WO2022162948A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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シャムセ ムハンマド バニ
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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Definitions

  • the present invention relates to a power converter.
  • a power conversion device (PCS: Power Conditioning Subsystem, etc.) equipped with an inverter that converts DC power supplied from a DC power supply such as a solar battery into AC power based on a PWM (Pulse Width Modulation) signal is known.
  • PCS Power Conditioning Subsystem, etc.
  • PWM Pulse Width Modulation
  • the inverter output power (active power/reactive power) and the load power match perfectly when the circuit breaker on the grid side is opened, the inverter operates at a power factor of 100%.
  • the current supplied from the inverter to the load is maintained at the current before islanding occurs, and the terminal voltage and frequency may not change. Therefore, the power converter may continue the islanding operation without being able to detect that it is in the islanding operation.
  • Power converters have problems such as the possibility of electric shock to the human body, mechanical failure, or overcurrent when reclosing when the islanding operation continues. In order to prevent the power converter from continuing the islanding operation, it is necessary to detect that the power converter is in the islanding operation.
  • a method for detecting that the power converter is in islanding operation is, for example, the slip mode frequency shift method (SMFS).
  • the slip mode frequency shift method is a method for detecting that the power converter is in islanding operation by detecting a frequency abnormality using reactive power (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the present invention has been made to solve the above problems, and an object thereof is to provide a power converter capable of stopping the inverter early in the event of islanding.
  • a power converter determines whether or not an inverter that converts DC power supplied from a DC power supply into AC power and a negative-phase voltage on the AC side of the inverter are equal to or greater than a predetermined value. and a stop control unit that controls to stop the inverter when the decision unit determines that the negative-sequence voltage is equal to or higher than a predetermined value.
  • the stop control unit controls to stop the inverter when the positive-sequence voltage on the AC side of the inverter is within a predetermined range.
  • the inverter can be stopped early in the event of islanding.
  • FIG. 4 is a graph showing the relationship between a negative-sequence voltage and a q-axis negative-sequence current command; (a) is a graph showing changes in the d-axis positive sequence current and the q-axis positive sequence current. (b) is a graph showing changes in positive-sequence voltage and negative-sequence voltage. (c) is a graph showing how the reversed-phase current changes. It is a graph which illustrates the time which it took until the power converter device concerning one embodiment stopped an inverter.
  • (a) is a graph illustrating frequency variation in a slip mode frequency shifting scheme
  • (b) is a graph illustrating the relationship between the d-axis positive-sequence current and the q-axis positive-sequence current in the slip mode frequency shift method.
  • (c) is a graph illustrating the time until a gate block signal that stops the inverter is output in the slip mode frequency shifting scheme;
  • FIG. 6 is a graph illustrating the results of stopping the islanding of the power converter by the slip mode frequency shift scheme.
  • FIG. 6(a) is a graph illustrating frequency changes in a slip mode frequency shifting scheme.
  • FIG. 6B is a graph illustrating the relationship between the d-axis positive sequence current and the q-axis positive sequence current in the slip mode frequency shift method.
  • FIG. 6(c) is a graph illustrating the time until the gate block signal that stops the inverter is output in the slip mode frequency shift scheme.
  • the inverter is stopped when the frequency of the power converter adopting the slip mode frequency shift method drops from 60 Hz during normal operation to 53 Hz (UF protection level) or less.
  • the q-axis positive sequence current of the power converter changes to Varies as shown. Note that the d-axis positive sequence current does not fluctuate much.
  • the power converter that employs the slip mode frequency shift method outputs a gate block signal to the inverter to stop the inverter.
  • a power conversion apparatus that adopts the slip mode frequency shift method takes 1.6 s from the time of islanding until the gate block signal is output, for example, as shown in FIG. 6(c).
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a power conversion device 1 and its periphery according to an embodiment.
  • the power conversion device 1 is provided between a DC power supply 2 and an AC power supply (power grid) 3, and converts DC power into three-phase AC power.
