JP2021168555A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力横流を軽減することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、指令された目標有効電力値Ｐｅと配電系統５に供給された出力有効電力Ｐとの差分に基づき、位相角指令値θｍを算出する位相制御部２０と、位相制御部２０により算出された位相角指令値θｍに基づき、電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出する電圧制御部１０と、電圧制御部１０により算出された電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づき、電力供給源６０から供給された電力を交流電力に変換して配電系統５に出力する電力変換部５２と、を有する。【選択図】 図１

Description

本実施形態は、電力供給源から供給される電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

近年、自立可能なマイクログリッドシステムの導入が進められている。このようなマイクログリッドシステムは、複数台の太陽光発電装置や風力発電装置のような再生可能エネルギー発電装置、または蓄電池を電源としたインバータ電源により構成される。インバータ電源において、太陽光発電、風力発電または蓄電池等から出力された電力が、パワーエレクトロニクス技術を用いたインバータ等の電力変換装置により、交流の電力に変換される。電力変換装置により変換された交流電力が、電力系統に供給される。このようなマイクログリッドシステムにおけるインバータ電源に使用される電力変換装置が知られている。

特開２００７−３１８８３３号公報 特許４８４６４５０号

マイクログリッドシステムは、上位の電力系統に連系される。マイクログリッドシステムは、上位の電力系統からの電力供給が停止した場合においても、自立して需要家に電力供給を行う。

マイクログリッドシステムが自立して電力供給を行う場合、インバータ電源に通常用いられる系統連系制御である定電力型制御を適用して系統周波数、電圧を維持することは困難である。マイクログリッドシステムが自立して電力供給を行う場合、ＶＳＧ（virtual synchronous generator：仮想同期発電機）制御により電力変換装置が制御される場合がある。ＶＳＧ制御は、電力変換装置に同期発電機の動作を模擬させるものであり、通常の同期発電機と同様に系統周波数、電圧が維持される。

しかしながら、マイクログリッドシステムにおける複数の電力変換装置をＶＳＧ制御により制御した場合、電力変換装置相互間で有効電力を振動的に授受する電力横流と呼ばれる事象が発生する場合がある。電力横流は、負荷変動などにより複数の電力変換装置の出力電力を急激に変動させることが必要とされた場合等において、各電力変換装置がそれぞれの目標有効電力値と出力有効電力値の差分に応じて周波数を調整する制御を同時に行うことに起因して発生する。

ＶＳＧ制御は電圧制御、位相制御の２つの制御により構成される。電圧制御は、ＡＶＲ（automatic voltage regulator）を使用し、出力電圧を基準値に一致させる制御である。位相制御は、仮想的な機械角位相を動揺方程式に基づいて算出する制御である。具体的には、目標有効電力値と出力有効電力値の差分を、一次遅れを介して基本角周波数に加算したものを仮想機械角周波数とし、仮想機械角周波数を積分することにより仮想機械角位相が算出される。電圧制御、位相制御の２つの制御により算出された電圧目標値と仮想機械角位相により、出力電力にかかる三相電圧目標値が算出される。

マイクログリッドシステムにおける複数の電力変換装置をＶＳＧ制御により制御する場合、各電力変換装置は、仮想機械角位相を調整することにより出力電力の制御を行う。負荷変動などにより複数の電力変換装置の出力電力を急激に変動させることが必要とされた場合等において、各電力変換装置はそれぞれの仮想機械角周波数を調整することにより、出力される有効電力の制御を行う。

電力変換装置が複数存在する場合、周波数調整における過剰分または不足分は、複数の電力変換装置間で調整される。しかしながら、一次遅れを介しているため、電力変換装置間の調整が安定に至るまでの一定時間の間、振動が生じる。これにより電力横流が発生する。各電力変換装置は、一定時間経過後に同一の周波数で動作し安定する。電力変換装置間における電力横流は、必要な電力変換装置の容量を増大させるとの問題点があった。

本実施形態は、上記の問題点に鑑み、電力横流を軽減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本実施形態の電力変換装置は、次のような構成を有する。
（１）指令された目標有効電力値と配電系統に供給された出力有効電力との差分に基づき、位相角指令値を算出する位相制御部。
（２）前記位相制御部により算出された前記位相角指令値に基づき、電圧指令値を算出する電圧制御部。
（３）前記電圧制御部により算出された前記電圧指令値に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して配電系統に出力する電力変換部。

