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JP6629077B2 - Pseudo-synchronous force-voltage converter and its controller - Google Patents
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JP6629077B2 - Pseudo-synchronous force-voltage converter and its controller - Google Patents

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Description

本発明は、直流電力を交流電力に変換して電力系統に交流電力を供給する電圧型コンバータに関する。   The present invention relates to a voltage-type converter that converts DC power into AC power and supplies AC power to a power system.

電力系統において、同期機が持つ慣性は系統の安定運用にとって重要な役割を担っている。すなわち、同期機は、同期化力により電力系統と同期して運転を行うことで電力系統の安定運用に寄与している。   In a power system, the inertia of a synchronous machine plays an important role for stable operation of the system. That is, the synchronous machine contributes to stable operation of the power system by operating in synchronization with the power system by the synchronizing force.

一方、太陽光発電システムを始めとする再生可能エネルギーが電力系統に導入されつつある。基本的に、再生可能エネルギーは一旦蓄電されてインバータにより交流電力に変換されて電力系統に供給される。今後、再生可能エネルギーを交流電力に変換するパワーエレクトロニクス機器(電圧型コンバータ)が大量に電力系統に連系していくことが予想される。しかし、そのようなパワーエレクトロニクス機器は同期機とは異なり本質的に慣性あるいは同期化力を有しない。このため、パワーエレクトロニクス機器が増えると電力系統内の同期化力が減少していくことが懸念される。そこで、パワーエレクトロニクス機器に同期機の挙動を模擬させ、同期化力が減少した電力系統を安定化する手法が提案されている(例えば、非特許文献1および2を参照)。   On the other hand, renewable energies such as solar power generation systems are being introduced into electric power systems. Basically, renewable energy is temporarily stored, converted into AC power by an inverter, and supplied to a power system. In the future, it is expected that a large number of power electronics devices (voltage-type converters) that convert renewable energy into AC power will be connected to the power system. However, such power electronics devices, unlike synchronous machines, have essentially no inertia or synchronization power. For this reason, there is a concern that the synchronizing power in the power system will decrease as the number of power electronics devices increases. Therefore, a method has been proposed in which a power electronic device simulates the behavior of a synchronous machine to stabilize a power system with a reduced synchronizing force (for example, see Non-Patent Documents 1 and 2).

野口敬太、佐々木豊、造賀芳文、餘利野直人、「同期化力インバータを用いた系統安定化制御」、平成25年度電気・情報関連学会中国支部連合大会予稿集、pp.67−68、2013Keita Noguchi, Yutaka Sasaki, Yoshifumi Zoka and Naoto Yurino, "System Stabilization Control Using Synchronous Power Inverter", Proceedings of the 2013 Annual Conference of the China Association of Electrical and Information Engineers, pp. 67-68, 2013 関崎真也、中村優希、佐々木豊、造賀芳文、餘利野直人、「インバータによる系統安定化実験環境の構築」、平成26年度電気・情報関連学会中国支部連合大会講演論文集CD−ROM、pp.59−60、2014Shinya Sekizaki, Yuki Nakamura, Yutaka Sasaki, Yoshifumi Zoka, Naoto Yurino, "Construction of Experimental System for System Stabilization Using Inverters" . 59-60, 2014

同期機の挙動を模擬する従来の電圧型コンバータは系統との同期にPLL(Phase Locked Loop)を用いている。しかし、PLL方式の電圧型コンバータは、大規模電源から離れた地域(weak grid)において不安定であるという問題がある。   A conventional voltage-type converter that simulates the behavior of a synchronous machine uses a PLL (Phase Locked Loop) for synchronizing with a system. However, the voltage converter of the PLL system has a problem that it is unstable in an area (weak grid) far from a large-scale power supply.

上記問題に鑑み、本発明は、PLLを用いずに電圧型コンバータに同期機の挙動を模擬させることを課題とする。   In view of the above problems, an object of the present invention is to make a voltage type converter simulate the behavior of a synchronous machine without using a PLL.

本発明の一局面に従った擬似同期化力電圧型コンバータおよびそのコントローラは以下の通りである。すなわち、直流電力を交流電力に変換して電力系統に交流電力を供給する電圧型コンバータのコントローラは、電圧型コンバータの出力周波数が目標周波数となるように電圧型コンバータをドループ制御するためのガバナ指令値を制御するガバナ部と、同期機の動揺方程式に基づいて、電圧型コンバータの有効電力出力の指令値および実測値、目標周波数、およびガバナ指令値から電圧型コンバータの出力電圧位相を算出する出力電圧位相算出部と、電力系統の電圧が目標電圧となるように電圧型コンバータの変調率を制御するレギュレータ部と、変調率および出力電圧位相に基づいてパルス変調信号を生成し、該パルス変調信号に従って電圧型コンバータにおけるインバータにおけるスイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御部とを備えたものである。   A pseudo-synchronous force-voltage converter and its controller according to one aspect of the present invention are as follows. That is, the controller of the voltage-type converter that converts the DC power to the AC power and supplies the AC power to the power system has a governor command for droop-controlling the voltage-type converter so that the output frequency of the voltage-type converter becomes the target frequency. A governor that controls the value, and an output that calculates the output voltage phase of the voltage-type converter from the command value and the measured value, the target frequency, and the governor command value of the active power output of the voltage-type converter based on the fluctuation equation of the synchronous machine. A voltage phase calculation unit, a regulator unit that controls a modulation rate of the voltage-type converter so that a voltage of the power system becomes a target voltage, and a pulse modulation signal based on the modulation rate and the output voltage phase, and generates the pulse modulation signal. Switching control of the switching element in the inverter in the voltage-type converter according to It is obtained by a control unit.

