JP7169150B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、系統に連系して使用される電力変換装置に関する。

電力変換装置を介して太陽光発電装置等の分散型電源から供給された電力を系統に連系する発電システムが知られている。この発電システムでは、電力変換装置と系統とを接続する際に、過電流（突入電流）が発生するという問題がある。

特許文献１では、上記過電流を抑制するために、電力変換装置の出力電圧と系統電圧の位相と電圧を監視して、位相と電圧が同一になったことを検出する装置が提案されている。具体的に、特許文献１には、（１）電力変換装置の出力電圧と系統電圧とのゼロクロス点を検出し、そのゼロクロス点が一致するように制御する技術、（２）電力変換装置の出力電圧と系統電圧を減算し、その減算結果が所定の閾値以下になるように制御する技術が開示されている。

特開２００１－２０９４３９号公報

本発明は、電力変換装置と系統とを接続する際の突入電流を減少させ、遮断器の損傷をより確実に防止することを目的とする。

本発明の第１態様に係る電力変換装置は、直流バスに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、前記インバータの後段に設けられたフィルタ回路と、前記フィルタ回路と前記出力端子との間の送電路の導通と遮断とを切り替える遮断器と、前記インバータの出力を制御するとともに、前記遮断器の前後における電圧の位相角差と電圧差を所定範囲内に補正することにより前記インバータの出力を補正する制御回路とを備えている。そして、前記制御回路は、前記遮断器を遮断させた状態で、前記遮断器前後の電圧の位相角差を所定範囲内に調整した後に、前記遮断器前後の電圧差を所定範囲内に調整してから、前記遮断器を導通させることを特徴とする。

この態様によると、制御回路は、遮断器前後の電圧の位相角差を所定範囲内に調整した後に、遮断器前後の電圧差を所定範囲内に調整してから遮断器を導通させるようにしている。これにより、電力変換装置と系統とを接続する際の突入電流を減少させることができ、ひいては、遮断器の損傷をより確実に防止することができる。

本発明に係る電力変換装置は、電力変換装置と系統とを接続する際の突入電流を減少させることができる。また、遮断器の損傷をより確実に防止することができる。

本実施形態に係る電力変換装置及びその周辺の構成を示す概略構成図 制御回路の制御ブロック図 フィードフォワード補正の動作を示すフローチャート 伝達関数のパラメータ調整動作を示すフローチャート 伝達関数のパラメータ調整動作を示すフローチャート

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置Ａ及びその周辺の構成を示す概略構成図である。図１に示すように、電力変換装置Ａは、インバータ１と、フィルタ回路２と、遮断器３と、制御回路４を備え、直流バス６０に供給される直流電力を交流電力に変換して出力端子５から出力する。

分散型電源８（例えば、太陽光発電装置）から直流バス６０に供給される直流電力（直流電圧Ｖ_ＤＣ）は、電圧平滑化のためのコンデンサＣ_ＤＣを介してインバータ１に与えられている。

インバータ１は、直流バス６０に供給される直流電力を交流電力に変換する。なお、インバータ１の具体的な回路構成は、特に限定されるものではない。例えば、インバータ１には、従来から知られている構成を用いることができる。例えば、インバータ１として、３対のアームが並列接続されたブリッジ構成を採用することができる（図示省略）。

フィルタ回路２は、インバータ１後段の送電路６１に設けられたローパスフィルタ回路であり、例えば、Ｌ型、ＬＣ型、ＬＣＬ型等のフィルタ回路である。図１では、ＬＣ型のフィルタ回路２を例示している。フィルタ回路２は、送電路６１の各相にそれぞれ直列に接続されたインダクタＬ_ｆ及び抵抗Ｒ_ｆと、それらの後段において各相の送電路６１とグランドとの間にそれぞれ直列に接続された容量Ｃ_ｆ及び抵抗Ｒ_ｆとで構成されている。

