JP5742150B2 - 交直変換装置の同期制御装置 - Google Patents

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本発明は、直流−交流電力変換をして交流電源系統に連系する交直変換装置に係り、特に交直変換装置を交流電源系統の系統電圧と同じ周期で同期させるための同期制御装置に関する。
この種の交直変換装置としては、交流電源系統との間で電力を充放電する二次電池の充放電装置、交流電源系統の無効電力調整装置、交流電源系統に接続される負荷が発生する高調波電流とは逆位相の電流を発生して高調波電流を打ち消す電力用アクティブフィルタなどがある。
交直変換装置の一例として、二次電池の充放電装置の回路構成を図4に示す。交流電源系統100と二次電池200の間に設ける充放電装置300は、交流電源系統との接続点に介挿する連系遮断器1と、高調波が系統に漏れないようにするためのLCフィルタ(またはLCLフィルタ)2と、系統電圧VSの検出回路3および制御電流Iinvの検出回路4と、交流と直流の双方向に電力変換できるIGBTインバータ5から構成される。
さらに、充放電装置300は、交流電源系統100と連系して二次電池200電力の充放電を行うために、系統電圧と同期させてIGBTインバータ5の交流側の出力周波数、位相、電圧制御と直流側の出力制御をする同期制御装置6を設ける。この同期制御装置6の回路構成を図5の(a)に示す。同図において、フィルタ処理回路11は系統電圧の1相(図示ではRS相)信号からノイズ分を除去するフィルタ処理(CR充放電動作による高調波成分除去)を行い、ゼロクロス検出回路12は正弦波のゼロクロス点を変化点(位相)とする系統電圧ゼロクロスパルスを生成する。同期制御回路13は、系統電圧と同じ周期で同期した基準正弦波位相信号(鋸歯状波信号)を生成する。基準正弦波クロック作成回路14は、鋸歯状波信号と同じ周期の基準正弦波クロックを発生する。
ここで、同期制御回路13は、基準正弦波クロックと系統電圧ゼロクロスとの位相差を検出し、この位相差がゼロになるよう基準正弦波位相信号の傾き(周期)を調整する。この基準正弦波位相信号の傾きを調整することで基準正弦波信号と系統電圧信号を同じ周期で同期させる。
これら正弦波とパルスの位相関係は、図5の(b)に示すように、基準正弦波信号の位相に一致する基準正弦波クロックと、系統電圧信号の位相に一致する系統電圧ゼロクロス信号との位相差がゼロになるように、基準正弦波位相信号の傾き(周期)を調整する。
図5の(a)に示す同期制御回路13で生成された基準正弦波位相信号は、図4に示すIGBTインバータ5の主回路素子(IGBT)のゲート制御のための基準位相として使用され、この同期制御により、例えば、太陽発電パネルで充電される二次電池200からIGBTインバータ5を通した交流電源系統100への連系電力を同期させる。
他の同期制御の例としては、二次電池200を電源としてIGBTインバータ5から交流電源系統に供給する有効電力・無効電力を制御するものがある。図6は、有効電力・無効電力制御装置の例を示す。基準正弦波生成回路21は、図5の(a)中の同期制御回路13で生成する基準正弦波位相信号と同じ周期のsin波,cos波を生成する。乗算器22はsin波に有効電流指令値を乗じて振幅を調整し、乗算器23はcos波に無効電流指令値を乗じて振幅を調整し、加算器24は乗算器22,23の正弦波出力を合成して電流指令値を得る。電流制御器(ACR)25は、電流指令値とIGBTインバータ5の出力電流Iinvとの偏差に応じた有効電力・無効電力の制御電流指令値を求め、これを加算器26において基準正弦波によるベース分電流sin波に加算してPWM回路27の制御電流とし、PWM回路27で生成するPWM波形のゲート信号でIGBTインバータ5のゲートをPWM制御する。
