JP2019221040A - 系統連系インバータ装置及び安定化制御方法 - Google Patents
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Abstract
Description
この系統連系システムに使用されているLCLフィルタ付き三相系統連系インバータ装置10Aでは、図8のL字形の三相LCフィルタ回路14に代えて、T字形の三相LCLフィルタ回路14Aが設けられている。この三相LCLフィルタ回路14Aは、2組の三相インダクタ14a,14cと、1組の三相コンデンサ14bと、により構成されている。
図8の系統連系インバータ装置10では、配電線及びトランス4を介して電力系統2(例えば、三相(3φ)200V)に接続されるため、図10の電力系統2側に、抵抗Rs及びインダクタLsからなる系統インピーダンス6が存在する。そのため、系統連系インバータ装置10の三相交流出力電流Ioがその系統インピーダンス6に流れる。
図9の系統連系インバータ装置10Aも、図8と同様に、配電線及びトランス4を介して電力系統2に接続されるため、図11の電力系統2側に、抵抗Rs及びインダクタLsからなる系統インピーダンス6が存在する。そのため、系統連系インバータ装置10Aの三相交流出力電流Ioがその系統インピーダンス6に流れる。
(b) 特許文献1の技術では、閾値以上の高調波電圧を検出した時のみ、共振を抑制するための制御が動作するので、共振現象を的確に抑制することができない。特に、高調波電圧の算出には、交流周期以上の遅延が発生するため、高速応答の実現が困難である。又、共振現象が消えない場合には、フィルタ回路14,14A内の三相コンデンサ14bに対して抵抗回路を並列に接続し、共振現象を抑制しているが、その抵抗回路によって電力損失が増加する問題がある。
(c) 特許文献1の技術では、高調波振幅と共振振幅とを混同して読み取る恐れがあるので、共振現象を精度良く抑制することができない。
(d) 非特許文献1の技術では、共振現象を抑制するために、インピーダンスキャンセル回路を追加しているので、回路構成が複雑になり、コスト上昇の問題がある。
(e) 図10及び図11に示す従来の系統連系システムでは、出力電流Ioに振動(hunting;ハンチング)が発生した場合、その出力電流Ioが流れる部分に、インダクタを挿入し、ハンチングを防止している。しかし、インダクタを挿入することにより、部品点数が増加して、系統連系インバータ装置10,10Aの小型化が困難になる。
(1) ハイインピーダンスの電力系統環境下でも、高品質且つ安定な電力出力を行える。
(2) 非特許文献1のようなインピーダンスキャンセル回路を必要としないため、回路構成が簡単になって低コストが可能になる。
(3) 特許文献1のような、共振抑制のための抵抗回路が不要になるので、低損失且つ低コスト化が可能になる。
(4) フィルタ回路内のインダクタを小さくした場合、高調波成分の除去効率を上げるためにフィルタ回路内のコンデンサを大きくする必要があるが、そのコンデンサが、系統インピーダンス内のインダクタと共振しやすくなる。又、フィルタ回路内のインダクタを小さくすると、フィルタの制御特性が悪くなるため、ハンチングがし易くなる。本発明では、それらの問題を解決して、フィルタ回路内のインダクタを小型化できる。
図2は、本発明の実施例1におけるLCフィルタ付き三相系統連系インバータ装置を備える系統連系システムの構成例を示す概略の回路図である。
なお、DC/DCコンバータ21は、省略されることもある。
制御回路30は、DC/ACインバータ23のスイッチング動作を制御するための第1電流制御機構と第2電流制御機構とを有し、中央処置装置(以下「CPU」という。)を有するプロセッサや、個別回路等により構成されている。
図2の系統連系システムでは、直流電源1から供給された直流電圧が、系統連系インバータ装置20内のDC/DCコンバータ21により所定の直流電圧に変換され、コンデンサ22に蓄積される。コンデンサ22に蓄積された直流電圧Vdcは、DC/ACインバータ23によって三相U,V,Wの交流電圧Vinvに変換された後、フィルタ回路24の三相インダクタ24a及び三相コンデンサ24bによって高調波成分が除去される。高調波成分が除去された三相交流の出力電流Io及び系統電圧Vacは、三相開閉器25を介して負荷装置5及び三相電力系統2側へ出力される。三相電力系統2に停電等が発生すると、三相遮断器3がオフ状態になり、系統連系インバータ装置20が電力系統2から切り離されて単独運転状態となり、その系統連系インバータ装置20から出力された出力電流Io及び系統電圧Vacが負荷装置5へ供給される。
