JP6712797B2 - 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、構成がシンプルなこともあり、太陽電池のパワーコンディショナ等において広く使用されている（例えば、特許文献１参照）。一般的に、パワーコンディショナの最大定格出力は、定格有効電力で規定されており、パワーコンディショナは定格有効電力の範囲内で電力を出力する。

一般的な無効電力重畳型の力率制御では、パワーコンディショナ内のインバータを駆動制御する制御回路内において、有効電流指令値に重畳する無効電流指令値を調整することにより力率を制御する。またインバータから出力される電力を定格有効電力以下に抑えるため、インバータの出力電力が定格有効電力を超えると、インバータの前段に設けられたＤＣ−ＤＣコンバータを制御して、インバータに入力される電力を制限する。

特開２０１３−９３９８２号公報

上記構成において力率が１未満の場合、力率が１の場合と比較して出力皮相電力が増加する。皮相電力の増加に伴いインバータに流れる電流も増加するため、インバータの構成部品に対するストレスが増加する。構成部品の寿命や機器信頼性を考慮すると理想的には、最低力率時の最大電流に耐えうる電流耐性設計がなされるべきであるが、当該耐性設計を採用するとコストが増大する。

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、コストを抑えつつ、信頼性が高い回路設計を実現できる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、前記インバータから出力される有効電力、及び前記インバータから出力される無効電力を制御する制御回路と、を備える電力変換装置であって、前記制御回路は、前記有効電力が所定の有効電力制限値を超えたとき、及び前記皮相電力が所定の皮相電力制限値を超えたとき、の少なくとも一方を満たしたとき、前記インバータの出力電力を、前記有効電力制限値および前記皮相電力制限値以下に抑制するよう制御する。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、コストを抑えつつ、信頼性が高い回路設計を実現できる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を説明するための図である。 電力変換装置の出力電力値と、有効電力制限値の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る出力測定部及び出力制限部の構成例を示す図である。 実施の形態１に係る出力制限部における超過判定処理の内容をまとめたテーブルを示す図である。 実施の形態１に係る、電力変換装置の出力電力値と、有効電力制限値、皮相電力制限値の関係を説明するための図である。 本発明の実施の形態２に係る出力測定部及び出力制限部の構成例を示す図である。 実施の形態２に係る、電力変換装置の出力電力値と、有効電力制限値、皮相電力制限値の関係を説明するための図である。 コンバータ駆動制御部による電流制御が、インバータ駆動制御部による電流制御より応答が遅い場合における、出力電力の制限処理を説明するための図である。 実施例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。 図１０（ａ）−（ｂ）は、急変制限前の力率変化と、急変制限後の力率変化の一例を示す図である。 実施例１に係る力率変更処理の流れを示すフローチャートである。 実施例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。 図１３（ａ）−（ｃ）は、急変制限前の無効電流指令値の変化と、急変制限後の無効電流指令値の変化の一例を示す図である。 実施例３に係る電力変換装置の無効電流指令部の構成を説明するための図である。 図１５（ａ）−（ｂ）は、急変制限前の無効電流比変化と、急変制限後の無効電流比変化の一例を示す図である。 実施例３に係る力率変更処理の流れを示すフローチャートである。 実施例１−３の個別の効果をまとめたテーブルを示す図である。 実施例１−３における力率変化時の力率の線形性を説明するための図である。

図１は、本発明の実施の形態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。インバータ２２は例えば、４つのスイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)）をブリッジ接続したブリッジ回路を含む。当該スイッチング素子のデューティ比を制御することにより、インバータ２２の出力を調整することができる。インバータ２２の後段にはフィルタ回路（不図示）が設けられ、当該フィルタ回路は、インバータ２２から出力される交流電力の高周波成分を減衰させて、インバータ２２の出力電圧および出力電流を正弦波に近づける。

電力変換装置２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１及びインバータ２２を駆動制御するため、コンバータ駆動制御部２３、インバータ駆動制御部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、出力測定部２８及び出力制限部２９を含む。インバータ駆動制御部２４は、電力平衡制御部２４１、有効瞬時電流指令部２４２、無効電流指令部２４３、無効瞬時電流指令部２４４、加算部２４５、減算部２４６及び駆動部２４７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２４１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から出力されるべき有効電流を規定する有効電流指令値Ｉｐを生成する。この制御により、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１からインバータ２２へ入力されるエネルギーと、インバータ２２から出力されるエネルギーのバランスを保つことができる。特に太陽電池のように自然環境により発電量が変動する直流電源１を使用している場合、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１の出力電力が変動するため、当該出力電力の変動にインバータ２２の入力電力を追従させる必要がある。

有効瞬時電流指令部２４２は、電力平衡制御部２４１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を加算部２４５に出力する。

出力力率設定部２５は、力率ｃｏｓφを無効電流指令部２４３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を低下させた進相制御が発動する。

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低下に貢献するとともに、力率ｃｏｓφを進相制御して系統電圧低下に貢献する。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上昇に貢献してもよい。

