JP6894821B2 - 電源システム - Google Patents
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Description
[システム構成]
以下、本発明の実施の形態1について説明する。図1は、本発明の実施の形態1に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。本実施の形態における電源システム1は、複数(図1の例では2つ)の発電機2i(i=1,2,…)を備えている。電源システム1は、複数の発電機2iのそれぞれに接続される複数の交流配線部(交流BUS)3iを備えている。すなわち、一の発電機2iは、一の交流配線部3iに接続され、当該交流配線部3iに接続される負荷5に交流電力を供給する。
位相演算部70は、各交流配線部3iの位相目標値φrefを演算する。図3は、図2に示す位相演算部の概略構成を示すブロック図である。位相演算部70は、対応する発電機2iと交流配線部3iとの間の電圧位相差に応じて出力する位相目標値φrefの演算内容を切り替える。本実施の形態において、位相演算部70は、セレクタ70aと、演算部70bとを含んでいる。セレクタ70aは、選択指示信号SRが入力され、それに基づいて演算部70bに選択信号SSを送信する。これにより、セレクタ70aからの選択信号に応じて演算部70bにおける演算内容が切り替えられる。
電圧演算部71は、交流電圧計測器8で検出された各相の電圧の瞬時値va,vb,vcから次式により交流配線部電圧Vacを算出する。
電流演算部72は、各相の瞬時電流ia,ib,icおよび位相演算部71で演算された位相目標値φrefから次式により交流電流の回転座標系の各座標軸における電流(d軸電流Id、q軸電流Iq)を算出する。
有効電力目標値演算部77は、電圧演算部71で算出された交流配線部電圧Vacに基づいて有効電力目標値Pac_refを算出する。ここで、有効電力目標値演算部77は、対応する交流配線部3iに電力変換装置4iが出力する有効電力Pacに対する交流配線部電圧Vacの関係が所定の第2の垂下特性を有するように有効電力目標値Pac_refを算出する。
制御装置17iは、電力変換装置4iから対応する交流配線部3iに出力する交流電流の目標値を交流電流目標値Id_ref,Iq_refとし、当該交流電流の位相φacを位相目標値φrefにあわせるような駆動信号を生成するよう構成される。このために、駆動信号生成部79には、交流配線部3iに出力する交流電流Id,Iq、位相目標値φrefおよび交流電流目標値Id_ref,Iq_refが入力される。駆動信号生成部79は、交流配線部3iに出力する交流電流Id,Iqが交流電流目標値Id_ref,Iq_refになるような駆動信号Soを求め、電力変換装置4iに出力する。具体的には、駆動信号生成部79は、下記式により交流電流目標値Id_ref,Iq_refから交流電圧目標値Vd_ref,Vq_refを算出する。ここで、Kd,Kqは所定のゲインを表し、Tid,Tiqは、所定の時定数を表す。
上述した通り、発電機2iは、対応する交流配線部3iに各発電機2iが出力する有効電力に対する発電機出力電圧の関係が所定の第1の垂下特性を有するよう構成されている。一方、制御装置17iは、発電機2iに対応する交流配線部3iに各電力変換装置4iが出力する電力変換装置有効電力Pacに対する交流配線部電圧Vacの関係が所定の第2の垂下特性を有するように第1の制御要素の目標値(本実施の形態においては交流電圧目標値の瞬時値Va_ref,Vb_ref,Vc_ref)を決定する。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図7は、本発明の実施の形態2に係る電源システムの概略構成を示すブロック図である。実施の形態2において実施の形態1と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。実施の形態2における電源システム1Bが実施の形態1の電源システム1と異なる点は、複数の発電機の少なくとも1つ(発電機20;第2の発電機)は、対応する交流配線部31に発電機20が出力する発電機有効電力Pacに対する周波数facの関係が所定の第3の垂下特性を有するよう構成されていることである。第3の垂下特性を有する発電機20は、例えば、周波数一定制御によって動作する固定周波数発電機(CF発電機)である。
