(57)【要約】【課題】  直流電圧一定制御の複数の電力変換装置の並列運転において、上位装置を必要とせず、各電力変換装置の負荷分担が調整可能となる発電システムを提供することを目的とする。【解決手段】  直流電源に接続されて、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置が並列に接続される発電システムであって、電力変換装置は、直流電圧部の検出値と外部からの指令電圧との差分に基づいて出力電圧を制御し、差分を積分することなしに差分に比例した出力を行うように構成する。【選択図】図１
2018068054.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続されて、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置が並列に接続される発電システムであって、
前記電力変換装置は、直流電圧部の検出値と外部からの指令電圧との差分に基づいて出力電圧を制御し、前記差分を積分することなしに前記差分に比例した出力を行うことを特徴とする発電システム。
【請求項２】
請求項１に記載の発電システムであって、
前記電力変換装置は直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部を有し、該有効電力指令演算部は、前記直流電圧部の検出値と前記外部からの指令電圧との差分を減算器で算出し、該差分を比例演算器でKp倍して前記差分に比例した出力として有効電力指令を出力することを特徴とする発電システム。
【請求項３】
請求項１に記載の発電システムであって、
前記電力変換装置は直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部を有し、該有効電力指令演算部は、比例積分補償器の積分係数を０として演算することを特徴とする発電システム。
【請求項４】
請求項１から３の何れか１項に記載の発電システムであって、
前記直流電源は直流発電設備または蓄電池であることを特徴とする発電システム。
【請求項５】
請求項１から３の何れか１項に記載の発電システムであって、
前記複数の電力変換装置のそれぞれは、分担する直流電力を交流電力に変換し電力系統へ出力することを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置が並列に接続される発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば分散型電源などから得られる直流電力を電力系統へ出力したい場合には電力変換装置が利用される。この場合の制御としては、通常は直流電圧を一定値に保つ直流電圧一定制御が利用されている。分散型電源の出力電力定格に対して電力変換装置の定格電力が小さい場合、複数台の電力変換装置を並べて運転する方法がある。マスター／スレーブ方式でPWM信号を分配等を行う場合は、単機運転では不要なマスター機からスレーブ機への信号を必要とする。一方、単機運転と同じ運転方法にて複数台の並列運転を行った場合、並列運転を行う電力変換装置間の負荷の分担が問題となる。
【０００３】
本技術分野の背景技術として、特開２０１５−３３１７８号公報（特許文献１）がある。特許文献１には、課題として、複数台を並列接続して運転する場合において、個々の装置の出力特性を独立に設定できる電源装置を提供することとして、その解決手段として、端子Ｐ１において入出力される交流電流Ｉａｃと端子Ｐ２の電圧Ｖｄｃ（直流バス７の電圧）とが所定の関数によって規定された関係を持つように電力変換部１１が制御され、この所定の関数が制御信号Ｓｃに応じて変更される、と記載されている。そのため、複数の電源装置１０を並列接続して運転する場合において、個々の電源装置１０の出力特性を独立に設定することができる、と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１５−３３１７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記特許文献１では、直流電圧一定制御の並列運転において、ホストコンピュータ（上位装置）などから入力される制御信号Ｓｃに応じ交流電流と直流電圧の関係を変更することで、各装置の負荷の大きさを任意に設定可能としている。しかしながら、負荷の特性を決定する制御信号Ｓｃとこの信号を出力する上位装置が必要となる。この制御信号Ｓｃと上位装置は、単機運転では不要な構成要素であり並列運転にあたってシステムを複雑にしている。また、制御部についてはPI制御部への電圧指令入力を決定するための目標電圧設定部を別途必要としているという問題があった。
【０００６】
そこで、本発明は、直流電圧一定制御の複数の電力変換装置の並列運転において、上位装置を必要とせず、各電力変換装置の負荷分担が調整可能となる発電システム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】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げるならば、直流電源に接続されて、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置が並列に接続される発電システムであって、電力変換装置は、直流電圧部の検出値と外部からの指令電圧との差分に基づいて出力電圧を制御し、差分を積分することなしに差分に比例した出力を行うように構成する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、上位装置を必要とせず、直流電圧一定制御にて複数の電力変換装置を並列運転した場合の各電力変換装置の負荷分担が調整可能となる発電システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施例における電力変換装置の並列運転を利用する発電システムの構成例である。
