JP2019030199A - 電力変換装置、電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】シンプルな構成で回生異常を即座に検出する。【解決手段】並列接続されている他の電力変換装置２ａとともに、系統４と電気的に非接続の共通の負荷３に交流電力を供給する電力変換装置２ｂであって、基準波形生成部は、本電力変換装置２ｂの出力電力と、ドループ制御用の基準電圧、ドループ制御用の基準周波数をもとに交流電圧指令値を生成する。自立運転制御部は、前記交流電圧指令値に、本電力変換装置２ｂの出力電圧が一致するようにインバータ２１２ｂを制御する。解列／並列制御部は、インバータ２１２ｂの入力側の直流電圧が第１設定値より高くなると、前記インバータの稼働を停止させる。【選択図】図１

Description

本発明は、並列接続して負荷に交流電力を供給する電力変換装置、電力変換システムに関する。

複数の電力変換装置が並列接続された電力変換システムと、商用電力系統（以下、単に系統という）が連系して負荷に交流電力を供給している状態において、系統が停電すると、上記電力変換システムは自立並列運転で負荷に電力を供給する。自立並列運転の一方法として、予め設定された垂下特性により出力電圧、周波数を制御するドループ制御を利用することが考えられる。

自立並列運転中に、並列接続された複数の電力変換装置間の出力電圧の偏差があると、電力変換装置間に横流が発生する。横流が発生すると、電流が流れ込む電力変換装置の直流バスの電圧が上昇し、当該直流バスに接続された電解コンデンサなどの部品に不具合が発生しやすくなる。横流による回生電流が流れ込むことを阻止するには、当該電力変換装置を電力変換システムから解列する必要がある。

電力変換装置の不具合を、横流の有効成分、内部周波数、及び負荷に接続される母線の周波数をもとに検出し、当該電力変換装置を解列する方法が提案されている。当該横流の有効成分は、母線の電流から自機の出力電流を除いて得られる電流をもとに推定される（例えば、特許文献１参照）。また、他の電力変換装置と通信線で接続し、他の電力変換装置から通信線を介して出力電流などの情報を取得して、横流を検出する方法も考えられる。

特開平８−２４２５４０号公報

上述のように負荷に接続された母線の電流や、他の電力変換装置の出力電流などの外部の情報を取得して横流による回生異常を検出する方法では、システム構成が複雑になる。また通信を使用する場合、遅延や、ノイズによるビット誤りを考慮する必要がある。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、シンプルな構成で回生異常を即座に検出できる電力変換装置、電力変換システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、並列接続されている他の電力変換装置とともに、電力系統と電気的に非接続の共通の負荷に交流電力を供給する電力変換装置であって、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、本電力変換装置の出力電力と、ドループ制御用の基準電圧、ドループ制御用の基準周波数をもとに交流電圧指令値を生成する基準波形生成部と、前記交流電圧指令値に、本電力変換装置の出力電圧が一致するように前記インバータを制御する自立運転制御部と、前記インバータの入力側の直流電圧が第１設定値より高くなると、前記インバータの稼働を停止させる解列／並列制御部と、を備える。

本発明によれば、シンプルな構成で回生異常を即座に検出できる。

本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す図である。 図１の制御装置の構成例を示す図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、ドループ制御で使用する垂下特性を示す図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電力変換システムにおける、負荷接続時と負荷遮断時の電流の流れを模式的に示す図である。 本発明の実施の形態に係る電力変換システムの動作例を示すタイミングチャートである。 電力変換装置の再並列時の出力電流の一例を、交流波形で示す図である。

図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換システム２ｓの構成を示す図である。電力変換システム２ｓは、並列接続された複数の電力変換装置２を備える。複数の電力変換装置２の出力経路は１つに結合され、配電線を介して系統４に接続される。当該配電線には負荷３が接続される。図１では、第１電力変換装置２ａと第２電力変換装置２ｂの２つが並列接続された例を示している。一般的に配電線は、単相２線式、単相３線式、又は三相３線式で構成される。従って本来は、図１の第１電力変換装置２ａ、第２電力変換装置２ｂ、及び系統４間の配線はそれぞれ２線または３線で描かれるべきであるが、図面を簡略化するため１線で描いている。

第１電力変換装置２ａは、第１直流電源１ａから供給される直流電力を交流電力に変換して出力する。同様に第２電力変換装置２ｂは、第２直流電源１ｂから供給される直流電力を交流電力に変換して出力する。第１直流電源１ａ及び第２直流電源１ｂには、蓄電池（例えば、リチウムイオン蓄電池、ニッケル水素蓄電池、鉛蓄電池）、キャパシタ（例えば、電気二重層キャパシタ、リチウムイオンキャパシタ）、燃料電池、太陽電池などを使用することができる。第１直流電源１ａ及び第２直流電源１ｂに、同じ種類の直流電源を使用してもよいし、それぞれ異なる種類の直流電源を使用してもよい。以下、第１直流電源１ａ及び第２直流電源１ｂにリチウムイオン蓄電池を使用する例を想定する。

