JP6344332B2 - 電力変換装置、発電システム、非基本波成分検出装置および非基本波成分検出方法 - Google Patents

Description

開示の実施形態は、電力変換装置、発電システム、非基本波成分検出装置および非基本波成分検出方法に関する。

従来、太陽光発電用パワーコンディショナーなどの電力変換装置において、電力系統から切り離されて単独運転しているか否かを検出する単独運転検出方法が知られている。そして、単独運転検出方法として、系統電圧の高調波成分を検出し、かかる検出結果に基づき、単独運転の検出を行う技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開平７−３２２５０６号公報

系統電圧の周波数成分のうち基本波の周波数とは異なる高調波成分などの周波数の成分は、離散フーリエ変換によって検出することができるが、離散フーリエ変換とは異なる方法で検出することが望ましい場合も考えられる。

実施形態の一態様は、系統電圧の周波数成分のうち系統電圧の基本波とは異なる周波数の成分を検出することができる新たな電力変換装置、発電システム、非基本波成分検出装置および非基本波成分検出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、電圧検出部と、変換部と、非基本波成分検出部とを備える。前記電圧検出部は、電力系統の交流電圧を検出する。前記変換部は、前記電圧検出部によって検出された前記交流電圧を、当該交流電圧の基本波とは異なる周波数で回転する回転座標系の成分へ変換する。前記非基本波成分検出部は、前記変換部で変換された成分に基づいて前記基本波とは異なる周波数の成分を検出する。

実施形態の一態様によれば、系統電圧の周波数成分のうち系統電圧の基本波とは異なる周波数の成分を検出することができる新たな電力変換装置、発電システム、非基本波成分検出装置および非基本波成分検出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に示す電力変換部の構成例を示す図である。 図３は、図１に示す変換部および非基本波成分検出部の構成例を示す図である。 図４は、αβ軸座標系における電力系統の３相電圧および線間電圧のベクトルを示す図である。 図５は、図３に示す変換部および非基本波成分検出部の構成例を示す図である。 図６は、変換部および非基本波成分検出部による処理の流れ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、非基本波成分検出装置および非基本波成分検出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．電力変換装置］
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に示すように、実施形態に係る発電システム１００は、発電装置２および電力系統３を備える。電力変換装置１は、発電装置２と電力系統３の間に配置され、発電装置２によって発電された電力を３相交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。

かかる電力変換装置１は、電力変換部１０と、電圧検出部１１と、制御部２０とを備え、発電装置２から供給される直流電力を３相交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。発電装置２は、例えば、太陽電池、直流発電機、燃料電池などの直流発電装置である。なお、電力系統３の電圧周波数は、例えば、５０Ｈｚであってもよく、６０Ｈｚであってもよい。

電力変換部１０は、例えば、図２に示すように、複数のスイッチング素子が３相ブリッジ接続されて構成される。図２は、電力変換部１０の構成例を示す図である。なお、電力変換部１０は、図２に示す構成に限定されず、電力変換を行うことができる構成であればよい。

また、図１に示す電力変換装置１は、直流発電装置である発電装置２と電力系統３との間に配置されるが、発電装置２は、交流発電装置であってもよい。この場合、電力変換装置１は、交流電源から供給される交流電力を直流電力へ変換して電力変換部１０へ供給するコンバータを備える。

電圧検出部１１は、電力系統３の３相交流電圧Ｖｒｓｔの瞬時値（以下、系統電圧Ｖｒｓｔと記載する）を検出する。例えば、電圧検出部１１は、系統電圧Ｖｒｓｔとして、電力系統の線間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔの瞬時値（以下、線間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔと記載する）を検出することができる。線間電圧Ｖｒｓは、電力系統３のＲ相とＳ相との間の線間電圧であり、線間電圧Ｖｓｔは、電力系統３のＳ相とＴ相との間の線間電圧である。

なお、電圧検出部１１は、系統電圧Ｖｒｓｔとして、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相の相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔの瞬時値（以下、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと記載する）を検出することもできる。例えば、電圧検出部１１は、線間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔを検出し、かかる線間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔから相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを検出することもできる。

制御部２０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、後述する制御を実現することができる。

制御部２０は、駆動制御部２１と、変換部２２と、非基本波成分検出部２３と、判定部２４とを備える。駆動制御部２１、変換部２２、非基本波成分検出部２３および判定部２４の機能は、例えば、上記ＣＰＵが上記プログラムを読み出して実行することにより実現される。

また、駆動制御部２１、変換部２２、非基本波成分検出部２３および判定部２４は、それぞれ一部または全部が例えばＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアで構成されてもよい。なお、変換部２２および非基本波成分検出部２３が非基本波成分検出装置の一例に相当する。

駆動制御部２１は、電力変換部１０のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御することによって、電力変換部１０において発電装置２から供給される直流電力を３相交流電力へ変換して電力系統３へ出力させる。

変換部２２は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔ（電力系統３の交流電圧の一例）を系統電圧Ｖｒｓｔの基本波の周波数ｆ１（以下、基本周波数ｆ１と記載する）とは異なる周波数で回転する回転座標系の成分へ変換する。非基本波成分検出部２３は、変換部２２で変換された回転座標系の成分に基づいて系統電圧Ｖｒｓｔの基本波とは異なる周波数の成分（以下、非基本波成分と記載する場合がある）を検出する。

