(57)【要約】電源と負荷との間で電力変換を行うための電力変換器を備えた電力変換ユニットが複数、並列多重化された構成において、複数の電力変換ユニットのうち少なくとも一つの電力変換ユニットは、電力変換器（１１）の運転を管理する運転管理部（１３）を備え、運転管理部（１３）は、目標電圧と負荷側の電圧との差である定常偏差を入力して比例制御する電圧調整部（１２１）の比例ゲインを変化させて、比例ゲインの変化と定常偏差の変化を比較することにより、自己の電力変換ユニット以外の他の電力変換ユニットが運転していない単独運転であるかどうかを判定するようにした。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源と負荷との間で電力変換を行うための、負荷側が直流である電力変換器と、この電力変換器の前記負荷側の電圧を目標電圧に制御するため、前記目標電圧と前記負荷側の電圧との差である定常偏差を入力して比例制御する電圧調整部を備えた電圧制御器と、を有する電力変換ユニットを複数備え、各電力変換ユニットが前記負荷側で並列に接続されるよう構成された電力変換装置において、
複数の前記電力変換ユニットのうち少なくとも一つの電力変換ユニットは、自己の電力変換ユニットの運転を管理する運転管理部を備え、前記運転管理部は、前記電圧調整部の前記比例制御の比例ゲインを変化させて、前記比例ゲインの変化と前記定常偏差の変化を比較することにより、自己の電力変換ユニット以外の他の電力変換ユニットが運転していない単独運転であるかどうかを判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記負荷側の電圧と、前記電圧調整部の出力である電流目標値とを用いて、前記比例ゲインの変化の前後における、前記負荷の抵抗推定値または電力推定値を求めることにより、前記比例ゲインの変化と前記定常偏差の変化を比較することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記運転管理部を備えた電力変換ユニットを複数備え、前記運転管理部を備えた複数の前記電力変換ユニットは、それぞれ個別の識別番号を与えられ、各電力変換ユニットは、自己の電力変換ユニットが単独運転であるかどうかを判定するための前記比例ゲインを変化させる処理の開始タイミングが前記識別番号ごとに異なることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記運転管理部は、自己の電力変換ユニットの電力が、自己の電力変換ユニットの予め定めた電力しきい値以下である場合であって、自己の電力変換ユニットが単独運転ではなく、他の電力変換ユニットも運転している並列運転であると判定した場合、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を休止させることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記運転管理部は、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を休止させた後、前記負荷側の電圧が前記目標電圧よりも低い電圧として予め定めた基準値以下となった場合、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を開始させることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記運転管理部は、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を休止させた後、前記負荷側の電圧が前記目標電圧よりも高い電圧として予め定めた基準値以上となった場合、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を開始させることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項７】
請求項６に記載の電力変換装置と、この電力変換装置に接続される、発電機構を含む負荷とを有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項８】
電源と負荷との間に接続され、負荷側が直流である電力変換器と、この電力変換器の前記負荷側の電圧を目標電圧に制御するため、前記目標電圧と前記負荷側の電圧との定常偏差を入力して比例制御する電圧調整部を備えた電圧制御器とを備えた電力変換ユニットを複数有し、各電力変換ユニットは前記負荷側で並列に接続されるよう構成された電力変換装置の運転方法であって、
複数の前記電力変換ユニットのうち、少なくとも一つの電力変換ユニットにおいて、前記電圧調整部の比例制御の比例ゲインを変化させて、前記比例ゲインの変化と前記定常偏差の変化を比較することにより、自己の電力変換ユニット以外の他の電力変換ユニットが運転している並列運転であるかどうかを判定するステップと、
自己の電力変換ユニットが前記負荷に供給する電力が、自己の電力変換ユニットの予め定めた電力しきい値以下である場合であって、自己の電力変換ユニット以外の他の電力変換ユニットも運転している並列運転であると判定した場合、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を休止させるステップと
を有することを特徴とする電力変換装置の運転方法。
【請求項９】
自己の電力変換ユニットの電力変換動作を休止させた後、前記負荷側の電圧が前記目標電圧よりも低い電圧として予め定めた基準値以下となった場合、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を開始させるステップを有することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置の運転方法。
【請求項１０】
