(57)【要約】【課題】発電機の内部相差角の変動に基づく電力系統の電力動揺を抑制することができる系統連系インバータを提供する。【解決手段】制御回路５は、連系点ａの有効電力Ｐと無効電力Ｑを検出し、各検出値Ｐ，Ｑの各制御目標値Ｐ*，Ｑ*に対する偏差に基づいてｄｑ座標系における制御目標値ｉd*，ｉq*を生成するとともに、三相インバータ回路２の出力電流ｉ’からｄｑ座標系のｄｑ軸成分ｉd，ｉqを生成する。制御回路５は、制御目標値ｉd*，ｉq*に対するｄｑ軸成分ｉd，ｉqの各偏差を演算し、その演算値を用いて三相インバータ回路２を制御するＰＷＭ信号を生成する。連系点ａに角周波数の変動Δωが生じると、電力変動抑制部６がその変動Δωを検出し、それに基づき連系点ａの有効電力の変動を抑制するためのｄ軸の抑制成分Δｉdを生成し、制御目標値ｉd*に加算する。【選択図】図２
2014207776.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統との連系点に有効電力の変動が生じた場合にその変動を抑制するように系統連系インバータの電力変換動作を制御する系統連系インバータの制御装置であって、
前記系統連系インバータから出力される電力に関する情報の実測値と制御目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号によって前記系統連系インバータの電力変換動作を制御するＰＷＭ信号生成手段と、
前記連系点の電圧の角周波数の変動を検出する角周波数変動検出手段と、
前記角周波数変動検出手段で検出された角周波数の変動に基づいて、前記連系点に生じる前記有効電力の変動を抑制するための前記系統連系インバータから出力される有効電力の変動成分を生成する有効電力変動成分生成手段と、
前記有効電力変動成分生成手段により生成される前記有効電力の変動成分を前記ＰＷＭ信号を生成するための前記偏差に加算する加算手段と、
を備え、前記系統連系インバータから出力される有効電力を変動させることにより前記電力系統との連系点に生じる有効電力の変動を抑制することを特徴とする、系統連系インバータの制御装置。
【請求項２】
前記有効電力変動成分生成手段は、
前記系統連系インバータから出力される有効電力を変動させた場合に当該変動量が前記電力系統に接続された発電機の内部位相角と角周波数に与える変動量の関係式から作成される所定の状態方程式に基づいて、前記有効電力の変動成分を生成する、請求項１に記載の系統連系インバータの制御装置。
【請求項３】
前記状態方程式は、
【数１】
2014207776.tif 000013
で表される、請求項２に記載の系統連系インバータの制御装置。
【請求項４】
前記有効電力変動成分生成手段は、前記系統連系インバータの出力有効電力の変動量ΔＰINVとして、
【数２】
2014207776.tif 000014
で表される評価関数Ｊを最小化する変動量ΔＰINVを生成する、請求項３に記載の系統連系インバータの制御装置。
【請求項５】
前記有効電力変動成分生成手段は、
【数３】
2014207776.tif 000015
で表される同一次元システムのオブザーバを含む、請求項４に記載の系統連系インバータの制御装置。
【請求項６】
直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する系統連系インバータと、
前記系統連系インバータから出力される電力に関する情報の実測値と制御目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号によって前記系統連系インバータの電力変換動作を制御するＰＷＭ信号生成手段と、
前記連系点の電圧の角周波数の変動を検出する角周波数変動検出手段と、
前記連系点に生じる前記有効電力の変動を抑制するために、前記角周波数変動検出手段で検出された角周波数の変動に基づいて、前記系統連系インバータから出力される有効電力の変動成分を生成する有効電力変動成分生成手段と、
前記有効電力変動成分生成手段により生成される前記有効電力の変動成分を前記ＰＷＭ信号を生成するための前記偏差に加算する加算手段と、
を備え、前記系統連系インバータから出力される有効電力を変動させることにより前記電力系統との連系点に生じる有効電力の変動を抑制することを特徴とする、系統連系インバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統の電力動揺を抑制する機能を備えた系統連系インバータ及び系統連系インバータの制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、電力系統に接続されている発電機の電力動揺を抑制する電力系統安定化装置が提案されている。
【０００３】
電力系統の電力動揺は、一般に、電力系統に接続されている発電機の内部相差角が変動することによって発生し、電力系統の電圧変動が発生しない場合は、発電機の内部相差角の変動と有効電力の変動はほぼ同じと見なすことが知られている。この特性を利用して従来、電力系統の有効電力の変動に応じて発電機の励磁系を制御することにより当該発電機の制動力を高めて電力動揺を抑制する電力系統安定化装置(ＰＳＳ：Power System Stabilizer)が知られている。
【０００４】
