JP5335196B2

JP5335196B2 - 分散型電源用のインバータ連系装置の制御方法及びその制御装置

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Publication number: JP5335196B2
Application number: JP2007063525A
Authority: JP
Inventors: 慎太郎駒見; 智之上田
Original assignee: Hokuriku Electric Power Co
Current assignee: Hokuriku Electric Power Co
Priority date: 2007-03-13
Filing date: 2007-03-13
Publication date: 2013-11-06
Anticipated expiration: 2027-03-13
Also published as: JP2008228454A

Description

本発明は、分散型電源と電力系統を連系するインバータ連系装置の制御方法、およびその制御装置に関する。

近年、太陽光発電装置、風力発電装置、電力貯蔵用のＮＡＳ電池装置のような直流電源の分散型電源が徐々に普及し始めている。これらは、電力系統側の三相交流電源に対して、インバータ連系装置を介して接続される場合が多く、インバータ連系装置の制御技術は、分散型電源の出力制御を行なう上で重要な技術となってきている。

インバータ連系装置の制御方法には交流側の端子電圧を一定とするＡＶＲ制御、電流を一定とするＡＣＲ制御もあるが、一般的には力率を一定とするＡＰＦＲ制御が行なわれている。これは、分散型電源に無効電力制御を期待しない、若しくは分散型電源が無効電力制御を行なうと電力系統側での電圧管理が難しくなると予想されるからである。

インバータ連系装置を介して電力系統に連系する分散型電源が大量に導入されると、瞬時電圧低下（以下、瞬低とも称する。）により、交流過電流継電器等の保護継電器（インバータ連系装置内又はインバータ連系装置と電力系統との間に配備される）が作動し分散型電源が一斉に停止又は解列した場合に、大規模停電が発生する危険性が指摘されている。

ところで、分散型電源が大量に導入された系統において、瞬低が発生しても連系を維持し分散型電源が停止しない場合でも、需要端での電圧を維持できずに過渡不安定現象が発生する例が報告されている（非特許文献１）。これは瞬低によって分散型電源の運転（出力）を一旦停止し、事故除去後（系統電圧回復後）、瞬時に運転を再開する場合も同様である。この場合、インバータ連系装置が下記（１）式のような無効電力制御を行なえば、系統の電圧は維持される旨が報告されている。ここでW：分散型電源の容量、V：端子電圧である。

上田智之、駒見慎太郎"分散型電源大量導入時における動的負荷を考慮した過渡安定度"電気学会論文誌、電力・エネルギー部門誌ｐ９６９−９７６、Vol.126、No10、2006。

そこで本発明者は無効電力制御をインバータ連系装置で行なうことを考えた。ここで問題となるのが、過電流発生によるインバータ連系装置の停止である。つまり、インバータ連系装置で無効電力を制御すると、過電流が発生するために保護継電器が開いて、インバータ連系装置が停止してしまう可能性がある。

そこで本発明者は、過電流を抑制するために、有効電力を抑制することを思いついた。ここで次に問題となるのが、インバータ連系装置による無効電力制御が長期間（数十秒以上）継続すると、前述したように電力系統側での電圧管理が難しくなるので、望ましくないことである。

なお、インバータ連系装置に関する先行技術文献情報として、次のものを例示しておく（特許文献１）。
特開２０００−２８７４５７号公報

本発明は上記実情を考慮してなされたもので、その第一の目的は、瞬低により系統電圧が定常電圧より低下した場合（瞬低回復後に系統電圧が定常電圧に上昇する場合を含む）に、無効電力制御をインバータ連系装置が行なうことによる発生する過電流を抑制することである。また、第二の目的は、第一の目的を達成した上で、インバータ連系装置による無効電力制御が長期間継続することを防止することである。

請求項１〜３の発明は、分散型電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力するインバータ連系装置の制御方法を前提とする。

