(57)【要約】  直流バス電圧Ｖｄｃを交流変換するインバータとＬＣフィルタを備えた分散型電源に組み込まれ、インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部と、出力電圧ｅｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比でインバータをＰＷＭ制御する帰還制御部とを備え、帰還制御部は、出力電圧ｅｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御する自立運転制御装置。
2017138103.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれ、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数１】
2017138103.tif 000019
前記自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部と、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御部とを備えている自立運転制御装置であって、
前記帰還制御部は、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている自立運転制御装置。
【請求項２】
前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数２】
2017138103.tif 000020
に基づいて制限されている請求項１記載の自立運転制御装置。
【請求項３】
前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数３】
2017138103.tif 000021
に基づいて制限されている請求項１または２記載の自立運転制御装置。
【請求項４】
前記帰還制御部は、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御部と、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御部を備えている請求項１から３の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項５】
前記負荷電流推定部は、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている請求項１から４の何れかに記載の分散型電源の自立運転制御装置。
【請求項６】
自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理部を備えている請求項１から５の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項７】
前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理部を備えている請求項１から６の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項８】
前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、
前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御部と、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御部とを備えた直流帰還制御部を備えている請求項１から７の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項９】
入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータ及び前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え、請求項１から８の何れかに記載の自立運転制御装置により前記インバータの出力電圧が制御されるように構成されているパワーコンディショナ。
【請求項１０】
入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれた自立運転制御装置により実行され、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数４】
2017138103.tif 000022
前記自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定ステップと、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御ステップを備えている自立運転制御方法であって、
前記帰還制御ステップは、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている自立運転制御方法。
【請求項１１】
前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数５】
2017138103.tif 000023
に基づいて制限される請求項１０記載の自立運転制御方法。
【請求項１２】
前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数６】
2017138103.tif 000024
に基づいて制限される請求項１０または１１記載の自立運転制御方法。
【請求項１３】
前記帰還制御ステップは、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御ステップと、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御ステップを備えている請求項１０から１２の何れかに記載の自立運転制御方法。
【請求項１４】
前記負荷電流推定ステップは、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている請求項１０から１３の何れかに記載の分散型電源の自立運転制御方法。
【請求項１５】
自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理ステップを備えている請求項１０から１４の何れかに記載の自立運転制御方法。
【請求項１６】
前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理ステップを備えている請求項１０から１５の何れかに記載の自立運転制御方法。
【請求項１７】
前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、
前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御ステップと、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御ステップとを備えた直流帰還制御ステップを備えている請求項１０から１６の何れかに記載の自立運転制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電源の自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び分散型電源の自立運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池や燃料電池等の分散型電源は、商用系統電源に連系させて使用するために、周波数や電圧が商用系統電源に適合するように電力変換するパワーコンディショナを備えている。近年、このような分散型電源に蓄電池を組み込んだハイブリッド型の分散型電源も注目されている。【０００３】
ハイブリッド型の分散型電源に対応したパワーコンディショナは、分散型電源で発電された直流電圧を所定の直流電圧値に調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電池を充放電する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下では、単に「直流コンバータ」と記す。）と、双方のＤＣ／ＤＣコンバータが接続された直流バス電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータの出力から高周波成分を除去するＬＣフィルタ等を備えている。【０００４】
分散型電源が系統連系運転を行なっている配電線に地絡または短絡事故が発生し、或いは計画停電等によって変電所から配電線への電力の送電が停止した状態、即ち単独運転状態に到った場合には、区分開閉器の動作への影響防止及び配電線の作業の安全性を確保するために、パワーコンディショナによって当該配電線から分散型電源が解列される。【０００５】
そして、パワーコンディショナによって分散型電源の直流電力が交流電力に変換されて、商用系統と連系することなく独立系統に給電制御される。【０００６】
パワーコンディショナには、分散型電源を制御する制御装置が組み込まれている。当該制御装置は、商用系統連系運転時に商用系統電圧の位相に同期した交流電流がインバータから出力されるようにインバータを制御する電流制御ブロックと、解列時に自立系統に法定された所定レベルの電圧が出力されるようにインバータを制御する電圧制御ブロックを備えている。【０００７】
法定された所定レベルの電圧とは、日本では電気事業法第２６条及び同法施行規則第４４条に規定され、低圧需要家に向けて、標準電圧１００Ｖに対して１０１±６Ｖ、標準電圧２００Ｖに対して２０２±２０Ｖ以内の電圧をいう。【０００８】
特許文献１には、自立運転時に負荷変動に伴い生じるインバータ装置の出力電圧の変動を所定の許容範囲内に抑制するための分散電源用のインバータ装置が開示されている。【０００９】
当該インバータ装置は、負荷電流の検出に基づいてインバータ出力電圧が許容範囲内となるように段階的な切り替えで出力電圧設定値を判定する第１の判定回路と、負荷電圧の検出に基づいてインバータ出力電圧が許容範囲内となるように段階的な切り替えで出力電圧設定値を判定する第２の判定回路を有し、系統連系時、第１の判定回路で負荷電流の検出により出力電圧設定値を更新し、系統停電の発生時から連系スイッチの遮断まで前記出力電圧設定値を保持した待機状態とし、連系スイッチの遮断時以降、第２の判定回路で負荷電圧の検出により出力電圧設定値を更新する待機状態とし、電流制御モードから電圧制御モードへの制御切り替え後、負荷電流の検出による出力電圧設定値に基づく出力電圧指令を送出する第１の判定回路から、負荷電圧の検出による出力電圧設定値に基づく出力電圧指令を送出する第２の判定回路へ切り替えるようにした電圧制御回路を備えている。【００１０】
特許文献２には、自立系統に接続された負荷に発生する突入電流を抑制して安定した自立運転を確保するために、自立系統に接続した負荷による突入電流を予め定められた電流値より小さくなるように制限する電流抑制回路を備えたパワーコンディショナが開示されている。【００１１】
特許文献１に開示された分散電源用のインバータ装置は、負荷電流を測定するための専用の負荷電流センサを設ける必要があり、電流センサの周辺回路を含めて部品コストや施工コストが嵩むという問題があった。【００１２】
また、特許文献２に開示されたパワーコンディショナも、突入電流を抑制するための専用の電流抑制回路を備え、当該電流抑制回路に対応した複雑な制御アルゴリズムを組込む必要があり、部品コストが嵩むという問題があった。【００１３】
そこで、特許文献３に開示されているように、本願発明者らによって、負荷電流を検出するためのセンサを備えることなく、また突入電流が生じるような状況でも特段の部品を設けることなく安定した出力電圧に制御可能な分散型電源の自立運転制御装置が提案されている。【００１４】
直流発電電力を交流電力に変換するインバータ及びインバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え、商用系統電源が所定電圧以下に低下すると自立系統に給電可能に構成されている分散型電源の自立運転制御装置であって、インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部を備え、出力電圧ｅｓｄと負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるようにフィードバック制御する分散型電源の自立運転制御装置である。【００１５】
負荷電流推定部は、出力電流ｉｉｎｖと出力電圧ｅｓｄに基づいてＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを推定し、出力電流ｉｉｎｖから分岐電流ｉｃを減算することにより負荷電流ｉｌｏａｄを算出するように構成されている。【００１６】
上述した分散型電源の自立運転制御装置では、インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるようにフィードバック演算が実行され、その演算結果をそのときの直流バス電圧Ｖｄｃで除算することによりインバータをＰＷＭ制御するデューティ比ｕ＊ｄが算出される。しかし、直流バス電圧Ｖｄｃが低下するとデューティ比ｕ＊ｄが−１＜ｕ＊ｄ＜１の範囲から逸脱する場合があるので、デューティ比ｕ＊ｄが−１＜ｕ＊ｄ＜１の範囲に入るように制限する制限処理部（リミッター）が設けられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１０−３１３５４０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１６５５７７号公報
【特許文献３】特開２０１４−７５８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、特許文献３に開示された自立運転制御装置によれば、自立系統が過負荷になった時に、分散型電源を構成する太陽電池からの発電電力の供給が間に合わないと、直流バス電圧Ｖｄｃに接続された電解コンデンサから先に負荷側に放電されて、直流バス電圧Ｖｄｃが一瞬低下する場合がある。【００１９】
また、蓄電池を備えたハイブリッド型の分散型電源でも、自立系統が過負荷になった時に、蓄電池からの放電電流の供給が間に合わないと、同様に直流バス電圧Ｖｄｃに接続された電解コンデンサから先に負荷側に放電されて、直流バス電圧Ｖｄｃが一瞬低下する場合がある。【００２０】
過負荷時に自立系統電圧ｅｓｄが一瞬低下すると、負荷電流推定部により求めたコンデンサに流れる分岐電流ｉｃが低下し、それに伴って負荷電流ｉｌｏａｄの推定値が一瞬上昇することになる。その結果、算出されたデューティ比ｕ＊ｄが制限処理部（リミッター）で制限された上限値または上限値近傍に張り付いて、過大な電流が流れ続ける虞があるという問題があった。【００２１】
