(57)【要約】  電力インバータ（１４０）の制御システムが開示される。電力インバータはグリッド（１９０）を接続および切断するように構成された接触器（１８０）に結合されてもよい。制御システムは複数の出力電圧センサ（１７２〜１７５）と複数の出力電流センサ（１８２〜１８５）を含んでもよい。グリッドが接続されると出力電圧センサは接触器における少なくとも２つのライン電圧を測定するように構成され、出力電流センサは接触器における少なくとも２つのライン電流を測定するように構成されてもよい。制御システムは出力電圧センサと出力電流センサに接続されたコントローラ（２００）をさらに含んでもよい。コントローラは電力インバータの出力電圧の目標振幅と目標周波数を決定するように構成されてもよい。コントローラはさらに目標振幅と目標周波数に基づき複数の電力トランジスタスイッチングパルスを決定するように構成されてもよい。制御システムはまた、コントローラと電力インバータに接続されたインターフェース回路（２１０）を含んでもよい。インターフェース回路は電力インバータに電力トランジスタスイッチングパルスを供給するように構成されてもよい。
2012513187.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グリッド（１９０）を接続および切断するように構成された接触器（１８０）に結合された電力インバータ（１４０）の制御システムであって、
複数の出力電圧センサ（１７２〜１７５）と複数の出力電流センサ（１８２〜１８５）であって、グリッドが接続されると出力電圧センサは接触器における少なくとも２つのライン電圧を測定するように構成され、出力電流センサは接触器における少なくとも２つのライン電流を測定するように構成された、出力電圧センサと出力電流センサと、
出力電圧センサと出力電流センサに接続されたコントローラ（２００）であって、
電力インバータの出力電圧の目標振幅と目標周波数を決定し、
目標振幅と目標周波数に基づき複数の電力トランジスタスイッチングパルスを決定するように構成されたコントローラと、
コントローラと電力インバータに接続されたインターフェース回路（２１０）であって、電力インバータに電力トランジスタスイッチングパルスを供給するように構成されたインターフェース回路と、
を含む制御システム。
【請求項２】
コントローラはさらに、グリッドを接続する命令が受信された後かつグリッドが接続される前に、電力インバータをグリッドに同期させるように構成される、請求項１に記載の制御システム。
【請求項３】
電力インバータは少なくとも１つの電源（１１０または１２０）にさらに接続され、電源は電力インバータに直流電力を供給する、請求項１に記載の制御システム。
【請求項４】
電源により供給される直流電圧を測定するように構成された入力電圧センサ（１７１）と、電源により供給される直流電流を測定するように構成された入力電流センサ（１８１）とをさらに含み、
コントローラはさらに直流電圧と直流電流に基づき基準有効電力を決定するように構成される、請求項３に記載の制御システム。
【請求項５】
目標周波数を決定するように構成されたコントローラは、
ライン電圧とライン電流に基づき有効電力を計算し、
帰還制御ループを使用して有効電力を基準有効電力に一致させるように構成されたコントローラを含む、請求項４に記載の制御システム。
【請求項６】
目標振幅を決定するように構成されたコントローラは、
力率補正を利用して基準無効電力を決定し、
ライン電圧とライン電流に基づき無効電力を計算し、
帰還制御ループを利用して無効電力を基準無効電力に一致させるように構成されたコントローラを含む、請求項１に記載の制御システム。
【請求項７】
グリッド（１９０）を接続および切断するように構成された接触器（１８０）に結合された電力インバータ（１４０）の制御方法であって、
グリッドが接続されると接触器における少なくとも２つのライン電圧と少なくとも２つのライン電流を測定する工程と、
電力インバータの出力電圧の目標振幅と目標周波数を決定する工程と、
目標振幅と目標周波数に基づき複数の電力トランジスタスイッチングパルスを決定する工程と、
電力インバータに電力トランジスタスイッチングパルスを供給する工程と、
を含む制御方法。
【請求項８】
電源により電力インバータに供給された直流電圧と直流電流を測定する工程と、
直流電圧と直流電流に基づき基準有効電力を決定する工程と、
をさらに含む、請求項７に記載の制御方法。
【請求項９】
目標周波数を決定する工程は、
ライン電圧とライン電流に基づき有効電力を計算することと、
帰還制御ループを利用して有効電力を基準有効電力に一致させることと、
を含み、
帰還制御ループは積分ループと電力垂下ループを含み、電力垂下ループは低域通過フィルタ（４１２）を含む、請求項８に記載の制御方法。
【請求項１０】
目標振幅を決定する工程は、
ライン電圧とライン電流に基づき無効電力を計算することと、
帰還制御ループを利用して無効電力を基準無効電力に一致させることと、
を含み、
帰還制御ループは積分ループと電力垂下ループを含み、電力垂下ループは低域通過フィルタ（４０６）を含む、請求項７に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は電力インバータのグリッド接続遷移制御に関し、具体的には単独運転防止用電力インバータ（ａｎｔｉ−ｉｓｌａｎｄｉｎｇ  ｐｏｗｅｒ  ｉｎｖｅｒｔｅｒ）のグリッド接続遷移制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力システムは、分散する電力会社に電源を提供するために光電池直流電力または燃料電池直流電力等の分散型電源を含んでもよい。電力インバータは通常、電源を電力利用に適合させるために電源と負荷との間で使用される。例えば電力システムは直流電力を３相交流電源に変換する３相インバータモジュールを含んでもよい。３相交流電源は負荷に供給される。
【０００３】
