JP2006166585A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 比較的大きなフィルタを持つ電力変換装置においても、フィルタの共振による過電圧を発生させずに系統連系スイッチを高速に遮断できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 系統連系スイッチ２を介して電力系統と接続された負荷と並列に接続され、前記電力系統と連系運転を行う電力変換器６と、この直流側に接続された直流電源と、電力系統の異常を検出し、系統連系スイッチ２に開放指令を与える手段と、系統連系スイッチ２に流れる電流を検出する電流検出手段と、電力系統の異常が検出されたとき、系統連系スイッチ２に流れる電流を零とするために電力変換器６の出力電圧を制御するオフアシスト制御手段とを具備し、前記オフアシスト制御手段は、前記電流検出手段によって得られた電流の極性に基づいて固定値を設定し、電力変換器６の出力点から系統連系スイッチ２までの伝達関数の逆関数を前記固定値に乗算して電力変換器６の出力電圧指令とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、系統連系スイッチを介して電力系統に接続した負荷と並列に接続された電力変換装置に係り、特に系統異常検出時に安全に系統連系スイッチを開放して電力系統と負荷を切り離し、自立運転に移行することが可能な電力変換装置に関する。

電力系統と連系し、系統連系スイッチを介して接続した負荷と並列に接続され、系統異常検出時に系統連系スイッチを開放して電力系統と負荷を切り離し、負荷の停電を補償して自立運転に移行することが可能な電力変換装置は従来から良く知られている。この種の電力変換装置においては、負荷に与える悪影響を抑えるため、電力系統に電圧低下や停電等の異常が発生したとき、速やかに系統連系スイッチをオフして電力を負荷に供給する必要がある。

このため、系統異常検出時に系統連系スイッチを流れる電流を検出し、この電流を減少させるように制御して系統連系スイッチを素早くオフする技術が提案されている（例えば特許文献１参照。）。尚、系統連系スイッチがサイリスタ等自己消弧能力を持たない電力用半導体素子で構成されている場合は、電流がゼロにならないとこれをオフすることはできない。
特開平１１−３４１６８６号公報（第５頁、図１）

特許文献１に示す手法によれば、系統連系スイッチの電流を高速に減衰させるために出力電圧指令値をステップ状に変化させている。

しかるに、電力変換装置には、スイッチングに伴い発生する高調波を減衰させるための交流フィルタが変換器と系統の間に設置されている。そのフィルタは、通常運転時の損失を低減するために、リアクトルとコンデンサから構成されており、特有の共振周波数を持つ。そのため変換器の出力電圧をステップ状に変化させると、リアクトルとコンデンサからなるフィルタの共振を誘発し、過電圧が生じるという問題あった。特に、大容量の変換装置の場合、損失を低減するためにスイッチング周波数を低く設定する。すると、スイッチング周波数の高調波を除去するためのフィルタ容量も大きくなり、ダンピングが効きにくく、共振が発生しやすくなっていた。

本発明は上記に鑑みて為されたもので、比較的大きなフィルタを持つ電力変換装置においても、フィルタの共振による過電圧を発生させずに系統連系スイッチを高速に遮断できる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る電力変換装置は、系統連系スイッチを介して電力系統と接続された負荷と並列に接続され、前記電力系統と連系運転を行う電力変換器と、前記電力変換器の直流側に接続された直流電源と、前記電力系統の異常を検出し、前記系統連系スイッチに開放指令を与える手段と、前記系統連系スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、前記電力系統の異常が検出されたとき、前記系統連系スイッチに流れる電流を零とするために前記電力変換器の出力電圧を制御するオフアシスト制御手段とを具備し、前記オフアシスト制御手段は、前記電流検出手段によって得られた電流の極性に基づいて固定値を設定し、前記電力変換器の出力点から前記系統連系スイッチまでの伝達関数の逆関数を前記固定値に乗算して前記電力変換器の出力電圧指令とするようにしたことを特徴としている。

本発明によれば、比較的大きなフィルタを持つ電力変換装置においても、フィルタの共振による過電圧を発生させずに系統連系スイッチを高速に遮断できる電力変換装置を提供することが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の実施例１に係る電力変換装置を図１及び図２を参照して説明する。図１（ａ）は本発明の電力変換装置のブロック構成図である。