その結果、インバータに組み込まれている過電流保護回路が作動するとパワーコンディショナの動作が停止してしまい、作業員によるリセット操作がなされないと、パワーコンディショナが復帰できなくなるという問題があった。尚、過負荷時とは、主に誘導性負荷が接続されたときにコイルに突入電流が流れるようなときをいう。【００２２】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、負荷電流を検出するためのセンサを備えることなく、また過負荷となるような状況でも特段の部品を設けることなく安定した出力電圧に制御可能な自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び自立運転制御方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述の目的を達成するため、本発明による自立運転制御装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれ、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数１】
2017138103.tif 000003
前記自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部と、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御部とを備えている自立運転制御装置であって、前記帰還制御部は、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている点にある。【００２４】
帰還制御部は、自立系統に所定電圧範囲の交流電圧を出力するべく、〔数１〕に示すように、負荷電流推定部によってインバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄを検出し、それら検出値に基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定し、検出した出力電圧ｅｓｄと推定した負荷電流ｉＬｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように制御する。従って、負荷電流を検出するための電流センサを備える必要が無く、そのための部品コストを低減できるようになる。尚、〔数１〕に示すｓはラプラス演算子（ラプラス変数）である。【００２５】
このとき、出力電圧ｅｓｄ、負荷電流ｉｌｏａｄ、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄのそれぞれが直流バス電圧Ｖｄｃで正規化された正規化出力電圧ｘｓｄ、正規化負荷電流ｘｌｏａｄ、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに基づいて帰還演算されたデューティ比ｕ＊ｄが得られる。つまり、直流バス電圧Ｖｄｃが変動した場合でも、その変動した値を基準にデューティ比ｕ＊ｄが算出されるようになる。従って、特段の制限処理を掛けなくてもデューティ比ｕ＊ｄが上限値または上限値近傍に張り付くような事態の発生が効果的に抑制されるようになる。【００２６】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数２】
2017138103.tif 000004
に基づいて制限されている点にある。【００２７】
直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは大きな値になり、その結果、過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、ａ・（ｅ＊ｓｄ／Ｖｄｃ．ｉｎｉ）で正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｖｄｃ．ｉｎｉは自立運転開始直前の直流バス電圧であるので、高い値で且つ瞬停が生じない安定した値となる。また、係数ａは抑制レベルを調整するために用いられる係数である。【００２８】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数３】
2017138103.tif 000005
に基づいて制限されている点にある。【００２９】
直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化負荷電流ｘｌｏａｄは大きな値になり、その結果、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値が大きくなり過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、２ｂ・（Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘ）で正規化負荷電流ｘｌｏａｄの上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の抑制を通して、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄは定格出力電力であり、Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘは自立系統電圧指令値の最大値であるので、２Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘの値は定格出力電力を満たす最小電流値となる。また、係数ｂは抑制レベルを調整するために用いられる係数である。【００３０】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記帰還制御部は、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御部と、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御部を備えている点にある。【００３１】
交流電圧制御部によって正規化出力電圧ｘｓｄを正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するためインバータの正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖが、例えばＰＩＤ制御によって算出されて交流電流制御部に入力される。そして、交流電流制御部によって正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように、例えばＰＩＤ制御によってインバータのデューティ比ｕ＊ｄが算出される。当該デューティ比ｕ＊ｄでインバータが制御されることにより、自立系統に接続された負荷に流れる電流が変動するような場合でも、安定した出力電圧ｅｓｄに制御される。【００３２】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記負荷電流推定部は、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている点にある。【００３３】
正規化出力電流ｘｉｎｖとＬＣフィルタの正規化出力電圧ｘｓｄに基づいてＬＣフィルタのコンデンサに流れる正規化分岐電流ｘｃが推定され、正規化出力電流ｘｉｎｖから正規化分岐電流ｘｃが減算されて正規化負荷電流ｘｌｏａｄが算出される。【００３４】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理部を備えている点にある。【００３５】
自立系統に負荷が接続された瞬間に過大な負荷電流が流れたと推定値に基づいて判断できる場合に、第１エラー処理部によってインバータが停止制御され、インバータが保護される。例えばフルブリッジやハーフブリッジを備えた直流負荷に給電する場合に発生する数ｍｓｅｃ．内のスパイク状の大きなノイズ電流でインバータのスイッチング素子が破壊される虞のあるような場合、また例えば、通常は発生しえないような短絡事故に対処可能になる。【００３６】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理部を備えている点にある。【００３７】
第１の所定時間の経過の後から第２の所定時間内に、定格出力電力より大きな値に設定された電力閾値を超えたと判断できる場合には、第２エラー処理部によってインバータが停止制御される。例えば、エアコンやクリーナ等の誘導性負荷に流れる突入電流による影響を回避してインバータを保護することができるようになる。【００３８】
同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御部と、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御部とを備えた直流帰還制御部を備えている点にある。【００３９】
太陽電池や燃料電池等の分散型電源にさらに蓄電池を組み込むことによりハイブリッド化し、蓄電池に接続された直流コンバータを制御することにより直流発電装置の発電電力の変動を抑制することで、自立系統にさらに安定な電力を供給することができるようになる。先ず、直流電圧制御部によって、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持されるように直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴが帰還演算される。次に、直流期間制御部によって、出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて直流コンバータから直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴが帰還演算される。当該デューティ比ｄ＊ＢＡＴで直流コンバータがＰＷＭ制御される。【００４０】
本発明によるパワーコンディショナの特徴構成は、同請求項９に記載した通り、入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータ及び前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え、上述した第一から第八の何れかの特徴構成を備えた自立運転制御装置により前記インバータの出力電圧が制御されるように構成されている点にある。【００４１】
本発明による自立運転制御方法の第一の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれた自立運転制御装置により実行され、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数４】
2017138103.tif 000006
前記自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定ステップと、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御ステップを備えている自立運転制御方法であって、前記帰還制御ステップは、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている点にある。【００４２】
同第二の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数５】
2017138103.tif 000007
に基づいて制限される点にある。【００４３】
同第三の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数６】
2017138103.tif 000008
に基づいて制限される点にある。【００４４】
同第四の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記帰還制御ステップは、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御ステップと、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御ステップを備えている点にある。【００４５】
同第五の特徴構成は、同請求項１４に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記負荷電流推定ステップは、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている点にある。【００４６】
同第六の特徴構成は、同請求項１５に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理ステップを備えている点にある。【００４７】
同第七の特徴構成は、同請求項１６に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理ステップを備えている点にある。【００４８】
同第八の特徴構成は、同請求項１７に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御ステップと、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御ステップとを備えた直流帰還制御ステップを備えている点にある。
【発明の効果】
【００４９】
以上説明した通り、本発明によれば、負荷電流を検出するためのセンサを備えることなく、また過負荷となるような状況でも特段の部品を設けることなく安定した出力電圧に制御可能な自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び自立運転制御方法を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、分散型電源の自立運転制御装置が適用される分散型電源の構成図である。
【図２】図２は、商用系統電源と分電盤と分散型電源との接続関係の説明図である。
【図３】図３は、自立運転制御装置の制御対象となるパワーコンディショナの回路説明図である。
【図４】図４は、従来の自立運転制御アルゴリズムの説明図である。
【図５】図５は、本発明による自立運転制御アルゴリズムの説明図である。
【図６】図６は、エラーチェック処理の説明図である。
【図７】図７は、別実施形態を示し、自立運転制御装置の制御対象となるパワーコンディショナの回路説明図である。
【図８】図８は、別実施形態を示し、蓄電池に接続された直流コンバータに対する自立運転制御アルゴリズムの説明図である。
【図９】図９（ａ）は、自立運転制御アルゴリズムの確認実験のパラメータ説明図であり、図９（ｂ）は自立系統に接続された負荷装置の説明図である。
【図１０】図１０は、自立運転制御アルゴリズムの実験結果の説明図である。
【図１１】図１１は、自立運転制御アルゴリズムの実験結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明による自立運転制御装置、当該自立運転制御装置に組み込まれるパワーコンディショナ及び自立運転制御方法を図面に基づいて説明する。
【００５２】
図１には、分散型電源の一例である太陽光発電装置１が示されている。太陽光発電装置１は太陽電池パネルＳＰと、太陽電池パネルＳＰが接続されたパワーコンディショナＰＣを備えて構成されている。太陽電池パネルＳＰで発電された直流電力は直流遮断器６及びサージアブソーバ７を介してパワーコンディショナＰＣに供給される。
【００５３】
パワーコンディショナＰＣは、太陽電池パネルＳＰで発電された直流電圧を所定の直流リンク電圧Ｖｄｃに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、昇圧された直流リンク電圧Ｖｄｃを所定の交流電圧に変換するインバータ３と、インバータ３から出力される交流電圧から高調波を除去するＬＣフィルタ４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及びインバータ３を制御する制御装置５等を備えている。
