JP6281742B2 - パワーコンディショナシステム - Google Patents

Description

本発明は、太陽光発電設備、風力発電設備、燃料電池発電設備、火力発電設備等が、電力変換装置を備えたパワーコンディショナを介して配電系統に連系されるパワーコンディショナシステムに関し、詳しくは、パワーコンディショナの運転力率を制御する技術に関するものである。

近年、太陽光発電設備等を、パワーコンディショナを介して配電系統に連系させて負荷に電力を供給することが行われている。この種の発電設備が配電系統に無秩序に連系されると、系統を介して発電設備に及ぼす影響が大きくなると共に、電力品質の維持、保守運用の対応が困難になることが予想される。そこで、所定の電力品質を保ちながら発電設備を系統に連系可能とするために必要な技術要件が、経済産業省により「系統連系規程」（ＪＥＡＣ９７０１−２００６（社団法人日本電気協会））として策定されている。

上記「系統連系規程」によれば、逆潮流がない場合の受電点の力率は原則８５[％]以上とされ、系統の電圧上昇を防止するために系統側から見て進み力率（発電設備側から見て遅れ力率）にならないようにすることが規定されている。
これらの原則を遵守しつつ、より多くの有効電力を系統に供給するために、発電設備の運転力率を８５[％]付近に保とうとする動きが見られる。

上記原則を遵守するための力率制御の一例を、図５に示す。なお、図５のシステムは、配電系統に風力発電設備を連系させたものであり、例えば非特許文献１に記載されている。
図５に示すパワーコンディショナシステムは、風力発電設備１１と、この発電設備１１から出力される交流電力を交流／直流／交流変換して配電系統３０に供給するパワーコンディショナ２１と、パワーコンディショナ２１から出力される有効電力を有効電流として検出する出力電力検出部４０と、検出した有効電力からパワーコンディショナ２１の運転力率を制御する運転力率制御部５０と、を備えている。なお、配電系統３０には負荷（図示せず）が接続されている。

運転力率制御部５０は、上下限リミッタ５１、力率ゲイン演算器５２及び乗算器５３を備え、上下限リミッタ５１により上下限値を制限された有効電流と、力率ゲイン演算器５２により演算された力率ゲインと、を乗算器５３にて乗算し、その乗算結果を無効電力指令（無効電流指令）としてパワーコンディショナ２１に入力する。パワーコンディショナ２１では、この無効電力指令に従って電力変換を行い、無効電力を制御して運転力率を所定値に維持している。

周知のように、パワーコンディショナ２１の運転力率ｃｏｓθ（θは力率角）は数式１によって求められる。なお、数式１において、Ｐはパワーコンディショナ２１が出力する有効電力、Ｑは無効電力である。

ここで、Ｑ／Ｐ＝Ｇを力率ゲインとして定義すると、数式１は数式２となる。

また、力率ゲインＧは、数式３のように表すことができる。

図５の力率ゲイン演算器５２は、数式３の演算により、目標とする設定力率（例えば、ｃｏｓθ＝０．８５）を実現するための力率ゲインＧを演算する。
乗算器５３は、力率ゲインＧと、上下限リミッタ５１から出力される有効電流に対応した有効電力Ｐとを乗算し、Ｑ＝Ｐ×Ｇにより無効電力Ｑを求め、これを無効電力指令としてパワーコンディショナ２１に与える。パワーコンディショナ２１は無効電力指令に従って半導体スイッチング素子を動作させることにより、図６に示すように運転力率ｃｏｓθを所定値（例えば８５[％]）以上に制御している。
なお、上述した運転力率の制御方法は、配電系統３０に連系される発電設備の種類に関わりなく、例えば太陽光発電設備や燃料電池発電設備等が連系される場合も同様である。

