JP5589085B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、風力発電システムに適用される電力変換装置に関する。

一般に、風力発電システムにおいて、系統電圧安定化のために、ＳＶＣ(Static Var Compensator)又はＳＴＡＴＣＯＭ(static synchronous compensator)等の無効電力補償装置が設けられている。

また、無効電力制御が可能なインバータ及び無効電力補償装置により、無効電力を制御する風力発電設備が開示されている（特許文献１参照）。

しかしながら、無効電力補償装置の設置は、風力発電システムのコストを増加させる。また、近年の風力発電システムの大量導入とともに、系統低下時の電力システム安定性の低下が懸念されている。そこで、風力発電システムには広い電圧範囲で系統電圧を維持するための機能が求められている。しかし、従来の風力発電システムにおける通常の無効電力制御では、系統電圧を安定化させるための制御としては十分ではない。

特開２０００−７８８９６号公報

本発明の目的は、系統電圧安定化制御をすることのできる電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、風力発電システムに適用され、風力発電機により発電された電力を電力系統に供給するために交流電力に変換する電力変換装置であって、前記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧が所定の範囲内である場合、上位制御装置からの電力指令値に基づいて、前記風力発電機により発電された電力を前記電力系統に安定に出力し、さらに交流電圧指令値に基づいて、前記電力系統の系統電圧を安定化するように前記電力変換装置の出力電圧を制御し、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧が所定の範囲外である場合、前記電力系統のインピーダンスによる電圧降下を利用して、前記電力系統の系統電圧を安定化させるために前記電力変換装置の出力電流の有効電流成分及び無効電流成分を前記系統電圧の変動に対応して制御する制御手段とを備えている。

図１は、本発明の実施形態に係るパワーコンディショナーの適用された風力発電システムの構成を示す構成図である。 図２は、本実施形態に係るパワーコンディショナーのインバータ制御部の構成を示す構成図である。 図３は、本実施形態に係るインバータ制御部による系統電圧安定化制御に用いられる系統電圧安定化制御テーブルを示す特性図である。 図４は、本実施形態に係る系統電圧安定化制御部の構成を示す構成図である。 図５は、本実施形態に係るインバータ制御部による系統電圧安定化制御に用いられる系統インピーダンスモデルを示す模式図である。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るパワーコンディショナー１０を適用した風力発電システムの構成を示す構成図である。なお、図中における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。

本実施形態に係る風力発電システムは、風力発電機１１と、パワーコンディショナー(PCS, Power Conditioning System)１０と、連系トランス１２と、電力系統１３とを備えている。

風力発電機１１は、ＰＭＳＧ（永久磁石型同期発電機）である。風力発電機１１は、風力により発電を行う。例えば、風力発電機１１が増速ギア無しで直接駆動されるＰＭＳＧである場合、風力発電機１１は、１０〜２０Ｈｚの交流電圧をパワーコンディショナー１０に出力する。

電力系統１３には、系統母線１４と、系統母線１４に電力を供給する系統電源１５が含まれる。系統電源１５により発電される電力の周波数は、例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚである。系統母線１４は、連系トランス１２を介してパワーコンディショナー１０と接続されている。

パワーコンディショナー１０は、風力発電機１１から供給された交流電力を系統電圧Ｖｒに同期した交流電力に変換する電力変換装置である。パワーコンディショナー１０は、変換した交流電力を電力系統１３に連系トランス１２を介して供給する。

パワーコンディショナー１０は、コンバータ４と、直流リンク５と、インバータ６と、交流フィルタ７と、制御装置１と、交流電流検出器ＣＴ１と、交流電流検出器ＣＴ２と、交流電圧検出器ＰＴｒとを備えている。

制御装置１は、コンバータ４を制御するコンバータ制御部３と、インバータ６を制御するインバータ制御部２とを備えている。

交流電流検出器ＣＴ１は、パワーコンディショナー１０の入力側に設けられている。交流電流検出器ＣＴ１は、風力発電機１１の出力電流（コンバータ４への入力電流）Ｉｇを測定するための検出器である。交流電流検出器ＣＴ１は、検出した風力発電機１１の出力電流Ｉｇを信号としてコンバータ制御部３に出力する。

