供電裝置及電力變換裝置的同步運轉方法

專利名稱：供電裝置及電力變換裝置的同步運轉方法
技術領域：
本發明涉及一種單元化的供電裝置，包括燃氣渦輪發電機等的分 散型發電裝置；以及將通過上述發電裝置發電的電力變換為所需頻率 及電壓的交流電而供給負載的變換裝置等的電力變換裝置；尤其涉及 一種用于將多臺供電裝置并聯連接并通過并聯運轉向從商用電源系統 分離的負載供電的供電系統中的供電裝置。
此外，本發明涉及一種在將多臺變換裝置(電力變換裝置)并聯 連接，并通過并聯運轉向從商用電源系統分離的負載供給三相交流電 時，在各變換裝置間取得輸出電壓的同步的方法。
背景技術：
在將多臺包括電壓控制型變換裝置的供電裝置并聯連接而將發電 電力提供給負載的供電系統中，即使變換裝置輸出相同的電壓，但由 于傳感器、濾波電路的構成部件等的誤差，實際輸出的電壓很難輸出 完全一致的電壓。因此，通常有以下提案在并聯連接多臺包括電壓 控制型變換裝置的供電裝置并將發電電力供給從商用電源系統分離的 負載的供電系統中，為了均等地保持多臺供電裝置的負載分擔率，在 變換裝置間共有彼此的信息(電流、功率等)，并控制輸出電壓，均等 地保持負載的分擔率，有效地使用變換裝置的能力。
但是，在上述的負載分擔方法中，需要用于共有多臺供電裝置間 的信息的專用硬件等，所以在成本和可靠性的方面存在問題。此外， 為了控制電力而共有的信息，只是關于變換裝置的信息，在發電裝置 (燃氣渦輪發電機、燃料電池等)和變換裝置等的電力變換裝置被組 合起來使用的單元化的供電裝置的情況下，在變換裝置成為過載之前， 發電裝置成為過載，并且發電裝置會停止，因此存在產生即使變換裝 置的能力有富余，發電裝置也會停止的現像等的問題。
在并聯連接多臺包括電壓控制型變換裝置而向負載供給發電電力 的供電系統中，向從商用電源系統分離的負載供電的情況下，存在以 下這樣的變換裝置間的同步方法。
第1，使一臺變換裝置成為母機，將與母機的電壓輸出同步的特 別的基準信號向其他的變換裝置輸出。其他的(母機之外的)變換裝 置形成與該基準信號同步的輸出電壓，從而取得變換裝置輸出電壓的 同步。
第2，外部控制器將相位同步用的基準信號向多臺變換裝置發送， 并且，各變換裝置基于該基準信號形成輸出電壓，由此取得輸出電壓 的同步。
第3，多臺中的一臺變換裝置，以獨立(電壓控制)模式啟動并 確立電壓之后，其他的變換裝置以連接(電流控制)模式啟動，進行 與電壓相位同步的并聯運轉，從而取得輸出電壓的同步。
在上述的現有技術中提出了以下方案如第1和第2方法那樣，
所有的變換裝置以電壓控制模式動作的方法；以及如第3方法那樣，
成為基準的變換裝置以電壓控制模式進行同步運轉、其他的變換裝置 以電流控制模式進行同步運轉的方法。但是，在上述現有技術中，存
在以下課題。如上述第1和第2方法，在所有的變換裝置以電壓控制
模式動作的方法中，使各變換裝置間的輸出同步而需要同步信號，所 以在輸出同步信號的變換裝置或外部的控制器發生了故障的情況下， 無法繼續運轉。此外，由于輸出線之外還需要用于傳遞同步信號的信 號線，所以系統變得復雜。
此外，成為基準的變換裝置以電壓控制模式進行運轉、其他的變
換裝置以電流控制模式進行運轉的第3個方法中，由于不使用同步信
號，所以不需要同步信號的信號線，可以改善所謂的系統變復雜的問 題。但是，由于成為基準的變換裝置需要以電壓控制模式進行運轉、 其他的變換裝置以電流控制模式進行運轉，所以在成為基準的電壓控 制模式下進行運轉的變換裝置中產生異常時，很難繼續運轉，此外， 還存在電流控制模式下的變換裝置無法應對急劇的負載變動等的問 題。

發明內容
本發明是鑒于上述情況而做出的，其第1個目的在于，提供一種 可適用于使多臺由發電裝置和電力變換裝置構成的單元化的供電裝置 并聯運轉的供電系統中的供電裝置。更詳細地說，第1目的在于，提 供一種供電裝置，不設置用于進行各供電裝置間的負載分擔的專用的 硬件，而且，在超過發電裝置的能力的情況下可以將負載分擔自動地 限制在該發電裝置的發電能力范圍內。
此外，本發明的第2目的在于，提供一種變換裝置的同步運轉方 法，不使用同步信號，就可以使并聯運轉的所有變換裝置(電力變換 裝置)通過電壓控制模式的運轉同步。
為解決上述問題，本發明的一個方式的供電裝置，其特征在于， 具有發電裝置；電力變換裝置，將該發電裝置的發電電力變換為所 需的頻率及電壓的交流電；及上述電力變換裝置的控制器；上述控制 器具有決定與上述電力變換裝置的輸出電流對應的輸出電壓的輸出電 壓-輸出電流特性的控制部；在超過上述發電裝置的發電能力的第1輸 出電流、和超過上述電力變換裝置的變換能力的第2輸出電流之間， 使上述輸出電壓-輸出電流特性具有限制上述發電裝置的輸出功率的 第1下降特性。
