えば、ピーク値が「１」）に比例していてもよいし、或いは値は、乗算器（波形を切り上げるか又は切り下げる）を用いて算出されてもよい。波形の形状は、表された形が正弦であってもよいし、非正弦であってもよい。理想波形は、例えば、正弦波、方形波、鋸歯、又は他の周期波形であってもよい。

１つの実施形態では、波形エントリは、（時間ドメイン又は周波数ドメインの何れかで）均等に間隔が空けられているが、それらは必ずしも均等間隔でなくてもよい。システム内には、理想波形の設定点と対応させるために何時サンプルを採取するべきかを表示するタイミング情報を含めることもできるであろう。波形値エントリは、時間を順行していてもよいし、時間を逆行していてもよいし、又はそれらの混合であってもよい。エントリは、圧縮又は非圧縮のどちらのフォーマット又は状態で記憶されていてもよい。１つの実施形態では、実行時間中にデータを改変して、理想波形の形が別の（例えば、異なった）理想波形へ変化するように影響を与えてもよい。

システム内の比較メカニズムは、２つの数を比較する如何なる標準的又は非標準的なアルゴリズムであってもよいとされる比較アルゴリズムを実施する。比較にはサンプリング技法が係わるかもしれないが、その様な技法は必ずしも必須というわけではない。１つの実施形態では、比較は一点毎である。代わりに、多数の点がサンプリングされ、比較されてもよいし、或いはサンプリングはそれ以外に一点毎ではない考察の仕方をされてもよい。

制御プロセスは、如何なる標準的又は非標準的な選択アルゴリズムを実行していてもよいとされる選択メカニズムを含むことができる。選択アルゴリズムの一例は、比例・積分・微分（ＰＩＤ）制御装置である。選択アルゴリズムは、それ自体が計算を行っていてもよいし、行っていなくてもよく、また選択プロセスの一環として、データを、時間ドメインから周波数ドメインに又はその逆に変換していてもよいし、変換していなくてもよい。１つには、選択メカニズムはデータを一点毎に選択する。代わりに、選択メカニズムはデータを群単位で選択してもよい。

システムは、出力波形を生成する出力ハードウェアを含んでいる。出力ハードウェアは、ハードウェアに出力波形を作成させる制御メカニズムによって駆動されている。更新された表値を、何らかの標準的又は非標準的技法を使用して出力波形の生成を駆動している出力ハードウェアに適用することができる。１つの実施形態では、出力ハードウェアは、パルス幅変調（ＰＷＭ）を用いて駆動されている。しかしながら、他のデジタル可変電力制御メカニズムを使用することもできるであろう。代わりに、出力を駆動するのにアナログ又はステップ制御メカニズムを使用することもできるであろう。

以上に提案されている様に、１つの実施形態では、生成された出力波形では、同期波形に関して位相がシフトされることになる。ここに説明されている様に、タイミングは、同期波形に関してオフセットされた位相での出力波形生成を駆動する制御装置によって調整することができる。この様な位相シフティングを、入力信号を操縦するか又はフィルタに掛ける従来のシステムとは対照的に、高調波歪みを増大させることなく、動的に達成することができる。

図１は、ハードウェア波形制御装置に連結されたソフトウェアフィードバック制御サブシステムを用いて高調波歪みを制御するシステムの或る実施形態のブロック線図である。システム１００は、電力ソース１０４と、負荷１０６と、出力及び制御システム１０２を含んでいる。電力経路１１０は、出力システム１０２によって制御されている、ソース１０４から負荷１０６までの電力の経路を表している。

出力システム１０２は、ソース１０４からの入力電力を受け取り、それを別の形式に（例えば、ＤＣからＡＣに）変換する入力電力変換器１２０を含んでいる。入力電力変換器１２０は、変換するべき電力信号を受信するためのハードウェア構成要素を含んでおり、適切な電源構成要素を含んでいてもよい。１つの実施形態では、入力電力変換器１２０は、入力電子機器がソース１０４から最大電力を伝送することを可能にする動的インピーダンス整合を実施する。動的インピーダンス整合は、最大電力点を絶えず追跡することの他、入力電力カプラー（例えば、変圧器）を駆動して、電力傾斜をできる限り平坦（例えば、傾斜ゼロ）に維持させることを含んでいる。入力電力変換器１２０は、制御装置１３０から制御信号又は情報を受信する他、変換器の動作を表示する入力を提供していてもよい。

