(57)【要約】  【課題】発電量の誤差に基づく不安定要因を解消して動作の安定化を可能にした電力システムを提供する。  【解決手段】発電機１０と、その発電電力を直流電力に変換するコンバータ２０Ａと、その出力側に直流電圧部４０を介して接続された直流電源５０と、直流電圧部４０に接続された負荷３０と、直流母線６０Ｐ，６０Ｎの少なくとも一方に接続されたダイオード７０Ｐ，７０Ｎと、直流電圧部４０の電圧を一定に保つように発電機１０の発電量を調節する制御回路２４Ａとを備えた電力システムにおいて、発電量下限値リミッタ２５５により、発電量指令値の下限値を発電機１０の全ての動作条件において実際の発電量が負となるような所定値に設定する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電機と、
この発電機による発電電力を直流電力に変換するコンバータと、
このコンバータの出力側に直流電圧部を介して接続された直流電源と、
前記直流電圧部に接続された負荷と、
前記コンバータと前記直流電圧部との間の正側直流母線または負側直流母線の少なくとも一方において前記コンバータから前記直流電圧部に電力を供給する方向に接続されたダイオードと、
前記直流電圧部の電圧を一定に保つように前記発電機の発電量を調節する制御手段と、
を備えた電力システムにおいて、
前記発電機の発電量指令値の下限値を、前記発電機の全ての動作条件において実際の発電量が負となるような所定値に設定したことを特徴とする電力システム。
【請求項２】
請求項１に記載した電力システムにおいて、
前記制御手段は、
前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が入力され、かつ積分項を有する調節手段を備え、
この調節手段から出力される前記発電量指令値が前記下限値に達した場合に、前記調節手段における積分項の値をゼロとすることを特徴とする電力システム。
【請求項３】
請求項２に記載した電力システムにおいて、
前記調節手段における積分項の値をゼロとする期間を、前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が負の所定値以下になるまで保持することを特徴とする電力システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発電機及び直流電源の少なくとも一方から負荷に直流電力を供給する電力システムに関し、特に、電力システムの信頼性を向上させる技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図３は、この種の電力システムの従来技術を示している。
図３において、１０は同期機、誘導機、直流機等の発電機であり、図示されていない内燃機関等の駆動源から与えられる機械エネルギーを電気エネルギーに変換する。この電気エネルギーはコンバータ２０により所望の直流電力に変換され、負荷（直流負荷）３０に供給される。
【０００３】
また、外部の駆動源が停止していて発電機１０が駆動源から機械エネルギーを得られない場合や、発電機１０が駆動源から得る機械エネルギーを低減したい場合には、負荷３０の消費電力の一部または全部を直流電源５０から得ることができるように構成されている。
このような電力システムにより、負荷３０に直流電力を常時供給することができる。なお、４０はコンバータ２０と直流電源５０との間の直流電圧部、Ｐは直流電圧部４０の正極、Ｎは負極である。
【０００４】
次に、図４は、上記電力システムの主要部の構成の一例を示す回路図である。
図３に示した発電機１０が三相の交流機である場合、コンバータ２０としては、還流ダイオード２２が逆並列接続された半導体スイッチング素子２１を２個直列接続したアームを三相分備えてなる三相コンバータが用いられる。なお、２３はコンバータ２０の直流出力側に接続された平滑コンデンサ、２４はスイッチング素子２１のオン・オフ制御信号を出力する制御回路である。
また、直流電源５０としては、交流電源に接続されたダイオード５１からなるダイオードブリッジが使用されている。
【０００５】
図４に示した構成によれば、コンバータ２０によって直流電圧部４０の電圧を制御することができ、直流電圧部４０の電圧を交流電源の線間電圧のピーク値以上に制御しておけば直流電源５０から電流が流入することはなく、すべての負荷電力を発電機１０からコンバータ２０を介して供給することができる。また、前述したように発電機１０の発電電力が不足する場合には、直流電圧部４０の電圧を交流電源の線間電圧のピーク値よりも低くすることにより、直流電源５０から一部または全部の負荷電力を得ることが可能である。
