JP7081777B2 - Grid interconnection Inverter system control system design method - Google Patents

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Description

本発明は、系統と該系統に対する電力供給源として動作する少なくとも1つのインバータとを備えた系統連系インバータシステムを制御するための制御系の設計方法に関する。 The present invention relates to a method for designing a control system for controlling a grid interconnection inverter system including a grid and at least one inverter operating as a power supply source for the grid.

近年、太陽電池や二次電池等から出力される直流電力をインバータによって50/60[Hz]の交流電力に変換し、変換後の電力を商用送配電系統(以下、単に「系統」という)に供給する非電力事業者や個人が急増している。このため、今日の系統には、多種多様なインバータが並列に接続されている。なお、本明細書では、系統と該系統に対する電力供給源として動作する少なくとも1つのインバータとを備えたものを、「系統連系インバータシステム」または単に「システム」と呼ぶ。 In recent years, DC power output from solar cells, secondary batteries, etc. is converted to 50/60 [Hz] AC power by an inverter, and the converted power is used as a commercial power transmission and distribution system (hereinafter, simply referred to as "system"). The number of non-electric power companies and individuals who supply electricity is increasing rapidly. For this reason, a wide variety of inverters are connected in parallel to today's systems. In this specification, a system including a system and at least one inverter operating as a power supply source for the system is referred to as a "system interconnection inverter system" or simply a "system".

個々のインバータに対して、エネルギー関数(例えば、リアプノフ関数)に基づいた制御等の安定性を考慮した好適な制御が適用される場合、システムの安定性は確保される。しかしながら、このような制御では、自由度の一部が安定性の確保のために使用される。このため、このような制御が適用されたインバータは、系統電力の正弦波形に対する応答性が悪いという問題があった。 The stability of the system is ensured when suitable control considering stability such as control based on an energy function (for example, Lyapunov function) is applied to each inverter. However, in such controls, some of the degrees of freedom are used to ensure stability. Therefore, the inverter to which such control is applied has a problem that the response to the sinusoidal waveform of the system power is poor.

この問題を解決するべく、本発明者らは、非特許文献1において、系統連系インバータシステムの制御系をフィードバック制御系とフィードフォワード制御系とで構成する手法を提案した。この手法によれば、フィードバック制御系で応答性を確保しながら、あてはめにより設計した伝達関数Hを用いたフィードフォワード制御系で安定性を確保することができる。 In order to solve this problem, the present inventors have proposed in Non-Patent Document 1 a method in which the control system of the grid-connected inverter system is composed of a feedback control system and a feed-forward control system. According to this method, it is possible to secure the stability in the feedforward control system using the transfer function H designed by fitting while ensuring the responsiveness in the feedback control system.

中嶌勇介,加藤利次,井上馨、「グリッド連系インバータシステムのフィードフォワード制御による安定化法の検討」、一般社団法人電気学会 半導体電力変換/モータドライブ合同研究会、SPC-17-014、2017年Yusuke Nakajima, Toshiji Kato, Kaoru Inoue, "Study of Stabilization Method by Feed Forward Control of Grid-Connected Inverter System", Institute of Electrical Engineers of Japan, Semiconductor Power Conversion / Motor Drive Joint Study Group, SPC-17-014, 2017 Year

しかしながら、上記従来の手法を適用しただけでは、実使用において考慮すべき周波数帯(10~数k[Hz])での安定性を十分に確保できない場合があった。 However, there are cases where sufficient stability in a frequency band (10 to several k [Hz]) that should be considered in actual use cannot be sufficiently ensured only by applying the above-mentioned conventional method.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、インバータの応答性およびシステムの安定性の両方を従来の手法よりも確実に確保することができる、系統連系インバータシステムの制御系の設計方法を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and the subject thereof is grid interconnection, which can ensure both the responsiveness of the inverter and the stability of the system more reliably than the conventional method. The purpose is to provide a method for designing a control system of an inverter system.

上記課題を解決するために、本発明に係る設計方法は、系統と該系統に対する電力供給源として動作する少なくとも1つのインバータとを備えた系統連系インバータシステムを制御するための、フィードバック制御系およびフィードフォワード制御系を含む制御系の設計方法であって、[1]フィードバック制御系を構成する正弦波補償器を設計する第1ステップと、[2]フィードフォワード制御系の伝達関数H(ただし、H=H^・F、iはこのステップの実行回数)を構成する2次以下の主特性部H^と該主特性部H^により伝達される信号の帯域を制限する2次以下のフィルタ特性部Fとをインバータが受動的となるように設計する第2ステップと、[3]第2ステップにおいてこれまでに設計された全ての伝達関数Hの組み合わせH+H+H+・・・によるフィードフォワード制御でインバータの受動化が達成されたか否かを判定する第3ステップと、[4]第3ステップにおいて受動化が達成されたと判定された場合は、伝達関数Hの組み合わせH+H+H+・・・をフィードフォワード制御系の最終的な伝達関数Hとして設計を終了し、第3ステップにおいて受動化が達成されなかったと判定された場合は、第2ステップを再度実行させる第4ステップと、を備えている。 In order to solve the above problems, the design method according to the present invention comprises a feedback control system and a feedback control system for controlling a grid interconnection inverter system including a grid and at least one inverter operating as a power supply source for the grid. It is a method of designing a control system including a feed-forward control system, in which [1] the first step of designing a sinusoidal compensator constituting the feedback control system and [2] the transmission function Hi of the feed-forward control system (however). , Hi = H ^ i · Fi , i limits the band of the signal transmitted by the secondary or lower main characteristic unit H ^ i and the main characteristic unit H ^ i constituting (the number of times this step is executed). A combination of the second step of designing the filter characteristic unit Fi of the second order or lower so that the inverter is passive, and [3 ] all the transfer functions H i designed so far in the second step H 1 + H. If it is determined in the third step of determining whether or not the pass-forwarding of the inverter has been achieved by the feedback control by 2 + H 3 + ..., and in the [4] third step, it is transmitted. When the design is completed with the combination of the functions H i H 1 + H 2 + H 3 + ... as the final transfer function H of the feedback control system, and it is determined that the passivation was not achieved in the third step, it is determined. It includes a fourth step in which the second step is executed again.