電力動揺の発生時に有効電力の変動に応じて電力系統安定化装置が発電機の制動力を高くする動作をすると、電力系統の電圧変動も生じている場合は逆に電力動揺を拡大させることになるので、例えば、特開平９−２５２５３７号公報には、電力系統の有効電力と電圧の両方を監視し、有効電力の変動と電圧の変動に基づいて発電機の内部相差角の変動を抑制する電力系統安定化装置が提案されている。
【０００５】
また、例えば、特開平９−２５２５３７号公報には、複数の交流電力系統の間に直流送電装置を接続してなる電力系統システムにおいて、交流電力の動揺が発生した場合、直流電力装置による電力変換により交流電力の動揺を吸収する動作をさせて電力系統の安定化を図る方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平９−２５２５３７号公報
【特許文献２】特開平９−３１２９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年、電力供給形態を大規模集中型から小規模分散型に移行させることを目的として太陽光、風力などの自然エネルギーを利用した分散型電源や燃料電池、マイクロガスタービンなどのコージェネレーションシステム（熱電併給）を利用した分散型電源の研究・開発が盛んに行われている。
【０００８】
分散型電源の普及が進むと、大規模集中型の発電機に対して比較的近い距離に分散型電源が接続される構成も生じてくるので、そのような分散型電源にＰＳＳ制御機能を持たせ、発電機の内部相差角に基づき有効電力の変動が生じた場合、その有効電力の変動を吸収するように分散型電源の有効電力の出力制御ができれば、従来の電力系統安定化装置を電力系統に別途設けるコストを抑制でき、電力系統システムのコスト低減に大きく寄与すると考えられる。
【０００９】
しかしながら、従来、ＰＳＳ制御機能を持たせた分散型電源は提案されておらず、実用化もされていない。
【００１０】
本発明は、上述した事情のもとで考え出されたものであって、電力系統の有効電力が変動した場合にその変動を抑制することができるＰＳＳ制御機能を備えた系統連系インバータ及び系統連系インバータの制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１の側面によって提供される系統連系インバータの制御装置は、電力系統との連系点に有効電力の変動が生じた場合にその変動を抑制するように系統連系インバータの電力変換動作を制御する系統連系インバータの制御装置であって、前記系統連系インバータから出力される電力に関する情報の実測値と制御目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号によって前記系統連系インバータの電力変換動作を制御するＰＷＭ信号生成手段と、前記連系点の電圧の角周波数の変動を検出する角周波数変動検出手段と、前記角周波数変動検出手段で検出された角周波数の変動に基づいて、前記連系点に生じる前記有効電力の変動を抑制するための前記系統連系インバータから出力される有効電力の変動成分を生成する有効電力変動成分生成手段と、前記有効電力変動成分生成手段により生成される前記有効電力の変動成分を前記ＰＷＭ信号を生成するための前記偏差に加算する加算手段と、を備え、前記系統連系インバータから出力される有効電力を変動させることにより前記電力系統との連系点に生じる有効電力の変動を抑制することを特徴とする（請求項１）。
【００１２】
上記の系統連系インバータの制御装置の好ましい実施形態によれば、前記有効電力変動成分生成手段は、前記系統連系インバータから出力される有効電力を変動させた場合に当該変動量が前記電力系統に接続された発電機の内部位相角と角周波数に与える変動量の関係式から作成される所定の状態方程式に基づいて、前記有効電力の変動成分を生成する（請求項２）。
【００１３】
更に、上記の系統連系インバータの制御装置の好ましい実施形態によれば、前記状態方程式は、
【数１】
2014207776.tif 000003
で表される（請求項３）。
【００１４】
また、上記の系統連系インバータの制御装置の好ましい実施形態によれば、前記有効電力変動成分生成手段は、前記系統連系インバータの出力有効電力の変動量ΔＰINVとして、
【数２】
2014207776.tif 000004
で表される評価関数Ｊを最小化する変動量ΔＰINVを生成する（請求項４）。
【００１５】
また、上記の系統連系インバータの制御装置の好ましい実施形態によれば、前記有効電力変動成分生成手段は、
【数３】
2014207776.tif 000005
で表される同一次元システムのオブザーバを含む（請求項５）。
【００１６】
本発明の第２の側面によって提供される系統連系インバータは、直流電力を交流電力に変換して電力系統に出力する系統連系インバータと、前記系統連系インバータから出力される電力に関する情報の実測値と制御目標値との偏差に基づいてＰＷＭ信号を生成し、そのＰＷＭ信号によって前記系統連系インバータの電力変換動作を制御するＰＷＭ信号生成手段と、前記連系点の電圧の角周波数の変動を検出する角周波数変動検出手段と、前記連系点に生じる前記有効電力の変動を抑制するために、前記角周波数変動検出手段で検出された角周波数の変動に基づいて、前記系統連系インバータから出力される有効電力の変動成分を生成する有効電力変動成分生成手段と、前記有効電力変動成分生成手段により生成される前記有効電力の変動成分を前記ＰＷＭ信号を生成するための前記偏差に加算する加算手段と、を備え、前記系統連系インバータから出力される有効電力を変動させることにより前記電力系統との連系点に生じる有効電力の変動を抑制することを特徴とする（請求項６）。