JP2016185018A - 系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】自然エネルギーを発電に有効利用しながらも、直近の配電線の商用系統電圧の安定化を向上できるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置を提供する。【解決手段】商用系統と連系するインバータの出力電流から所定の数式で求まるＬＣフィルタのコンデンサ電流を減算して逆潮流電流を推定する逆潮流電流推定部と、商用系統電圧の位相角度を求める第１のＰＬＬ処理部と、推定逆潮流電流からその位相角度を出力する第２のＰＬＬ処理部と、位相差Δφ（θｕｗ−θｓｐ）に基づいて力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成部と、商用系統電圧が低下するとその低下を抑制する抑制変化量を求め、上昇するとその上昇を抑制する抑制変化量を求める。また、抑制変化量に基づいて力率指令値及び出力抑制の指令値に制御する力率制御部と、出力制限部と無効電流帰還信号に基づいて無効電流目標値を出力する無効電流制御部とを備える。【選択図】図５

Description

本発明は、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法に関する。

太陽電光発電システムを構成する分散型電源は、商用系統に連系させて使用するために、電力系統の系統周波数や系統電圧に適合する周波数及び電圧の交流電力に変換するパワーコンディショナを備えている。

パワーコンディショナは、分散型電源で生成された直流電圧を所定の直流電圧値に調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータ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と、インバータの出力から高周波成分を除去するＬＣフィルタ等を備えている。

太陽光発電システムの導入拡大により配電線の電圧を所定の許容範囲に維持するための管理が難しくなっている。一般的に電力会社はタップ制御機器（ＳＶＲ）やＳＴＡＴＣＯＭ等を導入して配電線が適正電圧に維持されるように管理している。

しかし、近年はパワーコンディショナ側から直近の配電線の電圧を調整すべく、系統連系運転時にパワーコンディショナの運転力率を一定に調整し、或いは商用系統電圧の上昇を抑制する機能を備えることが要求されるようになった。

特許文献１には、商用系統周波数の偏差に応じてパワーコンディショナが出力すべき進相無効電力または遅相無効電力である第１無効電力の変化量と、商用系統電圧の上昇を抑制するためにパワーコンディショナが出力すべき第２無効電力の変化量の少なくとも一方に基づいて、パワーコンディショナの出力を制御する制御装置が提案されている。

当該制御装置は、第２無効電力の変化量に基づいてパワーコンディショナが出力する進相無効電力を増加させる方向に変化させる場合に、パワーコンディショナの出力電圧に対応する電圧が上限電圧以上になると、パワーコンディショナが出力する有効電力を減少させるように、パワーコンディショナの出力を制御するように構成されている。

特許文献２には、分散電源及び負荷をそれぞれ有する複数の分散電源保有設備が配電系統に接続された構成の分散電源連系システムに関し、配電系統の電圧低下抑制のために従来設けられていた機器を減らすことを目的とした分散電源連系システムが開示されている。

当該分散電源連系システムは、複数の分散電源保有設備が第１群と第２群との２群に分類されていて、うなりを生じさせる二つの注入周波数からそれぞれ成る２組の注入周波数であって、各組を成す二つの注入周波数間の周波数差は両組で互いに同じであり、かつ両組を構成する四つの注入周波数はそれぞれ異なると共に前記配電系統の基本波周波数とも異なる第１組及び第２組の注入周波数を用いて、前記第１群に属する各分散電源保有設備は、前記第１組の注入周波数の電流組を含む注入電流を前記配電系統に注入する電流注入装置と、自設備と前記配電系統との連系点における電圧であって前記第２組の注入周波数の内の少なくとも一方の注入周波数の電圧を測定する注入周波数電圧測定装置とをそれぞれ備えており、前記第２群に属する各分散電源保有設備は、前記第２組の注入周波数の電流組を含む注入電流を前記配電系統に注入する電流注入装置と、自設備と前記配電系統との連系点における電圧であって前記第１組の注入周波数の内の少なくとも一方の注入周波数の電圧を測定する注入周波数電圧測定装置とをそれぞれ備えており、かつ両群の各分散電源保有設備は、自設備が属する方の群を自群、自設備が属さない方の群を他群と呼ぶと、自設備の前記電流注入装置が注入する注入電流を構成する電流組の各電流の位相を、当該注入電流が生じさせるうなりである自設備うなりの位相に対して同一群内で共通した一定の位相関係に保つと共に、当該自設備うなりを、他群に属する分散電源保有設備の前記電流注入装置が注入する注入電流の総体が生じさせる電圧のうなりである他群うなりに同期させる同期制御装置をそれぞれ備えている。

そして、両群の各分散電源保有設備は、自設備の前記配電系統から受電している消費電力を測定する消費電力測定器をそれぞれ備えており、両群の各分散電源保有設備の前記電流注入装置は、自設備の前記消費電力測定器が測定する前記消費電力に応じた大きさの前記注入電流を前記配電系統にそれぞれ注入するものであり、更に両群の各分散電源保有設備は、自設備の分散電源を制御して、自設備の前記注入周波数電圧測定装置が測定する前記注入周波数電圧に応じた大きさの遅相無効電力を自設備の分散電源から出力させる遅相無効電力制御回路をそれぞれ備えている。

特開２０１４−２０７８１１号公報 特開２０１１−３６０６７号公報

しかし、特許文献１に開示された制御装置によれば、商用系統電圧が電気事業法で定められた範囲例えば１０１Ｖ±６Ｖに維持されている定常時では、無効電力の増減量は一定であるため、商用系統電圧の整定値の付近で有効電力及び無効電力の変動を抑えることが困難であった。

また、特許文献２に開示された分散電源連系システムは、自設備に消費電力測定器を設けて負荷消費電力及び配電線の電圧を監視し、負荷消費電力を増加するともに配電線の商用系統電圧の低下分を抑制するために遅相無効電力を供給するように構成されているので、常に負荷消費電力を監視するために多くの電流センサが必要になり、コストが嵩み制御プログラムも複雑になるという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、自然エネルギーを発電に有効利用しながらも、直近の配電線の商用系統電圧を安定的に調整可能なパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による系統電圧抑制制御装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置であって、予め商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗに第１閾値電圧及び第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を設定し、前記第１閾値電圧と前記第２閾値電圧との間をヒステリシス領域として、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧以下のときに、遅相電力の供給のみにより商用系統電圧の低下を抑制する系統電圧低下抑制モードで前記インバータを制御し、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが前記第２閾値電圧以上のときに、進相電力の供給及び／または有効電力の低減により商用系統電圧の上昇を抑制する系統電圧上昇抑制モードで前記インバータを制御するように構成されている点にある。

商用系統電圧が電気事業法で定められた範囲例えば１０１Ｖ±６Ｖに維持されている定常状態であっても、第１閾値電圧以下に低下すると遅相電力を供給することにより系統電圧の低下が抑制され、第２閾値電圧以上に上昇すると進相電力を供給し、さらに必要に応じて有効電力を低減することにより商用系統電圧の上昇が抑制され、しかもヒステリシス領域を設けることにより系統電圧の上昇抑制と低下抑制とが繰り返されないようにすることで商用系統電圧の安定化が図られる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置であって、商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から

で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定部と、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理部と、前記逆潮流電流推定部で推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理部と、前記第１のＰＬＬ処理部及び第２のＰＬＬ処理部から出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成部と、前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御部と、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御部を含む運転力率設定部と、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定部で設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御部と、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記力率設定部で設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御部と、前記力率制御部で生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御部と、を備えている点にある。

インバータを制御するために必要となるインバータの出力電流ｉ_ｉｎｖ以外に逆潮流電流を検知する別途のセンサを備えなくても、商用系統電圧ｅ_ｕｗを計測すれば、〔数１〕で示す数式によって、コンデンサの容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃを考慮した正確なコンデンサ電流ｉ_ｃが推定できる。そのようなコンデンサ電流ｉ_ｃに基づいて第２のＰＬＬ処理部から得られる逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐと、商用系統電圧ｅ_ｕｗに基づいて第１のＰＬＬ処理部から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗとから、商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）が得られ、帰還信号生成部によって位相差Δφから力率帰還信号及び無効電流帰還信号が生成される。

運転力率設定部では低下抑制制御部によって、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制するように、つまり遅相無効電流が増加するように低下抑制変化量に基づき力率指令値を補正し、実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制するように、つまり進相無効電流が増加するように上昇抑制変化量に基づき力率指令値を補正し、力率制御部では各力率指令値と力率帰還信号とから目標力率が算出され、当該目標力率と無効電流帰還信号に基づいて無効電流制御部によって無効電流目標値が生成され、インバータから所望の逆潮流電流ｉ_ｓｐが適切に出力される。その結果、パワーコンディショナが接続された直近の配電線の商用系統電圧の変動が抑制されるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記低下抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、前記商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成され、前記上昇抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている点にある。

商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに、低下抑制制御部によって商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎと計測された商用系統電圧の実効値との偏差に基づいた低下抑制変化量Δｙが算出されてその低下抑制変化量Δｙに従って力率指令値ＰＦ^＊が設定され、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第２閾値電圧以上のときに、第２力率指令値設定部によって商用系統電圧の上限Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいた上昇抑制変化量Δｙが算出されてその上昇抑制変化量Δｙに従って力率指令値ＰＦ^＊が設定される。何れも力率指令値ＰＦ^＊は予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎを下回ることはない。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第三の特徴構成に加えて、前記上昇抑制制御部により設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御部により出力される無効電流目標値を制限する出力制限部を備えている点にある。

上昇抑制変化量に基づいて商用系統電圧の上昇を抑制するための力率指令値ＰＦ^＊を補正し、その力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、出力制限部によって無効電流目標値が制限されることにより、系統電圧の上昇が抑制される。無効電流制御部によって無効電流が可変に制御されることにより皮相電力が大きくなると、パワーコンディショナを構成する回路素子の負担が大きくなるため、それに耐える高価な回路素子を選択する必要がある。この問題に対処すべく、有効電力を減少するように調整すると、運転力率の安定性が損なわれ、惹いては商用系統電圧の安定性が損なわれるという問題が生じる。そのような場合でも、出力制限部を備えることにより無効電流制御部により出力される無効電流目標値が制限されるので、皮相電力を定格値に抑制しながらも安定的に運転力率が制御できるようになる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第二から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記力率制御部は、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御部と、前記ＰＩ制御部で生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数

