JP5711954B2 - Phase detector - Google Patents
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Description
本発明は、電力系統の三相電圧信号の位相を検出する位相検出装置に関するものである。 The present invention relates to a phase detector that detects the phase of a three-phase voltage signal of a power system.
電力系統の三相電圧の一つをv=A m ・sin(ω・t)=Am・sin(θ)(Am:振幅、θ:位相、ω:角周波数、t:基準時からの経過時間)とし、この三相電圧vをベクトル記号法で表すと、電圧ベクトルVは、V=Am・exp(j・θ)=Am・exp(j・ω・t)で表される。この電圧ベクトルVは、図23に示すように、基準時を実軸Rの方向として反時計回りに角周波数ωで回転する回転ベクトルを示し、時刻tにおける電圧ベクトルVの虚軸Jへの投影値が三相電圧vの瞬時値となる。なお、以下の説明では、原則として電圧ベクトルを示す符号は大文字で表記し、三相電圧の瞬時値を示す符号は小文字で表記する。 One of the three-phase voltages of the power system is v = A m · sin (ω · t) = A m · sin (θ) (A m : amplitude, θ: phase, ω: angular frequency, t: reference time Elapsed time), and when the three-phase voltage v is expressed by a vector symbol method, the voltage vector V is expressed by V = A m · exp (j · θ) = A m · exp (j · ω · t) . As shown in FIG. 23, this voltage vector V indicates a rotation vector that rotates counterclockwise at an angular frequency ω with the reference time as the direction of the real axis R, and the voltage vector V is projected onto the imaginary axis J at time t. The value is an instantaneous value of the three-phase voltage v. In the following description, in principle, a symbol indicating a voltage vector is expressed in capital letters, and a symbol indicating an instantaneous value of a three-phase voltage is expressed in small letters.
従来、電力系統の三相電圧信号の位相を検出する方法としてPLL(Phase Locked Loop)法が知られている。PLL法は、PLL回路で算出される位相θ’を有する電圧ベクトルV’をAm・exp(j・θ')=Am・exp(j・ω'・t)とすると、所定のサンプリング周期で電圧ベクトルV’と電力系統の電圧ベクトルVとの間の位相差Δθを算出し、その位相差Δθに基づいて電圧ベクトルV’の位相θ’を変化させ、電圧ベクトルV’を電圧ベクトルVに一致させるように位相θ’を制御する方式である。 Conventionally, a PLL (Phase Locked Loop) method is known as a method for detecting the phase of a three-phase voltage signal of a power system. In the PLL method, when a voltage vector V ′ having a phase θ ′ calculated by a PLL circuit is A m · exp (j · θ ′) = A m · exp (j · ω ′ · t), a predetermined sampling period is set. To calculate the phase difference Δθ between the voltage vector V ′ and the voltage vector V of the power system, change the phase θ ′ of the voltage vector V ′ based on the phase difference Δθ, and change the voltage vector V ′ to the voltage vector V In this method, the phase θ ′ is controlled so as to coincide with.
非特許文献1には、図24に示す乗算式PLL法を用いた位相検出装置の構成図が示されている。乗算式PLL法は、三角関数の公式より、
sin(Δθ)=sin(θ−θ’)=sin(θ)・cos(θ’)−cos(θ)・sin(θ’)…(1)
で、|Δθ|[rad]が微小であれば、sin(Δθ)≒Δθであることから、電圧ベクトルV’の角周波数ω’を変化させるための位相差Δθを上記(1)式の演算処理により算出する方式である。
Non-Patent
sin (Δθ) = sin (θ−θ ′) = sin (θ) · cos (θ ′) − cos (θ) · sin (θ ′) (1)
If | Δθ | [rad] is very small, sin (Δθ) ≈Δθ. Therefore, the phase difference Δθ for changing the angular frequency ω ′ of the voltage vector V ′ is calculated by the above equation (1). This is a method of calculating by processing.
図24に示す位相検出装置100では、電力系統の三相の電圧信号vu,vv,vwをvu=Am・sin(θ)、vv=Am・sin(θ−2π/3)、vw=Am・sin(θ−4π/3)とすると、三相二相変換部101で互いに直交する電圧信号vα=Aα・sin(θ)、vβ=−Aβ・cos(θ)に変換し、正規化部102で電圧信号vα,vβの振幅をそれぞれ「1」に正規化して上記(1)式内のsin(θ)と−cos(θ)の値を算出している。そして、PLL処理部103で上記(1)式の演算処理をして位相差Δθを算出し、その算出値に基づきPLL処理部103から出力される位相θ’を変化させている。
In the
位相検出装置100では、電力系統の三相電圧信号vu,vv,vwの検出値(所定のサ
ンプリング周期で検出される瞬時値)が入力される毎に、位相差Δθを算出し、その位相差Δθに基づいて位相θ’を変化させるとともに、その位相θ’をsin(θ−θ’)の演算処理にフィードバックするループ処理を繰り返し、PLL処理部103から出力される位相θ’を位相差Δθがゼロとなる値、すなわち、実際の電力系統の電圧信号v u ,v v ,v w の位相θに収束させる動作が行われる。
The
PLL処理部103の位相θ’のフィードバック経路には余弦値演算部103aと正弦値演算部103bとが設けられ、余弦値演算部103aで上記(1)式内のcos(θ’)が演算され、正弦値演算部103bで上記(1)式内のsin(θ’)が演算される。余弦値演算部103aの演算値は乗算器103cで正規化部102からのsin(θ)に乗算され、正弦値演算部103bの演算値は乗算器103dで正規化部102からの−cos(θ)に乗算され、両乗算値が加算器103eで加算される。
A cosine
従って、位相検出装置100では、三相二相変換部101からPLL処理部103の加算器103eまでが上記(1)式の演算を行う演算部を構成し、加算器103eから後段の部分が位相差Δθに基づきPLL処理部103で算出される位相θ’を変化させ、当該位相θ’を電力系統の電圧ベクトルVの位相θに収束させる演算部を構成している。
Therefore, in the
図24に示す乗算式PLL法を用いた位相検出装置100は、至近端で地落事故が発生したり、位相が欠落したりした場合、異常な電圧不足や電圧不平衡が生じ、PLL処理部103に入力される三相の電圧信号vu,vv,vwも同様に異常電圧となるため、位相差Δθの算出精度が低下し、これに伴い位相θ’を電力系統の位相θに収束させる速度も低下するという問題がある。
The
そこで、非特許文献1や特許文献1には、電力系統の事故により電圧信号v u ,v v ,v w が不平衡になった場合でも各相の電圧信号v u ,v v ,v w は正相分が支配的であることに着目し、図25に示す、PLL処理部103’から出力される位相θ’が電圧信号v u ,v v ,v w の正相分の位相に追従するPLL法が提案されている。
So, to
図25に示す位相検出装置100’は、図24に示す位相検出装置100に対して三相二相変換部101を対称座標変換部104に変え、余弦値演算部103aをsin(θ’+2π/3)の正弦値を演算する正弦値演算部103a’に変えたものである。
The
対称座標変換部104では下記の演算式によりU相,V相,W相の電圧信号vu,vv,vwが各相の正相分の電圧信号vup,vvp,vwpに変換され、正規化部102では各相の正相分の電圧信号vup,vvp,vwpからそれぞれ正規化した電圧信号vup’=sin(θ),vvp’=sin(θ−2π/3),vwp’=sin(θ−4π/3)が算出される。
In the symmetric
位相の異なる2つのsin(θ),sin(θ+ψ)と位相θ’を用いて位相差Δθ=(θ−θ’)を求める場合、
sin(θ)・sin(θ'+ψ)=sin(θ)・{sin(θ')・cos(ψ)+cos(θ')・sin(ψ)}
sin(θ')・sin(θ+ψ)=sin(θ')・{sin(θ)・cos(ψ)+cos(θ)・sin(ψ)}
の三角関数の公式より、 sin(θ)・sin(θ'+ψ)−sin(θ')・sin(θ+ψ)
=sin(ψ)・{sin(θ)・cos(θ')−cos(θ)・sin(θ')}
=sin(ψ)・sin(θ−θ')…(2)
の関係式が成立し、(2)式よりsin(θ−θ')を求めることができる。
When obtaining a phase difference Δθ = (θ−θ ′) using two sin (θ), sin (θ + ψ) and phase θ ′ having different phases,
sin (θ) · sin (θ '+ ψ) = sin (θ) · {sin (θ') · cos (ψ) + cos (θ ') · sin (ψ)}
sin (θ ′) · sin (θ + ψ) = sin (θ ′) · {sin (θ) · cos (ψ) + cos (θ) · sin (ψ)}
From the formula of trigonometric functions, sin (θ) · sin (θ '+ ψ) −sin (θ ′) · sin (θ + ψ)
= Sin (ψ) · {sin (θ) · cos (θ ′) − cos (θ) · sin (θ ′)}
= Sin (ψ) · sin (θ−θ ′) (2)
Is established, and sin (θ−θ ′) can be obtained from equation (2).
図25に示す位相検出装置100'では、ψ=−4π/3とし、正規化部102からP
LL処理部103’に電圧信号vup’=sin(θ),vwp’=sin(θ−4π/3)を入力し、正弦値演算部103a’で(2)式のsin(θ'+ψ)=sin(θ'−4π/3)=sin(θ'+2π/3)を演算するようにしている。そして、乗算器103cでsin(θ)・sin(θ'+ψ)=sin(θ)・sin(θ'+2π/3)を演算するとともに、乗算器103dでsin(θ+ψ)・sin(θ')=sin(θ−4π/3)・sin(θ')=sin(θ+2π/3)・sin(θ')を演算し、加算器103eで両演算値の差分を演算してsin(−4π/3)・sin(θ−θ’)={√(3)/2}・sin(θ−θ’)を算出している。
In the
The voltage signals v up ′ = sin (θ), v wp ′ = sin (θ-4π / 3) are input to the
|θ−θ'|=|Δθ|[rad]が微小であれば、{√(3)/2}・sin(θ−θ’)≒0.866×Δθであるから、加算器103eからは位相差Δθの情報(0.866×Δθ)が出力される。従って、加算器103eの後段では加算器103eの演算結果に基づいて制御値Δω(Δθの微分値に相当)を生成し、その制御値Δωに所定の基準値ω0を加算して角周波数に相当する値ω’を生成し、その角周波数ω’に積分処理を行って位相θ’を算出している。
If | θ−θ ′ | = | Δθ | [rad] is very small, {√ (3) / 2} · sin (θ−θ ′) ≈0.866 × Δθ. Information (0.866 × Δθ) of the phase difference Δθ is output. Therefore, to generate the adder control value based on the calculation result of the
図23のベクトル図に示すように、電力系統の電圧ベクトルVがPLL処理部103’で生成される電圧ベクトルV’に対してΔθだけ進んだ場合、加算器103eの後段では当該加算器103eの演算値に基づいて角周波数ω’がΔωだけ増加され、PLL処理部103’で生成される電圧ベクトルV’の角速度ω’を電力系統の電圧ベクトルVの角速度ωよりも高くして電圧ベクトルV’を電圧ベクトルVに一致させるPLL動作が行われる。そして、電圧ベクトルV’が電圧ベクトルVに一致すると、PLL処理部103’はその状態を維持するように動作し、位相検出装置100’からは電力系統の電圧ベクトルVと同一の位相θが出力されることになる。
As shown in the vector diagram of FIG. 23, when the voltage vector V of the power system advances by Δθ with respect to the voltage vector V ′ generated by the
非特許文献1によれば、図25に示される位相検出装置100’は、電力系統の三相の電圧信号vu,vv,vwの検出値に対して対称座標変換を行うことにより各相の正相分の電圧信号vup,vvp,vwpを算出するようにしているので、不平衡成分や3次、5次、7次の高調波成分が除去され、PLL処理部103’の演算処理でこれらの成分の悪影響を排除することはできるが、11次や13次の高調波成分は除去できないという特長がある。
According to
従って、従来の乗算式PLL法を用いた位相検出装置は、PLLの演算処理に悪影響を与える不平衡成分や高調波成分を完全に排除することができず、精度の面で改善の余地がある。また、図25に示す位相検出装置100’では、三相の電圧信号vu,vv,vwに対して対称座標変換処理を行うので、少なくとも各相の電圧信号vu,vv,vwの1/4周期(周波数が60Hzの場合、約4ミリ秒)分のデータについて対称座標変換処理を必要とするから、位相検出の処理速度の面でも不利である。
Therefore, the conventional phase detection apparatus using the multiplying PLL method cannot completely eliminate unbalanced components and harmonic components that adversely affect the PLL processing, and there is room for improvement in terms of accuracy. . Further, in the
本発明は、上記した事情のもとで考え出されたものであって、PLL処理部の前段に複素係数フィルタを用いたフィルタ回路を設けることによって不平衡成分や高調波成分及びノイズ成分を除去し、これらの影響を受けることなく高い精度で高速に位相を検出することができる位相検出装置を提供することを目的とする。 The present invention has been conceived under the circumstances described above, and removes an unbalanced component, a harmonic component, and a noise component by providing a filter circuit using a complex coefficient filter before the PLL processing unit. An object of the present invention is to provide a phase detection device capable of detecting a phase with high accuracy and high speed without being affected by these effects.
