JP4691390B2 - インバータ装置の運転方法及びインバータ装置 - Google Patents
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また、特許文献1の電源装置にあっては、あるインバータ装置を投入、切り離し又は解列する場合には、電源スイッチの遅れ時間の不均一によって横流が増大したり、電源スイッチをオンオフするときにインバータ装置の運転状態などによって大きなサージ電流が流れたり、悪影響が発生することがあり、また、遠方監視などの方法によって定期的な試験、保守・点検などを行う場合に、電源スイッチをオフにしなければできない試験、保守・点検項目を行う際には種々の問題点がある。
図1、図2によって本発明を実施するためのインバータ装置の一実施形態について説明する。図1は本発明が採用する制御パラメータのみによって等価内部インピーダンスを可変できるインバータ装置の一実施形態である定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置100を説明するための図であり、図2は負荷が通常の整流回路と蓄電池、あるいは変圧器と整流器と直列接続された蓄電池のような負荷の場合における負荷の端子電圧とインバータ装置の等価内部インピーダンスとの関係の一例を示す図である。
(1)スイッチングモード1として、Δt=Δi1−J(t)≦0のとき、半導体素子S3とS4とがオンであって、半導体素子S1とS2とがオフである。
(2)スイッチングモード2として、Δt=Δi1−J(t)>0のとき、半導体素子S1とS2とがオンであって、半導体素子S3とS4とがオフである。
(3)スイッチングモード3として、直流電源1からの電力供給は行わない環流モードがあり、この場合には、半導体素子S1、S4がオンで、半導体素子S2、S3がオフ、又は半導体素子S2、S3がオンで、半導体素子S1、S4がオフである。
実施形態2の発明では、(1−β・G)/(α・G)[Ω]の式で表される直列抵抗値にほぼ等しい等価内部インピーダンスZを呈するインバータ装置、例えば図1に示し、かつ前述した定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置100(1)、100(2)を、図3に示すように並列接続してなるインバータ装置200を、運転している状態で、一方のインバータ装置を遮断又は投入、あるいはインバータ装置200を商用交流電源系統から解列する実施例を示す。勿論、3台以上の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を並列接続しても構わない。以下の説明は、3台以上の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を並列接続した場合にも適用できる。
このようにインバータ装置100(1)、100(2)が並列運転されている状態で、負荷電力の需要が低下し、インバータ装置100(1)だけで負荷需要に対応できる状態になったとすると、電力効率の面からインバータ装置100(2)を切り離したい場合がある。しかし、運転中に電源スイッチSWを開くと、開放となり、サージが発生したり、あるいは電圧が上昇するなどの現象が発生し、好ましくない。また、電源スイッチSWの投入が必要になったときに、短時間で自動的に電源スイッチSWを投入することが難しく、負荷又はインバータ装置にサージを与えるなどの悪影響を及ぼすという問題がある。したがって、この実施形態2では、切り離したいインバータ装置100(2)の等価内部インピーダンスZの値を十分大きくし、そのインバータ装置の出力を無視できるほどに小さくすることができる第1の設定値Zm(以下、設定最大値という。)になるように、先ずシーケンスに従って制御パラメータである出力電流フィードフォワードゲインβと出力電圧フィードバックゲインαとを小さな値に設定する。このときの等価内部インピーダンスZは、例えば、電流ゲインGを1に近似して、β=α=10−5になるような値に選定したとすると、等価内部インピーダンスZの抵抗分はほぼ100kΩとなり、出力電圧を200Vとすると、出力電流は最大でも2mAとなり、出力は約0.4W程度であるので、出力電力はゼロに近似でき、事実上休止状態となる。この場合には、インバータ装置100(2)の等価内部インピーダンスZはブリ−ザ抵抗として働き、出力端子間の電圧を上昇させない。したがって、電源スイッチSWをオフにすることなく、電気的に接続したままで、インバータ装置100(2)を実質的に切り離したのと同じ効果を得ることができる。更に電力効率を向上させたい場合には、事実上の休止状態で電源スイッチSWをオフ状態にすればよい。そして、このとき出力電流フィードフォワードゲインβと出力電圧フィードバックゲインαの数値の変更を瞬時にしないで、所定の時間以上、例えば出力電圧の1周期の3倍以上の時間をかけて行えば、装置及び系統に悪影響を実質的に及ぼすことが無い、ショックレスの切り離し効果を得ることができる。
