JP2014128178A - 電力変換制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 系統連系中に上位系統事故等により発生した単独運転を高速に検出し、電力変換装置が本質的に有する単独運転検出後に無瞬断で自立運転へ移行する特性を損なうことのない電力変換制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】 電力変換制御装置４は、発電機モデル部２１と、ガバナモデル１９及びＡＶＲモデル２０を含む発電機制御部モデル１５と、ＰＷＭ信号生成部１６と、単独運転検出部１７とを備える。単独運転検出部１７は、出力線３０の電気的変動に基づいて、出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に操作量をガバナモデル部１９で算出された内部相差角に付与し、その結果の角速度の変動が所定値以上である場合に能動的単独運転を検出し、その後、解列用開閉器を開いて電力変換装置１００を自立運転に移行させる。
【選択図】図２

Description

本発明は、電力系統と連系して運転する連系運転と、電力系統から独立して運転する自立運転の両方を可能にする単一の制御手法を有する電力変換装置に関する。

近年、太陽光発電等の直流発電体を利用した分散型の電力供給システムに関心が高まっている。このようなシステムでは、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置を備えている。電力系統と連系して運転する一般的な電力変換装置は、連系運転機能は有するが、電力系統から独立して自立運転を行うことができない。本件出願人らは最近、発電機相当の特性を有する電力変換器の制御手法を開発し、連系運転時だけでなく、自立運転時でも安定した電力を供給するとともに、連系運転から自立運転への無瞬断での移行を実現することを提案した（例えば、特許文献１を参照）。

また、特許文献２には、既注入無効電力が負荷無効電力とバランスしたときに予め定めた位相の追加注入無効電力を、一定期間、追加注入する場合において、追加無効電力注入後から上記一定期間よりも短い期間経過後に、系統周波数偏差の符号に基づいて既注入無効電力の位相を判定すること、判定時点での系統周波数偏差の符号からの既注入無効電力の位相が追加注入無効電力の予め定めた位相と逆位相になっているときは、系統周波数偏差の符号に対応した位相の追加注入無効電力を、改めて一定期間、注入すること、および、判定時点での系統周波数偏差の符号からの既注入無効電力の位相が追加注入無効電力の予め定めた位相と同位相であるときは、追加注入無効電力注入後から一定期間経過するまでの残り期間、同じ位相で追加注入無効電力の注入を継続することにより単独運転を検出することが開示されている。

特開２００７−２４４０６８号公報 特開２０１１−５５６７８号公報

ところで、上位系統事故、作業などにより系統が開放された場合に、発電設備系統から解列されない状態で単独運転を継続していると、本来無電圧であるべき系統が充電されることになり、保安面、供給信頼度確保面の問題を生じるため、発電体は単独運転を確実に防止することを求められている。また、発電設備系統の出力と負荷が電力平衡の状態にある場合などには、系統が開放されたことを容易に検出できないため、電力平衡を崩す操作も含めて、可能な限り高速での運転停止を要求されており、発電体が発電機の場合と電力変換器の場合とでその要件が異なる。

しかし、上記特許文献１において出願人の発明した制御手法を持つ電力変換装置は、電力変換装置でありながら発電機相当の特性を有するため、このような電力変換装置に適した単独運転検出手法は既存しない。つまり、電力系統と連系して運転する一般的な電力変換装置と同様に、電流指令値の位相成分を直接操作する検出手法を採用すると、周波数以外の成分への干渉が大きくなってしまい、単独運転検出後に無瞬断で自立運転へ移行するという、この電力変換装置が本質的に有する特性を損なう。一方、発電機と同様に無効電力を直接操作する検出手法を、仮想的な発電機に採用すると、電力変換器に求められる高速な単独運転検出を満足することができない。

従来技術において単独運転検出後に自立運転へ移行するには、システムの切り替えや専用装置の装備が必要であり、単一のシステムで専用装置を設けることなく無瞬断で自立運転へ移行できる従来技術は存在しなかった。

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、系統連系中に上位系統事故等により発生した単独運転を高速に検出し、かつ、無瞬断で自立運転へ移行して自立運転の継続を可能にする電力変換制御装置を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明のある態様に係る電力変換制御装置は、電力系統と系統側遮断器によって接続又は切断されて使用される電力変換装置において、前記系統側遮断器に接続された解列用開閉器に出力線を介して接続され、直流電源部から入力される直流電力を交流電力に変換して前記出力線へ出力する電力変換器を制御する電力変換制御装置であって、有効電力指令に対する前記電力変換器が出力する有効電力の偏差、仮想的な発電機の速度垂下特性、及び前記電力変換器が出力する交流電圧の角速度の所定角速度に対する偏差に基づいて前記仮想的な発電機と前記出力線との内部相差角を算出するガバナモデル部と、無効電力指令に対する前記電力変換器が出力する無効電力の偏差、前記仮想的な発電機の電圧垂下特性、及び前記電力変換器が出力する交流電圧の所定電圧に対する偏差に基づいて前記仮想的な発電機の内部誘起電圧の絶対値を算出するＡＶＲモデル部と、前記ガバナモデル部で算出された内部相差角、前記ＡＶＲモデル部で算出された内部誘起電圧の絶対値、前記仮想的な発電機の仮想インピーダンスと実在インピーダンスを合わせた内部インピーダンス、及び前記電力変換器が出力する交流電圧に基づいて前記仮想的な発電機の電機子電流に相当する電流の指令値を算出する発電機モデル部と、前記発電機モデル部で算出された電流指令をＰＷＭ信号に変換して前記電力変換器に出力するＰＷＭ信号生成部と、前記出力線の電気的変動に基づいて、前記出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に操作量を前記ガバナモデル部で算出された前記内部相差角に付与し、その結果の角速度の変動が第１所定値以上である場合に単独運転を能動的に検出し、その後、前記解列用開閉器を開いて前記電力変換装置を自立運転に移行させるよう構成された単独運転検出部と、を備える。

