JP2011114948A - 連系インバータの自立運転復旧方式 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力系統と連系運転される連系インバータに対し、大きな電圧擾乱を発生することなく自立運転から連系運転への復旧を可能とする。
【解決手段】 電力系統と連系運転され直流電源から発生した直流電力を交流電力に変換する連系インバータ（電力変換装置）を、自立運転から連系運転へ復旧させる場合に、インバータの出力電圧周波数と系統周波数を基に、出力電圧周波数を系統周波数へ徐々に近付くように周波数補正をした後に位相補正をすることで、出力電圧周波数と系統周波数との偏差が大きい場合でも、出力電圧波形に大きな歪みを発生させることなく周波数・位相補正を可能にする。
【選択図】 図１Ａ

Description

この発明は、太陽電池や蓄電池等の直流電源の直流電力を、系統電源の電圧および周波数・位相に同期した交流電力に変換して電力系統と連系運転される電力変換装置（以下、インバータともいう）、特に自立運転から連系運転に復旧する際の周波数・位相の同期方式に関する。

一般に、太陽電池や蓄電池等の直流電源から発生した直流電力を、インバータで交流電力に変換して電力系統に連系する分散電源システムは、系統正常時の連系運転の他に、停電など系統異常時に負荷へ電力を供給する自立運転に対応可能であることが要求される。
そこで、例えば特許文献１には、インバータの制御方式として連系運転と自立運転に対応する制御方式を別々に設け、系統が正常な場合は連系運転を行ない、連系運転中に系統異常を検出したら自立運転に切り替え、また自立運転中に系統が復旧したことを検出したら連系運転に切り替える方式が提案されている。

しかし、自立復旧において、系統が復旧したことだけを基にして連系運転に切り替えた場合、インバータの出力電圧位相と系統位相は大きくずれている可能性があり、系統に擾乱をきたすおそれがある。そのため、復旧前（運転の切替え前）に、この位相のずれを補正する必要があるが、一気に補正すると出力電圧波形に歪みが生じ、負荷機器に悪影響を及ぼす可能性がある。この対策として、特許文献２ではインバータの出力電圧位相と系統位相を比較し、最適な位相補正係数を用いて、出力電圧位相を系統位相に速やかに同期させる方式が提案されている。

図７は特許文献２に開示の方式を説明するためのブロック図である。
同図において、制御ブロック14a，14b，14cは系統の周波数を基に、インバータの出力位相θｎを更新する。制御ブロック14dはその出力位相θｎと系統位相θoとを用い、位相差の大きさによって位相補正係数を補正する。ここで、位相差が大きい場合には位相補正係数を小さな値にセットして、出力電圧位相を系統位相にゆっくりと合わせ、位相差が小さい場合には位相補正係数を大きな値にセットして、出力電圧位相を系統位相に速やかに合わせるようにする。

特開平０８−１９６０４０号公報 特開２００３−１６９４８２号公報

図７では商用電源を想定しており、分散型電源などを用いる小規模電力系統に対しては、下記のような問題がある。
すなわち、商用電源は周波数が規定されているため系統周波数は一定であるが、小規模電力系統では系統に接続されている各電源の特性に応じて系統連系制御を行なう。つまり、小規模電力系統では、各電源がそのときのシステムの状態に応じて最適な発電を行なうため、系統周波数は可変である。よって、自立復旧時の周波数・位相合わせ開始時に、商用電源の場合はインバータと系統の周波数の差は小さいが、小規模電力系統の場合は周波数の差が小さいとは限らない。

このように、系統周波数が可変である小規模電力系統に対し、自立復旧時の周波数・位相合わせを位相補正のみで行なうと、インバータと系統の周波数の差が大きいときは周波数変動に追従できず、補正に時間が掛かる。または、正常に位相を追従させることができず、変換装置に過大な負荷を与え、装置故障を引き起こすおそれがある。
従って、この発明の課題は、大きな電圧擾乱を発生することなく自立運転から連系運転への復旧を可能とすることにある。