上記設計方法は、第1ステップにおいて、正弦波補償器を最適制御法により設計する、との構成を有していてもよい。 The above design method may have a configuration in which the sine wave compensator is designed by the optimum control method in the first step.

また、上記設計方法は、第2ステップにおいて、主特性部H^およびフィルタ特性部Fをあてはめにより設計する、との構成を有していてもよい。なお、設計されるフィルタ特性部Fは、1次のローパスフィルタ、1次のハイパスフィルタおよび2次のバンドパスフィルタのいずれかであってもよいし、1次の第1フィルタ特性部Fi1および1次の第2フィルタ特性部Fi2の積Fi1・Fi2であってもよい。 Further, the above design method may have a configuration in which the main characteristic unit H ^ i and the filter characteristic unit Fi are designed by fitting in the second step. The designed filter characteristic unit Fi may be either a primary low-pass filter, a primary high-pass filter, or a secondary band-pass filter, or the primary first filter characteristic unit Fi1 . And the product Fi1 and Fi2 of the first-order second filter characteristic unit Fi2 may be used.

また、上記設計方法は、第3ステップにおいて、インバータの出力アドミタンスYoの位相が-90[°]~+90[°]の範囲に収まっている場合に受動化が達成されたと判定する、との構成を有していてもよい。 Further, the above design method determines that the passivation is achieved when the phase of the output admittance Yo of the inverter is within the range of −90 [ ° ] to +90 [°] in the third step. It may have a configuration.

本発明によれば、インバータの応答性およびシステムの安定性の両方を従来の手法よりも確実に確保することができる、系統連系インバータシステムの制御系の設計方法を提供することができる。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, it is possible to provide a method for designing a control system of a grid-connected inverter system, which can ensure both the responsiveness of the inverter and the stability of the system more reliably than the conventional method.

系統連系インバータシステムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the grid interconnection inverter system. 図1に示す系統連系インバータシステムに備えられたインバータの一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the inverter provided in the grid interconnection inverter system shown in FIG. 図1に示す系統連系インバータシステムの等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the grid interconnection inverter system shown in FIG. 図1に示す系統連系インバータシステムの別の等価回路図である。It is another equivalent circuit diagram of the grid interconnection inverter system shown in FIG. 図1に示す系統連系インバータシステムのさらに別の等価回路図である。It is still another equivalent circuit diagram of the grid interconnection inverter system shown in FIG. 本発明に係る設計方法によって設計された制御系のブロック図である。It is a block diagram of the control system designed by the design method which concerns on this invention. 本発明に係る設計方法のフロー図である。It is a flow chart of the design method which concerns on this invention. インバータの出力アドミタンスYをYfbとした場合の、出力アドミタンスYの振幅特性および位相特性を示すグラフである。It is a graph which shows the amplitude characteristic and the phase characteristic of the output admittance Yo when the output admittance Yo of an inverter is Y fb . インバータの出力アドミタンスYをYfb+Yff1とした場合の、出力アドミタンスYの振幅特性および位相特性を示すグラフである。It is a graph which shows the amplitude characteristic and the phase characteristic of the output admittance Yo when the output admittance Yo of an inverter is Y fb + Y ff1 . インバータの出力アドミタンスYをYfb+Yff1+Yff2とした場合の、出力アドミタンスYの振幅特性および位相特性を示すグラフである。It is a graph which shows the amplitude characteristic and the phase characteristic of the output admittance Yo when the output admittance Yo of an inverter is Y fb + Y ff1 + Y ff2 . インバータの出力アドミタンスYをYfb+Yff1+Yff2とした場合の、連係点電圧およびインバータ出力電流を示すグラフである。It is a graph which shows the linkage point voltage and the inverter output current when the output admittance Yo of an inverter is Y fb + Y ff1 + Y ff2 .

