JP5919524B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力系統に連系する電力変換装置に関する。

従来、電力系統に連系し、直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換装置が利用されている。一般的にこのような電力変換装置は、系統電力の検出情報などに基づいてインバータの操作量を算出するよう構成される。

また電力変換装置には、装置を保護するための各種機能が設けられることがある。例えば特許文献１には、瞬時電圧低下（以下、「瞬低」と称する）の発生時にはゲートブロックを行うことで装置を過電流から保護し、復電時にはゲートブロックを解除して運転を再開させるものが開示されている。

特開２００３−１５３４３３号公報

ゲートブロックの解除により運転が再開される際、電力変換装置は、ほぼ出力ゼロの状態から出力を開始することになる。そのため出力の開始時において、インバータの操作量の算出に関するパラメータ（例えば出力電流指令値）として以前の値が引き継がれると、出力ゼロの状況に合わないパラメータが用いられることで操作量が不適切に算出され、出力の異常を招くおそれがある。

本発明は上述した問題に鑑み、ゲートブロックが解除される際に、インバータの操作量を適切に算出することが容易となる電力変換装置の提供を目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、電力系統に連系し、直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換装置であって、入力されるゲート信号に応じて、前記変換の動作を行うインバータと、系統電力の検出情報を用いて前記インバータの操作量を算出し、該算出の結果に基づいて生成した前記ゲート信号を前記インバータに送出する制御部と、を備え、前記制御部は、瞬低の発生を判定する系統状態判定部と、前記系統状態判定部の判定結果に応じて、前記インバータの出力を遮断するゲートブロックが行われるようにするゲートブロック部と、前記ゲートブロックが解除される際に、前記操作量の算出に関するパラメータを初期化する初期化処理部と、を有する電力変換装置とする。

本発明に係る電力変換装置によれば、ゲートブロックが解除される際に、インバータの操作量を適切に算出することが容易となる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成図である。 系統状態の判定およびこれに関連する動作に関するフローチャートである。 初期化処理に関する説明図である。

本発明の実施形態について、各図面を参照しながら以下に説明する。

［電力変換装置の構成等］
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１の構成図である。電力変換装置１は、端子Ｔａおよび端子Ｔｂを有しており、端子Ｔａに直流電源（本実施形態では、一例として太陽電池２であるとするが、他の直流電源であっても構わない）が接続されるとともに、端子Ｔｂを介して電力系統３に連系した形態で使用される。

なお太陽電池２は、太陽光の光電変換により得た直流電力を電力変換装置１に出力する。また電力変換装置１は、様々な形態で電力系統３に接続され得る。図１に示す例では、電力変換装置１は、コイル（Ｌ）や抵抗（Ｒ）等を有する電力ラインを介して電力系統３に接続されており、当該電力ラインの正極側と負極側の間には負荷が接続されている。

電力変換装置１は、コンデンサ１１、インバータ１２、過電流防止回路１４、および制御装置１５などを備えている。コンデンサ１１は、主に電力の平滑用として設けられており、両端がそれぞれ端子Ｔａの正極側と負極側に接続されている。

インバータ１２は、制御装置１５から受取るゲート信号Ｓｇに応じてスイッチング動作を行うように駆動し、端子Ｔａ側から入力された直流電力を交流電力に変換して、端子Ｔｂ側へ出力する。インバータ１２は、例えば、ゲート信号ＳｇによりＯＮ／ＯＦＦが切替る複数のトランジスタがブリッジ接続され、各スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続された構成となっている。

過電流防止回路１４は、電力変換装置１の出力電流が所定の機器保護レベルを超えたとき、つまり過電流となったときに、過電流防止機能として電力変換装置１の動作を停止（エラー停止）させる。過電流防止機能が作動することにより、過電流から機器を保護することが可能である。

なお、過電流防止機能は機器を保護する上で重要な役割を果すものであるが、過電流防止機能が作動して電力変換装置１の動作が停止した場合には、電力変換装置１の復帰（再起動）には時間が掛かる。そのため電力変換装置１を安定的に動作させる観点からは、過電流防止機能を出来るだけ作動させないように、出力電流が過電流となる状況は未然に回避されることが望ましい。

そこで電力変換装置１は、必要に応じてゲートブロックを行い、出力電流が過電流となる状況を出来るだけ回避させるようになっている。この点の詳細については、後述する説明にて明らかとなる。

