JP7183486B1 - 電力変換装置、および制御装置 - Google Patents

Abstract

電力変換装置（２００）は、蓄電要素（４０）と、電力変換器（２０）と、制御装置（１００）とを備える。制御装置（１００）は、有効電力指令値と電力系統の有効電力とに基づいて同期発電機の特性を模擬することにより、角周波数偏差を生成する発電機模擬部（６０）と、電力系統の交流電圧に基づいて、同期発電機の慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する定数設定部（５４）と、角周波数偏差と、基準角周波数とに基づいて、電力変換器の出力電圧の基準位相を生成する位相生成部（８５）と、基準位相と、電力変換器の出力電圧の基準電圧指令値とに基づいて、電力変換器に対する制御信号を生成する信号生成部（１０３）とを含む。電力系統の交流電圧が変動した場合、定数設定部（５４）は、電力系統と電力変換器との間で入出力される有効電力が小さくなるように慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する。

Description

本開示は、電力変換装置、およ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再生可能エネルギーを用いた多くの分散型電源が導入されている。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場合が多い。そのため、電力系統に接続される分散型電源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し、電力系統内の慣性エネルギーが減少する。そこで、電力変換器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エネルギーを補う仮想同期機制御が提案されている。

仮想同期機制御を備える電力変換器は、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２０１９－１７６５８４号公報（特許文献１）に係る制御装置は、分散電源の仕様および動作状態に基づいて仮想慣性値を算出し、算出される仮想慣性値と、系統運用者から要求される要求慣性値とのいずれか一方に基づいて、電力変換装置に仮想慣性を設定する。

特開２０１９－１７６５８４号公報

仮想同期機制御を備える電圧制御型の電力変換器は、系統電圧とは異なる電圧位相および電圧振幅を有する交流電圧を出力可能な電圧源として動作する。このような電力変換器においては、系統事故等が発生した場合には、電力変換器の交流電圧と系統電圧との間で位相差が生じ、当該交流電圧が低下して、電力変換器において有効電力の入出力が発生する。このとき、例えば、電力変換器に接続されている電力源（例えば、蓄電池等）の容量が比較的小さい場合には、有効電力の入出力が大きくなると、電力変換器の直流電圧が変動して過電圧となり、その結果、電力変換器が保護停止してしまうという課題があった。

本開示のある局面における目的は、同期発電機を模擬した制御を実行する電力変換器において、安定して運転を継続することが可能な電力変換装置、および制御装置を提供することである。

ある実施の形態に従う電力変換装置は、蓄電要素と、蓄電要素と電力系統との間で電力変換を行なう電力変換器と、電力変換器を電圧源として動作させる制御装置とを備える。電力変換器は、蓄電要素から出力される直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を電力系統に出力する。制御装置は、有効電力指令値と電力系統の有効電力とに基づいて同期発電機の特性を模擬することにより、角周波数偏差を生成する発電機模擬部と、電力系統の交流電圧に基づいて、同期発電機の慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する定数設定部と、角周波数偏差と、基準角周波数とに基づいて、電力変換器の出力電圧の基準位相を生成する位相生成部と、基準位相と、電力変換器の出力電圧の基準電圧指令値とに基づいて、電力変換器に対する制御信号を生成する信号生成部とを含む。電力系統の交流電圧が変動した場合、定数設定部は、電力系統と電力変換器との間で入出力される有効電力が小さくなるように慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する。

他の実施の形態に従うと、蓄電要素と電力系統との間で電力変換を行なう電力変換器を電圧源として動作させる制御装置が提供される。電力変換器は、蓄電要素から出力される直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を電力系統に出力する。制御装置は、有効電力指令値と電力系統の有効電力とに基づいて同期発電機の特性を模擬することにより、角周波数偏差を生成する発電機模擬部と、電力系統の交流電圧に基づいて、同期発電機の慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する定数設定部と、角周波数偏差と、基準角周波数とに基づいて、電力変換器の出力電圧の基準位相を生成する位相生成部と、基準位相と、電力変換器の出力電圧の基準電圧指令値とに基づいて、電力変換器に対する制御信号を生成する信号生成部とを備える。電力系統の交流電圧が変動した場合、定数設定部は、電力系統と電力変換器との間で入出力される有効電力が小さくなるように慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する。

