JP7252172B2 - 位相同期制御回路およびそれを用いた電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は位相同期制御回路およびそれを用いた電力変換装置に関し、特に、第１の交流信号と同位相の第２の交流信号を生成する位相同期制御回路と、それを用いた電力変換装置とに関する。

たとえば特許文献１には、逆変換器、開閉器、および制御装置を備える電力変換装置が開示されている。逆変換器は、直流電源から供給される直流電圧を第１の交流電圧に変換して負荷に供給する。開閉器の一方端子は第１の交流電圧を受け、その他方端子は商用交流電源から供給される第２の交流電圧を受ける。制御装置は、商用交流電源の停電が発生した場合には、開閉器をオフさせるとともに、逆変換器を制御して所定周波数の第１の交流電圧を生成させ、商用交流電源が復旧した場合には、第１の交流電圧の位相を第２の交流電圧の位相に一致させた後に、開閉器をオンさせる。

特開２０１８－１５２９３３号公報

しかし、従来の電力変換装置では、第１の交流電圧の位相を第２の交流電圧の位相に一致させるときに、第１の交流電圧の周波数が大きく変動し、負荷などへの悪影響が発生するという問題があった。

それゆえに、この発明の主たる目的は、交流出力信号の周波数変動を小さく抑制することが可能な位相同期制御回路と、それを用いた電力変換装置とを提供することである。

この発明に係る位相同期制御回路は、第１の交流信号と同位相の第２の交流信号を生成する位相同期制御回路であって、第１および第２の交流信号の位相差を検出する位相差検出器と、位相差がなくなるように第１の周波数指令値を生成する第１の制御部と、第１の周波数指令値を可変制限範囲内に制限して第２の周波数指令値を生成するリミッタと、第２の周波数指令値に応じた値の周波数の第２の交流信号を出力する発振器と、位相差のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器と、可変制限範囲を第１の制限範囲に設定した後、ゼロクロス検出器によってゼロクロス点が検出されたことに応じて、可変制限範囲を第１の制限範囲よりも大きな第２の制限範囲に変更する設定部とを備えたものである。

この発明に係る位相同期制御回路では、第１および第２の交流信号の位相差のゼロクロス点が検出されたことに応じて位相同期制御を開始するので、交流出力信号である第２の交流信号の周波数変動を小さく抑制することができる。

実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１に示す制御装置のうちのインバータおよび開閉器の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。 図２に示す位相同期制御回路の構成を示す回路ブロック図である。 図３に示す交流信号および交流電圧を例示するベクトル図である。 図４に示す位相差の時刻変化を示すタイムチャートである。 図３に示す交流信号および交流電圧を例示する他のベクトル図である。 図３に示すリミッタの可変制限範囲を示す図である。 図１～図７に示す電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態１の比較例の要部を示すブロック図である。 図９に示す位相同期制御回路の動作を示すタイムチャートである。 実施の形態２による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１１に示す位相同期制御回路の動作を示すタイムチャートである。

[実施の形態１]
図１は、実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。図１において、この電力変換装置は、コンバータ１、直流ラインＬ１，Ｌ２、コンデンサＣ１、インバータ２、変圧器３、開閉器Ｓ１、電流検出器ＣＤ、および制御装置４を備える。

コンバータ１の交流ノード１ａは、発電機５の出力端子５ａに接続される。発電機５は、たとえば、水力発電機であり、水力によって駆動されて交流電圧ＶＡＣ１を出力端子５ａに出力する。交流電圧ＶＡＣ１の瞬時値は、制御装置４によって検出される。

コンバータ１の正側直流ノード１ｂは、直流ラインＬ１を介してインバータ２の正側直流ノード２ａに接続される。コンバータ１の負側直流ノード１ｃは、直流ラインＬ２を介してインバータ２の負側直流ノード２ｂに接続される。コンデンサＣ１は、直流ラインＬ１，Ｌ２間に接続され、直流ラインＬ１，Ｌ２間の直流電圧ＶＤＣを平滑化する。直流電圧ＶＤＣは、制御装置４によって検出される。

コンバータ１は、制御装置４によって制御され、発電機５から供給される交流電圧ＶＡＣ１を直流電圧ＶＤＣに変換して直流ラインＬ１，Ｌ２間に出力する。制御装置４は、交流電圧ＶＡＣ１に同期して、直流電圧ＶＤＣが参照直流電圧ＶＤＣｒになるようにコンバータ１を制御する。

コンバータ１およびコンデンサＣ１は、交流電圧ＶＡＣ１を直流電圧ＶＤＣに変換する順変換器を構成する。発電機５、コンバータ１、およびコンデンサＣ１は、直流電圧ＶＤＣを出力する直流電源を構成する。

インバータ２は、制御装置４によって制御され、コンデンサＣ１の端子間電圧ＶＤＣを交流電圧に変換して交流ノード２ｃに出力する。インバータ２の交流ノード２ｃは、変圧器３の一次巻線に接続される。変圧器３の二次巻線は、負荷６に接続されるとともに、開閉器Ｓ１の一方端子に接続される。

変圧器３は、交流電圧を伝達する。変圧器３の二次巻線に現れる交流電圧ＶＡＣ２の瞬時値は、制御装置４によって検出される。インバータ２および変圧器３は、直流電圧ＶＤＣを交流電圧ＶＡＣ２に変換する逆変換器を構成する。