図1の制御回路30は、以下のような安定化制御を行う。
フィルタ回路24に三相U,V,Wのインバータ電流Iinvが流れ、このフィルタ回路24から、三相U,V,Wの出力電流Io及び系統電圧Vacが出力されると、その三相U,V,Wの系統電圧VacがVT27で計測されると共に、その三相U,V,Wのインバータ電流IinvがCT26で計測される。VT27で計測された三相U,V,Wの電圧計測値vacは、第1三相/二相電圧変換部31により、固定座標系の二相電圧α,βに変換される。変換された二相電圧α,βは、第1回転座標変換部32により、PLL制御部33から与えられる位相角φpllに基づき、dq座標系のq軸電圧vqに変換され、PLL制御部33及びゲイン調整部34へ出力される。PLL制御部33では、q軸電圧vqに対して位相同期の制御を行って位相角φpllを生成し、第1、第2回転座標変換部32,36に与える。ゲイン調整部34は、入力されたq軸電圧vqのゲイン調整を行って、ゲイン調整値vqcをスイッチング駆動信号生成部40内の第1減算部41へ出力する。第1減算部41は、供給されたiq指令からゲイン調整値vqcを減算し、この減算結果を第2減算部42へ出力する。
図1の電力系統2側には、抵抗Rs及びインダクタLsからなる系統インピーダンス6が存在するため、電力系統2側のインダクタLsとフィルタ回路24内のコンデンサ24bとの共振の影響で、系統連系システムが不安定になり、正常運転できない恐れがある。
本実施例1によれば、図3に示すように、ハイインピーダンスの電力系統環境下でも、高品質且つ安定な電力出力を行える。
(ii) 非特許文献1のようなインピーダンスキャンセル回路を必要としないため、回路構成が簡単になって低コストが可能になる。
(iii) 特許文献1のような、共振抑制のための抵抗回路が不要になるので、低損失且つ低コスト化が可能になる。
(iv) フィルタ回路24内のインダクタ24aを小さくした場合、高調波成分の除去効率を上げるためにフィルタ回路24内のコンデンサ24bを大きくする必要があるが、そのコンデンサ24bが、系統インピーダンス6内のインダクタLsと共振しやすくなる。又、フィルタ回路24内のインダクタ24aを小さくすると、フィルタの制御特性が悪くなるため、ハンチングがし易くなる。本実施例1では、それらの問題を解決して、フィルタ回路24内のインダクタ24aを小型化できる。
図4は、本発明の実施例2におけるLCフィルタ付き三相系統連系インバータ装置を備える系統連系システムの模式的な等価回路図であり、実施例1を示す図1中の要素と同一の要素には同一の符号が付されている。この図4では、図1と同様に、DC/ACインバータ23及びフィルタ回路24等を含む電力変換部が模式的に示されている。
スイッチング駆動信号生成部40には、前記第2電流制御機構の一部を構成する第3減算部43及び第2電流制御部45も設けられている。
図4の制御回路30Aは、以下のような安定化制御を行う。
三相U,V,Wの系統電圧VacがVT27で計測されると共に、その三相U,V,Wのインバータ電流IinvがCT26で計測される。VT27で計測された三相U,V,Wの電圧計測値vacは、電圧計測回路51により、デジタル電圧計測値に変換され、振幅・位相角演算部52へ出力される。振幅・位相角演算部52は、入力されたデジタル電圧計測値に対して振幅・位相角演算を行い、瞬時位相角θ(t)とdq座標系のd軸電圧Vdとを算出し、PLL制御部53、第4減算部54及び乗算部55へ出力する。
本実施例2によれば、系統電圧Vacの電圧計測値vacから、電圧計測回路51を通して、振幅・位相角演算部52により、瞬時位相角θ(t)を求め、位相同期安定化制御結果の位相角φpllとの差を、乗算部55及びゲイン調整部34を通してiq指令側へフィードバックし、DC/ACインバータ23のスイッチング制御を行い、系統連系システムの共振を抑制している。そのため、実施例1と略同様の効果を奏することができる。
図5は、本発明の実施例3におけるLCフィルタ付き三相系統連系インバータ装置を備える系統連系システムの模式的な等価回路図であり、実施例1を示す図1中の要素と同一の要素には同一の符号が付されている。この図5では、図1と同様に、DC/ACインバータ23及びフィルタ回路24等を含む電力変換部が模式的に示されている。
本実施例3の系統連系システムでは、LCフィルタ付き三相系統連系インバータ装置20Bに設けられた制御回路30Bの構成が、実施例1の図1に示す制御回路30の構成と異なっている。
図5の制御回路30Bは、以下のような安定化制御を行う。