を生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成部を備えて構成されている点にある。

帰還信号生成部から出力される力率帰還信号と予め設定された力率指令値ＰＦ^＊との偏差からＰＩ制御部によって力率帰還信号が力率指令値ＰＦ^＊に収束するような補正値が算出され、当該補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算した力率目標値ＰＦ^＊ _realが得られる。係数生成部によって、有効電力に対する無効電力の比である〔数２〕で示される係数が算出されるとともに、力率指令値に従った符号が付加される。具体的に、力率指令値ＰＦ^＊が遅相無効電流を示す場合には符号「＋１」が付加され、進相無効電流を示す場合には符号「−１」が付加される。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第二から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記無効電流制御部により出力される無効電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定され、測定した逆潮流電流ｉ_ｓｐの無効成分が逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値の最大値の近傍時期で変化するように構成されている点にある。

逆潮流電流の振幅は商用系統周波数に基づいてサインカーブを描いて変動するのであるが、サインカーブのゼロクロス点つまり逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最小値を示す時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が大きくなるタイミングで出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖが大きく変化する。その結果、出力電流ｉ_ｉｎｖのオーバーシュートやアンダーシュートが発生し易く、出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性が損なわれるおそれがある。

しかし、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が小さくなるタイミングで出力電流ｉ_ｉｎｖが制御されるため、力率制御の応答性が向上するのみならず出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性も向上するようになる。

同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第二から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられ、前記上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍａｘと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられるように構成されている点にある。

低下抑制または上昇抑制変化量Δｙが、差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積に基づいて算出され、その際に差分ΔＥ_ｍｉｎが大きければ比例ゲインＫｐが大きな値に設定されて変化量Δｙが大きくなるので大きな抑制量が得られ、差分ΔＥ_ｍｉｎが小さければ比例ゲインＫｐが小さな値に設定されて変化量Δｙが小さくなり整定値付近でのハンチングが抑制され収束性がよくなる。

本発明による系統電圧抑制制御方法の第一の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御方法であって、商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から

で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定ステップと、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理ステップと、前記逆潮流電流推定ステップで推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理ステップと、前記第１のＰＬＬ処理ステップ及び第２のＰＬＬ処理ステップから出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成ステップと、前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御ステップと、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御ステップを含む運転力率設定ステップと、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、前記力率制御ステップで生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御ステップと、を備えている点にある。

同第二の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記低下抑制制御ステップは、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、前記商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成され、前記上昇抑制制御ステップは、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている点にある。

同第三の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記上昇抑制制御ステップにより設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値を制限する出力制限ステップを備えている点にある。

同第四の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記運転力率制御ステップは、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御ステップと、前記ＰＩ制御ステップで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数

を生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成ステップを備えて構成されている点にある。

同第五の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定されている点にある。

同第六の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられ、前記上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍａｘと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられるように構成されている点にある。

同第七の特徴構成は、同請求項１４に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、系統連系運転前に運転力率を設定する運転力率設定ステップを備え、系統連系運転時に、系統電圧抑制制御を解除した直後に前記運転力率設定ステップで設定された運転力率で系統連系運転するように構成されている点にある。

本発明によるパワーコンディショナの特徴構成は、同請求項１５に記載した通り、上述した第一から第七の何れかの系統電圧抑制制御装置が組み込まれて構成されている点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、自然エネルギーを発電に有効利用しながらも、直近の配電線の商用系統電圧を安定的に調整可能なパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法を提供することができるようになった。

本発明による系統電圧抑制制御装置が適用される分散型電源の回路構成図 本発明による系統電圧抑制制御装置の制御ブロック図 （ａ）は出力制限制御ブロック図、（ｂ）は図３（ａ）のスイッチＳＷの動作説明図 （ａ）は力率制御ブロック図、（ｂ）は無効電流制御部により出力される無効電流目標値の更新時期の説明図 （ａ）は商用系統電圧と第１及び第２閾値電圧と抑制制御モードとの関係の説明図、（ｂ）は各抑制制御時の制御方式の説明図 （ａ）は低下及び上昇抑制制御部、（ｂ）は低下抑制制御部で算出される低下抑制変化量Δｙの特性図、（ｃ）は上昇抑制制御部で算出される上昇抑制変化量Δｙの特性図 電圧上昇抑制制御の動作を説明するフローチャート 低下及び上昇抑制制御部のゲイン可変の説明図

以下、本発明による電力変換装置であるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法を図面に基づいて説明する。
図１には、分散型電源の一例である太陽電池発電装置１００が示されている。太陽電池発電装置１００は太陽電池パネルＳＰと太陽電池パネルＳＰが接続されたパワーコンディショナＰＣを備えて構成され、連系リレー(図示せず)を介して単層三線式の商用系統電源ｅ_ｇｒｉｄに接続されている。尚、本発明はパワーコンディショナＰＣに接続される発電装置が太陽電池パネルＳＰに限定されるものではなく、燃料電池等の他の発電装置が接続される場合でも適用可能である。

パワーコンディショナＰＣは、太陽電池パネルＳＰで発電された直流電圧を所定の直流リンク電圧Ｖ_ｄｃに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、商用系統電源と連系するように所定の周波数及び電圧値の交流電圧に変換するインバータ３と、インダクタＬ_ｆとコンデンサＣ_ｆで構成され、高調波成分を除去するＬＣフィルタ４を備えている。尚、Ｒ_ｆはインダクタの抵抗成分であり、Ｒ_ｃはコンデンサの抵抗成分である。

インバータ３に備えたスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、商用系統電源に連系させるべく周波数や電圧が適合するように系統電圧抑制制御装置１０を含む制御ブロックによって実行されるＰＷＭ制御によってオン／オフされ、ＬＣフィルタ４によってインバータ３の出力から高調波成分が除去され、正弦波の交流電力として出力される。尚、図中、符号Ｃ_ｄｃは直流リンク電圧の安定化用の電解コンデンサ、ｉ_ｉｎｖはインバータの出力電流、Ｒ_ｇｒｉｄ及びＬ_ｇｒｉｄは商用系統インピーダンス、ｅ_ｕｗはｕ−ｗの線間電圧、ｅ_ｕｏはu-o間の商用系統電圧、ｅ_ｗｏはw-o間の商用系統電圧、ｉ_ｓｐは逆潮流電流、Ｒ_ｕｗは商用系統に接続されている交流負荷を示す。

図２には、マイクロコンピュータ、メモリ及び周辺回路等を備えて構成された系統電圧抑制制御装置１０の制御ブロックを示している。

系統電圧抑制制御装置１０は、力率制御部、直流電圧制御部、無効電流制御部、インバータの出力電流制御部の４つの制御ブロックで構成されている。系統電圧抑制制御装置１０は、商用電源周期よりも十分短い周期例えば数ｍｓｅｃ．の周期で各制御ブロックに対応する制御プログラムが繰返し実行される。

具体的に、逆潮流電流推定部１１と、第１のＰＬＬ処理部１２と、第２のＰＬＬ処理部１３と、帰還信号生成部１４と、力率制御部１５と、無効電流制御部１６と、直流電圧制御部１７と、出力制限部１８と、無効電力生成部１９と、有効電力生成部２０と、インバータ出力電流制御部２１と、ＰＷＭ制御部２２と、運転力率設定部２３等の各制御ブロックを備えている。

逆潮流電流推定部１１と第１のＰＬＬ処理部１２と第２のＰＬＬ処理部１３と帰還信号生成部１４と力率設定部２３と力率制御部１５により力率制御ブロックが構成され、直流電圧制御部１７により直流バス電圧の一定制御ブロックが構成され、無効電流制御部１６により無効電流制御ブロックが構成され、無効電力生成部１９と有効電力生成部２０とインバータ出力電流制御部２１とＰＷＭ制御部２２により出力電流制御ブロックが構成されている。

逆潮流電流推定部１１は、電流センサ等を用いたインバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から以下の〔数５〕で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源ｅ_ｇｒｉｄに出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐ（ｉ_ｓｐ＝ｉ_ｉｎｖ−ｉ_ｃ）を推定するブロックである。尚、ｅ_ｕｗは商用系統電圧、ｉ_ｃはＬＣフィルタのコンデンサ電流、Ｃ_ｆはコンデンサ容量、Ｒ_ｃは内部抵抗である。

第１のＰＬＬ処理部１２は、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力するブロックで、抵抗分圧回路で分圧された交流電圧が商用系統電圧ｅ_ｕｗとして第１のＰＬＬ処理部１２に入力されている。

第２のＰＬＬ処理部１３は、逆潮流電流推定部１１で推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐが入力され、ＰＬＬ処理によって逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力するブロックである。

帰還信号生成部１４は、第１のＰＬＬ処理部１２及び第２のＰＬＬ処理部１３から出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成するブロックで、ｃｏｓ（Δφ）の値が力率帰還信号ＰＦとして生成され、ｔａｎ（Δφ）と有効電流の波高値２Ｐ_ｕｗ／Ｅ_{ｕｗ・ｍａｘ}の積が無効電流帰還信号Ｉ_ｑとして生成される。尚、以下の〔数６〕に示すように、Ｐ_ｕｗは有効電力、Ｅ_{ｕｗ・ｍａｘ}は電圧の最大値、Ｔ_Ｇｒｉｄは系統電圧の周期である。

電気事業法により単相三線式の配電系統の電圧範囲は１０１Ｖ±６Ｖに調整される必要がある。そこで、運転力率設定部２３は、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧（本実施形態では９８Ｖ）以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求めて力率指令値を補正する低下抑制制御部と、実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧より高い第２閾値電圧（本実施形態では１０４Ｖ）以上のときに系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求めて補力率指令値を補正する上昇抑制制御部とを備えている。補正された力率指令値により系統電圧の上昇抑制及び低下抑制が図られる。

