JP2008228552A - 交流電源品質補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】需要家の交流電源電圧にインバータを正弦波電圧連系することにより、交流電圧波形を改善する交流電源品質補償装置は、需要家の非線形負荷により高調波電流に対する波形補償だけでなく、電源上位系統からの波形歪みを同時に補償できるが、報告されている制御システムでは、インバータの瞬時電流基準が得られないため平均値制御によっていたため、十分な波形補償ができないだけでなく直流電流を含むなどの課題があった。
【解決手段】インバータを正弦波電圧連系することにより、交流電圧波形を改善する交流電源品質補償装置において、インバータの瞬時電流基準をインバータの直流電圧制御ループからの出力と交流電源同期信号から得られる基準量に、ＰＷＭ制御する信号量から電流基準補正部を付加することにより、適切な瞬時電流基準を得て、実電流と瞬時値比較制御することにより、直流電流が流れることなく安定に正弦波電圧連系させることを可能とした電流基準補正部を含むことを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源に同期した正弦波ＰＷＭ制御されたインバータ出力を交流電源に接続することにより受電端での交流電源電圧波形を改善する交流電源品質補償装置に関する。

交流電源ラインには、整流回路を主とする数多くの非線形負荷が接続されるために、高調波電流が流れ、受電端での交流電圧波形がひずむようになっており、この電圧歪みが同じ電源ラインに接続される機器に悪影響を及ぼす事例が報告されている。

受電端での交流電源電圧の波形歪みは、主として需要家が高調波電流負荷を接続することにより発生するものであるが、近年の非線形電力負荷の増大により配電系統の電圧波形がひずむようになっている。

このため、高調波電圧歪みが問題となるケースではアクティブフィルタが設置されるが、電流波形改善を行うのが主目的であるため、上位の系統からの波形歪みを補償することはできない。

そこで、需要家内の交流電源電圧波形を直接的に改善する手法として、交流電源に同期した正弦波電圧をインバータで発生させることにより、需要かの非線形負荷による波形歪みだけでなく、上位系統からの電圧波形歪みを補償する方法を提案報告している。

しかし、インバータを交流電源に接続する電流にｓついては、平均的な制御だけで瞬時電流を直接的に制御する構成となっていなかったため、応答性が劣り十分な波形補償ができていなかった。

また、インバータは交流電圧源として接続するために、直流電流が流れるなどの問題も生じていた。

従来から報告されている正弦波電圧連系による交流電圧補償装置の問題は、インバータを受電の交流電源に接続することにより、交流電源波形を改善する交流電源品質保証装置において、これまでに報告されていた制御が、連系するインバータの電圧制御法として、平均的な交流電流で制御系を構成していたことに原因があった。

本発明は、インバータを受電の交流電源に接続することにより、交流電源波形を改善する交流電源品質保証装置において、連系するインバータの電圧制御法として、平均的な交流電流制御系で構成していた交流電圧制御手法を、電流基準補正部を含む瞬時電流制御系を含ませることにより問題点を解決する連系制御法を提供することを目的とする。

第１の観点では、本発明は、ラインインピーダンスを含む交流電源に、直流回路にコンデンサを含むインバータを接続構成した電力変換回路を用いて、インバータの交流出力平均電圧を電源電圧と同期した正弦波電圧に制御することにより、交流電源ラインの交流電圧波形を改善する補償装置において、インバータの直流電圧を適切な基準値と一致させる電圧調節器の出力から交流電源電圧に同期した電流基準を発生させ、この電流基準にインバータからの線路電流が一致するように電流調節器の出力からインバータをＰＷＭ制御する制御電圧を発生させＰＷＭ制御する制御システムにおいて、電流調節器の出力から基本波成分以外の成分を抽出してゲイン調節された出力で、基準電流を補正する電流基準補正部を含むことを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
上記第１の観点による交流電源品質補償装置の基本構成例を図１に示す。本発明の交流電源品質補償装置は、インバータの直流電圧が一定の基準値と一致するように電圧調節器を設けた電圧制御ループにより、連系する電流の大きさを決定し、インバータが接続される交流電源に同期した基準電流を生成し、連系する実電流と一致するように電流調節器を設けた電流制御ループを介して生成した制御信号を、電流基準補正部からの補正量により電流基準を補正するループを含めることにより瞬時電流波形を制御しながらインバータを制御し正弦波電圧連系することにより、交流電源品質の改善を行うことができる。

