JP6387185B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

従来、太陽電池や燃料電池などの直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換し、系統電源と連系して負荷に電力供給するインバータ装置が知られている。インバータ装置は、系統電源から切り離されて単独運転をしていることを検出する単独運転検出装置を備える場合がある。単独運転検出装置は、負荷に供給する有効電力を変動させて、電圧の周波数変動を検出することによって単独運転を検出していた。しかしながら、従来の技術では、電圧の周波数変動が小さい場合には、精度よく単独運転を検出できない場合があった。

特開２００３−１１１２８３号公報 特開平８−２２３８０９号公報 特開２００８−６１３５６号公報

本発明が解決しようとする課題は、より精度よく単独運転を検出することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、電力変換部と、周波数検出部と、単独運転検出部と、制御部と、を備える。電力変換部は、直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する。周波数検出部は、系統電源から前記負荷に供給されている系統電圧の周波数を検出する。単独運転検出部は、前記周波数検出部により検出された周波数の変動に基づいて単独運転を検出する。制御部は、前記負荷に供給する有効電力および無効電力の量および極性を演算し、演算結果に基づいて前記電力変換部を制御する制御部であって、前記単独運転検出部に単独運転を検出させる際に、力率の変動が大きくなる方向に前記有効電力および前記無効電力の量および極性を演算する。

第１の実施形態の電力変換装置１の構成を示すブロック図。 第１の実施形態の電力変換装置１における無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す図。 第１の実施形態の電力変換装置１における動作を示すフローチャート。 第１の実施形態の電力変換装置１における無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す他の図。 第２の実施形態の電力変換装置１Ａの構成を示すブロック図。 第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける動作を示すフローチャート。 第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す図。 第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す他の図。 電力変換装置のシミュレーションの前提となるシステム構成を示す図。 比較例の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図。 第１の実施形態の電力変換装置１におけるシミュレーション結果を示す図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の電力変換装置１の構成を示すブロック図である。電力変換装置１は、電力線１００Ａに接続される。電力変換装置１は、電力線１００Ａを介して系統電源１００および負荷１１０と接続される。電力変換装置１は、系統電源１００と連系して負荷１１０に交流電力を供給する。第１の実施形態の電力変換装置１は、外部装置または内部装置からの有効電力指令によって、電力線１００Ａに有効電力を出力する系統連系電力変換装置である。なお、実施形態において、系統電源１００および負荷１１０における単相または多相、または規格電圧値などの方式を問わないものとする。

第１の実施形態の電力変換装置１は、電力変換部１０と、出力電流検出部１２と、系統電圧検出部１４と、周波数検出部１６と、単独運転検出部１８と、無効電力演算部２０と、有効電力可変部２２と、電力変換制御部２４と、有効電力指令値供給部２６とを備える。なお、第１の実施形態において、無効電力演算部２０、有効電力可変部２２、および電力変換制御部２４が、電力線１００Ａに供給される有効電力および無効電力の量および極性を演算し、演算結果に基づいて電力変換部１０を制御する制御部として機能する。

負荷１１０は、コンデンサ、リアクトル、および抵抗などの要素を含む電気機器である。負荷１１０は、系統電源１００により供給された交流電力または電力変換装置１により供給された交流電力を消費して動作する。なお、負荷１１０は、容量性の負荷と誘導性の負荷とに大別される。容量性の負荷は、抵抗に加えてコンデンサが含まれる。容量性の負荷は、電流を電圧より進ませる特性を有する。誘導性の負荷は、抵抗に加えてモータなどのコイルを備える。誘導性の負荷は、電流を電圧よりも遅らせる特性を有する。

電力変換部１０は、直流電力を交流電力に変換して電力線１００Ａに供給する。電力変換部１０には、直流電源（不図示）が接続され、直流電源から直流電力が供給される。直流電源は、例えば、太陽電池パネル、燃料電池システム、ディーゼル型発電機およびその交流電力を直流電力に変換する変換器などの発電装置、鉛蓄電池、ニッケル水素電池、またはリチウムイオン電池等の蓄電装置などである。

電力変換部１０は、複数の半導体スイッチ素子を備えるインバータブリッジなどの電力変換回路（不図示）を備える。電力変換部１０は、直流電源から供給された直流電力を電力変換回路により交流電力に変換して、電力線１００Ａに供給する。また、電力変換部１０では、有効電力の量および極性、および無効電力の量および極性が独立して制御される。

出力電流検出部１２は、電力変換部１０から電力線１００Ａに供給されている電力変換装置１の出力電流を検出する。出力電流検出部１２は、電力線１００Ａと電力変換部１０との間に接続された電流センサ１２ａから入力される信号に基づいて電力変換装置１の出力電流を検出し、検出した電力変換装置１の出力電流に基づいて、電力変換装置１の出力電流を示す信号（以下、出力電流信号と記載する。）を電力変換制御部２４に出力する。

