JP5596086B2 - 電力を供給するための設備および方法 - Google Patents

Description

本発明は、フィルタバスを介して負荷へと電力を供給するための設備であって、前記フィルタバスへとそれぞれのインダクタを介して並列に接続されて前記負荷を分担するように構成された少なくとも２つの電圧形コンバータ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｏｕｒｃｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を備えている設備、ならびにそのような設備によって負荷へと電力を供給するための方法に関する。

本発明は、前記フィルタバスの電圧のレベルまたは前記負荷へと伝送できる電力のレベルに関して、いかなる特定のレベルにも限定されないが、それぞれ１ｋＶ〜３２ｋＶおよび１００ｋＷ〜数ＭＷを、例として挙げることができる。

前記電圧形コンバータが接続された発電機の並列動作が、コンバータに共通の前記フィルタバスに接続された負荷を分担するために使用される。そのような用途の１つが、中央集中型の周波数変換による陸上から船舶への電力の供給であり、その場合には、前記負荷が、前記フィルタバスへと接続された１つ以上の船舶であってよい。このようなコンバータの並列接続の応用は、１つ以上のマイクログリッドであってもよい。

前記負荷へと電力を供給するために複数の電源ユニットを並列に接続することには、いくつかの利点が存在する。その１つは、大きな電力定格を、ただ１つの大きな電源ユニットを使用する代わりに、前記フィルタバスへと並列に接続される複数のより小さな電源ユニットを使用することによって満たすことができる点にある。これは、そのような電源ユニットのうちの１つの保守を、前記負荷への電力の供給を完全に遮断することなく実行できることを意味する。なぜならば、残りの電源ユニットが、保守のために停止されるユニットからの負荷分を、一時的に引き受けることができるからである。また、いくつかの電源ユニットを並列に接続することによって得られる冗長性が、前記負荷への電力の安定供給も向上させる。なぜならば、充分な数の電源ユニットが稼働していれば、前記負荷へと電力を供給することができるからである。

添付の図１が、共通負荷８を分担するようにインダクタ５〜７をそれぞれ介してフィルタバス４へと並列に接続された３つの電圧形コンバータ１〜３を有する前記設備を概略的に示しており、共通負荷８は、実際にはフィルタバスへと接続された複数の負荷であってよい。これらのコンバータで共通負荷を分担する１つのやり方は、すべてのコンバータの端子電圧を設定する主制御装置を使用することである。しかしながら、コンバータが接続された発電機（あるいは、コンバータが属する発電機）が、かなり遠く離れて位置し、それらの間の回線インピーダンスがかなり大きくなる可能性があるため、コンバータの並列動作を、制御通信を必要としないか、あるいは最小限の制御通信で達成すべきである。ただ１つの主制御装置へのすべてのコンバータの依存性を克服する別の制御の考え方は、並列な組み合わせにて各々のコンバータのための個別の制御装置を有することである。

個別に制御される発電機および電圧形コンバータの負荷の分担のために、周波数−有効電力および電圧−無効電力のドループの仕組みを使用することが、広く知られている。しかしながら、インターフェイスインダクタを介して共通のフィルタバスへと並列に接続され、そのようなドループの仕組みを使用するコンバータは、電圧源として動作する。したがって、たとえフィルタバスの電圧を能動的に調節する場合でも、出力電流を動的に調節および制限する基本的な電流制御ループを有していない。

動的な電流制御および電流制限を可能にするために、図１の各コンバータは、基本的な電流制御装置による電圧ベクトル制御、例えばｄ−ｑフレームまたはα−βフレーム電圧制御を使用する必要がある。これは、コンバータ電流の動的制御を維持しつつ、フィルタバスの電圧ベクトルを調節することである。１つの前記コンバータについてこれを得る制御部の例が、添付の図２に示されている。この制御部１０’は、フィルタバス電圧ｖ_ｆから２つの直交するフィルタバス電圧ベクトルｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙを生成するように構成された第１の手段１１’（信号の矢印によって示されている）と、前記２つのフィルタバス電圧ベクトルの各々についてフィルタバス電圧基準ベクトルｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙを生成するように構成された第２の手段１２’（信号の矢印によって示されている）と、各々の前記フィルタバス電圧ベクトルおよび該フィルタバス電圧ベクトルに関連付けたフィルタバス電圧基準ベクトルを合計するように構成された第３の手段１３’と、前記第３の手段の合計結果を受信するように接続され、各々のフィルタバス電圧ベクトルについて電流基準ベクトルを生成するレギュレータ１４’と、互いに直交するｋ番目のコンバータからの電流の２つのベクトル（ｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙ）を得るために、前記電流基準ベクトルにもとづくコンバータの制御における電流制御に関与するように構成された第４の手段１５’とを備えている。この制御の仕組みにおいて、コンバータを、添付の図３に示されるようにフィルタバス４へと直接接続された電流源１６〜１８としてモデル化することができる。これらの電流源は、自身の出力電流を、フィルタバスの電圧を調節すべく電流の限界内で調節する。しかしながら、図２の制御の仕組みは、一度に図１のコンバータのうちの１つだけが稼働する場合に限り有効である。複数のコンバータがオンにされる場合、前記第４の手段の制御装置が、いずれもフィルタバスの同じ電圧ベクトルを調節しようと試みるため、互いに争うことになると考えられる。さらに、図２には、共通負荷の分担を保証するものが存在しない。周知の周波数−有効電力および電圧−無効電力のドループの仕組みは、これらの電流源に共通の負荷を分担させるためには使用することができない。なぜならば、これらのドループの仕組みは、厳密にインダクタンスを介して並列に接続された電圧源のため
のものであるからである。

