JP7417556B2 - 電圧制御インバータ、電源装置及び制御方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電圧制御インバータ、電源装置及び制御方法に関する。

電圧制御インバータは、電圧源として動作し、電力系統周波数、電力系統電圧、あるいは電力系統周波数と電力系統電圧との両方に対する垂下特性を考慮して出力電圧を制御することで電力系統の周波数維持を行っている。

電圧制御インバータを電力系統内で動作開始させるときに、当該インバータの出力する電圧の大きさ・位相・周波数が、電力系統と一致することが望まれる。一致しない場合、当該インバータが電力系統と接続した時に、大電流が流れる。これを防ぐための同期投入機能を備えた電圧制御インバータも提案されている。この電圧制御インバータでは、電力系統と接続するスイッチであるメインコンダクタ（ＭＣ）をオフにした状態で、インバータのスイッチング素子（インバータ素子）の電圧の振幅と周波数とが電力系統に一致するように制御する。振幅と周波数が一致したら、電圧の位相が一致したタイミングで、メインコンダクタをオンにする。この構成では、メインコンダクタの電力系統側とその反対側とに、電圧を検知するセンサーがそれぞれ必要となる。

崎元謙一(2015).インバータ連系形分散電源に適用する仮想同期発電機制御に関する研究, 大阪大学大学院工学研究科博士論文. 野呂康宏,エネルギーで構成される電力システムを可能とするインバータ制御の提案, Vol.138, No.11 pp854-861, 論文誌B, 2018

本発明の実施形態は、簡単な構成で電力系統に連系可能な電圧制御インバータ、電源装置及び制御方法を提供する。

本実施形態に係る電圧制御インバータは、電力系統に連系可能な電圧制御インバータであって、前記電力系統の電圧である第１電圧を検出する電圧検出部と、前記第１電圧の値に基づくタイミングで、前記第１電圧の値に応じた値の第２電圧を前記電力系統に出力する電圧出力部とを備える。

本実施形態に係る電力システムの全体構成を示す図。 電源装置の詳細なブロック図を示す図。 電力系統の位相及び周波数と同期する電圧信号を出力するための制御部の構成例を示す図。 電力系統の位相、周波数及び振幅と同期する電圧信号を出力するための制御部の構成例を示す図。 電源装置がＥＭＳと通信するシステム構成例を示す図。 電圧制御インバータの同期接続後に周波数及び振幅を変更する処理を行う制御部の構成例を示す図。 本実施形態に係る電圧制御インバータの動作の一例を示すフローチャート。 本実施形態に係るシミュレーションで用いたモデルを示す図。 本シミュレーションの結果を示すグラフの図。 図９のグラフの一部を拡大した図。 シミュレーションの結果を示すグラフの他の例を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

図１は、本実施形態に係る電力システムの全体構成を示す。電力系統１に遮断器２を介して、電源装置３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ，３１Ｄ（３１Ａ～３１Ｄ）、負荷装置３、及び同期発電装置４が接続されている。電源装置３１Ａ～３１Ｄは、電圧制御インバータ１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ，１１Ｄ（１１Ａ～１１Ｄ）と、電圧制御インバータ１１Ａ～１１Ｄに接続された電力供給装置２１Ａ，２１Ｂ，２１Ｃ、２１Ｄ（２１Ａ～２１Ｄ）とを備えている。電圧制御インバータはＰＣＳ（ＰＣＳ：Power Conditioning System）又は電力変換装置とも呼ばれる。電源装置３１Ａ～３１Ｄはトランスを介して電力系統１に接続されていてもよい。電力系統１と遮断器２の間にトランスが配置されていてもよい。

電力供給装置２１Ａ、２１Ｂは太陽光発電装置（ＰＶ装置）であり、電力供給装置２１Ｃは風力発電装置であり、電力供給装置２１Ｄは充放電可能な２次元地である蓄電池（蓄電装置）である。

電力系統１のうち、電源装置３１Ａ～３１Ｄ、負荷装置３、同期発電装置４が接続された部分系統はマイクログリッド１Ｍである。マイクログリッド１Ｍは電力系統１の一部である。

電源装置３１Ａ～３１Ｄのうち任意の電源装置を電源装置３１と記載する。また、電源装置３１内の電圧制御インバータを電圧制御インバータ１１と記載する。電源装置３１内の電力供給装置を電力供給装置２１と記載する。

電圧制御インバータ１１Ａ～１１Ｄは、それぞれ太陽光発電装置２１Ａ，２１Ｂ、風力発電装置２１Ｃ，蓄電装置２１Ｄから供給される電力を交流に変換することで、負荷装置３で用いる電力を生成する。電圧制御インバータ１１Ａ～１１Ｄは、本実施形態に係る電圧制御インバータである。なお、電圧制御インバータ１１Ａ～１１Ｄのうち少なくとも１つが本実施形態に係る電圧制御インバータであり、残りが既存の電圧制御インバータでもよい。太陽光発電装置及び風力発電装置は自然エネルギーとして太陽光及び風力を用いた自然エネルギー発電装置の一例であり、潮力又は水力など、他の自然エネルギーを用いた発電装置を用いてもよい。

負荷装置３は、家庭、学校、工場、事業者などで電力を消費する装置、あるいは、電力系統１における余剰電力を蓄電する蓄電池などである。負荷装置３は図では１つのみ示されるが、複数の負荷装置３が存在してよい。電源装置３１はトランスを介して電力系統１に接続されていてもよい。

