JP6374213B2

JP6374213B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6374213B2
Application number: JP2014102038A
Authority: JP
Inventors: 知己山下; 悠太寺江
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2014-05-16
Filing date: 2014-05-16
Publication date: 2018-08-15
Anticipated expiration: 2034-05-16
Also published as: JP2015220835A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来から、商用電力系統に連系する電力変換装置には、商用電力系統の停電時において、自身を商用電力系統から確実に解列させることを目的として、単独運転防止機能が具備されている。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、本願出願人による特許文献１を挙げることができる。

また、ＰＶ(photovoltaic)システム用ＰＣＳ(power conditioning system)の新連系規程を定める非特許文献１には、能動的単独運転検出を行うための共通技術として、周波数フィードバック機能が提案されている。

周波数フィードバック機能とは、ＰＣＳの動作周波数に生じる変動に基づいて無効電力注入を行い、動作周波数の変動を助長する機能である。ＰＣＳが単独運転状態に移行した場合に、ＰＣＳ出力と需要家負荷がアンバランスであれば、ＰＣＳの動作周波数に意図しない変動が生じる。このとき、周波数フィードバック機能による無効電力注入を行えば、動作周波数の変動を助長することができるので、この変動を捉えてＰＣＳの単独運転を検出することが可能となる。

特許３２２７４８０号明細書

日本電機工業会規格ＪＥＭ１４９８（２０１２．８．２７制定）

しかしながら、上記従来技術では、単独運転状態でない定常時の場合でも、系統周波数のふらつきが生じると、周波数フィードバック機能により、多くの無効電力が不要に出力される場合があった（即ち、出力電流の周波数が不安定になる場合があった）。また、不要な無効電力の出力を抑えるために、周波数フィードバックのフィードバックゲイン（周波数偏差に対して注入無効電力を演算するゲイン）を抑えると、単独運転状態時の動作周波数の発散が遅くなるために、高速な単独運転の検出に不利となる。

上記問題点に鑑み、本発明は、単独運転状態でない定常時は不要な無効電力の出力を抑え、且つ単独運転状態時は単独運転の検出を高速に行う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。

上記目的を達成するために本発明の一態様に係る電力変換装置は、
直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に系統連系させる電力変換部と、
系統周波数を計測する系統周波数計測部と、
前記系統周波数をモニタして単独運転を検出する単独運転検出部と、
前記系統周波数の偏差に応じた無効電力を注入することで前記系統周波数の周波数変化を促す周波数フィードバック部と、
電圧高調波歪の急増の有無を判定する判定部と、
前記判定部による判定結果に応じて前記周波数フィードバック部のフィードバックゲインを切替えて設定するゲイン設定部と、
を備える構成としている（第１の構成）。

また、上記第１の構成において、前記ゲイン設定部は、前記判定部により電圧高調波歪の急増があったと判定された場合、第１のゲインを設定し、そうでない場合は、周波数偏差の全領域において前記第１のゲイン以下であり、且つ少なくとも一部の周波数偏差領域において前記第１のゲインより低くしている第２のゲインを設定することとしてもよい（第２の構成）。

また、上記第１または第２の構成において、電圧高調波歪の急増が検出されたときに無効電力をステップ注入することで強制的に前記系統周波数の偏差を生じさせる無効電力ステップ注入部を更に備えることとしてもよい（第３の構成）。

また、上記第３の構成において、前記判定部による前記電圧高調波歪急増の判定条件は、前記無効電力ステップ注入部に関する前記電圧高調波歪急増の判定条件よりも緩和していることとしてもよい（第４の構成）。

また、本発明の一態様に係る分散型電源は、直流電源と、前記直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に系統連系させる上記第１〜第４のいずれかの構成から成る電力変換装置と、を備えることとしている。