制御装置１５は、バンドパスフィルタ２１、周波数/位相算出部２２、座標変換部２３、直流電圧制御部２４、有効電流制御部２５、無効電流制御部２６、座標変換部２７、ゲート信号生成部２８、角加速度算出部３０、系統状態判定部３１、および初期化処理部３２などを有している。

また制御装置１５には、端子Ｔｂ間における交流電圧の検出値（交流電圧検出値ｖ_ｓ）、端子Ｔｂを流れる交流電流の検出値（交流電流検出値ｉ_ｓ）、および、コンデンサ１１の両端間における直流電圧の検出値（直流電圧検出値Ｅ_ｄ）の各々の信号が入力される。制御装置１５は、これらの信号を所定のサンプリング周波数（例えば17.5kHz）でＡＤ変換し、得られたデジタル信号に対して各処理を施すようになっている。

バンドパスフィルタ２１は、交流電圧検出値ｖ_ｓの信号が入力され、この信号に対して高域および低域遮断（バンドパス）のフィルタ処理を施し、周波数/位相算出部２２へ出力する。なお交流電圧検出値ｖ_ｓは、系統電圧（電力系統３の電圧）の値、或いはこれに応じた値となっている。

周波数/位相算出部２２は、バンドパスフィルタ２１から受取る交流電圧検出値ｖ_ｓの信号に基づいて、系統電圧の周波数（角速度）ωおよび位相θを算出（推定）し、算出結果の信号を後段側に送出する。なお周波数/位相算出部２２は、制御装置１５におけるＡＤ変換の周期ごとに、周波数ωおよび位相θを算出することが可能となっている。

また算出結果の信号のうち、位相θの信号は座標変換部２３および座標変換部２７へ、周波数ωの信号は角加速度算出部３０へ、それぞれ送出される。なお、周波数/位相算出部２２が行う算出処理の形態は特に限定されるものではなく、例えば、予め適切に設定された算出式やＬＵＴ［Look Up Table］が用いられる形態であっても良い。

座標変換部２３は、位相θの信号を用いて交流電流検出値ｉ_ｓに対する座標変換を行い、有効電流検出値ｉ_ｐ（有効成分）および無効電流検出値ｉ_ｑ（無効成分）を求める。また座標変換部２３は、有効電流検出値ｉ_ｐの信号を有効電流制御部２５へ、無効電流検出値ｉ_ｑの信号を無効電流制御部２６へ、それぞれ送出する。

直流電圧制御部２４は、直流電圧検出値Ｅ_ｄの信号、および、直流電圧検出値Ｅ_ｄに対する指令値（直流電圧指令値Ｅ_ｄ*）の信号が入力される。なお直流電圧指令値Ｅ_ｄ*は、予め適切に設定されている値である。そして直流電圧制御部２４は、これらの値の差がゼロに近づくようにする信号を、有効電流指令値ｉ_ｐ*（有効電流検出値ｉ_ｐに対する指令値）の信号として生成し、有効電流制御部２５へ送出する。なお有効電流指令値ｉ_ｐ*の初期値はゼロとなっている。

有効電流制御部２５は、座標変換部２３から有効電流検出値ｉ_ｐの信号が入力され、直流電圧制御部２４から有効電流指令値ｉ_ｐ*の信号が入力される。そして有効電流制御部２５は、これらの値の差がゼロに近づくようにする信号を、有効電圧指令値ｖ_ｐ*（有効電圧検出値ｖ_ｐに対する指令値）の信号として生成し、座標変換部２７へ送出する。

無効電流制御部２６は、無効電流検出値ｉ_ｑの信号、および、無効電流検出値ｉ_ｑに対する指令値（無効電流指令値ｉ_ｑ*）の信号が入力される。なお無効電流指令値ｉ_ｑ*は、予め適切に設定されている値であり、初期値はゼロとなっている。そして無効電流制御部２６は、これらの値の差がゼロに近づくようにする信号を、無効電圧指令値ｖ_ｑ*（無効電圧検出値ｖ_ｑに対する指令値）の信号として生成し、座標変換部２７へ送出する。

