JP7481886B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
本実施形態は、電力供給源から供給される電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。
近年、太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー電源や蓄電池が電力供給源として使用される。再生可能エネルギー電源や蓄電池から出力される直流電力は、電力変換装置により交流電力に変換される。電力変換装置により変換された交流電力が、電力系統に供給される。電力変換装置は、電力系統における基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき電力の変換を行い、交流電力を出力する。出力電力の電圧、周波数、位相の制御を行う電力変換装置が知られている。
前述のとおり、電力変換装置は、電力系統における基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき電力の変換を行い、交流電力を出力する。電力系統が、火力、水力、原子力などの回転機型発電機を用いた発電設備を含み構成されている場合、電力変換装置は、基準となる交流電力として回転機型発電機から出力された交流電力の電圧、周波数、位相に基づき、電力の変換を行う。
電力系統が、太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー電源や蓄電池などの電力変換装置を用いた電源設備のみにより構成されている場合、一つの電力変換装置が基準となる交流電力を出力し、他の電力変換装置は、一つの電力変換装置から出力された基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき、電力の変換を行う。
事故等により、基準となる交流電力が喪失された場合であっても、複数の電力変換装置は、電圧、周波数、位相を合致させ交流電力を出力することが望ましい。
近年、再生可能エネルギー電源の導入が推進されている。太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー電源は、パワーエレクトロニクス技術を用いたインバータ等の電力変換装置により交流の電力系統に接続される。このような電源はインバータ電源と呼ばれる。また、再生可能エネルギーの出力変動を抑制するために設置される蓄電池などのシステムもインバータ電源に含まれる。
離島などにおける、オフグリッドシステムと呼ばれる小規模な電力系統では、回転機型の電源によらず、インバータ電源のみにより負荷に電力が供給される場合がある。また、同期発電機やインバータ電源が混在する従来の電力系統においても、系統事故などにより一部区域が隔離され、マイクログリッドと呼ばれる区域内においてインバータ電源のみにより負荷に電力が供給される場合がある。
インバータ電源のみで安定的な電力の供給を行うためには、出力分担された複数のインバータ電源を適正に制御し、電力系統の電圧、周波数、位相を維持することが必要とされる。複数のインバータ電源のうち、一つのインバータ電源に、基準となる交流電力を出力させる制御を行い、他のインバータ電源に基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき交流電力を出力させる制御を行う技術が知られている。電力の変換を行う基準となる交流電力を出力させるインバータ電源の運転モードを、電圧源モードと呼ぶ。基準となる外部の交流電力の電圧、周波数、位相に基づき交流電力を出力させるインバータ電源の運転モードを、系統連系モードと呼ぶ。系統連系モードは、電流源モードと呼ばれる場合がある。
しかしながら、電圧源モードで運転するインバータ電源が、故障等の理由により運転を継続できなくなった場合、電力系統において基準となる交流電力が喪失される。基準となる交流電力にかかる電圧、周波数、位相が喪失され、系統連系モードで運転する他のインバータ電源も運転を継続することができない。その結果、電力系統は停電に至る。
基準となる交流電力が喪失された場合、電圧源モードで運転していたインバータ電源に代わり、系統連系モードで運転していた他のインバータ電源のうち一つを選択し、電圧源モードで運転させる。しかしながら、他のインバータ電源のうちの一つを電圧源モードで運転させるためには、一端、インバータ電源を停止させ電圧源モードに再設定することが必要とされた。一端、インバータ電源を停止させるため、電力系統に一時的な停電が発生するとの問題点があった。
本実施形態は、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、停電を回避することができる電力変換装置を提供することを目的とする。
本実施形態の電力変換装置は、次のような特徴を有する。
(1)電力系統に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部。
(2)前記位相検出部により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部。
(3)前記波形制御部により作成された前記制御信号に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部。
(4)前記電力系統に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された前記周波数が、予め設定された第1の周波数範囲内にない場合、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部。
(5)前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、前記波形制御部は、前記電力変換部に対し、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。
(1)電力系統に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部。
(2)前記位相検出部により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部。
(3)前記波形制御部により作成された前記制御信号に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部。
(4)前記電力系統に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された前記周波数が、予め設定された第1の周波数範囲内にない場合、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部。
(5)前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、前記波形制御部は、前記電力変換部に対し、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置1および電力変換システム100について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は、一例であってこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。本実施形態において、同一構成の装置や部材が複数ある場合にはそれらについて同一の番号を付して説明を行い、また、同一構成の個々の装置や部材についてそれぞれを説明する場合に、共通する番号にアルファベット(小文字)の添え字を付けることで区別する。
[1.第1実施形態]
[1-1.構成]
図1~5を参照して本実施形態の一例として、電力変換装置1および電力変換システム100の構成について説明する。電力変換システム100は、複数のインバータ電源10により構成され、電力系統9を介し負荷8への電力供給を行う。一例として、電力変換システム100は、3つのインバータ電源10a、10b、10cにより構成される。電力変換システム100は、任意の数量のインバータ電源10a~10nにより構成されるものであってもよい。また、電力変換システム100は、火力、水力、原子力などの発電設備に接続されるものであってもよい。
[1-1.構成]
図1~5を参照して本実施形態の一例として、電力変換装置1および電力変換システム100の構成について説明する。電力変換システム100は、複数のインバータ電源10により構成され、電力系統9を介し負荷8への電力供給を行う。一例として、電力変換システム100は、3つのインバータ電源10a、10b、10cにより構成される。電力変換システム100は、任意の数量のインバータ電源10a~10nにより構成されるものであってもよい。また、電力変換システム100は、火力、水力、原子力などの発電設備に接続されるものであってもよい。
図1において、電力系統9は、一つの負荷8を有するものとして表記されているが、電力系統9は複数の負荷8を有するものであってよい。また、例えばインバータ電源10の電圧と電力系統9との電圧が異なる場合等、インバータ電源10は、変圧器(図中不示)を介して電力系統9に接続されるようにしてもよい。
(インバータ電源10)
図2にインバータ電源10の構成を示す。インバータ電源10は、電力変換装置1、電源15を備える。インバータ電源10a、10b、10cは同様の構成を有する。
図2にインバータ電源10の構成を示す。インバータ電源10は、電力変換装置1、電源15を備える。インバータ電源10a、10b、10cは同様の構成を有する。
電源15は、太陽光発電設備や風力発電設備等の再生可能エネルギー電源により構成される。電源15は、直流電力を発電し、電力変換装置1に供給する。また、電源15は、蓄電池により構成されるものであってもよい。電源15が蓄電池により構成される場合、電源15は、電力変換装置1により電力系統1の交流電力が直流電力に変換され充電される。蓄電池である電源15は、直流電力を出力し、電力変換装置1に供給する。
(電力変換装置1)
