JP2016208778A - 電力変換装置、発電システム、制御装置および制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】残留電圧がある場合であっても迅速に系統連系を行うことができる電力変換装置、発電システム、制御装置および制御方法を提供すること。
【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、電力変換部および制御部を備える。電力変換部は、電源から供給される電力を電力系統に対応する交流電力へ変換する。制御部は、電力系統と電力変換部との間に配置されたコンデンサの電圧に応じたタイミングでコンデンサへ交流電圧を印加する制御を開始する。
【選択図】図１Ｂ

Description

開示の実施形態は、電力変換装置、発電システム、制御装置および制御方法に関する。

従来、例えば風力や太陽光などから得られるエネルギーを供給する発電システムが知られている。かかる発電システムは、風力発電装置や太陽電池などの発電装置と電力系統との間に電力変換装置が配置される。かかる電力変換装置は、発電装置により発電された電力を電力系統の周波数に合わせた交流電力に変換し電力系統へ出力する電力変換部を有する。

この種の電力変換部は、ＰＷＭ制御によってスイッチングされるスイッチング素子が備えられていることから、電力変換部の出力側には、ＰＷＭ制御に起因するノイズを除去するために、例えば、コンデンサを含むフィルタが設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１６８２１３号公報

しかしながら、従来の電力変換装置は、系統連系を開始する場合に電力系統の電圧がゼロ付近になるタイミングで電力系統と接続するため、例えば、フィルタに含まれるコンデンサに残留電圧がある場合、コンデンサの電圧がゼロになるのを待って系統連系を開始することになる。そのため、系統連系を迅速に行うことができない場合がある。このことは、例えば、系統連系を開始する前に電力系統の電圧に対応する電圧を電力変換部から出力する場合なども同様である。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、残留電圧がある場合であっても迅速に系統連系を行うことができる電力変換装置、発電システム、制御装置および制御方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る電力変換装置は、電力変換部および制御部を備える。前記電力変換部は、電源から供給される電力を電力系統に対応する交流電力へ変換する。前記制御部は、前記電力系統と前記電力変換部との間に配置されたコンデンサの電圧に応じたタイミングで前記コンデンサへ交流電圧を印加する制御を開始する。

実施形態の一態様によれば、残留電圧がある場合であっても迅速に系統連系を行うことができる電力変換装置、発電システム、制御装置および制御方法を提供することができる。

図１Ａは、実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。 図１Ｂは、交流電圧の印加開始のタイミングを示す説明図である。 図２は、実施形態に係る電力変換装置の構成例を示す図である。 図３は、昇圧回路とインバータ回路の構成例を示す図である。 図４は、タイミング判定部の構成例を示す図である。 図５は、系統連系制御部による系統連系制御の一例を示す図である。 図６は、系統連系制御部による系統連系制御の他の例を示す図である。 図７は、電力変換装置による系統連系処理の一例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置、発電システム、制御装置および制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

［１．発電システム］
図１Ａは、実施形態に係る発電システムの構成例を示す図である。図１Ａに示す発電システム１００は、電力変換装置１および発電装置２を備える。

電力変換装置１は、発電装置２などの電源から供給される電力を電力系統３に対応する交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。発電装置２は、例えば、太陽電池、直流発電機、燃料電池などの直流発電装置や交流発電装置である。

電力変換装置１は、電力変換部１０と、フィルタ１１と、スイッチ１２と、制御部２０とを備え、発電装置２から供給される電圧を電力系統３の電圧Ｖｓ（以下、系統電圧Ｖｓと記載する）の位相、周波数および振幅に合わせた電圧へ変換して電力系統３へ出力する。

電力変換部１０は、制御部２０による制御に基づき、発電装置２から供給される電力を電力系統３に対応する交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。かかる電力変換部１０は、発電装置２が直流発電装置である場合、例えば、昇圧回路とインバータとを備える。昇圧回路は、発電装置２によって発電された直流電圧を昇圧し、インバータは、昇圧回路によって昇圧された電圧を電力系統３に対応する電圧へ変換する。

また、発電装置２が交流発電装置である場合、電力変換部１０は、例えば、コンバータと、インバータとを備える。コンバータは、発電装置２によって発電された交流電力を直流電力へ変換し、インバータは、コンバータから出力される直流電力を電力系統３に対応する交流電力へ変換する。

フィルタ１１は、リアクトルＬ１、Ｌ２とコンデンサＣ１とを有するＬＣフィルタである。リアクトルＬ１、Ｌ２は、電力変換部１０とスイッチ１２との間にそれぞれ直列に接続される。コンデンサＣ１は、リアクトルＬ１、Ｌ２間に接続される。

