WO2009123094A1 - 電力アシスト装置 - Google Patents

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猛 近藤
勝利 宮崎
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株式会社明電舎
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    • H02P21/00—Arrangements or methods for the control of electric machines by vector control, e.g. by control of field orientation

Definitions

  • the present invention relates to a power assist device, and more particularly to a power assist device that eliminates the need for a voltage / current detection device in a power system.
  • the power assist device is connected between an AC power system and a load and used as a load power assist.
  • This power assist device is configured by connecting a power storage device combining an buck-boost chopper and a storage device such as an electric double layer capacitor and the storage device to a DC circuit of an inverter.
  • power assist refers to one that includes peak power cut, load leveling, power storage, and compensation for instantaneous voltage drop.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 etc. are known.
  • FIG. 4 is a schematic block diagram of the power assist device.
  • An inverter 1 includes a forward converter 2 for converting alternating current to direct current and a bidirectional converter 3 having a bidirectional conversion function, and is installed between a commercial power supply 4 and a load 5.
  • 6 is a buck-boost chopper
  • 7 is a storage device, and these 6 and 7 constitute a power storage device, which is connected to the DC circuit of the inverter 1.
  • this power assist device for example, when the load 5 is in a regenerative state, the DC voltage of the inverter 1 rises, and when the voltage becomes equal to or higher than a preset charging voltage, the storage device 7 is charged via the chopper 6 When the voltage of the commercial power supply 4 decreases, the energy stored in the storage device 7 is supplied to the load 5 via the chopper 6 and the bidirectional conversion unit 3.
  • JP 2003-244840 JP-A-11-27874 JP 2003-244840 JP-A-11-27874
  • the monitor voltage for performing charge control and discharge control is a transformer for an instrument on the AC side of the forward converter of the inverter, A current transformer or the like is installed, and the detected voltage and current obtained are monitored by the monitoring unit, and this is performed based on the voltage. Therefore, a device for monitoring commercial power is required, and the size and cost of the power assist device are increased.
  • An object of the present invention is to provide a power assist device that eliminates the need for a commercial power monitoring device for charge and discharge control.
  • a chopper and a power storage device having a storage device are connected to a DC circuit of an inverter connected to an AC power supply, and connected to the inverter to assist load power.
  • the instantaneous output power is detected by a power calculation unit that detects the voltage between the inverter and the load and current, performs coordinate conversion, and calculates power based on the converted voltage and current, and a correction calculation unit that corrects the calculated power.
  • a voltage control unit for calculating a charge command value and a discharge command value, each constituting a calculation unit, and separately inputting deviation signals between upper limit voltage and lower limit voltage set values and detected DC circuit voltage of the inverter.
  • a chopper control circuit comprising a limiter unit for separately inputting a signal from each voltage control unit, and a PWM control unit for generating a PWM signal of the chopper by separately inputting a signal from each limiter unit;
  • the power signal calculated by the output power calculation unit is output to each limiter unit of the chopper control circuit to vary the limiter value.
  • the present invention is characterized in that the correction operation unit of the instantaneous output power operation unit corrects the input / output power characteristic of the inverter.
  • the power assist apparatus power assist control based on the estimated instantaneous output power is possible without the power detection apparatus on the AC power supply side of the inverter, and the apparatus can be miniaturized. realizable. Further, in parallel operation, adjustment of load sharing can be easily performed. Further, by grasping the efficiency characteristic as the power assist device and setting the optimum efficiency point as the threshold of the limiter, the charge / discharge efficiency can be utilized to the maximum.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of the present invention.
  • Reference numeral 10 denotes an instantaneous output power calculation unit, and the instantaneous output power calculation unit 10 inputs coordinate and detection units 11 and 12 which receive voltage and current detected from the output side of the inverter 1 and convert them into Vq and Iq, respectively; It has functions of a power calculation unit 13 that calculates power based on the converted q-axis voltage and current, and a correction calculation unit 14.
