JP7481886B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本実施形態は、電力供給源から供給される電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

近年、太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー電源や蓄電池が電力供給源として使用される。再生可能エネルギー電源や蓄電池から出力される直流電力は、電力変換装置により交流電力に変換される。電力変換装置により変換された交流電力が、電力系統に供給される。電力変換装置は、電力系統における基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき電力の変換を行い、交流電力を出力する。出力電力の電圧、周波数、位相の制御を行う電力変換装置が知られている。

特開２０１４－５０２９２号公報

前述のとおり、電力変換装置は、電力系統における基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき電力の変換を行い、交流電力を出力する。電力系統が、火力、水力、原子力などの回転機型発電機を用いた発電設備を含み構成されている場合、電力変換装置は、基準となる交流電力として回転機型発電機から出力された交流電力の電圧、周波数、位相に基づき、電力の変換を行う。

電力系統が、太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー電源や蓄電池などの電力変換装置を用いた電源設備のみにより構成されている場合、一つの電力変換装置が基準となる交流電力を出力し、他の電力変換装置は、一つの電力変換装置から出力された基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき、電力の変換を行う。

事故等により、基準となる交流電力が喪失された場合であっても、複数の電力変換装置は、電圧、周波数、位相を合致させ交流電力を出力することが望ましい。

近年、再生可能エネルギー電源の導入が推進されている。太陽光発電や風力発電のような再生可能エネルギー電源は、パワーエレクトロニクス技術を用いたインバータ等の電力変換装置により交流の電力系統に接続される。このような電源はインバータ電源と呼ばれる。また、再生可能エネルギーの出力変動を抑制するために設置される蓄電池などのシステムもインバータ電源に含まれる。

離島などにおける、オフグリッドシステムと呼ばれる小規模な電力系統では、回転機型の電源によらず、インバータ電源のみにより負荷に電力が供給される場合がある。また、同期発電機やインバータ電源が混在する従来の電力系統においても、系統事故などにより一部区域が隔離され、マイクログリッドと呼ばれる区域内においてインバータ電源のみにより負荷に電力が供給される場合がある。

インバータ電源のみで安定的な電力の供給を行うためには、出力分担された複数のインバータ電源を適正に制御し、電力系統の電圧、周波数、位相を維持することが必要とされる。複数のインバータ電源のうち、一つのインバータ電源に、基準となる交流電力を出力させる制御を行い、他のインバータ電源に基準となる交流電力の電圧、周波数、位相に基づき交流電力を出力させる制御を行う技術が知られている。電力の変換を行う基準となる交流電力を出力させるインバータ電源の運転モードを、電圧源モードと呼ぶ。基準となる外部の交流電力の電圧、周波数、位相に基づき交流電力を出力させるインバータ電源の運転モードを、系統連系モードと呼ぶ。系統連系モードは、電流源モードと呼ばれる場合がある。

しかしながら、電圧源モードで運転するインバータ電源が、故障等の理由により運転を継続できなくなった場合、電力系統において基準となる交流電力が喪失される。基準となる交流電力にかかる電圧、周波数、位相が喪失され、系統連系モードで運転する他のインバータ電源も運転を継続することができない。その結果、電力系統は停電に至る。

基準となる交流電力が喪失された場合、電圧源モードで運転していたインバータ電源に代わり、系統連系モードで運転していた他のインバータ電源のうち一つを選択し、電圧源モードで運転させる。しかしながら、他のインバータ電源のうちの一つを電圧源モードで運転させるためには、一端、インバータ電源を停止させ電圧源モードに再設定することが必要とされた。一端、インバータ電源を停止させるため、電力系統に一時的な停電が発生するとの問題点があった。

本実施形態は、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、停電を回避す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。

本実施形態の電力変換装置は、次のような特徴を有する。
（１）電力系統に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部。
（２）前記位相検出部により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部。
（３）前記波形制御部により作成された前記制御信号に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部。
（４）前記電力系統に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された前記周波数が、予め設定された第１の周波数範囲内にない場合、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部。
（５）前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、前記波形制御部は、前記電力変換部に対し、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。

第１実施形態にかかる電力変換システムの構成を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の構成を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の出力電圧制御部の構成を示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の位相検出部の制御ブロックを示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の波形制御部の構成を示す図 １つの電力変換装置が電力供給を停止した場合の電力変換装置の動作にかかるタイムを示す図 ２つの電力変換装置が電力供給を停止した場合の電力変換装置の動作にかかるタイムを示す図 第１実施形態にかかる電力変換装置の波形制御部の変形例の構成を示す図 第２実施形態にかかる電力変換装置の構成を説明する図 第２実施形態にかかる電力変換装置の波形制御部の変形例の構成を示す図 第２実施形態にかかる電力変換装置の波形制御部の別の変形例の構成を示す図

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置１および電力変換システム１００について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に示す実施形態は、一例であってこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。本実施形態において、同一構成の装置や部材が複数ある場合にはそれらについて同一の番号を付して説明を行い、また、同一構成の個々の装置や部材についてそれぞれを説明する場合に、共通する番号にアルファベット（小文字）の添え字を付けることで区別する。

［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１～５を参照して本実施形態の一例として、電力変換装置１および電力変換システム１００の構成について説明する。電力変換システム１００は、複数のインバータ電源１０により構成され、電力系統９を介し負荷８への電力供給を行う。一例として、電力変換システム１００は、３つのインバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃにより構成される。電力変換システム１００は、任意の数量のインバータ電源１０ａ～１０ｎにより構成されるものであってもよい。また、電力変換システム１００は、火力、水力、原子力などの発電設備に接続されるものであってもよい。

図１において、電力系統９は、一つの負荷８を有するものとして表記されているが、電力系統９は複数の負荷８を有するものであってよい。また、例えばインバータ電源１０の電圧と電力系統９との電圧が異なる場合等、インバータ電源１０は、変圧器（図中不示）を介して電力系統９に接続されるようにしてもよい。

（インバータ電源１０）
図２にインバータ電源１０の構成を示す。インバータ電源１０は、電力変換装置１、電源１５を備える。インバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃは同様の構成を有する。

電源１５は、太陽光発電設備や風力発電設備等の再生可能エネルギー電源により構成される。電源１５は、直流電力を発電し、電力変換装置１に供給する。また、電源１５は、蓄電池により構成されるものであってもよい。電源１５が蓄電池により構成される場合、電源１５は、電力変換装置１により電力系統１の交流電力が直流電力に変換され充電される。蓄電池である電源１５は、直流電力を出力し、電力変換装置１に供給する。

（電力変換装置１）
電力変換装置１は、電力系統９、電源１５に接続される。電力変換装置１は、電源１５から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統９に供給する。電力変換装置１は、電力変換部１２、電圧電流計側部１３、制御部１４を備える。電力変換装置１は、電力変換部１２と電力系統９の間に連系リアクトルや高調波フィルタを有するものであってもよい。

電力変換部１２は、電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）等の半導体スイッチにより構成される。電力変換部１２は、電源１５、電力系統９に接続される。電力変換部１２は、制御部１４により制御される。電力変換部１２は、電源１５から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統９に供給する。電源１５が蓄電池により構成される場合、電力変換部１２は、電力系統９の交流電力を直流電力に変換し、電源１５に供給する。電力変換部１２により変換された直流電力は、電源１５に蓄電される。

