TWI692193B - 替代能源整合電力轉換裝置 - Google Patents

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Abstract

[課題]提供一種電力轉換裝置，即使發生替代能源的產生電力的突然的降低，仍可緩和電力轉換裝置的輸入電力與輸出電力的背離，進行穩定的動作。 　　[解決手段]具備換流器(104)、PWM控制手段(109)、檢測手段(106)、檢測手段(107)、電力變更決定手段(111)、虛擬同步慣性控制手段(110)，該換流器(104)係將替代能源的發電電力轉換為既定的交流電力而輸出至電力供電網者，該PWM控制手段(109)係控制換流器者，該檢測手段(106)係就換流器的輸入的電壓與電流進行檢測者，該檢測手段(107)係就換流器的輸出的電壓、電流、頻率進行檢測者，該電力變更決定手段(111)係從檢測手段檢測出的輸入與輸出的個別的電壓與電流算出換流器的輸入電力、輸出電力、該等電力的差異，並參照輸出電力指令而算出校正輸出電力指令者，該虛擬同步慣性控制手段(110)係以第2檢測手段檢測出的輸出的電壓、電流、頻率、校正輸出電力指令為基礎而算出虛擬慣性特性，往PWM控制手段輸出參照指令者。

Description

替代能源整合電力轉換裝置
本發明涉及轉換替代能源的電力的替代能源整合電力轉換裝置。
COP21(聯合國氣候變遷綱要公約第21屆締約方會議)的舉辦之後，COP21的世界的參加各國更加促進為了將風力發電、太陽能發電為代表的替代能源整合於歷來的電力源的活動。 　　要達到替代能源的整合，不可缺少在以格狀的各據點(網格)連結的供電網中的替代能源的電力轉換裝置及其關聯技術。其理由在於，替代能源一般而言於環境的急遽的變化方面易受影響，故需要於前述的格子狀的各據點，將替代能源生成的電力進行調整、轉換而連結於供電網。 　　在不久將來，隨著替代能源的整合之中長期計劃日益現實化，已預見會有在連結的供電網方面的電力的穩定性的降低相關的問題。此原因在於，替代能源的電力轉換裝置易受電力變動，不具有在如歷來的主要使用同步發電機下的電力源的同步機方面的穩定的慣性(inertia)。
在歷來的電力系統，在大部分的發電廠使用同步機。此等同步機具備轉子，以在與電力網的連接點(網格點)的頻率同步的頻率進行旋轉。此等轉子具有大的慣性的慣性矩(轉動慣量)。為此所有的同步機一起旋轉時，因非常大的慣性的慣性矩而具有穩定性，以為與電力網的連接點(網格點)的頻率的50Hz或60Hz穩定進行旋轉。 　　然而，隨著於電力網從網格點連接的替代能源增加，相對上電力網的穩定性減低。原因在於，在前述的替代能源的電力轉換裝置無同步機方面的慣性，於電力網的連接點(網格點)宛如動作為相聯性少的別的電力源。
針對此課題，電力轉換裝置的虛擬同步慣性(慣性)控制應為使替代能源的電力網的穩定性提升的一個解決方案。 　　虛擬同步慣性控制為電力轉換的控制演算法帶來同步機的特徵。為此，虛擬同步慣性控制係動作如具有慣性的同步發電機，該慣性實現在電力網的網格點的穩定性。 　　虛擬同步慣性控制係作為就使輸出電力的振盪穩定的轉動慣量進行動態調整的方法而被知悉。然而，替代能源的電力生成突然喪失的狀況下，為了維持電力平衡，電力轉換裝置的輸出需要直接被限制。 　　雖進行直接限制此電力轉換裝置的輸出的操作，惟該操作的期間中實際的輸出電力需要依輸出電力指令而動作的反應時間。 　　此狀況(狀態)於電力轉換裝置的輸入電力與輸出電力之間帶來非常大的能量的背離。據此成為直流電容電壓大幅越離一般值的電壓的原因。 　　為此，電力轉換裝置的操作與動作有時變不穩定。 　　基於此理由，尋求一種方法，在變更電力轉換裝置的輸出電力之期間，緩和直流電容電壓的變動。
如此的電力轉換裝置方面，例如有專利文獻1。 　　專利文獻1的摘要中，已記載「本發明涉及基於靜態電源轉換器的同步電力控制器，前述控制器具備在以下被參照的2個主要的區塊：區塊1(電氣區塊)及區塊2(電氣機械區塊)。電氣區塊1(10)係以虛擬的電氣特性控制控制器(11)、虛擬的導納控制器(12)而形成，此外電氣機械區塊2(10)係以虛擬的超電力特性控制器(21)、慣性及衰減係數控制器(22)而形成。」，已揭露同步電力控制器的技術。
此外，於非專利文獻1係揭露有關一種方法，基於虛擬同步轉子的旋轉頻率的狀態，透過就轉動慣量值動態地進行調整控制，從而使輸出端子的振盪穩定化。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2014-509179號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1]J. Alipoor et al., "Power system stabilization using virtual synchronous generator with alternating moment of inertia," in IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, vol. 3, no. 2, pp. 451-458, June 2015。
[發明所欲解決之問題]
然而，揭露於專利文獻1及非專利文獻1的技術方面，尚存在於電力轉換裝置的輸入電力與輸出電力之間帶來非常大的能量的背離如此的課題。尤其，替代能源的產生電力的突然的降低使得與電力指令值產生差異的狀況下，存在前述的電力轉換裝置的操作與動作變不穩定的課題。
本發明係鑒於前述的課題而首創者，課題在於提供一種電力轉換裝置，即使發生替代能源的產生電力的突然的降低，仍可緩和電力轉換裝置的輸入電力與輸出電力的背離，進行穩定的動作。 [解決問題之技術手段]
為了解決前述的課題，將本發明構成為如下。 　　亦即，本發明的替代能源整合電力轉換裝置具備換流器、PWM控制手段、第1檢測手段、第2檢測手段、電力變更決定手段、虛擬同步慣性控制手段，該換流器係將替代能源的發電電力轉換為既定的交流電力而輸出至電力供電網者，該PWM控制手段係控制該換流器者，該第1檢測手段係就前述換流器的輸入的電壓與電流進行檢測者，該第2檢測手段係就前述換流器的輸出的電壓、電流、頻率進行檢測者，該電力變更決定手段係從前述第1、第2檢測手段檢測出之輸入與輸出的個別的電壓與電流算出前述換流器的輸入側的輸入電力、輸出側的輸出電力、前述輸入電力與前述輸出電力的差異，並參照輸出電力指令而算出校正輸出電力指令者，該虛擬同步慣性控制手段係以前述第2檢測手段檢測出的輸出的電壓、電流、頻率、前述校正輸出電力指令為基礎而算出虛擬慣性特性，往前述PWM控制手段輸出參照指令者，前述電力變更決定手段的相對於前述輸入電力的變化的響應時間係因應於前述輸入電力的變化的總量而變化。 　　此外，其他手段係在用於實施發明的方式之中說明。 [對照先前技術之功效]
依本發明時，可提供一種電力轉換裝置，即使發生替代能源的產生電力的突然的降低，仍可緩和電力轉換裝置的輸入電力與輸出電力的背離，進行穩定的動作。
以下，就實施本發明的方式(以下記載為「實施方式」)，酌情參照圖式進行說明。
≪本發明的第1實施方式≫ 　　就本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置(電力轉換裝置)100，參照圖式進行說明。另外，將「替代能源整合電力轉換裝置」酌情記載為「電力轉換裝置」。 　　圖1係就本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100的構成的一例、與替代能源(替代能源的前端)101的連接及與作為電力供電網的網格的三相交流電源102的連接的關係進行繪示的圖。 　　以太陽能發電、風力發電等為代表的替代能源非就如此直接連接於電力供電網。其理由在於，一般而言以替代能源而生成的發電電力，亦有氣象的變化等，頻率、電壓不會必定穩定而生成。為此，以電力轉換裝置進行電力轉換後，始配電給電力供電網。
另外，構成為網目狀的電力供電網具有複數個電力的供應源，而三相交流電源102相當於該網目狀的一個網格點。為此，將屬前述的電力的供應源中的一者的三相交流電源102酌情記載為「屬網格的三相交流電源」或「三相交流電網」等。 　　此外，從屬電力供電網的網格的三相交流電源102視看替代能源的情況下，本來的替代能源係構成為具備作為替代能源的前端的替代能源101與作為替代能源的後端的替代能源整合電力轉換裝置100。其中，以下係為了記載的簡單化，處置為將前端僅記載為「替代能源101」，此外將後端僅記載為「替代能源整合電力轉換裝置100」。
此外，以太陽能發電、風力發電等為代表的替代能源係比起作為歷來的主要的能源的火力發電、水力發電、核能發電等時，如前述般電力的供應不穩定。然而，由配送電力的供電網觀之時，方便上視為如同火力發電、水力發電、核能發電的發電機。 　　因此，有時將作為轉換替代能源101的電力的緩衝器的替代能源整合電力轉換裝置100，視為在火力發電、水力發電、核能發電等方面使用的具有慣性力的同步發電機，待為虛擬的同步發電機。 　　為此，於替代能源整合電力轉換裝置100，酌情導入虛擬的同步發電機、虛擬同步慣性(虛擬同步慣性)、轉動慣量、調速機(調整機)、轉子角速度(虛擬轉子角度)、機械輸入等的概念、用語。
