JP6103155B2 - 電力変換装置、発電システムおよび電流制御方法 - Google Patents

電力変換装置、発電システムおよび電流制御方法 Download PDF

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Description

開示の実施形態は、電力変換装置、発電システムおよび電流制御方法に関する。
近年、太陽電池や風力発電機などの発電装置の導入が拡大している。かかる発電装置と電力系統との間には、系統連系用電力変換装置が設置される。かかる電力変換装置は、発電装置の発電電力を電力系統の周波数に合わせた交流電力に変換し電力系統へ出力する。
発電装置が電力系統に広域・大量に連系された場合、電力系統の擾乱により一斉に解列すると電力品質に大きな影響を与えることが懸念される。そのため、電力変換装置において、電力系統の瞬時電圧低下時などの系統電圧異常時に不要解列を防止し運転を継続する機能を備えることが要求されてきている。
系統電圧異常は、例えば、線間短絡などによって生じる。線間短絡が発生すると、系統電圧がアンバランスになる。電力変換装置は、系統電圧がアンバランスになると、電圧位相を喪失するおそれがある。
そこで、例えば、電力系統の電圧低下異常が発生する前の正常時の位相情報を保持し、電力系統の電圧低下異常が生じたと判定した場合に、保持された位相情報に基づいて出力電流を制御する電力変換装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１３−８５３６４号公報
実施形態の一態様は、系統電圧異常時に出力電流を精度よく制御することができる電力変換装置、発電システムおよび電流制御方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係る電力変換装置は、電力変換部と、電圧振幅取得部と、制御部とを備える。前記電力変換部は、電力系統に接続される。前記電圧振幅取得部は、前記電力系統の電圧振幅を取得する。前記制御部は、前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅の振動成分に基づいて、前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御する。
実施形態の一態様によれば、系統電圧異常時に出力電流を精度よく制御することができる電力変換装置、発電システムおよび電流制御方法を提供することができる。
図１は、実施形態に係る発電システムの構成例を示す図である。 図２は、図１に示す電力変換装置の構成の一例を示す図である。 図３は、図２に示す電力変換部の構成の一例を示す図である。 図４は、図２に示すゲイン演算部の一例を示す図である。 図５は、図４に示す振動成分抽出部の一例を示す図である。 図６は、図２に示すスイッチ部の一例を示す図である。 図７Ａは、電力系統の電圧異常の一例を示す図である 図７Ｂは、電圧異常の状態で補正部の補正がない場合の出力電流の状態を示す図である。 図７Ｃは、電圧異常の状態での電圧位相の状態を示す図である。 図７Ｄは、電圧異常の状態で補正部の補正がある場合の出力電流の状態を示す図である。 図８は、補正部の他の構成例を示す図である。 図９は、電力変換部の他の構成例を示す図である。 図１０は、制御部の出力電流制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。
以下、添付図面を参照して、本願の開示する電力変換装置、発電システムおよび電流制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
［１．発電システム］
図１は、実施形態に係る発電システムの構成例を示す図である。図１に示す発電システム１００は、電力変換装置１および発電装置２を備える。電力変換装置１は、発電装置２で発電された直流電力を電力系統３の電圧および周波数に合わせた交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。なお、発電装置２は、例えば、太陽電池、直流発電機、燃料電池などである。
電力変換装置１は、電力変換部１０と、電圧検出部１４と、電流検出部１５と、位相・振幅検出部２０と、制御部２３とを備える。電力変換部１０は、制御部２３による制御に基づき、発電装置２から供給される直流電力を電力系統３の電圧および周波数に合わせた交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。
電圧検出部１４は、例えば、電力系統３の交流電圧の瞬時値を繰り返し検出する。電流検出部１５は、例えば、電力変換部１０から電力系統３への出力電流の瞬時値（以下、検出電流と記載する場合がある）を繰り返し検出する。
位相・振幅検出部２０（電圧振幅取得部の一例）は、例えば、電圧検出部１４の電圧検出結果に基づいて、電力系統３の電圧位相θおよび電力系統３の電圧振幅Ｕｇを取得する。なお、位相・振幅検出部２０は、外部から電圧位相θおよび電圧振幅Ｕｇを取得することもできる。
制御部２３は、位相・振幅検出部２０により取得された電圧振幅Ｕｇの振動成分に基づいて電力変換部１０から電力系統３への出力電流を制御する。電力系統３に線間短絡などの電圧異常（以下、系統電圧異常と記載する場合がある）が発生した場合であっても、出力電流を精度よく制御することができる。なお、系統電圧異常には、例えば、電力系統３の電圧が過大な状態も含まれる。
制御部２３は、例えば、電圧位相θに応じて検出電流の座標変換を行い、かかる座標変換後の検出電流が出力電流指令と一致するように電力変換部１０を制御することができる。この場合、制御部２３は、出力電流指令を電圧振幅Ｕｇの振動成分に応じて座標変換後の検出電流や出力電流指令を補正する。これにより、出力電流を精度よく制御することができる。
［２．電力変換装置］
図２は、図１に示す電力変換装置１の構成の一例を示す図である。図２に示すように、電力変換装置１は、電力変換部１０と、電圧検出部１１、１３、１４と、電流検出部１２、１５と、フィルタ１８と、入力端子Ｔｐ、Ｔｎと、出力端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔと、位相・振幅検出部２０と、ｄｑ演算部２１と、電圧異常検出部２２と、制御部２３とを備える。
