(57)【要約】【課題】電力系統の電圧を検出する際のフィルタの位相特性のために、電力変換装置の性能が低下するのを防ぎ、電力系統の電圧変動を抑制できるようにすることにある。【解決手段】電力系統１に電力変換装置３を接続し、フィルタ１３を介して検出される該電力系統１の電圧に対して前記電力変換装置３の電圧を制御して、有効電力あるいは無効電力を出力する際に、電力系統１からフィルタ１３を介して検出する電圧から当該電力系統１の周波数を演算する周波数演算器１８と、この電圧から当該電力系統１の電圧位相に対して一定の位相差を有する基準信号を演算する基準信号演算器１５と、前記周波数に対応した前記フィルタの位相差量を演算するフィルタ位相特性演算器１９と、前記基準信号の位相をこのフィルタ位相差量で補正する位相補正回路２１と、を備える。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統に電力変換装置を接続し、フィルタを介して検出される該電力系統の電圧に対して前記電力変換装置の電圧を制御して、有効電力あるいは無効電力を出力する電力変換装置の制御装置において、
電力系統のフィルタを介して得られる前記電圧から当該電力系統の周波数を演算する周波数演算器と、この電圧から当該電力系統の電圧位相に対して一定の位相差を有する基準信号を演算する基準信号演算器と、前記周波数に対応した前記フィルタの位相差量を演算するフィルタ位相特性演算器と、前記基準信号の位相をこのフィルタ位相差量で補正する位相補正回路と、を備えることを特徴とする電力系統と連系する電力変換装置の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力系統と連系して有効電力または無効電力を出力する電力変換装置の制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は電力変換装置の構成の例を示した回路図である。この図４に図示のように、電力変換装置３は、自己消弧型半導体スイッチ素子９とダイオード１０との逆並列接続でなるスイッチング回路をブリッジ接続し、これの直流側に平滑コンデンサ４を接続して構成している。これらの自己消弧型半導体スイッチ素子９を順次オン・オフ動作させることで、交流電力を直流電力に変換することができるし、これとは逆に直流電力を交流電力に変換することもできる。
図５は電力系統に変圧器を介して電力変換装置を接続して連系運転する場合の状態を示した主回路接続図であり、符号１は電力系統、符号２は変圧器、符号３が電力変換装置で符号４は平滑コンデンサである。電力系統１の電圧をＶＳ  、変圧器２のインダクタンスがＸでその電圧降下をＶＸ  とし、電力変換装置３の電圧をＶＩ  とすると、ＶＸ  は系統電圧ＶＳ  に比べて極めて小さいから、系統電圧ＶＳ  と電力変換装置電圧ＶＩ  との位相差θはほぼ零である。よって電力変換装置電圧ＶＩ  を制御することで無効電力を調整することができるし、位相差θを制御することで有効電力を調整できる。
【０００３】
図６は電力系統に連系した電力系統で負荷の無効電力を補償する制御装置の従来例を示したブロック回路図である。
この図６において、電力系統１には変圧器２を介して電力変換装置３が接続されていて、負荷２０へ電力を供給している。電流検出器１２で検出した負荷電流は、三相／二相変換演算器１６で二相量に変換され、これを回転座標変換演算器１７で直流の有効電流成分と無効電流成分とに分離演算する。電力変換装置３を制御する制御回路２２へ、演算されたこの無効電流を指令値として与えることにより、当該電力変換装置３はこれと同じ値の無効電流を出力し、負荷２０の無効電力を補償する。ここで回転座標変換演算器１７は、電力系統１の電圧ＶＳ  と同位相の基準信号  ｃｏｓωｔ  と、これとは電気角で位相が９０度異なる  ｓｉｎωｔ  を用いて演算を行う。そのために電力系統１の電圧ＶＳ  を電圧検出器１１とフィルタ回路１３を介して検出し、これをフェイズ・ロックド・ループ回路（以下ではＰＬＬ回路と略記する）１４で位相信号ωｔ  を求める。この位相信号ωｔ  を使って基準信号演算器１５は基準信号  ｓｉｎωｔ  と  ｃｏｓωｔ  を演算し、これを回転座標変換演算器１７へ与える（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００４】
なお電力系統の電圧を検出するにあたっては、系統に重畳している高調波やノイズ等の影響を避けるためにフィルタ回路１３を設けているが、このフィルタ回路１３は当該電力系統１の商用周波数に合わせたバンドパスフィルタである。また、ここでは  ｃｏｓωｔ  を電力系統１の電圧と同位相としているが、  ｓｉｎωｔ  を電力系統１の電圧と同位相としてもよい。
