JP2017038477A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数台の電力変換器の系統側インバータ同士及び発電機側コンバータ同士のＰＷＭ同期を可能にした電力変換装置を提供する。【解決手段】風力発電機１に接続された発電機側コンバータ２と、電力系統１０に連系された系統側インバータ４と、これらをＰＷＭ制御する制御装置２０と、電圧または電流検出器２１〜２５と、を有するマスター電力変換器３０及びスレーブ電力変換器３１を備え、これらの電力変換器３０，３１が並列運転される電力変換装置において、スレーブ電力変換器３１の制御装置２０は、自己の発電機側コンバータ用キャリアを変化させることにより、マスター電力変換器３０の発電機側コンバータ用キャリアと同期させる。また、制御装置２０内の単一の演算処理装置は、発電機側コンバータ２及び系統側インバータ４用のサンプリング周波数を共有する。【選択図】図４

Description

本発明は、並列運転される複数台の電力変換器を備えた電力変換装置、例えば、風力発電機を電力系統に連系するマスター電力変換器及びスレーブ電力変換器を備えた風力発電用電力変換装置において、電力変換器間のＰＷＭキャリアを同期させる技術に関するものである。

近年、風力発電が普及し、発電効率の向上のために風力発電用電力変換装置の大容量化が進んでいる。この風力発電用電力変換装置において、風力発電機と電力系統との間に設置される電力変換器は発電機側コンバータと系統側インバータとを備えており、風力発電機から出力される交流電圧を発電機側コンバータにより直流電圧に変換し、更に系統側インバータにより所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して電力系統に供給している。

周知のように、系統側インバータの連系運転では、系統側インバータのスイッチング周波数と系統周波数とが非同期状態であると高調波電流が発生する。この高調波電流は系統電圧をひずませ、電気機器に高調波障害を発生させるため、系統側インバータのスイッチング周波数は系統周波数と同期させる必要がある。
なお、系統側インバータは通常、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御されるため、系統側インバータのスイッチング周波数と系統周波数とを同期させることを、ＰＷＭ同期ともいう。また、ＰＷＭ制御されるインバータ、コンバータ等のスイッチング周波数（キャリア周波数）を同期させることも、同様にＰＷＭ同期という。

一方、設備の大容量化のために、複数台、例えば２台の電力変換器を並列運転する場合には、各電力変換器の系統側インバータ同士も同期させる必要がある。また、電力変換器を多重化する場合、風力発電機を多重巻線構造にして各電力変換器を絶縁する方法が採られるが、インピーダンス結合の影響から発電機内にて各電力変換器が互いに干渉し合い、風力発電機の電流制御が不可能になる場合がある。
このため、発電機−電力変換器間にリアクトルを挿入するか、２台の発電機側コンバータをＰＷＭ同期させて干渉を緩和することが考えられるが、コストを低減する観点からはＰＷＭ同期させる方法が望ましい。従って、結果的には、２台の電力変換器を構成する発電機側コンバータ同士及び系統側インバータ同士を、何れもＰＷＭ同期させる必要がある。

ここで、電力変換装置におけるＰＷＭ同期に関する従来技術としては、特許文献１に記載されたものが知られている。
この従来技術は、タンデム運転される多重巻線電動機の巻線ごとにＰＷＭインバータから駆動電流をそれぞれ供給する可変速駆動システムにおいて、電動機の速度検出信号を取り込む１台のインバータをマスターインバータ、他の全てのインバータをスレーブインバータとし、マスターインバータは、速度指令及び速度検出信号に応じた速度制御、電流制御、ＰＷＭ制御を行うと共に、これらの制御における速度信号または位相信号と電流制御信号及びＰＷＭ同期基準信号を全てのスレーブインバータに一括してシリアル送信し、スレーブインバータは、受信したＰＷＭ同期基準信号に従って発振周波数を制御するＰＬＬ（phase looked loop）回路を用いて自己のＰＷＭ制御を行い、かつ、ＰＷＭ制御に同期したタイミングで位相制御及び電流制御を行うものである。