電力系統１に事故等の異常がない場合になど、通常時は、遮断器２は閉じている。遮断器２が閉じた状態では、太陽光発電装置２１Ａ、２１Ｂ、風力発電装置２１Ｃから、それぞれ接続された１１Ａ～１１Ｄを介してマイクログリッド１Ｍ（又は電力系統１）に電力が出力されている。出力された電力は負荷装置３に供給される。太陽光発電装置２１Ａ、風力発電装置２１Ｃ、太陽光発電装置２１Ｄの少なくともいずれか１つから供給された電力が、蓄電池２１Ｂに供給され、蓄電されてもよい。蓄電池２１Ｄから電力が放電されて、負荷装置３に供給されてもよい。

電力系統１に事故等の異常が発生した場合や、作業時又は火災などの緊急時には、遮断器２が開放され、マイクログリッド１Ｍが電力系統１から電気的に分離（遮断）される。マイクログリッド１Ｍが電力系統１から電気的に分離されると、作業員は各電源装置の動作を停止させる。あるいは各電源装置が分離を検知し、自律的に動作を停止する。同期発電装置４は、マイクログリッド１Ｍが電力系統１から遮断された後、作業員からの指示により、運行を開始する。運行開始された同期発電装置４は、交流電力を生成し、マイクログリッド１Ｍに提供する。同期発電装置４は、非常用発電機、常用発電機又はこれらの両方を含む交流発電装置である。マイクログリッド１Ｍでは、同期発電装置４の稼働後、各電源装置が動作を再開し、マイクログリッド１Ｍに電力を出力する。マイクログリッド１Ｍは電力系統１から分離された状態では、自律的に分散電源システムとして機能する。

本実施形態は、マイクログリッド１Ｍに電力系統１から電力が供給されている状態又はマイクログリッド１Ｍに同期発電装置４から電力が供給されている状態で、電源装置３１をマイクログリッド１Ｍに同期接続する場合の動作に関連する。電源装置３１を接続するとは、動作停止中の電源装置３１の動作を再開させることのみならず、図１に示されていない新たな電源装置をマイクログリッド１Ｍに追加し、動作を開始させることのいずれも含む。電源装置３１をマイクログリッド１Ｍに接続する場合に、本実施形態では、マイクログリッド１Ｍ又は電力系統１の電圧の位相に同期させて、電源装置３１における電圧制御インバータの動作を開始（例えば起動）させる。すなわち、電圧制御インバータの出力電圧の位相をマイクログリッド１Ｍに同期させて電圧制御インバータの動作を開始させる。これにより、マイクログリッド１Ｍに大電流の発生が生じることを低減する。さらに、本実施形態では、電圧の周波数及び電圧の振幅の少なくとも一方をマイクログリッド１Ｍの電圧の周波数及び電圧の振幅に同期させて電圧制御インバータの動作を開始させることで、大電流の発生の抑制効果をより高める。電源装置３１をマイクログリッド１Ｍに接続する際、マイクログリッド１Ｍが電力系統１に接続されている場合でも、遮断器２が開放されてマイクログリッド１Ｍが同期発電装置４から電力供給されている場合のいずれでも可能である。マイクログリッド１Ｍが電力系統１に接続されている場合、マイクログリッド１Ｍに電圧制御インバータを接続するとは電力系統１に電圧制御インバータを接続することと同様である。

図２は、電源装置３１の詳細なブロック図を示す。図では電源装置３１Ａ、３１Ｄのブロック図が示されるが、電源装置３１Ｂ、３１Ｃも、電圧制御インバータに接続される電力供給装置の構成を除き、同様の構成を有する。各電源装置のブロック内の同一名称の要素には同一の符号を付してある。

電源装置３１Ａ～３１Ｄは、トランス５Ａ～５Ｄを介して電力系統１又はマイクログリッド１Ｍ（以下、電力系統１に統一）に接続されている。トランス５Ａ～５Ｄのうち電源装置３１（電源装置３１Ａ～３１Ｄのうち任意の電源装置）が接続されているトランスをトランス５と記載する。負荷装置３はトランス６を介して電力系統１に接続されている。電力系統１はトランス７を介して電力系統１に接続されている。

電源装置３１（電源装置３１Ａ～３１Ｄのうち任意の電源装置）は、制御部（制御回路）１００、電圧センサー１０１、電流センサー１０２、スイッチであるメインコンタクタ（ＭＣ）１０３、電圧出力部（電圧出力回路）であるインバータ回路１０４を備える。

電圧センサー１０１は、電力系統１の電圧を一定のサンプリング間隔で検出する。具体的には、電圧センサー１０１は、電圧制御インバータ１１の出力端とトランス５との間の電圧を、電力系統１の電圧として検出する。電力系統１の電圧は交流信号の電圧である。

電流センサー１０２は、電力系統１の電流を一定のサンプリング間隔で検出する。具体的には、電圧センサー１０１は、電源装置３１の出力端の電流を、電力系統１の電流として検出する。電力系統１の電圧は交流信号の電流である。なお電流センサー１０２を設けない構成も可能である。