無効電流指令部２４３は、出力力率設定部２５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２４３は生成した無効電流比ｔａｎφと、電力平衡制御部２４１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２４４は、無効電流指令部２４３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２４４は、算出した無効電流指令値の瞬時値Ｉｑ・ｃｏｓωｔを加算部２４５に出力する。

加算部２４５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、減算部２４６に出力する。減算部２４６は当該電流指令値から、出力電流検出部２６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。当該電流偏差に基づく指令値が駆動部２４７に出力される。駆動部２４７は当該指令値をもとにインバータ２２を駆動する。

コンバータ駆動制御部２３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１を駆動制御する。具体的には指令値をもとにＰＷＭ信号を生成し、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１に含まれるスイッチング素子の制御端子に供給する。例えば、ＭＰＰＴ制御機能を搭載している場合、ＭＰＰＴ制御により電圧指令値が決定され、当該電圧指令値に基づくＰＷＭ信号を生成する。

出力測定部２８は、出力電流検出部２６により検出された出力電流と、系統電圧検出部２７により検出された系統電圧をもとに電力変換装置２の出力を測定する。以下、本実施の形態の処理を説明する前に、一般的な処理を説明する。

出力測定部２８は、出力電流検出部２６により検出された出力電流の瞬時値と、系統電圧検出部２７により検出された系統電圧の瞬時値を掛けて瞬時有効電力値を算出する。出力測定部２８は、瞬時有効電力値の単位周期当たりの平均値を算出する。この平均値が電力変換装置２の出力有効電力値Ｐ＝１／Ｔ∫ＩＶｄｔとなる。出力測定部２８は算出した出力有効電力値Ｐを出力制限部２９に出力する。

出力制限部２９は、出力有効電力値Ｐが有効電力制限値Ｐｌｉｍを超過しているか否か判定する。当該有効電力制限値Ｐｌｉｍには、電力変換装置２の定格出力電力値が設定される。また出力抑制が発動する電力閾値が設定されてもよい。出力制限部２９は、出力有効電力値Ｐが有効電力制限値Ｐｌｉｍを超過している場合、抑制信号をコンバータ駆動制御部２３に出力する。コンバータ駆動制御部２３は当該抑制信号を受信すると、ＰＷＭ信号のデューティ比を低下させて、ＤＣ−ＤＣコンバータ２１から出力される電力を低下させる。

図２は、電力変換装置２の出力電力値と、有効電力制限値の関係を示す図である。力率ｃｏｓφが１．０以外の場合に有効電力制限値Ｐｌｉｍの制限がかかる出力電力値（出力皮相電力値）の大きさは、力率ｃｏｓφが１．０の場合（出力有効電力値＝出力皮相電力値）に当該制限がかかる出力電力値（出力皮相電力値）の大きさと比較して、大きくなる。従って、有効電力制限値を基準にインバータ２２内の回路素子の耐性が設計されている場合において、力率ｃｏｓφが１．０以外に設定されると、当該回路素子に大きなストレスがかかる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る出力測定部２８及び出力制限部２９の構成例を示す図である。出力測定部２８は出力有効電力算出部２８１、出力皮相電力算出部２８２を含む。出力制限部２９は有効電力超過判定部２９１、皮相電力超過判定部２９２及びＯＲ回路２９３を含む。

出力有効電力算出部２８１は上述の一般的な出力測定部２８の処理内容に対応する。すなわち、出力電流検出部２６により検出された出力電流の瞬時値と、系統電圧検出部２７により検出された系統電圧の瞬時値をもとに電力変換装置２の出力有効電力値Ｐ＝１／Ｔ∫ＩＶｄｔを算出する。出力有効電力算出部２８１は算出した出力有効電力値Ｐを有効電力超過判定部２９１に出力する。

出力皮相電力算出部２８２は、出力電流検出部２６により検出された出力電流の瞬時値を二乗し、二乗した値の単位周期当たりの平均値を算出し、当該平均値の平方根を算出する。また出力皮相電力算出部２８２は、系統電圧検出部２７により検出された系統電圧の瞬時値を二乗し、二乗した値の単位周期当たりの平均値を算出し、当該平均値の平方根を算出する。そして両者の値を掛けて、電力変換装置２の出力皮相電力値Ｓ＝√１／Ｔ∫Ｖ^２ｄｔ・√１／Ｔ∫Ｉ^２ｄｔを算出する。出力皮相電力算出部２８２は、算出した出力皮相電力値Ｓを皮相電力超過判定部２９２に出力する。

有効電力超過判定部２９１は、出力有効電力算出部２８１から入力される出力有効電力値Ｐが有効電力制限値Ｐｌｉｍを超過しているか否か判定する。超過している場合はハイレベル信号をＯＲ回路２９３に出力し、超過していない場合はローレベル信号をＯＲ回路２９３に出力する。皮相電力超過判定部２９２は、出力皮相電力算出部２８２から入力される出力皮相電力値Ｓが皮相電力制限値Ｓｌｉｍを超過しているか否か判定する。超過している場合はハイレベル信号をＯＲ回路２９３に出力し、超過していない場合はローレベル信号をＯＲ回路２９３に出力する。