自己の電力変換ユニットの電力変換動作を休止させた後、前記負荷側の電圧が前記目標電圧よりも高い電圧として予め定めた基準値以上となった場合、自己の電力変換ユニットの電力変換動作を開始させるステップを有することを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置の運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、電力変換ユニットが並列多重化された構成の電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換ユニットの並列多重化構成は要求仕様に応じたカスタム設計が不要となる設計緩和技術として注目されている。電力変換ユニットごとに制御機能が独立した並列システムにおいて並列接続端の電圧を制御する場合、特定の電力変換ユニットに電力が集中することを避けるため電力を平均化する機能を必要とする（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−１１５６７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１において電力変換ユニットに相当するスイッチング電源はドループ特性を備えるため、並列多重化した際に特定個体へ電力が集中する課題を緩和できる。しかし、単独運転か否かを検出できないため、並列多重化した状況で、効率改善のためにいくつかの個体の電力変換動作を停止することは、運転継続の点から難しく、常に全ての電力変換ユニットから電力を送り出す必要がある。【０００５】
本願は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、並列多重可能な電力変換ユニットを用いた電力変換装置において、電力変換ユニットが、自己の電力変換ユニットの外部からの情報を用いずに単独運転かどうかを判別できる電力変換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】
【０００６】
本願に開示される電力変換装置は、電源と負荷との間で電力変換を行うための、負荷側が直流である電力変換器と、この電力変換器の負荷側の電圧を目標電圧に制御するため、目標電圧と負荷側の電圧との差である定常偏差を入力して比例制御する電圧調整部を備えた電圧制御器と、を有する電力変換ユニットを複数備え、各電力変換ユニットが負荷側で並列に接続されるよう構成された電力変換装置において、複数の電力変換ユニットのうち少なくとも一つの電力変換ユニットは、自己の電力変換ユニットの運転を管理する運転管理部を備え、運転管理部は、電圧調整部の比例制御の比例ゲインを変化させて、比例ゲインの変化と定常偏差の変化を比較することにより、自己の電力変換ユニット以外の他の電力変換ユニットが運転していない単独運転であるかどうかを判定するようにしたものである。
【発明の効果】
【０００７】
本願に開示される電力変換装置によれば、出力端が並列に接続された複数の電力変換ユニットのうち、一つの電力変換ユニット単独で、自己の電力変換ユニットの外部からの情報を用いずに、自己の電力変換ユニットが単独運転かどうかを判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施の形態１による電力変換装置を含む電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図２】実施の形態１による別の電力変換装置を含む電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図３】図１の電力変換ユニットの詳細構成例を示す回路図である。
【図４】図２の電力変換ユニットの詳細構成例を示す回路図である。
【図５】実施の形態１による電力変換装置の電力変換ユニットの制御系を模式化した制御ブロックを示す図である。
【図６】実施の形態１による電力変換装置の、電力変換ユニットが単独運転している場合の動作を説明する模式図である。
【図７】実施の形態１による電力変換装置の、電力変換ユニットが並列運転している場合の動作を説明する模式図である。
【図８】実施の形態１による電力変換装置の、電力変換ユニットが並列運転している場合の別の動作を説明する模式図である。
【図９】実施の形態１による電力変換装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１０】実施の形態２による電力変換装置の動作を説明するためのフローチャートである。
【図１１】実施の形態２による電力変換装置の具体例の特性を示す線図である。
【図１２】実施の形態２による電力変換装置の効果を説明するための線図である。
【図１３】実施の形態３による電力変換装置を含む電力変換システムの構成を示すブロック図である。
【図１４】電力変換装置の電圧制御器、運転管理部のハードウエア構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置を含む電力変換システムの構成を示すブロック図である。電力変換装置はＮ個の電力変換ユニット１０−１、１０−２、……、１０−Ｎ（代表して一つの電力変換ユニットを電力変換ユニット１０と記載することもある。）を備え、それぞれの電力変換ユニットに備えられた電力変換器１１の出力は同じ負荷３０に電力を供給するように構成されている。図１の電力変換ユニット１０−１、１０−２、……、１０−Ｎはそれぞれ直流電源２０−１、２０−２、……、２０−Ｎからの直流を入力して直流の出力電圧（ＤＣバス電圧）Voutを出力するよう構成されている。すなわち各電力変換ユニットの電力変換器１１はＤＣ／ＤＣ変換器である。
【００１０】
また、図２は、実施の形態１による別の電力変換装置を含む電力変換システムの構成を示すブロック図である。電力変換装置はＮ個の電力変換ユニット１０−１、１０−２、……、１０−Ｎ（一つの電力変換ユニットを電力変換ユニット１０と記載することもある。）を備え、それぞれの電力変換ユニットに備えられた電力変換器１１の出力は同じ負荷３０に電力を供給するように構成されている。図２の電力変換ユニット１０−１、１０−２、……、１０−Ｎはそれぞれ交流電源２１−１、２１−２、……、２１−Ｎを入力して直流の出力電圧（ＤＣバス電圧）Voutを出力するよう構成されている。すなわち各電力変換ユニットの電力変換器１１はＡＣ／ＤＣ変換器である。
