(57)【要約】【課題】最大電力を得る。【解決手段】駆動回路から直流電源に出力される電流（出力電流）を検出する電流センサと、駆動回路から直流電源に出力される電圧（出力電圧）を検出する電圧センサと、出力電流と出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、出力電力を確認しつつ、励磁電力における電流の属性値である立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング及び電流目標値の少なくとも１つを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、電流の属性値を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも上回っている場合には、電流の属性値を前回と同じ方向に変化させる駆動回路制御部を具備する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から出力される直流電力を励磁電力に変換し、発電機として機能するスイッチトリラクタンス回転機に供給する駆動回路を具備する電力変換装置であって、
前記駆動回路から前記直流電源に出力される電流（出力電流）を検出する電流センサと、
前記駆動回路から前記直流電源に出力される電圧（出力電圧）を検出する電圧センサと、
前記出力電流と前記出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、前記出力電力を確認しつつ、前記励磁電力における電流の属性値である立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング及び電流目標値の少なくとも１つを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、前記電流の前記属性値を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも上回っている場合には、前記電流の前記属性値を前回と同じ方向に変化させる駆動回路制御部を具備することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記駆動回路制御部は、変化させる前記属性値の初期値を、外部の上位制御装置から入力される制御指令及び前記スイッチトリラクタンス回転機の角速度の少なくとも一方に基づいて決定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】
前記駆動回路制御部は、上限値及び下限値の間で前記属性値を変化させ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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
スイッチトリラクタンス回転機は、ロータに永久磁石や巻線がなく、ロータとステータとの間に生じる磁気吸引力によって動作する構成となっている。スイッチトリラクタンス回転機は、原理的に振動、騒音等の課題があるが、構造が簡単で堅牢、高速回転にも耐えることができ、また、ネオジム磁石等の高価な永久磁石が不要であるため安価であるという特徴を有している。そのため、近年、低コストで信頼性に優れた回転機として、実用化に向けての研究開発が進められている。例えば、風力発電（下記特許文献１参照）には風車に接続された発電機が必要であるが、該発電機としてスイッチトリラクタンス回転機を使用する研究が進められている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２５０２８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記従来技術では、スイッチトリラクタンス回転機を発電機として使用する場合、スイッチトリラクタンス回転機に励磁電流を供給する必要があるが、周囲環境、例えば、風力、温度などの環境が変化すると、最適な励磁電流が変化するため、最適な励磁電流を供給できずに、最大電力を得ることができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、最大電力を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、直流電源から出力される直流電力を励磁電力に変換し、発電機として機能するスイッチトリラクタンス回転機に供給する駆動回路を具備する電力変換装置であって、前記駆動回路から前記直流電源に出力される電流（出力電流）を検出する電流センサと、前記駆動回路から前記直流電源に出力される電圧（出力電圧）を検出する電圧センサと、前記出力電流と前記出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、前記出力電力を確認しつつ、前記励磁電力における電流の属性値である立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング及び電流目標値の少なくとも１つを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、前記電流の前記属性値を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも上回っている場合には、前記電流の前記属性値を前回の変化と同じ方向に変化させる駆動回路制御部を具備する、という手段を採用する。
【０００７】
本発明では、第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前記駆動回路制御部は、変化させる前記属性値の初期値を、外部の上位制御装置から入力される制御指令及び前記スイッチトリラクタンス回転機の角速度の少なくとも一方に基づいて決定する、という手段を採用する。
【０００８】
本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記駆動回路制御部は、上限値及び下限値の間で前記属性値を変化させる、という手段を採用する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、出力電流と出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、出力電力を確認しつつ、前記励磁電力における電流の属性値である立ち上がりタイミング、立ち下がりタイミング及び電流目標値の少なくとも１つを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、電流の前記属性値を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも上回っている場合には、電流の属性値を前回の変化と同じ方向に変化させることによって、最適な励磁電流をスイッチトリラクタンス回転機に供給して、最大電力を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の機能ブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の動作を示すフローチャートである。
