JP7535782B2 - Control method for grid-connected inverter system - Google Patents
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Description
本発明は、系統連系インバータシステムの制御方法に関し、特に、フィードバック制御系、フィードフォワード制御系およびドループ制御系を含んだ制御系を用いて該システムを構成するインバータを制御する方法に関する。 The present invention relates to a method for controlling a grid-connected inverter system, and in particular to a method for controlling an inverter constituting the system using a control system including a feedback control system, a feedforward control system, and a droop control system.
近年の太陽光、風力等の持続可能エネルギーの需要増加に伴い、系統連系インバータシステム(以下、単に「システム」ともいう)が注目されている。系統連系インバータシステムは、系統と該系統に対する電力供給源として動作するインバータと該インバータを制御する制御系とを備えている。本発明者らは、これまでに、系統連系インバータシステムの制御系としてフィードバック制御系およびフィードフォワード制御系を含んだものを提案してきた(例えば、特許文献1参照)。この制御系によれば、システム全体の安定性を確保することができる。 With the recent increase in demand for sustainable energy sources such as solar and wind power, grid-connected inverter systems (hereinafter simply referred to as "systems") have been attracting attention. A grid-connected inverter system includes a grid, an inverter that operates as a power supply source for the grid, and a control system that controls the inverter. The inventors have previously proposed a control system for a grid-connected inverter system that includes a feedback control system and a feedforward control system (see, for example, Patent Document 1). This control system can ensure the stability of the entire system.
また、系統連系インバータシステムにおける、インバータ出力電圧と系統電圧との同期の問題を解決するために、ドループ制御を含んだ制御系を用いることも検討されている。この場合、制御系は、サンプリングした電流値および/または電圧値をdq変換して処理するのが一般的である(例えば、非特許文献1参照)。 In addition, in order to solve the problem of synchronization between the inverter output voltage and the grid voltage in a grid-connected inverter system, the use of a control system including droop control is also being considered. In this case, the control system generally processes sampled current and/or voltage values by dq conversion (see, for example, Non-Patent Document 1).
しかしながら、dq変換とドループ制御とを組み合わせた従来の制御は、複雑であり、それ故に使いづらいという問題があった。 However, conventional control that combines dq transformation and droop control is complex and therefore difficult to use.
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、従来よりも簡潔な制御系を用いた系統連系インバータシステムの制御方法を提供することを課題とする。 The present invention was made in consideration of these circumstances, and aims to provide a method for controlling a grid-connected inverter system using a control system that is simpler than conventional methods.
上記課題を解決するために、本発明に係る制御方法は、フィードバック制御系、フィードフォワード制御系およびドループ制御系を含む制御系を用いて、三相の系統連系インバータシステムを構成するインバータをαβ座標系で制御する方法であって、(1)制御系を設計する制御系設計工程と、(2)制御系設計工程で設計した制御系を用いてインバータを制御するインバータ制御工程とを備え、制御系設計工程は、(1A)フィードバック制御系を構成する正弦波補償器を設計する第1工程と、(1B)第1工程で設計したフィードバック制御系だけを含む制御系で制御した場合のインバータの出力インピーダンスの周波数特性を求める第2工程と、(1C)第2工程で求めた周波数特性に基づき、インバータが受動的となるようなフィードフォワード制御系の伝達関数を設計する第3工程と、(1D)インバータの応答特性に留意しながら、ドループ制御系を設計する第4工程とを含み、インバータ制御工程は、(2A)三相の電流iu,iv,iwおよび電圧vu,vv,vwの瞬時値を取得する第5工程と、(2B)第5工程で取得した電流iu,iv,iwおよび電圧vu,vv,vwの瞬時値に基づき、αβ座標系の電流iαβおよび電圧vαβをαβ変換により求める第6工程と、(2C)第6工程で求めた電流iαβおよび電圧vαβに基づき、ドループ制御系によりフィードバック制御系に対するαβ座標系の電圧指令値vrαβを求める第7工程と、(2D)第6工程で求めた電流iαβおよび電圧vαβ、並びに第7工程で求めた電圧指令値vrαβに基づき、αβ座標系の制御入力uαβを求める第8工程と、(2E)第8工程で求めた制御入力uαβに基づき、三相の制御入力uu,uv,uwを逆αβ変換により求める第9工程とを含む、ことを特徴とする。 