請求項1に記載の発明は、位相を生成する位相生成手段と、所定のサンプリング周期で交流信号が入力される毎に、前記位相生成手段で生成された位相と入力される交流信号の位相との位相差を算出し、その位相差がゼロでなければ、当該位相差に基づき前記位相生成手段で生成された位相を当該位相差が減少する方向に変更し、前記位相差がゼロであれば前記位相生成手段で生成された位相を保持する制御を行う位相制御手段とを有する位相同期手段を備えた位相検出装置において、
前記位相同期手段の前段に、前記交流信号に含まれる高調波成分を除去し、かつ、不平衡成分も除去する複素係数フィルタからなるフィルタ手段を備えたことを特徴とする。
According to the first aspect of the present invention, there is provided a phase generation unit that generates a phase, and a phase generated by the phase generation unit and a phase of the input AC signal each time an AC signal is input at a predetermined sampling period. If the phase difference is not zero, the phase generated by the phase generation means is changed based on the phase difference in a direction in which the phase difference decreases, and if the phase difference is zero In the phase detection device comprising the phase synchronization means having the phase control means for performing control to hold the phase generated by the phase generation means,
Wherein in front of the phase synchronization means, to remove the harmonic components that are included in the AC signal, and characterized by comprising a filter means comprising a complex coefficient filter that also removes the unbalanced component.
好ましい実施の形態によれば、前記複素係数フィルタは、前記交流信号に含まれる基本波を通過帯域の中心周波数とするバンドパスフィルタ若しくは前記不平衡成分と所定次数の高調波成分を阻止するノッチフィルタ又は前記バンドパスフィルタと前記ノッチフィルタを組み合わせた多段フィルタであるとよい(請求項2〜4)。 According to a preferred embodiment, the complex coefficient filter is a bandpass filter having a fundamental wave included in the AC signal as a center frequency of a pass band or a notch filter that blocks the unbalanced component and a harmonic component of a predetermined order. Or it is good in it being a multistage filter which combined the said band pass filter and the said notch filter (Claims 2-4).
また、他の好ましい実施の形態によれば、前記交流信号は、電力系統を流れる単相の交流電圧を検出した検出信号であり、前記検出信号を複素信号の実数部の信号とし、常にゼロである信号を前記複素信号の虚数部の信号として前記フィルタ手段に入力する(請求項5)。また、前記交流信号は、電力系統を流れる三相の交流電圧を検出した検出信号であり、前記フィルタ手段の前段に、前記三相の検出信号を互いに直交する二つの信号に変換し、一方の信号を複素信号の実数部の信号とし、他方の信号を前記複素信号の虚数部の信号として前記フィルタ手段に入力する三相二相変換手段を更に備えるとよい(請求項6)。 Also, according to another preferred embodiment, the AC signal, Ri detection signal der detecting the AC voltage of the single phase flowing power system, the detection signal is a signal of the real part of the complex signal, always zero Is input to the filter means as a signal of an imaginary part of the complex signal . Further, the AC signal is a detection signal obtained by detecting a three-phase AC voltage flowing through the power system, and converts the three-phase detection signal into two signals orthogonal to each other before the filter means. It is preferable to further comprise three-phase to two-phase conversion means for inputting the signal to the filter means as the signal of the real part of the complex signal and the other signal as the signal of the imaginary part of the complex signal.
また、他の好ましい実施の形態によれば、前記フィルタ手段は、前記交流信号に含まれる基本波成分の位相の正弦値と余弦値とを出力し、前記位相制御手段は、前記位相差を算出するために、前記位相生成手段で生成された位相の正弦値を演算する第1の正弦値演算手段と、前記位相生成手段で生成された位相の余弦値を演算する余弦値演算手段と、前記フィルタ手段から出力される正弦値及び余弦値と前記第1の正弦値演算手段で算出される前記正弦値と前記余弦値演算手段で算出される前記余弦値とを用いて、所定の三角関数の乗算式で表わされる前記位相差の正弦値を演算する第2の正弦値演算手段と、を有する(請求項7)。 According to another preferred embodiment, the filter means outputs a sine value and a cosine value of a phase of a fundamental wave component included in the AC signal, and the phase control means calculates the phase difference. In order to do so, first sine value calculation means for calculating the sine value of the phase generated by the phase generation means, cosine value calculation means for calculating the cosine value of the phase generated by the phase generation means, Using the sine value and cosine value output from the filter means, the sine value calculated by the first sine value calculation means, and the cosine value calculated by the cosine value calculation means, a predetermined trigonometric function is obtained. And second sine value calculating means for calculating a sine value of the phase difference expressed by a multiplication formula.
なお、請求項7に記載の位相検出装置において、前記三角関数の乗算式は、
sin(θ)・cos(θ')−cos(θ)・sin(θ')=sin(θ−θ')
但し、 θ:前記交流信号に含まれる基本波成分の位相
θ’:前記位相生成手段で生成される位相
sin(θ):前記フィルタ手段から出力される正弦値
cos(θ):前記フィルタ手段から出力される余弦値
−sin(θ'):前記第1の正弦値演算手段で算出される正弦値
cos(θ'):前記余弦値演算手段で算出される余弦値
である(請求項8)。
In the phase detection device according to
sin (θ) ・ cos (θ ') − cos (θ) ・ sin (θ ′) = sin (θ−θ ′)
Where θ is the phase of the fundamental component included in the AC signal
θ ′: phase generated by the phase generation means
sin (θ): Sine value output from the filter means
cos (θ): cosine value output from the filter means −sin (θ ′): sine value calculated by the first sine value calculation means
cos (θ ′): a cosine value calculated by the cosine value calculating means (claim 8).
また、他の好ましい実施の形態によれば、前記フィルタ手段は、前記交流信号に含まれる基本波成分の位相の正弦値を出力し、前記位相制御手段は、前記位相差を算出するために、前記位相生成手段で生成された位相の正弦値を演算する正弦値演算手段と、前記フィルタ手段から出力される正弦値がゼロレベルを交差するタイミングを検出する第1のゼロクロス検出手段と、前記正弦値演算手段で算出される正弦値がゼロレベルを交差するタイミングを検出する第2のゼロクロス検出手段と、前記第1のゼロクロス検出手段の検出タイミングと前記第2のゼロクロス検出手段の検出タイミングとのずれ時間を計時する計時手段と、前記計時手段で計時されたずれ時間に基づいて前記位相差を演算する位相差演算手段と、を有する(請求項9)。 According to another preferred embodiment, the filter means outputs a sine value of the phase of the fundamental wave component included in the AC signal, and the phase control means calculates the phase difference. A sine value calculating means for calculating a sine value of the phase generated by the phase generating means; a first zero cross detecting means for detecting a timing at which a sine value output from the filter means crosses a zero level; and the sine A second zero cross detecting means for detecting a timing at which the sine value calculated by the value calculating means crosses a zero level; a detection timing of the first zero cross detecting means; and a detection timing of the second zero cross detecting means. And a phase difference calculating means for calculating the phase difference based on the time difference measured by the time measuring means.
本発明によれば、所定のサンプリング周期で入力される交流信号に不平衡成分や高調波成分が含まれている場合、それらの成分が複素係数フィルタによって除去されるので、位相同期手段には、交流信号の基本波だけが入力される。従って、位相同期手段では位相生成手段で生成される位相を位相制御手段によるPLL処理により、入力される交流信号の基本波の位相に正確かつ迅速に一致させることができる。 According to the present invention, when an unbalanced component or a harmonic component is included in an alternating current signal input at a predetermined sampling period, these components are removed by the complex coefficient filter. Only the fundamental wave of the AC signal is input. Accordingly, the phase synchronization means can accurately and quickly match the phase generated by the phase generation means with the phase of the fundamental wave of the input AC signal by the PLL processing by the phase control means.
本発明に係る位相検出装置を、例えば、系統周波数fs(例えば、60Hz)の電力系統の電圧信号の位相を検出する装置に適用した場合、電力系統の電圧信号を検出した信号には、系統周波数fs の基本波以外に不平衡成分(−fsの周波数成分)や高調波成分(主として−5×fs、+7×fs、−11×fsの高調波成分)が含まれるが、例えば、系統周波数fsを中心周波数とする帯域通過型の複素係数フィルタ(Band Pass Filter)によって不平衡成分や高調波成分は除去され、位相同期手段には基本波と同位相の同相信号と、基本波と位相がπ/2だけ異なる矩相信号だけが入力される。例えば、基本波成分をcos(θ)(θは基本波の位相)とすると、位相同期手段にはcos(θ)で表わされる同相信号とsin(θ)で表わされる矩相信号の瞬時値が入力される。 When the phase detection device according to the present invention is applied to, for example, a device that detects the phase of a voltage signal of a power system having a system frequency f s (for example, 60 Hz), It includes a frequency f s fundamental addition to the unbalanced components (-f frequency component of s) and harmonic components (primarily -5 × f s, + 7 × f s, harmonic NamiNaru fraction of -11 × f s) is However, for example, an unbalanced component and a harmonic component are removed by a band-pass type complex coefficient filter (Band Pass Filter) having the system frequency f s as the center frequency, and the phase synchronization means has the same phase as the fundamental wave. Only a signal and a quadrature signal whose phase differs from the fundamental wave by π / 2 are input. For example, if the fundamental wave component is cos (θ) (θ is the phase of the fundamental wave), the phase synchronization means has an instantaneous value of the in-phase signal represented by cos (θ) and the quadrature signal represented by sin (θ). Is entered.