図４（ａ）に示すように、力率制御部１５は、運転力率設定部２３で設定され率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号ＰＦの偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御部１５Ａと、ＰＩ制御部１５Ａで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数を、以下の〔数７〕に基づいて生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成部１５Ｂを備えている。尚、力率指令値ＰＦ^＊が遅相無効電流を示す場合には符号「＋１」が付加され、進相無効電流を示す場合には符号「−１」が付加される。

無効電流制御部１６は、力率制御部１５で生成された目標力率ＰＦ_ｏｕｔと無効電流帰還信号Ｉ_ｑとに基づいてインバータ３を制御するインバータ出力電流制御部２１に無効電流目標値を出力する制御ブロックである。

具体的に、目標力率ＰＦ_ｏｕｔと有効電流の波高値２Ｐ_ｕｗ／Ｅ_{ｕｗ・ｍａｘ}の積が無効電流制御値Ｉ^＊ _ｑとして生成され、無効電流帰還信号Ｉ_ｑが無効電流制御値Ｉ^＊ _ｑに収束するように制御量をＰＩ演算する制御ブロックである。

無効電力生成部１９は無効電流制御部１６で帰還制御された指令値と、第１のＰＬＬ処理部１２から入力される商用系統電圧に対応する位相角度θ_ｕｗの余弦波とを乗算して無効電力成分を生成する制御ブロックである。

有効電力生成部２０は直流電圧制御部１７から出力されたバイアス直流電圧と商用系統電圧に対応する位相角度θ_ｕｗの正弦波とを乗算して有効電力成分を生成するブロックである。バイアス直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ１から入力される直流リンク電圧Ｖ_ｄｃを直流バス電圧の指令値Ｖ^＊ _ｄｃに調整して出力する直流電圧制御部１７から入力され、商用系統電圧に対応する位相角度θ_ｕｗの正弦波は第１のＰＬＬ処理部１２から入力される。

有効電力生成部２０及び無効電力生成部１６からの出力が加算器で加算されてインバータ３に対する電流指令値ｉ^＊ _ｉｎｖが生成され、その電流指令値ｉ^＊ _ｉｎｖがインバータ制御部２１に入力される。

無効電流制御部１６によって無効電流が可変に制御されることにより皮相電力が大きくなると、パワーコンディショナＰＣを構成する回路素子の負担が大きくなるため、それに耐える高価な回路素子を選択する必要がある。この問題に対処すべく、有効電力を減少するように調整すると、運転力率の安定性が損なわれ、惹いては商用系統電圧の安定性が損なわれるという問題が生じる。

そこで、出力電力が定格電力に対して所定の許容範囲を逸脱すると、無効電流制御部１６及び直流電圧制御部１７により出力される電流目標値を制限する出力制限部１８を備えている。出力制限部１８を備えることにより無効電流制御部１６及び直流電圧制御部１７により出力される電流目標値が制限されるので、皮相電力を定格値に抑制しながらも安定的に力率が制御できるようになる。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、出力制限部１８は、皮相電力の帰還値Ｓ_ｕｗが皮相電力指令値Ｓ^＊ _ｕｗに収束するようにＰＩ制御を行なう皮相電力制御部と、スイッチＳＷと加算器を備えている。皮相電力の帰還値Ｓ_ｕｗが定格電力Ｓ_ＰＵ（Ｓ_ＰＵ＝Ｓ_ｕｗ／Ｓ^＊ _ｕｗ）に対して±Δｘ％の範囲内にあるときには、スイッチＳＷの接点が１に切り替えられて皮相電力が制御され、皮相電力の帰還値Ｓ_ｕｗが定格電力Ｓ_ＰＵに対して±Δｘ％の範囲から逸脱すると、スイッチＳＷの接点が０に切り替えられ出力がＩ_ｌｉｍつまり定格電力に制限される。スイッチＳＷはΔｘ％のヒステリシスを持って切り替えられる。

インバータ３の出力電流値ｉ_ｉｎｖが帰還値として入力されたインバータ制御部２１は、インバータ３の出力電流値が電流指令値ｉ^＊ _ｉｎｖになるように例えばＰＩ演算等を用いて帰還制御し、インバータ３に対する制御値、ここではデューティ比Ｄを生成する。インバータ制御部１９で生成されたデューティ比ＤはＰＷＭ制御部２２に入力されて、ＰＷＭ制御部２２で各スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対する制御信号が生成され、バッファ回路を介してインバータ３のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に出力される。

図４（ｂ）に示すように、無効電流制御部１６及び直流電圧制御部１７により出力される電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定されている。具体的には、｜ｉ_ｓｐ｜≧Ｘ・Ｉ_{ｓｐｍａｘ}の範囲（０≦Ｘ≦１）に定めている。尚、Ｘ≧０．９に設定することが好ましい。

逆潮流電流の振幅は商用系統周波数に基づいてサインカーブを描いて変動するのであるが、サインカーブのゼロクロス点つまり逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最小値を示す時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が大きくなるタイミングで出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖが大きく変化する。その結果、出力電流ｉ_ｉｎｖのオーバーシュートやアンダーシュートが発生し易く、出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性が損なわれるおそれがある。

しかし、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が小さくなるタイミングで出力電流ｉ_ｉｎｖが制御されるため、力率制御の応答性が向上するのみならず出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性も向上するようになる。

その結果、力率制御部１５で生成された目標力率と無効電流帰還信号に基づいて無効電流制御部１６によって無効電流目標値が生成され、インバータ３から所望の逆潮流電流ｉ_ｓｐが適切に出力されるようになり、商用系統電圧の変動を適切に抑制できるようになる。

以下に、運転力率設定部２３について詳述する。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１±ΔＶの範囲に入る標準状態で運転力率設定部２３により力率指令値が１に設定された後、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１‐ΔＶ以下に低下すると、低下抑制制御部により低下抑制変化量が算出され、それに基づいて力率指令値ＰＦ^＊が補正され、さらに力率制御部によって商用系統に遅相無効電流が供給されることにより商用系統電圧が上昇制御される。また、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１＋ΔＶ以上に上昇すると、上昇抑制制御部により上昇抑制変化量が算出され、それに基づいて力率指令値ＰＦ^＊が補正され、さらに力率制御部によって商用系統に進相無効電流が供給されることにより商用系統電圧が低下制御される。

そして、系統電圧低下時の抑制制御と系統電圧上昇時の抑制制御との間で制御状態が頻繁に変化しないように、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗ１０１±ΔＶの範囲でヒステリシス特性が実現されるように設定されている。力率指令値の下限値ＰＦ_ｍｉｎは０．８（８０％）に設定されている。尚、これらの制御が実行される閾値（実効値Ｅ_ｕｗ１０１±ΔＶ）は特に制限される値ではなく適宜設定される値で、単相三線式の商用系統電圧が１０１±６Ｖの範囲に規定される日本では、その範囲で設定すればよい。尚、本実施形態ではΔＶ＝３に設定されている。

力率制御部１５では各力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号ＰＦとから目標力率が算出され、当該目標力率と無効電流帰還信号に基づいて無効電流制御部１６によって無効電流目標値が生成され、インバータ３から所望の逆潮流電流ｉ_ｓｐが適切に出力される。その結果、パワーコンディショナＰＣが接続された直近の配電線の商用系統電圧の変動が抑制されるようになる。

低下抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎ（＝０．８）までの間で、商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値を補正するように構成され、上昇抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎ（＝０．８）までの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている。

図６（ａ）に示すように、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１‐ΔＶ以下になると、制御スイッチＳＷが０の位置に切り替わり、電圧低下抑制のための低下抑制変化量Δｙが算出され、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１＋ΔＶ以上になると、制御スイッチＳＷが１の位置に切り替わり、電圧上昇抑制のための上昇抑制変化量Δｙが算出される。商用系統電圧の実効値は、商用系統の数周期から数十周期の平均値が用いられる。

図６（ａ）で示す符号Ｅ^＊ _ｍｉｎは電圧低下抑制の整定値つまり１０１−２・ΔＶ（＝９５Ｖ）、符号Ｅ_ｍｉｎはｕ‐ｏとｗ‐ｏ間の電圧実効値の最小値、符号Ｅ^＊ _ｍａｘは電圧上昇抑制の整定値つまり１０１＋２・ΔＶ（＝１０７Ｖ）、符号Ｅ_ｍａｘはｕ‐ｏとｗ‐ｏ間の電圧実効値の最大値、Δｕは電圧上昇抑制の整定値Ｅ^＊ _ｍａｘとｕ‐ｏとｗ‐ｏ間の電圧実効値の最大値Ｅ_ｍａｘの差分である。

電圧低下抑制時の低下抑制変化量Δｙつまり補正量は、Ｅ_ｍｉｎとＥ^＊ _ｍｉｎの差分ΔＥ_ｍｉｎに１／（Ｅ_ｕｏ＋Ｅ_ｗｏ）を乗じて正規化した後に、急峻な変動を除去するローパスフィルタ処理し、比例ゲインＫｐを乗じ、さらにリミッターで上限を制限した値である。図６（ｂ）には、比例ゲインＫｐが０．５または１．０とした場合の低下抑制変化量Δｙが示されている。ここで、リミッターの上下限値はΔＶ／１０１に設定している。

電圧上昇抑制時の上昇抑制変化量Δｙつまり補正量は、Ｅ_ｍａｘとＥ^＊ _ｍａｘの差分ΔＥ_ｍａｘに１／（Ｅ_ｕｏ＋Ｅ_ｗｏ）を乗じて正規化した後に、急峻な変動を除去するローパスフィルタ処理し、比例ゲインＫｐを乗じ、さらにリミッターで上限を制限した値である。図６（ｃ）には、比例ゲインＫｐが０．５または１．０とした場合の上昇抑制変化量Δｙが示されている。ｆｃはローパスフィルタの遮断周波数である。