In order to solve the above problems, a control method according to the present invention is a method for controlling an inverter constituting a three-phase grid-connected inverter system in an αβ coordinate system using a control system including a feedback control system, a feedforward control system, and a droop control system, and includes: (1) a control system design step of designing a control system; and (2) an inverter control step of controlling the inverter using the control system designed in the control system design step. The control system design step includes: (1A) a first step of designing a sine wave compensator constituting the feedback control system; (1B) a second step of determining a frequency characteristic of an output impedance of the inverter when controlled by a control system including only the feedback control system designed in the first step; (1C) a third step of designing a transfer function of a feedforward control system such that the inverter is passive based on the frequency characteristic determined in the second step; and (1D) a fourth step of designing a droop control system while taking into consideration the response characteristic of the inverter. The inverter control step includes: (2A) determining a frequency characteristic of three-phase currents iu , iv , iw and voltages vu , vv , v (2B) a sixth step of determining a current iαβ and a voltage vαβ in the αβ coordinate system by αβ transformation based on the instantaneous values of the currents iu , iv , iw and voltages vu , vv , vw obtained in the fifth step; (2C) a seventh step of determining a voltage command value vrαβ in the αβ coordinate system for a feedback control system by a droop control system based on the current iαβ and voltage vαβ determined in the sixth step; (2D) an eighth step of determining a control input uαβ in the αβ coordinate system based on the current iαβ and voltage vαβ determined in the sixth step and the voltage command value vrαβ determined in the seventh step ; and (2E) a ninth step of determining three -phase control inputs uu , uv , uw by inverse αβ transformation based on the control input uαβ determined in the eighth step.
上記制御方法は、第1工程において、正弦波補償器を最適制御法により設計するようになっていてもよい。 The above control method may include, in the first step, designing a sine wave compensator using an optimal control method.
上記制御方法は、第3工程において、伝達関数を2次以下の主特性部H^と該主特性部H^により伝達される信号の帯域を制限する2次以下のフィルタ特性部Fとの積で構成するようになっていてもよい。 In the third step, the control method may be configured such that the transfer function is constructed as a product of a main characteristic part H^ of second order or less and a filter characteristic part F of second order or less that limits the band of the signal transmitted by the main characteristic part H^.
また、上記制御方法は、第3工程において、主特性部H^およびフィルタ特性部Fをあてはめにより設計するようになっていてもよい。 The above control method may also be configured to design the main characteristic part H^ and the filter characteristic part F by fitting in the third step.
本発明によれば、従来よりも簡潔な制御系を用いた系統連系インバータシステムの制御方法を提供することができる。 The present invention provides a method for controlling a grid-connected inverter system using a control system that is simpler than conventional methods.
以下、添付図面を参照しながら、本発明に係る制御方法の基になっている要素技術や考え方について説明し、その後、本発明に係る制御方法の全体像および詳細について説明する。 Below, we will explain the underlying technologies and concepts that form the basis of the control method of the present invention, with reference to the attached drawings, and then we will explain the overall picture and details of the control method of the present invention.
(系統連系インバータシステムの構成)
