WO2023112231A1 - 電力変換装置及びプログラム - Google Patents

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雪菜 秋山
駿介 河内
悠生 工藤
容子 坂内
廣次 鳥羽
憲史 三ッ本
大輔 竹田
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株式会社東芝
東芝エネルギーシステムズ株式会社
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode

Definitions

  • the embodiment of the present invention relates to a power converter and a program.
  • GFM Grid Forming
  • GFL Grid Following
  • System formation type control (hereinafter referred to as GFM control) is control that maintains the amplitude and phase of the output voltage of the inverter power supply at predetermined set values.
  • System tracking type control (hereinafter referred to as GFL control) is control that causes the amplitude and phase of the output voltage of the inverter power supply to follow the amplitude and phase of the voltage of a predetermined power system. GFM control and GFL control as described above may be switched according to the usage status of the inverter power supply.
  • the phase and amplitude of the output voltage fluctuate greatly when switching from GFL control to GFM control, and the operation of the inverter power supply may become unstable.
  • the problem to be solved by the embodiments of the present invention is to provide a power converter and a program capable of improving stability when switching control methods.
  • the power conversion device of the embodiment includes a conversion unit, a system formation control unit, a system tracking control unit, a modulation unit, a switching unit, and a synchronization adjustment unit.
  • the conversion unit converts DC power output from the power supply into AC power and outputs the AC power.
  • the system configuration control unit generates a first modulation command for changing the amplitude and phase of the output voltage by system configuration control that maintains the amplitude and phase of the output voltage from the conversion unit at predetermined set values.
  • the system tracking control unit issues a second modulation command for changing the amplitude and phase of the output voltage by system tracking control that causes the amplitude and phase of the output voltage to follow the amplitude and phase of the system voltage, which is the voltage of a predetermined power system. Generate.
  • the modulation section changes the amplitude and phase of the output voltage based on the first modulation command or the second modulation command.
  • the switching unit switches input to the modulating unit so that either one of the first modulation command and the second modulation command is input to the modulating unit.
  • the synchronization adjustment unit adjusts the difference between the target amplitude of the first modulation command and the amplitude of the system voltage to be equal to or less than a threshold, and the first modulation The first modulation command is corrected such that the difference between the target frequency of the command and the frequency of the system voltage is equal to or less than the threshold and the difference between the target phase of the first modulation command and the phase of the system voltage is equal to or less than the threshold.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of composition of a power system of an embodiment.
  • FIG. 2 is a block diagram illustrating an example of a hardware configuration of the power converter according to the embodiment;
  • FIG. 3 is a block diagram illustrating an example of the functional configuration of the power converter according to the embodiment;
  • FIG. 4 is a control block diagram showing an example of processing in the GFM control unit of the embodiment.
  • FIG. 5 is a control block diagram showing an example of processing in the synchronization adjustment unit of the embodiment.
  • FIG. 6 is a flowchart illustrating an example of processing when switching from GFL control to GFM control of the power converter according to the embodiment.
  • FIG. 1 is a block diagram showing an example of the configuration of the power system 1 of the embodiment.
  • the power system 1 includes an inverter power supply 11 , a transformer 12 and a power system 13 .
  • the power system 1 may be, for example, a so-called microgrid system or the like that configures an independent power system 13 using distributed power sources including a plurality of power sources such as the inverter power source 11 .
  • the inverter power supply 11 includes a power supply 20 and a power conversion device 21 .
  • the power supply 20 is a unit that outputs direct current power, and may be, for example, a power generator using renewable energy (for example, sunlight, wind power, etc.), a storage battery, or the like.
  • the power conversion device 21 is a device that converts the DC power output from the power supply 20 into AC power and outputs the AC power.
  • a plurality of power sources 20 may be connected to one power conversion device 21 .
  • the power conversion device 21 of the present embodiment performs GFM control (system formation control) that maintains the amplitude and phase of the output voltage at predetermined set values, and adjusts the amplitude and phase of the output voltage to the amplitude and phase of the voltage of the power system 13. It has a function of appropriately switching and executing GFL control (system follow-up control) to be followed.
  • GFM control system formation control
  • the AC power output from the inverter power supply 11 (power conversion device 21 ) is stepped up by the transformer 12 and then output to the power system 13 .
  • the transformer 12 may not be required.
  • FIG. 2 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of the power converter 21 of the embodiment.
  • the power conversion device 21 illustrated here includes a power conversion circuit 31, a high frequency filter circuit 32, and a control device 33 (an example of an information processing device).
  • the power conversion circuit 31 is a circuit that converts the DC power output from the power supply 20 into AC power, and can be configured using, for example, a converter circuit, a PWM (Pulse Width Modulation) circuit, or the like.
  • the high-frequency filter circuit 32 is a circuit (for example, a reactor) that performs high-frequency filter (low-pass filter) processing on the output of the power conversion circuit 31 .
  • the control device 33 is an integrated circuit that includes a CPU (Central Processing Unit), memory, etc., and executes predetermined arithmetic processing and control processing according to a program stored in the memory.