第１電力変換装置２ａは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａ、第１インバータ２１２ａ、第１制御装置２２ａ、第１電解コンデンサＣ１ａ、第１インダクタＬａ、第１フィルタ電流センサＣＴ１ａ、第１フィルタコンデンサＣ２ａ、第１リレーＲＹａ、第１出力電流センサＣＴ２ａ、及び第１出力電圧センサＶＴａを備える。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａ及び第１インバータ２１２ａは電力変換部を構成する。第１インダクタＬａ及び第１フィルタコンデンサＣａは出力フィルタを構成する。

第１直流電源１ａの放電時、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａは、第１直流電源１ａから供給される直流電力を、所定の電圧／電流の直流電力に変換して第１インバータ２１２ａに出力する。第１インバータ２１２ａは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａから供給される直流電力を交流電力に変換して出力する。

第１直流電源１ａの充電時、第１インバータ２１２ａは、系統４から供給される交流電力を直流電力に変換して第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａに出力する。第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａは、第１インバータ２１２ａから供給される直流電力を、所定の電圧／電流の直流電力に変換して第１直流電源１ａに出力する。このように第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａは第１直流電源１ａの充放電を制御することができ、例えば、定電流（ＣＣ）充電／放電、または定電圧（ＣＶ）充電／放電を行うことができる。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａ及び第１インバータ２１２ａはそれぞれ、例えば、４つ又は６つのスイッチング素子をブリッジ接続したブリッジ回路を含む。当該スイッチング素子のデューティ比を制御することにより、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａ及び第１インバータ２１２ａのそれぞれの入出力を調整することができる。スイッチング素子には例えば、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor）又はＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用することができる。

第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａと第１インバータ２１２ａ間は直流バスで接続される。第１電解コンデンサＣ１ａは当該直流バスに接続され、当該直流バスの電圧Ｖｄｃを安定化させる。

上記出力フィルタは、第１インバータ２１２ａから出力される交流電力の高調波成分を減衰させて、第１インバータ２１２ａの出力電圧および出力電流を正弦波に近づける。第１フィルタ電流センサＣＴ１ａは、当該出力フィルタに流れる電流ＩＬを検出して第１制御装置２２ａに出力する。

上記出力フィルタと、第１電力変換装置２ａの出力端子との間に、第１リレーＲＹａが挿入される。なお第１リレーＲＹａの代わりに半導体スイッチを用いてもよい。第１出力電流センサＣＴ２ａは、第１電力変換装置２ａの出力電流Ｉｏを検出して第１制御装置２２ａに出力する。第１出力電圧センサＶＴａは、第１電力変換装置２ａの出力電圧Ｖｏを検出して第１制御装置２２ａに出力する。

第１制御装置２２ａは、第１ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ａ、第１インバータ２１２ａ、第１リレーＲＹａなどを制御する。第１制御装置２２ａの構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

第２電力変換装置２ｂは、第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ｂ、第２インバータ２１２ｂ、第２制御装置２２ｂ、第２電解コンデンサＣ１ｂ、第２インダクタＬｂ、第２フィルタ電流センサＣＴ１ｂ、第２フィルタコンデンサＣ２ｂ、第２リレーＲＹｂ、第２出力電流センサＣＴ２ｂ、及び第２出力電圧センサＶＴｂを備える。第２ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１ｂ及び第２インバータ２１２ｂは電力変換部を構成する。第２インダクタＬｂ及び第２フィルタコンデンサＣｂは出力フィルタを構成する。第２電力変換装置２ｂの構成は、第１電力変換装置２ａの構成と同様であるため説明を省略する。

図２は、図１の制御装置２２の構成例を示す図である。制御装置２２は、ドループ制御部２２１、駆動制御部２２２、ＰＷＭ信号生成部２２３、駆動回路２２４、負荷検出部２２５、解列／並列制御部２２６、仮想インピーダンス制御部２２７、第２減算部２２８、運転モード管理部２２９を備える。ドループ制御部２２１は、有効／無効電力算出部２２１ａ、第１乗算部２２１ｂ、第１減算部２２１ｃ、第２乗算部２２１ｄ、第１加算部２２１ｅ、及び基準波形生成部２２１ｆを含む。

運転モード管理部２２９は、電力変換装置２の運転モードを管理し、現在の運転モードを駆動制御部２２２及び仮想インピーダンス制御部２２７に通知する。運転モード管理部２２９は、系統４が正常なとき系統連系モードを選択する。系統連系モードでは運転モード管理部２２９は、リレーＲＹを閉状態（オン状態）に制御する。運転モード管理部２２９は、系統４が停電しているとき自立運転モードを選択する。運転モード管理部２２９は、出力電圧センサＶＴにより検出された電圧Ｖｏが、所定の時間、所定の電圧値未満になったとき、系統４が停電したと判定する。運転モード管理部２２９は、系統４の停電を検出すると、リレーＲＹを閉状態（オン状態）から開状態（オフ状態）に制御する。この状態は待機モードである。

