(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微分キャパシタ切替に基づく受動力率補償を実行するための方法であって、
力率、電源電圧、電源周波数、無効電力、無効電力の符号を含むリアルタイム電力回路測定結果を取得するステップと、
必要補償容量を設定するステップと、
前記必要補償容量に最も近い全静電容量を得るために、それぞれ対応するキャパシタの充電または開放のためのキャパシタスイッチのそれぞれの状態を判定するステップと、
前記必要補償容量のために判定された前記キャパシタスイッチのそれぞれの状態によりキャパシタの組み合わせを形成するステップと、
現在充電されているキャパシタの組合せに含まれる現在充電されているキャパシタを、最小容量の前記キャパシタから始まり最大容量の前記キャパシタで終わる昇順に１つずつ開放し、すべての前記キャパシタの開放後、新しいキャパシタの組合せに含まれるキャパシタを、最小容量の前記キャパシタから始まり最大容量の前記キャパシタで終わる昇順に１つずつ充電し、ライントランジェントノイズを最小にするステップとを含み、
前記ステップを予め決められた時間間隔で繰り返す、方法。
【請求項２】
請求項１に記載の方法であって、
前記必要補償容量の設定において、
C_pfcが微分補償容量であり、P_reactiveが測定された無効電力であり、Vacが電源電圧、flが測定された電源周波数であって、
【数１】
0006280634.tif 000006
を計算し、
前記微分補償容量の絶対値が予め定められた限界値より大きい場合、
測定された力率が正の場合はC_pfcを既存の静電容量値に加え、測定された力率が負の場合はC_pfcを既存の静電容量値から減じることにより、前記必要補償容量を得る、方法。
【請求項３】
請求項１に記載の方法であって、
前記キャパシタスイッチの位置および状態がバイナリ形式で表され、
前記キャパシタスイッチは、最上位ビット（ＭＳＢ）に配置されている最も高いキャパシタンスを有するキャパシタに対応する前記キャパシタスイッチおよび最下位ビット（ＬＳＢ）に配置されている最も低いキャパシタンスを有するキャパシタに対応する前記キャパシタスイッチを含み、それぞれ対応するキャパシタの静電容量値に従って降順に配置される、方法。
【請求項４】
請求項２に記載の方法であって、
前記予め定められた限界値は、最小静電容量ステップと同じであるか、またはその１／２より大きい、方法。
【請求項５】
請求項１に記載の方法であって、
各キャパシタの充電および開放のそれぞれは、遅延時間間隔によって分断されている、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、その開示全体が本明細書に参照によって引用される２０１３年３月３０日に出願された米国仮特許出願第６１／８０６，８６８号の優先権を主張するものである。
【０００２】
本発明は、概して、発電と送電に関する。特に、本発明は、電力品質補償方法およびシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの異なる現代的な電気機器や電子デバイスを伴った電源供給システムにおける電力品質に関する問題が増加している。交流（ＡＣ）電源システムには、国により５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数で正負が交互に切り替わる正弦電圧波がある。交流システムにおいて、電流も正弦波形を有するが、電圧波形に対して特定の位相角を有する。誘導性負荷が電気システムに接続されることで、誘導性負荷のリアクタンスにより電流が電圧波形に遅れを生じることはよく知られている。電圧と電流の位相差は、力率（ＰＦ）と関連がある。電圧と電流が正確に同相の場合、力率は１に等しくなる（ＰＦ＝１）。誘導性負荷が付加されると、電流が電圧波形に遅れを生じることにより力率が下がる。これは、電力コストに関し重大な結果を生じさせ、低力率に罰金が課されることがあり、発電や電送コストに加わっている。例えば、力率＜０．７において、重い課税や追加料金が最終消費者の請求へと回り出す場合がある。
【０００４】
誘導性負荷を補償する電気システムの相間の様々なラインキャパシタの切り替えや力率を１により近い高レベルに戻し、よって電力品質を保つことに頼った受動電力品質補償装置がある。これらの受動電力品質補償装置により、第一に力率が測定され、第二に例えばルックアップテーブルや最小・最大限界値などの様々な方法により必要なキャパシタンスの量を算出し、そして最終的にキャパシタンスの量をスイッチインする。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