系統電圧検出部１４は、系統電源１００から負荷１１０に供給されている電圧値を検出し、検出した電圧値を示す信号（以下、系統電圧信号と記載する。）を周波数検出部１６、無効電力演算部２０および電力変換制御部２４に出力する。系統電圧検出部１４により出力される系統電圧信号には、系統電源１００から負荷１１０に供給されている電圧値の基本波および高調波が含まれる。なお、単独運転状態時において、系統電圧検出部１４により検出される系統電圧は、見かけ上は系統電源１００から負荷１１０に供給されている電圧値であるが、実際には、電力変換部１０により出力された出力電流と負荷１１０のインピーダンスによって発生した電圧となる。

周波数検出部１６は、系統電圧検出部１４により出力された系統電圧信号から基本波の周波数を検出し、検出した基本波の周波数を示す信号（以下、基本波周波数信号と記載する。）を単独運転検出部１８、無効電力演算部２０、および電力変換制御部２４に出力する。

有効電力指令値供給部２６は、外部装置または内部装置からの有効電力指令を受け付けるインターフェース回路である。有効電力指令値供給部２６は、電力変換部１０から出力される有効電力の電力指令値を示す信号を電力変換制御部２４に供給する。有効電力指令値供給部２６には、例えば、複数の電力変換装置１の上位システムから電力指令値が供給される。なお、電力変換装置１に供給される指令は電力指令であるものとしたが、電流指令であってもよい。

電力変換制御部２４は、電力変換部１０を制御する。電力変換制御部２４は、例えば、電力指令値を示す信号と系統電圧検出部１４により出力された系統電圧信号とに基づいて目標電流を演算し、出力電流検出部１２により検出された出力電流信号が目標電流に近づくように電力変換部１０を制御する。電力変換制御部２４は、系統電圧に対して同相の出力電流の振幅を制御することで、電力変換部１０から出力される有効電力の量を調整する。また、電力変換制御部２４は、系統電圧に対して位相が９０度ずれた出力電流の振幅を制御することで、電力変換部１０から出力される無効電力の量を調整する。これにより、電力変換制御部２４は、電力変換部１０から出力される有効電力の量と無効電力の量とを独立して制御することができる。なお、電力変換制御部２４は、系統電圧検出部１４により出力された系統電圧信号に加えて、周波数検出部１６により検出された基本波周波数信号を参照して、電力変換装置１の出力電流を調整してもよい。

単独運転検出部１８は、周波数検出部１６により出力された基本波周波数信号に基づいて電力変換装置１の単独運転を検出する。「単独運転状態」とは、系統電源１００が給電を停止した状態で、電力変換装置１が単独で負荷１１０に電力を供給している電力変換装置１の運転状態である。単独運転検出部１８は、例えば、観測期間において周波数検出部１６により出力された基本波周波数信号の変動量が、予め設定されている所定の変動量を超えた場合に、単独運転状態である旨の判定結果を電力変換制御部２４に出力する。
本実施形態では、単独運転検出状態の検出精度の向上と検出期間の短縮化のために、無効電力演算部２０と有効電力可変部２２とを備えている。

無効電力演算部２０は、周波数検出部１６により検出された基本波周波数信号の変動に基づいて、電力線１００Ａに無効電力を注入するタイミング（以下、無効電力注入タイミングという。）が到来したか否かを判定する。
また、無効電力演算部２０は、系統電圧検出部１４により出力された系統電圧信号に基づいて系統電源１００から負荷１１０に供給されている電圧値の高調波成分を抽出し、抽出した高調波成分の振幅の変動に基づいて無効電力注入タイミングが到来したか否かを判定する。
無効電力演算部２０は、無効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、単独運転検出のために電力変換部１０から出力させる無効電力の量および極性を演算する。無効電力演算部２０は、演算した無効電力の量および極性を示す信号（以下、無効電力指示信号と記載する。）を電力変換制御部２４および有効電力可変部２２に出力する。

有効電力可変部２２は、無効電力演算部２０により出力された無効電力指示信号に基づいて出力される無効電力と組み合わせることで力率の変動が大きくなる方向に、有効電力の変動量および極性を演算する。この力率は、電力変換部１０から電力線１００Ａに出力される有効電力と無効電力との割合によって決まる、電力変換装置１が出力する電力の力率である。以下、この力率を「電力変換装置１における力率」と記載すると共に、単に「力率」と記載した場合には、電力変換装置１における力率を表すものとする。有効電力可変部２２は、演算した有効電力の変動量および極性を示す信号（以下、有効電力指示信号と記載する。）を、電力変換制御部２４に出力する。第１の実施形態において、無効電力演算部２０によって出力されるに至った無効電力に対し、有効電力可変部２２により有効電力を変動させることで、電力変換装置１における力率をさらに変動させる。力率の変動が大きくなる方向に演算された有効電力の変動量および極性は、電力変換制御部２４において、外部からの有効電力指令に基づく有効電力の変動量および極性に加算される。

