JP7051033B1 - 電力変換装置及び制御装置 - Google Patents

Abstract

電流抑制制御部（１００）は、電力変換器を電圧源として動作させるための基準電圧指令値（ＶｍｇＤＢ）の補正量（ΔＶｍｇ）を算出して、基準電圧指令値の振幅値（ＶｍｇＤＢ）の補正量（ΔＶｍｇ）を反映して電圧指令値の振幅値（Ｖｍｇ＊）を設定する。補正量（ΔＶｍｇ）は、連系点の交流電圧（Ｖｓｙｓ）の低下に応じて、電圧指令値の振幅値（Ｖｍｇ＊）を基準電圧指令値の振幅値（Ｖｍｇｂｓ）よりも小さくするために設定される。

Description

本開示は、電力変換装置及び制御装置に関する。

近年、電力系統に対して、太陽光発電設備等の分散型電源による再生可能エネルギーの導入が進んでいる。分散型電源は電力変換器を介して電力系統に接続されるため、再生可能エネルギーの導入量が増加すると、電力系統に接続される同期機の割合が減少することにより、周波数変動に対する電力系統の慣性力が低下することが懸念される。

このため、系統に連系している電力変換装置に同期機と同様な挙動をさせることによって、減少した慣性力を補う仮想同期機制御が提案されている。具体的には、電圧制御型の仮想同期機制御機能を有する電力変換器（以下、「仮想同期機」とも称する）は、模擬対象となる同期発電機が電力系統に接続される場合の挙動を模擬するように制御される。

例えば、特開２０１９－８０４７６号公報（特許文献１）には、仮想同期機制御のための出力指令値に従った交直変換器の電圧指令値の演算において、電力系統に短絡事故が発生した際には、交直変換器の出力電流が電流制限値を超えない様に仮想同期機の内部インピーダンスを変化させる出力電流抑制部による制御を行うことが記載されている。

特開２０１９－８０４７６号公報

仮想同期機は電圧源として動作するため、電力系統で短絡事故が発生して連系点の電圧が低下すると、仮想同期機の出力電圧と連系点電圧との電圧差が大きくなる。このため、電力変換器の出力電流が過大となることにより、当該電力変換器が保護停止することが問題となる。

この問題に対して、特許文献１では、電力系統に短絡事故が発生した際には、仮想同期機の内部インピーダンスを変化させて、電圧源としての電圧指令値を演算することで、過電流が発生しない様に上記電圧差を減少させる制御が行われる。従って、特許文献１の技術では、系統事故の際に適切な電流抑制効果を得るためには、仮想同期機の内部インピーダンスの変化量を適切に設定することが必要となる。

しかしながら、系統インピーダンスは負荷状況等によって変化する他、短絡事故の態様によっても変化するため、系統インピーダンスに対応させて、特許文献１の出力電流抑制部における、仮想同期機の内部インピーダンスの変化量（増大量）を適切化することが難しくなる。この結果、過電流の抑制効果を安定的に得られないことが懸念される。

本開示のある局面における目的は、電力系統に連系された電力変換器を、電圧源として動作させるとともに過電流の発生を抑制する制御を安定的に行うことが可能な電力変換装置及び制御装置を提供することである。

本開示のある実施の形態に従うと、電力変換装置が提供される。電力変換装置は、スイッチング素子を含んで構成された少なくとも１個の電力変換器と、電力変換器における電力変換を制御する制御装置とを備える。電力変換器は、直流電力源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する。制御装置は、電圧制御部と、電流抑制制御部と、スイッチング制御部とを含む。電圧制御部は、電力系統とは異なる周波数及び位相の交流電圧を出力する電圧源として電力変換器を動作させるための基準電圧指令値を生成する。電流抑制制御部は、電力系統に対する電力変換器の連系点の交流電圧及び基準電圧指令値を用いて、電力変換器の電圧指令値を生成する。スイッチング制御部は、電圧指令値に従って電力変換器のスイッチング素子のオンオフを制御する。電流抑制制御部は、第１の補正演算部と、振幅補正部とを有する。第１の補正演算部は、連系点の交流電圧の低下に応じて、電圧指令値の振幅値を基準電圧指令値の振幅値よりも小さくするための第１の補正量を、連系点の交流電圧の振幅値を用いて演算する。振幅補正部は、基準電圧指令値の振幅値に第１の補正量を反映して電圧指令値の振幅値を設定する。

本開示の他のある実施の形態に従うと、直流電力源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力するための、スイッチング素子を含んで構成された電力変換器の制御装置が提供される。制御装置は、電圧制御部と、電流抑制制御部と、スイッチング制御部とを備える。電圧制御部は、電力系統とは異なる周波数及び位相の交流電圧を出力する電圧源として電力変換器を動作させるための基準電圧指令値を生成。電流抑制制御部は、電力系統に対する電力変換器の連系点の交流電圧及び基準電圧指令値を用いて、電力変換器の電圧指令値を生成する。スイッチング制御部は、電圧指令値に従って電力変換器のスイッチング素子のオンオフを制御する。電流抑制制御部は、第１の補正演算部と、振幅補正部とを有する、第１の補正演算部は、連系点の交流電圧の低下に応じて、電圧指令値の振幅値を基準電圧指令値の振幅値よりも小さくするための第１の補正量を、連系点の交流電圧の振幅値を用いて演算する。振幅補正部は、基準電圧指令値の振幅値に第１の補正量を反映して電圧指令値の振幅値を設定する。