スイッチ１２は、例えば、電磁リレーであり、フィルタ１１と電力系統３との間に接続される。かかるスイッチ１２によって、電力変換部１０と電力系統３との間の接続と切断が行われる。

制御部２０は、電力変換部１０を制御して、系統電圧Ｖｓに対応する交流電圧を電力変換部１０から出力させ、また、スイッチ１２を制御して、電力変換部１０と電力系統３との間の接続および切断を行う。

図１Ｂは、制御部２０による電力変換部１０およびスイッチ１２の制御例を示す図である。図１Ｂに示すように、時刻ｔ１までは、電力変換装置１の系統連系が停止している状態であり、制御部２０は、スイッチ１２をオフにして電力変換部１０と電力系統３との間を切断しており、また、電力変換部１０に対する電力変換制御を停止している。

その後、制御部２０は、時刻ｔ１で電力変換部１０に対する電力変換制御を開始する。時刻ｔ１は、コンデンサＣ１の電圧（以下、コンデンサ電圧Ｖｃと記載する）に応じたタイミングであり、例えば、コンデンサ電圧Ｖｃと系統電圧Ｖｓとが一致するタイミングである。電力変換部１０に対する電力変換制御を開始した後、制御部２０は、時刻ｔ２において、スイッチ１２をオンにし、電力変換部１０と電力系統３との間を接続し、系統連系を開始する。

このように、制御部２０は、コンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミングでコンデンサＣ１へ交流電圧を印加する制御（以下、交流電圧印加制御と記載する）を開始する。そのため、コンデンサ電圧Ｖｃの大きさに関わらず、電力変換部１０とコンデンサＣ１との間に過電流が流れることを抑制しつつ、迅速に交流電圧印加制御を開始できる。

例えば、コンデンサＣ１に残留電圧が存在する場合であっても、コンデンサの残留電圧の大きさに応じたタイミングで交流電圧印加制御が開始される。そのため、電力変換部１０とコンデンサＣ１との間に過電流が流れることを抑制しつつ、コンデンサ電圧Ｖｃがゼロになるタイミング（例えば、図１Ｂに示すｔ３）まで待つことなく、交流電圧印加制御を開始することができる。

一方、コンデンサＣ１に残留電圧が存在する場合に系統電圧Ｖｓのゼロクロス点（例えば、図１Ｂに示す時刻ｔ０）で交流電圧印加制御を開始したとする。この場合、コンデンサ電圧Ｖｃと系統電圧Ｖｓとの差が大きい状態で電力変換部１０からコンデンサＣ１へ交流電圧が印加されるため、電力変換部１０とコンデンサＣ１との間にリアクトルＬ１、Ｌ２を介して過電流が流れるおそれがある。

実施形態に係る電力変換装置１は、上述のように、過電流の発生を抑制することができるため、例えば、電力変換部１０のスイッチング素子、リアクトルＬ１、Ｌ２およびコンデンサＣ１の劣化や電力変換部１０内部での共振の発生を抑制することができる。

また、実施形態に係る電力変換装置１は、コンデンサＣ１に残留電圧がある場合であっても、過電流を抑制しつつ、再起動を迅速に行うことができるため、稼働率や発電量の低下を抑制することができる。

また、電力変換装置１は、コンデンサＣ１の静電容量に影響を受けないため、コンデンサＣ１の静電容量を大きくし、リアクトルＬ１、Ｌ２を小型化できることから、電力変換装置１の小型化を図ることができる。また、電力変換装置１は、放電回路を設けなくてもよいため、この点でも、電力変換装置１の小型化を図ることができる。

［２．電力変換装置１］
次に、実施形態に係る電力変換装置１の構成例について説明する。図２は、実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す図である。図２に示す例では、発電装置２は、例えば、太陽光パネルなどの太陽電池、直流発電機、燃料電池などの直流発電装置である。

図２に示すように、電力変換装置１は、入力端子Ｔｐ、Ｔｎと、出力端子Ｔｕ、Ｔｗと、電力変換部１０と、フィルタ１１と、スイッチ１２と、系統電圧判定部１３と、コンデンサ電圧判定部１４と、操作部１５と、制御部２０とを備える。入力端子Ｔｐ、Ｔｎは、発電装置２に接続され、出力端子Ｔｕ、Ｔｗは、電力系統３に接続される。

電力変換部１０は、昇圧回路３１とインバータ回路３２とを備える。図３は、昇圧回路３１とインバータ回路３２の構成例を示す図である。図３に示す例では、昇圧回路３１は、昇圧チョッパ形の昇圧回路であり、インバータ回路３２は、フルブリッジインバータ回路であるが、昇圧回路３１とインバータ回路３２は図３に示す例に限定されない。

