JP6113615B2 - 制御装置、電力変換装置、制御方法、プログラム及び制御システム - Google Patents
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Description
また、各実施形態では、各電力変換装置は制御装置を備え、この制御装置は、同期信号を送信するマスターとして動作する場合と、同期信号を受信するスレーブとして動作する場合がある。
各実施形態では、同期信号を送信する制御装置を、マスターまたはマスターとして動作する制御装置と呼び、この同期信号を受信する制御装置をスレーブまたはスレーブとして動作する制御装置と呼ぶ。
情報通信の分野において、機器の追加と削除を行う概念としてプラグアンドプレイと呼ばれる概念が存在する。プラグアンドプレイを実現する手段として、UPnPというプロトコルを使用することが挙げられる。UPnP対応機器は、電源がONされ通信ネットワークに参加するとまずssdp:aliveという自機の存在を周囲の他のUPnP対応機器に広告するためのメッセージをマルチキャストアドレス宛に送信する。その後も自機が稼働を続けていることを示すために、一定期間ごとにssdp:aliveを送信する。
一方、従来から存在する複数協調運転型のインバータの中には、マスター停止時にマスターの交代を実現する機能を有するものがある。このようなインバータでは、例えばマスターインバータの出力端に備わった電流計からのフィードバックをスレーブが監視しており、このフィードバック値が0などの異常値を示すことを以てマスターが停止したと認識してマスターの交代を開始する仕組みとなっている。このような仕組みを用いると、インバータの停止を他のインバータが高速に検出することができるが、一方でインバータの追加運転には対応できていない。
図1は、本発明の各実施形態における電力変換システムの構成の第1の例である。電力変換システムの適用例の一つとしてマイクログリッドが想定され、具体的には一般家庭や店舗、工場・ビル・駅や商業施設などの小、中規模な電力系が想定される。マイクログリッド(以下、単に系と称することがある。)300は、一例として、発電装置303、蓄電装置302、負荷304、電力変換装置307とそれらを繋ぐ電力線201及び情報通信線23などを基本要素として備える。図1では、一例として、電力変換装置(307−1、307−2、307−3)が三台ある例が示されている。なお、電力変換装置は、2台以下でも4台以上であってもよい。このように各実施形態における電力変換システムは、少なくとも複数の電力変換装置を備える。
発電装置303は、種々の形態のエネルギーを電気エネルギーに変換する装置である。例えば光エネルギーを用いる太陽光発電機(PV:Photovoltaic)や、水流や風流などの流体エネルギーを用いる水力・風力発電機、化石燃料などの化学エネルギーを電力へと変換する火力発電機、自然に存在する熱を用いる地熱発電機、その他振動や潮力による発電機等が挙げられる。また小・中規模の系で用いられることはほぼないと言ってよいものの、原子力発電機も同様に列挙できる。
蓄電装置302は電気エネルギーを他のエネルギー形態に変換して保存しておく装置であり、一般には電池をさす。蓄電池や蓄電池を搭載した電気自動車(EV:Electric Vehicle)が一般的な蓄電装置と言えるが、製造後は放電のみを行うことを前提とした乾電池などを含んでもよい。
負荷304は電力を消費する装置で、電気エネルギーを他のエネルギー形態に変換する装置である。その多くは電気エネルギーを直接ないし間接的に熱エネルギーに変換する。負荷の代表的なものとしてモータ、照明、加熱装置、コンピュータなどが想定される。マイクログリッドにおいてモータは、家電機器やエレベータ、エスカレータなど他の装置との組み合わせや付加機能を加えた形態として存在することが多い。
電力変換装置(変電装置ということもある)307はインバータ、コンバータ、変圧器(トランス)など、装置自体では電力の消費が無いまたはごく少ないまま直流/交流、電圧、電流、周波数、相数などを変換する装置を指す。インバータは一般に直流電源を交流電源に変換する装置であるが、運転モードを切り替えることで交流電源を直流電源に変換する機能をもったものもある。また遮断器や電力ルータなど送電経路の遮断や変更を行う装置も、広義では電力変換装置と考える捉えることができる。なお、本文ではインバータという語を、電力変換装置全般を指す単語として使用する場合がある。
電力線201は各種の発電装置303、蓄電装置302、電力変換装置307、負荷304の間で電力を伝送するための導線である。家庭内やビル、オフィスでは単相100V、系統との接続には3相200Vの電圧に対応した電力線がよく用いられるが、系統の根幹側ではさらに高電圧に対応の電力線が用いられる。系内でも上記の相数、電圧に応じた電力線を用いるのが一般であるが、必ずしもこれに準じた規格の線のみを用いるわけではない。
系内に存在するあらゆる機器は通信機能を搭載することができ、例えば蓄電池のPCSは通信機能を搭載することによって自機の残充電量を他の機器に告知する機能などを獲得することができる。また、通信を主な機能の1つとしたHEMS(Home Energy Management System)サーバ、BEMS(Building Energy management System)サーバ、コントローラ、ゲートウェイ、パソコン、サーバなどの情報集約装置もマイクログリッドの重要な構成要素となり得る。情報集約装置は蓄電池や各種センサなどの機器から収集した情報を解析し、系内のエネルギー需給の最適化や協調運転、集中制御を行うことができる。
系にはあらゆる種類のセンサを含むことが可能である。例えばスマートメータ、電圧計、電流計、温度センサなどである。これらのセンサはインバータなどの装置に内蔵されていることもあるし、通信機能を備え、インバータ等の装置の外部センサとして動作したり、センサネットワークを構成して系内全体の制御に利用されたりする。
マイクログリッドの構成要素としては上記の他、瞬低補償装置、無停電電源装置(UPS)や無効電力補償装置(STATCOM)などが挙げられる。これらは蓄電装置や電力変換装置の一種と捉えることができる。なお、上記のような装置は必ずしも明確に役割が分かれているわけではない。例えば同期機は発電機としても負荷としても利用可能であるし、PCSと一体化した蓄電池は蓄電装置であると同時に情報通信機器でもあるといえる。
