JP6159271B2 - Power converter and control method of power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。 The present invention relates to a power conversion device and a method for controlling the power conversion device.
近年、太陽光発電装置や風力発電装置等の自然エネルギーを利用した分散電源の導入が進んでいる。自然エネルギーを利用した分散電源は、自然エネルギーにより発電された電力を、自励式電力変換器により系統周波数に変換し電力系統に送電する。一般に、このような分散電源の出力電力は気候により変動し、連系する電力系統の安定度を損なうおそれがある。このような事情により、電力系統の安定化を目的とし、蓄電池に代表される蓄電手段と自励式電力変換器を備える蓄電システムの導入が小規模系統を中心に進んでいる。 In recent years, the introduction of distributed power sources using natural energy, such as solar power generation devices and wind power generation devices, has progressed. A distributed power source using natural energy converts electric power generated by natural energy into a system frequency by a self-excited power converter and transmits it to the power system. In general, the output power of such a distributed power source varies depending on the climate, and there is a risk of impairing the stability of the interconnected power system. Under such circumstances, for the purpose of stabilizing the power system, the introduction of a power storage system including power storage means represented by a storage battery and a self-excited power converter is progressing mainly in small systems.
自然エネルギーを利用した分散電源や蓄電システムが電力系統に接続されている状態で、事故検出や系統切り替えにより電力系統の遮断器が開放された場合、遮断器の下位系統に接続されている分散電源や蓄電システムの発電電力と、その下位系統に接続されている負荷の消費電力が一致すると、下位系統の電圧が長時間維持される可能性がある。この需給バランスが取れた状態を単独運転状態と呼ぶ。 If a power system breaker is opened due to an accident detection or system switching when a distributed power source or storage system using natural energy is connected to the power system, the distributed power source connected to the subordinate system of the circuit breaker If the generated power of the power storage system matches the power consumption of the load connected to the lower system, the voltage of the lower system may be maintained for a long time. This state in which supply and demand is balanced is referred to as an isolated operation state.
単独運転状態が発生すると、電力系統の保守の妨げになる。そのため、国内では系統連系技術要件ガイドライン、海外ではIEC62116などにより、分散電源用の自励式電力変換器や蓄電システム用電力変換器が、単独運転を検出する機能を備えること、および単独運転検出後に速やかに系統から解列する機能を備えること、が定められている。特に日本国内の系統連系規定では、低圧系統に連系する分散電源に対しては、単独運転発生後0.1s以内に単独運転を検出し、運転を停止することが定められており、高速な単独運転検出が必要である。 If an islanding condition occurs, it will hinder maintenance of the power system. Therefore, according to the grid interconnection technical requirement guidelines in Japan and IEC62116 overseas, the self-excited power converter for distributed power sources and the power converter for power storage system have a function of detecting isolated operation, and after detecting isolated operation. It is stipulated that a function to quickly disconnect from the system is provided. In particular, the grid connection regulations in Japan stipulate that for a distributed power source connected to a low-voltage system, the isolated operation is detected within 0.1 s after the occurrence of the isolated operation, and the operation is stopped. Isolated operation detection is necessary.
単独運転検出方法として、周波数の変化率をトリガとして無効電力を発生させることにより単独運転を検出する方法が、特許文献1で開示されている。 As an isolated operation detection method, Patent Document 1 discloses a method of detecting an isolated operation by generating reactive power using a frequency change rate as a trigger.
他の単独運転検出手法として、連系点電圧の位相跳躍を検出する手法や、高調波注入による系統インピーダンスの変化を検出する手法が知られている。 As another isolated operation detection method, a method for detecting a phase jump of the interconnection point voltage and a method for detecting a change in system impedance due to harmonic injection are known.
しかし、負荷が消費する電力と自励式電力変換器の出力する電力が完全に一致した場合、位相跳躍により単独運転を検出することは不可能である。また、IEC62116に記載されているように大容量のコンデンサを備えるR−L−C並列回路を負荷として単独運転検出機能を試験する場合、高調波注入を用いる手法では、コンデンサによる高調波成分の吸収により単独運転の検出が困難である。 However, when the power consumed by the load and the power output from the self-excited power converter completely match, it is impossible to detect an isolated operation by phase jump. In addition, when testing the isolated operation detection function using an R-L-C parallel circuit having a large-capacity capacitor as a load as described in IEC62116, the method using harmonic injection absorbs harmonic components by the capacitor. This makes it difficult to detect an isolated operation.
上記課題を解決するために、本発明の一態様である電力変換装置は、直流を交流に変換して電力系統へ出力するインバータと、インバータへ入力される直流電圧を検出する直流電圧検出部と、インバータからの出力電流を検出する出力電流検出部と、インバータおよび電力系統の間の連系点における連系点電圧を検出する連系点電圧検出部と、連系点電圧に基づいて連系点電圧位相を算出する位相算出部と、直流電圧に基づいて、インバータに出力させる有効電流を示す有効電流指令値を算出する有効電流指令値算出部と、連系点電圧および出力電流に基づいて、インバータに出力させる無効電流を示す無効電流指令値を算出する無効電流指令値算出部と、出力電流、連系点電圧位相、有効電流指令値、および無効電流指令値に基づいてインバータを制御することにより、インバータの出力電圧の位相を予め定められた時間間隔毎に変化させる制御部と、連系点電圧位相の変化に基づいて、電力変換装置の単独運転状態を検出する単独運転検出部と、を備える。 In order to solve the above-described problem, a power conversion device according to an aspect of the present invention includes an inverter that converts direct current into alternating current and outputs the alternating current to a power system, and a direct current voltage detection unit that detects a direct current voltage input to the inverter. An output current detection unit for detecting an output current from the inverter, a connection point voltage detection unit for detecting a connection point voltage at a connection point between the inverter and the power system, and an interconnection based on the connection point voltage A phase calculation unit for calculating a point voltage phase, an effective current command value calculation unit for calculating an effective current command value indicating an effective current to be output to the inverter based on a DC voltage, and a connection point voltage and an output current A reactive current command value calculation unit for calculating a reactive current command value indicating a reactive current to be output to the inverter, and an input based on the output current, the connection point voltage phase, the active current command value, And a control unit that changes the phase of the output voltage of the inverter at predetermined time intervals by controlling the inverter, and the isolated operation state of the power converter is detected based on the change of the interconnection point voltage phase. An independent operation detection unit.
