JP2016167926A - 電力変動抑制装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電流センサレスで且つ低コストで、電力変動を抑制できる電力変動抑制装置。【解決手段】電力系統1から系統インピーダンスL,Rを介して接続された負荷2及び分散電源3,4からなる分散電源システムの電力変動を抑制する電力変動抑制装置5であって、分散電源と負荷との接続点に出力端が接続されたインバータ521と、インバータを制御する制御部51とを備え、制御部は、インバータの出力電圧の負荷変動に起因する高周波成分と系統インピーダンスとに基づいて高周波電流を算出し、算出された高周波電流と電流指令値とに基づいて負荷の変動に起因する電圧変動を推定する負荷変動オブザーバ511,512,513,514を備え、推定された電圧変動に応じてインバータを制御する。【選択図】図１

Description

本発明は、系統の電力変動を抑制する電力変動抑制装置に関する。

電力変動抑制装置として、特許文献１に記載された電力系統周波数制御装置が知られている。特許文献１の電力系統周波数制御装置は、ディーゼル発電機と風力発電などの自然エネルギーを組み合わせた系統において、外乱推定オブザーバを用いて電力変動を推定し、自然エネルギー発電機の出力電力を調整することで、電力系統の電圧変動及び周波数変動を抑制している。

特開２００９−１７４３２９号公報

しかしながら、特許文献1では、系統の状態を推定する外乱推定オブザーバを用いているが、発電機のパラメータが既知である必要がある。離島やマイクログリッド等の閉じた系統では発電機のパラメータは容易に取得できるが、本州の電力系統のように大規模な系統では発電機パラメータが不明である。このため、大規模な系統には特許文献１の技術は適用することができない。

また、電力変動抑制装置の電力系統への適用において、容易に電力変動抑制装置を設置し、さらに電力変動抑制装置の信頼性を高めるためにセンサ数を極力減らすことが望ましい。

また、既存の系統に後付けで電力変動抑制装置を設置する場合、系統の電力変動を検出するために電流検出器を設置する必要がある。しかし、メインの電力系統に設置することになるため、設置工事が大規模になり、高コストとなる。

本発明の課題は、電流センサレスで且つ低コストで、電力変動を抑制することができる電力変動抑制装置を提供することにある。

本発明では、電力変動抑制装置は系統への接続点の電圧のみを検出し電力変動を抑制するため、負荷変動による電圧変化と電力系統の電圧変化を分離する必要がある。そこで、本発明の主な特徴は、電圧変動の周波数成分に着目し、急峻な負荷変動による系統インピーダンスでの電圧降下によって生ずる高周波電圧変動に基づいて負荷変動のみを推定する負荷変動オブザーバを構成したことにある。

本発明に係る電力変動抑制装置は、電力系統から系統インピーダンスを介して接続された負荷及び分散電源からなる分散電源システムの電力変動を抑制する電力変動抑制装置であって、前記分散電源と前記負荷との接続点に出力端が接続されたインバータと、前記インバータを制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記インバータの出力電圧の負荷変動に起因する高周波成分と前記系統インピーダンスとに基づいて高周波電流を算出し、算出された高周波電流と電流指令値とに基づいて前記負荷の変動に起因する電圧変動を推定する負荷変動オブザーバを備え、推定された電圧変動に応じて前記インバータを制御することを特徴とする。

本発明によれば、負荷変動オブザーバは、インバータの出力電圧の負荷変動に起因する高周波成分と系統インピーダンスとに基づいて高周波電流を算出し、算出された高周波電流と電流指令値とに基づいて負荷の変動に起因する電圧変動を推定し、推定された電圧変動に応じてインバータを制御するので、電流センサレスで且つ低コストで、電力変動を抑制することができる電力変動抑制装置を提供することができる。

本発明の実施例１に係る電力変動抑制装置の回路構成を示す図である。 本発明の実施例１に係る電力変動抑制装置を簡単化した構成を示す図である。 本発明の実施例１の負荷変動オブザーバを用いない場合の各部のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例１の負荷変動オブザーバを用いた場合の各部のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例１に係る電力変動抑制装置において系統電圧変動の分離同定を用いない場合のシミュレーション回路を示す図である。 本発明の実施例１に係る電力変動抑制装置において系統電圧変動の分離同定を用いない場合の各部のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変動抑制装置の３相システムを想定した簡単化システムを示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変動抑制装置の３相システムにおける制御装置のブロック図である。 本発明の実施例２の負荷変動オブザーバを用いない場合の各部のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例２の負荷変動オブザーバを用いた場合の各部のシミュレーション結果を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変動抑制装置において系統電圧の変動と負荷変動を与えたときの各部のシミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明の実施の形態の電力変動抑制装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。

