(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
規準角周波数ωｃｏと、
検定対象単相交流電圧源の検定対象電圧波形を検出するサンプラーと、
前記サンプラーが検出した前記検定対象電圧波形から（ｍ−１）π／ωｃｏより大きくｍπ／ωｃｏより小さい（ｍは自然数）時間を遅らせた遅延電圧波形を作成する遅延回路と、
前記サンプラーが検出した前記検定対象電圧波形、前記遅延回路が作成した前記遅延電圧波形、及び与えられた検定元単相交流電圧源の検定元角周波数、から前記検定対象電圧波形の検定対象角周波数と前記検定元角周波数との差分を角周波数とする周波数差余弦信号及び周波数差正弦信号を計算する演算部と、
を備える同期検定装置。
【請求項２】
前記遅延回路は、前記遅延電圧波形を前記検定対象電圧波形から（ｍ−１／２）π／ωｃｏ時間遅らせることを特徴とする請求項１に記載の同期検定装置。
【請求項３】
前記演算部は、数１の演算を行うことを特徴とする請求項２に記載の同期検定装置。
【数１】
0005394945.tif 000031
また、ωは規準角周波数ωｃｏの７５％から１２５％の範囲にある。
【請求項４】
前記演算部が演算する前記周波数差余弦信号及び前記周波数差正弦信号の高周波成分を除去するローパスフィルタをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の同期検定装置。
【請求項５】
前記演算部が演算する前記周波数差余弦信号及び前記周波数差正弦信号から、前記検定対象電圧波形の電圧実効値、前記検定対象角周波数と前記検定元角周波数との周波数差、及び前記検定対象電圧波形と前記検定元単相交流電圧波形との位相差を検出する検出部をさらに備えることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の同期検定装置。
【請求項６】
前記検出部は、前記電圧実効値ＶＳ、前記周波数差ωＳ−ω、及び前記位相差φをそれぞれ数２、数３、及び数４で検出することを特徴とする請求項５に記載の同期検定装置。
【数２】
0005394945.tif 000032
ここで、Ｖｓは前記電圧実効値である。
【数３】
0005394945.tif 000033
ここで、ωｓは前記検定対象角周波数である。
【数４】
0005394945.tif 000034
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同期相手の単相交流電圧源の電圧振幅、自電源との周波数差及び自電源との位相差を検出する同期検定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２つの単相交流電圧源を同期させるためには、同期相手の単相交流電圧源の電圧振幅、自電源との周波数差及び自電源との位相差を検出する必要がある。これらを検出する図４の技術が知られている。
【０００３】
この技術は、それぞれの単相交流電圧源に対して、電圧を一定周期ごとにサンプリングし、その１サンプル当たりの変化分（微分値に相当）とその変化分の１サンプル当たりの変化分（２次微分に相当）を計算する。そして導かれた値から、電圧振幅、周波数、及び位相を求めた後、差分を計算している（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開昭５２−４０１７４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載される技術は、サンプル電圧値を微分するので、電圧波形に含まれる高調波成分による影響を受け易いという課題があった。さらに周波数の検出に交流値を分母とする割り算を用いているため、ゼロで割る場合に不安定になるという課題があった。
【０００６】