上記のような課題を解決するため、請求項１の発明では、電力系統と連系運転され、直流電源より発生した直流電力を交流電力に変換する連系インバータにおいて、
系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段の検出値に基づいて系統の周波数を求める系統周波数算出手段と、
この周波数演算手段の出力から系統の位相を求める系統位相算出手段と
前記系統周波数算出手段にて求めた系統周波数と、前記インバータの出力周波数指令との偏差を基にインバータの出力周波数指令を補正し、補正後の出力周波数指令から出力位相指令を生成する第１の位相補正制御部と、
前記系統位相算出手段にて求めた系統位相と前記インバータの出力位相指令との偏差を基にインバータの出力位相を補正し、補正した出力位相指令を生成する第２の位相補正制御部と、
周波数の偏差から系統とインバータの周波数が一致したか否かを判定する周波数一致判定部と、
位相の偏差から系統とインバータの位相が一致したか否かを判定する位相一致判定部と、
前記周波数一致判定部と位相一致判定部の各結果を基に、前記第１の位相補正制御部と前記第２の位相補正制御部の何れを一方を選択する選択モード切替え指令部と、
この選択モード切替え指令部により選択された第１または第２位相補正制御部の出力位相指令から、インバータを構成する半導体スイッチに対するゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
を備え、自立運転から連系運転への切替えを検出したときは、周波数を補正した後に位相を補正することを特徴とする。

請求項２の発明では、電力系統と連系運転され、直流電源より発生した直流電力を交流電力に変換する連系インバータにおいて、
系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
この電圧検出手段からの検出値に基づいて系統の位相を算出する位相算出手段と、
この位相算出手段で算出された系統位相と前記連系インバータの出力位相指令との偏差が一定となるように出力位相指令を補正する第１の位相補正制御部と、
前記位相算出手段にて算出された系統位相と前記連系インバータの出力位相指令との偏差とを基に連系インバータの出力位相の補正を行ない、補正された出力位相指令を生成する第２の位相補正制御部と、
位相算出手段にて検出された系統位相と前記連系インバータの出力位相指令との偏差と、この偏差の前回値との大小比較結果から、前記第１と第２の位相補正制御部の切替えを行なう切替え手段と、
切り替えられた第１または第２の位相補正制御部の出力位相指令から連系インバータを構成する半導体スイッチのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
を設け、自立運転から連系運転への運転切替えの際に、第１の位相補正制御による制御を実行した後に第２の位相補正制御部による制御を実行することを特徴とする。

上記請求項２の発明においては、前記第１の位相補正制御部は、系統位相と出力位相指令との偏差を保持する前回値保持部と、系統位相と出力位相指令との偏差と、前記前回値保持部で保持された系統位相と出力位相指令との偏差とを用いて位相入力信号の補正を行なう位相関係判定部と、この位相関係判定部で補正された位相入力信号が一定となるように出力位相指令を補正する補正部とからなることができ（請求項３の発明）、または、前記第２の位相補正制御部は、系統位相と出力位相指令とを用いて、系統位相に出力位相指令を一致させる位相補正部を有することができる（請求項４の発明）。

この発明によれば、自立運転から復旧する場合に、連系インバータの出力電圧周波数と系統周波数とを用いて、まず連系インバータの出力電圧周波数を系統周波数へ徐々に近付くように周波数補正をし、周波数の差が小さくなった後に位相補正を行なう。これにより、連系インバータの出力電圧周波数と系統周波数との偏差が大きい場合でも、連系インバータの出力電力波形に歪みを生じさせることなく、周波数・位相の補正を行なうことができる。自立復旧時の周波数・位相補正を早期に開始できるため、従来に比べ周波数・位相補正完了が早く、速やかな復旧が可能となる。また、上記の制御を位相情報のみで実現すれば、演算量が少なくなり構成を簡略化することができる。

