JP5523395B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置、例えば太陽電池などの分散電源の直流電力を交流電力に変換して交流系統に出力する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置としてのパワーコンディショナ装置として、次のような、太陽電池などの発電システムからの直流電力を交流電力に変換して系統に出力するものがある。
すなわち、発電システム内で発電した直流電力を交流電力に変換し、この交流電力を、前記発電システム内部のシステム補機を経由して前記発電システム外部の系統にシステム出力として出力するパワーコンディショナ装置であって、前記システム出力のシステム出力電流を検出するシステム出力電流検出手段と、このシステム出力電流検出手段にて検出したシステム出力電流に基づいて、前記交流電力の出力電流を制御する電流制御手段とを有し、前記電流制御手段は、前記システム出力電流検出手段にて検出したシステム出力電流から高調波電流を抽出する高調波電流抽出手段と、前記高調波電流抽出手段にて抽出した高調波電流に基づいて、前記システム出力に含まれる高調波電流をキャンセルするように、前記交流電力の出力電流を制御する高調波電流キャンセル手段とを有するパワーコンディショナ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００４−２７４８１３号公報

上記のような従来の電力変換装置においては、系統の出力インピーダンスの大きさによっては、電流制御系の発振を誘発し、発振が継続することにより大きな高調波電流がインバータから流出し続け系統に悪影響を与える場合があった。
この発明は上記のような問題点を解決するためになされたものであり、インバータから流出する高調波電流を抑制できる電力変換装置を得ることを目的とする。

この発明に係る電力変換装置においては、インバータと出力電流制御装置とを備えた電力変換装置であって、
上記インバータは、直流を交流に変換して交流系統へ出力電流を出力するものであり、
上記出力電流制御装置は、高調波電流検出手段と制御手段と電流制御指令手段とゲイン変更手段とを有し、
上記高調波電流検出手段は、上記出力電流に含まれる高調波電流を検出するものであり、
上記制御手段は、上記出力電流と目標電流との差を増幅して電流偏差として出力するものであり、
上記電流制御指令手段は、上記電流偏差に基づいて上記出力電流を制御する電流制御指令信号を上記インバータへ発信するものであり、
上記ゲイン変更手段は、上記高調波電流の大きさに基づいて上記制御手段のゲインを変更するものである。

この発明は、インバータと出力電流制御装置とを備えた電力変換装置であって、
上記インバータは、直流を交流に変換して交流系統へ出力電流を出力するものであり、
上記出力電流制御装置は、高調波電流検出手段と制御手段と電流制御指令手段とゲイン変更手段とを有し、
上記高調波電流検出手段は、上記出力電流に含まれる高調波電流を検出するものであり、
上記制御手段は、上記出力電流と目標電流との差を増幅して電流偏差として出力するものであり、
上記電流制御指令手段は、上記電流偏差に基づいて上記出力電流を制御する電流制御指令信号を上記インバータへ発信するものであり、
上記ゲイン変更手段は、上記高調波電流の大きさに基づいて上記制御手段のゲインを変更するものであるので、
インバータから流出する高調波電流を抑制できる。

この発明の実施の形態１である電力変換装置の構成を示すものであり、図１（ａ）は全体の構成を示す構成図、図１（ｂ）は出力電流制御手段の詳細構成を示す構成図である。 図１の第１の制御器の詳細構成を示す構成図である。 図１の高調波電流検出手段の動作を説明するための波形図である。 図１の出力フィルタの詳細構成を示す構成図である。 電流制御系の周波数特性を示す特性図である。 電流制御系の周波数特性に制御器のゲインが及ぼす影響を説明するための特性図である。 系統のインピーダンスの大小によって出力電制御部の即応性と安定性に対する要求事項を示す図である。 実施の形態２である制御信号波発生手段の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１〜図７は、この発明を実施するための実施の形態１を示すものであり、図１は電力変換装置の構成を示すものであり図１（ａ）は全体の構成を示す構成図、図１（ｂ）は出力電流制御部の詳細構成を示す構成図である。図２は第１の制御器の詳細構成を示す構成図、図３は高調波電流検出手段の動作を説明するための波形図、図４は出力フィルタの詳細構成を示す構成図である。図５は電流制御系の周波数特性を示す特性図、図６は電流制御系の周波数特性に制御器のゲインが及ぼす影響を説明するための特性図である。図７は、系統のインピーダンスの大小によって出力電流制御部の即応性と安定性に対する要求事項を示す図である。