そこで、前記課題を解決するために、本発明は、高調波成分による影響を受け難く、不安定になり難い同期検定装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明に係る同期検定装置は、検定対象とする単相交流電圧源の電圧波形と同期検定装置の規準角周波数ωｃｏを利用して検定対象電圧波形を所定時間を遅らせた遅延電圧波形を作成し、サンプラーが検出した検定対象電圧波形と遅延電圧波形とから、周波数差余弦信号及び周波数差正弦信号を計算することとした。以下の説明において、検定対象単相交流電圧源の単相交流電圧波形を「検定対象電圧波形」、検定元となる単相交流電圧源の単相交流電圧波形を「検定元電圧波形」と記載する。
【０００８】
具体的には、本発明に係る同期検定装置は、規準角周波数ωｃｏと、検定対象単相交流電圧源の検定対象電圧波形を検出するサンプラーと、前記サンプラーが検出した前記検定対象電圧波形から（ｍ−１）π／ωｃｏより大きくｍπ／ωｃｏより小さい（ｍは自然数）時間を遅らせた遅延電圧波形を作成する遅延回路と、前記サンプラーが検出した前記検定対象電圧波形、前記遅延回路が作成した前記遅延電圧波形、及び与えられた検定元単相交流電圧源の検定元角周波数、から前記検定対象電圧波形の検定対象角周波数と前記検定元角周波数との差分を角周波数とする周波数差余弦信号及び周波数差正弦信号を計算する演算部と、を備える。なお、同期検定装置の規準角周波数ωｃｏは、検定元角周波数ωと等しくてもよい。
【０００９】
周波数差余弦信号は、位相差の余弦と検定対象電圧振幅との積であり、周波数差正弦信号は、位相差の正弦と検定対象電圧振幅との積である。この２値を利用して検定対象電圧波形の電圧振幅、検定元電圧波形との周波数差、及び検定元電圧波形との位相差を算出することができる。本発明に係る同期検定装置は、単相交流電圧を直接微分せず、かつ、検定対象電圧波形の実効値がゼロでない限り、ゼロで割ることがない。このため、本発明は、高調波成分による影響を受け難く、不安定になり難い同期検定装置を提供することができる。
【００１０】
本発明に係る同期検定装置の前記遅延回路は、前記遅延電圧波形を前記検定対象電圧波形から（ｍ−１／２）π／ωｃｏ時間遅らせることを特徴とする。
【００１１】
本発明に係る同期検定装置の前記演算部は、数１の演算を行うことを特徴とする。
【数１】
0005394945.tif 000002
【００１２】
本発明に係る同期検定装置は、前記演算部が計算する前記周波数差余弦信号及び前記周波数差正弦信号の高周波成分を除去するローパスフィルタをさらに備えることが好ましい。前記周波数差余弦信号及び前記周波数差正弦信号の高周波成分を除去することで、より安定して検定対象電圧波形の電圧振幅、検定元電圧波形との周波数差、及び検定元電圧波形との位相差を算出することができる。
【００１３】
本発明に係る同期検定装置は、前記演算部が演算する前記周波数差余弦信号及び前記周波数差正弦信号から、前記検定対象電圧波形の電圧実効値、前記検定対象角周波数と前記検定元角周波数との周波数差、及び前記検定対象電圧波形と前記検定元単相交流電圧源との位相差を検出する検出部をさらに備えることができる。検出部を備えることで検定対象電圧波形の電圧振幅、検定元電圧波形との周波数差、及び検定元電圧波形との位相差を出力することができる。
【００１４】
本発明に係る同期検定装置の前記検出部は、前記電圧実効値ＶＳ、前記周波数差ωＳ−ω、及び前記位相差φをそれぞれ数２、数３、及び数４で検出することができる。
【数２】
0005394945.tif 000003
ここで、Ｖｓは前記電圧実効値である。
【数３】
0005394945.tif 000004
ここで、ωｓは前記検定対象角周波数である。
【数４】
0005394945.tif 000005
