JP2020005395A - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】制御干渉等を生じさせることなく、発電機動揺を早期に収束させることができる電力変換システムを提供する。【解決手段】この電力変換システムは、三相の電力系統に連系される電力変換システムであって、前記電力系統に連系する発電機が出力する第１無効電力の動揺成分を抽出し、その動揺成分に対応する指令信号を出力する制御部と、前記指令信号に従って、前記第１無効電力の動揺成分を相殺する第２無効電力を生成して前記電力系統に出力する電力変換部とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換システムに係る。

電力系統は、主として、各種エネルギー源を電力に変換する発電機と、該電力を需要地まで送電する送配電網と、電力を消費する負荷とにより構成される。発電機には、流水の運動エネルギーを電気エネルギーに変換する水力発電機や、化石燃料の燃焼で得る熱エネルギーで蒸気を生成してその膨張力によりタービンを回転させ電力を生成する火力発電機などがある。

数１０〜数１００ＭＷの電力を出力する大規模水力発電所は、その水資源確保のため山間に建設されることが多い。また、火力発電所は大気汚染回避のため都市部から離れた場所に建設されることが多い。このように、大規模発電所は電力消費地から離れた場所に建設されることが多い。

一方、長い送電路を有する送配電網を介して大電力を送電すると、落雷などの擾乱発生後に発電機の動揺が起き易くなり、場合によっては発電機が不安定な状態すなわち動揺状態に陥る虞がある。発電機の安定化には回線数の増加を含む送電線増強が有効であるが、コストが高く、またリードタイムが長いことが問題である。

これに対し、電力系統の電圧及び送電線を流れる有効電力を入力とし、電力系統を安定化する無効電力を出力する無効電力補償装置が、例えば特許文献１で開示されている。この特許文献１の装置は、電力系統の電圧を検出して所定値との偏差を低減する無効電力を算出する演算器と、電力系統から流出する有効電力の脈動（動揺成分）のうち所定周波数成分を抽出し、該有効電力の振動成分に比例した無効電力指令信号を算出する演算器とを備える。

特許文献１では、電力系統の電圧を検出して補償無効電力を算出する。このため、発電機の直近に無効電力補償装置が設置されると、その無効電力補償装置が、発電機の出力電圧を検出して界磁電流を制御するＡＶＲと制御干渉する虞がある。制御干渉は制御の不安定化や不適切な無効電力出力による補償効果の低下を招く。無効電力保障装置が発電機から離れて配置される場合においても、電力系統の電圧を所定の電圧に制御するＳＶＣが同一系統に接続される場合には、やはり同様に制御干渉が生じる虞がある。

特開平０９−２５２５３７号公報

本発明は、制御干渉等を生じさせることなく、発電機動揺を早期に収束させることができる電力変換システムを提供することを目的とする。

本発明に係る電力変換システムは、三相の電力系統に連系される電力変換システムであって、前記電力系統に連系する発電機が出力する第１無効電力の動揺成分を抽出し、その動揺成分に対応する指令信号を出力する制御部と、前記指令信号に従って、前記第１無効電力の動揺成分を相殺する第２無効電力を生成して前記電力系統に出力する電力変換部と
を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、制御干渉等を生じさせることなく、発電機動揺を早期に収束させることができる電力変換システムを提供することができる。

第１の実施の形態に係る電力変換システムの電力変換装置１を、発電システム３及び電力系統５とともに示すシステム構成図である。 第１の実施の形態の波形制御器２０００の詳細なブロック図である。 第１の実施の形態の効果を説明するグラフである。 第１の実施の形態の変形例を示す。 第２の実施の形態に係る電力変換システムの電力変換装置１ａを、発電システム３及び電力系統５とともに示すシステム構成図である。 第２の実施の形態の波形制御器２０００ａの詳細なブロック図である。 第３の実施の形態に係る電力変換システムの電力変換装置１ｂを、発電システム３及び電力系統５とともに示すシステム構成図である。

以下、添付図面を参照して本実施形態について説明する。添付図面では、機能的に同じ要素は同じ番号で表示される場合もある。なお、添付図面は本開示の原理に則った実施形態と実装例を示しているが、これらは本開示の理解のためのものであり、決して本開示を限定的に解釈するために用いられるものではない。本明細書の記述は典型的な例示に過ぎず、本開示の特許請求の範囲又は適用例を如何なる意味においても限定するものではない。