判定部２４は、例えば、非基本波成分検出部２３によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分に基づいて、電力系統３への無効電力の注入を開始するか否かを判定する。判定部２４が無効電力の注入開始を決定すると、駆動制御部２１は、系統電圧Ｖｒｓｔの周波数シフトを促すために、電力変換部１０を制御して電力系統３への無効電力の注入を開始する。

このように実施形態に係る電力変換装置１は、系統電圧Ｖｒｓｔを基本周波数ｆ１とは異なる周波数で回転する回転座標系の成分へ変換することで系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分を検出することができる。以下、変換部２２および非基本波成分検出部２３の構成例について詳細に説明する。

［２．変換部２２および非基本波成分検出部２３］
図３は、変換部２２および非基本波成分検出部２３の構成例を示す図である。図３に示すように、変換部２２は、Ａ／Ｄ（Analog／Digital）変換部３０と、３相２相変換部３１と、ｄｑ軸座標変換部３２と、周波数検出部３３と、位相演算部３４と、回転座標変換部３５とを備える。

Ａ／Ｄ変換部３０は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔを周期的に繰り返しアナログ信号からデジタル値（デジタルデータ）へ変換する。３相２相変換部３１は、Ａ／Ｄ変換部３０によってデジタル値に変換された系統電圧Ｖｒｓｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分であるα軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβへ変換する。

ここで、電力系統３のＲ相をα相に固定した場合、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔのベクトルおよび線間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔのベクトルは、図４に示すように表すことができる。図４は、αβ軸座標系における電力系統３の３相電圧および線間電圧のベクトルを示す図である。

したがって、αβ軸電圧Ｖα、Ｖβと線間電圧Ｖｒｓ、Ｖｓｔとの関係は下記式（１）に示すように表すことができ、３相２相変換部３１は、例えば、下記式（１）の演算を行って、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔをα軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβへ変換する。

なお、上記式（１）は、Ｒ相をα相に固定した場合の演算であるが、かかる例に限定されるものではなく、例えば、Ｓ相またはＴ相のα相に固定してもよい。なお、以下においては、Ｒ相をα相に固定したものとして説明する。

また、電圧検出部１１が、系統電圧Ｖｒｓｔとして相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを検出する場合、３相２相変換部３１は、電圧検出部１１によって検出された相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに基づき、下記式（２）の演算を行って、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβを求めることができる。

図３に戻って、変換部２２の説明を続ける。ｄｑ軸座標変換部３２は、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβをｄｑ軸回転座標系のｄｑ軸成分であるｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑへ変換する。ｄｑ軸回転座標系は、基本周波数ｆ１で回転する回転座標系である。

ｄｑ軸座標変換部３２は、位相検出部３８と、座標変換部３９とを備える。位相検出部３８は、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβに基づいて、系統電圧Ｖｒｓｔの位相θ１（以下、系統位相θ１と記載する）を検出する。かかる位相検出部３８は、ＣＰＵがＲＯＭに記憶されたプログラムにより実行するＰＬＬ（Phase Locked Loop）であり、ソフトウェアで実現されるＰＬＬ（ソフトウェアＰＬＬとも呼ぶ）であるが、ロジック回路などのハードウェアによって構成してもよい。

位相検出部３８は、例えば、下記式（３）の演算を行って、電圧振幅Ｅ_ｍａｘを求める。

次に、位相検出部３８は、例えば、下記式（４）に示す演算により、ｄ軸電圧ＶｄがゼロになるようにＰＩ（比例積分）制御を行って、系統位相θ１を求める。なお、下記式（４）において、「Ｔ_Ｉ」は、積分時間、「Ｋ_Ｐ」は、比例定数である。

次に、座標変換部３９は、例えば、下記式（５）の演算によって、α軸電圧Ｖα、β軸電圧Ｖβおよび系統位相θ１からｄ軸電圧Ｖｄとｑ軸電圧Ｖｑを求める。

周波数検出部３３は、系統位相θ１から電力系統３の基本波の周波数を検出する。周波数検出部３３は、例えば、下記式（６）に示す演算を行うことによって電力系統３の基本波の周波数（以下、基本周波数ｆ１’と記載する）基本周波数ｆ１’を求めることができる。周波数検出部３３は、下記式（６）に示す演算によって得られた基本周波数ｆ１’の移動平均を演算し、かかる移動平均値を基本周波数ｆ１とする。周波数検出部３３は、電力系統３の基本波の周波数の検出結果として、基本周波数ｆ１’および基本周波数ｆ１のいずれも出力することができる。

位相演算部３４は、基本周波数ｆ１とは異なる１以上の周波数ｆｘの位相θｘを演算する。周波数ｆｘは、非基本波成分検出部２３で検出する系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分の周波数である。かかる周波数ｆｘは、例えば、系統電圧Ｖｒｓｔのｎ次高調波（ｎは２以上の整数）の周波数ｆｎ（以下、高調波周波数ｆｎと記載する）とすることで、系統電圧Ｖｒｓｔの高調波成分を非基本波成分検出部２３によって検出することができる。なお、周波数ｆｘは、高調波周波数ｆｎに限定されるものではなく、変換部２２の回転座標系の周波数によって適宜変更可能である。

