JP6678343B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、力率制御を行う電力変換装置に関する。

力率制御には、電流の位相シフト量を調整して行う方式や、有効電力に重畳する無効電力量を調整して行う方式がある。後者の無効電力重畳型の力率制御は、太陽電池のパワーコンディショナ等において使用されている（例えば、特許文献１参照）。一般的に無効電力重畳型の力率制御では、インバータの入力電圧をもとにインバータの入力電力と出力電力を平衡させるように生成される有効電流指令値と、設定された力率をもとに無効電流指令値を算出し、当該有効電流指令値に重畳する。この重畳された電流指令値をもとにインバータを駆動する。

特開２０１２−２００１１１号公報

各国の系統連系規程では、高精度な力率制御が求められる。例えば、力率の変動を目標値の±０．０１以内に収めることを要求する国もある。上記のような力率制御では、力率が期待値として制御されるため、電流指令値と実際の出力電流間で偏差が発生して要求精度を満たせない場合が発生する。

例えば上記電流制御が、環境変化などの外乱により遅延すると遅れ力率になる。またインバータの後段には通常、フィルタとしてリアクトル及びキャパシタが接続される。当該キャパシタが、系統電圧、系統周波数、温度、経年劣化等により変化する場合、インバータの出力無効電流が変化し、力率も変化する。以上のような場合、力率の期待値をインバータの出力電力に正確に反映させることができないため、結果として狙いの力率からずれてしまう。

本発明はこうした状況に鑑みなされたものであり、その目的は、無効電力重畳型の力率制御において、高精度な力率制御が可能な電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のある態様の電力変換装置は、直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統へ供給するインバータと、前記インバータの入力電圧をもとに前記インバータの出力有効電流の指令値を生成するとともに、設定された力率、前記インバータの出力電流の計測値、及び前記系統電圧の計測値をもとに前記インバータの出力無効電流の指令値を生成し、当該出力無効電流の指令値と前記出力有効電流の指令値を加算した前記インバータの電流指令値に、前記インバータの出力電流を一致させるように前記インバータを駆動する制御回路と、を備える。

本発明によれば、無効電力重畳型の力率制御において、高精度な力率制御が可能となる。

比較例に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示した電力変換装置の課題１を説明するための図である。 図３（ａ）、（ｂ）は、図１に示した電力変換装置の課題２を説明するための図である。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態４に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。

図１は、比較例に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。電力変換装置２は直流電源１から供給される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統３（以下、単に系統３とする）に供給する。直流電源１は例えば太陽電池または燃料電池であり、その場合、電力変換装置２は太陽電池または燃料電池により発電された直流電力を交流電力に変換するパワーコンディショナとして機能する。また直流電源１は蓄電池であってもよい。その場合、電力変換装置２は双方向パワーコンディショナとして機能する。

ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、直流電源１から供給される直流電力をＤＣ−ＤＣ変換する。直流電源１が太陽電池の場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１は、ＭＰＰＴ（Maximum Power Point Tracking）制御を搭載した昇圧チョッパで構成することができる。当該昇圧チョッパは、太陽電池が最大電力点（最適動作点）で発電できるよう制御する。具体的には山登り法に従い電圧を所定のステップ幅で変化させて最大電力点を探索し、太陽電池の出力電力が最大電力点を維持するよう制御する。

インバータ２２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１から入力される直流電力を交流電力に変換して出力する。電力変換装置２は、インバータ駆動制御部２３、出力力率設定部２４、出力電流検出部２５、系統電圧検出部２６、及び出力計測部２７を含む。

インバータ駆動制御部２３は、電力平衡制御部２３１、有効瞬時電流指令部２３２、無効電流指令部２３３、無効瞬時電流指令部２３４、第１加算部２３５、第１減算部２３６、及び駆動部２３７を含む。これらの構成は、ハードウェア資源とソフトウェア資源の協働、またはハードウェア資源のみにより実現できる。ハードウェア資源としてアナログ素子、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＦＰＧＡ、その他のＬＳＩを利用できる。ソフトウェア資源としてファームウェア等のプログラムを利用できる。

電力平衡制御部２３１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電力とインバータ２２の入力電力の電力平衡を保つよう、インバータ２２の出力電流の有効電流指令値Ｉｐを生成する。ＤＣ−ＤＣコンバータ２１とインバータ２２間の直流バスの電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電力がインバータ２２の入力電力より高いとき上昇し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電力がインバータ２２の入力電力より低いとき低下する。電力平衡制御部２３１は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電力とインバータ２２の入力電力が平衡する直流バスの電圧より、計測される直流バスの電圧が高いとき、インバータ２２の出力電力を上昇させるための有効電流指令値Ｉｐを生成する。一方、電力平衡制御部２３１は、当該平衡する直流バスの電圧より、計測される直流バスの電圧が低いとき、インバータ２２の出力電力を低下させるための有効電流指令値Ｉｐを生成する。