第２の観点では、本発明は、請求項１記載の交流電源品質補償装置において、交流電源は単相交流電源とし、電流基準補正部に、ＢＥＦ（帯域除去フィルタ）部とゲイン調節部を含むことを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
上記第２の観点による交流電源品質補償装置の基本構成例を図２に示す。上記第２の観点による交流電源品質補償装置では、インバータの直流電圧を基準値と一致させる電圧当節器の出力で基準電流の振幅値を決定し、交流電源電圧と同期した正弦波の電流基準を生成し、連系する実電流と一致するように電流調節器の出力から、ＢＥＦ（帯域除去フィルタ）部とゲイン調節部からなる電流基準補正部の出力で基準電流を補正することにより、正弦は電圧連系統を容易にさせることができる。

第３の観点では、本発明は、請求項１記載の交流電源品質補償装置において、交流電源は三相交流電源とし、三相の交流電流を検出し、回転座標変換を行った二軸成分量が、インバータの直流電圧を適切な基準値と一致させる電圧調節器の出力で生成させた電流基準

れた出力を、ＨＰＦ（低域除去フィルタ）部とゲイン調節器で構成する電流基準補正部により、基準電流を補正することを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
上記第３の観点による交流電源品質補償装置の基本構成例を図３に示す。上記第３の観点による交流電源品質補償装置では、三相システムとしての構成であり、連系する交流電流を回転座標変換し、二軸成分電流を検出し、インバータの直流電圧が一定の基準値と一

をもとに、三相ＰＷＭ制御することによりインバータを正弦波電圧連系するとき、電流調節器からの二軸成分電圧出力を、、ＨＰＦ（低域除去フィルタ）部とゲイン調節器で構成する電流基準補正部により、基準電流を補正することことにより、正弦波電圧連係を容易にさせることができる。
単相システムにおいては、座標変換を用いないため、交流量を直接制御することになるが、三相システムにいては、制御系の構成が簡単となるため、回転座標変換を行った量で制御系を組むため、正弦波電圧連係制御が行われるときは、インバータのＰＷＭ制御信号は直流量となる。このため、基準電流補正部の構成が、単相システムではＢＥＦ（帯域除去フィルタ）部を用いて構成されるが、三相システムではＨＰＦ（低域除去フィルタ）部を用いた構成となっている。

第４の観点では、本発明は、前記第１〜３のいずれかの観点による交流電源品質補償装置において、電流基準補正部におけるゲイン調整により、制御システムを安定化させることを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
上記第４の観点は、ある値以上のゲインを設定することにより電流基準補正部の出力で基準電流を補正することにより、交流電源品質補償装置を振動を伴うことなく安定に動作させることができる。

第５の観点では、本発明は、前記第１〜３のいずれかの観点による交流電源品質補償装置において、ゲイン調整により、連系する交流電圧を正弦波に近づけることにより、波形補償効果を高めることを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
上記第５の観点は、ある値以上のゲインを設定することにより電流基準補正部の出力で基準電流を補正することにより、連系電圧をより正弦波に近づけることができ交流電源品質補償装置としての波形改善効果を高めることができる。

第６の観点では、本発明は、前記第１〜５のいずれかの観点による交流電源品質補償装置において、インバータの直流側に蓄電池、太陽電池や燃料電池等を接続することにより、交流系統と有効電力授受を行わせることができることを特徴とする交流電源品質補償装置を提供する。
上記第６の観点は、インバータの直流側に蓄電池、太陽電池や燃料電池等を接続することにより、インバータの直流回路と交流回路間で交流電源品質補償を行うながら有効電力授受を行うことができる。

太陽光発電や燃料電池などの直流電力を交流電力に変換して交流電源系統に給電する交直連系電力変換装置の導入は今後急増するものと考えられ、インバータの系統連系指針としてシステム全体が改善できるものが求められる。本発明の交直連系電力変換装置は装置容量を増大させることなく、一般の制御システムの交流電圧波形制御ループを付加するだけで配電系統システム、電力系統システム全体の電源品質改善が可能である。今後、系統連系ガイドラインの見直しにより、標準的な連系制御手法になると予想され、配電系統システム、電力系統システム全体の電源品質改善に貢献できるものと期待できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