根據上述本發明，即使在構成供電系統的多臺供電裝置間不進行 通過專用硬件實現的信息的共有，電力變換裝置的控制器通過具有對 與輸出電流相對應的輸出電壓下達指令的輸出電壓池流特性控制部， 可以使各供電裝置間的負載分擔大致均等，或者，可以積極地限制負 載。即，在電力變換裝置的輸出達到了發電裝置的輸出能力的極限的 情況下，為了不再對發電裝置施加負載，使其具有在電力恒定(使發 電電力不超過極限值)且使輸出電壓下降的特性，從而在發電裝置成 為過載之前限制該供電裝置的負載，并可以向其他的供電裝置分散負 載。因此，可以將該供電裝置的運轉自動地限制在其發電能力的范圍 內，可以繼續運轉，可以確保作為供電系統整體的可靠性，在成本方 面也有效。
本發明的其他方式變換裝置的同步運轉方法，其特征在于，該變換裝置是在并聯連接多臺變換裝置(電力變換裝置)而向負載供給三 相交流電的系統中的變換裝置，其特征在于，對并聯連接上述變換裝 置的電源系統的三相電壓進行檢測；基于上述變換裝置內部的相位 e'，將上述三相電壓變換為dq坐標，并檢測d軸成分Vd';進行 PI控制使上述d軸成分Vd'成為0，輸出內部相位的校正量Af，將該 校正量Af加在變換裝置的輸出基準頻率，上，并且，將規定的波動頻
率加在校正量Af上，使相位e'與上述系統的電壓相位e—致；上述 變換裝置基于上述相位e'形成正弦波交流電壓，與上述電源系統的
交流電壓取得同步。
根據本發明，使變換裝置內部的相位e'與電源系統的電壓相位e 一致，從而變換裝置的輸出電壓和電源系統的交流電壓可以取得同步。 因此，在各變化裝置間，不使用用于對齊輸出電壓的相位的同步信號， 就可以使所有的變換裝置以電壓控制模式進行輸出。因此，在各供電 裝置間，不設置用于取得輸出電壓的同步的特別的信號線，僅通過連 接變換裝置的輸出端，就可以進行能夠充分地對應于負載變動的并聯 運轉。


圖i是表示本發明的一個實施方式的供電裝置的框圖。 圖2是表示將多臺上述供電裝置并聯連接并進行并聯運轉的供電 系統的框圖。
圖3是表示本發明的一個實施方式的輸出電壓-輸出電流特性的圖表。
圖4是表示輸出電壓-輸出電流特性的其他的例子的圖表。
圖5是表示本發明的第1實施例的輸出電壓-輸出電流特性的圖表。
圖6是表示本發明的第2實施例的輸出電壓-輸出電流特性的圖表。
圖7是表示本發明的其他實施方式的供電裝置的框圖。
圖8是表示將多臺上述供電裝置并聯連接并進行并聯運轉的供電
系統的框圖。
圖9是表示本發明的相位控制部的構成例的框圖。
圖10是表示dq坐標變換的圖。
圖IIA是表示圖9的變形例的相位控制部的構成例的框圖，圖11B 是表示圖11A的進一步的變形例的框圖。
圖12是表示本發明的變換裝置的動作例的流程圖，表示前半部分。
圖13是表示本發明的變換裝置的動作例的流程圖，表示后半部分。
圖14是表示本發明的變換裝置的動作例的各部分的波形圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖對本發明的實施方式進行說明。另外，在各圖中， 對具有相同作用或功能的部件或要素，賦予相同的符號并省略重復的 說明。
圖1表示本發明的一個實施方式的供電裝置。發電裝置11例如為 燃氣渦輪發電機等的分散型的發電裝置。發電裝置11的交流發電輸出， 通過全波整流電路等的整流器12進行整流，貯存在電容器(直流電源) 13中的直流電通過變換器15變換為規定的頻率及電壓的交流電，通 過濾波電路16除去高頻成分，并供給與輸出側相連接的負載。另外， 作為發電裝置11可以使用太陽能電池和燃料電池等的分散型的發電裝 置。
變換器15構成由直流電源13的直流電生成具有指令值的頻率及 電壓的交流電的電壓控制型的變換裝置，根據脈沖寬度調制信號進行 通/斷控制功率開關元件，由此將直流電變換為交流電。因此，變換裝 置(電力變換裝置)除了變換器15等之外，還具有檢測輸出電壓的
電壓檢測器18;檢測輸出電流的電流檢測器19;檢測輸出功率的功率
檢測器20;基于頻率及電壓的指令值和由上述檢測器18、 19、 20檢
測出的反饋值來運算電壓指令值的電壓指令運算部21;電壓控制部
22;以及形成對變換器15的功率開關元件進行通斷控制的脈沖寬度調
制信號的脈沖寬度調制器23等各種傳感器及控制裝置。
供電裝置IO是發電裝置11和將該發電裝置11的發電電力變換為 所需的頻率及電壓的交流電的變換裝置等的電力變換裝置被單元化的
