JP2020124058A - 電力変換器、及び制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直流送電設備を停電系統復旧のための最初の電源とする場合に発電機連系時の運転を安定させることができること。【解決手段】電力変換器は、電力系統に交流電力を供給する電力変換器であって、直流電力から変換された交流電力である出力電力の値と所定の基準値との差である偏差を取得する偏差取得部と、電力系統との連系を行わない自立運転時において、偏差取得部が取得する偏差に基づいて出力電力の電圧である出力電圧の周波数を制御する周波数制御部とを備える。【選択図】図３

Description

本発明は、電力変換器、及び制御方法に関する。

直流送電設備や周波数変換設備などの電力変換設備は、従来は他励式変換器が用いられていた（例えば、特許文献１を参照）。最近ではモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）を用いたＭＭＣ方式などの新しい変換器制御技術が生まれたため、直流電圧の高電圧化および低ロス化が実現できるようになってきた。新しい変換器制御技術の開発に伴い、直流変換設備においては自励式変換器が適用されるようになった。

他励式変換器では、交流系統電圧を直流リアクトルを通して相手側系統の電圧と連系して電力のやり取りをするものである。このため他励式変換器では交流系統電圧が必須である。
一方、自励式変換器では、直流電圧を半導体スイッチで切り刻んで交流回路に交流電圧として発生させて、交流系統電圧と自励式変換器の発生電圧とを交流リアクトル（または変圧器のリアクタンス）で接続して電力のやり取りをするものである。このため自励式変換器では、交流系統電圧がなくても転流動作（変換器動作）が可能である。交流系統電圧が不要であることから、自励式変換器では、直流電圧を交流電圧に変換し、電源として機能する動作も可能である。にもかかわらず、系統間を直流で分断し安定度を向上させる直流送電設備や異なる周波数の系統同士の連系に用いられる周波数変換設備などの電力変換設備では、自励式変換器を電源とするような制御は行われてこなかった。

直流送電設備や周波数変換設備などの電力変換設備における他励式変換器、及び自励式変換器の双方とも、それらの適用範囲は、連系される系統が両方とも健全である場合における系統間の潮流制御に限られていた。
一方、上述したように自励式変換器は交流系統に電圧がなくても転流動作（変換器動作）が可能であるが、自励式変換器では、直流電圧を交流電圧に変換して同期発電機のない単独系統の電源とするような制御は行ってはいなかった。現状は、電圧型自励式変換器を用いて、交流電流制御による潮流制御を行っている。

上述したように自励式変換器は、交流系統に電圧がなくても転流動作（変換器動作）が可能であることから、直流電圧を交流電圧に変換し電圧源として動作させることも可能である。そこで万が一、系統連系する一方の系統において大規模停電が発生した場合には、健全系統から停電系統を立ち上げる（ブラックスタート）機能を備えておくことが考えられる。

従来、大規模停電が広範囲に発生した場合には、まず水力発電設備を利用して火力発電所の所内負荷を活かすことが行われる。所内負荷を活かした後、火力発電機を起動して並列、連系し、系統規模を拡大していくのが従来の一般的な方法である。
このような水力発電設備の利用方法と同様の動作が可能な直流送電設備があれば、例えば水力発電設備が利用できなかった場合にも、大規模停電時の系統復旧に対する信頼度が向上する。

特開２０１４−１２８１５７号公報

直流送電設備を停電系統復旧のための最初の電源とする場合、停電系統側の電力変換器を、交流定格電圧で、かつ周波数が商用周波数（例えば５０Ｈｚ）で一定となる状態（ＣＶＣＦモードという）で運転することが行われる。しかし、このＣＶＣＦモードの状態において系統復旧を行うと、電力系統に交流電力を供給する電力変換器よりも定格容量の大きな発電機を並列する場合に周波数偏差、及び電圧偏差のために電力動揺が生じ安定運転ができない場合がある。そのため直流送電設備を系統連系の最初の電源とする場合に、系統連系の運転を安定させることが求められる。

本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、直流送電設備を停電系統復旧のための最初の電源とする場合に発電機連系時の運転を安定させることができる電力変換器、及び制御方法を提供する。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、本発明の一態様は、電力系統に交流電力を供給する電力変換器であって、直流電力から変換された交流電力である出力電力の値と所定の基準値との差である偏差を取得する偏差取得部と、前記電力系統との連系を行わない自立運転時において、前記偏差取得部が取得する前記偏差に基づいて前記出力電力の電圧である出力電圧の周波数を制御する周波数制御部とを備える電力変換器である。

また、本発明の一態様は、上記の電力変換器において、前記電力系統の充電状態に基づいて前記出力電圧を目標値から低下させる出力電圧制御部をさらに備える。

また、本発明の一態様は、上記の電力変換器において、自立運転から連系運転への切替時における前記出力電力の制御の有効電力の基準値としての前記切替時の直前の自立運転時の有効電力の値、及び無効電力の基準値としての前記切替時の直前の自立運転時の無効電力の値を設定する基準値設定部をさらに備える。