第１実施形態にかかる電力変換システムの構成を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の構成を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の電圧制御部、位相制御部の構成を示す図 従来技術にかかる電力変換装置の電圧制御部、位相制御部の構成を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の仮想機械角周波数変化分、仮想機械角周波数を示す図 従来技術にかかる電力変換装置の仮想機械角周波数変化分、仮想機械角周波数を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の出力有効電力、仮想機械角周波数を示す図 従来技術にかかる電力変換装置の出力有効電力、仮想機械角周波数を示す図 第２実施形態にかかる電力変換装置の構成を示す図 第２実施形態にかかる電力変換装置の電圧制御部、位相制御部の構成を示す図 第２実施形態にかかる電力変換装置の仮想機械角周波数変化分、仮想機械角周波数を示す図 第２実施形態にかかる電力変換装置の出力有効電力、仮想機械角周波数を示す図 他の実施形態にかかる電力変換装置の電圧制御部、位相制御部の構成を示す図 他の実施形態にかかる電力変換装置の仮想機械角周波数変化分、仮想機械角周波数を示す図 他の実施形態にかかる電力変換装置の出力有効電力、仮想機械角周波数を示す図

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置１および電力変換システム１００について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は、一例であってこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。本実施形態において、同一構成の装置や部材が複数ある場合にはそれらについて同一の番号を付して説明を行う。また、同一構成の個々の装置や部材についてそれぞれを説明する場合に、共通する番号にアルファベット（小文字）の添え字を付けることで区別する。

［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１〜３を参照して本実施形態の一例として、電力変換装置１および電力変換システム１００の構成について説明する。電力変換システム１００は、複数のインバータ電源６、昇圧トランス７、ＥＭＳ（Energy Management System）４により構成される。一例として、電力変換システム１００は、３つのインバータ電源６ａ、６ｂ、６ｃを有する。インバータ電源６ａ、６ｂ、６ｃはそれぞれ昇圧トランス７ａ、７ｂ、７ｃを介し配電系統５に接続される。配電系統５には、負荷９が接続される。

配電系統５は、遮断器３を介して上位系統２に接続される。上位系統２は、火力、水力、原子力などの発電設備により発電された電力を配電系統５に供給する。配電系統５は、負荷９への電力供給を行う。配電系統５を介し上位系統２またはインバータ電源６ａ、６ｂ、６ｃから負荷９ａ、９ｂ、９ｃに対し、電力が供給される。電力変換システム１００は、任意の数量のインバータ電源６ａ〜６ｎにより構成されるものであってもよい。また、配電系統５は、任意の数量の負荷９ａ〜９ｎが接続されるものであってもよい。

インバータ電源６は、後述する電力変換装置１を備える。インバータ電源６ａ、６ｂ、６ｃは、それぞれ電力変換装置１ａ、１ｂ、１ｃを備える。電力変換装置１ａ、１ｂ、１ｃは、通信線８を介しＥＭＳ４に接続される。電力変換装置１ａ、１ｂ、１ｃは、ＥＭＳ４から指令される目標有効電力値Ｐｅに基づいて出力有効電力Ｐの制御を行う。

（インバータ電源６）
図２にインバータ電源６の構成を示す。インバータ電源６は、電力変換装置１、電源６０を備える。インバータ電源６ａ、６ｂ、６ｃは同様の構成を有する。

電源６０は、太陽光発電設備や風力発電設備等の再生可能エネルギー電源により構成される。電源６０は、直流電力を発電し電力変換装置１に供給する。また、電源６０は、蓄電池により構成されるものであってもよい。蓄電池により構成される電源６０は、電力変換装置１により配電系統５の交流電力が直流電力に変換され充電される。蓄電池である電源６０は、直流電力を出力し、電力変換装置１に供給する。

（電力変換装置１）
電力変換装置１は、昇圧トランス７、電源６０に接続される。電力変換装置１は、電源６０から出力された直流電力を交流電力に変換し、昇圧トランス７を介し配電系統５に供給する。電力変換装置１は、電力変換部５２、電圧電流計側部５３、制御部５４、ゲートパルス生成部５５を備える。電力変換装置１は、電力変換部５２と昇圧トランス７の間に連系リアクトルや高調波フィルタを有するものであってもよい。

電力変換部５２は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体スイッチにより構成される。電力変換部５２は、電源６０、昇圧トランス７に接続される。電力変換部５２は、ゲートパルス生成部５５により制御される。電力変換部５２は、電源６０から出力された直流電力を交流電力に変換し、昇圧トランス７を介し配電系統５に供給する。電源６０が蓄電池により構成される場合、電力変換部５２は、配電系統５の交流電力を直流電力に変換し、電源６０に供給する。電力変換部５２により変換された直流電力は、電源６０に蓄電される。

電圧電流計測部５３は、計測用変圧器や計測用変流器等により構成される。電圧電流計測部５３は、電力変換部５２と昇圧トランス７または配電系統５の連系点に配置され、制御部５４に接続される。電圧電流計測部５３は、電力変換装置１と昇圧トランス７または配電系統５の連系点における電圧、電流を計測する。電圧電流計測部５３により、電圧の振幅、周波数、位相が計測され電圧計測値Ｖｓとされ、電流の振幅、周波数、位相が計測され電流計測値Ｉｓとされる。電圧電流計測部５３は、電圧計測値Ｖｓと電流計測値Ｉｓを制御部５４に出力する。