２つのタイプの負荷（分散型電源における局所負荷と関連する内部限界負荷（ｉｎｔｅｒｎａｌ  ｃｒｉｔｉｃａｌ  ｌｏａｄ）と様々なサービス間に分散するグリッド負荷）が通常、電源により並列に駆動される。グリッド負荷は出力接触器を介し電力インバータに接続される。グリッド負荷が接続される場合電力インバータは「グリッド接続」モードで働くと言われ、グリッド負荷が切断される場合電力インバータは「スタンドアロン」モードで働くと言われる。例えば、送電線に短絡問題が存在するとグリッド負荷は切断され、電力が供給される負荷だけが内部限界負荷となる。
【０００４】
「グリッド接続」モードと「スタンドアロン」モード中では、電力インバータの動作は実質的に異なってもよい。したがってグリッド負荷が例えば伝送線短絡のため突然切断されると電力インバータの制御は１つの動作モードから他の動作モードへ飛ぶことがある。このような「グリッド接続」モードから「スタンドアロン」モードへの滑らかでない遷移は「単独運転（ｉｓｌａｎｄｉｎｇ）」条件として一般的に知られている。従来は、電力インバータの動作を維持するために２つの別個の電力コントローラが２つのモード用に別個に構成しなければならなかった。例えばグリッド負荷が接続されると１つのコントローラが「グリッド接続」モード下で動作し、グリッド負荷が切断されると他のコントローラが引き継ぎ、スタンドアロンモード下で動作することができる。しかしながら２つの電源コントローラ間の切り替えが様々な問題を生じることがある。例えば切り替えは可変周波数駆動装置（ＶＦＤ：ｖａｒｉａｂｌｅ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｒｉｖｅ）等の敏感な局所負荷を遮断する電圧ディップを引き起こすことがある。
【０００５】
２つの動作モード間を遷移中の過電流を防止するように設計された１つの電力変換器システムは一瀬らの（特許文献１）に記載されている。（特許文献１）に記載された電力変換器システムは電力システムに負荷を接続する回路遮断器を含む。回路遮断器が閉じられると、電力変換器は自己整流動作からグリッド接続動作に変化することができる。（特許文献１）は、電力変換器の出力電圧の位相をシステム電圧の位相に一致させる電力変換器コントローラについて記載している。具体的には、電力変換器コントローラは変換器システムの出力位相を調整するために回路遮断器のシステム側の電圧を使用する。（特許文献１）によると、回路遮断器は出力位相がシステム電圧の位相と一致すると閉じられる。
【０００６】
（特許文献１）に記載された電力変換器システムは２つの動作モード間を遷移させるのに有効かもしれないが次善的なものと言ってよい。例えば、（特許文献１）に記載された電力変換器システムは有効な単独運転検出および防止機能を持たないので頑強とは言えない。そのため、単独運転条件が発生するとグリッド接続動作から自己整流動作への遷移中に電圧ディップが発生することがある。その結果、ＶＦＤ等の局所負荷は電圧ディップのために遮断され、電力システムは動作不能になることがある。
【０００７】
さらに、交流電圧は３つのパラメータ（振幅、周波数、位相）により特徴付けられる。特許文献１の電力変換器コントローラは変換器出力電圧の位相をシステム電圧に一致させるが、これらの２つの電圧の振幅と周波数を効果的には一致させない。この追加理由のために、（特許文献１）に記載された電力変換器システムは滑らかなグリッド接続遷移を実現しないかもしれない。
【０００８】
開示電力インバータ制御システムおよび方法は、上述した問題のうちの１つまたは複数の問題を克服することに関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，３０４，４６８号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
一態様では、本開示は電力インバータの制御システムに関する。電力インバータはグリッドに電力を供給するように構成されてもよい。制御システムは、電力インバータの出力ライン電圧と出力ライン電流を測定するように構成された複数の出力電圧センサと複数の出力電流センサを含んでもよい。制御システムは電力インバータに結合されたコントローラをさらに含んでもよい。コントローラは外乱周波数に関連する制御信号を電力インバータに供給するように構成されてもよい。コントローラはさらに、出力ライン電圧と出力ライン電流に基づき電力インバータの出力電力を決定し、外乱周波数により引き起こされる出力電力内の振動の振幅を決定するように構成されてもよい。コントローラはまた、振動の振幅が閾値未満の場合、単独運転条件を検出するように構成されてもよい。制御システムはさらに、コントローラに結合されたインターフェース回路であって単独運転条件が検出されると電力インバータからグリッドを切断するように構成されたインターフェース回路を含んでもよい。
【００１１】
別の態様では、本開示は電力インバータの制御方法に関する。電力インバータはグリッドに電力を供給するように構成されてもよい。本制御方法は、外乱周波数に関連する制御信号を電力インバータに供給する工程と、外乱周波数により引き起こされる電力インバータの出力電力内の振動の振幅を決定する工程とを含んでもよい。制御方法はさらに、振動の振幅が閾値未満の場合に単独運転条件を検出する工程を含んでもよい。制御方法はまた、単独運転条件が検出された場合に電力インバータからグリッドを切断する工程を含んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の実施形態による電力インバータの制御システムを有する例示的な電力システムを図示する。
【図２】本開示の実施形態による例示的なコントローラを図示する。
【図３】本開示の実施形態による例示的な電力インバータ制御処理を示すフローチャートを提供する。
【図４】本開示の実施形態による図２に開示されたコントローラの例示的な帰還制御方式を提供する。
