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電力システム - 富士電機機器制御株式会社
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発明の名称 電力システム
発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 公開特許公報(A)
公開番号 特開2007−37251(P2007−37251A)
公開日 平成19年2月8日(2007.2.8)
出願番号 特願2005−215423(P2005−215423)
出願日 平成17年7月26日(2005.7.26)
代理人 【識別番号】100091281
【弁理士】
【氏名又は名称】森田 雄一
発明者 鳥羽 章夫 / 藤田 光悦 / 前田 俊博
要約 課題
発電量の誤差に基づく不安定要因を解消して動作の安定化を可能にした電力システムを提供する。

解決手段
発電機10と、その発電電力を直流電力に変換するコンバータ20Aと、その出力側に直流電圧部40を介して接続された直流電源50と、直流電圧部40に接続された負荷30と、直流母線60P,60Nの少なくとも一方に接続されたダイオード70P,70Nと、直流電圧部40の電圧を一定に保つように発電機10の発電量を調節する制御回路24Aとを備えた電力システムにおいて、発電量下限値リミッタ255により、発電量指令値の下限値を発電機10の全ての動作条件において実際の発電量が負となるような所定値に設定する。
特許請求の範囲
【請求項1】
発電機と、
この発電機による発電電力を直流電力に変換するコンバータと、
このコンバータの出力側に直流電圧部を介して接続された直流電源と、
前記直流電圧部に接続された負荷と、
前記コンバータと前記直流電圧部との間の正側直流母線または負側直流母線の少なくとも一方において前記コンバータから前記直流電圧部に電力を供給する方向に接続されたダイオードと、
前記直流電圧部の電圧を一定に保つように前記発電機の発電量を調節する制御手段と、
を備えた電力システムにおいて、
前記発電機の発電量指令値の下限値を、前記発電機の全ての動作条件において実際の発電量が負となるような所定値に設定したことを特徴とする電力システム。
【請求項2】
請求項1に記載した電力システムにおいて、
前記制御手段は、
前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が入力され、かつ積分項を有する調節手段を備え、
この調節手段から出力される前記発電量指令値が前記下限値に達した場合に、前記調節手段における積分項の値をゼロとすることを特徴とする電力システム。
【請求項3】
請求項2に記載した電力システムにおいて、
前記調節手段における積分項の値をゼロとする期間を、前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が負の所定値以下になるまで保持することを特徴とする電力システム。
発明の詳細な説明
【技術分野】
【0001】
本発明は、発電機及び直流電源の少なくとも一方から負荷に直流電力を供給する電力システムに関し、特に、電力システムの信頼性を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【0002】
図3は、この種の電力システムの従来技術を示している。
図3において、10は同期機、誘導機、直流機等の発電機であり、図示されていない内燃機関等の駆動源から与えられる機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーはコンバータ20により所望の直流電力に変換され、負荷(直流負荷)30に供給される。
【0003】
また、外部の駆動源が停止していて発電機10が駆動源から機械エネルギーを得られない場合や、発電機10が駆動源から得る機械エネルギーを低減したい場合には、負荷30の消費電力の一部または全部を直流電源50から得ることができるように構成されている。
このような電力システムにより、負荷30に直流電力を常時供給することができる。なお、40はコンバータ20と直流電源50との間の直流電圧部、Pは直流電圧部40の正極、Nは負極である。
【0004】
次に、図4は、上記電力システムの主要部の構成の一例を示す回路図である。
図3に示した発電機10が三相の交流機である場合、コンバータ20としては、還流ダイオード22が逆並列接続された半導体スイッチング素子21を2個直列接続したアームを三相分備えてなる三相コンバータが用いられる。なお、23はコンバータ20の直流出力側に接続された平滑コンデンサ、24はスイッチング素子21のオン・オフ制御信号を出力する制御回路である。
