JP6599804B2 - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置及びその制御方法に関する。

従来、太陽電池等の分散型電源を系統電源に連系させる電力変換装置が知られる。系統電源の停電時において、電力変換装置が系統電源から解列されないで単独運転を続けると、保安や電力供給の信頼度の確保等の観点から問題を生じる可能性がある。このために、従来の電力変換装置は単独運転を検出する機能を備える（例えば特許文献１参照）。電力変換装置は、単独運転を検出すると、自身を系統電源から解列させる。

ＰＶ（photovoltaic）システム用ＰＣＳ（power conditioning system）の新連系規定を定める非特許文献１は、能動的単独運転検出を行うための共通技術として、ステップ注入付き周波数フィードバック方式を開示する。図７は、ステップ注入付き周波数フィードバック方式の単独運転検出機能を備える従来の電力変換装置１００の構成を示すブロック図である。

電力変換装置（ＰＣＳ）１００は、分散型電源２と系統電源３との間に配置される。電力変換装置１００と系統電源３との間には、図示は省略するが、高圧配電線から送られてきた高圧電力を低圧電力に降圧して低圧配電線に供給する柱上トランスや、低圧配電線に接続された負荷等が存在する。

電力変換装置１００は、分散型電源２から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ部１０を備える。また、電力変換装置１００は、インバータ部１０の電流制御を行う電流制御処理部１１を備える。更に、電力変換装置１００は、単独運転を検出可能となるように、系統周波数計測部１２と、周波数フィードバック部１３と、無効電力ステップ注入部１４と、単独運転検出部１５とを備える。

系統周波数計測部１２は、周波数偏差の演算に用いる系統周波数を計測する。周波数フィードバック部１３は、移動平均処理により算出された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。無効電力ステップ注入部１４は、単独運転発生時においても周波数偏差が微小となる条件下において、周波数シフトを促すべく、無効電力をステップ注入する処理を行う。なお、電力変換装置１００の単独運転時に、電力変換装置１００の出力電力と負荷の消費電力とが平衡した場合に、周波数偏差が微小になる。

無効電力ステップ注入部１４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場合に、ステップ注入が必要であると判断する。基本波電圧は、インバータ部１０からの出力電圧に含まれる基本波成分である。電圧高調波歪は、インバータ部１０からの出力電圧に含まれる高調波成分（二次〜七次以上）に基づいて算出される。基本波電圧及び高調波電圧は、無効電力ステップ注入部１４に含まれる計測回路によって計測できる。周波数フィードバック部１３は、周波数偏差から算出された無効電力注入量に、無効電力ステップ注入部１４によって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１１に伝達する。

単独運転検出部１５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。単独運転検出部１５は、詳細には、能動的方式の単独運転判定部と受動的方式の単独運転判定部とを有する。電流制御処理部１１は、系統周波数計測部１２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１０の電流制御を行う。

次に、以上のように構成される電力変換装置１００における、ステップ注入付き周波数フィードバック方式の単独運転検出動作について説明する。

電力変換装置１００と負荷との電力アンバランス状態においては、系統電源３の停電後、系統周波数が変化する。このために、周波数フィードバック部１３によって無効電力の注入が行われ、周波数変化に対して正帰還がかけられる。この結果、系統周波数の周波数変化が大きくなって単独運転検出条件（予め設定される）に至り、単独運転が検出される。

電力変換装置１００と負荷との電力バランスがとれている状態においては、系統電源３の停電後、柱上トランスにおける励磁電流の影響によって、インバータ部１０からの出力に電圧高調波が発生する。このために、無効電力ステップ注入部１４によって電圧高調波歪の変化を検出して、周波数を低下させるように無効電力が注入される。これにより、周波数が変化し、周波数フィードバック部１３によって周波数変化が促される。この結果、単独運転が検出される。