【００１１】
図１における各電力変換ユニット１０も、図２における各電力変換ユニット１０も、電圧センサ１５により検出される、負荷側の電圧であるＤＣバス電圧Voutを目標電圧Vout*に制御する電圧制御器１２と、目標電圧Vout*とＤＣバス電圧Voutとの定常偏差（Vout*−Vout）を用いて電圧制御器１２の設定値を変更する運転管理部１３とを備えている。運転管理部１３は、また、電圧制御器１２の設定値と、定常偏差とに基づいて、電力変換ユニットが単独運転かどうかを判定する機能を備えている。
【００１２】
なお、電圧制御器１２および運転管理部１３は、具体的には、図１４に示すように、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等の演算処理装置１０１、演算処理装置１０１とデータをやり取りする記憶装置１０２、演算処理装置１０１と外部の間で信号を入出力する入出力インターフェース１０３などを備えている。演算処理装置１０１としてＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＩＣ（Integrated Circuit）、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、および各種の信号処理回路等が備えられても良い。電圧制御器１２および運転管理部１３が一つの演算処理装置１０１で構成されていても良い。また、演算処理装置１０１として、同じ種類のもの、または異なる種類のものが複数備えられ、電圧制御器１２および運転管理部１３の処理が分担して実行されてもよい。記憶装置１０２として、演算処理装置１０１からデータを読み出しおよび書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Random Access Memory）、演算処理装置１０１からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Read Only Memory）等が備えられている。入出力インターフェース１０３は、例えば、電圧センサ１５から出力される信号を演算処理装置１０１に入力するＡ／Ｄ変換器、電力変換器１１に信号を出力するための駆動回路などから構成される。
【００１３】
以下、実施の形態１に係る電力変換ユニットの構成、動作について説明する。図３は、図１における電力変換器１１および電圧制御器１２の具体例を、図４は図２における電力変換器１１および電圧制御器１２の具体例を、それぞれ記載したブロック図である。
【００１４】
以上のように、各電力変換ユニット１０の電力変換器は、図１および図３に示すようにＤＣ／ＤＣ変換器であっても、図２および図４に示すようにＡＣ／ＤＣ変換器であっても良く、さらに、ある電力変換ユニットの電力変換器１１がＤＣ／ＤＣ変換器であり、別の電力変換ユニットの電力変換器１１がＡＣ／ＤＣ変換器であるような混成構成であってもよい。各電力変換ユニットにおける入力側の電源は、共通であっても、別々であっても、一部の電力変換ユニットにおける入力側の電源が共通であっても、どのような構成であってもよい。また電力変換ユニットの並列台数Ｎはどのような台数であってもよい。さらに、負荷は単純な抵抗負荷に限らない。
【００１５】
図５は、図３および図４の構成における電力変換ユニットの制御系を模式化した制御ブロックを表し、以下の説明では、電流制御系を含む制御系を簡略化したことを意味する図５に記載のＡＣＲのゲインを１として取り扱う。
【００１６】
図５で簡略化してＡＣＲと表現した構成に含まれる図２、図３における電流制御系は、電圧調整部１２１からＤＣバス電流の目標値Io1*を受け取り、ＤＣバス電流の目標値Io1*を電力変換ユニットの入力電圧Vin1とＤＣバス電圧Voutの比率で換算して求まる入力電流の目標値IL1*と検出電流IL1が一致するように電力変換ユニットのデューティD1を制御する構成となっている。
【００１７】
なお、本願に開示される電力変換装置は、ＤＣバス電圧Voutを目標電圧Vout*に制御する電圧制御器１２が、出力電力に応じてＤＣバス電圧に垂下特性を持たせる場合に実現可能であり、電圧制御器１２における電圧調整部１２１の構成は、図３および図４で示したＰ制御（比例制御）１２１に限定されない。電圧調整部１２１は、目標電圧Vout*と実電圧Voutの差である定常偏差を入力として、定常偏差そのもの、あるいは定常偏差の２乗、あるいは定常偏差の１／２乗、など、定常偏差の線形、非線形に関わらず、定常偏差に基づく値に比例ゲインを乗じて定常偏差を０に近づけるよう比例制御する制御系であればよい。
【００１８】
本実施の形態１の運転管理部１３の動作について説明する。本実施の形態１の説明において図５に示す簡略化した制御ブロック図を用いる。なお、図５の電圧調整部１２１は、電力変換ユニットの入力電力または出力電力に応じて目標電圧Vout*とＤＣバス電圧Voutの定常偏差（Vout*-Vout）が変化する特性を持つ制御構成に置き換え可能である。また、電圧調整部１２１から先の構成は限定されない。
【００１９】
本願に開示される電力変換装置は、ある電力変換ユニットにおいて、電圧制御器１２の電圧調整部１２１のゲインを変更したとき、自己の電力変換ユニットが単独で運転している場合と、自己の電力変換ユニットと、並列接続されている別の電力変換ユニットとが並列運転している場合とで、制御における目標電圧Vout*とＤＣバス電圧Voutの定常偏差（Vout*-Vout）の変化が異なるであろうとの考えに基づいている。単独運転の場合、ゲインを変更すると、ゲインの変更分だけ定常偏差が変化する。しかし、複数の電力変換ユニットから負荷に電力が供給されている並列運転の場合、ある一つの電力変換ユニットにおいてゲインを変更すると、他の電力変換ユニットが電力を補完するため、自己の電力変換ユニットにおけるゲインの変更に伴って、定常偏差（Vout*-Vout）の値は、ゲインの変更に対応した分よりも少なくしか変化しない。例えば定常偏差（Vout*-Vout）に対して比例制御する場合、ゲインを半分にすると、単独運転の場合、定常偏差は約２倍に増えるが、並列運転の場合、定常偏差の変化は単独運転の場合の変化よりも小さい。したがって、ある電力変換ユニットのゲインの変化と、そのゲインの変化に伴う定常偏差の変化とを比較することにより、自己の電力変換ユニットが単独運転しているか、または他の電力変換ユニットと並列運転しているかを判定できる。しかし、定常偏差はごく小さい値であるため、この値を直接観測しても誤差が大きく、適切な判定ができないことが考えられる。以下では、定常偏差に対応しており、安定したパラメータを求めることで、定常偏差の変化の観測を容易にする技術を提案する。