ＯＲ回路２９３は、有効電力超過判定部２９１から入力される信号と皮相電力超過判定部２９２から入力される信号の論理和を演算し、演算結果がハイレベルの場合、コンバータ駆動制御部２３に抑制信号を発行する。演算結果がローレベルの場合は抑制信号を発行しない。

図４は、実施の形態１に係る出力制限部２９における超過判定処理の内容をまとめたテーブルを示す図である。図４に示すように電力変換装置２の出力有効電力値Ｐ及び出力皮相電力値Ｓの少なくとも一方が制限値を超過したとき、抑制信号を発行する。

図５は、実施の形態１に係る、電力変換装置２の出力電力値と、有効電力制限値、皮相電力制限値の関係を説明するための図である。図５に示すように皮相電力制限値は同心円状に設定される。電力変換装置２の出力電力値が皮相電力制限値に到達した場合、力率＝１の最大出力電力値で動作している場合と比較して、出力有効電力値が低下する。しかしながら、回路素子の電流耐性内での動作を補償することができる。

電力変換装置２の出力電力値が皮相電力制限値に到達していない場合、所望の出力有効電力に対して無効電力を重畳することになるため、有効電力は無駄なくそのまま出力できる。従って力率が低く設定された場合でも、有効電力を絞らずに売電や宅内消費に使用することができる。これに対して位相制御方式では、位相制御により力率＝１での所望の出力有効電力の大きさが力率＝１以外での皮相電力の大きさとして維持したまま回転されるため、その結果、有効電力が絞られてしまう。この場合、売電量が目減りしたり、宅内消費への給電が減り買電になるケースもある。

以上説明したように実施の形態１では、出力電力制限の超過判定に有効電力制限値だけでなく皮相電力制限値も使用し、各出力電力値において両者の小さい方の値を電力制限値として使用する。これにより、有効電力制限値に準拠した電流耐性設計の電力変換装置２において、過大な電流ストレスを与えずに無効電力重畳方式の力率制御を実現できる。有効電力制限値に準拠した電流耐性設計であるため、コストの増加を抑制することができる。このように実施の形態１によれば、コストを考慮して設計された最大許容電流内での力率制御を実現しつつ（皮相電力制限）、定格有効電力内での力率制御を実現することができる（有効電力制限）。

図６は、本発明の実施の形態２に係る出力測定部２８及び出力制限部２９の構成例を示す図である。出力測定部２８は出力有効電力算出部２８１、出力皮相電力算出部２８２、出力有効電流算出部２８３、及び出力皮相電流算出部２８４を含む。出力制限部２９は有効電力超過判定部２９１、皮相電力超過判定部２９２、ＯＲ回路２９３、有効電流超過判定部２９４及び皮相電流超過判定部２９５を含む。

出力有効電力算出部２８１及び出力皮相電力算出部２８２の処理内容は図３の説明と同様である。出力有効電流算出部２８３は、出力有効電力算出部２８１により算出された出力有効電力値Ｐを実効電圧値Ｖｒｍｓで割って、出力有効電流値ＩＰ（実効値）を算出する。出力有効電流算出部２８３は算出した出力有効電流値ＩＰを有効電流超過判定部２９４に出力する。出力皮相電流算出部２８４は、出力皮相電力算出部２８２により算出された出力皮相電力値Ｓを実効電圧値Ｖｒｍｓで割って、出力皮相電流値ＩＳ（実効値）を算出する。出力皮相電流算出部２８４は算出した出力皮相電流値ＩＳを皮相電流超過判定部２９５に出力する。

有効電力超過判定部２９１及び皮相電力超過判定部２９２の処理内容は図３の説明と同様である。有効電流超過判定部２９４は、出力有効電流算出部２８３から入力される出力有効電流値ＩＰが有効電流制限値ＩＰｌｉｍを超過しているか否か判定する。超過している場合はハイレベル信号をＯＲ回路２９３に出力し、超過していない場合はローレベル信号をＯＲ回路２９３に出力する。皮相電流超過判定部２９５は、出力皮相電流算出部２８４から入力される出力皮相電流値ＩＳが皮相電流制限値ＩＳｌｉｍを超過しているか否か判定する。超過している場合はハイレベル信号をＯＲ回路２９３に出力し、超過していない場合はローレベル信号をＯＲ回路２９３に出力する。

ＯＲ回路２９３は、有効電力超過判定部２９１から入力される信号、皮相電力超過判定部２９２から入力される信号、有効電流超過判定部２９４から入力される信号、及び皮相電流超過判定部２９５から入力される信号の論理和を演算し、演算結果がハイレベルの場合、コンバータ駆動制御部２３に抑制信号を発行する。演算結果がローレベルの場合は抑制信号を発行しない。

図７は、実施の形態２に係る、電力変換装置２の出力電力値と、有効電力制限値、皮相電力制限値の関係を説明するための図である。系統電圧が公称電圧に対して不足した状態になると、電力変換装置２から系統３へ出力される有効電力を電圧不足前と同じ状態に維持しようとするために出力電流が増加する。これにより有効電力制限値および皮相電力制限値の範囲内で動作している場合でも、回路素子への電流ストレスが想定外に増加する可能性がある。

