JP7286975B2 - 負荷装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷装置に関する。

従来、発電機に出力させる電力を制御することによって、発電機の負荷試験を行う負荷試験装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。この負荷試験装置は、コンバータ装置に流入する電力の検出値が電力設定値に追従するように電流指令値を生成する電力制御と、当該コンバータ装置に流入する電流の検出値が当該電流指令値に追従するように当該コンバータ装置を動作させる電流制御とを行う。

特開２０１１‐１６９７０２号公報

発電機やＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply）等の電源装置に出力させる電力（電源装置に付与する電力負荷）を急変させる負荷急変試験を行う場合、電力指令値に対する電力制御の応答速度を向上させることが求められる。しかしながら、電力制御の応答速度を単純に上げるだけでは、電源装置に付与する電力負荷がオーバーシュートするおそれがある。また、電力制御の応答速度を上げるために電流制御の応答速度を上げると、電流制御が電力制御の応答を邪魔することにより、電源装置に付与する電力負荷の制御が不安定になるおそれがある。

そこで、本開示は、電源装置に付与する電力負荷を急変させる制御の不安定化を抑制することが可能な負荷装置を提供する。

本開示は、
電源装置の負荷試験を行う負荷装置であって、
前記電源装置の出力側に入力側が接続される電力変換装置と、
前記電力変換装置の入力側の電流の大きさを表す入力電流検出値を出力する電流検出器と、
前記電力変換装置の入力側の電圧の大きさを表す電圧検出値を出力する電圧検出器と、
第１の電流指令を保存するストレージと、
前記入力電流検出値と前記電圧検出値とを用いて前記電力変換装置への入力電力検出値を算出するとともに、前記負荷装置の動作モードを第１の動作モードとするか第２の動作モードとするか切り替える制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記第１の動作モードでは、前記入力電力検出値と電力指令値との偏差を零に近づける制御により第２の電流指令を生成する電力制御を行い、前記入力電流検出値と前記第２の電流指令に対応する電流指令値との偏差を零に近づける制御により生成された指令によって前記電力変換装置を動作させ、
前記第２の動作モードでは、前記電力制御を行わず、前記入力電流検出値と前記第１の電流指令に対応する電流指令値との偏差を零に近づける制御により生成された指令によって前記電力変換装置を動作させる、負荷装置を提供する。

本開示の技術によれば、第２の動作モードでは、電力変換装置への入力電力検出値を電力指令値に追従させる電力制御ではなく、電力変換装置への入力電流検出値をストレージに保存された第１の電流指令に基づく電流指令値に追従させる電流制御が行われる。つまり、第２の動作モードでは電力制御が行われないので、電源装置に付与する電力負荷を急変させる制御を第２の動作モードで実行しても、電力制御によるオーバーシュートは発生しない。また、第２の動作モードでは電力制御が行われないので、電源装置に付与する電力負荷を急変させる制御を第２の動作モードで実行しても、電流制御が電力制御の応答を邪魔することもない。したがって、電源装置に付与する電力負荷の制御の安定性を確保できる。

本開示の技術によれば、電源装置に付与する電力負荷を急変させる制御の不安定化を抑制することが可能となる。

第１の実施形態における負荷装置の構成を例示する図である。 一比較形態における制御装置が備える制御機能を例示する制御ブロック図である。 第１の実施形態における制御装置が備える制御機能を例示する制御ブロック図である。 入力電力検出値が電流指令に追従し収束した状態を例示する図である。 一比較形態における制御の応答性を例示する図である。 第１の実施形態における制御の応答性を例示する図である。 入力電力検出値を検出する電力検出機能を例示する制御ブロック図である。 負荷急変試験の試験パターンと有効電流指令とを例示する図である。 設定入力部を例示する図である。 第２の実施形態における負荷装置の構成を例示する図である。 第２の実施形態における制御装置が備える制御機能を例示する制御ブロック図である。

以下、本開示の実施形態における負荷装置について、図面を参照して説明する。なお、負荷装置は、電子負荷装置又は負荷試験装置と称される場合がある。

図１は、第１の実施形態における負荷装置の構成を例示する図である。図１に示す負荷装置５０は、被試験装置４１の負荷試験を行い、より具体的には、被試験装置４１に出力させる電力（被試験装置４１に付与する電力負荷）を急変させる負荷急変試験を行う。被試験装置４１は、例えば、ＵＰＳや発電機等の電源装置である。図１は、被試験装置４１が、三相交流の入力電力から三相交流の出力電力を生成する三相交流電源の場合を示している。

図１では、被試験装置４１の出力側は、トランス５２の入力側に接続され、トランス５２の出力側は、フィルタ回路５３を介してインバータ５５に接続されている。負荷装置５０は、フィルタ回路５３のフィルタリアクトル５４ａに流れる電流を制御することで、被試験装置４１の出力部から電力を吸い出し、吸い出した電力をインバータ５５の直流部を介して交流電圧源４６の入力側に回生する。この回生動作によって、負荷装置５０が被試験装置４１に電力負荷を付与している時の消費電力を低減できる。

整流器４７は、系統４８からの交流電力を直流電力に変換して直流リンク４９に出力する交流直流変換装置である。なお、整流器４７は、直流リンク４９の直流電圧が一定になるように、系統４８からの交流電力を直流電力に変換する機能を備える交流直流変換装置に置換されてもよい。