入力フィードフォワード１１２は、ソース電力についての情報（例えば、最大電力値、該当する場合は周波数、又は入力電力変換器ハードウェアを制御するための他の情報）を制御装置１３０に提供する。制御装置１３０は、入力電力についての入力情報に基づいて、入力電力変換器１２０を制御する。制御装置１３０は、出力システム１０２に埋め込まれていてもよいとされる何らかの型式のプロセッサ制御装置を表している。制御装置１３０は、如何なるの型式のマイクロ制御装置、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）、論理アレイ、又は他の制御論理であってもよいし、それらを含んでいてもよい。更に、制御装置１３０は、実行時動作中に生成されるか入手された、又は事前に算出された、コード又は値を記憶するのに適切なメモリ又は記憶装置構成要素（例えば、ランダムアクセスメモリ、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、レジスタ、及び／又はフラッシュ）を含んでいてもよい。

制御装置１３０は、プログラム可能な波形生成器１４０を駆動して、所望の出力波形を生成させる。生成器１４０も電力経路１１０に置かれており、入力電力変換器１２０から入力電力を受け取って出力する。電力は、伝送されるとはいえ、必ずしもそれが受け取られたときと同じ波形で出力されるとは限らない。例えば、ＤＣ信号は、図１の実施例に示されている様に、正弦信号として出力されてもよい。他の電力変換を、示され説明されているものと同様に達成することもできる。１つの実施形態では、生成器１４０は、出力波形１０８を生成するためにＰＷＭを含んでいる。生成器１４０は、制御装置１３０から制御信号及び情報を受信し、そして、状態又は動作の情報又はフィードバックを制御装置１３０に提供してもよい。出力波形は、電流又は電圧の何れであってもよい。

出力信号１０２は、特定のタイミング、位相合わせ、又は他の周波数情報を、出力波形１０８生成段階へ組み入れることができる。その様なタイミング、位相合わせ、又は他の周波数情報は、「入力同期データ」と呼んでもよい。１つの実施形態では、その様な入力同期データは、リアルタイム負荷情報から届くが、その場合、それを「負荷同期入力」と呼んでもよい。負荷同期入力又は入力同期データは、以上に論じられている同期信号を求めるために必要な情報を表示している。その様な情報は、出力システム１０２で出力同期１１４として表示されている。出力が予測される（例えば、送電網に接続している）システムでは、或る一定の電圧、タイミング、又は他の情報は予想されており（例えば、６０Ｈzで１２０Ｖ）、そうすると、初期推定が、システムにプログラムされているか、又は起動時にシステムによって形成されてもよい。負荷同期データに基づき、初期推定が調整されてもよい。

制御装置１３０は、更に、生成器１４０によって生成された実際の出力を判定するために、電力経路１１０から分かれた出力フィードバック１１６を測定する。実際の出力を理想基準と比較して、所望の出力が生成されているかどうかが判定される。１つの実施形態では、出力フィードバック１１６は、制御装置１３０による出力測定値を表すための抽象概念であり、それ自身には別体の構成要素を含んでいない。１つの実施形態では、出力フィードバック１１６は、サンプリングメカニズム、又は理想基準信号と比較するための他のデータ選択メカニズムを含んでいる。出力フィードバック１１６が制御装置とは別体の構成要素を含んでいる場合、それは制御装置１３０によって駆動され、制御装置１３０から比較データを受信し、誤差又はフィードバック情報を提供していてもよい。１つの実施形態では、出力フィードバック１１６は、少なくとも、フィードバック制御プロセスが出力線とインターフェースするために必要なハードウェア構成要素を含んでいるものと理解されている。また、出力フィードバック１１６は、測定を行う、算出する、及び／又は処理を行うための他のハードウェアを含んでいてもよい。

出力同期１１４と出力フィードバック１１６の両方を、フィードバックループとして考えてもよい。出力同期１１４と出力フィードバック１１６は、同一物ではなく、異なった目的に供されていることが理解されるであろう。出力同期１１４は、基準波形表１３２に記憶されるものとして理想基準信号がどの様に見えるべきかを表示する。出力フィードバック１１６は、実際の出力が基準信号とどれほど異なっているかを表示する。更新表１３４は、出力フィードバック１１６に応えて生成されたデータを表している。１つの実施形態では、出力同期１１４は、電力経路１１０の出力に関する電圧情報に基づき、一方、出力フィードバック１１６は、電力経路１１０の出力で生成された出力電流に基づいている。