図１において、電力変換装置は直流電源１からの直流電力を三相交流電力に変換して交流の系統（負荷）９に出力するものである。なお、直流電源１は例えば太陽電池、燃料電池などで構成される。電力変換装置は、直流電源１と接続するための入力回路２と、直流電源１の電圧をインバータ４を動作させるのに最適な電圧に昇降圧するコンバータ３と、コンバータ３の出力である直流電圧を交流電圧に変換するインバータ４と、インバータ４の出力電圧中の高調波を低減し出力電圧波形を平滑化するフィルタ装置としての出力フィルタ５と、系統９と接続するための出力回路６と、直流電源１の電圧Ｖｄおよび電流Ｊｄをそれぞれ検出する入力電圧センサ１１と入力電流センサ１２と、系統電圧Ｖａ、出力電流Ｊａをそれぞれ検出する系統電圧センサ２１と、出力電流センサ２２と、各センサの検出値に応じてコンバータ３及びインバータ４を制御することで系統９への出力電力Ｐａを制御する総合制御装置７とを備えている。

総合制御装置７は、出力電流制御装置としての出力電流制御部８を有する。出力電流制御部８は、その詳細構成を図１（ｂ）に示すが、減算器８１と、制御信号波発生手段８２と、電流制御指令手段としてのＰＷＭ信号出力手段８３と、高調波電流検出手段８５と、比較器８６と、外部入力手段８７と、ＯＲ回路８８とを有する。制御信号波発生手段８２は、ゲイン変更手段としての制御器切替手段８２１と制御手段としての第１及び第２の制御器８２２，８２３と、積分器内容同一化手段８２５とを有する。

以上のように構成された電力変換装置の動作を、以下に説明する。
電力変換装置の総合制御装置７は、直流電源１から入力される直流電圧Ｖｄと直流電流Ｊｄおよび交流の系統電圧Ｖａを検出し、直流電源１の状態、または系統電圧Ｖａの状態に応じて、目標電流Ｊａｓ（図１（ｂ））を決定する。減算器８１にて目標電流Ｊａｓと電流センサの出力であるインバータ４の現在の出力電流Ｊａとの差ΔＪａを求め、第１の制御器８２２または第２の制御器８２３は、入力された差ΔＪａをＰＩ演算及び増幅してインバータ４のスイッチング素子のデューティファクタを調整するための電流偏差としての信号波Ｖｃを出力する。ＰＷＭ信号出力手段８３は、第１の制御器８２２または第２の制御器８２３から出力される信号波Ｖｃからインバータ４の開閉手段としての図示しないスイッチング素子の開閉動作を制御する電流制御指令信号としてのＰＷＭ信号Ｓｇを生成し、インバータ４の出力電流Ｊａを制御する。

一方、高調波電流検出手段８５は、出力電流Ｊａ中の高調波電流Ｊａｈを検出する（詳細動作は後述する）。比較器８６は、時限機能付の比較器であり、高調波電流検出手段８５の出力と予め設定された流出高調波電流の上限値ＪＨＬとを比較し、高調波電流検出手段８５の出力が所定値としての上限値ＪＨＬを越えた状態が所定時間継続したとき信号を発する（詳細後述）。ＯＲ回路８８は、比較器８６から信号と外部入力手段８７からの入力との論理和を真理値として信号Ｓ１を出力する。制御器切替手段８２１は、真理値「１」が入力されたとき制御器８２２と制御器８２３とを切り替えるが、制御器８２２と制御器８２３とを切り替える際に、積分器内容同一化手段８２５により制御器８２２及び制御器８２３がそれぞれ有する図示しない積分器の値を第１及び第２の制御器８２２，８２３間で揃える。

図４は、出力電流Ｊａ中の高調波電流Ｊａｈを検出する高調波電流検出手段８５の動作の一例を模式的に示したものである。この例では、高調波電流検出手段８５は、検出された出力電流Ｊａから、基本波成分Ｊａｆのみを抽出するようにフィルタリングした抽出値（基本波成分）Ｊａｆを、出力電流Ｊａから差し引くことにより高調波電流Ｊａｈを求めている。このようにして求めた出力電流中の高調波電流Ｊａｈを絶対値化処理して絶対値｜Ｊａｈ｜を求め、さらに平均化して平均値Ｊａｈｍを求めることで出力電流Ｊａ中の高調波電流含有量を正規化して出力する。この出力電流Ｊａ中の高調波電流含有量の正規化値である平均値Ｊａｈｍと、流出高調波電流の上限値（正規化値の基準値）ＪＨＬとを比較器８６により比較し、高調波電流含有量が上限値ＪＨＬを越えた状態が所定時間継続した場合に、ＯＲ回路８８へ信号を出力する。信号を受けたＯＲ回路８８は、制御器切替手段８２１に真理値「１」の信号である切替信号を出力し、第１の制御器８２２と第２の制御器８２３とを切り替え、切り替えられた第２の制御器８２３にて演算処理及び増幅が行われる。

