JPS5983539A - 交流系統への並列給電装置 - Google Patents

交流系統への並列給電装置

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JPS5983539A
JPS5983539A JP58181766A JP18176683A JPS5983539A JP S5983539 A JPS5983539 A JP S5983539A JP 58181766 A JP58181766 A JP 58181766A JP 18176683 A JP18176683 A JP 18176683A JP S5983539 A JPS5983539 A JP S5983539A
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vector
input
output
regulator
power supply
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JP58181766A
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リユデイガ−・ブラウン
ヨハネス・エクストラ
ウイルヘルム・フオルストバウエル
ヘルマン・ミカ−ル
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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Siemens Schuckertwerke AG
Siemens AG
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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、出力電圧または出力電流の振幅および周波数
を独立に調整できる調整部を介して交流系統へ並列給電
する給電装置に関するものである。
調整部としては発電機として動作する同期機を用いるこ
とができる。その場合、同期機の固定子巻線は始動に際
して給電すべき系統から同期化スイッチを介して遮断可
能であり、回転子軸は外部から駆動される。駆動源とし
ては例えば蒸気タービンやディーゼル機関を用いること
ができる。それらの駆動源は蒸気や燃料の供給量を調節
することによって回転速度を調節し、同期機の周波数を
調節することができる。励磁電流を制御することによっ
て、すなわち、例えば外部直流電源がら供給される直流
電流調整器によって、同期機の出力の振幅を制御あるい
は調整することもできる。同期機の出力電圧の周波数お
よび位相、さらには振幅が系統電圧のそれと一致すると
同期化スイッチ゛が閉じられる。同期化スイッチの閉成
後、同期機は自動的に系統と同期して回転する。
はぼ一定の出力電流またはほぼ一定の出力電圧の電気エ
ネルギー源から交流系統へ給電しなければならない場合
にも、上記と同様の同期過程が必要である。例えば、エ
ネルギー源としては無停電給電のだめの蓄電池や太陽電
池、燃料電池などが用いられる。インバータ、特にパル
スインバータを介して直流電流ないし直流電圧を対応す
る交流に変換し、同期化スイッチを閉じた後系統へ給電
することができる。しかし、同期機とは異なり、同期化
スイッチ閉成後のインバータと系統との同期化が自動的
に保証される訳ではない。
同様の設備は系統へ給電するために用いられるばかりで
なく、商用電源に接続されるのではない単一電源負荷へ
給電するのにもしばしば用いられる。
本発明の目的は、冒頭に述べた型の給電装置を、簡単で
標準化された回路部品を用いて構成するとともに、調整
部を系統と同期させ、かつ平衡過程を要することなぐ系
統に並列に投入することができるようにすることにある
。この装置の一つの構成においては、調整部を、系統と
の並列運転中に系統との同期状態を保つことが可能であ
る。さらに、調整部と系統との間で有効電力の授受量、
および基本波無効電力の授受量を互いに独立に調節する
ことができる。特に、外部から駆動される同期発電機に
も直流電流源まだは直流電圧源から給電されるインバー