図2は、本発明の各実施形態における電力変換システムの構成の第2の例である。適用例として、複数台で運用される系統連系インバータを含む電力変換システム300bへの適用・用途が挙げられる。電力系統301には小から大までの規模の各種の発電装置303や蓄電装置302が電力変換装置307を介して接続される。電力変換装置307は、例えば、系統連系インバータである。
各実施形態の電力変換装置はまた、鉄道車両、昇降機、FAなどのシステムへの応用が考えられる。上記のようなシステムでは複数のインバータやモータなどが通信を行いながら自律協調的に、あるいはコントローラによる制御の下で使用される。産業用途では通信規格としてRS−232Cのようなシリアル通信のほか、RS−485やCANなどの通信規格がよく利用される。この他Ethernet(登録商標)やIPを使用するEthernet(登録商標)/IPやEtherCATなどの規格も利用される。このような応用例において、複数のインバータが同期を取りながら出力の交流電圧の波形を一致させながら運転を行ったり、インバータによって制御される複数のモータが回転数や回転角を一致させたり一定角度ずらしたりしながら運転される。
各実施形態の電力変換装置は、同等の機能を搭載した複数の電力変換装置を組み合わせて使用することを想定している。勿論本発明の電力変換装置を単体でも使用することは可能であるが、その場合は各実施形態の電力変換装置のメリットは発揮されない。
各実施形態は特に、並列に接続された複数の電圧インバータの交流出力の同期に関わるものである。ここでインバータは、一例として、DC電源部、電気制御部、ゲート駆動信号生成部、電力変換部を主要な構成要素として備える。電力変換部は、ゲート部及びフィルタ部を備える。
フィルタ部がゲート部から出力された高周波数のパルスから高周波ノイズを除去しつつこの波形を正弦波へと整形する。
モータなど高周波ノイズの影響を受けにくい負荷に接続される場合には、フィルタ部を介さず直接インバータの出力端を負荷の入力端に接続する場合がある。またインバータの出力を系統に連系する場合には、フィルタのインダクタンスや、別途用意したリアクトルあるいは柱上トランスのインダクタンスなどを使って無効電力をゼロにする制御を行うことがある。
インバータを複数台並列に接続することで、個々のインバータの出力電流を合計した出力を実現する電力変換システムを得る手法が存在する。理想的には、この電力変換システムは外部からみると1台の大出力インバータとして扱うことができる。このような手法のメリットは、小容量のインバータを組み合わせることによって、所望の出力定格をもった大容量インバータと同等の出力を実現できることにある。このことは、大容量のインバータの入手や製造が困難な場合であっても、あるいは所望の定格毎にわざわざインバータを製造または用意せずとも、既存のインバータの組み合わせによって出力を調整することができるため、標準品の大量生産によるコストダウンが図れる産業上の利点がある。
インバータを複数接続して形成する電力変換システムによる大出力を狙う場合でかつ交流を出力する場合、個々のインバータの交流電圧出力の位相を一致させる必要がある。位相が正確に同期していない場合には、位相差に由来する電圧差に応じた横流が発生する。横流が発生すると、本来の出力電流以上の電流が発生することから、過電流や、発熱の原因となる恐れがある。
なお、各実施形態において、電力変換装置のみがマスター装置やスレーブ装置になれると限定するものではなく、系内に存在する他の装置がマスター装置やスレーブ装置となっても構わない。
各実施形態において、同期信号は一例として、ローレベルの電圧と、ローレベルよりも高いハイレベルの電圧を交互に周期的に繰り返される信号(以下、パルス信号という)である。各実施形態に係るインバータの出力を同期させる方法の1つは、複数台の電力変換装置のうちの1台がマスター装置となりこのパルス信号を生成し、残りの電力変換装置はスレーブ装置となりマスター装置からのこのパルス信号を受信する方法である。このとき、スレーブがそれぞれもつ制御回路に対して、マスターから出力されるパルス電圧を同期信号として入力し、制御回路内ではPLL(Phase Locked Loop)を用いて周期を保持しながら出力の同期を図るという方法である。
同期信号としてパルス波形を用いる場合、一例として、マスターは出力の交流電圧が負から正へと切り替わる過程において、電圧が0となる瞬間(ゼロクロス)にパルスの立ち上がりを一致させるよう信号波形を生成する。そして、信号受信側であるスレーブは、一例として、パルス波形の立ち上がりの瞬間に合わせて出力交流電圧がゼロクロスとなるよう位相制御を行う。
上記の例ではパルスの立ち上がりを利用して同期を行っているが、パルスの立ち下がりを用いる場合や、立ち上がりと立ち下がりの両方を用いる方法も可能であり、各実施形態はいずれの場合にも適用できる。
電力変換システムが系統に連系する場合、マスターは電圧センサを用いて系統電圧から位相の変化を読み取り、これに基づいてパルス信号を生成する。電力変換システムが系統から独立して運転しつつ負荷に対して系統を模擬するような出力を行う場合は、マスターのもつタイマーに基づいて50Hzまたは60Hzを制御用マイコンでカウントし、信号を生成する。モータドライブのようにマスターが負荷の周波数制御を行う場合や、周波数が任意である場合も同様にマスターが自機のタイマーやカウンタに基づいて信号の生成を行う。
タイミングの伝達信号としてパルス電圧波形を使用することは最も一般的な手法の一つであるが、これ以外の信号を用いても本発明を構成可能であることは言うまでもない。例えば、パルス電流を用いることも可能であるし、波形として三角波や正弦波、その他の波形を用いることも可能である。
生成されたパルス信号は制御用マイコンに備わっているDAC(Digital Analog Converter)等の出力端子を通じて出力され、スレーブへと信号線を用いて配布される。スレーブ側では制御マイコンや周辺回路に同期信号を入力して出力波形の同期を行う。このときフォトカプラ等を用いて絶縁保護を行う回路や、その他機能回路を介してもよい。信号線は単なる導線であっても構わないが、同軸ケーブルやツイストペアケーブルなどノイズ対策を施した配線を用いるのが望ましい。この他、パルスの伝達手段は光通信や無線通信であっても構わず、ノイズ対策や絶縁対策が十分か不要な場合はフィルタ回路、絶縁回路等は省略しても構わない。
出力が単相の場合はマスターの出力の正弦波にタイミングを合わせた同期信号を用いれば良いが、3相の場合は3種類の信号線を用いるか、2種類の同期信号とその差分とで3相を担保する方法、1つの同期信号からスレーブの制御回路内で位相が120度ずつずれた同期タイミングを生成保持して3相の出力に充てることになる方法なども存在する。各実施形態は、いずれの方法でも実現できる。また4相などの多相交流であっても同様である。
