JP2006311725A

JP2006311725A - 電力変換装置の制御装置

Info

Publication number: JP2006311725A
Application number: JP2005132231A
Authority: JP
Inventors: Koji Utsunomiya; 幸司宇都宮
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Company Holdings Inc
Priority date: 2005-04-28
Filing date: 2005-04-28
Publication date: 2006-11-09

Abstract

【課題】直流電源設備が自立運転に移行する際に突入電流の発生を抑制でき、しかも電圧低下を抑制できる電力変換装置の制御装置を提供することである。
【解決手段】直流電源設備１２が自立運転のときは、搬送波出力回路２３は系統連系運転のときより周波数の高い搬送波を選択して出力し、フィルタ制御回路２７は系統連系運転のときよりフィルタ回路２８のインダクタンスを相対的に小さくする。ＰＷＭ制御回路２２は、搬送波出力回路２３から発生される搬送波に基づいて基準信号発生手段２１からの基準信号波をＰＷＭ変調し、電力変換装置１３の出力が出力目標値になるように、電力変換装置１３のスイッチング素子を駆動制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流電源設備と交流系統との間で直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御装置に関する。

一般に、電力系統には電力会社の事業用発電所で発電された電力が供給され、需要家に電力が供給される。近年においては、電力の自由化により分散型電源からの電力も電力系統に供給され、また、電力会社においても分散型電源に相当する小型の電源設備を電力系統に接続し電力を供給することもある。一方、小型の電源設備から特定の専用負荷に電力を供給する場合もある。

分散電源や小型の電源設備は、太陽光発電システムや燃料電池発電システムであることが多く、その発電電力は直流電力であるので、以下、これらを総称して直流電源設備と呼ぶことにする。直流電源設備で発電された直流は、電力変換装置により交流に変換されて電力系統に連系されたり、特定の専用負荷に交流電力として供給されたりしている。また、二次電池を有した直流電源設備もあり、交流電力を直流電力に変換して二次電池に貯蔵できるようにしたもの、例えば、非常用発電兼用ＮＡＳ電池システムもある。

一方、直流を交流に変換する電力変換装置はインバータ装置と呼ばれているが、最近はインバータ装置でも交流を直流に変換する機能を備えたものが多くなっており、直流電力と交流電力との間で双方向に電力変換を行うことができるようになっている。二次電池を有したものでは、この双方向の電力変換装置が用いられる。

図３は双方向の三相電力変換装置の回路構成図である。双方向の三相電力変換装置の各アーム１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃは、スイッチング素子とダイオードとが並列接続されて形成され、また、平滑コンデンサ３が設けられている。

図４は、二次電池１１を有した直流電源設備１２および双方向の三相電力変換装置１３を電力系統に適用した系統図である。二次電池１１を有した直流電源設備１２は、電力変換装置１３を介して変圧器１４の二次側に接続されている。変圧器１４の二次側にはリアクトル１５及びコンデンサ１６が接続されてフィルタ回路を形成している。電力変換装置１３で変換された交流電圧は変圧器１４で昇圧され、遮断器１７ａ、１７ｂを介して交流系統５０に接続されるとともに、遮断器１７ｃを介して負荷１８ａに接続される。また、交流系統５０には遮断器１７ｄを介して交流電源１９が接続され、遮断器１７ｅを介して負荷１８ｂが接続されている。

電力変換装置１３は制御装置２０によりＰＷＭ制御され、直流と交流との間で電力変換を行う。制御装置２０の基準信号発生回路２１は、変圧器１４の一次側の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、三相交流電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力して基準信号波を生成してＰＷＭ制御回路２２に出力する。ＰＷＭ制御回路２２は、基準信号発生回路２１の基準信号と、搬送波出力回路２３の搬送波発生器２４から発生される搬送波を乗算器２５で直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃに乗算して得られた被変調信号とを比較し、電力変換装置１３の出力が出力目標値になるように電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御する。このように、電力変換装置１３のスイッチングキャリア周波数は、搬送波出力回路２３の搬送波発生器２４から発生される搬送波で決められる。通常、搬送波出力回路２３の搬送波発生器２４は１個であり、電力変換装置１３のスイッチングキャリア周波数は一定である。

