JP2021145437A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力系統との連携を円滑に行い、連続的に負荷へ電力を供給可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】 実施形態による電力変換装置は、インバータ６と開閉器９との動作を制御する制御回路３を備え、制御回路３は、電力系統４の系統電圧Ｖｇおよび周波数ｆｇの値に基づいて、電力系統４が停電か否かを判断する自立運転判定部２９と、電力系統４が復電したときに、インバータ６の出力電圧の位相と系統電圧Ｖｇの位相θｇとの位相差Δθを演算し、位相差Δθを用いてインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させる出力周波数パターンを生成する出力周波数パターン演算部２５と、を備え、自立運転判定部２９により電力系統４が復電したと判断されたときに、出力周波数パターンに沿ってインバータ６の出力電圧の周波数が変化するように、インバータ６を制御して位相差Δθが閾値以下となった後に開閉器９を投入させる。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

太陽電池や二次電池などの電源から出力可能な直流電力を交流電力に変換して、電源から出力された電力を負荷に供給したり、電力系統へ売電したりするＰＣＳ（Power Conditioning System）が普及している。

分散電源用のＰＣＳは、電力系統の停電時に自立運転を行うことにより負荷へ電力供給が可能である。自立運転を行うＰＣＳは、電力系統が復電すると自立運転から連系運転に切り替わるが、インバータの出力電圧と系統電圧とに位相差があると、過電圧や過電流によりＰＣＳが停止する恐れがある。そのため、電力系統が復電したときに、自立運転中のＰＣＳを一度停止してから、電力系統との連系運転に切り替わるものが用いられている。

しかしながら、ＰＣＳが一度停止すると、負荷への電力供給が停止され、瞬間的な停電状態となり得るため、電力系統が復電時にＰＣＳを自立運転から連系運転に無瞬断で切り替え、連続的に負荷へ電力を供給することが望まれている。

特開２００６−１０１６３４号公報

ＰＣＳが自立運転から連系運転に切り替わるときに、インバータの出力電圧の位相を系統電圧の位相に急激に同期させると負荷に悪影響を及ぼす虞があり、また緩やかに同期させると電源に含まれる蓄電装置の蓄電エネルギーを無駄に消費することとなる。したがって、負荷の耐量範囲内においてインバータの出力電圧の周波数を変化させ、かつ、速やかにインバータの出力電圧の位相を系統電圧の位相と同期させる必要があった。

本発明の実施形態は上記事情を鑑みて成されたものであって、電力系統との連携を円滑に行い、連続的に負荷へ電力を供給可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態による電力変換装置は、電源と、前記電源から供給される直流電力と電力系統から供給される交流電力とを相互に変換するインバータと、前記インバータの交流端と前記電力系統からの入力端と間に延びた交流ラインの電気的接続状態を切り替える開閉器と、前記インバータの出力電圧を検出する第１電圧検出器と、前記電力系統の系統電圧を検出する第２電圧検出器と、前記インバータと前記開閉器との動作を制御する制御回路と、を備え、前記制御回路は、前記電力系統の系統電圧および周波数の値に基づいて、前記電力系統が停電か否かを判断する自立運転判定部と、前記電力系統が復電したときに、前記インバータの出力電圧の位相と前記系統電圧の位相との位相差を演算し、前記位相差を用いて前記インバータの出力電圧の周波数を変化させる出力周波数パターンを生成する出力周波数パターン演算部と、を備え、前記自立運転判定部により前記電力系統が復電したと判断されたときに、前記出力周波数パターンに沿って前記インバータの出力電圧の周波数が変化するように、前記インバータを制御して前記位相差が閾値以下となった後に前記開閉器を投入させる。

図１は、第１実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、第１実施形態の電力変換装置において、出力周波数パターン演算部で演算される出力周波数パターンの一例を概略的に示す図である。 図３は、第１実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図４は、第１実施形態の電力変換装置の動作をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図５Ａは、第２実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図５Ｂは、第２実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。 図６は、第２実施形態の電力変換装置の動作をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図７は、比較例の電力変換装置のシミュレーション結果の一例を示す図である。

以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
なお、図１では、電力系統４および負荷５に対して複数の電力変換装置１が接続された例を示している。負荷５は、種々の需要者にて使用される負荷を適用することが可能であり、例えば一般家庭や商業施設や工業施設や医療施設などにおいて、プラグを介して電力が供給されるような種々の電子機器や、施設に設置された照明機器、エレベータ、空調設備など、電力により動作する種々の機器を適用することができる。

複数の電力変換装置１は、少なくとも１つのマスター装置１Ｍと、複数のスレーブ装置１Ｓとを含み得る。スレーブ装置１Ｓは、マスター装置１Ｍからの指令に基づいて動作する。マスター装置１Ｍは、複数の電力変換装置１が協調して動作するようにスレーブ装置１Ｓへ指令を出力する。

以下では、一例としてマスター装置１Ｍを電力変換装置１とし、電力変換装置１の構成について説明する。スレーブ装置１Ｓは、通常、マスター装置１Ｍと共通の構成を備えている。また、スレーブ装置１Ｓは省略されても構わない。