  • the DC power supply 2 is, for example, a solar cell module.
  • the AC power supply 3 is also generally called a power system.
  • a transformer 40, an RLC load 41, a circuit breaker 42, and an AC reactor 43 are connected between the power converter 1 and the AC power supply 3.
  • the power converter 1 includes, for example, an inverter 10, a power controller 11, an islanding controller 12, a reverse phase output current controller 13, a current controller 14, and a PWM drive circuit 15.
  • the inverter 10 is interposed between the DC power supply 2 and the AC power supply 3 and forms a series circuit together with them. Inverter 10 converts the DC power supplied from DC power supply 2 into AC power based on a PWM signal (described later). Inverter 10 may be, for example, a three-phase voltage source inverter circuit including a plurality of semiconductor switching elements.
  • the power control unit 11 performs control to match the active power and reactive power with respect to a preset power standard, and outputs the controlled active power and reactive power to the current control unit 14 .
  • the islanding control unit 12 When the islanding control unit 12 receives the negative-sequence voltage ( vo_n ) and the positive-sequence voltage ( vo_p ) from the output of the inverter 10, the q-axis negative-sequence current command ( ioq_n_ref ) is applied to the negative-sequence output current control. 13 and outputs the gate block signal to the PWM drive circuit 15 .
  • the islanding control unit 12 receives the negative-sequence voltage ( vo_n ) and the positive-sequence voltage ( vo_p ) from the output of the inverter 10.
  • the q-axis negative-sequence current command ioq_n_ref
  • the negative-phase output current control unit 13 controls the q-axis negative-phase current and outputs it to the current control unit 14 .
  • the current control unit 14 When the current control unit 14 receives the controlled active power and reactive power from the power control unit 11 and the q-axis negative-phase current from the negative-phase output current control unit 13 , the current control unit 14 issues a current command to the PWM drive circuit 15 . print the value.
  • the PWM driving circuit 15 generates a pulse width modulation signal (PWM signal) according to the current command value of the current control section 14. Then, PWM drive circuit 15 transmits this PWM signal to inverter 10 as a drive signal (gate signal) for the semiconductor switching element.
  • PWM signal pulse width modulation signal
  • FIG. 2 is a block diagram showing a specific configuration example of the islanding control unit 12. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the islanding control unit 12 includes a current command unit 5, a measurement unit 6, a determination unit 7, and a stop control unit 8, for example.
  • the current command unit 5 When receiving the negative-phase voltage ( vo_n ), the current command unit 5 calculates a q-axis negative-phase current command ( ioq_n_ref ) and outputs it to the negative-phase output current control unit 13 . For example, the current command unit 5 outputs a q-axis negative-sequence current command ( ioq_n_ref ) according to the negative-sequence voltage ( vo_n ), as shown in FIG.
  • the measurement unit 6 ( FIG. 2 ) measures the input negative-phase voltage ( vo_n ) and outputs the measurement result to the determination unit 7 .
  • FIG. 4 is a graph showing an example of an operation state when the measuring unit 6 measures the negative-sequence voltage ( vo_n ) in islanding operation.
  • FIG. 4A is a graph showing changes in the d-axis positive sequence current and the q-axis positive sequence current.
  • FIG. 4(b) is a graph showing changes in the positive-sequence voltage ( vo_p ) and the negative-sequence voltage ( vo_n ).
  • FIG.4(c) is a graph which shows the change condition of a negative sequence current.
  • the d-axis positive sequence current and the q-axis positive sequence current do not change much even in islanding.
  • the positive phase voltage does not change much, but the negative phase voltage changes.
  • the negative sequence current increases in islanding operation.
  • the inverter 10 injects the negative-sequence current, and the negative-sequence voltage further rises.
  • the negative-sequence current increases, the negative-sequence voltage also increases, and the increase in the negative-sequence voltage further increases the negative-sequence current.