交流電圧源４６は、入力側が直流リンク４９に接続され出力側が被試験装置４１の入力側に接続されている。交流電圧源４６は、直流リンク４９からの直流電力を交流電力に変換して被試験装置４１の入力側に供給する直流交流変換装置である。

負荷装置５０は、トランス５２、フィルタ回路５３、インバータ５５、リンクコンデンサ５１、第１の電流検出器５６、電圧検出器５７、第２の電流検出器５８、制御装置５９及び設定入力部９０を備える。なお、負荷装置５０の構成要素に、交流電圧源４６が含まれてもよい。

トランス５２は、被試験装置４１の出力側に一次側が接続される変圧器であり、負荷装置５０の入力部に設けられている。トランス５２は、被試験装置４１から出力される三相交流電圧を、インバータ５５の入力に適した三相交流電圧に変換する。

フィルタ回路５３は、トランス５２の二次側とインバータ５５の入力側との間に接続され、被試験装置４１からトランス５２を介して入力される交流電力のノイズ（高調波）を抑制する。図１の場合、フィルタ回路５３は、複数の相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）のそれぞれに設けられる複数のフィルタリアクトル５４ａと、複数の相（Ｕ相、Ｖ相及びＷ相）のそれぞれに設けられる複数のフィルタコンデンサ５４ｂとにより形成されるＬＣフィルタである。なお、フィルタ回路５３は、図１に示す形態に限られず、他の形態でもよい。

フィルタリアクトル５４ａは、フィルタコンデンサ５４ｂとインバータ５５の入力側との間に接続され、インバータ５５の動作により発生する高調波を抑制するフィルタリアクトル（交流リアクトル）である。フィルタコンデンサ５４ｂは、トランス５２の二次側に接続され、トランス５２を介して入力される交流電力の高調波を抑制する容量素子である。

インバータ５５は、被試験装置４１の出力側に入力側が接続される電力変換装置である。インバータ５５は、被試験装置４１からトランス５２を介して供給される交流電力を、複数のスイッチング素子により直流電力に変換し、直流リンク４９に供給する回生動作を行う。インバータ５５から直流リンク４９に供給される電力は、交流電圧源４６を介して被試験装置４１の入力側に回生されるので、負荷装置５０が被試験装置４１の負荷試験をしている時の消費電力を低減できる。

リンクコンデンサ５１は、インバータ５５の出力側に接続されており、直流リンク４９の電圧を平滑化する。

第１の電流検出器５６は、トランス５２とフィルタコンデンサ５４ｂとの間に流れる第１の入力電流（より具体的には、被試験装置４１からトランス５２を介して入力される電流）を検出する。図１の場合、第１の電流検出器５６は、検出された第１の入力電流の大きさを表す値（第１の入力電流検出値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗ）を出力する。Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗは、それぞれ、Ｕ相ラインでの入力電流検出値、Ｖ相ラインでの入力電流検出値、Ｗ相ラインでの入力電流検出値を表す。第１の電流検出器５６は、例えば、変流器（ＣＴ）である。

電圧検出器５７は、トランス５２とインバータ５５との間の電圧（より具体的には、トランス５２とフィルタリアクトル５４ａとの間の電圧）を検出する。図１の場合、電圧検出器５７は、検出された電圧の大きさを表す値（電圧検出値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）を出力する。Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、それぞれ、Ｕ相ラインでの電圧検出値、Ｖ相ラインでの電圧検出値、Ｗ相ラインでの電圧検出値を表す。電圧検出器５７は、例えば、変圧器（ＰＴ又はＶＴ）である。

第２の電流検出器５８は、フィルタリアクトル５４ａに流れる第２の入力電流（より具体的には、インバータ５５に入力されるインバータ電流）を検出する。図１の場合、第２の電流検出器５８は、フィルタコンデンサ５４ｂとフィルタリアクトル５４ａとの間に流れる電流（インバータ電流）を検出し、検出されたインバータ電流の大きさを表す値（第２の入力電流検出値Ｉｓｔｕ，Ｉｓｔｖ，Ｉｓｔｗ）を出力する。Ｉｓｔｕ，Ｉｓｔｖ，Ｉｓｔｗは、それぞれ、Ｕ相ラインでの入力電流検出値、Ｖ相ラインでの入力電流検出値、Ｗ相ラインでの入力電流検出値を表す。第２の電流検出器５８は、例えば、変流器（ＣＴ）である。

制御装置５９は、ゲートパルス信号Ｇｐをインバータ５５に対して出力することにより、インバータ５５の電力変換動作及び回生動作を制御する。制御装置５９がインバータ５５を制御することにより、被試験装置４１に付与する電力負荷を変化させる負荷試験を行うことが可能になるとともに、被試験装置４１から出力される電力が交流電圧源４６を介して被試験装置４１の入力側に回生される。これにより、負荷試験の実施による電力消費量の増大が抑制される。

制御装置５９は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）５９ａと記憶装置５９ｂとを有する。制御装置５９の各機能（例えば、後述の図３に示す制御機能）は、記憶装置５９ｂに読み出し可能に記憶されるプログラムによってＣＰＵ５９ａが動作することにより実現される。

設定入力部９０は、ユーザからの設定入力を受け付ける部位である。制御装置５９は、ユーザから設定入力部９０への設定入力に基づいて、負荷試験の条件及び試験パターンなどを設定又は変更する。設定入力部９０は、例えば、操作パネル、タッチパネル、操作ボタン、操作ダイヤルなどである。

