JP6433636B1 - 制御装置、および電力制御システム - Google Patents

Abstract

交流系統に接続された電源（２０）を制御するための制御装置（１０）は、定電圧定周波数制御方式で動作する電源の周波数を制御する周波数制御部（２０１）と、周波数制御部が電源の周波数を変動させた場合に、電源から出力される有効電力の変動値を算出する電力算出部（２０３）と、電源の周波数の変動値と、電源から出力される有効電力の変動値とに基づいて、交流系統の周波数特性定数を算出する演算部（２０５）と、交流系統の周波数特性定数に基づいて、電源の制御方式を選択する選択部（２０７）とを備える。

Description

本開示は、制御装置、および電力制御システムに関する。

電力系統の運用において、電力系統内の負荷変動と周波数変化との間には密接な関係があり、これは電力系統の周波数特性と呼ばれる。この周波数特性の把握は、電力系統の計画および運用操作等において必要となる。

例えば、特開２０１１−１６６８９０号公報（特許文献１）は、電力系統における系統周波数特性定数の測定方法を開示している。この測定方法では、電力系統に接続する発電機の出力又は電力系統に接続する負荷の消費電力に与えた周期的な微小変動を参照信号として入力するとともに、電力系統の周波数を測定信号としてロックインアンプに入力し、微小変動とロックインアンプの直流出力とを演算装置に入力し、演算装置が、入力された微小変動と直流出力とに基づき系統周波数特性定数を求める。

特開２０１１−１６６８９０号公報

電力系統において停電が発生した場合において、当該電力系統に接続された他の電源（例えば、発電機）により発電された電力を受電することなく、予め定められた電源を自立的に起動して当該電力系統を停電状態から復旧させるブラックスタートが知られている。予め定められた電源を起動した後、他の電源（例えば、発電機）が電力系統に接続されると電力系統の周波数特性が変化することから、周波数特性定数を逐次把握することで予め定められた電源の制御方式を適切に選択する必要がある。

特許文献１では、電力系統に接続する発電機または負荷の出力を変動させることで、周波数特性定数を算出しているが、ブラックスタートによる電力系統の立ち上げを想定しておらず、上記ニーズに対する技術を何ら教示ないし示唆していない。

本開示のある局面における目的は、電力系統に接続された電源の周波数を変動させることで、当該電源の制御方式を適切に選択することが可能な制御装置、および電力制御システムを提供することである。

ある実施の形態に従うと、交流系統に接続された電源を制御するための制御装置が提供される。制御装置は、定電圧定周波数制御方式で動作する電源の周波数を制御する周波数制御部と、周波数制御部が電源の周波数を変動させた場合に、電源から出力される有効電力の変動値を算出する電力算出部と、電源の周波数の変動値と、電源から出力される有効電力の変動値とに基づいて、交流系統の周波数特性定数を算出する演算部と、交流系統の周波数特性定数に基づいて、電源の制御方式を選択する選択部とを備える。

他の実施の形態に従う電力制御システムは、交流系統に接続される電源と、電源を制御するための制御装置とを備える。制御装置は、定電圧定周波数制御方式で動作する電源の周波数を制御する周波数制御部と、周波数制御部が電源の周波数を変動させた場合に、電源から出力される有効電力の変動値を算出する電力算出部と、電源の周波数の変動値と、電源から出力される有効電力の変動値とに基づいて、交流系統の周波数特性定数を算出する演算部と、交流系統の周波数特性定数に基づいて、電源の制御方式を選択する選択部とを含む。

本開示によると、電力系統に接続された電源の周波数を変動させることにより、当該電源の制御方式を適切に選択することが可能となる。

電力制御システムの概略構成を示す図である。 電力変換器の概略構成図である。 図２の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。 制御装置のハードウェア構成の一例を示す図である。 制御装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 発電機の応答速度を説明するための図である。 制御装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。 周波数変動処理の一例を示すフローチャートである。 電力変換器の制御方式の選択処理を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜システムの概要＞
（全体構成）
図１は、電力制御システムの概略構成を示す図である。図１を参照して、電力制御システムは、直流送電系統の電力を制御するためのシステムである。直流系統である直流送電線１４を介して、２つの交流系統１０１および交流系統１０２間で電力が送受される。典型的には、交流系統１０１および交流系統１０２は３相交流系統である。

交流系統１０１には、電力変換器２０と、交流電源としての発電機３２，３４と、負荷４１が接続されている。電力変換器２０は、交流系統１０１と直流送電線１４との間に接続される。交流系統１０２には、電力変換器２１と、発電機３１とが接続されている。電力変換器２１は、交流系統１０２と直流送電線１４との間で電力変換を行なう。