本実施形態の電力変換装置は、主回路２と制御回路３と開閉器９とを含む。
主回路２は、分散電源７と、インバータ６と、リアクトルＦＬと、トランスＴＲと、コンデンサＦＣと、を備えている。

分散電源７は、例えば太陽電池、燃料電池、二次電池などの直流電源を少なくとも１つ含み得る。分散電源７は、上記複数種類の直流電源を組み合わせて構成されていてもよい。分散電源７は、例えば、インバータ６へ直流電力を出力するとともに、インバータ６から供給される直流電力により充電され得る。

インバータ６は、直流電力と三相交流電力とを相互に変換可能な三相交流インバータである。インバータ６は、正側の直流端子と負側の直流端子との間に電気的に接続されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のアームを備えている。各相アームは、上側のスイッチング素子と下側のスイッチング素子とを備え、上側スイッチング素子と下側スイッチング素子との間において対応する交流端子と電気的に接続されている。

リアクトルＦＬおよびコンデンサＦＣとは、インバータ６から出力された交流電力からノイズを除くフィルタ回路を構成し、インバータ６の各相交流端子とトランスＴＲとの間に介在している。リアクトルＦＬは、インバータ６の交流端子とトランスＴＲとの間に接続される交流ラインに直列に接続している。

トランスＴＲは、第１コイルと、第２コイルとを備えている。第１コイルと第２コイルとは絶縁されている。第１コイルは、フィルタ回路を介してインバータ６の交流端子と電気的に接続されている。第２コイルは、開閉器９および開閉器８を介して電力系統４と電気的に接続されるとともに、負荷５と電気的に接続されている。トランスＴＲは、インバータ６と電力系統４との間で授受される交流電力の電圧を変圧可能な絶縁変圧器である。

制御回路３は、ハードウエアにより構成されてもよく、ソフトウエアにより構成されてもよく、ハードウエアとソフトウエアとの組み合わせにより構成されてもよい。制御回路３は、例えば、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリと、を備え、以下に説明する種々の機能を実現するよう構成されている。

制御回路３は、インバータ６から出力される交流電力の電流値および電圧値と、電力系統４から出力される交流電力の電圧値（系統電圧値）と、外部から供給される指令値と、に基づいて、インバータ６のスイッチング素子の動作を制御するゲート信号を生成して出力する。

制御回路３は、電圧制御部（AVR）２１と、電流制御部（ACR）２２と、第１周波数演算部２３と、インバータ周波数選択部２６と、インバータ電圧指令値選択部２７と、第１位相演算部３０と、第２周波数演算部２４と、自立運転判定部２９と、第２位相演算部３１と、変調波／ゲート信号生成部３２と、出力周波数パターン演算部２５と、開閉指令生成部２８と、第１電圧検出器１１と、第２電圧検出器１２と、電流検出器１３と、を備えている。

第１電圧検出器１１は、インバータ６から出力される交流電力の電圧Ｖの値を検出する。第１電圧検出器１１にて検出された電圧（インバータ出力電圧）Ｖの値は、電圧制御部２１と第１周波数演算部２３とに供給される。

第２電圧検出器１２は、電力系統４から出力された交流電力の電圧Ｖｇの値を検出する。第２電圧検出器１２にて検出された電圧（系統電圧）Ｖｇの値は、第２周波数演算部２４と、自立運転判定部２９とに供給される。

電流検出器１３は、インバータ６から出力される交流電力の電流Ｉｉｎｖの値を検出する。なお、電流検出器１３は、例えば、インバータ６から出力される三相の交流電力の少なくとも二相について電流Ｉｉｎｖの値を検出する。電流検出器１３にて検出された電流（インバータ電流）Ｉｉｎｖの値は、電流制御部２２へ供給される。

第１周波数演算部２３は、第１電圧検出器１１からインバータの出力電圧Ｖの値を取得し、インバータ６の出力電圧の周波数ｆｉを演算して出力する。第１周波数演算部２３から出力された周波数の値は、電圧制御部２１と、電流制御部２２と、インバータ周波数選択部２６と、に供給される。

第２周波数演算部２４は、第２電圧検出器１２から系統電圧Ｖｇの値を取得し、電力系統４の出力電圧の周波数ｆｇの値を演算して出力する。第２周波数演算部２４から出力される周波数ｆｇの値は、自立運転判定部２９と、第２位相演算部３１とに供給される。

第２位相演算部３１は、第２周波数演算部２４から電力系統の出力電圧の周波数ｆｇの値を取得し、周波数ｆｇの値を積分して位相θｇの値を演算する。第２位相演算部３１から出力される位相θｇの値は、出力周波数パターン演算部２５と、自立運転判定部２９とに供給される。