これによると、電圧型コンバータを同期機の動揺方程式に基づいて制御することができるとともに、ガバナ部およびレギュレータ部により電力系統の周波数と電圧を維持させることができる。   According to this, the voltage type converter can be controlled based on the oscillation equation of the synchronous machine, and the governor and the regulator can maintain the frequency and voltage of the power system.

上記コントローラにおいて、インバータが単相インバータであってもよい。   In the above controller, the inverter may be a single-phase inverter.

これによると、当該コントローラは単相電圧型コンバータを制御することができる。   According to this, the controller can control the single-phase voltage type converter.

上記コントローラにおいて、出力電圧位相算出部がインバータの入力側の直流電圧および直流電流の各実測値から電圧型コンバータの有効電力出力の実測値を算出するものであってもよい。   In the above controller, the output voltage phase calculation unit may calculate an actual measured value of the active power output of the voltage type converter from each measured value of the DC voltage and the DC current on the input side of the inverter.

これによると、電圧型コンバータの有効電力出力の実測値を容易かつ安定的に算出することができる。   According to this, it is possible to easily and stably calculate the actual measured value of the active power output of the voltage type converter.

また、擬似同期化力電圧型コンバータは、蓄電デバイスと、蓄電デバイスから供給される直流電圧を任意の直流電圧に変換するDC/DCコンバータと、DC/DCコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータにおけるスイッチング素子をスイッチング制御する上記のコントローラとを備えたものである。   In addition, the pseudo-synchronous force-voltage converter converts a power storage device, a DC / DC converter that converts a DC voltage supplied from the power storage device into an arbitrary DC voltage, and an output voltage of the DC / DC converter into an AC voltage. It is provided with an inverter and the above-mentioned controller which controls switching of a switching element in the inverter.

本発明によると、PLLを用いずに電圧型コンバータに同期機の挙動を模擬させることができ、weak gridにおいても安定的に動作可能となる。   According to the present invention, it is possible to simulate the behavior of a synchronous machine in a voltage type converter without using a PLL, and it is possible to operate stably even in a weak grid.

本発明の一実施形態に係る擬似同期化力電圧型コンバータの構成図1 is a configuration diagram of a pseudo-synchronous force-voltage converter according to an embodiment of the present invention. 擬似同期化力電圧型コンバータのコントローラの制御ブロック図Control block diagram of controller of pseudo-synchronous force-voltage converter 検証用の単相マイクログリッドの模式図Schematic diagram of a single-phase microgrid for verification 単相マイクログリッドにおける各単相VSCの出力周波数を示すグラフGraph showing the output frequency of each single-phase VSC in a single-phase microgrid 単相マイクログリッドにおける各単相VSCの出力電圧を示すグラフGraph showing the output voltage of each single-phase VSC in a single-phase microgrid 単相マイクログリッドにおける各単相VSCの有効電力出力を示すグラフGraph showing the active power output of each single-phase VSC in a single-phase microgrid 検証用の三相マイクログリッドの模式図Schematic diagram of three-phase microgrid for verification 三相マイクログリッドにおける各単相VSCの出力周波数を示すグラフGraph showing the output frequency of each single-phase VSC in a three-phase microgrid 三相マイクログリッドにおける各単相VSCの出力電圧を示すグラフGraph showing the output voltage of each single-phase VSC in a three-phase microgrid 三相マイクログリッドにおける各単相VSCの有効電力出力を示すグラフGraph showing active power output of each single-phase VSC in a three-phase microgrid

以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。ただし、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明や実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。   Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings as appropriate. However, an unnecessary detailed description may be omitted. For example, a detailed description of well-known matters and a repeated description of substantially the same configuration may be omitted. This is to prevent the following description from being unnecessarily redundant and to facilitate understanding of those skilled in the art.

なお、発明者らは、当業者が本発明を十分に理解するために添付図面および以下の説明を提供するのであって、これらによって特許請求の範囲に記載の主題を限定することを意図するものではない。   The inventors provide the accompanying drawings and the following description so that those skilled in the art can fully understand the present invention, and these are intended to limit the subject matter described in the claims. is not.