本実施の形態における出力電流制御部８は、出力電流Ｊａをフィードバック制御する制御器を２つすなわち第１及び第２の制御器８２２，８２３を有する。図２に第１及び第２の制御器８２２の構成を示す。第１の制御器８２２は、比例ゲイン８２２ａ、加算器８２２ｂ、制御器出力リミッタ８２２ｃ、及び積分回路８２２ｄを有する。積分回路８２２ｄは積分ゲイン８２２ｅと積分リミッタ８２２ｆと一次遅れ８２２ｆを有している。第２の制御器８２３についても第１の制御器８２２と同様の構成であり、図示しないが比例ゲイン、加算器、制御器出力リミッタ、及び積分回路を有し、当該積分回路は積分ゲインと積分リミッタと一次遅れを有している。各制御器８２２，８２３は入力信号に基づいてＰＩ演算及び増幅を行うものである。そして、各制御器８２２，８２３は想定しうる系統９のインピーダンス条件に応じた、二つの制御器の間で異なるゲインを持っており、この実施の形態においては制御器８２３のゲインは制御器８２２のゲインよりも小さく設定されている。そして、上記のように高調波電流含有量が一定値を越えたとき比較器８６から発信される信号、または外部入力手段８７から入力される外部からの切替信号が入力された場合に、ＯＲ回路８８から出力される真理値「１」が制御器切替手段８２１へ出力され、これを受けた制御器切替手段８２１が制御器８２２と制御器８２３とを切り替えることにより制御手段のゲインを変更する。制御器８２２と制御器８２３との切り替えの際、制御器８２２，８２３がそれぞれ有する積分器の内容が、各制御器８２２，８２３で異なると、切替えの際に制御器８２２，８２３の出力が不連続で切り替るおそれがあるため、積分器内容同一化手段８２５により、各制御器８２２，８２３の積分器の内容を同一化する。

ここで、出力電流制御部８の制御器８２２，８２３を切り替えることによる効果の詳細について、説明する。
一般に、制御器のゲインを決定する要素としては、その即応性と安定性がある。即応性とは、出力電流を目標とする出力電流に収束させる速度、安定性とは、想定し得る全ての条件において、制御器の影響により出力電流のハンチングなどを生じさせることなく安定に電流制御装置を動作させることをいう。

まず、即応性に対する要求について説明する。
本実施の形態に示したような直流電源と系統とを連系するための電力変換器においては、系統９の過渡的な変動に対して可能な限り動作し続けるべきという要求がある場合がある。このため、例えば、系統電圧に瞬時低下が生じた場合などに、運転を継続するためには、装置としての出力電流は上限値を越えないよう、出力電流Ｊａの増加を抑制するように制御器が働く必要がある。この時の出力電流の増加割合ｄＪａ／ｄｔは、系統９のインピーダンスが、例えばインダクタンス成分のみであったと仮定すると、以下の式で表される。
ｄＪａ／ｄｔ＝ｄＶｓ／Ｌｓ
ここに、ｄＶｓ：系統電圧変動量、Ｌｓ：系統インピーダンスである。
すなわち、系統インピーダンスが大きい程、出力電流Ｊａの増加割合が小さくなる。このことから、系統インピーダンスが小さい程、電流制御系の即応性が必要となり、系統インピーダンスが大きい程、電流制御系の即応性は低くてよいといえる。従って、即応性は、対応すべき系統擾乱の程度と、系統インピーダンスの大きさによって決定される。

次に、安定性に対する要求について説明する。
電力変換装置を構成する出力フィルタ５が、例えば図４に示すようなＴ型のＬＣＬフィルタの場合には、制御器を含む電力変換装置の電流制御系の一巡伝達特性（周波数特性）は、図５に示すような特性となり、不安定点周波数を含む。この不安定点周波数におけるゲイン（図５における縦軸）の値が大きい程、電流制御系の安定性が損なわれる可能性が大きくなる。なお、図４において、出力フィルタ５は、リアクトル５１，５２とコンデンサ５３とがＴ型に接続されたＬＣＬフィルタである。