次に、制御装置５９が備える制御機能について説明する。第１の実施形態における制御装置５９が備える制御機能について説明する前に、一比較形態における制御装置が備える制御機能について説明する。

図２は、一比較形態における制御装置１５９が備える制御機能を例示する制御ブロック図である。制御装置１５９が備える制御機能として、電力制御系１７０、二相三相変換器１６４、電流制御系１８０及びゲートパルス生成回路１６５がある。

電力制御系１７０は、インバータ５５への入力電力検出値を電力指令値に追従させる電力制御を行う。電力制御系１７０は、減算器１７１，１７２と、ＰＩ制御器１７３，１７４とを有する。減算器１７１は、インバータ５５に入力される有効電力の検出値（入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔ）と、インバータ５５に入力される有効電力の指令値（電力指令値Ｐｄ＿ｒｅｆ）との偏差を算出する。ＰＩ制御器１７３は、当該偏差を零に近づける有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆをＰＩ制御により生成する。減算器１７２は、インバータ５５に入力される無効電力の検出値（入力電力検出値Ｐｑ＿ｄｅｔ）と、インバータ５５に入力される無効電力の指令値（電力指令値Ｐｑ＿ｒｅｆ）との偏差を算出する。ＰＩ制御器１７４は、当該偏差を零に近づける無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆをＰＩ制御により生成する。

なお、ＰＩ制御のＰは、比例制御を表し、ＰＩ制御のＩは、積分制御を表す。

二相三相変換器１６４は、回転座標系の二相の有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ及び無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆを、二相三相変換（固定座標変換、逆パーク変換）して、固定座標系の三相の電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆを演算する。

電流制御系１８０は、インバータ５５への入力電流検出値を電流指令値に追従させる電流制御を行う。電流制御系１８０は、減算器１８１，１８２，１８３と、Ｐ制御器１８４，１８５，１８６と、加算器１８７，１８８，１８９とを有する。減算器１８１は、インバータ５５に入力されるＵ相の入力電流の検出値（入力電流検出値Ｉｓｔｕ）と、インバータ５５に入力されるＵ相の入力電流の指令値（電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ）との偏差を算出する。Ｐ制御器１８４は、当該偏差を零に近づけるＵ相電圧指令ＶｕｒをＰ制御により生成する。加算器１８７は、Ｕ相電圧指令ＶｕｒとＵ相電圧検出値Ｖｕとを加算することによりＵ相電圧指令Ｖｕｒを補正し、Ｕ相補正電圧指令Ｖｕ^＊を生成する（Ｖｕ^＊＝Ｖｕｒ＋Ｖｕ）。減算器１８２は、インバータ５５に入力されるＶ相の入力電流の検出値（入力電流検出値Ｉｓｔｖ）と、インバータ５５に入力されるＶ相の入力電流の指令値（電流指令値Ｉｖ＿ｒｅｆ）との偏差を算出する。Ｐ制御器１８５は、当該偏差を零に近づけるＶ相電圧指令ＶｖｒをＰ制御により生成する。加算器１８８は、Ｖ相電圧指令ＶｖｒとＶ相電圧検出値Ｖｖとを加算することによりＶ相電圧指令Ｖｖｒを補正し、Ｖ相補正電圧指令Ｖｖ^＊を生成する（Ｖｖ^＊＝Ｖｖｒ＋Ｖｖ）。減算器１８３は、インバータ５５に入力されるＷ相の入力電流の検出値（入力電流検出値Ｉｓｔｗ）と、インバータ５５に入力されるＷ相の入力電流の指令値（電流指令値Ｉｗ＿ｒｅｆ）との偏差を算出する。Ｐ制御器１８６は、当該偏差を零に近づけるＷ相電圧指令ＶｗｒをＰ制御により生成する。加算器１８９は、Ｗ相電圧指令ＶｗｒとＷ相電圧検出値Ｖｗとを加算することによりＷ相電圧指令Ｖｗｒを補正し、Ｗ相補正電圧指令Ｖｗ^＊を生成する（Ｖｗ^＊＝Ｖｗｒ＋Ｖｗ）。

なお、Ｐ制御のＰは、入力電流検出値と電流指令値との偏差にゲインＫを乗算して電圧指令を生成する比例制御を表す。

ゲートパルス生成回路１６５は、三相の補正電圧指令Ｖｕ^＊，Ｖｖ^＊，Ｖｗ^＊に基づいて、パルス幅変調されたゲートパルス信号Ｇｐをインバータ５５に出力する。

一方、図３は、第１の実施形態における負荷装置５０の制御装置５９が備える制御機能を例示する制御ブロック図である。制御装置５９が備える主な制御機能として、電力制御系７０、二相三相変換器６４、電流制御系８０及びゲートパルス生成回路６５がある。また、制御装置５９は、ストレージ６０を備える。なお、図２に示す構成と同様の構成についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

電力制御系７０は、インバータ５５への入力電力検出値を電力指令値に追従させる電力制御を行う。電力制御系７０は、減算器７１，７２と、ＰＩ制御器７３，７４とを有する。減算器７１，７２及びＰＩ制御器７３，７４は、それぞれ、減算器１７１，１７２及びＰＩ制御器１７３，１７４と同機能である。