ここで、スイッチングキャリア周波数を変化させる電力変換装置として、常時はＰＷＭ搬送周波数を低くして系統に接続されるＰＷＭ自励インバータを含む電力変換装置の損失を減らし、電圧擾乱発生時にはＰＷＭ搬送周波数を高くして高速応答の要求を満たすようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−３４１８６４号公報

直流電源設備には、交流系統と連系して運転される系統連系運転モードと、交流系統と切り離されて特定の負荷に電力を供給する自立運転モードとの二つの運転モードを持つものがある。例えば、図４の直流電源設備１２は、交流系統５０が健全であるときは遮断器１７ｂを閉じて交流系統５０と系統連系運転し、交流系統５０に事故が発生したときには遮断器１７ｂを開放して、特定の負荷１８ａに電力を供給する自立運転とする。

直流電源設備１２が系統連系運転から自立運転に移行する場合に、負荷１８ａによっては、突入電流が発生することがある。例えば、負荷１８ａが消防施設におけるポンプ駆動用の電動機である場合には、電動機の起動時に突入電流が発生する。この突入電流は、入力定格の６〜１０倍に相当することがある。このような突入電流が発生した場合、電力変換装置１３はその過電流を検出して停止することが多い。従って、自立運転の際の負荷１８ａの特性を考慮し、突入電流が発生したとしても、それに耐え得るように電力変換装置１３の容量を選定し導入しなければならない。

一方、従来の電力変換装置１３の制御装置２０では、搬送波出力回路２３は１個の搬送波発生器２４しか有していないので、系統連系運転時と自立運転時とのスイッチングキャリア周波数は同じとなる。従って、スイッチング周波数が低周波に設定されている場合には、突入電流のような過度な変化に対して応答が追従できないことが多い。制御装置２０の制御定数は、スイッチングキャリア周波数に見合う制御定数を用意することになるので、スイッチング周波数が低周波に設定されていればいるほど、過度な変化に対しての応答が遅れることになる。過度な変化に対しての応答が遅れると、突入電流が発生し電力変換装置１３が停止してしまうことになる。

特許文献１のものでは、常時はＰＷＭ搬送周波数を低くし、電圧擾乱発生時にはＰＷＭ搬送周波数を高くしてスイッチングキャリア周波数を切り替えるものであるが、ＰＷＭ自励インバータを含む電力変換装置の損失を減らすためであり、自立運転に移行の際に発生する突入電流のような過度な変化に対して適切に応答を追従させるためではない。

本発明の目的は、直流電源設備が自立運転に移行する際に突入電流の発生を抑制でき、しかも電圧低下を抑制できる電力変換装置の制御装置を提供することである。

請求項１の発明に係わる電力変換装置の制御装置は、直流電源設備と交流系統との間でフィルタ回路を介して直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御装置において、前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように基準信号波を発生する基準信号発生回路と、前記直流電源設備の運転モードが自立運転であるか系統連系運転であるかを判定する運転モード判定手段と、前記直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときより周波数の高い搬送波を選択して出力する搬送波出力回路と、前記直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときより前記フィルタ回路のインダクタンスを相対的に小さくするフィルタ制御回路と、前記搬送波出力回路から発生される搬送波に基づいて前記基準信号発生手段からの基準信号波をＰＷＭ変調し前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように前記電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御するＰＷＭ制御回路とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる電力変換装置の制御装置は、請求項１の発明において、前記基準信号発生回路は、前記直流電源設備が系統連系運転のときは前記電力変換装置の出力電力が所定値になるような基準信号波を出力し、前記直流電源設備が自立運転のときは前記電力変換装置の出力電圧が所定値になるような基準信号波を出力することを特徴とする。

本発明によれば、直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときより周波数の高い搬送波を選択するので、ＰＷＭ制御が高速に行え、自立運転時に発生する負荷の突入電流を抑制できる。また、直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときよりフィルタ回路のインダクタンスを相対的に小さくするので、速く変化する電流を通しやすくなり電圧変化が抑制され電圧低下を防止できる。