図1に、本発明に係る制御方法が適用される系統連系インバータシステム10を示す。同図に示すように、システム10は、太陽光発電装置等が出力する直流電圧E(以下、「入力電圧」という)を交流化する三相のインバータ20と、三相の系統30と、これらの間に設けられたフィルタ40とを備えている。
(Configuration of grid-connected inverter system)
Fig. 1 shows a grid-connected
インバータ20は、u相レグ21と、v相レグ22と、w相レグ23とを含んでいる。また、フィルタ40は、u相用のLCフィルタを構成するフィルタインダクタLfuおよびフィルタキャパシタCfuと、v相用のLCフィルタを構成するフィルタインダクタLfvおよびフィルタキャパシタCfvと、w相用のLCフィルタを構成するフィルタインダクタLfwおよびフィルタキャパシタCfwとを含んでいる。各インダクタLfu,Lfv,LfwのインダクタンスはLfであり、各キャパシタCfu,Cfv,CfwのキャパシタンスはCfである。
The
なお、フィルタ40と系統30との間に存在するZsu,Zsv,Zswは、配線等に起因するインピーダンス成分を表しており、これにはグリッドインダクタンスLsが含まれている。また、本明細書では、iou,iov,iowを「インバータの出力電流」または単に「出力電流」と呼ぶ。
Note that Z su , Z sv , and Z sw present between the
(三相状態変数の複素表記)
電圧、電流および制御変数等の任意の三相の変数ベクトルaは、転置記号Tを用いて次式のように定義することができる。
Any three-phase variable vector a, such as voltages, currents and control variables, can be defined using the transpose symbol T as follows:
インピーダンスZ(s)のα,β成分がそれぞれZαα(s),Zαβ(s)であり、かつ電流iαβのα,β成分がそれぞれiα,iβであるとき、インピーダンスZ(s)に電流iαβを流すと、インピーダンスZ(s)の両端電圧vαβは次式の通りとなる。
両端電圧vαβのα,β成分であるvα,vβは、次式のような行列形式で表すことができる。
(系統連系インバータシステムの離散化状態方程式)
各相のフィルタインダクタLfj(ただし、j=u,v,w。以下同様)に流れる電流(以下、「インダクタ電流」という)をiLj、各相のフィルタキャパシタCfjの両端電圧(以下、「キャパシタ電圧」という)をvCj、各相の制御入力をuj、各相の出力電流をiojとすると、iLj,Cfjに関する時刻tにおける三相の連続系状態方程式は、次式の通りである。
If the current (hereinafter referred to as the "inductor current") flowing through the filter inductor Lfj of each phase (where j = u, v, w; the same applies below) is iLj , the voltage across the filter capacitor Cfj of each phase (hereinafter referred to as the "capacitor voltage") is vCj , the control input of each phase is uj , and the output current of each phase is ioj , the three-phase continuous system state equation for iLj and Cfj at time t is as follows:
また、αβ座標系における連続系状態方程式は、次式で表すことができる。
図2(A)は、式(9)に対応した系統連系インバータシステム10の等価回路図であり、同図(B)は、式(11)に対応した系統連系インバータシステム10の等価回路図である。
Figure 2 (A) is an equivalent circuit diagram of the grid-connected
式(11)で表されるαβ座標系における連続系状態方程式をサンプリング周期Tで離散化すると、αβ座標系における離散系状態方程式である式(13)が得られる。ただし、時刻t=iTである。
(制御系の概要)
図3に、系統連系インバータシステム10を制御するための制御系を示す。同図に示すように、制御系は、主回路部およびディジタル制御部で構成されている。そして、このディジタル制御部によって、フィードバック制御、フィードフォワード制御およびドループ制御が実現されている。なお、同図中のGs[z]およびkfαβは、それぞれフィードバック制御系を構成する正弦波補償器の伝達関数および状態フィードバックゲイン(「制御ゲイン」ともいう)である。また、H[z]は、フィードフォワード制御の伝達関数である。
(Overview of the control system)
FIG. 3 shows a control system for controlling the grid-connected
(フィードバック制御系の設計)
前述した通り、本発明では、フィードバック制御系を正弦波補償器で構成する。正弦波補償器の制御ゲイン、基本角周波数およびダンピング係数をそれぞれkrαβ、ω0(=2πf0、f0は50/60[Hz])およびk0とし、基準正弦波形(「電圧指令値」ともいう)をvCrαβ[i]とすると、正弦波補償器の補助変数wαβ[i]、および制御入力uαβ[i]は、次式の通りである。
As described above, in the present invention, the feedback control system is configured with a sine wave compensator. If the control gain, fundamental angular frequency, and damping coefficient of the sine wave compensator are krαβ , ω0 (= 2πf0 , f0 is 50/60 [Hz]), and k0 , respectively, and the reference sine waveform (also called the "voltage command value") is vCrαβ [i], the auxiliary variable wαβ [i] and control input uαβ [i] of the sine wave compensator are expressed by the following equations.
このとき、状態変数xαβ[i]および補助変数wαβ[i]を含めた、αβ座標系における離散系拡大状態方程式は、次式の通りである。
正弦波補償器の2つの制御ゲイン(「複素ゲイン」ともいう)kfαβ,krαβは、式(20)で表される評価関数を最小化する最適制御法により決定することができる。
上記のように設計したフィードバック制御系を含む制御系を用いることにより、各相のキャパシタ電圧vCu,vCv,vCwを正弦波に追従させることが可能となる。 By using a control system including the feedback control system designed as above, it is possible to make the capacitor voltages v Cu , v Cv , and v Cw of each phase follow a sine wave.