タにも共に適用可能な万能的な制御装置を構成し、それ
により、電圧および周波数がその都度の条件に応じて予
め与えられている既存の系統、まだは定電圧、定周波数
で給電されねばならない単一系統に選択的に給電できる
この目的は本発明によれば特許請求の範囲第1項に記載
した給電装置によって達成される。本発明の好ましい実
施態様は特許請求の範囲第2項以下に記載したとおりで
ある。
次に図面を参照して本発明をさらに詳細に説明する。
第1図は、既存の系統(系統運転)または負荷(単一負
荷運転)に選択的に投入するように構成した給電装置の
電力回路部分を示すものである。
この電力回路における調整部は直流電流源または直流電
圧源、例えば蓄電池1または太陽電池から給電されるイ
ンバータ2から成っている。インバータ2を制御する制
御部は図示されていないが、インバータ出力の振幅およ
び周波数を制御するだめの調節入力端3および4を持っ
ている。図示の場合、インバータ電圧の絶対値IUIお
よび周波数ωを制御するだめの調節入力端3,4として
示されている。特に汎用のパルスインバータは絶対値お
よび周波数用の調節入力端を持っている。さらに第3の
調節入力端を有し、それを介して、絶対値および周波数
によって決定される特性曲線に対するインバータ出力の
位相角が調節される型のインバータも知られている。そ
のようなインバータにも本発明を適用することは可能で
ある。その場合、位相角調節入力端は必ずしも必要では
なく、例えば零という値に設定しておくことができる。
インバータの出力側にはフィルタが配置されている。こ
のフィルタは図示の例ではインバータ変圧器5を介して
インバータに接続されており、少なくとも一つの直列リ
アクトル6と、分路にリアクトル7とコンデンサ8とを
含んでいる。リアクトル7およびコンデンサ8は吸収回
路としてここでは系統周波数の第5高調波に同調してい
る。同様構成の他の吸収回路(リアクトル7′、コンデ
ンサ8′およびリアクトル7″、コンデン4−13 I
f )が第7高調波および第18高調波に対して設けら
れている0インバータ2の出力側にはさらにインバータ
出力電圧Uw用の計器用変圧器9お」:びインバータ出
力電流Iw用の変流器lOが設けられている。
11は給電すべき系統、例えば高圧三相交流系統を示す
ものである。この系統11は系統変圧器12および系統
スイッチ13を介してインバータスイッチ14に接続さ
れている。インバータスイッチ14は図示の電力回路の
インバータ側(回路部分1〜10)を系統側(回路部分
11〜13)から分離する。系統側の計器用変圧器15
は系統電圧Unを検出する。
16は負荷を示すものである。この負荷16は負荷スイ
ッチ17を介してインバータスイッチ14に接続されて
いる。スインy−13と17はそのいずれを投入するか
により系統運転か単一電源負荷運転かの選択を可能とす
る。系統運転の場合、同期化スイッチとしてスイッチ1
3またはスイッチ14が用いられる。
ここで本発明の特徴とする構成を列挙すれば次のとおり
である。
a)調整部の出力電圧Uwおよび系統電圧Unの測定値
から各変成回路がその都度の電圧ベクトルの絶対値と方
向とを決定する。
b)出力電圧ベクトルの絶対値は、系統電圧ベクトルの
絶対値から形成される目標値と共に絶対値調節器に入力
される。
C)変成回路に後置された位相差検出回路が両軍圧ベク
トル間の角度に対応する位相差信号を形成し、この位相
差信号は位相差目標値零と共に位相角調節器に入力され
る。
d)絶対値調節器の出力信号は調整部の振幅調節入力端
子に入力され、位相角調節器の出力信号は調整部の周波
数調節入力端子に入力される。
これに対応する装置が第2図に示されている。
第1図に示す電力回路が符号20で表わされている。系
統電圧用の計器用変圧器15に後置されている変成回路
は座標変換器21を含んでいる。この座標変換器21は
系統電圧ベクトルUnの直交成分1Unl−cos(ω
t−1−an)および1Unl−5in(ωt+αn)
を直交座標軸α、βによって規定される座標系において
算出する。通常、系統の各相R9S、Tに存在する相電
圧Ur、Us、Utは対称三相系であって、各相電圧は
振幅1Unlおよび位相差αnが与えられることによっ
てUr=lUnl・C05(ωt+an)、Us=lU