出力同期１１４に基づき（又は出力同期の初期推定に基づき）、出力システム１０２は、生成器１４０によって生成されることが望まれる出力波形の理想的な形を表している基準波形表１３２を記憶する、及び／又は生成する。基準波形表１３２は、出力波形はどの様に見える「べきか」を反映している表又は他の点（又は設定点）のセットとして記憶されてもよい。正弦波形が表されているが、如何なる周期波形を使用することもできるであろう。基準波形表１３２は、代わりに、基準波形ソースと呼んでもよい。

出力フィードバック１１６に基づき、出力システム１０２は、更新表１３４を生成する。更新表１３４は、基準波形表１３２の波形に、より密に整合している出力を提供するには、生成器１４０の動作をどの様に修正するべきかを表示するエントリ又は点を含んでいる。表として表示されてはいるが、更新表１３４は、或る一定のインターバルで修正される（例えば、それぞれのエントリは、測定された誤差データを反映するために必要に応じて更新される）記憶された表であってもよいし、更新インターバルの度に新たに生成されてもよい。更新表１３４は、代わりに、更新データソースと呼んでもよいであろう。「更新」は、古い値の修正又は値の置き換えであってもよいし、或いは制御装置１３０にアクセスされるメモリ内の異なった場所に記憶されてもよい。１つの実施形態では、更新表１３４のそれぞれの値は、点のセットの各々について、「上げ」、「下げ」、又は変化なし、を表示する。その様な値は、生成器１４０の出力を制御して出力信号を所望の理想波形に収束するように仕向けるハードウェアに適用される。

１つの観点から、出力システム１０２は、５つの機構又は構成要素を有しているものと見ることができる。これらの機構は、図１に或る特定のブロック線図により描かれているが、これらの機構の１つ又はそれ以上を実施するのに、異なった構成及び多種多様な構成要素を使用できることが理解されるであろう。考察を目的に、但し制限を課すものとしてではなく、これらの機構を、「機構１」、「機構２」などの様な呼称を使って以下に説明している。その様な決まりは、単に、記載の機構又は構成要素の対象物を呼ぶための間に合わせの表現であり、必ずしも順序や重要度に関して何らかの示唆を与えているわけではない。

機構１は、特定のタイミング、位相合わせ、又は他の周波数情報を組み入れるための手段を含むことができる。当該手段は、以上に言及されている入力同期データ又は負荷同期入力であって、出力同期１１４に基づいている入力同期データ又は負荷同期入力を生成及び受信するためのハードウェア及び／又はソフトウェアを含んでいる。機構２は、出力波形１０８の理想の形を表している、ソフトウェア内のデータの表又は数式を含んでいてもよいとされる基準波形表１３２を含んでいる。機構３は、生成器１４０によって生成された実際の出力波形を、基準波形表１３２によって表されている理想的な表式表現と比較するソフトウェアアルゴリズムであるか又は同アルゴリズムを含んでいてもよいとされる制御装置１３０を含んでいる。機構４は、更新表１３４によって表されている更新データを、算出するか又はそれ以外に選択及び生成する、制御装置１３０内のアルゴリズムを含んでいる。機構５は、更新表１３４からの更新データを使用して、所望の形状、比例、タイミング、及び位相の出力波形１０８を生成する生成器１４０を含んでいる。

機構１に関して、特定のタイミング、位相合わせ、又は他の周波数情報は、制御装置１３０の比較及び更新アルゴリズムに、同期情報を提供する。当該情報は、表、数式、リアルタイムでのハードウェア監視信号のサンプリング、又は他のソース、によってもよい。

機構２に関して、基準波形を表すデータは、如何なる長さ又は如何なるフォーマットであってもよく、表内の場合は、整数でも非整数でもよい。その様な表は、実行時に動的に生成されてもよいし、或いはコンパイル時にハードコード化されてもよい。表されている波形の理想の形は、正弦であってもよいし、非正弦であってもよい。波形は、時間ドメインの中で均等に間隔が空けられた又は非均等に間隔が空けられたデータ値によって表すことができ、時間を順行していてもよいし、時間を逆行していてもよいし、或いはそれらの何らかの混合であってもよい。波形は、代わりに、周波数ドメインのデータ値により表され、何らかの様式に編纂されたものであってもよいであろう。データは、圧縮されていてもよいし、圧縮されていなくてもよい。データは、算出されたデータ設定点ではなく、むしろ数式によって表されていてもよいし、或いは一部は数式で一部は表で表されていてもよい。１つの実施形態では、表の中の記憶されている設定点は、数式の算出結果である。データは、実行時、処理中に、理想波形の形を異なった理想に変化させるべく改変されてもよい。基準波形表１３２の値は、実行時に改変される場合、修正することもできるし、異なった値で置き換えることもできる。データは、入力波形と正確に同位相に整列していてもよいし、或いは位相がシフトされていてもよい。

