JP2017073852A - 系統連系用電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】系統電源の瞬低が生じたときに不要な解列を回避し、安定して運転持続可能な系統連系用電力変換装置およびその制御方法を提供する。
【解決手段】第１の直流電力を出力する直流電源１０と、第１の直流電力を直流／直流変換して第２の直流電力を出力するチョッパ２０と、第２の直流電力を直流／交流変換して系統電源５０と連系させる系統連系インバータ３０と、チョッパ２０および系統連系インバータ３０を制御する制御部１と、を備える系統連系用電力変換装置２であって、制御部１は、系統電源５０の電圧である系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧以下となったと判定したときに、系統連系インバータ３０の動作を停止させて、チョッパ２０の制御モードを最大電力点追従制御から出力電圧を一定に保つ定電圧制御へと切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば太陽電池等の直流電力を出力する直流電源を商用電源系統に連系する系統連系用電力変換装置およびその制御方法に関する。

近年、例えば太陽電池、燃料電池、二次電池等の直流電源の普及が進んでいる。社会全体としての省電力の要請、および電力利用者の経済性への要求を背景として、直流電源を備える発電設備が商用電源系統（以下、系統電源という）に接続されて用いられることがある。このような発電設備の系統電源への接続を「連系」という。また、このような発電設備を系統電源へ接続することを「連系する」という。

ここで、直流電源を備える発電設備を連系するために用いられる系統連系用インバータは、例えば落雷などにより発生する系統電源の瞬時電圧低下などの急激な電圧低下（以下、「瞬低」という）の場合に動作停止し易い。

例えば特許文献１は、制御装置が瞬低により生じる過電流が所定の設定値以下となるように制御することで、動作停止を回避しやすい系統連系用インバータを開示する。

特開２００８−２２８４９４号公報

しかし、系統電源に瞬低が生じた場合に系統連系用インバータの運転を継続すると、以下のように解列に至ることが考えられる。

系統連系用インバータは、系統電圧に関わらず、電力系統への入力電力が分散型電源の最大出力となるように制御することが多い（最大電力追従制御）。例えば、瞬低により、系統電圧が１／Ｎに低下すると、インバータからはＮ倍の有効電流を出力することになる。そして、この出力電流が過電流レベルを超えると、系統連系用インバータが停止し、発電設備が系統電源から解列される可能性がある。なお、解列とは発電設備と系統電源とを切り離すことである。

また、系統電源が瞬低から復帰したときに、系統電圧は急激に上昇する。そのため、系統連系用インバータの出力電流が、系統電源の瞬低の前後で一定であるとすると、系統連系用インバータの出力電力が急増する。

このため、平滑コンデンサの放電が大きくなり、その端子電圧が一時的に低下する。例えば系統連系用インバータの出力電流の変動によって、または保護機能が働くことで、系統連系用インバータが停止し、発電設備が系統電源から解列される可能性がある。発電設備の普及拡大が進み、総発電量における発電量の占める割合が高くなった場合において、系統擾乱により発電設備が一斉に系統から解列すると、系統内の需給バランスが崩れ、広範囲に停電が及ぶ可能性がある。したがって、このような解列を回避する必要がある。

かかる事情に鑑みてなされた本発明の目的は、系統電源の瞬低が生じたときに不要な解列を回避し、安定して運転持続可能な系統連系用電力変換装置およびその制御方法を提供することにある。

前記課題を解決するために本発明に係る系統連系用電力変換装置は、第１の直流電力を出力する直流電源と、前記第１の直流電力を直流／直流変換して第２の直流電力を出力するチョッパと、前記第２の直流電力を直流／交流変換して系統電源と連系させる系統連系インバータと、前記チョッパおよび前記系統連系インバータを制御する制御部と、を備える系統連系用電力変換装置であって、前記制御部は、前記系統電源の電圧である系統電圧が第１の基準電圧以下となったと判定したときに、前記系統連系インバータの動作を停止させて、前記チョッパの制御モードを最大電力点追従制御から出力電圧を一定に保つ定電圧制御へと切り替える。