交流電流検出器ＣＴ２は、パワーコンディショナー１０の出力側に設けられている。交流電流検出器ＣＴ２は、インバータ６の出力電流Ｉｉｖを測定するための検出器である。交流電流検出器ＣＴ２は、検出した出力電流Ｉｉｖを信号としてインバータ制御部２に出力する。

交流電圧検出器ＰＴｒは、パワーコンディショナー１０の出力側に設けられている。交流電圧検出器ＰＴｒは、パワーコンディショナー１０の出力側の電圧を測定するための検出器である。交流電圧検出器ＰＴｒは、検出した電圧を電力系統１３の系統電圧Ｖｒを測定するための信号としてインバータ制御部２に出力する。

コンバータ４の交流側は、風力発電機１１と接続されている。コンバータ４の直流側は、直流リンク５により、インバータ６の直流側と接続されている。即ち、コンバータ４、直流リンク５、及びインバータ６は、ＢＴＢ(back to back)変換器を構成する。交流フィルタ７は、インバータ６の出力側に接続されている。

コンバータ４は、風力発電機１１から入力された交流電力を直流電力に変換する。コンバータ４は、変換した直流電力を、直流リンク５を介してインバータ６に出力する。

直流リンク５は、コンバータ４とインバータ６の正極同士及び負極同士を接続する。直流リンク５の正極と負極との間には、コンデンサ５１が設けられている。コンデンサ５１は、直流リンクに印加されている直流電力を平滑化する。

インバータ６は、コンバータ４から入力された直流電力を電力系統１３に同期した交流電力に変換する。インバータ６は、変換した交流電力を、交流フィルタ７を介して連系トランス１２に出力する。

交流フィルタ７は、リアクトル７１及びコンデンサ７２を備えている。交流フィルタ７は、インバータ６から電力系統１３に流出する高調波電流を抑制する。

直流電圧検出器ＤＶは、直流リンク５の正極と負極との間に設けられている。直流電圧検出器ＤＶは、直流リンク５の正極と負極との間の直流電圧（コンデンサ５１の両端の電圧）Ｖｄｃを測定するための検出器である。直流電圧検出器ＤＶは、検出した直流電圧Ｖｄｃを信号としてインバータ制御部２に出力する。

コンバータ制御部３には、交流電流検出器ＣＴ１により検出された風力発電機１１の出力電流Ｉｇが入力される。コンバータ制御部３は、風力発電機１１の出力電流Ｉｇに基づいて、コンバータ４を制御するためのゲート信号ＧＴｃを生成する。コンバータ制御部３は、生成したゲート信号ＧＴｃをコンバータ４に出力して、コンバータ４を制御する。コンバータ制御部３は、インバータ制御部２にインバータ６を制御するための有効電力指令値Ｐｒ０を出力する。

図２は、本実施形態に係るインバータ制御部２の構成を示す構成図である。

インバータ制御部２は、コンバータ制御部３から入力される有効電力指令値Ｐｒ０、交流電圧検出器ＰＴｒにより検出された系統電圧Ｖｒ、交流電流検出器ＣＴ２により検出された出力電流Ｉｉｖ、直流電圧検出器ＤＶにより検出された直流電圧Ｖｄｃ、及び予め設定されている直流電圧指令値Ｖｄｃｒに基づいて、ゲート信号ＧＴｉを生成する。インバータ制御部２は、生成したゲート信号ＧＴｉをインバータ６に出力して、インバータ６を制御する。

インバータ制御部２は、有効電流指令値演算部２１と、直流電圧制御部２２と、交流電圧制御器２３と、系統電圧安定化制御部２４と、加算器２５と、ＰＬＬ(phase-locked loop)２６と、電流制御部２７と、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御部２８とを備えている。

有効電流指令値演算部２１は、コンバータ制御部３から出力された有効電力指令値Ｐｒ０及び交流電圧検出器ＰＴｒにより検出された系統電圧Ｖｒが入力される。有効電流指令値演算部２１は、有効電力指令値Ｐｒ０及び系統電圧Ｖｒに基づいて、有効電流指令値Ｉｄｒ１を演算する。有効電流指令値演算部２１は、演算した有効電流指令値Ｉｄｒ１を系統電圧安定化制御部２４に出力する。