  • the determination unit 7 determines whether or not the negative-phase voltage ( vo_n ) measured by the measurement unit 6 is equal to or greater than a predetermined determination value, and outputs the determination result to the stop control unit 8 . That is, the determination unit 7 determines whether or not the negative-sequence voltage on the AC side of the inverter 10 is equal to or higher than a predetermined value.
  • the stop control unit 8 includes a condition determination unit 80, an AND circuit 82, and a delay element 84, and controls the PWM drive circuit 15. For example, the stop control unit 8 controls to stop the inverter 10 when the determination unit 7 determines that the negative-sequence voltage is equal to or higher than a predetermined value.
  • condition determination unit 80 determines whether or not the input positive-sequence voltage ( vo_p ) satisfies, for example, 0.9 ⁇ vo_p ⁇ 1.1 , and outputs the determination result to the AND circuit 82. Output for In other words, the condition determination unit 80 determines whether or not the positive-sequence voltage is within the normal range, not the unbalanced operating state (unbalanced short circuit).
  • the stop control unit 8 controls to stop the inverter 10 when the positive phase voltage on the AC side of the inverter 10 is within a predetermined range.
  • the determining unit 7 determines that the negative-sequence voltage is equal to or greater than a predetermined value, and the condition determining unit 80 determines that the positive-sequence voltage ( vo_p ) is, for example, 0.9 ⁇ vo_p ⁇ 1.1 . If determined, it outputs a gate block signal to the PWM drive circuit 15 .
  • the delay element 84 is an element that imparts a delay in order to stabilize the control operation, and imparts a delay of several ms, for example.
  • the power converter 1 injects a negative-sequence current based on the positive-sequence voltage ( vo_p ) and the negative-sequence voltage ( vo_n ) to increase the negative-sequence voltage, Inverter 10 can be stopped at high speed.
  • FIG. 5 is a graph illustrating the time taken by the power conversion device 1 according to one embodiment to stop the inverter 10.
  • the islanding control unit 12 can output the gate block signal to the PWM driving circuit 15 within 50 ms after the islanding operation.