制御部５４は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。制御部５４は、電圧電流計測部５３、ゲートパルス生成部５５に接続される。制御部５４は、電圧電流計測部５３から出力された電圧計測値Ｖｓ、電流計測値Ｉｓに基づき、制御信号を作成しゲートパルス生成部５５に出力する。制御信号は、ゲートパルス生成部５５を制御する信号であり、正弦波状の電圧波形である。制御信号は、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにより構成される。制御信号により電圧振幅、周波数、位相が指令される。制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。

ゲートパルス生成部５５は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。ゲートパルス生成部５５は、制御部５４、電力変換部５２に接続される。ゲートパルス生成部５５は、制御部５４から受信した制御信号にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部５２に出力する。ゲート信号は、電力変換部５２の出力電圧波形を変調する信号であり、例えば電力変換部５２の半導体スイッチのＯｎ／Ｏｆｆを制御するパルス幅変調（ＰＷＭ変調）信号である。電力変換部５２は、ゲートパルス生成部５５に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源６０から出力された直流電力を交流電力に変換し、昇圧トランス７を介し配電系統５に供給する。

（制御部５４の構成）
制御部５４は、電圧制御部１０、位相制御部２０により構成される。

位相制御部２０は、図３（ｂ）に示す制御ブロックにより構成される。位相制御部２０は、減算部２１、一次遅れ系２２、加算部２３、積分器２４、比例制御部２５により構成される。位相制御部２０の減算部２１、一次遅れ系２２、加算部２３、積分器２４は、順に直列に接続される。比例制御部２５は、一次遅れ系２２に並列に接続される。比例制御部２５から出力された制御量が一次遅れ系２２から出力された制御量と、加算部２３において加算される。

位相制御部２０の減算部２１には、目標有効電力値Ｐｅが入力される。目標有効電力値Ｐｅは、ＥＭＳ４から送信される。また減算部２１には、電力変換装置１から出力された電力にかかる出力有効電力Ｐが入力される。出力有効電力Ｐは、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓ、電流計測値Ｉｓ、位相角θｓに基づき、制御部５４において算出される。

加算部２３には、基準角周波数ω０および比例制御部２５から出力された制御量が入力される。基準角周波数ω０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され位相制御部２０に保持されているものであってもよい。

減算部２１により目標有効電力値Ｐｅから出力有効電力Ｐが減算処理される。減算部２１により減算処理された目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づき、一次遅れ系２２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。一方、減算部２１により減算処理された目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づき、比例制御部２５により比例制御にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系２２により算出された制御量、比例制御部２５により算出された制御量、基準角周波数ω０が、加算部２３において加算処理され、積分器３４により位相角指令値θｍに変換される。

電圧制御部１０は、図３（ａ）に示す制御ブロックにより構成される。電圧制御部１０は、減算部１１、一次遅れ系１２、ＰＩ制御部１３、ｄｑ／ａｂｃ変換部１４、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５により構成される。電圧制御部１０の減算部１１、一次遅れ系１２、ＰＩ制御部１３、ｄｑ／ａｂｃ変換部１４は、順に直列に接続される。ａｂｃ／ｄｑ変換部１５は、減算部１１に接続される。電圧制御部１０は、一次遅れ系１２を有しないものであってもよい。

電圧制御部１０のａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓが入力される。電圧計測値Ｖｓは、電圧電流計測部５３により計測され、送信される。また、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、位相角指令値θｍが入力される。位相角指令値θｍは、位相制御部２０により演算される。減算部１１には基準電圧値Ｖ０が入力される。基準電圧値Ｖ０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され電圧制御部１０に保持されているものであってもよい。ｄｑ／ａｂｃ変換部１４には、位相角指令値θｍが入力される。

電圧計測値Ｖｓは、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５によりｄ軸電圧Ｖｓｄに変換される。減算部１１により基準電圧値Ｖ０からｄ軸電圧Ｖｓｄが減算処理される。減算部１１により減算処理された基準電圧値Ｖ０とｄ軸電圧Ｖｓｄとの差分に基づき、一次遅れ系１２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系１２により算出された制御量は、ＰＩ制御部１３によりＰＩ制御され、電圧指令値Ｖｄが算出される。ＰＩ制御部１３により算出された電圧指令値Ｖｄは、ｄｑ／ａｂｃ変換部１４において位相角指令値θｍにより位相を制御され、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換される。

３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、３相を構成する各相の電圧の振幅、周波数、位相を指令する制御信号であり、電圧波形により構成される。３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、ゲートパルス生成部２２を制御する制御信号である。３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、電圧波形により電圧振幅、周波数、位相を指令する。電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにかかる制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。

