(57)【要約】【課題】装置容量を小さく抑えながら優れた共振抑制機能と動作安定性を発揮することができる共振抑制装置を提供する。【解決手段】電流指令値演算部（５０）は、高調波電力演算部（５４Ａ）と、差分電力演算部（５４Ｂ）と、ゲイン乗算部（５６）とを有する。高調波電力演算部（５４Ａ）は、接続点電圧（Ｖ）の高調波電圧（Ｖｈ）に基づく高調波電力（Ｐｈ）を演算する。差分電力演算部（５４Ｂ）は、高調波電力（Ｐｈ）と目標高調波電力（Ｐｈ＊）の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）を演算する。ゲイン乗算部（５６）は、差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）に応じたゲイン（ＰＩ制御Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓで調整されたゲインＫ）を高調波電圧（Ｖｈ）に乗算することにより電流指令値（ｉ＊）を演算する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力設備と電力系統の接続点電圧に基づく電流指令値を演算する電流指令値演算部と、
前記電流指令値に基づく補償電流を前記電力系統に供給する補償電流供給部と、
を有する共振抑制装置であって、
前記電流指令値演算部は、
前記接続点電圧の高調波電圧に基づく高調波電力を演算する高調波電力演算部と、
前記高調波電力と目標高調波電力の差分電力を演算する差分電力演算部と、
前記差分電力に応じたゲインを前記高調波電圧に乗算することにより前記電流指令値を演算するゲイン乗算部と、
を有することを特徴とする共振抑制装置。
【請求項２】
前記差分電力をゼロに近付けるように、前記高調波電圧に乗算する前記ゲインを動的に変動させる制御部をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の共振抑制装置。
【請求項３】
前記高調波電力演算部は、前記高調波電圧に前記電流指令値を乗算することにより、前記高調波電力を演算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の共振抑制装置。
【請求項４】
前記高調波電力演算部は、前記高調波電圧に前記共振抑制装置の出力電流の高調波電流を乗算することにより、前記高調波電力を演算することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の共振抑制装置。
【請求項５】
前記高調波電力演算部は、２軸直交座標系のｄ軸に対応する高調波電圧が入力されて当該ｄ軸に対応する高調波電力を出力する第１の高調波電力演算部と、２軸直交座標系のｑ軸に対応する高調波電圧が入力されて当該ｑ軸に対応する高調波電力を出力する第２の高調波電力演算部とを有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の共振抑制装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振抑制装置、例えば、電力用アクティブフィルタ、静止形無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、自励式ＳＦＣなどの電力系統に連系する電圧形インバータに搭載される共振抑制装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、電力設備（例えば風力発電機）が電力系統に接続されることにより発生する共振を抑制するための共振抑制装置が開示されている。この共振抑制装置では、電力設備または電力系統の電圧に含まれる各周波数成分のうち基本波成分を除いた周波数成分にゲイン（伝達関数）を乗算することで電流指令値を生成する。この電流指令値に基づく補償電流を電力系統に供給することにより共振抑制機能が発揮される。
【０００３】
電流指令値の生成に用いるゲイン（伝達関数）は、次のようにして決定される。例えば、電力設備と電力系統を含むシステム（以下では単に「システム」と呼ぶ）に含まれる様々な高調波成分を一括で抑制するべく、常に固定値であるゲインが決定される。共振抑制装置は、高調波電圧に対して高調波電流を同位相で吸収する（高調波電圧と高調波電流の位相を変えずにゲインにより大きさだけを変える）ものであるため、システムがあたかも純抵抗負荷（インピーダンス負荷）であるかのように振る舞う。このため、固定値であるゲインは、システムが示す純抵抗値の逆数を基準にして設定されることが多い。