そして、請求項１の発明は、電力系統側の電圧が瞬時電圧低下から定常電圧に復帰する過程の場合に、系統電圧実効値に応じて有効電力を抑制し遅れの無効電力を出力し、瞬時電圧低下後に電力系統側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合、有効電力を維持しつつ系統電圧実効値に応じて進みの無効電力を出力することで、保護継電器が許容する過電流範囲内で電圧を維持し、無効電力の出力を瞬時電圧低下時から数十秒後には停止するように系統電圧実効値に応じた値よりも徐々に小さくし、その後は力率一定に制御することを特徴とする。
「瞬時電圧低下後に電力系統側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合」とは、瞬時電圧低下によって、一部の負荷が脱落する（例えば、パソコンやエアコンなどが停止する）影響により、電圧が上昇する場合のことをいう。

上述した有効電力、無効電力の出力の仕方の一例としては、請求項２の発明のように、定常状態の系統電圧を基準値１p.u.とし、有効電力は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において、無出力、右肩上がりの出力が順次連続するものとし、系統電圧が１p.u.を超える範囲においては系統電圧が１p.u.の場合の出力を維持し、無効電力は、系統電圧が０〜１の範囲内において遅れの出力として、無出力、右肩上がり、維持、右肩下がりを順次連続して配備し、系統電圧が１p.u.を超える範囲において進みの出力として、右肩下がり、維持を連続して配備してあるものが挙げられる。

請求項３、４の発明は、分散型電源の直流電力を交流電力に変換して電力系統へ出力するために、電力系統の電圧の位相を検出する位相計測部と、分散型電源から電力系統へ出力する有効電力と無効電力の目標値に対する補正量を算出する有効・無効電力制御部と、位相計測部と有効・無効電力制御部からの出力信号と電力系統の電圧・電流信号に基づいてＰＷＭ制御のインバータ本体の制御量を調整する制御量調整部と、制御量調整部からの出力信号に基づいてＰＷＭインバータ本体にＰＷＭパルスを送るＰＷＭ生成部と、を備えるインバータ連系装置の制御装置を前提とする。

請求項３の発明は、有効・無効電力制御部は、電力系統側の電圧が瞬時電圧低下から定常電圧に復帰する過程の場合に、系統電圧実効値に応じて有効電力を抑制し遅れの無効電力を出力するという目標値ための補正量を算出し、瞬時電圧低下後に電力系統側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合に、有効電力を維持しつつ系統電圧実効値に応じて進みの無効電力を出力するという目標値のための補正量を算出するものであり、有効・無効電力制御部からの出力信号に基づいて力率一定の制御をするための補正量を制御量調整部に出力する力率一定制御部を設け、力率一定制御部から出力される補正量は、有効・無効電力制御部から出力される無効電力の補正量を、瞬時電圧低下時から数十秒後には打ち消すように系統電圧実効値に応じた値よりも徐々に小さくしてあることを特徴とする。

上述した有効・無効電力制御部の一例としては、請求項４の発明のように、有効・無効電力制御部は、定常状態の系統電圧を基準値１p.u.とし、有効電力の目標値は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において、無出力、右肩上がりの出力が順次連続するものとし、系統電圧が１p.u.を超える範囲においては系統電圧が１p.u.の場合の出力を維持するもので、無効電力の目標値は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において進みの出力として、無出力、右肩上がり、維持、右肩下がりを順次連続して配備し、系統電圧が１p.u.を超える範囲において遅れの出力として、右肩下がり、維持を連続して配備してあるもが挙げられる。

本発明は、電力系統側の電圧が瞬時電圧低下から定常電圧に復帰する過程の場合に、系統電圧実効値に応じて有効電力を抑制し進みの無効電力を出力するので、系統電圧が迅速に回復し、また、瞬時電圧低下後に電力系統側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合、有効電力を維持しつつ系統電圧実効値に応じて遅れの無効電力を出力することで、保護継電器が許容する過電流範囲内で電圧を維持するので、分散型電源が解列することによる、停電を防止できる。

