JP2023039641A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷の耐量を超えることなく、自立運転と連系運転とを迅速に切り替えることの可能な電力変換装置を提供すること。【解決手段】 実施形態の電力変換装置は、ローカル電源から系統電力に相当する電力を生成するインバータと、切り替え部、検出部、および制御回路を具備する。切り替え部は、連系運転と自立運転とを選択的に切り替える。検出部は、インバータ出力と系統電力との周波数差および位相差を検出する。制御回路は、自立運転から連系運転への切り替え前にインバータ出力を系統電力に同期させる。制御回路は、パターン演算部と、周波数制御部とを備える。パターン演算部は、インバータ出力と系統電力の同期にかかる同期時間におけるインバータの出力周波数パターンを、周波数差および位相差に基づいて算出する。周波数制御部は、インバータ出力の周波数を出力周波数パターンに基づいて制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力変換装置は、インテリジェントビル、家庭、公共施設あるいは太陽光発電ファーム等で幅広く利用されている。ＰＣＳ（Power Conditioning Subsystem）とも称して知られるこの種の装置は、電力を変換するインバータを備え、例えば、ソーラーセル等の分散電源による発電電力と系統電力とを切り替えて利用するために使用される。

分散電源用のＰＣＳは、電力系統の停電時に自立運転を行うことにより負荷へ電力供給が可能である。自立運転を行うＰＣＳは、電力系統が復電すると自立運転から連系運転に切り替わるが、インバータの出力電圧と系統電圧とに位相差があると、過電圧や過電流によりＰＣＳが停止する恐れがある。そのため、電力系統が復電したときに、自立運転中のＰＣＳを一度停止してから、電力系統との連系運転に切り替わるものが用いられている。

しかしながら、ＰＣＳが一度停止すると、負荷への電力供給が停止され、瞬間的な停電状態となり得るため、電力系統が復電時にＰＣＳを自立運転から連系運転に無瞬断で切り替え、連続的に負荷へ電力を供給することが望まれている。自立運転時にインバータ出力電圧と系統電圧との間に位相差がある場合の対策として、固定補正値を変換回路の位相指令に加算する位相同期方法といった、連系前にインバータ出力電圧位相を系統電圧位相に同期させる技術が知られている。

特開２００６－１０１６３４号公報 特開２０１８－１５２９３３号公報

インバータ出力電圧と系統電圧との間には、位相差だけでなく、周波数の差があったり、電圧が異なっていたりする場合もある。位相と同様に周波数も、電圧も、開閉器投入による連系前に、負荷の耐量の範囲内で、かつ迅速に合わせこむ必要がある。

そこで、目的は、負荷の耐量を超えることなく、自立運転と連系運転とを迅速に切り替えることの可能な電力変換装置を提供することにある。

実施形態の電力変換装置は、系統と負荷との間に設けられる電力変換装置である。この電力変換装置は、ローカル電源から系統電力に相当する電力を生成するインバータと、切り替え部、検出部、および制御回路を具備する。切り替え部は、系統を負荷に接続する連系運転モードと、インバータを負荷に接続する自立運転モードとを選択的に切り替える。検出部は、インバータからのインバータ出力と系統電力との周波数差および位相差を検出する。制御回路は、自立運転モードから連系運転モードへの切り替えの前に、インバータ出力の周波数および位相を系統電力に同期させる。この制御回路は、出力周波数パターン演算部と、周波数制御部とを備える。出力周波数パターン演算部は、インバータ出力と系統電力の同期にかかる同期時間におけるインバータの出力周波数パターンを、周波数差および位相差に基づいて算出する。周波数制御部は、インバータ出力の周波数を出力周波数パターンに基づいて制御する。

図１は、実施形態に係わる電力変換装置を含む受電システムの一例を示すブロック図である。 図２は、図１に示される出力周波数パターン演算部２５で演算される周波数パターンの一例を示す図である。 図３は、インバータ出力を系統電力に同期させるのに２つのケースがあることを説明するための図である。 図４は、インバータ周波数を上昇させるケースについてシミュレートして得られたグラフの一例を示す図である。 図５は、インバータ周波数を下降させるケースについてシミュレートして得られたグラフの一例を示す図である。 図６は、（ケース１）、（ケース２）における初期位相差と同期時間との関係をシミュレートして得られたグラフである。 図７は、（ケース１）、（ケース２）における初期位相差と同期時間との関係をシミュレートして得られたグラフである。 図８は、インバータ周波数を上昇させるケースについてシミュレートして得られたグラフの他の例を示す図である。 図９は、インバータ周波数を下降させるケースについてシミュレートして得られたグラフの他の例を示す図である。 図１０Ａは、インバータ６の出力周波数の制御に係わる処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１０Ｂは、インバータ６の出力周波数の制御に係わる処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１１は、インバータ６の出力電圧の制御に係わる処理手順の一例を示すフローチャートである。 図１２は、系統電圧に追従するインバータ電圧の変化の一例を示すグラフである。