また、本発明の一態様は、電力系統に交流電力を供給する電力変換器の制御方法であって、直流電力から変換された交流電力である出力電力の値の偏差を取得する偏差取得過程と、前記電力系統との連系を行わない自立運転時において前記偏差取得過程によって取得される前記偏差に基づいて前記出力電力の電圧である出力電圧の周波数を制御する周波数制御過程とを有する制御方法である。

本発明によれば、直流送電設備を停電系統復旧のための最初の電源とする場合に発電機連系時の運転を安定させることができる。

本発明の実施形態に係る系統連系の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換器の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る制御部の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る制御部の構成の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る周波数制御処理の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る偏差周波数グラフの一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る周波数制御処理における周波数の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る低減電圧処理の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力基準値切替処理の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力基準値切替処理のモデル系統の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換器の電力動揺の抑制結果の第１例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換器の電力動揺の抑制結果の第２例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換器のインラッシュ電流抑制結果の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る電力変換器の運転切替時の有効電力及び無効電力の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る変圧器投入時の電力変換器のインラッシュ電流の抑制効果の一例を示す図である。 本発明の実施形態に係る変圧器投入時の変圧器のインラッシュ電流の抑制効果の一例を示す図である。 従来の電力変換器を用いた場合の電力動揺の一例を示す図である。 従来の電力変換器のインラッシュ電流の一例を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る系統連系の一例を示す図である。 本発明の実施形態の変形例に係る系統連系の一例を示す図である。 公知のトルク特性グラフの一例を示す図である。

（実施形態）
以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳しく説明する。図１は、本実施形態に係る系統連系ＩＳの一例を示す図である。系統連系ＩＳは、第１系統Ａ１と、第２系統Ｂ１と、直流送電設備Ｄ１とを備える。
第１系統Ａ１は、一例として５０Ｈｚの周波数の系統であり、広範囲停電の状態にある。第２系統Ｂ１は、一例として６０Ｈｚの周波数の系統であり、健全な状態にある。

直流送電設備Ｄ１は、第２系統Ｂ１と第１系統Ａ１との直流連系を行う。直流送電設備Ｄ１は、電力変換器１と、直流電力供給部２とを備える。電力変換器１は、直流電圧を交流電圧に変換し、電源として機能する自励式変換器である。直流電力供給部２は、電力変換器１の直流電源として機能する。

直流送電設備Ｄ１は、自立運転が可能な電力変換器１を備えるため、第１系統Ａ１を広範囲停電状態から復旧させるための最初の電源として用いられる。直流送電設備Ｄ１は、まず自立運転を行った後、第二の電源となる火力発電設備の発電機と連系された後に、第１系統Ａ１と第２系統Ｂ１とを直流連系する連系運転に移行する。ここで自立運転とは、他の発電機との連系を行わない運転である。

第１系統Ａ１は、火力発電設備Ａ１１と、水力発電設備Ａ１２とを備える。火力発電設備Ａ１１は、火力発電設備Ａ１１の発電機Ａ１１２と、所内負荷Ａ１１１とを備える。第１系統Ａ１では、直流送電設備Ｄ１から供給される交流電力によって火力発電設備Ａ１１の所内負荷Ａ１１１を活かす。第１系統Ａ１では、所内負荷Ａ１１１を活かした後、火力発電設備Ａ１１の発電機Ａ１１２を起動して並列、連系し、系統規模を拡大していく。

本実施形態の水力発電設備Ａ１２は、何らかの理由により、使用不能となっている。従来、第１系統Ａ１では、水力発電設備Ａ１２が使用可能な状態であれば、まず水力発電設備Ａ１２を利用して火力発電設備Ａ１１の所内負荷Ａ１１１を活かす。本実施形態の第１系統Ａ１では、使用不能となっている水力発電設備Ａ１２の代わりに、直流送電設備Ｄ１を停電状態から復旧させるための最初の電源として用いる。

ここで図２を参照し、電力変換器１の構成について説明する。図２は、本実施形態に係る電力変換器１の構成の一例を示す図である。電力変換器１は、一例として、ＭＭＣ方式の自励式変換器であり、電力系統に交流電力を供給する。電力変換器１は、直交変換部１０と、制御部１１とを備える。
直交変換部１０は、直流電力供給部２から供給される入力電力ＤＰを、交流電力に変換する。ここで直流電力供給部２から供給される入力電力ＤＰは、直流電力供給部２から直流電圧として供給される。直交変換部１０は、変換した交流電圧を出力電圧ＶＯとして充電対象３に供給する。ここで充電対象３は、例えば、図１の所内負荷Ａ１１１である。