【００２０】
以下、図５の構成において、電圧調整部１２１が定常偏差（Vout*-Vout）そのものに対して比例制御するＰ制御であることを例にして説明する。まず、電圧調整部１２１の比例ゲイン変更に伴う電力変換ユニットから出力されるＤＣバス電流Ioiと、ＤＣバス電圧の目標値Vout*と実電圧Voutの定常偏差の関係を説明する。図５のＤＣバス電圧の目標値Vout*と実電圧Voutの関係は（１）式で表すことができる。
【数１】
2019012725.tif 000003
ここで、Kは比例ゲイン、Coは各電力変換ユニットの出力側に備えられた出力コンデンサＣｏの容量であり、Coiはｉ番目の電力変換ユニット１０−ｉの出力コンデンサの容量を意味する。また、右辺の分母と分子のｓ関数の零次項は共通のため定数ωKと置いた。
【００２１】
ここで、１番目の電力変換ユニット１０−１に注目する。他の電力変換ユニットの出力電流の総和（Io2+Io3+...+IoN）と負荷電流Iloadの差で構成される電流外乱と実電圧Voutの関係は（２）式で表すことができる。
【数２】
2019012725.tif 000004
【００２２】
図５を参照することにより、（１）式と（２）式より求まるＤＣバス電圧の目標値Vout*と、他の電力変換ユニットの出力電流の総和と負荷電流の差で構成される電流外乱から求まる実電圧Voutの関係は（３）式のようになる。
【数３】
2019012725.tif 000005
【００２３】
ここで、他の電力変換ユニットの電圧制御器の影響を考慮する。全ての電力変換ユニットの比例ゲインが共通の場合、（１）、（２）、（３）式は（４）、（５）、（６）式に置き換えることができる。ここで、右辺の分母と分子のｓ関数の零次項は共通のため定数ωK0と置いた。
【００２４】
【数４】
2019012725.tif 000006
【００２５】
【数５】
2019012725.tif 000007
【００２６】
【数６】
2019012725.tif 000008
【００２７】
定常状態ではωK0／（ｓ＋ωK0）は１となるため、負荷が定抵抗負荷Ｒと考えられる状況では、（６）式から求まる関係は（７）式のようになる。
【数７】
2019012725.tif 000009
【００２８】
また、定電力負荷と考えられる状況では、電力Ｐについて（６）式から求まる関係は（８）式のようになる。
【数８】
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【００２９】
なお、本願に開示される電力変換装置の負荷として適用できる負荷は、瞬時電力変化の生じる非線形負荷であっても、時間平均して定抵抗負荷または定電力負荷に模擬できる負荷であればよく、時間変動が無い定抵抗負荷あるいは定電力負荷に限定されない。また、実施の形態３で説明するように、負荷に発電機能が含まれていても良い。以下では、負荷が、時間平均して定抵抗負荷または定電力負荷に模擬できる負荷として説明する。したがって、負荷を定抵抗負荷または定電力負荷と称して説明する。
【００３０】
ここで、電力変換ユニットは、自らの電圧制御器１２における電圧調整部１２１が生成するＤＣバス電流の目標値Io1*と、ＤＣバス電圧の検出値Voutを用いることにより負荷を推定できる。すなわち、電圧調整部１２１が生成するＤＣバス電流の目標値Io1*が負荷電流であろうと考えることにより、負荷が定抵抗負荷に模擬できる場合は抵抗値の推定、あるいは定電力負荷に模擬できる場合は電力の推定を行うことができる。（９）式は定抵抗負荷の場合の抵抗推定値Rxの推定式、（１０）式は定電力負荷の場合の電力推定値Pxの推定式である。
【数９】
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【数１０】
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【００３１】
以下、（７）、（８）式で示した実際の負荷特性の関係と、（９）、（１０）式で示した推定式を用いた単独運転検出方法の原理を説明する。なお、説明では電力変換ユニット１台構成（単独運転）と、３台構成の２つを用いて説明するが、電力変換ユニットの並列台数は限定されない。
【００３２】
図６は単独運転時の電力変換ユニットの動作、図７は３台並列時の電力変換ユニットの動作、をそれぞれ模式的に表した図である。単独運転時、（６）式に相当する関係は（１１）式のようになる。また、３台並列運転時、（６）式に相当する関係は（１２）式のようになる。
【数１１】
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【数１２】
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【００３３】
ここで、１台の電力変換ユニットの電圧調整部１２１の比例ゲインをＫから変化させてＫ−ΔＫに減少させると、（１１）、（１２）式はそれぞれ（１３）、（１４）式で表すことができる。
【数１３】
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【数１４】
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【００３４】
単独運転時における（１１）式と（１３）式に対応する定常時の定抵抗負荷の場合の抵抗推定式はそれぞれ（１５）、（１６）式のようになる。
