JPWO2021070295A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

電力変換装置は、電力変換回路と、電力変換制御回路とを備える。電力変換制御回路は、三相交流出力電圧の正相電圧および三相交流出力電流の正相電流に基づいて正相電流指令信号を算出し、三相交流出力電圧の計測値および三相交流出力電流の計測値それぞれをｄｑ変換することで、逆相電圧のｄ軸成分である第一軸逆相電圧値と逆相電圧のｑ軸成分である第二軸逆相電圧値と逆相電流のｄ軸成分である第一軸逆相電流値と逆相電流のｑ軸成分である第二軸逆相電流値とを算出し、逆相電流におけるｄ軸成分指令である第一軸逆相電流指令値を第二軸逆相電圧値に基づいて算出するとともに逆相電流におけるｑ軸成分指令である第二軸逆相電流指令値を第一軸逆相電圧値に基づいて算出し、第一軸逆相電流指令値と第二軸逆相電流指令値と第一軸逆相電流値と第二軸逆相電流値とに基づいて逆相電流指令信号を算出し、且つ、正相電流指令信号と逆相電流指令信号とに基づいてスイッチング制御信号を生成する。

Description

本出願は、電力変換装置に関するものである。
従来、例えば下記の非特許文献１に記載されているように、系統連系電力システムに関する各種の技術が知られている。
系統連系電力システムは、電力系統と連系して運転される。系統連系電力システムは、直流電力を出力する直流電源と、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置とを備えている。
系統連系電力システムにおいて、電力変換装置の出力側に、アンバランス短絡が発生する。アンバランス短絡の種類には、ＵＶＷの三相のなかで生ずる二相間短絡と、ＵＶＷの三相のいずれかが地絡した短絡と、が含まれる。アンバランス短絡が発生すると、電力変換装置から出力される逆相出力電圧が増大する。逆相出力電圧を低減することが好ましいが、どのような制御を実施すれば的確に逆相出力電圧を減らすことができるかについて既存技術では十分に解明されていなかった。
本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、アンバランス短絡の発生時に逆相出力電圧を適切に減らす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。
本出願にかかる電力変換装置は、スイッチング制御信号に従って直流電力を三相交流電力に変換するように構築された電力変換回路と、前記電力変換回路の三相交流出力電圧および三相交流出力電流に基づいて前記スイッチング制御信号を生成するように構築された電力変換制御回路と、を備える。前記電力変換制御回路は、前記三相交流出力電圧の正相電圧および前記三相交流出力電流の正相電流に基づいて正相電流指令信号を算出するように構築される。前記電力変換制御回路は、前記三相交流出力電圧の計測値および前記三相交流出力電流の計測値それぞれをｄｑ変換することで、逆相電圧のｄ軸成分である第一軸逆相電圧値と前記逆相電圧のｑ軸成分である第二軸逆相電圧値と逆相電流のｄ軸成分である第一軸逆相電流値と前記逆相電流のｑ軸成分である第二軸逆相電流値とを算出するように構築される。前記電力変換制御回路は、前記逆相電流におけるｄ軸成分指令である第一軸逆相電流指令値を前記第二軸逆相電圧値に基づいて算出するとともに前記逆相電流におけるｑ軸成分指令である第二軸逆相電流指令値を前記第一軸逆相電圧値に基づいて算出し、前記第一軸逆相電流指令値と前記第二軸逆相電流指令値と前記第一軸逆相電流値と前記第二軸逆相電流値とに基づいて逆相電流指令信号を算出するように構築される。前記電力変換制御回路は、前記正相電流指令信号と前記逆相電流指令信号とに基づいて前記スイッチング制御信号を生成するように構築される。
本出願では、ｄ軸成分指令の第一軸逆相電流指令値をｑ軸成分の第二軸逆相電圧値に基づいて算出するとともに、ｑ軸成分指令の第二軸逆相電流指令値をｄ軸成分の第一軸逆相電圧値に基づいて算出するという新規な算出技術が用いられる。この算出技術を用いることで、逆相電流を注入することで逆相電圧を低減するときに、逆相電流指令信号を精度良く作り出すことができる。
実施の形態にかかる電力変換装置およびこれを用いた系統連系電力システムの構成を示す図である。 実施の形態にかかる電力変換制御装置の電圧変換部の構成を示す図である。 実施の形態にかかる電力変換制御装置の電流変換部の構成を示す図である。 実施の形態にかかる電力変換制御装置の制御信号演算部の構成を示す図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の効果を説明するためのタイミング図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の効果を説明するためのタイミング図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の効果を説明するためのタイミング図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の効果を説明するためのタイミング図である。 実施の形態にかかる電力変換装置の動作を説明するためのグラフである。 実施の形態の変形例にかかる電力変換制御装置の電圧変換部の構成を示す図である。 実施の形態の変形例にかかる電力変換制御装置の電流変換部の構成を示す図である。
