(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統と電力系統に接続された電力変換器と、前記電力系統に接続された発電設備と、
前記電力変換器が入出力する電力を所定値に制御する変換器制御装置と、を備えた電力変換装置において、
前記電力変換器の連系点の周波数を検出する手段と、
前記発電設備の電力を検出する手段と、
前記発電設備の電力検出値に応じて前記電力変換器の有効電力指令値を調節する電力変動抑制手段と、
前記周波数検出値と周波数指令値の偏差を小さくするように有効電力指令値を調節する周波数制御手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力系統と電力系統に接続された電力変換器と、前記電力系統に接続された負荷と、
前記電力変換器が入出力する電力を所定値に制御する変換器制御装置と、を備えた電力変換装置において、
前記電力変換器の連系点の周波数を検出する手段と、
前記負荷の電力を検出する手段と、
前記負荷の電力検出値に応じて前記電力変換器の有効電力指令値を調節する電力変動抑制手段と、
前記周波数検出値と周波数指令値の偏差を小さくするように有効電力指令値を調節する周波数制御手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２において、
前記周波数制御手段は、
前記周波数検出値と周波数指令値の偏差を小さくするように有効電力指令値を補正する第１の有効電力指令値を作成する手段と、
前記第１の有効電力指令値を有効電力指令値に加算または減算した第２の有効電力指令値を作成する手段と、
前記第１の有効電力指令値が零になるように前記周波数指令値を調整する手段と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記周波数指令値が所定の値から外れないように前記周波数指令値に制限手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項３において、
前記周波数指令値が急変しないように前記周波数を調整する周波数補正値に所定時定数のフィルタ手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１または請求項２または請求項３において、
前記周波数制御手段は、
前記発電設備または前記負荷の電力検出値の低周波成分と有効電力指令値とを加算した有効電力指令値を調整する手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電力系統と連系する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開平９−６５５８８号公報に記載の変換器の制御装置では、通常は系統に負荷平準化指令Ｐ* に従い電力を出力し、系統周波数が変動した際には電力指令値に周波数調整器出力を加算し、さらに事故などの系統異常時には周波数調整器の出力リミッタをしぼるとともに電力動揺抑制制御の出力リミッタを開いて電力動揺抑制をする。また、蓄電量の末期には電力動揺抑制制御や周波数制御を行わないようにリミッタで制御出力を制限している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来技術では、電力が頻繁に変動する負荷や発電設備と一緒に設置された場合、電力変動による系統周波数の変化から周波数変動を抑制するための電力補償用の充放電指令を作成することになり、周波数という間接的な手段で電力変動を捉える為、比較的速い電力変動が継続する場合に系統周波数を効果的に維持することが難しい。
【０００４】
本発明の目的は、系統の周波数変動を抑制するに好適な電力変換装置及びその制御方法を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、負荷または発電設備の電力変動を検出して抑制するように電力制御を行うとともに、系統の周波数を検出して周波数が所定値となるように電力制御の指令値を変更して周波数制御を行う構成とした。
【０００６】
更に、比較的速い電力変動は直接電力を検出して抑制し、比較的ゆっくりとした電力変動を周波数制御系にて調整するように二つに分ける構成とした。
【０００７】
更に、周波数調整器の出力をゼロにするよう周波数調整器の出力の低周波成分を周波数指令値に加算する構成とした。
【０００８】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
以下本発明の一実施例について図１を用いて説明する。
【０００９】
図１は、本発明による電力変換装置を実現するための一実施例を示している。
【００１０】