電力変換装置1は、電力系統9、電源15に接続される。電力変換装置1は、電源15から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統9に供給する。電力変換装置1は、電力変換部12、電圧電流計側部13、制御部14を備える。電力変換装置1は、電力変換部12と電力系統9の間に連系リアクトルや高調波フィルタを有するものであってもよい。
電力変換装置1は、電力系統9、電源15に接続される。電力変換装置1は、電源15から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統9に供給する。電力変換装置1は、電力変換部12、電圧電流計側部13、制御部14を備える。電力変換装置1は、電力変換部12と電力系統9の間に連系リアクトルや高調波フィルタを有するものであってもよい。
電力変換部12は、電界効果型トランジスタ(FET)等の半導体スイッチにより構成される。電力変換部12は、電源15、電力系統9に接続される。電力変換部12は、制御部14により制御される。電力変換部12は、電源15から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統9に供給する。電源15が蓄電池により構成される場合、電力変換部12は、電力系統9の交流電力を直流電力に変換し、電源15に供給する。電力変換部12により変換された直流電力は、電源15に蓄電される。
電圧電流計測部13は、計測用変圧器や計測用変流器等により構成される。電圧電流計測部13は、電力変換部12と電力系統9の連系点に配置され、制御部14に接続される。電圧電流計測部13は、電力変換装置1と電力系統9の連系点における電圧、電流を計測する。電圧電流計測部13により、電圧の振幅、周波数、位相が計測され電圧計測値とされ、電流の振幅、周波数、位相が計測され電流計測値とされる。電圧電流計測部13は、電圧計測値と電流計測値を制御部14に出力する。電力変換装置1が、電力変換部12と電力系統9の間に高調波フィルタを有するものである場合、電圧電流計測部13は、高調波フィルタの電力系統9側、電力変換部12側、両方の電流を計測し、制御部14に出力する。
制御部14は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。制御部14は、電圧電流計測部13の計測値に基づき、電力変換部12を制御する。制御装置14は、出力電圧制御部21と、ゲートパルス生成部22とを備える。
出力電圧制御部21は、電圧電流計測部13、ゲートパルス生成部22に接続される。出力電圧制御部21は、電圧電流計測部13の計測値に基づき、制御信号を作成しゲートパルス生成部22に出力する。制御信号は、ゲートパルス生成部22を制御する信号であり、正弦波状の電圧波形である。制御信号により電圧振幅、周波数、位相が指令される。制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。出力電圧制御部21の構成の詳細は、後述する。
ゲートパルス生成部22は、出力電圧制御部21、電力変換部12に接続される。ゲートパルス生成部22は、出力電圧制御部21から受信した制御信号にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部12に出力する。ゲート信号は、電力変換部12の出力電圧波形を変調する信号であり、例えば電力変換部12の半導体スイッチのOn/Offを制御するパルス幅変調(PWM変調)信号である。電力変換部12は、ゲートパルス生成部22に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源15から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統9に供給する。
(出力電圧制御部21の構成)
図3に、出力電圧制御部21の構成を示す。出力電圧制御部21は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。出力電圧制御部21は、位相検出部31、電力算出部32、電力制御部33、電流制御部34、波形制御部35を備える。
図3に、出力電圧制御部21の構成を示す。出力電圧制御部21は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。出力電圧制御部21は、位相検出部31、電力算出部32、電力制御部33、電流制御部34、波形制御部35を備える。
位相検出部31は、電圧電流計測部13、電力算出部32、波形制御部35に接続される。位相検出部31は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値に基づき、電圧位相を算出し出力する。位相検出部31の構成の詳細は後述する。
電力算出部32は、電圧電流計測部13、電力制御部33に接続される。電力算出部32は、電圧電力計測部13から出力された電圧計測値および電流計測値、および位相検出部31から出力された電圧位相に基づき、電力変換部12が出力する有効電力値および無効電力値を算出し、電力制御部33に出力する。
電力制御部33は、電力算出部32、電流制御部34に接続される。電力制御部33は、外部装置から入力された電力指令値、および電力算出部32により算出された有効電力値、無効電力値に基づき、電力変換部12が出力する電流指令値を算出する。電流指令値は、電力変換部12から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電力制御部33は、算出した電流指令値を電流制御部34に出力する。
電力指令値は、電力変換装置1が出力する有効電力、無効電力を指示する指令値である。電力指令値は、電力需給制御装置(図中不示)のような外部装置から電力制御部33に入力される指令値でもよいし、予め設定された指令値でもよい。電力指令値は、時々刻々変動する値を有するものであってもよいし、固定値であってもよい。
電流制御部34は、電圧電流計測部13、電力制御部33、波形制御部35に接続される。電流制御部34は、電圧電流計測部13から出力された電流計測値、電力制御部33により算出された電流指令値に基づき、電圧指令値を算出する。電圧指令値は、電力変換部12から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電流制御部34は、算出した電圧指令値を波形制御部35に出力する。
波形制御部35は、位相検出部31、電流制御部34、ゲートパルス生成部22に接続される。波形制御部35は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値、位相検出部31から出力された電圧位相、電流制御部34により算出された電圧指令値に基づき、制御信号を作成しゲートパルス生成部22に出力する。制御信号は、ゲートパルス生成部22を制御する信号であり、正弦波状の電圧波形である。制御信号により電圧振幅、周波数、位相が指令される。制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。
波形制御部35から出力された制御信号に基づき、ゲートパルス生成部22は電力変換部12を制御する。電力変換部12は、電源15から出力された直流電力を、指令された電圧振幅、周波数、位相を有する交流電力に変換し、電力系統9に供給する。
(位相検出部31の構成)
位相検出部31の構成を説明する。位相検出部31は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。位相検出部31は、図4に示す制御ブロックにより構成される。
位相検出部31の構成を説明する。位相検出部31は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。位相検出部31は、図4に示す制御ブロックにより構成される。
位相検出部31は、3相/dq変換部41、PI制御部42、積分部43、判定部44にかかる制御ブロックにより構成される。
3相/dq変換部41は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値に基づき、電圧計測値をdq軸電圧値に変換する。PI制御部42は、3相/dq変換部41により変換されたdq軸電圧値に基づき、dq軸のうち基準軸の電圧値がゼロとなる制御を行う。また、PI制御部42は、周波数を下限周波数、上限周波数に制限するリミッタを備える。下限周波数、上限周波数にかかる値は、外部装置(図中不示)により所定の値に設定される。
積分部43は、PI制御部42から出力された周波数偏差と基準周波数(例えば商用周波数50Hzあるいは60Hz)の合計値から位相を算出する。判定部44は、PI制御部42から出力された周波数を検出する。また、判定部44は、PI制御部42から出力された周波数の偏差に基づき、動作モードを選択する。動作モードとして、電圧源モード、系統連系モードの一方が選択される。電圧源モードとは、電力の変換を行う基準となる交流電力を出力する運転モードである。系統連系モードとは、基準となる外部の交流電力の電圧、周波数、位相に基づき交流電力を出力する運転モードである。系統連系モードは、電流源モードと呼ばれる場合がある。
PI制御部42は、周波数を下限周波数、上限周波数に制限するリミッタを備える。電力の変換を行う基準となる交流電力が喪失された場合に、電力変換部12から出力される電力にかかる周波数は、PI制御部42に設定された下限周波数または上限周波数に制限される。これにより、波形制御部35は、周波数を予め設定された周波数範囲内に制限して制御信号を作成する。
下限周波数、上限周波数の値は、インバータ電源10a、10b、10cを構成する電力変換装置1ごとに設定される。下限周波数、上限周波数の値は、電力の変換を行う基準となる交流電力が喪失された場合において、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給するインバータ電源10a、10b、10cの優先順位に基づき決定される。
