(57)【要約】      （修正有）【課題】系統電圧と電力変換装置のキャリアとを高速に同期させ、キャリア周波数の変動による騒音や高調波の発生を抑制すると共に、制御の安定性を向上させた系統連系装置を提供すること。【解決手段】三相系統電圧の正相成分を基準波形として第３調波波形データを生成する第３調波波形生成手段３２と、キャリア周波数に同期した第３調波波形データを生成する第３調波テーブル３３と、第３調波波形生成手段３２により生成された第３調波波形データＳ３１と第３調波テーブル３３により生成された第３調波波形データＳ３２との位相差ΔΦを検出する座標変換器２５と、この位相差ΔΦがゼロになるようにキャリアの周波数を調節する同期調節器２６及びキャリア周波数発生回路２７と、を備える。これにより、系統の復電時に電力変換装置を再起動して連系させる際に、系統電圧と電力変換装置のキャリアとを高速に同期させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流電源系統の電圧に同期したキャリアを用いてＰＷＭ制御される電力変換装置を前記電源系統に連系させるための系統連系装置において、
三相系統電圧の正相成分を基準波形として第３調波波形データを生成する第３調波波形生成手段と、
前記キャリアの周波数に同期した第３調波波形データを生成する第３調波テーブルと、
前記第３調波波形生成手段により生成された第３調波波形データと前記第３調波テーブルにより生成された第３調波波形データとの位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差検出手段により検出した位相差がゼロになるように前記キャリアの周波数を調節する手段と、
を備えたことを特徴とする系統連系装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太陽光発電システムや風力発電システム、電力平準化システムなどの分散型電源システムに適用される系統連系装置に関し、詳しくは、交流電源系統に停電等の異常が発生した後の復電時に、分散型電源システムを構成する電力変換装置を電源系統に連系させて再起動するための技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電システムや風力発電システムなどの分散型電源システムの大量導入が進み、その安定運用が課題となっている。
この種の分散型電源システムでは、交流電源系統に連系するための機能として、保護機能及び制御機能が義務付けられており、これらの機能は、停電等の異常が発生した時に分散型電源システムの運転を一旦停止してから再起動することが前提となっている。
【０００３】
このため、上記保護機能により、大量の分散型電源システムが交流電源系統の異常により一斉に運転を停止して系統から脱落すると、系統周波数の低下や電圧レベルの変動を招くことが懸念される。従って、瞬時電圧低下等の系統異常の発生時には、分散型電源システムは運転を継続して系統の安定性を確保することが望まれており、また、系統が停電して系統電圧がゼロの状態から分散型電源システムを再起動する場合には、再起動に要する時間ができるだけ短いことが要請されている。
【０００４】
一般的に、系統連系インバータ等の電力変換装置は、系統電圧の数百倍のキャリア周波数によってＰＷＭ（パルス幅変調）制御されており、系統に流れる高調波電流を抑制し、かつ制御を安定化させるために、上記キャリア周波数を系統電圧と同期させて連系させる必要がある。
ここで、図３は、従来の系統連系装置を示すブロック図であり、系統連系インバータ９は、交流電源１、遮断器２，３及び負荷４を有する交流電源系統の線路５に、遮断器６、フィルタコンデンサ７及び交流リアクトル８を介して接続されている。系統連系インバータ９は、系統電圧を直流電圧に変換し、更に所定の大きさ及び周波数の交流電圧に変換して負荷（図示せず）に供給する。  
【０００５】