本開示によれば、同期発電機を模擬した制御を実行する電力変換器において、安定して運転を継続することができる。

電力変換システムの全体構成の一例を説明するための図である。 電力変換器２０の構成の一例を示す図である。 電力変換器２０の構成の他の例を示す図である。 制御装置１００のハードウェア構成例を示す図である。 指令生成部の機能構成の一例を示すブロック図である。 定数設定部の構成の一例を示すブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜全体構成＞
図１は、電力変換システムの全体構成の一例を説明するための図である。電力変換システム１０００は、電力系統２と、変圧器３と、交流電流検出器６と、交流電圧検出器７と、直流電圧検出器９と、電力変換装置２００とを含む。電力変換装置２００は、制御装置１００と、電力変換器２０と、蓄電要素４０とを含む。電力変換器２０は、変圧器３を介して、電力系統２の連系点４に接続される。典型的には、電力系統２は三相の交流電源である。

電力変換器２０は、蓄電要素４０に接続されており、蓄電要素４０と電力系統２との間で電力変換を行なう電力変換器である。具体的には、電力変換器２０は、蓄電要素４０から出力される直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を変圧器３を介して電力系統２に出力する。また、電力変換器２０は、電力系統２からの交流電力を直流電力に変換して、当該直流電力を蓄電要素４０に出力する。これにより、電力変換器２０は、蓄電要素４０の電力を充放電する。電力変換器２０は、制御装置１００によって系統電圧とは異なる電圧位相および電圧振幅の交流電圧を出力可能な電圧源として制御される。

図２は、電力変換器２０の構成の一例を示す図である。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。蓄電要素４０は直流電力源の一実施例に対応する。例えば、蓄電要素４０は、電気二重層キャパシタで構成されており、一般的なコンデンサで構成された蓄電要素の容量よりも大きく、二次電池で構成された蓄電要素の容量よりも小さい容量を有する。この場合、電力変換器２０は、定格電力の連続出力が数秒（例えば、３秒程度）で蓄電要素４０の放電を完了するように構成される。

電力変換器２０は、３レベル変換器としてのインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗを有する。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 Width Modulation）制御によって、正弦波状の交流電圧に変換する。変圧器３のＵ相の二次巻線にインバータ２１ｕが接続され、Ｖ相の二次巻線にインバータ２１ｖが接続され、Ｗ相の二次巻線にインバータ２１ｗが接続される。

図２中に示された、インバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗのそれぞれに入力される制御信号Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗは、上記ＰＷＭ制御によって生成された、各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。

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。

図３は、電力変換器２０の構成の他の例を示す図である。図３に示す電力変換器２０は、図２に示すインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗに加えて、インバータ２１ｘ，２１ｙ，２１ｚをさらに含む。変圧器３の二次巻線は、オープン巻線で構成される。変圧器３のＵ相の二次巻線の正極側および負極側にそれぞれインバータ２１ｕおよび２１ｘが接続される。Ｖ相の二次巻線の正極側および負極側にそれぞれインバータ２１ｖおよび２１ｙが接続される。Ｗ相の二次巻線の正極側および負極側にそれぞれインバータ２１ｗおよび２１ｚが接続される。

図３中に示された、インバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗ，２１ｘ，２１ｙ，２１ｚのそれぞれに入力される制御信号Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗ，Ｓｇｘ，Ｓｇｙ，Ｓｇｚは、上記ＰＷＭ制御によって生成された、各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を包括して示すものである。

なお、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、または、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。

再び、図１を参照して、交流電流検出器６は、電力系統２と電力変換器２０との連系点４における三相の交流電流を検出する。具体的には、交流電流検出器６は、変圧器３と連系点４との間に流れるＵ相の交流電流Ｉｓｙｓｕ、Ｖ相の交流電流Ｉｓｙｓｖ、およびＷ相の交流電流Ｉｓｙｓｗを検出する。交流電流Ｉｓｙｓｕ，Ｉｓｙｓｖ，Ｉｓｙｓｗ（以下、「交流電流Ｉｓｙｓ」とも総称する。）は、制御装置１００へ入力される。

交流電圧検出器７は、電力系統２の連系点４における三相の交流電圧を検出する。具体的には、交流電圧検出器７は、連系点４のＵ相の交流電圧Ｖｓｙｓｕ、Ｖ相の交流電圧Ｖｓｙｓｖ、およびＷ相の交流電圧Ｖｓｙｓｗを検出する。交流電圧Ｖｓｙｓｕ，Ｖｓｙｓｖ，Ｖｓｙｓｗ（以下、「交流電圧Ｖｓｙｓ」とも総称する。）は、制御装置１００へ入力される。

