CN102761136A - 电力转换装置及发电转换系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种将由电源发电的功率输出到交流系统的电力转换装置，可提高交流系统的电压下降时的运转连续性。该电力转换装置包括：电力转换器(11)，一端连接到交流系统(2)，另一端连接到电源(3)，控制发电机的发电功率；电力转换器(10)，控制输出到交流系统的功率；以及控制部(200)，控制上述电力转换器。用振幅计算器(2001)计算来自交流系统的电压，对此电压振幅进行电流换算，由限幅器(2005)限制由电源(3)发电的功率的上限值。最大功率运转控制器(2004)输入直流电流和面板电压，探索可进行最大功率运转的电流指令值Idcref。电流指令值Idcref被限制在0-上限值之间，获取与(IdcrefN)直流电流的差，用电流控制器(2007)产生电压指令值Vchop，输出到电力转换器(11)。

Description

电力转换装置及发电转换系统

本申请是申请号为“2009100093804”，申请日为2009年2月20日，发明名称为“电力转换装置及发电转换系统”之申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种转换电源的电压·电流、并向互联的交流系统输出功率的电力转换装置。

背景技术

全世界正推进引入太阳光发电系统和风力发电系统等分散电源系统。在分散电源系统大量连接的系统中，一旦在产生系统电压下降时分散电源系统脱落，就会因电源消失而使得系统电压的下降进一步进行，恐怕会发生大规模的停电。因此，希望在分散电源中即使系统电压下降时也能继续发电。

这些分散电源的大多数通过断路器(chopper)等发电功率控制用电力转换器将由电源发电的功率转换为规定的电压的直流功率，利用作为自激式电力转换器的系统互联用电力转换器将此直流功率转换为交流功率并输出到交流系统。在系统互联用电力转换器和发电功率控制用电力转换器的连接端子上并联连接控制直流电压的变动的平滑电容器。

自激式电力转换器通常因热的制约而不能连续输出额定电流以上的电流。因此，一旦因系统事故等引起连接的系统电压下降时，则会因为系统互联用电力转换器的输出电流限制在额定电流，而使得系统电压和系统互联用电力转换器输出电流之积即输出功率的上限值降低。

此时，如果从太阳光面板和风车发电的功率超过系统互联用电力转换器的可输出功率，则并联连接到系统互联用电力转换器的直流端子的平滑电容器进行充电。当平滑电容器充电过度时，就存在产生系统互联用电力转换器和发电功率控制用电力转换装置的开关元件的破损、平滑电容器的破损等的可能性。

在专利文献1中公开了一种保护电力转换器避免过电压的方法。文献1中的第一方法在于，一旦平滑电容器电压超过规定的值，就在电力转换装置的控制器中使发电功率控制用电力转换器停止。第二方法在于，当平滑电容器电压超过电压指令值和过电压判定值之间的规定的值时，就会限制发电功率控制用电力转换器的输入电流指令值上限值。

专利文献1：JP特开2000-20150号公报

发明内容

根据专利文献1所述的第一方法，停止发电，就会降低分散电源系统的利用率。此外，由于停止发电、系统电压进一步下降，所以存在会促进电力系统的大规模停电的可能性。

根据专利文献1所述的第二方法，可继续发电。但是，考虑发电功率控制用电力转换器的延迟，就必须使平滑电容器电压的过电压判定值和使发电功率的上限值降低的发电功率抑制判定值之间具有富余。此外，当发电功率抑制判定值接近平滑电容器的电压指令值时，由于会因控制的摇摆而以较高的频度压缩发电功率，所以有必要使平滑电容器的电压指令值和发电功率抑制判定值之间也具有富余。因此，必须使平滑电容器电压指令值相比过电压判定值具有相当的富余来进行设计，否则就会降低电力转换器的开关元件的电压利用率。

鉴于上述现有技术的问题，本发明的目的在于，提供一种不降低分散电源系统的电力转换器的电压利用率、并能提高交流系统电压下降时的运转持续性的电力转换装置及其发电转换系统。

本发明的目的能够通过如下方式而达到，即，检测连接的交流系统的电压振幅，在该电压振幅在规定的值以下的情况下，将来自电源的发电功率限制在系统互联用电力转换器的可输出的功率以下。

更具体地，包括计算连接的交流系统的电压振幅的机构、和限制发电功率控制用电力转换器的发电功率指令的发电功率指令限幅器，如果该电压振幅是规定的值以下，则按照该电压振幅降低该限幅器的上限值。

此外，在电力转换装置的控制部中包括控制来自电源的输出电流的电流控制器、和限制该输出电流的指令值的输出电流限幅器，如果连接的交流系统的电压振幅是规定的值以下，则按照该电压振幅降低该输出电流限幅器的上限值。

上述电源是太阳光发电面板的情况下，通过电流指令值的变更来实施太阳光发电面板的最大功率追随控制，利用上述输出电流限幅器来限制作为该最大功率追随控制的输出的电流指令值。

在系统互联用电力转换器的连接的交流系统是三相的电力转换装置中，按照交流系统的正相电压振幅来降低从电源发电的发电功率指令的限幅器上限值或该电源的输出电流指令的限幅器上限值。

在上述电源是旋转型发电机的情况下，在电力转换装置的控制部中包括控制连接到发电功率控制用电力转换器的电源输出的有效电流的电流控制器、和限制该有效电流指令值的输出电流限幅器，如果连接的交流系统的电压振幅是规定的值以下，则按照该电压振幅来降低有效电流限幅器的上限值。

在上述电源是包括风车的风力发电机的情况下，包括改变该风车的叶片的角度的机构，如果输入到上述控制部的上述交流系统的电压振幅是规定的值以下，则使上述风车的叶片的角度平放，如果降低风车的输入扭矩(torque)，则即使按照交流系统的电压振幅来减小发电机的发电功率也能避免风车超速。

