JP6371603B2 - 複合発電システム用電力変換装置 - Google Patents
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Description
まず、本発明の一実施形態に係る複合発電システム用電力変換装置の全体構成について説明する。図1は本発明の一実施形態に係る複合発電システム用電力変換装置が適用された複合発電システムの概略構成を示すブロック図である。
図3は図2に示す発電設備の概略構成を示すブロック図である。図3には、発電設備3として水より沸点の低い液体(ペンタン等)を熱媒体として用いるバイナリー発電機が例示されている。発電設備3は、回転機6であるタービンに熱媒体を供給する循環経路を備えている。循環経路には、熱媒体を循環させるための循環ポンプ81と、回転機6の上流側で熱媒体を蒸発させる蒸発器82と、回転機6の下流側で熱媒体を凝縮させる凝縮器83とを備えている。蒸発器82には、熱媒体とは別の循環経路に所定の熱源(例えば地熱等)により加熱された温水が流れ、蒸発器82は、この温水を用いて熱媒体を蒸発させる。蒸発した熱媒体は、回転機6(タービン)に吹き付けられ、熱媒体の圧力により回転機6が回転する。これにより、回転機6に接続された発電機84が回転機6の回転動力に伴って発電を行う。発電設備3は、2つの回転機6を備え、発電機84の両側にそれぞれ1つの回転機6が設けられるように構成されている。回転機6への蒸気量は、熱媒体の制御弁等からなるガバナ部85により調整され、これにより回転機6の回転速度ωbinが調整される。ガバナ部85への制御指令値は、ガバナ制御演算部86によって演算される。本実施形態において、発電設備3は、回転機6の回転速度ωbinを計測する回転速度計測器87を備え、ガバナ制御演算部86は、回転速度ωbinを一定にする制御(回転速度一定制御)を行う。回転機6を通過した熱媒体は凝縮器83で冷却される。凝縮器83には、熱媒体とは別の循環経路に所定の冷却源により冷却された冷却水が流れ、凝縮器83は、この冷却水を用いて熱媒体を冷却する。
図5は図2に示す発電設備側電力変換器のより具体的な構成例を示すブロック図である。図5に示すように、発電設備側電力変換器7の第1制御装置15は、第1電圧計測器13の計測結果から発電設備3の回転機6の回転速度ωbinおよび回転機6の位相φbinを演算する回転速度・位相演算部26と、発電設備側電流計測器16の計測結果から発電設備3の直軸電流Id_bin,横軸電流Iq_binを演算する電流演算部27とを備えている。さらに、第1制御装置15は、目標中間電圧演算部28、第1電流指令値演算部29および変換回路制御部30を備えている。
図6は図5に示す発電設備側電力変換器の回転速度・位相演算部における演算の概要を示す模式図である。回転速度・位相演算部26は、第1電圧計測器13において計測された計測信号から発電設備3の出力電圧(線間電圧)Vd_bin,Vq_binを演算する。さらに、回転速度・位相演算部26は、これらの電圧値からPLL演算を行い、発電設備3の回転機6の回転速度ωbinおよび位相φbinを推定する。
電流演算部27は、回転速度・位相演算部26で演算された位相φbinと、発電設備側電流計測器16で計測された電流(iR,iS,iT)とを用いて、電流Id_bin,Iq_binを演算する。なお、各相の電流iR,iS,iTには、iR+iS+iT=0の関係があるため、発電設備側電流計測器16で計測される電流は、三相のうち何れか二相でよい。電流Id_bin,Iq_binは、以下の式で表される。
図7は図5に示す発電設備側電力変換器の目標中間電圧演算部における演算の概要を示す模式図である。図7に示すように、目標中間電圧演算部28は、予め定められた回転速度指令値ωref_binと回転速度・移相演算部26で演算された回転機6の回転速度ωbinとの偏差に基づいた値に予め定められた直流電圧基準値Vdc_refを加算して発電機側電力変換器目標中間電圧(以下、<発電機側電力変換器>の項において、単に目標中間電圧という)Vdc_ref_binを演算する。
