JP5585371B2 - 分散型電源システム - Google Patents

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Description

本発明は、電力系統に連系して給電する太陽光発電システムや風力発電システムなどの分散型電源システムに関する。
従来、太陽光や風力等により発電した直流電力を交流電力に変換して、電力系統に連系する太陽光発電システムや風力発電システムなどの分散型電源システムが開発されている。
図6は、このような分散型電源システムを説明するためのブロック図である。各系統母線および信号線は、通常2本乃至3本(または4本)で表記して2相または3相回路を表すが、ここでは簡単のため、1本で代表表記している。
図6において、1は電力系統に給電する交流電源、2〜4はスイッチ、10は系統連系用のインバータ回路、11は太陽電池などの直流電源、100はインバータ回路10を制御する制御回路、5は交流電源1の電力系統から給電される負荷、6は電力系統の電圧を検出する電圧検出器、7はインバータ回路10の出力電流を検出する電流検出器、8はコンデンサ、9はリアクトルである。
インバータ回路10は、制御回路100により制御され、直流電源11が出力する直流電圧をPWM(Pulse Width Modulation)変調して、その出力端に3相の交流電圧を発生する。インバータ回路10が発生する3相交流電圧は、リアクトル9とコンデンサ8とからなるLCフィルタによって高調波成分が除去され、交流電源1が給電する電力系統に連系される。 制御回路100は、PLL(Phase−Locked Loop)演算手段12、3相電圧指令生成手段13、座標変換手段14、出力電流制御手段15、ゲート信号生成回路16を備えている。PLL演算手段12は、電圧検出器6が検出する系統電圧の位相と一致する角周波数ωoを生成する機能を有するものである。PLL演算手段12の具体的動作については後述する。
次に、3相電圧指令生成手段13は、PLL演算手段12から出力される角周波数ωoに基づいて、所定の振幅を有する3相の電圧指令Vuref,Vvref,Vwrefを生成する。一方、座標変換手段14は、PLL演算手段12から出力される角周波数ωoを用いて有効電流指令Idref,無効電流指令Iqrefを座標変換し、U相の出力電流指令IurefとW相の出力電流指令Iwrefとを生成する。
出力電流制御手段15は、座標変換手段14から出力されるU相およびW相の出力電流指令Iuref,Iwrefと電流検出器7が検出するインバータ10の出力電流Iu,Iwとが一致するように交流ACR制御を行う。出力電流制御手段15は、交流ACR制御の結果として、3相電圧指令生成手段13が出力する各相の電圧指令Vuref,Vvref,Vwrefを補正するための補正量ΔVuref,ΔVvref,ΔVwrefを生成する。
ゲート信号生成回路16は、3相電圧指令信号生成手段13から出力される各相の電圧指令Vuref,Vvref,Vwrefと、出力電流制御手段15から出力される各相の電圧指令に対する補正量ΔVuref,ΔVvref,ΔVwrefとを各相ごとに加算して各相の変調信号を生成する。次に、ゲート信号生成回路16は、生成した各相の変調信号とキャリア信号とを用いてPWM(パルス幅変調)演算を行う。PWM演算の結果は、インバータ回路10を制御するゲート信号として出力される。このような制御方式は、例えば非特許文献1に開示されている。
ところで、このような分散型電源システムは、電力系統に対して安定に電力を供給することが求められている。そのため、制御回路100は、電力系統の電圧の位相および周波数に基づいてインバータ回路10から出力される電圧の周波数および位相の制御を行う。このような制御を実現するために、図6に示す分散型電源システムの制御回路100は、PLL演算手段12を備えている。
図6に示すPLL演算手段12の一例として、図7に、特許文献1に開示されているPLL演算手段のブロック図を示す。
PLL演算手段12は、αβ変換手段121、dq変換手段122、比例積分調節手段123、VCO(Voltage Controlled Oscillator)手段124を備えている。なお、以下の説明では、比例積分調節手段をPI調節手段ともいう。