发明效果

根据本发明，连接的交流系统的电压振幅下降时，能够迅速地将电源的发电功率限制在系统互联用电力转换器的可输出的功率以下。由此，能够防止平滑电容器的过电压，能够提高交流系统的电压下降发生时的运转持续性。此外，由于能够在引起平滑电容器的电压上升前限制发电功率，所以能够提高电力转换器的电压利用率。

附图说明

图1是根据本发明的实施例1的电力转换装置的主要部分的结构图。

图2是表示实施例1的控制部的详细情况的结构图。

图3是最大功率追随运转的电流和电压以及功率的关系图。

图4是表示实施例1的最大功率追随运转的处理的流程图。

图5是实施例1的交流系统的电压振幅和太阳光发电面板的输出电流指令上限值的关系图。

图6是实施例1的交流系统的电压振幅和太阳光发电面板的输出电流指令上限值的另一关系图。

图7是根据本发明的实施例2的电力转换装置的主要部分的结构图。

图8是表示实施例2的控制部的详细情况的结构图。

图9是实施例2的正相电压振幅计算器的结构图。

图10是实施例2的正相电压振幅计算器的另一结构图。

图11是根据本发明的实施例3的电力转换装置的主要部分的结构图。

图12是表示实施例3的控制部的详细情况的结构图。

图13是交流系统的正相电压振幅和输出功率指令上限值的关系图。

图14是根据本发明的实施例4的风力发电的电力转换装置的主要结构图。

图15是表示实施例4的控制部的详细情况的结构图。

图16是实施例4的桨距角调整信号发生器的另一结构图。

图17是实施例4的桨距角调整信号发生器的再一个结构图。

图18A是表示实施例4的控制部的另一方式的详细情况的结构图。

图18B是表示实施例4的控制部的再一个方式的详细情况的结构图。

图19是表示根据本发明的实施例5的电力转换系统的结构图。

图20是表示实施例2的控制部的另一方式的结构图。

图21是表示实施例2的控制部的再一个方式的结构图。

图22是表示实施例1的控制部的另一方式的结构图。

图23是表示实施例1的控制部的再一个方式的结构图。

图24是表示根据本发明的实施例6的电力转换系统的结构图。

图25是表示实施例1的控制部的另一方式的结构图。

符号说明

1…电力转换装置，2…交流系统，3…太阳光发电面板，4…同步发电机，5…直流电源，10、30…系统互联用电力转换器，11、31…发电功率控制用电力转换器，12…平滑电容器，13…互联阻抗，14…升压电抗器，15…防逆流二极管，20、23、25、26…电压传感器，21、22…电流传感器，24…位置传感器，41…同步发电机转子，50P、50N…直流输电线，200、200A、200B、200c、200d…控制器，2001…振幅计算器，2003…电流换算器，2004…最大功率运转控制器，2005…输出电流指令值限幅器，2006…电流控制器，2007、2010…PWM控制器，2008…电压控制器，2009…电流控制器。

具体实施方式

下面，根据附图，详细地说明本发明的多个实施方式。再有，在说明实施例的各附图中，对于具有相同的功能的要素付与相同的符号。此外，将由图1、图7、图11、图14中所示的IGBT、和与该IGBT反向并联连接的二极管构成的并列体10m～10p、11m、11n、30m～30r、31m～31r分别称为IGBT元件10m～10p、IGBT元件11m、11n、IGBT元件30m～30r、IGBT元件31m～31r。

[实施例1]

本实施例为如下电力转换装置，该电力转换装置连接到太阳光发电面板和交流系统，将用太阳光发电面板发电的功率转换为交流功率，并输出到交流系统。

即，包括：发电功率控制用电力转换器，控制来自太阳光面板的发电功率，并将该发电功率转换为直流功率；平滑电容器，连接到上述发电功率控制用电力转换器的输出端；系统互联电力转换器，连接到上述发电功率控制用电力转换器和上述平滑电容器，将上述直流功率转换为交流功率并输出到上述交流系统；以及控制部，其包含以上述交流系统的电压振幅为输入并按照该电压振幅使上述发电功率控制用电力转换器的发电功率上限值变化的发电功率限制机构；当上述电压振幅比规定的设定值小的情况下，上述发电功率限制机构按照该电压振幅减小上述发电功率控制用电力转换器的发电功率上限值，抑制上述平滑电容器的过充电。

根据此电力转换装置，不降低电压利用率就能提高交流系统的电压下降时的运转持续性。

图1示出本实施例的电力转换装置的主电路的结构，电力转换装置1连接太阳光发电面板3和交流系统2。

太阳光发电面板3的正极通过防逆流二极管15、升压电抗器(reactor)14连接到发电功率控制用电力转换器11的输入端子11A。此外，太阳光发电面板3的负极连接到发电功率控制用电力转换器11的输入端子11B。

发电功率控制用电力转换器11是由IGBT元件11m、11n构成的升压断路器，利用从电力转换装置1的控制器200输出的栅极信号来对构成发电功率控制用电力转换器11的IGBT元件11m、11n进行PWM控制。

控制器200通过对端子11A-11B间的输出电压进行PWM控制，从而控制从太阳光发电面板3输入的功率，将此功率输出到输出端子11P、11N。在输出端子11P、11N之间连接平滑电容器12，对发电功率控制用电力转换器11的输出电压进行平滑化。

系统互联用电力转换器10的输入端子10P连接到端子11P，输入端子10N连接到端子11N，接受发电功率控制用电力转换器11的输出功率。此外，系统互联用电力转换器10的输出端子10U、10V通过互联阻抗13连接到交流系统2。

系统互联用电力转换器10是单相逆变器(inverter)，利用从电力转换装置1的控制器200输出的栅极信号，来对构成系统互联用电力转换器10的IGBT元件10m～10p的IGBT进行PWM控制，在输出端子10U和10V之间输出交流电压。

控制器200通过IGBT元件10m～10p的PWM控制来控制将输出端子10U-10V间的输出电压输出到交流系统2的功率以使平滑电容器12的端子电压固定。由此，系统互联用电力转换器10向交流系统2输出自发电功率控制用电力转换器11输出的功率。