そして、負荷電力の需要が増加し、インバータ装置100(1)だけでは負荷電力需要に対応できなくなるとき、あるいは電力効率の低下が生じるとき、再び、インバータ装置100(2)を再び投入しなければならない。このことは、図示しないマイクロコンピュータに予めインバータ装置100(1)、100(2)の最大分担電力に対応する値を格納しておくか、あるいはその許容電力効率値を格納しておくことにより、電力需要がインバータ装置100(1)の前記格納された最大分担電力に対応する値を超えるとき、あるいは
前記格納された許容電力効率値を超えるとき、シーケンスに従って、前述とは反対にインバータ装置100(2)の等価内部インピーダンスZを十分に大きな値である第1の設定値Zmから、運転中のインバータ装置100(1)の等価内部インピーダンスZの値Zsとほぼ等しくなるよう、制御パラメータ、つまり出力電流フィードフォワードゲインβ、出力電圧フィードバックゲインαを大きな元の値又はその近辺の値に変更する。等価内部インピーダンスZの値Zsは、横流が許容値以下に制限できる程度の値であり、例えば、出力電圧と出力電流とから算出される等価内部インピーダンスZの値の数%ないし10%程度の範囲である。また、並列運転されるインバータ装置の負荷分担を均一にする場合には、各インバータ装置の等価内部インピーダンスZはほぼ等しい運転中の値Zsに設定される。この変更も前述のように、所定の時間以上、例えば出力電圧の1周期の3倍以上の時間をかけて行えば、装置及び系統に悪影響を実質的に及ぼすことが無い、ショックレスの投入効果を得ることができる。
特に、多数の制御パラメータのみによって等価内部インピーダンスを可変できるインバータ装置である定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を複数台並列に接続した場合、運転中のインバータ装置を電力効率の最も高いところで、又はその近辺において運転したいときには、負荷電力需要の変化にしたがって、それに見合った台数のインバータ装置を遮断又は投入したいことが頻繁に起こる。例えば、20台の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を並列接続してなる電源システムの場合、20台の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置が電力効率の高い範囲で運転している状態で、負荷電力需要が減って行き、19台の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置で運転すれば、電力効率の高い範囲で運転を続行できるときには、図示しないマイクロコンピュータが入力電力と出力電力とから電力効率を監視しており、何台のインバータ装置で運転を行えば電力効率の高い範囲で運転できるかを算出し、その台数の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を継続して運転させ、残りの台数の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置の等価内部インピーダンスZを前述のようにして、第1の設定値である設定最大値Zmにして、実質的に休止させる。
次に、制御パラメータのみによって等価内部インピーダンスを可変できるインバータ装置の一例として図1に示した定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を複数台並列に接続した電源システムにおける試験又は保守・点検時について説明する。特に図示しないが、図3においてインバータ装置100がN台(Nは2以上の整数)並列に接続されたインバータ装置であるとする。このような電源システムの個々の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置の試験又は保守・点検は、1台のインバータ装置ごとに順番に行う。試験又は保守・点検の対象となるインバータ装置の等価内部インピーダンスZを第1の設定値である設定最大値Zmまで増大させて、休止状態にする。出力電圧の試験など、休止状態のままで行うことができる試験、あるいは保守・点検項目では、電源スイッチSWをオフにする必要がなく、オンの状態のままで行うことができる。つまり、試験又は保守・点検の対象となるインバータ装置の等価内部インピーダンスZを設定最大値Zmまで増大させ、休止状態にしてから試験又は保守・点検を行い、そのインバータ装置についての試験又は保守・点検終了後に等価内部インピーダンスZを設定最大値Zmから他の運転中のインバータ装置の等価内部インピーダンスZと同様の値Zsまで減少させて、給電を開始させる。次に試験又は保守・点検を行うインバータ装置に対しても、同様の動作を行う。このような動作を繰り返すことによって、定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置が複数台並列に接続された電源システムの各インバータ装置の試験又は保守・点検を行う間も負荷回路へ給電することができ、電源スイッチSWをオフにすることなく迅速に行えるばかりでなく、前述したようなインバータ装置のショックレスな遮断、投入が可能となる。