電力変換部１０は、昇圧回路１６と、インバータ回路１７とを備える。昇圧回路１６は、例えば、昇圧チョッパ回路やＤＣ−ＤＣコンバータであり、また、インバータ回路１７は、例えば、３相インバータである。なお、電力変換部１０は、昇圧回路１６に代えて、供給電圧Ｖｉｎを所定の電圧に昇圧する降圧回路を備えることもでき、また、電力変換部１０は、昇圧回路１６を設けない構成であってもよい。
図３は、電力変換部１０の構成の一例を示す図である。図３に示す昇圧回路１６は、スイッチング素子Ｑ７を有するチョッパ回路である。かかるスイッチング素子Ｑ７は、制御部２３から出力される駆動信号Ｓ７によってＯＮ／ＯＦＦが制御され、これにより、昇圧回路１６において供給電圧Ｖｉｎが所定の電圧に昇圧される。なお、図示しないが昇圧回路１６は、例えば、制御部２３から出力される駆動信号Ｓ７を増幅してスイッチング素子Ｑ７のベースへ入力する増幅回路を有する。
また、図３に示すインバータ回路１７は、３相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を含む３相インバータである。かかるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、制御部２３から出力される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６によりＯＮ／ＯＦＦが制御され、これにより、インバータ回路１７において、直流電圧が３相交流電圧へ変換される。なお、図示しないがインバータ回路１７は、例えば、制御部２３から出力される駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を増幅してスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のベースへ入力する増幅回路を有する。
図２に戻って電力変換装置１の説明を続ける。電圧検出部１１は、発電装置２から電力変換部１０へ供給される電圧の瞬時値を供給電圧Ｖｉｎとして検出する。また、電圧検出部１３は、昇圧回路１６から出力される昇圧後の直流電圧の瞬時値（以下、直流母線電圧Ｖｐｎと記載する）を検出する。電流検出部１２は、例えば、発電装置２から電力変換部１０へ供給される直流電流の瞬時値（以下、供給電流Ｉｉｎと記載する）を検出する。
電圧検出部１４は、例えば、電力系統３のＲ相とＳ相との間の瞬時電圧Ｖｒｓ（以下、相間電圧Ｖｒｓと記載する）と、電力系統３のＳ相とＴ相との間の瞬時電圧Ｖｓｔ（以下、相間電圧Ｖｓｔと記載する）とを検出する。
電流検出部１５は、例えば、電力変換部１０から電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相へ出力される交流電流の瞬時値（以下、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔと記載する）を検出する。フィルタ１８は、例えば、ＬＣフィルタであり、インバータ回路１７を構成するスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチングに起因するスイッチングノイズを除去する。
位相・振幅検出部２０は、電圧検出部１４によって検出された相間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔに基づいて、電力系統３の電圧位相θおよび電力系統３の電圧振幅Ｕｇを取得する。例えば、位相・振幅検出部２０は、下記式（１）、（２）の演算により、相間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔを２軸のαβ成分の交流電圧Ｖα、Ｖβへ変換する。
Ｖα＝（２Ｖｒｓ＋Ｖｓｔ）÷２ ・・・（１）
Ｖβ＝√３×Ｖｓｔ÷２ ・・・（２）
位相・振幅検出部２０は、交流電圧Ｖα、Ｖβに基づき、例えば、下記式（３）、（４）の演算により、電圧位相θおよび電圧振幅Ｕｇを求める。
θ＝ｔａｎ-1（Ｖα，Ｖβ） ・・・（３）
Ｕｇ＝√（Ｖα2＋Ｖβ2） ・・・（４）
なお、電圧検出部１４は、例えば、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相の瞬時電圧（以下、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと記載する）を検出することができる。この場合、位相・振幅検出部２０は、例えば、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを３相２相変換により交流電圧Ｖα、Ｖβへ変換することができる。
また、位相・振幅検出部２０は、電圧位相θおよび電圧振幅Ｕｇを検出して取得するものであるが、位相・振幅検出部２０に代えて、電圧位相θを検出して取得する位相検出部と、電圧振幅Ｕｇを検出して取得する振幅検出部（電圧振幅取得部の一例）とをそれぞれ設ける構成であってもよい。なお、位相・振幅検出部２０は、電圧位相θや電圧振幅Ｕｇは、例えば、電力系統の管理装置から取得することもできる。
ｄｑ演算部２１は、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔをα軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβへ変換し、α軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβをｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄへ変換する。ｄｑ演算部２１は、例えば、下記式（５）、（６）を用いて出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔをα軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβへ変換し、下記式（７）、（８）の演算によりα軸電流Ｉαおよびβ軸電流Ｉβをｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄへ変換することができる。なお、電流検出部１５とｄｑ演算部２１は、ｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを検出し取得する電流取得部として機能する。
Ｉα＝（３／２）×Ｉｒ ・・・（５）
Ｉβ＝√３÷２×（２×Ｉｓ＋Ｉｒ） ・・・（６）
Ｉｑ＝Ｉα×ｃｏｓθ＋Ｉβ×ｓｉｎθ ・・・（７）
Ｉｄ＝−Ｉα×ｓｉｎθ＋Ｉβ×ｃｏｓθ ・・・（８）
