特許第6759973号(P6759973)IP Force 特許公報掲載プロジェクト 2022.1.31 β版

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6759973
(24)【登録日】2020年9月7日
(45)【発行日】2020年9月23日
(54)【発明の名称】共振抑制装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/48 20070101AFI20200910BHJP
   H02M 1/42 20070101ALI20200910BHJP
   H02M 1/12 20060101ALI20200910BHJP
   H02J 3/01 20060101ALI20200910BHJP
【FI】
   H02M7/48 Y
   H02M1/42
   H02M1/12
   H02J3/01
【請求項の数】5
【全頁数】9
(21)【出願番号】特願2016-208858(P2016-208858)
(22)【出願日】2016年10月25日
(65)【公開番号】特開2018-74651(P2018-74651A)
(43)【公開日】2018年5月10日
【審査請求日】2019年9月13日
(73)【特許権者】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100121083
【弁理士】
【氏名又は名称】青木 宏義
(74)【代理人】
【識別番号】100138391
【弁理士】
【氏名又は名称】天田 昌行
(74)【代理人】
【識別番号】100132067
【弁理士】
【氏名又は名称】岡田 喜雅
(72)【発明者】
【氏名】小藤 健太郎
【審査官】 栗栖 正和
(56)【参考文献】
【文献】 国際公開第2014/175214(WO,A1)
【文献】 特開平10−111725(JP,A)
【文献】 特開2006−223023(JP,A)
【文献】 米国特許出願公開第2016/0134114(US,A1)
【文献】 中国特許出願公開第103066597(CN,A)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
H02M 7/48
H02J 3/01
H02M 1/12
H02M 1/42
(57)【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)V(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)V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V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V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Vに基づく高調波電力P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Vに電流指令値iを乗算することにより、高調波電力P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Pと、目標高調波電力Pとが入力される。差分電力演算部54Bは、高調波電力Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)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Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)に基づくPI制御を実行することにより、当該差分電力(P−P)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、K+K/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V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Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)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Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)に応じてゲインKの大きさを決定する。もし高調波電力Pが目標高調波電力P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Pが小さくなり、目標高調波電力Pの値に近づく。逆に、もし高調波電力Pが目標高調波電力P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Pが大きくなり、目標高調波電力Pの値に近づく。結果的に高調波電力Pが目標高調波電力P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Vに基づく高調波電力Pを演算し、差分電力演算部54Bが、高調波電力Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)を演算し、ゲイン乗算部56が、差分電力(P−P)に応じたゲインK(PI制御K+K/sで調整されたゲインK)を高調波電圧V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Pが目標高調波電力P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V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P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Vの高調波電圧Vhdに、d軸対応の電流指令値i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Vの高調波電圧Vhqに、q軸対応の電流指令値i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P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Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)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Pと目標高調波電力Pの差分電力(P−P)に基づくI制御を実行することにより、当該差分電力(P−P)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
接続点電圧の高調波電圧(高調波成分)
接続点電圧のd軸電圧
接続点電圧のq軸電圧
hd 接続点電圧のd軸電圧の高調波電圧
hq 接続点電圧のq軸電圧の高調波電圧
電流指令値
i 補償電流
出力電流
ch 高調波電流
d軸対応の電流指令値
q軸対応の電流指令値
高調波電力
目標高調波電力
hd d軸対応の高調波電力
hq q軸対応の高調波電力
K ゲイン(可変ゲイン)
+K/s 伝達関数
1/sT 伝達関数
図1
図2
図3
図4