JP6059380B1 - 系統連系三相インバータ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、単独運転状態発生から解列までの間において各相間の位相を制御する機能を有する系統連系三相インバータを提供することを目的とする。【解決手段】本発明に係る系統連系三相インバータは、交流端子における各相の位相角の変動を直接電気制御角に反映するのではなく、「一定値可変演算処理」を行った後の値を電気制御角に反映させ、三相インバータの位相角の制御を行うこととした。各相間の位相変化率を一定に保つことが可能となり、三相交流の位相過渡時や不平衡⇔平衡移行時の電流アンバランスを抑制でき、過電流を抑えて状態変移可能になった。【選択図】図１

Description

本発明は、三相電力系統に電力を供給する系統連系三相インバータに関する。

パワーコンディショナーに代表されるように直流電力を交流電力に変換して三相電力系統へ供給する系統連系三相インバータが知られている（例えば、非特許文献１を参照。）。このような系統連系三相インバータは、三相電力系統との接続点である交流端子において三相電力系統の三相交流電圧を検出し、これに追従するように三相交流の電流、周波数、及び位相を調整して出力している（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００７−２３６０８３号公報

宇敷修一、大島正明、「太陽光発電用高機能パワーコンディショナー」、Ｏｒｉｇｉｎ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ Ｎｏ．７５（２０１２）

系統連系三相インバータは、電力系統が停電した時にインバーターが単独に動作し、電力系統に電力を供給することを禁止している。このため、系統連系三相インバータには単独運転機能防止機能を設ける必要がある。例えば、各相の位相差を検出信号として検出し、ある閾値以上となった場合に解列するような単独運転防止機能もある。ここで、検出信号には必ずと言ってノイズが重畳するが、ノイズを除去する手法として一般にフィルターが使用される。ノイズ信号は一般的に真の信号より高周波であることが多く、安価なノイズ除去手段としてアナログ回路の場合ではＣ（コンデンサ）とＲ（抵抗）を組み合わせたパッシブフィルター（ローパスフィルター）を用い、マイコンなどを使用したディジタル回路ではプログラム的にローパス演算を行っている。

電力系統が正常であれば、交流端子の交流電圧は電力系統の電圧が支配的となり、系統連系三相インバータはこれに追従するように出力電流を制御する。ところが、系統連系三相インバータ側から電力系統に電力を供給して動作している時に電圧系統の停電などにより単独運転状態が発生すると、交流端子には系統連系三相インバータの出力電圧が現れる。つまり、系統連系三相インバータは自らの出力値に基づいて自らを制御することになるので、系統インピーダンスの大きさのばらつきや負荷装置の相間の電力バランスの状態によって、相電力、相電圧及び相電流にアンバランスが発生する。

特に、各相間の位相がずれると過大な電流が出力するため、各相間の位相を調整する手段が求められる。しかし、前述したノイズ除去手段は、急峻なノイズを除去することはできても相電力、相電圧及び相電流のアンバランスを抑制することはできなかった。このため、従来の系統連系三相インバータには、各相間の位相を調整する手段がなく、単独運転状態発生から解列までの間において系統電流などを制御することが困難という課題があった。

そこで、本発明は、上記課題を解決すべく、単独運転状態発生から解列までの間において各相間の位相を制御する機能を有する系統連系三相インバータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明に係る系統連系三相インバータは、自身が出力する三相交流の各位相を、交流端子にて検出した三相交流電圧の各位相に一定値づつ近接させるように追従させるという数値変化率の制御で単独運転時の電流アンバランスを防止することとした。

具体的には、本発明に係る系統連系三相インバータは、
三相電力系統に交流端子を介して電力を供給する系統連系三相インバータであって、
前記交流端子における三相交流電圧を検出する検出部と、
電気位相角情報を有するＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて、三相交流電流の各位相が前記電気位相角情報に追従するように直流電力を三相交流電力に変換して前記交流端子へ出力する三相電圧型交直変換回路と、
前記検出部が検出した三相交流電圧の各相の現在の位相情報を検出する位相検出演算、現在の電気位相角情報と現在の位相情報とを比較し、現在の位相情報が現在の電気位相角情報より大きければ現在の電気位相角情報に所定値だけ加算した値を新たな電気位相角情報とし、現在の位相情報が現在の電気位相角情報より小さければ現在の電気位相角情報から所定値だけ減算した値を新たな電気位相角情報とする一定値可変演算、及び前記新たな電気位相角情報から前記ＰＷＭ指令を発生させる制御部と、
を備えることを特徴とする。