なお、制御装置５９は、上述の入力電流検出値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗと電圧検出値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗとを用いて、有効電力の検出値（入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔ）及び無効電力の検出値（入力電力検出値Ｐｑ＿ｄｅｔ）を公知の方法で算出（検出）する。

ストレージ６０は、有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ及び無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆを保存する記憶装置である。ストレージ６０は、上述の記憶装置５９ｂでもよいし、記憶装置５９ｂとは異なる記憶装置でもよい。ストレージ６０に保存される有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ及び無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆは、第１の電流指令の一例である。

電流制御系８０は、インバータ５５への入力電流検出値を電流指令値に追従させる電流制御を行う。電流制御系８０は、減算器８１，８２，８３と、Ｐ制御器８４，８５，８６と、加算器８７，８８，８９とを有する。二相三相変換器６４、減算器８１，８２，８３、Ｐ制御器８４，８５，８６、加算器８７，８８，８９及びゲートパルス生成回路６５は、それぞれ、二相三相変換器１６４、減算器１８１，１８２，１８３、Ｐ制御器１８４，１８５，１８６、加算器１８７，１８８，１８９及びゲートパルス生成回路１６５と同機能である。

ここで、負荷装置５０の動作モードには、少なくとも、第１の動作モードと第２の動作モードとがある。

第１の動作モードでは、制御装置５９は、入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔを電力指令値Ｐｄ＿ｒｅｆに追従させ且つ入力電力検出値Ｐｑ＿ｄｅｔを電力指令値Ｐｑ＿ｒｅｆに追従させる電力制御を行う。制御装置５９は、この電力制御を第１の動作モードで行うことによって、入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔを電力指令値Ｐｄ＿ｒｅｆに追従させる有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ、及び、入力電力検出値Ｐｑ＿ｄｅｔを電力指令値Ｐｑ＿ｒｅｆに追従させる無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆを生成する。電力制御によって第１の動作モードで生成される有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ及び無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆは、第２の電流指令の一例である。また、第１の動作モードでは、制御装置５９は、入力電流検出値Ｉｓｔｕ，Ｉｓｔｖ，Ｉｓｔｗの各々を、電力制御によって第１の動作モードで生成される電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ，Ｉｑ＿ｒｅｆに基づく電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆに追従させる電流制御を行う。制御装置５９は、この電流制御を第１の動作モードで行うことにより、入力電流検出値Ｉｓｔｕ，Ｉｓｔｖ，Ｉｓｔｗの各々が、第１の動作モードで生成される電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆに追従するようにインバータ５５を動作させる。

一方、第２の動作モードでは、制御装置５９は、第１の動作モードで行われる上述の電力制御を行わない。制御装置５９は、第２の動作モードでは、入力電流検出値Ｉｓｔｕ，Ｉｓｔｖ，Ｉｓｔｗの各々を、ストレージ６０に保存された電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ，Ｉｑ＿ｒｅｆに基づく電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆに追従させる電流制御を行う。制御装置５９は、この電流制御を第２の動作モードで行うことにより、入力電流検出値Ｉｓｔｕ，Ｉｓｔｖ，Ｉｓｔｗの各々が、ストレージ６０を用いて生成される電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆに追従するようにインバータ５５を動作させる。例えば、制御装置５９は、第２の動作モードでは、ストレージ６０に保存された回転座標系の電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ，Ｉｑ＿ｒｅｆを二相三相変換器６４により二相三相変換して、固定座標系の電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆを演算する。

したがって、図２に示す一比較形態では、負荷急変試験を実施するために、電力制御の応答性が速くなるように電力制御系１７０のＰＩ制御のゲインを上げると、図５に示すように、被試験装置４１に付与する電力負荷がオーバーシュートするおそれがある。また、図２に示す制御系では、電力制御の後に電流制御が行われるため、電力制御の応答速度を上げるためには、電流制御の応答速度を向上させることが求められる。しかしながら、電力制御の応答速度を上げるために電流制御の応答速度を上げると、電流制御が電力制御の応答を邪魔することにより、制御系全体が不安定になるおそれがある。仮に電流制御の応答速度を向上できた場合でも、電力検出を安定させるフィルタの存在により、応答速度の向上には限界がある。

これに対し、図３に示す第１の実施形態では、このようなオーバーシュートの発生が抑制される。つまり、第２の動作モードでは、インバータ５５への入力電力検出値を電力指令値に追従させる電力制御ではなく、インバータ５５への入力電流検出値をストレージ６０に保存された電流指令に基づく電流指令値に追従させる電流制御が行われる。第２の動作モードでは電力制御が行われないので、被試験装置４１に付与する電力負荷を急変させる制御を第２の動作モードで実行しても、電力制御（例えば、ＰＩ制御の積分器）によるオーバーシュートは図６に示すように発生しない。また、第２の動作モードでは電力制御が行われないので、被試験装置４１に付与する電力負荷を急変させる制御を第２の動作モードで実行しても、電流制御が電力制御の応答を邪魔することもない。したがって、被試験装置４１に付与する電力負荷の制御の安定性を確保できる。よって、被試験装置４１に付与する電力負荷を急変させる制御の不安定化を抑制することが可能となる。また、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて電流制御が行われることにより、電流制御用の電流指令を電力制御により逐一演算しなくてもよくなるので、電力負荷を急変させる制御の応答性が向上する。

