JP6759972B2

JP6759972B2 - 共振抑制装置

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Publication number: JP6759972B2
Application number: JP2016208857A
Authority: JP
Inventors: 健太郎小藤
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-09-23
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: EP3316435A1; JP2018074650A; EP3316435B1; DK3316435T3

Description

本発明は、共振抑制装置、例えば、電力用アクティブフィルタ、静止形無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、自励式ＳＦＣなどの電力系統に連系する電圧形インバータに搭載される共振抑制装置に関する。

特許文献１には、電力設備（例えば風力発電機）が電力系統に接続されることにより発生する共振を抑制するための共振抑制装置が開示されている。この共振抑制装置では、電力設備または電力系統の電圧に含まれる各周波数成分のうち基本波成分を除いた周波数成分にゲイン（伝達関数）を乗算することで電流指令値を生成する。この電流指令値に基づく補償電流を電力系統に供給することにより共振抑制機能が発揮される。

電流指令値の生成に用いるゲイン（伝達関数）は、次のようにして決定される。例えば、電力設備と電力系統を含むシステム（以下では単に「システム」と呼ぶ）に含まれる様々な高調波成分を一括で抑制するべく、常に固定値であるゲインが決定される。共振抑制装置は、高調波電圧に対して高調波電流を同位相で吸収する（高調波電圧と高調波電流の位相を変えずにゲインにより大きさだけを変える）ものであるため、システムがあたかも純抵抗負荷（インピーダンス負荷）であるかのように振る舞う。このため、固定値であるゲインは、システムが示す純抵抗値の逆数を基準にして設定されることが多い。

一方、特許文献１には、電力設備の系統電流等を用いて高調波共振の程度（高調波発生量）を計算し、高調波共振の程度（高調波発生量）が大きい場合にゲイン（伝達関数）を大きくする制御が開示されている。また、特許文献１には、電流指令値が電流リミッタの所定範囲を逸脱し、且つ／又は、電圧指令値が電圧リミッタの所定範囲を逸脱することがないように（機器の出力能力を超過しないように）、ゲインに設定される値を補正（調整）する制御が開示されている。

国際公開第２０１４／１７５２１４号パンフレット

しかしながら、本発明者の鋭意研究によると、特許文献１を含む従来の共振抑制装置は、高調波共振の程度（高調波発生量）や機器の出力能力の程度に基づいて受動的にゲインを調整するものにすぎないため、共振抑制機能が不十分となりがちであり、改良の余地がある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、電力設備と電力系統を含むシステムの特性を活用して優れた共振抑制機能を発揮することができる共振抑制装置を提供することを目的の１つとする。

本実施形態の共振抑制装置は、電力設備と電力系統の接続点電圧に基づく電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づく補償電流を前記電力系統に供給する補償電流供給部と、を有する共振抑制装置であって、前記電流指令値演算部は、前記接続点電圧の高調波成分の中から当該高調波成分が他の周波数より相対的に大きい代表周波数を抽出する代表周波数抽出部と、前記高調波成分に前記代表周波数に応じたゲインを乗算することで前記電流指令値を演算するゲイン乗算部と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、電力設備と電力系統を含むシステムの特性を活用して優れた共振抑制機能を発揮することができる共振抑制装置を提供することができる。

第１実施形態の風力発電所に備えられた共振抑制装置を示すブロック図である。第１実施形態の代表周波数抽出部の内部構成を明確にした電流指令値演算部のブロック図である。第２実施形態の共振抑制装置の電流指令値演算部を示すブロック図である。図３において代表周波数抽出部の内部構成を明確にしたブロック図である。第２実施形態の代表周波数抽出部における第１、第２の実効値演算部の具体的構成例を示す図である。

≪第１実施形態≫
図１〜図２を参照して、第１実施形態の共振抑制装置１０について詳細に説明する。

図１に示すように、共振抑制装置１０は、風力発電所１に設置されて、風力発電機（電力設備）２０が電力系統３０に接続されることによって発生する共振を抑制する。風力発電機２０と電力系統３０は伝送路４０によって接続されており、この伝送路４０の中間部に位置する接続点４５に共振抑制装置１０が接続されている。