（第１の実施の形態）
第１の実施の形態に係わるブロック図を図４に示す。図４は図２に示す制御ブロックを具現化したものである。図２において、インバータ１の直流側のコンデンサ２の両端の電

圧Ｅｄに一致するようにそれらの差分を電圧調節器７に導き、この出力で電流基準の大き

正弦波ｓｉｎθ出力を乗算することにより、得られた電流基準に電流基準補正部５１からの出力で補正した量を電流基準値とし、実電流と一致するように電流調節器１３によりΠΩＭ制御信号εσγを得る。電流基準補正部５１は、ＢＥＦ（帯域除去フィルタ）部とゲイン調節部で構成される。インバータは電流補正された基準値と実電流が一致する用に制御することにより、ほぼ正弦波の制御信号ｅｓｇを発生させることにより、極めて安定に交流電源品質保証装置を働かせる構成となっている。図４は、シミュレーション回路で制御システムの動作を確認するブロック図である。

（第２の実施の形態）
第２の実施の形態に係わるブロック図を図７に示す。図７は図３に示す制御ブロックを具現化したものである。図３において、インバータ１の直流側のコンデンサ２の両端の電

圧Ｅｄに一致するようにそれらの差分を電圧調節器７に導き、この出力で二軸成分電流の

補正部５３，５４からの出力で補正した量を二軸電流基準値とし、電流検出器４で検出した実電流を回転座標変換部１０で座標変換した量と対応させて基準電電流調節器２５，２６により電流比較制御をおこない、この二軸電圧量Ｖδ、Ｖγをもとに三相ＰＷＭ制御信号を発生させインバータ１を制御する構成を取っている。ここで、電流基準補正部は、回転座標変換量を扱うため、ＨＰＦ（低域除去フィルタ）部２１，２２およびゲイン調節器２３，２４で構成している。図７は、図３の制御ブロックを具現化した実験システムの回路構成ブロックである。図７の実験回路では、インバータの直流回路に太陽電池を模擬実験するため、直流電圧源を抵抗を介して接続している。

以下、本発明の実施例を説明する。

前記第１の実施の形態の図４に示す交流電源品質補償装置において、最大振幅１２０Ｖの交流電源電圧Ｅｓ＝１００Ｖ，周波数ｆ＝６０Ｈｚ，電源インダクタンスＬｓ＝２ｍＨ，連系インバータの直流コンデンサＣｄ＝２０００μＦ、直流基準電圧Ｅｄｒ＝１５０Ｖ，連系インダクタンスＬｂ＝１Ｈ、交流端子に接続する抵抗・コンデンサＣｆ＝１０ｕＦ，Ｒｆ＝０．１オームの回路定数のもとで、交流負荷としてダイオードブリッジの整流回路（平滑コンデンサＣ０＝２２００ｕＦ，、負荷抵抗Ｒｏ＝５０オーム、接続インダクタンスＬｏ＝２ｍＨ）が接続されているときの動作波形を図５に示す。図６は、本発明の補償装置を接続していない場合の動作波形である。
上位系統の電圧振幅が１２０Ｖにクランプされた歪波電圧と非線系負荷としてコンデンサインプット形整流回路が接続されているが、本発明の制御により交流負荷端子電圧ｅｏの波形歪みは無制御の場合に比べて大幅に低減できており、波形改善に有効であることが確認できる。