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、高調波成分による影響を受け難く、不安定になり難い同期検定装置を提供することができる。また、本発明に係る同期検定装置は、検定対象電圧波形をサンプリングしているので、検定元単相交流電圧源がデジタル制御電源である場合には特に、適用が容易である。さらに、本発明に係る同期検定装置は、図４のように検定元電圧波形と検定対象電圧波形の双方に電圧実効値、周波数及び位相を検出する検出部を設ける必要が無く、実装が容易である。また、本発明に係る同期検定装置は、ローパスフィルタを備えることで高周波成分の影響を除去でき、動作を安定させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】検定元単相交流電圧源と検定対象交流電圧源との間で行う同期検定について説明する図である。
【図２】本発明に係る同期検定装置を説明する図である。
【図３】本発明に係る同期検定装置の動作をシミュレートした結果である。
【図４】従来の同期検定装置を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。
【００１８】
まず、同期検定の原理について説明する。図１は、検定元単相交流電圧源１１と検定対象交流電圧源１２との間で行う同期検定について説明する図である。検定元単相交流電圧源１１は、例えば、自律平行運転（ＡＰＲｕｎ）を行うインバータなど、同期検定装置を内蔵する単相交流電源である。検定対象単相交流電圧源１２は、例えば、並列相手の電力系統や外部交流電源である。検定元単相交流電圧源１１が無負荷独立運転を行っているとき、その出力端子電圧Ｖｆｉｌ（ｔ）は、次式で表せる。
【数５】
0005394945.tif 000006
ここで、Ｖｉは検定元単相交流電圧源１１の電圧の実効値である。
【００１９】
一方、検定対象の単相交流電圧源１２の電圧Ｖｓｙｓ（ｔ）は、次式で表すことができる。
【数６】
0005394945.tif 000007
ここで、Ｖｓは実効値［Ｖ］、ωｓは角周波数［ｒａｄ／ｓ］、φはインバータから見た外部交流電源のｔ＝０での位相角［ｒａｄ］である。
【００２０】
このＶｓｙｓ（ｔ）に対してπ／（２ωｃｏ）［ｓ］だけ遅れた波形Ｖ＃ｓｙｓ（ｔ）を考える。ここで、ωｃｏは同期検定装置の規準角周波数［ｒａｄ／ｓ］である。ωｃｏはωｓに一致するとは限らないため、Ｖ＃ｓｙｓ（ｔ）はＶｓｙｓ（ｔ）に対して正確にπ／２だけ遅れるとは限らない。
【数７】
0005394945.tif 000008
Ｖ＃ｓｙｓ（ｔ）は次のように変形される。
【数８】
0005394945.tif 000009
【００２１】
ここで、Ｖｓｙｓ（ｔ）及びＶ＃ｓｙｓ（ｔ）を検定元単相交流電圧源の位相角θｉ（＝ωt）を用いて、次のように回転座標変換する。この回転座標変換は、Ｖｓｙｓ（ｔ）をθｉの逆向きに回転させている。
【数９】
0005394945.tif 000010
数９で得られるＶ３（ｔ）及びＶ４（ｔ）をそれぞれ周波数差余弦信号及び周波数差正弦信号と呼ぶ。
【００２２】
まず、周波数差余弦信号Ｖ３（ｔ）を検討する。
【数１０】
0005394945.tif 000011
【００２３】
数１０の第２項は、次のように変形できる。
【数１１】
0005394945.tif 000012
数１１には、検定元単相交流電圧源の周波数と検定対象単相交流電圧源の周波数との和と差の周波数成分があり、その振幅は共に、
【数１２】
0005394945.tif 000013
である。この振幅は、検定対象単相交流電圧源の周波数が同期検定装置の規準周波数に近ければ小さい。例えば、前者が５１Ｈｚ、後者が５０Ｈｚならば数１２の値は０．０１５７Ｖｓ［Ｖ］である。
【００２４】
数１１の波形をローパスフィルタで、ほぼ２倍周波数である和の周波数成分を除去すると、
【数１３】
0005394945.tif 000014
となる。従って、Ｖ３（ｔ）の和周波数成分を除去した波形をＶＵ３（ｔ）とすると、
【数１４】
0005394945.tif 000015