図２は、第１の実施形態の電力変換装置１が出力する無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す図である。図２におけるθは、有効電力ｐの軸と、有効電力ｐの軸および無効電力ｑの軸の交点と有効電力ｐの値および無効電力ｑの値により決まる点とを結ぶ直線とのなす角度である。電力変換装置１における力率は、有効電力ｐおよび無効電力ｑを用いて、下記の式１に示すように表される。
力率＝ｐ／｛ｐ^２＋ｑ^２｝^１／２ （式１）
すなわち、電力変換装置１における力率は、θを用いて下記式２で表される。
有効電力可変部２２は、図２中のベクトルの長さで表される無効電力ｑの変動量と、図２中のベクトルの方向で表される無効電力ｑの極性に応じて、力率の変動が大きくなる方向に有効電力ｐの変動量および極性を演算する。すなわち、有効電力可変部２２は、図２においてθの変動が大きくなるように有効電力ｐの変動量および極性を演算する。これにより、無効電力演算部２０および有効電力可変部２２は、力率の変動に伴う系統電圧の周波数の変動を促して、単独運転状態を検出する精度を高くすることができる。
力率＝ｃｏｓ（θ） （式２）

電力変換制御部２４は、無効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、無効電力演算部２０により演算された無効電力の量および極性を示す無効電力指示信号に従って電力変換部１０から電力線１００Ａに供給する系統電圧と９０度位相がずれた出力電流の振幅を変動させる。また、電力変換制御部２４は、無効電力注入タイミングが到来したと判定した場合に、外部の有効電力指令を示す信号に基づき演算した有効電力の量および極性に、有効電力可変部２２により演算された有効電力の量および極性を加算して、系統電圧と同相の出力電流の振幅を変動させる。これにより、電力変換制御部２４は、有効電力指令を示す信号に従って制御していた有効電力を、力率の変動が大きくなる方向に変動させる。

なお、電力変換制御部２４は、単独運転検出部１８により単独運転状態が検出されていない場合には、系統電源１００と連系して電力変換部１０を制御する。また、電力変換制御部２４は、単独運転検出部１８により単独運転が検出された場合に、電力変換部１０の動作を停止させる。

以下、第１の実施形態の電力変換装置１における動作について説明する。図３は、第１の実施形態の電力変換装置１における動作を示すフローチャートである。
電力変換装置１は、電力変換制御部２４により有効電力の電力指令値を示す信号に基づいて電力変換部１０により有効電力を出力させる（ステップＳ１００）。電力変換装置１は、例えば所定時間毎に系統電圧検出部１４により系統電圧信号を検出し、周波数検出部１６により基本波周波数信号を検出する（ステップＳ１０２）。

無効電力演算部２０は、ステップＳ１０２において検出された系統電圧の基本波の周波数の変動に基づいて単独運転検出のために無効電力を注入するか否かを判定する（ステップＳ１０４）。また、無効電力演算部２０は、ステップＳ１０２において検出された系統電圧に基づいて系統電圧の高調波成分を演算し、高調波成分の振幅の変動に基づいて単独運転検出のために無効電力を注入するか否かを判定する（ステップＳ１０４）。無効電力演算部２０は、無効電力を注入すると判定したことに応じて無効電力注入タイミングが到来したことを判定する。無効電力注入タイミングが到来したと判定したことに応じて、無効電力演算部２０は、系統電圧の基本波の周波数の変動または高調波成分の変動に基づいて電力変換装置１が出力する無効電力の量および極性を演算する（ステップＳ１０６）。

次に有効電力可変部２２は、演算された電力変換装置１が出力する無効電力の量および極性に対し、電力変換装置１における力率の変動が大きくなる方向に、有効電力の変動量および極性を演算する（ステップＳ１０８）。

次に、電力変換制御部２４は、ステップＳ１００において演算された有効電力指令に基づく有効電力の量および極性に、ステップＳ１０８において演算された有効電力の量および極性を加算し、加算した結果に基づいて系統電圧と同相の出力電流の振幅を制御して、電力変換部１０により有効電力を出力させる（ステップＳ１１０）。また、電力変換制御部２４は、ステップＳ１０６において演算された無効電力の量および極性の無効電力に基づいて系統電圧と９０度位相がずれた出力電流の振幅を制御し、電力変換部１０により無効電力を出力させる（ステップＳ１１０）。

