JP5608809B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、交流電力系統と連系する電源システムに適用される電力変換装置に関する。
一般に、交流電力系統と連系する電源システムに、電力変換装置が用いられる。電力変換装置は、直流電力を交流電力系統に同期した交流電力に変換して、交流電力系統に供給する。また、電力変換装置の交流出力側には、電力変換装置を保護するため、過電流継電器が設けられている。
しかし、このように用いられる過電流継電器は、次のような不要動作をすることがある。交流電力系統が事故等により、系統電圧が低下すると、電力変換装置から出力される交流電流のリプルの振幅が大きくなる。これにより、過電流継電器が動作する整定値を基本波成分の電流の瞬時値が超えていないにも係わらず、電流のリプルの振幅による瞬時値が整定値を超えることで、過電流継電器が動作することがある。この場合、過電流継電器は、不要動作をすることになる。
米国特許第６９２１９８５号明細書
本発明の目的は、交流電力系統と連系する電源システムに適用され、交流出力側に設けられた過電流継電器の不要動作を防止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、交流電力系統と連系する電源システムに適用される電力変換装置であって、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路と、前記交流電力系統の系統電圧を計測する系統電圧計測手段と、前記系統電圧計測手段により計測された系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、搬送波を発生させる搬送波発生手段と、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、前記インバータ回路の出力側に設けられた過電流継電器の整定値を前記インバータ回路から出力される電流のリプルが超えないように前記搬送波発生手段により発生させる搬送波の周波数を高くする搬送波周波数変調手段と、前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成する信号波生成手段と、前記搬送波発生手段により発生した前記搬送波と前記信号波生成手段により生成された前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、前記ゲート信号生成手段により生成された前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調により電力変換制御するための電力変換制御手段とを備える。
図１は、本発明の第１の実施形態に係るインバータの制御装置を適用した分散型電源システムの構成を示す構成図である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係るインバータの制御装置を適用した分散型電源システムの構成を示す構成図である。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナーを適用した分散型電源システムの構成を示す構成図である。 図４は、本発明の第４の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナーを適用した分散型電源システムの構成を示す構成図である。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るインバータ１の制御装置２を適用した分散型電源システム１０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。
分散型電源システム１０は、インバータ１と、制御装置２と、直流電源３と、平滑コンデンサ４と、交流フィルタ５と、連系トランス６と、交流電流検出器７１と、過電流継電器７２と、交流電圧検出器７３と、及び直流電圧検出器７４とを備えている。分散型電源システム１０は、系統母線７及び交流電源８を備える交流電力系統と連系する電源システムである。
直流電源３は、インバータ１に直流電力を供給する。直流電源３は、インバータ１に直流電力を供給できるものであれば何でも良い。直流電源３は、例えば、２次電池、太陽電池、又は燃料電池などである。なお、直流電源３は、交流電力を直流電力に変換して、インバータ１に供給するコンバータ等でもよい。
インバータ１は、ＰＷＭ(パルス幅変調, Pulse Width Modulation)制御されるインバータである。インバータ１は、直流電源３から供給される直流電力を交流電源８と同期する交流電力に変換する。インバータ１は、連系トランス６を介して、交流電源８が接続されている系統母線７に交流電力を供給する。インバータ１は、電力変換回路（インバータ回路）がスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子は、制御装置２から出力されるゲート信号Ｇｔにより駆動される。これにより、インバータ１は、電力変換を行う。
平滑コンデンサ４は、インバータ１の直流側に設けられている。平滑コンデンサ４は、直流電源３からインバータ１に供給される直流電力を平滑化する。
交流フィルタ５は、リアクトル５１及びコンデンサ５２を備えている。交流フィルタ５は、インバータ１から出力されるノイズを除去する。
交流電流検出器７１は、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを計測するための検出器である。交流電流検出器７１は、検出した出力電流Ｉｉｖを制御装置２及び過電流継電器７２に検出信号として出力する。
過電流継電器７２は、交流電流検出器７１により計測された出力電流Ｉｉｖの瞬時値が予め設定されている整定値を超えると、保護動作する。
交流電圧検出器７３は、系統母線７の系統電圧Ｖｒを計測するための検出器である。交流電圧検出器７３は、検出した系統電圧Ｖｒを制御装置２に検出信号として出力する。
直流電圧検出器７４は、インバータ１の直流側に印加される直流電圧Ｖｄｃを計測するための検出器である。直流電圧検出器７４は、検出した直流電圧Ｖｄｃを制御装置２に検出信号として出力する。