以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。
＜構成＞
図１は、実施形態に係わる電力変換装置を含む受電システムの一例を示すブロック図である。図１に示される受電システムは、負荷５に接続される、複数の電力変換装置１を備える。電力変換装置は、電力変換装置（マスタ）１Ｍと、複数の電力変換装置（スレーブ）１Ｓとを備える。電力変換装置（スレーブ）１Ｓは、電力変換装置（マスタ）１Ｍからの指令に基づいて動作する。電力変換装置（マスタ）１Ｍは、複数の電力変換装置１が協調して動作するように電力変換装置（スレーブ）１Ｓに指令を出力する。

電力変換装置は、電力系統４と負荷５との間に設けられる。負荷５は、電力系統４から受電することも可能である。電力系統４は、開閉器８を有する。電力系統４に障害が発生すると開閉器８は開放され、これにより電力系統４は負荷５から切り離される。

負荷５は、電力により動作する機器である。負荷５は、例えば、種々の電子機器や、施設に設置された照明機器、エレベータ、空調設備などである。つまり、一般家庭、商業施設、工業施設、公共施設、あるいは医療施設などの種々の需要者において、プラグを介して電力が供給されるような機器を、負荷５として想定することができる。

電力変換装置１は、主回路２と、制御回路３と、開閉器９とを含む。
主回路２は、分散電源７と、インバータ６と、リアクトルＦＬと、トランスＴＲと、コンデンサＦＣとを備える。

ローカル電源としての分散電源７は、例えば太陽電池、燃料電池、二次電池などの直流電源を少なくとも１つ含み得る。分散電源７は、上記複数種類の直流電源を組み合わせて構成されていてもよい。分散電源７は、例えば、インバータ６へ直流電力を出力するとともに、インバータ６から供給される直流電力により充電され得る。

インバータ６は、電力系統４からの交流電力（系統電力）に代わる交流電力を、分散電源７から生成する。インバータ６は、例えば、直流電力と三相交流電力とを相互に変換可能な三相交流インバータである。インバータ６は、正側の直流端子と負側の直流端子との間に電気的に接続されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相のアームを備える。各相アームは、上側のスイッチング素子と下側のスイッチング素子とを備え、上側スイッチング素子と下側スイッチング素子との間において対応する交流端子と電気的に接続される。

リアクトルＦＬおよびコンデンサＦＣは、インバータ６から出力された交流電力からノイズを除くフィルタ回路を構成し、インバータ６の各相交流端子とトランスＴＲとの間に介在している。リアクトルＦＬは、インバータ６の交流端子とトランスＴＲとの間に接続される交流ラインに直列接続される。

トランスＴＲは、インバータ６と電力系統４との間で授受される交流電力の電圧を変圧可能な絶縁変圧器である。トランスＴＲは、互いに絶縁された第１コイルおよび第２コイルを備える。第１コイルは、フィルタ回路を介してインバータ６の交流端子と電気的に接続される。第２コイルは、開閉器９および開閉器８を介して電力系統４と電気的に接続されるとともに、負荷５と電気的に接続される。

制御回路３は、例えば、少なくとも１つのプロセッサと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されたメモリと、を備え、以下に説明する種々の機能を実現するよう構成される。例えば制御回路３は、自立運転モードから連系運転モードへの切り替えの前に、インバータ出力の周波数および位相を系統電力に同期させるための制御を行う。

制御回路３は、インバータ６から出力される交流電力の電流値および電圧値と、電力系統４からの交流電力の電圧値（系統電圧値）と、外部から供給される指令値と、に基づいて、インバータ６のスイッチング素子の動作を制御するゲート信号を生成して出力する。

制御回路３は、電圧制御部（AVR）２１と、電流制御部（ACR）２２と、第１周波数演算部２３と、インバータ周波数選択部２６と、インバータ電圧指令値選択部２７と、第１位相演算部３０と、第２周波数演算部２４と、自立運転判定部２９と、第２位相演算部３１と、変調波／ゲート信号生成部３２と、出力周波数パターン演算部２５と、開閉指令生成部２８とを備える。

さらに制御回路３は、インバータ６からのインバータ出力と系統電力との周波数差、および位相差を検出する、検出部としての第１電圧検出器１１と、第２電圧検出器１２と、電流検出器１３とを備える。

第１電圧検出器１１は、インバータ６から出力される交流電力の電圧Ｖの値を検出する。第１電圧検出器１１にて検出された電圧（インバータ出力電圧）Ｖの値は、電圧制御部２１と第１周波数演算部２３とに供給される。

第２電圧検出器１２は、電力系統４から出力された交流電力の電圧Ｖｇの値を検出する。第２電圧検出器１２にて検出された電圧（系統電圧）Ｖｇの値は、第２周波数演算部２４と、自立運転判定部２９とに供給される。

電流検出器１３は、インバータ６から出力される交流電力の電流Ｉｉｎｖの値を検出する。なお、電流検出器１３は、例えば、インバータ６から出力される三相の交流電力の少なくとも二相について電流Ｉｉｎｖの値を検出する。電流検出器１３にて検出された電流（インバータ電流）Ｉｉｎｖの値は、電流制御部２２へ供給される。