そこで実施の形態２では、実施の形態１に係る超過判定に、有効電流値制限値を使用した超過判定と皮相電流制限値を使用した超過判定を追加する。

以上説明したように実施の形態２では、有効電流制限値を使用した超過判定と皮相電流制限値を使用した超過判定を追加することにより、回路素子に許容範囲を超過した電流が流れることを、より確実に防止することができる。

なお上記実施の形態２では、有効電流値制限値を使用した超過判定と皮相電流制限値を使用した超過判定の２つを追加した構成を説明したが、有効電流制限値を使用した超過判定を省略し、皮相電流制限値を使用した超過判定のみを追加した構成を採用してもよい。皮相電流が回路素子に流れる実電流であるため、許容する皮相電流に準拠して電流耐性を設計し、皮相電流制限値を使用した超過判定を行えば、回路素子を電流から確実に保護することができる。

上述したインバータ駆動制御部２４の電力平衡制御２４１の電力平衡応答時間は、システムのハンチング防止などのために前記制御部２４によるインバータ２２への電流制御２４２〜２４７の応答時間に比べて遅く設定されることがある。

図８は、コンバータ駆動制御部２３による電力制御が、インバータ駆動制御部２４による電流制御より応答が遅い場合における、出力電力の制限処理を説明するための図である。図８を参照して、設定力率が急変した場合を考える。図８に示す例では、時刻ｔ０における設定力率（ｔ０）がｃｏｓφｔ０＝１．０で、時刻ｔ１における設定力率（ｔ１）がｃｏｓφｔ１＝０．８であり、時刻ｔ０から時刻ｔ１に変化した瞬間に力率が急低下している。

力率の急変は、外部通信により力率を急変させる必要がある指令を受けた場合や、電力変換装置２の出力電力に応じて力率を変化させるプリセット特性などにより発生する。図８に示すように時刻ｔ１において、力率変化に応じて無効電力成分が重畳され、出力電力（皮相電力）が皮相電力制限を一度、超過する。その後、出力制限部２９及びコンバータ駆動制御部２３による出力制限により、出力電力（皮相電力）は皮相電力制限の範囲内に収まる。

インバータ駆動制御部２４の電力平衡制御２４１の応答時間が、インバータ２２への電流制御２４２〜２４７における無効電流重畳の応答時間より遅いため、時刻ｔ１−時刻ｔ２の間、インバータ２２内で過渡的に皮相電流制限値を超える電流が流れてしまう。以下、このような設定力率急変時における過渡的な制限超過電流を発生させないように、力率急変時の対策を導入する例を説明する。なお急激な力率変更(無効電力変化)を防止することは、系統３の不健全化を防止する効果もある。以下、力率急変を抑制する構成例として３つの実施例を説明する。

（実施例１）
図９は、実施例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。実施例１に係る電力変換装置２は、図１に示した電力変換装置２の構成に、力率変化制限部２５１が追加された構成である。力率変化制限部２５１は、出力力率設定部２５と無効電流指令部２４３の間に設けられる。力率変化制限部２５１は、出力力率設定部２５から設定された力率ｃｏｓφの単位時間当たりの変化量Δｃｏｓφを、所定の力率変化量に収まるよう制御する。力率変化制限部２５１は、急変制限後の力率ｃｏｓφ’を無効電流指令部２４３に設定する。

図１０（ａ）−（ｂ）は、急変制限前の力率変化と、急変制限後の力率変化の一例を示す図である。図１０（ａ）は、力率変化制限部２５１がバッファを用いた移動平均処理、またはバッファを用いずにローパスフィルタを用いた平滑化処理により設定力率ｃｏｓφの変化を、制限前と比較して緩やかにしている例を示している。図１０（ｂ）は、力率変化制限部２５１が、単位時間当たりの力率変化量Δｃｏｓφの制限値に対応するステップ幅で、設定力率ｃｏｓφを変化させる例を示している。

図１１は、実施例１に係る力率変更処理の流れを示すフローチャートである。図１１では説明の簡便のため力率ｃｏｓφにおける「遅れ」を正、「進み」を負として扱う。また制限値となる力率変化量Δｃｏｓφは正の絶対値として扱う。以下、現在の設定力率が−０．８（進み力率）、制限後設定力率（前回の設定力率）が０．８（遅れ力率）、力率変化量Δｃｏｓφが０．０５の例を考える。

図１１において力率変化制限部２５１は、現在の設定力率がゼロ以上であるか否か判定する（Ｓ１０）。すなわち、現在の設定力率が遅れ力率であるか否か判定する。現在の設定力率がゼロ以上である場合（Ｓ１０のＹ）、力率変化制限部２５１は、１から現在の設定力率を引いて現在の設定力率基準値偏差を算出する（Ｓ１１）。現在の設定力率がゼロ未満である場合（Ｓ１０のＮ）、力率変化制限部２５１は、−１から現在の設定力率を引いて現在の設定力率基準値偏差を算出する（Ｓ１２）。本例では、現在の設定力率が−０．８であるため、現在の設定力率基準値偏差は、−１−（−０．８）＝−０．２となる。