以上が、電力変換装置１および電力変換システム１００の構成である。

［１−２．作用］
次に、図１〜８に基づき本実施形態の電力変換装置１および電力変換システム１００の動作の概要を説明する。電力変換装置１の制御部５４は、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づく比例制御にかかる制御量に基づき位相制御部２０により位相角指令値θｍの算出を行い、位相角指令値θｍに基づき電圧制御部１０により電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗの算出を行う。電力変換装置１のゲートパルス生成部５５は、制御部５４により算出された電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づき、電力変換部５２の制御を行う。

位相制御部２０の減算部２１には、目標有効電力値Ｐｅが入力される。目標有効電力値Ｐｅは、ＥＭＳ４から送信される。また、減算部２１には、電力変換装置１から出力された電力にかかる出力有効電力Ｐが入力される。出力有効電力Ｐは、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓ、電流計測値Ｉｓ、位相角θｓに基づき、制御部５４において算出される。加算部２３には、基準角周波数ω０が入力される。基準角周波数ω０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され位相制御部２０に保持されているものであってもよい。

減算部２１により目標有効電力値Ｐｅから出力有効電力Ｐが減算処理される。減算部２１により減算処理された目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づき、一次遅れ系２２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。一方、減算部２１により減算処理された目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づき、比例制御部２５により比例制御にかかる制御量が算出される。比例制御にかかる制御量は、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に、比例ゲインＫが乗算され算出される。その後、一次遅れ系２２により算出された制御量、比例制御部２５により算出された制御量、基準角周波数ω０は、加算部２３において加算処理され、積分器２４により積分処理され位相角指令値θｍに変換される。

電圧制御部１０のａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓが入力される。電圧計測値Ｖｓは、電圧電流計測部５３により計測され、送信される。また、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、位相角指令値θｍが入力される。位相角指令値θｍは、位相制御部２０により演算される。減算部１１には基準電圧値Ｖ０が入力される。基準電圧値Ｖ０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され電圧制御部１０に保持されているものであってもよい。ｄｑ／ａｂｃ変換部１４には、位相角指令値θｍが入力される。

電圧計測値Ｖｓは、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５によりｄ軸電圧Ｖｓｄに変換される。減算部１１により基準電圧値Ｖ０からｄ軸電圧Ｖｓｄが減算処理される。減算部１１により減算処理された基準電圧値Ｖ０とｄ軸電圧Ｖｓｄとの差分に基づき、一次遅れ系１２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系１２により算出された制御量は、ＰＩ制御部１３によりＰＩ制御され、電圧指令値Ｖｄが算出される。ＰＩ制御部１３により算出された電圧指令値Ｖｄは、ｄｑ／ａｂｃ変換部１４において位相角指令値θｍにより位相を制御され、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換される。

３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、３相を構成する各相の電圧の振幅、周波数、位相を指令する制御信号であり、電圧波形により構成される。３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、ゲートパルス生成部２２を制御する制御信号である。３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは、電圧波形により電圧振幅、周波数、位相を指令する。電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗにかかる制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。

比例制御部２５により算出される比例制御にかかる制御量にかかる比例ゲインＫは、以下のように算出されたものであることが望ましい。

比例ゲインＫは、インバータ電源６の出力変動ΔＰに対する周波数変動Δｆに基づき算出される。ここでΔＰは、次式により算出される。目標有効電力値をＰｅ、出力有効電力をＰと示す。
ΔＰ＝（Ｐｅ−Ｐ） ・・・・・（式１）
電力変換装置１から出力される電力の出力変動ΔＰにおいて、想定される最大の出力変動値をΔＰｍａｘ、許容される周波数変動の最大値をΔｆｍａｘとする。

仮に、図３（ｂ）において一次遅れ系２２を有さず、比例制御部２５のみにより比例ゲインＫにて制御が行われた場合を想定すると、出力変動ΔＰ、周波数変動Δｆの関係は、次式で表すことができる。
Δｆ＝ＫΔＰ ・・・・・(式２）

ΔＰ＝ΔＰｍａｘであるとき、Δｆ≦Δｆｍａｘとする制御が行われる。したがって比例ゲインＫは、次式であることが望ましい。
Ｋ≦Δｆｍａｘ／ΔＰｍａｘ ・・・・・(式３）

また仮に、図３（ｂ）において比例制御部２５を有さず、一次遅れ系２２のみにより制御が行われた場合を想定すると、出力変動ΔＰ、周波数変動Δｆの関係は、次式で表すことができる。Ｄは、制御係数Ｄである。
Δｆ＝（１／Ｄ）ΔＰ ・・・・・(式４）

次に、図３（ｂ）において比例制御部２５および一次遅れ系２２により制御が行われた場合を想定すると、出力変動ΔＰ、周波数変動Δｆの関係は、次式で表すことができる。
Δｆ＝［（１／Ｄ）＋Ｋ］ΔＰ ・・・・・(式５）