《第1實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100的概要》 　　圖1中，替代能源整合電力轉換裝置(電力轉換裝置)100具備：換流器(直流-交流轉換)104、直流電容器105、檢測器(電壓電流檢測器)106、107、第1虛擬同步慣性控制手段108、PWM控制手段(脈寬控制手段)109。 　　此外，替代能源整合電力轉換裝置100係從生成以太陽能發電、風力發電等為代表的替代能源的最初的狀態下的替代能源101，輸入以直流電力為主的有效電力(有效輸入電力)Pdc 的電力。
替代能源整合電力轉換裝置100係就輸入的電力(有效電力Pdc )虛擬地控制電力的慣性(inertia)，作為輸出電力Pout 輸出至屬電力供電網的網格的三相交流電源102。另外，屬電力供電網的網格的三相交流電源102係從替代能源整合電力轉換裝置100側觀之時，具有網格方面的阻抗XS 103。此外，於三相交流電源102，使網格方面的電壓為Eg，以虛擬轉子角度δ為基準而取為0，故將在網格中的三相交流電源102的電壓與相位(虛擬轉子角度)的特性記載為「Eg∠0」。 　　替代能源整合電力轉換裝置100係將以生成替代能源的電力的初始狀態的替代能源101的直流電力為主的有效電力Pdc 轉換為交流電力，並對替代能源101的電力進行虛擬同步慣性控制(虛擬同步慣性控制)，作為穩定的電力而將輸出電力Pout 輸出至屬電力供電網的網格的三相交流電源102。
《本發明的第1實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100的細節》 　　圖1中，將從替代能源101輸入的電力(有效輸入電力)Pdc ，經由直流電容器105，輸入至進行直流-交流轉換的換流器104。換流器104輸出轉換為三相交流的電力(有效輸出電力)Pout 。另外，直流電容器105使供應自替代能源101的電壓平滑化、穩定化。 　　此外，檢測器(電壓電流檢測器、第1檢測手段)106就輸入至換流器104的電力Pdc 的電壓Vdc 與電流Idc 進行檢測。檢測器(電壓電流檢測器、第2檢測手段)107就換流器104輸出的電力Pout 的電壓V、電流I及電壓V的輸出頻率ωg 進行檢測。
第1虛擬同步慣性控制手段108係被輸入前述的電壓Vdc 、電流Idc 、電壓V、電流I、輸出頻率ωg 及輸出電力指令P＊ 。然後，第1虛擬同步慣性控制手段108生成參照指令E＊ ∠δ＊ ，輸入至PWM控制手段109。另外，「E＊ ∠δ＊ 」表示：為虛擬的同步發電機的輸出電壓E與虛擬轉子角度δ的參照指令。 　　PWM控制手段109係依參照指令E＊ ∠δ＊ 生成換流器104的控制所需的脈衝，就換流器104進行驅動控制。 　　另外，關於換流器104與第1虛擬同步慣性控制手段108的細節後述。
《本發明的換流器104》 　　圖2係就在本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100中具備的換流器(直流-交流轉換)104的構成例進行繪示的圖。 　　圖2中，換流器104具備：切換元件的IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)201～206與複數個電抗器207。另外，反並聯二極體分別連接於IGBT201～206。 　　IGBT201～206依以PWM控制手段109生成的控制信號而整合地控制個別的導通、關閉(ON/OFF)與脈寬。 　　依此整合方式的控制使得直流電容器105(圖1)的兩端的直流電壓(Vdc )轉換為三相交流電壓(Vac )。 　　此外，此等三相交流電壓Vac 係經由複數個電抗器207而輸出。複數個電抗器207減低因IGBT201～206的切換而產生的漣波(雜訊)的影響。
《本發明的第1實施方式的第1虛擬同步慣性控制手段108》 　　圖3係就在本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100中具備的第1虛擬同步慣性控制手段108的構成例進行繪示的圖。 　　圖3中，第1虛擬同步慣性控制手段108構成為具備：第2虛擬同步慣性控制手段110、電力變更決定手段111。 　　電力變更決定手段111係被輸入檢測器(電壓電流檢測器)106檢測出的換流器104的輸入側的電壓Vdc 與電流Idc 、檢測器(電壓電流檢測器)107檢測出的換流器104的輸出側的電壓V與電流I、輸出電力指令P＊ 。 　　然後，依此等輸入信號與指令(Vdc 、Idc 、V、I、P＊ )，電力變更決定手段111生成校正輸出電力指令Pout ＊ ，對第2虛擬同步慣性控制手段110，輸入此校正輸出電力指令Pout ＊ 。 　　第2虛擬同步慣性控制手段110被依換流器104的輸出側的電壓V、電流I、輸出頻率ωg 及前述的校正輸出電力指令Pout ＊ 而控制，輸出參照指令E＊ ∠δ＊ 。
第2虛擬同步慣性控制手段110係如後述，為作為第1比較例的簡易的虛擬同步慣性控制手段。 　　相對於此，用於本發明的第1實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100的第1虛擬同步慣性控制手段108係如下者：對前述的第2虛擬同步慣性控制手段110，進一步使用電力變更決定手段111而精緻地進行控制，從而實施更優異的虛擬同步慣性控制。 　　為此，示於圖3的第1虛擬同步慣性控制手段108的詳細的功能、動作的說明係在說明作為第1比較例而揭示的第2虛擬同步慣性控制手段110的構成、功能、動作後，再度進行說明。
另外，示於圖3的第1虛擬同步慣性控制手段108係因第2虛擬同步慣性控制手段110而具有虛擬同步慣性控制的功能，因電力變更決定手段111而具備有功功率控制(有效電力控制)的功能。 　　其中，有效電力控制的功能係不僅電力變更決定手段111，效果將因與第2虛擬同步慣性控制手段110的組合而鮮明，故如示於圖3，合併記載第2虛擬同步慣性控制手段110與電力變更決定手段111。
＜第1比較例＞ 　　就作為第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110的構成、功能、動作進行說明。
《第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110的構成》 　　圖4係就第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110的構成進行繪示的圖。 　　圖4中，第2虛擬同步慣性控制手段110係構成為具備：電力計算手段301、VSG模型(Virtual Synchronous Generator model、虛擬同步發電機模型)302、積分手段(1/s)303、調整手段(調速手段)304、電壓控制手段305、模式對應慣性調整手段306、合成手段(乘法器)309。 　　此外，模式對應慣性調整手段306具備：模式核對手段307與慣性值調整手段308。 　　此外，對第2虛擬同步慣性控制手段110係輸入：檢測器(電壓電流檢測器)107檢測出的換流器104的輸出側的電壓V、電流I、輸出頻率ωg 及前述的校正輸出電力指令Pout ＊ 。然後，第2虛擬同步慣性控制手段110輸出參照命令E＊ ∠δ＊ 。
對電力計算手段301係輸入作為換流器104的輸出的電壓V與電流I。然後，電力計算手段301係算出：替代能源整合電力轉換裝置100的輸出的有效電力(有效輸出電力)Pout 與無效電力(無效輸出電力)Qout 。
對VSG模型(虛擬同步發電機模型)302係輸入：前述的輸出的有效電力Pout 、輸出頻率ωg 、調整手段(調速機)304輸出的電力(機械輸入)Pin 、模式對應慣性調整手段306輸出的轉動慣量J。然後，從VSG模型302算出虛擬的轉子的角速度ωPCS 。然後，將此轉子的角速度ωPCS 的信號，供應至積分手段303、調整手段304、模式對應慣性調整手段306。 　　調整手段304係被輸入：前述的輸出電力指令Pout ＊ 、輸出頻率ωg 、轉子的角速度ωPCS 的信號。然後，調整手段(調整機)304輸出電力(機械輸入)Pin 而供應至VSG模型302。 　　模式對應慣性調整手段306係輸入前述的轉子的角速度ωPCS 的信號與輸出頻率ωg ，算出轉動慣量J。然後，對VSG模型302供應前述的轉動慣量J的信號。
此外，積分手段(1/s)303就作為VSG模型302的輸出的轉子的角速度ωPCS 的信號進行積分，算出虛擬的轉子的角度(虛擬轉子角度)δ。然後，將此虛擬轉子角度δ的信號輸出至合成手段309。 　　電壓控制手段305係被輸入換流器104的輸出側的電壓V、電力計算手段301算出的無效電力Qout 、無效電力指令Q＊ ，算出輸出電壓E。然後，將此輸出電壓E的信號輸出至合成手段309。 　　此外，於合成手段309，將輸出電壓E與虛擬轉子角度δ合成，生成PWM控制信號E∠δ。此PWM控制信號E∠δ係就如此成為PWM控制指令E＊ ∠δ＊ 。 　　第2虛擬同步慣性控制手段110係輸出PWM控制指令E＊ ∠δ＊ 。