負荷６は、交流電圧ＶＡＣ２によって駆動される。電流検出器ＣＤは、電力変換装置と商用交流電源７との間に流れる電流ＩＯを検出し、その検出値を示す信号φＩＯを出力する。開閉器Ｓ１の他方端子は、商用交流電源７（電力系統）から供給される商用周波数の交流電圧ＶＡＣ３を受ける。交流電圧ＶＡＣ３の瞬時値は、制御装置４によって検出される。

開閉器Ｓ１は、制御装置４によって制御され、自立運転モード時にオフされ、連系運転モード時にオンされる。制御装置４は、交流電圧ＶＡＣ１，ＶＡＣ２，ＶＡＣ３、直流電圧ＶＤＣ、電流検出器ＣＤの出力信号φＩＯなどに基づいて電力変換装置全体を制御する。

商用交流電源７から交流電圧ＶＡＣ３が正常に供給されている場合（商用交流電源７の健全時）には、制御装置４は、連系運転モードを選択し、開閉器Ｓ１をオンさせるとともに、インバータ２を制御して、交流電圧ＶＡＣ３と同じ振幅で同じ周波数（すなわち商用周波数）の交流電圧ＶＡＣ２を生成させる。

この結果、インバータ２の出力電力が負荷６の消費電力よりも大きい場合には、余剰電力はインバータ２から商用交流電源７に供給される。逆に、インバータ２の出力電力が負荷６の消費電力よりも小さい場合には、不足電力は商用交流電源７から負荷６に供給される。

商用交流電源７から交流電圧ＶＡＣ３が正常に供給されなくなった場合（商用交流電源７の停電が発生した場合）には、制御装置４は、自立運転モードを選択し、開閉器Ｓ１をオフさせるとともに、インバータ２を制御して、所定振幅および商用周波数の交流電圧ＶＡＣ２を生成させる。自立運転モードでは、負荷６は、インバータ２から供給される交流電力のみによって駆動される。

商用交流電源７が復旧し、商用交流電源７から交流電圧ＶＡＣ３が再び正常に供給されるようになった場合には、インバータ２を制御し、交流電圧ＶＡＣ２の振幅、周波数、および位相を交流電圧ＶＡＣ３の振幅、周波数、および位相に一致させた後に、再び連系運転モードを選択し、開閉器Ｓ１をオンさせる。

図２は、制御装置４のうちのインバータ２および開閉器Ｓ１の制御に関連する部分の構成を示すブロック図である。図２において、制御装置４は、同期検出器１１、停電検出器１２、開閉器制御部１３、位相同期制御回路１４、電圧制御部１５、電流制御部１６、加算器１７、およびＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部１８を含む。

同期検出器１１は、開閉器Ｓ１の一方端子に現れる交流電圧ＶＡＣ２の周波数および位相と、開閉器Ｓ１の他方端子に現れる交流電圧ＶＡＣ３の周波数および位相とが一致しているか否かを検出し、検出結果を示す同期検出信号φ１１を出力する。

交流電圧ＶＡＣ２，ＶＡＣ３の周波数および位相が一致している場合には、同期検出信号φ１１は活性化レベルの「Ｈ」レベルにされる。交流電圧ＶＡＣ２，ＶＡＣ３の周波数および位相が一致していない場合には、同期検出信号φ１１は非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされる。

停電検出器１２は、商用交流電源７から供給される交流電圧ＶＡＣ３に基づいて、商用交流電源７の停電の発生の有無を検出し、その検出結果を示す停電検出信号φ１２を出力する。商用交流電源７から交流電圧ＶＡＣ３が正常に供給されていない場合、たとえば交流電圧ＶＡＣ３の実効値が下限値よりも低い場合には、停電検出器１２は、商用交流電源７の停電が発生したと判別し、停電検出信号φ１２を活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

商用交流電源７から交流電圧ＶＡＣ３が正常に供給されている場合、たとえば交流電圧ＶＡＣ３の実効値が下限値よりも高い場合には、停電検出器１２は、商用交流電源７は健全である（あるいは商用交流電源７は停電から復旧した）と判別し、停電検出信号φ１２を非活性化レベルの「Ｌ」レベルにする。

開閉器制御部１３は、商用交流電源７が健全である場合（停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルである場合）には、開閉器Ｓ１をオンさせる。開閉器制御部１３は、商用交流電源７の停電が発生した場合（停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルになった場合）には、開閉器Ｓ１をオフさせる。

開閉器制御部１３は、商用交流電源７が停電から復旧した場合（すなわち、停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化した場合）には、交流電圧ＶＡＣ２，ＶＡＣ３の周波数および位相が一致したことに応じて（すなわち、同期検出信号φ１１が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに変化したことに応じて）、開閉器Ｓ１をオンさせる。

位相同期制御回路１４は、停電検出信号φ１２と、商用交流電源７から供給される交流電圧ＶＡＣ３とに基づいて、正弦波状の交流信号ｖａｃを出力する。位相同期制御回路１４は、商用交流電源７が健全である場合（停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルである場合）には、商用交流電源７から供給される交流電圧ＶＡＣ３と同じ位相で同じ周波数（すなわち商用周波数）の交流信号ｖａｃを出力する。

位相同期制御回路１４は、商用交流電源７の停電が発生した場合（停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルになった場合）には、交流信号ｖａｃの周波数を商用周波数から所定周波数に変化させる。所定周波数は、商用周波数の定格値である。