回転座標変換部３５は、位相演算部３４によって演算された位相θｘに基づいて、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβを、周波数ｆｘによって回転する直交２軸の回転座標系の成分である電圧Ｖｘｄ、Ｖｘｑへ座標変換を行う。以下、便宜上、周波数ｆｘで回転する回転座標系の直交２軸をｘｄ軸およびｘｑ軸とし、電圧Ｖｘｄ、Ｖｘｑをｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑと記載する場合がある。

非基本波成分検出部２３は、周期検出部４１と、変動除去部４２と、振幅演算部４３とを備える。周期検出部４１は、周波数検出部３３によって演算された基本周波数ｆ１に基づいて、系統電圧Ｖｒｓｔの基本波の周期Ｔ１（＝１／ｆ１）を求める。

変動除去部４２は、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑの変動成分を除去することによって、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分のうち周波数ｆｘの成分をｘｄ軸電圧Ｖｘｄ１およびｘｑ軸電圧Ｖｘｑ１として出力する。

ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑにおいて、系統電圧Ｖｒｓｔの周波数成分のうち周波数ｆｘの成分が固定成分（直流成分）として現れ、周波数ｆｘ以外の周波数成分が変動成分（固定成分ではない成分）として現れる。そのため、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑの変動成分を除去することによって、系統電圧Ｖｒｓｔの周波数成分のうち周波数ｆｘの成分を精度よく抽出することができる。

かかる変動除去部４２は、例えば、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑのそれぞれの平均を演算することによって、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑの変動成分を除去することができる。

変動除去部４２は、例えば、移動平均の期間を系統電圧Ｖｒｓｔの基本波の周期Ｔ１（以下、基本波周期Ｔ１と記載する）のｍ倍（ｍは自然数）とすることができる。これにより、例えば、周波数ｆｘがある次数の高調波周波数ｆｎである場合、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑに含まれる他の次数の高調波成分を精度よく除去することができる。高調波成分とは、系統電圧Ｖｒｓｔの基本波に対して整数倍（２倍以上）の周波数の成分であり、例えば、基本波のｎ倍の周波数はｎ次高調波の周波数である。

なお、移動平均の期間は、例えば、基本波周期Ｔ１のｍ倍（ｍは２以上の整数）であってもよい。また、変動除去部４２は、移動平均の期間を基本波周期Ｔ１の１倍とすることによって、演算のために保持するデータ量を抑制することができる。

また、変動除去部４２は、周波数ｆｘが高調波周波数ｆｎ以外である場合も、移動平均の期間を基本波周期Ｔ１とすることで、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑの変動成分（例えば、高調波周波数ｆｎの成分）を精度よく除去することができる。

また、変動除去部４２は、例えば、ローパスフィルタを有する構成であってもよい。この場合、変動除去部４２は、ローパスフィルタによってｘｄ軸電圧Ｖｘｄおよびｘｑ軸電圧Ｖｘｑの変動成分を除去することができる。

振幅演算部４３は、変動除去部４２によって変動成分が除去されたｘｄ軸電圧Ｖｘｄ１およびｘｑ軸電圧Ｖｘｑ１に基づいて、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分のうち周波数ｆｘの成分の振幅Ｖｘを演算する。例えば、振幅演算部４３は、ｘｄ軸電圧Ｖｘｄ１およびｘｑ軸電圧Ｖｘｑ１の二乗和平方根を演算することによって、振幅Ｖｘ（＝√（Ｖｘｄ１^２＋Ｖｘｑ１^２））を求めることができる。

判定部２４（図１参照）は、非基本波成分検出部２３によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分である周波数ｆｘの成分の振幅Ｖｘに基づいて、電力系統３への無効電力の注入を開始するか否かを判定することができる。

以下、変換部２２および非基本波成分検出部２３の構成例についてさらに詳細に説明する。図５は、図３に示す変換部２２および非基本波成分検出部２３の構成例を示す図である。なお、変換部２２および非基本波成分検出部２３は、図３および図５に示す構成に限定されるものではない。

図５に示す変換部２２および非基本波成分検出部２３は、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分として２次〜７次高調波電圧の振幅Ｖ２〜Ｖ７を検出し、また、系統電圧Ｖｒｓｔの基本波の振幅Ｖ１を検出することができる。

図５に示すように、周波数検出部３３は、基本周波数検出部３６と、移動平均演算部３７とを備える。基本周波数検出部３６は、例えば、上記式（６）の演算を行うことによって、基本周波数ｆ１’を演算する。移動平均演算部３７は、基本周波数ｆ１’の移動平均を演算することによって、基本周波数ｆ１’の変動成分を除去して基本周波数ｆ１を求める。移動平均の期間は、基本波周期Ｔ１よりも長い周期であり、例えば、１００ｍｓである。

