JP2024022286A - 電力変換装置及び電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】短絡容量比ＳＣＲが小さくなった場合等であっても、電力変換器が保護停止に至ることがなく、安定に用いることができる。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、電力変換器を有し、交流と直流とを相互に電力変換可能な電力変換装置であって、電力変換器の動作指令を与える変換器制御部を備え、変換器制御部は、交流の電圧の振幅成分および位相を演算する交流情報算出部と、電力変換器の電圧およびまたは電流を目標値に制御する電圧・電流制御部と、電圧・電流制御部から得られた少なくとも交流の電圧指令値を電力変換器に与えるゲート信号に変換して出力するゲート信号生成部と、交流情報算出部から得られた交流の電圧の振幅成分に基づき交流の電圧の位相検出誤差を推定し、推定した位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に電圧・電流制御部の制御特性を変更する指令を出力する系統状態推定部と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置及び電力変換システムに関する。

系統連系する電力変換装置では、系統側の配線や負荷等による系統インピーダンスと変換器制御との相互作用で電圧共振が発生し、運転が不安定化して運転継続できない場合がある。

共振様相は、場所毎および時間毎に刻々と変化する未知な系統インピーダンス条件に依存するため、系統状態の変化によって共振周波数が変動する場合がある。このため、特定条件で安定な制御パラメータを適用した場合であっても、系統状態の変化によって系統連系運転が不安定化する虞があった。

特に、連系する系統の短絡容量が低くなる（系統インピーダンスが大きくなる）と、系統連系点の電圧が振動しやすくなり、系統連系点の電圧を基準として電流を制御している電力変換装置の系統同期制御の安定性が低下し、運転継続不能となることがあった。

X. Wang, M. G. Taul, H. Wu, Y. Liao, F. Blaabjerg and L. Harnefors: "Grid-Synchronization Stability of Converter-Based Resources-An Overview," IEEE Open Jour. Ind. Appl., vol. 1, pp. 115-134 (2020-08)

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、例えば、短絡容量比ＳＣＲが小さくなった場合等であっても、電力変換器が保護停止に至ることがなく、安定に用いることが可能な電力変換装置及び電力変換システムを提供することを目的としている。

実施形態の電力変換装置は、電力変換器を有し、交流と直流とを相互に電力変換可能な電力変換装置であって、電力変換器の動作指令を与える変換器制御部を備え、変換器制御部は、交流の電圧の振幅成分および位相を演算する交流情報算出部と、電力変換器の電圧およびまたは電流を目標値に制御する電圧・電流制御部と、電圧・電流制御部から得られた少なくとも交流の電圧指令値を電力変換器に与えるゲート信号に変換して出力するゲート信号生成部と、交流情報算出部から得られた交流の電圧の振幅成分に基づき交流の電圧の位相検出誤差を推定し、推定した位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に電圧・電流制御部の制御特性を変更する指令を出力する系統状態推定部と、を備える。

図１は、第１実施形態に係る電力変換装置の概要構成ブロック図である。 図２は、交流情報算出部の概要構成ブロック図である。 図３は、電圧・電流制御部の概要構成ブロック図である。 図４は、系統状態推定部の概要構成ブロック図である。 図５は、低域通過フィルタの特性と交流情報算出部の特性の関係説明図である。 図６は、電流制御モード部の概要構成ブロック図である。 図７は、電圧制御モード部の概要構成ブロック図である。 図８は、系統短絡容量と位相検出誤差検出の関係のシミュレーション解析例の説明図である。 図９は、第２実施形態に係る電力変換システムの概要構成ブロック図である。

次に図面を参照して、実施形態について詳細に説明する。
［１］第１実施形態
図１は、第１実施形態に係る電力変換装置の概要構成ブロック図である。
電力変換装置１０は、交流系統と直流系統の連系点に設けられ、交流系統が供給する交流電力と、直流系統が供給する直流電力とを相互に変換する。

交流系統及び直流系統は、双方が電源（例えば、交流電源ＡＣＰ及び直流電源ＤＣＰ）である場合の他、一方が電源であれば、他方は負荷であってもよい（例えば、直流電源と、交流負荷の組合せ）。

電力変換装置１０は、電圧センサ１１、遮断器１２、高調波フィルタ１３、連系インダクタ１４、電流センサ１５、変換器制御装置１６及び電力変換器１７を備えている。

電圧センサ１１は、系統連系点Ｐの交流電圧Ｖｓを検出する。
遮断器１２は、電力変換装置１０を外部系統である交流電源ＡＣＰに接続あるいは遮断する。
高調波フィルタ１３は、所定の高調波成分を除去する。高調波フィルタ１３は、系統の高調波基準を満たすように設計され、系統の高調波基準を満たす場合には高調波フィルタ１３を設けなくてもよい。