電圧・周波数・位相演算部710は、制御装置17iの電圧演算部71と同様に、交流電圧計測器8で検出された各相の電圧の瞬時値va,vb,vcから(5)式により交流配線部電圧Vacを算出する。また、電圧・周波数・位相演算部71は、公知のPLL(Phase Lock Loop)演算により、対応する交流配線部3iの周波数facおよび位相φacを算出する。また、電圧・周波数・位相演算部710は、各相の電圧の瞬時値va,vb,vcおよび位相φacから交流電圧の回転座標(dq座標)系の各座標軸における電圧(d軸電圧Vd、q軸電圧Vq)を算出する。演算式は、(6)式におけるφrefをφacに置き換えたものとなる。
電流演算部720は、各相の瞬時電流ia,ib,icおよび電圧・周波数・位相演算部710で演算された位相φacから交流電流の回転座標系の各座標軸における電流(d軸電流Id、q軸電流Iq)を算出する。演算式は、(7)式におけるφrefをφacに置き換えたものとなる。
有効・無効電力演算部730は、電圧・周波数・位相演算部710で算出された電圧Vd,Vqおよび電流演算部720で算出された電流Id,Iqから次式により対応する電力変換装置有効電力Pacおよび電力変換装置無効電力Qacを算出する。
有効電力目標値演算部770は、電圧・周波数・位相演算部710で算出された周波数facに基づいて有効電力目標値Pac_refを算出する。ここで、有効電力目標値演算部770は、対応する交流配線部31に電力変換装置41が出力する有効電力Pacに対する周波数facの関係が所定の第4の垂下特性を有するように有効電力目標値Pac_refを算出する。
本実施の形態において、制御装置170は、電力変換装置41に対応する交流配線部電圧Vacに対する電力変換装置無効電力Qacの関係が所定の第5の垂下特性を有するように無効電力Qacの目標値Qac_refを決定するよう構成されている。
制御装置170は、電力変換装置41から対応する交流配線部31に出力する交流電流の目標値を交流電流目標値Id_ref,Iq_refとし、当該交流電流の位相φacとする駆動信号を生成するよう構成される。このために、駆動信号生成部790には、交流配線部3iに出力する交流電流Id,Iq、位相目標値φacおよび交流電流目標値Id_ref,Iq_refが入力される。駆動信号生成部790は、交流配線部31に出力する交流電流Id,Iqが交流電流目標値Id_ref,Iq_refになるような駆動信号Soを求め、電力変換装置41に出力する。具体的には、駆動信号生成部790は、下記式により交流電流目標値Id_ref,Iq_refから交流電圧目標値Vd_ref,Vq_refを算出する。ここで、Kd,Kqは所定のゲインを表し、Tid,Tiqは、所定の時定数を表す。
上記実施の形態の電源システムにおけるシミュレーション結果を以下に示す。図9は、実施の形態1における電源システムのシミュレーションのための構成例を示すブロック図である。図9において、図1と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。以下のケース1〜4のシミュレーションでは、図9に示すように、4つの交流配線部(第1の交流配線部)31〜34のそれぞれに1つのVF発電機(第1の発電機)21〜24が接続されている電源システム1Sを用いている。4つの交流配線部31〜34は、1つの直流配線部6を介して相互に接続されている。4つの発電機21〜24は、2つの主エンジンE1,E2のそれぞれに2つずつ設けられる。すなわち、主エンジンE1の回転動力に基づいて発電機21,22が発電を行い、主エンジンE2の回転動力に基づいて発電機23,24が発電を行うように構成されている。各発電機21〜24および各電力変換装置41〜44の容量、定格電圧(線間電圧)はそれぞれ150kVA、400Vrmsである。
ケース1では、4つの交流配線部31〜34にそれぞれ50%(75kW)の負荷がかかった状態を初期状態とし、交流配線部31の負荷が50%から100%(150kW)に変化した場合の動作をシミュレートした。図10から図12は、図9に示す電源システム1Sにおけるシミュレーション(ケース1)の結果を示すグラフである。
ケース2では、ケース1と同様の初期状態から、各交流配線部31〜34の負荷5をステップ状に変化させた場合の動作をシミュレートした。図13から図16は、図9に示す電源システム1Sにおけるシミュレーション(ケース2)の結果を示すグラフである。