インバータ回路１０４は、制御部１００から入力される制御信号に応じて、電力供給装置２１から供給される電力（直流電力）を用いて、交流電圧（又は交流電力）を生成する。インバータ回路１０４は一例としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等の複数のスイッチング素子を含む。インバータ回路１０４は、複数のスイッチング素子の制御端子（ゲート端子）に駆動用の制御信号を供給されることで、スイッチング素子のオン及びオフを制御し、所望の位相、周波数及び振幅の交流電圧を生成する。制御信号は、一例としてＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）信号であるが、これに限定されない。インバータ回路１０４の動作停止状態では、複数のスイッチング素子の制御端子（ゲート端子）は全てオフにされている。この状態をゲートブロック状態と称する。

メインコンタクタ１０３はインバータ回路１０４と電力系統１（又はマイクログリッド１Ｍ）との間に配置されている。メインコンタクタ１０３は、制御部１００からオン及びオフ可能なスイッチである。電源装置３１を電力系統１から切断する際、メインコンタクタ１０３はオフにされる。動作停止している電源装置３１を電力系統１に同期接続する場合は、メインコンタクタ１０３を予めオンにしておき、電源装置３１を電力系統１に同期接続するための処理（同期接続するための制御信号を生成する処理）を開始する。なお、当該処理を行っている間、メインコンタクタ１０３をオフにしておき、インバータ回路１０４から電圧信号を出力開始する前までにメインコンタクタ１０３をオンにする構成も排除されない。

制御部１００は、電源装置３１の動作を制御する。制御部１００は、動作停止している電圧制御インバータ１１を電力系統１に同期接続する処理を行う。以下、電圧制御インバータ１１を電力系統１に同期接続する処理の例を以下に示す。制御部１００は予めメインコンタクタ１０３をオンにしておく。

［位相初期化制御］
制御部１００は、電力系統１の検出電圧が、正から負、又は負から正に切り替わる基準となる電圧（位相基準電圧）を交差するタイミングを検出する。基準となる電圧は一例として０［Ｖ］である。制御部１００は、検出したタイミングで、停止しているインバータ回路１０４の電圧出力を開始させるようインバータ回路１０４の動作（駆動）を制御する。具体的には、インバータ回路１０４を構成する複数のスイッチング素子の制御端子（ゲート端子）に駆動用の制御信号（ＰＷＭ信号）の供給を、出力電圧が電圧０［Ｖ］から開始するよう開始する。すなわち、位相が切り替わる基準となる電圧の値に応じた値（０［Ｖ］又は０［Ｖ］に対して許容誤差範囲内の値）から電圧を出力する。出力電圧の周波数及び振幅は、予め定められた基準となる周波数（基準周波数又は第３周波数）及び振幅（基準振幅又は第３振幅）とする。制御信号を供給されるインバータ回路１０４はゲートブロックが解除され、交流の電圧出力を開始する。出力される交流電圧は、電圧値が電力系統１と同じ電圧（例えば０［Ｖ］）から開始し、周波数が基準周波数及び振幅が基準振幅の交流電圧である。この場合、インバータ回路１０４から出力される交流電圧の振幅及び周波数が、電力系統１の電圧の実際の振幅及び周波数とは異なり得るものの、交流電圧の位相を、電力系統１の電圧の実際の位相に一致させて、電圧出力を開始することができる。すなわち、交流電圧の位相を電力系統１の電圧の位相に同期させて、電圧出力を開始することができる。これにより、インバータ回路１０４の動作開始時に位相のずれによる電力系統１における過電流の発生を抑制できる。電圧制御インバータ１１から出力される交流電圧の位相が電力系統１の電圧の位相に同期するとは、両位相が一致すること、もしくは位相差が予め定めた許容誤差に含まれることである。

［周波数初期化制御］
制御部１００は、電力系統１の位相と同期することに加えて、電力系統１と周波数が同期した電圧信号を出力する制御を行ってもよい。周波数が同期するとは、周波数が一致すること、もしくは周波数差が予め定めた許容誤差に含まれることである。

図３は、電力系統１の位相及び周波数と同期する電圧信号を出力するための制御部１００の構成例を示す。制御部１００は、ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）とＰＷＭ発生器１０１ｂとを含む。ＰＬＬ１００ａは周波数検知部に相当する。ＰＬＬ１００ａは、電圧センサー１０１により検出された電圧の信号を受信し、当該信号の位相（第１位相）及び周波数（第１周波数）を検出する。ＰＬＬ１００ａは、検出した位相及び周波数に応じた第２位相及び第２周波数を示す第１指令信号を生成し、ＰＷＭ発生器１０１ｂに出力する。第２位相及び第２周波数は、第１位相及び第１周波数に一致又は許容誤差範囲内の値である。ＰＷＭ発生器１０１ｂには予め定めた基準振幅を示す第２指令信号が入力される。ＰＷＭ発生器１０１ｂは、第１指令信号が示す位相及び周波数、第２指令信号が示す振幅で出力電圧をインバータ回路１０４から出力するための各スイッチング素子用の制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。ＰＷＭ発生器１０１ｂは、生成した制御信号をインバータ回路１０４に供給し、インバータ回路１０４の動作を開始させる（ゲートブロックが解除される）。これにより、電力系統１の電圧の実際の位相及び周波数に一致又は近似した位相及び周波数を有する電圧信号の出力を開始できる。よって、インバータ回路１０４の動作開始時に電力系統１に過電流が発生することを抑制できる。制御部１００は出力開始後も、電圧制御インバータの１１出力電圧の位相及び周波数を、電力系統１の位相及び周波数に維持する制御を行ってもよい。また制御部１００は、出力開始後、電圧制御インバータの有効電力を０から出力したい第１値までスロープ状に変更する制御を行ってもよい。具体的には例えばＰＷＭ発生器１０１ｂに有効電力を変更する制御信号を指示する周波数の変更によって行ってもよい。電力を電流センサー１０２と電圧センサー１０１とを用いて計算し、フィードバック制御によって上記の制御を実現してもよい。第１値はＥＭＳ１０から制御指令で通知されてもよいし、予め電圧制御インバータの記憶部に格納されていてもよい。