直流電圧制御部２２には、直流電圧検出器ＤＶにより検出された直流電圧Ｖｄｃが入力される。直流電圧制御部２２は、予め設定されている直流電圧指令値Ｖｄｃｒに追従させるように直流電圧Ｖｄｃを補正するための値を演算する。直流電圧制御部２２は、演算した値を加算器２５に出力する。

交流電圧制御器２３には、上位制御系から出力された交流電圧指令値Ｖｒｒ及び交流電圧検出器ＰＴｒにより検出された系統電圧Ｖｒが入力される。交流電圧制御器２３は、交流電圧指令値Ｖｒｒ及び系統電圧Ｖｒに基づいて、無効電流指令値Ｉｑｒ１を演算する。交流電圧制御器２３は、演算した無効電流指令値Ｉｑｒ１を系統電圧安定化制御部２４に出力する。

系統電圧安定化制御部２４は、インバータ６を制御して、電力系統１３の系統電圧安定化制御を行うための演算処理を行う。系統電圧安定化制御部２４には、有効電流指令値演算部２１により演算された有効電流指令値Ｉｄｒ１、交流電圧制御器２３により演算された無効電流指令値Ｉｑｒ１、及び交流電圧検出器ＰＴｒにより検出された系統電圧Ｖｒが入力される。系統電圧安定化制御部２４は、有効電流指令値Ｉｄｒ１、無効電流指令値Ｉｑｒ１及び系統電圧Ｖｒに基づいて、有効電流指令値Ｉｄｒ１１及び無効電流指令値Ｉｑｒ２を演算する。系統電圧安定化制御部２４は、演算した有効電流指令値Ｉｄｒ１１を加算器２５に出力する。系統電圧安定化制御部２４は、演算した無効電流指令値Ｉｑｒ２を電流制御部２７に出力する。

加算器２５は、電圧安定化制御部２４から入力された有効電流指令値Ｉｄｒ１１と直流電圧制御部２２から入力された値を加算する。加算器２５は、加算した値を有効電流指令値Ｉｄｒ２として、電流制御部２７に出力する。

ＰＬＬ２６には、交流電圧検出器ＰＴｒにより検出された系統電圧Ｖｒが入力される。ＰＬＬ２６は、系統電圧Ｖｒに基づいて、系統電圧Ｖｒに同期させるための位相角θを演算する。ＰＬＬ２６は、演算した位相角θを電流制御部２７及びＰＷＭ制御部２８に出力する。

電流制御部２７には、交流電圧検出器ＰＴｒにより検出された系統電圧Ｖｒ、交流電流検出器ＣＴ２により検出された出力電流Ｉｉｖ、加算器２５により演算された有効電流指令値Ｉｄｒ２、系統電圧安定化制御部２４により演算された無効電流指令値Ｉｑｒ２、及びＰＬＬ２６により演算された位相角θが入力される。電流制御部２７は、インバータ６の出力電流Ｉｉｖを、有効電流指令値Ｉｄｒ２及び無効電流指令値Ｉｑｒ２に追従させるように、インバータ６の出力電圧に対する制御指令となる出力電圧指令値Ｖｉｖｒを演算する。電流制御部２７は、演算した出力電圧指令値ＶｉｖｒをＰＷＭ制御部２８に出力する。

ＰＷＭ制御部２８には、ＰＬＬ２６により演算された位相角θ及び電流制御部２７により演算された出力電圧指令値Ｖｉｖｒが入力される。ＰＷＭ制御部２８は、位相角θ及び出力電圧指令値Ｖｉｖｒに基づいて、インバータ６を制御するためのゲート信号ＧＴｉを生成する。ＰＷＭ制御部２８は、生成したゲート信号ＧＴｉをインバータ６に出力する。

図３は、本実施形態に係る系統電圧安定化制御部２４で用いられる系統電圧安定化制御テーブルを示す特性図である。横軸は、系統電圧変動率ΔＶｒ（１−系統電圧Ｖｒ／定格電圧Ｖｎ）を示している。縦軸は、電流値（ｐｕ値：／定格電流）を示している。