第１周波数演算部２３は、第１電圧検出器１１からインバータの出力電圧Ｖの値を取得し、インバータ６の出力電圧の周波数ｆｉを演算して出力する。第１周波数演算部２３から出力された周波数の値は、電圧制御部２１と、電流制御部２２と、インバータ周波数選択部２６と、に供給される。

第２周波数演算部２４は、第２電圧検出器１２から系統電圧Ｖｇの値を取得し、電力系統４の出力電圧の周波数ｆｇの値を演算して出力する。第２周波数演算部２４から出力される周波数ｆｇの値は、自立運転判定部２９と、第２位相演算部３１とに供給される。

第２位相演算部３１は、第２周波数演算部２４から電力系統の出力電圧の周波数ｆｇの値を取得し、周波数ｆｇの値を積分して位相θｇの値を演算する。第２位相演算部３１から出力される位相θｇの値は、出力周波数パターン演算部２５と、自立運転判定部２９とに供給される。

切り替え部としての自立運転判定部２９は、第２電圧検出器１２から系統電圧Ｖｇの値を、また第２周波数演算部２４から系統電圧の周波数ｆｇの値をそれぞれ取得し、電力系統４が停電か否かを判断する。自立運転判定部２９は、系統電圧Ｖｇの値および系統周波数ｆｇの値とのそれぞれが所定値の範囲内であるか否かにより、電力系統４が停電か否かを判断することができる。電力系統４が停電であると判断したときに、例えば停電フラグを「１」とし、電力系統４が正常であると判断したときに、例えば停電フラグを「０」とする。

また、自立運転判定部２９は、第２位相演算部３１から系統電圧Ｖｇの位相値θｇを、また後述する第１位相演算部３０からインバータ６の出力電圧Ｖの位相値θをそれぞれ取得する。そして自立運転判定部２９は、位相値θｇと位相値θとに基づいて、電力変換装置１の運転モードを自立運転モード、または連系運転モードのいずれかに切り替える。

例えば、自立運転判定部２９は、系統電圧Ｖｇの位相値θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相値θとの差が所定の閾値よりも小さいときに、自立運転中の電力変換装置１を電力系統４との連系運転へ切り替え可能であると判断し、自立運転フラグを「１」から「０」とする。また、自立運転判定部２９は、例えば電力系統４が停電すると、電力系統４と連系運転中の電力変換装置１を自立運転へ切り替えることを判断し、自立運転フラグを「０」から「１」とする。

自立運転判定部２９は、停電フラグと自立運転フラグとを、インバータ周波数選択部２６と、インバータ電圧指令値選択部２７と、開閉指令生成部２８と、出力周波数パターン演算部２５と、に供給する。

開閉指令生成部２８は、自立運転判定部２９から供給される停電フラグと自立フラグとの値に応じて開閉器９への開閉指令を生成して出力する。開閉指令生成部２８は、停電フラグが「１」であるときに、開閉器９を開くように開閉指令を生成し、停電フラグが「０」であって自立運転フラグが「０」であるときに、開閉器９を閉じるように開閉指令を生成する。

電圧制御部２１は、外部から入力される電圧指令値と、インバータ６の出力電圧Ｖの値と、第１周波数演算部２３の出力値と、を取得する。なお、電圧制御部２１は、電力変換装置１の自立運転時に外部から電圧指令値を取得し、インバータ６の電圧指令値を演算することが可能である。

電圧制御部２１は、取得した値を用いて、出力電圧Ｖの値が電圧指令値に追従するように、インバータ６の電圧指令値を演算して出力する。電圧制御部２１は、例えば、出力電圧Ｖの値と電圧指令値との差がゼロとなるように電圧指令値を演算する比例積分（ＰＩ）制御部である。電圧制御部２１から出力された電圧指令値は、インバータ電圧指令値選択部２７に供給される。

電流制御部２２は、外部から入力される電流指令値と、インバータ６の出力電流Ｉｉｎｖの値と、第１周波数演算部２３の出力値と、を取得する。なお、電流制御部２２は、電力変換装置１の連系運転時に外部から電流指令値を取得し、インバータ６の電圧指令値を演算することが可能である。

電流制御部２２は、取得した値を用いて、出力電流Ｉｉｎｖの値が電流指令値に追従するように、インバータ６の電圧指令値を演算して出力する。電流制御部２２は、例えば、出力電流Ｉｉｎｖの値と電流指令値との差がゼロとなるように電圧指令値を演算する比例積分（ＰＩ）制御部である。電流制御部２２から出力された電圧指令値は、インバータ電圧指令値選択部２７に供給される。

周波数制御部としてのインバータ周波数選択部２６は、インバータ出力の周波数を、後述の出力周波数パターンに基づいて制御する。インバータ周波数選択部２６は、自立運転判定部２９から供給される停電フラグおよび自立運転フラグの値に基づいて、第１周波数演算部２３の出力値と出力周波数パターン演算部２５の出力値とのいずれかを選択して、インバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として出力する。インバータ周波数選択部２６から出力される周波数ｆの値は、第１位相演算部３０に供給される。

