JPWO2015092918A1 - インバータ制御装置 - Google Patents

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Abstract

交流電力系統（９）と連系し、交流側にコンデンサ（６）が設けられたインバータ（１）を制御するインバータ制御装置（２）であって、交流電力系統（９）の系統電圧（Ｖｒ）を検出し、検出した系統電圧（Ｖｒ）の微分値を演算し、演算した系統電圧（Ｖｒ）の微分値に基づいて、インバータ（１）の出力電流（Ｉｉｖ）の指令値である電流指令値（Ｉｒ０）を補正する補正電流指令値（Ｉｃ）を演算し、演算した補正電流指令値（Ｉｃ）に基づいて、電流指令値（Ｉｒ０）を補正し、補正した電流指令値（Ｉｒ１）に基づいて、インバータ（１）を制御する。

Description

本発明は、交流電力系統と連系するインバータを制御するインバータ制御装置に関する。
一般に、交流電力系統と連系するインバータが知られている。系統連系するインバータの交流側には、インバータから出力されるリプル成分を抑制するために、交流コンデンサを設けることがある。
一方、系統電圧が低下すると、インバータから出力されるリプル電流の振幅は大きくなる。従って、インバータの出力電流の基本波成分が保護動作を必要とするレベルに達していなくても、過電流継電器が保護動作し、遮断器がトリップする可能性がある。この対策としては、系統電圧の低下を検出した場合、搬送波の周波数を高くして、インバータを制御することが開示されている（特許文献１参照）。また、系統電圧の低下を検出した場合、インバータの電流指令値を制限するリミット値を小さくすることが開示されている（特許文献２参照）。さらに、系統電圧の低下を検出した場合、インバータの直流電圧を昇圧することが開示されている（特許文献３参照）。
しかしながら、電力系統の故障などにより、系統電圧が急激に変動すると、この変動に合わせて交流コンデンサが充放電することで、インバータから出力される電流が過電流となることがある。インバータ制御装置がこのような過電流を検出してからインバータを制御しても、過電流の抑制が間に合わずに、遮断器がトリップする可能性がある。
国際公開第２０１２／１１４４６７号 国際公開第２０１２／１１４４６８号 国際公開第２０１２／１１４４６９号
本発明の目的は、系統電圧の急変による過電流を抑制するインバータ制御装置を提供することにある。
本発明の観点に従ったインバータ制御装置は、交流電力系統と連系し、交流側にコンデンサが設けられたインバータを制御するインバータ制御装置であって、前記交流電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧の微分値を演算する微分演算手段と、前記微分演算手段により演算された前記系統電圧の微分値に基づいて、前記インバータの出力電流の指令値である電流指令値を補正する補正電流指令値を演算する補正電流指令値演算手段と、前記補正電流指令値演算手段により演算された前記補正電流指令値に基づいて、前記電流指令値を補正する電流指令値補正手段と、前記電流指令値補正手段により補正された前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御する制御手段とを備える。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電システムの構成を示す構成図である。 図２は、第１の実施形態に係る制御装置の制御による系統電圧の低下時の出力電流の変化を示す波形図である。 図３は、第１の実施形態に係る制御装置の制御による系統電圧の上昇時の出力電流の変化を示す波形図である。 図４は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置の制御によるインバータの出力電流の変化を示す波形図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る制御装置の制御によるインバータの出力電流の変化を示す波形図である。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して重複する説明を適宜省略し、異なる部分について主に述べる。
太陽光発電システム１０は、三相交流の電力系統９と連系する分散型電源システムである。太陽光発電システム１０は、電力系統９と連系点Ｐｃで接続されている。
太陽光発電システム１０は、インバータ１、制御装置２、ＰＶ(photovoltaic)アレイ３、平滑コンデンサ４、リアクトル５、コンデンサ６、直流電圧検出器１１、直流電流検出器１２、交流電流検出器１３、交流電圧検出器１４、及び過電流保護リレー１５を備える。