また、直流電源50としては、交流電源に接続されたダイオード51からなるダイオードブリッジが使用されている。
【0005】
図4に示した構成によれば、コンバータ20によって直流電圧部40の電圧を制御することができ、直流電圧部40の電圧を交流電源の線間電圧のピーク値以上に制御しておけば直流電源50から電流が流入することはなく、すべての負荷電力を発電機10からコンバータ20を介して供給することができる。また、前述したように発電機10の発電電力が不足する場合には、直流電圧部40の電圧を交流電源の線間電圧のピーク値よりも低くすることにより、直流電源50から一部または全部の負荷電力を得ることが可能である。
上述したような電力システムは、例えば後述する特許文献1に記載されている。
【0006】
ここで、図3,図4に示した従来技術において、コンバータ20または直流電源50が故障した場合には以下のような問題を生じる。
コンバータ20が、直流電圧部40を短絡するような状態を招く故障モードになった場合(例えば上下アームの同時オンなど)、直流電圧部40の電圧は負荷30へ電力を供給するために十分な値を保持できなくなり、最悪の場合には、直流電源50からコンバータ20に過大な電流が流入し、これに伴う過熱によって直流電源50自体も故障に至る。この状態では、もはや負荷30に所望の電力を供給することはできない。
特に、負荷30の連続運転が必須である場合、例えば、負荷30が発電機10の駆動源である内燃機関の冷却用電機品である場合などには、上記電力システムでは信頼性に欠けることになる。
【0007】
直流電源50についても同様であり、直流電源50が直流電圧部40を短絡するようなモードで故障した場合には、コンバータ20は故障するか保護機能によって運転を停止するかの何れかの状態となり、前記同様に負荷30への電力供給は不可能になる。
【0008】
上記の点に鑑み、出願人は先に特願2004−343864号にかかる電力システムを出願した。この先願発明は、コンバータと直流電圧部との間の正側直流母線または負側直流母線の少なくとも一方に、コンバータから直流電圧部に電力を供給する方向にダイオードを接続することを要旨としている。
【0009】
図5は、上記先願発明の具体的構成を示す回路図である。
図5において、20Aは半導体スイッチング素子21及び還流ダイオード22からなるコンバータ、28はスナバコンデンサ、41は直流電圧部40を構成する電圧平滑用コンデンサ、60Pは正側直流母線、60Nは負側直流母線、70P,70Nはダイオードであり、その他の構成要素には図3、図4と同一の番号を付してある。
【0010】
上記のようにダイオード70P,70Nを設ければ、コンバータ20Aが直流電圧部40を短絡させるようなモードで故障したとしても、ダイオード70P,70Nの作用により直流電源50から直流電圧部40を介してコンバータ20A側へ電流が流入するのが防止され、直流電圧部40の電圧を維持することができる。このため、コンバータ20Aの短絡故障が直流電源50側に波及することがなく、例えば直流電源50からコンバータ20A側に過電流が流れて直流電源50が過熱により故障するのを防止することができる。よって、コンバータ20Aの故障時には、負荷30への電力を直流電源50から供給することが可能になる。
ここで、ダイオード70P,70Nは必ずしも両方必要ではなく、何れか一方を挿入するだけでも上記と同様の作用を果たすことができる。
【0011】
なお、直流電圧部40には、直流電源50による整流時のリプル分を平滑化するために電解コンデンサ等からなる電圧平滑コンデンサ41が設けられている。電解コンデンサは、十分な平滑機能を実現して直流電圧を安定化させるため、その容量は一般に大きい。
一方、スナバコンデンサ28は、コンバータ20Aのスイッチング動作と配線インダクタンスの影響により、コンバータ20Aを構成するスイッチング素子21に過大な電圧が印加されるのを防ぐために設けられており、例えば高周波特性が良好なフィルムコンデンサやQPコンデンサ等が用いられる。
【0012】
次に、図6は、コンバータ20Aの制御回路24Aを図5に加えて示した図である。
この制御回路24Aは、発電量制御部25と過電圧判定部26とから構成されており、直流電圧部40(平滑コンデンサ41)の電圧を検出して発電量の制御(この明細書において、発電機電流の制御も含むものとする)及び過電圧判定を行っている。
【0013】