次に力率変化制限部２５１は、制限後設定力率がゼロ以上であるか否か判定する（Ｓ１３）。すなわち、制限後設定力率が遅れ力率であるか否か判定する。制限後設定力率がゼロ以上である場合（Ｓ１３のＹ）、力率変化制限部２５１は、１から制限後設定力率を引いて制限後設定力率基準値偏差を算出する（Ｓ１４）。制限後設定力率がゼロ未満である場合（Ｓ１３のＮ）、力率変化制限部２５１は、−１から制限後設定力率を引いて制限後設定力率基準値偏差を算出する（Ｓ１５）。本例の最初の段階では、制限後設定力率が０．８であるため、制限後設定力率基準値偏差は、１−０．８＝０．２となる。

次に力率変化制限部２５１は、現在の設定力率基準値偏差から制限後設定力率基準値偏差を引いて力率変動偏差を算出する（Ｓ１６）。本例の最初の段階では、−０．２−０．２＝−０．４となる。

次に力率変化制限部２５１は、力率変動偏差がΔｃｏｓφより大きいか否かを判定する（Ｓ１７）。大きい場合（Ｓ１７のＹ）、力率変化制限部２５１は、Δｃｏｓφを力率変動偏差制限値に設定する（Ｓ１９）。大きくない場合（Ｓ１７のＮ）、力率変化制限部２５１は、力率変動偏差が−Δｃｏｓφより小さいか否かを判定する（Ｓ１８）。小さい場合（Ｓ１８のＹ）、力率変化制限部２５１は、−Δｃｏｓφを力率変動偏差制限値に設定する（Ｓ２０）。小さくない場合（Ｓ１８のＮ）、力率変化制限部２５１は、力率変動偏差を力率変動偏差制限値に設定する（Ｓ２１）。本例の最初の段階では、０．４＜−０．０５の関係になるため、力率変動偏差制限値に−０．０５が設定される。

次に力率変化制限部２５１は、制限後設定力率基準値偏差に力率変動偏差制限値を加えた値がゼロ以上であるか否か判定する（Ｓ２２）。ゼロ以上である場合（Ｓ２２のＹ）、力率変化制限部２５１は、１から当該値を引いて新たな制限後設定力率を算出する（Ｓ２３）。ゼロ未満である場合（Ｓ２２のＮ）、力率変化制限部２５１は、−１から当該値を引いて新たな制限後設定力率を算出する（Ｓ２４）。本例の最初の段階では、０．２＋（−０．０５）≧０の関係になるため、新たな制限後設定力率は、１−０．１５＝０．８５となる。

力率変化制限部２５１は新たな制限後設定力率を無効電流指令部２４３に設定する（Ｓ２５）。同時に力率変化制限部２５１は、新たな制限後設定力率が現在の設定力率に到達したか否か判定する（Ｓ２６）。到達した場合（Ｓ２６のＹ）、本力率変更処理を終了する。到達していない場合（Ｓ２６のＮ）、ステップＳ１０に遷移し、処理を継続する。

このように力率１を基準とした力率基準値偏差を用いることにより、力率値を、力率１を基準とした連続した線形関係で表すことができる。従って１を交差する力率変更も統一的に処理することができる。上述した移動平均やローパスフィルタを用いる場合も同様に、力率１を基準とした力率基準値偏差を用いることにより、力率値を、力率１を基準とした連続した線形関係で表すことができる。力率基準値偏差に対してフィルタ処理を実行し、フィルタ処理適用後の力率基準値偏差を力率値に変換すればよい。

（実施例２）
図１２は、実施例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。実施例２に係る電力変換装置２は、図１に示した電力変換装置２の構成に、無効電流指令値変化制限部２４８が追加された構成である。無効電流指令値変化制限部２４８は、無効電流指令部２４３と無効瞬時電流指令部２４４の間に設けられる。無効電流指令値変化制限部２４８は、無効電流指令部２４３により生成された無効電流指令値のピーク値Ｉｐの単位時間当たりの変化量ΔＩｐを、所定の無効電流指令値変化量に収まるよう制御する。無効電流指令値変化制限部２４８は、急変制限後の無効電流指令値のピーク値Ｉｐ’を無効瞬時電流指令部２４４に設定する。

図１３（ａ）−（ｃ）は、急変制限前の無効電流指令値の変化と、急変制限後の無効電流指令値の変化の一例を示す図である。図１３（ａ）−（ｃ）は皮相電流が１０Ａの状態で、力率ｃｏｓφが１．０から０．８に変更される例を示している。

