JP7151911B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

一実施形態にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、逆相電圧が所定値以上であると判定部が判定した場合に、インバータを停止させるように制御する停止制御部とを有することを特徴とする。また、停止制御部は、インバータの交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、インバータを停止させるように制御してもよい。

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

太陽電池などの直流電源から供給される直流電力をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいて交流電力に変換するインバータを備えた電力変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning Subsystemなど）が知られている。

このような電力変換装置は、系統側の遮断器が開放された場合に、インバータ出力電力（有効電力・無効電力）と負荷電力が完全に一致していると、インバータは力率１００％で運転を行い、インバータから負荷へ供給される電流が単独運転発生前の電流に保たれ、端子電圧や周波数がほとんど変化しないことがある。そのため、電力変換装置は、単独運転となっていることを検出できず、単独運転を継続することがある。

電力変換装置は、単独運転を継続している場合、人体への感電、機械の故障、又は再閉路時に過電流が発生する可能性があることなどの問題がある。電力変換装置が単独運転を継続することを防止するためには、電力変換装置が単独運転となっていることを検出する必要がある。

電力変換装置が単独運転となっていることを検出する方式には、例えばスリップモード周波数シフト方式（ＳＭＦＳ）がある。スリップモード周波数シフト方式は、無効電力を用いて周波数異常を検出することにより、電力変換装置が単独運転となっていることを検出する方式である（例えば非特許文献１参照）。

岡土千尋、外３名、「太陽光発電用インバータの新しい単独運転検出保護」、Ｔ．ＩＥＥ Ｊａｐａｎ、Ｖｏｌ.１１４－Ｂ Ｎｏ．７／８ ’９４、p. 732-738

しかしながら、近年は、電力変換装置の通常運転における周波数範囲が広がっており、早期に単独運転を検出することが課題となっている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、単独運転となった場合に、早期にインバータを停止させることができる電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、逆相電圧が所定値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記インバータを停止させるように制御する停止制御部とを有することを特徴とする。

また、本発明の一態様にかかる電力変換装置は、前記停止制御部が、前記インバータの交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、前記インバータを停止させるように制御することを特徴とする。

本発明によれば、単独運転となった場合に、早期にインバータを停止させることができる。

一実施形態にかかる電力変換装置及びその周辺の構成例を示す図である。 単独運転制御部の具体的な構成例を示すブロック図である。 逆相電圧とｑ軸逆相電流指令の関係を示すグラフである。 （ａ）は、ｄ軸正相電流とｑ軸正相電流の変化状況を示すグラフである。（ｂ）は、正相電圧と逆相電圧の変化状況を示すグラフである。（ｃ）は、逆相電流の変化状況を示すグラフである。 一実施形態にかかる電力変換装置がインバータを停止させるまでにかかった時間を例示するグラフである。 （ａ）は、スリップモード周波数シフト方式における周波数の変化を例示するグラフである。（ｂ）は、スリップモード周波数シフト方式におけるｄ軸正相電流とｑ軸正相電流との関係を例示するグラフである。（ｃ）は、スリップモード周波数シフト方式においてインバータを停止させるゲートブロック信号が出力されるまでの時間を例示するグラフである。

まず、本発明がなされるに至った背景について、より具体的に説明する。図６は、スリップモード周波数シフト方式によって電力変換装置の単独運転を停止させた結果を例示するグラフである。図６（ａ）は、スリップモード周波数シフト方式における周波数の変化を例示するグラフである。図６（ｂ）は、スリップモード周波数シフト方式におけるｄ軸正相電流とｑ軸正相電流との関係を例示するグラフである。図６（ｃ）は、スリップモード周波数シフト方式においてインバータを停止させるゲートブロック信号が出力されるまでの時間を例示するグラフである。

