JP2018023239A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統の瞬停に対しても動作を継続することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、前記３相交流の電圧位相と自己の電圧位相との位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差に所定値を乗じるゲイン補正部と、前記ゲイン補正部の出力に基づいて、周波数演算を行う周波数演算部と、前記周波数演算部の出力を積分して、修正された自己の位相を出力し、前記修正された自己の位相を前記位相差検出部に入力する積分器と、を備える。前記位相差検出部は、３相−２相変換を行う第１の変換部と、前記第１の変換部の出力を回転座標系に変換する第２の変換部と、を有し、前記第２の変換部の出力値を前記位相差として出力する。前記ゲイン補正部は、前記所定値を前記３相交流の電圧値の逆数に比例する値に設定する。
【選択図】図２

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

地球温暖化対策やエネルギー資源確保のため、いわゆる再生可能エネルギーによる発電設備の導入が進展している。また、電力の固定価格買取制度の導入により、既存の電力系統に連系して逆潮流動作を行うパワーコンディショナ等の交直電力変換装置の採用が急速に進んでいる。

逆潮流動作を行う交直電力変換装置では、連系する電力系統の周波数および位相に同期して動作することが求められる。近年のように、局所的な電力発電設備が増加すると、これらが連系する電力系統の瞬停や相間非平衡状態によって、一部の電力発電設備に解列が生ずると、連鎖的に他の発電設備が解列してしまい、広域で停電を生じてしまうとの問題が懸念されるようになってきた。

そのため、電力系統に接続して逆潮流させる発電設備に対して、電力系統事故時に動作を継続する電圧低下レベルの規定が強化されている。

一般に、パワーコンディショナ等の系統連系を行う交直電力変換装置は、連系する電力系統の電圧位相に同期して動作する機能を有する。また、交直電力変換装置は、負荷短絡等から装置本体を保護するために、過電流保護機能を有する。

交直電力変換装置が接続される電力系統の瞬停によって交流電圧レベルが低下すると、電力系統は、誘導性あるいは容量性であるため、電圧の位相が進相あるいは遅相することがある。電力系統の電圧位相が瞬時に進んだり、遅れたりした場合に、交直電力変換装置が、これに追従できないときには、意図的でない逆潮流を生ずることがある。電力系統と交直電力変換装置との間では、電力容量差が非常に大きいため、少しの位相ずれを生じただけで、大きな逆潮流を生じることがある。このため、交直電力変換装置の過電流保護機能がはたらいて動作が停止し、交直電力変換装置は、電力系統から解列してしまう。

近年の電力系統連系における動作継続要求においては、交流系統電圧が定格の３０％まで低下した状態が０．１秒から０．２秒継続した場合でも交直電力変換装置は、動作を継続することが求められている。

交流電圧の位相に同期させる機能を実現するために、交直電力変換装置にＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路を内蔵させることが行われている（たとえば、特許文献１）。このようなＰＬＬ回路の場合には、連系すべき交流電圧に瞬停が生じると、交流電圧の低下とともにＰＬＬ回路の実質的なゲインが低下してしまい、応答速度に大きな遅延が生じる。この遅れ時間の間には、ＰＬＬ回路による位相検出を行うことができず、交直電力変換装置は、逆潮流動作の指令と判断して、大電流を電力系統側に供給し、過電流状態になる。過電流状態を検出して過電流保護により交直電力変換装置の動作が停止すると、電力変換装置は、電力系統から解列してしまう。したがって、電力変換装置は、電力系統の瞬停時の位相変化に高速に追従する必要がある。

特開平８−２５１８３４号公報

実施形態の目的は、電力系統の瞬停に対しても動作を継続することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態に係る電力変換装置は、３相交流の電力系統に連系して運転される電力変換装置である。電力変換装置は、前記３相交流の電圧位相と自己の電圧位相との位相差を検出する位相差検出部と、前記位相差に所定値を乗じるゲイン補正部と、前記ゲイン補正部の出力に基づいて、周波数演算を行う周波数演算部と、前記周波数演算部の出力を積分して、修正された自己の位相を出力し、前記修正された自己の位相を前記位相差検出部に入力する積分器と、を備える。前記位相差検出部は、３相−２相変換を行う第１の変換部と、前記第１の変換部の出力を回転座標系に変換する第２の変換部と、を有し、前記第２の変換部の出力値を前記位相差として出力する。前記ゲイン補正部は、前記所定値を前記３相交流の電圧値の逆数に比例する値に設定する。