接着，说明本实施例的电力转换装置1的传感器及控制部200的功能。图2示出实施例1中的控制部的详细结构。

在电力转换装置1中，包括：检测防逆流二极管15的正极端子和太阳光发电面板的阴极间的电压的电压传感器23；检测流过升压电抗器14的电流的电流传感器22；检测平滑电容器12的端子电压的电压传感器26；检测流过互联阻抗13的电流的电流传感器21；和检测交流系统2的电压的电压传感器20；上述传感器的输出被输入到控制器200。控制器200依据来自上述传感器的输入，计算、输出用于对发电功率控制用电力转换器11及系统互联用电力转换器10的IGBT元件进行PWM控制的栅极信号。

首先，说明系统互联用电力转换器11的控制动作。作为电压传感器26的输出的直流电压，被取入控制器200。控制器200计算预先确定的直流电压指令值和电压传感器26的直流电压的偏差，将此偏差输出到电压控制器2008。

电压控制器2008基于此偏差计算平滑电容器12端子的直流电压追随直流电压指令值这样的交流电流指令值Iacref。电流控制器2009输入交流电流指令值Iacref和电流传感器21的输出的偏差，计算使电流传感器21的输出和交流电流指令值Iacref一致这样的交流电压指令值Vinv，并输出到PWM控制器2010。

PWM控制器2010通过比较电流控制器2009的输出Vinv和三角波载波的大小，从而计算IGBT元件10m～10p的栅极信号，并输出到系统互联用电力转换器10。

接着说明作为本实施例的新颖点的发电控制用电力转换器11的控制动作。本实施例的发电控制用电力转换器11的控制方法的特点在于以下两点，(1)最大功率追随运转运算的输出是太阳光发电面板的输出电流指令值，和(2)按照交流系统2的电压振幅使该输出电流指令值的限幅器上限值变化。

控制部200包括：使太阳光发电面板的输出电流指令值变化以使太阳光发电面板3的输出功率成为最大的功率最大化控制器2004；和控制发电功率用电力转换器11的太阳光面板侧输出电压以使由电流检测器22检测出的太阳光面板的输出电流与该输出电流指令值一致的电流控制器2005。在此，太阳光面板侧输出电压是在发电功率控制用电力转换器11的端子11A和11B之间输出的电压。

首先，说明最大功率追随运转运算。由太阳光发电面板得到的功率在某一电压下具有极大值。因此，可以使用现有的通过使太阳光发电面板的端子电压发生变化来探索最大功率运转的电压的方法。作为端子电压的变化方法，有如下方法：使发电功率控制用电力转换器11的端子11A和11B间的电压发生变化的方法；和具有太阳光发电面板的输出电流控制作为小磁滞回线(minor loop)，使太阳光发电面板端子电压控制的电压指令值发生变化的方法。

在本实施例中，以尽可能迅速地使太阳光发电面板的输出功率发生变化为目的，探索太阳光发电面板的最大功率运转、即根据太阳光发电面板3的电流指令值变化来探索最大功率运转的方法。

在图3中示出了太阳光发电面板3的输出电流和输出电压、输出功率的关系的一例。由图3，在某一输出电流中发电功率取极大值。因此，通过使电流指令值发生变化就能探索最大功率运转。

本实施例的电力转换装置1，基于电流传感器22的输出值和电压传感器23的输出值，使用最大功率运转控制器2004实施最大功率运转。最大功率运转控制器2004以电流传感器22和电压传感器23的输出值为输入，计算太阳光发电面板3的输出电流指令值Idcref，输出到输出电流指令值限幅器2005。

图4中示出最大功率运转控制器的运算顺序。最大功率运转控制器2004通过实施Step1～Step9的处理来探索实现最大功率运转的电流指令值Idcref。

首先，由太阳光发电面板3的输出电流和输出电压计算当前时刻的发电功率Pnow(Step1)。接着，将计算出的发电功率Pnow与前一次计算出的发电功率Pold比较(Step2)，或者将当前的电流值Idc_now与前一次电流值Idc_old比较(Step3、Step4)。在Pnow比Pold大、且Idc_now比Idc_old大的情况下，以及在Pnow比Pold小、且Idc_now比Idc_old小的情况下，相比于前一次值将太阳光发电面板3的输出电流指令值Idcref仅增加规定的值ΔI(Step5)。

在Pnow比Pold大、且Idc_now比Idc_old小的情况下(Step3)，以及在Pnow比Pold小、且Idc_now比Idc_old大的情况下(Step4)，相比于前一次值将太阳光发电面板3的输出电流指令值Idcref仅减少规定的值ΔI(Step6)。将由Step5或Step6计算出的输出电流指令值Idcref输出到输出电流指令值限幅器2005(Step7)，更新前一次发电功率和前一次电流指令值后(Step8)，经过规定的时间后(Step9)，再次执行Step1的处理。

电流控制器2006计算在发电功率控制用电力转换器11的端子11A和11B间输出的电压指令值Vchop，以使太阳光发电面板3的输出电流追随由上述处理计算出的输出电流指令值Idcref。

PWM控制器2007通过比较电流控制器2006的输出Vchop和三角波载波的大小，来计算IGBT元件11m～11n的栅极信号，输出到发电功率控制用电力转换器11。通过以上的控制，根据太阳光发电面板3的输出电流指令值的变更就能进行最大功率运转。

接着，说明作为第2点的新颖点的按照交流系统2的电压振幅使太阳光发电面板3的输出电流指令上限值变化的控制方法。本功能是当交流系统2的电压振幅下降时，系统互联用电力转换器10可输出到交流系统2的功率降低，从太阳光发电面板3发电的功率超过可输出到交流系统2的功率，避免平滑电容器12成为过电压。以下，说明本控制动作。