ここで「操作量」とは、能動的な変動量を意味し、「内部相差角に操作量を付与する」とは、内部相差角に能動的な変動量を付与することを意味する。

上記構成によれば、単独運転検出のための能動操作であっても、発電機相当の特性を有する電力変換装置の電力変換制御装置内における内部相差角に角速度を変化させるための操作量を付与して、電力変換器から出力される交流電圧の角速度の変動を増幅させ、その結果の角速度の変動が所定の値を超えた後に解列用開閉器を開いて電力変換装置を自立運転に移行させるため、単独運転検出後でもこの電力変換装置が本質的に有する無瞬断で自立運転へ移行できるという特性を損なわず、自立運転を継続することができる。しかも、内部相差角に操作量を付与するので、無効電力に操作量を付与する場合に生じる応答遅れを生じないことから、電力変換器に求められる高速な単独運転検出を満足することができる。

前記単独運転検出部は、前記出力線の電気的変動を検知して電気的変動検知信号を生成し、かつ電気的変動が所定の量以上の場合には受動的単独運転を検出し、その後、前記解列用開閉器を開いて前記電力変換装置を自立運転に移行させるよう構成された電気的変動検知部と、前記電気的変動検知部から電気的変動検知信号が入力される期間において、前記出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に操作量を前記ガバナモデル部で算出された前記内部相差角に付与すると共に、前記電気的変動の有無に関わらず、前記出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に前記出力線上を伝送される交流電圧の角速度の変動に比例した操作量を前記ガバナモデル部で算出された前記内部相差角に付与し、その結果の角速度の変動が第１所定値以上である場合に能動的単独運転を検出し、その後、前記解列用開閉器を開いて前記電力変換装置を自立運転に移行させるよう構成された操作量付与部と、を備えてもよい。

前記電気的変動検知部において、電気的変動が所定の態様である場合とは、例えば電気的変動として交流電圧が跳躍的に変化（瞬間的に大きく変動）した場合、高調波の割合が所定値以上となった場合や周波数或いは角速度が瞬間的に大きく変動した場合であってもよい。

前記操作量付与部においては、前記角速度の変動に比例した量の符号は、前記角速度の変動が増大する方向に決定する。また、付与した結果の角速度の変動量が前記第１所定値より小さい第２所定値以上であると判定された場合には、前記内部相差角に与える前記角速度を変化させるための操作量が更に大きくなるように構成されてもよい。

上記構成により、単独運転を検出した後も、好適に自立運転を継続することができる。

前記電力変換装置又は前記電力変換制御装置は、前記電力変換器が出力する有効電力を算出或いは計測してこれを前記ガバナモデル部に出力する有効電力検知部と、前記電力変換器が出力する無効電力を算出或いは計測してこれを前記ＡＶＲモデル部に出力する無効電力検知部と、前記電力変換器が出力する交流電圧を計測して実効値を算出し、これらを前記ＡＶＲモデル部及び前記発電機モデル部に出力する電圧検知部と、前記電力変換器が出力する交流電圧の角速度を算出或いは計測してこれを前記ガバナモデル部に出力する角速度検知部と、を含んでもよい。

本発明によれば、系統連系中に上位系統事故等により発生した単独運転を高速に検出し、電力変換装置が本質的に有する単独運転検出後に無瞬断で自立運転へ移行する特性を損なうことのない電力変換制御装置を提供することが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を用いたパワーコンディショナシステムの構成例を示す構成図である。 図１の電力変換装置の電力変換制御装置の構成を示すブロック図である。 図２の電力変換制御装置の具体的な構成例を示すブロック図である。 図１の電力変換装置が連系運転から自立運転に移行する場合の制御の一例を示すフローチャートである。 図３の電力変換制御装置の単独運転検出処理における電気的変動検知処理の一例を示すフローチャートである。 図３の電力変換制御装置の単独運転検出処理における操作量付与処理の一例を示すフローチャートである。 比較例として位相成分の電流指令値に角速度を変化させるための操作量を付与した場合の単独運転検出処理の実験結果を示すグラフである。 内部相差角に角速度を変化させるための操作量を付与した場合の単独運転検出処理の実験結果を示すグラフである。

本発明の実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置を用いたパワーコンディショナシステム構成例を示す構成図である。パワーコンディショナシステムは、直流電源と電力変換装置とを備える分散型の電力供給システムであれば特に限定されない。

［構成］
図１に示すように、パワーコンディショナシステム２００は、例えば、家庭に設置され、電力会社の変電所母線である電力系統７と、系統側遮断器８（接続部）及び変圧器９を介して接続されている。系統側遮断機８の開閉は、電力系統７の制御システム（図示せず）によって制御される。変圧器９は、例えば柱上に配置された変圧器である。