電圧電流計測部１３は、計測用変圧器や計測用変流器等により構成される。電圧電流計測部１３は、電力変換部１２と電力系統９の連系点に配置され、制御部１４に接続される。電圧電流計測部１３は、電力変換装置１と電力系統９の連系点における電圧、電流を計測する。電圧電流計測部１３により、電圧の振幅、周波数、位相が計測され電圧計測値とされ、電流の振幅、周波数、位相が計測され電流計測値とされる。電圧電流計測部１３は、電圧計測値と電流計測値を制御部１４に出力する。電力変換装置１が、電力変換部１２と電力系統９の間に高調波フィルタを有するものである場合、電圧電流計測部１３は、高調波フィルタの電力系統９側、電力変換部１２側、両方の電流を計測し、制御部１４に出力する。

制御部１４は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。制御部１４は、電圧電流計測部１３の計測値に基づき、電力変換部１２を制御する。制御装置１４は、出力電圧制御部２１と、ゲートパルス生成部２２とを備える。

出力電圧制御部２１は、電圧電流計測部１３、ゲートパルス生成部２２に接続される。出力電圧制御部２１は、電圧電流計測部１３の計測値に基づき、制御信号を作成しゲートパルス生成部２２に出力する。制御信号は、ゲートパルス生成部２２を制御する信号であり、正弦波状の電圧波形である。制御信号により電圧振幅、周波数、位相が指令される。制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。出力電圧制御部２１の構成の詳細は、後述する。

ゲートパルス生成部２２は、出力電圧制御部２１、電力変換部１２に接続される。ゲートパルス生成部２２は、出力電圧制御部２１から受信した制御信号にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部１２に出力する。ゲート信号は、電力変換部１２の出力電圧波形を変調する信号であり、例えば電力変換部１２の半導体スイッチのＯｎ／Ｏｆｆを制御するパルス幅変調（ＰＷＭ変調）信号である。電力変換部１２は、ゲートパルス生成部２２に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源１５から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統９に供給する。

（出力電圧制御部２１の構成）
図３に、出力電圧制御部２１の構成を示す。出力電圧制御部２１は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。出力電圧制御部２１は、位相検出部３１、電力算出部３２、電力制御部３３、電流制御部３４、波形制御部３５を備える。

位相検出部３１は、電圧電流計測部１３、電力算出部３２、波形制御部３５に接続される。位相検出部３１は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値に基づき、電圧位相を算出し出力する。位相検出部３１の構成の詳細は後述する。

電力算出部３２は、電圧電流計測部１３、電力制御部３３に接続される。電力算出部３２は、電圧電力計測部１３から出力された電圧計測値および電流計測値、および位相検出部３１から出力された電圧位相に基づき、電力変換部１２が出力する有効電力値および無効電力値を算出し、電力制御部３３に出力する。

電力制御部３３は、電力算出部３２、電流制御部３４に接続される。電力制御部３３は、外部装置から入力された電力指令値、および電力算出部３２により算出された有効電力値、無効電力値に基づき、電力変換部１２が出力する電流指令値を算出する。電流指令値は、電力変換部１２から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電力制御部３３は、算出した電流指令値を電流制御部３４に出力する。

電力指令値は、電力変換装置１が出力する有効電力、無効電力を指示する指令値である。電力指令値は、電力需給制御装置（図中不示）のような外部装置から電力制御部３３に入力される指令値でもよいし、予め設定された指令値でもよい。電力指令値は、時々刻々変動する値を有するものであってもよいし、固定値であってもよい。

電流制御部３４は、電圧電流計測部１３、電力制御部３３、波形制御部３５に接続される。電流制御部３４は、電圧電流計測部１３から出力された電流計測値、電力制御部３３により算出された電流指令値に基づき、電圧指令値を算出する。電圧指令値は、電力変換部１２から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電流制御部３４は、算出した電圧指令値を波形制御部３５に出力する。

波形制御部３５は、位相検出部３１、電流制御部３４、ゲートパルス生成部２２に接続される。波形制御部３５は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値、位相検出部３１から出力された電圧位相、電流制御部３４により算出された電圧指令値に基づき、制御信号を作成しゲートパルス生成部２２に出力する。制御信号は、ゲートパルス生成部２２を制御する信号であり、正弦波状の電圧波形である。制御信号により電圧振幅、周波数、位相が指令される。制御信号は、電圧振幅、周波数、位相を電文により指令するものであってもよい。

波形制御部３５から出力された制御信号に基づき、ゲートパルス生成部２２は電力変換部１２を制御する。電力変換部１２は、電源１５から出力された直流電力を、指令された電圧振幅、周波数、位相を有する交流電力に変換し、電力系統９に供給する。

（位相検出部３１の構成）
位相検出部３１の構成を説明する。位相検出部３１は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。位相検出部３１は、図４に示す制御ブロックにより構成される。

位相検出部３１は、３相／ｄｑ変換部４１、ＰＩ制御部４２、積分部４３、判定部４４にかかる制御ブロックにより構成される。

３相／ｄｑ変換部４１は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値に基づき、電圧計測値をｄｑ軸電圧値に変換する。ＰＩ制御部４２は、３相／ｄｑ変換部４１により変換されたｄｑ軸電圧値に基づき、ｄｑ軸のうち基準軸の電圧値がゼロとなる制御を行う。また、ＰＩ制御部４２は、周波数を下限周波数、上限周波数に制限するリミッタを備える。下限周波数、上限周波数にかかる値は、外部装置（図中不示）により所定の値に設定される。

積分部４３は、ＰＩ制御部４２から出力された周波数偏差と基準周波数（例えば商用周波数５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚ）の合計値から位相を算出する。判定部４４は、ＰＩ制御部４２から出力された周波数を検出する。また、判定部４４は、ＰＩ制御部４２から出力された周波数の偏差に基づき、動作モードを選択する。動作モードとして、電圧源モード、系統連系モードの一方が選択される。電圧源モードとは、電力の変換を行う基準となる交流電力を出力する運転モードである。系統連系モードとは、基準となる外部の交流電力の電圧、周波数、位相に基づき交流電力を出力する運転モードである。系統連系モードは、電流源モードと呼ばれる場合がある。

ＰＩ制御部４２は、周波数を下限周波数、上限周波数に制限するリミッタを備える。電力の変換を行う基準となる交流電力が喪失された場合に、電力変換部１２から出力される電力にかかる周波数は、ＰＩ制御部４２に設定された下限周波数または上限周波数に制限される。これにより、波形制御部３５は、周波数を予め設定された周波数範囲内に制限して制御信号を作成する。

下限周波数、上限周波数の値は、インバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃを構成する電力変換装置１ごとに設定される。下限周波数、上限周波数の値は、電力の変換を行う基準となる交流電力が喪失された場合において、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給するインバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃの優先順位に基づき決定される。

電力の変換を行う基準となる交流電力が喪失された場合に、一番目に優先的に基準となる交流電力を出力するインバータ電源１０に接続された電力変換装置１は、第１代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値に設定され、二番目に優先的に基準となる交流電力を出力するインバータ電源１０に接続された電力変換装置１は、第２代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値に設定される。