なお、周波数検出部３３は、移動平均演算部３７に代えてローパスフィルタを備える構成であってもよく、この場合、基本周波数ｆ１’をローパスフィルタで変動成分を櫨波することによって基本周波数ｆ１を求めることもできる。

位相演算部３４は、周波数検出部３３によって演算された基本周波数ｆ１に基づいて、系統電圧Ｖｒｓｔの基本波の位相θ（以下、基本波位相θと記載する）と、２次〜７次高調波の周波数ｆ２〜ｆ７の位相２θ〜７θとを演算する。かかる位相演算部３４は、積分部５１（第１位相演算部の一例）と、乗算部５２〜５７（第２位相演算部の一例）とを備える。

積分部５１は、基本周波数ｆ１を積分することによって、基本波位相θを求める。基本周波数ｆ１は、上述したように、系統位相θ１から求めた基本周波数ｆ１’を移動平均したものであることから、基本波以外の周波数成分が除去されている。そのため、かかる基本周波数ｆ１から基本波位相θを求めることによって、系統位相θ１に比べて、精度が高い基本波の位相を用いることができる。

乗算部５２は、基本波位相θを２倍にして位相２θを求める。同様に、乗算部５３は、基本波位相θを３倍にして位相３θを求め、乗算部５４は、基本波位相θを４倍にして位相４θを求め、乗算部５５は、基本波位相θを５倍にして位相５θを求める。また、乗算部５６は、基本波位相θを６倍にして位相６θを求め、乗算部５７は、基本波位相θを７倍にして位相７θを求める。

回転座標変換部３５は、第１〜第７の回転座標変換部６１〜６７（以下、第１〜第７の座標変換部６１〜６７と記載する）を備える。かかる回転座標変換部３５は、下記式（７）に示す演算を行って、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβを複数の周波数ｆｋ（ｋは１〜７までの整数）でそれぞれ回転する複数の回転座標系の成分であるｄ軸電圧Ｖｋｄとｑ軸電圧Ｖｋｑへ変換する。

以下において、便宜上、周波数ｆｋで回転する回転座標系を第ｋ回転座標系と記載する場合がある。また、第ｋ回転座標系の直交２軸を第ｋｄ軸および第ｋｑ軸とし、電圧Ｖｋｄ、Ｖｋｑを第ｋｄ軸電圧Ｖｋｄおよび第ｋｑ軸電圧Ｖｋｑと記載する場合がある。また、第ｋ回転座標系の周波数ｆｋを回転周波数と記載する場合がある。

第１の座標変換部６１は、上記式（７）においてｋ＝１とした演算により、基本周波数ｆ１で回転する第１回転座標系の成分である第１ｄ軸電圧Ｖ１ｄと第１ｑ軸電圧Ｖ１ｑを求める。また、第２の座標変換部６２は、上記式（７）においてｋ＝２とした演算により、２次高調波周波数ｆ２で回転する第２回転座標系の成分である第２ｄ軸電圧Ｖ２ｄと第２ｑ軸電圧Ｖ２ｑを求める。

同様に、第３〜第７の座標変換部６３〜６７は、上記式（７）においてそれぞれｋ＝３〜７とした演算を行う。これにより、第３〜第７の座標変換部６３〜６７は、３次〜７次高調波周波数ｆ３〜ｆ７でそれぞれ回転する第３〜第７の回転座標系の成分である第３〜第７ｄ軸電圧Ｖ３ｄ〜Ｖ７ｄと第３〜第７ｑ軸電圧Ｖ３ｑ〜Ｖ７ｑを求める。

変動除去部４２は、移動平均演算部７１〜８４（以下、演算部７１〜８４と記載する）を備え、第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ７ｄと第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ〜Ｖ７ｑの移動平均をそれぞれ演算する。演算部７３〜８４は、除去処理部の一例である。

演算部７１〜８４において、移動平均の期間が基本波周期Ｔ１のｍ倍（ｍは自然数）に設定され、第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ７ｄと第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ〜Ｖ７ｑの基本波周期Ｔ１のｍ倍の周期分の移動平均値が演算される。これにより、第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ７ｄと第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ〜Ｖ７ｑのうち、回転周波数以外の高調波成分を精度よく除去することができる。なお、移動平均の期間を基本波周期Ｔ１の１倍とすることによって、演算のために保持するデータ量を抑制することができる。

例えば、演算部７１は、第１ｄ軸電圧Ｖ１ｄの移動平均を演算して第１ｄ軸電圧Ｖ１ｄ１を出力し、演算部７２は、第１ｑ軸電圧Ｖ１ｑの移動平均を演算して第１ｑ軸電圧Ｖ１ｑ１を出力する。同様に、演算部７３〜８４は、第２〜第７ｄ軸電圧Ｖ２ｄ〜Ｖ７ｄおよび第２〜第７ｑ軸電圧Ｖ２ｑ〜Ｖ７ｑの移動平均を演算して第２〜第７ｄ軸電圧Ｖ２ｄ１〜Ｖ７ｄ１および第２〜第７ｑ軸電圧Ｖ２ｑ１〜Ｖ７ｑ１を出力する。

