特開 2024-168163 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024168163

(43)【公開日】2024-12-05

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20241128BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 R

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023084604

(22)【出願日】2023-05-23

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-10-03

(71)【出願人】

【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】110000176

【氏名又は名称】弁理士法人一色国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】林 崇

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA05

5H770BA11

5H770BA13

5H770EA01

5H770HA02Y

5H770HA03Y

5H770HA04Y

5H770HA05Y

5H770JA17Z

5H770KA01Z

(57)【要約】

【課題】送電線の抵抗が考慮された仮想同期発電機制御を行う電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力系統に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、前記電力系統の所定位置の有効電力と、前記所定位置の無効電力に応じた値との差を出力する第１出力部と、前記有効電力の指令値と、前記差と、前記仮想同期発電機機能と、に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧の位相を生成する生成部と、を含む、電力変換装置。
【選択図】図３

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力系統に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、
系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、前記電力系統の所定位置の有効電力と、前記所定位置の無効電力に応じた値との差を出力する第１出力部と、
前記有効電力の指令値と、前記差と、前記仮想同期発電機機能と、に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧の位相を生成する生成部と、を含む、
電力変換装置。

【請求項2】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記所定位置の無効電力に応じた値は、前記所定位置の無効電力の所定周波数より大きい成分に対して所定の係数を乗じた値である、
電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記生成部は、
前記有効電力の指令値と前記差との差と、前記仮想同期発電機機能における慣性定数と、前記仮想同期発電機機能における制動定数と、に基づいて、前記出力電圧の周波数を出力する第２出力部と、
前記出力電圧の周波数を積分し、前記位相を出力する第３出力部と、
を有する、
電力変換装置。

【請求項4】

請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記係数は、前記電力系統の抵抗を前記電力系統のリアクタンスで除した値である、
電力変換装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記無効電力の指令値と、前記所定位置の無効電力との差に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧振幅指令値を生成する無効電力制御部、
を更に含む、
電力変換装置。

【請求項6】

電力系統に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、
系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、前記所定位置の有効電力と、前記所定位置の無効電力に応じた値との第１の差を出力する第１出力部と、
前記有効電力の指令値と、前記無効電力の指令値に応じた値との第２の差を出力する第２出力部と、
前記第１の差と、前記第２の差と、前記仮想同期発電機機能と、に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧の位相を生成する生成部と、を含む、
電力変換装置。

【請求項7】

請求項６に記載の電力変換装置であって、
前記所定位置の無効電力に応じた値は、前記所定位置の無効電力に対して所定の係数を乗じた値であり、
前記無効電力の指令値に応じた値は、前記無効電力の指令値に対して前記係数を乗じた値である、
電力変換装置。

【請求項8】

請求項６に記載の電力変換装置であって、
前記生成部は、
前記第１の差及び前記第２の差の差と、前記仮想同期発電機機能における慣性定数と、前記仮想同期発電機機能における制動定数と、に基づいて、前記出力電圧の周波数を出力する第３出力部と、
前記出力電圧の周波数を積分し、前記位相を出力する第４出力部と、
を有する、
電力変換装置。

【請求項9】

請求項７に記載の電力変換装置であって、
前記係数は、前記電力系統の抵抗を前記電力系統のリアクタンスで除した値である、
電力変換装置。

【請求項10】

請求項６に記載の電力変換装置であって、
前記無効電力の指令値と、前記所定位置の無効電力との差に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧振幅指令値を生成する無効電力制御部、
を更に含む、
電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、電力系統における再生可能エネルギーの増加に伴って電力変換装置（インバータ）の割合が増加しつつある。

【0003】

しかし、現在普及している電流制御型インバータでは慣性力をもたないため、さらなるインバータの割合増加によって周波数が変動しやすくなって系統が不安定になることが懸念されている。

【0004】

この問題の解決手段として、同期発電機のように振舞わせる、仮想同期発電機（ＶＳＧ）制御を行うインバータの実用化が期待されている。（特許文献１）

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特許第７１３４８８号

【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、特許文献１に記載された発明では、電力系統の送電線の抵抗が十分小さく無視できるとみなされ、送電線の抵抗が考慮されていない。

【0007】

そのため、電力系統の送電線の抵抗が大きくなると、インバータからの出力電圧がその目標値に対して無視できない程度に大きく変動する可能性がある。

【0008】

本発明はこのような課題を鑑みてなされたものであり、送電線の抵抗が考慮された仮想同期発電機制御を行う電力変換装置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】

