JP2020010571A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させることができる電力変換装置を提供する。【解決手段】基本波制御機能部（４０）は、系統電流（ＩＬ）の基本波を制御するための第１ａの電流指令値を生成する。高調波制御機能部（５０）は、系統電流（ＩＬ）の高調波を制御するための第２ａの電流指令値を生成する。電流指令値制限部（６０、７０、８０）は、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算の少なくとも一方を実行することにより、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する。【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、電力系統に連系される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（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、これらの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とを備えている。

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（静電容量）と、電力系統や変圧器のインダクタンス（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。そして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ことで高調波を抑制する。

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や自励式ＳＦＣ等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、本発明者らの鋭意研究によれば、特許文献１を含んだ従来の電力変換装置（共振抑制装置）は、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させることが難しく、この点で改良の余地があった。例えば、インバータ出力能力（出力可能電流、出力可能電圧）を超過する可能性があるときに、基本波制御機能と高調波制御機能を一律で制限すると、電力需要や動作環境に柔軟に対応することができず、インバータ出力能力を高効率で活用することができない。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調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。

本実施形態の電力変換装置は、一態様では、系統電流の基本波を制御するための第１ａの電流指令値を生成する基本波制御機能部と、前記系統電流の高調波を制御するための第２ａの電流指令値を生成する高調波制御機能部と、前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算の少なくとも一方を実行することにより、前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する電流指令値制限部と、を有することを特徴としている。

本実施形態の電力変換装置は、別態様では、系統電流の基本波を制御するための第１ａの電流指令値を生成する基本波制御機能部と、前記系統電流の高調波を制御するための第２ａの電流指令値を生成する高調波制御機能部と、前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の少なくとも一方に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算を実行することにより、前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する電流指令値制限部と、を有することを特徴としている。

本発明によれば、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させることができる電力変換装置を提供することができる。

第１実施形態による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。 図１の電流基準制限部の詳細構成を示すブロック図である。 図１の電圧基準制限部の詳細構成を示すブロック図である。 第２実施形態による電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。 図４の電流基準制限部の詳細構成を示すブロック図である。 図４の電圧基準制限部の詳細構成を示すブロック図である。

≪第１実施形態≫
図１は、第１実施形態による電力変換装置１０の全体構成を示すブロック図である。電力変換装置１０は、その基本構成要素として、電圧形インバータ３と、電流指令値生成部２０と、電流制御部３０とを有している。図１において、電力設備としての風力発電機１が電力系統２に接続されている。高調波フィルタやケーブル（図示略）のキャパシタンスがＣで示され、電力系統２や変圧器（図示略）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。系統電圧がＶｓで示されて、系統電流がＩＬで示されている。なお、電力設備としては、風力発電機１に限定されず、例えば、水力発電機や動力発電機等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等の電源装置を持つ需要家設備であってもよい。

電力変換装置１０は、電力系統２に連系されて、電力系統２に流れる系統電流ＩＬの基本波（基本波成分）と高調波（高調波成分）を制御するものである。電力変換装置１０は、基本波制御機能と高調波制御機能が協働した電流指令値を生成する電流指令値生成部２０と、電流指令値生成部２０が生成した電流指令値（基本波側における制限後の電流指令値と高調波側における制限後の電流指令値の総和）を電圧型インバータ３の出力電流Ｉｉｎｖと一致させるように制御する電流制御部３０とを有している。

電流指令値生成部２０は、基本波制御機能部４０と、高調波制御機能部５０とを有している。

基本波制御機能部４０は、系統電流ＩＬの基本波を制御するための第１ａの電流指令値を生成する。基本波制御機能部４０は、系統電圧（検出値）Ｖｓに系統電圧指令値Ｖｓ^＊が一致するように制御することで、無効電流指令値を生成する。基本波制御機能部４０は、電圧形インバータ３の直流電圧（検出値）Ｅｄｃに直流電圧指令値Ｅｄｃ^＊が一致するように制御することで、有効電流指令値を生成する。基本波制御機能部４０は、無効電流指令値から有効電流指令値を減算することにより、第１ａの電流指令値を生成する。ここで、基本波制御機能部４０が第１ａの電流指令値を生成する態様には自由度があり、種々の設計変更が可能である。例えば、無効電流指令値と有効電流指令値を加算することにより第１ａの電流指令値を生成してもよいし、無効電流指令値と有効電流指令値のいずれか一方のみを第１ａの電流指令値としてもよい。つまり、基本波制御機能部４０は、無効電流指令値及び／又は有効電流指令値を第１ａの電流指令値として出力すればよい。

