JP2014079089A

JP2014079089A - デジタルグリッドルータの制御方法

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Publication number: JP2014079089A
Application number: JP2012225293A
Authority: JP
Inventors: Rikiya Abe; 力也阿部
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-10-10
Filing date: 2012-10-10
Publication date: 2014-05-01

Abstract

【課題】付加的なバッファ回路を必要とせずに、共通直流母線で互いに接続された３以上の自励式双方向電力変換器間で電力を安定的に融通することを可能にするデジタルグリッドルータの制御方法を提供すること。
【解決手段】マスター回路は、自立的に電圧又は周波数を維持している電力系統に接続し、系統連系モードで動作し、かつ、他のレグ１１０との間で電力の融通を行なっていないレグ１１０の内、予め定められた優先順位が最も高いレグ１１０とする。同時に、マスター路は、共通直流母線１２０の直流電圧値Ｖｄｃを監視し、接続された電力系統から電力を共通直流母線１２０に供給する、又は共通直流母線１２０から電力系統に送出することによって、共通直流母線１２０の直流電圧を所定の電圧に維持する直流電圧維持制御を行う。複数のレグ１１０の内、マスター回路以外のレグ１１０は全てスレーブ回路である。
【選択図】図１

Description

本発明は、接続された電力系統間で電力の融通を可能にする３以上のＡＣ−ＤＣ変換器を有するデジタルグリッドルータの制御方法に関する。

近年、気候変動問題ならびに化石燃料高騰の影響を受け、風力発電・太陽光発電などに代表される再生可能エネルギー電源の導入が加速している。また、自然災害によって一度に多数の発電設備が停止する事態も発生している。

このように電力系統を不安定化する要因は様々あるが、電力需給のバランスが崩れたり、電力需給が逼迫したりする際にも電力を安定的に供給し続けることを可能にする１つの解決策として、電力系統間の連系強化が検討されている。

しかし、単に電力系統間の送電容量を増大して連系を強化するだけでは、小さな事故や小さな送電線容量低下が、より広範囲なエリアの連鎖大停電を引き起こす可能性を高めてしまう。

そこで、ＡＣ−ＤＣ変換器群が共通ＤＣ母線を介して接続された多端子型電力変換装置が考案された（特許文献１参照）。図３に、従来の多端子型電力変換装置の構成を示す。この多端子型電力変換装置は、新たな送電線や、直流連系線を設置することなく、既存の交流送電線に多端子型電力変換装置の外部端子を直接接続することで、隣接する複数の電力系統に対し、電圧、周波数、位相が異なる場合でも、任意の大きさの有効電力を能動的に、１つの系統から複数の系統へ同時に送受したり、複数の系統から複数の系統に送受したりできるようになる。

さらに、従来の遮断器に比べて電力の遮断速度が飛躍的に速まる電力用半導体素子を使用することで、太陽光発電や風力発電が電力供給の大部分を賄うような状況になった場合でも、電力系統を細分化し、電力系統間の接続部に本発明の多端子型電力変換装置を使用することにより、連鎖大停電を引き起こす可能性を小さくすることができる。

また、この多端子型電力変換装置は容量の大小にかかわらず、同一のシステム構成をとり、変電所構内・ビルの高圧受電盤・家庭の分電盤等に、一体型のシステムとして設置される。そのため、複数の変換器の直流電圧、電流、制御角などの運転状況の把握や、集中的な制御や保護が容易になる。全変換器を一括で起動停止したり、個々に起動・停止したり、変換器間で電力の過不足が生じないようにする協調制御方式、電力の流れが反転する際に協調して制御する潮流反転方式、故障や事故が起きた時に全体を集中保護するシステムなどが一か所で集中管理できるという利点がある。