交流系统2的电压由电压传感器20检测，检测值被输出到电压振幅计算器2001。电压振幅计算器2001计算交流系统2的电压振幅，输出到电流换算器2003。在此，电压振幅也可以使用有效值运算、1/4周波(cycle)延迟的值，通过平方和平方根、相对于基波的傅立叶正弦系数和傅立叶余弦系数的平方和平方根等来计算。

图5中示出交流系统的电压振幅值和太阳光面板输出电流指令上限值的关系图。根据图5所示的关系图，电流换算器2003计算太阳光发电面板3的输出电流指令上限值，并输出到输出电流指令值限幅器2005。在此，设本实施例的系统互联用电力转换器10是如下情况，即，即便交流系统2的电压振幅是0.9pu的时候也能输出电力转换装置1的额定输出功率。在如果交流系统2的电压振幅不是1.0pu以上，系统互联用电力转换器10就不能输出电力转换装置1的额定输出功率的情况下，使电流换算器2003的输入-输出关系如图6即可。

输出电流指令值限幅器2005限制最大功率运转控制器2004的输出值Idcref使下限为0、上限为电流换算器2003的输出值，以其输出为新的太阳光发电面板3输出电流指令值。

如此，通过按照连接的交流系统2的电压振幅来限制太阳光发电面板3的输出电流上限值，就能在交流系统2的电压振幅下降时迅速地限制太阳光发电面板3的发电功率。因此，能够避免平滑电容器12的电压上升，能够不降低发电功率控制用电力转换器11和系统互联用电力转换器10的电压利用率，而提高交流系统2的电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

在本实施例中，虽然仅根据交流系统2的电压振幅计算太阳光发电面板3的输出电流指令值上限值，但也可以如图25所示，具备由太阳光发电面板3的输出电压和输出电流来推定太阳光发电面板3的开放时输出电压的开放时电压推定器2013，以太阳光发电面板3的输出电流指令上限值除以由开放时电压推定器2013推定出系统互联用电力转换器10的可输出的最大的功率的电压后的值作为太阳光发电面板3输出电流值。具体地，推定器2013，通过从输出电压中减去面板3的等效内部电阻值和输出电流值之积，来计算面板3的开放时电压。

此外，如图22所示，具备最佳电流计算器2101。最佳电流计算器2101结构可以为，基于系统电压振幅、直流电流、面板电压和等效内部电阻，计算可得到与系统互联用电力转换器的有效功率输出相平衡的太阳能电池面板的功率输出这样的电流值，输出该电流值作为限幅器2005的上限值。

此外，用p.u.值表示电压振幅设为V[p.u.]，用p.u.值表示系统互联用电力转换器的有效功率输出设为Pc[p.u.]，如果由限幅器将系统互联用电力转换器的电流限制在1.0p.u.的话，则V＝Pc的关系成立。因此，如图23所示，也可以基于系统电压和系统电流使用有效功率运算器2102，运算输出到交流系统2的有效功率，代替交流系统的电压振幅加以使用来运算最佳电流指令值上限值。

此外，在交流系统2的电压中含有高次谐波、电压振幅计算器2001进行脉动的情况下，也可以在电压振幅计算器2001(图25)中实施低通滤波处理、或以交流系统2的基波周期为时间窗的移动平均处理，将其输出输出到电流换算器2003。

据上，通过按照连接的交流系统2的电压振幅来限制太阳光发电面板3的输出电流上限值，就能在交流系统2的电压振幅下降时迅速地限制太阳光发电面板3的发电功率。因此，能够避免平滑电容器12的电压上升，能够不降低发电功率控制用电力转换器11和系统互联用电力转换器10的电压利用率，而提高交流系统2的电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

[实施例2]

接着，说明本发明的实施例2。图7示出实施例2的电力转换装置的主电路结构。在本实施例中，用相同的符号表示与本发明的实施例1相同的要素，省略说明。

本实施例特征在于，交流系统2是三相交流系统，发电电流限制机构2003按照交流系统的正相电压振幅来降低电流指令值限幅器2005的上限值。

本实施例的电力转换装置1的发电功率控制用电力转换器11与实施例1相同。此外，与实施例1相同，发电功率控制用电力转换器11连接到太阳光发电面板3，系统互联用电力转换器30向交流系统2输出功率以使平滑电容器12的端子电压追随规定的电压。

与实施例1的不同点在于，实施例2连接的交流系统是三相交流系统，系统互联用电力转换器30为由IGBT元件30m～30r构成的三相逆变器。此外，相对于实施例1是按照交流系统2的电压振幅来限制来自太阳光发电面板3的发电功率的控制动作，实施例2却是进行由交流系统2的正相电压来限制太阳光发电面板3的发电功率的控制动作。

图8是表示实施例2的控制部的详细情况的结构图。实施例2的电力转换装置1，与实施例1相同，由电流换算器2003的输出来限制太阳光发电面板3的输出电流指令上限值。本实施例和实施例1的不同之处在于，电流换算器2003的输入不同。

在电力转换装置1连接的交流系统2是三相交流系统的情况下，存在交流系统2的相电压因连接到同一输电线的单相负载的失衡(アンバランス)等而变得不平衡的情形。此情况下，交流系统2的电压振幅因相而失衡。此状态下，按合成电压向量的振幅来设定太阳光发电面板3的输出电流上限值时，由于输出电流上限值按交流系统2的基波频率的倍频率进行脉动，所以太阳光发电面板3的输出电流控制无法追随限幅器的动作，恐怕不能实现基于电流指令上限值限制的发电功率抑制。即使假设太阳光发电面板3的输出电流控制追随限幅器的动作，也恐怕会有平滑电容器12的端子电压发生变动而给系统互联用电力转换器30的运转造成阻碍的情况。

在本实施例中，用作为交流系统2的电压的平衡成分的正相电压来限制太阳光发电面板3的输出电流上限值。具体地，将由电压传感器20检测出的电压输入到正相电压振幅计算器2016，正相电压振幅计算器2016将计算出的正相电压振幅输出到电流换算器2003。