自立運転判定部２９は、第２電圧検出器１２から系統電圧Ｖｇの値を取得し、第２周波数演算部２４から系統電圧の周波数ｆｇの値を取得し、電力系統４が停電か否かを判断する。自立運転判定部２９は、系統電圧Ｖｇの値および系統周波数ｆｇの値とのそれぞれが所定値の範囲内であるか否かにより、電力系統４が停電か否かを判断することができる。電力系統４が停電であると判断したときに、例えば停電フラグを「１」とし、電力系統４が正常であると判断したときに、例えば停電フラグを「０」とする。

また、自立運転判定部２９は、第２位相演算部３１から系統電圧Ｖｇの位相値θｇを取得し、また後述する第１位相演算部３０からインバータ６の出力電圧Ｖの位相値θを取得し、位相値θｇと位相値θとに基づいて、電力変換装置１の運転モードを自立運転と連系運転とで切り替える制御を行う。例えば、自立運転判定部２９は、系統電圧Ｖｇの位相値θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相値θとの差が所定の閾値よりも小さいときに、自立運転中の電力変換装置１を電力系統４との連系運転へ切り替え可能であると判断し、自立運転フラグを「１」から「０」とする。また、例えば、自立運転判定部２９は、電力系統４が停電であると判断したときに、電力系統４と連系運転中の電力変換装置１を自立運転へ切り替えると判断し、自立運転フラグを「０」から「１」とする。

自立運転判定部２９は、停電フラグと自立運転フラグとを、インバータ周波数選択部２６と、インバータ電圧指令値選択部２７と、開閉指令生成部２８と、出力周波数パターン演算部２５と、に供給する。

開閉指令生成部２８は、自立運転判定部２９から供給される停電フラグと自立フラグとの値に応じて開閉器９への開閉指令を生成して出力する。開閉指令生成部２８は、停電フラグが「１」であるときに、開閉器９を開くように開閉指令を生成し、停電フラグが「０」であって自立運転フラグが「０」であるときに、開閉器９を閉じるように開閉指令を生成する。

電圧制御部２１は、外部から入力される電圧指令値と、インバータ６の出力電圧Ｖの値と、第１周波数演算部２３の出力値と、を受信する。なお、電圧制御部２１は、電力変換装置１の自立運転時に外部から電圧指令値を受信し、インバータ６の電圧指令値を演算することが可能である。

電圧制御部２１は、受信した値を用いて、出力電圧Ｖの値が電圧指令値に追従するように、インバータ６の電圧指令値を演算して出力する。電圧制御部２１は、例えば、出力電圧Ｖの値と電圧指令値との差がゼロとなるように電圧指令値を演算する比例積分（ＰＩ）制御部である。電圧制御部２１から出力された電圧指令値は、インバータ電圧指令値選択部２７に供給される。

電流制御部２２は、外部から入力される電流指令値と、インバータ６の出力電流Ｉｉｎｖの値と、第１周波数演算部２３の出力値と、を受信する。なお、電流制御部２２は、電力変換装置１の連系運転時に外部から電流指令値を受信し、インバータ６の電圧指令値を演算することが可能である。

電流制御部２２は、受信した値を用いて、出力電流Ｉｉｎｖの値が電流指令値に追従するように、インバータ６の電圧指令値を演算して出力する。電流制御部２２は、例えば、出力電流Ｉｉｎｖの値と電流指令値との差がゼロとなるように電圧指令値を演算する比例積分（ＰＩ）制御部である。電流制御部２２から出力された電圧指令値は、インバータ電圧指令値選択部２７に供給される。

インバータ周波数選択部２６は、自立運転判定部２９から供給される停電フラグおよび自立運転フラグの値に基づいて、第１周波数演算部２３の出力値と出力周波数パターン演算部２５の出力値とのいずれかを選択して、インバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として出力する。インバータ周波数選択部２６から出力される周波数ｆの値は、第１位相演算部３０に供給される。

電力変換装置１が電力系統４との連系運転を行っているときには、インバータ周波数選択部２６は、第１周波数演算部２３の出力値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。すなわち、停電フラグが「０」であり自立運転フラグが「０」のとき、インバータ周波数選択部２６は、第１周波数演算部２３の出力値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。

電力変換装置１が自立運転を行っているとき、インバータ周波数選択部２６は、出力周波数パターン演算部２５の出力値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。すなわち、停電フラグが「１」であり自立運転フラグが「１」のとき、インバータ周波数選択部２６は、出力周波数パターン演算部２５の出力値であって、予め設定された定格周波数の値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。

電力変換装置１が自立運転中に電力系統４が復電したとき、すなわち自立運転フラグが「１」であり、停電フラグが「１」から「０」となったときに、後述するように出力周波数パターン演算部２５の出力値は出力周波数パターンに基づいて変化する値となり、インバータ周波数選択部２６からインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として出力される。

第１位相演算部３０は、インバータ周波数選択部２６から供給された周波数ｆの値を積分して、インバータ６の出力電圧の位相θの値を演算する。第１位相演算部３０は、演算した位相θの値を、自立運転判定部２９と、出力周波数パターン演算部２５と、変調波／ゲート信号生成部３２とに供給する。