制御部１１は、ゲート信号ＧＳを直交変換部１０に与えることによって、直交変換部１０が出力する出力電圧ＶＯを制御する。ここで制御部１１は、直交変換部１０が出力する出力電力値ＡＰのうちの有効電力値と出力有効電力基準値との偏差に応じた周波数の出力電圧となるようなゲート信号ＧＳを生成する。

次に図３を参照し、制御部１１の構成の詳細について説明する。図３は、本実施形態に係る制御部１１の構成の一例を示す図である。制御部１１は、連系運転時の出力基準値を設定する有効・無効電力出力基準値設定部１１０と、交流電圧基準値設定部１１１と、周波数制御部１１２と、交流電流値の三相二相変換を行う三相／ｄｑ変換部１１５と、交流電圧制御部１１６と、内部信号生成部１１７と、出力電圧指令値の二相三相変換を行うｄｑ／三相変換部１２０と、ゲートパルス発生部１２１と、電流制御部１２２とを備える。

有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、自立運転から連系運転への切替である運転切替ＭＣ時における出力電力ＰＯを制御するときの有効電力基準値ＶＰＯと、自立運転時の有効電力の基準値である自立運転時有効電力基準値ＶＰ２とを設定する。有効電力基準値ＶＰＯとしては、自立運転から連系運転に切替える直前の出力電力ＰＯのうちの有効電力の値が保持され設定され、また自立運転時有効電力基準値ＶＰ２としては常に出力電力ＰＯのうちの有効電力の値と同値が設定される。

また、有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、運転切替ＭＣ時における出力電力ＰＯを制御するときの無効電力基準値ＩＰＯと、自立運転時の無効電力の基準値である自立運転時無効電力基準値ＩＰ２とを設定する。無効電力基準値ＩＰＯとしては、自立運転から連系運転に切替える直前の出力電力ＰＯのうちの無効電力の値が保持されて設定され、また自立運転時無効電力基準値ＩＰ２としては常に出力電力ＰＯのうちの無効電力の値と同値が設定される。

交流電圧基準値設定部１１１は、充電対象３の充電状態を示す充電情報ＣＩに基づいて出力電圧目標値ＡＶＯを変更する。ここで出力電圧目標値ＡＶＯとは、連系運転時に充電対象３に供給する交流電圧の目標値となる予め決められた値である。交流電圧基準値設定部１１１は、自立運転の開始時には充電対象３を全電圧で充電するのではなく、充電情報ＣＩに基づいて出力電圧ＶＯを出力電圧目標値ＡＶＯに低下させて充電する。

周波数制御部１１２は、自立運転時において、有効電力偏差ΔＰに基づいて出力電圧ＶＯの周波数を制御する。ここで有効電力偏差ΔＰとは、出力電力値ＡＰのうちの有効電力値と出力電力目標値ＡＰＯとの差である。周波数制御部１１２は、有効電力偏差取得部１１３と、周波数算出部１１４と、系統電圧位相検出部１１８と、交流電圧値の三相二相変換を行う三相／ｄｑ変換部１１９とを備える。

有効電力偏差取得部１１３は、有効電力偏差ΔＰを取得する。ここで有効電力偏差取得部１１３は、出力電力値ＡＰ、及び出力電力目標値ＡＰＯを取得し、有効電力偏差ΔＰを算出することによって有効電力偏差ΔＰを取得する。出力電力値ＡＰは、直交変換部１０が出力する交流電流の値と、交流電圧の値の積によって得られる。有効電力偏差取得部１１３は、偏差取得部の一例である。出力電力目標値ＡＰＯは、所定の基準値の一例である。有効電力偏差ΔＰは、偏差の一例である。
周波数算出部１１４は、有効電力偏差取得部１１３が取得した有効電力偏差ΔＰに基づいて、出力電圧ＶＯの角周波数ωを算出する。なお、角周波数と周波数とは対応しているため、本明細書では、角周波数と周波数とを区別せず、角周波数のことを周波数という場合がある。

系統電圧位相検出部１１８は、出力電圧ＶＯの値と、三相／ｄｑ変換部１１９から供給される出力電圧ＶＯの値が三相二相変換された結果とに基づいて、出力電圧ＶＯの位相を検出する。
三相／ｄｑ変換部１１９は、連系運転時には、充電対象３との連系点の電圧として出力電圧ＶＯの値を取得し、三相二相変換を行う。三相／ｄｑ変換部１１９は、自立運転時には、内部信号生成部１１７から供給される内部信号に基づいて三相二相変換を行う。すなわち系統電圧位相検出部１１８では、連系運転時には充電対象３との連系点電圧の位相および周波数に一致した値が演算され、また自立運転時には周波数算出部で算出された角周波数と内部信号生成部１１７から供給される信号の位相に一致した値が演算される。