【0009】

上記目的を達成するための一の発明は、電力系統に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、前記電力系統の所定位置の有効電力と、前記所定位置の無効電力に応じた値との差を出力する第１出力部と、前記有効電力の指令値と、前記差と、前記仮想同期発電機機能と、に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧の位相を生成する生成部と、を含む、電力変換装置である。

【0010】

また、上記目的を達成するための他の発明は、電力系統に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、前記所定位置の有効電力と、前記所定位置の無効電力に応じた値との第１の差を出力する第１出力部と、前記有効電力の指令値と、前記無効電力の指令値に応じた値との第２の差を出力する第２出力部と、前記第１の差と、前記第２の差と、前記仮想同期発電機機能と、に基づいて、前記電力変換装置の出力電圧の位相を生成する生成部と、を含む、電力変換装置である。本発明の他の特徴については、本明細書の記載により明らかにする。

【発明の効果】

【0011】

本発明によれば、送電線の抵抗が考慮された仮想同期発電機制御を行う電力変換装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】電力変換装置２が設けられた電力系統１の一例を説明する図である。

【図2】第１実施形態の制御装置２０の機能ブロックを説明する図である。

【図3】第１実施形態のインバータ出力電圧位相生成部２１を説明する図である。

【図4】第１実施形態の無効電力制御部２２を説明する図である。

【図5】数値シミュレーションの結果を示す図である。

【図6】数値シミュレーションの結果を示す図である。

【図7】数値シミュレーションの結果を示す図である。

【図8】第２実施形態の制御装置５０の機能ブロックを説明する図である。

【図9】第２実施形態のインバータ出力電圧位相生成部５１を説明する図である。

【図10】変形例の無効電力制御部６２を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

本明細書及び添付図面の記載により、少なくとも以下の事項が明らかとなる。

【0014】

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。各図面に示される同一又は同等の構成要素、部材等には同一の符号を付し、適宜重複した説明は省略する。

【0015】

＝＝実施形態＝＝
＜＜電力変換装置２＞＞
図１は、電力系統１に連系した電力変換装置２を説明する図である。電力変換装置２は、電力系統１に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する装置である。

【0016】

連系中、負荷Ｇは抵抗Ｒ_１及びリアクタンスＸ_１を有する送電線１０を介した電力系統１と、電力変換装置２ｔの双方から電力が供給される。遮断器３の設置点において、送電線１０と電力変換装置２とが接続される。なお、負荷Ｇは、必ずしもなくてもよい。

【0017】

遮断器３と電力変換装置２との間に、測定部４が設置されている。測定部４は、設置点において、電力変換装置２からの出力である有効電力Ｐ_ｏｕｔ、出力電圧ｖ_ｏｕｔ（瞬時値）、出力電圧ｖ_ｏｕｔの周波数ω_ｏｕｔ、出力電圧の振幅Ｖ_ｏｕｔ等を測定して電力変換装置２に入力される。

【0018】

あるいは、測定部４は、瞬時電圧ｖ_ｏｕｔ及び瞬時電流ｉ_ｏｕｔを測定して電力変換装置２に入力し、周波数ω_ｏｕｔ、有効電力Ｐ_ｏｕｔ、及び連系点電圧振幅Ｖ_ｏｕｔを算出する。

【0019】

なお、連系点Ｎと測定部４の設置点との間の区間は十分に短く、この区間のインピーダンスは無視できることとする。そして、測定部４による測定値を、連系点Ｎにおける測定値とみなすこととする。

【0020】

なお、電力変換装置２と遮断器３との間のインピーダンス（リアクタンス）Ｘ_２は十分小さいとする。

【0021】

＜制御装置２０＞
以下では、先ず、制御装置２０のハードウェア構成について説明し、次いで、制御装置２０の機能ブロックについて説明する。

【0022】

・制御装置２０のハードウェア構成
制御装置２０は、ＤＳＰ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｉｇｎａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ）２００と、記憶装置２０１とを備える（図１）。

【0023】

［ＤＳＰ２００］
ＤＳＰ２００は、記憶装置２０１に記憶された所定のプログラムを実行することにより、制御装置２０が有する様々な機能を実現する。

【0024】

［記憶装置２０１］
記憶装置２０１は、ＤＳＰ２００によって、実行または処理される各種データを格納する非一時的な（例えば不揮発性の）記憶装置を含む。

【0025】

記憶装置２０１は、更に、例えばＲＡＭ（Random-Access Memory）等（後述するメモリ３６ａ）を有し、様々なプログラムやデータ等の一時的な記憶領域として用いられる。