  • the control device 33 may be configured using an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), an FPGA (Field Programmable Gate Array), or the like.
  • the power conversion circuit 31 changes the amplitude and phase of the output voltage based on the modulation command output from the control device 33 .
  • the control device 33 performs GFM control or GFL control based on the feedback signal of the output from the power conversion circuit 31, the system voltage information regarding the voltage of the power system 13, and the like, and the output power P out from the power conversion device 21 (output voltage V s ) to vary the amplitude and phase.
  • the control device 33 is effective based on the reactor current I L flowing through the high frequency filter circuit 32, the output current I S from the high frequency filter circuit 32, the output voltage V S from the high frequency filter circuit 32, and the like. Calculate power and reactive power.
  • control device 33 of the present embodiment has a function of switching between GFM control and GFL control according to a predetermined condition, improvement of stability at the time of switching from GFL control to GLM control (for example, suppression of sudden fluctuations in output voltage). etc.), it has a function to correct the modulation command.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the functional configuration of the power conversion device 21 of the embodiment.
  • the power conversion device 21 of this embodiment includes a conversion unit 101 , a GFM control unit 102 (system formation control unit), a GFL control unit 103 (system tracking control unit), a modulation unit 104 and a switching unit 105 .
  • These functional components 101 to 105 can be configured by, for example, cooperation of hardware elements as illustrated in FIG. 2 and software elements such as programs for controlling the control device 33 .
  • the conversion unit 101 outputs output power (effective output power) Pout obtained by converting the DC power output from the power supply 20 into AC power. At this time, the amplitude and phase of the output voltage VS from the converter 101 are adjusted by the modulator 104 .
  • the GFM control unit 102 performs GFM control to maintain the amplitude and phase of the output voltage VS at predetermined set values, and issues a first modulation command for changing the amplitude and phase of the output voltage VS by the GFM control. Generate.
  • the GFL control unit 103 performs GFL control in which the amplitude and phase of the output voltage VS follow the amplitude and phase of the voltage (system voltage) of a predetermined power system (for example, the power system 13). A second modulation command is generated to vary the amplitude and phase of VS.
  • the switching unit 105 switches the input to the modulation unit 104 so that either the first modulation command or the second modulation command is input to the modulation unit 104 according to a switching signal output from a predetermined control mechanism. switch.
  • the modulation section 104 changes the amplitude and phase of the output voltage VS based on the first modulation command or the second modulation command.
  • the GFM control section 102 of this embodiment includes a voltage control section 111 , a phase control section 112 and a synchronization adjustment section 113 .
  • Voltage control unit 111 generates an amplitude command indicating a target value for the amplitude of output voltage VS calculated by GFM control.
  • Phase control unit 112 generates a phase command indicating a target value of the phase of output voltage VS calculated by GFM control.
  • the first modulation command is generated based on the amplitude command generated by voltage control section 111 and the phase command generated by phase control section 112 .
  • Synchronization adjustment section 113 corrects the first modulation command so as to suppress variations in output voltage VS when switching from GFL control to GFM control.
  • the synchronization adjustment unit 113 of the present embodiment determines that the difference between the target amplitude of the first modulation command and the amplitude of the system voltage is equal to or less than the threshold before the input to the modulation unit 104 is switched from the second modulation command to the first modulation command. and the difference between the target frequency of the first modulation command and the frequency of the system voltage is equal to or less than the threshold, and the difference between the target phase of the first modulation command and the phase of the system voltage is equal to or less than the threshold. Correct the directive.
  • FIG. 4 is a control block diagram showing an example of processing in the GFM control unit 102 of the embodiment.
  • the voltage control unit 111 calculates an amplitude command offset value V offset by QV droop control for a value obtained by subtracting the reactive power output value Q out from the reactive power command value Q ref .
  • a first amplitude set value V1 is calculated by adding a reference amplitude set value Vset , an amplitude command offset value Voffset , and an amplitude command correction value Vcorr (an example of an amplitude correction signal) described later.
  • a second amplitude set value V2 is calculated by automatic voltage regulation processing (AVR: Automatic Voltage Regulator) for a value obtained by subtracting the d-axis system amplitude Vsd from the first amplitude set value V1 .
  • AVR Automatic Voltage Regulator
  • the inverter output d-axis amplitude command value Vdref an example of the target amplitude
  • the inverter output q-axis amplitude command value V dref as the q-axis amplitude command is 0 in normal times (for example, when GFM control is executed in a predetermined stable state).
  • the frequency ⁇ 1 is calculated by Pf droop control or VSG (Virtual Synchronous Generator) control for a value obtained by subtracting the active power output value Pout from the active power command value Pref .
  • a deviation ⁇ m between a value obtained by adding the frequency ⁇ 1 and a frequency command correction value F corr (an example of a frequency correction signal) to be described later and the reference frequency ⁇ 0 of the inverter output voltage frequency is calculated.
  • Inverter output voltage phase ⁇ GFM An example of the target phase
  • s is the Laplacian operator.
  • An inverter output voltage command value V ref_GFM as a first modulation command is generated based on the inverter output d-axis amplitude command value V dref , the inverter output q-axis amplitude command value V qref , and the inverter output voltage phase ⁇ GFM .
