JP5681785B2 - 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、前記インバータ回路に入力される直流電力を計測する直流電力計測手段と、前記直流電力計測手段により計測された直流電力及び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、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算する交流電流指令値演算手段と、前記電圧低下検出手段により電圧低下を検出した場合、前記交流電力系統の電圧低下量に応じて、前記交流電流指令値演算手段により演算された前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくし、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する電流制限手段とを備えている。
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、例えば、２次電池、太陽電池、又は燃料電池などである。
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、電流指令値演算部２２と、リミッタ２３と、電流制御部２４、ＰＷＭ制御部２５と、電圧低下検知部２６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を電流指令演算部２２に出力する。
電流指令演算部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。電流指令演算部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を制御するための電流指令値Ｉｉｖｒ０を演算する。電流指令演算部２２は、演算した電流指令値Ｉｉｖｒ０をリミッタ２３に出力する。
電圧低下検知部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。電圧低下検知部２６は、系統電圧Ｖｒに基づいて、リミッタ２３に検知信号Ｓｄを出力する。電圧低下検知部２６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２６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。
リミッタ２３には、電流指令演算部２２により演算された電流指令値Ｉｉｖｒ０が入力される。リミッタ２３は、電流指令値Ｉｉｖｒ０をリミット値で制限する。リミッタ２３は、制限した電流指令値Ｉｉｖｒを電流制御部２４に出力する。
リミッタ２３には、２つのリミット値が設定されている。リミッタ２３は、電圧低下検知部２６から入力される検知信号Ｓｄにより、リミット値が切り替る。通常時（検知信号Ｓｄが「０」のとき）は、リミッタ２３は、インバータ１の出力電流の許容範囲で最大の電流値をリミット値として、電流指令値Ｉｉｖｒ０を制限する。系統電圧の低下時（検知信号Ｓｄが「１」のとき）は、リミッタ２３は、通常時よりも低いリミット値で、電流指令値Ｉｉｖｒ０を制限する。
次に、系統電圧Ｖｒの低下時に用いるリミット値の求め方について説明する。
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。
リミット値は、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。
電流制御部２４には、交流電流検出器７１により検出された出力電流Ｉｉｖ及びリミッタ２３により制限された電流指令値Ｉｉｖｒが入力される。電流制御部２４は、インバータ１の出力電流Ｉｉｖが電流指令値Ｉｉｖｒに追従するように、出力電圧を制御するための電圧指令値Ｖｉｖｒを演算する。電流制御部２４は、演算した電圧指令値ＶｉｖｒをＰＷＭ制御部２５に出力する。
ＰＷＭ制御部２５には、電流制御部２４により演算された電圧指令値Ｖｉｖｒが入力される。ＰＷＭ制御部２５は、インバータ１の出力電圧を電圧指令値Ｖｉｖｒに制御するためのゲート信号Ｇｔを生成する。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は、ＰＷＭ制御される。
本実施形態によれば、電圧低下検知部２６により電圧低下を検知して、電流指令値Ｉｉｖｒ０を制限するリミット値を通常よりも小さくすることで、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを小さくすることができる。これにより、インバータ１の出力電流Ｉｉｖのリプルが過電流継電器７２の整定値を超えないようにすることができる。これにより、過電流継電器７２の不要動作を防止することができる。
制御装置２は、電力指令演算部２１により演算された電力指令値Ｐｒを出力させるようにインバータ１を制御する。従って、電流指令値Ｉｉｖｒ０を制限するリミット値を小さくすると、インバータ１の出力電圧は大きくなる。系統母線７が系統事故等により電圧低下した場合において、インバータ１の出力電圧を大きくするような制御は、通常行われるインバータ１の出力電圧を小さくする制御とは、反対の制御である。しかしながら、制御装置２は、系統電圧Ｖｒの電圧低下時のみ、敢えてインバータ１の出力電流を小さく抑えることで、インバータ１の出力電流Ｉｉｖのリプルによる過電流継電器７２の不要動作を防止することができる。
（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、リミッタ２３をリミッタ２３Ａに代え、電圧低下検知部２６を電圧低下量演算部２７及びリミット値演算部２８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２７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２７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２７は、演算した電圧低下量ΔＶをリミット値演算部２８に出力する。
リミット値演算部２８には、電圧低下量演算部２７により演算された電圧低下量ΔＶが入力される。リミット値演算部２８は、電圧低下量ΔＶに基づいて、リミット値Ｌｒを演算する。リミット値Ｌｒは、電圧低下量ΔＶが大きい程、小さくなるように算出される。リミット値演算部２８は、演算したリミット値Ｌｒをリミッタ２３Ａに出力する。
リミッタ２３Ａは、リミット値演算部２８により演算されたリミット値Ｌｒで、電流指令値Ｉｉｖｒ０を制限する。その他は、第１の実施形態に係るリミッタ２３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、電流指令値Ｉｉｖｒ０を制限するリミット値Ｌｒを変えることで、過電流継電器７２を動作させない最低限のリミット値Ｌｒで、出力電流Ｉｉｖを制限することができる。これにより、第１の実施形態よりも、インバータ１の出力電圧を不必要に高くすることを防止することができる。
（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、電流指令値演算部２２、リミッタ２３、電流制御部２４、ＰＷＭ制御部２５、電圧低下検知部２６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。
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、リミッタ２３を第２の実施形態に係るリミッタ２３Ａに代え、電圧低下検知部２６を第２の実施形態に係る電圧低下量演算部２７及び第２の実施形態に係るリミット値演算部２８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２０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、電圧低下量ΔＶに基づいて、リミット値Ｌｒを演算したが、予め設定されている複数のリミット値から選択する構成でもよい。電圧低下量ΔＶに対応するリミット値を選択することで、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、リミット値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、リミット値は、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になる。
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 (8)

  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、
    前記インバータ回路に入力される直流電力を計測する直流電力計測手段と、
    前記直流電力計測手段により計測された直流電力及び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、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算する交流電流指令値演算手段と、
    前記電圧低下検出手段により電圧低下を検出した場合、前記交流電力系統の電圧低下量に応じて、前記交流電流指令値演算手段により演算された前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくし、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する電流制限手段と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記電流制限手段は、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前記電流制限値から小さくなる前記電流制限値を選択すること
    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又は請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 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又は請求項２に記載の電力変換装置。
  5. 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、
    前記インバータ回路に入力される直流電力を計測する直流電力計測手段と、
    前記直流電力計測手段により計測された直流電力及び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、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算する交流電流指令値演算手段と、
    前記電圧低下検出手段により電圧低下を検出した場合、前記交流電力系統の電圧低下量に応じて、前記交流電流指令値演算手段により演算された前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくし、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する電流制限手段と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  6. 前記電流制限手段は、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前記電流制限値から小さくなる前記電流制限値を選択すること
    を特徴とする請求項５に記載の電力変換装置の制御装置。
  7. 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、
    前記インバータ回路に入力される直流電力の電力量及び計測した系統電圧に基づいて、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算し、
    前記交流電力系統の電圧低下を検出した場合、前記交流電力系統の電圧低下量に応じて、演算した前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくし、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。
  8. 前記交流電流指令値の制限は、前記交流電力系統の電圧低下を検出した場合、設定されている複数の前記電流制限値のうち前記交流電力系統の電圧低下を検出していない場合の前記電流制限値よりも小さい前記電流制限値を選択すること
    を含むことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置の制御方法。
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