実施例1と同様に、VT27で計測された三相U,V,Wの電圧計測値vacは、第1三相/二相電圧変換部31により、二相電圧α,βに変換され、更に、第1回転座標変換部32により、d軸電圧vd及びq軸電圧vqに変換される。変換されたq軸電圧vqは、第1ゲイン調整部34により、ゲイン調整が行われ、このゲイン調整値vqcがスイッチング駆動信号生成部40B内の第1減算部41へ出力される。第1減算部41は、供給されたiq指令からゲイン調整値vqcを減算し、この減算結果を第2減算部42へ出力する。
本実施例3によれば、q軸制御に加えて、軸電圧vdを算出し、d軸電圧調整値vddとの差をid指令側にフィードバックし、DC/ACインバータ23のスイッチング制御を行い、系統連系システムの共振を抑制している。そのため、実施例1と略同様の効果を奏することができる。
図6は、本発明の実施例4におけるLCフィルタ付き単相系統連系インバータ装置を備える系統連系システムの構成例を示す概略の回路図である。
この系統連系システムは、直流電源1と、例えば、商用電力系統である単相U,Vの電力系統2Cと、の間に接続されるLCフィルタ付き単相系統連系インバータ装置20Cを備えている。電力系統2Cは、単相遮断器3C及び単相トランス4C等を介して、系統連系インバータ装置20Cの出力端子に接続されている。系統連系インバータ装置20Cの出力端子とトランス3Cとの間には、負荷装置5Cが並列に接続されている。
DC/ACインバータ23Cは、制御回路30Cによってスイッチング動作が制御され、コンデンサ22Cに蓄積された入力電力(例えば、直流電圧Vdc)を単相U,Vの交流電圧Vinvに変換する装置であり、4つのスイッチ素子(例えば、IGBT)23aがブリッジ接続されて構成されている。各IGBT23aには、それぞれボディダイオード23bが逆並列に接続されている。DC/ACインバータ23Cの出力側には、単相フィルタ回路(例えば、L字形の単相LCフィルタ回路)24Cが接続されている。
制御回路30Cは、VT27Cで計測された系統電圧Vacの電圧計測値vacと、交流周期の電圧計測値vacから求められた電圧振幅vaclp及び位相同期の位相角φpllに基づいて算出された基本波電圧vaclと、の差を電流指令(以下「i指令」という。)側にフィードバックしてDC/ACインバータ23Cのスイッチング動作を制御する回路であり、CPUを有するプロセッサや、個別回路等により構成されている。
図6の系統連系システムでは、実施例1の図2と略同様に、直流電源1から供給された直流電圧が、系統連系インバータ装置20C内のDC/DCコンバータ21Cにより所定の直流電圧に変換され、コンデンサ22Cに蓄積される。コンデンサ22Cに蓄積された直流電圧Vdcは、DC/ACインバータ23Cによって単相U,Vの交流電圧Vinvに変換された後、フィルタ回路24Cの単相インダクタ24a及び単相コンデンサ24bによって高調波成分が除去される。高調波成分が除去された単相交流の出力電流Io及び系統電圧Vacは、単相開閉器25Cを介して負荷装置5C及び電力系統2C側へ出力される。電力系統2Cに停電等が発生すると、単相遮断器3Cがオフ状態になり、系統連系インバータ装置20Cが電力系統2Cから切り離されて単独運転状態となり、その系統連系インバータ装置20Cから出力された出力電流Io及び系統電圧Vacが負荷装置5Cへ供給される。
図7の制御回路30Cは、以下のような安定化制御を行う。
フィルタ回路24Cに単相U,Vの系統電流Iinvが流れ、このフィルタ回路24Cから、単相U,Vの出力電流Io及び系統電圧Vacが出力されると、その単相U,Vの系統電圧VacがVT27Cで計測されると共に、その単相U,Vのインバータ電流IinvがCT26Cで計測される。VT27Cで計測された単相U,Vの電圧計測値vacは、基本波電圧振幅算出部71及びPLL制御部72へ出力される。基本波電圧振幅算出部71は、電圧計測値vacから電圧振幅vaclpを算出し、乗算部74へ出力する。更に、PLL制御部72は、電圧計測値vacに対し、位相同期の制御を行って位相同期の位相角φpllを生成し、sin演算部73へ出力する。
本実施例4によれば、VT27Cで計測された電圧計測値vacと、交流周期の電圧計測値vacから求められた電圧振幅vaclp及び位相角φpllに基づいて算出された基本波電圧vaclと、の差を、i指令側にフィードバックしてDC/ACインバータ23Cのスイッチング制御を行い、系統連系システムの共振を抑制している。そのため、実施例1と略同様の効果を奏することができる。