この発明の実施の形態を示す全体構成図 図１Ａの位相補正制御部４の詳細を示すブロック図 図１Ａの位相補正制御部５の詳細を示すブロック図 この発明の別の実施の形態を示す全体構成図 図２Ａの位相補正制御部４１の詳細を示すブロック図 図２Ａの位相補正制御部５１の詳細を示すブロック図 図２Ａにおける位相補正制御部４１の判定基準を説明する説明図 図１Ａ，図２Ａにおける周波数・位相同期を説明する周波数波形図 図１Ａ，図２Ａにおける周波数・位相同期を説明する位相波形図 自立復旧時の状態遷移図 従来例を示す構成図

図１Ａはこの発明の実施の形態を示す構成図である。
系統の電圧検出手段１は電圧センサからなり、系統電圧値を検出する。系統周波数算出手段２は、系統電圧値を用いて系統周波数ｆｓを算出する。系統位相算出手段３は、系統周波数ｆｓを用いて系統位相θｓを算出する。位相補正制御部４は、系統周波数ｆｓと位相補正制御部４の内部で算出される出力周波数指令ｆrefとを用いて、出力周波数指令ｆrefが系統周波数ｆｓと一致するような出力位相指令θrefを算出する。位相補正制御部４の詳細は後述する。

位相補正制御部５は、系統位相θｓと出力位相指令θrefとを用いて、出力位相指令θrefが系統位相θｓと一致するような出力位相指令θrefを算出する。位相補正制御部５の詳細は後述する。周波数一致判定部６は、出力周波数指令ｆrefと系統周波数ｆｓとを比較する。比較の結果、偏差が或る一定値以内のときは、運転モード切替え指令部８へ周波数一致通知を出力する。位相一致判定部７は、出力位相指令θrefと系統位相θｓとを比較する。比較の結果、偏差が或る一定値以内のときは、運転モード切替え指令部８へ位相一致通知を出力する。

運転モード切替え指令部８は、周波数一致・位相一致通知をもとに運転状態遷移を制御する。まず、自立運転時に系統復旧を検出した場合は、制御モードとして位相補正制御部４の選択指令を出力する。次に、位相補正制御部４を選択中に周波数一致通知を受信した場合は、制御モードとして位相補正制御部５の選択指令を出力する。最後に、位相補正制御部５選択中に位相一致通知を受信した場合は、系統と電力変換装置の周波数・位相が同期したこと、すなわち連系準備完了状態であることを示す。ゲート信号発生部９は、位相補正制御部４または５から出力される出力位相指令θrefを用いて、電力変換装置を構成する半導体スイッチのゲート信号を出力する。この信号により、半導体スイッチがオン・オフ駆動される。

図１Ｂに図１Ａの位相補正制御部４の詳細を示す。
上述のように、位相補正制御部４は、系統周波数ｆsと制御部４の内部で算出される出力周波数指令ｆrefとを用いて、出力周波数指令ｆref0が系統周波数ｆsと一致するような出力位相指令θrefを算出する。
図１Ｂに示す周波数補正部４ａは、系統周波数ｆsと出力周波数指令ｆref0との偏差を用いて、周波数の補正量を算出する。また、出力電圧波形に歪み発生を防止するため、周波数補正部４ａでは補正係数を小さくするか、または補正量にリミッタを設けることで、出力周波数ｆrefを徐々に系統周波数ｆsに近付けるようにしている。

そして、周波数補正部４ａで算出した周波数補正結果を、出力周波数指令ｆref0に加算して新たな周波数指令ｆrefを作成し、これに２πを乗じて角周波数ωrefに変換した後、これを積分することで出力位相指令θrefを作成する。なお、出力周波数指令ｆref0は前回出力周波数指令を示し、フィードバックして用いている。