遮断器３は、フィルタ回路２と出力端子５との間に設けられ、送電路６１の導通と遮断とを切り替える。

制御回路４は、例えば、マイクロコンピュータを用いて構成されており、主にインバータ１の動作を制御する。なお、図示を省略しているが、電力変換装置Ａには、インバータ１の出力電圧ｖｉ及び商用電源系統９（以下、単に系統９という）の電圧をそれぞれに測定する電圧計と、インバータ１の出力電流ｉ_ｉｎｖを測定する電流計とが設けられている。そして、それらの電圧計及び電流計で測定された電圧及び電流は、制御回路４での制御に使用される。

図２は、制御回路４の制御ブロック図を示している。図２では、主に、出力端子５の電圧である出力電圧ｖ_ｇに基づいたフィードフォワード補正及びそのフィードフォワード補正に関連する制御ブロックを示している。

図２において、外部制御ループ４０から供給された基準電流ｉ_ｇｒは、インバータ１の出力電流ｉ_ｉｎｖと比較され、電流コントローラ４１において電流補償された後に、コントロール電流ｉ_ｃとして出力される。電流調整スイッチＳＷは、初期状態では初期設定値が供給されるように「０」側に設定され、電流コントローラ４１からの出力準備が整うと、「１」側に切り替えられる。

電流コントローラ４１から出力されたコントロール電流ｉ_ｃは、後述する伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）を用いて演算された結果に基づくフィードフォワード補正が行われた後に、直流バス電圧制御部４３に入力される。なお、本開示の技術は、フィードフォワード補正に特徴があり、後ほど詳細に説明する。

直流バス電圧制御部４３は、直流バスの値が一定になるように制御する演算部である。

出力電流制御部４４は、系統９から正常な電源が供給されている場合における運転モードである通常運転モードにおいて、インバータ１の出力電流ｉ_ｉｎｖ及び直流バス電圧Ｖ_ＤＣに基づいたフィードバック制御を行い、インバータ１の出力デューティ比ｄ_ｉｎｖを算出する演算部である。

ＰＷＭ出力制御部４５は、出力電流制御部４４から受けた出力デューティ比ｄ_ｉｎｖに基づいて、この出力デューティ比ｄ_ｉｎｖに対応するパルス幅のＰＷＭ信号を生成する演算部である。そして、ＰＷＭ信号に基づいて、インバータ１の各スイッチ（図示省略）を駆動制御する。

図２において、測定された出力電圧（系統電圧）ｖ_ｇは、フィードフォワードの制御コマンドとしてインバータに印加される。インバータ１は、この制御コマンドの指令に基づいて、インバータ１とフィルタ回路２のインダクタＬ_ｆとの間の接続点Ｐ１に対して、出力端子５と同じ電圧を発生させる。そして、その電圧が安定すると、インバータ１からの出力電流ｉ_ｉｎｖがフィルタ回路２を通過して流れるので、フィルタ回路２－遮断器３間の接続点Ｐ３において、位相変化と電圧降下を生じさせる。

ここで、測定された出力電圧ｖ_ｇに対してＰＩ（Proportional-Integrator)制御を適用することも考えられるが、位相角の不一致の解消という点において、十分ではない。

そこで、本実施形態では、遮断器３前後（接続点Ｐ３と、遮断器３－出力端子５間の接続点Ｐ４）における電圧の振幅と位相角の差を補正するために、伝達関数Ｇｖ（ｓ）（フィルタ）による演算を行っている。

－フィードフォワード補正－
以下において、フィードフォワード補正について、具体的に説明する。本実施形態の制御回路４では、適応制御に対応した伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）（以下、単に伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）という）を用いた演算が行われる。伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）は、以下の式（１）で表される。

ここで、ｓはラプラス演算子、Ａは位相角調整用のパラメータ（以下、単にパラメータＡという）、Ｋは電圧実効値調整用のパラメータ（以下、単にパラメータＫという）、ω_ｎは中心周波数、ＱはＱ値（Quality factor)である。

そして、上式（１）の伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）のパラメータＡ及びパラメータＫの値をそれぞれ調整することにより、伝達関数Ｇ_Ｖ（ｓ）の出力電圧Ｖ_ＧＦに適用される位相角及び振幅を調整することができる。