  • the GFL control unit 103 generates an inverter output voltage command value Vref_GFL as a second modulation command by predetermined GFL control using PLL (Phase Locked Loop) or the like. Based on the switching signal, the switching unit 105 switches the input to the PWM 120 that modulates the output voltage VS so that either the inverter output voltage command value V ref_GFM or the inverter output voltage command value V ref_GFL is input. .
  • the synchronization adjustment unit 113 controls the system amplitude V grid indicating the amplitude of the system voltage, the system frequency F grid indicating the frequency of the system voltage, the system phase ⁇ grid indicating the phase of the system voltage, and the inverter output voltage command value V as a feedback signal.
  • Amplitude command correction value V corr and frequency command correction value F corr are generated based on ref_GFM .
  • the amplitude command correction value V corr is the difference between the system amplitude V grid and the inverter output d-axis amplitude command value V dref when the input to the PWM 120 is switched from the inverter output voltage command value V ref_GFL to the inverter output voltage command value V ref_GFM .
  • the frequency command correction value F corr is the difference between the system frequency F grid and the inverter output voltage frequency ⁇ m when the input to the PWM 120 is switched from the inverter output voltage command value V ref_GFL to the inverter output voltage command value V ref_GFM . is generated so that the frequency difference is small. That is, the amplitude command correction value V corr is generated so that the correction amount for the inverter output d-axis amplitude command value V dref increases as the amplitude difference increases, and the frequency command correction value F corr increases as the frequency difference increases. It is generated so that the amount of correction for the voltage frequency ⁇ m is large.
  • the synchronization adjustment unit 113 determines that the amplitude difference, which is the difference between the system amplitude V grid and the inverter output d-axis amplitude command value V dref , is equal to or less than the threshold, and the difference between the system frequency F grid and the inverter output voltage frequency ⁇ m
  • a condition achievement notification signal is output to the switching unit 115 when a certain frequency difference is equal to or less than the threshold and the phase difference, which is the difference between the system phase ⁇ grid and the inverter output voltage phase ⁇ GFM , is equal to or less than the threshold.
  • Switching unit 115 switches the input to PWM 120 from inverter output voltage command value V ref_GFL to inverter output voltage command value V ref_GFM after receiving the condition achievement notification signal.
  • FIG. 5 is a control block diagram showing an example of processing in the synchronization adjustment unit 113 of the embodiment.
  • the synchronization adjustment section 113 of this embodiment includes a voltage adjustment section 201 and a frequency adjustment section 202 .
  • a transfer function of a first-order lag element with a predetermined time constant T corr is applied to a value obtained by subtracting inverter output d-axis amplitude command value V dref from system amplitude V grid .
  • s in FIG. 5 is the Laplacian operator.
  • the value after processing by the transfer function of the first-order lag element becomes the amplitude command correction value V corr .
  • the amplitude command correction value V corr is reset to 0 after completion of switching from GFL control to GFM control.
  • the value obtained by subtracting the inverter output voltage frequency ⁇ m from the system frequency F grid is subjected to proportional gain processing with a predetermined constant K corr_P , and the value after the proportional gain processing is adjusted to the value after the proportional gain processing at a predetermined time.
  • a first-order lag transfer function with constant T corr is applied.
  • the sum of the value after processing by the transfer function of the first-order lag element and the predetermined bias frequency F bias becomes the frequency command correction value F corr .
  • the frequency command correction value F corr is reset to 0 after completion of switching from GFL control to GFM control.
  • the process of adding the bias frequency F bias prevents the frequency command correction value F corr from becoming 0 before switching from GFL control to GFM control.
  • the system frequency F grid and the frequency of the output voltage V S do not change and the phase difference (phase difference) between the two does not change, and the condition that the phase difference is equal to or less than the threshold value is not satisfied. can be avoided.
  • FIG. 6 is a flowchart showing an example of processing when switching from GFL control to GFM control of the power conversion device 21 of the embodiment.
  • Synchronization adjustment unit 113 determines whether or not GFL control is being executed (whether or not the second modulation command is input to modulation unit 104) (S101), and if GFL control is not being executed (S101: No) , terminate this routine.
  • GFL control is being executed (S101: Yes)
  • the synchronization adjustment unit 113 determines whether or not a switching signal for switching to GFM control has been received (S102), and the switching signal to GFM control has not been received. If so (S103: No), the routine ends.
  • the synchronization adjustment unit 113 acquires the system voltage information (system amplitude V grid , system frequency F grid , and system phase ⁇ grid ) acquired from the power system 13, and Based on the first modulation command (inverter output voltage command value Vref_GFM ), the amplitude difference ⁇ V, frequency difference ⁇ F, and phase difference ⁇ are calculated (S103). After that, the synchronization adjustment unit 113 determines whether the amplitude difference ⁇ V is equal to or less than the threshold TV, the frequency difference ⁇ F is equal to or less than the threshold TF , and the phase difference ⁇ is equal to or less than the threshold T ⁇ (S104). ).