ここでは、スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置の周波数が通常運転時の６０Ｈｚから５３Ｈｚ（ＵＦ保護レベル）以下に低下した場合に、インバータを停止させることとする。スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置は、周波数が例えば図６（ａ）に示したように低下して５３Ｈｚ以下になると、電力変換装置のｑ軸正相電流が図６（ｂ）に示したように変動する。なお、ｄ軸正相電流は、あまり変動しない。

その結果、スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置は、インバータに対するゲートブロック信号を出力し、インバータを停止させる。スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置は、単独運転になったときからゲートブロック信号が出力されるまでに、例えば図６（ｃ）に示したように１．６ｓかかってしまう。

次に、図面を用いて電力変換装置の一実施形態を説明する。図１は、一実施形態にかかる電力変換装置１及びその周辺の構成例を示す図である。

例えば、電力変換装置１は、直流電源２と交流電源（電力グリッド）３との間に設けられ、直流電力を三相の交流電力に変換する。直流電源２は、例えば太陽電池モジュールなどである。交流電源３は、一般に電力系統とも呼ばれる。

電力変換装置１と交流電源３との間には、例えばトランス４０、ＲＬＣ負荷４１、遮断器４２、及び交流リアクトル４３が接続されている。

電力変換装置１は、例えばインバータ１０、電力制御部１１、単独運転制御部１２、逆相出力電流制御部１３、電流制御部１４、及びＰＷＭ駆動回路１５を備える。

インバータ１０は、直流電源２と交流電源３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。そして、インバータ１０は、直流電源２から供給される直流電力をＰＷＭ信号（後述）に基づいて交流電力に変換する。なお、インバータ１０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ってもよい。

電力制御部１１は、予め設定された電力基準に対し、有効電力と無効電力を合わせるように制御を行い、制御した有効電力と無効電力を電流制御部１４に対して出力する。

単独運転制御部１２は、インバータ１０の出力からの逆相電圧（ｖ_{o_n}）及び正相電圧（ｖ_{o_p}）を入力されると、ｑ軸逆相電流指令（ｉ_{oq_n_ref}）を逆相出力電流制御部１３に対して出力し、ゲートブロック信号をＰＷＭ駆動回路１５に対して出力する。なお、単独運転制御部１２の具体的な構成例については、図２を用いて後述する。

逆相出力電流制御部１３は、単独運転制御部１２からｑ軸逆相電流指令（ｉ_{oq_n_ref}）を入力されると、ｑ軸逆相電流を制御して電流制御部１４へ出力する。

電流制御部１４は、電力制御部１１から制御した有効電力と無効電力を入力され、逆相出力電流制御部１３からｑ軸逆相電流を入力されると、ＰＷＭ駆動回路１５に対して電流指令値を出力する。

ＰＷＭ駆動回路１５は、電流制御部１４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。そして、ＰＷＭ駆動回路１５は、このＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子の駆動信号（ゲート信号）としてインバータ１０に伝達する。

図２は、単独運転制御部１２の具体的な構成例を示すブロック図である。図２に示すように、単独運転制御部１２は、例えば電流指令部５、測定部６、判定部７、及び停止制御部８を備える。

電流指令部５は、逆相電圧（ｖ_{o_n}）を入力されると、ｑ軸逆相電流指令（ｉ_{oq_n_ref}）を算出して逆相出力電流制御部１３へ出力する。例えば、電流指令部５は、図３に示したように、逆相電圧（ｖ_{o_n}）に応じてｑ軸逆相電流指令（ｉ_{oq_n_ref}）を出力する。

測定部６（図２）は、入力された逆相電圧（ｖ_{o_n}）を測定し、測定結果を判定部７に対して出力する。

図４は、単独運転になった場合の測定部６が逆相電圧（ｖ_{o_n}）を測定する場合の動作状況例を示すグラフである。図４（ａ）は、ｄ軸正相電流とｑ軸正相電流の変化状況を示すグラフである。図４（ｂ）は、正相電圧（ｖ_{o_p}）と逆相電圧（ｖ_{o_n}）の変化状況を示すグラフである。図４（ｃ）は、逆相電流の変化状況を示すグラフである。