本発明の一態様によれば、電力変換装置の出力電力と負荷の消費電力が一致する場合や、負荷がコンデンサを含む場合であっても、単独運転状態を検出することができる。 According to one embodiment of the present invention, the isolated operation state can be detected even when the output power of the power converter matches the power consumption of the load or when the load includes a capacitor.
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
本実施例では、太陽光発電のための電力変換装置1について説明する。 A present Example demonstrates the power converter device 1 for solar power generation.
図1は、実施例1の電力変換装置の構成を示す。 FIG. 1 illustrates the configuration of the power conversion apparatus according to the first embodiment.
電力変換装置1の直流回路には、太陽光パネル30が接続されている、電力変換装置1は、太陽光パネル30により発電された直流電力を電力系統300の系統周波数を有する交流電力に変換し、その交流電力を電力系統300および負荷200に供給する。電力変換装置1において電力系統300側の接続点を連系点(系統連系点)と呼ぶ。
A
電力系統300には、電力変換装置1と負荷200が遮断器400を介して並列接続される。遮断器400は、系統事故検出時および系統メンテナンスのため電力系統300の運営者により開閉される。
The power conversion apparatus 1 and the
電力変換装置1は、太陽光パネル30に接続されている直流回路電圧の検出用の直流電圧センサ71PT、インバータ10、インバータ10出力の高調波を除去する高調波フィルタ20、インバータ10と連系点の間を開閉するコンタクタ40、電力変換装置1の出力電流の検出用の出力電流センサ72CTu、72CTw、連系点電圧を検出するための連系点電圧センサ70PTuv、70PTvw、検出された電流および電圧を基にインバータ10のゲート信号GateUP〜WN(GateUP、GateVP、GateWP、GateUN、GateVN、GateWN)、およびコンタクタ40のON/OFFを制御するコンタクタ制御信号CTTctlを算出する制御器100を含む。
The power converter 1 includes a DC voltage sensor 71PT for detecting a DC circuit voltage connected to the
インバータ10において、直流回路端子P、Nには太陽光パネル30が接続され、交流端子U、V、Wには高調波フィルタ20が接続されている。インバータ10は、太陽光パネル30から出力される直流電力を三相交流電力へ変換して出力する。高調波フィルタ20は、インバータ10から出力されるパルス波形を平滑化して基本波成分を通過させることにより、インバータ10から電力系統300に流出する高調波を低減する。
In the
図2は、負荷200の構成を示す。
FIG. 2 shows the configuration of the
電力変換装置1の連系点には、負荷200が並列接続される。負荷200は、抵抗、リアクトル、およびコンデンサの並列回路によりその電気特性が示されるものである。
A
図3は、電力変換装置1の主回路の構成を示す。 FIG. 3 shows the configuration of the main circuit of the power conversion device 1.
この図は、電力変換装置1のうち、直流電圧センサ71PT、インバータ10、高調波フィルタ20、出力電流センサ72CTu、72CTw、コンタクタ40、および連系点電圧センサ70PTuv、70PTvwを含む。
This figure includes a DC voltage sensor 71PT, an
インバータ10は、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの自己消弧形半導体スイッチングデバイスとダイオードとが逆並列接続されているIGBTモジュール10k、10l、10p、10m、10n、10o、10p、および直流コンデンサ10Cを含む。高調波フィルタ20は、2つの三相リアクトル20L1、20L2と三相コンデンサ20Cを含む。電流センサ72CTu、72CTwは、高調波フィルタ20の出力電流のU相電流とW相電流をそれぞれ検出する。連系点電圧センサ70PTuv、70PTvwは、連系点におけるU相およびV相の線間電圧vsuv、V相およびW相の線間電圧vsvwをそれぞれ測定する。
The
図4は、実施例1の制御器100の構成を示す。
FIG. 4 shows a configuration of the
連系点電圧センサ70PTuv、70PTvwによりそれぞれ検出される連系点の線間電圧vsuv、vsvwが、制御器100へ入力される。出力電流センサ72CTu、72CTwによりそれぞれ検出される出力電流検出値isu、iswが、制御器100へ入力される。直流電圧センサ71PTにより検出される直流電圧検出値vdcが、制御器100へ入力される。制御器100は、入力される電圧および電流に基づいて、後述するように電圧指令値とインバータ出力電圧の瞬時平均値が一致させることを目標として、IGBTモジュール10k、10l、10p、10m、10n、10o、10pのゲート信号GateUP、GateVP、GateWP、GateUN、GateVN、GateWNをそれぞれ算出する。制御器100は更に、入力される電圧および電流に基づいて、コンタクタ制御信号CTTctlを算出する。
Line voltages vsuv and vsvw at connection points detected by the connection point voltage sensors 70PTuv and 70PTvw are input to the
制御器100は、連系点電圧位相検出部100a、直流電圧制御部100b、無効電力制御部100c、電流制御部100d、および単独運転制御部100eを含む。
The
まず、連系点電圧位相検出部100aについて説明する。
First, the interconnection point voltage
連系点電圧位相検出部100aは、連系点電圧の位相である連系点電圧位相を検出する。連系点電圧位相検出部100aは、相電圧算出器1001、α−β変換器1002、d−q変換器1003、位相算出器1004、cosテーブル1006、およびsinテーブル1007を含む。
The connection point voltage
相電圧算出器1001は、零相成分の相電圧をゼロとし、数式1に従い線間電圧vsuv、vsvwに基づいて相電圧vsu、vsv、vswを算出する。
The
α−β変換器1002は、数式2に従い、相電圧vsu、vsv、vswをα−β変換することにより、固定座標系における連系点電圧のα成分であるvs_alpとβ成分であるvs_betを算出する。
The α-
d−q変換器1003は、後述するcosテーブル出力値cos、およびsinテーブル出力値sinに基づいて、数式3に従い、vs_alp、vs_betをd−q変換することにより、回転座標系における連系点電圧のd成分vsd、q成分vsqを算出する。
The
位相算出器1004は、連系点電圧のq成分vsqに基づいて連系点電圧位相thetaおよび角周波数omegaを算出する。
The
図5は、位相算出器1004の構成を示す。
FIG. 5 shows the configuration of the
位相算出器1004は、PI制御器10041、加算器10042、および時間積分器10043を含む。
The
PI制御器10041は、vsqに基づいて補正角周波数であるdel_omegを算出する。 The PI controller 10040 calculates del_omeg which is a correction angular frequency based on vsq.