図8は図5に示す発電設備側電力変換器の第1電流指令値演算部における演算の概要を示す模式図である。図8に示すように、第1電流指令値演算部29は、目標中間電圧Vdc_ref_binと第2電圧計測器14で計測された直流中間電圧Vdcとの偏差を比例および積分して発電設備側電力変換器7の第1変換回路12に入力される発電設備3の出力電流の指令値(第1電流指令値)Id_ref_bin,Iq_ref_binを演算する。
変換回路制御部30は、第1電流指令値演算部29で得られた第1電流指令値Id_ref_bin,Iq_ref_binに基づいて第1変換回路12への電流制御信号を生成する。本実施形態において、変換回路制御部30は、上記第1電流指令値Id_ref_bin,Iq_ref_binと、電流演算部27で得られた発電設備3の出力電流Id_bin,Iq_binと、回転速度・位相演算部26で得られた発電設備3の位相φbinとを用いて、第1変換回路12のパワー半導体素子のゲート制御信号として電流制御信号を生成する。電流制御信号は、例えばPWM信号である。
図9は図2に示すDC−DCコンバータのより具体的な構成例を示すブロック図である。図9に示すように、DC−DCコンバータ9の第2制御装置20は、SOC電圧補正値演算部36、第2電流指令値演算部37および変換回路制御部38を備えている。
図10は図9に示すDC−DCコンバータのSOC電圧補正値演算部における演算の概要を示す模式図である。図10に示すように、SOC電圧補正値演算部36は、所定のSOC指令値SOCrefとSOC値取得部19で取得されたSOC値との偏差に基づいてSOC電圧補正値Vsoc_cmpを演算する。
図11は図9に示すDC−DCコンバータの第2電流指令値演算部における演算の概要を示す模式図である。図11に示すように、第2電流指令値演算部37は、予め定められた直流電圧基準値Vdc_refにSOC電圧補正値Vsoc_cmpを加えたDC/DCコンバータ目標電圧(以下、<DC−DCコンバータ>の項において、単に目標電圧という)Vdcoと第3電圧計測器18で計測された直流中間電圧Vdcとを比例演算してDC/DCコンバータ9の直流リンク部11側への出力電流の指令値(第2電流指令値)Idc_ref_battを演算する。
変換回路制御部38は、第2電流指令値演算部37で得られた第2電流指令値Idc_ref_battに基づいて第2変換回路17への電流制御信号を生成する。本実施形態において、変換回路制御部38は、中間電流計測器21で計測された直流中間電流Idc_battが上記第2電流指令値Idc_ref_battに追従するように、第2変換回路17のパワー半導体素子のゲート制御信号として電流制御信号を生成する。電流制御信号は、例えばPWM信号である。
図12は図2に示す系統側電力変換器のより具体的な構成例を示すブロック図である。図12に示すように、系統側電力変換器7の第3制御装置25は、第4電圧計測器23の計測結果から仮想発電機の回転速度ωgrid、仮想発電機の位相φgridおよび仮想発電機の出力交流電圧Vd_grid,Vq_gridを演算する電圧・周波数・位相演算器43と、系統側電力計測器24が計測した信号に基づいて、系統側電力変換器8の交流側の電流Id_grid,Iq_gridを演算する電流演算部44と、これらの電圧・電流値に基づいて有効電力および無効電力を演算する電力演算部45とを備えている。さらに、第3制御装置25は、周波数指令値演算部46、内部相差角演算部47、内部起電圧指令値演算部48、第3電流指令値演算部49および変換回路制御部50を備えている。
電力演算部45は、電圧・周波数・位相演算部43で演算された電圧Vd_grid,Vq_gridと、電流演算部44で演算された電流Id_grid,Iq_gridとを用いて下記の式の通りに有効電力Pgridおよび無効電力Qgridを演算する。
図13は図12に示す系統側電力変換器の周波数指令値演算部における演算の概要を示す模式図である。図13に示すように、周波数指令値演算部46は、所定の有効電力指令値Prefと電力演算部45で演算された有効電力Pgridとの偏差を比例演算し、その結果ωdrに所定の基準周波数ω0を加算して周波数指令値ωrefを演算する。
図14は図12に示す系統側電力変換器の内部相差角演算部における演算の概要を示す模式図である。図14に示すように、内部相差角演算部47は、周波数取得部で取得された(電圧・周波数・位相演算部43で演算された)周波数ωgridと、周波数指令値演算部46で演算された周波数指令値ωrefとの偏差を積分して内部相差角θを演算する。
