WO2012114467A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Definitions
- the overcurrent relay used in this way may perform the following unnecessary operations.
- the overcurrent relay When the system voltage decreases due to an accident or the like in the AC power system, the amplitude of the ripple of the AC current output from the power converter increases.
- the overcurrent relay operates when the instantaneous value due to the amplitude of the current ripple exceeds the settling value. There are things to do. In this case, the overcurrent relay performs an unnecessary operation.
- the control device 2 includes a power command calculation unit 21, a current control unit 22, a gate signal generation unit 23, a carrier wave generation unit 24, and a voltage drop detection unit 25.
- FIG. 2 is a configuration diagram showing a configuration of a distributed power supply system 10A to which the control device 2A for the inverter 1 according to the second embodiment of the present invention is applied.
- the carrier wave generation unit 24A modulates the frequency of the carrier wave so that the frequency command value fr calculated by the carrier frequency modulation unit 27 is obtained.
- the carrier wave generation unit 24A generates a carrier wave at a frequency modulated to the frequency command value fr.
- the carrier wave generation unit 24A outputs the generated carrier wave to the gate signal generation unit 23. Others are the same as those of the carrier wave generator 24 according to the first embodiment.
- the carrier wave by modulating the frequency of the carrier wave according to the voltage drop amount ⁇ V, the carrier wave can be generated at a minimum frequency that does not cause the overcurrent relay 72 to operate. Accordingly, since the frequency is not increased more than necessary, the failure rate of the switching element of the inverter 1 can be reduced as compared with the first embodiment.
- the wind power generator 11 is a power generator that generates AC power using wind power.
- the wind power generator 11 supplies the generated AC power to the power conditioner 20.
- the power conditioner 20 is a power conversion device that converts AC power supplied from the wind power generator 11 into AC power synchronized with the system voltage Vr.
- the power conditioner 20 supplies the converted AC power to the system bus 7 via the interconnection transformer 6.
- the same effect as the second embodiment can be obtained in the power conditioner 20C of the wind power generation system.
- the frequency of the carrier wave and the equation for obtaining it may not be based on the above equation (1).
- the frequency of the carrier wave may be obtained by an empirical rule or know-how.