  • synchronization adjustment unit 113 When the amplitude difference ⁇ V is equal to or less than the threshold TV , the frequency difference ⁇ F is equal to or less than the threshold TF , and the phase difference ⁇ is equal to or less than the threshold T ⁇ (S104: Yes), switching from GFL control to GLM control is performed. is executed (S105). Specifically, synchronization adjustment unit 113 outputs a condition achievement notification signal to switching unit 115, and switching unit 115, upon receiving the condition achievement notification signal, changes the input to PWM 120 from inverter output voltage command value Vref_GFL to inverter output. Switch to the voltage command value V ref_GFM .
  • step S103 is executed again based on the corrected inverter output voltage command value Vref_GFM .
  • the first modulation command (inverter output voltage command value V ref_GFM ) is corrected. This makes it possible to suppress sudden fluctuations in the output voltage when switching from GFL control to GFM control, and improve stability when switching control methods.
  • the program for realizing the functions of the power conversion device 21 of the above-described embodiment is mainly provided by being pre-installed in the storage device provided in the power conversion device 21, but not limited to this, the installable format Alternatively, it may be configured to be provided by recording it in a computer-readable recording medium such as a CD-ROM, flexible disk (FD), CD-R, DVD (Digital Versatile Disc), etc. in an executable format file.
  • a computer-readable recording medium such as a CD-ROM, flexible disk (FD), CD-R, DVD (Digital Versatile Disc), etc.
  • the storage medium is not limited to a medium independent of a computer or an embedded system, but also includes a storage medium in which programs transmitted via LAN, Internet, etc. are downloaded and stored or temporarily stored.
  • the program may be stored on a computer connected to a network such as the Internet, and may be provided by being downloaded via the network, or may be configured to be provided or distributed via a network such as the Internet. may

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Abstract

電力変換装置は変換部と系統形成制御部と系統追従制御部と変調部と切替部と同期調整部とを備える。系統形成制御部は第１変調指令を生成する。系統追従制御部は第２変調指令を生成する。変調部は第１変調指令又は第２変調指令に基づいて出力電圧の振幅及び位相を変化させる。切替部は第１変調指令又は第２変調指令のどちらか一方が変調部に入力されるように変調部への入力を切り替える。同期調整部は変調部への入力が第２変調指令から第１変調指令に切り替えられる前に、第１変調指令の目標振幅と系統電圧の振幅との差分が閾値以下となり、且つ第１変調指令の目標周波数と系統電圧の周波数との差分が閾値以下となり、且つ第１変調指令の目標位相と系統電圧の位相との差分が閾値以下となるように第１変調指令を補正する。

Description

電力変換装置及びプログラム
　本発明の実施形態は、電力変換装置及びプログラムに関する。
　近年、再生可能エネルギーを利用した発電機、蓄電池等の電源から出力される直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ電源の利用が進められている。インバータ電源の制御方式として、系統形成（ＧＦＭ:Grid　Forming）型及び系統追従（ＧＦＬ：Grid　Following）型が知られている。系統形成型の制御（以下、ＧＦＭ制御と記載する）は、インバータ電源の出力電圧の振幅及び位相を所定の設定値に維持する制御である。系統追従型の制御（以下、ＧＦＬ制御と記載する）は、インバータ電源の出力電圧の振幅及び位相を所定の電力系統の電圧の振幅及び位相に追従させる制御である。上記のようなＧＦＭ制御及びＧＦＬ制御は、インバータ電源の使用状況等に応じて切り替えられる場合がある。
