JP2018074652A

JP2018074652A - 電力変換装置

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Publication number: JP2018074652A
Application number: JP2016208859A
Authority: JP
Inventors: 健太郎小藤; Kentaro Kofuji
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2018-05-10
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: EP3316436B1; JP6798248B2; DK3316436T3; EP3316436A1

Abstract

【課題】基本波制御機能および高調波制御機能を協調動作させて電圧形インバータを制御すると共に、基本波制御機能を優先的に動作させることができる電力変換装置を提供すること。【解決手段】電力系統に連係される電力変換装置において、前記電力系統に流れる系統電流の基本波を制御するための第１の電流指令値を生成する基本波制御機能回路と、前記系統電流の高調波を制御するための第２の電流指令値を生成する高調波制御機能回路と、前記電力系統に対する出力電圧であって前記第２の電流指令値に基づく出力電圧の増分に応じて当該第２の電流指令値を制限する制限回路と、を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統に連系する電圧形インバータに利用可能な電力変換装置に関する。

近年、再生可能エネルギーの普及が進んでおり、多くの風力発電機を備えた大規模なウィンドファーム（wind farm：集合型風力発電所）も建設されている。風力発電機は、発電した電力を一旦直流に変換するＡＣ−ＤＣコンバータと、その直流を交流に変換するＤＣ−ＡＣインバータとを備え、さらにインバータによって発生する高調波電流を除去する高調波フィルタを備えている。

高調波フィルタを備えた風力発電機が電力系統に連系されると、高調波フィルタのキャパシタンス（capacitance：静電容量）と電力系統や変圧器のインダクタンス（inductance：誘導係数）とによる共振が発生し、出力電圧が不安定になる場合がある。特許文献１には、高調波制御機能の１つとして共振抑制機能を備えた共振抑制装置が開示されている。この共振抑制装置は、高調波成分にゲインを乗算して電流指令値を演算し、電流指令値とインバータ出力電流との偏差を検出して電流制御部へ入力する。電流制御部が偏差に対応したインバータ電圧指令値を出力する。インバータ電圧指令値がインバータの出力能力を超過した場合に、電流指令値を制限する機能が開示されている。具体的には、電流制御部の出力が過大になった場合、電流指令値に１よりも小さいゲインを乗算することによって、電圧指令値が電圧リミッタに掛からないように制限している。

一方、風力発電機等の電力設備を電力系統に連系する場合、ＳＴＡＴＣＯＭ（STATic synchronous COMpensator）、自励式ＳＦＣなどの機器が利用されるが、これらの機器は基本波成分を目標波形に近づける制御が望まれる。基本波成分に関する制御（以下、基本波制御機能と呼ぶ）は、その要件が系統連系規程で厳密に定められていることが多く、一般的に高調波制御機能よりも優先度が高い。

国際公開第２０１４／１７５２１４号パンフレット

しかしながら、これまで基本波制御機能と高調波制御機能との間で優先度については考慮されていなかった。インバータ出力能力を超過する可能性が有る時に、基本波制御機能と高調波制御機能のそれぞれを一律で制限すると、優先すべき基本波制御機能の能力を制限してしまう問題がある。

特に、電流指令値を出力するために必要なインバータ出力電圧の増分は周波数に比例して大きくなる。電圧形インバータは、自己消弧能力を持つＩＧＢＴなどの半導体素子によってインバータ出力電圧を制御し、所望の出力電流を発生させる装置である。通常、インバータは変圧器（又は連系リアクトル等）を介して系統と接続している。インバータ出力電圧Ｖｃ、系統接続点の電圧Ｖｓ、インバータ出力電流Ｉｃ、インバータから系統接続点までのインピーダンスＺは、次の関係がある。

Ｖｃ＝Ｖｓ＋Ｚ・Ｉｃ
Ｚ＝Ｒ＋ｊ２πｆＬ
（Ｒは抵抗分、Ｌはインダクタンス分、fは周波数）

図４は電圧形インバータが変圧器を介して系統接続点（Ｐ１）に接続した模式図であり、図５は電圧型インバータの出力電圧と出力電流の関係を示している。Ｚは主にインダクタンス成分であるため、周波数に比例して大きくなる。そのため、高調波制御では、基本波制御に比べて、同じ大きさのインバータ出力電流Ｉｃであったとしても、インバータ出力電圧Ｖｃが大きくなり、出力電圧の限界を超えるリスクが高くなる。例えば、電圧降下補償の場合、系統電圧Ｖｓに対して出力電流Ｉｃの位相が９０°遅れると、出力電流は容量性の無効電流になる。系統のインピーダンスは主にインダクタンスであるので、容量性の無効電流をインバータが供給すると、系統の電圧が上昇する効果がある。変圧器のインピーダンスがほとんどインダクタンスであるとすると、系統電圧Ｖｓに対して出力電圧Ｖｃは位相が等しく、振幅が大きくなる。