図6の構成では、理想的には、例えばダイオード70P,70Nの前段及び後段(平滑コンデンサ41及びスナバコンデンサ28)の両電圧を検出して制御することが望ましいが、コスト上の問題から電圧検出手段を少なくしたいという要請がある。この場合、安全上の観点からは、ダイオード70Pの後段、すなわち直流電圧部40(平滑コンデンサ41)の電圧を検出することが望ましい。なぜならば、ダイオード70Pの作用により、直流電圧部40の電圧はスナバコンデンサ28の電圧よりも低くなることはないため、過電圧保護を行うためには直流電圧部40の電圧を検出しなければならないからである。
【0014】
このため、過電圧判定部26は、直流電圧部40(電圧平滑用コンデンサ41)の電圧検出値が規定値以上になった場合に過電圧と判定し、コンバータ20Aのスイッチング素子21を全ゲートオフすることにより運転を停止して発電動作を停止させている。
【0015】
一方、図7は、前記発電量制御部25の構成を示すブロック図である。図7において、図6の直流電圧部40から検出した電圧の指令値に対する偏差を加算器251により求め、この偏差を調節器252に入力すると共に、調節器252の出力を発電量指令値としてコンバータ20Aに与える。コンバータ20Aはこの指令値に従って発電機10を制御し、コンバータ20Aの出力端子に直流電流を発生させる。
更に、加算器253により上記直流電流から直流負荷電流を差し引いたものが平滑コンデンサ41に流入し、その電圧を変化させる。なお、254は直流電圧部40の電圧検出値からノイズ成分を除去するノイズ除去フィルタであり、このフィルタ254を介した電圧検出値が前記加算器251に図示の符号で入力される。
【0016】
上記調節器252としては、例えば比例積分(PI)や比例積分微分(PID)のように、積分項を含むものを用いるのが一般的である。これにより、よく知られているように直流電圧部40の電圧の定常偏差をゼロとすることができるため、負荷30の条件によらず直流電圧検出値が指令値に一致するので、システムの動作が安定する。
【0017】
さて、発電中に負荷が急減するなどの理由により、図6における直流電圧部40の電圧検出値が指令値よりも高くなると、調節器252の出力として負の値、すなわち発電ではなくコンバータ20Aが発電機10に電力を供給する状態が指令される。この場合、図6に示す方向でダイオード70P,70Nが接続されていると、直流電圧部40から発電機10への電力供給は不可能であるから、結果としてコンバータ20Aの出力側に接続されている小容量のスナバコンデンサ28が急速に放電され、動作が不安定になる恐れがある。このような現象を回避するため、発電機10の発電量が常に非負(負でない値)になるように、調節器252の出力側には発電量下限値リミッタ255が設けられている。
【0018】
【特許文献1】特開2003−161541号公報([0027]〜[0030]、図2,図3等)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0019】
しかしながら、発電機10による実際の発電量は、通常、指令値に対して誤差を有するため、例えば発電量下限リミッタ255による下限値をゼロに設定したとしても、実際の発電量は正または負の値をとることが一般的である。また、その誤差の大きさは、例えば発電機10の温度や回転速度、更には発電機個体間の電気定数のばらつきによって変化するため、誤差をゼロにすることは事実上不可能と言える。
【0020】
すなわち、先願発明では、図7に示した構成によって発電量指令値を制御したとしても、発電量実際値との誤差によって動作が不安定になるおそれがある。
そこで本発明の解決課題は、発電量の誤差に基づく不安定要因を解消して動作の安定化を可能にした電力システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0021】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、発電機と、この発電機による発電電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に直流電圧部を介して接続された直流電源と、前記直流電圧部に接続された負荷と、前記コンバータと前記直流電圧部との間の正側直流母線または負側直流母線の少なくとも一方において前記コンバータから前記直流電圧部に電力を供給する方向に接続されたダイオードと、前記直流電圧部の電圧を一定に保つように前記発電機の発電量を調節する制御手段と、を備えた電力システムにおいて、
前記発電機の発電量指令値の下限値を、前記発電機の全ての動作条件において実際の発電量が負となるような所定値に設定したものである。
【0022】
請求項2に記載した発明は、請求項1において、
