JP7408500B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

系統連系する電力変換装置では、系統側の配線や負荷等による系統インピーダンスと変換器制御との相互作用で電圧共振が発生し、運転が不安定化して運転継続できない場合がある。共振様相は、場所毎および時間毎に刻々と変化する未知な系統インピーダンス条件に依存するため、系統状態の変化によって共振周波数が変動する場合がある。このため、特定条件で安定な制御パラメータを適用した場合であっても、系統状態の変化によって系統連系運転が不安定化する恐れがある。

系統インピーダンスを推定し、推定結果に基づき設定したノッチフィルタ等によって振動周波数帯域の制御感度を低下させる手法が提案されている。このような手法では、制御感度を低下させるのみでは十分な安定余裕を確保できず、わずかな外乱が加わるのみで共振が増幅する場合がある。なお、このような手法は、系統状態（系統インピーダンス）が安定運転にとって過酷条件である場合が考慮されていない。

これに対し、振動周波数帯域の電圧、電流を積極的に制御して抑制するように構成した場合でも、系統状態が変化した際に十分な安定余裕を確保できない、もしくは、制御系の検出・演算遅延等に伴う位相遅れの影響等によって却って運転を不安定化させる場合がある。

特開２０１９－１０６８４３号公報

H. Saad、 Y. Fillion、 S. Deschanvres、 Y. Vernay and S. Dennetiere: "On Resonances and Harmonics in HVDC-MMC Station Connected to AC Grid" IEEE Trans. Pow. Del.、 vol. 32、 no. 3、 pp. 1565-1573 (2017-06)

本発明が解決しようとする課題は、安定性を確保した信頼性の高い電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、電力変換器と、変換器制御部とを持つ。電力変換装置は、交流と直流とを変換可能である。電力変換器は、交流の電圧を切り替え可能とするスイッチング素子を含む。変換器制御部は、スイッチング素子に動作指令を与える。変換器制御部は、基本周波数成分制御部と、共振状態検知部と、補正部と、を持つ。基本周波数成分制御部は、交流の電圧である交流電圧と、電力変換器に流れる交流電流とのうち少なくとも一方における、交流電圧または交流電流の少なくとも基本波周波数に相当する成分を制御する。共振状態検知部は、交流電圧または交流電流の高調波成分を検知する。補正部は、動作指令を補正する補正信号を生成する。共振状態検知部は、振動周波数検知部を持つ。振動周波数検知部は、交流電圧または交流電流における所定の周波数範囲の中で高調波振幅が最大となる振動周波数または振動周波数帯域を検知する。基本周波数成分制御部は、感度低減部を持つ。感度低減部は、少なくとも振動周波数を含む周波数帯域の感度を低減させて制御する。補正部は、交流電圧または交流電流の少なくとも振動周波数を含む周波数帯域の検出値に基づき補正信号を生成する。

第１の実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図。 第１の実施形態に係る電力変換装置と系統インピーダンスの一例を示す等価回路図。 第１の実施形態に係る変換器制御部の構成の一例を示すブロック図。 第１の実施形態に係る電力変換装置のインピーダンス特性図の一例を示す図。 第１の実施形態に係る電力変換装置のインピーダンスのベクトル図の一例を示す図。 第１の実施形態に係る変換器制御部が行う処理手順例を示すフローチャート 。 第２の実施形態に係る変換器制御部の構成の一例を示すブロック図。 第３の実施形態に係る変換器制御部の構成の一例を示すブロック図。 第４の実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図。 第４の実施形態に係る変換器制御部が行う処理手順例を示すフローチャート。 第５の実施形態に係る共振状態検知部の処理手順例を示すフローチャート。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置１０の構成の一例を示す図である。電力変換装置１０は、交流系統と直流系統の連系点に設けられ、交流系統が供給する交流電力と、直流系統が供給する直流電力とを相互に変換する。交流系統は、交流電源ＡＣＶや交流負荷、直流系統は、直流電源ＤＣＶや直流負荷であってもよい。

図１のように、電力変換装置１０は、変換器制御部１００、および電力変換器２０を備える。変換器制御部１００は、共振状態検知部１１０、感度低減部１２０、基本周波数成分制御部１３０、補正部１５０、加算部１７０、およびゲート指令生成部１８０を備える。共振状態検知部１１０は、振動周波数検知部１１１を備える。なお、系統インピーダンス３０、連系インダクタＬについては、図２を用いて後述する。

変換器制御部１００は、系統インピーダンスと連系インダクタＬの間の系統連系点Ｐ１から得た系統連系点の交流の電圧である交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔと、連系インダクタと電力変換器２０との間から計器用変流器ＣＴによって得た交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔ（等しい電流計測値が得られれば、ＣＴは例えばＰ１や電力変換器内部にあってもよい）を用いて、電力変換器２０を制御するためのゲート指令ｇａｔｅを生成する。

共振状態検知部１１０は、例えば、交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔの検出値にフーリエ変換演算またはカウンタを用いて振動周期（周波数の逆数）を検出し、所定の周波数範囲の中で高調波振幅が最大となる振動周波数ｆｒｅｓ、もしくは、ｆｒｅｓを含む振動周波数帯域を抽出する。周波数範囲は、感度低減部や補正部によって振動周波数成分の抑制対象とする範囲に、例えば利用者によって予め設定されている。周波数範囲は、例えば、規格等で規定される高調波規制対象範囲や事前解析にて共振発生リスクが高いことが判明している範囲である。なお、共振状態検知部１１０は、共振状態を検知した場合、感度低減部１２０に対して基本周波数成分制御部１３０に対する感度を低減させることを有効化する。以下の説明では、感度を低減させることを、感度低減ともいう。なお、共振状態検知部１１０は、交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔまたは交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔの高調波成分を検知する。なお、本願でいう「ＡまたはＢ」とは、ＡとＢのうちいずれか一方の場合に限定されず、ＡとＢの両方の場合を含む。

共振状態検知部１１０の振動周波数検知部１１１は、交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔまたは交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔを検出し、所定の周波数範囲の中で高調波振幅が最大となる振動周波数または振動周波数帯域を検知する。なお、以下の説明において、振動周波数検知部１１１は、交流電圧に基づいて、高調波振幅が最大となる振動周波数または振動周波数帯域を検知するものとする。所定の周波数範囲の中で高調波振幅が最大となる振動周波数または振動周波数帯域を検知する。振動周波数検知部１１１は、フーリエ変換演算により、高調波振幅の大きな周波数成分を振動周波数として特定する。あるいは、交流の電圧または交流電流の振動周期を観測し、例えば振動周期の逆数を演算することで、振動周波数を得てもよい。

感度低減部１２０は、少なくとも振動周波数を含む周波数帯域の感度を低減させて制御する。感度低減部１２０は、交流電流の感度を低減させた交流電流と、交流電圧の感度を低減させた交流電圧と、を基本周波数成分制御部１３０に出力する（以下、感度を低減させることを感度低減ともいう）。感度低減部１２０は、交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔと、交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔとに対して、例えばディジタルフィルタ処理を行い、振動周波数ｆｒｅｓ帯域における成分を減衰させる。ディジタルフィルタは、振動周波数より低いカットオフ周波数を有する低域通過フィルタや、振動周波数を含む帯域を減衰させるノッチフィルタ、もしくはこれらの組み合わせであってもよい。低域通過フィルタとノッチフィルタを組み合わせた場合は、振動周波数帯域における減衰率を組み合わせない場合より高くすることができる。ディジタルフィルタの特性の一部または全部は、共振状態検知部によって抽出された振動周波数ｆｒｅｓ帯域を効果的に減衰させるように動的に調整される。なお、低域通過フィルタのカットオフ周波数については、少なくとも基本波周波数より高周波の値に固定されていてもよい。なお、感度低減部１２０は、基本周波数成分制御部１３０に対する感度低減特性を振動周波数ｆｒｅｓに応じて動的に変化させる。

