JP7136368B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この出願は、電力系統と連系される電力変換装置に関する。

従来、例えば日本特許第６３９２７０８号に記載されているように、ＰＬＬ回路（位相同期回路）を備える電力変換装置が知られている。上記文献の段落００３３によれば、ＰＬＬ回路の入力信号と出力信号との間の位相差Δθが算出される。ＰＬＬ回路で検出される電圧位相に対して、位相差Δθがフィードフォワード制御量として加算される。これにより電流フィードバック制御系が安定化されている。

日本特許第６３９２７０８号

電力変換回路は、交流電力を直流電力に変換する交直変換とその逆の直交変換とを実行可能である。交直変換は、系統交流電力から充電用直流電力を作り出す充電運転モードとしても利用される。

系統連系運転中に系統擾乱が発生することで、系統電圧位相が急変することがある。系統擾乱に対して制御が追従できないと、上記の交直変換が意図せずに発生する可能性がある。その結果、例えば電力変換回路の直流側に設けられた直流キャパシタが意図せずに充電されることで過電圧が生じるなどの問題があった。

日本特許第６３９２７０８号の技術は、位相差がある程度大きい場合のみならず位相差が小さい場合もフィードフォワード補正が実行されうるものであり、その補正量はＰＬＬ回路の入力信号と出力信号との間の位相差Δθで決定されている。一方、系統擾乱による急な位相変化は、既存のＰＬＬ回路のみでは追従しきれないほどに急な変化となりうる。この点について従来の技術は十分に検討が行われておらず、未だ改良の余地が残されていた。

本出願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、系統電圧位相に対する追従性を向上させた電力変換装置を提供することを目的とする。

本出願にかかる電力変換装置は、直流電源と電力系統とに接続され、直流電力と交流電力との間の変換を行う電力変換回路と、前記電力系統の系統交流電圧位相に基づいて位相指令値を出力する位相同期回路と、前記位相同期回路からの前記位相指令値に基づいて、前記電力変換回路を制御する制御回路と、を備える。

前記位相同期回路は、前記電力系統の系統交流電圧位相に対する位相指令値のずれを表す位相差を予め定められた周期で計算する位相差計算部と、位相差補正部と、前記位相差補正部の出力に基づいて前記位相指令値を出力する位相指令値生成部と、を備える。前記位相差補正部は、前記位相差計算部で今回計算された今回位相差と前記位相差計算部で前回計算された前回位相差との間の差が予め定めた基準を上回った場合には前記今回位相差に第一補正量を加算することで補正後の前記今回位相差を出力し、且つ前記差が前記基準値を上回らない場合には前記今回位相差に前記第一補正量を加算しないことで補正なしの前記今回位相差を出力する。

本出願にかかる電力変換装置によれば、位相差にある程度の急な変化があった場合に限って、今回位相差に的確な補正量を加算することができる。その一方で、位相差がそれほど大きく変化していない場合には補正量の加算が行われないので、系統電圧位相の急変時に使用する観点から適切な補正量を自由に設定することができる。これにより、系統擾乱の発生時においても系統電圧位相に対して高い追従性を発揮することができる。

実施の形態にかかる電力変換装置の構成図である。 実施の形態にかかるＰＬＬ回路の構成を示す図である。

図１は、実施の形態にかかる電力変換装置１０の構成図である。図１に示すように、電力変換装置１０は、直流電源装置８と電力グリッド４０との間に介在するように設けられる。

電力変換装置１０は、直流側リレー１２と、直流キャパシタ１３と、電力変換回路１４と、交流リアクトル１５と、交流キャパシタ１６と、交流側リレー１７とを備える。電力変換装置１０は、さらに計器用変流器（ＣＴ）５１と、計器用変圧器（ＶＴ）５２と、計器用変流器（ＣＴ）５３と、計器用変圧器（ＶＴ）５４と、計器用変流器（ＣＴ）５５とを備える。

電力変換装置１０は、さらにＭＰＰＴコントローラ１８と、第一減算器１９と、直流電圧コントローラ２０と、第一加算器２１と、第一座標変換部２２と、第二減算器２３と、電流コントローラ２４と、ＰＷＭ駆動回路２５とを備える。