また、本発明は、無効電力の制御が瞬低から数十秒後には停止し、その後は力率一定制御になるので、インバータ連系装置の無効電力制御が長期間（数十秒以上）継続することによる、電力系統側での電圧管理の困難性を回避でき、電力系統側での電圧管理が容易となる。また、無効電力の制御を徐々に弱くしているので、力率一定制御への移行もスムースとなる。

図１に示すように電力系統１に保護継電器２、検出器３、インバータ連系装置４を介して直流型の分散型電源５を接続する。

保護継電器２は、電力系統１で瞬低が発生し系統電圧が殆ど０となった場合に、接続を解列し、系統電圧が復帰した場合に解列を解除して接続する。

検出器３は、電力系統１の位相を、電圧、電流に基づいて検出するもので、インバータ連系装置４に検出情報を送る。具体的には、ＰＴ，ＣＴ，ＶＴを用いる。

インバータ連系装置４は、ＰＷＭ制御型インバータであって、ＧＴＯ，ＩＧＢＴ等の自己消弧形半導体素子を用いたインバータ本体６と、インバータ本体６に制御信号を送る制御装置７とからなる。インバータ本体６は、制御装置７からの制御信号に基づいて分散型電源５の直流電力を交流電力に変換して電力系統１に供給している。

制御装置７は、定常状態の場合は力率一定の制御を実行する。また、瞬低によって保護継電器２が解列し系統電圧が復帰して解列が解除されて接続された場合や、瞬低によって保護継電器２が解列せずに系統電圧が復帰する場合には、２通りの制御を実行し、電力系統１側の電圧偏差が数十秒間の範囲内に亘って継続する場合には、有効・無効電力制御を実行し、電力系統１側の電圧偏差が数十秒間の範囲外に亘って継続する場合には、力率１の力率一定制御を実行するものである。

有効・無効電力制御は、電力系統１側の電圧が瞬時電圧低下から定常電圧に復帰する過程の場合に、系統電圧実効値に応じて有効電力を抑制し遅れの無効電力を出力し、遅れの無効電力の出力に伴って電力系統１側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合に、有効電力を維持しつつ系統電圧実効値に応じて進みの無効電力を出力し、保護継電器２が許容される過電流範囲内で電圧を維持するものである。

図２（イ）（ロ）にはインバータ本体６から出力する目標値となる有効電力、無効電力のカーブを示してある。有効電力のカーブは、定常状態の系統電圧を基準値１p.u.とした場合に、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において、無出力（０〜0.3）、段差状の立ち上がりを有する右肩上がりの出力（0.3〜１）が順次連続するものとし、系統電圧が１〜１．５未満（１〜1.2）の範囲においては系統電圧が１p.u.の場合の出力を維持する。

一方、無効電力のカーブは、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において遅れの出力として、無出力（０〜0.3）、右肩上がり（0.3〜0.7）、維持（0.7〜0.85）、右肩下がり（0.85〜１）を順次連続して配備し、系統電圧が１〜1.5未満の範囲において進みの出力として、右肩下がり（１〜1.1）、維持（1.1〜1.2）を連続して配備してある。

有効電力、無効電力のカーブも何れも、無出力から出力に移行するときに系統電圧の微妙な変動に伴うハンチング（停止、出力、停止・・）の防止のため、ヒステリシス特性を対応する系統電圧範囲（0.3〜0.45）に持たせてある。

このような有効電力、無効電力制御を行なうと、図２（ハ）に示すように出力電流が１．２未満（1.1以下）となり、系統電圧が定常状態に安定するまででも、保護継電器２の許容電流（1.5p.u.）を遥かに下回る。

