TWI810790B - 電力轉換裝置 - Google Patents

Abstract

包含在電力轉換裝置的控制部之虛擬同步發電機控制部，其藉由將有效電力值及有效電力目標值分別對應同步發電機的轉子運動方程式之電氣能及機械能模擬同步發電機的動作，產生第2電壓的頻率之第1指令值及第2電壓的相位之第2指令值。判定部在投入條件成立情況下，控制在導通狀態與非導通狀態之間選擇性切換變流器與交流電力系統的連接狀態之繼電器，將連接狀態從非導通狀態切換成導通狀態。投入條件包含:第1測定值的絕對值與第2測定值的絕對值之振幅差包含在第1容許範圍之所謂第1條件；及第1電壓的相位與第2指令值之相位差包含在第2容許範圍之所謂第2條件。

Description

電力轉換裝置

本揭示為有關一種構成為與交流電力系統互連之電力轉換裝置。

習知以來，構成為與交流電力系統互連之電力轉換裝置為悉知的。例如在日本專利第5969094號(專利文獻1)中，揭露了一種具備將直流電轉換為交流電之變流器、及從變流器的輸出除去高頻波成分之LC濾波器，並且將交流電供給到商用系統之系統互連變流器裝置。在該系統互連變流器裝置中，在與商用系統互連情況下，在自身運轉後，以自身系統電壓的振幅、相位、及頻率與商用系統電壓的振幅、相位、及頻率整合的方式進行調整，在維持整合狀態下切換成系統互連運轉控制。其結果為不用設置衝擊電流防止電路，就可以一邊抑制對於構成LC濾波器之電容器的衝擊電流，一邊進行與商用系統的互連。 先前技術文獻 專利文獻

[專利文獻1]日本專利第5969094號

發明概要

在專利文獻1所揭露之系統互連變流器裝置中，由於在系統互連繼電器的投入以後之變流器控制方式為電流控制，因此要穩定維持商用系統的電壓恐怕有困難。

本揭示為用以解決上述課題而開發出來者，其目的為在電力轉換裝置與交流電力系統互連情況下，可以一邊抑制衝擊電流，一邊穩定維持交流電力系統的電壓。

關於本揭示之電力轉換裝置，其將來自直流電源的直流電壓朝向交流電力系統轉換為交流電壓。電力轉換裝置具備：變流器、繼電器、及控制部。變流器為將該直流電壓轉換為該交流電壓。繼電器為在導電狀態與非導通狀態之間選擇性切換變流器與交流電力系統的連接狀態。控制部為接收繼電器與交流電力系統之間的第1電壓之第1測定值、繼電器與變流器之間的第2電壓之第2測定值、及在變流器與交流電力系統之間流通之電流的測定值，控制變流器及繼電器。控制部包含：電壓控制部、有效電力計算部、虛擬同步發電機控制部、檢測部、及判定部。電壓控制部為以趨近電壓振幅目標值的方式控制第2電壓的振幅。有效電力計算部為使用第1測定值與電流的測定值，計算出輸出到交流電力系統的有效電力值。虛擬同步發電機控制部為藉由將有效電力值及有效電力目標值分別對應同步發電機的轉子運動方程式之電氣能及機械能模擬同步發電機的動作，產生第2電壓的頻率之第1指令值及第2電壓的相位之第2指令值。檢測部為從第1測定值檢測出第1電壓的相位。判定部在投入條件成立情況下，控制繼電器將連接狀態從非導通狀態切換成導通狀態。投入條件包含：第1測定值的絕對值與第2測定值的絕對值之振幅差包含在第1容許範圍之所謂第1條件；及第1電壓的相位與第2指令值之相位差包含在第2容許範圍之所謂第2條件。

根據本揭示，藉由虛擬同步發電機控制部及判定部，在將電力轉換裝置與交流電力系統互連情況下，可以一邊抑制衝擊電流，一邊穩定維持交流電力系統的電壓。

用以實施發明之形態

以下，針對本揭示之實施形態，一邊參照圖面一邊詳細說明。又，圖中相同或相當的部分附予相同符號，原則上不重複該說明。

實施形態1. 圖1為顯示有關實施形態1之電力轉換裝置100的整體構成之方塊圖。又，在圖1中，雖然顯示對應只有1相的電路之方塊圖，但是該方塊圖亦適用於三相系統互連變流器、或單相系統互連變流器。在實施形態1中，以對於三相系統之互連變流器為例進行說明。

如圖1所示，電力轉換裝置100具備：輸入端子Tmi、輸出端子Tmo、變流器102、LC濾波器120、投入繼電器105、系統電壓測定部106、變流器電壓測定部107、電流測定部108、及控制部110。電力轉換裝置100為將來自直流電源800的直流電壓朝向交流電力系統900轉換為交流電壓。

在輸入端子Tmi中，從直流電源800輸入直流電壓。直流電源800為發生直流電壓的電源裝置。直流電源800例如包含：太陽能發電裝置、直流連結方式的風力發電機、或是蓄雷池。

變流器102從輸入端子Tmi接收直流電壓。變流器102因應來自控制部110之閘驅動訊號Sgg進行開關動作，將該直流電壓轉換為交流電壓。適用於變流器102的電路方式、或開關元件的種類並沒有限定電路方式或開關元件的種類。

LC濾波器120連接在變流器102與電流測定部108之間。LC濾波器120包含：電抗器103、及電容器104。電抗器103連接在變流器102與電流測定部108之間。電容器104連接在接地點、與電抗器103和電流測定部108的連接點之間。LC濾波器120為抑制(濾波)伴隨著變流器102的開關所發生之電流的漣波成分。