加算器10042は、補正角周波数del_omegと定格角周波数Omeg0を加算し、その和であるomegaを時間積分器10043に出力する。 The adder 10044 adds the corrected angular frequency del_omeg and the rated angular frequency Omega0, and outputs the sum omega to the time integrator 10034.
時間積分器10043は、角周波数omegaを時間積分することにより、連系点電圧位相thetaを算出する。
The
制御器100により算出される連系点電圧位相thetaと連系点電圧の位相が一致している場合、連系点電圧のq成分vsqは0となる。一方、連系点電圧位相thetaと連系点電圧位相が一致しない場合、連系点電圧のq成分vsqは非零となる。そのため、以上の位相算出器1004の構成により連系点電圧位相を検出することが可能となる。
When the connection point voltage phase theta calculated by the
連系点電圧位相thetaは、cosテーブル1006およびsinテーブル1007に入力される。cosテーブル1006およびsinテーブル1007は、連系点電圧位相thetaに対応したcos、およびsinを算出する。前述のd−q変換器1003は、算出されたcos、sinを用いて連系点電圧α成分vs_alp、β成分vs_betをd−q変換する。
The interconnection point voltage phase theta is input to the cos table 1006 and the sin table 1007. The cos table 1006 and the sin table 1007 calculate cos and sin corresponding to the interconnection point voltage phase theta. The
位相算出器1004から出力される角周波数omegaは、単独運転検出部100eの単独運転検出器1005に出力される。連系点電圧のd成分vsdおよびq成分vsqは、無効電力制御部100cの無効電力算出器1070に出力される。
The angular frequency omega output from the
次に、直流電圧制御部100bについて説明する。
Next, the DC
直流電圧制御部100bは、太陽光パネル30からの電力量を調節するために直流電圧を制御する。直流電圧制御部100bは、減算器1050および直流電圧制御器1051を含む。
The DC
減算器1050は、直流電圧センサ71PTにより検出される直流電圧検出値vdcから電圧指令値Vdc_refを減ずることにより差を算出し、その差を直流電圧制御器1051に出力する。直流電圧制御器1051は、PI制御器により構成されており、減算器1050で算出された直流電圧指令値と直流電圧検出値の差に対してPI演算を施し、その結果を有効電流指令値として減算器1013に出力する。
The
次に、無効電力制御部100cについて説明する。
Next, the reactive
無効電力制御部100cは、無効電力を目標値の無効電力指令値に追従させるための無効電流指令値を算出する。無効電力制御部100cは、無効電力算出器1070、減算器1071、無効電力制御器1072、無効電流補正信号算出器1073、および加算器1074を含む。
The reactive
無効電力算出器1070は、数式4に従い、連系点電圧vsd、vsq、および後述する出力電流の有効電流isd、無効電流isqに基づいて、電力変換装置1の電力系統300側に出力する無効電力を算出し、その結果を無効電力算出値Qfbとして減算器1071に出力する。
The
減算器1071は、所定の無効電力指令値Qrefと無効電力算出器1070から出力されたQfbとの差を算出し、その差を無効電力制御器1072に出力する。
The
無効電力制御器1072は、PI制御器により構成され、減算器1071の出力に対しPI制御演算を施し、電力変換装置1の無効電流指令値iqrefを算出する。これにより、電力変換装置1からの無効電力を目標値に近づけることができる。
The
加算器1074は、無効電流指令値iqrefと、後述する無効電流補正信号算出器1073から出力される無効電流補正信号del_iqrefとの和を算出し、その和を新たな無効電流指令値iqref2として電流制御部100dの減算器1014に出力する。
The
次に、電流制御部100dについて説明する。
Next, the
電流制御部100dは、有効電流指令値および無効電流指令値に基づいて、出力電圧を補正する。電流制御部100dは、減算器1010、α−β変換器1011、d−q変換器1012、減算器1013、減算器1014、d軸電流制御器1015、q軸電流制御器1016、加算器1017、逆d−q変換器1018、2相−3相変換器1019、搬送波算出器1020、およびPWM(Pulse Width Modulation)演算器1021を含む。
The
まず、出力電流のd成分isd、q成分isqの算出方法について説明する。 First, a method for calculating the d component isd and the q component isq of the output current will be described.
減算器1010は、出力電流センサ72CTu、72CTwによりそれぞれ検出される出力電流のu相成分isu、w相成分iswから、v相成分isvを算出する。α−β変換器1011は、出力電流のu相成分isu、v相成分isv、w相成分iswをα−β変換することにより、α成分is_alp、およびβ成分is_betを算出する。なお、このα−β変換は数式2と等しいものであるため、重複説明を省略する。
The
d−q変換器1012は、cosテーブル1006から出力されるcosと、sinテーブル1007から出力されるsinとを用いて、交流出力電流のα成分is_alp、β成分is_betを、d−q変換することにより、出力電流のd成分isdおよびq成分isqを算出する。なお、このd−q変換は数式3と等しいものであるため、重複説明を省略する。出力電流のd成分isdは減算器1013に出力され、出力電流のq成分isqは減算器1014に出力される。
The
減算器1013は、直流電圧制御器1051から出力される有効電流指令値から、出力電流のd成分isdを減ずることにより偏差を算出し、その偏差をd軸電流制御器1015に出力する。減算器1014は、加算器1074から出力される無効電流指令値iqref2から、出力電流のq成分isqを減ずることにより偏差を算出し、その偏差をq軸電流制御器1016に出力する。
The
d軸電流制御器1015、およびq軸電流制御器1016は、PI制御器で構成され、入力される偏差にPI制御演算を施し、偏差を低減するためのインバータ10のd軸電圧指令値とq軸電圧指令値を算出する。
The d-
加算器1017は、予め設定された固定値であるVd0とd軸電流制御器1015から出力されるd軸電圧指令値を加算することにより、新たなd軸電圧指令値vdrefを算出する。Vd0は、連系点電圧の振幅が定格である場合に、インバータ10の出力電圧と連系点電圧の振幅が等しくなる値である。d軸電圧指令値をVd0と加算することにより、インバータ10のゲートデブロック時に電力系統300から電力変換装置1に過大な電流が流入することを防ぐことができる。
The
逆d−q変換器1018は、加算器1017から出力されるvdrefと、q軸電流制御器1016から出力されるq軸電圧指令値vqrefと、cosテーブル1006から出力されるcosと、sinテーブル1007から出力されるsinとを入力し、数式5に従いvdref、vqrefを固定座標系の電圧ベクトルvalp、vbetを算出する。
The
2相−3相変換器1019は、数式6に従い、逆d−q変換器1018から出力されるvalp、vbetを、インバータ10の各相の電圧指令値vu_ref、vv_ref、vw_refに変換し、PWM演算器1021に出力する。
The two-phase / three-
搬送波算出器1020はインバータ10のスイッチング周波数と等しい周波数を持つ三角波である搬送波triを出力する。搬送波の周波数は例えば数kHzである。
The
PWM演算器1021は、各相の電圧指令値vu_ref、vv_ref、vw_refのそれぞれと搬送波triの大小比較をすることによりゲート信号GateUP〜WNを算出し、インバータ10に出力する。
The
U相を例に、ゲート信号GateUP、GateUNの算出方法を説明する。 A method for calculating the gate signals GateUP and GateUN will be described using the U phase as an example.