直流電流検出器７５は、インバータ１の直流側に入力される直流電流Ｉｄｃを計測するための検出器である。直流電流検出器７５は、検出した直流電流Ｉｄｃを制御装置２に検出信号として出力する。
制御装置２は、電力指令演算部２１と、電流制御部２２と、ゲート信号生成部２３と、搬送波発生部２４と、電圧低下検知部２５とを備えている。
電力指令演算部２１は、直流電圧検出器７４により検出された直流電圧Ｖｄｃ、及び直流電流検出器７５により検出された直流電流Ｉｄｃに基づいて、電力指令値Ｐｒを演算する。電力指令値Ｐｒは、インバータ１の出力電力に対する指令値である。電力指令演算部２１は、演算した電力指令値Ｐｒを電流制御部２２に出力する。
電流制御部２２には、電力指令演算部２１により演算された電力指令値Ｐｒ、交流電流検出器７１により検出された出力電流Ｉｉｖ、及び交流電圧検出器７３により検出された系統電圧Ｖｒが入力される。電流制御部２２は、インバータ１の出力電力が電力指令値Ｐｒに追従するように、出力電流Ｉｉｖを制御するための演算処理部である。電流制御部２２は、電力指令値Ｐｒ、出力電流Ｉｉｖ、及び系統電圧Ｖｒに基づいて、電圧指令値Ｖｉｖｒを演算する。電圧指令値Ｖｉｖｒは、インバータ１の出力電圧に対する指令値である。電流制御部２２は、演算した電圧指令値Ｖｉｖｒを信号波としてゲート信号生成部２３に出力する。信号波は、正弦波である。
電圧低下検知部２５には、交流電圧検出器７３により検出された系統電圧Ｖｒが入力される。電圧低下検知部２５は、系統電圧Ｖｒに基づいて、搬送波発生部２４に検知信号Ｓｄを出力する。電圧低下検知部２５は、系統電圧Ｖｒが所定の基準電圧以上の時（通常時）は、検知信号Ｓｄを「０」にする。電圧低下検知部２５は、系統電圧Ｖｒが所定の基準電圧を下回ると（系統電圧Ｖｒの低下時）、検知信号Ｓｄを「１」にする。
搬送波発生部２４には、電圧低下検知部２５から検知信号Ｓｄが入力される。搬送波発生部２４には、予め異なる２つの周波数が設定されている。検知信号Ｓｄが「０」の場合（通常時）、２つの周波数のうち低い周波数が選択される。検知信号Ｓｄが「１」の場合（系統電圧の低下時）、２つの周波数のうち高い周波数が選択される。搬送波発生部２４は、検知信号Ｓｄにより選択された周波数で、三角波を搬送波として発生させる。搬送波発生部２４は、発生させた搬送波をゲート信号生成部２３に出力する。
次に、系統電圧Ｖｒの低下時に用いる搬送波の周波数の決定方法について説明する。
インバータ１の出力電流Ｉｉｖに重畳される電流リプルは、次式に基づいて発生する。
ｄｉ／ｄｔ＝ΔＶ／Ｌ …式（１）
ここで、左辺は、インバータ１の出力電流Ｉｉｖの変化率である。Ｌは、インバータ１と系統母線７との間のリアクトル成分である。ΔＶは、系統電圧Ｖｒの電圧低下量である。
搬送波の周波数は、上記の式に基づいて予測される電流リプルを抑制するように設定される。
ゲート信号生成部２３には、電流制御部２２により演算された電圧指令値Ｖｉｖｒ及び搬送波発生部２４により発生させた搬送波が入力される。ゲート信号生成部２３は、信号波である正弦波と搬送波である三角波を比較して、パルス波を発生させる。ゲート信号生成部２３は、発生させたパルス波をゲート信号Ｇｔとして、インバータ１に出力する。ゲート信号Ｇｔは、インバータ１のスイッチング素子を駆動させる。これにより、インバータ１の出力電圧が制御される。
本実施形態によれば、連系されている電力系統の系統電圧が低下すると、高い周波数の搬送波で、ゲート信号Ｇｔが生成される。これにより、インバータ１から出力される電流のリプルの振幅を小さくすることができる。
また、系統電圧Ｖｒの低下時にのみ搬送波を高い周波数にすることで、常に高い周波数の搬送波を用いる場合と比較して、インバータ１のスイッチング素子の故障率を低減することができる。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係るインバータ１の制御装置２Ａを適用した分散型電源システム１０Ａの構成を示す構成図である。
分散型電源システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る分散型電源システム１０において、制御装置２を制御装置２Ａに代えている。その他は、第１の実施形態に係る分散型電源システム１０と同様である。
制御装置２Ａは、第１の実施形態に係る制御装置２において、搬送波発生部２４を搬送波発生部２４Ａに代え、電圧低下検知部２５を電圧低下量演算部２６及び搬送周波数変調部２７に代えている。その他は、第１の実施形態に係る制御装置２と同様である。
電圧低下量演算部２６には、交流電圧検出器７３により検出された系統電圧Ｖｒが入力される。電圧低下量演算部２６は、系統電圧Ｖｒが所定の基準電圧を下回ると（系統電圧の低下時）、定格電圧から系統電圧Ｖｒを引いた電圧低下量ΔＶを演算する。電圧低下量演算部２６は、演算した電圧低下量ΔＶを搬送周波数変調部２７に出力する。
搬送周波数変調部２７には、電圧低下量演算部２６により演算された電圧低下量ΔＶが入力される。搬送周波数変調部２７は、電圧低下量ΔＶに基づいて、周波数指令値ｆｒを演算する。周波数指令値ｆｒは、電圧低下量ΔＶが大きい程、高くなるように算出される。搬送周波数変調部２７は、演算した周波数指令値ｆｒを搬送波発生部２４Ａに出力する。
電圧低下量ΔＶに基づいて周波数指令値ｆｒを算出するための演算式は、第１の実施形態と同様に導出する。
搬送波発生部２４Ａは、搬送周波数変調部２７により演算された周波数指令値ｆｒになるように搬送波の周波数を変調する。搬送波発生部２４Ａは、周波数指令値ｆｒに変調した周波数で、搬送波を発生させる。搬送波発生部２４Ａは、発生させた搬送波をゲート信号生成部２３に出力する。その他は、第１の実施形態に係る搬送波発生部２４と同様である。
本実施形態によれば、電圧低下量ΔＶに応じて、搬送波の周波数を変調することで、過電流継電器７２を動作させない最低限の高さの周波数で搬送波を発生させることができる。これにより、必要以上に周波数を高くしないため、第１の実施形態よりも、インバータ１のスイッチング素子の故障率を低減することができる。
（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナー２０を適用した分散型電源システム１０Ｂの構成を示す構成図である。