<マスター・スレーブ・コントローラ>
図3と図4に、各実施形態の電力変換装置と周辺機器の接続構成の例を示す。図3は、各実施形態の電力変換装置と周辺機器の接続構成の第1の例である。図3において電力変換装置10は電源投入後、マスターとスレーブに機能を分担する。図3に示すように、電力変換装置10のうち、マスターとして動作する電力変換装置10をマスター装置11と表記し、スレーブとして動作する電力変換装置10をスレーブ装置12と表記する。ここで、スレーブ装置12は、スレーブ装置12−1、12−2の総称である。
図4は、図3と異なり、コントローラ13が同期信号を生成し、スレーブ装置12−1、12−2、12−3がその同期信号を受信する。ここでいうコントローラ13は電力変換装置ではないが同期信号を生成するものであって、必ずしも通信や制御における上位機を示すものではない。各スレーブ装置12−1、12−2、12−3は入力電力線21aを介して電力供給装置15から入力される電力を装置内で変換し、出力電力線(電力線)21bから出力する。
図6に示すように、各電力変換装置10は出力を結合して電力消費装置16へと出力することもある。電力変換装置10−1〜10−3それぞれは、対応する出力電力線21b−1〜21b−3を介して、対応するリアクトル17−1〜17−3に接続されている。またリアクトル17−1〜17−3それぞれは、対応する出力電力線21b−4〜21b−6を介して電力消費装置16に接続されている。
比較例において、電力変換装置(例えば、インバータ)を複数台で運転する際、マスターが発信する同期信号をスレーブが受信し、出力を同期させることを想定する。この比較例では、例えば、マスターが故障して停止するケースについても考慮する。この比較例では、運転開始時のフェーズにおいてスレーブに予め序列を付けておき、マスター故障時は順次序列の高いスレーブが新たなマスターになる仕組みである。マスター停止の検出方法は、例えばマスターの出力端に取り付けられた電流センサの出力が、マスターの停止と同時に0となることをスレーブが検出する方法などがある。このような仕組みを用いることで、マスターが突然停止した際にも新たなマスターを選出し、グループ中の電力変換装置(例えば、インバータ)全機を一旦停止させることなく運転・出力を継続することが可能になる。
しかし、上記のようにスレーブの序列を固定する運用法では、電力変換システムの運転開始後、刻々と変換する種々の要因、例えば電力変換装置(例えば、インバータ)毎の累積エラー数などによる快調・不調などのパラメータや、電力変換装置(例えば、インバータ)の動的な追加などに対応したマスターの交代を実現することは不可能である。また、上記のような手法でマスター停止の検出を行い、これをトリガにマスターの交代を行う場合、マスターが停止した場合にのみマスターの交代を行うことができる。
電力変換システムのより柔軟な運用を実現するため、各実施形態の電力変換装置(例えば、インバータ)は通信部を搭載し、電力変換装置(例えば、インバータ)間で通信を行うことによって、パラメータ情報の交換や、マスター・スレーブの交代を可能とする。
同等な構成の複数インバータのうちからマスターを選ぶ、あるいはスレーブ間で序列付を行う際の判定基準やアルゴリムには様々な例が考えられる。一例を示すと、一般にインバータは直流端と交流端の2つの入出力端をもつが、これらの端子にどのような機器が接続されているかによって序列を決定する方法が考えられる。
各実施形態における電力変換装置(例えば、インバータ)は、上記に例示したようなマスター・スレーブ選出アルゴリズムを搭載し、通信によってパラメータ情報の交換やマスター・スレーブの交代を可能とする。ここで、電力変換装置(例えば、インバータ)が、複数で協調運転しており、マスターが交代する場面に着目する。
また、マスターが停止する際の動作シーケンスの別の1例として、停止前に通信を行うことなくマスターが突然停止する場合を想定する。またそのときの動作シーケンスの概要を図8に図示する。図8は、図3の構成例において、マスター装置11が動作を停止する際の動作シーケンスの第2の例である。
(2−A)複数のスレーブが通信を行い、スレーブの中から新たにマスターとして動作する制御装置を選出する。
各実施形態の電力変換装置が行う通信の内容には、例えば、以下のようなものが挙げられる。まず、マスター・スレーブの再構成に関わる通信内容には以下のような例が挙げられる。
(1)次のマスターの指定に関わる通信。特に現在のマスターが次のマスターを指定する場合。
(2)次のマスターの選出に関わる通信。
(3)全機またはスレーブの序列付けに関わる通信。
(4)次のマスター候補または全機の稼働ステータスに関わる通信。どの電力変換装置にいかなる装置が接続しているか、ハードウェアスペック、筐体温度、累積エラー数などのパラメータ交換を行うもの。
(5)自機の稼働を周囲の他の装置に通知する通信。特に起動時。稼働中に随時行ってもよい。
(6)自機の故障や停止予定を周囲の他の装置に通知する通信。
(7)他機の稼働・故障・停止に関わる情報を当該機に確認する通信。
(8)他機の稼働・故障・停止に関わる情報を周囲の他の装置に通知する通信。
<マスター交代期間中に同期信号が途絶してしまう問題>
各実施形態の電力変換装置(例えば、インバータ)は、複数台の電力変換装置(例えば、インバータ)のうちの1台であるマスターが生成した同期信号を、残りの電力変換装置(例えば、インバータ)であるスレーブが受信して同期を行う。マスターが停止した際にはスレーブ間の通信によって新たなマスターが選出され、新たなマスターが同期信号の生成を開始する。
ここにおいて、各実施形態のスレーブとして動作する電力変換装置(例えば、インバータ)は位相同期回路部を備える。そして、スレーブは、同期信号を一旦PLL(Phase Locked Loop)に入力して同期タイミングの保持を図る。それとともに、スレーブは、同期信号の途絶時にはPLLの自走を利用して短期間、複数の電力変換装置(例えば、インバータ)での出力同期を維持し、その間にマスターの交代に係る通信を完了させ、新たなマスターは同期信号の発信を開始する。上記のような仕組みを用いることで、マスターの交代に関わる通信を行っている間は同期信号が途絶し、同期が崩れる問題を回避することが可能になる。
続いて、上記のような機能と適用用途を実現する第1の実施形態における電力変換装置10について説明する。図9は、第1の実施形態における電力変換装置10の構成を示す概略ブロック図である。