特開２０１５−２２０８３５号公報 特開２００８−２５９４００号公報

日本電機工業会規格ＪＥＭ１４９８（２０１２．８．２７制定）

上述のような周波数フィードバック方式の単独運転検出機能を備える場合、系統電源３における外乱の発生によっても周波数フィードバック部１３が動作する。この際、系統インピーダンスが大きいと、無効電力の注入が原因となって系統電圧にフリッカ（周期的な電圧の変動）が発生してしまう（例えば特許文献２参照）。電圧フリッカが発生すると、蛍光灯などの系統電源３への接続機器にちらつき等の悪影響が生じるために問題となる。

以上の点に鑑みて、本発明は、周波数フィードバック機能に起因する電圧フリッカの発生を抑制できる電力変換装置及びその制御方法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、分散型電源を系統電源に連系させる電力変換装置であって、前記分散型電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、系統周波数を計測する系統周波数計測部と、前記系統周波数の偏差に応じて前記系統周波数の周波数変化を促すフィードバック機能を有する周波数フィードバック部と、前記周波数フィードバック部からの情報に基づいて無効電力の注入を行うように、前記インバータ部の電流制御を行う電流制御処理部と、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、前記フィードバック機能のゲインを一時的に低下させるか否かを判定する第１の判定部と、を備える構成（第１の構成）になっている。

上記第１の構成の電力変換装置は、前記フィードバック機能のゲインが低下された場合に、当該ゲイン低下処理を終了するか否かを判定する第２の判定部を更に備える構成（第２の構成）であるのが好ましい。

上記第２の構成において、前記電流制御処理部は、前記フィードバック機能のゲイン低下中に、所定の高調波成分を重畳させるように電流制御を行い、前記第２の判定部は、前記高調波成分を重畳した後に系統側に現れる電圧高調波に基づいて前記ゲイン低下処理を終了するか否かを判定する構成（第３の構成）であってよい。

上記第２又は第３の構成において、前記第２の判定部によって前記ゲイン低下処理を終了しないと判定された場合、前記ゲイン低下処理の開始から所定の時間を経過した後に前記ゲイン低下処理が終了され、前記第２の判定部によって前記ゲイン低下処理を終了すると判定された場合、前記所定の時間を経過する前でも前記ゲイン低下処理が終了される構成（第４の構成）が採用されてよい。

上記第１から第４のいずれかの構成において、前記第１の判定部は、系統側に現れる無効電力の変化に基づいて前記フィードバック機能のゲインを一時的に低下させるか否かを判定する構成（第５の構成）であってよい。

上記第５の構成において、前記第１の判定部は、系統側に現れる無効電力が第１の閾値を超えて大きくなった後、小さくなる方向に転じた場合、又は、系統側に現れる無効電力が第２の閾値を超えて小さくなった後、大きくなる方向に転じた場合に、前記フィードバック機能のゲインを一時的に低下させると判定する構成（第６の構成）であってよい。

また、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の制御方法は、系統周波数の偏差に応じて周波数変化を促す周波数フィードバック機能を利用して単独運転を検出する単独運転検出機能を有する電力変換装置の制御方法であって、前記フィードバック機能のゲインを一時的に低下させるか否かを判定するステップを備える構成（第７の構成）になっている。

本発明によると、周波数フィードバック機能に起因する電圧フリッカの発生を抑制できる電力変換装置及びその制御方法を提供できる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が備える第１の判定部の詳細構成を示すブロック図 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置が備える第２の判定部の詳細構成を示すブロック図 本発明の第１実施形態に係る電力変換装置において、外乱によって電圧フリッカが発生した可能性があると判定された場合の動作例を示すフローチャート 本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の構成を示すブロック図 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置について説明するための模式図 ステップ注入付き周波数フィードバック方式の単独運転検出機能を備える従来の電力変換装置の構成を示すブロック図

以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置及びその制御方法について詳細に説明する。
＜第１実施形態＞

図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１の構成を示すブロック図である。第１実施形態に係る電力変換装置１は、ステップ注入付き周波数フィードバック方式の単独運転検出機能を備え、概ね図７に示す従来の電力変換装置１００の構成と同様である。従来の電力変換装置１００と同様の機能を備える部分については、図７と同一の符号を付し、特に必要がないと判断される内容については、その説明を省略する。