【数１５】
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【数１６】
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【００３５】
また、定電力負荷の場合の電力推定式はそれぞれ（１７）、（１８）式のようになる。
【数１７】
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【数１８】
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つまり、単独運転時は比例ゲインをΔＫ変化する前後で、定抵抗負荷に模擬できる負荷の場合は定抵抗負荷の抵抗推定値が、定電力負荷に模擬できる負荷の場合は定電力負荷の電力推定値が、同値を取ることが判る。単独運転の場合、比例ゲインの変化比（Ｋ−ΔＫ）／Ｋに対して、定抵抗負荷の場合は定常偏差とＤＣバス電圧の商(Vout*-Vout)/Voutが、定電力負荷の場合は定常偏差とＤＣバス電圧の積(Vout*-Vout)・Voutが、比例ゲインの変化比の逆数であるＫ／（Ｋ−ΔＫ）倍に変化するため、比例ゲインの変化の前後で、（９）式および（１０）式により求まる負荷の推定値が同値となる。
【００３６】
これに対して、３台並列運転時における（１２）式と（１４）式に対応する定抵抗負荷の推定式は（１９）、（２０）式のようになる。
【数１９】
2019012725.tif 000021
【数２０】
2019012725.tif 000022
【００３７】
また、定電力負荷の推定式は（２１）、（２２）式のようになる。
【数２１】
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【数２２】
2019012725.tif 000024
【００３８】
つまり、３台並列運転時は比例ゲインをΔＫ変化する前後で定抵抗負荷あるいは定電力負荷の推定値が異なる値を取ることが判る。前述のように、単独運転の場合、比例ゲインの変化比（Ｋ−ΔＫ）／Ｋに対して、定抵抗負荷の場合は定常偏差とＤＣバス電圧の商(Vout*-Vout)/Voutが、定電力負荷の場合は定常偏差とＤＣバス電圧の積(Vout*-Vout)・Voutが、比例ゲインの変化比の逆数であるＫ／（Ｋ−ΔＫ）倍に変化する。このため、比例ゲインの変化の前後で、（９）式および（１０）式により求まる負荷の推定値が同値となる。一方、並列運転の場合、比例ゲインの変化比（Ｋ−ΔＫ）／Ｋに対して、定抵抗負荷の場合は定常偏差とＤＣバス電圧の商(Vout*-Vout)/Voutが、定電力負荷の場合は定常偏差とＤＣバス電圧の積(Vout*-Vout)・Voutが、比例ゲインの変化比の逆数であるＫ／（Ｋ−ΔＫ）倍とは異なる変化比で変化する。このため、比例ゲインの変化の前後で、（９）式および（１０）式により求まる負荷の推定値が異なる値を取ることになる。例えば、ΔＫが元の比例ゲインの半分の値のとき、（１９）式の推定値は（２０）式の推定値の５分の３倍小さい値となり、（２１）式の推定値は（２２）式の推定値の３分の５倍大きい値となる。このように、単独運転と並列運転は（９）式または（１０）式の負荷推定式を用いることで判定できる。電力変換ユニットのＤＣバス電圧Voutと、電圧調整部１２１の出力であるIo1*を用い、定抵抗負荷の場合は（９）式によって抵抗推定値Rxを、また定電力負荷の場合は（１０）式によって電力推定値Pxを求めることにより、単独運転か並列運転かを判定できる。
【００３９】
上記では、比例ゲインの変化と、負荷の推定値の変化を比較することにより、単独運転か並列運転かを判定できることを示した。上記のように、比例ゲインの変化と、定抵抗負荷の場合の抵抗推定値の変化を比較することは、比例ゲインの変化と(Vout*-Vout)/Voutの変化を比較していることになる。また比例ゲインの変化と、定電力負荷の場合の電力推定値の変化を比較することは、比例ゲインの変化と(Vout*-Vout)・Voutの変化を比較していることになる。ここで、比例ゲインの変化に伴う定常偏差(Vout*-Vout)の変化の割合に対してVoutの変化の割合は小さい。したがって、比例ゲインの変化と負荷の推定値の変化とを比較することは、比例ゲインの変化と定常偏差(Vout*-Vout)の変化との比較を代替していることになる。
【００４０】
次に、全ての電力変換ユニットの電圧調整部１２１の比例ゲインが異なる場合も同様に単独運転と並列運転の違いを判定できることを説明する。（２３）、（２４）、（２５）式は、それぞれ（１）、（２）、（３）式に対応する、各電力変換ユニットの電圧調整部１２１の比例ゲインが異なる構成に対応する関係式である。ここで、（２３）式右辺の分母と分子のｓ関数の零次項は共通のため定数ωKNと置いた。
【数２３】
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【数２４】
2019012725.tif 000026
【数２５】
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【００４１】
先の説明と同様に、単独運転時の電力変換ユニットの動作を模式的に示す図６と、３台並列運転時の電力変換ユニットの動作を模式的に示す図８とを用いて説明する。（２６）式は単独運転時の（６）式に相当する関係、（２７）式は３台並列運転時の（６）式に相当する関係を表す。
【数２６】
2019012725.tif 000028
【数２７】
2019012725.tif 000029
【００４２】
ここで、１台の電力変換ユニットの電圧調整部１２１の比例ゲインをΔＫだけ小さくしたとき、（２６）、（２７）式はそれぞれ（２８）、（２９）式のようになる。
【数２８】
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【数２９】
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【００４３】