投入繼電器105連接在電流測定部108與輸出端子Tmo之間。投入繼電器105決定變流器102與輸出端子Tmo的連接狀態。換言之，投入繼電器105因應來自控制部110之投入繼電器控制訊號Sgr，將該連接狀態在非導通(阻斷或開放)狀態(開)與導通狀態(關)之間選擇性切換。以下，將該連接狀態為導通狀態的情況也稱為投入繼電器105投入狀態的情況，同時也將該連接狀態為非導通狀態的情況也稱為投入繼電器105非投入狀態的情況。

在輸出端子Tmo中連接交流電力系統900。在交流電力系統900中從電力轉換裝置100提供的交流電壓。交流電力系統900為與電力轉換裝置100互連的電力系統。交流電力系統900例如包含：電力公司所管理之通常商用電力系統、以里為單位獨立自行管理之微電網、或是以大樓或建築物為單位獨立自行運轉之獨立系統。但是，交流電力系統900的交流電壓設定為即使在投入繼電器105為阻斷狀態而沒有從電力轉換裝置100提供交流電壓的情況下，藉由電力轉換裝置100以外的電源要件維持交流電壓。

以下，以投入繼電器105為基準，將投入繼電器105與變流器102之間的構成稱為變流器側，將投入繼電器105與輸出端子Tmo之間的構成稱為系統側。

系統電壓測定部106測定輸出端子Tmo的電壓(第1電壓)，將該電壓的測定值也就是系統電壓測定值Vo(第1測定值)輸出到控制部110。變流器電壓測定部107測定輸入到投入繼電器105的電壓(第2電壓)，將該電壓的測定值也就是變流器電壓測定值Vfo(第2測定值)輸出到控制部110。電流測定部108測定輸入到投入繼電器105的電流，將該電流的測定值也就是電流測定值Io輸出到控制部110。

控制部110使用測定值Vo、Vfo、Io，控制變流器102的驅動及投入繼電器105的開/關。控制部110將閘驅動訊號Sgg輸出到變流器102。控制部110將投入繼電器控制訊號Sgr輸出到投入繼電器105。包含：包含CPU(Central Processing Unit；中央處理單元)等的處理電路、及儲存各種程式之記憶體。控制部110的機能藉由執行專用的硬體、或程式(軟體)之處理電路予以實現。又，輸入到控制部110的資訊不限於系統電壓測定值Vo、變流器電壓測定值Vfo、及電流測定值Io。

圖2為顯示圖1之控制部110的內部構成之一例之方塊圖。如圖2所示，控制部110包含：頻率．相位檢測部204(檢測部)、有效電力計算部205、VSG(Virtual Synchronous Generator；虛擬同步發電機)控制部207(虛擬同步發電機控制部)、頻率同步控制部206、投入判定部208(判定部)、電壓控制部209、電壓指令值計算部210、閘驅動訊號產生部211、有效電力指令值切換部212、及電壓振幅指令值切換部213。

頻率．相位檢測部204依序計算出系統電壓測定值Vo(系統電壓)的系統電壓頻率f_pll及系統電壓相位θ_pll。就用以實現頻率．相位檢測部204的機能之構成而言，例如可以舉例在三相系統互連中，對於系統電壓測定值Vo進行d-q轉換，並且使用比例積分控制將系統電壓測定值Vo的q軸成分趨近於0的方式控制系統電壓測定值Vo之構成。為了實現頻率．相位檢測部204的機能，也可以執行使用零交叉點檢測的方法等。

有效電力計算部205使用系統電壓測定值Vo及電流測定值Io，計算出輸出到交流電力系統900(在交流電力系統900所消耗)之有效電力值Pout。就有效電力值Pout的計算方法而言，例如可以舉例分別對於系統電壓測定值Vo及電流測定值Io進行d-q轉換，並且從系統電壓測定值Vo的d軸電壓與電流測定值Io的d軸電流之乘積、及系統電壓測定值Vo的q軸電壓與電流測定值Io的q軸電流之乘積的總和求出有效電力值Pout之方法。

頻率同步控制部206比較利用頻率．相位檢測部204所算出之系統電壓測定值Vo的系統電壓頻率f_pll、及利用VSG控制部207所決定之變流器電壓頻率f_vsg，以變流器電壓頻率f_vsg趨近於系統電壓頻率f_pll的方式控制變流器電壓頻率f_vsg。更具體而言，頻率同步控制部206因應系統電壓頻率f_pll與變流器電壓頻率f_vsg的頻率差，藉由增加或減少在VSG控制部207中所使用的有效電力指令值Pref(有效電力目標值)，透過VSG控制部207間接調整變流器電壓頻率f_vsg。

有效電力指令值切換部212從投入判定部208接收顯示投入繼電器105的狀態為投入狀態或非投入狀態的切換訊號Sgs1。有效電力指令值切換部212在投入繼電器105為投入狀態的情況下，將來自頻率同步控制部206的有效電力指令值Pref輸出到VSG控制部207。有效電力指令值切換部212在投入繼電器105為非投入狀態的情況下，將預先設定的值或是利用通訊等從控制部110的外部所指定的值作為有效電力指令值Pref輸出到VSG控制部207。

VSG控制部207使用有效電力值Pout及有效電力指令值Pref，產生變流器102的輸出電壓指令值之變流器電壓頻率f_vsg(第1指令值)及變流器電壓相位θ_vsg(第2指定值)。

電壓振幅指令值切換部213從投入判定部208接收顯示投入繼電器105的狀態為投入狀態或非投入狀態的切換訊號Sgs2。電壓振幅指令值切換部213在投入繼電器105為非投入狀態的情況下，將系統電壓測定值Vo的振幅∣Vo∣作為電壓振幅指令值∣V∣ref(電壓振幅目標值)輸出到電壓控制部209。電壓振幅指令值切換部213在投入繼電器105為投入狀態的情況下，將預先設定的值或是利用通訊等從控制部110的外部所指定的值作為電壓振幅指令值∣V∣ref輸出到電壓控制部209。