電力の変換を行う基準となる交流電力が喪失された場合に、一番目に優先的に基準となる交流電力を出力するインバータ電源10に接続された電力変換装置1は、第1代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値に設定され、二番目に優先的に基準となる交流電力を出力するインバータ電源10に接続された電力変換装置1は、第2代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値に設定される。
第1代理モードにかかる下限周波数の値は、第2代理モードにかかる下限周波数の値より大きい。第1代理モードにかかる上限周波数の値は、第2代理モードにかかる上限周波数の値より小さい。第1代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の幅は、第2代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の幅より小さい。
例えば、第1代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値を基準周波数f0に対し±3%、第2代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値を基準周波数f0に対し±5%とする。なお、下限周波数、上限周波数の値の絶対値は同じでなくてもよい。例えば、第1代理モードにかかる下限周波数の値をf0-3%、上限周波数の値をf0+2%としてもよい。
また、基準となる交流電力を出力するインバータ電源10が3台以上である場合、インバータ電源10に接続された3台以上の電力変換装置1は、優先的に基準となる交流電力を出力する順に、下限周波数、上限周波数の幅が大きくなる第1代理モード、第2代理モード、第3代理モード・・・に設定されるようにしてもよい。
PI制御部42は、基準となる交流電力の出力を開始したのち、予め設定された時間経過後に、設定された下限周波数、上限周波数の値を基準となる交流電力にかかる周波数f0の値に更新する。例えば、制御部14の出力電圧制御部21の判定部44により、インバータ電源10が基準となる交流電力の出力を開始したと判定されてから所定の時間経過後、下限周波数、上限周波数の値は、基準周波数f0に対し±3%から0%に更新される。この更新にかかる変化率は一定であってもよいし、一次遅れ特性などに従ってもよい。
PI制御部42の出力値は、電圧計測値の基準周波数f0からの周波数偏差Δfに相当する。すなわち、電圧計測値の周波数fm(電力系統9の周波数)が増加すればPI制御部42の出力値は増加し、電圧計測値の周波数fm(電力系統9の周波数)が減少すればPI制御部42の出力値は減少する。
判定部44は、PI制御部42の出力値が予め設定された周波数範囲f0±Δf1内にない場合、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。例えば、判定部44は、PI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1または上限周波数f0+Δf1の値に到達したことに基づき、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。さらに判定部44は、PI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1または上限周波数f0+Δf1の値に到達したことに基づき、電力変換装置1が、系統連系モードから電圧源モードに移行し、電力変換部12が基準となる交流電力の出力を開始するよう動作モード情報を出力する。
所定の時間継続してPI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1または上限周波数f0+Δf1の値であること、所定の時間内に所定の回数、PI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1または上限周波数f0+Δf1の値であることを検出することにより、判定部44は、周波数の基準となる交流電力が供給されていないことを、より確実に検出するようにしてもよい。判定部44は、電力変換装置1が電圧源モード、系統連系モードのいずれにより運転されるべきかを示す動作モード情報を出力する。
(波形制御部35の構成)
波形制御部35の構成を説明する。波形制御部35は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。波形制御部35は、図5に示す制御ブロックにより構成される。
波形制御部35の構成を説明する。波形制御部35は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。波形制御部35は、図5に示す制御ブロックにより構成される。
波形制御部35は、電圧制御部45、dq/3相変換部46、選択器47にかかる機能ブロックにより構成される。
電圧制御部45は、電圧電流計側部13、電流制御部34、選択器47に接続される。電圧制御部45は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値、電流制御部34により算出された電圧指令値に基づき、新たな電圧指令値としてd軸電圧値、q軸電圧値を算出し選択器47に出力する。d軸電圧値は、d軸にかかる制御信号であり、q軸電圧値は、q軸にかかる制御信号である。電圧制御部45は、dq軸上の制御信号を作成する。
選択器47は、電圧制御部45、dq/3相変換部46、判定部44に接続される。選択器47には、電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値および、あらかじめ設定されたd軸所定値、q軸所定値が入力される。選択器47の出力は、判定部44から出力された動作モード情報により選択される。動作モード情報が系統連系モードを示すとき、選択器47は、dq/3相変換部46に電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値を出力する。動作モード情報が電圧源モードを示すとき、選択器47は、dq/3相変換部46にd軸所定値、q軸所定値を出力する。
dq/3相変換部46は、選択器47、位相検出部31、ゲートパルス生成部22に接続される。動作モード情報が系統連系モードを示すとき、dq/3相変換部46は、電圧制御部45により算出されたd軸電圧値、q軸電圧値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて3相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。
動作モード情報が電圧源モードを示すとき、dq/3相変換部46は、d軸所定値、q軸所定値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて3相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。d軸所定値、q軸所定値は、d軸とq軸について予め設定された固定値でもよいし、時間経過に従い変化する変動値であってもよい。例えば、d軸所定値は電力系統1の定格電圧値に、q軸所定値はゼロに設定されるようにしてもよい。d軸電圧値、q軸電圧値が請求項における第1の電圧指令値に相当する。d軸所定値、q軸所定値が請求項における第2の電圧指令値に相当する。
以上が、電力変換装置1および電力変換システム100の構成である。
[1-2.作用]
次に、図1~7に基づき本実施形態の電力変換装置1および電力変換システム100の動作の概要を説明する。電力変換装置1は、判定部44により電力系統9に供給された交流電力の周波数fmを検出する。電力変換装置1の判定部44は、検出された周波数fmが予め設定された第1の周波数範囲内f0±Δf1にない場合、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。判定部44により、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、波形制御部35は、電力変換部12に対し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。
次に、図1~7に基づき本実施形態の電力変換装置1および電力変換システム100の動作の概要を説明する。電力変換装置1は、判定部44により電力系統9に供給された交流電力の周波数fmを検出する。電力変換装置1の判定部44は、検出された周波数fmが予め設定された第1の周波数範囲内f0±Δf1にない場合、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。判定部44により、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、波形制御部35は、電力変換部12に対し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。
電力変換装置1は、位相検出部31により、周波数を予め設定された第2の周波数範囲f0±Δf2に制限して電圧位相を算出する。Δf1とΔf2は同一の値であってもよい。第2の周波数範囲f0±Δf2は、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する複数の電力供給源15の優先順位に基づき決定され、優先順位が高い電力供給源15に対応した第2の周波数範囲f0±Δf2は、優先順位が低い電力供給源15に対応した第2の周波数範囲f0±Δf2より狭い。
電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていない場合、優先順位に基づき、系統連系モードで動作していた一つの電力変換装置1が電圧源モードで動作し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する。また、系統連系モードで動作していた他の電力変換装置1は、系統連系モードでの動作を継続する。
図6に基づき、電力変換装置1、電力変換システム100の動作詳細について説明する。一例として、電力変換システム100は、3台のインバータ電源10a、10b、10cにより構成される。電力系統9は、3台のインバータ電源10a、10b、10cにより電力が供給される。インバータ電源10a、10b、10cは、それぞれ電力変換装置1a、1b、1cを備える。