米国特許第７５６７０６４号が、冒頭で述べた形式の電力を供給するための設備であって、各々のコンバータの独立制御を備える設備を開示している。

本発明の目的は、上述した形式の設備および方法であって、フィルタバスへとそれぞれのインダクタを介して並列に接続されて共通負荷を分担する複数の電圧形コンバータの各々のコンバータについて独立した制御を得る好都合な別のやり方を提案する設備および方法を提供することにある。

この目的は、添付の請求項１の前文に記載の設備であって、各々のコンバータの前記制御部が、各々の電流ベクトルまたは電流基準ベクトルをすべての電流ベクトルまたは電流基準ベクトルに共通のドループ係数で乗算し、この乗算の結果を、この結果をそれぞれのフィルタバス電圧基準ベクトルから減算する前記第３の手段へと送信するように構成された第５の手段をさらに備えることを特徴とする設備を提供することによって達成される。

電圧基準ベクトル成分のドループは、制御部がそれぞれのコンバータを制御するときに互いに争わないことを保証し、コンバータが、別個の制御された状態で共通の有効負荷および無効負荷を分担することができる。

本発明の一実施の形態によれば、それぞれの前記コンバータのための各々の前記制御部が、前記レギュレータから各々の前記フィルタバス電圧ベクトルについて無制限の電流基準ベクトルを受信し、各々の前記無制限の電流基準ベクトルの大きさを制限し、制限された電流基準ベクトルを前記第４の手段へと送信するように構成された第６の手段をさらに備える。これは、各々の電流基準ベクトルの大きさを、コンバータを傷めるレベルを超えることがないように制限できることを意味する。

本発明の別の実施の形態によれば、それぞれのコンバータのための各々の前記制御部が、負荷電流を表わすフィードフォワード信号を第８の手段へと送信するように構成された第７の手段をさらに備え、前記第８の手段が、前記レギュレータからの出力信号を合計して各々の前記フィルタバス電圧ベクトルについて前記電流基準ベクトルを生成するように構成される。このような負荷電流フィードフォワード信号の使用は、負荷の変化の際のそれぞれのコンバータの制御における電流制御の応答の速度を向上させる。

本発明のほかの実施の形態によれば、各々の前記第１の手段が、ｄ−ｑフレームまたはα−βフレームに従って前記フィルタバス電圧ベクトルを生成するように構成され、各々の前記第４の手段が、それぞれｄ−ｑ電流制御装置およびα−β電流制御装置を含んでいる。

本発明の別の実施の形態によれば、設備が、前記フィルタバス電圧ベクトルを前記第３の手段への到達前に平滑化するために前記第１の手段と前記第３の手段との間に配置されたフィルタを備える。

本発明によれば、負荷への電力の供給を、フィルタバスを介して、このフィルタバスへとそれぞれのインダクタを介して並列に接続されて前記負荷を分担するように構成された少なくとも２つの電圧形コンバータによって、これらのコンバータの別個独立の制御を可能にしつつ行なう方法が、添付の方法の独立請求項に定められる。そのような方法ならびに方法の従属請求項に定められるそのような方法の実施の形態の利点および好都合な特徴は、本発明による設備の上述の説明から明らかである。