図１３（ａ）は、無効電流指令値変化制限部２４８がバッファを用いた移動平均処理、またはバッファを用いずにローパスフィルタを用いた平滑化処理により無効電流指令値の変化を、制限前と比較して緩やかにしている例を示している。図１３（ｂ）は、無効電流指令値変化制限部２４８が、単位時間当たりの無効電流指令値変化量の制限値に対応するステップ幅で、無効電流指令値を変化させる例を示している。図１３（ｃ）は、図１３（ａ）、（ｂ）に示す無効電流指令値の変化時における有効電流指令値の変化を示している。

（実施例３）
図１４は、実施例３に係る電力変換装置２の無効電流指令部２４３の構成を説明するための図である。実施例３に係る無効電流指令部２４３は、正接変換部２４３ａ、無効電流比変化制限部２４３ｂ及び無効電流指令値生成部２２４３ｃを含む。正接変換部２４３ａは、出力力率設定部２５から設定された力率ｃｏｓφを正接変換して、有効電流に対する無効電流の比率を示す無効電流比ｔａｎφを生成する。

無効電流比変化制限部２４３ｂは、生成された無効電流比ｔａｎφの単位時間当たりの変化量Δｔａｎφを、所定の無効電流比変化量に収まるよう制御する。無効電流比変化制限部２４３ｂは、急変制限後の無効電流比ｔａｎφ’を無効電流指令値生成部２４３ｃに設定する。無効電流指令値生成部２４３ｃは、設定された無効電流比ｔａｎφ’と、電力平衡制御部２４１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＝Ｉｐ・ｔａｎφ’を生成する。生成せれた無効電流指令値のピーク値Ｉｑ＝Ｉｐ・ｔａｎφ’は、無効瞬時電流指令部２４４に出力される。

図１５（ａ）−（ｂ）は、急変制限前の無効電流比変化と、急変制限後の無効電流比変化の一例を示す図である。図１５（ａ）は、無効電流比変化制限部２４３ｂがバッファを用いた移動平均処理、またはバッファを用いずにローパスフィルタを用いた平滑化処理により無効電流比ｔａｎφの変化を、制限前と比較して緩やかにしている例を示している。図１５（ｂ）は、無効電流比変化制限部２４３ｂが、単位時間当たりの無効電流比変化量Δｔａｎφの制限値に対応するステップ幅で、無効電流比ｔａｎφを変化させる例を示している。

図１６は、実施例３に係る力率変更処理の流れを示すフローチャートである。図１６では説明の簡便のため力率ｃｏｓφおよび無効電流比ｔａｎφにおける「遅れ」を正、「進み」を負として扱う。また制限値となる無効電流比変化量Δｔａｎφは正の絶対値として扱う。以下、現在の設定力率が−０．８（進み力率）、前回の設定力率が０．８（遅れ力率）、無効電流比変化量Δｔａｎφが０．３の例を考える。

図１６において正接変換部２４３ａは、現在の設定力率ｃｏｓφに対する現在の無効電流比ｔａｎφを算出する（Ｓ３０）。本例では、現在の無効電流比ｔａｎφは−０．７５である。

次に無効電流比変化制限部２４３ｂは、現在の無効電流比と制限後無効電流比（前回の無効電流比）との差の絶対値がΔｔａｎφより大きいか否か判定する（Ｓ３１）。大きくない場合（Ｓ３１のＮ）、無効電流比変化制限部２４３ｂは、現在の無効電流比を制限後無効電流比に設定する（Ｓ３２）。大きい場合（Ｓ３１のＹ）、無効電流比変化制限部２４３ｂは、現在の無効電流比が制限後無効電流比より大きいか否か設定する（Ｓ３３）。大きい場合（Ｓ３３のＹ）、無効電流比変化制限部２４３ｂは、制限後無効電流比にΔｔａｎφを足した値を、新たな制限後無効電流比に設定する（Ｓ３４）。大きくない場合（Ｓ３３のＮ）、無効電流比変化制限部２４３ｂは、制限後無効電流比からΔｔａｎφを引いた値を、新たな制限後無効電流比に設定する（Ｓ３５）。

本例の最初の段階では、ステップＳ３１における現在の無効電流比−制限後無効電流比は−１．５、ステップＳ３５における新たな制限後無効電流比は−４．５（力率は０．９１）となる。

無効電流比変化制限部２４３ｂは、新たな制限後無効電流比を無効電流指令値生成部２２４３ｃに設定する（Ｓ３６）。同時に無効電流比変化制限部２４３ｂは、新たな制限後無効電流比に対応する制限後設定力率を算出し（Ｓ３７）、新たな制限後設定力率が現在の設定力率に到達したか否か判定する（Ｓ３８）。到達した場合（Ｓ３８のＹ）、本力率変更処理を終了する。到達していない場合（Ｓ３８のＮ）、ステップ３０に遷移し、処理を継続する。

以上説明した実施例１−３に係る力率変更処理によれば、設定力率急変時における過渡的な制限超過電流の発生を抑制することができる。これにより回路素子に過度な電流ストレが加わる事態を回避できる。さらに力率（無効電力）変化を緩やかにすることにより、系統３の不健全化を防止することができる。