分散型電源システム１０Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る分散型電源システム１０において、制御装置２を制御装置２Ｂに代え、直流電源３を風力発電機１１及びコンバータ１２に代え、交流電流検出器７６を追加した構成である。パワーコンディショナー２０は、インバータ１と、コンバータ１２と、制御装置２Ｂと、平滑コンデンサ４と、交流フィルタ５とを備えた構成である。その他は、第１の実施形態に係る分散型電源システム１０と同様である。
風力発電機１１は、風力を利用して交流電力を発電する発電機である。風力発電機１１は、発電した交流電力をパワーコンディショナー２０に供給する。
パワーコンディショナー２０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２０は、変換した交流電力を系統母線７に連系トランス６を介して供給する。
コンバータ１２の直流側は、インバータ１の直流側と直流リンク１３で接続されている。即ち、コンバータ１２及びインバータ１は、ＢＴＢ(back to back)変換器を構成している。コンバータ１２の交流側は、風力発電機１１と接続されている。コンバータ１２は、風力発電機１１により発電された交流電力を直流電力に変換して、インバータ１に供給する。
コンバータ１２は、ＰＷＭ制御されるインバータである。コンバータ１２は、電力変換回路がスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子は、制御装置２Ｂのコンバータ制御部３１から出力されるゲート信号Ｇｔにより駆動される。これにより、コンバータ１２は、電力変換を行う。
制御装置２Ｂは、第１の実施形態に係る制御装置２において、電力指令値生成部２１の代わりに、コンバータ制御部３１を設けた構成である。インバータ制御部３２は、電流制御部２２、ゲート信号生成部２３、搬送波発生部２４、及び電圧低下検知部２５により構成されている。その他は、第１の実施形態に係る制御装置２と同様である。
交流電流検出器７６は、風力発電機１１からコンバータ１２に入力される交流電流Ｉｇを計測するための検出器である。交流電流検出器７６は、検出した交流電流Ｉｇをコンバータ制御部３１に検出信号として出力する。
コンバータ制御部３１には、交流電流検出器７６により検出された交流電流Ｉｇ、直流電圧検出器７４により検出された直流電圧Ｖｄｃ、及び直流電流検出器７５により検出された直流電流Ｉｄｃが入力される。
コンバータ制御部３１は、交流電流検出器７６により検出された交流電流Ｉｇ、直流電圧検出器７４により検出された直流電圧Ｖｄｃ、及び直流電流検出器７５により検出された直流電流Ｉｄｃに基づいて、コンバータ１２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３１は、生成したゲート信号Ｇｔｃを出力して、コンバータ１２のスイッチング素子を駆動する。これにより、コンバータ１２の出力電力が制御される。
コンバータ制御部３１は、インバータ１を制御するための電力指令値Ｐｒを演算する。コンバータ制御部３１は、演算した電力指令値Ｐｒを電流制御部２２に出力する。
本実施形態によれば、風力発電システムのパワーコンディショナー２０において、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナー２０Ｃを適用した分散型電源システム１０Ｃの構成を示す構成図である。
分散型電源システム１０Ｃは、図３に示す第３の実施形態に係る分散型電源システム１０Ｂにおいて、パワーコンディショナー２０をパワーコンディショナー２０Ｃに代えている。その他は、第３の実施形態に係る分散型電源システム１０Ｂと同様である。
パワーコンディショナー２０Ｃは、第３の実施形態に係るパワーコンディショナー２０の制御装置２Ｂにおいて、搬送波発生部２４を第２の実施形態に係る搬送波発生部２４Ａに代え、電圧低下検知部２５を第２の実施形態に係る電圧低下量演算部２６及び第２の実施形態に係る搬送周波数変調部２７に代えている。その他は、第３の実施形態に係るパワーコンディショナー２０Ｂと同様である。
本実施形態によれば、風力発電システムのパワーコンディショナー２０Ｃにおいて、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、第２の実施形態及び第４の実施形態では、搬送波の周波数を電圧低下量ΔＶに基づいて演算した周波数指令値ｆｒに変調させたが、予め設定されている複数の周波数を選択する構成でもよい。電圧低下量ΔＶに対応する周波数を選択することで、各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、第３の実施形態及び第４の実施形態では、風力発電機１１を用いた構成を説明したが、これに限らない。交流電力を発電する発電機であれば、風力以外のエネルギーを利用する発電機（例えば、水力発電機）でもよい。
さらに、各実施形態において、搬送波の周波数及びこれを求める式は、上記（１）式に基づかなくてもよい。例えば、搬送波の周波数は、経験則又はノウハウによって求めてもよい。
また、各実施形態において、分散型電源システム１０と交流電力系統との間に設けられた連系トランス６は無くてもよい。この場合、交流電圧検出器７３により検出される電圧は、交流電流検出器７１により検出される電流と同じ測定箇所の電気量である。
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、交流電力系統と連系する電源システムに適用され、交流出力側に設けられた過電流継電器の不要動作を防止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 (11)

  1. 交流電力系統と連系する電源システムに適用される電力変換装置であって、
    直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路と、
    前記交流電力系統の系統電圧を計測する系統電圧計測手段と、
    前記系統電圧計測手段により計測された系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