系統電圧安定化制御部２４には、図３に示す系統電圧安定化制御テーブルが設定されている。系統電圧安定化制御テーブルには、系統電圧変動率ΔＶｒに対応する無効電流指令値Ｉｑｒ１０が決められている。系統電圧安定化制御テーブルには、系統電圧変動率ΔＶｒに対する不感帯Ｒｄｚが設けられている。不感帯Ｒｄｚは、例えば、定格電圧Ｖｒに対して±１０％の範囲内である。

系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚ内にある場合、系統電圧安定化制御部２４は、有効電流指令値Ｉｄｒ１及び無効電流指令値Ｉｑｒ１に基づいて、有効電流指令値Ｉｄｒ１１及び無効電流指令値Ｉｑｒ２を演算する。

系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚから出た場合、系統電圧安定化制御部２４は、系統電圧安定化制御テーブルを用いて、系統電圧変動率ΔＶｒに基づいて、有効電流指令値Ｉｄｒ１１及び無効電流指令値Ｉｑｒ２を演算する。

図４は、本実施形態に係る系統電圧安定化制御部２４の構成を示す構成図である。

系統電圧安定化制御部２４は、有効電流リミッタ２４１と、無効電流リミッタ２４２と、系統電圧安定化制御テーブル２４３と、無効電流用切り替えスイッチ２４４と、有効電流指令値演算部２４５と、有効電流用切り替えスイッチ２４６とを備えている。

２つの切り替えスイッチ２４４，２４６は、系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚ内にある場合、上側を選択している。切り替えスイッチ２４４，２４６は、系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚから出ると、系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚ外であることを示す不感帯検出信号により、下側を選択するように切り替わる。

系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚ内にある場合（切り替えスイッチ２４４，２４６が上側の端子を選択している場合）は、系統電圧安定化制御部２４は、次のように制御を行う。

有効電流リミッタ２４１には、有効電流指令値Ｉｄｒ１が入力される。有効電流リミッタ２４１は、有効電流指令値Ｉｄｒ１をインバータ６から出力可能な範囲内に制限する。有効電流リミッタ２４１は、制限した有効電流指令値Ｉｄｒ１を有効電流用切り替えスイッチ２４６の上側の端子に入力する。

有効電流用切り替えスイッチ２４６は、上側の端子に入力された有効電流指令値Ｉｄｒ１が制限された値を系統電圧安定化制御部２４により演算された有効電流指令値Ｉｄｒ１１として出力する。

無効電流リミッタ２４２には、有効電流指令値Ｉｄｒ１及び無効電流指令値Ｉｑｒ１が入力される。無効電流リミッタ２４２は、有効電流指令値Ｉｄｒ１に基づく有効電流が優先的に出力されるように、無効電流指令値Ｉｑｒ１を制限する。無効電流リミッタ２４２は、制限した無効電流指令値Ｉｑｒ１を無効電流用切り替えスイッチ２４４の上側の端子に入力する。

無効電流用切り替えスイッチ２４４は、上側の端子に入力された無効電流指令値Ｉｑｒ１が制限された値を系統電圧安定化制御部２４により演算された無効電流指令値Ｉｑｒ２として出力する。

系統電圧変動率ΔＶｒが不感帯Ｒｄｚ外にある場合（切り替えスイッチ２４４，２４６が下側の端子を選択している場合）は、系統電圧安定化制御部２４は、次のように制御を行う。

系統電圧安定化制御テーブル２４３には、系統電圧Ｖｒが入力される。系統電圧安定化制御テーブル２４３は、系統電圧Ｖｒに基づいて、系統電圧変動率ΔＶｒを演算する。系統電圧安定化制御テーブル２４３は、図３に示す特性図に従って、系統電圧変動率ΔＶｒに対応する無効電流指令値Ｉｑｒ１０を演算する。系統電圧安定化制御テーブル２４３は、演算した無効電流指令値Ｉｑｒ１０を無効電流用切り替えスイッチ２４４の下側の端子に入力する。

無効電流用切り替えスイッチ２４４は、下側の端子に入力された無効電流指令値Ｉｑｒ１０を系統電圧安定化制御部２４により演算された無効電流指令値Ｉｑｒ２として出力する。また、無効電流用切り替えスイッチ２４４は、無効電流指令値Ｉｑｒ１０を有効電流指令値演算部２４５に出力する。