座標変換部２７は、位相θの信号を用いて有効電圧指令値ｖ_ｐ*（有効成分）および無効電圧指令値ｉ_ｑ*（無効成分）に対する座標変換を行い、交流電圧指令値ｖ_ｓ*を求める。また座標変換部２７は、交流電圧指令値ｖ_ｓ*の信号をゲート信号生成部２８へ送出する。

ゲート信号生成部２８は、交流電圧指令値ｖ_ｓ*に応じたデューティ比のパルス信号をゲート信号Ｓｇとして生成し、インバータ１２へ送出する。ゲート信号生成部２８はこのようにして、インバータ１２のＰＷＭ［Pulse Width Modulation］制御を行うようになっている。

またゲート信号生成部２８は、後述するゲートブロック信号Ｓｂを受けているときには、ゲート信号Ｓｇの送出を停止する（例えば、ローレベルに固定する）ようになっている。すなわち、ゲートブロック信号Ｓｂが送出されているときにはゲートブロックが行われ、インバータ１２の出力は遮断される。このようにゲート信号生成部２８は、系統状態判定部３１の判定結果に応じて、ゲートブロックが行われるようにするもの（ゲートブロック部）としての役割をも果す。なおゲートブロック信号Ｓｂの送出が解除されたときには、ゲートブロックは解除され、ゲート信号生成部２８はゲート信号Ｓｇの送出を再開する。

角加速度算出部３０は、周波数ωの信号に基づいて系統電圧の角加速度ｄω/ｄｔを算出し、算出結果の信号（角加速度ｄω/ｄｔの信号）を系統状態判定部３１へ送出する。

系統状態判定部３１は、角加速度ｄω/ｄｔの信号に基づいて電力系統３の状態（系統状態）を判定し、当該判定の結果を表す系統状態判定信号Ｓｄを、初期化処理部３２へ送出する。なお系統状態判定部３１は、角加速度の大きさ｜ｄω/ｄｔ｜に応じて、系統状態を「通常」および「瞬低発生」の何れかに判定するようになっている。

より具体的には、角加速度の大きさ｜ｄω/ｄｔ｜が所定の閾値Ａ以下である場合には、「通常」と判定され、閾値Ａより大きい場合には、「瞬低発生」と判定される。なお瞬低は、例えば、残電圧が２０％以下となり、その継続時間が１秒以下である場合を指す。但し、瞬低に該当する場合の電圧低下量や継続時間等の条件は、この内容には限られず、その他の条件とされ得る。

電力系統３において落雷等に起因する瞬低が発生したときには、その影響により、角加速度の大きさ｜ｄω/ｄｔ｜は通常より増大する。そこで上述した閾値Ａは、瞬低が発生していない「通常」の系統状態と、瞬低が発生した「瞬低発生」の系統状態と、の何れであるかの判定が良好に行われるように、事前調査等に基づいて適切に設定されている。

また系統状態判定部３１は、系統状態を「瞬低発生」と判定したときは、ゲート信号生成部２８へゲートブロック信号Ｓｂを送出するようになっている。ゲートブロック信号Ｓｂの送出は、系統状態が「瞬低発生」と判定される間、つまり次に系統状態が「通常」と判定されるまで、そのまま継続される。なお系統状態判定部３１は、ゲートブロック信号Ｓｂを送出している際に系統状態を「通常」と判定した場合には、後述する初期化処理が完了した直後のタイミングで、ゲートブロック信号Ｓｂの送出を停止する。

初期化処理部３２は、系統状態判定部３１から受取る系統状態判定信号Ｓｄに基づいて、所定の初期化処理を実行する。より具体的には、初期化処理部３２は、系統状態判定信号Ｓｄの内容が「瞬低発生」から「通常」に切替ったときに、初期化処理を実行する。

また初期化処理は、先述した有効電流指令値ｉ_ｐ*および無効電流指令値ｉ_ｑ*の初期化（ゼロへのリセット）を行う処理である。初期化処理は、有効電流制御部２５に格納されている有効電流指令値ｉ_ｐ*の初期化や、無効電流制御部２６に格納されている無効電流指令値ｉ_ｑ*の初期化などを通じて実現される。

［電力変換装置の動作等］
電力変換装置１は、基本的動作として、太陽電池２から受ける直流電力をインバータ１２によって交流電力に変換し、この交流電力を電力系統３に出力する動作を行う。