平常時にはインバータ電源10aが電圧源モード、インバータ電源10b、10cが系統連系モードで動作しているものとする。平常時にはインバータ電源10aにより、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されている。インバータ電源10aにより、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されない場合、インバータ電源10bがインバータ電源10cに優先し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力の供給を行う。
インバータ電源10bにかかる電力変換装置1bは第1代理モードに設定されている。インバータ電源10cにかかる電力変換装置1cは第2代理モードに設定されている。第1代理モード、第2代理モードとは、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されない場合に、周波数の基準となる交流電力の供給を行う電力変換装置1の優先順位に基づき決定される。例えばインバータ電源10bの容量がインバータ電源10cの容量より大きいなどの理由により、周波数の基準となる交流電力の供給を行う優先順位が決定され、優先順位に基づきインバータ電源10に第1代理モード、第2代理モードが設定される。
電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されない場合に、周波数の基準となる交流電力の供給を行う電力変換装置1が3台以上設けられている場合、3台以上の電力変換装置1は、優先的に基準となる交流電力を出力する順に、第1代理モード、第2代理モード、第3代理モード・・・に設定されるようにしてもよい。
インバータ電源10aにより、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されなくなった場合、第1代理モードに設定された電力変換装置1bにより周波数の基準となる交流電力が供給される。第1代理モードに設定された電力変換装置1bを備えたインバータ電源10bにより、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されなくなった場合、第2代理モードに設定された電力変換装置1cにより周波数の基準となる交流電力が供給される。
予め電力変換装置1bは、第1代理モードに設定される。電力変換装置1bのPI制御部42は、周波数を下限周波数f0-Δf2b、上限周波数f0+Δf2bに制限するリミッタを備える。第1代理モードに設定されることにより電力変換装置1bのPI制御器42は、周波数を予め設定された周波数範囲f0±Δf2bに制限して、電圧位相を算出する。例えば、第1代理モードに設定されることにより、電力変換装置1bのPI制御器42の下限周波数f0-Δf2bは50Hz-3%に、上限周波数f0+Δf2bは50Hz+3%に設定される。
予め電力変換装置1cは、第2代理モードに設定される。第2代理モードに設定されることにより電力変換装置1cのPI制御器42は、周波数を予め設定された周波数範囲f0±Δf2cに制限して、電圧位相を算出する。例えば、第2代理モードに設定されることにより、電力変換装置1cのPI制御器42の下限周波数f0-Δf2cは50Hz-5%に、上限周波数f0+Δf2cは50Hz+5%に設定される。
電力変換装置1bおよび電力変換装置1cのPI制御器42のリミッタは、判定部44で代理モードであると判定されてから所定時間経過した後に例えばf0±0%に更新するよう、予め設定される。
なお、電力系統1の商用周波数f0は50Hzとする。また、電力変換装置1bおよび電力変換装置1cの波形制御部35における選択器47によって選択されるd軸所定値は電力系統1の定格電圧値に、q軸所定値はゼロに、予め設定される。
図6に示すタイムチャートにおける時刻t1において、故障等の理由によりインバータ電源10aからの交流電力の供給が停止した場合、周波数の基準となる交流電力が供給されなくなり、電力系統9の周波数fmは低下する。これにより、インバータ電源10bの電力変換装置1b、インバータ電源10cの電力変換装置1cの位相検出部31のPI制御器42の出力値は減少する。
時刻t2において、電力変換装置1bのPI制御器42の出力値は、下限周波数f0-Δf2bに到達する。下限周波数f0-Δf2bは、例えば50Hz-3%(48.5Hz)である。電力変換装置1bのPI制御器42は、周波数を予め設定された周波数範囲f0±Δf2bである48.5Hzに制限して、電圧位相を算出する。
時刻t3において、電力変換装置1bの判定部44は、PI制御器42から出力された電圧位相に基づき、電力系統9に供給された交流電力の周波数fmが、予め設定された周波数範囲内f0±Δf1bにないことを検出し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。例えば、周波数範囲内f0±Δf1bは、50Hz±3%(48.5Hz)である。
さらに判定部44は、PI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1bに到達したことに基づき、電力変換装置1bが、系統連系モードから電圧源モードに移行し、電力変換部12が基準となる交流電力の出力を開始するよう動作モード情報を出力する。例えば、下限周波数f0-Δf1bは、50Hz-3%(48.5Hz)である。
判定部44から出力された動作モード情報が電圧源モードを示すことに基づき、選択器47は、dq/3相変換部46にd軸所定値、q軸所定値を出力する。d軸所定値は電力系統1の定格電圧値に、q軸所定値はゼロに設定されている。また、位相検出部31から出力された48.5Hzの電圧位相が、dq/3相変換部46に入力される。
電力変換装置1bのdq/3相変換部46は、選択器47から出力されたd軸所定値、q軸所定値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて、3相に変換された電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。3相に変換された電圧波形が制御信号に相当する。
電力変換装置1bのゲートパルス生成部22は、出力電圧制御部21から受信した制御信号である電圧波形にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部12に出力する。ゲート信号は、電力変換部12の出力電圧波形を変調する信号であり、例えば電力変換部12の半導体スイッチのOn/Offを制御するパルス幅変調(PWM変調)信号である。電力変換装置1bの電力変換部12は、ゲートパルス生成部22に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源15から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統9に供給する。
上記の動作により、時刻t3において、インバータ電源10bの電力変換装置1bは、電力系統9に周波数の基準となる交流電力の供給を開始する。周波数の基準となる交流電力の振幅は、電力系統9の定格電圧値、周波数は、48.5Hzである。
一方、インバータ電源10cの電力変換装置1cは、系統連系モードによる動作を継続する。電力系統9には、周波数の基準となる48.5Hzの交流電力がインバータ電源10bにより供給されている。電力変換装置1cの判定部44は、電力系統9の周波数が周波数範囲内f0±Δf1cにない場合に、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。周波数範囲f0±Δf1cは、50Hz±5%(47.5Hzから52.5Hz)である。
電力変換装置1cの判定部44は、PI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1cまたは上限周波数f0+Δf1cの値に到達していないため、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていると判断し、電力変換装置1cは、系統連系モードによる動作を継続する。
時刻t3において、インバータ電源10bの電力変換装置1bにより周波数の基準となる交流電力の供給が開始され、電力系統9の交流電力は、48.5Hzとなっている。時刻t3から予め設定された時間経過後の時刻t4において、電力変換装置1bの位相検出部31は、PI制御器42のリミッタにおける周波数範囲を基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する。PI制御器42のリミッタにおける周波数範囲f0±Δf2bは、例えば50Hz±3%から50Hz±0%に更新される。
これによりインバータ電源10bのPI制御器42の出力値は下限リミッタに沿って変化し、50Hz-0%に遷移する。この結果、位相検出部31は、基準周波数50Hzにかかる電圧位相を出力する。電力変換装置1bのゲートパルス生成部22は、基準周波数50Hzにかかる電圧位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部12に出力する。電力変換装置1bの電力変換部12は、ゲートパルス生成部22に制御され基準周波数50Hzにて電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する。
これにより、電力変換装置1aによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合であっても、電力変換装置1aに代替し電力変換装置1bにより周波数の基準となる交流電力が供給されるので、電力系統9における停電を回避することができる。