機構３に関して、制御装置１３０は、如何なる従来の又は標準的な比較アルゴリズムを含んでいてもよい。制御アルゴリズムは、ハードウェアによってサンプリングされ、標準的又は非標準的なサンプリング技法を通してソフトウェアデータ値に変換された、出力波形を表しているデータ値を比較する。１つの実施形態では、制御装置は、表の理想設定点又は数式算出値を同期情報と一点毎に比較し、誤差データを一点毎に生成する。１つの実施形態では、制御装置は、一点毎ではなく、代わりに一度に複数の点を処理することもできる。

機構４に関して、制御装置１３０は、何らかの標準的又は非標準的な技法を使って新しいデータを作成又は生成する選択アルゴリズムを含んでいる。１つの実施形態では、選択アルゴリズムは、計算を行う段階を伴う。代わりに、選択アルゴリズムは、処理を行うことも計算を行うこともなく、データを選択するだけであってもよい。選択アルゴリズムは、設定点の表の中のデータ値を置き換えてもよいし、或いは表の中のデータ値はそのままに、別の記憶領域を使用する方を選んでもよい。選択アルゴリズムは、その選択プロセスの一環として、データを、時間ドメインから周波数ドメインに又はその逆に変換してもよい。アルゴリズムは、データ値であって、それが適用されると出力波形を訂正することができるデータ値が識別される誤差更新メカニズム（例えば、アルゴリズム）を提供している。こうして、データ値が適用された後の出力波形は、好適な理想波形により似通って見える。

機構５に関して、更新表１３４によって表されている新しいデータ値は、出力波形の生成を駆動する標準的なプロセスを通して生成器１４０のハードウェアに適用される。１つの実施形態では、新しいデータ値は、ＰＷＭ機構又は、離散データ値をアナログ出力形式へ変換する何らかの他の機構を介して適用される。

図２は、高調波歪みを制御するシステムの或る実施形態のブロック線図である。１つの実施形態では、図２のシステム２００は、図１のシステム１００を実施している送電網結合型電力変換システムの一例である。よって、入力２０２は、ソース１０２からの入力電力に対応し、出力２５０は負荷１０６の出力に対応している。１つの実施形態では、システム２００は、出力電流信号の高調波歪み、及び送電網電圧と送電網に結合されている太陽光発電又は他ソースのＤＣ対ＡＣ電力変換システムの出力電流信号との間の位相シフトを制御する。

システム２００は、入力ＤＣ電力２０２を、出力２５０の出力ＡＣ電力へ反転させる。１つの実施形態では、出力２５０の電圧と電流は、共に、スプリアス高調波によって歪められていない理想的な６０Ｈｚ正弦波であり、そこでは電流は位相シフトによって電圧に遅行しているか先行しているかの何れかである。その様な実施例は、出力電圧は送電網結合によって出力２５０で堅固に確立されるが、電流はそうではない、という送電網結合型システムで採用することができる。規則ＵＬ１２４７は、電流について高調波歪みが低減されていることを要求している。図示されている様に、システム２００は、送電網の固定電圧から位相がシフトされ、なお且つアスペクトが歪んでいない、理想的な正弦波形を少なくとも形成することはできる。

１つの実施形態では、システム２００の動作は、３つの要素として切り離すことができる。第１は、歪みなしに位相シフトの所望角度を有する所望の波形のための理想電流波形値の表を確立することである。出力電流波形及び理想電流波形により特化して説明されているが、それは非限定的な例であることが理解されるであろうし、システム２００に関する考察は、当業者には理解されるところであるが、修正を加えれば出力電圧波形の制御にも応用することができるであろう。第２は、波形生成器によって生成された実際の出力信号を理想波形と比較することである。第３は、入力タイミング情報及び誤差情報を用いて、波形生成器が実際の出力波形を訂正できるようにする値の更新表を生成することである。動作は、繰り返し出力波形を改善し、理想波形（例えば、正弦波）に近づけてゆく。こうして、動作の結果、送電網電圧波形と同位相の、先行する、又は遅行する、純粋な６０Ｈｚ電流波形がもたらされる。