≪擬似同期化力電圧型コンバータの構成≫
図1は、本発明の一実施形態に係る擬似同期化力電圧型コンバータ10の構成を示す。「擬似同期化力電圧型コンバータ」とは、同期機の挙動を模擬して擬似的に同期化力を持つようにした電圧型コンバータ(VSC:Voltage Source Converter)のことをいう。なお、便宜のため、以下では擬似同期化力電圧型コンバータ10のことを単にVSC10と参照する。
≫Configuration of quasi-synchronous force-voltage converter≫
FIG. 1 shows a configuration of a pseudo-synchronous force-voltage converter 10 according to an embodiment of the present invention. The “pseudo-synchronous force voltage type converter” refers to a voltage type converter (VSC: Voltage Source Converter) which simulates the behavior of a synchronous machine to have a pseudo-synchronous force. For the sake of convenience, the pseudo-synchronous force-voltage converter 10 is hereinafter simply referred to as VSC10.

VSC10は、再生可能エネルギー(RES:Renewable Energy Source)11を交流電力に変換して電力系統に交流電力を供給するパワーエレクトロニクス機器である。例えば、VSC10は、蓄電デバイス1、DC/DCコンバータ2、インバータ3、およびコントローラ4を備えている。   The VSC 10 is a power electronics device that converts renewable energy (RES) 11 into AC power and supplies AC power to a power system. For example, the VSC 10 includes a power storage device 1, a DC / DC converter 2, an inverter 3, and a controller 4.

蓄電デバイス1は、RES11から供給される電力を蓄え、DC/DCコンバータ2に電力を供給するデバイスである。蓄電デバイス1は、例えば、電気二重層キャパシタやリチウムイオンキャパシタや鉛バッテリなどで構成することができる。   The power storage device 1 is a device that stores power supplied from the RES 11 and supplies power to the DC / DC converter 2. The power storage device 1 can be composed of, for example, an electric double layer capacitor, a lithium ion capacitor, a lead battery, or the like.

DC/DCコンバータ2は、RES11および蓄電デバイス1から電力を受け、それを任意の直流電圧に変換して出力する。RES11の供給電力がDC/DCコンバータ2の出力電力よりも小さければ不足電力が蓄電デバイス1から供給される。逆に、RES11の供給電力がDC/DCコンバータ2の出力電力よりも大きければ余剰電力が蓄電デバイス1に充電される。   DC / DC converter 2 receives power from RES 11 and power storage device 1, converts the power to an arbitrary DC voltage, and outputs the DC voltage. If the power supplied by the RES 11 is smaller than the output power of the DC / DC converter 2, insufficient power is supplied from the power storage device 1. Conversely, if the supply power of the RES 11 is larger than the output power of the DC / DC converter 2, the surplus power is charged to the power storage device 1.

インバータ3は、複数のIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)31を有している。これらIGBT31がスイッチング動作することで、DC/DCコンバータ2から供給される直流電圧が交流電圧に変換される。より詳細には、インバータ3は単相インバータであり、DC/DCコンバータ2の出力電圧を単相交流電圧に変換する。すなわち、VSC10は単相VSCである。このため、VSC10は、マイクログリッドを始めとして任意の相に連系することができる。インバータ3の交流出力は、フィルタ12により高調波電圧および高調波電流が除去され、さらに変圧器13により任意の交流電圧に変圧されて図略の電力系統に供給される。   The inverter 3 has a plurality of IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors) 31. The switching operation of these IGBTs 31 converts the DC voltage supplied from DC / DC converter 2 into an AC voltage. More specifically, inverter 3 is a single-phase inverter, and converts the output voltage of DC / DC converter 2 into a single-phase AC voltage. That is, VSC 10 is a single-phase VSC. Therefore, the VSC 10 can be connected to an arbitrary phase such as a micro grid. The AC output of the inverter 3 is filtered by a filter 12 to remove a harmonic voltage and a harmonic current, further transformed into an arbitrary AC voltage by a transformer 13 and supplied to a power system (not shown).

コントローラ4は、パルス変調されたゲート信号を生成してインバータ3における各IGBT31をスイッチング制御する。コントローラ4は、下述するように同期機の動揺方程式に従って各種デジタル演算を行うものであり、CPU(Central Processing Unit)などで実現することができる。コントローラ4の制御系は、系統の周波数維持のためのガバナおよび系統電圧維持のためのAVR(Automatic Voltage Regulator)を含み、擬似慣性(virtual inertia)発生ループを形成している。   The controller 4 generates a pulse-modulated gate signal and controls the switching of each IGBT 31 in the inverter 3. The controller 4 performs various digital operations according to the oscillation equation of the synchronous machine as described below, and can be realized by a CPU (Central Processing Unit) or the like. The control system of the controller 4 includes a governor for maintaining the frequency of the system and an AVR (Automatic Voltage Regulator) for maintaining the system voltage, and forms a pseudo inertia (virtual inertia) generation loop.