図１において、電力系統に並列に電力変換装置３ａと電力変動を発生する負荷または発電設備４ａが接続されている。電力変換装置３ａは連系用のトランス６ａと電力変換器３ａ及び２次電池５ａ及び制御装置８ａにより構成されている。
【００１１】
電力変換器３ａの連系点の電圧Ｖc は電圧検出器１ｂにより検出され、位相検出器および電力検出器および周波数検出器に入力される。また電力変換器の連系点電流Ｉc は電流検出器２ａにより検出され、電力検出器に入力される。変換器の出力電流Ｉacr は電流検出器２ｂにより検出され、変換器制御器へ入力される。
【００１２】
前記負荷または発電設備４ａの電圧ＶＬは電圧検出器１ａにより検出され、制御装置８ａの電力検出器に入力される。また、前記負荷または発電設備４ａの電流ＩＬは電流検出器２ｃにより検出され、制御装置８ａの電力検出器に入力される。電力検出器は、負荷または発電設備４ａの電力ＰＬ，ＱＬを出力する。
【００１３】
位相検出器は系統の電圧Ｖc に追従した位相信号θc を変換器制御器へ出力する。
【００１４】
変換器制御器８ａでは、電圧位相θc ，電力変換器３ａの連系点電圧Ｖc および変換器電流Ｉacr を用いて変換器が吸収または放出する有効電力及び無効電力を制御するためのゲートパルスＧp を電力変換器３ａへ出力する。
【００１５】
図２は本実施例の電力調整器および周波数調整器および電力指令発生器の構成を示している。以下図２を用いて本実施例の電力調整器および周波数調整器および電力指令発生器について説明する。図２は周波数調整器を詳細に示している。図２において系統電圧Ｖc から得られた周波数検出値ｆと周波数指令発生器から出力される周波数指令値ｆ* は加減算器７ｄに入力され、加減算器７ｄは偏差Δｆを演算する。偏差Δｆは周波数調整器に入力され偏差Δｆをゼロにするように出力電力指令値Ｐf を調整する。
【００１６】
また、電力指令発生器は、周波数調整器からの電力指令値Ｐf および負荷または発電設備の電力ＰＬを入力する。入力された電力検出値ＰＬはフィルタに入力され高周波成分を除去した低周波成分の電力検出値を加減算器７ａに出力する。加減算器７ａは電力指令Ｐ* とフィルタからの出力と周波数調整器の出力を加算して電力指令値Ｐs*を演算し出力する。
【００１７】
加減算器７ｋは変換器の入出力電力Ｐi と負荷又は発電設備４ａの電力ＰＬを加算し、加減算器７ｃに加減算値Ｐs を出力する。加減算器７ｃでは電力指令値Ｐs*とＰi とＰＬの加算値の偏差を演算し、有効電力調整器ＡＰＲにその偏差を出力する。有効電力調整器ＡＰＲは入力値である偏差をゼロにするように有効分電流指令値Ｉd*を出力する。有効電力調整器のフィードバックに負荷又は発電設備の電力ＰＬと変換器の入出力電力Ｐi を加算して用いるため、電力指令値Ｐs*は、変換器と負荷又は発電設備トータルの電力指令値すなわち系統母線側の電力指令値に相当する。
【００１８】
図３は本実施例の変換器制御器の構成を示している。以下図３を用いて本実施例の変換器制御器について説明する。
【００１９】
変換器制御器は、変換器から系統に出力されている無効電力Ｑを電力検出器で検出し、得られた無効電力値Ｑを無効電力調整器ＡＱＲに入力し、無効電力調整器ＡＱＲにて、電力Ｑを指令値Ｑ* に一致させるように無効分電流指令値Ｉq*を演算する。
【００２０】
また、位相信号θc は電流Ｉacr の座標変換器及び電圧Ｖs の座標変換器に入力される。各座標変換器は位相信号θc を用いて三相交流信号を２軸の直流量に変換し、電流Ｉacr はＩd 及びＩq に変換され、電圧Ｖc はＶds及びＶqsに変換される。
【００２１】
Ｉd*及びＩq*はそれぞれ減算器７ｇ，７ｆに入力され、電流Ｉacr のフィードバック値Ｉd 及びＩq と減算器７ｇ，７ｆにて演算され、結果をそれぞれｄ軸電流調整器ＡＣＲd及びｑ軸電流調整器ＡＣＲqに出力する。また、Ｉd*及びＩq*はそれぞれ非干渉成分演算器ｗＬに出力される。各電流調整器ＡＣＲd及びＡＣＲqの出力は加減算器７ｈと加減算器７ｉのそれぞれに出力される。またｑ軸の電流指令値Ｉq*から非干渉成分演算器ｗＬは非干渉成分を演算し加減算器７ｈに出力する。同様にｄ軸の電流指令値Ｉd*から非干渉成分演算器ｗＬは非干渉成分を演算し加減算器７ｉに出力する。
【００２２】
加減算器７ｈ及び７ｉは更に、前記電圧検出値のｄ軸成分Ｖds及びｑ軸成分Ｖqsをそれぞれ加算して、演算結果のＶｄ* 及びＶｑ* を２相３相座標変換器に出力し、２相３相座標変換器は、位相信号θc′を用いて入力されたＶｄ*及びＶｑ*の信号を三相交流に変換してＰＷＭ演算器に出力し、ＰＷＭ演算はゲートパルスＧp を出力する。
【００２３】