【図２】実施例における電力変換装置の電力制御系の構成例である。
【図３】実施例における主回路直流電圧と有効電力との関係を示す図である。
【図４】実施例における２台並列運転における主回路直流電圧と有効電力との関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
【実施例】
【００１１】
図１は、本実施例における電力変換装置の並列運転を利用する発電システムの構成例であり、発電機コントローラ２００と複数の電力変換装置１００が直流部を共通として接続されている。
【００１２】
図１において、まず、主要な構成要素である電力変換装置１００、発電機コントローラ２００、発電機３００の発電時の動作を説明する。
【００１３】
発電時は、水力や風力などを水車やタービンなどに作用させて発電機３００のロータを回転させる。発電機３００はロータが回転することで交流の発電電力を得る。この発電された交流電力は発電機コントローラ２００にて直流電力に変換される。この直流電力は、並列運転する複数の電力変換装置１００が共有する直流部に入力される。各電力変換装置１００は分担する直流電力を交流電力に変換し電力系統４００へ出力する。
【００１４】
ここで、発電機３００と発電機コントローラ２００は直流電源として機能し、直流電力を入出力するものであれば、誘導電動機を利用したものでも永久磁石電動機を利用したものでもよい。或いは、一般の分散型電源の直流電力でも可能である。また、蓄電池等であっても利用可能である。また、電力変換装置と直流電力の供給源との間にDC−DCコンバータ等が存在してもよい。
【００１５】
また、電力系統４００は交流電力を入出力するものであれば応用可能である。例えば、自立運転している発電機やパワーコンディショナなどでもよい。また、交流出力側に負荷が接続されていてもよい。
【００１６】
次に、電力変換装置１００の動作を説明する。電力変換装置１００は主回路部９９とソフトウェア演算部９８を有する。
【００１７】
主回路部９９は、インバータ回路１、主回路フィルタ２、絶縁トランス３、主回路平滑コンデンサ４、交流電流センサ１１、交流電圧センサ１２、直流電圧センサ１３を有する。発電機コントローラ２００が出力した電力は主回路平滑コンデンサ４へ入力される。インバータ回路１は主回路平滑コンデンサ４へ入力された直流電力を交流電力へ変換する。この交流電力は主回路フィルタ２と絶縁トランス３を経由して電力系統４００へ出力される。主回路フィルタ２は、キャパシタとリアクトルで構成され、電流に含まれる高周波リップルを抑制する。絶縁トランス３は直流分が流出することを防ぐとともに、本実施例では並列運転される各電力変換装置の交流側を絶縁する。また、交流電流センサ１１、交流電圧センサ１２、直流電圧センサ１３は、それぞれ、インバータ回路１の交流側出力電流、電力系統４００との接続点との電圧、主回路平滑コンデンサ４の電圧を計測し、Ａ／Ｄ変換器にてデジタル値に変換し、マイクロコントローラなどに実装されているソフトウェア演算部９８へ出力する。
【００１８】
次にソフトウェア演算部９８の動作を説明する。直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部９７は、直流電圧の指令値Vdc_refと実際の検出値Vdc_fを入力として有効電力指令を出力する。具体的には直流電圧の指令値Vdc_refとフィードバックされる検出値Vdc_fとの差分を減算器２１で算出し、比例演算器２２でKp倍して有効電力指令（Pref）とする。
【００１９】
電力制御系７０はこの有効電力指令（Pref）と別途与えられる無効電力（Qref）、交流電流検出値（Iac_f）、交流電圧検出値（Vac_f）を入力とし交流電圧指令（Vac_ref）を出力する。電力制御系７０の動作は後述する。交流電圧指令（Vac_ref）はＰＷＭ生成器８０に入力される。ＰＷＭ生成器８０はインバータ回路１を構成する６つの素子のON／OFF信号を出力する。
【００２０】
なお、無効電力（Qref）の値は本実施例の直流電圧一定制御の動作に直接影響を与えることはなく任意に決定できる。例えば、電力会社の電力系統と連系する場合によく行われるように、系統の電圧上昇の抑制や力率の調整の目的で使用することも可能である。特に必要がなければ、値を０として運転することもできる。
【００２１】
図２は、図１に含まれる電力制御系７０の構成例である。図２において、入力された交流電圧Vac_fは三相各相の電圧瞬時値を持つ。このVac_fの三相電圧瞬時値は、ｄｑ変換３０でｄｑ座標系への値Vd_fとVq_fへ変換される。ｄｑ座標系は電力系統４００の電圧の位相θにあわせて回転する座標系であり、結果、ｄｑ座標系の電圧成分は時間に対して変化せず、この例ではVd_fが0、Vq_fが電圧振幅に一致する。電力系統４００の電圧位相θはＰＬＬ処理６０で演算される。交流電流（Iac_f）は三相各相の電流瞬時値を持つ。電圧位相θでｄｑ変換されて直流座標系上の無効電流（Id_f）と有効電流（Iq_f）となる。有効電力指令（Pref）と無効電力指令（Qref）とは振幅に一致するVqで除すことでそれぞれ有効電流指令(Iq_ref)、無効電流指令(Id_ref)となる。前記の無効電流（Id_f）、有効電流（Iq_f）、有効電流指令(Iq_ref)、無効電流指令(Iq_ref)はｄｑ軸電流制御処理５０に入力される。