【0026】

・制御装置２０の機能ブロック
図２は、制御装置２０の機能ブロックを説明する図である。制御装置２０は、詳細は後述する電力変換部３０が出力する電圧を制御する装置である。

【0027】

制御装置２０には、インバータ出力電圧位相生成部２１と、無効電力制御部２２と、瞬時電圧指令生成部２３と、ＰＷＭパルス生成部２４とが実現される。

【0028】

［インバータ出力電圧位相生成部２１］
図３は、インバータ出力電圧位相生成部２１を説明する図である。インバータ出力電圧位相生成部２１は、仮想同期発電機制御に基づいて、電力変換部３０の出力電圧の位相θを生成する。

【0029】

具体的には、インバータ出力電圧位相生成部２１は、電力変換装置２が電力系統１に出力する目標となる有効電力Ｐ_ｒｅｆと、電力系統１に実際に出力される有効電力Ｐ_ｏｕｔ及び無効電力Ｑ_ｏｕｔとに基づいてＶＳＧ周波数を生成する。

【0030】

そして、インバータ出力電圧位相生成部２１は、ＶＳＧ周波数に基づいて、ＶＳＧ周波数を更新し、その積分値として位相θを生成する。

【0031】

ここで、目標となる電力Ｐ_ｒｅｆは、電力変換装置２の設計者、運用者等によって予め設定された値である。また、電力Ｐ_ｏｕｔは、図１及び図２の測定部４による測定値である。

【0032】

以下の説明では、インバータ出力電圧位相生成部２１に実装する仮想同期発電機の慣性定数をＭとし、制動定数をＤとする。

【0033】

図３に示すように、インバータ出力電圧位相生成部２１は、出力部２１ａと、生成部２１ｂとを含む。

【0034】

・出力部２１ａ
出力部２１ａ（「第１出力部」に相当）は、電力系統１の所定位置の有効電力Ｐ_ｏｕｔと、所定位置の無効電力Ｑ_ｏｕｔに応じた値との差Ｐ_ｏｕｔ ^＊を出力する。

【0035】

ここで、「所定位置」とは、本実施形態では、測定部４の設置点である。また、詳細は後述するが、「所定位置の無効電力に応じた値」とは、本実施形態では、所定位置の無効電力Ｑ_ｏｕｔの所定周波数より大きい成分に対して所定の係数αを乗じた値である。

【0036】

出力部２１ａは、ハイパスフィルタ２１ｃと、乗算器２１ｄと、加算器２１ｅとを含む。

【0037】

ハイパスフィルタ２１ｃは、無効電力の測定値Ｑ_ｏｕｔに対し、所定周波数以下の成分を減衰させたＱ_ｏｕｔ ^＊を出力する。

【0038】

乗算器２１ｄは、ハイパスフィルタ２１ｃからの入力Ｑ_ｏｕｔ ^＊に対し係数αを乗じた値を、加算器２１ｅに出力する。

【0039】

上述した「所定の係数α」は、本実施形態では、電力系統１の抵抗Ｒ_１を電力系統１のリアクタンスＸ_１で除した値である。

【0040】

【数1】

なお、係数αは、これに限らず、これに近い値の範囲で適宜選択してもよい。

【0041】

加算器２１ｅは、有効電力Ｐ_ｏｕｔと、乗算器２１ｄの出力（αＱ_ｏｕｔ ^＊）との差Ｐ_ｏｕｔ ^＊を生成部２１ｂに出力する。

【0042】

ここで、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊は、次式で表される。

【数2】

この式において、数式１の関係を用いた。

【0043】

・生成部２１ｂ
生成部２１ｂは、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊と、仮想同期発電機機能と、に基づいて、電力変換装置２の出力電圧の位相を生成する。

【0044】

生成部２１ｂは、加算器２１ｆ，２１ｇ，２１ｉと、乗算器２１ｊ，２１ｋと、積分器２１ｈ，２１ｌとを含む。

【0045】

加算器２１ｆは、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆから有効電力Ｐ_ｏｕｔを減じた値（Ｐ_ｒｅｆ－Ｐ_ｏｕｔ）を、加算器２１ｇに出力する。