以下、添付図面を参照しつつ、本発明に係る系統連系インバータシステムの制御系の設計方法について説明する。 Hereinafter, the design method of the control system of the grid interconnection inverter system according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

(系統連系インバータシステムの構成および安定性)
図1に、本発明に係る設計方法によって設計された制御系によって制御される系統連系インバータシステム1を示す。同図に示すように、系統連系インバータシステム1は、系統インダクタ3を有する系統2と該系統2に対して並列に接続されたN台(ただし、Nは1以上の整数)のインバータ(第1インバータINV,第2インバータINV,・・・,第NインバータINV)とを備えている。各インバータINV,INV,・・・,INVは、系統2に対する電力供給源として動作する。
(Configuration and stability of grid-connected inverter system)
FIG. 1 shows a grid interconnection inverter system 1 controlled by a control system designed by the design method according to the present invention. As shown in the figure, the grid interconnection inverter system 1 is an inverter (where N is an integer of 1 or more) connected in parallel to the grid 2 having the grid inductor 3 and the grid 2 (where N is an integer of 1 or more). It is equipped with 1 inverter INV 1 , 2nd inverter INV 2 , ..., Nth inverter INV N ). Each of the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N operates as a power supply source for the system 2.

系統2の一端を基準としたときの他端の電位はVであり、系統連系点4の一方を基準としたときの他方の電位はVgcである。また、系統インダクタ3のインダクタンスはLである。 The potential of the other end when one end of the system 2 is used as a reference is V s , and the potential of the other end when one of the system interconnection points 4 is used as a reference is V gc . Further, the inductance of the system inductor 3 is L s .

図2に示すように、第1インバータINVは、直流電源5と、単相ブリッジ6を構成する4つのスイッチ素子SW,SW,SW,SWと、単相ブリッジ6の出力側に設けられたLCL形のフィルタ7と、系統連系点4に接続される出力端子11,11とを備えている。フィルタ7は、出力電流(後述する電流IL2)の高調波を抑制するためのもので、第1インダクタ8と、第2インダクタ9と、キャパシタ10とを含んでいる。また、スイッチ素子SW,SW,SW,SWは、不図示の制御部によってオン/オフが制御されるよう構成されている。 As shown in FIG. 2, the first inverter INV 1 has a DC power supply 5, four switch elements SW 1 , SW 2 , SW 3 , and SW 4 constituting the single-phase bridge 6, and an output side of the single-phase bridge 6. The LCL type filter 7 provided in the above and the output terminals 11 and 11 connected to the grid interconnection point 4 are provided. The filter 7 is for suppressing harmonics of an output current (current IL2 described later), and includes a first inductor 8, a second inductor 9, and a capacitor 10. Further, the switch elements SW 1 , SW 2 , SW 3 , and SW 4 are configured to be turned on / off by a control unit (not shown).

直流電源5が出力する電圧をEとすると、単相ブリッジ6の出力電圧はuE(ただし、指令値uは、-1≦u≦1)となる。第1インダクタ8を流れる電流はIL1、第2インダクタ9を流れる電流はIL2、キャパシタ10に発生する電圧はvである。また、第1インダクタ8のインダクタンスはL、第2インダクタ9のインダクタンスはL、キャパシタ10のキャパシタンスはCである。電流IL2は、第1インバータINVの出力電流となる。 Assuming that the voltage output by the DC power supply 5 is E, the output voltage of the single-phase bridge 6 is uE (however, the command value u is -1≤u≤1). The current flowing through the first inductor 8 is IL1 , the current flowing through the second inductor 9 is IL2 , and the voltage generated in the capacitor 10 is v c . Further, the inductance of the first inductor 8 is L 1 , the inductance of the second inductor 9 is L 2 , and the capacitance of the capacitor 10 is C. The current IL2 is the output current of the first inverter INV 1 .

他のインバータINV,・・・,第NインバータINVも第1インバータINVと同様の構成を有している。しかしながら、これは単なる一例であって、インバータINV,INV,・・・,INVの構成は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。 The other inverters INV 2 , ..., Nth inverter INV N also have the same configuration as the first inverter INV 1 . However, this is only an example, and the configurations of the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N may be the same or different.

系統連系インバータシステム1は、図3に示す等価回路で表すことができる。つまり、各インバータINV,INV,・・・,INVは、電流源I(ただし、j=1,2,・・・,N)と出力アドミタンスY(ただし、j=1,2,・・・,N)のノートンの回路で表すことができる。また、系統側は、系統インピーダンスZ(ただし、Z=jωL)と電圧源Vのテブナンの回路で表すことができる。 The grid interconnection inverter system 1 can be represented by the equivalent circuit shown in FIG. That is, each inverter INV 1 , INV 2 , ..., INV N has a current source I j (however, j = 1, 2, ..., N) and an output admittance Y j (however, j = 1, 2). , ..., can be represented by the Norton circuit of N). Further, the system side can be represented by a circuit of the system impedance Z s (however, Z s = jωL s ) and the Thevenin circuit of the voltage source V s .

図3に示す等価回路は、図4に示す等価回路に書き換えることもできる。ただし、Yは、全インバータINV,INV,・・・,INVの出力アドミタンスY,Y,・・・,Yの和である。また、Iは、全インバータINV,INV,・・・,INVの電流I,I,・・・,Iが出力する電流の和である。 The equivalent circuit shown in FIG. 3 can be rewritten to the equivalent circuit shown in FIG. However, Yo is the sum of the output admittances Y 1 , Y 2 , ..., Y N of all inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N. Further, I o is the sum of the currents output by the currents I 1 , I 2 , ..., IN of all the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N.