ここで、伝達関数Ｇｖ（ｓ）において、パラメータＡを変化させると、伝達関数Ｇｖ（ｓ）の出力電圧Ｖ_ＧＦの位相角及び振幅が変化する。また、パラメータＫを変化させると、伝達関数Ｇｖ（ｓ）の出力電圧Ｖ_ＧＦの振幅（実効値）が変化する。そこで、本実施形態において、制御回路４は、伝達関数Ｇｖ（ｓ）のパラメータＡを先に調整し、その後、パラメータＫを調整するようにしている。

以下、図３～図５を用いて、具体的に説明する。以下の説明において、制御の主体は、特に明記する場合を除いて、制御回路４であるものとする。

まず、パラメータＡ及びパラメータＫの初期設定値に基づいて処理が開始される。パラメータＡ及びパラメータＫの初期設定値は、任意に設定することが可能であり、例えば、シミュレーションの結果や実測データに基づいた値が設定される。

ステップＳ１１では、パラメータＡが調整されているかどうかが確認される。パラメータＡが未調整の場合（Ｓ１１でＹＥＳ）、所定時間待機した後に、パラメータＡの調整が実行される（ステップＳ２０）。パラメータＡの調整過程において、パラメータＫは一定に保たれる。

図４は、パラメータＡの調整方法の一例を示している。

まず、接続点Ｐ３の電圧ｖ_ｉの位相角と、接続点Ｐ４の出力電圧ｖ_ｇの位相角との減算が行われ比較が行われ、両位相角の差分Δθ＝θ_Ｇ－θ_Ｉ（以下、単に位相角の差分Δθという）が求められる（Ｓ２１）。

次に、位相角の差分Δθが所定の閾値Δθ_ＬＵ（Δθ_ＬＵ＞０）より大きいか否かが判断される（Ｓ２２）。そして、Δθ＞Δθ_ＬＵの関係がある場合（Ｓ２２でＹＥＳ）、パラメータＡから所定のステップΔＡが減算され（Ｓ２３）、フローはステップＳ２２に戻る。そして、Δθ＞Δθ_ＬＵの関係が解消されるまで、ステップＳ２２，Ｓ２３の処理が繰り返される。

位相角の差分Δθが所定の閾値Δθ_ＬＵ内におさまると（Ｓ２２でＮＯ）、位相角の差分Δθが所定の閾値Δθ_ＬＭ（Δθ_ＬＭ＞０）よりより小さいか否かが判断される（Ｓ２４）。そして、Δθ＜Δθ_ＬＭの関係がある場合（Ｓ２４でＹＥＳ）、パラメータＡに所定のステップΔＡが加算され（Ｓ２５）、フローはステップＳ２２に戻る。そして、Δθ＜Δθ_ＬＭの関係が解消されるまで、ステップＳ２２，Ｓ２４，Ｓ２５の処理が繰り返される。

図４の処理において、位相角の差分Δθが、Δθ_ＬＭ＜Δθ＜Δθ_ＬＵの範囲内におさまると（Ｓ２２，Ｓ２４でＮＯ）、図４の処理は終了し、フローは、図３のステップＳ３０に進む。なお、｜Δθ_ＬＵ｜と｜Δθ_ＬＭ｜とは、同じ値を用いてもよいし、互いに異なる値を用いてもよい。

図３のステップＳ３０では、パラメータＡの調整結果、すなわち、位相角の調整がＯＫかどうかが判断される。ここで、位相角の調整回数が１回と設定されている場合には、図４（ステップＳ２０）での調整が終わっているので、ステップＳ３０でＹＥＳとなり、制御回路４は、位相調整の終了フラグを立てた後に（Ｓ３１）、伝達関数Ｇｖ（ｓ）を更新する（Ｓ４０）。そして、フローはステップＳ１１に戻る。