図１は、実施の形態にかかる電力変換装置３およびこれを用いた系統連系電力システム１の構成を示す図である。図１に示すように、実施の形態にかかる系統連系電力システム１は、直流電源２と、電力変換装置３と、フィルタリアクトル５と、フィルタキャパシタ６と、連系リアクトル８とを備える。系統連系電力システム１は、電力系統９と連系されている。
直流電源２は、直流電圧Ｖｄｃと直流電流ｉｄｃとからなる直流電力を出力する。電力変換装置３は、この直流電源２からの直流電力を三相交流電力に変換する。電力変換装置３は、パワーコンディショナシステム（ＰＣＳ）とも称される。電力変換装置３は、電力変換回路３ａと、電力変換制御回路４と、ＰＬＬ回路７とを備えている。
電力変換回路３ａは、三相交流出力電流ｉｏと三相交流出力電圧ｖｏとを出力する三相電圧型インバータ回路である。電力変換回路３ａは、ＩＧＢＴまたはＭＯＳＦＥＴなどの複数の半導体スイッチング素子で構築されている。電力変換回路３ａは、スイッチング制御信号ＳＧ＿ａｂｃに従って直流電力を三相交流電力に変換するように構築されている。電力変換回路３ａは、公知の各種のインバータ回路で構築されればよいので、詳細な説明は省略する。
電力変換制御回路４は、電力変換回路３ａが出力した三相交流出力電流ｉｏと三相交流出力電圧ｖｏとＰＬＬ回路７の位相信号θｇとに基づいて、スイッチング制御信号ＳＧ＿ａｂｃを出力するように構築されている。スイッチング制御信号ＳＧ＿ａｂｃは、電力変換回路３ａの半導体スイッチング素子それぞれを駆動するゲート駆動信号である。
ＰＬＬ回路７は、位相信号θｇを出力する。位相信号θｇは、基準となる周波数信号との位相誤差を検出して位相同期を行うための信号である。位相信号θｇは、正相位相信号θｇである。ＰＬＬ回路７の出力からは、正相位相信号θｇの逆相である逆相位相信号（−θｇ）も得られる。
フィルタリアクトル５は、一端が電力変換装置３の出力端に接続されている。フィルタリアクトル５は、インダクタンスＬｆを持つ。フィルタキャパシタ６は、一端がフィルタリアクトル５の他端に接続し、他端が接地電位などの基準電位に接続されている。フィルタキャパシタ６は、キャパシタンスＣｆを持つ。
連系リアクトル８の一端は、フィルタリアクトル５とフィルタキャパシタ６との接続点に接続されている。連系リアクトル８の他端は、電力系統９に接続されている。連系リアクトル８は、インダクタンスＬｇを持つ。
図示は省略されているが、電力変換装置３の出力側には、計器用変成器が設けられている。計器用変成器は、交流回路の高電圧と大電流とを低電圧と小電流とに変換（変成）する。実施の形態にかかる計器用変成器は、三相交流出力電流ｉｏを変換する計器用変流器（ＣＴ）と、三相交流出力電圧ｖｏを変換する計器用変圧器（ＶＴ）とを含む。これらの計器用変成器で変換された電流および電圧は電力変換制御回路４に入力され、三相交流出力電圧ｖｏの計測値および三相交流出力電流ｉｏの計測値として取り扱われる。
なお、図１のハードウェア構成は一例である。変形例として、フィルタリアクトル５とフィルタキャパシタ６とからなるＬＣ交流フィルタ回路は、電力変換装置３の内部に収納されてもよい。また、ＰＬＬ回路７は、電力変換装置３の外部に設けられていてもよい。
実施の形態にかかる系統連系電力システム１は一例として太陽光発電システムであり、この場合の直流電源２は、太陽電池アレイである。系統連系電力システム１の他の例は蓄電システム（ＥＳＳ）であり、この場合の直流電源２は、蓄電池あるいは燃料電池などであってもよい。系統連系電力システム１の他の例は風力発電システムであり、この場合の直流電源２は、風力発電機と交直変換回路（つまりＡＣＤＣコンバータ回路）とを含む。
実施の形態では、系統連系電力システム１において、図１に示すようにアンバランス短絡１０が発生した場合の逆相電圧を抑制する技術が提供される。アンバランス短絡１０の種類には、ＵＶＷの三相のなかで生ずる二相間短絡と、ＵＶＷの三相のいずれかが地絡した短絡と、が含まれる。さらに、二相間短絡には、ＵＶＷの三相のうちどの相とどの相とが短絡したのかで複数のバリエーションがある。よって二相間短絡の種類には、ＵＶ相短絡とＶＷ相短絡とＵＷ相短絡とが含まれる。グリッド構成は、電力系統９の側の変圧器と線路とグリッドインピーダンス等を含む。
図２は、実施の形態にかかる電力変換制御回路４の電圧変換部４ａの構成を示す図である。電圧変換部４ａは、第一電圧変換ブロック４ａ１と第二電圧変換ブロック４ａ２と第三電圧変換ブロック４ａ３とを備えている。