パワーコンディショナシステム２００は、例えば太陽光発電用のソーラーパネルである直流発電体１と、ニッケル水素電池等の二次電池２と、直流発電体１及び二次電池２で構成される直流電源１０１から入力される直流電力を交流電力に変換して出力線３０へ出力する電力変換器３と、電力変換器３の運転を制御する電力変換制御装置４と、解列用開閉器５と、を備えている。電力変換器３及び電力変換制御装置４が電力変換装置１００を構成している。

電力変換器３は、特に限定されないが、例えば、インバータ及び出力フィルタで構成される。電力変換制御装置４は、電力系統７との連系運転中に電力変換器３が電力系統７と切断されて単独運転に移行したことを検出する単独運転移行検出機能を有するとともに解列用開閉器５の開閉を制御する。電力変換制御装置４は、単独運転に移行したことを検出すると解列用開閉器５を開いて電力変換装置１００を自立運転に切り替える。このようにして、電力変換装置１００は、連系運転時には電力系統７と接続され、単独運転および自立運転時には電力系統７と切断されて使用される。特定負荷６の容量が、電力変換器３の定格容量の範囲に限られる場合、図１に示すように、特定負荷６を出力線３０における解列用開閉器５よりインバータ側の部分に接続しておくことで、単独運転検出後も、開閉器５を解列させるという操作のみで電力変換装置１００は、特定負荷６への給電を停止することなく自立運転を継続することができる。

図２は、電力変換制御装置４の構成を示すブロック図である。図２に示すように、電力変換制御装置４は、発電機モデル２１と、ガバナモデル１９及びＡＶＲモデル２０を含む発電機制御部モデル１５と、ＰＷＭ信号生成部１６と、単独運転検出部１７とを主に備える。単独運転検出部１７は、電気的変動検知部１７ａと操作量付与部１７ｂとを備える。

電力変換制御装置４は、ＦＰＧＡ(field-programmable gate array)、ＰＬＣ(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の演算装置で構成され、発電機制御部モデル１５、ＰＷＭ信号生成部１６、単独運転検出部１７は、上記演算装置において、それに内蔵されるプログラムが実行されることにより実現される機能である。尚、有効電力検知部１１、無効電力検知部１２、電圧検知部１３及び角速度検知部１４は、電力変換器３の出力側に接続された図示しない計測装置により計測された出力電流値及び出力電圧値に基づいて、それぞれ電力変換器３が出力する有効電力、無効電力、交流電力の電圧、及びその角速度を計測或いは算出するものである。

発電機モデル２１は、同期発電機本体をモデル化したものである。発電機制御部モデル１５は、同期発電機の機能を所定の演算パラメータを用いてモデル化した制御モデル（演算ブロック）である。発電機制御部モデル１５は、同期発電機を制御するガバナ、及びＡＶＲ(automatic voltage regulator)をそれぞれモデル化した制御モデルである、ガバナモデル、ＡＶＲモデルを含むものであればよい。発電機モデル２１及び発電機制御部モデル１５として、周知のものを用いることができ、例えばParkモデルを用いることができる。

本実施の形態では、発電機制御部モデル１５は、電力変換制御装置４の制御プログラム中に定義された、発電機のロータ角速度と内部誘起電圧に相当する変数（ω、Ｅ_ｆ）、内部インピーダンスに相当する定数（ｒ_ｓ、ｘ）、電機子電流の指令値に相当する変数（Ｉ_ｒｅｆ）、および端子電圧実効値に相当する変数（Ｖ_ｇ）を有し、ロータ角速度に相当する変数（ω）を決めるためのガバナに相当する制御と、内部誘起電圧に相当する変数（Ｅ_ｆ）の絶対値を決めるためのＡＶＲに相当する制御とを論理式で構成して、端子電圧と内部誘起電圧との位相差（内部相差角（Δθ））、端子電圧の絶対値と誘起電圧の絶対値との差、及び内部インピーダンス（ｒ_ｓ、ｘ）から電機子電流の指令値に相当する変数（Ｉ_ｒｅｆ）を算出する。上記ガバナ制御とは、速度垂下特性を電力変換器３に持たせるものであり上記ＡＶＲ制御とは、電圧垂下特性を電力変換器３に持たせるものである。

この発電機制御部モデル１５と発電機モデル２１によって計算した電機子電流の指令値に相当する変数Ｉ_ｒｅｆを、電流指令値（ｄ軸電流指令値Ｉ_{ｄ_ｒｅｆ}及びｑ軸電流指令値Ｉ_{ｑ_ｒｅｆ}）として電力変換器３（例えばインバータ）を動作させることにより、電力変換器３の出力電流を発電機電機子電流として、また電力変換器３の出力電圧を発電機端子電圧として扱うことが可能となる。そして、ロータ角速度に相当する変数（ω）を変化させると、端子電圧実効値（Ｖ_ｇ）と誘起電圧（Ｅ_ｆ）との位相差Δθが変化して、系統連系運転時は主に有効電力出力が変化し、自立運転時は主に系統周波数が変化する。

また、誘起電圧（Ｅ_ｆ）を増大させると端子電圧実効値（Ｖ_ｇ）の絶対値と誘起電圧（Ｅ_ｆ）の絶対値との差が変化して、系統連系運転時は主に無効電力が変化し、自立運転時は主に系統電圧が変化するという同期発電機の特性を持った挙動を、電力変換装置１００で実現することができる。なお、現実の発電機では、上記変数や定数、および特性の他に、過渡特性、制動巻き線の特性、非対称性、非線形性等、上記以外の特性も有するが、それらを含めて同期発電機の特性を持った挙動をインバータ（電力変換器３）で実現したものにおいても、上記の特性を含む限り、本発明の有効性は損なわれるものではないことは明らかである。