基本周波数成分制御部１３０は、交流電圧と電力変換器２０との間を流れる交流電流において、少なくとも交流電圧の基本波周波数に相当する成分を制御する。基本周波数成分制御部１３０は、少なくとも振動周波数を含む周波数帯域の感度を低減させて制御する。基本周波数成分制御部１３０は、感度低減部１２０が出力する系統連系点電圧や交流電流に、例えば比例積分制御などを行い、交流電流の特に系統の基本波周波数成分を所定の値に制御するための電圧指令値Ｖｒ１^＊、Ｖｓ１^＊、Ｖｔ１^＊を生成する。

なお、基本周波数成分制御部１３０ａが、基本周波数成分制御部１３０と感度低減部１２０を備えていてもよい。

補正部１５０は、電力変換器２０に対する動作指令である電圧指令値Ｖｒ１^＊、Ｖｓ１^＊、Ｖｔ１^＊を補正する補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊を生成する。なお、実施形態において、補正電圧は、補正信号の一例である。補正部１５０は、交流電流の少なくとも振動周波数を含む周波数帯域の検出値に基づき補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊を生成する。補正部１５０は、例えば、交流電流の検出値から基本波周波数成分を除去し、振動周波数ｆｒｅｓを含む高調波成分のみになるように処理した値に比例した補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊を生成する。基本波周波数成分を除去する手法は、例えば、基本波周波数を含む帯域を減衰させるノッチフィルタによる処理や、実質的に高調波成分を抽出する高域通過フィルタの機能を含むディジタル処理等である。なお、補正部１５０は、補正電圧を、例えば３相２相変換された固定座標軸上の交流電流に基づき演算する。なお、補正部１５０は、共振抑制を行う共振抑制制御部の一例である。

加算部１７０は、基本周波数成分制御部１３０が生成した電圧指令値Ｖｒ１^＊、Ｖｓ１^＊、Ｖｔ１^＊と、補正部１５０が生成した補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊とを加算することで補正して、電圧指令値Ｖｒ２^＊、Ｖｓ２^＊、Ｖｔ２^＊を出力する。具体的には、加算部１７０は、電圧指令値Ｖ（ｘ）１^＊（ｘはｒ、ｓ、ｔ）と補正電圧ＶＲ（ｘ）^＊とを加算して電圧指令値Ｖ（ｘ）２^＊を出力する。

ゲート指令生成部１８０は、交流端子電圧出力指令値である電圧指令値Ｖｒ２^＊、Ｖｓ２^＊、Ｖｔ２^＊を入力とし、交流端子に疑似的に電圧指令値が出力されるように電力変換器内部のスイッチング素子に与えるゲート指令ｇａｔｅを生成する。なお、ゲート指令生成部１８０は、ｒ、ｓ、ｔの各相に対応するゲート指令を生成する。

変換器制御部１００は、例えば、ＣＰＵ等のハードウェアプロセッサが記憶部（不図示）に記憶されるプログラム（ソフトウェア）を実行することにより、共振状態検知部１１０と、感度低減部１２０と、基本周波数成分制御部１３０と、補正部１５０と、ゲート指令生成部１８０とを機能部として実現するようにしてもよい。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）、ＡＳＩＣ（application specific integrated circuit）、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。

電力変換器２０は、変換器制御部１００の制御に基づいて、交流電力と直流電力とを相互に変換する。電力変換器２０は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor；絶縁ゲート型バイポーラートランジスター）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor；金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）などの自己消弧型スイッチング素子を用いて構成した回路である。

次に、電力変換装置１０と系統インピーダンスの一例を説明する。図２は、本実施形態に係る電力変換装置１０と系統インピーダンスの一例を示す等価回路図である。図２のように、交流系統は、交流電源から系統連系点までの等価インダクタンスＬｇｒｉｄと、系統連系点の等価キャパシタンスＣｇｒｉｄから構成される。以下の説明では、系統連系点から交流電源側をみたインピーダンスを系統インピーダンスＺｇｒｉｄと呼ぶ。電力変換器２０は、連系インダクタＬｖｓｃを介して系統連系点Ｐ１に接続される。以下の説明では、系統連系点Ｐ１から電力変換器２０側をみたインピーダンスを変換器インピーダンスＺｖｓｃと呼ぶ。Ｚｖｓｃは、Ｌｖｓｃに電力変換器の制御による特性が加算されたインピーダンスである。

次に、実施形態の変換器制御部１００の構成の一例を説明する。図３は、本実施形態の変換器制御部１００の構成の一例を示すブロック図である。図３のように、変換器制御部１００は、例えば、回転座標変換部１０１、回転座標変換部１０２、固定座標変換部１０３、および固定座標変換部１０４を更に備える。

感度低減部１２０は、例えば、第１フィルタ演算部１２１、第１フィルタ演算部１２２、第１フィルタ演算部１２３、および第１フィルタ演算部１２４を備える。なお、第１フィルタ演算部１２１と第１フィルタ演算部１２２と第１フィルタ演算部１２３と第１フィルタ演算部１２４それぞれの特性は同じである。

基本周波数成分制御部１３０は、例えば、１／Ｖｓ演算部１３１、１／Ｖｓ演算部１３２、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３３、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３４、演算部１３５、演算部１３６、ＰＩ演算部１３７、ＰＩ演算部１３８、演算部１３９、および演算部１４０を備える。

補正部１５０は、例えば、第２フィルタ演算部１５１、第２フィルタ演算部１５２、補正電圧演算部１５３、および補正電圧演算部１５４を備える。なお、第２フィルタ演算部１５１と第２フィルタ演算部１５２それぞれの特性は同じである。

次に、変換器制御部１００の各構成要素の動作例を、図３を参照して説明する。回転座標変換部１０１は、交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔを、系統連系点電圧から検出された検出位相θに同期した回転座標軸上の交流電流成分Ｉｓｄ、Ｉｓｑに変換する。回転座標変換部１０２は、系統連系点の交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔを、検出位相θに同期した回転座標軸上の交流電圧成分Ｖｓｄ、Ｖｓｑに変換する。

感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２１は、回転座標変換部１０１が変換した交流電流成分Ｉｓｄを入力とし、共振状態検知部１１０（図１）が検出した振動周波数ｆｒｅｓに基づき、振動周波数ｆｒｅｓの周波数帯域を減衰させるように設定されたフィルタ処理を行う。第１フィルタ演算部１２２は、回転座標変換部１０１が変換した交流電流成分Ｉｓｑを入力とし、振動周波数ｆｒｅｓに基づき、振動周波数ｆｒｅｓの周波数帯域を減衰させるように設定されたフィルタ処理を行う。なお、第１フィルタ演算部１２１と第１フィルタ演算部１２２の出力は、電流に基づく値である。

感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２３は、回転座標変換部１０２が変換した交流電圧成分Ｖｓｄを入力とし、振動周波数ｆｒｅｓに基づき、振動周波数ｆｒｅｓの周波数帯域を減衰させるように設定されたフィルタ処理を行う。第１フィルタ演算部１２４は、回転座標変換部１０２が変換した交流電圧成分Ｖｓｑを入力とし、振動周波数ｆｒｅｓに基づき、振動周波数ｆｒｅｓの周波数帯域を減衰させるように設定されたフィルタ処理を行う。なお、第１フィルタ演算部１２３と第１フィルタ演算部１２４の出力は、電圧に基づく値である。なお、第１フィルタ演算部（１２１～１２４）のフィルタの特性は、例えば利用者によって予め設定されている。

