JPWO2021014579A1 - 電力変換装置及び分散型電源システム - Google Patents
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Abstract
Description
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
図1に表したように、分散型電源システム2は、無限大母線電力系統3につながる電力系統4と、分散型電源6と、電力変換装置10と、を備える。電力系統4の電力は、交流電力である。電力系統4の電力は、例えば、三相交流電力である。
図2に表したように、電力変換装置10は、主回路部40と、制御部42と、を有する。主回路部40は、分散型電源6から供給された直流電力又は交流電力を、電力系統4に対応した交流電力に変換する。制御部42は、主回路部40の動作を制御する。
拡張カルマンフィルタの状態方程式は、次の(2)式で表すことができる。そして、拡張カルマンフィルタの出力方程式は、次の(3)式で表すことができる。
(2)式において、xは、次の(4)式に表すように、電力系統4の系統インピーダンスの抵抗成分R、リアクタンス成分X、及び無限大母線電力系統3の電圧値Vrを成分とする状態ベクトルである。但し、(4)式において、「T」は、転置を表す。
(2)式において、fは、状態ベクトルxの非線形関数である。(2)式において、wは、システムノイズのベクトルである。また、(2)式及び(3)式において、添え字の「k」は、時刻を表す。換言すれば、添え字「k」は、定期的に取得される有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsに対応するデータの順序である。「k−1」は、「k」の1つ前のデータを表す。従って、(2)式は、1つ前の状態ベクトルxから現在の状態ベクトルxを推定することを表している。添え字「k」は、以下の各式においても同様である。
(5)式において、xfは、状態ベクトルxの予測値を表す。xaは、更新ステップにおいて更新された状態ベクトルxを表す。このように、この例では、更新後の状態ベクトルxaを、予測後の状態ベクトルxfとして用いる。
(6)式において、Jf(x)は、非線形関数fのヤコビアンで定義した行列であり、この例では、次の(7)式に表すように、(1,1,1)の対角行列である。
(6)式において、Pk−1は、1つ前の共分散行列、又は共分散行列の初期値である。(6)式において、Jf(x)Tは、ヤコビアン行列Jf(x)の転置行列である。また、(6)式において、Qk−1は、システムノイズwの共分散行列である。システムノイズwの共分散行列Qk−1は、次の(8)式に表すように、システムノイズw及びその転置行列の内積の期待値である。
制御部42は、予測ステップにおいて演算された各推定値^R、^X、^Vrに基づいて主回路部40を動作させるとともに、主回路部40を動作させた時の有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsを取得する。推定値演算部50は、有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsが取得された後、更新ステップを実行する。更新ステップにおいて、推定値演算部50は、取得された有効電力値P、無効電力値Q、及び電圧値Vsを基に、状態ベクトルxを更新する。
(9)式において、Jh(x)は、非線形関数hのヤコビアンで定義した行列である。この例において、非線形関数h(x)は、連系点LPの電圧値Vsであるから、Jh(x)は、次の(10)式のように表される。
(10)式において、∂Vs/∂R、∂Vs/∂X、∂Vs/∂Vrは、上記の(1)式から、それぞれ次の(11)式、(12)式、(13)式のように表される。
但し、(11)式、(12)式、(13)式において、Bは、次の(14)式、Cは、次の(15)式である。
また、上記の(9)式において、Jh(x)Tは、ヤコビアン行列Jh(x)の転置行列である。(9)式において、Rkは、観測ノイズvの共分散行列である。観測ノイズvの共分散行列Rkは、次の(16)式に表すように、観測ノイズv及びその転置行列の内積の期待値である。
(9)式において、[Jh(x)PfJh(x)T+Rk]−1の部分は、換言すれば、予測誤差(z−h(xf))に対する誤差共分散である。