電力系統１は系統連系スイッチ２を介して負荷３に給電している。変換装置４は電力系統１と並列に負荷３に接続され、系統連系スイッチ２がオフしたときは単独で負荷３に電力を供給する構成となっている。ここで変換装置４は直流電圧源５から供給される直流を、電力用半導体素子をブリッジ接続して構成した電力変換器６で交流に変換し、リアクトルとコンデンサから成るフィルタ回路７及び変圧器８を介して負荷３に電力を供給する。尚、変圧器８は電力変換器６の出力を電力系統１の電圧に合わせるために設けられている。

電力系統１の電圧は電圧検出器９Ａで、負荷電圧は電圧検出器９Ｂで、また系統連系スイッチ２を流れる電流は電流検出器１０で夫々検出され、これらにより検出された系統電圧信号５１、負荷電圧信号５２及び系統連系スイッチ電流信号５３は変換器制御回路１１に与えられている。

変換器制御回路１１は系統連系スイッチ２へ系統連系スイッチオンオフ指令５４を出力し、またパルス制御回路１２に対し出力電圧指令５５を与える。パルス制御回路１２は、電力変換器６の出力電圧が出力電圧指令５５で与えられた値になるように電力変換器６を構成する電力用半導体素子のスイッチングパターンを決定してこれらの素子にゲートパルスを供給する。

図１（ｂ）は変換器制御回路１１の詳細を示すブロック構成図である。図１（ｂ）において、系統事故検出回路１３は系統電圧信号５１が低下したことにより系統事故を検出し、系統事故信号５６を出力する。この系統事故信号５６により系統連系スイッチ２への系統連系スイッチオンオフ指令５４はオフされる。

また、系統連系スイッチオフ状態検出回路１４は系統電圧信号５１、負荷電圧信号５２及び系統連系スイッチ電流信号５３から系統連系スイッチ２がオフしたことを検出し、系統連系スイッチオフ状態検出信号５７を出力する。系統連系スイッチ電流信号５３を受け、系統連系スイッチ２を流れる電流を高速にゼロにするように電力変換器６の電圧を制御（以下、オフアシスト制御という。）するのがオフアシスト回路１５であり、系統連系スイッチ電流極性判定回路１５１、矩形波発生回路１５２及び逆関数回路１５３から構成される。制御モード切替器１６は、系統事故信号５６及び系統連系スイッチオフ状態信号５７の状態によって出力電圧指令５５を、オフアシスト回路１５によるオフアシスト制御モード、系統連系運転制御１７による系統連系制御モード及び自立運転制御１８による自立運転制御モードの各運転モードに対応した値に切り替えるための切替器である。

次に以上の構成における図１のブロック構成図の動作について図２のタイムチャートを参照して説明する。

図２において、時刻ｔ０で系統事故等が発生して系統電圧信号５１が低下すると、系統事故検出回路１３から系統事故信号５６が出力される。これにより系統連系スイッチ２には連系スイッチオンオフ指令５４によりオフ指令が出力され、制御モード切替器１６は系統連系制御モードからオフアシスト制御モードに制御モードを切り替える。このオフアシスト制御により、系統連系スイッチ電流信号５３が零近傍にまで減少する。この系統連系スイッチ電流信号５３が所定値以下となったこと、または系統電圧信号５１と負荷電圧信号５２の差から求められる系統連系スイッチ２の両端電圧が規定値以上であること、あるいは信頼性向上のためこれら両者のＡＮＤ条件をとることにより、時刻ｔ１において系統連系スイッチオフ状態検出回路１４がオフ状態を検出する。すると、制御モード切替器１６はオフアシスト制御モードから自立運転制御モードに制御モードを切り替え、このモード切替により負荷電圧が回復する。尚、通常このモード切替時の自立運転制御の出力電圧指令は系統電圧が低下する直前の出力電圧指令と同一となるようにする。

ここで、電力変換器６が系統連系スイッチ２のオフアシスト制御のために、矩形波状の電圧を発生すると、系統連系スイッチ２には、フィルタ回路７のフィルタリアクトル及びコンデンサの各定数、さらに変圧器８の漏れリアクタンスにより形成される回路の伝達関数により変換された電圧波形が印加される。この変換された電圧波形はリアクトルとコンデンサからなる振動回路を通じて印加されるため一般的には振動波形となる。その振動のため、過電圧が印加され、負荷にも悪影響を与える場合、またオフアシストの効果を十分にもたらさない場合がある。