図２に示すように、第一電圧変換ブロック４ａ１は、三相交流出力電圧ｖｏの計測値にａｂｃ／αβ変換を施す。これにより、第一電圧変換ブロック４ａ１は、三相（ａｂｃ）の交流出力電圧を、アルファベータ二相正相電圧（αβ＋）とアルファベータ二相逆相電圧（αβ−）とにそれぞれ変換する。なお、三相のａｂｃそれぞれが、上述した三相のＵＶＷそれぞれと対応付けられている。
第二電圧変換ブロック４ａ２は、正相位相信号（θｇ）に基づいて二相正相電圧（αβ＋）にαβ／ｄｑ変換を施すことで、二相正相電圧（ｄｑ＋）を出力する。
第三電圧変換ブロック４ａ３は、逆相位相信号（−θｇ）に基づいて二相逆相電圧（αβ−）にαβ／ｄｑ変換を施すことで、二相逆相電圧（ｄｑ−）を出力する。
図２にも記載したように、第二電圧変換ブロック４ａ２が出力する正相電圧ｖｏ＿ｄｑ＋は、下記の式（１）で表される。正相電圧ｖｏ＿ｄｑ＋は、ｖｏ＿ｄ＋とｖｏ＿ｑ＋との組からなる信号である。ｖｏ＿ｄ＋は、正相電圧のｄ軸成分である第一軸正相電圧値である。ｖｏ＿ｑ＋は、正相電圧のｑ軸成分である第二軸正相電圧値である。
Figure 2021070295
また、第三電圧変換ブロック４ａ３が出力する逆相電圧ｖｏ＿ｄｑ−も、下記の式（２）で表される。逆相電圧ｖｏ＿ｄｑ−は、ｖｏ＿ｄ−とｖｏ＿ｑ−との組からなる信号である。ｖｏ＿ｄ−は、逆相電圧のｄ軸成分である第一軸正相電圧値である。ｖｏ＿ｑ＋は、逆相電圧のｑ軸成分である第二軸正相電圧値である。
Figure 2021070295
図３は、実施の形態にかかる電力変換制御回路４の電流変換部４ｂの構成を示す図である。電流変換部４ｂは、第一電流変換ブロック４ｂ１と第二電流変換ブロック４ｂ２と第三電流変換ブロック４ｂ３とを備えている。
図３に示すように、第一電流変換ブロック４ｂ１は、三相交流出力電流ｉｏの計測値にａｂｃ／αβ変換を施す。これにより、第一電流変換ブロック４ｂ１は、三相（ａｂｃ）の交流出力電流をアルファベータ二相正相電流（αβ＋）とアルファベータ二相逆相電流（αβ−）とにそれぞれ変換する。
第二電流変換ブロック４ｂ２は、正相位相信号（θｇ）に基づいて二相正相電流（αβ＋）にαβ／ｄｑ変換を施すことで、二相正相電流ｉｏ＿ｄｑ＋を出力する。
第三電流変換ブロック４ｂ３は、逆相位相信号（−θｇ）に基づいて二相逆相電流（αβ−）にαβ／ｄｑ変換を施すことで、二相逆相電流ｉｏ＿ｄｑ−を出力する。
図３にも記載したように、第二電流変換ブロック４ｂ２が出力する正相電流ｉｏ＿ｄｑ＋は、下記の式（３）で表されるように、ｉｏ＿ｄ＋とｉｏ＿ｑ＋との組からなる信号である。ｉｏ＿ｄ＋は、正相電流のｄ軸成分である第一軸正相電流値である。ｉｏ＿ｑ＋は、正相電流のｑ軸成分である第二軸正相電流値である。
Figure 2021070295
また、第三電流変換ブロック４ｂ３が出力する逆相電流ｉｏ＿ｄｑ−も、下記の式（３）で表されるように、ｉｏ＿ｄ−とｉｏ＿ｑ−との組からなる信号である。ｉｏ＿ｄ−は、逆相電流のｄ軸成分である第一軸逆相電流値である。ｉｏ＿ｑ−は、逆相電流のｑ軸成分である第二軸逆相電流値である。
Figure 2021070295
図２および図３からわかるように、電圧変換部４ａおよび電流変換部４ｂは、三相交流出力電圧ｖｏの計測値および三相交流出力電流ｉｏの計測値それぞれをｄｑ変換することで、複数の出力値（ｖｏ＿ｄ＋、ｖｏ＿ｑ＋、ｖｏ＿ｄ−、ｖｏ＿ｑ−、ｉｏ＿ｄ＋、ｉｏ＿ｑ＋、ｉｏ＿ｄ−、およびｉｏ＿ｑ−）を算出する。
図４は、実施の形態にかかる電力変換制御装置の制御信号演算部４ｃの構成を示す図である。制御信号演算部４ｃは、正相制御ブロック４ｃ１と逆相制御ブロック４ｃ２とゲート信号生成ブロック４ｃ３とを備える。
正相制御ブロック４ｃ１は、電圧変換部４ａおよび電流変換部４ｂから受け取った三相交流出力電圧ｖｏの正相電圧および三相交流出力電流ｉｏの正相電流に基づいて三相正相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋を算出する。正相制御ブロック４ｃ１は、ＭＰＰＴ制御ブロック４１と減算ブロック４２と直流電圧制御ブロック４３と電力制御ブロック４４と第一逆変換ブロック４５とを備える。
ＭＰＰＴ制御ブロック４１は、直流電源２である太陽電池アレイの電力を最大限に引き出すための最大電力点追従制御（Ｍａｘｉｍｕｍ ｐｏｗｅｒ ｐｏｉｎｔ ｔｒａｃｋｉｎｇ）を実施するものである。実施の形態では直流電源２が太陽電池アレイであることを前提としているためＭＰＰＴ制御ブロック４１が設けられているが、直流電源２が太陽電池アレイではない他の直流電源である場合にはＭＰＰＴ制御ブロック４１が設けられなくともよい。
減算ブロック４２は、ＭＰＰＴ制御ブロック４１の出力信号と直流電源２の直流電圧Ｖｄｃとの差分を演算する。直流電圧制御ブロック４３は、減算ブロック４２の出力信号に基づいて直流電圧制御を実施する。