補正部１５０の第２フィルタ演算部１５１は、回転座標変換部１０１が変換した交流電流成分Ｉｓｄから、基本波周波数成分（回転座標軸上では直流成分）を除去するフィルタの処理を行う。第２フィルタ演算部１５２は、回転座標変換部１０１が変換した交流電流成分Ｉｓｑから、基本波周波数成分を除去するフィルタの処理を行う。なお、第２フィルタ演算部１５１と第２フィルタ演算部１５２の出力は、電流に基づく値である。なお、第２フィルタ演算部（１５１、１５２）のフィルタの特性は、例えば利用者によって予め設定されている。

補正部１５０の補正電圧演算部１５３は、第２フィルタ演算部１５１によって基本波周波数成分が除去された高調波成分に、振動周波数ｆｒｅｓに応じて設定された特性値（仮想的なインピーダンス成分）を乗じる処理を行う。補正電圧演算部１５４は、第２フィルタ演算部１５２によって基本波周波数成分が除去された高調波成分に、振動周波数ｆｒｅｓに応じて設定された特性値を乗じる処理を行う。なお、特性値は、例えば利用者によって予め設定されていてもよく、補正電圧演算部（１５３、１５４）が設定するようにしてもよい。補正電圧演算部１５３と補正電圧演算部１５４それぞれの出力は、交流電流の少なくとも振動周波数を含む周波数帯域の検出値に、仮想的なインピーダンス成分（後述する補正成分Ｚｒ）の特性値を乗じた値であり、電圧に基づく値である。なお、後述するように仮想的なインピーダンス成分の大きさは、振動周波数ｆｒｅｓの増加に伴い増加する値である。なお、補正電圧演算部１５３と補正電圧演算部１５４それぞれは、補正電圧の電流に対する振幅比を、振動周波数の増加に伴い増加させるように動的に変化させる。

固定座標変換部１０３は、補正電圧演算部１５３と補正電圧演算部１５４とによって演算された電圧量を固定座標軸上の変数に変換して、補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊を生成する。なお、補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊は、加算部１７０（図１）に入力される。

基本周波数成分制御部１３０と固定座標変換部１０４は、比例積分制御（ＰＩ制御）をベースとした、回転座標軸上における非干渉電流制御を行い、固定座標軸上の変数に変換することで、電圧指令値Ｖｒ１^＊、Ｖｓ１^＊、Ｖｔ１^＊を生成する。

基本周波数成分制御部１３０の１／Ｖｓ演算部１３１は、例えば外部装置によって生成された有効電力指令値ｐ^＊に対して１／Ｖｓ演算を行う。なおＶｓは、系統電圧定格値（定数）である。１／Ｖｓ演算部１３２は、例えば外部装置によって生成された無効電力指令値ｑ^＊に対して１／Ｖｓ演算を行う。なお、１／Ｖｓ演算部１３１と１／Ｖｓ演算部１３２の出力は、電流に基づく値である。

基本周波数成分制御部１３０の演算部１３５は、１／Ｖｓ演算部１３１の出力から、感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２１の出力を減算する。演算部１３６は、１／Ｖｓ演算部１３２の出力から、感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２２の出力を減算する。

基本周波数成分制御部１３０のＰＩ演算部１３７は、演算部１３５の出力に対して、比例積分演算処理を行う。ＰＩ演算部１３８は、演算部１３６の出力に対して、比例積分演算処理を行う。なお、ＰＩ演算部１３７とＰＩ演算部１３８の出力は、電圧に基づく値である。

基本周波数成分制御部１３０のωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３３は、感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２１の出力に対して、系統基本波角周波数ωｓに連系インダクタのインダクタンス値Ｌｖｓｃを乗じる。ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３４は、感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２２の出力に対して、ωｓに連系インダクタのインダクタンス値Ｌｖｓｃを乗じる。なお、系統基本波角周波数ωｓは定数である。なお、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３３とωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３４の出力は、電圧に基づく値である。

基本周波数成分制御部１３０の演算部１３９は、感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２３の出力とωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３４の出力を加算し、ＰＩ演算部１３７の出力を減算する。演算部１４０は、感度低減部１２０の第１フィルタ演算部１２４の出力に対して、ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部１３３の出力とＰＩ演算部１３８の出力とを減算する。

固定座標変換部１０４は、演算部１３９と演算部１４０が出力する電圧量を固定座標軸上の変数に変換して、電圧指令値Ｖｒ１^＊、Ｖｓ１^＊、Ｖｔ１^＊を生成する。なお、電圧指令値Ｖｒ１^＊、Ｖｓ１^＊、Ｖｔ１^＊は、加算部１７０（図１）に入力される。

このように、変換器制御部１００は、共振状態検知部１１０が、系統連系点電圧や交流電流の検出値から高調波振幅が最大となる振動周波数を抽出する。感度低減部１２０は、少なくとも系統の基本波周波数成分の交流電流を制御する基本周波数成分制御部１３０に対して、振動周波数における感度を十分に低減させる。補正部１５０は、少なくとも振動周波数を含む帯域の検出値に基づき、基本周波数成分制御部１３０の出力を補正する。

次に、実施形態の電力変換装置のインピーダンス特性図の一例を、図２と図４を参照して説明する。図４は、本実施形態に係る電力変換装置のインピーダンス特性図の一例を示す図である。グラフｇ１０は周波数に対する振幅の変化を示し、グラフｇ２０は周波数に対する位相の変化を示す。グラフｇ１０とｇ２０の横軸は周波数［Ｈｚ］であり、グラフｇ１０の縦軸は振幅［Ω］であり、グラフｇ２０の縦軸は位相［度］である。

グラフｇ１０のように、系統インピーダンスＺｇｒｉｄの振幅ｇ１１は、ＬｇｒｉｄとＣｇｒｉｄの並列共振周波数である１／（２π√（Ｌｇｒｉｄ＊Ｃｇｒｉｄ））にて最大となる。グラフｇ２０のように、系統インピーダンスＺｇｒｉｄ（ｇ２１）の位相は、周波数が１／（２π√（Ｌｇｒｉｄ＊Ｃｇｒｉｄ））より低周波側でインダクタ相当の＋９０［度］になり、高周波側でキャパシタ相当の－９０度になる。図４は、系統インピーダンスＺｇｒｉｄがインダクタンスやキャパシタンス、抵抗の受動要素で構成される一般的な場合における位相範囲の上限と下限をとる系統状態の一例を示している。符号ｇ１２は、周波数に対する変換器インピーダンスＺｖｓｃ、Ｚｖｓｃ’、Ｚｖｓｃ’’の振幅を示す。なお、Ｚｖｓｃ、Ｚｖｓｃ’、Ｚｖｓｃ’’は、互いにインピーダンスが異なる。なお、変換器インピーダンスＺｖｓｃ’およびＺｖｓｃ’’の振幅も変換器インピーダンスＺｖｓｃから若干は変化するが、位相特性の変化ほど影響は大きくない。このため、グラフｇ１０では、変換器インピーダンスＺｖｓｃ’およびＺｖｓｃ’’の振幅が変換器インピーダンスＺｖｓｃの振幅にほぼ等しいものとして図示している。

変換器インピーダンスＺｖｓｃの振幅は、周波数が低くなると電流制御の効果で増加し、周波数が高くなると電流制御の効果は小さくなるが、連系インダクタＬｖｓｃのリアクタンスωＬｖｓｃが増加するため、周波数増加に伴いほぼ比例で増加していく。グラフｇ２０のように、変換器インピーダンスＺｖｓｃの位相は、高周波では、連系インダクタＬｖｓｃ相当の＋９０度に近づくが、制御系の遅延時間等の影響によって、＋９０度を超過する周波数帯域も出現する。