過電流保護リレー１５は、インバータ１の交流側（出力側）に設けられている。なお、過電流保護リレー１５は、太陽光発電システム１０の何処に設けられていてもよいし、電力系統９に設けられていてもよい。過電流保護リレー１５は、インバータ１の出力電流（系統電流）Ｉｉｖが整定値を超えて過電流になったことを検出すると、出力電流Ｉｉｖを遮断する遮断器をトリップさせる。従って、過電流保護リレー１５が動作すると、太陽光発電システム１０は、電力系統９への電力供給を停止する。
ＰＶアレイ３は、太陽光のエネルギーにより発電するＰＶセルの集合体である。ＰＶアレイ３は、発電した直流電力をインバータ１に供給する。
インバータ１は、ＰＷＭ(パルス幅変調, Pulse Width Modulation)制御されるインバータである。インバータ１は、ＰＶアレイ３により発電された電力を電力系統９の系統電圧と同期する交流電力に変換して、電力系統９に供給する。インバータ１は、制御装置２により制御される。具体的には、インバータ１の電力変換回路を構成するスイッチング素子が制御装置２から受信するゲート信号Ｇｔにより駆動することで、インバータ１の出力が制御される。
平滑コンデンサ４は、インバータ１の直流側に設けられている。平滑コンデンサ４は、ＰＶアレイ３からインバータ１に供給される直流電力を平滑化する。
リアクトル５及びコンデンサ６は、交流フィルタを構成する。交流フィルタは、インバータ１から出力されるリプル成分を抑制する。
直流電圧検出器１１は、インバータ１の直流側に印加される直流電圧Ｖｄｃを計測するための検出器である。直流電圧検出器１１は、検出した直流電圧Ｖｄｃを制御装置２に検出信号として出力する。
直流電流検出器１２は、インバータ１の直流側に入力される直流電流Ｉｄｃを計測するための検出器である。直流電流検出器１２は、検出した直流電流Ｉｄｃを制御装置２に検出信号として出力する。
交流電流検出器１３は、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを計測するための検出器である。交流電流検出器１３は、検出した出力電流Ｉｉｖを制御装置２に検出信号として出力する。
交流電圧検出器１４は、電力系統９の系統電圧Ｖｒを計測するための検出器である。交流電圧検出器１４は、検出した系統電圧Ｖｒを制御装置２に検出信号として出力する。
制御装置２は、インバータ１を制御する装置である。具体的には、制御装置２は、予め決められた電流指令値Ｉｒに追従するように、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを制御する。制御装置２は、電力量演算部２１、ＭＰＰＴ(maximum power point tracker)２２、直流電圧制御部２３、電流制御部２４、ＰＷＭ制御部２５、補正電流指令値演算部２６、及び加算器２７を備える。
電力量演算部２１は、直流電圧検出器１１により検出された直流電圧Ｖｄｃ及び直流電流検出器１２により検出された直流電流Ｉｄｃに基づいて、ＰＶアレイ３により発電された直流電力量Ｐｄｃを演算する。電力量演算部２１は、演算した直流電力量ＰｄｃをＭＰＰＴ２２に出力する。
ＭＰＰＴ２２は、電力量演算部２１により演算された直流電力量Ｐｄｃに基づいて、直流電圧の増加又は減少のいずれか一方を示す電圧増減信号Ｖｎを直流電圧制御部２３に出力する。これにより、ＭＰＰＴ２２は、常に最大電力となる電圧（最大電力点電圧）を追従するように、インバータ１の直流電圧Ｖｄｃを制御（最大電力点追従制御）する。
直流電圧制御部２３には、直流電圧検出器１１により検出された直流電圧Ｖｄｃ、及びＭＰＰＴ２２により決定された電圧増減信号Ｖｎが入力される。直流電圧制御部２３は、電圧増減信号Ｖｎに従って、直流電圧Ｖｄｃに対する指令となる直流電圧指令値Ｖｄｃｒを演算する。直流電圧制御部２３は、演算した直流電圧指令値Ｖｄｃｒを電流制御部２４に出力する。
補正電流指令値演算部２６には、交流電流検出器１３により検出された出力電流Ｉｉｖ及び交流電圧検出器１４により検出された系統電圧Ｖｒが入力される。補正電流指令値演算部２６は、次式により補正電流指令値Ｉｃを演算する。補正電流指令値演算部２６は、演算した補正電流指令値Ｉｃを加算器２７に出力する。
Ｉｃ＝Ｖｒ・Ｃ・ｓ …（１）
ここで、‘Ｃ’は、コンデンサ６のキャパシタンス、‘ｓ’は、ラプラス演算子である。また、‘Ｖｒ’は、系統電圧の実効値である。
即ち、補正電流指令値演算部２６は、系統電圧Ｖｒを微分した値とコンデンサ６のキャパシタンスＣとの積により求まる。なお、補正電流指令値Ｉｃは、上式にゲインなどを掛けて求めてもよい。キャパシタンスＣは、予め補正電流指令値演算部２６に設定されている。系統電圧Ｖｒは、制御装置２のコンピュータによる演算処理では、電力系統９から検出した系統電圧Ｖｒのサンプリング値（瞬時値）を実効値に換算した値である。