  • the power converter 1 includes the islanding control unit 12 that controls to stop the inverter 10 when the determination unit 7 determines that the negative-sequence voltage is equal to or higher than a predetermined value. Therefore, when islanding occurs, the inverter can be stopped early.
  • each function of the control performed by the power conversion device 1 may be configured partially or entirely by hardware such as a PLD (Programmable Logic Device) or an FPGA (Field Programmable Gate Array), or a processor such as a CPU. may be configured as a program executed by
  • control performed by the power converter 1 according to the present invention can be realized using a computer and a program, and the program can be recorded on a storage medium or provided through a network.
  • SYMBOLS 1... Power converter, 2... DC power supply, 3... AC power supply, 5... Current command part, 6... Measurement part, 7... Judgment part, 8... Stop control Part, 10... Inverter, 11... Power control part, 12... Individual operation control part, 13... Negative phase output current control part, 14... Current control part, 15... PWM drive Circuit 40 Transformer 41 RLC load 42 Circuit breaker 43 AC reactor 80 Condition determination unit 82 AND circuit 84 Delay element

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Abstract

一実施形態にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、逆相電圧が所定値以上であると判定部が判定した場合に、インバータを停止させるように制御する停止制御部とを有することを特徴とする。また、停止制御部は、インバータの交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、インバータを停止させるように制御してもよい。

Description

電力変換装置
　本発明は、電力変換装置に関する。
　太陽電池などの直流電源から供給される直流電力をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に基づいて交流電力に変換するインバータを備えた電力変換装置（ＰＣＳ：Power Conditioning Subsystemなど）が知られている。
　このような電力変換装置は、系統側の遮断器が開放された場合に、インバータ出力電力（有効電力・無効電力）と負荷電力が完全に一致していると、インバータは力率１００％で運転を行い、インバータから負荷へ供給される電流が単独運転発生前の電流に保たれ、端子電圧や周波数がほとんど変化しないことがある。そのため、電力変換装置は、単独運転となっていることを検出できず、単独運転を継続することがある。
　電力変換装置は、単独運転を継続している場合、人体への感電、機械の故障、又は再閉路時に過電流が発生する可能性があることなどの問題がある。電力変換装置が単独運転を継続することを防止するためには、電力変換装置が単独運転となっていることを検出する必要がある。
　電力変換装置が単独運転となっていることを検出する方式には、例えばスリップモード周波数シフト方式（ＳＭＦＳ）がある。スリップモード周波数シフト方式は、無効電力を用いて周波数異常を検出することにより、電力変換装置が単独運転となっていることを検出する方式である（例えば非特許文献１参照）。
岡土千尋、外３名、「太陽光発電用インバータの新しい単独運転検出保護」、Ｔ．ＩＥＥ　Ｊａｐａｎ、Ｖｏｌ.１１４－Ｂ　Ｎｏ．７／８　’９４、p. 732-738
　しかしながら、近年は、電力変換装置の通常運転における周波数範囲が広がっており、早期に単独運転を検出することが課題となっている。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、単独運転となった場合に、早期にインバータを停止させることができる電力変換装置を提供することを目的とする。
　本発明の一態様にかかる電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、逆相電圧が所定値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記インバータを停止させるように制御する停止制御部とを有することを特徴とする。