(ガバナを含んだvirtual inertia発生ループ)
本質的に三相機器である同期機の挙動を、直接単相制御系として適用することはできない。単相VSCに同期機の挙動を真似させるために、同期機巻線のうち1相を単相系統に接続し、その他の巻線を開放した状態での運転を想定する。この場合、実際の同期機は同期運転を維持することはできないが、VSCはその内部動的回転系モデルに基づいた動作により同期運転を可能とする。本着想に基づいた単相VSCの新制御系の設計には、動揺方程式に基づいたモデルを採用する。三相VSC制御系についても、同様の方法で構築可能である。ここで、VSC動作の平衡点近傍で線形化した、ガバナを含む動揺方程式は(1)〜(4)式で与えられる。
(Virtual inertia generation loop including governor)
The behavior of a synchronous machine, which is essentially a three-phase device, cannot be directly applied to a single-phase control system. In order to imitate the behavior of the synchronous machine in the single-phase VSC, it is assumed that one of the windings of the synchronous machine is connected to a single-phase system and the operation is performed with the other windings opened. In this case, the actual synchronous machine cannot maintain the synchronous operation, but the VSC enables the synchronous operation by the operation based on the internal dynamic rotation system model. In designing a new single-phase VSC control system based on this idea, a model based on the oscillation equation is adopted. The three-phase VSC control system can be constructed in a similar manner. Here, the fluctuation equation including the governor linearized near the equilibrium point of the VSC operation is given by equations (1) to (4).

ここで、ΔθVSCは、VSC出力電圧位相の平衡点からの微小変動量、MVSCは擬似慣性定数、DVSCは擬似ダンピング係数、KVSCは擬似同期化係数、Pは擬似機械入力、Pは電気的出力、Pgovはガバナ出力、Kgovはガバナゲイン、Tgovはガバナ時定数、ωrefはVSC周波数指令値、ωVSCはVSC出力電圧の周波数である。ガバナ動作を表す(3)(4)式は一次遅れ特性を有しており、ガバナ出力PgovはωVSCのωrefからの偏差により求められる。 Here, Δθ VSC is a minute variation of the VSC output voltage phase from the equilibrium point, M VSC is a pseudo inertia constant, DVSC is a pseudo damping coefficient, K VSC is a pseudo synchronization coefficient, P m is a pseudo mechanical input, and P m is a pseudo mechanical input. e is the frequency of the electrical output, P gov is governor output, K gov is Gabanagein, T gov the governor time constant, omega ref is VSC frequency command value, omega VSC is VSC output voltage. Equations (3) and (4) representing governor operation have a first-order lag characteristic, and the governor output P gov is obtained from the deviation of ω VSC from ω ref .

(1)〜(4)式において、入力信号として制御系はPのみを必要とする。出力電圧位相θVSCはセンサ情報により演算したPに基づいて計算される。三相VSCおよび単相VSCの安定的な同期運転には、それぞれ、三相および単相の瞬時有効電力出力Pを正確に計算することが重要になる。三相VSCについては、瞬時有効電力Pはdq/abc変換により容易に計算することができる。単相VSCの瞬時有効電力出力の計算方法については次に述べる。 In equations (1) to (4), the control system requires only Pe as an input signal. Output voltage phase theta VSC is calculated based on P e computed by the sensor information. A stable synchronous operation of three-phase VSC and single-phase VSC, respectively, is possible to accurately calculate a three-phase and single-phase instantaneous effective power output P e becomes important. For three-phase VSC, the instantaneous active power P e can be easily calculated by dq / abc conversion. A method for calculating the instantaneous active power output of the single-phase VSC will be described below.

(直流側測定法)
交流の周波数がf1ph[Hz]の単相電圧、電流により計算される瞬時有効電力は2f1ph[Hz]で振動するため、単相VSCの瞬時有効電力出力を安定的に演算することは困難である。また、マイクログリッドが電力系統と接続する場合、あるいは電力系統から解列する際には電圧位相が瞬間的に跳躍する。この位相跳躍もまたVSC出力有効電力の振動を引き起こす。(1)式における有効電力出力Pの変動はΔθVSCの変動を引き起こし、VSCの同期運転を不安定なものにするため、有効電力出力変動によるVSC動作に対する悪影響を抑制するために単相VSCの有効電力出力Pは直流側で測定する。Pは、VSCの直流電圧VDCと直流電流IDCの積P=VDCDCとして計算される。Pはパワーデバイスによるスイッチングノイズを含むため、ローパスフィルタを採用し、スイッチングノイズを除去したものを有効電力出力として扱う。
(DC side measurement method)
Since the instantaneous active power calculated by a single-phase voltage and current having an AC frequency of f 1ph [Hz] oscillates at 2f 1ph [Hz], it is difficult to stably calculate the instantaneous active power output of the single-phase VSC. It is. Further, when the microgrid is connected to or disconnected from the power system, the voltage phase jumps instantaneously. This phase jump also causes oscillation of the VSC output active power. (1) causes a variation of the active power output P variation of e is [Delta] [theta] VSC in formula, in order to unstable synchronous operation of VSC, single phase in order to suppress adverse effects on VSC operation by active power output variation VSC the active power output P e of measuring the DC side. P e is calculated as the product of the DC voltage V DC of the VSC and the DC current I DC P e = V DC I DC . P e is to include the switching noise in the power device, it employs a low pass filter, handle that removes switching noise as active power output.

(AVR)
VSC出力電圧VVSCを維持するためのAVRは、(5)(6)式に基づきVSCの変調率mVSCを制御する。
(AVR)
The AVR for maintaining the VSC output voltage V VSC controls the modulation rate m VSC of the VSC based on the equations (5) and (6).