連系インダクタ１４は、電流センサ１５により検出した交流電流Ｉｓ（各相の交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔに相当）に対して有効なインダクタンスを一括で表した等価連系インピーダンスである。
電流センサ１５は、交流電流Ｉｓを検出して、変換器制御装置１６に出力する。

変換器制御装置１６は、交流情報算出部２１、電圧・電流制御部２２、ゲート信号生成部２３及び系統状態推定部２４を備えている。

交流情報算出部２１は、系統連系点Ｐの交流電圧Ｖｓに基づいて、交流電圧Ｖｓの振幅成分および位相を演算する。
より詳細には、交流情報算出部２１は、系統連系点Ｐの交流電圧Ｖｓのｄ－ｑ回転座標系変換を行い、交流の電圧の振幅成分としての交流系統電圧Ｖｓｄ、Ｖｓｑを出力する。ここで、交流系統電圧Ｖｓｄは、交流系統有効電圧であり、交流系統電圧Ｖｓｑは、交流系統無効電圧である。

さらに交流情報算出部２１は、交流系統電圧Ｖｓｄ、Ｖｓｑの一方の絶対値が零になるように繰り返し演算することで交流の周波数を算出し、交流の周波数の算出値に基づき発振させることで交流系統電圧位相ｔｈｅｔａを生成し出力する。

電圧・電流制御部２２は、電力変換器１７の電圧及び電流のうち少なくとも一方を目標値に制御する。制御演算の結果は、電圧指令値Ｖ^＊として出力する。

また、電圧・電流制御部２２は、交流情報算出部２１から得られた交流の位相である交流系統電圧位相ｔｈｅｔａに基づき交流の電流をフィードバック制御し、位相検出誤差（位相ゆらぎ）の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に交流情報算出部２１において交流の周波数を算出する制御演算の帯域を低減させる。

ゲート信号生成部２３は、電圧・電流制御部２２により得られた少なくとも交流成分を含む電圧指令値Ｖ^＊をゲート信号ｇａｔｅに変換して電力変換器１７に出力する。

系統状態推定部２４は、交流情報算出部２１が出力した交流の電圧の振幅成分である交流系統電圧Ｖｓｄ、Ｖｓｑに基づき、後述する交流の電圧の位相検出誤差を推定し、推定した位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に交流情報算出部２１及び電圧・電流制御部２２の制御特性を変更する指令としての第１制御切替信号ｃｔｒｌ１及び第２制御切替信号ｃｔｒｌ２を出力する。

この場合において、位相検出誤差の所定の閾値は、系統同期制御の不安定化時に制御切替（後述する電流制御モードと電圧制御モードの切替、もしくは系統同期制御の帯域低減）が有効になるように設定される。

電力変換器１７は、交流情報算出部２１で得られた系統連系点電圧Ｖｓを基準に制御されて、電力変換（交流電力→直流電力あるいは、直流電力→交流電力）を行う。

ここで、交流情報算出部２１について詳細に説明する。
図２は、交流情報算出部の概要構成ブロック図である。
交流情報算出部２１は、変換部３１と、ＰＩ演算部３２と、加算部３３と、発振器３４とを備えている。

変換部３１は、電圧検出器によって検出された系統連系点Ｐの交流電圧Ｖｓに対応するＲ相電圧Ｖｓｒ、Ｓ相電圧Ｖｓｓ及びＴ相電圧Ｖｓｔを取得する。
変換部３１は、交流情報算出部２１から得られた交流の位相である交流系統電圧位相ｔｈｅｔａ及び取得したＲ相電圧Ｖｓｒ、Ｓ相電圧Ｖｓｓ、及びＴ相電圧Ｖｓｔを、式（１）を用いて、交流系統有効電圧Ｖｓｄ、及び交流系統無効電圧Ｖｓｑに変換（算出）する。

ＰＩ演算部３２は、変換部３１によって変換された交流系統無効電圧Ｖｓｑに基づいて、電力変換器２０が連系する交流系統電圧の周波数と、基準交流系統周波数ｆｓ０との周波数差（以下、周波数差Δｆｐｌｌ）を算出する。