上述のように、電圧源モードで動作するインバータ電源10aが電力供給を停止した場合であっても、インバータ電源10bの電力変換装置1bの位相検出部31に備えられたリミッタの作用によって、電力系統9の周波数は周波数範囲f0±Δf2bに維持され、例えば、48.5Hz等の所定値に制御される。電力変換装置1bにより周波数の基準となる交流電力が供給され、電力系統9の停電が回避される。電力変換装置1cの位相検出部31に備えられたリミッタの周波数範囲f0±Δf2cは、電力変換装置1bに設定された周波数範囲f0±Δf2bより広く、電力変換装置1cを備えたインバータ電源10cは平常の系統連系モードによる運転を継続することができる。
次に、図7に基づき、電力変換装置1aおよび電力変換装置1bによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合について説明する。
図7に示すタイムチャートにおける時刻t1において、電力変換装置1bを備えたインバータ電源10aからの交流電力の供給が停止する。その後、時刻t3において、電力変換装置1bを備えたインバータ電源10bにより、周波数の基準となる48.5Hzの交流電力の供給が開始される。
電力変換装置1bを備えたインバータ電源10bによる、48.5Hzの交流電力の供給は、時刻t5まで継続される。時刻t5において、故障等の理由によりインバータ電源10bからの交流電力の供給が停止する。これによりインバータ電源10aおよびインバータ電源10bからの周波数の基準となる交流電力の供給が停止する。
インバータ電源10bからの交流電力の供給が停止した場合、周波数の基準となる交流電力が供給されなくなり、電力系統9の周波数fmはさらに低下する。これにより、インバータ電源10cの電力変換装置1cの位相検出部31のPI制御器42の出力値は減少する。
時刻t6において、電力変換装置1cのPI制御器42の出力値は、下限周波数f0-Δf2cに到達する。下限周波数f0-Δf2cは、例えば50Hz-5%(47.5Hz)である。電力変換装置1cのPI制御器42は、周波数を予め設定された周波数範囲f0±Δf2cである47.5Hzに制限して、電圧位相を算出する。
時刻t7において、電力変換装置1cの判定部44は、PI制御器42から出力された電圧位相に基づき、電力系統9に供給された交流電力の周波数fmが、予め設定された周波数範囲内f0±Δf1cにないことを検出し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。例えば、周波数範囲内f0±Δf1cは、50Hz±3%(47.5Hz)である。
さらに電力変換装置1cの判定部44は、PI制御部42の出力値が下限周波数f0-Δf1cに到達したことに基づき、電力変換装置1cが、系統連系モードから電圧源モードに移行し、電力変換部12が基準となる交流電力の出力を開始するよう動作モード情報を出力する。例えば、下限周波数f0-Δf1cは、50Hz-5%(47.5Hz)である。
判定部44から出力された動作モード情報が電圧源モードを示すことに基づき、選択器47は、dq/3相変換部46にd軸所定値、q軸所定値を出力する。d軸所定値は電力系統1の定格電圧値に、q軸所定値はゼロに設定されている。また、位相検出部31から出力された47.5Hzの電圧位相が、dq/3相変換部46に入力される。
電力変換装置1cのdq/3相変換部46は、選択器47から出力されたd軸所定値、q軸所定値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて、3相に変換された電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。3相に変換された電圧波形が制御信号に相当する。
電力変換装置1cのゲートパルス生成部22は、出力電圧制御部21から受信した制御信号である電圧波形にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部12に出力する。電力変換装置1cの電力変換部12は、ゲートパルス生成部22に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源15から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統9に供給する。
上記の動作により、時刻t7において、インバータ電源10cの電力変換装置1cは、電力系統9に周波数の基準となる交流電力の供給を開始する。周波数の基準となる交流電力の振幅は、電力系統9の定格電圧値、周波数は、47.5Hzである。
時刻t7において、インバータ電源10cの電力変換装置1cにより周波数の基準となる交流電力の供給が開始され、電力系統9の交流電力は、47.5Hzとなっている。時刻t7から予め設定された時間経過後の時刻t8において、電力変換装置1cの位相検出部31は、PI制御器42のリミッタにおける周波数範囲を基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する。PI制御器42のリミッタにおける周波数範囲f0±Δf2cは、例えば50Hz±5%から50Hz±0%に更新される。
これによりインバータ電源10cのPI制御器42の出力値は下限リミッタに沿って変化し、50Hz-0%に遷移する。この結果、位相検出部31は、基準周波数50Hzにかかる電圧位相を出力する。電力変換装置1cのゲートパルス生成部22は、基準周波数50Hzにかかる電圧位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部12に出力する。電力変換装置1cの電力変換部12は、ゲートパルス生成部22に制御され基準周波数50Hzにて電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する。
これにより、電力変換装置1aおよび電力変換装置1bによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合であっても、電力変換装置1aおよび電力変換装置1bに代替し電力変換装置1cにより周波数の基準となる交流電力が供給されるので、電力系統9における停電を回避することができる。
上記の動作例において、電力変換装置1aおよび電力変換装置1bによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止することにより、電力系統9の電力にかかる周波数は低下するものとした。しかしながら、電力系統9における負荷8とインバータ電源10の放電、充電等の運転状態により需給バランスが崩れ、電力変換装置1aおよび電力変換装置1bによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止することにより、電力系統9の電力にかかる周波数が上昇する可能性もある。
この場合、判定部44は、PI制御部42の出力値が上限周波数f0+Δf1cの値に到達した場合に、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。また、PI制御部42は、リミッタにより周波数を上限周波数f0+Δf2に制限して、電圧位相を算出する。
上記では波形制御部35は、図5に示す構成とした。波形制御部35は、図8に示す構成としてもよい。図8に示す波形制御部35は、電圧制御部45、dq/3相変換部48、選択器49にかかる機能ブロックにより構成される。
図5に示す波形制御部35は、dq軸上で電圧制御部45の制御を行うのに対し、図8に示す波形制御部35は、3相で電圧制御部45の制御を行う。図8に示す波形制御部35は、制御信号として3相の電圧波形を出力する。
dq/3相変換部48は、d軸所定値、q軸所定値と、位相検出部31の電圧位相に基づいて3相に変換した電圧波形を出力する。d軸所定値、q軸所定値は、d軸とq軸について予め設定された固定値でもよいし、時間経過に従い変化する変動値であってもよい。例えば、d軸所定値は電力系統1の定格電圧値に、q軸所定値はゼロに設定されるようにしてもよい。
選択器49は、電圧制御部45、dq/3相変換部48、判定部44に接続される。選択器49には、d軸電圧値、q軸電圧値に基づき電圧制御部45から出力された制御信号である電圧波形、あらかじめ設定されたd軸所定値、q軸所定値に基づきdq/3相変換部48から出力された制御信号である電圧波形が入力される。
選択器49の出力は、判定部44から出力された動作モード情報により選択される。動作モード情報が系統連系モードを示すとき、選択器49は、電圧制御部45から出力された電圧波形を選択しゲートパルス生成部22に出力する。動作モード情報が電圧源モードを示すとき、選択器49は、dq/3相変換部48から出力された電圧波形を選択しゲートパルス生成部22に出力する。
上記のように波形制御部35を、図8に示す構成とすることにより、電源15から出力された電力を3相制御により電力変換装置1において交流電力に変換することができる。波形制御部35を、図5に示す構成とすることにより、電源15から出力された電力をdq軸制御により電力変換装置1において交流電力に変換することができる。
周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合であっても、電力変換装置1により周波数の基準となる交流電力が供給されるので、電力系統9における停電を回避することができる。
以上が、第1実施形態にかかる電力変換装置1および電力変換システム100の動作の概要である。
[1-3.効果]
(1)本実施形態によれば、電力変換装置1は、電力系統9に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部31と、位相検出部31により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部35と、波形制御部35により作成された制御信号に基づき、電力供給源15から供給された電力を交流電力に変換して電力系統9に出力する電力変換部12と、電力系統9に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された周波数が、予め設定された第1の周波数範囲内にない場合、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部44と、を有し、判定部44により、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、波形制御部35は、電力変換部12に対し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行うので、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、停電を回避することができる電力変換装置1を提供することができる。