三相／ｄｑ変換部１１５は、出力電力値ＡＰを取得し、出力電力値ＡＰが示す交流電流の値に基づいて三相二相変換を行う。
交流電圧制御部１１６は、出力電圧ＶＯの値を取得し、出力電圧ＶＯが示す交流電圧の値と、交流電圧基準値設定部１１１の制御結果とに基づいて、交流電圧の振幅を算出する。
内部信号生成部１１７は、交流電圧制御部１１６が算出した交流電圧の振幅と、系統電圧位相検出部１１８が検出した出力電圧ＶＯの位相に基づいて、内部信号を生成する。

電流制御部１２２は、三相／ｄｑ変換部１１５によって三相二相変換された交流電流の値と、有効・無効電力出力基準値設定部１１０の制御結果とに基づいて、交流電流値の制御を行う。
ｄｑ／三相変換部１２０は、電流制御部１２２の制御結果と、三相／ｄｑ変換部１１９によって三相二相変換された交流電圧値に基づいて、二相三相変換を行う。なお、電流制御部１２２は連系運転中に動作させるため自立運転中は電流制御部のリミッターを閉じるようにする。

ゲートパルス発生部１２１は、ゲート信号ＧＳを生成する。ここでゲートパルス発生部１２１は、ｄｑ／三相変換部１２０によって三相二相変換された結果に基づいてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を行うことによって、ゲート信号ＧＳを生成する。ゲートパルス発生部１２１は、生成したゲート信号ＧＳを直交変換部１０に供給する。

なお、制御部１１の構成は、図３に示す構成に限らない。ここで図４を参照し、制御部１１の構成の変形例について説明する。図４は、本実施形態の変形例に係る制御部１１ａの構成の一例を示す図である。

図４の制御部１１ａと図３の制御部１１とを比較すると、内部信号生成部１１７ａ、三相／ｄｑ変換部１１９ａ、及びゲートパルス発生部１２１ａが異なる。ここで、他の構成要素（有効・無効電力出力基準値設定部１１０、交流電圧基準値設定部１１１、周波数制御部１１２、三相／ｄｑ変換部１１５、交流電圧制御部１１６、ｄｑ／三相変換部１２０、電流制御部１２２）が持つ機能は図３の制御部１１と同じである。図３の制御部１１と同じ機能の説明は省略し、図４では、図３の制御部１１と異なる部分を中心に説明する。
制御部１１ａでは、内部信号生成部１１７ａが内部信号を、三相／ｄｑ変換部１１９ａではなく、ゲートパルス発生部１２１ａに供給する点が、図３の制御部１１と異なる。

内部信号生成部１１７ａは、生成した内部信号を自立運転時にゲートパルス発生部１２１ａに供給する。
周波数制御部１１２ａは、図３の三相／ｄｑ変換部１１９の代わりに三相／ｄｑ変換部１１９ａを備える。
三相／ｄｑ変換部１１９ａは、連系運転時または自立運転時によらず、充電対象３に供給される出力電圧ＶＯを取得し、出力電圧ＶＯが示す交流電圧の値に基づいて三相二相変換を行う。

ゲートパルス発生部１２１ａは、連系運転時には、図３のゲートパルス発生部１２１と同様の制御を行う。ゲートパルス発生部１２１ａは、自立運転時には、内部信号生成部１１７ａが生成した内部信号に基づいてＰＷＭ制御を行うことによって、ゲート信号ＧＳを生成する。

ここで図５を参照し、制御部１１が出力電圧ＶＯの角周波数ωを制御する処理について説明する。図５は、本実施形態に係る周波数制御処理の一例を示す図である。図５に示す周波数制御処理は、電力系統との連系を行う前の自立運転時に実行される。

ステップＳ１０：有効電力偏差取得部１１３は、出力電力値ＡＰ、及び出力電力目標値ＡＰＯを取得する。ここで有効電力偏差取得部１１３は、直交変換部１０から出力電力値ＡＰを取得する。

ステップＳ２０：有効電力偏差取得部１１３は、ステップＳ１０において取得した出力電力値ＡＰ、及び出力電力目標値ＡＰＯに基づいて有効電力偏差ΔＰを算出する。
ステップＳ３０：有効電力偏差取得部１１３は、ステップＳ２０において有効電力偏差ΔＰを算出することによって有効電力偏差ΔＰを取得する。したがって、有効電力偏差取得部１１３は、入力電力ＤＰから変換された交流電力である出力電力の値である出力電力値ＡＰと出力電力目標値ＡＰＯとの差である有効電力偏差ΔＰを取得する。

ステップＳ４０：周波数算出部１１４は、ステップＳ３０において有効電力偏差取得部１１３が取得した有効電力偏差ΔＰに基づいて、直交変換部１０が発生する出力電圧ＶＯの角周波数ωを算出する。
ステップＳ５０：周波数制御部１１２は、ステップＳ４０において周波数算出部１１４が算出した角周波数ωに基づいて、直交変換部１０が充電対象３を充電する出力電圧ＶＯを制御する。