【００５４】
パワーコンディショナＰＣで変換された交流電力はサージアブソーバ８及び商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを介して商用系統電源１００と連系可能に構成され、商用系統電源１００に接続された構内負荷（ｌｏａｄ１）に給電されるようになる。商用系統電源１００から解列すると自立系統用リレーＳｓｔｄを介して接続された自立負荷（ｌｏａｄ２）に給電されるようになる。
【００５５】
パワーコンディショナＰＣの制御装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の昇圧スイッチを制御するコンバータ制御部５ａと、インバータ３のブリッジを構成するスイッチを制御するインバータ制御部５ｂで構成され、それぞれマイクロコンピュータ及びメモリ素子や入出力素子等を含む周辺回路で構成されている。
【００５６】
コンバータ制御部５ａはＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電圧、入力電流、出力電圧をモニタして、太陽電池パネルＳＰを最大電力点で動作させるＭＰＰＴ制御等を実行しつつ、所定の出力電圧に昇圧制御するように動作する。
【００５７】
インバータ制御部５ｂは、商用系統連系時に商用系統電圧の位相に同期するようにインバータの出力電流を制御する電流制御ブロックと、解列時に自立系統に所定電圧の交流電力を給電する電圧制御ブロックと、系統連系時に単独運転状態か否かを検出する単独運転検出ブロック等の機能ブロックを備えている。電圧制御ブロックを含む制御装置５の一部の機能ブロックによって、本発明の自立運転制御装置が構成されている。
【００５８】
図２には、商用系統電源１００と太陽光発電装置１との接続関係が示されている。三本の架空線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３で構成される高圧配電線によって６，６００Ｖの三相交流電力が送電され、需要家の近傍の配電柱に設置された柱上変圧器１０１に高圧配電線の内の１相分の２本の架空線Ｗ１，Ｗ３から電力が入力される。
【００５９】
柱上変圧器１０１で６，６００Ｖの電圧が２００Ｖの単相電圧に降圧され、２００Ｖの中間のタップが中性線として取り出され、片線と中性線との間で１００Ｖ、線間で２００Ｖの電圧が得られる。中性線は配電柱の近くで、中性線接地極と接続されて接地されている。
【００６０】
柱上変圧器１０１の出力が配電柱に架設された低圧配電線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に出力され、低圧引き込み線Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を経由して需要家の構内の分電盤１０２に構成された主回路１０４に主幹漏電遮断器１０３等を介して接続されている。低圧引き込み線には買電用電力量計Ｗｈ１と売電用電力量計Ｗｈ２が接続されている。
【００６１】
主回路１０４にはブレーカＣＢを介して給電線１０５が接続され、各給電線１０５から構内負荷ｌｏａｄ１に電力が供給されるように構成されている。太陽光発電装置１のパワーコンディショナＰＣの出力端子は商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを介して主回路１０４に接続可能に構成されるとともに、自立系統用リレーＳｓｔｄ及びブレーカＣＢを介して自立系統の給電線１０６に接続された自立負荷ｌｏａｄ２にも給電可能に構成されている。尚、自立系統用リレーＳｓｔｄ及びブレーカＣＢの設置場所は商用系統用の分電盤１０２に限るものではない。
【００６２】
本実施形態では、商用系統連系運転時にＡＣ２００Ｖの単相三線式の交流電圧が出力され、自立運転時にＡＣ１００Ｖの単相交流電圧が出力されるパワーコンディショナＰＣを例に説明するが、自立運転時にＡＣ２００Ｖの単相三線式の交流電圧が出力されるようなパワーコンディショナＰＣであってもよい。
【００６３】
インバータ制御部５ｂの電流制御ブロックは、商用系統連系運転時に商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを閉成して系統電圧の位相に同期するようにインバータの出力電流を制御し、単独運転検出ブロックによって単独運転状態が検知されると、商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを開成して系統から解列する。
【００６４】
図１に戻って説明を続ける。インバータ制御部５ｂに備えた単独運転検出ブロックによって単独運転状態が検知され、商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄが開成されると、自立運転制御装置として機能する電圧制御ブロックは、自立系統用リレーＳｓｔｄを閉成して自立系統にＡＣ１００Ｖ（正確には、ＡＣ１０１±６Ｖ）の交流電圧を出力する。
【００６５】
パワーコンディショナ２から自立系統に接続された負荷Ｌｏａｄ２への給電時に、負荷電流の変動に起因して出力電圧がＡＣ１０１±６Ｖの範囲から逸脱すると、負荷Ｌｏａｄ２が安定的に動作することができなくなる。
【００６６】
そこで、自立運転制御装置は、負荷電流の変動に関わらず、安定した出力電圧が得られるようにインバータ３を制御する。以下に詳述する。
【００６７】
図３には、自立運転制御装置５０と、太陽電池パネルＳＰを発電する昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ、インバータ３及びＬＣフィルタ４の等価回路が示されている。図３より、太陽電池パネルＳＰの自然エネルギーを活用するために，昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａは常に最大出力電力制御（ＭＰＰＴ制御）、または，ＣＶモード制御が行なわれている。
【００６８】
図３に示す符号ＶＰＶは太陽電池パネルＳＰの入力電圧、ｉＰＶは太陽電池パネルＳＰの出力電流、Ｖｄｃは直流リンク電圧、Ｃｄｃは直流リンク電圧用の電解コンデンサ、Ｓ１〜Ｓ４はインバータ３のスイッチング素子、ｅｉｎｖはインバータ３の出力電圧、ｉｉｎｖはインバータ３の出力電流、ＬｆとＣｆはＬＣフィルタ、ＲｆはインダクタＬｆの内部抵抗、Ｒｃは交流側のコンデンサＣｆの内部抵抗、ｅｓｄは自立運転時のＬＣフィルタ４の出力電圧、ｉｃは交流側のコンデンサＣｆに流れる電流、ｉｌｏａｄは負荷電流、Ｒｌｏａｄは交流負荷を示す。コンデンサとしてフィルムコンデンサが好適に用いられるがフィルムコンデンサに限るものではない。
【００６９】
キルヒホッフの電圧則に基づいて〔数７〕が、またキルヒホッフの電流則に基づいて〔数８〕が導かれる。ここで，ｕｄは単相インバータ出力のＰＷＭのデューティである。
【数７】
2017138103.tif 000009
【数８】
2017138103.tif 000010
【００７０】
〔数８〕の電流を指令値で表すと〔数９〕が成り立つ。
【数９】
2017138103.tif 000011
また〔数８〕の負荷電流ｉｌｏａｄは〔数１０〕から求める。ここで、ｉｃはＬＣフィルタ４を構成するコンデンサＣｆに流れる電流である。また、ｉｃは〔数１１〕に示すように、コンデンサＣｆ、内部抵抗Ｒｃ及び自立運転の出力電圧ｅｓｄから推定できる。
【００７１】
【数１０】
2017138103.tif 000012
【数１１】
2017138103.tif 000013
また、〔数７〕を指令値で表すと〔数１２〕になる。
【数１２】
2017138103.tif 000014
【００７２】
つまり、負荷電流ｉｌｏａｄを検出するための電流センサを設けなくても、インバータ３の出力電流ｉｉｎｖと、ＬＣフィルタ４の出力電圧ｅｓｄを検出すれば、〔数１１〕に基づいてそれらの値からコンデンサＣｆに流れる電流ｉｃを推定することができ、その推定値に基づいて負荷電流ｉｌｏａｄが求まる。尚、〔数１１〕に示すｓはラプラス演算子（ラプラス変数）である。
【００７３】
自立運転制御装置５０は、上述した負荷電流ｉｌｏａｄの推定値に基づいて、自立運転時のインバータ３の出力電圧を制御するように構成されている。
【００７４】
図４には、自立運転制御装置５０により実行される従来の電圧制御アルゴリズム（特許文献３に開示されたアルゴリズム）のフローが示されている。自立運転制御装置５０は、負荷電流推定部５１，５２と、帰還制御部５３，５４，５５を備えている。
【００７５】
負荷電流推定部５１，５２は、インバータ３の出力電流ｉｉｎｖとＬＣフィルタ４の出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定するブロックである。
【００７６】
帰還制御部５３，５４，５５は、出力電圧ｅｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータか３ら負荷に出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるようにフィードバック制御するブロックである。
【００７７】
具体的に、帰還制御部５３，５４，５５は、出力電圧ｅｓｄを所定の出力電圧指令値ｅ＊ｓｄに維持するように帰還演算してインバータ３の出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを算出する交流電圧制御部５３と、算出された出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖと出力電流ｉｉｎｖと負荷電流ｉＬｏａｄに基づいてインバータ３から負荷に出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算してインバータのデューティｕ＊ｄを算出する交流電流制御部５４，５５で構成されている。
【００７８】
帰還演算としてＰＩＤ演算を好適に用いることができ、交流電圧制御部５３では、出力電圧ｅｓｄと出力電圧指令値ｅ＊ｓｄとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数として出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを設定することができる。
【００７９】
また、交流電流制御部５４では、出力電流ｉｉｎｖと出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数としてデューティｕ＊ｄを設定することができ、この時に推定された負荷電流ｉｌｏａｄを外乱として取扱い、その大きさ位に応じて比例ゲインＫｉｐを可変に設定することにより、制御の応答性を向上させることができる。尚、上述の何れの場合もＰＩＤ制御は、比例制御のみならず微分制御や積分制御を組み合わせて構成することも可能である。
【００８０】
インバータ３の出力電圧ｅｉｎｖは、〔数７〕及び〔数１２〕からｅｉｎｖ＝ｕ＊ｄ・Ｖｄｃとなるので、交流電流制御部５４の出力を直流バス電圧Ｖｄｃで除すことにより得られるデューティ比ｕ＊ｄが最終の制御値としてＰＷＭ制御部５７に入力され、インバータ３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がＰＷＭ制御され、ＬＣフィルタ４を介して高調波ノイズが除去された交流電圧が出力される。尚、実際には交流電流制御部５４の出力を直流バス電圧Ｖｄｃで除した値が−１＜ｕ＊ｄ＜１の範囲に入るように制限処理するリミッター５６が設けられている。
【００８１】
既に説明したが、自立運転の開始時にエアコンやクリーナ等の誘導性の負荷に突入電流が流れて過負荷になり、太陽電池からの発電電力の供給が間に合わないと、直流バス電圧Ｖｄｃに接続された電解コンデンサから先に負荷側に放電されて、直流バス電圧Ｖｄｃが一瞬低下する場合がある。
【００８２】
このとき、負荷電流推定部５１，５２により求めたコンデンサＣｆに流れる分岐電流ｉｃが低下し、それに伴って負荷電流ｉｌｏａｄの推定値が一瞬上昇することになる。その結果、算出されたデューティ比ｕ＊ｄが制限処理で制限された上限値または上限値近傍に張り付いて、過大な電流が流れ続ける虞がある。
【００８３】
図５には、その対策が講じられた本発明の自立運転制御装置５０Ａが示されている。自立運転制御装置５０Ａに備えた帰還制御部５３Ａ，５４Ａは、出力電圧ｅｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄでインバータをＰＷＭ制御するように構成されている。
【００８４】
〔数１３〕には、正規化のための演算式が示され、〔数１４〕には、正規化後のキルヒホッフの電圧則が示されている。
【数１３】
2017138103.tif 000015
【数１４】
2017138103.tif 000016
【００８５】
このように構成すれば、出力電圧ｅｓｄ、負荷電流ｉｌｏａｄ、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄのそれぞれが直流バス電圧Ｖｄｃで正規化された正規化出力電圧ｘｓｄ、正規化負荷電流ｘｌｏａｄ、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに基づいて帰還演算されたデューティ比ｕ＊ｄが得られる。つまり、直流バス電圧Ｖｄｃが変動する場合でも、その変動した値を基準にデューティ比ｕ＊ｄが算出されるようになるので、特段の制限処理を掛けなくてもデューティ比ｕ＊ｄが上限値または上限値近傍に張り付くような事態の発生が効果的に抑制されるようになる。
【００８６】
具体的に、帰還制御部は、正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御部５３Ａと、正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖとインバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるようにインバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御部５４Ａを備えている。
【００８７】
負荷電流推定部５１Ａ，５２Ａは、インバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて、ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、正規化出力電流ｘｉｎｖから正規化分岐電流ｘｃを減算することにより正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている。
【００８８】
交流電圧制御部５３Ａによって、例えばＰＩＤ制御演算が行なわれ、正規化出力電圧ｘｓｄを正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するためインバータの正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖが求められ、当該正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖが交流電流制御部５４Ａに入力される。
【００８９】
交流電流制御部５４Ａによって、例えばＰＩＤ制御演算が行なわれ、正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるデューティ比ｕ＊ｄが算出される。