(システムの安定性)
図4に示すように、周波数領域において、系統連系インバータシステム10のインバータ20側は、等価電圧源Vv
Cαβ(s)と出力インピーダンスZm
oαβ(s)によるテブナンの回路で表すことができ、系統30側は、系統電圧Vv
sαβ(s)と系統インピーダンスZm
sαβ(s)とで表すことができる。このとき、出力電流Iv
oαβ(s)は、次式で表すことができる。
4, in the frequency domain, the
式(21)の右辺初項にナイキストの安定判別法を適用することにより、「系統アドミタンスYm
sαβ(s)は受動的なので、出力インピーダンスZm
oαβ(s)の位相が-90[°]~+90[°]の範囲内に収まっていればよい」という、システム10の安定化条件を導き出すことができる。すなわち、出力インピーダンスZm
oαβ(s)の固有値eig[Zm
oαβ(s)]の実部を正にすることができれば、受動性を有するインバータ20を実現することができ、これにより、システム10全体を安定化することができる。このとき、次式が成立する。
ここで、出力インピーダンスZm
oαβ(s)は、次式で求めることができる。
なお、式(24)は、摂動記号~を用いた周波数領域における状態方程式(式(25))から式(26)を導出し、さらにこの式(26)において等価電圧源V~v
Cαβ[z]=0と近似することにより導出したものである。
Note that equation (24) is derived by deriving equation (26) from the state equation (equation (25)) in the frequency domain using perturbation symbols ∼ , and further approximating this equation (26) by setting the equivalent voltage source V ∼v Cαβ [z] = 0.
後で詳細に説明するが、本発明では、上記の手法による追従性に優れたフィードバック制御系の設計が終了した段階で、式(24)で求めた出力インピーダンスZm
oαβ(s)の周波数特性を周波数シミュレーションにより求め、システム10が安定か否かを判定する(式(23)参照)。そして、安定ではない場合に、後述する手法によりフィードフォワード制御系(特に、伝達関数H[z])を設計する。
As will be described in detail later, in the present invention, at the stage where the design of a feedback control system with excellent tracking performance by the above-mentioned method is completed, the frequency characteristic of the output impedance Z moαβ ( s) calculated by the formula (24) is calculated by frequency simulation to judge whether the
(フィードフォワード制御系の設計)
本発明では、フィードフォワード制御系の伝達関数H[z]を、式(27)に示すように、主特性部H^[z]と該主特性部H^[z]により伝達される信号の帯域を制限するフィルタ特性部F[z]との積で構成する。
In the present invention, the transfer function H[z] of the feedforward control system is composed of the product of a main characteristic part H^[z] and a filter characteristic part F[z] that limits the band of the signal transmitted by the main characteristic part H^[z], as shown in equation (27).
演算を容易にするために、主特性部H^[z]は、2次以下であることが好ましく、例えば、次式のような形式を有している。ただし、a0,a1,a2,b1,b2は、あてはめにより決定する係数である。
同様の理由で、フィルタ特性F[z]は、2次以下であることが好ましく、例えば、次式のような形式の1次ローパスフィルタまたは1次ハイパスフィルタである。ただし、c0,c1,d1は、あてはめにより決定する係数である。
(ドループ制御系の設計)
時刻t=iTにおける複素電力s[i]は、有効電力p[i]、無効電力q[i]および複素共役記号*を用いて、次式で表すことができる。
Complex power s[i] at time t = iT can be expressed by the following equation using active power p[i], reactive power q[i], and complex conjugate symbol *.
ドループ制御では、この複素測定電力sm[i]を電力指令値Sr(=有効電力指令値Pr+j無効電力指令値Qr)に一致させるために、次式により角周波数ωαβを制御する。
このとき、ドループ制御による複素位相角θαβ[i]および複素電圧指令値vCrαβ[i]は、それぞれ次式の通りである。
ここで、ドループ制御に伴う共役演算は、次式から理解されるように、α,β成分が非対称である。
(本発明に係る制御方法)
図5に示すように、本発明に係る制御方法は、フィードバック制御系、フィードフォワード制御系およびドループ制御系を含んだ制御系を設計する制御系設計工程と、設計した制御系を用いてインバータ20を制御するインバータ制御工程とを備えている。制御系設計工程は、順次実行される工程S1,S2,S3,S4を含み、インバータ制御工程は、順次実行される工程S5,S6,S7,S8,S9,S10を含んでいる。インバータ制御工程は、インバータ20を作動させている間、所定のスイッチ周期で繰り返し実行される。
(Control method according to the present invention)
As shown in Fig. 5, the control method according to the present invention includes a control system design step of designing a control system including a feedback control system, a feedforward control system, and a droop control system, and an inverter control step of controlling the
第1工程S1では、上記の手法により、フィードバック制御系を構成する正弦波補償器を設計する。より具体的には、第1工程S1では、最適制御法(式(20)参照)により正弦波補償器の2つの制御ゲインkfαβ,krαβを決定する。なお、ダンピング係数k0は、設計を開始する際にユーザが任意に決定することができる。 In the first step S1, a sine wave compensator constituting a feedback control system is designed by the above method. More specifically, in the first step S1, two control gains kfαβ and krαβ of the sine wave compensator are determined by the optimal control method (see equation (20)). The damping coefficient k0 can be arbitrarily determined by the user when starting the design.