更に、電力変換装置10は、接続部101aと接続部101bに電力線で接続された電力変換部104と、電力変換部104に電気的に接続された電気検知部107を備える。
更に、電力変換装置10は、接続部101a、接続部101b及び電力変換装置10と通信線で接続され、それらを制御する制御装置100を備える。
電力変換部104は、接続部101aを介して入力された電力を変換し、変換後の電力を接続部101bを介して出力電力線(電力線)21bへ出力する。
接続部101bは、電力変換部104が出力した電力を出力電力線(電力線)21bへ出力する。これにより、この電力が、不図示の電力消費装置16または16−1〜16−3へ伝送される。
更に、制御装置100は、同期信号線24と電気的に接続され、この同期信号線24を介して他の電力変換装置やコントローラ13と同期信号の送受信を行う同期信号部110を備える。
そして、通信部103は、例えば、他の制御装置に関する情報、この他の制御装置を制御する電力変換装置に関する情報、この電力変換装置と電気的に接続されている装置に関する情報のうち少なくとも一つ以上をマスターを決定するための情報として通信により、他の一台以上の制御装置から取得する。電力変換装置と電気的に接続されている装置に関する情報は例えば、接続されている蓄電池の容量や充電量、累積充放電量等のパラメータなどである。
同図において、実線はマスター、スレーブ共通で使用される配線である。破線は、マスターとして動作するときに使用される配線である。一点鎖線は、スレーブとして動作するときに使用される配線である。
更に、制御部102は、出力が電気制御部402及び同期信号部110と電気的に接続された目標値出力部406を備える。
更に、制御部102は、記憶部407と電気的に接続された決定部408を備える。
更に、制御部102は、通信部103を制御する通信制御部409を備える。
通信部409が、他の電力変換装置の制御装置からマスターを決定するための情報を受信した場合、制御部102は、このマスターを決定するための情報を記憶部407に記憶させる。
また、電力位相制御部40は、同期信号の途絶を検知した場合、途絶前に受信された同期信号に基づいて、電力変換装置10が出力電力線(電力線)21bへ出力する電力の位相を制御する。
電気制御部402は、指令値CSをゲート駆動信号生成部404へ出力する。
当該制御装置100が、決定部408がマスターと決定した制御装置である場合、同期信号部110は、他の制御装置へ同期信号を送信する。その際、同期信号制御部405は、当該制御装置100が、決定部408がマスターと決定した制御装置である場合、同期信号部110に同期信号を他の制御装置へ送信させる。より詳細には、同期信号制御部405は、位相同期回路部401から入力された角周波数ω及び位相ωt+φに基づいて、同期信号部110を制御する。これにより、同期信号部110は、角周波数ω及び位相ωt+φを示す同期信号を他の制御装置へ出力する。
そして、通信部103は、目標値V*を他の制御装置へ送信する。これにより、スレーブとして動作する制御装置10の通信部103は、目標値V*を受信し、スレーブとして動作する制御装置10の電気制御部402は、目標値V*を取得することができる。
また、マスターとして動作する制御装置10の電気制御部402は、目標値出力部406が出力した目標値(例えば、目標の出力電圧)V*を取得する。
当該制御装置110が、同期信号を受信するスレーブ装置として動作する場合、同期信号部110は、マスターが送信した同期信号SSを受信する。その場合、電力位相制御部40は、同期信号部110が受信した同期信号SSに基づいて、電力変換装置10の電力変換部104が出力する電力の位相を制御する。
更に、角周波数検出部50は、出力が加算器53の第2入力と電気的に接続されたフィードフォワード記憶部55、及び入力が積分器54の出力と電気的に接続され出力が位相比較器51の第2入力と電気的に接続されたフィードバック器56を備える。
積分器54は、入力が加算器53の出力と電気的に接続されている。
制御器52は、例えば、伝達関数G(s)を乗じて得た値にラプラス逆変換を施し、施して得た値(角周波数の調整量)を加算器53へ出力する。
一般に、フィードバック制御を行っている系においては、入力の擾乱や値の急変(例えば入力信号の途絶)に対しても、制御系はある程度のロバスト性、安定性を有する。多くの場合、安定性の高さは制御系の応答速度とトレードオフの関係にあるため、より高速な応答が求められる場面では安定性の確保には一定の見切りをつける必要があり、逆に高速な応答速度が求められないような用途においては制御系の安定性を高く設定することが望ましい。系統連系インバータにおいては、系統が正常な場合、系統の周波数が50Hzまたは60Hzの固定値から大きく逸脱することは考えにくく、また系統周波数は比較的安定していると考えられるため、位相同期回路部401の安定性を大きく設定することが可能である。
さて、上記のような位相同期回路部401を使用するインバータがスレーブとして動作している場面において、マスターからの同期信号の入力が途絶えてしまった場合を考える。安定性を比較的大きくとった位相同期回路部401は入力信号が途絶しても暫くは安定してタイミングを保持し続け、複数のインバータ間で同期した出力を継続することが可能である。この間に同期信号の途絶を検知した電力変換装置(例えば、インバータ)10は通信を開始して新たにマスターとして動作する制御装置を決定する。
第1の実施形態の電力変換装置10は、マスタ(同期信号生成を行う電力変換装置)が停止した際、複数スレーブ(同期信号を受信することでマスターに同期した出力を行う装置)が通信し合うことで最適なスレーブを新たなマスターに選出することができる。それとともに、位相同期回路部401が位相を維持することにより、電力変換装置110は、通信によりマスターの選出を行っている間も位相の同期を乱すことなく、交流電圧の出力を継続することができる。更に同期信号部110が同期信号を常時監視することでマスターの停止を高速に検出することができ、電力変換装置10は、マスターが故障してもスムーズにマスターを交代することで連続運転することができる。従って、第1の実施形態の電力変換装置10によれば、電力変換システムに柔軟性があり、かつマスターとして動作する制御装置が予期せず停止した場合にも電力変換システムの連続運転を維持することができる。
続いて、第2の実施形態について説明する。第2の実施形態では、第1の実施形態の位相同期回路部とは異なる構成の位相同期回路部について説明する。第2の実施形態における位相同期回路部は、同期信号の有無の検出機能と、その有無によって制御を切り替える機能を更に有する。