(式５）において、Ｋ≧（１／Ｄ）とした場合、（式４）と比較し周波数変動Δｆが２倍以上となり不都合である。したがってＫ＜（１／Ｄ）であることが望ましい。ΔＰ＝ΔＰｍａｘであるとき、Δｆ≦Δｆｍａｘとする制御が行われるために、比例ゲインＫは、次式であることが望ましい。
Ｋ≦（Δｆｍａｘ／ΔＰｍａｘ）−（１／Ｄ） ・・・・・(式６）

図３に示す位相制御部２０により位相角指令値θｍの算出が行われ、位相角指令値θｍに基づき電圧制御部１０により電圧指令値Ｖｄの算出が行われた場合、電力変換装置１の仮想機械角周波数（角周波数ω）変化分、仮想機械角周波数（角周波数ω）は、図５に示すようになる。電力変換装置１の出力有効電力Ｐ、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図７に示すようになる。

負荷変動により出力有効電力Ｐが変動し、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐの差分は、並列に接続された一次遅れ系２２および比例制御部２５を介して基準角周波数ω０に加算される。すなわち仮想機械角周波数（角周波数ω）の変化分は一次遅れ系２２による制御量と比例制御部２５による制御量の和となっている。仮想機械角周波数（角周波数ω）の変化分は、比例制御部２５を有さない一次遅れ系２２による制御が行われた場合に比較し、比例制御部２５による制御量の分だけ増加している。

負荷変動時に、比例制御部２５による制御量は迅速に変動する。図３に示す比例制御部２５を有する位相制御部２０は、負荷変動時に位相角指令値θｍを迅速に変動させることができる。これにより電力変換装置１から出力された出力有効電力Ｐの振動が抑制され、その結果、電力横流が軽減される。

一次遅れ系２２により算出された制御量、比例制御部２５により算出された制御量、基準周波数ω０は加算部２３において加算処理され、積分器２４により仮想機械角周波数（角周波数ω）として積分され位相角指令値θｍに変換される。

仮に、図４に示す比例制御部２５を有さない位相制御部２０により、一次遅れ系の制御が行われた場合、電力変換装置１の仮想機械角周波数（角周波数ω）変化分、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図６に示すようになる。電力変換装置１の出力有効電力Ｐ、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図８に示すようになる。ｔ＝１（ｓ）において負荷変動が生じた場合、負荷変動により出力有効電力Ｐが変動するため、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐの差分は、一次遅れ系２２を介して基準角周波数ω０に加算される。

比例制御部２５を有していないため図４に示す比例制御部２５を有さない位相制御部２０は、負荷変動時に位相角指令値θｍを迅速に変動させることができない。したがって電力変換装置１から出力された出力有効電力Ｐの振動は抑制されず、その結果、電力横流は軽減されない。

以上が、第１実施形態にかかる電力変換装置１および電力変換システム１００の動作の概要である。

［１−３．効果］
（１）本実施形態によれば、電力変換装置１は、指令された目標有効電力値Ｐｅと配電系統５に供給された出力有効電力Ｐとの差分に基づき、位相角指令値θｍを算出する位相制御部２０と、位相制御部２０により算出された位相角指令値θｍに基づき、電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを算出する電圧制御部１０と、電圧制御部１０により算出された電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに基づき、電力供給源６０から供給された電力を交流電力に変換して配電系統５に出力する電力変換部５２と、を有するので、電力横流を軽減することができる電力変換装置１を提供することができる。

（２）本実施形態によれば、電力変換装置１の位相制御部２０は、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づく比例制御にかかる制御量と、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づく一次遅れ系による制御量とを加算して、位相角指令値θｍを算出するので、負荷変動時に位相角指令値θｍを迅速に変動させることができる。これにより電力変換装置１から出力された電力の振動を抑制することができる。その結果、電力横流が軽減される。

［２．第２実施形態］
［２−１．構成および作用］
第２実施形態にかかる電力変換装置１の一例について図９〜１０を参照して説明する。第１実施形態にかかる電力変換装置１の制御部５４は、位相制御部２０を備えていたが、第２実施形態にかかる電力変換装置１の制御部５４は、位相制御部２０に代替し位相制御部３０を備える。昇圧トランス７と配電系統５との間に、電圧計測装置６１が配置される。電圧計測装置６１は、配電系統５の電圧計測値をインバータ電源６の制御部５４に出力する。その他の構成は、第１実施形態にかかる電力変換装置１と同じである。

第２実施形態にかかる位相制御部３０は、図１０（ｂ）に示す制御ブロックにより構成される。位相制御部３０は、減算部３１、一次遅れ系３２、加算部３３、積分器３４、比例制御部３５、乗算部３６、減算部３７、減算部３８により構成される。位相制御部３０の減算部３１、一次遅れ系３２、加算部３３、積分器３４は、順に直列に接続される。比例制御部３５は、一次遅れ系３２に並列に接続される。比例制御部３５から出力された制御量が一次遅れ系３２から出力された制御量と、加算部３３において加算される。