実施例１の電力変動抑制装置は、電流センサレスで電力変動を抑制するために、負荷変動を推定するためのオブザーバを用いている。本発明では、電力変動抑制装置は系統への接続点の電圧のみを検出し電力変動を抑制するため、負荷変動による電圧変化と電力系統の電圧変化を分離する必要がある。そこで、本発明の主な特徴は、電圧変動の周波数成分に着目し、急峻な負荷変動による系統インピーダンスでの電圧降下によって生ずる高周波電圧変動に基づいて負荷変動のみを推定する負荷変動オブザーバを構成したことにある。

図１は、本発明の実施例１に係る電力変動抑制装置の回路構成を示す図である。図１において、電力系統１は、インダクタＬ及び抵抗Ｒからなる系統インピーダンスを介して負荷２（需要家）とＰＶシステムに接続されている。ＰＶシステムは、ＰＣＳ（パワーコンディショナ）３とＰＶ（太陽光発電装置）４との分散電源からなる分散電源システムである。ＰＶ４は、太陽光により発電し、発電量をＰＣＳ３を介して負荷２に出力する。

電力変動抑制装置５は、電力系統１と負荷２とＰＶシステムとの接続点に設けられて、負荷２及びＰＶシステムの電力変動を抑制するもので、制御装置５１、電力変換器５２、蓄電デバイス５３を有している。

蓄電デバイス５３は、鉛蓄電池、リチウムイオン電池などである。電力変換器５２は、インバータ（ＩＮＶ）５２１を有し、インバータ５２１により蓄電デバイス５３の蓄電電力を所定の電力に変換して電力系統に供給する。

このシステムにおいて、電力系統１に電流センサを設けないで電力変動を抑制するとき、入力はi_invであり，出力はv_oとするのが一般的である。外乱要素が電力系統の電圧振幅，周波数，負荷インピーダンス，ＰＶシステムの出力電圧と、複数考えられる。

系統インピーダンスとして抵抗成分Ｒとインダクタ成分Ｌが存在し，負荷インピーダンスは負荷力率も変化する。さらに、電力変動抑制装置５の構成も出力にＬＣフィルタを用いているため、電流センサレス化を検討するにはモデルが複雑である。

そこで、図２に実施例1の電力変動抑制装置の簡単化したシステムを示す。系統は単相モデル、系統インピーダンスはインダクタ成分Ｌｇのみ考慮する。負荷２，ＰＶシステムはひとつにまとめて力率１の可変抵抗負荷２としてみなす。

電力変動抑制装置５の構成は，出力キャパシタＣ１と、インバータのインダクタ電流の制御が正しく行えている(ループゲインが１)と仮定して電流源Ｉａとしておく。負荷変動やＰＶシステムの電力変動による系統電圧の変動モデルは、実施例１では系統インピーダンスＬにおける電圧降下と考える。そして、系統電圧の変動周期は負荷変動の周期よりも十分長いと仮定する。

制御装置５１は、インバータ５２１の出力電圧の高周波成分と系統インピーダンスＬとに基づいて高周波電流を算出し、算出された高周波電流と電流指令値（インバータ電流指令値）とに基づいて負荷２の変動に起因する電圧変動を推定する負荷変動オブザーバを備え、推定された電圧変動に応じてインバータ５２１を制御する。

負荷変動オブザーバは、ＬＰＦ５１１，加算器５１２，積分器５１３，ＬＰＦ５１４からなる。負荷変動オブザーバを用いることにより、電流センサレスで電力変動を抑制する。

次に、負荷変動オブザーバの詳細を説明する。まず、系統電圧のゆるやかな変動に対して、インバータ電流指令値i_inv ^refは反応的にならない。これは、インバータ電流の定常的な出力を避けるためである。なお、インバータ電流指令値i_inv ^refは、通常ではゼロである。