裝置。例如，具有100kW發電能力的發電裝置和將該發電電力變換為
商用電源系統的頻率及電壓的交流電的電壓控制型變換裝置等的電力 變換裝置被單元化，收納在一個殼體(機殼)內的裝置。因此，用戶 具有一臺供電裝置10，從而可以對可連接于商用電源系統的負載輸出
最大到100kW的頻率及電壓與商用電源系統相同的交流電。
但是，供電裝置的用戶的需求電力多種多樣，因此，如圖2所示， 并聯連接多臺供電裝置10并進行并聯運轉。例如，通過并聯運轉N 臺同一規格的供電裝置10，可以向負載30供給相當于1臺輸出的N 倍的電力。
并聯連接多臺單元化的供電裝置10，并進行并聯運轉時，為了自 動地進行各供電裝置10的負載分擔，變換裝置的控制器25具備決定 與變換裝置的輸出電流相對應的輸出電壓的、具有輸出電壓-輸出電流 控制特性的控制部24。由該控制部24決定的輸出電壓作為指令值被 傳送到電壓指令運算部21。由于多臺供電裝置10的輸出端是并聯連 接的，所以通過在各供電裝置10中具有對同樣的輸出電流下達同樣的 輸出電壓的指令的控制部24，可以大致均等地進行各供電裝置間的負 載分擔。此外，通過在輸出電流中相對于相同的輸出電壓設置差，可 以積極地使負載分擔具有差。由此，在構成供電系統的多臺供電裝置 之間，即使沒有由專用的硬件進行的信息的共有，也可以自動使各供 電裝置之間的負載分擔大致均等，或者，可以積極地使負載分擔具有 差。
但是，在電壓控制型變換裝置中， 一般地，在由輸出電壓/電流特 性控制部決定輸出電壓指令值時，只考慮變換裝置的輸出電流或輸出 功率是否在其額定容量的范圍內的狀態來決定輸出電壓。
在將具有這種輸出電壓/電流特性控制部的變換裝置與發電裝置 組合作為供電裝置的情況下，當發電裝置的發電能力>變換裝置的輸 出能力時，若在變換裝置的輸出能力范圍內運轉，則不會產生問題。
但是，由于運轉環境，發電裝置的發電能力變得比變換裝置的輸出能 力低時，即，當發電裝置的發電能力<變換裝置的輸出能力時，存在 以下問題在成為變換裝置的輸出能力(通常為額定容量)之前，發 電裝置成為過載，安全裝置工作，會使供電裝置整體停止。
為了解決這樣的問題，在本發明的供電裝置中，使變換裝置(電 力變換裝置)的控制器25的輸出電壓/電流特性控制部24中具有如圖 3所示的輸出電壓-輸出電流的控制特性。即，在超過發電裝置11的發
電能力的輸出電流A (第1輸出電流)和超過變換裝置的變換能力的 輸出電流B (第2輸出電流)之間(區間2)，使輸出電壓-輸出電流特 性具有第1下降特性，并且在輸出電流A以下(區間1)，使輸出電壓 -輸出電流特性具有第2下降特性，在輸出電流B以上(區間3)，使 輸出電壓-輸出電流特性具有第3下降特性。
下降特性(輸出電壓-輸出電流特性)是如下地實現在控制部24 的存儲器中預先設置變換裝置的輸出電流和與其對應的變換裝置的輸 出電壓的表或函數，檢測變換裝置的輸出電流，用控制部24的CPU 參照表或函數來決定輸出電壓指令值。
因此，在圖3的區間1中，到超過發電裝置11的發電能力的輸出 電流A為止，具有當輸出電流增大時使輸出電壓從V0漸漸(緩慢地) 下降(降低)到VI的第2下降特性。另外，圖4是表示圖3的變形 例，在區間1中，到超過發電裝置11的發電能力的輸出電流A為止， 不管輸出電流而使輸出電壓恒定(V0)的特性。
當變換裝置的輸出電流達到了輸出電流A以上時，使區間2具有 發電電力恒定且使輸出電壓下降的第1下降特性，以便不對發電裝置 ll施加極限以上的負載。即，將發電裝置ll的輸出功率限制為恒定。 并且，當輸出電流進一步增大，并達到超過變換裝置的變換能力的輸 出電流B以上時，使區間3具有輸出電壓相對于輸出電流的增加而急 劇下降(降低)的第3下降特性，以便不對電力變換裝置施加極限以 上的負載。
在圖3和圖4的區間2中，在發電電力恒定的下降特性中，變換 裝置的輸出電流和輸出電壓的積為規定值以下，在運轉該供電裝置的
情況下，當輸出電流增加時，輸出電壓減少，從而限制發電裝置ll的 發電輸出。在將多臺供電裝置并聯連接的情況下，輸出電壓成為公共 電壓，輸出電流由各自的輸出電壓-輸出電流特性決定，因此，在該第 l下降特性的區間內，供電裝置以發電裝置11的極限輸出運轉，其極 限輸出以上的負載由其他的供電裝置提供。由此，在并聯運轉的多臺 供電裝置之間不設置共有用于分散負載的信息的專用硬件，可以在發 電裝置11成為過載之前將負載分散給其他的供電裝置，所以可以使供 電裝置的運轉穩定繼續，并且在成本和可靠性方面具有很大的優點。