電力制御ブロック４４は、直流電圧制御ブロック４３の出力信号と無効電力指令値Ｑｒｅｆと電圧変換部４ａからの出力信号および電流変換部４ｂからの出力信号とに基づいて、二相正相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ＋を算出する。
第一逆変換ブロック４５は、二相正相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ＋に対して二相／三相変換（つまりｄｑ／ａｂｃ変換）を施す。第一逆変換ブロック４５は、このｄｑ／ａｂｃ変換を行うことで三相正相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋を算出するように構築されている。
逆相制御ブロック４ｃ２は、電圧変換部４ａおよび電流変換部４ｂから受け取った三相交流出力電圧ｖｏの逆相電圧および三相交流出力電流ｉｏの逆相電流に基づいて三相逆相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ−を算出する。逆相制御ブロック４ｃ２は、逆相電流基準生成ブロック４６と減算ブロック４７と第一フィードバック制御ブロック４８と第二逆変換ブロック４９とを備えている。
逆相電流基準生成ブロック４６は、具体的には図４にも記載した下記の式（５）〜式（７）で定められた演算処理を実施することで、二相逆相電流指令信号ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄｑ−を算出する。二相逆相電流指令信号ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄｑ−は、下記の式（５）のとおり第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−と第二軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ−との組からなる。
Figure 2021070295
逆相電流基準生成ブロック４６は、第二軸逆相電圧値ｖｏ＿ｑ−に基づいて、逆相電流におけるｄ軸成分指令である第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−を算出する。この演算は、下記の式（６）で表される。
Figure 2021070295
さらに、逆相電流基準生成ブロック４６は、第一軸逆相電圧値ｖｏ＿ｄ−に基づいて、逆相電流におけるｑ軸成分指令である第二軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ−を算出する。この演算は、下記の式（７）で表される。
Figure 2021070295
上記の式（６）では、ｄ軸成分の逆相電流指令値が、ｑ軸成分の逆相電圧値から生成されている。その一方で、式（７）では、ｑ軸成分の逆相電流指令値が、ｄ軸成分の逆相電圧値から生成されている。このようにｄ軸成分とｑ軸成分とを互いに関連付けて演算を行っていることが、実施の形態の特徴の一つである。また、実施の形態では、式（６）では係数がマイナスｋなのに対し、式（７）では係数がプラスｋであるという違いがある。なお、この係数ｋは予め定めた係数である。式（６）と式（７）とで係数ｋを同じ数値にしてもよく、式（６）の係数ｋと式（７）の係数ｋを違う大きさとして、一方を他方よりも大きくしてもよい。
図９は、実施の形態にかかる電力変換装置３の動作を説明するためのグラフである。図９には、正相電圧ｖｏ＿ｄｑ＋が図示されており、そのｑ軸成分ｖｏ＿ｑ＋がゼロである様子が図示されている。図９を参照すると、基準位相はＰＬＬ回路７によって正相電圧ｖｏ＿ｄｑ＋に基づいて生成されるので、逆相電圧ｖｏ＿ｄｑ−のｄ軸成分とｑ軸成分とが両方ともゼロではない値を持つことがわかる。逆相電圧ｖｏ＿ｄｑ−の位相θｓはアンバランス短絡種類とグリッド構成とに応じて異なる値となる（例えば図９のθｓ１とθｓ２参照）。
減算ブロック４７は、二相逆相電流指令信号ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄｑ−と二相逆相電流ｉｏ＿ｄｑ−との差分を演算する。具体的には、減算ブロック４７は、第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−と第一軸逆相電流値ｉｏ＿ｄ−との差分を演算する。これとともに、減算ブロック４７は、第二軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ−と第二軸逆相電流値ｉｏ＿ｑ−との差分を演算する。