国際公開第２０１５／０７０４９３号
　しかしながら、従来技術においては、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御への切り替え時に出力電圧の位相や振幅が大きく変動し、インバータ電源の動作が不安定になる可能性がある。
　本発明の実施形態が解決しようとする課題は、制御方式の切り替え時における安定性を向上させることが可能な電力変換装置及びプログラムを提供することにある。
　実施形態の電力変換装置は、変換部と、系統形成制御部と、系統追従制御部と、変調部と、切替部と、同期調整部とを備える。変換部は、電源から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する。系統形成制御部は、変換部からの出力電圧の振幅及び位相を所定の設定値に維持する系統形成制御により出力電圧の振幅及び位相を変化させるための第１変調指令を生成する。系統追従制御部は、出力電圧の振幅及び位相を所定の電力系統の電圧である系統電圧の振幅及び位相に追従させる系統追従制御により出力電圧の振幅及び位相を変化させるための第２変調指令を生成する。変調部は、第１変調指令又は第２変調指令に基づいて出力電圧の振幅及び位相を変化させる。切替部は、第１変調指令又は第２変調指令のどちらか一方が変調部に入力されるように変調部への入力を切り替える。同期調整部は、変調部への入力が第２変調指令から第１変調指令に切り替えられる前に、第１変調指令の目標振幅と系統電圧の振幅との差分が閾値以下となり、且つ第１変調指令の目標周波数と系統電圧の周波数との差分が閾値以下となり、且つ第１変調指令の目標位相と系統電圧の位相との差分が閾値以下となるように、第１変調指令を補正する。
図１は、実施形態の電力システムの構成の一例を示すブロック図である。 図２は、実施形態の電力変換装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 図３は、実施形態の電力変換装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 図４は、実施形態のＧＦＭ制御部における処理の一例を示す制御ブロック図である。 図５は、実施形態の同期調整部における処理の一例を示す制御ブロック図である。 図６は、実施形態の電力変換装置のＧＦＬ制御からＧＦＭ制御への切り替え時における処理の一例を示すフローチャートである。
　以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。
　図１は、実施形態の電力システム１の構成の一例を示すブロック図である。電力システム１は、インバータ電源１１、変圧器１２、及び電力系統１３を含む。電力システム１は、例えば、インバータ電源１１等の複数の電源を含む分散電源を利用して自立した電力系統１３を構成する、いわゆるマイクログリッドシステム等であり得る。
　インバータ電源１１は、電源２０及び電力変換装置２１を含む。電源２０は、直流電力を出力するユニットであり、例えば、再生可能エネルギー（例えば太陽光、風力等）を利用した発電機、蓄電池等であり得る。電力変換装置２１は、電源２０から出力される直流電力を交流電力に変換して出力する装置である。なお、１つの電力変換装置２１に複数の電源２０が接続されてもよい。
　本実施形態の電力変換装置２１は、出力電圧の振幅及び位相を所定の設定値を維持するＧＦＭ制御（系統形成制御）と、出力電圧の振幅及び位相を電力系統１３の電圧の振幅及び位相に追従させるＧＦＬ制御（系統追従制御）とを適宜切り替えて実行する機能を備える。
　インバータ電源１１（電力変換装置２１）から出力された交流電力は、変圧器１２により昇圧された後、電力系統１３に出力される。なお、インバータ電源１１や電力系統１３の特性によっては変圧器１２が不要となる場合がある。
　図２は、実施形態の電力変換装置２１のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。ここで例示する電力変換装置２１は、電力変換回路３１、高周波フィルタ回路３２、及び制御装置３３（情報処理装置の一例）を備える。
　電力変換回路３１は、電源２０から出力された直流電力を交流電力に変換する回路であり、例えば、コンバータ回路、ＰＷＭ（Pulse　Width　Modulation）回路等を利用して構成され得る。高周波フィルタ回路３２は、電力変換回路３１の出力に対して高周波フィルタ（ローパスフィルタ）処理を行う回路（例えばリアクトル）である。制御装置３３は、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit）、メモリ等を含み、メモリに記憶されたプログラムに従って所定の演算処理や制御処理を実行する集積回路である。制御装置３３は、ＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、ＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）等を利用して構成されてもよい。
　電力変換回路３１は、制御装置３３から出力される変調指令に基づいて出力電圧の振幅及び位相を変化させる。制御装置３３は、電力変換回路３１からの出力のフィードバック信号、電力系統１３の電圧に関する系統電圧情報等に基づいてＧＦＭ制御又はＧＦＬ制御を行い、電力変換装置２１からの出力電力Ｐｏｕｔ（出力電圧ＶＳ）の振幅及び位相を変化させる変調指令を生成する。ここで例示する構成においては、制御装置３３は、高周波フィルタ回路３２を流れるリアクトル電流ＩＬ、高周波フィルタ回路３２からの出力電流ＩＳ、高周波フィルタ回路３２からの出力電圧ＶＳ等に基づいて有効電力及び無効電力を算出する。
　また、本実施形態の制御装置３３は、ＧＦＭ制御とＧＦＬ制御とを所定の条件に応じて切り替える機能、ＧＦＬ制御からＧＬＭ制御への切り替え時における安定性の向上（例えば出力電圧の急変動の抑制等）を図るために変調指令を補正する機能等を有する。
　図３は、実施形態の電力変換装置２１の機能構成の一例を示すブロック図である。本実施形態の電力変換装置２１は、変換部１０１、ＧＦＭ制御部１０２（系統形成制御部）、ＧＦＬ制御部１０３（系統追従制御部）、変調部１０４、及び切替部１０５を備える。これらの機能的構成要素１０１～１０５は、例えば、図２に例示したようなハードウェア要素と、制御装置３３を制御するプログラム等のソフトウェア要素との協働により構成され得る。