第2工程S2では、第1工程S1で設計したフィードバック制御系だけを含む制御系で制御した場合の、インバータ20の出力インピーダンスZm
oαβ(s)の周波数特性を求める。出力インピーダンスZm
oαβ(s)の周波数特性は、式(24)と周波数シミュレーションとにより求めることができる。
In a second step S2, the frequency characteristic of the output impedance Z moαβ (s) of the
第3工程S3では、第2工程S2で求めた周波数特性に基づき、インバータ20が受動的となるようなフィードフォワード制御系の伝達関数H[z]を設計する。主特性部H^[z]およびフィルタ特性部F[z]をどのような形式(式(28),(29),(30)参照)とするかは、ユーザが予め決定しておけばよい。また、フィルタ特性部F[z]をローパスフィルタとするか、ハイパスフィルタとするか、バンドパスフィルタとするかは、第2工程S2で求めた周波数特性を見ながらユーザが決定すればよい。
In the third step S3, a transfer function H[z] of the feedforward control system is designed so that the
第4工程S4では、インバータ20の応答特性に留意しながらドループ制御系を設計する。例えば、第4工程S4では、電力指令値(Pr,Qr)を変化させたときのインバータ20が出力電力の変化を時間シミュレーションにより求めるとともに、これが理想的となるような電力制御ゲインmpα,mpβをユーザが決定する。
In a fourth step S4, a droop control system is designed while taking into consideration the response characteristics of the
第5工程S5では、三相の電流iu,iv,iwおよび電圧vu,vv,vwの瞬時値を取得する。より具体的には、第5工程S5では、電流iu,iv,iwとしてのインダクタ電流iLu,iLv,iLwおよび出力電流iou,iov,iowの瞬時値を取得するとともに、電圧vu,vv,vwとしてのキャパシタ電圧vCu,vCv,vCwの瞬時値を取得する。なお、三相の電流iu,iv,iwの瞬時値を取得することには、電流センサを用いて電流iu,iv,iwの全部を同時にサンプリングすることだけでなく、電流センサを用いて電流iu,iv,iwのうちの2つを同時にサンプリングするとともに残りの1つを計算により求めることも含まれる。電圧vu,vv,vwの取得についても同様である。 In the fifth step S5, instantaneous values of three-phase currents iu , iv , iw and voltages vu , vv , vw are obtained. More specifically, in the fifth step S5, instantaneous values of inductor currents iLu , iLv , iLw and output currents iou , iov , iow are obtained as the currents iu , iv , iw , and instantaneous values of capacitor voltages vCu , vCv , vCw are obtained as the voltages vu , vv , vw . Note that obtaining instantaneous values of three-phase currents iu , iv , iw includes not only simultaneously sampling all of the currents iu , iv , iw using a current sensor, but also simultaneously sampling two of the currents iu , iv , iw using a current sensor and calculating the remaining one. The same applies to obtaining the voltages vu , vv , and vw .
第6工程S6では、第5工程S5で取得した三相の電流iu,iv,iwおよび電圧vu,vv,vwの瞬時値に基づき、αβ座標系の電流iαβおよび電圧vαβをαβ変換により求める。より具体的には、第6工程S6では、式(2)を用いて、インダクタ電流iLu,iLv,iLwを電流iLα,iLβに変換し、出力電流iou,iov,iowを電流ioα,ioβに変換し、キャパシタ電圧vCu,vCv,vCwを電圧vCα,vCβに変換する。式(4)から理解されるように、電流iLα,iLβ,ioα,ioβおよび電圧vCα,vCβが求まれば、電流iLαβ,ioαβおよび電圧vCαβも求まる。 In a sixth step S6, the current iαβ and voltage vαβ in the αβ coordinate system are obtained by αβ conversion based on the instantaneous values of the three-phase currents iu , iv , and iw and voltages vu , vv , and vw acquired in the fifth step S5. More specifically, in the sixth step S6, the inductor currents iLu , iLv , and iLw are converted into currents iLα and iLβ , the output currents iou , iov , and iow are converted into currents ioα and ioβ , and the capacitor voltages vCu , vCv , and vCw are converted into voltages vCα and vCβ using the formula ( 2). As can be seen from equation (4), if the currents iLα , iLβ , ioα , and ioβ and the voltages vCα and vCβ are determined, the currents iLαβ , ioαβ and voltages vCαβ can also be determined.