電力変換装置１０は、さらに位相同期回路（ＰＬＬ回路）３０と、電力制御指令値演算部３１と、を備える。

直流側リレー１２は、直流電源装置８と接続している。直流電源装置８からの直流入力電力は、直流側リレー１２の第一端に受け入れられる。

直流電源装置８は、例えば太陽電池パネルと蓄電池とのいずれか一方の電源であってもよく、これらの両方の電源を備えてもよい。蓄電池は、各種公知の二次電池または燃料電池を含んでもよい。風力発電機と交流直流コンバータ装置とが、この直流電源装置８とされてもよい。直流電源装置８は、各種の再生可能エネルギー発電装置であってもよい。

電力変換回路１４は、直流電源装置８と電力グリッド４０との間に介在しこれらとともに直列回路を形成している。この電力グリッドは、一般に電力系統とも呼ばれる。電力系統は、電力を需要家の受電設備に供給するためのシステムである。電力系統は、発電・変電・送電・配電を統合したシステムである。

電力変換回路１４は、直流電力と交流電力との間の変換を行う。電力変換回路１４の直流端は、直流側リレー１２の第二端と接続している。電力変換回路１４は、例えば複数の半導体スイッチング素子を含む三相電圧型インバータ回路である。

直流キャパシタ１３の第一端は、直流側リレー１２と電力変換回路１４との間の配線（例えばブスバー）に接続されている。直流キャパシタ１３の第二端は、接地などの基準電位に接続される。直流キャパシタ１３は、電力変換回路１４の直流側に現れる直流電圧Ｖ_ＤＣで充電される。

交流リアクトル１５は、電力変換回路１４の交流端に直列接続されている。交流側リレー１７の第一端が、交流リアクトル１５に接続されている。交流側リレー１７の第二端が、電力グリッド４０に接続されている。交流キャパシタ１６の第一端は、交流リアクトル１５と交流側リレー１７とを結ぶ配線（例えばブスバー）に接続されている。交流キャパシタ１６の第二端は、接地などの基準電位に接続される。

計器用変流器（ＣＴ）５１は、直流電流ｉ_ＤＣを計器用の値に変換する。直流電流ｉ_ＤＣは、直流電源装置８と電力変換回路１４との間を流れる電流である。計器用変圧器（ＶＴ）５２は、直流電圧Ｖ_ＤＣを計器用の値に変換する。直流電圧Ｖ_ＤＣは、直流電源装置８と電力変換回路１４との間の電圧であって、直流キャパシタ１３の電圧である。

計器用変流器（ＣＴ）５３は、三相交流出力電流ｉ_ＡＣを計器用の値に変換する。三相交流出力電流ｉ_ＡＣは、電力変換回路１４と交流リアクトル１５との間を流れる電流である。計器用変圧器（ＶＴ）５４は、系統電圧Ｖ_Ｇｒｉｄを計器用の値に変換する。系統電圧Ｖ_Ｇｒｉｄは、交流キャパシタ１６と電力グリッド４０との間の三相交流電圧である。計器用変流器（ＣＴ）５５は、系統電流ｉ_Ｇｒｉｄを計器用の値に変換する。系統電流ｉ_Ｇｒｉｄは、交流キャパシタ１６と電力グリッド４０との間の三相交流電流である。

ＭＰＰＴコントローラ１８には、直流電流ｉ_ＤＣと直流電圧Ｖ_ＤＣとが入力される。第一減算器１９は、ＭＰＰＴコントローラ１８が出力する指令値Ｖ^＊ _ＤＣと直流電圧Ｖ_ＤＣとの差を演算する。ＭＰＰＴコントローラ１８は、ＭＰＰＴ制御によって直流電源装置８からの直流電力を最大限に取り出す。

直流電圧コントローラ２０は、第一減算器１９の減算結果に基づいて直流電圧制御を実施する。第一加算器２１は、直流電圧コントローラ２０の出力値とｄ軸電流指令値ｉ^＊ _ｄとを加算する。ｄ軸電流指令値ｉ^＊ _ｄは、後述する電力コントローラ３４の出力する指令値である。