比例ゲインＫｐが小さければ小さいほど、電圧上昇・低下抑制の整定値の付近で上昇・低下抑制変化量Δｙが微小になりパワーコンディショナＰＣの運転力率が安定し、有効・無効電力の変動による商用系統電圧の抑制変動量も抑えることが可能になる。

商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに、低下抑制制御部によって商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎと計測された商用系統電圧の実効値との偏差に基づいた低下抑制変化量Δｙが算出されてその低下抑制変化量Δｙに従って力率指令値が設定され、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第２閾値電圧以上のときに、上昇抑制制御部によって商用系統電圧の上限Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいた上昇抑制変化量Δｙが算出されてその上昇抑制変化量Δｙに従って力率指令値ＰＦ^＊が設定される。何れも力率指令値ＰＦ^＊は予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎを下回ることはない。

上述の出力制限部１８は、上昇抑制変化量Δｙにより補正された力率指令値が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達したときに、無効電流制御部１６により出力される無効電流目標値を制限するように構成されている。また、商用系統電圧の上昇を抑制するための力率指令値ＰＦ^＊であり、その力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、出力制限部によって無効電流目標値が制限されることにより、商用系統電圧の上昇が抑制される。尚、低下抑制変化量Δｙにより補正された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達しても出力制限部１８による無効電流目標値は制限されることがない。

〔数８〕に上昇・抑制変化量Δｙを反映した商用系統電圧低下抑制のための力率指令値ＰＦ^＊の演算式を示す。

出力電力Ｐ_ｕｗと定格皮相電力Ｓ_{ｕｗ.ｒａｔｅｄ}との割合から定格時の運転力率係数aを求め、力率下限値ＰＦ_ｍｉｎと比較して、運転力率係数ａと力率下限値ＰＦ_ｍｉｎとの最大値を求める。運転力率係数ａと力率下限値ＰＦ_ｍｉｎとの最大値を求める理由は、出力制限の制御を行わずに遅れ電力を供給し、力率下限値ＰＦ_ｍｉｎ（＝０．８）まで変更できるようにするためである。商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１‐ΔＶ（＝９８Ｖ）以上になると力率指令値ＰＦ^＊が運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔに戻る。尚、運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔの範囲は、力率下限値ＰＦ_ｍｉｎから１までの間の値に設定可能に構成されている。

図７には、〔数８〕及び〔数９〕に基づく系統電圧上昇抑制のための力率指令値の演算フローが示されている。系統電圧上昇抑制制御の整定値１０１＋２・ΔV（＝１０７Ｖ）とフィードバック値の差分Δｕが負であれば抑制動作を行ない（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）、逆であれば抑制解除を行なう（Ｓ１，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７）。ここで，電圧上昇抑制動作を行う場合，運転力率を下限値（０．８）まで下げて電圧上昇分を抑制する。この時、商用系統電圧が上昇すると出力制限のためのリミッター値Ｉ_ｌｉｍ（図３（ｂ）参照）を下げて出力電力を抑制する。また，電圧上昇抑制解除を行なう場合には出力制限を解除してから運転力率を運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔに戻すように構成されている。また、出力制限のためのリミッター値Ｉ_ｌｉｍが力率下限値ＰＦ_ｍｉｎより大きければ、〔数８〕と〔数９〕を用いて出力制限のためのリミッター値Ｉ_ｌｉｍ及び力率指令値ＰＦ^＊を運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔまで戻して運転力率の一定制御を行なう。

図８には、抑制制御ループの比例ゲインＫｐを可変に設定される構成が示されている。
図６（ａ）に示した制御ブロックの抑制電圧の指令値Ｅ^＊の±Ｘ%の範囲で、それぞれの比例ゲインＫｐの値の変更ができるように構成されていることが好ましい。商用系統電圧の上昇抑制動作または低下抑制動作及びその解除の速さを比例ゲインＫｐの値で調整することができるようになり、抑制指令値の付近でシステムの安定性を向上するために比例ゲインＫｐの値を下げることもできるためである。尚、比例ゲインＫｐ、Ｘの値は実験等によって適宜設定される値である。本実施形態ではＫ１＝０．５、Ｋ２＝０．２５、Ｋ３＝１、Ｘ＝５に設定されている。

つまり、低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積により求められ、比例ゲインＫｐが差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられ、上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍａｘと比例ゲインＫｐとの積により求められ、比例ゲインＫｐが差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられるように構成されている。

つまり、本発明によるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御方法は、商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から上述した〔数３〕で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定ステップと、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理ステップと、逆潮流電流推定ステップで推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理ステップと、第１のＰＬＬ処理ステップ及び第２のＰＬＬ処理ステップから出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成ステップと、前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御ステップと、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御ステップを含む運転力率設定ステップと、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、前記力率制御ステップで生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御ステップと、を備えている。

そして、低下抑制変化量により補正された力率指令値は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値を補正するように構成される。また、上昇抑制変化量により補正された力率指令値は、予め設定された力率下限値までの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている。

さらに、上昇抑制制御ステップにより設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値を制限する出力制限ステップを備えている。

運転力率制御ステップは、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御ステップと、ＰＩ制御ステップで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める上述した〔数４〕で定まる係数を生成し、力率指令値に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成ステップを備えて構成されている。

以上説明したように、系統電圧抑制制御装置は、予め商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗに第１閾値電圧及び第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を設定し、第１閾値電圧と第２閾値電圧との間をヒステリシス領域として、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに、遅相電力の供給のみにより商用系統電圧の低下を抑制する系統電圧低下抑制モードで前記インバータを制御し、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第２閾値電圧以上のときに、進相電力の供給及び／または有効電力の低減により商用系統電圧の上昇を抑制する系統電圧上昇抑制モードで前記インバータを制御するように構成されている。

上述の各実施形態は本発明によるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び制御方法の一例に過ぎず、各構成ブロックの具体的な構成（ハードウェアやソフトウェア）や各種の数値等は本発明による作用効果が奏される範囲で適宜変更設計することも可能であることはいうまでもない。

１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：ＬＣフィルタ
１０：系統電圧抑制制御装置
１１：逆潮流電流推定部
１２：第１のＰＬＬ処理部
１３：第２のＰＬＬ処理部
１４：帰還信号生成部
１５：力率制御部
１６：無効電流制御部
１７：直流電圧制御部
１８：出力制限部
１９：無効電力生成部
２０：有効電力生成部
２１：インバータ制御部
２２：ＰＷＭ制御部
２３：運転力率設定部
１００：分散型電源（太陽電池発電装置）
ＰＣ：パワーコンディショナ
ＳＰ：太陽電池パネル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：インバータ装置に備えたスイッチ素子

本発明は、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法に関する。

太陽電光発電システムを構成する分散型電源は、商用系統に連系させて使用するために、電力系統の系統周波数や系統電圧に適合する周波数及び電圧の交流電力に変換するパワーコンディショナを備えている。

パワーコンディショナは、分散型電源で生成された直流電圧を所定の直流電圧値に調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、ＤＣ／ＤＣコンバータ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と、インバータの出力から高周波成分を除去するＬＣフィルタ等を備えている。

太陽光発電システムの導入拡大により配電線の電圧を所定の許容範囲に維持するための管理が難しくなっている。一般的に電力会社はタップ制御機器（ＳＶＲ）やＳＴＡＴＣＯＭ等を導入して配電線が適正電圧に維持されるように管理している。

しかし、近年はパワーコンディショナ側から直近の配電線の電圧を調整すべく、系統連系運転時にパワーコンディショナの運転力率を一定に調整し、或いは商用系統電圧の上昇を抑制する機能を備えることが要求されるようになった。

特許文献１には、商用系統周波数の偏差に応じてパワーコンディショナが出力すべき進相無効電力または遅相無効電力である第１無効電力の変化量と、商用系統電圧の上昇を抑制するためにパワーコンディショナが出力すべき第２無効電力の変化量の少なくとも一方に基づいて、パワーコンディショナの出力を制御する制御装置が提案されている。

当該制御装置は、第２無効電力の変化量に基づいてパワーコンディショナが出力する進相無効電力を増加させる方向に変化させる場合に、パワーコンディショナの出力電圧に対応する電圧が上限電圧以上になると、パワーコンディショナが出力する有効電力を減少させるように、パワーコンディショナの出力を制御するように構成されている。

特許文献２には、分散電源及び負荷をそれぞれ有する複数の分散電源保有設備が配電系統に接続された構成の分散電源連系システムに関し、配電系統の電圧低下抑制のために従来設けられていた機器を減らすことを目的とした分散電源連系システムが開示されている。

当該分散電源連系システムは、複数の分散電源保有設備が第１群と第２群との２群に分類されていて、うなりを生じさせる二つの注入周波数からそれぞれ成る２組の注入周波数であって、各組を成す二つの注入周波数間の周波数差は両組で互いに同じであり、かつ両組を構成する四つの注入周波数はそれぞれ異なると共に前記配電系統の基本波周波数とも異なる第１組及び第２組の注入周波数を用いて、前記第１群に属する各分散電源保有設備は、前記第１組の注入周波数の電流組を含む注入電流を前記配電系統に注入する電流注入装置と、自設備と前記配電系統との連系点における電圧であって前記第２組の注入周波数の内の少なくとも一方の注入周波数の電圧を測定する注入周波数電圧測定装置とをそれぞれ備えており、前記第２群に属する各分散電源保有設備は、前記第２組の注入周波数の電流組を含む注入電流を前記配電系統に注入する電流注入装置と、自設備と前記配電系統との連系点における電圧であって前記第１組の注入周波数の内の少なくとも一方の注入周波数の電圧を測定する注入周波数電圧測定装置とをそれぞれ備えており、かつ両群の各分散電源保有設備は、自設備が属する方の群を自群、自設備が属さない方の群を他群と呼ぶと、自設備の前記電流注入装置が注入する注入電流を構成する電流組の各電流の位相を、当該注入電流が生じさせるうなりである自設備うなりの位相に対して同一群内で共通した一定の位相関係に保つと共に、当該自設備うなりを、他群に属する分散電源保有設備の前記電流注入装置が注入する注入電流の総体が生じさせる電圧のうなりである他群うなりに同期させる同期制御装置をそれぞれ備えている。