　変換部１０１は、電源２０から出力された直流電力を交流電力に変換した出力電力（有効出力電力）Ｐｏｕｔを出力する。このとき、変換部１０１からの出力電圧ＶＳの振幅及び位相は、変調部１０４により調整される。
　ＧＦＭ制御部１０２は、出力電圧ＶＳの振幅及び位相を所定の設定値に維持するＧＦＭ制御を実行し、当該ＧＦＭ制御により出力電圧ＶＳの振幅及び位相を変化させるための第１変調指令を生成する。ＧＦＬ制御部１０３は、出力電圧ＶＳの振幅及び位相を所定の電力系統（例えば電力系統１３）の電圧（系統電圧）の振幅及び位相に追従させるＧＦＬ制御を実行し、当該ＧＦＬ制御により出力電圧ＶＳの振幅及び位相を変化させるための第２変調指令を生成する。
　切替部１０５は、所定の制御機構から出力される切替信号に応じて、第１変調指令又は第２変調指令のどちらか一方が変調部１０４に入力されるように、変調部１０４への入力を切り替える。変調部１０４は、第１変調指令又は第２変調指令に基づいて、出力電圧ＶＳの振幅及び位相を変化させる。
　本実施形態のＧＦＭ制御部１０２は、電圧制御部１１１、位相制御部１１２、及び同期調整部１１３を備える。
　電圧制御部１１１は、ＧＦＭ制御により演算される出力電圧ＶＳの振幅の目標値を示す振幅指令を生成する。位相制御部１１２は、ＧＦＭ制御により演算される出力電圧ＶＳの位相の目標値を示す位相指令を生成する。第１変調指令は、電圧制御部１１１により生成された振幅指令と位相制御部１１２により生成された位相指令とに基づいて生成される。
　同期調整部１１３は、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御に切り替わる際に、出力電圧ＶＳの変動が抑制されるように第１変調指令を補正する。本実施形態の同期調整部１１３は、変調部１０４への入力が第２変調指令から第１変調指令に切り替えられる前に、第１変調指令の目標振幅と系統電圧の振幅との差分が閾値以下となり、且つ第１変調指令の目標周波数と系統電圧の周波数との差分が閾値以下となり、且つ第１変調指令の目標位相と系統電圧の位相との差分が閾値以下となるように、第１変調指令を補正する。
　図４は、実施形態のＧＦＭ制御部１０２における処理の一例を示す制御ブロック図である。電圧制御部１１１において、無効電力指令値Ｑｒｅｆから無効電力出力値Ｑｏｕｔを減算した値に対するＱ－Ｖドループ制御により、振幅指令オフセット値Ｖｏｆｆｓｅｔを演算する。基準振幅設定値Ｖｓｅｔ、振幅指令オフセット値Ｖｏｆｆｓｅｔ、及び後述する振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒ（振幅補正信号の一例）を加算した第１振幅設定値Ｖ１を演算する。第１振幅設定値Ｖ１からｄ軸系統振幅Ｖｓｄを減算した値に対する自動電圧調整処理（ＡＶＲ：Automatic　Voltage　Regulator）により第２振幅設定値Ｖ２を演算する。第１振幅設定値Ｖ１と第２振幅設定値Ｖ２とを加算することにより、ｄ軸の振幅指令としてのインバータ出力ｄ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆ（目標振幅の一例）を演算する。また、ｑ軸の振幅指令としてのインバータ出力ｑ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆは、通常時（例えばＧＦＭ制御が所定の安定状態で実行されているとき）には０となる。
　位相制御部１１２において、有効電力指令値Ｐｒｅｆから有効電力出力値Ｐｏｕｔを減算した値に対するＰ－ｆドループ制御又はＶＳＧ（Virtual　Synchronous　Generator）制御により周波数ω１を演算する。周波数ω１と後述する周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒ（周波数補正信号の一例）とを加算した値と、インバータ出力電圧周波数の基準周波数ω０との偏差Δωｍを演算する。偏差Δωｍと基準周波数ω０とを加算したインバータ出力電圧周波数ωｍ（目標周波数の一例）を積分要素の伝達関数１／Ｓで積分することにより、位相指令としてのインバータ出力電圧位相θＧＦＭ（目標位相の一例）を演算する。ここで、ｓはラプラス演算子である。
　インバータ出力ｄ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆ、インバータ出力ｑ軸振幅指令値Ｖｑｒｅｆ、及びインバータ出力電圧位相θＧＦＭに基づいて、第１変調指令としてのインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭが生成される。ＧＦＬ制御部１０３は、ＰＬＬ（Phase　Locked　Loop）等を利用した所定のＧＦＬ制御により第２変調指令としてのインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦLを生成する。切替部１０５は、切替信号に基づいて、出力電圧ＶＳを変調するＰＷＭ１２０への入力を、インバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭ又はインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦLのどちらか一方が入力されるように切り替える。
　同期調整部１１３は、系統電圧の振幅を示す系統振幅Ｖｇｒｉｄ、系統電圧の周波数を示す系統周波数Ｆｇｒｉｄ、系統電圧の位相を示す系統位相θｇｒｉｄ、及びフィードバック信号としてのインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭに基づいて、振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒ及び周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒを生成する。振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒは、ＰＷＭ１２０への入力がインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦLからインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭへ切り替えられる際に、系統振幅Ｖｇｒｉｄとインバータ出力ｄ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆとの差分である振幅差分が小さくなるように生成される。