例如，在發電裝置ll為燃氣渦輪發電機的情況下， 一般地，燃氣 渦輪發電機的發電能力極限值易受排氣溫度(EGT)或入口空氣溫度 的影響，根據這些溫度來決定發電能力極限值。在燃氣渦輪發電機的 控制器中，根據排氣溫度或入口空氣溫度，決定在燃氣渦輪發電機可 以安全運轉的范圍內可輸出的功率值，并將該值傳遞給控制變換裝置
的控制器25。控制器25的輸出電壓/電流特性控制部24作為上述區間 2的下降特性，基于該被傳遞的發電能力極限功率值進行控制。因此， 該供電裝置具有檢測發電裝置ll的發電能力的部件和基于檢測出的發 電能力設定區間2的下降特性的部件。
如上所述，下降特性的控制如下根據由電流檢測部19檢測出的 輸出電流，參照作為表或函數的輸出電壓-輸出電流特性來輸出電壓指 令值，并根據該電壓指令值來控制變換裝置。因此，基于檢測出的發 電能力來設定區間2的下降特性的方式，可以根據發電裝置11的發電 能力極限的輸出電流A和變換裝置的可輸出電流(額定電流)B來設 定區間2的范圍，并可以根據發電裝置11的發電能力極限的輸出功率 來設定輸出電壓-輸出電流特性的斜率。
在圖3和圖4的區間3中，在超過電力變換裝置(變換裝置)的 變換能力的輸出電流以上，具有輸出電壓相對于輸出電流的增加而急 劇下降的下降特性，因此供電裝置以電力變換裝置的極限輸出進行運 轉，對該極限輸出以上的負載從其他的供電裝置被供電。
接著，參照圖5對本發明的第1實施例進行說明。在該實施例中， 是將圖3所示的區間1中具有下降特性的2臺供電裝置并聯運轉的情
況。當發電裝置的發電能力有富余時，大致均等地保持并聯運轉時的 供電裝置的負載分擔率，當發電裝置的發電能力達到了極限時，為了 限制輸出功率而不成為過載，被控制成使其他的供電裝置的分擔率增 加。
供電裝置l在無負載時(輸出電流為0)輸出規定的電壓(例如，
額定電壓)V0。同樣，供電裝置2也在無負載時輸出規定的電壓V0， 但由于傳感器、濾波電路的構成部件等的誤差，從供電裝置2實際輸 出的電壓成為VO'，成為與VO稍有(例如，為額定電壓的0.5%左右) 不同的電壓。
供電裝置1在到成為發電裝置11的發電能力的極限的輸出電流A 為止的區間1中具有緩和的下降特性；在從輸出電流A到成為變換裝 置的輸出能力極限的輸出電流B為止的區間2內，具有發電裝置11 的發電電力恒定的下降特性；在輸出電流B以上的區間3內，具有急 劇下降特性。供電裝置2在到成為發電裝置11的發電能力的極限的輸 出電流C為止的區間1內，具有緩慢的下降特性；在從輸出電流C到 成為變換裝置的輸出極限的輸出電流B為止的區間2內，具有發電裝 置11的發電電力恒定的下降特性；在輸出電流B以上的區間3內，具 有急劇下降特性。通過區間2的下降特性，如上所述，被控制為使輸 出功率成為規定值以下，所以能夠將供電裝置的輸出功率抑制在發電 裝置11的發電能力的范圍內。
并聯運轉時的2臺供電裝置，在區間1內，當輸出電壓為V3時， 供電裝置1分擔輸出電流E，供電裝置2分擔輸出電流D。在此，供 電裝置1和供電裝置2的輸出電壓差(緩慢的區間1中的下降特性的 輸出電壓差)，在因傳感器、濾波電路的構成部件等產生的誤差程度的 電壓差的情況下，由于輸出電流E及輸出電流D為大致彼此相近的電 流值，所以可以大致均等地進行分擔。供電裝置1的輸出電流達到發 電裝置11的發電能力的極限(輸出電流A)時，輸出電壓-輸出電流 特性進入區間2的下降特性并控制成將輸出功率限制在發電能力的極 限能力而不會成為過載，并使供電裝置2的分擔率增加。當供電裝置 2的輸出電流達到了發電裝置11的發電能力的極限(輸出電流C)時'，
輸出電壓-輸出電流特性進入區間2的下降特性并控制成將輸出功率限 制在發電能力的極限能力使得不會成為過載。并且，要求超過變換裝 置的輸出能力(額定電流)B的負載電流時，輸出電壓-輸出電流特性 進入區間3的下降特性，并被控制為輸出電壓急劇下降而變換裝置不 會成為過載，進一步，若存在并聯運轉的其他的供電裝置，則從該裝 置向負載供電。
另外，在上述實施例中，對于當發電裝置11的發電能力有富余時， 大致均等地保持多臺供電裝置的負載分擔率，當達到了發電裝置11的 發電能力的極限時進行工作以限制輸出功率不會成為過載并且增加其 他的供電裝置的分擔率的例子進行了說明，但是，在想要在多臺供電 裝置之間使負載的分擔率積極地變化的情況下(例如，通過2臺運轉 優先從一個供電裝置向負載供電的情況)，通過預先賦予輸出電壓-輸 出電流特性規定的差，可以優選從輸出電壓高的一方向負載供電。此 外，當達到了發電裝置ll的發電能力的極限時，由于使功率恒定(以 便不超過極限功率值)地使輸出電壓下降，所以不停止供電裝置，就 可以促使從其他的供電裝置向負載提供電力。