特開２００７−２９５６４７号公報（段落［００２３］〜［００５２］図１）

この種の風力発電用電力変換装置では、単一の演算処理装置（マイクロコンピュータ)により、電圧、電流等のサンプリング周波数を共有しながら２台のコンバータ（発電機側コンバータ及び系統側インバータ）を制御することが望ましく、しかも、前述したように、並列運転される２台の電力変換器の発電機側コンバータ同士及び系統側インバータ同士をＰＷＭ同期させることが求められる。

複数台のコンバータ同士をＰＷＭ同期させる方法としては、特許文献１に記載されているように、ＰＬＬ回路を用いてスイッチング周波数を制御することが有効である。しかしながら、２台の系統側インバータ同士をＰＬＬ制御によりＰＷＭ同期させた場合、系統側インバータとはスイッチング周波数が異なる２台の発電機側コンバータ同士のＰＷＭ同期を実現できない場合がある。

そこで、本発明の解決課題は、複数台の電力変換器におけるＰＬＬ制御による系統側インバータ同士のＰＷＭ同期に影響を及ぼすことなく、また、系統側インバータとの同期関係を保持しつつ発電機側コンバータ用キャリアのみを変化させることで、発電機側コンバータ同士のＰＷＭ同期を可能にした電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、発電機から出力される交流電圧を直流電圧に変換する発電機側コンバータと、前記発電機側コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電力系統に連系させる系統側インバータと、前記発電機側コンバータ及び前記系統側インバータをＰＷＭ制御する制御装置と、前記発電機側コンバータの入力電圧・入力電流をサンプリングする手段と、前記系統側インバータの出力電圧・出力電流をサンプリングする手段と、を有する電力変換器を複数台備え、これら複数台の電力変換器が並列運転される電力変換装置において、
前記制御装置は、
自己の発電機側コンバータ用キャリアを変化させることにより、並列運転される全ての電力変換器の発電機側コンバータ用キャリアを同期させるものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、前記制御装置は、前記発電機側コンバータ及び前記系統側インバータを同期させてＰＷＭ制御するための単一の演算処理装置を備え、前記演算処理装置が、前記発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と前記系統側インバータ用のサンプリング周波数とを共有していることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項２に記載した電力変換装置において、前記演算処理装置は、自己の系統側インバータ用キャリアを、ＰＬＬ制御により他の電力変換器の系統側インバータ用キャリアと同期させると共に、自己の発電機側コンバータ用キャリアを、前記サンプリング周波数との同期を保持しつつ、他の電力変換器の発電機側コンバータ用キャリアと同期させるものである。

本発明によれば、並列運転される複数台の電力変換器の系統側インバータ用キャリア及び発電機側コンバータ用キャリアをすべてＰＷＭ同期させることができる。これにより、電力系統の高調波電流の抑制が可能になり、系統電圧のひずみを低減して電気機器に対する高調波障害を抑制することができる。また、多重巻線を有する発電機内のインピーダンス結合を抑制し、各電力変換器の相互干渉を軽減して発電機の所望の電流制御が可能になる等の効果を有する。

本発明の実施形態に係る風力発電用電力変換装置の構成図である。 サンプリング用カウンタの動作と発電機側コンバータ用キャリア及び系統側インバータ用キャリアの関係を示す図である。 発電機側コンバータ用キャリアの同期外れのパターンを示す図である。 本発明の実施形態においてＰＷＭ同期を行う際の動作説明図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る風力発電用電力変換装置の構成図である。この風力発電用電力変換装置は、風力発電機１と電力系統２０との間に並列に接続されたマスター電力変換器３０とスレーブ電力変換器３１とからなるものである。なお、両電力変換器３０，３１の構成は同一である。

図１において、三相交流電圧を出力する風力発電機１にはマスター電力変換器３０の発電機側コンバータ２が接続され、その出力側には直流中間コンデンサ３が接続されている。直流中間コンデンサ３の両端は系統側インバータ４の直流入力側に接続され、系統側インバータ４の交流出力側には、フィルタリアクトル５及びフィルタコンデンサ６を介して電力系統１０が接続されている。

風力発電機１は、巻線が互いに絶縁されている多重巻線型の同期発電機であり、一方の巻線に前記マスター電力変換器３０が接続され、他方の巻線にスレーブ電力変換器３１が接続されている。更に、電力系統１０に対しては、マスター電力変換器３０及びスレーブ電力変換器３１の出力側が非絶縁にて一括して接続されている。

