JP6113556B2 - 無効電力補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統に無効電力を注入することで、系統電圧を安定させる無効電力補償装置に関する。

太陽光発電や風力発電、燃料電池といった分散電源が系統に連系される事例が増えてきており、それに伴い系統電圧の変動が懸念されている。特に住宅用太陽光発電は今後も更なる増加が見込まれており、発電量が多く負荷が小さい場合には大きな逆潮流が起こり配電網の電圧が上昇し、系統電圧規程値を逸脱してしまう。従来ではこのような場合には発電電力を絞る事で電圧上昇を抑えている。しかしこの方法では、本来発電できるはずの電力から絞られておりエネルギーに無駄が生じてしまう。系統に無効電力を注入する無効電力補償装置を用いれば、エネルギーに無駄を生じる事なく系統電圧を下げて、太陽光などの分散電源も本来の発電が可能となる。例えば系統電圧が規定範囲の電圧より高い場合、系統電圧に対して９０°位相が遅れた無効電流が無効電力補償装置に流れるように無効電力補償装置を動作させ、系統電圧を下げることができる。このとき無効電力補償装置はリアクトルのように作用する。尚、このような無効電力出力制御時には、有効電力も制御される。

しかし、従来の無効電力補償装置は重量・体積が大きく、変電所などの送電端側に設置される事が多かった。住宅用太陽光発電などの分散電源による配電網の系統電圧上昇に対応するため、狭い住宅街にも設置できる小型な無効電力補償装置が求められている。

無効電力補償装置を小型化する手段として、半導体電力変換器（インバータ）部分の出力する電圧波形をより正弦波に近く高調波の少ない波形とする事で、連系フィルタリアクトルを小型化するという方法がある。高調波の少ない電圧波形を出力するには、直流コンデンサを電圧源としてそれをパルス幅変調した電圧波形を出力するＰＷＭインバータを各相で直列に多段接続して、細かい電圧パルス幅で連系電圧に近い波形を作り出す方法がある。細かい電圧のパルス出力を重ね合わせる事で、出力電圧の高調波を低減し、連系フィルタリアクトルを小型できる。また、直列接続するＰＷＭインバータの多段接続数を多くして耐圧を十分とる事で、系統連系にトランスを用いずに小型化する事ができる。

このように各相にインバータを備え中性点を接続するＹ結線方式の無効電力補償装置では、各インバータに備わる直流コンデンサの電圧バランスをとる必要がある。そのバランス制御としては、無効電流と同位相の制御量を各相の電圧指令値に重畳する方法がある。全ての相に同じ制御量を重畳、即ち零相電圧制御量を重畳すると相間の直流コンデンサ電圧バランスが制御される。また各相に複数のインバータが直列に多段接続されている場合は、無効電流と同位相で、段間で全て加算したら零となる制御量を各段それぞれの電圧指令値に重畳する事により、段間の直流コンデンサ電圧バランスが制御される。

「６．６ｋＶ トランスレス・カスケードＰＷＭ ＳＴＡＴＣＯＭ−三相２００Ｖ １０ｋＶＡミニモデルによる動作検証−」（電気学会産業応用部門論文誌 ２００７年 １２７巻８号 ｐ．７８１−７８８） 「カスケードＰＷＭ変換器と二次電池を使用した６．６ｋＶトランスレス電力貯蔵システム」（電気学会産業応用部門論文誌 ２００９年 １２９巻１号 ｐ．６７−７６）

特許第３２４４８３６号公報 特開平９−５６０７２号公報

このようにＹ結線方式の無効電力補償装置で直流コンデンサ電圧のバランスを制御する場合、無効電流が流れていることが前提であるため、無効電力を出力していない場合にはバランスが制御できない。このため無効電力出力運転を停止中に直流コンデンサ電圧が自然放電により低下した後、無効電力出力を再開した時に、直流コンデンサ電圧が低下しているだけでなくアンバランスであるため、直流コンデンサが充電されバランスがとれるまで電流の波形が歪んでしまうという課題がある。停止中の直流コンデンサ電圧の制御については、外部電源から充電する方法がある。これは図８のように交流電源９から変圧器７２を介して得た電力を、充電回路８によりインバータ１３の直流コンデンサ１２に充電するといった手法である。このような方法では電源９や変圧器７２、充電回路８といった追加回路が別途必要となる。