例えば、交流系統１０２から交流系統１０１に電力が送電される。この場合、電力変換器２０は順変換器（ＲＥＣ：Rectifier）として動作し、電力変換器２１は逆変換器（ＩＮＶ：Inverter）として動作する。具体的には、電力変換器２１により交流電力が直流電力に変換され、この変換された直流電力が直流送電線１４を介して直流送電される。そして、受電端において電力変換器２０により直流電力が交流電力に変換され、変圧器（図示しない）を介して交流系統１０１に供給される。なお、電力変換器２１が逆変換器として動作し、電力変換器２０が順変換器として動作する場合には、上記と逆の変換動作が行われる。

電力変換器２０は、自励式の電圧型電力変換器で構成されている。例えば、電力変換器２０は、互いに直列接続された複数のサブモジュールを含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。「サブモジュール」は、「変換器セル」とも呼ばれる。なお、電力変換器２１も自励式の電圧型電力変換器で構成されている。

制御装置１０は、制御に使用される電気量（電流、電圧など）を複数の検出器から取得する。制御装置１０は、複数の検出器から取得した電気量に基づいて、電力変換器２０の動作を制御する。

本実施の形態では、電力変換器２０が自励式の電力変換器であるため、電力変換器２０を交流系統１０１の電源（すなわち、電圧源）として動作させて、電力変換器２０から電力を供給することにより交流系統１０１を停電状態から復旧させることができる。

具体的には、電力変換器２０は、交流系統１０１に接続された他の電源（例えば、発電機３２，３４）から電力を受電することなく、交流系統１０１を停電状態から復旧させるブラックスタート機能を有している。なお、交流系統１０１が停電状態であっても電力変換器２０の運転が可能となるような各種の非常用電源（制御装置用電源、補機電源等）は、確保されているとする。あるいは、交流系統１０１の停電時において、直流送電線１４を介して発電機３１から電力の供給を受けて電力変換器２０を運転する構成であってもよい。

ここで、交流系統１０１が停電状態であって、交流系統１０１から発電機３２，３４および負荷４１が切り離されている場合を想定する。なお、発電機３２，３４および負荷４１の各々は、周波数特性を有するものとする。具体的には、発電機３２，３４の各々は、周波数ドループ制御機能を有しており、予め定められた傾き（すなわち、調定率）に従って、周波数が上がると発電機出力（すなわち、発電機の有効電力出力）を低減させ、周波数が下がると有効電力出力を増大させる。また、負荷４１の負荷電力は、周波数が上がると増大し、周波数が下がると低減する。

制御装置１０は、交流系統１０１の周波数特性定数に基づいて電力変換器２０の制御方式を切り替えて、交流系統１０１を停電状態から復旧させる。具体的には、まず、制御装置１０は、定電圧定周波数（ＣＶＣＦ：Constant Voltage Constant Frequency）制御方式で電力変換器２０を動作させることにより、電力変換器２０を交流系統１０１の電圧源として機能させる。

続いて、制御装置１０は、電力変換器２０の周波数Ｆを変動させ、その周波数変動に応じた電力変換器２０の有効電力出力Ｐの変動量を計測する。周波数Ｆの変動分の値である周波数変動値をΔｆとし、有効電力出力Ｐの変動分の値である有効電力変動値をΔＰとすると、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋは式（１）で表される。

Ｋ＝ΔＰ／Δｆ ・・・（１）
交流系統１０１から発電機３２，３４および負荷４１が切り離された状態の場合、電力変換器２０の周波数Ｆを変動させても有効電力出力Ｐは変動しない。なぜなら、この状態においては、電力変換器２０の周波数Ｆを変動させても、周波数特性を有する電源および負荷が交流系統１０１に接続されていないためである。

このように、交流系統１０１に発電機３２，３４および負荷４１が接続されていない場合には、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋは略ゼロになる。この場合、制御装置１０は、ＣＶＣＦ制御方式で電力変換器２０を動作させて、引き続き、電力変換器２０を交流系統１０１の電圧源として機能させる。

その後、交流系統１０１から切り離されていた発電機３２，３４および負荷４１が順次接続されると、交流系統１０１の周波数特性が変化する（すなわち、周波数特性定数Ｋが変化する）。そのため、電力変換器２０の周波数Ｆを変動させると、当該変動に伴って電力変換器２０の有効電力出力Ｐが変動する。

具体的には、ＣＶＣＦ制御方式で動作している電力変換器２０は、交流系統１０１の周波数を一定する役割を担っている。例えば、発電機３２が交流系統１０１に接続された場面を想定する。電力変換器２０が、周波数Ｆを基準周波数Ｆｓ（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）からΔｆだけ上げた場合（すなわち、Ｆ＝Ｆｓ＋Δｆ）、発電機３２は周波数の増大分であるΔｆに応じて有効電力出力を低減させる。このとき、電力変換器２０は、発電機３２の有効電力出力の低減分だけ自身の有効電力出力Ｐを増大させることで周波数Ｆを周波数（Ｆｓ＋Δｆ）で維持するように動作する。