そして、好ましくは、前記制御部は、前記チョッパの制御モードが前記定電圧制御であって、前記系統電圧が、基準時間の経過前に前記第１の基準電圧を上回ったと判定したときに、前記系統連系インバータを動作させて、前記チョッパの制御モードを前記最大電力点追従制御へと切り替える。

また、好ましくは、前記制御部は、前記チョッパの制御モードが前記定電圧制御であって、前記系統電圧が、基準時間の経過前に第２の基準電圧を上回ったと判定したときに、前記系統電圧を前記第１の基準電圧と比較する。

また、前記課題を解決するために本発明に係る系統連系用電力変換装置の制御方法は、第１の直流電力を出力する直流電源と、前記第１の直流電力を直流／直流変換して第２の直流電力を出力するチョッパと、前記第２の直流電力を直流／交流変換して系統電源と連系させる系統連系インバータと、を備える系統連系用電力変換装置の制御方法であって、前記系統電源の電圧である系統電圧が第１の基準電圧以下か否かを判定する第１のステップと、前記第１のステップにおいて系統電圧が第１の基準電圧以下と判定されたときに、前記系統連系インバータの動作を停止させる第２のステップと、前記チョッパの制御モードを最大電力点追従制御から出力電圧を一定に保つ定電圧制御へと切り替える第３のステップと、を含む。

本発明に係る系統連系用電力変換装置およびその制御方法によれば、系統電源の瞬低が生じたときに不要な解列を回避し、安定して運転持続可能な系統連系用電力変換装置およびその制御方法を提供できる。

本発明の一実施形態に係る系統連系用電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。 本発明の一実施形態に係る系統連系用電力変換装置の制御を示すフローチャートである。

（系統連系用電力変換装置の構成）
以下、本発明の一実施形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る系統連系用電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。本実施形態に係る系統連系用電力変換装置２は、第１の直流電力を出力する太陽電池などの直流電源１０と、直流電源１０が出力する第１の直流電力を直流／直流変換するチョッパ２０と、チョッパ２０が出力する第２の直流電力を直流／交流変換し系統電源５０と連系開閉器５５を介して連系させる系統連系インバータ３０と、チョッパ２０および系統連系インバータ３０を制御する制御部１と、を備える。なお、制御部１は連系開閉器５５の開閉、すなわち導通状態（オン）と非導通状態（オフ）も制御する。

また、図１に示されるように、本実施形態に係る系統連系用電力変換装置２は、チョッパ２０と系統連系インバータ３０との間に並列接続された平滑コンデンサ３５を備える。また、系統連系用電力変換装置２は、直流電源１０が出力する直流電流Ｉｄｃ１を検出する直流電源電流検出器１２および直流電圧Ｖｄｃ１を検出する直流電源電圧検出器１３を備える。また、系統連系用電力変換装置２は、チョッパ２０が出力する直流電流Ｉｄｃ２を検出するチョッパ出力電流検出器２２および直流電圧Ｖｄｃ２を検出するチョッパ出力電圧検出器２３を備える。また、系統連系用電力変換装置２は、系統連系インバータ３０が出力する交流電流Ｉａｃを検出する出力電流検出器３２および出力電圧を検出する出力電圧検出器３３と、系統電源５０の電圧である系統電圧Ｖｇを検出する系統電圧検出器５３を備える。

制御部１は、チョッパ２０を制御するチョッパ制御部２１と、系統連系インバータ３０を制御する系統連系インバータ制御部３１とを備えている。

ここで、直流電流Ｉｄｃ１、直流電圧Ｖｄｃ１は、それぞれ直流電源１０が出力する直流電流、直流電圧である。直流電流Ｉｄｃ２は、チョッパ２０が出力する直流電流である。また、直流電圧Ｖｄｃ２は平滑コンデンサ３５の端子電圧である。また、交流電流Ｉａｃは系統連系インバータ３０が出力する交流電流である。

連系開閉器５５は、系統連系インバータ３０と系統電源５０との連系および解列を行う開閉器であり、連系開閉器５５が導通状態（オン）の場合は連系状態、非導通状態（オフ）の場合は解列状態である。前記のように、連系開閉器５５のオンおよびオフは、制御部１により制御される。