　また、本発明の一態様にかかる電力変換装置は、前記停止制御部が、前記インバータの交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、前記インバータを停止させるように制御することを特徴とする。
　本発明によれば、単独運転となった場合に、早期にインバータを停止させることができる。
一実施形態にかかる電力変換装置及びその周辺の構成例を示す図である。 単独運転制御部の具体的な構成例を示すブロック図である。 逆相電圧とｑ軸逆相電流指令の関係を示すグラフである。 （ａ）は、ｄ軸正相電流とｑ軸正相電流の変化状況を示すグラフである。（ｂ）は、正相電圧と逆相電圧の変化状況を示すグラフである。（ｃ）は、逆相電流の変化状況を示すグラフである。 一実施形態にかかる電力変換装置がインバータを停止させるまでにかかった時間を例示するグラフである。 （ａ）は、スリップモード周波数シフト方式における周波数の変化を例示するグラフである。（ｂ）は、スリップモード周波数シフト方式におけるｄ軸正相電流とｑ軸正相電流との関係を例示するグラフである。（ｃ）は、スリップモード周波数シフト方式においてインバータを停止させるゲートブロック信号が出力されるまでの時間を例示するグラフである。
　まず、本発明がなされるに至った背景について、より具体的に説明する。図６は、スリップモード周波数シフト方式によって電力変換装置の単独運転を停止させた結果を例示するグラフである。図６（ａ）は、スリップモード周波数シフト方式における周波数の変化を例示するグラフである。図６（ｂ）は、スリップモード周波数シフト方式におけるｄ軸正相電流とｑ軸正相電流との関係を例示するグラフである。図６（ｃ）は、スリップモード周波数シフト方式においてインバータを停止させるゲートブロック信号が出力されるまでの時間を例示するグラフである。
　ここでは、スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置の周波数が通常運転時の６０Ｈｚから５３Ｈｚ（ＵＦ保護レベル）以下に低下した場合に、インバータを停止させることとする。スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置は、周波数が例えば図６（ａ）に示したように低下して５３Ｈｚ以下になると、電力変換装置のｑ軸正相電流が図６（ｂ）に示したように変動する。なお、ｄ軸正相電流は、あまり変動しない。
　その結果、スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置は、インバータに対するゲートブロック信号を出力し、インバータを停止させる。スリップモード周波数シフト方式を採用する電力変換装置は、単独運転になったときからゲートブロック信号が出力されるまでに、例えば図６（ｃ）に示したように１．６ｓかかってしまう。
　次に、図面を用いて電力変換装置の一実施形態を説明する。図１は、一実施形態にかかる電力変換装置１及びその周辺の構成例を示す図である。
　例えば、電力変換装置１は、直流電源２と交流電源（電力グリッド）３との間に設けられ、直流電力を三相の交流電力に変換する。直流電源２は、例えば太陽電池モジュールなどである。交流電源３は、一般に電力系統とも呼ばれる。
　電力変換装置１と交流電源３との間には、例えばトランス４０、ＲＬＣ負荷４１、遮断器４２、及び交流リアクトル４３が接続されている。
　電力変換装置１は、例えばインバータ１０、電力制御部１１、単独運転制御部１２、逆相出力電流制御部１３、電流制御部１４、及びＰＷＭ駆動回路１５を備える。
　インバータ１０は、直流電源２と交流電源３との間に介在し、これらとともに直列回路を形成している。そして、インバータ１０は、直流電源２から供給される直流電力をＰＷＭ信号（後述）に基づいて交流電力に変換する。なお、インバータ１０は、例えば複数の半導体スイッチング素子を含む三相電圧型インバータ回路であってもよい。
　電力制御部１１は、予め設定された電力基準に対し、有効電力と無効電力を合わせるように制御を行い、制御した有効電力と無効電力を電流制御部１４に対して出力する。
　単独運転制御部１２は、インバータ１０の出力からの逆相電圧（ｖo_n）及び正相電圧（ｖo_p）を入力されると、ｑ軸逆相電流指令（ｉoq_n_ref）を逆相出力電流制御部１３に対して出力し、ゲートブロック信号をＰＷＭ駆動回路１５に対して出力する。なお、単独運転制御部１２の具体的な構成例については、図２を用いて後述する。
　逆相出力電流制御部１３は、単独運転制御部１２からｑ軸逆相電流指令（ｉoq_n_ref）を入力されると、ｑ軸逆相電流を制御して電流制御部１４へ出力する。
　電流制御部１４は、電力制御部１１から制御した有効電力と無効電力を入力され、逆相出力電流制御部１３からｑ軸逆相電流を入力されると、ＰＷＭ駆動回路１５に対して電流指令値を出力する。
　ＰＷＭ駆動回路１５は、電流制御部１４の電流指令値に従ってパルス幅変調信号（ＰＷＭ信号）を生成する。そして、ＰＷＭ駆動回路１５は、このＰＷＭ信号を半導体スイッチング素子の駆動信号（ゲート信号）としてインバータ１０に伝達する。
　図２は、単独運転制御部１２の具体的な構成例を示すブロック図である。図２に示すように、単独運転制御部１２は、例えば電流指令部５、測定部６、判定部７、及び停止制御部８を備える。