本発明に係る系統連系三相インバータは、交流端子の三相交流電圧の位相をモニタしている。本系統連系三相インバータは、交流端子にて検出した三相交流の各位相の変動方向を把握し、自身が出力する三相交流の各位相をその変動方向へ一定量づつ動かす。本発明に係る系統連系三相インバータは、このように自身が出力する三相交流を交流端子の三相交流に追従させることで、単独運転となった場合でも急激な位相ずれの発生を防止することができる。つまり、本発明は、単独運転状態発生から解列までの間において各相間の位相を制御する機能を有する系統連系三相インバータを提供することができる。

本発明に係る系統連系三相インバータの前記制御部は、１の相を基準とする２つの位相差を前記位相情報とすることができる。

本発明に係る系統連系三相インバータの前記制御部は、前記一定値可変演算を、現在の電気位相角情報と現在の位相情報とを比較する比較器、及び現在の電気位相角情報に所定値だけ加算又は減算する加減算器で行うことを特徴とする。前記制御部を簡易な回路で構成することができる。

本発明は、単独運転状態発生から解列までの間において各相間の位相を制御する機能を有する系統連系三相インバータを提供することができる。

本発明に係る系統連系三相インバータを説明する構成図である。 本発明に係る系統連系三相インバータが三相交流の位相を検出する手法を説明する図である。 本発明に係る系統連系三相インバータの制御部が行う一定値可変法による位相角処理を説明する図である。 本発明に係る系統連系三相インバータの効果を説明する図である。 本発明に係る系統連系三相インバータの効果を説明する図である。 本発明に係る系統連系三相インバータの効果を説明する図である。

添付の図面を参照して本発明の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本発明の実施例であり、本発明は、以下の実施形態に制限されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（実施形態１）
図１は、系統連系三相インバータ３０１を説明する構成図である。系統連系三相インバータ３０１は、交流端子３０、三相電圧型交直変換回路３１、検出部３２、制御部３３、インターロック３４、及び直流端子３５を備える。交流端子３０は電力系統１０２と接続される。直流端子３５は直流電源１０１と接続される。直流電源１０１は、例えば、太陽電池やバッテリーである。

三相電圧型交直変換回路３１は、ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電源１０１からの電力を三相交流電力に変換して交流端子３０から出力する。検出部３２は、交流端子３０の三相交流電圧を検出する。なお、交流端子３０の三相交流電圧とは、通常時は電力系統の三相交流電圧であるが、電力系統が停電しているときは三相電圧型交直変換回路３１が出力する三相交流電圧となる。また、検出部３２は、検出した三相交流電圧から周波数及び各相の位相も検出する。さらに、検出部３２は、三相電圧型交直変換回路３１から、三相電圧型交直変換回路３１に入力される直流電圧と三相電圧型交直変換回路３１が出力する三相交流電流の情報（インバータ電流：図内では「ＩＮＶ電流」）を受け取る。

ここで、検出部３２は、位相情報として各相の位相を検出するのではなく、１の相（Ｒ相）を基準とする２つの位相差（Ｒ相とＳ相との位相差θｓ及びＲ相とＴ相との位相差θｔ）を検出してもよい。図２は、Ｒ相を基準として他の２相との位相差を検出部３２が検出する手順を説明する図である。図２（Ａ）は交流端子３０の各相の電圧波形である。検出部３２は、この電圧波形それぞれについて０Ｖよりプラス側にある時に“１”、０Ｖよりマイナス側にある時に“０”となる０点検出信号を生成する（図２（Ｂ））。検出部３２は、これらの０点検出信号の“０”から“１”へ変化する時刻の差から位相差θｓとθｔを検出する。

制御部３３は、系統同期回路３３ａと制御回路３３ｂを有する。系統同期回路３３ａは、検出部３２よりＲ相の０点間隔及び位相差θｓとθｔを受け取り、これらに基づいてそれぞれの相について正弦波を生成する（図２（Ｃ））。生成した正弦波を「電流指令信号」と呼ぶ。制御回路３３ｂは、検出部３２より、三相電圧型交直変換回路３１が出力する三相交流電流の情報、及び交流端子３０の三相交流電圧と周波数の情報を受け取り、系統同期回路３３ａより電流指令信号を受け取る。制御回路３３ｂは、これらの情報からＰＷＭ指令を生成する。
なお、制御回路３３ｂは、直流電圧情報に基づき、有効電力制御を行う。また、制御回路３３ｂは、直流電圧情報に基づいて直流電源１０１の過電圧を検出し、インバータ電流に基づいて三相電圧型交直変換回路３１から出力されるインバータ電流の過電流を検出し、インターロック３４に対して停止信号を出力することができる。

従来の系統連系三相インバータは、取得した位相情報にノイズ除去用のローパスフィルター処理を行い、位相情報の推移波形をなまらし、ＰＷＭ指令が急峻な変動に追従しないようにしていた。系統連系三相インバータ３０１は、位相情報にローパスフィルタ処理を行うのではなく、次の処理を行うこととしている。