位相同期手段では、位相制御手段で前回の信号入力時に位相生成手段で生成された位相θ’に対して−sin(θ’)で表わされる正弦値とcos(θ’)で表わされる余弦値が演算され、更にこれらの演算値とフィルタ手段から出力されるsin(θ)で表わされる正弦値とcos(θ)で表される余弦値を用いて、例えば、sin(θ)・cos(θ’)−cos(θ)・sin(θ’)=sin(θ−θ’)で表わされる三角関数の乗算式の演算処理が行われる。|Δθ|=|θ−θ’|が微小であれば、sin(θ−θ’)≒θ−θ’=Δθであるから、位相制御手段によって、乗算結果の位相差Δθをループフィルタに通して制御値Δω(角周波数に相当)が求められ、更にその制御値Δωを基準値ω0に加算した後、積分処理が行われて位相θ'の更新が行われる。この更新処理により、Δθ≠0であれば、Δθが減少するように位相θ'が更新され、Δθ=0になると、その位相θ'が保持される。 In the phase synchronization means, the sine value represented by −sin (θ ′) and the cosine value represented by cos (θ ′) with respect to the phase θ ′ generated by the phase generation means at the previous signal input by the phase control means. For example, sin (θ) · cos (θ ′) using these calculated values and the sine value represented by sin (θ) and the cosine value represented by cos (θ) output from the filter means. ) −cos (θ) · sin (θ ′) = sin (θ−θ ′) is performed. If | Δθ | = | θ−θ ′ | is small, sin (θ−θ ′) ≈θ−θ ′ = Δθ, and therefore the phase difference Δθ of the multiplication result is passed through the loop filter by the phase control means. Then, the control value Δω (corresponding to the angular frequency) is obtained, and the control value Δω is further added to the reference value ω 0 , and then the integration process is performed to update the phase θ ′. With this update process, if Δθ ≠ 0, the phase θ ′ is updated so that Δθ decreases, and when Δθ = 0, the phase θ ′ is held.
従って、電力系統の電圧信号に系統周波数fs の基本波以外に不平衡成分や高調波成分が含まれていても、それらの成分が位相同期手段のPLL演算処理に影響を与えることがなく、電力系統の電圧信号の位相θを高速かつ正確に算出することができる。 Therefore, even if an unbalanced component and a harmonic component are included in the voltage signal of the power system in addition to the fundamental wave of the system frequency f s , these components do not affect the PLL calculation processing of the phase synchronization means, The phase θ of the voltage signal of the power system can be calculated quickly and accurately.
以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る位相検出装置を系統連系インバータに適用した場合を例に、添付図面を参照して具体的に説明する。なお、以下の説明では、説明の便宜上、電力系統の三相の電圧信号vu,vv,vwの基本波成分をvu=Am・cos(θ)(Am:振幅、θ:系統電圧の位相)、vv=Am・cos(θ−2π/3)、vw=Am・cos(θ−4π/3)として説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be specifically described with reference to the accompanying drawings, taking as an example the case where the phase detection device according to the present invention is applied to a grid-connected inverter. In the following description, for convenience of explanation, the fundamental components of the three-phase voltage signals v u , v v , and v w of the power system are represented by v u = A m · cos (θ) (A m : amplitude, θ: (Phase of system voltage), v v = A m · cos (θ−2π / 3), and v w = A m · cos (θ−4π / 3).
まず、系統連系インバータについて、図1を用いて説明する。図1は、本発明に係る位相検出装置が適用される系統連系インバータの基本構成を示す図である。 First, the grid interconnection inverter will be described with reference to FIG. FIG. 1 is a diagram showing a basic configuration of a grid-connected inverter to which a phase detection device according to the present invention is applied.
図1に示す系統連系インバータ1は、直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に供給する三相の系統連系インバータである。
A grid-connected
系統連系インバータ1は、直流電力を出力する直流電源2、直流電源2から出力される直流電力を交流電力に変換するインバータ回路3、このインバータ回路3内のスイッチング素子TR1〜TR6のオン・オフ動作を制御するインバータ制御部4、インバータ回路3から出力される交流電圧に含まれるスイッチングノイズを除去するフィルタ回路5、フィルタ回路5から出力される交流電圧のレベルを系統電圧に合わせて電力系統9に出力するための変圧器6、変圧器6から電力系統9に出力される出力電流を検出する電流検出器7及び電力系統9の電圧を検出する電圧検出器8を備える。
The
直流電源2は、太陽光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池211で構成される。なお、燃料電池などの他の直流電源で構成されていてもよい。インバータ回路3は、6個のスイッチング素子TR1〜TR6をブリッジ接続した、周知の電圧制御型インバータ回路で構成される。スイッチング素子としては、例えば、バイポーラトランジスタ、電界効果型トランジスタ、サイリスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の半導体スイッチング素子が用いられるが、図1は、トランジスタを用いた例である。各トランジスタTR1〜TR6には帰還ダイオードD1〜D6が並列に接続されている。
The
6個のトランジスタTR1〜TR6は、インバータ制御部4から出力されるPWM信号によってそれぞれオン・オフ動作が制御される。インバータ制御部4からは相互にレベルが逆になっている2つのPWM信号Spwm,/Spwmを1組として、周期は同一でオン期間(パルス幅)の異なる3組のPWM信号(Spwmi,/Spwmi)(iは組の番号を示し、i=1,2,3である。)が出力される。第1の組のPWM信号(Spwm1,/Spwm1)はトランジスタTR1とトランジスタTR2のベースに入力され、第2の組のPWM信号(Spwm2,/Spwm2)はトランジスタTR3とトランジスタTR4のベースに入力され、第3の組のPWM信号(Spwm3,/Spwm3)はトランジスタTR5とトランジスタTR6のベースに入力される。トランジスタTR1〜TR6はPWM信号Spwmi,/Spwmiがハイレベルのときにオン(ON)状態(導通状態)となり、ローレベルのときにオフ(OFF)状態(遮断状態)となる。
The six transistors TR <b> 1 to TR <b> 6 are each controlled to be turned on / off by a PWM signal output from the
インバータ制御部4は、マイクロコンピュータによって構成され、そのマイクロコンピュータが予め設定されたプログラムによって所定の演算処理を実行することにより3組のPWM信号(Spwmi,/Spwmi)(i=1,2,3)を生成する制御を行う。なお、インバータ制御部4をFPGA(Field Programmable Gate Array)で実現することも可能である。
The
フィルタ回路5は、等価的にインバータ回路3の3本の出力ラインにそれぞれインダクタLFを直列に接続し、3個の出力ライン間にキャパシタCFを並列に接続した回路構成のローパスフィルタである。インバータ回路3内の接続点a〜cからは階段状にレベルが変化する波形の三相の電圧信号va’,vb’,vc’が出力される。電圧信号va’,vb’,vc’にはPWM信号Spwmi,/SpwmiによるトランジスタTR1〜TR6のスイッチングノイズが含まれるが、フィルタ回路5を通すことによって、そのスイッチングノイズが除去され、正弦波状の波形の電圧信号va,vb,vcが出力される。フィルタ回路5から出力される三相の電圧信号(相電圧信号)va,vb,vcは、変圧器6によってその振幅が系統電圧とほぼ同一のレベルに調整されて電力系統9に出力される。
The
インバータ制御部4は、例えば、系統連系インバータ1から電力系統9のU相に出力させる電圧信号vaの場合、図2に示すように、電力系統9のU相の電圧ベクトルと同一の電圧ベクトルVarと電圧ベクトルVaLとを合成した電圧ベクトルVaを生成する制御を行。
電圧ベクトルVaLは、系統連系インバータ1から電力系統9に電流IaLを流したとき(電力を供給したとき)に、系統連系インバータ1と電力系統9との間の負荷Laに生じる電圧降下分の電圧ベクトルである。負荷Laは厳密には抵抗分を含んでいるが、その値はリアクタンス分に比べて小さいので、図2では抵抗分を無視し、負荷Laをインダクタンス回路として記載している。電圧ベクトルVarは系統連系インバータ1を電力系統9に連系させるための電圧ベクトルである。負荷Laはインダクタンスであるから、力率1の運転をするために電圧ベクトルVaLの位相は、電圧ベクトルVarに対してほぼπ/2だけ進めている。
Voltage vector V aL, when a current flows I aL from
インバータ制御部4は、最大電力点追従制御により電力系統9に供給する電流IaL,IbL,IcLを制御することで、系統連系インバータ1から電力系統9のU,V,Wの各相に出力される電圧信号va,vb,vc(電圧ベクトルVaLに対応する電圧信号)を制御する。なお、インバータ制御部4は、電圧検出器212から入力される太陽電池211の出力電圧Vdcによって太陽電池211の最大電力点を監視するとともに、変圧器6の出力ラインに設けられた電流検出器7から入力されるU,V,Wの各相の出力電流IaL,IbL,IcLを監視し、電流マイナーループによって各相の出力電流IaL,IbL,IcLが最大電力点追従制御で設定される目標値となるように制御する。
The
また、インバータ制御部4は、変圧器6の出力ライン間に設けられた電圧検出器8から入力される電力系統9のU,V,Wの各相の電圧信号vu,vv,vwを用いて電力系統9の電圧信号の基本波成分の振幅Amと位相θ(電圧ベクトルVarの振幅と位相に相当)を算出する。この位相θを算出するために、インバータ制御部4には本発明に係る位相検出装置10(図3参照)が設けられる。位相検出装置10は、後述するようにデジタル演算処理によって位相θを算出するから、インバータ制御部4にはマイクロコンピュータに実行させる位相算出プログラムとして搭載される。
The
インバータ制御部4は、電流マイナーループで算出される電流IaLの制御値に基づき電圧ベクトルVaLの振幅ALを算出し、この振幅ALと電力系統9の電圧信号の基本波成分の振幅Am及び位相θとを用いて系統連系インバータ1から出力させるU相の電圧信号vaの目標値を算出する。また、インバータ制御部4は、同様の方法で、V相,W相の電圧信号vb,vcの目標値を算出する。
The
そして、インバータ制御部4は、電圧信号vaに基づいてPWM信号Spwm1,/Spwm1を生成し、電圧信号vbに基づいてPWM信号Spwm2,/Spwm2を生成し、電圧信号vcに基づいてPWM信号Spwm3,/Spwm3を生成する。
Then, the
次に、インバータ制御部4に設けられる位相検出装置について説明する。図3は、本発明に係る位相検出装置のブロック構成を示す図である。
Next, a phase detection device provided in the
図3に示す位相検出装置10は、電力系統9の三相の電圧信号(相電圧信号)vu,vv,vwを検出した信号に含まれる不平衡成分や高調波成分を除去し、正規化した電圧信号の基本波成分(正弦波信号)とその基本波成分に直交する信号(余弦波信号)を算出する基本波直交成分算出部10Aと、基本波直交成分算出部10Aから出力される正弦波信号(瞬時値)及び余弦波信号(瞬時値)と位相検出装置10から出力される位相とを用いてPLL演算処理により電力系統9の電圧信号の位相(θ)を出力するPLL処理部10Bと、を有している。
The
基本波直交成分算出部10Aは、電圧検出器8から入力される三相の電圧信号vu,vv,vw(所定のサンプリング周期で入力される瞬時値)を互いに直交する2相(α相とβ相)の電圧信号vα,vβに変換する三相/二相変換部11と、三相/二相変換部11から出力される電圧信号vα,vβに含まれる不平衡成分と所定次数の高調波成分を除去する複素係数フィルタを用いた複素係数フィルタ部12と、複素係数フィルタ部12から出力される電圧信号vr,vjを正規化する正規化部13と、を含む。なお、複素係数フィルタ部12のゲインを調整することにより正規化部13を省略することができる。
The fundamental wave quadrature
三相/二相変換部11は、電圧検出器8から入力される三相の電圧信号vu,vv,vwを下記の(3)式、(4)式の演算を行うことにより互いに直交する電圧信号vα,vβに変換する。
The three-phase / two-
図4は、三相二相変換部11の演算回路を示すブロック図である。同図に示すように、三相二相変換部11は、5個の乗算器11a〜11eと2個の加算器11f,11gで構成される。乗算器11a,11b,11dは、それぞれ(3)式の各項を演算する演算器であり、乗算器11c,11eは、それぞれ(4)式の各項を演算する演算器である。また、加算器11fは(3)式の各項を加算する演算器であり、加算器11gは(4)式の各項を加算する演算器である。
FIG. 4 is a block diagram showing an arithmetic circuit of the three-phase / two-