次に、負荷電流i_loadのステップ的な変動に対しては、インバータ５２１は反応的となり、負荷変動を抑制するための補償電流を出力させる。

実施例1では、負荷変動による電圧変動モデルは、系統インピーダンスＬにおける電圧降下として検討する。従って、系統電流i_sに含まれる高周波成分i_rippleを推定して推定された高周波成分i_rippleに基づいて負荷変動を補償することで、負荷変動を抑制することができる。

制御装置５１は、インバータ５２１の出力電圧v_oを検出する。出力電圧v_oから負荷変動に伴う系統インダクタンスＬの電圧降下を推定するためにＨＰＦ（ハイパスフィルタ）を用いる。ＨＰＦは、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）５１１と加算器５１２とで構成される。

ＬＰＦ（ローパスフィルタ）５１１は、インバータ５２１の出力電圧v_oに対して、低域周波数成分のみを抽出して電圧vsを加算器５１２に出力する。

ＬＰＦ５１１の伝達関数は、
g1/(s+gl)
で表される。ここで、sはラプラス演算子である。

加算器５１２は、ＬＰＦ５１１からの低域周波数成分のみの電圧vsからインバータ５２１の出力電圧v_oを減算し、負荷変動に伴う系統インダクタンスＬの電圧降下

を推定する。即ち、ＬＰＦ５１１からの低域周波数成分のみの電圧vsからインバータ５２１の出力電圧v_oを減算すると、ハイパスフィルタとして機能し、推定された負荷変動に伴う系統インダクタンスＬの電圧降下

は、高周波成分の信号となる。

次に、積分器５１３は、推定された電圧降下

に対して系統インダクタンスＬｇと積分演算（伝達関数1/s）を行うことで、系統電流i_sを推定することができる。

系統電流i_sには直流成分が含まれるため、ＬＰＦ５１４は、負荷変動に伴う高周波電流成分i_rippleを抽出する。

ＬＰＦ５１４の伝達関数は、
g2/(s+g2)
で表される。ここで、sはラプラス演算子である。

加算器５１５は、抽出された高周波電流成分

にインバータ電流指令値i_inv ^refを加算して、インバータ５２１に出力する。

インバータ５２１は、高周波電流成分

にインバータ電流指令値i_inv ^refが加算された電流からインバータ電流i_invを生成し、加算器５２２は、インバータ電流i_invに負荷電流i_loadを加算し、得られた電流に対してコンデンサＣと積分演算を行ってインバータ５２１の出力電圧v_oを得る。インバータ５２１の出力電圧v_oは、系統に供給される。

このように、負荷変動オブザーバは、インバータ５２１の出力電圧v_oの高周波成分と系統インピーダンスＬとに基づいて高周波電流を算出し、算出された高周波電流と電流指令値i_inv ^refとに基づいて負荷変動に起因する電圧変動を推定し、推定された電圧変動に応じてインバータ５２１を制御するので、電流センサレスで且つ低コストで、電力変動を抑制することができる。

また、電流センサレスで、負荷変動に起因する系統電流の変動成分のみを推定して、定常的な負荷電流や系統電圧のゆるやかな変動は、分離して同定できる。

系統電圧変動の分離のための前段のＬＰＦ５１１のカットオフ周波数は１Ｈｚとしている。変動抑制で取り扱う負荷変動の周波数帯域は、１ｋＨｚ以下としてＬＰＦ５１４を設定する。

図３以降に簡単化モデルを用いた場合のシミュレーション結果を示す。ここでは、簡単化の為、交流電源を直流電源に置き換えて動作検証を行っている。

図３は実施例１の負荷変動オブザーバを用いないときのシミュレーション結果を示す。図３（ａ）は全体図、図３（ｂ）は拡大図である。図３（ａ）、図３（ｂ）は、負荷電流i_load、インバータ出力電圧v_o、インバータ電流i_inv、系統電圧vsを示している。

図３（ａ）に示すように、時刻ｔ１〜ｔ２において、系統電圧vsが９５Ｖから１００Ｖへランプ変化している。時刻ｔ３において、負荷抵抗を２０Ωから５Ωへステップ変化させている。図３（ｂ）の拡大図に示すように、負荷変動オブザーバを用いないときでは、負荷変動によってインダクタＬに電圧降下が生じて、インバータ出力電圧v_oの波形に大きな歪が見られる。