電力変換装置１は、分散型電源２を系統電源３に連系させる。なお、分散型電源としては、例えば太陽電池等の自然エネルギー発電手段、燃料電池、蓄電池等が挙げられ、それらのいずれであってもよい。インバータ部１０は、分散型電源２から供給される直流電力を交流電力に変換する。系統周波数計測部１２は、系統周波数を計測する。

周波数フィードバック部１３は、系統周波数計測部１２で得られる系統周波数の偏差に応じて系統周波数の周波数変化を促すフィードバック機能を有する。無効電力ステップ注入部１４は、所定の条件下において、系統周波数の偏差を強制的に生じさせるように無効電力をステップ注入するための処理を行う。単独運転検出部１５は、系統周波数をモニタして単独運転を検出する。電流制御処理部１６は、周波数フィードバック部１３からの情報に基づいて無効電力の注入を行うように、インバータ部１０の電流制御を行う。なお、電流制御処理部１６は、従来の電力変換装置１００の電流制御処理部１１には無い機能を備える。この点の詳細は後述する。

以上の構成を備えることにより、従来と同様に、電力変換装置１は、能動的方式（ステップ注入付き周波数フィードバック方式）により単独運転の検出を行える。また、本実施形態の電力変換装置１は、周波数フィードバック方式による単独運転検出機能が原因となって生じる電圧フリッカを抑制できる構成を採用しており、この点が従来の構成と異なる。以下、これについて説明する。

図１に示すように、電力変換装置１は、フィードバック機能のゲインを一時的に低下させるか否かを判定する第１の判定部１７を備える。図２は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１が備える第１の判定部１７の詳細構成を示すブロック図である。図２に示すように、第１の判定部１７は、電流・電圧検出部１７１と、無効電力算出部１７２と、フリッカ判定部１７３とを備える。

電流・電圧検出部１７１は、インバータ部１０の出力側と系統電源３との間に設けられる。電流・電圧検出部１７１は、詳細には電流検出回路と電圧検出回路とを備え、系統側に現れる電流及び電圧を検出可能になっている。無効電力算出部１７２は、電流・電圧検出部１７１で検出された電流及び電圧を取得して無効電力を算出する。無効電力算出部１７２は、予め定められた所定間隔で常時無効電力を算出する。また、無効電力算出部１７２は、現在から過去の一定期間に遡って無効電力の平均値を算出する。無効電力算出部１７２は、取得した無効電力値及び無効電力の平均値をフリッカ判定部１７３に出力する。

フリッカ判定部１７３は、系統側に現れる無効電力の変化に基づいて電圧フリッカ発生の可能性を判定する。詳細には、フリッカ判定部１７３は、次に示す第１条件又は第２条件を満たした場合に、電圧フリッカが発生した可能性があると判定する。第１条件は無効電力が正である場合を想定した条件であり、第２条件は無効電力が負である場合を想定した条件である。第１条件は、現在の無効電力値が当該時点における無効電力の平均値に対して予め設定された第１の閾値を超えて大きくなり、その後、現在の無効電力値が小さくなる方向に転じた場合である。第２条件は、現在の無効電力値が当該時点における無効電力の平均値に対して予め設定された第２の閾値を超えて小さくなり、その後、現在の無効電力値が大きくなる方向に転じた場合である。第１の閾値と第２の閾値は同じ値であっても、異なる値であってもよい。

第１条件は、現在の無効電力値が当該時点における無効電力の平均値に予め設定された第１の閾値を加算した加算値より大きくなり、その後、現在の無効電力値が先の加算値以下になった場合としてもよい。第２条件は、現在の無効電力値が当該時点における無効電力の平均値から予め設定された第２の閾値を減算した減算値より小さくなり、その後、現在の無効電力値が先の減算値以上になった場合としてもよい。