αβ変換手段121は、電圧検出器6から入力される3相の電圧信号Vu,Vv,Vwを2相の電圧信号Vα,Vβに変換するものである。dq変換手段122は、αβ変換手段121から電圧信号Vα,Vβが入力され、VCO手段124から位相信号θが入力される。dq変換手段122は、位相信号θと電圧信号Vα,Vβとから、位相差成分Vdと同相成分Vqとを算出する。PI調節手段123は、位相差成分Vdがゼロとなるように比例積分調節器(PI調節器)による演算制御を行い、補正値を出力する。この補正値を加算器126により系統電圧信号の目標角周波数ωsに加算して得られる補正角周波数ωoが、VCO手段124に出力される。VCO手段124は、入力された補正角周波数ωoに応じた位相θをdq変換手段122に出力する。
このフィードバック制御により、位相差成分Vdがゼロになったところでロックされる。このとき、位相θが系統電圧の位相と一致する。したがって、PLL演算手段12から出力される補正角周波数ωoは、系統電圧の角周波数と一致することになる。
特開2010−161901号公報
電気学会静止器研究会(2001年10月23日)論文番号SA−01−39
ところで、分散型電源システムは、系統に異常が発生した場合、一度停止してから再起動することが社団法人日本電気協会の系統連系専門部会から発行されている系統連系規定(JEAC9701−2006)により義務付けられている。そのため、分散型電源システムは系統の異常を検出する保護機能を備えている。したがって、系統に瞬時電圧低下等の異常が発生すると、同一系統に連系する多数の分散型電源システムが一斉に系統から解列する可能性がある。この場合、系統周波数の低下や系統電圧の変動を引き起こすことが懸念される。そのため、分散型電源システムは、系統連系規定が定める系統異常よりも短時間の瞬時電圧低下が発生しても、安定に運転を継続することが望まれる。
しかしながら、図6に示す分散型電源システムが備えるPLL演算手段12は、PI調節手段123を備えている。PI調節手段123は、所定値との偏差に比例する量とこの偏差に所定量を乗じて得られる量を積分した量とを加算して補正値とすることにより、入力信号の偏差がゼロとなるように機能する。すなわち、PI調節手段123は、積分機能を有しているので、入力電圧信号の急変に対して瞬時に出力を追従させることができない。そのため、電力系統の相間で短絡が発生するなどにより系統電圧が瞬時に変動すると、系統電圧とインバータ回路10から出力される電圧との間に、大きな位相差が短時間生じることが知られている。その結果、電力系統とインバータ回路10との間でこの位相差に起因して過電流が生じ、分散型電源システムが停止するという問題がある。
本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、電力系統で瞬時の電圧変動が生じても、安定して電力系統に電力を供給することができる分散型電源システムを提供することを目的としている。
上記目的を達成するために、本発明によって提供される分散型電源システムは、直流電源で生成される直流電力を交流電力に変換して3相交流電源の電力系統に供給するインバータ回路と、前記3相交流電源の系統電圧を検出する電圧検出器と、前記インバータ回路をPWM制御するためのインバータ制御回路とを備え、前記インバータ制御回路は、前記電圧検出器が検出する2相電圧から3相基本波指令信号を生成する3相基本波指令信号生成手段と、前記3相基本波指令信号に基づいて算出され所定の振幅を有する各相の第3調波信号を加算して第3調波指令信号を生成する第3調波指令信号生成手段とからなる3相電圧指令信号生成手段を有し、前記3相電圧指令信号生成手段は、前記3相基本波指令信号と前記第3調波指令信号とを加算して3相の電圧指令信号を生成することを特徴とする。
この発明によると、系統電圧に瞬時の電圧変動が生じても、系統電圧と同位相の電圧指令信号を生成することができる。したがって、系統で電圧とインバータ回路が出力する電圧との位相差により生じる過電流を防止することができる。これにより、分散型電源システムが系統から一斉に解列することを防止することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記分散型電源システムは、交流電源とインバータ回路との間にフィルタ回路を備え、前記3相基本波指令信号生成手段は、前記電圧検出器が検出する電圧の基本波成分を抽出する帯域通過フィルタ手段と、前記フィルタ回路が有する位相特性に起因する入出力電圧間の位相差分を調整する位相調整手段と、を有することにより、前記3相電圧指令信号生成手段は、前記フィルタ回路の位相特性を考慮した3相電圧指令信号を生成する。