位相同期制御回路１４は、商用交流電源７が停電から復旧した場合（すなわち、停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに変化した場合）には、交流電圧ＶＡＣ３と交流信号ｖａｃの位相差がなくなるように交流信号ｖａｃの周波数を制御することにより、交流信号ｖａｃの周波数および位相を交流電圧ＶＡＣ３の周波数および位相に一致させる。

電圧制御部１５は、停電検出信号φ１２、交流信号ｖａｃ、および交流電圧ＶＡＣ３に基づいて、正弦波状の電圧指令値Ｖｃ１を生成する。商用交流電源７が健全である場合（停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルである場合）には、電圧指令値Ｖｃ１の振幅は、交流電圧ＶＡＣ３の振幅と同じ値にされる。商用交流電源７の停電が発生した場合（停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルになった場合）には、電圧指令値Ｖｃ１の振幅は、交流電圧ＶＡＣ３の定格値に設定される。電圧指令値Ｖｃ１は、交流信号ｖａｃに同期している。

電流制御部１６は、同期検出信号φ１１が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合に活性化され、電流検出器ＣＤの出力信号φＩＯに基づいて、電力変換装置と商用交流電源７との間に流れる電流に応じた値の電圧指令値Ｖｃ２を出力する。電流制御部１６は、同期検出信号φ１１が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合に非活性化され、電圧指令値Ｖｃ２を０にする。

加算器１７は、電圧制御部１５から出力される電圧指令値Ｖｃ１と電流制御部１６から出力される電圧指令値Ｖｃ２とを加算して電圧指令値Ｖｃ３を生成する。ＰＷＭ制御部１８は、電圧指令値Ｖｃ３と三角波信号とを比較してＰＷＭ制御信号φ１８を生成し、インバータ２に与える。インバータ２は、ＰＷＭ制御信号φ１８によって駆動され、直流電圧ＶＤＣを交流電圧に変換する。

図３は、位相同期制御回路１４の構成を示す回路ブロック図である。図３において、位相同期制御回路１４は、位相差検出器２１、ゼロクロス検出器２２、フリップフロップ２３、周波数制御部２４、設定部３１、リミッタ３２、および発振器３３を含む。

位相差検出器２１は、停電検出信号φ１２が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合に活性化され、発振器３３から出力される交流信号ｖａｃ（第２の交流信号）と、商用交流電源７から供給される交流電圧ＶＡＣ３（第１の交流信号）との位相差Δθを検出する。

位相差検出器２１は、停電検出信号φ１２が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合には、交流電圧ＶＡＣ３がたとえば０Ｖになるので、実際の位相差Δθを検出することなく、位相差Δθの検出値を０に設定する。

図４は、交流信号ｖａｃおよび交流電圧ＶＡＣ３を例示するベクトル図である。図４では、商用交流電源７が復旧した場合における交流信号ｖａｃおよび交流電圧ＶＡＣ３の一例が示されており、交流信号ｖａｃの周波数は交流電圧ＶＡＣ３の周波数よりも高い。

この場合、交流信号ｖａｃを基準とする回転座標において、交流信号ｖａｃを示すベクトルは０度の位置で停止し、交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルは時計の回転方向に回転する。ただし、時計の回転方向を負の回転方向、時計の回転方向と反対方向を正の回転方向とする。交流信号ｖａｃを示すベクトルと交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルとの間の角度が、交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθとなる。位相差Δθは＋πから０まで減少し、０から－πまで減少した後、再び＋πに戻る。

図５は、位相差Δθの時刻変化を示すタイムチャートである。図５では、交流信号ｖａｃおよび交流電圧ＶＡＣ３の周波数が一定である場合が示されている。ある時刻ｔ０においてΔθ＝＋πであるものとする。交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルの回転に伴い、位相差Δθは一定速度で減少する。

時刻ｔ１においてΔθ＝０となり、時刻ｔ２においてΔθ＝－πとなり、その直後に位相差Δθは＋πに戻る。位相差Δθは再び一定速度で減少し、時刻ｔ３においてΔθ＝０となり、時刻ｔ４においてΔθ＝－πとなる。図５では、時刻ｔ１，ｔ３の各々において位相差Δθのゼロクロス点Ｐｃ０が発生する。

図６は、交流信号ｖａｃおよび交流電圧ＶＡＣ３を例示する他のベクトル図である。図６では、位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過した直後における交流信号ｖａｃおよび交流電圧ＶＡＣ３の一例が示されている。

この場合、位相差Δθを０にするためには、交流信号ｖａｃの周波数を減少させて交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルの正の向きへの回転速度を相対的に増大させ、交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルを相対的に時計の回転と反対の方向に回転させればよいことが明らかである。

これに対して図４の場合では、位相差Δθを０にするためには、交流信号ｖａｃの周波数を増大させて交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルの正の向きへの回転速度を相対的に減少させ、交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルを相対的に時計の回転方向に回転させればよいのか、上述の通り、交流信号ｖａｃの周波数を減少させればよいのか不明確である。

そこで、この実施の形態１では、位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過した直後に、交流信号ｖａｃの位相を交流電圧ＶＡＣ３の位相に同期させることにより、交流信号ｖａｃの周波数変動を小さく抑制する。

図３に戻って、ゼロクロス検出器２２は、停電検出信号φ１２が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合に活性化され、位相差検出器２１によって求められた位相差Δθのゼロクロス点Ｐｃ０を検出し、ゼロクロス点Ｐｃ０を検出したことに応じて、ゼロクロス検出信号φ２２を所定時間だけ活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。

また、ゼロクロス検出器２２は、停電検出信号φ１２が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合に非活性化され、ゼロクロス検出信号φ２２を非活性化レベルの「Ｌ」レベルに維持する。