  • the instantaneous output power calculation unit 10 utilizes a function incorporated in the control device of the inverter.
  • Reference numeral 20 denotes a chopper control circuit, which includes a charge control unit and a discharge control unit.
  • 21a and 21b are subtraction units
  • 22a and 22b are voltage control units
  • 23a and 23b are limiter units
  • 24a and 24b are PWM control units
  • suffix a is a charge control unit
  • b is a discharge control unit.
  • the subtraction unit 21a receives the preset upper limit voltage setting value VDCH * and the detection voltage VDC of the DC circuit of the inverter 1 to calculate a difference signal between them, and the difference signal is input to the voltage control unit 22a.
  • a charge command value corresponding to the difference signal is calculated and output to the limiter unit 23a.
  • the limiter value is changed by the voltage Pout from the instantaneous output power calculation unit 10, and the PWM control unit 24a generates a PWM signal according to the charge command value limited by the limiter value. PWM control is performed on the switching elements. As a result, the DC circuit voltage of the inverter 1 raised in the load regeneration state is charged in the storage device (here, the electric double layer capacitor) 7 via the chopper 6 and the reactor 8.
  • the lower limit voltage set value VDCL * set in advance and the detection voltage VDC of the DC circuit of the inverter 1 are input to the subtraction unit 21b on the discharge control unit side to calculate the difference signal between them, and the difference signal A discharge command value input to the control unit 22b and corresponding to the difference signal is calculated and output to the limiter unit 23b.
  • the limiter value is changed by the voltage Pout from the instantaneous output power calculation unit 10, the PWM control unit 24b generates a PWM signal according to the discharge command value limited by the limiter value, and the discharge of the chopper 6 is performed. PWM control is performed on the switching elements. Thereby, the energy stored in the storage device 7 is supplied to the DC circuit of the inverter 1 via the reactor 8 and the chopper 6.
  • the charge control when the load 5 is in the power running state and the power running load becomes load power (load current) equal to or higher than a predetermined threshold value, the charge control is released to set the discharge current command. Discharge control for peak cut. As the load decreases and the negative overcurrent decreases, the limiter of the limiter unit 25b is narrowed by the power Pout, and the discharge control is stopped when the set charge stop voltage is reached. In addition, even when the load 5 is in the regenerative state, the charge control is executed when the load power (load current) equal to or higher than a predetermined threshold value is obtained in the same manner.
  • FIG. 2 shows a vector diagram of the output voltage and current of the inverter.
  • V0ref [V] is the output voltage command (phase voltage: E0ref) of the inverter
  • I0det [A] is the detected current (output current command), and the power calculation unit 13 uses these signals to make instantaneous
  • the estimation operation of the output power Pout is performed.
  • Pout [kW] ⁇ 3
  • the efficiency characteristic of the inverter can be calculated by performing a correction as shown in the following equation by a preliminary evaluation test.
  • FIG. 3 shows input / output power characteristics of the inverter, where the vertical axis represents input power Pin and the horizontal axis represents output power Pout.
  • the correction operation unit 14 can estimate the input power to the inverter under an arbitrary operating condition of the inverter by pre-calculating and interpolating the software as aw.
  • A, Pin a1 ⁇ Pout + b1 (area A) (I)
  • Pin a2 ⁇ Pout + b2 (area B)
  • Pin a3 x Pout + b3 (region C)
  • a1 to a3 and b1 to b3 are constants.
  • the efficiency is lowered as the region B is the most efficient and the region C (the power increase direction) is reached. Further, even in the region A where the input power is smaller, the inverter efficiency is reduced due to the loss.
  • the correction operation unit 14 interpolates linearly (in a linear expression) in each region.
  • the instantaneous output voltage Pout calculated by the instantaneous output power calculation unit 10 provided in the control circuit of the inverter is output to the chopper control circuit 20, and the limit value of the limiter unit 23 (23a, 23b) is varied.
  • the chopper 6 can be controlled to adjust the charge / discharge power according to the load state to perform power assist.
  • the power assist device power assist control based on the estimated instantaneous output power can be performed without providing the power detection device on the AC power supply side of the inverter, and the device can be miniaturized. Become. Further, in parallel operation, adjustment of load sharing can be easily performed. Further, by grasping the efficiency characteristic as the power assist device and setting the optimum efficiency point as the threshold of the limiter, the charge / discharge efficiency can be utilized to the maximum.