線路５には、電圧検出器２１及び波形整形回路２２を介して正相演算回路２３及びゲート信号生成回路２８が接続されている。なお、波形整形回路２２は、線路５の系統電圧波形に含まれる電圧リップルや高調波成分を除去して波形整形し、整形後の波形の位相が系統電圧波形の位相と一致するように位相を調整する機能を果たしている。
【０００６】
正相演算回路２３は、波形整形回路２２の三相出力波形から正相成分を演算し、更に、移動平均回路２４が正相演算回路２３の出力波形の位相を９０度遅らせた移動平均値を演算することにより、系統電圧から余弦波ｃｏｓω１ｔ及び正弦波ｓｉｎω１ｔ（これらをまとめて正弦波データＳ１とする）が演算される。
一方、キャリア周波数発生回路２７から出力される、ＰＷＭ制御用のキャリアに同期したデータセレクト信号に基づき、系統連系装置内部の正弦波テーブル２９に記憶された余弦波ｃｏｓω２ｔ及び正弦波ｓｉｎω２ｔ（これらをまとめて正弦波データＳ２とする）を前記正弦波データＳ１と共に座標変換器２５に入力して両正弦波データＳ１，Ｓ２の位相差ΔΦを検出し、この位相差ΔΦがゼロになるように同期調節器２６を動作させる。そして、同期調節器２６の出力に基づいて、系統電圧Ｓ０に同期した所定周波数のキャリアＳ３をキャリア周波数発生回路２７により生成している。なお、Ｓ４は、ゲート信号生成回路２８により、系統電圧Ｓ０及びキャリアＳ３に基づいて生成されるゲート信号（ＰＷＭパルス）である。
【０００７】
ここで、座標変換器２５により両正弦波データＳ１，Ｓ２の位相差ΔΦを検出する方法は、例えば特許文献１や特許文献２に記載されている。
すなわち、正規化された互いに直交する相電圧信号ｖα，ｖβに対してｄ−ｑ座標変換を行うと、ｑ軸上の電圧信号ｖｑ＝−ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（θ’）＋ｓｉｎ（θ）・ｃｏｓ（θ’）＝ｓｉｎ（θ−θ’）となり、｜θ−θ’｜＝｜Δθ｜（Δθは位相差）が微小であればｓｉｎ（θ−θ’）≒Δθとなるため、座標変換演算によってｑ軸電圧ｖｑを求めることとθ，θ’間の位相差Δθを求めることとは等価である。
上記の原理に基づけば、正弦波データＳ１（ｃｏｓω１ｔ及びｓｉｎω１ｔ）と正弦波データＳ２（ｃｏｓω２ｔ及びｓｉｎω２ｔ）との位相差ΔΦを求めることできる。
【０００８】
図４は、図３の従来技術による同期方法を概念的に示しており、従来では、正弦波データＳ２に対して最大位相差が１８０度である系統電圧Ｓ０（正弦波データＳ１）にキャリア周波数を同期させる方法をとっていた。
【０００９】
なお、特許文献３には、系統に連系される順変換器等の電力変換装置であって、交流入力電圧の位相に内部位相基準を同期させるためにＰＬＬ（フェーズロックドループ）制御を行う電力変換装置において、系統が停電した後の復電時に、交流入力電圧の位相と内部位相基準との位相差Δθが所定値以上になった場合にＰＬＬ制御回路の制御ゲインを切り替えることにより、ＰＬＬ動作の整定を早めて電力変換装置の再起動を迅速に行うようにした従来技術が開示されている。
【００１０】
図５は、特許文献３に記載された電力変換装置の制御手段を示すブロック図である。
この制御手段６０では、Ａ／Ｄ変換回路６１から出力される系統電圧を２軸変換回路６２により有効電圧（ｄ軸電圧）ｖｄ及び無効電圧（ｑ軸電圧）ｖｑに変換し、ＰＬＬ制御回路６３に入力する。ＰＬＬ制御回路６３は、ｖｄ，ｖｑの位相と内部位相角θとが一致するように閉ループ制御を行い、内部位相角θをスイッチング制御回路６６に出力している。このスイッチング制御回路６６は、出力電圧制御回路６７からの出力電圧基準と前記内部位相角θとに基づいて、順変換器等の電力変換装置（図示せず）を構成するスイッチング素子のＰＷＭパルスを生成する。
また、２軸変換回路６２から出力される有効電圧ｖｄをヒステリシス付き比較器６４に入力し、有効電圧ｖｄ（≒交流入力電圧の位相と内部位相角θとの位相差Δθ）が所定値以上になった場合に交流入力位相の異常検出信号を出力すると共に、この異常検出信号により、制御ゲイン切換回路６５の制御ゲイン１をこれより応答の速い制御ゲイン２に切り換えている。