第一座標変換部２２は、ｄｑ軸／ａｂｃ軸の変換つまり二相から三相への座標変換を行う。第一座標変換部２２は、第一加算器２１の加算結果とｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑとに基づいて、三相交流電流指令値ｉ^* _ＡＣを算出する。ｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑは、後述する電力コントローラ３４の出力する指令値である。

第二減算器２３は、三相交流電流指令値ｉ^* _ＡＣと三相交流出力電流ｉ_ＡＣとの差を演算する。

電流コントローラ２４は、第二減算器２３の出力に基づいて電流指令値を計算する。ＰＷＭ駆動回路２５は、電流コントローラ２４の電流指令値に従ってパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成する。ＰＷＭ駆動回路２５は、このＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子の駆動信号として電力変換回路１４に伝達する。

ＰＬＬ回路３０は、電力グリッド４０の系統交流電圧位相に基づいて位相指令値を出力する。ＰＬＬ回路３０は、系統電圧Ｖ_Ｇｒｉｄとｄ軸系統電圧Ｖ_ｄとｑ軸系統電圧Ｖ_ｑとに基づいて、位相指令値θ^＊を出力する。ｄ軸系統電圧Ｖ_ｄとｑ軸系統電圧Ｖ_ｑは、後述する第二座標変換部３２から出力される。ＰＬＬ回路３０の具体的な回路は図２で後述する。

電力制御指令値演算部３１は、ＰＬＬ回路３０からの位相指令値θ^＊に基づいて電力制御指令値を算出する。電力制御指令値は、電力変換回路１４の制御に用いられる。実施の形態においては、電力制御指令値は、具体的には、ｄ軸電流指令値ｉ^＊ _ｄとｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑとを含む。電力制御指令値演算部３１は、ＰＬＬ回路３０からの位相指令値θ^＊と系統電圧Ｖ_Ｇｒｉｄと系統電流ｉ_Ｇｒｉｄと三相交流出力電流ｉ_ＡＣとに基づいて、ｄ軸電流指令値ｉ^＊ _ｄとｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑとを算出する。

電力制御指令値演算部３１は、直交変換（ＤＣ／ＡＣ変換）モードと、交直変換（ＡＣ／ＤＣ変換）モードと、を備えてもよい。直交変換モードにおいては、電力変換回路１４が直流電力を交流電力に変換するように、電力制御指令値演算部３１が電力制御指令値を算出する。交直変換モードにおいては、電力変換回路１４が交流電力を直流電力に変換するように、電力制御指令値演算部３１が電力制御指令値を算出する。

電力制御指令値演算部３１は、第二座標変換部３２と、第三座標変換部３３と、電力コントローラ３４と、を含んでいる。

第二座標変換部３２は、ａｂｃ軸／ｄｑ軸変換つまり三相から二相への変換を行う。これにより、第二座標変換部３２は、系統電圧Ｖ_Ｇｒｉｄからｄ軸系統電圧Ｖ_ｄおよびｑ軸系統電圧Ｖ_ｑを算出する。

第三座標変換部３３は、ａｂｃ軸／ｄｑ軸変換つまり三相から二相への変換を行う。これにより、第三座標変換部３３は、系統電流ｉ_Ｇｒｉｄからｄ軸系統電流ｉ_ｄおよびｑ軸系統電流ｉ_ｑを算出する。

電力コントローラ３４は、第二座標変換部３２の上記算出値（Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑ）と第三座標変換部３３の上記算出値（ｉ_ｄ、ｉ_ｑ）とに基づいて、ｄ軸電流指令値ｉ^＊ _ｄとｑ軸電流指令値ｉ^＊ _ｑとを算出する。

以下の説明では、便宜上、制御ステップの時系列を示すための添字ｋを位相差θに付する。今回の制御ステップｋでＰＬＬ回路３０が計算した位相差を、今回位相差θ_ｋとする。この場合、一つ前の前回ステップｋ－１で計算された位相差を、前回位相差θ_ｋ－１で表す。また、次回の制御ステップｋ＋１で計算される位相差を、次回位相差θ_ｋ＋１で表す。