以下、本発明の実施の形態を説明する。図１は本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の制御装置および直流電源設備を電力系統に適用した系統図である。この第１の実施の形態は、図４に示した従来例に対し、直流電源設備１２の運転モードが自立運転であるか系統連系運転であるかを判定する運転モード判定手段２６と、直流電源設備１２が自立運転のときは系統連系運転のときよりフィルタ回路のインダクタンスを相対的に小さくするフィルタ制御回路２７とを追加して設けるとともに、搬送波出力回路２３は２個の搬送波発生器２４ａ、２４ｂを有し、直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときより周波数の高い搬送波を選択するとともに、フィルタ回路のインダクタンスを相対的に小さくするようにしたものである。図４と同一要素には同一符号を付し重複する説明は省略する。

二次電池１１を有した直流電源設備１２は、電力変換装置１３を介して変圧器１４の二次側に接続され、その変圧器１４の二次側にはフィルタ回路２８が形成されている。フィルタ回路２８は、リアクトル１５ａ、１５ｂ及びコンデンサ１６ａ、１６ｂで形成され、フィルタ回路２８のリアクトル１５ｂは、制御装置２０のフィルタ制御回路２７からの指令によりスイッチ２９が閉じたときに短絡されるように構成されている。後述するように、遮断器１７ｂが開き直流電源設備１２が自立運転となったときに、スイッチ２９が閉じフィルタ回路２８のインダクタンスが相対的に小さくなる。

直流電源設備１２は、交流系統５０が健全であるときは遮断器１７ｂを閉じて交流系統５０と系統連系運転し、交流系統５０が健全でなくなったときには遮断器１７ｂを開放して、特定の負荷１８ａに電力を供給する自立運転となる。制御装置２０の運転モード判定手段２６は、交流系統５０が健全であるか否かを判定するものであり、交流系統５０の三相交流電圧Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１が所定の電圧値を維持している場合には交流系統５０は健全であると判定し、直流電源設備１２の運転モードは系統連系運転モードであると判定する。一方、交流系統５０の三相交流電圧Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１が所定値以下（例えば、零）であるときは、直流電源設備１２は遮断器１７ｂにより交流系統５０から切り離され、自立運転モードであると判定する。

制御装置２０の搬送波出力回路２３は２個の搬送波発生器２４ａ、２４ｂを有し、直流電源設備１２が自立運転のときは系統連系運転のときより周波数の高い搬送波を選択する。例えば、搬送波発生器２４ａは周波数の低い搬送波を発生するものであり、搬送波発生器２４ｂは周波数の高い搬送波を発生する。そして、運転モード判定手段２６で判定した運転モードに基き、搬送波出力回路２３の切替手段３０を切り替えて、搬送波発生器２４ａ、２４ｂのいずれかを選択する。すなわち、直流電源設備１２が系統連系運転であるときは、搬送波出力回路２３の切替手段３０により周波数の低い搬送波を発生する搬送波発生器２４ａを選択し、直流電源設備１２が自立運転であるときは、搬送波出力回路２３の切替手段３０により周波数の高い搬送波を発生する搬送波発生器２４ｂを選択する。搬送波出力回路２３で選択された搬送波は、直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃに乗算器２５で乗算されＰＷＭ制御回路２２に入力される。

制御装置２０の基準信号発生回路２１は、運転モード判定手段２６で判定された運転モード、変圧器１４の一次側の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃ、三相交流電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ、変圧器１４の二次側の電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを入力し、運転モードに応じた基準信号波を生成する。後述するように、運転モードが系統連系運転であるときは電力変換装置１３が所定の電力を出力するように電力目標値の基準信号波を出力し、運転モードが系統連系運転であるときは電力変換装置１３が所定の電圧を出力するように電圧目標値の基準信号波を出力する。基準信号発生回路２１で生成された基準信号波はＰＷＭ制御回路２２に出力される。

ＰＷＭ制御回路２２では、基準信号発生回路２１からの基準信号と、乗算器２５で乗算して得られた被変調信号（直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃと搬送波との積）とを比較し、電力変換装置１３の出力が出力目標値になるように電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御する。

一方、制御装置２０のフィルタ制御回路２７は、運転モード判定手段２６で判定された運転モードを入力し、直流電源設備１２が自立運転であるときは、フィルタ回路２８のスイッチ２９を閉じる。これにより、リアクトル１５ｂを短絡してフィルタ回路２８のインダクタンスを系統連系運転のときより相対的に小さくする。

