JPWO2014125649A1

JPWO2014125649A1 - 共振抑制装置

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Publication number: JPWO2014125649A1
Application number: JP2015500082A
Authority: JP
Inventors: 村上　賢哉; 賢哉村上; 亨神通川; 智広小池; 浩小島
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-02-18
Filing date: 2013-02-18
Publication date: 2017-02-02
Anticipated expiration: 2033-02-18
Also published as: WO2014125649A1; JP6179586B2

Abstract

本発明は、共振点が変化する場合であっても共振を抑制すること、特に、複数台の風力発電機を備えた風力発電所において、電力系統への風力発電機の接続台数が変化する場合であっても共振を抑制することを目的とし、高調波フィルタを備えた電力機器（風力発電機）が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、前記電力系統に前記電力機器と並列に交流電流を供給するインバータと、前記電力機器と前記電力系統との接続点の電圧が入力され、前記高調波フィルタの共振周波数を高周波側に移動させる電流指令値を生成する電流指令値生成部と、前記電流指令値に基づいて前記インバータから出力される前記交流電流を制御する電流制御部と、を有する。

Description

本発明は、共振抑制装置に関する。

近年、再生可能エネルギーの普及が進んでおり、多くの風力発電機を備えた大規模なウィンドファーム（wind farm：集合型風力発電所）も建設されている。

風力発電機は、発電した電力を一旦直流に変換する（ＡＣ−ＤＣ）コンバータ、およびその直流を交流に変換する（ＤＣ−ＡＣ）インバータを備えており、さらにインバータによって発生する高調波電流を除去する高調波フィルタも備えている。しかしながら、高調波フィルタを備えた風力発電機が電力系統に接続（連系）されると、高調波フィルタのキャパシタンス（capacitance：静電容量）と電力系統や変圧器のインダクタンス（inductance：誘導係数）とによる共振が発生し、出力電圧が不安定になる場合がある。

そこで、例えば特許文献１では、高調波フィルタのキャパシタンスに直列に抵抗を接続することによってこのような共振を抑制し、出力電圧に共振周波数成分が重畳されることなく、安定した運転の継続が可能な風力発電設備が開示されている。また、例えば非特許文献１では、パッシブノッチフィルタやＣ型バンドパスフィルタを用いて共振を抑制する技術が開示されている。

特開２００５−１８４９９０号公報特開２００３−１７４７２５号公報

M. Bradt, et al., "Harmonics and Resonance Issues in Wind Power Plants," Power and Energy Society General Meeting, 2011 IEEE, pp. 1-8, 24-29 July 2011

しかしながら、特許文献１の風力発電設備では、抵抗の値Ｒｈが風力発電設備の誘導機から見た系統リアクタンスＸ０に応じて与えられているため、電力系統の構成が変わると共振点が変化し、共振が再発する恐れがある。また、非特許文献１のフィルタを用いる方法でも、電力系統の構成が変わると共振点（共振周波数）が変化するため、それらの共振点をそれぞれ抑制する必要がある。

さらに、電力系統の構成が変わらない場合であっても、複数台の風力発電機を備えた風力発電所においては、高調波フィルタのキャパシタンスが風力発電機の接続台数に応じて変化し、共振点も変化することとなる。すなわち、各風力発電機が備える高調波フィルタのキャパシタンスが並列に接続されるため、例えば図２０に示すように、風力発電機の接続台数が増加するほど共振周波数が低下する。そのため、電力系統への風力発電機の接続台数が変化する風力発電所では、特許文献１や非特許文献１の共振抑制方法を用いることは困難である。

前述した課題を解決する主たる本発明は、高調波フィルタが電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、前記電力系統の電圧が入力され、共振周波数を高周波側に移動させる電流指令値を生成する電流指令値生成部を有し、前記電流指令値生成部は、前記電力系統に接続された電力変換装置に対して前記電流指令値を出力することを特徴とする共振抑制装置である。

また、前述した課題を解決するその他の主たる本発明は、高調波フィルタを備えた電力機器が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、前記電力系統に前記電力機器と並列に交流電流を供給するインバータと、前記電力機器と前記電力系統との接続点の電圧が入力され、前記高調波フィルタの共振周波数を高周波側に移動させる電流指令値を生成する電流指令値生成部と、前記電流指令値に基づいて前記インバータから出力される前記交流電流を制御する電流制御部と、を有することを特徴とする共振抑制装置である。

また、前述した課題を解決するさらにその他の主たる本発明は、高調波フィルタを備えた電力機器が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、係数が互いに異なる複数のリアクトルと、前記複数のリアクトルから１つ以上のリアクトルを選択するリアクトル選択部と、前記複数のリアクトルのうち前記リアクトル選択部によって選択された前記１つ以上のリアクトルを前記高調波フィルタのキャパシタンスと並列に接続するスイッチ回路と、を有することを特徴とする共振抑制装置である。