有効瞬時電流指令部２３２は、電力平衡制御部２３１から入力された有効電流指令値のピーク値Ｉｐをもとに、有効電流指令値の瞬時値Ｉｐ・ｓｉｎωｔを算出する。有効瞬時電流指令部２４２は、算出した有効電流指令値の瞬時値Ｉｐ・ｓｉｎωｔを第１加算部２３５に出力する。

出力力率設定部２４は、力率ｃｏｓφを無効電流指令部２３３に設定する。力率ｃｏｓφは、電力変換装置２の設置時に設計者により設定された固定値を継続して使用してもよいし、また操作部（不図示）から、電力会社などの電力供給者の指示による任意の値を設定可能な構成であってもよい。また電力変換装置２が出力抑制機能を備えている場合、電力変換装置２から系統３に供給される出力電力が設定値を超えると、力率ｃｏｓφを低下させる進相制御が発動する構成であってもよい。また、電力変換装置２が電圧上昇抑制機能を備えている場合、系統電圧が設定値を超えると、力率ｃｏｓφを低下させる進相制御が発動する構成であってもよい。

また、外部の管理システムからネットワークを介して出力抑制指令を受信したとき、力率ｃｏｓφを低下させる構成であってもよい。電力会社などの電力供給者は、電力を安定供給する必要があり、逆潮流電力分も含めた電力系統全体における周波数や電圧を一定範囲に保つ必要がある。系統３に再生可能エネルギーの発電設備が多く接続されている場合、気象条件により発電量が大きく変化する。再生可能エネルギーの発電設備から系統３に供給される電力量が多くなりすぎ、系統３の周波数や系統電圧が基準範囲の上限を超えた又は超えると予測される場合、系統管理システムは再生可能エネルギーの発電設備に出力抑制指令を送信する。当該出力抑制指令を受信した電力変換装置２は、電流指令値を直接制御して出力電力を抑制して系統周波数上昇抑制に貢献するとともに、力率ｃｏｓφを進相制御して系統電圧上昇抑制に貢献する。同様に系統３の電圧が下限を下回った又は下回ると予測された場合に、指令に基づいて、力率ｃｏｓφを遅相制御して系統電圧低下抑制に貢献してもよい。

無効電流指令部２３３は、出力力率設定部２４から設定された力率ｃｏｓφをもとに、有効電流に対する無効電流の比率である無効電流比ｔａｎφを生成する。無効電流指令部２３３は生成した無効電流比ｔａｎφと、電力平衡制御部２３１から入力された有効電流指令値のピーク値Ｉｐをもとに無効電流指令値のピーク値Ｉｑを生成する。無効瞬時電流指令部２３４は、無効電流指令部２３３から入力された無効電流指令値のピーク値Ｉｑをもとに、無効電流指令値の瞬時値Ｉｑ・ｃｏｓωｔを算出する。無効瞬時電流指令部２３４は、算出した無効電流指令値の瞬時値Ｉｑ・ｃｏｓωｔを第１加算部２３５に出力する。

第１加算部２３５は、有効電流指令値の瞬時値Ｉｐ・ｓｉｎωｔと無効電流指令値の瞬時値Ｉｑ・ｃｏｓωｔを合算して最終的な電流指令値を生成し、第１減算部２３６に出力する。第１減算部２３６は当該電流指令値から、出力電流検出部２５により検出された出力電流値を減算して電流偏差を生成する。駆動部２３７は、当該電流偏差に基づく指令値と、搬送波をもとに駆動信号を生成し、インバータ２２を駆動する。

出力計測部２７は、出力電流検出部２５により検出された出力電流と、系統電圧検出部２６により検出された系統電圧をもとに、電力変換装置２から出力される有効電力値を算出する。当該有効電力値が電力変換装置２の定格電力を超えるとＤＣ−ＤＣコンバータ２１に出力抑制指令が出力される。

図２（ａ）、（ｂ）は、図１に示した電力変換装置２の課題１を説明するための図である。環境変化等の外乱により、インバータ駆動制御部２３による電流制御に遅延が発生すると、系統３から見て遅れ力率になる。図２（ａ）は、力率＝１．０が設定された場合の制御遅れθを示す図である。実線のＰＱ軸は制御遅れ前の軸を、破線のＰＱ軸は制御遅れ後の軸をそれぞれ示している。電力変換装置２のターゲット出力（Ｐ，Ｑ＝Ｐａ，０）を破線で、電力変換装置２の実際の出力（Ｐ，Ｑ＝Ｐｂ，Ｑｂ）を実線でそれぞれ描いている。このように力率＝１．０が設定されたにも関わらず、制御遅れθにより遅れ力率（０，Ｘ）となる。