本開示によれば、電力系統に連系された電力変換器を、電圧源として動作させるとともに過電流の発生を抑制する制御を安定的に行うことができる。

本実施の形態に係る電力変換装置の適用例である電力変換システムの構成を説明するブロック図である。 図１に示された電力変換器の構成の一例を示す回路図である。 図１に示された制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。 図１に示された電流抑制制御部の構成を説明するブロック図である。 図４に示されるリミッタによるリミットゲインの設定例を説明する概念図である。 電流抑制制御部の変形例を説明するブロック図である。 図６に示された電圧自動調整器の動作を説明するフローチャートである。 本実施の形態に係る電力変換装置の他の適用例を説明するブロック図である。

以下に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

以下に、本開示の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下では、図中の同一又は相当部分には同一符号を付して、その説明は原則的に繰返さないものとする。

＜システム構成の説明＞
図１は、本実施の形態に係る電力変換装置の適用例である電力変換システムの構成を説明するブロック図である。電力変換システムは、電力系統２と、変圧器３と、電力変換装置６と、電流検出器７と、電圧検出器８と、蓄電要素４０とを含む。電力変換装置６は、制御装置１０と、電力変換器２０とを含む。

電力変換器２０は、直流電力を蓄積する蓄電要素４０と、三相交流の電力系統２との間でＤＣ／ＡＣ電力変換を実行する。具体的には、電力変換器２０は、変圧器３を介して電力系統２に接続されており、蓄電要素４０からの直流電力を交流電力に変換して、交流電力を電力系統２に出力する。この際に、電力変換器２０は、後述する様に、制御装置１０によって電圧源として制御される。

図２には、電力変換器２０の構成例を説明する回路図が示される。
図２を参照して、蓄電要素４０は、直列接続されたキャパシタ４１，４２を含む。尚、蓄電要素４０としては、キャパシタの他、二次電池を始めとする直流電力の貯蔵素子を任意に適用することができる。蓄電要素４０は「直流電力源」の一実施例に対応する。

電力変換器２０は、３レベル変換器としての３レベルインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗを有する。３レベルインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗの各々は、トライアックで構成された４個のスイッチング素子を有する公知の構成であり、蓄電要素４０と並列接続されたキャパシタの直流電圧を、４個のスイッチング素子のＰＷＭ（Pulse Modulation Control）制御によって、正弦波状の交流電圧に変換する。

図２中に示された、３レベルインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗのそれぞれに入力されるオンオフ制御信号Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗは、上記ＰＷＭ制御によって生成された、各３レベルインバータにおける４個のスイッチング素子のオンオフ制御信号（４個分）を包括して示すものである。

３レベルインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗは、三相の送電線にそれぞれ１２０度ずつ位相が異なる正弦波状の交流電圧を出力する。これにより、電力変換器２０は、三相の３レベル変換器として動作する。

尚、電力変換器２０については、ＤＣ／ＡＣ電力変換機能を有するものであれば、２レベル変換器、又は、モジュラーマルチレベル変換器等の自励式変換器によって構成することが可能である。又、ＤＣ側、即ち、「直流電力源」については、蓄電要素４０に代えて、直流送電線による直流系統が接続されてもよい。

再び図１を参照して、電流検出器７は、電力系統２の三相の交流電流を検出する。具体的には、電流検出器７は、電力系統２（より具体的には、電力変換器２０の連系点９）のａ相の交流電流Ｉａ、ｂ相の交流電流Ｉｂ、およびｃ相の交流電流Ｉｃを検出する。交流電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃは、制御装置１０へ入力される。以下、交流電流Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃを交流電流Ｉｓｙｓとも総称する。

電圧検出器８は、電力系統２（より具体的には、電力変換器２０の連系点９）の三相の交流電圧を検出する。例えば、電圧検出器８は、電力系統２のａ相の交流電圧Ｖａ、ｂ相の交流電圧Ｖｂ、およびｃ相の交流電圧Ｖｃを検出する。交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃは、制御装置１０へ入力される。以下、交流電圧Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを交流電圧Ｖｓｙｓとも総称する。

制御装置１０は、電力変換器２０の制御機能としての、電圧制御部１２と、三相電圧指令生成部１４と、ＰＷＭ制御部１６と、電流抑制制御部１０１とを含む。

図３には、制御装置１０のハードウェア構成例が示される。図３には、コンピュータによって制御装置１０を構成する例が示される。

図３を参照して、制御装置１０は、１つ以上の入力変換器７０と、１つ以上のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路７１と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）７２と、Ａ／Ｄ変換器７３と、１つ以上のＣＰＵ（Central Processing Unit）７４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）７５と、ＲＯＭ（Read Only Memory）７６と、１つ以上の入出力インターフェイス７７と、補助記憶装置７８とを含む。また、制御装置１０は、構成要素間を相互に接続するバス７９を含む。