本発明の他の特徴については、添付図面及び本明細書の記載により明らかとなる。

本発明によれば、共振点が変化する場合であっても共振を抑制することができる。特に、複数台の風力発電機を備えた風力発電所において、電力系統への風力発電機の接続台数が変化する場合であっても共振を抑制することができる。

本発明の第１実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。共振抑制装置が設置されていない状態において発生する共振を説明する図である。積分フィルタを備えた共振抑制装置が共振を抑制する作用を説明する図である。一次遅れフィルタを備えた共振抑制装置が共振を抑制する作用を説明する図である。共振抑制装置により共振周波数が高周波側に移動することを説明する図である。共振抑制装置が設置されていない状態における電圧ｖおよび電流ｉ，ｉ１，ｉ２の一例を示す模式図である。積分フィルタを備えた共振抑制装置によって共振が抑制された電圧ｖおよび電流ｉ，ｉ１，ｉ２の一例を示す模式図である。積分フィルタを備えた共振抑制装置におけるフィルタ係数と共振抑制効果との関係の一例を示す模式図である。一次遅れフィルタを備えた共振抑制装置によって共振が抑制された電圧ｖおよび電流ｉ，ｉ１，ｉ２の一例を示す模式図である。一次遅れフィルタを備えた共振抑制装置におけるフィルタ係数と共振抑制効果との関係の一例を示す模式図である。本発明の第２実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。風力発電機の接続台数から共振周波数を算出する方法を説明する図である。本発明の第３実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。本発明の第４実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。本発明の第５実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。本発明の第６実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。本発明の第７実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。本発明の第８実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。本発明の第９実施形態における共振抑制装置の構成を示すブロック図である。風力発電機の接続台数と共振周波数との関係を示す図である。

本明細書および添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

＜第１実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成＝＝＝
以下、図１を参照して、本発明の第１の実施形態における共振抑制装置の構成について説明する。

図１に示されている共振抑制装置１ａは、例えば風力発電所内に設置されて、高調波フィルタ３１を備えた風力発電機３が電力系統５に接続されることによって発生する共振を抑制するための装置である。また、共振抑制装置１ａは、フィルタ１１、加算部１２、電流制御部１３、並列インバータ１４、直流電源１５、共振検出部１６、および係数設定部１７を含んで構成されている。なお、本実施形態では、フィルタ１１および係数設定部１７が電流指令値生成部１０に相当する。

図１において、風力発電機３は、電力系統５に接続されている台数分の風力発電機を代表している。また、Ｃ１は、電力系統５に接続されている風力発電機がそれぞれ備える高調波フィルタのキャパシタンスの合成キャパシタンスを示し、Ｌ１は、風力発電機をそれぞれ電力系統５に接続する変圧器のインダクタンスの合成インダクタンスを示している。さらに、Ｌ２は、電力系統５のインダクタンスを示している。なお、図１においては、１相分の構成を示しており、風力発電機３が３相系統に接続されている場合には、共振抑制装置１ａは、各相に対して同様の構成を備えるものとする。

フィルタ１１は、積分特性または一次遅れ特性を有するデジタルフィルタである。また、フィルタ１１には、風力発電機３と電力系統５との接続点の電圧ｖが入力され、フィルタ１１からは、並列インバータ１４の出力電流ｉに対する電流指令値ｉ^＊が出力されている。

接続点電圧ｖは、共振検出部１６にも入力され、共振検出部１６からは、検出した共振周波数ｆ１が出力されている。また、係数設定部１７には、共振周波数ｆ１が入力され、係数設定部１７からフィルタ１１には、フィルタ係数が入力されている。ここで、フィルタ１１が積分フィルタの場合には、フィルタ係数としてインダクタンスＬが入力され、フィルタ１１が一次遅れフィルタの場合には、フィルタ係数としてレジスタンス（resistance：電気抵抗）ＲおよびインダクタンスＬが入力される。

加算部１２には、並列インバータ１４の出力電流ｉとそれに対する電流指令値ｉ^＊とが入力され、加算部１２から電流制御部１３には、電流指令値ｉ^＊と出力電流ｉとの差（ｉ^＊−ｉ）が入力されている。また、電流制御部１３からは、電圧指令値ｖ^＊が出力されている。