【図５】本開示の実施形態による例示的な最大効率点電力追跡処理（ｍａｘｉｍｕｍ  ｐｏｉｎｔ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｃｋｉｎｇ  ｐｒｏｃｅｓｓ）を示すフローチャートを提供する。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１には、本開示の実施形態による電力インバータの制御システムを有する例示的な電力システム１００を示す。電力システム１００は、燃料電池電源１１０、光電池電源１２０等の１つまたは複数の電源、入力接触器１３０、電力インバータ１４０、出力ＬＣフィルタ１５０、ライン変成器１６０、限界負荷１７０、出力接触器１８０、およびグリッド１９０を含んでもよい。電力システム１００の動作は、様々な電圧センサと電流センサ（例えば、電圧センサ１７１〜１７５と電流センサ１８１〜１８５）と、コントローラ２００と、コントローラ２００を電力システム１００の１つまたは複数の部品と様々な電圧センサと電流センサとに結合させるインターフェース回路２１０と、を含んでもよい制御システムにより制御される。
【００１４】
電力システム１００は、１つまたは複数の電源により供給される電力を変換してその電力をシステムに接続された負荷に供給してもよい。本開示によると、１つまたは複数の電源は直流電力を電力システム１００に供給してもよい。いくつかの実施形態では、電力システム１００は再生可能電源とディーゼル発電等の従来の燃料ベースの電源とを組み合わせてもよい。他のいくつかの実施形態では、電力システム１００はまた燃料電池電源１１０、光電池電源１２０等のいくつかの再生可能電源を組み合わせてもよい。任意の他の好適な直流電源が電力システム１００に組み込まれ得るように企図されている。
【００１５】
入力接触器１３０は遠隔的にオン／オフ可能な回路遮断器であってもよい。入力接触器１３０が閉じられると、電源１１０、１２０は直流電力が電力システム１００に供給されるように電力システム１００に接続される。さもなければ、入力接触器１３０が開かれると、電源１１０、１２０は電力システム１００から切断され、電力システム１００は遮断される。
【００１６】
入力接触器１３０が閉じられると、電力インバータ１４０は電源１１０、１２０により供給された直流電力を負荷要求に合致する交流電源に変換するように構成されてもよい。例えば、電力インバータ１４０は、限界負荷１７０および／またはグリッド１９０を駆動するための交流電圧および／または交流電流出力を供給してもよい。電力システム１００は２つ以上の電力インバータを含み得るように企図されている。複数の電力インバータが並列に接続され、それぞれが直流電力の一部を変換するように構成されてもよい。
【００１７】
電力インバータ１４０は少なくとも１つの相を有し、各相は少なくとも１つの電力トランジスタを含んでもよい。例えば図１に示すように、電力インバータ１４０は直流電力を３相交流電力に変換するように３相と６つの電力トランジスタとを有してもよい。各電力トランジスタはその対応するゲート駆動回路によりオン／オフされてもよい。例示の目的のため、本開示ではＩＧＢＴが示され検討される。しかしながら、開示システムおよび方法は限定するものではないがＢＪＴ、ダーリントンデバイスとＭＯＳＦＥＴを含む他の好適な電力トランジスタに適用可能となるように企図されている。
【００１８】
電力トランジスタは、電力インバータ１４０から出力される電圧を変調するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）等のスイッチング方式に従ってスイッチングされてもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ２００は、ゲート駆動信号を電力トランジスタに供給するためにインターフェース回路２１０を介し電力インバータ１４０に結合されてもよい。
【００１９】
出力ＬＣフィルタ１５０は電力インバータ１４０の交流出力をろ過するように構成されてもよい。例えば、特定周波数の交流電圧が負荷には望まれるが、電力インバータ１４０の交流出力は通常、高調波および／または他の周波数の雑音を含むことがある。出力ＬＣフィルタ１５０は、交流電圧が負荷に供給される前にこれらの高調波および／または雑音を除去するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、出力ＬＣフィルタ１５０は電力インバータ１４０と等しい数の相を有してもよい。各相は１つまたは複数のインダクタンス（通常は「Ｌ」で示す）と１つまたは複数の容量を含んでもよい（通常は「Ｃ」で示す）。
【００２０】
電力システム１００は、交流電圧を所望のレベルに調節するためにライン変成器１６０をさらに含んでもよい。ライン変成器１６０は出力ＬＣフィルタ１５０に電気的に接続されてもよい。いくつかの実施形態では、ライン変成器１６０は電力インバータ１４０と出力ＬＣフィルタ１５０と等しい数の相を有してもよい。各相は、誘導結合されたワイヤの一次巻線と二次巻線を含み、二次側誘導交流電圧を一次側交流電圧からそれぞれの巻線のワイヤの巻数比と等しい係数だけ拡大縮小するように構成されてもよい。例えば、ライン変成器１６０は１９０ボルトの電圧が３８０ボルトに昇圧されるように１：２の倍率を有してもよい。いくつかの実施形態では、電力インバータ１４０の出力電圧が所望のレベルの場合、ライン変成器１６０を省略してもよい。
【００２１】
２つのタイプの負荷を電力システム１００により駆動してもよい。１つのタイプの負荷は、電力システム１００に関連する局所負荷である限界負荷１７０である。限界負荷１７０の例としては電源１１０、１２０における抵抗器、インダクタ、容量が挙げられる。他のタイプの負荷は、様々なサービス提供者間に遠隔的に分散された負荷であるグリッド１９０である。グリッド１９０の例としては、様々な家庭における家電、工場、事務設備、分散電力基地および分散電源が挙げられる。電源がグリッド１９０として電力システム１００に接続されると、電源は電力消費者ではなく電力システム１００へ電力を戻す発電機の機能を果たすことができる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、グリッド１９０は出力接触器１８０を介し電力システム１００に接続されてもよい。入力接触器１３０と同様に、出力接触器１８０は遠隔的にオン／オフ可能な回路遮断器であってもよい。いくつかの実施形態では、出力接触器１８０は電力インバータ１４０と出力ＬＣフィルタ１５０と等しい数の相を有し、各相は回路遮断器を含んでもよい。出力接触器１８０が閉じられると、グリッド１９０は電力システム１００に接続される。したがって電力インバータ１４０は、限界負荷１７０とグリッド１９０の両方に交流電力を供給する「グリッド接続」動作モード下で働くことができる。さもなければ、出力接触器１８０が開かれると、グリッド１９０は電力システム１００から切断される。したがって電力インバータ１４０は、限界負荷１７０にだけ交流電力を供給する「スタンドアロン」動作モード下で働くことができる。グリッド１９０はまた、出力接触器１８０の物理的切り換え以外の理由で切断されることがある。例えば、短絡がグリッド１９０または伝送線において発生することがある。これらの場合、単独運転条件が発生し、電力インバータ１４０の動作は電力システム１００を保護するために直ちに「スタンドアロン」モードに調整される。
