JP3944338B2

JP3944338B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP3944338B2
Application number: JP30349499A
Authority: JP
Inventors: 雅哉一瀬; 基生二見; 茂太上田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-10-26
Filing date: 1999-10-26
Publication date: 2007-07-11
Anticipated expiration: 2019-10-26
Also published as: JP4127308B2; JP2001128366A; JP2007110894A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は系統と連系し電力を吸収または放出する電力変換システムの及びその制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平10−248168号公報に記載の電力変換器の制御装置では、ｎ次の電流源を系統に接続し、自家発電設備の単独運転時の系統インピーダンス変化を検出し、自家発電設備を解列する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来技術では、ｎ次の電流源を設置しているため、連系用の電圧形インバータなどの分散電源を設置する場合、検出用の電流源と制御装置が別に必要となる。
【０００４】
本発明の目的は、電力変換器の単独運転を検出するに好適な電力変換システム及びその制御装置を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明による電力変換システムにおいては、電力変換器と電力系統が連系され、連系部における交流電圧または交流電流が検出される。検出された交流電圧または交流電流から、系統の周波数とは異なる周波数の周波数成分すなわち高調波成分が演算などにより求められる。単独運転のように電力変換器から系統に流入する電力が増えると、周波数成分の振幅が大きくなる。従って、周波数成分に基づいて、電力変換器の単独運転が検出できる。
【０００６】
周波数成分は、電力変換器の出力電圧を制御するための制御装置または制御方法によって演算などにより作成される出力電圧指令に、系統の周波数とは異なる周波数の交流電圧指令を加算することにより得られる。また、周波数成分は、電力変換器が出力する高調波成分でもよい。このような周波数成分により、比較的簡単な制御装置または制御方法によって高精度に単独運転を検出することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下本発明の第１の実施例である電力変換システムについて図１を用いて説明する。
【０００８】
図１において、電力変換器は、連系用トランス３ａに接続される。連系用トランス３ａは遮断器１ａを介して電力系統に接続されている。電力変換器の直流回路部分には２次電池４ａが設置される。電力変換器は、２次電池を用いて、制御装置１１ａにより有効電力Ｐ・無効電力Ｑを連系用トランス３ａを介して電力系統との間で吸収／放出する。
【０００９】
電力変換器の制御装置１１ａは系統に出力する有効電力Ｐ及び無効電力Ｑを電流検出器（電流検出手段)２ｂの出力（交流電流）と電圧検出器（電圧検出手段)５ａの出力（交流電圧）から電力検出器により演算する。こうして得られた有効電力Ｐ，無効電力Ｑは有効電力調整器，無効電力調整器にそれぞれ入力され、有効電力調整器及び無効電力調整器にて、電力Ｐ及びＱを指令値Ｐref，Ｑrefに一致させるように電流指令値Ｉd*，Ｉq*を演算し電流調整器に出力する。
【００１０】
位相検出器は系統電圧の位相に追従した位相信号Ｖcos及びＶsinを出力する。位相信号Ｖcos及びＶsinは座標変換器に入力される。変換器の電流は電流検出器２ａにより検出され、電流検出値Ｉcnv は座標変換器により座標変換され、変換結果である２軸の電流検出値Ｉd，Ｉqを電流調整器に入力する。電流調整器は電力変換器の電流を指令値Ｉd*及びＩq*に一致するように制御する。電流調整器の出力Ｖd*及びＶq*は座標変換器に入力され、座標変換器は電圧指令値Ｖuo*，Ｖvo*，Ｖwo*を加算器１５ａ，１５ｂ，１５ｃに出力する。
【００１１】
検出された連系点（連系部）電圧Ｖacはフィードフォワード（ＦＦ）電圧演算器に入力され、大きさを調整し、フィードフォワード電圧指令値Ｖuf，Ｖvf，Ｖwfを加算器１５ａ，１５ｂ，１５ｃに出力する。
【００１２】
加算器１５ａ，１５ｂ，１５ｃは電圧指令値Ｖuo*，Ｖvo*，Ｖwo* と前記フィードフォワード電圧指令値Ｖuf，Ｖvf，Ｖwfの加算結果である電力変換器の電圧指令値（出力電圧指令）Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*を加算器１５ｄ，１５ｅ，１５ｆに出力する。
【００１３】
ｎ次高調波電圧演算器は、ｎ次の三相電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwn（交流電圧指令）を演算し、加算器１５ｄ，１５ｅ，１５ｆに出力する。
【００１４】
加算器１５ｄ，１５ｅ，１５ｆは電圧指令値Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*とｎ次の三相電圧指令値Ｖun，Ｖvn，Ｖwnの加算結果である電力変換器の電圧指令値Ｖu1，Ｖvl，Ｖw1をＰＷＭ演算器に出力し、ＰＷＭ演算器は電力変換器の電圧指令値Ｖu1，Ｖvl，Ｖw1に基づいたゲートパルスＧＰを電力変換器に出力する。
【００１５】
電力変換器の電圧指令に重畳させるｎ次の周波数成分としては変換器が出力することなく、系統側にも含まれることの少ない次数として例えば偶数次を用いるとより精度が向上する。
【００１６】
また、連系トランスにデルタ巻線を有する場合には３の倍数調波は系統に流出しないので、電圧指令値に重畳させるｎ次成分として３の倍数調波以外を用いる。
【００１７】
また、連系点電圧検出器の出力は、ｎ次高調波検出器１４ａに入力され、ｎ次高調波検出器１４ａにより電圧振幅を演算し、振幅の急変または増減により単独運転を検出し、電力変換装置を系統から切り離すため遮断器１ａを動作させる信号Ｓａを出力する。
【００１８】
図２は、図１におけるｎ次高調波検出器１４ａの構成を詳細に示している。検出された連系点の電圧検出値Ｖacを３相２相変換器に入力し、３相２相変換器は対称座標法により正相分と逆相分の電圧成分をそれぞれ演算しＶａ，Ｖｂを出力する。
【００１９】
電圧成分Ｖａ及びＶｂは基本波演算手段と加算器１５ｇ，１５ｈのそれぞれに入力される。該基本波演算手段は、入力された信号Ｖａ,Ｖｂの基本波成分ＶaＲ，ＶｂＲ（電源周波数成分）をフーリエ変換により検出して加算器に出力する。
加算器１５ｇ，１５ｈは、３相２相変換器の出力Ｖａ及びＶｂから、基本波演算手段の出力ＶａＲ，ＶｂＲを減算した結果であるＶａＳ，ＶｂＳをｎ次高調波成分検出器に出力する。ｎ次高調波成分検出器は、入力された信号Ｖas，Ｖbsにｎ次成分を基準とするフーリエ変換を行い、ｎ次の成分ＶａＮ，ＶｂＮを検出し、振幅演算器に出力する。振幅演算器はＶａＮとＶｂＮの二乗和ルートを演算してｎ次の電圧振幅値Ｖｎをレベル判定器１０ａに出力する。レベル判定器１０ａはｎ次の電圧振幅Ｖｎが所定の値以上になった場合または以下になった場合に単独運転と判定し、システムを系統から切り離し停止させる。
【００２０】
レベル判定器１０ａの設定レベルは運転開始時の値をあらかじめ検出してこれを記憶しておき、これを基準として上下数％に設定する。
【００２１】
また、ＶａＳ，ＶｂＳの二乗和ルートにより求まる全ての高調波電圧の歪みの大きさの値から単独運転を検出しても良い。
【００２２】
図３は、系統の電源Ｖsoと、系統の線路インピーダンスＺ２及び電力変換器システムと連系点までのインピーダンスＺ１及び負荷Ｚ３が接続されている回路を示す。電力変換器システムは単独運転検出のためｎ次電圧Ｖｎを重畳させている。このときのｎ次電圧のみに着目した場合、系統の電源Ｖsoは短絡して考えてよく、システムの連系点の電圧Ｖｎ′は、Ｚ１による電圧降下分低下し、式(数１)で表される。
【００２３】
【数１】