高調波制御機能部５０は、系統電流ＩＬの高調波を制御するための第２ａの電流指令値を生成する。高調波制御機能部５０は、系統電圧Ｖｓから抽出した高調波に応じた高調波電流指令値を第２ａの電流指令値として出力する。例えば、高調波制御機能部５０は、系統電圧Ｖｓの高調波成分が略ゼロになるように制御することにより、第２ａの電流指令値を生成する。ここで、高調波制御機能部５０が第２ａの電流指令値を生成する態様には自由度があり、種々の設計変更が可能である。例えば、系統電圧Ｖｓ及び／又は系統電流ＩＬを用いて抽出した高調波に応じた高調波電流指令値を第２ａの電流指令値として出力してもよい。

電流指令値生成部２０は、電流指令値制限部６０として、電流基準制限部７０と、電圧基準制限部８０とを有している。

電流基準制限部７０は、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値に基づいて、出力可能電流制限演算を実行することにより、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値を制限した第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値を生成する。出力可能電流制限演算は、電力需要や動作環境に応じて任意に設定される出力可能電流に基づく制限演算である。

図２は、図１の電流基準制限部７０の詳細構成を示すブロック図である。

第１ａの電流指令値に基づいて第１ｂの電流指令値を演算する方法は、以下の通りである。絶対値演算部７１Ａにおいて、入力する各相の第１ａの電流指令値（基本波成分）の絶対値を求めて、最大値演算部７１Ｂにおいて、絶対値演算部７１Ａで求めた各相の絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ７１Ｃにおいて、最大値演算部７１Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部７１Ａと最大値演算部７１Ｂと一次遅れフィルタ７１Ｃによってローパスフィルタ７１が構成されている。除算器７２において、出力可能電流が、ローパスフィルタ７１で平準化された第１ａの電流指令値で除算され、上限値リミッタ７３において、除算器７２による除算結果が制限されることで、ゲイン補正係数が演算される。そして、乗算器７４において、第１ａの電流指令値に上記ゲイン補正係数を乗算することにより、第１ｂの電流指令値が演算される。

このようにして、高調波側より基本波側を優先して（高調波側より基本波側が先立って）、出力可能電流以下に制限された第１ｂの電流指令値が生成される。例えば、出力可能電流が１００％で、第１ａの電流指令値が１２０％の場合、上記ゲイン補正係数は０．８３（＝１００％÷１２０％）とすることができる。そして、上記ゲイン補正係数を第１ａの電流指令値に乗算すると、第１ｂの電流指令値は１００％（＝１２０％×０．８３）となり，出力可能電流値以下に制限することができる。

第２ａの電流指令値に基づいて第２ｂの電流指令値を演算する方法は、以下の通りである。絶対値演算部７５Ａにおいて、入力する各相の第２ａの電流指令値（高調波成分）の絶対値を求めて、最大値演算部７５Ｂにおいて、絶対値演算部７５Ａで求めた各相の絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ７５Ｃにおいて、最大値演算部７５Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部７５Ａと最大値演算部７５Ｂと一次遅れフィルタ７５Ｃによってローパスフィルタ７５が構成されている。除算器７６には、出力可能電流からローパスフィルタ７１で平準化された第１ａの電流指令値を減算した差分電流（基本波補償の余力で高調波補償するための差分電流）と、ローパスフィルタ７５で平準化された第２ａの電流指令値とが入力される。除算器７６において、上記差分電流が、ローパスフィルタ７５で平準化された第２ａの電流指令値で除算され、上限値リミッタ７７において、除算器７６による除算結果が制限されることで、ゲイン補正係数が演算される。そして、乗算器７８において、第２ａの電流指令値に上記ゲイン補正係数を乗算することにより、第２ｂの電流指令値が演算される。