位相演算器について説明する。系統電圧Ｖc を三相二相変換して得られる結果cos(ω・ｔ＋φ）及びsin(ω・ｔ＋φ）の内のsin(ω・ｔ＋φ）を式（１）及び式（２）に示すフーリス変換の式にて演算し、ＶaＲ及びＶaＩを得る。また、同様にcos(ω・ｔ＋φ）を式（３）及び式（４）に示すフーリエ変換の式にて演算し、ＶbＲ及びＶbＩ を得る。但し式において、内部発振器信号をcos(ω・ｔ)及びsin(ω・ｔ)とし、ｔを時間、φを内部発振器との位相差とする。
【００２４】
【数１】
0004045724.tif 000002
【００２５】
【数２】
0004045724.tif 000003
【００２６】
【数３】
0004045724.tif 000004
【００２７】
【数４】
0004045724.tif 000005
【００２８】
更に得られた結果を用いて式（５）及び式（６）に示す式にて演算し、ＶＲ及びＶＩを得る。
【００２９】
【数５】
ＶＲ＝ＶaＲ＋ＶbＩ                                            …（５）
【００３０】
【数６】
ＶＩ＝ＶbＲ−ＶaＩ                                            …（６）
演算結果ＶＲ及びＶＩは、式（７）による座標変換で内部発振器の位相cos(ω・ｔ)及びsin(ω・ｔ)を使って交流信号Ｖcos及びＶsinに変換される。
【００３１】
【数７】
Ｖcos＋ＶＲ・cos(ω・ｔ)＋ＶＩ・sin(ω・ｔ)
Ｖsin−ＶＲ・sin(ω・ｔ)＋ＶＩ・cos(ω・ｔ)                   …（７）
更に式（８）に示す演算式にて位相角θc が演算される。
【００３２】
【数８】
θc ＝Ａtan(Ｖsin／Ｖcos)                                     …（８）
周波数検出器は、系統の周波数を例えばゼロクセスの間隔などから検出した値ｆを出力する。
【００３３】
本実施の形態によれば、負荷または発電設備の電力変動を検出して抑制するように電力制御を行うとともに、系統の周波数を検出して周波数が所定値となるように電力制御の指令値を変更して周波数制御を行うことが出来るので、系統周波数が変動負荷による影響を受ける前に周波数変動を防止することが可能になるとともに、周波数制御により系統の発電設備と負荷との電力需給バランスのゆっくりとした変動を周波数制御系にて効果的に調整可能となる。
【００３４】
本実施例では、比較的速い電力変動は直接電力を検出して抑制し、比較的ゆっくりとした電力変動（負荷の日変化）を周波数制御系にて調整するように二つに分けるため、周波数調整器のゲインを周波数変動の低周波成分に合わせて最適に調整可能となる。
【００３５】
次に、本発明の他の実施例を説明する。なお、各図を通して同等の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明は省略することにする。
（実施例２）
図４は図２における周波数調整器の他の実施例を示している。
【００３６】
図４において、系統電圧から得られた周波数検出値ｆと周波数指令発生器から出力される周波数指令値ｆ* および周波数調整器の出力をフィルタとリミッタを介した信号fbを加減算器７ｊに入力し、加減算器７ｊにて周波数指令値ｆ* からfbおよび周波数ｆを減算し周波数調整器の偏差Δｆを演算する。
【００３７】
周波数調整器は偏差Δｆをゼロにするように電力指令値Ｐf を調整する。
【００３８】
フィルタは周波数調整器の電力指令値Ｐf を入力し、電力指令値Ｐf の低周波成分ＰfＬをリミッタに出力する。リミッタは低周波成分ＰfＬ を入力し、ＰfＬに定数を乗算し、その結果が制限値を超えないように入力値に制限をかけて周波数補正値fbを出力する。制限値としては例えば、系統の周波数許容値の範囲内の値を用いる。また、ＰfＬ に乗算する定数の値は、例えば電力出力値ｘに対して周波数の変動がｙ発生するときには、ｙ／ｘを定数として設定する。また、フィルタの時定数は、例えば本発明の電力変換装置が接続されている系統において、系統に接続されている発電機の周波数制御系の応答よりも長い時定数を設定する。
【００３９】
本実施例によれば、実施例１と同様の効果に加え、周波数調整器の出力をゼロにするよう周波数調整器の出力の低周波成分を周波数指令値に加算するため、周波数制御のために出力した電力を系統の発電機に周波数変動なく分担させ電力変換装置の電力量を少なく出来る。
（実施例３）
図５は、実施例１の２次電池５ａを用いた電力貯蔵用変換器に、超電導システムを適用した場合の実施例である。電力変換器の直流部分には超電導コイル100が設置されており、超電導システムはシステム制御装置からの指令により電力を系統とやりとりする。本実施例では、超電導システムの周波数制御が可能になる。