【００９０】
そして、ＰＷＭ制御部５７によって当該デューティ比ｕ＊ｄでインバータが制御される。その結果、自立系統に接続された負荷に流れる電流が大きく変動する過負荷時でも、安定した出力電圧ｅｓｄに制御される。尚、帰還演算の基本アルゴリズムは図４を用いた説明と同じでＰＩＤ演算を好適に用いることができる。
【００９１】
交流電圧制御部５３Ａでは、正規化出力電圧ｘｓｄと正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数として正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを設定することができる。
【００９２】
また、交流電流制御部５４Ａでは、正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数としてデューティｕ＊ｄを設定することができ、この時に推定された正規化負荷電流ｘｌｏａｄを外乱として取扱い、その大きさ位に応じて比例ゲインＫｉｐを可変に設定することにより、制御の応答性を向上させることができる。
【００９３】
交流電圧制御部５３Ａでは、〔数１５〕に従って、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが制限されるように構成されていることが好ましい。〔数１５〕の係数ａは１≦ａ≦２の実数であり、Ｖｄｃ．ｉｎｉは自立運転開始直前の直流バス電圧である。
【数１５】
2017138103.tif 000017
【００９４】
直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは大きな値になり、その結果、過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、ａ・（ｅ＊ｓｄ／Ｖｄｃ．ｉｎｉ）で正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｖｄｃ．ｉｎｉは自立運転開始直前の直流バス電圧であるので、高い値で且つ瞬停が生じない安定した値となる。また、係数ａは抑制レベルを調整するために用いられる係数であり、本実施形態ではａ＝１．１に設定されている。
【００９５】
交流電流制御部５４Ａでは、〔数１６〕に従って、正規化負荷電流ｘｌｏａｄが制限されるように構成されていることが好ましい。〔数１６〕の係数ｂは１≦ｂ≦２の実数であり、Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄは定格出力電力、Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘは自立系統電圧指令値の最大値である。
【数１６】
2017138103.tif 000018
【００９６】
上述と同様に、直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化負荷電流ｘｌｏａｄは大きな値になり、その結果、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値が大きくなり過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、２ｂ・（Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘ）で正規化負荷電流ｘｌｏａｄの上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の抑制を通して、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄは定格出力電力であり、Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘは自立系統電圧指令値の最大値であるので、２Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘの値は定格出力電力を満たす最小電流値となる。また、係数ｂは抑制レベルを調整するために用いられる係数であり、本実施形態ではｂ＝２に設定されている。
【００９７】
図６に示すように、自立運転制御装置５０Ａには、自立運転開始直後の第１の所定時間Ｔ１（本実施形態では１〜２ｍｓｅｃ．）に負荷電流ｉｌｏａｄがインバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、インバータを停止制御する第１エラー処理部を備えている。
【００９８】
さらに自立運転制御装置５０Ａには、第１の所定時間Ｔ１経過後の第２の所定時間Ｔ２に定格出力電力Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄを上回る電力閾値ｋ・Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄを超えると、インバータを停止制御する第２エラー処理部を備えている。係数ｋは１．５≦ｋ≦２の実数である。
【００９９】
第１エラー処理部及び第２エラー処理部は自立運転制御装置５０Ａに備えていればよく、帰還制御部５３Ａ，５４Ａに組み込まれていてもよい。
【０１００】
自立系統に負荷が接続された瞬間に過剰な負荷電流が流れたと推定値に基づいて判断できる場合に、第１エラー処理部によってインバータが停止制御され、インバータが保護される。
【０１０１】
例えばフルブリッジやハーフブリッジの整流器を備えた直流負荷に給電する場合に発生する数ｍｓｅｃ．内のスパイク状の大きなノイズ電流でインバータのスイッチング素子が破壊される虞のあるような場合、また例えば、通常は発生しえないような短絡事故に対処可能になる。第１の所定時間は１０ｍｓｅｃ．以内で適宜設定可能である。
【０１０２】
第１の所定時間の経過の後から第２の所定時間内に、定格出力電力より大きな値に設定された電力閾値を超えたと判断できる場合には、第２エラー処理部によってインバータが停止制御される。
【０１０３】
例えば、エアコンやクリーナ等の誘導性負荷に流れる突入電流による影響を回避してインバータを保護することができるようになる。
【０１０４】
図７に示すように、分散型電源１にリチウムイオン電池のような蓄電池ＢＡＴがさらに設けられ、パワーコンディショナＰＣに蓄電池ＢＡＴを充放電する双方向の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ｂ（以下、単に「直流コンバータ２Ｂ」とも表記する。）及び直流コンバータ２Ｂを制御するコンバータ制御部が設けられていることが好ましい。
【０１０５】
太陽電池パネルＳＰの発電電力が変動して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａの出力電圧が変動する場合であっても直流コンバータ２Ｂによって直流バス電圧Ｖｄｃを安定させることができる。
【０１０６】
図８に示すように、自立運転制御装置５０に組み込まれたコンバータ制御部６０には、直流電圧制御部６１と直流電流制御部６２，６３を備えた直流帰還制御部と、直流コンバータ２ＢのスイッチＳＢＡＴを制御するＰＷＭ制御部６４を備えている。
【０１０７】
直流電圧制御部６１は、直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算するように構成されている。
【０１０８】
直流電流制御部６２，６３は、出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと直流コンバータ２Ｂの出力電流ｉＢＡＴに基づいて直流コンバータ２Ｂから目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように制御値Ｖｄｃ・ｄ＊ＢＡＴを帰還演算し、制御値を直流バス電圧Ｖｄｃで除することによりＰＷＭ制御のためのデューティ比ｄ＊ＢＡＴを算出するように構成されている。
【０１０９】
上述の自立運転制御装置５０によって、インバータの出力電流ｉｉｎｖとＬＣフィルタの出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定ステップと、出力電圧ｅｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比でインバータをＰＷＭ制御する帰還制御ステップを備えた自立運転制御方法が実行される。
【０１１０】
そして、帰還制御ステップは、出力電圧ｅｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄでインバータをＰＷＭ制御するように構成されている。
【０１１１】
正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、上述の〔数１５〕に基づいて制限されるように構成されている。
【０１１２】
また、正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、上述の〔数１６〕に基づいて制限されるように構成されている。
【０１１３】
帰還制御ステップは、交流電圧制御ステップと交流電流制御ステップを備えている。
交流電圧制御ステップは、正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算するように構成されている。
【０１１４】
交流電流制御ステップは、正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖとインバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるようにインバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算するように構成されている。
【０１１５】
また、負荷電流推定ステップは、インバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化出力電圧ｘｓｄに基づいてＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、正規化出力電流ｘｉｎｖから正規化分岐電流ｘｃを減算することにより正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている。
【０１１６】
さらに、自立運転開始直後の第１の所定時間に負荷電流ｉｌｏａｄがインバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、インバータを停止制御する第１エラー処理ステップを備え、第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、インバータを停止制御する第２エラー処理ステップを備えている。
【０１１７】
図１０には、上述の自立運転制御方法を採用し、過負荷となる場合の出力電圧の制御特性を評価する実験の結果が示されている。図９（ａ）には、当該実験時の回路パラメータの設定値が示されている。図９（ｂ）には、自立運転時の制御方式の性能を確認するために用いた家庭負荷のリストが示されている。
【０１１８】
図１０には、図９（ｂ）の負荷条件１，２，３に給電した実験結果が示されている。自立系統電圧を供給する瞬間に、家庭用の掃除機及び２台のドライヤを駆動した場合に、負荷電流ｉｌｏａｄが制限されると同時に自立系統電圧ｅｓｄの振幅値も抑制されていることが確認された。その後、全ての家庭負荷を駆動するための負荷電流が抑制されると同時に自立系統電圧も抑制された後に徐々に復帰することが確認された。この時、過電流エラーを検出することはなかった。
【０１１９】
図１１には、図９（ｂ）の負荷条件４（冷蔵庫）のみの実験結果が示されている。負荷条件４は、冷蔵庫のコンプレッサーを駆動するために、約０．８秒間で、２０００Ｗ以上の出力電力を供給する必要であることを確認した。また、最大出力電力は約２５００Ｗであることを確認した。本発明の制御方式および２段階のエラー処理を用いると、冷蔵庫のようなモータ負荷装置に対応できることが示されている。また、起動後、定常状態で約４００Ｗを消費していることを確認した。
【０１２０】
以上説明した実施形態は、本発明による分散型電源の自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び自立運転制御方法の一例に過ぎず、該記載により本発明の技術的範囲が限定されるものではなく、本発明の作用効果が奏される限り、具体的な制御アルゴリズムは制御のためのハードウェア構成等は適宜変更設計可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２１】
１：分散型電源
２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：ＬＣフィルタ
５０：自立運転制御装置
５１，５２：負荷電流推定部
５３：交流出力電圧制御部
５４：交流出力電流制御部
１００：商用系統電源
ＰＣ：パワーコンディショナ
ＳＰ：太陽電池パネル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：インバータブリッジに備えたスイッチング素子
ＳＰＶ：太陽電池パネル用のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子
ＳＢＡＴ：直電池用の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子
【図１】
2017138103.tif 000025
【図２】
2017138103.tif 000026
【図３】
2017138103.tif 000027
【図４】
2017138103.tif 000028
【図５】
2017138103.tif 000029
【図６】
2017138103.tif 000030
【図７】
2017138103.tif 000031
【図８】
2017138103.tif 000032
【図９】
2017138103.tif 000033
【図１０】
2017138103.tif 000034
【図１１】
2017138103.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月26日(2016.10.26)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転また自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれ、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数１】
2017138103.tif 000036
自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部と、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御部とを備えている自立運転制御装置であって、
前記帰還制御部は、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている自立運転制御装置。
【請求項２】
前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数２】