以上のように、交流電源系統に連系する交直変換装置は、同期制御手段によって連系状態を維持している。ここで、交流電源系統に電圧低下や波形歪みなどの異常が発生すると、交直変換装置は、系統保護動作により交直変換装置の運転・制御を停止し、連系遮断器を解列させるようにしている。そして、交流電源系統が正常に復帰したときに、連系遮断器を再投入して、連系運転を再開するようにしている(例えば、特許文献1、特許文献2参照)。
特開2007−14063号公報 特開平9−331678号公報
前記のように、交直変換装置による系統連系状態で、交流電源系統に波形歪みや高調波発生などの異常が発生した場合、連系遮断器を解列させて交直変換装置を交流電源系統から切り離す。この連系遮断器の解列で対処する場合、系統が正常復帰してから交直変換装置が同期制御状態を得て連系運転するまでの時間が長くなってしまう。
また、現在の技術では、系統電圧が低下した場合には交直変換装置の運転を想定していないため、系統電圧が低下すると、図5の(a)に示す同期制御のためのフィルタ処理回路11の充放電動作による出力電圧も低下し、ゼロクロス検出回路12では系統電圧と同じ周期でパルスを生成できなくなり、同期状態を維持不能となって連系遮断器を解列させる場合がある。
この系統電圧低下時にも系統電圧と同じ周期でパルスを生成できるようにするためには、フィルタ処理回路11の充放電時定数を小さくしなければならない。しかし、フィルタ処理回路11の充放電時定数を小さくすると、系統電圧波形が歪んだ場合に歪み成分を除去できないため、正常な系統電圧と同じ周期でパルスを生成できなくなる。
本発明の目的は、系統電圧に波形歪みや電圧低下が発生した場合にも、交流電源系統との同期状態を確保して、交流電源系統から交直変換装置を解列することなく系統連系を継続できるようにした交直変換装置の同期制御装置を提供することにある。
本発明は、前記の課題を解決するため、系統電圧の1相をDFT変換と逆DFT変換することで系統電圧の波形歪みや高調波発生などにも系統電圧がもつ基本周波数の正弦波波形を抽出できるようにし、さらに系統電圧の低下には系統電圧と同期させておく自走発振回路により基準正弦波位相信号を発生させて連系状態を継続できるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。
(1) 交流電源系統の系統電圧と同じ周期で同期させた直流−交流電力変換をして交流電源系統に連系する交直変換装置の同期制御装置であって、
交流電源系統の1相の系統電圧信号をDFT演算することでフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のうち基本波成分のフーリエ級数のみを使った逆DFT演算で系統電圧と同期した歪みのない系統電圧波形を生成する基本波成分抽出演算部と、
前記逆DFT演算した系統電圧波形から、ゼロクロス点を位相とする系統電圧ゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出回路と、
鋸歯状波の基準正弦波位相信号と同じ周期の基準正弦波クロックを作成する基準正弦波クロック作成回路と、
前記基準正弦波クロックと系統電圧ゼロクロスパルスとの位相差を求め、この位相差がゼロになるように傾きを調整した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、この基準正弦波位相信号を系統電圧の同期信号とする同期制御回路を備え、 前記交直変換装置は、
前記基準正弦波位相信号から生成した基準正弦波信号と同じ周期のsin波に有効電流指令値を乗じて振幅を調整し、cos波に無効電流指令値を乗じて振幅を調整する演算手段と
それぞれ振幅の調整された前記sin波とcos波を合成して直流−交流電力変換器の有効電力・無効電力の制御電流指令値とする制御手段と、
前記基準正弦波信号と同じsin波に系統電圧実効値を乗じ、この乗算値に前記制御電流指令値を加算して前記直流−交流電力変換器のPWM制御電流とする制御手段と、
を備えて有効電力・無効電力制御する構成にしたことを特徴とする。
交流電源系統の系統電圧と同じ周期で同期させた直流−交流電力変換をして交流電源系統に連系する交直変換装置の同期制御装置であって、