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、電力系統への系統連系インバータの連系点における有効電力が動揺し、当該連系点の電圧の角周波数が変動すると、その角周波数の変動に基づいて系統連系インバータから出力させる有効電力の変動成分が生成され、その有効電力の変動成分が、系統連系インバータの駆動を制御するＰＷＭ信号を生成するための出力電力に関する情報の実測値と制御目標値との偏差に加算されるので、系統連系インバータから出力される有効電力は変動し、その変動によって有効電力の動揺を生じさせている電力系統内の発電機の内部相差角の変動が抑制される。
【００１８】
従って、電力系統に接続されている発電機の内部相差角の変動に起因して系統連系インバータの連系点における有効電力が動揺した場合でも当該系統連系インバータによってその有効電力の動揺を効果的に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】二つの発電機と一つの分散型電源が接続された電力系統を示す回路構成図である。
【図２】本発明に係る制御回路を備えた系統連系インバータのブロック構成を示す図である。
【図３】図２に示す系統連系インバータの構成を制御システムの構造で表わした図である。
【図４】図３の制御システムのうち、系統連系インバータの有効電力の出力を制御する構成図である。
【図５】図４に基づき作成される電力変動を抑制するための制御システムの構成図である。
【図６】発電機の動作状態を表現した線形化ブロック図である。
【図７】図５に示す制御対象の伝達関数の特性の一例を示すボード線図である。
【図８】同一次元オブザーバを併合した状態フィードバック制御システムで設計した場合の電力変動抑制制御系のブロック線図の一例を示す図である。
【図９】図８に示す状態フィードバック制御システムによって設計した電力変動抑制制御系の電力変動抑制動作の効果をシミュレーションにより確認した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の実施の形態を、本発明に係る制御回路を備えた系統連系インバータを例として、図面を参照して具体的に説明する。
【００２１】
まず、電力系統に接続された分散型電源によって当該電力系統の電力変動を抑制する動作原理について説明する。
【００２２】
図１は、二つの発電機と一つの分散型電源が接続された電力系統を示す回路構成図である。
【００２３】
同図は、送電線Ｌの両端に２つの発電機Ｇ1，Ｇ2が接続され、送電線Ｌの発電機Ｇ1寄りの連系点ａに１台の分散型電源Ｇ3が接続されたモデルの回路構成図である。このモデルでは分散型電源が１台であるので、送電線Ｌの発電機Ｇ2寄りの連系点ｂには分散型電源は接続されていない。
【００２４】
同図において、発電機Ｇ1，Ｇ2は、発電所に配設される同期発電機であり、分散型電源Ｇ3は、系統連系インバータ（Grid-Tie Inverter）である。リアクタンスＸ1は、発電機Ｇ1のリアクタンス成分と、送電線Ｌの発電機Ｇ1から連系点ａまでの区間のリアクタンス成分を含むリアクタンスであり、リアクタンスＸ2は、発電機Ｇ2のリアクタンス成分と送電線Ｌの発電機Ｇ2から連系点ｂまでの区間のリアクタンス成分を含むリアクタンスである。また、リアクタンスＸ3は、送電線Ｌの連系点ａから連系点ｂまでの区間のリアクタンスである。
【００２５】
電圧ｖG1は、送電線Ｌの発電機Ｇ1の接続点の電圧であり、電圧ｖG2は、送電線Ｌの発
電機Ｇ2の接続点の電圧であり、電圧ｖB1，ｖB2は、それぞれ送電線Ｌの連系点ａ，ｂの電圧である。位相差（δ1＋Δδ1）は、電圧ｖG1と電圧ｖB1との間の位相差であり、Δδ1は、電力変動が発生したときの位相差の変動成分である。同様に、位相差（δ2＋Δδ2）は、電圧ｖG2と電圧ｖB2との間の位相差であり、Δδ2は、電力変動が発生したときの位相差の変動成分である。また、位相差（δ3＋Δδ3）は、電圧ｖB2と電圧ｖB1との間の位相差であり、Δδ3は、電力変動が発生したときの位相差の変動成分である。
【００２６】
分散型電源Ｇ3の出力電力を変動させたときの発電機Ｇ1の出力電力への影響について、無効電力や交流電圧の変動は微小で無視し、有効電力のみの変動に注目して検討すると、ΔＰ1＝Δδ1／Ｘ1、ΔＰ2＝Δδ2／Ｘ2、ΔＰ3＝Δδ3／Ｘ3、ΔＰ2＝ΔＰ3、Δδ1＋Δδ2＋Δδ3＝０が成立し、これらの式から、
Δδ3＝−[Ｘ3／(Ｘ2＋Ｘ3)]・Δδ1  …（１）
が導出される。
【００２７】
そして、（１）式を、
ΔＰ1＋ΔＰINV＝ΔＰ3＝Δδ3／Ｘ3
に代入すると、
ΔＰ1＋ΔＰINV＝−[１／(Ｘ2＋Ｘ3)]・Δδ1
＝−[Ｘ1／(Ｘ2＋Ｘ3)]・ΔＰ1
より、
ΔＰ1＝−[(Ｘ2＋Ｘ3)／(Ｘ1＋Ｘ2＋Ｘ3)]・ΔＰINV  …（２）
が導出される。
【００２８】
（２）式は、リアクタンスＸ1が小さくなるほど（送電線の発電機Ｇ1から連系点ａまでの距離が短くなるほど）、分散電源Ｇ3から出力される有効電力の変動成分ΔＰINVが発電機Ｇ1から出力される有効電力の変動成分ΔＰ1に与える影響、すなわち、発電機Ｇ1の内部相差角δ1に与える影響が大きくなることを示している。逆に言えば、発電機Ｇ1の内部相差角の変動Δδ1に基づき有効電力に変動成分ΔＰ1が生じた場合、分散電源Ｇ3から出力される有効電力ＰINVを変動させることによりその変動成分ΔＰINVによって発電機Ｇ1の内部相差角の変動Δδ1を抑制し、これにより連系点ａにおける有効電力の変動成分ΔＰ1を抑制することができることを示している。