ここで、図4に示す等価回路では、周波数領域において次式が成立する。

Figure 0007081777000001
式(1)の右辺の分母にナイキストの安定判別法を適用することにより、「出力アドミタンスYの位相が-90[°]~+90[°]の範囲内に収まっていれば、系統連系インバータシステム1は安定である」との条件を導き出すことができる。なお、系統連系インバータシステム1が安定であることと、系統2に接続されたインバータINV,INV,・・・,INVが全体として受動的であることとは等価である。 Here, in the equivalent circuit shown in FIG. 4, the following equation holds in the frequency domain.
Figure 0007081777000001
By applying Nyquist's stability determination method to the denominator on the right side of equation (1), "if the phase of the output admittance Yo is within the range of -90 [ ° ] to +90 [°], the system interconnection The condition that "the inverter system 1 is stable" can be derived. It should be noted that the stability of the grid-connected inverter system 1 is equivalent to the fact that the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N connected to the grid 2 are passive as a whole.

(系統連系インバータシステムの状態方程式)
図1および図2に示す系統連系インバータシステム1の連続系における状態方程式は、状態変数をxとすると、以下の通りとなる。

Figure 0007081777000002
ただし、連続系システム行列A、連続系入力ベクトルb、連続系出力ベクトルcおよび連続系外乱ベクトルhは、式(3)の通りである。
Figure 0007081777000003
(Equation of state of grid interconnection inverter system)
The equation of state in the continuous system of the grid interconnection inverter system 1 shown in FIGS. 1 and 2 is as follows, where x is the state variable.
Figure 0007081777000002
However, the continuous system matrix A c , the continuous system input vector b c , the continuous system output vector c c , and the continuous system disturbance vector h c are as shown in Eq. (3).
Figure 0007081777000003

これをサンプリング周期T[s]で離散化すると、式(4)が得られる。

Figure 0007081777000004
ただし、離散系システム行列A、離散系入力ベクトルb、離散系出力ベクトルcおよび離散系外乱ベクトルhは、式(5)の通りである。
Figure 0007081777000005
When this is discretized by the sampling period T s [s], the equation (4) is obtained.
Figure 0007081777000004
However, the discrete system matrix A, the discrete system input vector b, the discrete system output vector c, and the discrete system disturbance vector h are as shown in Eq. (5).
Figure 0007081777000005

(系統連系インバータシステムの制御系の設計方法)
本発明に係る設計方法は、全体として受動的となるようにインバータINV,INV,・・・,INVを制御する制御系を設計する方法である。本発明に係る設計方法によって設計された制御系は、応答性を確保するためのフィードバック制御系による出力アドミタンスYfbと、受動性(すなわち、系統連系インバータシステム1の安定性)を確保するためのフィードフォワード制御系による出力アドミタンスYffとの和によって出力アドミタンスYが表されるように、インバータINV,INV,・・・,INVを制御する。したがって、本発明を適用する場合、系統連系インバータシステム1の等価回路は、図5に示す通りとなる。この等価回路では、次式が成立する。

Figure 0007081777000006
(System interconnection Inverter system control system design method)
The design method according to the present invention is a method of designing a control system for controlling inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N so as to be passive as a whole. The control system designed by the design method according to the present invention is for ensuring the output admittance Y fb by the feedback control system for ensuring responsiveness and the passivity (that is, the stability of the grid interconnection inverter system 1). The inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N are controlled so that the output admitance Yo is represented by the sum of the output admitance Y ff by the feedforward control system of. Therefore, when the present invention is applied, the equivalent circuit of the grid interconnection inverter system 1 is as shown in FIG. In this equivalent circuit, the following equation holds.
Figure 0007081777000006

また、本発明に係る設計方法によって設計された制御系は、特許文献1に記載の従来の手法とは異なり、出力アドミタンスYffが複数の出力アドミタンスYff1,Yff2・・・,YffM(ただし、Mは2以上の整数)の和によって表されるように、インバータINV,INV,・・・,INVを制御する。したがって、式(6)は、式(7)のように書き換えることができる。

Figure 0007081777000007
Further, the control system designed by the design method according to the present invention is different from the conventional method described in Patent Document 1, and has a plurality of output admittances Y ff1 , Y ff2 ... , Y ffM ( However, M controls the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N so as to be represented by the sum of 2 or more). Therefore, the equation (6) can be rewritten as the equation (7).
Figure 0007081777000007

図6に、本発明に係る設計方法によって設計された制御系を示す。同図に示すように、この制御系は、主回路部およびデジタル回路部で構成されている。本発明に係る設計方法は、この制御系のうち、特に、フィードバック制御系を構成する正弦波補償器の伝達関数Gおよび状態フィードバック係数ベクトルfと、フィードフォワード制御系の伝達関数Hとを設計する。なお、図中のiは、正弦波基準波形である。また、正弦波補償器の伝達関数Gは、次式で表される。ただし、式(8)中のk,kは、制御ゲインである。

Figure 0007081777000008
FIG. 6 shows a control system designed by the design method according to the present invention. As shown in the figure, this control system is composed of a main circuit section and a digital circuit section. The design method according to the present invention specifically designs the transfer function G and the state feedback coefficient vector f of the sinusoidal compensator constituting the feedback control system and the transfer function H of the feed forward control system among the control systems. .. In addition, ir in the figure is a sine wave reference waveform. The transfer function G of the sine wave compensator is expressed by the following equation. However, k 1 and k 2 in the equation (8) are control gains.
Figure 0007081777000008