また、電力変換器２０が、周波数Ｆを基準周波数ＦｓからΔｆだけ下げた場合（すなわち、Ｆ＝Ｆｓ−Δｆの場合）、発電機３２は周波数の低減分であるΔｆに応じて有効電力出力を増大させる。電力変換器２０は、発電機３２の有効電力出力の増大分だけ自身の有効電力出力Ｐを低減させることで周波数Ｆを周波数（Ｆｓ−Δｆ）で維持するように動作する。

そのため、制御装置１０は、電力変換器２０の周波数Ｆを変動させた場合における、電力変換器２０の有効電力出力Ｐの変動値を確認する（すなわち、周波数特性定数Ｋを確認する）ことによって、交流系統１０１の周波数特性を把握することができる。そして、制御装置１０は、周波数特性定数Ｋの値に応じて、ＣＶＣＦ制御方式とは異なる他の制御方式（例えば、周波数ドループ制御方式、有効電力一定制御方式等）に電力変換器２０の制御方式を切り替える。

上記のように、制御装置１０は、定期的に電力変換器２０の周波数Ｆを変動させて、周波数Ｆの変動値に対する有効電力出力Ｐの変動値である周波数特性定数Ｋを算出し、周波数特性定数Ｋに基づいて、現在の交流系統１０１の状態に適した制御方式で電力変換器２０を動作させる。

また、制御装置１０は、電力変換器２０に関する情報のみ（すなわち、電力変換器２０の周波数Ｆおよび有効電力出力Ｐの変動値）を用いて、当該電力変換器２０の制御方式を適切に選択できる。さらに、交流系統１０１全体を管理する集中制御装置等の上位装置から指令情報（例えば、制御方式の指令情報）を取得する必要が無いため、通信コストを軽減できるとともに停電状態からの復旧を迅速に進めることができる。

＜電力変換器の構成＞
（全体構成）
図２は、電力変換器２０の概略構成図である。図２を参照して、電力変換器２０は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（以下、「レグ回路４」とも総称する）を含む。レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、交流系統１０１と直流送電線１４との間で電力変換を行なう。図２には、交流系統１０１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられている。

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器１３に接続される。図１では、図解を容易にするために、交流入力端子Ｎｖ，Ｎｗと連系変圧器１３との接続は図示していない。各レグ回路４に共通に接続された高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流送電線１４に接続される。

図１の連系変圧器１３を用いる代わりに、連系リアクトルを用いた構成としてもよい。さらに、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが連系変圧器１３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル８Ａ，８Ｂとしてもよい。すなわち、レグ回路４は、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗに設けられた接続部を介して電気的に（すなわち、直流的または交流的に）交流系統１０１と接続される。

レグ回路４ｕは、高電位側直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム５と、低電位側直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム６とを含む。上アーム５と下アーム６との接続点である交流入力端子Ｎｕが連系変圧器１３と接続される。高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎが直流送電線１４に接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有しているので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。

上アーム５は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ａとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ａは互いに直列接続されている。同様に、下アーム６は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ｂとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ｂは互いに直列接続されている。

リアクトル８Ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの上アーム５のいずれの位置であってもよく、リアクトル８Ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの下アーム６のいずれの位置であってもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂはそれぞれ複数個あってもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、上アーム５のリアクトル８Ａのみ、もしくは、下アーム６のリアクトル８Ｂのみを設けてもよい。

リアクトル８Ａ，８Ｂは、交流系統１０１または直流送電線１４などの事故時に事故電流が急激に増大しないように設けられている。しかし、リアクトル８Ａ，８Ｂのインダクタンス値を過大なものにすると電力変換器の効率が低下するという問題が生じる。したがって、事故時においては、各サブモジュール７の全てのスイッチング素子をできるだけ短時間で停止（オフ）することが好ましい。

電力変換器２０は、さらに、制御に使用される電気量（電流、電圧など）を計測する各検出器として、交流電圧検出器８１と、交流電流検出器８２と、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂとを含む。

これらの検出器によって検出された信号は、制御装置１０に入力される。制御装置１０は、これらの検出信号に基づいて各サブモジュール７の運転状態を制御するための制御指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗを出力する。また、制御装置１０は、各サブモジュール７から信号１７を受信する。信号１７は、キャパシタ電圧（後述の図３中の直流コンデンサ２４の電圧）の検出値を含む。

制御指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗ（以下、「制御指令１５」とも総称する。）は、Ｕ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相上アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相上アーム、およびＷ相下アームにそれぞれ対応して生成されている。

なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から制御装置１０に入力される信号の信号線と、制御装置１０および各サブモジュール７間で入出力される信号の信号線とは、一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびサブモジュール７ごとに設けられている。各サブモジュール７と制御装置１０との間の信号線は、送信用と受信用とが別個に設けられていてもよい。また、本実施の形態の場合、これらの信号は耐ノイズ性の観点から光ファイバを介して伝送される。