ここで、チョッパ２０は制御部１のチョッパ制御部２１によって制御される。制御部１は、２つの制御モードである“最大電力点追従制御”と“定電圧制御”とを切り替えてチョッパ２０を制御する。

まず、最大電力点追従制御（Maximum power point tracking、MPPT）について説明する。制御部１は通常時、直流電源電流検出器１２および直流電源電圧検出器１３から電流および電圧信号を受け取る。そして、制御部１は、チョッパ制御部２１からチョッパ２０に対し、直流電源１０の出力電力、すなわち第１の直流電力が最大となる最大動作点に直流電圧Ｖｄｃ１を追従制御する最大電力点追従制御を行う。なお、通常時とは、瞬低などが生じていない系統連系用電力変換装置２の通常動作時を意味する。一方、定電圧制御は、チョッパ２０の直流電圧Ｖｄｃ２が一定に保たれるようにする制御である。定電圧制御は、平滑コンデンサ３５の端子電圧である直流電圧Ｖｄｃ２を一定に保つ。そのため、定電圧制御は、平滑コンデンサ３５の端子電圧が過電圧設定値よりも上昇して解列に至ること、保護機能を働かせるほど平滑コンデンサ３５の端子電圧が低下して解列に至ることを回避することができる。制御部１は、チョッパ出力電圧検出器２３が検出する電圧値を受け取って直流電圧Ｖｄｃ２を監視し、その変動分を補完することをチョッパ２０に指示することで、定電圧制御を実現できる。

また、制御部１は通常時、出力電流検出器３２および出力電圧検出器３３から電流および電圧信号を受け取る。そして、チョッパ２０の出力電力すなわち第２の直流電力の直流／交流変換を行うように、制御部１の系統連系インバータ制御部３１は、系統連系インバータ３０を制御する。

ここで、制御部１は、系統電圧Ｖｇを検出する系統電圧検出器５３から電圧信号を受け取り、系統電圧Ｖｇを監視する。

制御部１は、系統電圧Ｖｇの電圧低下を評価する第１の基準電圧Ｖ１および第２の基準電圧Ｖ２と、系統電圧Ｖｇの電圧低下発生からの経過時間を評価する基準時間ｔ１を定めている。第１の基準電圧Ｖ１および第２の基準電圧Ｖ２は、第２の基準電圧Ｖ２＜第１の基準電圧Ｖ１を満たす。例えば、第１の基準電圧Ｖ１は通常時の系統電圧Ｖｇの８０％の電圧であってもよいし、第２の基準電圧Ｖ２は第１の基準電圧Ｖ１の８０％の電圧であってもよい。また、例えば、基準時間ｔ１は０．１秒であってもよい。

制御部１は、系統電圧Ｖｇと第１の基準電圧Ｖ１とを比較し、系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１以下となった場合に、系統電源５０に電圧低下が発生したと判定し、系統連系インバータ３０の動作を停止させる。

そして、制御部１のチョッパ制御部２１は、系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１以下となったと判定した場合に、チョッパ２０の制御モードを最大電力点追従制御から出力電圧を一定に保つ定電圧制御へと切り替える。

そして、制御部１は、系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１以下となった場合、電圧低下が生じてからの経過時間の計測を開始する。

その後、制御部１は、系統電圧Ｖｇが基準時間ｔ１の経過前に第１の基準電圧Ｖ１を上回ると、停止していた系統連系インバータ３０を動作させる。つまり、基準時間ｔ１は、電圧低下が瞬間的であるか、すなわち瞬低であるかを、制御部１が判定するのに用いられる。制御部１は瞬低である場合には解列処理をしない。

制御部１は、瞬低である場合に、チョッパ２０の制御モードを定電圧制御から最大電力点追従制御に切り替える。

そして、制御部１は、最大電力点追従制御に切り替えた後、系統連系インバータ３０の出力電力を上昇させるように系統連系インバータ３０を制御しながら、最大電力点追従制御での動作点を瞬低が発生する前の状態まで戻すように、チョッパ２０を制御する。