特開２０１１−０６１９７０号公報

しかしながら、この多端子型電力変換装置は、３以上のＡＣ−ＤＣ変換器２０１の各々から所望のタイミングで所望の電力を個別に送出又は吸収するため、ＡＣ−ＤＣ変換器２０１の電力系統に対して送出および吸収する電力量の総和は理論上差し引きゼロになるが、このような状態を実現するには、全てのＡＣ−ＤＣ変換器２０１間で完全な同期が取れ、各ＡＣ−ＤＣ変換器２０１の送出又は吸収する電力量に誤差が無いことが前提となる。しかしながら、このように全てのＡＣ−ＤＣ変換器２０１を誤差無しに制御することは非常に困難である。このような制御で生じた誤差は、共通直流母線電圧の大きな変動となって表れるため、これを吸収するための直流電圧安定化装置が付加的に必要となるという課題があった。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、付加的なバッファ回路を必要とせずに、共通直流母線で互いに接続された３以上の自励式双方向電力変換器間で電力を安定的に融通することを可能にするデジタルグリッドルータの制御方法を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明は、電圧・電流・電力測定器を備えた３以上の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器が共通直流母線を介して互いに接続されたデジタルグリッドルータの制御方法であって、定格交流電圧Ｖａｃ又は定格周波数ｆを自立的に維持している自立電力系統に接続された前記自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器の内、予め定められた優先順位が最も高い第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、接続された自立電力系統からの電力を用いて前記共通直流母線の直流電圧を所定の電圧に維持するマスター回路に設定するステップと、前記自立電力系統に接続された、前記マスター回路以外の前記自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、電力を融通する指示する指令に応答して、前記指令において指示された前記自立電力系統間で指示された有効電力および無効電力の融通を行うよう制御するステップと、を有することを特徴する。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のデジタルグリッドルータの制御方法において、前記デジタルグリッドルータに接続された電力系統が停電した場合、前記停電した電力系統に接続された自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を停止するステップと、前記停電した電力系統から電圧供給指令があった場合、前記停止した自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器において前記停電した電力系統との接続を切った後、指令の電圧を確立してから前記停電した電力系統に接続するよう制御するステップと、をさらに有することを特徴とする。

請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のデジタルグリッドルータの制御方法において、前記停電した電力系統において電圧が作られ始めた場合、前記停電した電力系統に電力を供給している自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、前記停電していた電力系統の交流瞬時電圧を測定し、かつ、前記停電していた電力系統に同期した電圧を生成して電流を維持するよう制御するステップをさらに有することを特徴とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１に記載のデジタルグリッドルータの制御方法において、前記マスター回路である第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器に接続された前記自立電力系統が停電した場合、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を停止するステップと、前記自立電力系統に接続され、かつ、他の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器との間で電力の融通を行なっていない前記自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器の内、予め定められた優先順位が前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器の次に高い第２の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器をマスター回路に設定するステップと、をさらに有することを特徴とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４に記載のデジタルグリッドルータの制御方法において、前記停電した電力系統から電圧供給指令があった場合、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器において前記停電した電力系統との接続を切った後、指令の電圧を確立してから前記停電した電力系統に接続するよう制御するステップとをさらに有することを特徴とする。

請求項６に記載の発明は、請求項５に記載のデジタルグリッドルータの制御方法において、前記停電した電力系統において電圧が作られ始めた場合、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、前記停電していた電力系統の交流瞬時電圧を測定し、かつ、前記停電していた電力系統に同期した電圧を生成して電流を維持するよう制御するステップと、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器をマスター回路に設定し、かつ、前記第２の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器をスレーブ回路に設定するステップとをさらに有することを特徴とする。

本発明は、共通直流母線で互いに接続された３以上の自励式双方向電力変換器を有するデジタルグリッドルータにおいて、１つの自励式双方向電力変換器が共通直流母線電圧を維持する機能を有することにより、ルータに流入する全電力の総和をゼロに保ち、自励式双方向電力変換器間で電力を安定的に融通することを可能にする効果を奏する。

本発明の一実施形態に係るデジタルグリッドルータの構成を示す図である。本発明の一実施形態に係るデジタルグリッドルータのレグの動作モードの決定手順を示す図である。従来の多端子型双方向電力変換装置の構成を示す図である。

以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。尚、本願明細書では、特許文献１における多端子型電力変換装置をデジタルグリッドルータと称するものとする。

図１に、本願発明の一実施形態に係るデジタルグリッドルータの構成を示す。デジタルグリッドルータ１００は、３以上のレグ１１０、レグ１１０を互いに接続する共通直流母線１２０、レグ１１０を制御するＣＰＵ１３０およびメモリ１４０を備える。各レグ１１０は、自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器１１１、断路器１１２、遮断器１１３および電圧・電流・電力測定器を備えている。電圧・電流・電力測定器には共通直流母線１２０に設置するものと、交流側に設置するものとがあり、それぞれタイプが異なり、測定結果はメモリ１４０に保存される。