nl 5cos(ωt+an−120°)。
Ut=l Un l mcas (ωt+an−240
’)として決定される。座標変換器21は、これら3つ
の量のうちの少なくとも2つから電圧ベクトルyμ−の
両直交成分を次のように算出する。
(Un)  =Ur (Un)β= (Ur+2Us)/ 、/T電圧ベクト
ル竪は相電圧についてのすべての情報を含んでいる。な
ぜなら各相電圧は、この電圧ベクトルを互いに120°
ずつずれた3つの固定座標軸」二投影したときの各射影
に比例するからである。系統の場合、信号IUnl・c
os(ωt+αn)によってのみ与えられる交流電圧系
統を問題とするならば、対応する座標変換器は、90’
の位相遅れによって対応する第2の成分(Un )β=
lUnl・5in(ωt+αn)を形成するように構成
することができる。このような座標変換器はすでに知ら
れている0 この座標変換器21にはベクトルアナライザ22が′後
置されておシ、このベクトルアナライザ22はその絶対
値出力端23に入力電圧ベクトルの絶対値1Unlを出
力し、方向出力端24’ 、24“に、電圧ベクトルの
方向を固定のα、β座標系で表現した位相角信号として
一対の信号cos (ωを十σn)および5in(ωt
+αn)を出力する。この一対の信号は電圧ベクトルの
方向を持つ単位ベクトルの直交成分(方向成分)を表わ
す。
インバータないし調整部の出力電圧Uwを測定する計器
用変圧器9には、上記と同様に座標変換器31およびベ
クトルアナライザ32から成る変成回路が後置されてい
る。この変成回路では出力電圧ベクトルUwの絶対値l
Uwlおよび方向成分cos(ωt+ctw)、5in
(ωt+aw)が形成さeる〇位相差検出回路としてベ
クトル回転器25が設けられている・このベクトル回転
器25は、ベクトル信号入力端子26’、26”に入力
されたベクトル信号(すなわち第1の座標系におけるベ
クトルの直交成分を与える一対の信号)を、変成ベクト
ル信号(すなわち入力ベクトルの直交成分を第1の座標
系に対して所定の角度だけ回転した第2の座標系で表現
した一対の信号)K変成する。変成角は位相角信号入力
端子27’、27”に単位ベクトルの直交成分を表わす
一対の信号という形で入力される。この場合の単位ベク
トルの方向は第1の座標系で変成角によって与えられる
。第2図の例においては、ベクトル回転器25のベクト
ル信号入力端に座標変換器31の出力信号、すなわち出
力電圧ベクトル見巴が入力され、位相角信号入力端にベ
クトルアナライザ22によって得られた系統電圧ベクト
ル見工の方向成分が入力されている。
かくしてベクトル回転器25の出力端28’、28“K
は変成成分lUwl −cos(aw−an) 、 l
Uwl−sin(αW−αn)が出力される。
ベクトルアナライザ22の絶対値出力端23には始動発
信器29が後置されている。この始動発信器29は系統
電圧ベクトルの絶対値1Unlから    −目標値l
Uw’lを形成する。この目標値は、ベクトルアナライ
ザ32によって実際値として算出されだ出力電圧ベクト
ルの絶対値lUwlと共に絶対値調節器30に入力され
る。絶対値調節器30の出力信号は制限回路を介してイ
ンバータ2の振幅調節入力端3に入力される。
周波数調節入力端4には対応する制限回路を介して位相
角調節器33の出力信号が入力される。
位相角調節器33には系統電圧とインバータ電圧との間
の位相差角、すなわち両電圧ベクトルUnユ。
見!間の角度に対する目標値零が与えられる。それに対
応する実際値はベクトル回転器25の出力端から取出す
ことができる。出力端28“には信号lUwl・sin
 (αW−αn)が生じているが、これは(αW−αn
)→0に対してやはり零になる性質のものだからである
。しかし、この信号は(αW−αn)→180°に対し
ても零の方向に行くので、この値に対しては制御動作が
比較的緩慢に推移する不安定なバランス特性が生ずる。
そのため両電圧ベクトル間の位相差角が180°に近く
なったとき位相角調節器33の実際値チャネルの増幅度
を高めるアダプタ回路が設けられている。このアダプタ
回路は例えば出力端子28“から取出された角度実際値
がスイッチ34および増幅器35を介して調節器33に