位相制御部３０の減算部３１には、目標有効電力値Ｐｅが入力される。目標有効電力値Ｐｅは、ＥＭＳ４から送信される。また減算部３１には、電力変換装置１から出力された電力にかかる出力有効電力Ｐが入力される。出力有効電力Ｐは、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓ、電流計測値Ｉｓ、位相角θｓに基づき、制御部５４において算出される。加算部３３には、基準角周波数ω０および比例制御部３５から出力された制御量が入力される。基準角周波数ω０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され位相制御部３０に保持されているものであってもよい。

減算部３１により目標有効電力値Ｐｅから出力有効電力Ｐが減算処理される。減算部３１により減算処理された目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づき、一次遅れ系３２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。比例制御部３５により、後述する比例制御にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系３２により算出された制御量、比例制御部３５により算出された制御量、基準角周波数ω０が、加算部３３において加算処理され、積分器３４により積分処理され位相角指令値θｍに変換される。

乗算部３６は、目標有効電力値Ｐｅと、数値（Ｘ／（Ｖｓｒｍｓ・Ｖｇｒｍｓ））を乗算処理し、目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘを算出する。Ｘは、電力変換装置１が接続された昇圧トランス７のリアクタンスである。リアクタンスＸは、予め設定され位相制御部３０に保持されている。Ｖｓｒｍｓは、電圧計測値Ｖｓの実効値である。Ｖｇｒｍｓは、配電系統５の電圧Ｖｇの実効値である。電圧実効値Ｖｇｒｍｓは、電圧計測装置６１により計測される。

減算部３７は、位相角指令値θｍと系統位相角θｇとの差分である実測位相角差（θｍ―θｇ）を算出し、減算部３８に出力する。位相角指令値θｍは、積分器３４から出力される。系統位相角θｇは、配電系統５の電圧Ｖｇに基づき算出される。

減算部３８は、目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘと実測位相角差（θｍ―θｇ）との差分を算出し比例制御部３５に出力する。目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘと実測位相角差（θｍ―θｇ）との差分に基づき、比例制御部３５により比例制御にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系３２により算出された制御量、比例制御部３５により算出された制御量、基準角周波数ω０は、加算部３３において加算処理され、積分器３４により積分処理され位相角指令値θｍに変換される。

電圧制御部１０は、第１実施形態同様、図１０（ａ）に示す制御ブロックにより構成される。電圧制御部１０のａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓが入力される。電圧計測値Ｖｓは、電圧電流計測部５３により計測され、送信される。また、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、位相角指令値θｍが入力される。位相角指令値θｍは、位相制御部３０により演算される。減算部１１には基準電圧値Ｖ０が入力される。基準電圧値Ｖ０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され電圧制御部１０に保持されているものであってもよい。ｄｑ／ａｂｃ変換部１４には、位相角指令値θｍが入力される。

電圧計測値Ｖｓは、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５によりｄ軸電圧Ｖｓｄに変換される。減算部１１により基準電圧値Ｖ０からｄ軸電圧Ｖｓｄが減算処理される。減算部１１により減算処理された基準電圧値Ｖ０とｄ軸電圧Ｖｓｄとの差分に基づき、一次遅れ系１２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系１２により算出された制御量は、ＰＩ制御部１３によりＰＩ制御され、電圧指令値Ｖｄが算出される。ＰＩ制御部１３により算出された電圧指令値Ｖｄは、ｄｑ／ａｂｃ変換部１４において位相角指令値θｍにより位相を制御され、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換される。

比例制御部３５により算出される、比例制御にかかる制御量にかかる比例ゲインＫは、以下のように算出されたものであることが望ましい。

出力変動ΔＰ、周波数変動Δｆの関係は、次式で表すことができる。ここで、電力変換装置１を仮想発電機とした場合の位相角をθｍ、配電系統５全体の位相角をθｇ、電力変換装置１が接続された昇圧トランス７およびＰＣＳリアクトルのリアクタンスの和をリアクタンスＸ、ＰＣＳ出力端電圧であるインバータ電源６の電圧実効値をＶｓｒｍｓ、系統連系点電圧である配電系統５の電圧実効値をＶｇｒｍｓとする。

・・・・・(式７）

(式７）において、Ｋ≧（ＶｓｒｍｓＶｇｒｍｓ）／ＸＤとした場合、（式４）と比較し周波数変動Δｆが２倍以上となり不都合である。したがってＫ＜（ＶｓｒｍｓＶｇｒｍｓ）／ＸＤであることが望ましい。ΔＰ＝ΔＰｍａｘであるとき、Δｆ≦Δｆｍａｘとする制御が行われるために、比例ゲインＫは、次式であることが望ましい。

・・・・・(式８）

図１０（ｂ）に示す位相制御部３０により位相角指令値θｍの算出が行われ、位相角指令値θｍに基づき電圧制御部１０により電圧指令値Ｖｄの算出が行われた場合、電力変換装置１の仮想機械角周波数（角周波数ω）変化分、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図１１に示すようになる。電力変換装置１の出力有効電力Ｐ、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図１２に示すようになる。