高調波制御機能によって出力電圧が過大にならないように制御する方法の１つとして電流指令値にリミッタなどを設けて間接的に制限する方法も考えられる。しかし、電流指令値に含まれる成分の周波数によっても出力電圧の増分が変わるため、比較的低い周波数の高調波を制御する場合は出力電圧を過剰に制限されることになってしまい、電圧利用率が悪化する。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、基本波制御機能および高調波制御機能を協調動作させると共に、基本波制御機能を優先的に動作させることができる電力変換装置を提供することを目的の１つとする。

本発明の一態様の電力変換装置は、電力系統に連係される電力変換装置であって、前記電力系統に流れる系統電流の基本波を制御するための第１の電流指令値を生成する基本波制御機能回路と、前記系統電流の高調波を制御するための第２の電流指令値を生成する高調波制御機能回路と、前記第２の電流指令値に基づく出力電圧の増分を推定した推定値に応じて当該第２の電流指令値を制限する制限回路と、を具備したことを特徴とする。

本発明によれば、基本波制御機能および高調波制御機能を協調動作させると共に、基本波制御機能を優先的に動作させることができる電力変換装置を提供できる。

第１実施形態の電力変換装置を適用した電力系統の模式図である。第１実施形態の電力変換装置に備えられた推定部のブロック図である。第１実施形態の電力変換装置に備えられた高調波制限部のブロック図である。電圧型インバータが変圧器を介して系統接続点に接続した模式図である。電圧型インバータの出力電圧と出力電流の関係を示す図である。

以下、添付図面を参照して本実施の形態の電力変換装置について説明する。
図１は、第１の実施形態の電力変換装置を適用した電力系統の模式図である。第１の実施形態は、電力設備として風力発電機が連系された電力系統を例示しているが、電力設備として水力発電機、動力発電機その他の発電設備であってもよいし、鉄道用やアルミニウム製錬プラント用などの電源装置をもつ需要家設備であっても良い。

図１には、風力発電機１が電力系統２に接続した状態が示されている。図示していない高調波フィルタのキャパシタンスがＣで示され、電力系統２や図示していない変圧器のインダクタンスがＬ１，Ｌ２で示されている。電圧形インバータ３が風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１に対して変圧器４を介して接続されている。

本実施形態の電力変換装置は、電圧形インバータ３及び当該電圧形インバータ３を制御する制御系を含んで構成される。電力変換装置の制御系は、基本波制御機能及び高調波制御機能が協働して電流指令値を生成する電流指令生成回路１０と、電流指令生成回路１０から出力される電流指令値に基づいて電圧形インバータ３に対する出力電圧指令を生成する電圧指令生成回路２０とを有する。

電流指令生成回路１０は、電力系統２に流れる系統電流Ｉ_１の基本波を制御するための第１の電流指令値を生成する基本波制御機能回路３０と、系統電流Ｉ_１の高調波を制御するための第２の電流指令値を生成する高調波制御機能回路４０と、電圧形インバータ３の出力電圧であって第２の電流指令値に基づく出力電圧の増分の推定値に応じて当該第２の電流指令値を制限する制限回路５０と、を具備している。

基本波制御機能回路３０は、系統電圧Ｖｓを取り込んで無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊を生成する第１の基本波制御機能ブロック３１と、系統電圧Ｖｓの直流電圧Ｖ_ＤＣを取り込んで有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊を生成する第２の基本波制御機能ブロック３２と、第１の基本波制御機能ブロック３１と第２の基本波制御機能ブロック３２の電流指令を加算する加算部３３と、を有する。

第１の基本波制御機能ブロック３１は、交流成分を含む系統電圧Ｖｓを取り込み、実効値計算部３４において系統電圧Ｖｓの電圧実効値Ｖｒｍｓを計算する。計算した電圧実効値Ｖｒｍｓと目標電圧Ｖｒｅｆとの偏差を加減算部３５で計算する。系統電圧Ｖｓに関して検出した偏差をゲイン乗算部３６へ入力する。ゲイン乗算部３６において偏差に対してゲインｋ１を乗算し、その乗算値（無効電流指令値）を、上下限リミッタ３７を通してから無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊として出力する。上下限リミッタ３７は無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊を許容範囲に制限する。