また、制御装置５９は、第１の動作モード及び第２の動作モードにおいて、インバータ５５の出力電力が被試験装置４１の入力側に回生されるようにインバータ５５を動作させることで、両動作モードでの省電力化が可能となる。

ここで、図３において、制御装置５９は、電力制御系７０によって実際に生成された有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆ及び無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆを、第２の動作モードで使用するための第１の電流指令としてストレージ６０に保存することが好ましい。これにより、ストレージ６０に保存すべき電流指令を、負荷装置５０内の電力制御系７０によって予め生成できるので、負荷装置５０外で生成する場合に比べて、ストレージ６０に保存すべき電流指令の生成が容易になる。

また、制御装置５９は、入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔが電力指令値Ｐｄ＿ｒｅｆに図４のように収束しているときの有効電流指令Ｉｄ＿ｒｅｆを、第２の動作モードで使用するための第１の電流指令としてストレージ６０に保存することが好ましい。同様に、制御装置５９は、入力電力検出値Ｐｑ＿ｄｅｔが電力指令値Ｐｑ＿ｒｅｆに図４のように収束しているときの無効電流指令Ｉｑ＿ｒｅｆを、第２の動作モードで使用するための第１の電流指令としてストレージ６０に保存することが好ましい。このように、電力制御による結果が保存されるので、第２の動作モードにおいて、電力制御が行われなくても、その保存された電流指令に基づき電流制御が行われることで、インバータ５５への入力電力を電力指令値に速やかに収束させることができる。

また、制御装置５９が備える制御機能として、例えば、制御部６６及び制御スイッチ６３がある。制御部６６は、負荷急変試験を行う場合、制御スイッチ６３を切り替えることによって、ストレージ６０から電流指令を読み出し可能にする。

また、例えば、制御部６６は、ユーザから設定入力部９０への設定入力（例えば、動作モードを設定するための信号）に基づいて、制御スイッチ６３を切り替えることによって、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替える。このように、ユーザは設定入力部９０を操作することによって、負荷装置５０の動作モードを容易に切り替えできる。

また、例えば、制御部６６は、第２の動作モードにおいて、電力制御系７０におけるＰＩ制御器７３，７４のＰＩ制御を停止することが好ましい。ＰＩ制御の停止によって、ＰＩ制御の積分動作が停止するので、第２の動作モードから第１の動作モードへの復帰時に、制御系が不安定になることを防止できる。

また、例えば、制御装置５９は、第２の動作モードにおいて、ストレージ６０に保存される電流指令に基づく電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆの変化時間を変更する制御機能を備えてもよい。電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆの変化時間の変更により、電力負荷の変化速度を変化させることができるので、任意の変化速度で負荷変動を実施することが可能となる。電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆの変化時間を変更する制御機能として、例えば、ストレージ６０から読み出される電流指令に基づく電流指令値が単位時間当たりに変化する量（傾きΔＩ）を制限する傾きリミッタ６１，６２がある。

例えば、ストレージ６０は、第１の指令（指令１）と第２の指令（指令２）とを、第２の動作モードで使用するための第１の電流指令として保存する。制御装置５９は、第２の動作モードにおいて、ストレージ６０に保存された第１の電流指令に基づいて生成された電流指令値を、指令１に基づく値から指令２に基づく値に変化させる。この場合、制御装置５９は、第２の動作モードにおいて、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて生成される電流指令値が、指令１に基づく値から指令２に基づく値に変化するまでの時間を傾きリミッタ６１，６２により変更する。これにより、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて生成される電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆの変化時間の変更が可能となる。

図７は、電力制御で使用される入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔ，Ｐｑ＿ｄｅｔを検出（算出）する電力検出機能を例示する制御ブロック図である。制御装置５９が備える電力検出機能として、三相二相変換器９１、回転座標変換器９２、乗算器９３，９４、全波整流回路９５及びローパスフィルタ（ＬＰＦ９６）がある。

三相二相変換器９１は、三相の入力電流検出値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗを二相の入力電流検出値Ｉα，Ｉβに変換（クラーク変換）する。回転座標変換器９２は、電圧検出値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相を用いて、固定座標系の二相の入力電流検出値Ｉα，Ｉβを、回転座標系の二相の入力電流検出値Ｉｄ，Ｉｑに座標変換（パーク変換）する。全波整流回路９５は、三相交流の電圧検出値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを全波整流して、全波整流波形後の整流波信号を生成する。ＬＰＦ９６は、この整流波信号にローパスのフィルタ処理を施すことによって、交流電圧最大値Ｖｐｅａｋを算出する。有効電力の入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔは、入力電流検出値Ｉｄと交流電圧最大値Ｖｐｅａｋとが乗算器９３により乗算されることで算出される（Ｐｄ＿ｄｅｔ＝Ｉｄ×Ｖｐｅａｋ）。無効電力の入力電力検出値Ｐｑ＿ｄｅｔは、入力電流検出値Ｉｑと交流電圧最大値Ｖｐｅａｋとが乗算器９４により乗算されることで算出される（Ｐｑ＿ｄｅｔ＝Ｉｑ×Ｖｐｅａｋ）。