本発明は、上記実施例1〜4に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(1)〜(3)のようなものがある。
(2) CT26,26Cは、シャント抵抗(分流器)等の他の電流計測器に代えても良い。又、VT27,27Cは、抵抗分圧回路等の他の電流計測器に代えても良い。
(3) 制御回路30,30A〜30Cは、図示以外の構成に変更しても良い。
2 三相電力系統
2C 単相電力系統
3,3C 遮断器
4,4C トランス
5,5C 負荷装置
20,20A,20B 三相系統連系インバータ装置
20C 単相系統連系インバータ装置
21,21C DC/DCコンバータ
23,23C DC/ACインバータ
24,24C フィルタ回路
25,25C 開閉器
26,26C CT
27,27C VT
30,30A〜30C 制御回路
31 三相/二相電圧変換部
32,36 回転座標変換部
33,53,72 PLL制御部
34,63,76 ゲイン調整部
35 三相/二相電流変換部
40,40B,40C スイッチング駆動信号生成部
51 電圧計測回路
52 振幅・位相角演算部
54,62,75 減算部
55,74 乗算部
61 d軸電圧調整部
71 基本波電圧振幅算出部
73 sin演算部
Claims (14)
- 電力系統に対して連系可能に接続され、入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記スイッチングを制御する制御回路と、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記フィルタ回路と前記電力系統との間の系統電圧の計測値に対し、回転座標変換を行ってq軸電圧を算出し、q軸電流制御にフィードバックして前記スイッチングを制御する構成になっている、
ことを特徴とする系統連系インバータ装置。 - 前記インバータは、三相インバータ、前記電力系統は、三相電力系統、及び、前記フィルタ回路は、三相フィルタ回路であり、
前記制御回路は、
前記系統電圧の計測値に対し、三相/二相電圧変換を行う三相/二相電圧変換部と、
前記三相/二相電圧変換部の電圧変換結果を回転座標系に変換して前記q軸電圧を算出する回転座標変換部と、
前記q軸電流制御のq軸電流制御指令から前記q軸電圧の対応値を減算して、前記スイッチングを制御するスイッチング駆動信号を生成するスイッチング駆動信号生成部と、
を有することを特徴とする請求項1記載の系統連系インバータ装置。 - 電力系統に対して連系可能に接続され、入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記スイッチングを制御する制御回路と、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記フィルタ回路と前記電力系統との間の系統電圧の計測値から瞬時位相角を検出し、q軸電流制御にフィードバックして前記スイッチングを制御する構成になっている、
ことを特徴とする系統連系インバータ装置。 - 前記制御回路は、
前記系統電圧の計測値に対し、振幅・位相角演算を行ってd軸電圧及び前記瞬時位相角を算出する振幅・位相角演算部と、
前記瞬時位相角の位相同期を行って位相角を求める位相同期制御部と、
前記瞬時位相角から前記位相角を減算し、この減算結果と前記d軸電圧とを乗算してq軸電圧値を求めるq軸電圧演算部と、
前記q軸電流制御のq軸電流制御指令から前記q軸電圧値を減算して、前記スイッチングを制御するスイッチング駆動信号を生成するスイッチング駆動信号生成部と、
を有することを特徴とする請求項3記載の系統連系インバータ装置。 - 電力系統に対して連系可能に接続され、入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記スイッチングを制御する制御回路と、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記フィルタ回路と前記電力系統との間の系統電圧の計測値に対し、回転座標変換を行ってd軸電圧及びq軸電圧を算出し、前記q軸電圧をq軸電流制御にフィードバックすると共に、前記d軸電圧とd軸電圧調整値との差をd軸電流制御にフィードバックして、前記スイッチングを制御する構成になっている、
ことを特徴とする系統連系インバータ装置。 - 前記インバータは、三相インバータ、前記電力系統は、三相電力系統、及び、前記フィルタ回路は、三相フィルタ回路であり、
前記制御回路は、
前記系統電圧の計測値に対し、三相/二相電圧変換を行う三相/二相電圧変換部と、
前記三相/二相電圧変換部の電圧変換結果を回転座標系に変換して前記d軸電圧及び前記q軸電圧を算出する回転座標変換部と、