制御装置２は、系統電圧Ｖｒを微分した値に基づいて、補正電流指令値Ｉｃを求めることで、系統電圧Ｖｒが変化し始める時点で、電流指令値Ｉｒに補正を加えることができる。系統電圧Ｖｒが定常状態（系統電圧Ｖｒの実効値が一定である状態）であれば、系統電圧Ｖｒの実効値の微分値はゼロであるため、補正電流指令値Ｉｃもゼロになる。また、コンデンサ６のキャパシタンスＣを用いて、補正電流指令値Ｉｃを求めることで、コンデンサ６の充放電による出力電流Ｉｉｖの増減を打ち消すように、電流指令値Ｉｒに補正を加えることができる。
加算器２７には、補正電流指令値演算部２６により演算された補正電流指令値Ｉｃが入力される。加算器２７は、予め設定されている電流指令値Ｉｒ０に補正電流指令値Ｉｃを加えて補正した電流指令値Ｉｒ１を電流制御部２４に出力する。予め設定されている電流指令値Ｉｒ０は、系統電圧Ｖｒが定常状態（電流補正しない状態）のときに、インバータ１から出力させる電流値である。
電流制御部２４には、電力量演算部２１により演算された直流電力量Ｐｄｃ、直流電圧制御部２３により演算された直流電圧指令値Ｖｄｃｒ、及び加算器２７により補正された電流指令値Ｉｒ１が入力される。電流制御部２４は、直流電力量Ｐｄｃ、直流電圧指令値Ｖｄｃｒ、及び電流指令値Ｉｒ１に基づいて、インバータ１の出力電圧を制御するための電圧指令値Ｖｉｖｒを演算する。電流制御部２４は、インバータ１の直流電圧Ｖｄｃが直流電圧指令値Ｖｄｃｒに追従し、インバータ１の出力電流Ｉｉｖが電流指令値Ｉｒ１に追従するように電圧指令値Ｖｉｖｒを求める。電流制御部２４は、演算した電圧指令値ＶｉｖｒをＰＷＭ制御部２５に出力する。
ＰＷＭ制御部２５には、電流制御部２４により演算された電圧指令値Ｖｉｖｒが入力される。ＰＷＭ制御部２５は、インバータ１の出力電圧を電圧指令値Ｖｉｖｒに制御するようにゲート信号Ｇｔを生成する。ゲート信号Ｇｔは、インバータ１の電力変換回路を構成するスイッチング素子を駆動させる。これにより、インバータ１は、ＰＷＭ制御される。
図２及び図３を参照して、系統電圧Ｖｒが急変したときの制御装置２の制御によるインバータ１の出力電流Ｉｉｖの変化について説明する。図２は、系統電圧Ｖｒの低下時の出力電流Ｉｉｖの変化を示す波形図である。図３は、系統電圧Ｖｒの上昇時の出力電流Ｉｉｖの変化を示す波形図である。横軸は、時間軸を示している。図２及び図３において、時刻ｔｃ１，ｔｃ２は、それぞれ系統電圧Ｖｒが急変した時点を示している。
図２に示すように、時刻ｔｃ１で、系統電圧Ｖｒが急激に低下した場合、補正電流指令値Ｉｃによる補正がされなければ、コンデンサ６の放電により、点線で示すように、出力電流Ｉｉｖ０が急激に増加する。一方、補正電流指令値Ｉｃによる補正がされれば、コンデンサ６が放電しても、実線で示すように、時刻ｔｃ１の前後で、出力電流Ｉｉｖはほとんど変わらない。
図３に示すように、時刻ｔｃ２で、系統電圧Ｖｒが急激に上昇した場合、補正電流指令値Ｉｃによる補正がされなければ、コンデンサ６の充電により、点線で示すように、出力電流Ｉｉｖ０が急激に増加する。一方、補正電流指令値Ｉｃによる補正がされれば、コンデンサ６が充電しても、実線で示すように、時刻ｔｃ２の前後で、出力電流Ｉｉｖはほとんど変わらない。
本実施形態によれば、系統電圧Ｖｒの微分値に基づいて、インバータ１を制御することで、系統電圧Ｖｒが急変し始める時点で、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを補正することができる。これにより、系統電圧Ｖｒの急変による過電流保護リレー１５の不要動作を防止することができる。
また、コンデンサ６のキャパシタンスＣに基づいて、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを補正する補正電流指令値Ｉｃを求めることで、系統電圧Ｖｒの急変に応じて行われるコンデンサ６の充放電により変動するインバータ１の出力電流Ｉｉｖをより効果的に抑制することができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る太陽光発電システム１０Ａの構成を示す構成図である。
太陽光発電システム１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０において、リアクトル５よりも電力系統９側に系統連系するための連系リアクトル７を設けたものである。その他は、第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０と同様である。
本実施形態によれば、第１の実施形態に係る作用効果に加え、太陽光発電システム１０Ａは、連系リアクトル等が設けられていない電力系統９にも接続することができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る太陽光発電システム１０Ｂの構成を示す構成図である。
太陽光発電システム１０Ｂは、図１に示す第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０において、リアクトル５よりも電力系統９側に系統連系するための連系変圧器８を設けたものである。その他は、第１の実施形態に係る太陽光発電システム１０と同様である。
