(57)【要約】      （修正有）【課題】電力変換装置に接続した負荷が定格容量を越えた場合に、その出力電流がリミッタ値を越えるのを抑制する。【解決手段】負荷７へ電力を供給するインバータ装置２の出力電圧Ｖ0の目標となる第１電圧設定値Ｖ1と、出力電流Ｉ0のリミットとなる電流上限値ＩLとを予め定めておき、前記インバータ装置２の出力電流Ｉ0と出力電圧Ｖ0を検出し、これらから前記負荷のインピーダンスＺを求め、このインピーダンスＺと前記電流上限値ＩLとの積から当該インバータ装置２の出力電圧の目標となる第２電圧設定値Ｖ2を求め、第２電圧設定値Ｖ2が前記第１電圧設定値Ｖ1以上のときは、比例積分制御により当該インバータ装置２の出力電圧Ｖ0を前記第１電圧設定値Ｖ1に一致させる制御を行い、第２電圧設定値Ｖ2が前記第１電圧設定値Ｖ1よりも小ときは、比例積分制御により当該インバータ装置２の出力電圧Ｖ0を前記第２電圧設定値Ｖ2に一致させる制御を行う。【選択図】        図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
負荷へ電力を供給する電力変換装置の出力電圧の目標となる第１電圧設定値と、出力電流のリミットとなる電流上限値とを予め定めておき、
前記電力変換装置の出力電流と出力電圧を検出し、これらから前記負荷のインピーダンスを求め、
このインピーダンスと前記電流上限値との積から当該電力変換装置の出力電圧の目標となる第２電圧設定値を求め、
この第２電圧設定値が前記第１電圧設定値以上のときは、比例積分制御により当該電力変換装置の出力電圧を前記第１電圧設定値に一致させる制御を行い、
この第２電圧設定値が前記第１電圧設定値よりも小さいときは、比例積分制御により当該電力変換装置の出力電圧を前記第２電圧設定値に一致させる制御を行うことを特徴とするインバータ装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力変換装置が変換して出力する電力の過電流を抑制しながら、その出力電圧を制御する電力変換装置の制御方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
電力変換装置として、例えば燃料電池が発生する直流電力を交流電力に変換するインバータ装置がある。このインバータ装置に接続している負荷へは一定電圧の交流電力を供給しているから、負荷の容量増大と共にその出力電流が増大して、電源である燃料電池あるいはインバータ装置などに許容されている電流値を越えると、これら燃料電池や、インバータ装置の構成要素である半導体スイッチ素子などが破壊されてその機能を失ってしまうから、過電流を防ぐ回路が提案されている。
【０００３】
図５は燃料電池を電源とするインバータ装置の過電流を防ぐ第１従来例を示したブロック回路図である（例えば、特許文献１参照。）。
図５に図示の第１従来例回路は、燃料電池１からの直流電力を電力変換装置としてのインバータ装置２で交流電力に変換して負荷７へ供給している。このインバータ装置２の出力側には電圧検出器６を設置し、この電圧検出器６が検出する電圧検出値Ｖ０  と、電圧設定器３Ａが設定する電圧設定値Ｖ１  との偏差を、比例積分調節器でなる定電圧調節器３Ｂへ入力することにより、この定電圧調節器３Ｂはその入力偏差を零にする制御信号をインバータ装置２へ出力する。これにより当該インバータ装置２は、出力電圧を電圧設定値Ｖ１  なる一定値に維持することができる。またインバータ装置２の入力側には電流検出器５を設置して、この回路を流れる電流Ｉ０  を検出している。この電流検出値Ｉ０  と電流リミッタ設定器４Ａが設定する電流リミッタ値ＩＬ  との偏差を、比例積分調節器でなる電流調節器１１へ入力することにより、この電流調節器１１はその入力偏差を零にする制御信号を出力するのであるが、ＩＬ  ＞Ｉ０  の場合は、電流調節器１１が出力する制御信号はブロックダイオード１２で阻止されている。しかし電流検出値Ｉ０  がＩＬ  ＜Ｉ０  となる過電流状態では、電流調節器１１が出力する制御信号の極性が反転してブロックダイオード１２を導通させる。ブロックダイオード１２の導通により、この制御信号が電圧設定値Ｖ１  を減少させることになるから、定電圧調節器３Ｂはインバータ装置２の電流を絞る制御信号を出力し、過電流が抑制される。