極性判定部７９は、上記差分電流が正負いずれの値をとるかを判定して、正の値をとるときは切換スイッチ７９Ａをオン（正）にして第２ｂの電流指令値を出力可能とし、負の値をとるときは切換スイッチ７９Ａをオフ（負）にして第２ｂの電流指令値として０を出力する。上記差分電流が負の極性を示すことは、基本波が電流制限されており、電圧型インバータ３の能力を基本波補償に１００％使用していることを意味しているため、高調波補償に用いる第２ｂの電流指令値をゼロにする。

このように、電流基準制限部７０は、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値の加算値を出力可能電流により制限することで、第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値を生成する。具体的に、電流基準制限部７０は、第１ａの電流指令値が出力可能電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、ゲイン補正係数を第１ａの電流指令値に乗じることで、第１ｂの電流指令値を演算する。また、電流基準制限部７０は、第１ａの電流指令値と出力可能電流の差分電流を演算し、第２ａの電流指令値が差分電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、ゲイン補正係数を第２ａの電流指令値に乗じることで、第２ｂの電流指令値を演算する。すなわち、電流基準制限部７０は、出力可能電流を超過しない範囲内で、基本波側で第１ａの電流指令値から第１ｂの電流指令値を優先的に演算した結果としての残余リソース（マージン）を利用して、高調波側で第２ａの電流指令値から第２ｂの電流指令値を演算する。

電圧基準制限部８０は、第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値に基づいて、出力可能電圧制限演算を実行することにより、第２ｂの電流指令値を制限した第２ｃの電流指令値を生成する。出力可能電圧制限演算は、電力需要や動作環境に応じて任意に設定される出力可能電圧に基づく制限演算である。なお、一般的に、インバータは基本波の出力可能電流を流すだけの電圧を出力できるように設計するため、ここでは、第２ｂの電流指令値（高調波）を制限した第２ｃの電流指令値を生成する一方、第１ｂの電流指令値（基本波）は制限しないものとする。

図３は、図１の電圧基準制限部８０の詳細構成を示すブロック図である。電圧基準制限部８０は、基本波出力電圧推定部８１と、高調波出力電圧推定部８２とを有している。

基本波出力電圧推定部８１において、電圧形インバータ３が第１ｂの電流指令値に従った電流を出力するための電圧指令値が演算される。この電圧指令値は、以下の式（１）により演算される。
（１）電圧指令値＝系統電圧Ｖｓ＋（第１ｂの電流指令値×Ｒ）＋（Δ第１ｂの電流指令値／ｄｔ×Ｌ）
ここで、
Ｒ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間の抵抗値、
Ｌ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間のインダクタンス値、
である。

さらに、絶対値演算部８３Ａにおいて、式（１）で求めた電圧指令値の絶対値を求めて、最大値演算部８３Ｂにおいて、絶対値演算部８３Ａで求めた絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ８３Ｃにおいて、最大値演算部８３Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部８３Ａと最大値演算部８３Ｂと一次遅れフィルタ８３Ｃによってローパスフィルタ８３が構成されている。ローパスフィルタ８３から出力されるのは、第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（基本波出力電圧推定値）である。減算器８４において、出力可能電圧から、第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（基本波出力電圧推定値）が減算されることで、高調波電流を出力するための電圧余裕が出力される。

高調波出力電圧推定部８２において、電圧形インバータ３が第２ｂの電流指令値に従った電流を出力するための電圧指令値が演算される。この電圧指令値は、以下の式（２）により演算される。なお、系統電圧Ｖｓについては、基本波出力電圧推定部８１において式（１）で加算しているので、重複を避けるため、式（２）では加算していない。
（２）電圧指令値＝（第２ｂの電流指令値×Ｒ）＋（Δ第２ｂの電流指令値／ｄｔ×Ｌ）
ここで、
Ｒ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間の抵抗値、
Ｌ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間のインダクタンス値、
である。

さらに、絶対値演算部８５Ａにおいて、式（２）で求めた電圧指令値の絶対値を求めて、最大値演算部８５Ｂにおいて、絶対値演算部８５Ａで求めた絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ８５Ｃにおいて、最大値演算部８５Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部８５Ａと最大値演算部８５Ｂと一次遅れフィルタ８５Ｃによってローパスフィルタ８５が構成されている。ローパスフィルタ８５から出力されるのは、第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（高調波出力電圧推定値）である。