また制御装置１５は、これまでに説明した通り、各種の検出値（ｖ_ｓ、ｉ_ｓ、Ｅ_ｄ）および予め設定された各指令値（Ｅ_ｄ*、ｉ_ｑ*）等に基づいて、交流電圧指令値ｖ_ｓ*を算出し、ゲート信号Ｓｇを生成することによってインバータ１２を制御する。交流電圧指令値ｖ_ｓ*は、インバータ１２の操作量に相当している。

なお制御装置１５は、電力変換装置１の出力を電力系統３の電力状態に合わせるように、交流電圧指令値ｖ_ｓ*を算出するものとなっている。また、交流電圧指令値ｖ_ｓ*の算出過程において用いられる有効電流指令値ｉ_ｐ*および無効電流指令値ｉ_ｑ*は、電力変換装置１が出力する電流の指令値（出力電流指令値）に相当する。

インバータ１２による電力の変換は、電力系統３に出力する電流の値が出力電流指令値に対応した値となるように、行われることとなる。また初期化処理部３２が行う初期化処理によれば、出力電流指令値が初期化されることになる。

そして更に制御装置１５は、系統電圧の角加速度ｄω/ｄｔに基づいて系統状態を判定し、当該判定の結果に応じて電力変換装置１の動作を制御するようになっている。ここで、系統状態の判定およびこれに関連する動作の流れについて、図２のフローチャートを参照しながら以下に説明する。

角加速度算出部３０によって系統電圧の角加速度ｄω/ｄｔが算出されると（ステップＳ１１）、系統状態判定部３１は、その角加速度の大きさ｜ｄω/ｄｔ｜を閾値Ａと比較することにより、系統状態を判定する（ステップＳ１２）。

そして角加速度の大きさ｜ｄω/ｄｔ｜が閾値Ａより大きい場合（ステップＳ１２のＹ）、すなわち瞬低が発生したと判定された場合には、系統状態判定部３１がゲートブロック信号Ｓｂを送出することにより、ゲートブロックが実行される（ステップＳ１３）。

これにより、電力変換装置１の出力電流が抑えられ、過電流防止回路１４による過電流防止機能が作動することを、出来るだけ回避することが可能となる。なお現時点で既にゲートブロックが実行されている場合には、そのままゲートブロックの実行が継続される。ステップＳ１３の動作がなされた後は、ステップＳ１１の動作が繰り返される。

また角加速度の大きさ｜ｄω/ｄｔ｜が閾値Ａ以下である場合（ステップＳ１２のＮ）、現時点でゲートブロックが実行されていないときには（ステップＳ１４のＮ）、そのままステップＳ１１の動作が繰り返される。つまり電力変換装置１の動作形態は、そのまま通常通りに維持される。

その一方、ゲートブロックの実行中であるときには（ステップＳ１４のＹ）、初期化処理部３２によって初期化処理が実行される（ステップＳ１５）。そしてその直後、ゲートブロック信号Ｓｂの送出が停止されることにより、ゲートブロックが解除される（ステップＳ１６）。ステップＳ１６の動作がなされた後は、ステップＳ１１の動作が繰り返される。

上述したように制御装置１５は、瞬低が発生したときにはゲートブロックが行われるようにする一方、瞬低が解消されたときには、初期化処理を行った上でゲートブロックを解除し、通常の動作形態に回復するようになっている。

このように初期化処理が実行されることで、ゲートブロックの解除により運転が再開される際、初期化処理が実行されない場合に比べて、インバータ１２の操作量を適切に算出することが可能となる。

すなわち、ゲートブロックの解除により運転が再開される際には、電力変換装置１は、ほぼ出力ゼロの状態から出力を開始することになる。そのため出力の開始時において、初期化処理が行われずに以前の出力電流指令値が引き継がれるとすれば、現状に合わない出力電流指令値が用いられるために操作量が不適切に算出され、出力の異常を招くおそれがある。

本実施形態の電力変換装置１によれば、初期化処理が行われるために、このような不具合を極力回避することが可能である。なお図３は、初期化処理が行われる際の系統電圧、出力電流指令値、およびゲートブロック信号Ｓｂのタイミングチャートを例示している。