さらに本発明は、本発明による方法に関係するコンピュータプログラム製品およびコンピュータにとって読み取り可能な媒体に関する。

本発明のさらなる利点および好都合な特徴が、以下の説明から明らかになるであろう。

添付の図面を参照し、例として引用される本発明の実施の形態を、以下で詳しく説明する。

本発明が属する種類の設備のきわめて概略的な図である。 コンバータを互いに依存して制御するためにただ１つの主制御装置を必要とする図１による設備について考えられる制御部の簡単な概略図である。 図２による制御部によって意図される制御を説明する図１による設備の概略図である。 並列に接続された各々のコンバータのための個別の制御装置を有する本発明による設備の制御部の図である。

図１に示した形式の負荷へと電力を供給するための本発明の実施の形態による設備は、その各々のコンバータについて、コンバータからの電流の動的制御を維持しつつフィルタバスの電圧を調節するように構成された図４に示した制御部を有している。それらの各々の制御部は、フィルタバス電圧ｖ_ｆから２つの直交するフィルタバス電圧ベクトルｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙを生成するように構成された第１の手段１１を備えている。第１の手段を、ｄ−ｑフレームまたはα−βフレームに従って前記フィルタバス電圧ベクトルを生成するように構成することができる。さらに制御部は、前記２つのフィルタバス電圧ベクトルの各々についてフィルタバス電圧基準ベクトルｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙを生成するように構成された第２の手段１２を備えている。これらのフィルタバス電圧基準ベクトルを、設備が一群のコンバータを有する場合には、前記第２の手段に含まれるオペレータによって設定することができ、あるいは設備が複数のコンバータ群を備える場合には、より高レベルの制御部によって設定することができる。さらに設備は、各々の前記フィルタバス電圧ベクトルｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙおよび該フィルタバス電圧ベクトルに関するフィルタバス電圧基準ベクトルｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙを合計するように構成された第３の手段１３を備えている。さらに制御部は、２つの直交するベクトルの各々について、フィルタバス電圧ベクトルが原則としていかなる定常誤差も有さずに基準をたどるように保証するために、前記第３の手段の合計の結果を受信するように接続されたレギュレータ１４を備えている。

さらに、制御部は、負荷電流を表わすフィードフォワード信号を第８の手段２０へと送信するように構成された第７の手段１９を備えており、第８の手段２０が、レギュレータからの出力信号を合計して無制限電流基準ベクトルｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}を生成するように構成されている。この負荷電流フィードフォワード信号の使用は、負荷の変化の際にコンバータを制御する制御部の制御装置の応答の速度を向上させる。設備の前記直交するベクトルの間の結合の影響を打ち消すためにも使用することができる。

さらに制御部は、手段２０から各々の前記フィルタバス電圧ベクトルについて前記無制限電流基準ベクトルを受信し、該無制限電流基準ベクトルの大きさを制限し、制限された電流基準ベクトルｉ^＊ _ｋｘ、ｉ^＊ _ｋｙを第４の手段１５へと送信するように構成された電流制限ブロックの形の第６の手段２１を備えており、第４の手段１５が、互いに直交する前記コンバータからの電流の２つのベクトルｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙを得るために、前記電流基準ベクトルにもとづくコンバータの制御における電流制御に関与するように構成されている。

図４には、ｋ番目のコンバータの各々の電流ベクトルｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙを共通のドループ計数Ｄ_ｐｒｉで乗算し、この乗算の結果を、この結果をそれぞれのフィルタバス電圧基準ベクトルから減算する前記第３の合計手段１３へと送信するように構成された第５の手段２２を、どのように制御部がさらに備えるのかが示されている。換言すると、ｋ番目のコンバータの電圧基準ベクトルが、そのコンバータの電流ベクトル成分に対してドループされる。

制限作用がないと仮定すると、図４のレギュレータの入力は、定常状態においてゼロでなければならない。したがって、定常状態のコンバータ電流ベクトルの成分は、以下によって与えられる。

図１に示されているようなコンバータバンクにおいて、フィルタバス電圧は、すべてのコンバータに共通である。すべてのコンバータが同一の電圧ベクトル成分ドループ係数および電圧基準ベクトルを有するならば、式（１）および（２）は、ｋ番目のコンバータの出力電流ベクトルの直交成分（直交するベクトル）が、同じコンバータ群のほかのすべてのコンバータの出力電流ベクトルの対応する成分に等しいことを意味する。したがって、コンバータが、共通の有効および無効負荷を分担する。また、電圧基準ベクトル成分のドループは、前記第４の手段１５に含まれるコンバータの制御装置が互いに争わないことを保証する。したがって、図４に示したドループの仕組みは、図１に示したコンバータなどの並列動作のコンバータが、共通の負荷を分担しつつフィルタバス電圧ベクトルを協働して調節することを可能にする。