単独運転検出部１８は、周波数検出部１６により検出された基本波周波数信号の変動に基づいて電力変換装置１の単独運転状態を検出したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。電力変換装置１の単独運転状態を検出した場合には、電力変換制御部２４は、電力変換部１０の運転を停止させる（ステップＳ１１４）。単独運転検出部１８により単独運転状態が検出されなかった場合、ステップＳ１００に処理を戻す。

なお、実施形態において、単独運転を検出した場合には電力変換部１０を停止させると説明したが、その他の制御を実施してもよい。例えば、電力変換装置１は、電力変換装置１と負荷１１０との間に設けられた遮断器（不図示）をオフ状態（開状態）に制御してもよく、所定時間に亘り単独運転を継続させた後に電力変換部１０を停止させてもよい。

以下、図２を参照して、外部装置からの有効電力の電力指令値に基づく有効電力を、無効電力演算部２０により演算された無効電力に対し、電力変換装置１における力率の変動が大きくなる方向に変動させる具体例について説明する。
有効電力ｐおよび無効電力ｑが共に正である場合、無効電力演算部２０は、無効電力ｑを＋方向に変動量ΔＱ（１）だけ増加した無効電力ｑ（２）を演算する。これに応じて力率はｃｏｓθ_２に変動される。有効電力可変部２２は、力率がｃｏｓθ_２に変更されたことに応じて、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（１）だけ減少させた有効電力ｐ（２）に変更する。この結果、力率はｃｏｓθ_３に変動する。このように、有効電力可変部２２は、力率をｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_３に変動させるように有効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_３への力率変動量は、ｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_２への力率変動量よりも大きくなる。

有効電力ｐが正であり無効電力ｑが負である場合、無効電力演算部２０は、無効電力注入タイミングが到来した判定した場合、無効電力ｑを−方向に変動量ΔＱ（２）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１２に変動される。有効電力可変部２２は、力率がｃｏｓθ_１２に変更されたことに応じて、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（２）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_１２からｃｏｓθ_１３に変動される。このように、有効電力可変部２２は、力率を、ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１３に変動させるように有効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１３への力率変動量は、ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１２への力率変動量よりも大きくなる。

有効電力ｐが負であり無効電力ｑが正である場合、無効電力演算部２０は、無効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、無効電力ｑを＋方向に変動量ΔＱ（３）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２２に変動される。有効電力可変部２２は、力率がｃｏｓθ_２２に変更されたことに応じて、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（３）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_２２からｃｏｓθ_２３に変動される。このように、有効電力可変部２２は、力率を、ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２３に変動させるように有効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２３への力率変動量は、ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２２への力率変動量よりも大きくなる。

なお、図２は、力率を変動される３つの例を示しているが、有効電力ｐおよび無効電力ｑが共に負の場合でも、他の例と同様に、力率変動が大きくなる方向に有効電力を制御することができる。また、実施形態において、無効電力演算部２０により無効電力ｑを変動させた後に有効電力可変部２２により有効電力ｐを変動させるように説明したが、電力変換制御部２４は、有効電力ｐと無効電力ｑを略同時に変動させてもよい。

このように、第１の実施形態の電力変換装置１において、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、無効電力ｑの量の絶対値が大きくなったことに対して、有効電力ｐの量の絶対値を小さくする。また、電力変換装置１は、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、無効電力ｑの量の絶対値が小さくなったことに対して、有効電力ｐの量の絶対値を大きくしてもよい。これによっても、有効電力可変部２２は、力率の変動を大きくする方向に有効電力ｐを変動させる。

以上のように、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、単独運転の検出のために負荷１１０に供給する無効電力の量および極性を演算すると共に、演算した無効電力の量および極性に対して力率の変動が大きくなる方向に有効電力の変動量および極性を演算し、力率の変動が大きくなる方向に演算した有効電力の変動量および極性を、有効電力指令に基づき演算した有効電力の変動量および極性に加算する。これにより、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、力率の変動に伴って系統電圧検出部１４により検出される系統電圧の周波数の変動を大きくすることができる。この結果、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、単独運転検出部１８により精度よく単独運転状態を検出することができ、より迅速に単独運転状態を検出することができる。

ここで、系統電圧と９０度位相がずれた出力電流の出力可能量は、電力変換装置１における最大出力電流および現在の皮相電力により制限される。しかしながら、実施形態の電力変換装置１によれば、系統電圧と９０度位相がずれた出力電流が制限されていても、皮相電力に依存せずに系統電圧と同相の出力電流を変動させて、電力変換装置１における力率を変動することができる。図４は、皮相電力に依存せずに有効電力の変動量ΔＰ（１）＃を演算した例を示す図である。この結果、実施形態の電力変換装置１によれば、単独運転検出のために無効電力のみを変動させるものよりも、さらに大きく力率をｃｏｓθ_３＃に変動させることができ、迅速に単独運転状態を検出することができる。