単独運転時における（２６）式と（２８）式に対応する定常時の定抵抗負荷の推定式は（３０）、（３１）式のようになる。
【数３０】
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【数３１】
2019012725.tif 000033
【００４４】
また、定電力負荷の推定式は（３２）、（３３）式のようになる。
【数３２】
2019012725.tif 000034
【数３３】
2019012725.tif 000035
つまり、単独運転時は比例ゲインをΔＫ変化する前後で定抵抗負荷あるいは定電力負荷の推定値が同値を取ることが判る。
【００４５】
これに対して、３台並列運転時における（２７）式と（２９）式に対応する定抵抗負荷の推定式は（３４）、（３５）式のようになる。
【数３４】
2019012725.tif 000036
【数３５】
2019012725.tif 000037
【００４６】
また、定電力負荷の推定式は（３６）、（３７）式のようになる。
【数３６】
2019012725.tif 000038
【数３７】
2019012725.tif 000039
【００４７】
以上のように、全ての電力変換ユニットの電圧調整部１２１の比例ゲインが異なる場合も、比例ゲインが共通の場合と同様に、３台並列運転時は、１台の電力変換ユニットの電圧調整部１２１の比例ゲインをΔＫ変化する前後で定抵抗負荷あるいは定電力負荷の推定値が異なる値を取ることが判る。
【００４８】
以上の説明により、比例ゲインを変化させて、比例ゲインの変化の前後で、負荷の抵抗推定値または電力推定値を求め、比例ゲインの変化と負荷の推定値の変化を比較することで、単独運転か並列運転かを判定できることが解る。比例ゲインの変化と負荷の推定値の変化を比較することは、前述のように、比例ゲインの変化と定常偏差の変化との比較を代替していることになり、比例ゲインの変化と定常偏差の変化との比較により、単独運転か並列運転かを判定していることになる。
【００４９】
以上で説明した単独運転の判定方法の原理を用いて、実際に単独運転判定を可能とする方法を説明する。図９は単独運転判定を実現するフローチャートであり、運転管理部１３の動作を示すものである。図９に示したフローチャートの処理開始タイミングは任意に設定可能である。処理開始後、（９）式または（１０）式を用いて、すなわち、ＤＣバス電圧Voutと電圧調整部１２１の出力である電流の目標値Io1*を用いて負荷の推定を行い（ステップＳＴ１）、推定値を格納する（ステップＳＴ２）。負荷の推定（ステップＳＴ１）では、負荷の特性に対応して、定抵抗負荷に模擬できる負荷の場合は定抵抗負荷の抵抗推定値Rxを、定電力負荷に模擬できる場合は定電力負荷の電力推定値Pxを、定抵抗負荷、定電力負荷いずれにも模擬できる場合は少なくとも一方を、求めればよい。その後、電圧調整部１２１の比例ゲインを変更し（ステップＳＴ３）、負荷を推定する（ステップＳＴ４）。比例ゲインを変更後、前回の推定値と今回の推定値の差分を取り（ステップＳＴ５）、予め設定した値より変化が小さい場合は（ステップＳＴ５  Ｙｅｓ）カウントを加算し（ステップＳＴ６）、予め設定した値以上に変化が大きい場合はカウントをリセットする（ステップＳＴ７）。カウントを加算した場合、カウントが判定回数まで達したとき（ステップＳＴ８  Ｙｅｓ）単独運転であると判定する（ステップＳＴ９）。単独運転と判定した場合は処理を終了する。カウントをリセットした（ＳＴ７）場合、または、カウントが判定回数まで達していない場合（ステップＳＴ８  Ｎｏ）で、ゲインの変更回数が予め設定した上限値に達していない場合（ステップＳＴ１０  Ｎｏ）、ステップＳＴ２に戻って推定値を格納する。その後、ゲインを変更するステップＳＴ３からのステップを実行する。このようにして、単独運転と判定（ステップＳＴ９）するか、ゲインの変更回数が上限に達して（ステップＳＴ１０  Ｙｅｓ）並列運転であると判定する（ステップＳＴ１１）まで、ゲインの変更を繰り返す。なお、ここでのゲインの変更は、１回目は、元のゲイン設定値Ｋから、ΔＫだけ下げる、すなわちゲインをＫ−ΔＫとする。２回目は、Ｋ−ΔＫであったゲインをＫに戻す。３回目はゲインを再びＫ−ΔＫに設定する。このようにゲインをＫとＫ−ΔＫとで変更を繰り返すようにする。
【００５０】
今回の推定値と前回の推定値の差分絶対値が小さく、かつ、複数回のゲイン変更によるカウント値が判定回数に達したときに単独運転と判定する理由は、過渡変動や、他の電力変換ユニットによる処理タイミングの重なりによる単独運転の判定誤りを防止するためである。
【００５１】
処理の開始タイミングは任意のタイミングであってもよいが、周期を決めて処理するのが好ましい。例えば、電力変換ユニットごとに個体番号を振り、個体番号の順に処理の開始タイミングを周期的に定めて、各電力変換ユニットの処理期間が異なるようにすることで、電力変換ユニット間の処理タイミング重なりを防止できる。
【００５２】
以上説明したように、実施の形態１による電力変換装置の電力変換ユニットは、他の電力変換ユニットが並列に接続されていない、もしくは、並列に接続されている他の電力変換ユニットの電力変換動作が停止している単独運転中に、他の電力変換ユニットからの情報を得ずに、自己の電力変換ユニット単独でゲインを変更したとき、ゲインの変化と定常偏差の変化を比較することにより、単独運転であることを判定可能である。
【００５３】
なお、出力端が並列に接続されている複数の電力変換ユニットのうち、全ての電力変換ユニットが上記の単独運転か並列運転かを判定する運転管理部１３を有する構成ではなくとも、少なくとも一つの電力変換ユニットが、運転管理部１３を有する構成であればよい。
【００５４】
実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で説明した単独運転の判定方法を用いて、複数の電力変換ユニットを並列運転する電力変換装置の効率改善について提案する。実施の形態２による電力変換装置のシステム全体は、図１〜図４で示した構成と同様である。ただし、実施の形態２による運転管理部１３の構成、動作は、実施の形態１による運転管理部１３の構成、動作に対して、効率改善のために付加された構成、動作を含んでいる。