(1)本実施形態によれば、電力変換装置1は、電力系統9に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部31と、位相検出部31により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部35と、波形制御部35により作成された制御信号に基づき、電力供給源15から供給された電力を交流電力に変換して電力系統9に出力する電力変換部12と、電力系統9に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された周波数が、予め設定された第1の周波数範囲内にない場合、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部44と、を有し、判定部44により、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、波形制御部35は、電力変換部12に対し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行うので、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、停電を回避することができる電力変換装置1を提供することができる。
電力変換装置1の判定部44は、PI制御部42の出力値が予め設定された周波数範囲f0±Δf1内にない場合、電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。また、波形制御部35は、電力変換部12に対し、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。
(2)本実施形態によれば、電力変換装置1の位相検出部31は、周波数を予め設定された第2の周波数範囲内に制限して電圧位相を算出するので、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、第2の周波数範囲内に制限した電力を出力することができる電力変換装置1を提供することができる。
電圧源モードで動作するインバータ電源10aが電力供給を停止した場合であっても、インバータ電源10bの電力変換装置1bの位相検出部31に備えられたリミッタの作用によって、電力系統9の周波数は周波数範囲f0±Δf2bに維持され、例えば48.5Hz等の所定値に制御される。電力変換装置1bにより周波数の基準となる交流電力が供給され、電力系統9の停電が回避される。
(3)本実施形態によれば、電力変換装置1の第2の周波数範囲f0±Δf2は、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する複数の電力供給源15の優先順位に基づき決定され、優先順位が高い電力供給源15に対応した第2の周波数範囲f0±Δf2は、優先順位が低い電力供給源15に対応した第2の周波数範囲f0±Δf2より狭いので、優先順位が低い電力供給源15に接続された電力変換装置1cは、平常の系統連系モードによる運転を継続することができる。これにより電力系統9に、安定的に電力が供給される。
(4)本実施形態によれば、電力変換装置1は、電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を電力変換部12に対し開始したのちの、予め設定された時間経過後に、位相検出部31が、第2の周波数範囲f0±Δf2を基準となる交流電力にかかる周波数の値f0に更新するので、電圧源モードで動作するインバータ電源10aが電力供給を停止した場合であっても、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置1bにより、交流電力の周波数が基準となる周波数f0に維持される。
予め設定された時間経過後に、電力変換装置1bの位相検出部31は、PI制御器42のリミッタにおける周波数範囲を基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する。PI制御器42のリミッタにおける周波数範囲f0±Δf2bは、例えば50Hz±3%から50Hz±0%に更新される。
この結果、位相検出部31は、基準周波数50Hzにかかる電圧位相を出力する。電力変換装置1bのゲートパルス生成部22は、基準周波数50Hzにかかる電圧位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部12に出力する。電力変換装置1bの電力変換部12は、ゲートパルス生成部22に制御され基準周波数50Hzにて電力系統9に周波数の基準となる交流電力を供給する。
(5)本実施形態によれば、電力変換装置1の波形制御部35は、第1の電圧指令値(d軸電圧値、q軸電圧値)、または第2の電圧指令値(d軸所定値、q軸所定値)を選択する切替部である選択器47を備える。選択器47は、判定部44により電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていると判断された場合、位相検出部31により検出された電圧位相に基づき作成された、交流電力の周波数、位相を指令する第1の電圧指令値(d軸電圧値、q軸電圧値)を選択する。選択器47は、判定部44により電力系統9に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、予め設定された第2の電圧指令値(d軸所定値、q軸所定値)を選択する。波形制御部35は、選択器47により選択された第1の電圧指令値(d軸電圧値、q軸電圧値)、または第2の電圧指令値により電力変換部12の制御を行う。その結果、電圧源モードで動作するインバータ電源10aが電力供給を停止した場合であっても、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置1bにより基準周波数f0にて電力系統9に基準となる交流電力が供給される。これにより電力系統9に、安定的に電力が供給される。
[2.第2実施形態]
[2-1.構成および作用]
第2実施形態にかかる電力変換装置1の一例について図9を参照して説明する。第2実施形態にかかる電力変換装置1は、以下の構成を有する波形制御部35を備える。その他の構成は、第1実施形態にかかる電力変換装置1と同じである。
[2-1.構成および作用]
第2実施形態にかかる電力変換装置1の一例について図9を参照して説明する。第2実施形態にかかる電力変換装置1は、以下の構成を有する波形制御部35を備える。その他の構成は、第1実施形態にかかる電力変換装置1と同じである。
第2実施形態にかかる電力変換装置1の波形制御部35は、電圧制御部45、dq/3相変換部51、ホールド部52a、52bにかかる機能ブロックにより構成される。
電圧制御部45は、電圧電流計側部13、電流制御部34、ホールド部52a、52bに接続される。電圧制御部45は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値、電流制御部34により算出された電圧指令値に基づき、新たな電圧指令値としてd軸電圧値、q軸電圧値を算出し、ホールド部52a、52bに出力する。d軸電圧値は、d軸にかかる電圧指令値であり、q軸電圧値は、q軸にかかる電圧指令値である。電圧制御部45は、dq軸上の電圧指令値を作成する。
ホールド部52a、52bは、サンプルホールド回路または記憶回路により構成される。ホールド部52a、52bは、電圧制御部45、dq/3相変換部51、判定部44に接続される。ホールド部52a、52bには、それぞれ電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値が入力される。ホールド部52a、52bは、ホールドのタイミングを判定部44から出力された動作モード情報により制御される。
ホールド部52a、52bは、動作モード情報が系統連系モードを示すとき、電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドせずに、dq/3相変換部51に対し出力する。ホールド部52a、52bは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、例えば動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより数10ミリ秒前に電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドして、dq/3相変換部51に対し出力する。
請求項における、第2の電圧指令値は、ホールド部52により保持された、電圧制御部45から出力された過去のd軸電圧値、q軸電圧値であってよい。
dq/3相変換部46は、ホールド部52a、52bから出力されたd軸電圧値、q軸電圧値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて3相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。
第1実施形態にかかる図5に示す波形制御部35を有する電力変換装置1は、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、予め設定されたd軸所定値、q軸所定値に基づいてゲートパルス生成部22が制御され、電力変換装置1から電力が出力される。例えば、d軸所定値は電力系統1の定格電圧値に、q軸所定値はゼロに設定される。