【０００４】
しかしながらこの第１従来例回路は、定電圧調節器３Ｂと電流調節器１１という２組の比例積分調節器を備える必要がある。比例積分調節器は乗算器や加算器などの演算器に比べて構成が複雑であるし、調整や設定に手間がかかる不都合がある。そこで、このように手間のかかる比例積分調節器を使用せずに電力変換装置の電流を制限しようとする回路の提案がなされている（例えば、特許文献２参照。）。
図６は定電圧制御をする電力変換装置の電流を比例積分調節器を使用せずに制限する第２従来例を示したブロック回路図であって、前述した第１従来例回路と同様に、燃料電池１からの直流電力を、電力変換装置としてのインバータ装置２で交流電力に変換して負荷７へ供給する場合であって、インバータ装置２が出力する電流を検出する電流検出器５と、出力電圧を検出する電圧検出器６とを備えている。
【０００５】
この第２従来例回路において、インバータ装置２を制御する制御演算ブロック８は、定電圧制御ブロック３と過負荷リミッタ演算ブロック４とでなる。定電圧制御ブロック３は電圧設定器３Ａと定電圧調節器３Ｂとで構成していて、電圧設定器３Ａは電圧設定値Ｖ１  を設定しており、定電圧調節器３Ｂはこの電圧設定値Ｖ１  と電圧検出器６が検出する電圧検出値Ｖ０  との偏差を入力して、この入力偏差を零にする制御信号をインバータ装置２へ出力する。
一方、過負荷リミッタ演算ブロック４は電流リミッタ設定器４Ａと除算器４Ｂとリミッタ出力演算器４Ｃで構成していて、電流リミッタ設定器４Ａは電流リミッタ値ＩＬ  を設定している。除算器４Ｂはこの電流リミッタ値ＩＬ  と電流検出器５が検出する電流検出値Ｉ０  とを入力して、α＝ＩＬ  ／Ｉ０  なる演算を行い、その演算結果であるαをリミッタ出力演算器４Ｃへ出力する。
【０００６】
リミッタ出力演算器４Ｃは、除算器４Ｂからのαと電圧設定器３Ａが設定する電圧設定値Ｖ１  とを入力するが、ＩＬ  ≧Ｉ０  の場合はα≧１である。よってαが１以上の値を呈するとき、リミッタ出力演算器４Ｃは電圧指令値Ｖ＊  として電圧設定値Ｖ１  を（すなわちＶ＊  ＝Ｖ１  ）出力する。またＩＬ  ＜Ｉ０  の場合はα＜１であるから、αが１より小さい値を呈するときは、このαと電圧設定値Ｖ１  との積を電圧指令値Ｖ＊  として（Ｖ＊  ＝α・Ｖ１  である）出力する。すなたわちインバータ装置２が出力する電流検出値Ｉ０  が電流リミッタ値ＩＬ  を越える過電流状態の場合は、その過電流の程度に応じて電圧設定値Ｖ１  を低減することで、当該インバータ装置２の過電流状態の解消を図っている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−１３５０１３号公報
【特許文献２】
実開平７−２９６０８号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
図６で既述の第２従来例回路において、インバータ装置２の定格電圧をＶ００、定格電流をＩ００、定格インピーダンスをＺ０  とし、電圧設定値Ｖ１  ＝Ｖ００であり、電流リミッタ値ＩＬ  ＝Ｉ００であるとする。インバータ装置２は定電圧制御での運転であるから、電圧検出値Ｖ０  は電圧指令値Ｖ＊  に一致（すなわちＶ０  ＝Ｖ＊  ）している。
前述したように、α＞１のときはＶ＊  ＝Ｖ１  であり、これの両辺をＶ００で除算すると下記の数式１が得られる。
【０００９】
【数１】
Ｖ＊  ／Ｖ００＝Ｖ１  ／Ｖ００
電流検出値Ｉ０  は下記の数式にで表される。
【００１０】
【数２】