(17)式において、h(xf)は、予測後の状態ベクトルxfから(1)式を用いて演算した電圧値Vsの予測値である。すなわち、推定値演算部50は、連系点LPの電圧値Vsの測定値zと、予測後の状態ベクトルxfを用いて演算した連系点LPの電圧値Vsの予測値h(xf)と、を基に、連系点LPの電圧値Vsの予測誤差を求める。推定値演算部50は、測定値zから予測値h(xf)を差し引くことで、予測誤差を求める。
推定値演算部50は、上記の予測ステップと更新ステップとを繰り返し実行する。これにより、拡張カルマンフィルタによって各推定値^R、^X、^Vrを予測し、予測に基づいて主回路部40の動作を制御することができる。これにより、連系点LPの電圧値Vsの変動を抑制することができる。なお、(18)式において、Iは、単位行列である。
図3は、無効電力演算部の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
図3の横軸は、連系点LPの無効電力値Qであり、図3の縦軸は、連系点LPの電圧値Vsである。
次回の連系点LPの電圧値をVs(n)、計測装置22で計測された前回の連系点LPの電圧値をVs(n−1)、次回の連系点LPの無効電力値をQn、計測装置22で計測された前回の連系点LPの無効電力値をQn−1とする時、次回の連系点LPの電圧値Vs(n)は、次の(20)式で表すことができる。
従って、次回の連系点LPの電圧値をVs(n)を指定値Vsrとした場合、次回の連系点LPの無効電力値Qnは、次の(21)式で表すことができる。
このように、無効電力演算部52は、推定値演算部50から入力された各値を基に、傾きKを演算するとともに、次回の連系点LPの無効電力値Qnを演算し、この次回の連系点LPの無効電力値Qnを無効電力指令値Qnとして演算する。
図4(a)の縦軸は、連系点LPの電圧値Vsと、無限大母線電力系統3の電圧値Vrである。このシミュレーションでは、指定値Vsrを無限大母線電力系統3の電圧値Vrとしている。
図4(b)の縦軸は、無効電力値Qと、連系点LPの電圧値Vsを無限大母線電力系統3の電圧値Vrとするための最適無効電力値Qopである。
図4(c)の縦軸は、傾きKである。
図4(a)〜図4(c)の横軸は、時間である。また、図4(a)、図4(b)において、縦軸は、定格を「1p.u.」とする単位当たりの量で表している。
図4(a)〜図4(c)に表したように、シミュレーションでは、無効電力指令値Qnの無効電力を連系点LPに注入することで、連系点LPの電圧値Vsは、無限大母線電力系統3の電圧値Vrに収束し、連系点LPの無効電力値Qは、最適無効電力値Qopに収束した。
電力変換装置10は、力率を制御可能な可制御範囲を有する。電力変換装置10における力率の可制御範囲は、例えば、±0.85以上の範囲である。すなわち、遅れ力率及び進み力率の双方で0.85以上1.00以下の範囲である。
図6は、シミュレーションに用いた干渉系統図である。
図6に表したように、シミュレーションでは、第1及び第2の2つの系統(電力変換装置10)が電力系統4に接続されている場合について検討する。
図7(a)は、第1系統の出力する有効電力P10、及び第1系統の有効電力の出力にともなう連系点の有効電力の変化分P1xの時間変化を模式的に表す。
図7(b)は、第2系統の出力する有効電力P20、及び第2系統の有効電力の出力にともなう連系点の有効電力の変化分P2xの時間変化を模式的に表す。
図7(c)は、第1系統の出力する無効電力Q10、及び第1系統の無効電力の出力にともなう連系点の無効電力の変化分Q1xの時間変化を模式的に表す。
図7(d)は、第2系統の出力する無効電力Q21、及び第2系統の無効電力の出力にともなう連系点の無効電力の変化分Q2xの時間変化を模式的に表す。
図7(e)は、第1系統の出力電圧Vs1の時間変化を模式的に表す。
図7(f)は、第2系統の出力電圧Vs2の時間変化を模式的に表す。
図8(a)は、連系点の有効電力値P、及び最適無効電力値Qopの時間変化を模式的に表す。
図8(b)は、連系点の電圧値Vsの時間変化を模式的に表す。
図8(c)は、系統インピーダンスの抵抗成分Rの推定値^R、及び電力系統4の系統インピーダンスのリアクタンス成分Xの推定値^Xの時間変化を模式的に表す。