待機モードから自立運転モードへの切替には、自動で起動する設定と手動で起動する設定がある。自動で起動する設定の場合、運転モード管理部２２９は、系統４の停電を検出してリレーＲＹを開状態（オフ状態）に制御してから、設定された時間が経過すると、リレーＲＹを閉状態（オン状態）に制御する。手動で起動する設定の場合、運転モード管理部２２９は、ユーザによりなされた自立運転モードの起動操作に基づく操作信号を受信すると、リレーＲＹを閉状態（オン状態）に制御する。

駆動制御部２２２は系統連系モードのとき、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１とインバータ２１２間の直流バスの電圧Ｖｄｃが、所定値を保つように電流指令値を生成する。具体的には駆動制御部２２２は、直流バスの電圧Ｖｄｃが所定値を下回ると電流指令値を減少させ、直流バスの電圧Ｖｄｃが所定値を上回ると電流指令値を増加させる。駆動制御部２２２は、生成した電流指令値と、フィルタ電流センサＣＴ１により検出される電流ＩＬとの偏差をもとに、インバータ２１２内のスイッチング素子のデューティ比で規定された電流指令値Ｉ^＊を生成する。駆動制御部２２２は、生成した電流指令値Ｉ^＊をＰＷＭ信号生成部２２３に出力する。

ＰＷＭ信号生成部２２３はコンパレータを含む。当該コンパレータは、電流指令値Ｉ^＊と搬送波（三角波）を比較し、その比較結果に応じたＰＷＭ信号を生成する。当該コンパレータは、生成したＰＷＭ信号を駆動回路２２４に出力する。駆動回路２２４は、ＰＷＭ信号生成部２２３から入力されたＰＷＭ信号に基づく駆動信号を、インバータ２１２内のスイッチング素子のゲート端子に供給する。

駆動制御部２２２は自立運転モードのとき、ドループ制御部２２１から供給される交流電圧指令値Ｅｓｉｎθと、出力電圧センサＶＴにより検出された電圧Ｖｏとの偏差をもとに、インバータ２１２内のスイッチング素子のデューティ比で規定される電圧指令値Ｖ^＊を生成する。駆動制御部２２２は、生成した電圧指令値Ｖ^＊をＰＷＭ信号生成部２２３に出力する。ＰＷＭ信号生成部２２３のコンパレータは、電圧指令値Ｖ^＊と搬送波を比較し、その比較結果に応じたＰＷＭ信号を生成する。当該コンパレータは、生成したＰＷＭ信号を駆動回路２２４に出力する。駆動回路２２４は、ＰＷＭ信号生成部２２３から入力されたＰＷＭ信号に基づく駆動信号を、インバータ２１２内のスイッチング素子のゲート端子に供給する。自立運転モードでは、系統４により電圧が規定されないため、電力変換装置２により電圧を規定する必要がある。

ドループ制御部２２１の有効／無効電力算出部２２１ａは、出力電流センサＣＴ２により検出された電流Ｉｏ、出力電圧センサＶＴにより検出された電圧Ｖｏをもとに、自己の電力変換装置２の出力有効電力Ｐ、出力無効電力Ｑを算出する。出力有効電力Ｐ、出力無効電力Ｑは下記（式１）、（式２）により算出できる。

Ｐ＝Ｖｏ×Ｉｏ×ｃｏｓθ ・・・（式１）
Ｑ＝Ｖｏ×Ｉｏ×ｓｉｎθ ・・・（式２）

基準波形生成部２２１ｆは、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ、ドループ制御用の基準電圧Ｅ^＊、ドループ制御用の基準角周波数ω^＊をもとに、交流電圧指令値Ｅｓｉｎθを生成する。Ｅは電圧、θ（＝ωｔ）は位相である。

図３（ａ）、（ｂ）は、ドループ制御で使用する垂下特性を示す図である。図３（ａ）は周波数ドループの垂下特性を、図３（ｂ）は電圧ドループの垂下特性をそれぞれ示す。ドループ制御では、電力変換装置２の出力電圧の振幅Ｅは下記（式３）により算出され、電力変換装置２の出力電圧の角周波数ωは下記（式４）により算出される。

Ｅ＝Ｅ^＊−ｎＰ ・・・（式３）
ω＝ω^＊＋ｍＱ ・・・（式４）

基準電圧Ｅ^＊は無負荷時の出力電圧、基準角周波数ω^＊は無負荷時の公称周波数である。例えば、基準電圧Ｅ^＊が２０２Ｖ、基準角周波数ω^＊が３１４ｒａｄ／ｓ（≒周波数５０Ｈｚ）に設定される。係数ｎは電圧ドループ係数、係数ｍは周波数ドループ係数である。係数ｎ、係数ｍは電力変換装置２の出力インピーダンス、または定格出力により決定される。