電圧検出器8で検出される三相の電圧信号vu,vv,vwは、一般に、基本波成分以外に不平衡成分や3次、5次、7次、11次などの奇数次の高調波成分(図5の周波数成分参照)が含まれる不平衡三相信号である。従って、三相二相変換部11からはこれらの成分についても三相二相変換した電圧信号が出力される。
The three-phase voltage signals v u , v v , v w detected by the
電圧信号vu,vv,vwの基本波成分vsu,vsv,vswを、
vsu=Asm・cos(ωs・t)
vsv=Asm・cos(ωs・t−2π/3)
vsw=Asm・cos(ωs・t−4π/3)
但し、Asm:基本波成分の振幅、ωs:系統電圧の角周波数、ωs=2π・fsとすると、基本波成分の電圧ベクトルVsu,Vsv,Vswは、Vs=Asm・exp(j・ωs・t)、a=exp(j・2π/3)として、
Vsu=Vs ……………………(3A)
Vsv=exp(-j・2π/3)・Vs
=a‐1・V s =a2・Vs …(3B)
Vsw=exp(-j・4π/3)・Vs
=a-2・V s =a・Vs …(3C)
で表わされる。
The fundamental wave components v su , v sv , v sw of the voltage signals v u , v v , v w are
v su = A sm · cos (ω s · t)
v sv = A sm · cos (ω s · t−2π / 3)
v sw = A sm · cos (ω s · t−4π / 3)
However, if A sm is the amplitude of the fundamental wave component, ω s is the angular frequency of the system voltage, and ω s = 2π · f s , the voltage vectors V su , V sv , and V sw of the fundamental wave component are V s = A sm · exp (j · ω s · t), a = exp (j · 2π / 3)
V su = V s …………………… (3A)
V sv = exp (-j ・ 2π / 3) ・ V s
= A- 1・V s = a 2・ V s (3B)
V sw = exp (-j ・ 4π / 3) ・ V s
= A -2 · V s = a · V s (3C)
It is represented by
また、不平衡成分vsu’,vsv’,vsw’は、
vsu’=Asm’・cos(ωs・t)
vsv’=Asm’・cos(ωs・t−4π/3)
vsw’=Asm’・cos(ωs・t−2π/3)
但し、Asm’:不平衡成分の振幅、
で表わされ、不平衡成分の電圧ベクトルVsu’,Vsv’,Vsw’は、Vs’=Asm’・exp(j・ωs・t)として、
Vsu’=Vs’ ………(4A)
Vsv’=exp(-j・4π/3)・Vs’
=a-2・Vs’=a・Vs’ …(4B)
Vsw’=exp(-j・2π/3)・Vs’
=a-1・Vs’=a2・Vs’ …(4C)
で表わされる。
Also, the unbalanced components v su ', v sv ', v sw 'are
v su '= A sm ' ・ cos (ω s・ t)
v sv '= A sm ' · cos (ω s · t−4π / 3)
v sw '= A sm ' ・ cos (ω s・ t−2π / 3)
Where A sm ': amplitude of unbalanced component,
The unbalanced component voltage vectors V su ′, V sv ′, and V sw ′ are expressed as V s ′ = A sm ′ · exp (j · ω s · t),
V su '= V s ' (4A)
V sv '= exp (-j ・ 4π / 3) ・ V s '
= A -2 · V s '= a · V s ' (4B)
V sw '= exp (-j ・ 2π / 3) ・ V s '
= A -1 · V s '= a 2 · V s ' (4C)
It is represented by
基本波成分の電圧ベクトルVsu,Vsv,Vswは、図6(a)に示すように、U,V,Wの各相の電圧ベクトルVsu,Vsv,Vswが反時計回り(左回り)にU,W,Vの相順で均等に配置され、角周波数ωs=θ/tで反時計回りに回転するベクトルである。一方、不平衡成分は、U相に対するV相とW相の位相差が基本波成分のU相に対するV相とW相の位相差と逆になっているから、不平衡成分の相順は基本波成分の相順に対して逆になっている。従って、不平衡成分の電圧ベクトルVsu’,Vsv’,Vsw’は、図6(b)に示すように、U,V,Wの各相の電圧ベクトルVsu’,Vsv’,Vsw’が時計回りにU,W,Vの相順で均等に配置され、角周波数ωs=θ/tで反時計回りに回転するベクトルとなっている。 As shown in FIG. 6A , the voltage vectors V su , V sv , and V sw of the fundamental wave components are counterclockwise when the voltage vectors V su , V sv , and V sw of the U, V, and W phases are ( These are vectors that are arranged evenly in the order of U, W, and V in the counterclockwise direction and rotate counterclockwise at the angular frequency ω s = θ / t. On the other hand, since the phase difference between the V phase and the W phase with respect to the U phase is opposite to the phase difference between the V phase and the W phase with respect to the U phase of the fundamental wave component, the phase order of the unbalanced component is fundamental. It is reversed with respect to the phase order of the wave components. Therefore, the voltage vectors V su ′, V sv ′, and V sw ′ of the unbalanced component are obtained as shown in FIG. 6B by using the voltage vectors V su ′, V sv ′, V sw ′ is evenly arranged in the clockwise order in the phase order of U, W, and V, and is a vector that rotates counterclockwise at the angular frequency ω s = θ / t.
(3A)式〜(3C)式で表わされる基本波成分の電圧ベクトルVsu,Vsv,Vswを(3)式と(4)式に代入すると、電圧ベクトルVsα,Vsβは、
基本波成分の二相電圧信号vsα,vsβは、電圧ベクトルVsα,Vsβの実軸上への投影値で与えられるから、三相/二相変換部11から出力される基本波成分の二相電圧信号vsα,vsβは、
vsα=√(3/2)・Asm・cos(ωs・t) …(7)
vsβ=√(3/2)・Asm・sin(ωs・t) …(8)
となる。
Since the two-phase voltage signals v s α and v s β of the fundamental wave component are given as projection values on the real axis of the voltage vectors V s α and V s β, they are output from the three-phase / two-
v s α = √ (3/2) · A sm · cos (ω s · t) (7)
v s β = √ (3/2) · A sm · sin (ω s · t) (8)
It becomes.
同様に、(4A)式〜(4C)式を(5)式と(6)式に代入すると、電圧ベクトルVsα’,Vsβ’は、Vsα’=√(3/2)・Vs’、Vsβ’=j・√(3/2)・Vs’となるから、三相/二相変換部11から出力される不平衡成分の相電圧信号vsα’,vsβ’は、
vsα’=√(3/2)・Asm’・cos(ωs・t) …(9)
vsβ’=−√(3/2)・Asm’・sin(ωs・t) …(10)
となる。また、cos(ωs・t)=cos(−ωs・t)、sin(ωs・t)=−sin(−ωs・t)であるから、これらを(9)式、(10)式に代入すると、
vsα’=√(3/2)・Asm’・cos(−ωs・t) …(9’)
vsβ’=√(3/2)・Asm’・sin(−ωs・t) …(10’)
となる。
Similarly, when the equations (4A) to (4C) are substituted into the equations (5) and (6), the voltage vectors V s α ′ and V s β ′ are expressed as V s α ′ = √ (3/2) Since V s ′, V s β ′ = j · √ (3/2) · V s ′, the phase voltage signal v s α ′, which is an unbalanced component output from the three-phase / two-
v s α ′ = √ (3/2) · A sm '· cos (ω s · t) (9)
v s β ′ = − √ (3/2) · A sm ′ · sin (ω s · t) (10)
It becomes. Also, since cos (ω s · t) = cos (−ω s · t) and sin (ω s · t) = − sin (−ω s · t), these are expressed by Equation (9) and (10) When assigned to an expression,
v s α ′ = √ (3/2) · A sm '· cos (−ω s · t) (9 ′)
v s β ′ = √ (3/2) · A sm '· sin (−ω s · t) (10 ′)
It becomes.
(9’)式及び(10’)式と(7)式及び(8)式を比較すると、基本波成分の角周波数が「ωs」であるのに対し、不平衡成分の角周波数が「−ωs」である点が相違する。すなわち、三相/二相変換部11から出力される基本波成分の二相電圧信号vsα,vsβの周波数を「正の周波数」とすると、不平衡成分の二相電圧信号vsα’,vsβ’は、三相/二相変換部11から「負の周波数」で出力されるということができる。
Comparing the equations (9 ′) and (10 ′) with the equations (7) and (8), the angular frequency of the fundamental component is “ω s ”, whereas the angular frequency of the unbalanced component is “ −ω s ”is different. That is, assuming that the frequencies of the two-phase voltage signals v s α and v s β of the fundamental wave component output from the three-phase / two-
図5において、基本波成分を正の周波数領域の周波数「fs」の位置に表示し、不平衡成分の周波数を「−fs」として不平衡成分を負の周波数領域の周波数「−fs」の位置に表示しているのは上記の周波数の関係を示している。なお、図5には、位相検出に影響のある5次、7次、11次の高調波成分のみを描いている。3の整数倍の高調波成分は線間電圧には表れず、相電圧でもΔ結線のトランスで除去され、11次よりも大きい奇数次の高調波成分はレベルが小さく、無視し得るからである。 5, displays a fundamental component in the position of the frequency "f s" of the positive frequency domain, the frequency "-f s negative frequency domain unbalanced component frequencies of the unbalanced components as" -f s """ Indicates the relationship of the above frequencies. FIG. 5 shows only the fifth, seventh, and eleventh harmonic components that affect the phase detection. This is because the harmonic component of an integer multiple of 3 does not appear in the line voltage, and even the phase voltage is removed by the Δ-connected transformer, and the odd-order harmonic component larger than the 11th order has a low level and can be ignored. .
不平衡成分が負の周波数になるのは、不平衡成分の相順が基本波成分の相順に対して逆になるからであるから、基本波成分の周波数fsをn倍(n:2以上の整数)したn次高調波成分についても同様で、n次高調波成分の相順が基本波成分と同一になる場合は、その周波数fns(添え字nは次数)は正の周波数となり、n次高調波成分の相順が基本波成分と逆になる場合は、その周波数fnsは負の周波数となる。 The reason why the unbalanced component has a negative frequency is that the phase order of the unbalanced component is reversed with respect to the phase order of the fundamental wave component, and therefore the frequency f s of the fundamental wave component is multiplied by n (n: 2 or more). The same applies to the nth-order harmonic component, and when the phase order of the nth-order harmonic component is the same as the fundamental wave component, the frequency f ns (subscript n is the order) is a positive frequency, When the phase order of the n-th harmonic component is opposite to the fundamental component, the frequency f ns is a negative frequency.