図２は、実施の形態にかかるＰＬＬ回路３０の構成を示す図である。図２に示すように、ＰＬＬ回路３０は、位相差計算部３０ａと、位相差減算器３０ｂと、位相差補正部３０ｃと、フィードバック補正部３０ｄと、第二加算器３０ｅと、位相指令値生成部３０ｆと、を備えている。

位相差計算部３０ａは、位相差θ_ｋを予め定められた制御周期（ｋ－１、ｋ、ｋ＋１・・・）で計算する。位相差θ_ｋは、電力グリッド４０の系統交流電圧位相θ_{ＶＧｒｉｄ}に対する位相指令値θ^＊のずれを表す。位相差計算部３０ａは、ｄ軸系統電圧Ｖ_ｄとｑ軸系統電圧Ｖ_ｑとに基づいて、今回位相差θ_ｋを計算する。今回位相差θ_ｋは、予め設定された基準位相に対して系統電圧位相がどの程度ずれているのかを表す。

位相差減算器３０ｂは、今回位相差θ_ｋと予め記憶された前回位相差θ_ｋ－１と間の差を演算する。実施の形態では、一つの位相差の値から他の一つの位相差の値を引くことで得られた差分値をθ_ｋｄで表し、これを単に「差の大きさθ_ｋｄ」とも称する。

位相差補正部３０ｃは、差の大きさθ_ｋｄの値に応じて、差の大きさθ_ｋｄに補正を施すように構築されている。位相差補正部３０ｃは、具体的には差の大きさθ_ｋｄが予め定めた基準値θ_ｔｈを上回った場合に、今回位相差θ_ｋに予め定めた第一補正量θ_Ａを加算する。これにより補正後の位相差（θ_ｋ＋θ_Ａ）が出力される。

一方、位相差補正部３０ｃは、差の大きさθ_ｋｄが基準値θ_ｔｈを上回らない場合には、今回位相差θ_ｋに第一補正量θ_Ａを加算しない。その結果、補正なしの位相差θ_ｋが出力される。

フィードバック補正部３０ｄは、差の大きさθ_ｋｄに基づいて、第二補正量θ_ｆｂを計算する。第二補正量θ_ｆｂは、フィードバック補正量である。フィードバック補正部３０ｄは、一例として比例制御（Ｐ制御）ブロックおよび積分制御（Ｉ制御）ブロックとを含むように構築されている。

第二加算器３０ｅは、位相差補正部３０ｃの出力値とフィードバック補正部３０ｄの出力値とを加算する。位相指令値生成部３０ｆは、位相差補正部３０ｃの出力に基づいて位相指令値を出力する。位相指令値生成部３０ｆは、具体的には第二加算器３０ｅの出力値に基づいて位相指令値θ^＊を生成する。

結果的に、位相指令値生成部３０ｆは、今回位相差θ_ｋと第一補正量θ_Ａと第二補正量θ_ｆｂとに基づいて位相指令値θ^＊を出力するように構築されている。第一補正量θ_Ａと第二補正量θ_ｆｂとの両方による補正が行われるので、追従性と制御安定性とを両立することができる。

以上説明したように、実施の形態にかかる電力変換装置１０によれば、差の大きさθ_ｋｄが基準値θ_ｔｈを上回るほどに大きくなった場合に限り、第一補正量θ_Ａを今回位相差θ_ｋに加算することができる。

一方、当該差の大きさθ_ｋｄが基準値θ_ｔｈを上回らない程度に留まる場合には、第一補正量θ_Ａが加算されない。従って、系統電圧位相の急変時に専用で使用する観点から、第一補正量θ_Ａを適切な値に自由に設定することができる。

これにより、系統電圧位相θ_{ＶＧｒｉｄ}に対する追従性を向上させることができる。その結果、系統擾乱時に直流キャパシタの直流電圧が意図せずに上昇することを抑制することができる。

以下、実施の形態の効果をより詳しく説明する。実施の形態によれば、系統連系インバータにおいて、系統擾乱時の直流電圧上昇を抑制する機能が提供される。インバータ連系時には、電力グリッド４０の側の位相が急変することがある。このとき制御が追従できず系統側から直流キャパシタ１３に電圧が充電され、過電圧が生じるなどの問題があった。