第7工程S7では、第6工程S6で求めた電流iαβおよび電圧vαβに基づき、ドループ制御によりフィードバック制御系に対するαβ座標系の電圧指令値vrαβを求める。より具体的には、第7工程S7では、式(31)~(34)に第6工程S6で求めた電流ioαβおよび電圧vCαβを適用することにより複素位相角θαβを求め、次いで式(35)により電圧指令値vCrαβを求める。 In the seventh step S7, a voltage command value vrαβ in the αβ coordinate system for the feedback control system is calculated by droop control based on the current iαβ and voltage vαβ calculated in the sixth step S6. More specifically, in the seventh step S7, a complex phase angle θαβ is calculated by applying the current ioαβ and voltage vCαβ calculated in the sixth step S6 to equations (31) to (34), and then a voltage command value vCrαβ is calculated by equation (35).
第8工程S8では、第6工程S6で求めた電流iαβおよび電圧vαβ、並びに第7工程S7で求めた電圧指令値vrαβに基づき、αβ座標系の制御入力uαβを求める。より具体的には、第8工程S8では、式(16)に第6工程S6で求めた電流iLαβおよび電圧vCαβ、並びに第7工程S7で求めた電圧指令値vCrαβを適用することにより、αβ座標系の制御入力uαβを求める。 In an eighth step S8, a control input uαβ in the αβ coordinate system is calculated based on the current iαβ and voltage vαβ calculated in the sixth step S6 and the voltage command value vrαβ calculated in the seventh step S7. More specifically, in the eighth step S8, the control input uαβ in the αβ coordinate system is calculated by applying the current iLαβ and voltage vCαβ calculated in the sixth step S6 and the voltage command value vCrαβ calculated in the seventh step S7 to equation (16) .
第7工程S7および第8工程S8を整理すると、図6のようになる。 When the seventh step S7 and the eighth step S8 are organized, they look like Figure 6.
第9工程S9では、第8工程S8で求めた制御入力uαβに基づき、三相の制御入力uu,uv,uwを逆αβ変換により求める。逆αβ変換は、式(2)を変形した次式により行うことができる。
第10工程S10では、第9工程S9で求めた三相の制御入力uu,uv,uwに基づき、インバータ20の各相レグ21,22,23を制御する。より具体的には、この第10工程S10では、u相の制御入力uuに基づきu相レグ21を構成する上アームのONデューティ(=下アームのOFFデューティ)を制御する。v相レグ22およびw相レグ23についても同様である。
In a tenth step S10, the
このように、本発明に係る制御方法では、取得した三相の電流値および/または電圧値をαβ座標系の複素に変換して処理する。このため、本発明によれば、制御系を簡潔に記述することが可能となる。 In this way, in the control method according to the present invention, the acquired three-phase current and/or voltage values are converted into complex values in the αβ coordinate system for processing. Therefore, according to the present invention, it is possible to concisely describe the control system.
(制御系の設計例)
系統連系インバータシステム10の回路パラメータを表1に示した通りに設定し、かつフィードバック制御系(正弦波補償器)に関するパラメータを表2に示した通りに設定して第1工程S1を実行したところ、正弦波補償器の2つの制御ゲインkfαβ,krαβは、表3に示す通りに決定された。
The circuit parameters of the grid-connected
このフィードバック制御系だけを用いて制御した場合、インバータ20の出力インピーダンスZm
oαβ(以下、単に「Zo」と表記する)の周波数特性は、図7に示す通りとなった。すなわち、第2工程S2を実行すると、図7に示す周波数特性が得られた。図7(B)に示すように、出力インピーダンスZoの位相は、2[kHz]以上の帯域で-90[°]を下回っていた。つまり、この段階ではインバータ20は受動的ではなかった。
When control was performed using only this feedback control system, the frequency characteristic of the output impedance Z m oαβ (hereinafter simply referred to as "Z o ") of the
そこで、第3工程S3を実行することにより、インバータ20が受動的となるようなフィードフォワード制御系を設計した。あてはめにより決定した伝達関数Hの主特性部H^(式(29)参照)およびフィルタ特性部F(式(30)参照)の係数は、表4に示す通りである。
フィードフォワード制御系の設計が完了した後に、改めて出力インピーダンスZoの周波数特性を確認したところ、図8に示す結果が得られた。図8(B)に示すように、出力インピーダンスZoの位相は、シミュレーションを行った全ての帯域で-90[°]~+90[°]の範囲内に収まっていた。このことは、インバータ20が受動的となったことを示している。
After the design of the feedforward control system was completed, the frequency characteristics of the output impedance Z0 were checked again, and the results shown in Figure 8 were obtained. As shown in Figure 8(B), the phase of the output impedance Z0 was within the range of -90° to +90° in all bands where the simulation was performed. This indicates that the