図１Ｃに図１Ａの位相補正制御部５の詳細を示す。
上述のように、位相補正制御部５は、系統位相θsと出力位相指令θref0とを用いて、出力位相指令θref0が系統位相θsと一致するような出力位相指令θrefを算出する。ここで示すθref0は位相補正制御部５の出力としての出力位相指令θrefであり、これをフィードバックしたものである。
図１Ｃの出力位相補正部５ａは、系統位相θsと出力位相指令θref0との偏差がゼロになるように、出力位相指令θref0により回転する座標上の成分を用いて位相の補正量を算出する。その位相補正結果を系統周波数ｆsに加算して、新たな出力位相指令θrefを作成し、これに２πを乗じて角周波数ωrefに変換した後、これを積分することで出力位相指令θrefを作成する。なお、位相補正部５ａで補正係数を小さくするか、または補正量にリミッタを設けることで、出力電圧周波数ｆrefを徐々に系統周波数ｆsに近付けることにより、出力電圧波形の歪みを防止するようにしている。

図４，図５にこの発明における周波数・位相同期の様子を示す。
ここでは、系統周波数ｆsが徐々に規定周波数に近づいている場合（系統復旧）に、自立運転状態である電力変換装置（インバータ）の出力周波数指令ｆrefおよび位相θrefを、系統周波数ｆsおよび位相θsと同期させている。
図４は周波数波形、図５は位相波形である。

始めの自立運転状態では、インバータは出力周波数指令ｆrefを定格周波数に保つ。次に、自立運転状態で系統復旧を検出すると、出力電圧の周波数・位相を系統と同期させる連系準備状態に移る。連系準備状態では、まず周波数補正を行ない、出力周波数指令ｆrefを系統周波数ｆsに徐々に近付ける。図４より、ポイント１５〜１６間で周波数が補正されていることが分かる。出力周波数指令ｆrefが系統周波数ｆsに一致したことを検出すると（ポイント１６）、位相補正に移行する。図５より、ポイント１６〜１７間で位相が補正されていることが分かる。位相補正中に、出力位相指令θref系統位相θsに一致した場合（ポイント１７）、連系準備完了となる。

図６に自立復旧時の状態遷移を示す。
自立復旧時の状態は大きく分けて自立運転状態１８、連系準備（周波数補正）１９、連系準備（位相補正）２０および連系準備完了２１がある。自立運転状態は系統に異常が発生した場合に遷移する。この状態では系統を監視し、系統の復旧を検出した場合に連系準備（周波数補正）状態に遷移する。この状態では、系統周波数ｆsと出力周波数指令ｆrefとを一致させる制御を行なう。また、系統周波数ｆsと出力周波数指令ｆrefとを常に比較し、周波数の偏差が周波数補正完了条件を満たした場合に、連系準備（位相補正）状態に遷移する。この状態では、系統位相θsと出力位相指令θrefとを一致させる制御を行なう。また、系統位相θsと出力位相指令θrefとを常に比較し、位相の偏差が位相補正完了条件を満たした場合に、連系準備完了状態へ遷移する。なお、系統の復旧とみなす条件、周波数補正完了条件および位相補正完了条件などは適宜に決定することができる。

図２Ａはこの発明の別の実施形態を示す構成図である。図１Ａでは周波数および位相情報を用いたが、ここでは位相情報のみを用いて自立復旧させる例を示す。なお、位相補正制御部４１，５１を用いているが、図１Ａのそれらとは構成が若干異なるので、異なる符合を付している。
系統の電圧検出手段１は、電圧センサにより系統電圧値を検出する。系統位相算出手段３は、その系統電圧値を用いて系統位相θsを算出する。系統位相算出手段３は、例えば系統電圧検出値の零クロスを検出し内部の位相演算値を同期させる方法や、座標変換を用いる方法で系統位相θsを算出する。

位相補正制御部４１は、系統位相θsと制御ブロック内で算出される出力位相指令θref0とを用いて、それらの偏差Δθとこの偏差Δθの前回値Δθ0とが一致するような出力位相指令θrefを算出する。すなわち、系統位相θsとθref0との偏差が一定となるように補正することと、周波数を一致させることとを等価とみなしていることになる。これは、位相角が周波数の時間積分であることから（２πｆ＝ｄθ／ｄｔ）、周波数が一致すれば位相角の時間変化が一定になるからである。