图9示出正相电压振幅计算器的结构。正相电压振幅计算器2016计算交流系统2的正相电压，利用二相/三相转换器20161将三相的电压检测值转换为作为αβ成分的Vα、Vβ。三相电压检测值还输入到相位检测器20162，相位检测器20162计算正相电压的相位。

将二相/三相转换器20161的输出和相位检测器20162的输出输入到d-q转换器20163，d-q转换器20163计算d轴电压Vd、q轴电压Vq。用时间窗是交流系统2的基波周期的相位平均20164A和20164B来对计算出的Vd、Vq进行移动平均处理。在交流系统2的电压为不平衡的情况下，虽然在Vd、Vq中作为交流系统2的基波的倍频率成分来出现，但通过实施移动平均20164A、20164B就能够去除。

此外，在交流系统2的电压中含有高次谐波成分的情况下，由于该高次谐波成分在Vd、Vq中作为基波的整数倍的脉动来出现，所以能够通过移动平均20164A、相位平均20164B来去除。因此，能在移动平均20164A、20164B的输出值V1_re、V1_im中仅抽取出交流系统2的正相电压。基于以上，通过计算V1_re、V1_im平方和的平方根就能得到正相电压的振幅。

即使交流系统2是不平衡的，正向电压的振幅也是固定的。因此，能够将太阳光发电面板3的输出电流指令上限值限制在固定的值。由此，由于能防止发电功率控制用电力转换器11的输出功率进行脉动，所以能够避免给系统互联用电力转换器30的运转带来阻碍。

在本实施例中，虽然通过图9所示的框来计算出电流换算器2003的正相电压，但也可以通过图10所示的框。即，也可以代替移动平均20164A、20164B，使用截止频率比交流系统2的基波频率低的低通滤波器20168A、20168B进行计算。

此外，如图20所示，也可以代替电流换算器2003具备最佳电流计算器2101。最佳电流计算器2101结构可以为，基于系统电压振幅、直流电流、面板电压、和等效内部电阻2100，计算可得到与系统互联用电力转换器的有效功率输出相平衡的太阳能电池面板的功率输出这样的电流值，输出该值作为限幅器2005的上限值。

此外，用p.u.值表示正相电压振幅设为Vl[p.u.]，用p.u.值表示系统互联用电力转换器的有效功率输出设为Pc[p.u.]，如果用限幅器将系统互联用电力转换器的电流限制在1.0p.u.的话，则Vl＝Pc的关系成立。因此，如图21所示，也可以基于系统电压和系统电流使用有效功率运算器2102，运算输出到交流系统2的有效功率，代替上述交流系统的正相电压振幅来加以使用，运算最佳电流指令值上限值。

根据上述说明，通过按照连接的交流系统2的电压振幅来限制太阳光发电面板3的输出电流上限值，就能在交流系统2的电压振幅下降时迅速地限制太阳光发电面板3的发电功率。因此，能够避免平滑电容器12的电压上升，能够不降低发电功率控制用电力转换器11和系统互联用电力转换器30的电压利用率，而提高交流系统2的电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

并且，根据本实施例，由于即使是交流系统2的电压是不平衡的情形也能使太阳光面板3的输出电流上限值成为固定的值，所以就能避免太阳光发电面板3的脉动的发电功率限制，能够使系统互联用电力转换器30稳定的运转。

[实施例3]

图11示出实施例3的电力转换装置的主要部分的结构。在本实施例中，用相同的符号表示与实施例1、2相同的要素，省略说明。

电力转换装置1的系统互联用电力转换器30与实施例2相同。此外，系统互联用电力转换器30连接到交流系统2，向交流系统2输出功率以使平滑电容器12的端子电压追随规定的电压。

与实施例1的不同点在于，实施例3中发电功率控制用电力转换器11的连接的电源是直流电源5。此外，相对于实施例2的电力转换装置进行太阳光发电面板3的最大功率追随运转，实施例3的电力转换装置包括追随从外部赋予的有效功率指令值来控制直流电源5的发电功率的功率控制器。

利用发电功率控制用电力转换器11使直流电源5的发电的功率升压，并且，系统互联用电力转换器30将升压后的直流功率转换为交流功率并输出到交流系统2。

图12示出实施例3的控制部的结构。乘法器2023将由电压传感器23检测出的直流电源5的直流电压、和由电流传感器22检测出的直流电源5的输出电流相乘，计算由直流电源5发电的功率。利用发电功率限幅器2022限制自外部赋予的直流电源5的发电功率指令。

发电功率控制器2024计算直流电源5的输出电流指令值Idcref，以使由乘法器2023计算出的功率与上述限制的发电功率指令一致；电流控制器2006计算发电控制用电力转换器11的输出电压指令值Vchop，以使直流电源5的输出电流检测值与输出电流指令值Idcref一致。

将输出电压指令值Vchop输出到PWM控制器2007。PWM控制器2007通过比较电流控制器2006的输出Vchop和三角波载波的大小，来计算IGBT元件11m～11n的栅极信号，输出到发电功率控制用电力转换器11。

由此，就能在端子11A、11B间输出追随电压指令值的电压。根据以上的动作原理就能控制电源的输出电流，使其追随电流指令值。

同时，电流指令值Idref是由发电功率控制器2024(或AQR)计算出的以使从电源输出的有效功率(或无效功率)追随指令值的电流指令值。因此，电力转换装置1，能控制直流电源5的输出的有效功率(或无效功率)以使其追随指令值。

另一方面，由电压传感器20检测交流系统2的电压，将其输出输入到正相电压振幅计算器2016。正相电压振幅计算器2016计算交流系统2的正相电压，将其输出输出到功率换算器2025。

功率换算器2025根据图13所示的关系图，基于交流系统电压振幅计算直流电源5的发电功率指令上限值，输出到发电功率限幅器2022。发电功率限幅器2022以功率换算器2025的输出作为上限值来限制从外部赋予的发电功率指令。