另外，VSG模型302係在與調整手段(調速機)304之間，透過轉子的角速度(轉子角速度)ωPCS 的信號與電力(機械輸入)Pin 的信號，信號進行循環。 　　此外，VSG模型302係在與模式對應慣性調整手段306之間，透過轉子的角速度ωPCS 的信號與轉動慣量J的信號，信號進行循環。 　　此等信號進行循環，使得演算收束而獲得解。 　　另外，關於VSG模型(虛擬同步發電機模型)302的細節後述。 　　此外，關於調整手段(調速機)304的模型的細節後述。 　　此外，關於電壓控制手段305的細節與電壓控制模型後述。 　　此外，關於模式對應慣性調整手段306的細節後述。 　　此外，關於轉動慣量J的調整原理的細節後述。
《第1比較例的VSG模型302》 　　圖4中的第1比較例的VSG模型302被依以下的式(1)而執行。
Figure 02_image001
依虛擬的同步機的轉子的特性而記載式(1)。
另外，於式(1)中，Pin係機械輸入(電力)，Pout係輸出的有效電力，J係轉動慣量，ωPCS係轉子的角速度，ωg係輸出頻率，D係旋轉的振動抑制係數。
以上的式(1)中，以前述的各要素進行記載的原因在於，VSG模型302非在系統之中為實際的機械(同步發電機)所具備。各要素的變化量係關聯於虛擬的同步發電機、其轉子。
《第1比較例的調整手段(調速機)304的模型》
同步發電機的控制中，調整手段(調速機)304被為了控制電力(power)而進行。
第1比較例的虛擬同步慣性控制中，調整手段(調速機)304被依利用以下的式(2)表示的線形的衰減的關係式而執行。
Figure 107120123-A0305-02-0019-3
於此，Pin係機械輸入(電力)，Pout *係校正輸出電力指令，ωPCS係轉子的角速度，ωg係輸出頻率，Kgov係調整手段(調速機)304相關的比例常數。
另外，於式(2)中，為了記載上的方便，使「P* out」與「Pout *」為同義語。
《第1比較例的電壓控制手段305的電壓控制模型》
圖4中，電壓控制手段305就在輸出端的無效電力(無效輸出電力)Qout依無效電力指令值Q*進行控制。此外，無效電力指令值Q*係利用檢測出的輸出電壓V與在輸出端的無效電力Qout，調整在電壓控制手段305的輸出端子的輸出電壓E。
此控制係利用依以下的式(3)的PI控制(proportional and integral control：比例積分控制)而進行。
【數學表達式3】 E=V+K PQ ．(Q *-Q out )+K IQ ʃ(Q *-Q out )dt (3)
於此，如前所述，E係電壓控制手段305的輸出電壓，V係檢測器107檢測出的電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置)100的輸出側的電壓，Q*係無效電力指令值，Qout係電力計算手段301算出的在輸出端的無效電力。此外，KPQ係比例控制相關的比例常數，KIQ係積分控制相關的比例常數。
《第1比較例的模式對應慣性調整手段306》
圖4中的第1比較例的模式對應慣性調整手段306係構成為具備：模式核對手段307、慣性值調整手段308。
對模式核對手段307輸入轉子的角速度ωPCS、依以檢測器107檢測出的輸出電壓(網格的輸出電壓)的頻率下的角速度ωg ，依後述的關係選擇模式，將此模式(Mode)輸入至慣性值調整手段308。 　　慣性值調整手段308係依選擇的模式，就轉動慣量J進行動態變更、選擇，對第1比較例的VSG模型302，傳達轉動慣量J。 　　作成如此，於第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110，透過將轉動慣量J最佳化，從而防止利用第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110下的第1比較例的替代能源整合電力轉換裝置的在輸出端子的振盪，予以穩定化。
《第1比較例的轉動慣量J的調整原理》 　　圖5係就調整第1比較例的轉動慣量J的原理進行繪示的圖，(a)示出模式核對與其調整結果的關聯，(b)示出各模式的關聯。 　　圖5(a)中示出：模式核對手段307(圖4)的模式核對、依模式核對而定的模式、慣性值調整手段308(圖4)的調整結果(調整)的各要素。 　　如示於圖5(a)，轉子的角速度ωPCS 係透過模式核對(模式核對手段307)從而與換流器104(圖1)的輸出進行比較，亦即與作為與電力供電網的連接點(網格、網格點)的三相交流電源102(圖1)的頻率(角速度)ωg 進行比較。 　　依此比較的結果、轉子的角速度ωPCS 增加或減少而以模式核對手段307判定比較結果。
圖5(a)中，模式(Mode)1係模式核對(模式核對手段307)中，ωPCS ＞ωg 且ωPCS 增加的情況，此時轉動慣量J係選擇一般的情況下的Jnormal 。 　　此外，模式(Mode)2係模式核對中，ωPCS ＞ωg 且ωPCS 減少的情況，此時轉動慣量J係選擇比一般的情況小的值的Jsmall 。 　　此外，模式(Mode)3係模式核對中，ωPCS ＜ωg 且ωPCS 減少的情況，此時轉動慣量J係選擇一般的情況下的Jnormal 。 　　此外，模式(Mode)4係模式核對中，ωPCS ＜ωg 且ωPCS 增加的情況，此時轉動慣量J，係選擇比一般的情況小的值的Jsmall 。 　　另外，一般的情況下的Jnormal 亦為不使在一般的情況下使用的轉動慣量J變化如此的意思。
在圖5(b)中，圖示ωPCS 、ωg 、模式(Mode1～Mode4)的關係。此外，置於Mode1及Mode4的附近的右向的箭頭表示ωPCS 增加，置於Mode2及Mode3的附近的左向的箭頭表示ωPCS 減少。
關於使用參照以上的圖4及圖5而示出的第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110下的特性，參照圖8(第2比較例)與圖9(第1比較例)後述。 　　然而，以圖8(第2比較例)與圖9(第1比較例)說明的特性方面，尚有如後述的改善點。 　　為此，接著，說明進一步進行改良的本發明(第1實施方式)。
《本發明的第1實施方式的電力變更決定手段111》 　　接著，就本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100(圖1)中具備的第1虛擬同步慣性控制手段108的電力變更決定手段111(圖3、圖6)詳細進行說明。另外，電力變更決定手段111係前述的第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段110及第1比較例本身不存在的構成要素。
圖6係就本發明的第1實施方式相關的電力變更決定手段111的構成的一例進行繪示的圖。另外，如前述般第1實施方式，係在特徵在於使用具備第2虛擬同步慣性控制手段110與電力變更決定手段111的第1虛擬同步慣性控制手段108，故電力變更決定手段111扮演重要的角色。 　　於圖6中，電力變更決定手段111構成為具備：電力計算手段401、402、高通濾波器(HPF)403、絕對值算出手段(ABS)404、閾值比較判定手段405、旗標產生手段406、輸出電力變更指令手段407。 　　此外，電力變更決定手段111係如在圖3中說明般被輸入：檢測器(電壓電流檢測器)106檢測出的換流器104的輸入側的電壓Vdc 與電流Idc 、檢測器107檢測出的換流器104的輸出側的電壓V與電流I、輸出電力指令P＊ 。 　　然後，電力變更決定手段111依此等輸入信號與指令(Vdc 、Idc 、V、I、P＊ )生成校正輸出電力指令Pout ＊ ，對第2虛擬同步慣性控制手段110，供應此校正輸出電力指令Pout ＊ 。
對電力計算手段(第1電力計算手段)401係輸入以檢測器107檢測出的換流器104(圖1)的輸出的電壓V與電流I。然後，電力計算手段401係算出替代能源整合電力轉換裝置100的輸出的有效電力(有效輸出電力)Pout 。 　　對電力計算手段(第2電力計算手段)402係輸入以檢測器106檢測出的換流器104的輸入側的電壓Vdc 與電流Idc 。然後，電力計算手段402係算出替代能源整合電力轉換裝置100的輸入的有效電力(有效輸入電力)Pdc 。 　　替代能源整合電力轉換裝置100的輸出的有效電力Pout 與輸入的有效電力Pdc 係分別輸入至差分手段409。
於差分手段409，就輸出的有效電力Pout 與輸入的有效電力Pdc 的差進行檢測。差分手段409的輸出係輸入至高通濾波器(HPF)403。 　　高頻(雜訊)成分在高通濾波器(HPF)403被除去。除去高頻成分使得在下個程序的精度提升。 　　高通濾波器(HPF)403的輸出係輸入至絕對值算出手段(ABS)404。輸入至絕對值算出手段(ABS)404的信號係透過絕對值算出手段404算出其絕對值。取絕對值的原因在於，輸出電力Pout 與輸入電力Pdc 的大小關係有二種。