【0046】

加算器２１ｇは、加算器２１ｆからの入力値（Ｐ_ｒｅｆ－Ｐ_ｏｕｔ）に乗算器２１ｊ（後述）からの入力を加えた値を、積分器２１ｈに出力する。

【0047】

積分器２１ｈは、加算器２１ｇからの入力に対して１／Ｍを乗じた（つまり、Ｍで除した）上で、初期値を与えた時刻から現在の時刻まで時間積分した結果を、乗算器２１ｋに出力する。

【0048】

ここでの積分演算によって、得られた値は、電力変換装置２から出力される周波数ωを、電力系統１のノミナル周波数ω_ｎで単位化した値である。

【0049】

電力系統１のノミナル周波数ω_ｎは、例えば日本国内においては、東日本は５０Ｈｚに２πを乗じた値であり、西日本は６０Ｈｚに２πを乗じた値である。

【0050】

加算器２１ｉは、１から積分器２１ｈからの入力を減じた値を、乗算器２１ｊに出力する。
なお、ここで加算器２１ｉへの入力は、積分器２１ｈからの入力に代えて、測定部４によって測定された連系点周波数ω_ｏｕｔをノミナル周波数ω_ｎで除した値としてもよい。

【0051】

乗算器２１ｊは、加算器２１ｉからの入力に対し、ＶＳＧの制動定数Ｄを乗じた値を、加算器２１ｇに出力する。

【0052】

乗算器２１ｋは、積分器２１ｈからの入力に対して電力系統１のノミナル周波数ω_ｎを乗じた値を出力する。乗算器２１ｋの出力値は、電力系統１に電力変換装置２の出力電圧に関する周波数である。

【0053】

積分器２１ｌは、乗算器２１ｋからの入力（出力電圧の周波数）を積分する。この演算によって、積分器２１ｌは、電力変換装置２から出力される電圧の位相θを出力する。

【0054】

なお、本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部２１において、加算器２１ｇと、積分器２１ｈと、加算器２１ｉと、乗算器２１ｊと、乗算器２１ｋとは、「第２出力部」に相当する。

【0055】

つまり、「第２出力部」は、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと差Ｐ_ｏｕｔ ^＊との差と、仮想同期発電機機能における慣性定数Ｍと、仮想同期発電機機能における制動定数Ｄと、に基づいて、出力電圧の周波数ωを出力する。また、積分器２１ｌは、「第３出力部」に相当する。

【0056】

［無効電力制御部２２］
図４は、無効電力制御部２２を説明する図である。無効電力制御部２２は、電力変換部３０から出力される電圧の振幅を制御するためのインバータ出力電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶ（「出力電圧振幅指令値」に相当）を算出する。

【0057】

無効電力制御部２２は無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆと、無効電力の測定値Ｑ_ｏｕｔとに基づいて、インバータ出力電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶを出力する。インバータ出力電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶは、電力変換装置２から実際に出力される電圧の振幅に相当する。無効電力制御部２２は、加算器２２ａと、振幅制御部２２ｂとを含む。

【0058】

・加算器２２ａ
加算器２２ａは、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆと、無効電力の測定値Ｑ_ｏｕｔとが入力され、これらの差を振幅制御部２２ｂに出力する。

【0059】

・振幅制御部２２ｂ
振幅制御部２２ｂは、加算器２２ａの出力に基づいて、インバータ出力電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶを生成する。

【0060】

このとき、振幅制御部２２ｂは、測定部４の設置点において無効電力の測定値Ｑ_ｏｕｔを無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆに一致させるインバータ電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶを生成する。

【0061】

［瞬時電圧指令生成部２３］
図２に戻り、瞬時電圧指令生成部２３は、電力変換装置２から出力される電圧に対する三相の各相の瞬時電圧指令値ｖ_ＩＮＶを生成する。

【0062】

［ＰＷＭパルス生成部２４］
ＰＷＭパルス生成部２４は、例えば三角波で実現される搬送波と、基本波としての正弦波との交点を検出する。これによって、ＰＷＭパルス生成部２４は、ＰＷＭパルスのデューティ比を決定し、決定したデューティ比を有するＰＷＭパルス信号ｖＰＷＭを生成する。

【0063】

ＰＷＭパルス信号ＶＰＷＭは、電力変換部３０に出力され、電力変換部３０のインバータ回路が駆動される。

【0064】

［出力電圧の安定化］
本実施形態の電力変換装置２の制御装置２０によれば、上述のインバータ出力電圧位相生成部２１を有することにより、送電線１０の抵抗Ｒ_１が考慮され、有効電力Ｐ_ｏｕｔ、無効電力Ｑ_ｏｕｔ、出力電圧ｖ_ｏｕｔ等を高精度で制御することができる。以下では、その理由を説明する。