第１代理モードにかかる下限周波数の値は、第２代理モードにかかる下限周波数の値より大きい。第１代理モードにかかる上限周波数の値は、第２代理モードにかかる上限周波数の値より小さい。第１代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の幅は、第２代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の幅より小さい。

例えば、第１代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値を基準周波数ｆ０に対し±３％、第２代理モードにかかる下限周波数、上限周波数の値を基準周波数ｆ０に対し±５％とする。なお、下限周波数、上限周波数の値の絶対値は同じでなくてもよい。例えば、第１代理モードにかかる下限周波数の値をｆ０－３％、上限周波数の値をｆ０＋２％としてもよい。

また、基準となる交流電力を出力するインバータ電源１０が３台以上である場合、インバータ電源１０に接続された３台以上の電力変換装置１は、優先的に基準となる交流電力を出力する順に、下限周波数、上限周波数の幅が大きくなる第１代理モード、第２代理モード、第３代理モード・・・に設定されるようにしてもよい。

ＰＩ制御部４２は、基準となる交流電力の出力を開始したのち、予め設定された時間経過後に、設定された下限周波数、上限周波数の値を基準となる交流電力にかかる周波数ｆ０の値に更新する。例えば、制御部１４の出力電圧制御部２１の判定部４４により、インバータ電源１０が基準となる交流電力の出力を開始したと判定されてから所定の時間経過後、下限周波数、上限周波数の値は、基準周波数ｆ０に対し±３％から０％に更新される。この更新にかかる変化率は一定であってもよいし、一次遅れ特性などに従ってもよい。

ＰＩ制御部４２の出力値は、電圧計測値の基準周波数ｆ０からの周波数偏差Δｆに相当する。すなわち、電圧計測値の周波数ｆｍ（電力系統９の周波数）が増加すればＰＩ制御部４２の出力値は増加し、電圧計測値の周波数ｆｍ（電力系統９の周波数）が減少すればＰＩ制御部４２の出力値は減少する。

判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が予め設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ１内にない場合、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。例えば、判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１または上限周波数ｆ０＋Δｆ１の値に到達したことに基づき、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。さらに判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１または上限周波数ｆ０＋Δｆ１の値に到達したことに基づき、電力変換装置１が、系統連系モードから電圧源モードに移行し、電力変換部１２が基準となる交流電力の出力を開始するよう動作モード情報を出力する。

所定の時間継続してＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１または上限周波数ｆ０＋Δｆ１の値であること、所定の時間内に所定の回数、ＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１または上限周波数ｆ０＋Δｆ１の値であることを検出することにより、判定部４４は、周波数の基準となる交流電力が供給されていないことを、より確実に検出するようにしてもよい。判定部４４は、電力変換装置１が電圧源モード、系統連系モードのいずれにより運転されるべきかを示す動作モード情報を出力する。

（波形制御部３５の構成）
波形制御部３５の構成を説明する。波形制御部３５は、ハードウェアによる回路、またはマイクロコンピュータ等により構成される。波形制御部３５は、図５に示す制御ブロックにより構成される。

波形制御部３５は、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部４６、選択器４７にかかる機能ブロックにより構成される。

電圧制御部４５は、電圧電流計側部１３、電流制御部３４、選択器４７に接続される。電圧制御部４５は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値、電流制御部３４により算出された電圧指令値に基づき、新たな電圧指令値としてｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を算出し選択器４７に出力する。ｄ軸電圧値は、ｄ軸にかかる制御信号であり、ｑ軸電圧値は、ｑ軸にかかる制御信号である。電圧制御部４５は、ｄｑ軸上の制御信号を作成する。

選択器４７は、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部４６、判定部４４に接続される。選択器４７には、電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値および、あらかじめ設定されたｄ軸所定値、ｑ軸所定値が入力される。選択器４７の出力は、判定部４４から出力された動作モード情報により選択される。動作モード情報が系統連系モードを示すとき、選択器４７は、ｄｑ／３相変換部４６に電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を出力する。動作モード情報が電圧源モードを示すとき、選択器４７は、ｄｑ／３相変換部４６にｄ軸所定値、ｑ軸所定値を出力する。

ｄｑ／３相変換部４６は、選択器４７、位相検出部３１、ゲートパルス生成部２２に接続される。動作モード情報が系統連系モードを示すとき、ｄｑ／３相変換部４６は、電圧制御部４５により算出されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて３相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。

動作モード情報が電圧源モードを示すとき、ｄｑ／３相変換部４６は、ｄ軸所定値、ｑ軸所定値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて３相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。ｄ軸所定値、ｑ軸所定値は、ｄ軸とｑ軸について予め設定された固定値でもよいし、時間経過に従い変化する変動値であってもよい。例えば、ｄ軸所定値は電力系統１の定格電圧値に、ｑ軸所定値はゼロに設定されるようにしてもよい。ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値が請求項における第１の電圧指令値に相当する。ｄ軸所定値、ｑ軸所定値が請求項における第２の電圧指令値に相当する。

以上が、電力変換装置１および電力変換システム１００の構成である。

［１－２．作用］
次に、図１～７に基づき本実施形態の電力変換装置１および電力変換システム１００の動作の概要を説明する。電力変換装置１は、判定部４４により電力系統９に供給された交流電力の周波数ｆｍを検出する。電力変換装置１の判定部４４は、検出された周波数ｆｍが予め設定された第１の周波数範囲内ｆ０±Δｆ１にない場合、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。判定部４４により、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、波形制御部３５は、電力変換部１２に対し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。

電力変換装置１は、位相検出部３１により、周波数を予め設定された第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２に制限して電圧位相を算出する。Δｆ１とΔｆ２は同一の値であってもよい。第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２は、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する複数の電力供給源１５の優先順位に基づき決定され、優先順位が高い電力供給源１５に対応した第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２は、優先順位が低い電力供給源１５に対応した第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２より狭い。

電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていない場合、優先順位に基づき、系統連系モードで動作していた一つの電力変換装置１が電圧源モードで動作し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する。また、系統連系モードで動作していた他の電力変換装置１は、系統連系モードでの動作を継続する。

図６に基づき、電力変換装置１、電力変換システム１００の動作詳細について説明する。一例として、電力変換システム１００は、３台のインバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃにより構成される。電力系統９は、３台のインバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃにより電力が供給される。インバータ電源１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、それぞれ電力変換装置１ａ、１ｂ、１ｃを備える。

平常時にはインバータ電源１０ａが電圧源モード、インバータ電源１０ｂ、１０ｃが系統連系モードで動作しているものとする。平常時にはインバータ電源１０ａにより、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されている。インバータ電源１０ａにより、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されない場合、インバータ電源１０ｂがインバータ電源１０ｃに優先し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力の供給を行う。

インバータ電源１０ｂにかかる電力変換装置１ｂは第１代理モードに設定されている。インバータ電源１０ｃにかかる電力変換装置１ｃは第２代理モードに設定されている。第１代理モード、第２代理モードとは、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されない場合に、周波数の基準となる交流電力の供給を行う電力変換装置１の優先順位に基づき決定される。例えばインバータ電源１０ｂの容量がインバータ電源１０ｃの容量より大きいなどの理由により、周波数の基準となる交流電力の供給を行う優先順位が決定され、優先順位に基づきインバータ電源１０に第１代理モード、第２代理モードが設定される。