【図３】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の励磁電流を示す模式図である。
【図４】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の動作の変形例を示すフローチャートである。
【図５】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の動作の変形例を示すフローチャートである。
【図６】本発明の一実施形態に係る電力変換装置の動作の変形例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の一実施形態について説明する。
本実施形態に係る電力変換装置は、直流電源Ｅによって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンス回転機Ｇに供給するものである。このような電力変換装置は、図１に示すように、駆動回路１、Ｕ相電流センサ２、Ｖ相電流センサ３、Ｗ相電流センサ４、回転位置センサ５、出力用電流センサ６、出力用電圧センサ７及び駆動回路制御部８から構成されている。
【００１２】
上記スイッチトリラクタンス回転機Ｇは、例えば、回転軸に風車が接続されて、風力発電における発電機として使用されるものである。スイッチトリラクタンス回転機Ｇを発電機として使用して電力を得るためには、風車によって回転するスイッチトリラクタンス回転機Ｇに電力変換装置から励磁電力を供給する必要がある。スイッチトリラクタンス回転機Ｇでは、ロータが、磁化されたステータに引き付けられる吸引力に逆らって、風車から得られる機械的な力によって回転することで発電する。また、上記直流電源Ｅは、例えば、１つあるいは複数の電池セルが直列接続されたバッテリである。
【００１３】
駆動回路１は、駆動回路制御部８から供給されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチングすることにより、直流電源Ｅから供給される直流電力をＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の励磁電力に変換して、スイッチトリラクタンス回転機Ｇに供給する。
Ｕ相電流センサ２は、駆動回路１とスイッチトリラクタンス回転機Ｇとを接続するＵ相電力線に流れるＵ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部８に出力する。
【００１４】
Ｖ相電流センサ３は、駆動回路１とスイッチトリラクタンス回転機Ｇとを接続するＶ相電力線に流れるＶ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部８に出力する。
Ｗ相電流センサ４は、駆動回路１とスイッチトリラクタンス回転機Ｇとを接続するＷ相電力線に流れるＷ相励磁電流を検出して、駆動回路制御部８に出力する。
【００１５】
回転位置センサ５は、スイッチトリラクタンス回転機Ｇの回転子の回転位置を検出し、当該回転位置を示す回転位置検出信号を駆動回路制御部８に出力する。
出力用電流センサ６は、直流電源Ｅと駆動回路１との間に設けられ、直流電源Ｅへの出力電流Ｉｐを検出して、駆動回路制御部８に出力する。
出力用電圧センサ７は、直流電源Ｅと駆動回路１との間に設けられ、直流電源Ｅへの出力電圧Ｖｐを検出して、駆動回路制御部８に出力する。
【００１６】
駆動回路制御部８は、駆動回路１のスイッチングを制御するものであり、図１に示すように、速度演算部８ａ、最大電力追従演算部８ｂ、電流制御部８ｃ及びＰＭＷ信号発生部８ｄから構成されている。
速度演算部８ａは、回転位置センサ５から入力される回転位置検出信号を微分処理することにより、スイッチトリラクタンス回転機Ｇの回転状態値として角速度を算出し、算出した角速度を最大電力追従演算部８ｂに出力する。
【００１７】
最大電力追従演算部８ｂは、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）、速度演算部８ａから入力される角速度、出力用電流センサ６によって検出された直流電源Ｅへの出力電流Ｉｐ及び出力用電圧センサ７によって検出された出力電流Ｖｐに基づいて電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力が最大となる励磁電流の値（励磁電流値）を算出し、該励磁電流値を電流制御部８ｃに出力する。
【００１８】
電流制御部８ｃは、最大電力追従演算部８ｂから入力される励磁電流値を有する励磁電流が駆動回路１からスイッチトリラクタンス回転機Ｇに供給されるように、Ｕ相電流センサ２、Ｖ相電流センサ３、Ｗ相電流センサ４によって各々検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流に基づいて駆動回路１のＰＷＭ制御におけるＰＷＭ信号のデューティ値を算出し、ＰＭＷ信号発生部８ｄに出力する。
【００１９】
ＰＭＷ信号発生部８ｄは、電流制御部８ｃから入力されるＰＷＭ信号のデューティ値に基づいて駆動回路１をスイッチング動作させるためのＰＷＭ信号を生成して駆動回路１に出力する。
【００２０】
次に、このように構成された本電力変換装置の動作について図２及び図３を参照して説明する。
本電力変換装置は、直流電源Ｅへの出力電力が最大となるように追従制御するものであり、以下の特徴的な処理を実行する。まず、電力変換装置において、駆動回路制御部８の最大電力追従演算部８ｂは、増減フラグＦに初期値（例えば「１」）を設定する（ステップＳ１）。
【００２１】
続いて、最大電力追従演算部８ｂは、上記増減フラグＦを用いて励磁電流の立ち上がりタイミングθonを算出する（ステップＳ２）。具体的には、最大電力追従演算部８ｂは、増減フラグＦと微小時間Δθとを乗算し、この乗算結果を立ち上がりタイミングの現在値θ０に加算することで、新たな立ち上がりタイミングθonを算出する。上記立ち上がりタイミングθonとは、図３に示すように、励磁電流における立ち上がりのタイミングである。この励磁電流の立ち上がりのタイミングの違いによって電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力は増減する。なお、微小時間Δθは、予め設定された固定値である。
【００２２】
また、最大電力追従演算部８ｂは、立ち上がりタイミングの初期値、つまり、初回の立ち上がりタイミングの現在値θ０について、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部８ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方に基づいて決定する。例えば、最大電力追従演算部８ｂは、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部８ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方と、立ち上がりタイミングの初期値とが対応付けられたテーブルを予め記憶し、このテーブルに基づいて立ち上がりタイミングの初期値を決定する。