2017138103.tif 000037
に基づいて制限されている請求項１記載の自立運転制御装置。
【請求項３】
前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数３】
2017138103.tif 000038
に基づいて制限されている請求項１または２記載の自立運転制御装置。
【請求項４】
前記帰還制御部は、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御部と、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御部を備えている請求項１から３の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項５】
前記負荷電流推定部は、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている請求項１から４の何れかに記載の分散型電源の自立運転制御装置。
【請求項６】
自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理部を備えている請求項１から５の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項７】
前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理部を備えている請求項６記載の自立運転制御装置。
【請求項８】
前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、
前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御部と、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御部とを備えた直流帰還制御部を備えている請求項１から７の何れかに記載の自立運転制御装置。
【請求項９】
入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータ及び前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え、請求項１から８の何れかに記載の自立運転制御装置により前記インバータの出力電圧が制御されるように構成されているパワーコンディショナ。
【請求項１０】
入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれた自立運転制御装置により実行され、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数４】
2017138103.tif 000039
自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定ステップと、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御ステップを備えている自立運転制御方法であって、
前記帰還制御ステップは、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている自立運転制御方法。
【請求項１１】
前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数５】
2017138103.tif 000040
に基づいて制限される請求項１０記載の自立運転制御方法。
【請求項１２】
前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数６】
2017138103.tif 000041
に基づいて制限される請求項１０または１１記載の自立運転制御方法。
【請求項１３】
前記帰還制御ステップは、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御ステップと、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御ステップを備えている請求項１０から１２の何れかに記載の自立運転制御方法。
【請求項１４】
前記負荷電流推定ステップは、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている請求項１０から１３の何れかに記載の分散型電源の自立運転制御方法。
【請求項１５】
自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理ステップを備えている請求項１０から１４の何れかに記載の自立運転制御方法。
【請求項１６】
前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理ステップを備えている請求項１５記載の自立運転制御方法。
【請求項１７】
前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、
前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御ステップと、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御ステップとを備えた直流帰還制御ステップを備えている請求項１０から１６の何れかに記載の自立運転制御方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分散型電源の自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び分散型電源の自立運転制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
太陽電池や燃料電池等の分散型電源は、商用系統電源に連系させて使用するために、周波数や電圧が商用系統電源に適合するように電力変換するパワーコンディショナを備えている。近年、このような分散型電源に蓄電池を組み込んだハイブリッド型の分散型電源も注目されている。
【０００３】
ハイブリッド型の分散型電源に対応したパワーコンディショナは、分散型電源で発電された直流電圧を所定の直流電圧値に調整するＤＣ／ＤＣコンバータと、蓄電池を充放電する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ（以下では、単に「直流コンバータ」と記す。）と、双方のＤＣ／ＤＣコンバータが接続された直流バス電圧を交流電圧に変換するインバータと、インバータの出力から高周波成分を除去するＬＣフィルタ等を備えている。
【０００４】
分散型電源が系統連系運転を行なっている配電線に地絡または短絡事故が発生し、或いは計画停電等によって変電所から配電線への電力の送電が停止した状態、即ち単独運転状態に到った場合には、区分開閉器の動作への影響防止及び配電線の作業の安全性を確保するために、パワーコンディショナによって当該配電線から分散型電源が解列される。
【０００５】
そして、パワーコンディショナによって分散型電源の直流電力が交流電力に変換されて、商用系統と連系することなく独立系統に給電制御される。
【０００６】
パワーコンディショナには、分散型電源を制御する制御装置が組み込まれている。当該制御装置は、商用系統連系運転時に商用系統電圧の位相に同期した交流電流がインバータから出力されるようにインバータを制御する電流制御ブロックと、解列時に自立系統に法定された所定レベルの電圧が出力されるようにインバータを制御する電圧制御ブロックを備えている。
【０００７】
法定された所定レベルの電圧とは、日本では電気事業法第２６条及び同法施行規則第４４条に規定され、低圧需要家に向けて、標準電圧１００Ｖに対して１０１±６Ｖ、標準電圧２００Ｖに対して２０２±２０Ｖ以内の電圧をいう。
【０００８】
特許文献１には、自立運転時に負荷変動に伴い生じるインバータ装置の出力電圧の変動を所定の許容範囲内に抑制するための分散電源用のインバータ装置が開示されている。
【０００９】
当該インバータ装置は、負荷電流の検出に基づいてインバータ出力電圧が許容範囲内となるように段階的な切り替えで出力電圧設定値を判定する第１の判定回路と、負荷電圧の検出に基づいてインバータ出力電圧が許容範囲内となるように段階的な切り替えで出力電圧設定値を判定する第２の判定回路を有し、系統連系時、第１の判定回路で負荷電流の検出により出力電圧設定値を更新し、系統停電の発生時から連系スイッチの遮断まで前記出力電圧設定値を保持した待機状態とし、連系スイッチの遮断時以降、第２の判定回路で負荷電圧の検出により出力電圧設定値を更新する待機状態とし、電流制御モードから電圧制御モードへの制御切り替え後、負荷電流の検出による出力電圧設定値に基づく出力電圧指令を送出する第１の判定回路から、負荷電圧の検出による出力電圧設定値に基づく出力電圧指令を送出する第２の判定回路へ切り替えるようにした電圧制御回路を備えている。
【００１０】
特許文献２には、自立系統に接続された負荷に発生する突入電流を抑制して安定した自立運転を確保するために、自立系統に接続した負荷による突入電流を予め定められた電流値より小さくなるように制限する電流抑制回路を備えたパワーコンディショナが開示されている。
【００１１】
特許文献１に開示された分散電源用のインバータ装置は、負荷電流を測定するための専用の負荷電流センサを設ける必要があり、電流センサの周辺回路を含めて部品コストや施工コストが嵩むという問題があった。
【００１２】
また、特許文献２に開示されたパワーコンディショナも、突入電流を抑制するための専用の電流抑制回路を備え、当該電流抑制回路に対応した複雑な制御アルゴリズムを組込む必要があり、部品コストが嵩むという問題があった。
【００１３】
そこで、特許文献３に開示されているように、本願発明者らによって、負荷電流を検出するためのセンサを備えることなく、また突入電流が生じるような状況でも特段の部品を設けることなく安定した出力電圧に制御可能な分散型電源の自立運転制御装置が提案されている。
【００１４】
直流発電電力を交流電力に変換するインバータ及びインバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え、商用系統電源が所定電圧以下に低下すると自立系統に給電可能に構成されている分散型電源の自立運転制御装置であって、インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部を備え、出力電圧ｅｓｄと負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるようにフィードバック制御する分散型電源の自立運転制御装置である。
【００１５】
負荷電流推定部は、出力電流ｉｉｎｖと出力電圧ｅｓｄに基づいてＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを推定し、出力電流ｉｉｎｖから分岐電流ｉｃを減算することにより負荷電流ｉｌｏａｄを算出するように構成されている。
【００１６】
上述した分散型電源の自立運転制御装置では、インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるようにフィードバック演算が実行され、その演算結果をそのときの直流バス電圧Ｖｄｃで除算することによりインバータをＰＷＭ制御するデューティ比ｕ＊ｄが算出される。しかし、直流バス電圧Ｖｄｃが低下するとデューティ比ｕ＊ｄが−１＜ｕ＊ｄ＜１の範囲から逸脱する場合があるので、デューティ比ｕ＊ｄが−１＜ｕ＊ｄ＜１の範囲に入るように制限する制限処理部（リミッター）が設けられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１７】
【特許文献１】特開平１０−３１３５４０号公報
【特許文献２】特開２０１３−１６５５７７号公報
【特許文献３】特開２０１４−７５８５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかし、特許文献３に開示された自立運転制御装置によれば、自立系統が過負荷になった時に、分散型電源を構成する太陽電池からの発電電力の供給が間に合わないと、直流バス電圧Ｖｄｃに接続された電解コンデンサから先に負荷側に放電されて、直流バス電圧Ｖｄｃが一瞬低下する場合がある。
【００１９】
また、蓄電池を備えたハイブリッド型の分散型電源でも、自立系統が過負荷になった時に、蓄電池からの放電電流の供給が間に合わないと、同様に直流バス電圧Ｖｄｃに接続された電解コンデンサから先に負荷側に放電されて、直流バス電圧Ｖｄｃが一瞬低下する場合がある。
【００２０】
過負荷時に自立系統電圧ｅｓｄが一瞬低下すると、負荷電流推定部により求めたコンデンサに流れる分岐電流ｉｃが低下し、それに伴って負荷電流ｉｌｏａｄの推定値が一瞬上昇することになる。その結果、算出されたデューティ比ｕ＊ｄが制限処理部（リミッター）で制限された上限値または上限値近傍に張り付いて、過大な電流が流れ続ける虞があるという問題があった。
【００２１】
その結果、インバータに組み込まれている過電流保護回路が作動するとパワーコンディショナの動作が停止してしまい、作業員によるリセット操作がなされないと、パワーコンディショナが復帰できなくなるという問題があった。尚、過負荷時とは、主に誘導性負荷が接続されたときにコイルに突入電流が流れるようなときをいう。
【００２２】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、負荷電流を検出するためのセンサを備えることなく、また過負荷となるような状況でも特段の部品を設けることなく安定した出力電圧に制御可能な自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び自立運転制御方法を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
上述の目的を達成するため、本発明による自立運転制御装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれ、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数１】
2017138103.tif 000042
自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定部と、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御部とを備えている自立運転制御装置であって、前記帰還制御部は、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている点にある。
【００２４】
帰還制御部は、自立系統に所定電圧範囲の交流電圧を出力するべく、〔数１〕に示すように、負荷電流推定部によってインバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄを検出し、それら検出値に基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定し、検出した出力電圧ｅｓｄと推定した負荷電流ｉＬｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように制御する。従って、負荷電流を検出するための電流センサを備える必要が無く、そのための部品コストを低減できるようになる。尚、〔数１〕に示すｓはラプラス演算子（ラプラス変数）である。