負荷変動により出力有効電力Ｐが変動し、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐの差分は、一次遅れ系３２を介して基準角周波数ω０に加算される。一方、仮想機械角と系統連系点の目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘと実測位相角差（θｍ―θｇ）の差分が、比例ゲインＫを有する比例制御部３５における比例制御により制御量に変換され、基準角周波数ω０に加算される。

目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘは、収束値を予測したものである。目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘは、目標有効電力値Ｐｅ、ＰＣＳリアクトルおよび昇圧トランス７のリアクタンスの和であるリアクタンスＸ、電圧計測値Ｖｓの電圧実効値Ｖｓｒｍｓ、配電系統５の電圧Ｖｇの電圧実効値Ｖｇｒｍｓより算出される。

仮想機械角周波数（角周波数ω）の変化分は一次遅れ系３２による制御量と比例制御部３５による制御量の和となっている。仮想機械角周波数（角周波数ω）の変化分は、比例制御部３５を有さない一次遅れ系３２による制御が行われた場合に比較し、比例制御部３５による制御量の分だけ増加している。

負荷変動時に、比例制御部３５による制御量は迅速に変動する。図１０（ｂ）に示す比例制御部３５を有する位相制御部３０は、負荷変動時に位相角指令値θｍを迅速に変動させることができる。これにより電力変換装置１から出力された出力有効電力Ｐの振動が抑制され、その結果、電力横流が軽減される。

一次遅れ系３２により算出された制御量、比例制御部３５により算出された制御量、基準周波数ω０は、加算部３３において加算処理され、積分器３４により仮想機械角周波数（角周波数ω）として積分され位相角指令値θｍに変換される。

以上が、第２実施形態にかかる電力変換装置１および電力変換システム１００の構成および動作の概要である。

［２−２．効果］
（１）本実施形態によれば、電力変換装置１の位相制御部３０は、目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘと実測位相角差（θｍ―θｇ）の差分に基づく比例制御にかかる制御量と、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づく一次遅れ系による制御量とを加算して、位相角指令値θｍを算出するので、負荷変動時に位相角指令値θｍを迅速に変動させることができる。これにより電力変換装置１から出力された電力の振動を抑制することができる。その結果、電力横流が軽減される。

（２）本実施形態によれば、目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘは、目標有効電力値Ｐｅ、配電系統５までのリアクタンスＸ、出力された電圧実効値Ｖｓｒｍｓ、Ｖｇｒｍｓに基づき位相制御部３０により算出されるので、計測された電圧計測値Ｖｓ、配電系統５の電圧Ｖｇに基づく電圧計測値の電圧実効値Ｖｓｒｍｓ、Ｖｇｒｍｓが指示されることにより、目標位相角差（θｍ―θｇ）ｘが算出され、配電系統５の状況に応じ効率よく電力横流を軽減することができる。

［３．他の実施形態］
変形例を含めた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って、発明の範囲を限定することを意図していない。これら実施形態は、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、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、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ものである。以下は、その一例である。

（１）上記第１実施形態では、電力変換装置１の制御部５４は、図３に示す構成を有するものとしたが、電力変換装置１の制御部５４は、図１３に示す構成を有するものであってもよい。つまり、位相制御部２０は、図１３（ｂ）に示す制御ブロックにより構成されるようにしてもよい。第１実施形態にかかる位相制御部２０は、減算部２１、一次遅れ系２２、加算部２３、積分器２４、比例制御部２５により構成されるものとした。しかしながら、位相制御部２０は、一次遅れ系２２を有さず、減算部２１、比例制御部２５、加算部２３、積分器２４により構成されるものであってもよい。

位相制御部２０の減算部２１には、目標有効電力値Ｐｅが入力される。目標有効電力値Ｐｅは、ＥＭＳ４から送信される。また、減算部２１には、電力変換装置１から出力された電力にかかる出力有効電力Ｐが入力される。出力有効電力Ｐは、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓ、電流計測値Ｉｓ、位相角θｓに基づき、制御部５４において算出される。加算部２３には、基準角周波数ω０が入力される。基準角周波数ω０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され位相制御部２０に保持されているものであってもよい。

減算部２１により目標有効電力値Ｐｅから出力有効電力Ｐが減算処理される。減算部２１により減算処理された目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づき、比例制御部２５により比例制御にかかる制御量が算出される。比例制御にかかる制御量は、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に、比例ゲインＫが乗算され算出される。その後、比例制御部２５により算出された制御量、基準角周波数ω０は、加算部２３において加算処理され、積分器２４により積分処理され位相角指令値θｍに変換される。