両電力変換器３０，３１内の発電機側コンバータ２及び系統側インバータ４は、何れもＰＷＭ制御されるものであり、コンバータ２及びインバータ４は、例えば、還流ダイオードが逆並列接続されたＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子を三相ブリッジ接続してそれぞれ構成されている。ここで、系統側インバータ４は、直流中間回路の直流電圧を三相交流電圧に変換して電力系統１０に連系させるように動作する。

発電機側コンバータ２及び系統側インバータ４をＰＷＭ制御する制御装置２０には、電圧検出器２１による発電機側電圧検出値ａと、電流検出器２２による発電機側電流検出値ｂと、電圧検出器２３による直流電圧検出値ｃと、電流検出器２４による系統側電流検出値ｄと、電圧検出器２５による系統側電圧検出値ｅと、が入力されており、これらに基づいて制御装置２０内の演算処理装置（図示せず）により生成された発電機側コンバータ電圧指令ｆが発電機側コンバータ２に与えられ、系統側インバータ電圧指令ｇが系統側インバータ４に与えられている。

この実施形態では、マスター電力変換器３０及びスレーブ電力変換器３１のそれぞれにおいて、制御装置２０内の一つのマイクロコンピュータによって発電機側コンバータ２及び系統側インバータ４を制御しており、電圧、電流等の同一のサンプリング周波数を発電機側コンバータ２及び系統側インバータ４が共有している。このため、サンプリング周波数に対して、発電機側コンバータ２のキャリア周波数及び系統側インバータ４のキャリア周波数は同期関係にある。
なお、両電力変換器３０，３１の制御装置２０，２０同士は、マスタースレーブ間通信手段３２により通信可能となっている。

以下、この実施形態の動作を、図２〜図４を参照しつつ詳述する。
図２は、サンプリング信号を生成するサンプリング用カウンタの動作と、ＰＷＭ制御用の発電機側コンバータ用キャリア及び系統側インバータ用キャリアとの関係を示す図である。ここでは、サンプリング信号に対して系統側インバータ用キャリアは２倍の周期、発電機側コンバータ用キャリアは４倍の周期とする。

図示するように、サンプリング用カウンタ及び系統側インバータ用キャリアはゼロを中心とした上下対称の波形であるのに対して、発電機側コンバータ用キャリアはゼロを基準とした上方向のみのキャリアである。このため、サンプリング用カウンタのピーク値に対して、サンプリング用カウンタに基づいて生成される系統側インバータ用キャリアのピーク値は２倍、同じく発電機側コンバータ用キャリアのピーク値は８倍となる。

いま、図２に示すごとく、マスター電力変換器３０とスレーブ電力変換器３１との間で、系統側インバータ用キャリア同士はＰＬＬ制御により同期がとられているが、発電機側コンバータ用キャリア同士は非同期である場合について考察する。
サンプリング用カウンタは系統側インバータ用キャリア及び発電機側コンバータ用キャリアと同期関係にあるので、サンプリング用カウンタを変化させると系統側インバータ用キャリア及び発電機側コンバータ用キャリアの両者に影響が及ぶ。従って、両電力変換器３０，３１の発電機側コンバータ用キャリア同士を同期させるためにサンプリング用カウンタのピーク値を変化させると、両電力変換器３０，３１の系統側インバータ用キャリア同士の同期が外れてしまうことになる。

すなわち、両電力変換器３０，３１の発電機側コンバータ用キャリア同士を同期させる（発電機側コンバータ同士をＰＷＭ同期させる）ために、サンプリング用カウンタのピーク値を変化させることはできない。
そこで、この実施形態では、スレーブ電力変換器３１の発電機側コンバータ用キャリアを、サンプリング用カウンタのピーク値の整数倍で変化させることにより、両電力変換器３０，３１の発電機側コンバータ用キャリア同士を同期させる。

スレーブ電力変換器３１において、発電機側コンバータ用キャリアのボトムの時点は系統側インバータ用キャリアのゼロクロス点と一致することから、同期外れのパターンは、全６パターンに限定することができ、更に、発電機側コンバータ用キャリアがボトムである時の系統側インバータ用キャリアのカウント方向（アップカウントまたはダウンカウント）に応じて３パターンずつに分けることができる。