位相補正制御部４１には、図２Ａでは図示を省略したが、位相関係判定部が設けられており、ここで偏差Δθとその前回値Δθ0とを比較する。ΔθとΔθ0との偏差が、０を中心として正負に設定されたしきい値の幅に収まる場合（ａ）、負のしきい値以下の場合（ｂ）、正のしきい値以上の場合（ｃ）の３つに分類し、大小関係判定信号を出力する。なお、位相補正制御部４１の詳細については後述する。

また、位相補正制御部５１は、系統位相θsと制御ブロック内で算出される出力位相指令θref0とを用いて、出力位相指令θrefが系統位相θsと一致するような出力位相指令θrefを算出する。これは、位相補正制御部４１で周波数を一致させても、初期位相が異なっていれば意味が無いので、ここで系統位相に一致させるための演算をしている。なお、位相補正制御部５１の詳細については後述する。
また、ゲート信号発生部９は、位相補正制御部４１または５１から出力される出力位相指令θrefのいずれかを用いて、電力変換装置を構成する半導体スイッチのゲート信号を出力する。この信号により、半導体スイッチをオン・オフ駆動させるのは、図１Ａの場合と同様である。

図２Ｂに図２Ａの位相補正制御部４１の詳細を示す。
上述のように、位相補正制御部４１は系統位相θsと、制御ブロック内で算出される出力位相指令θref0とを用いて、それらの偏差Δθとこの偏差Δθの前回値Δθ0が一致するような出力位相指令θrefを算出する。この場合の出力位相指令θref0は位相補正制御部４１の出力である出力位相指令θrefを，フィードバックした値である。

図２Ｂの補正部４ｄは、系統位相θsと出力位相指令θref0との偏差Δθに、状態に応じたスイッチの切替えによって、周波数の補正量を算出する。偏差Δθの前回値Δθ0としては、前回値保持部４ｂにおいて１サンプリング前の偏差Δθ（Δθ0）を保持し、位相関係判定部４ｃではこのΔθ0と偏差Δθとから上記（ａ），ｂ），（ｃ）のいずれの場合かを判定する。この判定はマイクロプロセッサなどを用いれば、簡単に実現可能である。

上記判定結果を基に、スイッチの切替えを行なう。しきい値をｘとした場合の、判定基準と動作の関係を図３に示す。ここでは、｜Δθ−Δθ0｜＜ｘが上記（ａ）の場合で、位相補正制御部５１に制御を移行させる場合である。また、Δθ−Δθ0≦−ｘが上記（ｂ）の場合で、図２Ｂの演算部４ｅの第２，４段目を選択し、Δθ−Δθ0≧ｘの場合が上記（ｃ）の場合で、図２Ｂの演算部４ｅの第１，３段目を、それぞれ選択する。
このような動作は、位相が２π[ｒａｄ]まで到達したときにリセットされるが、これは０からカウントされるときの偏差の急変を防ぐためである。

つまり、判定結果は位相補正制御部４１の外部にも出力され、偏差Δθとその前回値Δθ0との差がしきい値以内であれば（ａの場合）、位相補正制御部４１から位相補正制御部５１へとスイッチを切り替える。また、出力電圧波形に歪みが発生しないように、補正部４ｄでは補正係数を小さくしたり、補正量にリミッタを設けたりなどすることで、出力周波数ｆrefを徐々にｆsに近付けるようにしている。また、補正部４ｄで算出した補正量に定格周波数を加算して新たな出力周波数指令ｆrefを作成し、これを積分して出力位相指令θrefを生成する。

図２Ｃに位相補正制御部５１の詳細を示す。
上述のように、位相補正制御部５１は、系統位相θsと制御ブロック内で算出される出力位相指令θref0とを用いて、出力位相指令θrefが系統位相θsと一致するような出力位相指令θrefを算出する。この出力位相指令θref0は、位相補正制御部５１の出力位相指令θrefの前回値である。