除算器８６において、減算器８４から出力された電圧余裕が、高調波出力電圧推定部８２から出力された第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（高調波出力電圧推定値）によって除算される。上限値リミッタ８７において、除算器８６による除算結果が制限されることで、ゲイン補正係数が演算される。そして、乗算器８８において、第２ｂの電流指令値に上記ゲイン補正係数を乗算することにより、第２ｃの電流指令値が演算される。

このように、電圧基準制限部８０は、第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値を出力可能電圧により制限することで、第２ｃの電流指令値を生成する。具体的に、電圧基準制限部８０は、第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値と出力可能電圧の差分電圧（電圧余裕）を演算し、第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値が差分電圧（電圧余裕）を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、ゲイン補正係数を第２ｂの電流指令値に乗じることにより、第２ｃの電流指令値を演算する。すなわち、電圧基準制限部８０は、出力可能電圧を超過しない範囲内で、かつ基本波側を優先した結果としての高調波側の残余リソース（マージン）を利用して、第２ｂの電流指令値を制限した第２ｃの電流指令値を生成する。

以上の第１実施形態によれば、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させるとともに、基本波制御機能を優先的に動作させることができる。しかも、電力需要や動作環境によって基本波制御機能に要するリソースが増大した場合であっても、インバータ能力（装置能力）を最大限活用することができる。

≪第２実施形態≫
図４は、第２実施形態による電力変換装置１０の全体構成を示すブロック図である。図５は、図４の電流基準制限部７０の詳細構成を示すブロック図である。図６は、図４の電圧基準制限部８０の詳細構成を示すブロック図である。第１実施形態の電力変換装置１０と共通する部分については、同一の符号を付して、重複する説明を省略する。

第１実施形態の電力変換装置１０では、基本波制御機能を優先的に動作させて、基本波側で第１ａの電流指令値から第１ｂの電流指令値を優先的に演算した結果としての残余リソース（マージン）を利用して、高調波側で第２ａの電流指令値から第２ｂの電流指令値さらに第２ｃの電流指令値を生成する。これとは逆に、第２実施形態の電力変換装置１０では、高調波制御機能を優先的に動作させて、高調波側で第２ａの電流指令値から第２ｂの電流指令値を優先的に演算した結果としての残余リソース（マージン）を利用して、基本波側で第１ａの電流指令値から第１ｂの電流指令値さらに第１ｃの電流指令値を生成する。このため、図４〜図６では、図１〜図３と比較して、基本波側の電流指令値と高調波側の電流指令値の流れ（位置関係）が逆になっている。

図５を参照して、高調波側の第２ａの電流指令値に基づいて第２ｂの電流指令値を演算する方法、及び、基本波側の第１ａの電流指令値に基づいて第１ｂの電流指令値を演算する方法を説明する。

第２ａの電流指令値に基づいて第２ｂの電流指令値を演算する方法は、以下の通りである。絶対値演算部７１Ａにおいて、入力する各相の第２ａの電流指令値（高調波成分）の絶対値を求めて、最大値演算部７１Ｂにおいて、絶対値演算部７１Ａで求めた各相の絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ７１Ｃにおいて、最大値演算部７１Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部７１Ａと最大値演算部７１Ｂと一次遅れフィルタ７１Ｃによってローパスフィルタ７１が構成されている。除算器７２において、出力可能電流が、ローパスフィルタ７１で平準化された第２ａの電流指令値で除算され、上限値リミッタ７３において、除算器７２による除算結果が制限されることで、ゲイン補正係数が演算される。そして、乗算器７４において、第２ａの電流指令値に上記ゲイン補正係数を乗算することにより、第２ｂの電流指令値が演算される。

第１ａの電流指令値に基づいて第１ｂの電流指令値を演算する方法は、以下の通りである。絶対値演算部７５Ａにおいて、入力する各相の第１ａの電流指令値（高調波成分）の絶対値を求めて、最大値演算部７５Ｂにおいて、絶対値演算部７５Ａで求めた各相の絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ７５Ｃにおいて、最大値演算部７５Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部７５Ａと最大値演算部７５Ｂと一次遅れフィルタ７５Ｃによってローパスフィルタ７５が構成されている。除算器７６には、出力可能電流からローパスフィルタ７１で平準化された第２ａの電流指令値を減算した差分電流（高調波補償の余力で基本波補償するための差分電流）と、ローパスフィルタ７５で平準化された第１ａの電流指令値とが入力される。除算器７６において、上記差分電流が、ローパスフィルタ７５で平準化された第１ａの電流指令値で除算され、上限値リミッタ７７において、除算器７６による除算結果が制限されることで、ゲイン補正係数が演算される。そして、乗算器７８において、第１ａの電流指令値に上記ゲイン補正係数を乗算することにより、第１ｂの電流指令値が演算される。