そして、両群の各分散電源保有設備は、自設備の前記配電系統から受電している消費電力を測定する消費電力測定器をそれぞれ備えており、両群の各分散電源保有設備の前記電流注入装置は、自設備の前記消費電力測定器が測定する前記消費電力に応じた大きさの前記注入電流を前記配電系統にそれぞれ注入するものであり、更に両群の各分散電源保有設備は、自設備の分散電源を制御して、自設備の前記注入周波数電圧測定装置が測定する前記注入周波数電圧に応じた大きさの遅相無効電力を自設備の分散電源から出力させる遅相無効電力制御回路をそれぞれ備えている。

特開２０１４−２０７８１１号公報 特開２０１１−３６０６７号公報

しかし、特許文献１に開示された制御装置によれば、商用系統電圧が電気事業法で定められた範囲例えば１０１Ｖ±６Ｖに維持されている定常時では、無効電力の増減量は一定であるため、商用系統電圧の整定値の付近で有効電力及び無効電力の変動を抑えることが困難であった。

また、特許文献２に開示された分散電源連系システムは、自設備に消費電力測定器を設けて負荷消費電力及び配電線の電圧を監視し、負荷消費電力を増加するともに配電線の商用系統電圧の低下分を抑制するために遅相無効電力を供給するように構成されているので、常に負荷消費電力を監視するために多くの電流センサが必要になり、コストが嵩み制御プログラムも複雑になるという問題があった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、自然エネルギーを発電に有効利用しながらも、直近の配電線の商用系統電圧を安定的に調整可能なパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による系統電圧抑制制御装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置であって、予め商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗに第１閾値電圧及び第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を設定し、前記第１閾値電圧と前記第２閾値電圧との間をヒステリシス領域として、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧以下のときに、遅相電力の供給のみにより商用系統電圧の低下を抑制する系統電圧低下抑制モードで前記インバータを制御し、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが前記第２閾値電圧以上のときに、進相電力の供給及び／または有効電力の低減により商用系統電圧の上昇を抑制する系統電圧上昇抑制モードで前記インバータを制御するように構成されている点にある。

商用系統電圧が電気事業法で定められた範囲例えば１０１Ｖ±６Ｖに維持されている定常状態であっても、第１閾値電圧以下に低下すると遅相電力を供給することにより系統電圧の低下が抑制され、第２閾値電圧以上に上昇すると進相電力を供給し、さらに必要に応じて有効電力を低減することにより商用系統電圧の上昇が抑制され、しかもヒステリシス領域を設けることにより系統電圧の上昇抑制と低下抑制とが繰り返されないようにすることで商用系統電圧の安定化が図られる。

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置であって、商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から

で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定部と、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理部と、前記逆潮流電流推定部で推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理部と、前記第１のＰＬＬ処理部及び第２のＰＬＬ処理部から出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成部と、前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御部と、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御部を含む運転力率設定部と、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記力率設定部で設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御部と、前記力率制御部で生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御部と、を備えている点にある。

インバータを制御するために必要となるインバータの出力電流ｉ_ｉｎｖ以外に逆潮流電流を検知する別途のセンサを備えなくても、商用系統電圧ｅ_ｕｗを計測すれば、〔数１〕で示す数式によって、コンデンサの容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃを考慮した正確なコンデンサ電流ｉ_ｃが推定できる。そのようなコンデンサ電流ｉ_ｃに基づいて第２のＰＬＬ処理部から得られる逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐと、商用系統電圧ｅ_ｕｗに基づいて第１のＰＬＬ処理部から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗとから、商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）が得られ、帰還信号生成部によって位相差Δφから力率帰還信号及び無効電流帰還信号が生成される。

運転力率設定部では低下抑制制御部によって、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制するように、つまり遅相無効電流が増加するように低下抑制変化量に基づき力率指令値を補正し、実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制するように、つまり進相無効電流が増加するように上昇抑制変化量に基づき力率指令値を補正し、力率制御部では各力率指令値と力率帰還信号とから目標力率が算出され、当該目標力率と無効電流帰還信号に基づいて無効電流制御部によって無効電流目標値が生成され、インバータから所望の逆潮流電流ｉ_ｓｐが適切に出力される。その結果、パワーコンディショナが接続された直近の配電線の商用系統電圧の変動が抑制されるようになる。

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記低下抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、前記商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成され、前記上昇抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている点にある。

商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに、低下抑制制御部によって商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎと計測された商用系統電圧の実効値との偏差に基づいた低下抑制変化量Δｙが算出されてその低下抑制変化量Δｙに従って力率指令値ＰＦ^＊が設定され、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第２閾値電圧以上のときに、第２力率指令値設定部によって商用系統電圧の上限Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいた上昇抑制変化量Δｙが算出されてその上昇抑制変化量Δｙに従って力率指令値ＰＦ^＊が設定される。何れも力率指令値ＰＦ^＊は予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎを下回ることはない。

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第三の特徴構成に加えて、前記低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ _ｍｉｎ と比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ _ｍｉｎ の大小に基づいて大小に替えられ、前記上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ _ｍａｘ と比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ _ｍａｘ の大小に基づいて大小に替えられるように構成されている点にある。

低下抑制または上昇抑制変化量Δｙが、差分ΔＥ _ｍｉｎ と比例ゲインＫｐとの積に基づいて算出され、その際に差分ΔＥ _ｍｉｎ または差分ΔＥ _ｍａｘ が大きければ比例ゲインＫｐが大きな値に設定されて変化量Δｙが大きくなるので大きな抑制量が得られ、差分ΔＥ _ｍｉｎ が小さければ比例ゲインＫｐが小さな値に設定されて変化量Δｙが小さくなり整定値付近でのハンチングが抑制され収束性がよくなる。

同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第三または第四の特徴構成に加えて、前記上昇抑制制御部により設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御部により出力される無効電流目標値を制限する出力制限部を備えている点にある。

上昇抑制変化量に基づいて商用系統電圧の上昇を抑制するための力率指令値ＰＦ^＊を補正し、その力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、出力制限部によって無効電流目標値が制限されることにより、系統電圧の上昇が抑制される。無効電流制御部によって無効電流が可変に制御されることにより皮相電力が大きくなると、パワーコンディショナを構成する回路素子の負担が大きくなるため、それに耐える高価な回路素子を選択する必要がある。この問題に対処すべく、有効電力を減少するように調整すると、運転力率の安定性が損なわれ、惹いては商用系統電圧の安定性が損なわれるという問題が生じる。そのような場合でも、出力制限部を備えることにより無効電流制御部により出力される無効電流目標値が制限されるので、皮相電力を定格値に抑制しながらも安定的に運転力率が制御できるようになる。

同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第二から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記力率制御部は、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御部と、前記ＰＩ制御部で生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数

を生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成部を備えて構成されている点にある。

帰還信号生成部から出力される力率帰還信号と予め設定された力率指令値ＰＦ^＊との偏差からＰＩ制御部によって力率帰還信号が力率指令値ＰＦ^＊に収束するような補正値が算出され、当該補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算した力率目標値ＰＦ^＊ _realが得られる。係数生成部によって、有効電力に対する無効電力の比である〔数２〕で示される係数が算出されるとともに、力率指令値に従った符号が付加される。具体的に、力率指令値ＰＦ^＊が遅相無効電流を示す場合には符号「＋１」が付加され、進相無効電流を示す場合には符号「−１」が付加される。

同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第二から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記無効電流制御部により出力される無効電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定され、測定した逆潮流電流ｉ_ｓｐの無効成分が逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値の最大値の近傍時期で変化するように構成されている点にある。

逆潮流電流の振幅は商用系統周波数に基づいてサインカーブを描いて変動するのであるが、サインカーブのゼロクロス点つまり逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最小値を示す時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が大きくなるタイミングで出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖが大きく変化する。その結果、出力電流ｉ_ｉｎｖのオーバーシュートやアンダーシュートが発生し易く、出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性が損なわれるおそれがある。

しかし、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が小さくなるタイミングで出力電流ｉ_ｉｎｖが制御されるため、力率制御の応答性が向上するのみならず出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性も向上するようになる。

本発明による系統電圧抑制制御方法の第一の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御方法であって、商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から

で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定ステップと、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理ステップと、前記逆潮流電流推定ステップで推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理ステップと、前記第１のＰＬＬ処理ステップ及び第２のＰＬＬ処理ステップから出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成ステップと、前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御ステップと、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御ステップを含む運転力率設定ステップと、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、前記力率制御ステップで生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御ステップと、を備えている点にある。

同第二の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記低下抑制制御ステップは、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、前記商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成され、前記上昇抑制制御ステップは、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている点にある。

同第三の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ _ｍｉｎ と比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ _ｍｉｎ の大小に基づいて大小に替えられ、前記上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ _ｍａｘ と比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ _ｍａｘ の大小に基づいて大小に替えられるように構成されている点にある。

同第四の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第二または第三の特徴構成に加えて、前記上昇抑制制御ステップにより設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値を制限する出力制限ステップを備えている点にある。

同第五の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記運転力率制御ステップは、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御ステップと、前記ＰＩ制御ステップで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数

を生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成ステップを備えて構成されている点にある。

同第六の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定されている点にある。

同第七の特徴構成は、同請求項１４に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、系統連系運転前に運転力率を設定する運転力率設定ステップを備え、系統連系運転時に、系統電圧抑制制御を解除した直後に前記運転力率設定ステップで設定された運転力率で系統連系運転するように構成されている点にある。

本発明によるパワーコンディショナの特徴構成は、同請求項１５に記載した通り、上述した第一から第七の何れかの系統電圧抑制制御装置が組み込まれて構成されている点にある。

以上説明した通り、本発明によれば、自然エネルギーを発電に有効利用しながらも、直近の配電線の商用系統電圧を安定的に調整可能なパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法を提供することができるようになった。