図２（ｂ）は、進み力率ｃｏｓφが設定された場合の制御遅れθを示す図である。電力変換装置２のターゲット出力（Ｐ，Ｑ＝Ｐａ，Ｑａ（＝Ｐａｔａｎφ））を破線で、電力変換装置２の実際の出力（Ｐ，Ｑ＝Ｐｂ，Ｑｂ（＝Ｐｂｔａｎφ））を実線でそれぞれ描いている。実際の力率はｃｏｓφ（φ−θ）となる。（φ−θ）＜０であれば遅れ力率となる。実出力の有効電力Ｐｂは制御遅れにより実線の軸に対してθ分、軸回転している。従って実出力の無効電力Ｑｂ（＝Ｐｂｔａｎφ）は、有効電力Ｐｂのずれの影響を受ける。従ってターゲットの出力力率に制御することができていない。

図３（ａ）、（ｂ）は、図１に示した電力変換装置２の課題２を説明するための図である。図３（ａ）は、図１のインバータ２２の詳細な構成例を示す図である。インバータ２２は４つのスイッチング素子Ｓ１−Ｓ４をブリッジ接続したブリッジ回路で構成することができる。スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４には例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)を使用することができる。スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４には、それぞれ逆阻止用のダイオードＤ１−Ｄ４が並列に接続または形成される。駆動部２３７は、スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４のゲート端子に駆動信号（例えば、ＰＷＭ信号）を入力し、スイッチング素子Ｓ１−Ｓ４のデューティ比を制御する。

インバータ２２の後段には、リアルトルＬ１、Ｌ２とキャパシタＣ１を含むフィルタ回路が設けられる。当該フィルタ回路は、インバータ２２から出力される矩形波を平滑化して正弦波に近づける。当該フィルタ回路のキャパシタＣ１には、大容量のキャパシタが用いられ、力率に影響を与える。また当該キャパシタＣ１以外にも、ＥＭＳ対策のキャパシタ等、電力変換装置２内で多くのキャパシタが使用される。

これらのキャパシタに流れる電流Ｉｃ＝２πｆＣＶは、インバータ駆動制御部２３から見ると、遅れ無効電流出力になる。この遅れを補償（相殺）するため、インバータ駆動制御部２３は、キャパシタ補償電流Ｉｃ＿ｃｏｒｒ＝−Ｉｃを電流指令値に加算する。このキャパシタ補償電流はインバータ駆動制御部２３から見ると、進み無効電流出力になり、キャパシタによる遅れ無効電流出力を補償することができる。なお、この補償は力率の設定値に関わらず実行される処理である。

しかしながら、キャパシタに流れる電流Ｉｃ＝２πｆＣＶは、容量Ｃ、電圧Ｖ、周波数ｆの変化の影響を受ける。特に容量Ｃは部品ばらつき、温度、湿度、経年劣化の影響を受ける。容量Ｃは電圧Ｖ、周波数ｆと異なり常時計測することは難しく、標準値での設計となる。例えば、劣化により容量が低下すると、キャパシタ補償電流Ｉｃ＿ｃｏｒｒが相対的に大きくなり過剰補正となる。その場合、進み側に力率がずれてしまう。以下、これらの課題を解決する本発明の実施の形態に係る電力変換装置２を説明する。

（実施の形態１）
図４は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。以下、図１に示した比較例に係る電力変換装置２との違いを説明する。実施の形態１では、インバータ駆動制御部２３は、無効電流目標値算出部２３８及び第２減算部２３９をさらに含む。出力計測部２７は無効電流算出部２７１及び有効電流算出部２７２を含む。

有効電流算出部２７２は、出力電流検出部２５により検出される出力電流の瞬時値ｉと、系統電圧検出部２６により検出される系統電圧の瞬時値ｖをもとに電力変換装置２の出力有効電流の計測値Ｉｐｍｅｓを算出する。出力有効電流の計測値Ｉｐｍｅｓは、出力有効電力の実効値Ｐを、系統電圧の実効値Ｖで割ることにより算出できる。出力有効電力の実効値Ｐは、１／Ｔ∫ｖｉｄｔにより算出できる。Ｔは単位周期である。