入力変換器７０は、入力チャンネルごとに補助変成器を有する。各補助変成器は、図１の電流検出器７および電圧検出器８による検出信号を、後続する信号処理に適した電圧レベルの信号に変換する。

サンプルホールド回路７１は、入力変換器７０ごとに設けられる。サンプルホールド回路７１は、対応の入力変換器７０から受けた電気量を表す信号を規定のサンプリング周波数でサンプリングして保持する。

マルチプレクサ７２は、複数のサンプルホールド回路７１に保持された信号を順次選択する。Ａ／Ｄ変換器７３は、マルチプレクサ７２によって選択された信号をデジタル値に変換する。なお、複数のＡ／Ｄ変換器７３を設けることによって、複数の入力チャンネルの検出信号に対して並列的にＡ／Ｄ変換を実行するようにしてもよい。

ＣＰＵ７４は、制御装置１０の全体を制御し、プログラムに従って演算処理を実行する。揮発性メモリとしてのＲＡＭ７５及び不揮発性メモリとしてのＲＯＭ７６は、ＣＰＵ７４の主記憶として用いられる。ＲＯＭ７６は、プログラム及び信号処理用の設定値などを収納する。補助記憶装置７８は、ＲＯＭ７６に比べて大容量の不揮発性メモリであり、プログラム及び電気量検出値のデータなどを格納する。

入出力インターフェイス７７は、ＣＰＵ７４及び外部装置の間で通信する際のインターフェイス回路である。

なお、図２の例とは異なり、制御装置１０の少なくとも一部をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）および、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の回路を用いて構成することも可能である。

再び図１を参照して、電圧制御部１２、三相電圧指令生成部１４、ＰＷＭ制御部１６、及び、電流抑制制御部１００の各機能は、制御装置１０によるハードウェア処理、及び／又は、ソフトウェア処理によって実現される。

電圧制御部１２は、電力変換器２０を仮想同期機として動作させるための電圧指令値として、２軸（ｄ－ｑ軸）の回転座標系でのｄ軸の電圧指令値Ｖｄｂｓ及びｑ軸の電圧指令値Ｖｑｂｓを生成する。以下では、電圧制御部１２による電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓについて、基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓと称する。

電流抑制制御部１００は、基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓに対して、過大電流を抑制するための電流抑制制御による補正量を反映することで、最終的な２軸上での電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を生成する。

三相電圧指令生成部１４は、電流抑制制御部１００からのｄ－ｑ軸上の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を、予め定められた二相／三相座標変換によって三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、位相が１２０度ずつずれた正弦波電圧となる。

ＰＷＭ制御部１６は、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊の各々とキャリア信号とを比較するＰＷＭ制御によって、図２に示された３レベルインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗの各々の４個のスイッチング素子のオンオフ制御信号Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗを生成する。

３レベルインバータ２１ｕは、オンオフ制御信号Ｓｇｕに従って４個のスイッチング素子がオンオフ動作することによって、電圧指令値Ｖｕ＊に従う正弦波状の交流電圧を出力する。同様に、３レベルインバータ２１ｖは、オンオフ制御信号Ｓｇｖに従ってスイッチング動作することによって、電圧指令値Ｖｖ＊に従う正弦波状の交流電圧を出力し、３レベルインバータ２１ｗは、オンオフ制御信号Ｓｇｗに従ってスイッチング動作することによって、電圧指令値Ｖｗ＊に従う正弦波状の交流電圧を出力する。電力変換器２０は、この様にスイッチング動作することで、電力系統２とは異なる振幅及び位相の交流電圧を出力する電圧源として動作することが理解される。

尚、電圧制御部１２では、同期発電機が電力系統に接続される場合の挙動を模擬するための基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓについて、任意の公知の技術によって作成することができる。例えば、特許文献１において、出力電流抑制部の動作を停止させて内部インピーダンスを一定とした状態で生成された電圧指令値（三相）を３相／２相変換して得られるｄ－ｑ軸の電圧指令値が、電圧制御部１２によって生成される基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓと等価である。

即ち、本実施の形態では、電流抑制制御部１００によって電圧指令値が補正されない場合には、Ｖｄ＊＝Ｖｄｂｓ，Ｖｄ＊＝Ｖｑｂｓにそのまま設定されて、電力変換器２０は、通常の仮想同期機制御のための電圧源として制御されることになる。

＜制御系の詳細な説明＞
次に、本実施の形態で配置される、過大電流を抑制するための電流抑制制御部１００の構成について説明する。

図４は、電流抑制制御部１００の構成を説明するブロック図である。
図４に示される様に、電流抑制制御部１００は、極座標変換部１１０と、三相／二相座標変換部１２０と、電圧指令振幅補正部１３０と、極座標逆変換部１８０とを含む。

極座標変換部１１０は、電圧制御部１２によって生成された基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓを、２軸の回転座標系（ｄ－ｑ軸）上で極座標（ｒθ）変換することで、基準電圧指令値の振幅値Ｖｍｇｂｓ（基準振幅値）及び位相Ｖθｂｓ（基準位相）を出力する。基準振幅値Ｖｍｇｂｓ及び基準位相Ｖθｂｓは、下記の式（１），（２）で示される。