付加的に入力されるようVこ構成することができる。そ
の場合、スイッチ34は、端子28′から取出される信
号lUwl・COS (αW−αn)が負であることを
限界値超過検出器36が示すときのみ閉じられる。
図示の回路は、同期化スイッチ14が開いているとき、
すなわち出力電流が流れていないときに、インバータが
系統に同期化されるように動作する。
さらに動特性を改善するために、位相角調節器の出力側
でほぼ系統周波数に対応する制御電圧が予測制御の考え
方で目標周波数fstに、加え合せ点に図示しているよ
うにして重畳される。
原理的にはベクトル回転器25に入力すべきベクトル信
号は座標変換器31の出力端から取出す代シにベクトル
アナライザ32の出力端から取出すこともできる。その
場合、ベクトル回転器25の出力信号は出力電圧の振幅
とは無関係になる。
しかし、第3図においてはベクトル信号として、系統電
♂偏する座標変換器21の出力信号が用いられ、また、
位相角信号として、インバータ出力電圧に属する変成回
路内のベクトルアナライザ32の出力信号が用いられ°
る。ベクトル回転器25は出力信号IUnl・5in(
αn−αW)を出力し−その出力レベルは系統電圧の振
幅に比例し、したがって、インバータ2の始動の際には
すでに系統電圧によって与えられるレベルになっている
。こうすることによりアダプタ回路の使用を全面的如省
略することができ、したがって、制御回路における切換
えが全く不要になる。 − 上述の装置は、同期化スイッチを閉じる前に調整部を系
統に同期させることができる。適当な補完により同一回
路部分を、同期化スイッチの閉成後だ同期並列運転を可
能とするために用いることもできる。そのだめ調整部の
出力電流の測定値から別の変成回路が無効電流成分およ
び有効電流成分を検出する。絶対値調節器には、無効電
流目標値および検出された無効電流成分が入力される無
効電流調節器の出力信号が付加的に入力される。
位相角調節器には、有効電流目標値および検出された有
効電流成分が入力される有効電流調節器の出力信号が入
力される。さらに有効電流調節器および無効電流調節器
を非作動状態に保持する手段、および変成回路の接続さ
れた調整部出力端と変成回路の接続された系統との間の
同期化スイッチが閉じられたときに初めて両電流調節器
を有効作動状態にする手段が設けられている。
第3図の装置を基にして構成されたそのような装置が第
4図に示されている。
第4図においてインバータ出力電流Iw用の変流器10
には変成回路として座標変換器41が後置され、座標変
換器41の出力信号lIwl・cos(a+ t−1−
aw+ψ)およびl Iw l * s in (Gl
 t+aw十g+ )がベクトル回転器42のベクトル
信号入力端に加えられている。ベクトル回転器42の位
相角信号入力端にはベクトルアナライザ32の角度信号
・すなわち出力電圧ベクトル見二の方向成分が入力され
る。ここでψは出力電圧と出力電流との間の負荷に依存
する力率角であって、これはインバータを系統と同期運
転しているときは、系統電圧と出力電流との間の位相角
に等しく、したがって、ベクトルアナライザ32から供
給される方向成分の代りにベクトルアナライザ22によ
って検出された方向成分を用いることもできる。いずれ
の場合にも、ベクトル回転器は、両成分lIwl・co
sψおよびI!Wl・sinψによってインベータ出力
電流の有効成分および無効成分を表わすベクトル信号を
出力する。
無効電流成分lIwl・sinψはいまやそれに対応す
る無効電流目標値(IIWI・sinψ)*と共に無効
電流調節器43に入力され、無効電流調節器43の出力
信号は絶対値調節器30の入力側の対応する調節比較部
に付加的な目標値として入力される。同様に有効電流成
分lIwl・cosφおよびそれに対応する有効電流目
標値(IIWI・cosψ)*に対しても有効電流調節
器44が設けられ、その出力信号が位相角調節器33の
調節比較部に入力される。
スイッチ45および46は、同期化スイッチ14が開い
ている限りは両調節器43.44を非作動状態にしてお
く手段を示す0この状態においては、第4図の装置はす
でに述べた第3図の装置と全く同一の動作を行なう。同
期化スイッチ14を閉じることによって両調節器43.