【００２９】
従って、本発明に係る系統連系インバータの制御装置では、電力系統の有効電力の変動、すなわち、周波数の変動を監視し、その周波数に変動が生じた場合は、その変動値に基づいて電力系統の有効電力の変動を抑制するように系統連系インバータから出力させる有効電力を変動させるＰＳＳ制御機能が当該系統連系インバータの有効電力の制御系に設けられている。
【００３０】
図２は、本発明に係る制御装置を備えた系統連系インバータのブロック構成を示す図である。
【００３１】
系統連系インバータＡは、基本構成として、当該系統連系インバータＡの主回路を構成する直流電源１、三相インバータ回路２、フィルタ回路３及び変圧器４と、三相インバータ回路２の電力変換動作を制御する制御回路５とを含む周知の三相系統連系インバータである。制御回路５は、本発明に係る制御装置に相当している。直流電源１は、太陽電池や燃料電池や風力発電機等の直流電力を出力する任意の直流発生源で構成される。
【００３２】
三相インバータ回路２は、例えば、６個の半導体スイッチ素子をフル・ブリッジ接続したブリッジ回路で構成され、各半導体スイッチ素子をＰＷＭ（パルス幅変調）信号によってオン・オフ動作させることにより、直流電源１から出力される直流電力を三相の交流電力（Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相電圧ｖu’，ｖv’，ｖw’と三相電流ｉu’，ｉv’，ｉw’）に変換して出力する。ブリッジ回路の３つのアームにそれぞれ接続される一対の半導体スイッチ素子は、互いにレベルが反転した一対のＰＷＭ信号でオン・オフ動作が制御される。また、アーム間では互いに２π／３だけ位相がずれたＰＷＭ信号によって各アームの一対の半導体スイッチ素子のオン・オフ動作が制御される。
【００３３】
フィルタ回路３は、三相インバータ回路２から出力される三相電圧ｖu’，ｖv’，ｖw’（以下、必要に応じてこれらを纏めて「三相電圧ｖ’」と表記する。）と三相電流ｉu’，ｉv’，ｉw’（以下、必要に応じてこれらを纏めて「三相電流ｉ’」と表記する。）のスイッチングノイズを除去して滑らかな正弦波の三相電圧ｖと三相電流ｉを出力する。変圧器４は、フィルタ回路３から出力される三相電圧ｖを三相電圧ｖfu，ｖfv，ｖfw（以下、必要に応じてこれらを纏めて「系統電圧ｖf」と表記する。）に昇圧して電力系統Ｂに出力する。
【００３４】
制御回路５は、フィードバック制御により所定の周期で６個のＰＷＭ信号Ｓu，／Ｓu，Ｓv，／Ｓv，Ｓw，／Ｓwを生成し、それらのＰＷＭ信号Ｓu〜／Ｓwを三相インバータ回路２に出力して、系統連系インバータＡの出力電圧ｖが当該電力系統Ｂの系統電圧ｖfに連系させるように、三相インバータ回路２の駆動を制御する。ＰＷＭ信号ＳuとＰＷＭ信号／Ｓuは、互いにレベルが反転した対関係のＰＷＭ信号である。ＰＷＭ信号Ｓv，／ＳvとＰＷＭ信号Ｓw，／Ｓwについても同様である。三相インバータ回路２に入力されたＰＷＭ信号Ｓu，／Ｓu、ＰＷＭ信号Ｓv，／Ｓv及びＰＷＭ信号Ｓw，／Ｓwは、それぞれ三相インバータ回路２内のブリッジ回路のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームの一対の半導体スイッチ素子の制御ゲートに入力される。
【００３５】
制御回路５は、三相インバータ回路２が直流電源１から入力される直流電力を電力系統Ｂに出力される交流電力の有効電力Ｐと無効電力Ｑがそれぞれ目標有効電力Ｐ*と目標無効電力Ｑ*（通常は、Ｑ*＝０）となるように、ＰＷＭ信号Ｓu〜／Ｓwを生成する。制御回路５内の有効電力演算部５０１、無効電力演算部５０２、Ｉd*生成部５０３、Ｉq*生成部５０４、位相角演算部５０５、ｄｑ変換部５０６、加算器５０７ａ，５０７ｂ、ＰＩ演算部５０８ａ，５０８ｂ、逆ｄｑ変換部５０９及びＰＷＭ信号生成部５１０は、電力系統Ｂの有効電力が変動していない場合のＰＷＭ信号の生成処理を行うブロックである。すなわち、電力系統Ｂの電力動揺を抑制する機能（ＰＳＳ制御機能）が設けられていない従来の系統連系インバータの制御回路が備える回路ブロックである。
【００３６】
ＰＷＭ信号の生成処理に必要なフィードバック信号を検出するために、変圧器４の前段（連系点ａに相当）に当該変圧器４に入力される三相電流ｉを検出する電流検出器７と三相電圧ｖを検出する電圧検出器８が設けられている。
【００３７】
電流検出器７は、電流センサとＡ／Ｄ変換器とを含み、電流センサで三相電流ｉu，ｉv，ｉwの瞬時値を検出し、その検出値をＡ／Ｄ変換器でディジタル値に変換して出力する。電圧検出器８は、電圧センサとＡ／Ｄ変換器とを含み、電圧センサで三相電流ｖu，ｖv，ｖwの瞬時値を検出し、その検出値をＡ／Ｄ変換器でディジタル値に変換して出力する。
【００３８】
電圧検出器８から出力される三相電圧ｖは、有効電力演算部５０１、無効電力演算部５０２及び位相角演算部５０５に入力され、電流検出器７から出力される三相電流ｉは、有効電力演算部５０１、無効電力演算部５０２及びｄｑ変換部５０６に入力される。
【００３９】