並列インバータ１４には、直流電源１５が接続されている。また、並列インバータ１４には、電圧指令値ｖ^＊が入力され、並列インバータ１４からは、交流電流ｉが出力されている。そして、並列インバータ１４は、変圧器（不図示）を介して電力系統５に並列に接続されており、並列インバータ１４から出力される交流電流ｉは、風力発電機３の出力電流ｉ１と並列に電力系統５に供給されている。このような並列インバータ１４としては、ＵＰＦＣ（Unified Power Flow Controller：統合電力潮流制御装置）が備える並列補償部を用いることもできる（例えば特許文献２を参照）。

＝＝＝共振抑制装置の動作＝＝＝
次に、本実施形態における共振抑制装置の動作について説明する。

共振検出部１６は、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform：高速フーリエ変換）アルゴリズムなどを用いて接続点電圧ｖをフーリエ変換し、得られた周波数スペクトルのピークから共振を検出するとともに、共振周波数ｆ１を求める。また、係数設定部１７は、この共振周波数ｆ１に基づいて、積分フィルタ１１の係数Ｌ、または一次遅れフィルタ１１の係数Ｒ，Ｌを設定する。そして、フィルタ１１からは、設定されたフィルタ係数に応じた電流指令値ｉ^＊が出力される。なお、フィルタ１１の係数と共振抑制装置１ａによる共振抑制効果との関係については後述する。

電流制御部１３は、電流指令値ｉ^＊と並列インバータ１４の出力電流ｉとの差（ｉ^＊−ｉ）に応じた電圧指令値ｖ^＊を出力する。また、並列インバータ１４は、電圧指令値ｖ^＊に基づいてＰＷＭ（Pulse Width Modulation：パルス幅変調）制御やＰＡＭ（Pulse Amplitude Modulation：パルス振幅変調）制御を行い、直流電源１５の電力を交流電力に変換して交流電流ｉを出力する。これにより、電流制御部１３は、並列インバータ１４の出力電流ｉが電流指令値ｉ^＊に追従するように並列インバータ１４を制御し、並列インバータ１４は、電流指令値ｉ^＊に追従する交流電流ｉを電力系統５に供給する。

＝＝＝共振抑制装置の作用＝＝＝
次に、図２ないし図１０を適宜参照して、本実施形態における共振抑制装置が共振を抑制する作用について説明する。

図２は、共振抑制装置１ａが設置されていない状態における風力発電機３の等価回路を示しており、風力発電機３を（高調波）電流源と見做すことができる。このとき、キャパシタンスＣ１と変圧器インダクタンスＬ１とによる共振周波数ｆｒ１は、

となる。

ここで、各風力発電機が備える高調波フィルタのキャパシタンスは、風力発電機の接続台数に応じて並列に接続されているため、接続台数が増加するほど合成キャパシタンスＣ１が大きくなり、共振周波数ｆｒ１が低下する。そして、共振周波数ｆｒ１が十分に高く、高周波領域（例えば数ｋＨｚ程度）にある場合には、共振が発生しないものの、接続台数が増加して共振周波数ｆｒ１がある程度低い周波数領域（例えば数百Ｈｚ程度）まで低下すると、接続台数（共振周波数ｆｒ１）によっては共振が発生する恐れがある。

図３および図４は、それぞれ、高調波フィルタの（合成）キャパシタンスＣ１と並列に積分フィルタおよび一次遅れフィルタを接続した状態を示している。そして、これらの場合の共振周波数ｆｒ２は、

となる。ここで、Ｌ１’は、積分フィルタまたは一次遅れフィルタのインダクタンスＬと変圧器インダクタンスＬ１との合成インダクタンスであり、

となるため、ｆｒ２＞ｆｒ１となる。

したがって、共振検出部１６が高調波フィルタの共振（共振周波数ｆ１）を検出した場合に、キャパシタンスＣ１と並列に積分フィルタまたは一次遅れフィルタを接続すれば、例えば図５に示すように、共振周波数ｆ１をより高周波側に移動させることができる。そして、この移動後の共振周波数ｆ２が元の共振周波数ｆ１に対して十分に高くなるようにフィルタ係数Ｌを設定することによって、共振周波数ｆ１におけるゲインを小さくして共振を抑制することができる。例えば図５においては、共振周波数がｆ１からｆ２に移動（増加）することによって、共振周波数ｆ１におけるゲインがｇ１からｇ２に低下している。好ましくは、共振周波数をｆ２に移動した場合の元の共振周波数ｆ１におけるゲインｇ２を十分に小さい所定値以下とするため、移動後の共振周波数ｆ２が元の共振周波数ｆ１の少なくとも２倍以上となるようにフィルタ係数を設定する。さらに好ましくは、移動後の共振周波数ｆ２が元の共振周波数ｆ１の２〜３．５倍程度となるようにフィルタ係数を設定する。