一方で、ステップＳ３０で、位相角の調整回数が複数回（所定の回数）に設定されている場合、その所定の回数になるまで、伝達関数Ｇｖ（ｓ）を更新しながら、図４（ステップＳ２０）の処理が繰り返される。そして、その繰り返し処理の終了後に位相調整の終了フラグが立てられる（Ｓ３１）。ここで、ステップＳ２０の処理を開始する前に、接続点Ｐ３の電圧ｖ_ｉの位相角と、接続点Ｐ４の出力電圧ｖ_ｇの位相角を測定する必要がある。本実施形態では、所定の時間待機してからステップＳ２０の処理を開始するようにしているので、高速演算を行う必要がない。

位相角の調整が終わると（Ｓ１１でＮＯ）、次に、振幅（実効値）の調整フローに移行する（Ｓ１２）。

ステップＳ１２では、パラメータＫが調整されているかどうかが確認される。パラメータＫが未調整の場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、所定時間待機した後に、パラメータＫの調整が実行される（ステップＳ２０）。このとき、パラメータＡは、調整された値に保たれる。

図５は、パラメータＫの調整方法の一例を示している。

まず、接続点Ｐ３の電圧ｖ_ｉの実効値Ｖ_Ｉと、接続点Ｐ４の出力電圧ｖ_ｇの実効値Ｖ_Ｇとの減算が行われ比較が行われ、両電圧差としての実効値（ＲＭＳ）の差分ΔＶ＝Ｖ_Ｇ－Ｖ_Ｉ（以下、単に実効値の差分ΔＶという）が求められる（Ｓ５１）。なお、本実施形態では、電圧差として、実効値の差を用いるものとして説明しているが、実効値と振幅とは実質的に比例関係にあるので、電圧差は実効値に限定されず、本実施形態の説明において実効値を振幅と置き換えても差し支えない。

次に、実効値の差分ΔＶが所定の閾値ΔＶ_ＬＵ（ΔＶ_ＬＵ＞０）より大きいか否かが判断される（Ｓ５２）。そして、ΔＶ＞ΔＶ_ＬＵの関係がある場合（Ｓ５２でＹＥＳ）、パラメータＫから所定のステップΔＫが減算され（Ｓ２３）、フローがステップＳ５２に戻る。そして、ΔＶ＞ΔＶ_ＬＵの関係が解消されるまで、ステップＳ５２，Ｓ５３の処理が繰り返される。

実効値の差分ΔＶが所定の閾値ΔＶ_ＬＵ内におさまると（Ｓ５２でＮＯ）、実効値の差分ΔＶが所定の閾値ΔＶ_ＬＭ（ΔＶ_ＬＭ＞０）よりより小さいか否かが判断される（Ｓ５４）。そして、ΔＶ＜ΔＶ_ＬＭの関係がある場合（Ｓ５４でＹＥＳ）、パラメータＫに所定のステップΔＫが加算され（Ｓ５５）、フローはステップＳ５２に戻る。そして、ΔＶ＜ΔＶ_ＬＭの関係が解消されるまで、ステップＳ５２，Ｓ５４，Ｓ５５の処理が繰り返される。

図５の処理において、実効値の差分ΔＶが、ΔＶ_ＬＭ＜ΔＶ＜ΔＶ_ＬＵの範囲内におさまると（Ｓ５２，Ｓ５４でＮＯ）、図５の処理は終了し、フローは、図３のステップＳ６０に進む。なお、｜ΔＶ_ＬＵ｜と｜ΔＶ_ＬＭ｜とは、同じ値を用いてもよいし、互いに異なる値を用いてもよい。

図３のステップＳ６０では、パラメータＫの調整結果、すなわち、電圧の実効値の調整がＯＫかどうかが判断される。ここで、実効値の調整回数が１回と設定されている場合には、図５（ステップＳ５０）での調整が終わっているので、ステップＳ６０でＹＥＳとなり、制御回路４は、実効値調整の終了フラグを立てた後に（Ｓ６１）、伝達関数Ｇｖ（ｓ）を更新する（Ｓ４０）。そして、フローはステップＳ１１に戻る。