5次、7次、11次の高調波成分は、U,V,Wの各相の電圧ベクトルをVnu,Vnv,Vnw(添え字のnは次数)と表記し、電圧ベクトルVnをVn=Anm・exp(j・n・ωs・t)(Anm:n次高調波成分の振幅)とすると、
Vnu=Vn
Vnv=Vn・exp(-j・2nπ/3)
Vnw=Vn・exp(-j・4nπ/3)
但し、n=5,7,11
で表わされる。exp(−j・2nπ/3)={exp(−j・2π/3)}n=a2n、exp(−j・4nπ/3)={exp(−j・4π/3)}n=anであるから、電圧ベクトルVnu,Vnv,Vnwは、
Vnu=Vn
Vnv=a2n・Vn
Vnw=an・Vn
と表わされる。
For the fifth, seventh, and eleventh harmonic components, the voltage vector of each phase of U, V, and W is expressed as V nu , V nv , V nw (the subscript n is the order), and the voltage vector V n Is V n = A nm · exp (j · n · ω s · t) (A nm : amplitude of the nth-order harmonic component),
V nu = V n
V nv = V n · exp (-j · 2nπ / 3)
V nw = V n · exp (-j · 4nπ / 3)
However, n = 5, 7, 11
It is represented by exp (−j · 2nπ / 3) = {exp (−j · 2π / 3)} n = a 2n , exp (−j · 4nπ / 3) = {exp (−j · 4π / 3)} n = a Since n , the voltage vectors V nu , V nv , V nw are
V nu = V n
V nv = a 2n・ V n
V nw = a n・ V n
It is expressed as
5次高調波成分の電圧ベクトルV5u,V5V,V5wと11次高調波成分の電圧ベクトルV11u,V11V,V11wは、
(V5u,V5V,V5w)=(V5,a10・V5,a5・V5)
=(V5,a・V5,a2・V5)
(V11u,V11V,V11w)=(V11,a22・V11,a11・V11)
=(V11,a・V11,a2・V11)
となり、U,V,Wの相順は基本波成分に対して逆になるので、5次高調波成分及び11次高調波成分の周波数は負の周波数となる。
The fifth harmonic component of the voltage vector V 5u, V 5V, V 5w and 11th harmonic components of the voltage vector V 11u, V 11V, V 11w is
(V 5u, V 5V, V 5w) = (
= (V 5, a · V 5, a 2 · V 5)
(V 11u, V 11V, V 11w) = (
= (V 11, a · V 11, a 2 · V 11)
Thus, since the phase order of U, V, and W is reversed with respect to the fundamental wave component, the frequencies of the fifth harmonic component and the eleventh harmonic component are negative frequencies.
一方、7次高調波成分の電圧ベクトルV7u,V7V,V7wは、
(V7u,V7V,V7w)=(V7,a14・V7,a7・V7)
=(V7,a2・V7,a・V7)
となり、U,V,Wの相順は基本波成分に対して同じになるので、7次高調波成分の周波数は正の周波数となる。
On the other hand, the seventh harmonic component of the voltage vector V 7u, V 7V, V 7w is
(V 7u, V 7V, V 7w) = (
= (V 7, a 2 ·
Next, U, V, since the phase sequence of W becomes the same with respect to the fundamental wave component, the frequency of the seventh order harmonic component has a positive frequency.
従って、図5では、5次高調波成分と11次高調波成分は、負の周波数領域の周波数「−5fs」と「−11fs」の位置にそれぞれ表示され、7次高調波成分は正の周波数領域の周波数「7fs」の位置に表示されている。 Therefore, in FIG. 5, the fifth harmonic component and the eleventh harmonic component are displayed at the positions of the frequencies “−5f s ” and “−11 f s ” in the negative frequency region, respectively, and the seventh harmonic component is positive. Is displayed at the position of the frequency “7f s ” in the frequency region.
また、5次高調波成分を三相二相変換した電圧信号(v5α,v5β)は、不平衡成分を三相二相変換した電圧信号(vsα’,vsβ’)の周波数を5倍したものとなり、11次高調波成分を三相二相変換した電圧信号(v11α,v11β)は、同電圧信号(vsα’,vsβ’)の周波数を11倍したものとなり、7次高調波成分を三相二相変換した電圧信号(v7α,v7β)は、基本波成分を三相二相変換した電圧信号(vsα,vsβ)の周波数を7倍したものとなるから、
v5α=√(3/2)・A5m・cos(−5ωs・t) …(11)
v5β=√(3/2)・A5m・sin(−5ωs・t) …(12)
v7α=√(3/2)・A7m・cos(7ωs・t) …(13)
v7β=√(3/2)・A7m・sin(7ωs・t) …(14)
v11α=√(3/2)・A11m・cos(−11ωs・t) …(15)
v11β=√(3/2)・A11m・sin(−11ωs・t) …(16)
で表わされる。
In addition, the voltage signal (v 5 α, v 5 β) obtained by converting the fifth harmonic component into three-phase two-phase conversion is the voltage signal (v s α ′, v s β ′) obtained by converting the unbalanced component into three-phase two-phase conversion. The voltage signal (v 11 α, v 11 β) obtained by three-phase to two-phase conversion of the 11th harmonic component is the frequency of the voltage signal (v s α ′, v s β ′). The voltage signal (v 7 α, v 7 β) obtained by three-phase two-phase conversion of the seventh harmonic component is a voltage signal (v s α, v obtained by three-phase two-phase conversion of the fundamental wave component. Since the frequency of s β) is 7 times,
v 5 α = √ (3/2) · A 5m · cos (−5ω s · t) (11)
v 5 β = √ (3/2) · A 5m · sin (−5ω s · t) (12)
v 7 α = √ (3/2) · A 7m · cos (7ω s · t) (13)
v 7 β = √ (3/2) · A 7m · sin (7ω s · t) (14)
v 11 α = √ (3/2) · A 11m · cos (−11ω s · t) (15)
v 11 β = √ (3/2) · A 11m · sin (−11ω s · t) (16)
It is represented by
従って、三相/二相変換部11から複素係数フィルタ部12には、(7)式〜(16)式で表わされる基本波成分、不平衡成分及び5次、7次、11次の高調波成分の二相電圧信号(vsα,vsβ),(vsα’,vsβ’),(vnα,vnβ)(n=5,7,11)を含む二相電圧信号(vα,vβ)が出力される。
Therefore, from the three-phase / two-
複素係数フィルタ部12は、z変換表現による伝達関数H(z)が下記の(17)式で表される1次のIIRフィルタからなる複素係数バンドパスフィルタ(BPF)で構成される。(17)式において、複素係数a1におけるfd[Hz]は、通過帯域の中心周波数f0をサンプリングレートで正規化した正規化周波数、Ωd[rad/s]は正規化角周波数である。例えば、中心周波数f0を系統周波数fsに設定し、サンプリング周波数を「fsr」とすると、fdはfs/fsr、Ωdは2π・fd=2π・(fs/fsr)となる。なお、正規化した角周波数Ωdは、−π<Ωd<πである。また、rは、通過帯域の帯域幅を決めるパラメータ(0<r<1)である。
The complex
図7は、上記(17)式の演算処理を行う処理回路を示すブロック図である。同図に示すように、複素係数フィルタ部12は、(17)式の分母の演算処理がフィードバック回路で構成され、そのフィードバック回路の出力に分子の係数b0を乗算する回路によって構成される。
FIG. 7 is a block diagram showing a processing circuit for performing the arithmetic processing of the equation (17). As shown in the figure, the complex
図7に示すブロック図において、u[k](k:離散時間を表すインデックス番号)は入力データ、x[k]は複素係数フィルタ部12の状態データ、y[k]は複素係数フィルタ部12の出力データである。入力データu[k]、状態データx[k]及び出力データy[k]の間には、
x[k]=r・exp(j・Ωd)・x[k-1]+u[k] …(18)
y[k]=(1−r)・x[k] …(19)
が成立する。
In the block diagram shown in FIG. 7, u [k] (k: index number representing discrete time) is input data, x [k] is state data of the complex
x [k] = r · exp (j · Ω d ) · x [k−1] + u [k] (18)
y [k] = (1-r) .x [k] (19)
Is established.
複素係数フィルタ部12は複素係数フィルタで構成されるので、入力データu[k]が複素データか実データ(複素データの虚数部が「0」のデータ)かに関わらず、状態データx[k]及び出力データy[k]が複素信号のデータとなる。従って、入力データu[k]、状態データx[k]及び出力データy[k]をそれぞれu[k]=ur[k]+j・uj[k]、x[k]=xr[k]+j・xj[k]、y[k]=yr[k]+j・yj[k]、複素係数a1をa1=r・exp(j・Ωd)=r・cos(Ωd)+j・{r・sin(Ωd)}として(18)式と(19)式に代入し、実数部と虚数部の関係式に分けると、
xr[k]=r・cos(Ωd)・xr[k-1]−r・sin(Ωd)・xj[k-1]+ur[k] …(20)
xj[k]=r・cos(Ωd)・xj[k-1]+r・sin(Ωd)・xr[k-1]+uj[k] …(21)
yr[k]=(1−r)・xr[k] …(22)
yj[k]=(1−r)・xj[k] …(23)
となる。
Since the complex
x r [k] = r · cos (Ω d) · x r [k-1] -r · sin (Ω d) · x j [k-1] + u r [k] ... (20)
x j [k] = r · cos (Ω d) · x j [k-1] + r · sin (Ω d) · x r [k-1] + u j [k] ... (21)
y r [k] = (1−r) · x r [k] (22)
y j [k] = (1−r) · x j [k] (23)
It becomes.
バンドパスフィルタを実係数の2次IIRフィルタで構成した場合、その2次IIRフィルタの伝達関数H(z)(z=exp(j・ω))は、
H(z)=(1-r2+2(r-1)・r・cos(Ωd)・z-1)/(1-2r・cos(Ωd)・z-1+ r2・z-2)
で表わされる。この伝達関数H(z)の振幅特性M(ω)を求めると、(1-2r・cos(Ωd±ω)+r2)=0を満たすωで極が表れるから、2次IIRフィルタはその極の周波数を通過させる特性を有する。r≒1とすると、cos(Ωd±ω)≒1より、2次IIRフィルタを通過させる正規化周波数fdはfd=±Ωd/2πとなり、正規化角周波数Ωdを基本波成分の角周波数に設定した実係数の2次IIRフィルタでは、不平衡成分も通過させることになる。
When the bandpass filter is configured by a real coefficient second-order IIR filter, the transfer function H (z) (z = exp (j · ω) ) of the second-order IIR filter is
H (z) = (1-r 2 +2 (r-1) · r · cos (Ω d ) · z -1 ) / (1-2r · cos (Ω d ) · z -1 + r 2 · z -2 )
It is represented by When the amplitude characteristic M (ω) of the transfer function H (z) is obtained, a pole appears at ω satisfying (1-2r · cos (Ω d ± ω) + r 2 ) = 0, and the second-order IIR filter It has the characteristic of passing the pole frequency. If r≈1, then cos (Ω d ± ω) ≈1, the normalized frequency f d that passes through the second-order IIR filter is f d = ± Ω d / 2π, and the normalized angular frequency Ω d is the fundamental wave component The real coefficient second-order IIR filter set at an angular frequency of 1 also passes an unbalanced component.