【0065】

有効電力の測定値Ｐ_ｏｕｔ及び無効電力の測定値Ｑ_ｏｕｔを合わせた複素電力は、次式で表すことができる。

【数3】

【0066】

ここで、Ｖ_ｏｕｔは電力変換装置２の出力電圧ｖ_ｏｕｔの振幅、Ｖ_０は電力系統１からの電圧ｖ_０の振幅、δは出力電圧ｖ_ｏｕｔ及び系統電圧ｖ_０との位相差である。

【0067】

ここで、平衡状態から位相差δの微小な変動Δδ及び振幅Ｖ_ｏｕｔの微小な変動ΔＶ_ｏｕｔが生じた場合を考える。この場合、インバータ出力電圧位相の変動Δθは位相差の変動Δδに等しくなるとみなしてよいので、数式３から、有効電力Ｐ_ｏｕｔの変動ΔＰ_ｏｕｔ及び無効電力の変動ΔＱ_ｏｕｔは、次式で表すことができる。

【0068】

【数4】

ここで、変動Δθ及び変動ΔＶ_ｏｕｔの二次以上の寄与は無視した。

【0069】

更に、有効電力Ｐ_ｏｕｔの変動ΔＰ_ｏｕｔ及び無効電力の変動ΔＱ_ｏｕｔが生じた場合を考える。この場合、数式４から、変動Δθ及び変動ΔＶ_ｏｕｔは、次式で表すことができる。

【0070】

【数5】

【0071】

先ず、数式４からわかるように、位相差δの変動Δδ=Δθが生じると、有効電力Ｐ_ｏｕｔのみならず、無効電力Ｑ_ｏｕｔの変動も生じ得る。これは、送電線１０の抵抗Ｒ_１の影響により、α（＝Ｒ_１／Ｘ_１）が０（零）でない値を取り得るためである。

【0072】

更に、数式５からわかるように、有効電力Ｐ_ｏｕｔのみならず、無効電力の変動ΔＱ_ｏｕｔが生じると、位相差δの変動Δδ=Δθが生じ得る。これについても、送電線１０の抵抗Ｒ_１の影響により、α（＝Ｒ_１／Ｘ_１）が０（零）でない値を取り得るためである。

【0073】

以上のことから、出力電圧ｖ_ｏｕｔの位相θの制御においては、無効電力の変動ΔＱ_ｏｕｔに起因する位相差δの変動Δδ=Δθを考慮する必要がある。

【0074】

そのため、本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部２１おいては、有効電力の測定値Ｐ_ｏｕｔのみならず、無効電力の測定値Ｑ_ｏｕｔもフィードバックされ、位相θが生成される（図３）。

【0075】

前述のように、出力部２１ａからは、数式２に示した差Ｐ_ｏｕｔ ^＊が出力される。ここで、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊の変動ΔＰ_ｏｕｔ ^＊は、次式で表わされる。

【数6】

ここで、数式１を用いた。

【0076】

数式６に示した変動ΔＰ_ｏｕｔ ^＊は、無効電力の所定周波数より大きい成分Ｑ_ｏｕｔ ^＊において、数式５に示した変動Δθに比例する値である。

【0077】

本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部２１によれば、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊が有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆとなるように制御される。従って、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊の変動ΔＰ_ｏｕｔ ^＊、引いては変動Δθが、０（零）に抑えられるように制御される。

【0078】

以上のことから、本実施形態の電力変換装置２によれば、上述のインバータ出力電圧位相生成部２１を有することにより、送電線１０の抵抗Ｒ_１が考慮され、有効電力Ｐ_ｏｕｔ、無効電力Ｑ_ｏｕｔ、出力電圧ｖ_ｏｕｔ等を安定して制御することができる。

【0079】

＜電力変換部３０＞
電力変換部３０は、直流電源と、複数のスイッチング素子を含むインバータ回路（図示せず）とを有する。インバータ回路は、直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換し、電力系統１に出力する。

【0080】

このとき、インバータ回路は、ＰＷＭパルス生成部２４からの出力であるＰＷＭパルス信号ｖ_ＰＷＭに基づいて生成された電圧を出力する。

【0081】

なお、図３の位相θは、「仮想同期発電機機能における位相」とも称し、図４の電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶは、「仮想同期発電機機能におけるインバータ出力電圧振幅指令値」とも称する。