【００２２】
ｄｑ軸電流制御処理５０はｄｑ軸それぞれで指令値と検出値を比較し差分を比例積分することで、ｄ軸の電圧指令とｑ軸の電圧指令を得る。または非干渉制御等を行った上で両軸の電圧指令を得てもよい。
【００２３】
ｄｑ軸電流制御処理５０の出力のd軸成分とq軸成分のそれぞれにVd_fとVq_fを加算することで、ｄｑ軸上の出力電圧指令値Vd_refとVq_refを得る。これを逆ｄｑ変換３１へ入力することで三相の瞬時交流電圧指令値Vac_refを得る。この逆ｄｑ変換３１は図２に示すように検出した電圧位相θで行ってもよいし、各種位相遅れ補償の目的で△θ分をずらした、θ’(＝θ＋△θ)で変換してもよい。この交流電圧指令値（Vac_ref）をＰＷＭ生成器に入力しキャリア波と比較することで６つのPWMスイッチング信号を得る。
【００２４】
次に、本実施例における直流電圧制御の実際の動作を説明する。図３は、図１に示す実施例における主回路直流電圧と有効電力との関係を示す図である。有効電力は電力変換装置１００の交流側の出力電力で系統側へ発電する方向を正としている。電力変換装置１００の直流側の電力については変換によるロス分だけ変化する。発電設備が発電している場合、直流電圧の実電圧は指令値（Vdc_ref）よりも高くなる。一方、例えば、蓄電池などの用途で電力を消費している場合、直流電圧の実電圧は指令値（Vdc_ref）よりも低くなる。有効電力が０の場合、直流電圧の実電圧は直流電圧指令値（Vdc_ref）に等しい。この電力変換器の負荷Pにおける直流電圧の指令値と実電圧の差eの関係は直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部９７にて決定され、下記の式（１）で表現される。ここで有効電力指令と実際の有効電力が一致していることを仮定しているが、本仮定は過渡的な場合などを除き通常の運転時は成立している。
【００２５】
【数１】
2018068054.tif 000003
【００２６】
結果、単機運転の場合、指令電圧からのずれ（差e）は図３に示すグラフで表すことができる。このずれは比例定数Kpに反比例するので、比例定数Kpを大きくとることで小さな値に抑えることが可能である。直流電圧が指令値からずれることについては、一般的に使われている電力変換機の直流電圧はそもそも一定の電圧範囲での運転が考慮されており通常問題にならない。
【００２７】
次にN台で並列運転を構成した場合を考える。N台の電圧指令値は同じ値とする。式（１）の電力Pとして各機が分担する電力を考えると複数台運転時も各機毎に式（１）が成立する。P1，P2，…PNを直流部から各電力変換器へ入力される電力、Pを発電機コントローラ２００から直流部へ出力する電力とすると、直流部に流入する電力の合計が０となることから式（２）が成立する。
【００２８】
【数２】
2018068054.tif 000004
【００２９】
ここで、N台の電力変換器は直流電圧を共有しており、指令値と実際の値のずれeは共通となる。よって、各機で分担される電力は各機の比例定数に比例する。即ち、各機の比例定数をKp1，Kp2，…，KpNとすると、各電力分担、P1，P2，…，PNは、式（３）で表される。
【００３０】
【数３】
2018068054.tif 000005
【００３１】
式（３）を式（２）に代入することで下記の式（４）が成立する。
【００３２】
【数４】
2018068054.tif 000006
【００３３】
簡単のため台数が２台でそれぞれの比例定数がKp1，Kp2の場合を考える。図４に、２台並列運転における主回路直流電圧と有効電力との関係を示す。２台の場合の負荷の分担は図４に示すようになる。２台の場合の誤差e（ずれ）は、式（４）から式（５）のように求まる。
【００３４】
【数５】
2018068054.tif 000007
【００３５】
また、この時の負荷P1とP2は式（５）を各機の比例定数にて表現された式（１）に代入することで得られ、式（６）で表される。
【００３６】
【数６】
2018068054.tif 000008
【００３７】
また同様に、簡単のためにN台の比例定数Kp1，Kp2…KpNがすべてKpで同一の場合を考える。式（４）より誤差eは式（７）で表現できる。
【００３８】
【数７】
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【００３９】
これを式（１）に代入することで各号機の負荷が求められ、この場合すべて同一のP/Nとなる。上記で示すように各電力変換器のKpの値を設定することで負荷の分担量を調整できる。
【００４０】
次に、電力変換器の直流電圧の検出においてそれぞれ固有の検出誤差が発生している場合を考える。
【００４１】