電圧異常検出部２２は、電力系統３の電圧異常を検出する。相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔの異常は、例えば、電圧振幅Ｕｇの低下や相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔのアンバランスである。電圧異常検出部２２は、例えば、電圧振幅Ｕｇに所定値以上の振幅振動が含まれている場合に、電力系統３の電圧異常があると判定する。電圧異常検出部２２は、電力系統３の電圧異常があると判定すると異常検出信号Ｓｄを出力する。なお、電圧異常検出部２２は、電圧検出部１４によって検出された相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに基づいて、電力系統３の電圧異常を検出することもできる。
制御部２３は、例えば、供給電圧Ｖｉｎ、直流母線電圧Ｖｐｎ、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ、電圧位相θ、電圧振幅Ｕｇ、ｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄに基づいて、電力変換部１０を制御する。かかる制御部２３は、昇圧制御部３０と、電流指令生成部３１と、補正部３２と、電流制御部３３と、電圧指令生成部３４と、ＰＷＭ制御部３５とを備える。以下、制御部２３の構成について詳細に説明する。
なお、制御部２３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。かかるマイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、昇圧制御部３０、電流指令生成部３１、補正部３２、電流制御部３３、電圧指令生成部３４およびＰＷＭ制御部３５の制御を実現することができる。なお、マイクロコンピュータのＣＰＵがＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより位相・振幅検出部２０、ｄｑ演算部２１および電圧異常検出部２２を実現してもよい。
また、制御部２３は、昇圧制御部３０、電流指令生成部３１、補正部３２、電流制御部３３、電圧指令生成部３４およびＰＷＭ制御部３５の少なくともいずれかまたは全部をＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成することもできる。なお、位相・振幅検出部２０、ｄｑ演算部２１および電圧異常検出部２２をＡＳＩＣやＦＰＧＡ等のハードウェアで構成することもできる。
昇圧制御部３０は、電圧検出部１１によって検出された供給電圧Ｖｉｎと電流検出部１２によって検出された供給電流Ｉｉｎとに基づき、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御により、昇圧回路１６を制御する駆動信号Ｓ７を生成する。
かかる昇圧制御部３０は、例えば、供給電流Ｉｉｎと供給電圧Ｖｉｎとを乗算して供給電力Ｐｉｎを求め、かかる供給電力Ｐｉｎが最大化するように直流電圧指令Ｖｄｃ*を生成する。そして、昇圧制御部３０は、直流電圧指令Ｖｄｃ*と供給電圧Ｖｉｎとが一致するように駆動信号Ｓ７を生成する。
電流指令生成部３１は、出力電流指令として、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。かかる電流指令生成部３１は、減算部４１と、ｑ軸指令生成部４２と、無効成分電流演算部４３とを備える。
減算部４１は、直流電圧指令Ｖｐｎ*と直流母線電圧Ｖｐｎとの差分を演算する。ｑ軸指令生成部４２は、直流電圧指令Ｖｐｎ*と直流母線電圧Ｖｐｎとの偏差がゼロになるように、例えば、直流電圧指令Ｖｐｎ*と直流母線電圧Ｖｐｎとの差分をＰＩ（比例積分）制御して、ｑ軸電流指令Ｉｑ*を生成する。無効成分電流演算部４３は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*に基づいてｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。かかる無効成分電流演算部４３は、例えば、力率設定値を記憶しており、かかる力率設定値およびｑ軸電流指令Ｉｑ*に基づいてｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。なお、力率設定値は、不図示の入力部からの入力に基づいて設定および変更することができる。
補正部３２は、位相・振幅検出部２０により取得された電圧振幅Ｕｇの振動成分に基づいて、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*またはｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを補正する。かかる補正により、系統電圧異常時に出力電流を精度よく制御することができる。かかる補正部３２の構成については後で詳述する。
電流制御部３３は、ｑ軸電流指令Ｉｑ**およびｄ軸電流指令Ｉｄ**と、ｑ軸電流Ｉｑ’およびｄ軸電流Ｉｄ’とに基づいて、ｑ軸電圧指令Ｕｑ*およびｄ軸電圧指令Ｕｄ*を生成する。かかる電流制御部３３は、減算部６１、６２と、ｑ軸電流制御部６３と、ｄ軸電流制御部６４とを備える。
減算部６１は、ｑ軸電流指令Ｉｑ**からｑ軸電流Ｉｑ’を減算し、減算部６２は、ｄ軸電流指令Ｉｄ**からｄ軸電流Ｉｄ’を減算する。ｑ軸電流制御部６３は、例えば、ｑ軸電流指令Ｉｑ**とｑ軸電流Ｉｑ’との偏差がゼロになるように、減算部６１の減算結果をＰＩ制御してｑ軸電圧指令Ｕｑ*を生成する。また、ｄ軸電流制御部６４は、ｄ軸電流指令Ｉｄ**とｄ軸電流Ｉｄ’との偏差がゼロになるように、減算部６２の減算結果をＰＩ制御してｄ軸電圧指令Ｕｄ*を生成する。
電圧指令生成部３４は、ｑ軸電圧指令Ｕｑ*およびｄ軸電圧指令Ｕｄ*に基づいて、電圧振幅指令Ｕｇ*を生成する。電圧指令生成部３４は、例えば、下記式（９）の演算により、電圧振幅指令Ｕｇ*を求める。
Ｕｇ*＝（Ｕｑ*2＋Ｕｄ*2）1/2 ・・・（９）
ＰＷＭ制御部３５は、電圧振幅指令Ｕｇ*および電圧位相θに基づいて、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号を生成し、駆動信号Ｓ１〜Ｓ６として出力する。かかるＰＷＭ制御部３５は、例えば、下記式（１０）〜（１２）の演算によりＲ相、Ｓ相およびＴ相の電圧指令Ｖｒｕ*、Ｖｓ*、Ｖｔ*を生成する。ＰＷＭ制御部３５は、電圧指令Ｖｒ*、Ｖｓ*、Ｖｔ*に基づいて駆動信号Ｓ１〜Ｓ６を生成する。これにより、電力変換部１０は、電圧位相θに同期して出力電圧を出力することができる。