図４に示した制御部１０の上述の説明に加え、前記第４の手段１５が、ｄ−ｑまたはα−β制御装置のほかに、ＰＷＭ（パルス幅変調）スイッチング発電機、コンバータブリッジ、およびインターフェイスインダクタを含み、ブロック２３がフィルタバスの動態を表わすことを、述べておくことができる。また、フィルタバス電圧ベクトルを第３の手段への到達前に平滑化するために、どのようにフィルタ２４が第１の手段１１と第３の手段１３との間に配置されるのかも示されている。負荷電流のフィードフォワードの分岐のほかに、ｄおよびｑ軸の動態を分離するためにｖｑの関数をｖｄ制御経路へとフィードフォワードし、ｖｄの関数をｖｑ制御経路へとフィードフォワードする電圧ベクトルのフィードフォワードの分岐（図示されていない）も存在する。

当然ながら、本発明は、決して上述した実施の形態だけには限られず、その変更についての多数の可能性が、添付の特許請求の範囲に定められる本発明の技術的範囲から離れることなく、当業者にとって明らかであろう。

ｋ番目のコンバータの制限された電流基準ベクトルｉ^＊ _ｋｘ、ｉ^＊ _ｋｙを、前記第４の手段に含まれる電流制御装置が遅い場合には、電流基準ベクトルｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙの代わりに共通のドループ係数で乗算してもよい。

Claims (14)