電力変換装置１が電力系統４との連系運転を行っているとき、インバータ周波数選択部２６は、第１周波数演算部２３の出力値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。すなわち、停電フラグが「０」であり自立運転フラグが「０」のとき、インバータ周波数選択部２６は、第１周波数演算部２３の出力値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。

電力変換装置１が自立運転を行っているとき、インバータ周波数選択部２６は、出力周波数パターン演算部２５の出力値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。すなわち、停電フラグが「１」であり自立運転フラグが「１」のとき、インバータ周波数選択部２６は、出力周波数パターン演算部２５の出力値であって、予め設定された定格周波数の値をインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として選択する。

電力変換装置１が自立運転中に電力系統４が復電したとき、すなわち自立運転フラグが「１」であり、停電フラグが「１」から「０」となったときに、後述するように出力周波数パターン演算部２５の出力値は出力周波数パターンに基づいて変化する値となり、インバータ周波数選択部２６からインバータ６の出力電圧の周波数ｆの値として出力される。

第１位相演算部３０は、インバータ周波数選択部２６から供給された周波数ｆの値を積分して、インバータ６の出力電圧の位相θの値を演算する。第１位相演算部３０は、演算した位相θの値を、自立運転判定部２９と、出力周波数パターン演算部２５と、変調波／ゲート信号生成部３２とに供給する。

インバータ電圧指令値選択部２７は、自立運転判定部２９から供給される停電フラグおよび自立運転フラグの値に基づいて、電圧制御部２１の出力値と電流制御部２２の出力値との一方を選択して、インバータ６の電圧指令値として出力する。インバータ電圧指令値選択部２７から出力される電圧指令値は、変調波／ゲート信号生成部３２に供給される。

インバータ電圧指令値選択部２７は、電力変換装置１が電力系統４と連系運転を行っているときには、電流制御部２２の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。すなわち、停電フラグが「０」であり自立運転フラグが「０」であるときに、インバータ電圧指令値選択部２７は、電流制御部２２の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。

インバータ電圧指令値選択部２７は、電力変換装置１が自立運転を行っているときには、電圧制御部２１の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。すなわち、自立運転フラグが「１」であるときに、インバータ電圧指令値選択部２７は、電圧制御部２１の出力値をインバータ６の電圧指令値として出力する。

変調波／ゲート信号生成部３２は、第１位相演算部３０から取得したインバータ６の出力電圧の位相θの値と、インバータ電圧指令値選択部２７から取得した電圧指令値とに基づいて変調波を生成する。変調波／ゲート信号生成部３２は、生成した変調波と、キャリア波とを比較して、インバータ６のスイッチング素子のゲート信号を生成し、インバータ６へ出力する。

出力周波数パターン演算部２５は、電力変換装置１を自立運転から電力系統４との連系運転に切り替えるとき（停電フラグが「１」から「０」となったとき）に、系統電圧Ｖｇの周波数と同期するようにインバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆのパターンを演算する。すなわち出力周波数パターン演算部２５は、検出部により検出されたインバータ出力と系統電力との周波数差および位相差に基づいて、出力周波数パターンを算出する。出力周波数パターンは、インバータ出力と系統電力の同期にかかる同期時間における、インバータ６の出力周波数の時間に対する変化を示す。

図２は、図１に示される出力周波数パターン演算部２５で演算される周波数パターンの一例を示す図である。出力周波数パターンは、周波数を予め設定された周波数変化率で変化させる期間Ｔ_Ａ、Ｔ_Ｃを少なくとも含む。図２に示す例では、出力周波数パターンは、周波数上限値又は周波数下限値の一定値とする期間Ｔ_Ｂを更に含んでいる。ここでは、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θに対して、系統電圧Ｖｇの位相θｇが進んでいるときに、位相θを位相θｇに同期させる出力周波数パターンの例を示している。

なお、インバータ６の出力電圧Ｖの位相θに対して系統電圧Ｖｇの位相θｇが遅れている場合には、インバータ６の出力電圧Ｖの周波数ｆを、予め設定された周波数変化率で所定期間Ｔ_Ａ下降させた後に、必要に応じて周波数下限値の一定値とする期間Ｔ_Ｂを経て、予め設定された周波数変化率で所定期間Ｔ_Ｃ上昇させて、定格周波数に戻す出力周波数パターンが生成される。

以下の説明において、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差をΔθとする。また、定格周波数をＦ［Ｈｚ］、周波数変動上限値をΔＦ_Ｌ［Ｈｚ］、周波数変化率（上昇方向）をΔｆ_Ｕ［Ｈｚ／ｓ］、周波数変化率（下降方向）を－Δｆ_Ｄ［Ｈｚ／ｓ］とする。また、上昇方向の周波数変化率で動作する期間をＴ_Ａ［ｓ］、周波数上限値（又は周波数下限値）の一定値で動作する期間をＴ_Ｂ［ｓ］、下降方向の周波数変化率で動作する期間をＴ_Ｃ［ｓ］とする。