Ｖｍｇｂｓ＝√（Ｖｄｂｓ²＋Ｖｑｂｓ²） …（１）
Ｖθｂｓ＝ｔａｎ^-1（Ｖｑｂｓ／Ｖｄｂｓ） …（２）
三相／二相座標変換部１２０は、電圧検出器８によって検出された連系点９での交流電圧Ｖｓｙｓ（三相）を三相／二相（３φ／ｄｑ）変換して、２軸の回転座標系のｄ軸電圧ＶｄＦＢ及びｑ軸電圧ＶｑＦＢを生成する。以下では、ｄ軸電圧ＶｄＦＢ及びｑ軸電圧ＶｑＦＢを、「フィードバック電圧」とも称する。

電圧指令振幅補正部１３０は、振幅演算部１４０と、振幅偏差演算部１５０と、リミッタ１６０と、調整ゲイン乗算部１６１と、乗算器１７０と、減算器１７５とを有する。

振幅演算部１４０は、ｄ軸及びｑ軸のフィードバック電圧ＶｄＦＢ，ＶｑＦＢの振幅である、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢを算出する。振幅演算部１４０は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）１４１，１４２と、２乗演算のための乗算器１４３，１４４と、加算器１４５と、根号演算器１４６とを有する。

ローパスフィルタ１４１，１４２は、移動平均フィルタ等によって構成することができる。乗算器１４３、１４４及び加算器１４５によって、高周波成分が除去されたフィードバック電圧ＶｄＦＢ，ＶｑＦＢの２乗和（ＶｄＦＢ²＋ＶｑＦＢ²）が算出される。根号演算器１４６は、高周波成分が除去されたフィードバック電圧ＶｄＦＢ，ＶｑＦＢの電圧振幅値（ＶｍｇＦＢ）を出力する。

振幅偏差演算部１５０は、基準振幅値Ｖｍｇｂｓからフィードバック振幅値ＶｍｇＦＢを減算した振幅偏差値（Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢ）を出力する。

リミッタ１６０は、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢに応じてリミットゲインＫｌｍｔを設定する。調整ゲイン乗算部１６１は、リミットゲインＫｌｍｔに調整ゲインＫｃｍｐを乗算することによって、補正ゲインＫｃを出力する。調整ゲインＫｃｍｐは、基本的には１．０であるが、必要に応じて０＜Ｋｃｍｐ＜１、或いは、Ｋｃｍｐ＞１に設定することができる。以下では、説明を簡単にするために、Ｋｃｍｐ＝１．０とする。

乗算器１７０は、振幅偏差演算部１５０から出力された振幅偏差（Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢ）及び補正ゲインＫｃの乗算値を、振幅補正量ΔＶｍｇとして出力する。

図５には、リミッタ１６０によるリミットゲインＫｌｍｔの設定例を説明する概念図が示される。

図５に示される様に、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢが予め定められた判定値Ｖｔより小さいときに、電圧指令値の振幅補正をオンするために、リミットゲインＫｌｍｔ＝１．０に設定される。一方で、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢが当該判定値以上のときには、電圧指令値の振幅補正をオフするために、リミットゲインＫｌｍｔ＝０に設定される。

判定値Ｖｔは、連系点の交流電圧Ｖｓｙｓの低下を検出するための予め定められた判定値Ｖｍｉｎに対応して設定される。例えば、交流電圧Ｖｓｙｓの振幅値が判定値Ｖｍｉｎ以下になると、ＶｍｇＦＢ≦Ｖｔとなる様に、必要であれば、三相／二相座標変換部１２０での三相／二相変換における振幅変換比を反映して、判定値Ｖｔは設定される。

再び図４を参照して、Ｋｌｍｔ＝０に設定されると、補正ゲインＫｃも０になるため、振幅補正量ΔＶｍｇ＝０となることが理解される。一方で、Ｋｌｍｔ＝１に設定されると、補正ゲインＫｃ＝１．０に設定されるので、振幅補正量ΔＶｍｇ＝Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢとなることが理解される。

減算器１７５は、基準振幅値Ｖｍｇｂｓから振幅補正量ΔＶｍｇを減算することによって、振幅補正量ΔＶｍｇが反映された電圧指令振幅値Ｖｍｇ＊を出力する。上述のリミットゲインＫｌｍｔの設定により、連系点９の電圧が低下して、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢが判定値Ｖｔよりも小さくなると、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊は、式（３）に従って設定される。

Ｖｍｇ＊＝Ｖｍｇｂｓ－（Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢ）＝ＶｍｇＦＢ …（３）
尚、上述の調整ゲインＫｃｍｐ≠１．０のときには、式（３）は、Ｖｍｇ＊＝Ｋｃｍｐ・ＶｍｇＦＢとなる。この様に、連系点の電圧が低下すると、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊は、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊ではなく、連系点の実際の電圧振幅値に従って設定される様に補正される。