1. フィルタバスを介して負荷（８）へと電力を供給するための設備であり、
   前記フィルタバス（４）へとそれぞれのインダクタ（５〜７）を介して並列に接続されて前記負荷を分担するように構成された少なくとも２つの電圧形コンバータ（１〜３）と、
   各々の前記コンバータについて、コンバータからの電流の動的制御を維持しつつフィルタバスの電圧を調節するように構成された制御部（１０）と
   を備え、
   各々の前記制御部が、
   前記フィルタバスの電圧（ｖ_ｆ）から２つの直交するフィルタバス電圧ベクトル（ｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙ）を生成するように構成された第１の手段（１１）と、
   前記２つのフィルタバス電圧ベクトルの各々についてフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙ）を生成するように構成された第２の手段（１２）と、
   各々の前記フィルタバス電圧ベクトル（ｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙ）および該フィルタバス電圧ベクトルに関連付けたフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙ）を合計するように構成された第３の手段（１３）と、
   前記第３の手段の合計の結果を受信するように接続され、各々の前記フィルタバス電圧ベクトル（ｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙ）について電流基準ベクトル（ｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}）を生成するレギュレータ（１４）と、
   互いに直交する前記コンバータからの電流の２つのベクトル（ｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙ）を得るために、前記電流基準ベクトルにもとづく前記コンバータの制御における電流制御に関与するように構成された第４の手段（１５）と、
   各々の前記電流ベクトル（ｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙ）または電流基準ベクトル（ｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _ｋｘ、ｉ^＊ _ｋｙ）をすべての前記電流ベクトルまたは電流基準ベクトルに共通のドループ係数（Ｄ_ｐｒｉ）で乗算し、該乗算の結果を、該結果をそれぞれのフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙ）から減算する前記第３の手段へと送信するように構成された第５の手段（２２）と、
   負荷電流を表わすフィードフォワード信号を第８の手段（２０）へと送信するように構成された第７の手段（１９）とを備える設備であり、前記第８の手段（２０）が、前記レギュレータ（１４）からの出力信号を合計して各々の前記フィルタバス電圧ベクトル（ｖ _ｆｘ 、ｖ _ｆｙ ）について前記電流基準ベクトルを生成するように構成され、
   すべてのコンバータが同一のドループ係数（Ｄ _ｐｒｉ ）および同一のフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ ^＊ _ｆｘ 、ｖ ^＊ _ｆｙ ）を有することを特徴とする設備。
2. それぞれの前記コンバータ（１〜３）のための各々の前記制御部（１０）が、前記レギュレータから各々の前記フィルタバス電圧ベクトルについて無制限の電流基準ベクトル（ｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}）を受信し、各々の前記無制限の電流基準ベクトルの大きさを制限し、制限された電流基準ベクトル（ｉ^＊ _ｋｘ、ｉ^＊ _ｋｙ）を前記第４の手段（１５）へと送信するように構成された第６の手段（２１）をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の設備。
3. 各々の前記第１の手段（１１）が、ｄ−ｑフレームに従って前記フィルタバス電圧ベクトルを生成するように構成され、各々の前記第４の手段（１５）が、ｄ−ｑ電流制御装置を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の設備。
4. 各々の前記第１の手段（１１）が、α−βフレームに従って前記フィルタバス電圧ベクトルを生成するように構成され、各々の前記第４の手段（１５）が、α−β電流制御装置を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の設備。
5. 前記フィルタバス電圧ベクトルを前記第３の手段（１３）への到達前に平滑化するために前記第１の手段と前記第３の手段との間に配置されたフィルタ（２４）を備えることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の設備。
6. それぞれのインダクタ（５〜７）を介してフィルタバス（４）へ並列に接続され、且つ、負荷（８）を分担するように構成された少なくとも２つの電圧形コンバータ（１〜３）によって、フィルタバスを介して前記負荷への電力を供給するための方法であって、各々のコンバータからの電流の動的制御が維持された状態で前記フィルタバスの電圧が調節され、
   前記方法は、各々のコンバータについて実行される以下のステップ、すなわち、
   １）前記フィルタバスの電圧（ｖ_ｆ）から２つの直交するフィルタバス電圧ベクトル（ｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙ）を生成するステップ、
   ２）前記２つのフィルタバス電圧ベクトルの各々についてフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙ）を生成するステップ、
   ３）各々の前記フィルタバス電圧ベクトル（ｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙ）および該フィルタバス電圧ベクトルに関するフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙ）を合計するステップ、
   ４）各々の前記フィルタバス電圧ベクトル（ｖ_ｆｘ、ｖ_ｆｙ）について電流基準ベクトル（ｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}）を生成しつつ、前記合計の結果を処理するステップ、
   ５）互いに直交する各々のコンバータからの電流の２つのベクトル（ｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙ）を得るために、前記電流基準ベクトルにもとづく電流制御を含む各々の前記コンバータを制御するステップ、
   ６）各々の前記電流ベクトル（ｉ_ｋｘ、ｉ_ｋｙ）または電流基準ベクトル（ｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _ｋｘ、ｉ^＊ _ｋｙ）をすべての前記電流ベクトルまたは電流基準ベクトルに共通のドループ係数（Ｄ_ｐｒｉ）で乗算するステップ、および
   ７）負荷電流を表わすフィードフォワード信号を得るステップ、を含み、
   ステップ３）において、前記乗算の結果が、それぞれのフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ^＊ _ｆｘ、ｖ^＊ _ｆｙ）から減算され、
   ステップ４）において、前記フィードフォワード信号が、各々の前記フィルタバス電圧ベクトルについて、前記電流基準ベクトルを生成するために使用され、
   すべてのコンバータが同一のドループ係数（Ｄ _ｐｒｉ ）および同一のフィルタバス電圧基準ベクトル（ｖ ^＊ _ｆｘ 、ｖ ^＊ _ｆｙ ）を有することを特徴とする方法。
7. ステップ４）において、最初に無制限の電流基準ベクトル（ｉ^＊ _{ｋｘ−Ｕｎｌｉｍ}、ｉ^＊ _{ｋｙ−Ｕｎｌｉｍ}）が各々の前記フィルタバス電圧ベクトルについて生成され、次いで各々の前記無制限の電流基準ベクトルの大きさが制限されることを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. ステップ１）において、前記２つの直交するフィルタバス電圧ベクトルがｄ−ｑフレームに従って生成され、ステップ５）において、前記電流制御がｄ−ｑ電流制御であることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
9. ステップ１）において、前記２つの直交するフィルタバス電圧ベクトルがα−βフレームに従って生成され、ステップ５）において、前記電流制御がα−β電流制御であることを特徴とする請求項６または７に記載の方法。
10. 請求項６乃至９のいずれか一項に記載の方法を実行するプロセッサのための指令を含んでいるコンピュータにおいて使用可能な媒体上に保存できるコンピュータプログラム。
11. 少なくとも一部がインターネットなどのネットワークを介してもたらされる請求項１０に記載のコンピュータプログラム。
12. 請求項６乃至９のいずれか一項に記載の方法におけるステップをコンピュータに実行させるためのコンピュータプログラムを記録したコンピュータ読み取り可能な記録媒体。
13. 陸上の少なくとも２つの前記電圧形コンバータから、前記フィルタバスに接続された１つ以上の船舶へと電力を供給するための請求項１乃至５のいずれか一項に記載の設備の使用。
14. 少なくとも２つの前記電圧形コンバータから、前記フィルタバスに接続された１つ以上のマイクログリッドへと電力を供給するための請求項１乃至５のいずれか一項に記載の設備の使用。

Images