【００２３】
限界負荷１７０と比較し、グリッド１９０の負荷は著しく高くてもよい。したがって２つの動作モード間の変化は電力システム１００の電力要件を著しく変化させることがある。すなわち「グリッド接続」動作モードと「スタンドアロン」動作モードは互いに異なってもよい。これに加えて、「グリッド接続」動作モード中、電力の流れは２つの電圧源の位相差と電圧差により決定される。そのため、２つの動作モード間の遷移が滑らかでない場合、電力システム１００の信頼性と効率に影響を与える様々な問題が発生することがある。
【００２４】
制御システムはこれらの遷移問題を回避または緩和するために含まれてもよい。図１に示すように、制御システムは、様々な電圧センサと電流センサ（例えば、電圧センサ１７１〜１７５と電流センサ１８１〜１８５）と、コントローラ２００と、コントローラ２００を電力システム１００の１つまたは複数の部品と様々な電圧センサと電流センサとに結合させるインターフェース回路２１０と、を含んでもよい。制御システムは図１に示すものより多くの部品を含んでもよいように企図されている。
【００２５】
電圧センサ１７１は入力接触器１３０の近傍の直流入力電圧を測定するように構成される直流電圧センサであってもよい。同様に、電流センサ１８１は入力接触器１３０の近傍の直流入力電流を測定するように構成される直流電流センサであってもよい。電圧センサ１７２〜１７５は交流線電圧を測定するように構成される交流電圧センサであってもよい。例えば、電圧センサ１７２、１７３は出力ＬＣフィルタ１５０におけるライン電圧を測定し、電圧センサ１７４、１７５はライン変成器１６０の直後の点のライン電圧を測定してもよい。本開示によると、交流線電圧は２つの交流電力線間の電圧であり、各電力線は電圧の相に対応する。例えば、電圧センサ１７４は相「ａ」と相「ｂ」間のライン電圧を測定し、電圧センサ１７５は相「ｂ」と相「ｃ」間のライン電圧を測定する。したがって電流センサ１８２〜１８５は交流線電流を測定するように構成される交流電流センサであってもよい。本開示によると、交流線電流は交流電力線を通って流れる電流である。例えば、電流センサ１８２、１８４は出力ＬＣフィルタ１５０とライン変成器１６０における相「ａ」のライン電流をそれぞれ測定する。
【００２６】
電圧および電流測定結果は、データリンク、インターフェース回路２１０等の通信回線を介しコントローラ２００に伝達されてもよい。インターフェース回路２１０は、電力システム１００の様々な部品と通信を行うように動作可能な１つまたは複数の回路基板と、電圧センサおよび電流センサと、コントローラ２００と、を含んでもよい。いくつかの実施形態では、インターフェース回路２１０は、ネットワークカード、無線送受信器等の１つまたは複数の通信装置、またはコントローラ２００と他の部品間の通信インターフェースを提供する任意の他の装置を含んでもよい。例えば、インターフェース回路２１０は電圧センサと電流センサ１７１〜１７５、１８１〜１８５から測定結果を集めてもよい。別の例として、インターフェース回路２１０はコントローラ２００により決定されたスイッチング信号を電力インバータ１４０内のＩＧＢＴのゲートへ供給してもよい。インターフェース回路２１０はまた、入力接触器１３０と出力接触器１８０に制御信号を送信しそれらを遠隔的にオン／オフさせてもよい。
【００２７】
コントローラ２００はインターフェース回路２１０を介し電力システム１００の様々な部品に結合されてもよい。グリッド１９０が突然切断されるとコントローラ２００は、単独運転条件を検出して直ちに「グリッド接続」モードから「スタンドアロン」モードへ遷移するように構成されてもよい。コントローラ２００は遷移中に電力インバータ１４０に制御信号を供給してもよい。例えば、コントローラ２００は電力インバータ１４０の出力電圧の目標振幅と目標周波数を決定するように構成されてもよい。コントローラ２００はさらに、目標振幅と目標周波数に基づき複数の電力トランジスタスイッチングパルスを決定するように構成されてもよい。
【００２８】
図２には本開示の実施形態による例示的なコントローラ２００を示す。コントローラ２００はデータを収集、解析、監視、格納、報告、解析、最適化および／または伝達する任意の手段を含んでもよい。例えばコントローラ２００は、中央処理装置（ＣＰＵ）２０１、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）２０２、読み取り専用メモリ（ＲＯＭ）２０３、記憶装置２０４、データベース２０５、およびユーザインターフェース２０６を含んでもよい。いくつかの実施形態では、インターフェース回路２１０はコントローラ２００の内部部品として含まれてもよい。コントローラ２００は、電力システム１００に関連する各種データを収集、解析、格納、送信、編成および／または監視するソフトウェアプログラムを実行するように構成されてもよい。
【００２９】