甲斐隆章，藤本敏朗，「太陽光・風力発電と系統連系技術」，Ｐ７２〜７３等，平成２２年１０月，株式会社オーム社

しかしながら、前述の「系統連系規程」によれば、パワーコンディショナの運転力率は、発電設備の出力精度や出力電力検出部の検出精度とは無関係に設定されている。このため、例えば、風力発電設備１１の出力精度や出力電力検出部４０の検出精度によっては、パワーコンディショナ２１の運転力率が「系統連系規程」により定められている力率８５[％]未満になる場合がある。特に、低出力時には無効電力誤差の有効電力に対する割合が大きくなるため、力率が８５[％]％未満になる可能性が高くなる。

そこで、本発明の解決課題は、発電設備の出力精度や出力電力検出部の検出精度に左右されずに、「系統連系規程」により定められた所定の運転力率を維持することができるパワーコンディショナシステムを提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、発電設備による発電電力を、電力変換装置を備えたパワーコンディショナを介して配電系統に供給するパワーコンディショナシステムにおいて、
前記発電設備から出力される有効電力を検出する出力電力検出手段と、
前記出力電力検出手段により検出された有効電力が力率制御開始電力設定値以下であるときは前記パワーコンディショナの運転力率を１００［％］とし、前記有効電力が前記パワーコンディショナの定格出力に等しい時に前記運転力率が所定の設定力率になるように前記パワーコンディショナに対する無効電力指令を生成する運転力率制御手段と、
を有し、
前記運転力率制御手段は、
前記出力電力検出手段により検出された有効電力と前記力率制御開始電力設定値との電力差を求める減算手段と、
前記力率制御開始電力設定値と前記設定力率とに基づいて前記パワーコンディショナの有効電力−無効電力特性の傾きを補正する傾き補正演算手段と、
前記電力差と前記傾きとを乗算する第１の乗算手段と、
前記乗算手段の乗算結果を上下限値により制限するリミッタと、
前記リミッタの出力に、前記設定力率から予め演算した力率ゲインを乗じて前記無効電力指令を生成する第２の乗算手段と、
を備えたものである。

本発明によれば、運転力率制御手段が、パワーコンディショナの有効電力に応じて無効電力指令を生成することにより、発電設備の出力精度や出力電力検出部の検出精度に左右されることなく、パワーコンディショナの低出力時から定格出力時に至るまで所定の運転力率を維持することができる。

本発明の実施形態に係るパワーコンディショナシステムの全体構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態の動作を説明するための、パワーコンディショナの有効電力と無効電力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態の動作を説明するための、パワーコンディショナの有効電力と無効電力との関係を示すグラフである。 本発明の実施形態の動作を説明するための、パワーコンディショナの有効電力と無効電力及び運転力率との関係を示すグラフである。 従来のパワーコンディショナシステムの全体構成を示すブロック図である。 図５におけるパワーコンディショナの有効電力と無効電力及び運転力率との関係を示すグラフである。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係るパワーコンディショナシステムの全体構成を示すブロック図であり、図５における構成要素と同一のものには同一の参照符号を付してある。

図１に示すパワーコンディショナシステムは、太陽光発電設備１２と、この発電設備１２から出力される直流電力を直流／交流変換して配電系統３０に供給する電力変換装置を備えたパワーコンディショナ２２と、パワーコンディショナ２２から出力される有効電力を有効電流として検出する出力電力検出部４０と、検出した有効電力に基づいて無効電力指令を生成し、パワーコンディショナ２１の半導体スイッチング素子を動作させて運転力率を所定値に制御する運転力率制御部５０Ａと、を備えている。なお、配電系統３０には負荷（図示せず）が接続されている。
運転力率制御部５０Ａは、図５と同様に上下限リミッタ５１，力率ゲイン演算器５２及び乗算器５３を有すると共に、出力電力検出部４０の出力側と上下限リミッタ５１の入力側との間には、ローパスフィルタ５４，力率制御開始電力設定値５５，減算器５６，傾き補正演算器５７及び第１の乗算器５８が設けられている。