これは、電圧源モードである電力変換装置1から出力される電力にかかる電圧の振幅を、電力系統9の系統電圧を定格電圧に近づけるためである。予め電力系統9の系統電圧を低めにした方がよいと認識される場合、d軸所定値は定格電圧値よりも低く設定されるようにしてもよい。予め想定される電力系統9の状況に応じ、d軸所定値は任意の値に設定される。
しかしながら、第1実施形態にかかる電力変換装置1では、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、電力変換装置1から出力される電力にかかる電圧は急峻に変化する可能性がある。これは、動作モード情報に基づき選択器49により、d軸電圧値、q軸電圧値に代替しd軸所定値、q軸所定値が急峻に選択されることに起因する。これによりゲートパルス生成部22に入力される電圧波形の振幅が急峻に変化する可能性がある。
ゲートパルス生成部22に入力される電圧波形の振幅が急峻に変化した場合、電力変換装置1から出力される電力にかかる電流が意図せず急増したり、系統電圧が不安定となる可能性がある。また、電圧源モードで動作していた他の電力変換装置1が電力の出力を停止するため擾乱が発生し、電力系統9の系統電圧が、設定されたd軸所定値、q軸所定値から乖離しており、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置1の出力電流が意図せず急増したり、系統電圧が不安定となる可能性がある。電圧源モードで動作していた他の電力変換装置1が電力の出力を停止した場合に、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置1にどのようなd軸所定値、q軸所定値を設定すべきであるか、予め判断することが難しい場合もある。
第2実施形態にかかる図9に示す波形制御部35を有する電力変換装置1は、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、ホールド部52a、52bは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより過去に電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドして、dq/3相変換部51に対し出力する。これにより、波形制御部35から、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより、例えばり数10ミリ秒過去のd軸電圧値、q軸電圧値に基づき作成された電圧波形が、制御信号として出力される。
すなわち、電圧源モードで動作していた他の電力変換装置1が電力の出力を停止する直前の、電力変換装置1の出力電力にかかる電圧が維持される。第2実施形態にかかる電力変換装置1によれば、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングのd軸電圧値、q軸電圧値を、電力系統9の状況が変化する都度算出し、電力変換装置1に設定することが必要とされない。
動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化した場合であっても、電力系統9の状況が変化に対応したd軸電圧値、q軸電圧値が、ゲートパルス生成部22に入力される。これにより、電力変換装置1の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統9に安定的な電力が供給される。
第2実施形態にかかる電力変換装置1は、電流制御部34、波形制御部35を、図10に示すように構成し、実現されるようにしてもよい。その他の構成は、第1実施形態にかかる電力変換装置1と同じである。図10に示す構成例は、電流制御部34および波形制御部35の制御がdq軸上で行われる
電力変換装置1の波形制御部35は、3相/dq変換部54、電圧制御部45、dq/3相変換部53、ホールド部55a、55bにかかる機能ブロックにより構成される。
3相/dq変換部54は、電圧電流計側部13、ホールド部55a、55b、位相検出部31に接続される。3相/dq変換部54は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づき、電圧指令値としてd軸電圧値、q軸電圧値を算出し、ホールド部55a、55bに出力する。
ホールド部55a、55bは、サンプルホールド回路または記憶回路により構成される。ホールド部55a、55bは、3相/dq変換部54、電圧制御部45、判定部44に接続される。ホールド部55a、55bには、3相/dq変換部54から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値が入力される。ホールド部55a、55bは、ホールドのタイミングを判定部44から出力された動作モード情報により制御される。
ホールド部55a、55bは、動作モード情報が系統連系モードを示すとき、3相/dq変換部54から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドせずに、電圧制御部45に対し出力する。ホールド部55a、55bは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、例えば動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより数10ミリ秒前に3相/dq変換部54から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドして、電圧制御部45に対し出力する。
電流制御部34は、電圧電流計測部13、電力制御部33、波形制御部35に接続される。電流制御部34は、電圧電流計測部13から出力された電流計測値、電力制御部33により算出された電流指令値に基づき、電圧指令値としてd軸電圧値、q軸電圧値を算出する。電圧指令値であるd軸電圧値、q軸電圧値は、電力変換部12から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電流制御部34は、算出した電圧指令値であるd軸電圧値、q軸電圧値を波形制御部35に出力する。電流制御部34は、判定部44に接続されており、動作モード情報により系統連系モードから電圧源モードに変化したことが報知された場合、d軸電圧値、q軸電圧値をゼロにする。
電圧制御部45は、ホールド部55a、55b、電流制御部34に接続される。電圧制御部45は、ホールド部55a、55bから出力されたd軸電圧値、q軸電圧値と、電流制御部34から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値に基づき、新たな電圧指令値としてd軸電圧値、q軸電圧値を算出する。例えば、電圧制御部45は、ホールド部55aから出力されたd軸電圧値に電流制御部34から出力されたd軸電圧値を加算し新たなd軸電圧値を算出し、ホールド部55bから出力されたq軸電圧値に電流制御部34から出力されたq軸電圧値を加算し新たなq軸電圧値を算出する。
dq/3相変換部53は、電圧制御部45から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて3相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。
これにより、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化した場合であっても、電力系統9の状況の変化に対応した制御信号として、3相の電圧波形がゲートパルス生成部22に入力される。これにより、電力変換装置1の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統9に安定的な電力が供給される。
第2実施形態にかかる電力変換装置1は、電流制御部34、波形制御部35を、図11に示すように構成し、実現されるようにしてもよい。その他の構成は、第1実施形態にかかる電力変換装置1と同じである。図10に示す構成例は、電流制御部34および波形制御部35の制御がdq軸上で行われるのに対し、図11に示す構成例は、電流制御部34および波形制御部35の制御が3相で行われる。
電力変換装置1の波形制御部35は、3相/dq変換部61、dq/3相変換部62、電圧制御部45、ホールド部63a、63bにかかる機能ブロックにより構成される。
3相/dq変換部61は、電圧電流計側部13、ホールド部63a、63b、位相検出部31に接続される。3相/dq変換部61は、電圧電流計測部13から出力された電圧計測値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づき、電圧指令値としてd軸電圧値、q軸電圧値を算出し、ホールド部63a、63bに出力する。
ホールド部63a、63bは、サンプルホールド回路または記憶回路により構成される。ホールド部63a、63bは、3相/dq変換部61、dq/3相変換部62、判定部44に接続される。ホールド部63a、63bには、3相/dq変換部61から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値が入力される。ホールド部63a、63bは、ホールドのタイミングを判定部44から出力された動作モード情報により制御される。
ホールド部63a、63bは、動作モード情報が系統連系モードを示すとき、3相/dq変換部61から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドせずに、dq/3相変換部62に対し出力する。ホールド部63a、63bは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、例えば動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより数10ミリ秒前に3相/dq変換部61から出力されたd軸電圧値、q軸電圧値をホールドして、dq/3相変換部62に対し出力する。
dq/3相変換部62は、ホールド部63a、63bから出力されたd軸電圧値、q軸電圧値、位相検出部31から出力された電圧位相に基づいて、3相に変換された電圧指令値である3相電圧指令値を電圧制御部45に出力する。