電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されない場合に、周波数の基準となる交流電力の供給を行う電力変換装置１が３台以上設けられている場合、３台以上の電力変換装置１は、優先的に基準となる交流電力を出力する順に、第１代理モード、第２代理モード、第３代理モード・・・に設定されるようにしてもよい。

インバータ電源１０ａにより、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されなくなった場合、第１代理モードに設定された電力変換装置１ｂにより周波数の基準となる交流電力が供給される。第１代理モードに設定された電力変換装置１ｂを備えたインバータ電源１０ｂにより、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されなくなった場合、第２代理モードに設定された電力変換装置１ｃにより周波数の基準となる交流電力が供給される。

予め電力変換装置１ｂは、第１代理モードに設定される。電力変換装置１ｂのＰＩ制御部４２は、周波数を下限周波数ｆ０－Δｆ２ｂ、上限周波数ｆ０＋Δｆ２ｂに制限するリミッタを備える。第１代理モードに設定されることにより電力変換装置１ｂのＰＩ制御器４２は、周波数を予め設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂに制限して、電圧位相を算出する。例えば、第１代理モードに設定されることにより、電力変換装置１ｂのＰＩ制御器４２の下限周波数ｆ０－Δｆ２ｂは５０Ｈｚ－３％に、上限周波数ｆ０＋Δｆ２ｂは５０Ｈｚ＋３％に設定される。

予め電力変換装置１ｃは、第２代理モードに設定される。第２代理モードに設定されることにより電力変換装置１ｃのＰＩ制御器４２は、周波数を予め設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｃに制限して、電圧位相を算出する。例えば、第２代理モードに設定されることにより、電力変換装置１ｃのＰＩ制御器４２の下限周波数ｆ０－Δｆ２ｃは５０Ｈｚ－５％に、上限周波数ｆ０＋Δｆ２ｃは５０Ｈｚ＋５％に設定される。

電力変換装置１ｂおよび電力変換装置１ｃのＰＩ制御器４２のリミッタは、判定部４４で代理モードであると判定されてから所定時間経過した後に例えばｆ０±０％に更新するよう、予め設定される。

なお、電力系統１の商用周波数ｆ０は５０Ｈｚとする。また、電力変換装置１ｂおよび電力変換装置１ｃの波形制御部３５における選択器４７によって選択されるｄ軸所定値は電力系統１の定格電圧値に、ｑ軸所定値はゼロに、予め設定される。

図６に示すタイムチャートにおける時刻ｔ１において、故障等の理由によりインバータ電源１０ａからの交流電力の供給が停止した場合、周波数の基準となる交流電力が供給されなくなり、電力系統９の周波数ｆｍは低下する。これにより、インバータ電源１０ｂの電力変換装置１ｂ、インバータ電源１０ｃの電力変換装置１ｃの位相検出部３１のＰＩ制御器４２の出力値は減少する。

時刻ｔ２において、電力変換装置１ｂのＰＩ制御器４２の出力値は、下限周波数ｆ０－Δｆ２ｂに到達する。下限周波数ｆ０－Δｆ２ｂは、例えば５０Ｈｚ－３％（４８．５Ｈｚ）である。電力変換装置１ｂのＰＩ制御器４２は、周波数を予め設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂである４８．５Ｈｚに制限して、電圧位相を算出する。

時刻ｔ３において、電力変換装置１ｂの判定部４４は、ＰＩ制御器４２から出力された電圧位相に基づき、電力系統９に供給された交流電力の周波数ｆｍが、予め設定された周波数範囲内ｆ０±Δｆ１ｂにないことを検出し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。例えば、周波数範囲内ｆ０±Δｆ１ｂは、５０Ｈｚ±３％（４８．５Ｈｚ）である。

さらに判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１ｂに到達したことに基づき、電力変換装置１ｂが、系統連系モードから電圧源モードに移行し、電力変換部１２が基準となる交流電力の出力を開始するよう動作モード情報を出力する。例えば、下限周波数ｆ０－Δｆ１ｂは、５０Ｈｚ－３％（４８．５Ｈｚ）である。

判定部４４から出力された動作モード情報が電圧源モードを示すことに基づき、選択器４７は、ｄｑ／３相変換部４６にｄ軸所定値、ｑ軸所定値を出力する。ｄ軸所定値は電力系統１の定格電圧値に、ｑ軸所定値はゼロに設定されている。また、位相検出部３１から出力された４８．５Ｈｚの電圧位相が、ｄｑ／３相変換部４６に入力される。

電力変換装置１ｂのｄｑ／３相変換部４６は、選択器４７から出力されたｄ軸所定値、ｑ軸所定値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて、３相に変換された電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。３相に変換された電圧波形が制御信号に相当する。

電力変換装置１ｂのゲートパルス生成部２２は、出力電圧制御部２１から受信した制御信号である電圧波形にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部１２に出力する。ゲート信号は、電力変換部１２の出力電圧波形を変調する信号であり、例えば電力変換部１２の半導体スイッチのＯｎ／Ｏｆｆを制御するパルス幅変調（ＰＷＭ変調）信号である。電力変換装置１ｂの電力変換部１２は、ゲートパルス生成部２２に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源１５から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統９に供給する。

上記の動作により、時刻ｔ３において、インバータ電源１０ｂの電力変換装置１ｂは、電力系統９に周波数の基準となる交流電力の供給を開始する。周波数の基準となる交流電力の振幅は、電力系統９の定格電圧値、周波数は、４８．５Ｈｚである。

一方、インバータ電源１０ｃの電力変換装置１ｃは、系統連系モードによる動作を継続する。電力系統９には、周波数の基準となる４８．５Ｈｚの交流電力がインバータ電源１０ｂにより供給されている。電力変換装置１ｃの判定部４４は、電力系統９の周波数が周波数範囲内ｆ０±Δｆ１ｃにない場合に、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。周波数範囲ｆ０±Δｆ１ｃは、５０Ｈｚ±５％（４７．５Ｈｚから５２．５Ｈｚ）である。

電力変換装置１ｃの判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１ｃまたは上限周波数ｆ０＋Δｆ１ｃの値に到達していないため、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていると判断し、電力変換装置１ｃは、系統連系モードによる動作を継続する。

時刻ｔ３において、インバータ電源１０ｂの電力変換装置１ｂにより周波数の基準となる交流電力の供給が開始され、電力系統９の交流電力は、４８．５Ｈｚとなっている。時刻ｔ３から予め設定された時間経過後の時刻ｔ４において、電力変換装置１ｂの位相検出部３１は、ＰＩ制御器４２のリミッタにおける周波数範囲を基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する。ＰＩ制御器４２のリミッタにおける周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂは、例えば５０Ｈｚ±３％から５０Ｈｚ±０％に更新される。

これによりインバータ電源１０ｂのＰＩ制御器４２の出力値は下限リミッタに沿って変化し、５０Ｈｚ－０％に遷移する。この結果、位相検出部３１は、基準周波数５０Ｈｚにかかる電圧位相を出力する。電力変換装置１ｂのゲートパルス生成部２２は、基準周波数５０Ｈｚにかかる電圧位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部１２に出力する。電力変換装置１ｂの電力変換部１２は、ゲートパルス生成部２２に制御され基準周波数５０Ｈｚにて電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する。