この実施形態の特徴は、出力電力検出部４０から出力される有効電力（有効電流）を運転力率制御部５０Ａ内のブロック５４〜５８により調整して上下限リミッタ５１に入力し、その出力と力率ゲインとを第２の乗算器５３にて乗算して無効電力指令を生成することにより、後述するようにパワーコンディショナ２２が出力する有効電力に応じて運転力率を変動制御することにある。これにより、パワーコンディショナ２２の定格出力時における設定力率での運転、低出力時の力率１００［％］運転を可能にし、太陽光発電設備１２の出力精度や出力電力検出部４０の検出精度に関わらず「系統連系規程」により定められた所定の力率を維持可能としている。

なお、パワーコンディショナ２２に接続される発電設備は、図５に示した風力発電設備１１でも良いし、燃料電池発電設備、火力発電設備等であっても良い。この場合、発電設備の出力形式（交流または直流）に応じてパワーコンディショナの電力変換方式（交流／直流／交流変換、または直流／交流変換等）が異なるのはいうまでもない。

次に、パワーコンディショナ２２の運転力率を制御する動作について説明する。
まず、図５，図６に示した従来技術において、パワーコンディショナ２２の定格を皮相電力で１０００［ｋＶＡ］と仮定したとき、運転力率を８５［％］とするには、有効電力を８５０［ｋＷ］、無効電力を５２６［ｋＶａｒ］出力することが必要である。ここで、例えば出力電力検出部４０の検出精度誤差が定格出力の１［％］と仮定した場合、この誤差に相当する無効電力は１０［ｋＶａｒ］となり、最大誤差の発生時には無効電力が５３６［ｋＶａｒ］出力されるため、運転力率は８４．５［％］となる。

これに対し、パワーコンディショナ２２の定格を４００［ｋＶＡ］と仮定したとき、運転力率を８５［％］とするには、有効電力を３４０［ｋＷ］、無効電力を２１０［ｋＶａｒ］出力することが必要である。この場合、出力電力検出部４０の検出精度誤差は一定であるとすれば、出力電力検出部４０の最大誤差の発生時には無効電力が２２０［ｋＶａｒ］出力されることになり、その時の運転力率は８３．９［％］となる。
このように、定格が低い時には出力電力検出部４０の検出精度誤差の影響が大きくなり、運転力率が設定値の８５［％］を下回る可能性が高くなる。

そこで、本実施形態では、パワーコンディショナの低出力時には系統電圧も上昇しないため運転力率を１００［％］としても問題なく、この期間は所定の力率制御開始電力設定値まで有効電力を出力させ、力率制御開始電力設定値を超える範囲については無効電力を出力させて系統電圧を低下させ、その低下分に応じた有効電力を出力させて定格出力時の運転力率が設定値以上になるように制御することとした。

すなわち、まず、無効電力をゼロとしてパワーコンディショナ２２の運転力率を１００［％］とした時にパワーコンディショナ２２が出力可能な有効電力の上限値を、力率制御開始電力設定値５５としてセットする。なお、この力率制御開始電力設定値５５は、配電系統３０の電圧が変化しない限り、パワーコンディショナ２２によって決まる一定値である。

一方、図１のローパスフィルタ５４は、出力電力検出部４０から出力された有効電流のリプル成分を除去する。このローパスフィルタ５４の出力から力率制御開始電力設定値５５を減算器５６にて減算することにより、図２に示すごとく、定格出力時の運転力率を８５［％］に設定したときの無効電力特性線ｑ_０を全体的に減少させ、無効電力がゼロのときの有効電力が力率制御開始電力設定値５５に一致するような特性線ｑ_１を得る。言い換えれば、パワーコンディショナ２２が出力する有効電力が力率制御開始電力設定値５５以上であるときに、無効電力を配電系統３０側に出力させるようにする。