交流電源系統の1相の系統電圧信号をDFT演算することでフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のうち基本波成分のフーリエ級数のみを使った逆DFT演算で系統電圧と同期した歪みのない系統電圧波形を生成する基本波成分抽出演算部と、
前記逆DFT演算した系統電圧波形から、ゼロクロス点を位相とする系統電圧ゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出回路と、
鋸歯状波の基準正弦波位相信号と同じ周期の基準正弦波クロックを作成する基準正弦波クロック作成回路と、
前記基準正弦波クロックと系統電圧ゼロクロスパルスとの位相差を求め、この位相差がゼロになるように傾きを調整した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、この基準正弦波位相信号を系統電圧の同期信号とする同期制御回路を備えると共に、
前記同期制御回路は、
前記系統電圧ゼロクロスパルスと基準正弦波クロックの位相差を演算する位相差演算回路と、
前記系統電圧ゼロクロスパルスに同じ周期で同期して系統電圧周波数を演算する系統電圧周波数演算回路と、
前記系統電圧周波数に応じた鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、前記位相差演算回路による位相差信号に応じて、該基準正弦波位相信号の傾きを調整する基準正弦波傾き演算回路と、
前記系統電圧周波数と同じ周期で同期した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を自走発振し、この基準正弦波位相信号の傾きを前記系統電圧周波数に応じて変化させておく自走発振時の傾き演算回路と、
前記系統電圧ゼロクロスパルスが生成される場合は前記基準正弦波傾き演算回路の出力を前記基準正弦波位相信号とし、前記系統電圧ゼロクロスパルスが生成されない場合は前記自走発振時の傾き演算回路の出力を前記基準正弦波位相信号として切替える切替回路を備え、
前記交直変換装置は、
前記基準正弦波位相信号から生成した基準正弦波信号と同じ周期のsin波に有効電流指令値を乗じて振幅を調整し、cos波に無効電流指令値を乗じて振幅を調整する演算手段と
それぞれ振幅の調整された前記sin波とcos波を合成して制御電流指令値とする制御手段と、
前記基準正弦波信号と同じsin波に系統電圧実効値を乗じ、この乗算値に電流制御器からの有効電力・無効電力の前記制御電流指令値を加算して前記直流−交流電力変換器のPWM制御電流とする制御手段と、
を備えて有効電力・無効電力制御する構成にしたことを特徴とする。
以上のとおり、本発明によれば、系統電圧の1相をDFT変換と逆DFT変換することで系統電圧の波形歪みや高調波発生などにも系統電圧がもつ基本周波数の正弦波波形を抽出できるようにし、さらに系統電圧の低下には系統電圧と同期させておく自走発振回路により基準正弦波位相信号を発生させて連系状態を継続できるようにしたため、系統電圧に波形歪みや電圧低下が発生した場合にも、交流電源系統との同期状態を確保して、交流電源系統から交直変換装置を解列することなく系統連系を継続できる。
また、系統電圧の変化分は電流制御器(ACR)25のACR制御で調整できるが、系統電圧に合わせてベース分を変化させることで、系統電圧変動時の電流制御の応答性を向上させることができる。
実施形態1による同期制御装置の同期制御回路図。 同期制御回路のブロック構成例。 有効電力・無効電力制御装置の回路構成図。 二次電池の充放電装置の回路構成図。 従来の同期制御装置の同期制御回路図。 従来の有効電力・無効電力制御装置の回路構成図。
(実施形態1)
図1は、本実施形態による同期制御装置の同期制御回路図である。同図が図5の(a)に示す回路と異なる部分は、フィルタ処理回路11に代えて、DFT(離散フーリエ変換)と逆DFTの演算によって系統電圧の基本周波数の正弦波信号のみを抽出する演算部15を設けた点にある。