風力発電機２０は高調波フィルタ２５を有しており、高調波フィルタ２５のキャパシタンスがＣ１として図示されており、高調波フィルタ２５のインダクタンスがＬ１として図示されている。インダクタンスＬ１は、風力発電機２０を電力系統３０に接続する変圧器のインダクタンスと等価である。また、電力系統３０のインピーダンスがＬ２として図示されている。Ｌ２は簡易的にインダクタンスとして模擬されることが多いが、実際の電力系統には様々な発電設備、需要家設備、送電設備が接続されており、それらにはキャパシタンスを持つ設備もあるため、多数のＬＣ共振回路を備えているのと等価である。さらに、伝送路４０は非常に長いケーブルから構成されているため、電気回路的には、伝送路４０自体が多数のＬＣ共振回路を備えているのと等価である。共振抑制装置１０は、以上のようなＬＣ共振回路による共振を抑制する機能を持つ。

図１では、風力発電機２０から伝送路４０の接続点４５に流れ込む電流がｉ１で示され、伝送路４０の接続点４５から電力系統３０に流れ出す電流がｉ２で示されている。また、伝送路４０の接続点４５の電圧（風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧）がＶで示されている。

共振抑制装置１０は、電流指令値演算部５０と、補償電流供給部６０とを有している。電流指令値演算部５０は、風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧Ｖに基づく電流指令値ｉ^＊を演算する。補償電流供給部６０は、電流指令値ｉ^＊に基づく補償電流ｉ（電流指令値ｉ^＊に追従する補償電流ｉ）を伝送路４０の接続点４５（さらには電力系統３０）に供給する。これにより、風力発電機２０から伝送路４０の接続点４５に流れ込む電流ｉ１と伝送路４０の接続点４５から電力系統３０に流れ出す電流ｉ２が補償電流ｉで補償される関係となり（ｉ１＋ｉ＝ｉ２）、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈ（後述する）に起因する高調波歪みを抑制することが可能になる。

電流指令値演算部５０は、ハイパスフィルタ５２と、代表周波数抽出部５４と、固定ゲイン出力部（ゲイン乗算部）５６と、可変ゲイン出力部（ゲイン乗算部）５８とを有している。

ハイパスフィルタ５２には、風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧Ｖが入力される。ハイパスフィルタ５２は、入力した接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈだけを選択的に通過させる。

代表周波数抽出部５４は、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈの中から当該高調波成分Ｖ_ｈが他の周波数より相対的に大きい代表周波数ｆを抽出する。代表周波数ｆは、風力発電機２０・高調波フィルタ２５・電力系統３０・伝送路４０の特性を如実に示すパラメータとして本発明者が着想に至ったものである。一般に、風力発電機２０はそれ単体では高調波歪みが電力系統の問題にならない様に設計されている。しかし、高調波フィルタ２５・電力系統３０・伝送路４０の性質や条件によっては共振によって高調波歪みが大きくなる問題が発生する。共振はある特定の周波数においてインピーダンスが顕著に大きくなることに起因して高調波歪みが大きくなる問題であるため、高調波成分Ｖ_ｈに含まれる周波数は特定の周波数に偏っている。代表周波数抽出部５４は、例えば、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈの中から当該高調波成分Ｖ_ｈが最も大きくなる周波数（高調波成分Ｖ_ｈが最も大きくなる周波数が複数ある場合にはそのうちのいずれか１つ）をピンポイントで特定することができる。

図２に示すように、代表周波数抽出部５４は、ラプラス積分部（積分部）５４Ａと、第１の実効値演算部５４Ｂと、第２の実効値演算部５４Ｃと、除算部５４Ｄとを有している。ラプラス積分部５４Ａは、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈをラプラス積分（積分）する。第１の実効値演算部５４Ｂは、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈのラプラス積分値（積分値）の実効値を演算する。第２の実効値演算部５４Ｃは、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈの実効値を演算する。除算部５４Ｄは、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈの実効値を、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈのラプラス積分値（積分値）の実効値で除算することにより、代表周波数ｆを抽出する。

ここで、代表周波数ｆを角周波数ωで表す場合、以下の説明が成立する。電圧Ｖ（ｓ）を積分すると、伝達関数はＶ（ｓ）／ｓとなる。周波数応答はＶ（ｊω）／ｊωとなり、電圧Ｖ（ｊω）に対して位相が９０°遅れ、振幅が１／ω倍になる。この振幅が１／ω倍になる性質を利用して、ωを算出している。実効値は振幅の大きさに比例するので、電圧の実効値と電圧の積分値の実効値の比はω：１になる。