無効電流算出部２７１は、出力電流検出部２５により検出される出力電流の瞬時値ｉと、系統電圧検出部２６により検出される系統電圧の瞬時値ｖをもとに電力変換装置２の出力無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓを算出する。出力無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓは、出力無効電力の実効値Ｑを、系統電圧の実効値Ｖで割ることにより算出できる。出力無効電力の実効値Ｑは、√（Ｓ＾２−Ｐ^２）により算出できる。皮相電力Ｓは、系統電圧の実効値Ｖと出力電流の実効値Ｉを掛け合わせることにより算出できる。

有効電流算出部２７２は、算出した出力有効電流の計測値Ｉｐｍｅｓを無効電流目標値算出部２３８に出力し、無効電流算出部２７１は、算出した出力無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓを第２減算部２３９に出力する。

無効電流目標値算出部２３８は、出力力率設定部２４から設定された力率ｃｏｓφをもとに、有効電流に対する無効電流の比率である無効電流比ｔａｎφを生成する。無効電流目標値算出部２３８は、有効電流算出部２７２により算出された出力有効電流の計測値Ｉｐｍｅｓに、生成した無効電流比ｔａｎφを掛けて出力無効電流の目標値Ｉｑｔｇを算出する。

第２減算部２３９は、無効電流目標値算出部２３８により算出された出力無効電流の目標値Ｉｑｔｇから、無効電流算出部２７１により算出された出力無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓを減算して、無効電流偏差Ｉｑｅｒｒを算出する。無効電流指令部２３３は、算出された無効電流偏差Ｉｑｅｒｒをもとに、無効電流指令値のピーク値Ｉｑ’を生成する。実施の形態１では無効電流指令部２３３は例えば、ＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。当該制御器は、無効電流偏差Ｉｑｅｒｒに応じて、所望の無効電流指令値のピーク値Ｉｑ’が生成されるように予めゲインが設定される。以降の処理は、比較例と同様である。

以上説明したように実施の形態１では、有効電流の計測値Ｉｑｍｅｓを用いて無効電流の目標値Ｉｑｔｇを算出し、無効電流の目標値Ｉｑｔｇと無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓとの偏差をもとにインバータ２２の出力電力をフィードバック制御する。このように実際の出力無効電流を監視して、目標値との偏差をなくすような無効電流指令値を生成することにより、外乱が発生しても、所望の力率精度を担保することができる。

これに対して、無効電流の目標値Ｉｑｔｇをそそまま指令値として使用する場合、外乱要因により、出力無効電流を目標値どおりに制御できない場合が発生する。例えば上述のように、制御遅れにより軸が回転したり、キャパシタにより無効電流にオフセット成分が加わると、出力無効電流を目標値どおりに制御できなくなる。軸が回転していたり、オフセット成分が加わっていると、目標力率ｃｏｓφに基づく無効電流比ｔａｎφをもとに算出した無効電流を重畳しても、目標力率ｃｏｓφに制御することができない。この点、フィードバック制御では、外乱要因を電流制御に反映させることができ、目標力率と実際の力率のずれを略ゼロにすることができる。

（実施の形態２）
図５は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。以下、図４に示した実施の形態１に係る電力変換装置２との違いを説明する。実施の形態２では、出力計測部２７は無効電流算出部２７１及び有効電流算出部２７２に加えて、基本波電流算出部２７３及び基本波電圧算出部２７４を含む。

基本波電流算出部２７３は、出力電流検出部２５により検出される出力電流の瞬時値ｉから基本波成分（商用周波数成分）の有効電流Ｉ＿１ｔｈ＿ｒｅ、無効電流Ｉ＿１ｔｈ＿ｉｍを算出する。例えば、零点検出間の瞬時値ｉのサンプリングデータ（デジタル値）を、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）して基本波成分の有効電流Ｉ＿１ｔｈ＿ｒｅ、無効電流Ｉ＿１ｔｈ＿ｉｍを算出する。

基本波電圧算出部２７４は、系統電圧検出部２６により検出される系統電圧の瞬時値ｖから基本波成分（商用周波数成分）の有効電圧Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ、無効電圧Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍを算出する。例えば、零点検出間の瞬時値ｖのサンプリングデータ（デジタル値）を、離散フーリエ変換（ＤＦＴ）して基本波成分の有効電圧Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ、無効電圧Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍを算出する。

有効電流算出部２７２は、下記（式１）を用いて基本波成分の有効電流の計測値Ｉｐｍｅｓを算出する。
Ｉｐｍｅｓ＝（Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｒｅ＋Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｉｍ）／√（Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ＾２＋Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍ＾２） ・・・（式１）