このように、ＰＷＭ制御回路２２でのスイッチング周波数を系統連系運転時と自立運転時により切り替え、自立運転時は系統連系運転時より高い周波数のスイッチングキャリア周波数とし、自立運転時の負荷の変動に応答できる制御速度を持たせる。また、その際に、主回路のフィルタ回路２８を形成する１５ｂを短絡して、相対的にコンデンサ１６ａ、１６ｂの容量を大きくする。これにより、コンデンサの容量が大きくなりフィルタ回路２８は速く変化する電流（電流の高周波成分）を通しやすく、その結果として両端の電圧をなるべく一定にしようとすることから、自立運転時の電圧を一定に維持できる。

図２は、本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の制御装置２０の構成図である。制御回路２０の基準信号発生回路２１は、電力変換装置１３の出力電力が所定電力値になるように制御する電力制御部３２と、電力変換装置１３の出力電圧が所定電圧値になるように制御する電圧制御部３３とを有し、電力制御部３２および電圧制御部３３の出力信号は切替手段３１により切り替えられる。

電力制御部３２の三相／ｄｑ変換手段３４は、変圧器１４の一次側の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃおよび三相交流電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃを入力し、それぞれについて三相／ｄｑ変換を行う。そして、有効電力演算手段３５は三相／ｄｑ変換手段３４で変換されたｄ軸電圧およびｄ軸電流から電力変換装置１３の出力する有効電力を演算し、有効電力制御手段３６に出力する。有効電力制御手段３６は、電力変換装置１３の出力有効電力と出力電力目標値設定手段３７に設定された有効電力目標値との偏差が零となるような操作信号をｄｑ／三相変換手段３８に出力する。

同様に、無効電力演算手段３９は三相／ｄｑ変換手段３４で変換されたｑ軸電圧およびｑ軸電流から電力変換装置１３の出力する無効電力を演算し、無効電力制御手段４０に出力する。無効電力制御手段４０は、電力変換装置１３の出力無効電力が零になるような操作信号をｄｑ／三相変換手段３８に出力する。

ｄｑ／三相変換手段３８は、電力変換装置１３の出力有効電力が出力電力目標値設定手段３７に設定された有効電力目標値になるように、また電力変換装置１３の出力無効電力が零となるように、同期処理手段４１から得られる変圧器１４の一次側の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを同期信号としてｄｑ／三相変換を行い切替手段３１に出力する。

一方、電圧制御部３３の電圧制御手段４２は出力電力入力手段４３を介して変圧器１４の一次側の三相交流電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを入力し、電力変換装置１３の出力電圧が出力電圧目標値設定手段４４に設定された電圧目標値となるような操作信号を三相基準正弦波生成手段４５に出力する。三相基準正弦波生成手段４５は電力変換装置１３の出力電圧が電圧目標値となる三相基準正弦波を切替手段３１に出力する。

次に、運転モード判定手段２６は交流系統５０の三相電圧Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１を入力し、交流系統５０が健全であるか否かを判定する。例えば、交流系統５０の三相交流電圧Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１が所定の電圧値を維持している場合には交流系統５０は健全であると判定し、直流電源設備１２の運転モードは系統連系運転モードであると判定する。交流系統５０の三相交流電圧Ｖａ１、Ｖｂ１、Ｖｃ１が所定値以下（例えば、零）であるときは、直流電源設備１２は遮断器１７ｂにより交流系統５０から切り離され、自立運転モードであると判定する。

運転モード判定手段２６は、系統連系運転モードであるときは切替手段３１を電力制御部側に切り替える。これにより、系統連系運転モードであるときには電力変換装置１３の出力は所定の電力を出力するように制御される。一方、自立運転モードであるときは切替手段３１を電圧制御部３３側に切り替える。これにより、自立運転モードであるときには電力変換装置１３の出力は所定の電圧を維持するように制御される。