なお、変動除去部４２は、移動平均に代えて、第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ７ｄと第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ〜Ｖ７ｑのそれぞれを所定周期（例えば、基本波周期Ｔ１）毎に平均値を演算することもできる。

また、変動除去部４２は、演算部７１〜８４に代えて、１４個のローパスフィルタを備えることもできる。この場合、変動除去部４２は、第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ７ｄと第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ〜Ｖ７ｑをそれぞれ異なるローパスフィルタによって櫨波して第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ１〜Ｖ７ｄ１と第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ１〜Ｖ７ｑ１を求めることができる。これによっても、第１〜第７ｄ軸電圧Ｖ１ｄ〜Ｖ７ｄと第１〜第７ｑ軸電圧Ｖ１ｑ〜Ｖ７ｑのうち回転周波数以外の高調波成分を精度よく除去することができる。

振幅演算部４３は、第１〜第７の二乗和平方根演算部９１〜９７（以下、演算部９１〜９７と記載する）を備える。かかる振幅演算部４３は、第ｋｄ軸電圧Ｖｋｄ１と第ｋｑ軸電圧Ｖｋｑ１との二乗和平方根を演算し、系統電圧Ｖｒｓｔに含まれる各周波数成分の振幅Ｖｋ（＝√（Ｖｋｄ１^２＋Ｖｋｑ１^２））を求める。

例えば、演算部９１は、第１ｄ軸電圧Ｖ１ｄ１と第１ｑ軸電圧Ｖ１ｑ１との二乗和平方根を演算し、基本波の振幅Ｖ１（＝√（Ｖ１ｄ１^２＋Ｖ１ｑ１^２））を求める。また、演算部９２は、第２ｄ軸電圧Ｖ２ｄ１と第２ｑ軸電圧Ｖ２ｑ１との二乗和平方根を演算し、２次高調波の振幅Ｖ２（＝√（Ｖ２ｄ１^２＋Ｖ２ｑ１^２））を求める。演算部９３は、第３ｄ軸電圧Ｖ３ｄ１と第３ｑ軸電圧Ｖ３ｑ１との二乗和平方根を演算し、３次高調波の振幅Ｖ３（＝√（Ｖ３ｄ１^２＋Ｖ３ｑ１^２））を求める。

同様に、演算部９４、９５は、４次高調波の振幅Ｖ４（＝√（Ｖ４ｄ１^２＋Ｖ４ｑ１^２））、５次高調波の振幅Ｖ５（＝√（Ｖ５ｄ１^２＋Ｖ５ｑ１^２））を求める。また、演算部９６、９７は、６次高調波の振幅Ｖ６（＝√（Ｖ６ｄ１^２＋Ｖ６ｑ１^２））、７次高調波の振幅Ｖ７（＝√（Ｖ７ｄ１^２＋Ｖ７ｑ１^２））を求める。

判定部２４は、第１判定部４５と第２判定部４６とを備える。第１判定部４５は、非基本波成分検出部２３によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの周波数成分である基本波および２次〜７次高調波の振幅Ｖ１〜Ｖ７に基づいて、電力系統３への無効電力の注入を開始するか否かを判定することができる。

例えば、第１判定部４５は、下記式（８）の演算によって、全高調波歪ＴＨＤ（Total Harmonic Distortion）を演算することができる。

第１判定部４５は、基本波周期Ｔ１を１サイクルとし、基本波周期Ｔ１毎に全高調波歪ＴＨＤを演算し、演算した複数の全高調波歪ＴＨＤに基づいて、無効電力の注入を開始するか否かを判定することができる。電力変換部１０で電力変換している状態で第１判定部４５が無効電力の注入開始を決定すると、駆動制御部２１（図１参照）は、電力変換部１０のスイッチング素子を制御して電力系統３への無効電力の注入を開始する。

ここで、ｉサイクル前の全高調波歪ＴＨＤを「Ｎｉ」とし、３サイクル前から５サイクル前まで３個の全高調波歪ＴＨＤの平均値を「Ｎａｖｒ」とする。第１判定部４５は、例えば、「Ｎ０」、「Ｎ１」および「Ｎ２」が全て定格電圧の１．０％を超えており、「Ｎ３−Ｎａｖｅ」、「Ｎ４−Ｎａｖｅ」および「Ｎ５−Ｎａｖｅ」が全て定格電圧の０．２５％未満である場合、無効電力の注入開始を決定する。

なお、第１判定部４５は、例えば、後述する系統電圧Ｖｒｓｔの基本周波数の偏差Δｆ１が所定範囲（例えば、±０．０１Ｈｚ）内であり、かつ、全高調波歪ＴＨＤが上記条件を満たす場合に、無効電力の注入開始を決定することもできる。

また、第２判定部４６は、周波数検出部３３によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの基本周波数ｆ１’に基づいて、電力系統３への無効電力の注入を開始するか否かを判定することができる。

第２判定部４６は、例えば、最新の系統周期Ｔ１から２００ｍｓ前の基本周波数ｆ１’の８０ｍｓ分の移動平均値ｆ１ａｖｅ１と、最新の系統周期Ｔ１から基本周波数ｆ１’の４０ｍｓ分の移動平均値ｆ１ａｖｅ２とを演算する。