フリップフロップ２３は、ゼロクロス検出信号φ２２を受けるセット端子Ｓと、停電検出信号φ１２を受けるリセット端子Ｒと、同期制御指令信号φ２３を出力するデータ出力端子Ｄとを含む。

フリップフロップ２３は、商用交流電源７の停電が発生して停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルにされた場合にリセットされ、同期制御指令信号φ２３を非活性化レベルの「Ｌ」レベルにする。

また、フリップフロップ２３は、商用交流電源７が復旧して停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルにされ、ゼロクロス検出信号φ２２が「Ｈ」レベルにされたことに応じてセットされ、同期制御指令信号φ２３を活性化レベルの「Ｈ」レベルにする。したがって、同期制御指令信号φ２３は、位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過したときに、「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられる。

周波数制御部２４は、位相差Δθが０になるように周波数指令値Ｆｃ１（第１の周波数指令値）を生成する。周波数制御部２４は、比例項演算部２５、スイッチ２６、積分項演算部２７、および加算器２８を含む。比例項演算部２５は、位相差Δθに比例ゲインを乗じて得られる周波数指令値ＦＰを求める。

スイッチ２６は、フリップフロップ２３から出力される同期制御指令信号φ２３によって制御され、周波数指令値ＦＰを受ける切換端子２６ａと、０を受ける切換端子２６ｂと、共通端子２６ｃとを含む。同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルである場合には端子２６ａ，２６ｃ間が導通し、同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルである場合には端子２６ｂ，２６ｃ間が導通する。

積分項演算部２７は、位相差Δθを積分した値に積分ゲインを乗じて得られる周波数指令値ＦＩを求める。停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられると、周波数指令値ＦＩは０にリセットされる。加算器２８は、スイッチ２６の共通端子２６ｃに現れる数値（ＦＰまたは０）と、周波数指令値ＦＩと、商用周波数を示す定格周波数指令値Ｆｃｒとを加算して周波数指令値Ｆｃ１を求める。

設定部３１は、同期制御指令信号φ２３が非活性化レベルの「Ｌ」レベルである場合には、リミッタ３２の可変制限範囲を第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）に設定し、同期制御指令信号φ２３が活性化レベルの「Ｈ」レベルである場合には、リミッタ３２の可変制限範囲を第１の制限範囲よりも大きな第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）に設定する。

リミッタ３２は、周波数制御部２４によって生成される周波数指令値Ｆｃ１を可変制限範囲内に制限して周波数指令値Ｆｃ２（第２の周波数指令値）を生成する。

図７は、リミッタ３２の可変制限範囲を示す図である。図７において、（Ａ）は同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルである場合の可変制限範囲（すなわち第１の制限範囲）を示し、（Ｂ）は同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルである場合の可変制限範囲（すなわち第２の制限範囲）を示している。

リミッタ３２の可変制限範囲が第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）である場合には、図７（Ａ）に示すように、周波数指令値Ｆｃ１が第１下限値ＦＬ１と第１上限値ＦＨ１との間の値であるときには、Ｆｃ２＝Ｆｃ１となる。周波数指令値Ｆｃ１が第１下限値ＦＬ１よりも小さいときには、Ｆｃ２＝ＦＬ１となる。周波数指令値Ｆｃ１が第１上限値ＦＨ１よりも大きいときには、Ｆｃ２＝ＦＨ１となる。

また、リミッタ３２の可変制限範囲が第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）である場合には、図７（Ｂ）に示すように、周波数指令値Ｆｃ１が第２下限値ＦＬ２と第２上限値ＦＨ２との間の値であるときには、Ｆｃ２＝Ｆｃ１となる。周波数指令値Ｆｃ１が第２下限値ＦＬ２よりも小さいときには、Ｆｃ２＝ＦＬ２となる。周波数指令値Ｆｃ１が第２上限値ＦＨ２よりも大きいときには、Ｆｃ２＝ＦＨ２となる。

第２上限値ＦＨ２は、第１上限値ＦＨ１よりも大きく、発振器３３に対して許容される最大値である。第２下限値ＦＬ２は、第１下限値ＦＬ１よりも小さく、発振器３３に対して許容される最小値である。第１下限値ＦＬ１および第１上限値ＦＨ１の平均値と、第２下限値ＦＬ２および第２上限値ＦＨ２の平均値とは等しい。また、この平均値は、商用周波数の定格値を示す定格周波数指令値Ｆｃｒと等しい。したがって、（ＦＬ１＋ＦＨ１）／２＝（ＦＬ２＋ＦＨ２）／２＝Ｆｃｒである。

このリミッタ３２によれば、同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルである場合には、交流信号ｖａｃの周波数変動は小さく抑制され、同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルである場合には、位相同期制御回路１４の能力が最大限に発揮される。

図３に戻って、発振器３３は、周波数指令値Ｆｃ２に応じた値の周波数を有する交流信号ｖａｃを出力する。この交流信号ｖａｃは、電圧制御部１５(図２）に与えられるとともに、位相差検出器２１にフィードバックされる。

図８は、図１～図７に示す電力変換装置の動作を示すタイムチャートである。図８において、（Ａ）は停電検出信号φ１２の波形を示し、（Ｂ）は同期検出信号φ１１の波形を示し、（Ｃ）は開閉器Ｓ１のオン／オフ状態を示し、（Ｄ）は位相制御指令信号φ２３の波形を示し、（Ｅ）は位相差Δθの時刻変化を示し、（Ｆ）は周波数指令値Ｆｃ２とリミッタ３２の可変制限範囲との時刻変化を示している。