インバータ電圧指令値選択部２７は、自立運転判定部２９から供給される停電フラグおよび自立運転フラグの値に基づいて、電圧制御部２１の出力値と電流制御部２２の出力値との一方を選択して、インバータ６の電圧指令値として出力する。インバータ電圧指令値選択部２７から出力される電圧指令値は、変調波／ゲート信号生成部３２に供給される。

インバータ電圧指令値選択部２７は、電力変換装置１が電力系統４と連系運転を行っているときには、電流制御部２２の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。すなわち、停電フラグが「０」であり自立運転フラグが「０」であるときに、インバータ電圧指令値選択部２７は、電流制御部２２の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。

インバータ電圧指令値選択部２７は、電力変換装置１が自立運転を行っているときには、電圧制御部２１の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。すなわち、自立運転フラグが「１」であるときに、インバータ電圧指令値選択部２７は、電圧制御部２１の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。

変調波／ゲート信号生成部３２は、第１位相演算部３０から受信したインバータ６の出力電圧の位相θの値と、インバータ電圧指令値選択部２７から受信した電圧指令値とに基づいて変調波を生成する。変調波／ゲート信号生成部３２は、生成した変調波と、キャリア波とを比較して、インバータ６のスイッチング素子のゲート信号を生成し、インバータ６へ出力する。

出力周波数パターン演算部２５は、電力変換装置１を自立運転から電力系統４との連系運転に切り替えるとき（停電フラグが「１」から「０」となったとき）に、系統電圧Ｖｇの周波数と同期するようにインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆのパターンを演算する。

図２は、第１実施形態の電力変換装置において、出力周波数パターン演算部で演算される周波数パターンの一例を概略的に示す図である。
出力周波数パターンは、周波数を予め設定された周波数変化率で変化させる期間Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｃを少なくとも含む。図２に示す例では、出力周波数パターンは、周波数上限値又は周波数下限値の一定値とする期間Ｔ_Ｂを更に含んでいる。ここでは、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θに対して、系統電圧Ｖｇの位相θｇが進んでいるときに、位相θを位相θｇに同期させる出力周波数パターンの例を示している。

なお、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θに対して系統電圧Ｖｇの位相θｇが遅れている場合には、インバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを、予め設定された周波数変化率で所定期間Ｔ_Ａ下降させた後に、必要に応じて周波数下限値の一定値とする期間Ｔ_Ｂを経て、予め設定された周波数変化率で所定期間Ｔ_Ｃ上昇させて、定格周波数に戻す出力周波数パターンが生成される。

以下の説明において、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差をΔθとする。また、定格周波数をＦ［Ｈｚ］、周波数変動上限値をΔＦ_Ｌ［Ｈｚ］、周波数変化率（上昇方向）をΔｆ_Ｕ［Ｈｚ／ｓ］、周波数変化率（下降方向）を−Δｆ_Ｄ［Ｈｚ／ｓ］とする。また、上昇方向の周波数変化率で動作する期間をＴ_Ａ［ｓ］、周波数上限値（又は周波数下限値）の一定値で動作する期間をＴ_Ｂ［ｓ］、下降方向の周波数変化率で動作する期間をＴ_Ｃ［ｓ］とする。

まず、期間Ｔ_Ａにおいて、定格周波数Ｆから周波数上限値Ｆ＋ΔＦ_Ｌまで周波数ｆを変化させるため、期間Ｔ_Ａは式（１）により表すことができる。

また、期間Ｔ_Ａにおける位相変化量Δθ_Ａは、下記式（２）により表すことができる。

同様に、期間Ｔ_Ｃで周波数上限値Ｆ＋ΔＦ_Ｌから定格周波数Ｆに戻るため、期間Ｔ_Ｃと位相変化量Δθ_Ｃとは、下記式（３）、（４）により表すことができる。

期間Ｔ_Ｂにおける位相変化量Δθ_Ｂと期間Ｔ_Ｂとは、下記式（５）、（６）で求められる。

以上の式（１）、（３）、（６）より、それぞれの期間Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｂ、Ｔ_Ｃは一意に決まる。したがって、出力周波数パターン演算部２５は、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを演算し、予め設定された値とΔθとを用いて上記式（１）、（３）、（６）を演算することにより、インバータ６の出力電圧Ｖの出力周波数パターンを決定することができる。

ただし、Δθの値によっては、インバータ６の出力電圧の周波数を周波数上限値まで上昇させることなく、位相θと位相θｇとを同期させることが可能な場合もあり得る。その条件は、式（６）においてＴ_Ｂ≦０となる場合であり、下記式（７）となる。

この場合、ΔθはΔθ_ＡとΔθ_Ｃとの和であって、期間Ｔ_Ａと期間Ｔ_Ｃとにおける周波数の変化量は等しくなるため、下記式（８）、（９）が成り立つ。

上記式（８）、（９）より、期間Ｔ_Ａと期間Ｔ_Ｃとは下記式（１０）、（１１）で表すことができる。

以上の式（１０）、（１１）より、期間Ｔ_Ｂがない場合の期間Ｔ_Ａおよび期間Ｔ_Ｃが一意に決まる。したがってこの場合でも、出力周波数パターン演算部２５は、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを演算し、予め設定された値とΔθとを用いて上記式（１０）、（１１）を演算することにより、インバータ６の出力電圧Ｖの出力周波数パターンを決定することができる。