以下、各検出器について具体的に説明する。交流電圧検出器８１は、交流系統１０１のＵ相の交流電圧値Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧値Ｖａｃｖ、およびＷ相の交流電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器８２は、交流系統１０１のＵ相の交流電流値Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流値Ｉａｃｖ、およびＷ相の交流電流値Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器１１Ａは、直流送電線１４に接続された高電位側直流端子Ｎｐの直流電圧値Ｖｄｃｐを検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流送電線１４に接続された低電位側直流端子Ｎｎの直流電圧値Ｖｄｃｎを検出する。

Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム５に流れる上アーム電流Ｉｐｕおよび下アーム６に流れる下アーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｖおよび下アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。

（サブモジュールの構成例）
図３は、図２の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。図３に示すサブモジュール７は、ハーフブリッジ型の変換回路２５と、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ２４と、電圧検出部２７と、送受信部２８と、ゲート制御部２９とを含む。

ハーフブリッジ型の変換回路２５は、互いに直列接続されたスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂと、ダイオード２３Ａ，２３Ｂとを含む。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂとそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続される。直流コンデンサ２４は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を保持する。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの接続ノードは高電位側の入出力端子２６Ｐと接続される。スイッチング素子２２Ｂと直流コンデンサ２４の接続ノードは低電位側の入出力端子２６Ｎと接続される。

ゲート制御部２９は、制御装置１０から受信した制御指令１５に従って動作する。ゲート制御部２９は、通常動作時（すなわち、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの一方をオン状態とし、他方をオフ状態となるように制御を行なう。スイッチング素子２２Ａがオン状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオフ状態のとき、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間には直流コンデンサ２４の両端間の電圧が印加される。逆に、スイッチング素子２２Ａがオフ状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオン状態のとき、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間は０Ｖとなる。

したがって、図３に示すサブモジュール７は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とすることによって、零電圧または直流コンデンサ２４の電圧に依存した正電圧を出力することができる。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂに逆方向電圧が印加されたときの保護のために設けられている。

一方、制御装置１０は、アーム電流の過電流を検出した場合、ゲートブロック（スイッチング素子のオフ）指令を送受信部２８に送信する。ゲート制御部２９は、ゲートブロック指令を送受信部２８を介して受け付けると、回路保護のためにスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの両方をオフにする。この結果、例えば、交流系統１０１の地絡事故の場合に、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを保護することができる。

電圧検出部２７は、直流コンデンサ２４の両端２４Ｐ，２４Ｎの間の電圧を検出する。以下の説明では、直流コンデンサ２４の電圧をセルキャパシタ電圧とも称する。送受信部２８は、制御装置１０から受信した制御指令１５をゲート制御部２９に伝達するとともに、電圧検出部２７によって検出されたセルキャパシタ電圧を表す信号１７を制御装置１０に送信する。

上記の電圧検出部２７、送受信部２８およびゲート制御部２９は、専用回路によって構成してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを利用して構成してもよい。各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂには、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）である。

上記で説明したサブモジュール７の構成は一例であって、他の構成のサブモジュール７を本実施の形態に適用してもよい。例えば、サブモジュール７は、フルブリッジ型の変換回路、またはスリークオーターブリッジ型の変換回路を用いて構成されていてもよい。

＜制御装置のハードウェア構成＞
図４は、制御装置１０のハードウェア構成の一例を示す図である。図４を参照して、出制御装置１０は、補助変成器５１と、ＡＤ（Analog to Digital）変換部５２と、演算処理部７０とを含む。例えば、制御装置１０は、ディジタル保護制御装置として構成されている。

補助変成器５１は、各検出器からの電気量を取り込み、より小さな電気量に変換して出力する。ＡＤ変換部５２は、補助変成器５１から出力される電気量（アナログ量）を取り込んでディジタルデータに変換する。具体的には、ＡＤ変換部５２は、アナログフィルタと、サンプルホールド回路と、マルチプレクサと、ＡＤ変換器とを含む。

アナログフィルタは、補助変成器５１から出力される電流および電圧の波形信号から高周波のノイズ成分を除去する。サンプルホールド回路は、アナログフィルタから出力される電流および電圧の波形信号を予め定められたサンプリング周期でサンプリングする。マルチプレクサは、演算処理部７０から入力されるタイミング信号に基づいて、サンプルホールド回路から入力される波形信号を時系列で順次切り替えてＡＤ変換器に入力する。ＡＤ変換器は、マルチプレクサから入力される波形信号をアナログデータからディジタルデータに変換する。ＡＤ変換器は、ディジタル変換した波形信号（ディジタルデータ）を演算処理部７０へ出力する。