上述したような電力システムは、例えば後述する特許文献１に記載されている。
【０００６】
ここで、図３，図４に示した従来技術において、コンバータ２０または直流電源５０が故障した場合には以下のような問題を生じる。
コンバータ２０が、直流電圧部４０を短絡するような状態を招く故障モードになった場合（例えば上下アームの同時オンなど）、直流電圧部４０の電圧は負荷３０へ電力を供給するために十分な値を保持できなくなり、最悪の場合には、直流電源５０からコンバータ２０に過大な電流が流入し、これに伴う過熱によって直流電源５０自体も故障に至る。この状態では、もはや負荷３０に所望の電力を供給することはできない。
特に、負荷３０の連続運転が必須である場合、例えば、負荷３０が発電機１０の駆動源である内燃機関の冷却用電機品である場合などには、上記電力システムでは信頼性に欠けることになる。
【０００７】
直流電源５０についても同様であり、直流電源５０が直流電圧部４０を短絡するようなモードで故障した場合には、コンバータ２０は故障するか保護機能によって運転を停止するかの何れかの状態となり、前記同様に負荷３０への電力供給は不可能になる。
【０００８】
上記の点に鑑み、出願人は先に特願２００４−３４３８６４号にかかる電力システムを出願した。この先願発明は、コンバータと直流電圧部との間の正側直流母線または負側直流母線の少なくとも一方に、コンバータから直流電圧部に電力を供給する方向にダイオードを接続することを要旨としている。
【０００９】
図５は、上記先願発明の具体的構成を示す回路図である。
図５において、２０Ａは半導体スイッチング素子２１及び還流ダイオード２２からなるコンバータ、２８はスナバコンデンサ、４１は直流電圧部４０を構成する電圧平滑用コンデンサ、６０Ｐは正側直流母線、６０Ｎは負側直流母線、７０Ｐ，７０Ｎはダイオードであり、その他の構成要素には図３、図４と同一の番号を付してある。
【００１０】
上記のようにダイオード７０Ｐ，７０Ｎを設ければ、コンバータ２０Ａが直流電圧部４０を短絡させるようなモードで故障したとしても、ダイオード７０Ｐ，７０Ｎの作用により直流電源５０から直流電圧部４０を介してコンバータ２０Ａ側へ電流が流入するのが防止され、直流電圧部４０の電圧を維持することができる。このため、コンバータ２０Ａの短絡故障が直流電源５０側に波及することがなく、例えば直流電源５０からコンバータ２０Ａ側に過電流が流れて直流電源５０が過熱により故障するのを防止することができる。よって、コンバータ２０Ａの故障時には、負荷３０への電力を直流電源５０から供給することが可能になる。
ここで、ダイオード７０Ｐ，７０Ｎは必ずしも両方必要ではなく、何れか一方を挿入するだけでも上記と同様の作用を果たすことができる。
【００１１】
なお、直流電圧部４０には、直流電源５０による整流時のリプル分を平滑化するために電解コンデンサ等からなる電圧平滑コンデンサ４１が設けられている。電解コンデンサは、十分な平滑機能を実現して直流電圧を安定化させるため、その容量は一般に大きい。
一方、スナバコンデンサ２８は、コンバータ２０Ａのスイッチング動作と配線インダクタンスの影響により、コンバータ２０Ａを構成するスイッチング素子２１に過大な電圧が印加されるのを防ぐために設けられており、例えば高周波特性が良好なフィルムコンデンサやＱＰコンデンサ等が用いられる。
【００１２】
次に、図６は、コンバータ２０Ａの制御回路２４Ａを図５に加えて示した図である。
この制御回路２４Ａは、発電量制御部２５と過電圧判定部２６とから構成されており、直流電圧部４０（平滑コンデンサ４１）の電圧を検出して発電量の制御（この明細書において、発電機電流の制御も含むものとする）及び過電圧判定を行っている。
【００１３】
図６の構成では、理想的には、例えばダイオード７０Ｐ，７０Ｎの前段及び後段（平滑コンデンサ４１及びスナバコンデンサ２８）の両電圧を検出して制御することが望ましいが、コスト上の問題から電圧検出手段を少なくしたいという要請がある。この場合、安全上の観点からは、ダイオード７０Ｐの後段、すなわち直流電圧部４０（平滑コンデンサ４１）の電圧を検出することが望ましい。なぜならば、ダイオード７０Ｐの作用により、直流電圧部４０の電圧はスナバコンデンサ２８の電圧よりも低くなることはないため、過電圧保護を行うためには直流電圧部４０の電圧を検出しなければならないからである。