通过采取上述的控制器结构，在交流系统2的电压下降的情况下，能迅速地使从直流电源5发电的功率指令降低。

在实施例3中由于直接限制功率指令值的上限值，所以与限制电源的电流指令值的实施例1和实施例2相比，能更高精度地限制发电功率。在实施例3中虽然设连接的电源为直流电源，但也可以替换直流电源5为NaS电池或燃料电池。

根据上述说明，通过按照连接的交流系统2的电压振幅来限制太阳光发电面板3的输出电流上限值，就能在交流系统2的电压振幅下降时迅速地限制直流电源5的发电功率。因此，能够避免平滑电容器12的电压上升，能够不降低发电功率控制用电力转换器11和系统互联用电力转换器30的电压利用率，而提高交流系统2的电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

并且，根据本实施例，由于直接限制功率指令值的上限值，所以与限制电源的电流指令值的实施例1和实施例2相比，能更高精度地限制发电功率。

[实施例4]

图14示出本发明的实施例4的主要部分的结构。在本实施例中用相同的符号表示与实施例3相同的要素，省略说明。本实施例为电源是具有风车和其桨距角控制机构的风力发电机，交流系统是三相的情形。

本实施例的电力转换装置1的系统互联用电力转换器30与实施例3相同。此外，系统互联用电力转换器30连接到交流系统2，向交流系统2输出功率以使平滑电容器12的端子电压与规定的电压一致。

实施例4与实施例3的主电路的不同点在于：发电功率控制用电力转换器31是由IGBT元件31m～31r构成的三相逆变器(converter)；和电源是由作为旋转型发电机的同步发电机4发电的风力发电系统。

此外，具有如下构造，在发电功率控制用电力转换器31连接的风车的叶片43a、43b上设置调整桨距角的桨距角调整机构42a、42b，根据从外部赋予的指令可调整桨距角。

关于控制功能，不同点是，本实施例的电力转换装置1具有：控制从同步发电机4接收的有效功率和无效功率的控制器；限制从有效功率控制器输出的有效电流指令值的有效电流限幅器；以及按照交流系统2的正相电压使该有效电流指令值上限值降低并且在桨距角调整机构42a、42b中使桨距角平放的功能。

图15示出实施例4的电力转换装置的控制功能的详细结构。在同步发电电机4的转子41上连接风车的叶片，通过轴旋转来发电。在转子41中包括位置传感器24，其输出输入到控制器200。此外，利用电压传感器25检测发电机的输出电压，利用电流传感器22检测输出电流，其输出输入到控制器200。

控制器200将电压传感器25和电流传感器22的输出输入到有效功率·无效功率计算器(PQ检测器)2026，计算同步发电机4的输出的有效功率值P、无效功率值Q。

将由有效功率·无效功率计算器2026计算出的有效功率值P、和由外部赋予的有效功率指令值Pref输入到有效功率控制器2027，有效功率控制器2027计算同步发电机4的输出的有效电流指令值Idref，以使有效功率值P与有效功率指令值Pref一致。

同样地，将由有效功率·无效功率计算器2026计算出的无效功率值Q、和由外部赋予的无效功率指令值Qref输入到无效功率控制器2028，无效功率控制器2028计算同步发电机4的输出的无效电流指令值Iqref，以使无效功率值Q与无效功率指令值Qref一致。

将有效电流指令值Idref输入到有效电流指令值限幅器2005。有效电流指令值限幅器2005的上限值，与实施例2所示的方法相同，按照由正相电压振幅计算器2016计算出的交流系统2的正相电压振幅值来较低地设定。

另一方面，将由位置传感器25检测出的转子41的位置检测值输入到相位检测器2020，位置检测器2020计算转子41的相位角。相位检测器2020的输出和电流传感器22的输出被输入到d-q转换器2021，d-q转换器2021对电流传感器22的输出值进行d-q转换，计算发电机输出电流的有效电流值Id、无效电流值Iq。

电流控制器2006计算发电功率控制用电力转换器31的发电机4侧输出电压指令值Vconv，以使有效电流值Id与有效电流指令值限幅器2005的输出一致，使无效电流值Iq与无效功率控制器2026的输出Iqref一致。

接着，说明作为本实施例的新颖点的桨距角调整信号发生器的动作，以及桨距角调整动作。

交流系统2的正相电压振幅值由正相电压振幅计算器2016计算，输出到桨距角调整信号发生器2029。如果设电流换算器2003的输出开始降低的正相电压振幅的阈值为V1_L，则桨距角调整信号发生器2029在正相电压振幅计算器2016的输出为V1_L以下时，向风车的桨距角调整机构42a、42b输出桨距角调整信号。当由控制器200输入桨距角调整信号时，桨距角调整机构42a、42b使叶片43a、43b的相对于风的角度平放，成为能够避开风压的状态。

通过进行上述动作，能够将发电功率控制用电力转换器31输出到系统互联用电力转换器30的功率抑制在系统互联用电力转换器30的可输出的功率以下。

在风车与交流系统2的电压无关而持续运转的情况下，当抑制发电功率控制用电力转换器31的有效电流指令上限值时，由于机械输入超过电输出，所以风车超速，存在对系统运用造成影响的可能性。如果使用本实施例的电力转换装置，由于通过利用控制器200使风车的叶片43a、43b的桨距角相对于风平放来限制风车的机械输入，所以即使抑制输出到发电功率控制用电力转换器31的功率也能够抑制风车的超速。

在此，虽然在本实施例中，桨距角调整信号发生器2029在正相电压振幅计算器2016的输出为V1_L以下时，向桨距角调整机构42a、42b输出桨距角调整信号，但控制器200也可以具备桨距角调整信号发生器2030来代替桨距角调整信号发生器2029。如图16所示，桨距角调整信号发生器2030，利用p.u.化运算器2031a、2031b分别p.u.化输入发电机4的有效功率计算值和交流系统2的正相电压振幅值，用比较器2031c比较正相电压振幅值的p.u.值和有效功率计算值的p.u.值。其结果，也可以构成为仅正相电压振幅值比有效功率计算值小的情况下输出桨距角调整信号的结构。再有，正相电压振幅值的p.u.值，例如以系统额定电压的正相电压值为基准，有效功率计算值的p.u.值，例如以额定输出时的有效功率值为基准。