Ｖｒ*＝Ｕｇ*×ｃｏｓ（θ） ・・・（１０）
Ｖｓ*＝Ｕｇ*×ｃｏｓ（θ−２π／３） ・・・（１１）
Ｖｔ*＝Ｕｇ*×ｃｏｓ（θ＋２π／３） ・・・（１２）
［３．補正部３２］
補正部３２は、上述したように、位相・振幅検出部２０により取得された電圧振幅Ｕｇの振動成分に基づいて、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*またはｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを補正する。
かかる補正部３２は、図２に示すように、ゲイン演算部５０と、スイッチ部５１と、乗算部５２〜５５とを備える。ゲイン演算部５０は、位相・振幅検出部２０により取得された電圧振幅Ｕｇの振動成分に基づいて、調整ゲインＫを生成する。
図４は、ゲイン演算部５０の構成の一例を示す図である。図４に示すように、ゲイン演算部５０は、振動成分除去部７１と、比率演算部７２と、ゲイン調整部７３とを備える。振動成分除去部７１は、位相・振幅検出部２０により取得された電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去し、電圧振幅Ｕｇ’として出力する。電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去した電圧振幅Ｕｇ’は、電力系統３の基本周波数の電圧振幅（以下、基本振幅電圧と記載する）である。なお、振動成分ΔＵｇは、いわゆる脈動成分と呼ばれることがある。
図５は、振動成分除去部７１の構成例を示す図である。図５に示すように、振動成分除去部７１は、ローパスフィルタ７５と、移動平均演算部７６と、電圧振幅記憶部７７と、切替部７８、７９とを備える。振動成分除去部７１は、例えば、図示しない入力部からの設定に基づき、振動成分ΔＵｇの除去処理として３つの処理のいずれかを選択的に実行する。
例えば、振動成分除去部７１は、第１モードに設定されている場合、ローパスフィルタ７５により電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去して出力する。また、振動成分除去部７１は、第２モードに設定されている場合、移動平均演算部７６により電圧振幅Ｕｇの移動平均を演算することにより電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去して出力する。なお、移動平均演算部７６は、直近の期間Ｔａの電圧振幅Ｕｇの平均値を演算することで電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去する。移動平均演算部７６の期間Ｔａは設定によって変更することができる。
また、振動成分除去部７１は、第３モードに設定されている場合、電力系統３の電圧異常が発生する前の電圧振幅Ｕｇを電圧振幅記憶部７７に記憶し、電圧振幅記憶部７７に記憶した電圧振幅Ｕｇを電圧振幅Ｕｇ’として出力する。電圧振幅記憶部７７は、例えば、電圧異常検出部２２から異常検出信号Ｓｄが出力されるまで、周期的（例えば、１秒毎）に記憶する電圧振幅Ｕｇを更新し、電圧異常検出部２２から異常検出信号Ｓｄが出力された後は、記憶する電圧振幅Ｕｇの更新を停止する。
なお、図５に示す振動成分除去部７１は、モードの選択を切替部７８、７９によって行うが、モードの切り替えを行うことができれば、切替部７８、７９を用いない構成であってもよい。また、振動成分除去部７１は、上述した３つのモードのうちいずれか１つまたは２つのモードを実行する構成であってもよく、図５に示す構成に限定されない。
図４に戻って補正部３２の説明を続ける。比率演算部７２は、電圧振幅Ｕｇと電圧振幅Ｕｇ’との比率Ｒｇを演算する。比率演算部７２は、例えば、下記式（１３）の演算により、比率Ｒｇを求める。
Ｒｇ＝Ｕｇ／Ｕｇ’ ・・・（１３）
ゲイン調整部７３は、比率ＲｇにゲインＫ１を乗算して調整ゲインＫを求める。ゲインＫ１は、例えば、０より大きく１以下の値であり、予めゲイン調整部７３に設定される値（例えば、０．７）であるが、図示しない入力部からの入力に基づいてゲインＫ１を設定することができる。
図２に戻って補正部３２の説明を続ける。スイッチ部５１は、例えば、電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ以上である場合に、調整ゲインＫを乗算部５２、５３または乗算部５４、５５へ出力する。
図６は、スイッチ部５１の一例を示す図である。図６に示すように、スイッチ部５１は、判定部８０と、スイッチ８１と、切替部８２と、逆数演算部８３とを備える。判定部８０は、電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ以上である場合に、スイッチ８１をＯＮにして調整ゲインＫを出力し、振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ未満である場合に、スイッチ８１をＯＦＦにして調整ゲインＫの出力を停止する。なお、判定部８０は、スイッチ８１をＯＦＦにして調整ゲインＫの出力を停止する場合、例えば、調整ゲインＫに代えて、「１」を出力する。また、スイッチ部５１は、例えば、判定部８０およびスイッチ８１を設けない構成であってもよい。
切替部８２は、例えば、図示しない入力部から予め設定されたモードに基づき、調整ゲインＫの出力先を切り替える。例えば、入力部からの設定が出力電流指令に対する補正を示す第１モードの場合、切替部８２は、乗算部５２、５３に調整ゲインＫを出力し、乗算部５４、５５には逆数演算部８３経由で「１」を出力する。また、入力部からの設定が出力電流に対する補正を示す第２モードの場合、切替部８２は、乗算部５４、５５に逆数演算部８３経由で調整ゲインＫを出力し、乗算部５２、５３には「１」を出力する。逆数演算部８３は、調整ゲインＫの逆数を演算し、調整ゲインＫｘ（＝１／Ｋ）として乗算部５２、５３へ出力する。なお、逆数演算部８３は、切替部８２から「１」が入力される場合、「１」を乗算部５４、５５へ出力する。
なお、スイッチ部５１は、図６に示す構成に限定されない。例えば、スイッチ部５１は、切替部８２を有しない構成であってもよく、この場合、調整ゲインＫの出力先は、例えば、乗算部５２、５３と乗算部５４、５５とのいずれか一方である。