電圧指令値vu_refが搬送波tri以上である場合、PWM演算器1021は、IGBTモジュール10kのゲート信号GateUPをオンとし、IGBTモジュール10nのゲート信号GateUNをオフとする。逆に電圧指令値vu_refが搬送波triより小さい場合、PWM演算器1021は、IGBTモジュール10kのゲート信号GateUPをオフ、IGBTモジュール10nのゲート信号GateUNをオンとする。これにより、インバータ10の交流出力端子Uには、瞬時平均電圧を電圧指令値vu_refにするためのパルス電圧が出力される。PWM演算器1021は、V相、W相についても同様にしてゲート信号を算出するため、重複説明を省く。
When the voltage command value vu_ref is greater than or equal to the carrier wave tri, the
単独運転検出器1005から出力される単独運転検出状態ISLANDING_FLGが1の場合、PWM演算器1021は、電圧指令値vu_ref、vv_ref、vw_refのそれぞれと搬送波triとの大小関係に依存せず、すべてのゲート信号をオフにする。これにより単独運転を検出した場合、PWM演算器1021は、速やかにインバータ10のスイッチングを停止させ、単独運転状態を回避できる。
When the islanding detection state ISLANDING_FLG output from the
次に単独運転制御部100eについて説明する。
Next, the independent
単独運転制御部100eは、連系点電圧の角周波数omegaに基づいて電力変換装置1の単独運転を検出し、単独運転を検出した場合に電力変換装置1の単独運転を停止させる。単独運転制御部100eは、単独運転検出器1005およびコンタクタ制御信号算出器1008を含む。
The isolated
単独運転検出器1005は、位相算出器1004から出力される角周波数omegaを入力し、単独運転検出状態ISLANDING_FLGを算出する。単独運転検出器1005は、単独運転を検出した場合にISLANDING_FLGの値を1とし、通常連系時にISLANDING_FLGの値を0とする。
The
コンタクタ制御信号算出器1008は、ISLANDING_FLGが0の場合にコンタクタ制御信号CTTctlをオンとし、ISLANDING_FLGが1の場合にCTTctlをオフとする。コンタクタ40は、CTTctlがオンである場合に投入され、CTTctlがオフである場合に開放される。これにより、単独運転を検出した場合、単独運転制御部100eは、PWM演算器1021のゲートブロックに加え、コンタクタ40を開放し、停電となっている電力系統300から電力変換装置1を解列することができる。
The contactor
図6は、単独運転検出器1005の構成を示す。
FIG. 6 shows the configuration of the
単独運転検出器1005は、ローパスフィルタ10051、10052、減算器10053、および比較器10054を含む。
The
連系点電圧の角周波数omegaは、時定数の異なるローパスフィルタ10051と10052に入力される。ローパスフィルタ10051の時定数τ1は、ローパスフィルタ10052の時定数τ2より短い値である。減算器10053は、ローパスフィルタ10051の出力からローパスフィルタ10052の出力を減ずる。ローパスフィルタ10051、10052および減算器10053は、バンドパスフィルタを構成し、BPF_omegを出力する。これにより、omegaの変動の直流成分および高周波成分を除去することができる。この高周波成分は、インバータ10のPWM信号に基づく高調波であり、無効電流補正信号の周波数に比べて十分高い。高周波成分を除去することにより誤動作を防ぐことができる。
The angular frequency omega of the connection point voltage is input to low pass filters 10051 and 10052 having different time constants. The time constant τ1 of the low-
比較器10054は、バンドパスフィルタから出力されるBPF_omegを、上限判定値TH_Hおよび下限判定値TH_Lのそれぞれと比較する。BPF_omegがTH_H以上である、もしくはBPF_omegがTH_L以下である場合、比較器10054は、単独運転検出状態ISLANDING_FLGとして1を出力する。
この演算により、単独運転検出器1005は、角周波数omegaに所定値以上の変動が発生した場合、ISLANDING_FLGを1に設定する。連系点電圧の位相跳躍や位相急変が発生した場合、バンドパスフィルタ出力BPF_omegが大きく変動するため、ISLANDING_FLGを1に設定でき、単独運転状態を回避できる。
By this calculation, the
次に、無効電力制御部100cにおける無効電流補正信号算出器1073について説明する。
Next, the reactive current
無効電流補正信号算出器1073は、無効電流補正信号del_iqrefを生成する。無効電力制御器1072の出力である無効電流指令値iqrefは、加算器1074により無効電流補正信号del_iqrefと加算され、その和は新たな無効電流指令値iqref2として電流制御部100dに出力される。
The reactive current
無効電流補正信号del_iqrefは、所定の補正信号周期Tperiodを持つ矩形波である。補正信号周期Tperiodは、単独運転状態の発生から検出までに要する時間の上限である検出上限時間の2倍以下に設定される。検出上限時間は、例えば、系統連系規定で定められた0.1sである。この場合、補正信号周期Tperiodは、0.2s以下である。なお、無効電流補正信号del_iqrefの波形は、この形状に限らず、パルス状やステップ状であってもよい。 The reactive current correction signal del_iqref is a rectangular wave having a predetermined correction signal period Tperiod. The correction signal period Tperiod is set to not more than twice the detection upper limit time that is the upper limit of the time required from the occurrence of the isolated operation state to the detection. The detection upper limit time is, for example, 0.1 s defined by the grid connection regulations. In this case, the correction signal period Tperiod is 0.2 s or less. Note that the waveform of the reactive current correction signal del_iqref is not limited to this shape, and may be a pulse shape or a step shape.