具体的には、下記（２）〜（３）式に示すように、系統電圧の瞬時値Vu,Vv,Vw（相電圧）とインバータ連結装置の出力電流iu,iv,iwからｄ軸電圧vd、ｑ軸電圧vq、ｄ軸電流id、ｑ軸電流iqがそれぞれ求められる。現在出力したい有効電力Pref、無効電力Qrefから有効電流補正量idref,無効電流補正量iqrefをそれぞれ算出し、現在のd軸電流id、ｑ軸電流iqと比較することで、図２（イ）（ロ）に示すように、系統電圧に応じた有効電力及び無効電力の出力を得られる。

V₀は定格電圧（相電圧値）として，電圧実効値Vrmsは下記（４）式のように

として求め、図２のようにPref（(p.u.)換算値）, Qref（(p.u.)換算値）を求める。ここで、id_ref, iq_refは下記（５）、（６）式のように求める。ここで、Kは定格出力（kW）に対する定格電流値（A）を示す。αは（現在出力値/定格出力値）を示す。例えば、太陽光発電では、日照量により定格出力の５０％しか出力できない場合もあるため、この場合はα＝0.5となる。

制御装置７の構造は図１に示すように、ＰＷＭ生成部８と、位相計測部９と、有効・無効電力制御部10と、力率一定制御部11と、制御量調整部12とから構成されている。

位相計測部９は、ＰＬＬ（フェーズ・ロックド・ループ）回路13と、ｄ／ｑ軸変換部14とから構成される。

ＰＬＬ回路13は、検出器３からＵ，Ｖ，Ｗの３相の電圧信号を取り込み、電圧のゼロクロスをカウントし、サンプリング時間、サンプリング回数（ゼロクロス間隔）を用いて位相を算出し、ｄ／ｑ軸変換部14に出力する。

ｄ／ｑ軸変換部14は、演算の高速化のためのもので、電圧用14A、電流用14Bの２つがあり、Ｕ，Ｖ，Ｗの３相の電圧、電流を別々に取り込んで２相の電圧、電流にそれぞれ変換すると共に、２相の電圧、電流をｄ軸成分とｑ軸成分に振り分けつつ位相計測部９から取り込んだ位相信号を加え、ｄ軸及びｑ軸の有効及び無効の電圧信号を有効・無効電力制御部10、制御量調整部12内の加算器15にそれぞれ出力し、ｄ軸及びｑ軸の有効及び無効の電流信号を、制御量調整部12内の減算器16にそれぞれ出力する。

有効・無効電力制御部10は、目標値算出部17と、電流補正量算出部18とからなる。目標値算出部17は、ｄ／ｑ軸変換部14からのｄ軸とｑ軸の有効及び無効電圧信号を取り込み、前述した図２のカーブとなる関数式（４）〜（６）を利用して、取り込んだ電圧信号（系統電圧実効値）に対応する有効・無効電力の出力信号Pref、Qrefを出力したい目標値として算出し、算出結果を電流補正量算出部18に出力する。

電流補正量算出部18は、有効用18A、無効用18Bの２つがあり、取り込んだ有効電力、無効電力の出力信号Pref、Qrefを、目標とする有効電流、無効電流の出力信号idref、iqrefに変換した後に、目標に一致させるためのｄ軸有効電流の補正量Idref1、ｑ軸無効電流の補正量Iqref1にそれぞれ変換し、ｄ軸有効電流の補正量Idref1を制御量調整部12内の減算器16に、ｑ軸無効電流の補正量Iqref1を力率一定制御部11に向けて出力する。

力率一定制御部11は、定常状態で力率１とするためのものであって、目標値算出部17からのｑ軸無効電流の補正量Iqref1を取り込み、その無効電力の補正量を瞬時電圧低下時から系統電圧実効値に応じた値よりも徐々に小さくして数十秒後には打ち消すｑ軸電流の補正量Iqref2を制御量調整部12内の減算器16に出力する。具体的には図３に示すようにインターラプタより形成され、例えば、サンプリング周期１０^-4秒、ゲイン１０、ゲイン用リミッタ１（上限値０．１，下限値−０．１）、積分制御用リミッタ２（上限値１、下限値−１）とすると、図４に示すように、入力信号iqref1に対して２０秒程度で出力信号iqref2を一致できるため、図３のフィードバック信号を入力信号iqref1から差し引くようにすれば、無効電力の出力信号は徐々に小さくなり、数十秒後には打ち消され、力率１の制御となる。

