JP2015211617A - 単相系統に接続される電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従来、Double Decoupled Synchronous Reference Frame(以下、DDSRFという)を用いて、不平衡な三相システムにおいて、正相成分と逆相成分とを分離することが知られている(例えば「D. Siemaszko, A. C. Rufer, “Power Compensation Approach and Double Frame Control for Grid Connected Converters,” Proc. of IEEE Intrnl. Conf. of Power Electronics and Drive Systems, pp.1263-1268,2013.」を参照)。ここで、「成分」は、dq回転座標系におけるd軸成分及びq軸成分である。また、DDSRFは、系統電圧の位相を変数として扱う推定演算であるので、系統電圧の角速度の変動に対応することができる。さらに、単相システムは三相システムの特別な不平衡状態と見なすことができる。発明者等は、これらの点に着目し、単相インバータにおける、周波数変動に対応可能な位相検出回路に、DDSRF技術を適用することを見出した。
[構成]
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図である。図1に示すように、電力変換装置1は、例えば、マイクログリッドである単相電力系統100と、出力線5、出力リアクトル6、電流センサ7、フィルタコンデンサ8、変圧器9、及び電圧センサ10を介して接続されている。本実施の形態では、単相電力系統100の配電線11は、2本の単相2線式配線(100V)であるが、3本の単相3線式配線(100V/200V)でもよい。単相電力系統100として、一戸建て住宅や集合住宅、事務所等の配電線、船舶の電力系統、離島の電力網、自家発電設備を備えた工場等の電力系統等が例示される。単相電力系統100は、解列器(図示せず)によって商用電力網に対して接続及び切断される。単相電力系統100が商用電力系統と接続された場合、電力変換装置1は単相電力系統100を系統連系運転し、単相電力系統100が商用電力系統と切断された場合、電力変換装置1は単相電力系統100を自立運転する。
Vq = Vg sin(θ−φ)・・・(3)
ここでVq:系統電圧のq軸成分、Vg:系統電圧、θ:系統電圧の推定位相、φ:系統電圧の位相である。図5(b)は式(3)をベクトル図で示したものである。ここで位相推定誤差θ−φがゼロに近ければ、次式(4)は充足される。
以上のような構成の電力変換装置1によれば、電圧電流計測部21が系統電圧の位相を変数として扱う推定演算を用いることにより、変化を伴う系統電圧の位相(系統周波数ω)に対して、系統電圧の角速度ω及び位相θを当該推定演算を用いて取得し、また、電圧正相成分抽出部30が、単相系統電圧からDDSRF演算により系統電圧の正相のd軸成分Vd +及びq軸成分Vq +を抽出することにより、単相電力系統100においても仮想発電機制御を実現することができる。これらにより、位相差や誘起電圧を状況に応じて変化させて、系統の周波数や負荷の変動に追従しながら電力制御を実現するという仮想発電機制御の特性を生かして、電力変換装置1による単相電力系統100の連系運転と自立運転との間における移行が制御を切り替えることなく可能となる。
本発明者等は、本実施の形態の電力変換装置1による効果を検証するために所定の条件下において実験を行った。図10は、電力変換装置1のテストシステムの概略図である。図10に示すように、テストシステムは、商用単相電力系統101と、単相商用電力系統101に接続された電力変換装置1と、マイクログリッドを模擬した単相電力系統100’と、スイッチMC1〜MC4と、電力変換装置1に有効電力指令値Pref及び無効電力指令値Qrefを供給する監視装置200と、を含む。単相電力系統100’、は電力変換装置1の負荷12a〜12dのみを含む。
次に、本発明の実施の形態2について、図13及び図14を用いて説明する。尚、実施の形態1と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。
実施の形態1及び2では、DDSRF演算を用いた位相(角速度)検出回路を採用しているが、位相(角速度)検出回路はこれには限定されない。位相(角速度)検出回路は、単相系統電圧から、系統電圧の位相を変数として扱う推定演算を用いて系統電圧の角速度及び位相を取得するものであればよい。
2 電力変換器
3 制御装置
4 直流電源
5 出力線
6 出力リアクトル
7 電流センサ
8 フィルタコンデンサ
9 変圧器
10 電圧センサ
11 単相電力系統の配電線
12 負荷
20 発電機制御部
21 電圧電流計測部
22 電力取得部
23 ガバナモデル部
24 AVRモデル部
25 発電機モデル部