【０００４】
一方、特許文献１には、電力設備の系統電流等を用いて高調波共振の程度（高調波発生量）を計算し、高調波共振の程度（高調波発生量）が大きい場合にゲイン（伝達関数）を大きくする制御が開示されている。また、特許文献１には、電流指令値が電流リミッタの所定範囲を逸脱し、且つ／又は、電圧指令値が電圧リミッタの所定範囲を逸脱することがないように（機器の出力能力を超過しないように）、ゲインに設定される値を補正（調整）する制御が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１４／１７５２１４号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電力系統に含まれる高調波電圧の大きさは、基本波電圧の大きさと異なり、その範囲が明確に定まっていない。そのような状況下でシステムが純抵抗負荷（インピーダンス負荷）として振る舞うと、高調波電圧の大きさに比例して高調波電流が大きくなるので、高調波電力が高調波電圧の二乗に比例して意図しないレベルにまで過大になる結果、所望の共振抑制機能を発揮できず、動作安定性が阻害されるおそれがある。
【０００７】
また、高調波電圧の大きさは系統解析によって事前に見積もられるが、多くの電力系統では基本波の現象や性能を考慮して設計されているため、高調波電圧の解析の精度は基本波電圧の解析の精度に劣る。このような高調波電圧の解析の精度の粗さを考慮しつつある程度の性能を出そうとすると、装置容量を過大に設計せざるを得ない。
【０００８】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、装置容量を小さく抑えながら優れた共振抑制機能と動作安定性を発揮することができる共振抑制装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本実施形態の共振抑制装置は、電力設備と電力系統の接続点電圧に基づく電流指令値を演算する電流指令値演算部と、前記電流指令値に基づく補償電流を前記電力系統に供給する補償電流供給部と、を有する共振抑制装置であって、前記電流指令値演算部は、前記接続点電圧の高調波電圧に基づく高調波電力を演算する高調波電力演算部と、前記高調波電力と目標高調波電力の差分電力を演算する差分電力演算部と、前記差分電力に応じたゲインを前記高調波電圧に乗算することにより前記電流指令値を演算するゲイン乗算部と、を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、装置容量を小さく抑えながら優れた共振抑制機能と動作安定性を発揮することができる共振抑制装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】第１実施形態の風力発電所に備えられた共振抑制装置を示すブロック図である。
【図２】図１の係数制御部の内部構成を示すブロック図である。
【図３】第２実施形態の共振抑制装置の電流指令値演算部を示すブロック図である。
【図４】第３実施形態の共振抑制装置の係数制御部の内部構成を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
≪第１実施形態≫
図１〜図２を参照して、第１実施形態の共振抑制装置１０について詳細に説明する。
【００１３】
図１に示すように、共振抑制装置１０は、風力発電所１に設置されて、風力発電機（電力設備）２０が電力系統３０に接続されることによって発生する共振を抑制する。風力発電機２０と電力系統３０は伝送路４０によって接続されており、この伝送路４０の中間部に位置する接続点４５に共振抑制装置１０が接続されている。
【００１４】
風力発電機２０は高調波フィルタ２５を有しており、高調波フィルタ２５のキャパシタンスがＣ１として図示されており、高調波フィルタ２５のインダクタンスがＬ１として図示されている。インダクタンスＬ１は、風力発電機２０を電力系統３０に接続する変圧器のインダクタンスと等価である。また、電力系統３０のインピーダンスがＬ２として図示されている。Ｌ２は簡易的にインダクタンスとして模擬されることが多いが、実際の電力系統には様々な発電設備、需要家設備、送電設備が接続されており、それらにはキャパシタンスを持つ設備もあるため、多数のＬＣ共振回路を備えているのと等価である。さらに、伝送路４０は非常に長いケーブルから構成されているため、電気回路的には、伝送路４０自体が多数のＬＣ共振回路を備えているのと等価である。共振抑制装置１０は、以上のようなＬＣ共振回路による共振を抑制する機能を持つ。