有効電力演算部５０１は、電圧検出器８から入力される三相電圧ｖと電流検出器７から入力される三相電流ｉを用いて系統連系インバータＡから電力系統Ｂに出力される有効電力Ｐを演算するブロックである。無効電力演算部５０２は、電圧検出器８から入力される三相電圧ｖと電流検出器７から入力される三相電流ｉを用いて系統連系インバータＡから電力系統Ｂに出力される無効電力Ｑを演算するブロックである。
【００４０】
Ｉd*生成部５０３は、三相インバータ回路２から出力させる電流のｄｑ座標系（系統電圧ｖfの角周波数で回転する回転直交座標系）におけるｄ軸成分の目標値Ｉd*（以下、「目標ｄ軸成分Ｉd*」という。）を生成するブロックである。Ｉd*生成部５０３には三相インバータ回路２から電力系統Ｂに出力させる有効電力の目標値Ｐ*（以下、「目標有効電力Ｐ*」という。）が設定されるとともに、有効電力演算部５０１で算出される有効電力Ｐが入力される。Ｉd*生成部５０３は、目標有効電力Ｐ*に対する有効電力Ｐの偏差に所定の演算処理を行って目標ｄ軸成分Ｉd*を生成する。
【００４１】
なお、本実施形態では、三相インバータ回路２の出力電力に関する情報の実測値と制御目標値との偏差として、連系点ａの有効電力と無効電力を検出し、両電力の検出値の各制御目標値に対する偏差をそれぞれ算出しているが、例えば、系統連系インバータＡが太陽光発電システムで構成される場合は、有効電力に対応する情報として三相インバータ回路２に入力される直流電圧（ＤＣバス電圧）の検出値が用いられる。
【００４２】
従って、系統連系インバータＡが太陽光発電システムの場合は、電圧検出器８が直流電源１の出力電圧を検出する電圧検出器に置き換えられ、有効電力演算部５０１及びＩd*生成部５０３は、直流電源１の出力電圧の検出値ＶDCと制御目標値ＶCとの偏差を求め、その偏差に所定の演算処理を行ってｄｑ座標系におけるｄ軸成分の目標値Ｉd*を生成するブロックに置き換えられる。
【００４３】
Ｉq*生成部５０４は、三相インバータ回路２から出力させる電流のｄｑ座標系におけるｑ軸成分の目標値Ｉq*（以下、「目標ｑ軸成分Ｉq*」という。）を生成するブロックである。Ｉq*生成部５０４には三相インバータ回路２から電力系統Ｂに出力させる無効電力の目標値Ｑ*（以下、「目標無効電力Ｑ*」という。）が設定されるとともに、無効電力演算部５０２で算出される無効電力Ｑが入力される。Ｉq*生成部５０４は、目標無効電力Ｑ*に対する無効電力Ｑの偏差に所定の演算処理を行って目標ｑ軸成分Ｉq*を生成する。
【００４４】
位相角演算部５０５は、電圧検出器８から入力される三相電圧ｖを用いて当該三相電圧ｖの位相角θを演算するブロックである。位相角演算部５０５で算出された位相角θは、ｄｑ変換部５０６と逆ｄｑ変換部５０９に入力される。ｄｑ変換部５０６は、位相角演算部５０５から入力される位相角θを用いて所定の三相二相変換処理により第１の電流検出器７から入力される三相電流ｉ’をｄｑ座標系の二相電流のｄ軸成分ｉdとｑ軸成分ｉqに変換するブロックである。
【００４５】
加算器５０７ａは、目標ｄ軸成分Ｉd*（Ｉd*生成部５０３の出力値）から二相電流のｄ軸成分ｉd（ｄｑ変換部５０６の出力値）を減算してｄｑ座標系における電流のｄ軸成分の偏差Ｅd（＝Ｉd*−Ｉd）を生成するブロックである。加算器５０７ｂは、目標ｑ軸成分Ｉq*（Ｉq*生成部５０４の出力値）から二相電流のｄ軸成分ｉq（ｄｑ変換部５０６の出力値）を減算してｄｑ座標系における電流のｑ軸成分の偏差Ｅq（＝Ｉq*−Ｉq）を生成するブロックである。
【００４６】
なお、加算器５０７ａには、後述する電力変動抑制部６で生成される連系点ａの有効電力の変動を抑制するためのｄｑ座標系のｄ軸変動成分ΔＩdが入力されるようになっており、電力変動抑制部６からｄ軸変動成分ΔＩdが出力されたときには、その変動成分ΔＩdが目標ｄ軸成分Ｉd*に加算され、偏差Ｅdは、Ｅd＝Ｉd*＋ΔＩd−Ｉdとなる。
【００４７】
ＰＩ演算部５０８aは、偏差Ｅdに所定のＰＩ補償演算を行ってｄｑ座標系における電圧制御値のｄ軸成分Ｖdを生成するブロックであり、ＰＩ演算部５０８ｂは、偏差Ｅqに所定のＰＩ補償演算を行ってｄｑ座標系における電圧制御値のｑ軸成分Ｖqを生成するブロックである。
【００４８】
逆ｄｑ変換部５０９は、位相角演算部５０５から入力される位相角θを用いて所定の二相三相変換処理により電圧制御値のｄ軸成分Ｖdとｑ軸成分Ｖqを静止座標系の三相電圧の制御値ｖuc，ｖvc，ｖwcを生成するブロックである。ＰＷＭ信号生成部５１０は、逆ｄｑ変換部５０９から出力される三相電圧の制御値ｖuc，ｖvc，ｖwcを用いてＰＷＭ信号Ｓu，Ｓv，Ｓw，／Ｓu，／Ｓv，／Ｓwを生成するブロックである。ＰＷＭ信号生成部５１０は、例えば、制御値ｖuc，ｖvc，ｖwcをそれぞれ三角波のキャリア信号のレベルと比較してＰＷＭ信号Ｓu，Ｓv，Ｓwを生成し、これらのＰＷＭ信号Ｓu，Ｓv，Ｓwをレベル反転器を通してＰＷＭ信号／Ｓu，／Ｓv，／Ｓwを生成する。
【００４９】
制御回路５には、更に電力系統Ｂの有効電力が変動した場合にその変動を抑制する制御を行う電力変動抑制部６が設けられている。電力変動抑制部６は、本発明に係る制御回路５の特徴的な構成である。電力変動抑制部６は、Δω演算部６０１とΔＩd生成部６０２を含む。電力変動抑制部６には、電圧検出器８により検出される三相電圧ｖが入力され、Δω演算部６０１によりその三相電圧ｖから連系点ａにおける角周波数の変動成分Δωが算出され、その変動成分Δωを用いて後述する制御則に基づきｄｑ座標系のｄ軸変動成分ΔＩdが演算される。この変動成分ΔＩdは、有効電力Ｐを変動させる変動成分ΔＰINVをｄｑ座標系に変換したときの電流値に相当する。