44も有効作動状態にもたらされ、その結果、インバー
タはその都度の要求に応じて目標値によって予め与えら
れる有効電流および無効電流を系統に供給する。インバ
ータを用いる場合、この制御は、同期機を用いる場合に
同期機によってみずから与えられる同期トルクを補償す
るものである。これに対して同期機を用いる場合、同じ
装置は系統との間で無効電流の授受および有効電流の授
受を可能にする。
有効電流および無効電流そのものではなく、有効電力お
よび基本波無効電力を制御しなければならない場合には
、以上述べた装置は、掛算器51および52を設けた第
5図の装置のように拡張される。掛算器52において有
効電流成分lIwl・CO5ψとベクトルアナライザ2
2から出力される系統電圧絶対値との掛算によって有効
電力Pが形成され、それは対応する有効電力目標値P*
と共にいまや有効電力調節器として用いられる調節器4
4に入力される。同様に掛算器51は無効電流成分lI
wl・sinψと絶対値1Unlとから無効電力[Qを
出力し、その無効電力Qは対応する基本波無効電力の目
標値Q1*と共にいまや無効電力調節器として作用する
調節器43に入力される。
第5図の装置ではさらに位相角調節器33もスイッチ手
段53により非作動状態にもたらされるように構成され
ている。この構成は調整部により系統に対してではなく
単一の負荷へ給電する(単一電源運転)可能性が与えら
れねばならない場合でも好都合なものである。この場合
、規定の電圧に同期されるべき必要性は無く、むしろ負
荷電圧すなわちインベータ出力電圧の目標振幅lUo*
lおよび規定の周波数fstが予め与えられれば十分で
ある。振幅目標値は例えば始動発信器29の入力側また
は出力側に設けたスイッチ54がベクトルアナライザ2
“2から供給される系統電圧絶対値1UnlO代°りに
負荷電圧目標値IUo*l を絶対値調節器30の目標
値入力端に導くことによって得ることができる。この場
合、調節器33および43がなお静止されるならば、最
終的には、このような単一電源負荷運転に対しては第5
図の装置中、第6図に示す回路部分のみが動作する。
インバータ出力の位相ずれが一時的な周波数変動の蓄積
によって生ずるので、位相角調節器33をほぼ比例的に
のみ動作するようにすると有利である0これに対して装
置全体の制御特性に対しては、他の調節器が実質的に積
分動作部分を有すると有利である。これらの調節器のほ
かに本発明による給電装置は座標変換器、ベクトル回転
器、およびベクトルアナライザしか必要としない。しか
もこれらの回路要素は例えば回転磁界機のベクトル制御
のだめに構成され、かつ用いられるものである。
かくして簡単な回路部品から、簡単で汎用性のある制御
プランを既存の電源系統への同期並列給電用としても、
まだ単一電源系統への給電用としても適用できる給電装
置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明を適用する電力回路の系統図、第2図な
いし第6図はそれぞれ本発明による給電装置の異なる実
施例を示すブロック図である。 2・・・インバータ、 3・・・振幅調節入力端、 4
・・・周波数調節入力端、 11・・・交流系統、  
14・・・同期化スイッチ、 21,31.41・座標
変換器、  22.32・・・ベクトルアナライザ12
5゜42・・・ベクトル回転器、 3o・・・絶対値調
節器、33・・・位相角調節器、 Un・・・系統電圧
、 Uw・・・インバータ出力電圧s  Iw・・・イ
ンバータ出力電流、 U・・・インバータ出力の振幅、
  f用インバータ出力の周波数。 =1艷

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 l)出力電圧または出方電流の振幅および周波数を独立
    に調整できる調整部を介して交流系統へ並列給電するだ
    めの装置において、a)前記調整部の出力電圧および系
    統電圧の測定値から、各変成回路が電圧ベクトルの絶対
    値と方向とを決定し、 b)前記出力電圧のベクトルの絶対値は、前記系統電圧
    のベクトルの絶対値から形成される目標値と共に絶対値
    調節器に入力され、C)前記変成回路に後置された位相
    差検出回路が前記両軍圧ベクトル間の角度に対応する位
    相差信号を形成し、この位相差信号は位相差目標値零と
    共に位相角調節器に入力され、 d)前記絶対値調節器の出方信号は前記調整部の振幅調
    節入方端如人カされ、前記位相角調節器の出力信号は前
    記調整部の周波数調節入力端に入力される ことを特徴とする交流系統への並列給電装置。 2、特許請求の範囲第1項記載の装置において、各変成