［振幅初期化制御］
制御部１００は、電力系統１の位相及び周波数と同期することに加えて、電圧の振幅が同期した電圧信号を出力する制御を行ってもよい。振幅が同期するとは、振幅が一致すること、もしくは振幅差が予め定めた許容誤差に含まれることである。

図４は、電力系統１の位相、周波数及び振幅と同期する電圧信号を出力するための制御部１００の構成例を示す。制御部１００は、ＰＬＬ１０１ａとＰＷＭ発生器１０１ｂと振幅同期回路（振幅検出部）１０１ｃとを備える。ＰＬＬ１００ａは、電圧センサー１０１により検出された電圧の信号を受信し、当該信号の位相（第１位相）及び周波数（第１周波数）を検出する。ＰＬＬ１００ａは、検出した位相及び周波数に応じた第２位相及び第２周波数を示す第１指令信号を生成し、ＰＷＭ発生器１０１ｂに出力する。第２位相及び第２周波数は、第１位相及び第１周波数に一致又は許容誤差範囲内の値である。振幅同期回路１０１ｃは電圧センサー１０１により検出された電圧の振幅（電圧の絶対値の最大値）を第１振幅として検出し、検出した振幅に応じた第２振幅を示す第３指令信号をＰＷＭ発生器１０１ｂに出力する。第２振幅は、第１振幅に一致する又は許容誤差範囲内の値である。ＰＷＭ発生器１０１ｂは、第１指令信号が示す位相及び周波数、第３指令信号が示す振幅でインバータ回路１０４から電圧信号を出力するための各スイッチング素子用の制御信号（ＰＷＭ信号）を生成する。ＰＷＭ発生器１０１ｂは、生成した制御信号をインバータ回路１０４に供給し、インバータ回路１０４の動作を開始させる（ゲートブロックが解除される）。これにより、電力系統１の電圧の実際の位相、周波数及び振幅に一致又は近似した電圧信号で出力を開始でき、インバータ回路１０４の動作開始時に電力系統１に過電流が発生することをより確実に防止できる。制御部１００は出力開始後も出力電圧の位相、周波数及び振幅を、電力系統の位相、周波数及び振幅に維持する制御を行ってもよい。また制御部１００は、出力開始後、電圧制御インバータの有効電力を０から出力したい第１値までスロープ状に変更する制御を行ってもよい。具体的には例えばＰＷＭ発生器１０１ｂに有効電力を変更する制御信号を指示する周波数の変更によって行ってもよい。電力を電流センサー１０２と電圧センサー１０１とを用いて計算し、フィードバック制御によって上記の制御を実現してもよい。第１値はＥＭＳ１０から制御指令で通知されてもよいし、予め電圧制御インバータの記憶部に格納されていてもよい。

［周波数及び振幅の調整制御］
制御部１００は、電力系統１の電圧の位相、電圧の周波数及び電圧の振幅と同期した電圧信号の出力を開始した後、出力する電圧信号の周波数及び振幅を、基準周波数及び基準振幅に徐々に（一定の傾きで）戻す動作を行ってもよい。制御部１００は出力電圧の周波数及び振幅を基準周波数及び基準振幅に戻した後、基準周波数及び基準振幅を維持する制御を行ってもよい。

このように、インバータ回路１０４の起動時は過電流の発生を防止するため電力系統１に位相、周波数及び振幅が同期した電圧信号を出力するが、いったん当該同期した電圧信号を出力した後は、基準周波数及び基準振幅に電圧信号の周波数及び振幅に戻す動作を行う。基準周波数及び基準振幅は予め与えられていてもよいし、基準周波数及び基準振幅はマイクログリッド１Ｍを管理するエネルギーマネジメントシステム（ＥＭＳ）から受信する制御指令によって与えられることができる。この場合のシステム構成例を図３に示す。

図５は、電源装置３１Ａ～３１ＤがＥＭＳ１０と通信するシステム構成例を示す。電源装置３１Ａ～３１ＤはＥＭＳ１０と有線又は無線で通信する通信部９Ａ、９Ｂ、９Ｃ、９Ｄを備えている。ＥＭＳ１０は、マイクログリッド１Ｍを管理するマイクロＥＭＳでもよいし、マイクロＥＭＳと複数のマイクログリッド１Ｍを管理する上位のＥＭＳとを含む階層構造を有するＥＭＳでもよい。あるいは、ＥＭＳ１０は、マイクロＥＭＳ及び上位のＥＭＳに加え、さらに上位の中央給電指令室のシステムを含んでもよい。通信部９Ａ～９Ｄは、ＥＭＳ１０から基準周波数及び基準振幅の少なくとも一方を示す制御指令を受信する。