演算処理部７０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）７２と、ＲＯＭ７３と、ＲＡＭ７４と、ＤＩ（digital input）回路７５と、ＤＯ（digital output）回路７６と、入力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）７７と、通信インターフェイス（Ｉ／Ｆ）７８とを含む。これらは、バス７１で結合されている。

ＣＰＵ７２は、予めＲＯＭ７３に格納されたプログラムを読み出して実行することによって、制御装置１０の動作を制御する。なお、ＲＯＭ７３には、ＣＰＵ７２によって用いられる各種情報が格納されている。ＣＰＵ７２は、たとえば、マイクロプロセッサである。なお、当該ハードウェアは、ＣＰＵ以外のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）およびその他の演算機能を有する回路などであってもよい。

ＣＰＵ７２は、バス７１を介して、ＡＤ変換部５２からディジタルデータを取り込む。ＣＰＵ７２は、ＲＯＭ７３に格納されているプログラムに従って、取り込んだディジタルデータを用いて制御演算を実行する。

ＣＰＵ７２は、制御演算結果に基づいて、ＤＯ回路７６を介して、外部の装置に制御指令を出力する。また、ＣＰＵ７２は、ＤＩ回路７５を介して、その制御指令に対する応答を受け取る。入力インターフェイス７７は、典型的には、各種ボタン等であり、系統運用者からの各種設定操作を受け付ける。また、ＣＰＵ７２は、通信インターフェイス７８を介して、他の装置と各種情報を送受信する。

＜機能構成＞
図５は、制御装置１０の機能構成の一例を示すブロック図である。図５を参照して、制御装置１０は、主たる機能構成として、周波数制御部２０１と、電力算出部２０３と、演算部２０５と、選択部２０７と、指令部２０９とを含む。これらの各機能は、例えば、演算処理部７０のＣＰＵ７２がＲＯＭ７３に格納されたプログラムを実行することによって実現される。なお、これらの機能の一部または全部はハードウェアで実現されるように構成されていてもよい。

周波数制御部２０１は、周波数指令を電力変換器２０に与えることにより電力変換器２０の周波数を制御する。ある局面では、周波数制御部２０１は、ＣＶＣＦ制御方式で動作する電力変換器２０の周波数ＦをΔｆだけ変動させる。典型的には、周波数制御部２０１は、周波数Ｆを基準周波数ＦｓからΔｆだけ変動させる。

より詳細には、周波数制御部２０１は、交流系統１０１に接続される発電機３２，３４が出力を変化させる速度（具体的には、調速機の応答速度）に基づいて、周波数Ｆを変動した後の周波数（例えば、Ｆ＝Ｆｓ±Δｆ）を維持する時間Ｔを設定する。

図６は、発電機３２の応答速度を説明するための図である。図６を参照して、発電機３２は、基準周波数Ｆｓのときには有効電力出力がＰ１であり、周波数（Ｆｓ−Δｆ）のときには有効電力出力がＰ２である。

図６に示すように、電力変換器２０の周波数Ｆが基準周波数ＦｓからΔｆだけ下がったときに、発電機３２の有効電力出力がＰ１からＰ２に変化する所要時間はΔｔ（＝ｔ２−ｔ１）である。すなわち、発電機３２の応答速度は“（Ｐ２−Ｐ１）／Δｔ”となる。そのため、周波数制御部２０１は、周波数ＦをΔｆだけ変動させる場合には、変動後の周波数を維持する時間Ｔを、Δｔよりも長い時間に設定する。

なお、制御装置１０は、交流系統１０１に接続可能な各発電機の応答速度に関する情報をＲＯＭ７３あるいはＲＡＭ７４に予め記憶しているものとする。典型的には、周波数制御部２０１は、最も応答速度が遅い発電機の応答速度に基づいて、変動後の周波数を維持する時間Ｔを設定する。

再び、図５を参照して、電力算出部２０３は、電力変換器２０から出力される有効電力を算出する。具体的には、電力算出部２０３は、交流電圧検出器８１により検出された交流電圧と、交流電流検出器８２により検出された交流電流とに基づいて、電力変換器２０の有効電力出力Ｐを算出する。

ある局面では、電力算出部２０３は、周波数制御部２０１が電力変換器２０の周波数Ｆを変動させた場合に、電力変換器２０の有効電力出力Ｐの変動値を算出する。上記のように、周波数制御部２０１は、交流系統１０１に接続可能な各発電機の応答速度に基づいて、変動後の周波数を維持する時間Ｔを設定する。そのため、電力算出部２０３は、周波数Ｆを変動させたときの交流系統１０１の有効電力出力（すなわち、電力変換器２０の有効電力出力Ｐ）の変動値を精度よく算出できる。

他の局面では、電力算出部２０３は、周波数Ｆの変動に応じて電力変換器２０の有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達したか否かを判断し、当該判断結果を周波数制御部２０１に送信する。周波数制御部２０１は、有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達していないとの判断結果を受信した場合、周波数Ｆを周波数（Ｆｓ−Δｆ）に設定して時間Ｔだけ維持する。