また、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、図２に示したように、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、無効電力演算部２０により演算された無効電力ｑの絶対値が大きくなったことに対して、有効電力可変部２２により有効電力ｐの量の絶対値を小さくする。また、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、無効電力演算部２０により演算された無効電力ｑの絶対値が小さくなったことに対して、有効電力可変部２２により有効電力ｐの量の絶対値を大きくする。この結果、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、無効電力注入タイミングが到来したと判定する前の電力変換装置１における力率と無効電力ｑを注入した後の電力変換装置１における力率との差を大きくすることができる。

（第２の実施形態）
以下、第２の実施形態について説明する。なお、上述した実施形態と同様の部分については同一符号を付する。図５は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａの構成を示すブロック図である。第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、外部装置または内部装置からの無効電力指令によって、電力線１００Ａに無効電力を出力する系統連系電力変換装置である。第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、上述した第１の実施形態の電力変換装置１における無効電力演算部２０および有効電力可変部２２に代えて、無効電力可変部２０Ａおよび有効電力演算部２２Ａを備える。なお、第２の実施形態において、無効電力可変部２０Ａ、有効電力演算部２２Ａ、および電力変換制御部２４が、電力線１００Ａに供給する有効電力および無効電力の量および極性を演算し、演算結果に基づいて電力変換部１０を制御する制御部として機能する。

また、第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、第１の実施形態の有効電力指令値供給部２６に代えて無効電力指令値供給部２６Ａを備える。無効電力指令値供給部２６Ａは、外部装置または内部装置からの無効電力指令を受け付けるインターフェース回路である。無効電力指令値供給部２６Ａは、電力変換部１０から出力される無効電力の電力指令値を示す信号を電力変換制御部２４に供給する。無効電力指令値供給部２６Ａは、例えば、複数の電力変換装置１の上位システムから電力指令値が供給される。なお、電力変換装置１に供給される指令は電力指令であるものとしたが、電流指令であってもよい。

電力変換制御部２４は、電力変換部１０を制御する。電力変換制御部２４は、例えば、電力指令値を示す信号と系統電圧検出部１４により出力された電圧信号とに基づいて目標電流を演算し、出力電流検出部１２により検出された出力電流信号が目標電流に近づくように電力変換部１０を制御する。電力変換制御部２４は、系統電圧に対して同相の出力電流の振幅を制御することで、電力変換部１０から出力される有効電力の量を調整する。また、電力変換制御部２４は、系統電圧に対して位相が９０度ずれた出力電流の振幅を制御することで、電力変換部１０から出力される無効電力の量を調整する。これにより、電力変換制御部２４は、電力変換部１０から出力される有効電力の量と無効電力の量とを独立して制御することができる。なお、電力変換制御部２４は、系統電圧検出部１４により出力された電圧信号に加えて、周波数検出部１６により検出された基本波周波数信号を参照して、電力変換装置１の出力電流を調整してもよい。

有効電力演算部２２Ａは、周波数検出部１６により検出された基本波周波数信号の変動に基づいて、電力線１００Ａに有効電力を注入するタイミング（以下、有効電力注入タイミングという。）が到来したか否かを判定する。
また、有効電力演算部２２Ａは、系統電圧検出部１４により出力された電圧信号に基づいて系統電源１００から負荷１１０に供給されている電圧値の高調波成分を抽出し、抽出した高調波成分の振幅の変動に基づいて有効電力注入タイミングが到来したか否かを判定する。
有効電力演算部２２Ａは、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、単独運転検出のために電力変換部１０から出力させる有効電力の量および極性を演算する。有効電力演算部２２Ａは、演算した有効電力の量および極性を示す信号（以下、有効電力指示信号と記載する。）を電力変換制御部２４および無効電力可変部２０Ａに出力する。

無効電力可変部２０Ａは、有効電力演算部２２Ａにより出力された有効電力指示信号に基づいて出力される有効電力と組み合わせることで力率の変動が大きくなる方向に、無効電力の変動量および極性を演算する。この力率は、第１の実施形態と同様に、電力変換部１０から電力線１００Ａに出力される有効電力と無効電力との割合によって決まる、電力変換装置１が出力する電力の力率である。以下、この力率を、「電力変換装置１における力率」と記載すると共に、単に「力率」と記載した場合には、電力変換装置１における力率を表すものとする。無効電力可変部２０Ａは、演算した無効電力の変動量および極性を示す信号（以下、無効電力指示信号と記載する。）を、電力変換制御部２４に出力する。第２の実施形態において、有効電力演算部２２Ａによって出力されるに至った有効電力に対し、無効電力可変部２０Ａにより無効電力を変動させることで、電力変換装置１における力率をさらに変動させる。力率の変動が大きくなる方向に演算された無効電力の変動量および極性は、電力変換制御部２４において外部からの有効電力指令に基づく無効電力の変動量および極性に加算される。