位相同期回路部401bは、同期信号の有無の検出機能と、その有無によって制御を切り替える機能を更に有する。
以上、第2の実施形態における位相同期回路部401bにおいて、角周波数検出部50は、同期信号に基づいて角周波数に関する情報を検出する。信号検出器59は、同期信号の途絶の有無を検出する。角周波数記憶器58は、信号検出器59が同期信号の途絶がないことを検出している間、記憶している角周波数に関する情報を角周波数検出部50が検出した角周波数に関する情報で更新する。積分器54は、信号検出器59が同期信号の途絶を検出した場合、角周波数記憶器58から角周波数に関する情報を取得し、取得した角周波数に関する情報に基づいて、位相を生成する。電力位相制御部40は、この積分器54が生成した位相に基づいて、上記電力変換装置10bが出力する電力の位相を制御する。
続いて、第3の実施形態について説明する。第3の実施形態では、第1の実施形態及び第2の実施形態の位相同期回路部とは異なる構成の位相同期回路部について説明する。
第3の実施形態は、主に出力周波数が変化する電力変換装置への適用を想定しており、その代表例はモータドライブ用の電力変換装置である。モータは目標回転数や目標変位角が頻繁に変わるため、駆動装置である電力変換装置の出力周波数も随時変化する。
具体的には例えば、更新器62は、更新後の角周波数ωNEWをωNEW=ω+(dω/dt)tで更新する。ここで、tは時間で、(dω/dt)は加速度である。
以上、第3の実施形態において、速度変化生成部60は、角周波数検出部50が生成した角周波数の時間変化に関する速度変化情報を生成する。そして、速度変化記憶器61は、信号検出器59が同期信号の途絶がないことを検出している間、記憶している速度変化情報を速度変化生成部60が生成した速度変化情報で更新する。更新器62は、信号検出器59が同期信号の途絶を検出した場合、速度変化記憶器61に記憶されている速度変化情報で角周波数記憶器58に記憶されている角周波数に関する情報の更新を開始する。
ただし本実施形態の適用例は、必ずしもモータドライブに限ったものではない。
続いて、第4の実施形態について説明する。第4の実施形態では、第3の実施形態とは異なり、通信を用いて周波数情報を取得し、位相同期回路部に使用する。
第4の実施形態も第3の実施形態と同様、主に出力周波数が変化するインバータへの発明の適用を想定している。その代表例はモータドライブ用のインバータである。上記他の実施形態と同様、第4の実施形態における電力変換装置は、パルス波形などの同期信号を入力とする位相同期回路部を備える。
位相同期回路部401dは、位相同期回路部401と異なり、更に通信部103と電気的に接続されており、フィードフォワード値ω0を取得する。
なお、更新器63は、通信部103から受け取ったデータ(例えば、角周波数またはその微分値)をそのまま出力するものでもよい。また、更新器63は、受け取ったデータ(例えば、角周波数の微分値)を積分等して出力してもよい。また、更新器63は、通信部103から受け取ったデータに対してPI制御などの制御を行い、この制御結果を出力してもよい。このように更新器63自体に制御系を持たせることで、フィードフォワード値記憶部55に記憶されているフィードフォワード値を時間の経過とともに滑らかに変化するように更新することができる。
また、フィードフォワード値ω0の更新は同期信号が途絶した場合にのみ行うものであってもよいし、通常の制御の一部として行ってもよい。
以上、第4の実施形態において、通信部103は、複数の時刻で電力変換装置が出力する電力の周波数に関する周波数情報を通信により取得する。角周波数検出部50dは、同期信号と通信部103が取得した周波数情報とに基づいて角周波数に関する情報を生成する。そして、積分器54は、角周波数検出部50dが生成した角周波数に関する情報に基づいて、位相を生成する。
これにより、同期信号が入力されている通常時において、位相同期回路部401dは、通信部103が取得することで随時更新されるフィードフォワード値ω0に応じて、角周波数ωを出力する。このため、電力変換装置10dは、通常時においては電力変換装置の出力周波数の変化にも俊敏に追従する位相同期回路部401dを実現することができる。
続いて、第5の実施形態について説明する。第5の実施形態における制御装置は、第4の実施形態に加えて更に、通信を用いて速度変化情報も取得し、取得した速度変化情報を位相同期回路部で使用する。第3の実施形態と比較すると、同期信号途絶時に使用する速度変化情報の入手手段を微分に依らず、マスターやコントローラ等との通信によって速度変化情報を直接取得する。
また、通信部103は、複数の時刻で電力変換装置が出力する電力の周波数に関する周波数情報を通信によりマスターまたはコントローラから取得する。本実施形態では、この周波数情報は、角周波数ωのフィードフォワード値ω0である。
また、更新器64は、通信部103が取得した周波数情報(ここでは一例として、フィードフォワード値ω0)で、フィードフォワード値記憶部55に記憶されているフィードフォワード値ω0を更新する。
また、フィードフォワード値ω0及び角周波数ωの更新は同期信号が途絶した場合にのみ行うものであってもよいし、通常の制御の一部として行ってもよい。
図24は、加減速の継続時間を指示する通信内容の一例である。ここでは指示をXML (Extensible Markup Language)を用いて伝えており、加速度と加速の開始時間、終了時間の情報を含んでいる。この他、加速が終了した後の挙動に関する指示や、速度の上限や下限などの情報を含むものであっても構わない。
第4の実施形態に加えて、第5の実施形態では、通信部103は、速度変化情報を通信により取得する。更新器64は、通信部103が取得した速度変化情報に基づいて、角周波数記憶器58に記憶されている角周波数に関する情報を更新する。これにより、同期信号途絶時において、位相同期回路部401eは、通信部103が事前に通信により取得した速度変化情報に応じて角周波数に関する情報を更新し、更新した角周波数に関する情報に応じた位相を出力することができる。このため、第4の実施形態の効果に加えて、電力変換装置10dは、同期信号途絶時においては角周波数ωの加減速を加味した自走で同期を維持することができる。
続いて、第6の実施形態について説明する。第6の実施形態における電力変換装置は、電力伝送に用いる電力線(以下、区別のため主電力線と呼ぶことがある)網とは別に、制御用マイコンや通信用マイコン(合わせて制御系と呼ぶことがある)を駆動するだけの電力を電力変換装置間で共有するための副電力線網を有する。