第２の基本波制御機能ブロック３２は、第１の基本波制御機能ブロック３１とは異なる方式で基本波制御機能を実現している。具体的には、系統電圧Ｖｓの直流電圧Ｖ_ＤＣを取り込み、目標直流電圧Ｖ_ＤＣ ^＊との偏差を加減算部３８において計算する。直流電圧Ｖ_ＤＣに関して計算した偏差はＰＩ調節器３９でＰＩ制御の下で有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊に変換して出力される。無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊と有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊を合計した指令値が基本波制御機能回路３０の第１の電流指令値として出力される。なお、本実施形態では、基本波制御のための第１の電流指令値を無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊及び有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊から計算しているが、いずれか一方でもよい。また、図１に示す以外の方式で基本波制御のための第１の電流指令値を生成してもよい。

高調波制御機能回路４０は、系統電流Ｉ_１から高調波電流指令値Ｉ_ｈ１ ^＊を生成する第１の高調波制御機能ブロック４１と、系統電圧Ｖｓから高調波電流指令値Ｉ_ｈ２ ^＊を生成する第２の高調波制御機能ブロック４２と、第１の高調波制御機能ブロック４１及び第２の高調波制御機能ブロック４２の出力を合計する加算部４３とを有する。

第１の高調波制御機能ブロック４１は、系統電流Ｉ_１から高調波電流Ｉ_ｈ１を抽出するＨＰＦ４４と、ＨＰＦ４４で抽出された高調波電流Ｉ_ｈ１にゲインｋ２を乗算するゲイン乗算部４５とを備える。第２の高調波制御機能ブロック４２は、系統電圧Ｖｓから高調波電圧Ｖｓｈを抽出するＨＰＦ４６と、ＨＰＦ４６で抽出された高調波電圧Ｖｓｈにゲインｋ３を乗算するゲイン乗算部４７とを備える。第１の高調波制御機能ブロック４１から出力される高調波電流Ｉ_ｈ１ ^＊と第２の高調波制御機能ブロック４２から出力される高調波電流Ｉ_ｈ２ ^＊とを合計した制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊が第２の電流指令値として高調波制御機能回路４０から出力される。

制限回路５０は、第２の電流指令値（制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊）に基づく電圧形インバータ３の出力電圧の増分を推定する推定部５１と、出力電圧の増分の推定値が制限値を超過した場合に前記第２の電流指令値を制限する高調波制限部５２とを有する。高調波制限部５２は、出力電圧の増分の推定値が制限値を超過しないようにゲイン補正係数を演算する係数演算部５３と、第２の電流指令値に対してゲイン補正係数を乗算する係数乗算部５４と、を有する。

図２は三相制御の場合に対応した推定部５１のブロック線図を示している。推定部５１は高調波制御機能の電流指令値を出力するために必要な出力電圧の増分を推定する。推定部５１は、制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊を入力とし、出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈを出力とする。図２に示すように、制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊にインピーダンスＺの抵抗分Ｒを乗算する第１演算部６１と、制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊を微分してインピーダンスＺのインダクタンス分Ｌを乗算する第２演算部６２と、第１及び第２演算部６１，６２の出力を加算して出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈを算出する加算部６３とを有する。なお、インピーダンスＺは変圧器４を含む電圧形インバータ３から系統接続点Ｐ１までのインピーダンスである。このインピーダンスＺの抵抗分Ｒが大きいと、電圧形インバータの出力電流による電力損失が大きくなるので、通常は抵抗分Ｒを小さく設計する。仮に抵抗分ＲがインピーダンスＺの大きさに比べて小さい場合はＲ＝０と近似し、第１演算部６１及び加算部６３を省略することができる。また、基本波電流指令値はｄｑ変換によって交流量を直流量に変換することができるが、高調波電流指令値は複数の周波数成分が混在している交流量であるため、出力電圧増分推定値も交流量になる。

図３は三相制御の場合に対応した高調波制限部５２の係数演算部５３のブロック線図を示している。係数演算部５３は、出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈが既定の閾値（出力電圧増分制限値）を超過しないようにゲイン補正係数を演算する。図３に示すように、入力する各相の出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈの絶対値を計算する絶対値回路６４と、各相の絶定値の中から最大値を１つ抽出する最大値回路６５と、リミッタ付き一次遅れ要素６６と、出力電圧増分制限値を一次遅れ要素６６の出力（各相の最大値）で割り算する除算回路６７と、出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈが出力電圧増分制限値よりも大きい場合に１より小さいゲイン補正係数を出力するリミッタ回路６８とを有している。