また、周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒは、ＰＷＭ１２０への入力がインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦLからインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭへ切り替えられる際に、系統周波数Ｆｇｒｉｄとインバータ出力電圧周波数ωｍとの差分である周波数差分が小さくなるように生成される。すなわち、振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒは、振幅差分が大きいほどインバータ出力ｄ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆに対する補正量が大きくなるように生成され、周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒは、周波数差分が大きいほどインバータ出力電圧周波数ωｍに対する補正量が大きくなるように生成される。
　また、同期調整部１１３は、系統振幅Ｖｇｒｉｄとインバータ出力ｄ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆとの差分である振幅差分が閾値以下となり、且つ系統周波数Ｆｇｒｉｄとインバータ出力電圧周波数ωｍとの差分である周波数差分が閾値以下となり、且つ系統位相θｇｒｉｄとインバータ出力電圧位相θＧＦＭとの差分である位相差分が閾値以下となった場合に、条件達成通知信号を切替部１１５に出力する。切替部１１５は、条件達成通知信号の受信後に、ＰＷＭ１２０への入力をインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦLからインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭへ切り替える。
　図５は、実施形態の同期調整部１１３における処理の一例を示す制御ブロック図である。本実施形態の同期調整部１１３は、電圧調整部２０１及び周波数調整部２０２を備える。
　電圧調整部２０１において、系統振幅Ｖｇｒｉｄからインバータ出力ｄ軸振幅指令値Ｖｄｒｅｆを減算した値に対して所定の時定数Ｔｃｏｒｒの一次遅れ要素の伝達関数が施される。ここで、図５中のｓはラプラス演算子である。そして、当該一次遅れ要素の伝達関数による処理後の値が振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒとなる。振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒは、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御への切り替え完了後に０にリセットされる。
　周波数調整部２０２において、系統周波数Ｆｇｒｉｄからインバータ出力電圧周波数ωｍを減算した値に対して所定の定数Ｋｃｏｒｒ＿Ｐの比例ゲイン処理が施され、当該比例ゲイン処理後の値に対して所定の時定数Ｔｃｏｒｒを用いた一次遅れ要素の伝達関数が施される。そして、当該一次遅れ要素の伝達関数による処理後の値と所定のバイアス周波数Ｆｂｉａｓとの加算値が周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒとなる。周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒは、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御への切り替え完了後に０にリセットされる。バイアス周波数Ｆｂｉａｓを加算する処理により、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御へ切り替わる前に周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒが０になることが回避される。これにより、系統周波数Ｆｇｒｉｄと出力電圧ＶＳの周波数とが一致して両者の位相差（位相差分）が変化せず、上記「位相差分が閾値以下となる」という条件が満たされなくなる不具合を回避できる。
　図６は、実施形態の電力変換装置２１のＧＦＬ制御からＧＦＭ制御への切り替え時における処理の一例を示すフローチャートである。同期調整部１１３は、ＧＦＬ制御の実行中であるか（変調部１０４に第２変調指令が入力されているか）否かを判定し（Ｓ１０１）、ＧＦＬ制御の実行中でない場合（Ｓ１０１：Ｎｏ）、本ルーチンを終了する。ＧＦＬ制御の実行中である場合（Ｓ１０１：Ｙｅｓ）、同期調整部１１３は、ＧＦＭ制御へ切り替える切替信号が受信されたか否かを判定し（Ｓ１０２）、ＧＦＭ制御への切替信号が受信されていない場合（Ｓ１０３：Ｎｏ）、本ルーチンを終了する。
　ＧＦＭ制御への切替信号が受信された場合（Ｓ１０２：Ｙｅｓ）、同期調整部１１３は、電力系統１３から取得した系統電圧情報（系統振幅Ｖｇｒｉｄ、系統周波数Ｆｇｒｉｄ、及び系統位相θｇｒｉｄ）と第１変調指令（インバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭ）とに基づいて振幅差分ΔＶ、周波数差分ΔＦ、及び位相差分Δθを算出する（Ｓ１０３）。その後、同期調整部１１３は、振幅差分ΔＶが閾値ＴＶ以下であり、且つ周波数差分ΔＦが閾値ＴＦ以下であり、且つ位相差分Δθが閾値Ｔθ以下であるか否かを判定する（Ｓ１０４）。
　振幅差分ΔＶが閾値ＴＶ以下であり、且つ周波数差分ΔＦが閾値ＴＦ以下であり、且つ位相差分Δθが閾値Ｔθ以下である場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）、ＧＦＬ制御からＧＬＭ制御への切り替えが実行される（Ｓ１０５）。具体的には、同期調整部１１３が条件達成通知信号を切替部１１５に出力し、切替部１１５は、条件達成通知信号を受信すると、ＰＷＭ１２０への入力をインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦLからインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭに切り替える。