［基準周波数及び基準振幅へ調整後の制御］
制御部１００は、インバータ回路１０４の出力の電圧信号が、基準周波数及び基準振幅に調整された後、ＥＭＳ１０から周波数及び振幅のさらなる変更を、制御指令によって指定されてもよい。例えば、負荷装置３の負荷が大きくなった場合、電力系統１の周波数の少なくとも一方が基準周波数から下がることがある。この場合、ＥＭＳ１０は電源装置３１に対して周波数を高める制御指令を送信することがある。逆に、例えば負荷装置３の負荷が小さくなった場合、電力系統１の周波数が基準周波数から上がることがある。この場合、ＥＭＳ１０は電源装置３１に対して周波数を小さくする制御指令を送信することがある。制御指令で変更指示する周波数は一例として第４周波数に対応する。振幅についても同様にして、ＥＭＳ１０は、振幅を高める又は低くする制御指令を送信することがある。制御指令で変更指示する振幅は第４振幅に対応する。周波数の変更を示す制御指令は一例として第１制御指令に相当する。振幅の変更を示す制御指令は一例として第２制御指令に相当する。

制御部１００は、制御指令によって周波数及び振幅の少なくとも一方の変更を指示された場合、変更指示された周波数及び振幅へ出力電圧を変更するための制御信号を生成する。例えば周波数及び振幅が段階的に（徐々に）変更されるよう制御信号を一定のレートで生成する。制御部１００は、生成した制御信号をインバータ回路１０４に提供する。インバータ回路１０４は、制御信号に従って、出力する電圧信号の周波数及び振幅の少なくとも一方を変更する。

制御部１００は、周波数及び振幅の変更有無にかかわらず、一定間隔でＥＭＳ１０から周波数及び振幅の少なくとも一方の変更を指示する制御指令を受信してもよい。制御部１００は、受信した制御指令を次の制御指令を受信する前に実行完了する。周波数の変更を指示する制御指令を受信する時点は第１時点又は電圧の変更を指示する制御指令を受信する時点は第２時点に対応する。例えば上述の基準周波数及び基準振幅を制御指令でＥＭＳ１０から受信した場合、次の制御指令を受信するまでに（第１時点又は第２時点の少なくとも一方までに）、インバータ回路１０４の出力である電圧信号を、基準周波数及び基準振幅へ変更する処理を完了する。例えば一定のレートで制御信号を生成することで、次の制御指令を受信する前に、周波数及び振幅の変更を、緩やかに（スロープ状に）行う。

図６は、電圧制御インバータの同期接続後に周波数及び振幅を変更する処理を行う制御部１００の構成例を示す。ＰＬＬ１０１ａは、制御指令が示す周波数と、電力系統の検出電圧の周波数との差分に基づいて、差分をゼロ又は小さくする（電力系統の周波数を制御指令が示す周波数に一致又は近づける）指令信号をＰＷＭ発生器１０１ｂに出力する。振幅同期部１０１ｃは、制御指令が示す振幅と、電力系統の電圧の振幅との差分に基づいて、差分をゼロ又は小さくする（電力系統の電圧の振幅を制御指令が示す振幅に一致又は近づける）指令信号をＰＷＭ発生器１０１ｂに出力する。制御部１００はこれらの指令信号に応じた制御信号を生成し、インバータ回路１０４に供給する。制御指令が示す周波数は基準周波数でもよいし、他の周波数でもよい。制御指令が示す振幅は基準振幅でもよいし、他の振幅でもよい。基準周波数及び基準振幅がＥＭＳ１０ではなく、予め電圧制御インバータに与えられている場合、基準周波数及び基準振幅を示す値を、電圧制御インバータ内のメモリから読み出せばよい。

図７は、本実施形態に係る電圧制御インバータ１１の動作の一例を示すフローチャートである。本フローチャートのステップの順序は一例であり、一部のステップの順序が入れ替わっても、一部のステップが同時並行的に行われてもよい。また一部のステップが存在しなくてもよい。例えばステップＳ１３及びステップＳ１４の一方又は両方を省略してもよい。

前提として電源装置３１が電力系統１（又はマイクログリッドＭ１）から分離した状態、すなわち、インバータ回路１０４が動作停止した状態にあるとする。電源装置３１の制御部１００は、例えば保守員又はＥＭＳ１０から、電力系統１へ電源装置３１を同期接続する指示指令（制御指令）を受信すると、メインコンタクタ１０３をオンにし、インバータ回路１０４を電力系統１に接続する（Ｓ１１）。但し、この時点ではインバータ回路１０４はゲートブロック状態である。なお電力系統１は通常動作しており、遮断器２もオンになっているものとする。

制御部１００は、電圧センサー１０１から一定のサンプリング間隔で電圧信号を受信する。検出した電圧信号に基づき電力系統１の位相及び周波数を特定する。制御部１００は、インバータ回路１０４の出力電圧の位相及び周波数を、電力系統の電圧の位相及び周波数に設定することを指示する第１指令信号を生成する（Ｓ１２、Ｓ１３）。これにより、位相及び周波数の初期化設定がなされる。

制御部１００の振幅同期回路（振幅検出部）１０１ｃは、電力系統１の電圧の振幅を検出し、インバータ回路１０４の出力電圧の振幅を、電力系統１の電圧の振幅に設定することを指示する第３指令信号を生成する（Ｓ１４）。これにより、振幅の初期化設定がなされる。

制御部１００は、生成した制御信号をインバータ回路１０４の複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ等）のゲート端子に供給する（Ｓ１５）。インバータ回路１０４のゲートブロック状態が解除され、インバータ回路１０４から電力系統１の位相、周波数及び振幅に同期した電圧信号が出力される。