無効電流算出部２７１は、下記（式２）を用いて基本波成分の無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓを算出する。
Ｉｑｍｅｓ＝（Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｉｍ−Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｒｅ）／√（Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ＾２＋Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍ＾２） ・・・（式２）

有効電流算出部２７２は、算出した基本波成分の有効電流の計測値Ｉｐｍｅｓを無効電流目標値算出部２３８に出力し、無効電流算出部２７１は、算出した基本波成分の無効電流の計測値Ｉｑｍｅｓを第２減算部２３９に出力する。以降の処理は実施の形態１と同様である。

以上説明したように実施の形態２によれば、基本波成分を用いることにより、実施の形態１と比較して、さらに力率制御の精度を向上させることができる。通常、系統電圧やパワーコンディショナの出力電流には高調波歪が含まれる。力率には、このような歪を含んだ総合力率と、このような歪を含まない商用電源の周波数のみに注目した基本波力率がある。系統連系規程では、力率制御要件が基本波力率の精度（即ち、主成分波形の位相の調整精度）で規定されることが多い。基本波力率の調整により、系統の電圧上昇／低下に大きく作用させることができるためである。このように実施の形態２によれば、基本波力率で規定される力率制御要件に、容易に対応させることができる。

（実施の形態３）
図６は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。以下、図５に示した実施の形態２に係る電力変換装置２との違いを説明する。実施の形態３では、インバータ駆動制御部２３は第２加算部２３１０をさらに含む。

無効電流目標値算出部２３８は、算出した出力無効電流の目標値Ｉｑｔｇを第２減算部２３９に出力するとともに、第２加算部２３１０にも出力する。無効電流指令部２３３は、第２減算部２３９により算出された無効電流偏差Ｉｑｅｒｒをもとに、無効電流指令値の目標値Ｉｑｔｇ（Ｉｑ’ｆｆ）に対する偏差値Ｉｑ’ｆｂを生成する。実施の形態３でも無効電流指令部２３３は例えば、ＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。当該制御器は、無効電流偏差Ｉｑｅｒｒに応じて、所望の無効電流指令値の偏差値Ｉｑ’ｆｂが生成されるように予めゲインが設定される。第２加算部２３１０は、無効電流指令値の目標値Ｉｑｔｇ（Ｉｑ’ｆｆ）と、無効電流指令値の偏差値Ｉｑ’ｆｂを加算して無効瞬時電流指令部２３４に出力する。以降の処理は、実施の形態１、２と同様である。

以上説明したように実施の形態３によれば、フィードフォワード制御とフィードバック制御を併用することにより、制御系のパラメータ調整を容易にすることができる。実施の形態２では、フィードバック制御のみで無効電流指令値を算出していた。この場合、偏差発生範囲や制御速度などを考慮して、制御系の時定数、ゲインを調整する必要があり、制御パラメータの調整が煩雑になる。実施の形態２では、偏差０がφ＝０、力率１が基準位置となる。

これに対して実施の形態３によれば、フィードフォワード制御で略期待の力率に制御し、フィードバック制御で、フィードフォワード制御の残差（偏差）分を補正する動きとなる。実施の形態３では、偏差０がφ＝期待φ付近、期待力率付近が基準位置となる。結果として、どの期待力率においても偏差は残差部分のみとなるので、制御パラメータの調整が容易になる。

（実施の形態４）
図７は、本発明の実施の形態４に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。以下、図６に示した実施の形態３に係る電力変換装置２との違いを説明する。実施の形態４では、電力変換装置２に出力無効電力設定部２８が追加される。インバータ駆動制御部２３は選択部２３１１及び除算部２３１２をさらに含み、無効電流目標値算出部２３８の代わりに無効電力目標値算出部２３８ａを含む。出力計測部２７は無効電流算出部２７１及び有効電流算出部２７２の代わりに、無効電力算出部２７１ａ及び有効電力算出部２７２ａを含む。

有効電力算出部２７２ａは、下記（式３）を用いて基本波成分の有効電力の計測値Ｐｍｅｓを算出する。
Ｐｍｅｓ＝（Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｒｅ＋Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｉｍ） ・・・（式３）

無効電力算出部２７１ａは、下記（式４）を用いて基本波成分の無効電力の計測値Ｑｍｅｓを算出する。
Ｑｍｅｓ＝（Ｖ＿１ｔｈ＿ｒｅ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｉｍ−Ｖ＿１ｔｈ＿ｉｍ・Ｉ＿１ｔｈ＿ｒｅ） ・・・（式４）