基本波成分抽出演算部15は、系統電圧の1相分(RS相)波形をDFT演算するDFT演算回路15Aと、この演算で得られるフーリエ級数のうち基本波成分のフーリエ級数のみを使った逆DFT演算で系統電圧と同期した歪みのない系統電圧波形を生成する逆DFT演算回路15Bで構成する。この逆DFT演算した波形から、ゼロクロス検出回路12でゼロクロス点を検出する。
同期制御回路13は、系統電圧ゼロクロスパルスと基準正弦波クロックとの位相差を求め、この位相差がゼロになるように傾きを調整した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、この基準正弦波位相信号を系統電圧と同じ周期で同期した基準正弦波位相信号(鋸歯状波)を生成する。また、この生成した基準正弦波位相信号は基本波成分抽出演算部15のDFT演算に供する。
以上のように、系統の1相電圧波形をDFT演算することでフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のうち基本波成分のフーリエ級数のみを使った逆DFT演算で系統電圧と同じ周波数の歪みのない正弦波信号を生成することができる。この正弦波の抽出は、従来のフィルタ処理回路11で問題となる時定数に影響されることなく、系統電圧の変動広範囲の周波数歪み成分を除去したものを得ることができる。
したがって、基本波成分抽出演算部15により得る波形歪みのない正弦波を使って、確実にゼロクロス検出ができ、ひいては同期制御信号(基準正弦波位相信号)を得ることができ、系統電圧に波形歪みや高調波発生がある場合にも系統電圧の位相を確実に検出し、連系系統から交直変換装置を解列することなく、同期制御を継続できる。
図2は、図1における同期制御回路13のブロック構成例を示し、13A〜13Cは従来の同期制御回路13と同等のものである。すなわち、系統電圧ゼロクロスパルスと基準正弦波クロックの位相差を演算する位相差演算回路13Aと、系統電圧ゼロクロスパルスに同じ周期で同期して系統電圧周波数を演算する系統電圧周波数演算回路13Bと、前記位相差の演算結果がゼロになるように基準正弦波位相信号の傾き(周期)を調整する基準正弦波傾き演算回路13Cで構成する。
位相差演算回路13Aの具体的な構成は、例えば、カウンタは基準正弦波クロックの立ち上がりでクロックの計数を開始し、系統電圧ゼロクロスパルスの立ち上がりで計数を停止し、このときのカウンタの計数値に位相差に比例した値ΔNを得る。系統電圧周波数演算回路13Bの具体的な構成は、例えば、カウンタは系統電圧ゼロクロスパルスの立ち上がりでクロックの計数を開始し、1周期後の系統電圧ゼロクロスパルスの立ち上がりでクロックの計数を停止し、このときのカウンタの計数値に系統電圧周波数に比例した値Nを得る。基準正弦波傾き演算回路13Cの具体的な構成は、例えば、レジスタには前記の位相差ΔNにゲインPを乗じた値ΔN×Pと系統電圧周波数に比例した値Nの加算値(N+ΔN×P)をセットし、この時点でカウンタはクロックの計数を開始し、このカウンタの計数値がレジスタの設定値と一致したときにカウンタをリセットすることで、カウンタには位相差ΔN×Pにより傾き(周期)が調整された系統電圧周波数の鋸歯状波パルスを得る。この基準正弦波傾き演算回路13Cの処理は、系統周波数の検出毎に繰り返し、最終的には位相差ΔNがゼロになることで同期状態を得るもので、ゲインPの大きさで同期制御の収束性や応答性が設定される。
次に、自走発振時の傾き演算回路13Dは、系統電圧周波数と同じ周期で同期した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を自走発振し、この基準正弦波位相信号の傾き(周期)を系統電圧周波数に応じて変化させておく。自走発振時の傾き演算回路13Dの具体的な構成は、例えば、レジスタには前記の系統電圧周波数に比例した値Nをセットし、この時点でカウンタはクロックの計数を開始し、このカウンタの計数値がレジスタの設定値と一致したときにカウンタをリセットすることで、カウンタには系統電圧周波数に一致する周期で同期した鋸歯状波パルスを発生する。この鋸歯状波パルスの発生は、系統電圧が低下してそのゼロクロスパルスを抽出できなくなった場合にもレジスタの設定値が保持される限り、その周期でカウンタのセットとリセットが繰り返され、鋸歯状波パルスを発生し続ける(自走発振)。