以下、第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける動作について説明する。図６は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける動作を示すフローチャートである。
電力変換装置１Ａは、電力変換制御部２４により外部装置から供給された無効電力の指令値を示す信号に基づいて電力変換部１０に無効電力を出力させる（ステップＳ１００Ａ）。電力変換装置１Ａは、例えば所定時間毎に系統電圧検出部１４により系統電圧を検出し、周波数検出部１６により系統電圧の基本波の周波数を検出する（ステップＳ１０２）。

有効電力演算部２２Ａは、ステップＳ１０２において検出された系統電圧の基本波の周波数の変動に基づいて単独運転検出のために有効電力を注入するか否かを判定する（ステップＳ１０４Ａ）。また、有効電力演算部２２Ａは、ステップＳ１０２において検出された系統電圧に基づいて系統電圧の高調波成分を演算し、高調波成分の振幅の変動に基づいて単独運転検出のために有効電力を注入するか否かを判定する（ステップＳ１０４Ａ）。有効電力演算部２２Ａは、有効電力を注入すると判定したことに応じて有効電力注入タイミングが到来したことを判定する。有効電力注入タイミングが到来したと判定したことに応じて、有効電力演算部２２Ａは、系統電圧の基本波の周波数の変動または高周波成分の変動に基づいて電力変換装置１が出力する有効電力の量および極性を演算する（ステップＳ１０６Ａ）。

次に無効電力可変部２０Ａは、演算された有効電力の量および極性に対し、電力変換装置１における力率の変動が大きくなる方向に、無効電力の変動量および極性を演算する（ステップＳ１０８Ａ）。

次に、電力変換制御部２４は、ステップＳ１００Ａにおいて演算された無効電力指令に基づく無効電力の量および極性に、ステップＳ１０８Ａにおいて演算された無効電力の量および極性を加算し、加算した結果に基づいて系統電圧と９０度位相がずれた出力電流の振幅を制御して、電力変換部１０により無効電力を出力させる（ステップＳ１１０）。また、電力変換制御部２４は、ステップＳ１０６Ａにおいて演算された有効電力の量および極性の無効電力に基づいて系統電圧と同相の出力電流の振幅を制御し、電力変換部１０により有効電力を出力させる（ステップＳ１１０）。

単独運転検出部１８は、周波数検出部１６により検出された基本波周波数信号の変動に基づいて電力変換装置１の単独運転状態を検出したか否かを判定する（ステップＳ１１２）。電力変換装置１の単独運転状態を検出した場合には、電力変換制御部２４は、電力変換部１０の運転を停止させる（ステップＳ１１４）。単独運転検出部１８により単独運転状態が検出されなかった場合、ステップＳ１００に処理を戻す。

以下、図７および図８を参照して、外部装置または内部装置からの無効電力の電力指令値に基づく無効電力を、有効電力演算部２２Ａにより演算された有効電力に対し、電力変換装置１における力率の変動が大きくなる方向に変動させる具体例について説明する。図７は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す図である。図７に示すように、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合において有効電力ｐがｐ（１）および無効電力ｑがｑ（１）である場合、力率は、上述した式２より、ｃｏｓ（θ_１）である。

有効電力演算部２２Ａは、有効電力ｐを＋方向に変動量ΔＰ（１）だけ増加した有効電力ｐ（２）を演算する。これに応じて力率はｃｏｓθ_２に変動させる。無効電力可変部２０Ａは、力率がｃｏｓθ_２に変更されたことに応じて、無効電力ｑを−方向に変動量ΔＱ（１）だけ減少させた無効電力ｑ（２）を演算する。この結果、力率はｃｏｓθ_３に変動する。このように、無効電力可変部２０Ａは、力率をｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_３に変動させるように無効電力の変動量および極性を演算する。ｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_３への力率変動量は、ｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_２への力率変動量よりも大きくなる。

有効電力ｐが正であり無効電力ｑが負である場合、有効電力演算部２２Ａは、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、有効電力ｐを＋方向に変動量ΔＰ（２）だけ増加した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１２に変動される。無効電力可変部２０Ａは、力率がｃｏｓθ_１２に変更されたことに応じて、無効電力ｑを＋方向に変動量ΔＱ（２）だけ増加した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_１２からｃｏｓθ_１３に変動される。このように、無効電力可変部２０Ａは、力率を、ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１３に変動させるように無効電力の変動量および極性を演算する。ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１３への力率変動量は、ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１２への力率変動量よりも大きくなる。