本発明による系統電圧抑制制御装置が適用される分散型電源の回路構成図 本発明による系統電圧抑制制御装置の制御ブロック図 （ａ）は出力制限制御ブロック図、（ｂ）は図３（ａ）のスイッチＳＷの動作説明図 （ａ）は力率制御ブロック図、（ｂ）は無効電流制御部により出力される無効電流目標値の更新時期の説明図 （ａ）は商用系統電圧と第１及び第２閾値電圧と抑制制御モードとの関係の説明図、（ｂ）は各抑制制御時の制御方式の説明図 （ａ）は低下及び上昇抑制制御部、（ｂ）は低下抑制制御部で算出される低下抑制変化量Δｙの特性図、（ｃ）は上昇抑制制御部で算出される上昇抑制変化量Δｙの特性図 電圧上昇抑制制御の動作を説明するフローチャート 低下及び上昇抑制制御部のゲイン可変の説明図

以下、本発明による電力変換装置であるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び系統電圧抑制制御方法を図面に基づいて説明する。
図１には、分散型電源の一例である太陽電池発電装置１００が示されている。太陽電池発電装置１００は太陽電池パネルＳＰと太陽電池パネルＳＰが接続されたパワーコンディショナＰＣを備えて構成され、連系リレー(図示せず)を介して単層三線式の商用系統電源ｅ_ｇｒｉｄに接続されている。尚、本発明はパワーコンディショナＰＣに接続される発電装置が太陽電池パネルＳＰに限定されるものではなく、燃料電池等の他の発電装置が接続される場合でも適用可能である。

パワーコンディショナＰＣは、太陽電池パネルＳＰで発電された直流電圧を所定の直流リンク電圧Ｖ_ｄｃに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、商用系統電源と連系するように所定の周波数及び電圧値の交流電圧に変換するインバータ３と、インダクタＬ_ｆとコンデンサＣ_ｆで構成され、高調波成分を除去するＬＣフィルタ４を備えている。尚、Ｒ_ｆはインダクタの抵抗成分であり、Ｒ_ｃはコンデンサの抵抗成分である。

インバータ３に備えたスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４は、商用系統電源に連系させるべく周波数や電圧が適合するように系統電圧抑制制御装置１０を含む制御ブロックによって実行されるＰＷＭ制御によってオン／オフされ、ＬＣフィルタ４によってインバータ３の出力から高調波成分が除去され、正弦波の交流電力として出力される。尚、図中、符号Ｃ_ｄｃは直流リンク電圧の安定化用の電解コンデンサ、ｉ_ｉｎｖはインバータの出力電流、Ｒ_ｇｒｉｄ及びＬ_ｇｒｉｄは商用系統インピーダンス、ｅ_ｕｗはｕ−ｗの線間電圧、ｅ_ｕｏはu-o間の商用系統電圧、ｅ_ｗｏはw-o間の商用系統電圧、ｉ_ｓｐは逆潮流電流、Ｒ_ｕｗは商用系統に接続されている交流負荷を示す。

図２には、マイクロコンピュータ、メモリ及び周辺回路等を備えて構成された系統電圧抑制制御装置１０の制御ブロックを示している。

系統電圧抑制制御装置１０は、力率制御部、直流電圧制御部、無効電流制御部、インバータの出力電流制御部の４つの制御ブロックで構成されている。系統電圧抑制制御装置１０は、商用電源周期よりも十分短い周期例えば数ｍｓｅｃ．の周期で各制御ブロックに対応する制御プログラムが繰返し実行される。

具体的に、逆潮流電流推定部１１と、第１のＰＬＬ処理部１２と、第２のＰＬＬ処理部１３と、帰還信号生成部１４と、力率制御部１５と、無効電流制御部１６と、直流電圧制御部１７と、出力制限部１８と、無効電力生成部１９と、有効電力生成部２０と、インバータ出力電流制御部２１と、ＰＷＭ制御部２２と、運転力率設定部２３等の各制御ブロックを備えている。

逆潮流電流推定部１１と第１のＰＬＬ処理部１２と第２のＰＬＬ処理部１３と帰還信号生成部１４と力率設定部２３と力率制御部１５により力率制御ブロックが構成され、直流電圧制御部１７により直流バス電圧の一定制御ブロックが構成され、無効電流制御部１６により無効電流制御ブロックが構成され、無効電力生成部１９と有効電力生成部２０とインバータ出力電流制御部２１とＰＷＭ制御部２２により出力電流制御ブロックが構成されている。

逆潮流電流推定部１１は、電流センサ等を用いたインバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から以下の〔数５〕で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源ｅ_ｇｒｉｄに出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐ（ｉ_ｓｐ＝ｉ_ｉｎｖ−ｉ_ｃ）を推定するブロックである。尚、ｅ_ｕｗは商用系統電圧、ｉ_ｃはＬＣフィルタのコンデンサ電流、Ｃ_ｆはコンデンサ容量、Ｒ_ｃは内部抵抗である。

第１のＰＬＬ処理部１２は、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力するブロックで、抵抗分圧回路で分圧された交流電圧が商用系統電圧ｅ_ｕｗとして第１のＰＬＬ処理部１２に入力されている。

第２のＰＬＬ処理部１３は、逆潮流電流推定部１１で推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐが入力され、ＰＬＬ処理によって逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力するブロックである。

帰還信号生成部１４は、第１のＰＬＬ処理部１２及び第２のＰＬＬ処理部１３から出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成するブロックで、ｃｏｓ（Δφ）の値が力率帰還信号ＰＦとして生成され、ｔａｎ（Δφ）と有効電流の波高値２Ｐ_ｕｗ／Ｅ_{ｕｗ・ｍａｘ}の積が無効電流帰還信号Ｉ_ｑとして生成される。尚、以下の〔数６〕に示すように、Ｐ_ｕｗは有効電力、Ｅ_{ｕｗ・ｍａｘ}は電圧の最大値、Ｔ_Ｇｒｉｄは系統電圧の周期である。

電気事業法により単相三線式の配電系統の電圧範囲は１０１Ｖ±６Ｖに調整される必要がある。そこで、運転力率設定部２３は、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧（本実施形態では９８Ｖ）以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求めて力率指令値を補正する低下抑制制御部と、実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧より高い第２閾値電圧（本実施形態では１０４Ｖ）以上のときに系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求めて補力率指令値を補正する上昇抑制制御部とを備えている。補正された力率指令値により系統電圧の上昇抑制及び低下抑制が図られる。

図４（ａ）に示すように、力率制御部１５は、運転力率設定部２３で設定された力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号ＰＦの偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御部１５Ａと、ＰＩ制御部１５Ａで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数を、以下の〔数７〕に基づいて生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成部１５ｂを備えている。尚、力率指令値ＰＦ^＊が遅相無効電流を示す場合には符号「＋１」が付加され、進相無効電流を示す場合には符号「−１」が付加される。

無効電流制御部１６は、力率制御部１５で生成された目標力率ＰＦ_ｏｕｔと無効電流帰還信号Ｉ_ｑとに基づいてインバータ３を制御するインバータ出力電流制御部２１に無効電流目標値を出力する制御ブロックである。

具体的に、目標力率ＰＦ_ｏｕｔと有効電流の波高値２Ｐ_ｕｗ／Ｅ_{ｕｗ・ｍａｘ}の積が無効電流制御値Ｉ^＊ _ｑとして生成され、無効電流帰還信号Ｉ_ｑが無効電流制御値Ｉ^＊ _ｑに収束するように制御量をＰＩ演算する制御ブロックである。

無効電力生成部１９は無効電流制御部１６で帰還制御された指令値と、第１のＰＬＬ処理部１２から入力される商用系統電圧に対応する位相角度θ_ｕｗの余弦波とを乗算して無効電力成分を生成する制御ブロックである。

有効電力生成部２０は直流電圧制御部１７から出力されたバイアス直流電圧と商用系統電圧に対応する位相角度θ_ｕｗの正弦波とを乗算して有効電力成分を生成するブロックである。バイアス直流電圧はＤＣ／ＤＣコンバータ１から入力される直流リンク電圧Ｖ_ｄｃを直流バス電圧の指令値Ｖ^＊ _ｄｃに調整して出力する直流電圧制御部１７から入力され、商用系統電圧に対応する位相角度θ_ｕｗの正弦波は第１のＰＬＬ処理部１２から入力される。

有効電力生成部２０及び無効電力生成部１９からの出力が加算器で加算されてインバータ３に対する電流指令値ｉ^＊ _ｉｎｖが生成され、その電流指令値ｉ^＊ _ｉｎｖがインバータ制御部２１に入力される。

無効電流制御部１６によって無効電流が可変に制御されることにより皮相電力が大きくなると、パワーコンディショナＰＣを構成する回路素子の負担が大きくなるため、それに耐える高価な回路素子を選択する必要がある。この問題に対処すべく、有効電力を減少するように調整すると、運転力率の安定性が損なわれ、惹いては商用系統電圧の安定性が損なわれるという問題が生じる。

そこで、出力電力が定格電力に対して所定の許容範囲を逸脱すると、無効電流制御部１６及び直流電圧制御部１７により出力される電流目標値を制限する出力制限部１８を備えている。出力制限部１８を備えることにより無効電流制御部１６及び直流電圧制御部１７により出力される電流目標値が制限されるので、皮相電力を定格値に抑制しながらも安定的に力率が制御できるようになる。

図３（ａ），（ｂ）に示すように、出力制限部１８は、皮相電力の帰還値Ｓ_ｕｗが皮相電力指令値Ｓ^＊ _ｕｗに収束するようにＰＩ制御を行なう皮相電力制御部と、スイッチＳＷと加算器を備えている。皮相電力の帰還値Ｓ_ｕｗが定格電力Ｓ_ＰＵ（Ｓ_ＰＵ＝Ｓ_ｕｗ／Ｓ^＊ _ｕｗ）に対して±Δｘ％の範囲内にあるときには、スイッチＳＷの接点が１に切り替えられて皮相電力が制御され、皮相電力の帰還値Ｓ_ｕｗが定格電力Ｓ_ＰＵに対して±Δｘ％の範囲から逸脱すると、スイッチＳＷの接点が０に切り替えられ出力がＩ_ｌｉｍつまり定格電力に制限される。スイッチＳＷはΔｘ％のヒステリシスを持って切り替えられる。