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Abstract
系統母線(7)と連系するための分散型電源システム(10)に適用されるインバータ(1)であって、系統母線(7)の系統電圧(Vr)を計測し、計測した系統電圧(Vr)に基づいて、系統母線(7)の電圧低下を検出し、電圧低下を検出した場合、搬送波の周波数を高くし、インバータ(1)の出力電流(Iiv)を制御するための信号波を生成し、搬送波と信号波とを比較し、ゲート信号(Gt)を生成し、生成したゲート信号(Gt)に基づいて、PWM制御による電力変換をする。
Description
本発明は、交流電力系統と連系する電源システムに適用される電力変換装置に関する。
一般に、交流電力系統と連系する電源システムに、電力変換装置が用いられる。電力変換装置は、直流電力を交流電力系統に同期した交流電力に変換して、交流電力系統に供給する。また、電力変換装置の交流出力側には、電力変換装置を保護するため、過電流継電器が設けられている。
しかし、このように用いられる過電流継電器は、次のような不要動作をすることがある。交流電力系統が事故等により、系統電圧が低下すると、電力変換装置から出力される交流電流のリプルの振幅が大きくなる。これにより、過電流継電器が動作する整定値を基本波成分の電流の瞬時値が超えていないにも係わらず、電流のリプルの振幅による瞬時値が整定値を超えることで、過電流継電器が動作することがある。この場合、過電流継電器は、不要動作をすることになる。
本発明の目的は、交流電力系統と連系する電源システムに適用され、交流出力側に設けられた過電流継電器の不要動作を防止することのできる電力変換装置を提供することにある。
本発明の観点に従った電力変換装置は、交流電力系統と連系する電源システムに適用される電力変換装置であって、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路と、前記交流電力系統の系統電圧を計測する系統電圧計測手段と、前記系統電圧計測手段により計測された系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、搬送波を発生させる搬送波発生手段と、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、前記搬送波発生手段により発生させる搬送波の周波数を高くする搬送波周波数変調手段と、前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成する信号波生成手段と、前記搬送波発生手段により発生した前記搬送波と前記信号波生成手段により生成された前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、前記ゲート信号生成手段により生成された前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調により電力変換制御するための電力変換制御手段とを備える。
以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係るインバータ1の制御装置2を適用した分散型電源システム10の構成を示す構成図である。なお、図中における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
図1は、本発明の第1の実施形態に係るインバータ1の制御装置2を適用した分散型電源システム10の構成を示す構成図である。なお、図中における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。以降の実施形態も同様にして重複した説明を省略する。
分散型電源システム10は、インバータ1と、制御装置2と、直流電源3と、平滑コンデンサ4と、交流フィルタ5と、連系トランス6と、交流電流検出器71と、過電流継電器72と、交流電圧検出器73と、及び直流電圧検出器74とを備えている。分散型電源システム10は、系統母線7及び交流電源8を備える交流電力系統と連系する電源システムである。
直流電源3は、インバータ1に直流電力を供給する。直流電源3は、インバータ1に直流電力を供給できるものであれば何でも良い。直流電源3は、例えば、2次電池、太陽電池、又は燃料電池などである。なお、直流電源3は、交流電力を直流電力に変換して、インバータ1に供給するコンバータ等でもよい。
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、直流電源3から供給される直流電力を交流電源8と同期する交流電力に変換する。インバータ1は、連系トランス6を介して、交流電源8が接続されている系統母線7に交流電力を供給する。インバータ1は、電力変換回路(インバータ回路)がスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子は、制御装置2から出力されるゲート信号Gtにより駆動される。これにより、インバータ1は、電力変換を行う。
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、直流電源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。
交流フィルタ5は、リアクトル51及びコンデンサ52を備えている。交流フィルタ5は、インバータ1から出力されるノイズを除去する。
交流電流検出器71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71は、検出した出力電流Iivを制御装置2及び過電流継電器72に検出信号として出力する。
過電流継電器72は、交流電流検出器71により計測された出力電流Iivの瞬時値が予め設定されている整定値を超えると、保護動作する。
交流電圧検出器73は、系統母線7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73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。