図８は、負荷急変試験の試験パターンと有効電流指令とを例示する図である。ストレージ６０の第１のメモリ領域＃１には、有効電力の入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔが電力値Ｗｔ１に収束しているときの第１の指令（指令１）が保存されている。一方、ストレージ６０の第２のメモリ領域＃２には、有効電力の入力電力検出値Ｐｄ＿ｄｅｔが電力値Ｗｔ２に収束しているときの第２の指令（指令２）が保存されている。ストレージ６０には、無効電流指令も、同様に保存されている。

制御装置５９は、第２の動作モードにおいて、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて生成された電流指令値を、指令１に基づく値から指令２に基づく値に変化させる。これにより、インバータ５５に入力される有効電力の電力値がＷｔ１からＷｔ２に変化する。また、制御装置５９は、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて生成された電流指令値が、指令１に基づく値から指令２に基づく値に変化するまでの時間を傾きリミッタ６１，６２により変化させる。これにより、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて生成される電流指令値Ｉｕ＿ｒｅｆ，Ｉｖ＿ｒｅｆ，Ｉｗ＿ｒｅｆの変化時間が変更されるので、Ｗｔ１からＷｔ２への上昇時間Ｔ１が変化する。下降時間Ｔ２も同様に変化させることが可能である。

図９は、設定入力部９０を例示する図である。例えば、ユーザは設定入力部９０を操作して所望の設定値を入力することにより、電力値Ｗｔ１，Ｗｔ２、上昇時間Ｔ１、下降時間Ｔ２及び保持時間Ｔ３を当該設定値に設定でき、負荷装置５０が行う所望の試験パターンを制御装置５９に生成させる。制御装置５９は、設定入力部９０に入力された電力値Ｗｔ１，Ｗｔ２に基づいて、電力指令値Ｐｄ＿ｒｅｆ，Ｐｑ＿ｒｅｆを演算する。また、制御装置５９は、設定入力部９０の実行ボタン９７が押されることにより、第１の動作モードから第２の動作モードに切り替え、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて、負荷急変試験を開始する。

図１０は、第２の実施形態における負荷装置の構成を例示する図である。なお、上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。図１０に示す負荷装置１５０は、電源装置の一例である発電機１の負荷試験を行い、より具体的には、発電機１に出力させる電力（発電機１に付与する電力負荷）を急変させる負荷急変試験を行う。

発電機１から出力される出力電圧は、後述するコンバータ装置５に適した電圧に変換する変圧器２に供給されて電圧変換される。変圧器２の出力は、高調波電流を抑制するフィルタ回路３を介してコンバータ装置５に供給される。フィルタ回路３は、例えば、交流リアクトル４ａ（ＡＣＬ）とコンデンサ４ｂとにより形成されるＬＣフィルタである。コンバータ装置５は、複数のスイッチング素子を有する電力変換装置である。

コンバータ装置５は、入力される交流電力を、力率制御を行いながら直流電力に変換して出力する。コンバータ装置５の直流出力は、複数のスイッチング素子を有する半導体電力変換装置で構成されるチョッパ回路６に供給される。

チョッパ回路６は、コンバータ装置５から出力される直流電圧を任意のデューティ比で電圧変換することで、出力電圧を調整して抵抗器７に出力する。チョッパ回路６からの電圧は、抵抗器７に印加されて、電力が消費する。

ここで、コンバータ装置５は、電界効果トランジスタや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）等のパワー半導体素子をオン・オフ制御することで交流電力を直流電力に変換する。このとき、コンバータ装置５に流入する有効電力と無効電力を制御することで、発電機出力の力率を制御する。

コンバータ装置５の有効電力及び無効電力の制御は、制御装置の一例である力率制御回路１１によって行われる。力率制御回路１１には、有効電力設定値Ｐｓと力率設定値ｃｏｓθとが入力される。力率制御回路１１は、有効電力設定値Ｐｓと力率設定値ｃｏｓθとに基づいて無効電力設定演算回路１２で下記の式の演算を行うことにより、無効電力設定値Ｑｓを演算する。有効電力設定値Ｐｓ及び無効電力設定値Ｑｓは、電力指令値の一例である。

Ｑｓ＝Ｐｓ×（√（１－ｃｏｓ^２θ））／ｃｏｓθ

また、交流リアクトル４ａとコンバータ装置５との間の電流及び電圧が、例えば変流器（ＣＴ）で構成される電流検出器１３及び変圧器（ＰＴ又はＶＴ）で構成される電圧検出器１４で検出される。電流検出器１３及び電圧検出器１４で検出された電流検出値及び電圧検出値は、それぞれ、有効電力検出回路１５及び無効電力検出回路１６に供給され、有効電力検出値Ｐｄ及び無効電力検出値Ｑｄが検出される。

そして、有効電力設定値Ｐｓは、有効電力検出値Ｐｄが供給された減算器１７に供給され、有効電力設定値Ｐｓから有効電力検出値Ｐｄが減算されて有効電力偏差ΔＰ（＝Ｐｓ－Ｐｄ）が算出される。同様に、無効電力設定値Ｑｓは、無効電力検出値Ｑｄが供給された減算器１８に供給され、無効電力設定値Ｑｓから無効電力検出値Ｑｄが減算されて無効電力偏差ΔＱ（＝Ｑｓ－Ｑｄ）が算出される。