ところで、図３において、接続点電圧ｖは、

と表され、これをラプラス変換すると、

となる。ここで、積分フィルタの伝達関数をＨ１とすると、

となるため、共振抑制装置１ａが積分フィルタ１１の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを電力系統５に供給することは、図３のように積分フィルタを接続するのと等価である。

したがって、積分フィルタ１１を備えた共振抑制装置１ａにより、検出された共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。一例として、図６は、共振が発生して、接続点電圧ｖや電力系統５への供給電流ｉ２（＝ｉ１）に共振周波数成分が重畳された状態を示し、図７は、積分フィルタ１１を備えた共振抑制装置１ａによってその共振が抑制された状態を示している。図６および図７に示すように、積分フィルタ１１を備えた共振抑制装置１ａにより共振が抑制され、図６最上段の電圧ｖの波形が図７最上段のように改善されている。また、積分フィルタ１１の係数Ｌと共振抑制効果との関係の一例を図８に示す。図８に示すように、インダクタンスＬを小さくするほど共振抑制効果が大きくなるものの、式（６）から、並列インバータ１４の出力電流ｉが大きくなり、並列インバータ１４として、より大型のものを用いる必要がある。

一方、図４において、接続点電圧ｖは、

と表され、これをラプラス変換すると、

となる。ここで、一次遅れフィルタの伝達関数をＨ２とすると、

となるため、共振抑制装置１ａが一次遅れフィルタ１１の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを電力系統５に供給することは、図４のように一次遅れフィルタを接続するのと等価である。

したがって、一次遅れフィルタ１１を備えた共振抑制装置１ａにより、検出された共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。一例として、図９は、一次遅れフィルタ１１を備えた共振抑制装置１ａによって、図６に示した共振が抑制された状態を示している。図６および図９に示すように、一次遅れフィルタ１１を備えた共振抑制装置１ａにより共振が抑制され、図６最上段の電圧ｖの波形が図９最上段のように改善されている。また、一次遅れフィルタ１１の係数Ｒ，Ｌと共振抑制効果との関係の一例を図１０に示す。図１０に示すように、フィルタ１１として一次遅れフィルタを用いることによって、レジスタンスＲによる電力消費があるものの、積分フィルタよりも共振抑制効果が大きくなる。

＜第２実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１１を参照して、本発明の第２の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

図１１に示されている共振抑制装置１ｂは、第１実施形態の共振抑制装置１ａに対して、共振検出部１６および係数設定部１７の代わりに、係数設定部１８を含んで構成されている。なお、本実施形態では、フィルタ１１および係数設定部１８が電流指令値生成部１０に相当する。そして、係数設定部１８は、オンラインで、現在の風力発電機の接続台数Ｇ＃を取得し、この接続台数Ｇ＃に基づいて、積分フィルタ１１の係数Ｌ、または一次遅れフィルタ１１の係数Ｒ，Ｌを設定する。

ここで、図１２に示すように、ｎ台の風力発電機３が電力系統５に接続している場合、各高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と、系統インダクタンスＬ２および各変圧器インダクタンスＬ１とによる共振周波数ｆｒ１は、

と表すことができる。

したがって、このような風力発電機の接続台数Ｇ＃＝ｎと共振周波数ｆｒ１との関係から、係数設定部１８は、オンラインで取得した現在の接続台数Ｇ＃に基づいて、現在の共振周波数ｆｒ１を求めることができる。そして、係数設定部１８は、現在の共振周波数ｆｒ１に対して、各高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に積分フィルタまたは一次遅れフィルタを接続した場合の共振周波数ｆｒ２が十分に高くなるようにフィルタ１１の係数を設定する。好ましくは、共振周波数ｆｒ１に対して、共振周波数ｆｒ２が少なくとも２倍以上となるようにフィルタ１１の係数を設定する。さらに好ましくは、共振周波数ｆｒ１に対して、共振周波数ｆｒ２が２〜３．５倍程度となるようにフィルタ１１の係数を設定する。

ここで、本実施形態の共振抑制装置１ｂは、共振検出部を備えていないため、現実に共振が発生しているか否かに関わらず、フィルタ１１の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを電力系統５に供給している。したがって、共振抑制装置１ｂにより、共振が発生していると仮定した場合の共振周波数ｆｒ１を求め、この共振周波数ｆｒ１をｆｒ２に移動させて共振を抑制することができる。なお、風力発電機の接続台数Ｇ＃に基づいて共振周波数ｆｒ１をその都度求める代わりに、接続台数Ｇ＃と設定すべきフィルタ１１の係数とを対応付けた係数設定テーブルを事前に作成しておき、これを参照してフィルタ１１の係数を設定してもよい。

＜第３実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１３を参照して、本発明の第３の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