図４は負荷変動オブザーバを用いた時のシミュレーション結果を示す。図４（ａ）は全体図、図４（ｂ）は拡大図である。図４（ｂ）の拡大図に示すように、負荷変動オブザーバは、負荷変動に対して適切なインバータ電流i_invを流せるため、図３と比較して大幅にインバータ出力電圧v_oの歪を低減することができている。また、ゆるやかな系統電圧変動に対して負荷変動オブザーバが系統電圧の変動と、負荷変動を分離同定できていることも確認することができる。

以上のシミュレーション結果より、実施例1の負荷変動オブザーバは、電流センサレスで構成でき、電源電圧の変動に不感で、負荷の変動にのみ反応して、変動抑制に使用できる。

次に、実施例１の電力変動抑制装置の有効性を確認するために、系統電圧変動の分離同定を用いないときのシミュレーション回路を図５に示す。図６に系統電圧変動の分離同定を用いない場合の各部のシミュレーション結果を示す。

図５に示すように、シミュレーションでは系統電圧vsの推定はオンラインで行わず、系統電圧vsとして100V一定値を加算器５１２に与えている。

従って、実際の系統電圧vsと推定値に偏差があるため、インバータ５２１からは常に電圧補償のための電流が流れている。図６では、最大２５Ａ程度のインバータ電流i_invが期間Ｔ１において流れている。このように、系統電圧変動の分離同定を用いない場合、系統電圧vsと推定値との誤差によってシステムに過大な電流が流れることから、実施例１の電力変動抑制装置の有効性が確認することができる。

図７は、本発明の実施例２に係る電力変動抑制装置の３相システムを想定した簡単化システムを示す図である。図８は、本発明の実施例２に係る電力変動抑制装置の３相システムにおける制御装置のブロック図である。

図１に示す直流モデル同様に、系統は３相交流電源(２００Ｖ，５０Ｈｚ)、系統インピーダンスＬ１，Ｌ２，Ｌ３はインダクタ成分のみを考慮する。負荷，ＰＶシステムは、ひとつにまとめて力率１の可変抵抗負荷Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３としてみなす。

電力変動抑制装置の構成は，出力キャパシタＣ１，Ｃ２，Ｃ３と、インバータのインダクタ電流の制御が正しく行えている(ループゲインが1)と仮定して３相電流源Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３としておく。負荷変動やPVシステムの電力変動による系統電圧の変動モデルは、３相回路の検証でも系統インピーダンスＬ１，Ｌ２，Ｌ３における電圧降下として考える。

図８に実施例２に係る電力変動抑制装置の３相システムにおける制御装置のブロック図を示す。実施例２では、出力電圧に同期して回転するｄｑ軸上で制御系を構築する。変動抑制はｄ軸で検討する。

まず、インバータ出力電圧v_oを3相（ｕ相，ｖ相，ｗ相）分だけ検出する。その後、３相／ｄｑ変換部５１８により３相／ｄｑ変換を行い、ｄ，ｑ軸電圧v_d, v_qを求める。

求められた電圧v_dに基づき、ＬＰＦ５１１と加算器５１２からなるＨＰＦを用いて、直流モデルと同様に負荷変動に伴う系統インダクタンスのｄ軸成分の電圧降下v_Ldを推定する。

次に、積分器５１３は、推定された系統インダクタンスのｄ軸成分の電圧降下

に対して系統インダクタンスＬと積分演算（伝達関数1/s）を行うことで、系統電流のｄ軸電流成分i_sdを推定することができる。

ｄ軸電流成分i_sdには直流成分が含まれるため、ＬＰＦ５１４は、負荷変動に伴う高周波電流成分i_rippleを抽出する。抽出された高周波電流成分

は、インバータｄ軸電流指令値として加算器５１５によりｄ軸電流指令値i_d ^refに加えられる。そして、加算器５１５の出力は、ｄｑ／３相変換部５１９によりｄｑ／３相変換されて、インバータ５２１に出力される。

図９に実施例２の負荷変動オブザーバを用いない場合の各部のシミュレーション結果を示す。系統インダクタンスは、負荷変動による電圧変動を顕著にするために、１相あたり５ｍＨとした。なお、制御に用いたフィルタの時定数は、直流モデルと同じ値を用いている。