となる。
【００２５】
数１４からＶＵ３（ｔ）は、振幅がＶｓ・ｃｏｓ（π（ωｃｏ−ωｓ）／（４ωｃｏ））、周波数が検定対象単相交流電圧源と同期検定装置規準周波数との差の周波数、初期位相（ｔ＝０での位相）がφ＋（π（ωｃｏ−ωｓ）／（４ωｃｏ））である余弦波となる。一例として、ωｃｏ＝１００π［ｒａｄ／ｓ］（５０Ｈｚ）、ωｓ＝１０２π［ｒａｄ／ｓ］（５１Ｈｚ）の場合、振幅は、０・９９９８８Ｖｓ［Ｖ］、周波数は１Ｈｚ、初期位相はφｓ＋０．９［ｄｅｇ］である。
【００２６】
ωｓがωｃｏに近いならば、ＶＵ３（ｔ）は次の値に略等しくなる。
【数１５】
0005394945.tif 000016
【００２７】
次に、周波数差正弦信号Ｖ４（ｔ）を検討する。
【数１６】
0005394945.tif 000017
【００２８】
数１６の第２項は、次のように変形できる。
【数１７】
0005394945.tif 000018
数１７には、検定元単相交流電圧源の周波数と検定対象単相交流電圧源の周波数との和と差の周波数成分があり、その振幅は共に、
【数１８】
0005394945.tif 000019
である。この振幅は数１２の周波数差余弦信号Ｖ３（ｔ）の振幅と等しくなる。
【００２９】
数１７の波形をローパスフィルタで、ほぼ２倍周波数である和の周波数成分を除去すると、
【数１９】
0005394945.tif 000020
となる。従って、Ｖ４（ｔ）の和周波数成分を除去した波形をＶＵ４（ｔ）とすると、
【数２０】
0005394945.tif 000021
となる。
【００３０】
数２０からＶＵ４（ｔ）はＶＵ３（ｔ）と同様に、振幅がＶｓ・ｃｏｓ（π（ωｃｏ−ωｓ）／（４ωｃｏ））、周波数が検定対象単相交流電圧源と検定元単相交流電圧源との差の周波数、初期位相（ｔ＝０での位相）がφ＋（π（ωｃｏ−ωｓ）／（４ωｃｏ））である正弦波となる。
【００３１】
ωｓがωｃｏに近いならば、ＶＵ４（ｔ）は次の値に略等しくなる。
【数２１】
0005394945.tif 000022
【００３２】
続いて、周波数差余弦信号ＶＵ３（ｔ）及び周波数差正弦信号ＶＵ４（ｔ）を用いて、検定対象単相交流電圧源と検定元単相交流電圧源との同期を検定する方法を説明する。｛ＶＵ３（ｔ）｝２＋｛ＶＵ３（ｔ）｝２を計算すると数１４及び数２０から
【数２２】
0005394945.tif 000023
となる。例えば、同期検定装置規準周波数が５０Ｈｚ、検定対象単相交流電源の周波数が４９Ｈｚとすると、
【数２３】
0005394945.tif 000024
である。通常、商用電源の周波数変動範囲は±０．２Ｈｚ程度であるので、検定対象単相交流電源の電圧の大きさを充分正確に検出できる。
【００３３】
次に、周波数差の検出について説明する。数２４を計算する。
【数２４】
0005394945.tif 000025
数２４を数２２で割ることで周波数差を求めることができる。
【数２５】
0005394945.tif 000026
【００３４】
さらに具体的に説明する。図２は、本実施形態の同期検定装置１３０を説明する図である。同期検定装置１３０は、規準角周波数ωｃｏと、検定対象単相交流電圧源１２の検定対象電圧波形を検出するサンプラー１３３と、サンプラー１３３が検出した前記検定対象電圧波形から（ｍ−１／２）π／ωｃｏ（ｍは自然数）時間を遅らせた遅延電圧波形を作成する遅延回路１３４と、サンプラー１３３が検出した前記検定対象電圧波形、遅延回路１３４が作成した前記遅延電圧波形、及び与えられた検定元単相交流電圧源１１の検定元角周波数ω、から前記検定対象電圧波形の検定対象角周波数ωｓと検定元角周波数ωとの差分を角周波数とする周波数差余弦信号及び周波数差正弦信号を計算する演算部１３５と、を備える。
【００３５】
本実施形態では、同期検定装置１３０が規準角周波数ωｃｏを備えているが、検定元の単相交流電圧源１１から受けてもよい。この場合には、単相交流電圧源１１の検定元電圧波形Ｖ１（ｔ）は、次式で表すことができる。