初期状態（時刻ｔ０）では、商用交流電源７が健全であり、商用交流電源７から交流電圧ＶＡＣ３が正常に供給され、制御装置４（図１）によって連系運転モードが選択されている。この場合、図８（Ａ）～（Ｃ）に示すように、停電検出器１２（図２）によって停電検出信号φ１２が非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、同期検出器１１（図２）によって同期検出信号φ１１が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、開閉器制御部１３（図２）によって開閉器Ｓ１がオンされている。

また、発電機５（図１）によって交流電圧ＶＡＣ１が生成され、その交流電圧ＶＡＣ１がコンバータ１およびコンデンサＣ１によって直流電圧ＶＤＣに変換され、その直流電圧ＶＤＣがインバータ２および変圧器３によって交流電圧ＶＡＣ２に変換される。

制御装置４（図２）では、停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルにされているので、位相同期制御回路１４によって交流電圧ＶＡＣ３と同じ周波数および同じ位相の交流信号ｖａｃが生成され、電圧制御部１５によって交流電圧ＶＡＣ３と同じ振幅で、交流信号ｖａｃに同期した電圧指令値Ｖｃ１が生成される。

また、この連系運転モード時には、商用交流電源７と電力変換装置との間に流れる電流ＩＯに応じた値の電圧指令値Ｖｃ２が電流制御部１６によって生成され、電圧指令値Ｖｃ１と電圧指令値Ｖｃ２が加算器１７によって加算されて電圧指令値Ｖｃ３が生成される。その電圧指令値Ｖｃ３に基づきＰＷＭ制御部１８によってＰＷＭ制御信号φ１８が生成され、そのＰＷＭ制御信号φ１８によってインバータ２が駆動される。

位相同期制御回路１４（図３）では、交流信号ｖａｃの周波数および位相と交流電圧ＶＡＣ３の周波数および位相とは一致しているので、図８（Ｅ）に示すように、位相差検出器２１により、交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθは０になっている。

また、前回、自立運転モードから連系運転モードに遷移するときに、ゼロクロス検出器２２によってゼロクロス検出信号φ２２が所定時間だけ「Ｈ」レベルにされ、図８（Ｄ）に示すように、フリップフロップ２３がセットされて同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルにされている。

また、位相差Δθに基づいて、比例項演算部２５によって周波数指令値ＦＰが求められるとともに、積分項演算部２７によって周波数指令値ＦＩが求められる。同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルであるので、スイッチ２６の端子２６ａ，２６ｃ間が導通し、加算器２８によって周波数指令値ＦＰと周波数指令値ＦＩと定格周波数指令値Ｆｃｒとが加算されて周波数指令値Ｆｃ１が生成され、リミッタ３２に与えられる。

また、同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルにされているので、図８（Ｆ）に示すように、設定部３１によってリミッタ３２の可変制限範囲は第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）に設定される。第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）は、発振器３３に対して許容される最大の範囲である。

周波数指令値Ｆｃ１は、リミッタ３２によって第２の制限範囲内に制限されて周波数指令値Ｆｃ２となる。発振器３３は、周波数指令値Ｆｃ２に応じた値の周波数の交流信号ｖａｃを出力する。連系運転モード時には、交流信号ｖａｃの周波数および位相と交流電圧ＶＡＣ３の周波数および位相とは一致しているので、図８（Ｅ）（Ｆ）に示すように、交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθは０になっている。

ある時刻ｔ１において、商用交流電源７の停電が発生すると、制御装置４（図１）によって自立運転モードが選択される。この場合、図８（Ａ）～（Ｃ）に示すように、停電検出器１２（図２）によって停電検出信号φ１２が活性化レベルの「Ｈ」レベルにされ、同期検出器１１（図２）によって同期検出信号φ１１が非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、開閉器制御部１３（図２）によって開閉器Ｓ１がオフされる。

制御装置４（図２）では、停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルにされたので、位相同期制御回路１４によって商用周波数の定格値の交流信号ｖａｃが生成され、電圧制御部１５によって交流電圧ＶＡＣ３の定格値と同じ値の振幅を有し、交流信号ｖａｃに同期した電圧指令値Ｖｃ１が生成される。

また、この自立運転モード時には、商用交流電源７と電力変換装置との間に流れる電流ＩＯは０Ａとなり、電流制御部１６によって電圧指令値Ｖｃ２が０となり、電圧指令値Ｖｃ１がそのまま電圧指令値Ｖｃ３となる。その電圧指令値Ｖｃ３に基づきＰＷＭ制御部１８によってＰＷＭ制御信号φ１８が生成され、そのＰＷＭ制御信号φ１８によってインバータ２が駆動される。

また、位相同期制御回路１４（図３）では、停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルにされたので、位相差検出器２１によって位相差Δθの検出値は０に設定され、ゼロクロス検出器２２によってゼロクロス検出信号φ２２が「Ｌ」レベルに設定される。このため図８（Ｄ）に示すように、フリップフロップ２３がリセットされて同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルにされる。

また、停電検出信号φ１２の立ち上がりエッジに応答して積分項演算部２７によって周波数指令値ＦＩが０にリセットされた後、位相差Δθに基づいて、比例項演算部２５によって周波数指令値ＦＰが求められるとともに、積分項演算部２７によって周波数指令値ＦＩが求められる。同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルにされたので、スイッチ２６の端子２６ｂ，２６ｃ間が導通し、加算器２８によって０と周波数指令値ＦＩと定格周波数指令値Ｆｃｒとが加算されて周波数指令値Ｆｃ１が生成される。