時刻が１秒において、負荷抵抗を１相あたり２０Ωから５Ωへステップ変化させている。負荷電力ploadは変動して系統電力Vsも変動が生じている。図９に示すように負荷変動オブザーバを用いない場合には、負荷変動によってインダクタに電圧降下が生じて、インバータ出力電圧波形(Ｕ相)およびｄ軸電圧Vdに大きな歪が見られる。なお、ｑ軸電圧Vqには負荷変動による影響は見られない。

図１０に実施例２の負荷変動オブザーバを用いた場合の各部のシミュレーション結果を示す。時刻が１秒において、１相あたり２０Ωから５Ωへステップ変化させている。負荷電力p_loadが変動してもインバータから補償電力pinvを適切に出力することで、系統電力Vsの変動は、負荷変動オブザーバなしの場合に比べてなだらかになっている。U相出力電圧およびd軸電圧Vdの歪も負荷変動オブザーバなしと比較して大幅に減少している。

以上のことから、実施例２の負荷変動オブザーバは、３相システムでも同様に電流センサレスで負荷変動を抑制できることが確認できる。

図１１に系統電圧の変動と負荷変動を与えたシミュレーション結果を示す。図１１（ａ）は全体図、図１１（ｂ）は拡大図である。本シミュレーションでは、時刻が０〜２秒まで系統の線間電圧実効値として１８０Ｖが与えられ、２〜４秒まで１８０Vから２００Ｖへランプ状に上昇している。４〜１０秒までは２００Ｖ一定である。また、時刻が８秒において、負荷抵抗を１相あたり２０Ωから５Ωへステップ変化させている。実施例２の負荷変動オブザーバを用いた時の結果を示す。

図１１（ｂ）の拡大図に示すように、実施例２の負荷変動オブザーバは、負荷変動に対してインバータ出力電圧voの歪を抑制できている。また、ゆるやかな系統電圧の変動に対してはオブザーバが系統電圧の変動と、負荷変動とを分離同定できているため、不必要なインバータ電流を系統へ流していないことも確認できる。この結果は、前述した直流モデルと同等の特性を示している。

以上の結果より、実施例２の負荷変動オブザーバは、３相交流システムにおいても電流センサレスで構成でき、系統電圧の変動に不感であり、負荷の変動にのみ反応して、負荷の変動を抑制することができる。

１ 電力系統
２ 負荷
３ ＰＣＳ
４ ＰＶ
５ 電力変動抑制装置
５１ 制御装置
５２ 電力変換器
５３ 蓄電デバイス
５１１，５１４ ＬＰＦ
５１３ 積分器
５１２，５１５，５２２ 加算器
５２１ インバータ（ＩＮＶ）
Ｉａ，Ｉ１，Ｉ２，Ｉ３ 定電流源
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ

Claims (3)

1. 電力系統から系統インピーダンスを介して接続された負荷及び分散電源からなる分散電源システムの電力変動を抑制する電力変動抑制装置であって、
   前記分散電源と前記負荷との接続点に出力端が接続されたインバータと、
   前記インバータを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、前記インバータの出力電圧の負荷変動に起因する高周波成分と前記系統インピーダンスとに基づいて高周波電流を算出し、算出された高周波電流と電流指令値とに基づいて前記負荷の変動に起因する電圧変動を推定する負荷変動オブザーバを備え、推定された電圧変動に応じて前記インバータを制御することを特徴とする電力変動抑制装置。
2. 前記系統インピーダンスは、インダクタであり、
   前記電圧変動は、前記インダクタの電圧降下であり、
   前記負荷変動オブザーバは、
   前記インバータの出力電圧から前記インダクタの電圧降下を推定する第１フィルタと、
   前記第１フィルタで推定された前記インダクタの電圧降下に対して前記インダクタと積分演算を行うことで系統電流を推定する積分器と、
   前記積分器で推定された系統電流から負荷変動に伴う高周波電流成分を抽出する第２フィルタと、
   前記第２フィルタで抽出された高周波電流成分にインバータ電流指令値を加算して前記インバータに出力する加算器と、
   を備えることを特徴とする請求項１記載の電力変動抑制装置。
3. 前記電力系統は、３相であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変動抑制装置。
   

Images