本実施の形態によると、分散型電源システムと交流電源との間にフィルタ回路が存在しても、分散型電源システムが出力する電圧は、前記フィルタ回路の出力点において、交流電源の電圧位相と同位相で制御される。したがって、系統電圧が急変しても、系統電圧に追従して分散型電源システムの出力電圧を制御することができ、過電流の発生を防止することができる。これにより、分散型電源システムの運転を継続することができる。
本発明の好ましい実施の形態においては、前記第3調波指令信号生成手段は、前記3相基本波指令信号生成手段が出力する基本波指令信号に基づいて各相の第3調波成分を生成し、前記生成した各相の第3調波成分を加算して第3調波指令信号を生成する。
本実施の形態によると、3相の電圧指令信号は、各相の基本波指令信号に共通の第3調波指令信号を加算してなる台形波信号であるので、正弦波で変調する場合に比べて、直流電源から出力される直流電圧の利用率を向上させることができる。また、系統電圧の2相間で瞬時短絡が発生した場合も、各相共通の第3調波信号を用いるため、零相電圧を発生させることがない。
本発明によると、電力系統で瞬時電圧低下が発生しても、安定して電力系統に電力を供給することができる分散型電源システムを提供することができる。
本発明に係る分散電源システムを説明するためのブロック図である。 3相電圧指令信号生成手段の一例を示すブロック図である。 位相調整手段の一例を示すブロック図である。 第3調波信号生成手段の一例を示すブロック図である。 基準信号生成手段の一例を示すブロック図である。 従来の分散電源システムを説明するためのブロック図である。 PLL制御手段の一例を示すブロック図である。
以下、本発明の実施の形態を図1〜図5に基づいて具体的に説明する。なお、図1〜図5において、図6に示した従来の分散電源システムと共通する構成要素には同符号を付し、その説明を省略する。
図1は、本発明に係る分散型電源システムの第1の実施形態を説明するためのブロック図である。図1において、符号1〜11を付した構成要素は図6の分散型電源システムと同じである。一方、図1の分散型電源システムでは、制御回路101でインバータ回路10を制御するところが相違する。
制御回路101は3相電圧指令信号生成手段20、基準信号生成手段30、座標変換手段14、出力電流制御手段15、ゲート信号生成回路16を備えている。なお、上記構成要素のうち、符号14〜16を付した構成要素は制御回路100の構成要素と同じである。
3相電圧指令信号生成手段20は、電圧検出器6が検出する2相の電圧信号Vu,Vwから3相の電圧指令信号Vuref,Vvref,Vwrefを生成するものである。図2は、3相電圧指令信号生成手段20の一例を示すブロック図である。図2に示すように、3相電圧指令信号生成手段20は、3相基本波信号生成手段21と第3調波信号生成手段25を有する。
3相基本波信号生成手段21は、帯域通過フィルタ(BPF)22と位相調整手段23を有する。なお、以下の説明では、帯域通過フィルタをBPFともいう。
BPF22は、入力信号に含まれる周波数成分のうち、所定の周波数成分のみを抽出して出力するフィルタである。ここでは系統電圧の基本波成分の信号を抽出して出力する。
位相調整手段23は、BPF22から出力される信号Vubpf,Vwbpfと同じ振幅で、かつ入力信号に対して所定量の位相を調整した信号VurefBase,VwrefBaseを出力する。
図3は、位相調整手段23の一例を示すブロック図である。以下の位相調整手段23の機能の説明では、位相調整手段23の入力信号をVinとし、出力信号をVoutとする。
位相調整手段23は、まず、入力信号Vinを低域通過フィルタ(LPF)231に入力して得られる信号に、乗算器232を用いて所定の乗算係数K1を乗じて信号Vinlpfを生成する。次に、その結果得られた信号Vinlpfと入力信号Vinとの差ΔVin(=Vin−Vinlpf)を加算器233により演算して信号ΔVinを生成する。さらに、その結果得られた信号ΔVinに、乗算器23を用いて所定の乗算係数K2を乗じて、出力信号Voutを生成する。


ここで、低域通過フィルタ(LPF)231のカットオフ周波数をfcとすると、カットオフ周波数の周期TはT=1/fcである。また、各周波数ωはω=2πfcで表される。この場合、位相調整手段23の入力信号Vinに対する出力信号Voutの位相φおよびゲイン|g|の特性は、下記(1)式および(2)式で表される。