これにより、電力変換装置１ａによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合であっても、電力変換装置１ａに代替し電力変換装置１ｂにより周波数の基準となる交流電力が供給されるので、電力系統９における停電を回避することができる。

上述のように、電圧源モードで動作するインバータ電源１０ａが電力供給を停止した場合であっても、インバータ電源１０ｂの電力変換装置１ｂの位相検出部３１に備えられたリミッタの作用によって、電力系統９の周波数は周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂに維持され、例えば、４８．５Ｈｚ等の所定値に制御される。電力変換装置１ｂにより周波数の基準となる交流電力が供給され、電力系統９の停電が回避される。電力変換装置１ｃの位相検出部３１に備えられたリミッタの周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｃは、電力変換装置１ｂに設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂより広く、電力変換装置１ｃを備えたインバータ電源１０ｃは平常の系統連系モードによる運転を継続することができる。

次に、図７に基づき、電力変換装置１ａおよび電力変換装置１ｂによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合について説明する。

図７に示すタイムチャートにおける時刻ｔ１において、電力変換装置１ｂを備えたインバータ電源１０ａからの交流電力の供給が停止する。その後、時刻ｔ３において、電力変換装置１ｂを備えたインバータ電源１０ｂにより、周波数の基準となる４８．５Ｈｚの交流電力の供給が開始される。

電力変換装置１ｂを備えたインバータ電源１０ｂによる、４８．５Ｈｚの交流電力の供給は、時刻ｔ５まで継続される。時刻ｔ５において、故障等の理由によりインバータ電源１０ｂからの交流電力の供給が停止する。これによりインバータ電源１０ａおよびインバータ電源１０ｂからの周波数の基準となる交流電力の供給が停止する。

インバータ電源１０ｂからの交流電力の供給が停止した場合、周波数の基準となる交流電力が供給されなくなり、電力系統９の周波数ｆｍはさらに低下する。これにより、インバータ電源１０ｃの電力変換装置１ｃの位相検出部３１のＰＩ制御器４２の出力値は減少する。

時刻ｔ６において、電力変換装置１ｃのＰＩ制御器４２の出力値は、下限周波数ｆ０－Δｆ２ｃに到達する。下限周波数ｆ０－Δｆ２ｃは、例えば５０Ｈｚ－５％（４７．５Ｈｚ）である。電力変換装置１ｃのＰＩ制御器４２は、周波数を予め設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｃである４７．５Ｈｚに制限して、電圧位相を算出する。

時刻ｔ７において、電力変換装置１ｃの判定部４４は、ＰＩ制御器４２から出力された電圧位相に基づき、電力系統９に供給された交流電力の周波数ｆｍが、予め設定された周波数範囲内ｆ０±Δｆ１ｃにないことを検出し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。例えば、周波数範囲内ｆ０±Δｆ１ｃは、５０Ｈｚ±３％（４７．５Ｈｚ）である。

さらに電力変換装置１ｃの判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が下限周波数ｆ０－Δｆ１ｃに到達したことに基づき、電力変換装置１ｃが、系統連系モードから電圧源モードに移行し、電力変換部１２が基準となる交流電力の出力を開始するよう動作モード情報を出力する。例えば、下限周波数ｆ０－Δｆ１ｃは、５０Ｈｚ－５％（４７．５Ｈｚ）である。

判定部４４から出力された動作モード情報が電圧源モードを示すことに基づき、選択器４７は、ｄｑ／３相変換部４６にｄ軸所定値、ｑ軸所定値を出力する。ｄ軸所定値は電力系統１の定格電圧値に、ｑ軸所定値はゼロに設定されている。また、位相検出部３１から出力された４７．５Ｈｚの電圧位相が、ｄｑ／３相変換部４６に入力される。

電力変換装置１ｃのｄｑ／３相変換部４６は、選択器４７から出力されたｄ軸所定値、ｑ軸所定値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて、３相に変換された電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。３相に変換された電圧波形が制御信号に相当する。

電力変換装置１ｃのゲートパルス生成部２２は、出力電圧制御部２１から受信した制御信号である電圧波形にかかる電圧振幅、周波数、位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部１２に出力する。電力変換装置１ｃの電力変換部１２は、ゲートパルス生成部２２に制御された電圧振幅、周波数、位相により、電源１５から出力された直流電力を交流電力に変換し、電力系統９に供給する。

上記の動作により、時刻ｔ７において、インバータ電源１０ｃの電力変換装置１ｃは、電力系統９に周波数の基準となる交流電力の供給を開始する。周波数の基準となる交流電力の振幅は、電力系統９の定格電圧値、周波数は、４７．５Ｈｚである。

時刻ｔ７において、インバータ電源１０ｃの電力変換装置１ｃにより周波数の基準となる交流電力の供給が開始され、電力系統９の交流電力は、４７．５Ｈｚとなっている。時刻ｔ７から予め設定された時間経過後の時刻ｔ８において、電力変換装置１ｃの位相検出部３１は、ＰＩ制御器４２のリミッタにおける周波数範囲を基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する。ＰＩ制御器４２のリミッタにおける周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｃは、例えば５０Ｈｚ±５％から５０Ｈｚ±０％に更新される。

これによりインバータ電源１０ｃのＰＩ制御器４２の出力値は下限リミッタに沿って変化し、５０Ｈｚ－０％に遷移する。この結果、位相検出部３１は、基準周波数５０Ｈｚにかかる電圧位相を出力する。電力変換装置１ｃのゲートパルス生成部２２は、基準周波数５０Ｈｚにかかる電圧位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部１２に出力する。電力変換装置１ｃの電力変換部１２は、ゲートパルス生成部２２に制御され基準周波数５０Ｈｚにて電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する。

これにより、電力変換装置１ａおよび電力変換装置１ｂによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合であっても、電力変換装置１ａおよび電力変換装置１ｂに代替し電力変換装置１ｃにより周波数の基準となる交流電力が供給されるので、電力系統９における停電を回避することができる。

上記の動作例において、電力変換装置１ａおよび電力変換装置１ｂによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止することにより、電力系統９の電力にかかる周波数は低下するものとした。しかしながら、電力系統９における負荷８とインバータ電源１０の放電、充電等の運転状態により需給バランスが崩れ、電力変換装置１ａおよび電力変換装置１ｂによる周波数の基準となる交流電力の供給が停止することにより、電力系統９の電力にかかる周波数が上昇する可能性もある。

この場合、判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が上限周波数ｆ０＋Δｆ１ｃの値に到達した場合に、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。また、ＰＩ制御部４２は、リミッタにより周波数を上限周波数ｆ０＋Δｆ２に制限して、電圧位相を算出する。

上記では波形制御部３５は、図５に示す構成とした。波形制御部３５は、図８に示す構成としてもよい。図８に示す波形制御部３５は、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部４８、選択器４９にかかる機能ブロックにより構成される。

図５に示す波形制御部３５は、ｄｑ軸上で電圧制御部４５の制御を行うのに対し、図８に示す波形制御部３５は、３相で電圧制御部４５の制御を行う。図８に示す波形制御部３５は、制御信号として３相の電圧波形を出力する。