前記制御手段は、前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が入力され、かつ積分項を有する調節手段を備え、この調節手段から出力される前記発電量指令値が前記下限値に達した場合に、前記調節手段における積分項の値をゼロとするものである。
【0023】
請求項3に記載した発明は、請求項2において、
前記調節手段における積分項の値をゼロとする期間を、前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が負の所定値以下になるまで保持するものである。
【発明の効果】
【0024】
本発明によれば、発電機の発電量実際値と指令値との誤差を低減させ、コンバータの停止等を回避して動作の安定性や電力システムの信頼性を向上させることができる。
また、直流電圧部の振動を抑制して振動音をなくすことも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【0025】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
前述した図6,図7に示したような制御回路の構成において、図7の調節器252から出力される発電量指令値が下限値リミッタ255による下限値により制限されたとしても、誤差によって発電量実際値が正の値であると、直流電圧部40の電圧は上昇を続け、一般に装備されている過電圧保護機能によってコンバータ20Aはやがて運転を停止してしまう。このような事態はシステムの信頼性を保つ観点からも許容されない。
【0026】
上記の問題を解決するため、請求項1に相当する発明の実施形態では、発電量下限値リミッタ255による発電量指令値の下限値を、実際の発電量が僅かに負となるような値に設定することとした。この下限値は、発電機10の動作条件やパラメータのばらつきを最悪値に仮定した場合に、実際の発電量がゼロとなる発電量指令値よりも僅かなマージンの分だけ小さい値とすればよい。
【0027】
このように発電量指令値の下限値を設定した場合、実際の動作中に発電量指令値が下限値に達した際には、実際の発電量は必ず負、すなわちコンバータ20Aから発電機10に電力を供給する状態となるため、スナバコンデンサ28の電圧が急低下することになる。ただし、その低下の度合いは、発電量下限値リミッタ255が設けられていない場合に対しては極めて小さい値であり、しかも、直流電圧部40の電圧が、この直流電圧部40から電源電圧が供給される制御回路24A等の軽負荷によって徐々に低下して電圧指令値よりも低くなれば、調節器252の出力が再び正に転じて発電状態に戻るため、安定性を大きく損なうことは回避できる。
【0028】
しかしながら、このような方法では、調節器252が一般に積分項を有するために直流電圧部40の電圧が振動しやすくなるという問題がある。
そこで、請求項2に係る本発明の第2実施形態は、上記の問題を解決して直流電圧部40の電圧の振動抑制を可能にしたものである。
【0029】
図1は、負荷が急減したことによって直流電圧部40の電圧が上昇した場合のシステムの挙動の一例を示している。図1の波形は、上から直流電圧部40(平滑コンデンサ41)の電圧、スナバコンデンサ28の電圧(コンバータ20Aのスイッチングの影響によって高周波のリプル成分を含んでいる)、及び調節器252から出力される発電量指令値であり、見易さを考慮して、直流電圧部40の電圧とスナバコンデンサ28の電圧とは、縦軸につき1divずらして表示してある。また、発電量指令値は下方が正である。なお、調節器252としてはPI調節器を用いている。
【0030】
直流電圧部40の電圧の振動現象を段階的に分解すると図1の期間a〜dのようになり、それぞれにおける状況は次のように説明できる。
(1)期間a
この期間は、電圧が上昇する期間であり、直流電圧部40及びスナバコンデンサ28の両電圧とも上昇する。直流電圧部40の電圧が指令値を超えると、調節器252の出力が負に転じ、発電量指令値はリミッタ255による下限値に制限される。
【0031】
(2)期間b
前述のように発電量指令値の下限値は、実際の発電量が僅かに負となるような値に設定してあるため、コンバータ20Aから発電機10へ電力が供給されるモードとなり、スナバコンデンサ28の電圧が急降下する。一方、直流電圧部40の電圧は、制御回路24A等の消費電力によってゆっくりと下降する。直流電圧部40の電圧の実際値が指令値を上回っている間、調節器252の出力は負であるから、発電量指令値はリミッタ255による下限値に一致し続ける。
【0032】
(3)期間c