請求項に係る本発明の目的は、微分キャパシタ切替に基づき、受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムを提供することである。請求項に係る本発明のさらなる目的は、微分キャパシタ切替中のライントランジェントノイズを減らすことのできるアルゴリズムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
様々な実施態様により、本発明は、１）無効電力、２）力率、３）電圧、４）電源周波数を測定するコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムを使用する。コンピュータ実行可能な制御アルゴリズムは、正（キャパシタンスを付加する）または負（キャパシタンスを除去する）の微分補償容量を計測する。また、それは必要な微分容量の限界値においてみられ、下限の限界値の範囲内の場合、アルゴリズムはキャパシタンスを一切変更しないであろう。またアルゴリズムのこの部分がキャパシタの切り替え周波数を制限する。
【０００７】
微分補償容量が必要になるとすぐに、正（キャパシタンスを付加する）または負（キャパシタンスを除去する）が判定され、また下限の限界値外で、微分補償容量と電流補償容量の合計または差から新しい補償容量が計算される。アルゴリズムは、電流補償容量のキャパシタの切り替えビットパターンと新しい補償容量のキャパシタの切り替えビットパターンとを比較し、それによりキャパシタの切り替えビットマップを選択する。新しい補償容量のキャパシタの切り替えの組みあわせは、暫時、キャパシタの切り替えのビットマップに基づき切り替えられる。選択されたキャパシタの切り替えの組み合わせに達するため、ライントランジェントノイズを最小限にするよう一度に一つのみのスイッチを切り替える。ライントランジェントノイズを最小限にするため、一つ一つそれぞれのミリ秒間隔の遅れによってオン／オフを切り替えるキャパシタの切り替えにより、アルゴリズムのこの部分は、力率が補正されるまで続けられる。
【０００８】
１５分毎に、アルゴリズムは、再び１）無効電力、２）力率、３）電圧、４）電源周波数を測定する。ルーティンを通じて、アルゴリズムが再び実行され、微分容量値の最小値とキャパシタのパターン変更に入る必要性を見る。
【０００９】
ラインパワーの交差におけるゼロ電圧は、任意に監視することができる。電力ラインの瞬時電圧がゼロに近い場合、さらに切り替えの乱れを減らすため、リレー接点を開閉するようリレーの瞬間にスイッチオンやスイッチオフをするように設定する。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は、請求項に係る本発明の実施態様により、微分キャパシタの切り替えに基づく受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムを組み込んだ典型的な電力回路を示す回路図である。
【図２Ａ】図２Ａは、請求項に係る本発明の別の実施態様による、微分キャパシタの切り替えに基づく受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムを組み込んだ別の典型的な電力回路を示す回路図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図２Ａに示す電力回路のキャパシタの切り替え動作を表すフローチャートである。
【図３Ａ】図３Ａは、請求項に係る本発明のさらに別の実施態様による、微分キャパシタの切り替えに基づく、受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムの工程を示すフローチャートである。
【図３Ｂ】図３Ｂは、請求項に係る本発明のさらに別の実施態様による、微分キャパシタの切り替えに基づく、受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムの工程を示すフローチャートである。
【図３Ｃ】図３Ｃは、請求項に係る本発明のさらに別の実施態様による、微分キャパシタの切り替えに基づく、受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムの工程を示すフローチャートである。
【図３Ｄ】図３Ｄは、請求項に係る本発明のさらに別の実施態様による、微分キャパシタの切り替えに基づく、受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムの工程を示すフローチャートである。
【図３Ｅ】図３Ｅは、補償キャパシタの典型的な関わりに対応するビットパターンの遷移を示す表である。
【図４】図４は、外部の不揮発性記憶装置に保存された補償容量値とパラメータのデータ構造の典型的な実施態様を示す表である。