Ｉ０  ＝Ｖ０  ／Ｚ＝Ｖ＊  ／Ｚ＝Ｖ１  ／Ｚ＝Ｖ００／Ｚ
数式２の両辺をＩ００で除算すると下記の数式３が得られる。
【００１１】
【数３】
Ｉ０  ／Ｉ００＝Ｚ０  ／Ｚ
次にα＜１のときは、前述したようにＶ＊  ＝α・Ｖ１  ＝Ｖ１  ・（ＩＬ  ／Ｉ０  ）である。なお、この数式でＩ０  とＶ＊  は独立ではない。
オームの法則から、Ｖ０  ＝Ｉ０  ・Ｚであり、定常状態ではＶ＊  ＝Ｉ０  ・Ｚである。よってこれらからＶ＊  を消去してＩ０  を求めると、下記の数式４となる。
【００１２】
【数４】
Ｉ０  ＝√（Ｖ１  ・ＩＬ  ／Ｚ）＝√（Ｖ００・Ｉ００／Ｚ）
＝√（Ｉ００・Ｚ０  ・Ｉ００／Ｚ）＝Ｉ００√（Ｚ０  ／Ｚ）
数式４の両辺をＩ００で除算すると下記の数式５が得られる。
【００１３】
【数５】
Ｉ０  ／Ｉ００＝√（Ｚ０  ／Ｚ）
このときの電圧指令値Ｖ＊  は下記の数式６となる。
【００１４】
【数６】
Ｖ＊  ＝Ｉ００・Ｚ・√（Ｚ０  ／Ｚ）＝（Ｖ００／Ｚ０  ）・Ｚ・√（Ｚ０  ／Ｚ）
＝Ｖ００／√（Ｚ０  ／Ｚ）
この数式６の両辺をＶ００で除算すると、下記の数式７が得られる。
【００１５】
【数７】
Ｖ＊  ／Ｖ００＝１／√（Ｚ０  ／Ｚ）
図７は図６で既述の第２従来例回路において負荷容量と電圧指令値Ｖ＊  との関係を示したグラフであって、横軸をＺ０  ／Ｚで示し、縦軸をＶ＊  ／Ｖ００で示している。このグラフで、負荷容量が零から１（すなわちＺ＝Ｚ０  ）までの間では、電圧指令値はＶ１  ／Ｖ００なる一定値（数式１参照）を呈しているが、負荷容量が１より大になると、電圧指令値はＺ０  ／Ｚの平方根に反比例して減少（数式７参照）することが分かる。
【００１６】
図８は図６で既述の第２従来例回路において負荷容量と電流検出値Ｉ０  との関係を示したグラフであって、横軸をＺ０  ／Ｚで示し、縦軸をＩ０  ／Ｉ００で示している。このグラフで、負荷容量が零から１（すなわちＺ＝Ｚ０  ）までの間では、電流検出値は負荷容量の増加に比例して増大（数式３参照）している。しかし負荷容量が１より大になって電圧指令値が減少（図７参照）しているにもかかわらず、電流検出値はＺ０  ／Ｚの平方根に比例して増加（数式５参照）を続けていることが分かる。
すなわち、図６に図示の第２従来例回路では、インバータ装置２に定格容量を越える負荷が接続されると、電流の増加はある程度抑制されはするけれども、依然として増加する傾向であって、電流リミッタ値ＩＬ  を越えてしまう不都合がある。
【００１７】
そこでこの発明の目的は、電力変換装置に接続した負荷が定格容量を越えた場合に、その出力電流がリミッタ値を越えるのを、比例積分調節器を使用せずに抑制できるようにすることにある。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電力変換装置の制御方法は、
負荷へ電力を供給する電力変換装置の出力電圧の目標となる第１電圧設定値と、出力電流のリミットとなる電流上限値とを予め定めておき、前記電力変換装置の出力電流と出力電圧を検出し、これらから前記負荷のインピーダンスを求め、このインピーダンスと前記電流上限値との積から当該電力変換装置の出力電圧の目標となる第２電圧設定値を求め、この第２電圧設定値が前記第１電圧設定値以上のときは、比例積分制御により当該電力変換装置の出力電圧を前記第１電圧設定値に一致させる制御を行い、この第２電圧設定値が前記第１電圧設定値よりも小さいときは、比例積分制御により当該電力変換装置の出力電圧を前記第２電圧設定値に一致させる制御を行う。