図３は、制御回路３３ｂが位相情報に基づいてＰＷＭ指令を生成する手順を説明するフローチャートである。θｓもθｔも同じ手順である。制御回路３３ｂは、現在の電気位相角情報（θ’ｓ、θ’ｔ）と現在の位相情報（θｓ、θｔ）とを比較し、現在の位相情報が現在の電気位相角情報より大きければ現在の電気位相角情報に所定値（δｓ、δｔ）だけ加算した値を新たな電気位相角情報（θ’ｓ、θ’ｔ）とし、現在の位相情報が現在の電気位相角情報より小さければ現在の電気位相角情報から所定値（δｓ、δｔ）だけ減算した値を新たな電気位相角情報（θ’ｓ、θ’ｔ）として前記ＰＷＭ指令を発生させる。
制御回路３３ｂが行う上記処理を以降では「一定値可変演算処理」と呼ぶこととする。
なお、「電気位相角情報（θ’ｓ、θ’ｔ）」とは、三相電圧型交直変換回路３１に出力させる三相交流電流の位相（Ｓ相とＴ相のＲ相に対する位相差）を指示する情報である。

単純に信号がある数値からある数値に変化するときに、その軌跡は必要なく変化開始値から変化値の２値が重要な意味を持つ場合や変化数値変化中の変化率を一定に制御したい場合がある。このような場合にこの一定値可変演算処理が有効になる。つまり、一定値可変演算処理は、演算処理をおこなった後の信号同士の差分変化率も制御でき、安定した系で制御系のコントロールを可能とする。つまり、系統連系三相インバータ３０１は、一定値可変演算処理を複数の電気位相角情報（θ’ｓ、θ’ｔ）に適用することで、三相交流の各相の位相差を一定に保つことができ、過大な電流が流れることを防止することができる。

図４〜図６は、系統連系三相インバータ３０１の効果を説明する図である。図４〜図６は、停電が発生した後の現在の位相情報、従来のローパスフィルタを使った位相制御の電気位相角情報、及び本発明の一定値可変処理を使った位相制御の電気位相角情報の時間推移を比較した図である。図４はＲ相とＳ相との位相差推移、図５はＲ相とＴ相との位相差推移、図６はＳ相とＴ相との位相差推移である。

停電が時刻Ｔ０近辺で発生すると系統連系三相インバータは単独運転状態になり、今まで系統電圧に従って出力していた電流と電圧の波形は徐々にずれていく。これは、前述のように、系統連系三相インバータは３相それぞれの系統電圧振幅値と３相それぞれの系統電圧位相に同期をとりながら動作していたが、系統の停電によってあわせる対象がなくなり、系統連系三相インバータ自身が出力する振幅値と電圧位相にしたがうことで発生する。停電直後、Ｒ相電圧相に対してＳ相は１２０度、Ｔ相は２４０度ずれて動作しているが、徐々にずれる。

系統連系三相インバータには負荷装置が接続されている場合があり、その負荷装置は電圧位相がそれぞれ１２０°ずれた対称交流電圧で動作するように設計されている。つまり、単独運転状態が発生して系統連系三相インバータが停止するまでの間においても電圧位相がそれぞれ１２０°づつずれた対称交流電圧で動作することが望ましい。

停電後のＲ−Ｔ相間位相差の変化（図５）は、Ｒ−Ｓ相間位相差の変化（図４）より大きな変化率で計測値が変化している。このため、Ｓ−Ｔ相間位相差も大きく変動している（図６）。ここで、フィルター処理をした場合、Ｒ−Ｔ相間位相差（図５）はＴ０からＴ４までの間に約６０°変化し、Ｒ−Ｓ相間位相差（図４）はＴ０からＴ４までの間に約２０°変化することになる。このため、Ｓ−Ｔ相間位相差も変動率こそ小さくなるが変動量は計測値より小さくなることはない。一方、一定値可変法で処理するとＲ−Ｓ相間位相差及びＲ−Ｔ相間位相差もＴ０からＴ４までの間に同じ角度１０°で変化している（図４、図５）。このため、Ｓ−Ｔ相間位相差はほぼ１２０°を保つことができる。

このように、系統連系三相インバータの単独運転時の位相制御として一定値可変演算処理を採用することで図４及び図５の様にＲＳ相間位相差（θｓ）及びＲＴ間位相差（θｔ）の変化率を一定にでき、結果図６の様にＳＴ間位相差の変化を見かけ上１２０°に保つ効果が得られる。