【００１５】
図１では、風力発電機２０から伝送路４０の接続点４５に流れ込む電流がｉ１で示され、伝送路４０の接続点４５から電力系統３０に流れ出す電流がｉ２で示されている。また、伝送路４０の接続点４５の電圧（風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧）がＶで示されている。
【００１６】
共振抑制装置１０は、電流指令値演算部５０と、補償電流供給部６０とを有している。電流指令値演算部５０は、風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧Ｖに基づく電流指令値ｉ＊を演算する。補償電流供給部６０は、電流指令値ｉ＊に基づく補償電流ｉ（電流指令値ｉ＊に追従する補償電流ｉ）を伝送路４０の接続点４５（さらには電力系統３０）に供給する。これにより、風力発電機２０から伝送路４０の接続点４５に流れ込む電流ｉ１と伝送路４０の接続点４５から電力系統３０に流れ出す電流ｉ２が補償電流ｉで補償される関係となり（ｉ１＋ｉ＝ｉ２）、接続点電圧Ｖの高調波電圧（高調波成分）Ｖｈ（後述する）に起因する高調波歪みを抑制することが可能になる。
【００１７】
電流指令値演算部５０は、ハイパスフィルタ５２と、係数制御部５４と、可変ゲイン出力部（ゲイン乗算部）５６とを有している。
【００１８】
ハイパスフィルタ５２には、風力発電機２０と電力系統３０の接続点電圧Ｖが入力される。ハイパスフィルタ５２は、入力した接続点電圧Ｖの高調波電圧（高調波成分）Ｖｈだけを選択的に通過させる。ハイパスフィルタ５２を通過した高調波電圧Ｖｈは、係数制御部５４と可変ゲイン出力部５６に入力される。
【００１９】
係数制御部５４は、高調波電圧Ｖｈに乗算する可変ゲインＫ（後述する）を決定するための係数である伝達関数を生成する。
【００２０】
図２に示すように、係数制御部５４は、高調波電力演算部５４Ａと、差分電力演算部５４Ｂと、伝達関数生成部（ＰＩ制御部）５４Ｃとを有している。
【００２１】
高調波電力演算部５４Ａは、接続点電圧Ｖの高調波電圧Ｖｈに基づく高調波電力Ｐｈを演算する。より具体的に、高調波電力演算部５４Ａは、高調波電圧Ｖｈに電流指令値ｉ＊を乗算することにより、高調波電力Ｐｈを演算する。
【００２２】
差分電力演算部５４Ｂには、高調波電力演算部５４Ａが演算した高調波電力Ｐｈと、目標高調波電力Ｐｈ＊とが入力される。差分電力演算部５４Ｂは、高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）を演算する。
【００２３】
伝達関数生成部５４Ｃは、差分電力演算部５４Ｂが演算した高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）に基づくＰＩ制御を実行することにより、当該差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）をゼロに近付けるようにゲインＫを生成する。伝達関数生成部５４ＣによるＰＩ制御は、例えば、Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓなどの演算を行うことで実現できる。なお、伝達関数生成部５４Ｃによる制御はＰＩ制御に限定されることはなく、Ｐ制御やＩ制御であってもよい。また、伝達関数生成部５４Ｃの出力にさらに上限制約または下限制約を設けて、ゲインＫの値を所望の範囲に限定してもよい。
【００２４】
可変ゲイン出力部５６は、高調波電圧Ｖｈを入力とし、電流指令値ｉ＊を出力とする演算部であり、その伝達関数は係数制御部５４が生成した伝達関数（可変ゲインＫ）である。この可変ゲインＫは、高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）に応じて、動的に変動する。可変ゲイン出力部５６は、高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）に応じてゲインＫの大きさを決定する。もし高調波電力Ｐｈが目標高調波電力Ｐｈ＊よりも大きい場合は、ゲインＫが小さくなり、電流指令値ｉ＊の振幅が小さくなる。すると高調波電力演算部５４Ａが出力する高調波電力Ｐｈが小さくなり、目標高調波電力Ｐｈ＊の値に近づく。逆に、もし高調波電力Ｐｈが目標高調波電力Ｐｈ＊よりも小さい場合は、ゲインＫが大きくなり、電流指令値ｉ＊の振幅が大きくなる。すると高調波電力演算部５４Ａが出力する高調波電力Ｐｈが大きくなり、目標高調波電力Ｐｈ＊の値に近づく。結果的に高調波電力Ｐｈが目標高調波電力Ｐｈ＊に一致するように、ゲインＫの値が定まる。