【数２６】
0005394945.tif 000027
【００３６】
また、検定対象となる単相交流電圧源１２の検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）は次式で表すことができる。
【数２７】
0005394945.tif 000028
サンプラー１３３は、この検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）をサンプリングする。ここで、検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）をサンプリングしたサンプル波形をＶ２（ｎＴｓ）と表す。Ｔｓはサンプル周期であり、ｎはサンプル番号である。
【００３７】
遅延回路１３４は、規準角周波数ωｃｏが入力され、サンプル波形Ｖ２（ｎＴｓ）から（ｍ−１／２）π／ωｃｏ（ｍは自然数）周期で遅らせた遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）を作成する。
【００３８】
遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）の遅れ量を、（ｍ−１／２）π／ωｃｏと表すことができる。本実施形態では、ｍ＝１の場合（１／４周期遅らせた場合）を説明する。この場合、遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）は次式となる。
【数２８】
0005394945.tif 000029
【００３９】
演算部１３５は、単相交流電圧源１１から検定元角周波数ωが入力される。演算部１３５は、サンプル波形Ｖ２（ｎＴｓ）、遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）が入力され、検定元角周波数ωと単相交流電圧源１２の検定対象角周波数ωｓとの差を角周波数とする周波数差余弦信号Ｖ３（ｎＴｓ）及び周波数差正弦信号Ｖ４（ｎＴｓ）を演算する。
【００４０】
具体的には、演算部１３５は、数１のようにサンプル波形Ｖ２（ｎＴｓ）及び遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）を回転座標変換を行い周波数差余弦信号Ｖ３（ｎＴｓ）及び周波数差正弦信号Ｖ４（ｎＴｓ）を演算する。
【００４１】
演算部１３５が演算すると、周波数差余弦信号Ｖ３（ｎＴｓ）及び周波数差正弦信号Ｖ４（ｎＴｓ）に（ωｓ＋ω）の周波数の高周波成分が含まれる。そこで、演算部１３５は、高周波成分を除去するローパスフィルタ（１５２Ａ、１５２Ｂ）をさらに備える。ローパスフィルタ（１５２Ａ、１５２Ｂ）で高周波成分を除去した周波数差余弦信号及び周波数差正弦信号をそれぞれＶＵ３（ｎＴｓ）及びＶＵ４（ｎＴｓ）と記す。
【数２９】
0005394945.tif 000030
【００４２】
同期検定装置１３０は、検出部１３６をさらに備える。検出部１３６は、演算部１３５が出力する周波数差余弦信号ＶＵ３（ｎＴｓ）及び周波数差正弦信号ＶＵ４（ｎＴｓ）を利用して、検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）の電圧実効値、検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）の検定対象角周波数ωｓと検定元角周波数ωとの周波数差、及び検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）と検定元電圧波形Ｖ１（ｔ）との位相差を検出することができる。
【００４３】