【図５Ａ】図５Ａは、補償容量値とパラメータ、請求項に係る本発明の典型的な実施の結果をリストにした表である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、キャパシタの選択論理状態ＶＳ無効電力のチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下では、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００１２】
下記の説明において、微分キャパシタの切り替えによる受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムなどを組み込んだ方法やシステムを好ましい例により示す。本発明の範囲や意図を逸脱しない範囲において、追加および/または置換を含む変更があることは当業者にとって自明である。特定の詳細は、発明を不明確にさせないために省略される場合がある。しかしながら、開示は、ここに記載される教示にしたがって、不要な実験をすることなく、当業者が実施できるように記載されている。
【００１３】
図１は、請求項に係る本発明の実施態様による、微分キャパシタの切り替えに基づく受動力率補償のためのコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムを組み込んだ典型的な電力回路を表した回路図を示す。この電力回路は三相システムのもので、しかし、他の二相システムに類似の構造を適用させることができる。この電力回路は、判定された電力品質補償に必要な補償容量により、スイッチSWbit0(103)、SWbit1(102)、SWbit2(101)に対応する３つのキャパシタC1(106)、C2(105)、C3(104)を個別にスイッチイン、スイッチアウトさせることができる。加えて、計測モジュール(107)が、電圧、電流、力率、有効電力、無効電力を含むパワーラインの品質データを収集する。
【００１４】
スイッチの位置および状態は、制御アルゴリズムのバイナリ形式で示される。一つの典型的な実施態様は次の通りである。
【００１５】
【表１】
0006280634.tif 000002
【００１６】
ライントランジェントノイズを最小限にするため、選択されたキャパシタの切り替えの組み合わせに達するよう、一度に一つのスイッチのみを切り替える。下記表２を参照。例えば、必要な補償容量が現状の25uF から62uFへと増加する場合、３つのスイッチが状態３、状態４、そして最後に状態５へと順次に進む。
【００１７】
【表２】
0006280634.tif 000003
【００１８】
キャパシタの数とそれらの値は、請求項に係る本発明の原理を説明する目的で、例として選択されている。いずれのキャパシタの数や容量値も、請求項に係る本発明の実施に適用することができる。
【００１９】
図２Ａは、コンピュータ実行可能な制御アルゴリズムを組み込んだ別の典型的な電気回路であり、回路図で示す。この電力回路は、キャパシタの切り替えが突入リレーにより実施されている。図２Ｂは、本実施におけるキャパシタの切り替えの動作を示すフローチャートである。例えば、キャパシタC3をスイッチインさせるため、スイッチSWbit2a (202)を最初にスイッチオンし、遅延時間（例  30ミリ秒）を待って、SWbit2 (201)をスイッチオンし、キャパシタC3をスイッチアウトするため、スイッチSWbit2 (201) を最初にスイッチオフし、遅延時間（例  30ミリ秒）を待って、SWbit2a (202)をスイッチオフする。
【００２０】
必要な補償容量を設定するため、次の数理計算に基づき計算がなされる。
【００２１】
【数１】
0006280634.tif 000004
【００２２】
請求項に係る本発明の様々な実施態様によると、コンピュータ実行可能な制御アルゴリズムは測定のための測定モジュールによる：電源電圧：Vac、電源周波数：fl、無効電力：P_reactive、無効電力の符号： 遅相を+ve、進相を-ve（＋または−の力率として示す）。
【００２３】
図３Ａ、図３Ｂ、図３Ｃ、図３Ｄは、自動的に補償容量を調整するコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムの工程を示すフローチャートである。図３Ａのフローチャートは、全体のプロセスを示し、それには下記のステップを含む。
【００２４】
ａ．既存の容量値C_pfcをゼロに初期化する。
【００２５】
ｂ．リアルタイムの測定値を得る。
該測定値には：力率、電源電圧、データやデフォルト値により測定できる電源周波数、無効電力、力率測定の部分から判定される無効電力の符号が含まれる。
【００２６】
ｃ．詳細を図３Ｂに示すが、次の式に基づき、必要な補償容量を計算する。
【００２７】
【数２】
0006280634.tif 000005
【００２８】
該計算は、仮にC_pfcの絶対値が、予め定められた限界値より大きい場合、好ましくは最小静電容量ステップと等しいか、その１／２より大きく（これがヒステリシスを提供し、ハンチングを防止する）、C_pfcを既存の容量値に加算（力率が正である場合）、または、既存の容量値からC_pfcを減算（力率が負の場合）する。