したがって、周波数制御部１１２は、電力系統との連系を行わない自立運転時において、有効電力偏差取得部１１３が取得する有効電力偏差ΔＰに基づいて出力電圧ＶＯの角周波数ωを制御する。

ここで図６及び図７を参照し、周波数制御処理における有効電力偏差ΔＰと角周波数ωとの関係について説明する。図６は、本実施形態に係る有効電力偏差周波数グラフＧ１の一例を示す図である。有効電力偏差周波数グラフＧ１は、周波数制御処理における有効電力偏差ΔＰと角周波数ωの増減との関係を示すグラフである。

電力変換器１は、公知の誘導電動機のトルク特性に似せた特性を具備する。
図２１は、公知のトルク特性グラフＧ０の一例を示す図である。トルク特性グラフＧ０は、公知の誘導電動機の回転速度と、軸トルクとの関係を示すグラフである。誘導電動機の安定領域における力行状態では、軸トルクが大きくなると、軸トルクが大きくなることに応じて滑りが大きくなり（同期速度より小）、回生状態では、回生トルクが大きくなると回生トルクが大きくなることに応じて負の滑り（同期速度より大）になる。

図７は、本実施形態に係る周波数制御処理における角周波数ωの一例を示す図である。
上述した公知の誘導電動機のトルク特性のように、電力変換器１の周波数制御処理では、電力変換器１から第１系統Ａ１（火力発電設備の発電機Ａ１１２）に供給される出力電力ＰＯが出力電力目標値ＡＰＯよりも大きくなる場合には、角周波数ωに対応する回転速度を同期速度よりも小さくする。一方、電力変換器１の周波数制御処理では、出力電力ＰＯが出力電力目標値ＡＰＯよりも小さくなる場合には、角周波数ωに対応する回転速度を同期速度よりも大きくする。

図７に示すとおり、周波数制御部１１２は、自立運転時において、有効電力偏差取得部１１３が取得する有効電力偏差ΔＰに基づいて、電力変換器１から電力系統へと向かう出力電力ＰＯが増加する場合、角周波数ωを減少させる。一方、周波数制御部１１２は、自立運転時において、有効電力偏差取得部１１３が取得する有効電力偏差ΔＰに基づいて、電力変換器１から電力系統へと向かう出力電力ＰＯが減少する場合、角周波数ωを増加させる。

次に図８を参照し、交流電圧基準値設定部１１１が行う低減電圧処理について説明する。図８は、本実施形態に係る低減電圧処理の一例を示す図である。図８の低減電圧処理は、電力変換器１が出力電圧ＶＯを供給することによって充電対象３の充電を開始した場合に開始される。また、図８の低減電圧処理は電力変換器１が充電対象３の充電を行っている間、繰り返し行われる。

ステップＳ１１０：交流電圧基準値設定部１１１は、充電情報ＣＩを充電対象３から取得する。なお、交流電圧基準値設定部１１１は、直流送電設備Ｄ１の管理者の操作に基づいて入力される指令値として、充電情報ＣＩを取得してもよい。

ステップＳ１２０：交流電圧基準値設定部１１１は、ステップＳ１１０において取得した充電情報ＣＩに基づいて出力電圧目標値ＡＶＯを変更する。交流電圧基準値設定部１１１は、充電情報ＣＩが充電未完了の状態を示す場合、出力電圧目標値ＡＶＯを低下させる。例えば、交流電圧基準値設定部１１１は、出力電圧目標値ＡＶＯを、充電対象３の全電圧の３０パーセントの値に変更する。

つまり、交流電圧基準値設定部１１１は、第１系統Ａ１の充電状態に基づいて出力電圧ＶＯを出力電圧目標値ＡＶＯから低下させる。

交流電圧基準値設定部１１１は、充電情報ＣＩが示す充電状態の割合に応じて、出力電圧目標値ＡＶＯをランプ状に段階的に増加させる。交流電圧基準値設定部１１１は、充電情報ＣＩが充電完了の状態を示す場合、出力電圧目標値ＡＶＯを充電対象３の全電圧の値に変更する。

ステップＳ１３０：交流電圧基準値設定部１１１は、ステップＳ１２０において変更した出力電圧目標値ＡＶＯに基づいて出力電圧ＶＯを制御する。ここで交流電圧基準値設定部１１１は、出力電圧目標値ＡＶＯをランプ状に段階的に増加させることに応じて、出力電圧ＶＯの値をランプ状に段階的に増加させる。

次に図９を参照し、電力変換器１の電力基準値切替処理について説明する。図９は、本実施形態に係る電力基準値切替処理の一例を示す図である。図９の電力基準値切替処理は、電力変換器１が自立運転を開始した場合に開始される。

ステップＳ２１０：有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、自立運転時有効電力基準値ＶＰ２と、自立運転時無効電力基準値ＩＰ２とを検出しそれらの値を保持する。