続いて、ドループ制御系を設計する(第4工程S4)。ドループ制御で使用するローパスフィルタの遮断周波数fcを5[Hz]に設定し、電力制御ゲインmpα,mpβを暫定的に0.0006に設定するとシステム10は不安定となったが、これらを0.0005に再設定するとシステム10は安定となった。このため、本制御例では、余裕を見て電力制御ゲインmpα,mpβを0.0001に設定した。ただし、これだけではインバータ20の出力電力が電力指令値(Pr,Qr)に精度良く追従しなかったので、電力制御ゲインmpβのみを調整し、最終的に、電力制御ゲインmpα,mpβを表5に示した通りに設定した。
(本発明による第1制御例)
上記のようにして設計した制御系を用いて、電力指令値Pr,Qrを2000[W],0[VA]に設定してインバータ20を制御したところ、u相の出力電流iouおよびキャパシタ電圧vCuは、定常状態において図9に示す通りとなった。図9からは、キャパシタ電圧vCuが電圧指令値vCrに追従できていること、および、インバータ20の出力電力が電力指令値Pr,Qrに一致するように出力電流iouが制御できていることが読み取れる。
(First control example according to the present invention)
When the
(本発明による第2制御例)
上記のようにして設計した制御系を用いて、無効電力指令値Qrを0[VA]としたまま有効電力指令値Prを2000[W]→3000[W]→2000[W]→1000[W]→2000[W]のように変化させたところ、インバータ20の有効出力電力Pmおよび無効出力電力Qmは、図10に示す通りとなった。図10からは、有効出力電力Pmに過大なオーバーシュートやリンギングは生じないこと、および、有効電力指令値Prの変化に伴う無効出力電力Qmの過渡的な変化が速やかに(約0.5[s]で)落ち着くことが読み取れる。
(Second control example according to the present invention)
Using the control system designed as above, when the active power command value P r was changed from 2000 [W] to 3000 [W] to 2000 [W] to 1000 [W] to 2000 [W] while keeping the reactive power command value Q r at 0 [VA], the active output power P m and the reactive output power Q m of the
以上、本発明に係る制御方法の一実施形態について説明してきたが、本発明の構成はこれに限定されるものではなく、種々の変形が可能であることは言うまでもない。 Although one embodiment of the control method according to the present invention has been described above, it goes without saying that the configuration of the present invention is not limited to this and various modifications are possible.
10 系統連系インバータシステム
20 インバータ
21 u相レグ
22 v相レグ
23 w相レグ
30 系統
40 フィルタ
10: Grid-connected inverter system 20: Inverter 21: U-phase leg 22: V-phase leg 23: W-phase leg 30: Grid 40: Filter
Claims (5)
(1)前記制御系を設計する制御系設計工程と、
(2)前記制御系設計工程で設計した前記制御系を用いて前記インバータを制御するインバータ制御工程と
を備え、
前記制御系設計工程は、
(1A)前記フィードバック制御系を構成する正弦波補償器を設計する第1工程と、
(1B)前記第1工程で設計したフィードバック制御系だけを含む前記制御系で制御した場合の前記インバータの出力インピーダンスの周波数特性を求める第2工程と、
(1C)前記第2工程で求めた周波数特性に基づき、前記インバータが受動的となるような前記フィードフォワード制御系の伝達関数を設計する第3工程と、
(1D)前記インバータの応答特性に留意しながら、前記ドループ制御系を設計する第4工程とを含み、
前記インバータ制御工程は、
(2A)三相の電流iu,iv,iwおよび電圧vu,vv,vwの瞬時値を取得する第5工程と、
(2B)前記第5工程で取得した電流iu,iv,iwおよび電圧vu,vv,vwの瞬時値に基づき、αβ座標系の電流iαβおよび電圧vαβをαβ変換により求める第6工程と、
(2C)前記第6工程で求めた電流iαβおよび電圧vαβに基づき、前記ドループ制御系により前記フィードバック制御系に対するαβ座標系の電圧指令値vrαβを求める第7工程と、
(2D)前記第6工程で求めた電流iαβおよび電圧vαβ、並びに前記第7工程で求めた電圧指令値vrαβに基づき、αβ座標系の制御入力uαβを求める第8工程と、
(2E)前記第8工程で求めた制御入力uαβに基づき、三相の制御入力uu,uv,uwを逆αβ変換により求める第9工程とを含む
ことを特徴とする方法。 A method for controlling an inverter constituting a three-phase grid-connected inverter system in an αβ coordinate system using a control system including a feedback control system, a feedforward control system, and a droop control system, comprising:
(1) a control system design process for designing the control system;
(2) an inverter control step of controlling the inverter using the control system designed in the control system design step;
The control system design process includes:
(1A) a first step of designing a sine wave compensator that constitutes the feedback control system;
(1B) a second step of determining a frequency characteristic of an output impedance of the inverter when the inverter is controlled by the control system including only the feedback control system designed in the first step;
(1C) a third step of designing a transfer function of the feedforward control system based on the frequency characteristic obtained in the second step so that the inverter is passive;