まず、期間Ｔ_Ａにおいて、定格周波数Ｆから周波数上限値Ｆ＋ΔＦ_Ｌまで周波数ｆを変化させるため、期間Ｔ_Ａを式（１）により表すことができる。

また、期間Ｔ_Ａにおける位相変化量Δθ_Ａを、式（２）により表すことができる。

同様に、期間Ｔ_Ｃで周波数上限値Ｆ＋ΔＦ_Ｌから定格周波数Ｆに戻る。よって期間Ｔ_Ｃおよび位相変化量Δθ_Ｃを、式（３）、（４）により表すことができる。

期間Ｔ_Ｂにおける位相変化量Δθ_Ｂと期間Ｔ_Ｂとは、式（５）、（６）で求められる。

期間Ｔ_Ａは式（１）から、Ｔ_Ｂは式（５）から、Ｔ_Ｃは式（３）からそれぞれ求められる。よって出力周波数パターン演算部２５は、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを演算し、予め設定された値とΔθとを用いて式（１）、（３）、（６）を演算することにより、インバータ６の出力電圧Ｖの出力周波数パターンを決定することができる。

ただし、Δθの値によっては、インバータ６の出力電圧の周波数を周波数上限値まで上げることなしに、位相θと位相θｇとを同期させることが可能な場合もある。その条件は、式（６）においてＴ_Ｂ≦０となる場合である。式（６）の右辺を０以下として変形すると、式（７）を得る。

この場合、ΔθはΔθ_ＡとΔθ_Ｃとの和であって、期間Ｔ_Ａと期間Ｔ_Ｃとにおける周波数の変化量は等しくなる。よって式（８）、（９）が成り立つ。

式（８）、（９）から、期間Ｔ_Ａを式（１０）で、期間Ｔ_Ｃを式（１１）でそれぞれ表すことができる。

式（１０）、（１１）から、期間Ｔ_Ｂがない場合の期間Ｔ_Ａおよび期間Ｔ_Ｃが一意に決まる。従ってこの場合でも、出力周波数パターン演算部２５は、系統電圧Ｖｇの位相θｇとインバータ６の出力電圧Ｖの位相θとの位相差Δθを求め、予め設定された値とΔθとを用いて式（１０）、（１１）を演算してインバータ６の出力電圧Ｖの出力周波数パターンを決定することができる。

出力周波数パターン演算部２５は、決定した出力周波数パターンに基づいて変化する周波数の値を、インバータ周波数選択部２６へ供給する。
電力系統４が正常であれば、開閉器８および開閉器９が投入されて主回路２が電力系統４に連系され、連系運転となる。この状態で制御回路３は、電流検出器１３からインバータ６の出力電流Ｉｉｎｖを取得し、外部（上位制御装置）から与えられた電流指令値に追従するように電流制御部２２にて電圧指令値を演算する。このとき、自立運転判定部２９は、停電フラグを「０」にセットし、自立運転フラグを「０」にセットする。

電力系統４で異常が発生すると、開閉器８が開放されて開閉器８より下流が停電状態となる。そうすると制御回路３は、自立運転判定部２９において第２電圧検出器１２で検出される系統電圧Ｖｇの周波数ｆｇの値が所定値（正常範囲）を外れたことを検知し、停電フラグを「１」とし、自立運転フラグを「１」とする。これに応じて開閉指令生成部２８は、開閉指令を開閉器９に与えて開閉器９を開放する。

電力系統４の停電時には、電圧制御部２１は、外部（上位制御装置）から与えられる電圧指令に追従するように電圧指令値を演算し、インバータ電圧指令値選択部２７の入力値を切り替える。また、電圧制御部２１は、出力周波数パターン演算部２５の出力値（予め設定された固定の定格周波数の値）を、インバータ６の出力電圧の周波数ｆにセットする。

電力系統４が復旧すると、第２電圧検出器１２で検出される系統電圧Ｖｇの値および系統電圧Ｖｇの周波数ｆｇの値が所定値（正常範囲）以内となり、自立運転判定部２９は復電と判定する。これに応じて自立運転判定部２９は、停電フラグを「１」から「０」にする。出力周波数パターン演算部２５は、インバータ６の出力電圧の位相θと系統電圧の位相θｇとの位相差Δθを演算し、上述のようにインバータ出力周波数パターンを演算する。

出力周波数パターン演算部２５は、演算された出力周波数パターンに基づいて、インバータ周波数選択部２６に供給する周波数の値を変化させる。インバータ周波数選択部２６は、出力周波数パターン演算部２５の出力値をインバータ６の周波数ｆとして出力する。このとき、外部から供給される電圧指令値に基づいて、インバータ６の出力電圧Ｖの実効値を、系統電圧Ｖｇの実効値に所定の電圧変化率で追従させる。または、電圧指令値を系統電圧Ｖｇの実効値に合わせて電力変換装置内で補正して制御しても良い。

インバータ６の出力電圧Ｖの位相θと系統電圧Ｖｇの位相θｇとの位相差が所定値以下になれば、自立運転判定部２９は、連系運転（自立運転フラグ「０」）と判定する。自立運転フラグが「０」になると、開閉指令生成部２８は、インバータ６側の開閉器９を投入する指令を出力する。