接著，參照圖6對本發明的第2實施例進行說明。供電裝置1在 到成為發電裝置11的發電能力的極限的輸出電流A為止的區間1中， 具有輸出電壓恒定的下降特性；在到成為變換裝置的輸出的極限的輸 出電流B為止的區間2中具有限制發電電力的下降特性；在成為變換 裝置的輸出極限的輸出電流B以上的區間3中，具有輸出電壓急劇下 降的下降特性。供電裝置2在到成為發電裝置11的發電能力的極限的 輸出電流C為止的區間1中，具有輸出電壓恒定的特性；在到成為變 換裝置的輸出極限的輸出電流B為止的區間2內，具有發電電力恒定 的下降特性；在成為變換裝置的輸出極限的輸出電流B以上的區間3 內，具有輸出電壓急劇下降的下降特性。根據區間2的下降特性，如 上所述，輸出功率被控制為規定值以下。
在輸出電流到由發電裝置ll的發電能力的極限所決定的輸出電流 A為止的區間1中，使供電裝置1及供電裝置2的輸出電壓(指令值) 恒定地設為相同的V0 (實際輸出的電壓，因傳感器、濾波電路的構成
部件等的誤差而不同的電壓)，并進行控制，以使并聯運轉的多臺供電 裝置的負載分擔率大致均等。在上述區間1中，輸出電壓(指令值) 為恒定輸出，但是由濾波器16產生電壓降，可以增大輸出電流，降低 輸出端的電壓，并且，使負載的分擔率大致均等，該濾波器16由在變 換器15自身的輸出和作為供電裝置整體的輸出端之間連接的線圈L和
電容器c構成。
此外，輸出電流在到由發電裝置11的發電能力的極限所決定的輸
出電流A為止的區間1內，使供電裝置1及供電裝置2的輸出電壓(指 令值)具有差，將V0及V1設為輸出電壓(指令值)時，可以優先地 從輸出電壓(指令值)高的供電裝置向負載供電。
進一步，負載電流增加，若輸出功率超過發電裝置11的發電能力 的極限(輸出電流A)，至達到變換裝置的輸出能力的極限(輸出電流 B)為止的區間，進行恒定電力控制(發電電力恒定)，以使發電裝置 11不會成為過載，使輸出電壓降低，并促使來自其他供電裝置的輸出。 進一步，增加負載電流，若輸出電流超過變換裝置的輸出能力(輸出 電流B)，則使輸出電壓急劇降低(區間3)，變換裝置不會成為過載并 且促使來自其他的供電裝置的輸出，這與上述第1實施例相同。
另外，在上述實施方式中，發電裝置11的控制器決定發電裝置11 的發電能力極限的輸出功率值，但是，當然也可以是電力變換裝置(變 換裝置)的控制器25接收排氣溫度或入口空氣溫度的信息，基于該值 運算極限發電功率值而用于控制。進一步，對燃氣渦輪發電機的例子 進行了說明，但是在燃氣發動機、燃料電池、水車和太陽能電池等的 分散型發電裝置中，由發電裝置根據運轉環境來決定發電能力極限值， 并傳遞給電力變換裝置的控制器，并設定區間2的下降特性，從而可 以同樣地利用。
接著，對本發明的其他的實施方式進行說明。圖7表示本發明的 其他的實施方式的供電裝置。發電裝置41為例如燃氣渦輪發電機等的 分散型發電裝置。發電裝置41的交流發電輸出，通過全波整流電路等 的整流器42進行整流，并通過變換器45將存儲在電容器(直流電源) 43的直流電變換為所需的頻率及電壓的交流電，通過濾波電路46除
去高頻成分，并提供給與輸出側連接的負載。另外，作為發電裝置41 可以使用太陽能電池、燃料電池等的分散型的發電裝置。
變換器45構成由直流電源43的直流電生成具有指令值的頻率及
電壓的交流電的電壓控制型的變換裝置，并根據脈沖寬度調制信號對 功率開關元件進行通斷控制，將直流電變換為交流電。作為變換裝置
(電力變換裝置)整體，具有檢測變換器45的輸出電壓的電壓檢測
器48a;檢測連接有負載的電源系統59的電壓的電壓檢測器48b;檢 測變換器45的輸出電流的電流檢測器49;檢測輸出功率的功率檢測 器50;根據變換器45的輸出電流等運算電壓指令值的電壓指令運算 部51;控制變換器45的輸出電壓的電壓控制部52;控制變換器45的 輸出相位的相位控制部53;以及對變換器45的功率開關元件進行通 斷控制而形成脈沖寬度調制信號的脈沖寬度調制器24等的各種傳感 器及控制裝置，。
供電裝置40是發電裝置40和將該發電裝置41的發電電力變換為 所需的頻率及電壓的交流電的變換裝置(電力變換裝置)被單元化的 裝置。例如，具有100kW發電能力的發電裝置和將該發電電力變換為 商用電源系統的頻率及電壓的交流電的電壓控制型變換裝置被單元 化，并收納于一個殼體(機殼)內而成的裝置。因此，用戶通過具有 1臺供電裝置40，對于可連接在商用電源系統的負載能夠輸出最大至 100kW的與商用電源系統相同頻率及電壓的交流電。