図２に戻る。第１乗算部２２１ｂは、有効／無効電力算出部２２１ａにより算出された有効電力Ｐに電圧ドループ係数ｎを乗算し、得られた電圧値を第１減算部２２１ｃに出力する。第１減算部２２１ｃは基準電圧Ｅ^＊の値から、第１乗算部２２１ｂにより算出された電圧値を減算し、得られた電圧値Ｅを基準波形生成部２２１ｆに出力する。

第２乗算部２２１ｄは、有効／無効電力算出部２２１ａにより算出された無効電力Ｑに周波数ドループ係数ｍを乗算し、得られた角周波数を第１加算部２２１ｅに出力する。第１加算部２２１ｅは基準角周波数ω^＊に、第２乗算部２２１ｄにより算出された角周波数を加算し、得られた角周波数ωを基準波形生成部２２１ｆに出力する。基準波形生成部２２１ｆは、第１減算部２２１ｃから入力される電圧値Ｅと、第１加算部２２１ｅから入力される角周波数ωをもとに交流電圧指令値Ｅｓｉｎθを生成する。

ドループ制御を行っている自立運転モードにおける電力変換装置２の出力電圧は、図３（ｂ）に示しように負荷３が上昇すると垂下特性により低下する。図１に示したように２台の電力変換装置２が並列接続されている構成では、２台の電力変換装置２の出力電圧間に電圧差が発生すると、出力電圧が高い電力変換装置２から、出力電圧が低い電力変換装置２に電流が流れる。すなわち、出力電圧が低い電力変換装置２に回生電流が流れ込む。２台の電力変換装置２の出力電圧間に電圧差が発生する主な要因として、負荷３の変化（特に減少、遮断）、電圧センサの検出誤差、負荷３との配線長の差（配線インピーダンスの差）が挙げられる。

大きな回生電流が発生すると、インバータ２１２の入力側の直流バスの電圧Ｖｄｃが異常上昇する。直流バスの電圧Ｖｄｃが異常上昇すると、電力変換装置２のエラー停止、電解コンデンサＣ１の故障などを引き起こす。

図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の実施の形態に係る電力変換システム２ｓにおける、負荷接続時と負荷遮断時の電流の流れを模式的に示す図である。図４（ａ）が負荷接続時の電流の流れを示し、図４（ｂ）が負荷遮断時の電流の流れを示している。上述のように電圧センサの検出誤差や、配線長による電圧降下の差に起因して、第１電力変換装置２ａの出力電圧Ｅ１と、第２電力変換装置２ｂの出力電圧Ｅ２に電圧差（Ｅ１−Ｅ２）が発生するときがある。図４（ａ）、（ｂ）では、第１電力変換装置２ａの出力電圧Ｅ１の方が高い場合を示している。

図４（ａ）に示すように負荷接続時は、出力電圧偏差（Ｅ１−Ｅ２）は、負荷分担偏差となり、第２電力変換装置２ｂに回生電流が流れ込まない。一方、図４（ｂ）に示すように負荷遮断時は、第１電力変換装置２ａから第２電力変換装置２ｂに有効横流が発生する。これにより第２電力変換装置２ｂに回生電流が流れ込み、ＤＣ／ＤＣコンバータ２１１とインバータ２１２間の直流バスの電圧が異常上昇する。

なお第１電力変換装置２ａの出力電圧Ｅ１と、第２電力変換装置２ｂの出力電圧Ｅ２に位相差が発生している場合、進み位相の電力変換装置２から、遅れ位相の電力変換装置２に無効横流が発生する。低圧配電網では抵抗成分が支配的になり、高圧配電網ではリアクトル成分が支配的になる。従って、低圧配電網では電圧ドループ制御が主となり、高圧配電網では周波数ドループ制御が主となる。

以上に鑑み本実施の形態では、直流バスの電圧Ｖｄｃを監視して、直流バスの電圧Ｖｄｃが第１設定値より上昇すると、インバータ２１２に含まれるスイッチング素子のゲートをブロックする仕組みを導入している。

図２に戻り、具体的に説明する。解列／並列制御部２２６は、直流バスの電圧Ｖｄｃが第１設定値より高くなるとゲートブロック信号をＰＷＭ信号生成部２２３に出力する。第１設定値は、電解コンデンサＣ１などの部品の仕様をもとに設計者により設定される。ＰＷＭ信号生成部２２３は、ゲートブロック信号が入力されると、インバータ２１２内の全てのスイッチング素子のゲート端子にゲートオフ信号を供給する。これによりインバータ２１２の稼働が停止する。解列／並列制御部２２６は、インバータ２１２の稼働を停止させるとともに、リレーＲＹを開状態（オフ状態）に制御する。