一方、周波数制御部２０１は、有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達したとの判断結果を受信した場合、周波数Ｆを基準周波数Ｆｓに戻して、周波数変動値Δｆを前回の値よりも小さくし、周波数Ｆを再度変動させる。この理由は、以下のとおりである。

具体的には、ＣＶＣＦ制御方式で動作している電力変換器２０は、周波数Ｆを上げた場合には他の電源（例えば、発電機３２，３４）の有効電力出力の低減分だけ自身の有効電力出力Ｐを増大させることで周波数Ｆを一定に維持する。この場合、他の電源の有効電力出力の低減分によっては、有効電力出力Ｐは最大出力に到達する可能性がある。有効電力出力Ｐの最大出力への到達は、電力変換器２０の周波数調整能力を超えている（すなわち、周波数Ｆを一定に保つことができない）ことを意味している。結果として、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋも精度よく算出できない。

また、電力変換器２０は、周波数Ｆを下げた場合には他の電源の有効電力出力の増大分だけ自身の有効電力出力Ｐを低減させることで周波数Ｆを一定に維持する。この場合、有効電力出力Ｐが最小出力に到達する可能性があり、この到達は、電力変換器２０の周波数調整能力を超えており、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋを精度よく算出できないことを意味する。

したがって、有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達した場合には、周波数制御部２０１は、周波数Ｆを基準周波数Ｆｓに戻して、変動値Δｆを前回の値よりも小さくし、周波数Ｆを再度変動させる。

演算部２０５は、電力変換器２０の周波数Ｆの変動値Δｆと、電力変換器２０の有効電力出力の変動値ΔＰとに基づいて、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋを算出する。具体的には、演算部２０５は、上述した式（１）を用いて、周波数特性定数Ｋを算出する。

ある局面では、演算部２０５は、周波数制御部２０１によって電力変換器２０の周波数Ｆを変動させる制御が行なわれる毎に、電力変換器２０の周波数Ｆの変動値Δｆおよび有効電力出力Ｐの変動値ΔＰに基づいて、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋを算出および更新する。

他の局面では、演算部２０５は、算出した周波数特性定数Ｋから、交流系統１０１に接続される負荷４１の周波数特性定数を減算することにより、交流系統１０１に接続される発電機３２および３４の周波数特性定数を算出する。

選択部２０７は、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋに基づいて、電力変換器２０の制御方式を選択する。ある局面では、選択部２０７は、交流系統１０１の周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１未満である場合、ＣＶＣＦ制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する。具体的には、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１未満である場合、交流系統１０１は、周波数を一定に維持するための能力を有していないと考えられる。そこで、電力変換器２０を交流系統１０１の周波数を一定に維持するための電源として機能させるために、ＣＶＣＦ制御方式が選択される。

他の局面では、選択部２０７は、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１以上であって、かつ閾値Ｔｈ２（ただし、Ｔｈ２＞Ｔｈ１）未満である場合に、周波数ドループ制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する。具体的には、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１以上かつ閾値Ｔｈ２未満である場合、交流系統１０１は、周波数を一定に維持するための能力をある程度有していると考えられる。そこで、電力変換器２０と、交流系統１０１に接続された他の電源（例えば、発電機３２，３４）とにより交流系統１０１の周波数を一定に維持させるために、周波数ドループ制御方式が選択される。なお、この場合の電力変換器２０のドループ特性の傾きを示す係数は、演算部２０５によって算出された周波数特性定数Ｋの逆数である。

さらに他の局面では、選択部２０７は、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ２以上である場合に、有効電力一定制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する。具体的には、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ２以上である場合、交流系統１０１は周波数を一定に維持するための十分な能力を有していると考えられる。そこで、選択部２０７は、周波数維持能力に寄与しない有効電力一定制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する。

指令部２０９は、選択部２０７により選択された制御方式で電力変換器２０を動作させる動作指令を電力変換器２０に送信する。

＜処理手順＞
図７〜図９を用いて制御装置１０の処理手順について説明する。図７は、制御装置１０の処理手順の一例を示すフローチャートである。具体的には、図７では、交流系統１０１を停電状態から復旧させる場合に制御装置１０により実行される処理手順が示されている。ここでは、電力変換器２０を電源として動作させることにより交流系統１０１を停電状態から復旧させる場面を想定する。典型的には、以下の各ステップは、制御装置１０の演算処理部７０によって実行される。

図７を参照して、制御装置１０は、電力変換器２０を起動して、ＣＶＣＦ制御方式で動作させる（ステップＳ１０）。具体的には、制御装置１０は、交流系統１０１の基準周波数Ｆｓおよび基準電圧Ｖｓを有する電圧波形を出力するように電力変換器２０を動作させる。続いて、制御装置１０は、図８に示す周波数変動処理を実行する（ステップＳ１２）。