出力周波数パターン演算部２５は、演算した出力周波数パターンに基づいて変化する周波数の値を、インバータ周波数選択部２６へ供給する。

上記電力変換装置１において、電力系統４が正常であるときには、開閉器８および開閉器９が投入されており、主回路２が電力系統４に連系されている状態である。制御回路３は、電流検出器１３からインバータ６の出力電流Ｉｉｎｖを取得し、外部（上位制御装置）から与えられた電流指令値に追従するように電流制御部２２にて電圧指令値を演算する。このとき、自立運転判定部２９にて設定される停電フラグは「０」であり自立運転フラグは「０」である。

電力系統４で異常が発生した場合には、電力系統に設けられた開閉器８が開放されることで開閉器８より下流は停電状態となり、制御回路３は、自立運転判定部２９において第２電圧検出器１２で検出される系統電圧Ｖｇの周波数ｆｇの値が所定値（正常範囲）を外れたことを検知し、停電フラグが「１」、自立運転フラグが「１」となる。この場合、開閉指令生成部２８から出力される開閉指令により開閉器９が開放される。

電力系統４の停電時には、外部（上位制御装置）から与えられる電圧指令に追従するように電圧制御部２１にて電圧指令値を演算し、インバータ電圧指令値選択部２７の入力値を切り替えるとともに、出力周波数パターン演算部２５の出力値（予め設定された固定の定格周波数の値）を、インバータ６の出力電圧の周波数ｆとする。

電力系統４が復電したときには、第２電圧検出器１２で検出される系統電圧Ｖｇの値および系統電圧Ｖｇの周波数ｆｇの値が所定値（正常範囲）以内となったことにより自立運転判定部２９で復電と判定される。このとき、自立運転判定部２９は、停電フラグを「１」から「０」とする。出力周波数パターン演算部２５は、インバータ６の出力電圧の位相θと系統電圧の位相θｇとの位相差Δθを演算し、上述のようにインバータ出力周波数パターンを演算する。

出力周波数パターン演算部２５は、演算された出力周波数パターンに基づいて、インバータ周波数選択部２６に供給する周波数の値を変化させる。インバータ周波数選択部２６は、出力周波数パターン演算部２５の出力値をインバータ６の周波数ｆとして出力する。このとき、外部から供給される電圧指令値に基づいて、インバータ６の出力電圧Ｖの実効値も、系統電圧Ｖｇの実効値に所定の変化率で合わせておく。または、電圧指令値を系統電圧Ｖｇの実効値に合わせて電力変換装置内で補正して制御しても良い。

インバータ６の出力電圧Ｖの位相θと系統電圧Ｖｇの位相θｇとの位相差が所定値以下となったときに、自立運転判定部２９で連系運転（自立運転フラグ「０」）と判定する。自立運転フラグが「０」となると、開閉指令生成部２８からインバータ６側の開閉器９を投入する指令が出力される。

電力系統４との連系運転が開始されると、電流制御部２２による制御に切り替わり、インバータ電圧指令値選択部２７の入力値が、電流制御部２２の出力値に切り替えられる。ここで、連系運転開始時の電流指令値を零と設定しておくことで、再連系時の過電流を軽減することが可能となる。

なお、電圧制御部２１による制御と電流制御部２２による制御との切り替えは、自立運転フラグの値に応じて行われてもよく、上位制御装置により入力される指令値が切り替わることにより行われてもよい。自立運転フラグの値に応じて電圧制御と電流制御とを切り替える場合には、電圧制御部２１と電流制御部２２とに、自立運転フラグの値が供給され得る。

図３は、第１実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
自立運転判定部２９は、電力系統４の系統電圧Ｖｇの値および周波数ｆｇの値を取得し（ステップＳＡ１）、系統電圧Ｖｇの値と周波数ｆｇの値とが正常範囲(所定の上限値以下であって所定の下限値以上)であるかを判定し（ステップＳＡ２）、電力系統４が正常であるか停電であるかを監視する。

系統電圧Ｖｇの値と周波数ｆｇの値とが正常範囲でないとき、自立運転判定部２９は停電フラグを「１」とする（ステップＳＡ３）。
続いて、自立運転判定部２９は、電力変換装置１が自立運転中であるか否か（自立運転フラグが「０」であるか「１」であるか）を判断し（ステップＳＡ４）、自立運転中であれば自立運転フラグが「１」の状態を継続させ、電力変換装置１の自立運転を継続させる（ステップＳＡ５）。

電力変換装置１が連系運転中であれば、自立運転フラグを「０」から「１」に更新する（ステップＳＡ６）。自立運転フラグが「１」となると、開閉指令生成部２８は、開閉器９を開放する指令により開閉器９を開放させる（ステップＳＡ７）。