第２判定部４６は、移動平均値ｆ１ａｖｅ１と移動平均値ｆ１ａｖｅ２との偏差Δｆ１が所定範囲（例えば、±０．０１Ｈｚ）を超える場合に、電力系統３への無効電力の注入の開始を決定する。駆動制御部２１（図１参照）は、第２判定部４６は、無効電力の注入の開始を決定すると、電力変換部１０のスイッチング素子を制御して偏差Δｆ１に応じた大きさの無効電力を電力系統３へ注入する。

［３．変換部２２および非基本波成分検出部２３の処理］
図６は、変換部２２および非基本波成分検出部２３による処理の流れを示すフローチャートである。図６に示す処理は、例えば、所定の演算周期Ｔｓで繰り返し実行される処理である。

図６に示すように、変換部２２は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔを取得する（ステップＳ１０）。次に、変換部２２は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔを基本周波数ｆ１とは異なる周波数で回転する回転座標系の成分へ変換し（ステップＳ１１）、非基本波成分検出部２３は、かかる変換後の成分から変動成分を除去する（ステップＳ１２）。これにより、系統電圧Ｖｒｓｔのうち非基本波成分を検出することができる。

さらに、非基本波成分検出部２３は、ステップＳ１２において変動成分を除去した成分に基づき、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分の振幅を検出する（ステップＳ１３）。これにより、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分の振幅を検出することができる。

なお、上述した実施形態では、電力系統３が３相交流である場合の例を説明したが、電力系統３が単相交流である場合も同様に、変換部２２および非基本波成分検出部２３によって系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分を検出することができる。

また、上述した実施形態では、非基本波成分検出部２３は、変換部２２で変換された成分の変動成分を除去して系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分を検出するものとして説明したが、非基本波成分検出部２３は、変換部２２で変換された成分から固定成分を他の方法で抽出する構成でもよい。

また、上述した実施形態では、非基本波成分検出部２３によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分と基本波成分に基づいて電力系統３へ無効電力を注入する例を説明したが、かかる例に限定されない。例えば、電力変換装置１の制御部２０は、非基本波成分検出部２３によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分の情報を外部に出力することもできる。

以上のように、実施形態に係る電力変換装置１は、電圧検出部１１と、変換部２２と、非基本波成分検出部２３とを備える。電圧検出部１１は、電力系統３の系統電圧Ｖｒｓｔ（電力系統の交流電圧の一例）を検出する。変換部２２は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔを、系統電圧Ｖｒｓｔの基本波とは異なる周波数で回転する回転座標系の成分へ変換する。非基本波成分検出部２３は、変換部２２で変換された成分に基づいて系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分（基本波とは異なる周波数の成分）を検出する。このように、電力変換装置１の変換部２２および非基本波成分検出部２３（非基本波成分検出装置の一例）は、系統電圧Ｖｒｓｔを基本周波数ｆ１とは異なる周波数で回転する回転座標系の成分へ変換することで系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分を検出することができる。また、変換部２２は、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβに対する回転座標系への座標変換によって非基本波成分を検出するため、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに対してそれぞれ離散フーリエ変換によって演算する場合に比べ、演算処理とデータのバッファ量を軽減することができる。

また、非基本波成分検出部２３は、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分を検出するように、変換部２２で変換された成分の変動成分を除去する変動除去部４２を備える。これにより、系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分のうち、特定の周波数の成分を精度よく抽出することができる。

また、変換部２２は、基本波のｎ倍（ｎは２以上の整数）の互いに異なる複数の周波数でそれぞれ回転する複数の回転座標系の成分へ変換する回転座標変換部６２〜６７（座標変換部の一例）を備える。また、変動除去部４２は、第２〜第７ｄ軸電圧Ｖ２ｄ〜Ｖ７ｄと第２〜第７ｑ軸電圧Ｖ２ｑ〜Ｖ７ｑ（次数が異なる複数の高調波成分の一例）を系統電圧Ｖｒｓｔの非基本波成分として検出するように、複数の回転座標系の成分からそれぞれ変動成分を除去する移動平均演算部７３〜８４（除去処理部の一例）を備える。これにより、系統電圧Ｖｒｓｔの複数の高調波成分を精度よく検出することができる。なお、例えば、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに含まれる複数の高調波をそれぞれ離散フーリエ変換によって演算する場合、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔのそれぞれに対して離散フーリエ変換が必要となり、演算処理とデータのバッファ量が増大する。一方、変換部２２は、α軸電圧Ｖαとβ軸電圧Ｖβに対する回転座標系への座標変換によって複数の高調波を求めることができる。そのため、変換部２２は、相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔのそれぞれに対して離散フーリエ変換を行う場合に比べ、演算処理とデータのバッファ量を軽減することができる。

また、移動平均演算部７３〜８４（除去処理部の一例）は、複数の回転座標系の成分それぞれの移動平均を演算することによって、複数の回転座標系の成分のそれぞれから変動成分を除去する。このように、複数の回転座標系の成分それぞれの移動平均を演算することによって、回転周波数（検出対象の高調波の周波数）以外の成分を適切に除去することができる。