電壓控制部209接收電壓振幅指令值∣V∣ref及變流器電壓測定值Vfo，以變流器電壓測定值Vfo的振幅趨近於電壓振幅指令值∣V∣ref的方式，控制變流器電壓振幅∣Vinv∣。就計算變流器電壓測定值Vfo的振幅之方法而言，例如可以舉例對於變流器電壓測定值Vfo進行d-q轉換，使用變流器電壓測定值Vfo的d軸電壓之方法。又，也可以進行使用電壓實效值來取代變流器電壓測定值Vfo的振幅之控制。

電壓指令值計算部210使用變流器電壓振幅∣Vinv∣及變流器電壓相位θ_vsg，計算出對於變流器102之變流器電壓指令值Vinvref。變流器電壓指令值Vinvref的振幅與變流器電壓振幅∣Vinv∣相等，變流器電壓指令值Vinvref的相位與變流器電壓相位θ_vsg相等。換言之，變流器電壓指令值Vinvref形成為具有變流器電壓振幅∣Vinv∣及變流器電壓相位θ_vsg的正弦波訊號。

閘驅動訊號產生部211藉由使用變流器電壓指令值Vinvref之PWM(Pulse Width Modulation；脈波寬度調變)控制，決定包含在變流器102中之複數個開關元件的驅動圖案，將對應該圖案之閘驅動訊號Sgg輸出到變流器102。

投入判定部208使用系統電壓測定值Vo、系統電壓頻率f_pll、系統電壓相位θ_pll、變流器電壓測定值Vfo、變流器電壓頻率f_vsg、及變流器電壓相位θ_vsg，判定投入繼電器105的投入條件是否成立。投入判定部208因應投入繼電器105的投入條件判定處理結果，將投入繼電器控制訊號Sgr輸出到投入繼電器105。投入判定部208將對應投入繼電器控制訊號Sgr之切換訊號Sgs1、Sgs2分別輸出到有效電力指令值切換部212、及電壓振幅指令值切換部213。

伴隨著太陽能發電等使用變流器之分散型電源的增加，使占據電力系統的總電源量之電力轉換裝置100之類的變流器電源比率隨之增加。通常，變流器電源在一邊與交流電力系統互連一邊運轉的情況下，多為適用電流控制(也稱為系統互連模式。)。在電流控制之下使變流器電源動作的情況下，變流器電源之系統連接端的電壓多為利用系統內的其他電源(例如同步發電機)予以維持。變流器電源以同步發電機的電壓相位為基準，流通期望的電流。換言之，在藉由電流控制使變流器電源動作之情況下，由於變流器電源不具有系統電壓維持能力(慣性)，隨著變流器電源比率增加而可能會降低系統電壓的穩定性。

為了防止這樣的系統電壓的穩定性的降低，即使在變流器電源與交流電力系統互連情況下，也必須使變流器電源藉由電壓控制(也稱為獨立運轉模式)動作。但是，在CVCF(Constant Voltage Constant Frequency；恆電壓、恆頻率)運轉的電壓控制之下使變流器電源與交流電力系統互連情況下，無法使從變流器電源供給到交流電力系統之交流電壓的相位與交流電力系統內之其他電壓源的相位同步，根據該交流電壓的相位與其他電壓源的相位之間的相位差可能會產生很大的橫流。該相位差可以藉由虛擬同步發電機控制予以抑制。根據虛擬同步發電機控制，藉由將在變流器電源中模擬同步發電機所具有的動作特性而達到與其他電壓源同步之能力(同步化力)賦予到變流器電源，可以一邊藉由電壓控制有助於系統電壓維持(賦予慣性力)一邊進行與交流電力系統的互連運轉。

針對進行這樣的虛擬同步發電機控制之VSG控制部207詳細說明。VSG控制部207藉由使變流器102虛擬持有同步發電機所具有的動作特性，實現將同步發電機所具有的慣性力、同步化力、及制動力等能力賦予到變流器102之控制方法。由於同步發電機的能力是從同步發電機的構造及動作原理予以引導，因此首先針對實際的同步發電機的構造及動作原理概略說明。

同步發電機被廣泛運用於火力發電、核能發電、或水力發電等。同步發電機利用藉由燃料的燃燒所發生之水蒸氣的運動能、或水的位置能而使巨大的轉子旋轉。在轉子中捲繞有磁場繞組。藉由在轉子流通勵磁電流，使轉子具有作為電磁鐵的機能。利用轉子產生旋轉磁場而對於配置在轉子周圍的定子線圈根據電磁感應誘發電壓。該誘發電壓擔任電力系統的電壓。因此，誘發電壓的頻率與轉子的旋轉速度對應。

其次，針對同步發電機所具有的慣性力、同步化力、及制動力進行說明。所謂慣性力為將輸出電壓維持在一定的振幅及一定的頻率之能力。可以從同步發電機的動作原理說明同步發電機轉子的旋轉運動慣性與誘發電壓的維持能力有關係乙事。又，同步化力為將與同步發電機在同一系統並列連接之其他電壓源的電壓之頻率及相位、以及同步發電機的電壓之頻率及相位與其他電壓源同步而消除同步發電機與該其他電壓源之間的橫流之能力。同步化力也是根據轉子旋轉運動的加減速予以實現。同樣，制動力為衰減系統電壓、或電流的振動現象之能力。制動力是以對於轉子的旋轉運動之摩擦、阻抗或熱損失等為起因。如以上所示，同步發電機轉子的旋轉運動與所謂的慣性力、同步化力、及制動力之能力有強烈關係。因此，在VSG控制部207中，模擬同步發電機轉子之旋轉運動的特性為重要的。支配同步發電機轉子的旋轉運動之運動方程式如以下的式(1)所示之搖擺方程式予以表現。