実係数の2次IIRフィルタに対し、(17)式に示す伝達関数H(z)の振幅特性M(ω)求めると、M(ω)=(1−r)/√{1−2r・cos(Ωd−ω)+r2}となり、(1−2r・cos(Ωd−ω)+r2)=0を満たすωだけに極が表れるから、正規化角周波数Ωdを基本波成分の角周波数に設定した複素係数の1次IIRフィルタでは、基本波成分だけを通過させ、不平衡成分や高調波成分を通過させることはない。従って、複素係数フィルタ部12は、図5に示す周波数特性を有することになるから、中心周波数f0を系統周波数fsに設定することにより、複素係数フィルタ部12によって電圧信号vα,vβに含まれる不平衡成分と高調波成分((9)式〜(16)式に示す成分)を好適に除去することができる。
When the amplitude characteristic M (ω) of the transfer function H (z) shown in the equation (17) is obtained for a real coefficient second-order IIR filter, M (ω) = (1−r) / √ {1-2r · cos (Ω d −ω) + r 2 }, and the pole appears only in ω that satisfies (1-2r · cos (Ω d −ω) + r 2 ) = 0, and therefore the normalized angular frequency Ω d is the angle of the fundamental component. In the first-order IIR filter having a complex coefficient set to the frequency, only the fundamental wave component is allowed to pass, and the unbalanced component and the harmonic component are not allowed to pass. Accordingly, since the complex
図8は、(20)式〜(23)式に基づき複素係数フィルタ部12の複素演算処理を行う回路構成を示す図である。同図において、係数arと係数ajはそれぞれ複素係数a1=r・ejΩdの実数部と虚数部であり、ar=r・cos(Ωd)、aj=r・sin(Ωd)である。
FIG. 8 is a diagram showing a circuit configuration for performing complex operation processing of the complex
同図に示すように、複素係数フィルタ部12は、6個の乗算器12a〜12fと、2個の加算器12g,12hと、2個の遅延回路12i,12jで構成される。遅延回路12iは、状態データの実数部xr[k-1]を生成する回路であり、遅延回路12jは、状態データの虚数部xj[k-1]を生成する回路である。乗算器12a,12bはそれぞれ(20)式の第1項と第2項(負の符号を含む)を演算する演算器であり、加算器12gは(20)式の第1項と第2項と第3項を加算する演算器である。従って、加算器12gから(20)式で示す状態データの実数部xr[k]が出力される。
As shown in the figure, the complex
一方、乗算器12d,12cはそれぞれ(21)式の第1項と第2項を演算する演算器であり、加算器12hは(21)式の第1項と第2項と第3項を加算する演算器である。従って、加算器12hから(21)式で示す状態データの虚数部xj[k]が出力される。また、乗算器12e,12fはそれぞれ(22)式と(23)式を演算する演算器である。
On the other hand, the
本実施形態では、三相二相変換部11を設け、三相の電圧信号vu,vv,vwを互いに直交する電圧信号vα,vβに変換しているが、電圧信号vα,vβは、それぞれ複素データur+jujの実数部と虚数部に対応させることができるので、電圧信号vαのサンプリングデータを入力データの実数部ur[k]として加算器12gに入力し、電圧信号vβのサンプリングデータを入力データの虚数部uj[k]として加算器12hに入力している。
In the present embodiment, a three-phase to two-
電圧信号vαのサンプリングデータが複素係数フィルタ部12に入力される毎に、遅延回路12i、乗算器12a,12b,12e及び加算器12gで(20)式及び(22)式の演算処理が繰り返され、これにより、乗算器12eから(7)式で示される基本波成分の三相二相変換信号vsαのみの出力データyr[k]が出力される。また、電圧信号vβのサンプリングデータが複素係数フィルタ部12に入力される毎に、遅延回路12j、乗算器12c,12d,12f及び加算器12hで(21)式及び(23)式の演算処理が繰り返され、これにより、乗算器12fから(8)式で示される基本波成分の三相二相変換信号vSβのみの出力データyj[k]が出力される。
Every time sampling data of the voltage signal vα is input to the complex
なお、図3では、第1複素係数フィルタ部12から出力データyr[k],yj[k]によって出力される電圧信号を電圧信号vα,vβと区別するため、それぞれ「vr」,「vj」と表記している。 In FIG. 3, the output data y r from the first complex coefficient filter unit 12 [k], y j [ k] pressure signal electric voltage signal output by v?, To distinguish it from v?, Respectively "v r" , “V j ”.
なお、複素係数フィルタ部12から出力される、(7),(8)式で表わされる電圧信号vr,vjは、電力系統9のU相の電圧ベクトルVuの回転基準を実軸R方向とし、U相の電圧信号vuの位相角ψを「0」とした場合であるが、電力系統9のU相の電圧信号vuの位相がずれ、位相角ψ≠0の場合は、複素係数フィルタ部12から出力される電圧信号vr,vjは、vr=Asm・cos(ωs・t+ψ)、vj=Asm・sin(ωs・t+ψ)となる。
The voltage signals v r and v j output from the complex
正規化部13は、複素係数フィルタ部12から出力される電圧信号vr,vjのレベルを「1」に正規化する演算処理を行う。複素係数フィルタ部12から出力される電圧信号vr,vjは振幅が同一の正弦波信号と余弦波信号で、√(vr 2+vj 2)を演算することにより振幅が求められるから、正規化部13では、出力データyr[k],yj[k]に対してそれぞれyr[k]/√(yr[k]2+yj[k]2)とyj[k]/√(yr[k]2+yj[k]2)の演算処理を行って電圧信号vr,vjの正規化処理が行われる。従って、正規化部13からは、vr’=cos(θ)とvj’=sin(θ)(θ=ω・t)で表わされる信号のデータが出力される。
The normalizing
PLL処理部10Bは、基本波直交成分算出部10Aから出力される正規化された電圧信号v r ’,v j ’と、当該PLL処理部10Bから出力される位相θ’(以下、「出力位相θ'」という。)とを用いて電圧信号vr,vjの位相θ(以下、「入力位相θ」という。)と出力位相θ’の位相差Δθ(=θ−θ’)を算出する位相差演算部14と、位相差Δθに基づいて出力位相θ’を更新する位相更新部15とを含む。
The
位相差演算部14は、sin(θ)・cos(θ’)−cos(θ)・sin(θ’)の三角関数の乗算式で表わされる演算を行うものである。位相差演算部14は、図9に示すように、出力位相θ’に対し正弦値−sin(θ’)を演算する正弦値演算器14aと、出力位相θ’に対して余弦値cos(θ’)を演算する余弦値演算器14bと、正弦値−sin(θ’)と基本波直交成分算出部10Aから出力される正規化された電圧信号v r ’(余弦値cos(θ))とを乗算する乗算器14cと、余弦値cos(θ’)と基本波直交成分算出部10Aから出力される正規化された電圧信号v j ’(正弦値sin(θ))とを乗算する乗算器14dと、乗算器14cの乗算結果と乗算器14dの乗算結果を加算する加算器14eで構成されている。
The phase
sin(θ)・cos(θ’)−cos(θ)・sin(θ’)=sin(θ−θ’)で、|θ−θ’|=|Δθ|が微小であれば、sin(θ−θ’)≒Δθであるから、位相差演算部14は実質的に位相差Δθを演算している。なお、正規化された互いに直交する電圧信号v r ’,v j ’に対してdq変換処理を行い、d軸上の電圧信号vdとq軸上の電圧信号vqを算出する場合、そのdq変換処理は、
位相更新部15は、位相差演算部14から出力される位相差Δθをループフィルタ15aに通した後、その出力(位相差Δθの微分値で角周波数Δωに相当する値)に加算器15bで所定の基準値ω0(本実施形態では系統周波数fsの角周波数ωs=2πfsに設定)を加算し、その加算値ω’=ω0+Δωに積分器15cで積分処理を行って位相θ’を算出する。
The
例えば、電力系統9の位相θ=2πfs・tが安定していれば、位相更新部15から出力される出力位相θ’は入力位相θに収束し、位相差演算部14から出力される位相差Δθは「0」になるから、位相更新部15から出力される出力位相θ’は、θ’=θ=2πfs・tに保持されている。この状態で、電力系統9の位相θが瞬間的にψだけ増加すると、位相差演算部14からは(θ+ψ)−θ’=ψの位相差Δθが出力されるから、位相更新部15ではω’が位相差Δθに基づくΔωだけ増加し、位相更新部15における電圧ベクトルV’(図23に示した電圧ベクトルV’参照)の角速度が増加して電力系統9の電圧ベクトルV(図23に示した電圧ベクトルV参照)の位相θの変動に追従するように変化する。従って、PLL処理部10Bで出力位相θ’の更新処理が繰り返されることにより位相差Δθが減少し、Δθ=0になると、すなわち、出力位相θ’がθ’=θ=2πfs・t+ψになると、位相更新部15から出力される出力位相θ’はその値に保持されることになる。
For example, if the phase θ = 2πf s · t of the
図10は、位相差Δθを求める他の方法の位相差演算部14’を示すブロック図である。図9は、三角関数の乗算式を用いて位相差Δθの正弦値sin(Δθ)を演算する方法であったが、図10に示す方法は、図11に示すように、出力位相θ’の正弦波信号sin(θ’)を生成し、この正弦波信号sin(θ’)と基本波直交成分算出部10Aから出力される正規化された電圧信号vj’=sin(θ)の位相差Δθを直接カウントする方法である。具体的には、電圧信号vj’=sin(θ)が負側から正側にゼロレベルを交差するタイミングt1を検出するとともに、正弦波信号sin(θ’)が負側から正側にゼロレベルを交差するタイミングt1’を検出し、t1とt1’の間の時間ΔTを求め、その時間ΔTから位相差Δθを求める方法である。なお、sin(θ)の周期をTとすると、ΔT/T=Δθ/2πであるから、位相差ΔθはΔθ=2π・ΔT/Tを演算することにより求められる。
FIG. 10 is a block diagram showing a phase
図10に示す位相差演算部14’は、基本波直交成分算出部10Aから出力される正規化された電圧信号sin(θ)のレベルをゼロレベルと比較する比較器14fと、比較器14fの出力信号を用いて電圧信号sin(θ)のレベルがゼロレベルを交差するタイミングを検出する第1のゼロクロス検出器14gと、出力位相θ’に対して正弦値sin(θ’)を演算する正弦値演算器14hと、正弦値演算器14hから出力される正弦値sin(θ’)のレベルをゼロレベルと比較する比較器14iと、比較器14iの出力信号を用いて正弦値sin(θ’)のレベルがゼロレベルを交差するタイミングを検出する第2のゼロクロス検出器14jと、電圧信号sin(θ)の周波数よりも高周波のクロックCLKを発生するクロック発生器14kと、第1のゼロクロス検出器14gと第2のゼロクロス検出器14jから出力される検出信号を用いてクロックCLKのパルス数をカウントするカウンタ14lと、カウンタ14lでカウントされるカウント数Nから位相差Δθを算出する位相差演算器14mで構成されている。
The phase
比較器14f,14iは、例えば、電圧信号sin(θ),sin(θ’)のレベルがゼロレベルより小さいと、ローレベルを出力し、ゼロレベル以上になると、ハイレベルを出力する。従って、図11に示すように、比較器14fからは電圧信号sin(θ)のレベルが負レベルから正レベルに交差するタイミングt1でハイレベルになり、正レベルから負レベルに交差するタイミングt2でローレベルになるゼロクロス検出信号Sz1が出力され、比較器14iからは電圧信号sin(θ’)のレベルが負レベルから正レベルに交差するタイミングt1’でハイレベルになり、正レベルから負レベルに交差するタイミングt2’でローレベルになるゼロクロス検出信号Sz2が出力される。
For example, the
カウンタ14lは、正弦波信号sin(θ’)が基本波直交成分算出部10Aから出力され
る電圧信号vj’=sin(θ)より遅れている場合は、図11に示すように、ゼロクロス検出信号Sz1の立ち上がり信号でカウント値をゼロにリセットしてクロックCLKのパルスのカウントを開始し、ゼロクロス検出信号Sz2の立ち上がり信号でクロックCLKのパルスのカウントを停止し、そのカウント数Nを位相差演算器14mに出力する。一方、正弦波信号sin(θ’)が電圧信号vj’=sin(θ)より進んでいる場合は、ゼロクロス検出信号Sz2の立ち上がり信号でカウント値をゼロにリセットしてクロックCLKのパルスのカウントを開始し、ゼロクロス検出信号Sz1の立ち上がり信号でクロックCLKのパルスのカウントを停止し、そのカウント数Nを位相差演算器14mに出力する。すなわち、カウンタ14lは、|t1−t1’|の期間を示すカウント数Nを算出する。
When the sine wave signal sin (θ ′) is delayed from the voltage signal v j ′ = sin (θ) output from the fundamental wave quadrature
位相差演算器14mは、カウント数Nと係数K=2π/NT(NT:周期TにおけるクロックCLKのパルスカウント数)の乗算を行い、位相差Δθを算出する。なお、クロックCLKの周期をτとすると、周期T=NT・τ、ΔT=N・τである。上記のようにΔθ=2π・ΔT/Tであるから、Δθ=2π・N・τ/NT・τ=2π・(N/NT)となる。
The
図12は、本発明に係る位相検出装置10(複素係数フィルタ部12を複素係数バンドパスフィルタとし、位相差演算部14を三角関数の乗算式sin(θ−θ’)で位相差を算出する方式としたもの)から出力される出力位相θ’を有する電圧ベクトルV’の周波数f’の応答特性をシミュレーションした結果である。また、図13は、シミュレーション開始から0.3秒後の電圧ベクトルV’の周波数f’の変動状態を拡大した図である。なお、位相検出装置10の位相差演算部14は、図9に示す構成のものである。また、図12、図13では、縦軸に電圧ベクトルV’の周波数f’=ω’/(2π)[Hz]を取っている。
FIG. 12 shows the
図12は、電力系統の電圧信号の位相θ(周波数f=系統周波数fs=60Hz。位相角ψ=0)が安定している状態でシミュレーションを開始し、シミュレーション開始から0.2秒後に電力系統9の位相θを瞬時的に90度進ませた場合(θ=2πfs・t+π/2とした場合)の位相検出装置10の応答特性を示している。電圧検出器8の検出電圧信号vu,vv,vwに含まれる不平衡成分の含有条件を5%とし、5次、7次、11次の高調波成分の含有条件をそれぞれ5%としている。また、複素係数フィルタ部12の通過帯域の中心周波数f0は系統周波数fs=60Hzに設定している。