    搬送波を発生させる搬送波発生手段と、
    前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、前記インバータ回路の出力側に設けられた過電流継電器の整定値を前記インバータ回路から出力される電流のリプルが超えないように前記搬送波発生手段により発生させる搬送波の周波数を高くする搬送波周波数変調手段と、
    前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成する信号波生成手段と、
    前記搬送波発生手段により発生した前記搬送波と前記信号波生成手段により生成された前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、
    前記ゲート信号生成手段により生成された前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調により電力変換制御するための電力変換制御手段と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、設定されている複数の周波数から高くなる周波数を選択すること
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、電圧低下量に応じて周波数を決定すること
    を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記インバータ回路に直流電力を供給する直流電源
    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. 交流電力を供給する交流電源と、
    前記インバータ回路に直流電力を供給するために、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と
    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。
  6. 交流電力系統と連系する電源システムに適用され、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路を備えた電力変換装置を制御する電力変換装置の制御装置であって、
    前記交流電力系統の系統電圧を計測する系統電圧計測手段と、
    前記系統電圧計測手段により計測された系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
    搬送波を発生させる搬送波発生手段と、
    前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、前記インバータ回路の出力側に設けられた過電流継電器の整定値を前記インバータ回路から出力される電流のリプルが超えないように前記搬送波発生手段により発生させる搬送波の周波数を高くする搬送波周波数変調手段と、
    前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成する信号波生成手段と、
    前記搬送波発生手段により発生した前記搬送波と前記信号波生成手段により生成された前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、
    前記ゲート信号生成手段により生成された前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調による制御をする制御手段と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  7. 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、設定されている複数の周波数から高くなる周波数を選択すること
    を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置の制御装置。
  8. 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、電圧低下量に応じて周波数を決定すること
    を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置の制御装置。
  9. 交流電力系統と連系するための電源システムに適用され、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路を備えた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、
    前記交流電力系統の系統電圧を計測し、
    計測した系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出し、
    搬送波を発生させ、
    電圧低下を検出した場合、前記インバータ回路の出力側に設けられた過電流継電器の整定値を前記インバータ回路から出力される電流のリプルが超えないように前記搬送波の周波数を高くし、
    前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成し、
    発生させた前記搬送波と生成した前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成し、
    生成した前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調による制御をすること
    を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  10. 前記搬送波の周波数は、電圧低下を検出した場合、設定されている複数の周波数から高くなる周波数を選択すること
    を特徴とする請求項９に記載の電力変換装置の制御方法。
  11. 前記搬送波の周波数は、電圧低下を検出した場合、電圧低下量に応じて周波数を決定すること
    を特徴とする請求項９に記載の電力変換装置の制御方法。
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