ケース3では、ケース1と同様の初期状態から、交流配線部31に接続されている発電機21が解列された(発電機21が停止した)場合の動作をシミュレートした。図17から図19は、図9に示す電源システム1Sにおけるシミュレーション(ケース3)の結果を示すグラフである。
ケース4では、ケース1と同様の初期状態から、交流配線部31の負荷が50%から100%(150kW)に変化し、その後、交流配線部31の発電機21が解列された場合の動作をシミュレートした。図20から図22は、図9に示す電源システム1Sにおけるシミュレーション(ケース4)の結果を示すグラフである。
図23は、実施の形態2における電源システムのシミュレーションのための構成例を示すブロック図である。図23において、図1および図9と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。以下のケース5では、図23に示すように、4つの交流配線部31〜34のうちの2つの交流配線部(第2の交流配線部)32,33のそれぞれに固定周波数発電機(CF発電機、第2の発電機)20B,20Aが1つずつ接続され、残りの2つの交流配線部(第1の交流配線部)31,34のそれぞれに可変周波数発電機(VF発電機、第1の発電機)21,24が1つずつ接続されている電源システム1Tを用いている。4つの交流配線部31〜34は、1つの直流配線部6を介して相互に接続されている。また、エンジンE1,E2ごとにCF発電機20B,20AおよびVF発電機21,24が1つずつ設けられる。すなわち、エンジンE1には、CF発電機20BおよびVF発電機21が設けられ、エンジンE2には、CF発電機20AおよびVF発電機24が設けられる。
以下、上記実施の形態における電源システム1,1Bの適用例についていくつか例示する。
図29は、実施の形態1における電源システムの航空機への適用例の他の1つを説明するブロック図である。なお、図29においては、各交流配線部31〜36の制御装置171〜176は図示を省略している。また、図29において、図28と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。図29における電源システム1Dは、適用例1と同様に、VF発電機21〜24が交流配線部31〜34に接続され、CF発電機25,26が交流配線部35,36に接続されている。ただし、本適用例においては、交流配線部31,33,35が接続される電力変換装置41,43,45の直流部に直流配線部61が接続されるとともに、交流配線部32,34,36が接続される電力変換装置42,44,46の直流部に直流配線部62が接続されている。
図30は、実施の形態1における電源システムの航空機への適用例の他の1つを説明するブロック図である。なお、図30において、図1と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。本適用例における電源システム1Eは、交流配線部3i(31,32)に負荷5が接続されるだけでなく、直流配線部6にも負荷(直流負荷)5Dが接続されている。
図31は、実施の形態1における電源システムの航空機への適用例の他の1つを説明するブロック図である。なお、図31において、図1と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。本適用例における電源システム1Fは、直流配線部6に蓄電設備13が接続されている。
図32は、実施の形態2における電源システムの航空機への適用例の1つを説明するブロック図である。なお、図32においては、各交流配線部31〜36の制御装置171〜176は図示を省略している。また、図32において、図23および図29と同様の構成については同じ符号を付し、説明を省略する。図32における電源システム1Gは、適用例1におけるVF発電機22,23の代わりにCF発電機(第2の発電機)20B,20Aが交流配線部(第2の交流配線部)32,33に接続されている。交流配線部32,33に接続される電力変換装置42,43は、実施の形態2で示したように、電力変換装置有効電力Pacに対する交流配線部32,33の周波数facの関係が所定の第4の垂下特性を有する第2の制御要素の目標値を用いて制御される。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更、修正が可能である。