【００５０】
次に、電力変動抑制部６の設計方法について説明する。
【００５１】
図３は、図２に示す系統連系インバータＡの構成を制御システムの構造で表わした図である。なお、図３では、説明の便宜上、系統連系インバータＡの電力変動抑制部６の部分は除いている。
【００５２】
図３において、有効電力制御系ブロック９Ａと無効電力制御系ブロック９Ｂは、それぞれ図２のＩd*生成部５０３とＩq*生成部５０４に対応し、加算器１０Ａと加算器１０Ｂは、それぞれ加算器５０７ａと加算器５０７ｂに対応している。電流制御系ブロック１１は、図２のＰＩ演算部５０８ａ、ＰＩ演算部５０８ｂ、逆ｄｑ変換部５０９を含む部分に対応している。ＰＷＭ信号生成ブロック１２は、図２のＰＷＭ信号生成部５１０に対応し、インバータ主回路ブロック１３は、図２の三相インバータ回路２、フィルタ回路３、電流検出器７、電圧検出器８、位相角演算部５０５及びｄｑ変換部５０６を含む部分に対応している。
【００５３】
図２において、有効電力Ｐ及び無効電力Ｑとｄｑ座標系における電圧のｄｑ軸成分Ｖd，Ｖq及び電流のｄｑ軸成分Ｉd，Ｉqとの間には、
Ｐ＝Ｖd・Ｉd＋Ｖq・Ｉq
Ｑ＝Ｖd・Ｉq−Ｖq・Ｉd
に関係があるが、三相インバータ回路２の出力電圧ｖ’が系統電圧ｖfに完全に追従していると仮定すると、Ｖｑ＝０となるので、Ｐ＝Ｖd・Ｉd、Ｑ＝Ｖd・Ｉqとなり、図３では、電流のｄｑ軸成分Ｉd，Ｉqの出力段にゲインＶdのアンプ１４Ａ，１４Ｂがそれぞれ接続された構成となっている。
【００５４】
連系点ａに電力変動が生じた場合、その変動周期は数秒オーダであるのに対し、図３における電流マイナーループ（Ｉd，Ｉqのフィードバックループ）はミリ秒のオーダで制御されているので、電流制御系１１とインバータ主回路１２のダイナミクスを無視すると、電力変動抑制制御における制御システムの構成は、図３から電流制御系ブロック１１、ＰＷＭ信号生成ブロック１２及びインバータ主回路ブロック１３を除去した構成に簡素化することができる。
【００５５】
更に、本実施形態では、図１で説明したように、連系点ａに電力変動が生じた場合、その電力変動を系統連系インバータＡから出力される有効電力を制御することによって抑制するので、図３の制御システムで電力抑制制御に関係する部分は、有効電力の制御系のみとなるから、図４に示すように更に簡素化することができる。
【００５６】
図４に示す制御システムは、系統連系インバータＡの有効電力の出力を制御する構成図であるが、有効電力制御系ブロック９Ａを電力変動抑制制御系１５に置き換え、アンプ１４Ａの後段に制御対象ブロック１６を設ければ、図５に示すように、電力変動の抑制制御システムを設計するためのブロック図を得ることができる。
【００５７】
図５において、電力変動抑制制御系１５が図２の制御回路５内の電力変動抑制部６に含まれるΔＩd生成部６０２に相当し、ＰＳＳ制御機能を果たす部分である。
【００５８】
次に、電力変動抑制制御系１５に設定される制御内容について説明する。
【００５９】
図１を用いて説明したように、系統連系インバータＡが電力系統Ｂに接続されている発電機Ｇ1に対して比較的短い距離に配設されている場合、系統連系インバータＡから出力される有効電力ＰINVを変動成分ΔＰINVで変動させた場合、（２）式に示す関係式で発電機Ｇ1の出力する有効電力Ｐ1にΔＰ1の変動を与えることができるから、発電機Ｇ1の内部相差角δ1が変動成分Δδ1で変動することにより発電機Ｇ1の有効電力Ｐ1にΔＰ1の変動が生じている場合は、変動成分Δδ1を打ち消すように系統連系インバータＡから出力される有効電力ＰINVを変動させれば、有効電力Ｐ1の変動を抑制することができる。
【００６０】
図６に示す発電機Ｇ1の動作状態を表現した線形化ブロックを例に、制御対象ブロック１６の内容を説明する。
【００６１】
図６において、ΔＴmは、発電機Ｇ1のタービントルク偏差、ΔＴeは、発電機Ｇ1の電磁トルク偏差、Δωは、発電機Ｇ1の回転数偏差、Δδ1は、発電機Ｇ1の内部相差角偏差である。また、Ｍは、慣性定数（２Ｈ）、ω0は、定格角周波数（２πｆ0、ｆ0：基本波周波数）、Ｋは、同期化力係数、Ｄは、制動力係数（ダンピングトルク係数）である。なお、ｓは、ラプラス変換の変数である。
【００６２】
図６に示す線形化ブロックより、
Δω＝（ΔＴm−ΔＴe−Ｄ・Δω）／（Ｍ・ｓ）
Ｍ・ｓ・Δω＝ΔＴm−ΔＴe−Ｄ・Δω
Δδ1＝（ω0／ｓ）・Δω
ΔＴe＝Ｋ・Δδ1
であるから、
（Ｍ・ｓ2・Δδ1／ω0）＝ΔＴm−Ｋ・Δδ1−Ｄ・ｓ・Δδ1／ω0
より、発電機Ｇ1の動特性は、
ΔＴm＝(Ｍ・ｓ2・Δδ1／ω0)＋(Ｄ・ｓ・Δδ1／ω0)＋Ｋ・Δδ1  …（３）
で表わされる。
【００６３】
（３）式は、発電機Ｇ1の内部相差角δ1がΔδ1で変動したときにタービントルクに現れるトルク変動量ΔＴmと相差角変動量Δδ1との関係を示している。発電機Ｇ1のタービントルクが変動することにより当該発電機Ｇ1から出力される電力Ｐ1に電力変動ΔＰ1が生じるから、（２）式と（３）式より、図５の制御ループを示す関係式は、(Ｘ2＋Ｘ3)／(Ｘ1＋Ｘ2＋Ｘ3)＝Ｘ、ΔＰINV＝Ｖd・ΔＩdとすると、
ΔＴm−Ｘ・ΔＰINV＝０
(Ｍ・ｓ2・Δδ1/ω0)＋(Ｄ・ｓ・Δδ1/ω0)＋Ｋ・Δδ1−Ｘ・Ｖd・ΔＩd＝０…（４）
