JP4594218B2 - インバータ電源装置およびインバータシステム - Google Patents

Description

本発明は、直流電源電圧を交流電圧に変換するインバータ電源装置に係り、特に、複数台の並列運転を行う場合に用いて好適なインバータ電源装置に関する。

従来、インバータ装置を複数台並列接続して使用する場合、図６（ａ）に示すように、マスター装置を１台設け、他のインバータ装置をマスター装置の制御の下で運転するか、あるいは、図６（ｂ）に示すように、共通部を設け、各インバータ装置を共通部によって制御することが行われていた。
特開２００３−１１１４１２号公報

しかしながら、これらの方法は、マスター装置あるいは共通部が故障すると、全インバータ装置が運転できなくなり、このため、システムの信頼性がマスター装置または共通部の信頼性によって決まってしまう問題があった。
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、マスター装置あるいは共通部を設けることなく並列運転を行うことができ、これにより、並列運転システムの信頼性を向上させることができるインバータ電源装置およびインバータシステムを提供することにある。

この発明は上述した課題を解決するためになされたもので、請求項１に記載の発明は、複数台を並列接続して使用するインバータ電源装置であって、直流電源の出力に逆流防止用ダイオードを介して取り付けられたコンデンサと、前記コンデンサの両端に接続され、該コンデンサの両端電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータとを具備するインバータ電源装置において、前記直流電源の出力電圧と前記コンデンサの両端電圧の差電圧を検出する差電圧検出手段と、前記差電圧検出手段の検出結果に応じて前記ＤＣ／ＡＣインバータの出力電圧を制御する制御手段とを具備することを特徴とするインバータ電源装置である。

また、本発明は、複数台を並列接続して使用するインバータ電源装置であって、直流電源の出力に逆流防止用ダイオードを介して取り付けられたコンデンサと、前記コンデンサの両端に接続され、内蔵するスイッチング素子のオン／オフ動作によって前記コンデンサの両端電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータとを具備するインバータ電源装置において、前記直流電源の出力電圧と前記コンデンサの両端電圧の差電圧を検出する差電圧検出手段と、出力電圧の振幅を指示する第１の出力電圧振幅指令値を、前記差電圧検出手段の検出結果に応じて第２の出力電圧振幅指令値に変換する第１の変換手段と、前記第２の出力電圧振幅指令値に基づいて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子をオン／オフ制御する制御手段とを具備することを特徴とするインバータ電源装置である。

また、本発明は、上記発明のインバータ電源装置において、前記制御手段は、負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、負荷電力を検出する負荷電力検出手段と、前記負荷電流検出手段の検出結果および前記負荷電力検出手段の検出結果に応じて前記第１の変換手段から出力される第２の出力電圧振幅指令値を第３の出力電圧振幅指令値に変換する第２の変換手段とを具備し、前記第３の出力電圧振幅指令値に基づいて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子をオン／オフ制御することを特徴とする。
また、本発明は、上記発明のインバータ電源装置において、前記第２の変換手段は、負荷電流または負荷電力が大になるに従い第２の出力電圧振幅指令値を一定勾配で小とし、負荷電流または負荷電力が一定値を越えると、さらに大きい勾配で前記第２の出力電圧指令値を小とすることを特徴とする。

また、本発明は、上記発明のインバータ電源装置において、前記制御手段は、負荷電圧を検出する負荷電圧検出手段と、負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、前記負荷電圧と前記負荷電流の位相差を検出する位相差検出手段とを具備し、前記位相差検出手段の検出結果に応じて前記ＤＣ／ＡＣインバータの出力周波数を制御すると共に、前記第３の出力電圧振幅指令値に基づいて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子をオン／オフ制御することを特徴とする。
また、本発明は、上記発明のインバータ電源装置を複数台並列運転したことを特徴とするインバータシステムである。

この発明によれば、複数台のインバータ電源装置を並列接続して使用する場合に、マスター装置あるいは共通部を設けることなく並列運転を行うことができ、これにより、並列運転システムの信頼性を向上させることができると共に、低コスト化を図ることができる。また、この発明によれば、ｎ＋１構成（冗長構成）を容易に実現できる利点がある。