図２に戻って、補正部３２の説明を続ける。乗算部５２は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*にスイッチ部５１から出力される調整ゲインＫまたは「１」を乗算し、ｑ軸電流指令Ｉｑ**として出力する。また、乗算部５３は、ｄ軸電流指令Ｉｄ*にスイッチ部５１から出力される調整ゲインＫまたは「１」を乗算し、ｄ軸電流指令Ｉｄ**として出力する。
また、乗算部５４は、ｑ軸電流Ｉｑにスイッチ部５１から出力される調整ゲインＫｘまたは「１」を乗算し、ｑ軸電流Ｉｑ’として出力する。また、乗算部５５は、ｄ軸電流Ｉｄにスイッチ部５１から出力される調整ゲインＫｘまたは「１」を乗算し、ｄ軸電流Ｉｄ’として出力する。なお、ゲイン調整部７３、スイッチ部５１および乗算部５２〜５５が補正処理部の一例に相当する。
ここで、電力系統３に電圧異常が生じた場合について説明する。図７Ａは、電力系統３の電圧異常の一例を示す図である。図７Ａに示す例では、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＶ相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ（以下、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと記載する）がアンバランスである電圧異常を示す。
また、図７Ｂは、図７Ａに示す電圧異常の状態で補正部３２の補正がない場合の出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔの状態を示す図であり、図７Ｃは、図７Ａに示す電圧異常の状態での電圧位相θの状態を示す図である。また、図７Ｄは、図７Ａに示す電圧異常の状態で補正部３２の補正がある場合の出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔの状態を示す図である。
図７Ａに示すように、電力系統３に電圧異常が生じた場合、制御部２３において補正部３２がなければ、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔは、図７Ｂに示すように、歪んだ状態になり、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔに過度な脈動が生じる場合がある。その結果、過電流などが発生し、電力変換装置１の制御部２３は、電力変換部１０に対する制御を停止させてしまうおそれがある。
このように、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔに歪みが生じるのは、電圧異常の状態での電圧位相θが図７Ｃに示す状態になるためである。電圧正常時の状態での電圧位相θは図７Ｃにおいて破線で示す状態である。ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*は、電圧正常時の状態の電圧位相θを前提に生成されることから、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*による電流制御後の電圧振幅指令Ｕｇ*が電圧異常時の電圧位相θによって電圧指令Ｖｒ*、Ｖｓ*、Ｖｔ*へ変換されることで、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔが図７Ｂに示す状態になる。
一方、電力系統３に電圧異常が生じた場合、制御部２３は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*、または、ｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを、補正部３２により振動成分ΔＵｇに基づいて補正する。これにより、図７Ｄに示すように、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔの歪みを抑制し、出力電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔに過度な脈動が生じることを抑制することができる。そのため、出力電流の精度を向上させることができ、電圧異常時において、例えば、不要解列の発生を抑制することができる。また、正常時の電圧位相θを保持して系統電圧異常時に切り替える場合に比べ、過電流の発生などを抑制でき、出力電流を精度よく制御することができる。
また、補正部３２は、電圧振幅Ｕｇと電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去した電圧振幅Ｕｇ’との比率Ｒｇを演算し、かかる比率Ｒｇに基づいて、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*、または、ｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを補正する。電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去した電圧振幅Ｕｇ’は、電力系統３の基本振幅電圧であり、比率Ｒｇの振動成分ΔＲｇは、基本振幅電圧に対する振動成分ΔＵｇの比率である。
そのため、補正部３２は、比率Ｒｇの振動成分ΔＲｇに基づいて、ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*、または、ｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを補正することで、適切な調整ゲインＫにより出力電流の制御を行うことができ、出力電流の精度を向上させることができる。
また、補正部３２は、電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇの除去をローパスフィルタ７５で行うことができるため、振動成分ΔＵｇの除去を精度よく行いつつ、入力に対して出力を遅延させることができる。そのため、例えば、系統電圧異常の発生タイミングにおいて、比率Ｒｇは、電圧低下後の電圧振幅Ｕｇと電圧低下前の電圧振幅Ｕｇで生成した電圧振幅Ｕｇ’との比率になる。これにより、系統電圧の低下率に応じた比率で出力電流を低減させることが可能となる。また、ローパスフィルタ７５の時定数を大きくすることによって、系統電圧の低下率に応じて出力電流を抑える期間を長くすることができる。