ここで、周波数差Δｆｐｌｌは、交流系統電圧の周波数が基準交流系統周波数ｆｓ０より高い場合、正の値をとり、基準交流系統周波数ｆｓ０より低い場合、負の値をとる。基準交流系統周波数ｆｓ０は、連系する交流系統（図１では、交流電源ＡＣＰ）の定格周波数であり、例えば、５０［Ｈｚ］、又は６０［Ｈｚ］である。

周波数差Δｆｐｌｌは、ＰＩ演算部３２に入力される交流系統無効電圧Ｖｓｑの算出値が零になるまで、増加、又は減少を続け、実際の交流系統周波数と基準交流系統周波数ｆｓ０との差の値に収束する。

加算部３３は、ＰＩ演算部３２によって算出された周波数差Δｆｐｌｌを、基準交流系統周波数ｆｓ０に加算する。以降の説明において、基準交流系統周波数ｆｓ０に周波数差Δｆｐｌｌを加算した周波数を、交流周波数ｆｐｌｌと記載する。

発振器３４は、加算部３３によって算出された交流周波数ｆｐｌｌの周波数に基づいて、最小値０から最大値２πまでの間を繰り返し単調増加する交流系統電圧位相ｔｈｅｔａを出力する。

なお、上述したように、交流系統電圧位相ｔｈｅｔａは、変換部３１の交流系統有効電圧Ｖｓｄ、及び交流系統無効電圧Ｖｓｑの変換と、交流電流制御とに用いられる。

交流電流制御では、一般的な回転座標上の変数に基づく非干渉電流制御を適用する場合には、電圧・電流値に対する回転座標変換、あるいは逆変換（固定座標変換）等に交流系統電圧位相ｔｈｅｔａが利用される。
上述の処理によって、交流情報算出部１１０は、変換部３１における交流系統無効電圧Ｖｓｑの算出値が零になるように、交流系統電圧位相ｔｈｅｔａの演算を繰り返すことで、交流系統電圧位相ｔｈｅｔａを得る。
さらに、ＰＩ演算部３２の制御ゲインは、系統状態推定部２４から出力された第２制御切替信号ｃｔｒｌ２によって低減されるようにしてもよい。これによって、系統同期制御の帯域が低減し、系統同期制御の応答性は低減するが、安定性を改善できる。

次に、電圧・電流制御部２２について詳細に説明する。
図３は、電圧・電流制御部の概要構成ブロック図である。
電圧・電流制御部２２は、交流の電流をフィードバック制御する電流制御モードと、交流の電流をフィードバック制御せずに交流の電圧に同期して交流側に出力する電圧位相を調整する電圧制御モードとを、切り替え可能とされ、電流制御モード時に位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に、より系統同期制御の安定性が高い電圧制御モードに切り替えられるようになっている。

より詳細には、電圧・電流制御部２２は、交流情報算出部２１が出力した交流系統電圧Ｖｓｄ、Ｖｓｑ及び交流系統電圧位相ｔｈｅｔａ並びに電流センサ１５が検出した交流電流Ｉｓが入力され、電流制御モードで電圧指令値Ｖ^＊を生成して出力する電流制御モード部４１と、交流情報算出部２１が出力した交流系統電圧Ｖｓｄ、Ｖｓｑ及び電流センサ１５が検出した交流電流Ｉｓが入力され、電圧制御モードで電圧指令値Ｖ^＊を生成して出力する電圧制御モード部４２と、第１制御切替信号ｃｔｒｌ１に基づいて電流制御モード部４１が出力した電圧指令値Ｖ^＊あるいは電圧制御モード部４２が出力した電圧指令値Ｖ^＊の何れか一方をゲート信号生成部２３に出力する切替スイッチ４３と、を備えている。

次に系統状態推定部２４について詳細に説明する。
図４は、系統状態推定部の概要構成ブロック図である。
系統状態推定部２４は、交流の電圧の振幅成分に基づく値に交流情報算出部２１の近似特性を乗じることで、交流の電圧の位相検出誤差を推定し第１制御切替信号ｃｔｒｌ１及び第２制御切替信号ｃｔｒｌ２を生成している。