系統電圧判定部１３は、出力端子Ｔｕ、Ｔｗ間の電圧、すなわち、系統電圧Ｖｓを判定する。例えば、系統電圧判定部１３は、出力端子Ｔｕ、Ｔｗ間の電圧の瞬時値を検出することによって系統電圧Ｖｓの瞬時値を判定することができる。

また、系統電圧判定部１３は、瞬断などによって系統電圧Ｖｓを検出できない場合、瞬断前の系統電圧Ｖｓに基づいて系統電圧Ｖｓの瞬時値を推定することによって系統電圧Ｖｓの瞬時値を判定することができる。例えば、系統電圧判定部１３は、瞬断前の系統電圧Ｖｓと位相が連続して変化し、周波数と振幅が瞬断前の系統電圧Ｖｓと同じ交流電圧の瞬時値を系統電圧Ｖｓとして推定することができる。

コンデンサ電圧判定部１４は、コンデンサＣ１の両端電圧（以下、コンデンサ電圧Ｖｃ）を判定する。例えば、コンデンサ電圧判定部１４は、コンデンサＣ１の両端電圧を検出することによってコンデンサ電圧Ｖｃを判定することができる。

また、コンデンサ電圧判定部１４は、コンデンサＣ１への交流電圧の印加が停止されたときの系統電圧Ｖｓの瞬時値と電力変換装置１におけるコンデンサＣ１の放電特性とに基づいて、コンデンサ電圧Ｖｃを推定することができる。

ここで、電力変換装置１におけるコンデンサＣ１の放電特性は、リアクトルＬ１、Ｌ２の特性に依存する。これは、コンデンサＣ１、リアクトルＬ１、Ｌ２およびインバータ回路３２によって閉回路が形成され、リアクトルＬ１、Ｌ２の抵抗成分にコンデンサＣ１の放電電流が依存するためである。コンデンサ電圧判定部１４は、リアクトルＬ１、Ｌ２の特性に基づいて、コンデンサＣ１の放電によるコンデンサ電圧Ｖｃの低下状態を推定することができる。

また、コンデンサＣ１の放電特性は、コンデンサＣ１の静電容量にも依存する。コンデンサ電圧判定部１４は、リアクトルＬ１、Ｌ２の特性に加え、コンデンサＣ１の静電容量に基づいて、コンデンサＣ１の放電によるコンデンサ電圧Ｖｃの低下状態を推定することができる。例えば、コンデンサ電圧判定部１４は、コンデンサＣ１の静電容量とリアクトルＬ１、Ｌ２の抵抗成分とに基づく時定数によってコンデンサＣ１の放電特性を推定することができる。なお、コンデンサ電圧判定部１４は、コンデンサＣ１の放電特性のデータ（例えば、コンデンサ電圧Ｖｃと経過時間との関係とを関連付けたテーブルや演算式）を記憶しておき、かかるデータに基づいて、コンデンサ電圧Ｖｃを推定することができる。

制御部２０は、図２に示すように、昇圧回路駆動部２１と、インバータ駆動部２２と、スイッチ駆動部２３と、系統連系制御部２４とを備える。昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２は、第１駆動部および印加制御部の一例であり、スイッチ駆動部２３は、第２駆動部の一例である。

制御部２０は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。かかるマイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２、スイッチ駆動部２３および系統連系制御部２４の機能を実現する。また、系統電圧判定部１３およびコンデンサ電圧判定部１４についても、上記ＣＰＵが上記プログラムを読み出して実行することにより実現することができる。

また、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２、スイッチ駆動部２３、系統連系制御部２４、系統電圧判定部１３およびコンデンサ電圧判定部１４の少なくとも一部または全部をハードウェアのみで構成することもできる。

昇圧回路駆動部２１は、昇圧回路３１を制御することによって、発電装置２によって発電された直流電圧を昇圧する。例えば、昇圧回路３１が図３に示す構成である場合、昇圧回路駆動部２１は、エネルギーをリアクトルＬ３に蓄積する第１処理と、リアクトルＬ３に蓄積したエネルギーをコンデンサＣ３に蓄積する第２処理を繰り返す。

昇圧回路駆動部２１は、スイッチング素子Ｑ５をオンにし、スイッチング素子Ｑ６をオフにすることによって第１処理を行い、スイッチング素子Ｑ５をオフにし、スイッチング素子Ｑ６をオンにすることによって第２処理を行う。

インバータ駆動部２２は、系統電圧判定部１３によって判定された系統電圧Ｖｓの位相、周波数および振幅に応じた電圧がインバータ回路３２から出力されるように、インバータ回路３２を制御する。

インバータ回路３２が図３に示す構成である場合、インバータ駆動部２２は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフ制御することによって、系統電圧Ｖｓの位相、周波数および振幅に応じた電圧をインバータ回路３２から出力する。