直流電圧検出器９は、蓄電要素４０から出力される直流電圧Ｖｄｃを検出する。直流電圧Ｖｄｃは、制御装置１００へ入力される。なお、直流電圧Ｖｄｃは、電力変換器２０から出力される直流電圧ともいえる。

制御装置１００は、電力変換器２０を電圧源として動作させる装置である。具体的には、制御装置１００は、主な機能構成として、指令生成部１０１と、信号生成部１０３とを含む。指令生成部１０１および信号生成部１０３の各機能は、処理回路により実現される。処理回路は、専用のハードウェアであってもよいし、制御装置１００の内部メモリに格納されるプログラムを実行するＣＰＵ（Central Processing Unit）であってもよい。処理回路が専用のハードウェアである場合、処理回路は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、またはこれらを組み合わせたもの等で構成される。

指令生成部１０１は、主に、同期発電機の特性を模擬する機能を有しており、電力変換器２０から出力される電圧の基準位相θと、当該電圧の電圧指令値（すなわち、電圧振幅指令値）Ｖｄｒｅｆ，Ｖｑｒｅｆとを生成する。基準位相θは、電力変換器２０の制御に用いられる基準となる位相である。Ｖｄｒｅｆは、２軸（すなわち、ｄ軸およびｑ軸）の回転座標系でのｄ軸の電圧指令値であり、Ｖｑｒｅｆはｑ軸の電圧指令値である。指令生成部１０１の詳細については後述する。本実施の形態では、回転座標系におけるｄ軸電圧は無効電圧成分に対応し、ｑ軸電圧は有効電圧成分に対応するものとする。電流についても同様である。

信号生成部１０３は、指令生成部１０１により生成された基準位相θ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆおよびｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆ（以下、「電圧指令値Ｖｒｅｆ」とも総称する。）に基づいて、電力変換器２０に対する制御信号を生成し、電力変換器２０に出力する。具体的には、信号生成部１０３は、三相電圧生成部１０５と、ＰＷＭ制御部１０７とを含む。

三相電圧生成部１０５は、基準位相θ、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆ、およびｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆに基づいて、二相／三相変換により三相の正弦波電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を生成する。

ＰＷＭ制御部１０７は、三相の正弦波電圧Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊のそれぞれに対してパルス幅変調を行ない、ＰＷＭ信号としての制御信号を生成する。例えば、図２に示されたインバータ２１ｕ，２１ｖ，２１ｗの各々の４個のスイッチング素子の制御信号Ｓｇｕ，Ｓｇｖ，Ｓｇｗを生成する。ＰＷＭ制御部１０７は、当該制御信号を電力変換器２０に出力する。典型的には、制御信号は、電力変換器２０に含まれる各スイッチング素子のオンおよびオフを制御するためのゲート制御信号である。

＜ハードウェア構成＞
図４は、制御装置１００のハードウェア構成例を示す図である。図４には、コンピュータによって制御装置１００を構成する例が示される。

図４を参照して、制御装置１００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７２と、Ａ／Ｄ変換器７３と、１つ以上のＣＰＵ７４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１００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の各検出器による検出信号を、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。

Ｓ／Ｈ回路７１は、入力変換器７０ごとに設けられる。Ｓ／Ｈ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１００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およ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、プログラムおよ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、プログラムおよ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およ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１００の少なくとも一部をＦＰＧＡおよび、ＡＳＩＣ等の回路を用いて構成することも可能である。

＜指令生成部の構成＞
図５は、指令生成部の機能構成の一例を示すブロック図である。図５を参照して、指令生成部１０１は、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）回路５２と、定数設定部５４と、発電機模擬部６０と、位相生成部８５と、電圧指令生成部９０とを含む。指令生成部１０１は、さらに、座標変換部３１，３２と、交流電力算出部３５とを含む。以下の説明では、制御装置１００（具体的には、指令生成部１０１）の内部では各信号がＰＵ（Per Unit）化されているものとする。

（出力電圧の基準位相）
電力変換器２０の出力電圧の基準位相θの生成に関する機能構成について説明する。

ＰＬＬ回路５２は、交流電圧検出器７により検出された交流電圧Ｖｓｙｓの電圧位相θｐｌｌを検出する。具体的には、ＰＬＬ回路５２は、フィードバックループを用いて、交流電圧Ｖｓｙｓを入力信号とし、この入力信号に位相が同期した信号を、交流電圧Ｖｓｙｓの電圧位相の検出値（すなわち、θｐｌｌ）として出力する。