上記(1)式より、入力信号Vinに対して位相調整手段23から出力される信号Voutの位相φは、乗算係数Kによって調整することができる。位相調整手段23で調整する位相量は、インバータ回路10が出力する電圧の位相と、この電圧がコンデンサ8とリアクトル9とからなるLCフィルタを通過して出力される電圧との間に生じる位相差分である。
また、上記(2)式より、入力信号Vinに対して位相調整手段23から出力される信号Voutのゲイン|g|は、乗算係数Kによって調整することができる。ゲイン|g|は、入力信号Vinと出力信号Voutの比が1:1(ゲイン|g|=1)となるように調整される。
図2に戻って、3相基本波信号生成手段21は、BPF手段22および位相調整手段23により、電圧検出器6が検出するU相およびW相の系統電圧信号Vu,Vwから位相調整されたU相およびW相の基本波信号Vurefbase,Vwrefbaseを生成する。さらに、加算器24により、基本波信号Vurefbase,Vwrefbaseから、V相の基本波信号Vvrefbase(=0−Vurefbase−Vwrefbase)を生成する。
図4は、第3調波信号生成手段25の一例を示すブロック図である。第3調波信号生成手段25は、3相基本波信号生成手段21が生成する3相の基本波信号Vurefbase,Vwrefbase,Vvrefbaseを第3調波信号演算手段251に入力して各相の第3調波信号を生成する。さらに、生成した各相の第3調波信号を加算器252により加算した後、乗算手段253により所定の乗算係数Kを乗じて第3調波信号V3refを生成する。
ここで、第3調波信号演算手段251は、例えば、下記(3)式にしたがって、入力信号に対する第3調波信号を演算することができる。
また、第3調波信号演算手段251は、各相の基本波信号の位相データを3倍したデータを演算し、この位相データに基づいて、位相データに対応する正弦波信号の振幅値を予め記憶したテーブルから振幅値を読み出す等の方法により、第3調波信号を生成してもよい。
ところで、3相の基本波信号Vurefbase,Vwrefbase,Vvrefbaseがそれぞれ(2/3)πの位相差を有する信号の場合、各相の第3調波成分は、周波数,振幅,位相が同じ同一信号となる。したがって、第3調波信号V3refを演算する乗算手段253の乗算係数Kは、各相の第3調波成分の平均値を得るため1/3倍とした上で、さらにその0.1倍程度とするのが望ましい。
このように第3調波信号V3refを生成することにより、各相の基本波信号VurefBase,VvrefBase,VwrefBaseに第3調波信号V3refを加算して得られる各相の電圧指令信号Vuref,Vvref,Vwrefを台形波状にすることができる。
各相の電圧指令信号Vuref,Vvref,Vwrefに対して共通の第3調波信号V3refを加算しているので、インバータ回路10が出力する各相の電圧には、加算した第3調波成分は現れない。また、電圧指令に第3調波信号V3refを加算して各相の電圧指令Vuref,Vvref,Vwrefを台形波状とすることにより、インバータ回路10の電圧の利用率を高めることができる。すなわち、インバータ回路10は、正弦波変調をする場合に比べて、太陽電池等の発電電圧がより低い領域まで、所望の出力電圧を出力することができる。
また、系統電圧の2相間で瞬時短絡が発生した場合も、零相電圧を発生させることがない。さらに、系統の各相電圧に追従してインバータ回路10が電圧を出力することができるので、電力系統で瞬時電圧低下が発生しても、過電流を防止することができる。
図5は、基準信号生成手段30の一例を示すブロック図である。基準信号生成手段30は、BPF31と位相調整手段32と90度位相調整手段33とで構成される。
BPF31は図2に示したBPF22と同じものである。すなわち、電圧検出器が検出する系統のU相電圧Vuを入力されたBPF31は、その基本波成分Vubpfを抽出して出力する。
次に、位相調整手段32は、BPF31が出力する基本波成分Vubpfを入力として、基準信号の1つである基準正弦波信号sinωtを出力する。なお、位相調整手段32は図3に示した位相調整手段23と同じものである。したがって、基準正弦波信号sinωtの位相は、入力された基本波成分Vubpfに対して、コンデンサ8とリアクトル9とからなるLCフィルタ固有の位相特性によって生じる入出力電圧間の位相差分が調整されている。