副電力線25は、第1電位線25Hと第2電位線25Lから構成されている。副電力線25は、同期信号を伝送する同期信号線24を兼ねている。よって、本実施形態において、副電力線25は電気信号が伝達可能な有線に限定される。
電力変換装置10が備える制御装置100は、副電力線25で供給される交流信号を直流電圧に変換する第1安定化部(安定化部)721を備える。ここでは、一例として同期信号部110が第1安定化部721を備える。なお、第1安定化部721は、同期信号部110の外にあって、入力が同期信号部110と電気的に接続され、出力が制御部102と接続されていてもよい。
更に、同期信号部110は、電源BATの陽極と第1電位線25Hとの導通及び非導通を切り替える切替部SWを備える。
制御部102は、切替部SWを制御する同期信号制御部405を備える。
続いて、処理の詳細について説明する。
マスター装置11は、制御部102が備える同期信号制御部405は、同期信号部110を制御し、同期信号を副電力線25を介してスレーブ装置12へ出力させる。
通常、電力変換装置(例えば、インバータ)は電力線21(例えば、図3の入力電力線21aや出力電力線21b)から得た電力を第2安定化器722で変圧や安定化させた電力や、その他コンセントなどをから得た電力を制御系の電源としている。第6の実施形態では、これに加えて電力変換装置同士を副電力線25で結線することによって、制御系電源の冗長性を確保することができる。
続いて、第7の実施形態について説明する。第7の実施形態では、第6の実施形態に対して、直流電圧(オフセット電圧ともいう)に伝送する同期信号を重畳することで、副電力を供給するとともに、同期信号の有無の検出を容易にする。換言すれば、同期信号の途絶の検出を容易にする。
制御部102は、同期信号部110を制御する同期信号制御部405を備える。当該電力変換装置10(または電力変換装置10が備える制御装置100)がマスターとして動作する場合、同期信号制御部405は、予め決められたオフセット電圧に同期信号を重畳して調整信号を生成し、生成した調整信号を副電力線25で伝送させる。
同期信号部110は、陰極が第2電位線25Lに接続され、オフセット電圧を生成する第1電源BAT1を備える。
更に、同期信号部110は、陰極が第1電源BAT1に接続され、同期信号のハイレベルとローレベルの電圧差と同じ直流電圧を生成する第2電源BAT2を備える。
信号重畳部71は、第1電源BAT1の陽極と第1電位線25Hとの導通及び非導通を切り替える第1切替部SW1を備える。
更に、信号重畳部71は、第2電源BAT2の陽極と同期信号を伝送する第1電位線25Hとの導通及び非導通を切り替える第2切替部SW2を備える。
オフセット電圧を生成する第1電源BAT1は、例えば直流電圧V2aを生成する。同期信号用の電圧を生成する第2電源BAT2は、例えば直流電圧V2bを生成する。
このとき、第1切替部SW1が第1電源BAT1の陽極と第1電位線25Hとの非導通の非導通状態で、かつ第2切替部SW2が第2電源BAT2の陽極と同期信号を伝送する第1電位線25Hとの導通している導通状態の第1状態の場合、第1電位線25Hと第2電位線25Lの電位差は、V2a+V2bである。
例えば、同期信号制御部405は、第1状態の比率がデューティー比λとなるように、第1切替部SW1及び第2切替部SW2を切り替えることで、実効電圧V´rms=V2a+λV2bなる調整信号をスレーブ装置12へ供給する。
第2電源BAT2は交流電圧源で、信号重畳部71はオフセット電圧に信号を重畳するためのトランスやコンデンサであっても構わない。
また、制御部102は、同期信号部110からの出力として調整信号を受け取る。制御部102に対しては、直接、副電力線25との結線により調整信号を受け取るものとしても良いし、途中に絶縁回路を設けてもよい。また、制御部102は、この調整信号から第1安定化器から入力された実効電圧V´rmsとの差分をとることで、オフセット電圧V2aの大きさに関わらず同期信号を抽出することができる。
通信制御部409は、信号検出器59から途絶通知信号SDPを受信した場合、マスターが停止したものと認識し、通信部103を制御して、通信部103を介して他の電力変換装置とマスター・スレーブ再構成通信を開始する。
その場合、上述したマスターを決定するための情報は、当該制御装置と他の一台以上の電力変換装置の制御装置の中からマスターを決定するための情報である。
各実施形態における角周波数ωやフィードフォワード値ω0は必ずしも角周波数の形式である必要はなく、周波数fや、2ω、速度vなど、四則演算によってωと等価に置き換えられる数値であってもよいことは言うまでもなく、その他ωの2乗根などの形態であってもよい。上述した角周波数に関する情報は、周波数fや、2ω、速度vなどの四則演算によってωと等価に置き換えられる数値、その他ωの2乗根などの形態などを含む。これらは各実施形態の趣旨を逸脱しない限りにおいては各実施形態の適用を受けるものとする。その他の変数についても同様である。
各実施形態で示した図では、通信部と信号部と接続部とを分けて例示していたが、これらが一体化しているような構造であっても、各実施形態の趣旨から逸脱しない限りにおいては各実施形態の適用が可能である。例えば通信に電力線通信を用いる場合は通信部と接続部が接続している、あるいは一体化していると見なせることなどがある。
インバータなどの各種電力変換装置では、系統の周波数と同じ50、60Hzの周波数の正弦波の他、PWM制御に用いるキャリア波などいくつかの周波数の波形が使用されるが、本発明はこれらの波形のいずれにも適用できる。複数の電力変換装置で波形を一致させるのではなく、一定の位相角差を保持して運転を行うような場合においても適用が可能であり、このような運転方法も広義では同期運転と考えられるため同期と表現する。このような場合、位相比較器など電力変換装置の構成要素の一部に機能の追加や削減を行うことがある。
また、上記プログラムは、このプログラムを記憶装置等に格納したコンピュータシステムから、伝送媒体を介して、あるいは、伝送媒体中の伝送波により他のコンピュータシステムに伝送されてもよい。ここで、プログラムを伝送する「伝送媒体」は、インターネット等のネットワーク(通信網)や電話回線等の通信回線(通信線)のように情報を伝送する機能を有する媒体のことをいう。また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであっても良い。さらに、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるもの、いわゆる差分ファイル(差分プログラム)であっても良い。