ガバナモデル部１９は、有効電力指令Ｐ_ｒｅｆに対する有効電力検知部１１で計測或いは算出された有効電力Ｐの偏差と、上述の速度垂下特性を持たせる制御と、角速度基準値ω_ｒｅｆ（所定角速度）に対する角速度検知部１４で計測或いは算出された角速度ωの偏差と、に基づいて上述の内部相差角Δθを算出する。なお、角速度基準値ω_ｒｅｆは外部から入力されても、あるいはガバナモデル部１９の内部に持っていてもよい。

ＡＶＲモデル部２０は、無効電力指令Ｑ_ｒｅｆに対する無効電力検知部１２で計測或いは算出された無効電力Ｑの偏差と、上述の電圧垂下特性を持たせる制御と、電圧実効値基準値Ｖ_ｒｅｆ（所定電圧）に対する電圧検知部１３で計測或いは算出された電圧実効値Ｖ_ｇとに基づいて上述の誘起電圧（正確には誘起電圧の絶対値）Ｅ_ｆの絶対値を算出する。なお、電圧実効値基準値Ｖ_ｒｅｆは外部から入力されても、あるいはＡＶＲ２０の内部に持っていてもよい。

発電機モデル部２１は、ガバナモデル部１９で算出された内部相差角Δθ、ＡＶＲモデル部２０で算出された誘起電圧Ｅ_ｆの絶対値、上述の内部インピーダンスｒ_ｓ、ｘ、及び電圧検知算出部１３で計測及び算出された電圧実効値Ｖ_ｇに基づいて上述の電機子電流の指令値Ｉ_ｒｅｆ（ｄ軸電流指令値Ｉ_{ｄ_ｒｅｆ}及びｑ軸電流指令値Ｉ_{ｑ_ｒｅｆ}）を算出する。

ＰＷＭ信号生成部１６は、発電機モデル部２１で算出された電機子電流の指令値Ｉ_ｒｅｆ（ｄ軸電流指令値Ｉ_{ｄ_ｒｅｆ}及びｑ軸電流指令値Ｉ_{ｑ_ｒｅｆ}）をＰＷＭ信号に変換して電力変換器３に出力する。これにより、電力変換器３が電機子電流の指令値Ｉ_ｒｅｆに従って電力を出力する。ＰＷＭ信号生成部１６は、例えば、電流制御電圧出力型の電力変換器３を制御する。

電気的変動検知部１７ａは、出力線３０の電気的変動が所定の量以上である場合に単独運転を受動的に検出し、その後、前記解列用開閉器５を開くと共に、出力線３０の電気的変動が所定の量未満であっても検知すれば、電気的変動検知信号を１７ｂへ出力する。

前記操作量付与部１７ｂは、単独運転時における出力線３０の電圧の角速度の変動を増幅するような能動操作を行い、付与した結果の角速度の変動が所定の量を超えた場合に単独運転を能動的に検出し、その後、前記解列用開閉器５を開く。

図３は、図２の電力変換制御装置４の具体的な構成例を示すブロック図である。図３に示すように、電力変換器３は、インバータ及び出力フィルタで構成されている。発電機制御部モデル１５は、ガバナモデル部１９、及びＡＶＲモデル部２０を含む。

ガバナモデル部１９は、外部から入力される有効電力指令Ｐ_ｒｅｆに対する有効電力検知部１１で計測或いは算出された有効電力Ｐの偏差を算出し、この偏差に速度垂下特性を持たせる制御を行う。更に、外部から入力される角速度基準値ω_ｒｅｆに対し、角速度検知部１４で計測或いは算出された角速度ωを減算して角速度偏差を算出し、これを上記有効電力偏差に速度垂下特性を持たせたものに加算して、仮想発電機のロータ角速度の変分に換算する。そして、このロータ角速度の変分を積分して内部相差角Δθを算出する。角速度基準値ω_ｒｅｆは、例えば周波数６０Ｈｚに相当する角速度であり、上記速度垂下特性は、例えば定格有効電力出力時、周波数６０Ｈｚの５％に相当する周波数低下を有する。

ＡＶＲモデル部２０は、外部から入力される無効電力指令Ｑ_ｒｅｆに対する無効電力検知部１２で計測或いは算出された無効電力Ｑの偏差を算出し、この偏差に電圧垂下特性を持たせる制御を行う。更に外部から入力される電圧実効値基準値Ｖ_ｒｅｆに対し、電圧検知部１３で計測された電圧実効値Ｖ_ｇを減算して電圧偏差を算出し、これを上記無効電力偏差に電圧垂下特性を持たせたものに加算する。そしてこれに、例えばPI制御による電圧維持制御を付与して、仮想発電機の内部誘起電圧Ｅ_ｆの絶対値を算出する。電圧実効値基準値Ｖ_ｒｅｆは、例えば２０２Ｖであり、上記電圧垂下特性は、例えば定格無効電力出力時、電圧２０２Ｖの５％に相当する電圧低下を有する。