図15は図12に示す系統側電力変換器の内部起電圧指令値演算部における演算の概要を示す模式図である。図15に示すように、内部起電圧指令値演算部48は、所定の無効電力指令値Qrefと電力演算部45で演算された無効電力Qgridとの偏差を比例演算し、その結果Vdrに所定の基準電圧Voを加算して内部起電圧指令値Efを演算する。
図17は図12に示す系統側電力変換器の第3電流指令値演算部における演算の概要を示す模式図である。図17に示すように、第3電流指令値演算部49は、内部相差角演算部47で演算された内部相差角θと、内部起電圧指令値演算部48で演算された内部起電圧指令値Efと、第4電圧計測器23で計測された電圧Vd_grid,Vq_gridとを用いて、系統側電力変換器8の交流側への出力電流の指令値(第3電流指令値)Id_ref_grid,Iq_ref_gridを演算する。
変換回路制御部50は、第3電流指令値演算部49で得られた第3電流指令値Id_ref_grid,Iq_ref_gridに基づいて第3変換回路22への電流制御信号を生成する。本実施形態において、変換回路制御部50は、上記第3電流指令値Id_ref_grid,Iq_ref_gridと、電流演算部44で得られた交流側の電流値Id_grid,Iq_gridと、電圧・周波数・位相演算部43で得られた交流側の位相φgridとを用いて、第3変換回路22のパワー半導体素子のゲート制御信号として電流制御信号を生成する。電流制御信号は、例えばPWM信号である。
以下に、本実施形態の電力変換装置1において交流電力系統2における負荷が変動した場合の動作について説明する。図18A〜図18Eは、本実施形態における電力変換装置において交流電力系統の負荷が変動した時の負荷分担動作のシミュレーション結果を示す図である。図18A〜図18Eは、縦軸が直流リンク部11における電圧(直流中間電圧)Vdcを示し、横軸が直流中間電圧Vdcを発電設備3と蓄電設備10とで負荷分担する際の分担状態を示す。横軸方向中央より右側のPbinary領域にある系統負荷4の電力(以下、負荷電力)Pに対し、発電設備3が負担する負荷電力を示し、横軸中央より左側のPbatt領域にある負荷電力Pに対し、蓄電設備10が負担する負荷電力を示す。DC−DCコンバータ9は、直流リンク部11側への出力電圧と出力電流との関係が垂下特性を有しているため、図18A〜図18EにおけるPbatt領域は、直流中間電圧Vdcの低下に応じてPbattが増加するように変化する。一方、Pbinary領域はPI制御による電圧一定制御のため、負荷負担割合の変化に依存していない。
以下に、本実施形態の電力変換装置1において発電設備3がトリップした場合の動作について説明する。図20A〜図20Dは本実施形態において発電設備がトリップした場合の負荷分担動作のシミュレーション結果を示す図である。
次に、上記のように発電設備3がトリップし、蓄電設備10の放電により給電が継続された後に、発電設備3を再起動する際の動作について説明する。なお、トリップ後の再起動に限られず、発電設備3の構成変更後の起動時も同様の動作を行い得る。図21A〜図21Dは本実施形態において発電設備が停止状態から起動する際の負荷分担動作のシミュレーション結果を示す図である。
2 交流電力系統
3 発電設備
4 系統負荷
5 他の発電設備(原動機発電機)
6 回転機
7 発電設備側電力変換器
8 系統側電力変換器
9 DC/DCコンバータ
10 蓄電設備
11 直流リンク部
12 第1変換回路
13 第1電圧計測器
14 第2電圧計測器
15 第1制御装置
16 発電設備側電流計測器
17 第2変換回路
18 第3電圧計測器
19 SOC値取得部
20 第2制御装置
21 中間電流計測器
22 第3変換回路
23 第4電圧計測器
24 系統側電流計測器
25 第3制御装置
26 回転速度・位相演算部
27,44 電流演算部
28 目標中間電圧演算部
29 第1電流指令値演算部
30,38,50 変換回路制御部
31,34,39,41b,51,56,58,87 減算器
32,42,52,59 比例制御器
33,41a,55,62 加算器
35,88 PI制御器
36 SOC電圧補正値演算部
37 第2電流指令値演算部
