JP6764338B2 - 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。
図2は、図1に示す電源システムにおける電力変換装置の制御装置が電圧制御型の制御装置である場合の制御系の概略構成を示すブロック図である。図2においては一の電力変換装置4iに対する一の制御装置17iについてのみ示す。他の電力変換装置4iに対する制御装置17iにおいても同様の制御が行われる。電圧制御型の制御装置17iは、制御要素として対応する交流配線部3iの周波数facを用い、電力変換装置4iを制御する。より具体的には、電圧制御型の制御装置17iは、所定の有効電力指令値Pac_cmdに対する有効電力Pacの偏差に第2の垂下特性を示す係数Dr_pを掛けて周波数参照値Δfac_refを求める演算を含む周波数目標値演算処理によって周波数目標値fac_refを算出する周波数目標値演算部74を備えている。制御装置17iは、周波数目標値fac_refを制御要素の目標値の1つとして対応する電力変換装置4iを制御する。
電圧・周波数・位相演算部71は、交流電圧計測器8で検出された各相の瞬時電圧va,vb,vcから次式により交流電圧Vacを算出する。
電流演算部72は、各相の瞬時電流ia,ib,icおよび電圧・周波数・位相演算部71で演算された位相φac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・無効電力演算部73は、電圧・周波数・位相演算部71で算出された電圧Vd,Vqおよび電流演算部72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(以下、単に無効電力Qacと表記する場合がある)を算出する。
周波数目標値演算部74は、有効・無効電力演算部73で算出された有効電力Pacに基づいて周波数目標値fac_refを算出する。ここで、周波数目標値演算部74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に対する周波数facの関係が所定の第2の垂下特性を有するように周波数目標値fac_refを算出する。
電圧制御型の駆動信号生成部76には、交流配線部3iの周波数facおよび周波数目標値演算部74で算出された周波数目標値fac_refが入力される。当該駆動信号生成部76は、入力されたこれらの値に基づいて、交流配線部3iの周波数facが周波数目標値fac_refになるような駆動信号Soを生成し、電力変換装置4iに出力する。
本実施の形態において、制御装置17iは、各電力変換装置4iに対応する電力変換装置無効電力Qacに対する交流電圧Vacの関係が所定の第3の垂下特性を有するように制御要素である交流電圧Vacの目標値Vac_refを決定するよう構成されている。
図4は、図1に示す電源システムにおける電力変換装置の制御装置が電流制御型の制御装置である場合の制御系の概略構成を示すブロック図である。図4においては一の電力変換装置4iに対する一の制御装置17iについてのみ示す。他の電力変換装置4iに対する制御装置17iにおいても同様の制御が行われる。電流制御型の制御装置17iは、制御要素として対応する交流配線部3iの交流電流Id,Iqを用い、電力変換装置4iを制御する。より具体的には、電流制御型の制御装置17iは、所定の周波数指令値fac_cmdに対する周波数facの偏差に第2の垂下特性を示す係数1/Dr_pを掛けて有効電力参照値ΔPac_refを求める有効電力目標値演算処理によって有効電力目標値Pac_refを算出する有効電力目標値演算部77を備えている。制御装置17iは、有効電力目標値Pac_refを制御要素の目標値の1つとして対応する電力変換装置4iを制御する。
有効電力目標値演算部77は、電圧・周波数・位相演算部71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に対する周波数facの関係が所定の第2の垂下特性を有するように周波数目標値Pac_refを算出する。
本実施の形態において、制御装置17iは、各電力変換装置4iに対応する交流電圧Vacに対する電力変換装置無効電力Qacの関係が所定の第3の垂下特性を有するように制御要素である無効電力Qacの目標値Qac_refを決定するよう構成されている。
電流制御型の駆動信号生成部79には、交流配線部3iの交流電流Id,Iq、位相φac、有効電力目標値Pac_refおよび無効電力目標値Qac_refが入力される。当該駆動信号生成部79は、下記式により有効電力目標値Pac_refおよび無効電力目標値Qac_refから交流電流目標値Id_ref,Iq_refを算出する。
図5は、図1に示す電源システムにおける電力変換装置の制御装置が仮想発電機モデル制御の制御装置である場合の制御系の概略構成を示すブロック図である。図5においては一の電力変換装置4iに対する一の制御装置17iについてのみ示す。他の電力変換装置4iに対する制御装置17iにおいても同様の制御が行われる。仮想発電機モデル制御の制御装置17iは、制御要素として対応する交流配線部3iの交流電流Id,Iqを用い、電力変換装置4iを制御する。
図6は、図5に示す制御装置における周波数目標値演算部の構成を示すブロック図である。図6に示すように、周波数目標値演算部80は、所定の有効電力指令値Pac_cmdに対する有効電力Pacの偏差に後述する有効電力補正値Pac_cmpを加えた値に第2の垂下特性に応じたドループ係数Dr_pを掛けた値を算出する。本実施の形態において、周波数目標値演算部80は、算出された値を一次遅れ演算部86に入力し、一次遅れ演算を行う。これにより、実際の発電機において生じる慣性モーメントが仮想発電機モデルにおいて模擬される。なお、一次遅れ演算以外の演算処理により発電機において生じる慣性モーメントを模擬してもよい。