発電機モデル部２１は、ガバナモデル部１９で算出された内部相差角Δθ、ＡＶＲモデル部２０で算出された誘起電圧Ｅ_ｆの絶対値、電圧検知部１３で計測或いは算出された電圧実効値Ｖ_ｇ、内部インピーダンスｒ_ｓ、ｘに基づいて発電機制御部モデル１５の電機子電流指令値に相当する電流指令Ｉ_ｒｅｆを算出する。この計算は、例えば、図３のブロック２１内に示されているフェーザ図を利用したベクトル演算により行われる。この計算によって算出された電流指令値Ｉ_{ｄ_ｒｅｆ}と電流指令値Ｉ_{ｑ_ｒｅｆ}とがＰＷＭ信号生成部１６に出力される。

ＰＷＭ信号生成部１６は、発電機モデル部２１で算出された電流指令Ｉ_ｒｅｆをＰＷＭ信号に変換して電力変換器３に出力する。本実施の形態ではＰＷＭ信号生成部１６には、電流計測部（図示せず）で計測された電力変換器３の電流と発電機モデル部２１の出力である電流指令値Ｉ_ｒｅｆとが入力される。ＰＷＭ信号生成部１６は、当該出力電流をｄ−ｑ変換することによりｄ軸電流Ｉｄ及びｑ軸電流Ｉｑを求め、それぞれを加減算器へ出力する。一方の加減算器では発電機モデル部２１からの電流指令値Ｉ_{ｄ_ｒｅｆ}からｄ軸電流Ｉｄが減算され、その値がＰＩ制御ブロックへ出力される。また、他方の加減算器では、発電機モデル部２１からの電流指令値Ｉ_{ｑ_ｒｅｆ}からｑ軸電流Ｉｑが減算され、その値がＰＩ制御ブロックへ出力される。各ＰＩ制御ブロックからの出力はｄ−ｑ逆変換されＰＷＭ信号生成ブロックに出力される。ＰＷＭ信号生成ブロックは、ＰＷＭ処理され電力変換器３の各スイッチング素子を制御するＰＷＭ信号を生成してこれを電力変換器３に出力する。

角速度検知部１４は、電力変換器３が出力する交流電圧の周波数を計測或いは算出して、計測或いは算出した周波数に基づいて、系統位相(角速度)を推定し、推定した角速度をガバナモデル１９及び単独運転検出部１７に出力する。本実施の形態では、角速度検知部１４は、ＰＬＬ制御論理として電力変換制御装置４（正確にはその制御プログラム）に含まれているが、位相計測器を外付け(ハード)して、電力変換制御装置４の外部に設けてもよい。

電圧検知部１３は、電力変換器３が出力する交流電圧を計測する。本実施の形態では、電圧検知部１３は、電力変換器３が出力する交流電圧を、電圧計（図示せず）で計測し、これをｄ−ｑ変換してから系統電圧実効値を算出し、電圧をｄ−ｑ変換したものと系統電圧実効値をそれぞれ、ＡＶＲモデル部２０及び発電機モデル２１に出力する。

電気的変動検知部１７ａは、電圧検知算出部１３で計測及び算出された電圧実効値Ｖ_ｇの変動が所定の量以上である場合に、電気的変動検知信号を１７ｂへ出力する。また、前記電圧実効値Ｖ_ｇ或いは前記電圧実効値Ｖ_ｇとは別に、例えば角速度検知部１４で計測または算出された角速度或いは周波数等の変動が所定の量以上である場合に単独運転を受動的に検出し、その後、前記解列用開閉器５を開く。

操作量付与部１７ｂは、ガバナモデル部１９で算出されたロータ角速度に、角速度を変化させるための操作量を付与する。本実施の形態では、電気的変動検知部１７ａで生成された電気的変動検知信号が入力されている期間において、出力線３０の電圧の周波数に一致する制御周期毎に一定の操作量を発電機制御部モデル１５のガバナモデル部１９により算出した内部相差角Δθに付与し、かつ電気的変動検知信号の有無に関わらず、出力線３０の電圧の周波数に一致する制御周期毎に出力線３０の電圧の角速度の変動に比例した量を、加算器２５において付与する。その結果、角速度の変動が所定の量以上である場合に単独運転を能動的に検出し、その後、前記解列用開閉器５を開く。

なお、操作量付与部１７ｂが角速度を変化させるための操作量を付与する値は、ガバナモデル部１９において内部相差角Δθの算出前の値、すなわち仮想的な同期発電機のロータ角速度と系統電圧角速度の差を積分する前の値であっても良い。これによっても、結果的には、内部相差角Δθに角速度を変化させるための操作量が付与されることになるからである。

［動作］
次に以上のように構成された電力変換装置１００の動作を説明する。図４は、電力変換装置１００が単独運転を検出して自立運転に移行する場合の制御の一例を示すフローチャートである。

図１乃至図３を参照すると、電力変換装置１００は、図１で示した電力系統７と連系して連系運転を行っているものとする（ステップ１）。この連系運転においては、系統側遮断器８は接続状態にある。電力変換装置１００では、電力変換制御装置４の制御により解列用開閉器５が接続状態にある。