[數1]

在式(1)中，Pm為轉子所接收的機械輸入能。Pe為作為電力輸出到系統之電氣輸出能。ω為轉子的旋轉速度。ω ₀為轉子的額定旋轉速度。M為慣性常數。D為制動係數。換言之，在機械輸入能Pm與電氣輸出能Pe相等的情況下，轉子的旋轉速度保持在一定速度。在機械輸入能Pm比電氣輸出能Pe更大的情況下，轉子就加速。在機械輸入能Pm比電氣輸出能Pe更小的情況下，轉子就減速。

圖3為顯示圖2之頻率同步控制部206、VSG控制部207、及有效電力指令值切換部212的具體構成之一例之控制方塊圖。首先，針對VSG控制部207的構成進行說明。如圖3所示，VSG控制部207包含：減算器304、305、306；積分器307；反饋增益模塊308；一次延遲模塊309；加算器310；換算增益模塊311；及積分器312。經拉普拉斯轉換(Laplace Transform)的搖擺方程式(式(1))的兩邊利用控制模塊也就是積分器307及反饋增益模塊308予以模擬。

減算器304從有效電力指令值切換部212接收有效電力指令值Pref，將有效電力指令值Pref與有效電力值Pout的差ΔP(=Pref-Pout)輸出到減算器305。減算器305將差ΔP與指令值補正項Pgov的差ΔP1(=ΔP-Pgov)輸出到減算器306。減算器306將差ΔP1、與頻率差Δf和反饋增益D(式(1)的制動係數)之乘積D．Δf的差ΔP2(=ΔP1-D．Δf)輸出到積分器307。積分器307藉由將差ΔP2進行積分所算出的頻率差Δf輸出到加算器310。又，圖3的積分器307所記載之係數M與同步發電機的慣性常數M對應。慣性常數M決定VSG控制部207的應答速度。換言之，當慣性常數M越大VSG控制部207的應答速度越慢，慣性常數M越小VSG控制部207的應答速度越快。

加算器310將頻率差Δf與基準頻率f0的總和作為變流器電壓頻率f_vsg輸出到換算增益模塊311及VSG控制部207的外部。換算增益模塊311將變流器電壓頻率f_vsg乘以2π之角頻率ω_vsg(=2π．f_vsg)輸出到積分器312。積分器312輸出藉由將角頻率ω_vsg進行積分所算出之變流器電壓相位θ_vsg。

反饋增益模塊308將頻率差Δf與反饋增益D的乘積D．Δf輸出到減算器306。一次延遲模塊309將因應頻率差Δf的指令值補正項Pgov輸出到減算器305。

關於同步發電機、與作為變流器電源之電力轉換裝置100之類比(對比關係)，將電力轉換裝置100的有效電力值Pout與電氣輸出能Pe對應。另一方面，電力轉換裝置100不具備與機械輸入能Pm對應的能源要件。但是，在電力轉換裝置100的通常動作中會要求從電力轉換裝置100所輸出之交流電力的頻率要保持一定。為此，在通常動作中，機械輸入能Pm幾乎與電氣輸出能Pe相等。可以將機械輸入能Pm解釋為電氣輸出能Pe的指令值(目標值)。因此，在電力轉換裝置100中，可以使有效電力指令值Pref對應機械輸入能Pm。在有效電力值Pout與有效電力指令值Pref相等的情況下，變流器電壓頻率f_vsg就成為基準頻率f0(額定頻率)。在有效電力值Pout比有效電力指令值Pref更小的情況下，VSG控制部207將變流器電壓頻率f_vsg比現在的值更為增加，使有效電力值Pout趨近有效電力指令值Pref。在有效電力值Pout比有效電力指令值Pref更大的情況下，VSG控制部207將變流器電壓頻率f_vsg比現在的值更為減少，使有效電力值Pout趨近有效電力指令值Pref。VSG控制部207藉由如此進行模擬實際同步發電機的動作特性之控制，可以將所謂慣性力、同步化力、及制動力之同步發電機所具有的能力藉由電力轉換裝置100予以發揮。其結果為可以提升電力轉換裝置100提供交流電力的交流電力系統900的穩定性。

又，同步發電機為了將轉子的旋轉速度維持在額定速度，具備被稱為調速器(調速機)的機械性機構。調速器在同步發電機中因應來自轉子旋轉速度的額定旋轉速度之偏差，調整機械輸入能Pm的大小。一次延遲模塊309將根據調速器之旋轉速度的調整機能作為變流器電壓頻率f_vsg的調整機能進行模擬。一次延遲模塊309因應變流器電壓頻率f_vsg之從基準頻率f0的頻率差Δf，決定指令值補正項Pgov。指令值補正項Pgov在減算器305中從有效電力指令值Pref被減算。根據模擬調速器之控制，即使在有效電力指令值Pref與有效電力值Pout大不相同的情況下，也可以減低變流器電壓頻率f_vsg之從基準頻率f0的頻率差Δf。

其次，針對頻率同步控制部206的構成進行說明。頻率同步控制部206包含：減算器301、及PI(Proportional-integral；比例積分)控制器302。減算器301將系統電壓頻率f_pll與變流器電壓頻率f_vsg的頻率差Δf10輸出到PI控制器302。PI控制器302藉由將頻率差Δf10進行積分所算出之有效電力指令值Pref輸出到有效電力指令值切換部212。