ステップＳ２２０：有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、自立運転から連系運転への運転切替ＭＣが行われたか否かを判定する。有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、運転切替ＭＣが行われたと判定する場合（ステップＳ２２０；ＹＥＳ）、ステップＳ２３０の処理を実行する。一方、有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、運転切替ＭＣが行われていないと判定する場合（ステップＳ２２０；ＮＯ）、ステップＳ２１０の処理を再び行う。

ステップＳ２３０：有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、運転切替ＭＣ時における出力電力値ＡＰのうちの有効電力値を制御するときの有効電力基準値ＶＰＯとして、自立運転時有効電力基準値ＶＰ２を設定する。また、有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、運転切替ＭＣ時における無効電力出力を制御するときの無効電力基準値ＩＰＯとして、自立運転時無効電力基準値ＩＰ２を設定する。

つまり、有効・無効電力出力基準値設定部１１０は、自立運転から連系運転への運転切替ＭＣ時における出力電力ＰＯの制御の有効電力基準値ＶＰＯとしての運転切替ＭＣ時の直前の自立運転時の自立運転時有効電力基準値ＶＰ２、及び無効電力基準値ＩＰＯとしての運転切替ＭＣ時の直前の自立運転時の自立運転時無効電力基準値ＩＰ２を設定する。

ここで図１０を参照し、電力基準値切替処理のモデル系統Ｍについて説明する。図１０は、本実施形態に係る電力基準値切替処理のモデル系統Ｍの一例を示す図である。
モデル系統Ｍでは、自立運転から連系運転への運転切替ＭＣが行われる。自立運転では、電力変換器１はＣＶＣＦモードにおいて運転が行われる。モデル系統Ｍでは、火力発電設備の発電機Ａ１１２が自立運転中の直流送電設備Ｄ１に連系した後に、直流送電設備Ｄ１の自励式直流送電の制御モードを交流電圧制御（ＡＣ−ＡＶＲ）から定電力制御（ＡＰＲ）に変更する。

以上に説明したように、本実施形態に係る電力変換器１は、電力系統（この一例において、第１系統Ａ１）に交流電力（この一例において、出力電圧ＶＯ）を供給する電力変換器であって、偏差取得部（この一例において、有効電力偏差取得部１１３）と、周波数制御部１１２とを備える。
偏差取得部（この一例において、有効電力偏差取得部１１３）は、直流電力から変換された交流電力である出力電力の値（この一例において、出力電力値ＡＰ）と所定の基準値（この一例において、出力電力目標値ＡＰＯ）との差である偏差（この一例において、有効電力偏差ΔＰ）を取得する。
周波数制御部１１２は、電力系統（この一例において、第１系統Ａ１）との連系を行わない自立運転時において、偏差取得部（この一例において、有効電力偏差取得部１１３）が取得する偏差（この一例において、有効電力偏差ΔＰ）に基づいて出力電圧ＶＯの角周波数ωを制御する。

この構成により、本実施形態に係る電力変換器１では、直流送電設備Ｄ１を系統連系ＩＳの最初の電源として充電対象３を充電し、その後に火力発電設備の発電機を連系する場合の電力動揺を抑制できるため、系統連系ＩＳの運転を安定させることができる。

上述したように、直流送電設備Ｄ１を停電系統復旧のための最初の電源とするときは、停電系統側の電力変換器である電力変換器１を交流定格電圧、周波数は商用周波数（たとえば５０Ｈｚ）で一定とするＣＶＣＦモードにおいて運転する。電力変換器１は、自励式変換器であり、電力変換器１によってＣＶＣＦモードで停電系統を充電し、その後発電機（この一例において、火力発電設備Ａ１１の発電機Ａ１１２）を並列運転すると、電力動揺が大きく安定性に欠ける場合がある。ここで電力動揺は、周波数偏差や電圧偏差によって生じる。

ＣＶＣＦモード運転時に同期発電機を同期投入するとダンピングが悪い。そこで本実施形態に係る電力変換器１では、公知の誘導電動機の安定領域に似た特性を有している。本実施形態に係る電力変換器１では、トルク（つまり有効電力）に応じて発生電圧の角周波数ωを変化させる特性を有する。すなわち、本実施形態に係る電力変換器１では、電力変換器１から発電機（この一例において、火力発電設備Ａ１１の発電機Ａ１１２）に向かう出力電力ＰＯのうちの有効電力値が増加する場合には角周波数ωを減少させ、出力電力ＰＯのうちの有効電力値が減少する場合には周波数を増加させる。

ここで図１１、図１２、及び図１７を参照し、電力動揺の抑制の効果について説明する。図１１は、本実施形態に係る電力変換器１の電力動揺の抑制結果の第１例を示す図である。図１２は、本実施形態に係る電力変換器１の電力動揺の抑制結果の第２例を示す図である。図１７は、従来の電力変換器を用いた場合の電力動揺の一例を示す図である。