固定ゲイン出力部５６は、予め定められた固定ゲインＫ_０を出力する。上述したように、共振抑制装置１０は、高調波電圧に対して高調波電流を同位相で吸収する（高調波電圧と高調波電流の位相を変えずにゲインにより大きさだけを変える）ものであるため、システムがあたかも純抵抗負荷（インピーダンス負荷）であるかのように振る舞う。この点を考慮して、固定ゲインＫ_０は、例えば、システムが示す純抵抗値Ｒの逆数を基準にして設定することができる（Ｋ_０＝１／Ｒ）。

可変ゲイン出力部５８は、固定ゲイン出力部５６による固定ゲインＫ_０を代表周波数抽出部５４による代表周波数ｆで除算することにより、可変ゲインＫ’を出力する（Ｋ’＝Ｋ_０／ｆ）。つまり、可変ゲインＫ’を仮想的な抵抗と捉えたときに、当該仮想抵抗の値が代表周波数ｆに応じて変動する（周波数依存抵抗）。

固定ゲイン出力部５６と可変ゲイン出力部５８は、これらを「ゲイン乗算部」という１つの機能ブロックとして捉えたとき、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈに代表周波数ｆに応じた可変ゲインＫ’を乗算することで電流指令値ｉ^＊を演算する機能を持つ。可変ゲインＫ’はＫ’＝Ｋ_０／ｆで表されるので、固定ゲイン出力部５６と可変ゲイン出力部５８（ゲイン乗算部）は、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈに代表周波数ｆに反比例する可変ゲインＫ’を乗算することになる。

なお、可変ゲインＫ’は、必ずしも代表周波数ｆに反比例する必要は無い。例えば、固定ゲイン出力部５６と可変ゲイン出力部５８（ゲイン乗算部）は、代表周波数ｆが高くなるに連れて接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈに乗算する可変ゲインＫ’を小さくし、代表周波数ｆが低くなるに連れて接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈに乗算する可変ゲインＫ’を大きくしてもよい。

電流指令値演算部５０から出力された電流指令値ｉ^＊は、加算部７０に入力される。また、加算部７０には、電流指令値ｉ^＊に基づく実際の補償電流ｉが入力される。加算部７０は、電流指令値ｉ^＊と補償電流ｉの差分（ｉ^＊−ｉ）を演算して、当該差分を補償電流供給部６０に出力する。

補償電流供給部６０は、電流制御部６２と、並列インバータ６４と、直流電源６６とを有している。

電流制御部６２には、加算部７０から電流指令値ｉ^＊と補償電流ｉの差分（ｉ^＊−ｉ）が入力される。電流制御部６２は、入力された電流指令値ｉ^＊と補償電流ｉの差分（ｉ^＊−ｉ）に基づいて、電圧指令値Ｖ^＊を演算する。

並列インバータ６４は、直流電源６６からの電力供給を受けて駆動される。並列インバータ６４には、電流制御部６２から電圧指令値Ｖ^＊が入力される。並列インバータ６４は、入力された電圧指令値Ｖ^＊に基づいて、補償電流ｉを演算する。並列インバータ６４は、変圧器（図示略）を介して電力系統３０に並列に接続されており、並列インバータ６４から出力される補償電流ｉは、風力発電機２０からの出力電流ｉ１と並列に電力系統３０に供給される（ｉ１＋ｉ＝ｉ２）。このような並列インバータ６４としては、例えば、電力用アクティブフィルタ、静止形無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、自励式ＳＦＣなどの装置が代表的であるが、他にも、統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ：Unified Power Flow Controller）などの直並列インバータが備える並列補償部を用いることもできる。

以上のように構成された共振抑制装置１０によれば、電流指令値演算部５０において、代表周波数抽出部５４が、接続点電圧Ｖの高調波成分Ｖ_ｈの中から当該高調波成分Ｖ_ｈが他の周波数より相対的に大きい代表周波数ｆを抽出し、固定ゲイン出力部５６と可変ゲイン出力部５８（ゲイン乗算部）が、高調波成分Ｖ_ｈに代表周波数ｆに応じたゲインＫ’（＝Ｋ_０／ｆ）を乗算することで電流指令値ｉ^＊を演算する。これにより、風力発電機（電力設備）２０と電力系統３０を含むシステムの特性を活用して、常に最適なゲインＫ’が動的に設定されるので、共振抑制装置１０が優れた共振抑制機能を発揮することができる。