上述のステップＳ１１～Ｓ１５の制御により、電源装置３１を電力系統１に接続する際に、例えば位相差はゼロ、電圧差はゼロ、周波数差もゼロのため、インバータ回路１０４の出力電力の差もゼロである。これにより、大電流の発生は抑制され、安全に電源装置３１を電力系統１に接続（同期接続）できる。位相差はゼロ、電圧差はゼロ、周波数差もゼロの場合、電圧制御インバータ１１の有効出力電力もゼロである。

電源装置３１を電力系統１に同期接続した後、制御部１００はインバータ回路１０４の出力電圧の周波数を基準周波数（例えば５０Ｈｚ又は６０Ｈｚなど）に戻す制御を行う（Ｓ１６）。また、制御部１００はインバータ回路１０４の出力電圧の振幅を基準振幅に戻す制御を行う（Ｓ１７）。この後、制御部１００は、ＥＭＳ１０から例えば一定時間間隔で制御指令を受信し、受信した制御指令に基づいて、インバータ回路１０４の出力電圧の周波数及び振幅を制御する。

本実施形態の電圧制御インバータの同期接続をシミュレーションした結果を説明する。図８は、シミュレーションで用いたモデル（同期接続モデル）である。この例では２つの発電機２０１、２０２が設けられている。発電機２０１，２０２をまとめて電力系統２０３と記載する。また電力供給装置としてＤＣ（Direct Current）装置２１１、２１２が設けられ、それぞれ本実施形態に係る電圧制御インバータ２２１、２２２が接続されている。電圧制御インバータ２２１、２２２と、電力系統２０３（発電機２０１、２０２）とは、並列に負荷装置２３１に接続されている。なお、電圧制御インバータ２２１、２２２の出力側には共通にトランス２４１が配置され、電力系統２０３（発電機２０１、２０１）の出力側には共通にトランス２５１が配置され、負荷装置２３１の入力側にはトランス２６１が配置されている。発電機２０１、２０２は同期して動作しているかもしくは一方のみが動作している場合を想定する。電圧制御インバータ２２１、２２２は両方とも停止しており、一方のみ（ここでは電圧制御インバータ２２１のみ）を同期接続する場合を想定する。

図９は、本シミュレーションの結果を示すグラフである。
図１０は、図９のグラフにおいて、電圧制御インバータ２２１を同期接続した時刻（２．５（ｓ））付近を部分的に拡大した図である。

グラフＧ１は電圧制御インバータ２２１の出力端の電圧（電力系統２０３の電圧）、グラフＧ２は、電圧制御インバータ２２１の出力端の電流を示す。グラフＧ３は負荷装置２３１の負荷変動を示し、グラフＧ４は電力系統２０３の出力電圧を示し、グラフＧ５は電圧制御インバータ２２１の有効出力電力を示す。グラフＧ６は電力系統２０３（母線）の周波数を示す。グラフＧ７は、電力系統２０３の電圧と、電圧制御インバータ２２１の出力電圧との位相差（電圧位相差又は電力位相差）を示す。

本シミュレーションでは、位相、周波数及び振幅のすべておいて、電力系統２０３に電圧制御インバータ２２１を時刻２．５で同期接続している。同期接続後に、周波数及び振幅を、基準周波数及び基準振幅に戻す制御は行っていない。同期接続時以降、位相、周波数及び振幅のすべてが電力系統２０３（発電機２０１、２０２）の位相、周波数及び振幅と一致又は略一致するため、同期接続後、電圧制御インバータ２２１の有効出力電力はゼロである（電圧制御インバータ２２１の負荷分担はゼロ）。グラフＧ１では同期投入後、電圧制御インバータ２２１の出力電圧（矩形波）が印加されるが、この出力電圧は矩形波である。一方、同期投入前の電力系統２０３の電圧は正弦波である。正弦波に矩形波が印加される様子を、時刻２．５の後のグラフの形状に反映させている。同期接続の前後で電圧制御インバータ２２１の出力有効電力はゼロである（グラフＧ５参照）。また同期接続開始前から電圧制御インバータ２２１内のスイッチはオンにされているため、電圧センサー１０１で電圧が検出され（グラフＧ１参照）、電流センサー１０２で電流が検出されている（グラフＧ２参照）。グラフＧ２から理解されるように同期接続時の瞬間、電流のスパイク（過電流）は発生していない。

図１１は、本シミュレーションの結果として、同期接続後に周波数を基準周波数へ徐々に戻す場合を示す。電圧制御インバータ２２１の有効出力電力のグラフＧ２１，４１、電力系統２０３の周波数（母線周波数）のグラフＧ２２，Ｇ４２、電圧位相差（電力位相差）のグラフＧ２３，Ｇ４３を示す。グラフＧ２１、Ｇ２２、Ｇ２３は、位相のみ同期させ、周波数と電圧振幅とは同期させずに電圧制御インバータ２２１を時刻２．５で同期接続し、接続後、周波数を基準周波数に徐々に戻した場合を示す。グラフＧ４１、Ｇ４２、Ｇ４３は、位相、周波数及び振幅を同期させて電圧制御インバータ２２１を時刻２．５で同期接続し、接続後、周波数を基準周波数に徐々に戻した場合を示す。いずれの場合も、同期接続した時刻２．５から概ね０．６（ｓ）後に、同期接続が完了し、電圧制御インバータ２２１の出力周波数が、基準周波数に一致する。