FIG. 12 shows that the simulation is started in a state where the phase θ (frequency f = system frequency f s = 60 Hz, phase angle ψ = 0) of the voltage signal of the power system is stable, and the power is 0.2 seconds after the simulation starts. The response characteristic of the
図12に示すように、シミュレーション開始から0.2秒後に電力系統の位相θを瞬時的に「2πfs・t」から「2πfs・t+π/2」に変化させると、位相検出装置10は、位相差演算部14から出力される位相差Δθが「0」から「π/2」に急変するので、その位相差Δθの急変に基づいて出力位相θ’を増加させる。位相急変時(時刻0.2秒)は、位相差Δθが大きいので、位相検出装置10は、PLL処理部10Bにおける電圧ベクトルV’の周波数f’を急上昇させて電圧ベクトルV’を電力系統9の電圧ベクトルVに合わせるようにPLL動作をするが、その後は上昇させた周波数f’を減少させて電圧ベクトルV’を電力系統9の電圧ベクトルVに一致させるようにPLL動作をする。
As shown in FIG. 12, when the phase θ of the power system is instantaneously changed from “2πf s · t” to “2πf s · t + π / 2” 0.2 seconds after the simulation starts, the
位相急変時(時刻0.2秒)から0.05秒が経過するまでの間にPLL処理部10Bにおける電圧ベクトルV’の周波数f’が凡そ75Hzをピークにパルス状に変化しているのは、その様子を示している。また、位相急変時(時刻0.2秒)から0.1秒経過した時(時刻0.3秒)には、図13に示すように、位相検出装置10におけるPLL動作は、周波数f’のリップルが±0.012Hz程度(系統周波数fs=60Hzに対して変動幅0.04%程度)となるので、位相検出装置10の出力位相θ’は、位相急変時(時刻0.2秒)から0.1秒以内に電力系統の変化後の位相θに整定するということができる。
The frequency f ′ of the voltage vector V ′ in the
図12,図13のシミュレーション結果より、本発明に係る位相検出装置10によれば、電力系統9の位相θが急峻に変動した場合でも十分にその変動に追従し、高い応答精度で電力系統9の位相θを検出することができる効果を奏する。
From the simulation results of FIGS. 12 and 13, according to the
上記実施形態では、複素係数フィルタ部12をバンドパスフィルタで構成したが、抑制したい不平衡成分や高調波成分が分かっているのであれば、それらの成分を抑制する複素係数ノッチフィルタ(BEF)で構成してもよい。例えば、抑制したい周波数が不平衡成分(−fs)と5次、7次、11次の高調波成分(−5fs,+7fs,−11fs)の場合、それらの周波数毎にz変換表現による伝達関数H(z)が下記の(24)式で表される複素係数ノッチフィルタを設け、それらを多段に接続することによって図14に示す周波数特性を有するノッチフィルタを構成するとよい。
In the above embodiment, the complex
なお、Ωdは、Ωd=2π・(f/fsr)であり、f=−fsに設定すると、不平衡成分(−fs)に対する複素係数ノッチフィルタとなる。また、f=−5fs、f=+7fs、f=−11fsに設定すると、それぞれ5次、7次、11次の高調波成分に対する複素係数ノッチフィルタとなる。従って、図17に示すように、−fs、−5fs、+7fs、−11fsを阻止周波数とする複素係数ノッチフィルタ121,122,123,124を縦続接続することにより、図14に示す周波数特性を有するノッチフィルタが構成される。
Note that Ω d is Ω d = 2π · (f / f sr ), and when set to f = −f s , a complex coefficient notch filter for the unbalanced component (−f s ) is obtained. When f = −5f s , f = + 7 f s , and f = −11 f s are set, a complex coefficient notch filter is obtained for the fifth, seventh, and eleventh harmonic components, respectively. Accordingly, as shown in FIG. 17, -f s, -5f s, + 7f s, by cascading complex
また、上記(24)式の演算処理を行う処理回路のブロック図は、図15に示す構成となり、複素係数ノッチフィルタ(BEF)を用いた複素係数フィルタ部12の複素演算処理を行う回路は、図16に示す構成となる。図15は、図7に示すブロック図に対して、入力データu[k]から出力データy[k]を減算し、その減算値を偏差出力データe[k]として出力する回路を追加したものである。また、図16は、図8に示すブロック図に対して、実数部の乗算器12eの後段に加算器12kを追加し、当該加算器12kで入力データの実数部ur[k]から出力データy[k]の実数部yr[k]を減算して偏差出力データの実数部er[k]を出力し、虚数部の乗算器12fの後段に加算器12lを追加し、当該加算器12lで入力データの虚数部uj[k]から出力データy[k]の虚数部yj[k]を減算して偏差出力データの虚数部ej[k]を出力する構成としたものである。
The block diagram of the processing circuit that performs the arithmetic processing of the above equation (24) has the configuration shown in FIG. 15, and the circuit that performs the complex arithmetic processing of the complex
図16に示す回路は、図8に示す回路に対して、上述した加算器12k,12lでの減算処理が追加された点が異なるだけであるから、図16に示す回路の演算処理の詳細説明は省略する。
The circuit shown in FIG. 16 differs from the circuit shown in FIG. 8 only in the addition of the subtraction process in the
図18は、複素係数フィルタ部を図14に示す周波数特性を有する複素係数ノッチフィルタとし、位相差演算部14を三角関数の乗算式sin(θ−θ’)で位相差を算出する方式とした位相検出装置10の位相検出の応答特性(位相検出装置から出力される位相θ’を有する電圧ベクトルV’の周波数の変動状態)をシミュレーションした結果である。また、図19は、シミュレーション開始から0.3秒後に位相検出装置10から出力される電圧ベクトルV’の周波数f’の変動状態を拡大した図である。シミュレーションの条件やグラフの表示態様は、図12,図13の場合と同一である。
18, the complex coefficient filter unit is a complex coefficient notch filter having the frequency characteristics shown in FIG. 14, and the phase
複素係数ノッチフィルタを用いた場合は、図18に示すように、位相急変時(時刻0.2秒)の直後からPLL処理部10Bにおける電圧ベクトルV’の周波数f’が急上昇し、凡そ110Hzをピークにパルス状に変化した後、位相急変時から凡そ0.02秒経過後(時刻0.22秒)には位相検出装置10の出力位相θ’が電力系統の変化後の位相θに整定することが確認できた。また、図19に示すように、位相急変時から0.1秒経過後(時刻0.3秒)における周波数f’のリップルはほぼゼロであることも確認できた。従って、複素係数ノッチフィルタを用いた場合は、応答速度及び検出精度のいずれも複素係数バンドパスフィルタを用いた場合よりも高い性能であることが確認できた。
When the complex coefficient notch filter is used, as shown in FIG. 18, the frequency f ′ of the voltage vector V ′ in the
図20は、複素係数フィルタ部を複素係数ノッチパスフィルタとし、位相差演算部をsin(θ)とsin(θ')の位相差Δθを直接カウントする方式(図10に示す位相差演算部14’を用いたもの)とした位相検出装置10の位相検出の応答特性(位相検出装置から出力される位相θ’を有する電圧ベクトルV’の周波数の変動状態)をシミュレーションした結果である。また、図21は、シミュレーション開始から4.9秒後に位相検出装置10から出力される電圧ベクトルV’の周波数f’の変動状態を拡大した図である。シミュレーションの条件やグラフの表示態様は、図12,図13の場合と同一である。
In FIG. 20, the complex coefficient filter unit is a complex coefficient notch path filter, and the phase difference calculation unit directly counts the phase difference Δθ between sin (θ) and sin (θ ′) (the phase
図10に示す位相差演算部14’を用いた場合は、図20に示すように、位相急変時(時刻0.2秒)の直後にPLL処理部103における電圧ベクトルV’の周波数f’が凡そ60.48Hzに上昇するが、その後は徐々に減少して位相急変時から凡そ2.8秒経過後(時刻3.0秒)に位相検出装置10の出力位相θ’が電力系統の変化後の位相θに整定する。また、図21に示すように、位相急変時から4.7秒経過後(時刻4.9秒)における周波数f’のリップルはほぼゼロになる。
When the phase
図10に示す位相差演算部14’を用いた場合は、図9に示す相差演算部14を用いた場合よりも出力位相θ’が位相急変時から変化後の位相θに整定するまでに時間を要しているが、これはsin(θ)の瞬時値とsin(θ')の瞬時値を比較して位相差Δθを算出するからであると考えられる。位相差演算部14’を用いることによる速応性の低下は、ループフィルタの値を調整することにより改善することができる。また、整定時のリップルがほぼゼロになっているのは、複素係数ノッチフィルタを用いていることによるものと考えられる。
When the phase
以上より、本実施形態に係る位相検出装置10を用いると、PLL法を用いて位相を検出するPLL処理部10Bの前段で複素係数フィルタを用いて不平衡成分や所定次数の高調波成分を除去する構成であるので、不平衡成分や高調波成分の影響を受けない位相検出を高速で行うことができる。また、電圧検出器8などで混入するノイズを除去する複素係数バンドパスフィルタを組み合わせれば、不平衡成分や高調波成分以外の位相検出に悪影響を与えるノイズも除去できるので、このノイズを除去するためのフィルタを新たに設ける必要がない。更に、複素係数バンドパスフィルタや複素係数ノッチフィルタを用いているので、複素係数フィルタ部12の入出力間で位相差が生じないというメリットもある。
As described above, when the
なお、複素係数フィルタ部12のフィルタには複素係数バンドパスフィルタ又は複素係数ノッチフィルタを用いればよいが、好ましくは複素係数バンドパスフィルタよりも複素係数ノッチフィルタを用いたほうが高速かつ高精度の位相検出特性を得ることができる。また、複素係数ノッチフィルタと複素係数バンドパスフィルタとを組み合わせれば、両者の特性の相乗効果を期待することができ、より高速かつ高精度の位相検出特性を得ることができる。
Note that a complex coefficient bandpass filter or a complex coefficient notch filter may be used as the filter of the complex
また、周知のように、複素係数ノッチフィルタ及び複素係数バンドパスフィルタを多段構成とすれば、急峻なフィルタ特性とすることができるとともに、不平衡成分や高調波成分の除去特性や応答性を容易に調整できるので、実装する場合は適当な段数の多段構成にするとよい。例えば、系統連系インバータ1を連系させる電力系統9が2次の高調波成分を多く含む系統の場合は、2次高調波を除去する複素係数ノッチフィルタと複素係数バンドパスフィルタを組み合わせればよく、不平衡成分や高調波成分をあまり多く含まない系統であれば、応答速度の速いフィルタ構成にすればよい。
As is well known, if the complex coefficient notch filter and the complex coefficient band pass filter have a multi-stage configuration, a steep filter characteristic can be obtained, and unbalanced and harmonic component removal characteristics and responsiveness can be easily obtained. Therefore, when mounting, a multi-stage configuration with an appropriate number of stages is preferable. For example, when the
上記実施形態では、三相の系統連系インバータ1について説明したが、本発明に係る位相検出装置は、単相の系統連系インバータにも適用することができる。図22は、単相の系統連系インバータに適用される位相検出装置10’のブロック図であるが、図3の位相検出装置10に対して三相/二相変換部11が設けられていない点が異なるだけである。単相の場合は、電圧信号vが1つしかないので、その電圧信号vのサンプリングデータが入力データの実数部ur[k]として複素係数フィルタ部12に入力され、入力データの虚数部uj[k]には「0」が入力される。なお、図3の位相検出装置10において、三相/二相変換部11を除去し、U,V,Wのいずれかの相の電圧信号vのサンプリングデータを入力データの実数部ur[k]として複素係数フィルタ部12に入力し、入力データの虚数部uj[k]には「0」を入力するようにしてもよい。
In the above embodiment, the three-phase grid-connected
複素係数フィルタを用いた複素係数フィルタ部12では、単相の電圧信号が入力された場合でも三相の場合と同様に互いに直交する電圧信号vr,vj(正弦波と余弦波の信号)が出力されるので、複素係数フィルタ部12,正規化部13及びPLL処理部10Bは、図3に示す三相用の位相検出装置10と同様の構成で実現することができる。また、単相の場合は、一般に不平衡成分の対策が困難であるが、本発明を適用することより単相の場合でも容易に不平衡成分と高調波成分を除去できるので、不平衡成分の対策を効果的に行うことができ利点がある。