別言すると、共振抑制装置は、電力系統のインピーダンスとゲインの関係を積極的に活用して、電力系統において共振現象が発生した場合、その共振周波数が高いほど、補償電流を小さくしても共振抑制効果が得られるという性質を利用して、ゲインに掛ける係数を調整するというものである。例えば、風力発電所の風車台数が変化して共振周波数が低くなる場合、適正なゲインが大きくなる傾向がある。なぜなら、電力系統のインピーダンス、特に直列機器のインピーダンスが主にインダクタンス成分であり、周波数が低くなるとインピーダンスが低くなるためである。系統インピーダンスが小さくなると、それに比例して共振抑制装置のインピーダンスも小さくなる。共振抑制装置は純抵抗負荷として振る舞い、抵抗値はゲインの逆数になるため、適正なゲインは大きくなる。共振周波数が低下すると適正なゲインが大きくなる性質を活用し、系統電圧の高調波成分の周波数に応じてゲインを調整し、且つ、高調波電圧に対して高調波電流を同位相で吸収することにより、優れた共振抑制機能を発揮することが可能になる。

≪第２実施形態≫
図３〜図４は、第２実施形態の共振抑制装置１０の電流指令値演算部５０を示している。第２実施形態の共振抑制装置１０は、３相電力系統において発生する共振を抑制するための装置である。

図３〜図４に示すように、第２実施形態の共振抑制装置１０の電流指令値演算部５０では、入出力系統の各種構成要素が２軸直交座標系のｄ軸とｑ軸に対応して設けられている。

より具体的に、電流指令値演算部５０は、２軸直交座標系のｄ軸に対応するハイパスフィルタ５２ｄと、固定ゲイン出力部（第１のゲイン乗算部）５６ｄと、可変ゲイン出力部（第１のゲイン乗算部）５８ｄとを有している。代表周波数抽出部５４は、２軸直交座標系のｄ軸に対応するラプラス積分部（積分部）５４Ａｄを有している。

同様に、電流指令値演算部５０は、２軸直交座標系のｑ軸に対応するハイパスフィルタ５２ｑと、固定ゲイン出力部（第２のゲイン乗算部）５６ｑと、可変ゲイン出力部（第２のゲイン乗算部）５８ｑとを有している。代表周波数抽出部５４は、２軸直交座標系のｑ軸に対応するラプラス積分部（積分部）５４Ａｑを有している。

ハイパスフィルタ５２ｄには、風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄが入力する。ハイパスフィルタ５２ｄは、入力した接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄだけを選択的に通過させる。ハイパスフィルタ５２ｑには、風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧Ｖのｑ軸電圧Ｖ_ｑが入力する。ハイパスフィルタ５２ｑは、入力した接続点電圧Ｖのｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑだけを選択的に通過させる。

ラプラス積分部５４Ａｄは、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄをラプラス積分（積分）する。ラプラス積分部５４Ａｑは、接続点電圧Ｖのｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑをラプラス積分（積分）する。第１の実効値演算部５４Ｂは、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄとｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑのラプラス積分値（積分値）の実効値を演算する。第２の実効値演算部５４Ｃは、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄとｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑの実効値を演算する。除算部５４Ｄは、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄとｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑの実効値を、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄとｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑのラプラス積分値（積分値）の実効値で除算することにより、代表周波数ｆを抽出する。

固定ゲイン出力部５６ｄと可変ゲイン出力部５８ｄ（第１のゲイン乗算部）は、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖ_ｄの高調波成分Ｖ_ｈｄに代表周波数ｆに反比例する可変ゲインＫ’（＝Ｋ_０／ｆ）を乗算することにより、ｄ軸対応の電流指令値ｉ_ｄ ^＊を演算する。固定ゲイン出力部５６ｑと可変ゲイン出力部５８ｑ（第２のゲイン乗算部）は、接続点電圧Ｖのｑ軸電圧Ｖ_ｑの高調波成分Ｖ_ｈｑに代表周波数ｆに反比例する可変ゲインＫ’（＝Ｋ_０／ｆ）を乗算することにより、ｑ軸対応の電流指令値ｉ_ｑ ^＊を演算する。