制御量調整部12は、減算器16、ＰＩ制御部19、リミッタ20、加算器15から構成される。減算器16は、有効用16Aと無効用16Bの２つがある。
無効用16Bには力率を１とするｑ軸電流の補正量Iqref2だけでなく、ｄ／ｑ軸変換部14からのｑ軸無効電流iqも入力される。ｄ／ｑ軸変換部14からのｑ軸無効電流iqと、力率を１とするｑ軸無効電流の補正量Iqref2をいずれも負として取り扱い、その増大した負の値を補正量iqrefとしてＰＩ制御部19に出力する。
有効用16Aには、ｄ／ｑ軸変換部14の電流用14Bからのｄ軸有効電流iqを負として、電流補正量算出部18の有効用18Aの補正量Idref1を正として取り込んで加算し、その算出結果を補正量idrefとしてＰＩ制御部19に出力する。

ＰＩ制御部19は、ＰＩ制御を行ない、所定時間積分した補正量を定期的にリミッタ20に出力する。リミッタ20は有効用20Aと無効用20Bがあり、定期的に出力される補正量がリミッタの閾値内の場合にはそのままの補正量をＰＷＭ生成部８前の加算器15に出力し、積分した補正量が閾値以上である場合は、閾値をそのまま出力するものである。

ＰＷＭ生成部８の前の加算器15は、有効用15Aと無効用15Bがあり、対応するリミッタ20の有効用、無効用20A、20Bからの積分した補正量に、ｄ軸有効電圧Vd、ｑ軸無効電圧Vqをそれぞれ加算してＰＷＭ生成部８に出力する。

ＰＷＭ生成部８は、取り込んだｄ軸とｑ軸の信号を、三相の電圧に変換すると共にＰＷＭ変換して、インバータ本体６にゲートパルス信号を出力する。

上述したインバータ連系装置４の制御装置７の使用中に瞬低があった場合に、無効電力の制御をしたときは、しなかったときよりも、電圧回復が早まることを図５のグラフに示してある。図５（イ）は、縦軸に系統電圧を（単位p.u.）と取ってあり、本実施形態での無効電力制御をした（有効電力制御もする）場合と、比較例としての無効電力制御をしない場合（有効電力制御のみ）を、瞬低入力波形と一緒に表してある。図５（ロ）は有効電力制御のみをし、無効電力制御をしなかった場合の制御具合の時間推移を、縦軸に有効電力、無効電力を（単位kW、kVar）取って示してある。図５（ハ）は、本実施形態での無効電力制御をした場合（有効電力制御もする）の制御具合の時間推移を、縦軸に有効電力、無効電力を（単位kW、kVar）取って示してある。以上のグラフにより、本実施形態での制御方法により、短時間で系統が回復することが分かる。

インバータ連系装置の制御装置を示すブロック図である。（イ）〜（ハ）図は、系統電圧に対する有効電力、無効電力の制御、並びに出力電流を示すグラフである。力率一定制御部のインターラプタを示すブロック図である。インターラプタの出力を示すグラフである。（イ）〜（ハ）図は、瞬低による制御の有無による回復具合を示すグラフである。

１電力系統、２保護継電器、３検出器、４インバータ連系装置、５分散型電源、
６インバータ本体、７制御装置、８ＰＷＭ生成部、９位相計測部、
10有効・無効電力制御部、11力率一定制御部、12制御量調整部、13ＰＬＬ回路、
14ｄ／ｑ軸変換部、15加算器、16減算器、17目標値算出部、18電流補正量算出部、
19ＰＩ制御部、20リミッタ