単数の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置が、あるいはこれらが複数台並列に接続された電源システムが、図示しない商用交流電源系統に連系している場合に、そのインバータ装置の解列、投入は、前記のとおりの操作で可能である。ただし、投入時には、インバータ装置200、あるいは投入するインバータ装置100(1)又は100(2)の等価内部インピーダンスZを設定最大値Zmにしておき、投入後にその設定最大値Zmから運転時の値Zsまで減少させながら、商用交流電源系統の周期に同期させなければならない。商用交流電源系統にとってサージの影響の小さい、つまりショックレスの投入を行うには、商用交流電源系統の1周期の50倍以上が好ましい。解列時も同様であり、解列する定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置の等価内部インピーダンスZを、商用交流電源系統の1周期の50倍以上の時間をかけて、運転時の値Zsから設定最大値Zmまで増大させるのが、ショックレスな解列を行う上で好ましい。
以上の実施形態では制御パラメータのみによって等価内部インピーダンスを可変できるインバータ装置として、単相構成の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置、それらを複数台並列に接続した定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置、それらの投入、遮断(休止)などについて説明したが、三相交流の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置を並列接続してなる定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置の投入、遮断(休止)なども同様に行えるので、図4を利用して三相交流の定サンプリング型の誤差追従式インバータ装置300について説明し、図5によってインバータ装置300と同一構成のインバータ装置300(1)、300(2)、……300(N)を並列接続してなるインバータ装置について説明する。図4、図5において、図1〜図3で用いた記号と同じ記号は同じ名称の部材を示すものとする。インバータ2は、MOSFET又はIGBTのような自己消弧型の電圧駆動素子で代表される半導体素子Sとこれに逆向きに並列接続されたダイオードDとからなる6個のスイッチ素子U、V、W、X、Y、Zを三相フルブリッジ構成に接続してなる。スイッチ素子UとXとの接続点aに接続されたラインをL1、スイッチ素子VとYとの接続点bに接続されたラインをL2、スイッチ素子WとZとの接続点cに接続されたラインをL3とする。
(1)スイッチングモード1は、Δa≧0、Δb<0、Δc<0の場合である。このとき、スイッチ素子U、Y、Zがオンで、スイッチ素子V、W、Xがオフであり、各相の出力フィルタ回路の入力側(インバータ側)では、a相の電流保持用のインダクタLp1を流れる電流が増加する。
(2)スイッチングモード2は、Δa≧0、Δb≧0、Δc<0の場合である。このとき、スイッチ素子U、V、Zがオンで、スイッチ素子W、X、Yがオフであり、各相の出力フィルタ回路の入力側では、a相の電流保持用のインダクタLp1とb相の電流保持用のインダクタLp2とを流れる電流が増加する。
(3)スイッチングモード3は、Δa<0、Δb≧0、Δc<0の場合である。このとき、スイッチ素子V、X、Zがオンで、スイッチ素子U、W、Yがオフであり、各相の出力フィルタ回路の入力側では、b相の電流保持用のインダクタLp2を流れる電流が増加する。
(4)スイッチングモード4は、Δa<0、Δb≧0、Δc≧0の場合である。このとき、スイッチ素子V、W、Xがオンで、スイッチ素子U、Y、Zがオフであり、各相の出力フィルタ回路の入力側では、b相の電流保持用のインダクタLp2とc相の電流保持用のインダクタLp3とを流れる電流が増加する。