直流電圧検出器74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74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75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75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。
制御装置2は、電力指令演算部21と、電流制御部22と、ゲート信号生成部23と、搬送波発生部24と、電圧低下検知部25とを備えている。
電力指令演算部21は、直流電圧検出器74により検出された直流電圧Vdc、及び直流電流検出器75により検出された直流電流Idcに基づいて、電力指令値Prを演算する。電力指令値Prは、インバータ1の出力電力に対する指令値である。電力指令演算部21は、演算した電力指令値Prを電流制御部22に出力する。
電流制御部22には、電力指令演算部21により演算された電力指令値Pr、交流電流検出器71により検出された出力電流Iiv、及び交流電圧検出器73により検出された系統電圧Vrが入力される。電流制御部22は、インバータ1の出力電力が電力指令値Prに追従するように、出力電流Iivを制御するための演算処理部である。電流制御部22は、電力指令値Pr、出力電流Iiv、及び系統電圧Vrに基づいて、電圧指令値Vivrを演算する。電圧指令値Vivrは、インバータ1の出力電圧に対する指令値である。電流制御部22は、演算した電圧指令値Vivrを信号波としてゲート信号生成部23に出力する。信号波は、正弦波である。
電圧低下検知部25には、交流電圧検出器73により検出された系統電圧Vrが入力される。電圧低下検知部25は、系統電圧Vrに基づいて、搬送波発生部24に検知信号Sdを出力する。電圧低下検知部25は、系統電圧Vrが所定の基準電圧以上の時(通常時)は、検知信号Sdを「0」にする。電圧低下検知部25は、系統電圧Vrが所定の基準電圧を下回ると(系統電圧Vrの低下時)、検知信号Sdを「1」にする。
搬送波発生部24には、電圧低下検知部25から検知信号Sdが入力される。搬送波発生部24には、予め異なる2つの周波数が設定されている。検知信号Sdが「0」の場合(通常時)、2つの周波数のうち低い周波数が選択される。検知信号Sdが「1」の場合(系統電圧の低下時)、2つの周波数のうち高い周波数が選択される。搬送波発生部24は、検知信号Sdにより選択された周波数で、三角波を搬送波として発生させる。搬送波発生部24は、発生させた搬送波をゲート信号生成部23に出力する。
次に、系統電圧Vrの低下時に用いる搬送波の周波数の決定方法について説明する。
インバータ1の出力電流Iivに重畳される電流リプルは、次式に基づいて発生する。
di/dt=ΔV/L …式(1)
ここで、左辺は、インバータ1の出力電流Iivの変化率である。Lは、インバータ1と系統母線7との間のリアクトル成分である。ΔVは、系統電圧Vrの電圧低下量である。
ここで、左辺は、インバータ1の出力電流Iivの変化率である。Lは、インバータ1と系統母線7との間のリアクトル成分である。ΔVは、系統電圧Vrの電圧低下量である。
搬送波の周波数は、上記の式に基づいて予測される電流リプルを抑制するように設定される。
ゲート信号生成部23には、電流制御部22により演算された電圧指令値Vivr及び搬送波発生部24により発生させた搬送波が入力される。ゲート信号生成部23は、信号波である正弦波と搬送波である三角波を比較して、パルス波を発生させる。ゲート信号生成部23は、発生させたパルス波をゲート信号Gtとして、インバータ1に出力する。ゲート信号Gtは、インバータ1の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の出力電圧が制御される。
本実施形態によれば、連系されている電力系統の系統電圧が低下すると、高い周波数の搬送波で、ゲート信号Gtが生成される。これにより、インバータ1から出力される電流のリプルの振幅を小さくすることができる。
また、系統電圧Vrの低下時にのみ搬送波を高い周波数にすることで、常に高い周波数の搬送波を用いる場合と比較して、インバータ1のスイッチング素子の故障率を低減することができる。
(第2の実施形態)
図2は、本発明の第2の実施形態に係るインバータ1の制御装置2Aを適用した分散型電源システム10Aの構成を示す構成図である。
図2は、本発明の第2の実施形態に係るインバータ1の制御装置2Aを適用した分散型電源システム10Aの構成を示す構成図である。
分散型電源システム10Aは、図1に示す第1の実施形態に係る分散型電源システム10において、制御装置2を制御装置2Aに代えている。その他は、第1の実施形態に係る分散型電源システム10と同様である。
制御装置2Aは、第1の実施形態に係る制御装置2において、搬送波発生部24を搬送波発生部24Aに代え、電圧低下検知部25を電圧低下量演算部26及び搬送周波数変調部27に代えている。その他は、第1の実施形態に係る制御装置2と同様である。
電圧低下量演算部26には、交流電圧検出器73により検出された系統電圧Vrが入力される。電圧低下量演算部26は、系統電圧Vrが所定の基準電圧を下回ると(系統電圧の低下時)、定格電圧から系統電圧Vrを引いた電圧低下量ΔVを演算する。電圧低下量演算部26は、演算した電圧低下量ΔVを搬送周波数変調部27に出力する。
搬送周波数変調部27には、電圧低下量演算部26により演算された電圧低下量ΔVが入力される。搬送周波数変調部27は、電圧低下量ΔVに基づいて、周波数指令値frを演算する。周波数指令値frは、電圧低下量ΔVが大きい程、高くなるように算出される。搬送周波数変調部27は、演算した周波数指令値frを搬送波発生部24Aに出力する。
電圧低下量ΔVに基づいて周波数指令値frを算出するための演算式は、第1の実施形態と同様に導出する。
搬送波発生部24Aは、搬送周波数変調部27により演算された周波数指令値frになるように搬送波の周波数を変調する。搬送波発生部24Aは、周波数指令値frに変調した周波数で、搬送波を発生させる。搬送波発生部24Aは、発生させた搬送波をゲート信号生成部23に出力する。その他は、第1の実施形態に係る搬送波発生部24と同様である。