前記第２の実施の形態の図７に示す交流電源品質補償装置において、三相交流電源電圧Ｅｓ＝２００Ｖ，周波数ｆ＝６０Ｈｚ，電源インダクタンスＬｓ＝４ｍＨ，連系インバータの直流コンデンサＣｄ＝３０００μＦ、直流基準電圧Ｅｄｒ＝３００Ｖ，連系インダクタンスＬｂ＝１．６ｍＨ、交流端子に接続する抵抗・コンデンサＣｆ＝３０ｕＦ，Ｒｆ＝５オームの回路定数のもとで、交流負荷としてダイオードブリッジの整流回路（平滑コンデンサＣ０＝１８００ｕＦ，、負荷抵抗Ｒｏ＝７０オーム、接続インダクタンスレＬｏ＝１ｍＨ）とインバータの直流回路にＥｄｓ＝３１５Ｖ，Ｒｓ＝２．５オームの模擬太陽電池が接続されているときの動作波形を図８に示す。図９は、本発明の補償装置を接続していない場合の動作波形である。
上位系統の交流電源電圧が歪波電圧であり、非線形負荷としてコンデンサインプット形整流回路が接続されてても、本発明の制御により交流負荷端子電圧ｅｏの波形歪みは、無制御の場合に比べて大幅に低減できており、波形改善に有効であることが確認できる。

本発明の第１の観点による交流電源品質補償装置。 本発明の第２の観点による交流電源品質補償装置。 本発明の第３の観点による交流電源品質補償装置。 本発明の第１の実施の形態に係る交流電源品質補償装置のブロック図 本発明の第２の実施の形態に係る交流電源品質補償装置のブロック図 本発明の実施例１に係るシミュレーション波形 本発明の実施例１に係るシミュレーション波形 本発明の実施例１に係る実験結果 本発明の実施例１に係る実験結果

符号の説明

１…インバータ
２…コンデンサ
３…交流電源
４…電流検出器
５…電圧検出器
６…基準電圧設定部
７…電圧調節器
８…正弦波発生部
９…乗算器
１０…回転座標変換部
１１…ゲイン調節部
１２…ＢＥＦ（帯域除去フィルタ）部
１３…電流調節器部
１４…基準電流補正部
１５…ＰＷＭ制御信号発生部
１６…ＰＷＭ制御信号発生部（三相）
１１…ゲイン調節部
２１…ＨＰＦ（低域除去フィルタ）部
２２…ゲイン調節部
２３…ＨＰＦ（低域除去フィルタ）部
２４…ゲイン調節部
２５…電流調節部
２６…電流調節部
３０…交流電源
５０…基準電流発生部
５１…基準電流補正部
５３…基準電流補正部
５４…基準電流補正部
１００…インバータ制御部

Claims (6)

1. ラインインピーダンスを含む交流電源に、直流回路にコンデンサを含むインバータを接続構成した電力変換回路を用いて、インバータの交流出力平均電圧を電源電圧と同期した正弦波電圧に制御することにより、交流電源ラインの交流電圧波形を改善する補償装置において、インバータの直流電圧を適切な基準値と一致させる電圧調節器の出力から交流電源電圧に同期した電流基準を発生させ、この電流基準にインバータからの線路電流が一致するように電流調節器の出力からインバータをＰＷＭ制御する制御電圧を発生させＰＷＭ制御する制御システムにおいて、電流調節器の出力から基本波成分以外の成分を抽出してゲイン調節された出力で、基準電流を補正する電流基準補正部を含むことを特徴とする交流電源品質補償装置。
2. 請求項１記載の交流電源品質補償装置において、交流電源は単相交流電源とし、電流基準補正部に、ＢＥＦ（帯域除去フィルタ）部とゲイン調節部を含むことを特徴とする交流電源品質補償装置。
3. 請求項１記載の交流電源品質補償装置において、交流電源は三相交流電源とし、三相の交流電流を検出し、回転座標変換を行った二軸成分量が、インバータの直流電圧を適切な
   

   

   フィルタ）部とゲイン調節器で構成する電流基準補正部により、基準電流を補正することを特徴とする交流電源品質補償装置。
4. 上記記載の請求項１〜３において、電流基準補正部におけるゲイン調整により、制御システムを安定化させることを特徴とする交流電源品質補償装置。
5. 上記記載の請求項１〜３において、電流基準補正部におけるゲイン調整により、連系する交流電圧を正弦波に近づけることにより、波形補償効果を高めることを特徴とする交流電源品質補償装置。
6. 上記記載の請求項１〜５において、インバータの直流側に蓄電池、太陽電池や燃料電池等を接続することにより、交流系統と有効電力授受を行わせることができることを特徴とする交流電源品質補償装置

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