図３では、上から順に、系統電圧、出力電流指令値、およびゲートブロック信号Ｓｂの各タイミングチャート（波形）が示されている。また時刻ｔ１は、瞬低が発生したと判定されるタイミング（ゲートブロックが開始されるタイミングとほぼ同じ）を表している。また時刻ｔ２は、瞬低が解消された（系統復帰）と判定されるタイミング（初期化処理が実行されるタイミングとほぼ同じ）を表している。また時刻ｔ３は、ゲートブロックが解除されるタイミングを表している。

図３に示すように出力電流指令値は、ゲートブロックが解除される際に初期化される。そのためゲートブロックが解除されて、電力変換装置１がほぼ出力ゼロの状態から出力を開始するときには、出力電流指令値はそれまでの状態に関わらずゼロにリセットされ、現時点の出力ゼロの状態に適合するようになっている。

なお本実施形態では、インバータ１２の操作量の算出に関するパラメータのうちの出力電流指令値が初期化の対象となっているが、出力電流指令値に加えて、或いは出力電流指令値に代えて、他のパラメータが初期化の対象となっていても構わない。何れのパラメータが初期化されるようにするかは、インバータ１２の操作量が適切に算出されるようにするといった観点から、種々の形態としておくことが出来る。

また出力電流指令値を初期化するにあたっては、有効電流指令値ｉ_ｐ*および無効電流指令値ｉ_ｑ*の両方を初期化する代わりに、何れか一方（例えば有効電流指令値ｉ_ｐ*）だけを初期化するようになっていても構わない。

［その他］
以上に説明した通り電力変換装置１は、電力系統３に連系し、直流電力を交流電力に変換して電力系統３に出力するものであって、入力されるゲート信号Ｓｇに応じて、前記変換の動作を行うインバータ１２と、インバータ１２の操作量を算出し、該算出の結果に基づいて生成したゲート信号Ｓｇをインバータ１２に送出する制御部と、を有している。

また電力変換装置１は、瞬低の発生を判定する系統状態判定部と、この系統状態判定部の判定結果に応じて、インバータ１２の出力を遮断するゲートブロックが行われるようにするゲートブロック部と、このゲートブロックが解除される際に、インバータ１２の操作量の算出に関するパラメータ（本実施形態では、出力電流指令値）を初期化する初期化処理部と、を備えている。そのため電力変換装置１によれば、ゲートブロックが解除される際にも、インバータの操作量を適切に算出することが容易となっている。

なお本実施形態の電力変換装置１では、ゲート信号生成部２８を用いてゲートブロック部が構成されているが、ゲートブロック部がゲート信号生成部２８とは別に設けられても良い。例えば、ゲートブロック信号Ｓｂに応じてインバータ１２の全てのトランジスタのゲートをオフさせることによりインバータ１２の駆動を強制的に停止させる回路が、ゲート信号生成部２８とは別に設けられるようにしても良い。この場合は、当該回路を用いてゲートブロック部が構成され、当該回路の動作によってゲートブロックが実現されることになる。

また本発明の構成は、上記実施形態のほか、発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

１ 電力変換装置
２ 太陽電池
３ 電力系統
１１ コンデンサ
１２ インバータ
１４ 過電流防止回路
１５ 制御装置
２１ バンドパスフィルタ
２２ 周波数/位相算出部
２３ 座標変換部
２４ 直流電圧制御部
２５ 有効電流制御部
２６ 無効電流制御部
２７ 座標変換部
２８ ゲート信号生成部
３０ 角加速度算出部
３１ 系統状態判定部
３２ 初期化処理部

Claims (2)

1. 複数のスイッチング素子を有し、信号に応じて前記複数のスイッチング素子を駆動して
   直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を電力系統に出力するインバータを備えた電力
   変換装置であって、
   前記電力系統に出力する有効電流及び無効電流が夫々有効電流指令値及び無効電流指令
   値になるように前記信号を生成する制御部を備え、
   前記制御部は、前記電力系統で瞬低が発生した際に、前記インバータの出力を遮断する
   ように前記信号を固定し、前記電力系統の瞬低が解消した際には、初期値にリセットされ
   た前記有効電流指令値或いは前記無効電流指令値で前記信号を生成することを特徴とする
   電力変換装置。
2. 前記有効電流指令値の初期値及び前記無効電流指令値の初期値をゼロにすることを特徴
   とする請求項１に記載の電力変換装置。
   

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