【００１４】
このため、過電圧判定部２６は、直流電圧部４０（電圧平滑用コンデンサ４１）の電圧検出値が規定値以上になった場合に過電圧と判定し、コンバータ２０Ａのスイッチング素子２１を全ゲートオフすることにより運転を停止して発電動作を停止させている。
【００１５】
一方、図７は、前記発電量制御部２５の構成を示すブロック図である。図７において、図６の直流電圧部４０から検出した電圧の指令値に対する偏差を加算器２５１により求め、この偏差を調節器２５２に入力すると共に、調節器２５２の出力を発電量指令値としてコンバータ２０Ａに与える。コンバータ２０Ａはこの指令値に従って発電機１０を制御し、コンバータ２０Ａの出力端子に直流電流を発生させる。
更に、加算器２５３により上記直流電流から直流負荷電流を差し引いたものが平滑コンデンサ４１に流入し、その電圧を変化させる。なお、２５４は直流電圧部４０の電圧検出値からノイズ成分を除去するノイズ除去フィルタであり、このフィルタ２５４を介した電圧検出値が前記加算器２５１に図示の符号で入力される。
【００１６】
上記調節器２５２としては、例えば比例積分（ＰＩ）や比例積分微分（ＰＩＤ）のように、積分項を含むものを用いるのが一般的である。これにより、よく知られているように直流電圧部４０の電圧の定常偏差をゼロとすることができるため、負荷３０の条件によらず直流電圧検出値が指令値に一致するので、システムの動作が安定する。
【００１７】
さて、発電中に負荷が急減するなどの理由により、図６における直流電圧部４０の電圧検出値が指令値よりも高くなると、調節器２５２の出力として負の値、すなわち発電ではなくコンバータ２０Ａが発電機１０に電力を供給する状態が指令される。この場合、図６に示す方向でダイオード７０Ｐ，７０Ｎが接続されていると、直流電圧部４０から発電機１０への電力供給は不可能であるから、結果としてコンバータ２０Ａの出力側に接続されている小容量のスナバコンデンサ２８が急速に放電され、動作が不安定になる恐れがある。このような現象を回避するため、発電機１０の発電量が常に非負（負でない値）になるように、調節器２５２の出力側には発電量下限値リミッタ２５５が設けられている。
【００１８】
【特許文献１】特開２００３−１６１５４１号公報（［００２７］〜［００３０］、図２，図３等）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
しかしながら、発電機１０による実際の発電量は、通常、指令値に対して誤差を有するため、例えば発電量下限リミッタ２５５による下限値をゼロに設定したとしても、実際の発電量は正または負の値をとることが一般的である。また、その誤差の大きさは、例えば発電機１０の温度や回転速度、更には発電機個体間の電気定数のばらつきによって変化するため、誤差をゼロにすることは事実上不可能と言える。
【００２０】
すなわち、先願発明では、図７に示した構成によって発電量指令値を制御したとしても、発電量実際値との誤差によって動作が不安定になるおそれがある。
そこで本発明の解決課題は、発電量の誤差に基づく不安定要因を解消して動作の安定化を可能にした電力システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記課題を解決するため、請求項１に記載した発明は、発電機と、この発電機による発電電力を直流電力に変換するコンバータと、このコンバータの出力側に直流電圧部を介して接続された直流電源と、前記直流電圧部に接続された負荷と、前記コンバータと前記直流電圧部との間の正側直流母線または負側直流母線の少なくとも一方において前記コンバータから前記直流電圧部に電力を供給する方向に接続されたダイオードと、前記直流電圧部の電圧を一定に保つように前記発電機の発電量を調節する制御手段と、を備えた電力システムにおいて、
前記発電機の発電量指令値の下限値を、前記発電機の全ての動作条件において実際の発電量が負となるような所定値に設定したものである。
【００２２】
請求項２に記載した発明は、請求項１において、
前記制御手段は、前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が入力され、かつ積分項を有する調節手段を備え、この調節手段から出力される前記発電量指令値が前記下限値に達した場合に、前記調節手段における積分項の値をゼロとするものである。
【００２３】