スイッチ駆動部２３は、スイッチ１２のオン／オフ制御を行うことによって、電力変換部１０と電力系統３との間の接続および切断を行う。

系統連系制御部２４は、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２およびスイッチ駆動部２３を制御して、系統連系の起動や停止を行う。

かかる系統連系制御部２４は、例えば、電力変換装置１の設置者や利用者などによる操作部１５への入力操作に基づき、系統連系の起動や停止を行う。例えば、系統連系制御部２４は、操作部１５への入力操作が系統連系の起動を指示する操作（以下、起動操作と記載する）である場合、系統連系を起動する。

また、系統連系制御部２４は、操作部１５への入力操作が系統連系の停止を指示する操作（以下、停止操作と記載する）である場合、系統連系を停止する。さらに、系統連系制御部２４は、電力系統３の状態に基づき、系統連系の起動や停止を行う。

かかる系統連系制御部２４は、電圧異常検出部２５、電圧差判定部２６およびタイミング判定部２７を備える。電圧異常検出部２５は、電力系統３の異常を検出する。例えば、電圧異常検出部２５は、系統電圧Ｖｓが所定値以下となってから所定時間（例えば、１秒）が経過しても系統電圧Ｖｓが所定値以下である場合に、電力系統３に異常があると判定する。

電圧異常検出部２５は、系統電圧Ｖｓに異常があることを検出した場合、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２およびスイッチ駆動部２３を制御する。これにより、昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２は、昇圧回路３１およびインバータ回路３２を制御して電力変換部１０からの交流電圧の出力を停止し、また、スイッチ駆動部２３はスイッチ１２をオフにすることで、系統連系が停止する。

電圧差判定部２６は、系統電圧判定部１３によって判定された系統電圧Ｖｓとコンデンサ電圧判定部１４によって判定されたコンデンサ電圧Ｖｃとの差（以下、電圧差Ｖｄｉｆｆと記載する）を判定する。

タイミング判定部２７は、起動操作があった場合、電圧差Ｖｄｉｆｆや系統電圧Ｖｓに基づいてコンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミング（以下、起動タイミングと記載する）を判定する。タイミング判定部２７は、判定した起動タイミングに基づいて、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２およびスイッチ駆動部２３を制御する。

また、タイミング判定部２７は、停止操作があった場合、系統電圧Ｖｓに基づいてコンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミング（以下、停止タイミングと記載する）を判定することができる。タイミング判定部２７は、判定した停止タイミングに基づいて、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２およびスイッチ駆動部２３を制御する。

図４は、タイミング判定部２７の構成の一例を示す図である。図４に示すように、第１起動タイミング判定部４１と、第２起動タイミング判定部４２と、第１停止タイミング判定部４３と、第２停止タイミング判定部４４とを備える。

第１起動タイミング判定部４１は、起動操作があった場合、電圧差判定部２６によって判定された電圧差Ｖｄｉｆｆに基づいて、起動タイミングを判定する。第１起動タイミング判定部４１は、判定した起動タイミングに基づいて、昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２を制御して電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させる。

第１起動タイミング判定部４１は、電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧が出力された後に、スイッチ駆動部２３を制御して電力変換部１０と電力系統３との接続を行う。

また、第２起動タイミング判定部４２は、起動操作があった場合、電圧差判定部２６によって判定された電圧差Ｖｄｉｆｆに基づいて、起動タイミングを判定する。第２起動タイミング判定部４２は、判定した起動タイミングに基づき、スイッチ駆動部２３を制御して電力変換部１０と電力系統３との接続を行う。

第２起動タイミング判定部４２は、電力変換部１０と電力系統３との接続が行われた後に、昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２を制御して電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させる。

なお、第１起動タイミング判定部４１および第２起動タイミング判定部４２は設定等に基づき、いずれか一方のみが動作する。なお、図４に示す例では、タイミング判定部２７は、第１起動タイミング判定部４１および第２起動タイミング判定部４２を有するが、これらの起動タイミング判定部のうちいずれか一方のみを有する構成であってもよい。

第１停止タイミング判定部４３は、停止操作があった場合、系統電圧Ｖｓによらずにすぐに、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２およびスイッチ駆動部２３を制御して、系統連系を停止する。

第２停止タイミング判定部４４は、停止操作があった場合、系統電圧Ｖｓに基づいて、停止タイミングを判定する。第２停止タイミング判定部４４は、判定した停止タイミングに基づいて、昇圧回路駆動部２１、インバータ駆動部２２およびスイッチ駆動部２３を制御して、系統連系を停止する。