まず、従来の積分項を含むPI制御では複数台運転が困難なことを説明する。直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部に積分項が存在した場合は小さな偏差でも積分されることで出力が変化していく。よって、当該指令演算部の出力は入力される指令値とフィードバック値が一致しなければ一定とならない。単機運転であれば、直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部の指令値に対して実直流電圧がちょうど誤差分ずれた場合に偏差が０となり有効電力指令値は一定の値に収束する。
【００４２】
一方、複数台運転の場合、一般的に検出誤差は各電力変換装置で一致しない。そのため、あるひとつの電力変換装置において指令値とフィードバック値の偏差が０となった場合であっても、他の電力変換装では偏差が残っており、出力が変化していく。結果、全ての電力変換装置の指令値とフィードバック値の偏差が０となることはなく、ある一定の負荷分担で安定に動作しない。よって、積分項を含んだ状態で電力変換機を並列運転するのは困難となる。
【００４３】
次に、積分項を含まない本実施例の場合の挙動を説明する。簡単のために並列台数Nを2、比例定数をともにKp、１台目と２台目の直流電圧検出誤差をE1とE2とする。また、直流電圧の指令値V_refに対して実電圧Vdc_fになったとし、その差をe(＝V_ref−Vdc_f)とおく。各電力変換装置が検出するフィードバック電圧はそれぞれ上記の誤差を含むのでVdc_f＋E1とVdc_f＋E2となる。このとき、各電力変換装置におけるソフトウェア演算部９８内の偏差はそれぞれ、e−E1とe−E2なので、それぞれの出力P1，P2は式（８）で表される。
【００４４】
【数８】
2018068054.tif 000010
【００４５】
よって、二台の負荷のばらつきは式（９）で表される。
【００４６】
【数９】
2018068054.tif 000011
【００４７】
よって直流電圧の検出に誤差を含む場合は負荷のばらつきが発生する。ただし、積分項を含んだ場合とは異なり、負荷のばらつきは誤差の差に比例した値で安定する。この時の直流電圧の指令値と実電圧との差eは式（８）を式（２）へ代入することで得られ式（１０）で表される。
【００４８】
【数１０】
2018068054.tif 000012
【００４９】
また、本実施例の構成によれば、複数台運転を構成する各電力変換装置は他の電力変換装置や上位装置からの信号に依存せず同一の動作をしている。このことから、どの電力変換装置が停止しても残りの電力変換装置での運転が継続可能となる。よって、並列運転を構成する各電力変換器に指令や信号を与えるマスター器や上位装置が存在するシステムに比較して堅牢となる。また、任意の電力変換装置の切り離しが可能でありメンテナンスが容易となる。また、全電力変換装置が同一であるために予備機や保守部品の削減が可能である。また、複数台運転と単機運転の動作が同一であることから、単機運転から複数台運転への容量拡張も容易となる。
【００５０】
また、本実施例の直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部は、制御方式で通常利用される比例積分補償器の積分係数が０の特別な場合と考えることができる。よって、すでに比例積分補償にてソフトウェアが実装されていれば積分係数を０とすることで簡単に実装可能である。
【００５１】
以上のように、本実施例は、直流電源に接続されて、直流電力を交流電力に変換する複数の電力変換装置が並列に接続される発電システムであって、電力変換装置は、直流電圧部の検出値と外部からの指令電圧との差分に基づいて出力電圧を制御し、差分を積分することなしに差分に比例した出力を行うように構成する。
【００５２】
これにより、上位装置を必要とせず、直流電圧一定制御にて並列運転した場合の各電力変換装置の負荷分担が調整可能となる。しかも、本実施例における電力変換装置で構築した並列運転のシステムは単機運転のシステムと比較して新たな上位装置や信号の追加を必要とせず、また、フィードバック制御部への指令値は固定のままでよいという効果を奏する。
【００５３】
なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。
【００５４】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行することによりソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、または、ＩＣカード、ＳＤカード、ＤＶＤ等の記録媒体に置くことができる。
【００５５】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１：インバータ回路、２：主回路フィルタ、３：絶縁トランス、４：主回路平滑コンデンサ、１１：交流電流センサ、１２：交流電圧センサ、１３：直流電圧センサ、２１：減算器、２２：比例演算器、３０：ｄｑ変換、３１：逆ｄｑ変換、５０：ｄｑ軸電流制御処理、６０：ＰＬＬ処理、７０：電力制御系、８０：ＰＷＭ生成器、９７：直流電圧フィードバックによる有効電力指令演算部、９８：ソフトウェア演算部、９９：主回路部  、１００：電力変換装置、２００：発電機コントローラ、３００：発電機、４００：電力系統
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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