無効電流補正信号del_iqrefの矩形波の立ち上がりもしくは立ち下がりにおいて、出力電流のq成分isqと無効電流指令値iqref2との差が大きくなるため、q軸電流制御器1016は、q軸電圧指令値vqredを急峻に変化させる。無効電流補正信号del_iqrefを周期Tperiodの矩形波にすることにより、インバータ10の出力電圧をTperiodの半分の時間間隔毎にステップ状に変化させることができる。
Since the difference between the q component isq of the output current and the reactive current command value iqref2 increases at the rising or falling of the rectangular wave of the reactive current correction signal del_iqref, the q-axis current controller 1016 sets the q-axis voltage command value vqred. Change sharply. By making the reactive current correction signal del_iqref a rectangular wave having a period Tperiod, the output voltage of the
図7は、インバータ10の出力電圧ベクトルの一例を示す。
FIG. 7 shows an example of the output voltage vector of the
この図は、連系点電圧ベクトルvsと、インバータ10の出力電圧ベクトルvinvとを示す。q軸電圧指令値が急変することにより、出力電圧ベクトルvinvのq成分が変動し、連系点電圧との位相差Δθが変動する。
This figure shows the interconnection point voltage vector vs and the output voltage vector vinv of the
電力系統300が正常で、遮断器400が投入されている場合、連系点電圧は電力系統300の電圧により決まる。したがって、電力変換装置1が無効電流補正信号によりインバータ10の出力電圧ベクトル位相を変動させても、連系点電圧の位相変動はほとんど発生しない。これにより、単独運転状態でない場合には、無効電流指令値に無効電流補正信号を加えることによる影響はほとんどない。一方、遮断器400が開放された単独運転状態においては、連系点電圧位相を安定化する要素がなくなるため、インバータ10の出力電圧の位相変化が遮断器400の二次側(電力変換装置1側)に発生し、無効電流補正信号に基づいてq軸電圧指令値が定期的に急変することにより、素早く単独運転を検出できる。
When
図8は、単独運転検出の動作を示すタイムチャートである。 FIG. 8 is a time chart showing the operation of the isolated operation detection.
このタイムチャートは、無効電流補正信号del_iqrefおよび無効電流指令値iqref2の波形と、連系点電圧位相thetaの波形と、角周波数バンドパスフィルタ出力BPF_omegの波形と、単独運転検出状態ISLANDING_FLGの波形と、コンタクタ制御信号CTTctlの波形とを示す。ここで、無効電流補正信号del_iqrefの波形は、破線で表されており、補正後の無効電流指令値iqref2の波形は実線で表されている。 This time chart shows the waveform of the reactive current correction signal del_iqref and the reactive current command value iqref2, the waveform of the linkage point voltage phase theta, the waveform of the angular frequency bandpass filter output BPF_omeg, the waveform of the isolated operation detection state ISLANDING_FLG, The waveform of the contactor control signal CTTctl is shown. Here, the waveform of the reactive current correction signal del_iqref is represented by a broken line, and the waveform of the reactive current command value iqref2 after correction is represented by a solid line.
無効電流補正信号del_iqrefは補正信号周期Tperiodを持つ矩形波であり、半周期毎の時刻t1、t2、t4でステップ状に値を変える。電流制御部100dは、無効電流指令値iqref2に追従するようにインバータ10の電圧指令値を変化させるため、電力変換装置1から出力される無効電流および無効電力が変化する。
The reactive current correction signal del_iqref is a rectangular wave having a correction signal period Tperiod, and changes its value in steps at times t1, t2, and t4 every half period. Since
del_iqrefにより無効電流指令値iqref2が矩形波状に変更されると、インバータ10から出力される無効電流は、電流制御系の遅れが誤差として残るものの、iqref2にほぼ一致する。一方、無効電力制御器1072は、電力変換装置1から出力される無効電力を無効電力指令値Qrefに一致させるように無効電流指令値iqrefを変化させる。無効電力制御器1072が無効電流補正信号del_iqrefを外乱と見なして応答するため、無効電流指令値iqrefも無効電流補正信号del_iqrefと同じ周期で変動する。
When the reactive current command value iqref2 is changed to a rectangular waveform by del_iqref, the reactive current output from the
したがって、補正後の無効電流指令値iqref2の波形は、無効電流補正信号del_iqrefの波形とわずかに異なる。無効電流指令値iqref2に従ってインバータ10から出力される無効電流の波形は、電流制御部100dの応答の遅延により、無効電流補正信号del_iqrefの矩形波そのものではなく、略矩形波状である。これにより、無効電流指令値iqref2に基づくインバータ10の出力電圧の定期的な位相変化は、電力系統300の電圧(電力変換装置が単独運転状態でないときの連系点電圧)の位相変化に比べて急峻になる。言い換えれば、無効電流指令値iqref2に基づくインバータ10の出力電圧は、電力系統300の電圧より高周波の成分を含む。
Therefore, the waveform of the reactive current command value iqref2 after correction is slightly different from the waveform of the reactive current correction signal del_iqref. The waveform of the reactive current output from the
時刻t3において、電力系統300の事故などにより遮断器400が開放されたとする。ここで、負荷200と電力変換装置1の出力する電力が完全に一致したとする。この場合、連系点電圧位相thetaの波形に示されるように、連系点電圧位相thetaには偏差が生じない。
It is assumed that the
時刻t3の後の無効電流補正信号del_iqrefの最初の変化点である時刻t4において、無効電流補正信号del_iqrefの変化により、連系点電圧位相thetaに脈動が発生し、角周波数にも変動が生じ、BPF_omegにも変動が生じる。ここで、BPF_omegが下限判定値TH_L以下となり、単独運転検出器1005は、単独運転状態を検出する。単独運転検出器1005が単独運転状態を検出すると、単独運転検出状態ISLANDING_FLGが0から1に変わり、インバータ10のゲート信号がすべてオフになり、コンタクタ制御信号CTTctlがONからOFFに変わる。
At time t4, which is the first change point of the reactive current correction signal del_iqref after time t3, the change in the reactive current correction signal del_iqref causes a pulsation in the interconnection point voltage phase theta, and the angular frequency also varies. Variations also occur in BPF_omeg. Here, BPF_omeg becomes equal to or lower than the lower limit determination value TH_L, and the
無効電流指令値を定期的に急峻に変化させることにより、BPF_omegに大きな変動を発生させることができるため、確実に単独運転の検出が可能となる。無効電力指令値を変化させることでも角周波数の変化を発生させることも可能だが、電流制御系をマイナーループに持つ無効電力制御器1072の制御応答は電流制御部100dの応答より遅いため、無効電流補正信号算出器1073が無効電流指令値を変化することにより、無効電力指令値を変化させることに比べて大きなBPF_omegの変動を生じさせることが可能となる。