１つの実施形態での主電力流通経路は、以下の様に起こり、即ち、入力２０２はＤＣ入力電力である。ＰＷＭ生成器２３０は、更新された値の表（ＰＷＭ表エントリ更新２８０）を使用してＤＣ対ＡＣ変換器２４２を駆動する。１つの実施形態では、更新表２８０は、図１の表１４０に一致している。入力ＤＣ電力２０２は、インバータハードウェア２４０のＤＣ対ＡＣ変換器２４２へ通され、出力ＡＣ電流波形２５０として出てゆく。電流波形検出器２４４は、出力２５０の電流波形を検出する。入力波形は、ＰＷＭ生成器２３０では完全な正弦波として示されており、電流波形検出器２４４では歪んでいる。歪みの量は誇張されているかもしれないが、出力波形が初期においてさえ、理想的な所望の波形にあまり似て見えないことを示している。しかしながら、波形はフィードバックを通して収束する。インバータハードウェア２４０は、更に、図１の出力同期情報に対応している同期情報２４８を生成する電圧波形検出器２４６を含んでいる。

フィードバックを検出及び実施する制御ループの流れは以下の様に起こり、即ち、ＤＣ入力電力についての情報２０４及び入力位相シフト情報２０６は、基準理想波形２１０を精錬する。以上に論じられている基準理想波形は、表として記憶することができる。１つの実施形態では、ＰＷＭ生成器２３０の出力は、ピーク検出２２２されるのと同時に、基準波形レベル制御２２４の理想表を増減させる。レベル制御２２４の出力は、所望される瞬時理想波形である。基準波形レベル制御２２４からの基準波形と実際の出力は、ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御装置２６０に受信される。

ＰＩＤ制御装置２６０は、増減された基準波形と実際の出力波形を受信するＰＷＭ表誤差検出器２６２を含んでいる。誤差は、比例誤差ブロック２６４、積分誤差ブロック２６６、及び微分誤差ブロック２６８への誤差入力となる。誤差信号の和がＰＷＭ表誤差総和であり、ＰＷＭ表エントリ更新２８０へのＰＩＤ制御装置出力となる。これらの更新された表値は、ＰＷＭ生成器２３０にフィードバックされ、生成器を駆動して、インバータハードウェア２４０の出力を調節させ、出力信号を基準波形２１０に収束させる。

図３は、入れ子型フィードバック制御システムの内側制御ループの或る実施形態のブロック線図である。基準波形制御３００は、送電網結合システムの制御装置である。基準波形制御３００は、入れ子型フィードバック制御システムの内側制御ループ３１０を含んでいる。入れ子型ループは、相互依存性である。即ち、一方の制御ループの機能が、他方の制御ループへの入力として使用される信号に影響を及ぼす。外側制御スープは、これまでに説明されている出力波形の一時的な高調波歪みを訂正する。内側制御ループ３１０は、外側制御ループ内にすっぽり入れ子にされている。内側制御ループ３１０は、入力として、内側制御ループ３１０がフィードバックを提供する値に関係のある情報を受信する。

内側制御ループ３１０内で、入力電力情報３０２が受信され、誤差信号表ピーク調節３５２と組み合わされる。「組み合わせる」がここで使用されている場合、それは、１つ又はそれ以上の動作を、入力を使って又は入力に基づいて行うことを指し、加算又は累算機能に限定されるものと理解されてはならない。入力電力情報３０２と表ピーク調節３５２の選択的組合せにより、基準利得制御３５４が生成され、基準利得制御３５４によって、インバータ出力を、入力電力及び局所的な送電網特性を含む現在の作動条件に適合するように動的に調節するための、基準波形利得３６０での基準波形３０４の利得が設定及び調節される。

１つの実施形態では、基準波形制御３００は、基準波形を以下の様に調節し、即ち、最後の又は直近の正弦波生成器表３０８が調べられ、ピーク表値がピーク検出器３２０によって抽出される。実際のピーク値３３２が目標ピーク値３３４と比較され、ピーク誤差値３３６が生成される。目標ピーク値３３４は、典型的なハードウェア特性に基づいてハードコード化されていてもよいし、リアルタイムで求められてもよい。誤差信号は、内側制御ループ３１０の周波数応答を、それが不適切に外側制御ループ応答と互いに作用し合わないように特注仕様化するために、ＰＩＤ制御又は制御装置３４０によって条件づけられる。

ＰＩＤ制御３４０の出力は、表ピーク調節信号３５２であり、それが入力電力情報３０２と組み合わされて、基準波形利得制御信号３５４が導き出される。基準利得制御信号３５４を使用し、基準波形利得３６０は、基準波形３０４の振幅を大きく又は小さくして、基準波形出力３０６をシステムの電力変換のための作動条件にとって要求されているものに正確に整合するように調節することができる。