頻率同步控制部206在投入繼電器105為非投入狀態情況下動作。頻率同步控制部206的目的為將利用VSG控制部207所決定之變流器電壓頻率f_vsg以趨近利用頻率．相位檢測部204所檢測出的系統電壓頻率f_pll的方式控制有效電力指令值Pref乙事。換言之，該目的為消除變流器側的電壓與系統側的電壓之頻率差。在圖3所示的構成中，系統電壓頻率f_pll與變流器電壓頻率f_vsg的差Δf10被輸入到PI控制器302，將利用PI控制器302所算出之差Δf10的積分值成為根據虛擬同步發電機控制所使用的有效電力指令值Pref。

有效電力指令值切換部212包含節點TA1、TB1、及TC1。有效電 力指令值切換部212因應切換訊號Sgs1，變化節點TA1至TC1的連接狀態。換言之，有效電力指令值切換部212在投入繼電器105為非投入狀態情況下，連接節點TC1與TA1。有效電力指令值切換部212在投入繼電器105為投入狀態情況下，連接節點TC1與TB1。在節點TB1中，輸入預先規定的值或是利用通訊等從控制部110的外部所指定的值也就是有效電力指令值Pref。

其次，針對利用上述構成同步變流器電壓頻率f_vsg與系統電壓頻率f_pll的原理進行說明。例如，在系統電壓頻率f_pll比變流器電壓頻率f_vsg更高的情況下，頻率同步控制部206的輸出也就是有效電力指令值Pref具有正值。在該情況下，由於投入繼電器105為投入前的阻斷狀態(非投入狀態)，因此電力轉換裝置100與交流電力系統900沒有連接，有效電力值Pout為0V。因此，成為VSG控制部207的輸入之有效電力指令值Pref與有效電力值Pout之差ΔP就是有效電力指令值Pref(>0)。由於根據虛擬同步發電機控制的效果，增加變流器電壓頻率f_vsg，差Δf10就會減少。在系統電壓頻率f_pll比變流器電壓頻率f_vsg更低的情況下亦同，減少變流器電壓頻率f_vsg，差Δf10就會減少。由於PI控制器302包含積分，在經過充分的時間後差Δf10的通常偏差就會被消除，系統電壓頻率f_pll與變流器電壓頻率f_vsg就會同步。

如此一來，VSG控制部207及頻率同步控制部206使變流器電壓頻率f_vsg追隨系統電壓頻率f_pll。又，藉由從投入繼電器105的投入以前就開始透過VSG控制部207控制變流器電壓頻率f_vsg，使在投入繼電器105的投入前後決定電壓頻率的方法為共通的。其結果為可以預防在投入繼電器105的投入瞬間變流器電壓頻率f_vsg的不連續變化。

再者，作為從頻率同步控制部206輸入到VSG控制部207之有效電力指令值Pref，藉由在投入繼電器105沒有投入期間使用根據頻率同步控制部206所算出的值，在投入繼電器105的投入期間使用預先設定的值或是利用通訊等從 控制部110的外部所指定的值，可以在投入繼電器105沒有投入的期間得到頻率同步效果，同時在投入繼電器105的投入期間使根據虛擬同步發電機控制之交流電力系統900的電壓穩定化。

圖4為顯示圖2之電壓控制部209及電壓振幅指令值切換部213的內部構成之一例之控制方塊圖。如圖4所示，電壓振幅指令值切換部213包含節點TA2、TB2、及TC2。在節點TA2中輸入系統電壓測定值Vo的振幅(絕對值)｜Vo｜。在節點TB2中輸入振幅指令值Vref。電壓振幅指令值切換部213因應切換訊號Sgs2，變化節點TA2至TC2的連接狀態。換言之，電壓振幅指令值切換部213在投入繼電器105為非投入狀態的情況下，連接節點TC2與TA2。電壓振幅指令值切換部213在投入繼電器105為投入狀態的情況下，連接節點TC2與TB2。電壓振幅指令值切換部213將振幅｜Vo｜及振幅指令值Vref的哪一個也就是電壓振幅指令值｜V｜ref從節點TC2輸出到電壓控制部209。

電壓控制部209包含：減算器402、PI控制器403、及加算器404。減算器402將電壓振幅指令值｜V｜ref與變流器電壓測定值Vfo的振幅｜Vfo｜之振幅差Δ｜V｜輸出到PI控制器403。PI控制器403將藉由將振幅差Δ｜V｜積分所算出的積分值輸出加算器404。加算器404將該積分值與電壓振幅指令值｜V｜ref的總和作為變流器電壓振幅｜Vinv｜予以輸出。

電壓控制部209以變流器電壓測定值Vfo的振幅｜Vfo｜趨近電壓振幅指令值｜V｜ref的方式控制變流器電壓測定值Vfo。在電壓控制部209中，作為電壓振幅指令值｜V｜ref而言，藉由在投入繼電器105沒有投入期間使用系統電壓測定值Vo的振幅｜Vo｜，在投入繼電器105的投入期間使用預先設定的值或是利用通訊等從控制部110的外部所指定的值也就是電壓振幅指令值Vref，在投入繼電器105沒有投入期間使變流器電壓測定值Vfo的振幅追隨系統電壓測定值Vo的振幅。其結果為由於可以使投入繼電器105之變流器側的電壓振幅與系統側的電壓振幅趨近於相等大小，因此易於滿足投入繼電器105的投入條件。又，在投入繼電器105的投入期間可以將變流器102所輸出的電壓振幅維持在期望的電壓振幅。