なお、第１停止タイミング判定部４３および第２停止タイミング判定部４４は設定等に基づき、いずれか一方のみが動作する。なお、図４に示す例では、タイミング判定部２７は、第１停止タイミング判定部４３および第２停止タイミング判定部４４を有するが、これらの停止タイミング判定部のうちいずれか一方のみを有する構成であってもよい。

図５は、系統連系制御部２４による系統連系制御の一例を示す図であり、電力変換部１０による電力変換制御の状態、スイッチ１２による電力系統３との接続（以下、系統接続と記載する）の状態、コンデンサ電圧Ｖｃの状態および系統電圧Ｖｓの状態を示している。かかる系統連系制御は、第１起動タイミング判定部４１および第１停止タイミング判定部４３が動作して実行される。

図５に示すように、時刻ｔ１１までは、系統連系が行われている状態であり、スイッチ１２がＯＮにされて電力変換部１０と電力系統３が接続され、電力変換部１０による電力変換が行われている。コンデンサＣ１は、系統電圧Ｖｓまたは電力変換部１０の交流電圧によって、充放電が繰り返されるため、コンデンサ電圧Ｖｃと系統電圧Ｖｓとは同様の電圧になる。

時刻ｔ１１において、停止操作が行われると、第１停止タイミング判定部４３は、スイッチ１２をオフにし、昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２を制御して電力変換部１０の電力変換動作をオフにする。これにより、電力変換制御が停止し、系統接続が切断されて、系統連系が停止する。

時刻ｔ１１において系統連系が停止されると、系統電圧Ｖｓがゼロ電圧でないため、図５に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃは、スイッチ１２の切断直前の系統電圧Ｖｓと同様の電圧になり、コンデンサＣ１には残留電圧が生じた状態になる。すなわち、コンデンサＣ１は、系統電圧Ｖｓまたは電力変換部１０の交流電圧によって充電された状態である。

コンデンサＣ１に蓄積されている電荷は、系統連系が停止されている状態において、コンデンサＣ１およびリアクトルＬ１、Ｌ２を含む閉回路内で徐々に放出されることから、コンデンサ電圧Ｖｃは徐々に低下する。しかし、コンデンサ電圧Ｖｃがゼロ電圧になるまで時間（図５の時刻ｔ１５参照）がかかる。

このような状態において、時刻ｔ１２において、起動操作が行われるとする。この場合、第１起動タイミング判定部４１は、コンデンサ電圧Ｖｃに応じた起動タイミング（図５の時刻ｔ１３）を判定する。第１起動タイミング判定部４１は、かかる起動タイミングで電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧が出力されるように昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２に対する制御を開始する。

コンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミングは、電圧差判定部２６による判定結果に基づき、タイミング判定部２７によって判定される。かかるタイミングは、起動タイミングであり、電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させる制御を行うタイミングである。

第１起動タイミング判定部４１は、電圧差Ｖｄｉｆｆが閾値Ｖｔｈ以下になるタイミングを、起動タイミングとして判定する。第１起動タイミング判定部４１は、このように判定した起動タイミングで昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２を制御し、電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させる。

タイミング判定部２７は、例えば、閾値Ｖｔｈがゼロに設定されている場合、系統電圧Ｖｓとコンデンサ電圧Ｖｃとが一致するタイミングを起動タイミングとして電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させる制御を開始することができる。これにより、電力変換部１０とコンデンサＣ１との間の過電流をより精度よく抑制することができる。

なお、閾値Ｖｔｈはゼロに限定されるものではなく、電力変換装置１に影響を及ぼすような過電流が発生しない大きさであればよい。電力変換部１０とコンデンサＣ１との間に流れる電流Ｉｏは、リアクトルＬ１、Ｌ２の抵抗成分ＲＬ以外の抵抗成分が無視できるとすると、Ｉｏ＝Ｖｄｉｆｆ／（２×ＲＬ）と表すことができる。電流Ｉｏを制限値Ｉｏｍ以下にする場合、Ｖｔｈ≦Ｉｏｍ×（２×ＲＬ）となるように閾値Ｖｔｈが設定される。

また、電力変換部１０の制御を開始してから電力変換部１０が系統電圧Ｖｓに応じた電圧の出力を開始するまでの遅延がある場合、かかる遅延を考慮して、閾値Ｖｔｈを設定する。このように遅延を考慮して閾値Ｖｔｈを設定することで、電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させるタイミングを適切に調整することができる。

また、電力変換部１０は、例えば、起動操作が行われた際の電圧差Ｖｄｉｆｆが閾値Ｖｔｈ以下であれば、すぐに電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させる制御を開始する。これにより、交流電圧印加制御を迅速に開始できる。