図１３に示されている共振抑制装置１ｃは、第１実施形態の共振抑制装置１ａに対して、係数設定部１７の代わりに、スイッチ１９を含んで構成されている。なお、本実施形態では、フィルタ１１が電流指令値生成部１０に相当する。そして、スイッチ１９は、共振検出部１６が共振を検出した場合には、フィルタ１１の出力を電流指令値ｉ^＊として加算部１２に入力し、共振検出部１６が共振を検出しない場合には、電流指令値ｉ^＊＝０を加算部１２に入力する。これにより、共振検出部１６が共振を検出した場合にのみ、並列インバータ１４から電力系統５に交流電流ｉが供給される。

ここで、本実施形態の共振抑制装置１ｃは、係数設定部を備えていないため、フィルタ１１の係数は、予め設定された固定値となる。例えば、風力発電所のすべての風力発電機が電力系統５に接続されている状態における共振周波数ｆｒ１を求め、この共振周波数ｆｒ１が、影響の小さい（共振が発生しない）高周波領域に移動するようにフィルタ１１の係数を設定する。この場合、フィルタ１１の係数は、共振周波数ｆｒ１が最も低い場合を基準として設定されており、共振抑制装置１ｃは、風力発電機の接続台数によらず共振を抑制することができる。なお、本実施形態では、フィルタ１１の係数が固定値であるため、フィルタ１１をアナログフィルタとして構成してもよい。

＜第４実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１４を参照して、本発明の第４の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

図１４に示されている共振抑制装置１ｄは、第２実施形態の共振抑制装置１ｂと第３実施形態の共振抑制装置１ｃとを組み合わせたものであり、共振抑制装置１ｂに対して、共振抑制装置１ｃの共振検出部１６およびスイッチ１９をさらに含んで構成されている。なお、本実施形態では、フィルタ１１および係数設定部１８が電流指令値生成部１０に相当する。したがって、第２実施形態の共振抑制装置１ｂでは、共振の有無によらず、常に交流電流ｉを電力系統５に供給しているのに対して、本実施形態の共振抑制装置１ｄでは、現実に共振が発生している場合にのみ、交流電流ｉを電力系統５に供給することができる。

＜第５実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１５を参照して、本発明の第５の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

図１５に示されている共振抑制装置１ｅは、フィルタ１１、加算部１２、電流制御部１３、並列インバータ１４、および直流電源１５を含んで構成されている。なお、本実施形態では、フィルタ１１が電流指令値生成部１０に相当する。そして、共振抑制装置１ｅは、第２実施形態の共振抑制装置１ｂと同様に、現実に共振が発生しているか否かに関わらず、フィルタ１１の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを電力系統５に供給する。また、第３実施形態と同様に、フィルタ１１の係数は、例えば、共振周波数ｆｒ１が最も低い場合を基準として設定され、共振抑制装置１ｃは、風力発電機の接続台数によらず共振を抑制することができる。

＜第６実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１６を参照して、本発明の第６の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

上記第１ないし第５実施形態では、フィルタ１１（電流指令値生成部１０）の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを並列インバータ１４から出力して、電力系統５に風力発電機３と並列に供給している。これに対して、本実施形態では、交流電流ｉを出力可能な電力変換装置が電力系統に接続されている場合に、この電力変換装置に対して電流指令値ｉ^＊を出力することによって、共振を抑制する。

図１６に示されている共振抑制装置１ｆは、第１，２，４実施形態におけるフィルタ（１１）および係数設定部（１７，１８）や、第３，５実施形態におけるフィルタ（１１）に相当する電流指令値生成部１０を含んで構成されている。なお、共振抑制装置１ｆは、適宜第１，３，４実施形態における共振検出部（１６）を含む構成としてもよい。

電流指令値生成部１０には、電力系統５の電圧（風力発電機３と電力系統５との接続点電圧）ｖが入力されている。そして、電流指令値生成部１０は、電流指令値ｉ^＊を生成し、電力系統５に接続された電力変換装置７に対して出力する。これにより、電力変換装置７から電力系統５に交流電流ｉが供給され、第１ないし第５実施形態と同様に、共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。なお、このような交流電流ｉを出力可能な電力変換装置としては、インバータやＵＰＦＣのほか、例えば無効電力補償装置などを用いることができる。

＜第７実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１７を参照して、本発明の第７の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

上記第１ないし第６実施形態では、高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に積分フィルタまたは一次遅れフィルタを接続したのと等価となるように、電流指令値生成部１０の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを電力系統５に供給している。これに対して、本実施形態では、図３または図４に示したように、実際に高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に積分フィルタや一次遅れフィルタに相当するリアクトルを接続することによって、共振を抑制する。