図6に示した制御系では、周波数領域において以下の状態方程式が成立する。

Figure 0007081777000009
これを整理すると、式(10)が得られる。
Figure 0007081777000010
したがって、インバータINV,INV,・・・,INVの出力アドミタンスY、YfbおよびYffは、以下の通りとなる。
Figure 0007081777000011
Figure 0007081777000012
In the control system shown in FIG. 6, the following equation of state holds in the frequency domain.
Figure 0007081777000009
By rearranging this, the equation (10) is obtained.
Figure 0007081777000010
Therefore, the output admittances Yo, Y fb , and Y ff of the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N are as follows.
Figure 0007081777000011
Figure 0007081777000012

上記の通り、本発明に係る設計方法によって設計された制御系は、フィードフォワード制御系による出力アドミタンスYffが複数の出力アドミタンスYff1,Yff2・・・,YffMの和によって表されるように、インバータINV,INV,・・・,INVを制御する。このため、式(12)中の伝達関数Hは、式(13)のように書き換えることができる。

Figure 0007081777000013
As described above, in the control system designed by the design method according to the present invention, the output admittance Y ff by the feedforward control system is represented by the sum of a plurality of output admittances Y ff1 , Y ff2 ..., Y ffM . Inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N are controlled. Therefore, the transfer function H in the equation (12) can be rewritten as in the equation (13).
Figure 0007081777000013

本発明に係る設計方法は、式(13)中の伝達関数Hを2次以下の主特性部H^と該主特性部H^により伝達される信号の帯域を制限する2次以下のフィルタ特性部Fとの積により構成する。他の伝達関数H,H・・・,Hについても同様である。したがって、本発明に係る設計方法によって設計された制御系では、次式が成立する。ただし、i=1,2,・・・,Mである。

Figure 0007081777000014
In the design method according to the present invention, the transfer function H 1 in the equation (13) is the second or lower order limiting the band of the signal transmitted by the main characteristic section H ^ 1 of the second order or lower and the main characteristic section H ^ 1 . It is composed of the product of the filter characteristic unit F1 of the above. The same applies to the other transfer functions H 2 , H 3 ..., HM . Therefore, in the control system designed by the design method according to the present invention, the following equation holds. However, i = 1, 2, ..., M.
Figure 0007081777000014

ここで、主特性部H^は、例えば、次式のような形式を有している。ただし、a,a,a,b,bは、あてはめにより決定される係数である。

Figure 0007081777000015
Here, the main characteristic unit H ^ i has, for example, the following equation. However, a 0 , a 1 , a 2 , b 1 , and b 2 are coefficients determined by fitting.
Figure 0007081777000015

また、フィルタ特性部Fは、例えば、次式のような形式を有した1次のローパスフィルタまたは1次のハイパスフィルタである。ただし、c,c,dは、あてはめにより決定される係数である。

Figure 0007081777000016
フィルタ特性部Fは、1次のローパスフィルタFiLと1次のハイパスフィルタFiHとの積で表される2次のバンドパスフィルタFiL・FiHであってもよい。 Further, the filter characteristic unit Fi is, for example, a first-order low-pass filter or a first-order high-pass filter having a format as shown in the following equation. However, c 0 , c 1 , and d 1 are coefficients determined by fitting.
Figure 0007081777000016
The filter characteristic unit Fi may be a second-order bandpass filter FiL / FiH represented by the product of a first-order low-pass filter FiL and a first -order high-pass filter FiH .

図7に、本発明に係る設計方法のフロー図を示す。同図に示すように、本発明に係る設計方法は、第1ステップS1~第6ステップS6で構成されている。 FIG. 7 shows a flow chart of the design method according to the present invention. As shown in the figure, the design method according to the present invention comprises the first step S1 to the sixth step S6.

第1ステップS1では、フィードバック制御系を構成する正弦波補償器を最適制御法等の既知の手法により設計する。より詳しくは、第1ステップS1では、状態フィードバック係数ベクトルfおよび式(8)中の制御ゲインk,kを決定する。 In the first step S1, the sine wave compensator constituting the feedback control system is designed by a known method such as an optimum control method. More specifically, in the first step S1, the state feedback coefficient vector f and the control gains k 1 and k 2 in the equation (8) are determined.

第2ステップS2では、変数iを初期値である1に設定する。 In the second step S2, the variable i is set to 1, which is the initial value.