自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器１１１は、３相フルブリッジ双方向変換器１１４と、フルＰＷＭデジタルコンバータ１１５を含む。ＣＰＵ１３０から送信される指令値をフルＰＷＭデジタルコンバータ１１６で変換した信号でフルブリッジ双方向変換器１１４を制御する。

レグ１１０のＤＳＰ１１５に入力される指令値は、有効電力値Ｐ（ｋＷ）、無効電力値Ｑ（ｋＶａｒ）、直流電圧値Ｖｄｃ（Ｖ）、交流電圧値Ｖａｃ（Ｖ（ｒｍｓ））、周波数値ｆ（Ｈｚ）、有効電力ランプレートΔＰ（％／ｓｅｃ）、無効電力ランプレートΔＱ（％／ｓｅｃ）である。この内、マスター回路で使用する値は直流電圧値Ｖｄｃ、スレーブ回路で使用する値は交流電圧値Ｖａｃ、周波数値ｆ、有効電力ランプレートΔＰおよび無効電力ランプレートΔＱである。

また、レグ１１０に設置されている電圧・電流・電力測定器で測定され出力される値は、直流電圧値Ｖ（Ｖ）、直流電流値Ｉ（Ｉ）、第１〜第３相の交流電圧値Ｖａｃ１〜Ｖａｃ３（Ｖ（ｒｍｓ））、交流電流値Ｉａｃ１〜Ｉａｃ３（Ｉ（ｒｍｓ））および電力値Ｐ１〜Ｐ３（ｋＷ）である。これらの値は、ＤＳＰ１１５がフルＰＷＭデジタルコンバータ１１６の制御を行うために利用され、ＣＰＵ１３０が複数のレグ１１０のマスター／スレーブの割り当てや動作モードの制御を行うために利用される。

３以上のレグ１１０は、その内の１つを共通直流母線１２０に対して直流電圧維持制御を行うマスター回路とし、他を有効電力制御、無効電力制御、交流電圧制御、交流電圧維持制御を行うスレーブ回路とする。

図２に、本発明の一実施形態に係るデジタルグリッドルータのレグの動作モードの決定手順を示す。

・マスター回路
マスター回路は、自立的に電圧又は周波数を維持している電力系統に接続し、予め定められた優先順位が最も高いレグ１１０とする。マスター回路は、スレーブ回路が電力を出し入れした際に生じてしまう差分の電力をマスター回路に接続された自立電力系統から供給又は吸収することにより、共通直流母線１２０の電圧上昇・低下を補正する。マスター回路は、共通直流母線１２０の電圧を常時測定し、指令値からのずれを接続されている自立電力系統からの電力で補正し、常に共通直流母線１２０を所定の電圧に維持するよう制御する（共通直流母線電圧維持モード）。接続された電力系統が単相の場合、直流電圧はリップルを発生するので、その影響を排除する直流電圧推測回路を設置しても良い。これにより、レグ１１０間の電力の出し入れの総和はゼロになる。

直流電圧維持を担うマスター回路は、常に１つであり、常に存在している必要があり、マスター回路が接続している電力系統が停電すると、直流電圧維持制御が行えなくなるので、速やかにマスター回路を他のレグ１１０に移行する必要がある。

また、マスター回路が接続している電力系統と他の電力系統との間で電力の融通を行う場合も、マスター回路はそのまま直流電圧維持制御を続ける。一方、電力の融通相手であって連系する電力系統と接続しているスレーブ回路は、ＣＰＵ１３０から指示された有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを共通直流母線１２０から連係している電力系統に融通する。この電力の融通相手の電力系統に融通された電力は、マスター回路の直流電圧維持制御を通して、マスター回路と連係している電力系統から共通直流母線１２０に融通される。このようにして、マスター回路とスレーブ回路間における電力の融通は行われる。