【００４０】
また、超電導システムの他に図６に示すような、太陽光発電装置も適用できる。太陽光発電装置の、電力変換器の直流部分には太陽電池パネル１０１が設置されており、制御装置からの指令により電力を系統へ放出する。
【００４１】
また、太陽光発電装置の他に図７に示すような、インバータ３ｄ及びコンバータ３ｅを有する風力発電システム４ｂにも適用できる。インバータ３ｄ及びコンバータ３ｅの直流部分は共通で使用しており、電力貯蔵用の電池が設置されており、システム制御装置からの指令により電力を系統から吸収あるいは放出する。
【００４２】
また、風力発電システムの他に図８に示すような、インバータ３ｆ及びコンバータ３ｇおよびフライホイール付発電機１０３を有する可変速発電システムにも適用できる。可変速発電システムの出力は、電力変換器により系統へ電力を供給する。
【００４３】
また、風力発電システムの他に図９に示すような、直流送電システムにも適用できる。直流送電システムの出力は、電力変換器３ｈ，３ｉにより系統へ電力を供給する。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、負荷または発電設備の電力変動を検出して抑制するように電力制御を行うとともに、系統の周波数を検出して周波数が所定値となるように電力制御の指令値を変更して周波数制御を行うことが出来るので、系統周波数が変動負荷による影響を受ける前に周波数変動を防止することが可能になるとともに、周波数制御により系統の発電設備と負荷との電力需給バランスのゆっくりとした変動を周波数制御系にて効果的に調整可能となる。
【００４５】
さらに、比較的速い電力変動は直接電力を検出して抑制し、比較的ゆっくりとした電力変動（負荷の日変化）を周波数制御系にて調整するように二つに分けるため、周波数調整器のゲインを周波数変動の低周波成分に合わせて最適に調整可能となる。
【００４６】
また、周波数調整器の出力をゼロにするよう周波数調整器の出力の低周波成分を周波数指令値に加算するため、周波数制御のために出力した電力を系統の発電機に周波数変動なく分担させ電力変換装置の電力量を少なく出来る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態による、電力変換装置。
【図２】図１の構成を説明する図。
【図３】図１の構成を説明する図。
【図４】本発明の他の実施例を説明する図。
【図５】本発明の他の実施例を説明する図。
【図６】本発明の他の実施例を説明する図。
【図７】本発明の他の実施例を説明する図。
【図８】本発明の他の実施例を説明する図。
【図９】本発明の他の実施例を説明する図。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ…電圧検出器、２ａ，２ｂ，２ｃ…電流検出器、３ａ…電力変換装置、４ａ，４ｂ…風力発電システム、５ａ…２次電池、６ａ…トランス、７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ，７ｅ，７ｆ，７ｇ，７ｈ，７ｉ，７ｊ，７ｋ…加減算器、８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ，８ｅ，８ｆ…加算器、９ａ，９ｂ…電力系統、ＶＬ…系統電圧、Ｖc…連系点電圧、Ｉc…連系点電流、Ｉacr…変換器出力電流Ｉacr、θc…位相信号、Ｇp…ゲートパルス、Ｐi，ＰＬ…有効電力、Ｑ…無効電力、Ｉd…変換器電流ｄ軸電流値、Ｉq …変換器電流ｑ軸電流値、Ｖds…連系点電圧ｄ軸電圧成分、Ｖqs…連系点電圧ｑ軸電圧成分、Ｖｄ*…ｄ軸電圧指令値、Ｖｑ*…ｑ軸電圧指令値、Ｐs*，Ｐ*…有効電力指令値、Ｑ*…無効電力指令値、Ｐf …電力指令値、ＰfＬ…低周波成分、ｆ…周波数、ｆ*…周波数指令値、Δｆ…周波数偏差、fb…周波数補正値、ＡＰＲ…有効電力調整器、ＡＱＲ…無効電力調整器、Ｉd*…ｄ軸電流指令値、Ｉq*…ｑ軸電流指令値、ｗＬ…非干渉成分演算器、ACRd…ｄ軸電流調整器、ＡＣＲq …ｑ軸電流調整器、ＰＷＭ…ＰＷＭパルス演算器、１００…超電導コイル、１０１…太陽電池パネル、１０２…コンデンサ、１０３…フライホイール発電電動機。
【図１】
0004045724.tif 000006
【図２】
0004045724.tif 000007
【図３】
0004045724.tif 000008
【図４】
0004045724.tif 000009
【図５】
0004045724.tif 000010
【図６】
0004045724.tif 000011
【図７】
0004045724.tif 000012
【図８】
0004045724.tif 000013
【図９】
0004045724.tif 000014