2i(i=1,2,…) 発電機
3i 交流配線部
4i 電力変換装置
6,61,62 直流配線部
17i,170,170A,170B 制御装置
20,20A,20B 固定周波数発電機(CF発電機)
70 位相演算部
77 有効電力目標値演算部
Claims (7)
- 複数の発電機を備えた電源システムであって、
前記複数の発電機のそれぞれに接続される複数の交流配線部と、
前記複数の交流配線部のそれぞれに接続される複数の電力変換装置と、
前記複数の電力変換装置同士を接続する直流配線部と、
前記複数の電力変換装置に駆動信号を送信することにより対応する交流配線部と前記直流配線部との間の電力変換制御を行う制御装置と、を備え、
前記複数の発電機の少なくとも1つは、対応する第1の交流配線部に当該発電機が出力する発電機有効電力に対する発電機出力電圧の関係が所定の第1の垂下特性を有するよう構成された第1の発電機であり、
前記複数の電力変換装置のそれぞれは、各交流配線部を通じて入力される交流電力を直流電力に変換するとともに、前記直流配線部を通じて入力される直流電力を交流電力に変換するよう構成され、
前記制御装置は、前記第1の発電機に対応する第1の交流配線部に、前記電力変換装置が出力する電力変換装置有効電力に対する交流配線部電圧の関係が所定の第2の垂下特性を有するように第1の制御要素の目標値を決定し、前記第1の制御要素の目標値を前記直流配線部における直流電圧に応じて補正することにより、前記電力変換装置のための前記駆動信号を生成するよう構成される、電源システム。 - 前記制御装置は、前記第1の交流配線部の交流配線部電圧が入力され、所定の電圧指令値に対する前記交流配線部電圧の偏差に基づく値に、前記第2の垂下特性を示す係数を掛けた有効電力参照値を求める演算を含む有効電力目標値演算処理によって有効電力目標値を算出する有効電力目標値演算部を備えた、請求項1に記載の電源システム。
- 前記制御装置は、前記第1の発電機の発電機出力電圧と、当該第1の発電機に対応する前記第1の交流配線部における交流配線部電圧とが入力され、当該第1の発電機に対応する前記第1の交流配線部の位相目標値を演算する位相演算部を備え、
前記制御装置は、当該第1の交流配線部の交流電流が入力され、前記有効電力目標値および所定の無効電力指令値を用いて一対の交流電流目標値を生成し、前記第1の交流配線部に出力する交流電流の目標値を前記交流電流目標値とし、当該交流電流の位相を前記位相目標値にあわせるような駆動信号を生成するよう構成される、請求項2に記載の電源システム。 - 前記有効電力目標値演算部は、所定の直流電圧指令値に対する前記直流電圧の偏差に所定の補正係数を掛けた有効電力補正値を算出し、所定の有効電力指令値に、前記有効電力参照値および前記有効電力補正値を加えて前記有効電力目標値を算出するよう構成される、請求項2または3に記載の電源システム。
- 前記位相演算部は、前記第1の発電機が停止している場合、所定の値を前記位相目標値として出力し、前記第1の発電機と対応する前記第1の交流配線部とが解列している場合、対応する第1の発電機の発電機電圧を用いて前記位相目標値を演算し、前記第1の発電機と対応する前記第1の交流配線部とが連系接続している場合、前記第1の交流配線部における交流配線部電圧を用いて前記位相目標値を演算するよう構成される、請求項3に記載の電源システム。
- 前記第1の発電機は、回転機に接続され、当該回転機の回転速度に応じて発電電力の周波数が変化する可変周波数発電機を含む、請求項1から5の何れかに記載の電源システム。
- 前記複数の発電機の少なくとも1つは、対応する第2の交流配線部に当該発電機が出力する発電機有効電力に対する周波数の関係が所定の第3の垂下特性を有するよう構成された第2の発電機であり、
前記制御装置は、前記第2の発電機に対応する前記第2の交流配線部に、前記電力変換装置が出力する電力変換装置有効電力に対する周波数の関係が所定の第4の垂下特性を有するように第2の制御要素の目標値を決定し、前記第2の制御要素の目標値を前記直流配線部における直流電圧に応じて補正することにより、前記電力変換装置のための前記駆動信号を生成するよう構成される、請求項1から6の何れかに記載の電源システム。
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