・スレーブ回路
ａ）系統連系モード
複数のレグ１１０の内、マスター回路以外のレグ１１０は全てスレーブ回路である。スレーブ回路が自立電力系統に接続されている場合、スレーブ回路は系統連系モードで動作する。系統連系モードでは、有効・無効電力制御（Ｐ，Ｑ制御）、交流電圧制御（Ｖａｃ制御）、周波数制御（ｆ制御）を行う。

Ｐ，Ｑ制御は、交流電流を制御することにより行う。自立電力系統では電圧を動かすことができないので、自立電力系統の電圧と制御した電流の作る電力が指令値の有効電力Ｐまたは無効電力Ｑに合致するよう電流を常時測定し、電力を計算し、指令値と差を検出して電流を補正する電流制御を行う。

Ｖａｃ制御は、無効電力Ｑを制御すると自立電力系統のリアクトル成分により交流電圧に僅かに影響を与えることができる。自立電力系統の交流電圧を常時測定し、電圧指令値との差から電流指令値を算出し、自立電力系統の交流電圧が安定になるように電流を制御することができる。

ｆ制御は、有効電力Ｐを制御することによって自立電力系統においても周波数に僅かに影響を与えることができる。スレーブ回路間で電力の融通を行う場合、融通を行う両方のスレーブ回路にＣＰＵ１３０から有効電力Ｐおよび無効電力Ｑの指令値が送信される。両スレーブ回路は、同期して動作し、相（Ｐｈａｓｅ）リアクトルの両端に発生した位相差と電圧差により、ＣＰＵ１３０から指示された有効電力Ｐおよび無効電力Ｑを電力系統に対して融通する。

ｂ）自立モード
マスター回路以外のレグ１１０であって、停電するなどして、定格交流電圧Ｖａｃ又は定格周波数ｆが自立的に維持されていない電力系統か、もしくは電源の無い負荷に接続されている場合、そのレグ１１０はスレーブ回路となって自立モードで動作する。自立モードで動作するスレーブ回路は、自らが生成する交流電圧を常時測定し、指令の電圧波形との差を補正するように制御する。負荷が変動すると電圧も変動しようとするが、自立モードでは、負荷の変動に対しても指令された電圧を維持するよう制御する。

自立モードで動作しているスレーブ回路は、停電していた電力系統の発電機が連系モードで起動して電圧を作り出し始めると、所定のタイミングで電力系統の交流瞬時電圧を測定しつつ、自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器１１１によりその電力系統に同期した電圧を作り出し、電流維持制御を行い、系統連系モードに切り替えることができる。

・マスター／スレーブ切り替え
マスター回路が接続している電力系統が停電した場合、速やかに次に優先順位の高いスレーブ回路をマスター回路に切り替える。同時に、停電している電力系統に接続されたマスター回路を停止する。その後、停電した電力系統から電圧供給依頼があった場合、その電力系統に接続されたレグ１１０を自立モードで動作させ、電圧源とすることができる。

マスター回路であったレグ１１０がスレーブ回路として自立モードで動作している場合、系統連系モードで動作するための条件が整うと、自立モードから系統連系モードに切り替えを行う。すると、マスター回路のレグ１１０よりも優先順位が高い系統連系モードで動作するレグ１１０が存在することになるので、優先順位に基づきマスター／スレーブ切り替えを行い、マスター／スレーブ構成を停電前の状態に戻す。

・レグの起動
ａ）マスター回路の起動
いずれかのレグ１１０が接続した自立電力系統の電圧を使用し、プリチャージ回路を用いて共通直流母線１２０を上昇させ、マスター回路となる。系統連系モードにして共通直流母線電圧維持モードに設定する。

ｂ）スレーブ回路の起動（系統連系モード）
自立電力系統に接続する前に、接続予定の自立電力系統の電圧を測定し、接続するレグ１１０自身の電圧を同期させた後に自立電力系統に接続する。系統連系モードにして電流ゼロ制御を行う。

ｃ）スレーブ回路の起動（自立モード）
従属電力系統に接続する前に、接続予定の従属電力系統もしくは負荷の電圧を測定して電圧のないことを確認し、接続するレグ１１０自身の電圧を確立させた後に従属電力系統もしくは負荷に接続する。交流電圧維持モードにして電力の供給を行う。