図５（ａ）は、系統インピーダンスが小さい場合の電流制御系の一巡伝達特性Ａであり、不安定点Ａ１（４ｋＨｚ，ゲイン２）を有する。図５（ｂ）は系統インピーダンスが大きい場合の電流制御系の一巡伝達特性Ｂであり、不安定点Ｂ１（１８ｋＨｚ，ゲイン２３）を有する。系統インピーダンスが大きい程（図５（ｂ））、電流制御系の不安定点Ｂ１におけるゲインが大きくなる。すなわち、電流制御系の安定性は系統インピーダンスの大きさによって変化する。電流制御系の不安定点周波数におけるゲインが大きくなると、制御器がハンチングし、インバータ４の出力電流に余分な高調波電流を含む確率が高くなる。なお、ゲインと電流制御系の安定性を示すもので、電流制御系のゲインに対応するものである。

上述したような制御器のハンチングを抑制するためには、制御器の増幅ゲインを小さくすることが有効である。例えば、図６（ａ）は図５（ｂ）に示した電流制御系の一巡伝達特性Ｂと同じものであるが、図６（ｂ）は図６（ａ）の制御器のゲインを１／１０にした場合の電流制御系の一巡伝達特性Ｃであり、図６（ａ）に比べて不安定点Ｃ１におけるゲインが小さくなる。以上から、即応性および安定性は系統インピーダンスの大きさに影響を受けることがわかる。系統インピーダンス条件に対して、系統擾乱時に必要な即応性と電流制御系の安定性の関係を表にまとめたものを図７に示す。

図７より、制御器の安定性を保つためには、見込まれる最大の系統インピーダンスでゲイン設計をする必要があるが、他方で、系統インピーダンスが低い場合のことを想定し電流制御系の即応性を高くする必要があることがわかる。上述したように、電流制御系の即応性を高くするためには制御器のゲインを大きくすることが必要であるが、安定性を保つためには制御器のゲインを小さくする必要があり、通常、これらの要求を両方満たすための制御器のゲイン設定は困難であることが多い。このようなゲイン設定の困難な場合における有効な対策の一つとして、電力変換器の出力フィルタ５を構成するリアクトル５１，５２に、インダクタンス値の大きなものを使用するという対策がある。しかしながら、このような対策では、見込むべき系統擾乱によっては、出力フィルタ５のリアクトル５１，５２が大きくなり、電力変換装置が大型化、高コスト化する場合がある。

本実施の形態による電力変換装置では、出力電流制御部８はゲイン設定の異なる二つの制御器８２２，８２３を有し、出力電流Ｊａ中の高調波電流Ｊａｈを検出し高調波電流Ｊａｈがある一定以上となった場合に制御器８２２，８２３を切り替える制御器切替手段８２１を有する。これにより電流制御系の発振（ハンチング）が継続して出力フィルタ５や系統９へ大きな高調波電流が流出し続けて出力フィルタ５や系統９に悪影響を与えるのを防止できる。すなわち、インバータ４から出力フィルタ５や系統９へ流出する高調波電流を抑制して、出力フィルタ５や系統９に悪影響を与えることを防止できる。また、異なる系統インピーダンスを有する場所に電力変換装置が設置された場合に、検出される出力電流Ｊａ中の高調波電流Ｊａｈの大きさによって制御器８２２，８２３を切り替えることにより、出力フィルタ５のリアクトル５１，５２のインダクタンス値を大きくすることなく、設置場所に応じて生じる系統インピーダンスの変化と系統擾乱とに対応することができるため、装置の小型化、低コスト化、軽量化を図ることが可能である。
さらに、予め系統インピーダンスが判明している場合や、工事などにより系統インピーダンスが変更されることが判明している場合には、外部入力手段８７を用いて切替信号をＯＲ回路８８に入力し、手動で制御器８２２，８２３を切り替えることにより電流制御ゲインを変更することも可能である。

なお、本実施の形態による電力変換装置では、その出力電流制御部８において、制御器を２つ有しているが、３つ以上有し、高調波電流のレベルに応じて各制御器を切り替えるように構成してもよい。
また、出力電流制御部８において、制御器を第１及び第２の制御器８２２，８２３の２つにて構成し、高調波電流Ｊａｈのレベルに応じて使用する制御器を制御器８２２，８２３の間で切り替えているが、高調波電流発生時には、出力フィルタ５や出力回路６、もしくはインバータ４の高調波電流Ｊａｈすなわち出力電流Ｊａが流れる導電部が高調波電流Ｊａｈの大きさに応じて加熱され温度上昇するため、温度検出装置を設けそれらの温度を監視し、温度を介して高調波電流を検出しその大きさに応じて制御器を切り替えるような構成としてもよい。この場合は、比較器８６における時限機能は温度上昇の時定数によって代替可能である。