(5)スイッチングモード5は、Δa<0、Δb<0、Δc≧0の場合である。このとき、スイッチ素子W、X、Yがオンで、スイッチ素子U、V、Zがオフであり、各相の出力フィルタ回路の入力側では、c相の電流保持用のインダクタLp3を流れる電流が増加する。
(6)スイッチングモード6は、Δa≧0、Δb<0、Δc≧0の場合である。このとき、スイッチ素子U、W、Yがオンで、スイッチ素子V、X、Zがオフであり、各相の出力フィルタ回路の入力側では、a相の電流保持用のインダクタLp1とc相の電流保持用のインダクタLp3とを流れる電流が増加する。
つまり、実施形態2において説明した単相インバータ装置200の運転方法1〜4と同様にして、三相交流インバータ装置400の運転を行うことができる。なお、定サンプリング型の誤差追従式三相交流インバータ装置300の起動時における突入電流の抑制を行う運転方法についても、実施形態1における定サンプリング型の誤差追従式単相インバータ装置100の前述運転方法1と同様に行うことができる。
2・・・インバータ
3・・・インバータ電流検出器
4・・・出力フィルタ回路
5・・・フィルタ電圧検出器
6・・・出力電流検出器
7・・・出力端子
8・・・電流目標値形成部
8A・・・電圧指令手段
8B・・・電流利得手段
8C・・・減算手段
8D・・・電圧利得手段
8E・・・加算手段
8a・・・フィルタ電圧指令手段
8b・・・コンデンサ電流指令手段
8c・・・PWM電流誤差補償手段
8d・・・座標変換手段
8e・・・ローパスフィルタ
8f・・・減算手段
8g・・・電圧リミッタ
8h・・・電圧帰還手段
8i・・・加算手段
8j・・・座標変換手段
8k・・・電流利得手段
8l・・・電流利得手段
8m・・・信号リミッタ
8n・・・加算手段
8p・・・座標変換手段
9・・・ゲート指令・PWM制御部
9A・・・減算手段
9B・・・ゲート指令・PWM回路
10・・・同期信号発生回路
50・・・負荷回路
Claims (13)
- 出力電圧フィードバックゲインをα、出力電流フィードフォワードゲインをβ、インバータ電流ゲインをGとするとき、(1−β・G)/(α・G)で表される直流抵抗値を等価内部インピーダンスとするインバータ装置で、制御パラメータである前記出力電圧フィードバックゲインαと前記出力電流フィードフォワードゲインβの少なくとも一方を調整することで、前記等価内部インピーダンスの値を変えることができる前記インバータ装置の運転方法であって、
給電開始前に、前記等価内部インピーダンスの値が、前記インバータ装置の出力電流を所望値以下に制限し得る第1の設定値になるように、前記制御パラメータを設定し、
給電開始後に、前記等価内部インピーダンスの値が、前記第1の設定値よりも小さい任意の第2の設定値になるように、前記制御パラメータを増大させることを特徴とするインバータ装置の運転方法。 - コンデンサの充電に用いられる前記インバータ装置の運転方法であって、充電開始前に前記等価内部インピーダンスを、充電初期の電流を許容値以下に制限できる大きな値にするように、前記制御パラメータを設定した後に、前記インバータ装置の動作を開始させて充電を開始し、予め決めた時間の後に、前記等価内部インピーダンスが定格電流を流せる値になるように、前記制御パラメータを増大させることを特徴とする請求項1に記載のインバータ装置の運転方法。
- 出力電圧フィードバックゲインをα、出力電流フィードフォワードゲインをβ、インバータ電流ゲインをGとするとき、(1−β・G)/(α・G)で表される直流抵抗値を等価内部インピーダンスとするインバータ装置で、制御パラメータである前記出力電圧フィードバックゲインαと前記出力電流フィードフォワードゲインβの少なくとも一方を調整することで、前記等価内部インピーダンスの値を変えることができる前記インバータ装置の運転方法であって、
前記等価内部インピーダンスの値が、前記インバータ装置の出力電流を所望値以下に制限し得る第1の設定値になるように、前記制御パラメータを設定し、
同期検定を行うことなく前記インバータ装置を他のインバータ装置に並列接続、又は商用交流電源系統に連系し、
前記インバータ装置の出力電圧を前記他のインバータ装置の出力電圧、又は商用交流電源系統の電圧に同期させ、
前記等価内部インピーダンスの値が、前記第1の設定値よりも小さい任意の第2の設定値まで減少するように、前記制御パラメータを増大させることを特徴とするインバータ装置の運転方法。 - 前記等価内部インピーダンスを前記第1の設定値にして、前記インバータ装置の給電を事実上休止させることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれかに記載のインバータ装置の運転方法。
- 前記等価内部インピーダンスが、前記第1の設定値の状態で前記インバータ装置の電源スイッチをオンすることを特徴とする請求項1から請求項4のいずれかに記載のインバータ装置の運転方法。