電力変換装置１００は、系統連系運転において意図することなく発生した単独運転を検出する（ステップ２）。電力変換制御装置４の電気的変動検知部１７ａは、出力線３０を伝送される交流電力の電圧を監視していて、例えば、当該電圧が跳躍（瞬間的に大きく変化）したことを検知すると電気的変動検知信号を生成して、操作量付与部１７ｂに出力する。また、電気的変動検知部１７ａは、交流電力の電圧以外にも、例えば、高調波歪率や周波数を監視していて、これら電気的要素のいずれかの変動量が所定の量を超えた場合に、電力変換装置１００（電力変換器３）が単独運転に移行したことを受動的に検出する。操作量付与部１７ｂは、電気的変動検知部１７ａで生成される電気的変動検知信号が入力される期間において、出力線３０の交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に一定の操作量を発電機モデル部２１に出力される内部相差角Δθに付与し、また電気的変動検知信号の有無に関わらず、出力線３０の交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に出力線３０の交流電圧の角速度の変動に比例した量を発電機モデル部２１に出力される内部相差角Δθに付与する。そして、付与した結果の角速度の変動が所定の量を超えると、操作量付与部１７ｂは、電力変換装置１００（電力変換器３）が単独運転に移行したことを能動的に検出する。

ここからは図５及び図６のフローチャートも参照しながら、電力変換装置１００の単独運転検出処理について具体的に説明する。電力変換装置１００は、電力変換器３の出力線３０の電気的変動を監視することにより単独運転を検出する。本実施の形態では、上述したように代数型の仮想発電機が用いられている。

図５は、単独運転検出処理における電気的変動検知処理の一例を示すフローチャートである。図５に示すように、電気的変動検知部１７ａは、例えば、電力変換器３の出力線３０における電圧跳躍を検知した場合に、単独運転を受動的に検出、あるいは電力平衡を崩す操作(ステップ操作)の指令となる信号を生成する。すなわち、電気的変動検知部１７ａは、例えば、電圧検知部１３を介して電力変換器３の出力線３０の電圧を監視しており（ステップ１３）、当該電圧が跳躍（瞬間的に大きく変動）したことによって、当該電圧の変動が第１所定値以上となった場合には、電単独運転を受動的に検出する（ステップ１２）。当該電圧の変動が第１所定値未満、かつ当該電圧の変動が第２所定値以上である場合（ステップ１４）、電気的変動検知信号を生成し、操作量付与部１７ｂに入力する（ステップ１５）。また、当該電圧の変動が第２所定値未満の状態が所定の期間継続している場合（ステップ１６）、電気的変動検知信号の出力を停止する（ステップ１７）。

さらに電気的変動検知部１７ａは、例えば、角速度検知部１４を介して電力変換器３の出力線３０の角速度を監視しており（ステップ１１）、当該角速度の変動が所定の量を超えた場合には、単独運転を受動的に検出する（ステップ１２）。
操作量付与部１７ｂは、出力線３０の電圧の角速度の変動をフィードバックし、単独運転時における当該角速度の変動を増幅するような能動操作を行う。すなわち、操作量付与部１７ｂは、例えば、電力変換装置１００の電力変換制御装置４において電力系統７の所定周波数１周期毎に、以下の処理を行う。フィードバックする値は角速度の変動量Δωとしているが周波数の変動量ΔＦであってもよい。能動操作を行う対象となるパラメータは、発電機制御部モデル１５のガバナモデル部１９により算出した内部相差角Δθである。

図６は、単独運転検出処理における操作量付与処理の一例を示すフローチャートである。図６に示すように、まず、操作量付与部１７ｂは、現周期の角速度ω_１から一定周期前の角速度ω_２を減算し、角速度変動量Δω_１を更新する（ステップ１８）。上記一定周期とは、例えば本実施形態の場合、２周期とする。

次に、操作量付与部１７ｂは、Δω_１の絶対値｜Δω_１｜と単独運転検出判定の閾値となる第１所定値Δω_ｄｅｔを比較する（ステップ１９）。Δω_１の絶対値｜Δω_１｜が第１所定値Δω_ｄｅｔ以上の場合（｜Δω_１｜≧Δω_ｄｅｔ）、単独運転を検出したと判定し、本制御を終了する（ステップ２０）。

一方、Δω_１の絶対値｜Δω_１｜が第１所定値Δω_ｄｅｔ未満の場合（｜Δω_１｜＜｜Δω_ｄｅｔ｜)、まず、電気的変動検知部１７ａで生成される電気的変動検知信号を受け取っているか否かを判定する（ステップ２２）。上記電気的変動検知信号を受け取っている場合には、一定のステップ操作量θ_{ｉｎｊ_ｓｔｅｐ}を内部相差角Δθに付与し（ステップ２１）、さらに、電気的変動検知信号の有無に関わらず、出力線３０の交流電圧の角速度の変動に比例した常時操作量θ_{ｉｎｔ＿ｉｎｊ}を内部相差角Δθに付与する（ステップ２７）。

常時操作量θ_{ｉｎｔ＿ｉｎｊ}の算出は、以下の手順で行う。比例係数Ｋ_１とＫ_２の符号は、電気的変動検知信号を受け取っている場合には、現周期がステップ操作量の付与１回目か否かを判定し（ステップ２３）、現周期がステップ操作量の付与１回目だった場合には比例係数Ｋ_１とＫ_２の符号を上記一定のステップ操作量θ_{ｉｎｊ_ｓｔｅｐ}と同じにする（ステップ２４）。現周期がステップ操作量の付与２回目以降、または、電気的変動検知信号が入力されていない場合には、Δω_１の傾きが減衰しているか否かを判定し（ステップ２８）、Δω_１の傾きが減衰していた場合にのみ比例係数Ｋ_１とＫ_２の符号を反転する（ステップ２９）。