より詳細には、系統状態推定部２４は、交流情報算出部２１が出力した交流系統電圧Ｖｓｑ、すなわち、交流系統無効電圧が入力され、交流系統電圧Ｖｓｑの直流成分を除去して出力する直流除去フィルタ５１と、直流成分が除去された交流系統電圧Ｖｓｑに対し、交流情報算出部２１の特性に近似された低域通過特性を有し、低域成分を通過させて位相検出誤差Δｔｈｅｔａとして出力する低域通過フィルタ５２と、位相検出誤差Δｔｈｅｔａの絶対値を算出して出力する絶対値算出部５３と、位相検出誤差Δｔｈｅｔａの絶対値（＝ａ）を位相検出誤差基準値Δｔｈｅｔａ＿ｔｈ（＝ｂ）と比較して、位相検出誤差Δｔｈｅｔａの絶対値（＝ａ）が位相検出誤差基準値Δｔｈｅｔａ＿ｔｈ（＝ｂ）よりも大きいか否かを比較する比較器５４と、比較器５４の比較結果を保持し、第１制御切替信号ｃｔｒｌ１及び第２制御切替信号ｃｔｒｌ２として出力するホールド部５５と、を備えている。

図５は、低域通過フィルタの特性と交流情報算出部の特性の関係説明図である。

この場合において、低域通過フィルタ５２の近似特性（図５中、実線で示す）は、カットオフ周波数を交流情報算出部２１の特性（図５中、破線で示す）の帯域幅に実質的に等しく、すなわち、低域通過フィルタ５２のカットオフ周波数ｆｃを交流情報算出部２１の帯域幅に相当する周波数に設定し、低域通過フィルタの５２の帯域幅が実効的に交流情報算出部２１の帯域幅となるように設定している。

より詳細には、交流情報算出部２１におけるＰＬＬ演算においては、交流系統無効電圧である交流系統電圧Ｖｓｑが零になるように制御されるが、系統同期制御が不安定化すると交流系統電圧に振動が残る。この振動の成分は、交流情報算出部２１による位相検出の誤差(位相検出誤差)に相関することがわかっている。
すなわち、低域通過フィルタ５２の特性は、図５に示すように、交流情報算出部２１の近似特性になるため，交流系統無効電圧である交流系統電圧Ｖｓｑ(電圧次元)から交流情報算出部２１による位相検出誤差を近似的に逆算できる。

従って、交流系統無効電圧である交流系統電圧Ｖｓｑから高域通過フィルタ等の直流除去フィルタ５１で直流成分を除去し、低域通過フィルタ５２で高周波を除去することで、実効的に位相検出誤差Δｔｈｅｔａが得られるのである。

そして、比較器５４では、位相検出誤差Δｔｈｅｔａの絶対値と、位相揺らぎ基準（設定閾値）Δｔｈｅｔａ＿ｔｈとが比較され，位相検出誤差Δｔｈｅｔａの絶対値が位相揺らぎ基準（設定閾値）Δｔｈｅｔａ＿ｔｈよりも大きい場合は、ホールド部５５により、検知状態を一定時間有効にし，第１制御切替信号ｃｔｒｌ１及び第２制御切替信号ｃｔｒｌ２を出力する。すなわち、Δｔｈｅｔａの絶対値は振動するため，比較器５４の判定が頻繁に変化するので、ホールド部５５は、その頻繁な変化が第１制御切替信号ｃｔｒｌ１及び第２制御切替信号ｃｔｒｌ２に影響しないように状態を固定しているのである。

この場合において、ホールド部５５の値保持期間、すなわち、有効規範は、たとえば、一定時間以上、位相検出誤差Δｔｈｅｔａの絶対値が位相検出誤差基準（設定閾値）Δｔｈｅｔａ＿ｔｈを下回るまで継続させてもよい。

またタイマによって一定時間継続させてもよい。
あるいは、電力系統が別の回線状態に切り替えられるまで、つまり、系統状態が変化することが自明であるときまで継続させてもよい。この場合，有効状態から無効状態に切り替えられ，再び後述する有効／無効の切り替え判定が行われる。

これによって，系統状態が不安定になりにくい条件に変化したときにも，安定化の副作用である制御応答性の低下の継続を防止できる。

以上の説明においては、交流系統電圧Ｖｓｄ、Ｖｓｑのうち、交流系統無効電圧に相当する交流系統電圧Ｖｓｑを用いていたが、これに代えて、交流系統有効電圧に相当する交流系統電圧Ｖｓｄを用いるように構成することも可能である。

次に、電流制御モード部４１の構成について説明する。
図６は、電流制御モード部の概要構成ブロック図である。
電流制御モード部４１は、１／Ｖｓ演算部６１、１／Ｖｓ演算部６２、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６３、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６４、演算部６５、演算部６６、ＰＩ演算部６７、ＰＩ演算部６８、演算部６９、演算部７０、回転座標変換部７１及び固定座標変換部７２を備えている。