１つの実施形態では、入力電力情報３０２は、一定であるか、又は内側制御ループ３１０に比べ非常にゆっくり（例えば、大凡１０倍又はそれ以上ゆっくり）と動いている。入力電力情報３０２がゆっくり動いているとき、内側制御ループ３１０は、確実に、ＰＷＭ表値が、特定の最小及び最大値を含む特定の値範囲を網羅するように、基準波形３０４の振幅をリアルタイムで微調整する。ＰＷＭ表値を特定の値範囲内に収めることにより、最大波形制御分解能を維持しながら、送電網結合型変換器の最大出力電力を送達する能力を強化できる。

相互依存性の制御ループを持つことは、一方によって発生した誤差が他方によって螺旋を描くように倍増式に増殖増幅されるため、結果的にシステムを不安定にさせかねない。安定性を実現するのに役立つ１つの方法は、外側制御ループの訂正動作を、内側制御ループ３１０の訂正動作より頻度を減らして行うことである。当該のやり方では、内側制御ループ３１０は、外側制御ループが高調波歪み誤差を訂正しようと動く前に、基準波形出力３０６の所与の値に関して安定化するための時間を持つことができる。１つの実施形態では、外側制御ループは、内側制御ループ３１０の１０ｘの頻度に対して１ｘの頻度で行われる。調節頻度の桁の違いは、より安定した動作を可能にする。１０ｘは、桁の一例であり、実行頻度の比較は大凡１０又はそれ以上であってもよいことが理解されるであろう。

図４は、出力信号を理想化された基準信号に基づいて生成するためのプロセスの或る実施形態の流れ線図である。ここに図示されている流れ線図は、様々なプロセス行為のシーケンスの例を提供している。或る特定のシーケンス又は順序で示されてはいるが、他に特に指定されない限り、行為の順序は修正することができる。図示の実施例は、単に一例と理解されるべきであり、安全なチャネルを確立するためのプロセスは、異なった順序で行うことができ、幾つかの行為は並列して行われてもよい。更に、本発明の様々な実施形態では、１つ又はそれ以上の行為を省略することもでき、よって、１つ１つの実施例では行為は全てが必要とされているわけではない。他のプロセスの流れも実施できる。

４０２で、電力変換器システムは、入力電力を受け取る。システムは、受け取った電力を異なる形式に変換するか、又はブーストとして働いて、入力電力信号をクリーンアップし、クリーンな信号を送電網へ送り返す。４０４で、基準設定点生成器は、入力電力情報を入手する。図４に関して論じられている様に、様々な処理要素は、基準設定点生成器の様な、システムの別体の構成要素として記載することができる。これらの要素は、別体の構成要素であってもよいし、以上の特定の実施形態で説明されている事柄に従って、それらは全て一次システム制御装置の部分であってもよい。システムは、入力電力をサンプリングし或る一定の計算を行って情報を生成する論理を含むことができ、生成された情報は次いで信号生成器に送られる。４０６で、基準設定点生成器は、基準（又は理想出力）波形を表している設定点の群を生成する。基準波形は、システムの最良可能出力（又は理想出力）はどの様に見えるかというものである。

１つの実施形態では、基準設定点生成器は、後で使用するために、基準波形設定点を表に記憶する。代わりに、基準設定点は、数式を実施するアルゴリズムから算出することもできる。基準設定点生成器は、場合によっては、基準設定点を、予定に組まれた（例えば、時間量に基づく）方式か、入力信号の差異が検出されたことに応じてかの何れかで、更新することもできる。

４１０で、基礎出力波形生成器は、出力波形を生成する。１つの実施形態では、システムは、４１２で出力波形をサンプリングするサンプリング回路を含んでいる。サンプラーは、出力波形サンプルをフィードバックシステムに送る。４１４で、フィードバックシステムは、サンプルの値がどんな値であるべきかを表示している対応する基準波形設定点を入手する。４１６で、フィードバックシステムは、出力波形サンプルを基準波形設定点と比較し、４１８で、出力波形サンプルと基準波形設定点の間の差異に基づいて訂正制御信号を生成する。

システム制御装置は、訂正制御信号の受信に基づいて基礎出力波形生成器の動作を調節する。こうして、４２０で、システムは、訂正制御信号の受信に応えて、出力ハードウェアの動作を調節する。１つの実施形態では、出力波形の生成とサンプリング、及びそれに続く誤差訂正は、継続動作と考えることができる。即ち、当該動作は、システムが作動している間、継続することになる。場合によっては、システムは基準波形を調節することができる。よって、４２２で、システムは基準波形を算出し直すべきかどうかを判定することができる。４２４で、システムが算出し直さないと判定した場合、システムは、出力波形を基準波形に対比させながら調節する「内側ループ」を継続して行うことになる。４２４で、システムが算出し直すと判定した場合、基準設定点生成器は、入力電力信号についての自身の情報を更新し、基準波形を算出し直し、するとシステムは、出力信号を更新された基準波形と比較する。