常時操作量の大小判定に基づいて、｜Δω_１｜が段階的閾値となる第２所定値ω_Ｋｌｉｍ未満であれば（ステップ２５）、角速度の変化が小さいので、比例係数Ｋ_１と角速度変動量Δω_１とを乗算し（ステップ２６）、また｜Δω_１｜が第２所定値ω_Ｋｌｉｍ以上であれば、角速度の変化が大きいので、比例係数Ｋ_１とＫ_２の和（Ｋ_１＋Ｋ_２）と角速度変動量Δω_１とを乗算し（ステップ３０）、内部相差角Δθへの常時操作量θ_{ｉｎｔ＿ｉｎｊ}とする。

以上のように、操作量付与部１７ｂでは、電力変換制御装置４において、内部相差角に角速度を変化させるための操作量を付与することにより、単独運転時における交流電圧の角速度の変動を増幅し、付与した結果の角速度の変動が所定の量を超えた場合には、単独運転を能動的に検出する。

ちなみに単独運転時以外は、交流電圧の角速度の変動量が極めて小さく無視できるため、これに比例係数を乗算した操作量を内部相差角Δθへ付与しても、交流電圧の角速度の変動が大きくなっていくことはない。

電力変換制御装置４の単独運転検出部１７が単独運転を能動的あるいは受動的に検出した場合には、分散電源側から商用系統側への電力の供給をストップさせるために、解列用開閉器５を解列させる（ステップ３）。単独運転検出部１７は解列用開閉器５を開いて電力変換装置１００を自立運転に移行させる。

このように、分散電源側では単独運転検出後、電力系統７から解列された後も、自立系統内に接続された特定負荷への給電を止めることなく、自立運転を継続することが可能である（ステップ４）。

本実施の形態の電力変換装置１００は、上述のように発電機相当の特性を有するので、系統側が遮断した場合であっても、単独運転検出後に無瞬断で自立運転へ移行する特性を本質的に有するうえに、本実施の形態の単独運転検出部１７であれば、操作量付与部１７ｂが内部相差角Δθを操作するので、電力変換器３から出力される交流電力の電圧の角速度の変動のみが増幅され、かつ当該電圧の変動は抑えられ、能動的検出手法で高速に単独運転を検出した後でも、上記電力変換装置の本質的な特性を損ねることなく、無瞬断で自立運転へ移行することが可能になる。

（検証実験）
本発明者らは、上記単独運転検出処理を実行した場合の効果を検証するために一定の条件下において実験を行った。本実験では、電流位相成分の指令値に角速度を変化させるための操作量を付与する一般的な電力変換制御装置と同様な構成を比較例とし、実施の形態１により得られた実験結果と比較例により得られた実験結果とを比較する。尚、本実験では最も単独運転検出が難しい電力平衡時における能動的検出を検証するため、受動的検出、およびステップ操作量の付与は無効化している。

図７は、比較例として電流位相成分の指令値に角速度を変化させるための操作量Ｉ_{ｑ＿ｉｎｊ}を付与した場合の単独運転検出処理の実験結果を示すグラフである。

図７の上段のグラフは現周期角速度ω１の時間変化を示し、図７の中段のグラフは角速度変動量Δω１の時間変化を示し、図７の下段のグラフは系統電圧実効値Ｖｇの時間変化を示している。それぞれのグラフにおいて時間軸は共通とし、太線は操作量Ｉ_{ｑ＿ｉｎｊ}を示している。

図７のグラフに示すように、電流位相成分の指令値に角速度を変化させるための操作量を付与して増幅動作を行った場合の単独運転検出処理では、単独運転検出までの時間が実験開始から０．５秒程度である。また、図７の下段に示すように、実験開始から単独運転検出までの系統電圧実効値Ｖｇは増加傾向にあり、系統電圧は変動が大きくなる兆候を示している。つまり、比較例の単独運転検出処理では、周波数以外の成分への干渉が大きくなってしまい、電力変換装置が本質的に有する単独運転検出後に無瞬断で自立運転へ移行する特性を損ねてしまう。

これに対し、図８は、内部相差角Δθに角速度を変化させるための操作量を付与した場合の単独運転検出処理の実験結果を示すグラフである。

図８の上段のグラフは現周期角速度ω１の時間変化を示し、図８の中段のグラフは角速度変動量Δω１の時間変化を示し、図８の下段のグラフは系統電圧実効値Ｖｇの時間変化を示している。それぞれのグラフにおいて時間軸は共通とし、太線は操作量θ_{ｉｎｔ＿ｉｎｊ}を示している。

図８のグラフに示すように、内部相差角Δθに角速度を変化させるための操作量を付与して増幅動作を行った場合は、単独運転検出までの時間が実験開始から０．３秒程度であり、比較例と比べて、単独運転検出より高速な単独運転検出が実現できることを示している。更に、図８の下段に示すように、実験開始から単独運転検出までの系統電圧実効値Ｖｇは、図７の下段の比較例と比べてみると、ほぼ一定の値となっている。これにより、系統連系中に上位系統事故等により発生した単独運転を能動的手法で高速に検出した後も、出力電圧の変動を抑制することができるので、無瞬断で自立運転へ移行することが可能となることが実証された。また、この手法であれば他の装置との間で干渉や相殺がなく、さらに上記電力変換装置は発電機相等の特性を有するので、他の発電機又は同様な発電機相当の特性を有する電力変換装置を台数制限なく並列接続してマイクログリッドを拡張することが可能であるという特性を損なうことがない。