連系運転が開始すると、電流制御部２２による制御に切り替わり、インバータ電圧指令値選択部２７の入力値が、電流制御部２２の出力値に切り替えられる。ここで、連系運転開始時の電流指令値を０にセットしておくことで、再連系時の過電流を軽減することが可能となる。

なお、電圧制御部２１による制御と電流制御部２２による制御との切り替えは、自立運転フラグの値に応じて行われてもよく、上位制御装置により入力される指令値が切り替わることにより行われてもよい。自立運転フラグの値に応じて電圧制御と電流制御とを切り替える場合には、電圧制御部２１と電流制御部２２とに、自立運転フラグの値が供給され得る。

＜作用＞
次に、上記構成における作用を説明する。
図３は、インバータ出力を系統電力に同期させるのに２つのケースがあることを説明するための図である。図中、実線が系統電力波形を示し、一点鎖線がインバータ出力波形を示す。系統復電時には、例えば図３（ａ）のように、インバータ出力波形の位相と系統電力波形の位相とが１８０°ずれていることがある。この状態から両者を同期させるには、二通りのケースが考えられる。すなわち、制御の初期においてインバータ周波数を上昇させるケース（ケース１）と、。すなわち、制御の初期においてインバータ周波数を下降させるケース（ケース２）である。

図３（ｂ）は、（ケース１）における周波数の変化を示すもので、時間の経過とともにインバータ出力の位相が系統電力の位相に追いつき、やがて同期する。この場合、インバータ出力の位相は、系統電力の位相に周回遅れ無しで同期することになる。
図３（ｃ）は、（ケース２）における周波数の変化を示すもので、インバータ出力の位相は、時間の経過とともに系統電力の位相に１周期遅れて同期する。つまり、インバータ出力の位相は、系統電力の位相に周回遅れ有りで同期することになる。実際の制御では、制御開始から同期完了までにかかる時間が短いケースが採用される。

次に、インバータ出力と系統電力の同期にかかる同期時間を（ケース１）と（ケース２）とに分けて計算した例を示す。以下では、系統復電時に実行される、自立運転モードから連系運転モードへの切り替えの際の電圧・周波数制御について検討する。

図４は、（ケース１）についてシミュレートして得られたグラフの一例を示す図である。図４のグラフは、インバータ出力および系統電力の周波数と、互いの位相差とを時間（横軸）に対してプロットしたものである。初期条件として、インバータ周波数は５０Ｈｚであったのに対し系統周波数が５０．５Ｈｚに変動したことを仮定する。このときの系統周波数変動：ΔＦ_Ｇ＝０．５［Ｈｚ］である。また、系統－インバータ位相差：Δθ＝１８０°とし、インバータ周波数変化率：Δｆ＝２［Ｈｚ／ｓ］とする。インバータ周波数変化率（Δｆ）が正の値であれば周波数を上昇させることになり、負の値であれば周波数を下降させることになる。インバータ周波数変化率（Δｆ）は、負荷５の耐量を考慮した値とすることができる。

図４において、インバータ６の周波数を上昇させる期間をＴ_Ａ１、下降させる期間をＴ_Ｃ１とする。ここで、周波数の上下限値は無いとする。そうすると、Ｔ_Ａ１を式（１２）で、Ｔ_Ｃ１を式（１３）でそれぞれ表すことができる。

式（１２）、（１３）に、Δθ＝１８０°、ΔＦ_Ｇ＝０．５［Ｈｚ］、Δｆ＝２［Ｈｚ／ｓ］を代入すると、Ｔ_Ａ１＝０．７８［ｓ］、Ｔ_Ｃ１＝０．５３［ｓ］を得る。同期時間はこれらの和であるから、Ｔ_Ａ１＋Ｔ_Ｃ１＝１．３１［ｓ］を得る。つまり、（ケース１）においては、設定した初期条件のもとでは同期時間＝１．３１となった。
同様にして、（ケース２）における同期時間を計算することができる。

図５は、（ケース２）についてシミュレートして得られたグラフの一例を示す図である。初期条件として、系統周波数変動：ΔＦ_Ｇ＝０．５［Ｈｚ］である。また、系統－インバータ位相差：Δθ＝１８０°とし、インバータ周波数変化率：Δｆ＝－２［Ｈｚ／ｓ］とする。

図５において、インバータ６の周波数を下降させる期間をＴ_Ａ２、上昇させる期間をＴ_Ｃ２とする。ここで、周波数の上下限値は無いとする。そうすると、Ｔ_Ａ２を式（１４）で、Ｔ_Ｃ２を式（１５）でそれぞれ表すことができる。