- 前記等価内部インピーダンスを前記第1の設定値にして、当該インバータ装置の電源スイッチをオフすることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれかに記載のインバータ装置の運転方法。
- 商用交流電源系統に連系されている前記インバータ装置を解列するときには、解列される当該インバータ装置の前記等価内部インピーダンスを、前記第1の設定値にすることにより、実質的に解列を行うことを特徴とする請求項1から請求項6のいずれかに記載のインバータ装置の運転方法。
- 前記等価内部インピーダンスの前記第1の設定値までの変更あるいは前記任意の第2の設定値までの変更は、商用交流電源系統に連系していないときには前記インバータ装置の出力周期tの3倍以上の時間、連系しているときには商用交流周期の50倍以上の時間をかけて行うことを特徴とする請求項1から請求項7のいずれかに記載のインバータ装置の運転方法。
- 出力電圧フィードバックゲインをα、出力電流フィードフォワードゲインをβ、インバータ電流ゲインをGとするとき、(1−β・G)/(α・G)で表される直流抵抗値を等価内部インピーダンスとするインバータ装置で、制御パラメータである前記出力電圧フィードバックゲインαと前記出力電流フィードフォワードゲインβの少なくとも一方を調整することで、前記等価内部インピーダンスの値を変えることができる前記インバータ装置であって、
給電開始前に、前記等価内部インピーダンスの値が、前記インバータ装置の出力電流を所望値以下に制限し得る第1の設定値になるように、前記制御パラメータを設定し、
給電開始後に、前記等価内部インピーダンスの値が、前記第1の設定値よりも小さい任意の第2の設定値になるように、前記制御パラメータを増大させることを特徴とするインバータ装置。 - 出力電圧フィードバックゲインをα、出力電流フィードフォワードゲインをβ、インバータ電流ゲインをGとするとき、(1−β・G)/(α・G)で表される直流抵抗値を等価内部インピーダンスとするインバータ装置で、制御パラメータである前記出力電圧フィードバックゲインαと前記出力電流フィードフォワードゲインβの少なくとも一方を調整することで、前記等価内部インピーダンスの値を変えることができる前記インバータ装置であって、
前記等価内部インピーダンスの値が、前記インバータ装置の出力電流を所望値以下に制限し得る第1の設定値になるように、前記制御パラメータを設定し、
同期検定を行うことなく前記インバータ装置を他のインバータ装置に並列接続、又は商用交流電源系統に連系し、
前記インバータ装置の出力電圧を前記他のインバータ装置の出力電圧、又は商用交流電源系統の電圧に同期させ、
前記等価内部インピーダンスの値が、前記第1の設定値よりも小さい任意の第2の設定値まで減少するように、前記制御パラメータを増大させることを特徴とするインバータ装置。 - 前記インバータ装置が給電を事実上休止するときには、前記制御パラメータを変えることにより、前記インバータ装置の前記等価内部インピーダンスを、出力電流を所望値以下に制限し得る第1の設定値にすることを特徴とする請求項9又は請求項10に記載のインバータ装置。
- 前記インバータ装置は、
直流入力を交流出力に変換するインバータと、
該インバータの出力側に備えられている出力フィルタ回路と、
前記インバータと前記出力フィルタ回路間を流れる交流電流を検出する第1の電流検出手段と、
出力端子に流れる交流電流を検出する第2の電流検出手段と、
前記出力フィルタ回路の電圧を検出する交流電圧検出手段と、
前記第1の電流検出器からの電流検出信号に出力電流フィードフォワードゲインβを乗じた信号と、前記交流電圧検出器からの電圧検出信号と正弦波基準電圧信号との差を示す電圧信号に出力電圧フィードバックゲインαを乗じて得られる信号とを加算して得られる電流目標関数信号J(t)を生じる電流目標値形成部と、
前記電流目標関数信号J(t)と前記第2の電流検出器からの電流検出信号との差を示す誤差信号Δ(t)を低減するように、一定のサンプリング周期毎に前記誤差信号Δ(t)をサンプリングして電流の瞬時値を制御する高周波PWM信号を発生し、前記インバータに与えるゲート指令・PWM制御部とからなることを特徴とする請求項9から請求項11のいずれかに記載のインバータ装置。 - 前記等価内部インピーダンスの前記第1の設定値までの変更、あるいは前記第2の設定値までの変更は、商用交流電源系統に連系していないときには前記インバータ装置の出力周期tの3倍以上の時間、連系しているときには商用交流周期の50倍以上の時間をかけて行うことを特徴とする請求項9から請求項12のいずれかに記載のインバータ装置。
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