ここで、KAVRはAVRゲインであり、TAVRは時定数である。変調率mVSCは、VVSCが指令値Vrefと一致するように一次遅れ系により制御される。制御系の安定性を向上させるために、変調率mAVRはフィードフォワード制御系により、定格の変調率1.0と一次遅れ系の出力の和として得られる。VSC出力電圧が不安定に変動することを回避するため、変調率mAVRは上下限制約により制限される。変調率は通常mAVR=[0.0,1.0]の範囲にあるが、必要に応じてmmaxを制御することで過変調も可能である。 Here, K AVR is an AVR gain, and T AVR is a time constant. The modulation factor m VSC is controlled by a first-order lag system so that V VSC matches the command value V ref . In order to improve the stability of the control system, the modulation rate m AVR is obtained by the feedforward control system as the sum of the rated modulation rate 1.0 and the output of the first-order lag system. In order to avoid unstable fluctuation of the VSC output voltage, the modulation rate m AVR is limited by upper and lower limits. The modulation rate is usually in the range of m AVR = [0.0, 1.0], but over-modulation is possible by controlling m max as needed.

(制御系)
図2は、コントローラ4の制御ブロックを示す。当該制御ブロックは(1)(3)(5)(6)式を具現化したものである。
(Control system)
FIG. 2 shows a control block of the controller 4. The control block embodies the equations (1), (3), (5), and (6).

コントローラ4は、ガバナ部41、出力電圧位相算出部42、レギュレータ部43、およびスイッチング制御部44を含む。   The controller 4 includes a governor 41, an output voltage phase calculator 42, a regulator 43, and a switching controller 44.

ガバナ部41は、VSC10の出力周波数(ωVSC)が目標周波数(ωref)となるようにVSC10をドループ制御するためのガバナ指令値(Pgov)を制御する。すなわち、ガバナ部41は(3)式の演算を行う。 The governor unit 41 controls a governor command value (P gov ) for droop-controlling the VSC 10 so that the output frequency (ω VSC ) of the VSC 10 becomes the target frequency (ω ref ). That is, the governor 41 performs the calculation of the expression (3).

出力電圧位相算出部42は、同期機の動揺方程式に基づいて、VSC10の有効電力出力の指令値(P)および実測値(P)、目標周波数(ωref)、およびガバナ指令値(Pgov)からVSC10の出力電圧位相(θVSC)を算出する。すなわち、出力電圧位相算出部42は(1)式の演算を行う。 The output voltage phase calculation unit 42 determines the command value (P m ) and the actual measurement value (P e ) of the active power output of the VSC 10, the target frequency (ω ref ), and the governor command value (P gov ), the output voltage phase (θ VSC ) of the VSC 10 is calculated. That is, the output voltage phase calculation unit 42 performs the calculation of the expression (1).

ここで、出力電圧位相算出部42は、VSC10におけるインバータ3の入力側の直流電圧および直流電流の各実測値(VDC,IDC)からVSC10の有効電力出力の実測値(P)を算出することができる。なお、三相VSCの場合には、出力電圧位相算出部42は、dq/abc変換によりVSC10の有効電力出力の実測値(P)を算出することができる。 Here, the output voltage phase calculation unit 42 calculates the actual measurement value (P e ) of the active power output of the VSC 10 from the actual measurement values (V DC , I DC ) of the DC voltage and DC current on the input side of the inverter 3 in the VSC 10. can do. In the case of a three-phase VSC, the output voltage phase calculator 42 can calculate the actual measured value (P e ) of the active power output of the VSC 10 by dq / abc conversion.

レギュレータ部43は、VSC10の出力電圧(VVSC)が目標電圧(Vref)となるようにVSC10の変調率(mVSC)を制御する。すなわち、レギュレータ部44は(5)(6)式の演算を行う。 The regulator unit 43 controls the modulation rate (m VSC ) of the VSC 10 so that the output voltage (V VSC ) of the VSC 10 becomes the target voltage (V ref ). That is, the regulator unit 44 performs the calculations of the equations (5) and (6).

スイッチング制御部44は、レギュレータ部43により算出された変調率(mVSC)および出力電圧位相算出部42により算出された出力電圧位相(θVSC)に基づいてパルス変調信号を生成し、該パルス変調信号に従ってVSC10におけるインバータ3におけるIGBT31をスイッチング制御する。具体的には、スイッチング制御部44は、mVSCsinθVSCを計算し、PWM(Pulse Width Modulation)変調によりIGBT31のゲート信号を生成する。 The switching control unit 44 generates a pulse modulation signal based on the modulation factor (m VSC ) calculated by the regulator unit 43 and the output voltage phase (θ VSC ) calculated by the output voltage phase calculation unit 42, and generates the pulse modulation signal. The switching control of the IGBT 31 in the inverter 3 in the VSC 10 is performed according to the signal. Specifically, the switching control unit 44 calculates m VSC sin θ VSC and generates a gate signal of the IGBT 31 by PWM (Pulse Width Modulation) modulation.