ナイキストの安定判別法を適用すると、系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃの絶対値が等しい（グラフｇ１０の交点ｇ１３）、かつ、グラフｇ２０のように系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃの位相差が１８０度に近い振動周波数ｆｒｅｓで、不安定化し、共振現象が発生する可能性がある。

系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃの絶対値が等しいことは、システムのゲインが１であることに相当する。１８０度から周波数がｆｒｅｓにおける系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃの位相差（度）を減算した値が、位相余裕φ_ｍに相当する。一般に、システムは、位相余裕φ_ｍ＞０の場合に安定であり、位相余裕φ_ｍ＝０の場合に安定限界であり、位相余裕φ_ｍ＜０の場合は不安定となる。

図４のように変換器インピーダンスがＺｖｓｃの場合は、系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃの位相差が１８０度を超過しているため、位相余裕はφ_ｍ＜０であり、不安定である。そして、変換器インピーダンスがＺｖｓｃの場合は、振動周波数ｆｒｅｓで共振が発生し、発散して制御不能になるリスクが高い。

変換器インピーダンスＺｖｓｃ’は、振動周波数ｆｒｅｓに対する電流制御の感度を低減させた場合の変換器インピーダンスである。この場合は、系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃ’の位相差が１８０度程度となるため、位相余裕がφ_ｍ＝０であり、安定限界となる。変換器インピーダンスＺｖｓｃ’では、共振発生リスクが低減されるが、十分な安定余裕がないため、わずかな外乱が加わるだけで共振が増幅する場合がある。

変換器インピーダンスＺｖｓｃ’’は、振動周波数ｆｒｅｓに対する電流制御の感度を低減させ、さらに共振抑制制御を有効化した場合の変換器インピーダンスである。この場合は、系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃ’’の位相差が１８０度未満となるため、位相余裕はφ_ｍ＞０であり、安定である。変換器インピーダンスＺｖｓｃ’’では、位相余裕φ_ｍが十分な値になるように補正電圧を調整することで、共振発生を防止し、安定に運転継続できるようになる。このため、本実施形態では、共振の影響を低減するために、位相が±９０［度］以内となり位相余裕を確保できるように制御する。

系統インピーダンスＺｇｒｉｄは多くの場合に±９０度以内の位相をとる。このため、この例のように、高周波域においてその下限の－９０度である状態は、変換器インピーダンスＺｖｓｃの位相が＋９０度近くであることを考慮すると、安定運転にとって過酷条件（位相余裕φ_ｍが小さい）となる。逆に、系統インピーダンスＺｇｒｉｄの位相が、例えば、－６０度程度となる系統状態の条件の場合は、振動周波数ｆｒｅｓに対する電流制御の感度を低減させたのみの変換器インピーダンスＺｖｓｃ′でも十分な位相余裕φ_ｍを確保できる。

次に、電力変換装置１０のインピーダンスのベクトル、位相余裕等について図４と図５を参照して説明する。図５は、本実施形態に係る電力変換装置のインピーダンスのベクトル図の一例を示す図である。

一例として、感度低減部１２０の作用によって、振動周波数ｆｒｅｓに対する電流制御の感度が十分に低減し、変換器インピーダンスがほぼ連系インダクタンス相当し、変換器インピーダンスＺｖｓｃ’≒ω_ｒｅｓ＊Ｌｖｓｃとみなせる場合について説明する。なお、ω_ｒｅｓは振動周波数ｆｒｅｓに対応した角周波数（＝２π＊ｆｒｅｓ）である。振動周波数ｆｒｅｓにおいては、系統インピーダンスＺｇｒｉｄと変換器インピーダンスＺｖｓｃ’の振幅が等しく、位相差が１８０度となる。すなわち、位相余裕はφ_ｍ＝０であり、安定限界となる。ここで、変換器インピーダンスＺｖｓｃ’に振幅Ｇ＊ωｒｅｓ＊Ｌｖｓｃ、位相φ_ｒの補正成分Ｚｒを加えると、図４より、補正後の変換器インピーダンスＺｖｓｃ’’の場合の振動周波数ｆｒｅｓにおける位相余裕φ_ｍは次式（１）で表せる。

なお、式（１）において、Ｇは係数である。式（１）の右辺は、係数Ｇと位相φ_ｒが定数であれば、振動周波数ｆｒｅｓに無関係な値である。これは、補正成分Ｚｒの振幅に振動周波数に対応した角周波数ω_ｒｅｓが乗じられていることで、補正成分Ｚｒの振幅が、振動周波数ｆｒｅｓの増加に伴い比例して増加するように設定されているためである。これは、振動周波数ｆｒｅｓが変化した場合も等しく安定性を改善する効果が得られることを意味する。仮に、そうではなく補正成分の振幅がＧ＊ω_０＊Ｌｖｓｃ（なおω_０は定数）であった場合、振動周波数ｆｒｅｓにおける位相余裕は次式（２）で表せる。

式（２）の右辺は、ω_ｒｅｓが大きくなるほど小さくなるため、振動周波数ｆｒｅｓが高くなるほど位相余裕は減少する。これは、振動周波数ｆｒｅｓ高くなるほど安定性を改善する効果が小さくなっていくことを意味する。

変換器インピーダンスに補正成分Ｚｒを加算するには、補正部１５０にて、交流電流の少なくとも振動周波数ｆｒｅｓ成分を含む検出値に補正成分Ｚｒの振幅に相当する特性を乗じて補正電圧とすればよい。ただし、式（１）の右辺が－９０度＜φ_ｒ＜＋９０度の場合に正の値をとるため、位相余裕φ_ｍ＞０とするには、振動周波数ｆｒｅｓにおける位相φ_ｒが±９０度以内となるように注意する必要がある。この位相φ_ｒには、交流電流検出から補正電圧が最終的に出力されるまでの一連の位相特性が含まれる。

ここで、補正成分Ｚｒは、変換器制御上で実現される仮想的なインピーダンス成分と考えることができ、実部は仮想的な抵抗成分となる。位相φ_ｒが±９０度を超過すると実部は負値となり、補正成分Ｚｒは振動を増幅する負性抵抗として機能する。このため、位相φ_ｒが±９０度を超過した場合は、共振抑制制御によってかえって不安定化を引き起こす場合がある。このため、本実施形態では、共振の影響を低減するために、位相が±９０［度］以内となり位相余裕を確保できるように制御する。

次に、変換器制御部１００が行う処理手順例を説明する。図６は、本実施形態に係る変換器制御部１００が行う処理手順例を示すフローチャートである。

共振状態検知部１１０は、系統連系点電圧や交流電流の検出値から高調波振幅が最大となる振動周波数を抽出する（ステップＳ１）。

感度低減部１２０は、少なくとも系統の基本波周波数成分の交流電流を制御する基本周波数成分制御部１３０に対して、振動周波数における感度を十分に低減させるように感度低減処理を行う（ステップＳ２）。

基本周波数成分制御部１３０は、感度低減部１２０が出力する交流電圧と交流電流に、例えば比例積分制御等を行って、交流電流の特に系統の基本波周波数成分を所定の値に制御するための電圧指令値を生成する（ステップＳ３）。

補正部１５０は、少なくとも振動周波数を含む帯域の検出値に基づき、基本周波数成分制御部１３０の出力を補正する（ステップＳ４）。

ゲート指令生成部１８０は、補正部１５０によって補正された電圧指令値に基づいて、電力変換器に対するゲート指令を生成する（ステップＳ５）。処理後、ゲート指令生成部１８０は、ステップＳ１の処理に戻す。なお、上記一連の処理は、各ステップが順番に行われていてもよいし、各部分が異なる演算間隔で独立に並列動作し、その結果を組み合わせることでも同様の結果が得られる。

