JP2017175821A - 無効電力補償装置の出力電流制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 無効電力補償装置において良好な制御性能を得ることのできる電流制御方法を実現する。
【解決手段】 インバータを主回路とした無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系に、ＰＩ制御とロバスト制御及び系統電圧フィードフォワード制御を組み合わせた。
【選択図】 図５

Description

本発明は、無効電力補償装置において、良好な制御性能を得ることのできる電流制御方法に関する。

太陽光発電や風力発電など自然エネルギーを利用する分散型電源が配電系統に大量導入された場合、系統電圧の変動が増大することが懸念される。特に、日射や風力の急変により、これらの出力は大きく変動する。

その影響による急激な電圧変動に対しては、変圧器のタップを切換えて電圧を調整する従来の電圧調整装置では対応できず、この問題を解決する装置として無効電力補償装置が有効と考えられる。

無効電力補償装置にはサイリスタスイッチにより複数のコンデンサを線路に投入／開放することで、無効電力を段階的に補償するＴＳＣ（Thyristor Switched Capacitor）方式や、サイリスタによりリアクトルに流れる電流を位相制御することで遅相無効電力を連続可変し、並列に設置した進相コンデンサと組み合わせて、進相から遅相までの無効電力を調整するＴＣＲ（Thyristor Controlled Reactor）方式や、電圧形アクティブフィルタ（自励式インバータ）を用いて無効電力を進相から遅相まで連続制御するＳＣＣ（Self Commutated Converter））方式など各種方式があるが、ＳＣＣ方式はＴＳＣ方式と異なり無段階で無効電力を補償でき、かつ、原理上、ＴＣＲ方式より高速である利点を有する。

ＳＣＣ方式はＳＶＧ、欧米ではＳＴＡＴＣＯＭとも呼ばれ、自励式インバータ回路を主回路に持ち、変圧器を介して配電系統に並列接続される方式である。インバータの出力電圧を系統電圧と同期させ、その大きさと位相を制御することにより、系統電圧から９０°遅れ、又は、進みの電流を電力系統に流して無効電力を供給し、電圧変動を補償する。

ＳＴＡＴＣＯＭがどのような商用系統のどの地点に接続されるかによって、系統インピーダンスに違いが生じる。このため、プラント（制御対象となる系）の定数が大きく異なってくる。

また、インバータの出力端に系統電圧が常時印加されることになる。これは、出力電流制御系にとっては大きな外乱となる。このため、出力電流制御系の補償器をＰＩ（比例・積分型）調節器だけで構成した場合には、その制御性能に限界があった。

そこで、本願出願人は、同様にインバータを構成要素とするパワーコンディショナーにおいて、出力電流瞬時値制御に２自由度ロバスト制御を適用することにより、良好な制御性能を得る方法を開示している（非特許文献１参照）。ロバスト制御はプラントの変動や外乱を抑制する効果がある。

愛知電機技報Ｎｏ．１７ ｐ１３ １０ｋＷ ＰＶインバータの開発

本発明はインバータ回路を主回路に持つ無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）において、上記パワーコンディショナーで採用している出力電流瞬時値制御と比較して、更に良好な制御性能を得ることのできる出力電流瞬時値制御方法を提供するものである。

請求項１に記載した発明は、インバータを主回路とした無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系に、ＰＩ制御とロバスト制御及び系統電圧フィードフォワード制御（以下、ＦＦ制御）を組み合わせたことを特徴とする無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御方法である。

請求項１記載の発明によれば、ロバスト制御によってプラントの変動や外乱を抑制でき、ＦＦ制御によって外乱である系統電圧の変動を抑制できるので、ＰＩ制御によって指令値応答のみを考慮すれば、安定性の高い制御を実現することができる。

本発明に係る無効電力補償装置の回路図である。 前記無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系の補償器をＰＩ調節器のみによって構成する場合の制御ブロック図である。 前記無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系の補償器をＰＩ調節器とロバスト制御器によって構成する場合の制御ブロック図である。 前記無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系の補償器をＰＩ調節器とＦＦ制御器によって構成する場合の制御ブロック図である。 前記無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系の補償器をＰＩ調節器とロバスト制御器とＦＦ制御器によって構成する場合の制御ブロック図である。 図２乃至図５に示す出力電流瞬時値制御方式の外乱抑圧の周波数特性の比較例である。 図２に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果である。 図３に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果である。 図４に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果である。 図５に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果である。