これは、商用交流電源７が復旧してから、位相差Δθのゼロクロス点が検出されて同期制御が開始されるまでの期間（時刻ｔ２～ｔ３）において、周波数指令値Ｆｃ１の変化を小さな値に抑制するためである。すなわち、周波数制御部２４においては、比例項演算部２５によって求められる周波数指令値ＦＰは積分項演算部２７によって求められる周波数指令値ＦＩよりも変化が大きいので、上記期間（時刻ｔ２～ｔ３）では周波数指令値ＦＰを０にすることにより、周波数指令値Ｆｃ１の変動を小さく抑制している。

また、同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルにされたので、図８（Ｆ）に示すように、設定部３１によってリミッタ３２の可変制限範囲は、第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）から第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）に狭められる。このとき、周波数指令値Ｆｃ２は、第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）の中心値（ＦＬ１＋ＦＨ１）／２となっており、定格値Ｆｃｒに等しい。

周波数指令値Ｆｃ２は、リミッタ３２によって第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）内に制限されて周波数指令値Ｆｃ２＝Ｆｃｒとなる。発振器３３は、周波数指令値Ｆｃ２に応じた値の周波数の交流信号ｖａｃを出力する。商用交流電源７の停電時には、図８（Ｅ）（Ｆ）に示すように、位相差検出器２１によって位相差Δθの検出値が０に設定されており、周波数指令値Ｆｃ２は商用周波数を示す定格値Ｆｃｒに等しい。

次に、ある時刻ｔ２において、商用交流電源７が復旧すると、図８（Ａ）～（Ｃ）に示すように、停電検出器１２（図２）によって停電検出信号φ１２が非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされ、同期検出器１１（図２）によって同期検出信号φ１１が非活性化レベルの「Ｌ」レベルに維持され、開閉器制御部１３（図２）によって開閉器Ｓ１がオフ状態に維持される。

制御装置４（図２）では、停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルにされたので、位相同期制御回路１４において交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθおよびそのゼロクロス点の検出動作が開始される。また、電圧制御部１５、電流制御部１６、および加算器１７によって交流電圧ＶＡＣ３と同じ値の振幅を有し、交流信号ｖａｃに同期した電圧指令値Ｖｃ３が生成され、その電圧指令値Ｖｃ３に基づきＰＷＭ制御部１８によってＰＷＭ制御信号φ１８が生成され、そのＰＷＭ制御信号φ１８によってインバータ２が駆動される。

位相同期制御回路１４（図３）では、停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルにされたので、位相差検出器２１およびゼロクロス検出器２２が活性化される。同期制御指令信号φ２３は、図８（Ｄ）に示すように、「Ｌ」レベルに維持される。同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルであるので、スイッチ２６の端子２６ｂ，２６ｃ間が導通し、加算器２８によって０と周波数指令値ＦＩが加算されて周波数指令値Ｆｃ１が生成される。

また、同期制御指令信号φ２３が「Ｌ」レベルにされているので、図８（Ｆ）に示すように、設定部３１によってリミッタ３２の可変制限範囲は第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）に維持される。

周波数指令値Ｆｃ１は、リミッタ３２によって第１の制限範囲内に制限されて周波数指令値Ｆｃ２となる。発振器３３は、周波数指令値Ｆｃ２に応じた値の周波数の交流信号ｖａｃを出力する。

図８（Ｅ）（Ｆ）では、交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθが＋πよりも少し小さな値になり、この結果、周波数指令値Ｆｃ２が増大し、リミッタ３２によって第１上限値ＦＨ１に制限された場合が示されている。図５で示したように、位相差Δθはほぼ一定速度で減少する。

次いで時刻ｔ３において、位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過すると、位相同期制御回路１４（図３）では、ゼロクロス検出器２２によってゼロクロス検出信号φ２２が所定時間だけ「Ｈ」レベルに立ち上げられ、図８（Ｄ）に示すように、フリップフロップ２３がセットされて同期制御指令信号φ２３が活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられる。

同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルにされたので、スイッチ２６の端子２６ａ，２６ｃ間が導通し、比例項演算部２５によって求められた周波数指令値ＦＰと、積分項演算部２７によって求められた周波数指令値ＦＩと、商用周波数の定格値を示す定格周波数指令値Ｆｃｒとが加算器２８によって加算されて周波数指令値Ｆｃ１となる。これにより、周波数制御部２４の性能が最大限に発揮される。

また、同期制御指令信号φ２３が「Ｈ」レベルにされたので、図８（Ｆ）に示すように、設定部３１によってリミッタ３２の可変制限範囲は第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）から第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）に拡げられる。これにより、位相同期制御回路１４の性能が最大限に発揮されることとなる。

図８（Ｅ）（Ｆ）に示すように、位相同期制御回路１４によって位相差Δθが迅速に０に収束され、周波数指令値Ｆｃ２は第１上限値ＦＨ１から商用交流電源７の周波数に収束し、交流電圧ＶＡＣ３と同じ周波数で同じ位相の交流信号ｖａｃが生成される。