・停電時の動作モードの切り替え
マスター回路の接続先の電力系統が停電した場合、速やかに他のレグ１１０をマスター回路に切り替え、自身をスレーブ回路に切り替える。

スレーブ回路の接続先の電力系統が停電した場合、速やかに一旦制御を停止もしくは電力系統との接続を切る。

その後、停電した電力系統が電源を必要とする場合、接続が切れていれば再接続し、自立モードで電力を供給する。

さらに、停電していた電力系統が復帰した場合、一旦接続を切って系統連系モードのスレーブ回路として再接続する。但し、停電していた電力系統に自立モードで電力を供給した後に、同電力系統内の一部の発電機などが動き始め、電圧が徐々に上昇するような場合は、制御が高速なデジタルグリッドルータ１００の場合、接続を切らずに自立モードから系統連系モードに切り替えることも可能である。

・単独運転検出
系統連系モードで動作中に接続先の電力系統が停電しても、レグ１１０が供給する電流で測定する電圧が維持されることで電力系統の停電を検出できない場合がある。このような状況を単独運転しているというが、単独運転は避けることが義務付けられている。レグ１１０は単独運転検出機能を有しているが、同時に通信回線を通じてサービスプロバイダーなどの外部から停止指令を受けて単独運転を停止することも可能である。また、検出機能においても複数のルータ間で協調して能動信号を発信したりしてお互いにハンチングしたりすることを避けることができる。

１００デジタルグリッドルータ
１１０レグ
１１１自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器
１１２断路器
１１３遮断機
１１４３相フルブリッジ双方向変換器
１１５フルＰＷＭデジタルコンバータ
１２０共通直流母線
１３０ＣＰＵ
１４０メモリ

Claims

電圧・電流・電力測定器を備えた３以上の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器が共通直流母線を介して互いに接続されたデジタルグリッドルータの制御方法であって、
定格交流電圧Ｖａｃ又は定格周波数ｆを自立的に維持している自立電力系統に接続された前記自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器の内、予め定められた優先順位が最も高い第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、接続された自立電力系統からの電力を用いて前記共通直流母線の直流電圧を所定の電圧に維持するマスター回路に設定するステップと、
前記自立電力系統に接続された、前記マスター回路以外の前記自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、電力を融通する指示する指令に応答して、前記指令において指示された前記自立電力系統間で指示された有効電力および無効電力の融通を行うよう制御するステップと、
を有することを特徴するデジタルグリッドルータの制御方法。
前記デジタルグリッドルータに接続された電力系統が停電した場合、前記停電した電力系統に接続された自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を停止するステップと、
前記停電した電力系統から電圧供給指令があった場合、前記停止した自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器において前記停電した電力系統との接続を切った後、指令の電圧を確立してから前記停電した電力系統に接続するよう制御するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のデジタルグリッドルータの制御方法。
前記停電した電力系統において電圧が作られ始めた場合、前記停電した電力系統に電力を供給している自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、前記停電していた電力系統の交流瞬時電圧を測定し、かつ、前記停電していた電力系統に同期した電圧を生成して電流を維持するよう制御するステップをさらに有することを特徴とする請求項２に記載のデジタルグリッドルータの制御方法。
前記マスター回路である第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器に接続された前記自立電力系統が停電した場合、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を停止するステップと、
前記自立電力系統に接続され、かつ、他の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器との間で電力の融通を行なっていない前記自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器の内、予め定められた優先順位が前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器の次に高い第２の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器をマスター回路に設定するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項１に記載のデジタルグリッドルータの制御方法。
前記停電した電力系統から電圧供給指令があった場合、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器において前記停電した電力系統との接続を切った後、指令の電圧を確立してから前記停電した電力系統に接続するよう制御するステップとをさらに有することを特徴とする請求項４に記載のデジタルグリッドルータの制御方法。
前記停電した電力系統において電圧が作られ始めた場合、前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器を、前記停電していた電力系統の交流瞬時電圧を測定し、かつ、前記停電していた電力系統に同期した電圧を生成して電流を維持するよう制御するステップと、
前記第１の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器をマスター回路に設定し、かつ、前記第２の自励式双方向ＡＣ−ＤＣ電力変換器をスレーブ回路に設定するステップと、
をさらに有することを特徴とする請求項５に記載のデジタルグリッドルータの制御方法。