303 発電装置
302 蓄電装置
304 負荷
10、10−1、10−2、10−3、10b、10c、10d、10e、307 電力変換装置
201 電力線
21 電力線(主電力線)
23 情報通信線
24 同期信号線
25 副電力線
25H 第1電位線
25L 第2電位線
11 マスター装置
12、12−1、12−2、12−3 スレーブ装置
16−1、16−2、16−3 電力消費装置
17−1、17−2、17−3 リアクトル
21a 入力電力線
21b、21b−1、21b−2、21b−3 出力電力線(電力線)
101、101a、101b 接続部
100、100b、100c、100d、100e 制御装置
103 通信部
110 同期信号部
102、102b、102c、102d、102e 制御部
40、40b、40c、40d、40e 電力位相制御部
401、401b、401c、401d、401e 位相同期回路部
402 電気制御部
403 キャリア波生成部
404 ゲート駆動信号生成部
405 同期信号制御部
406 目標値出力部
407 記憶部
408 決定部
409 通信制御部
50、50d、50e 角周波数検出部
51 位相比較器
52 制御器
53 加算器
54 積分器(積分部)
55 フィードフォワード値記憶部
56 フィードフォワード器
57 経路切替器
58 角周波数記憶器(角周波数記憶部)
59 信号検出器(信号検出部)
60 速度変化生成部
61 速度変化記憶器(速度変化記憶部)
62、63、64 更新器(更新部)
71 信号重畳部
721 第1安定化部(安定化部)
722 第2安定化部
BAT 電源
SW 切替部
BAT1 第1電源
BAT2 第2電源
SW1 第1切替部
SW2 第2切替部
R 抵抗
Claims (20)
- 電力を変換し変換後の電力を電力線へ出力する電力変換装置を制御する制御装置であって、
前記電力線に電力を出力する他の一台以上の電力変換装置の制御装置と通信する通信部と、
前記電力変換装置の出力電力の位相の基準となる同期信号を、受信する同期信号部と、
前記同期信号に基づいて前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御し、前記同期信号の途絶を検知した場合、途絶前に受信された同期信号に基づいて、前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御する電力位相制御部と、
前記電力位相制御部が前記途絶前に受信された同期信号に基づいて制御している間、前記同期信号を送信するマスターを決定するための情報を、前記他の電力変換装置の制御装置から受信するかまたは前記他の電力変換装置の制御装置へ送信するかのどちらか一方を行うよう前記通信部を制御する通信制御部と、
を備える制御装置。 - 前記電力位相制御部が途絶前の同期信号に基づいて制御している間、前記通信部が前記他の電力変換装置の制御装置から受信した前記マスターを決定するための情報に基づいて、新たにマスターとして動作する制御装置を決定する決定部
を更に備える請求項1に記載の制御装置。 - 当該制御装置が、前記決定部が新たにマスターと決定した制御装置である場合、前記同期信号部は、前記他の制御装置へ前記同期信号を送信する請求項2に記載の制御装置。
- 前記電力位相制御部は、前記途絶前に受信された同期信号の位相と出力する位相の差が小さくなるよう制御する位相同期回路部を備え、前記位相同期回路部が出力した位相に基づいて、前記電力変換装置が出力する電力の位相を制御する
請求項1から3のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記位相同期回路部は、
前記同期信号に基づいて角周波数に関する情報を検出する角周波数検出部と、
前記同期信号の途絶の有無を検出する信号検出部と、
前記信号検出部が前記同期信号の途絶がないことを検出している間、記憶している角周波数に関する情報を前記角周波数検出部が検出した角周波数に関する情報で更新する角周波数記憶部と、
前記信号検出部が前記同期信号の途絶を検出した場合、前記角周波数記憶部から角周波数に関する情報を取得し、取得した角周波数に関する情報に基づいて、前記出力する位相を生成する積分部と、
を備え、
前記電力位相制御部は、前記積分部が生成した位相に基づいて、前記電力変換装置が出力する電力の位相を制御する
請求項4に記載の制御装置。 - 前記位相同期回路部は、
前記角周波数検出部が生成した角周波数の時間変化に関する速度変化情報を生成する速度変化生成部と、
前記信号検出部が前記同期信号の途絶がないことを検出している間、記憶している速度変化情報を前記速度変化生成部が生成した速度変化情報で更新する速度変化記憶部と、
前記信号検出部が前記同期信号の途絶を検出した場合、前記速度変化記憶部に記憶されている速度変化情報で前記角周波数記憶部に記憶されている角周波数に関する情報の更新を開始する更新部と、
を更に備える請求項5に記載の制御装置。 - 前記通信部は、前記速度変化情報を通信により取得し、
前記位相同期回路部は、前記通信部が取得した速度変化情報に基づいて、前記角周波数記憶部に記憶されている角周波数に関する情報を更新する更新部を備える
請求項5に記載の制御装置。 - 前記通信部は、複数の時刻で電力変換装置が出力する電力の周波数に関する周波数情報を通信により取得し、
前記位相同期回路部は、
前記同期信号と前記通信部が取得した周波数情報とに基づいて角周波数に関する情報を生成する角周波数検出部と、
前記角周波数検出部が生成した角周波数に関する情報に基づいて、前記出力する位相を生成する積分部と、
を備え、
前記電力位相制御部は、前記積分部が生成した位相に基づいて、前記電力変換装置が出力する電力の位相を制御する
請求項4に記載の制御装置。 - 前記同期信号部は、前記同期信号を送信するマスターとして動作する前記制御装置から前記同期信号を受信し、
前記マスターを決定するための情報は、前記マスターとして動作する制御装置以外の制御装置の中から前記マスターを決定するための情報である
請求項1から8のいずれか一項に記載の制御装置。 - 前記マスターとして動作する制御装置と、前記同期信号を受信するスレーブとして動作する制御装置との間は、副電力線で接続されており、
前記副電力線で供給される交流信号を直流電圧に変換する安定化部を備え、