ＣＰＵ２０１は、電力システム１００に関連する１つまたは複数の処理を行うために命令を実行するとともにデータを処理することができる１つまたは複数のプロセッサを含んでもよい。例えばＣＰＵ２０１は、コントローラ２００が１つまたは複数の電圧センサ１７１〜１７５および電流センサ１８１〜１８５から電圧および電流測定結果を要求および／または受信できるようにするソフトウェアを実行してもよい。収集された電圧および電流計測結果に基づき、ＣＰＵ２０１は電力インバータ１４０の出力電力を計算し、単独運転条件が発生したかどうかを判断してもよい。例えば、ＣＰＵ２０１は出力電力内の振動量を検出してもよい。単独運転条件の場合、ＣＰＵ２０１は電力インバータ１４０の動作モードを調整するための制御信号を決定してもよい。例えばＣＰＵ２０１は、電源１１０、１２０が供給する直流電力入力を計算し、限界負荷１７０とグリッド１９０が要求する交流電力出力を計算してもよい。このときＣＰＵ２０１は需要と供給が一致するように電力インバータ１４０の出力電圧の目標振幅と目標周波数を計算してもよい。ＣＰＵ２０１はさらに、目標振幅と目標周波数に基づき電力トランジスタスイッチングパルスを決定するために電力幅変調（ＰＷＭ）等のソフトウェアツールを実行してもよい。
【００３０】
一実施形態によると、記憶装置２０４は、電力システム１００に関連する制御処理を行うためにＣＰＵ２０１が必要とする任意のタイプの情報を格納するように動作可能な大量媒体装置を含んでもよい。例えば記憶装置２０４は電力システム１００に関連する収集された直流および交流電圧と電流を格納してもよい。記憶装置２０４は、ハードディスク駆動装置、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ−ＲＯＭ、ＵＳＢフラッシュ駆動装置、または任意の他のタイプの大量媒体装置等のうちの１つまたは複数の磁気または光ディスク装置を含んでもよい。
【００３１】
データベース２０５は１つまたは複数のメモリ装置に格納されたデータ集合を含んでもよい。データベース２０５はＣＰＵ２０１が使用するデータを含んでもよい。例えばデータベース２０５は、収集された電圧および電流、決定されたインバータ出力電圧の目標振幅および周波数、電力トランジスタを駆動するためのスイッチングパルス情報を含んでもよい。
【００３２】
ユーザインターフェース２０６は、コントローラ２００に格納された情報をユーザが入力またはアクセスすることができるようにするハードウェアおよび／またはソフトウェア部品を含んでもよい。ユーザインターフェース２０６は、外部ユーザが制御命令を入力できるようにするグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を含んでもよい。例えば外部ユーザが、グリッド１９０を電力システム１００に接続またはそれから切断するように指示してもよい。ユーザインターフェース２０６はまた、ユーザが電力システム１００の動作を監視できるようにしてもよい。例えばユーザインターフェース２０６は、外部ユーザがコンピュータ、ＰＤＡ、診断ツールまたは任意の他のタイプの外部データ装置等の外部システム装置に情報をアクセス、構成、格納、および／またはダウンロードできるようにするデータアクセスインタフェースを含んでもよい。さらにユーザインターフェース２０６は、ＣＰＵ２０１によりなされた制御決定にユーザがアクセスおよび／またはオーバーライドできるようにしてもよい。
【００３３】
図３には、本開示の実施形態による例示的な電力インバータ制御処理３００を示すフローチャートを提供する。入力接触器１３０が閉じられて電力システム１００がオンにされると電力インバータ制御処理３００を開始してもよい。コントローラ２００はグリッド１９０を接続する命令が受信されたかどうかを判断してもよい（工程３０１）。例えば、ユーザはユーザインターフェース２０６を介し命令を入力してもよい。
【００３４】
命令が受信されると（工程３０１：Ｙｅｓ）、コントローラ２００は接触器１８０が閉じられる前に電力インバータ１４０をグリッド１９０に同期させるように構成されてもよい（工程３０２）。いくつかの実施形態では、コントローラ２００は限界負荷１７０における交流電力を計算し、計算された電力と基準電力との差に従って電力インバータ１４０における出力ライン電圧を調整してもよい。例えば出力ライン電圧を調整するために、コントローラ２００は電力インバータ１４０の電力トランジスタを駆動するためにスイッチングパルスを供給してもよい。電力インバータ１４０をグリッド１９０に同期させた後、コントローラ２００は出力接触器１８０を閉じるために制御信号を送信してもよい（工程３０３）。
【００３５】
出力接触器１８０が閉じられた後、コントローラ２００は電力インバータ１４０に「グリッド接続」モード制御を適用してもよい（工程３０４）。例えば、コントローラ２００は、電源１１０、１２０により供給される直流電力入力が限界負荷１７０とグリッド１９０により要求される交流電力出力と一致するように電力インバータ１４０の出力電圧の目標振幅（｜Ｖｉｎｖ｜）と目標周波数（ｆｉｎｖ）を計算してもよい。いくつかの実施形態では、コントローラ２００は２つの別個の帰還ループを使用して目標振幅と目標周波数を導出してもよい。帰還制御方式の詳細については図４に関連して説明する。コントローラ２００はさらに電力トランジスタスイッチングパルスを決定し、インターフェース回路２１０を介し電力インバータ１４０にスイッチングパルスを供給してもよい。
【００３６】
通常の「グリッド接続」モード制御に加えて、コントローラ２００は外乱周波数を電力インバータ１４０の目標電圧周波数に加えてもよい（工程３０５）。いくつかの実施形態では、正弦波外乱周波数を目標電圧周波数に加えてもよい。本開示によると、外乱周波数は閉じた制御システムの帯域幅内に入るように選択されてもよい。グリッド１９０が接続されると、電力インバータ１４０により送出される出力電力はグリッド１９０と限界負荷１７０の所望の電力の周辺で振動することがある。いくつかの実施形態では、外乱周波数の振幅は電力振動を許容レベルに保つために極めて小さくてもよい。しかしながら、単独運転条件が発生し負荷と電力インバータ１４０が整合すると、負荷は電力インバータ１４０から一定量の電力だけを抽出することができるので電力インバータ１４０の出力電力は振動することができない。そのため単独運転条件は出力電力内の振動の振幅に基づいて検出されてもよい。
【００３７】
工程３０６では、コントローラ２００はライン変成器１６０近傍の電圧センサ１７４、１７５と電流センサ１８４、１８５から交流電圧および電流測定結果を連続的に受信してもよい。電圧センサ１７４は相「ａ」と相「ｂ」間のライン電圧（Ｖｔａｂ）を測定し、電圧センサ１７５は相「ｂ」と相「ｃ」間のライン電圧（Ｖｔｂｃ）を測定してもよい。したがって電流センサ１８４、１８５は相「ａ」のライン電流（Ｉｔａ）と相「ｃ」のライン電流（Ｉｔｃ）をそれぞれ測定する。