　一方、振幅差分ΔＶが閾値ＴＶ以下であり、且つ周波数差分ΔＦが閾値ＴＦ以下であり、且つ位相差分Δθが閾値Ｔθ以下であるという条件が満たされない場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）、同期調整部１１３は、振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒ及び周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒを生成し（Ｓ１０６）、これらの振幅指令補正値Ｖｃｏｒｒ及び周波数指令補正値Ｆｃｏｒｒを用いてインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭを補正する（Ｓ１０７）。その後、補正後のインバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭに基づいてステップＳ１０３が再度実行される。
　上記実施形態によれば、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御へ切り替わる前に、振幅差分ΔＶ、周波数差分ΔＦ、及び位相差分Δθのそれぞれが閾値以下となるように、第１変調指令（インバータ出力電圧指令値Ｖｒｅｆ＿ＧＦＭ）が補正される。これにより、ＧＦＬ制御からＧＦＭ制御への切り替え時における出力電圧の急激な変動を抑制でき、制御方式の切り替え時における安定性を向上させることができる。
　上述した実施形態の電力変換装置２１の機能を実現するためのプログラムは、主に電力変換装置２１が備える記憶装置に予め組み込んで提供されるものであるが、これに限らず、インストール可能な形式又は実行可能な形式のファイルでＣＤ－ＲＯＭ、フレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ－Ｒ、ＤＶＤ（Digital　Versatile　Disc）等のコンピュータで読み取り可能な記録媒体に記録して提供するように構成されてもよい。また、記憶媒体は、コンピュータ又は組み込みシステムと独立した媒体に限らず、ＬＡＮ、インターネット等により伝達されたプログラムをダウンロードして記憶又は一時記憶した記憶媒体も含まれる。
　また、上記プログラムをインターネット等のネットワークに接続されたコンピュータ上に格納し、ネットワーク経由でダウンロードさせることにより提供するように構成してもよく、インターネット等のネットワーク経由で提供又は配布するように構成してもよい。
　以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
　１…電力システム、１１…インバータ電源、１２…変圧器、１３…電力系統、２０…電源、２１…電力変換装置、３１…電力変換回路、３２…高周波フィルタ回路、３３…制御装置、１０１…変換部、１０２…ＧＦＭ制御部、１０３…ＧＦＬ制御部、１０４…変調部、１０５…切替部、１１１…電圧制御部、１１２…位相制御部、１１３…同期調整部、１２０…ＰＷＭ、２０１…電圧調整部、２０２…周波数調整部

Claims (4)

  1. 　電源から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する変換部と、
    　前記変換部からの出力電圧の振幅及び位相を所定の設定値に維持する系統形成制御により前記出力電圧の振幅及び位相を変化させるための第１変調指令を生成する系統形成制御部と、
    　前記出力電圧の振幅及び位相を所定の電力系統の電圧である系統電圧の振幅及び位相に追従させる系統追従制御により前記出力電圧の振幅及び位相を変化させるための第２変調指令を生成する系統追従制御部と、
    　前記第１変調指令又は前記第２変調指令に基づいて前記出力電圧の振幅及び位相を変化させる変調部と、
    　前記第１変調指令又は前記第２変調指令のどちらか一方が前記変調部に入力されるように前記変調部への入力を切り替える切替部と、
    　前記変調部への入力が前記第２変調指令から前記第１変調指令に切り替えられる前に、前記第１変調指令の目標振幅と前記系統電圧の振幅との差分が閾値以下となり、且つ前記第１変調指令の目標周波数と前記系統電圧の周波数との差分が閾値以下となり、且つ前記第１変調指令の目標位相と前記系統電圧の位相との差分が閾値以下となるように、前記第１変調指令を補正する同期調整部と、
    　を備える電力変換装置。
  2. 　前記同期調整部は、
    　前記目標振幅と前記系統電圧の振幅との差分が大きいほど前記目標振幅に対する補正量が大きくなる振幅補正信号を生成する電圧調整部と、
    　前記目標周波数と前記系統電圧の周波数との差分が大きいほど前記目標周波数に対する補正量が大きくなる周波数補正信号を生成する周波数調整部と、
    　を含み、
    　前記第１変調指令は、前記振幅補正信号及び前記周波数補正信号に基づいて補正される、
    　請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記周波数調整部は、前記目標周波数に対する補正量が０以外の値となるように前記周波数補正信号を生成する、
    　請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 　電源から出力された直流電力を交流電力に変換して出力する変換部を制御する情報処理装置に、
    　前記変換部からの出力電圧の振幅及び位相を所定の設定値に維持する系統形成制御により前記出力電圧の振幅及び位相を変化させるための第１変調指令を生成する処理と、
    　前記出力電圧の振幅及び位相を所定の電力系統の電圧である系統電圧の振幅及び位相に追従させる系統追従制御により前記出力電圧の振幅及び位相を変化させるための第２変調指令を生成する処理と、
    　前記第１変調指令又は前記第２変調指令に基づいて前記出力電圧の振幅及び位相を変化させる処理と、
    　前記出力電圧の振幅及び位相を変化させる変調部に前記第１変調指令又は前記第２変調指令のどちらか一方が入力されるように前記変調部への入力を切り替える処理と、
    　前記変調部への入力が前記第２変調指令から前記第１変調指令に切り替えられる前に、前記第１変調指令の目標振幅と前記系統電圧の振幅との差分が閾値以下となり、且つ前記第１変調指令の目標周波数と前記系統電圧の周波数との差分が閾値以下となり、且つ前記第１変調指令の目標位相と前記系統電圧の位相との差分が閾値以下となるように、前記第１変調指令を補正する処理と、
    　を実行させるプログラム。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2015211617A (ja) * 2014-04-30 2015-11-24 川崎重工業株式会社 単相系統に接続される電力変換装置
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