第一フィードバック制御ブロック４８は、減算ブロック４７の二相出力信号にフィードバック制御を施すように構築されている。第一フィードバック制御ブロック４８は実施の形態では一例として比例積分制御（ＰＩ制御）を施すように構築されている。なお、変形例として、第一フィードバック制御ブロック４８が、Ｐ制御、Ｄ制御、Ｉ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御などの他の公知のフィードバック制御を行うものであってもよい。
第二逆変換ブロック４９は、逆相位相信号（−θｇ）に基づいて第一フィードバック制御ブロック４８が出力したフィードバック制御後の二相逆相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ−に対して二相／三相変換（つまりｄｑ／ａｂｃ変換）を施す。第二逆変換ブロック４９は、このｄｑ／ａｂｃ変換を行うことで三相逆相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ−を算出するように構築されている。
ゲート信号生成ブロック４ｃ３は、三相正相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋と三相逆相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ−とに基づいてスイッチング制御信号ＳＧ＿ａｂｃを生成するように構築されている。ゲート信号生成ブロック４ｃ３は、加算ブロック５０と減算ブロック５１と第二フィードバック制御ブロック５２とＰＷＭ信号生成ブロック５３とを備えている。
加算ブロック５０は、三相正相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋と三相逆相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ−とを加算する。減算ブロック５１は、加算ブロック５０の出力から、フィルタリアクトル５を流れる三相交流出力電流値ｉｆ＿ａｂｃとの差分を演算する。三相交流出力電流値ｉｆ＿ａｂｃは、図１における電力変換回路３ａの出力電流値（ｉｆ）を図示しない計器用変流器（ＣＴ）を設けることで取得される。
第二フィードバック制御ブロック５２は、減算ブロック５１の三相出力信号にフィードバック制御を施すように構築されている。第二フィードバック制御ブロック５２は、実施の形態では一例として比例制御（Ｐ制御）を施すように構築されている。なお、変形例として、第二フィードバック制御ブロック５２は、Ｄ制御、Ｉ制御、ＰＩ制御、ＰＤ制御、ＰＩＤ制御などの他の公知のフィードバック制御を実施するものであってもよい。
ＰＷＭ信号生成ブロック５３は、第二フィードバック制御ブロック５２の三相出力信号に基づいて、電力変換回路３ａの半導体スイッチング素子それぞれのゲート駆動信号としてのスイッチング制御信号ＳＧ＿ａｂｃを生成する。
バッテリシステムのない太陽光発電用電力変換装置の場合には、有効電力は電力系統側へ流れるのみであり、その逆方向には流れないことが通常である。また、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）ソフトは、正相電流のみ制御する正相制御ブロック４ｃ１のみを備えている場合が多い。
実施の形態では、前述したアンバランス短絡に対処するために、逆相制御ブロック４ｃ２が設けられている。本願発明者が見出した独特の技術的思想は、ｄ軸逆相電流がｑ軸逆相電圧を抑制できるとともに、ｑ軸逆相電流がｄ軸逆相電圧を抑制することができるというものである。
この独特の技術的思想に基づいて、実施の形態における装置構成では、ｄ軸成分指令の第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−をｑ軸成分の第二軸逆相電圧値ｖｏ＿ｑ−に基づいて算出するとともに、ｑ軸成分指令の第二軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ−をｄ軸成分の第一軸逆相電圧値ｖｏ＿ｄ−に基づいて算出するという算出技術が用いられる。この算出技術を用いることで、逆相電流を注入することで逆相電圧を低減するときに、三相逆相電流指令信号ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ−を精度良く作り出すことができる。
図５〜図８は、実施の形態にかかる電力変換装置の効果を説明するためのタイミング図である。図１に記載したように系統連系電力システム１にアンバランス短絡１０（不平衡故障ともいう）が発生すると、図５に記載したように逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑが上昇する。なお、図５の正相電圧Ｖ＋ ｏ＿ｄｑと逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑは、下記の式（８）および式（９）で算出される値としている。
Figure 2021070295
Figure 2021070295