【００１９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例を表したフローチャートである。このフローチャートにおいて、電力変換装置としてのインバータ装置の出力電流Ｉ０  を電流検出器が検出し、出力電圧Ｖ０  を電圧検出器が検出する。処理３１は、この電圧検出値Ｖ０  を電流検出値Ｉ０  で除算する演算を行って負荷インピーダンスＺを求める。処理３２は、この負荷インピーダンスＺと電流リミッタ設定器４Ａが設定している電流リミッタ値ＩＬ  との積を演算して第２電圧設定値Ｖ２  を求める。処理３３は、この第２電圧設定値Ｖ２  と電圧設定器３Ａが設定している第１電圧設定値Ｖ１  との大小を比較する。
【００２０】
判断３９では第１電圧設定値Ｖ１  と第２電圧設定値Ｖ２  との大小を比較をしており、Ｖ１  ≦Ｖ２  ならば処理３４へ進み、Ｖ１  ＞Ｖ２  ならば処理３５へ進む。処理３４では第１電圧設定値Ｖ１  が電圧指令値Ｖ＊  とし選択され、処理３５では第２電圧設定値Ｖ２  が電圧指令値Ｖ＊  として選択される。処理３６では、選択されたいずれかの電圧設定値を電圧指令値Ｖ＊  にして、インバータ装置の出力電圧を制御する。
図２は本発明の実施例を表したブロック回路図であって、図１で既述のフローチャートを実現する回路であるが、この実施例回路は、図６で既述の第２従来例回路における過負荷リミッタ演算ブロック４に乗算器２１を付加していることと、リミッタ出力演算器４Ｃの代わりに、これとは異なる機能のリミッタ出力演算器２２を備えているところが異なっているが、これ以外はすべて第２従来例回路と同じであるから、同じ部分の説明は省略する。
【００２１】
電圧検出器６からの電圧検出値Ｖ０  を、電流検出器５からの電流検出値Ｉ０  で除算することで、負荷７のインピーダンスＺが得られるし、電流リミッタ設定器４Ａで設定する電流リミッタ値ＩＬ  と、この負荷インピーダンスＺとの乗算を行うことで第２電圧設定値Ｖ２  が得られるが、これらの乗算と除算が乗算器２１とリミッタ出力演算器２２で演算され、その演算結果である第２電圧設定値Ｖ２  がリミッタ出力演算器２２へ入力している。なお、このリミッタ出力演算器２２へは電圧設定器３Ａが設定する第１電圧設定値Ｖ１  も入力しており、Ｖ１  ≦Ｖ２  のときは、リミッタ出力演算器２２から出力する電圧指令値Ｖ＊  ＝Ｖ１  であるが、Ｖ１  ＞Ｖ２  のときは、出力する電圧指令値Ｖ＊  ＝Ｖ２  である。
【００２２】
図６で既述の第２従来例回路と同様に、インバータ装置２の定格電圧をＶ００、定格電流をＩ００、定格インピーダンスをＺ０  とし、電圧設定値Ｖ１  ＝Ｖ００であり、電流リミッタ値ＩＬ  ＝Ｉ００であるとする。インバータ装置２は定電圧制御での運転であるから、電圧検出値Ｖ０  は電圧指令値Ｖ＊  に一致（すなわちＶ０  ＝Ｖ＊  ）している。
前述したようにＶ１  ＜Ｖ２  のときはＶ＊  ＝Ｖ１  であり、これの両辺をＶ００で除算すれば下記の数式８が得られる。
【００２３】
【数８】
Ｖ＊  ／Ｖ００＝Ｖ１  ／Ｖ００
電圧検出値Ｖ０  は下記の数式９で表される。
【００２４】
【数９】
Ｉ０  ＝Ｖ０  ／Ｚ＝Ｖ＊  ／Ｚ＝Ｖ１  ／Ｚ＝Ｖ００／Ｚ
この数式９の両辺をＩ００で除算することで、下記の数式１０が得られる。
【００２５】
【数１０】
Ｉ０  ／Ｉ００＝Ｚ０  ／Ｚ
またＶ１  ＞Ｖ２  のときはＶ＊  ＝Ｖ２  ＝ＩＬ  ・Ｖ０  ／Ｉ０  であるが、Ｖ＊  とＩ０  は独立ではない。またＶ０  ＝Ｉ０  ・Ｚである。よってこれらから電圧指令値Ｖ＊  を求めると、下記の数式１１となる。
【００２６】
【数１１】
Ｖ＊  ＝ＩＬ  ・Ｚ
数式１１の両辺をＶ００で除算すると数式１２が得られる。
【００２７】
【数１２】
Ｖ＊  ／Ｖ００＝Ｉ００・Ｚ／Ｖ００＝Ｚ／Ｚ０  
また電流検出値Ｉ０  ＝Ｖ＊  ／Ｚ＝（ＩＬ  ・Ｚ）／Ｚ＝ＩＬ  であるから、これの両辺をＩ００で除算することで、下記の数式１３が得られる。
【００２８】
【数１３】
Ｉ０  ／Ｉ００＝ＩＬ  ／Ｉ００