本発明の電力変換装置によると、単独運転状態でない定常時は不要な無効電力の出力を抑え、且つ単独運転状態時は単独運転の検出を高速に行うことができる。

本発明の一実施形態に係るＰＣＳ（パワーコンディショナ）の全体ブロック図である。系統周波数（周期）計測のアルゴリズムを示す図である。周波数偏差演算のイメージ図である。移動平均値の更新イメージ図である。周波数フィードバック機能のフィードバックゲインの一例を示す図である。基本波電圧変動を説明するための図である。電圧高調波歪の変動を説明するための図である。周波数フィードバック機能のフィードバックゲインの別の一例を示す図である。

＜第１実施形態＞
集中連系対応可能な単独運転検出方法である能動的単独運転検出方式が最近知られているが、概要は次のとおりである。特徴的な機能として、系統周波数の偏差から注入する無効電力を演算して周波数シフトを促す機能（周波数フィードバック機能）と、分散型電源の出力電力と系統負荷の消費電力が平衡した状態において意図的に周波数変化を発生させる機能（無効電力ステップ注入機能）を備えており、単独運転の高速検出が可能、不要動作がない、他方式との相互干渉がない、能動信号による系統への影響が小さいなどの特長を持つ。このような単独運転検出方式を「能動的単独運転検出方式（ステップ注入付き周波数フィードバック方式）」と呼び、その内容を詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る上記能動的単独運転方式を採用したパワーコンディショナ（以下、ＰＣＳ［power conditioning system］と呼ぶ）の全体ブロック図である。本構成例のＰＣＳ１００（電力変換装置の一例）は、系統周波数計測部１１０と、周波数フィードバック部１２０と、無効電力ステップ注入部１３０と、単独運転検出部１４０と、電流制御処理部１５０と、インバータ部１６０と、を有する。

系統周波数計測部１１０は、周波数偏差の演算に用いる系統周波数を計測する計測部であり、周波数検出回路１１１と、周波数計測処理部１１２と、位相差計測同期処理部１１３と、を含む。図２は、系統周波数（周期）計測のアルゴリズムを示す図である。

周波数検出回路１１１は、系統電圧に同期した方形波信号を生成して周波数計測処理部１１２に出力する（図２の上段を参照）。周波数検出回路１１１は、ハードウェア部として実装される。

周波数計測処理部１１２は、周波数検出回路１１１から入力される方形波信号を監視して系統電圧の周期データ（周波数データ）を計測する（図２の中段を参照）。より具体的に述べると、周波数計測処理部１１２は、方形波信号の立下りエッジから立上りエッジまでをカウントしたときの中間値と、次の立下りエッジから立上りエッジまでをカウントしたときの中間値との差分を周期データ（周波数データ）として取得する。周波数計測処理部１１２は、系統周波数の計測に十分な分解能（例えば２．５ＭＨｚ以上（４００ｎｓ以下）を備えている。周波数計測処理部１１２は、ソフトウェア部として実装される。

位相差計測同期処理部１１３は、周波数計測処理部１１２で計測された周期データ（周波数データ）を方形波信号の立上りエッジで同期化する（図２の下段を参照）。位相差計測同期処理部１１３は、ソフトウェア部として実装される。

周波数フィードバック部１２０は、移動平均処理により算出された系統周波数の周波数偏差（周期偏差）から注入する無効電力を演算して周波数シフトを促す制御部であり、第１移動平均算出部１２１と、第２移動平均算出部１２２と、周波数偏差算出部１２３と、無効電力注入量算出部１２４と、加算部１２５と、を含む。

第１移動平均算出部１２１は、系統周波数（系統周期）の第１移動平均値を算出する。第１移動平均算出部１２１は、ソフトウェア部として実装される。

第２移動平均算出部１２２は、系統周波数（系統周期）の第２移動平均値を算出する。第２移動平均算出部１２２は、ソフトウェア部として実装される。

周波数偏差算出部１２３は、第１移動平均値と第２移動平均値との差分から系統周波数の周波数偏差（周期偏差）を算出する。周波数偏差算出部１２３は、ソフトウェア部として実装される。