図8(d)は、無限大母線電力系統3の電圧値Vrの推定値^Vrの時間変化を模式的に表す。
図8(e)は、(z−h(xf))で表される予測誤差errの時間変化を模式的に表す。
図9(a)は、第1系統の出力する有効電力P10、第1系統の有効電力の出力にともなう連系点の有効電力の変化分P1x、第1系統の出力する無効電力Q10、及び第1系統の無効電力の出力にともなう連系点の無効電力の変化分Q1xの時間変化を模式的に表す。
図9(b)は、第1系統の出力電圧Vs1の時間変化を模式的に表す。
図9(c)は、第1系統の力率Pf1の時間変化を模式的に表す。
図10(a)は、第1系統の出力する有効電力P10、第1系統の有効電力の出力にともなう連系点の有効電力の変化分P1x、第1系統の出力する無効電力Q10、及び第1系統の無効電力の出力にともなう連系点の無効電力の変化分Q1xの時間変化を模式的に表す。
図10(b)は、第1系統の出力電圧Vs1の時間変化を模式的に表す。
図10(c)は、第1系統の力率Pf1の時間変化を模式的に表す。
図10(d)は、系統インピーダンスの抵抗成分Rの推定値^R、及び電力系統4の系統インピーダンスのリアクタンス成分Xの推定値^Xの時間変化を模式的に表す。
図10(e)は、無限大母線電力系統3の電圧値Vrの推定値^Vrの時間変化を模式的に表す。
図10(f)は、傾きKの時間変化を模式的に表す。
図10(g)は、予測誤差errの絶対値の時間変化を模式的に表す。
図11(a)は、第2系統の出力する有効電力P20、第2系統の有効電力の出力にともなう連系点の有効電力の変化分P2x、第2系統の出力する無効電力Q21、及び第2系統の無効電力の出力にともなう連系点の無効電力の変化分Q2xの時間変化を模式的に表す。
図11(b)は、第2系統の出力電圧Vs2の時間変化を模式的に表す。
図11(c)は、第2系統の力率Pf2の時間変化を模式的に表す。
図11(d)は、第2系統の出力する有効電力P20、第2系統の有効電力の出力にともなう連系点の有効電力の変化分P2x、第2系統の出力する無効電力Q21、及び第2系統の無効電力の出力にともなう連系点の無効電力の変化分Q2xの時間変化を模式的に表す。
図11(e)は、第2系統の出力電圧Vs2の時間変化を模式的に表す。
図11(f)は、第2系統の力率Pf2の時間変化を模式的に表す。
図12は、第2系統で傾きK及び無効電力指令値Qnを演算する制御を行った場合の無効電力Qf、及び第2系統の無効電力の理論解Qsを模式的に表している。理論解Qsは、第2系統の出力電圧Vs2を無限大母線電力系統3の電圧値Vrとするための最適無効電力の理論解である。理論解Qsは、換言すれば、最適無効電力値Qopである。また、無効電力Qfの演算では、指定値Vsrを無限大母線電力系統3の電圧値Vrとしている。
図13(a)〜図13(g)のそれぞれは、図10(a)〜図10(g)のそれぞれと同じ特性の時間変化を模式的に表している。
図14(a)〜図14(f)のそれぞれは、図11(a)〜図11(f)のそれぞれと同じ特性の時間変化を模式的に表している。
図15は、図13の条件で第1系統を運転させた場合に、第2系統で傾きK及び無効電力指令値Qnを演算する制御を行った場合の無効電力Qf、及び第2系統の無効電力の理論解Qsを模式的に表している。
図16(a)は、定力率制御を行った場合の有効電力Ppf1と、拡張カルマンフィルタを用いた推定を行った場合の有効電力Ppf2の一例をそれぞれ模式的に表している。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
Claims (9)
- 分散型電源の電力を無限大母線電力系統につながる電力系統に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を前記電力系統に供給することにより、前記分散型電源を前記電力系統と連系させる電力変換装置であって、
前記分散型電源の前記電力を、前記電力系統に対応した前記交流電力に変換する主回路部と、
前記主回路部の動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