一方、制御部１は、電圧低下が生じてから基準時間ｔ１が経過しても、系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１を上回らない場合、つまり基準時間ｔ１内に復帰しない電圧低下が生じた場合、連系開閉器５５をオフして系統連系インバータ３０を系統電源５０から解列する。

（制御方法）
図２は系統連系用電力変換装置２の動作フロー図である。図２の初期状態では、制御部１はチョッパ２０に対し、最大電力点追従制御を実行するように指示している。

ステップＳ１において、制御部１は、系統電圧検出器５３により検出される系統電圧Ｖｇを監視する。

ステップＳ２において、制御部１は、系統電圧検出器５３により検出される系統電圧Ｖｇが、第１の基準電圧Ｖ１より大きいか否かを確認する。ステップＳ２は本発明の第１のステップに対応する。

系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１より大きい場合（ステップＳ２のＹＥＳ）には処理がステップＳ１に戻る。

系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１以下の場合（ステップＳ２のＮＯ）、つまり系統電圧Ｖｇの電圧低下が発生した場合、ステップＳ３において、制御部１は、系統連系インバータ制御部３１によって系統連系インバータ３０の動作を停止させる。ステップＳ３は本発明の第２のステップに対応する。

ステップＳ４において、制御部１は、チョッパ制御部２１によってチョッパ２０を最大電力点追従制御から定電圧制御に切り替える。ステップＳ４は本発明の第３のステップに対応する。なお、制御部１は、この時点では連系開閉器５５をオフしない、つまり解列しない。また、ステップＳ３とステップＳ４とは同時に実行されてもよいし、ステップＳ４がステップＳ３よりも先に実行されてもよい。

ステップＳ５において、制御部１は、系統電圧Ｖｇの電圧低下が発生してからの経過時間（以下、電圧低下時間とする）の測定を開始する。

ステップＳ６において、制御部１は、系統電圧検出器５３により検出される系統電圧Ｖｇの電圧値を監視する。つまり、制御部１は、系統電圧検出器５３から系統電圧Ｖｇの電圧値を受け取る。

ステップＳ７において、制御部１は、系統電圧検出器５３により検出される系統電圧Ｖｇの電圧低下が、予め設定された第１の基準電圧Ｖ１より大きいか否かを確認する。

系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１を上回らない場合（ステップＳ７のＮＯ）、ステップＳ８において、制御部１は、電圧低下時間が基準時間ｔ１を超えたか否かを確認する。

電圧低下時間が基準時間ｔ１以内の場合（ステップＳ８のＮＯ）、ステップＳ９において制御部１は、系統電圧Ｖｇが第２の基準電圧Ｖ２を上回っているか否かを確認する。

系統電圧Ｖｇが第２の基準電圧Ｖ２を上回っている場合（ステップＳ９のＹＥＳ）、制御部１は系統電圧Ｖｇが回復傾向にあると判定し、処理がステップＳ７に戻る。つまり、制御部１は、チョッパ２０の制御モードが定電圧制御であって、系統電圧Ｖｇが、基準時間ｔ１の経過前に第２の基準電圧Ｖ２を上回ったと判定したときに、再度、系統電圧Ｖｇを第１の基準電圧Ｖ１と比較する。

これに対し、系統電圧Ｖｇが第２の基準電圧Ｖ２を上回っていない場合（ステップＳ９のＮＯ）、または電圧低下時間が基準時間ｔ１を超えた場合（ステップＳ８のＹＥＳ）には、制御部１は、基準時間ｔ１以内で系統電圧Ｖｇが復帰しなかったと判定する。そして、ステップＳ１０において制御部１は、系統連系インバータ３０を系統電源５０から解列するように連系開閉器５５をオフする。

一方、系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１を超えた場合（ステップＳ７のＹＥＳ）、制御部１は系統電圧Ｖｇが復帰したと判定する。ステップＳ１１において、制御部１は、系統連系インバータ制御部３１により系統連系インバータ３０を再始動させる。

ステップＳ１２において制御部１は、系統連系インバータ３０の出力電力を上昇させるように、系統連系インバータ制御部３１により系統連系インバータ３０を制御する。このとき、制御部１は、最大電力点追従制御での動作点を系統電圧Ｖｇが第１の基準電圧Ｖ１以下となる前の状態まで戻すように、チョッパ２０を制御する。