また、90度位相調整手段33は、位相調整手段32が出力する基準正弦波信号sinωtを入力として、例えば移動平均演算により、入力信号に対し位相が90度遅れた基準余弦波信号cosωtを出力する。
次に、基準信号生成手段30が出力する基準正弦波信号sinωtおよび基準余弦波信号cosωtは、座標変換手段14に入力される。座標変換手段14は、基準正弦波信号sinωtおよび基準余弦波信号cosωtを用いて、有効電流指令Idrefと無効電流指令IqrefとをU相の出力電流指令IurefとW相の出力電流指令Iwrefとに変換する。
なお、基準正弦波信号sinωtおよび基準余弦波信号cosωtに含まれる角周波数ωは、図6に示した補正角周波数ωoと同じものである。すなわち、図6に示す制御回路100では、PLL演算手段12により補正角周波数ωoを生成し、座標変換手段14でこの補正角周波数ωoを使用して基準信号sinωotとcosωotとを演算しているのに対し、図1に示す制御回路101では、基準信号生成手段30で、直接基準正弦波信号sinωtと基準余弦波信号cosωtとを生成している。
以上のとおり、本発明によると、電力系統で瞬時電圧低下が発生しても、安定して電力系統に電力を供給することができる分散型電源システムを提供することができる。
1・・・3相交流電源、2,3,4・・・スイッチ、5・・・負荷、6・・・電圧検出器、7・・・電流検出器、8・・・コンデンサ、9・・・リアクトル、10・・・インバータ回路、11・・・直流電源、12・・・PLL演算手段、13・・・3相電圧指令信号生成手段、14・・・座標変換手段、15・・・出力電流制御手段、16・・・ゲート信号生成回路、20・・・3相電圧指令信号生成手段、21・・・3相基本波信号生成手段、22・・・帯域通過フィルタ、23・・・位相調整手段、24,26・・・加算器、25・・・第3調波信号生成手段、30・・・基準信号生成手段、31・・・帯域通過フィルタ、32・・・位相調整手段、33・・・90度位相調整手段、100,101・・・制御回路、121・・・αβ変換手段、122・・・dq変換手段、123・・・比例積分演算手段、124・・・VCO手段、125,126・・・加算器、231・・・低域通過フィルタ、232,234・・・乗算手段、233・・・加算器、251・・・第3調波信号演算手段、252・・・加算器、253・・・乗算手段

Claims (3)

  1. 直流電源で生成される直流電力を交流電力に変換して3相交流電源の電力系統に供給するインバータ回路と、
    前記3相交流電源の系統電圧を検出する電圧検出器と、
    前記インバータ回路をPWM制御するためのインバータ制御回路と、
    を備え、
    前記インバータ制御回路は、
    前記電圧検出器が検出する2相電圧から3相基本波指令信号を生成する3相基本波指令信号生成手段と、
    前記3相基本波指令信号に基づいて算出され所定の振幅を有する各相の第3調波信号を加算して第3調波指令信号を生成する第3調波指令信号生成手段と、
    からなる3相電圧指令信号生成手段を有し、
    前記3相電圧指令信号生成手段は、前記3相基本波指令信号と前記第3調波指令信号とを加算して3相の電圧指令信号を生成する
    ことを特徴とする分散型電源システム。
  2. 交流電源とインバータ回路との間にフィルタ回路を備える請求項1に記載の分散型電源システムであって、
    前記3相基本波指令信号生成手段は、
    前記電圧検出器が検出する電圧の基本波成分を抽出する帯域通過フィルタ手段と、
    前記フィルタ回路が有する位相特性に起因する入出力電圧間の位相差分を調整する位相調整手段と、
    を有していることを特徴とする請求項1に記載の分散型電源システム。
  3. 前記第3調波指令信号生成手段は、
    前記3相基本波指令信号生成手段が出力する基本波指令信号に基づいて各相の第3調波成分を生成し、前記生成した各相の第3調波成分を加算して第3調波指令信号を生成する
    ことを特徴とする請求項2に記載の分散型電源システム。
JP2010231337A 2010-10-14 2010-10-14 分散型電源システム Active JP5585371B2 (ja)

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