そして、有効電力偏差ΔＰは、有効電力調節器１９（ＡＰＲ）に供給され、無効電力偏差ΔＱは、無効電力調節器２０（ＡＱＲ）に供給される。有効電力調節器１９は、有効電力検出値Ｐｄが有効電力設定値Ｐｓに追従するようにｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊を生成する。無効電力調節器２０は、無効電力検出値Ｑｄが無効電力設定値Ｑｓに追従するようにｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊を生成する。

一方、電流検出器１３で検出された電流検出値は、電流検出回路２１に入力される。電流検出回路２１は、電流検出器１３から入力される電流検出値に基づいて、回転座標系であるｄｑ座標系のｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔ及びｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔを算出する。

そして、有効電力調節器１９から出力されるｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊は、ｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔが供給された減算器２２に供給され、ｑ軸電流指令値Ｉｑ^＊からｑ軸電流検出値Ｉｑｉｓｔが減算されてｑ軸電流偏差ΔＩｑが算出される。同様に、無効電力調節器２０から出力されるｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊は、ｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔが入力された減算器２３に供給されて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ^＊からｄ軸電流検出値Ｉｄｉｓｔが減算されてｄ軸電流偏差ΔＩｄが算出される。

そして、ｑ軸電流偏差ΔＩｑは、電流調節器２４（ＡＣＲ）に供給される。電流調節器２４は、電流検出値Ｉｑｉｓｔを電流指令値Ｉｑ^＊に追従させるｑ軸電流指令Ｉｑ^＊＊を生成する。ｄ軸電流偏差ΔＩｄは、電流調節器２５（ＡＣＲ）に供給される。電流調節器２５は、電流検出値Ｉｄｉｓｔを電流指令値Ｉｄ^＊に追従させるｄ軸電流指令Ｉｄ^＊＊を生成する。ｑ軸電流指令Ｉｑ^＊＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ^＊＊は、ゲートパルス生成回路２６に入力される。ゲートパルス生成回路２６は、ｑ軸電流指令Ｉｑ^＊＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ^＊＊に基づいて、パルス幅変調を行うことにより、パルス成形されたゲートパルス信号Ｇｐを生成し、このゲートパルス信号Ｇｐをコンバータ装置５に出力する。これにより、コンバータ装置５を構成するパワー半導体素子は、力率を制御しながら交流電力を直流電力に変換するようにスイッチングされる。

また、チョッパ回路６には、有効電力設定値Ｐｓが入力された電力制御回路３０が接続されている。電力制御回路３０は、有効電力設定値Ｐｓに応じたデューティ比のゲートパルス信号Ｇｃをチョッパ回路６に出力する。これにより、チョッパ回路６を構成するパワー半導体素子から、電力制御された直流電力が抵抗器７に出力される。つまり、チョッパ回路６から出力される電力は、抵抗器７で消費する。

図１１は、図１０に示す第２の実施形態における力率制御回路１１が備える制御機能３５を詳細に示す制御ブロック図である。力率制御回路１１も、上述の実施形態と同様に、ストレージ６０を備える。なお、上述の実施形態と同様の構成及び効果についての説明は、上述の説明を援用することで省略又は簡略する。

図１１に示すストレージ６０は、ｑ軸電流指令Ｉｑ^＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ^＊を保存する記憶装置である。ストレージ６０に保存されるｑ軸電流指令Ｉｑ^＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ^＊は、第１の電流指令の一例である。

第１の動作モードでは、力率制御回路１１は、有効電力検出値Ｐｄを有効電力設定値Ｐｓに追従させ且つ無効電力検出値Ｑｄを無効電力設定値Ｑｓに追従させる電力制御を行う。制御装置５９は、この電力制御を第１の動作モードで行うことによって、有効電力検出値Ｐｄを有効電力設定値Ｐｓに追従させるｑ軸電流指令Ｉｑ^＊、及び、無効電力検出値Ｑｄを無効電力設定値Ｑｓに追従させるｄ軸電流指令Ｉｄ^＊を生成する。電力制御によって第１の動作モードで生成されるｑ軸電流指令Ｉｑ^＊及びｄ軸電流指令Ｉｄ^＊は、第２の電流指令の一例である。また、第１の動作モードでは、力率制御回路１１は、電流検出値Ｉｑｉｓｔ，Ｉｄｉｓｔの各々を、電力制御によって第１の動作モードで生成される電流指令Ｉｑ^＊，Ｉｄ^＊に基づく電流指令値に追従させる電流制御を行う。力率制御回路１１は、この電流制御を第１の動作モードで行うことにより、電流検出値Ｉｑｉｓｔ，Ｉｄｉｓｔの各々が、第１の動作モードで生成される電流指令Ｉｑ^＊，Ｉｄ^＊に基づく電流指令値に追従するようにコンバータ装置５を動作させる。

一方、第２の動作モードでは、力率制御回路１１は、第１の動作モードで行われる上述の電力制御を行わない。力率制御回路１１は、第２の動作モードでは、電流検出値Ｉｑｉｓｔ，Ｉｄｉｓｔの各々を、ストレージ６０に保存された電流指令Ｉｑ^＊，Ｉｄ^＊に基づく電流指令値に追従させる電流制御を行う。力率制御回路１１は、この電流制御を第２の動作モードで行うことにより、電流検出値Ｉｑｉｓｔ，Ｉｄｉｓｔの各々が、ストレージ６０を用いて生成される電流指令値に追従するようにコンバータ装置５を動作させる。