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Abstract

【課題】負荷電力をアシストする場合、インバータの交流電源に交流電力検出装置が設置されているため、部品点数が多くなっている。 【解決手段】インバータの出力側電圧と電流の検出値で電力を算出する電力演算部と、この算出された電力を補正する補正演算部で瞬時出力電力演算部を構成する。また、チョッパの充放電制御部にそれぞれリミッタ部を設け、そのリミッタ値は瞬時出力電力演算部によって算出された電力で可変する。チョッパの充放電制御部には、インバータの直流検出電圧が入力されて設定された上限電圧及び下限電圧との偏差信号をとり、電圧制御部に入力して充電指令値を演算するよう構成した。

Description

電力アシスト装置
　本発明は、電力アシスト装置に係り、特に電力系統における電圧、電流の検出装置を不要にした電力アシスト装置に関するものである。
　電力アシスト装置は、交流の電力系統と負荷との間に接続されて負荷電力のアシストとして使用されている。この電力アシスト装置は、昇降圧チョッパと電気二重層コンデンサなどの蓄電デバイスを組み合わせた電力貯蔵装置と、この貯蔵装置をインバータの直流回路に接続して構成される。ここでいう電力アシストとは、電力のピークカット、負荷平準、電力貯蔵、及び瞬時電圧低下の補償を含むものをいう。このような電力アシスト装置としては、特許文献１や特許文献２等が公知となっている。
　図４は電力アシスト装置の概略構成図を示したものである。１はインバータで、交流を直流に変換する順変換部２と、双方向変換機能を有する双方向変換部３を備え、商用電源４と負荷５との間に設置される。６は昇降圧のチョッパ、７は蓄電デバイスで、これら６，７で電力蓄積装置を構成してインバータ１の直流回路に接続される。
この電力アシスト装置は、例えば、負荷５が回生状態になるとインバータ１の直流電圧が上昇し、その電圧が予め設定された充電電圧以上となったときに、チョッパ６を介して蓄電デバイス７が充電され、商用電源４の電圧が低下したとき、蓄電デバイス７に蓄積されたエネルギーをチョッパ６、双方向変換部３を介して負荷５に電力を供給する。
特開２００３－２４４８４０号 特開平１１－２７８７４号
　特許文献１，２を含む従来において、例えば、瞬時電圧低下補償の場合等には、充電制御と放電制御を実行するための監視電圧は、インバータの順変換部の交流側に計器用変圧器、変流器などを設置し、得られた検出電圧、電流を監視部にて監視し、その電圧に基づいて行っている。したがって、商用電力を監視するための装置が必要となって、電力アシスト装置の大型化、コストアップとなっている。
　本発明が目的とするとこは、充放電制御のための商用電力監視装置を不要とした電力アシスト装置を提供することにある。
　本発明は、交流電源に接続されたインバータの直流回路に、チョッパ、蓄電デバイスを有する電力蓄積装置を接続し、インバータに接続されて負荷電力をアシストするものにおいて、
前記インバータと負荷間の電圧、電流を検出して座標変換し、変換された電圧と電流を基に電力を算出する電力演算部と、この算出された電力を補正する補正演算部で瞬時出力電力演算部を構成すると共に、上限電圧及び下限電圧の各設定値と前記インバータの検出された直流回路電圧との偏差信号を各別に入力して充電指令値と放電指令値を演算する電圧制御部と、各電圧制御部からの信号を各別に入力するリミッタ部と、各リミッタ部からの信号を各別に入力して前記チョッパのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御部でチョッパ制御回路を構成し、前記瞬時出力電力演算部にて算出された電力信号をチョッパ制御回路の各リミッタ部に出力してリミッタ値を可変するよう構成したことを特徴としたものである。