絕對值算出手段404的輸出信號係輸入至閾值比較判定手段405的其中一個輸入端子。對閾值比較判定手段405的另一個輸入端子係輸入預先設定的閾值。於閾值比較判定手段405，前述的絕對值算出手段404的輸出信號係被與前述的預先設定的閾值進行比較。 　　絕對值算出手段(ABS)404的輸出信號比前述的閾值小或相等的情況下，係原定的電力轉換操作係接著就如此執行。 　　然而，絕對值算出手段(ABS)404的輸出信號比閾值大的情況下，變成需要變更原定的電力轉換操作。
若不變更此電力轉換操作的情況下，係絕對值算出手段404的輸出信號比閾值大的狀態持續，成為直流電容器105(圖1)的直流電壓持續變化的狀態，成為電力轉換裝置停止動作的結果。 　　為此，於閾值比較判定手段405，絕對值算出手段(ABS)404的輸出信號比閾值大的情況下，旗標產生手段406活性化而作動，訂立該狀態的警告的旗標信號F。然後，將該旗標信號F送至輸出電力變更指令手段407。 　　輸出電力變更指令手段407係被輸入：前述的旗標信號F、作為電力計算手段402的輸出信號的有效輸入電力Pdc 、輸出電力指令P＊ 。輸出電力變更指令手段407，係參照前述的三個信號而輸出校正輸出電力指令Pout ＊ 。此外，校正輸出電力指令Pout ＊ 的設定被初始化。
《本發明的第1實施方式的輸出電力變更指令手段407》 　　接著，就前述的輸出電力變更指令手段407的詳細的構成與動作進行說明。 　　圖7係就本發明的第1實施方式相關的輸出電力變更指令手段407的構成例與動作進行繪示的圖，(a)示出輸出電力變更指令手段407的構成例，(b)係說明其動作者。 　　另外，輸出電力變更指令手段407為本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100中具備的第1虛擬同步慣性控制手段108的電力變更決定手段111所具備。 　　圖7(a)中，輸出電力變更指令手段407具有時序列電力指令手段408、切換手段410、閘控手段411。此外，對輸出電力變更指令手段407係輸入輸出電力指令P＊ 、來自替代能源101的有效輸入電力Pdc 、來自旗標產生手段406的旗標信號F。然後，從輸出電力變更指令手段407係輸出校正輸出電力指令Pout ＊ 。
閘控手段411係依旗標信號F而開閉。閘控手段411的輸入側係被輸入有效輸入電力Pdc 的信號，輸出側成為原輸出電力指令Poriginal ＊ 。 　　對時序列電力指令手段408的第1端子係輸入原輸出電力指令Poriginal ＊ ，於時序列電力指令手段408，如在圖7(b)後述般信號被轉換，從第2端子成為校正輸出電力指令Pout ＊ 而輸出。 　　對切換手段410的第1端子係輸入輸出電力指令P＊ ，對第2端子係輸入作為時序列電力指令手段408的輸出的校正輸出電力指令Pout ＊ 。此外，切換手段410係依旗標信號F而控制第1端子與第2端子的信號的切換。
於切換手段410，未訂立旗標信號F的情況下，作為一般狀態，選擇第1端子的輸出電力指令P＊ 。然後，輸出電力指令P*就如此作為校正輸出電力指令Pout *被輸出。
此外，訂立旗標信號F的情況下係需要電力變更，來自替代能源101的有效輸入電力Pdc通過閘控手段411，成為原輸出電力指令Poriginal *，輸入至時序列電力指令手段408。如前所述，時序列電力指令手段408係將原輸出電力指令Poriginal *轉換為校正輸出電力指令Pout *。
然後，於切換手段410，由於已訂立旗標信號F，故反映第2端子時序列電力指令(時序列電力指令手段408的指令)下的校正輸出電力指令Pout *被作為切換手段410的輸出信號而輸出。
亦即，由於圖6的旗標產生手段406而訂立旗標信號F，檢測出有效電力的背離的情況下，比起以一般狀態的輸出電力指令P*防止有效電力的不均衡所致的直流電容器105的電壓的不穩定的方法，作為原輸出電力指令Poriginal *使用來自替代能源101的有效輸入電力Pdc較可調整前述的有效電力的背離。
如此般，變更輸出電力指令為使有效電力的不均衡穩定化的解決方案。
其中，輸出電力變更指令的過渡期中，需要應付直流電容器105的直流電壓的大的越離。
因此，於時序列電力指令(時序列電力指令手段408)具體而言需要採取緩和在前述的過渡期中的直流電容器105的直流電壓的大的越離的方法。
圖7(b)係示出在前述的過渡期的具體的對策者。
在圖7(b)中，記載使原輸出電力指令Poriginal *朝正側變化的情況、朝負側變化的情況。將予以朝正側變化的情況示於圖7(b)之上側，將朝負側變化的情況示於圖7(b)的下側。
如示於圖7(b)之上側(正電力變更)，使原輸出電力指令Poriginal *朝正側變化的情況(正電力變更)下，進行指令如下：從原輸出電力指令Poriginal *的往正側的變化點，於時間△tsch之期間，使校正輸出電力指令Pout *多△Psch。然後，在時間△tsch之期間，作為能量，供應較多的△Esch=△Psch‧△tsch，之後使校正輸出電力指令Pout *為與原輸出電力指令Poriginal *相同的電力量。
如此般，於變化點，透過供應較多的△Esch=△Psch‧△tsch，從而緩和在過渡期的直流電容器105的電壓的大的越離。
此外，如示於圖7(b)的下側(負電力變更)，使原輸出電力指令Poriginal *朝負側變化的情況(負電力變更)下，進行指令如下：從原輸出電力指令Poriginal *的往負側的變化點，於時間△tsch之期間，使校正輸出電力指令Pout *少△Psch。然後，在時間△tsch之期間，作為能量，供應較少的△Esch=△Psch‧△tsch，之後使校正輸出電力指令Pout *為與原輸出電力指令Poriginal *相同的電力量。
如此般，於變化點，透過供應較少的△Esch=△Psch‧Δtsch ，從而緩和在過渡期的直流電容器105的電壓的大的越離。
另外，於變化點，較多或較少地供應的期間時間Δtsch 係依作為電力轉換裝置的替代能源整合電力轉換裝置100的動態響應的響應時間(動態響應時間)而決定。 　　此外，將電力量較多或較少地供應的有效電力ΔPsch 係依在時間Δtsch 的補償能源ΔEsch 而決定。亦即，電力變更決定手段的相對於輸入變化的響應時間係因應於輸入電力的變化的總量而變化。 　　此外，於第1虛擬同步慣性控制手段108電力及計算電力量的時間於時序列電力指令(時序列電力指令手段408)亦需要考量。 　　透過示於此圖7(a)、(b)的校正輸出電力指令Pout ＊ 使得直流電容器105中的直流電壓的變動被緩和。
＜本發明(第1實施方式)與比較例的虛擬同步慣性控制的特性比較＞ 　　接著，就本發明(第1實施方式)與比較例的虛擬同步慣性控制的特性進行比較而說明。 　　另外，比較例方面有第1比較例與第2比較例。 　　第2比較例係不具備圖4中的模式對應慣性調整手段306的情況。 　　第1比較例係具備圖4中的模式對應慣性調整手段306的情況。 　　接著，就比較例的第1比較例與第2比較例依序進行說明。
《第2比較例中的無模式對應慣性調整手段的情況下的虛擬同步慣性控制的特性》 　　圖8係就第2比較例的無模式對應慣性調整手段(306)的情況下的第2虛擬同步慣性控制手段的特性例進行繪示的圖。另外，為無模式對應慣性調整手段(306)的情況，故亦不使用時序列電力指令手段408。 　　圖8中，縱軸係輸入電壓Vdc 、剩餘能量ΔEpcs 、轉動慣量J、轉子的角速度ωPCS 、輸入電力(機械輸入)Pin 、輸出電力Pout 。 　　另外，在縱軸的個別的單位，剩餘能量ΔEpcs 為[MJ]以外的項目係全部以屬標么系統的pu(p.u.)表示。此外橫軸係時間(時間的變遷)。
如前所述，圖8係第2比較例的無模式對應慣性調整手段的情況，故以特性線2003表示的轉動慣量J係常時保持一定的值。 　　此外，以符號F表示的0.5秒後，電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置)啟動電力轉換控制時，輸入電壓Vdc 、剩餘能量ΔEpcs 、轉子的角速度ωPCS 、輸入電力(機械輸入)Pin 、輸出電力Pout 產生變化。 　　即使前述的各特性在0.5秒後產生變化，校正輸出電力指令Pout ＊ 仍固定，非適切的控制，故輸出電力Pout 係如示於特性線2006，成為屬發生減少者的發振波形。 　　然後，由於在電力轉換裝置的直流電容器105產生變動而成為剩餘的剩餘能量ΔEpcs (特性線2002)而使在直流電容器105的輸入電壓Vdc 變動(特性線2001)。 　　如此般，於無模式對應慣性調整手段的情況下的操作，控制系統為了抑制在輸出端子的發振現象，需要1秒以上。 　　再者，直流電容器105的電壓於變動的過渡期，到達為平常值的2.4倍的2.4[pu]的電壓值(特性線2001的峰值2001P)。
另外，增加直流電容器105的電容值即可減低直流電容器105的電壓的峰值(2001P)。此外，透過增加直流電容器105的電容值從而抑制過大的電壓，獲得穩定的動作。 　　其中，增加直流電容器105的電容值係變成招致電力轉換裝置的成本之上升。