図５〜図８において横軸が時間であり、時刻ｔ１，ｔａ，ｔ２はそれぞれ同じタイミングを示しており、時刻ｔａにおいて逆相制御ブロック４ｃ２が作動開始している。
図５〜図８では、便宜上、逆相制御ブロック４ｃ２を停止から作動に切り替える様子を図示することで逆相制御ブロック４ｃ２の有無による効果の違いを説明している。よって、時刻ｔａにおいて逆相制御無効期間から逆相制御有効期間へと制御内容が切り替わっている。
実施の形態では逆相制御ブロック４ｃ２は常に作動していてもよく、それにより「逆相制御有効」のときの作用効果が常に発揮されていてもよい。なお、図５〜図８では時刻ｔ１と時刻ｔ２それぞれでアンバランス短絡発生により逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑが増大した後、一定時間経過後に逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑが立ち下がっているが、これは効果説明のためのシミュレーション波形だからである。実際には、アンバランス短絡発生により逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑが増大した後、何らかの対策が施されない限りはアンバランス短絡が解消するまで逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑが維持される。
実施の形態では、アンバランス短絡が発生すると実施の形態にかかる逆相制御ブロック４ｃ２が作動する。逆相制御ブロック４ｃ２が作動することで、ｄ軸およびｑ軸の逆相電流が注入される。
逆相制御ブロック４ｃ２により逆相電流が注入された結果、図７に示すように、逆相制御有効のときには逆相制御無効のときよりもΔｉだけ逆相電流が増大させられる。図７の逆相制御有効においてΔｉという大きさの逆相電流が注入されることにより、図５に示すように逆相制御有効のときには逆相制御無効のときよりも逆相電圧Ｖ− ｏ＿ｄｑをΔＶだけ抑制することができる。
アンバランス短絡により逆相電圧が増大すると、三相交流出力電圧ｖｏにおけるそれぞれの相の振幅が互いに大きく相違する三相間電圧アンバランスが起きる問題がある。実施の形態ではアンバランス短絡発生時に逆相電圧を抑制できるので、このような三相間電圧アンバランスを抑制することができる。
なお、図６では一例として逆相電圧のｄ軸成分とｑ軸成分とが正負逆であり且つ絶対値が異なる場合を図示している。しかしアンバランス短絡のモードによってはこれ以外の場合も生じうる。同様に、図８では逆相電流のｄ軸成分とｑ軸成分とが正負同一であり且つ絶対値が異なる場合を図示している。しかしアンバランス短絡のモードによってはこれ以外の場合も生じうる。
実施の形態にかかる電力変換制御回路４は、上記の式（６）および式（７）に従って二種類の演算を実行している。この第一演算と第二演算とのうち少なくとも一方の演算が実行されることが好ましい。二種類の演算のうち第一演算は、上記式（７）に従って、第一軸逆相電圧値ｖｏ＿ｄ−が増大するほど第二軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ−の絶対値を増大させるものである。
上記二種類の演算のうち第二演算は、上記式（６）に従って、第二軸逆相電圧値ｖｏ＿ｑ−が増大するほど第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−の絶対値を増大させるものである。ただし、式（６）の右辺では、係数マイナスｋが乗算されている。よって、式（６）は、第二軸逆相電圧値ｖｏ＿ｑ−が増大するほど、ゼロに向けて低減またはマイナス側へ増大するように第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−の値を算出する。
実施の形態では、電力変換制御回路４は、三相交流出力電圧ｖｏの計測値と三相交流出力電流ｉｏの計測値とをそれぞれｄｑ変換する場合に、「フィルタ演算」を実施することが好ましい。フィルタ演算は、ｄｑ変換された信号に系統周波数の第二次高調波成分が含まれることを抑制する演算である。
実施の形態では、三相交流出力電圧ｖｏの計測値と三相交流出力電流ｉｏの計測値とをそれぞれαβ変換することでαβ軸逆相成分を抽出した後にαβ軸逆相成分をｄｑ変換することで、電力変換制御回路４が上記の「フィルタ演算」を実施してもよい。三相／αβ変換を介在させることで第二次高調波を除去できるからである。
図１０は、実施の形態の変形例にかかる電力変換制御回路４の電圧変換部４ａａの構成を示す図である。図１１は、実施の形態の変形例にかかる電力変換制御回路４の電流変換部４ｂｂの構成を示す図である。
電力変換制御回路４は、上記の「フィルタ演算」を実施する周波数阻止フィルタ４ａａ２、４ｂｂ２を含んでもよい。図１０に示すように、変形例にかかる電圧変換部４ａａは、電圧変換ブロック４ａａ１および周波数阻止フィルタ４ａａ２を備えてもよい。図１１に示すように、変形例にかかる電流変換部４ｂｂは、電流変換ブロック４ｂｂ１および周波数阻止フィルタ４ｂｂ２を備えてもよい。