位相のみ同期させた場合、周波数は同期していないことから（グラフＧ２２参照）、同期接続した瞬間、位相差はゼロであるものの、その直後から、位相差はグラフＧ２３に示すように少し広がる。またグラフＧ２１に示すように電圧制御インバータ２２１の有効出力電力に小さなスパイク（過電流）が生じる。但し、このスパイクは、位相の同期を行うことなく電圧制御インバータ２２１を接続した場合に比べると十分小さいため、本実施形態の利点はこの過電流の発生によって損なわれるものではない。

一方、位相、周波数及び振幅を同期させて電圧制御インバータ２２１を接続した場合、グラフＧ４３に示すように、同期接続した瞬間及びその後も位相差は小さい。またグラフＧ４１に示すように電圧制御インバータ２２１の有効出力電力に小さなスパイク（過電流）が生じない。

以上、本実施形態によれば、電圧制御インバータを電力系統に接続する際に、位相、周波数及び振幅の少なくとも１つを電力系統と同期できるため、過電流の発生を抑制することができる。また、同期接続の処理を行う間、スイッチ（メインコンダクタ）をオンにしているため、スイッチのインバータ回路側に電圧検知用のセンサーを設置する必要がない。

また、本実施形態によれば、電圧制御インバータを電力系統に接続する際に振幅を電力系統と同期させるため、電力系統との電圧の差がゼロ（もしくは非常に小さい値）から電圧制御インバータを運行開始できるため、無効過電流は発生しない。また同期運行開始後に、ＰＷＭ発生器に対する電圧指令値（第３指令信号）を徐々に（スロープ状に）基準電圧に向けて戻すことで、過電流発生させることなく、負荷分担を開始することができる。

（応用例）
上述した本実施形態で電源装置３１が動作停止になる場合は電力系統１が停電等になった場合の他、電力供給装置２１からの電力供給が停止される場合もあり得る。例えば電力供給装置である太陽光発電装置２１Ｂに太陽光が照射されず、太陽光発電装置２１Ｂからの発電出力が停止される場合がある。この場合も電源装置３１の電圧制御インバータ１１の動作が停止する。太陽光の照射が開始され、発電出力が開始された場合に、上述した本実施形態に従って、電圧制御インバータ１１を同期接続することで過電流等を生じさせることなく、電圧制御インバータ１１の接続が可能となる。電圧制御インバータ１１の制御部１００は太陽光発電装置２１Ｂの発電状況を監視し、発電が停止された場合に、電圧制御インバータ１１の動作を停止し、スイッチ１０３をオフにしてもよい。また制御部１００は発電が開始されたことを検知した場合は、スイッチ１０３をオンにし、上述したフローチャートの動作（同期接続のための処理）を行ってもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ 電力系統
１Ｍ マイクログリッド
２ 遮断器
３ 負荷装置
４ 同期発電装置
５ トランス
５Ａ トランス
５Ｂ トランス
５Ｃ トランス
５Ｄ トランス
６ トランス
７ トランス
９Ａ 通信部
９Ｂ 通信部
９Ｃ 通信部
９Ｄ 通信部
１１Ａ 電圧制御インバータ
１１Ｂ 電圧制御インバータ
１１Ｃ 電圧制御インバータ
１１Ｄ 電圧制御インバータ
２１Ａ 太陽光発電装置
２１Ｂ 電力供給装置
２１Ｂ 太陽光発電装置
２１Ｃ 風力発電装置
２１Ｄ 蓄電池
３１Ａ 電源装置
３１Ｂ 電源装置
３１Ｃ 電源装置
３１Ｄ 電源装置
１００ 制御部（制御回路）
１０１ 電圧センサー
１０１ｂ ＰＷＭ発生器
１０１ｃ 振幅同期回路（振幅検出部）
１０２ 電流センサー
１０３ スイッチ（メインコンタクタ）
１０４ インバータ回路
２０１ 発電機
２０２ 発電機
２０３ 電力系統
２１１ ＤＣ装置
２１１ 電圧制御インバータ
２２１ 電圧制御インバータ
２３１ 負荷装置
２４１ トランス
２５１ トランス
２６１ トランス

Claims (21)