また、ステップＳ１３において、制御部１は、系統電圧Ｖｇの電圧低下時間の測定をリセットする。

従来技術では、系統電源５０に瞬低が生じた場合に、平滑コンデンサの端子電圧が上昇して解列される可能性があった。また、従来技術では、系統電圧Ｖｇが復帰する場合に、平滑コンデンサの端子電圧が一時的に低下して、系統連系用インバータが停止して解列される可能性があった。しかし、以上に説明したように、制御部１は、チョッパ２０の制御モードを最大電力点追従制御から平滑コンデンサの端子電圧を一定に保つ定電圧制御に切り替える（ステップＳ４）。そのため、本実施形態に係る系統連系用電力変換装置２は、従来技術で生じる可能性のある不要な解列を回避でき、安定して運転持続可能である。

また、従来技術では、系統電圧Ｖｇの電圧低下が生じると、系統連系インバータ３０の動作を停止させて、すぐに解列処理を実行していた。そのため、基準時間ｔ１以内に系統電圧Ｖｇが復帰するような瞬低に対しても不要な解列が生じていた。一方、本実施形態の制御部１は、系統連系インバータ３０の動作を停止させた後にただちに解列をせずに、基準時間ｔ１以内に系統電圧Ｖｇが復帰するか否かを判定する（ステップＳ７〜Ｓ９）。そのため、本実施形態に係る系統連系用電力変換装置２は、不要な解列を回避でき、安定して運転持続可能である。

本発明を図面および実施形態に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形または修正を行うことが容易であることに注意されたい。したがって、これらの変形または修正は本発明の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各ブロック、各ステップなどに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の手段または複数のステップなどを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。

１ 制御部
１０ 直流電源
１２ 直流電源電流検出器
１３ 直流電源電圧検出器
２０ チョッパ
２１ チョッパ制御部
２２ チョッパ出力電流検出器
２３ チョッパ出力電圧検出器
３０ 系統連系インバータ
３１ 系統連系インバータ制御部
３２ 出力電流検出器
３３ 出力電圧検出器

Claims (4)

1. 第１の直流電力を出力する直流電源と、
   前記第１の直流電力を直流／直流変換して第２の直流電力を出力するチョッパと、
   前記第２の直流電力を直流／交流変換して系統電源と連系させる系統連系インバータと、
   前記チョッパおよび前記系統連系インバータを制御する制御部と、を備える系統連系用電力変換装置であって、
   前記制御部は、
   前記系統電源の電圧である系統電圧が第１の基準電圧以下となったと判定したときに、
   前記系統連系インバータの動作を停止させて、前記チョッパの制御モードを最大電力点追従制御から出力電圧を一定に保つ定電圧制御へと切り替える、系統連系用電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記チョッパの制御モードが前記定電圧制御であって、前記系統電圧が、基準時間の経過前に前記第１の基準電圧を上回ったと判定したときに、
   前記系統連系インバータを動作させて、前記チョッパの制御モードを前記最大電力点追従制御へと切り替える、請求項１に記載の系統連系用電力変換装置。
3. 前記制御部は、
   前記チョッパの制御モードが前記定電圧制御であって、前記系統電圧が、基準時間の経過前に第２の基準電圧を上回ったと判定したときに、
   前記系統電圧を前記第１の基準電圧と比較する、請求項１または２に記載の系統連系用電力変換装置。
4. 第１の直流電力を出力する直流電源と、前記第１の直流電力を直流／直流変換して第２の直流電力を出力するチョッパと、前記第２の直流電力を直流／交流変換して系統電源と連系させる系統連系インバータと、を備える系統連系用電力変換装置の制御方法であって、
   前記系統電源の電圧である系統電圧が第１の基準電圧以下か否かを判定する第１のステップと、
   前記第１のステップにおいて系統電圧が第１の基準電圧以下と判定されたときに、前記系統連系インバータの動作を停止させる第２のステップと、前記チョッパの制御モードを最大電力点追従制御から出力電圧を一定に保つ定電圧制御へと切り替える第３のステップと、を含む制御方法。

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