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*21/2 ・・・(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または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のいずれか1つに記載の電力変換装置。
  9. 請求項1〜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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