第3ステップS3では、フィードフォワード制御系の伝達関数Hを設計する。より詳しくは、第3ステップS3では、インバータINV,INV,・・・,INVが全体として受動的となるように、主特性部H^に含まれる係数a,a,a,b,bをあてはめにより決定するとともに、主特性部H^によって伝達される信号の帯域を部分的に制限するフィルタ特性部Fに含まれる係数c,c,dをあてはめにより決定する。例えば、主特性部H^によって伝達される信号の高域部分に受動化を妨げる要素がある場合は、フィルタ特性部Fがローパスフィルタとなるように係数c,c,dを決定し、主特性部H^によって伝達される信号の低域部分に受動化を妨げる要素がある場合は、フィルタ特性部Fがハイパスフィルタとなるように係数c,c,dを決定する。また、主特性部H^によって伝達される信号の高域部分および低域部分に受動化を妨げる要素がある場合は、フィルタ特性部F=F1L・F1HがバンドパスフィルタとなるようにF1LおよびF1Hの係数c,c,dを決定する。 In the third step S3, the transfer function H1 of the feedforward control system is designed. More specifically, in the third step S3, the coefficients a 0 , a 1 , a included in the main characteristic unit H ^ 1 so that the inverters INV 1 , INV 2 , ..., INV N are passive as a whole. 2 , b 1 , b 2 are determined by fitting, and the coefficients c 0 , c 1 , d 1 included in the filter characteristic unit F 1 that partially limits the band of the signal transmitted by the main characteristic unit H ^ 1 . Is determined by fitting. For example, if there is an element that hinders passivation in the high frequency part of the signal transmitted by the main characteristic part H ^ 1 , the coefficients c 0 , c 1 , d 1 are set so that the filter characteristic part F 1 becomes a low-pass filter. If there is an element that hinders passivation in the low frequency part of the signal transmitted by the main characteristic part H ^ 1 , the coefficients c 0 , c 1 , d 1 so that the filter characteristic part F 1 becomes a high-pass filter. To determine. Further, when there is an element that hinders passivation in the high frequency portion and the low frequency portion of the signal transmitted by the main characteristic unit H ^ 1 , the filter characteristic unit F 1 = F 1L・ F 1H becomes a bandpass filter. The coefficients c 0 , c 1 , and d 1 of F 1L and F 1H are determined.

第4ステップS4では、前述の安定性確認手法により、伝達関数H(=H^・F)によるフィードフォワード制御で受動化が達成されたか否かを判定する。ここで、2次以下の比較的シンプルな主特性部H^およびフィルタ特性部Fの組み合わせでは、係数をどのように選択してもインバータINV,INV,・・・,INVの十分な受動化が達成できない場合があり得る。このような場合、本発明に係る設計方法では、変数iに1を加算し、フィードフォワード制御系の伝達関数Hを設計する(第5ステップS5および第3ステップS3参照)。一方、受動化が達成できた場合は、伝達関数Hを最終的な伝達関数Hとして、設計を終了する(第6ステップS6参照)。 In the fourth step S4, it is determined by the above-mentioned stability confirmation method whether or not pass-forward control is achieved by feedforward control by the transfer function H 1 (= H ^ 1 · F 1 ). Here, in the combination of the relatively simple main characteristic part H ^ 1 and the filter characteristic part F1 of the second order or less, the inverters INV 1, INV 2 , ... , INV N , no matter how the coefficient is selected, Sufficient invoice may not be achieved. In such a case, in the design method according to the present invention, 1 is added to the variable i to design the transfer function H2 of the feedforward control system (see the fifth step S5 and the third step S3). On the other hand, if the passivation can be achieved, the transfer function H 1 is set as the final transfer function H, and the design is completed (see the sixth step S6).

なお、第3ステップS3で設計する主特性部H^およびフィルタ特性部Fを3次以上の高次なものとすれば、第4ステップS4で受動化が達成できていないとの判定がなされることをある程度防ぐことができる。しかしながら、3次以上の主特性部H^およびフィルタ特性部Fを使用することは、第3ステップS3における計算が非常に複雑化するので、現実的ではない。 If the main characteristic unit H ^ 1 and the filter characteristic unit F1 designed in the third step S3 are of higher order than the third order, it is determined that the passivation cannot be achieved in the fourth step S4. It can be prevented to some extent from being done. However, it is not realistic to use the third-order or higher main characteristic unit H ^ 1 and the filter characteristic unit F 1 because the calculation in the third step S3 becomes very complicated.

2回目に実行される第4ステップS4では、伝達関数H+Hによるフィードフォワード制御で受動化が達成されたか否かを判定する。また、3回目に実行される第4ステップS4では、伝達関数H+H+Hによるフィードフォワード制御で受動化が達成されたか否かを判定する。このように、第4ステップS4では、これまでに設計された全ての伝達関数Hの組み合わせH+H+H+・・・によるフィードフォワード制御で受動化が達成されたか否かを判定する。 In the fourth step S4 executed for the second time, it is determined whether or not pass-forward control is achieved by the feedforward control by the transfer function H 1 + H 2 . Further, in the fourth step S4 executed for the third time, it is determined whether or not the passforwarding is achieved by the feedforward control by the transfer function H 1 + H 2 + H 3 . In this way, in the fourth step S4, it is determined whether or not the passforwarding is achieved by the feedforward control by the combination H 1 + H 2 + H 3 + ... Of all the transfer functions Hi designed so far. ..

第3ステップS3、第4ステップS4および第5ステップS5は、第4ステップS4において受動化が達成されたとの判定がなされるまで繰り返し実行される。 The third step S3, the fourth step S4, and the fifth step S5 are repeatedly executed until it is determined in the fourth step S4 that the passivation has been achieved.