【００３８】
電圧および電流測定結果に基づいて、コントローラ２００は有効電力Ｐを計算してもよい（工程３０７）。直流回路では、電圧と電流の波形は同相であり、各サイクル内の同じ時点で極性を変える。そのため直流電力は常に実数の値をとる。直流電力とは異なり、交流電力はシステム負荷の特性に依存して複素数値をとることがある。例えば、容量またはインダクタ等のリアクティブ負荷が存在する場合、負荷内のエネルギー蓄積は電流波形と電圧波形間に時間差を生じる。仕事をするために利用可能な電力の部分（すなわち、複素数値の実数部）は有効電力（別名、実電力：ｒｅａｌ  ｐｏｗｅｒ）と呼ばれ、負荷において仕事をするために利用できない電力の部分（すなわち、複素数値の虚数部）は無効電力と呼ばれる。本開示によると、コントローラ２００は工程３０５において電圧および電流測定結果に基づいて複素交流電力を計算してもよい。コントローラ２００は工程３０７において有効電力Ｐとして複素電力の実数部をとってよい。
【００３９】
工程３０４において加えられた外乱により、有効電力Ｐは振動を含むことがある。工程３０８では、振動の振幅を検出してもよい。いくつかの実施形態では、帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）を計算有効電力Ｐに適用し、ろ過された有効電力内の振動の振幅を振幅検出器により検出してもよい。検出された振幅に単独運転論理を適用してもよい（工程３０９）。例えば、単独運転論理は、振動の振幅が閾値未満かどうかを判断するために使用されてもよい。いくつかの実施形態では、閾値はユーザが選択する定格値であってもよい。単独運転論理に基づいてコントローラ２００は単独運転条件が発生したかどうかを判断してもよい（工程３１０）。例えば振幅が閾値未満の場合、単独運転条件を検出してよい（工程３１０：Ｙｅｓ）。それに応じて、コントローラ２００は電力システム１００を保護するために出力接触器１８０を開いてもよい（工程３１１）。そうではなく、単独運転条件が検出されない場合（工程３１０：Ｎｏ）、コントローラ２００は「グリッド接続」モード制御を電力インバータ１４０に適用し続けてもよい（工程３０４）。
【００４０】
出力接触器１８０が開かれた後あるいは命令が受信されない場合（工程３０１：Ｎｏ）、工程３１２においてコントローラ２００は電力インバータ１４０の出力電圧の振幅を公称電圧振幅（｜Ｖｎｏｍ｜）として設定してもよい。コントローラ２００はまた電力インバータ１４０の出力電圧の周波数を公称電圧周波数（ｆｎｏｍ）として設定してもよい。いくつかの実施形態では、公称振幅｜Ｖｎｏｍ｜と公称周波数ｆｎｏｍは予め決められコントローラ２００に書き込まれてもよい。例えば｜Ｖｎｏｍ｜とｆｎｏｍは限界負荷１７０だけでなく電源１１０、１２０により供給される直流電力入力に基づいて決定されてもよい。電力インバータ制御処理３００は工程３１２の後に終了してもよい。
【００４１】
図４には、本開示の実施形態による図２に開示されたコントローラ２００の例示的な帰還制御方式４００を提供する。帰還制御方式４００は、単独運転条件を検出して「グリッド接続」動作と「スタンドアロン」動作の両方のインバータ電圧振幅（｜Ｖ｜）とインバータ電圧周波数（ｆｖ）を導出するために使用されてもよい。帰還制御方式４００は図４に示すように２つの帰還ループ｜Ｖ｜とｆｖをそれぞれ含んでもよい。
【００４２】
帰還制御方式４００はスイッチ４２１〜４２５を含んでもよい。各スイッチは２つの切り替え状態：上位置（１位置）と下位置（０位置）、を有してもよい。１つまたは複数のスイッチ４２１〜４２５を切り替えることで帰還制御方式４００を２つの異なる動作モード：「スタンドアロン」動作モードと「グリッド接続」動作モード、に適合させることができる。本開示によると、「スタンドアロン」動作中、グリッド１９０は電力システム１００から切断される。したがってスイッチ４２１〜４２５はすべて下位置にある。「スタンドアロン」動作モード下では、決定ノード４０７への他の２つの入力（積分器４０５と低域通過フィルタ（ＬＰＦ）４０６からの）は両方とも０であるので、｜Ｖ｜は決定ノード４０７における公称振幅｜Ｖｎｏｍ｜として設定されてよい。同様に、ｆｖは決定ノード４１３における公称周波数ｆｎｏｍとして設定されてよい。
【００４３】
グリッド１９０を接続する命令が受信されると、スイッチ４２４は上位置に切り替えられ、スイッチ４２１〜４２３と４２５は下位置のままでもよい。したがってスイッチ４２１〜４２３と４２５が閉じられる前に電力インバータ１４０を同期してもよい。有効電力Ｐは、限界負荷１７０において測定されたライン電圧Ｖｔａｂ、Ｖｔｂｃとライン電流Ｉｔａ、Ｉｔｃとに基づいてＰ計算機４０２により計算されてもよい。計算有効電力Ｐは、比較ノード４０９における基準有効電力Ｐ*と比較されてもよい。基準有効電力Ｐ*はＭＰＰＴツールを使用して決定されてもよい。例示的なＭＰＰＴ処理については図５に関連して説明する。ＰとＰ*の差電力は比較ノード４０９において計算されてもよい。本開示によると、差電力は測定電力と基準電力との差である。例えば比較ノード４０９において計算される差電力は計算有効電力Ｐと基準有効電力Ｐ*との差である。差電力は周波数垂下ループ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｄｒｏｏｐ  ｌｏｏｐ）を通ってもよい。
【００４４】
周波数垂下動作の第１の工程として、差電力は差電力を増幅するように構成されてもよい比例制御器４１０内に送られてもよい。第２の工程として、増幅された差電力は低域通過フィルタ（ＬＰＦ）４１２内に送られてもよい。ＬＰＦ４１２は差電力内の高周波成分を除去するように構成されてもよい。例えば雑音を除去してもよい。ろ過された差電力はインバータ出力電圧の目標周波数ｆｖを決定する決定ノード４１３に送られてもよい。スイッチ４２１、４２２の両方は下位置のままなので、決定ノード４０７はインバータ出力電圧の目標振幅｜Ｖｉｎｖ｜として公称振幅｜Ｖｎｏｍ｜を出力し続けてもよい。
【００４５】