図３は、周波数偏差演算のイメージ図であり、図４は、移動平均値の更新イメージ図である。周波数偏差の演算に用いられる周期データは、系統電圧の１周期毎に更新される。周波数偏差の演算に用いられる移動平均値は、時間ｔ１毎（例えばｔ１＝５ｍｓ）に更新され、周波数偏差の演算自体も時間ｔ１毎に行われる。なお、時間ｔ１は、商用電力系統の周波数（５０Ｈｚ／６０Ｈｚ）に依ることなく一律とされている。第１移動平均値（最近周期）としては、最新周期の取得タイミングを終点として時間ｔ２（例えばｔ２＝４０ｍｓ）分の移動平均値が用いられる。一方、第２移動平均値（過去周期）としては、最新周期の取得タイミングから時間ｔ３（例えばｔ３＝２００ｍｓ）だけ過去に遡ったタイミングを終点として時間ｔ４（例えばｔ４＝８０ｍｓ）分の移動平均値が用いられる。

無効電力注入量算出部１２４は、周波数偏差算出部１２３で算出された周波数偏差（周期偏差）に応じて注入する無効電力を算出する。無効電力注入量算出部１２４は、ソフトウェア部として実装される。

図５は、周波数偏差−注入無効電力特性を示す図である。本図で示したように、無効電力注入量算出部１２４は、周波数偏差が±ｆ［Ｈｚ］（例えばｆ＝０．０１Ｈｚ（±４．０μｓ＠５０Ｈｚ、±２．８μｓ＠６０Ｈｚ）を境にして無効電力演算のゲインを変える（１段目ゲイン及び２段目ゲイン）。なお、注入する無効電力の上下限値は±Ａ［ｐ．ｕ．］（例えばＡ＝０．２５）に設定されている。ここで、ｐ．ｕ．［per unit］は、単位法で基準値（定格容量）に対する比を表す際に用いられる記号である。例えば、基準値（定格容量）が４ｋＷである場合、±０．２５ｐ．ｕ．＝±１ｋＷ（無効電力であれば±１ｋＶａｒ）となる。

また、図５において、特性を実線と破線により示しているのは、ゲインを切替え可能となっているからであり、これについては後で詳述する。

加算部１２５は、無効電力注入量算出部１２４で算出された無効電力の注入量と、後出のステップ注入量算出部１３６で算出された無効電力のステップ注入量を足し合わせて、電流制御処理部１５０に伝達する。加算部１２５は、ソフトウェア部として実装される。

無効電力ステップ注入部１３０は、ＰＣＳ１００の単独運転時にＰＣＳ１００の出力電力と負荷装置の消費電力が平衡して系統周波数の偏差が微小となる条件下において、周波数シフトを促すために無効電力をステップ注入する制御部であり、基本波電圧計測回路１３１と、高調波電圧計測回路１３２と、基本波電圧算出部１３３と、高調波歪算出部１３４と、ステップ注入発生条件判定部１３５と、ステップ注入量算出部１３６と、を含む。

基本波電圧計測回路１３１は、ＰＣＳ１００の出力電流に含まれる基本波成分を基本波電圧として計測する。基本波電圧計測回路１３１は、ハードウェア部として実装される。

高調波電圧計測回路１３２は、ＰＣＳ１００の出力電流に含まれる高調波成分を高調波電圧として計測する。高調波電圧計測回路１３２は、ハードウェア部として実装される。

基本波電圧算出部１３３は、基本波電圧の変化量を算出する。基本波電圧算出部１３３は、ソフトウェア部として実装される。

高調波歪算出部１３４は、電圧高調波歪の変化量を算出する。電圧高調波歪の演算には、二次〜七次以上の高調波が用いられる。高調波歪算出部１３４は、ソフトウェア部として実装される。

ステップ注入発生条件判定部１３５は、基本波電圧算出部１３３及び高調波歪算出部１３４の出力に応じてステップ注入発生条件が満足されたか否かを判定する。より具体的に述べると、ステップ注入発生条件判定部１３５は、周波数偏差が所定の微小範囲内（例えば±０．０１Ｈｚ以内）であり、且つ、基本波電圧または電圧高調波歪の変化量が所定の条件を満たしたときに、ステップ注入の必要が生じたと判定する。ステップ注入発生条件判定部１３３は、ソフトウェア部として実装される。