以上のように、本実施形態は、少なくとも系統の基本波周波数成分の交流電流を制御する基本周波数成分制御部１３０に対し、振動周波数における感度を十分に低減させる。これにより、本実施形態によれば、系統状態（系統インピーダンス）が安定運転にとって過酷条件である場合も、システムの特性を不安定（位相余裕φ_ｍ＜０）から安定限界（φ_ｍ≒０）まで改善できる。

本実施形態では、安定限界（φ_ｍ≒０）としたうえで、さらに補正部１５０が生成した補正電圧を用いて補正することで、効果的に十分な安定余裕（φ_ｍ＞０）を確保できる。なお、仮に安定限界（φ_ｍ≒０）にせずに、補正部１５０で補正電圧を加算する場合は、補正部１５０の補正電圧のみで不安定（φ_ｍ＜０）から特性改善する（十分なφ_ｍ＞０を得るまでφ_ｍを増加する）必要があり、十分な安定余裕を確保できない可能性がある。たとえば、十分な安定余裕を確保できない状況としては、補正部１５０の出力ＶＲｒ＊、ＶＲｓ＊、ＶＲｔ＊が事前に安定限界にしていない分だけ増加し、加算部１７０により得られた電圧指令値Ｖｒ２＊、Ｖｓ２＊、Ｖｔ２＊が電力変換器２０の出力可能電圧上限を超過することなどが考えられる。感度低減によって安定限界としていることで、補正部１５０の出力ＶＲｒ＊、ＶＲｓ＊、ＶＲｔ＊は小さく済む。そして、本実施形態によれば、電力変換器２０の出力可能電圧上限以内でも十分な安定余裕を確保できる。

本実施形態では、感度低減部１２０の処理特性を、共振状態検知部１１０にて抽出した振動周波数に応じて動的に変化させるようにした。これにより、本実施形態によれば、系統状態が変化し、振動周波数が変動した場合も十分に系統連系点電圧や交流電流の検出値の振動周波数帯域における成分を減衰させることができる。さらに、本実施形態によれば、制御感度を低減する周波数帯域が状態に応じて適切に限定されることで、共振現象に関係しない周波数帯域の制御感度を維持し、通常時や系統事故など異常時の運転に必要な電流制御性能を維持できる。

本実施形態では、補正部１５０の補正電圧の電流に対する振幅比（インピーダンス補正成分）を、共振状態検知部１１０にて抽出した振動周波数に応じて動的に変化させる（振動周波数の増加に伴い増加させる）ようにした。これにより、本実施形態によれば、系統状態が変化し、振動周波数が変動した（振動周波数が増加した）場合も十分な位相余裕を確保することができる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態を説明する。図７は、本実施形態に係る変換器制御部１００Ａの構成の一例を示すブロック図である。図７のように、変換器制御部１００Ａは、例えば、回転座標変換部１０１、回転座標変換部１０２、３相２相変換部１０５、２相３相変換部１０６、および固定座標変換部１０４を更に備える。なお、第１の実施形態の変換器制御部１００（図３）と同様の機能を有する機能部については同じ符号を用いて説明を省略する。図３と図７との差異は、補正部１５０の入力側に３相２相変換部１０５が設けられ、補正部１５０の出力側に固定座標変換部１０３の代わりに２相３相変換部１０６が設けられていることである。

３相２相変換部１０５は、３相の交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔを、２相の交流電流成分Ｉｓａ、Ｉｓｂに変換する。

補正部１５０の第２フィルタ演算部（１５１、１５２）は、３相２相変換された固定座標軸上の交流電流成分Ｉｓａ、Ｉｓｂから基本波周波数成分を除去する処理を行う。補正電圧演算部（１５３、１５４）は、第２フィルタ演算部（１５１、１５２）が出力する高調波成分に、振動周波数ｆｒｅｓに応じて設定された特性を乗じる処理を行う。

２相３相変換部１０６は、補正電圧演算部１５３と補正電圧演算部１５４とによって演算された２相の電圧に基づく値を３相の電圧に基づく値に変換して、補正電圧ＶＲｒ^＊、ＶＲｓ^＊、ＶＲｔ^＊を生成する。

なお、変換器制御部１００Ａの処理手順は、第１の実施形態の処理手順（図６）と同様である。

これにより、本実施形態によれば、固定座標軸上の交流電流に基づき補正電圧を演算することで、系統電圧の検出位相θの検出遅延時間、検出誤差や回転座標変換演算に要する遅延時間の影響をなくし、より高周波の振動周波数に対しても安定に位相余裕を確保できる。これは、遅延時間は、式（１）の位相φ_ｒを負値方向（位相遅れ）に増加させる作用があり、より低周波でも位相－９０［度］を下回り、不安定化する（位相余裕が負値となる）ことにつながるためである。なお、３相２相変換は、単なる定数係数を乗じる演算のため、系統電圧の検出位相θの検出遅延時間、演算遅延時間の影響を排除できる。

また、本実施形態によれば、３相２相変換することで、３相の交流電流に対して演算するよりも、必要な第２フィルタ演算部や補正電圧演算部の個数を低減し、演算負荷を軽減できる。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態を説明する。図８は、本実施形態に係る変換器制御部１００Ｂの構成の一例を示すブロック図である。図８のように、変換器制御部１００Ｂは、感度低減部１２０、基本周波数成分制御部１３０Ｂ、補正部１５０、３相２相変換部１０５、２相３相変換部１０６、３相２相変換部１０７、２相３相変換部１０８、および２相３相変換部１０９を備える。なお、第２の実施形態の変換器制御部１００Ａ（図７）と同様の機能を有する機能部については同じ符号を用いて説明を省略する。第２の実施形態の構成と第３の実施形態の構成との差異は、基本周波数成分制御部１３０Ｂ、３相２相変換部１０７、２相３相変換部１０８、および２相３相変換部１０９である。

基本周波数成分制御部１３０Ｂは、例えば、１／Ｖｓ演算部１３１、１／Ｖｓ演算部１３２、固定座標変換部１４１、演算部１４２、演算部１４３、ＰＲ演算部１４４、ＰＲ演算部１４５、演算部１４６、および演算部１４７を備える。

３相２相変換部１０７は、３相の交流電流Ｉｓｒ、Ｉｓｓ、Ｉｓｔを、固定座標軸上の２相の交流電流成分Ｉｓａ、Ｉｓｂに変換する。３相２相変換部１０８は、３相の交流電圧Ｖｓｒ、Ｖｓｓ、Ｖｓｔを、固定座標軸上の２相の交流電圧成分Ｖｓａ、Ｖｓｂに変換する。

基本周波数成分制御部１３０Ｂは、３相２相変換された固定座標軸上の交流電流成分Ｉｓａ、Ｉｓｂ、および交流電圧成分Ｖｓａ、Ｖｓｂに基づき、系統の基本波周波数に対して感度が高くなるようにゲイン設定したＰＲ制御をベースとした固定座標軸上における電流制御を行う。

固定座標変換部１４１は、１／Ｖｓ演算部１３１によって演算された電流に基づく値を固定座標軸上の変数に変換して演算部１４２に出力する。固定座標変換部１４１は、１／Ｖｓ演算部１３２によって演算された電流に基づく値を固定座標軸上の変数に変換して演算部１４３に出力する。なお、固定座標変換部１４１の出力は、電流に基づく値である。

演算部１４２は、固定座標変換部１４１が出力する有効電力指令値ｐ^＊に基づく値（電流に基づく値）から、交流電流成分Ｉｓａに対して第１フィルタ演算部１２１によって処理された電流に基づく値を減算する。演算部１４３は、固定座標変換部１４１が出力する無効電力指令値ｑ^＊に基づく値（電流に基づく値）から、交流電流成分Ｉｓｂに対して第１フィルタ演算部１２２によって処理された電流に基づく値を減算する。