基本波制御機能回路３０と高調波制御機能回路４０の出力段に加算部７０が接続されている。加算部７０は、基本波制御機能回路３０の出力（無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊及び有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊）と、制限回路５０で適宜制限された高調波制御機能回路４０の制限後高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊´とを加算して電流指令値Ｉｃ^＊を出力する。加算回路７０の出力段に、電流指令値Ｉｃ^＊と現在の系統電流Ｉｃとの偏差を検出する加減算部７１、偏差に応じて電圧形インバータ３に対する出力電圧指令を生成する電流制御部７２、及び電流制御部７２の出力を制限する電圧リミッタ７３が直列に接続されている。電圧リミッタ７３を介して最終的な出力電圧指令Ｖｃ^＊が電圧形インバータ３に供給される。

以上のように構成された本実施形態に係る電力変換装置の動作について説明する。
風力発電機１と電力系統２の系統接続点Ｐ１を流れる系統電流Ｉ_１及び系統電圧Ｖｓが電流検出器及び電圧検出器を介して検出される。第１の基本波制御機能ブロック３１及び第２の高調波制御機能ブロック４２へ系統電圧Ｖｓが入力される。第２の基本波制御ブロック３２へ系統電圧Ｖｓの直流電圧Ｖ_ＤＣが入力される。また、第１の高調波制御機能ブロック４１へ系統電流Ｉ_１が入力される。

第１の基本波制御機能ブロック３１において、系統電圧Ｖｓの電圧実効値Ｖｒｍｓと目標電圧Ｖｒｅｆとの偏差に対応して無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊が算出される。第２の基本波制御機能ブロック３２において、直流電圧Ｖ_ＤＣと目標直流電圧Ｖ_ＤＣ ^＊との偏差に対応して有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊が算出される。そして、基本波制御機能回路３０から無効電流指令Ｉ_ｑ１ ^＊と有効電流指令Ｉ_ｄ２ ^＊の合計値が基本波制御用の第１の電流指令値として出力される。

一方、第１の高調波制御機能ブロック４１において、系統電流Ｉ_１に基づいて高調波を抑制する高調波電流指令値Ｉ_ｈ１ ^＊が算出される。また、第２の高調波制御機能ブロック４２において、系統電圧Ｖｓに基づいて高調波を抑制する高調波電流指令値Ｉ_ｈ２ ^＊が算出される。そして、高調波制御機能回路４０から高調波電流指令値Ｉ_ｈ１ ^＊と高調波電流指令値Ｉ_ｈ２ ^＊の合計値が高調波制御用の第２の電流指令値として出力される。

本実施形態は、基本波制御機能回路３０から出力される第１の電流指令値は制限を受けることなく加算部７０へ入力されるが、高調波制御機能回路４０から出力される第２の電流指令値は制限回路５０を経由して加算部７０へ入力される。すなわち、基本波制御機能および高調波制御機能を協調動作させると共に、基本波制御機能を優先的に動作させている。制限回路５０において高調波制御機能回路４０から出力される第２の電流指令値に対して次のような制限が加えられる。推定部５１は、高調波制御機能回路４０からの第２の電流指令値を制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊として取り込み、高調波制御機能による出力電圧（インバータ出力電圧）の増分が過大にならないように、高調波制御機能の電流指令値を出力するために必要な出力電圧の増分を推定する。具体的には、制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊にインピーダンスＺの抵抗分Ｒを乗算する一方、制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊を微分してインピーダンスＺのインダクタンス分Ｌを乗算し、両者を加算して出力電圧増分推定値として出力する。次に、高調波制限部５２において、各相の最大値のうち最も大きい最大値を１つ抽出し、その最大値が出力電圧増分制限値を超過しないようにゲイン補正係数を算出する。出力電圧増分推定値が出力電圧増分制限値よりも小さい場合、出力電圧増分制限値／出力電圧増分推定値＞１となるので、リミッタ回路６８でリミッタがかかり１が出力される。この結果、出力電圧増分推定値が出力電圧増分制限値よりも小さければ、高調波制御機能回路４０から出力される第２の電流指令値は制限されないで出力される。一方、出力電圧増分推定値が出力電圧増分制限値よりも大きい場合、出力電圧増分制限値／出力電圧増分推定値＜１となるので、出力電圧増分推定値に応じて１より小さいゲイン補正係数がリミッタ回路６８から出力される。この結果、出力電圧増分推定値が出力電圧増分制限値よりも大きければ、出力電圧増分推定値の大きさに応じて小さくなる１より小さいゲイン補正係数によって第２の電流指令値が小さくされる。このように、出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈの大きさが閾値を超えるとゲイン補正係数が１より小さい値を取るように制御される。なお、出力電圧増分推定値ΔＶ^＊ _ｈの波高値（振幅）が閾値を超えていても位相によっては一時的に閾値を下回る場合があるが、１次遅れ要素６６によってゆっくりと１に向かって回復する。一方、入力が増加方向に変化して閾値を超過した場合は１次遅れ要素６６のリミッタ下限値を入力値とすることにより、出力はすぐに入力値と同じ値になる。このように制御されたゲイン補正係数が制限前高調波電流指令値Ｉ_ｈ ^＊に乗算される。