式（１４）、（１５）に、Δθ＝１８０°、ΔＦ_Ｇ＝０．５［Ｈｚ］、Δｆ＝２［Ｈｚ／ｓ］を代入すると、Ｔ_Ａ２＝０．２８［ｓ］、Ｔ_Ｃ２＝０．５３［ｓ］を得る。同期時間はこれらの和であるから、Ｔ_Ａ２＋Ｔ_Ｃ２＝０．８１［ｓ］を得る。つまり、（ケース２）においては、設定した初期条件のもとでは同期時間＝０．８１となった。
すなわち、上記シミュレーションでは Ｔ_Ａ２＋Ｔ_Ｃ２＜Ｔ_Ａ１＋Ｔ_Ｃ１ との結果を得た。従ってこの例では、（ケース２）の方が同期時間が短いという結果になった。

図６は、（ケース１）、（ケース２）における初期位相差と同期時間との関係をシミュレートして得られたグラフである。図６において、系統周波数変動ΔＦ_Ｇ＝＋０．５［Ｈｚ］とした。この場合の同期時間は、初期位相差が８８°より小さければ（ケース１）のほうが短く、初期位相差が８８°より大きければ（ケース２）のほうが短くなることがわかる。

図７は、（ケース１）、（ケース２）における初期位相差と同期時間との関係をシミュレートして得られたグラフである。図７においては、系統周波数変動ΔＦ_Ｇ＝－０．５［Ｈｚ］とした。この場合の同期時間は、初期位相差が２７２°より小さい場合に（ケース１）のほうが短く、初期位相差が２７２°より大きい場合に（ケース２）のほうが短くなることがわかる。

ここまで、周波数が一定である期間Ｔ_Ｂを含まないことを想定した。次に、周波数上下限値ΔＦ_Ｒを考慮した場合について説明する。この場合、周波数パターンに期間Ｔ_Ｂが含まれることになる。

図８は、（ケース１）で期間Ｔ_Ｂ１を含む場合のシミュレート結果を示すグラフである。この場合、インバータ周波数はΔＦＧで上昇するが、Ｆ＋ΔＦ_Ｒに達したところで一定値になる。Ｔ_Ａ１、Ｔ_Ｂ１、Ｔ_Ｃ１について式（１６）～（１８）を立式できるが、Ｔ_Ｂ１が＞０の場合にのみ、式（１６）～（１８）が成立する。

図９は、（ケース２）で期間Ｔ_Ｂ２を含む場合のシミュレート結果を示すグラフである。この場合、インバータ周波数はΔＦＧで下降するが、Ｆ－ΔＦ_Ｒに達したところで一定値になる。Ｔ_Ａ２、Ｔ_Ｂ２、Ｔ_Ｃ２について式（１９）～（２１）を立式できるが、Ｔ_Ｂ２が＞０の場合にのみ、式（１９）～（２１）が成立する。

図１０Ａおよび図１０Ｂは、インバータ６の出力周波数の制御に係わる処理手順の一例を示すフローチャートである。図１０Ａにおいて、電力系統４が復電すると、自立運転モードから連系運転モードに切り替える前段階として、インバータ６の周波数制御が開始される。そうすると制御回路３は、最初に、Δθ（系統－インバータ位相差）、ΔＦ_Ｇ（系統周波数変動）、Δｆ（インバータ周波数変化率）、および、ΔＦ_Ｒ（周波数上下限値）の各値を取得する（ステップＳ１）。

次に制御回路３は、取得した条件のもとで式（１７）を計算し、ＴＢ_１が現れるか否かを判定する（ステップＳ２）。式（１７）が正の値を取るならば（Ｙｅｓ）、制御回路３は、式（１６）～（１８）を用いてＴ_Ａ１、Ｔ_Ｂ１、Ｔ_Ｃ１を計算し、（ケース１）での同期時間を算出する（ステップＳ３）。一方、式（１７）が負になれば（Ｎｏ）、制御回路３は、式（１２）、（１３）を用いてＴ_Ａ１、Ｔ_Ｃ１を計算し、（ケース１）での同期時間を算出する（ステップＳ４）。そして、処理手順は図１０Ｂに移る。

次に制御回路３は、式（２０）を計算し、ＴＢ_２が現れるか否かを判定する（ステップＳ５）。式（２０）が正の値を取るならば（Ｙｅｓ）、制御回路３は、式（１９）～（２１）を用いてＴ_Ａ２、Ｔ_Ｂ２、Ｔ_Ｃ２を計算し、（ケース２）での同期時間を算出する（ステップＳ６）。一方、式（２０）が負になれば（Ｎｏ）、制御回路３は、式（１４）、（１５）を用いてＴ_Ａ２、Ｔ_Ｃ２を計算し、（ケース２）での同期時間を算出する（ステップＳ７）。

そして、制御回路３は、（ケース１）での同期時間と（ケース２）での同期時間とを比較し（ステップＳ８）、（ケース１）での同期時間が短いならば（Ｙｅｓ）、周波数を上昇させるパターンを選択する（ステップＳ９）。また、（ケース２）での同期時間が短いならば（Ｎｏ）、周波数を下降させるパターンを選択する（ステップＳ１０）。これにより、最短の同期時間に基づく周波数制御パターンが生成される。
最後に、制御回路３は、周波数制御のパターンを決定し、そのパターンの示す周波数制御量を、インバータ周波数指令値に重畳し（ステップＳ１１）、出力する。