実施の形態２．
図８は、実施の形態２である制御信号波発生手段の構成を示す構成図である。図８において、制御信号波発生手段１８２は、制御手段としてのＰＩ演算器１８２ａ及びゲイン変更手段としてのゲイン調整器１８２ｂを有する。制御信号波発生手段１８２は、図１における制御信号波発生手段８２の代わりに設けられるものであり、出力電流制御部のその他の構成については、図示しないが図１に示した実施の形態１と同様のものである。

このような制御信号波発生手段１８２においては、減算器８１から差ΔＪａがＰＩ演算器１８２ａに入力され、ＰＩ演算及び増幅された信号がゲイン調整器１８２ｂに入力され、ゲインが調整されて信号波ＶｃとしてＰＷＭ信号出力手段８３（以下、図１（ｂ）も参照）へ出力される。信号波Ｖｃを受けたＰＷＭ信号出力手段８３は、信号波Ｖｃからインバータ４の図示しないスイッチング素子の開閉動作を制御するＰＷＭ信号Ｓｇを生成し、インバータ４から系統９へ出力される出力電流Ｊａを制御することにより高調波電流Ｊａｈを低減する。このとき、高調波電流検出手段８５にて検出された出力電流Ｊａ中の高調波電流含有量が上限値ＪＨＬを越えた状態が所定時間継続した場合に、比較器８６からＯＲ回路８８へ信号が出力され、信号を受けたＯＲ回路８８は、ゲイン調整器１８２ｂへ真理値「１」の信号を発し、ゲイン調整器１８２ｂはゲインを予め決められた値に変更する。
なお、ＯＲ回路８８から真理値「０」、「１」信号を発するのではなく、高調波電流検出手段８５から検出された高調波電流Ｊａｈのアナログ値を直接ゲイン調整器１８２ｂへ出力してこのアナログ値の大きさに応じてゲインを調整するようにしてもよい。

１ 直流電源、４ インバータ、７ 総合制御装置、８ 出力電流制御部、９ 系統、
５ 出力フィルタ、２２ 出力電流センサ、５１ リアクトル、５３ コンデンサ、
８１ 減算器、８２ 制御信号波発生手段、８２１ 制御器切替手段、
８２２，８２３ 制御器、８２５ 積分器内容同一化手段、８３ ＰＷＭ信号出力手段、
８５ 高調波電流検出手段、８６ 比較器、８７ 外部入力手段、８８ ＯＲ回路、
１８２ 制御信号波発生手段、１８２ａ ＰＩ演算器、１８２ｂ ゲイン調整器。

Claims (8)

1. インバータと出力電流制御装置とを備えた電力変換装置であって、
   上記インバータは、直流を交流に変換して交流系統へ出力電流を出力するものであり、
   上記出力電流制御装置は、高調波電流検出手段と制御手段と電流制御指令手段とゲイン変更手段とを有し、
   上記高調波電流検出手段は、上記出力電流に含まれる高調波電流を検出するものであり、
   上記制御手段は、上記出力電流と目標電流との差を増幅して電流偏差として出力するものであり、
   上記電流制御指令手段は、上記電流偏差に基づいて上記出力電流を制御する電流制御指令信号を上記インバータへ発信するものであり、
   上記ゲイン変更手段は、上記高調波電流の大きさに基づいて上記制御手段のゲインを変更するものである
   電力変換装置。
2. フィルタ装置を有するものであって、
   上記フィルタ装置は、上記インバータと上記交流系統との間に介挿され上記インバータの出力電圧を平滑化するものである
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 上記制御手段は、ゲインの異なる第１及び第２の制御器を有し、上記出力電流と上記目標電流との差が上記第１の制御器または上記第２の制御器にて増幅されるものであり、
   上記ゲイン変更手段は、上記第１の制御器と上記第２の制御器とを切り替えることにより上記制御手段のゲインを変更するものである
   請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 上記第１及び第２の制御器は、それぞれ積分手段を有し、上記積分手段は上記出力電流と上記目標電流との差を積分するものであり、
   上記ゲイン変更手段は、積分手段内容同一化手段を有し、上記積分手段内容同一化手段は上記第１の制御器と上記第２の制御器とを切り替える際上記積分手段の内容を上記各制御器で同一とするものである
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 上記ゲイン変更手段は、上記高調波電流の大きさが所定値を越えたとき上記制御手段のゲインを変更するものである
   請求項１〜請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 上記高調波電流検出手段は、上記出力電流が流れる導電部の温度を検出する温度検出装置を有し、上記温度を介して上記高調波電流を検出するものである
   請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 上記ゲイン変更手段は、上記温度が一定値を越えたとき上記制御手段のゲインを変更するものである
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 上記ゲイン変更手段は、外部からのゲイン変更信号により上記制御手段のゲインを変更可能にされたものである
   請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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