《第1比較例中的有模式對應慣性調整手段的情況下的虛擬同步慣性控制的特性》 　　圖9係就第1比較例的有模式對應慣性調整手段(306)的情況下的第2虛擬同步慣性控制手段的特性例進行繪示的圖。其中，雖有模式對應慣性調整手段(306)的情況，惟不使用時序列電力指令手段408(圖7)。 　　圖9中，縱軸係輸入電壓Vdc 、剩餘能量ΔEpcs 、轉動慣量J、轉子的角速度ωPCS 、輸入電力Pin 、輸出電力Pout 。 　　另外，在縱軸的個別的單位，剩餘能量ΔEpcs 為[MJ]以外的項目係全部以屬標么系統的pu(p.u.)表示。此外橫軸係時間(時間的變遷)。
於圖9係如前所述，為第1比較例的有模式對應慣性調整手段(306)的情況，故於過渡期及其之後，轉動慣量J產生變化(特性線3003)。 　　示於第1比較例的圖9的特性係與示於第2比較例的圖8的特性不同。此差異係因在過渡期的轉動慣量J的控制的差異而發生。 　　圖8中的轉動慣量J(特性線2003)係未被控制而為固定值，而圖9中的轉動慣量J(特性線3003)係被細微控制而變化。 　　此圖9的轉動慣量J(特性線3003)的控制的結果，第2比較例中的在輸出端子的輸出電力Pout (特性線2006：圖8)的過渡性的發振現象，在第1比較例係如示於特性線3006(圖9)，輸出電力Pout (特性線3006)的過渡現象快速衰減、收束。
然而，第1比較例的圖9中的輸入電壓Vdc (特性線3001)的過渡狀態下的峰值，係達到與第2比較例的圖8中的輸入電壓Vdc (特性線2001)的過渡狀態下的峰值大致相同的2.4[pu]的電壓值。 　　因此，虛擬同步電力轉換裝置方面，為了抑制過大的電壓、獲得穩定的動作而進行的控制如此的觀點下，第1比較例與第2比較例皆需要採取進一步增加直流電容器105的電容值等的對策。
《本發明的第1實施方式中的虛擬同步慣性控制的特性、圖10》 　　圖10係就使用本發明的第1實施方式相關的第1虛擬同步慣性控制手段108的情況下的特性例進行繪示的圖。 　　於圖10中，縱軸係輸入電壓Vdc 、剩餘能量ΔEpcs 、轉動慣量J、轉子的角速度ωPCS 、輸入電力Pin 、輸出電力Pout 。此外，於輸出電力Pout 的項合併記載示於圖7(b)的校正輸出電力指令Pout ＊ (特性線1007)。 　　另外，在縱軸的個別的單位，剩餘能量ΔEpcs 為[MJ]以外的項目係全部以屬標么系統的pu(p.u.)表示。此外橫軸係時間(時間的變遷)。 　　由於圖10中的輸出電力指令Pout ＊ (特性線1007)的效果，使得在過渡期的輸入電壓Vdc (特性線1001)的過渡狀態下的峰值(1001P)成為2.1[pu]的電壓值，相對於第1比較例與第2比較例的輸入電壓Vdc 的過渡狀態下的峰值的2.4[pu]減少。如此般峰值減低係在電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置100)方面為優選。
另外，圖10中的校正輸出電力指令Pout ＊ (特性線1007)係示出有關使在圖7(b)的上側的原輸出電力指令Poriginal ＊ 朝正側變化的情況。 　　於圖10中，雖未示出有關圖7(b)中的使下側的原輸出電力指令Poriginal ＊ 朝負側變化的情況，惟即便存在正側與負側的差，減低輸入電壓Vdc 的過渡狀態下的峰值的作用仍大致上相同，故省略重複的說明。
＜第1實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100的構成、功能、動作的總括＞ 　　以上，如所述，第1虛擬同步慣性控制手段108具備：第2虛擬同步慣性控制手段110與電力變更決定手段111。然後，第2虛擬同步慣性控制手段110係如前所述，具有控制虛擬同步轉動慣量的功能。 　　此外，電力變更決定手段111係透過與第2虛擬同步慣性控制手段110的組合而具有就有效輸出電力進行調整、控制的功能(有功功率控制)。 　　此外，電力變更決定手段111具有輸出電力變更指令手段407，該輸出電力變更指令手段407具備詳細界定電力變化時的對應的時序列電力指令手段408。 　　透過以上的構成，第1實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100，係在發生主要因替代能源101而產生的電力變動之際，過渡地緩和電力轉換裝置(100)的輸入與輸出的能差(電力差)。 　　為此，使設於換流器104的輸入側的直流電容器105的電壓保持於一般的操作範圍(運作範圍)。由於此功能，使得基於虛擬同步慣性控制的電力轉換裝置(100)係防範自替代能源101(圖1)的急遽的環境的變動，避開動作停止。
<本發明的第1實施方式的效果>
以上，依本發明的第1實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100時，即使於替代能源101發生電力的變動的情況下，仍可迅速減低該變動所致的影響，予以收束。亦即，具有可經由替代能源整合電力轉換裝置100對替代能源(前端+後端)等價地賦予大的轉動慣量的如此的效果。
因此，可對於具有替代能源的供電線網提供提升電力品質的電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置100)。
此外，可將過渡地生成於替代能源整合電力轉換裝置100中的直流電容器的電壓予以減輕，故具有對替代能源整合電力轉換裝置100的穩定動作、可靠性的提升有益如此的效果。
此外，可在不予以增加替代能源整合電力轉換裝置100中的直流電容器的電容之下實現以上的效果，故比起使直流電容器的電容增加的方法，具有能以低成本實現而提供相同的效果如此的效果。
≪本發明的第2實施方式≫
就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100B，酌情參照圖11~圖15進行說明。
《本發明的第2實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100B的概要》
圖11係就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置(電力轉換裝置)100B的構成的一例進行繪示的圖，(a)示出替代能源整合電力轉換裝置100B的構成及替代能源101與三相交流電源102的連接關係，(b)示出第3虛擬同步慣性控制手段508的等效電路。
圖11(a)中，替代能源整合電力轉換裝置(電力轉換裝置)100B具備：換流器104、直流電容器105、檢測器(電壓電流檢測器)106、107、第3虛擬同步慣性控制手段508、PWM控制手段109。
此外，替代能源整合電力轉換裝置100B係從作為以太陽能發電、風力發電等為代表的替代能源的前端的替代能源101，輸入有效輸入電力Pdc的電力。
於以上，示於圖11(a)第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100B與示於圖1的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100的差異，係僅圖11(a)的第3虛擬同步慣性控制手段508與圖1的第1虛擬同步慣性控制手段108的差異。因此，酌情省略其他重複的說明。
關於圖11(a)中的第3虛擬同步慣性控制手段508，在圖11(b)的說明後詳細進行說明。
圖11(b)係如前所述，示出第3虛擬同步慣性控制手段508的等效電路。
在圖11(b)中，如後述般顯現：就使用透過虛擬阻抗值決定手段512(圖12)與虛擬阻抗控制手段513(圖12)而生成的虛擬阻抗值XV或不使用(0)，第3虛擬同步慣性控制手段508依後述的屬電力變更的指令的旗標信號F，以切換手段514進行選擇。 　　接著，就第3虛擬同步慣性控制手段508進行說明。
《本發明的第2實施方式中的第3虛擬同步慣性控制手段508》 　　圖12係就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100B中的第3虛擬同步慣性控制手段508的構成的一例進行繪示的圖。 　　於圖12中，第3虛擬同步慣性控制手段508係構成為具備：第2虛擬同步慣性控制手段110、電力變更決定手段511、虛擬阻抗值決定手段512、虛擬阻抗控制手段513、切換手段514、合成手段(加法器)519。 　　對第3虛擬同步慣性控制手段508係輸入：換流器104的輸出側的電壓V、電流I、輸出頻率ωg 、換流器104的輸入側的電壓Vdc 、電流Idc 、輸出電力指令P＊ 。然後，第3虛擬同步慣性控制手段508係輸出參照指令E＊ ∠δ＊ 。
電力變更決定手段511係依前述的輸入信號與指令(Vdc 、Idc 、V、I、P＊ )，生成校正輸出電力指令Pout ＊ 及其變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 、傳達已決定電力指令的變更的情形之旗標信號F。 　　然後，電力變更決定手段511係對第2虛擬同步慣性控制手段110，供應前述的校正輸出電力指令Pout ＊ ，對虛擬阻抗值決定手段512供應前述校正輸出電力指令Pout ＊ 的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 。 　　此外，電力變更決定手段511係將旗標信號F對虛擬阻抗值決定手段512、切換手段514供應。 　　第2虛擬同步慣性控制手段110被依換流器104(圖11)的輸出側的電壓V、電流I、輸出頻率ωg 及前述的校正輸出電力指令Pout ＊ 而控制，輸出屬暫定的參照指令的暫定參照指令信號E∠δ。