図１７に示されている共振抑制装置２ａは、リアクトル群２１、スイッチ回路２２、共振検出部２６、およびリアクトル選択部２７を含んで構成されている。

リアクトル群２１は、係数が互いに異なる複数のリアクトルからなる。また、一例として、各リアクトルの係数（インダクタンス）は、Ｌ０，Ｌ０／２，…，Ｌ０／２^ｎ−１のように、順次１／２倍ずつ小さくなっている。

共振検出部２６は、共振抑制装置１ａの共振検出部１６と同様に、接続点電圧ｖをフーリエ変換して、共振を検出するとともに共振周波数ｆ１を求める。そして、リアクトル選択部２７は、この共振周波数ｆ１に基づいて、リアクトル群２１から１つのリアクトルを選択し、スイッチ回路２２は、当該選択された１つのリアクトルを高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に接続する。なお、リアクトル選択部２７がリアクトル群２１から２つ以上のリアクトルを選択し、それらの合成リアクトル（合成インダクタンス）がキャパシタンスＣ１と並列に接続されるようにしてもよい。

例えば、リアクトル群２１が３つのリアクトルからなり、それらのインダクタンスをＬ０，Ｌ０／２，Ｌ０／４とすると、インダクタンスＬ０，Ｌ０／２の２つのリアクトルを選択することによって、その合成インダクタンスはＬ０／３となる。同様に、インダクタンスＬ０，Ｌ０／４の２つのリアクトルを選択することによって、その合成インダクタンスはＬ０／５となり、インダクタンスＬ０／２，Ｌ０／４の２つのリアクトルを選択することによって、その合成インダクタンスはＬ０／６となる。さらに、３つのリアクトルをすべて選択することによって、その合成インダクタンスはＬ０／７となるため、Ｌ０，Ｌ０／２，Ｌ０／３，Ｌ０／４，Ｌ０／５，Ｌ０／６，Ｌ０／７の７通りのインダクタンスが選択可能となる。より一般的に、リアクトル群２１がインダクタンスＬ０，Ｌ０／２，…，Ｌ０／２^ｎ−１のｎ個のリアクトルからなる場合、Ｌ０／１〜Ｌ０／（２^ｎ−１）の（２^ｎ−１）通りのインダクタンスが選択可能となる。

これにより、共振周波数ｆ１をより高周波側に移動させることができるため、この移動後の共振周波数ｆ２が十分に高くなるように（１つ以上の）リアクトルを選択することによって、共振周波数ｆ１におけるゲインを小さくして共振を抑制することができる。好ましくは、共振周波数をｆ２に移動した場合の元の共振周波数ｆ１におけるゲインを十分に小さい所定値以下とするため、移動後の共振周波数ｆ２が元の共振周波数ｆ１の少なくとも２倍以上となるようにリアクトルを選択する。なお、リアクトル群２１のすべてのリアクトルを選択することによって、元の共振周波数ｆ１におけるゲインは最小となるが、それらのリアクトルを介して流れる電流が大きくなる。そのため、さらに好ましくは、移動後の共振周波数ｆ２が元の共振周波数ｆ１の２〜３．５倍程度となるようにリアクトルを選択する。

＜第８実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１８を参照して、本発明の第８の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

図１８に示されている共振抑制装置２ｂは、第７実施形態の共振抑制装置２ａに対して、共振検出部２６およびリアクトル選択部２７の代わりに、リアクトル選択部２８を含んで構成されている。そして、リアクトル選択部２８は、オンラインで、現在の風力発電機の接続台数Ｇ＃を取得し、この接続台数Ｇ＃に基づいて、リアクトル群２１から１つ以上のリアクトルを選択する。

ここで、リアクトル選択部２８は、共振抑制装置１ｂの係数設定部１８と同様に、オンラインで取得した現在の接続台数Ｇ＃に基づいて、現在の共振周波数ｆｒ１を求めることができる。そして、リアクトル群２１から、高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に接続した場合の共振周波数ｆｒ２が十分に高くなるように（１つ以上の）リアクトルを選択することによって、共振周波数ｆ１におけるゲインを小さくして共振を抑制することができる。好ましくは、共振周波数ｆｒ１に対して、共振周波数ｆｒ２が少なくとも２倍以上となるようにリアクトルを選択する。さらに好ましくは、共振周波数ｆｒ１に対して、共振周波数ｆｒ２が２〜３．５倍程度となるようにリアクトルを選択する。