この結果、基本波制御機能および高調波制御機能を協調動作させると共に、基本波制御機能を優先的に動作させて電流指令値Ｉｃ^＊を生成できる。電流指令値Ｉｃ^＊と系統電流Ｉｃの偏差に基づいて偏差を解消する出力電圧指令Ｖｃ^＊が生成され、電圧形インバータ３へ供給される。

以上のように、本実施の形態によれば、基本波制御機能による電流指令値には制限が与えられないが、高調波制御機能による電流指令値には、出力電圧増分推定値が既定の閾値を超過した場合に、制限が加えられるので、基本波制御機能および高調波制御機能を協調動作させる電力変換装置において、基本波制御機能を優先的に動作させることができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。

本発明の電力変換装置は、例えば、風力発電機が連係する電力系統に適用して好適である。

１風力発電機
２電力系統
３電圧形インバータ
４変圧器
１０電流指令生成回路
２０電圧指令生成回路
３０基本波制御機能回路
３１第１の基本波制御機能ブロック
３２第２の基本波制御機能ブロック
３３、４３、７０加算部
４０高調波制御機能回路
４１第１の高調波制御機能ブロック
４２第２の高調波制御機能ブロック
５０制限回路
５１推定部
５２高調波制限部
５３係数演算部
５４ゲイン乗算部
７１加減算部
７２電流制御部
７３電圧リミッタ

Claims

電力系統に連係される電力変換装置であって、
前記電力系統に流れる系統電流の基本波を制御するための第１の電流指令値を生成する基本波制御機能回路と、前記系統電流の高調波を制御するための第２の電流指令値を生成する高調波制御機能回路と、前記第２の電流指令値に基づく出力電圧の増分を推定した推定値に応じて当該第２の電流指令値を制限する制限回路と、を具備したことを特徴とする電力変換装置。
前記制限回路は、前記第２の電流指令値に基づく出力電圧の増分を推定する推定部と、前記出力電圧の増分の推定値が制限値を超過した場合に前記高調波制御機能回路から出力される前記第２の電流指令値を制限する高調波制限部と、を有することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記基本波制御機能回路は、無効電流指令及び又は有効電流指令を前記第１の電流指令値として出力し、前記高調波制御機能回路は、系統電流及び又は系統電圧から抽出された高調波成分に応じた高調波電流指令を前記第２の電流指令値として出力することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電力変換装置。
前記推定部は、前記高調波制限部による制限前の第２の電流指令値を微分して前記インピーダンスＺのインダクタンス分Ｌを乗算し、前記出力電圧の増分の推定値として出力することを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電力変換装置。
前記推定部は、前記高調波制限部による制限前の第２の電流指令値に系統接続点までのインピーダンスＺの抵抗分Ｒを乗算する第１演算部と、前記制限前の第２の電流指令値を微分して前記インピーダンスＺのインダクタンス分Ｌを乗算する第２演算部と、前記第１演算部及び前記第２演算部の出力を加算して前記出力電圧の増分の推定値として出力する加算部と、を有することを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
前記高調波制限部は、前記出力電圧の増分の推定値が制限値を超過しないようにゲイン補正係数を演算する係数演算部と、前記制限前の第２の電流指令値に対して前記ゲイン補正係数を乗算する係数乗算部と、を有することを特徴とする請求項２から請求項５のいずれかに記載の電力変換装置。
前記高調波制限部は、前記推定値の減少時のみ遅れ動作する遅れ要素を有することを特徴とする請求項６記載の電力変換装置。