請求項３に記載した発明は、請求項２において、
前記調節手段における積分項の値をゼロとする期間を、前記直流電圧部の電圧指令値と電圧検出値との偏差が負の所定値以下になるまで保持するものである。
【発明の効果】
【００２４】
本発明によれば、発電機の発電量実際値と指令値との誤差を低減させ、コンバータの停止等を回避して動作の安定性や電力システムの信頼性を向上させることができる。
また、直流電圧部の振動を抑制して振動音をなくすことも可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
前述した図６，図７に示したような制御回路の構成において、図７の調節器２５２から出力される発電量指令値が下限値リミッタ２５５による下限値により制限されたとしても、誤差によって発電量実際値が正の値であると、直流電圧部４０の電圧は上昇を続け、一般に装備されている過電圧保護機能によってコンバータ２０Ａはやがて運転を停止してしまう。このような事態はシステムの信頼性を保つ観点からも許容されない。
【００２６】
上記の問題を解決するため、請求項１に相当する発明の実施形態では、発電量下限値リミッタ２５５による発電量指令値の下限値を、実際の発電量が僅かに負となるような値に設定することとした。この下限値は、発電機１０の動作条件やパラメータのばらつきを最悪値に仮定した場合に、実際の発電量がゼロとなる発電量指令値よりも僅かなマージンの分だけ小さい値とすればよい。
【００２７】
このように発電量指令値の下限値を設定した場合、実際の動作中に発電量指令値が下限値に達した際には、実際の発電量は必ず負、すなわちコンバータ２０Ａから発電機１０に電力を供給する状態となるため、スナバコンデンサ２８の電圧が急低下することになる。ただし、その低下の度合いは、発電量下限値リミッタ２５５が設けられていない場合に対しては極めて小さい値であり、しかも、直流電圧部４０の電圧が、この直流電圧部４０から電源電圧が供給される制御回路２４Ａ等の軽負荷によって徐々に低下して電圧指令値よりも低くなれば、調節器２５２の出力が再び正に転じて発電状態に戻るため、安定性を大きく損なうことは回避できる。
【００２８】
しかしながら、このような方法では、調節器２５２が一般に積分項を有するために直流電圧部４０の電圧が振動しやすくなるという問題がある。
そこで、請求項２に係る本発明の第２実施形態は、上記の問題を解決して直流電圧部４０の電圧の振動抑制を可能にしたものである。
【００２９】
図１は、負荷が急減したことによって直流電圧部４０の電圧が上昇した場合のシステムの挙動の一例を示している。図１の波形は、上から直流電圧部４０（平滑コンデンサ４１）の電圧、スナバコンデンサ２８の電圧（コンバータ２０Ａのスイッチングの影響によって高周波のリプル成分を含んでいる）、及び調節器２５２から出力される発電量指令値であり、見易さを考慮して、直流電圧部４０の電圧とスナバコンデンサ２８の電圧とは、縦軸につき１divずらして表示してある。また、発電量指令値は下方が正である。なお、調節器２５２としてはＰＩ調節器を用いている。
【００３０】
直流電圧部４０の電圧の振動現象を段階的に分解すると図１の期間ａ〜ｄのようになり、それぞれにおける状況は次のように説明できる。
（１）期間ａ
この期間は、電圧が上昇する期間であり、直流電圧部４０及びスナバコンデンサ２８の両電圧とも上昇する。直流電圧部４０の電圧が指令値を超えると、調節器２５２の出力が負に転じ、発電量指令値はリミッタ２５５による下限値に制限される。
【００３１】
（２）期間ｂ
前述のように発電量指令値の下限値は、実際の発電量が僅かに負となるような値に設定してあるため、コンバータ２０Ａから発電機１０へ電力が供給されるモードとなり、スナバコンデンサ２８の電圧が急降下する。一方、直流電圧部４０の電圧は、制御回路２４Ａ等の消費電力によってゆっくりと下降する。直流電圧部４０の電圧の実際値が指令値を上回っている間、調節器２５２の出力は負であるから、発電量指令値はリミッタ２５５による下限値に一致し続ける。
【００３２】
（３）期間ｃ
直流電圧部４０の電圧の実際値が指令値を下回ると、調節器２５２の作用によって発電量指令値が下限値から離れて上昇し始め、実際の発電量が正に転じた時点でスナバコンデンサ２８の電圧が上昇に転じる。しかし、スナバコンデンサ２８の電圧が直流電圧部４０の電圧に達するまでは直流電圧部４０への電流流入がないため、直流電圧部４０の電圧は下降を続け、その間、調節器２５２の積分項により積分動作が続行されるので、発電量指令値は加速度的に増加する。