【００２５】
電流指令値演算部５０から出力された電流指令値ｉ＊は、加算部７０に入力される。また、加算部７０には、電流指令値ｉ＊に基づく実際の補償電流ｉが入力される。加算部７０は、電流指令値ｉ＊と補償電流ｉの差分（ｉ＊−ｉ）を演算して、当該差分を補償電流供給部６０に出力する。
【００２６】
補償電流供給部６０は、電流制御部６２と、並列インバータ６４と、直流電源６６とを有している。
【００２７】
電流制御部６２には、加算部７０から電流指令値ｉ＊と補償電流ｉの差分（ｉ＊−ｉ）が入力される。電流制御部６２は、入力された電流指令値ｉ＊と補償電流ｉの差分（ｉ＊−ｉ）に基づいて、電圧指令値Ｖ＊を演算する。
【００２８】
並列インバータ６４は、直流電源６６からの電力供給を受けて駆動される。並列インバータ６４には、電流制御部６２から電圧指令値Ｖ＊が入力される。並列インバータ６４は、入力された電圧指令値Ｖ＊に基づいて、補償電流ｉを演算する。並列インバータ６４は、変圧器（図示略）を介して電力系統３０に並列に接続されており、並列インバータ６４から出力される補償電流ｉは、風力発電機２０からの出力電流ｉ１と並列に電力系統３０に供給される（ｉ１＋ｉ＝ｉ２）。このような並列インバータ６４としては、例えば、電力用アクティブフィルタ、静止形無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、自励式ＳＦＣなどの装置が代表的であるが、他にも、統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ：Unified  Power  Flow  Controller）などの直並列インバータが備える並列補償部を用いることもできる。
【００２９】
以上のように構成された共振抑制装置１０によれば、電流指令値演算部５０において、高調波電力演算部５４Ａが、接続点電圧Ｖの高調波電圧Ｖｈに基づく高調波電力Ｐｈを演算し、差分電力演算部５４Ｂが、高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）を演算し、ゲイン乗算部５６が、差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）に応じたゲインＫ（ＰＩ制御Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓで調整されたゲインＫ）を高調波電圧Ｖｈに乗算することにより電流指令値ｉ＊を演算する。これにより、共振抑制装置１０が出力する高調波電力Ｐｈが目標高調波電力Ｐｈ＊に高精度に追従して一定となるため、共振抑制装置１０の装置容量を小さく抑えながら優れた共振抑制機能と動作安定性を発揮することができる。すなわち、従来の共振抑制装置のように、高調波電圧と高調波電流が意図せず大きくなりすぎて、高調波電力が制御不能になることを防止することができる。
【００３０】
≪第２実施形態≫
図３は、第２実施形態の共振抑制装置１０の電流指令値演算部５０を示すブロック図である。
【００３１】
第２実施形態では、電流指令値演算部５０が、ハイパスフィルタ（第２のハイパスフィルタ）５３を有している。ハイパスフィルタ５３には、共振抑制装置１０の出力電流ｉが入力される。ハイパスフィルタ５３は、入力した出力電流ｉの高調波電流Ｉｃｈだけを選択的に通過させる。係数制御部５４の高調波電力演算部５４Ａは、接続点電圧Ｖの高調波電圧Ｖｈに、共振抑制装置１０の出力電流ｉの高調波電流Ｉｃｈを乗算することにより、高調波電力Ｐｈを演算する。なお、本実施形態では共振抑制装置１０の出力電流ｉが高調波成分以外の成分を含むものとし、高調波成分のみを分離するためにハイパスフィルタ５３を設けたが、用途によっては共振抑制装置１０の出力電流が高調波成分のみの場合もあり、その場合はハイパスフィルタ５３が不要である。
【００３２】
≪第３実施形態≫
図４は、第３実施形態の共振抑制装置１０の係数制御部５４の内部構成を示すブロック図である。第３実施形態の共振抑制装置１０は、３相電力系統において発生する共振を抑制するための装置である。
【００３３】
図４に示すように、第３実施形態の共振抑制装置１０の係数制御部５４では、入出力系統の各種構成要素が２軸直交座標系のｄ軸とｑ軸に対応して設けられている。より具体的に、係数制御部５４は、２軸直交座標系のｄ軸に対応する高調波電力演算部（第１の高調波電力演算部）５４Ａｄと、２軸直交座標系のｑ軸に対応する高調波電力演算部（第２の高調波電力演算部）５４Ａｑとを有している。