したがって、第２の実施形態では、発電機１に付与する電力負荷のオーバーシュートの発生が抑制される。つまり、第２の動作モードでは、コンバータ装置５への入力電力検出値を電力指令値に追従させる電力制御ではなく、コンバータ装置５への入力電流検出値をストレージ６０に保存された電流指令に基づく電流指令値に追従させる電流制御が行われる。第２の動作モードでは電力制御が行われないので、発電機１に付与する電力負荷を急変させる制御を第２の動作モードで実行しても、電力制御（例えば、ＰＩ制御の積分器）によるオーバーシュートは図６に示すように発生しない。また、第２の動作モードでは電力制御が行われないので、発電機１に付与する電力負荷を急変させる制御を第２の動作モードで実行しても、電流制御が電力制御の応答を邪魔することもない。したがって、発電機１に付与する電力負荷の制御の安定性を確保できる。よって、発電機１に付与する電力負荷を急変させる制御の不安定化を抑制することが可能となる。また、ストレージ６０に保存された電流指令に基づいて電流制御が行われることにより、電流制御用の電流指令を電力制御により逐一演算しなくてもよくなるので、電力負荷を急変させる制御の応答性が向上する。

以上、負荷装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

例えば、負荷装置が負荷試験を行う試験対象は、交流電源装置に限られず、直流電源装置でもよい。

５ コンバータ装置（電力変換装置の一例）
１１ 力率制御回路（制御装置の一例）
４１ 被試験装置
４６ 交流電圧源
４７ 整流器
４８ 系統
４９ 直流リンク
５０，１５０ 負荷装置
５２ トランス
５３ フィルタ回路
５４ａ フィルタリアクトル
５４ｂ フィルタコンデンサ
５５ インバータ（電力変換装置の一例）
５６ 第１の電流検出器
５７ 電圧検出器
５８ 第２の電流検出器
５９ 制御装置
６０ ストレージ
７０ 電力制御系
８０ 電流制御系

Claims (11)

1. 電源装置の負荷試験を行う負荷装置であって、
   前記電源装置の出力側に入力側が接続される電力変換装置と、
   前記電力変換装置の入力側の電流の大きさを表す入力電流検出値を出力する電流検出器と、
   前記電力変換装置の入力側の電圧の大きさを表す電圧検出値を出力する電圧検出器と、
   第１の電流指令を保存するストレージと、
   前記入力電流検出値と前記電圧検出値とを用いて前記電力変換装置への入力電力検出値を算出するとともに、前記負荷装置の動作モードを第１の動作モードとするか第２の動作モードとするか切り替える制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記第１の動作モードでは、前記入力電力検出値と電力指令値との偏差を零に近づける制御により第２の電流指令を生成する電力制御を行い、前記入力電流検出値と前記第２の電流指令に対応する電流指令値との偏差を零に近づける制御により生成された指令によって前記電力変換装置を動作させ、
   前記第２の動作モードでは、前記電力制御を行わず、前記入力電流検出値と前記第１の電流指令に対応する電流指令値との偏差を零に近づける制御により生成された指令によって前記電力変換装置を動作させる、負荷装置。
2. 前記電力制御によって生成された前記第２の電流指令が、前記第１の電流指令として前記ストレージに保存される、請求項１に記載の負荷装置。
3. 前記電力変換装置への入力電力検出値が前記電力指令値に収束しているときの前記第２の電流指令が、前記第１の電流指令として前記ストレージに保存される、請求項２に記載の負荷装置。
4. 前記第１の電流指令は、有効電流指令及び無効電流指令を含む、請求項１から３のいずれか一項に記載の負荷装置。
5. 前記制御装置は、前記有効電流指令及び前記無効電流指令を二相三相変換して、前記第１の電流指令に基づく電流指令値を演算する、請求項４に記載の負荷装置。
6. 前記ストレージは、前記第１の電流指令として、第１の指令と第２の指令とを保存し、
   前記制御装置は、前記第２の動作モードにおいて、前記第１の指令に対応する値が前記第２の指令に対応する値に単位時間当たりに変化する量を制限する、請求項１から５のいずれか一項に記載の負荷装置。
7. 前記制御装置は、前記第２の動作モードにおいて、前記電力制御におけるＰＩ制御を停止する、請求項１から６のいずれか一項に記載の負荷装置。
8. 前記制御装置は、前記第１の動作モード及び前記第２の動作モードにおいて、前記電力変換装置の出力電力が前記電源装置の入力側に回生されるように前記電力変換装置を動作させる、請求項１から７のいずれか一項に記載の負荷装置。
9. 前記電源装置の出力側に一次側が接続されるトランスと、
   前記トランスの二次側に接続されるコンデンサと、
   前記コンデンサと前記電力変換装置の入力側との間に接続されるリアクトルとを備え、
   前記制御装置は、前記トランスと前記コンデンサとの間に流れる電流に基づいて前記入力電力検出値を検出し、前記リアクトルに流れる電流に基づいて前記入力電流検出値を検出する、請求項１から８のいずれか一項に記載の負荷装置。
10. 設定入力部を備え、
    前記制御装置は、ユーザから前記設定入力部への設定入力に基づいて、前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切り替える、請求項１から９のいずれか一項に記載の負荷装置。
11. 設定入力部を備え、
    前記制御装置は、ユーザから前記設定入力部への設定入力に基づいて、前記電力指令値を演算する、請求項１から９のいずれか一項に記載の負荷装置。

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