以下、解列した電力変換装置２を再並列させる仕組みを説明する。負荷３は電力変換システム２ｓと無関係に増減するため、少なくとも１台の電力変換装置２が解列した状態において負荷３が増加すると、残りの電力変換装置２が過負荷運転になる可能性がある。過負荷運転になると、運転中の電力変換装置２がエラー停止し、負荷３への電力が途切れることになる。なお過負荷運転になる前に、待機中の電力変換装置２を手動で再並列させることも考えられるが、人的な作業負担が発生する。

そこで本実施の形態では、負荷３の増加を検出して自動的に再並列させる仕組みを導入している。以下、具体的に説明する。負荷検出部２２５は、電力変換装置２ａの出力電圧Ｖｏを監視する。出力電圧Ｖｏの振幅が第２設定値より低くなった場合、又は出力電圧Ｖｏの角周波数が第３設定値より高くなった場合、負荷検出部２２５は負荷検出信号を解列／並列制御部２２６及び仮想インピーダンス制御部２２７に出力する。

第２設定値は例えば、基準電圧Ｅ^＊に設定される。第３設定値は例えば、基準角周波数ω^＊に設定される。この設定において、ある電力変換装置２の出力電圧Ｖｏの振幅が第２設定値より低くなった場合、又は出力電圧Ｖｏの角周波数が第３設定値より高くなった場合、それは負荷３が接続され、電力変換装置２から電力が供給されていることを意味する。

解列／並列制御部２２６は、負荷検出部２２５から負荷検出信号が入力されると、ＰＷＭ信号生成部２２３へのゲートブロック信号の供給を停止する。これによりインバータ２１２の稼働が再開する。解列／並列制御部２２６は、インバータ２１２の稼働を再開させるとともに、リレーＲＹを閉状態（オン状態）に制御する。

仮想インピーダンス制御部２２７は、負荷検出部２２５から負荷検出信号が入力されると、仮想インピーダンス値を予め設定された初期値に設定する。仮想インピーダンス制御部２２７は、設定した仮想インピーダンス値と、出力電流センサＣＴ２により検出された出力電流Ｉｏを乗算して電圧補正値Ｖｃを生成する。仮想インピーダンス制御部２２７は、生成した電圧補正値Ｖｃを第２減算部２２８に出力する。第２減算部２２８は、基準波形生成部２２１ｆから入力される交流電圧指令値Ｅｓｉｎθから、仮想インピーダンス制御部２２７から入力される電圧補正値Ｖｃを減算して得られる補正後の交流電圧指令値Ｅｓｉｎθを駆動制御部２２２に出力する。

仮想インピーダンス制御部２２７は、仮想インピーダンス値を所定の勾配で、ゼロに向けて漸次的に低下させていく。すなわち、仮想インピーダンス値を緩やかにゼロまでスイープさせる。これにより、待機中の電力変換装置２を再並列させる際に、第１電力変換装置２をソフトスタートさせることができる。仮想インピーダンス値の初期値および勾配は、電力変換装置２の仕様をもとに設計者により設定される。

電力変換装置２の出力が安定した後は、仮想インピーダンス制御部２２７は、仮想インピーダンス値をゼロに設定する。仮想インピーダンス値がゼロの状態では電圧補正値Ｖｃもゼロになり、基準波形生成部２２１ｆにより生成された交流電圧指令値Ｅｓｉｎθがそのまま駆動制御部２２２に供給されることになる。

図５は、本発明の実施の形態に係る電力変換システム２ｓの動作例を示すタイミングチャートである。第１期間ｔ１は負荷３が接続中の期間であり、第１電力変換装置２ａと第２電力変換装置２ｂがドループ制御により自立並列運転を行っている。ドループ制御により電力変換システム２ｓの出力電圧は垂下している。負荷検出信号は、負荷３が接続されているため、第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともにハイレベル（負荷あり）である。

直流バスの電圧Ｖｄｃは、第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともに所定値に維持されており、出力電流Ｉｏは、第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともに負荷３に追従する。ゲートブロック信号は第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともにローレベル（ＯＦＦ）である。仮想インピーダンス値は第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともに０Ωである。

なおシステム出力電圧、及び第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂの出力電流Ｉｏは本来、交流波形であるが、図５では図面を簡略化するため直流波形で描いている。

第２期間ｔ２は負荷３が遮断された無負荷状態の期間である。負荷検出信号は、負荷３が接続されていないため、第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともにローレベル（負荷なし）である。第１電力変換装置２ａから第２電力変換装置２ｂに回生電流が流れることにより、第２電力変換装置２ｂの直流バスＶｄｃの電圧が上昇する。第２電力変換装置２ｂの直流バスＶｄｃの電圧が第１設定値を超えると、第２電力変換装置２ｂのゲートブロック信号がハイレベル（ＯＮ）に遷移する。これにより第２電力変換装置２ｂの第２インバータ２１２ｂが稼働を停止し、第２電力変換装置２ｂの直流バスの電圧Ｖｄｃの上昇が止まり、その電圧を維持する。