以下、図面を参照し、この発明の実施の形態について説明する。図１はこの発明の一実施の形態によるインバータ電源装置の構成を示すブロック図、図２は図１のインバータ電源装置を複数個並列接続したシステムを示すブロック図である。図１において、１は直流電源、２は直流電源１の出力電圧を交流電圧に変換した後、昇圧し、昇圧した電圧を整流して直流電圧に戻すＤＣ／ＤＣコンバータである。３はＤＣ／ＤＣコンバータ２の入力に取り付けられたコンデンサ、４はＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力を平滑するコンデンサである。５はＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力に取り付けられたＤＣ／ＡＣリンク部であり、コンデンサ５ａおよびダイオード５ｂによって構成されている。７はコンデンサ５ａの両端に取り付けられたＤＣ／ＡＣインバータであり、ブリッジ接続された４個のスイッチング素子によって構成され、コンデンサ５ａの両端電圧（直流電圧）をＰＷＭ（パルス幅変調）交流電圧に変換し、出力する。８はチョークコイル８ａ、８ｂおよびコンデンサ８ｃによって構成されるフィルタであり、ＤＣ／ＡＣインバータ７の出力の高周波成分を除去し、正弦波交流電圧として出力端子９へ出力する。

１１はＤＣ／ＡＣインバータ７の各スイッチング素子をオン／オフ制御する制御ブロックであり、マイクロコンピュータによって構成されている。この制御ブロック１１において、１２は無効電力制御部であり、コンデンサ５ａの両端電圧Ｖdcからコンデンサ４の両端電圧Ｖconvを減算する差電圧検出手段を具備し、該減算結果に対応する出力電圧増加量ΔＶo（図３参照）を、メモリ内のテーブルから読み出し、出力電圧振幅指令値に加算して負荷レギュレーション制御部１４へ出力する。この無効電力制御部１２における処理の意味は次の通りである。

複数台のインバータ電源装置を並列接続した場合において、あるインバータ電源装置Ａの出力電圧が隣接するインバータ電源装置Ｂの出力電圧より小であった場合、インバータ電源装置Ｂからインバータ電源装置Ａへ電流が流れ込み（横流といわれる）、この横流によってインバータ電源装置Ａのコンデンサ５ａが充電される。この横流は無効電力を発生させるだけでなく、コンデンサ５ａをパンクさせる恐れがあり、また、並列インバータ電源システムの最大負荷電流も低下させる。

ここで、横流があると、コンデンサ５ａが横流によって充電され、コンデンサ５ａの電圧Ｖdcがコンデンサ４の電圧Ｖconvより高くなり、また、電圧Ｖdcと電圧Ｖconvの差が横流の大きさに比例する。そこで、この実施形態においては、予めメモリ内に図３に示す出力電圧の振幅増加量ΔＶoとデータ（Ｖdc−Ｖconv）の対応テーブルを記憶させておき、無効電力制御部１２において、一定時間が経過する毎に電圧Ｖdcと電圧Ｖconvの差を算出し、算出した差をメモリ内のテーブルによって振幅増加量ΔＶoに変換し、この振幅増加量ΔＶoを出力電圧振幅指令値に加算して負荷レギュレーション制御部１４へ出力する。これにより、横流の大きさに対応して出力端子９の出力電圧を上げることができ、横流を減少させ、したがって、無効電力を減少させることができる。

次に、負荷電力演算器１３は出力端子９の出力電圧および出力電流を入力し、それらの値から負荷電力を演算し演算結果を負荷レギュレーション制御部１４へ出力する。負荷電流演算部１５は、出力端子９の負荷電流を入力し、入力した値から実効値を演算し、負荷レギュレーション制御部１４へ出力する。負荷レギュレーション制御部１４は、無効電力制御部１２から出力される出力電圧振幅指令値（無効電力制御部１２において補正済み）を負荷電力または負荷電流に応じて変更し、有効電力制御部１７へ出力する。