一方で、連系点の電圧が低下しておらず、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢが判定値Ｖｔ以上であるときには、ΔＶｍｇ＝０に設定されるので、基準振幅値Ｖｍｇｂｓが補正されずに電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊に設定される（Ｖｍｇ＊＝Ｖｍｇｂｓ）。即ち、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊は、基準振幅値Ｖｍｇｂｓに従って設定される。

又、電圧位相指令値Ｖθ＊には、極座標変換部１１０で算出された基準位相Ｖθｂｓがそのまま設定される。

この様に、図４の構成例では、振幅補正量ΔＶｍｇは、連系点９の交流電圧Ｖｓｙｓの低下に応じて電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊を基準振幅値Ｖｍｇｂｓよりも小さくするための「第１の補正量」の一実施例に対応する。振幅演算部１４０、振幅偏差演算部１５０、リミッタ１６０、調整ゲイン乗算部１６１、及び、乗算器１７０によって、「第１の補正演算部」の一実施例を構成することができる。又、減算器１７５は「振幅補正部」の一実施例に対応する。

極座標逆変換部１８０は、２軸の回転座標軸にて極座標表示された電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊及び電圧位相指令値Ｖθ＊から、三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。

極座標逆変換部１８０では、式（４），（５）によって、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊及び電圧位相指令値Ｖθ＊が、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に変換される。

Ｖｄ＊＝Ｖｍｇ＊・ｃｏｓ（Ｖθ＊） …（４）
Ｖｑ＊＝Ｖｍｇ＊・ｓｉｎ（Ｖθ＊） …（５）
式（４），（５）で得られたｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は、図１に示された三相電圧指令生成部１４へ入力される。三相電圧指令生成部１４は、予め定められた二相／三相座標変換、即ち、三相／二相座標変換部１２０での三相／二相変換の逆変換によって三相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に変換する。更に、図１に示されたＰＷＭ制御部１６は、三相電圧指令生成部１４からの電圧指令値Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に従ったＰＷＭ制御により、図２に示された３レベルインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗのそれぞれの４個のスイッチング素子のオンオフ制御信号Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗを生成する。即ち、三相電圧指令生成部１４及びＰＷＭ制御部１６によって、「スイッチング制御部」の一実施例を構成することができる。

振幅補正量ΔＶｍｇ＝０、即ち、電圧指令値の振幅補正がオフされるときは、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は、電圧制御部１２からのｄ軸及びｑ軸の基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓに従って設定される（Ｖｄ＊＝Ｖｄｂｓ，Ｖｑ＊＝Ｖｑｂｓ）。

これに対して、リミットゲイン＝１．０とした振幅補正量ΔＶｍｇによって電圧指令値の振幅が補正されるときには、ｄ軸及びｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊は、連系点の実際の電圧振幅値と同等の電圧振幅を有する様に設定される。

この様に、本実施の形態では、連系点の電圧振幅が判定値Ｖｍｉｎまで低下していない通常時には、電圧指令値の振幅補正がオフされて、電圧制御部１２からの基準電圧指令値Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓに従って、電力変換器２０を仮想同期機として動作させることができる。

これに対して、電力系統２での地絡事故等の発生により連系点の電圧振幅が判定値Ｖｍｉｎまで低下すると、電圧指令値の振幅（Ｖｍｇ＊）を、基準振幅値Ｖｍｇｂｓよりも低下させる電流抑制制御によって、電圧源として制御される電力変換器２０の出力電圧と連系点との電圧差が大きくなって、電力変換器２０の出力電流が過大になることを防止できる。

この際に、連系点９の電圧振幅のフィードバック値（ＶｍｇＦＢ）を用いて電圧指令値の振幅を設定することで、電力系統２のインピーダンスを把握することなく、上記出力電流抑制制御を実現することができる。

この様に、本実施の形態に係る電力変換装置によれば、電力系統に連系された電力変換器を電圧源として動作させる制御において、電力系統での地絡事故等によって電力変換器の連系点の電圧が低下した際に、過電流の発生を抑制する制御を安定的に行うことができる。

＜電流抑制制御部の変形例＞
図６には、電流抑制制御部の変形例を説明するブロック図が示される。

図６に示される、変形例に係る電流抑制制御部１０１は、図４の電流抑制制御部１００と比較して、電圧指令振幅補正部１３０に代えて、電圧指令振幅補正部１３１を含む点で異なる。電圧指令振幅補正部１３１は、電圧指令振幅補正部１３０の構成に加えて、電圧自動調整器（ＡＣ－ＶＣＲ）２００と、減算器２１０とを更に含む。電圧指令振幅補正部１３１のこれ以外の構成は、図４の電圧指令振幅補正部１３０と同様であるので詳細な説明は繰り返さない。

電圧指令振幅補正部１３１において、乗算器１７０は、図４での振幅補正量ΔＶｍｇに相当する第１の振幅補正量ＶｍｇＣ１を出力する。即ち、第１の振幅補正量ＶｍｇＣ１は、下記の式（６）で示される。図６でも、説明を簡単にするために調整ゲインＫｃｍｐ＝１．０であるものとする。