このように実施の形態４では上記（式１）、（式２）の平方根、除算が不要となる。有効電力算出部２７２ａは、算出した基本波成分の有効電力の計測値Ｐｍｅｓを無効電力目標値算出部２３８ａに出力し、無効電力算出部２７１ａは、算出した基本波成分の無効電力の計測値Ｑｍｅｓを第２減算部２３９に出力する。

無効電力目標値算出部２３８ａは、出力力率設定部２４から設定された力率ｃｏｓφをもとに、有効電力に対する無効電力の比率である無効電力比ｔａｎφを生成する。無効電力目標値算出部２３８ａは、有効電力算出部２７２ａにより算出された基本波成分の有効電力の計測値Ｐｍｅｓに、生成した無効電力比ｔａｎφを掛けて出力無効電力の目標値Ｑｔｇを算出する。

選択部２３１１は、無効電力目標値算出部２３８ａにより算出された出力無効電力の目標値Ｑｔｇと、出力無効電力設定部２８から設定された出力無効電力の目標値Ｑｔｇを選択して、第２減算部２３９及び除算部２３１２に出力する。除算部２３１２は、選択された出力無効電力の目標値Ｑｔｇを系統電圧Ｖで割って無効電流指令値の目標値Ｉｑ’ｆｆを算出する。

第２減算部２３９は、選択された出力無効電力の目標値Ｑｔｇから、無効電力算出部２７１ａにより算出された出力無効電力の計測値Ｑｍｅｓを減算して、無効電力偏差Ｑｅｒｒを算出する。無効電流指令部２３３は、算出された無効電力偏差Ｑｅｒｒをもとに、無効電流指令値の目標値Ｉｑ’ｆｆに対する偏差値Ｉｑ’ｆｂを生成する。

実施の形態４でも無効電流指令部２３３は例えば、ＰＩ制御器またはＰＩＤ制御器で構成される。当該制御器は、無効電力偏差Ｑｅｒｒに応じて、所望の無効電流指令値の偏差値Ｉｑ’ｆｂが生成されるように予めゲインが設定される。第２加算部２３１０は、除算部２３１２により算出された無効電流指令値の目標値Ｉｑ’ｆｆと、第２減算部２３９により算出された無効電流指令値の偏差値Ｉｑ’ｆｂを加算して無効瞬時電流指令部２３４に出力する。以降の処理は、実施の形態１−３と同様である。

以上説明したように実施の形態４によれば、汎用性の高いシステムを構築することができる。海外の系統連系規程では、力率指令でなく無効電力指令で規定されることがある。無効電力指令で規定される国で使用される電力変換装置２では、選択部２３１１を出力無効電力設定部２８を選択した状態で出荷する。なお、保守管理者またはユーザが選択部２３１１を事後的に切り替え可能な構成としてもよい。例えば、筐体に切替スイッチを設けてもよいし、リモートコントローラで切替可能な構成としてもよい。これらの場合、事後的な法規変更にも対応することができる。

無効電力の指令値で目標値を設定する場合、出力計測部２７から出力有効電流、出力無効電流でフィードバックを受けるより、出力有効電力、出力無効電力でフィードバックを受けるほうが演算負荷および演算誤差を低減することができる。力率は、Ｉｑｔｇ＝Ｉｐｍｅｓ・ｔａｎφを、Ｑｔｇ＝Ｐｍｅｓ・ｔａｎφに置き換えればよい。無効電流指令部２３３は、制御量を無効電流偏差Ｉｑｅｒｒから無効電力偏差Ｑｅｒｒに置き換えればよい。操作量は無効電流のままでよい。Ｑ∝Ｉｑなので、実施の形態３の制御パラメータの考え方と大きく異なる部分はない。

（実施の形態５）
図８は、本発明の実施の形態５に係る電力変換装置２の構成を説明するための図である。以下、図７に示した実施の形態４に係る電力変換装置２との違いを説明する。実施の形態５では、電力変換装置２に外部インタフェース部２９が追加される。外部インタフェース部２９に外部から力率の指令値が設定される場合、外部インタフェース部２９は当該力率の指令値を出力力率設定部２４に設定し、選択部２３１１の選択先を出力力率設定部２４に制御する。外部インタフェース部２９に外部から出力無効電力の指令値が設定される場合、外部インタフェース部２９は当該出力無効電力の指令値を出力無効電力設定部２８に設定し、選択部２３１１の選択先を出力無効電力設定部２８に制御する。

以上説明したように実施の形態５によれば、電力品質デマンドレスポンスに対応した汎用性の高いシステムを構築することができる。電力品質デマンドレスポンスでは、系統運用者が系統全体を監視した上で、系統を保全するために必要な力率または無効電力値を決定する。必要な力率または無効電力値は、時々刻々と変化する系統の状態（負荷の消費電力と発電電力との需給バランス、負荷電流特性など）に応じて変化する。実施の形態５によれば、系統運用システムと電力変換装置２間を通信で接続し、力率または無効電力値を随時要求される値に更新することで系統保全に貢献できる。