で表わされる。
【００６４】
ｓ・Δδ1＝Δωを（４）式に代入すると、
(Ｍ・ｓ・Δω／ω0)＋(Ｄ・Δω／ω0)＋（Ｋ・Δω／ｓ）−Ｘ・Ｖd・ΔＩd＝０…（５）
[(Ｍ・ｓ2＋Ｄ・ｓ＋Ｋ・ω0)・Δω]／(ω0・ｓ)＝Ｘ・Ｖd・Ｉd
の式変形により、
Δω＝[(Ｘ・Ｖd・ω0・ｓ)／(Ｍ・ｓ2＋Ｄ・ｓ＋Ｋ・ω0)]・ΔＩd
が得られる。
【００６５】
従って、図５のプラントの伝達関数Ｇ(s)は、
Ｇ(s)＝Δω／ΔＩd＝(Ｘ・Ｖd・ω0・ｓ)／(Ｍ・ｓ2＋Ｄ・ｓ＋Ｋ・ω0)  …（６）
で表わされる。
【００６６】
図７は、（６）式で表わされる伝達関数Ｇ(s)の特性の一例を示すボード線図である。同図は、慣性定数Ｍ、制動力係数Ｄ、同期化力係数Ｋ、中心角周波数ω0、電圧Ｖd及びリアクタンスＸ1，Ｘ2，Ｘ3の各パラメータを、Ｍ＝１０[ＭＷＳ／ＭＶＡ]、Ｄ＝５[ｐｕ  ｐｏｗｅｒ／ｐｕ  ｓｐｅｅｄ]、Ｋ＝１[ｐｕ  ｐｏｗｅｒ／ｒａｄ]、ω0＝３７７[ｒａｄ／Ｓ]（ｆ0＝６０［Ｈｚ］）、Ｖd＝１[ｐｕ]、Ｘ1＝１．０[ｐｕ]、Ｘ2＝２．５[ｐｕ]、Ｘ3＝０．５[ｐｕ]に設定してシミュレーションをしたものである。
【００６７】
図７に示すボード線図より、上記の条件では角周波数Δω＝６．１４［ｒａｄ／ｓ］（Δｆ＝０．９８［Ｈｚ］）を共振周波数とするフィルタ特性を示し、凡そ０．９８［Ｈｚ］に共振点があることが分かる。
【００６８】
次に、電力変動抑制制御系１５（コントローラ）の設計について説明する。
【００６９】
まず、（６）式に示す伝達関数Ｇ(s)から制御対象１６の状態方程式を導出すると、下記のようになる。
【００７０】
（５）式とｓ・Δδ1＝Δω、ΔＰINV＝Ｖd・ΔＩdより、
(Ｍ・ｓ・Δω／ω0)＋(Ｄ・Δω／ω0)＋（Ｋ・Δδ1）＝Ｘ・ΔＰINV  …（７）
の関係式が得られ、（７）式を更に変形すると、
(Ｍ・ｓ・Δω／ω0)＝−(Ｄ・Δω／ω0)−（Ｋ・Δδ1）＋Ｘ・ΔＰINV
ｓ・Δω＝−(Ｄ／Ｍ)・Δω−(Ｋ・ω0／Ｍ)・Δδ1＋(Ｘ・ω0／Ｍ)・ΔＰINV  …（８）
が得られる。
【００７１】
そして、ｓ・Δω＝Δω’、ｓ・Δδ1＝Δδ1’として、（８）式とｓ・Δδ1＝Δωを纏めると、
【数４】
2014207776.tif 000006
の状態方程式が得られる。
【００７２】
（９ａ）式及び（９ｂ）式で表わされる状態方程式は、
【数５】
2014207776.tif 000007
とすると、
ｘ’＝Ａｘ＋ｂｕ  …（１１ａ）
ｙ＝ｃｘ  …（１１ｂ）
但し、ｘ：状態変数ベクトル  ｘ’：状態変数ベクトルｘの微分値
ｕ：入力ベクトル      ｙ：出力ベクトル
Ａ，ｂ，ｃ：状態係数ベクトル
で表わされる一入力一出力システムの状態方程式となる。
【００７３】
図５に示す電力変動を抑制するためのフィードバック制御システムは、制御対象１６の状態変数ベクトルが外乱によって平衡点からずれた場合に電力変動抑制制御系１５（コントローラ）から新たな入力を加えて変動した状態変数ベクトルを平衡点に戻すシステムであるから、最適レギュレータの設計法により電力変動抑制制御系１５（コントローラ）を設計することができる。
【００７４】
最適レギュレータの設計法は、状態方程式が（１１ａ）式と（１１ｂ）式で表わされ、例えば、
【数６】
2014207776.tif 000008
で表わされる評価関数Ｊが与えられたとき、評価関数Ｊを最小にするように入力ｕを制御する設計法である。
【００７５】
（１２）式の評価関数Ｊを最小にする入力ｕは、
ｕ＝−（１／ｒ）ｂTＰｘ  …（１３）
但し、Ｐ：リカッチ（Ricatti）の行列式を満足する正定値対称行列
で与えられることが知られている。
【００７６】
（１２）式に（１０）式の状態変数ベクトルｘ、状態変数ベクトルｘの転置行列ｘT及び入力ベクトルｕを代入すると、制御対象１６の状態方程式（９ａ），（９ｂ）に対する評価関数Ｊは、
【数７】
2014207776.tif 000009
となるから、（１３）式の評価関数Ｊを最小にする入力ｕは、（１３）式に（１０）式の状態係数ベクトルｂの転置行列ｂTと状態変数ベクトルｘを代入すると、
【数８】
2014207776.tif 000010
で与えられる。
【００７７】
なお、（１５）式内のＰは、
【数９】
2014207776.tif 000011
のリカッチの行列式の正定値対称行列である。
【００７８】
（９ａ）式と（９ｂ）式で表わされる状態方程式の状態変数ｘに含まれるΔωは測定可能であるが、Δδ1は測定できないので、電力変動抑制制御系１５（コントローラ）は、Δδ1をリアルタイムで推定する同一次元オブザーバを併合した状態フィードバック制御システムとして設計する必要がある。
【００７９】
図８は、Δδ1をリアルタイムで推定する同一次元オブザーバを併合した状態フィードバック制御システムで設計した場合の電力変動抑制制御系１５のブロック線図の一例を示す図である。
【００８０】
図８の制御対象１６の状態方程式は、
ｘ’＝Ａｘ＋ｂ（ｖ−ｋｚ）  …（１６ａ）
ｙ＝ｃｘ  …（１６ｂ）
但し、ｖ：外乱    ｋ：状態フィードバックゲイン
表わされ、オブザーバの状態方程式は、
ｚ’＝Ａｚ＋ｂζ＋ｈ（ｙ−ξ）  …（１７ａ）
ζ＝ｋｚ  …（１７ｂ）
ξ＝ｃｚ  …（１７ｃ）
但し、ｚ：推定状態変数ベクトル  ｚ’：推定状態変数ベクトルの微分値
ｈ：オブザーバゲイン
表わされる。
【００８１】