ＶｍｇＣ１＝Ｋｌｍｔ・Ｋｃｍｐ・（Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢ） …（６）
電圧自動調整器２００は、リミットゲインＫｌｍｔ＝０に設定されたときに動作して、連系点の電圧振幅のフィードバック値（ＶｍｇＦＢ）に基づく第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２を出力する。一方で、リミットゲインＫｌｍｔ＝１．０に設定されたときには、第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２＝０に設定される。

減算器２１０は、乗算器１７０からの第１の振幅補正量ＶｍｇＣ１から、電圧自動調整器２００からの第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２を減算した値を、振幅補正量ΔＶｍｇとして減算器１７５に対して出力する。

従って、減算器１７５から出力される電圧指令振幅値Ｖｍｇ＊は、下記の式（７）によって示される。

Ｖｍｇ＊＝Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＣ１＋ＶｍｇＣ２ …（７）
図７には、電圧自動調整器２００の動作を説明するためのフローチャートが示される。

図７に示される様に、電圧自動調整器２００は、リミットゲインＫｌｍｔ＝０に設定されたときに、ステップ（以下、単に「Ｓ」と表記する）Ｓ１１０がＹＥＳ判定されて作動する。具体的には、電圧自動調整器２００は、Ｓ１２０により、振幅演算部１４０によって求められたフィードバック振幅値ＶｍｇＦＢを読込むと、Ｓ１３０により、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢに基づいて第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２を算出する。第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２は、基準振幅値Ｖｍｇｂｓに対するフィードバック振幅値ＶｍｇＦＢの偏差ΔＶｍｇＦＢ（ΔＶｍｇＦＢ＝Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢ）を補償する様に設定することができる。

例えば、偏差ΔＶｍｇＦＢ及び比例ゲインＫｐの積に従って、第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２を算出することができる（ＶｍｇＣ２＝Ｋｐ・ΔＶｍｇＦＢ）。これにより、ＶｍｇＦＢ＜Ｖｍｇｂｓの場合には、ＶｍｇＣ２＞０に設定する一方で、ＶｍｇＦＢ＞Ｖｍｇｂｓの場合には、ＶｍｇＣ２＜０に設定することができるので、偏差ΔＶｍｇＦＢをゼロに近付ける様にフィードバック制御を行うことができる。

これに対して、電圧自動調整器２００は、リミットゲインＫｌｍｔ≠０（即ち、Ｋｌｍｔ＝１．０）に設定されたときに、Ｓ１１０がＮＯ判定されて停止する。この場合には、Ｓ１４０により、第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２＝０に設定される。

再び図６を参照して、リミットゲインＫｌｍｔ＝１，０に設定されることにより、第１の振幅補正量ＶｍｇＣ１＝Ｖｍｇｂｓ－ＶｍｇＦＢに設定されるときには、電圧自動調整器２００は停止されて、第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２＝０に設定される。この結果、電力系統２での異常によって連系点の電圧振幅が判定値Ｖｍｉｎまで低下した場合には、電圧自動調整器２００は停止して、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊は、図４で説明したのと同様に設定される。

これに対して、連系点の電圧振幅が判定値Ｖｍｉｎまで低下していないため、リミットゲインＫｌｍｔ＝０に設定される通常時には、電圧自動調整器２００による第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２によって基準振幅値Ｖｍｇｂｓを補正する態様で、電圧振幅指令値Ｖｍｇ＊が設定される（Ｖｍｇ＊＝Ｖｍｇｂｓ＋ＶｍｇＣ２）。これにより、電圧指令振幅Ｖｍｇ＊が基準振幅値Ｖｍｇｂｓと同等に設定される通常時には、連系点の電圧振幅を、基準振幅値Ｖｍｇｂｓに一致させるフィードバック制御が実現される。

図６の変形例の電流抑制制御部１０１によれば、電流抑制制御部１００の効果に加えて、電流抑制制御が実行されていないとき（即ち、電力系統２に地絡事故等が発生していない通常時）の、電力変換器２０の出力電圧の制御精度を高めることができる。

図６の例では、第１の振幅補正量ＶｍｇＣ１は「第１の補正量」に対応し、第２の振幅補正量ＶｍｇＣ２は「第２の補正量」に対応する。更に、電圧自動調整器２００は、「第２の補正演算部」の一実施例に対応する。又、減算器２１０及び１７５によって「振幅補正部」の一実施例が構成される。

＜電力変換装置の適用例＞
図８には、本実施の形態に係る電力変換装置の他の適用例が示される。

図８の適用例では、本実施の形態に係る電力変換装置６は、複数個（ｎ個）の電力変換器２０（１）～２０（ｎ）を並列動作させることで大容量化を実現する回路構成を有する。

具体的には、電力変換器２０（１）～２０（ｎ）の各々は、図１の電力変換器２０と同様に制御装置１０からのオンオフ制御信号Ｓｇ（１）～Ｓｇ（ｎ）に従ってスイッチング制御されることで、図１の蓄電要素４０に対応する直流電力源２５０からの直流電圧を三相の交流電圧に変換する。即ち、図８に示されたオンオフ制御信号Ｓｇ（１）～Ｓｇ（ｎ）の各々は、三相分のオンオフ制御信号（例えば、図２におけるＳｇｕ，Ｓｑｖ，Ｓｇｗ）を包括するものである。