ｄｑ／３相変換部４８は、ｄ軸所定値、ｑ軸所定値と、位相検出部３１の電圧位相に基づいて３相に変換した電圧波形を出力する。ｄ軸所定値、ｑ軸所定値は、ｄ軸とｑ軸について予め設定された固定値でもよいし、時間経過に従い変化する変動値であってもよい。例えば、ｄ軸所定値は電力系統１の定格電圧値に、ｑ軸所定値はゼロに設定されるようにしてもよい。

選択器４９は、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部４８、判定部４４に接続される。選択器４９には、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値に基づき電圧制御部４５から出力された制御信号である電圧波形、あらかじめ設定されたｄ軸所定値、ｑ軸所定値に基づきｄｑ／３相変換部４８から出力された制御信号である電圧波形が入力される。

選択器４９の出力は、判定部４４から出力された動作モード情報により選択される。動作モード情報が系統連系モードを示すとき、選択器４９は、電圧制御部４５から出力された電圧波形を選択しゲートパルス生成部２２に出力する。動作モード情報が電圧源モードを示すとき、選択器４９は、ｄｑ／３相変換部４８から出力された電圧波形を選択しゲートパルス生成部２２に出力する。

上記のように波形制御部３５を、図８に示す構成とすることにより、電源１５から出力された電力を３相制御により電力変換装置１において交流電力に変換することができる。波形制御部３５を、図５に示す構成とすることにより、電源１５から出力された電力をｄｑ軸制御により電力変換装置１において交流電力に変換することができる。

周波数の基準となる交流電力の供給が停止した場合であっても、電力変換装置１により周波数の基準となる交流電力が供給されるので、電力系統９における停電を回避することができる。

以上が、第１実施形態にかかる電力変換装置１および電力変換システム１００の動作の概要である。

［１－３．効果］
（１）本実施形態によれば、電力変換装置１は、電力系統９に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部３１と、位相検出部３１により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部３５と、波形制御部３５により作成された制御信号に基づき、電力供給源１５から供給された電力を交流電力に変換して電力系統９に出力する電力変換部１２と、電力系統９に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された周波数が、予め設定された第１の周波数範囲内にない場合、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部４４と、を有し、判定部４４により、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、波形制御部３５は、電力変換部１２に対し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行うので、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、停電を回避することができる電力変換装置１を提供することができる。

電力変換装置１の判定部４４は、ＰＩ制御部４２の出力値が予め設定された周波数範囲ｆ０±Δｆ１内にない場合、電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する。また、波形制御部３５は、電力変換部１２に対し、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う。

（２）本実施形態によれば、電力変換装置１の位相検出部３１は、周波数を予め設定された第２の周波数範囲内に制限して電圧位相を算出するので、基準となる交流電力を喪失した場合であっても、第２の周波数範囲内に制限した電力を出力することができる電力変換装置１を提供することができる。

電圧源モードで動作するインバータ電源１０ａが電力供給を停止した場合であっても、インバータ電源１０ｂの電力変換装置１ｂの位相検出部３１に備えられたリミッタの作用によって、電力系統９の周波数は周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂに維持され、例えば４８．５Ｈｚ等の所定値に制御される。電力変換装置１ｂにより周波数の基準となる交流電力が供給され、電力系統９の停電が回避される。

（３）本実施形態によれば、電力変換装置１の第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２は、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する複数の電力供給源１５の優先順位に基づき決定され、優先順位が高い電力供給源１５に対応した第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２は、優先順位が低い電力供給源１５に対応した第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２より狭いので、優先順位が低い電力供給源１５に接続された電力変換装置１ｃは、平常の系統連系モードによる運転を継続することができる。これにより電力系統９に、安定的に電力が供給される。

（４）本実施形態によれば、電力変換装置１は、電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を電力変換部１２に対し開始したのちの、予め設定された時間経過後に、位相検出部３１が、第２の周波数範囲ｆ０±Δｆ２を基準となる交流電力にかかる周波数の値ｆ０に更新するので、電圧源モードで動作するインバータ電源１０ａが電力供給を停止した場合であっても、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置１ｂにより、交流電力の周波数が基準となる周波数ｆ０に維持される。

予め設定された時間経過後に、電力変換装置１ｂの位相検出部３１は、ＰＩ制御器４２のリミッタにおける周波数範囲を基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する。ＰＩ制御器４２のリミッタにおける周波数範囲ｆ０±Δｆ２ｂは、例えば５０Ｈｚ±３％から５０Ｈｚ±０％に更新される。

この結果、位相検出部３１は、基準周波数５０Ｈｚにかかる電圧位相を出力する。電力変換装置１ｂのゲートパルス生成部２２は、基準周波数５０Ｈｚにかかる電圧位相に基づき、ゲート信号を生成し電力変換部１２に出力する。電力変換装置１ｂの電力変換部１２は、ゲートパルス生成部２２に制御され基準周波数５０Ｈｚにて電力系統９に周波数の基準となる交流電力を供給する。

（５）本実施形態によれば、電力変換装置１の波形制御部３５は、第１の電圧指令値（ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値）、または第２の電圧指令値（ｄ軸所定値、ｑ軸所定値）を選択する切替部である選択器４７を備える。選択器４７は、判定部４４により電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていると判断された場合、位相検出部３１により検出された電圧位相に基づき作成された、交流電力の周波数、位相を指令する第１の電圧指令値（ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値）を選択する。選択器４７は、判定部４４により電力系統９に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、予め設定された第２の電圧指令値（ｄ軸所定値、ｑ軸所定値）を選択する。波形制御部３５は、選択器４７により選択された第１の電圧指令値（ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値）、または第２の電圧指令値により電力変換部１２の制御を行う。その結果、電圧源モードで動作するインバータ電源１０ａが電力供給を停止した場合であっても、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置１ｂにより基準周波数ｆ０にて電力系統９に基準となる交流電力が供給される。これにより電力系統９に、安定的に電力が供給される。

［２．第２実施形態］
［２－１．構成および作用］
第２実施形態にかかる電力変換装置１の一例について図９を参照して説明する。第２実施形態にかかる電力変換装置１は、以下の構成を有する波形制御部３５を備える。その他の構成は、第１実施形態にかかる電力変換装置１と同じである。

第２実施形態にかかる電力変換装置１の波形制御部３５は、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部５１、ホールド部５２ａ、５２ｂにかかる機能ブロックにより構成される。

電圧制御部４５は、電圧電流計側部１３、電流制御部３４、ホールド部５２ａ、５２ｂに接続される。電圧制御部４５は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値、電流制御部３４により算出された電圧指令値に基づき、新たな電圧指令値としてｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を算出し、ホールド部５２ａ、５２ｂに出力する。ｄ軸電圧値は、ｄ軸にかかる電圧指令値であり、ｑ軸電圧値は、ｑ軸にかかる電圧指令値である。電圧制御部４５は、ｄｑ軸上の電圧指令値を作成する。

ホールド部５２ａ、５２ｂは、サンプルホールド回路または記憶回路により構成される。ホールド部５２ａ、５２ｂは、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部５１、判定部４４に接続される。ホールド部５２ａ、５２ｂには、それぞれ電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値が入力される。ホールド部５２ａ、５２ｂは、ホールドのタイミングを判定部４４から出力された動作モード情報により制御される。

ホールド部５２ａ、５２ｂは、動作モード情報が系統連系モードを示すとき、電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドせずに、ｄｑ／３相変換部５１に対し出力する。ホールド部５２ａ、５２ｂは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、例えば動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより数１０ミリ秒前に電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドして、ｄｑ／３相変換部５１に対し出力する。