そのため、本発明では、図１（ｂ）に示すように、オフアシスト電圧を発生する矩形波発生回路１５２の後段に、逆関数回路１５３を設けている。この逆関数回路１５３の伝達関数として、フィルタリアクトルなどの主回路で決まる伝達関数の逆関数を選定すれば、最終的に系統連系スイッチ２に印加される電圧を矩形波とすることができる。

以上のように構成すれば、オフアシストが効果的にかけられるとともに、過電圧などの発生で負荷に悪影響を与えることがなくなる。

尚、この実施例１によれば、フィルタ回路７がない場合であっても、負荷３に並列に接続された進相コンデンサ等による振動の悪影響を除去することが可能である。

次に本発明の実施例２に係る電力変換装置を、図３を参照して説明する。

図３は本発明の実施例２に係る電力変換装置の変換器制御回路のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、系統事故信号５６により、出力電圧指令５５の入力側を連系運転制御１７側からオフアシスト制御回路１５Ａ内の矩形波発生回路１５２の出力側に切り替える切替器１６１、系統連系スイッチオフ状態検出信号５７により、出力電圧指令５５の入力側を上記切替器１６１の出力であるオフアシスト制御側から自立運転制御１８側に切り替える切替器１６２、この切替器１６２の出力側に接続された１次遅れ回路１９、及び系統連系スイッチオフ状態検出信号５７にオンディレー回路２０を付加した信号により１次遅れ回路１９をバイパスし出力電圧指令５５として自立運転制御１８を直接選択するようにした切替器１６３を設けた点である。

図３において、系統事故が発生して、系統事故検出回路１３が系統事故信号５６を出力すると、切替器１６１は連系運転制御１７側からオフアシスト制御側に切り替える。オフアシスト制御回路１５Ａは矩形波を発生するが、その後段に一次遅れ回路１９があるため、出力電圧指令５５は矩形波ではなく立ち上がりが緩和された波形となる。系統連系スイッチ２のオフ状態が検出されると、切替器１６２はオフアシスト制御側から自立運転制御１８側に切り替える。この切り替え直後は一次遅れ回路１９を経由して出力電圧指令５５は決定される。この一次遅れ回路１９を介することにより、オフアシスト制御と自立運転制御の電圧指令値の差により生じる、フィルタコンデンサ、フィルタリアクトルに起因する振動性過電圧の発生を防止することができる。系統連系スイッチ２がオフし、一定時間が経過するとオンディレー回路２０により、切替器１６３は一次遅れ回路１９をバイパスして自立運転制御１８を直接選択するので、以降の自立運転制御を遅れなく実施することができる。

このように構成すれば、複雑な逆関数を演算することなく、実施例１の場合と同様の効果が実現できる。

次に本発明の実施例３に係る電力変換装置を、図４を参照して説明する。

図４は本発明の実施例２に係る電力変換装置の変換器制御回路のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、オフアシスト回路１５Ｂの矩形波発生回路１５２の出力側に乗算回路１５４を挿入し、系統電圧信号５１にゲイン演算回路２１を介した出力で乗算回路１５４の乗算値を変えるようにした点である。

系統事故は、系統電圧がゼロになる場合、また系統電圧の５０％が残る場合などさまざまな状況がある。系統連系スイッチ２の電流は、系統事故で残った電圧と、オフアシスト電圧の差分の電圧により減少してゆく。そのため、系統電圧残り量によって系統連系スイッチ２がオフするまでの時間が変化する。また、フィルタリアクトル、コンデンサなどへ与える電圧変化率も変わってくる。

従って図４に示すように、系統電圧の残り量に応じて、オフアシスト制御における出力電圧指令の振幅を変化させるようにすれば、オフアシスト制御時に不要に高電圧を系統連系スイッチ２に印加して、振動による過電圧を発生させることを防止することができる。

次に本発明の実施例４に係る電力変換装置を、図５を参照して説明する。

図５は本発明の実施例４に係る電力変換装置の変換器制御回路のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図４の実施例３に係る電力変換装置の変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例４が実施例３と異なる点は、ゲイン演算回路２１の入力を、系統電圧信号５１に代えて直流電圧検出信号５８とした点である。