【0082】

＜＜数値シミュレーションの結果＞＞
図５～図７は、数値シミュレーションの結果を示す図である。図５～図７ではそれぞれ、従来の電力変換装置及び本実施形態の電力変換装置２を想定した数値シミュレーションの結果を比較している。

【0083】

図５～図７はそれぞれ、送電線１０の抵抗Ｒ_１のみを変えたシミュレーションの結果である。それぞれの図に示したシミュレーションにおいて、送電線１０のリアクタンスＸ_１は０．１［ｐｕ］とした。また、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆは０．８［ｐｕ］、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆは０．５［ｐｕ］とした。

【0084】

図５は、送電線１０の抵抗Ｒ_１が０．０１［ｐｕ］の場合の結果を示している。図５（ａ）～（ｃ）は従来の電力変換装置、図５（ｄ）～（ｆ）は本実施形態の電力変換装置２を想定した結果である。

【0085】

図５において、（ａ）及び（ｄ）は有効電力及び無効電力、（ｂ）及び（ｅ）は出力電圧の振幅Ｖ_ｏｕｔ、（ｃ）及び（ｆ）は出力電圧の周波数ωを示している。

【0086】

図５に示したシミュレーションで想定した抵抗Ｒ_１（０．０１［ｐｕ］）の場合、従来の電力変換装置も本実施形態の電力変換装置２も結果はほぼ同じとなった。つまり、抵抗Ｒ_１が０．０１［ｐｕ］程度の場合であれば、これを無視しても問題は生じない。

【0087】

図６は、送電線１０の抵抗が０．０５［ｐｕ］の場合の結果を示している。つまり、この結果は、図５に示したシミュレーションで想定した抵抗よりも大きい抵抗を想定した場合の結果である。図６（ａ）～（ｆ）は、図５（ａ）～（ｆ）に対応する結果である。

【0088】

図６に示すシミュレーション結果によると、従来の電力変換装置では０．５［ｓｅｃ］以前の時刻で有効電力Ｐ_ｏｕｔの振動が発現している。一方、本実施形態の電力変換装置２では、従来に比べて有効電力Ｐ_ｏｕｔの振動は微弱である。

【0089】

有効電力Ｐ_ｏｕｔ以外については、従来も本実施形態もほぼ同じとなった。つまり、抵抗Ｒ_１が０．０５［ｐｕ］程度の場合であっても、これを無視しても問題はほぼ生じない。

【0090】

図７は、送電線１０の抵抗が０．１［ｐｕ］の場合の結果を示している。つまり、この結果は、図６に示したシミュレーションで想定した抵抗よりも大きい抵抗を想定した場合の結果である。図７（ａ）～（ｆ）は、図５（ａ）～（ｆ）に対応する結果である。

【0091】

図７に示すシミュレーション結果によると、従来の電力変換装置では有効電力、無効電力出力電圧の振幅及び位相の全てにおいて、顕著な振動が発現している（図７（ａ）～（ｃ））。従って、送電線１０の抵抗が０．１［ｐｕ］程度の場合はこれを無視することはできない。

【0092】

一方、本実施形態の電力変換装置２では、有効電力に振動が発現しているが、従来に比べれば微弱である（図７（ｄ）～（ｆ））。有効電力Ｐ_ｏｕｔ以外については、顕著な振動は発現しない。

【0093】

以上の結果から、本実施形態の電力変換装置２によれば、送電線１０の抵抗を考慮することにより、電力変換装置２からの出力を安定して制御することができる。

【0094】

＝＝第２実施形態＝＝
図８は、本実施形態の電力変換装置５の制御装置５０の機能ブロックを説明する図である。本実施形態の電力変換装置５は、第１実施形態（図２）と比べると、インバータ出力電圧位相生成部５１の構成が異なっている。

【0095】

［インバータ出力電圧位相生成部５１］
図９は、本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部５１を説明する図である。本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部５１は、出力部５１ａと、出力部５１ｄと、生成部２１ｂとを含む。なお、生成部２１ｂは第１実施形態と同じであるため、以下で説明は省略する。

【0096】

・出力部５１ａ
出力部５１ａは、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆに応じた値との差Ｐ_ｒｅｆ ^＊（「第２の差」に相当）を出力する。出力部５１ａは、乗算器５１ｂと、加算器５１ｃとを含む。

【0097】

乗算器５１ｂは、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆに対し係数αを乗じた値を、加算器５１ｃに出力する。本実施形態においても、係数αは第１実施形態と同じ（数式１）である。