次に、電流制御モード部４１の動作を説明する。
電流制御モード部４１の回転座標変換部７１は、交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔを、系統連系点Ｐの電圧から検出された検出位相ｔｈｅｔａに同期した回転座標軸上の交流電流成分Ｉｓｄ、Ｉｓｑに変換する。
そして、回転座標変換部７１は、交流電流成分Ｉｓｄをωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６３及び演算部６５に出力する。
また、回転座標変換部７１は、交流電流成分Ｉｓｑをωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６４及び演算部６６に出力する。

１／Ｖｓ演算部６１は、例えば外部装置によって生成された有効電力指令値ｐ^＊に対して１／Ｖｓ演算を行い、演算結果を演算部６５に出力する。ここで、Ｖｓは、系統電圧定格値（定数）である。
同様に、１／Ｖｓ演算部６２は、例えば外部装置によって生成された無効電力指令値ｑに^＊に対して１／Ｖｓ演算を行い、演算結果を演算部６６に出力する。
この場合において、１／Ｖｓ演算部６１及び１／Ｖｓ演算部６２の出力は、電流に基づく値である。

演算部６５は、１／Ｖｓ演算部６１の出力から、回転座標変換部７１の出力した交流電流成分Ｉｓｄを減算する。
同様に、演算部６６は、１／Ｖｓ演算部６２の出力から、回転座標変換部７１の出力した交流電流成分Ｉｓｑを減算する。

ＰＩ演算部６７は、演算部６５の出力に対して、比例積分演算処理を行う。
同様に、ＰＩ演算部６８は、演算部６６の出力に対して、比例積分演算処理を行う。なお、ＰＩ演算部６７とＰＩ演算部６８の出力は、電圧に基づく値である。

ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６３は、回転座標変換部７１の出力した交流電流成分Ｉｓｄに対して、系統基本波角周波数ωｓと連系インダクタのインダクタンス値Ｌｖｓｃを乗じた値を乗じる。
同様に、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６４は、回転座標変換部７１の出力した交流電流成分Ｉｓｑに対して、系統基本波角周波数ωｓと連系インダクタのインダクタンス値Ｌｖｓｃを乗じた値を乗じる。
この場合において、系統基本波角周波数ωｓは定数である。なお、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６３及びωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６４の出力は、電圧に基づく値である。

演算部６９は、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６４の出力と交流系統有効電圧Ｖｓｄを加算し、ＰＩ演算部６７の出力を減算する。
同様に、演算部７０は、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部６３の出力と交流系統無効電圧Ｖｓｑを加算し、ＰＩ演算部６８の出力を減算する。

固定座標変換部７２は、演算部６９と演算部７０が出力する電圧量を固定座標軸上の変数に変換して、電圧指令値Ｖｒ^＊、Ｖｓ^＊、Ｖｔ^＊を生成し、電圧指令値Ｖ^＊としてゲート信号生成部２３に出力する。

次に、電圧制御モード部４２の構成について説明する。
図７は、電圧制御モード部の概要構成ブロック図である。
電圧制御モード部４２は、電力算出部８１、演算部８２、演算部８３、疑似慣性部８４、垂下特性部８５、演算部８６、演算部８７、演算部８８、発振器８９、ＰＩ制御部９０、演算部９１及び正弦波演算部９２を備えている。
電力算出部８１は、交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔ、交流系統有効電圧Ｖｓｄ、交流系統無効電圧Ｖｓｑに基づいて、電力変換器に流入出する有効電力ｐと無効電力ｑを演算する。
そして、電力算出部８１は、有効電力ｐを演算部８２に出力し、無効電力ｑを演算部８３に出力する。

演算部８２は、有効電力ｐから有効電力指令値ｐ＊を減算して、疑似慣性部８４に出力する。
演算部８３は、無効電力ｑから無効電力指令値ｑ＊を減算して、垂下特性部８５に出力する。

疑似慣性部８４は、演算部８２の出力に基づいて疑似慣性出力Δｆを算出して演算部８６に出力する。疑似慣性部８４は、例えば、同期発電機の特性を模擬した疑似慣性制御を行う。

これにより演算部８６は、疑似慣性出力Δｆに基準交流系統周波数ｆｓ０を加算して発振周波数指令値ｆ＊を発振器８９に出力する。
したがって、有効電力指令値と有効電力との差に疑似慣性特性を乗じた周波数偏差から電圧指令値の発振周波数が演算されることとなる。すなわち、交流系統への同期は有効電力指令値と有効電力との差に基づくこととなり、ゆるやかになる。