図５は、第２実施形態の代表周波数抽出部５４における第１の実効値演算部５４Ｂと第２の実効値演算部５４Ｃの具体的構成例を示している。過去Ｎ点の入力データ（ｄ軸対応入力データ、ｑ軸対応入力データ）をサンプリングして、それぞれ二乗して総和をとった後に、１／Ｎ倍して平方根をとることにより、実効値（積分の実効値）が演算される。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

例えば、電力設備は、風力発電機や太陽光発電機などの共振を発生し得る発電設備でもよいし、鉄道用やアルミニウム製錬プラント用などの電源装置を持つ共振を発生し得る需要家設備でもよいし、直流送電変換器などの共振を発生し得る送配電設備でもよい（電力設備の適用対象には自由度がある）。

本発明の共振抑制装置は、例えば、風力発電機を備えた風力発電所に適用して好適である。

１風力発電所
１０共振抑制装置
２０風力発電機（電力設備）
２５高調波フィルタ
３０電力系統
４０伝送路
４５接続点
５０電流指令値演算部
５２５２ｄ５２ｑハイパスフィルタ
５４代表周波数抽出部
５４Ａ５４Ａｄ５４Ａｑラプラス積分部（積分部）
５４Ｂ第１の実効値演算部
５４Ｃ第２の実効値演算部
５４Ｄ除算部
５６固定ゲイン出力部（ゲイン乗算部）
５６ｄ固定ゲイン出力部（第１のゲイン乗算部）
５６ｑ固定ゲイン出力部（第２のゲイン乗算部）
５８可変ゲイン出力部（ゲイン乗算部）
５８ｄ可変ゲイン出力部（第１のゲイン乗算部）
５８ｑ可変ゲイン出力部（第２のゲイン乗算部）
６０補償電流供給部
６２電流制御部
６４並列インバータ
６６直流電源
７０加算部
Ｖ接続点電圧
Ｖ_ｈ接続点電圧の高調波成分
Ｖ_ｄ接続点電圧のｄ軸電圧
Ｖ_ｑ接続点電圧のｑ軸電圧
Ｖ_ｈｄ接続点電圧のｄ軸電圧の高調波成分
Ｖ_ｈｑ接続点電圧のｑ軸電圧の高調波成分
ｉ^＊電流指令値
ｉ_ｄ ^＊ｄ軸対応の電流指令値
ｉ_ｑ ^＊ｑ軸対応の電流指令値
ｉ補償電流
ｆ代表周波数
Ｋ_０固定ゲイン
Ｋ’ 可変ゲイン

Claims

電力設備と電力系統の接続点電圧に基づく電流指令値を演算する電流指令値演算部と、
前記電流指令値に基づく補償電流を前記電力系統に供給する補償電流供給部と、
を有する共振抑制装置であって、
前記電流指令値演算部は、
前記接続点電圧の高調波成分の中から当該高調波成分が他の周波数より相対的に大きい代表周波数を抽出する代表周波数抽出部と、
前記高調波成分に前記代表周波数に応じたゲインを乗算することで前記電流指令値を演算するゲイン乗算部と、
を有することを特徴とする共振抑制装置。
前記ゲイン乗算部は、前記代表周波数が高くなるに連れて前記高調波成分に乗算するゲインを小さくし、前記代表周波数が低くなるに連れて前記高調波成分に乗算するゲインを大きくすることを特徴とする請求項１に記載の共振抑制装置。
前記ゲイン乗算部は、前記高調波成分に前記代表周波数に反比例するゲインを乗算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の共振抑制装置。
前記ゲイン乗算部は、固定ゲインを出力する固定ゲイン出力部と、前記固定ゲインを前記代表周波数で除算することにより可変ゲインを出力する可変ゲイン出力部とを有することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の共振抑制装置。
前記代表周波数抽出部は、前記高調波成分の実効値を前記高調波成分の積分値の実効値で除算することにより前記代表周波数を抽出することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の共振抑制装置。
前記ゲイン乗算部は、２軸直交座標系のｄ軸に対応する高調波成分が入力されて当該ｄ軸に対応する電流指令値を出力する第１のゲイン乗算部と、２軸直交座標系のｑ軸に対応する高調波成分が入力されて当該ｑ軸に対応する電流指令値を出力する第２のゲイン乗算部とを有することを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の共振抑制装置。