ステップＳＡ２において系統電圧Ｖｇの値と周波数ｆｇの値とが正常範囲であるとき、自立運転判定部２９は停電フラグを「０」とする（ステップＳＡ８）。
続いて、自立運転判定部２９は、電力変換装置１が連系運転中であるか否か（自立運転フラグが「０」であるか「１」であるか）を判断し（ステップＳＡ９）、連系運転中であれば自立運転フラグが「０」の状態を継続させ、電力変換装置１の連系運転を継続させる（ステップＳＡ１０）。

電力変換装置１が連系運転中でないとき、自立運転判定部２９は、電圧正常判定の立ち上がりタイミングであるか否かを判定する（ステップＳＡ１１）。電圧正常判定の立ち上がりであるか否かは、例えば、前回の判定フローのステップＳＡ２においても系統電圧Ｖｇの値が正常範囲内であったか（停電フラグが「０」であったか）により判定することができる。自立運転判定部２９は、例えば、前回の判定フローのステップＳＡ２では系統電圧Ｖｇの値が正常範囲ではないと判定され（停電フラグが「１」であり）、今回の判定フローのステップＳＡ２の判定により停電フラグが「１」から「０」となったときに、電圧正常判定の立ち上がりであると判定する。自立運転判定部２９は、例えば、前回の判定フローのステップＳＡ２で系統電圧Ｖｇの値が正常範囲であり（停電フラグが「０」であり）、今回の判定フローのステップＳＡ２でも系統電圧Ｖｇの値が正常範囲であるとき（停電フラグが「０」のままであるとき）に、電圧正常判定の立ち上がりではないと判定する。

電圧正常判定の立ち上がりであると判定されたときに、自立運転判定部２９は、電力系統４の復電立ち上がりを検知する（ステップＳＡ１２）。
停電フラグが「１」から「０」となり、自立運転フラグが「１」であるとき、出力周波数パターン演算部２５は、現在（復電時）の系統電圧Ｖｇの位相θｇと、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを演算し（ステップＳＡ１３）、上述の式（１）、（３）、（６）又は式（１０）、（１１）を用いて、インバータ６の出力電圧Ｖの出力周波数パターンを生成する（ステップＳＡ１４）。

出力周波数パターン演算部２５は、生成した出力周波数パターンに沿って変化する周波数の値をインバータ周波数選択部２６へ供給し、インバータ周波数選択部２６からインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として出力される。したがって、インバータ６の出力電圧は、出力周波数パターン演算部２５にて生成された出力周波数パターンに基づいて、周波数が変化するように制御される。

ステップＳＡ１４の後、若しくは、ステップＳＡ１１にて電圧正常判定の立ち上がりではないと判断されたとき、自立運転判定部２９は、系統電圧Ｖｇの位相θｇと、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθが所定の閾値以下であるか否か判断する（ステップＳＡ１５）。

位相θｇと位相θとの位相差Δθが所定の閾値より大きい場合、自立運転判定部２９は、自立運転フラグが「１」である状態を継続し、電力変換装置１の自立運転を継続させる（ステップＳＡ１６）。この場合、インバータ６の出力電圧は、出力周波数パターン演算部２５にて生成された出力周波数パターンに基づいて、周波数が変化する制御が継続される（ステップＳＡ１７）。

自立運転判定部２９は、位相θｇと位相θとの位相差Δθが所定の閾値よりも大きい間は、出力周波数パターンによる周波数制御を継続し、ステップＳＡ１５において、位相差Δθが所定の閾値以下と判断されたら、自立運転フラグを「１」から「０」に更新する（ステップＳＡ１８）。

自立運転フラグが「１」から「０」になると、開閉指令生成部２８は、自立運転フラグの値に基づいて開閉器９を投入する指令を生成して出力し、開閉器９が投入される（ステップＳＡ１９）。

図４は、第１実施形態の電力変換装置の動作をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
ここでは、電力系統４が復電したタイミングで、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθが１８０°であるときに、出力周波数パターンに沿ってインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させて、系統電圧Ｖｇに同期させるシミュレーション結果の一例を示している。

出力周波数パターン演算部２５にて生成された出力周波数パターンは、期間Ｔ_Ａにおいて周波数を定格周波数から所定の変化率Δｆ_Ｕで変化させ、期間Ｔ_Ｂにおいて周波数上限値とし、期間Ｔ_Ｃにおいて所定の周波数変化率-Δｆ_Ｄで周波数を変化させて、期間Ｔ_Ｃ終了時Ｔ１に定格周波数とするパターンである。この出力周波数パターンに沿って、インバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させたところ、位相差Δθは、期間Ｔ_Ｃの終了時Ｔ２には略ゼロとなり、電力変換装置１は電力系統４と連系運転可能な状態となった。

上記のように、本実施形態の電力変換装置１では、電力系統４が復電する際に一時停止することなく自立運転から連系運転へ切り替えることが可能であって、負荷５に対して連続的に電力を供給することが可能である。すなわち、本実施形態によれば、電力系統との連携を円滑に行い、連続的に負荷へ電力を供給可能な電力変換装置を提供することができる。