電圧制御部１０のａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、電圧電流計測部５３により計測された電圧計測値Ｖｓが入力される。電圧計測値Ｖｓは、電圧電流計測部５３により計測され、送信される。また、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５には、位相角指令値θｍが入力される。位相角指令値θｍは、位相制御部２０により演算される。減算部１１には基準電圧値Ｖ０が入力される。基準電圧値Ｖ０は、ＥＭＳ４から送信されるものであってもよいし、予め設定され電圧制御部１０に保持されているものであってもよい。ｄｑ／ａｂｃ変換部１４には、位相角指令値θｍが入力される。

電圧計測値Ｖｓは、ａｂｃ／ｄｑ変換部１５によりｄ軸電圧Ｖｓｄに変換される。減算部１１により基準電圧値Ｖ０からｄ軸電圧Ｖｓｄが減算処理される。減算部１１により減算処理された基準電圧値Ｖ０とｄ軸電圧Ｖｓｄとの差分に基づき、一次遅れ系１２により一次遅れ処理にかかる制御量が算出される。その後、一次遅れ系１２により算出された制御量は、ＰＩ制御部１３によりＰＩ制御され、電圧指令値Ｖｄが算出される。ＰＩ制御部１３により算出された電圧指令値Ｖｄは、ｄｑ／ａｂｃ変換部１４において位相角指令値θｍにより位相を制御され、３相の電圧指令値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗに変換される。

電力変換装置１の仮想機械角周波数（角周波数ω）変化分、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図１４に示すようになる。電力変換装置１の出力有効電力Ｐ、仮想機械角周波数（角周波数ω）は図１５に示すようになる。

このように構成することにより、電力変換装置１の位相制御部２０は、目標有効電力値Ｐｅと出力有効電力Ｐとの差分に基づく比例制御にかかる制御量に基づき、位相角指令値θｍを算出するので、負荷変動時に位相角指令値θｍを迅速に変動させることができる。これにより電力変換装置１から出力された電力の振動を抑制することができる。その結果、電力横流が軽減される。また、このように構成することにより位相制御部２０は一次遅れ系２２を有さず、部品点数または制御ブロック数を削減することができる。これにより、単純な構成を有する電力変換装置１を提供することができる。

（２）上記実施形態では、電力変換システム１００は、配電系統５に３つのインバータ電源６が接続されるものとしたが、配電系統５に接続されるインバータ電源６の数量はこれに限られない。配電系統５に接続されるインバータ電源６の数量は、２つ、または４つ以上でもよい。また配電系統５に、火力、水力、原子力などの発電設備が接続されるようにしてもよい。

（３）上記実施形態では、インバータ電源６の電源６０は、太陽光発電設備や風力発電設備等の再生可能エネルギー電源により構成されるものとしたが、電源６０はこれに限られない。電源６０は、燃料電池や地熱発電により発電を行う装置等であってもよい。

１・・・電力変換装置
２・・・上位系統
３・・・遮断器
４・・・ＥＭＳ
５・・・配電系統
６、６ａ、６ｂ、６ｃ・・・インバータ電源
７、７ａ、７ｂ、７ｃ・・・昇圧トランス
８・・・通信線
９、９ａ、９ｂ、９ｃ・・・負荷
１０・・・電圧制御部
１１、２１、３１、３７、３８・・・減算部
１２、２２、３２・・・一次遅れ系
１３・・・ＰＩ制御部
１４・・・ｄｑ／ａｂｃ変換部
１５・・・ａｂｃ／ｄｑ変換部
２０・・・位相制御部
２３、３３・・・加算部
２４、３４・・・積分器
２５、３５・・・比例制御部
３０・・・位相制御部
３６・・・乗算部
５２・・・電力変換部
５３・・・電圧電流計側部
５４・・・制御部
５５・・・ゲートパルス生成部
６０・・・電源
６１・・・電圧計測装置
１００・・・電力変換システム

Claims (5)

1. 指令された目標有効電力値と配電系統に供給された出力有効電力との差分に基づき、位相角指令値を算出する位相制御部と、
   前記位相制御部により算出された前記位相角指令値に基づき、電圧指令値を算出する電圧制御部と、
   前記電圧制御部により算出された前記電圧指令値に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して配電系統に出力する電力変換部と、
   を有する、
   電力変換装置。
2. 前記位相制御部は、前記目標有効電力値と前記出力有効電力との差分に基づく比例制御にかかる制御量と、前記目標有効電力値と前記出力有効電力との差分に基づく一次遅れ系による制御量とを加算して、前記位相角指令値を算出する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記位相制御部は、目標位相角差と実測位相角差の差分に基づく比例制御にかかる制御量と、前記目標有効電力値と前記出力有効電力との差分に基づく一次遅れ系による制御量とを加算して、前記位相角指令値を算出する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記目標位相角差は、目標有効電力値、前記配電系統までのリアクタンス、出力された電圧実効値に基づき算出される、
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記位相制御部は、目標位相角差と実測位相角差の差分に基づく比例制御にかかる制御量に基づき、前記位相角指令値を算出する、
   請求項１に記載の電力変換装置。

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