虛擬阻抗值決定手段512係依校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 與旗標信號F，算出虛擬阻抗值XV 。 　　虛擬阻抗控制手段513係利用輸出側的電流I與虛擬阻抗值XV ，導出校正參照指令。具體而言，使電流I的相位變化-90度(-π/2)，並將參照虛擬阻抗值XV 而放大(緩衝)的信號作為校正參照指令送至切換手段514的第2輸入端子。 　　切換手段514係依旗標信號F選擇第2輸入端子的校正參照指令或第1輸入端子的0(無變更)，將該輸出信號輸入至合成手段(加法器)519的第2端子。另外，已訂立旗標信號F的情況下係選擇虛擬阻抗控制手段513輸出的校正參照指令。 　　對合成手段(加法器)519的第1端子係輸入屬第2虛擬同步慣性控制手段110的輸出的暫定參照指令E∠δ。 　　合成手段(加法器)519係將與切換手段514的虛擬阻抗值的控制相關的校正參照指令、屬第2虛擬同步慣性控制手段110的輸出的暫定指令信號E∠δ進行合成(加算)而輸出參照指令E＊ ∠δ＊ 。
透過以上的構成，虛擬輸出阻抗的調整係進一步獲得改善。亦即，電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置100B)進行電力調整變化的動作(操作)時，可透過暫時地插入虛擬阻抗控制從而迴避在直流電容器105(圖11)的直流電壓的大的越離。 　　另外，第2虛擬同步慣性控制手段110係如前述於圖3(第1實施方式)、圖4(第1比較例)。 　　此外，關於電力變更決定手段511、虛擬阻抗值決定手段512的個別的細節後述。
《本發明的第2實施方式中的電力變更決定手段511》 　　接著就本發明的第2實施方式的屬具特徵性的構成要素的電力變更決定手段511詳細進行說明。 　　圖13係就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100B中的電力變更決定手段511的構成的一例進行繪示的圖。 　　於圖13中，電力變更決定手段511係構成為具備：電力計算手段401、402、高通濾波器(HPF)403、絕對值算出手段(ABS)404、閾值比較判定手段405、旗標產生手段406、輸出電力變更指令手段609。 　　於在以上的圖13所示的電力變更決定手段511的構成，與以圖6所示的電力變更決定手段111不同之處係輸出電力變更指令手段609。關於輸出電力變更指令手段609的詳細的構成與動作係後述，輸出電力變更指令手段609具備於電力變更決定手段511，使得從電力變更決定手段511係輸出校正輸出電力指令Pout ＊ 的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ ，不僅校正輸出電力指令Pout ＊ 。 　　圖13中的其他構成係與圖6的標注相同的符號的個別的構成相同，故重複的說明係省略。
《本發明的第2實施方式中的輸出電力變更指令手段609》 　　接著就輸出電力變更指令手段609詳細進行說明。 　　圖14係就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置100B中的輸出電力變更指令手段609的構成的一例進行繪示的圖。 　　於圖14中，輸出電力變更指令手段609係構成為具備：絕對值算出手段(ABS)610、保持手段611、切換手段612、差分手段(差分器)613。 　　對輸出電力變更指令手段609係輸入：來自替代能源101的有效輸入電力Pdc 、輸出電力指令P＊ 、旗標產生手段406的旗標信號F。 　　此外，輸出電力變更指令手段609係輸出：校正輸出電力指令Pout ＊ 、校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 。
輸出電力指令P＊ 與有效輸入電力Pdc 係分別輸入至差分器613，輸出輸出電力指令P＊ 與有效輸入電力Pdc 的差分，此差分的信號輸入至絕對值算出手段(ABS) 610。 　　絕對值算出手段(ABS)610係演算輸出電力指令P＊ 與有效輸入電力Pdc 的差分的絕對值，輸入至保持手段611。 　　對切換手段612的第1端子係輸入輸出電力指令P＊ ，對第2端子係輸入有效輸入電力Pdc 。 　　在切換手段612的信號的切換係依旗標信號F而控制。未訂立屬電力變更的指令的旗標信號F的情況下，作為切換手段612的校正輸出電力指令Pout ＊ ，輸出輸出電力指令P＊ 。
於切換手段612，已訂立屬電力變更的指令的旗標信號F的情況下，作為切換手段612的校正輸出電力指令Pout ＊ ，輸出有效輸入電力Pdc 。 　　此外，已訂立屬電力變更的指令的旗標信號F的情況下，透過此旗標信號F使得保持手段611保持絕對值算出手段(ABS)610的信號，作為校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 而輸出。
透過以上的構成，依電力變更的指令下的操作開始而訂立旗標信號F的情況下，校正輸出電力指令Pout ＊ 係調整為符合有效輸入電力Pdc ，而非屬一般的操作旳輸出電力指令P＊ 。其理由在於，防止由於輸入與輸出之間成為不均衡的有效電力使得直流電容器105(圖11)的電壓變不穩定。 　　如此般，透過變更校正輸出電力指令Pout ＊ 從而解決從穩定狀態變不均衡的有效電力的狀況。 　　然而，變更電力指令的操作的過程中，無法保障直流電容器105(圖1)的電壓可否對抗直流電壓的大的背離。 　　由於第2實施方式中的輸出電力變更指令手段609的構成，使得使用虛擬阻抗的方法係以緩和過渡性的直流電容器105的電壓從穩定狀態越離的方式進行調整。 　　為了決定在變更電力指令的操作的過程中的虛擬阻抗值，讀取輸出電力指令P＊ 與有效輸入電力Pdc 的電力的絕對值，從而就使依電力變更的指令下的操作開始後的校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 變化的總量進行檢測。
《本發明的第2實施方式中的虛擬阻抗值決定手段512的特性、動作》 　　接著就本發明的第2實施方式中的虛擬阻抗值決定手段512(圖12、圖15)的特性、動作詳細進行說明。 　　圖15係就本發明的第2實施方式中的虛擬阻抗值決定手段512的特性、動作的一例進行繪示的圖，(a)係就虛擬阻抗值決定手段512的輸入信號、輸出信號、控制信號進行繪示的圖，(b)係就輸入信號與輸出信號的關係進行繪示的轉換圖(map)，(c)係就虛擬阻抗值XV 的時間變化進行繪示的圖。 　　圖15(a)中，訂立屬控制信號的電力變更的指令的旗標信號F時，虛擬阻抗值決定手段512係開始動作，將屬輸入信號的校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 轉換為屬輸出信號的虛擬阻抗值XV ，進行輸出。
在圖15(b)中，將示於橫軸的校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 、示於縱軸的虛擬阻抗值XV 的關係，以特性線1501表示。此外，圖15(b)中在縱軸上記載為「-XS 」之點係表示圖1中的作為三相交流電源102的網格的阻抗XS 103的阻抗值。 　　此外，圖15(c)中，縱軸表示虛擬阻抗值XV ，橫軸表示時間(時間的變遷)。圖15(c)中，示出屬控制信號亦即屬電力變更的指令的旗標信號F產生變化之際的虛擬阻抗值XV 時間變化。 　　如以上，電力變更的指令的旗標信號F為有效的狀態下，虛擬阻抗值XV 係依轉換圖(map)被從校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 轉換而算出。
透過圖15(a)、(b)、(c)而說明的虛擬阻抗值XV ，係作為校正參照指令而輸入至圖12的切換手段514的第2輸入端子。 　　亦即，已訂立旗標信號F的情況下，透過依虛擬阻抗值XV 下的校正參照指令，使得於圖12中，暫定參照指令E∠δ被校正為參照指令E＊ ∠δ＊ 。
《本發明的第2實施方式中的第3虛擬同步慣性控制的特性、圖16》 　　圖16係就使用本發明的第2實施方式相關的第3虛擬同步慣性控制手段508的情況下的特性例進行繪示的圖。 　　於圖16中，縱軸係輸入電壓Vdc 、剩餘能量ΔEpcs 、轉動慣量J、轉子的角速度ωPCS 、輸入電力Pin 、輸出電力Pout 。此外，於輸出電力Pout 之項合併記載校正輸出電力指令Pout ＊ 。 　　另外，在縱軸的個別的單位係剩餘能量ΔEpcs 為[MJ]以外的項目，全部以屬標么系統的pu(p.u.)表示。此外橫軸係時間(時間的變遷)。