なお、第１条件及び第２条件には、無効電力の平均値が使用されない構成としてもよい。この場合、第１条件は、現在の無効電力値が予め設定された第１の閾値を超えて大きくなり、その後、現在の無効電力値が小さくなる方向に転じた場合としてよい。また、第２条件は、現在の無効電力値が予め設定された第２の閾値を超えて小さくなり、その後、現在の無効電力値が大きくなる方向に転じた場合としてよい。ただし、この方法の場合には、定常状態時の無効電力の大きさが電力変換装置１の出力によって異なる場合があることを考慮して、出力に応じて閾値を変更できるように閾値テーブルを準備するのが好ましい。

電圧フリッカが発生した可能性があると判定されると、当該情報が電流制御処理部１６に伝達され、周波数フィードバック部１３の周波数フィードバック機能のゲインが一時的に低下される。フリッカ判定部１７３によって電圧フリッカが発生した可能性があると判定されなかった場合には、周波数フィードバック部１３の周波数フィードバック機能のゲインは維持される。すなわち、電圧フリッカ発生の可能性の判定は、フィードバック機能のゲインを一時的に低下させるか否かを判定することを意味する。なお、フィードバック機能のゲインの低下には、フィードバック機能の停止（ゲインがゼロ）も含む。

電圧フリッカが発生した可能性があることを伝達された電流制御処理部１６は、例えばフィードバック機能のゲインの低下と同時に、所定の高調波成分を所定の期間（例えば１周期等）重畳させるように電流制御を行う。高調波成分の注入は、例えば所定のサイクルで繰り返し行われるが、場合によっては１回限りでもよい。重畳させる高調波は、例えば或る単一の次数の高調波でもよいし、複数の次数の高調波を足し合わせたものであってもよい。また、場合によっては、重畳させる高調波は次数間高調波であってもよい。

図１に示すように、電力変換装置１は、フィードバック機能のゲインが低下された場合に、当該ゲイン低下処理を終了するか否かを判定する第２の判定部１８を備える。図３は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１が備える第２の判定部１８の詳細構成を示すブロック図である。図３に示すように、第２の判定部１８は、高調波電圧計測部１８１と、高調波歪算出部１８２と、単独運転可能性判定部１８３とを備える。

高調波電圧計測部１８１は、インバータ部１０の出力側と系統電源３との間に設けられる。高調波電圧計測部１８１は、系統側に現れる高調波電圧を計測する。高調波歪算出部１８２は、総合高調波歪（ＴＨＤ）の変化量（或いは変化率）を算出する。例えば、直近の総合高調波歪から３サイクル前から５サイクル前までの３つの総合高調波歪の平均値を差し引いた値が、総合高調波歪の変化量とされる。なお、高調波電圧計測部１８１及び高調波歪算出部１８２は、場合によっては、無効電力ステップ注入部１４に備えられるものを共用してもよい。また、高調波歪算出部１８２は、総合高調波歪に代えて、例えば、各次数の高調波歪、又は、次数間の高調波歪、或いは、複数の次数のうちのいくつかの高調波歪の合計値を算出して、その変化量を算出する構成であってもよい。

単独運転可能性判定部１８３は、電流制御処理部１６によって高調波成分が重畳された後に系統側に現れる全高調波歪（より詳細には全高調波歪の変化量或いは変化率）に基づいて単独運転の可能性を判定する。なお、当該判定の期間と、電流制御処理部１６における高調波電流の注入期間とは同一の期間とするのが好ましい。

単独運転の可能性が有る場合にフィードバック機能のゲインが低下されると、単独運転の検出が遅れてしまう。このために、単独運転の可能性が有ると判定された場合には、フィードバック機能のゲイン低下を終了して、通常のフィードバック機能に戻して単独運転の検出を行う。一方、単独運転の可能性が無い場合には、所定の期間、フィードバック機能のゲインが低下される。すなわち、単独運転の可能性の判定は、フィードバック機能のゲイン低下を終了するか否かを判定することを意味する。

図４は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１において、外乱によって電圧フリッカが発生した可能性があると判定された場合の動作例を示すフローチャートである。電圧フリッカの発生可能性の判定は、上述のように、系統側に現れる無効電力の変化の仕方を監視することによって第１の判定部１７によって行われる。