また、非基本波成分検出部２３は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔに基づいて、基本波周期Ｔ１を検出する周期検出部４１を備える。移動平均演算部７１〜８４は、移動平均の演算として、基本波周期Ｔ１のｍ倍(ｍは自然数)の周期分の移動平均を演算する。これにより、回転周波数（検出対象の高調波の周波数）以外の成分を精度よく除去することができる。

また、非基本波成分検出部２３は、複数の高調波成分（複数の高調波成分の一例）の振幅Ｖ２〜Ｖ７をそれぞれ演算する振幅演算部４３を備える。これにより、系統電圧Ｖｒｓｔに含まれる複数の高調波成分の振幅を検出することができる。

また、実施形態に係る電力変換装置１は、複数のスイッチング素子を有する電力変換部１０と、第１判定部４５と、駆動制御部２１とを備える。第１判定部４５は、振幅演算部４３によって演算された２次〜７次高調波成分の振幅Ｖ２〜Ｖ７（複数の高調波成分の振幅の一例）に基づいて、電力系統３への無効電力の注入を開始するか否かを判定する。駆動制御部２１は、第１判定部４５の判定結果に基づいて電力変換部１０を制御して電力系統３への無効電力の注入を行う。これにより、回転座標系を用いて検出した系統電圧Ｖｒｓｔの複数の高調波成分の振幅に基づいて、電力系統への無効電力の注入を行うことができる。

また、電力変換装置１は、位相検出部３８と、周波数検出部３３とを備える。位相検出部３８は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔ（交流電圧の瞬時値の一例）から系統位相θ１を検出する。周波数検出部３３は、位相検出部３８によって検出された系統位相θ１に基づいて、系統電圧Ｖｒｓｔの基本周波数ｆ１’、ｆ１（基本波の周波数の一例）を検出する。このように、周波数検出部３３は、系統電圧Ｖｒｓｔに基づいて位相検出部３８から出力される系統位相θ１から基本周波数ｆ１を演算する。そのため、電力系統３の３相交流電圧Ｖｒｓｔの瞬時値をハードウェア（例えば、コンパレータ）によって方形波に変換して基本周波数を検出する場合に比べ、基本周波数が変化した場合の応答性を高めることができる。

また、電力変換装置１は、周波数検出部３３によって検出された基本周波数ｆ１’に基づいて、電力系統３への無効電力の注入を開始するか否かを判定する第２判定部４６を備える。駆動制御部２１は、第２判定部４６の判定結果に基づいて電力変換部１０を制御して電力系統への無効電力の注入を行う。したがって、基本周波数が変化した場合に変化後の基本周波数の検出を迅速に行うことができ、これにより、基本周波数の変化に応じた無効電力の注入を高速に行うことができる。そのため、単独運転検出の高速化を図ることができる。

また、変換部２２は、積分部５１（第１位相演算部の一例）と、乗算部５２〜５７（第２位相演算部の一例）とを備える。積分部５１は、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔの基本周波数ｆ１に基づいて、基本波位相θを演算する。乗算部５２〜５７は、積分部５１によって演算された基本波位相θに基づいて、基本波のｎ倍の周波数の互いに異なる複数の周波数の位相２θ〜７θをそれぞれ演算する。第２〜第７の回転座標変換部６２〜６７は、乗算部５２〜５７によってそれぞれ演算された複数の周波数の位相２θ〜７θに基づいて、電圧検出部１１によって検出された系統電圧Ｖｒｓｔを複数の回転座標系の成分へ変換する。このように、変換部２２は、系統電圧Ｖｒｓｔの検出結果に基づいて、系統電圧Ｖｒｓｔの高調波位相を演算することから、例えば、系統電圧Ｖｒｓｔの基本周波数が変動した場合であっても、系統電圧Ｖｒｓｔの高調波成分を精度よく検出することができる。なお、系統電圧Ｖｒｓｔの基本周波数が変動しない場合には、固定の周波数（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）を用いて、基本波位相θを演算してもよい。

また、実施形態に係る発電システム１００は、電力変換装置１と発電装置２を備える。電力変換装置１は、発電装置２の発電電力を電力系統３に対応する交流電力へ変換して電力系統３へ出力する。

また、実施形態に係る電力変換装置１は、「電力系統の交流電圧を検出する電圧検出部」と、「前記交流電圧の基本波とは異なる周波数で回転する回転座標系を用いて、前記電圧検出部で検出された交流電圧の基本波とは異なる周波数の成分を検出する手段」とを備える。電圧検出部１１は、「電力系統の交流電圧を検出する電圧検出部」の一例である。また、変換部２２および非基本波成分検出部２３は、「前記交流電圧の基本波とは異なる周波数で回転する回転座標系を用いて、前記電圧検出部で検出された交流電圧のうち基本波とは異なる周波数の成分を検出する手段」の一例である。

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 電圧検出部
２１ 駆動制御部
２２ 変換部
２３ 非基本波成分検出部
２４ 判定部
３１ ３相２相変換部
３２ ｄｑ軸座標変換部
３３ 周波数検出部
３４ 位相演算部
３５ 回転座標変換部
４１ 周期検出部
４２ 変動除去部
４３ 振幅演算部
５１ 積分部（第１位相演算部の一例）
５２〜５７ 乗算部（第２位相演算部の一例）
６２〜６７ 第２〜第７の回転座標変換部（座標変換部の一例）
７３〜８４ 第３〜第１４の移動平均演算部（除去処理部の一例）
１００ 発電システム