インバータ３の出力電流値ｉ_ｉｎｖが帰還値として入力されたインバータ制御部２１は、インバータ３の出力電流値が電流指令値ｉ^＊ _ｉｎｖになるように例えばＰＩ演算等を用いて帰還制御し、インバータ３に対する制御値、ここではデューティ比Ｄを生成する。インバータ制御部１９で生成されたデューティ比ＤはＰＷＭ制御部２２に入力されて、ＰＷＭ制御部２２で各スイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に対する制御信号が生成され、バッファ回路を介してインバータ３のスイッチＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４に出力される。

図４（ｂ）に示すように、無効電流制御部１６及び直流電圧制御部１７により出力される電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定されている。具体的には、｜ｉ_ｓｐ｜≧Ｘ・Ｉ_{ｓｐｍａｘ}の範囲（０≦Ｘ≦１）に定めている。尚、Ｘ≧０．９に設定することが好ましい。

逆潮流電流の振幅は商用系統周波数に基づいてサインカーブを描いて変動するのであるが、サインカーブのゼロクロス点つまり逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最小値を示す時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が大きくなるタイミングで出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖが大きく変化する。その結果、出力電流ｉ_ｉｎｖのオーバーシュートやアンダーシュートが発生し易く、出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性が損なわれるおそれがある。

しかし、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に無効電流目標値が更新されると、出力電流の指令値ｉ^＊ _ｉｎｖの無効成分（無効電流の目標振幅値とＣＯＳ（θ_ｕｗ）との積で算出される値)の影響が小さくなるタイミングで出力電流ｉ_ｉｎｖが制御されるため、力率制御の応答性が向上するのみならず出力電流ｉ_ｉｎｖの安定性も向上するようになる。

その結果、力率制御部１５で生成された目標力率と無効電流帰還信号に基づいて無効電流制御部１６によって無効電流目標値が生成され、インバータ３から所望の逆潮流電流ｉ_ｓｐが適切に出力されるようになり、商用系統電圧の変動を適切に抑制できるようになる。

以下に、運転力率設定部２３について詳述する。
図５（ａ），（ｂ）に示すように、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１±ΔＶの範囲に入る標準状態で運転力率設定部２３により力率指令値が１に設定された後、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１‐ΔＶ以下に低下すると、低下抑制制御部により低下抑制変化量が算出され、それに基づいて力率指令値ＰＦ^＊が補正され、さらに力率制御部によって商用系統に遅相無効電流が供給されることにより商用系統電圧が上昇制御される。また、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１＋ΔＶ以上に上昇すると、上昇抑制制御部により上昇抑制変化量が算出され、それに基づいて力率指令値ＰＦ^＊が補正され、さらに力率制御部によって商用系統に進相無効電流が供給されることにより商用系統電圧が低下制御される。

そして、系統電圧低下時の抑制制御と系統電圧上昇時の抑制制御との間で制御状態が頻繁に変化しないように、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗ１０１±ΔＶの範囲でヒステリシス特性が実現されるように設定されている。力率指令値の下限値ＰＦ_ｍｉｎは０．８（８０％）に設定されている。尚、これらの制御が実行される閾値（実効値Ｅ_ｕｗ１０１±ΔＶ）は特に制限される値ではなく適宜設定される値で、単相三線式の商用系統電圧が１０１±６Ｖの範囲に規定される日本では、その範囲で設定すればよい。尚、本実施形態ではΔＶ＝３に設定されている。

力率制御部１５では各力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号ＰＦとから目標力率が算出され、当該目標力率と無効電流帰還信号に基づいて無効電流制御部１６によって無効電流目標値が生成され、インバータ３から所望の逆潮流電流ｉ_ｓｐが適切に出力される。その結果、パワーコンディショナＰＣが接続された直近の配電線の商用系統電圧の変動が抑制されるようになる。

低下抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎ（＝０．８）までの間で、商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値を補正するように構成され、上昇抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎ（＝０．８）までの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている。

図６（ａ）に示すように、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１‐ΔＶ以下になると、制御スイッチＳＷが０の位置に切り替わり、電圧低下抑制のための低下抑制変化量Δｙが算出され、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１＋ΔＶ以上になると、制御スイッチＳＷが１の位置に切り替わり、電圧上昇抑制のための上昇抑制変化量Δｙが算出される。商用系統電圧の実効値は、商用系統の数周期から数十周期の平均値が用いられる。

図６（ａ）で示す符号Ｅ^＊ _ｍｉｎは電圧低下抑制の整定値つまり１０１−２・ΔＶ（＝９５Ｖ）、符号Ｅ_ｍｉｎはｕ‐ｏとｗ‐ｏ間の電圧実効値の最小値、符号Ｅ^＊ _ｍａｘは電圧上昇抑制の整定値つまり１０１＋２・ΔＶ（＝１０７Ｖ）、符号Ｅ_ｍａｘはｕ‐ｏとｗ‐ｏ間の電圧実効値の最大値、Δｕは電圧上昇抑制の整定値Ｅ^＊ _ｍａｘとｕ‐ｏとｗ‐ｏ間の電圧実効値の最大値Ｅ_ｍａｘの差分である。

電圧低下抑制時の低下抑制変化量Δｙつまり補正量は、Ｅ_ｍｉｎとＥ^＊ _ｍｉｎの差分ΔＥ_ｍｉｎに１／（Ｅ_ｕｏ＋Ｅ_ｗｏ）を乗じて正規化した後に、急峻な変動を除去するローパスフィルタ処理し、比例ゲインＫｐを乗じ、さらにリミッターで上限を制限した値である。図６（ｂ）には、比例ゲインＫｐが０．５または１．０とした場合の低下抑制変化量Δｙが示されている。ここで、リミッターの上下限値はΔＶ／１０１に設定している。

電圧上昇抑制時の上昇抑制変化量Δｙつまり補正量は、Ｅ_ｍａｘとＥ^＊ _ｍａｘの差分ΔＥ_ｍａｘに１／（Ｅ_ｕｏ＋Ｅ_ｗｏ）を乗じて正規化した後に、急峻な変動を除去するローパスフィルタ処理し、比例ゲインＫｐを乗じ、さらにリミッターで上限を制限した値である。図６（ｃ）には、比例ゲインＫｐが０．５または１．０とした場合の上昇抑制変化量Δｙが示されている。ｆｃはローパスフィルタの遮断周波数である。

比例ゲインＫｐが小さければ小さいほど、電圧上昇・低下抑制の整定値の付近で上昇・低下抑制変化量Δｙが微小になりパワーコンディショナＰＣの運転力率が安定し、有効・無効電力の変動による商用系統電圧の抑制変動量も抑えることが可能になる。

商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに、低下抑制制御部によって商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎと計測された商用系統電圧の実効値との偏差に基づいた低下抑制変化量Δｙが算出されてその低下抑制変化量Δｙに従って力率指令値が設定され、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第２閾値電圧以上のときに、上昇抑制制御部によって商用系統電圧の上限Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいた上昇抑制変化量Δｙが算出されてその上昇抑制変化量Δｙに従って力率指令値ＰＦ^＊が設定される。何れも力率指令値ＰＦ^＊は予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎを下回ることはない。

上述の出力制限部１８は、上昇抑制変化量Δｙにより補正された力率指令値が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達したときに、無効電流制御部１６により出力される無効電流目標値を制限するように構成されている。また、商用系統電圧の上昇を抑制するための力率指令値ＰＦ^＊であり、その力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、出力制限部によって無効電流目標値が制限されることにより、商用系統電圧の上昇が抑制される。尚、低下抑制変化量Δｙにより補正された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達しても出力制限部１８による無効電流目標値は制限されることがない。

〔数８〕に上昇・抑制変化量Δｙを反映した商用系統電圧低下抑制のための力率指令値ＰＦ^＊の演算式を示す。

出力電力Ｐ_ｕｗと定格皮相電力Ｓ_{ｕｗ.ｒａｔｅｄ}との割合から定格時の運転力率係数aを求め、力率下限値ＰＦ_ｍｉｎと比較して、運転力率係数ａと力率下限値ＰＦ_ｍｉｎとの最大値を求める。運転力率係数ａと力率下限値ＰＦ_ｍｉｎとの最大値を求める理由は、出力制限の制御を行わずに遅れ電力を供給し、力率下限値ＰＦ_ｍｉｎ（＝０．８）まで変更できるようにするためである。商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが１０１‐ΔＶ（＝９８Ｖ）以上になると力率指令値ＰＦ^＊が運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔに戻る。尚、運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔの範囲は、力率下限値ＰＦ_ｍｉｎから１までの間の値に設定可能に構成されている。

図７には、〔数８〕及び〔数９〕に基づく系統電圧上昇抑制のための力率指令値の演算フローが示されている。系統電圧上昇抑制制御の整定値１０１＋２・ΔV（＝１０７Ｖ）とフィードバック値の差分Δｕが負であれば抑制動作を行ない（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）、逆であれば抑制解除を行なう（Ｓ１，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７）。ここで，電圧上昇抑制動作を行う場合，運転力率を下限値（０．８）まで下げて電圧上昇分を抑制する。この時、商用系統電圧が上昇すると出力制限のためのリミッター値Ｉ_ｌｉｍ（図３（ｂ）参照）を下げて出力電力を抑制する。また，電圧上昇抑制解除を行なう場合には出力制限を解除してから運転力率を運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔに戻すように構成されている。また、出力制限のためのリミッター値Ｉ_ｌｉｍが力率下限値ＰＦ_ｍｉｎより大きければ、〔数８〕と〔数９〕を用いて出力制限のためのリミッター値Ｉ_ｌｉｍ及び力率指令値ＰＦ^＊を運転力率整定値ＰＦ_ｃｓｔまで戻して運転力率の一定制御を行なう。