但是，供電裝置40所要求的需要電力多種多樣，因此，如圖8所 示，并聯連接多臺供電裝置40并進行并聯運轉。例如，通過使同一規 格的N臺供電裝置40并聯運轉，可以向負載提供相當于每1臺的輸 出的N倍的電力。
并聯連接多臺單元化的供電裝置40進行并聯運轉時，需要取得各 供電裝置40的變換裝置的輸出的同步。因此，該供電裝置40具有檢 測電源系統的電壓的電壓檢測器48b和相位控制部53，通過該相位控 制部53，使變換裝置的輸出電壓波形(正弦波波形)的相位和電源系 統59的電壓波形的相位一致，g口，可取得同步。由此，在各變換裝置 間不使用對齊輸出電壓的相位的同步信號，就可以使所有的變換裝置以電壓控制模式進行輸出，因此，不用為了取得輸出電壓的同步而用 特別的信號線連接各變換裝置，僅通過將變換裝置的輸出端與電源系 統59連接，就可以進行能夠應對于負載變動的并聯運轉。
如圖9所示，相位控制部53具有dq變換部61，將由電壓檢測 器48b檢測出的三相電壓，基于變換裝置內部的相位e'變換為dq坐 標成分；以及相位調整部62，通過反饋控制對變換裝置的內部的相位 0'進行調整，以使由dq變換部61變換的d軸成分Vd'成為0。相位 調整部62包括PI運算部63，將d軸成分Vd'設為誤差相位差e ，并 對相位e'進行調整使其成為O。
通過將電源系統59的三相電壓變換為以變換裝置內部的角頻率 旋轉的dq坐標成分，如圖10所示，若變換裝置的內部相位e' (d' 一q'軸)和電源系統59的三相電壓的相位e (d — q軸)完全一致， 則電源系統59的三相電壓Vsys僅為q軸成分，因此，由dq變換所得 到的d軸成分Vd'成為0。此外，在存在相位差的情況下，作為運算 結果得到對應于相位差的大小的d軸成分Vd'。
艮口，電源系統59的三相交流電壓Vu、 Vv、 Vw與由dq變換得出 的d軸成分Vd和q軸成分Vq的相位9的關系，如下式所示
進行PI控制以使由該dq變換運算所得出的d軸成分Vd'(相位 差信息)成為0，從而得到內部相位的校正量Af。通過將該Af相加在 變換裝置的輸出基準頻率(例如，50或60Hz)上，進行內部相位9' 的修正。進行該修正，并且，d軸成分Vd'成為0，是指變換裝置的
內部相位e'與電源系統59的電壓的相位e—致。通過該PI控制，可
以進行相位控制，以使變換裝置的內部相位e'與電源系統59的電壓 相位e--致。
如圖9所示，相位調整部62具有PI運算部63，將d軸成分Vd' 設為誤差相位差e ，輸出頻率校正量Af使該誤差相位差e成為0;限
(式1)
<formula>formula see original document page 17</formula>
制器64，限制PI運算部63的輸出；加法運算器65，將限制器64的 輸出與變換裝置的輸出基準頻率(例如，50或60Hz)，相加；以及積 分器66，對輸出基準頻率P和頻率校正量Af的加法運算量進行積分 而輸出相位e'。相位e'被反饋至dq變換部61，并根據式l進行基 于該相位e'將系統三相電壓變換為dq坐標成分的運算。通過該反饋
循環的重復運算，使變換裝置的內部相位e'和系統電壓(電源系統 59的電壓)的相位e—致，從而使變換裝置的輸出電壓與系統電壓同
從積分運算器66輸出的相位0'通過e/sine變換器67變換為正弦 波，通過合成器68與從電壓控制部52輸出的電壓信號進行合成，作 為正弦波形的輸出電壓指令值，被提供給脈沖寬度調制器54，并通過 變換裝置形成輸出電壓波形。
但是，在如圖9所示的相位控制部53中，在第一臺供電裝置啟動 并輸出功率的狀態下，當輸出頻率達到限制器64的上限值或下限值
(在控制方面發散)的情況下，第二臺供電裝置的內部相位e'的校
正受到限制器64的影響而不進行，并且不能取得電壓相位的同步。
為了改善上述問題，如圖11所示，對相位調整部62進行了變更。 在該相位調整部62中，只要誤差d軸成分Vd'成為0，則P運算器 (比例控制器)63b輸出0以外的值，因此，相位校正結果中殘留有 波動，可以改善限制器64對校正造成的影響(不進行校正的現象)。 但是，當P (比例)運算器63b的增益取得過大時，由于始終殘留的 波動的影響，輸出頻率可能會不穩定，因此P (比例)運算器63b的 增益需要設為不對輸出造成影響的程度的較小值。
此外，如圖11B所示，通過干擾發生器63c產生對變換裝置的輸 出不造成影響的程度的規定的干擾，并通過將該干擾加在限制器64的 輸出上，對相位校正結果強制地給予波動，也能夠改善限制器64對校 正造成的影響(不能進行校正的現象)。此外，通過使給予干擾的周期 隨機，可以防止因在多臺變換裝置間的波動的周期一致而產生的控制 上的發散現象。