定数設定部５４は、電力系統２の交流電圧Ｖｓｙｓに基づいて、電力変換器２０（例えば、発電機模擬部６０）が模擬対象とする同期発電機（すなわち、仮想同期発電機）の回転子の慣性モーメント（すなわち、慣性定数）Ｍおよびダンピング定数Ｄを設定する。具体的には、電力系統２の交流電圧Ｖｓｙｓが変動した場合、定数設定部５４は、電力系統２と電力変換器２０との間で入出力される有効電力が小さくなるように慣性定数Ｍおよびダンピング定数Ｄを設定する。定数設定部５４の詳細については後述する。

減算器５６は、交流電力算出部３５により算出された有効電力Ｐｓと、有効電力指令値Ｐｒｅｆとの偏差ΔＰ（＝Ｐｒｅｆ－Ｐｓ）を出力する。

有効電力指令値Ｐｒｅｆは、例えば、上位装置からの要求に応じた有効電力指令値Ｐ１である。また、有効電力指令値Ｐｒｅｆは、電力系統２の周波数が変動したときに同期発電機のガバナフリー運転に相当する周波数調整量としての有効電力指令値Ｐ２であってもよい。さらに、有効電力指令値Ｐｒｅｆは、蓄電要素４０の直流電圧Ｖｄｃを直流電圧指令値に追従させるための有効電力指令値Ｐ３であってもよい。あるいは、有効電力指令値Ｐｒｅｆは、有効電力指令値Ｐ１～Ｐ３の少なくとも２つを加算した加算値であってもよい。

発電機模擬部６０は、有効電力指令値Ｐｒｅｆと電力変換器から出力される有効電力Ｐｓとに基づいて同期発電機の特性を模擬することにより、角周波数偏差Δωを生成する。具体的には、発電機模擬部６０は、減算器６２と、積分器６３と、ハイパスフィルタ６４と、比例器６５とを含む。

積分器６３は、減算器６２の出力値を時間積分して角周波数偏差Δωを出力する。図５において、積分器６３の“Ｍ”は、同期発電機の慣性定数である。積分器６３により出力される角周波数偏差Δωは、仮想同期発電機における回転子の角周波数と基準角周波数ω０との差分に相当する。基準角周波数ω０は、電力系統２における電力の基準周波数（例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚ）の角周波数である。

ハイパスフィルタ６４は、角周波数偏差Δωをハイパスフィルタ処理して比例器６５に出力する。比例器６５は、ハイパスフィルタ処理後の角周波数偏差Δωとダンピング定数Ｄとの乗算値“Ｄ×Δω”を出力する。

減算器６２は、偏差ΔＰから乗算値“Ｄ×Δω”を減算した値を積分器６３に出力する。積分器６３は、減算器６２の出力値を時間積分することにより、電力変換器２０の制御において同期発電機が有する制動力が模擬される。

位相生成部８５は、角周波数偏差Δωと、基準角周波数ω０とに基づいて、電力変換器２０の出力電圧の基準位相θを生成する。具体的には、位相生成部８５は、加算器８６と、積分器８７とを含む。

加算器８６は、積分器６３から出力される角周波数偏差Δωおよび基準角周波数ω０の加算演算を実行する。具体的には、加算器８６は、角周波数偏差Δωと基準角周波数ω０とを加算して角周波数ω（＝Δω＋ω０）を出力する。積分器８７は、角周波数ωを時間積分して基準位相θを生成する。

（出力電圧の電圧指令値）
電力変換器２０の出力電圧の電圧指令値（すなわち、電圧振幅指令値）の生成に関する機能構成について説明する。

座標変換部３１は、基準位相θを用いて交流電流Ｉｓｙｓｕ，Ｉｓｙｓｖ，Ｉｓｙｓｗを三相／二相変換して、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑを算出する。座標変換部３２は、基準位相θを用いて交流電圧Ｖｓｙｓｕ，Ｖｓｙｓｖ，Ｖｓｙｓｗを三相／二相変換して、ｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑを算出する。典型的には、ｄ軸電流Ｉｄおよびｑ軸電流Ｉｑは、移動平均フィルタ等により高調波成分が除去される。同様に、ｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑは、移動平均フィルタ等により高調波成分が除去される。