図３は、両電力変換器３０，３１の発電機側コンバータ用キャリア同士が非同期である時のパターン図である。なお、以下の説明及び図３においては、マスター電力変換器３０の発電機側コンバータ用キャリアをマスター発電機側コンバータ用キャリアといい、スレーブ電力変換器３１の発電機側コンバータ用キャリアをスレーブ発電機側コンバータ用キャリアというものとする。
（１）マスター発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に、系統側インバータ用キャリアが“ダウンカウント中”の場合（図３（Ａ））
・パターン１：マスター発電機側コンバータ用キャリアに対して、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアの位相が９０度遅れ（スレーブ発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“アップカウント中”）の場合
・パターン２：マスター発電機側コンバータ用キャリアに対して、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアの位相が１８０度遅れ（スレーブ発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“ダウンカウント中”）の場合
・パターン３：マスター発電機側コンバータ用キャリアに対して、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアの位相が２７０度遅れ（スレーブ発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“アップカウント中”）の場合

（２）マスター発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に、系統側インバータ用キャリアが“アップカウント中”の場合（図３（Ｂ））
・パターン４：マスター発電機側コンバータ用キャリアに対して、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアの位相が９０度遅れ（スレーブ発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“ダウンカウント中”）の場合
・パターン５：マスター発電機側コンバータ用キャリアに対して、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアの位相が１８０度遅れ（スレーブ発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“アップカウント中”）の場合
・パターン６：マスター発電機側コンバータ用キャリアに対して、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアの位相が２７０度遅れ（スレーブの発電機側コンバータ用キャリアボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“ダウンカウント中”）の場合

この実施形態では、マスター発電機側コンバータ用キャリア及びスレーブ発電機側コンバータ用キャリアの各ボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向（アップカウントまたはダウンカウント）が一致している場合、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値を、サンプリング用カウンタのピーク値の８倍の状態から６倍の状態に２周期間、変更する。
また、マスター及びスレーブ発電機側コンバータ用キャリアの各ボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向が異なる場合には、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値を、サンプリング用カウンタのピーク値の８倍の状態から７倍の状態に２周期間、変更する。

図４は、上記の方法により、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値を２周期間変化させた時の波形を示しており、図４（Ａ）はマスター発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“ダウンカウント中”の場合、図４（Ｂ）はマスター発電機側コンバータ用キャリアがボトムの時に系統側インバータ用キャリアが“アップカウント中”の場合である。

例えば、図４（Ａ）では、スレーブ発電機側コンバータ用キャリア（パターン２）のボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向がダウンカウントであり、マスター発電機側コンバータ用キャリアのボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向と一致するので、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値をサンプリング用カウンタのピーク値の８倍の状態から６倍の状態に２周期間、変更する。これにより、時刻Ｔａにてマスター発電機側コンバータ用キャリアとスレーブ発電機側コンバータ用キャリアとの同期が完了する。

同様に、図４（Ｂ）では、スレーブ発電機側コンバータ用キャリア（パターン５）のボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向がアップカウントであり、マスター発電機側コンバータ用キャリアのボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向と一致するので、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値をサンプリング用カウンタのピーク値の８倍の状態から６倍の状態に２周期間、変更する。これにより、時刻Ｔｂにてマスター発電機側コンバータ用キャリアとスレーブ発電機側コンバータ用キャリアとの同期が完了する。

また、図４（Ａ）では、スレーブ発電機側コンバータ用キャリア（パターン１）のボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向がアップカウントであり、マスター発電機側コンバータ用キャリアのボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向と異なるので、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値をサンプリング用カウンタのピーク値の８倍の状態から７倍の状態に２周期間、変更する。これにより、時刻Ｔａにてマスター発電機側コンバータ用キャリアとスレーブ発電機側コンバータ用キャリアとの同期が完了する。

同様に、図４（Ｂ）では、スレーブ発電機側コンバータ用キャリア（パターン４）のボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向がダウンカウントであり、マスター発電機側コンバータ用キャリアのボトムにおける系統側インバータ用キャリアのカウント方向と異なるので、スレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値をサンプリング用カウンタのピーク値の８倍の状態から７倍の状態に２周期間、変更する。これにより、時刻Ｔｂにてマスター発電機側コンバータ用キャリアとスレーブ発電機側コンバータ用キャリアとの同期が完了する。