電力変換器２０（１）～２０（ｎ）から出力された正弦波状の交流電圧は、一次側が電力変換器２０（１）～２０（ｎ）とそれぞれ接続された多重巻線ＴＲ（１）～ＴＲ（ｎ）を有する多重変圧器２３０で合成されて、電力線２１５へ出力される。電力線２１５は、図１の変圧器３に相当する主変圧器２２０を介して、図１の電力系統２に含まれる高圧電力線２６０に接続される。

図８の構成例においても、制御装置１０は、図４又は図６の構成によって、ｄ軸電圧指令値Ｖｄ＊及びｑ軸電圧指令値Ｖｑ＊を生成する。そして、ｄ－ｑ軸の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を二相／三相変換する際に、交流電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊は、電力変換器２０（１）～２０（ｎ）の各々について個別に生成される。これにより、本実施の形態での電流抑制制御が反映された共通の電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊を用いて、電力変換器２０（１）～２０（ｎ）を並列動作することで、電力変換装置６の大容量化を図ることができる。

尚、本実施の形態では、電圧制御部１２において、電力変換器２０を電圧源として動作させるための電圧指令値を、電力変換器２０を仮想同期機として動作させる様に生成する例を説明したが、当該電圧指令値は、当該仮想同期機制御によって生成されることが限定されるものではない。即ち、本実施の形態に係る電力変換装置は、電力系統２とは異なる振幅及び位相の交流電圧を出力する電圧源として電力変換器２０を動作させるための任意の制御方式によって生成される電圧指令値に対して、図４又は図６で説明した電流抑制制御部１００，１０１を作用させることで実現される。

又、本実施の形態では、図５に示された様に、リミットゲインＫｌｍｔを０又は１．０の２値に設定する例を説明したが、リミットゲインＫｌｍｔは、連系点９の交流電圧Ｖｓｙｓの低下に応じて、多段階、又は、連続的に大きくなる様に設定されてもよい。この場合には、電流抑制制御のオン時（０＜Ｋｌｍｔ≦１．０）において、調整ゲインＫｃｍｐ＝１．０であっても、電圧振幅指令Ｖｍｇ＊が、フィードバック振幅値ＶｍｇＦＢ（交流電圧Ｖｓｙｓの振幅値）及び基準振幅値Ｖｍｇ＊の中間に設定されるケースが発生する。

上述の実施の形態として例示した構成は、本開示の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２ 電力系統、３ 変圧器、６ 電力変換装置、７ 電流検出器、８ 電圧検出器、９ 連系点、１０ 制御装置、１２ 電圧制御部、１４ 三相電圧指令生成部、１６ ＰＷＭ制御部、２０ 電力変換器、２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ ３レベルインバータ、４０ 蓄電要素、４１，４２ キャパシタ、１００，１０１ 電流抑制制御部、１１０ 極座標変換部、１２０ 二相座標変換部、１３０，１３１ 電圧指令振幅補正部、１４０ 振幅演算部、１４１，１４２ ローパスフィルタ、１４３，１４４，１７０ 乗算器、１４５ 加算器、１４６ 根号演算器、１５０ 振幅偏差演算部、１６０ リミッタ、１６１ 調整ゲイン乗算部、１７５，２１０ 減算器、１８０ 逆変換部、２００ 電圧自動調整器、２１５ 電力線、２２０ 主変圧器、２３０ 多重変圧器、２６０ 高圧電力線、Ｉｓｙｓ 交流電流、Ｋｃｍｐ 調整ゲイン、Ｋｌｍｔ リミットゲイン、Ｓｇ（１）～Ｓｇ（ｎ），Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗ オンオフ制御信号、ＴＲ（１）～ＴＲ（ｎ） 多重巻線、Ｖθ＊ 電圧位相指令値、Ｖθｂｓ 基準位相、Ｖｓｙｓ 交流電圧（連系点）、Ｖｄｂｓ，Ｖｑｂｓ 基準電圧指令値、ＶｄＦＢ，ＶｑＦＢ フィードバック電圧（連系点）、Ｖｄ＊，Ｖｑ＊ 電圧指令値、ＶｍｇＣ１ 第１の振幅補正量、ＶｍｇＣ２ 第２の振幅補正量、ＶｍｇＦＢ フィードバック振幅値、Ｖｍｇｂｓ 基準振幅値、Ｖｔ 判定値（連系点電圧低下）、Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊ 交流電圧指令値。

Claims (15)