以上、本発明を実施の形態をもとに説明した。実施の形態は例示であり、それらの各構成要素や各処理プロセスの組み合わせにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。

例えば上述の実施の形態１−３では、無効電流指令部２３３は電流偏差Ｉｑｅｒｒをもとに無効電流指令値を生成したが、実施の形態４、５で示した電力偏差Ｑｅｒｒをもとに無効電流指令値を生成してもよい。

なお、実施の形態は、以下の項目によって特定されてもよい。

［項目１］
直流電源（１）から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統（３）へ供給するインバータ（２２）と、
前記インバータ（２２）の入力電圧をもとに前記インバータ（２２）の出力有効電流の指令値を生成するとともに、設定された力率、前記インバータ（２２）の出力電流の計測値、及び前記系統電圧の計測値をもとに前記インバータ（２２）の出力無効電流の指令値を生成し、当該出力無効電流の指令値と前記出力有効電流の指令値を加算した前記インバータ（２２）の電流指令値に、前記インバータ（２２）の出力電流を一致させるように前記インバータを駆動する制御回路と、
を備えることを特徴とする電力変換装置（２）。
これによれば、フィードバック制御による高精度な力率制御が可能となる。
［項目２］
前記制御回路は、
前記インバータ（２２）の出力電流の計測値をもとに前記インバータ（２２）の出力電流の基本波成分を算出し、前記系統電圧の計測値をもとに前記系統電圧の基本波成分を算出し、前記インバータ（２２）の出力電流の基本波成分と前記系統電圧の基本波成分をもとに、前記インバータ（２２）の出力有効電流の計測値及び出力無効電流の計測値を生成する出力計測部（２７）と、
前記インバータ（２２）の出力有効電流の計測値と、設定された力率をもとに前記インバータ（２２）の出力無効電流の目標値を生成する無効電流目標値算出部（２３８）と、
前記インバータ（２２）の出力無効電流の目標値と前記インバータ（２２）の出力無効電流の計測値との偏差をもとに、前記インバータ（２２）の出力無効電流の指令値を生成する無効電流指令部（２３３）と、
を含むことを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（２）。
これによれば、基本波成分を使用したフィードバック制御による、さらに高精度な力率制御が可能となる。
［項目３］
前記無効電流指令部（２３３）は、前記インバータ（２２）の出力無効電流の目標値に、前記インバータ（２２）の出力無効電流の目標値と前記インバータ（２２）の出力無効電流の計測値との偏差にもとづく前記目標値に対する偏差値を加算して、前記インバータ（２２）の出力無効電流の指令値を生成することを特徴とする項目２に記載の電力変換装置（２）。
これによれば、フィードフォワード制御とフィードバック制御を併用することにより、制御系のパラメータ設定を容易にすることができる。
［項目４］
前記制御回路は、
前記インバータ（２２）の出力電流の計測値をもとに前記インバータ（２２）の出力電流の基本波成分を算出し、前記系統電圧の計測値をもとに前記系統電圧の基本波成分を算出し、前記インバータ（２２）の出力電流の基本波成分と前記系統電圧の基本波成分をもとに、前記インバータ（２２）の出力有効電力の計測値及び出力無効電力の計測値を生成する出力計測部（２７）と、
前記インバータ（２２）の出力有効電力の計測値と、設定された力率をもとに前記インバータ（２２）の出力無効電力の目標値を生成する無効電力目標値算出部（２３８ａ）と、
前記無効電力目標値算出部（２３８ａ）により算出された出力無効電力の目標値と、設定された出力無効電力の目標値を選択する選択部（２３１１）と、
選択された前記インバータ（２２）の出力無効電力の目標値と前記インバータ（２２）の出力無効電力の計測値との偏差をもとに、前記インバータ（２２）の出力無効電流の指令値を生成する無効電流指令部（２３３）と、
を含むことを特徴とする項目１に記載の電力変換装置（２）。
これによれば、汎用性の高い電力変換装置（２）を構築することができる。
［項目５］
外部から力率または出力無効電力値を受け付ける外部インタフェース部（２９）をさらに備え、
前記選択部（２３１１）は、外部から力率を受け付けたとき前記無効電力目標値算出部（２３８ａ）により算出された出力無効電力の目標値を選択し、外部から出力無効電力値を受け付けたとき当該出力無効電力値を目標値として選択することを特徴とする項目４に記載の電力変換装置（２）。
これによれば、デマンドレスポンスに対応した汎用性の高い電力変換装置（２）を構築することができる。