ゲイン補正部において、３相交流の電圧値の逆数に比例する値がゲインとして設定されるので、電力系統が瞬停により３相交流の電圧値が大きく低下しても、位相制御部の高速応答が維持されて、電力変換装置の動作継続が可能になる。

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電力変換装置の位相制御部の詳細を例示するブロック図である。 図２の位相制御部の周波数演算部の詳細を例示するブロック図である。 第２の実施形態に係る電力変換装置の位相制御部を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
また、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
電力変換装置１は、インバータ部３と、位相制御部１０と、を備える。電力変換装置１は、直流電源２と電力系統３０との間に接続される。電力変換装置１は、直流電圧が入力に接続され、交流接続ライン７ａ〜７ｃを介して、電力系統３０に接続される。

直流電源２は、たとえば太陽電池、蓄電池等の直流電圧を出力する電源である。直流電源２と、電力変換装置１との間に非安定な直流電圧を安定した直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータが接続されてもよい。あるいは、電力系統３０や他の交流電源から交流電力を供給されて、直流電圧に変換されるＡＣ−ＤＣコンバータであってもよい。

電力系統３０は、３相の交流電力系統である。交流電力系統は、低圧配電線や、高圧配電線等任意の電力系統であり、接続される電力系統によってインバータ部３の構成が選定される。

インバータ部３は、直流電力を３相交流電力に変換し、電力系統３０に供給する。インバータ部３は、スイッチング部４と、平滑フィルタ部５と、制御部６と、を含む。

スイッチング部４は、直流電源２に接続され、直流電源２から供給される直流電力を高周波でスイッチングして、高周波の３相交流電力に変換する。平滑フィルタ部５は、スイッチング部４の出力に接続され、高周波の３相交流電力の高調波成分を除去して、電力系統の周波数にして交流接続ライン７ａ〜７ｃに出力する。スイッチング部４のスイッチング周波数は、たとえば、数ｋＨｚ〜数１００ｋＨｚである。スイッチング部４は、たとえばＩＧＢＴ、あるいはＭＯＳＦＥＴ等のノーマリオフ型のスイッチング素子を用いたブリッジ回路等により構成されるが、ノーマリオン型のスイッチング素子を用いてもよい。また、回路構成もブリッジ回路に限らず、ハーフブリッジ回路等通過電力等に合わせて任意に設定することができる。平滑フィルタ部５は、一般には、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数の電力を通過させるＬＣフィルタである。

制御部６は、スイッチング部４、および位相制御部１０に接続される。制御部６は、位相制御部１０からの位相信号と、電力変換装置１の出力電圧および出力電流を検出し、これらの信号に基づいて、スイッチング部４のスイッチング素子のオンオフを制御する。制御部６は、たとえばＰＷＭ（パルス幅変調、Pulse Width Modulation）制御や、ＰＡＭ（パルス振幅変調、Pulse Amplitude Modulation）制御等によってスイッチング部４を制御する。

位相制御部１０は、電力系統３０の３相交流電圧が入力される。位相制御部１０は、入力された３相交流電圧の電圧振幅および位相に基づいて位相制御を行い、電力系統３０の位相に同期した自己の位相をインバータ部３の制御部６に供給する。

次に位相制御部１０の詳細について説明する。
図２は、本実施形態の電力変換装置の位相制御部の詳細を例示するブロック図である。
位相制御部１０は、位相検出部１１と、ゲイン補正部１４と、周波数演算部１５と、積分器１６と、を含む。位相検出部１１は、さらに３相−２相変換部１２と、ｄｑ変換部１３と、を含む。