【００２５】
このとき、出力電圧ｅｓｄ、負荷電流ｉｌｏａｄ、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄのそれぞれが直流バス電圧Ｖｄｃで正規化された正規化出力電圧ｘｓｄ、正規化負荷電流ｘｌｏａｄ、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに基づいて帰還演算されたデューティ比ｕ＊ｄが得られる。つまり、直流バス電圧Ｖｄｃが変動した場合でも、その変動した値を基準にデューティ比ｕ＊ｄが算出されるようになる。従って、特段の制限処理を掛けなくてもデューティ比ｕ＊ｄが上限値または上限値近傍に張り付くような事態の発生が効果的に抑制されるようになる。
【００２６】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数２】
2017138103.tif 000043
に基づいて制限されている点にある。
【００２７】
直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは大きな値になり、その結果、過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、ａ・（ｅ＊ｓｄ／Ｖｄｃ．ｉｎｉ）で正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｖｄｃ．ｉｎｉは自立運転開始直前の直流バス電圧であるので、高い値で且つ瞬停が生じない安定した値となる。また、係数ａは抑制レベルを調整するために用いられる係数である。
【００２８】
同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数３】
2017138103.tif 000044
に基づいて制限されている点にある。
【００２９】
直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化負荷電流ｘｌｏａｄは大きな値になり、その結果、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値が大きくなり過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、２ｂ・（Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘ）で正規化負荷電流ｘｌｏａｄの上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の抑制を通して、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄは定格出力電力であり、Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘは自立系統電圧指令値の最大値であるので、２Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘの値は定格出力電力を満たす最小電流値となる。また、係数ｂは抑制レベルを調整するために用いられる係数である。
【００３０】
同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記帰還制御部は、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御部と、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御部を備えている点にある。
【００３１】
交流電圧制御部によって正規化出力電圧ｘｓｄを正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するためインバータの正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖが、例えばＰＩＤ制御によって算出されて交流電流制御部に入力される。そして、交流電流制御部によって正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように、例えばＰＩＤ制御によってインバータのデューティ比ｕ＊ｄが算出される。当該デューティ比ｕ＊ｄでインバータが制御されることにより、自立系統に接続された負荷に流れる電流が変動するような場合でも、安定した出力電圧ｅｓｄに制御される。
【００３２】
同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記負荷電流推定部は、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている点にある。
【００３３】
正規化出力電流ｘｉｎｖとＬＣフィルタの正規化出力電圧ｘｓｄに基づいてＬＣフィルタのコンデンサに流れる正規化分岐電流ｘｃが推定され、正規化出力電流ｘｉｎｖから正規化分岐電流ｘｃが減算されて正規化負荷電流ｘｌｏａｄが算出される。
【００３４】
同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理部を備えている点にある。
【００３５】
自立系統に負荷が接続された瞬間に過大な負荷電流が流れたと推定値に基づいて判断できる場合に、第１エラー処理部によってインバータが停止制御され、インバータが保護される。例えばフルブリッジやハーフブリッジを備えた直流負荷に給電する場合に発生する数ｍｓｅｃ．内のスパイク状の大きなノイズ電流でインバータのスイッチング素子が破壊される虞のあるような場合、また例えば、通常は発生しえないような短絡事故に対処可能になる。
【００３６】
同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第六の特徴構成に加えて、前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理部を備えている点にある。
【００３７】
第１の所定時間の経過の後から第２の所定時間内に、定格出力電力より大きな値に設定された電力閾値を超えたと判断できる場合には、第２エラー処理部によってインバータが停止制御される。例えば、エアコンやクリーナ等の誘導性負荷に流れる突入電流による影響を回避してインバータを保護することができるようになる。
【００３８】
同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御部と、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御部とを備えた直流帰還制御部を備えている点にある。
【００３９】
太陽電池や燃料電池等の分散型電源にさらに蓄電池を組み込むことによりハイブリッド化し、蓄電池に接続された直流コンバータを制御することにより直流発電装置の発電電力の変動を抑制することで、自立系統にさらに安定な電力を供給することができるようになる。先ず、直流電圧制御部によって、直流バス電圧Ｖｄｃが所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持されるように直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴが帰還演算される。次に、直流期間制御部によって、出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて直流コンバータから直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴが帰還演算される。当該デューティ比ｄ＊ＢＡＴで直流コンバータがＰＷＭ制御される。
【００４０】
本発明によるパワーコンディショナの特徴構成は、同請求項９に記載した通り、入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流出力電圧に変換するインバータ及び前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え、上述した第一から第八の何れかの特徴構成を備えた自立運転制御装置により前記インバータの出力電圧が制御されるように構成されている点にある。
【００４１】
本発明による自立運転制御方法の第一の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、入力された直流バス電圧Ｖｄｃを交流電圧に変換するインバータと前記インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタを備え系統連系運転または自立運転可能に構成された分散型電源に組み込まれた自立運転制御装置により実行され、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖ及び出力電圧ｅｓｄに基づいて、以下の数式により、
【数４】
2017138103.tif 000045
自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定ステップと、前記出力電圧ｅｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄに基づいて前記インバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比で前記インバータをＰＷＭ制御する帰還制御ステップを備えている自立運転制御方法であって、前記帰還制御ステップは、前記出力電圧ｅｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び前記負荷電流ｉｌｏａｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、前記出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄで前記インバータをＰＷＭ制御するように構成されている点にある。
【００４２】
同第二の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、以下の数式
【数５】
2017138103.tif 000046
に基づいて制限される点にある。
【００４３】
同第三の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、以下の数式
【数６】
2017138103.tif 000047
に基づいて制限される点にある。
【００４４】
同第四の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記帰還制御ステップは、前記正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、前記インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御ステップと、前記正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて前記インバータから前記正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように前記インバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御ステップを備えている点にある。
【００４５】
同第五の特徴構成は、同請求項１４に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記負荷電流推定ステップは、前記インバータの出力電流ｉｉｎｖを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと前記正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて前記ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを前記直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、前記正規化出力電流ｘｉｎｖから前記正規化分岐電流ｘｃを減算することにより前記正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている点にある。
【００４６】
同第六の特徴構成は、同請求項１５に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、自立運転開始直後の第１の所定時間に前記負荷電流ｉｌｏａｄが前記インバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、前記インバータを停止制御する第１エラー処理ステップを備えている点にある。
【００４７】
同第七の特徴構成は、同請求項１６に記載した通り、上述の第六の特徴構成に加えて、前記第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、前記インバータを停止制御する第２エラー処理ステップを備えている点にある。
【００４８】
同第八の特徴構成は、同請求項１７に記載した通り、上述の第一から第七の何れかの特徴構成に加えて、前記分散型電源に蓄電池と前記蓄電池を充放電する直流コンバータがさらに設けられ、前記直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように前記直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算する直流電圧制御ステップと、前記出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと前記直流コンバータの出力電流ｉＢＡＴに基づいて前記直流コンバータから前記目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように帰還演算した前記直流コンバータのデューティ比ｄ＊ＢＡＴで前記直流コンバータをＰＷＭ制御する直流電流制御ステップとを備えた直流帰還制御ステップを備えている点にある。
【発明の効果】
【００４９】
以上説明した通り、本発明によれば、負荷電流を検出するためのセンサを備えることなく、また過負荷となるような状況でも特段の部品を設けることなく安定した出力電圧に制御可能な自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び自立運転制御方法を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、分散型電源の自立運転制御装置が適用される分散型電源の構成図である。
【図２】図２は、商用系統電源と分電盤と分散型電源との接続関係の説明図である。
【図３】図３は、自立運転制御装置の制御対象となるパワーコンディショナの回路説明図である。
【図４】図４は、従来の自立運転制御アルゴリズムの説明図である。
【図５】図５は、本発明による自立運転制御アルゴリズムの説明図である。
【図６】図６は、エラーチェック処理の説明図である。
【図７】図７は、別実施形態を示し、自立運転制御装置の制御対象となるパワーコンディショナの回路説明図である。
【図８】図８は、別実施形態を示し、蓄電池に接続された直流コンバータに対する自立運転制御アルゴリズムの説明図である。