直流電圧源５は２次電池などが使われる場合がある。２次電池は充電、放電などの運転状態、蓄電量、寿命などにより電圧が変動する。その電圧変動を考慮し、オフアシスト制御時の電力変換器６の出力電圧が、系統電圧に対して一定の割合になるように、ゲイン演算回路２１で演算する。すなわち、直流電圧が高い場合はオフアシスト制御時の電圧指令値を小さくし、低い場合は逆に大きくする。このように構成すれば、直流電圧源５の直流電圧の変動があっても、常に系統に対しては一定の比率でオフアシスト制御時の出力電圧を発生させるので、不要に高電圧を系統連系スイッチ２に印加して、振動による過電圧を発生させることがない。

次に本発明の実施例５に係る電力変換装置を、図６を参照して説明する。

図６は本発明の実施例５に係る電力変換装置の変換器制御回路のブロック構成図である。この実施例５の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換装置の変換器制御回路の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明を省略する。この実施例５が実施例１と異なる点は、系統連系スイッチ電流信号５３をＵ相系統連系スイッチ電流信号５３Ａ、Ｖ相系統連系スイッチ電流信号５３Ｂ及びＷ相系統連系スイッチ電流信号５３Ｃと各相毎に分離した点、これに対応してオフアシスト制御回路１５Ｃについても、Ｕ相に対しては極性判定回路１５１Ａ、矩形波発生回路１５２Ａ及び逆関数発生回路１５３Ａ、Ｖ相に対しては極性判定回路１５１Ｂ、矩形波発生回路１５２Ｂ及び逆関数発生回路１５３Ｂ、Ｗ相に対しては極性判定回路１５１Ｃ、矩形波発生回路１５２Ｃ及び逆関数発生回路１５３Ｃを夫々直列構成で設けるようにした点、またＵ相系統連系スイッチ電流信号５３Ａ、Ｖ相系統連系スイッチ電流信号５３Ｂ及びＷ相系統連系スイッチ電流信号５３Ｃの夫々を入力としたレベル判定回路２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃを設けて、このレベル判定回路２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃの出力を極性判定回路１５１Ａ、１５１Ｂ及び１５１Ｃに夫々与えるようにした点である。

レベル判定回路２２Ａ、２２Ｂ及び２２Ｃは各相夫々の電流値が所定値以下になったかどうか判定し、この出力信号は極性判定回路１５１Ａ、１５１Ｂ及び１５１Ｃに夫々入力し極性判定の機能をロックする。

系統連系スイッチ２の３相の各相には夫々位相の異なる電流が流れている。従って、オフアシスト制御をかけ、電流がゼロになりきれるタイミングは３相の各相で異なっている。しかし、オフアシスト制御は３相ともオフするまで継続する。すると先にオフした相は、検出系オフセットなどによる微小電流の極性を判断し、すでにオフしているにもかかわらず、矩形波状のオフアシスト電圧が印加されることになり、不要な過電圧の発生を誘発する。従ってこの実施例５においては、系統連系スイッチ２の各相を流れる電流を個別に判定し、一定レベル以下であればその相のスイッチはオフしたとみなして極性判定をロックしている。このように構成すればすでにオフした相によって、不要に矩形波電圧を印加して、過電圧、振動電圧などの擾乱を発生させることがない。

本発明の実施例１に係る電力変換装置のブロック構成図。 本発明の電力変換装置の動作を表すタイムチャート。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の変換器制御回路ブロック構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の変換器制御回路ブロック構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換装置の変換器制御回路ブロック構成図。 本発明の実施例５に係る電力変換装置の変換器制御回路ブロック構成図。