すなわち、図４（ａ）は負荷電流と出力電圧振幅との関係を示すグラフであり、図４（ｂ）は負荷電力と出力電圧振幅との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、負荷レギュレーション制御部１４は、負荷電流が０からＩ１まで順次増加する時、出力電圧振幅を一定勾配で直線的に減少させる。また、負荷電流が最大値に近いＩ１からＩ２へ増加する時は、出力電圧振幅を直線的にかつ急勾配で減少させる。同様に、負荷レギュレーション制御部１４は、負荷電力が０からＰ１まで順次増加する時、出力電圧振幅を一定勾配で直線的に減少させる。また、負荷電力が最大値に近いＰ１からＰ２へ増加する時は、出力電圧振幅を直線的にかつ急勾配で減少させる。そして、負荷レギュレーション制御部１４は、無効電力制御部１２から出力される出力電圧指令値を負荷電流および負荷電力のそれぞれに応じ、上記予め決められた特性直線（図４）に従って補正し、補正によって得られた２つの出力電圧指令値の内の低い方の指令値を有効電力制御部１７へ出力する。

上述した負荷レギュレーション制御部１４の動作の意味は次の通りである。並列接続された各インバータ電源装置の負荷バランスを均等にするために、負荷電流または負荷電力が大きくなると、自インバータ電源装置の出力電圧を下げるように制御する。すると、並列運転している他のインバータ電源装置の負荷電流または負荷電力量が増加し、その結果、各インバータ装置の負荷バランスが均等になる。ただし、各インバータ装置間で出力電流や出力電圧の計測回路に差異があると、負荷バランスが崩れる可能性ある。ここで、過負荷停止機能を備えたインバータ電源装置を考えると、システムとして供給できる最大の電力を供給する前に、最も負荷分担量が大きいインバータ電源装置が過負荷を検出して停止する可能性がある。この対策として、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、負荷電流＞Ｉ１または負荷電力＞Ｐ１における負荷レギュレーションカーブの傾きを急にし、負荷電流＞Ｉ１または負荷電力＞Ｐ１となった場合は、出力電圧を大きく下げるよう制御する。すると、過負荷を検出する前に自インバータ電源装置の負荷分担量は減少し、逆に他のインバータ電源装置の負荷分担量は増加するため、計測回路に差異があった場合でも、システムとして最大の電力を供給することが可能となる。

次に、有効電力制御部１７は、チョークコイル８ｂを流れる電流Ｉinvおよび出力端子９の出力電圧Ｖoutを入力し、図５に示す電圧Ｖout、電流Ｉinvの各ゼロクロス波形を求める。次に、求めた波形から電圧Ｖout、電流Ｉinvの位相差を求める。そして、位相差に応じて出力電圧波形の周期を指定する周期指令値を次のように決定し、決定した周期指令値を負荷レギュレーション制御部１４から出力される出力電圧振幅指令値と共にＰＷＭ変調処理部１８へ出力する。
(1)進相（電流が電圧より進んでいる場合）：Ｔ＋ΔＴ
(2)標準（電流と電圧の位相が一致の場合）：Ｔ
(3)遅相（電流が電圧より遅れている場合）：Ｔ−ΔＴ

すなわち、出力電流が出力電圧に対して進相の場合は一定幅だけ出力周波数を下げ（周期を上げ）、出力電流が出力電圧に対して遅相の場合は一定幅だけ出力周波数を上げる（周期を下げる）。これにより、出力電圧と出力電流の位相差が最小となり、並列接続時の自インバータ電源装置の有効電力が最大となる。なお、出力電流のゼロクロス検出には、Ｉinvではなく、出力端子９の出力電流Ｉoutを使用してもよい。ただし、Ｉoutを使用すると無負荷時において出力電流のゼロクロスが検出できないため、制御が不安定になる可能性がある。Ｉinvを使用した場合は、無負荷時においても自インバータ電源装置の出力ＬＣフィルタに流れる電流により出力電流のゼロクロスを検出できるため、より安定した制御が可能となる。

ＰＷＭ変調処理部１８は有効電力制御部１７から出力される周期指令値および出力電圧振幅指令値に基づいてＤＣ／ＡＣインバータ７内のスイッチング素子を駆動する駆動信号を生成し、出力する。

以上のように、上記実施形態によるインバータ電源装置は、複数台並列接続した場合に、無効電力制御部１２において横流が最小となるように制御され、負荷レギュレーション制御部１４において各インバータ装置の負荷バランスが均等になるように制御され、有効電力制御部１７において自装置の出力電圧と出力電流の位相差が最小となるように制御される。これにより、複数台のインバータ電源装置を共通に制御するマスター装置や共通部を設けることなく、単に、上記実施形態によるインバータ電源装置を複数台並列接続するだけで並列接続システムを構成することができる。