前記q軸電流制御のq軸電流制御指令から前記q軸電圧の対応値を減算する第1演算部と、
前記d軸電圧と、前記d軸電圧調整値であるd軸電圧高調波成分除去値又はd軸電圧交流周期平均値と、の差を求め、この差に対応する値を、前記d軸電流制御のd軸電流制御指令から減算する第2演算部と、
前記第1演算部の減算結果と前記第2演算部の減算結果とに基づき、前記スイッチングを制御するスイッチング駆動信号を生成するスイッチング駆動信号生成部と、
を有することを特徴とする請求項5記載の系統連系インバータ装置。 - 単相電力系統に対して連系可能に接続され、単相入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記スイッチングを制御する制御回路と、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記単相電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記フィルタ回路と前記単相電力系統との間の系統電圧計測値と、
前交流周期の前記系統電圧計測値から求められた電圧振幅及び位相同期の位相角に基づいて算出された基本波電圧と、
の差を電流制御にフィードバックして前記スイッチングを制御する構成になっている、
ことを特徴とする系統連系インバータ装置。 - 前記制御回路は、
前記系統電圧計測値から前記電圧振幅を算出する電圧振幅算出部と、
前記系統電圧計測値から前記位相同期の位相角を求める位相同期制御部と、
前記電圧振幅及び前記位相同期の位相角から前記基本波電圧を算出する基本波電圧算出部と、
前記系統電圧計測値から前記基本波電圧を減算してこの減算結果に対応する対応値を求める演算部と、
前記電流制御の電流制御指令から前記対応値を減算し、この減算結果に基づき、前記スイッチングを制御するスイッチング駆動信号を生成するスイッチング駆動信号生成部と、
を有することを特徴とする請求項7記載の系統連系インバータ装置。 - 前記インバータは、直流電力を交流電力に変換するDC/ACインバータであることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の系統連系インバータ装置。
- 前記フィルタ回路は、LCフィルタ回路又はLCLフィルタ回路であることを特徴とする請求項1〜8のいずれか1項記載の系統連系インバータ装置。
- 電力系統に対して連系可能に接続され、入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備えた系統連系インバータ装置の安定化制御方法であって、
前記フィルタ回路と前記電力系統との間の系統電圧の計測値に対し、回転座標変換を行ってq軸電圧を算出し、q軸電流制御にフィードバックして前記スイッチングを制御する、
ことを特徴とする安定化制御方法。 - 電力系統に対して連系可能に接続され、入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備えた系統連系インバータ装置の安定化制御方法であって、
前記フィルタ回路と前記電力系統との間の系統電圧の計測値から瞬時位相角を検出し、q軸電流制御にフィードバックして前記スイッチングを制御する、
ことを特徴とする安定化制御方法。 - 電力系統に対して連系可能に接続され、入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備えた系統連系インバータ装置の安定化制御方法であって、
前記フィルタ回路と前記電力系統との間の系統電圧の計測値に対し、回転座標変換を行ってd軸電圧及びq軸電圧を算出し、前記q軸電圧をq軸電流制御にフィードバックすると共に、前記d軸電圧とd軸電圧調整値との差をd軸電流制御にフィードバックして、前記スイッチングを制御する、
ことを特徴とする安定化制御方法。 - 単相電力系統に対して連系可能に接続され、単相入力電力をスイッチングして所定電力に変換するインバータと、
前記所定電力の高調波成分を除去して前記単相電力系統側へ出力するフィルタ回路と、
を備えた系統連系インバータ装置の安定化制御方法であって、
前記フィルタ回路と前記単相電力系統との間の系統電圧計測値と、
前交流周期の前記系統電圧計測値から求められた電圧振幅及び位相同期の位相角に基づいて算出された基本波電圧と、
の差を電流制御にフィードバックして前記スイッチングを制御する、
ことを特徴とする安定化制御方法。
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