発振器８９は、発振周波数指令値ｆ＊に基づいて発振を行い、位相指令値ｔｈｅｔａ＊を正弦波演算部９２に出力する。
一方、垂下特性部８５は、演算部８３の出力に基づいて垂下特性を算出して演算部８７に出力する。

これにより演算部８７は、入力された垂下特性の出力に、交流系統電圧指令値Ｖｓ＊を加算して演算部８８及び演算部９１に出力する。
演算部８８は、演算部８７の出力から交流系統有効電圧Ｖｓｄを減算してＰＩ制御部９０に出力する。

ＰＩ制御部９０は、演算部８８の出力に対して、比例積分演算処理を行う。

演算部９１は、演算部８７の出力及びＰＩ制御部９０の出力を加算して、電圧指令値Ｖ＊を生成し、正弦波演算部９２に出力する。
これらの結果、正弦波演算部９２は、位相指令値ｔｈｅｔａ＊及び電圧指令値Ｖ＊に基づいて、電圧指令値Ｖｒ^＊、Ｖｓ^＊、Ｖｔ^＊を生成し、ゲート信号生成部２３に出力する。

これらの結果、電圧指令値Ｖｒ^＊、Ｖｓ^＊、Ｖｔ^＊の位相は有効電力指令値ｐ＊、有効電力ｐ、及び基準交流系統周波数ｆｓ０から演算され、かつ、電圧指令値Ｖｒ^＊、Ｖｓ^＊、Ｖｔ^＊の振幅は無効電力指令値ｑ^＊、無効電力ｑ、及び交流系統電圧指令値Ｖｓ^＊から演算され、電流制御のフィードバック制御は行わないので、ゆるやかに交流系統に同期する。したがって、系統側のインピーダンスが大きく、系統連系点の電圧が振動しやすい低短絡容量でも安定しやすい。

また、交流電流の制御ではなく、電圧指令値の位相・振幅制御によって有効電力ｐと無効電力ｑを調整することとなるので、同期発電機のような動特性になる。

ここで、具体的な動作例について説明する。
この場合において、有効電力の正極性を系統側から電力変換器側に流入する向きとした場合を考える。

この場合、例えば、有効電力指令値ｐ＊＞有効電力ｐになると疑似慣性出力Δf*は、０より小さくなり、発振器８９の発振周波数ｆ＊が小さくなる。
このため、電圧指令値Ｖｒ＊，Ｖｓ＊，Ｖｔ＊の位相は系統に対して遅れることとなるため、有効電力が電力変換装置に流入することとなる。

次に、無効電力の正極性を電力変換器が容量性運転する向きとした場合を考える。
この場合、例えば、交流系統電圧指令値＞交流系統電圧になるとＰＩ制御によって電圧指令値振幅Ｖ＊が増加し，交流系統電圧を上昇させる効果のある容量性無効電力が出力される。

したがって、無効電力指令値と無効電力の差に垂下特性を乗じた値に基づいて電圧指令値の振幅が調整されることとなる。

ここで、系統短絡容量と位相揺らぎ検出の関係について説明する。
図８は、系統短絡容量と位相検出誤差検出の関係のシミュレーション解析例の説明図である。

図８において、短絡容量比ＳＣＲ＝系統短絡容量／定格変換器容量である。
そして、図８の上部に示すように、短絡容量比ＳＣＲが小さいほど系統インピーダンスが大きくなり、系統連系点Ｐの電圧が振動しやすくなる。
その結果，系統同期制御が不安定化することがわかる。

一方、図８の下部に示すように、位相検出誤差の振幅は短絡容量比ＳＣＲが小さくなると増加する。位相検出誤差の振幅に基づき，短絡容量の変化を検知できる。

そして、短絡容量比ＳＣＲが小さい(ＳＣＲ＝２．５程度)の場合は、図８に示すように、系統同期制御が安定せず、電力変換器が保護停止に至ることがある。

これに対し、本第１実施形態によれば、短絡容量比ＳＣＲが小さくなった場合には、電力指令値への追従性は高いが、安定性が低い、電流制御モードから、追従性は、電流制御モードより低いが、安定性がより高い電圧制御モードに制御モードを切り替えるので、電力変換器が保護停止に至ることがなく、電力変換装置を安定に用いることが可能となる。また、系統同期制御の帯域を低減することで、電流制御モードを継続したとしても追従性は低下するが安定性を改善し、電力変換器が保護停止に至ることがなく、電力変換装置を安定に用いることが可能となる。
電圧制御モードへの切り替えと、系統同期制御の帯域低減を組み合わせ、第一に系統同期制御の帯域低減を実施し、なお不安定状態が継続する場合は第二に電圧制御モードに切り替えるようにしてもよい。