於圖16中，依旗標信號F，於0.5秒後，電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置100B)開始電力轉換動作(操作)。為此，校正輸出電力指令Pout ＊ (特性線1107)直接變化。 　　此時，電力轉換裝置的輸出電力Pout (特性線1106)發生發振現象。其中，此發振現象迅速衰減。其理由在於，使轉動慣量J(特性線1103)變化。 　　再者，除此之外，插入輸出端子的虛擬阻抗XV ，抑制電力轉換裝置的直流電容器105(圖11)的剩餘能量ΔEpcs (特性線1102：圖16)。
為此，此剩餘能量ΔEpcs (特性線1102：圖16)比圖8的剩餘能量ΔEpcs (特性線2002、第2比較例)、圖9的剩餘能量ΔEpcs (特性線3002、第1比較例)小。 　　此結果，電力轉換裝置(替代能源整合電力轉換裝置100B)的直流電容器105的輸入電壓Vdc (特性線1101：圖16)的越離的峰值1101P(約2.1pu)比圖8的電力轉換裝置的直流電容器105的輸入電壓Vdc (特性線2001、第2比較例)的越離的峰值2001P(約2.4pu)、圖9的電力轉換裝置的直流電容器105的輸入電壓Vdc (特性線3001、第1比較例)的越離的峰值3001P(約2.4pu)小。 　　亦即，從第2比較例的圖8及第1比較例的圖9的峰值的2.4pu，示於本發明的第2實施方式的圖16的峰值方面改善至2.1pu。
＜第2實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100B的構成、功能、動作的總括＞ 　　以上，如所述，第3虛擬同步慣性控制手段508具備：第2虛擬同步慣性控制手段110、電力變更決定手段511、虛擬阻抗值決定手段512、虛擬阻抗控制手段513。然後，第2虛擬同步慣性控制手段110係如前所述，具有控制虛擬同步轉動慣量的功能。 　　此外，電力變更決定手段511係透過與第2虛擬同步慣性控制手段110的組合而具有就輸入電力與輸出電力之間的有效電力進行調整、控制的功能(有功功率控制)。 　　此外，電力變更決定手段511具有輸出一般時的操作的輸出電力指令P＊ 、作為已訂立屬電力變更的指令的旗標信號F的情況下的校正輸出電力指令Pout ＊ 輸出有效輸入電力Pdc 、輸出校正輸出電力指令的變化量的信號ΔPout ＊ 的輸出電力變更指令手段609。
虛擬阻抗值決定手段512係如前所述，依校正輸出電力指令的變化量的信號ΔPout ＊ 與旗標信號F算出虛擬阻抗值XV 。 　　虛擬阻抗控制手段513係如前所述，利用輸出側的電流I與虛擬阻抗值XV ，導出校正參照指令。 　　切換手段514係如前所述，依旗標信號F選擇第2輸入端子的校正參照指令或第1輸入端子的0(無變更)，將該輸出信號輸入至合成手段(加法器)519的第2端子。 　　合成手段(加法器)519，係如前所述，將與切換手段514的虛擬阻抗值的控制相關的校正參照指令、屬第2虛擬同步慣性控制手段110的輸出的暫定參照指令信號E∠δ進行合成(加算)而輸出參照指令E＊ ∠δ＊ 。另外，於切換手段514，選擇表示「無校正」的「0」的情況下，暫定參照指令信號E∠δ就如此被作為參照指令E＊ ∠δ＊ 而輸出。
透過以上的構成，第2實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100B，在發生主要因替代能源101而產生的電力變動的情況下，進行電力調整變化的動作(操作)時，可透過暫時地插入虛擬阻抗控制從而迴避在直流電容器105(圖11)的直流電壓的大的越離。 　　為此，使設於換流器104的輸入側的直流電容器105的電壓保持於一般的操作範圍(運作範圍)。由於此功能，使得基於第3虛擬同步慣性控制與有功功率控制下的電力轉換裝置(100B)係防範自替代能源101(圖11)的急遽的環境的變動，避開動作停止。
＜本發明的第2實施方式的效果＞ 　　以上，依本發明的第2實施方式的替代能源整合電力轉換裝置100B時，於替代能源101，即使發生電力的變動的情況下，仍可迅速減低該變動所致的影響，予以收束。亦即，具有可經由替代能源整合電力轉換裝置100B對替代能源(前端+後端)等價地賦予大的轉動慣量的如此的效果。 　　為此，可對具有替代能源的供電線網提供提升電力品質的替代能源整合電力轉換裝置100B。 　　此外，可將過渡地生成於替代能源整合電力轉換裝置100B中的直流電容器105的電壓予以減輕，故具有對替代能源整合電力轉換裝置100B的穩定動作、可靠性的提升有益如此的效果。 　　此外，可在不予以增加替代能源整合電力轉換裝置100B中的直流電容器的電容之下實現以上的效果，故比起使直流電容器的電容增加的方法，具有能以低成本實現而提供相同的效果如此的效果。
≪其他實施方式≫ 　　另外，本發明非限定於以上所說明的實施方式者，進一步包含各種的變化例。例如，前述的實施方式係為了以容易理解的方式說明本發明而詳細說明者，並未限定於必定具備所說明之全部的構成。此外，可將某實施方式的構成的一部分以其他實施方式的構成的一部分進行置換，再者亦可對某一實施方式的構成以其他實施方式的構成的一部分或全部進行追加、刪除、置換。 　　於以下，就其他實施方式、變化例，進一步進行說明。
《三相以外的方法》 　　在圖1、圖2所示的第1實施方式之例中，雖為三相交流的情況，惟亦可適用於轉換為單相交流的情況。
《切換手段》 　　於圖2中，雖以IGBT說明切換元件(201～206)，惟不限定於此。亦可為MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor)、超接面MOSFET等。
《換流器》 　　於圖1中，雖分別記載換流器104與PWM控制手段109，惟亦可構成為使PWM控制手段109作為構成換流器的一部分而含於換流器之中。
《第1虛擬同步慣性控制手段》 　　於圖1中，雖將第1虛擬同步慣性控制手段108記載為一個功能塊，惟亦可如示於圖3構成為作為個別的功能塊而具備第2虛擬同步慣性控制手段110與電力變更決定手段111。
《檢測器、檢測手段》 　　圖1及圖11中，檢測換流器104的輸入側的電壓、電流的檢測器(第1檢測手段)106與檢測換流器104的輸出側的電壓、電流的檢測器(第2檢測手段)107個別分開記載而說明。其中，只要檢測換流器104的輸入側與輸出側的個別的電壓、電流即可，故不限定於2個檢測器106、107的構成。 　　可將檢測器106、107一體化，此外，亦可將檢測器106、107分別分為電壓檢測器與電流檢測器而以4個以上的檢測器而構成。
《輸出電力變更指令手段》 　　於圖7中，輸出電力變更指令手段407係雖示出構成為具備時序列電力指令手段408、切換手段410、閘控手段411之例，惟只要依旗標信號F切換時序列電力指令手段408的時序列電力指令、輸出電力指令P＊ 即可，故不限定於此電路。 　　例如，亦有去除閘控手段411的電路構成。
《虛擬阻抗值決定手段》 　　於圖15中，虛擬阻抗值決定手段512，係利用依示於圖15(b)的校正輸出電力指令的變化量(差分)的信號ΔPout ＊ 與虛擬阻抗值XV 的關係下的一個轉換圖算出虛擬阻抗值XV 。然而，轉換圖不限定於一者。可依各種的諸條件而使轉換圖的特性(特性線1501)變化。 　　為此，亦有具備複數個轉換圖並依諸條件的變化而切換的方法。
100‧‧‧替代能源整合電力轉換裝置、電力轉換裝置101‧‧‧替代能源(替代能源的前端)102‧‧‧三相交流電源、三相交流電網103‧‧‧阻抗(網格方面的阻抗)104‧‧‧換流器105‧‧‧直流電容器、電容器106‧‧‧檢測器、電壓電流檢測器、檢測手段(第1檢測手段)107‧‧‧檢測器、電壓電流檢測器、檢測手段(第2檢測手段)108‧‧‧第1虛擬同步慣性控制手段109‧‧‧PWM控制手段110‧‧‧第2虛擬同步慣性控制手段(虛擬同步慣性控制手段)111、511‧‧‧電力變更決定手段201～206‧‧‧IGBT、切換元件207‧‧‧電抗器301‧‧‧電力計算手段302‧‧‧VSG模型、虛擬同步發電機模型303‧‧‧積分手段(1/s)304‧‧‧調整手段、調速機305‧‧‧電壓控制手段306‧‧‧模式對應慣性調整手段307‧‧‧模式核對手段S 308‧‧‧慣性值調整手段309‧‧‧合成手段(乘法器)401‧‧‧電力計算手段(第1電力計算手段)402‧‧‧電力計算手段(第2電力計算手段)403‧‧‧高通濾波器(HPF)404、610‧‧‧絕對值算出手段(ABS)405‧‧‧閾值比較判定手段406‧‧‧旗標產生手段407、609‧‧‧輸出電力變更指令手段408‧‧‧時序列電力指令手段409、613‧‧‧差分手段(差分器)410、514、612‧‧‧切換手段411‧‧‧閘控手段508‧‧‧第3虛擬同步慣性控制手段512‧‧‧虛擬阻抗值決定手段513‧‧‧虛擬阻抗控制手段519‧‧‧合成手段(加法器)611‧‧‧保持手段