直流電圧部40の電圧の実際値が指令値を下回ると、調節器252の作用によって発電量指令値が下限値から離れて上昇し始め、実際の発電量が正に転じた時点でスナバコンデンサ28の電圧が上昇に転じる。しかし、スナバコンデンサ28の電圧が直流電圧部40の電圧に達するまでは直流電圧部40への電流流入がないため、直流電圧部40の電圧は下降を続け、その間、調節器252の積分項により積分動作が続行されるので、発電量指令値は加速度的に増加する。
【0033】
(4)期間d
スナバコンデンサ28の電圧が直流電圧部40の電圧を超えると、コンバータ20Aから直流電圧部40への電流流入が開始され、直流電圧部40の電圧も上昇に転じる。
理想的な動作は、この後、直流電圧部40の電圧が指令値に達した時点で電圧が一定になることであるが、この時点で調節器252の積分項に値が蓄積しているため、この蓄積値が発電量指令値の正の値として作用することになり、発電電力が直流電圧部40の電圧を上昇させてその電圧がオーバーシュートする。その後、再び発電量の指令値は下限値に達し、期間a〜dの動作が繰り返される。
【0034】
なお、以上のような振動現象は、直流電圧部40の安定性の観点から問題があるだけでなく、比較的低周波の振動音を発生させるため、周囲の人間に不快感、不安感を与える。
この問題に対する対策としては、請求項2に記載するごとく、発電量の指令値が下限値に達した場合は、調節器252の積分項の値をゼロとすることが有効である。これによって、振動の原因となる積分項の値の蓄積を防止することができ、直流電圧部40の電圧のオーバーシュートやその後の振動の持続を回避することができる。
【0035】
次に、請求項3に相当する本発明の第3実施形態を説明する。
前述したように、振動現象が起きる直接の原因は、スナバコンデンサ28の電圧が低下から上昇に転じ、再び直流電圧部40の電圧に達する間における調節器252の積分項の動作である。従って、振動現象をなくすためには、積分項の値をゼロにする動作を、スナバコンデンサ28の電圧が上昇に転じてから直流電圧部40の電圧に達するまでの期間(直流電圧部40の電圧指令値と電圧検出値との偏差が負の所定値以下になるまでの期間)、継続すればよい。
【0036】
これを実現する方法としては、例えば発電量の指令値が下限値に達した時点(図1の期間aの途中)で調節器252の積分項をゼロにセットしておき、発電量の指令値が下限値から離れた時点(図1の期間cの開始時)でタイマを動作させ、その後所定の期間を経過した後に積分項の動作を再開することが考えられる。これによって、振動が消滅した後で積分項が通常動作に復帰するため、負荷が再び増加しても定常偏差をゼロとすることができる。
【0037】
あるいは、上記のように積分項の値をゼロにセットした後、発電量指令値が別の正の所定値を越えるまではその状態を継続するという方法をとることも可能である。これにより、負荷が軽く、積分項が動作しなくても直流電圧部40の定常偏差は無視できる程度の小さい値となる範囲では、振動の原因となる積分項は常にゼロホールドされ、かつ重負荷となって直流電圧部40の定常偏差が大きくなる場合にのみ積分項が作用することになり、システムの安定性確保と定常偏差の抑制を両立することが可能となる。
【0038】
図2は、上述のように、発電量指令値が下限値となった場合に調節器252の積分項の値をゼロとし、その状態を一定期間保持した場合の動作波形である。この図2によれば、直流電圧部40の電圧の振動が持続しておらず、ほぼ指令値どおりに制御されており、本実施形態の有効性が確認されている。
【図面の簡単な説明】
【0039】
【図1】本発明の実施形態を示す波形図である。
【図2】本発明の実施形態を示す波形図である。
【図3】従来技術を示す構成図である。
【図4】図3の主要部の一例を示す回路図である。
【図5】先願発明の具体的構成を示す回路図である。
【図6】図5に制御回路を付加した図である。
【図7】図6における発電量制御部のブロック図である。
【符号の説明】
【0040】
10:発電機
20,20A:コンバータ
21:半導体スイッチング素子
22:還流ダイオード
23,28:スナバコンデンサ
24,24A:制御回路
25:発電量制御部
251,253:加算器
252:調節器
254:ノイズ除去フィルタ
255:発電量下限値リミッタ
26:過電圧判定部
30:負荷
40:直流電圧部
41:電圧平滑用コンデンサ
50:直流電源
51:ダイオード
60P:正側直流母線
60N:負側直流母線
70P,70N:ダイオード




 

 


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