周波数阻止フィルタ４ａａ２および周波数阻止フィルタ４ｂｂ２は、系統電圧周波数の第二次高調波を阻止するフィルタである。阻止されるべき第二次高調波は、系統電圧周波数の二倍の周波数である。具体的には、阻止されるべき第二次高調波は、系統電圧周波数が５０Ｈｚ〜６０Ｈｚなどであれば、例えば１００Ｈｚ〜１２０Ｈｚの信号である。
１ 系統連系電力システム、２ 直流電源、３ 電力変換装置、３ａ 電力変換回路、４ 電力変換制御回路、４ａ、４ａａ 電圧変換部、４ａ１ 第一電圧変換ブロック、４ａ２ 第二電圧変換ブロック、４ａ３ 第三電圧変換ブロック、４ａａ１ 電圧変換ブロック、４ａａ２ 周波数阻止フィルタ、４ｂ、４ｂｂ 電流変換部、４ｂ１ 第一電流変換ブロック、４ｂ２ 第二電流変換ブロック、４ｂ３ 第三電流変換ブロック、４ｂｂ１ 電流変換ブロック、４ｂｂ２ 周波数阻止フィルタ、４ｃ 制御信号演算部、４ｃ１ 正相制御ブロック、４ｃ２ 逆相制御ブロック、４ｃ３ ゲート信号生成ブロック、５ フィルタリアクトル、６ フィルタキャパシタ、７ ＰＬＬ回路、８ 連系リアクトル、９ 電力系統、１０ アンバランス短絡、４１ ＭＰＰＴ制御ブロック、４２、４７、５１ 減算ブロック、４３ 直流電圧制御ブロック、４４ 電力制御ブロック、４５ 第一逆変換ブロック、４６ 逆相電流基準生成ブロック、４８ 第一フィードバック制御ブロック、４９ 第二逆変換ブロック、５０ 加算ブロック、５２ 第二フィードバック制御ブロック、５３ ＰＷＭ信号生成ブロック、ｉｆ＿ａｂｃ 三相交流出力電流値、ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋ 三相正相電流指令信号、ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ− 三相逆相電流指令信号、ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋ 三相正相電流指令信号、ｉｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ＋ 二相正相電流指令信号、ｉｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ− 二相逆相電流指令信号、ｉｏ 三相交流出力電流、ｉｏ＿ｄｑ＋ 二相正相電流、ｉｏ＿ｄｑ− 二相逆相電流、ｉｏ＿ｄ＋ 第一軸正相電流値、ｉｏ＿ｑ＋ 第二軸正相電流値、ｉｏ＿ｄ− 第一軸逆相電流値、ｉｏ＿ｑ− 第二軸逆相電流値、ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄｑ− 逆相電流指令信号、ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ− 第一軸逆相電流指令値、ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ− 第二軸逆相電流指令値、ＳＧ＿ａｂｃ スイッチング制御信号、Ｖｄｃ 直流電圧、ｖｏ 三相交流出力電圧、ｖｏ＿ｄｑ＋ 正相電圧、ｖｏ＿ｄｑ− 逆相電圧、ｖｏ＿ｄ＋ 第一軸正相電圧値、ｖｏ＿ｑ＋ 第二軸正相電圧値、ｖｏ＿ｄ− 第一軸逆相電圧値、ｖｏ＿ｑ− 第二軸逆相電圧値、θｇ 正相位相信号、−θｇ 逆相位相信号、θｓ 位相
また、第三電圧変換ブロック４ａ３が出力する逆相電圧ｖｏ＿ｄｑ−も、下記の式（２）で表される。逆相電圧ｖｏ＿ｄｑ−は、ｖｏ＿ｄ−とｖｏ＿ｑ−との組からなる信号である。ｖｏ＿ｄ−は、逆相電圧のｄ軸成分である第一軸逆相電圧値である。ｖｏ＿ｑ＋は、逆相電圧のｑ軸成分である第二軸逆相電圧値である。
上記二種類の演算のうち第二演算は、上記式（６）に従って、第二軸逆相電圧値ｖｏ＿ｑ−が増大するほど第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−の絶対値を増大させるものである。ただし、式（６）の右辺では、係数マイナスｋが乗算されている。よって、式（６）は、第二軸逆相電圧値ｖｏ＿ｑ−が増大するほど、マイナス側へ増大するように第一軸逆相電流指令値ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ−の値を算出する。
１ 系統連系電力システム
２ 直流電源
３ 電力変換装置
３ａ 電力変換回路
４ 電力変換制御回路
４ａ、４ａａ 電圧変換部
４ａ１ 第一電圧変換ブロック
４ａ２ 第二電圧変換ブロック
４ａ３ 第三電圧変換ブロック
４ａａ１ 電圧変換ブロック
４ａａ２ 周波数阻止フィルタ
４ｂ、４ｂｂ 電流変換部
４ｂ１ 第一電流変換ブロック
４ｂ２ 第二電流変換ブロック
４ｂ３ 第三電流変換ブロック
４ｂｂ１ 電流変換ブロック