【図９】図９（ａ）は、自立運転制御アルゴリズムの確認実験のパラメータ説明図であり、図９（ｂ）は自立系統に接続された負荷装置の説明図である。
【図１０】図１０は、自立運転制御アルゴリズムの実験結果の説明図である。
【図１１】図１１は、自立運転制御アルゴリズムの実験結果の説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００５１】
以下、本発明による自立運転制御装置、当該自立運転制御装置に組み込まれるパワーコンディショナ及び自立運転制御方法を図面に基づいて説明する。
【００５２】
図１には、分散型電源の一例である太陽光発電装置１が示されている。太陽光発電装置１は太陽電池パネルＳＰと、太陽電池パネルＳＰが接続されたパワーコンディショナＰＣを備えて構成されている。太陽電池パネルＳＰで発電された直流電力は直流遮断器６及びサージアブソーバ７を介してパワーコンディショナＰＣに供給される。
【００５３】
パワーコンディショナＰＣは、太陽電池パネルＳＰで発電された直流電圧を所定の直流リンク電圧Ｖｄｃに昇圧するＤＣ／ＤＣコンバータ２と、昇圧された直流リンク電圧Ｖｄｃを所定の交流電圧に変換するインバータ３と、インバータ３から出力される交流電圧から高調波を除去するＬＣフィルタ４と、ＤＣ／ＤＣコンバータ２及びインバータ３を制御する制御装置５等を備えている。
【００５４】
パワーコンディショナＰＣで変換された交流電力はサージアブソーバ８及び商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを介して商用系統電源１００と連系可能に構成され、商用系統電源１００に接続された構内負荷（ｌｏａｄ１）に給電されるようになる。商用系統電源１００から解列すると自立系統用リレーＳｓｔｄを介して接続された自立負荷（ｌｏａｄ２）に給電されるようになる。
【００５５】
パワーコンディショナＰＣの制御装置５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２の昇圧スイッチを制御するコンバータ制御部５ａと、インバータ３のブリッジを構成するスイッチを制御するインバータ制御部５ｂで構成され、それぞれマイクロコンピュータ及びメモリ素子や入出力素子等を含む周辺回路で構成されている。
【００５６】
コンバータ制御部５ａはＤＣ／ＤＣコンバータ２への入力電圧、入力電流、出力電圧をモニタして、太陽電池パネルＳＰを最大電力点で動作させるＭＰＰＴ制御等を実行しつつ、所定の出力電圧に昇圧制御するように動作する。
【００５７】
インバータ制御部５ｂは、商用系統連系時に商用系統電圧の位相に同期するようにインバータの出力電流を制御する電流制御ブロックと、解列時に自立系統に所定電圧の交流電力を給電する電圧制御ブロックと、系統連系時に単独運転状態か否かを検出する単独運転検出ブロック等の機能ブロックを備えている。電圧制御ブロックを含む制御装置５の一部の機能ブロックによって、本発明の自立運転制御装置が構成されている。
【００５８】
図２には、商用系統電源１００と太陽光発電装置１との接続関係が示されている。三本の架空線Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３で構成される高圧配電線によって６，６００Ｖの三相交流電力が送電され、需要家の近傍の配電柱に設置された柱上変圧器１０１に高圧配電線の内の１相分の２本の架空線Ｗ１，Ｗ３から電力が入力される。
【００５９】
柱上変圧器１０１で６，６００Ｖの電圧が２００Ｖの単相電圧に降圧され、２００Ｖの中間のタップが中性線として取り出され、片線と中性線との間で１００Ｖ、線間で２００Ｖの電圧が得られる。中性線は配電柱の近くで、中性線接地極と接続されて接地されている。
【００６０】
柱上変圧器１０１の出力が配電柱に架設された低圧配電線Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３に出力され、低圧引き込み線Ｎ１，Ｎ２，Ｎ３を経由して需要家の構内の分電盤１０２に構成された主回路１０４に主幹漏電遮断器１０３等を介して接続されている。低圧引き込み線には買電用電力量計Ｗｈ１と売電用電力量計Ｗｈ２が接続されている。
【００６１】
主回路１０４にはブレーカＣＢを介して給電線１０５が接続され、各給電線１０５から構内負荷ｌｏａｄ１に電力が供給されるように構成されている。太陽光発電装置１のパワーコンディショナＰＣの出力端子は商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを介して主回路１０４に接続可能に構成されるとともに、自立系統用リレーＳｓｔｄ及びブレーカＣＢを介して自立系統の給電線１０６に接続された自立負荷ｌｏａｄ２にも給電可能に構成されている。尚、自立系統用リレーＳｓｔｄ及びブレーカＣＢの設置場所は商用系統用の分電盤１０２に限るものではない。
【００６２】
本実施形態では、商用系統連系運転時にＡＣ２００Ｖの単相三線式の交流電圧が出力され、自立運転時にＡＣ１００Ｖの単相交流電圧が出力されるパワーコンディショナＰＣを例に説明するが、自立運転時にＡＣ２００Ｖの単相三線式の交流電圧が出力されるようなパワーコンディショナＰＣであってもよい。
【００６３】
インバータ制御部５ｂの電流制御ブロックは、商用系統連系運転時に商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを閉成して系統電圧の位相に同期するようにインバータの出力電流を制御し、単独運転検出ブロックによって単独運転状態が検知されると、商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄを開成して系統から解列する。
【００６４】
図１に戻って説明を続ける。インバータ制御部５ｂに備えた単独運転検出ブロックによって単独運転状態が検知され、商用系統連系用リレーＳｇｒｉｄが開成されると、自立運転制御装置として機能する電圧制御ブロックは、自立系統用リレーＳｓｔｄを閉成して自立系統にＡＣ１００Ｖ（正確には、ＡＣ１０１±６Ｖ）の交流電圧を出力する。
【００６５】
パワーコンディショナ２から自立系統に接続された負荷Ｌｏａｄ２への給電時に、負荷電流の変動に起因して出力電圧がＡＣ１０１±６Ｖの範囲から逸脱すると、負荷Ｌｏａｄ２が安定的に動作することができなくなる。
【００６６】
そこで、自立運転制御装置は、負荷電流の変動に関わらず、安定した出力電圧が得られるようにインバータ３を制御する。以下に詳述する。
【００６７】
図３には、自立運転制御装置５０と、太陽電池パネルＳＰを発電する昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａ、インバータ３及びＬＣフィルタ４の等価回路が示されている。図３より、太陽電池パネルＳＰの自然エネルギーを活用するために，昇圧用ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａは常に最大出力電力制御（ＭＰＰＴ制御）、または，ＣＶモード制御が行なわれている。
【００６８】
図３に示す符号ＶＰＶは太陽電池パネルＳＰの入力電圧、ｉＰＶは太陽電池パネルＳＰの出力電流、Ｖｄｃは直流リンク電圧、Ｃｄｃは直流リンク電圧用の電解コンデンサ、Ｓ１〜Ｓ４はインバータ３のスイッチング素子、ｅｉｎｖはインバータ３の出力電圧、ｉｉｎｖはインバータ３の出力電流、ＬｆとＣｆはＬＣフィルタ、ＲｆはインダクタＬｆの内部抵抗、Ｒｃは交流側のコンデンサＣｆの内部抵抗、ｅｓｄは自立運転時のＬＣフィルタ４の出力電圧、ｉｃは交流側のコンデンサＣｆに流れる電流、ｉｌｏａｄは負荷電流、Ｒｌｏａｄは交流負荷を示す。コンデンサとしてフィルムコンデンサが好適に用いられるがフィルムコンデンサに限るものではない。
【００６９】
キルヒホッフの電圧則に基づいて〔数７〕が、またキルヒホッフの電流則に基づいて〔数８〕が導かれる。ここで，ｕｄは単相インバータ出力のＰＷＭのデューティである。
【数７】
2017138103.tif 000048
【数８】
2017138103.tif 000049
【００７０】
〔数８〕の電流を指令値で表すと〔数９〕が成り立つ。
【数９】
2017138103.tif 000050
また〔数８〕の負荷電流ｉｌｏａｄは〔数１０〕から求める。ここで、ｉｃはＬＣフィルタ４を構成するコンデンサＣｆに流れる電流である。また、ｉｃは〔数１１〕に示すように、コンデンサＣｆ、内部抵抗Ｒｃ及び自立運転の出力電圧ｅｓｄから推定できる。
【００７１】
【数１０】
2017138103.tif 000051
【数１１】
2017138103.tif 000052
また、〔数７〕を指令値で表すと〔数１２〕になる。
【数１２】
2017138103.tif 000053
【００７２】
つまり、負荷電流ｉｌｏａｄを検出するための電流センサを設けなくても、インバータ３の出力電流ｉｉｎｖと、ＬＣフィルタ４の出力電圧ｅｓｄを検出すれば、〔数１１〕に基づいてそれらの値からコンデンサＣｆに流れる電流ｉｃを推定することができ、その推定値に基づいて負荷電流ｉｌｏａｄが求まる。尚、〔数１１〕に示すｓはラプラス演算子（ラプラス変数）である。
【００７３】
自立運転制御装置５０は、上述した負荷電流ｉｌｏａｄの推定値に基づいて、自立運転時のインバータ３の出力電圧を制御するように構成されている。
【００７４】
図４には、自立運転制御装置５０により実行される従来の電圧制御アルゴリズム（特許文献３に開示されたアルゴリズム）のフローが示されている。自立運転制御装置５０は、負荷電流推定部５１，５２と、帰還制御部５３，５４，５５を備えている。
【００７５】
負荷電流推定部５１，５２は、インバータ３の出力電流ｉｉｎｖとＬＣフィルタ４の出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定するブロックである。
【００７６】
帰還制御部５３，５４，５５は、出力電圧ｅｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータか３ら負荷に出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるようにフィードバック制御するブロックである。
【００７７】
具体的に、帰還制御部５３，５４，５５は、出力電圧ｅｓｄを所定の出力電圧指令値ｅ＊ｓｄに維持するように帰還演算してインバータ３の出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを算出する交流電圧制御部５３と、算出された出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖと出力電流ｉｉｎｖと負荷電流ｉＬｏａｄに基づいてインバータ３から負荷に出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算してインバータのデューティｕ＊ｄを算出する交流電流制御部５４，５５で構成されている。
【００７８】
帰還演算としてＰＩＤ演算を好適に用いることができ、交流電圧制御部５３では、出力電圧ｅｓｄと出力電圧指令値ｅ＊ｓｄとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数として出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを設定することができる。
【００７９】
また、交流電流制御部５４では、出力電流ｉｉｎｖと出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数としてデューティｕ＊ｄを設定することができ、この時に推定された負荷電流ｉｌｏａｄを外乱として取扱い、その大きさ位に応じて比例ゲインＫｉｐを可変に設定することにより、制御の応答性を向上させることができる。尚、上述の何れの場合もＰＩＤ制御は、比例制御のみならず微分制御や積分制御を組み合わせて構成することも可能である。
【００８０】
インバータ３の出力電圧ｅｉｎｖは、〔数７〕及び〔数１２〕からｅｉｎｖ＝ｕ＊ｄ・Ｖｄｃとなるので、交流電流制御部５４の出力を直流バス電圧Ｖｄｃで除すことにより得られるデューティ比ｕ＊ｄが最終の制御値としてＰＷＭ制御部５７に入力され、インバータ３のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４がＰＷＭ制御され、ＬＣフィルタ４を介して高調波ノイズが除去された交流電圧が出力される。尚、実際には交流電流制御部５４の出力を直流バス電圧Ｖｄｃで除した値が−１＜ｕ＊ｄ＜１の範囲に入るように制限処理するリミッター５６が設けられている。
【００８１】
既に説明したが、自立運転の開始時にエアコンやクリーナ等の誘導性の負荷に突入電流が流れて過負荷になり、太陽電池からの発電電力の供給が間に合わないと、直流バス電圧Ｖｄｃに接続された電解コンデンサから先に負荷側に放電されて、直流バス電圧Ｖｄｃが一瞬低下する場合がある。
【００８２】
このとき、負荷電流推定部５１，５２により求めたコンデンサＣｆに流れる分岐電流ｉｃが低下し、それに伴って負荷電流ｉｌｏａｄの推定値が一瞬上昇することになる。その結果、算出されたデューティ比ｕ＊ｄが制限処理で制限された上限値または上限値近傍に張り付いて、過大な電流が流れ続ける虞がある。
【００８３】
図５には、その対策が講じられた本発明の自立運転制御装置５０Ａが示されている。自立運転制御装置５０Ａに備えた帰還制御部５３Ａ，５４Ａは、出力電圧ｅｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄでインバータをＰＷＭ制御するように構成されている。
【００８４】
〔数１３〕には、正規化のための演算式が示され、〔数１４〕には、正規化後のキルヒホッフの電圧則が示されている。
【数１３】
2017138103.tif 000054
【数１４】
2017138103.tif 000055
【００８５】
このように構成すれば、出力電圧ｅｓｄ、負荷電流ｉｌｏａｄ、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄのそれぞれが直流バス電圧Ｖｄｃで正規化された正規化出力電圧ｘｓｄ、正規化負荷電流ｘｌｏａｄ、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに基づいて帰還演算されたデューティ比ｕ＊ｄが得られる。つまり、直流バス電圧Ｖｄｃが変動する場合でも、その変動した値を基準にデューティ比ｕ＊ｄが算出されるようになるので、特段の制限処理を掛けなくてもデューティ比ｕ＊ｄが上限値または上限値近傍に張り付くような事態の発生が効果的に抑制されるようになる。
【００８６】
具体的に、帰還制御部は、正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算する交流電圧制御部５３Ａと、正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖとインバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるようにインバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算する交流電流制御部５４Ａを備えている。
【００８７】