電流制御部34は、電圧電流計測部13、電力制御部33、電圧制御部45に接続される。電流制御部34は、電圧電流計測部13から出力された電流計測値、電力制御部33により算出された電流指令値に基づき、3相に変換された電圧指令値である3相電圧指令値を算出する。3相電圧指令値は、3相の電圧波形により構成される。3相電圧指令値は、電力変換部12から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電流制御部34は、算出した3相電圧指令値を波形制御部35の電圧制御部45に出力する。電流制御部34は、判定部44に接続されており、動作モード情報により系統連系モードから電圧源モードに変化したことが報知された場合、d軸電圧値、q軸電圧値をゼロにする。
電圧制御部45は、dq/3相変換部62、電流制御部34に接続される。電圧制御部45は、dq/3相変換部62から出力された3相電圧指令値と、電流制御部34から出力された3相電圧指令値に基づき、制御信号として3相の電圧波形を算出する。例えば、電圧制御部45は、dq/3相変換部62から出力された3相電圧指令値に電流制御部34から出力された3相電圧指令値を加算し、新たな3相電圧指令値を算出し、制御信号として3相の電圧波形をゲートパルス生成部22に出力する。
これにより、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化した場合であっても、電力系統9の状況の変化に対応した制御信号として、3相の電圧波形がゲートパルス生成部22に入力される。これにより、電力変換装置1の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統9に安定的な電力が供給される。
以上が、第2実施形態にかかる電力変換装置1および電力変換システム100の動作の概要である。
[2-2.効果]
(1)本実施形態にかかる電力変換装置1によれば、位相検出部31により検出された電圧位相に基づき、所定の時間前に作成された、交流電力の周波数、位相を指令する過去の電圧指令値を保持するホールド部52を備え、第1の電圧指令値は、ホールド部52により保持された、過去の電圧指令値であるので、電力変換装置1の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統9に安定的な電力が供給される。
(1)本実施形態にかかる電力変換装置1によれば、位相検出部31により検出された電圧位相に基づき、所定の時間前に作成された、交流電力の周波数、位相を指令する過去の電圧指令値を保持するホールド部52を備え、第1の電圧指令値は、ホールド部52により保持された、過去の電圧指令値であるので、電力変換装置1の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統9に安定的な電力が供給される。
また、本実施形態にかかる電力変換装置1によれば、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングのd軸電圧値、q軸電圧値を、電力系統9の状況が変化する都度算出し、電力変換装置1に設定することが必要とされない。
[3.他の実施形態]
変形例を含めた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って、発明の範囲を限定することを意図していない。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、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの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。以下は、その一例である。
変形例を含めた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って、発明の範囲を限定することを意図していない。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、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの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。以下は、その一例である。
(1)上記実施形態では、電力変換システム100は、電力系統9に3つのインバータ電源10が接続されるものとしたが、電力系統9に接続されるインバータ電源10の数量はこれに限られない。電力系統9に接続されるインバータ電源10の数量は、2つ、または4つ以上でもよい。また電力系統9に、火力、水力、原子力などの発電設備が接続されるようにしてもよい。
(2)上記実施形態では、インバータ電源10の電源15は、太陽光発電設備や風力発電設備等の再生可能エネルギー電源により構成されるものとしたが、電源15はこれに限られない。電源15は、燃料電池や地熱発電により発電を行う装置等であってもよい。
1・・・電力変換装置
8・・・負荷
9・・・電力系統
10・・・インバータ電源
12・・・電力変換部
13・・・電圧電流計側部
14・・・制御部
15・・・電源
21・・・出力電圧制御部
22・・・ゲートパルス生成部
31・・・位相検出部
32・・・電力算出部
33・・・電力制御部
34・・・電流制御部
35・・・波形制御部
41、54、61・・・3相/dq変換部
42・・・PI制御部
43・・・積分部
44・・・判定部
45・・・電圧制御部
46、48、51、53、62・・・dq/3相変換部
47、49・・・選択器
52a、52b、55a、55b、63a、63b・・・ホールド部
100・・・電力変換システム
8・・・負荷
9・・・電力系統
10・・・インバータ電源
12・・・電力変換部
13・・・電圧電流計側部
14・・・制御部
15・・・電源
21・・・出力電圧制御部
22・・・ゲートパルス生成部
31・・・位相検出部
32・・・電力算出部
33・・・電力制御部
34・・・電流制御部
35・・・波形制御部
41、54、61・・・3相/dq変換部
42・・・PI制御部
43・・・積分部
44・・・判定部
45・・・電圧制御部
46、48、51、53、62・・・dq/3相変換部
47、49・・・選択器
52a、52b、55a、55b、63a、63b・・・ホールド部
100・・・電力変換システム
Claims (6)
- 電力系統に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部と、
前記位相検出部により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部と、
前記波形制御部により作成された前記制御信号に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部と、
前記電力系統に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された前記周波数が、予め設定された第1の周波数範囲内にない場合、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部と、を有し、
前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、前記波形制御部は、前記電力変換部に対し、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う、
電力変換装置。 - 前記位相検出部は、周波数を予め設定された第2の周波数範囲内に制限して電圧位相を算出する、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記第2の周波数範囲は、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する複数の前記電力供給源の優先順位に基づき決定され、前記優先順位が高い前記電力供給源に対応した前記第2の周波数範囲は、前記優先順位が低い前記電力供給源に対応した前記第2の周波数範囲より狭い、
請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を前記電力変換部に対し開始したのちの、予め設定された時間経過後に、前記位相検出部は、前記第2の周波数範囲を前記基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する、
請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記波形制御部は、第1の電圧指令値、または第2の電圧指令値を選択する切替部を備え、
前記切替部は、
前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていると判断された場合、前記位相検出部により検出された電圧位相に基づき作成された、交流電力の周波数、位相を指令する前記第1の電圧指令値を選択し、
前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、予め設定された前記第2の電圧指令値を選択し、
前記波形制御部は、前記切替部により選択された前記第1の電圧指令値、または前記第2の電圧指令値により前記電力変換部の制御を行う、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記位相検出部により検出された電圧位相に基づき、所定の時間前に作成された、交流電力の周波数、位相を指令する過去の電圧指令値を保持するホールド部を備え、
前記第2の電圧指令値は、ホールド部により保持された、前記過去の電圧指令値である、
請求項5に記載の電力変換装置。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2020068106A JP7481886B2 (ja) | 2020-04-06 | 2020-04-06 | 電力変換装置 |
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