位相検出部１１は、交流接続ラインに接続されており、３相交流の各相の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗが入力される。接続された交流接続ラインｃの交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは、たとえばＡ／Ｄコンバータによってデジタル信号に変換され、交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの電圧振幅値および位相値が３相−２相変換部１２に入力される。

３相−２相変換部１２は、以下の（１）式により、３相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを静止座標系の単相交流電圧Ｖα，Ｖβに変換する。

ｄｑ変換部１３は、以下の（２）式を用いて、静止座標系の交流電圧Ｖα，Ｖβを回転座標系の交流電圧Ｖｄ，Ｖｑに変換する。

後述するように、（２）式によって出力されるＶｑは、連系する電力系統の交流位相θと、電力変換装置１の自己の位相θｓとの位相差Δθに比例する。すなわち、位相差Δθの比例定数をａとすると、ｄｑ変換部１３は、Ｖｄおよびａ×Δθを出力する。

ゲイン補正部１４は、位相検出部１１から出力されたａ×Δθが入力される。ゲイン補正部１４は、入力されたａ×Δθに、検出している交流電圧振幅Ｖｕの逆数を乗じて出力する。なお、ゲイン補正部１４では、位相差Δθの係数として、有限の固定値が設定されるようにしてもよい。たとえば、ゲイン補正部１４における係数としてｋ（≠０）とすると、ゲイン補正部１４の出力は、（３）式のようになる。

ゲイン補正部出力＝（ａ×ｋ／Ｖｕ）×Δθ＝（Ｋ／Ｖｕ）×Δθ （３）
ここで、Ｋ＝ａ×ｋである。

０でないｋを設定することによって、電力変換装置１が定常動作状態であっても、十分なゲインを得ることができる。

周波数演算部１５は、ゲイン補正部１４から出力された位相差に関する値に周波数演算を行い、現時点における周波数を示す周波数信号ｆを出力する。

図３は、図２の位相制御部の周波数演算部の詳細を例示するブロック図である。
周波数演算部１５における周波数演算は、ＰＩ制御演算である。図３に示すように、ゲイン補正部１４から出力された（Ｋ／Ｖｕ）×Δθは、ＰＩ制御部１５ａに入力されて、周波数信号ｆに変換される。また、周波数演算部１５は、この電力変換装置１が起動する際に周波数ｆの初期値ｆ０を提供できるように、基準周波数出力部１５ｂを有するようにしてもよい。ゲイン補正部１４から出力された（Ｋ／Ｖｕ）×Δθは、基準周波数出力部１５ｂから出力される周波数の初期値ｆ０と、加算器１５ｃによって加算されて、ＰＩ制御部１５ａでＰＩ制御（比例積分制御）されて出力される。周波数の初期値ｆ０は、たとえば５０Ｈｚに設定され、あるいは６０Ｈｚに設定される。

積分器１６は、周波数演算部１５から逐次出力される周波数を積分して、その時点における自己の位相θｓとして出力する。出力された自己の位相θｓは、制御部６に入力されて、インバータ部３は、自己の位相θｓにしたがって制御される。

本実施形態の電力変換装置１の動作について、以下に説明する。
式（２）において、位相値θには、時間とともに変化する交流信号の位相と同期した位相信号が与えられる。位相値θが与えられると、有効電圧値Ｖｄおよび無効電圧値Ｖｑは、直交した関係になり、直流の値が得られる。無効電圧値Ｖｑは、同期元となる３相交流の位相θからの位相乖離量に応じて正弦波状に変化する。したがって、Ｖｑに位相乖離量、すなわち位相差Δθを対応させて、Ｖｑ＝ａ×ΔθとしてΔθを０にするように制御することによって、Ｖｄには、３相交流の振幅値が直流の値として得られる。