電圧フリッカが発生した可能性があると判定されると、フリッカ可能性フラグがオンされる（ステップＳ１）。フリッカ可能性フラグがオンされると、電流制御処理部１６は、フィードバック処理に関するゲインを低下させ、周波数フィードバック部１３から入力される情報の処理を行う。すなわち、周波数フィードバック部１３によるフィードバック機能のゲインが低下される（ステップＳ２）。この際、ゲインをゼロとして周波数フィードバック機能が停止されてもよい。

また、電流制御処理部１６は、フィードバック処理に関するゲインの低下と同時に、電流高調波の注入を開始する（ステップＳ３）。電流高調波の注入が開始されると、第２の判定部１８（より詳細には単独運転可能性判定部１８３）は、電圧の全高調波歪（ＴＨＤ）の変化量が所定の閾値（第３の閾値）以上であるか否かを確認する（ステップＳ４）。

フィードバック機能停止中に単独運転に切り換わった場合、電流高調波の注入に応じて高調波電圧が変動するために、全高調波歪の変化量が所定の閾値以上になる（ステップＳ４でＹｅｓ）。このために、第２の判定部１８によって単独運転の可能性があると判定され、フリッカ可能性フラグがオフされる（ステップＳ５）。

フリッカ可能性フラグのオフによって、電流制御処理部１６は、低下させたフィードバック処理に関するゲインを元に戻して、周波数フィードバック部１３から入力される情報に従って無効電力の注入を行うようになる。すなわち、周波数フィードバック部１３によるフィードバック機能が通常状態に戻される（ステップＳ６）。また、フィードバック機能が通常状態に戻されると同時に、電流高調波の注入処理が終了される（ステップＳ７）。フィードバック機能が通常状態に戻されることによって、単独運転の検出を正確に検出することができる。

一方、ステップＳ４で全高調波歪が所定の閾値を超えない場合には（ステップＳ４でＮｏ）、単独運転の可能性はないと判断される。フィードバック機能のゲイン低下開始から所定の時間が経過していない場合（ステップＳ８でＮｏ）には、ステップＳ５に戻って、再度、単独運転の可能性が判定される。フィードバック機能のゲイン低下開始から所定の時間が経過している場合（ステップＳ８でＹｅｓ）には、フリッカ可能性フラグがオフされ（ステップＳ５）、その後は、上述の処理が行われる。

なお、ステップＳ８における所定の時間は、特に限定される趣旨ではないが、例えば１００ｍ秒程度とされる。このぐらいの時間経過すれば、電圧フリッカが収まる可能性が高い。また、比較的短い時間でフィードバック機能を通常状態に戻せ、単独運転を適切に検出できる。

以上のように、第１実施形態の電力変換装置１によれば、系統に外乱が発生した場合であっても、周波数フィードバック機能のゲインを一時的に低下することによって電圧フリッカの発生を抑制することができる。また、周波数フィードバック機能のゲインを低下させた場合においても、単独運転の可能性を判定する判定部を備えて適切なタイミグで周波数フィードバック機能のゲインを通常状態に戻す構成にしているために、単独運転を適切に検出することができる。

以下、異なる実施形態について説明する。異なる実施形態の説明は、第１実施形態と異なる部分に絞って行う。
＜第２実施形態＞

第１実施形態では、電圧フリッカ発生の可能性を検出すると、電流制御処理部１６において、フィードバック機能のゲイン低下処理が行われる構成とした。しかし、これは、例示にすぎない。

図５は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置４の構成を示すブロック図である。第２実施形態の電力変換装置４においては、第１の判定部１７は、電圧フリッカが発生した可能性があると判定すると、その情報を周波数フィードバック部１３に伝達する。これにより、周波数フィードバック部１３は、周波数フィードバック機能のゲイン低下処理を行う。
＜第３実施形態＞