【００５５】
以下、実施の形態２による電力変換装置の電力変換ユニットの構成、動作について、図５で示した電圧調整部１２１を備える電力変換ユニットの、効率改善可能な運転管理部１３の動作のフローチャート例を示す図１０、電力変換ユニットの動作を説明する図１１および図１２にしたがって説明する。
【００５６】
実施の形態１で説明した単独運転判定方法の原理を用いて、電力変換装置全体の効率を改善する方法について、図１０のフローチャートにしたがって説明する。
【００５７】
図１０に示したフローチャートの処理開始タイミングは任意に設定可能である。処理開始後、（９）式または（１０）式を用いて負荷の推定を行い（ステップＳＴ２１）、電力の推定値が設定した電力しきい値を下回るとき（ステップＳＴ２２  Ｙｅｓ）、推定値を格納して（ステップＳＴ２３）、電圧調整部１２１の比例ゲインを変更する（ステップＳＴ２４）、電力の推定値が設定した電力しきい値と同値または上回るとき（ステップＳＴ２２  Ｎｏ）は処理を終了する。ここで電力しきい値は電力変換ユニットごとに設定可能であり、例えば任意の効率を下回らない電力しきい値を設定する。電圧調整部１２１の比例ゲインを変更後、負荷を推定し（ステップＳＴ２５）、前回の推定値と今回の推定値の差分を取り、予め設定した値より変化が大きい場合（ステップＳＴ２６  Ｙｅｓ）はカウントを加算し（ステップＳＴ２７）、予め設定した値以下であり変化が小さい場合（ステップＳＴ２６  Ｎｏ）はカウントをリセットする（ステップＳＴ２８）。カウントを加算した場合はカウントが判定回数まで達したとき（ステップＳＴ２９  Ｙｅｓ）並列運転であると判定し（ステップＳＴ３０）、電力変換ユニットの電力変換動作を休止する（ステップＳＴ３１）。カウントをリセットした（ステップＳＴ２８）場合、または、カウントが判定回数まで達していない場合（ステップＳＴ２９  Ｎｏ）で、ゲインの変更回数が予め設定した上限値に達していない場合（ステップＳＴ３２  Ｎｏ）、ステップＳＴ２３に戻って推定値を格納する。並列運転と判定して電力変換動作を休止する（ステップＳＴ３１）か、ゲインの変更回数が上限に達するまで、ゲインの変更を繰り返す。カウントが判定回数に達しないままゲインの変更回数が上限に達した場合（ステップＳＴ３２  Ｙｅｓ）は単独運転と判定する（ステップＳＴ３３）。以上において、ゲインの変更は、実施の形態１で説明したのと同様、ゲインをＫとＫ−ΔＫとで変更を繰り返すようにする。なお、実施の形態２における並列運転の判定は実施の形態１における単独運転の判定と論理反転の関係にある。また、電力変換動作の休止は比例ゲイン０を含む電力変換ユニットの出力電力０の状態を意味する。
【００５８】
以上のフローにおいて、処理開始直後のステップＳＴ２１における負荷推定では、少なくとも定電力負荷の電力推定を行う必要がある。しかし、その後の、ステップＳＴ２５における負荷推定では、負荷の特性に応じて、定抵抗負荷の負荷推定、または定電力負荷の負荷推定の、少なくとも一方でよい。ただし、ステップＳＴ２５において、定抵抗負荷の負荷推定のみを行う場合、ステップＳＴ２１においても、定抵抗負荷の負荷推定も行っておく必要がある。
【００５９】
図１０のフローチャートにて今回の推定値と前回の推定値の差分絶対値が大きく（ステップＳＴ２６）、かつ、複数回のゲイン変更によるカウント値が判定回数に達したとき（ステップＳＴ２９  Ｙｅｓ）に並列運転と判定（ステップＳＴ３０）する理由は、過渡変動や、他の電力変換ユニットによる処理タイミングの重なりによる並列運転検出誤りを防止するためである。
【００６０】
電力変換動作の休止後に、負荷の電力が増加し、他の電力変換ユニットからの電力供給だけでは電力を賄えない状態になることも考えられる。この場合は、ＤＣバス電圧が下がることになる。したがって、ＤＣバス電圧が目標電圧Vout*よりも低い値として予め定めた基準値Vout*1を下回ったとき、運転休止した電力変換ユニットの電力変換動作を再開し、再び運転状態に復帰させる。
【００６１】
また、図１０に示した処理のルーチンにおいて、ステップＳＴ２４のゲイン変更時、ゲインを下げたときに、負荷の電力を賄えない場合、ＤＣバス電圧が下がることがある。この場合、処理を中止して、比例ゲインを元の値に戻すなど大きな値に変更することでＤＣバス電圧を基準値Vout*1以上に復帰できる。
【００６２】
処理開始タイミングは任意のタイミングであってもよいが、周期を決めて処理するのが好ましい。例えば、電力変換ユニットごとに個体番号を振り、個体番号の順に処理開始タイミングを周期的に定めて、各電力変換ユニットの処理期間が異なるようにすることで、連続した電力変換ユニット間の処理タイミング重なりを防止できる。
【００６３】
次に、図１０の処理による効率の改善の具体例を説明する。図１２は図１１に示す効率特性を持つ電力変換ユニットＡと電力変換ユニットＢとの２個の電力変換ユニットで構成された電力変換装置のシステムにおける効率改善動作の一例である。ここで、電力変換ユニットＡと電力変換ユニットＢの電圧調整部１２１の比例ゲインは共通であり、比例ゲイン変更は設計値の１.０倍と０．５倍の値を交互に変更するものとする。
【００６４】
図１１において、電力変換ユニットＡと電力変換ユニットＢの比例ゲインが共通の場合、総出力１１００Ｗのとき、各電力変換ユニットの動作点は黒丸で示すようになり、各電力変換ユニットの出力電力はバランスする。このときの電力変換ユニットＡと電力変換ユニットＢの入力の合計は１２３８Ｗであり、電力変換装置全体の総効率は８８．９％である。電力変換ユニットＢの出力電力が電力しきい値を下回るため、図１０のフローチャートの処理を開始する。
【００６５】
図１２の上段のグラフのように、電力変換ユニットＢの比例ゲインを０．５倍に変更した場合、電力変換ユニットＡの出力電力は増加し、電力変換ユニットＢの出力電力は低下する。この比例ゲイン変化による電力変化に基づいて前述の説明の通り並列運転と判定し、電力変換ユニットＢの運転を休止し、図１２の下段のグラフで示すように、電力変換ユニットＡのみの運転とする。このときの電力変換ユニットＡの動作点は黒丸で示す出力１１００Ｗの点となる。このときの入力は１１８３Ｗであり、効率は９３．０％である。このように、電力変換装置全体としての効率は、電力変換ユニットＢを休止する前の８８．９％に対し、休止後は９３．０％となり、改善することができる。