また、補正部３２は、電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇの除去を移動平均演算部７６で行うことができるため、振動成分ΔＵｇの除去を精度よく行うことができる。また、ローパスフィルタ７５の場合と同様に、系統電圧異常の発生タイミングにおいて、比率Ｒｇは、電圧低下後の電圧振幅Ｕｇと電圧低下前の電圧振幅Ｕｇで生成した電圧振幅Ｕｇ’との比率になるため、系統電圧の低下率に応じた比率で出力電流を低下させることが可能となる。なお、移動平均の期間を長くすることによって、系統電圧の低下率に応じた比率で出力電流を低減させる期間を長くすることができる。
また、補正部３２は、電力系統３の電圧異常が発生する前の電圧振幅Ｕｇ（以下、電圧振幅Ｕｇｍと記載する）を記憶する電圧振幅記憶部７７を有しており、電力系統３の電圧異常が発生した場合、比率Ｒｇとして、電圧振幅Ｕｇと電圧振幅Ｕｇｍとの比を演算する。これにより、系統電圧が低下した場合に、系統電圧の低下率に応じた比率で出力電流を低減させることが可能となる。なお、補正部３２は、電力系統３の電圧異常が発生する前にローパスフィルタ７５や移動平均演算部７６によって振動成分ΔＵｇが除去された電圧振幅Ｕｇを電圧振幅Ｕｇｍとして電圧振幅記憶部７７に記憶することもできる。
また、電力系統３の電圧異常が発生する前は、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔはバランスされており、三相平衡の状態であるため、電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇを無視することができる。そのため、電力系統３が正常である状態から継続して補正部３２を動作させることができる。この場合、系統電圧異常が発生しても、制御部２３における処理を変更することなく、電圧異常が発生したタイミングから迅速に系統電圧異常に対する処理を行うことができ、出力電流を精度よく制御することができる。一方、正常時の電圧位相θを保持して系統電圧異常時に切り替える場合、電圧異常が発生したタイミングから系統電圧異常と判定するまでの間、出力電流を精度よく制御することが難しい。
また、スイッチ部５１は、電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ以上である場合に、調整ゲインＫを出力し、振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ未満である場合、調整ゲインＫの出力を停止する。電力変換装置１に接続する電力系統３によっては、例えば、送電環境等の問題により電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇが大きくなるおそれがある。このような場合、制御部２３は、補正部３２による補正処理を停止させることができる。これにより、電力系統３が正常時にも関わらず電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇが大きい場合に、補正部３２の補正による影響を排除することができる。なお、例えば、電力系統３が正常時に補正部３２による補正による影響が少ない場合などにおいては、スイッチ部５１を設けなくても構わない。
上述した補正部３２は、電圧振幅Ｕｇと電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去した電圧振幅Ｕｇ’との比率Ｒｇを演算し、かかる比率Ｒｇに基づいて、出力電流の制御を行うが、補正部３２は、比率Ｒｇを用いない構成であってもよい。図８は、補正部３２の他の構成例を示す図である。
図８に示すように、振動成分抽出部８４と、ゲイン調整部８５と、スイッチ部８６と、減算部８７と、電圧振幅記憶部８８と、比率演算部８９と、加算部９０、９１と、乗算部９２、９３と、調整値補正部９４とを備える。
振動成分抽出部８４は、位相・振幅検出部２０により取得された電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを抽出する。かかる振動成分抽出部８４は、例えば、ハイパスフィルタによって構成される。ゲイン調整部８５は、振動成分抽出部８４によって抽出された振動成分ΔＵｇにゲインＫ２を乗算して調整値Ｋｉを求める。
スイッチ部８６は、電圧振幅Ｕｇに含まれる振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ以上である場合に、調整値Ｋｉを加算部９０、９１へ出力する。スイッチ部８６は、判定部９５と、スイッチ９６とを備える。判定部９５は、判定部８０と同様に、振動成分ΔＵｇが閾値Ｕｔｈ以上であるか否かを判定し、スイッチ９６を制御する。なお、補正部３２は、スイッチ部８６を設けない構成であってもよい。
加算部９０は、調整値Ｋｉをｑ軸電流指令Ｉｑ*に加算する。また、加算部９１は、調整値補正部９４によって補正された調整値Ｋｉ’をｄ軸電流指令Ｉｄ*に加算する。調整値補正部９４は、例えば、下記式（１４）の演算を行うことにより、調整値Ｋｉ’を求める。
Ｋｉ’＝Ｋｉ×（Ｉｄ*／Ｉｑ*） ・・・（１４）
このように、図８に示す補正部３２は、振動成分ΔＵｇに応じた調整値Ｋｉを生成し、かかる調整値Ｋｉに基づいてｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*を補正する。これにより、出力電流の歪みを抑制し、出力電流に過度な脈動が生じることを抑制することができる。なお、図８に示す例では、調整値Ｋｉに基づいてｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*を補正するが、調整値Ｋｉの逆数に基づいてｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄを補正する構成を補正部３２に設けることもできる。
減算部８７は、電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを減算することによって、電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去した電圧振幅Ｕｇ’を演算する。電圧振幅記憶部８８は、例えば、電圧異常検出部２２から異常検出信号Ｓｄが出力されるまで、電圧振幅記憶部７７と同様に、周期的に記憶する電圧振幅Ｕｇ’を更新し、電圧異常検出部２２から異常検出信号Ｓｄが出力された後は、記憶する電圧振幅Ｕｇ’の更新を停止する。