接著，圖12及圖13表示本發明的變換裝置的動作例。上述的說
明是使變換裝置的內部相位與系統電壓的相位同步的方法，但在多臺 供電裝置的并聯運轉中，最初開始進行電力輸出的供電裝置不能檢測 出系統電壓，因此不能利用上述方法啟動。這時，首先，對變換裝置 的內部相位電路設定基準頻率(50或60Hz)，不進行校正量Af的運 算(將Af設為O)而輸出基準頻率的電壓。并聯運轉的其他的供電裝 置在檢測出系統電壓后，進行上述的相位同步控制(通過Af的校正)，
一邊進行內部相位電路的校正處理， 一邊使電力輸出繼續。 最初的變換裝置啟動后，第二臺之后的變換裝置開始運轉時，通
過上述的相位同步方法，進行變換裝置的內部相位和電源系統59的檢
測電壓相位的同步處理，在確立同步之后，開始并聯運轉。例如，到
變換裝置的內部相位和電源系統59的檢測電壓相位的差成為士5。以 下為止不進行并聯運轉，若成為此以下就設為確立了同步，接通開關 (Kl)并開始并聯運轉。
如上述那樣進行啟動之后，多臺變換裝置處在并聯運轉中，當1 臺變換裝置停止電力輸出時，不進行在變換裝置間的控制，因此僅停 止想要停止的1臺變換裝置的電力輸出即可。停止的變換裝置以外的 變換裝置可以仍維持同步并繼續運轉。
通過上述那樣構成，在并聯運轉的多臺變換裝置間不共有信息， 就能夠取得變換裝置的輸出電壓相位的同步。例如，使用微型計算機， 在進行上述同步控制的情況下，可以用圖14所示的方法進行。最初啟 動的變換裝置單獨輸出基準頻率的輸出電壓的情況下，對管理變換裝 置的內部相位的定時器1設定基準頻率1周期的時間，對定時器2設 定基準頻率1周期的1/360的時間。每到該定時器2的時間，變換裝 置將變換裝置的輸出SIN表(存儲一個周期量的輸出數據，在該例子 中，數據個數為360個)參照用的指針增加一，進行如圖14 (d)所 示的正弦波的輸出。
當使第二臺之后的變換裝置的內部相位與由已經啟動的變換裝置 確立的系統電壓的相位同步時，首先，作為定時器2的初始值，設定 基準頻率的1/360的時間T2。然后，在每個規定時間，根據由定時器 2管理的內部相位(指針值)對由電壓檢測器檢測出的三相系統電壓
(圖14 (a))的值進行dq變換，求出d軸成分Vd'。在圖14的例子 中，dq變換運算的間隔為lmsec。為了使通過dq變換運算算出的d軸 成分Vd'成為0而進行PI運算，并輸出修正量Af。將該修正量Af 與對圖14 (c)所示的定時器2設定的值相加(或者相減)，來修正對 定時器2所設定的基準頻率的1/360的時間(設定T2')。通過重復該 修正，可以進行電源系統的電壓相位和變換裝置的內部相位的同步。
根據如上所述的本發明，當將多臺變換裝置并聯連接時，不需要 用取得變換裝置的輸出電壓相位的同步用的特別的信號線(同步線) 連接變換裝置彼此。即，僅通過將變換裝置的輸出端子彼此并聯連接， 就可以使變換裝置的輸出電壓相位同步。因此，可以減少布線量，并 可以防止因同步線的斷線或母機的故障所引起的所謂系統停止問題。 此外，由于利用系統電壓取得以電壓控制模式運轉的變換裝置的同步， 所以不僅可以在不同機種、不同形式的變換裝置之間容易地進行并列 同步運轉，還可以在系統電壓的頻率與限制器的限制值一致的情況下 取得同步。
進一歩，由于dq變換部61和相位調整部62可以容易地由微處理 器構成，所以在硬件方面可以利用現有的微處理器和電壓檢測器等， 而不需要新穎的硬件，可以做成低成本的系統。
另外，在上述實施方式中，對多臺供電裝置并聯運轉的例子進行 了說明，該供電裝置將分散型發電裝置和變換裝置等的電力變換裝置 進行單元化而成，例如在使用共同的直流電源，使多臺變換裝置并聯 運轉時，同樣可以利用上述方法。
這里，到此為止對本發明的一個實施方式進行了說明，但是本發
明不限定于上述的實施方式，在其技術思想的范圍內可以通過各種不 同的方式進行實施。
權利要求
1、一種供電裝置，其特征在于，具有發電裝置；電力變換裝置，將該發電裝置的發電電力變換為所需的頻率及電壓的交流電；及上述電力變換裝置的控制器；上述控制器具有決定與上述電力變換裝置的輸出電流對應的輸出電壓的輸出電壓-輸出電流特性的控制部；在超過上述發電裝置的發電能力的第1輸出電流、和超過上述電力變換裝置的變換能力的第2輸出電流之間，使上述輸出電壓-輸出電流特性具有限制上述發電裝置的輸出功率的第1下降特性。
2、 如權利要求l所述的供電裝置，其特征在于，具有 檢測上述發電裝置的發電能力的單元；以及基于檢測出的發電能力來設定對上述發電裝置的輸出功率進行限 制的上述第1下降特性的單元。