【００６６】
以上説明したように、実施の形態２によれば、電力しきい値以下の運転時に他の電力変換ユニットが電力変換動作しているか否かを検出し、他の電力変換ユニットが電力変換動作をしている場合に運転休止することで電力変換ユニット群全体としての効率を改善することが可能である。
【００６７】
実施の形態３．
実施の形態３では、実施の形態２で説明した複数の電力変換ユニットを並列運転する電力変換装置の効率改善方法を用いて、太陽光発電、風力発電、水力発電等の発電機構を備える負荷に対応した効率改善について説明する。
【００６８】
図１３は実施の形態３による電力変換装置を含む電力変換システムの一例を示すブロック図である。実施の形態３と実施の形態２の相違箇所は負荷３０が、電力を消費する電力消費負荷３１に加えて、太陽光発電、風力発電、水力発電等の発電機構３２を含んでいることである。実施の形態３による電力変換装置における電力変換ユニットは、図１〜図１２で示した電力変換装置の構成、動作と同様である。以下、実施の形態３に係る電力変換ユニットの構成、動作について、図１〜１２と、図１、２で示した負荷３０を実施の形態３に対応する形に置き換えた図１３にしたがって説明する。なお、実施の形態３における電力変換ユニットの動作説明は実施の形態２と重複する説明を省略し、負荷３０の構成差に伴う相違箇所について説明する。
【００６９】
図１３に示す負荷３０は電力消費負荷３１と発電機構３２を備える構成である。負荷電流Iloadは電力消費負荷３１の消費電力が発電機構３２の発電電力より大きい場合は正の値を取り、電力消費負荷３１の消費電力が発電機構３２の発電電力より小さい場合は負の値を取る。負荷電流が正の場合、電力変換器は電力を電源側から負荷側へ変換するように動作する。一方、負荷電流が負の場合、電力変換器１１は電力を負荷側から電源側へ変換するように動作する。すなわち、電源と負荷との間に接続されている電力変換器１１は、電源側から負荷側へ電力変換することも、負荷側から電源側へ電力変換することもできる、双方向の電力変換器として動作する。負荷電流Iloadが負の状態では電力変換ユニットに負荷３０から電力供給しているため、目標電圧Vout*より実電圧Voutの方が大きくなることを意味し、（９）、（１０）式で示した抵抗推定値Rx、電力推定値Pxが負の値を取る。電力変換ユニットに負荷３０から電力供給しているとき、電力供給された電力変換ユニットでは、電力を電源側に戻し、例えば電力を電源側に接続されている蓄電池に充電する動作を行う。実施の形態２で示した効率改善方法は、比例ゲイン変化前後の推定値Rx、Pxの変化量絶対値を基準として並列運転を判定（図１０、ステップＳＴ２６）するため、実施の形態３の構成も同様に適用可能である。
【００７０】
負荷電流Iloadが負の状態において、運転休止後に、負荷の発電機構３２の発電電力が増加し、運転休止している電力変換ユニット以外の電力変換ユニットでの電力充電だけでは電力を蓄えきれない状態になることも考えられる。この場合は、ＤＣバス電圧がさらに上がることになる。したがって、ＤＣバス電圧が目標電圧Vout*よりも高い値として予め定めた基準値Vout*2を上回ったとき、運転休止した電力変換ユニットの電力変換動作を再開し、再び運転状態に復帰させる。なお、ＤＣバス電圧が目標電圧Vout*よりも上がるのは、負荷に発電機構が含まれている場合だけであるため、負荷電流の方向を監視する必要は無く、ＤＣバス電圧を監視しておけば良い。
【００７１】
また、図１０に示した処理のルーチンにおいて、ステップＳＴ２４のゲイン変更時、ゲインを下げたときに、負荷の発電電力を蓄えきれない場合、ＤＣバス電圧が基準値Vout*2よりも上がることがある。この場合、処理を中止して、比例ゲインを元の値に戻すなど大きな値に変更することでＤＣバス電圧を基準値Vout*2以下に復帰できる。つまり、実施の形態２で示した過負荷時の運転休止を解除する基準値Vout*1を電圧制御器１２の目標電圧より低く設定し、実施の形態３で示した過発電時の運転休止を解除する基準値Vout*2を電圧制御器１２の目標電圧より高く設定することで、ＤＣバス電圧を常に基準値Vout*1と基準値Vout*2の間に保つことができ、双方向の電力授受に対応した安定動作を実現できる。
【００７２】
なお、各実施の形態を組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
【符号の説明】
【００７３】
１０、１０−１、１０−２、１０−Ｎ  電力変換ユニット、１１  電力変換器、１２  電圧制御器、１３  運転管理部、１５  電圧センサ、２０−１、２０−２、２０−Ｎ  直流電源、２１−１、２１−２、２１−Ｎ  交流電源、３０  負荷、３１  電力消費負荷、３２  発電機構、１２１  電圧調整部
【図１】
2019012725.tif 000040
【図２】
2019012725.tif 000041
【図３】
2019012725.tif 000042
【図４】
2019012725.tif 000043
【図５】
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【図６】
2019012725.tif 000045
【図７】
2019012725.tif 000046
【図８】
2019012725.tif 000047
【図９】
2019012725.tif 000048
【図１０】
2019012725.tif 000049
【図１１】
2019012725.tif 000050
【図１２】
2019012725.tif 000051
【図１３】
2019012725.tif 000052
【図１４】
2019012725.tif 000053
【国際調査報告】
2019012725.tif 000054
2019012725.tif 000055