本実施形態によれば、電圧低下量ΔVに応じて、搬送波の周波数を変調することで、過電流継電器72を動作させない最低限の高さの周波数で搬送波を発生させることができる。これにより、必要以上に周波数を高くしないため、第1の実施形態よりも、インバータ1のスイッチング素子の故障率を低減することができる。
(第3の実施形態)
図3は、本発明の第3の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナー20を適用した分散型電源システム10Bの構成を示す構成図である。
図3は、本発明の第3の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナー20を適用した分散型電源システム10Bの構成を示す構成図である。
分散型電源システム10Bは、図1に示す第1の実施形態に係る分散型電源システム10において、制御装置2を制御装置2Bに代え、直流電源3を風力発電機11及びコンバータ12に代え、交流電流検出器76を追加した構成である。パワーコンディショナー20は、インバータ1と、コンバータ12と、制御装置2Bと、平滑コンデンサ4と、交流フィルタ5とを備えた構成である。その他は、第1の実施形態に係る分散型電源システム10と同様である。
風力発電機11は、風力を利用して交流電力を発電する発電機である。風力発電機11は、発電した交流電力をパワーコンディショナー20に供給する。
パワーコンディショナー20は、風力発電機11から供給された交流電力を系統電圧Vrに同期した交流電力に変換する電力変換装置である。パワーコンディショナー20は、変換した交流電力を系統母線7に連系トランス6を介して供給する。
コンバータ12の直流側は、インバータ1の直流側と直流リンク13で接続されている。即ち、コンバータ12及びインバータ1は、BTB(back to back)変換器を構成している。コンバータ12の交流側は、風力発電機11と接続されている。コンバータ12は、風力発電機11により発電された交流電力を直流電力に変換して、インバータ1に供給する。
コンバータ12は、PWM制御されるインバータである。コンバータ12は、電力変換回路がスイッチング素子で構成されている。スイッチング素子は、制御装置2Bのコンバータ制御部31から出力されるゲート信号Gtにより駆動される。これにより、コンバータ12は、電力変換を行う。
制御装置2Bは、第1の実施形態に係る制御装置2において、電力指令値生成部21の代わりに、コンバータ制御部31を設けた構成である。インバータ制御部32は、電流制御部22、ゲート信号生成部23、搬送波発生部24、及び電圧低下検知部25により構成されている。その他は、第1の実施形態に係る制御装置2と同様である。
交流電流検出器76は、風力発電機11からコンバータ12に入力される交流電流Igを計測するための検出器である。交流電流検出器76は、検出した交流電流Igをコンバータ制御部31に検出信号として出力する。
コンバータ制御部31には、交流電流検出器76により検出された交流電流Ig、直流電圧検出器74により検出された直流電圧Vdc、及び直流電流検出器75により検出された直流電流Idcが入力される。
コンバータ制御部31は、交流電流検出器76により検出された交流電流Ig、直流電圧検出器74により検出された直流電圧Vdc、及び直流電流検出器75により検出された直流電流Idcに基づいて、コンバータ12を制御するためのゲート信号Gtcを生成する。コンバータ制御部31は、生成したゲート信号Gtcを出力して、コンバータ12のスイッチング素子を駆動する。これにより、コンバータ12の出力電力が制御される。
コンバータ制御部31は、インバータ1を制御するための電力指令値Prを演算する。コンバータ制御部31は、演算した電力指令値Prを電流制御部22に出力する。
本実施形態によれば、風力発電システムのパワーコンディショナー20において、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
(第4の実施形態)
図4は、本発明の第4の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナー20Cを適用した分散型電源システム10Cの構成を示す構成図である。
図4は、本発明の第4の実施形態に係る風力発電システムのパワーコンディショナー20Cを適用した分散型電源システム10Cの構成を示す構成図である。
分散型電源システム10Cは、図3に示す第3の実施形態に係る分散型電源システム10Bにおいて、パワーコンディショナー20をパワーコンディショナー20Cに代えている。その他は、第3の実施形態に係る分散型電源システム10Bと同様である。
パワーコンディショナー20Cは、第3の実施形態に係るパワーコンディショナー20の制御装置2Bにおいて、搬送波発生部24を第2の実施形態に係る搬送波発生部24Aに代え、電圧低下検知部25を第2の実施形態に係る電圧低下量演算部26及び第2の実施形態に係る搬送周波数変調部27に代えている。その他は、第3の実施形態に係るパワーコンディショナー20Bと同様である。
本実施形態によれば、風力発電システムのパワーコンディショナー20Cにおいて、第2の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、第2の実施形態及び第4の実施形態では、搬送波の周波数を電圧低下量ΔVに基づいて演算した周波数指令値frに変調させたが、予め設定されている複数の周波数を選択する構成でもよい。電圧低下量ΔVに対応する周波数を選択することで、各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
また、第3の実施形態及び第4の実施形態では、風力発電機11を用いた構成を説明したが、これに限らない。交流電力を発電する発電機であれば、風力以外のエネルギーを利用する発電機(例えば、水力発電機)でもよい。
さらに、各実施形態において、搬送波の周波数及びこれを求める式は、上記(1)式に基づかなくてもよい。例えば、搬送波の周波数は、経験則又はノウハウによって求めてもよい。