By changing the reactive current command value sharply periodically, a large fluctuation can be generated in BPF_omeg, so that it is possible to reliably detect an isolated operation. It is possible to change the angular frequency by changing the reactive power command value, but the reactive response of the
補正信号周期Tperiodを上限時間の2倍以下とすることにより、無効電流補正信号は、上限時間以下毎に急変する。すなわち、単独運転状態の発生から上限時間以内に、無効電流指令値が急変するタイミングを必ず迎えることができる。これにより、単独運転状態の検出に要する時間が上限時間以下となり、系統連系規定を満足することができる。 By setting the correction signal period Tperiod to be not more than twice the upper limit time, the reactive current correction signal changes suddenly every less than the upper limit time. In other words, the timing at which the reactive current command value suddenly changes can be reached within the upper limit time from the occurrence of the single operation state. As a result, the time required to detect the isolated operation state is equal to or shorter than the upper limit time, and the grid connection regulations can be satisfied.
本実施例によれば、電力変換装置1は単独運転状態が発生したとき、電力変換装置1の出力電力と、電力変換装置1に並列接続される負荷200の消費電力とが一致した場合でも、確実かつ速やかに単独運転状態を検出し、電力変換装置1の発電を停止し、電力系統300から解列することが可能となる。
According to the present embodiment, when the power conversion device 1 is in an isolated operation state, even when the output power of the power conversion device 1 matches the power consumption of the
以下、本実施例の変形例について説明する。 Hereinafter, modifications of the present embodiment will be described.
図9は、第一変形例の電力変換装置の構成を示す。 FIG. 9 shows a configuration of the power conversion device of the first modification.
第一変形例の電力変換装置1は、蓄電システム用電力変換装置である。この蓄電システム用電力変換装置の直流回路には、蓄電池31が接続されている。この蓄電システム用電力変換装置は、前述の太陽光発電の電力変換装置1と同様の効果を奏す。
The power conversion device 1 of the first modified example is a power conversion device for a power storage system. A
図10は、第二変形例の電力変換装置の構成を示す。 FIG. 10 shows a configuration of a power conversion device of a second modification.
第二変形例の電力変換装置1は、風力発電システム用電力変換装置である。この風力発電システム用電力変換装置の直流回路には、風力発電システムが接続されている。風力発電システムは、ブレード32で風を受けることで回転トルクを得て、その回転トルクを、シャフト33を介して永久磁石発電機34の回転子に伝達し、永久磁石発電機34の固定子巻線に発生する誘起電圧をダイオード整流器35で整流し、直流電力を得る。この風力発電システム用電力変換装置は、前述の太陽光発電の電力変換装置1と同様の効果を奏す。なお、永久磁石発電機34の電力を整流するダイオード整流器35は、自励式コンバータであっても良い。
The power converter 1 of a 2nd modification is a power converter device for wind power generation systems. A wind power generation system is connected to the DC circuit of the wind power generation system power converter. The wind power generation system obtains rotational torque by receiving wind by the blade 32, transmits the rotational torque to the rotor of the
本実施例によれば、連系点における急峻な位相変化を系統連系時には生じさせず単独運転時だけに生じさせることができ、単独運転を早期に検出することができる。また、その無効電流指令値の変化周期を0.2s以内とすることにより、0.1s以内に単独運転を検出することが可能となる。 According to the present embodiment, a steep phase change at the connection point can be generated only at the time of isolated operation without being generated at the time of system connection, and the isolated operation can be detected at an early stage. In addition, by setting the change period of the reactive current command value within 0.2 s, it becomes possible to detect an isolated operation within 0.1 s.
本実施例の電力変換装置は、無効電流補正信号の振幅を、電力変換装置から出力される有効電流に応じて変化させる。この動作により、有効電流が小さい状態では無効電流の変化量を制限し、過大な無効電流による電力変換装置の効率低下を抑制することができる。ここで、有効電流が小さく、負荷の消費有効電流と一致する場合は、負荷の容量が小さい(軽負荷である)ことを意味する。有効電流が小さい場合は、無効電流の小さな変化でも、無効電流のアンバランス比率は大きくなり、連系点電圧の位相変化を大きくすることができる。ゆえに、単独運転状態の検出と、常時の電力変換装置の効率低下抑制とを両立することができる。 The power converter of the present embodiment changes the amplitude of the reactive current correction signal according to the effective current output from the power converter. By this operation, the amount of change in the reactive current can be limited when the effective current is small, and the efficiency reduction of the power conversion device due to the excessive reactive current can be suppressed. Here, when the effective current is small and coincides with the consumed effective current of the load, it means that the capacity of the load is small (light load). When the effective current is small, even if the reactive current is small, the unbalance ratio of the reactive current is large, and the phase change of the interconnection point voltage can be increased. Therefore, it is possible to achieve both the detection of the single operation state and the suppression of the decrease in efficiency of the power converter at all times.
図11は、実施例2の電力変換装置2の構成を示す。 FIG. 11 illustrates a configuration of the power conversion device 2 according to the second embodiment.