【００２４】
一般に電力系統の容量に比べ、電力変換器と二次電池を有する電力貯蔵システムの容量は小さく、従ってＺ２はＺ１に比べると小さな値になる。また、単独運転が成立するような条件ではＺ３はＺ２にくらべ大きな値となる。従って式（数２）及び式（数３）が成立する。
【００２５】
【数２】
｜Ｚ２｜≪｜Ｚ１｜ …（数２）
【００２６】
【数３】
｜Ｚ３｜≫｜Ｚ２｜ …（数３）
従って、式（数３）より式（数４）を得る。
【００２７】
【数４】

【００２８】
さらに、式（数２）より式（数５）を得る。
【００２９】
【数５】

【００３０】
従って連系点におけるｎ次電圧はほぼ零になる。
【００３１】
次に電力系統が切り離された状態を考えてみると、図３においてスイッチＳＷが開放された状態の回路となり、電力貯蔵システムは負荷に電力を供給し、単独運転状態に陥る。このとき系統のインピーダンスはＺ２が無くなったため、例えばシステム容量と同等の負荷Ｚが接続されていると１００％インピーダンスが接続されたことになり、単独運転前と比べシステムから見たインピーダンスは大きくなる。従って連系点で観測されるｎ次電圧Ｖｎ′は式（数６）により表される。
【００３２】
【数６】