次に、第２実施形態の電力変換装置について図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明において上述の第１実施形態と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態の電力変換装置１は、出力周波数パターン演算部２５にて出力周波数パターンを演算する動作が上述の第１の実施形態と異なっている。
例えば、電力系統４が復電した直後は系統電圧Ｖｇが不安定である可能性があるため、出力周波数パターンの期間Ｔ_Ｃが終了したタイミングにおいて、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθが、所定の閾値よりも大きい場合があり得る。

図７は、比較例の電力変換装置のシミュレーション結果の一例を示す図である。
ここでは、電力系統４が復電したタイミングで、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθが１８０°であるときに、出力周波数パターンに沿ってインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させて、系統電圧Ｖｇに同期させるシミュレーション結果の一例を示している。

出力周波数パターン演算部２５にて生成された出力周波数パターンは、上述の第１実施形態と同様に、期間Ｔ_Ａにおいて周波数を定格周波数から所定の変化率Δｆ_Ｕで変化させ、期間Ｔ_Ｂにおいて周波数上限値とし、期間Ｔ_Ｃにおいて所定の周波数変化率-Δｆ_Ｄで周波数を変化させて、期間Ｔ_Ｃ終了時Ｔ１に定格周波数とするパターンである。この出力周波数パターンに沿って、インバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させたところ、位相差Δθは、期間Ｔ_Ｃの終了時Ｔ２に略ゼロとならなかった。この状態で開閉器９が投入されると、過電圧や過電流により電力変換装置１が停止する恐れがある。

そこで、本実施形態の電力変換装置では、期間Ｔ_Ｃが終了したタイミングで、位相差Δθが所定の閾値以下か否かを判断し、位相差Δθが閾値よりも大きいときには現時点のΔθを用いて再度出力周波数パターン（第２出力周波数パターン）を生成し、生成した出力周波数パターンに沿ってインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させてインバータ６の出力電圧Ｖの位相θを系統電圧Ｖｇの位相θｇに同期させる。

図５Ａおよび図５Ｂは、第２実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するためのフローチャートである。
本実施形態では、電力系統４が復電したときに電力変換装置１を自立運転から連系運転に切り替えるときの動作が上述の第１実施形態と異なっている。

図５Ａおよび図５Ｂに示すステップＳＢ１−ＳＢ１５は、上述の第１実施形態における図３のステップＳＡ１−ＳＡ１５と同様である。
ステップＳＢ１４の後、若しくは、ステップＳＢ１１にて電圧正常判定の立ち上がりではないと判断されたとき、自立運転判定部２９は、系統電圧Ｖｇの位相θｇと、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθが所定の閾値以下であるか否か判断する（ステップＳＢ１５）。

自立運転判定部２９は、位相θｇと位相θとの位相差Δθが所定の閾値よりも大きい間は、出力周波数パターンによる周波数制御を継続し、ステップＳＢ１５において、位相差Δθが所定の閾値以下と判断されたら、自立運転フラグを「１」から「０」に更新する（ステップＳＢ１６）。

自立運転フラグが「１」から「０」になると、開閉指令生成部２８は、自立運転フラグの値に基づいて開閉器９を投入する指令を生成して出力し、開閉器９が投入される（ステップＳＢ１７）。

ステップＳＢ１５において、位相θｇと位相θとの位相差Δθが所定の閾値より大きいと判断された場合、自立運転判定部２９は、出力周波数パターンによる周波数制御が完了した（期間Ｔ_Ｃが終了した）か否かを更に判断する（ステップＳＢ１８）。

出力周波数パターンによる周波数制御が完了していない（期間Ｔ_Ｃが終了していない）と判断された場合には、自立運転判定部２９は、自立運転フラグが「１」である状態を継続し、電力変換装置１の自立運転を継続させる（ステップＳＢ２１）。この場合、ステップＳＢ１４において出力周波数パターン演算部２５により生成された出力周波数パターンに基づいて、インバータ６の出力電圧の周波数が変化する制御が継続される（ステップＳＢ２２）。

ステップＳＢ１８において、出力周波数パターンによる周波数制御が完了した（期間Ｔ_Ｃが終了した）と判断された場合、自立運転判定部２９は出力周波数パターン演算部２５に対して出力周波数パターン（第２出力周波数パターン）を生成させる。出力周波数パターン演算部２５は、現在の系統電圧Ｖｇの位相θｇと、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを演算し（ステップＳＢ１９）、上述の式（１）、（３）、（６）又は式（１０）、（１１）を用いて、インバータ６の出力電圧Ｖの出力周波数パターンを生成する（ステップＳＢ２０）。

出力周波数パターン演算部２５は、再度生成した出力周波数パターン（第２出力周波数パターン）に沿って変化する周波数の値をインバータ周波数選択部２６へ供給し、インバータ周波数選択部２６からインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として出力される。したがって、インバータ６の出力電圧は、出力周波数パターン演算部２５にて生成された出力周波数パターンに基づいて、周波数が変化するように制御される。