ＰＲ演算部１４４は、演算部１４２の出力に対して、系統の基本波周波数に対して感度が高くなるようにゲイン設定したＰＲ制御（比例共振制御）をベースとした固定座標軸上における電流制御を行う。ＰＲ演算部１４５は、演算部１４３の出力に対して、系統基本波周波数に対して感度が高くなるようにゲイン設定したＰＲ制御をベースとした固定座標軸上における電流制御を行う。なお、ＰＲ演算部１４４とＰＲ演算部１４５の出力は、電圧に基づく値である。

演算部１４６は、交流電圧成分Ｖｓａに対して第１フィルタ演算部１２３によって処理された電圧に基づく値から、ＰＲ演算部１４４が出力する電圧に基づく値を減算する。演算部１４７は、交流電圧成分Ｖｓｂに対して第１フィルタ演算部１２４によって処理された電圧に基づく値から、ＰＲ演算部１４５が出力する電圧に基づく値を減算する。

２相３相変換部１０９は、演算部１４６と演算部１４７との２相の出力を３相の電圧量に変換して、電圧指令値Ｖｒ２^＊、Ｖｓ２^＊、Ｖｔ２^＊を生成する。

なお、変換器制御部１００Ｂの処理手順は、第１の実施形態の変換器制御部１００（図６）と同様である。

これにより、本実施形態によれば、固定座標軸上の交流電流に基づき電圧指令値を演算することで、系統電圧の検出位相θの検出遅延時間、検出誤差や回転座標変換演算に要する遅延時間の影響をなくし、比較的安定に運転することができる。

また、本実施形態によれば、３相２相変換することで、３相の交流電流に対して演算するよりも、必要な第１フィルタ演算部やＰＲ演算部の個数を低減し、演算負荷を軽減できる。

（第４の実施形態）
次に、第４の実施形態を説明する。図９は、本実施形態に係る電力変換装置１０Ｃの構成の一例を示す図である。図９のように、電力変換装置１０Ｃは、変換器制御部１００Ｃ、および電力変換器２０を備える。変換器制御部１００Ｃは、例えば、共振状態検知部１１０Ｃ、感度低減部１２０、基本周波数成分制御部１３０、補正部１５０、加算部１７０、ゲート指令生成部１８０、第１ＳＷ、第２ＳＷ、および第３ＳＷを備える。共振状態検知部１１０Ｃは、振動周波数検知部１１１を備える。

第１ＳＷ、第２ＳＷ、および第３ＳＷは、切り替え部であり、制御用のソフトウェアやハードウェアによって実現される切替スイッチである。

第１ＳＷの第１の入力端には、交流電流が入力され、第１ＳＷの第２の入力端には、交流電流に対して感度低減部１２０が感度低減の処理を行った電流に基づく値が入力され、第１ＳＷの出力端は、基本周波数成分制御部１３０に接続される。

第２ＳＷの第１の入力端には、交流電圧が入力され、第２ＳＷの第２の入力端には、交流電圧に対して感度低減部１２０が感度低減の処理を行った電圧に基づく値が入力され、第２ＳＷの出力端は、基本周波数成分制御部１３０に接続される。

第３ＳＷの第１の入力端は、補正値が０となる電圧に基づく値が入力され、第３ＳＷの第２の入力端には、補正部１５０の出力（電圧に基づく値）が入力され、第３ＳＷの出力端は、加算部１７０に接続されている。

第１ＳＷ、第２ＳＷ、および第３ＳＷそれぞれは、共振状態検知部１１０Ｃの制御によって、有効化の際に第２の入力端と出力端が接続されるように切り替わり、無効化の際に第１の入力端と出力端が接続されるように切り替わる。

共振状態検知部１１０Ｃは、共振状態検知部１１０の機能に加えて、感度低減部１２０の機能を有効状態と無効状態とに切り替える切替信号ｇ２を生成し、生成した切替信号ｇ２を第１ＳＷおよび第２ＳＷに出力する。共振状態検知部１１０Ｃは、補正部１５０の機能を有効状態と無効状態とに切り替える切替信号ｇ３を生成し、生成した切替信号ｇ３を第３ＳＷに出力する。

共振状態検知部１１０Ｃは、例えば、振動周波数ｆｒｅｓにおける高調波振幅や、少なくともｆｒｅｓを含む周波数域の合計高調波振幅を第１の閾値と比較し、高調波振幅が第１の閾値を超えた場合に共振状態であると判別する。そして、共振状態検知部１１０Ｃは、共振状態を検知した場合に感度低減を有効化し、共振状態を検知しなかった場合に感度低減を無効化する。感度低減が有効な場合、基本周波数成分制御部１３０には、感度低減部１２０によって処理された交流電圧と交流電流が入力される。感度低減が無効な場合、基本周波数成分制御部１３０には、感度低減部１２０の処理をバイパスした交流電圧と交流電流が入力される。

共振状態検知部１１０Ｃは、例えば、振動周波数ｆｒｅｓにおける、交流電流の検出から補正電圧が最終的に出力されるまでの一連の位相特性φ_ｒが実質的に±９０度以内となる場合に有効化し、他の場合に無効化する。例えば、予め各遅延時間やフィルタなどの位相特性から位相特性φ_ｒの周波数特性を例えば利用者が求めておき、実質的に±９０度以内となる周波数範囲ｆｍｉｎ～ｆｍａｘを例えば利用者が確認する。なお、各遅延時間やフィルタなどの位相特性から位相特性φ_ｒの周波数特性は、共振状態検知部１１０Ｃが予め求めるようにしてもよい。そして、共振状態検知部１１０Ｃは、抽出された振動周波数ｆｒｅｓと、周波数幅（第３の閾値）とを比較し、振動周波数ｆｒｅｓが周波数幅の範囲にある場合に有効化するようにしてもよい。共振抑制制御が有効な場合は、補正電圧が補正部１５０での演算量になる。共振抑制制御が無効な場合は、補正電圧が零近傍の所定値以下となる。共振状態検知部１１０Ｃは、さらに、共振抑制制御の有効化に条件を加え、例えば、振動周波数ｆｒｅｓにおける高調波振幅や、少なくともｆｒｅｓを含む周波数域の合計高調波振幅を第１の閾値と比較し、高調波振幅が第１の閾値を超え、かつ、抽出された振動周波数ｆｒｅｓと、周波数幅（第３の閾値）とを比較し、振動周波数ｆｒｅｓが周波数幅の範囲にある場合に有効化し、他の場合に無効化するとしてもよい。

なお、共振状態検知部１１０Ｃは、有効状態をタイマーによって一定時間継続させてもよい。または、共振状態検知部１１０Ｃは、電力系統が別の回線状態に切り替えられるまで、すなわち、系統インピーダンスが変化することが自明であるときまで継続させるようにしてもよい。その場合、共振状態検知部１１０Ｃは、有効状態から無効状態に切り替え、再び有効無効の切り替え判定（後述）を行うようにしてもよい。

また、共振状態検知部１１０Ｃは、感度低減を有効化してから所定時間経過後に感度低減を無効化するようにしてもよい。また、共振状態検知部１１０Ｃは、感度低減を有効化された状態において、交流の系統状態や負荷状態が変化した信号を外部（例えば外部装置）から受信した際に感度低減を無効化するようにしてもよい。

次に、本実施形態の処理手順例を説明する。図１０は、本実施形態に係る変換器制御部１００Ｃの処理手順例を示すフローチャートである。なお、第１の実施形態の処理手順（図６）と同様の処理には同じ符号を用いて、説明を省略する。

共振状態検知部１１０Ｃは、振動周波数を抽出する（ステップＳ１）。共振状態検知部１１０Ｃは、例えば、振動周波数ｆｒｅｓにおける高調波振幅や、少なくともｆｒｅｓを含む周波数域の合計高調波振幅を第１の閾値と比較して、高調波振幅が第１の閾値を超えた場合に共振状態を検出する（ステップＳ１０１）。