有効電力ｐが負であり無効電力ｑが正である場合、有効電力演算部２２Ａは、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（３）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２２に変動される。無効電力可変部２０Ａは、力率がｃｏｓθ_２２に変更されたことに応じて、無効電力ｑを−方向に変動量ΔＱ（３）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_２２からｃｏｓθ_２３に変動される。このように、無効電力可変部２０Ａは、力率を、ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２３に変動させるように無効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２３への力率変動量は、ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２２への力率変動量よりも大きくなる。

このように、無効電力可変部２０Ａは、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、有効電力演算部２２Ａにより演算された有効電力ｐの量の絶対値が大きくなったことに対して無効電力ｑの量の絶対値を小さくする。これにより、無効電力可変部２０Ａは、力率の変動を大きくする方向に無効電力ｑを変動させる。

図８は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａにおける無効電力ｑと有効電力ｐとの関係を示す他の図である。図８に示すように、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合における有効電力ｐがｐ（１）および無効電力ｑがｑ（１）である場合、力率は、上述した式２より、ｃｏｓ（θ_１）である。
有効電力演算部２２Ａは、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（１）だけ減少した有効電力ｐ（２）を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_２に変動される。無効電力可変部２０Ａは、力率がｃｏｓθ_２に変更されたことに応じて、無効電力ｑを＋方向に変動量ΔＱ（１）だけ増加させた無効電力ｑ（２）を演算する。この結果、力率はｃｏｓθ_３に変動する。このように、無効電力可変部２０Ａは、力率をｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_３に変動させるように無効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_３への力率変動量は、ｃｏｓθ_１からｃｏｓθ_２への力率変動量よりも大きくなる。

有効電力ｐが正であり無効電力ｑが負である場合、有効電力演算部２２Ａは、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（２）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１２に変動される。無効電力可変部２０Ａは、力率がｃｏｓθ_１２に変更されたことに応じて、無効電力ｑを−方向に変動量ΔＱ（２）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_１２からｃｏｓθ_１３に変動される。このように、無効電力可変部２０Ａは、力率をｃｏｓθ_１２からｃｏｓθ_１３に変動させるように無効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１３への力率変動量は、ｃｏｓθ_１１からｃｏｓθ_１２への力率変動量よりも大きくなる。

有効電力ｐが負であり無効電力ｑが正である場合、有効電力演算部２２Ａは、有効電力注入タイミングが到来したと判定した場合、有効電力ｐを−方向に変動量ΔＰ（３）だけ減少した値を演算する。これにより、力率はｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２２に変動される。無効電力可変部２０Ａは、力率がｃｏｓθ_２２に変更されたことに応じて、無効電力ｑを＋方向に変動量ΔＱ（３）だけ増加した値を演算する。これにより、力率をｃｏｓθ_２２からｃｏｓθ_２３に変動される。このように、無効電力可変部２０Ａは、力率を、ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２３に変動させるように無効電力の量および極性を演算する。ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２３への力率変動量は、ｃｏｓθ_２１からｃｏｓθ_２２への力率変動量よりも大きくなる。

このように、無効電力可変部２０Ａは、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、有効電力演算部２２Ａにより演算された有効電力ｐの量の絶対値が小さくなったことに対して無効電力ｑの量の絶対値を大きくする。これにより、無効電力可変部２０Ａは、力率の変動を大きくする方向に無効電力ｑを変動させる。

なお、図７および図８は、力率を変動される３つの例を示しているが、有効電力ｐおよび無効電力ｑが共に負の場合でも、他の例と同様に、力率変動が大きくなる方向に無効電力を制御することができる。また、実施形態において、有効電力ｐが変化した後に有効電力可変部２２Ａにより無効電力ｑを変動させるように説明したが、電力変換制御部２４は、有効電力ｐと無効電力ｑを略同時に変動させてもよい。

以上のように、第２の実施形態の電力変換装置１Ａによれば、単独運転の検出のために有効電力の量および極性を演算すると共に、演算した有効電力の量および極性に対して力率の変動が大きくなる方向に無効電力の変動量および極性を演算し、力率の変動が大きくなる方向に演算した無効電力の変動量および極性を、無効電力指令に基づき演算した無効電力の変動量および極性に加算する。これにより、第２の実施形態の電力変換装置１Ａによれば、力率の変動に伴って系統電圧検出部１４により検出される系統電圧の周波数の変動を大きくすることができる。この結果、第２の実施形態の電力変換装置１Ａによれば、単独運転検出部１８により、より精度よく単独運転を検出することができる。

また、無効電力可変部２０Ａは、図７に示したように、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、有効電力ｐの量の絶対値が大きくなったことに対して、無効電力ｑの量の絶対値を小さくする。また、無効電力可変部２０Ａは、図８に示したように、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、有効電力ｐの量の絶対値が小さくなったことに対して、無効電力ｑの量の絶対値を大きくする。この結果、第２の実施形態の電力変換装置１Ａによれば、無効電力注入タイミングが到来したと判定する前における力率と無効電力ｑを注入した後の力率との差を大きくすることができる。