図４（ａ）に示すように、単独運転になっても、ｄ軸正相電流とｑ軸正相電流は、あまり変化しない。図４（ｂ）に示すように、単独運転になると、正相電圧はあまり変化しないが、逆相電圧が変化する。図４（ｃ）に示すように、単独運転になると、逆相電流が増加する。

このとき、逆相電圧がわずかに上昇すると、インバータ１０が逆相電流を注入し、逆相電圧がさらに上昇する。逆相電流が増加すると逆相電圧も増加し、逆相電圧が増加したことによって、さらに逆相電流も増加する。

判定部７は、測定部６が測定した逆相電圧（ｖ_{o_n}）が予め定められた判定値以上となったか否かを判定し、判定結果を停止制御部８に対して出力する。つまり、判定部７は、インバータ１０の交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する。

停止制御部８は、条件判定部８０、論理積回路８２、及びディレイ素子８４を備え、ＰＷＭ駆動回路１５に対する制御を行う。例えば、停止制御部８は、逆相電圧が所定値以上であると判定部７が判定した場合に、インバータ１０を停止させるように制御する。

具体的には、条件判定部８０は、入力された正相電圧（ｖ_{o_p}）が例えば０．９≦ｖ_{o_p}≦１．１であるか否かを判定し、判定結果を論理積回路８２に対して出力する。つまり、条件判定部８０は、アンバランスな動作状態（不平衡短絡）でなく、正相電圧が通常範囲内に収まっているか否かを判定している。

したがって、停止制御部８は、インバータ１０の交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、インバータ１０を停止させるように制御する。

論理積回路８２は、逆相電圧が所定値以上であると判定部７が判定し、正相電圧（ｖ_{o_p}）が例えば０．９≦ｖ_{o_p}≦１．１であると条件判定部８０が判定した場合に、ＰＷＭ駆動回路１５に対するゲートブロック信号を出力する。

ディレイ素子８４は、制御動作を安定させるために遅延を付与する素子であり、例えば数ｍｓの遅延を付与する。

したがって、電力変換装置１は、単独運転が発生した場合、正相電圧（ｖ_{o_p}）と逆相電圧（ｖ_{o_n}）に基づいて、逆相電流を注入して逆相電圧を上昇させることにより、インバータ１０を高速に停止させることができる。

図５は、一実施形態にかかる電力変換装置１がインバータ１０を停止させるまでにかかった時間を例示するグラフである。図５に示したように、電力変換装置１は、単独運転になったときから５０ｍｓの時間で単独運転制御部１２がゲートブロック信号をＰＷＭ駆動回路１５に対して出力することができる。

このように、一実施形態にかかる電力変換装置１は、逆相電圧が所定値以上であると判定部７が判定した場合に、インバータ１０を停止させるように制御する単独運転制御部１２を備えているので、単独運転となった場合に、早期にインバータを停止させることができる。

なお、電力変換装置１が行う制御の各機能は、それぞれ一部又は全部がＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。

また、本発明にかかる電力変換装置１が行う制御は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。

１・・・電力変換装置、２・・・直流電源、３・・・交流電源、５・・・電流指令部、６・・・測定部、７・・・判定部、８・・・停止制御部、１０・・・インバータ、１１・・・電力制御部、１２・・・単独運転制御部、１３・・・逆相出力電流制御部、１４・・・電流制御部、１５・・・ＰＷＭ駆動回路、４０・・・トランス、４１・・・ＲＬＣ負荷、４２・・・遮断器、４３・・・交流リアクトル、８０・・・条件判定部、８２・・・論理積回路、８４・・・ディレイ素子

Claims (2)

1. 直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、
   逆相電圧が所定値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記インバータを停止させるように制御する停止制御部と
   を有することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記停止制御部は、
   前記インバータの交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、前記インバータを停止させるように制御すること
   を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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