図１１、図１２、及び図１７の各図において、図（Ａ）は直流送電設備Ｄ１の直流電力供給部２の有効電力、及び無効電力を示す。図（Ｂ）は直流送電設備Ｄ１の電力変換器１の有効電力、及び無効電力を示す。図（Ｃ）は電力変換器１が第１系統Ａ１に供給する出力電圧ＶＯの角周波数ωを示す。
図１１、及び図１２に示す有効電力、及び無効電力は、図１７に示す有効電力、及び無効電力に比べて変動が小さく、電力変換器１の周波数制御処理によって電力動揺が抑制されていることがわかる。

また、本実施形態に係る電力変換器１では、交流電圧基準値設定部１１１をさらに有する。制御部１１は、電力系統（この一例において、第１系統Ａ１）の充電状態に基づいて出力電圧ＶＯを目標値（この一例において、出力電圧目標値ＡＶＯ）から低下させる。

この構成により、本実施形態に係る電力変換器１では、系統連系ＩＳにおける過電圧及び過電流による停止が起きることを抑制できるため、電力系統（この一例において、第１系統Ａ１）の充電が完了するまでの期間において系統連系ＩＳの運転を安定させることができる。

電力変換器から電力系統への試送電時に鉄共振などによる過電圧が発生し得る。また、電力系統の全電圧で変圧器を投入するとインラッシュ電流により電力変換器が過電流停止してしまう場合がある。
そこで本実施形態に係る電力変換器１では、例えば、低減電圧で電力系統（この一例において、第１系統Ａ１）を充電し、変圧器など全電圧では大きな電流が流れるようなものは、低減電圧中に操作し、充電完了後に完了信号を受信して全電圧にする。

ここで図１３、及び図１８を参照し、変圧器投入時のインラッシュ電流抑制の効果について説明する。図１３は、本実施形態に係る電力変換器１のインラッシュ電流抑制結果の一例を示す図である。図１８は、従来の電力変換器のインラッシュ電流の一例を示す図である。

図１３、及び図１８において図（Ａ）は電力変換器１が第１系統Ａ１に供給する出力電圧ＶＯの電圧を示す。図１３、及び図１８において図（Ｂ）は電力変換器１が第１系統Ａ１に供給する電流を示す。
図１３では、電力変換器１の低減電圧処理によって出力電圧ＶＯの値は、自立運転開始時からランプ状に段階的に増加している。図１８では、出力電圧は自立運転開始時から第１系統Ａ１の全電圧に対応する電圧となっている。
図１３の低減された出力電圧ＶＯでの電流は、図１８の全電圧時の電流に比べて電流値が小さく、電力変換器１の低減電圧処理によってインラッシュ電流が抑制されていることがわかる。

また、本実施形態に係る電力変換器１では、出力基準値設定部（この一例において、有効・無効電力出力基準値設定部１１０）をさらに有する。出力基準値設定部（この一例において、有効・無効電力出力基準値設定部１１０）は、自立運転から連系運転への切替（この一例において、運転切替ＭＣ）時における有効電力の値（この一例において、出力電力ＰＯのうちの有効電力の値）を制御するときの有効電力の基準値（この一例において、有効電力基準値ＶＰＯ）として、（この一例において、運転切替ＭＣ）切替直前の自立運転時の有効電力の値（この一例において、自立運転時有効電力基準値ＶＰ２）、及び無効電力の基準値（この一例において、無効電力基準値ＩＰＯ）としての切替（この一例において、運転切替ＭＣ）直前の自立運転時の無効電力の値（この一例において、自立運転時無効電力基準値ＩＰ２）を設定する。

この構成により、本実施形態に係る電力変換器１では、自立運転から連系運転への切替（この一例において、運転切替ＭＣ）時において過電流停止してしまうことを抑制できるため、自立運転から連系運転への切替（この一例において、運転切替ＭＣ）時において系統連系ＩＳの運転を安定させることができる。

ここで、発電機並列後の系統復旧操作時には、電力変換器が過電流停止してしまう場合がある。本実施形態に係る電力変換器１では、発電機連系後に自励式直流送電の制御モードを交流電圧制御（ＡＣ−ＡＶＲ）から定電力制御（ＡＰＲ）に変更することによって、系統拡大時に変圧器が投入されてもインラッシュ電流によって電力変換器１が過電流のために停止してしまうことを抑制できる。

ここで図１４、図１５、及び図１６を参照し、自立運転から連系運転への運転切替時のインラッシュ電流の抑制効果について説明する。図１４は、本実施形態に係る電力変換器１の運転切替時の有効電力及び無効電力の一例を示す図である。図１５は、本実施形態に係る変圧器投入時の電力変換器１のインラッシュ電流の抑制効果の一例を示す図である。図１６は、本実施形態に係る変圧器投入時の変圧器のインラッシュ電流の抑制効果の一例を示す図である。