【0098】

加算器５１ｃは、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと、乗算器５１ｂの出力（αＱ_ｒｅｆ）との差Ｐ_ｒｅｆ ^＊を生成部２１ｂに出力する。

【0099】

出力部５１ｄは、所定位置の有効電力Ｐ_ｏｕｔと、所定位置の無効電力Ｑ_ｏｕｔに応じた値との差Ｐ_ｏｕｔ ^＊（「第１の差」に相当）を出力する。

【0100】

出力部５１ｄは、乗算器２１ｄと、加算器２１ｅとを含む。本実施形態の出力部５１ｄは、第１実施形態の出力部２１ａ（図３）に対し、ハイパスフィルタ２１ｃを省略したものに相当する。

【0101】

従って、本実施形態の出力部５１ｄの加算器２１ｅは、有効電力の測定値Ｐ_ｏｕｔと、乗算器５１ｂの出力（αＱ_ｏｕｔ）との差Ｐ_ｏｕｔ ^＊を生成部２１ｂに出力する。

【0102】

本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部５１の構成であっても、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊が有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆとなるように制御される。従って、変動ΔＰ_ｏｕｔ ^＊、引いては、数式５より変動Δθも０（零）に抑えられるように制御される。

【0103】

以上のことから、本実施形態の電力変換装置５によれば、上述のインバータ出力電圧位相生成部５１を有することにより、送電線１０の抵抗Ｒ_１が考慮され、有効電力Ｐ_ｏｕｔ、無効電力Ｑ_ｏｕｔ、出力電圧ｖ_ｏｕｔ等を安定して制御することができる。

【0104】

なお、本実施形態の出力部５１ａは「第１出力部」に相当し、本実施形態の出力部５１ｄは「第２出力部」に相当する。

【0105】

なお、本実施形態のインバータ出力電圧位相生成部５１において、積分器２１ｈと、乗算器２１ｋとは、「第３出力部」に相当する。また、積分器２１ｌは、「第４出力部」に相当する。

【0106】

＝＝変形例＝＝
変形例の電力変換装置について説明する。図１０は、本変形例の無効電力制御部６２を説明する図である。

【0107】

本変形例の無効電力制御部６２は、実施形態の無効電力制御部２２と比べると、振幅制御部６２ａを更に含む点で異なっている。

【0108】

振幅制御部６２ａは、振幅制御部２２ｂからの入力であるインバータ電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶと、出力電圧の振幅の測定値Ｖ_ｏｕｔとに基づいて、補正されたインバータ電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶ ^＊を瞬時電圧指令生成部２３に出力する。

【0109】

振幅制御部６２ａは、電力変換装置から測定部４までのインピーダンスＸ_２を考慮し、測定部４の設置点において、出力電圧Ｖ_ｏｕｔがインバータ電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶに一致するように、補正されたインバータ電圧振幅指令値Ｖ_ＩＮＶ ^＊を生成して出力する。

【0110】

＝＝まとめ＝＝
以上、第１実施形態の電力変換装置２は、電力系統１に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、系統連系中における所定位置の有効電力Ｐ_ｏｕｔと無効電力Ｑ_ｏｕｔを計測し、電力系統１の所定位置の有効電力Ｐ_ｏｕｔと、所定位置の無効電力Ｑ_ｏｕｔに応じた値との差Ｐ_ｏｕｔ ^＊を出力する出力部２１ａと、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊と、仮想同期発電機機能と、に基づいて、電力変換装置２の出力電圧の位相を生成する生成部２１ｂと、を含む。

【0111】

このような構成によれば、送電線１０の抵抗を考慮した有効電力及び無効電力の制御をすることができる。これによって、出力電圧の位相の変動Δθを介した有効電力及び無効電力の干渉を抑制することができる。従って、電力変換装置２からの出力を安定して制御することができる。

【0112】

また、電力変換装置２において、所定位置の無効電力に応じた値は、所定位置の無効電力の所定周波数より大きい成分に対して所定の係数を乗じた値である。このような構成によれば、有効電力を単独でも制御することが可能になる。従って、電力変換装置２からの出力を更に安定して制御することができる。

【0113】

また、電力変換装置２において、生成部２１ｂは、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと差Ｐ_ｏｕｔ ^＊との差と、仮想同期発電機機能における慣性定数と、仮想同期発電機機能における制動定数と、に基づいて、出力電圧の周波数を出力する第２出力部と、出力電圧の周波数を積分し、位相を出力する第３出力部と、を有する。このような構成によれば、電力変換装置２からの出力を更に安定して制御することができる。