【００３３】
Ｚ１はトランスの漏れ分と、システム内部のインピーダンスの合計で、例えば１５％程度であるとして上式(数６)に代入してＶｎ′を計算してみると、Ｖｎ′＝０.８７Ｖｎとなる。
【００３４】
このように単独運転になった際に連系点のｎ次電圧は大きく変わり、その変化を容易にとらえることができる。
【００３５】
また、単独運転の検出にはｎ次の電流を用いても良い。但し、重畳するｎ次電圧の周波数を電流制御の応答と比較し、応答よりも高い次数を用いれば、ｎ次電流の大きさは電流制御系で抑制されにくく単独運転移行前後の変化が大きく検出精度が向上する。
【００３６】
本実施例では、単独運転の判定にレベル判定を用いて説明してきたが、変化率により単独運転を検出しても良い。
【００３７】
また、本実施例では、常時ｎ次電圧を加算する方式で説明してきたが、時間パターンを用いて例えば１００ｍｓに１回ｎ次電圧を重畳して単独運転を検出しても良い。この場合、複数台の変換器システムに個別にパターンを設定することで誤検出を防止できる。
【００３８】
また、停止中の高調波スペクトルを検出し、検出結果から高調波が小さい次数を自動選択して、運転中に高調波が小さい次数を電圧指令値に加算すると検出精度が向上できる。
【００３９】
また、運転中のｎ次高調波振幅検出値を用いて、電圧指令値に加算するｎ次高調波の振幅値を自動調整することで複数台設置した場合の系統に与える電圧高調波の影響を小さくできる。
【００４０】
本実施例によれば、変換器の出力電圧にｎ次の高調波電圧成分を重畳させ、システムが出力しているｎ次の電圧成分の大きさを検出しているため、系統インピーダンスの変化がｎ次電圧に与える影響を利用して、その変化から単独運転状態を検出でき、システムを安全に停止させることができる。
【００４１】
（実施例２）
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、各図を通して同等の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明は省略することにする。
【００４２】
図４は、本発明による電力変換システムの第２の実施例である。
【００４３】
この実施例では、第１の実施例のｎ次電圧指令値の加算をなくした構成としている。
【００４４】
本実施の形態によれば、第１の実施例と同様のｎ次電圧検出方法により電力変換器が原理的に出力する高調波成分（たとえば５次や７次）を利用して単独運転を検出できるので制御の構成を簡略化できる。
【００４５】
（実施例３）
図５は、本発明による電力変換システムの第３の実施例である。
【００４６】
この実施例では、第２の実施例のｎ次電圧振幅検出器にｎ次電流振幅検出器を加えた構成としている。
【００４７】
図６は、ｎ次電圧・電流振幅検出器１００ａの構成を示している。第１の実施例で説明したｎ次電圧振幅検出器の入力を電流とすることで、ｎ次電流振幅検出が可能となる。ｎ次電流振幅の変化とｎ次の電圧振幅の変化のどちらかが設定値を越えたとき、単独運転を検出し、遮断器開の指令を出力する。また、単独運転の判定には、振幅の変化率を用いてもよい。
【００４８】
また、電流と電圧よりインピーダンスを演算し、演算したインピーダンスの変化より単独運転を判定しても良い。
【００４９】
本実施例によれば、第１または第２の実施例と同等の効果に加え、ｎ次の電流からも単独運転状態を検出できるので、より確実に検出可能となる。
【００５０】
ここでは主に第２の実施例の制御装置及び制御方法に適用した場合について説明したが、他の実施例で説明した制御装置及び制御方法を用いてもよい。
【００５１】
（実施例４）
図７は、第２の実施例の２次電池４ａを用いた電力貯蔵用変換器に、無効電力補償装置（ＳＶＣ）を適用した場合の実施例である。無効電力補償装置の電力変換器の直流部分にはコンデンサ６が設置されており、無効電力補償装置は制御装置１１ｆからの指令により無効電力を系統とやりとりする。
【００５２】
本実施例では、ＳＶＣを含む発電機器の単独運転を防止することが可能になる。
【００５３】
また、図８に示すような、太陽光発電装置も適用できる。太陽光発電装置の、電力変換器の直流部分には太陽電池パネル７が設置されており、制御装置１１ｃからの指令により電力を系統へ放出する。
【００５４】
また、図９に示すような、超電導電力貯蔵装置も適用できる。超電導電力貯蔵装置の、電力変換器の直流部分には超電導コイル８が設置されており、制御装置１１ｄからの指令により電力を系統から吸収あるいは系統へ放出する。
【００５５】
また、図１０に示すような、風力発電装置も適用できる。風力発電装置の出力は、電力変換器により一旦直流に変換され、電力変換器により系統へ電力を供給する。
【００５６】
ここでは主に第２の実施例の制御装置及び制御方法に適用した場合について説明したが、他の実施例で説明した制御装置及び制御方法に用いてもよい。
【００５７】
【発明の効果】
本発明によれば、出力電圧指令に交流電圧指令を加算することによって電力変換器の出力電圧に重畳される周波数成分の大きさを検出している。また、電力変換器が出す高調波成分を検出する。従って、制御装置または制御方法を簡略化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である電力変換システム。
【図２】図１の構成を説明する図。
【図３】第１の実施例の効果を説明する図。
【図４】本発明の第２の実施例を説明する図。
【図５】本発明の第３の実施例を説明する図。
【図６】図５の構成を説明する図。
【図７】本発明の第２の実施例の変形例を説明する図。
【図８】本発明の第２の実施例の変形例を説明する図。
【図９】本発明の第２の実施例の変形例を説明する図。
【図１０】本発明の第２の実施例の変形例を説明する図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ，１ｆ…遮断器、２ａ，２ｂ，２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆ，２ｇ，２ｈ，２ｉ，２ｊ，２ｋ，２ｌ…電流検出器、３ａ，３ｂ，３ｃ，３ｄ，３ｅ，３ｆ…連系用トランス、４ａ，４ｂ…２次電池、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ，５ｆ…電圧検出器、６…コンデンサ、７…太陽電池、８…超伝導コイル、９…風力発電機、１０ａ…レベル判定器、１１ａ,１１ｂ,１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆ…電力変換器制御装置、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ，１４ｅ，１４ｆ，１００ａ…ｎ次電圧検出器、１５ａ，１５ｂ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｅ，１５ｆ，１５ｇ，１５ｈ，１５ｉ，１５ｊ，１５ｋ，１５ｌ，１５ｍ，１５ｎ，１５ｏ，１５ｐ，１５ｑ，１５ｒ，１５ｓ，１５ｔ，１５ｕ，１５ｖ，１５ｗ…加算器、Ｉac…連系点電流検出値、Ｖac…連系点電圧検出値、Ｉcnv…変換器電流検出値、Ｐref…有効電力指令値、Ｑref …無効電力指令値、Ｐ…有効電力、Ｑ…無効電力、Ｉd*…有効分電流指令値、Ｉq*…無効分電流指令値、Ｉｄ…有効分電流検出値、Ｉｑ…無効分電流検出値、Ｖcos，Ｖsin…位相信号、Ｖd*…有効分電流指令値、Ｖq*…無効分電流指令値、Ｖuo*，Ｖvo*,Ｖwo*…電圧指令値、Ｖuf，Ｖvf，Ｖwf…フィードフォワード電圧指令値、Ｖun,Ｖvn,Ｖwn…ｎ次電圧指令値、Ｖu*，Ｖv*，Ｖw*，Ｖu1，Ｖvl，Ｖw1…変換器出力電圧指令値、ＧＰ…ゲートパルス、Ｖdc…直流電圧検出値、Ｖdcref …直流電圧指令値、Ｓａ…遮断器動作信号、Ｖａ…電圧α成分、Ｖｂ…電圧β成分、ＶａＲ…電圧α成分の基本波成分、ＶｂＲ…電圧β成分の基本波成分、ＶａＳ…高調波電圧α成分、ＶｂＳ…高調波電圧β成分、ＶａＮ…ｎ次高調波電圧α成分、ＶｂＮ…ｎ次高調波電圧β成分、Ｖｎ…ｎ次電圧振幅、Ｖso…系統電圧。