従って実施形態は、追加回路なしにコンデンサ電圧のバランスを取り、系統電圧安定化のための無効電力出力を再開する際の電流歪みを抑制する事を目的とする。

一実施形態に係る無効電力補償装置は、三相各相にそれぞれ構成される多段インバータ回路と、系統連系端と各多段インバータ回路の出力端の間に接続され、高調波を低減するためのフィルタ回路と、前記各多段インバータ回路を制御して所定の三相交流電圧を出力させる制御装置とを具備する。前記各多段インバータ回路は、コンデンサによる直流電圧を電圧指令値に対応するパルス電圧に変換するインバータを複数直列接続して構成され、前記各多段インバータ回路の系統の反対側端は、中性点として全相接続されており、前記制御装置は、系統電圧安定化のための無効電力出力動作を停止している時に、前記コンデンサの電圧バランスを維持するための無効電力出力制御を行い、前記コンデンサを充電する。

第１実施形態における無効電力補償装置の構成図である。 第２実施形態における直流コンデンサ電圧監視による直流コンデンサ電圧の変化を示す図である。 第２実施形態における直流コンデンサ電圧監視による直流コンデンサ電圧の制御を示す図である。 系統相電圧と、直流コンデンサの閾値Ｖｃ＿ｔｈ及び連系フィルタでの電圧降下Ｖｆの関係を示す図である。 第３実施形態における停止時間監視による直流コンデンサ電圧の変化を示す図である。 第３実施形態における停止時間監視による直流コンデンサ電圧の制御を示す図である。 第４実施形態における無効電力指令のソフトスタートを示す図である。 従来におけるコンデンサの充電方法を示す図である。

以下、実施形態に係る無効電力補償装置について、図面を参照して説明する。

［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る無効電力補償装置１０の構成を示す図である。

この無効電力補償装置１０は、４つの半導体スイッチング素子１１と直流コンデンサ１２により構成された単相フルブリッジ構成のインバータ１をＵＶＷの各相に複数段と、連系フィルタ２として系統連系端７に接続されたリアクトル２１とを各相に備える。各相の複数のインバータ１及びリアクトル２１は直列に接続されており、複数のインバータ１に対して系統の反対側端は中性点３で各相が接続されている。また制御装置４を備える。無効電力補償装置１０は系統電源５から電力供給される配電線６に連系される。制御装置４は系統電圧Ｖｓ、出力電流Ｉｏに基づいて、無効電流指令値、出力電圧指令値等を演算し、図１に示す無効電力補償装置１０を全体的に制御する。各インバータ１は制御装置４の制御の下、ＰＷＭあるいはワンパルスで動作する。

図１では１つの直流コンデンサ１２の電圧を入力信号とする制御装置４のブロックを代表的に示している。制御装置４は実際には全てのインバータの直流コンデンサ１２の電圧を監視しており、無効電力出力停止中に直流コンデンサ電圧１２の電圧が著しく低下して電圧バランスが崩れる事を防ぐため、直流コンデンサ１２を充電してバランスをとるための無効電力指令値を出力する。実際には、その無効電力指令値に対応した半導体スイッチング素子１１の制御ゲート信号を出力する。無効電力を出力する事により、各直流コンデンサ１２は充電され、ＵＶＷの相間及びインバータ１ａ〜１ｃの段間における電圧バランスがとれるため、系統電圧安定化のための無効電力出力を再開する際の電流歪みを抑制できる。