切替回路13Eは、系統電圧がそのゼロクロス検出できる電圧範囲内にあるときは基準正弦波傾き演算回路13Cで演算した基準正弦波位相信号を取り出し、系統電圧が低下(系統電圧ゼロクロスパルスが生成されないまでに低下)を検出したときには自走発振時の傾き演算回路13Dの出力に切り替え、自走発振した鋸歯状波パルスを基準正弦波位相信号として取り出す。
したがって、系統電圧が低下、例えばゼロになると、ゼロクロス検出ができなくなるため、同期制御回路13A〜13Cによる通常の同期制御動作を停止するが、系統電圧が低下する前の系統電圧周波数信号と同じ周期で同期した鋸歯状波の発振動作を継続している傾き演算回路13Dの出力に切替回路13Eが切り替えることで、交直変換装置を系統電源から解列することなくその運転を継続することができ、系統の瞬時停電など、系統電圧が瞬時的に低下する場合にも系統電圧との同期を維持し、交直変換装置の安定した同期制御を継続できる。
なお、同期制御回路13A〜13Dの具体的な構成は、カウンタを使ったハードウェア構成の例で説明したが、これらの演算を同期制御用マイクロコンピュータにディジタル演算機能(プログラム)として追加することでも実現できる。
(実施形態2)
図3は、本実施形態による有効電力・無効電力制御装置の構成図である。同図が図6と異なる部分は、基準正弦波生成回路21で生成する基準正弦波のsin波に乗算器28で系統電圧実効値を乗じ、これに加算器26において電流制御器(ACR)25からの有効電力・無効電力の制御電流指令値を加算したものをPWM回路27のPWM制御電流とする点にある。
有効電力・無効電力制御装置は、系統電圧に対して電圧振幅を大きくしたり位相を調整することで充放電電力を調整する。ここで、系統電圧の変動分に合わせてベース分を変化させた場合、変化させない場合に比べて電流制御器(ACR)25の制御出力の変化量が小さくなる。よって、系統電圧が変化すれば、充放電電力量は同じでも、有効電力・無効電力制御装置の出力する電圧指令値は変化する。その変化分は電流制御器(ACR)25のACR制御で調整できるが、系統電圧に合わせてベース分を変化させることで、電流制御の応答性を向上させることができる。
また、系統電圧の変化を制御量に加えることで、系統電圧が低下した場合にも、交流電源系統から交直変換装置を解列することなく、連系状態を安定に継続できる。
100 交流電源系統
200 二次電池
300 充放電装置
1 連系遮断器
5 IGBTインバータ
6 同期制御装置
11 フィルタ処理回路
12 ゼロクロス検出回路
13 同期制御回路
13A 位相差演算回路
13B 系統電圧周波数演算回路
13C 基準正弦波傾き演算回路
13D 自走発振時の傾き演算回路
13E 切替回路
14 基準正弦波クロック作成回路
15 基本波成分抽出演算部
15A DFT演算回路
15B 逆DFT演算回路
21 基準正弦波生成回路
25 電流制御器(ACR)
27 PWM回路

Claims (2)

  1. 交流電源系統の系統電圧と同じ周期で同期させた直流−交流電力変換をして交流電源系統に連系する交直変換装置の同期制御装置であって、
    交流電源系統の1相の系統電圧信号をDFT演算することでフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のうち基本波成分のフーリエ級数のみを使った逆DFT演算で系統電圧と同期した歪みのない系統電圧波形を生成する基本波成分抽出演算部と、
    前記逆DFT演算した系統電圧波形から、ゼロクロス点を位相とする系統電圧ゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出回路と、