本実施形態では、当業者が本開示を実施するのに十分詳細にその説明がなされているが、他の実装・形態も可能で、本開示の技術的思想の範囲と精神を逸脱することなく構成・構造の変更や多様な要素の置き換えが可能であることを理解する必要がある。従って、以降の記述をこれに限定して解釈してはならない。

［第１の実施の形態］
図１を参照して、第１の実施の形態に係る電力変換システムを説明する。
図１は、第１の実施の形態に係る電力変換システムに係る電力変換装置１を、発電システム３及び電力系統５（以下、「系統５」という）とともに示すシステム構成図である。電力変換装置１は三相の交流系統である系統５に接続され、該系統５には、三相の発電システム３が接続されている。電力変換装置１は、後述するように、発電システム３から出力される無効電力の動揺成分を検出し、それを相殺するような無効電力を系統５に向けて出力し、これにより系統５の安定化を行うものである。

発電システム３は、発電機３０１を備えている。発電機３０１は、タービン３０２より駆動トルクを得て、励磁装置３０３により励磁されることにより、タービン３０２の回転エネルギーを電気エネルギーに変換して出力電圧を得る回転型発電機である。発電機３０１の出力端子である固定子巻線（図示せず）は昇圧変圧器３０４を介して系統５に電気的に接続される。

発電システム３は、図示しないガバナ制御器および図示しないタービン駆動力調整機構を備え、発電指令と一致するようにタービン駆動力調整力を調整可能に構成されている。また、発電機３０１の出力電圧は電圧センサ３０５により検出される。電圧センサ３０５の検出値ＶＧは、励磁装置演算器３０６に入力される。励磁装置演算器３０６は、検出値ＶＧが定格電圧近傍の所定の値に一致するよう、励磁装置３０３へ入力する出力電流指令信号Ｄｉを算出する。励磁装置３０３は、与えられた出力電流指令信号Ｄｉに一致するよう、出力電流Ｉｆｍを制御する。

電力変換装置１は、制御器１００、連系変圧器２００、及び電力変換部５００から大略構成されている。制御器１００は、電力変換部５００の制御を司る部分である。より具体的には、制御器１００は、発電システム３の出力電圧の無効電力の動揺成分を検出して、これを相殺するような無効電力を電力変換部５００から発生させるよう、電力変換部５００の制御を実行する。

電力変換部５００は、ＩＧＢＴで構成される自励式電力変換装置であり、高調波成分をカットオフするための高調波フィルタ５００ＦＬ、ＩＧＢＴアセンブリ５００ＡＳＭ、及び直流コンデンサ５００Ｃを備えている。高調波フィルタ５００ＦＬの一端はＩＧＢＴアセンブリ５００ＡＳＭの交流出力端子に接続され、高調波フィルタ５００ＦＬの他端は連系変圧器２００に接続される。本構成により、電力変換部５００の交流回路は連系変圧器２００を介して系統５に電気的に接続される。ＩＧＢＴアセンブリ５００ＡＳＭの直流端子は、直流電圧平滑化用の直流コンデンサ５００Ｃに接続される。

電力変換部５００が系統５に出力する電圧は、高調波フィルタ５００ＦＬと連系変圧器２００の間に備えられた電圧センサ１２により検出され、その検出値Ｖａｃは前述の制御器１００に出力される。また、電力変換部５００が系統５に出力する電流は、高調波フィルタ５００ＦＬと連系変圧器２００の間に備えられた電流センサ１３により検出される。電流センサ１３の検出値Ｉａｃは、制御器１００に出力される。電力変換部５００内の直流コンデンサ５００Ｃの両端の電圧は、電圧センサ５００Ｓにより検知される。その検出値Ｖｄｃは検出値Ｖａｃ、Ｉａｃと同様に制御器１００に出力される。

電力変換装置１はまた、電流センサ１０と電圧センサ１１を備えている。電流センサ１０は、電力変換装置１が系統５に接続する接続点に接続され、発電システム３の出力電流を検出可能に構成されている。また、電圧センサ１１は、電力変換装置１が系統５に接続する接続点に接続され、発電システム３の出力電圧を検出可能に構成されている。電流センサ１０の検出値ＩＦと電圧センサ１１の電圧検出値ＶＦとは、制御器１００に出力される。