図１では各相あたりインバータ１を３段直列接続しているが、１段や２段、また５段や６段などとしても良い。また図１では連系フィルタ２はリアクトル２１のみで構成されているが、各相から中性点に接続するコンデンサ、または各相間を接続するコンデンサを用いたＬＣＬ構成でも構わない。また上記無効電力指令値は、内部制御動作において無効電流指令値であっても構わない。
［第２実施形態］
図２は第２実施形態に係る無効電力補償装置１０の動作を示す図であり、図３はその制御構成を示す図である。なお、以下においては、図１に示す無効電力補償装置１０の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

図２は無効電力補償装置１０の備える直流コンデンサ１２のコンデンサ電圧の変化を代表的に示している。第１実施形態の構成の無効電力補償装置１０が無効電力出力動作（無効電力補償）を停止すると、図２のように直流コンデンサ１２の電圧Ｖｃは定格値Ｖｃ＿ｒｅｆから自然放電により低下していき、相間及び段間でのバランスが崩れていく。本実施形態では、無効電力出力動作を停止してからも、この直流コンデンサ１２の電圧Ｖｃを監視しておき、定められた閾値Ｖｃ＿ｔｈを下回ると、最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを出力する事により直流コンデンサ１２を充電する。これにより直流コンデンサ１２は充電され、相間・段間におけるバランスがとれる（制御される）。すなわち、ＵＶＷの各相に設けられた直流コンデンサ１２の電圧の各相の加算値が等しく、また各段におけるコンデンサ１２の電圧も等しくなる。このため、系統電圧安定化のための無効電力出力を再開する際の電流歪みを抑制できる。

最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎは、直流コンデンサ１２の電圧の相間及び段間のバランスをとるために必要な無効電力の最小値である。直流コンデンサ電圧の相間及び段間バランスを制御するためには無効電力の出力が必要であり、それが小さ過ぎるとバランス制御は成立しない。そのため、直流コンデンサ１２を充電する際には、バランスをとるために必要な最小の無効電力Ｑ＿ｍｉｎを出力する。この最小無効電力指令を与える際、その指令値はゼロからＱ＿ｍｉｎまで緩やかに変化する事で、電流の急激な変化を抑制し、系統への影響を抑制できる。この最小無効電力Ｑ＿ｍｉｎがゼロから緩やかに変化する程度は、例えば系統電圧１周期以上が望ましい。

図３は本実施形態の制御構成を示すブロックである。直流コンデンサ電圧Ｖｃと閾値Ｖｃ＿ｔｈを比較し、閾値を下回っていれば最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを制御演算・ゲートパルス生成装置４１に与え、指令値に対応したゲートパルスを各インバータ１に出力する。この制御判定は、各相各段に備える全てのインバータ１の直流コンデンサ１２に対して行われる。

図２のように、コンデンサ電圧をバランスさせるために発生させる最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎは、例えば実験的に求められる固定値である。最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎは、制御演算・ゲートパルス生成装置４１内で最小無効電流指令値に変換され、この最小無効電流指令値に基づいて各半導体スイッチング素子に与えるゲートパルスが生成される。このとき最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎは、系統電圧に最小無効電流指令値を乗算した値である。例えば、制御演算・ゲートパルス生成装置４１に与える指令値を最小無効電流指令値とすると、系統電圧が僅かに変化すると、この最小無効電流指令値も変化する。しかし系統電圧安定化のための無効電力出力を停止しているときは、系統電圧はほぼ定格の系統電圧となって安定しているときであるので、最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎはほぼ変化しない。従って本願では説明を簡単にするため、出力電流Ｉｏにひずみを生じさせないためにコンデンサ１２を充電するための最小指令値を最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎとしている。