実施例1の電力変換装置1と比較すると、本実施例の電力変換装置2は、制御器100に代えて制御器101を有する。本実施例において、実施例1と同一部分については、同一の符号で示し、重複説明を省く。
Compared with the power conversion device 1 of the first embodiment, the power conversion device 2 of the present embodiment has a
図12は、実施例2の制御器100の構成を示す。
FIG. 12 illustrates a configuration of the
制御器100と比較すると、制御器101は、無効電力制御部100cに代えて無効電力制御部101cを有する。無効電力制御部101cは、直流電圧制御器1051から出力される有効電流指令値に応じて無効電流補正信号del_iqrefを調整する。無効電力制御部101cは、無効電力制御部100cの要素に加え、乗算器1076と、上下限リミッタ1077と、乗算器1078とを有する。
Compared to the
乗算器1076は、有効電流指令値に所定のゲインを乗算する。上下限リミッタ1077は、1.0を上限とし、無負荷時の単独運転状態の検出に必要な無効電流指令値の比率を下限として乗算器1076の出力を制限する。
The
図13は、上下限リミッタ1077の入出力特性を示す。
FIG. 13 shows the input / output characteristics of the upper /
この図は、直流電流指令値と上下限リミッタ1077の出力の関係を示す。上下限リミッタ1077の出力は、直流電流指令値に対して単調増加な特性を有し、出力を予め設定された下限値および上限値の間の範囲に制限する。これにより、負荷が軽くなっても無効電流指令値は最低限の振幅を維持することができる。また、有効電力に対する無効電力の比率が制限される場合であっても、無効電力を抑えることができる。
This figure shows the relationship between the DC current command value and the output of the upper /
乗算器1078は、無効電流補正信号算出器1073の出力と上下限リミッタ1077を乗算することにより、無効電流補正信号del_iqrefを算出する。
The
本実施例では乗算器1078の出力を無効電流補正信号とすることで有効電流に応じた無効電流補正信号を出力することができる。これにより、電力変換装置2の軽負荷時の無効電流を低減できるため、無効電流出力による効率低下を抑制でき、なおかつ単独運転状態検出に必要な無効電流を出力可能である。
In this embodiment, the reactive current correction signal corresponding to the effective current can be output by using the output of the
本実施例によれば、電力変換装置2は単独運転状態が発生したとき、電力変換装置2からの出力電力と、電力変換装置2に並列接続される負荷200の消費電力とが一致した場合でも、確実かつ速やかに単独運転状態を検出し、電力変換装置2の出力を停止し、電力系統300から解列することが可能となる。
According to the present embodiment, when the power converter 2 is in a single operation state, even when the output power from the power converter 2 matches the power consumption of the
さらに、無効電流補正信号の範囲を制限するとともに無効電流補正信号を有効電流指令値に対して単調増加の特性とすることにより、電力変換装置2の軽負荷時無効電流出力による損失を低減し、効率低下を抑制することが可能となる。 Further, by limiting the range of the reactive current correction signal and making the reactive current correction signal monotonically increasing with respect to the active current command value, the loss due to the reactive current output at light load of the power converter 2 is reduced, It becomes possible to suppress a decrease in efficiency.
本実施例では、電力変換装置2を太陽光発電用インバータに適用した例を説明したが、実施例1の変形例と同様に、蓄電システム用インバータや風力発電用インバータに適用しても同様の効果を奏す。 In the present embodiment, the example in which the power conversion device 2 is applied to the inverter for solar power generation has been described. However, the same applies to the inverter for power storage system and the inverter for wind power generation as in the modification of the first embodiment. Has an effect.
本発明の一態様における用語について説明する。直流電圧検出部は、直流電圧センサ71PT等に対応する。出力電流検出部は、出力電流センサ72CTu、72CTw等に対応する。連系点電圧検出部は、連系点電圧センサ70PTuv、70PTvw等に対応する。位相算出部は、連系点電圧位相検出部100a等に対応する。直流電流指令値算出部は、直流電圧制御部100b等に対応する。無効電流指令値算出部は、無効電力制御部100c等に対応する。制御部は、電流制御部100d等に対応する。単独運転検出部は、単独運転制御部100e等に対応する。基本無効電流指令値は、無効電流指令値iqref等に対応する。補正指令値は、無効電流補正信号del_iqref等に対応する。無効電流指令値は、iqref2等に対応する。
Terms in one embodiment of the present invention will be described. The DC voltage detection unit corresponds to the DC voltage sensor 71PT and the like. The output current detection unit corresponds to the output current sensors 72CTu, 72CTw, and the like. The connection point voltage detection unit corresponds to the connection point voltage sensors 70PTuv, 70PTvw, and the like. The phase calculation unit corresponds to the interconnection point voltage
本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、その趣旨から逸脱しない範囲で、他の様々な形に変更することができる。 The present invention is not limited to the above embodiments, and can be modified in various other forms without departing from the spirit of the present invention.
1…電力変換器、10…インバータ、10k、10l、10m、10n、10o、10p…IGBTモジュール、10C…コンデンサ、20…高調波フィルタ、20L1、20L2…リアクトル、20C…コンデンサ、30…太陽光パネル、31…蓄電池、32…ブレード、33…シャフト、34…永久磁石発電機、35…ダイオード整流器、40…コンタクタ、70PTuv、70PTvw…連系点電圧センサ、71PT…直流電圧センサ、72CTu、72CTw…出力電流センサ、100、101…制御器、200…負荷、300…電力系統、400…遮断器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Power converter, 10 ... Inverter, 10k, 10l, 10m, 10n, 10o, 10p ... IGBT module, 10C ... Capacitor, 20 ... Harmonic filter, 20L1, 20L2 ... Reactor, 20C ... Capacitor, 30 ...