尚、上記実施の形態においては、電力変換制御装置において受動的単独運転検出及び能動的単独運転検出の双方を行うような構成としたが、受動的な単独運転検出処理（図５のステップ１２〜１３）を省略してもよい。

また、上記実施の形態においては、電力変換制御装置は、発電機モデル２１と、ガバナモデル１９及びＡＶＲモデル２０を含む発電機制御部モデル１５とを備える構成としたが、電力変換制御装置が、ガバナ、ＡＶＲ、及び発電機本体をそれぞれモデル化した制御モデルを備えていれば、このような構成に限定されるものではない。

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

本発明は、電力系統と連系して運転する連系運転機能を有する電力変換装置に用いることができる。

１ 直流発電体
２ 二次電池
３ 電力変換器
４ 電力変換制御装置
５ 解列用開閉器
６ 特定負荷
７ 電力系統
８ 系統側遮断器
９ 変圧器
１０ 一般負荷
１１ 有効電力検知部
１２ 無効電力検知部
１３ 電圧検知部
１４ 角速度検知部
１５ 発電機制御部モデル
１６ ＰＷＭ信号生成部
１７ 単独運転検出部
１７ａ 電気的変動検知部
１７ｂ 操作量付与部
１９ ガバナモデル部
２０ ＡＶＲモデル部
２１ 発電機モデル部
１００ 電力変換装置
１０１ 直流電源
２００ パワーコンディショナシステム

Claims (5)

1. 電力系統と系統側遮断器によって接続又は切断されて使用される電力変換装置において、前記系統側遮断器に接続された解列用開閉器に出力線を介して接続され、直流電源部から入力される直流電力を交流電力に変換して前記出力線へ出力する電力変換器を制御する電力変換制御装置であって、
   有効電力指令に対する前記電力変換器が出力する有効電力の偏差、仮想的な発電機の速度垂下特性、及び前記電力変換器が出力する交流電圧の角速度の所定角速度に対する偏差に基づいて前記仮想的な発電機と前記出力線との内部相差角を算出するガバナモデル部と、
   無効電力指令に対する前記電力変換器が出力する無効電力の偏差、前記仮想的な発電機の電圧垂下特性、及び前記電力変換器が出力する交流電圧の所定電圧に対する偏差に基づいて前記仮想的な発電機の内部誘起電圧の絶対値を算出するＡＶＲモデル部と、
   前記ガバナモデル部で算出された内部相差角、前記ＡＶＲモデル部で算出された内部誘起電圧の絶対値、前記仮想的な発電機の内部インピーダンス、及び前記電力変換器が出力する交流電圧に基づいて前記仮想的な発電機の電機子電流に相当する電流の指令値を算出する発電機モデル部と、
   前記発電機モデル部で算出された電流指令をＰＷＭ信号に変換して前記電力変換器に出力するＰＷＭ信号生成部と、
   前記出力線の電気的変動に基づいて、前記出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に操作量を前記ガバナモデル部で算出された前記内部相差角に付与し、その結果の角速度の変動が第１所定値以上である場合に能動的単独運転を検出し、その後、前記解列用開閉器を開いて前記電力変換装置を自立運転に移行させるよう構成された単独運転検出部と、
   を備える、電力変換制御装置。
2. 前記単独運転検出部は、前記出力線の電気的変動を検知して電気的変動検知信号を生成し、かつ電気的変動が所定の量以上の場合には受動的単独運転を検出し、その後、前記解列用開閉器を開いて前記電力変換装置を自立運転に移行させるよう構成された電気的変動検知部と、
   前記電気的変動検知部から電気的変動検知信号が入力される期間において、前記出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に操作量を前記ガバナモデル部で算出された前記内部相差角に付与すると共に、前記電気的変動の有無に関わらず、前記出力線上を伝送される交流電圧の周波数に一致する制御周期毎に前記出力線上を伝送される交流電圧の角速度の変動に比例した操作量を前記ガバナモデル部で算出された前記内部相差角に付与し、その結果の角速度の変動が第１所定値以上である場合に能動的単独運転を検出し、その後、前記解列用開閉器を開いて前記電力変換装置を自立運転に移行させるよう構成された操作量付与部と、を備える、請求項１に記載の電力変換制御装置。
3. 前記操作量付与部において、前記角速度の変動に比例した操作量の符号は、前記角速度の変動が増大する方向に決定するように構成されている、請求項１または２に記載の電力変換制御装置。
4. 前記操作量付与部において、付与した結果の角速度の変動が前記第１所定値より小さい第２所定値以上であると判定された場合に前記内部相差角に与える前記角速度を変化させるための操作量がさらに大きくなるように構成されている、請求項１または２に記載の電力変換制御装置。
5. 前記電力変換装置又は前記電力変換制御装置は、前記電力変換器が出力する有効電力を計測或いは算出してこれを前記ガバナモデル部に出力する有効電力検知部と、前記電力変換器が出力する無効電力を計測或いは算出してこれを前記ＡＶＲモデル部に出力する無効電力検知部と、前記電力変換器が出力する電圧を計測および算出してこれを前記ＡＶＲモデル部及び前記発電機モデル部に出力する電圧検知部と、前記電力変換器が出力する交流電圧の角速度を計測或いは算出してこれを前記ガバナモデル部に出力する角速度検知部と、を含む、請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力変換制御装置。

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