【００３３】
（４）期間ｄ
スナバコンデンサ２８の電圧が直流電圧部４０の電圧を超えると、コンバータ２０Ａから直流電圧部４０への電流流入が開始され、直流電圧部４０の電圧も上昇に転じる。
理想的な動作は、この後、直流電圧部４０の電圧が指令値に達した時点で電圧が一定になることであるが、この時点で調節器２５２の積分項に値が蓄積しているため、この蓄積値が発電量指令値の正の値として作用することになり、発電電力が直流電圧部４０の電圧を上昇させてその電圧がオーバーシュートする。その後、再び発電量の指令値は下限値に達し、期間ａ〜ｄの動作が繰り返される。
【００３４】
なお、以上のような振動現象は、直流電圧部４０の安定性の観点から問題があるだけでなく、比較的低周波の振動音を発生させるため、周囲の人間に不快感、不安感を与える。
この問題に対する対策としては、請求項２に記載するごとく、発電量の指令値が下限値に達した場合は、調節器２５２の積分項の値をゼロとすることが有効である。これによって、振動の原因となる積分項の値の蓄積を防止することができ、直流電圧部４０の電圧のオーバーシュートやその後の振動の持続を回避することができる。
【００３５】
次に、請求項３に相当する本発明の第３実施形態を説明する。
前述したように、振動現象が起きる直接の原因は、スナバコンデンサ２８の電圧が低下から上昇に転じ、再び直流電圧部４０の電圧に達する間における調節器２５２の積分項の動作である。従って、振動現象をなくすためには、積分項の値をゼロにする動作を、スナバコンデンサ２８の電圧が上昇に転じてから直流電圧部４０の電圧に達するまでの期間（直流電圧部４０の電圧指令値と電圧検出値との偏差が負の所定値以下になるまでの期間）、継続すればよい。
【００３６】
これを実現する方法としては、例えば発電量の指令値が下限値に達した時点（図１の期間ａの途中）で調節器２５２の積分項をゼロにセットしておき、発電量の指令値が下限値から離れた時点（図１の期間ｃの開始時）でタイマを動作させ、その後所定の期間を経過した後に積分項の動作を再開することが考えられる。これによって、振動が消滅した後で積分項が通常動作に復帰するため、負荷が再び増加しても定常偏差をゼロとすることができる。
【００３７】
あるいは、上記のように積分項の値をゼロにセットした後、発電量指令値が別の正の所定値を越えるまではその状態を継続するという方法をとることも可能である。これにより、負荷が軽く、積分項が動作しなくても直流電圧部４０の定常偏差は無視できる程度の小さい値となる範囲では、振動の原因となる積分項は常にゼロホールドされ、かつ重負荷となって直流電圧部４０の定常偏差が大きくなる場合にのみ積分項が作用することになり、システムの安定性確保と定常偏差の抑制を両立することが可能となる。
【００３８】
図２は、上述のように、発電量指令値が下限値となった場合に調節器２５２の積分項の値をゼロとし、その状態を一定期間保持した場合の動作波形である。この図２によれば、直流電圧部４０の電圧の振動が持続しておらず、ほぼ指令値どおりに制御されており、本実施形態の有効性が確認されている。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態を示す波形図である。
【図２】本発明の実施形態を示す波形図である。
【図３】従来技術を示す構成図である。
【図４】図３の主要部の一例を示す回路図である。
【図５】先願発明の具体的構成を示す回路図である。
【図６】図５に制御回路を付加した図である。
【図７】図６における発電量制御部のブロック図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０：発電機
２０，２０Ａ：コンバータ
２１：半導体スイッチング素子
２２：還流ダイオード
２３，２８：スナバコンデンサ
２４，２４Ａ：制御回路
２５：発電量制御部
２５１，２５３：加算器
２５２：調節器
２５４：ノイズ除去フィルタ
２５５：発電量下限値リミッタ
２６：過電圧判定部
３０：負荷
４０：直流電圧部
４１：電圧平滑用コンデンサ
５０：直流電源
５１：ダイオード
６０Ｐ：正側直流母線
６０Ｎ：負側直流母線
７０Ｐ，７０Ｎ：ダイオード
【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】
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