【００２３】
続いて、最大電力追従演算部８ｂは、出力用電流センサ６から入力される出力電流Ｉｐと出力用電圧センサ７から入力される出力電圧Ｖｐとを乗算して、出力電力Ｐを算出し（ステップＳ３）、算出した最新の出力電力Ｐと前回算出した出力電力Ｐ０とを比較する（ステップＳ４）。最大電力追従演算部８ｂは、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、増減フラグＦに「−１」を乗算し、この乗算結果を新たな増減フラグＦとして設定し（ステップＳ５）、最新の出力電力Ｐを前回算出した出力電力Ｐ０に設定すると共に、最新の立ち上がりタイミングθonを現在値θ０に設定して（ステップＳ６）、再びステップＳ２の処理を実行する。一方、最大電力追従演算部８ｂは、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、上記ステップＳ５の処理を実行せずに、上記ステップＳ６の処理を実行して、再びステップＳ２の処理を実行する。
【００２４】
つまり、最大電力追従演算部８ｂは、上記ステップＳ１〜Ｓ６の処理を実行することによって、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとを乗算して出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、励磁電力における電流の属性値である立ち上がりタイミングθonを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力Ｐが前回の出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、立ち上がりタイミングθonを前回と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力Ｐが前回の出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、立ち上がりタイミングθonを前回と同じ方向に変化させる。なお、最大電力追従演算部８ｂは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流毎に上記ステップＳ１〜Ｓ６の処理を実行する。
【００２５】
次に、上記動作の変形例について図４を参照して説明する。この動作は、変化させる対象が励磁電流の立ち下がりタイミングθoffであるという点において、図２に示す上記動作と異なる。
まず、電力変換装置において、駆動回路制御部８の最大電力追従演算部８ｂは、増減フラグＦに「１」を設定する（ステップＳ１１）。
【００２６】
続いて、最大電力追従演算部８ｂは、上記増減フラグＦを用いて励磁電流の立ち下がりタイミングθoffを算出する（ステップＳ１２）。具体的には、最大電力追従演算部８ｂは、増減フラグＦと微小時間Δθとを乗算し、この乗算結果を立ち下がりタイミングの現在値θ０に加算することで、新たな立ち下がりタイミングθoffを算出する。上記立ち下がりタイミングθoffとは、図３に示すように、励磁電流における立ち下がりのタイミングである。この励磁電流の立ち下がりのタイミングの違いによって電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力は増減する。なお、微小時間Δθは、予め設定された固定値である。
【００２７】
また、最大電力追従演算部８ｂは、立ち下がりタイミングの初期値、つまり、初回の立ち下がりタイミングの現在値θ０について、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部８ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方に基づいて決定する。例えば、最大電力追従演算部８ｂは、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部８ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方と、立ち下がりタイミングの初期値とが対応付けられたテーブルを予め記憶し、このテーブルに基づいて立ち上がりタイミングの初期値を決定する。
【００２８】
続いて、最大電力追従演算部８ｂは、出力用電流センサ６から入力される出力電流Ｉｐと出力用電圧センサ７から入力される出力電圧Ｖｐとを乗算して、出力電力Ｐを算出し（ステップＳ１３）、算出した最新の出力電力Ｐと前回算出した出力電力Ｐ０とを比較する（ステップＳ１４）。最大電力追従演算部８ｂは、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、増減フラグＦに「−１」を乗算し、この乗算結果を新たな増減フラグＦとして設定し（ステップＳ１５）、最新の出力電力Ｐを前回算出した出力電力Ｐ０に設定すると共に、最新の立ち下がりタイミングθoffを現在値θ０に設定して（ステップＳ１６）、再びステップＳ２の処理を実行する。一方、最大電力追従演算部８ｂは、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、上記ステップＳ１５の処理を実行せずに、上記ステップＳ１６の処理を実行して、再びステップＳ１２の処理を実行する。
【００２９】
つまり、最大電力追従演算部８ｂは、上記ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理を実行することによって、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとを乗算して出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、励磁電力における電流の属性値である立ち下がりタイミングθoffを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力Ｐが前回の出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、立ち下がりタイミングθoffを前回と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力Ｐが前回の出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、立ち下がりタイミングθoffを前回と同じ方向に変化させる。なお、最大電力追従演算部８ｂは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流毎に上記ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理を実行する。