図８には、抑制制御ループの比例ゲインＫｐを可変に設定される構成が示されている。
図６（ａ）に示した制御ブロックの抑制電圧の指令値Ｅ^＊の±Ｘ%の範囲で、それぞれの比例ゲインＫｐの値の変更ができるように構成されていることが好ましい。商用系統電圧の上昇抑制動作または低下抑制動作及びその解除の速さを比例ゲインＫｐの値で調整することができるようになり、抑制指令値の付近でシステムの安定性を向上するために比例ゲインＫｐの値を下げることもできるためである。尚、比例ゲインＫｐ、Ｘの値は実験等によって適宜設定される値である。本実施形態ではＫ１＝０．５、Ｋ２＝０．２５、Ｋ３＝１、Ｘ＝５に設定されている。

つまり、低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積により求められ、比例ゲインＫｐが差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられ、上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍａｘと比例ゲインＫｐとの積により求められ、比例ゲインＫｐが差分ΔＥ _ｍａｘ の大小に基づいて大小に替えられるように構成されている。

つまり、本発明によるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御方法は、商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から上述した〔数３〕で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定ステップと、商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理ステップと、逆潮流電流推定ステップで推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理ステップと、第１のＰＬＬ処理ステップ及び第２のＰＬＬ処理ステップから出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成ステップと、前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御ステップと、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御ステップを含む運転力率設定ステップと、前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、前記力率制御ステップで生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御ステップと、を備えている。

そして、低下抑制変化量により補正された力率指令値は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値を補正するように構成される。また、上昇抑制変化量により補正された力率指令値は、予め設定された力率下限値までの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている。

さらに、上昇抑制制御ステップにより設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値を制限する出力制限ステップを備えている。

運転力率制御ステップは、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御ステップと、ＰＩ制御ステップで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める上述した〔数４〕で定まる係数を生成し、力率指令値に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成ステップを備えて構成されている。

以上説明したように、系統電圧抑制制御装置は、予め商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗに第１閾値電圧及び第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を設定し、第１閾値電圧と第２閾値電圧との間をヒステリシス領域として、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに、遅相電力の供給のみにより商用系統電圧の低下を抑制する系統電圧低下抑制モードで前記インバータを制御し、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第２閾値電圧以上のときに、進相電力の供給及び／または有効電力の低減により商用系統電圧の上昇を抑制する系統電圧上昇抑制モードで前記インバータを制御するように構成されている。

上述の各実施形態は本発明によるパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置及び制御方法の一例に過ぎず、各構成ブロックの具体的な構成（ハードウェアやソフトウェア）や各種の数値等は本発明による作用効果が奏される範囲で適宜変更設計することも可能であることはいうまでもない。

１：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：ＬＣフィルタ
１０：系統電圧抑制制御装置
１１：逆潮流電流推定部
１２：第１のＰＬＬ処理部
１３：第２のＰＬＬ処理部
１４：帰還信号生成部
１５：力率制御部
１６：無効電流制御部
１７：直流電圧制御部
１８：出力制限部
１９：無効電力生成部
２０：有効電力生成部
２１：インバータ制御部
２２：ＰＷＭ制御部
２３：運転力率設定部
１００：分散型電源（太陽電池発電装置）
ＰＣ：パワーコンディショナ
ＳＰ：太陽電池パネル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：インバータ装置に備えたスイッチ素子

Claims (15)

1. 直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置であって、
   予め商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗに第１閾値電圧及び第１閾値電圧より高い第２閾値電圧を設定し、前記第１閾値電圧と前記第２閾値電圧との間をヒステリシス領域として、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧以下のときに、遅相電力の供給のみにより商用系統電圧の低下を抑制する系統電圧低下抑制モードで前記インバータを制御し、商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが前記第２閾値電圧以上のときに、進相電力の供給及び／または有効電力の低減により商用系統電圧の上昇を抑制する系統電圧上昇抑制モードで前記インバータを制御するように構成されている系統電圧抑制制御装置。
2. 直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御装置であって、
   商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から
   
   で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定部と、
   商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理部と、
   前記逆潮流電流推定部で推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理部と、
   前記第１のＰＬＬ処理部及び第２のＰＬＬ処理部から出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成部と、
   前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御部と、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御部を含む運転力率設定部と、
   前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定部で設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御部と、
   前記力率制御部で生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御部と、
   を備えている系統電圧抑制制御装置。
3. 前記低下抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、前記商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成され、
   前記上昇抑制制御部は、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている請求項２記載の系統電圧抑制制御装置。
4. 前記上昇抑制制御部により設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御部により出力される無効電流目標値を制限する出力制限部を備えている請求項３記載の系統電圧抑制制御装置。
5. 前記力率制御部は、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御部と、前記ＰＩ制御部で生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _ｒｅａｌから無効電力を求める係数
   
   を生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成部を備えて構成されている請求項２から４の何れかに記載の系統電圧抑制制御装置。
6. 前記無効電流制御部により出力される無効電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定され、測定した逆潮流電流ｉ_ｓｐの無効成分が逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値の最大値の近傍時期で変化するように構成されている請求項２から５の何れかに記載の系統電圧抑制制御装置。
7. 前記低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられ、前記上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍａｘと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられるように構成されている請求項２から６の何れかに記載の系統電圧抑制制御装置。
8. 直流発電電力を交流電力に変換して商用系統と連系するインバータと、前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備えたパワーコンディショナの系統電圧抑制制御方法であって、
   商用系統電圧ｅ_ｕｗ、ＬＣフィルタのコンデンサ電流ｉ_ｃ、コンデンサ容量Ｃ_ｆ、内部抵抗Ｒ_ｃとして、インバータ出力電流ｉ_ｉｎｖの計測値から
   
   で求まるコンデンサ電流ｉ_ｃを減算することによりパワーコンディショナから商用系統電源に出力される逆潮流電流ｉ_ｓｐを推定する逆潮流電流推定ステップと、
   商用系統電圧ｅ_ｕｗの計測値から商用系統電圧ｅ_ｕｗの位相角度θ_ｕｗを出力する第１のＰＬＬ処理ステップと、
   前記逆潮流電流推定ステップで推定された逆潮流電流ｉ_ｓｐから逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相角度θ_ｓｐを出力する第２のＰＬＬ処理ステップと、
   前記第１のＰＬＬ処理ステップ及び第２のＰＬＬ処理ステップから出力される位相角度から得られる商用系統電圧ｅ_ｕｗと逆潮流電流ｉ_ｓｐの位相差Δφ（θ_ｕｗ−θ_ｓｐ）に基づいて、力率帰還信号及び無効電流帰還信号を生成する帰還信号生成ステップと、
   前記商用系統電圧の実効値Ｅ_ｕｗが第１閾値電圧以下のときに商用系統電圧の低下を抑制する低下抑制変化量を求める低下抑制制御ステップと、前記実効値Ｅ_ｕｗが前記第１閾値電圧より高い第２閾値電圧以上のときに商用系統電圧の上昇を抑制する上昇抑制変化量を求める上昇抑制制御ステップを含む運転力率設定ステップと、
   前記力率帰還信号に基づいて逆潮流電力の力率が前記運転力率設定ステップで設定された力率指令値に収束するように目標力率を生成する力率制御ステップと、
   前記力率制御ステップで生成された目標力率と前記無効電流帰還信号に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御部に無効電流目標値を出力する無効電流制御ステップと、
   を備えている系統電圧抑制制御方法。
9. 前記低下抑制制御ステップは、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、前記商用系統電圧の下限許容電圧Ｅ^＊ _ｍｉｎに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した低下抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成され、
   前記上昇抑制制御ステップは、予め設定された力率下限値ＰＦ_ｍｉｎまでの間で、上限許容電圧Ｅ^＊ _ｍａｘに対する商用系統電圧の偏差に基づいて算出した上昇抑制変化量Δｙにより現在の力率指令値ＰＦ^＊を補正するように構成されている請求項８記載の系統電圧抑制制御方法。
10. 前記上昇抑制制御ステップにより設定された力率指令値ＰＦ^＊が力率下限値ＰＦ_ｍｉｎに達すると、前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値を制限する出力制限ステップを備えている請求項９記載の系統電圧抑制制御方法。
11. 前記運転力率制御ステップは、力率指令値ＰＦ^＊と力率帰還信号の偏差に基づいて補正値を生成するＰＩ制御ステップと、前記ＰＩ制御ステップで生成された補正値に力率指令値ＰＦ^＊を加算して得られる力率目標値ＰＦ^＊ _realから無効電力を求める係数
    
    を生成し、力率指令値ＰＦ^＊に従って当該係数に進相または遅相を示す符号を付加する係数生成ステップを備えて構成されている請求項８から１０の何れかに記載の系統電圧抑制制御方法。
12. 前記無効電流制御ステップにより出力される無効電流目標値の更新時期は、商用系統周波数の半周期毎であって逆潮流電流ｉ_ｓｐの絶対値が最大値を示す時期またはその近傍時期に設定されている請求項８から１１の何れかに記載のパワーコンディショナの系統電圧抑制制御方法。
13. 前記低下抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧低下抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍｉｎと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられ、前記上昇抑制変化量Δｙは、少なくとも電圧上昇抑制の整定値と商用系統電圧との差分ΔＥ_ｍａｘと比例ゲインＫｐとの積により求められ、前記比例ゲインＫｐが前記差分ΔＥ_ｍｉｎの大小に基づいて大小に替えられるように構成されている請求項８から１２の何れかに記載の系統電圧抑制制御装置。
14. 系統連系運転前に運転力率を設定する運転力率設定ステップを備え、
    系統連系運転時に、系統電圧抑制制御を解除した直後に前記運転力率設定ステップで設定された運転力率で系統連系運転するように構成されている請求項８から１３の何れかに記載の系統電圧抑制制御方法。
15. 請求項１から７の何れかに記載の系統電圧抑制制御装置が組み込まれて構成されているパワーコンディショナ。