(具体的な設計例)
続いて、本発明に係る設計方法による具体的な設計例について説明する。なお、本例では、系統2に1台のインバータ(第1インバータINV)が接続されているものとする。また、本例では、第1インバータINV等の回路パラメータを表1の通りとする。

Figure 0007081777000017
(Specific design example)
Subsequently, a specific design example according to the design method according to the present invention will be described. In this example, it is assumed that one inverter (first inverter INV 1 ) is connected to the system 2. Further, in this example, the circuit parameters of the first inverter INV 1 and the like are as shown in Table 1.
Figure 0007081777000017

最初に、図7に示したフローにしたがい、最適制御法により状態フィードバック係数ベクトルfおよび制御ゲインk,kを決定する(第1ステップS1)。その結果を表2に示す。

Figure 0007081777000018
First, according to the flow shown in FIG. 7, the state feedback coefficient vectors f and the control gains k1 and k2 are determined by the optimum control method ( first step S1). The results are shown in Table 2.
Figure 0007081777000018

図8に、出力アドミタンスY=Yfbとした場合(すなわち、YfbにYffを加算しない場合)の、出力アドミタンスYの振幅特性および位相特性を示す。同図に示すように、出力アドミタンスY(=Yfb)の位相は、50[Hz]近傍において急激に変化して90[°]を超える。このことは、第1インバータINVが受動的ではないことを示している。つまり、このことは、系統インピーダンスZによっては系統連系インバータシステム1が安定ではない場合があることを示している。 FIG. 8 shows the amplitude characteristic and the phase characteristic of the output admittance Yo when the output admittance Yo = Y fb ( that is, when Y ff is not added to Y fb ). As shown in the figure, the phase of the output admittance Yo (= Y fb ) changes abruptly in the vicinity of 50 [Hz] and exceeds 90 [°]. This indicates that the first inverter INV 1 is not passive. That is, this indicates that the grid interconnection inverter system 1 may not be stable depending on the grid impedance Z s .

そこで、これを修正するべく、式(17)のような特性を有する出力アドミタンスYff1に対応する伝達特性H(=H^・F)を設計する(第3ステップS3)。ただし、式(17)中のR、LおよびCの値は、問題となっている帯域において出力アドミタンスYff1の影響がもっとも大きくなるように設定した(表3参照)。

Figure 0007081777000019
Figure 0007081777000020
Therefore, in order to correct this, a transmission characteristic H 1 (= H ^ 1 · F 1 ) corresponding to the output admittance Y ff1 having a characteristic as shown in the equation (17) is designed (third step S3). However, the values of R d , L d , and C d in the equation (17) are set so that the influence of the output admittance Y ff1 is the largest in the band in question (see Table 3).
Figure 0007081777000019
Figure 0007081777000020

あてはめにより決定した主特性部H^およびフィルタ特性部F(ローパスフィルタ)の係数は表4および表5に示す通りである。

Figure 0007081777000021
Figure 0007081777000022
The coefficients of the main characteristic section H ^ 1 and the filter characteristic section F 1 (low-pass filter) determined by fitting are as shown in Tables 4 and 5.
Figure 0007081777000021
Figure 0007081777000022

図9に、出力アドミタンスY=Yfb+Yff1とした場合の、出力アドミタンスYの振幅特性および位相特性を示す。これらは、出力アドミタンスYff1を追加することにより大幅に改善されたものの、依然として受動化が達成できていない帯域(50~60[Hz])が存在していることを示している(第4ステップS4の判定の結果が“No”)。 FIG. 9 shows the amplitude characteristic and the phase characteristic of the output admittance Yo when the output admittance Yo = Y fb + Y ff1 . These indicate that there is a band (50-60 [Hz]) for which passivation has not yet been achieved, although it has been greatly improved by adding the output admittance Y ff1 (4th step). The result of the determination in S4 is "No").

そこで、この帯域における受動化を達成するべく、出力アドミタンスYff2に対応する伝達特性H(=H^・F2L・F2H)を設計する(2回目の第3ステップS3)。表6、表7および表8に、あてはめにより決定した主特性部H^、フィルタ特性部F2L(ローパスフィルタ)およびフィルタ特性部F2H(ハイパスフィルタ)の係数を示す。

Figure 0007081777000023
Figure 0007081777000024
Figure 0007081777000025
Therefore, in order to achieve passivation in this band, the transmission characteristic H 2 (= H ^ 2 · F 2L · F 2H ) corresponding to the output admittance Y ff2 is designed (second third step S3). Tables 6, 7 and 8 show the coefficients of the main characteristic part H ^ 2 , the filter characteristic part F 2L (low-pass filter) and the filter characteristic part F 2H (high-pass filter) determined by fitting.
Figure 0007081777000023
Figure 0007081777000024
Figure 0007081777000025

図10に、出力アドミタンスY=Yfb+Yff1+Yff2とした場合の、出力アドミタンスYの振幅特性および位相特性を示す。これらは、出力アドミタンスYff2をさらに追加することにより、全ての帯域において受動化が達成できたことを示している(第4ステップS4の判定の結果が“Yes”)。 FIG. 10 shows the amplitude characteristic and the phase characteristic of the output admittance Yo when the output admittance Yo = Y fb + Y ff1 + Y ff2 . These indicate that passivation could be achieved in all bands by further adding the output admittance Y ff2 (the result of the determination in the fourth step S4 is “Yes”).

最後に、図6に示す制御系における伝達関数HをH+H+Hとする(第6ステップS6)。 Finally, the transfer function H in the control system shown in FIG. 6 is H 1 + H 2 + H 3 (sixth step S6).