図7は、図5に示す制御装置における有効電力補正値演算部の構成を示すブロック図である。図7に示すように、有効電力補正値演算部81は、所定の直流電圧指令値Vdc_cmdに対する直流電圧Vdcの偏差に所定の補正係数(補正ゲイン)(−Kdc)を掛けて、有効電力補正値Pac_cmpを算出する。
図8は、図5に示す制御装置における内部相差角演算部の構成を示すブロック図である。図8に示すように、内部相差角演算部82は、周波数目標値演算部80で算出された周波数目標値fac_refに対する交流配線部3iの周波数facの偏差を算出し、それを積分器88に入力する。積分器88では、当該偏差に単位変換用の係数Kwを掛けた仮想発電機の回転速度を積分することにより、仮想発電機における内部相差角θを算出する。
図9は、図5に示す制御装置における内部起電圧目標値演算部の構成を示すブロック図である。図9に示すように、内部起電圧目標値演算部83は、有効・無効電力演算部73で算出された無効電力Qacに基づいて交流電圧目標値Vac_refを算出する。ここで、内部起電圧目標値演算部83は、無効電力Qacに対する交流電圧Vacの関係が所定の第3の垂下特性を有するように交流電圧目標値Vac_refを算出する。
図10は、図5に示す制御装置における電流目標値演算部の構成を示すブロック図である。図10に示すように、電流目標値演算部84は、内部相差角演算部82で算出された内部相差角θと、内部起電圧目標値演算部83で算出された内部起電圧目標値Ef_refと、電圧・周波数・位相演算部71で算出された交流電圧Vd,Vqとを第2の関数演算部92に入力する。第2の関数演算部92は、次式に示す演算を行い、交流電流目標値Id_ref,Iq_refを出力する。
仮想発電機モデル制御型の駆動信号生成部85には、交流配線部3iの交流電流Id,Iq、位相φacおよび交流電流目標値Id_ref,Iq_refが入力される。当該駆動信号生成部85は、交流配線部3iの交流電流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を生成し、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、電流制御型の駆動信号生成部79と同様に、交流電流目標値Id_ref,Iq_refから交流電圧目標値Vd_ref,Vq_refを算出し、これらの値から交流配線部3iの各瞬時電圧Va,Vb,Vcの目標値Va_ref,Vb_ref,Vc_refを算出する。
上記実施の形態の電源システム1におけるシミュレーション結果を以下に示す。本シミュレーションでは、図1に示すように、2つの交流配線部31,32のそれぞれに1つの発電機21,22および電力変換装置41,42が接続されている電源システム1を用いている。発電機21,22における有効・無効電力に対する周波数・電圧の垂下特性(第1の垂下特性)を2%とし、電力変換装置41,42における有効・無効電力に対する周波数・電圧の垂下特性(第1および第2の垂下特性)を1%(Dr_p=Dr_q=0.01)、直流電圧Vdcによる補正のための補正係数(−Kdc)を−0.3とする。各電力変換装置41,42の容量はそれぞれ45kWであり、直流配線部6の定格電圧を540Vとする。
次に、本発明の実施の形態2について説明する。図17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、制御装置が、各発電機2iの出力が互いに均等になるように、複数の交流配線部3iの周波数fiacを平均化した値に基づいて、制御要素の目標値の基準となる制御要素の指令値を補正する指令値補正部101を備えていることである。
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。なお、以下の適用例では、実施の形態1における電源システム1の適用例について例示するが、実施の形態2における電源システム1Bについても同様に適用可能である。
図19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1つを説明するブロック図である。図19における電源システム1Cは、それぞれが個別の交流配線部31,32,33,34に接続される4つの発電機21,22,23,24を備えている。各発電機21〜24として適用例1と同様のIDGが用いられている。また、交流配線部31が接続される電力変換装置41の直流部41dと交流配線部32が接続される電力変換装置42の直流部42dとの間に直流配線部61が接続されるとともに、交流配線部33が接続される電力変換装置43の直流部43dと交流配線部34が接続される電力変換装置44の直流部44dとの間に直流配線部62が接続される。これら2つの直流配線部61,62同士がバイパス回路63を介して接続されている。バイパス回路63には、遮断器115が設けられている。また、直流配線部61,62と各電力変換装置4iの直流部4idとの間には、遮断器11i(111,112,113,114)が設けられている。