【０００５】
【非特許文献１】
「電力用アクティブフィルタ技術」，電気学会技術報告，電気学会，１９９２年６月，ＩＩ部第４２５号，ｐ．２７，５．３図
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前述したように高調波やノイズの影響を回避するために、電力系統１からの電圧の検出には、電圧検出器１１と共にバンドパスフィルタでなるフィルタ回路１３を使用する。
図７はバンドパスフィルタの入力周波数に対応したゲインと位相の一般的な特性を示した特性図であって、横軸は入力周波数（単位：ＨＺ  ）である。この特性図において、入力周波数変化に伴うゲインの変化は太い実線で記載し、入力周波数変化に伴う位相の変化は一点鎖線で記載している。
【０００７】
図８は図７に図示のバンドパスフィルタの中心周波数付近の位相特性を拡大して示した拡大特性図であって、横軸は入力周波数（単位：ＨＺ  ）、縦軸は位相（単位：度）を示している。電力系統１の商用周波数が６０ＨＺ  の場合は、６０ＨＺ  以外の周波数のゲインを減衰させる構成にしたフィルタ回路１３を使用するが、フィルタ位相も６０ＨＺ  のときの電気角が零度になるようにして、位相差が生じないようにしている。しかしながら電力系統１の周波数が例えば０．５ＨＺ  変動すると、図８で明らかなように、位相は電気角で約５度の変化をする。
図９は図６で既述の回路で電力変換装置が有効電力出力時に位相差φを生じた場合を示したベクトル図である。この図９において、電力系統１の周波数が変動すると、フィルタ回路１３には前述した位相特性があるために、このフィルタ回路１３を介して取り出された電圧ＶＳＦの位相は、電力系統１の電圧ＶＳ  に対してφなる位相差を有するから、この電圧ＶＳＦから得られる基準信号も電力系統１の電圧ＶＳ  に対してφなる位相差を有することになる。よって電力変換装置３が出力する有効電流Ｉｐ  は、電力系統１に流れる有効電流Ｉｐｒと電力系統１に流れる無効電流Ｉｑｒとのベクトル和になる。すなわち有効電流を供給する際に無効電流も流れてしまう不具合を生じる。
【０００８】
図１０は図６で既述の回路で電力変換装置が無効電力出力時に図９と同様の位相差φを生じた場合を示したベクトル図である。この図１０において、フィルタ回路１３を介して取り出された電圧ＶＳＦから得られる基準信号も、電力系統１の電圧ＶＳ  に対してφなる位相差を有することになるから、電力変換装置３が出力する無効電流Ｉｑ  は、電力系統１に流れる有効電流Ｉｐｒと電力系統１に流れる無効電流Ｉｑｒとのベクトル和になる。すなわち無効電流を供給する際に有効電流も流れてしまう不具合を生じる。
これらは、いずれも電力変換装置としての性能の低下をもたらし、電力系統１の電圧変動を引き起こす不具合を生じてしまう。
【０００９】
そこでこの発明の目的は、電力系統の電圧を検出する際のフィルタの位相特性のために電力変換装置の性能が低下するのを防ぎ、電力系統の電圧変動を抑制できるようにすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記の目的を達成するために、この発明の電力系統と連系する電力変換装置の制御装置は、
電力系統に電力変換装置を接続し、フィルタを介して検出される該電力系統の電圧に対して前記電力変換装置の電圧を制御して、有効電力あるいは無効電力を出力する際に、電力系統からフィルタを介して検出する電圧から当該電力系統の周波数を演算する周波数演算器と、この電圧から当該電力系統の電圧位相に対して一定の位相差を有する基準信号を演算する基準信号演算器と、前記周波数に対応した前記フィルタの位相差量を演算するフィルタ位相特性演算器と、前記基準信号の位相をこのフィルタ位相差量で補正する位相補正回路と、を備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の実施例を表したブロック回路図であるが、この図１に図示の実施例回路は、図６で既述の従来例回路に周波数演算器１８とフィルタ位相特性演算器１９と位相補正器２１を追加した構成である。よって以下では追加分の説明のみを行うこととし、これら以外の各機器の説明は省略する。
図１において、電圧検出器１１とフィルタ回路１３で取り出された電力系統１の電圧ＶＳＦは、ＰＬＬ回路１４と基準信号演算器１５で基準信号  ｓｉｎωｔ  と  ｃｏｓωｔ  を演算するのであるが、この基準信号には既にφなる位相差が含まれていることは、前述した通りである。一方でフィルタ回路１３から取り出した電圧ＶＳＦを周波数演算器１８へ入力してその周波数を演算し、更にフィルタ位相特性演算器１９はこの周波数に対応した位相差φを演算する。位相補正回路２１は、基準信号演算器１５で得られる基準信号  ｓｉｎωｔ  と  ｃｏｓωｔ  に含まれている位相差を、フィルタ位相特性演算器１９で演算した位相差φで補正することにより、新たな基準信号である  ｓｉｎ  （ωｔ  ＋φ）  と  ｃｏｓ  （ωｔ  ＋φ）  を得る。