共振状態検知部１１０Ｃは、共振状態を検出したか否かを判別する（ステップＳ１０２）。共振状態検知部１１０Ｃは、共振状態を検出しなかった場合、感度低減を無効化するように第１ＳＷと第２ＳＷを切り替え（ステップＳ１０３）、ステップＳ３の処理に進める。共振状態検知部１１０Ｃは、共振状態を検出した場合、感度低減を有効化するように第１ＳＷと第２ＳＷを切り替え（ステップＳ１０４）、感度低減の処理を行う（ステップＳ２）。ステップＳ２の処理後、共振状態検知部１１０Ｃは、ステップＳ３の処理に進める。

基本周波数成分制御部１３０は、ＰＩ制御によって電圧指令値を生成する（ステップＳ３）。共振状態検知部１１０Ｃは、振動周波数ｆｒｅｓと周波数範囲とを比較し（ステップＳ１０５）、振動周波数ｆｒｅｓが周波数範囲内であるか否かを判別する（ステップＳ１０６）。共振状態検知部１１０Ｃは、振動周波数ｆｒｅｓが周波数範囲内ではない場合、共振抑制制御を無効化するように第３ＳＷを切り替え（ステップＳ１０７）、ステップＳ５の処理に進める。共振状態検知部１１０Ｃは、振動周波数ｆｒｅｓが周波数範囲内である場合、共振抑制制御を有効化するように第３ＳＷを切り替え（ステップＳ１０８）、基本周波数成分制御部１３０の出力を補正する（ステップＳ４）。ステップＳ４の処理後、共振状態検知部１１０Ｃは、ステップＳ５の処理に進める。

ゲート指令生成部１８０は、補正部１５０によって補正された電圧指令値に基づいて、電力変換器に対するゲート指令を生成する（ステップＳ５）。処理後、ゲート指令生成部１８０は、ステップＳ１の処理に戻す。なお、上記一連の処理は、各ステップが順番に行われていてもよいし、各部分が異なる演算間隔で独立に並列動作し、その結果を組み合わせることでも同様の結果が得られる。

これにより、本実施形態によれば、共振状態を検知した場合にのみ感度低減を有効化することで、系統状態が不安定になりにくい条件のときに、感度低減の副作用である電流制御応答性の低下を防止できる。

また、本実施形態では、振動周波数と周波数範囲とを比較結果に基づいて電圧補正の有効化と無効化を切り替えるようにした。これにより、本実施形態によれば、検出・演算遅延等に伴う位相遅れの影響で、共振抑制制御を有効化するとかって不安定化する特に一定以上の高周波の周波数域において、共振抑制制御を無効化することで、不安定化を防止できる。

また、本実施形態によれば、タイマーや系統状態に応じて、感度低減を再び無効化することで、系統状態が不安定になりにくい条件に変化したときにも、感度低減の副作用である電流制御応答性の低下を防止できる。

（第５の実施形態）
次に、第５の実施形態を説明する。変換器制御部１００Ｃの構成例は、第４の実施形態の構成例の図９と同様である。

共振状態検知部１１０Ｃは、所定の周波数以上の合計高調波成分振幅が第１の閾値よりも大きい第２の閾値以上の場合に、共振抑制制御を無効化するように第３ＳＷを切り替える。さらに、共振状態検知部１１０Ｃは、感度低減や共振抑制制御の有効無効の切り替え（第１ＳＷ、第２ＳＷ、第３ＳＷの切り替え）から所定時間経過しても高調波成分振幅が低減しない場合、ゲート指令生成部１８０を制御して電力変換器２０の運転を停止させる。

次に、本実施形態の処理手順例を説明する。図１１は、本実施形態に係る共振状態検知部１１０Ｃの処理手順例を示すフローチャートである。この処理は、第４の実施形態の処理とともに用いられる。

共振状態検知部１１０Ｃは、所定の周波数以上の合計高調波成分の振幅を検出し、検出した合計高調波成分の振幅と第２の閾値とを比較し（ステップＳ２０１）、合計高調波成分の振幅が第２の閾値以上であるか否かを判別する（ステップＳ２０２）。

共振状態検知部１１０Ｃは、合計高調波成分の振幅が第２の閾値以上である場合、共振抑制制御が有効ならば共振抑制制御を無効化するように第３ＳＷを切り替える（ステップＳ２０３）。共振状態検知部１１０Ｃは、合計高調波成分の振幅が第２閾値未満である場合、第３ＳＷの切替処理は行わない（有効なら有効のまま、無効なら無効のまま状態を保持する）（ステップＳ２０４）。

さらに、前述の処理とは独立して、共振状態検知部１１０Ｃは、感度低減や共振抑制制御の有効無効の切り替え（第１ＳＷ、第２ＳＷ、第３ＳＷの切り替え）を監視し、切り替えから所定時間経過後、合計高調波成分振幅が低減しているか否かを判別する（ステップＳ２０５）。共振状態検知部１１０Ｃは、合計高調波成分振幅が低減していない場合、ゲート指令生成部１８０を制御して電力変換器２０の運転を停止させる（ステップＳ２０６）。共振状態検知部１１０Ｃは、合計高調波成分振幅が低減している場合、ゲート指令生成部１８０を制御して電力変換器２０の運転を継続させる（ステップＳ２０７）。ステップＳ２０３、Ｓ２０４、Ｓ２０６、Ｓ２０７の処理後、共振状態検知部１１０Ｃは、処理を終了する。

なお、図１１の処理において、共振状態検知部１１０Ｃは、ステップＳ２０１～Ｓ２０４の処理と、ステップＳ２０５～Ｓ２０７の処理のうち、少なくとも１つの処理を行うようにしてもよい。

これにより、本実施形態によれば、検出・演算遅延等に伴う位相遅れの影響で、共振抑制制御を有効化すると却って不安定化したことを検知した場合にその制御を無効化することで、不安定化を防止できる。

また、本実施形態によれば、制御によって不安定化を防止できない場合、変換器運転を停止することで、より深刻な高調波の系統への拡大現象を防止できる。

（第６の実施形態）
次に、第６の実施形態を説明する。第６の実施形態では、第１の実施形態～第５の実施形態のうちいずれか１つにおいて、補正部１５０が、電力変換器２０のインピーダンスの補正成分Ｚｒに、次式（３）の位相進み補償の伝達関数Ｈを含める。

なお、伝達関数Ｈは、周波数ｆ_ｌｏｗからｆ_ｈｉｇｈまで程度の位相特性を進める関数である。また、ｆ_ｌｏｗからｆ_ｈｉｇｈは、検出・演算遅延等に伴う位相遅れの影響を補正したい周波数域が含まれるように、例えば予め利用者によって設定されている。

これにより、本実施形態によれば、共振抑制制御における検出・演算遅延等に伴う位相遅れの影響を低減し、より高周波まで共振抑制制御を安定動作させることができる。この結果、本実施形態によれば、より高周波数まで安定余裕を確保できる。