具体的には、検出部１３６は、電圧実効値、周波数差、及び位相差をそれぞれ数２を計算する回路１６１、数３を計算する回路１６２、及び数４を計算する回路１６３で検出する。同期検定装置１３０は、検出した電圧実効値、周波数差、及び位相差の情報を単相交流電圧源１１に入力してもよい。単相交流電圧源１１は、これらの情報に基づいて検定元電圧波形Ｖ１（ｔ）の電圧振幅値Ｖ、検定元角周波数ω、及び位相を単相交流電圧源１２の電圧振幅値Ｖｓ、検定対象角周波数ωｓ、及び位相φに一致させることができる。従って、同期検定装置１３０を用いることで単相交流電圧源１１を単相交流電圧源１２に同期させ、単相交流電圧源１２に接続することができる。
【００４４】
本実施形態の説明では、同期検定装置１３０が単相交流電圧源１１の外部にあるとして説明したが、単相交流電圧源１１が同期検定装置１３０を内蔵していてもよい。
【００４５】
また、本実施形態の説明では、遅延回路１３４の遅れ時間を（ｍ−１／２）π／ωｃｏとしたが、ｍ周期と（ｍ−１／２）周期とを除く任意の周期で遅らせた場合でも同様の効果を得ることができる。具体的には、遅延回路１３４は（２ｍ−１）／２周期とｍ周期を除く周期でサンプル波形Ｖ２（ｎＴｓ）を遅らせて遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）を生成する。例えば、遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）を１／６周期、２／６周期、４／６周期、５／６周期、・・・、ｐ／６周期（ｐは３の倍数ではない自然数）で遅らせることができる。また、遅延電圧波形Ｖ２＃（ｎＴｓ）を１／４周期、３／４周期、・・・、ｑ／４周期（ただし、ｑは奇数）で遅らせることができる。
【００４６】
さらに、数１の行列の係数を１／√２としたが、ゼロ以外の任意の値としても構わない。
【００４７】
（実施例）
図３は、同期検定装置１３０が、単相交流電圧源１２の電圧振幅Ｖｓ、単相交流電圧源１１と単相交流電圧源１２との周波数差及び位相差を検出する様子をシミュレートした結果である。同期検定装置の規準周波数を５０Ｈｚ（ωｃｏ＝１００πｒａｄ／ｓ）とした。単相交流電圧源１１は、２２０Ｖ、５２Ｈｚで運転しているものとする。単相交流電圧源１２は、１８０Ｖ（Ｖｓ）、４８Ｈｚ（ωｃｏ＝９６πｒａｄ／ｓ）で運転しているものとする。
【００４８】
単相交流電圧源１２の検定対象電圧波形Ｖ２（ｔ）およびその０．２５サイクル遅れの遅延電圧波形Ｖ２＃（ｔ）から作成される周波数差余弦信号ＶＵ３（ｎＴｓ）およびＶＵ４（ｎＴｓ）は、振幅が１８０Ｖ（単相交流電圧源１２の電圧実効値）で、周波数は４Ｈｚ（検定元電圧波形の周波数と検定対象電圧波形の周波数との差の周波数）である。
【００４９】
検出部１３６は電圧実効値を１８０Ｖと検出しており、単相交流電圧源１２の電圧実効値と等しい。検出部１３６は周波数差を−４Ｈｚと検出しており、設定された単相交流電圧源１１と単相交流電圧源１２との周波数差（単相交流電圧源１１に対する単相交流電圧源１２の周波数差）に等しい。また、検出部１３６は周波数差で生ずる位相差も検出できている。
【００５０】
本実施例で説明したように、同期検定装置１３０は、単相交流電圧源１２の電圧実効値、単相交流電圧源１１と単相交流電圧源１２との周波数差、及び単相交流電圧源１１と単相交流電圧源１２との位相差を正確に検出することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１１、１２：単相交流電圧源
１３０：同期検定装置
１３３：サンプラー
１３４：遅延回路
１３５：演算部
１３６：検出部
１５１：回転座標変換回路
１５２Ａ、１５２Ｂ：ローパスフィルタ
１５３：周波数差余弦信号出力端
１５４：周波数差正弦信号出力端
１６１、１６２、１６３：回路
【図１】
0005394945.tif 000035
【図２】
0005394945.tif 000036
【図３】
0005394945.tif 000037
【図４】
0005394945.tif 000038