制御器１００は、図１に示すように、無効電力算出器１００１、バンドパスフィルタ１００２、乗算器１００３、リミッタ１００４、及び波形制御器２０００を備えている。

無効電力算出器１００１は、電圧検出値ＶＦと電流検出値ＩＦとに基づき、発電システム３が系統５に出力する無効電力を算出する。無効電力算出器１００１の出力信号は、バンドパスフィルタ１００２に入力される。バンドパスフィルタ１００２は、発電機３０１が出力する無効電力の動揺周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ演算を施すフィルタである。発電システム３は、発電機３０１の慣性およびタービン３０２の慣性を持つため、動揺周波数は０．５〜２Ｈｚ程度である。バンドパスフィルタ１００２は、このような周波数成分を通過させる特性を有することにより、動揺周波数成分を抽出することができる。

バンドパスフィルタ１００２の出力信号は、乗算器１００３に入力される。乗算器１００３は定数-Ｋ（０＜Ｋ＜１）をバンドパスフィルタ１００２の出力信号に乗算し、その積をリミッタ１００４に出力する。なお、定数-Ｋはパラメータで設定できる値であり、電力変換装置１は定数Ｋを変更するインタフェースを備えてもよい。当該インタフェースは、電力変換装置１に備える液晶表示器であっても良いし、パラメータ設定用端末を接続する端末接続端子であっても良い。

リミッタ１００４は、乗算器１００３の出力信号を所定の上限値以下に制限し、その制限後の信号を無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆとして波形制御器２０００に出力する。リミッタ１００４により無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆの上限値が設定されることにより、電力変換部５００に対し、定格値以上の指令が出力されることが抑止される。前述の電圧・電流の検出値Ｖａｃ、Ｉａｃ、Ｖｄｃ、無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆは波形制御器２０００に入力される。

波形制御器２０００は検出値Ｖａｃ、Ｉａｃ、Ｖｄｃ、及び無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆに基づいて、電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆを制御する。具体的に波形制御器２０００は、電力変換装置１（電力変換部５００）が系統５に出力する無効電力が上記無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆに一致するよう、且つ直流コンデンサ５００Ｃの両端電圧Ｖｄｃが固定値である直流電圧指令信号Ｖｄｃｒｅｆに一致するように電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆを制御する。

図２に、第１の実施の形態の波形制御器２０００の詳細なブロック図を示す。波形制御器２０００は一例として、位相算出器２００１、無効電力算出器２００２、α−β変換器２００３、減算器２００４、無効電力制御器（ＡＱＲ）２００５、減算器２００６、ｄ−ｑ変換器２００７、減算器２００８、直流電圧制御器（ＤＣ−ＡＶＲ）２００９、減算器２０１０、電流制御器（ＡＣＲ）２０１１、２０１２、逆ｄ−ｑ変換器２０１３、及び２相３相変換器２０１４により構成される。

位相算出器２００１は検出値Ｖａｃを入力され、検出値Ｖａｃに同期した振幅１の基準正弦波ＣＯＳ０、ＳＩＮ０を算出する。位相算出器２００１は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）によって構成することもできるし、ゼロクロス検出回路によって構成することもでき、位相を算出可能な回路、又はコントローラ内ディジタル演算が採用され得る。

検出値Ｖａｃと検出値Ｉａｃは、無効電力算出器２００２に入力される。無効電力算出器２００２は、検出値Ｖａｃ及びＩａｃに基づき、電力変換装置１の電力変換部５００が系統５に出力している無効電力を算出する。無効電力算出器２００２の出力と、無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆは減算器２００４に入力される。減算器２００４は、発電システム３が出力している無効電力に基づく無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆと、電力変換部５００が出力している無効電力算出器２００２の出力の差を算出し（偏差信号を生成し）、その偏差信号を無効電力制御器２００５に出力する。無効電力制御器２００５はＰＩ制御器であり、入力される偏差信号をゼロにするよう、電力変換装置１が系統５に出力すべき無効電力に対応する無効電流指令信号Ｉｑｒｅｆを算出する。

電流センサ１３の検出値Ｉａｃは、α−β変換器２００３にも入力される。α−β変換器２００３は、下記の［数１］に従い、検出値Ｉａｃの３相量（ＩａｃＵ、ＩａｃＶ、ＩａｃＷ）を２相量（Ｉα、Ｉβ）に変換する。

ｄ−ｑ変換器２００７は、α−β変換器２００３の出力、及び基準正弦波ＣＯＳ０、ＳＩＮ０に基づき、下記の［数２］に従い、直交座標系の信号を回転座標系の信号（有効電流Ｉｄ、無効電流Ｉｑ）に変換する。このように、α−β変換器２００３及びｄ−ｑ変換器２００７は、電力変換部５００から系統５に出力している有効電流Ｉｄ及び無効電流Ｉｑを、回転座標系の信号として出力する機能を有する。