　また、本発明は、瞬時出力電力演算部の補正演算部は、インバータの入出力電力特性を補正することを特徴としたものである。
　以上のとおり、本発明によれば、電力アシスト装置において、インバータの交流電源側での電力検出装置がなくとも、推定された瞬時出力電力に基づいた電力アシスト制御が可能となり、装置の小型化が実現できる。また、並列運転の際には、負荷分担の調整が容易に可能となるものである。更に、電力アシスト装置としての効率特性を把握し、その最適な効率ポイントをリミッタの閾値とすることにより、充放電効率が最大限に利用可能となるものである。
　図１は、本発明の実施例を示す構成図で、図４と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。１０は瞬時出力電力演算部で、この瞬時出力電力演算部１０は、インバータ１の出力側より検出された電圧と電流を入力してそれぞれＶｑ，Ｉｑに変換する座標変換部１１，１２と、座標変換されたｑ軸の電圧、電流を基に電力演算する電力演算部１３、及び補正演算部１４の機能を備えている。この瞬時出力電力演算部１０は、インバータの制御装置に内蔵される機能が利用される。
　２０はチョッパの制御回路で、充電制御部と放電制御部より構成されている。２１ａ，２１ｂは減算部、２２ａ，２２ｂは電圧制御部、２３ａ，２３ｂはリミッタ部、２４ａ，２４ｂはＰＷＭ制御部で、添え字ａが充電制御部であり、ｂが放電制御部である。減算部２１ａには、予め設定された上限電圧設定値ＶDCH*とインバータ１の直流回路の検出電圧ＶDCが入力されて両者の差信号が演算され、その差信号は電圧制御部２２ａに入力されて差信号に応じた充電指令値を算出してリミッタ部２３ａに出力する。リミッタ部２３ａは、瞬時出力電力演算部１０からの電圧Ｐoutによりリミッタ値が可変され、このリミッタ値により制限された充電指令値に応じてＰＷＭ制御部２４ａはＰＷＭ信号を生成し、チョッパ６の充電用スイッチング素子に対してＰＷＭ制御を実行する。これにより、負荷回生状態により上昇したインバータ１の直流回路電圧は、チョッパ６、リアクトル８を介して蓄電デバイス（ここでは、電気二重層コンデンサ）７に充電される。
　一方、放電制御部側の減算部２１ｂには、予め設定された下限電圧設定値ＶDCL*とインバータ１の直流回路の検出電圧ＶDCが入力されて両者の差信号が演算され、その差信号は電圧制御部２２ｂに入力されて差信号に応じた放電指令値を算出してリミッタ部２３ｂに出力する。リミッタ部２３ｂは、瞬時出力電力演算部１０からの電圧Ｐoutによりリミッタ値が可変され、このリミッタ値により制限された放電指令値に応じてＰＷＭ制御部２４ｂはＰＷＭ信号を生成し、チョッパ６の放電用スイッチング素子に対してＰＷＭ制御を実行する。これにより、蓄電デバイス７に蓄積されたエネルギーは、リアクトル８、チョッパ６を介してインバータ１の直流回路に供給される。
　上記のように構成された本発明は、負荷５が力行状態で、力行負荷が予め決められた閾値以上の負荷電力（負荷電流）となったときに、充電制御を開放し、放電電流指令にてピークカットのための放電制御を実行する。負荷が低下して負過電流が減少するに従って、電力Ｐoutによりリミッタ部２５ｂのリミッタを絞り、設定された充電停止電圧となったときに放電制御は停止する。
また、負荷５が回生状態となったときも、同様にして予め決められた閾値以上の負荷電力（負荷電流）となったときに充電制御を実行する。
　次に、インバータ制御回路に設置される瞬時出力電力演算部１０における電力Ｐoutの推定法について説明する。
図２はインバータの出力電圧と電流のベクトル図を示したものである。Ｖ0ref［Ｖ］はインバータの出力電圧指令（相電圧：Ｅ0ref）、Ｉ0det［Ａ］は検出電流(出力電流指令)で、電力演算部１３はこれらの信号を用いて、ソフトウエアで次式により瞬時出力電力Ｐoutの推定演算を実行する。