【0114】

また、電力変換装置２において、係数は、電力系統１の抵抗を電力系統１のリアクタンスで除した値である。このような構成によれば、位相差δの変動Δδ=Δθの一次の寄与を相殺することができる。

【0115】

また、電力変換装置は、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆと、所定位置の無効電力Ｑ_ｏｕｔとの差に基づいて、電力変換装置２の出力電圧振幅指令値を生成する無効電力制御部２２、を更に含む。このよう構成によれば、出力電圧の振幅を安定かつ高精度で制御することができる。

【0116】

第２実施形態の電力変換装置５は、電力系統１に連系可能であり、仮想同期発電機機能を有する電力変換装置であって、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、系統連系中における所定位置の有効電力と無効電力を計測し、所定位置の有効電力Ｐ_ｏｕｔと、所定位置の無効電力Ｑ_ｏｕｔに応じた値との差Ｐ_ｏｕｔ ^＊を出力する出力部５１ｄと、有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆに応じた値との差Ｐ_ｒｅｆ ^＊を出力する出力部５１ａと、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊と、第２の差Ｐ_ｒｅｆ ^＊と、仮想同期発電機機能と、に基づいて、電力変換装置５の出力電圧の位相を生成する生成部２１ｂと、を含む。

【0117】

このような構成によれば、送電線１０の抵抗を考慮した有効電力及び無効電力の制御をすることができる。これによって、出力電圧の位相の変動Δθを介した有効電力及び無効電力の干渉を抑制することができる。従って、電力変換装置５からの出力を安定して制御することができる。

【0118】

また、電力変換装置５において、所定位置の無効電力に応じた値は、所定位置の無効電力に対して所定の係数を乗じた値であり、無効電力の指令値に応じた値は、無効電力の指令値に対して係数を乗じた値である。このような構成によれば、有効電力を単独でも制御することが可能になる。従って、電力変換装置５からの出力を更に安定して制御することができる。

【0119】

また、電力変換装置５において、生成部２１ｂは、差Ｐ_ｏｕｔ ^＊及び差Ｐ_ｒｅｆ ^＊の差と、仮想同期発電機機能における慣性定数と、仮想同期発電機機能における制動定数と、に基づいて、出力電圧の周波数を出力する第３出力部と、出力電圧の周波数を積分し、位相を出力する第４出力部と、を有する。このような構成によれば、電力変換装置５からの出力を更に安定して制御することができる。

【0120】

また、電力変換装置５において、係数は、電力系統１の抵抗を電力系統１のリアクタンスで除した値である。このような構成によれば、位相差δの変動Δδ=Δθの一次の寄与を相殺することができる。

【0121】

また、電力変換装置５は、無効電力の指令値と、所定位置の無効電力との差に基づいて、電力変換装置５の出力電圧振幅指令値を生成する無効電力制御部２２、を更に含む。このよう構成によれば、出力電圧の振幅を安定かつ高精度で制御することができる。

【0122】

上記実施形態は、発明の例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものでは
ない。上記の構成は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行
うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特
許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0123】

電力系統 １
送電線 １０
遮断器 １１
電力変換装置 ２
制御装置 ２０
ＤＳＰ ２００
記憶装置 ２０１
インバータ出力電圧位相生成部 ２１
出力部 ２１ａ
生成部 ２１ｂ
ハイパスフィルタ ２１ｃ
乗算器 ２１ｄ
加算器 ２１ｅ
加算器 ２１ｆ
加算器 ２１ｇ
積分器 ２１ｈ
加算器 ２１ｉ
乗算器 ２１ｊ
乗算器 ２１ｋ
積分器 ２１ｌ
無効電力制御部 ２２
加算器 ２２ａ
振幅制御部 ２２ｂ
瞬時電圧指令生成部 ２３
ＰＷＭパルス生成部 ２４
電力変換部 ３０
遮断器 ３
測定部 ４
電力変換装置 ５
制御装置 ５０
インバータ出力電圧位相生成部 ５１
出力部 ５１ａ
乗算器 ５１ｂ
加算器 ５１ｃ
出力部 ５１ｄ
無効電力制御部 ６２
振幅制御部 ６２ａ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【手続補正書】

【提出日】2023-05-30

【手続補正1】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】０００５

【補正方法】変更

【補正の内容】

【0005】

【特許文献1】特許第７１３４３８８号