第１実施形態では、無効電力の変化を監視して電圧フリッカ発生の可能性を検出する構成とした。しかし、これは例示にすぎない。

図６は、周波数偏差−注入無効電力特性を示す図である。周波数フィードバック部１３は、図６に示すように、周波数偏差が±ｆ[Ｈｚ]（例えばｆ＝０．０１Ｈｚ）を境にして無効電力演算のゲインを変える（第１ゲイン及び第２ゲイン）。電圧フリッカが発生する場合、第２ゲインとなる無効電力を注入した後に第１ゲインに戻る（或いは、逆方向の第２ゲインとなる）といった現象が発生する。第３実施形態では、この現象（ゲインの切り替え）を利用して、電圧フリッカ発生の可能性を判定する。一旦挙げたゲインが下がった場合に、電圧フリッカが発生した可能性があると判定する。

その他、電圧フリッカの可能性の検出は、上述した無効電力を用いる方法に代えて、電圧周波数を用いる構成としてもよい。また、無効電力や電圧周波数の周期的な変動を検出した場合に電圧フリッカの可能性があると判定するようにしてもよい。
＜その他＞

以上に示した実施形態や変形例の構成は、本発明の例示にすぎない。実施形態や変形例の構成は、本発明の技術的思想を超えない範囲で適宜変更されてもよい。また、複数の実施形態及び変形例は、可能な範囲で組み合わせて実施されてよい。

１、４ 電力変換装置
２ 分散型電源
３ 系統電源
１０ インバータ部
１２ 系統周波数計測部
１３ 周波数フィードバック部
１５ 単独運転検出部
１６ 電流制御処理部
１７ 第１の判定部
１８ 第２の判定部

Claims (5)

1. 分散型電源を系統電源に連系させる電力変換装置であって、
   前記分散型電源から供給される直流電力を交流電力に変換するインバータ部と、
   系統周波数を計測する系統周波数計測部と、
   前記系統周波数の偏差に応じて前記系統周波数の周波数変化を促すフィードバック機能を有する周波数フィードバック部と、
   前記周波数フィードバック部からの情報に基づいて無効電力の注入を行うように、前記インバータ部の電流制御を行う電流制御処理部と、
   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、
   電圧フリッカ発生の可能性がある場合に、前記フィードバック機能のゲインを一時的に低下させると判定する第１の判定部と、
   を備え、
   前記電流制御処理部は、前記フィードバック機能のゲイン低下中に、所定の高調波成分を重畳させるように電流制御を行い、
   前記高調波成分を重畳した後に系統側に現れる電圧高調波に基づいて前記ゲイン低下処理を終了するか否かを判定する第２の判定部を更に備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記第２の判定部によって前記ゲイン低下処理を終了しないと判定された場合、前記ゲイン低下処理の開始から所定の時間を経過した後に前記ゲイン低下処理が終了され、
   前記第２の判定部によって前記ゲイン低下処理を終了すると判定された場合、前記所定の時間を経過する前でも前記ゲイン低下処理が終了されることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１の判定部は、系統側に現れる無効電力の変化に基づいて前記電圧フリッカ発生の可能性を判定することを特徴とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記第１の判定部は、系統側に現れる無効電力が第１の閾値を超えて大きくなった後、小さくなる方向に転じた場合、又は、系統側に現れる無効電力が第２の閾値を超えて小さくなった後、大きくなる方向に転じた場合に、前記電圧フリッカが発生した可能性があると判定することを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
5. 系統周波数の偏差に応じて周波数変化を促す周波数フィードバック機能を利用して単独運転を検出する単独運転検出機能を有する電力変換装置の制御方法であって、
   電圧フリッカ発生の可能性がある場合に、前記フィードバック機能のゲインを一時的に低下させると判定するステップと、
   前記フィードバック機能のゲイン低下中に、所定の高調波成分を重畳させるステップと、
   前記高調波成分を重畳した後に系統側に現れる電圧高調波に基づいて前記ゲイン低下処理を終了するか否かを判定するステップと、
   を備えることを特徴とする電力変換装置の制御方法。

Images