１ 直流電源、 ２ 電力変換装置、 ３ 系統、 ２１ ＤＣ−ＤＣコンバータ、 ２２ インバータ、 ２３ インバータ駆動制御部、 ２３１ 電力平衡制御部、 ２３２ 有効瞬時電流指令部、 ２３３ 無効電流指令部、 ２３４ 無効瞬時電流指令部、 ２３５ 第１加算部、 ２３６ 第１減算部、 ２３７ 駆動部、 ２３８ 無効電流目標値算出部、 ２３８ａ 無効電力目標値算出部、 ２３９ 第２減算部、 ２３１０ 第２加算部、 ２３１１ 選択部、 ２３１２ 除算部、 ２４ 出力力率設定部、 ２５ 出力電流検出部、 ２６ 系統電圧検出部、 ２７ 出力計測部、 ２７１ 無効電流算出部、 ２７１ａ 無効電力算出部、 ２７２ 有効電流算出部、 ２７２ａ 有効電力算出部、 ２７３ 基本波電流算出部、 ２７４ 基本波電圧算出部、 ２８ 出力無効電力設定部、 ２９ 外部インタフェース部。

Claims (4)

1. 直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統へ供給するインバータと、
   前記インバータの入力電圧をもとに前記インバータの出力有効電流の指令値を生成するとともに、設定された力率、前記インバータの出力電流の計測値、及び前記系統電圧の計測値をもとに前記インバータの出力無効電流の指令値を生成し、当該出力無効電流の指令値と前記出力有効電流の指令値を加算した前記インバータの電流指令値に、前記インバータの出力電流を一致させるように前記インバータを駆動する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記インバータの出力電流の計測値をもとに前記インバータの出力電流の基本波成分を算出し、前記系統電圧の計測値をもとに前記系統電圧の基本波成分を算出し、前記インバータの出力電流の基本波成分と前記系統電圧の基本波成分をもとに、前記インバータの出力有効電流の計測値及び出力無効電流の計測値を生成する出力計測部と、
   前記インバータの出力有効電流の計測値と、設定された力率をもとに前記インバータの出力無効電流の目標値を生成する無効電流目標値算出部と、
   前記インバータの出力無効電流の目標値と前記インバータの出力無効電流の計測値との偏差をもとに、前記インバータの出力無効電流の指令値を生成する無効電流指令部と、
   を含むことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記無効電流指令部は、前記インバータの出力無効電流の目標値に、前記インバータの出力無効電流の目標値と前記インバータの出力無効電流の計測値との偏差にもとづく前記目標値に対する偏差値を加算して、前記インバータの出力無効電流の指令値を生成することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 直流電源から出力される直流電力を交流電力に変換し、当該交流電力を系統へ供給するインバータと、
   前記インバータの入力電圧をもとに前記インバータの出力有効電流の指令値を生成するとともに、設定された力率、前記インバータの出力電流の計測値、及び前記系統電圧の計測値をもとに前記インバータの出力無効電流の指令値を生成し、当該出力無効電流の指令値と前記出力有効電流の指令値を加算した前記インバータの電流指令値に、前記インバータの出力電流を一致させるように前記インバータを駆動する制御回路と、
   を備え、
   前記制御回路は、
   前記インバータの出力電流の計測値をもとに前記インバータの出力電流の基本波成分を算出し、前記系統電圧の計測値をもとに前記系統電圧の基本波成分を算出し、前記インバータの出力電流の基本波成分と前記系統電圧の基本波成分をもとに、前記インバータの出力有効電力の計測値及び出力無効電力の計測値を生成する出力計測部と、
   前記インバータの出力有効電力の計測値と、設定された力率をもとに前記インバータの出力無効電力の目標値を生成する無効電力目標値算出部と、
   前記無効電力目標値算出部により算出された出力無効電力の目標値と、設定された出力無効電力の目標値を選択する選択部と、
   選択された前記インバータの出力無効電力の目標値と前記インバータの出力無効電力の計測値との偏差をもとに、前記インバータの出力無効電流の指令値を生成する無効電流指令部と、
   を含むことを特徴とする電力変換装置。
4. 外部から力率または出力無効電力値を受け付ける外部インタフェース部をさらに備え、
   前記選択部は、外部から力率を受け付けたとき前記無効電力目標値算出部により算出された出力無効電力の目標値を選択し、外部から出力無効電力値を受け付けたとき当該出力無効電力値を目標値として選択することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。

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