以下、本発明の実施の形態を図１乃至図１０により説明する。図１は商用電力系統１に接続された本発明に係る無効電力補償装置Ａの回路図であり、図１において、２はインバータであり、３はインバータ２の制御部を示している。

図１に示すように無効電力補償装置Ａは商用系統１に接続されており、系統電圧の変動が出力電流制御系に対する外乱となる。ロバスト制御はプラントの変動や外乱を抑制する効果があり、ＦＦ制御は外乱である系統電圧をフィードフォワードすることでその変動を抑制することができる。

そこで、本発明では、上記非特許文献１記載のＰＩ調節器とロバスト制御器からなる制御方式に、更に、ＦＦ制御を加えて電流制御を行った。その有用性を説明するため、各制御器の有無を変更した場合の制御性能の良否を周波数特性及びシミュレーションにより評価した結果を記述する。

図２乃至図５は、図１に示す無効電力補償装置Ａを構成する制御部３の出力電流瞬時値制御方式を相違させた各制御回路のブロック図である。何れの回路構成においても、出力電流のフィードバック信号をαβ変換し、α相、β相の信号を瞬時値制御する構成である。以下に各図に示す制御部３（３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄ）の回路構成を説明するが、同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略する。

図２はＰＩ調節器のみによって出力電流瞬時値制御を行う場合の回路である。図２に示す４は逆γδ変換器であり、５,６がＰＩ調節器である。７は逆αβ変換器であり、８はαβ変換器を示している。９はプラントを示しており、ＰＷＭ制御器１０とインバータ１１、昇圧トランス１２及び電流検出器１３を主な構成要素としている。１４は電圧検出器であり、１５はＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路である。

図３はＰＩ調節器とロバスト制御器によって出力電流瞬時値制御を行う場合の回路である。図３に示す１６,１７がロバスト制御器であり、ＬＰＦ（low pass filter）１8,１9と外乱オブザーバー２０,２１を構成要素としている。

図４はＰＩ調節器とＦＦ制御器によって出力電流瞬時値制御を行う場合の回路である。図４に示す２２がＬＰＦ（low pass filter）を構成要素とするＦＦ制御器である。また、図５はＰＩ調節器５,６とロバスト制御器１６,１７及びＦＦ制御器２２によって出力電流瞬時値制御を行う場合の回路を示している。

図２乃至図５に示す各出力電流瞬時値制御方式における外乱抑圧の周波数特性を図６に示す。図６は、系統電圧（外乱）のα相成分に対する出力電流フィードバック信号のα相成分の周波数応答である。

また、図７に、図２に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果を、図８に、図３に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果を、図９に、図４に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果を、図１０に、図５に示す出力電流瞬時値制御方式のシミュレーションによる評価結果を示す。なお、図７乃至図１０は、α相電流指令値を定格の０%→１００%（β相電流指令値は０%）に変化させた場合の出力電流の時間応答である。

図６及び図７乃至図１０に示す通り、ロバスト制御、ＦＦ制御ともに外乱（系統電圧）抑制に効果があることがわかる。

ロバスト制御にＦＦ制御を加えると、外乱に対する抑制効果がさらに向上する。よって、出力電流瞬時値制御方式にＰＩ制御とロバスト制御及びＦＦ制御を組み合わせた方式が最も効果的であるという結論になる。

以上説明したように、本発明に係る無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御方法は、従来の電流制御と比較して、更に良好な制御性能を得ることができる。

本発明は、商用系統にインバータが接続される装置に適用可能である。

１ 商用電力系統
２ インバータ
３（３ａ,３ｂ,３ｃ,３ｄ） 制御部
４ 逆γδ変換器
５,６ ＰＩ調節器
７ 逆αβ変換器
８ αβ変換器
９ プラント
１０ ＰＷＭ制御器
１１ インバータ
１２ 昇圧トランス
１３ 電流検出器
１４ 電圧検出器
１５ ＰＬＬ回路
１６,１７ ロバスト制御器
１８,１９,２３,２４ ＬＰＦ
２０,２１ 外乱オブザーバー
２２ ＦＦ制御器
Ａ 無効電力補償装置

Claims (1)

1. インバータを主回路とした無効電力補償装置の出力電流瞬時値制御系に、ＰＩ制御とロバスト制御及び系統電圧フィードフォワード制御を組み合わせたことを特徴とする無効電力補償装置の出力電流制御方法。

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