［２］第２実施形態
図９は、第２実施形態に係る電力変換システムの概要構成ブロック図である。
本第２実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態が各電力変換装置１０がそれぞれ変換器制御装置１６を備えていたが、本第２実施形態は、複数の電力変換装置１０－１～１０－ｎ（ｎは、２以上の整数）に対し、交流情報算出部２１Ａ及び系統状態推定部２４Ａを備えた制御装置１０１を一つ設けるととともに、電力変換装置１０－１～１０－ｎのそれぞれに第１実施形態の変換器制御装置の機能の一部の機能を有する変換器制御部１０２を設け、制御装置１０１の制御下で動作を行わせる点である。

従って、電力変換システム１００を構築する場合に、電力変換装置１０－１～１０－ｎの台数が大きく増加するような場合であっても、制御機能の一部を共通化することで、より低コストで電力変換システム１００を構築できるとともに、メンテナンス性も向上させることができる。

上記構成において、第１実施形態と異なる点を中心として説明する。
制御装置１０１は、第１実施形態における変換器制御装置１６の交流情報算出部２１と同様の機能を有する交流情報算出部２１Ａ及び第１実施形態における系統状態推定部２４と同様の機能を有する系統状態推定部２４を備えている。

一方、電力変換装置１０－１～１０－ｎに設けられた、変換器制御部１０２は、第１実施形態における電圧・電流制御部２２及びゲート信号生成部２３の機能を実現する構成となっている。

これらの結果、制御装置１０１は、電力変換システム１００内の少なくとも一箇所の系統電圧から交流系統の短絡容量が小さい状態であることを検知し、電力変換装置１０－１～１０－ｎに制御モードを電流制御モードから電圧制御モードへ変更する制御切替指令を送信することとなる。

したがって、本第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて、電力変換システム１００をより安価に構築できるとともに、電力変換システム１００全体の安定性を容易に向上させることができる。

［３］実施形態の変形例
本実施形態の変換器制御装置あるいは制御装置は、ＣＰＵなどの制御装置と、ＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭなどの記憶装置と、ＨＤＤなどの外部記憶装置と、各種入出力インタフェース及び情報提示用の液晶ディスプレイ装置などの表示装置と、操作ボタンなどの入力装置を備えており、通常のコンピュータを利用したハードウェア構成となっている。

本実施形態の変換器制御装置あるいは制御装置で実行されるプログラムは、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルで、ＵＳＢメモリ、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の半導体メモリ装置、ＤＶＤ（Digital_Versatile_Disk）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録されて提供される。

また、本実施形態の変換器制御装置あるいは制御装置で実行される～プログラムを、インターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成しても良い。また、本実施形態の変換器制御装置あるいは制御装置で実行されるプログラムをインターネット等のネットワーク経由で提供または配布するように構成しても良い。

また、本実施形態の変換器制御装置あるいは制御装置のプログラムを、ＲＯＭ等に予め組み込んで提供するように構成してもよい。

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。

１０ 電力変換装置
１１ 電圧センサ
１２ 遮断器
１３ 高調波フィルタ
１４ 連系インダクタ
１５ 電流センサ
１６ 変換器制御装置
１７ 電力変換器
２０ 電力変換器
２１ 交流情報算出部
２１Ａ 交流情報算出部
２２ 電圧・電流制御部
２３ ゲート信号生成部
２４ 系統状態推定部
２４Ａ 系統状態推定部
３１ 変換部
３２ ＰＩ演算部
３３ 加算部
３４ 発振器
４１ 電流制御モード部
４２ 電圧制御モード部
４３ 切替スイッチ
５１ 直流除去フィルタ
５２ 低域通過フィルタ
５３ 絶対値算出部
５４ 比較器
５５ ホールド部
６１ Ｖｓ演算部
６２ Ｖｓ演算部
６３ Ｌｖｓｃ演算部
６４ Ｌｖｓｃ演算部
６５ 演算部
６６ 演算部
６７ ＰＩ演算部
６８ ＰＩ演算部
６９ 演算部
７０ 演算部
７１ 回転座標変換部
７２ 固定座標変換部
８１ 電力算出部
８２ 演算部
８３ 演算部
８４ 疑似慣性部
８５ 垂下特性部
８６ 演算部
８７ 演算部
８８ 演算部
８９ 発振器
９０ ＰＩ制御部
９１ 演算部
９２ 正弦波演算部
１００ 電力変換システム
１０１ 制御装置
１０２ 変換器制御部
１１０ 交流情報算出部
ＡＣＰ 交流電源
ｃｔｒｌ１ 第１制御切替信号
ｃｔｒｌ２ 第２制御切替信号
ＤＣＰ 直流電源
ｆｃ カットオフ周波数
ｔｈｅｔａ 交流系統電圧位相
ｔｈｅｔａ^＊ 位相指令値
ｔｈｅｔａ 検出位相
Δｔｈｅｔａ＿ｔｈ 位相検出誤差基準値
Δｔｈｅｔａ 位相検出誤差