有効電流指令値演算部２４５には、無効電流用切り替えスイッチ２４４から無効電流指令値Ｉｑｒ１０が入力される。有効電流指令値演算部２４５は、無効電流指令値Ｉｑｒ１０に基づいて、有効電流指令値Ｉｄｒ１０を演算する。有効電流指令値Ｉｄｒ１０は、次式により求まる。有効電流指令値演算部２４５は、演算した有効電流指令値Ｉｄｒ１０を有効電流用切り替えスイッチ２４６の下側の端子に入力する。

有効電流指令値Ｉｄｒ１０＝√（１−無効電流指令値Ｉｑｒ１０の２乗） …式（１）
有効電流用切り替えスイッチ２４６は、下側の端子に入力された有効電流指令値Ｉｄｒ１０を系統電圧安定化制御部２４により演算された有効電流指令値Ｉｄｒ１１として出力する。

図５は、本実施形態に係るインバータ制御部２による系統電圧安定化制御に用いられる系統インピーダンスモデルを示す模式図である。

系統インピーダンスＺｍは、抵抗成分Ｒｓ及びリアクタンス成分Ｘｓによって模擬されている（Ｚｍ＝Ｒｓ＋ｊＸｓ）。

インバータ制御部２は、インバータ６の出力電流Ｉｉｖの有効電流成分及び無効電流成分を制御することで、系統インピーダンスＺｍによる電圧降下を利用して、系統電圧の安定化を行う。

本実施形態によれば、予め設定されている不感帯Ｒｄｚの設けられた系統電圧安定化制御テーブルに従って、インバータ６を制御することで、系統電圧Ｖｒが不感帯を外れる変動があった場合でも、自動的に系統電圧Ｖｒの安定化制御をすることができる。

これにより、風力発電システムとして無効電力補償装置を設置しなくても、系統電圧安定化制御をすることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明によれば、系統電圧安定化制御をすることのできる電力変換装置を提供することができる。

Claims (5)

1. 風力発電システムに適用され、風力発電機により発電された電力を電力系統に供給するために交流電力に変換する電力変換装置であって、
   前記電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
   前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧が所定の範囲内である場合、上位制御装置からの電力指令値に基づいて、前記風力発電機により発電された電力を前記電力系統に安定に出力し、さらに交流電圧指令値に基づいて、前記電力系統の系統電圧を安定化するように前記電力変換装置の出力電圧を制御し、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧が所定の範囲外である場合、前記電力系統のインピーダンスによる電圧降下を利用して、前記電力系統の系統電圧を安定化させるために前記電力変換装置の出力電流の有効電流成分及び無効電流成分を前記系統電圧の変動に対応して制御する制御手段と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電力変換装置は、
   前記風力発電機により発電された交流電力を直流電力に変換するコンバータと、
   前記コンバータにより変換された直流電力を、前記電力系統に供給するために、交流電力に変換するインバータとを備えたこと
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記インピーダンスは、抵抗成分及びリアクタンス成分により模擬されたこと
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御手段は、
   前記電力指令値を演算し、前記コンバータを制御するコンバータ制御手段と、
   前記系統電圧が所定の範囲内である場合、前記コンバータ制御手段により演算された前記電力指令値に基づいて、前記インバータを制御するインバータ制御手段とを備えたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 風力発電システムに適用され、風力発電機により発電された電力を電力系統に供給するために交流電力に変換する電力変換装置を制御する電力変換装置の制御方法であって、
   前記電力系統の系統電圧を検出し、
   検出した前記系統電圧が所定の範囲内である場合、上位制御装置からの電力指令値に基づいて、前記風力発電機により発電された電力を前記電力系統に安定に出力し、さらに交流電圧指令値に基づいて、前記電力系統の系統電圧を安定化するように前記電力変換装置の出力電圧を制御し、検出した前記系統電圧が所定の範囲外である場合、前記電力系統のインピーダンスによる電圧降下を利用して、前記電力系統の系統電圧を安定化させるために前記電力変換装置の出力電流の有効電流成分及び無効電流成分を前記系統電圧の変動に対応して制御すること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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