図２Ｃの位相補正部５ｂは、系統位相θsと出力位相指令θref0との偏差を小さくするように、出力位相指令θrefを算出する。なお、位相補正部５ｂの補正係数を小さくするか、または補正量にリミッタを設けたりなどして、出力周波数ｆrefを徐々にｆsに近付けることで、出力電圧波形に歪みが発生しないように防止する。
なお、図２Ａの場合の周波数・位相同期動作、および自立復旧時の各状態と遷移条件は図１Ａの場合と殆ど同様なので、説明は省略する。

１…系統電圧検出手段、２…系統周波数算出出手段、３…系統位相算出出手段、４，４１，５，５１…位相補正制御部、４ａ…周波数補正部、４ｂ…前回値保持部、４ｃ…位相関係判定部、４ｄ…補正部、４ｅ…演算部、５ａ，５ｂ…位相補正部、６…周波数一致判定部、７…位相一致判定部、８…運転モード切替え指令部、９…ゲート信号生成部。

Claims (4)

1. 電力系統と連系運転され、直流電源より発生した直流電力を交流電力に変換する連系インバータにおいて、
   系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
   この電圧検出手段の検出値に基づいて系統の周波数を求める系統周波数算出手段と、
   この周波数演算手段の出力から系統の位相を求める系統位相算出手段と
   前記系統周波数算出手段にて求めた系統周波数と、前記インバータの出力周波数指令との偏差を基にインバータの出力周波数指令を補正し、補正後の出力周波数指令から出力位相指令を生成する第１の位相補正制御部と、
   前記系統位相算出手段にて求めた系統位相と前記インバータの出力位相指令との偏差を基にインバータの出力位相を補正し、補正した出力位相指令を生成する第２の位相補正制御部と、
   周波数の偏差から系統とインバータの周波数が一致したか否かを判定する周波数一致判定部と、
   位相の偏差から系統とインバータの位相が一致したか否かを判定する位相一致判定部と、
   前記周波数一致判定部と位相一致判定部の各結果を基に、前記第１の位相補正制御部と前記第２の位相補正制御部の何れを一方を選択する選択モード切替え指令部と、
   この選択モード切替え指令部により選択された第１または第２位相補正制御部の出力位相指令から、インバータを構成する半導体スイッチに対するゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
   を備え、自立運転から連系運転への切替えを検出したときは、周波数を補正した後に位相を補正することを特徴とする連系インバータの制御方式。
2. 電力系統と連系運転され、直流電源より発生した直流電力を交流電力に変換する連系インバータにおいて、
   系統の電圧を検出する電圧検出手段と、
   この電圧検出手段からの検出値に基づいて系統の位相を算出する位相算出手段と、
   この位相算出手段で算出された系統位相と前記連系インバータの出力位相指令との偏差が一定となるように出力位相指令を補正する第１の位相補正制御部と、
   前記位相算出手段にて算出された系統位相と前記連系インバータの出力位相指令との偏差とを基に連系インバータの出力位相の補正を行ない、補正された出力位相指令を生成する第２の位相補正制御部と、
   位相算出手段にて検出された系統位相と前記連系インバータの出力位相指令との偏差と、この偏差の前回値との大小比較結果から、前記第１と第２の位相補正制御部の切替えを行なう切替え手段と、
   切り替えられた第１または第２の位相補正制御部の出力位相指令から連系インバータを構成する半導体スイッチのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、
   を設け、自立運転から連系運転への運転切替えの際に、第１の位相補正制御による制御を実行した後に第２の位相補正制御部による制御を実行することを特徴とする連系インバータの制御方式。
3. 前記第１の位相補正制御部は、系統位相と出力位相指令との偏差を保持する前回値保持部と、
   系統位相と出力位相指令との偏差と、前記前回値保持部で保持された系統位相と出力位相指令との偏差とを用いて位相入力信号の補正を行なう位相関係判定部と、この位相関係判定部で補正された位相入力信号が一定となるように出力位相指令を補正する補正部とからなることを特徴とする請求項２に記載の連系インバータの制御方式。
4. 前記第２の位相補正制御部は、系統位相と出力位相指令とを用いて、系統位相に出力位相指令を一致させる位相補正部を有することを特徴とする請求項２に記載の連系インバータの制御方式。

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