切替手段３１で切り替えられた電力制御部３２または電圧制御部３３の出力信号は、三相電流補正手段４６に入力される。三相電流補正手段４６には、変圧器１４の二次側の電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ（電力変換装置１３の三相出力電流）が入力され、切替手段３１で切り替えられた電力制御部３２または電圧制御部３３の出力信号に乗算される。これにより、三相の基準信号が得られ、各々のコンパレータ４７ａ、４７ｂ、４７ｃに入力される。

一方、各々のコンパレータ４７ａ、４７ｂ、４７ｃには、直流電源設備１２の直流電圧Ｖｄｃに搬送波出力回路２３の搬送波発生器２４ａ、２４ｂから発生される搬送波を乗算器２５で乗算して得られた被変調信号が入力され、基準信号波と比較される。そして、その比較結果は正出力バッファ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ及び反転出力バッファ４９ａ、４９ｂ、４９ｃから出力される。正出力バッファ４８ａ、４８ｂ、４８ｃ及び反転出力バッファ４９ａ、４９ｂ、４９ｃの出力信号は電力変換装置１３の各アームのスイッチング素子１ａ〜１ｃ、２ａ〜２ｃをオンオフして、電力変換装置１３の交流出力電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃが出力電流目標値になるようにＰＷＭ制御する。

本発明の実施の形態によれば、直流電力設備１２の自立運転時は、系統連系運転時より高い周波数のスイッチングキャリア周波数とするので、自立運転時の負荷の変動に応答できる制御速度で電力変換装置１３の出力電圧を制御できる。その際に、主回路のフィルタ回路２８を形成する１５ｂを短絡して、相対的にコンデンサ１６ａ、１６ｂの容量を大きくするので、フィルタ回路２８は速く変化する電流を通しやすく、その結果として自立運転時の電圧を一定に維持できる。

本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の制御装置および直流電源設備を電力系統に適用した系統図。本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の制御装置の構成図。双方向の三相電力変換装置の回路構成図。二次電池を有した直流電源設備および双方向の三相電力変換装置を電力系統に適用した系統図。

符号の説明

１１…二次電池、１２…直流電源設備、１３…電力変換装置、１４…変圧器、１５…リアクトル、１６…コンデンサ、１７…遮断器、１８…負荷、１９…交流電源、２０…制御装置、２１…基準信号発生回路、２２…ＰＷＭ制御回路、２３…搬送波出力回路、２４…搬送波発生器、２５…乗算器、２６…運転モード判定手段、２７…フィルタ制御回路、２８…フィルタ回路、２９…スイッチ、３０…切替手段、３１…切替手段、３２…電力制御部、３３…電圧制御部、３４…三相／ｄｑ変換手段、３５…有効電力演算手段、３６…有効電力制御手段、３７…出力電力目標値設定手段、３８…ｄｑ／三相変換手段、３９…無効電力演算手段、４０…無効電力制御手段、４１…同期処理手段、４２…電圧制御手段、４３…出力電力入力手段、４４…出力電圧目標値設定手段、４５…三相基準正弦波生成手段、４６…三相電流補正手段、４７…コンパレータ、４８…正出力バッファ、４９…反転出力バッファ、５０…交流系統

Claims

直流電源設備と交流系統との間でフィルタ回路を介して直流電力と交流電力との電力変換をＰＷＭ制御により行う電力変換装置の制御装置において、
前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように基準信号波を発生する基準信号発生回路と、
前記直流電源設備の運転モードが自立運転であるか系統連系運転であるかを判定する運転モード判定手段と、
前記直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときより周波数の高い搬送波を選択して出力する搬送波出力回路と、
前記直流電源設備が自立運転のときは系統連系運転のときより前記フィルタ回路のインダクタンスを相対的に小さくするフィルタ制御回路と、
前記搬送波出力回路から発生される搬送波に基づいて前記基準信号発生手段からの基準信号波をＰＷＭ変調し前記電力変換装置の出力が出力目標値になるように前記電力変換装置のスイッチング素子を駆動制御するＰＷＭ制御回路と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
前記基準信号発生回路は、前記直流電源設備が系統連系運転のときは前記電力変換装置の出力電力が所定値になるような基準信号波を出力し、前記直流電源設備が自立運転のときは前記電力変換装置の出力電圧が所定値になるような基準信号波を出力することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の制御装置。