回生電流が発生しても、第１電力変換装置２ａの直流バスの電圧Ｖｄｃは所定値に維持される。第１電力変換装置２ａは無負荷時の電圧（基準電圧Ｅ^＊）を出力する。第２電力変換装置２ｂは、第２インバータ２１２ｂの停止前は無負荷時の電圧（基準電圧Ｅ^＊）を出力し、第２インバータ２１２ｂの停止後は０Ｖを出力する。電力変換システム２ｓの出力電圧は、第２電力変換装置２ｂの解列に関係なく無負荷時の電圧（基準電圧Ｅ^＊）を維持する。出力電流Ｉｏは、無負荷状態であるため、第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともに０Ａである。第１電力変換装置２ａのゲートブロック信号はローレベル（ＯＦＦ）を維持する。仮想インピーダンス値は第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともに０Ωを維持する。

第３期間ｔ３は負荷３が投入され、負荷３が再接続された状態の期間である。第１電力変換装置２ａの出力電圧は、負荷３の再接続に応じたドループ制御により低下する。これにより電力変換システム２ｓの出力電圧も低下する。負荷検出信号は、第１電力変換装置２ａ及び第２電力変換装置２ｂともにハイレベル（負荷あり）に遷移する。負荷検出信号は、電力変換システム２ｓの出力電圧をもとにしているため、第１電力変換装置２ａと第２電力変換装置２ｂで基本的に同じ値になる。

電力変換システム２ｓの出力電圧が第２設定値を下回ると（負荷３が投入）されると、第２電力変換装置２ｂのゲートブロック信号がローレベル（ＯＦＦ）に遷移する。第２電力変換装置２ｂのゲートブロック信号がローレベル（ＯＦＦ）に遷移すると、第２電力変換装置２ｂが再並列され、第２電力変換装置２ｂの仮想インピーダンス値に初期値が設定される。その後、第２電力変換装置２ｂの仮想インピーダンス値は０Ωまでスイープされる。第２電力変換装置２ｂの出力電流Ｉｏは、再並列後、仮想インピーダンス値の低下に従い緩やかに上昇する。第２電力変換装置２ｂの直流バスの電圧Ｖｄｃは、負荷３への電力供給が開始されると徐々に低下していき、所定値に到達すると止まり、その電圧を維持する。

第１電力変換装置２ａは運転継続中であるため、負荷３の投入時に第１電力変換装置２ａの出力電流Ｉｏは即座に上昇する。第１電力変換装置２ａの直流バスのＶｄｃは、引き続き所定値を維持する。第１電力変換装置２ａのゲートブロック信号は、引き続きローレベル（ＯＦＦ）を維持し、第１電力変換装置２ａの仮想インピーダンス値は引き続き０Ωを維持する。

図６は、電力変換装置２の再並列時の出力電流Ｉｏの一例を、交流波形で示す図である。図６に示す例では仮想インピーダンス値Ｚｖ（ｓ）を、２段階の傾斜を持つ勾配で低下させている。仮想インピーダンス値Ｚｖ（ｓ）を初期値からゼロまで変化させる期間ｔｘは例えば、０．５〜１．０ｓの範囲の値に設定される。このように電力変換装置２の再並列時にソフトスタートさせることにより、再並列時の突入電流の発生を防止することができ、各種部材へのストレスを軽減することができる。

以上説明したように本実施の形態によれば、各電力変換装置２は自機の検出情報のみに基づき、回生異常時の安全な解列、及び並列運転への自動復帰を行うことができる。その際、他機の情報（例えば、他機の出力電流）、負荷電流などの情報は必要ない。従って、他機との通信は不要であり、負荷電流を取得するための検出経路も不要である。よって、電力変換システム２ｓの構成をシンプルにでき、かつ迅速で堅牢な解列／再並列制御を実現することができる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

上述の実施の形態では、２台の電力変換装置２を並列運転する場合を例に説明したが、３台以上の電力変換装置２を並列運転する場合にも、回生電流が流れ込む電力変換装置２について上述の解列／再並列制御を使用することができる。

また電力変換システム２ｓは、系統連系モードを持たない、再生可能エネルギーをもとに発電する直流電源（太陽電池など）を備えた分散型電源システムであってもよい。この場合、本分散型電源システムの起動時は常に、上述の自立運転モードで動作する。