Claims

連系用トランスを介して系統と連系される電力変換器と、連系部における交流電圧を検出する電圧検出手段と、
前記電力変換器の出力電圧指令を演算する制御手段とを備える電力変換システムにおいて、
前記電圧検出手段は、前記連系トランスと前記系統の間に配置され、
前記制御手段が、
系統電圧の周波数のｎ倍の周波数（但しｎは３より大きな自然数であって、３の倍数を除く偶数）の交流電圧指令を演算する手段と、
前記出力電圧指令に該交流電圧指令を加算する手段と、
前記電圧検出手段によって検出された前記交流電圧から前記交流電圧の正相分及び逆相分の電圧成分を検出する手段と、
該正相分及び逆相分の電圧成分から前記交流電圧指令の周波数の周波数成分の電圧振幅を演算する手段と、
前記連系部の電圧振幅から前記ｎ倍の周波数の交流電圧を検出して前記電力変換器の単独運転を検出する手段と、を備えることを特徴とする電力変換システム。
請求項１において、前記電力変換器が３相電力変換器であり、前記制御手段が備えている、系統電圧の周波数のｎ倍の周波数を演算する手段が、３相の交流電圧指令を演算することを特徴とする電力変換システム。
請求項１において、前記電力変換器の直流回路部分に２次電池を備えていることを特徴とする電力変換システム。
請求項１において、前記電力変換器の直流回路部に別の電力変換器を介して風力発電装置が接続していることを特徴とする電力変換システム。
請求項１において、前記交流電圧指令の周波数を、間欠時間パターンで加えることを特徴とする電力変換システム。