【００２９】
ｄ．詳細を図３Ｃのフローチャートで示すように、必要な補償容量のため、キャパシタの組み合わせ（または、バイナリ形式におけるスイッチの位置および状態）をデコードする。
【００３０】
ｅ．詳細を図３Ｄのフローチャートに示すように現在充電されているキャパシタの組み合わせから始めて、新しくデコードされたキャパシタの組み合わせを充電する。
【００３１】
ｆ．ａ〜ｅのステップをそれぞれ予め決められたインターバルで、典型的には１５分間で、繰り返す。
【００３２】
ある実施態様によると、図３Ｄのフローチャートに示すように新しい既存容量値に基づく適切な補償キャパシタの充電は、一連のステップを含む。図３Ｅに示す表で説明するように１０１〜１１０まで対応するビットパターンの遷移のそのような関わりの例を示す。
【００３３】
請求項に係る本発明の様々な実施態様によると、自動的に補償容量を調整するコンピュータ実行可能な制御アルゴリズムは、主にマイクロコントローラー（ＭＣＵ）を用いて実施する。この実施形態では、適切な補償容量の充電のステップが、異なる電力レベルのアルゴリズムを適用するのに柔軟性を提供するよう外部ソースからのＭＣＵへの補償容量の負荷を含む。例えば、ＥＥＰＲＯＭやＦｌａｓｈメモリなどの外部の不揮発性記憶装置が、Ｉ／Ｏインタフェースを通じて、ＭＣＵに読み込まれる補償容量値やパラメータを保存させるように用いられる。補償容量値とパラメータはＵＡＲＴ、Ｉ２Ｃ、ＵＳＢといった定義済みのプロトコルのインタフェースを通じて不揮発性記憶装置へ付加される。外部の不揮発性記憶装置に保存される補償容量値およびパラメータのデータ構造の典型的な実施態様を図４の表で示す。
【００３４】
請求項に係る本発明の様々な実施態様によると、電力ラインの品質情報のタイムスタンプデータのロギングが提供される。該データは、不揮発性記憶装置へのＭＣＵのログ電力ライン情報、時間、電圧、電源周波数、有効電力、無効電力、充電するキャパシタまたはスイッチの状態、無効電力が符号を含まない場合の力率、周囲温度、チェックサムが含まれる。データ構造は、電力システムの位相数で示すことができるべきである。
【００３５】
ここで開示された実施態様は、汎用または特別なコンピューティング装置、移動通信装置、コンピュータプロセッサ、電子回路を含むが、限定ではなく、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、フィールド・ブログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、その他のプログラム可能に構成され、またはプログラムされた論理装置を用いて実施することができる。本開示の示唆に基づき、ソフトウェアまたは電気技術に詳しい実務家により、汎用特別なコンピューティング装置、移動通信装置、コンピュータプロセッサ、プログラム可能な論理装置において実行するコンピュータの指令またはソフトウェアのコードは容易に提供できる。
【００３６】
いくつかの実施態様において、本発明は、本発明のいずれのプロセスも実行できるようにコンピュータやマイクロプロセッサをプログラムすることができるコンピュータの指令またはソフトウェアのコードを有するコンピュータ記憶媒体を含む。この記憶媒体は、限定されないが、フロッピーディスク（登録商標）、光学ディスク、ブルーレイディスク、ＤＶＤ、ＣＤ−ＲＯＭ、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ装置または指令、コードおよび／またはデータを保存するのに適したいずれのタイプの媒体や装置を含む。
【００３７】
本発明の上記の説明は、例示や解説を目的として提供される。それらは網羅する意図やまた本発明は開示された詳細な形態に限定される意図ではない。多くの変更やバリエーションが当業者にとって明白であろう。
【００３８】
本発明の本質とその実用化を最もよく説明するために実施例は選択され、説明される。それによってその他の当業者により、様々な実施態様や特定の使用の計画に適した様々な変更ができる。本発明の範囲は次のクレームとそれらと均等であるものにより定めることを意図する。
【図１】
0006280634.tif 000007
【図２Ａ】
0006280634.tif 000008
【図２Ｂ】
0006280634.tif 000009
【図３Ａ】
0006280634.tif 000010
【図３Ｂ】
0006280634.tif 000011
【図３Ｃ】
0006280634.tif 000012
【図３Ｄ】
0006280634.tif 000013
【図３Ｅ】
0006280634.tif 000014
【図４】
0006280634.tif 000015
【図５Ａ】
0006280634.tif 000016
【図５Ｂ】
0006280634.tif 000017