上述の解列／再並列制御は必ずしもセットで使用する必要はない。例えば、上述の解列制御を使用しつつ、再並列時は手動で復帰させてもよい。また上述の再並列制御を使用しつつ、解列時は他機の出力電流や負荷電流をもとに回生異常を検出してもよい。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
並列接続されている他の電力変換装置（２ａ）とともに共通の負荷（３）に交流電力を供給する電力変換装置（２ｂ）であって、
直流電源（１ｂ）から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ（２１２ｂ）と、
本電力変換装置（２ｂ）の出力電力、ドループ制御用の基準電圧、ドループ制御用の基準周波数をもとに交流電圧指令値を生成する基準波形生成部（２２１ｆ）と、
前記交流電圧指令値に、本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧が一致するように前記インバータ（２１２ｂ）を制御する自立運転制御部（２２２）と、
前記インバータ（２１２ｂ）の入力側の直流電圧が第１設定値より高くなると、前記インバータ（２１２ｂ）の稼働を停止させる解列／並列制御部（２２６）と、
を備えることを特徴とする電力変換装置（２ｂ）。
これによれば、自機の検出情報のみに基づき、回生異常を即座に検出することができる。
［項目２］
前記解列／並列制御部（２２６）は、前記インバータ（２１２ｂ）が停止している状態で、本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧の振幅が第２設定値より低くなると、又は本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧の周波数が第３設定値より高くなると、前記インバータ（２１２ｂ）を稼働させることを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（２ｂ）。
これによれば、負荷（３）の増加に応じて自動復帰させることができ、他の電力変換装置（２ａ）が過負荷運転に陥ることを防止することができる。
［項目３］
前記インバータ（２１２ｂ）と本電力変換装置（２ｂ）の出力端の間にスイッチ（ＲＹｂ）をさらに備え、
前記解列／並列制御部（２２６）は、前記インバータ（２１２ｂ）の入力側の直流電圧が第１設定値より高くなると、前記スイッチ（ＲＹｂ）をターンオフさせ、前記インバータ（２１２ｂ）が停止している状態で、本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧の振幅が第２設定値より低くなると、又は本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧の周波数が第３設定値より高くなると、前記インバータ（２１２ｂ）を稼働させるとともに、前記スイッチ（ＲＹｂ）をターンオンさせることを特徴とする項目２に記載の電力変換装置（２ｂ）。
これによれば、解列時に他の電力変換装置（２ａ）と自機を電気的に切り離すことができ、自機の保護をより万全にすることができる。
［項目４］
本電力変換装置（２ｂ）の出力電流と仮想インピーダンス値をもとに電圧補正値を生成する仮想インピーダンス制御部（２２７）をさらに備え、
前記自立運転制御部（２２２）は、前記交流電圧指令値から前記電圧補正値を減算した値に、本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧が一致するように前記インバータ（２１２ｂ）を制御することを特徴とする項目１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置（２ｂ）。
これによれば、再並列時の突入電流の発生を防止することができる。
［項目５］
前記仮想インピーダンス制御部（２２７）は、前記インバータ（２１２ｂ）が稼働される際、前記仮想インピーダンス値にゼロより大きい初期値を設定し、当該仮想インピーダンス値をゼロに向けて漸次的に低下させることを特徴とする項目４に記載の電力変換装置（２ｂ）。
これによれば、再並列時の自機からの出力電流を滑らかに上昇させることができる。
［項目６］
並列接続されている他の電力変換装置（２ａ）とともに共通の負荷（３）に交流電力を供給する電力変換装置（２ｂ）であって、
直流電源（１ｂ）から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ（２１２ｂ）と、
本電力変換装置（２ｂ）の出力電力、ドループ制御用の基準電圧、ドループ制御用の基準周波数をもとに交流電圧指令値を生成する基準波形生成部（２２１ｆ）と、
前記交流電圧指令値に、本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧が一致するように前記インバータ（２１２ｂ）を制御する自立運転制御部（２２２）と、
前記他の電力変換装置（２ａ）が前記負荷（３）に電力を供給している状態であり、かつ前記インバータ（２１２ｂ）が停止している状態で、本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧の振幅が第２設定値より低くなると、又は本電力変換装置（２ｂ）の出力電圧の周波数が第３設定値より高くなると、前記インバータ（２１２ｂ）を稼働させる解列／並列制御部（２２６）と、
を備えることを特徴とする電力変換装置（２ｂ）。
これによれば、負荷（３）の増加に応じて自動復帰させることができ、他の電力変換装置（２ａ）が過負荷運転に陥ることを防止することができる。
［項目７］
項目１から６のいずれかに記載の電力変換装置（２）が複数並列に接続されたことを特徴とする電力変換システム（２ｓ）。
これによれば、自機の検出情報のみに基づき、回生異常を即座に検出することができる電力変換システム（２ｓ）を構築することができる。

本開示における装置、システム、または方法の主体は、コンピュータを備えている。このコンピュータがプログラムを実行することによって、本開示における装置、システム、または方法の主体の機能が実現される。コンピュータは、プログラムにしたがって動作するプロセッサを主なハードウェア構成として備える。プロセッサは、プログラムを実行することによって機能を実現することができれば、その種類は問わない。プロセッサは、半導体集積回路（ＩＣ）、またはＬＳＩ(Large Scale Integration)を含む１つまたは複数の電子回路で構成される。複数の電子回路は、１つのチップに集積されてもよいし、複数のチップに設けられてもよい。複数のチップは１つの装置に集約されていてもよいし、複数の装置に備えられていてもよい。プログラムは、コンピュータが読み取り可能なＲＯＭ、光ディスク、ハードディスクドライブなどの非一時的記録媒体に記録される。プログラムは、記録媒体に予め格納されていてもよいし、インターネット等を含む広域通信網を介して記録媒体に供給されてもよい。