3、 如權利要求1所述的供電裝置，其特征在于， 上述發電裝置為燃氣渦輪發電機，具有檢測該燃氣渦輪發電機的排氣溫度或入口空氣溫度并根據檢測出的溫度來設定對上述發電裝置 的輸出功率進行限制的第1下降特性的單元。
4、 如權利要求l所述的供電裝置，其特征在于， 在上述輸出電流為上述第1輸出電流以下時，使上述輸出電壓-輸出電流特性具有輸出電壓相對于輸出電流的增加而降低的、特性與上 述第1下降特性不同的第2下降特性；并且，在上述輸出電流為上述 第2輸出電流以上時，使上述輸出電壓-輸出電流特性具有輸出電壓相 對于輸出電流的增加而降低的、特性與上述第1及第2下降特性不同 的第3下降特性。
5、 如權利要求1所述的供電裝置，其特征在于， 在上述輸出電流為上述第1輸出電流以下時，使上述輸出電壓-輸出電流特性具有相對于輸出電流的增加而將輸出電壓限制為恒定的第 2下降特性；并且，在上述輸出電流為上述第2輸出電流以上時，使 上述輸出電壓-輸出電流特性具有輸出電壓相對于輸出電流的增加而 降低的、特性與上述第1下降特性不同的第3下降特性。
6、 一種電力變換裝置的同步運轉方法，該電力變換裝置是在并聯 連接多臺電力變換裝置而向負載供給三相交流電的系統中的電力變換 裝置，其特征在于，對并聯連接上述電力變換裝置的電源系統的三相電壓進行檢測；基于上述電力變換裝置內部的相位e'，將上述三相電壓變換為 dq坐標，并檢測d軸成分Vd';進行PI控制使上述d軸成分Vd'成為0，輸出內部相位的校正量 △ f，將該校正量Af加在電力變換裝置的輸出基準頻率P上，并且，將規定的波動頻率加在校正量Af上，使相位e'與上述電源系統的電 壓相位e—致；上述電力變換裝置基于上述相位e'形成正弦波交流電壓，與上述 電源系統的交流電壓取得同步。
7、 如權利要求6所述的電力變換裝置的同步運轉方法，其特征在于，上述規定的波動頻率為比例控制器的輸出值。
8、 如權利要求6所述的電力變換裝置的同步運轉方法，其特征在于，上述規定的波動頻率為干擾發生器的輸出頻率。
9、 一種電力變換裝置，用于并聯連接多臺電力變換裝置而向負載供給三相交流電的供電系統中，其特征在于，具有電壓檢測器，對并聯連接上述電力變換裝置的電源系統的三相電壓進行檢測；運算部，將由上述電壓檢測器檢測出的三相電壓，基于上述電力 變換裝置內部的相位e'變換為dq坐標，并檢測d軸成分Vd';PI運算部，將上述d軸成分Vd'設為誤差相位差"并輸出頻率 校正量Af以使該誤差相位差e成為0;限制器，限制該PI運算部的輸出；波動頻率發生器，產生規定的波動頻率；加法運算器，將上述限制器的輸出、上述電力變換裝置的輸出基 準頻率P、和上述波動頻率發生器的輸出相加；以及積分運算器，對上述加法運算器的輸出進行積分而輸出相位e'; 基于與上述系統的電壓相位e —致的相位e'，輸出與上述系統的 交流電壓同步的正弦波交流電壓。
10、 如權利要求9所述的電力變換裝置，其特征在于，上述波動頻率發生器為比例控制器。
11、 如權利要求9所述的電力變換裝置，其特征在于，上述波動頻率發生器為輸出上述規定的波動頻率的干擾發生器。
12、 一種電力變換裝置，用于并聯連接多臺電力變換裝置而向負載供給三相交流電的供電系統中，其特征在于，具有電壓檢測器，對并聯連接上述電力變換裝置的電源系統的三相電壓進行檢測；以及開關，將上述電力變換裝置與上述電源系統連接； 在上述電壓檢測器未檢測出上述電源系統的三相電壓時，接通上述開關，從上述電力變換裝置輸出基準頻率的交流電壓；在上述電壓檢測器檢測出上述電源系統的電壓時，進行相位調節，使上述電力變換裝置的電壓相位與上述電源系統的三相電壓的相位一致；在與上述電源系統的三相電壓的相位差成為規定值以內時，接通上述開關。
全文摘要
本發明提供一種供電裝置，具有發電裝置；電力變換裝置，將該發電裝置的發電電力變換為所需的頻率及電壓的交流電；以及上述電力變換裝置的控制器。上述控制器具有決定與上述電力變換裝置的輸出電流對應的輸出電壓的輸出電壓-輸出電流特性的控制部；在超過上述發電裝置的發電能力的第1輸出電流、和超過上述電力變換裝置的變換能力的第2輸出電流之間，使上述輸出電壓-輸出電流特性具有限制上述發電裝置的輸出功率的第1下降特性。
文檔編號H02M5/00GK101098079SQ20071010454
公開日2008年1月2日 申請日期2007年5月25日 優先權日2006年5月25日
發明者坂田滋, 塚越功, 小澤孝英, 政 戴, 片岡匡史 申請人:株式會社荏原制作所;株式會社荏原電產