JP6842815B1 - 電力変換装置及び分散型電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1に表したように、分散型電源システム2は、無限大母線電力系統3につながる電力系統4と、分散型電源6と、電力変換装置10と、を備える。電力系統4の電力は、交流電力である。電力系統4の電力は、例えば、三相交流電力である。
図2に表したように、電力変換装置10は、主回路部40と、制御部42と、を有する。主回路部40は、分散型電源6から供給された直流電力又は交流電力を、電力系統4に対応した交流電力に変換する。制御部42は、主回路部40の動作を制御する。
(2)式において、xは、次の(4)式に表すように、電力系統4の系統インピーダンスの抵抗成分R、リアクタンス成分X、及び無限大母線電力系統3の電圧値Vrを成分とする状態ベクトルである。但し、(4)式において、「T」は、転置を表す。
(2)式において、fは、状態ベクトルxの非線形関数である。(2)式において、wは、システムノイズのベクトルである。また、(2)式及び(3)式において、添え字の「k」は、時刻を表す。換言すれば、添え字「k」は、定期的に取得される有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsに対応するデータの順序である。「k−1」は、「k」の1つ前のデータを表す。従って、(2)式は、1つ前の状態ベクトルxから現在の状態ベクトルxを推定することを表している。添え字「k」は、以下の各式においても同様である。
(5)式において、xfは、状態ベクトルxの予測値を表す。xaは、更新ステップにおいて更新された状態ベクトルxを表す。このように、この例では、更新後の状態ベクトルxaを、予測後の状態ベクトルxfとして用いる。
(6)式において、Jf(x)は、非線形関数fのヤコビアンで定義した行列であり、この例では、次の(7)式に表すように、(1,1,1)の対角行列である。
(6)式において、Pk−1は、1つ前の共分散行列、又は共分散行列の初期値である。(6)式において、Jf(x)Tは、ヤコビアン行列Jf(x)の転置行列である。また、(6)式において、Qk−1は、システムノイズwの共分散行列である。システムノイズwの共分散行列Qk−1は、次の(8)式に表すように、システムノイズw及びその転置行列の内積の期待値である。
制御部42は、予測ステップにおいて演算された各推定値^R、^X、^Vrに基づいて主回路部40を動作させるとともに、主回路部40を動作させた時の有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsを取得する。推定値演算部50は、有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsが取得された後、更新ステップを実行する。更新ステップにおいて、推定値演算部50は、取得された有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsを基に、状態ベクトルxを更新する。
(9)式において、Jh(x)は、非線形関数hのヤコビアンで定義した行列である。この例において、非線形関数h(x)は、連系点LPの電圧値Vsであるから、Jh(x)は、次の(10)式のように表される。
(10)式において、∂Vs/∂R、∂Vs/∂X、∂Vs/∂Vrは、上記の(1)式から、それぞれ次の(11)式、(12)式、(13)式のように表される。
但し、(11)式、(12)式、(13)式において、Bは、次の(14)式、Cは、次の(15)式である。
また、上記の(9)式において、Jh(x)Tは、ヤコビアン行列Jh(x)の転置行列である。(9)式において、Rkは、観測ノイズvの共分散行列である。観測ノイズvの共分散行列Rkは、次の(16)式に表すように、観測ノイズv及びその転置行列の内積の期待値である。
(9)式において、[Jh(x)PfJh(x)T+Rk]−1の部分は、換言すれば、予測誤差(z−h(xf))に対する誤差共分散である。
(17)式において、h(xf)は、予測後の状態ベクトルxfから(1)式を用いて演算した電圧値Vsの予測値である。すなわち、推定値演算部50は、連系点LPの電圧値Vsの測定値zと、予測後の状態ベクトルxfを用いて演算した連系点LPの電圧値Vsの予測値h(xf)と、を基に、連系点LPの電圧値Vsの予測誤差を求める。推定値演算部50は、測定値zから予測値h(xf)を差し引くことで、予測誤差を求める。
推定値演算部50は、上記の予測ステップと更新ステップとを繰り返し実行する。これにより、拡張カルマンフィルタによって各推定値^R、^X、^Vrを予測し、予測に基づいて主回路部40の動作を制御することができる。これにより、連系点LPの電圧値Vsの変動を抑制することができる。なお、(18)式において、Iは、単位行列である。
図3に表したように、推定値演算部50は、フィルタ60と、低速推定演算部62と、高速推定演算部64と、制御回路66と、切替部68と、を有する。
図4は、無効電力演算部の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
図4の横軸は、連系点LPの無効電力値Qであり、図4の縦軸は、連系点LPの電圧値Vsである。図4は、無効電力指令値Qnを演算する場合の無効電力演算部の動作の一例を模式的に表す。
次回の連系点LPの電圧値をVs(n)、計測装置22で計測された前回の連系点LPの電圧値をVs(n−1)、次回の連系点LPの無効電力値をQn、計測装置22で計測された前回の連系点LPの無効電力値をQn−1とする時、次回の連系点LPの電圧値Vs(n)は、次の(20)式で表すことができる。
従って、次回の連系点LPの電圧値をVs(n)を指定値Vsrとした場合、次回の連系点LPの無効電力値Qnは、次の(21)式で表すことができる。
このように、無効電力演算部52は、推定値演算部50から入力された各値を基に、傾きKを演算するとともに、次回の連系点LPの無効電力値Qnを演算し、この次回の連系点LPの無効電力値Qnを無効電力指令値Qnとして演算する。
なお、(22)式において、「sign」は、符号関数である。
電力変換装置10は、力率を制御可能な可制御範囲を有する。電力変換装置10における力率の可制御範囲は、例えば、±0.85以上の範囲である。すなわち、遅れ力率及び進み力率の双方で0.85以上1.00以下の範囲である。
図6(a)は、定力率制御を行った場合の有効電力Ppf1と、拡張カルマンフィルタを用いた推定を行った場合の有効電力Ppf2の一例をそれぞれ模式的に表している。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (10)
- 分散型電源の電力を無限大母線電力系統につながる電力系統に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を前記電力系統に供給することにより、前記分散型電源を前記電力系統と連系させる電力変換装置であって、
前記分散型電源の前記電力を、前記電力系統に対応した前記交流電力に変換する主回路部と、
前記主回路部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
非線形式に対応したカルマンフィルタを用いることにより、前記電力系統との連系点の有効電力値、前記連系点の無効電力値、及び前記連系点の電圧値を基に、前記電力系統の系統インピーダンスの抵抗成分の推定値と、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値と、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値と、を演算する推定値演算部と、