（１６ａ）式、（１６ｂ）式、（１７ａ）式、（１７ｂ）式及び（１７ｃ）式において、状態変数ベクトルｘ、Ａ，ｂ，ｃは、（１０）式で定義された値である。また、フィードバックゲインｋは、（１３）式の−（１／ｒ）ｂTＰで算出される係数である。
【００８２】
（１７ａ）式〜（１７ｃ）式より、
ｚ’＝Ａｚ＋ｂｋｚ＋ｈ（ｃｘ−ｃｚ）
＝（Ａ−ｈｃ）ｚ＋ｈｃｘ＋ｂｋｚ  …（１８）
が得られ、ｂｋｚは、外乱がない場合（ｖ＝０の場合）の制御対象１６の入力項−ｂｋｚに対応するから、ｂｋｚ＝ｂΔＰINVとすると、（１８）式は、
【数１０】
2014207776.tif 000012
となる。従って、同一次元オブザーバのオブザーバゲイン［ｈ1  ｈ2］Tは（１９）式により設計される。
【００８３】
図９は、図８に示す状態フィードバック制御システムによって設計した電力変動抑制制御系１５の電力変動抑制動作の効果をシミュレーションにより確認した図である。
【００８４】
図９（ａ）は、外乱ｖとして電力変動を示す信号波形であり、同図（ｂ）は、電力変動抑制動作をしなかった場合の出力Δωの時間応答波形であり、同図（ｃ）は、電力変動抑制動作をした場合の出力Δωの時間応答波形である。なお、プラントの伝達関数Ｇ（ｓ）の条件は、図７のボード線図の場合と同一である。また、最適レギュレータの設計における評価関数Ｊの重みＱと重みｒは、ｒ＝１．０、Ｑ＝０．１に設定し、（１９）式によるオブザーバの設計では、極の位置がフィードバックゲインの３倍の位置となるように、オブザーバゲイン［ｈ1  ｈ2］Tを設計している。
【００８５】
図９（ａ）（ｂ）に示すように、時刻０で瞬時的に電力が変動した場合、電力変動抑制制御系１５が電力変動抑制動作をしなければ、プラントの出力Δω［ｒａｄ／ｓ］も電力変動に応答して急激に変動し、その後振動しながら１０秒余りの時間をかけて減衰していくことが分かる。これに対し、電力変動抑制制御系１５が電力変動抑制動作をすると、同図（ｃ）に示すように、プラントの出力Δωは、瞬時的には変動するが、１秒以内にほぼゼロに収束され、有効に電力変動を抑制できることが分かる。
【００８６】
以上のように、本実施形態に係る系統連系インバータＡによれば、制御回路５内に連系点ａの電圧の角周波数の変動量Δωを検出し、その検出値Δωを用いて所定の制御則により、連系点ａにおける電力動揺の主原因となっている発電機Ｇ1の内部相差角の変動Δδ1を好適に抑制するための有効電力Ｐの変動成分ΔＰINV（三相インバータ回路２から出力される有効電力Ｐの変動成分）をｄｑ座標系におけるｄ軸成分ΔＩdとして生成し、そのｄ軸成分ΔＩdを三相インバータ回路２から出力される有効電力Ｐを制御するためのｄｑ座標系の制御目標値ΔＩd*に加算して三相インバータ回路２から出力される有効電力Ｐを変動させるようにしたので、その有効電力Ｐの変動成分ΔＰINVによって連系点ａに生じる電力動揺の主原因となっている（発電機Ｇ1の内部相差角δ1の変動）を好適に抑制することができる。
【００８７】
上記実施形態では、（９ａ）式及び（９ｂ）式で表わされる状態方程式に基づき、最適レギュレータと同一次元オブザーバを用いた制御システムによって電力変動抑制部６を設計する方法を説明したが、電力変動抑制部６の設計方法はその方法に限定されるものではない。
【００８８】
また、（９ａ）式及び（９ｂ）式内の、発電機Ｇ1の有効電力の変動ΔＰ1と系統連系インバータＡから出力される有効電力の変動ΔＰINVとの関係を示す係数Ｘとして、図１に示した二つの発電機と一つの分散型電源が接続された電力系統のモデルを例に説明したが、係数Ｘは、そのモデルに限定させるものではなく、系統連系インバータＡが電力系統に配設される実際の状況に応じたモデルによって適宜設計されるものである。
【符号の説明】
【００８９】
Ａ  系統連系インバータ
Ｂ  電力系統
１  直流電源
２  三相インバータ回路
３  フィルタ回路
４  変圧器
５  制御回路（ＰＷＭ信号生成手段）
５０１  有効電力演算部
５０２  無効電力演算部
５０３  Ｉd*生成部
５０４  Ｉq*生成部
５０５  位相角演算部
５０６  ｄｑ変換部
５０７ａ  加算器（加算手段）
５０７ｂ  加算器
５０８ａ，５０８ｂ  ＰＩ演算部
５０９  逆ｄｑ変換部
５１０  ＰＷＭ信号生成部
６  電力変動抑制部
６０１  Δω演算部（角周波数変動検出手段）
６０２  ΔＩd生成部（有効電力変動成分生成手段）
７  電流検出器
８  電圧検出器
９Ａ  有効電力制御系ブロック
９Ｂ  無効電力制御系ブロック
１０Ａ  加算器（加算手段）
１０Ａ  加算器
１１  電流制御系ブロック
１２  ＰＷＭ信号生成ブロック
１３  インバータ主回路ブロック
１４Ａ，１４Ｂ  アンプ
１５  電力変動抑制制御系
１６  制御対象
Ｇ1，Ｇ2  発電機
Ｇ3  分散型発電機
Ｌ  送電線
Ｘ1，Ｘ2，Ｘ3  リアクタンス
【図１】
2014207776.tif 000016
【図２】
2014207776.tif 000017
【図３】
2014207776.tif 000018
【図４】
2014207776.tif 000019
【図５】
2014207776.tif 000020
【図６】
2014207776.tif 000021
【図７】
2014207776.tif 000022
【図８】
2014207776.tif 000023
【図９】
2014207776.tif 000024