以上のようにしてスレーブ発電機側コンバータ用キャリアのピーク値を変化させることにより、同期外れのパターン１，２，４，５については、マスター発電機側コンバータ用キャリアとスレーブ発電機側コンバータ用キャリアとを同期させることができる。

また、パターン３については、一旦、図４（Ａ）のパターン１と同様のキャリアパターンを実行すれば、時刻Ｔａ’において、もともとマスター発電機側コンバータ用キャリアに対して位相が１８０度遅れていたパターン２と同じになる。このため、時刻Ｔａ’以後に図４（Ａ）のパターン２と同様のキャリアパターンを実行すれば、その後にマスター発電機側コンバータ用キャリアと同期させることができる。

同様にして、パターン６については、一旦、図４（Ｂ）のパターン４と同様のキャリアパターンを実行すれば、時刻Ｔｂ’において、もともとマスター発電機側コンバータ用キャリアに対して位相が１８０度遅れていたパターン５と同様になる。従って、時刻Ｔｂ’以後に図４（Ｂ）のパターン５と同様のキャリアパターンを実行すれば、その後にマスター発電機側コンバータ用キャリアと同期させることが可能である。

以上のように本実施形態によれば、並列運転されるマスター電力変換器３０及びスレーブ電力変換器３１の系統側インバータ用キャリア及び発電機側コンバータ用キャリアをすべてＰＷＭ同期させることができ、電力系統１０の高調波電流や系統電圧のひずみを低減することができる。

本発明は、上記実施形態に限定されず、マスター電力変換器と複数台のスレーブ電力変換器とを並列運転する電力変換装置にも適用することができる。言い換えれば、並列運転される電力変換器の台数に制約はない。また、電力変換装置の用途は、風力発電用に何ら限定されるものではない。

１ 風力発電機
２ 発電機側コンバータ
３ 直流中間コンデンサ
４ 系統側インバータ
５ フィルタリアクトル
６ フィルタコンデンサ
１０ 電力系統
２０ 制御装置
２１，２３，２５ 電圧検出器
２２，２４ 電流検出器
３０ マスター電力変換器
３１ スレーブ電力変換器
３２ マスタースレーブ間通信手段
ａ 発電機側電圧検出値
ｂ 発電機側電流検出値
ｃ 直流電圧検出値
ｄ 系統側電流検出値
ｅ 系統側電圧検出値
ｆ 発電機側コンバータ電圧指令
ｇ 系統側インバータ電圧指令

Claims (3)

1. 発電機から出力される交流電圧を直流電圧に変換する発電機側コンバータと、前記発電機側コンバータから出力される直流電圧を交流電圧に変換して電力系統に連系させる系統側インバータと、前記発電機側コンバータ及び前記系統側インバータをＰＷＭ制御する制御装置と、前記発電機側コンバータの入力電圧・入力電流をサンプリングする手段と、前記系統側インバータの出力電圧・出力電流をサンプリングする手段と、を有する電力変換器を複数台備え、これら複数台の電力変換器が並列運転される電力変換装置において、
   前記制御装置は、
   自己の発電機側コンバータ用キャリアを変化させることにより、並列運転される全ての電力変換器の発電機側コンバータ用キャリアを同期させることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載した電力変換装置において、
   前記制御装置は、
   前記発電機側コンバータ及び前記系統側インバータを同期させてＰＷＭ制御するための単一の演算処理装置を備え、
   前記演算処理装置が、前記発電機側コンバータ用のサンプリング周波数と前記系統側インバータ用のサンプリング周波数とを共有していることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載した電力変換装置において、
   前記演算処理装置は、
   自己の系統側インバータ用キャリアを、ＰＬＬ制御により他の電力変換器の系統側インバータ用キャリアと同期させると共に、自己の発電機側コンバータ用キャリアを、前記サンプリング周波数との同期を保持しつつ、他の電力変換器の発電機側コンバータ用キャリアと同期させることを特徴とする電力変換装置。

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