図20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1つを説明するブロック図である。図20における電源システム1Dは、適用例2における発電機22,24においてIDGの代わりに補助動力装置(APU)22A,24Aが接続されている。発電機21,23はIDGとして構成される。補助動力装置22A,24Aには、上記実施の形態と同様の電力変換装置42A,44Aが接続されているが、補助動力装置22A,24Aと電力変換装置42A,44Aとの間には交流BUSおよび負荷5は接続されていない。
図21は、実施の形態1における電源システムのハイブリッド推進船への適用例の1つを説明するブロック図である。本適用例における電源システム1Eは、図1に示す電源システム1における発電機21をディーゼル発電機とし、発電機22をガスタービン発電設備としたものである。さらに、電源システム1Eにおいて、発電機22が接続される交流配線部32と電力変換装置42との間には、変圧器120が設けられている。ハイブリッド推進船は、発電機22と比較して小容量のディーゼル発電機21および交流配線部31を主に船内電源系統として使用し、発電機21と比較して大容量のガスタービン発電設備22および交流配線部32を主に推進補助のために使用する。このような異なる種類の発電機21,22を有する電源システム1Eにおいても運用状態に応じて2つの交流配線部31,32間で電力の授受を行うことができる。これにより、ハイブリッド推進船において、一方の発電機21,22を停止させる等、運用方法の自由度を高くすることができる。
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 制御装置
74,80 周波数目標値演算部
75 交流電圧目標値演算部
77 有効電力目標値演算部
78 無効電力目標値演算部
101 指令値補正部
Claims (10)
- 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それぞれは、対応する前記交流配線部に各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1の垂下特性を有するよう構成され、
前記複数の電力変換装置は、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、対応する前記交流配線部に各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2の垂下特性を有するように制御要素の目標値を決定し、前記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、各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、対応する前記交流配線部に各電力変換装置が出力する電力変換装置無効電力に対する交流電圧の関係が所定の第3の垂下特性を有するように前記制御要素の目標値を決定するよう構成される、請求項1に記載の電源システム。
- 前記制御装置は、所定の有効電力指令値に対する前記電力変換装置有効電力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る演算を含む周波数目標値演算処理によって周波数目標値を算出する周波数目標値演算部を備えた、請求項1または2に記載の電源システム。
- 前記周波数目標値演算部は、前記有効電力指令値に対する前記電力変換装置有効電力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周波数参照値を算出し、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周波数補正値を算出し、所定の周波数指令値に、前記周波数参照値および前記周波数補正値を加えて前記周波数目標値を算出する、請求項3に記載の電源システム。
- 前記周波数目標値演算部は、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、前記有効電力指令値に対する前記電力変換装置有効電力の偏差に前記有効電力補正値を加えた値に、前記第2の垂下特性を示す係数を掛ける演算を行う、請求項3に記載の電源システム。
- 前記制御装置は、所定の周波数指令値に対する前記周波数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または2に記載の電源システム。
- 前記有効電力目標値演算部は、前記周波数指令値に対する前記周波数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算出し、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、請求項6に記載の電源システム。
- 前記制御装置は、所定の無効電力指令値に対する前記電力変換装置無効電力の偏差に基づく値に、前記第3の垂下特性を示す係数を掛ける演算を含む交流電圧目標値演算処理によって交流電圧目標値を算出する交流電圧目標値演算部を備えた、請求項2に記載の電源システム。
- 前記制御装置は、所定の交流電圧指令値に対する前記交流電圧の偏差に基づく値に、前記第3の垂下特性を示す係数を掛ける演算を含む無効電力目標値演算処理によって無効電力目標値を算出する無効電力目標値演算部を備えた、請求項2に記載の電源システム。
- 前記制御装置は、各発電機の出力が互いに均等になるように、前記複数の交流配線部の前記周波数を平均化した値に基づいて、前記制御要素の目標値の基準となる前記制御要素の指令値を補正する指令値補正部を備えた、請求項1から9の何れかに記載の電源システム。
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