請求項における、第２の電圧指令値は、ホールド部５２により保持された、電圧制御部４５から出力された過去のｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値であってよい。

ｄｑ／３相変換部４６は、ホールド部５２ａ、５２ｂから出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて３相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。

第１実施形態にかかる図５に示す波形制御部３５を有する電力変換装置１は、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、予め設定されたｄ軸所定値、ｑ軸所定値に基づいてゲートパルス生成部２２が制御され、電力変換装置１から電力が出力される。例えば、ｄ軸所定値は電力系統１の定格電圧値に、ｑ軸所定値はゼロに設定される。

これは、電圧源モードである電力変換装置１から出力される電力にかかる電圧の振幅を、電力系統９の系統電圧を定格電圧に近づけるためである。予め電力系統９の系統電圧を低めにした方がよいと認識される場合、ｄ軸所定値は定格電圧値よりも低く設定されるようにしてもよい。予め想定される電力系統９の状況に応じ、ｄ軸所定値は任意の値に設定される。

しかしながら、第１実施形態にかかる電力変換装置１では、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、電力変換装置１から出力される電力にかかる電圧は急峻に変化する可能性がある。これは、動作モード情報に基づき選択器４９により、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値に代替しｄ軸所定値、ｑ軸所定値が急峻に選択されることに起因する。これによりゲートパルス生成部２２に入力される電圧波形の振幅が急峻に変化する可能性がある。

ゲートパルス生成部２２に入力される電圧波形の振幅が急峻に変化した場合、電力変換装置１から出力される電力にかかる電流が意図せず急増したり、系統電圧が不安定となる可能性がある。また、電圧源モードで動作していた他の電力変換装置１が電力の出力を停止するため擾乱が発生し、電力系統９の系統電圧が、設定されたｄ軸所定値、ｑ軸所定値から乖離しており、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置１の出力電流が意図せず急増したり、系統電圧が不安定となる可能性がある。電圧源モードで動作していた他の電力変換装置１が電力の出力を停止した場合に、新たに電圧源モードで動作する電力変換装置１にどのようなｄ軸所定値、ｑ軸所定値を設定すべきであるか、予め判断することが難しい場合もある。

第２実施形態にかかる図９に示す波形制御部３５を有する電力変換装置１は、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、ホールド部５２ａ、５２ｂは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより過去に電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドして、ｄｑ／３相変換部５１に対し出力する。これにより、波形制御部３５から、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより、例えばり数１０ミリ秒過去のｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値に基づき作成された電圧波形が、制御信号として出力される。

すなわち、電圧源モードで動作していた他の電力変換装置１が電力の出力を停止する直前の、電力変換装置１の出力電力にかかる電圧が維持される。第２実施形態にかかる電力変換装置１によれば、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングのｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を、電力系統９の状況が変化する都度算出し、電力変換装置１に設定することが必要とされない。

動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化した場合であっても、電力系統９の状況が変化に対応したｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値が、ゲートパルス生成部２２に入力される。これにより、電力変換装置１の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統９に安定的な電力が供給される。

第２実施形態にかかる電力変換装置１は、電流制御部３４、波形制御部３５を、図１０に示すように構成し、実現されるようにしてもよい。その他の構成は、第１実施形態にかかる電力変換装置１と同じである。図１０に示す構成例は、電流制御部３４および波形制御部３５の制御がｄｑ軸上で行われる

電力変換装置１の波形制御部３５は、３相／ｄｑ変換部５４、電圧制御部４５、ｄｑ／３相変換部５３、ホールド部５５ａ、５５ｂにかかる機能ブロックにより構成される。

３相／ｄｑ変換部５４は、電圧電流計側部１３、ホールド部５５ａ、５５ｂ、位相検出部３１に接続される。３相／ｄｑ変換部５４は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づき、電圧指令値としてｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を算出し、ホールド部５５ａ、５５ｂに出力する。

ホールド部５５ａ、５５ｂは、サンプルホールド回路または記憶回路により構成される。ホールド部５５ａ、５５ｂは、３相／ｄｑ変換部５４、電圧制御部４５、判定部４４に接続される。ホールド部５５ａ、５５ｂには、３相／ｄｑ変換部５４から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値が入力される。ホールド部５５ａ、５５ｂは、ホールドのタイミングを判定部４４から出力された動作モード情報により制御される。

ホールド部５５ａ、５５ｂは、動作モード情報が系統連系モードを示すとき、３相／ｄｑ変換部５４から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドせずに、電圧制御部４５に対し出力する。ホールド部５５ａ、５５ｂは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、例えば動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより数１０ミリ秒前に３相／ｄｑ変換部５４から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドして、電圧制御部４５に対し出力する。

電流制御部３４は、電圧電流計測部１３、電力制御部３３、波形制御部３５に接続される。電流制御部３４は、電圧電流計測部１３から出力された電流計測値、電力制御部３３により算出された電流指令値に基づき、電圧指令値としてｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を算出する。電圧指令値であるｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値は、電力変換部１２から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電流制御部３４は、算出した電圧指令値であるｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を波形制御部３５に出力する。電流制御部３４は、判定部４４に接続されており、動作モード情報により系統連系モードから電圧源モードに変化したことが報知された場合、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をゼロにする。

電圧制御部４５は、ホールド部５５ａ、５５ｂ、電流制御部３４に接続される。電圧制御部４５は、ホールド部５５ａ、５５ｂから出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値と、電流制御部３４から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値に基づき、新たな電圧指令値としてｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を算出する。例えば、電圧制御部４５は、ホールド部５５ａから出力されたｄ軸電圧値に電流制御部３４から出力されたｄ軸電圧値を加算し新たなｄ軸電圧値を算出し、ホールド部５５ｂから出力されたｑ軸電圧値に電流制御部３４から出力されたｑ軸電圧値を加算し新たなｑ軸電圧値を算出する。

ｄｑ／３相変換部５３は、電圧制御部４５から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて３相に変換した電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。

これにより、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化した場合であっても、電力系統９の状況の変化に対応した制御信号として、３相の電圧波形がゲートパルス生成部２２に入力される。これにより、電力変換装置１の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統９に安定的な電力が供給される。

第２実施形態にかかる電力変換装置１は、電流制御部３４、波形制御部３５を、図１１に示すように構成し、実現されるようにしてもよい。その他の構成は、第１実施形態にかかる電力変換装置１と同じである。図１０に示す構成例は、電流制御部３４および波形制御部３５の制御がｄｑ軸上で行われるのに対し、図１１に示す構成例は、電流制御部３４および波形制御部３５の制御が３相で行われる。

電力変換装置１の波形制御部３５は、３相／ｄｑ変換部６１、ｄｑ／３相変換部６２、電圧制御部４５、ホールド部６３ａ、６３ｂにかかる機能ブロックにより構成される。

３相／ｄｑ変換部６１は、電圧電流計側部１３、ホールド部６３ａ、６３ｂ、位相検出部３１に接続される。３相／ｄｑ変換部６１は、電圧電流計測部１３から出力された電圧計測値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づき、電圧指令値としてｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を算出し、ホールド部６３ａ、６３ｂに出力する。