図６は、ステップ注入発生の第１条件（基本波電圧変動）を説明するための図である。図６の例において、Ｍｉは直近からｉサイクル前の基本波電圧を示しており、Ｍａｖｒは３サイクル前から５サイクル前までの３個の平均値を示している。基本波電圧算出部１３３では、例えば、基本波電圧の変化量（Ｍ０−Ｍａｖｒ）が算出され、ステップ注入発生条件判定部１３５では、当該変化量が所定の閾値を超えた場合に基本波電圧の変動が生じたと判定される。

図７はステップ注入発生の第２条件（電圧高調波歪変動）を説明するための図である。図７の例において、Ｎｉは直近からｉサイクル前の二次〜七次の全高調波歪ＴＨＤ［total harmonic distortion］を示しており、Ｎ０は直近の値、Ｎａｖｒは３サイクル前から５サイクル前までの３個の平均値を示している。高調波歪算出部１３４では、例えば、電圧高調波歪の変化量（Ｎ０−Ｎａｖｒ）が算出され、ステップ注入発生条件判定部１３５では、当該変化量が所定の閾値を超えた場合に電圧高調波歪が急増したと判定される。

ステップ注入量算出部１３６は、ステップ注入発生条件判定部１３５の判定結果に応じて無効電力のステップ注入量を算出する。注入時間は、所定のサイクル数以下（例えば３サイクル以下）とされている。注入量には所定の上限値（例えば０．１ｐ．ｕ．）が定められている。無効電力は、ＰＣＳ１００から見て電流位相を遅らせる方向（周波数を低下させる方向）に注入される。無効電力のステップ注入は、先述の条件が満たされてから系統周波数（周期）の半サイクル以内に行われる。ステップ注入量算出部１３６は、ソフトウェア部として実装される。

単独運転検出部１４０は、系統周波数の変化によって単独運転発生の有無を判定する制御部であり、能動的単独運転検出部１４１と、受動的単独運転検出部１４２と、を含む。

電流制御処理部１５０は、系統周波数計測部１１０の出力に基づいて同期処理を行いつつ、適切な無効電力を注入するようにインバータ部１６０の電流制御を行う。

インバータ部１６０は、直流電源（例えばＰＶパネル）から供給される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統ＰＷに系統連系させる電力変換部である。

なお、図１では、上記の構成要素をハードウェア部（ＣＰＵ以外）とソフトウェア部（ＣＰＵ）に分割した例を示しているが、分割の境界はこれに限定されるものではない。

ここで、ＰＣＳ１００は、更に、高調波電圧計測回路１７１と、高調波歪算出部１７２を備えている。高調波電圧計測回路１７１は、ＰＣＳ１００の出力電流に含まれる高調波成分を高調波電圧として計測する。高調波電圧計測回路１７１は、ハードウェア部として実装される。

高調波歪算出部１７２は、電圧高調波歪の変化量を算出する。電圧高調波歪の演算には、二次〜七次以上の高調波が用いられる。高調波歪算出部１７２は、ソフトウェア部として実装される。高調波歪算出部１７２は、先述した図７に示すように、例えば、電圧高調波歪の変化量（Ｎ０−Ｎａｖｒ）（Ｎ０：直近の全高調波歪ＴＨＤ、Ｎａｖｒ：３サイクル前から５サイクル前までの３個のＴＨＤ平均値）を算出する。

そして、無効電力注入量算出部１２４は、高調波歪算出部１７２によって算出された上記の電圧高調波歪の変化量に応じて無効電力演算のゲイン（フィードバックゲイン）を切替える。より具体的には、電圧高調波歪の変化量が所定の閾値を超えている場合は、図５に示す周波数偏差−注入無効電力特性における実線で示したゲイン（第１のゲイン）にフィードバックゲインを設定する。このゲイン設定は、数周期間のみ行う。