図８は、周波数変動処理の一例を示すフローチャートである。図８を参照して、制御装置１０は、電力変換器２０の周波数Ｆ（ここでは、基準周波数Ｆｓ）からΔｆ（＞０）だけ変動させる（ステップＳ３０）。具体的には、制御装置１０は、電力変換器２０の周波数Ｆを“Ｆｓ−Δｆ”または“Ｆｓ＋Δｆ”に設定し、当該設定に従う周波数指令を電力変換器２０に送信する。

制御装置１０は、電力変換器２０の有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達したか否かを判断する（ステップＳ３２）。有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達していない場合には（ステップＳ３２においてＮＯ）、制御装置１０は周波数変動処理を終了して、図７中のステップＳ１２の処理に進む。

一方、有効電力出力Ｐが最大出力または最小出力に到達した場合には（ステップＳ３２においてＹＥＳ）、制御装置１０は周波数Ｆを基準周波数Ｆｓに戻す（ステップＳ３４）。続いて、制御装置１０は、Δｆの値を小さくして（ステップＳ３６）、ステップＳ３０を再度実行する。すなわち、制御装置１０は、周波数Ｆを前回よりも小さいΔｆだけ変動させる。

再び、図７を参照して、制御装置１０は、有効電力出力の変動値ΔＰを算出する（ステップＳ１２）。制御装置１０は、式（１）を用いて周波数特性定数Ｋを算出する（ステップＳ１４）。続いて、制御装置１０は、図９に示す電力変換器２０の制御方式の選択処理を実行し（ステップＳ１６）、選択された制御方式で電力変換器２０を動作させる（ステップＳ１８）。

図９は、電力変換器２０の制御方式の選択処理を示すフローチャートである。図９を参照して、制御装置１０は、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１未満であるか否かを判断する（ステップＳ５０）。周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１未満である場合には（ステップＳ５０においてＹＥＳ）、制御装置１０は、ＣＶＣＦ制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する（ステップＳ５２）。

周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１以上である場合には（ステップＳ５０においてＮＯ）、制御装置１０は、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１以上であって、かつ閾値Ｔｈ２未満であるか否かを判断する（ステップＳ５４）。

周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ１以上であって、かつ閾値Ｔｈ２未満である場合には（ステップＳ５４においてＹＥＳ）、制御装置１０は、周波数ドループ制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する（ステップＳ５６）。

一方、周波数特性定数Ｋが閾値Ｔｈ２以上である場合には（ステップＳ５４においてＮＯ）、制御装置１０は、有効電力一定制御方式を電力変換器２０の制御方式として選択する（ステップＳ５８）。

＜利点＞
本実施の形態によると、制御装置１０は、定期的に電力変換器２０の周波数Ｆを変動させることで、周波数特性定数Ｋを算出し、当該周波数特性定数Ｋに基づいて現在の交流系統１０１の状態に適した電力変換器２０の制御方式を選択できる。これにより、交流系統１０１に接続された電力変換器２０を安定して運用することができる。

また、制御装置１０は、電力変換器２０に関する情報のみを用いて、当該電力変換器２０の制御方式を適切に選択できるため、上位装置から指令情報を取得する必要が無いため、通信コストを軽減できる。さらに、交流系統１０１に他の電源および負荷が接続されていない状態でも適用することができる。

［その他の実施の形態］
上述した実施の形態では、電力変換器２０，２１がモジュラーマルチレベル変換器である構成について説明したが、当該構成に限られない。電力変換器２０，２１は、自励式の電圧型交直変換器であり、交流電力を２レベルの直流電力に変換する２レベル変換器で構成されていてもよいし、交流電力を３レベルの直流電力に変換する３レベル変換器で構成されていてもよい。なお、電力変換器２１は、自励式の電圧型交直変換器である電力変換器２０に直流電力を供給可能な他励式の交直変換器で構成されていてもよい。

上述した実施の形態では、交流系統１０１が停電状態のときに、ブラックスタート機能を有する電力変換器２０を交流系統１０１の電源として動作させる構成について説明したが当該構成に限られない。例えば、図１のような直流送電系統ではなく、直流送電線１４および交流系統１０２が存在しない独立した交流系統１０１において、電力変換器２０の代わりに発電機を交流系統１０１の電源として用いる構成であってもよい。この場合、制御装置１０は、上記と同様に周波数特性定数に基づいて発電機を適切な制御方式（例えば、ＣＶＣＦ制御方式、周波数ドループ制御方式、有効電力一定制御方式）で動作させる。このように、制御装置１０は、交流系統１０１に接続された電源（例えば、電力変換器２０、発電機）を制御するための装置として機能する。