典型的なＰＬＬ機能は、系統電圧Ｖ_Ｇｒｉｄの位相を測定して、それに追従するようにインバータの位相指令値θを計算することを目的としている。系統擾乱が発生すると、従来の技術では、急な系統電圧の位相変化に対してＰＬＬ回路が追従できないことが多い。インバータ位相指令が系統電圧位相と乖離すると、ｄｑ変換が正しく演算されない。結果として、電力制御指令値が正しく演算されない。そうすると、本来なら直流キャパシタ１３が放電を行わなければならない場合にも、位相指令値θ^＊によっては電力グリッド４０の側から直流キャパシタに充電が行われてしまうような誤動作が生じうる。

この点、実施の形態にかかるＰＬＬ回路３０は、図２に示すように位相差計算部３０ａの後段に位相差補正部３０ｃを備えている。位相差補正部３０ｃは、前回位相差θ_ｋ－１と今回位相差θ_ｋの位相関係を比較する。位相が大きく外れた際には、第一補正量θ_Ａが今回位相差θ_ｋに加算される。これにより位相が大きく外れた場合には強制的にオフセットを加えることができる。その結果、系統擾乱時の追従性が改善される。その結果、上述した直流電圧上昇を抑制することができる。

８ 直流電源装置、１０ 電力変換装置、１２ 直流側リレー、１３ 直流キャパシタ、１４ 電力変換回路、１５ 交流リアクトル、１６ 交流キャパシタ、１７ 交流側リレー、１８ ＭＰＰＴコントローラ、１９ 第一減算器、２０ 直流電圧コントローラ、２１ 第一加算器、２２ 第一座標変換部、２３ 第二減算器、２４ 電流コントローラ、２５ ＰＷＭ駆動回路、３０ ＰＬＬ回路（位相同期回路）、３０ａ 位相差計算部、３０ｂ 位相差減算器、３０ｃ 位相差補正部、３０ｄ フィードバック補正部、３０ｅ 第二加算器、３０ｆ 位相指令値生成部、３１ 電力制御指令値演算部、３２ 第二座標変換部、３３ 第三座標変換部、３４ 電力コントローラ、４０ 電力グリッド、ｉ_ＡＣ 三相交流出力電流、Ｖ_ＤＣ 直流電圧、Ｖ_Ｇｒｉｄ 系統電圧、θ^＊ 位相指令値、θ_Ａ 第一補正量、θ_ｆｂ 第二補正量、θ_ｋ－１ 前回位相差、θ_ｋ 今回位相差、θ_ｋｄ 差の大きさ、θ_ｔｈ 基準位相（基準値）、θ_{ＶＧｒｉｄ} 系統交流電圧位相、θ_{ＶＧｒｉｄ} 系統電圧位相

Claims (2)

1. 直流電源と電力系統とに接続され、直流電力と交流電力との間の変換を行う電力変換回路と、
   前記電力系統の系統交流電圧位相に基づいて位相指令値を出力する位相同期回路と、
   前記位相同期回路からの前記位相指令値に基づいて、前記電力変換回路を制御する制御回路と、
   を備え、
   前記位相同期回路は、
   前記電力系統の系統交流電圧位相に対する位相指令値のずれを表す位相差を予め定められた周期で計算する位相差計算部と、
   前記位相差計算部で今回計算された今回位相差と前記位相差計算部で前回計算された前回位相差との間の差が予め定めた基準を上回った場合には前記今回位相差に第一補正量を加算することで補正後の前記今回位相差を出力し、且つ前記差が前記基準を上回らない場合には前記今回位相差に前記第一補正量を加算しないことで補正なしの前記今回位相差を出力する位相差補正部と、
   前記位相差補正部の出力に基づいて前記位相指令値を出力する位相指令値生成部と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記位相同期回路は、前記差の大きさに基づくフィードバック制御補正量である第二補正量を算出するフィードバック補正部を含み、
   前記位相指令値生成部は、前記今回位相差と前記第一補正量と前記第二補正量とに基づいて前記位相指令値を出力するように構築された請求項１に記載の電力変換装置。

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