一方、電圧高調波歪の変化量が上記所定の閾値以下である場合は、図５における破線で示したゲイン（第２のゲイン）にフィードバックゲインを設定する。破線に示したゲインは、周波数偏差の全領域において実線で示したゲイン以下であるが、マイナス側からプラス側にかける一部の周波数偏差領域において実線で示したゲインより低くしている（破線の１段目ゲイン及び２段目ゲインの部分）。

ここで、商用電力系統ＰＷが停電し、ＰＣＳ１００が単独運転状態となった場合、ＰＣＳ１００と商用電力系統ＰＷの間に位置する柱上トランス（不図示）で発生する高調波電流が負荷装置のインピーダンスや柱上トランスのインピーダンスに向けて流れるので、インバータ出力に電圧高調波が発生する。

ＰＣＳ１００が単独運転状態になって電圧高調波歪が急増すると、高調波歪算出部１７２により算出される電圧高調波歪の変化量が所定の閾値を超えるので、無効電力注入算出部１２４は、第１のゲイン（図５の実線）にフィードバックゲインを設定する。このとき、ＰＣＳ出力と負荷装置の消費電力がアンバランスであれば、系統周波数に変化が生じる。従って、周波数フィードバック部１２０は、周波数偏差と設定された第１のゲインに基づいて無効電力を注入し、周波数シフトを助長させる。そして、能動的単独運転検出部１４１は、周波数の発散を検出することで、単独運転を検出する。第１のゲインは高めに設定されるので、無効電力が多く注入され、周波数の発散が促され、単独運転検出を高速に行うことができる。

また、商用電力系統ＰＷと系統連系している定常時では、電圧高調波はインバータ出力に発生しないので、高調波歪算出部１７２により算出される電圧高調波歪の変化量が所定の閾値以下となり、無効電力注入算出部１２４は、第２のゲイン（図５の破線）にフィードバックゲインを設定する。このとき、系統周波数にふらつきが生じた場合、周波数偏差と第２のゲインに基づき無効電力が注入されることになるが、第２のゲインは低めに設定されているので、不要な無効電力注入を抑えることができる。

このように、本実施形態であれば、単独運転状態でない定常時は不要な無効電力の出力を抑え、且つ単独運転状態時は単独運転の検出を高速に行うことができる。

また、単独運転状態時にＰＣＳ出力と負荷装置の消費電力がバランスされている場合は、系統周波数の変化が微小となるが、電圧高調波歪が急増するため、高調波歪算出部１３４により算出される電圧高調波歪の変化量が所定の閾値を超える。これにより、ステップ注入発生条件判定部１３５の判定結果に応じてステップ注入量算出部１３６によって、無効電力がステップ注入される。このとき、電圧高調波歪の急増の検出によって、無効電力注入量算出部１２４はフィードバックゲインを第１のゲインに設定する。従って、系統周波数の周波数発散が促されることとなり、高速な単独運転検出が可能となる。

なお、単独運転状態時に電圧高調波歪の急増の度合いが弱い場合があり、この場合、無効電力ステップ注入部１３０により電圧高調波歪の急増を検出できず、無効電力のステップ注入機能が無効となる。しかしながら、無効電力注入量算出部１２４における高調波判定の閾値は、ステップ注入発生条件判定部１３５における閾値に比べて低めに設定しているので、無効電力注入量算出部１２４では上記のような場合でも電圧高調波歪の急増を検出でき、フィードバックゲインは第１のゲインに設定される。高めである第１のゲインによって周波数の発散が促され、高速な単独運転検出が可能となる。

このような能動的単独運転検出方式を採用したＰＣＳ１００であれば、単独運転状態に陥ったＰＣＳ１００を遅滞なく（例えば単独運転発生から規定値である０．２ｓ以内に）高速に停止することが可能となる。