２ｓ 電力変換システム、 １ａ 第１直流電源、 ２ａ 第１電力変換装置、 ２１１ａ 第１ＤＣ／ＤＣコンバータ、 ２１２ａ 第１インバータ、 Ｃ１ａ 第１電解コンデンサ、 Ｌａ 第１インダクタ、 Ｃ２ａ 第１フィルタコンデンサ、 ＣＴ１ａ 第１フィルタ電流センサ、 ＲＹａ 第１リレー、 ＣＴ２ａ 第１出力電流センサ、 ＶＴａ 第１出力電圧センサ、 ２２ａ 第１制御装置、 ２ｂ 第２電力変換装置、 ２１１ｂ 第２ＤＣ／ＤＣコンバータ、 ２１２ｂ 第２インバータ、 １ｂ 第２直流電源、 Ｃ１ｂ 第２電解コンデンサ、 Ｌｂ 第２インダクタ、 Ｃ２ｂ 第２フィルタコンデンサ、 ＣＴ１ｂ 第２フィルタ電流センサ、 ＲＹｂ 第２リレー、 ＣＴ２ｂ 第２出力電流センサ、 ＶＴｂ 第２出力電圧センサ、 ２２ｂ 第２制御装置、 ３ 負荷、 ４ 系統、 ２２１ ドループ制御部、 ２２１ａ 有効／無効電力算出部、 ２２１ｂ 第１乗算部、 ２２１ｃ 第１減算部、 ２２１ｄ 第２乗算部、 ２２１ｅ 第１加算部、 ２２１ｆ 基準波形生成部、 ２２２ 駆動制御部、 ２２３ ＰＷＭ信号生成部、 ２２４ 駆動回路、 ２２５ 負荷検出部、 ２２６ 解列／並列制御部、 ２２７ 仮想インピーダンス制御部、 ２２８ 第２減算部、 ２２９ 運転モード管理部。

Claims (7)

1. 並列接続されている他の電力変換装置とともに、電力系統と電気的に非接続の共通の負荷に交流電力を供給する電力変換装置であって、
   直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   本電力変換装置の出力電力と、ドループ制御用の基準電圧、ドループ制御用の基準周波数をもとに交流電圧指令値を生成する基準波形生成部と、
   前記交流電圧指令値に、本電力変換装置の出力電圧が一致するように前記インバータを制御する自立運転制御部と、
   前記インバータの入力側の直流電圧が第１設定値より高くなると、前記インバータの稼働を停止させる解列／並列制御部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記解列／並列制御部は、前記インバータが停止している状態で、本電力変換装置の出力電圧の振幅が第２設定値より低くなると、又は本電力変換装置の出力電圧の周波数が第３設定値より高くなると、前記インバータを稼働させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インバータと本電力変換装置の出力端の間にスイッチをさらに備え、
   前記解列／並列制御部は、前記インバータの入力側の直流電圧が第１設定値より高くなると、前記スイッチをターンオフさせ、前記インバータが停止している状態で、本電力変換装置の出力電圧の振幅が第２設定値より低くなると、又は本電力変換装置の出力電圧の周波数が第３設定値より高くなると、前記インバータを稼働させるとともに、前記スイッチをターンオンさせることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 本電力変換装置の出力電流と仮想インピーダンス値をもとに電圧補正値を生成する仮想インピーダンス制御部をさらに備え、
   前記自立運転制御部は、前記交流電圧指令値から前記電圧補正値を減算した値に、本電力変換装置の出力電圧が一致するように前記インバータを制御することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記仮想インピーダンス制御部は、前記インバータが稼働される際、前記仮想インピーダンス値にゼロより大きい初期値を設定し、当該仮想インピーダンス値をゼロに向けて漸次的に低下させることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 並列接続されている他の電力変換装置とともに、電力系統と電気的に非接続の共通の負荷に交流電力を供給する電力変換装置であって、
   直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   本電力変換装置の出力電力と、ドループ制御用の基準電圧、ドループ制御用の基準周波数をもとに交流電圧指令値を生成する基準波形生成部と、
   前記交流電圧指令値に、本電力変換装置の出力電圧が一致するように前記インバータを制御する自立運転制御部と、
   前記他の電力変換装置が前記負荷に電力を供給している状態であり、かつ前記インバータが停止している状態で、本電力変換装置の出力電圧の振幅が第２設定値より低くなると、又は本電力変換装置の出力電圧の周波数が第３設定値より高くなると、前記インバータを稼働させる解列／並列制御部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項１から６のいずれかに記載の電力変換装置が複数並列に接続されたことを特徴とする電力変換システム。

Images