なお、一定値可変処理を使った位相制御で三相交流の各相の位相差を一定に保つためには、所定値（δｓ、δｔ）はδｓ＝δｔとしておくことが望ましいが、必ずしもδｓ＝δｔでなくともよい。図４〜６に示すようにθ’ｓとθ’ｔとの差分がローパスフィルタを使った制御より小さくなるような所定値（δｓ、δｔ）とすれば、一定値可変処理を使う制御がローパスフィルタを使う制御より効果があることになる。

制御回路３３ｂは、前記一定値可変演算を、現在の電気位相角情報と現在の位相情報とを比較する比較器、及び現在の電気位相角情報に所定値だけ加算又は減算する加減算器で行うことを特徴とする。
一般的によく使用されるノイズ除去方式のフィルター演算、すなわち、ディジタルフィルタ演算では通常積和演算が行われる。この場合ＣＰＵは乗算器と加算（減算）器で構成される。そして、１回の演算処理で少なくとも乗算を２回以上、加算（減算）を２回以上実行する必要がある。さらに時定数の設定によっては正確な計算結果を出すためにある程度の精度が求められ、高価なマイコンが必要となる。
一方、制御回路３３ｂが行う一定値可変演算は、比較器と加減算器があれば実現可能である。１回の演算処理は比較と加算又は減算処理だけでよく、前記時定数に対応する前記所定値を計算できる程度の精度が加減算器にあれば良い。制御回路３３ｂは、従来のディジタルフィルタ演算より簡易な構成で同等以上の精度を実現できる。つまり、一定値可変演算を採用する制御回路３３ｂは、演算回数を低減して高速応答が可能である。さらに、安価のＣＰＵでも実装可能可能である。

［発明のポイント］
（発明の課題）
系統連系三相インバータは、交流端子において３相の位相角θｒ、θｓ、θｔをそれぞれ検出しながら直流から三相交流への変換時の電気制御角として動作している。ここで、電力系統の停電などで系統連系三相インバータに単独運転状態が発生すると交流端子の電圧は徐々に、または急激に、あるいは不規則に変化する。この結果、各相の電圧波形のゼロクロス点がずれ、系統連系三相インバータの三相交流出力波形の位相角が変化してくる。この結果、停電前には各相が電流バランス状態で動作していた系統連系三相インバータに電流アンバランスが発生することになる。
（発明の特徴）
「一定値可変演算処理」は、信号の変化率を一定に保つだけではなく、複数の信号に「一定値可変演算処理」を適用することで、信号同士の差分変化率も制御することができ、安定して制御系をコントロール可能となる。本発明では、交流端子における各相の位相角の変動を直接あるいはローパスフィルタ処理後の電気制御角に反映するのではなく、「一定値可変演算処理」を行った後の値を電気制御角に反映させ、三相インバータの位相角の制御を行うこととした。
（発明の効果）
その結果、各相間の位相変化率を一定に保つことが可能となり、三相交流の位相過渡時や不平衡から平衡への移行時、あるいはその逆の電流アンバランスを抑制でき、過電流を抑えて状態変移可能になった。「一定値可変演算処理」にはフィルター効果もあるので、ノイズの抑制効果も同時に得られる。また、定常動作状態時でも各相位相角の変化率も制御可能なため、相間の電流アンバランスを抑制することもできる。

３０：交流端子
３１：三相電圧型交直変換回路
３２：検出部
３３：制御部
３３ａ：系統同期回路
３３ｂ：制御回路
３４：インターロック
３５：直流端子
１０１：直流電源
１０２：電力系統
３０１：系統連系三相インバータ

Claims (2)

1. 三相電力系統に交流端子を介して電力を供給する系統連系三相インバータであって、
   前記交流端子における三相交流電圧を検出し、前記三相交流電圧の各相の現在の位相情報を検出する検出部と、
   電気位相角情報を有するＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて、三相交流電流の各位相が前記電気位相角情報に追従するように直流電力を三相交流電力に変換して前記交流端子へ出力する三相電圧型交直変換回路と、
   現在の電気位相角情報と前記検出部が検出した現在の位相情報とを比較し、現在の位相情報が現在の電気位相角情報より大きければ現在の電気位相角情報に所定値だけ加算した値を新たな電気位相角情報とし、現在の位相情報が現在の電気位相角情報より小さければ現在の電気位相角情報から所定値だけ減算した値を新たな電気位相角情報とする一定値可変演算、及び前記新たな電気位相角情報から前記ＰＷＭ指令を発生させる発生処理を行う制御部と、
   を備え、
   前記検出部及び前記制御部は、１の相を基準とする他の２相との位相差を前記位相情報とすることを特徴とする系統連系三相インバータ。
2. 前記制御部は、前記一定値可変演算を、現在の電気位相角情報と現在の位相情報とを比較する比較器、及び現在の電気位相角情報に所定値だけ加算又は減算する加減算器で行うことを特徴とする請求項１に記載の系統連系三相インバータ。

Images