ステップＳＢ２０の後、自立運転判定部２９は、自立運転フラグが「１」である状態を継続し、電力変換装置１の自立運転を継続させる（ステップＳＢ２１）。この場合、ステップＳＢ２０において出力周波数パターン演算部２５により生成された出力周波数パターンに基づいて、インバータ６の出力電圧の周波数が変化する制御が継続される（ステップＳＢ２２）。

図６は、第２実施形態の電力変換装置の動作をシミュレーションした結果の一例を示す図である。
ここでは、電力系統４が復電したタイミングで、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθが１８０°であるときに、出力周波数パターンに沿ってインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させて、系統電圧Ｖｇに同期させるシミュレーション結果の他の例を示している。

出力周波数パターン演算部２５にて生成された出力周波数パターンは、期間Ｔ_Ａにおいて周波数を定格周波数から所定の変化率Δｆ_Ｕで変化させ、期間Ｔ_Ｂにおいて周波数上限値とし、期間Ｔ_Ｃにおいて所定の周波数変化率-Δｆ_Ｄで周波数を変化させて、期間Ｔ_Ｃ終了時Ｔ１に定格周波数とするパターンである。この出力周波数パターンに沿って、インバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させたところ、位相差Δθは、期間Ｔ_Ｃの終了時Ｔ２には所定の閾値よりも大きい値となった。

この場合、出力周波数パターン演算部２５は、期間Ｔ_Ｃの終了時点における系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを演算し、演算した位相差Δθを用いて出力周波数パターンを生成する。出力周波数パターン演算部２５が２回目に生成した出力周波数パターンは、周波数が上限値となる期間を含まず、期間Ｔ_Ａ´において周波数を定格周波数から所定の変化率Δｆ_Ｕで変化させ、期間Ｔ_Ｃ´において所定の周波数変化率-Δｆ_Ｄで周波数を変化させて、期間Ｔ_Ｃ´終了時Ｔ３に定格周波数とするパターンである。

この２回目に生成された出力周波数パターンに沿って、インバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを変化させたところ、位相差Δθは、期間Ｔ_Ｃ´の終了時Ｔ４には略ゼロとなり、電力変換装置１は電力系統４と連系運転可能な状態となった。

上記のように、本実施形態の電力変換装置１では、電力系統４が復電する際に一時停止することなく自立運転から連系運転へ切り替えることが可能であって、負荷５に対して連続的に電力を供給することが可能である。また、例えば電力系統４が復電後に不安定な状態となった場合であっても、電力系統との連携を円滑に行うことが可能である。すなわち、本実施形態によれば、電力系統との連携を円滑に行い、連続的に負荷へ電力を供給可能な電力変換装置を提供することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…電力変換装置、２…主回路、３…制御回路、４…電力系統、５…負荷、６…インバータ、７…電源、８…開閉器、９…開閉器、１１…電圧検出器、１２…電圧検出器、１３…電流検出器、２３…第１周波数演算部、２４…第２周波数演算部、２５…出力周波数パターン演算部、２６…インバータ周波数選択部、２７…インバータ電圧指令値選択部、２８…開閉指令生成部、２９…自立運転判定部、３０…第１位相演算部、３１…第２位相演算部、３２…変調波／ゲート信号生成部

Claims (4)

1. 電源と、
   前記電源から供給される直流電力と電力系統から供給される交流電力とを相互に変換するインバータと、
   前記インバータの交流端と前記電力系統からの入力端と間に延びた交流ラインの電気的接続状態を切り替える開閉器と、
   前記インバータの出力電圧を検出する第１電圧検出器と、
   前記電力系統の系統電圧を検出する第２電圧検出器と、
   前記インバータと前記開閉器との動作を制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、
   前記電力系統の系統電圧および周波数の値に基づいて、前記電力系統が停電か否かを判断する自立運転判定部と、
   前記電力系統が復電したときに、前記インバータの出力電圧の位相と前記系統電圧の位相との位相差を演算し、前記位相差を用いて前記インバータの出力電圧の周波数を変化させる出力周波数パターンを生成する出力周波数パターン演算部と、を備え、
   前記自立運転判定部により前記電力系統が復電したと判断されたときに、前記出力周波数パターンに沿って前記インバータの出力電圧の周波数が変化するように、前記インバータを制御して前記位相差が閾値以下となった後に前記開閉器を投入させる、電力変換装置。
2. 前記出力周波数パターンは、周波数を予め設定された周波数変化率で変化させる期間を含む、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記出力周波数パターンは、周波数上限値又は周波数下限値の一定値とする期間を更に含む、請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記出力周波数パターンに沿って前記インバータの出力電圧の周波数を制御した後、前記自立運転判定部により前記位相差が所定の閾値よりも大きいと判断されたとき、前記出力周波数パターン演算部は、前記位相差を再度演算し、再度演算された前記位相差を用いて前記インバータの出力電圧の周波数を変化させる第２出力周波数パターンを生成する、請求項１記載の電力変換装置。

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