    回路は電圧ベクトルの直交成分を算出する座標変換器と
    、ベクトルアナライザとを含んでいることを特徴とする
    交流系統への並列給電装置。 3)特許請求の範囲第2項記載の装置において、位相差
    検出回路としてベクトル回転器が用いられ、このベクト
    ル回転器の位相角信号入力端には一方の変成回路のベク
    トルアナライザによって算出された方向成分が入力され
    、前記ベクトル回転器のベクトル信号入力端には他方の
    変成回路の座標変換器によって算出された直交成分、ま
    たは他方の変成回路のベクトルアナライザによって算出
    された方向成分が入力されることを特徴とする交流系統
    への並列給電装置。 4)特許請求の範囲第1〜3項のいずれかに記載の装置
    において、前記絶対値調節器用の目標値が、系統電圧ベ
    クトルの絶対値が入力される始動発信器を介して形成さ
    れることを特徴とする交流系統への並列給電装置。 5)特許請求の範囲第1〜4項のいずれかに記載の装置
    において、前記両型圧ベクトル間の位相差角が180°
    に近いときに前記位相角調節器の実際値チャネルの増幅
    度を高めるアダプタ回路が設けられていることを特徴と
    する交流系統への並列給電装置。 6)特許請求の範囲第1〜5項のいずれかに記載の装置
    において、前記位相角調節器の出力信号に、系統周波数
    に対応する目標周波数用の制御電圧が重畳されることを
    特徴とする交流系統への並列給電装置。 7)特許請求の範囲第1〜6項のいずれかに記載の装置
    において、前記調整部の出力電流の測定値から別の変成
    回路が無効電流成分および有効電流成分を算出し、前記
    絶対値調節器には無効電流目標値および前記算出された
    無効電流成分が入力される無効電流調節器の出力信号が
    付加的に入力され、前記位相角調節器には有効電流目標
    値および前記算出された有効電流成分が入力される有効
    電流調節器の出力信号が付加的に入力され、さらに前記
    無効電流調節器および有効電流調節器を非作動状態にす
    る手段と、変成回路の接続された調整部出力端および変
    成回路の接続された系統間の同期化スイッチが閉じられ
    たとき初めて前記無効電流調節器および有効電流調節器
    が有効作動状態にされる手段とを備えだことを特徴とす
    る交流系統への並列給電装置。 8)特許請求の範囲第7項記載の装置において、前記別
    の変成回路は前記出力電流の直交成分を出力する座標変
    換器とそれに後置されたベクトル回転器とを含み、この
    ベクトル回転器の位相角信号入力端には第1の変成回路
    のベクトルアナライザから出力される方向成分が入力さ
    れることを特徴とする交流系統への並列給電装置。 9)特許請求の範囲第8項記載の装置において、前記有
    効電流成分および無効電流成分はそれぞれ系統電圧ベク
    トルの絶対値と掛算され、有効電力調節器として作用す
    る前記有効電流調節器の入力歯で有効電力目標値と比較
    され、無効電力調節器として作用する前記無効電流調節
    器の入力側で無効電力目標値と比較されることを特徴と
    する交流系統への並列給電装置。 10)特許請求の範囲第1〜9項のいずれかに記載の装
    置において、単一負荷系統への給電に際して前記位相角
    調節器を非作動状態にする手段が設けられ、振幅目標値
    は自由に与えられることができることを特徴とする交流
    系統への並列給電装置。 11)  特許請求の範囲第1−10項のいずれが妃記
    載の装置如おいて、前記位相角調節器はP動作調節器で
    あり、他の調節器は■動作部分を持っていることを特徴
    とする交流系統への並列給電装置。
JP58181766A 1982-09-29 1983-09-29 交流系統への並列給電装置 Pending JPS5983539A (ja)

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Application Number Priority Date Filing Date Title
DE32360711 1982-09-29
DE19823236071 DE3236071A1 (de) 1982-07-09 1982-09-29 Vorrichtung zur paralleleinspeisung in ein wechsel- oder drehstromnetz

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