(1D) a fourth step of designing the droop control system while taking into consideration the response characteristics of the inverter;
The inverter control step includes:
(2A) a fifth step of acquiring instantaneous values of three-phase currents iu , iv , and iw and voltages vu , vv , and vw ;
(2B) a sixth step of determining the current iαβ and the voltage vαβ in the αβ coordinate system by αβ transformation based on the instantaneous values of the currents iu , iv , and iw and the voltages vu , vv , and vw acquired in the fifth step;
(2C) a seventh step of calculating a voltage command value vrαβ in the αβ coordinate system for the feedback control system by the droop control system based on the current iαβ and the voltage vαβ calculated in the sixth step;
(2D) an eighth step of calculating a control input uαβ in the αβ coordinate system based on the current iαβ and voltage vαβ calculated in the sixth step and the voltage command value vrαβ calculated in the seventh step ;
(2E) a ninth step of determining three-phase control inputs u u , u v , and u w by inverse αβ transformation based on the control input u αβ determined in the eighth step.
ことを特徴とする請求項1に記載の方法。 2. The method of claim 1, wherein in said first step, said sine wave compensator is designed by an optimal control method.
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の方法。 The method according to claim 1 or 2, characterized in that in the third step, the transfer function is constructed as a product of a main characteristic part H^ of second order or less and a filter characteristic part F of second order or less that limits the band of the signal transmitted by the main characteristic part H^.
ことを特徴とする請求項3に記載の方法。 4. The method according to claim 3, wherein in the third step, the main characteristic part H^ and the filter characteristic part F are designed by fitting.
(A)三相の電流i(A) Three-phase current i uu ,i, i vv ,i, i wW および電圧vand voltage v uu ,v, v vv ,v, v wW の瞬時値を取得する第1工程と、A first step of acquiring an instantaneous value of
(B)前記第1工程で取得した電流i(B) The current i obtained in the first step uu ,i, i vv ,i, i wW および電圧vand voltage v uu ,v, v vv ,v, v wW の瞬時値に基づき、αβ座標系の電流iBased on the instantaneous value of αβαβ および電圧vand voltage v αβαβ をαβ変換により求める第2工程と、A second step of calculating by αβ conversion;
(C)前記第2工程で求めた電流i(C) The current i obtained in the second step αβαβ および電圧vand voltage v αβαβ に基づき、前記ドループ制御系により前記フィードバック制御系に対するαβ座標系の電圧指令値vBased on this, the droop control system calculates a voltage command value v in the αβ coordinate system for the feedback control system. rαβrαβ を求める第3工程と、A third step of determining
(D)前記第2工程で求めた電流i(D) The current i obtained in the second step αβαβ および電圧vand voltage v αβαβ 、並びに前記第3工程で求めた電圧指令値v, and the voltage command value v obtained in the third step rαβrαβ に基づき、αβ座標系の制御入力uBased on this, the control input u αβαβ を求める第4工程と、A fourth step of determining
(E)前記第4工程で求めた制御入力u(E) The control input u obtained in the fourth step αβαβ に基づき、三相の制御入力uBased on this, the three-phase control input u uu ,u, u vv ,u, u wW を逆αβ変換により求める第5工程とThe fifth step is to obtain the inverse αβ transformation.
を備えたことを特徴とする方法。A method comprising:
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| WO2013051429A1 (en) | 2011-10-07 | 2013-04-11 | 日新電機 株式会社 | Controller for grid-connected power conversion device and grid-connected power conversion device |
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