極性判定部７９は、上記差分電流が正負いずれの値をとるかを判定して、正の値をとるときは切換スイッチ７９Ａをオン（正）にして第１ｂの電流指令値を出力可能とし、負の値をとるときは切換スイッチ７９Ａをオフ（負）にして第１ｂの電流指令値として０を出力する。上記差分電流が負の極性を示すことは、高調波が電流制限されており、電圧型インバータ３の能力を高調波補償に１００％使用していることを意味しているため、基本波補償に用いる第１ｂの電流指令値をゼロにする。

このように、電流基準制限部７０は、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値の加算値を出力可能電流により制限することで、第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値を生成する。具体的に、電流基準制限部７０は、第２ａの電流指令値が出力可能電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、ゲイン補正係数を第２ａの電流指令値に乗じることで、第２ｂの電流指令値を演算する。また、電流基準制限部７０は、第２ａの電流指令値と出力可能電流の差分電流を演算し、第１ａの電流指令値が差分電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、ゲイン補正係数を第１ａの電流指令値に乗じることで、第１ｂの電流指令値を演算する。すなわち、電流基準制限部７０は、出力可能電流を超過しない範囲内で、高調波側で第２ａの電流指令値から第２ｂの電流指令値を優先的に演算した結果としての残余リソース（マージン）を利用して、基本波側で第１ａの電流指令値から第１ｂの電流指令値を演算する。

図６では、図３の基本波出力電圧推定部８１と高調波出力電圧推定部８２の位置関係が逆となり、高調波出力電圧推定部８１’と基本波出力電圧推定部８２’が設けられている。

高調波出力電圧推定部８１’において、電圧形インバータ３が第２ｂの電流指令値に従った電流を出力するための電圧指令値が演算される。この電圧指令値は、以下の式（３）により演算される。
（３）電圧指令値＝系統電圧Ｖｓ＋（第２ｂの電流指令値×Ｒ）＋（Δ第２ｂの電流指令値／ｄｔ×Ｌ）
ここで、
Ｒ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間の抵抗値、
Ｌ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間のインダクタンス値、
である。

さらに、絶対値演算部８３Ａにおいて、式（３）で求めた電圧指令値の絶対値を求めて、最大値演算部８３Ｂにおいて、絶対値演算部８３Ａで求めた絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ８３Ｃにおいて、最大値演算部８３Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部８３Ａと最大値演算部８３Ｂと一次遅れフィルタ８３Ｃによってローパスフィルタ８３が構成されている。ローパスフィルタ８３から出力されるのは、第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（高調波出力電圧推定値）である。減算器８４において、出力可能電圧から、第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（高調波出力電圧推定値）が減算されることで、基本波電流を出力するための電圧余裕が出力される。

基本波出力電圧推定部８２’において、電圧形インバータ３が第１ｂの電流指令値に従った電流を出力するための電圧指令値が演算される。この電圧指令値は、以下の式（４）により演算される。なお、系統電圧Ｖｓについては、高調波出力電圧推定部８１’において式（３）で加算しているので、重複を避けるため、式（４）では加算していない。
（４）電圧指令値＝（第１ｂの電流指令値×Ｒ）＋（Δ第１ｂの電流指令値／ｄｔ×Ｌ）
ここで、
Ｒ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間の抵抗値、
Ｌ：電圧形インバータ３と風力発電機１と電力系統２の接続点Ｐ１との間のインダクタンス値、
である。

さらに、絶対値演算部８５Ａにおいて、式（４）で求めた電圧指令値の絶対値を求めて、最大値演算部８５Ｂにおいて、絶対値演算部８５Ａで求めた絶対値の中から最大値を抽出して、一次遅れフィルタ８５Ｃにおいて、最大値演算部８５Ｂで抽出した最大値を平準化する。絶対値演算部８５Ａと最大値演算部８５Ｂと一次遅れフィルタ８５Ｃによってローパスフィルタ８５が構成されている。ローパスフィルタ８５から出力されるのは、第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（基本波出力電圧推定値）である。