≪マイクログリッド運用での検証結果≫
次に、本実施形態に係る擬似同期化力電圧型コンバータ10(以下、単相VSCあるいはVSCという)を複数連系した単相VSC群によるマイクログリッド運用について行った数値シミュレーションによる検証結果について説明する。
検 証 Verification results in microgrid operation≫
Next, verification results by numerical simulation performed on a microgrid operation by a single-phase VSC group in which a plurality of quasi-synchronous force-voltage converters 10 (hereinafter, referred to as a single-phase VSC or VSC) according to the present embodiment are interconnected will be described. .

(単相マイクログリッド)
計算条件シミュレーションに用いる単相マイクログリッドモデルを図3に示す。本モデルでは、3台の単相VSCがab相に連系している。三相の無限大母線とVSCにより、三相および単相負荷(ab相)の負荷に電力が供給されている。無限大母線は三相平衡電圧源(線間電圧:6600[V]、周波数:60[Hz])である。負荷は抵抗としてモデル化する。3台のVSCはフィルタ(Rfil+jLfil)と変圧器を介してab相に接続されている。VSCの直流側は定電圧源VDCとしてモデル化する。変圧器の巻線比は400/6600である。無限大母線は開閉器を介して線路に接続している。シミュレーションに用いるパラメータを表1に示す。
(Single-phase microgrid)
FIG. 3 shows a single-phase microgrid model used for the calculation condition simulation. In this model, three single-phase VSCs are connected to the ab phase. Power is supplied to loads of three-phase and single-phase loads (ab-phase) by a three-phase infinite bus and VSC. The infinite bus is a three-phase balanced voltage source (line voltage: 6600 [V], frequency: 60 [Hz]). The load is modeled as a resistance. Three VSC is connected to the ab-phase via a transformer filter (R fil + jL fil). The DC side of the VSC is modeled as a constant voltage source VDC . The turns ratio of the transformer is 400/6600. The infinite bus is connected to the track via a switch. Table 1 shows parameters used for the simulation.

数値シミュレーションにおいて、3台のVSCは時間t=0.00[s]に系統に連系し、時間t=5.00[s]において無限大母線の接続点で三相地絡故障が発生する。その後、t=5.05[s]において開閉器(Switch gear)が開放され、地絡故障は除去される。これにより、本系統は3台の単相VSCにより運用されるマイクログリッドの単独運転に移行する。時間t=5.05[s]からt=10.0[s]までは単独運転が継続し、t=10.0[s]において開閉器が閉じることで、単相マイクログリッドは再度無限大母線に連系され、系統連系運転に移行する。大規模なじょう乱発生のVSCの挙動を検証することを目的とし、開閉器の閉操作はマイクログリッドと無限大母線の間の同期無しに行われる。   In the numerical simulation, the three VSCs are connected to the system at time t = 0.00 [s], and a three-phase ground fault occurs at the connection point of the infinite bus at time t = 5.00 [s]. . Thereafter, at t = 5.05 [s], the switch (Switch gear) is opened, and the ground fault is eliminated. Thereby, this system shifts to the single operation of the microgrid operated by the three single-phase VSCs. From time t = 5.05 [s] to t = 10.0 [s], the single operation is continued, and the switch is closed at t = 10.0 [s]. The system is connected to the bus and the operation shifts to system interconnection operation. For the purpose of verifying the behavior of a VSC with a large disturbance, the closing operation of the switch is performed without synchronization between the microgrid and the infinite bus.

図4は単相VSC#1,#2,#3の出力周波数を示している。図4より、VSCの周波数は単相マイクログリッドが無限大母線から解列したt=5.05[s]および無限大母線に再接続したt=10.0[s]において振動していることが分かる。解列による需要の増加を補償するために擬似慣性エネルギーが消費されることで、周波数がt=5.05[s]において低下している。VSC#3の擬似慣性定数MVSCは小さく,またVSC#3は無限大母線付近の線路に接続しているため、VSC#3の周波数が最も大きく変動している。 FIG. 4 shows the output frequencies of the single-phase VSCs # 1, # 2, and # 3. According to FIG. 4, the VSC frequency is oscillating at t = 5.05 [s] when the single-phase microgrid is disconnected from the infinite bus and at t = 10.0 [s] when the single-phase microgrid is reconnected to the infinite bus. I understand. The frequency decreases at t = 5.05 [s] due to the consumption of the pseudo inertia energy to compensate for the increase in demand due to the disconnection. Since the pseudo inertia constant M VSC of VSC # 3 is small and VSC # 3 is connected to a line near the infinite bus, the frequency of VSC # 3 fluctuates most greatly.

単相VSCの出力電圧を図5に示す。t=5.05[s]に単相マイクログリッドが無限大母線から解列しているが、電圧はAVRにより維持されている。位相同期なしに単相マイクログリッドが無限大母線に再連系するt=10.0[s]には電圧位相跳躍が発生しているが、提案する直流側測定法により単相VSCは脱調することなく系統と同期して運転を継続している。   FIG. 5 shows the output voltage of the single-phase VSC. At t = 5.05 [s], the single-phase microgrid is disconnected from the infinite bus, but the voltage is maintained by the AVR. A voltage phase jump occurs at t = 10.0 [s] when the single-phase microgrid is reconnected to the infinite bus without phase synchronization, but the single-phase VSC loses synchronism by the proposed DC-side measurement method. The operation is continued in synchronism with the system without performing.