タイミング判定部２７は、インバータ駆動部２２を制御して電力変換部１０から系統電圧Ｖｓに応じた電圧を出力させてから所定時間が経過した時刻ｔ４のタイミングで、スイッチ１２を制御してスイッチ１２をＯＮにする。これにより、電力変換部１０と電力系統３との間が接続され、系統連系が開始される。

このように、制御部２０の系統連系制御部２４は、電力系統３と電力変換部１０との接続がスイッチ１２によって切断された後、コンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミングでコンデンサＣ１へ交流電圧を印加する制御を再開する。そのため、電力系統３と電力変換部１０との接続が切断される際にコンデンサＣ１に残留電圧が生じた場合であっても、電力変換部１０から電力系統３に応じた交流電圧の出力を開始した際の過電流を抑制することができる。

また、制御部２０は、電力系統３と電力変換部１０との接続がスイッチ１２によって切断された後、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がリアクトルＬ１、Ｌ２を介して放電中であっても、コンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミングで交流電圧印加制御を開始する。そのため、コンデンサＣ１の残留電圧が変動する場合であっても、電力変換部１０から電力系統３に応じた交流電圧の出力を開始した際の過電流を抑制することができる。

また、制御部２０の系統連系制御部２４は、電圧差判定部２６と、タイミング判定部２７とを備える。電圧差判定部２６は、系統電圧判定部１３によって判定された系統電圧Ｖｓとコンデンサ電圧判定部１４によって判定されたコンデンサ電圧Ｖｃとの差を判定する。タイミング判定部２７は、電圧差判定部２６による判定結果に基づいて、交流電圧印加制御を開始するタイミングを判定する。したがって、コンデンサ電圧Ｖｃと系統電圧Ｖｓとの差に基づくタイミングで交流電圧を印加する制御を開始することができ、過電流を精度よく抑制することができる。

また、系統電圧判定部１３は、リアクトルＬ１、Ｌ２の特性に基づいてコンデンサ電圧Ｖｃを推定することによってコンデンサ電圧Ｖｃの判定を行うことができる。これにより、コンデンサＣ１の両端電圧を直接検出することなく、コンデンサ電圧Ｖｃを判定することができ、系統電圧判定部１３を制御部２０内に配置することもできる。そのため、例えば、電力変換装置１の小型化などを図ることができる。

系統連系制御部２４は、図５に示す系統連系制御とは異なる系統連系制御を行うことができる。図６は、系統連系制御部２４による系統連系制御の他の例を示す図であり、図５と同様に、電力変換制御、系統接続、コンデンサ電圧Ｖｃおよび系統電圧Ｖｓのそれぞれの状態を示している。

図６に示す系統連系制御は、第２起動タイミング判定部４２および第１停止タイミング判定部４３が動作して実行される。なお、図６に示す系統連系制御におけるｔ２２までの動作は、図５に示す系統連系制御におけるｔ１２までの動作と同じであるため説明を省略する。

時刻ｔ２２において、起動操作があった場合、第２起動タイミング判定部４２は、コンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミング（図６の時刻ｔ２３）で電力変換部１０と電力系統３とが接続されるように、スイッチ１２をオンにする。

第２起動タイミング判定部４２は、第１起動タイミング判定部４１と同様に、電圧差Ｖｄｉｆｆが閾値Ｖｔｈ以下になるタイミングを、電圧印加開始タイミングとして判定する。第２起動タイミング判定部４２は、電圧差Ｖｄｉｆｆが閾値Ｖｔｈ以下になるタイミングでスイッチ１２を制御し、電力変換部１０と電力系統３とを接続する。

なお、スイッチ１２の制御を開始してからスイッチ１２がオンになるまでのオンディレイを考慮して、閾値Ｖｔｈを設定する。このようにオンディレイを考慮して閾値Ｖｔｈを設定することで、電力変換部１０と電力系統３とを接続するタイミングを調整することができる。

また、電力変換部１０は、例えば、起動操作が行われた際の電圧差Ｖｄｉｆｆが閾値Ｖｔｈ以下であれば、すぐに電力変換部１０と電力系統３とを接続する制御を開始する。これにより、交流電圧印加制御を迅速に開始できる。

第２起動タイミング判定部４２は、スイッチ１２を制御して電力変換部１０と電力系統３とを接続してから所定時間が経過した時刻ｔ２４のタイミングで、昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２に対する制御を開始する。

このように、制御部２０の系統連系制御部２４は、電力系統３と電力変換部１０との接続がスイッチ１２によって切断された後、コンデンサ電圧Ｖｃに応じたタイミングで電力変換部１０と電力系統３とを接続する。そのため、電力系統３と電力変換部１０との接続が切断される際にコンデンサＣ１に残留電圧が生じた場合であっても、コンデンサＣ１と電力系統３との間に過電流が流れることを抑制することができる。これにより、例えば、コンデンサＣ１やスイッチ１２の劣化や電力系統３への影響を抑制することができる。