ここで、位相進み補償は、高周波になるほどゲインが増加する効果があり、振動周波数ｆｒｅｓの増加に伴い増加する仮想的なインピーダンス成分を実現することにも相当する。一方で、位相特性次第では不安定化するリスクが高くなることがある。このため、本実施形態によれば、第５の実施形態のように不安定化する場合にのみ共振抑制制御を無効化すればよく、これらの組み合わせによってさらに高周波までの安定性を確保できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１０，１０Ｃ…電力変換装置、１００，１００Ａ，１００Ｂ，１００Ｃ…変換器制御部、２０…電力変換器、１１０，１１０Ｃ…共振状態検知部、１２０…感度低減部、１３０，１３０ａ，１３０Ｂ…基本周波数成分制御部、１５０…補正部、１７０…加算部、１８０…ゲート指令生成部、１１１…振動周波数検知部、３０…系統インピーダンス、Ｌ…連系インダクタ、１０１…回転座標変換部、１０２…回転座標変換部、１０３…固定座標変換部、１０４…固定座標変換部、１２１…第１フィルタ演算部、１２２…第１フィルタ演算部、１２２…第１フィルタ演算部、１２４…第１フィルタ演算部、１３１…１／Ｖｓ演算部、１３２…１／Ｖｓ演算部、１３３…ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部、１３４…ωｓ＊Ｌｖｓｃ演算部、１３５…演算部、１３６…演算部、１３７…ＰＩ演算部、１３８…ＰＩ演算部、１３９…演算部、１４０…演算部、１５１…第２フィルタ演算部、１５２…第２フィルタ演算部、１５３…補正電圧演算部、１５４…補正電圧演算部、１０５…３相２相変換部、１０７…３相２相変換部、１０８…３相２相変換部、１０６…２相３相変換部、１０９…２相３相変換部、１４１…固定座標変換部、１４２…演算部、１４３…演算部、１４４…ＰＲ演算部、１４５…ＰＲ演算部、１４６…演算部、１４７…演算部、第１ＳＷ、第２ＳＷ、第３ＳＷ…切り替え部

Claims (21)

1. 交流と直流とを変換可能な電力変換装置であって、
   前記交流の電圧を切り替え可能とするスイッチング素子を含む電力変換器と、
   前記スイッチング素子に動作指令を与える変換器制御部と、
   を備え、
   前記変換器制御部は、
   前記交流の電圧である交流電圧と、前記電力変換器に流れる交流電流とのうち少なくとも一方における、前記交流電圧または前記交流電流の少なくとも基本波周波数に相当する成分を制御し、電圧指令信号を生成する基本周波数成分制御部と、
   前記交流電圧または前記交流電流の高調波成分を検知する共振状態検知部と、
   前記電圧指令信号を補正する補正信号を生成する補正部と、
   補正された補正電圧指令信号を前記動作指令に変換する動作指令生成部と、
   を備え、
   前記共振状態検知部は、前記交流電圧または前記交流電流における所定の周波数範囲の中で高調波振幅が最大となる振動周波数または振動周波数帯域を検知する振動周波数検知部を備え、
   前記基本周波数成分制御部は、前記交流電圧または前記交流電流の少なくとも一方を制御する際に、少なくとも前記振動周波数を含む周波数帯域の感度を低減させる感度低減部を備え、
   前記補正部は、前記交流電圧または前記交流電流の少なくとも前記振動周波数を含む周波数帯域の検出値に基づき前記補正信号を生成する、
   電力変換装置。
2. 前記感度低減部は、
   前記共振状態検知部によって検知された高調波振幅が第１閾値以上の場合に、前記感度を低減させることを有効化する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記補正部は、
   前記共振状態検知部によって検知された高調波振幅が第１閾値以上の場合に、零ではない有効な信号を出力する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記感度低減部は、
   前記感度を低減させることを有効化してから所定時間経過後に前記感度を低減させることを無効化する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記感度低減部は、
   前記感度を低減させることが有効化された状態において、前記交流の系統状態や負荷状態が変化した信号を外部から受信した際に前記感度を低減させることを無効化する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
6. 補正値が０となる電圧に基づく値を示す信号を入力する第１の入力端と前記補正部が出力する信号を入力する第２の入力端と出力端とが設けられ、前記出力端に接続される入力端を、前記第１の入力端と前記第２の入力端との間で切り替える切替スイッチをさらに備え、
   前記切替スイッチは、前記補正部が前記有効な信号を前記第２の入力端に出力してから所定時間経過後に、前記出力端に接続される入力端を、前記第２の入力端から前記第１の入力端に切り替える
   請求項３に記載の電力変換装置。
7. 補正値が０となる電圧に基づく値を示す信号を入力する第１の入力端と前記補正部が出力する信号を入力する第２の入力端と出力端とが設けられ、前記出力端に接続される入力端を、前記第１の入力端と前記第２の入力端との間で切り替える切替スイッチをさらに備え、
   前記切替スイッチは、前記補正部が前記有効な信号を前記第２の入力端に出力している状態において、前記交流の系統状態や負荷状態が変化した信号を外部から受信した際に、前記出力端に接続される入力端を、前記第２の入力端から前記第１の入力端に切り替える
   請求項３に記載の電力変換装置。
8. 前記振動周波数検知部は、
   フーリエ変換演算により、高調波振幅の大きな周波数成分を特定する、
   請求項１から請求項７のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
9. 前記感度低減部は、
   前記振動周波数に応じて特性設定を変更するディジタルフィルタの処理によって実現される、
   請求項１から請求項８のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
10. 前記感度低減部は、
    前記交流電圧の基本波周波数より高く、前記振動周波数より低いカットオフ周波数を有する低域通過フィルタの処理によって実現される、
    請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記感度低減部は、
    前記振動周波数を含む周波数帯域を減衰させるノッチフィルタの処理によって実現される、
    請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
12. 前記感度低減部は、
    前記振動周波数より低いカットオフ周波数を有する低域通過フィルタと、前記振動周波数を含む周波数帯域を減衰させるノッチフィルタを組み合わせたフィルタの処理によって実現される、
    請求項１から請求項９のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
13. 前記補正部は、
    前記交流電流の少なくとも前記振動周波数を含む周波数帯域の検出値に、仮想的なインピーダンス成分の特性を乗じた値を出力する、
    請求項１から請求項１２のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
14. 前記仮想的なインピーダンス成分の大きさは、前記振動周波数の増加に伴い増加する値である、
    請求項１３に記載の電力変換装置。
15. 前記補正部は、
    前記振動周波数の増加に伴い増加する値を、前記振動周波数に比例した値を定数のインピーダンス振幅係数に乗じることにより得る、
    請求項１４に記載の電力変換装置。
16. 前記補正部は、
    前記振動周波数の増加に伴い増加する値を、前記仮想的なインピーダンス成分の特性に位相進み補償を含めることにより得る、
    請求項１４に記載の電力変換装置。
17. 前記補正部は、
    前記交流電流と、前記補正された動作指令に基づき出力される電力変換器の電圧成分との前記振動周波数における位相差が少なくとも９０度以上となる場合に、前記仮想的なインピーダンス成分を零近傍の所定値以下とする、
    請求項１３から請求項１６のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
18. 前記補正部は、
    零でない有効な信号を出力しているとき、前記共振状態検知部によって検知された高調波振幅が第２閾値を超過した場合、前記仮想的なインピーダンス成分を零近傍の所定値以下とする、
    請求項１３から請求項１７のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
19. 前記基本周波数成分制御部は、
    前記交流電圧または前記交流電流を、前記交流電圧に同期した回転座標軸上に変換し、変換後の前記交流電圧または前記交流電流に基づき、前記電圧指令信号を生成し、
    前記補正部は、
    固定座標軸上に変換された前記交流電圧または前記交流電流に基づき、前記補正信号を生成する、
    請求項１から請求項１８のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
20. 前記基本周波数成分制御部および前記補正部は、
    固定座標軸上に変換された前記交流電圧または前記交流電流に基づき、それぞれ前記電圧指令信号と前記補正信号を生成する、
    請求項１から請求項１８のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。
21. 前記変換器制御部は、
    前記感度低減部または前記補正部の出力の有効と無効との切り替えから所定時間経過した後も、高調波成分が低減しない場合、前記電力変換器の運転を停止させる、
    請求項２から請求項７のうちいずれか一項に記載の電力変換装置。

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