圖5為說明藉由圖2的投入判定部208所進行之投入判定處理(投入判定程序)的流程之流程圖。圖5所示之投入判定處理為在控制部110中依照每一預先規定的時間周期(採樣時間)反覆執行。例如，在變流器102的開關頻率為20kHz，對於閘驅動訊號Sgg的產生使用載體比較PWM的情況下，配合變流器102的開關頻率1/20(載體的一周期)也就是5μs，進行根據投入判定部208之投入判定處理。以下，將步驟簡單記載為S。

如圖5所示，投入判定部208在S501中，判定投入繼電器105是否為非投入狀態。在投入繼電器105為投入狀態的情況(S501中的否)，投入判定部208結束投入判定處理。在投入繼電器105為非投入狀態的情況(S501中的是)，投入判定部208將處理朝S502前進。

投入判定部208在S502中，判定所謂系統電壓測定值Vo的振幅∣Vo∣與變流器電壓測定值Vfo的振幅∣Vfo∣之振幅差Δ∣V1∣(=∣Vo∣-∣Vfo∣)包含在預先規定的容許範圍(第1容許範圍)之條件(第1條件)是否成立。該容許範圍可以藉由實機實驗或模擬適當決定。該容許範圍期許從所謂在振幅差Δ∣V1∣落於怎樣的範圍情況下若投入投入繼電器105在投入繼電器105的投入時所產生的衝擊電流是否包含在變流器102的可動作電流範圍之觀點予以設定。該容許範圍的臨界值(最大值及最小值)例如可以設定為額定電壓比的±1%。

在振幅差Δ∣V1∣不包含在容許範圍的情況(S502中的否)，投入判定部208在S503中，將可投入狀態繼續計時重置為0，結束處理。可投入狀態繼續計時為用以記錄投入繼電路105可投入的狀態為連續且繼續到多長時間之計時。在振幅差Δ∣V1∣包含在容許範圍的情況(S502中的是)，投入判定部208將處理朝S504前進。

投入判定部208在S504中，判定所謂利用頻率．相位檢測部204所檢測的系統電壓頻率f_pll、與利用VSG控制部207所產生的變流器電壓頻率f_vsg之頻率差Δf1(=f_pll-f_vsg)包含在預先設定的容許範圍(第3容許範圍)之條件(第3條件)是否成立。該容許範圍可以藉由實機實驗或模擬適當決定。該容許範圍期許從所謂在頻率差Δf1落於怎樣的範圍情況下若投入投入繼電器105在投入繼電器105的投入時所產生的衝擊電流是否包含在變流器102的可動作電流範圍內之觀點予以設定。頻率差Δf1的容許範圍例如可以設定為±0.01Hz。

在頻率差Δf1不包含在容許範圍的情況(S504中的否)，投入判定部208在S505中將可投入狀態繼續計時重置為0，結束處理。在頻率差Δf1包含在容許範圍的情況(S504中的是)，投入判定部208將處理朝S506前進。

投入判定部208在S506中，判定所謂利用頻率．相位檢測部204所檢測的系統電壓相位θ_pll與利用VSG控制部207所產生的變流器電壓相位θ_vsg之相位差Δθ1包含在預先設定的容許範圍(第2容許範圍)之條件(第2條件)是否成立。相位差Δθ1的容許範圍可以藉由實機實驗或模擬適當決定。相位差Δθ1的容許範圍期許從所謂在相位差Δθ1落於怎樣的範圍情況下若投入投入繼電器105在投入繼電器105的投入時所產生的衝擊電流是否包含在變流器102的可動作電流範圍內之觀點予以設定。相位差Δθ1的容許範圍例如可以設定為±5∘以內。

在相位差Δθ1不包含在容許範圍的情況(S506中的否)，投入判定部208在S507中將可投入狀態繼續計時重置為0，將處理朝S508前進。投入判定部208在S508中，將系統電壓相位θ_pll設定為變流器電壓相位θ_vsg，結束處理。在相位差Δθ1包含在容許範圍的情況(S506中的是)，投入判定部208將處理朝S509前進。

根據投入判定部208的處理到達S509的情況，由於振幅差Δ∣V1｜、頻率差Δf1、及相位差Δθ1都分別包含在對應的容許範圍內，因此投入繼電器105處於可投入的狀態。投入判定部208將可投入狀態繼續計時增加投入判定程序的執行周期之1周期分(1運算時間)後，將處理朝S510前進。

投入判定部208在S510中，判定可投入狀態繼續計時是否超過預先規定的基準繼續時間。基準繼續時間可以藉由實機實驗或模擬適當決定。基準繼續時間期許設定為對於從投入指令(開指令)輸出到投入繼電器105後到實際繼電器投入之延遲時間有足夠長的時間。基準繼續時間例如可以設定為5秒。針對進行S510的理由之後說明。

根據投入判定部208的處理到達S511的情況，其為可投入投入繼電器105的狀態繼續到比基準繼續時間更長。投入判定部208在S510中，將投入指令作為投入繼電器控制訊號Sgr輸出到投入繼電器105，將處理朝S512前進。投入判定部208在S512中，將指示電壓振幅指令值｜V｜ref切換為預先設定的值或是利用通訊等從控制部110的外部所指定的值乙事之切換訊號Sgs2輸出到電壓振幅指令值切換部213，將處理朝S513前進。投入判定部208在S513中，將指示有效電力指令值Pref切換為預先設定的值或是利用通訊等從控制部110的外部所指定的值乙事之切換訊號Sgs1輸出到有效電力指令值切換部212，結束處理。根據S512及S513的切換處理，在投入繼電器105投入後也會繼續電壓控制及虛擬同步發電機控制。