交流電力算出部３５は、ｄ軸電圧Ｖｄ、ｑ軸電圧Ｖｑ、ｄ軸電流Ｉｄ、およびｑ軸電流Ｉｑに基づいて、連系点４における有効電力Ｐｓ（例えば、Ｐｓ＝Ｖｄ×Ｉｄ＋Ｖｑ×Ｉｑ）および無効電力Ｑｓ（例えば、Ｑｓ＝Ｖｑ×Ｉｄ－Ｖｄ×Ｉｑ）を算出する。有効電力Ｐｓは減算器５６に入力され、無効電力Ｑｓは減算器３７に入力される。

電圧指令生成部９０は、電力変換器２０の出力電圧の電圧指令値Ｖｒｅｆを生成する。電圧指令値Ｖｒｅｆは、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆと、ｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆとを含む。以下の説明では、電圧指令生成部９０により生成される電圧指令値を「基準電圧指令値」と称する場合がある。電圧指令生成部９０は、正相電圧算出部３６と、減算器３７，３８と、電圧調整部９１と、座標変換部９２，９４と、加算器９３とを含む。

正相電圧算出部３６は、ｄ軸電圧Ｖｄおよびｑ軸電圧Ｖｑに基づいて、正相電圧Ｖｐｏｓを算出する。減算器３７は、無効電力指令値Ｑｒｅｆと無効電力Ｑｓとの偏差ΔＱ（＝Ｑｒｅｆ－Ｑｓ）を算出する。減算器３８は、系統電圧指令値Ｖａｃｒｅｆと正相電圧Ｖｐｏｓとの偏差ΔＶｐｏｓ（＝Ｖａｃｒｅｆ－Ｖｐｏｓ）を算出する。

電圧調整部９１は、自動無効電力調整モードまたは自動電圧調整モードのいずれかを選択し、選択したモードに基づいて、電圧振幅調整量ΔＶａｃｒｅｆを生成する。具体的には、電圧調整部９１は、自動無効電力調整モードを選択した場合、偏差ΔＱを規定値以下（例えば、０）にするためのフィードバック制御により電圧振幅調整量ΔＶａｃｒｅｆを生成する。電圧調整部９１は、自動電圧調整モードを選択した場合、偏差ΔＶｐｏｓを規定値以下（例えば、０）にするためのフィードバック制御により電圧振幅調整量ΔＶａｃｒｅｆを生成する。電圧調整部９１は、ＰＩ制御器、一次遅れ要素等で構成される。

座標変換部９２は、規定電圧指令値のｄ軸成分（すなわち、規定ｄ軸電圧指令値Ｖｄｘおよびｑ軸成分（すなわち、規定ｑ軸電圧指令値Ｖｑｘ）を、振幅｜Ｖ｜および位相φｖに変換する。規定ｄ軸電圧指令値Ｖｄｘおよび規定ｑ軸電圧指令値Ｖｑｘは、系統運用者等により予め設定される値である。加算器９３は、振幅｜Ｖ｜と電圧振幅調整量ΔＶａｃｒｅｆとを加算する。座標変換部９４は、振幅｜Ｖ｜および位相φｖを、ｄｑ軸変換して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄｒｅｆ（すなわち、基準電圧指令値Ｖｒｅｆのｄ軸成分）およびｑ軸電圧指令値Ｖｑｒｅｆ（すなわち、基準電圧指令値Ｖｒｅｆのｑ軸成分）を生成する。

図１の信号生成部１０３は、上述した指令生成部１０１により生成された基準位相θおよび基準電圧指令値Ｖｒｅｆに基づいて、電力変換器２０に対する制御信号を生成する。

＜定数設定部の構成＞
図６は、定数設定部の構成の一例を示すブロック図である。図６を参照して、定数設定部５４は、第１設定部２０１と、第２設定部２０２とを含む。

第１設定部２０１は、電力系統２の交流電圧Ｖｓｙｓの位相θｐｌｌと電力変換器２０の出力電圧の基準位相θとの位相差Δθに基づいて、慣性定数Ｍを設定する。位相差Δθが閾値θｔｈ以上である場合、第１設定部２０１は慣性定数Ｍを小さくする。一方、位相差Δθが閾値θｔｈ未満となった場合、第１設定部２０１は慣性定数Ｍを初期値に戻す。詳細には、第１設定部２０１は、減算器１１１と、絶対値演算器１１２と、比較器１１３と、切替器１１４とを含む。