一方で、ステップＳ６０で、位相角の調整回数が複数回（所定の回数）に設定されている場合には、その所定の回数になるまで、伝達関数Ｇｖ（ｓ）を更新しながら、図５（ステップＳ５０）の処理が繰り返される。そして、その繰り返し処理の終了後に位相調整の終了フラグが立てられる（Ｓ６１）。ここで、ステップＳ２０の処理を開始する前に、接続点Ｐ３の電圧ｖ_ｉの実効値と、接続点Ｐ４の出力電圧ｖ_ｇの実効値を測定する必要がある。本実施形態では、所定の時間待機してからステップＳ５０の処理を開始するようにしているので、高速演算を行う必要がない。

電圧の位相角および実効値の調整が終わり（Ｓ１１，Ｓ１２でＮＯ）、他のコンディションがＯＫであれば（Ｓ１３でＹＥＳ）、制御回路４は、遮断器３を制御して導通させ、電力変換装置Ａを系統に連系させる（Ｓ１４）。

発明者は、（１）本実施形態のように電圧の位相角および実効値の調整を行った場合と、（２）調整を行わない場合とにおいて、電力変換装置を系統に接続した場合の挙動について比較実験を行った。

その結果、本実施形態のように、接続点Ｐ３の電圧ｖ_ｉ及び接続点Ｐ４の出力電圧ｖ_ｇの位相角および実効値の調整を行うことにより、調整を行わない場合と比較して、ゼロクロスポイントにおける電圧ｖ_ｉと出力電圧ｖ_ｇとの電圧差が１／１０以下になることが確認された。同様に、電力変換装置Ａと系統９とを接続する際の突入電流についても、１／５以下になることが確認された。

以上のように、本実施形態によると、制御回路４は、遮断器３を遮断させた状態で、伝達関数Ｇｖ（ｓ）使用したフィードフォワード補正を行うようにしている。具体的に、フィードフォワード補正として、制御回路４は、伝達関数Ｇｖ（ｓ）のパラメータＡを所定範囲内に調整してから、パラメータＫを所定範囲内に調整している。これにより、遮断器３前後の電圧（接続点Ｐ３の電圧ｖｉと接続点Ｐ４の出力電圧ｖｇ）の位相角差及び電圧差が小さくなり、電力変換装置Ａと系統９とを接続する際の突入電流を減少させることができる。また、上記突入電流の減少により、遮断器３の損傷をより確実に防止することができる。

本発明は、電力変換装置において、電力変換装置と系統とを接続する際の突入電流を減少させ、遮断器の損傷をより確実に防止することができるので、極めて有用である。

Ａ 電力変換装置
１ インバータ
２ フィルタ回路
３ 遮断器
４ 制御回路
６１ 送電路

Claims (2)

1. 出力端子が系統に連系される系統連系用の電力変換装置であって、
   直流バスに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、
   前記インバータの後段に設けられたフィルタ回路と、
   前記フィルタ回路と前記出力端子との間の送電路の導通と遮断とを切り替える遮断器と、
   前記インバータの出力を制御するとともに、前記遮断器の前後における電圧の位相角差と電圧差を所定範囲内に補正することにより前記インバータの出力を補正する制御回路とを備え、
   前記制御回路は、下記式（１）に示す伝達関数に系統の電圧を入力し、当該伝達関数の出力を用いて前記インバータの出力を補正するように構成され、
   前記制御回路は、前記遮断器を遮断させた状態で、前記遮断器前後の電圧の位相角差を所定範囲内に調整した後に、前記遮断器前後の電圧差を所定範囲内に調整してから、前記遮断器を導通させ、前記遮断器を遮断させた状態で、下記式（１）に示す伝達関数のＡの値を調整することにより前記遮断器の前後における電圧の位相角差を所定範囲内に調整した後に、Ｋを調整することにより、前記遮断器前後の電圧差を所定範囲内に調整してから、前記遮断器を導通させる
   ことを特徴とする電力変換装置。
   

   

   ここで、ｓ：ラプラス演算子、ωｎ：中心周波数、Ｑ：Quality factor
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記制御回路は、前記伝達関数のＡの値を調整する第１調整処理を複数回実行してから、前記伝達関数のＫの値を調整する第２調整処理を複数回実行するものであり、当該各第１及び第２調整処理の間には所定の待機時間を設けている
   ことを特徴とする電力変換装置。
   

Images