当該制御装置が前記マスターとして動作する場合、前記同期出力部は、前記副電力線に同期信号または同期信号の振幅を調整した調整信号を出力し、
当該制御装置が前記スレーブとして動作する制御装置の場合、
前記安定化部は、前記マスターから供給された前記同期信号または前記調整信号を直流電圧に変換し、
前記電力位相制御部は、前記安定化部が変換した後の直流電圧を駆動電源として用いる
請求項9に記載の制御装置。 - 電力線から供給された交流電圧を直流電圧に変換する第2安定化部を更に備え、
前記安定化部の出力と前記第2安定化部の出力が電気的に接続されている
請求項10に記載の制御装置。 - 前記副電力線は、第1電位線と第2電位線から構成され、
前記同期信号部は、
陰極が前記第2電位線に接続され、直流電圧を生成する電源と、
前記電源の陽極と前記第1電位線との導通及び非導通を切り替える切替部と、
一端が前記第1電位線に接続され他端が前記第2電位線及び前記電源の陰極に接続された抵抗と、
を備え、
前記切替部を制御する同期信号制御部を更に備え、
当該制御装置がマスターとして動作する場合、前記同期信号制御部は、前記切替部から前記同期信号を前記第1電位線と前記第2電位線で伝送させる
請求項10または11に記載の制御装置。 - 前記同期信号部を制御する同期信号制御部を更に備え、
当該制御装置がマスターとして動作する場合、前記同期信号部は、予め決められたオフセット電圧に前記同期信号を重畳して前記調整信号を生成し、生成した前記調整信号を前記副電力線で伝送させる
請求項10または11に記載の制御装置。 - 前記副電力線は、第1電位線と第2電位線から構成され、
前記同期信号部は、
陰極が前記第2電位線に接続され、前記オフセット電圧を生成する第1電源と、
陰極が第1電源に接続され、前記同期信号のハイレベルとローレベルの電圧差と同じ直流電圧を生成する第2電源と、
前記第1電源の陽極と前記第1電位線との導通及び非導通を切り替える第1切替部と、
前記第2電源の陽極と前記同期信号を伝送する第1電位線との導通及び非導通を切り替える第2切替部と、
一端が前記第1電位線に接続され他端が前記第2電位線及び前記第1電源の陰極に接続された抵抗と、
を備え、
当該制御装置がマスターとして動作する場合、前記第1切替部及び前記第2切替部を制御して、前記調整信号を前記第1電位線と前記第2電位線で伝送させる同期信号制御部を更に備える
請求項13に記載の制御装置。 - 当該制御装置が前記スレーブとして動作する場合、
前記電力位相制御部は、前記調整信号から前記安定化部が変換した直流電圧成分を除去して前記同期信号を抽出し、抽出した同期信号に基づいて、前記電力変換装置が出力する電力の位相を制御する
請求項13または14に記載の制御装置。 - 前記同期信号部は、前記同期信号を生成する同期信号生成装置から前記同期信号を受信し、
前記マスターを決定するための情報は、当該制御装置と前記他の一台以上の電力変換装置の制御装置の中から前記マスターを決定するための情報である
請求項1から8のいずれか一項に記載の制御装置。 - 請求項1から16のいずれか一項に記載の制御装置と、
入力された電力を変換して、変換後の電力を前記電力線へ出力する電力変換部と、
を備える電力変換装置。 - 電力を変換し変換後の電力を電力線へ出力する電力変換装置を制御する制御装置であって、前記電力線に電力を出力する他の一台以上の電力変換装置の制御装置と通信する通信部と、前記電力変換装置の出力電力の位相の基準となる同期信号を、受信する同期信号部と、を備える制御装置が実行する制御方法であって、
電力位相制御部が、前記同期信号に基づいて前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御するステップと、
前記電力位相制御部が、前記同期信号の途絶を検知した場合、途絶前に受信された同期信号に基づいて、前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御するステップと、
通信制御部が、前記電力位相制御部が前記途絶前に受信された同期信号に基づいて制御している間、前記同期信号を送信するマスターを決定するための情報を、前記他の電力変換装置の制御装置から受信するかまたは前記他の電力変換装置の制御装置へ送信するかのどちらか一方を行うよう前記通信部を制御するステップと、
を有する制御方法。 - 電力を変換し変換後の電力を電力線へ出力する電力変換装置を制御する制御装置であって、前記電力線に電力を出力する他の一台以上の電力変換装置の制御装置と通信する通信部と、前記電力変換装置の出力電力の位相の基準となる同期信号を、受信する同期信号部と、を備える制御装置に、
前記同期信号に基づいて前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御する第1ステップと、
前記同期信号の途絶を検知した場合、途絶前に受信された同期信号に基づいて、前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御する第2ステップと、
前記第2ステップで前記途絶前に受信された同期信号に基づいて制御している間、前記同期信号を送信するマスターを決定するための情報を、前記他の電力変換装置の制御装置から受信するかまたは前記他の電力変換装置の制御装置へ送信するかのどちらか一方を行うよう前記通信部を制御する第3ステップと、
を実行させるためのプログラム。 - 複数の電力変換装置を制御する複数の制御装置と、前記電力変換装置の出力電力の位相の基準となる同期信号を生成し、前記複数の制御装置へ送信する同期信号生成装置と、を具備する制御システムであって、
前記制御装置それぞれは、
前記電力線に電力を出力する他の一台以上の電力変換装置の制御装置と通信する通信部と、
前記同期信号を、前記同期信号生成装置から受信する同期信号部と、
前記同期信号に基づいて前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御し、前記同期信号の途絶を検知した場合、途絶前に受信された同期信号に基づいて、前記電力変換装置が前記電力線へ出力する電力の位相を制御する電力位相制御部と、
前記電力位相制御部が前記途絶前に受信された同期信号に基づいて制御している間、前記同期信号を送信するマスターを決定するための情報を、前記他の電力変換装置の制御装置から受信するかまたは前記他の電力変換装置の制御装置へ送信するかのどちらか一方を行うよう前記通信部を制御する通信制御部と、
を備える制御システム。
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