減算器１１１は、位相θｐｌｌと基準位相θとの差分を算出する。絶対値演算器１１２は、当該差分の絶対値としての位相差Δθを演算する。比較器１１３は、位相差Δθと閾値θｔｈとを比較し、比較結果に応じた定数Ｃｒ１を出力する。位相差Δθが閾値θｔｈ以上である場合、比較器１１３は、値“１”の定数Ｃｒ１を出力する。位相差Δθが閾値θｔｈ未満である場合、比較器１１３は、値“０”の定数Ｃｒ１を出力する。

切替器１１４は、値“０”の定数Ｃｒ１を受け付けた場合には、慣性定数Ｍの値をＭ０に設定する。切替器１１４は、値“１”の定数Ｃｒ１を受け付けた場合には、慣性定数Ｍの値をＭ１（ただし、Ｍ１＜Ｍ０）に設定する。

具体的には、系統事故等が発生しておらず、位相差Δθが閾値Δθｔｈ未満である通常状態においては、慣性定数Ｍの値は初期値Ｍ０に設定されている。初期値Ｍ０は、例えば、蓄電要素４０の放電時定数である。放電時定数は、定格電圧まで充電した蓄電要素４０を定格電流で放電した場合に当該放電が完了するまでに要する時間である。そして、系統事故等が発生して、位相差Δθが閾値Δθｔｈ以上になった場合、切替器１１４は、慣性定数Ｍの値を初期値Ｍ０よりも小さいＭ１に切り替える。次に、系統事故等が除去されて通常状態に戻ると、切替器１１４は、慣性定数Ｍの値をＭ１から初期値Ｍ０に戻す（すなわち、切り替える）。

なお、図６の例では、位相差Δθと閾値Δθｔｈとの比較結果に応じて、慣性定数ＭをＭ０またはＭ１に切り替える例について説明したが、当該構成に限られない。第１設定部２０１は、位相差Δθの大きさに比例して慣性定数Ｍを設定してもよい。例えば、第１設定部２０１は、位相差Δθが大きいほど慣性定数Ｍを小さくする構成であってもよい。

上記の第１設定部２０１の構成によると、交流電圧Ｖｓｙｓの位相が変動した場合（すなわち、位相差Δθが大きくなった場合）に、慣性定数Ｍが小さく設定される。これにより、位相差Δθの増大に伴う有効電力の入出力の増大（すなわち、有効電力の変動）を抑制できる。したがって、有効電力の入出力が大きい場合に発生し得る電力変換器２０の直流電圧における過電圧を防止でき、結果として、電力変換器２０は保護停止することなく運転を継続できる。

次に、第２設定部２０２は、電力系統２の交流電圧Ｖｓｙｓの有効電圧Ｖｑ（すなわち、ｑ軸電圧Ｖｑに対応）に基づいて、ダンピング定数Ｄを設定する。具体的には、有効電圧Ｖｑが閾値Ｖｑｔｈ未満である場合、第２設定部２０２は、ダンピング定数Ｄを大きくする。一方、有効電圧Ｖｑが閾値Ｖｑｔｈ以上となった場合、第２設定部２０２はダンピング定数Ｄを初期値に戻す。詳細には、第２設定部２０２は、絶対値演算器１１５と、比較器１１６と、切替器１１７とを含む。

絶対値演算器１１５は、有効電圧Ｖｑの絶対値（以下、有効電圧｜Ｖｑ｜とも称する。）を演算する。比較器１１６は、有効電圧｜Ｖｑ｜と閾値Ｖｑｔｈとを比較し、比較結果に応じた定数Ｃｒ２を出力する。有効電圧｜Ｖｑ｜が閾値Ｖｑｔｈ以上である場合、比較器１１６は、値“１”の定数Ｃｒ２を出力する。有効電圧｜Ｖｑ｜が閾値Ｖｑｔｈ未満である場合、比較器１１６は、値“０”の定数Ｃｒ２を出力する。

切替器１１７は、値“０”の定数Ｃｒ２を受け付けた場合には、ダンピング定数Ｄの値をＤ０に設定する。切替器１１７は、値“１”の定数Ｃｒ２を受け付けた場合には、ダンピング定数Ｄの値をＤ１（ただし、Ｄ１＞Ｄ０）に設定する。