負荷電流推定部５１Ａ，５２Ａは、インバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化出力電圧ｘｓｄに基づいて、ＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、正規化出力電流ｘｉｎｖから正規化分岐電流ｘｃを減算することにより正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている。
【００８８】
交流電圧制御部５３Ａによって、例えばＰＩＤ制御演算が行なわれ、正規化出力電圧ｘｓｄを正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するためインバータの正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖが求められ、当該正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖが交流電流制御部５４Ａに入力される。
【００８９】
交流電流制御部５４Ａによって、例えばＰＩＤ制御演算が行なわれ、正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖと正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるデューティ比ｕ＊ｄが算出される。
【００９０】
そして、ＰＷＭ制御部５７によって当該デューティ比ｕ＊ｄでインバータが制御される。その結果、自立系統に接続された負荷に流れる電流が大きく変動する過負荷時でも、安定した出力電圧ｅｓｄに制御される。尚、帰還演算の基本アルゴリズムは図４を用いた説明と同じでＰＩＤ演算を好適に用いることができる。
【００９１】
交流電圧制御部５３Ａでは、正規化出力電圧ｘｓｄと正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数として正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを設定することができる。
【００９２】
また、交流電流制御部５４Ａでは、正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖとの差分（偏差）に比例ゲインＫｉｐを乗ずる一次関数としてデューティｕ＊ｄを設定することができ、この時に推定された正規化負荷電流ｘｌｏａｄを外乱として取扱い、その大きさ位に応じて比例ゲインＫｉｐを可変に設定することにより、制御の応答性を向上させることができる。
【００９３】
交流電圧制御部５３Ａでは、〔数１５〕に従って、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが制限されるように構成されていることが好ましい。〔数１５〕の係数ａは１≦ａ≦２の実数であり、Ｖｄｃ．ｉｎｉは自立運転開始直前の直流バス電圧である。
【数１５】
2017138103.tif 000056
【００９４】
直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは大きな値になり、その結果、過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、ａ・（ｅ＊ｓｄ／Ｖｄｃ．ｉｎｉ）で正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｖｄｃ．ｉｎｉは自立運転開始直前の直流バス電圧であるので、高い値で且つ瞬停が生じない安定した値となる。また、係数ａは抑制レベルを調整するために用いられる係数であり、本実施形態ではａ＝１．１に設定されている。
【００９５】
交流電流制御部５４Ａでは、〔数１６〕に従って、正規化負荷電流ｘｌｏａｄが制限されるように構成されていることが好ましい。〔数１６〕の係数ｂは１≦ｂ≦２の実数であり、Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄは定格出力電力、Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘは自立系統電圧指令値の最大値である。
【数１６】
2017138103.tif 000057
【００９６】
上述と同様に、直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間に低下すると正規化負荷電流ｘｌｏａｄは大きな値になり、その結果、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値が大きくなり過電流が発生する虞がある。しかし、そのような場合に備えて、２ｂ・（Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘ）で正規化負荷電流ｘｌｏａｄの上限を規定することにより、仮に直流バス電圧Ｖｄｃが瞬間的に大きく低下するようなイレギュラーな状況であっても、正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄの指令値の抑制を通して、過電流の発生を効果的に抑制することができるようになる。尚、Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄは定格出力電力であり、Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘは自立系統電圧指令値の最大値であるので、２Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄ／Ｅ＊ｓｄ．ｍａｘの値は定格出力電力を満たす最小電流値となる。また、係数ｂは抑制レベルを調整するために用いられる係数であり、本実施形態ではｂ＝２に設定されている。
【００９７】
図６に示すように、自立運転制御装置５０Ａには、自立運転開始直後の第１の所定時間Ｔ１（本実施形態では１〜２ｍｓｅｃ．）に負荷電流ｉｌｏａｄがインバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、インバータを停止制御する第１エラー処理部を備えている。
【００９８】
さらに自立運転制御装置５０Ａには、第１の所定時間Ｔ１経過後の第２の所定時間Ｔ２に定格出力電力Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄを上回る電力閾値ｋ・Ｐｓｄ．ｒａｔｅｄを超えると、インバータを停止制御する第２エラー処理部を備えている。係数ｋは１．５≦ｋ≦２の実数である。
【００９９】
第１エラー処理部及び第２エラー処理部は自立運転制御装置５０Ａに備えていればよく、帰還制御部５３Ａ，５４Ａに組み込まれていてもよい。
【０１００】
自立系統に負荷が接続された瞬間に過剰な負荷電流が流れたと推定値に基づいて判断できる場合に、第１エラー処理部によってインバータが停止制御され、インバータが保護される。
【０１０１】
例えばフルブリッジやハーフブリッジの整流器を備えた直流負荷に給電する場合に発生する数ｍｓｅｃ．内のスパイク状の大きなノイズ電流でインバータのスイッチング素子が破壊される虞のあるような場合、また例えば、通常は発生しえないような短絡事故に対処可能になる。第１の所定時間は１０ｍｓｅｃ．以内で適宜設定可能である。
【０１０２】
第１の所定時間の経過の後から第２の所定時間内に、定格出力電力より大きな値に設定された電力閾値を超えたと判断できる場合には、第２エラー処理部によってインバータが停止制御される。
【０１０３】
例えば、エアコンやクリーナ等の誘導性負荷に流れる突入電流による影響を回避してインバータを保護することができるようになる。
【０１０４】
図７に示すように、分散型電源１にリチウムイオン電池のような蓄電池ＢＡＴがさらに設けられ、パワーコンディショナＰＣに蓄電池ＢＡＴを充放電する双方向の昇降圧ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ｂ（以下、単に「直流コンバータ２Ｂ」とも表記する。）及び直流コンバータ２Ｂを制御するコンバータ制御部が設けられていることが好ましい。
【０１０５】
太陽電池パネルＳＰの発電電力が変動して、ＤＣ／ＤＣコンバータ２Ａの出力電圧が変動する場合であっても直流コンバータ２Ｂによって直流バス電圧Ｖｄｃを安定させることができる。
【０１０６】
図８に示すように、自立運転制御装置５０に組み込まれたコンバータ制御部６０には、直流電圧制御部６１と直流電流制御部６２，６３を備えた直流帰還制御部と、直流コンバータ２ＢのスイッチＳＢＡＴを制御するＰＷＭ制御部６４を備えている。
【０１０７】
直流電圧制御部６１は、直流バス電圧Ｖｄｃを所定の目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃに維持するように直流コンバータの出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴを帰還演算するように構成されている。
【０１０８】
直流電流制御部６２，６３は、出力電流指令値ｉ＊ＢＡＴと直流コンバータ２Ｂの出力電流ｉＢＡＴに基づいて直流コンバータ２Ｂから目標直流バス電圧指令値Ｖ＊ｄｃが出力されるように制御値Ｖｄｃ・ｄ＊ＢＡＴを帰還演算し、制御値を直流バス電圧Ｖｄｃで除することによりＰＷＭ制御のためのデューティ比ｄ＊ＢＡＴを算出するように構成されている。
【０１０９】
上述の自立運転制御装置５０によって、インバータの出力電流ｉｉｎｖとＬＣフィルタの出力電圧ｅｓｄに基づいて自立系統に供給される負荷電流ｉｌｏａｄを推定する負荷電流推定ステップと、出力電圧ｅｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄに基づいてインバータから出力電圧指令値ｅ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比でインバータをＰＷＭ制御する帰還制御ステップを備えた自立運転制御方法が実行される。
【０１１０】
そして、帰還制御ステップは、出力電圧ｅｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧ｘｓｄ及び負荷電流ｉｌｏａｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいて、出力電圧指令値ｅ＊ｓｄを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるように帰還演算したデューティ比ｕ＊ｄでインバータをＰＷＭ制御するように構成されている。
【０１１１】
正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄは、係数をａ（ａは１≦ａ≦２の実数）、自立運転開始直前の直流バス電圧をＶｄｃ．ｉｎｉとして、上述の〔数１５〕に基づいて制限されるように構成されている。
【０１１２】
また、正規化負荷電流ｘｌｏａｄは、係数をｂ（ｂは１≦ｂ≦２の実数）、定格出力電力をＰｓｄ．ｒａｔｅｄ、自立系統電圧指令値の最大値をＥ＊ｓｄ．ｍａｘとして、上述の〔数１６〕に基づいて制限されるように構成されている。
【０１１３】
帰還制御ステップは、交流電圧制御ステップと交流電流制御ステップを備えている。
交流電圧制御ステップは、正規化出力電圧ｘｓｄを所定の正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄに維持するように、インバータの出力電流指令値ｉ＊ｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖを帰還演算するように構成されている。
【０１１４】
交流電流制御ステップは、正規化出力電流指令値ｘ＊ｉｎｖとインバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化負荷電流ｘｌｏａｄに基づいてインバータから正規化出力電圧指令値ｘ＊ｓｄが出力されるようにインバータのデューティ比ｕ＊ｄを帰還演算するように構成されている。
【０１１５】
また、負荷電流推定ステップは、インバータの出力電流ｉｉｎｖを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化出力電流ｘｉｎｖと正規化出力電圧ｘｓｄに基づいてＬＣフィルタのコンデンサに流れる分岐電流ｉｃを直流バス電圧Ｖｄｃで正規化した正規化分岐電流ｘｃを推定し、正規化出力電流ｘｉｎｖから正規化分岐電流ｘｃを減算することにより正規化負荷電流ｘｌｏａｄを算出するように構成されている。
【０１１６】
さらに、自立運転開始直後の第１の所定時間に負荷電流ｉｌｏａｄがインバータのスイッチング素子の最大電流Ｉｍａｘを超えると、インバータを停止制御する第１エラー処理ステップを備え、第１の所定時間経過後の第２の所定時間に定格出力電力を上回る電力閾値を超えると、インバータを停止制御する第２エラー処理ステップを備えている。
【０１１７】
図１０には、上述の自立運転制御方法を採用し、過負荷となる場合の出力電圧の制御特性を評価する実験の結果が示されている。図９（ａ）には、当該実験時の回路パラメータの設定値が示されている。図９（ｂ）には、自立運転時の制御方式の性能を確認するために用いた家庭負荷のリストが示されている。
【０１１８】
図１０には、図９（ｂ）の負荷条件１，２，３に給電した実験結果が示されている。自立系統電圧を供給する瞬間に、家庭用の掃除機及び２台のドライヤを駆動した場合に、負荷電流ｉｌｏａｄが制限されると同時に自立系統電圧ｅｓｄの振幅値も抑制されていることが確認された。その後、全ての家庭負荷を駆動するための負荷電流が抑制されると同時に自立系統電圧も抑制された後に徐々に復帰することが確認された。この時、過電流エラーを検出することはなかった。
【０１１９】
図１１には、図９（ｂ）の負荷条件４（冷蔵庫）のみの実験結果が示されている。負荷条件４は、冷蔵庫のコンプレッサーを駆動するために、約０．８秒間で、２０００Ｗ以上の出力電力を供給する必要であることを確認した。また、最大出力電力は約２５００Ｗであることを確認した。本発明の制御方式および２段階のエラー処理を用いると、冷蔵庫のようなモータ負荷装置に対応できることが示されている。また、起動後、定常状態で約４００Ｗを消費していることを確認した。
【０１２０】
以上説明した実施形態は、本発明による分散型電源の自立運転制御装置、パワーコンディショナ及び自立運転制御方法の一例に過ぎず、該記載により本発明の技術的範囲が限定されるものではなく、本発明の作用効果が奏される限り、具体的な制御アルゴリズムは制御のためのハードウェア構成等は適宜変更設計可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【０１２１】
１：分散型電源
２：ＤＣ／ＤＣコンバータ
３：インバータ
４：ＬＣフィルタ
５０：自立運転制御装置
５１，５２：負荷電流推定部
５３：交流出力電圧制御部
５４：交流出力電流制御部
１００：商用系統電源
ＰＣ：パワーコンディショナ
ＳＰ：太陽電池パネル
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４：インバータブリッジに備えたスイッチング素子
ＳＰＶ：太陽電池パネル用のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子
ＳＢＡＴ：直電池用の双方向ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子
【国際調査報告】
2017138103.tif 000058
2017138103.tif 000059