閾値Ｖｃ＿ｔｈは、著しい歪みなく電流を出力できる直流コンデンサ電圧の下限値から定められる。また閾値Ｖｃ＿ｔｈは、出力する電圧に歪みを生じない直流コンデンサ電圧の下限値であり、各インバータ１の変調率がある相で全て１００％の時に相当する。即ち、各相に備えるインバータ１の直流コンデンサ１２の電圧Ｖｃを各相で合計した値に、最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを出力した際の連系フィルタでの電圧降下Ｖｆを加算した値が、系統電圧の相電圧ピーク値に一致する時が、歪のない電流を出力できる限界点である。

従って図４のように、系統電圧の相電圧ピーク値Ｖｓｐから最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを出力した際の連系フィルタ（リアクトル２１）での電圧降下値Ｖｆを引き、残りの電圧を各相が備えるインバータ段数で割ることにより閾値Ｖｃ＿ｔｈが求められる。つまり閾値Ｖｃ＿ｔｈは、系統電圧の相電圧のピーク値から、最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎに応じた出力電流が流れることにより生じるリアクトル２１の電圧降下分を引いた値を、多段インバータの段数で割った値である。連系フィルタでの電圧降下値Ｖｆは、無効電力の方向によっては正負が上記と逆になるので、その場合はＶｓｐに加算する事になる。

各相に定格電圧の異なる複数の直流電圧のインバータを多段に備える場合は、それら定格電圧の比率に比例した各閾値Ｖｃ＿ｔｈを計算する。

なお上記最小無効電力指令値は、内部制御動作において最小無効電流指令値であっても構わない。

［第３実施形態］
図５は第３実施形態に係る無効電力補償装置１０の動作を示す図であり、図６はその制御構成を示す図である。なお、以下においては、図１〜３に示す無効電力補償装置１０の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１〜３で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

図５は無効電力補償装置１０の備える直流コンデンサ１２のコンデンサ電圧の変化を代表的に示している。第１実施形態の構成の無効電力補償装置１０が無効電力出力動作を停止すると、図５のように直流コンデンサ１２の電圧Ｖｃは定格値Ｖｃ＿ｒｅｆから自然放電により低下していき、相間及び段間でのバランスが崩れていく。無効電力出力動作を停止してからの時間ｔ０を監視しておき、定められた時間閾値ｔ＿ｔｈを越えると、第２実施形態同様、最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを出力する。これにより直流コンデンサ１２は充電され、相間及び段間におけるバランスもとれる（制御される）ため、系統電圧安定化のための無効電力出力を再開する際の電流歪みを抑制できる。尚、系統電圧安定化のための無効電力出力を停止している限り、図５に示す波形（動作）は繰り返される。

図６は本実施形態の制御構成を示すブロックである。無効電力出力動作を停止してからの時間ｔ０と時間閾値ｔ＿ｔｈを比較し、ｔ＿ｔｈを超えれば最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを制御演算・ゲートパルス生成装置４１に与え、ゲートパルスを各インバータ１に出力する。

時間閾値ｔ＿ｔｈは、無効電力補償運転時の直流コンデンサ１２の定格電圧Ｖｃ＿ｒｅｆから、第２実施形態のように定まる閾値Ｖｃ＿ｔｈまで自然放電する時間により定められる。

なお上記最小無効電力指令値は、内部制御動作において最小無効電流指令値であっても構わない。

［第４実施形態］
図７は第４実施形態に係る無効電力補償装置１０の動作を示す図である。なお、以下においては、図１〜５に示す無効電力補償装置１０の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１〜５で使用した符号と同一の符号を付して説明する。

図７は無効電力補償装置１０の備える直流コンデンサ１２のコンデンサ電圧の変化を代表的に示している。第１実施形態の構成の無効電力補償装置１０が停止状態から系統安定化のための無効電力出力動作を再開する際、最初のｔ＿ｓｓの時間は最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎを与え、直流コンデンサ１２の充電を行い、相間及び段間の直流コンデンサ電圧バランスを制御し、その後無効電力指令値をＱ＿ｍｉｎから本来の指令値Ｑ＿ｒｅｆ（系統電圧定格値）まで変化させる。これにより、無効電力出力を再開する際の電流歪みを十分に抑制できる。