具体的には、系統事故等が発生しておらず、有効電圧｜Ｖｑ｜が閾値Ｖｑｔｈ以上である通常状態においては、ダンピング定数Ｄの値は初期値Ｄ０に設定されている。初期値Ｄ０は、例えば、電力変換器２０の容量と同じ容量を有する同期発電機のダンピング定数に設定される。そして、系統事故等が発生して、有効電圧｜Ｖｑ｜が閾値Ｖｑｔｈ未満になった場合、切替器１１７は、ダンピング定数Ｄの値を初期値Ｄ０よりも大きいＤ１に切り替える。次に、系統事故等が除去されて通常状態に戻ると、切替器１１７は、ダンピング定数Ｄの値をＤ１から初期値Ｄ０に戻す（切り替える）。

なお、図６の例では、有効電圧｜Ｖｑ｜と閾値Ｖｑｔｈとの比較結果に応じて、ダンピング定数ＤをＤ０またはＤ１に切り替える例について説明したが、当該構成に限られない。第２設定部２０２は、有効電圧｜Ｖｑ｜の大きさに比例してダンピング定数Ｄを設定してもよい。例えば、第２設定部２０２は、有効電圧｜Ｖｑ｜が小さいほどダンピング定数Ｄを大きくする構成であってもよい。

上記の第２設定部２０２の構成によると、交流電圧Ｖｓｙｓの有効電圧が変動した場合（すなわち、有効電圧｜Ｖｑ｜が小さくなった場合）に、ダンピング定数Ｄが大きく設定される。これにより、有効電圧｜Ｖｑ｜の低下に伴う有効電力の入出力の増大（すなわち、有効電力の変動）を抑制できる。したがって、有効電力の入出力が大きい場合に発生し得る電力変換器２０の直流電圧における過電圧を防止できる。そのため、電力変換器２０は、保護停止することなく運転を継続できる。

＜利点＞
本実施の形態に係る電力変換装置２００は、仮想同期機制御を有する電圧制御型の電力変換器であるため、電力系統２が短絡容量比（ＳＣＲ：Short Circuit Ratio）が１以下となるような弱小系統であっても、安定した動作が可能となる。一方、電圧制御型の電力変換器の場合には、系統事故等によって、電力変換器２０の出力電圧と系統電圧との間で位相差が生じ、出力電圧が低下すると、電力変換器２０の有効電力の入出力が増大する。しかし、電力変換装置２００では、位相差Δθおよび有効電圧｜Ｖｑ｜の変動に応じて、有効電力の入出力が小さくなるように慣性定数Ｍおよびダンピング定数Ｄが設定される。したがって、蓄電要素４０の容量が小さい場合（例えば、蓄電要素４０が有効電力の入出力に十分な容量を有さない場合）に発生し易い電力変換器２０における過電圧を防止できる。そのため、電力変換器２０は保護停止することなく運転を継続できる。

その他の実施の形態．
（１）上述した実施の形態では、定数設定部５４は、電力系統２の交流電圧Ｖｓｙｓに基づいて、慣性定数Ｍおよびダンピング定数Ｄを設定する構成について説明したが、当該構成に限られない。例えば、定数設定部５４は、位相差Δθに基づいて慣性定数Ｍのみを設定してもよい。この場合、ダンピング定数Ｄは初期値Ｄ０に固定される。あるいは、定数設定部５４は、有効電圧Ｖｑに基づいてダンピング定数Ｄのみを設定してもよい。この場合、慣性定数Ｍは初期値Ｍ０に固定される。このように、定数設定部５４は、第１設定部２０１のみを有していてもよいし、第２設定部２０２のみを有していてもよい。そのため、定数設定部５４は、電力系統２の交流電圧Ｖｓｙｓに基づいて、慣性定数Ｍおよびダンピング定数Ｄの少なくとも一方を設定するように構成されていればよい。

（２）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。また、上述した実施の形態において、その他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

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、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味およ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、４ 連系点、６ 交流電流検出器、７ 交流電圧検出器、９ 直流電圧検出器、２０ 電力変換器、２１ｕ～２１ｚ インバータ、３１，３２，９２，９４ 座標変換部、３５ 交流電力算出部、３６ 正相電圧算出部、４０ 蓄電要素、４１，４２ キャパシタ、５２ ＰＬＬ回路、５４ 定数設定部、６０ 発電機模擬部、６３，８７ 積分器、６４ ハイパスフィルタ、６５ 比例器、７０ 入力変換器、７１ サンプルホールド回路、７２ マルチプレクサ、７３ Ａ／Ｄ変換器、７４ ＣＰＵ、７５ ＲＡＭ、７６ ＲＯＭ、７７ 入出力インターフェイス、７８ 補助記憶装置、７９ バス、８５ 位相生成部、９０ 電圧指令生成部、９１ 電圧調整部、１００ 制御装置、１０１ 指令生成部、１０３ 信号生成部、１０５ 二相／三相電圧生成部、１０７ ＰＷＭ制御部、１１２，１１５ 絶対値演算器、１１３，１１６ 比較器、１１４，１１７ 切替器、２００ 電力変換装置、２０１ 第１設定部、２０２ 第２設定部、１０００ 電力変換システム。