40 補正値演算器
43 電圧・周波数・位相演算器
45 電力演算部
46 周波数指令値演算部
47 内部相差角演算部
48 内部起電圧指令値演算部
49 第3電流指令値演算部
53,60 一次遅れ演算器
54,61 上下限リミッタ
57,94 積分器
63 第1の関数演算器
64 第2の関数演算器
81 循環ポンプ
82 蒸発器
83 凝縮器
84 発電機
85 ガバナ部
86 ガバナ制御演算部
87 回転速度計測器
91 αβ演算器
92 位相比較器
93 ループフィルタ
Claims (16)
- 交流電力系統と、回転機の回転動力に基づいて発電する発電設備との間に設けられる複合発電システム用電力変換装置であって、
前記発電設備からの交流電力を直流電力に変換する発電設備側電力変換器と、
前記発電設備側電力変換器の直流側端子に直流リンク部を介して接続され、前記発電設備側電力変換器によって変換された直流電力を交流電力に変換する系統側電力変換器と、
前記直流リンク部に、DC/DCコンバータを介して接続される蓄電設備と、を備え、
前記系統側電力変換器は、当該系統側電力変換器の交流側の電圧および電流を計測し、これらの計測値を用いて、前記系統側電力変換器の代わりに仮想の発電機が前記交流電力系統に接続されているとみなして前記交流電力系統への出力制御を行うように構成され、
前記発電設備側電力変換器は、前記回転機の回転速度に応じて前記直流リンク部の直流電圧(以下、直流中間電圧)を変化させる電圧制御を行うように構成され、
前記DC/DCコンバータは、前記直流中間電圧の変化に応じて前記蓄電設備の充放電量を変化させるように構成される、複合発電システム用電力変換装置。 - 前記発電設備側電力変換器は、
前記直流中間電圧が所定の目標電圧(以下、発電機側電力変換器目標中間電圧)となるように電圧制御を行うように構成される、請求項1に記載の複合発電システム用電力変換装置。 - 前記発電機側電力変換器目標中間電圧は、前記回転機の回転速度と予め定めた回転速度指令値との偏差に基づいた値に予め定めた直流電圧基準値を加算して算出されたものである、請求項2に記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記発電設備側電力変換器は、
前記回転機の回転速度と予め定めた回転速度指令値との偏差に基づいた値に予め定めた直流電圧基準値を加算して前記発電機側電力変換器目標中間電圧を演算し、
前記発電機側電力変換器目標中間電圧と第2電圧計測器で計測された直流中間電圧との偏差を比例および積分して前記発電設備側電力変換器に入力される前記発電設備の出力電流の指令値(以下、第1電流指令値)を演算し、
前記第1電流指令値を用いて前記発電設備側電力変換器における電力変換を行って、前記電圧制御を行う、請求項2または3に記載の複合発電システム用電力変換装置。 - 前記発電設備側電力変換器は、
当該発電設備側電力変換器の交流側の電圧を計測する第1電圧計測器と、
当該発電設備側電力変換器の直流側の電圧を計測する第2電圧計測器と、
第1制御装置とを備え、
前記第1制御装置は、
前記第1電圧計測器で計測された前記交流側の電圧から、前記発電設備の前記回転機の回転速度を演算する回転速度演算部と、
所定の回転速度指令値と前記回転速度との偏差に基づいた値に所定の直流電圧基準値を加算して前記発電機側電力変換器目標中間電圧を演算する目標中間電圧演算部と、
前記発電機側電力変換器目標中間電圧と前記第2電圧計測器で計測された前記直流側の電圧との偏差を比例および積分して前記発電設備側電力変換器に入力される第1電流指令値を演算する第1電流指令値演算部と、を含み、
前記第1電流指令値を用いて前記発電設備側電力変換器における電力変換を行って、前記電圧制御を行う、請求項2から4の何れかに記載の複合発電システム用電力変換装置。 - 前記DC/DCコンバータは、前記直流中間電圧と所定の目標電圧(以下、DC/DCコンバータ目標電圧)との偏差に基づいて前記蓄電設備の充放電量を調節する、請求項1から4の何れかに記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記DC/DCコンバータは、前記直流中間電圧と前記直流リンク部側への出力電流との関係が垂下特性を有するように、制御される、請求項6に記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記DC/DCコンバータは、前記直流中間電圧が比例制御により制御される、請求項7に記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記DC/DCコンバータは、前記蓄電設備の充電状態に応じて前記DC/DCコンバータ目標電圧を変化させる、請求項8に記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記DC/DCコンバータ目標電圧は、前記蓄電設備の充電状態に基づく値(以下、SOC値)と所定のSOC指令値との偏差に基づき算出されたSOC電圧補正値を予め定めた直流電圧基準値に加算したものである、請求項6から9のいずれかに記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記DC/DCコンバータは、
当該DC/DCコンバータの前記直流中間電圧を計測する第3電圧計測器と、
前記SOC値を取得するSOC値取得部と、
第2制御装置とを備え、
前記第2制御装置は、
所定のSOC指令値と前記SOC値取得部で取得されたSOC値との偏差に基づいてSOC電圧補正値を演算するSOC電圧補正値演算部と、
予め定めた直流電圧基準値に前記SOC電圧補正値を加算したDC/DCコンバータ目標電圧と前記第3電圧計測器で計測された前記直流中間電圧とを比例演算して前記DC/DCコンバータの前記直流リンク部側への出力電流の指令値(以下、第2電流指令値)を演算する第2電流指令値演算部と、を含み、
前記第2電流指令値を用いて前記DC/DCコンバータにおける電力変換を行いながら前記蓄電設備の充放電させる制御を行う、請求項10に記載の複合発電システム用電力変換装置。 - 前記系統側電力変換器は、
当該系統側電力変換器の交流側の電圧を計測する第4電圧計測器と、
当該系統側電力変換器の交流側の電流を計測する第1電流計測器と、
第3制御装置とを備え、
前記第3制御装置は、
前記第4電圧計測器で計測された電圧および前記第1電流計測器で計測された電流から、前記系統側電力変換器の交流側における有効電力および無効電力を演算する電力演算部と、
所定の有効電力指令値と前記有効電力との偏差を比例演算し、その結果に所定の基準周波数を加算して周波数指令値を演算する周波数指令値演算部と、
前記系統側電力変換器の交流側の周波数を取得する周波数取得部と、
前記周波数取得部で取得された前記周波数と、前記周波数指令値との偏差を積分して内部相差角を演算する内部相差角演算部と、
所定の無効電力指令値と前記無効電力との偏差を比例演算し、その結果に所定の基準電圧を加算して内部起電圧指令値を演算する内部起電圧指令値演算部と、
前記内部相差角と、前記内部起電圧指令値と、前記第4電圧計測器で計測された前記交流側の電圧とを用いて、前記系統側電力変換器の交流側への出力電流の指令値(以下、第3電流指令値)を演算する第3電流指令値演算部と、を含み、
前記第3電流指令値を用いて前記系統側電力変換器における電力変換制御を行う、請求項1から11の何れかに記載の複合発電システム用電力変換装置。 - 前記発電設備は、前記回転動力を生じさせる回転機の回転速度が一定となるように制御される、請求項1から12の何れかに記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記発電設備は、ランキンサイクルを利用した発電設備である、請求項1から13の何れかに記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記ランキンサイクルを利用した発電設備は、バイナリー発電設備である、請求項14に記載の複合発電システム用電力変換装置。
- 前記系統側電力変換器は、前記発電設備が発電を停止している状態から起動させる場合に、前記仮想の発電機が負の電力を発生するような制御を行い、前記DC/DCコンバータが前記蓄電設備を充電するよう構成され、前記発電設備は、前記蓄電設備に充電された電力を用いて自立的に起動する、請求項1から15の何れかに記載の複合発電システム用電力変換装置。
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