以下、上述した第１の実施形態の電力変換装置１のシミュレーション結果を説明する。図９は、電力変換装置のシミュレーションの前提となるシステム構成を示す図である。シミュレーションは、一つの系統電源１００に負荷１１０および電力変換装置が遮断器１２０を介してそれぞれ一つ接続されている構成を前提とした。また、系統電源１００は２００Ｖの交流電圧を出力するものとし、系統電源１００の内部インピーダンスは無視するものとした。
図１０は、比較例の電力変換装置におけるシミュレーション結果を示す図である。図１０は、上から下に、電力変換装置により検出された系統電圧および系統電流、電力変換装置の出力電流、負荷１１０の負荷電流、電力変換装置（ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路）により得られる系統電圧の周波数に対する電力変換装置により検出された系統電圧の周波数の偏差を示す。

図１０において、時刻「０」から電力線１００Ａに系統電力を供給し、時刻ｔ１以降において、系統電流と同じ出力電流を電力線１００Ａに供給した。これにより、系統電流は、時刻ｔ１以降において電力線１００Ａには供給されていない。時刻ｔ２において、遮断器１２０を開放し系統電源１００と電力変換装置および負荷１１０とを切り離して、電力変換装置を連系状態から単独運転状態に切り替えた。その後、電力変換装置は単独運転状態を検出し、時刻ｔ２から０．０２秒後から無効電力の注入を開始した。その後の時刻ｔ２から１秒後の時刻ｔ３において、周波数偏差は、−０．３２Ｈｚとなった。

図１１は、第１の実施形態の電力変換装置１におけるシミュレーション結果を示す図である。第１の実施形態の電力変換装置１は、時刻ｔ１１において、系統電流と同じ出力電流を電力線１００Ａに供給した。その後の時刻ｔ１２において、遮断器１２０を開放し系統電源１００と電力変換装置１および負荷１１０とを切り離して、電力変換装置１を連系状態から単独運転状態に切り替えた。その後、電力変換装置１は単独運転状態を検出し、時刻ｔ１２から０．０２秒後から、単独運転の検出のために無効電力の注入を開始すると共に、力率の変動が大きくなる方向に有効電力を変動させて、電力変換装置１の出力電流を６０％に絞ることにより、Ｉ１からＩ２に減少させた。この結果、負荷電流は時刻ｔ１２以降においてＩ１１からＩ１２に減少させた。この結果、時刻ｔ１３における周波数偏差は−０．５Ｈｚとなった。

以上のように、第１の実施形態の電力変換装置１によれば、無効電力注入タイミングが到来したと判定した場合に、単独運転の検出のために無効電力を注入すると共に、力率の変動が大きくなる方向に有効電力を変動させることにより、比較例よりも大きな周波数偏差を発生させることできるので、より精度よく単独運転を検出することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、単独運転検出部１８に単独運転を検出させる際に、力率の変動が大きくなる方向に有効電力および無効電力の量および極性を演算する制御部を持つことにより、力率の変動に伴って系統電圧検出部１４により検出される系統電圧の周波数の変動を大きくすることができ、より精度よく単独運転を検出することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら実施形態は、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。

Claims (2)

1. 直流電源から供給された直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する電力変換部と、
   系統電源から前記負荷に供給されている系統電圧の周波数を検出する周波数検出部と、
   前記周波数検出部により検出された周波数の変動に基づいて単独運転を検出する単独運転検出部と、
   前記負荷に供給する有効電力および無効電力の量および極性を演算し、演算結果に基づいて前記電力変換部を制御する制御部であって、前記単独運転検出部に単独運転を検出させる際に、力率の変動が大きくなるように前記有効電力および前記無効電力の量および極性を演算する制御部と、を備え、
   前記制御部は、指令に基づいて前記負荷に供給する無効電力の量および極性を演算し、前記単独運転検出部に単独運転を検出させる際に、前記単独運転の検出のために前記負荷に供給する有効電力の量および極性を演算すると共に、前記演算した有効電力の量および極性に対して前記力率の変動が大きくなるように無効電力の変動量および極性を演算し、前記力率の変動が大きくなるように演算した無効電力の変動量および極性を、前記指令に基づき演算した無効電力の変動量および極性に加算する、
   電力変換装置。
2. 前記制御部は、前記単独運転検出部に単独運転を検出させる際に、前記演算した有効電力の量の絶対値が小さくなったことに対して、前記無効電力の量の絶対値を大きくし、前記演算した有効電力の量の絶対値が大きくなったことに対して、前記無効電力の量の絶対値を小さくする、
   請求項１に記載の電力変換装置。

Images