Claims (9)

1. 電力系統の交流電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出された前記交流電圧を、当該交流電圧の基本波のｎ倍（ｎは２以上の整数）の互いに異なる複数の周波数でそれぞれ回転する複数の回転座標系の成分へ変換する変換部と、
   前記変換部で変換された成分に基づいて前記複数の周波数の成分を検出する非基本波成分検出部と、を備え、
   前記非基本波成分検出部は、
   前記複数の周波数の成分を検出するように、前記変換部で変換された成分の変動成分を除去する変動除去部を備え、
   前記変動除去部は、
   前記複数の回転座標系の成分それぞれの平均を演算することによって、次数が異なる複数の高調波成分を前記複数の周波数の成分として検出するように、前記複数の回転座標系の成分からそれぞれ変動成分を除去する除去処理部を備え、
   前記除去処理部は、
   前記平均の演算として、前記基本波のｍ倍の周期（ｍは自然数）分の移動平均を演算する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記非基本波成分検出部は、
   前記複数の高調波成分の振幅をそれぞれ演算する振幅演算部を備える
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 複数のスイッチング素子を有する電力変換部と、
   前記振幅演算部によって演算された前記複数の高調波成分の振幅に基づいて、前記電力系統への無効電力の注入を開始するか否かを判定する第１判定部と、
   前記第１判定部の判定結果に基づいて前記電力変換部を制御して前記電力系統への無効電力の注入を行う駆動制御部と、を備える
   ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電圧検出部によって検出された前記交流電圧の瞬時値から当該交流電圧の位相を検出する位相検出部と、
   前記位相検出部によって検出された前記交流電圧の位相に基づいて、前記交流電圧の基本波の周波数を検出する周波数検出部と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 複数のスイッチング素子を有する電力変換部と、
   前記周波数検出部によって検出された前記基本波の周波数に基づいて、前記電力系統への無効電力の注入を開始するか否かを判定する第２判定部と、
   前記第２判定部の判定結果に基づいて前記電力変換部を制御して前記電力系統への無効電力の注入を行う駆動制御部と、を備える
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記変換部は、
   前記電圧検出部によって検出された前記交流電圧の基本波の周波数に基づいて、前記基本波の位相を演算する第１位相演算部と、
   前記第１位相演算部によって演算された前記基本波の位相に基づいて、前記複数の周波数の位相をそれぞれ演算する第２位相演算部と、
   前記第２位相演算部によってそれぞれ演算された前記複数の周波数の位相に基づいて、前記電圧検出部によって検出された前記交流電圧を前記複数の回転座標系の成分へ変換する座標変換部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力変換装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一つに記載の電力変換装置と、
   発電装置と、を備え、
   前記電力変換装置は、
   前記発電装置の発電電力を前記電力系統に対応する交流電力へ変換して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。
8. 電力系統の交流電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部によって検出された前記交流電圧を、当該交流電圧の基本波のｎ倍（ｎは２以上の整数）の互いに異なる複数の周波数でそれぞれ回転する複数の回転座標系の成分へ変換する変換部と、
   前記変換部で変換された成分に基づいて前記複数の周波数の成分を検出する非基本波成分検出部と、を備え、
   前記非基本波成分検出部は、
   前記複数の周波数の成分を検出するように、前記変換部で変換された成分の変動成分を除去する変動除去部を備え、
   前記変動除去部は、
   前記複数の回転座標系の成分それぞれの平均を演算することによって、次数が異なる複数の高調波成分を前記複数の周波数の成分として検出するように、前記複数の回転座標系の成分からそれぞれ変動成分を除去する除去処理部を備え、
   前記除去処理部は、
   前記平均の演算として、前記基本波のｍ倍の周期（ｍは自然数）分の移動平均を演算する
   ことを特徴とする非基本波成分検出装置。
9. 電力系統の交流電圧を検出することと、
   前記検出された交流電圧を、当該交流電圧の基本波のｎ倍（ｎは２以上の整数）の互いに異なる複数の周波数でそれぞれ回転する複数の回転座標系の成分へ変換することと、
   前記変換された成分に基づいて前記複数の周波数の成分を検出することと、を含み、
   前記複数の周波数の成分を検出することは、
   前記複数の周波数の成分を検出するように、前記変換された成分の変動成分を除去することを含み、
   前記変換された成分の変動成分を除去することは、
   前記複数の回転座標系の成分それぞれの平均を演算することによって、次数が異なる複数の高調波成分を前記複数の周波数の成分として検出するように、前記複数の回転座標系の成分からそれぞれ変動成分を除去することを含み、
   前記複数の回転座標系の成分からそれぞれ変動成分を除去することは、
   前記平均の演算として、前記基本波のｍ倍の周期（ｍは自然数）分の移動平均を演算することを含む
   ことを特徴とする非基本波成分検出方法。

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