無効電流指令信号Ｉｑｒｅｆと無効電流Ｉｑは減算器２００６に入力される。減算器２００６は、無効電流指令信号Ｉｑｒｅｆと、電力変換部５００からのフィードバック値としての無効電流Ｉｑの差を算出し、電流制御器２０１１に出力する。

一方、直流電圧検出値Ｖｄｃと、固定値である直流電圧指令信号Ｖｄｃｒｅｆは減算器２００８に入力される。減算器２００８は、直流電圧検出値Ｖｄｃと直流電圧指令信号Ｖｄｃｒｅｆの差（偏差信号）を算出して直流電圧制御器（ＤＣ−ＡＶＲ）２００９に入力させる。直流電圧制御器２００９はＰＩ制御器であり、減算器２００８で算出された偏差信号を低減するような有効電流指令信号Ｉｄｒｅｆを算出する。

有効電流指令信号Ｉｄｒｅｆと、ｄ−ｑ変換器２００７で算出された有効電流Ｉｄは減算器２０１０に出力される。減算器２０１０は、有効電流指令信号Ｉｄｒｅｆと、電力変換部５００からのフィードバック値としての有効電流Ｉｄの偏差を算出し、電流制御器（ＡＣＲ）２０１２に出力する。

電流制御器（ＡＣＲ）２０１１及び２０１２はいずれもＰＩ制御器であり、入力される偏差を低減するための電圧指令信号Ｖｄ及びＶｑを算出する。電流制御器２０１１及び２０１２の出力信号は逆ｄ−ｑ変換器２０１３に入力される。逆ｄ−ｑ変換器２０１３は、電流制御器２０１１及び２０１２で算出された回転座標上の電圧指令信号Ｖｄ及びＶｑを固定座標（Ｖα、Ｖβ）に変換する。具体的に逆ｄ−ｑ変換器２０１３は、下記の［数３］に示される行列演算を実行可能に構成される。

逆ｄ−ｑ変換器２０１３の出力信号は２相３相変換器２０１４に出力される。２相３相変換器２０１４は、２相量（Ｖα、Ｖβ）を３相量（ＶＵ、ＶＶ、ＶＷ）に変換し、３相の電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆを算出する。２相３相変換器の具体的演算は下記の［数４］で示されるものであり、ここでＶＵ、ＶＶ、ＶＷは電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆの３相の各値を示す。

電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆは電力変換部５００において、図示しないＰＷＭ変換器によりＩＧＢＴアセンブリ５００ＡＳＭのゲート信号に変換される。ＩＧＢＴアセンブリ５００ＡＳＭは、ＩＧＢＴやダイオードなどの半導体素子により構成される半導体電力変換回路であり、電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆに対応した振幅及び位相を有する交流電圧を出力する機能を有する。

以上の構成により、電力変換装置１は、直流コンデンサ５００Ｃの両端電圧Ｖｄｃが直流電圧指令信号Ｖｄｃｒｅｆに一致するようにするとともに、電力変換装置１が系統５に出力する無効電力が上記無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆに一致するよう、電圧指令信号を制御する。

図１に戻り、電力変換装置１の動作を説明する。電力変換装置１は、発電システム３の出力電圧を電圧センサ１１を用いて検出するとともに、発電システム３の出力電流を電流センサ１０を用いて検出する。電圧センサ１１の電圧検出値ＶＦと、電流センサ１０の検出値ＩＦとは、電力変換装置１の制御器１００に出力される。

電圧検出値ＶＦと電流検出値ＩＦとは、制御器１００内の無効電力算出器１００１に入力され、無効電力算出器１００１は発電システム３が系統５に出力する無効電力を算出する。

無効電力算出器１００１が算出した無効電力はバンドパスフィルタ１００２に出力される。バンドパスフィルタ１００２は、発電機３０１が出力する無効電力の動揺周波数成分を抽出するバンドパスフィルタ演算を実行する。発電システム３は発電機３０１の慣性及びタービン３０２の慣性を持つため、動揺周波数は０．５〜２Ｈｚ程度である。バンドパスフィルタ１００２は、上記周波数成分を通過させる特性を有する。