VSCの有効電力出力を図6に示す。系統連系運転時(〜t=5.05[s],t=10.0[s]〜)の単相VSCは、出力が擬似機械入力Pと等しくなるように制御を行っている。t=5.05[s]後の単独運転時においては、3台の単相VSCが有効電力出力を増加させ、ガバナのドループ特性により決まる新たな平衡点に収束している。VSCが無限大母線に再連系するt=10.0[s]において有効電力出力は振動を始め、徐々に元の値に収束している。 The active power output of the VSC is shown in FIG. System interconnection during operation (~t = 5.05 [s], t = 10.0 [s] ~) single-phase VSC of the output control is performed so as to be equal to the pseudo machine input P m. At the time of the isolated operation after t = 5.05 [s], the three single-phase VSCs increase the active power output and converge to a new equilibrium point determined by the governor droop characteristic. At t = 10.0 [s] when the VSC is reconnected to the infinite bus, the active power output starts oscillating and gradually converges to the original value.

(複数台単相VSCによる三相マイクログリッド)
シミュレーションに用いる三相マイクログリッドモデルを図7に示す。本モデルは3台の単相VSCを有しており、1台ずつab,bc,ca相に接続されている。三相無限大母線とVSCが三相負荷と単相負荷(ab,bc,ca相)に電力を供給している。無限大母線は三相平衡の電圧源(線間電圧:6600[V]、周波数:60[Hz])としてモデル化している。負荷は抵抗負荷とする。3台のVSCはフィルタと変圧器を介して線路に連系している。VSCの直流側は定電圧源VDCとしてモデル化する。変圧器の巻線比は400/6600である。開閉器の動作によりマイクログリッドは系統連系運転と単独運転を切り替える。シミュレーションに用いるパラメータを表2に示す。ただし、表1における単相VSC#1のパラメータを図7に示した全てのVSCに用いている。
(Three-phase microgrid with multiple single-phase VSCs)
FIG. 7 shows a three-phase microgrid model used for the simulation. This model has three single-phase VSCs, one for each of the ab, bc, and ca phases. The three-phase infinite bus and the VSC supply power to the three-phase load and the single-phase loads (ab, bc, and ca phases). The infinite bus is modeled as a three-phase balanced voltage source (line voltage: 6600 [V], frequency: 60 [Hz]). The load is a resistive load. The three VSCs are connected to the line via a filter and a transformer. The DC side of the VSC is modeled as a constant voltage source VDC . The turns ratio of the transformer is 400/6600. The operation of the switch causes the microgrid to switch between grid-connected operation and isolated operation. Table 2 shows parameters used for the simulation. However, the parameters of single-phase VSC # 1 in Table 1 are used for all VSCs shown in FIG.

3台のVSCは時間t=0.00[s]に系統に連系する。t=5.00[s]に3線地絡故障を発生させ、t=5.05[s]に除去する。t=5.05[s]に開閉器が開放されることにより単独運転に移行し、3台の単相VSCにより三相マイクログリッドが運用される。三相マイクログリッドはt=10.0[s]に無限大母線に再連系するが、マイクログリッドと無限大母線間の位相同期は行わない。   The three VSCs are connected to the system at time t = 0.00 [s]. A three-wire ground fault occurs at t = 5.00 [s] and is eliminated at t = 5.05 [s]. When the switch is opened at t = 5.05 [s], the operation shifts to the single operation, and the three single-phase VSCs operate the three-phase microgrid. The three-phase microgrid reconnects to the infinite bus at t = 10.0 [s], but does not perform phase synchronization between the microgrid and the infinite bus.

図8は単相VSC#1,#2,#3の出力周波数を示している。図8より、通常動作および単独運転時において各相のVSCは独立に動作している。単相VSCの出力電圧を図9に示す。単独運転時において、三相平衡電圧が各相で独立しているVSC群により維持されている。VSCの有効電力出力を図10に示す。t=5.05[s]後の単独運転において、3台の単相VSCは有効電力出力を増加させ、新しい平衡点へ遷移している。   FIG. 8 shows the output frequencies of the single-phase VSCs # 1, # 2, and # 3. As shown in FIG. 8, the VSC of each phase operates independently during normal operation and single operation. FIG. 9 shows the output voltage of the single-phase VSC. During single operation, the three-phase equilibrium voltage is maintained by independent VSCs for each phase. FIG. 10 shows the active power output of the VSC. In the isolated operation after t = 5.05 [s], the three single-phase VSCs increase the active power output, and are transitioning to a new equilibrium point.