26 電流制御部
30 電圧正相成分抽出部
31 角速度位相取得部
32 電流正相成分抽出部
67 PWM信号算出部
70 電流推定部(FAE)
71 電流電圧変換部
100 単相電力系統
200 監視装置
Claims (7)
- 直流電力を単相交流電力に変換し、単相電力系統に接続される出力線へ出力するよう構成された電力変換器と、
前記電力変換器が仮想発電機として動作するよう当該電力変換部を制御するように構成された制御器と、を備え、
前記制御器は、
前記単相電力系統の電圧である単相系統電圧を計測し、且つ計測された当該単相系統電圧から、系統電圧の位相を変数として扱う推定演算を用いて系統電圧の角速度及び位相を取得する電圧計測部と、
前記単相電力系統の有効電力及び無効電力を取得する電力取得部と、
有効電力指令値に対する前記電力取得部が取得した前記有効電力の偏差、前記仮想発電機のドループ特性、及び前記角速度に基づいて、位相差を算出するガバナモデル部と、
無効電力指令値に対する前記電力取得部が取得した前記無効電力の偏差及び前記電圧計測部の計測に基づく系統電圧に基づいて、前記仮想発電機の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位相差、前記AVRモデルで算出された誘起電圧の絶対値、前記位相に対応する系統電圧のd軸成分及びq軸成分、並びに前記仮想発電機のインピーダンスに基づいて、前記仮想発電機の電機子電流に相当する電流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値に基づいて、PWM信号を生成して前記電力変換器に出力する電流制御部と、
を備える、電力変換装置。 - 前記電圧計測部は、計測された前記単相系統電圧から、DDSRF演算により系統電圧の正相のd軸成分及びq軸成分(以下、単に系統電圧のd軸成分及びq軸成分という)を抽出する電圧正相成分抽出部と、前記電圧正相成分抽出部が抽出した系統電圧のq軸成分を用いて前記系統電圧の角速度及び位相を取得する角速度位相取得部と、備え、前記電圧計測部は、前記DDSRF演算において前記角速度位相取得部で取得された前記位相を用いて前記系統電圧のd軸成分及びq軸成分を抽出するよう構成されている、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記AVRモデル部で用いられる、前記電圧計測部の計測に基づく系統電圧は、前記電圧正相成分抽出部が抽出した前記系統電圧のd軸成分及びq軸成分に基づく系統電圧である、請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記仮想発電機モデル部で用いられる、前記位相に対応する系統電圧のd軸成分及びq軸成分は、前記電圧正相成分抽出部が抽出した前記系統電圧のd軸成分及びq軸成分である、請求項2又は3に記載の電力変換装置。
- 前記制御器は、前記単相電力系統の電流である単相系統電流を計測し、且つ計測された前記単相系統電流から、DDSRF演算により系統電流の正相のd軸成分及びq軸成分(以下、単に系統電流のd軸成分及びq軸成分という)を抽出する電流計測部を更に備え、
前記電流制御部は、前記電流計測部が抽出した前記系統電流のd軸成分及びq軸成分をフィードバック電流値として、前記単相系統電流のフィードバック制御を行う、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記電流制御部は、フィーバック電流値と前記発電機モデル部で算出された電流指令値とに基づいて静止座標系のα軸電圧指令値及びβ軸電圧指令値を生成し、α軸電圧指令値に基づいて前記PWM信号を生成するよう構成されており、
前記電圧計測部は、
前記系統電圧のd軸成分及びq軸成分から前記位相を用いて静止座標変換を行ってβ軸電圧を算出する逆dq変換部と、
前記逆dq変換部により算出された前記β軸電圧と前記電流制御部により生成されたβ軸電圧指令値とに基づいて、FAE演算を行うことにより、β軸電流を算出するβ軸電流演算部と、
前記単相電力系統の電流である単相系統電流を計測し、計測された前記単相系統電流であるα軸電流と前記β軸電流演算部が算出したβ軸電流と、を前記位相を用いて系統電流のd軸成分及びq軸成分に変換し、この系統電流のd軸成分及びq軸成分を前記フィーバック電流値として前記電流制御部に出力するdq変換部と、を備える電圧電流計測部である、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記角速度位相取得部は、前記系統電圧のq軸成分を、位相検出誤差(θ−φ)(θ:系統電圧の推定位相、φ:系統電圧)として、前記電圧計測部を含む位相検出ループに入力する演算によって、前記系統電圧の角速度ω及び位相θを取得するよう構成されている、請求項2乃至6のいずれかに記載の電力変換装置。
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