【００１１】
上記の構成において、交流入力電圧が正常であり、電力変換装置が正常に運転している場合、位相差Δθは電源系統の擾乱等に起因して許容範囲内で変化する。従って、通常は、制御ゲイン１によりＰＬＬ制御の応答性を低くしておき、位相差Δθの変化に追従しないようにしておく。
しかし、交流電源が停電してその後に復電した時には、ＰＬＬ制御が整定するまで、内部位相角θは電源位相と一致しない。このため、位相差Δθ（≒ｖｄ）が所定値以上になったら制御ゲイン１を高応答の制御ゲイン２に切り換えることにより、復電後のＰＬＬ制御を迅速に整定させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特許第４８７６９７６号公報（段落［０００３］〜［０００５］等）
【特許文献２】特開２０１１−２２９３６１号公報（段落［００８６］，［００８７］等）
【特許文献３】特開２００５−２６１０５５号公報（段落［００１０］〜［００２１］、図１，図２等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
前述した図３，図４の従来技術によると、分散型電源システムにおいて、停電等が発生してその復電後に系統電圧がゼロの状態から系統連系インバータを再起動するような場合、正弦波データＳ２と系統電圧Ｓ０との間の最大位相差が１８０度あることから、キャリア周波数を系統電圧Ｓ０に同期させる動作に時間を要し、同期が確立するまでの間、キャリア周波数が変動して騒音が発生したり、高調波電流の抑制作用が十分に働かない等の問題を生じていた。
また、図５に示した特許文献３の従来技術では、交流電源の復電に伴って高応答の制御ゲイン２に切り換えた際に、却って制御が不安定になる場合があり、これが主回路の過電圧、過電流を引き起こす原因ともなっていた。
【００１４】
そこで、本発明の解決課題は、系統の復電時に電力変換装置を再起動して連系させる場合において、系統電圧と電力変換装置のキャリアとを高速に同期させ、キャリア周波数の変動による騒音や高調波の発生を抑制すると共に、制御の安定性を向上させた系統連系装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、三相交流系統電圧に同期したキャリアを用いてＰＷＭ制御される電力変換装置を、前記系統に連系させるための系統連系装置において、
前記系統電圧の正相成分を基準波形として第３調波波形データを生成する第３調波波形生成手段と、
前記キャリアの周波数に同期した第３調波波形データを生成する第３調波テーブルと、
前記第３調波波形生成手段により生成された第３調波波形データと前記第３調波テーブルにより生成された第３調波波形データとの位相差を検出する位相差検出手段と、
前記位相差検出手段により検出した位相差がゼロになるように前記キャリアの周波数を調節する手段と、を備えたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、従来技術における系統電圧と正弦波テーブル内の正弦波データとの最大位相差１８０度に対して、系統電圧と第３調波テーブル内の第３調波データとの最大位相差が６０度になる。すなわち、系統電圧に対する追従範囲を大幅に減少させることができるため制御応答性が向上し、従来の同期時間に比較して数十分の一の時間でキャリア周波数を系統電圧に同期させることができる。
これにより、系統電圧ゼロの状態から復電した際に、電力変換装置のキャリアを系統電圧に迅速に同期させて騒音及び高調波電流を抑制し、電力変換装置を安定して制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態を示すブロック図である。
【図２】本発明の実施形態による同期方法の概念図である。