非線形式に対応したカルマンフィルタを用いることにより、前記電力系統との連系点の有効電力値、前記連系点の無効電力値、及び前記連系点の電圧値を基に、前記電力系統の系統インピーダンスの抵抗成分の推定値と、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値と、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値と、を演算する推定値演算部と、
前記連系点の電圧の指定値が入力され、前記電力系統との連系点の有効電力値、前記連系点の無効電力値、前記連系点の電圧値、前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値、及び前記連系点の電圧の指定値を基に、前記連系点の電圧値を前記指定値に近付けるために前記電力系統に供給する無効電力の無効電力指令値を演算する無効電力演算部と、
所定の有効電力及び前記無効電力指令値に対応する無効電力を出力するように、前記主回路部を駆動する駆動回路と、
を有する電力変換装置。 - 前記無効電力演算部は、前記推定値演算部の演算結果を基に、前記連系点の電圧値の前記連系点の無効電力値に対する傾きを演算し、前回の連系点LPの無効電力値と、前回の連系点LPの電圧値と、前記指定値と、前記傾きと、を基に、前記無効電力指令値を演算する請求項1記載の電力変換装置。
- 前記推定値演算部は、前記非線形式に対応したカルマンフィルタとして拡張カルマンフィルタを用いる請求項1又は2に記載の電力変換装置。
- 前記推定値演算部は、前記系統インピーダンスの抵抗成分、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分、及び前記無限大母線電力系統の電圧値を成分とする状態ベクトルの予測を行い、予測後の前記状態ベクトルの各成分を、それぞれ前記電力系統の系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値として演算し、
前記制御部は、演算された前記推定値に基づいて前記主回路部を動作させるとともに、前記主回路部を動作させた時の前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値を取得し、
前記推定値演算部は、取得された前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値を基に、前記状態ベクトルを更新する請求項3記載の電力変換装置。 - 前記推定値演算部は、更新後の前記状態ベクトルを、予測後の前記状態ベクトルとして用いる請求項4記載の電力変換装置。
- 前記推定値演算部は、
前記状態ベクトルの予測を行うとともに、予測後の前記状態ベクトルの誤差に関する共分散行列の予測を行い、
前記有効電力値、前記無効電力値、及び前記連系点の電圧値の各測定値を取得した後、取得した各測定値と前記共分散行列とを基に、前記状態ベクトルを更新するためのカルマンゲインの最適化を行い、
前記連系点の電圧値の測定値と、予測後の前記状態ベクトルを用いて演算した前記連系点の電圧値の予測値と、を基に、前記連系点の電圧値の予測誤差を求め、
最適化した前記カルマンゲインと前記予測誤差とを基に前記状態ベクトルを更新するとともに、最適化した前記カルマンゲインを基に前記共分散行列を更新する請求項4又は5記載の電力変換装置。 - 前記推定値演算部は、前記予測誤差の絶対値が所定値以上である場合に、前記共分散行列を初期値にリセットする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記推定値演算部は、前記系統インピーダンスの抵抗成分の推定値、前記系統インピーダンスのリアクタンス成分の推定値、及び前記無限大母線電力系統の電圧値の推定値のそれぞれの所定期間における平均値を算出し、算出した前記平均値を次の所定期間における前記状態ベクトルの初期値とする請求項4〜7のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 分散型電源と、
前記分散型電源の電力を電力系統に対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を前記電力系統に供給することにより、前記分散型電源を前記電力系統と連系させる請求項1〜8のいずれか1つに記載の電力変換装置と、
を備えた分散型電源システム。
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