制御装置４（図２）では、電圧制御部１５によって交流電圧ＶＡＣ３と同じ値の振幅を有し、交流信号ｖａｃに同期した電圧指令値Ｖｃ１が生成される。その電圧指令値Ｖｃ１に基づきＰＷＭ制御部１８によってＰＷＭ制御信号φ１８が生成され、そのＰＷＭ制御信号φ１８によってインバータ２が駆動される。

次に時刻ｔ４において、同期検出器１１（図２）により、交流電圧ＶＡＣ２が交流電圧ＶＡＣ３に同期したことが検出され、同期検出信号φ１１が活性化レベルの「Ｈ」レベルに立ち上げられる。同期検出信号φ１１が「Ｈ」レベルにされたので、開閉器Ｓ１（図１）がオンされ、再び連系運転モードが実行される。

以上のように、この実施の形態１では、交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過したときに位相制御を開始するので、交流信号ｖａｃの周波数および位相を交流電圧ＶＡＣ３の周波数および位相に迅速かつスムーズに一致させることができる。

また、位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過する前には、積分項演算部２７のみによて周波数指令値Ｆｃ１を変化させるとともに、リミッタ３２の可変制限範囲を第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）よりも狭い第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）に絞る。したがって、交流信号ｖａｃの周波数（すなわち交流電圧ＶＡＣ２）の周波数変動を小さく抑制し、変圧器３の偏磁が発生したり、負荷６の動作が不安定になることを防止することができる。

図９は、実施の形態１の比較例の要部を示すブロック図であって、図３と対比される図である。図９を参照して、この比較例が実施の形態１と異なる点は、位相同期制御回路１４が位相同期制御回路４０と置換されている点である。位相同期制御回路４０は、位相同期制御回路１４からゼロクロス検出器２２、フリップフロップ２３、および設定部３１を除去し、周波数制御部２４およびリミッタ３２をそれぞれ周波数制御部４１およびリミッタ４２で置換したものである。

周波数制御部４１は、周波数制御部２４からスイッチ２６を除去したものであり、比例項演算部２５によって求められた周波数指令値ＦＰと、積分項演算部２７によって求められた周波数指令値ＦＩと定格周波数指令値Ｆｃｒとを加算器２８によって加算して周波数指令値Ｆｃ１＝ＦＰ＋ＦＩ＋Ｆｃｒを生成する。リミッタ４２は、周波数指令値Ｆｃ１を第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）内に制限して周波数指令値Ｆｃ２を生成する。

図１０は、位相同期制御回路４０の動作を示すタイムチャートである。図１０において、（Ａ）は位相差θの時刻変化を示し、（Ｂ）は周波数指令値Ｆｃ２の時刻変化を示している。ある時刻ｔ１において、商用交流電源７が復旧して停電検出信号φ１２が非活性化レベルの「Ｌ」レベルにされたものとする。

停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルにされたので、位相差検出器２１が活性化されて、交流信号ｖａｃと交流電圧ＶＡＣ３の位相差Δθが検出される。また、周波数指令値Ｆｃ１がリミッタ４２に与えられる。つまり、比較例では、商用交流電源７が復旧すると、直ぐに同期制御が開始される。

図１０（Ａ）では、時刻ｔ１において、位相差Δθが＋πよりも少し小さな値であった場合が示されている。これは、図４で示した状況である。位相同期制御回路４０は、まず周波数指令値Ｆｃ２を増大させて、交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルを交流信号ｖａｃを示すベクトルに追い付かせる。交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルが交流信号ｖａｃを示すベクトルを追い越すと、位相同期制御回路４０は、周波数指令値Ｆｃ２が減少させて、交流電圧ＶＡＣ３を示すベクトルの位相を交流信号ｖａｃを示すベクトルの位相に一致させる。

したがって、比較例では、実施の形態１と比較して、交流信号ｖａｃ（すなわち交流電圧ＶＡＣ２）の周波数変動が大きくなり、変圧器３の偏磁が発生したり、負荷６の動作が不安定になるという問題がある。

[実施の形態２]
図１１は、この発明の実施の形態２による電力変換装置の要部を示す回路ブロック図であって、図３と対比される図である。図１１を参照して、実施の形態２が実施の形態１と異なる点は、位相同期制御回路１４が位相同期制御回路５０で置換されている点である。位相同期制御回路５０は、位相同期制御回路１４の周波数制御部２４および設定部３１をそれぞれ周波数制御部５１および設定部５３で置換したものである。

周波数制御部５１は、周波数制御部２４の積分項演算部２７を積分項演算部５２で置換したものである。積分項演算部２７は停電検出信号φ１２の立ち上がりエッジに応答して周波数指令値ＦＩを直ちに０にリセットするのに対し、積分項演算部５２は停電検出信号φ１２の立ち上がりエッジに応答して周波数指令値ＦＩを所定時間をかけて徐々に０にリセットする点で、積分項演算部２７と積分項演算部５２は異なる。

設定部５３は、停電検出信号φ１２および同期制御指令信号φ２３に従って、リミッタ３２の可変制限範囲を第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）および第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）のうちのいずれかの制限範囲に設定する。設定部５３は、制限範囲を変化させる場合には、制限範囲を徐々に変化させる。

図１２は、実施の形態２に係る電力変換装置の動作を示すタイムチャートであって、図８と対比される図である。図１２において、（Ａ）は停電検出信号φ１２の波形を示し、（Ｂ）は同期検出信号φ１１の波形を示し、（Ｃ）は開閉器Ｓ１のオン／オフ状態を示し、（Ｄ）は位相制御指令信号φ２３の波形を示し、（Ｅ）は位相差Δθの時刻変化を示し、（Ｆ）は周波数指令値Ｆｃ２とリミッタ３２の可変制限範囲との時刻変化を示している。