此外，控制器200也可以具备桨距角调整信号发生器2031来代替桨距角调整信号发生器2029。如图17所示，桨距角调整信号发生器2031利用比较器2031a、2031b、2031c将交流系统2的正相电压振幅值与多个阈值比较。将其比较结果输出到2031d，即使按照比较器2031a、2031b、2031c的输出来改变桨距角调整机构42a、42b的调整的角度也可以。再有，在正相电压振幅比阈值(V1_L1、V1_L2、V1_L3)大的情况下，比较器2031a、2031b、2031c输出1，其它情况下输出0。通过如图17所示构成桨距角调整信号发生器2031，就能慢慢地使风车的桨距角平放，能实现震动少的控制。

在本实施例中，虽然同步发电机4的输出的有效电流指令值Idref由有效功率控制器2027计算，但也可以如图18A所示，为如下构成，控制器200包括计算风车的旋转速度的速度计算器2032、和控制旋转速度的速度控制器2033，该速度控制器2033计算有效电流指令值以使从外部赋予的旋转速度指令和风车旋转速度一致。通过此构成，除提高瞬间下降时的运转持续性能外，还能够以稳定时的风车旋转速度为控制对象，能稳定地增加风车旋转速度。

此外，如图18B所示，也可以为如下构成，控制器200包括计算风车的旋转速度的速度计算器2032、和控制旋转速度的速度控制器2033，速度控制器2033计算赋予有效功率控制器2027的有效电流指令值，以使从外部赋予的旋转速度指令、风车旋转速度一致。通过此构成，除提高瞬间下降时的运转持续性能外，还能够以稳定时的发电功率为控制对象，能提高发电功率控制性能。

据上，根据本实施例，由于能够按照连接的交流系统2的正相电压振幅来抑制风力发电系统的同步发电机4的输出的有效电流，所以就能够在交流系统2的正相电压振幅下降时迅速地限制同步发电机4的发电功率。由此，能够避免平滑电容器12的电压上升，能够不降低发电功率控制用电力转换器31和系统互联用电力转换器30的电压利用率，而提高交流系统2的正相电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

并且，根据本实施例，由于在限制电力转换装置1的发电功率的同时，能调整风车的叶片的桨距角来限制风车的机械输入，因此就能够避免风车的超速。

[实施例5]

图19示出本发明的实施例5的电力转换系统的结构。在本实施例中用相同的符号表示与实施例3相同的要素，省略说明。

与实施例4所述的电力转换装置的不同点在于，实施例5所述的电力转换装置1具有控制发电功率控制用电力转换器31的控制器200A、和控制系统互联用电力转换器30的控制器200B。

在海洋风力发电系统等中，有用直流输送由设置在海中的风车发电的功率的系统，此情况下，存在发电用电力转换器31和系统互联用电力转换器30用直流输电线50P、50N连接而设置在物理上分离的场所的情形。本实施例是提案如下电力转换系统的例子，即，在即使是上述状况也在交流系统3中产生电压下降的情况下，该电力转换系统提高作为发电系统的运转持续性。

电力转换装置1的发电功率控制用电力转换器31由控制器200A控制，系统互联用电力转换装置30由控制器200B控制。交流系统3的正相电压由控制器200B的正相电压振幅计算器2016计算，输出到串行转换器300B1。

串行转换器300B1将正相电压振幅计算器2016的输出转换为串行通信形式，输出到E/O转换器300B2。E/O转换器300B2将串行转换器300B1的输出转换为光信号，通过导光器300C将此光输出到控制器200A所具备的O/E转换器300A1。

O/E转换器300A1将光信号转换为电信号，将其输出输出到还原器300A2。还原器300A2从串行信号化的电信号还原为交流系统3的正相电压振幅值，将其输出输出到计算发电功率控制用电力转换器31的有效电流指令上限值的电流换算器2003、和计算调整风车的叶片的桨距角的信号的桨距角调整信号发生器2029。

如上所述，即便是地理上分离发电功率控制用电力转换器和系统互联用电力转换器的情况下，由于控制器具有通信功能，也能将交流系统2的正相电压振幅值传递给发电功率控制用电力转换器的控制器。

在本实施例中，虽然通过使用导光器的串行通信将交流系统2的正相电压振幅值传递给发电功率控制用电力转换器31的控制器200A，但也可以通过无线通信从控制器200B向控制器200A传递交流系统2的正相电压振幅值。

根据上述说明，根据本实施例，由于能够按照连接的交流系统2的正相电压振幅来抑制风力发电系统的同步发电机4的输出的有效电流，所以就能够在交流系统2的正相电压振幅下降时迅速地限制同步发电机4的发电功率。由此，能够避免平滑电容器12的电压上升，能够不降低发电功率控制用电力转换器31和系统互联用电力转换器30的电压利用率，而提高交流系统2的正相电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

并且，根据本实施例，即便是在地理上分离的场所设置发电功率控制用电力转换器31和系统互联用电力转换器30，也能将交流系统2的正相电压振幅发送给发电功率控制用电力转换器31，能维持运转连续性的提高。

[实施例6]

图24示出本发明的实施例6的电力转换系统的结构。在本实施例中用相同的符号表示与实施例5相同的要素，省略说明。

与实施例5所述的电力转换装置的不同点在于，实施例6中，电源是太阳光发电面板，以及发电功率控制用电力转换器31是与实施例1～3相同的直流-直流转换装置。

太阳光发电面板，考虑设置在沙漠等中且用直流输送一直到需要地都发电的功率的系统，此情况下，存在发电用电力转换器31和系统互联用电力转换器30用直流输电线50P、50N互联且设置在物理上分离的场所的情形。本实施例是提案如下电力转换系统的例子，即，在即使是上述状况也在交流系统3中产生电压下降的情况下，该电力转换系统提高作为发电系统的运转持续性。