Claims (5)
前記インバータへ入力される直流電圧を検出する直流電圧検出部と、
前記インバータからの出力電流を検出する出力電流検出部と、
前記インバータおよび前記電力系統の間の連系点における連系点電圧を検出する連系点電圧検出部と、
前記連系点電圧に基づいて連系点電圧位相を算出する位相算出部と、
前記直流電圧に基づいて、前記インバータに出力させる有効電流を示す有効電流指令値を算出する有効電流指令値算出部と、
前記出力電流および前記連系点電圧に基づいて、前記インバータに出力させる無効電流を示す無効電流指令値を算出する無効電流指令値算出部と、
前記出力電流、前記連系点電圧位相、前記有効電流指令値、および前記無効電流指令値に基づいて前記インバータを制御することにより、前記インバータの出力電圧の位相を予め定められた時間間隔毎に変化させる制御部と、
前記連系点電圧位相の変化に基づいて、電力変換装置の単独運転状態を検出する単独運転検出部と、
を備え、
前記時間間隔毎に発生する前記出力電圧の位相変化は、前記電力系統における電圧の位相変化に比べて急峻であり、
前記時間間隔は、前記単独運転状態の発生から検出までの時間の上限として予め定められた上限時間以下であり、
前記インバータから出力される無効電流は、前記時間間隔の2倍を周期として周期的に変化し、
前記無効電流指令値算出部は、前記出力電流および前記連系点電圧に基づいて、前記電力変換装置からの無効電力を目標値に近づける制御による無効電流を示す基本無効電流指令値を算出し、前記時間間隔で変化する補正指令値を算出し、前記基本無効電流指令値に前記補正指令値を加えることにより前記無効電流指令値を算出し、
前記無効電流指令値算出部は、前記有効電流指令値の増加に応じて前記補正指令値を増加させる、
電力変換装置。 An inverter that converts direct current to alternating current and outputs it to the power system;
A DC voltage detector for detecting a DC voltage input to the inverter;
An output current detector for detecting an output current from the inverter;
A connection point voltage detection unit for detecting a connection point voltage at a connection point between the inverter and the power system;
A phase calculation unit for calculating a connection point voltage phase based on the connection point voltage;
Based on the DC voltage, an effective current command value calculation unit that calculates an effective current command value indicating an effective current to be output to the inverter;
A reactive current command value calculation unit that calculates a reactive current command value indicating a reactive current to be output to the inverter based on the output current and the interconnection point voltage;
By controlling the inverter based on the output current, the interconnection point voltage phase, the active current command value, and the reactive current command value, the phase of the output voltage of the inverter is set at predetermined time intervals. A control unit to change,
Based on the change in the interconnection point voltage phase, the isolated operation detecting unit for detecting an islanding operation state of the power converter,
With
The phase change of the output voltage that occurs at each time interval is steeper than the phase change of the voltage in the power system,
The time interval is equal to or less than an upper limit time predetermined as an upper limit of time from occurrence to detection of the isolated operation state,
The reactive current output from the inverter changes periodically with a period of twice the time interval,
The reactive current command value calculating section, based on the output current and the interconnection point voltage, to calculate a basic reactive current command value indicating the reactive current by the control to approximate the reactive power from the power converter to a target value , Calculating a correction command value that changes at the time interval, calculating the reactive current command value by adding the correction command value to the basic reactive current command value,
The reactive current command value calculation unit increases the correction command value in accordance with an increase in the active current command value.
Power conversion device.
請求項1に記載の電力変換装置。 The reactive current command value calculation unit outputs a multiplication value used for multiplication for calculating the correction command value according to the active current command value, and calculates the correction command value using the multiplication value. The power converter device described in 1.
請求項2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 2, wherein the multiplication value is a value between a predetermined lower limit value and a predetermined upper limit value.
請求項3に記載の電力変換装置。 The reactive current command value calculation unit outputs a lower limit value as the multiplication value when the active current command value is smaller than a predetermined first value, and when the active current command value is larger than a predetermined second value. Outputs an upper limit value as the multiplication value, and when the effective current command value is in the range from the first value to the second value, the multiplication value becomes monotonous if the effective current command value increases. The power conversion device according to claim 3, wherein the multiplication value is output so as to increase.
前記インバータへ入力される直流電圧を検出し、
前記インバータからの出力電流を検出し、
前記インバータおよび前記電力系統の間の連系点における連系点電圧を検出し、
前記連系点電圧に基づいて連系点電圧位相を算出し、
前記直流電圧に基づいて、前記インバータに出力させる有効電流を示す有効電流指令値を算出し、
前記連系点電圧および前記出力電流に基づいて、前記インバータに出力させる無効電流を示す無効電流指令値を算出し、
前記出力電流、前記連系点電圧位相、前記有効電流指令値、および前記無効電流指令値に基づいて前記インバータを制御することにより、前記インバータの出力電圧の位相を予め定められた時間間隔毎に変化させ、
前記連系点電圧位相の変化に基づいて、前記電力変換装置の単独運転状態を検出し、
前記時間間隔毎に発生する前記出力電圧の位相変化は、前記電力系統における電圧の位相変化に比べて急峻であり、
前記時間間隔は、前記単独運転状態の発生から検出までの時間の上限として予め定められた上限時間以下であり、
前記インバータから出力される無効電流は、前記時間間隔の2倍を周期として周期的に変化し、
前記無効電流指令値は、前記出力電流および前記連系点電圧に基づいて、前記電力変換装置からの無効電力を目標値に近づける制御による無効電流を示す基本無効電流指令値が算出され、前記時間間隔で変化する補正指令値が算出され、前記基本無効電流指令値に前記補正指令値が加えられることにより算出され、
前記補正指令値は、前記有効電流指令値の増加に応じて増加される、
制御方法。 A method for controlling a power converter including an inverter that converts direct current into alternating current and outputs the power to the power system,
Detect DC voltage input to the inverter,
Detecting the output current from the inverter;
Detecting a connection point voltage at a connection point between the inverter and the power system;
Calculate the connection point voltage phase based on the connection point voltage,
Based on the DC voltage, an active current command value indicating an effective current to be output to the inverter is calculated,
Based on the interconnection point voltage and the output current, to calculate a reactive current command value indicating a reactive current to be output to the inverter,
By controlling the inverter based on the output current, the interconnection point voltage phase, the active current command value, and the reactive current command value, the phase of the output voltage of the inverter is set at predetermined time intervals. Change
Based on the change of the interconnection point voltage phase, to detect the single operation state of the power converter ,
The phase change of the output voltage that occurs at each time interval is steeper than the phase change of the voltage in the power system,
The time interval is equal to or less than an upper limit time predetermined as an upper limit of time from occurrence to detection of the isolated operation state,
The reactive current output from the inverter changes periodically with a period of twice the time interval,
The reactive current command value is calculated based on the output current and the interconnection point voltage, and a basic reactive current command value indicating a reactive current by a control for bringing reactive power from the power converter close to a target value is calculated. A correction command value that changes at intervals is calculated, calculated by adding the correction command value to the basic reactive current command value,
The correction command value is increased according to an increase in the active current command value.
Control method.
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