図１７は、実施例１−３の個別の効果をまとめたテーブルである。設計容易性は実施例２のフィルタ対象が無効電流指令値Ｉｑであるため、実施例２が最も容易である。実施例１のフィルタ対象は力率ｃｏｓφであり、実施例３のフィルタ対象は無効電流比ｔａｎφであり、両者を比較すると実施例３の方が設計が容易である。

図１８は、実施例１−３における力率変化時の力率の線形性を説明するための図である。図１８（ａ）が実施例１の力率変化例を示し、図１８（ｂ）が実施例２、３の力率変化例を示している。図１８（ａ）に示すように実施例１では、力率変化に線形性（リニアリティ）がある。従って、所望の力率間の変化に対する応答時間が規格などで規定される場合、設計がしやすいメリットがある。例えば、力率が１．０→０．９に変化する場合も、力率が０．９→０．８に変化する場合も、力率偏差が同じであるため応答時間が同じになる。なお実施例１では、注入／引込み無効電力量の変化は非線形となる。

図１８（ｂ）に示すように実施例２、３では、力率変化が、ｃｏｓ（ａｒｃｔａｎＸ）＝１／√（１＋Ｘ^２）で表される曲線となる。実施例２、３では無効電流量の変化量（傾斜）に線形性がある。従って、単位時間当たりの無効電力変化量が系統３への影響などから規定される場合、設計がしやすいメリットがある。なお実施例２、３では、力率変化は非線形となる。

図１７に戻る。有効電流指令値Ｉｐ変化時の力率追従性は、実施例１、３が実施例２より優っている。ここで、有効電力が８０％定格で力率、無効電流指令値、無効電流比が制限され、制限後の瞬間的な力率が０．８で、次に有効電力が４０％に急変する事例を考える。

実施例１、３では無効電流指令Ｉｑ＝Ｉｐ・ｔａｎφ’であるため、無効電流指令値Ｉｑは有効電力指令値Ｉｐに応じて半減する。制限後の無効電流比ｔａｎφ’は、制限後の力率ｃｏｓφ’＝０．８相当のまま変化しないため、最終的な電流指令値Ｉｐ＋Ｉｑにおける設定力率は０．８のままである。つまり有効電力の変化に瞬時に追従して、設定力率を維持するように動作する。従って実施例１、３は、太陽電池などの自然エネルギ電源が独立して１つ存在する場合のパワーコンディショナに適している。このような自然エネルギ電源の場合、有効電力の変化が起こりやすいため、有効電力の変化に対して力率が維持されることが重要である。

実施例２では制限後の無効電流指令値Ｉｑ’＝ＬＰＦ（Ｉｐ・ｔａｎφ）であるため、瞬間的にはＩｐ＝４０％定格、Ｉｑ’＝６０％定格 力率＝０．５５＝Ｉｐ／√（Ｉｑ’^２＋Ｉｐ^２）となってしまう。ただし、適切なフィルタ定数を選択すれば大きな外れは抑制できる。実施例２は設計が最も容易だが、有効電力の変化に対し定力率を維持する精度が相対的に低い。従って実施例２は、自然エネルギ電源の太陽電池と蓄電池等の蓄電池並列電源のパワーコンディショナに適している。蓄電池並列電源の場合、有効電力の変化が起こりにくいため、有効電力の変化に対して力率を維持する要請が低くなる。

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では電力変換装置２がＤＣ−ＤＣコンバータ２１を備えていたが、直流電源１に出力調整機能が備わっている場合、電力変換装置２のＤＣ−ＤＣコンバータ２１を省略し、直流電源１に抑制指令を通知する構成でもよい。