図１２（Ｆ）に示すように、ある時刻ｔ１において、商用交流電源７の停電が発生して停電検出信号φ１２が「Ｌ」レベルから「Ｈ」レベルに立ち上げられると、設定部５３により、リミッタ３２の可変制限範囲が第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）から第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）に所定時間をかけて徐々に変化される。また、積分項演算部５２により、周波数指令値ＦＩが所定時間をかけて徐々に０にリセットされ、周波数指令値Ｆｃ２が現在値から定格周波数指令値Ｆｃｒに所定時間をかけて徐々に変化される。

次に時刻ｔ２において、商用交流電源７が復旧して停電検出信号φ１２が「Ｈ」レベルから「Ｌ」レベルに立ち下げられると、設定部５３により、リミッタ３２の可変制限範囲が第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）から第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）に所定時間をかけて徐々に変化される。このため、周波数指令値Ｆｃ２は、リミッタ３２によって制限されて徐々に変化する。

図１２では、リミッタ３２の可変制限範囲を第１の制限範囲（ＦＬ１～ＦＨ１）から第２の制限範囲（ＦＬ２～ＦＨ２）に変化させている途中の時刻ｔ３に、位相差Δθがゼロクロス点Ｐｃ０を通過した場合が示されている。他の構成および動作は、実施の形態１と同じであるので、その説明は繰り返さない。

以上のように、この実施の形態２では、積分項演算部５２が周波数指令値ＦＩを所定時間をかけて徐々に０にリセットするとともに、設定部５３がリミッタ３２の可変制限範囲を所定時間をかけて徐々に変化させるので、周波数指令値Ｆｃ２がステップ状に変化することを防止することができ、交流電圧ＶＡＣ２の周波数が急変して変圧器３の偏磁が発生したり、負荷６の動作が不安定になることを防止することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ コンバータ、Ｌ１，Ｌ２ 直流ライン、Ｃ１ コンデンサ、２ インバータ、３ 変圧器、Ｓ１ 開閉器、ＣＤ 電流検出器、４ 制御装置、５ 発電機、６ 負荷、７ 商用交流電源、１１ 同期検出器、１２ 停電検出器、１３ 開閉器制御部、１４，４０，５０ 位相同期制御回路、１５ 電圧制御部、１６ 電流制御部、１７ 加算器、１８ ＰＷＭ制御部、２１ 位相差検出器、２２ ゼロクロス検出器、２３ フリップフロップ、２４，４１，５１ 周波数制御部、２５ 比例項演算部、２６ スイッチ、２７，５２ 積分項演算部、３１，５３ 設定部、３２，４２ リミッタ、３３ 発振器。

Claims (7)

1. 第１の交流信号と同位相の第２の交流信号を生成する位相同期制御回路であって、
   前記第１および第２の交流信号の位相差を検出する位相差検出器と、
   前記位相差がなくなるように第１の周波数指令値を生成する第１の制御部と、
   前記第１の周波数指令値を可変制限範囲内に制限して第２の周波数指令値を生成するリミッタと、
   前記第２の周波数指令値に応じた値の周波数の前記第２の交流信号を出力する発振器と、
   前記位相差のゼロクロス点を検出するゼロクロス検出器と、
   前記可変制限範囲を第１の制限範囲に設定した後、前記ゼロクロス検出器によって前記ゼロクロス点が検出されたことに応じて、前記可変制限範囲を前記第１の制限範囲よりも大きな第２の制限範囲に変更する設定部とを備える、位相同期制御回路。
2. 前記設定部は、前記可変制限範囲を前記第１の制限範囲に設定した後、前記第１の制限範囲の幅を一定に維持する、請求項１に記載の位相同期制御回路。
3. 前記設定部は、前記可変制限範囲を前記第１の制限範囲に設定した後、前記第１の制限範囲の幅を徐々に拡げる、請求項１に記載の位相同期制御回路。
4. 前記第２の制限範囲は、前記発振器に対して許容される最大の範囲である、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の位相同期制御回路。
5. 前記第１の制御部は、前記位相差の積分値に比例する値に基づいて前記第１の周波数指令値を生成した後、前記ゼロクロス検出器によって前記ゼロクロス点が検出されたことに応じて、前記位相差に比例する値と前記位相差の積分値に比例する値との和に基づいて前記第１の周波数指令値を生成する、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の位相同期制御回路。
6. 請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の位相同期制御回路と、
   直流電源から供給される直流電圧を、前記第２の交流信号に同期した第１の交流電圧に変換して負荷に供給する逆変換器と、
   一方端子が前記逆変換器から供給される前記第１の交流電圧を受け、他方端子が交流電源から供給される第２の交流電圧を受ける開閉器と、
   前記第２の交流電圧に基づいて前記交流電源の停電の有無を検出し、前記交流電源の停電が発生している場合に停電検出信号を出力する停電検出器と、
   前記第１および第２の交流電圧の位相が一致している場合に同期検出信号を出力する同期検出器と、
   前記停電検出信号に応答して前記開閉器をオフさせ、前記同期検出信号に応答して前記開閉器をオンさせる第２の制御部とを備え、
   前記第１の交流信号は前記第２の交流電圧に同期している、電力変換装置。
7. 前記直流電源は、発電機から供給される第３の交流電圧を前記直流電圧に変換する順変換器を含む、請求項６に記載の電力変換装置。
   

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