＜第９実施形態＞
＝＝＝共振抑制装置の構成および動作＝＝＝
以下、図１９を参照して、本発明の第９の実施形態における共振抑制装置の構成および動作について説明する。

図１９に示されている共振抑制装置２ｃは、第８実施形態の共振抑制装置２ｂに対して、共振検出部２６をさらに含んで構成されている。そして、スイッチ回路２２は、共振検出部２６が共振を検出した場合にのみ、リアクトル選択部２８によって選択された（１つ以上の）リアクトルを高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に接続する。したがって、第８実施形態の共振抑制装置２ｂでは、共振の有無によらず、常に共振周波数を移動させているのに対して、本実施形態の共振抑制装置２ｃでは、現実に共振が発生している場合にのみ、共振周波数を高周波側に移動させることができる。

前述したように、共振抑制装置１ｆにおいて、電流指令値生成部１０に電力系統５の電圧ｖを入力し、生成した電流指令値ｉ^＊を電力系統５に接続された電力変換装置７に対して出力することによって、電力変換装置７から電力系統５に交流電流ｉが供給され、共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。

また、前述したように、共振抑制装置１ａないし１ｅにおいて、電流指令値生成部１０に風力発電機３と電力系統５との接続点電圧ｖを入力し、電流指令値生成部１０の出力（電流指令値ｉ^＊）に追従する交流電流ｉを並列インバータ１４から出力して、電力系統５に風力発電機３と並列に供給することによって、電力系統への風力発電機の接続台数が変化して共振点が変化する場合であっても、共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。

また、共振抑制装置１ａにおいて、接続点電圧ｖをフーリエ変換して、共振を検出するとともに共振周波数ｆ１を求め、この共振周波数ｆ１におけるゲインが所定値以下となるように積分フィルタ１１の係数Ｌ、または一次遅れフィルタ１１の係数Ｒ，Ｌを設定し、電流指令値ｉ^＊を生成することによって、検出された共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。

また、共振抑制装置１ｂにおいて、現在の風力発電機の接続台数Ｇ＃を取得し、この接続台数Ｇ＃に基づいてフィルタ１１の係数を設定し、電流指令値ｉ^＊を生成することによって、共振が発生していると仮定した場合の共振周波数ｆｒ１を求め、この共振周波数ｆｒ１をｆｒ２に移動させて共振を抑制することができる。

また、共振抑制装置１ｃにおいて、フィルタ１１の係数を固定値として予め設定しておき、共振を検出した場合にのみ、並列インバータ１４から電力系統５に交流電流ｉを供給することによって、共振周波数を高周波領域に移動させ、風力発電機の接続台数によらず共振を抑制することができる。

また、前述したように、共振抑制装置２ａないし２ｃにおいて、係数が互いに異なる複数のリアクトルからなるリアクトル群２１から１つ以上のリアクトルを選択して、実際に高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に接続することによって、電力系統への風力発電機の接続台数が変化して共振点が変化する場合であっても、共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。

また、共振抑制装置２ａにおいて、接続点電圧ｖをフーリエ変換して、共振を検出するとともに共振周波数ｆ１を求め、この共振周波数ｆ１に基づいて、リアクトル群２１から（１つ以上の）リアクトルを選択することによって、検出された共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。

また、共振抑制装置２ｂにおいて、現在の風力発電機の接続台数Ｇ＃を取得し、この接続台数Ｇ＃に基づいて（１つ以上の）リアクトルを選択することによって、共振が発生していると仮定した場合の共振周波数ｆｒ１を求め、この共振周波数ｆｒ１をｆｒ２に移動させて共振を抑制することができる。

また、共振抑制装置２ｃにおいて、共振を検出した場合にのみ、選択された（１つ以上の）リアクトルを高調波フィルタ３１のキャパシタンスＣ１と並列に接続することによって、現実に共振が発生している場合にのみ、共振周波数を高周波側に移動させて共振を抑制することができる。

なお、上記実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更、改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。

上記実施形態では、風力発電機３の高調波フィルタ３１が電力系統５に接続されることによって発生する共振を抑制しているが、これに限定されるものではない。上記実施形態の共振抑制装置は、風力発電機と同様に電力系統に接続される（高調波）電流源と見做すことができ、高調波電流を除去するためのキャパシタンスを含む高調波フィルタを備えた他の電力設備にも適用することができる。例えば、太陽光発電、地熱発電、波力発電などの他の発電施設にも適用可能である。さらに、発電施設に限らず、電力系統に接続される電力機器が高調波フィルタを備える場合に広く適用することができる。

また、上記実施形態において、高調波フィルタ３１は、例えば交流フィルタ（ＡＣフィルタ）であるが、これに限定されるものではなく、電力系統５への接続用にリアクトルやキャパシタンス（例えば電力コンデンサ）を備えた構成であればよい。