以上の検証結果は、本実施形態に係るVSC10が同期機の挙動を模擬した動作をすることを示している。また、本実施形態に係るVSC10は、PLLを用いないため、weak gridにおいても安定的に動作することができる。また、本実施形態に係るVSC10は、単相VSCとして実現可能であることから、任意の相に連系可能であり、VSC群の運転により強固に同期された三相マイクログリッドを構築可能である。そして、独立したVSC群による単相運転を可能にする本実施形態に係るVSC10の柔軟性は、故障を含むさまざまな条件下において電力系統のレジリエンスを大きく改善することができる。   The above verification results show that the VSC 10 according to the present embodiment performs an operation simulating the behavior of the synchronous machine. Further, since the VSC 10 according to the present embodiment does not use a PLL, it can operate stably even in a weak grid. In addition, since the VSC 10 according to the present embodiment can be realized as a single-phase VSC, it can be connected to an arbitrary phase, and can construct a three-phase microgrid that is strongly synchronized with the operation of the VSC group. . The flexibility of the VSC 10 according to the present embodiment that enables single-phase operation by independent VSC groups can greatly improve the resilience of the power system under various conditions including a failure.

以上のように、本発明における技術の例示として、実施の形態を説明した。そのために、添付図面および詳細な説明を提供した。   As described above, the embodiments have been described as examples of the technology in the present invention. For that purpose, the accompanying drawings and the detailed description have been provided.

したがって、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。   Therefore, among the components described in the accompanying drawings and the detailed description, not only those components that are essential for solving the problem, but also those that are not essential for solving the problem in order to exemplify the technology. May also be included. Therefore, it should not be immediately determined that the non-essential components are essential based on the fact that the non-essential components are described in the accompanying drawings and the detailed description.

また、上述の実施の形態は、本発明における技術を例示するためのものであるから、特許請求の範囲またはその均等の範囲において種々の変更、置き換え、付加、省略などを行うことができる。   Further, since the above-described embodiment is for exemplifying the technology of the present invention, various changes, replacements, additions, omissions, and the like can be made within the scope of the claims or the equivalents thereof.

10 擬似同期化力電圧型コンバータ
1 蓄電デバイス
2 DC/DCコンバータ
3 インバータ
4 コントローラ
41 ガバナ部
42 出力電圧位相算出部
43 レギュレータ部
44 スイッチング制御部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Pseudo-synchronous force-voltage converter 1 Electric storage device 2 DC / DC converter 3 Inverter 4 Controller 41 Governor part 42 Output voltage phase calculation part 43 Regulator part 44 Switching control part

Claims (4)

直流電力を交流電力に変換して電力系統に交流電力を供給する電圧型コンバータのコントローラであって、
前記電圧型コンバータの出力周波数が目標周波数となるように前記電圧型コンバータをドループ制御するためのガバナ指令値を制御するガバナ部と、
同期機の動揺方程式に基づいて、前記電圧型コンバータの有効電力出力の指令値および実測値、前記目標周波数、および前記ガバナ指令値から前記電圧型コンバータの出力電圧位相を算出する出力電圧位相算出部と、
前記電力系統の電圧が目標電圧となるように前記電圧型コンバータの変調率を制御するレギュレータ部と、
前記変調率および前記出力電圧位相に基づいてパルス変調信号を生成し、該パルス変調信号に従って前記電圧型コンバータにおけるインバータにおけるスイッチング素子をスイッチング制御するスイッチング制御部とを備えたコントローラ。
A controller for a voltage-type converter that converts DC power to AC power and supplies AC power to a power system,
A governor unit that controls a governor command value for droop-controlling the voltage-type converter so that an output frequency of the voltage-type converter becomes a target frequency,
An output voltage phase calculation unit that calculates an output voltage phase of the voltage-type converter from a command value and an actual measurement value of the active power output of the voltage-type converter based on an oscillation equation of the synchronous machine, the target frequency, and the governor command value. When,
A regulator unit that controls a modulation rate of the voltage-type converter so that a voltage of the power system becomes a target voltage,
A controller configured to generate a pulse modulation signal based on the modulation factor and the output voltage phase, and to perform switching control of a switching element in an inverter in the voltage-type converter according to the pulse modulation signal.
前記インバータが単相インバータである請求項1に記載のコントローラ。   The controller according to claim 1, wherein the inverter is a single-phase inverter. 前記出力電圧位相算出部が前記インバータの入力側の直流電圧および直流電流の各実測値から前記電圧型コンバータの有効電力出力の実測値を算出するものである請求項1または請求項2に記載のコントローラ。   3. The output voltage phase calculator according to claim 1, wherein the output voltage phase calculator calculates an actual measured value of the active power output of the voltage-type converter from each measured value of the DC voltage and the DC current on the input side of the inverter. controller. 蓄電デバイスと、
前記蓄電デバイスから供給される直流電圧を任意の直流電圧に変換するDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータの出力電圧を交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータにおけるスイッチング素子をスイッチング制御する請求項1ないし請求項3のいずれかに記載のコントローラとを備えた擬似同期化力電圧型コンバータ。
Power storage device,
A DC / DC converter for converting a DC voltage supplied from the power storage device into an arbitrary DC voltage;
An inverter for converting an output voltage of the DC / DC converter into an AC voltage;
A quasi-synchronous power-voltage converter comprising: the controller according to claim 1, wherein the controller controls switching of a switching element in the inverter.
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