上述した実施の形態では、電力変換器２１が、直流送電線１４を介して電力変換器２０に接続されている構成について説明したが、当該構成に限られない。具体的には、発電機３１、交流系統１０２および電力変換器２１の代わりに、直流電力を供給可能な直流電源が直流送電線１４を介して電力変換器２０に接続されていてもよい。例えば、蓄電池、太陽光発電装置、燃料電池等の直流電源が、直流送電線１４を介して電力変換器２０に接続される。

上述の実施の形態として例示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。

また、上述した実施の形態において、その他の実施の形態で説明した処理や構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべ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。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

４ｕ，４ｖ，４ｗ レグ回路、５ 上アーム、６ 下アーム、７ サブモジュール、８Ａ，８Ｂ リアクトル、９Ａ，９Ｂ アーム電流検出器、１０ 制御装置、１１Ａ，１１Ｂ 直流電圧検出器、１３ 連系変圧器、１４ 直流送電線、１５ 制御指令、１７ 信号、２０，２１ 電力変換器、２２Ａ，２２Ｂ スイッチング素子、２３Ａ，２３Ｂ ダイオード、２４ 直流コンデンサ、２５ 変換回路、２６Ｎ，２６Ｐ 入出力端子、２７ 電圧検出部、２８ 送受信部、２９ ゲート制御部、３１，３２，３４ 発電機、４１ 負荷、５１ 補助変成器、５２ ＡＤ変換部、７０ 演算処理部、７１ バス、７２ ＣＰＵ、７３ ＲＯＭ、７４ ＲＡＭ、７５ ＤＩ回路、７６ ＤＯ回路、７７ 入力インターフェイス、７８ 通信インターフェイス、８１ 交流電圧検出器、８２ 交流電流検出器、１０１，１０２ 交流系統、２０１ 周波数制御部、２０３ 電力算出部、２０５ 演算部、２０７ 選択部、２０９ 指令部。

Claims (10)

1. 交流系統に接続された電源を制御するための制御装置であって、
   定電圧定周波数制御方式で動作する前記電源の周波数を制御する周波数制御部と、
   前記周波数制御部が前記電源の周波数を変動させた場合に、前記電源から出力される有効電力の変動値を算出する電力算出部と、
   前記電源の周波数の変動値と、前記電源から出力される有効電力の変動値とに基づいて、前記交流系統の周波数特性定数を算出する演算部と、
   前記交流系統の周波数特性定数に基づいて、前記電源の制御方式を選択する選択部とを備える、制御装置。
2. 前記選択部は、前記交流系統の周波数特性定数が第１閾値未満である場合、前記定電圧定周波数制御方式を前記電源の制御方式として選択する、請求項１に記載の制御装置。
3. 前記選択部は、前記交流系統の周波数特性定数が前記第１閾値以上であって、かつ前記第１閾値よりも大きい第２閾値未満である場合に、周波数ドループ制御方式を前記電源の制御方式として選択する、請求項２に記載の制御装置。
4. 前記選択部は、前記交流系統の周波数特性定数が前記第２閾値以上である場合に、有効電力一定制御方式を前記電源の制御方式として選択する、請求項３に記載の制御装置。
5. 前記周波数制御部によって前記電源の周波数を変動させる制御が行なわれる毎に、前記演算部は、前記電源の周波数の変動値および前記電源から出力される有効電力の変動値に基づいて、前記交流系統の周波数特性定数を更新する、請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の制御装置。
6. 前記演算部は、前記交流系統の周波数特性定数から、前記交流系統に接続される負荷の周波数特性定数を減算することにより、前記交流系統に接続される１以上の他の電源の周波数特性定数を算出する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の制御装置。
7. 前記周波数制御部は、前記交流系統に接続可能な１以上の発電機が出力を変化させる速度に基づいて、前記電源の周波数を変動した後の周波数を維持する時間を設定する、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の制御装置。
8. 前記電源は、前記交流系統と直流系統との間で電力変換を行なう自励式の電力変換器である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の制御装置。
9. 前記電力変換器は、第１アームおよび第２アームを含み、
   前記第１アームおよび前記第２アームの各々は、互いに直列接続された複数のサブモジュールを含み、
   各前記サブモジュールは、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に並列接続されるダイオードおよびコンデンサとを有する、請求項８に記載の制御装置。
10. 交流系統に接続される電源と、
    前記電源を制御するための制御装置とを備え、
    前記制御装置は、
    定電圧定周波数制御方式で動作する前記電源の周波数を制御する周波数制御部と、
    前記周波数制御部が前記電源の周波数を変動させた場合に、前記電源から出力される有効電力の変動値を算出する電力算出部と、
    前記電源の周波数の変動値と、前記電源から出力される有効電力の変動値とに基づいて、前記交流系統の周波数特性定数を算出する演算部と、
    前記交流系統の周波数特性定数に基づいて、前記電源の制御方式を選択する選択部とを含む、電力制御システム。

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