在本实施例中，正相电压振幅运算器2016被装入系统互联电力转换装置的控制装置200d中。与实施例5相同，通过串行通信将正相电压振幅运算值提交给发电功率控制用电力转换器的控制装置200c，与实施例2相同，能够不降低发电功率控制用电力转换器11和系统互联用电力转换器30的电压利用率，而提高交流系统2的电压振幅下降时的电力转换装置1的运转持续性。

并且，根据本实施例，即便是在地理上分离的场所设置发电功率控制用电力转换器31和系统互联用电力转换器30，也能将交流系统2的正相电压振幅发送给发电功率控制用电力转换器31，能维持运转连续性的提高。

此外，即使本实施例中，也与实施例2相同，可以以基于系统电压振幅、直流电流和面板电压而得到与系统电力转换器的有效功率输出相平衡的太阳能电池面板的功率输出的电流值作为限幅器的上限值。并且，也可以基于系统电压和系统电流使用有效功率运算器来运算有效功率，代替初期交流系统的电压振幅加以使用，运算最佳电流指令值上限值。

Claims (9)

1.一种电力转换装置，将从太阳光发电面板得到的直流功率转换为交流功率，并输出到交流系统，上述电力转换装置包括：

发电功率控制用电力转换器，通过控制半导体开关的开/关而使太阳光发电面板的输出电压变化、并控制发电功率；

系统互联电力转换器，连接到该发电功率控制用电力转换器，将直流功率转换为交流功率，并输出到交流系统；

电压检测器，检测上述太阳光发电面板的输出电压；

电流检测器，检测输出电流；

检测上述交流系统的电压振幅的机构；以及

控制部，控制上述发电功率控制用电力转换器，

上述控制部包括：

功率最大化控制器，使太阳光发电面板的输出指令值变化以使太阳光发电面板的输出功率成为最大；

输出控制器，控制上述发电功率控制用电力转换器的太阳光面板侧输出电压，以使该输出指令值与上述太阳光面板的输出一致；以及

发电功率限制机构，以交流系统的电压振幅作为输入、按照该电压振幅使上述发电功率控制用电力转换器的发电功率上限值变化，

发电功率限制机构在上述电压振幅比规定的设定值小的情况下，按照电压振幅来减小上述发电功率控制用电力转换器的发电功率上限值。

2.一种电力转换装置，控制从电源输入的功率并输出到交流系统，上述电力转换装置包括：

发电功率控制用电力转换器，控制上述电源的发电功率，并将该发电功率转换为直流功率；

平滑电容器，连接到上述发电功率控制用电力转换器的输出端；以及

系统互联电力转换器，连接到上述发电功率控制用电力转换器和上述平滑电容器，将上述直流功率转换为交流功率，并输出到上述交流系统，

在控制部中包括：

检测上述交流系统的电压振幅的机构；

电流检测器，检测上述电源的输出电流；

电压检测器，检测上述电源的输出电压；

输出指令值限幅器，限制上述电源的输出指令值；

控制器，调整上述发电功率控制用电力转换器的电源侧输出电压以使来自上述电源的输出与上述输出指令值限幅器的输出一致；以及

发电输出限制机构，以上述电压振幅为输入、按照该电压振幅使上述输出指令值的上限值变化，

在上述交流系统的电压振幅比规定的值小的情况下，上述发电输出限制机构通过按照该电压振幅来减小上述输出指令值限幅器的上限值，从而限制来自上述电源的发电功率，并由该发电功率的限制来抑制平滑电容器的过充电。

3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

上述电源是太阳光发电面板，

该电力转换装置包括：

电压检测器，检测该太阳光发电面板的输出电压；

电流检测器，检测该太阳光发电面板的输出电流；以及

控制部，控制上述发电功率控制用电力转换器，

上述控制部计算作为上述输出指令值限幅器的输入的输出指令值，以使太阳光发电面板的输出功率成为最大。

4.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

上述交流系统是三相交流系统，上述发电输出限制机构按照交流系统的正相电压振幅使上述输出指令值限幅器的上限值降低。

5.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

上述电源是旋转型发电机，上述交流系统是单相或三相交流系统，

上述控制部包括：

有效输出指令值限幅器，限制上述电源输出的有效输出；以及

有效输出控制器，调整上述发电功率控制用电力转换器的电源侧输出电压，以使该电源输出的有效输出与该有效输出指令值限幅器的输出一致，

按照上述交流系统的电压振幅，该电压振幅比规定的设定值小的情况下，上述发电输出限制机构通过按照该电压振幅来降低上述有效输出指令值限幅器的上限值，从而抑制平滑电容器的过充电。

6.根据权利要求4所述的电力转换装置，其特征在于，

上述电源是包含风车的风力发电装置，该风车包括改变叶片的角度的机构，

上述电力转换装置具有如果上述交流系统的电压振幅是规定的值以下就输出相对风向使风车的叶片平放的指令的机构。

7.根据权利要求3所述的电力转换装置，其特征在于，

上述控制部包括：

由上述太阳光发电面板的输出电压和输出电流的检测值推定该太阳光发电面板的开放时输出电压的机构；以及

输出指令上限值修正机构，使用该开放时输出电压的推定值来修正太阳光发电面板输出指令值的上限值，

该输出指令上限值修正机构，用太阳光发电面板开放时输出电压推定值去除上述发电输出限制机构的输出值，以与该除法计算出的值成比例的值作为新的输出指令值上限值。

8.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

包括：低通滤波器，输入检测上述电压振幅的电压振幅检测机构的输出，输出进行滤波处理后的值，

去除上述交流系统的电压中含有的高次谐波。

9.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于，

包括：移动平均处理机构，输入检测上述电压振幅的电压振幅检测机构的输出，输出进行移动平均处理后的值，

去除上述交流系统的电压中含有的高次谐波。

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