Claims (11)

1. 蓄電要素と、
   前記蓄電要素と電力系統との間で電力変換を行なう電力変換器と、
   前記電力変換器を電圧源として動作させる制御装置とを備え、
   前記電力変換器は、前記蓄電要素から出力される直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を前記電力系統に出力し、
   前記制御装置は、
   有効電力指令値と前記電力系統の有効電力とに基づいて同期発電機の特性を模擬することにより、角周波数偏差を生成する発電機模擬部と、
   前記電力系統の交流電圧に基づいて、前記同期発電機の慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する定数設定部と、
   前記角周波数偏差と、基準角周波数とに基づいて、前記電力変換器の出力電圧の基準位相を生成する位相生成部と、
   前記基準位相と、前記電力変換器の出力電圧の基準電圧指令値とに基づいて、前記電力変換器に対する制御信号を生成する信号生成部とを含み、
   前記電力系統の交流電圧が変動した場合、前記定数設定部は、前記電力系統と前記電力変換器との間で入出力される有効電力が小さくなるように前記慣性定数および前記ダンピング定数の少なくとも一方を設定する、電力変換装置。
2. 前記定数設定部は、前記電力系統の交流電圧の位相と前記電力変換器の出力電圧の基準位相との位相差に基づいて、前記慣性定数を設定する第１設定部を含み、
   前記位相差が第１閾値以上である場合、前記第１設定部は、前記慣性定数を小さくする、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記位相差が前記第１閾値未満となった場合、前記第１設定部は、前記慣性定数を初期値に戻す、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記定数設定部は、前記電力系統の交流電圧の位相と前記電力変換器の出力電圧の基準位相との位相差に基づいて、前記慣性定数を設定する第１設定部を含み、
   前記第１設定部は、前記位相差が大きいほど前記慣性定数を小さくする、請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記慣性定数の初期値は、前記蓄電要素の放電時定数に設定される、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記定数設定部は、前記電力系統の有効電圧に基づいて、前記ダンピング定数を設定する第２設定部をさらに含み、
   前記有効電圧が第２閾値未満である場合、前記第２設定部は、前記ダンピング定数を大きくする、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記有効電圧が前記第２閾値以上となった場合、前記第２設定部は、前記ダンピング定数を初期値に戻す、請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記定数設定部は、前記電力系統の有効電圧に基づいて、前記ダンピング定数を設定する第２設定部をさらに含み、
   前記第２設定部は、前記有効電圧が小さいほど前記ダンピング定数を大きくする、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
9. 前記ダンピング定数の初期値は、前記電力変換器の容量と同じ容量を有する前記同期発電機のダンピング定数に設定される、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
10. 前記蓄電要素は、電気二重層キャパシタで構成されている、請求項１～請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 蓄電要素と電力系統との間で電力変換を行なう電力変換器を電圧源として動作させる制御装置であって、
    前記電力変換器は、前記蓄電要素から出力される直流電力を交流電力に変換して、当該交流電力を前記電力系統に出力し、
    前記制御装置は、
    有効電力指令値と前記電力系統の有効電力とに基づいて同期発電機の特性を模擬することにより、角周波数偏差を生成する発電機模擬部と、
    前記電力系統の交流電圧に基づいて、前記同期発電機の慣性定数およびダンピング定数の少なくとも一方を設定する定数設定部と、
    前記角周波数偏差と、基準角周波数とに基づいて、前記電力変換器の出力電圧の基準位相を生成する位相生成部と、
    前記基準位相と、前記電力変換器の出力電圧の基準電圧指令値とに基づいて、前記電力変換器に対する制御信号を生成する信号生成部とを備え、
    前記電力系統の交流電圧が変動した場合、前記定数設定部は、前記電力系統と前記電力変換器との間で入出力される有効電力が小さくなるように前記慣性定数および前記ダンピング定数の少なくとも一方を設定する、制御装置。

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