【００３０】
次に、上記動作の変形例について図５を参照して説明する。この動作は、変化させる対象が励磁電流の電流目標値Ｉrefであるという点において、図２に示す上記動作と異なる。
まず、電力変換装置において、駆動回路制御部８の最大電力追従演算部８ｂは、増減フラグＦに「１」を設定する（ステップＳ２１）。
【００３１】
続いて、最大電力追従演算部８ｂは、上記増減フラグＦを用いて励磁電流の電流目標値Ｉrefを算出する（ステップＳ２２）。具体的には、最大電力追従演算部８ｂは、増減フラグＦと微小電流ΔＩとを乗算し、この乗算結果を電流目標値の現在値Ｉref０に加算することで、新たな電流目標値Ｉrefを算出する。上記電流目標値Ｉrefとは、図３に示すように、励磁電流における立ち上った状態の電流の目標値である。この励磁電流の電流目標値の違いによって電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力は増減する。なお、微小電流ΔＩは、予め設定された固定値である。
【００３２】
また、最大電力追従演算部８ｂは、電流目標値の初期値、つまり、初回の電流目標値の現在値Ｉref０について、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部８ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方に基づいて決定する。例えば、最大電力追従演算部８ｂは、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部８ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方と、電流目標値の初期値とが対応付けられたテーブルを予め記憶し、このテーブルに基づいて電流目標値の初期値を決定する。
【００３３】
続いて、最大電力追従演算部８ｂは、出力用電流センサ６から入力される出力電流Ｉｐと出力用電圧センサ７から入力される出力電圧Ｖｐとを乗算して、出力電力Ｐを算出し（ステップＳ２３）、算出した最新の出力電力Ｐと前回算出した出力電力Ｐ０とを比較する（ステップＳ２４）。最大電力追従演算部８ｂは、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、増減フラグＦに「−１」を乗算し、この乗算結果を新たな増減フラグＦとして設定し（ステップＳ２５）、最新の出力電力Ｐを前回算出した出力電力Ｐ０に設定すると共に、最新の電流目標値Ｉrefを現在値Ｉref０に設定して（ステップＳ２６）、再びステップＳ２の処理を実行する。一方、最大電力追従演算部８ｂは、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、上記ステップＳ２５の処理を実行せずに、上記ステップＳ２６の処理を実行して、再びステップＳ２２の処理を実行する。
【００３４】
つまり、最大電力追従演算部８ｂは、上記ステップＳ２１〜Ｓ２６の処理を実行することによって、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとを乗算して出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、励磁電力における電流の属性値である電流目標値Ｉrefを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力Ｐが前回の出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、立ち下がりタイミングθoffを前回と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力Ｐが前回の出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、電流目標値Ｉrefを前回と同じ方向に変化させる。なお、最大電力追従演算部８ｂは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の励磁電流毎に上記ステップＳ２１〜Ｓ２６の処理を実行する。
【００３５】
このような本実施形態によれば、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとを乗算して出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、励磁電力における電流の属性値である立ち上がりタイミングθon、立ち下がりタイミングθoff及び電流目標値Ｉrefのいずれかを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、電流の属性値を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、電流の属性値を前回の変化と同じ方向に変化させることによって、最適な励磁電流をスイッチトリラクタンス回転機に供給して、最大電力を得ることができる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）上記実施形態では、立ち上がりタイミングθon、立ち下がりタイミングθoff及び電流目標値Ｉrefのいずれか１つを正または負方向に変化させたが、本発明はこれに限定されない。本発明は、立ち上がりタイミングθon、立ち下がりタイミングθoff及び電流目標値Ｉrefの少なくとも１つを正または負方向に変化させるようにすればよい。つまり、本発明は、立ち上がりタイミングθon、立ち下がりタイミングθoff及び電流目標値Ｉrefを正または負方向に変化させることを、組み合わせるようにすればよい。
【００３７】
（２）本発明では、上限値及び下限値の間で立ち上がりタイミングθon、立ち下がりタイミングθoff及び電流目標値Ｉrefを変化させるようにしてもよい。
（３）本発明では、図６に示すように、ステップＳ４１（つまり、図２におけるステップＳ３）から順番に処理を実行するようにしてもよい。なお、図６では、立ち上がりタイミングθonを例に挙げているが、立ち下がりタイミングθon及び電流目標値Ｉrefを、図６に示すように、変化させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…駆動回路、２…Ｕ相電流センサ、３…Ｖ相電流センサ、４…Ｗ相電流センサ、５…回転位置センサ、６…出力用電流センサ、７…出力用電圧センサ、８…駆動回路制御部、８ａ…速度演算部、８ｂ…最大電力追従演算部、８ｃ…電流制御部、８ｄ…ＰＭＷ信号発生部
【図１】
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【図２】
2015111983.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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