しかし、図２の特性線ｑ_１では、定格出力時に運転力率が８５［％］になるだけの無効電力指令を得ることができない。従って、図１の傾き補正演算器５７により、図３に示すように、定格出力時に運転力率が８５［％］となる無効電力指令を得るための有効電力−無効電力特性の傾きを演算し、この傾きに従って特性線ｑ_１を補正することにより特性線ｑ_２を得る。図１における乗算器５８の出力は、この特性線ｑ_２に相当する。
なお、特性線ｑ_２の傾きは、設定力率（例えば８５［％］）と力率制御開始電力設定値５５とを用いた数式４の演算により求めることができる。この数式４において、力率制御開始電力設定値［％］は、定格出力を１００［％］とした時の比率である。

次に、特性線ｑ_２によると、有効電力が力率制御開始電力設定値５５以下の領域では、運転力率が範囲外の値になってしまうため、図１の上下限リミッタ５１により下限値を運転力率が１００［％］（上限値は８５［％］）となるような値に制限して乗算器５３に出力する。
これにより、ローパスフィルタ５４の出力が力率制御開始電力設定値５５以下の範囲でも運転力率を１００［％］に保つことができ、配電系統３０側から見て進み力率になることがない。

図１の乗算器５３では、従来と同様に、力率ゲイン演算器５２により演算した数式３の力率ゲインＧを上下限リミッタ５１の出力に乗算し、無効電力指令（無効電流指令）を生成する。この無効電力指令に従ってパワーコンディショナ２２の半導体スイッチング素子を制御することにより、太陽光発電設備１２の出力精度や出力電力検出部４０の検出精度に左右されずに、パワーコンディショナ２２の運転力率を常に８５［％］以上に保つことができる。
なお、図４は、この実施形態によりパワーコンディショナ２２から出力される有効電力と無効電力及び運転力率との関係を示す概念的なグラフであり、有効電力が力率制御開始電力設定値５５以下の範囲では運転力率を１００［％］に保ち、定格出力時に８５［％］以上の値を維持することができる。

以上のようにこの実施形態によれば、パワーコンディショナ２２の運転力率を有効電力に基づいて変動制御することにより、「系統連系規程」により定められた所定の運転力率を実現すると共に配電統の電圧上昇を防止することが可能である。

本発明は、太陽光発電設備、風力発電設備、燃料電池発電設備、火力発電設備等の各種の発電設備が配電系統に連系されるパワーコンディショナシステムに利用することができる。

１２：太陽光発電設備
２２：パワーコンディショナ
３０：配電系統
４０：出力電力検出部
５０Ａ：運転力率制御部
５１：上下限リミッタ
５２：力率ゲイン演算器
５３，５８：乗算器
５４：ローパスフィルタ
５５：力率制御開始電力量設定値
５６：減算器
５７：傾き補正演算器

Claims (1)

1. 発電設備による発電電力を、電力変換装置を備えたパワーコンディショナを介して配電系統に供給するパワーコンディショナシステムにおいて、
   前記発電設備から出力される有効電力を検出する出力電力検出手段と、
   前記出力電力検出手段により検出された有効電力が力率制御開始電力設定値以下であるときは前記パワーコンディショナの運転力率を１００［％］とし、前記有効電力が前記パワーコンディショナの定格出力に等しい時に前記運転力率が所定の設定力率になるように前記パワーコンディショナに対する無効電力指令を生成する運転力率制御手段と、
   を有し、
   前記運転力率制御手段は、
   前記出力電力検出手段により検出された有効電力と前記力率制御開始電力設定値との電力差を求める減算手段と、
   前記力率制御開始電力設定値と前記設定力率とに基づいて前記パワーコンディショナの有効電力−無効電力特性の傾きを補正する傾き補正演算手段と、
   前記電力差と前記傾きとを乗算する第１の乗算手段と、
   前記乗算手段の乗算結果を上下限値により制限するリミッタと、
   前記リミッタの出力に、前記設定力率から予め演算した力率ゲインを乗じて前記無効電力指令を生成する第２の乗算手段と、
   を備えたことを特徴とするパワーコンディショナシステム。

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