図３は図２に図示の実施例回路において負荷容量と電圧指令値との関係を示したグラフであって、横軸をＺ／Ｚ０  で示し、縦軸をＶ＊  ／Ｖ００で示している。このグラフで、負荷容量が零から１（すなわちＺ＝Ｚ０  ）までの間では、電圧指令値はＶ１  ／Ｖ００なる一定値（数式８参照）を呈しているが、負荷容量が１より大になると、電圧指令値はＺ／Ｚ０  に反比例して減少（数式１２参照）することが分かる。
【００２９】
図４は図２に図示の実施例回路において負荷容量と電流検出値との関係を示したグラフであって、横軸をＺ／Ｚ０  で示し、縦軸をＩ０  ／Ｉ００で示している。このグラフで、負荷容量が零から１（すなわちＺ＝Ｚ０  ）までの間では、電流検出値は負荷容量の増加に比例して増大（数式１０参照）している。また、負荷容量が１より大の範囲では電流検出値はＩＬ  ／Ｉ００なる一定値（数式１３参照）を呈する。
すなわち、図２に図示の実施例回路では、インバータ装置２の電流回路に比例積分調節器を使用しない場合でも、定格容量を越える負荷を接続したときに、電流の増加を抑制している。
【００３０】
【発明の効果】
従来の電力変換装置は負荷容量が定格値を越えたときに、電圧制御にのみ比例積分調節器を使用している場合は電流の増加を抑制できないために、過電流状態になる恐れがあった。そこで電流制御用にも比例積分調節器を使用することになり、装置に余分な機器が必要になるし、調節器の設定や調節に手間がかかるなどの不都合があった。
本発明では、乗算器などの簡単な機器の追加で、電流制御用の比例積分調節器を使用せずに、電力変換装置の負荷容量が定格値を越えても過電流状態になるのを回避できるので、装置や回路構成が簡素化できるし、調節器の設定や調節の手間を削減できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を表したフローチャート
【図２】本発明の実施例を表したブロック回路図
【図３】図２に図示の実施例回路において負荷容量と電圧指令値との関係を示したグラフ
【図４】図２に図示の実施例回路において負荷容量と電流検出値との関係を示したグラフ
【図５】燃料電池を電源とするインバータ装置の過電流を防ぐ第１従来例を示したブロック回路図
【図６】定電圧制御をする電力変換装置の電流を比例積分調節器を使用せずに制限する第２従来例を示したブロック回路図
【図７】図６で既述の第２従来例回路において負荷容量と電圧指令値Ｖ＊  との関係を示したグラフ
【図８】図６で既述の第２従来例回路において負荷容量と電流検出値Ｉ０  との関係を示したグラフ
【符号の説明】
１                    燃料電池
２                    電力変換装置としてのインバータ装置
３                    定電圧制御ブロック
３Ａ                  電圧設定器
３Ｂ                  定電圧調節器
４                    過負荷リミッタ演算ブロック
４Ａ                  電流リミッタ設定器
４Ｂ                  除算器
４Ｃ                  リミッタ出力演算器
５                    電流検出器
６                    電圧検出器
７                    負荷
８                    制御演算ブロック
１１                    電流調節器
１２                    ブロックダイオード
２１                    乗算器
２２                    リミッタ出力演算器
３１〜３６              処理
３９                    判断
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2005027421.tif 000009
【図８】
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