符号の説明

１ 電力系統
２ 系統連系スイッチ
３ 負荷
４ 変換装置
５ 直流電圧源
６ 電力変換器
７ フィルタ回路
８ 変圧器
９Ａ、９Ｂ 電圧検出器
１０ 電流検出器
１１ 変換器制御回路
１２ パルス制御回路
１３ 系統事故検出回路
１４ 系統連系スイッチオフ状態検出回路
１５、１５Ａ、１５Ｂ オフアシスト回路
１５１、１５１Ａ、１５１Ｂ、１５１Ｃ 系統連系スイッチ電流極性判定回路
１５２、１５２Ａ、１５２Ｂ、１５２Ｃ 矩形波発生回路
１５３、１５３Ａ、１５３Ｂ、１５３Ｃ 逆関数回路
１５４ 乗算器
１６ 制御モード切替器
１６１、１６２、１６３ 切替器
１７ 系統連系運転制御
１８ 自立運転制御
１９ １次遅れ回路
２０ オンディレー回路
２１ ゲイン演算器
２２Ａ、２２Ｂ、２２Ｃ レベル判定器
５１ 系統電圧信号
５２ 負荷電圧信号
５３、５３Ａ、５３Ｂ、５３Ｃ 系統連系スイッチ電流信号
５４ 系統連系スイッチオンオフ指令
５５ 出力電圧指令
５６ 系統事故信号
５７ 系統連系スイッチオフ状態検出信号
５８ 直流電圧検出信号

Claims (7)

1. 系統連系スイッチを介して電力系統と接続された負荷と並列に接続され、前記電力系統と連系運転を行う電力変換器と、
   前記電力変換器の直流側に接続された直流電源と、
   前記電力系統の異常を検出し、前記系統連系スイッチに開放指令を与える手段と、
   前記系統連系スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電力系統の異常が検出されたとき、前記系統連系スイッチに流れる電流を零とするために前記電力変換器の出力電圧を制御するオフアシスト制御手段と
   を具備し、
   前記オフアシスト制御手段は、
   前記電流検出手段によって得られた電流の極性に基づいて固定値を設定し、
   前記電力変換器の出力点から前記系統連系スイッチまでの伝達関数の逆関数を前記固定値に乗算して前記電力変換器の出力電圧指令とするようにしたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記系統連系スイッチがオフしたことを検出する手段を有し、
   前記系統連系スイッチがオフしたとき、前記電力変換装置の出力電圧指令を前記オフアシスト制御出力から前記前記電力変換装置が自立運転するための出力電圧指令に切り替えるようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力系統の電圧を検出する第１の電圧検出手段と前記負荷の電圧を検出する第２の電圧検出手段を有し、
   前記系統連系スイッチがオフしたことを検出する手段は、
   前記第１の電圧検出手段と第２の電圧検出手段から得られる電圧差が所定値以上なったこと、及び前記電流検出手段によって得られた電流が所定値以下となったことの少なくとも１つにより行うようにしたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電流検出手段は各相毎に行うようにし、
   前記オフアシスト制御手段は、各相毎に電流の極性判定、この極性判定に基づく固定値の設定及び逆関数の乗算を行って各相の出力電圧指令を得るようにし、
   前記系統連系スイッチに流れる各相の電流が夫々所定値以下のとき、該当する相の前記固定値の極性を夫々保持するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 系統連系スイッチを介して電力系統と接続された負荷と並列に接続され、前記電力系統と連系運転を行う電力変換器と、
   前記電力変換器の直流側に接続された直流電源と、
   前記電力系統の異常を検出し、前記系統連系スイッチに開放指令を与える手段と、
   前記系統連系スイッチに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電力系統の異常が検出されると、前記系統連系スイッチに流れる電流を零とするために前記電力変換器の出力電圧を、前記系統連系スイッチに流れる電流の極性に基づいて固定値に設定するオフアシスト制御手段と、
   前記電力系統の異常を検出したとき、前記電力変換器の系統連系運転制御時の出力電圧指令を前記オフアシスト制御手段の出力電圧指令に切り替える第１の切替手段と、
   前記系統連系スイッチを流れる電流が所定値以下となったとき、前記オフアシスト制御手段の出力電圧指令から前記電力変換器の自立運転制御時の出力電圧指令に切り替える第２の切替手段と
   を具備し、
   前記第１の切替手段及び前記第２の切替手段により前記出力電圧指令を切り替えるとき、遅れフィルタを付加するようにしたことを特徴とした電力変換装置。
6. 前記電力系統の電圧の大きさに応じて前記オフアシスト制御手段における前記出力電圧指令を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記直流電源の電圧の大きさに応じて前記オフアシスト制御手段における前記出力電圧指令を変化させるようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
   
   

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