＜第２実施形態＞
上記第１実施形態では無効電力注入量算出部１２４によって設定されるフィードバックゲインとして図５で示したものを例として挙げたが、フィードバックゲインはこの他にも様々な形態を採りうる。

例えば、図８で示すように、第２のゲイン（破線）の一部が第１のゲイン（実線）の１段目の部分に重なっていてもよい。そして、図８では、第２のゲインは、この重なった直線部から両端へ第１のゲインの限界値（±Ａ[p.u.]）に交わるまで延長されている（＋ｆ１〜＋ｆ２、及び−ｆ１〜−ｆ２の領域）。従って、この第２のゲインの延長部は第１のゲインよりも値が低くなる部分となる。

また、他の例として、フィードバックゲインの一部を曲線状に構成してもよい。例えば、図５において、１段目ゲインと２段目ゲインを曲線状に構成してもよい。

＜第３実施形態＞
上記第１実施形態において、無効電力注入量算出部１２４ではステップ注入発生条件判定部１３５よりも、算出された電圧高調波歪の変化量に対する閾値を低くすることで、電圧高調波歪急増の判定条件を緩和している。このような判定条件の緩和は、他の手法でも可能である。

例えば、ステップ注入発生条件判定部１３５と無効電力注入量算出部１２４とで判定の閾値は同じ値とする。そして、高調波歪算出部１３４では、例えば図７に示したように、直近の全高調波歪ＴＨＤ（Ｎ０）と、３サイクル前〜５サイクル前までのＴＨＤ平均値（Ｎａｖｒ）の差分をとることにより電圧高調波歪の変化量を算出する。また、高調波歪算出部１７２は、直近の全高調波歪ＴＨＤ（Ｎ０）と、６サイクル前〜８サイクル前までのＴＨＤ平均値（即ち上記３サイクル前〜５サイクル前よりも過去）の差分をとることにより電圧高調波歪の変化量を算出する。つまり、同じ閾値でも電圧高調波歪の変化量をとる期間を長くすることで、電圧高調波歪急増の判定条件を緩和している。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の趣旨の範囲内であれば、実施形態は種々の変形が可能である。

例えば本発明は、太陽電池モジュール（直流電源の一例）とＰＣＳから成る分散型電源以外の分散型電源にも広く適用可能である（太陽電池以外の自然エネルギー発電手段、燃料電池、蓄電池を用いた分散型電源等）。

１００ＰＣＳ
１１０系統周波数計測部
１２０周波数フィードバック部
１３０無効電力ステップ注入部
１４０単独運転検出部
１５０電流制御処理部
１６０インバータ部
１７１高調波電圧計測回路
１７２高調波歪算出部
ＰＷ商用電力系統

Claims

直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に系統連系させる電力変換部と、
系統周波数を計測する系統周波数計測部と、
前記系統周波数をモニタして単独運転を検出する単独運転検出部と、
前記系統周波数の偏差に応じた無効電力を注入することで前記系統周波数の周波数変化を促す周波数フィードバック部と、
電圧高調波歪の急増の有無を判定する判定部と、
前記判定部による判定結果に応じて前記周波数フィードバック部のフィードバックゲインを切替えて設定するゲイン設定部と、
電圧高調波歪の急増が検出されたときに無効電力をステップ注入することで強制的に前記系統周波数の偏差を生じさせる無効電力ステップ注入部と、を備え、
前記判定部による前記電圧高調波歪急増の判定条件は、前記無効電力ステップ注入部に関する前記電圧高調波歪急増の検出条件よりも緩和している電力変換装置。
前記ゲイン設定部は、前記判定部により電圧高調波歪の急増があったと判定された場合、第１のゲインを設定し、そうでない場合は、周波数偏差の全領域において前記第１のゲイン以下であり、且つ少なくとも一部の周波数偏差領域において前記第１のゲインより低くしている第２のゲインを設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。
直流電源と、前記直流電源から入力される直流電力を交流電力に変換して商用電力系統に系統連系させる請求項１または請求項２に記載の電力変換装置と、を備えることを特徴とする分散型電源。