又，在圖5中，分別針對電壓的振幅差Δ｜V1｜、電壓的頻率差Δf1、及電壓的相位差Δθ1，對於判定該差值是否包含在對應的容許範圍之情況已進行說明。但是，不進行頻率差Δf1是否包含在容許範圍之判定亦可。例如在將投入繼電器控制訊號Sgr輸出到投入繼電器105後到投入繼電器105實際打開的時間為非常短，在可以利用電壓的瞬間值判定投入繼電器105的投入可否之類的情況下，使用振幅差Δ｜V1｜及相位差Δ｜θ1｜判定投入繼電器105的投入可否 亦可。

其中，在S510中，針對確認可投入狀態的繼續時間之理由進行說明。例如在某個時點的投入判定中，投入繼電器105兩端之電壓的振幅差Δ｜V1｜、頻率差Δf1、及相位差Δθ1都分別包含在對應的容許範圍之所謂3個條件都成立的情況下，在該電壓會比較大幅變化之過渡現象的過程中會有偶發性使該3個條件都成立的可能性。在偶發性該3個條件都成立的情況下，在投入判定處理結束後的數μ秒後過渡現象持續進展，而使振幅差Δ｜V1｜、頻率差Δf1、及相位差Δθ1的任一個脫離可投入的容許範圍之可能性。在這樣的狀況下當投入判定後將投入指令輸出到投入繼電器105情況下，以從投入指令的輸出到實際投入繼電器105的投入之時間延遲為起因，使投入繼電器105在實際投入的瞬間投入繼電器105兩端的電壓差比投入判定時更為增大，其結果為可能使衝擊電流比預想更為增加。因此，在圖5中，於S510中在確認可投入狀態繼續一定時間之後將投入指令輸出到投入繼電器105。藉由進行S510，可以確認投入繼電器105兩端之電壓的振幅差Δ｜V1｜、頻率差Δf1、及相位差Δθ1都分別包含在對應的容許範圍之所謂3個條件都成立的情況並非過渡現象的過程，而是該3個條件的成立維持繼續的通常狀態。其結果為可以確實預防衝擊電流的發生。

根據以上的投入判定處理，在確認投入繼電器105兩端之電壓的振幅差Δ｜V1｜、頻率差Δf1、及相位差Δθ1於一定時間繼續性分別包含在對應的容許範圍後，投入投入繼電器105。其結果為在投入繼電器105之投入時抑制衝擊電流，在沒有過大衝擊下就可以將電力轉換裝置100追加互連到交流電力系統900。又，由於在互連到交流電力系統900後也可以實施使用虛擬同步發電機控制之電壓抑制，因此可以提升交流電力系統900的穩定性。

以上，根據有關實施形態1之電力轉換裝置，在將電力轉換裝置與交流電力系統互連的情況中，可以一邊抑制衝擊電流，一邊穩定維持商用系統的電壓。

實施形態2. 在實施形態1中，針對在電壓控制部中藉由將電壓振幅指令值與變流器電壓測定值的振幅之振幅差積分決定變流器電壓指令值的振幅之構成已進行說明。在實施形態2中，針對在電壓控制部中透過電流控制決定變流器電壓指令值的振幅之構成進行說明。

圖6為顯示有關實施形態2之電力轉換裝置的控制部110B之內部構成的一例之方塊圖。控制部110B的構成為將圖2的電壓控制部209置換為209B之構成。除此以外之控制部110B的構成由於與控制部110相同，因此不重複針對同樣構成的說明。如圖6所示，在電壓控制部209B中，除了電壓振幅指令值∣V∣ref及變流器電壓測定值Vfo之外，還輸人電流測定值Io。

圖7為顯示圖6之電壓控制部209B的內部構成之一例之控制方塊圖。電壓控制部209B的構成為將圖4的PI控制部403置換成PI控制器601及電流控制部610。除此以外之電壓控制部209B的構成由於與電壓控制部209相同，因此不重複針對同樣構成的說明。

如圖7所示，PI控制器601將藉由積分振幅差Δ∣V∣所算出之從變流器102所輸出之電流的振幅指令值∣Io∣ref輸出到電流控制部610。PI控制器601為了將變流器電壓測定值Vfo趨近指令值而決定必要的變流器側的電流值。

電流控制部610包含：減算器602及增益模塊603。減算器602將振幅指令值∣Io∣ref與電流測定值Io的振幅∣Io∣之振幅差Δ∣I∣輸出到增益模塊603。增益模塊603將振幅差Δ∣I∣乘以增益K後輸出到加算器404。

電壓控制部209B以電流測定值Io趨近電流指令值Ioref的方式控制變流器電壓振幅∣Vinv∣。在電壓控制部209B中，雖然是部分性進行電流控制，但就整體而言為進行電壓控制。在電壓控制中藉由進行電流控制，可以將變流器電壓振幅∣Vinv∣朝收斂衝擊電流的方向控制。其結果為可以將衝擊電流的收斂高速化，同時可以進一步抑制衝擊電流的發生。

以上，根據有關實施形態2之電力轉換裝置，在將電力轉換裝置與交流電力系統互連的情況中，可以一邊抑制衝擊電流，一邊穩定維持商用系統的電壓。

這次揭示的各實施形態，可以預想在不相矛盾的範圍下進行適當組合實施。應該被認為這次揭示的各實施形態所有的觀點都是例示並非限制。本揭示的範圍並非上述的說明而是藉由請求範圍予以表示，意圖包含與請求範圍均等的意思及範圍內的所有變更。

100:電力轉換裝置 102:變流器 103:電抗器 104:電容器 105:投入繼電器 106:系統電壓測定部 107:變流器電壓測定部 108:電流測定部 110,110B,207:控制部 120:LC濾波器 204:相位檢測部 205:有效電力計算部