１ａ〜１ｆ、２ａ〜２ｃ共振抑制装置
３風力発電機
５電力系統
７電力変換装置
１０電流指令値生成部
１１フィルタ
１２加算部
１３電流制御部
１４並列インバータ
１５直流電源
１６、２６共振検出部
１７、１８係数設定部
１９スイッチ
２１リアクトル群
２２スイッチ回路
２７、２８リアクトル選択部
３１高調波フィルタ

また、前述した課題を解決するさらにその他の主たる本発明は、高調波フィルタを備えた電力機器が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、係数が互いに異なる複数のリアクトルと、前記複数のリアクトルから１つ以上のリアクトルを選択するリアクトル選択部と、前記複数のリアクトルのうち前記リアクトル選択部によって選択された前記１つ以上のリアクトルを前記高調波フィルタのキャパシタンスと並列に接続するスイッチ回路と、前記共振を検出するとともに共振周波数を求める共振検出部と、を有し、前記リアクトル選択部は、前記共振周波数に基づいて、前記複数のリアクトルから前記１つ以上のリアクトルを選択することを特徴とする共振抑制装置である。
また、前述した課題を解決するさらにその他の主たる本発明は、高調波フィルタを備えた電力機器が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、係数が互いに異なる複数のリアクトルと、前記複数のリアクトルから１つ以上のリアクトルを選択するリアクトル選択部と、前記複数のリアクトルのうち前記リアクトル選択部によって選択された前記１つ以上のリアクトルを前記高調波フィルタのキャパシタンスと並列に接続するスイッチ回路と、を有し、前記リアクトル選択部は、前記電力系統に接続されている前記電力機器の台数に基づいて、前記複数のリアクトルから前記１つ以上のリアクトルを選択することを特徴とする共振抑制装置である。

Claims

高調波フィルタが電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、
前記電力系統の電圧が入力され、共振周波数を高周波側に移動させる電流指令値を生成する電流指令値生成部を有し、
前記電流指令値生成部は、前記電力系統に接続された電力変換装置に対して前記電流指令値を出力することを特徴とする共振抑制装置。
高調波フィルタを備えた電力機器が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、
前記電力系統に前記電力機器と並列に交流電流を供給するインバータと、
前記電力機器と前記電力系統との接続点の電圧が入力され、前記高調波フィルタの共振周波数を高周波側に移動させる電流指令値を生成する電流指令値生成部と、
前記電流指令値に基づいて前記インバータから出力される前記交流電流を制御する電流制御部と、
を有することを特徴とする共振抑制装置。
請求項２に記載の共振抑制装置であって、
前記共振を検出するとともに共振周波数を求める共振検出部を有し、
前記電流指令値生成部は、前記共振周波数におけるゲインが所定値以下となるように前記電流指令値を生成することを特徴とする共振抑制装置。
請求項２に記載の共振抑制装置であって、
前記電流指令値生成部は、前記電力系統に接続されている前記電力機器の台数に基づいて前記電流指令値を生成することを特徴とする共振抑制装置。
請求項２に記載の共振抑制装置であって、
前記共振を検出する共振検出部をさらに有し、
前記共振検出部が前記共振を検出した場合にのみ、前記インバータから前記電力系統に前記交流電流を供給することを特徴とする共振抑制装置。
高調波フィルタを備えた電力機器が電力系統に接続されることによって発生する共振を抑制する共振抑制装置であって、
係数が互いに異なる複数のリアクトルと、
前記複数のリアクトルから１つ以上のリアクトルを選択するリアクトル選択部と、
前記複数のリアクトルのうち前記リアクトル選択部によって選択された前記１つ以上のリアクトルを前記高調波フィルタのキャパシタンスと並列に接続するスイッチ回路と、
を有することを特徴とする共振抑制装置。
請求項６に記載の共振抑制装置であって、
前記共振を検出するとともに共振周波数を求める共振検出部をさらに有し、
前記リアクトル選択部は、前記共振周波数に基づいて、前記複数のリアクトルから前記１つ以上のリアクトルを選択することを特徴とする共振抑制装置。
請求項６に記載の共振抑制装置であって、
前記リアクトル選択部は、前記電力系統に接続されている前記電力機器の台数に基づいて、前記複数のリアクトルから前記１つ以上のリアクトルを選択することを特徴とする共振抑制装置。
請求項８に記載の共振抑制装置であって、
前記共振を検出する共振検出部をさらに有し、
前記スイッチ回路は、前記共振検出部が前記共振を検出した場合にのみ、前記リアクトル選択部によって選択された前記１つ以上のリアクトルを前記高調波フィルタのキャパシタンスと並列に接続することを特徴とする共振抑制装置。
請求項２ないし請求項９の何れかに記載の共振抑制装置であって、
前記電力機器は、風力発電機であることを特徴とする共振抑制装置。