【００１２】
フィルタ回路１３の特性が図８の場合、電力系統１の周波数が６０．５ＨＺ  になれば位相差φは−５度（遅れ位相）になるから、本発明により位相補正回路２１が出力する新たな基準信号は  ｓｉｎ  （ωｔ  −５Ｏ  ）  と  ｃｏｓ  （ωｔ  −５Ｏ  ）  となり、フィルタ回路１３により５度遅れの位相が補正される。
図２は図１で既述の実施例回路の効果の例を表したベクトル図であって、電力変換装置が有効電力を出力している場合を図示している。この図２において、電力系統１の周波数変動が原因でフィルタ回路１３が検出する電圧ＶＳＦの位相がφだけ遅れても、この位相遅れφを補正することで得られる新たな基準信号  ｃｏｓ  （ωｔ  ＋φ）  は、電力系統１の電圧ＶＳ  との位相差が零となる。従って電力変換装置３が出力する有効電流Ｉｐ  と電力系統１に流れる有効電流Ｉｐｒとは一致し、電力系統１に流れる無効電流Ｉｑｒは零となる。
【００１３】
図３は図１で既述の実施例回路の効果の別の例を表したベクトル図であって、電力変換装置が無効電力を出力している場合を図示している。この図３でも前述した図２と同様に新たな基準信号  ｃｏｓ  （ωｔ  ＋φ）  が位相遅れφを補正しているので、電力系統１の電圧ＶＳ  との位相差が零となり、電力変換装置３が出力する無効電流Ｉｑ  と電力系統１に流れる無効電流Ｉｑｒとは一致し、電力系統１に流れる有効電流Ｉｐｒは零となる。
【００１４】
【発明の効果】
電力変換装置を電力系統と連系して運転する場合に、高調波やノイズを抑制するために電力系統の電圧はフィルタ回路を介して検出するが、電力系統の周波数が予め定めた値からずれると、その周波数のずれに対応してフィルタ回路から取り出す電圧の位相も変化する。電力変換装置が電力系統と連系して有効電力を出力しているときに位相が変化すると無効電力も出力するし、電力変換装置が無効電力を供給しているときは有効電力も出力してしまうので、電力変換装置の性能が低下したり、電力系統の電圧が変動する等の不具合が発生する。
【００１５】
これに対して本発明では、電力系統周波数の変動からフィルタ回路の位相変化分を求め、フィルタ回路から取り出した電圧から得られる既に位相がずれている基準信号をこの位相変化分で補正することで、電力系統の電圧と補正された基準信号との位相差を零にする。その結果、電力変換装置が電力系統と連系して有効電力を出力しているときの無効電力の出力は零であり、電力変換装置が無効電力を供給しているときの有効電力の出力は零になる。よって電力変換装置の性能を低下させることはなく、電力系統の電圧変動を回避できる効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を表したブロック回路図
【図２】図１で既述の実施例回路の効果の例を表したベクトル図
【図３】図１で既述の実施例回路の効果の別の例を表したベクトル図
【図４】電力変換装置の構成の例を示した回路図
【図５】電力系統に変圧器を介して電力変換装置を接続して連系運転する場合の状態を示した主回路接続図
【図６】電力系統に連系した電力系統で負荷の無効電力を補償する制御装置の従来例を示したブロック回路図
【図７】バンドパスフィルタの周波数に対応したゲインと位相の一般的な特性を示した特性図
【図８】図７に図示のバンドパスフィルタの中心周波数付近の位相特性を拡大して示した拡大特性図
【図９】図６で既述の回路で電力変換装置が有効電力出力時に位相差φを生じた場合を示したベクトル図
【図１０】図６で既述の回路で電力変換装置が無効電力出力時に図９と同様の位相差φを生じた場合を示したベクトル図
【符号の説明】
１    電力系統
２    変圧器
３    電力変換装置
４    平滑コンデンサ
９    自己消弧型半導体スイッチ素子
１０    ダイオード
１１    電圧検出器
１２    電流検出器
１３    フィルタ回路
１４    ＰＬＬ回路
１５    基準信号演算器
１６    三相／二相変換演算器
１７    回転座標変換演算器
１８    周波数演算器
１９    フィルタ位相特性演算器
２０    負荷
２１    位相補正回路
２２    制御回路
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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