Claims (12)

1. 電力変換器を有し、交流と直流とを相互に電力変換可能な電力変換装置であって、
   前記電力変換器の動作指令を与える変換器制御部を備え、
   前記変換器制御部は、
   前記交流の電圧の振幅成分および位相を演算する交流情報算出部と、
   前記電力変換器の電圧およびまたは電流を目標値に制御する電圧・電流制御部と、
   前記電圧・電流制御部から得られた少なくとも前記交流の電圧指令値を前記電力変換器に与えるゲート信号に変換して出力するゲート信号生成部と、
   前記交流情報算出部から得られた前記交流の電圧の振幅成分に基づき前記交流の電圧の位相検出誤差を推定し、推定した前記位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に前記電圧・電流制御部の制御特性を変更する指令を出力する系統状態推定部と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記交流情報算出部は、前記交流の電圧を前記交流の位相の検出値に基づき回転座標変換することで前記交流の電圧の振幅成分を取得し、前記交流の電圧の直交する振幅成分の一方の絶対値が零になるように繰り返し演算を行って前記交流の周波数を算出し、前記交流の周波数の算出値に基づき発振させることで前記交流の位相を取得する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電圧・電流制御部は、前記交流情報算出部から得られた前記交流の位相に基づき前記交流の電流をフィードバック制御し、前記位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に前記交流情報算出部において前記交流の周波数を算出する制御演算の帯域を低減させる、
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記電圧・電流制御部は、前記交流の電流をフィードバック制御する電流制御モードと、前記交流の電流をフィードバック制御せずに前記交流の電圧に同期して前記交流側に出力する電圧位相を調整する電圧制御モードとを、切り替え可能とされ、
   前記電流制御モードの時に前記位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に前記電圧制御モードに切り替えられる、
   請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記系統状態推定部は、前記交流の電圧の振幅成分に基づく値に前記交流情報算出部の近似特性を乗じることで、前記交流の電圧の位相検出誤差を推定する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記交流情報算出部の近似特性は、カットオフ周波数を前記交流情報算出部の特性の帯域幅に実質的に等しく設定した低域通過フィルタにより得る、
   請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記交流の電圧の振幅成分は、前記交流の電圧のｄ軸成分またはｑ軸成分の検出値である、
   請求項１に記載の電力変換装置。
8. 前記制御特性の変更は、推定した前記位相検出誤差の振幅があらかじめ定められた一定時間継続して所定の閾値よりも小さい場合に無効とされる、
   請求項１に記載の電力変換装置。
9. 前記制御特性の変更は、有効化されてからあらかじめ定められた一定時間経過後に無効とされる、
   請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記制御特性の変更は、前記交流の系統状態や負荷状態が変化した場合に無効とされる、
    請求項１に記載の電力変換装置。
11. 電力変換器を有し、交流と直流とを相互に電力変換可能な複数の電力変換装置及び前記複数の電力変換装置を制御する制御装置を備えた電力変換システムであって、
    前記電力変換装置は、前記電力変換器の動作指令を与える変換器制御部を備え、
    前記制御装置は、前記交流の系統の少なくとも１つの電圧の振幅成分および位相を演算する交流情報算出部と、前記交流情報算出部から得られた前記交流の電圧の振幅成分に基づき前記交流の電圧の位相検出誤差を推定し、推定した前記位相検出誤差の振幅が所定の閾値よりも大きい場合に前記変換器制御部の制御特性を変更する指令を出力する系統状態推定部を備えた、
    電力変換システム。
12. 前記系統状態推定部は、前記交流情報算出部から得られた複数の前記電圧の振幅成分に基づき複数の前記電圧の位相検出誤差を推定し、推定した複数の前記位相検出誤差の振幅の最大値が所定の閾値よりも大きい場合に少なくとも１台の前記電力変換装置に前記制御特性を変更する指令を出力する、
    請求項１１に記載の電力変換システム。

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