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（２３）と、
前記インバータ（２３）から出力される有効電力、及び前記インバータ（２３）から出力される無効電力を制御する制御回路（２４）と、を備える電力変換装置（２）であって、
前記制御回路（２４、２９）は、前記有効電力が所定の有効電力制限値を超えたとき、及び皮相電力が所定の皮相電力制限値を超えたとき、の少なくとも一方を満たしたとき、前記インバータ（２３）の出力電力を、前記有効電力制限値および前記皮相電力制限値以下に抑制よう制御する、
ことを特徴とする電力変換装置（２）。
これによれば、電流耐性に関するコストを抑えつつ、信頼性が高い回路設計を実現できる。
［項目２］
前記直流電源（１）と前記インバータ（２２）の間に介在し前記直流電源（１）から出力される直流電力の電圧を調整して前記インバータ（２２）へ供給するＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）と、を更に備え、
前記制御回路（２３、２４、２９）は、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）を制御可能に構成され、
前記制御回路（２３、２４、２９）は、前記有効電力が前記所定の有効電力制限値を超えたとき、及び前記皮相電力が前記所定の皮相電力制限値を超えたとき、の少なくとも一方を満たしたとき、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）から前記インバータ（２２）に入力される電力を抑制するよう制御する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、インバータ（２２）の出力電力が所定の有効電力制限値または所定の皮相電力制限値の少なくとも一方を超えたとき、ＤＣ−ＤＣコンバータ（２１）によりインバータ（２２）への入力電力を絞ることができる。
［項目３］
前記制御回路（２３、２４、２９）は、前記有効電力が前記所定の有効電力制限値を超えたとき、前記皮相電力が前記所定の皮相電力制限値を超えたとき、及び前記インバータ（２２）の出力する皮相電流が所定の皮相電流制限値を超えたとき、の少なくとも１つを満たしたとき、前記インバータ（２２）の出力電力を前記有効電力制限値および前記皮相電力制限値以下に抑制し、かつ前記インバータ（２２）の出力電流を前記皮相電力制限値以下に抑制するよう制御することを特徴とする項目１または２に記載の電力変換装置（２）。
これによれば、電流耐性に関するコストを抑えつつ、さらに信頼性が高い回路設計を実現できる。
［項目４］
前記制御回路（２３、２４、２９）は、前記インバータ（２２）の出力電力の力率を制御可能に構成され、
前記制御回路（２３、２４、２９）は、前記インバータ（２２）の出力電力の力率を変更する際に、変更前の力率に応じた無効電流から、変更後の力率に応じた無効電流まで緩やかに変化させることを特徴とする項目１から３のいずれかに記載の電力変換装置（２）。
これによれば、力率急変時に、電力変換装置（２）の出力電力が瞬間的に皮相電力制限値を超えてしまうことを抑制できる。
［項目５］
力率の単位時間当たりの変化量を、所定の力率変化量に制限する力率変化制限部（２５１）をさらに備えることを特徴とする項目１から４のいずれかに記載の電力変換装置（２）。
これによれば、力率変化時の力率の線形性、及び有効電力変化時の力率の追従性を確保しつつ、電流指令値の変化を緩やかにすることができる。
［項目６］
前記制御回路（２３、２４、２９）は、無効電流の単位時間当たりの変化量を、所定の変化量に制限することを特徴とする項目１から４のいずれかに記載の電力変換装置（２）。
これによれば、比較的容易な設計で電流指令値の変化を緩やかにすることができる。
［項目７］
前記制御回路（２３、２４、２９）は、有効電流に対する無効電流の比率の単位時間当たりの変化量を、所定の比率変化量に制限することを特徴とする項目１から４のいずれかに記載の電力変換装置（２）。
これによれば、有効電力変化時の力率の追従性を確保しつつ、電流指令値の変化を緩やかにすることができる。

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 コンバータ駆動制御部、 ２４ インバータ駆動制御部、 ２４１ 電力平衡制御部、 ２４２ 有効瞬時電流指令部、 ２４３ 無効電流指令部、 ２４３ａ 正接変換部、 ２４３ｂ 無効電流比変化制限部、 ２４３ｃ 無効電流指令値生成部２、 ２４４ 無効瞬時電流指令部、 ２４５ 加算部、 ２４６ 減算部、 ２４７ 駆動部、 ２４８ 無効電流指令値変化制限部、 ２５ 出力力率設定部、 ２６ 出力電流検出部、 ２７ 系統電圧検出部、 ２８ 出力測定部、 ２８１ 出力有効電力算出部、 ２８２ 出力皮相電力算出部、 ２８３ 出力有効電流算出部、 ２８４ 出力皮相電流算出部、 ２９ 出力制限部、 ２９１ 有効電力超過判定部、 ２９２ 皮相電力超過判定部、 ２９３ ＯＲ回路、 ２９４ 有効電流超過判定部、 ２９５ 皮相電流超過判定部、 ２５１ 力率変化制限部。

Claims (5)

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、
   前記直流電源と前記インバータの間に介在し前記直流電源から出力される直流電力の電圧を調整して前記インバータへ供給するＤＣ−ＤＣコンバータと、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータと前記インバータを制御する制御回路と、を備え、
   前記制御回路は、前記インバータの入力電力の電力平衡を保つための有効電流指令値に、当該有効電流指令値と設定された力率に応じた無効電流指令値を加算して、前記インバータの出力電力の力率を制御可能であり、
   前記制御回路は、前記インバータの出力する有効電力が所定の有効電力制限値を超えたとき、前記インバータの出力する皮相電力が所定の皮相電力制限値を超えたとき、及び前記インバータの出力する皮相電流が所定の皮相電流制限値を超えたとき、の少なくとも１つを満たしたとき、前記インバータの出力電力を前記有効電力制限値および前記皮相電力制限値以下に抑制し、かつ前記インバータの出力電流を前記皮相電流制限値以下に抑制するよう、前記ＤＣ−ＤＣコンバータから出力される電力を低下させて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータから前記インバータに入力される電力を抑制する、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御回路は、前記インバータの出力電力の力率を変更する際に、変更前の力率に応じた無効電流から、変更後の力率に応じた無効電流まで緩やかに変化させることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 力率の単位時間当たりの変化量を、所定の力率変化量に制限する力率変化制限部をさらに備えることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御回路は、無効電流の単位時間当たりの変化量を、所定の変化量に制限することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
5. 前記制御回路は、有効電流に対する無効電流の比率の単位時間当たりの変化量を、所定の比率変化量に制限することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。

Images