図11に示すように、このようにして設計された制御系によって制御された第1インバータINVは、応答性に関しても良好な特性を示す。 As shown in FIG. 11, the first inverter INV 1 controlled by the control system designed in this way also exhibits good characteristics in terms of responsiveness.

以上、本発明に係る系統連系インバータシステムの制御系の設計方法について説明してきたが、本発明は上記の構成に限定されるものではなく、種々の変形が含まれることはいうまでもない。 Although the method for designing the control system of the grid interconnection inverter system according to the present invention has been described above, the present invention is not limited to the above configuration, and it goes without saying that various modifications are included.

1 系統連系インバータシステム
2 系統
3 系統インダクタ
4 系統連系点
5 直流電源
6 単相ブリッジ
7 フィルタ
8 第1インダクタ
9 第2インダクタ
10 キャパシタ
11 出力端子
INV,INV,・・・,INV インバータ
SW,SW,SW,SW スイッチ
1 grid interconnection Inverter system 2 grid 3 grid inductor 4 grid interconnection point 5 DC power supply 6 single-phase bridge 7 filter 8 1st inductor 9 2nd inductor 10 capacitor 11 output terminal INV 1 , INV 2 , ..., INV N Inverter SW 1 , SW 2 , SW 3 , SW 4 switch

Claims (6)

系統と該系統に対する電力供給源として動作する少なくとも1つのインバータとを備えた系統連系インバータシステムを制御するための、フィードバック制御系およびフィードフォワード制御系を含む制御系の設計方法であって、
前記フィードバック制御系を構成する正弦波補償器を設計する第1ステップと、
前記フィードフォワード制御系の伝達関数H(ただし、H=H^・F、iは当ステップの実行回数)を構成する2次以下の主特性部H^と該主特性部H^により伝達される信号の帯域を制限する2次以下のフィルタ特性部Fとを前記インバータが受動的となるように設計する第2ステップと、
前記第2ステップにおいてこれまでに設計された全ての前記伝達関数Hの組み合わせH+H+H+・・・によるフィードフォワード制御で前記インバータの受動化が達成されたか否かを判定する第3ステップと、
前記第3ステップにおいて前記受動化が達成されたと判定された場合は、前記伝達関数Hの組み合わせH+H+H+・・・を前記フィードフォワード制御系の最終的な伝達関数Hとして設計を終了し、前記第3ステップにおいて前記受動化が達成されなかったと判定された場合は、第2ステップを再度実行させる第4ステップと、
を備えたことを特徴とする設計方法。
A method for designing a control system including a feedback control system and a feedforward control system for controlling a grid interconnection inverter system including a grid and at least one inverter operating as a power supply source for the grid.
The first step of designing the sine wave compensator constituting the feedback control system and
The secondary or lower main characteristic unit H ^ i and the main characteristic unit H constituting the transfer function Hi of the feedforward control system (however, Hi = H ^ i · Fi , i is the number of executions of this step). The second step of designing the second or lower filter characteristic unit Fi that limits the band of the signal transmitted by ^ i so that the inverter is passive, and
In the second step, it is determined whether or not the pass-forwarding of the inverter is achieved by the feedforward control by the combination H 1 + H 2 + H 3 + ... Of all the transfer functions Hi designed so far. 3 steps and
When it is determined that the passivation has been achieved in the third step, the combination H 1 + H 2 + H 3 + ... Of the transfer function Hi is designed as the final transfer function H of the feedforward control system. If it is determined that the passivation was not achieved in the third step, the fourth step of re-executing the second step and
A design method characterized by being equipped with.
前記第1ステップにおいて、前記正弦波補償器を最適制御法により設計する
ことを特徴とする請求項1に記載の設計方法。
The design method according to claim 1, wherein in the first step, the sine wave compensator is designed by an optimum control method.
前記第2ステップにおいて、前記主特性部H^および前記フィルタ特性部Fをあてはめにより設計する
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の設計方法。
The design method according to claim 1 or 2, wherein in the second step, the main characteristic unit H ^ i and the filter characteristic unit Fi are designed by fitting.
前記フィルタ特性部Fが、1次のローパスフィルタ、1次のハイパスフィルタまたは2次のバンドパスフィルタである
ことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の設計方法。
The design method according to any one of claims 1 to 3, wherein the filter characteristic unit Fi is a first-order low-pass filter, a first-order high-pass filter, or a second-order bandpass filter. ..
前記フィルタ特性部Fが、1次の第1フィルタ特性部Fi1および1次の第2フィルタ特性部Fi2の積Fi1・Fi2である
ことを特徴とする請求項1~請求項3のいずれか一項に記載の設計方法。
Claims 1 to 3 are characterized in that the filter characteristic unit Fi is a product Fi1 and Fi2 of a primary first filter characteristic unit Fi1 and a primary second filter characteristic unit Fi2 . The design method according to any one of the above.
前記第3ステップにおいて、前記インバータの出力アドミタンスYoの位相が-90[°]~+90[°]の範囲に収まっている場合に前記受動化が達成されたと判定する
ことを特徴とする請求項1~請求項5のいずれか一項に記載の設計方法。
The third step is characterized in that it is determined that the passivation is achieved when the phase of the output admittance Yo of the inverter is within the range of −90 [ ° ] to +90 [°]. The design method according to any one of claims 1 to 5.
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