ホールド部６３ａ、６３ｂは、サンプルホールド回路または記憶回路により構成される。ホールド部６３ａ、６３ｂは、３相／ｄｑ変換部６１、ｄｑ／３相変換部６２、判定部４４に接続される。ホールド部６３ａ、６３ｂには、３相／ｄｑ変換部６１から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値が入力される。ホールド部６３ａ、６３ｂは、ホールドのタイミングを判定部４４から出力された動作モード情報により制御される。

ホールド部６３ａ、６３ｂは、動作モード情報が系統連系モードを示すとき、３相／ｄｑ変換部６１から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドせずに、ｄｑ／３相変換部６２に対し出力する。ホールド部６３ａ、６３ｂは、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したとき、例えば動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングより数１０ミリ秒前に３相／ｄｑ変換部６１から出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をホールドして、ｄｑ／３相変換部６２に対し出力する。

ｄｑ／３相変換部６２は、ホールド部６３ａ、６３ｂから出力されたｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値、位相検出部３１から出力された電圧位相に基づいて、３相に変換された電圧指令値である３相電圧指令値を電圧制御部４５に出力する。

電流制御部３４は、電圧電流計測部１３、電力制御部３３、電圧制御部４５に接続される。電流制御部３４は、電圧電流計測部１３から出力された電流計測値、電力制御部３３により算出された電流指令値に基づき、３相に変換された電圧指令値である３相電圧指令値を算出する。３相電圧指令値は、３相の電圧波形により構成される。３相電圧指令値は、電力変換部１２から出力される有効電力および無効電力が、所望の電力値に追従する指令値とされる。電流制御部３４は、算出した３相電圧指令値を波形制御部３５の電圧制御部４５に出力する。電流制御部３４は、判定部４４に接続されており、動作モード情報により系統連系モードから電圧源モードに変化したことが報知された場合、ｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値をゼロにする。

電圧制御部４５は、ｄｑ／３相変換部６２、電流制御部３４に接続される。電圧制御部４５は、ｄｑ／３相変換部６２から出力された３相電圧指令値と、電流制御部３４から出力された３相電圧指令値に基づき、制御信号として３相の電圧波形を算出する。例えば、電圧制御部４５は、ｄｑ／３相変換部６２から出力された３相電圧指令値に電流制御部３４から出力された３相電圧指令値を加算し、新たな３相電圧指令値を算出し、制御信号として３相の電圧波形をゲートパルス生成部２２に出力する。

これにより、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化した場合であっても、電力系統９の状況の変化に対応した制御信号として、３相の電圧波形がゲートパルス生成部２２に入力される。これにより、電力変換装置１の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統９に安定的な電力が供給される。

以上が、第２実施形態にかかる電力変換装置１および電力変換システム１００の動作の概要である。

［２－２．効果］
（１）本実施形態にかかる電力変換装置１によれば、位相検出部３１により検出された電圧位相に基づき、所定の時間前に作成された、交流電力の周波数、位相を指令する過去の電圧指令値を保持するホールド部５２を備え、第１の電圧指令値は、ホールド部５２により保持された、過去の電圧指令値であるので、電力変換装置１の出力電力にかかる電圧の急峻な変化が抑制され、電力系統９に安定的な電力が供給される。

また、本実施形態にかかる電力変換装置１によれば、動作モード情報が系統連系モードから電圧源モードに変化したタイミングのｄ軸電圧値、ｑ軸電圧値を、電力系統９の状況が変化する都度算出し、電力変換装置１に設定することが必要とされない。

［３．他の実施形態］
変形例を含めた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って、発明の範囲を限定することを意図していない。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、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの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。以下は、その一例である。

（１）上記実施形態では、電力変換システム１００は、電力系統９に３つのインバータ電源１０が接続されるものとしたが、電力系統９に接続されるインバータ電源１０の数量はこれに限られない。電力系統９に接続されるインバータ電源１０の数量は、２つ、または４つ以上でもよい。また電力系統９に、火力、水力、原子力などの発電設備が接続されるようにしてもよい。

（２）上記実施形態では、インバータ電源１０の電源１５は、太陽光発電設備や風力発電設備等の再生可能エネルギー電源により構成されるものとしたが、電源１５はこれに限られない。電源１５は、燃料電池や地熱発電により発電を行う装置等であってもよい。

１・・・電力変換装置
８・・・負荷
９・・・電力系統
１０・・・インバータ電源
１２・・・電力変換部
１３・・・電圧電流計側部
１４・・・制御部
１５・・・電源
２１・・・出力電圧制御部
２２・・・ゲートパルス生成部
３１・・・位相検出部
３２・・・電力算出部
３３・・・電力制御部
３４・・・電流制御部
３５・・・波形制御部
４１、５４、６１・・・３相／ｄｑ変換部
４２・・・ＰＩ制御部
４３・・・積分部
４４・・・判定部
４５・・・電圧制御部
４６、４８、５１、５３、６２・・・ｄｑ／３相変換部
４７、４９・・・選択器
５２ａ、５２ｂ、５５ａ、５５ｂ、６３ａ、６３ｂ・・・ホールド部
１００・・・電力変換システム

Claims (6)

1. 電力系統に供給された交流電力の位相に基づき電圧位相を算出する位相検出部と、
   前記位相検出部により算出された電圧位相に基づき、交流電力の周波数、位相を指令する制御信号を作成する波形制御部と、
   前記波形制御部により作成された前記制御信号に基づき、電力供給源から供給された電力を交流電力に変換して電力系統に出力する電力変換部と、
   前記電力系統に供給された交流電力の周波数を検出し、検出された前記周波数が、予め設定された第１の周波数範囲内にない場合、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断する判定部と、を有し、
   前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、前記波形制御部は、前記電力変換部に対し、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を行う、
   電力変換装置。
2. 前記位相検出部は、周波数を予め設定された第２の周波数範囲内に制限して電圧位相を算出する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第２の周波数範囲は、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する複数の前記電力供給源の優先順位に基づき決定され、前記優先順位が高い前記電力供給源に対応した前記第２の周波数範囲は、前記優先順位が低い前記電力供給源に対応した前記第２の周波数範囲より狭い、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記電力系統に周波数の基準となる交流電力を供給する制御を前記電力変換部に対し開始したのちの、予め設定された時間経過後に、前記位相検出部は、前記第２の周波数範囲を前記基準となる交流電力にかかる周波数の値に更新する、
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記波形制御部は、第１の電圧指令値、または第２の電圧指令値を選択する切替部を備え、
   前記切替部は、
   前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていると判断された場合、前記位相検出部により検出された電圧位相に基づき作成された、交流電力の周波数、位相を指令する前記第１の電圧指令値を選択し、
   前記判定部により、前記電力系統に周波数の基準となる交流電力が供給されていないと判断された場合、予め設定された前記第２の電圧指令値を選択し、
   前記波形制御部は、前記切替部により選択された前記第１の電圧指令値、または前記第２の電圧指令値により前記電力変換部の制御を行う、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記位相検出部により検出された電圧位相に基づき、所定の時間前に作成された、交流電力の周波数、位相を指令する過去の電圧指令値を保持するホールド部を備え、
   前記第２の電圧指令値は、ホールド部により保持された、前記過去の電圧指令値である、
   請求項５に記載の電力変換装置。
   
   

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