Ｐout［ｋＷ］＝√３｜Ｖ0ref｜×｜Ｉ0det｜ｃｏｓθ
また、インバータの効率特性は、事前の評価試験により次式のような補正を行えば効率が算出できる。
η=Ｐout／Pin[%]
 　図３はインバータの入出力電力特性を示したもので、縦軸は入力電力Pin、横軸に出力電力Ｐoutをとったものである。補正演算部１４は、ア～ウのようにソフトウエア予め計算し補間することで、インバータの任意の運転条件下におけるインバータへの入力電力の推定が可能となる。
ア、Pin =a1×Ｐout＋b1(領域A)
イ、Pin =a２×Ｐout＋b２(領域B)
ウ、Pin =a３×Ｐout＋b３(領域C)
ここで、ａ１～ａ３、ｂ１～ｂ３は定数である。
　すなわち、線エで示すインバータの入出力電力特性は、領域Ｂが最も効率がよく、領域Ｃ（電力増加方向）に行くに従って効率は低下する。また、入力電力の小さい方の領域Ａでも、ロス分によりインバータ効率が低下する。補正演算部１４は、各領域において直線的（一次式で）に補間している。
本発明では、インバータの制御回路に設けられた瞬時出力電力演算部１０が演算した瞬時出力電圧Ｐoutをチョッパ制御回路２０に出力し、そのリミッタ部２３（２３ａ，２３ｂ）のリミット値を可変することでチョッパ６を制御し、負荷状態に応じながら充放電の電力を加減し、電力アシストを行うことができる。
　したがって、本発明によれば、電力アシスト装置において、インバータの交流電源側に電力検出装置を設けなくとも、推定された瞬時出力電力に基づいた電力アシスト制御が可能となり、装置の小型化が可能となる。また、並列運転の際には、負荷分担の調整が容易に可能となるものである。更に、電力アシスト装置としての効率特性を把握し、その最適な効率ポイントをリミッタの閾値とすることにより、充放電効率が最大限に利用可能となるものである。
本発明の実施形態を示す構成図。 インバータの出力電圧と電流ベクトル図。 インバータの入出力電力特性図。 従来の電力アシスト装置の構成図。
符号の説明
　１…　インバータ
　２…　順変換部
　３…　双方向変換部
　６…　チョッパ
　７…　蓄電デバイス
　８…　リアクトル
　１０…　瞬時出力電力演算部
　１１，１２…　座標変換部
　１３…　電力演算部
　２０…　チョッパ制御回路
　２２…　電圧制御部
　２３…　リミッタ部
　２４…　ＰＷＭ制御部

Claims (2)

  1. 交流電源に接続されたインバータの直流回路に、チョッパ、蓄電デバイスを有する電力蓄積装置を接続し、インバータに接続されて負荷電力をアシストするものにおいて、
    前記インバータと負荷間の電圧、電流を検出して座標変換し、変換された電圧と電流を基に電力を算出する電力演算部と、この算出された電力を補正する補正演算部で瞬時出力電力演算部を構成すると共に、上限電圧及び下限電圧の各設定値と前記インバータの検出された直流回路電圧との偏差信号を各別に入力して充電指令値と放電指令値を演算する電圧制御部と、各電圧制御部からの信号を各別に入力するリミッタ部と、各リミッタ部からの信号を各別に入力して前記チョッパのＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御部でチョッパの制御回路を構成し、前記瞬時出力電力演算部にて算出された電力信号を、チョッパ制御回路の各リミッタ部に入力してリミッタ値を可変するよう構成したことを特徴とした電力アシスト装置。
  2. 前記瞬時出力電力演算部の補正演算部は、インバータの入出力電力特性を補正することを特徴とした請求項１記載の電力アシスト装置。
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