なお、第２起動タイミング判定部４２は、電力変換部１０からの電圧出力のタイミングと電力変換部１０と電力系統３との接続タイミングが同時になるように、スイッチ１２、昇圧回路駆動部２１およびインバータ駆動部２２を制御することもできる。

また、図５および図６に示す系統連系制御は、第１停止タイミング判定部４３に代えて第２停止タイミング判定部４４が動作して実行することもできる。第２停止タイミング判定部４４は、停止操作があった場合、系統電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆになったタイミングでスイッチ１２を制御して電力変換部１０から電力系統３を切り離すことができる。

これにより、電力変換部１０から電力系統３を切り離した際のコンデンサ電圧Ｖｃを特定の電圧にすることができる。このようにコンデンサ電圧Ｖｃを特定の電圧にできることから、系統連系の停止時のコンデンサ電圧Ｖｃを把握することができる。そのため、コンデンサ電圧判定部１４は、電力変換装置１における系統連系の停止時からのコンデンサＣ１の放電特性に基づいて、コンデンサ電圧Ｖｃを容易に推定することができる。

また、基準電圧Ｖｒｅｆをゼロ電圧とすることで、系統連系の停止時のコンデンサ電圧Ｖｃをゼロ電圧とすることもでき、これによっても、コンデンサ電圧Ｖｃを容易に推定することができる。また、系統連系制御部２４は、系統電圧Ｖｓのゼロクロス点で交流電圧印加制御を開始することもできる。

なお、スイッチ１２がオフディレイを有する場合、かかるオフディレイを考慮した基準電圧Ｖｒｅｆを設定することで、系統連系の停止時のコンデンサ電圧Ｖｃを特定の電圧とすることができる。

［３．電力変換装置１による系統連系処理］
次に、電力変換装置１による系統連系処理について説明する。図７は、電力変換装置１による系統連系処理の一例を示す図である。かかる系統連系処理は、制御部２０によって繰り返し実行される。

図７に示すように、制御部２０は、起動操作があるか否かを判定する（ステップＳ１０）。起動操作があると判定した場合（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、制御部２０は、コンデンサ電圧Ｖｃに応じた起動タイミングを判定し（ステップＳ１１）。判定した起動タイミングで交流電圧を印加する制御を開始する（ステップＳ１２）。

ステップＳ１０において起動操作がないと判定した場合（ステップＳ１０；Ｎｏ）、または、ステップＳ１２の処理が終了した場合、制御部２０は、停止操作があったか否かを判定する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３において、停止操作があったと判定した場合（ステップＳ１３；Ｙｅｓ）、制御部２０は、系統連系を停止する（ステップＳ１４）。かかる処理において、制御部２０は、例えば、系統電圧Ｖｓが基準電圧Ｖｒｅｆになったタイミングでスイッチ１２を制御して電力変換部１０から電力系統３を切り離し、その後、電力変換部１０を制御して電力変換部１０からの交流電圧の出力を停止する。

ステップＳ１３において、停止操作がないと判定した場合（ステップＳ１３；Ｎｏ）、制御部２０は、電力系統３の異常があるか否かを判定する（ステップＳ１５）。かかる処理において、電力系統３の異常があると判定すると（ステップＳ１５；Ｙｅｓ）、処理をステップＳ１４へ移行する。

ステップＳ１４の処理が終了した場合、または、ステップＳ１５において、電力系統３に異常がないと判定した場合（ステップＳ１５；Ｎｏ）、図７に示す処理を終了する。

このように、制御部２０は、電力系統３と電力変換部１０との間に配置されたコンデンサＣ１の電圧に応じたタイミングでコンデンサＣ１へ交流電圧を印加する制御を開始することから、コンデンサＣ１へ交流電圧の印加を迅速に行いつつ、過電流を抑制できる。

このように、コンデンサＣ１は、「電力系統と電力変換部との間に配置されたコンデンサ」であり、スイッチ１２、電力変換部１０および制御部２０は、「前記コンデンサに残留電圧がある状態で、過電流を抑制するタイミングで前記コンデンサに交流電圧を印加する手段」として機能する。