様々な動作又は機能がここに記載されているが、それらは、ソフトウェアコード、命令、構成、及び／又はデータとして記述又は定義されていてもよい。コンテンツは、直接的に実行可能（「オブジェクト」又は「実行可能」形式）であってもよいし、ソースコードであってもよいし、或いは異なったコード（「デルタ」又は「パッチ」コード）であってもよい。ここに記載されている実施形態のソフトウェアコンテンツは、コンテンツを記憶させた製造品により、又は通信インターフェースを作動させて当該通信インターフェースを介してデータを送る方法により、提供することができる。機械可読媒体が機械に記載の機能又は動作を行わせるようにしてもよく、そうすると機械可読媒体は、情報を、記録可能／非記録可能媒体（例えば、読み出し専用メモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、磁気ディスク記憶媒体、光学記憶媒体、フラッシュメモリデバイスなど）の様な機械（例えば、コンピュータデバイス、電子システムなど）がアクセスできる形式で提供する（即ち、記憶する（例えば、コンピュータ可読媒体）及び／又は送信する（例えば、通信媒体）何らかのメカニズムを含んでいる。通信インターフェースは、別のデバイスと通信するために有線、無線、光学などの媒体の何れかにインターフェースする何らかのメカニズムであって、例えば、メモリバスインターフェース、プロセッサバスインターフェース、インタネット接続、ディスク制御装置などを含む。通信インターフェースは、構成パラメータを提供し、及び／又は信号を送って、ソフトウェアコンテンツを記述しているデータ信号を提供するように通信インターフェースを整備することによって、構成することができる。通信インターフェースには、１つ又はそれ以上のコマンド又は信号を通信インターフェースに送ることによりアクセスすることができる。

ここに記載されている様々な構成要素は、記載の動作又は機能を行うための手段となり得る。ここに記載されているそれぞれの構成要素は、ソフトウェア、ハードウェア、又はそれらの組合せを含む。構成要素は、ソフトウェアモジュール、ハードウェモジュール、専用目的ハードウェア（例えば、特定用途向けハードウェア、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）など）、埋め込み制御装置、ハードウェア回路構成など、として実施することができる。

ここに記載されているものの他にも、様々な修正が、本発明の開示されている実施形態及び実施例に対し、それらの範囲から逸脱することなく加えられることであろう。従って、ここに図示されているもの及び例は、説明を目的とするものという意味に解釈されるべきであり、制限を課すものという意味に解釈されてはならない。本発明の範囲は、唯一、付随の特許請求の範囲に照らして測られるべきである。

１００ 高調波歪みを制御するシステム
１０２ 出力及び制御システム
１０４ 電力ソース
１０６ 負荷
１０８ 出力波形
１１０ 電力経路
１１２ 入力フィードフォワード
１１４ 出力同期
１１６ 出力フィードバック
１２０ 入力電力変換器
１３０ 制御装置
１３２ 基準波形表
１３４ 更新表
１４０ プログラム可能波形生成器
２００ 送電網結合型電力変換システム
２０２ 入力
２０４ 入力電力についての情報
２０６ 入力位相シフト情報
２１０ 基準波形
２２２ ピーク検出
２２４ レベル制御
２３０ ＰＷＭ生成器
２４０ インバータハードウェア
２４２ ＤＣ対ＡＣ変換器
２４４ 電流波形検出器
２４６ 電圧波形検出器
２４８ 同期情報
２５０ 出力
２６０ ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御装置
２６２ ＰＷＭ表誤差検出器
２６４ 比例誤差ブロック
２６６ 積分誤差ブロック
２６８ 微分誤差ブロック
２８０ ＰＷＭ表エントリ更新
３０２ 入力電力情報
３０４ 基準波形
３０６ 基準波形出力
３０８：正弦波生成器表
３１０：内側制御ループ
３２０：ピーク検出器
３３２：実際のピーク表値
３３４：目標ピーク値
３３６：ピーク誤差値
３４０：ＰＩＤ制御装置
３５２：誤差信号表ピーク調節
３５４：基準利得制御
３６０：基準波形利得

Claims (13)