比率演算部８９は、比率演算部７２と同様に、減算部８７により電圧振幅Ｕｇから振動成分ΔＵｇを除去した電圧振幅Ｕｇ’と電圧振幅記憶部８８に記憶された電圧振幅Ｕｇ’との比率Ｒｇを演算する。乗算部９２は、加算部９０の加算結果に比率Ｒｇを乗じてｑ軸電流指令Ｉｑ**を生成する。また、乗算部９３は、加算部９１の加算結果に比率Ｒｇを乗じてｄ軸電流指令Ｉｄ**を生成する。これにより、系統電圧の低下率に応じた比率で出力電流を低減することが可能となる。なお、補正部３２は、減算部８７、電圧振幅記憶部８８、比率演算部８９および乗算部９２、９３を設けない構成であってもよい。なお、ゲイン調整部８５、スイッチ部８６、加算部９０、９１および調整値補正部９４が補正処理部の一例に相当する。
図２に示す電力変換装置１では、昇圧回路１６およびインバータ回路１７が電力変換部１０である例を示したが、電力変換装置１の電力変換部１０は、図２に示す構成に限定されない。例えば、電力変換装置１は、図９に示すように、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を含む電力変換部１０を備えるマトリクスコンバータであってもよい。図９は、電力変換部１０の一例を示す図であり、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、発電装置２の各相と電力系統３の各相との間を接続するスイッチである。かかる双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、導通方向が制御可能な複数のスイッチング素子（例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ）などから構成される。
なお、上述した例では、ｑ軸とｄ軸の電流補正を行ったが、電力変換装置１は、例えば、力率１制御の場合、ｑ軸のみの電流補正を行うこともできる。
［４．電流制御フロー］
ここで、制御部２３により実行される出力電流制御処理の一例について図１０を参照して具体的に説明する。図１０は、制御部２３により実行される電力変換処理の一例を示すフローチャートである。
図１０に示すように、位相・振幅検出部２０は、電力系統３の電圧振幅Ｕｇを取得する（ステップＳ１０）。制御部２３は、電圧振幅Ｕｇの振動成分ΔＵｇに基づいて、出力電流指令（ｑ軸電流指令Ｉｑ*およびｄ軸電流指令Ｉｄ*）および出力電流値（ｑ軸電流Ｉｑおよびｄ軸電流Ｉｄ）のうちの一方を補正する（ステップＳ１１）。
制御部２３は、出力電流指令および出力電流値のうちの他方と補正後の一方との差に基づいて電力変換部１０を制御することにより、電力変換部１０から電力系統３への出力電流を制御する（ステップＳ１２）。
以上のように、実施形態に係る電力変換装置１は、電圧振幅Ｕｇの振動成分ΔＵｇに基づいて、出力電流指令および出力電流値のうちの一方を補正することから、過電流の発生などを抑制でき、出力電流を精度よく制御することができる。
［５．その他］
図１および図２に示す電力変換装置１は、電力変換部１０を含む構成であるが、電力変換部１０を制御する制御装置として、例えば、以下の構成を有するようにしてもよい。
（構成例）
電力系統３の電圧振幅Ｕｇを取得する電圧振幅取得部と、
前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅Ｕｇの振動成分ΔＵｇに基づいて、前記電力系統３への出力電流を制御する指令Ｕｑ*、Ｕｄ*（出力電圧指令の一例）を生成する制御部２３と、を備え、
前記制御部２３は、
前記電力系統３への出力電流Ｉｑ、Ｉｄを取得する電流取得部と、
前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅Ｕｇの振動成分ΔＵｇに基づいて、出力電流指令Ｉｑ*、Ｉｄ*または前記電流取得部によって検出された前記出力電流Ｉｑ、Ｉｄを補正する補正部と、
前記補正部によって補正された前記出力電流指令Ｉｑ*、Ｉｄ*または前記出力電流Ｉｑ、Ｉｄに基づいて前記電力系統３への出力電流を制御する指令Ｕｑ*、Ｕｄ*（出力電圧指令の一例）を生成する電流制御部と、
ことを特徴とする記載の制御装置。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ 電力変換装置
２ 発電装置
３ 電力系統
１０ 電力変換部
１１、１３、１４ 電圧検出部
１２、１５ 電流検出部
２０ 位相・振幅検出部
２１ ｄｑ演算部
２２ 電圧異常検出部
２３ 制御部
３１ 電流指令生成部
３２ 補正部
３３ 電流制御部
３４ 電圧指令生成部
３５ ＰＷＭ制御部
４１、６１、６２、８７ 減算部
４２ ｑ軸指令生成部
４３ 無効成分電流演算部
５０ ゲイン演算部
５１、８３、８６ スイッチ部
５２〜５５、９２、９３ 乗算部
６３ ｑ軸電流制御部
６４ ｄ軸電流制御部
７８、７９、８３ 切替部
７１ 振動成分除去部
７２、８９ 比率演算部
７３、８５ ゲイン調整部
７５ ローパスフィルタ
７６ 移動平均演算部
７７、８８ 電圧振幅記憶部
８０、９５ 判定部
８１、９６ スイッチ
８４ 振動成分抽出部
９０、９１ 加算部
９４ 調整値補正部
１００ 発電システム

Claims (11)

  1. 電力系統に接続された電力変換部と、
    前記電力系統の電圧振幅を取得する電圧振幅取得部と、
    前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅の振動成分に基づいて、前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御する制御部と、
    前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を検出する電流検出部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅の振動成分に基づいて、出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流を補正する補正部と、
    前記補正部によって補正された前記出力電流指令または前記出力電流に基づいて前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御する電流制御部と、を備え、
    前記補正部は、
    前記電圧振幅取得部によって取得された前記電圧振幅から前記振動成分を除去する振動成分除去部と、
    前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅と前記振動成分除去部により前記振動成分が除去された前記電圧振幅との比率を演算する比率演算部と、