図１１は、インバータ６の出力電圧の制御に係わる処理手順の一例を示すフローチャートである。電力系統４が復電すると、インバータ６の周波数制御に伴って、インバータの出力電圧の制御も開始される。そうすると制御回路３は、最初に、ΔＶ_Ｇ（系統電圧変動）、および、ステップＳ８における短いほうの同期時間を取得する（ステップＳ２１）。

次に制御回路３は、ΔＶ_Ｇを同期時間で割った値を求め、電圧指令値の傾きを計算する（ステップＳ２２）。最後に制御回路３は、電圧指令値制御のパターンを決定し、電圧制御指令値として電圧制御部２１に入力する（ステップＳ２３）。

図１２は、系統電圧に追従するインバータ電圧の変化の一例を示すグラフである。図１２において、電圧指定値制御が開始されると、同期時間において系統電圧に追従すべく、インバータ電圧を例えば一定の変化率で変化させる制御が行われる。これにより、インバータ出力が系統電力に同期するのと同時に、両者の電圧値も同じになる。この状態が実現されたのちに自立運転から連系運転へのモード切替を実行することで、負荷に過大な負担をかけることなく、しかも最短の時間での切り替えを実現することが可能になる。

＜効果＞
以上のように、実施形態では、系統の復電時の周波数変動、および、電圧変動を考慮した位相同期方法、及び電圧追従方法を実現する構成について説明した。すなわち、復電時に周波数変動がある場合、周波数を上昇させた場合の位相同期時間と、周波数を下降させた場合の位相同期時間とを求め、何れか短いほうの同期時間に基づく出力周波数パターンを採用するようにした。しかも、出力周波数パターンにおいて、インバータ周波数変化率（Δｆ）を負荷５の耐量を考慮した値とすることで、負荷５に過大な負担をかけることが無い。さらに、復電時に電圧変動のある場合には、上記出力周波数パターンのもとでの同期時間内で系統電圧に追従するように電圧指令値を制御するようにした。

これらのことから実施形態によれば、負荷の耐量を超えることなく、自立運転と連系運転とを迅速に切り替えることの可能な電力変換装置を提供することが可能になる。また、電力系統と円滑に連系し、負荷へと無瞬断で連続的に電力を供給することが可能になる。

なお、この発明は上記実施形態に限定されるものではない。例えば図１に示される制御回路３は、ハードウェアにより構成されてもよく、ソフトウェアにより構成されてもよく、ハードウェアとソフトウェアとの組み合わせにより構成されてもよい。

本発明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、特許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…電力変換装置、１Ｍ…電力変換装置、１Ｓ…電力変換装置、２…主回路、３…制御回路、４…電力系統、５…負荷、６…インバータ、７…分散電源、８…開閉器、９…開閉器、１１，１２…電圧検出器、１３…電流検出器、２１…電圧制御部、２２…電流制御部、２３，２４…周波数演算部、２５…出力周波数パターン演算部、２６…インバータ周波数選択部、２７…インバータ電圧指令値選択部、２８…開閉指令生成部、２９…自立運転判定部、３０…位相演算部、３１…位相演算部、３２…変調波／ゲート信号生成部。

Claims (6)

1. 系統と負荷との間に設けられる電力変換装置において、
   ローカル電源から系統電力に相当する電力を生成するインバータと、
   前記系統を前記負荷に接続する連系運転モードと、前記インバータを前記負荷に接続する自立運転モードとを選択的に切り替える切り替え部と、
   前記インバータからのインバータ出力と前記系統電力との周波数差および位相差を検出する検出部と、
   前記自立運転モードから前記連系運転モードへの切り替えの前に、前記インバータ出力の周波数および位相を前記系統電力に同期させる制御回路とを具備し、
   前記制御回路は、
   前記インバータ出力と前記系統電力の同期にかかる同期時間における前記インバータの出力周波数パターンを、前記周波数差および前記位相差に基づいて算出する出力周波数パターン演算部と、
   前記インバータ出力の周波数を前記出力周波数パターンに基づいて制御する周波数制御部とを備える、電力変換装置。
2. 前記出力周波数パターン演算部は、前記負荷の耐量の範囲内で前記インバータ出力の周波数を変化させる出力周波数パターンを算出する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記出力周波数パターン演算部は、前記インバータ出力の位相を前記系統電力の位相に周回遅れ無しで同期させる第１のパターンと、前記インバータ出力の位相を前記系統電力の位相に周回遅れ有りで同期させる第２のパターンとのうち、前記同期時間の短いパターンを前記出力周波数パターンとして算出する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記検出部は、前記インバータ出力と前記系統電力のそれぞれの電圧の実効値を検出し、
   前記制御回路は、前記インバータ出力の電圧の実効値を前記同期時間内で前記系統電力の電圧の実効値に追従させる電圧制御部をさらに備える、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記周波数制御部は、前記インバータ出力の周波数を既定の周波数変化率で制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記電圧制御部は、前記インバータ出力の電圧の実効値を既定の電圧変化率で制御する、請求項４に記載の電力変換装置。

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