206:頻率同步控制部

208:投入判定部

209,209B:電壓控制部

210:電壓指令值計算部

211:閘驅動訊號產生部

212:有效電力指令值切換部

213:電壓振幅指令值切換部

301,304至306,402,602:減算器

302,403,601:PI控制器

307,312:積分器

308:反饋增益模塊

309:一次延遲模塊

310,404:加算器

311:換算增益模塊

603:增益模塊

610:電流控制部

800:直流電源

900:交流電力系統

Io:電流測定值

｜Io｜ref:電流指令值

Pe:電氣輸出能

Pgov:指令值補正項

Pm:機械輸入能

Pout:有效電力值

Pref:有效電力指令值 Tmi:輸入端子 Tmo:輸出端子 Vfo:變流器電壓測定值 Vinvref:變流器電壓指令值 Vo:系統電壓測定值 Vref:振幅指令值 f_vsg:變流器電壓頻率 f_pll:系統電壓頻率

圖1為顯示有關實施形態1之電力轉換裝置的整體構成之方塊圖。 圖2為顯示圖1之控制部的內部構成之一例之方塊圖。 圖3為顯示圖2之頻率同步控制部、VSG控制部、及有效電力指令值切換部的具體構成之一例之控制方塊圖。 圖4為顯示圖2之電壓控制部及電壓振幅指令值切換部的內部構成之一例之控制方塊圖。 圖5為說明藉由圖2的投入判定部所進行之投入判定處理(投入判定程序)的流程之流程圖。 圖6為顯示有關實施形態2之電力轉換裝置的控制部之內部構成的一例之方塊圖。 圖7為顯示圖6之電壓控制部的內部構成之一例之控制方塊圖。

110:控制部

204:頻率．相位檢測部

205:有效電力計算部

206:頻率同步控制部

207:VSG控制部

208:投入判定部

209:電壓控制部

210:電壓指令值計算部

211:閘驅動訊號產生部

212:有效電力指令值切換部

213:電壓振幅指令值切換部

f_pll:系統電壓頻率

f_vsg:變流器電壓頻率

Io:電流測定值

Pout:有效電力值

Pref:有效電力指令值

Vo:系統電壓測定值

Vfo:變流器電壓測定值

Vref:振幅指令值

｜V｜ref:電壓振幅指令值

｜Vinv｜:變流器電壓振幅

Vinvref:變流器電壓指令值

θ_pll:系統電壓相位

θ_vsg:變流器電壓相位

Sgg:閘驅動訊號

Sgr:投入繼電器控制訊號

Sgs1,Sgs2:切換訊號

Claims (6)

1. 一種電力轉換裝置，將來自直流電源的直流電壓朝向交流電力系統轉換為交流電壓，具備：變流器，其將前述直流電壓轉換為前述交流電壓；繼電器，其在導通狀態與非導通狀態之間選擇性切換前述變流器與前述交流電力系統的連接狀態；控制部，其接收前述繼電器與前述交流電力系統之間的第1電壓之第1測定值、前述繼電器與前述變流器之間的第2電壓之第2測定值、及在前述變流器與前述交流電力系統之間流通之電流的測定值，控制前述變流器及前述繼電器，前述控制部，包含：電壓控制部，其以趨近電壓振幅目標值的方式控制前述第2電壓的振幅；有效電力計算部，其使用前述第1測定值與前述電流的測定值，計算出輸出到前述交流電力系統之有效電力值；虛擬同步發電機控制部，其藉由將前述有效電力值及有效電力目標值分別對應同步發電機的轉子運動方程式之電氣能及機械能模擬前述同步發電機的動作，產生前述第2電壓的頻率之第1指令值及前述第2電壓的相位之第2指令值；檢測部，其從前述第1測定值檢測出前述第1電壓的相位；及判定部，其在投入條件成立情況下控制前述繼電器，將前述連接狀態從前述非導通狀態切換成前述導通狀態，前述投入條件包含：前述第1測定值的絕對值與前述第2測定值的絕對值之振幅差包含在第1容許範圍之所謂第1條件、及前述第1電壓的相位與前述第2指令值之相位差包含在第2容許範圍之所謂第2條件。
2. 如請求項1所述之電力轉換裝置，其中前述檢測部從前述第1測定值檢測出前述第1電壓的頻率， 前述投入條件進一步包含：前述第1電壓的頻率與前述第1指令值之頻率差包含在第3容許範圍之所謂第3條件。
3. 如請求項1所述之電力轉換裝置，其中前述控制部在前述第1條件成立，而且前述第2條件不成立的情況下，將利用前述檢測部檢測出之前述第1電壓的相位設定為前述第2指令值。
4. 如請求項1至3項中任一項所述之電力轉換裝置，其中前述判定部在前述投入條件繼續成立的時間間隔超過基準時間間隔的情況下，控制前述繼電器將前述連接狀態從前述非導通狀態切換成前述導通狀態。
5. 如請求項1至3項中任一項所述之電力轉換裝置，其中前述控制部進一步包含：頻率同步控制部，其使用前述第1電壓的頻率與前述第2電壓的頻率之頻率差，計算出前述有效電力目標值，前述虛擬同步發電機控制部在前述連接狀態為前述非導通狀態情況下使用利用前述頻率同步控制部所算出之前述有效電力目標值，在前述連接狀態為前述導通狀態情況下使用預先設定的值或從前述控制部的外部輸入的值作為前述有效電力目標值。
6. 如請求項1至3項中任一項所述之電力轉換裝置，其中前述電壓控制部在前述連接狀態為前述非導通狀態情況下使用前述第1電壓的振幅作為前述電壓振幅目標值，在前述連接狀態為前述導通狀態情況下使用預先設定的值或從前述控制部的外部輸入的值作為前述電壓振幅目標值。

Images