Claims

分散型電源（５）の直流電力を交流電力に変換して電力系統（１）へ出力する分散型電源用のインバータ連系装置（４）の制御方法であって、
電力系統（１）側の電圧が瞬時電圧低下から定常電圧に復帰する過程の場合に、系統電圧実効値に応じて有効電力を抑制し遅れの無効電力を出力し、
瞬時電圧低下後に電力系統（１）側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合、有効電力を維持しつつ系統電圧実効値に応じて進みの無効電力を出力することで、保護継電器（２）が許容する過電流範囲内で電圧を維持し、
無効電力の出力を瞬時電圧低下時から数十秒後には停止するように系統電圧実効値に応じた値よりも徐々に小さくし、その後は力率一定に制御することを特徴とする分散型電源用のインバータ連系装置の制御方法。
定常状態の系統電圧を基準値１p.u.とし、有効電力は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において、無出力、右肩上がりの出力が順次連続するものとし、系統電圧が１p.u.を超える範囲においては系統電圧が１p.u.の場合の出力を維持し、
無効電力は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において遅れの出力として、無出力、右肩上がり、維持、右肩下がりを順次連続して配備し、系統電圧が１p.u.を超える範囲において進みの出力として、右肩下がり、維持を連続して配備してあることを特徴とする請求項１記載の分散型電源用のインバータ連系装置の制御方法。
分散型電源（５）の直流電力を交流電力に変換して電力系統（１）へ出力するために、電力系統（１）の電圧の位相を検出する位相計測部（９）と、分散型電源（５）から電力系統へ出力する有効電力と無効電力の目標値に対する補正量を算出する有効・無効電力制御部（10）と、位相計測部（９）と有効・無効電力制御部（10）からの出力信号と電力系統（１）の電圧・電流信号に基づいてＰＷＭ制御のインバータ本体（６）の制御量を調整する制御量調整部（12）と、制御量調整部（12）からの出力信号に基づいてインバータ本体（６）にＰＷＭパルスを送るＰＷＭ生成部（８）と、を備える分散型電源用のインバータ連系装置（４）の制御装置（７）であって、
有効・無効電力制御部（10）は、電力系統（１）側の電圧が瞬時電圧低下から定常電圧に復帰する過程の場合に、系統電圧実効値に応じて有効電力を抑制し遅れの無効電力を出力するという目標値ための補正量を算出し、
瞬時電圧低下後に電力系統（１）側の電圧が定常電圧よりも上昇した場合に、有効電力を維持しつつ系統電圧実効値に応じて進みの無効電力を出力するという目標値のための補正量を算出するものであり、
有効・無効電力制御部（10）からの出力信号に基づいて力率一定の制御をするための補正量を制御量調整部（12）に出力する力率一定制御部（11）を設け、
力率一定制御部（11）から出力される補正量は、有効・無効電力制御部（10）から出力される無効電力の補正量を、瞬時電圧低下時から数十秒後には打ち消すように系統電圧実効値に応じた値よりも徐々に小さくしてあることを特徴とする分散型電源用のインバータ連系装置の制御装置。
有効・無効電力制御部（10）は、定常状態の系統電圧を基準値１p.u.とし、
有効電力の目標値は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において、無出力、右肩上がりの出力が順次連続するものとし、系統電圧が１p.u.を超える範囲においては系統電圧が１p.u.の場合の出力を維持するもので、
無効電力の目標値は、系統電圧が０〜１p.u.の範囲内において遅れの出力として、無出力、右肩上がり、維持、右肩下がりを順次連続して配備し、系統電圧が１p.u.を超える範囲において進みの出力として、右肩下がり、維持を連続して配備してあるものであることを特徴とする請求項３記載の分散型電源用のインバータ連系装置の制御装置。