バンドパスフィルタ１００２の出力信号は、乗算器１００３に出力される。乗算器１００３は、定数-Ｋ（０＜Ｋ＜１）をバンドパスフィルタ１００２の出力信号に乗算し、その積をリミッタ１００４に出力する。リミッタ１００４は電力変換部５００が出力可能な無効電力の上限値に乗算器１００３の出力を制限し、その制限後の無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆを波形制御器２０００に出力する。

以上の構成及び動作により、この第１の実施の形態によれば、系統事故などの系統擾乱により発電システム３の出力電圧が動揺した際に生じる無効電力の変動を相殺する無効電力を電力変換装置１が出力することが可能となる。

図３のグラフを参照して、本実施の形態の電力変換装置１の効果を説明する。図３は、上から順に、電力変換装置１の連系点の電圧Ｖｇｒｉｄ、発電システム３が出力する無効電力Ｑｇｅｎ、電力変換装置１が出力する無効電力Ｑｃ、及び系統５に出力される無効電力の合計値（Ｑｇｅｎ＋Ｑｃ）の時間変化を示す。図３のグラフは、時刻ｔ１において系統５において系統事故が発生し、短時間（例えば１００ｍｓ以内）に事故原因が除去されたときの電圧Ｖｇｒｉｄ、無効電力Ｑｇｅｎ、無効電力Ｑｃ、及び無効電力の合計値（Ｑｇｅｎ＋Ｑｃ）の時間変化を示す。

図３中、実線で示す波形は、第１の実施の形態の電力変換装置１による上述の無効電力補償動作がなされた場合の波形の一例を示している。一方、破線は電力変換装置１による無効電力補償動作がなされない場合の波形の一例を示している。

無効電力補償がなされない場合、系統５の電圧の低下により発電機３０１の回転子の回転数が上昇し、事故除去後もその回転数が収束するまで動揺が継続し、無効電力Ｖｇｅｎは振動した状態が継続してしまう。

これに対し、第１の実施の形態により無効電力補償がなされる場合には、電力変換装置１のバンドパスフィルタ１００２は、発電システム３が出力する無効電力Ｑｇｅｎの動揺周波数成分を抽出し、動揺周波数と相似で且つ逆極性の無効電力Ｑｃを出力する。系統５には、両者の和（合成）Ｑｇｅｎ＋Ｑｃが出力される。

これにより、系統５に出力される合成の無効電力（Ｑｇｅｎ＋Ｑｃ）の変動が減少し、系統５の電圧が安定となる。そのため、発電機３０１の動揺エネルギーが系統５に伝達されやすくなり、結果として発電機３０１の動揺収束が早くなる。

以上より、第１の実施の形態の電力変換装置１は、同一系統に連系する回転型発電機の動揺収束高速化に寄与することができる。また、第１の実施の形態の電力変換装置１は、系統５の電圧を検出して電圧振幅を安定化することを意図したフィードバック型電圧制御手段を備えない。そのため、発電システム３の電圧制御器や同一系統に連系するＳＶＣ等の電圧制御システムとの制御干渉を回避することができる。

第１の実施の形態では、発電システム３の出力の動揺成分を抽出する手段としてバンドパスフィルタ１００２を用いたが、バンドパスフィルタ１００２の代わりに、図４に示すように、ローパスフィルタ１００２＿２１、位相補償器１００２＿２２、ハイパスフィルタ１００２＿２３を備えた位相補償機能付バンドパスフィルタ１００２＿２を採用することも可能である。

バンドパスフィルタ１００２では、通過周波数帯での位相遅れや進みを低減するため通過周波数下限値及び上限値を、発電システム３の動揺周波数との差を十分に大きく設定する必要がある。この場合、電力変換装置１が不要な無効電力補償を実施して電力損失が増加する虞がある。この点、図４に示すような位相補償付バンドパスフィルタ１００２＿２を採用することにより、通過周波数の下限と上限を発電機動揺周波数に対して近い周波数に設定することが可能となり、電力変換装置１で発生する電力損失を低減させることができる。