1. 電力系統に連系可能な電圧制御インバータであって、
   一端側が電力供給装置に接続され、他端側がスイッチを介して前記電力系統に接続されるインバータ回路と、
   前記電力系統の電圧である第１電圧を検出する電圧検出部と、
   前記第１電圧の周波数である第１周波数を検出する周波数検知部と、
   前記スイッチが閉じた状態で、前記第１電圧の値と前記第１電圧の位相に合わせたタイミングで、前記第１電圧の値に応じた値を有しかつ前記第１電圧の位相に応じた位相を有しかつ前記第１周波数に応じた第２周波数を有する第２電圧から前記電力系統への出力を開始するように、停止している前記インバータ回路の動作を開始させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の周波数を、前記電力系統の基準となる系統周波数にスロープ状に変更するよう前記インバータ回路の動作を制御する、
   電圧制御インバータ。
2. 電力系統に連系可能な電圧制御インバータであって、
   一端側が電力供給装置に接続され、他端側がスイッチを介して前記電力系統に接続されるインバータ回路と、
   前記電力系統の電圧である第１電圧を検出する電圧検出部と、
   前記スイッチが閉じた状態で、前記第１電圧の値と前記第１電圧の位相に合わせたタイミングで、前記第１電圧の値に応じた値を有しかつ前記第１電圧の位相に応じた位相を有する第２電圧から前記電力系統への出力を開始するよう、停止している前記インバータ回路の動作を開始させる制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記電圧制御インバータの有効電力を０から第１値までスロープ状に変更し、
   前記制御部は、前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の周波数を、前記電力系統の基準となる系統周波数にスロープ状に変更するように前記インバータ回路の動作を制御する、
   電圧制御インバータ。
3. 前記制御部は、前記第２電圧の出力を指示する第１制御信号を前記インバータ回路に出力し、
   前記インバータ回路は、前記第１制御信号に基づいて、前記第２電圧を出力する
   請求項１又は２に記載の電圧制御インバータ。
4. 前記タイミングは、前記第１電圧の位相の極性が反転する基準となる電圧を交差するタイミングである
   請求項１～３のいずれか一項に記載の電圧制御インバータ。
5. 前記基準となる電圧の値は０［Ｖ］である
   請求項４に記載の電圧制御インバータ。
6. 前記第１電圧の周波数である第１周波数を検出する周波数検知部を備え、
   前記制御部は、前記第１周波数に応じた第２周波数で前記第２電圧を出力するよう制御する
   請求項２に記載の電圧制御インバータ。
7. 前記制御部は、前記電圧制御インバータの有効電力を０から第１値までスロープ状に変更する
   請求項１に記載の電圧制御インバータ。
8. 前記第１電圧の振幅である第１振幅を検出する振幅検出部を備え、
   前記制御部は、前記第１振幅に応じた第２振幅で前記第２電圧を出力するよう制御する
   請求項１～６のいずれか一項に記載の電圧制御インバータ。
9. 前記制御部は、前記第２振幅の前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の振幅を前記第１振幅とは異なる第３振幅にスロープ状に変更するよう制御する
   請求項８に記載の電圧制御インバータ。
10. 前記第２電圧の周波数を第４周波数に変更することを指示した第１制御指令を、前記電力系統のエネルギーマネジメントシステムから第１の時点で受信する受信部を備え、
    前記制御部は、前記第１の時点より前に、前記第２電圧の周波数を前記基準となる系統周波数に変更する処理を完了する
    請求項１～９のいずれか一項に記載の電圧制御インバータ。
11. 前記第２電圧の振幅を第４振幅に変更することを指示した第２制御指令を、前記電力系統のエネルギーマネジメントシステムから第２の時点で受信する受信部を備え、
    前記制御部は、前記第２の時点より前に、前記第２電圧の振幅を前記第３振幅に変更する処理を完了する
    請求項９に記載の電圧制御インバータ。
12. 前記インバータ回路は、前記第１制御信号を制御端子で受けて、前記第１制御信号に応じた動作を行うスイッチング素子である
    請求項３に記載の電圧制御インバータ。
13. 前記制御部は、前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の振幅を前記第２振幅に維持する
    請求項８又は９に記載の電圧制御インバータ。
14. 前記制御部は、前記第２電圧の周波数を前記基準となる系統周波数に維持する
    請求項１～８のいずれか一項に記載の電圧制御インバータ。
15. 前記制御部は、前記第３振幅の前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の振幅を前記第３振幅に維持する
    請求項９に記載の電圧制御インバータ。
16. 請求項１～１５のいずれかに係る電圧制御インバータと、
    前記電力供給装置と、を備え、
    前記電力供給装置は、自然エネルギー発電装置である、
    電源装置。
17. 前記制御部は、前記自然エネルギー発電装置の発電が開始されたことを検知した場合に、停止している前記インバータ回路の動作を開始させる
    請求項１６に記載の電源装置。
18. 一端側が電力供給装置に接続され、他端側がスイッチを介して電力系統に接続されるインバータ回路を含む電圧制御インバータによって実行される制御方法であって、
    前記電力系統の電圧である第１電圧を検出し、
    前記第１電圧の周波数である第１周波数を検出し、
    前記スイッチが閉じた状態で、前記第１電圧の値と前記第１電圧の位相に合わせたタイミングで、前記第１電圧の値に応じた値を有しかつ前記第１電圧の位相に応じた位相を有しかつ前記第１周波数に応じた第２周波数を有する第２電圧から前記電力系統への出力を開始するように、停止している前記インバータ回路の動作を開始させ、
    前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の周波数を、前記電力系統の基準となる系統周波数にスロープ状に変更するよう前記インバータ回路の動作を制御する
    制御方法。
19. 一端側が電力供給装置に接続され、他端側がスイッチを介して電力系統に接続されるインバータ回路を含む電圧制御インバータによって実行される制御方法であって、
    前記電力系統の電圧である第１電圧を検出し、
    前記スイッチが閉じた状態で、前記第１電圧の値と前記第１電圧の位相に合わせたタイミングで、前記第１電圧の値に応じた値を有しかつ前記第１電圧の位相に応じた位相を有する第２電圧から前記電力系統への出力を開始するよう、停止している前記インバータ回路の動作を開始させ、
    前記電圧制御インバータの有効電力を０から第１値までスロープ状に変更し、
    前記第２電圧が出力された後、前記第２電圧の周波数を、前記電力系統の基準となる系統周波数にスロープ状に変更するように前記インバータ回路の動作を制御する
    制御方法。
20. 前記電力供給装置は、自然エネルギー発電装置である
    請求項１８又は１９に記載の制御方法。
21. 前記自然エネルギー発電装置の発電が開始されたことを検知した場合に、停止している前記インバータ回路の動作を開始させる
    請求項２０に記載の制御方法。

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