この発明は、特に、複数台のインバータ電源装置を並列運転する場合に用られる。

この発明の一実施形態によるインバータ電源装置の構成を示すブロック図である。 同インバータ電源装置を複数台並列接続した状態を示す図である。 同インバータ電源装置における無効電力制御部１２の動作を説明するための図である。 同インバータ電源装置における負荷レギュレーション制御部１４の動作を説明するための図である。 同インバータ電源装置における有効電力制御部１７の動作を説明するための図である。 従来のインバータ電源装置の複数台接続を説明するためのブロック図である。

符号の説明

１…直流電源
２…ＤＣ／ＤＣコンバータ
３、４…コンデンサ
５…ＤＣ／ＡＣリンク部
５ａ…コンデンサ
５ｂ…ダイオード
７…ＤＣ／ＡＣインバータ
８…フィルタ
９…出力端子
１１…制御ブロック
１２…無効電力制御部
１３…負荷電力演算器
１４…負荷レギュレーション制御部
１５…負荷電流演算器
１７…有効電力制御部
１８…ＰＷＭ変調処理部

Claims (6)

1. 複数台を並列接続して使用するインバータ電源装置であって、
   直流電源の出力に逆流防止用ダイオードを介して取り付けられたコンデンサと、
   前記コンデンサの両端に接続され、該コンデンサの両端電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、
   を具備するインバータ電源装置において、
   前記直流電源の出力電圧と前記コンデンサの両端電圧の差電圧を検出する差電圧検出手段と、
   前記差電圧検出手段の検出結果に応じて前記ＤＣ／ＡＣインバータの出力電圧を制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とするインバータ電源装置。
2. 複数台を並列接続して使用するインバータ電源装置であって、
   直流電源の出力に逆流防止用ダイオードを介して取り付けられたコンデンサと、
   前記コンデンサの両端に接続され、内蔵するスイッチング素子のオン／オフ動作によって前記コンデンサの両端電圧を交流電圧に変換するＤＣ／ＡＣインバータと、
   を具備するインバータ電源装置において、
   前記直流電源の出力電圧と前記コンデンサの両端電圧の差電圧を検出する差電圧検出手段と、
   出力電圧の振幅を指示する第１の出力電圧振幅指令値を、前記差電圧検出手段の検出結果に応じて第２の出力電圧振幅指令値に変換する第１の変換手段と、
   前記第２の出力電圧振幅指令値に基づいて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子をオン／オフ制御する制御手段と、
   を具備することを特徴とするインバータ電源装置。
3. 前記制御手段は、
   負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
   負荷電力を検出する負荷電力検出手段と、
   前記負荷電流検出手段の検出結果および前記負荷電力検出手段の検出結果に応じて前記第１の変換手段から出力される第２の出力電圧振幅指令値を第３の出力電圧振幅指令値に変換する第２の変換手段と、
   を具備し、前記第３の出力電圧振幅指令値に基づいて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子をオン／オフ制御することを特徴とする請求項２に記載のインバータ電源装置。
4. 前記第２の変換手段は、負荷電流または負荷電力が大になるに従い第２の出力電圧振幅指令値を一定勾配で小とし、負荷電流または負荷電力が一定値を越えると、さらに大きい勾配で前記第２の出力電圧指令値を小とすることを特徴とする請求項３に記載のインバータ電源装置。
5. 前記制御手段は、
   負荷電圧を検出する負荷電圧検出手段と、
   負荷電流を検出する負荷電流検出手段と、
   前記負荷電圧と前記負荷電流の位相差を検出する位相差検出手段と、
   を具備し、前記位相差検出手段の検出結果に応じて前記ＤＣ／ＡＣインバータの出力周波数を制御すると共に、前記第３の出力電圧振幅指令値に基づいて前記ＤＣ／ＡＣインバータのスイッチング素子をオン／オフ制御することを特徴とする請求項３または請求項４に記載のインバータ電源装置。
6. 前記請求項１から前記請求項５のいずれか一項に記載したインバータ電源装置を複数台並列運転したことを特徴とするインバータシステム。

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