　電流指令部５は、逆相電圧（ｖo_n）を入力されると、ｑ軸逆相電流指令（ｉoq_n_ref）を算出して逆相出力電流制御部１３へ出力する。例えば、電流指令部５は、図３に示したように、逆相電圧（ｖo_n）に応じてｑ軸逆相電流指令（ｉoq_n_ref）を出力する。
　測定部６（図２）は、入力された逆相電圧（ｖo_n）を測定し、測定結果を判定部７に対して出力する。
　図４は、単独運転になった場合の測定部６が逆相電圧（ｖo_n）を測定する場合の動作状況例を示すグラフである。図４（ａ）は、ｄ軸正相電流とｑ軸正相電流の変化状況を示すグラフである。図４（ｂ）は、正相電圧（ｖo_p）と逆相電圧（ｖo_n）の変化状況を示すグラフである。図４（ｃ）は、逆相電流の変化状況を示すグラフである。
　図４（ａ）に示すように、単独運転になっても、ｄ軸正相電流とｑ軸正相電流は、あまり変化しない。図４（ｂ）に示すように、単独運転になると、正相電圧はあまり変化しないが、逆相電圧が変化する。図４（ｃ）に示すように、単独運転になると、逆相電流が増加する。
　このとき、逆相電圧がわずかに上昇すると、インバータ１０が逆相電流を注入し、逆相電圧がさらに上昇する。逆相電流が増加すると逆相電圧も増加し、逆相電圧が増加したことによって、さらに逆相電流も増加する。
　判定部７は、測定部６が測定した逆相電圧（ｖo_n）が予め定められた判定値以上となったか否かを判定し、判定結果を停止制御部８に対して出力する。つまり、判定部７は、インバータ１０の交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する。
　停止制御部８は、条件判定部８０、論理積回路８２、及びディレイ素子８４を備え、ＰＷＭ駆動回路１５に対する制御を行う。例えば、停止制御部８は、逆相電圧が所定値以上であると判定部７が判定した場合に、インバータ１０を停止させるように制御する。
　具体的には、条件判定部８０は、入力された正相電圧（ｖo_p）が例えば０．９≦ｖo_p≦１．１であるか否かを判定し、判定結果を論理積回路８２に対して出力する。つまり、条件判定部８０は、アンバランスな動作状態（不平衡短絡）でなく、正相電圧が通常範囲内に収まっているか否かを判定している。
　したがって、停止制御部８は、インバータ１０の交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、インバータ１０を停止させるように制御する。
　論理積回路８２は、逆相電圧が所定値以上であると判定部７が判定し、正相電圧（ｖo_p）が例えば０．９≦ｖo_p≦１．１であると条件判定部８０が判定した場合に、ＰＷＭ駆動回路１５に対するゲートブロック信号を出力する。
　ディレイ素子８４は、制御動作を安定させるために遅延を付与する素子であり、例えば数ｍｓの遅延を付与する。
　したがって、電力変換装置１は、単独運転が発生した場合、正相電圧（ｖo_p）と逆相電圧（ｖo_n）に基づいて、逆相電流を注入して逆相電圧を上昇させることにより、インバータ１０を高速に停止させることができる。
　図５は、一実施形態にかかる電力変換装置１がインバータ１０を停止させるまでにかかった時間を例示するグラフである。図５に示したように、電力変換装置１は、単独運転になったときから５０ｍｓの時間で単独運転制御部１２がゲートブロック信号をＰＷＭ駆動回路１５に対して出力することができる。
　このように、一実施形態にかかる電力変換装置１は、逆相電圧が所定値以上であると判定部７が判定した場合に、インバータ１０を停止させるように制御する単独運転制御部１２を備えているので、単独運転となった場合に、早期にインバータを停止させることができる。
　なお、電力変換装置１が行う制御の各機能は、それぞれ一部又は全部がＰＬＤ（Programmable Logic Device）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のハードウェアによって構成されてもよいし、ＣＰＵ等のプロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。
　また、本発明にかかる電力変換装置１が行う制御は、コンピュータとプログラムを用いて実現することができ、プログラムを記憶媒体に記録することも、ネットワークを通して提供することも可能である。
　１・・・電力変換装置、２・・・直流電源、３・・・交流電源、５・・・電流指令部、６・・・測定部、７・・・判定部、８・・・停止制御部、１０・・・インバータ、１１・・・電力制御部、１２・・・単独運転制御部、１３・・・逆相出力電流制御部、１４・・・電流制御部、１５・・・ＰＷＭ駆動回路、４０・・・トランス、４１・・・ＲＬＣ負荷、４２・・・遮断器、４３・・・交流リアクトル、８０・・・条件判定部、８２・・・論理積回路、８４・・・ディレイ素子

Claims (2)

  1. 　直流電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータと、
    　前記インバータの交流側における逆相電圧が所定値以上であるか否かを判定する判定部と、
    　逆相電圧が所定値以上であると前記判定部が判定した場合に、前記インバータを停止させるように制御する停止制御部と
    　を有することを特徴とする電力変換装置。
  2. 　前記停止制御部は、
    　前記インバータの交流側における正相電圧が所定の範囲内である場合に、前記インバータを停止させるように制御すること
    　を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
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