【００３４】
高調波電力演算部５４Ａｄは、接続点電圧Ｖのｄ軸電圧Ｖｄの高調波電圧Ｖｈｄに、ｄ軸対応の電流指令値ｉｄ＊を乗算することにより、ｄ軸対応の高調波電力Ｐｈｄを演算する。高調波電力演算部５４Ａｑは、接続点電圧Ｖのｑ軸電圧Ｖｑの高調波電圧Ｖｈｑに、ｑ軸対応の電流指令値ｉｑ＊を乗算することにより、ｑ軸対応の高調波電力Ｐｈｑを演算する。
【００３５】
高調波電力演算部５４Ａｄが演算したｄ軸対応の高調波電力Ｐｈｄと高調波電力演算部５４Ａｑが演算したｑ軸対応の高調波電力Ｐｈｑは、加算部５５で加算されて、高調波電力Ｐｈとなる。差分電力演算部５４Ｂは、加算部５５から入力した高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）を演算する。
【００３６】
伝達関数生成部（Ｉ制御部）５４Ｄは、差分電力演算部５４Ｂが演算した高調波電力Ｐｈと目標高調波電力Ｐｈ＊の差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）に基づくＩ制御を実行することにより、当該差分電力（Ｐｈ＊−Ｐｈ）をゼロに近付けるようにゲインＫを動的に変動させる。なお、伝達関数生成部５４Ｄによる制御はＩ制御に限定されることはなく、Ｐ制御やＰＩ制御であってもよい。
【００３７】
なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することが可能である。上記実施の形態において、添付図面に図示されている構成要素の大きさや形状、機能などについては、これに限定されず、本発明の効果を発揮する範囲内で適宜変更することが可能である。その他、本発明の目的の範囲を逸脱しない限りにおいて適宜変更して実施することが可能である。
【００３８】
例えば、電力設備は、風力発電機や太陽光発電機などの共振を発生し得る発電設備でもよいし、鉄道用やアルミニウム製錬プラント用などの電源装置を持つ共振を発生し得る需要家設備でもよいし、直流送電変換器などの共振を発生し得る送配電設備でもよい（電力設備の適用対象には自由度がある）。
【００３９】
例えば、第３実施形態では、高調波電力の計算においてｄｑ軸の高調波電圧と高調波電流をたすき掛けしているが、クラーク座標（αβ座標）でも同様に計算することができる。
【００４０】
また、第１〜第３実施形態では、各種電力が有効電力であるものとして説明しているが、皮相電力を用いることも可能である。高調波電力は完全に直流量にはならない場合があるが、１次遅れなどのローパスフィルタを加えて振動成分を抑えてもよい。但し、Ｉ制御などの積分項が含まれるフィードバック制御では１次遅れを加えなくてもよい場合がある。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の共振抑制装置は、例えば、風力発電機を備えた風力発電所に適用して好適である。
【符号の説明】
【００４２】
１  風力発電所
１０  共振抑制装置
２０  風力発電機（電力設備）
２５  高調波フィルタ
３０  電力系統
４０  伝送路
４５  接続点
５０  電流指令値演算部
５２  ハイパスフィルタ
５３  ハイパスフィルタ（第２のハイパスフィルタ）
５４  係数制御部
５４Ａ  高調波電力演算部
５４Ａｄ  ｄ軸に対応する高調波電力演算部（第１の高調波電力演算部）
５４Ａｑ  ｑ軸に対応する高調波電力演算部（第２の高調波電力演算部）
５４Ｂ  差分電力演算部
５４Ｃ  伝達関数生成部（ＰＩ制御部）
５４Ｄ  伝達関数生成部（Ｉ制御部）
５５  加算部
５６  可変ゲイン出力部（ゲイン乗算部）
６０  補償電流供給部
６２  電流制御部
６４  並列インバータ
６６  直流電源
７０  加算部
Ｖ  接続点電圧
Ｖｈ  接続点電圧の高調波電圧（高調波成分）
Ｖｄ  接続点電圧のｄ軸電圧
Ｖｑ  接続点電圧のｑ軸電圧
Ｖｈｄ  接続点電圧のｄ軸電圧の高調波電圧
Ｖｈｑ  接続点電圧のｑ軸電圧の高調波電圧
ｉ＊  電流指令値
ｉ  補償電流
Ｉｃ  出力電流
Ｉｃｈ  高調波電流
ｉｄ＊  ｄ軸対応の電流指令値
ｉｑ＊  ｑ軸対応の電流指令値
Ｐｈ  高調波電力
Ｐｈ＊  目標高調波電力
Ｐｈｄ  ｄ軸対応の高調波電力
Ｐｈｑ  ｑ軸対応の高調波電力
Ｋ  ゲイン（可変ゲイン）
Ｋｐ＋Ｋｉ／ｓ  伝達関数
１／ｓＴｉ  伝達関数
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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