出力接触器１８０が閉じられた後、すべてのスイッチ４２１〜４２５は上位置に切り替えられてもよい。これに応じて、電力インバータ１４０は「グリッド接続」動作モード下で働いてもよい。無効電力Ｑは測定ライン電圧Ｖｔａｂ、Ｖｔｂｃとライン電流Ｉｔａ、Ｉｔｃに基づいてＱ計算機４０１により計算されてもよい。計算無効電力は比較ノード４０２における決定基準無効電力Ｑ*と比較されてもよい。ＱとＱ*の差電力は比較ノード４０２において計算されてもよい。差電力は同じ方法で電圧垂下ループと積分ループを通ってもよい。電圧垂下ループ中、差電力は差を増幅し得る比例制御器４０４内に送られてもよい。このとき、増幅された差はＬＰＦ４０６によりろ過されてもよい。低域通過フィルタ４０６の使用により、「スタンドアロン」動作モードと「グリッド接続」動作モード間の移行をシームレスにするのを助けることができる。
【００４６】
いくつかの実施形態では、定常偏差を緩和するために積分ループを含んでもよい。積分ループ中、差電力は最初にレギュレータ４０３により調節されてもよい。いくつかの実施形態では、差電力が０を超える場合、レギュレータ４０３は差電力の実数の値にかかわらず０．１を出力してもよい。差電力が０未満の場合、レギュレータ４０３は−０．１を出力してもよい。差電力が０の場合、レギュレータ４０３は０を出力してもよい。レギュレータ４０３は異なる設定値で設計され得るように企図されている。レギュレータ４０３は当該技術領域で公知の任意のタイプのレギュレータであってもよいように企図されている。調節された差電力は積分器４０５内に送られてもよい。積分器４０５は調節された差電力の積分を計算してもよい。低域通過フィルタ４０６によりろ過された差電力と積分器４０５により積分された差電力は両方とも決定ノード４０７に送られてもよい。決定ノード４０７はインバータ出力電圧の目標振幅｜Ｖ｜を決定するように構成されてもよい。
【００４７】
一方、無効電力と同様に、有効電力ＰはＰ計算機４０８により計算されてもよく、計算有効電力Ｐと基準有効電力Ｐ*の差電力は比較ノード４０９において決定されてもよい。「グリッド接続」動作モード下では、有効電力Ｐと基準有効電力Ｐ*との差は周波数垂下ループ（比例制御器４１０とＬＰＦ４１２を含む）を通ってもよい。周波数垂下ループに加えて、差電力はまた、スイッチ４２３が上位置にあるので追加の積分ループを通ってもよい。再び、定常偏差を緩和するために積分ループを含んでもよい。積分ループ中、差電力は積分器４１１内に送られてもよい。積分器４１１は差電力の積分を計算することができる。
【００４８】
ＬＰＦ４１２によりろ過された差電力と積分器４１１により積分された差電力は両方とも電力インバータ１４０の出力電圧の目標周波数が決定される決定ノード４１３に送られてもよい。「グリッド接続」動作モード中、外乱生成器４１４はまた決定ノード４１３に外乱周波数信号を与えるために含まれてもよい。外乱周波数が目標周波数に加えられてもよい。ある実施形態では、外乱周波数は正弦波の外乱周波数であってもよい。外乱周波数信号は、かなりの量の振動を有効電力Ｐ内で生成するように、閉じられた帰還制御方式４００の帯域幅内で設計されてもよい。
【００４９】
一実施形態によると、２つ以上の電力インバータが電力システム１００内に含まれる場合、電力インバータのための複数の外乱生成器を使用してもよい。その場合、外乱の位相は、異なる電力インバータに関連する振動が互いに相殺するのを防止するように同期されてもよい。
【００５０】
上位置に切り替えられると、スイッチ４２５は単独運転防止制御ループを接続してもよい。単独運転防止制御ループは有効電力Ｐ内の振動の振幅に基づいて単独運転条件を検出するように構成されてもよい。いくつかの実施形態では、計算有効電力Ｐは帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）４１５によりろ過されてもよい。いくつかの実施形態によると、ＢＰＦ４１５の通過帯域は外乱周波数と閉じた帰還制御方式４００の帯域幅に基づいてユーザにより設定されてもよい。例えば通過帯域は、ろ過された有効電力が外乱周波数により生成される振動を実質的に含むように設計されてもよい。ろ過された有効電力は、振動の振幅が検出される振幅検出器４１６に渡されてもよい。
【００５１】
検出された振幅は単独運転論理ブロック４１７に送られてもよい。いくつかの実施形態では、単独運転論理ブロック４１７は振幅に閾値（Ｔ）を適用してもよい。例えば、振幅がＴを超える場合、単独運転論理ブロック４１７は１を出力し、そうでなければ単独運転論理ブロック４１７は０を出力してもよい。単独運転論理ブロック４１７の出力はインターフェース回路２１０に送られてもよい。いくつかの実施形態では、「０」出力は単独運転条件が発生したことを示し、したがって出力接触器１８０を開くために「０」出力がインターフェース回路２１０をトリガしてもよい。出力接触器１８０は物理的に開かれると、スイッチ４２１〜４２５は下位置に切り替えられてもよい。すなわち帰還制御方式４００は「スタンドアロン」動作モードに戻ってもよい。
【００５２】
両方の動作モード（すなわち「スタンドアロン」と「グリッド接続」）下で、無効電力ループにより決定された｜Ｖ｜と有効電力ループにより決定されたｆｖはパルス幅変調器（ＰＷＭ）４５０に入力されてもよい。いくつかの実施形態では、インバータ電圧の目標初期位相はまたＰＷＭ４５０に入力されてもよい。例えば０の初期位相がＰＷＭ４５０に入力されてもよい。本開示によると、ＰＷＭは、所望のインバータ電圧振幅｜Ｖ｜、インバータ電圧周波数ｆｖ、および初期電圧位相に基づいてＩＧＢＴスイッチングパルスを導出してもよい。導出されたスイッチングパルスは、インターフェース回路２１０を介し電力インバータ１４０内の各ＩＧＢＴのゲートに供給されてもよい。
【００５３】