この第１の実施の形態では、系統電圧を検出する電圧センサ１１及び電流センサ１０が電力変換装置１の構成要素とされている場合を例として示した。しかし、電圧センサ１１や電流センサ１０を電力変換装置１の外部に備え、検出値ＶＦ及びＩＦをアナログ信号又はディジタル信号として受け取るインタフェースをセンサ１０及び１１と電力変換装置１との間に備えるようにしてもよい。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムを、図５を用いて説明する。図５は、第２の実施の形態に係る電力変換システムに係る電力変換装置１ａを、発電システム３及び系統５とともに示すシステム構成図である。この第２の実施の形態は、電力変換装置１ａが蓄電池ユニットである点で第１の実施の形態と異なっている。発電システム３の動揺抑制のために蓄電池の充放電と無効電力補償の双方が実行されることにより、系統擾乱時の発電機３０１の動揺をより早く収束させることができる。図５において、第１の実施の形態（図１）と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下において重複する説明は省略する。

第２の実施の形態の電力変換装置１ａは、電力変換部５００ａにおいて、直流コンデンサ５００Ｃ（図１）に替えて蓄電池ユニット５００ＢＡＴが接続される蓄電池ユニットとして構成されている。蓄電池ユニット５００ＢＡＴは、蓄電池と、その蓄電池の充電率ＳＯＣを検出するコントローラ（いずれも図示せず）を内蔵したものとすることができる。検出された充電率ＳＯＣは、一例として上位制御装置５０に送信され得る。上位制御装置５０は充電率ＳＯＣが蓄電池運用範囲内に入るよう、充電率ＳＯＣの情報に基づいて有効電力指令Ｐｒｅｆを算出するよう構成され得る。

また、第２の実施の形態の電力変換装置１ａは、第１の実施の形態の構成要素に加え、さらに周波数算出器１００５、バンドパスフィルタ１００６、乗算器１００７、加算器１００８、及びリミッタ１００９を備えている。

周波数算出器１００５は、電圧センサ１１の検出値ＶＦに基づき、発電システム３が出力する電圧に含まれる周波数成分を算出する。バンドパスフィルタ１００６は、周波数算出器１００５の出力のうち、動揺成分に係る周波数成分を抽出する機能を有する。乗算器１００７は、定数−Ｋ２（Ｋ２は正の値）をバンドパスフィルタ１００７の出力信号に乗算し、その積の信号ｐ＿ｄａｍｐを加算器１００８に入力させる。加算器１００８は、信号ｐ＿ｄａｍｐと、前述の有効電力指令信号Ｐｒｅｆとの和を算出し（加算信号を生成し）、その加算信号を出力する。

リミッタ１００９は、この加算信号を所定の上限値以下に制限し、その制限後の信号を有効電力指令信号Ｐ＿ｒｅｆ２として出力する。波形制御器２０００ａは、第１の実施の形態の波形制御器２０００に対応するものであり、有効電力指令信号Ｐ＿ｒｅｆ２、検出値Ｖａｃ、Ｉａｃ、及び無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆに基づいて、電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆを制御する。第２の実施の形態の波形制御器２０００ａは、検出値Ｉｄｃに代えて有効電力指令信号Ｐ＿ｒｅｆ２を入力値としている点が、第１の実施の形態の波形制御器２０００と異なる。この相違点は、直流コンデンサ５００Ｃに代えて蓄電池ユニット５００ＢＡＴが採用されていることに基づくものである。

波形制御器２０００ａは、電力変換装置１が系統５に出力する無効電力が信号Ｑ＿ｒｅｆに一致するよう、且つ信号Ｐ＿ｒｅｆ２が有効電力Ｐに一致するように電圧指令信号Ｖｃ＿ｒｅｆを制御する。

次に、第２の実施の形態の電力変換システムの動作を説明する。
電圧センサ１１で検出した電圧検出値ＶＦは、無効電力算出器１００１に加え、周波数算出器１００５にも出力される。無効電力算出器１００１〜リミッタ１００４は、第１の実施の形態と同様に動作し、無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆが生成される。一方、周波数算出器１００５は、検出値ＶＦから発電システム３の出力電圧の周波数を算出し、バンドパスフィルタ１００６に出力する。

バンドパスフィルタ１００６は周波数算出器１００５の出力に含まれる発電システム３の出力電圧の動揺周波数成分を抽出する。ここで、バンドパスフィルタ１００６は、図４に示した位相補償付バンドパスフィルタであってもよい。バンドパスフィルタ１００６の出力信号は乗算器１００７に入力され、乗算器で１００７は−Ｋ２（Ｋ２は正の値の定数）をバンドパスフィルタ１００６の出力信号に乗算し、その出力Ｐ＿ｄａｍｐを加算器１００８に出力する。