1. 送電網結合型電力変換システムにおける任意の周期波形を生成する方法であって、
   電力が出力される送電網システムの目標周期波形についての固有形状及び位相情報を受信する段階と、
   受信された前記固有形状及び位相情報に基づいて基準出力電流波形を生成する段階であって、前記基準出力電流波形が、表式データ点から生成され、前記表式データ点が、前記目標周期波形と等しいか又は異なるように選択された位相を有する前記目標周期波形の理想バージョンを表している段階と、
   前記送電網システムに電力を出力するために出力ハードウェアを用いて出力電流波形を生成する段階であって、前記出力電流波形が、前記目標周期波形に対して任意の位相を有する段階と、
   前記出力電流波形をサンプリングする段階と、
   前記出力電流波形の形状及び位相を前記基準出力電流波形の形状及び位相と比較する段階と、
   前記出力電流波形の前記基準出力電流波形との比較に基づいてフィードバック信号を生成する段階と、
   実行時の出力ハードウェアの動作を前記フィードバック信号に基づいて調節する段階であって、前記出力ハードウェアの動作が調節されると、前記出力電流波形が前記基準出力電流波形の形状及び位相に向けて収束される、ハードウェアの動作を調節する段階と、から成る方法。
2. 前記出力電流波形を生成する段階は、
   前記出力電流波形を、パルス幅変調器（ＰＷＭ）表のエントリから作成されているパルス幅変調後基礎波形に基づいて生成する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
3. 前記出力ハードウェアの動作を調節する段階は、
   前記ＰＷＭ表の１つ又はそれ以上のエントリを実行時間中に前記生成されたフィードバック信号に基づいて動的に調節する段階を含んでいる、請求項２に記載の方法。
4. 前記出力電流波形をサンプリングする段階及び前記出力電流波形を前記基準出力電流波形と比較する段階は、
   前記２つの波形の間で、一点毎に、サンプリングする段階及び比較する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
5. 前記出力電流波形を前記基準出力電流波形と比較する段階は、
   前記出力電流波形をサンプリングする段階に先立ち、前記基準出力電流波形を表している理想サンプル点のセットを事前算出する段階と、
   前記事前算出されたサンプル点を前記表式データ点として記憶する段階と、を含んでいる、請求項１に記載の方法。
6. 前記出力電流波形を前記基準出力電流波形と比較する段階は、
   ＰＩＤ（比例・積分・微分）制御装置を用いて、前記出力電流波形のサンプル点を対応する基準設定点と比較する段階を含んでいる、請求項１に記載の方法。
7. 前記出力ハードウェアの動作を調節する段階は、
   特定の高調波歪み分析を行うことなく、前記出力電流波形の高調波歪みを低減するように前記出力ハードウェアの動作を調節する段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
8. 基準波形表のエントリを実行時間中に動的に調節して、前記基準出力電流波形が動的に調節されるようにする段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
9. 前記出力電流波形の位相を、前記目標周期波形に関して動的に、高調波歪みを増大させることなくシフトする段階を更に含んでいる、請求項１に記載の方法。
10. 送電網結合型システムにおける任意の周期波形を生成する電力変換システムであって、
    基準波形を表している表式データ点であって、前記基準波形が、局所的に生成された電力が出力される送電網システムの目標周期波形の理想バージョンであり、前記基準波形が、前記目標周期波形の固有形状及び位相情報に基づいて生成されており、前記基準波形が、基準出力電流波形であり、前記基準出力電流波形が、前記目標周期波形と等しいか又は異なるように選択された位相を有する前記目標周期波形の理想バージョンを表している、表式データ点と、
    前記目標周期波形に対して任意の位相を有する出力電流波形を生成する出力ハードウェアと、
    前記出力電流波形を測定するフィードバックループと、
    前記出力電流波形の形状及び位相を示す測定値を前記基準波形の形状及び位相と比較し、当該比較に基づくフィードバック信号を生成する制御装置と、
    を備え、
    前記出力ハードウェアは、前記フィードバック信号に基づいて動作を調節するものであり、前記出力ハードウェアの動作を調節することは、前記出力電流波形を前記基準波形の形状及び位相に向けて収束させることになる、電力変換システム。
11. 前記制御装置は、前記出力電流波形測定値を、一点毎に、前記基準波形を表している設定点と比較するものである、請求項１０に記載の電力変換システム。
12. 前記基準波形を表している基準波形表のエントリを実行時間中に動的に調節して、前記基準波形が動的に調節されるようにする前記制御装置を更に備えている、請求項１０に記載の電力変換システム。
13. 前記出力電流波形の位相を、前記目標周期波形に関して動的に、高調波歪みを増大させることなくシフトする前記出力ハードウェアを更に備えている、請求項１０に記載の電力変換システム。

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