図１４から、運転切替ＭＣにおいて、電力変換器１の制御モードは、交流電圧制御（ＡＣ−ＡＶＲ）から定電力制御（ＡＰＲ）へと変更され、出力電力ＰＯの制御の有効電力基準値ＶＰＯとして運転切替ＭＣ時の直前の自立運転時の自立運転時有効電力基準値ＶＰ２が設定される。また、無効電力基準値ＩＰＯとして運転切替ＭＣ時の直前の自立運転時の自立運転時無効電力基準値ＩＰ２が設定される。
図１５に示すように、変圧器投入時に電力変換器１が第１系統Ａ１に供給する出力電力ＰＯの電流の変動が抑制されている。また、図１６に示すように、変圧器投入時に変圧器の電流の変動が抑制されている。つまり、電力変換器１の電力基準値切替処理によってインラッシュ電流が抑制さていることがわかる。

（変形例）
上述した実施形態の系統連系ＩＳにおいては、自励式の直流送電設備Ｄ１の片側である電力変換器１を自立運転して大規模停電中の系統の初期電源とし、定格容量の大きな同期発電機の並列運転を可能にして系統復旧を容易にする一例について説明したが、これに限らない。
図１９及び図２０を参照し、自励式の直流送電設備Ｄ１を備える系統連系ＩＳの変形例について説明する。

図１９は、本実施形態の変形例に係る系統連系ＩＳａの一例を示す図である。系統連系ＩＳａでは、複数の直流送電設備として、直流送電設備Ｄ１ａ−１及び直流送電設備Ｄ１ａ−２が備えらえる。直流送電設備Ｄ１ａ−１及び直流送電設備Ｄ１ａ−２の構成は、図１の直流送電設備Ｄ１の構成と同様である。
系統連系ＩＳａでは、系統復旧のための初期電源としての容量を拡大させるため同一地点の複数の直流送電設備を並列して自立運転させる。

図２０は、本実施形態の変形例に係る系統連系ＩＳｂの一例を示す図である。系統連系ＩＳｂでは、第１系統Ａ１において火力発電設備Ａ１１と蓄電池システムＡ１２とが並列運転される。直流送電設備Ｄ１ｂの構成は、火力発電設備Ａ１１と、水力発電設備Ａ１２とに交流電力を供給する以外では、直流送電設備Ｄ１の構成と同様である。
系統連系ＩＳｂでは、容量拡大のため火力発電設備Ａ１１に加えて蓄電池システムＡ１２が並列運転され、直流送電設備Ｄ１ｂによる自立運転が可能である。

なお、上述した実施形態においては、偏差取得部が直流電力から変換された交流電力である出力有効電力と所定の有効電力基準値との差である有効電力偏差を取得する場合について説明したが、これに限らない。偏差取得部は、無効電力を含む電力と所定の基準値との差である偏差を取得してもよい。
なお、上述した実施形態においては、周波数制御部が出力電圧の周波数を制御する場合、つまり電圧の周波数を制御する場合について説明したが、これに限らない。周波数制御部は、電圧の周波数に代えて、電力の周波数や、電流の周波数に基づいて制御を行ってもよい。

以上、図面を参照してこの発明の一実施形態について詳しく説明してきたが、具体的な構成は上述のものに限られることはなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内において様々な設計変更等をすることが可能である。

ＩＳ…系統連系、Ａ１…第１系統、Ｂ１…第２系統、Ｄ１…直流送電設備、１…電力変換器、１１０…有効・無効電力出力基準値設定部、１１１…交流電圧基準値設定部、１１２…周波数制御部、１１３…有効電力偏差取得部

Claims (4)

1. 電力系統に交流電力を供給する電力変換器であって、
   直流電力から変換された交流電力である出力電力の値と所定の基準値との差である偏差を取得する偏差取得部と、
   前記電力系統との連系を行わない自立運転時において、前記偏差取得部が取得する前記偏差に基づいて前記出力電力の電圧である出力電圧の周波数を制御する周波数制御部と
   を備える電力変換器。
2. 前記電力系統の充電状態に基づいて前記出力電圧を目標値から低下させる出力電圧基準値設定部
   をさらに備える請求項１に記載の電力変換器。
3. 自立運転から連系運転への切替時における前記出力電力の制御の有効電力の基準値としての前記切替時の直前の自立運転時の有効電力の値、及び無効電力の基準値としての前記切替時の直前の自立運転時の無効電力の値を設定する出力基準値設定部
   をさらに備える請求項１または請求項２に記載の電力変換器。
4. 電力系統に交流電力を供給する電力変換器の制御方法であって、
   直流電力から変換された交流電力である出力電力の値の偏差を取得する偏差取得過程と、
   前記電力系統との連系を行わない自立運転時において前記偏差取得過程によって取得される前記偏差に基づいて前記出力電力の電圧である出力電圧の周波数を制御する周波数制御過程と
   を有する制御方法。