加算器１００８はＰ＿ｄａｍｐと上位制御装置５０から受信した有効電力指令信号Ｐｒｅｆを加算し、その和の信号をリミッタ１００９に出力する。リミッタ１００９は加算器１００８の出力信号を、蓄電池ユニット５００ＢＡＴ中の蓄電池、及び電力変換部５００ａの制約以下に制限し、その制限後の信号を有効電力指令信号Ｐ＿ｒｅｆ２として波形制御器２０００ａに出力する。

図６に、第２の実施の形態の波形制御器２０００ａの詳細なブロック図を示す。図２と同一の構成要素については、図６において同一の参照符号を付し、重複する説明は省略する。

第２の実施の形態の波形制御器２０００ａは、無効電力算出器２００２に代えて、有効／無効電力算出器２００２ａを備えている。有効／無効電力算出器２００２ａは、検出値Ｖａｃ及びＩａｃに基づき、電力変換装置１の電力変換部５００ａが系統５に出力している無効電力Ｑを算出するとともに、電力変換部５００ａが系統５に出力している有効電力Ｐを算出する。また、第２の実施の形態の波形制御器２０００ａは、減算器２００８及び直流電圧制御器（ＤＣ−ＡＶＲ）２００９の代わりに、減算器２０３０及び有効電力制御器２０３１を備えている。減算器２０３０は、有効電力指令信号Ｐ＿ｒｅｆ２と、有効／無効電力算出器２００２ａで算出された有効電力Ｐとの間で減算処理を行い、減算信号を出力する。有効電力制御器２０３１は、ＰＩ制御器であり、減算器２０３０で算出された減算信号（有効電力偏差）をゼロにすべく有効電流指令信号Ｉｄｒｅｆを算出する。その他の構成及び動作は第１の実施の形態（図２）と同じであるので、重複する説明は省略する。この図６の構成により、電力変換装置１ａは系統擾乱により生じた送電線５の発電機動揺周波数成分を持つ周波数偏差を算出し、周波数が上昇したときには系統５から有効電力を受け取って蓄電池に充電し、周波数が低下したときには蓄電池の放電により系統５へ有効電力を供給することができる。

周波数が高い状態は発電機３０１の回転数が高い状態である。この場合には、積極的に有効電力Ｐを電力変換装置１ａが系統５から受け取ることにより、発電機３０１の回転子に蓄えられた過剰な回転エネルギーの吸収することが可能となる。一方、周波数が低い状態は、発電機３０１の回転数が低い状態である。この場合には、積極的に有効電力Ｐを電力変換装置１ａが系統５に出力することにより、回転エネルギーが不足している発電機３０１の回転子に、回転エネルギーを供給することが可能となる。
以上説明したように、この第２の実施の形態によれば、同一系統に連系する回転型発電機の動揺収束高速化に寄与することができる。

また、第２の実施の形態の電力変換装置１ａは、連系点電圧を検出して電圧振幅を安定化することを意図したフィードバック型電圧制御手段を備えない。そのため、発電機の電圧制御器や同一系統に連系するＳＶＣ等の電圧制御システムとの制御干渉を回避することができる。さらに、電力変換装置１ａを蓄電池ユニットとして構築することにより、有効電力と無効電力双方を活用することが可能となり、さらなる発電機の動揺収束高速化に寄与することが可能となる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係る電力変換システムを、図７を参照して説明する。図７は、第３の実施の形態に係る電力変換システムに係る電力変換装置１ｂを、発電システム３及び系統５とともに示すシステム構成図である。この第３の実施の形態は、電力変換装置１ａが無効電力補償の有効・無効を指令する指令信号を外部から入力可能なインタフェース部（入力部）を備えており、この点において第２の実施の形態と異なっている。図７において、第２の実施の形態（図５）と同一の構成要素には同一の符号を付し、以下において重複する説明は省略する。

前述の実施の形態では、無効電力補償をすることにより、同一系統に連系する発電機の動揺エネルギーを系統５に伝えやすくすることが可能である。しかし、それにより動揺の影響範囲が広域化し、系統５が十分に強い系統ではないか、もしくは系統５側の発電機脱落や系統切換により系統が弱くなった場合は、系統全体の周波数が変動する虞がある。