また、各実施形態において、分散型電源システム10と交流電力系統との間に設けられた連系トランス6は無くてもよい。この場合、交流電圧検出器73により検出される電圧は、交流電流検出器71により検出される電流と同じ測定箇所の電気量である。
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。
本発明によれば、交流電力系統と連系する電源システムに適用され、交流出力側に設けられた過電流継電器の不要動作を防止することのできる電力変換装置を提供することができる。
Claims (11)
- 交流電力系統と連系する電源システムに適用される電力変換装置であって、
直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路と、
前記交流電力系統の系統電圧を計測する系統電圧計測手段と、
前記系統電圧計測手段により計測された系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
搬送波を発生させる搬送波発生手段と、
前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、前記搬送波発生手段により発生させる搬送波の周波数を高くする搬送波周波数変調手段と、
前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成する信号波生成手段と、
前記搬送波発生手段により発生した前記搬送波と前記信号波生成手段により生成された前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、
前記ゲート信号生成手段により生成された前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調により電力変換制御するための電力変換制御手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、設定されている複数の周波数から高くなる周波数を選択すること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、電圧低下量に応じて周波数を決定すること
を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記インバータ回路に直流電力を供給する直流電源
を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 交流電力を供給する交流電源と、
前記インバータ回路に直流電力を供給するために、前記交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータ回路と
を備えたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 交流電力系統と連系する電源システムに適用され、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路を備えた電力変換装置を制御する電力変換装置の制御装置であって、
前記交流電力系統の系統電圧を計測する系統電圧計測手段と、
前記系統電圧計測手段により計測された系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出する電圧低下検出手段と、
搬送波を発生させる搬送波発生手段と、
前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、前記搬送波発生手段により発生させる搬送波の周波数を高くする搬送波周波数変調手段と、
前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成する信号波生成手段と、
前記搬送波発生手段により発生した前記搬送波と前記信号波生成手段により生成された前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成するゲート信号生成手段と、
前記ゲート信号生成手段により生成された前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調による制御をする制御手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。 - 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、設定されている複数の周波数から高くなる周波数を選択すること
を特徴とする請求項6に記載の電力変換装置の制御装置。 - 前記搬送波周波数変調手段は、前記電圧低下検出手段により電圧低下が検出された場合、電圧低下量に応じて周波数を決定すること
を特徴とする請求項6に記載の電力変換装置の制御装置。 - 交流電力系統と連系するための電源システムに適用され、直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子で構成されたインバータ回路を備えた電力変換装置を制御する電力変換装置の制御方法であって、
前記交流電力系統の系統電圧を計測し、
計測した系統電圧に基づいて、前記交流電力系統の電圧低下を検出し、
搬送波を発生させ、
電圧低下を検出した場合、前記搬送波の周波数を高くし、
前記インバータ回路から出力される交流電力を制御するための信号波を生成し、
発生させた前記搬送波と生成した前記信号波とを比較し、前記スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を生成し、
生成した前記ゲート信号に基づいて、前記インバータ回路をパルス幅変調による制御をすること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 前記搬送波の周波数は、電圧低下を検出した場合、設定されている複数の周波数から高くなる周波数を選択すること
を特徴とする請求項9に記載の電力変換装置の制御方法。 - 前記搬送波の周波数は、電圧低下を検出した場合、電圧低下量に応じて周波数を決定すること
を特徴とする請求項9に記載の電力変換装置の制御方法。
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