Ｖｑ、すなわち位相差Δθは、３相交流電圧の振幅に比例するので、Δθを３相交流電圧の振幅値Ｖｕで除することによって、ΔθのＶｕに対する変動を打ち消すことができる。そこで、位相制御部１０のゲイン補正部１４において、位相検出部１１から出力された位相差Δθに、３相交流電圧の振幅値Ｖｕの逆数を乗ずる補正演算を行う。なお、交流電圧振幅は、Ｕ相の電圧としたが、Ｖ相であっても、Ｗ相であっても、もちろんよい。

このように、位相制御部１０は、自己の位相θｓと、検出している交流電圧の位相θとの位相差Δθが０になるように制御する。制御部６では、自己の位相θｓに基づいて、インバータ部３の出力制御を行う。

本実施形態の電力変換装置１では、位相差Δθが交流電圧振幅Ｖｕに比例するので、位相差Δθを０にするように制御する際に、交流電圧の振幅の逆数を乗ずることによって、位相差Δθに対する交流電圧の変動分を打ち消すことができる。そのため、電力変換装置１では、交流電圧が瞬停により低下しても、交流電圧の振幅に応じて位相制御部１０のゲインの低下を防止することができる。したがって、連系すべき電力系統の瞬停に対して、常時適切なゲインで位相制御を行うことができ、系統の位相ずれに対しても高速に応答することが可能になる。

（第２の実施形態）
図４は、本実施形態に係る電力変換装置の位相制御部を例示するブロック図である。
第２の実施形態の電力変換装置の位相制御部１０ａは、上述した実施形態の位相制御部１０とは、ゲインリミッタ部１７を含む点で相違し、他は同じである。すなわち、位相制御部１０ａは、位相検出部１１と、ゲイン補正部１４と、周波数演算部１５と、積分器１６と、ゲインリミッタ部１７と、を含む。ゲインリミッタ部１７は、交流電圧の振幅が所定値よりも小さい場合、たとえば定格値×２０％以下の場合には、ゲインとして一定値ｇ１を与える。そして、たとえば、交流電圧が２０％〜１００％の範囲では、ゲインは、上述したように、Ｖｄの逆数に比例する。このように、ゲインを設定することによって、交流電圧が低い場合にゲインを上げすぎて、制御系が不安定になるのを防止し、ノイズ等を拾って電力変換装置１が誤動作等を生ずるのを防ぐことができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明及びその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 電力変換装置、２ 直流電源、３ インバータ部、４ スイッチング部、５ 平滑フィルタ部、６ 制御部、７ａ〜７ｃ 交流接続ライン、１０ 位相制御部、１１ 位相検出部、１２ ３相−２相変換部、１３ ｄｑ変換部、１４ ゲイン補正部、１５ 周波数演算部、１５ａ ＰＩ制御部、１５ｂ 基準周波数出力部、１５ｃ 加算器、１６ 積分器、１７ ゲインリミッタ部、３０ 電力系統

Claims (4)

1. ３相交流の電力系統に連系して運転される電力変換装置であって、
   前記３相交流の電圧位相と自己の電圧位相との位相差を検出する位相差検出部と、
   前記位相差に所定値を乗じるゲイン補正部と、
   前記ゲイン補正部の出力に基づいて、周波数演算を行う周波数演算部と、
   前記周波数演算部の出力を積分して、修正された自己の位相を出力し、前記修正された自己の位相を前記位相差検出部に入力する積分器と、
   を備え、
   前記位相差検出部は、３相−２相変換を行う第１の変換部と、前記第１の変換部の出力を回転座標系に変換する第２の変換部と、を有し、前記第２の変換部の出力値を前記位相差として出力し、
   前記ゲイン補正部は、前記所定値を前記３相交流の電圧値の逆数に比例する値に設定する電力変換装置。
2. 前記周波数演算部は、前記第２の変換部から出力された周波数信号を比例積分制御するＰＩ制御部を含む請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記周波数演算部は、固定された周波数の信号を基準信号として出力する基準周波数出力部と、前記第２の変換部から出力された周波数信号とを加算する加算器と、をさらに含む請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記３相交流の電圧値が所定の値以下の場合に、前記ゲインを一定値に設定するゲイン制限部をさらに備えた請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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