期間ｔ＿ｓｓの決定法には、全ての直流コンデンサ１２の電圧が定格値Ｖｃ＿ｒｅｆに達した事を判定して終了する方法や、最小無効電力指令値Ｑ＿ｍｉｎにて直流コンデンサの電圧が閾値Ｖｃ＿ｔｈからＶｃ＿ｒｅｆに達する時間をｔ＿ｓｓとして、それだけの期間Ｑ＿ｍｉｎを出力する方法がある。

なお上記最小無効電力指令値は、内部制御動作において最小無効電流指令値であっても構わない。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…単相インバータ、２…連系フィルタ、３…中性点、４…制御装置、５…系統電源、６…配電線、８…充電回路、９…電源、１１…半導体スイッチング素子、１２…直流コンデンサ、１３…インバータ、２１…リアクトル、４１…指令値演算・ゲートパルス生成器、７１、７２…変圧器。

Claims (8)

1. 三相各相にそれぞれ構成される多段インバータ回路と、
   系統連系端と各多段インバータ回路の出力端の間に接続され、高調波を低減するためのフィルタ回路と、
   前記各多段インバータ回路を制御して所定の三相交流電圧を出力させる制御装置と、を具備し、
   前記各多段インバータ回路は、コンデンサによる直流電圧を電圧指令値に対応するパルス電圧に変換するインバータを複数直列接続して構成され、
   前記各多段インバータ回路の系統の反対側端は、中性点として全相接続されており、
   前記制御装置は、系統電圧安定化のための無効電力出力動作を停止している時に、前記コンデンサの電圧バランスを維持するための無効電力出力制御を行い、前記コンデンサを充電することを特徴とする無効電力補償装置。
2. 前記制御装置が、前記系統電圧安定化のための無効電力出力動作停止時に、各前記コンデンサの電圧バランスを維持ために出力する無効電力指令値は、前記コンデンサ電圧の相間及び段間のバランスをとることができる最小無効電力指令値であることを特徴とする請求項１記載の無効電力補償装置。
3. 前記制御装置は、前記系統電圧安定化のための無効電力出力動作停止時に、前記コンデンサの電圧が、所定閾値電圧を下回った場合、前記コンデンサの電圧バランスを維持するための無効電力出力制御を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の無効電力補償装置。
4. 前記所定閾値電圧は、系統電圧の相電圧のピーク値から、前記最小無効電力指令値に応じた出力電流が流れることにより生じる前記リアクトルの電圧降下分を引いた値を、前記多段インバータの段数で割った値であることを特徴とする請求項３記載の無効電力補償装置。
5. 前記制御装置は、前記系統電圧安定化のための無効電力出力動作停止時に、前記無効電力出力動作を停止した時間が、所定時間に達した場合、前記コンデンサの電圧バランスを維持するための無効電力出力制御を行うことを特徴とする請求項１又は２記載の無効電力補償装置。
6. 前記所定時間は、前記系統電圧安定化のための無効電力出力動作を停止してから、前記コンデンサが自然放電して、前記コンデンサ電圧が所定閾値電圧に達するまでの時間である
   ことを特徴とする請求項５記載の無効電力補償装置。
7. 前記制御装置が、前記系統電圧安定化のための無効電力出力動作停止時に、前記コンデンサ電圧のバランスをとるために出力する無効電力指令値は、ゼロから前記無効電力指令値まで緩やかに変化することを特徴とする請求項１〜６記載の無効電力補償装置。
8. 前記制御装置は、前記系統電圧安定化のための無効電力出力を停止した状態から出力を再開する時に、前記コンデンサの電圧が定められた定格値に充電されるまで、前記コンデンサ電圧の相間及び段間のバランスがとれる最小無効電力指令値を出力することを特徴とする請求項１〜７記載の無効電力補償装置。

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