WO2012114468A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

 系統母線(7)と連系する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、電流指令値(Iivr0)を制限するリミッタ(23)のリミット値を小さくする。

Description

電力変換装置

 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。

米国特許第6921985号明細書

 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、前記インバータ回路に入力される直流電力を計測する直流電力計測手段と、前記直流電力計測手段により計測された直流電力及び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、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算する交流電流指令値演算手段と、前記電圧低下検出手段により電圧低下を検出した場合、前記交流電流指令値演算手段により演算された前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくする電流制限手段とを備えている。

図1は、本発明の第1の実施形態に係るインバータの制御装置を適用した分散型電源システム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の制御装置を適用した分散型電源システム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を適用した分散型電源システム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を適用した分散型電源システムの構成を示す構成図である。

 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。

 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、例えば、2次電池、太陽電池、又は燃料電池などである。

 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、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、電流指令値演算部22と、リミッタ23と、電流制御部24、PWM制御部25と、電圧低下検知部26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を電流指令演算部22に出力する。

 電流指令演算部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。電流指令演算部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を制御するための電流指令値Iivr0を演算する。電流指令演算部22は、演算した電流指令値Iivr0をリミッタ23に出力する。

 電圧低下検知部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。電圧低下検知部26は、系統電圧Vrに基づいて、リミッタ23に検知信号Sdを出力する。電圧低下検知部26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26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。

 リミッタ23には、電流指令演算部22により演算された電流指令値Iivr0が入力される。リミッタ23は、電流指令値Iivr0をリミット値で制限する。リミッタ23は、制限した電流指令値Iivrを電流制御部24に出力する。

 リミッタ23には、2つのリミット値が設定されている。リミッタ23は、電圧低下検知部26から入力される検知信号Sdにより、リミット値が切り替る。通常時(検知信号Sdが「0」のとき)は、リミッタ23は、インバータ1の出力電流の許容範囲で最大の電流値をリミット値として、電流指令値Iivr0を制限する。系統電圧の低下時(検知信号Sdが「1」のとき)は、リミッタ23は、通常時よりも低いリミット値で、電流指令値Iivr0を制限する。

 次に、系統電圧Vrの低下時に用いるリミット値の求め方について説明する。

 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。

 リミット値は、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。

 電流制御部24には、交流電流検出器71により検出された出力電流Iiv及びリミッタ23により制限された電流指令値Iivrが入力される。電流制御部24は、インバータ1の出力電流Iivが電流指令値Iivrに追従するように、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、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に制御するためのゲート信号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。

 本実施形態によれば、電圧低下検知部26により電圧低下を検知して、電流指令値Iivr0を制限するリミット値を通常よりも小さくすることで、インバータ1の出力電流Iivを小さくすることができる。これにより、インバータ1の出力電流Iivのリプルが過電流継電器72の整定値を超えないようにすることができる。これにより、過電流継電器72の不要動作を防止することができる。

 制御装置2は、電力指令演算部21により演算された電力指令値Prを出力させるようにインバータ1を制御する。従って、電流指令値Iivr0を制限するリミット値を小さくすると、インバータ1の出力電圧は大きくなる。系統母線7が系統事故等により電圧低下した場合において、インバータ1の出力電圧を大きくするような制御は、通常行われるインバータ1の出力電圧を小さくする制御とは、反対の制御である。しかしながら、制御装置2は、系統電圧Vrの電圧低下時のみ、敢えてインバータ1の出力電流を小さく抑えることで、インバータ1の出力電流Iivのリプルによる過電流継電器72の不要動作を防止することができる。

(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。

 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、リミッタ23をリミッタ23Aに代え、電圧低下検知部26を電圧低下量演算部27及びリミット値演算部28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27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27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27は、演算した電圧低下量ΔVをリミット値演算部28に出力する。

 リミット値演算部28には、電圧低下量演算部27により演算された電圧低下量ΔVが入力される。リミット値演算部28は、電圧低下量ΔVに基づいて、リミット値Lrを演算する。リミット値Lrは、電圧低下量ΔVが大きい程、小さくなるように算出される。リミット値演算部28は、演算したリミット値Lrをリミッタ23Aに出力する。

 リミッタ23Aは、リミット値演算部28により演算されたリミット値Lrで、電流指令値Iivr0を制限する。その他は、第1の実施形態に係るリミッタ23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、電流指令値Iivr0を制限するリミット値Lrを変えることで、過電流継電器72を動作させない最低限のリミット値Lrで、出力電流Iivを制限することができる。これにより、第1の実施形態よりも、インバータ1の出力電圧を不必要に高くすることを防止することができる。

(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。

 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、電流指令値演算部22、リミッタ23、電流制御部24、PWM制御部25、電圧低下検知部26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。

 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。

 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、リミッタ23を第2の実施形態に係るリミッタ23Aに代え、電圧低下検知部26を第2の実施形態に係る電圧低下量演算部27及び第2の実施形態に係るリミット値演算部28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20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、電圧低下量ΔVに基づいて、リミット値Lrを演算したが、予め設定されている複数のリミット値から選択する構成でもよい。電圧低下量ΔVに対応するリミット値を選択することで、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、リミット値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、リミット値は、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になる。

 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)

  1.  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、
     前記インバータ回路に入力される直流電力を計測する直流電力計測手段と、
     前記直流電力計測手段により計測された直流電力及び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、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算する交流電流指令値演算手段と、
     前記電圧低下検出手段により電圧低下を検出した場合、前記交流電流指令値演算手段により演算された前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくする電流制限手段と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2.  前記電流制限手段は、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前記電流制限値から小さくなる前記電流制限値を選択すること
    を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  3.  前記電流制限手段は、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前記電流制限値を小さくすること
    を特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
  4.  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。
  5.  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。
  6.  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、
     前記インバータ回路に入力される直流電力を計測する直流電力計測手段と、
     前記直流電力計測手段により計測された直流電力及び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、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算する交流電流指令値演算手段と、
     前記電圧低下検出手段により電圧低下を検出した場合、前記交流電流指令値演算手段により演算された前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくする電流制限手段と
    を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  7.  前記電流制限手段は、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前記電流制限値から小さくなる前記電流制限値を選択すること
    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。
  8.  前記電流制限手段は、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前記電流制限値を小さくすること
    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。
  9.  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、
     前記インバータ回路に入力される直流電力の電力量及び計測した系統電圧に基づいて、前記インバータ回路から出力される交流電流を制御するための交流電流指令値を演算し、
     前記交流電力系統の電圧低下を検出した場合、演算した前記交流電流指令値を制限する電流制限値を小さくすること
    を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  10.  前記交流電流指令値の制限は、前記交流電力系統の電圧低下を検出した場合、設定されている複数の前記電流制限値のうち前記交流電力系統の電圧低下を検出していない場合の前記電流制限値よりも小さい前記電流制限値を選択すること
    を含む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。
  11.  前記交流電流指令値の制限は、前記交流電力系統の電圧低下を検出した場合、前記交流電力系統の電圧低下量に応じて前記電流制限値を小さくすること
    を含む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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