そこで、この第３の実施の形態の電力変換装置１ｂは、上位制御装置５０より無効電力補償の有効・無効を選択するフラグＱＦＬＧ（選択信号）を入力し、フラグＱＦＬＧにより駆動されて無効電力指令信号Ｑ＿ｒｅｆを、無効電力算出器１００１〜リミッタ１００４の動揺成分の算出部より算出された値とするか、又はゼロに維持するかを選択できるスイッチ演算器１０１０を備える。この構成によれば、系統５全体での動揺が確認された場合は、無効電力補償動作を停止させることができ、動揺の広域化を回避することができる。

以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施の形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１、１ａ、１ｂ・・・電力変換装置、 ３・・・発電システム、 ５・・・電力系統、 １０、１３・・・電流センサ、 １１、１２、３０５、５００Ｓ・・・電圧センサ、 ５０・・・上位制御装置、 １００・・・制御器、 ２００、３０４・・・連系変圧器、 ３０１・・・発電機、 ３０２・・・タービン、 ３０３・・・励磁装置、 ３０４・・・連系変圧器、 ３０６・・・励磁装置演算器、 ５００、５００ａ・・・電力変換部、 ５００ＡＳＭ・・・ＩＧＢＴアセンブリ、 ５００ＦＬ・・・高調波フィルタ、 ５００Ｃ・・・直流コンデンサ、 ５００ＢＡＴ・・・蓄電池ユニット、 １００１・・・無効電力算出器、 １００２、１００６・・・バンドパスフィルタ、 １００２＿２・・・位相補償付バンドパスフィルタ、 １００２＿２１・・・ローパスフィルタ、 １００２＿２２・・・位相補償器、 １００２＿２３・・・ハイパスフィルタ、 １００３、１００７・・・乗算器、 １００４、１００９・・・リミッタ、 １００５・・・周波数算出器、 １００８・・・加算器、 １０１０・・・スイッチ演算器、 ２０００、２０００ａ・・・波形制御器、 ２００１・・・位相算出器、 ２００２・・・無効電力算出器、 ２００３・・・α−β変換器、 ２００４、２００６、２００８、２０１０、２０３０・・・減算器、 ２００７・・・ｄ−ｑ変換器、 ２０１１、２０１２・・・電流制御器、 ２０１３・・・逆ｄ−ｑ変換器、 ２０１４・・・２相―３相変換器。

Claims (9)

1. 三相の電力系統に連系される電力変換システムであって、
   前記電力系統に連系する発電機が出力する第１無効電力の動揺成分を抽出し、その動揺成分に対応する指令信号を出力する制御部と、
   前記指令信号に従って、前記第１無効電力の動揺成分を相殺する第２無効電力を生成して前記電力系統に出力する電力変換部と
   を備えたことを特徴とする電力変換システム。
2. 前記制御部は、前記第１無効電力の動揺成分に相当する周波数を抽出するバンドパスフィルタを備える、請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記バンドパスフィルタは、０．５〜２Ｈｚの周波数成分を通過させる特性を有する、請求項２に記載の電力変換システム。
4. 前記制御部は、前記第１無効電力の動揺成分に相当する周波数を抽出するバンドパスフィルタを備え、前記バンドパスフィルタは位相補償器を含む、請求項１に記載の電力変換システム。
5. 前記バンドパスフィルタは、０．５〜２Ｈｚの周波数成分を通過させる特性を有する、請求項４に記載の電力変換システム。
6. 前記制御部は、前記第１無効電力の動揺成分、並びに前記電力変換部が前記電力系統に出力する電流及び電圧に基づいて前記指令信号を生成する、請求項１に記載の電力変換システム。
7. 前記電力変換部は、
   前記指令信号に従い前記第２無効電力を生成する半導体電力変換回路と、
   前記半導体電力変換回路に接続される直流コンデンサと
   を備え、
   前記制御部は、前記第１無効電力の動揺成分、前記電力変換部が前記電力系統に出力する電流及び電圧、並びに前記直流コンデンサの両端電圧に基づいて前記指令信号を生成する、請求項１に記載の電力変換システム。
8. 前記電力変換部は、
   前記指令信号に従い前記第２無効電力を生成する半導体電力変換回路と、
   前記半導体電力変換回路に接続される蓄電池と
   を備え、
   前記制御部は、前記第１無効電力の動揺成分、前記電力変換部が前記電力系統に出力する電流及び電圧、並びに前記蓄電池の充電率に関する情報に基づいて前記指令信号を生成する、請求項１に記載の電力変換システム。
9. 前記制御部は、前記指令信号の有効又は無効を切り替えるための選択信号を入力するインタフェースを更に備える、請求項１に記載の電力変換システム。

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