除算器８６において、減算器８４から出力された電圧余裕が、基本波出力電圧推定部８２’から出力された第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値（基本波出力電圧推定値）によって除算される。上限値リミッタ８７において、除算器８６による除算結果が制限されることで、ゲイン補正係数が演算される。そして、乗算器８８において、第１ｂの電流指令値に上記ゲイン補正係数を乗算することにより、第１ｃの電流指令値が演算される。

このように、電圧基準制限部８０は、第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値を出力可能電圧により制限することで、第１ｃの電流指令値を生成する。具体的に、電圧基準制限部８０は、第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値と出力可能電圧の差分電圧（電圧余裕）を演算し、第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値が差分電圧（電圧余裕）を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、ゲイン補正係数を第１ｂの電流指令値に乗じることにより、第１ｃの電流指令値を演算する。すなわち、電圧基準制限部８０は、出力可能電圧を超過しない範囲内で、かつ高調波側を優先した結果としての基本波側の残余リソース（マージン）を利用して、第１ｂの電流指令値を制限した第１ｃの電流指令値を生成する。

以上の第２実施形態によれば、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させるとともに、高調波制御機能を優先的に動作させることができる。しかも、電力需要や動作環境によって高調波制御機能に要するリソースが増大した場合であっても、インバータ能力（装置能力）を最大限活用することができる。

≪第３実施形態≫
図示は省略するが、第１実施形態（図１〜図３）と第２実施形態（図４〜図６）を組み合わせて、電流指令値制限部６０（電流基準制限部７０、電圧基準制限部８０）が、第１ａの電流指令値及び第２ａの電流指令値、並びに、第１ｂの電流指令値及び第２ｂの電流指令値を制限することにより、第１ｃの電流指令値及び第２ｃの電流指令値を生成する態様も可能である。

≪第４実施形態≫
図示は省略するが、第１実施形態（図１〜図３）と第２実施形態（図４〜図６）において、電流基準制限部７０と電圧基準制限部８０のいずれか一方を省略する態様も可能である。この場合であっても、電流基準制限部７０において第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値を用いた出力可能電流制限演算を実行し、又は、電圧基準制限部８０において第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値を用いた出力可能電圧制限演算を実行することで、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させることが可能になる。

≪第５実施形態≫
図示は省略するが、第１実施形態（図１〜図３）と第２実施形態（図４〜図６）において、電流基準制限部７０と電圧基準制限部８０の一方では、基本波用と高調波用の電流指令値の双方を用いて制限演算を行い、電流基準制限部７０と電圧基準制限部８０の他方では、基本波用と高調波用の電流指令値の一方を用いて制限演算を行う態様も可能である。この場合であっても、電流基準制限部７０と電圧基準制限部８０の一方において基本波用と高調波用の電流指令値の双方を用いて制限演算を行うことで、且つ／又は、電流基準制限部７０による出力可能電流制限演算と電圧基準制限部８０による出力可能電圧制限演算を併用することで、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調動作させることが可能になる。

以上のように、本実施形態による電力変換装置１０では、電流指令値制限部６０（電流基準制限部７０、電圧基準制限部８０）が、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算の少なくとも一方を実行することにより、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する。また、電流指令値制限部６０（電流基準制限部７０、電圧基準制限部８０）が、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値の少なくとも一方に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算を実行することにより、第１ａの電流指令値と第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する。これにより、基本波制御機能と高調波制御機能を高精度で協調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。