本実施形態によれば、第１の実施形態に係る作用効果に加え、太陽光発電システム１０Ｂは、連系変圧器等が設けられていない電力系統９にも接続することができる。
なお、各実施形態では、太陽光発電システムの構成について説明したが、これに限らない。風力発電又は水力発電などの他の分散型電源システムでも、各実施形態と同様に構成することができる。
各実施形態において、制御装置２は、インバータ１の出力電流Ｉｉｖを有効電力成分と無効電力成分で別々に制御してもよい。この場合、制御装置２に、電流指令値Ｉｒ０を有効電力成分と無効電力成分で別々に指令値を設定し、力率を設定することで、各実施形態と同様に構成することができる。
各実施形態では、式（１）を用いて補正電流指令値Ｉｃを求めたが、これに限らない。系統電圧Ｖｒの微分値に基づいて、補正電流指令値Ｉｃを求めるのであれば、どのように求めてもよい。これにより、系統電圧Ｖｒの急変に迅速に反応して、インバータ１の出力電流Ｉｉｖが過電流となることを防止することができる。
各実施形態では、インバータ１は、電圧形インバータを想定しているが、電流形インバータでもよい。
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、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

Claims (6)

  1. 交流電力系統と連系し、交流側にコンデンサが設けられたインバータを制御するインバータ制御装置であって、
    前記交流電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
    前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧の微分値を演算する微分演算手段と、
    前記微分演算手段により演算された前記系統電圧の微分値に基づいて、前記インバータの出力電流の指令値である電流指令値を補正する補正電流指令値を演算する補正電流指令値演算手段と、
    前記補正電流指令値演算手段により演算された前記補正電流指令値に基づいて、前記電流指令値を補正する電流指令値補正手段と、
    前記電流指令値補正手段により補正された前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御する制御手段と
    を備えることを特徴とするインバータ制御装置。
  2. 前記補正電流指令値演算手段は、前記コンデンサのキャパシタンスに基づいて、前記補正電流指令値を演算すること
    を特徴とする請求項１に記載のインバータ制御装置。
  3. 交流電力系統と連系するインバータと、
    前記インバータの交流側に設けられたコンデンサと、
    前記交流電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段と、
    前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧の微分値を演算する微分演算手段と、
    前記微分演算手段により演算された前記系統電圧の微分値に基づいて、前記インバータの出力電流の指令値である電流指令値を補正する補正電流指令値を演算する補正電流指令値演算手段と、
    前記補正電流指令値演算手段により演算された前記補正電流指令値に基づいて、前記電流指令値を補正する電流指令値補正手段と、
    前記電流指令値補正手段により補正された前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御する制御手段と
    を備えることを特徴とする分散型電源システム。
  4. 前記補正電流指令値演算手段は、前記コンデンサのキャパシタンスに基づいて、前記補正電流指令値を演算すること
    を特徴とする請求項３に記載の分散型電源システム。
  5. 交流電力系統と連系し、交流側にコンデンサが設けられたインバータを制御するインバータの制御方法であって、
    前記交流電力系統の系統電圧を検出し、
    検出した前記系統電圧の微分値を演算し、
    演算した前記系統電圧の微分値に基づいて、前記インバータの出力電流の指令値である電流指令値を補正する補正電流指令値を演算し、
    演算した前記補正電流指令値に基づいて、前記電流指令値を補正し、
    補正した前記電流指令値に基づいて、前記インバータを制御すること
    を含むことを特徴とするインバータの制御方法。
  6. 前記補正電流指令値は、前記コンデンサのキャパシタンスに基づいて、演算されること
    を特徴とする請求項５に記載のインバータの制御方法。
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