前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値と、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値と、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値と、を基に、前記電力系統に供給する無効電力の無効電力指令値を演算する無効電力演算部と、
所定の有効電力及び前記無効電力指令値に対応する無効電力を出力するように、前記主回路部を駆動する駆動回路と、
を有し、
前記推定値演算部は、
前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値の演算を行う低速推定演算部と、
前記低速推定演算部よりも速いサンプリング速度で前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値をサンプリングし、前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値の演算を行う高速推定演算部と、
前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部の切り替えを制御し、前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部の一方のみを選択的に動作させる制御回路と、
を有し、
前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値を基に、前記連系点の電圧値の予測値を演算するとともに、前記連系点の電圧値の測定値と、前記連系点の電圧値の予測値と、を基に、前記連系点の電圧値の予測誤差を求め、
前記制御回路は、
前記高速推定演算部の動作を停止させ、前記低速推定演算部を動作させた状態において、前記低速推定演算部から入力された前記予測誤差の絶対値が第1閾値よりも大きい場合に、前記低速推定演算部の動作を停止させ、前記高速推定演算部の動作を開始させ、
前記低速推定演算部の動作を停止させ、前記高速推定演算部を動作させた状態において、前記高速推定演算部から入力された前記予測誤差の絶対値が第1閾値よりも小さい第2閾値よりも小さい場合に、前記高速推定演算部の動作を停止させ、前記低速推定演算部の動作を開始させる
電力変換装置。 - 前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、前記非線形式に対応したカルマンフィルタとして拡張カルマンフィルタを用いる請求項1記載の電力変換装置。
- 前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、前記系統インピーダンスの抵抗成分、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分、及び前記無限大母線電力系統の電圧値を成分とする状態ベクトルの予測を行い、予測後の前記状態ベクトルの各成分を、それぞれ前記電力系統の系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値として演算し、
前記制御部は、演算された前記推定値に基づいて前記主回路部を動作させるとともに、前記主回路部を動作させた時の前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値を取得し、
前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、取得された前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値を基に、前記状態ベクトルを更新する請求項2記載の電力変換装置。 - 前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、更新後の前記状態ベクトルを、予測後の前記状態ベクトルとして用いる請求項3記載の電力変換装置。
- 前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、
前記状態ベクトルの予測を行うとともに、予測後の前記状態ベクトルの誤差に関する共分散行列の予測を行い、
前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値の各測定値を取得した後、取得した各測定値と前記共分散行列とを基に、前記状態ベクトルを更新するためのカルマンゲインの最適化を行い、
前記連系点の電圧値の測定値と、予測後の前記状態ベクトルを用いて演算した前記連系点の電圧値の予測値と、を基に、前記連系点の電圧値の予測誤差を求め、
最適化した前記カルマンゲインと前記予測誤差とを基に前記状態ベクトルを更新するとともに、最適化した前記カルマンゲインを基に前記共分散行列を更新する請求項3又は4記載の電力変換装置。 - 前記高速推定演算部は、動作を開始した場合に、前記共分散行列を初期値に設定する請求項5記載の電力変換装置。
- 前記高速推定演算部は、求めた前記共分散行列を前記制御回路に入力し、
前記制御回路は、前記低速推定演算部の動作を開始させる場合に、前記高速推定演算部から入力された前記共分散行列を前記低速推定演算部に入力し、
前記低速推定演算部は、前記制御回路から入力された前記共分散行列を、前記共分散行列の初期値に設定する請求項5又は6に記載の電力変換装置。 - 前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、演算した前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値を前記制御回路に入力し、
前記制御回路は、
前記低速推定演算部の動作を開始させる場合に、前記高速推定演算部から入力された前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値を前記低速推定演算部に入力し、
前記高速推定演算部の動作を開始させる場合に、前記低速推定演算部から入力された前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値を前記高速推定演算部に入力し、
前記低速推定演算部及び前記高速推定演算部は、動作を開始する場合に、前記制御回路から入力された前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値を、前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値の初期値として設定する請求項3〜7のいずれか1つに記載の電力変換装置。 - 前記無効電力演算部には、前記連系点の電圧の指定値が入力され、
前記無効電力演算部は、前記連系点の電圧値を前記無限大母線電力系統の電圧値に近付ける前記無効電力指令値の演算と、前記連系点の電圧値を前記指定値に近付ける前記無効電力指令値の演算と、を切り替え可能である請求項1〜8のいずれか1つに記載の電力変換装置。 - 分散型電源と、
前記分散型電源の電力を電力系統に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を前記電力系統に供給することにより、前記分散型電源を前記電力系統と連系させる請求項1〜9のいずれか1つに記載の電力変換装置と、
を備えた分散型電源システム。
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