本発明は、例えば、電力系統に連系される電力変換装置に適用することができる。

１ 風力発電機（電力設備）
２ 電力系統
３ 電圧形インバータ
４ 変圧器
１０ 電力変換装置
２０ 電流指令値生成部
３０ 電流制御部
４０ 基本波制御機能部
５０ 高調波制御機能部
６０ 電流指令値制限部
７０ 電流基準制限部
７１ ローパスフィルタ
７１Ａ 絶対値演算部
７１Ｂ 最大値演算部
７１Ｃ 一次遅れフィルタ
７２ 除算器
７３ 上限値リミッタ
７４ 乗算器
７５ ローパスフィルタ
７５Ａ 絶対値演算部
７５Ｂ 最大値演算部
７５Ｃ 一次遅れフィルタ
７６ 除算器
７７ 上限値リミッタ
７８ 乗算器
７９ 極性判定部
７９Ａ 切換スイッチ
８０ 電圧基準制限部
８１ 基本波出力電圧推定部
８１’ 高調波出力電圧推定部
８２ 高調波出力電圧推定部
８２’ 基本波出力電圧推定部
８３ ローパスフィルタ
８３Ａ 絶対値演算部
８３Ｂ 最大値演算部
８３Ｃ 一次遅れフィルタ
８４ 減算器
８５ ローパスフィルタ
８５Ａ 絶対値演算部
８５Ｂ 最大値演算部
８５Ｃ 一次遅れフィルタ
８６ 除算器
８７ 上限値リミッタ
８８ 乗算器
Ｃ キャパシタンス
Ｌ１ Ｌ２ インダクタンス
Ｖｓ 系統電圧
Ｖｓ^＊ 系統電圧指令値
ＩＬ 系統電流
Ｅｄｃ インバータ直流電圧（検出値）
Ｅｄｃ^＊ インバータ直流電圧（指令値）
Ｉｉｎｖ インバータ出力電流

Claims (8)

1. 系統電流の基本波を制御するための第１ａの電流指令値を生成する基本波制御機能部と、
   前記系統電流の高調波を制御するための第２ａの電流指令値を生成する高調波制御機能部と、
   前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算の少なくとも一方を実行することにより、前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する電流指令値制限部と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電流指令値制限部は、
   前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の加算値を出力可能電流により制限することで、第１ｂの電流指令値と第２ｂの電流指令値を生成する電流基準制限部と、
   前記第１ｂの電流指令値と前記第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値を出力可能電圧により制限することで、第１ｃの電流指令値と第２ｃの電流指令値の少なくとも一方を生成する電圧基準制限部と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電流基準制限部は、
   前記第１ａの電流指令値が前記出力可能電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、前記ゲイン補正係数を前記第１ａの電流指令値に乗じることにより前記第１ｂの電流指令値を演算し、
   前記第１ａの電流指令値と前記出力可能電流の差分電流を演算し、前記第２ａの電流指令値が前記差分電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、前記ゲイン補正係数を前記第２ａの電流指令値に乗じることにより前記第２ｂの電流指令値を演算する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電圧基準制限部は、
   前記第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値と前記出力可能電圧の差分電圧を演算し、前記第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値が前記差分電圧を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、前記ゲイン補正係数を前記第２ｂの電流指令値に乗じることにより前記第２ｃの電流指令値を演算する、
   ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記電流基準制限部は、
   前記第２ａの電流指令値が前記出力可能電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、前記ゲイン補正係数を前記第２ａの電流指令値に乗じることにより前記第２ｂの電流指令値を演算し、
   前記第２ａの電流指令値と前記出力可能電流の差分電流を演算し、前記第１ａの電流指令値が前記差分電流を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、前記ゲイン補正係数を前記第１ａの電流指令値に乗じることにより前記第１ｂの電流指令値を演算する、
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記電圧基準制限部は、
   前記第２ｂの電流指令値に基づく電圧推定値と前記出力可能電圧の差分電圧を演算し、前記第１ｂの電流指令値に基づく電圧推定値が前記差分電圧を超過しないようなゲイン補正係数を演算し、前記ゲイン補正係数を前記第１ｂの電流指令値に乗じることにより前記第１ｃの電流指令値を演算する、
   ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記基本波制御機能部は、無効電流指令値及び／又は有効電流指令値を前記第１ａの電流指令値として出力し、
   前記高調波制御機能部は、前記系統電流及び／又は系統電圧から抽出した高調波に応じた高調波電流指令値を前記第２ａ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から請求項６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 系統電流の基本波を制御するための第１ａの電流指令値を生成する基本波制御機能部と、
   前記系統電流の高調波を制御するための第２ａの電流指令値を生成する高調波制御機能部と、
   前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の少なくとも一方に基づいて、出力可能電流制限演算と出力可能電圧制限演算を実行することにより、前記第１ａの電流指令値と前記第２ａの電流指令値の少なくとも一方を制限する電流指令値制限部と、
   を有することを特徴とする電力変換装置。

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