なお、上述した実施形態においては、電力変換部１０または電力系統３とフィルタ１１のコンデンサＣ１との間に流れる過電流を抑制する例について説明したが、かかる例に限定されない。例えば、電力変換部１０とスイッチ１２に配置され、過電流の要因になるコンデンサであれば、フィルタ１１のコンデンサＣ１でなくてもよい。また、フィルタ１１をＬＣフィルタとして説明したが、例えば、ＬＣＬフィルタであってもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 電力変換装置
２ 発電装置
３ 電力系統
１０ 電力変換部
１１ フィルタ
１２ スイッチ
１３ 系統電圧判定部
１４ コンデンサ電圧判定部
２０ 制御部
２１ 昇圧回路駆動部
２２ インバータ駆動部
２３ スイッチ駆動部
２４ 系統連系制御部
２５ 電圧異常検出部
２６ 電圧差判定部
２７ タイミング判定部
３１ 昇圧回路
３２ インバータ回路
１００ 発電システム
Ｃ１ コンデンサ
Ｌ１ リアクトル
Ｌ２ リアクトル

Claims (15)

1. 電源から供給される電力を電力系統に対応する交流電力へ変換する電力変換部と、
   前記電力系統と前記電力変換部との間に配置されたコンデンサの電圧に応じたタイミングで前記コンデンサへ交流電圧を印加する制御を開始する制御部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記コンデンサの残留電圧の大きさに応じたタイミングで前記コンデンサへ交流電圧を印加する制御を開始する
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御部は、
   前記電力変換部を制御して前記コンデンサの電圧に応じた前記タイミングで前記電力変換部から前記電力系統に応じた交流電圧の前記コンデンサへの印加を開始する第１駆動部を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記電力系統と前記コンデンサとの間に配置され、前記電力系統と前記電力変換部とを接続するスイッチを備え、
   前記制御部は、
   前記電力系統と前記電力変換部との接続が前記スイッチによって切断された後、前記コンデンサの電圧に応じた前記タイミングで前記コンデンサへ前記交流電圧を印加する制御を再開する
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、
   前記電力系統の交流電圧または前記電力変換部の交流電圧によって充電された前記コンデンサの放電中に、前記コンデンサの電圧に応じた前記タイミングで前記コンデンサへ前記交流電圧を印加する制御を再開する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電力変換装置。
6. 前記コンデンサの電圧を判定するコンデンサ電圧判定部と、
   前記電力系統の交流電圧を判定する系統電圧判定部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記コンデンサの電圧と前記電力系統の交流電圧との差を判定する電圧差判定部と、
   前記電圧差判定部による判定結果に基づいて前記タイミングを判定するタイミング判定部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載の電力変換装置。
7. 前記コンデンサと前記電力変換部との間に配置されたリアクトルを備え、
   前記系統電圧判定部は、
   前記リアクトルの特性に基づいて前記コンデンサの電圧を推定することによって前記コンデンサの電圧を判定する
   ことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記タイミング判定部は、
   前記コンデンサの電圧と前記電力系統の交流電圧とが一致するタイミングを前記コンデンサへの前記交流電圧の印加を開始する前記タイミングとして判定する
   ことを特徴とする請求項６または７に記載の電力変換装置。
9. 前記電力系統と前記コンデンサとの間に配置され、前記電力系統と前記電力変換部とを接続するスイッチを備え、
   前記制御部は、
   前記電力変換部と前記電力系統とが前記スイッチで接続された状態から、前記電力系統の交流電圧に応じた前記タイミングで前記スイッチを制御して前記電力変換部から前記電力系統を切り離すスイッチ駆動部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記電力系統と前記コンデンサとの間に配置され、前記電力系統と前記電力変換部とを接続するスイッチを備え、
    前記制御部は、
    前記スイッチを制御して前記コンデンサの電圧に応じた前記タイミングで前記電力系統の交流電圧の前記コンデンサへの印加を開始する第２駆動部を備える
    ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
11. 前記制御部は、
    前記電力系統の異常を検出する異常検出部を備え、
    前記第２駆動部は、
    前記異常検出部によって前記電力系統の異常が検出された場合、当該異常を検出したタイミングで前記スイッチを制御して前記電力変換部から前記電力系統を切り離す
    ことを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記コンデンサは、
    前記電力系統と前記電力変換部との間に配置されたフィルタに含まれるコンデンサである
    ことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一つに記載の電力変換装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載の電力変換装置と、前記電力変換装置に接続された発電装置とを備え、
    前記電力変換装置は、前記電源から供給される電力として前記発電装置によって発電された電力を前記電力系統へ出力する
    ことを特徴とする発電システム。
14. 電力系統と電力変換部との間に配置されたコンデンサの電圧に応じたタイミングを判定する判定部と、
    前記判定部によって判定した前記タイミングで前記コンデンサに交流電圧を印加する制御を開始する印加制御部と、を備える
    ことを特徴とする制御装置。
15. 電力系統と電力変換部との間に配置されたコンデンサの電圧に応じたタイミングを判定することと、
    当該判定したタイミングで前記コンデンサに交流電圧を印加する制御を開始することと
    を含むことを特徴とする制御方法。

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