    前記比率演算部による演算結果に基づいて、前記出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流を補正する補正処理部と、を備える
    ことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記振動成分除去部は、
    前記電圧振幅の移動平均を演算することによって前記電圧振幅から前記振動成分を除去する
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記振動成分除去部は、
    前記電圧振幅から前記振動成分を除去するローパスフィルタである
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記補正処理部は、
    前記出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流に対して前記比率演算部による演算結果に応じた値を乗算する乗算部を備える
    ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
  5. 電力系統に接続された電力変換部と、
    前記電力系統の電圧振幅を取得する電圧振幅取得部と、
    前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅の振動成分に基づいて、前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御する制御部と、
    前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を検出する電流検出部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅の前記振動成分に基づいて、出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流を補正する補正部と、
    前記補正部によって補正された前記出力電流指令または前記出力電流に基づいて前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御する電流制御部と、を備え、
    前記補正部は、
    前記電圧振幅取得部によって取得された前記電圧振幅から前記電力系統の基本周波数の成分を除いて前記振動成分を抽出する振動成分抽出部と、
    前記振動成分抽出部によって抽出された前記振動成分に基づいて、前記出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流を補正する補正処理部と、を備える
    ことを特徴とする電力変換装置。
  6. 前記補正処理部は、
    前記出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流に対して前記振動成分抽出部により抽出された前記振動成分に応じた値を加算する加算部を備える
    ことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
  7. 前記補正部は、
    前記電圧振幅取得部によって取得された前記電圧振幅から前記振動成分を除去する振動成分除去部と、
    前記振動成分除去部により前記振動成分が除去された前記電圧振幅を記憶する電圧振幅記憶部を備え、
    前記振動成分除去部により前記振動成分が除去された前記電圧振幅と前記電圧振幅記憶部によって記憶された前記電圧振幅との比率を演算する比率演算部と、
    前記出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流に対して前記比率演算部による演算結果に応じた値を乗算する乗算部と、を備える
    ことを特徴とする請求項５または６に記載の電力変換装置。
  8. 前記補正部は、
    前記電圧振幅取得部により取得された前記電圧振幅または前記電圧振幅の振動成分が閾値以上であるか否かを判定する判定部と、
    前記判定部によって前記電圧振幅または前記電圧振幅の振動成分が閾値以上であると判定された場合に、前記電圧振幅の振動成分に基づいて、前記出力電流指令または前記電流検出部によって検出された前記出力電流を補正する
    ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載の電力変換装置。
  9. 請求項１〜８のいずれか１つに記載の電力変換装置と、前記電力変換装置に接続された発電源とを備え、
    前記電力変換装置は、前記発電源によって発電された電力を前記電力系統へ出力する
    ことを特徴とする発電システム。
  10. 電力変換部に接続された電力系統の電圧振幅を取得することと、
    前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を検出することと
    前記取得された前記電圧振幅から当該電圧振幅の振動成分を除去することと、
    前記取得された前記電圧振幅と前記振動成分が除去された前記電圧振幅との比率を演算することと、
    前記演算された前記比率に基づいて、出力電流指令または前記検出された出力電流を補正することと、
    前記補正された前記出力電流指令または前記出力電流に基づいて前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御することと、を含む
    ことを特徴とする電流制御方法。
  11. 電力変換部に接続された電力系統の電圧振幅を取得することと、
    前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を検出することと
    前記取得された前記電圧振幅から前記電力系統の基本周波数の成分を除いて前記電圧振幅の振動成分を抽出することと、
    前記抽出された前記振動成分に基づいて、出力電流指令または前記検出された出力電流を補正することと、
    前記補正された前記出力電流指令または前記出力電流に基づいて前記電力変換部から前記電力系統への出力電流を制御することと、を含む
    ことを特徴とする電流制御方法。
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