1. 直流電力源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力するための、スイッチング素子を含んで構成された少なくとも１個の電力変換器と、
   前記電力変換器における電力変換を制御する制御装置とを備え、
   前記制御装置は、
   前記電力系統とは異なる周波数及び位相の交流電圧を出力する電圧源として前記電力変換器を動作させるための基準電圧指令値を生成する電圧制御部と、
   前記電力系統に対する前記電力変換器の連系点の交流電圧及び前記基準電圧指令値を用いて、前記電力変換器の電圧指令値を生成する電流抑制制御部と、
   前記電圧指令値に従って前記電力変換器の前記スイッチング素子のオンオフを制御するスイッチング制御部とを含み、
   前記電流抑制制御部は、
   前記連系点の交流電圧の低下に応じて、前記電圧指令値の振幅値を前記基準電圧指令値の振幅値よりも小さくするための第１の補正量を、前記連系点の前記交流電圧の振幅値を用いて演算する第１の補正演算部と、
   前記基準電圧指令値の振幅値に前記第１の補正量を反映して前記電圧指令値の振幅値を設定する振幅補正部とを有する、電力変換装置。
2. 前記第１の補正演算部は、前記連系点の交流電圧の振幅値が予め定められた判定値よりも大きいときには、前記第１の補正量をゼロに設定する、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１の補正演算部は、前記連系点の交流電圧の振幅値が予め定められた判定値以下のときには、前記基準電圧指令値の振幅値及び前記連系点の交流電圧の振幅値の差分に従って前記第１の補正量を設定する、請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記第１の補正演算部は、前記連系点の交流電圧の振幅値が予め定められた判定値よりも大きいときには基準電圧指令値の振幅に従って前記電圧指令値の振幅を設定する一方で、前記連系点の交流電圧の振幅が前記判定値以下であるときには、前記連系点の交流電圧の振幅に従って前記電圧指令値の振幅を設定する様に第１の補正量を演算する、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記電流抑制制御部は、
   前記電圧指令値の振幅値が前記基準電圧指令値の振幅値と同等に設定されるときに、前記連系点の交流電圧の振幅値に応じて第２の補正量を演算する第２の補正演算部を更に含み、
   前記振幅補正部は、前記基準電圧指令値の振幅値に前記第１及び第２の補正量を反映して前記電圧指令値の振幅値を設定する、請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記第２の補正演算部は、前記基準電圧指令値の振幅値に対する前記連系点の交流電圧の振幅値の偏差を補償する様に前記第２の補正量を演算する、請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記電圧指令値の位相は、前記基準電圧指令値の位相に従って設定される、請求項１～６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記電力変換器は、複数個配置され、
   前記複数個の電力変換器は、多重変圧器を介して前記電力系統に並列に接続され、
   前記制御装置は、前記電流抑制制御部によって生成された共通の前記電圧指令値に従って、前記複数個の電力変換器を並列に動作させる、請求項１～７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 直流電力源からの直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力するための、スイッチング素子を含んで構成された電力変換器の制御装置であって、
   前記電力系統とは異なる周波数及び位相の交流電圧を出力する電圧源として前記電力変換器を動作させるための基準電圧指令値を生成する電圧制御部と、
   前記電力系統に対する前記電力変換器の連系点の交流電圧及び前記基準電圧指令値を用いて、前記電力変換器の電圧指令値を生成する電流抑制制御部と、
   前記電圧指令値に従って前記電力変換器の前記スイッチング素子のオンオフを制御するスイッチング制御部とを備え、
   前記電流抑制制御部は、
   前記連系点の交流電圧の低下に応じて、前記電圧指令値の振幅値を前記基準電圧指令値の振幅値よりも小さくするための第１の補正量を、前記連系点の前記交流電圧の振幅値を用いて演算する第１の補正演算部と、
   前記基準電圧指令値の振幅値に前記第１の補正量を反映して前記電圧指令値の振幅値を設定する振幅補正部とを含む、制御装置。
10. 前記第１の補正演算部は、前記連系点の交流電圧の振幅値が予め定められた判定値よりも大きいときには、前記第１の補正量をゼロに設定する、請求項９記載の制御装置。
11. 前記第１の補正演算部は、前記連系点の交流電圧の振幅値が予め定められた判定値以下のときには、前記基準電圧指令値の振幅値及び前記連系点の交流電圧の振幅値の差分に従って前記第１の補正量を設定する、請求項９記載の制御装置。
12. 前記第１の補正演算部は、前記連系点の交流電圧の振幅値が予め定められた判定値よりも大きいときには基準電圧指令値の振幅に従って前記電圧指令値の振幅を設定する一方で、前記連系点の交流電圧の振幅が前記判定値以下であるときには、前記連系点の交流電圧の振幅に従って前記電圧指令値の振幅を設定する様に第１の補正量を演算する、請求項９～１１のいずれか１項に記載の制御装置。
13. 前記電流抑制制御部は、
    前記電圧指令値の振幅値が前記基準電圧指令値の振幅値と同等に設定されるときに、前記連系点の交流電圧の振幅値に応じて第２の補正量を演算する第２の補正演算部を更に含み、
    前記振幅補正部は、前記基準電圧指令値の振幅値に前記第１及び第２の補正量を反映して前記電圧指令値の振幅値を設定する、請求項９～１２のいずれか１項に記載の制御装置。
14. 前記第２の補正演算部は、前記基準電圧指令値の振幅値に対する前記連系点の交流電圧の振幅値の偏差を補償する様に前記第２の補正量を演算する、請求項１３記載の制御装置。
15. 前記電圧指令値の位相は、前記基準電圧指令値の位相に従って設定される、請求項９～１４のいずれか１項に記載の制御装置。

Images