In the complex
従って、本発明は、簡単な構成で種々の系統連系インバータの位相検出装置に広く適用することができる。 Therefore, the present invention can be widely applied to various system-connected inverter phase detectors with a simple configuration.
1 系統連系インバータ
2 直流電源
3 インバータ回路
4 インバータ制御部
5 フィルタ回路
6 変圧器
7 電流検出器
8 電圧検出器
9 電力系統
10,10’ 位相検出装置
10A 基本波直交成分算出部
10B PLL処理部(位相同期手段)
11 三相/二相変換部(三相二相変換手段)
12,12’ 複素係数フィルタ部(複素係数フィルタ手段)
121,122,123,124 複素係数ノッチフィルタ
13 正規化部
14,14’ 位相差演算部(位相制御手段の要素)
14a 正弦値演算器(第1の正弦値演算手段)
14b 余弦値演算器(余弦値演算手段)
14c,14d 乗算器(第2の正弦値演算手段の要素)
14e 加算器(第2の正弦値演算手段の要素)
14f 比較器(第1のゼロクロス検出手段の要素)
14g ゼロクロス検出器(第1のゼロクロス検出手段の要素)
14h 正弦値演算器(正弦値演算手段)
14i 比較器(第2のゼロクロス検出手段の要素)
14j ゼロクロス検出器(第2のゼロクロス検出手段の要素)
14k クロック発生器(計時手段の要素)
14l カウンタ(計時手段の要素)
14m 位相差演算器(位相差演算手段)
15 位相更新部
15a ループフィルタ(位相制御手段の要素)
15b 加算器(位相生成手段の要素)
15c 積分器(位相生成手段の要素)
DESCRIPTION OF
11 Three-phase / two-phase converter (three-phase two-phase converter)
12, 12 'complex coefficient filter unit (complex coefficient filter means)
121, 122, 123, 124 Complex
14a Sine value calculator (first sine value calculator)
14b Cosine value calculator (cosine value calculation means)
14c, 14d Multiplier (element of second sine value calculation means)
14e Adder (element of second sine value calculation means)
14f Comparator (element of first zero cross detection means)
14g Zero cross detector (element of first zero cross detection means)
14h Sine value calculator (Sine value calculator)
14i comparator (element of second zero cross detection means)
14j Zero cross detector (element of second zero cross detection means)
14k clock generator (element of time measuring means)
14 l counter (element of time measuring means)
14m phase difference calculator (phase difference calculator)
15
15b Adder (element of phase generation means)
15c integrator (element of phase generation means)
Claims (9)
前記位相同期手段の前段に、前記交流信号に含まれる高調波成分を除去し、かつ、不平衡成分も除去する複素係数フィルタからなるフィルタ手段を備えたことを特徴とする、位相検出装置。 Each time an AC signal is input at a predetermined sampling period, a phase difference between the phase generated by the phase generator and the phase of the input AC signal is calculated. If the phase difference is not zero, the phase generated by the phase generation unit is changed based on the phase difference in a direction in which the phase difference decreases, and if the phase difference is zero, the phase generated by the phase generation unit In the phase detection device comprising the phase synchronization means having the phase control means for performing control to hold
In front of said phase synchronization means, wherein the removal of the high harmonic component that is included in the AC signal, and characterized by comprising a filter means comprising a complex coefficient filter that also removes the unbalanced components, the phase detector .
前記検出信号を複素信号の実数部の信号とし、常にゼロである信号を前記複素信号の虚数部の信号として前記フィルタ手段に入力する、請求項1乃至4にいずれかに記載の位相検出装置。 The AC signal, Ri detection signal der detecting the AC voltage of the single phase flowing power system,
5. The phase detection apparatus according to claim 1, wherein the detection signal is a signal of a real part of a complex signal, and a signal that is always zero is input to the filter unit as a signal of an imaginary part of the complex signal .
前記フィルタ手段の前段に、前記三相の検出信号を互いに直交する二つの信号に変換し、一方の信号を複素信号の実数部の信号とし、他方の信号を前記複素信号の虚数部の信号として前記フィルタ手段に入力する三相二相変換手段を更に備える、請求項1乃至4のいずれかに記載の位相検出装置。 The AC signal is a detection signal that detects a three-phase AC voltage flowing through the power system,
Before the filter means, the three-phase detection signal is converted into two signals orthogonal to each other, one signal is a signal of the real part of the complex signal, and the other signal is a signal of the imaginary part of the complex signal. The phase detection apparatus according to claim 1, further comprising a three-phase to two-phase conversion unit that inputs to the filter unit.
前記位相制御手段は、前記位相差を算出するために、
前記位相生成手段で生成された位相の正弦値を演算する第1の正弦値演算手段と、
前記位相生成手段で生成された位相の余弦値を演算する余弦値演算手段と、
前記フィルタ手段から出力される正弦値及び余弦値と前記第1の正弦値演算手段で算出される前記正弦値と前記余弦値演算手段で算出される前記余弦値とを用いて、所定の三角関数の乗算式で表わされる前記位相差の正弦値を演算する第2の正弦値演算手段と、
を有する、請求項1乃至6のいずれかに記載の位相検出装置。 The filter means outputs a sine value and a cosine value of the phase of the fundamental wave included in the AC signal,
The phase control means calculates the phase difference,
First sine value calculating means for calculating a sine value of the phase generated by the phase generating means;
Cosine value calculating means for calculating the cosine value of the phase generated by the phase generating means;
Using the sine value and cosine value output from the filter means, the sine value calculated by the first sine value calculation means, and the cosine value calculated by the cosine value calculation means, a predetermined trigonometric function Second sine value calculating means for calculating the sine value of the phase difference represented by the multiplication formula:
The phase detection device according to claim 1, comprising:
sin(θ)・cos(θ')−cos(θ)・sin(θ')=sin(θ−θ')
但し、 θ:前記交流信号に含まれる基本波の位相
θ’:前記位相生成手段で生成される位相
sin(θ):前記フィルタ手段から出力される正弦値
cos(θ):前記フィルタ手段から出力される余弦値
−sin(θ'):前記第1の正弦値演算手段で算出される正弦値
cos(θ'):前記余弦値演算手段で算出される余弦値
である、請求項7に記載の位相検出装置。 The multiplication function of the trigonometric function is
sin (θ) ・ cos (θ ') − cos (θ) ・ sin (θ ′) = sin (θ−θ ′)
Where θ is the phase of the fundamental wave included in the AC signal
θ ′: phase generated by the phase generation means
sin (θ): Sine value output from the filter means
cos (θ): cosine value output from the filter means −sin (θ ′): sine value calculated by the first sine value calculation means
cos (θ '): The phase detector according to claim 7, which is a cosine value calculated by the cosine value calculating means.
前記位相制御手段は、前記位相差を算出するために、
前記位相生成手段で生成された位相の正弦値を演算する正弦値演算手段と、
前記フィルタ手段から出力される正弦値がゼロレベルを交差するタイミングを検出する第1のゼロクロス検出手段と、
前記正弦値演算手段で算出される正弦値がゼロレベルを交差するタイミングを検出する第2のゼロクロス検出手段と、
前記第1のゼロクロス検出手段の検出タイミングと前記第2のゼロクロス検出手段の検出タイミングとのずれ時間を計時する計時手段と、
前記計時手段で計時されたずれ時間に基づいて前記位相差を演算する位相差演算手段と、
を有する、請求項1乃至6のいずれかに記載の位相検出装置。 The filter means outputs a sine value of a phase of a fundamental wave included in the AC signal;
The phase control means calculates the phase difference,
Sine value calculating means for calculating the sine value of the phase generated by the phase generating means;
First zero cross detection means for detecting timing at which a sine value output from the filter means crosses a zero level;
Second zero cross detecting means for detecting timing at which the sine value calculated by the sine value calculating means crosses the zero level;
Timing means for measuring a time difference between the detection timing of the first zero-cross detection means and the detection timing of the second zero-cross detection means;
A phase difference calculating means for calculating the phase difference based on the deviation time measured by the time measuring means;
The phase detection device according to claim 1, comprising:
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