[圖1]就本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置的構成的一例與替代能源的連接及與電力供電網的連接的關係進行繪示的圖。 　　[圖2]就本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置中具備的換流器的構成例進行繪示的圖。 　　[圖3]就本發明的第1實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置中具備的第1虛擬同步慣性控制手段的構成例進行繪示的圖。 　　[圖4]就第1比較例的第2虛擬同步慣性控制手段的構成進行繪示的圖。 　　[圖5]就調整第1比較例的轉動慣量J的原理進行繪示的圖，(a)示出模式核對與其調整結果的關聯，(b)示出各模式的關聯。 　　[圖6]就本發明的第1實施方式相關的電力變更決定手段的構成的一例進行繪示的圖。 　　[圖7]就本發明的第1實施方式相關的輸出電力變更指令手段的構成例與動作進行繪示的圖，(a)示出輸出電力變更指令手段的構成例，(b)係說明其動作者。 　　[圖8]就第2比較例的無模式對應慣性調整手段的情況下的第2虛擬同步慣性控制手段的特性例進行繪示的圖。 　　[圖9]就第1比較例的有模式對應慣性調整手段的情況下的第2虛擬同步慣性控制手段的特性例進行繪示的圖。 　　[圖10]就本發明的第1實施方式相關的虛擬同步慣性控制的特性進行繪示的圖。 　　[圖11]就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置的構成的一例進行繪示的圖，(a)示出替代能源整合電力轉換裝置的構成及替代能源與三相交流電源的連接關係，(b)示出第3虛擬同步慣性控制手段的等效電路。 　　[圖12]就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置中的第3虛擬同步慣性控制手段的構成的一例進行繪示的圖。 　　[圖13]就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置中的電力變更決定手段的構成的一例進行繪示的圖。 　　[圖14]就本發明的第2實施方式相關的替代能源整合電力轉換裝置中的輸出電力變更指令手段的構成的一例進行繪示的圖。 　　[圖15]就本發明的第2實施方式中的虛擬阻抗值決定手段的特性、動作的一例進行繪示的圖，(a)係就虛擬阻抗值決定手段的輸入信號、輸出信號、控制信號進行繪示的圖，(b)係就輸入信號與輸出信號的關係進行繪示的轉換圖，(c)係就控制信號時間變化進行繪示的圖。 　　[圖16]就使用本發明的第2實施方式相關的第3虛擬同步慣性控制的情況下的特性例進行繪示的圖。
100‧‧‧替代能源整合電力轉換裝置、電力轉換裝置
101‧‧‧替代能源(替代能源的前端)
102‧‧‧三相交流電源、三相交流電網
103‧‧‧阻抗(網格方面的阻抗)
104‧‧‧換流器
105‧‧‧直流電容器、電容器
106‧‧‧檢測器、電壓電流檢測器、檢測手段(第1檢測手段)
107‧‧‧檢測器、電壓電流檢測器、檢測手段(第2檢測手段)
108‧‧‧第1虛擬同步慣性控制手段
109‧‧‧PWM控制手段

Claims (11)

  1. 一種替代能源整合電力轉換裝置，具備換流器、PWM控制手段、第1檢測手段、第2檢測手段、電力變更決定手段、虛擬同步慣性控制手段，該換流器係將替代能源的發電電力轉換為既定的交流電力而輸出至電力供電網者，該PWM控制手段係控制該換流器者，該第1檢測手段係就前述換流器的輸入的電壓與電流進行檢測者，該第2檢測手段係就前述換流器的輸出的電壓、電流、頻率進行檢測者，該電力變更決定手段係從前述第1、第2檢測手段檢測出之輸入與輸出的個別的電壓與電流算出前述換流器的輸入側的輸入電力、輸出側的輸出電力、前述輸入電力與前述輸出電力的差異，並參照輸出電力指令而算出校正輸出電力指令者，該虛擬同步慣性控制手段係以前述第2檢測手段檢測出的輸出的電壓、電流、頻率、前述校正輸出電力指令為基礎而算出虛擬慣性特性，往前述PWM控制手段輸出參照指令者，前述電力變更決定手段的相對於前述輸入電力的變化的響應時間因應於前述輸入電力的變化的總量而變化。
  2. 如請求項1之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述電力變更決定手段具備第1電力計算手段、第2電力計算手段、閾值比較判定手段、旗標產生手段、輸出電力變更指令手段，該第1電力計算手段係從前述換流器的輸出的電壓與電流計算輸出電力者，該第2電力計算手段係從前述換流器的輸入的電壓與電流計算輸入電力者，該閾值比較判定手段係就前述第1電力計算手段計算的輸出電力與第2電力計算手段計算的輸入電力的差的絕對值是否超過事前設定的閾值進行判定者，該旗標產生手段係該閾值比較判定手段判定為前述輸出電力與前述輸入電力的差的絕對值超過閾值的情況下，輸出電力變更決定操作的旗標信號者，該輸出電力變更指令手段係輸出前述旗標信號的情況下，基於前述輸入電力與輸出電力指令而輸出校正輸出電力指令者。
  3. 如請求項2之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述輸出電力變更指令手段具備時序列電力指令手段、切換手段，該時序列電力指令手段係以原輸出電力指令為基礎而構成者，該切換手段係對第1端子輸入前述輸出電力指令，對 第2端子輸入前述時序列電力指令手段輸出的指令，依前述旗標信號選擇前述第2端子或第1端子的指令作為前述校正輸出電力指令而輸出者。
  4. 如請求項3之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述時序列電力指令手段的原輸出電力指令係依替代能源整合電力轉換裝置的動態響應時間與計算電力的時間而決定。
  5. 如請求項2之替代能源整合電力轉換裝置，其中，在算出前述輸出電力與前述輸入電力的差的絕對值的前階，具備高通濾波器。
  6. 一種替代能源整合電力轉換裝置，具備換流器、PWM控制手段、第1檢測手段、第2檢測手段、電力變更決定手段、虛擬同步慣性控制手段、虛擬阻抗值決定手段、虛擬阻抗控制手段，該換流器係將替代能源的發電電力轉換為既定的交流電力而輸出至電力供電網者，該PWM控制手段係控制該換流器者，該第1檢測手段係就前述換流器的輸入的電壓與電流進行檢測者，該第2檢測手段係就前述換流器的輸出的電壓、電流、頻率進行檢測者， 該電力變更決定手段係以前述第1、第2檢測手段檢測出的輸入與輸出的個別的電壓、電流、輸出電力指令為基礎算出校正輸出電力指令而輸出，並輸出前述校正輸出電力指令的變化量的信號、傳達已決定電力指令的變更的情形的旗標信號者，該虛擬同步慣性控制手段係以前述第2檢測手段檢測出的輸出的電壓、電流、頻率、前述校正輸出電力指令為基礎而算出虛擬慣性特性，輸出暫定參照指令者，該虛擬阻抗值決定手段係以前述校正輸出電力指令的變化量的信號與前述旗標信號為基礎而算出虛擬阻抗值者，該虛擬阻抗控制手段係以前述輸出的電流與前述虛擬阻抗值為基礎而導出校正參照指令者，依前述旗標信號選擇前述校正參照指令的情況下，將前述暫定參照指令與前述校正參照指令合成而生成參照指令，未選擇前述校正參照指令的情況下，依前述暫定參照指令生成參照指令，將任一情況下的參照指令供應至前述PWM控制手段。
  7. 如請求項6之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述電力變更決定手段具備第1電力計算手段、第2電力計算手段、閾值比較判定手段、旗標產生手段、輸出電力變更指令手段，該第1電力計算手段係從前述換流器的輸出的電壓與 電流計算輸出電力者，該第2電力計算手段係從前述換流器的輸入的電壓與電流計算輸入電力者，該閾值比較判定手段係就前述第1電力計算手段計算的輸出電力與前述第2電力計算手段計算的輸入電力的差的絕對值是否超過事前設定的閾值進行判定者，該旗標產生手段係該閾值比較判定手段判定為前述輸出電力與前述輸入電力的差的絕對值超過閾值的情況下，輸出電力變更決定操作的旗標信號者，該輸出電力變更指令手段係輸出前述旗標信號的情況下，基於前述輸入電力與輸出電力指令而輸出前述校正輸出電力指令與該校正輸出電力指令的變化量的信號者。
  8. 如請求項7之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述輸出電力變更指令手段具備絕對值算出手段、切換手段、保持手段，該絕對值算出手段係算出前述輸出電力指令與前述輸入電力的差的絕對值者，該切換手段係依前述旗標信號的有無，切換前述輸入電力與前述輸出電力指令，輸出前述校正輸出電力指令者，該保持手段係將前述絕對值算出手段的輸出信號依前述旗標信號進行記憶而保持者。
  9. 如請求項6之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述虛擬阻抗值決定手段係將前述校正輸出電力指令的變化量的信號轉換為虛擬阻抗值而輸出。
  10. 如請求項1或6之替代能源整合電力轉換裝置，其中，前述換流器係將直流電力轉換為三相交流電力的三相換流器。
  11. 如請求項1或6之替代能源整合電力轉換裝置，其中，將前述第1檢測手段與前述第2檢測手段一體化而構成為一個檢測手段。
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