帰還制御方式４００で使用される基準有効電力Ｐ*を決定するために様々なアルゴリズムを使用してよい。本開示によると、最大効率点電力追跡（ＭＰＰＴ：ｍａｘｉｍｕｍ  ｐｏｉｎｔ  ｐｏｗｅｒ  ｔｒａｃｋｉｎｇ）方式を使用してもよい。ＭＰＰＴ方式は電源１１０、１２０により供給される直流電力入力を最大限に活用することができる。図５には、本開示の実施形態による例示的なＭＰＰＴ処理５００を示すフローチャートを提供する。基準有効電力Ｐ*が初期化されるとＭＰＰＴ処理５００を開始してもよい（工程５０１）。例えば、Ｐ*は０として初期化されてもよい。コントローラ２００は直流電圧測定と直流電流測定を定期的に要求してもよい（工程５０２）。例えば、直流電圧ＶDCを電圧センサ１７１により測定し、直流電流を電流センサ１８１により測定してもよい。本開示によると、定期的に測定される各直流電圧ＶDCはＲＡＭ２０２またはデータベース２０５内に一時的に格納されてもよい。
【００５４】
コントローラ２００は測定直流電圧と直流電流に基づいて直流電力を計算してよい（工程５０３）。例えば、直流電力は直流電圧と直流電流の積として計算されてよい。本開示によると、定期的に計算された各直流電力はＲＡＭ２０２またはデータベース２０５内に一時的に格納されてもよい。工程５０４では、現在の直流電力値ＰDC（ｋ）とごく最近格納された値ＰDC（ｋ−１）とを比較してもよい。ＰDC（ｋ）＞ＰDC（ｋ−１）の場合（工程５０４：Ｙｅｓ）、ＭＰＰＴ処理は工程５０５に進んでもよい。工程５０５では、コントローラ２００は微分係数ｄｐを計算してもよい。例えばｄｐはＰDC（ｋ）とＰDC（ｋ−１）との差として決定されてもよい。次に、基準有効電力Ｐ*をｄｐにより更新してもよい（工程５０６）。例えば、Ｐ*（Ｐ*）（ｋ）の現在値はごく最近の値Ｐ*（ｋ−１）にｄｐを加えることにより決定されてもよい。本開示によると、定期的に更新される各Ｐ*は一時的に格納されてもよい。
【００５５】
ＰDC（ｋ）≦ＰDC（ｋ−１）の場合（工程５０４：Ｎｏ）、コントローラ２００は直流電圧の現在測定値とごく最近の測定値とを比較してもよい（工程５０７）。ＶDC（ｋ）＞ＶDC（ｋ−１）の場合（工程５０７：Ｙｅｓ）、コントローラ２００は微分係数ｄｐと微分係数ｄｖの両方を０に設定してもよい（工程５０８）。次に、ＭＰＰＴ処理５００は次の直流電圧と直流電流を測定する工程５０２に戻ってもよい。そうではなく、ＶDC（ｋ）≦ＶDC（ｋ−１）の場合（工程５０７：Ｎｏ）、コントローラ２００は微分係数ｄｖを計算してもよい。例えばｄｖはＶDC（ｋ）とＶDC（ｋ−１）との差として決定されてもよい。このとき工程５０９では、基準有効電力Ｐ*はｄｐの代わりにｄｖにより更新されてもよい。例えば現在値Ｐ*（ｋ）はごく最近の値Ｐ*（ｋ−１）からｄｖを減じることにより決定されてもよい。工程５０９後、基準有効電力Ｐ*（ｋ−１）、ＰDC（ｋ−１）、ＶDC（ｋ−１）の履歴値を更新してもよい（工程５１０）。例えば、現在値Ｐ*（ｋ）、ＰDC（ｋ）、ＶDC（ｋ）は古い値を置換するために使用される。工程５１０後、ＭＰＰＴ処理５００は次の直流電圧と直流電流を測定するために工程５０２に戻ってもよい。工程５０２〜５１０は直流電力のピーク値が見出されるまで繰り返されてもよい。
【００５６】
開示された実施形態は「スタンドアロン」動作モードと「グリッド接続」動作モード間の遷移に関連して説明されたが、それらは信頼できる電力インバータ制御が必要または有益と考えられる任意のアプリケーションに適用されてもよい。例えば、開示された実施形態は、グリッド１９０における負荷の増加／低減、グリッド１９０における電源の追加／削除、電源１１０、１２０の追加／削除等の任意の変化が電力システム１００に発生した場合にもシームレス遷移を行うように適用されてよい。
【００５７】
具体的には、電力インバータ１４０の開示制御システムは、出力ライン電圧を測定するように構成された複数の電圧センサ１７２〜１７５と、電力システム１００の出力ライン電流を測定するように構成された複数の電流センサ１８２〜１８５とを含んでもよい。制御システムは電力インバータ１４０に結合されたコントローラ２００をさらに含んでもよい。コントローラ２００は外乱周波数に関連する制御信号を電力インバータ１４０に供給するように構成されてもよい。コントローラ２００はさらに、出力ライン電圧と出力ライン電流に基づき電力インバータ１４０の出力電力を決定し、外乱周波数により引き起こされる出力電力内の振動の振幅を決定するように構成されてもよい。コントローラ２００はまた振動の振幅が閾値未満の場合、単独運転条件を検出するように構成されてもよい。開示制御システムはさらに、コントローラ２００に結合されたインターフェース回路２１０であって、単独運転条件が検出された場合、電力インバータ１４０からグリッド１９０を切断するように構成されたインターフェース回路２１０を含んでもよい。
【００５８】
本開示の実施形態によると、開示電力インバータ制御システムは電力システム１００の信頼性と強健さを改善することができる。例えば図３に示す電力インバータ制御処理３００と図４に示す帰還制御方式４００を使用することにより、開示制御システムはグリッド１９０が突然切断されたときに単独運転条件を効果的に検知することができる。単独運転条件が検出されると、制御システムは「グリッド接続」制御モードから「スタンドアロン」制御モードへ遷移してもよい。さらに開示制御システムは電力インバータ１４０の出力電圧の好適な目標振幅と目標周波数とを決定してもよい。その結果、電力インバータ１４０の電力トランジスタは出力電圧が負荷要求に応じるように切り替えられてもよい。そのため、電圧ディップは「グリッド接続」動作モードから「スタンドアロン」動作モードへの遷移中には存在しないと考えられる。その結果、局所負荷遮断等の問題は回避され、電力システム１００の信頼性が増強される。
【００５９】
本開示の範囲から逸脱することなく開示電力インバータ制御システムに対し様々な変更および変形をなし得ることが当業者に明らかとなる。本開示の他の実施形態は本明細書の考察と本開示の実行から当業者には明らかになる。本明細書と例は例示的であり、本開示の真の範囲は以下の特許請求範囲およびそれらの等価物により示されるように意図されている。
【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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【国際調査報告】
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