    鋸歯状波の基準正弦波位相信号と同じ周期の基準正弦波クロックを作成する基準正弦波クロック作成回路と、
    前記基準正弦波クロックと系統電圧ゼロクロスパルスとの位相差を求め、この位相差がゼロになるように傾きを調整した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、この基準正弦波位相信号を系統電圧の同期信号とする同期制御回路を備えると共に、
    前記交直変換装置は、
    前記基準正弦波位相信号から生成した基準正弦波信号と同じ周期のsin波に有効電流指令値を乗じて振幅を調整し、cos波に無効電流指令値を乗じて振幅を調整する演算手段と、
    それぞれ振幅の調整された前記sin波とcos波を合成して直流−交流電力変換器の有効電力・無効電力の制御電流指令値とする制御手段と、
    前記基準正弦波信号と同じsin波に系統電圧実効値を乗じ、この乗算値に前記制御電流指令値を加算して前記直流−交流電力変換器のPWM制御電流とする制御手段と、
    を備えて有効電力・無効電力制御する構成にしたことを特徴とする交直変換装置の同期制御装置。
  2. 交流電源系統の系統電圧と同じ周期で同期させた直流−交流電力変換をして交流電源系統に連系する交直変換装置の同期制御装置であって、
    交流電源系統の1相の系統電圧信号をDFT演算することでフーリエ級数に展開し、このフーリエ級数のうち基本波成分のフーリエ級数のみを使った逆DFT演算で系統電圧と同期した歪みのない系統電圧波形を生成する基本波成分抽出演算部と、
    前記逆DFT演算した系統電圧波形から、ゼロクロス点を位相とする系統電圧ゼロクロスパルスを生成するゼロクロス検出回路と、
    鋸歯状波の基準正弦波位相信号と同じ周期の基準正弦波クロックを作成する基準正弦波クロック作成回路と、
    前記基準正弦波クロックと系統電圧ゼロクロスパルスとの位相差を求め、この位相差がゼロになるように傾きを調整した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、この基準正弦波位相信号を系統電圧の同期信号とする同期制御回路を備えると共に、
    前記同期制御回路は、
    前記系統電圧ゼロクロスパルスと基準正弦波クロックの位相差を演算する位相差演算回路と、
    前記系統電圧ゼロクロスパルスに同じ周期で同期して系統電圧周波数を演算する系統電圧周波数演算回路と、
    前記系統電圧周波数に応じた鋸歯状波の基準正弦波位相信号を生成し、前記位相差演算回路による位相差信号に応じて、該基準正弦波位相信号の傾きを調整する基準正弦波傾き演算回路と、
    前記系統電圧周波数と同じ周期で同期した鋸歯状波の基準正弦波位相信号を自走発振し、この基準正弦波位相信号の傾きを前記系統電圧周波数に応じて変化させておく自走発振時の傾き演算回路と、
    前記系統電圧ゼロクロスパルスが生成される場合は前記基準正弦波傾き演算回路の出力を前記基準正弦波位相信号とし、前記系統電圧ゼロクロスパルスが生成されない場合は前記自走発振時の傾き演算回路の出力を前記基準正弦波位相信号として切替える切替回路を備え、
    前記交直変換装置は、
    前記基準正弦波位相信号から生成した基準正弦波信号と同じ周期のsin波に有効電流指令値を乗じて振幅を調整し、cos波に無効電流指令値を乗じて振幅を調整する演算手段と
    それぞれ振幅の調整された前記sin波とcos波を合成して制御電流指令値とする制御手段と、
    前記基準正弦波信号と同じsin波に系統電圧実効値を乗じ、この乗算値に電流制御器からの有効電力・無効電力の前記制御電流指令値を加算して前記直流−交流電力変換器のPWM制御電流とする制御手段と、
    を備えて有効電力・無効電力制御する構成にしたことを特徴とする交直変換装置の同期制御装置。
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