【図３】従来技術を示す構成図である。
【図４】図３の従来技術による同期方法の概念図である。
【図５】特許文献３に記載された従来技術の構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。図１は、この実施形態に係る系統連系装置の構成図であり、図３と同一の構成要素には同一の番号を付してある。
図１において、波形整形回路２２の三相出力波形は正相演算回路２３に入力され、系統電圧Ｓ０の正相成分が演算される。この正相成分は、第３調波波形生成回路３１により第３調波ｃｏｓ３ω１ｔに変換されると共に、移動平均回路２４及び第３調波波形生成回路３２を介して第３調波ｓｉｎ３ω１ｔに変換される。これらの第３調波ｃｏｓ３ω１ｔ，ｓｉｎ３ω１ｔをまとめて第３調波データＳ３１とする。
また、キャリア周波数発生回路２７からのデータセレクト信号に基づき、系統連系装置内部の第３調波テーブル３３に記憶された第３調波ｃｏｓ３ω２ｔ，ｓｉｎ３ω２ｔ（これらをまとめて第３調波データＳ３２とする）が、座標変換器２５に入力されている。
【００１９】
座標変換器２５では、第３調波ｃｏｓ３ω１ｔ，ｓｉｎ３ω１ｔ，ｃｏｓ３ω２ｔ，ｓｉｎ３ω２ｔに基づき、第３調波データＳ３１，Ｓ３２の位相差ΔΦを検出する。
この位相差ΔΦは、図３において説明したように、
−ｃｏｓ（θ）・ｓｉｎ（θ’）＋ｓｉｎ（θ）・ｃｏｓ（θ’）≒Δθ
の関係から、θ＝３ω１ｔ，θ’＝３ω２ｔとおけば、
ΔΦ≒−ｃｏｓ（３ω１ｔ）・ｓｉｎ（３ω２ｔ）＋ｓｉｎ（３ω１ｔ）・ｃｏｓ（３ω２ｔ）
により求めることができる。
【００２０】
同期調節器２６は、上記位相差ΔΦがゼロになるように動作し、キャリア周波数発生回路２７は、同期調節器２６の出力から系統電圧Ｓ０に同期した所定周波数のキャリアＳ３を生成する。なお、Ｓ４は、キャリアＳ３と系統電圧Ｓ０とに基づいてゲート信号生成回路２８により生成されるゲート信号（ＰＷＭパルス）であり、このゲート信号Ｓ４により系統連系インバータ９の半導体スイッチング素子が駆動される。
【００２１】
図２は、図１の実施形態による同期方法を概念的に示したものである。
本実施形態では、図２に示すように、系統電圧Ｓ０から、図１の第３調波波形生成回路３１，３２が第３調波データＳ３１を生成し、同時に、第３調波テーブル３３がキャリア周波数に同期した第３調波データＳ３２を生成する。これらの第３調波データＳ３１，Ｓ３２を座標変換器２５及び同期調節器２６により同期制御することで、結果として系統電圧Ｓ０にキャリア周波数を同期させることが可能となる。
この実施形態によれば、系統電圧Ｓ０と第３調波データＳ３２との間の最大位相差は６０度となり、従来技術の図４における系統電圧Ｓ０と正弦波データＳ２との間の最大位相差１８０度に比較して位相追従範囲が小さくなる。このため、位相同期制御に要する時間が少なくなり、系統の復電後に系統連系インバータ９のキャリアを系統電圧に対して高速に同期させ、系統電圧ゼロの状態から短時間で再起動することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２２】
本発明は、インバータだけでなく、コンバータを含む各種の電力変換装置を交流電源系統に連系させるシステムに利用することができる。
【符号の説明】
【００２３】
１：交流電源
２，３，６：遮断器
４：負荷
５：線路
７：フィルタコンデンサ
８：交流リアクトル
９：系統連系インバータ
２１：電圧検出器
２２：波形整形回路
２３：正相演算回路
２４：移動平均回路
２５：座標変換器
２６：同期調節器
２７：キャリア周波数発生回路
２８：ゲート信号生成回路
３１，３２：第３調波波形生成回路
３３：第３調波テーブル
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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