４ｂｂ２ 周波数阻止フィルタ
４ｃ 制御信号演算部
４ｃ１ 正相制御ブロック
４ｃ２ 逆相制御ブロック
４ｃ３ ゲート信号生成ブロック
５ フィルタリアクトル
６ フィルタキャパシタ
７ ＰＬＬ回路
８ 連系リアクトル
９ 電力系統
１０ アンバランス短絡
４１ ＭＰＰＴ制御ブロック
４２、４７、５１ 減算ブロック
４３ 直流電圧制御ブロック
４４ 電力制御ブロック
４５ 第一逆変換ブロック
４６ 逆相電流基準生成ブロック
４８ 第一フィードバック制御ブロック
４９ 第二逆変換ブロック
５０ 加算ブロック
５２ 第二フィードバック制御ブロック
５３ ＰＷＭ信号生成ブロック
ｉｆ＿ａｂｃ 三相交流出力電流値
ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ＋ 三相正相電流指令信号
ｉｆ＿ｒｅｆ＿ａｂｃ− 三相逆相電流指令信号
ｉ ｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ＋ 二相正相電流指令信号
ｉｆ＿ｒｅｆ＿ｄｑ− 二相逆相電流指令信号
ｉｏ 三相交流出力電流
ｉｏ＿ｄｑ＋ 二相正相電流
ｉｏ＿ｄｑ− 二相逆相電流
ｉｏ＿ｄ＋ 第一軸正相電流値
ｉｏ＿ｑ＋ 第二軸正相電流値
ｉｏ＿ｄ− 第一軸逆相電流値
ｉｏ＿ｑ− 第二軸逆相電流値
ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄｑ− 逆相電流指令信号
ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｄ− 第一軸逆相電流指令値
ｉｏ＿ｒｅｆ＿ｑ− 第二軸逆相電流指令値
ＳＧ＿ａｂｃ スイッチング制御信号
Ｖｄｃ 直流電圧
ｖｏ 三相交流出力電圧
ｖｏ＿ｄｑ＋ 正相電圧
ｖｏ＿ｄｑ− 逆相電圧
ｖｏ＿ｄ＋ 第一軸正相電圧値
ｖｏ＿ｑ＋ 第二軸正相電圧値
ｖｏ＿ｄ− 第一軸逆相電圧値
ｖｏ＿ｑ− 第二軸逆相電圧値
θｇ 正相位相信号
−θｇ 逆相位相信号
θｓ 位相

Claims (5)

  1. スイッチング制御信号に従って直流電力を三相交流電力に変換するように構築された電力変換回路と、
    前記電力変換回路の三相交流出力電圧および三相交流出力電流に基づいて前記スイッチング制御信号を生成するように構築された電力変換制御回路と、
    を備え、
    前記電力変換制御回路は、
    前記三相交流出力電圧の正相電圧および前記三相交流出力電流の正相電流に基づいて正相電流指令信号を算出し、
    前記三相交流出力電圧の計測値および前記三相交流出力電流の計測値それぞれをｄｑ変換することで、逆相電圧のｄ軸成分である第一軸逆相電圧値と前記逆相電圧のｑ軸成分である第二軸逆相電圧値と逆相電流のｄ軸成分である第一軸逆相電流値と前記逆相電流のｑ軸成分である第二軸逆相電流値とを算出し、
    前記逆相電流におけるｄ軸成分指令である第一軸逆相電流指令値を前記第二軸逆相電圧値に基づいて算出するとともに前記逆相電流におけるｑ軸成分指令である第二軸逆相電流指令値を前記第一軸逆相電圧値に基づいて算出し、前記第一軸逆相電流指令値と前記第二軸逆相電流指令値と前記第一軸逆相電流値と前記第二軸逆相電流値とに基づいて逆相電流指令信号を算出し、且つ、
    前記正相電流指令信号と前記逆相電流指令信号とに基づいて前記スイッチング制御信号を生成するように構築された電力変換装置。
  2. 前記電力変換制御回路は、第一演算と第二演算とのうち少なくとも一方の演算を実行するように構築され、
    前記第一演算は、前記第一軸逆相電圧値が増大するほど前記第二軸逆相電流指令値の絶対値を増大させるものであり、
    前記第二演算は、前記第二軸逆相電圧値が増大するほど前記第一軸逆相電流指令値の絶対値を増大させるものである請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記電力変換制御回路は、前記三相交流出力電圧の計測値と前記三相交流出力電流の計測値とをそれぞれｄｑ変換する場合に、前記ｄｑ変換された信号に系統周波数の第二次高調波成分が含まれることを抑制するフィルタ演算を実施するように構築された請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 前記電力変換制御回路は、前記三相交流出力電圧の計測値と前記三相交流出力電流の計測値とをそれぞれαβ変換することでαβ軸逆相成分を抽出した後に前記αβ軸逆相成分をｄｑ変換することで、前記フィルタ演算を実施するように構築された請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 前記電力変換制御回路は、前記フィルタ演算を実施する周波数阻止フィルタを含む請求項３に記載の電力変換装置。
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