特許 7523193 自立系統向け電源システム

(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】

(24)【登録日】2024-07-18

(45)【発行日】2024-07-26

(54)【発明の名称】自立系統向け電源システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/493 20070101AFI20240719BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240719BHJP

【ＦＩ】

H02M7/493

H02M7/48 R

H02M7/48 E

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2024500801

(86)(22)【出願日】2022-02-17

(86)【国際出願番号】 JP2022006335

(87)【国際公開番号】W WO2023157162

(87)【国際公開日】2023-08-24

【審査請求日】2023-10-12

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】三ツ木 康晃

【審査官】安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０２１－０６５００８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１８４６０７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－２２６２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１９／０１２３６６２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４９３

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

自立系統への交流電力の供給を行う自立系統向け電源システムであって、
複数の電源装置と、
前記自立系統に対して並列に接続され、前記複数の電源装置から供給された電力を前記自立系統に対応した交流電力に変換し、変換後の前記交流電力を前記自立系統に供給する電圧源電圧制御型の複数の電力変換装置と、
前記複数の電力変換装置の電力の変換動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記自立系統で必要とされる有効電力に応じた前記複数の電力変換装置の複数の有効電力指令値を演算するとともに、前記自立系統で必要とされる無効電力に応じた前記複数の電力変換装置の複数の無効電力指令値を演算し、
前記複数の電力変換装置は、前記有効電力指令値に応じた有効電力を出力するとともに、前記無効電力指令値に応じた無効電力を出力するように電圧制御運転を行う自立系統向け電源システム。

【請求項2】

前記制御装置は、前記複数の電力変換装置のそれぞれの状態に応じた有効電力の大きさとなるように、前記複数の有効電力指令値の按分処理を行うとともに、前記複数の電力変換装置のそれぞれの無効電力出力上限を考慮した無効電力の大きさとなるように、前記複数の無効電力指令値の按分処理を行う請求項１記載の自立系統向け電源システム。

【請求項3】

前記複数の電源装置は、前記複数の電力変換装置に直流電力を供給する蓄電装置であり、
前記複数の電力変換装置は、前記複数の電源装置から供給された直流電力を前記自立系統に対応した交流電力に変換し、変換後の前記交流電力を前記自立系統に供給するとともに、前記自立系統の前記交流電力を直流電力に変換することにより、前記複数の電源装置を充電し、
前記制御装置は、蓄電量の残量の高い前記電源装置に対応する前記電力変換装置の方が、蓄電量の残量の低い前記電源装置に対応する前記電力変換装置よりも放電時における有効電力の大きさが大きくなり、蓄電量の残量の高い前記電源装置に対応する前記電力変換装置の方が、蓄電量の残量の低い前記電源装置に対応する前記電力変換装置よりも充電時における有効電力の大きさが小さくなるように、前記複数の有効電力指令値の按分処理を行う請求項２記載の自立系統向け電源システム。

【請求項4】

前記複数の電力変換装置は、前記自立系統に対し、変圧器及びリアクトルの少なくとも一方を介して並列に接続される請求項１記載の自立系統向け電源システム。

【請求項5】

前記複数の電力変換装置は、電力の変換を行う主回路部と、前記主回路部による電力の変換を制御する制御部と、を有し、
前記主回路部は、電力の変換を行う電力変換部と、前記電力変換部と前記自立系統との間に設けられたフィルタ回路と、を有し、
前記制御部は、
前記有効電力指令値、前記無効電力指令値、前記主回路部の現在の有効電力出力値、及び前記主回路部の現在の無効電力出力値を基に、前記主回路部から出力する交流電力の出力電圧位相、出力電圧周波数、及び出力電圧振幅を演算し、
前記出力電圧位相、前記出力電圧周波数、及び前記出力電圧振幅を基に、前記電力変換部の交流電力の瞬時値電圧出力指令値を演算し、
前記瞬時値電圧出力指令値に応じた電圧を前記電力変換部から出力させるように、前記電力変換部の動作を制御する請求項１記載の自立系統向け電源システム。

【請求項6】

前記制御部は、前記出力電圧位相、前記出力電圧周波数、及び前記出力電圧振幅を用いるとともに、前記電力変換部から出力される交流電力の相電圧、前記電力変換部から出力される交流電力の線電流、前記主回路部から出力される交流電力の相電圧、及び前記主回路部から出力される交流電力の線電流の少なくともいずれかを用いることにより、前記主回路部の出力端での過電流を抑制するように、前記瞬時値電圧出力指令値を演算する請求項５記載の自立系統向け電源システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、自立系統向け電源システムに関する。

【背景技術】

【0002】

電力会社などが提供する大規模な電力系統と連系していない自立系統に電力を供給する自立系統向けの電源システムがある。自立系統向けの電源システムは、例えば、工場や所定の地域などで用いられており、マイクログリッドなどと呼ばれる場合もある。

【0003】

電源システムは、電源装置と、電源装置から供給された電力を自立系統に応じた交流電力に変換し、変換後の交流電力を自立系統に供給する電力変換装置と、を備える。電源装置には、例えば、蓄電装置、太陽光発電装置、風力発電装置などの分散型電源が用いられる。

【0004】

こうした自立系統向けの電源システムにおいて、電圧を制御対象とする電圧源電圧制御型の電力変換装置（Grid forming inverter）を用いることが検討されている。電流を制御対象とする電圧源電流制御型の電力変換装置（Grid following inverter）では、ディーゼル発電機などの別の電圧源が自立系統に存在しない場合に、安定した運転が難しくなってしまう。これに対し、電圧源電圧制御型の電力変換装置では、別の電圧源が自立系統に存在しない場合においても、安定した運転を行うことができ、電源システムや自立系統の構成をより簡単にすることができる。

【0005】

しかしながら、電圧源電圧制御型の電力変換装置では、複数台の電力変換装置を自立系統に対して並列に接続し、並列運転を行う際に、動作が不安定になり、自立系統への安定した電力供給を行うことができなくなってしまう可能性がある。

【0006】

例えば、比較的規模の大きな自立系統などにおいて、複数台の電力変換装置の並列運転を求められる場合がある。このため、自立系統向けの電源システムにおいては、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置を並列運転させた際にも、自立系統への安定した電力供給を行えるようにすることが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特表２０１９－５２７０２４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の実施形態は、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置を並列運転させた際にも、自立系統への安定した電力供給を行うことができる自立系統向け電源システムを提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施形態によれば、自立系統への交流電力の供給を行う自立系統向け電源システムであって、複数の電源装置と、前記自立系統に対して並列に接続され、前記複数の電源装置から供給された電力を前記自立系統に対応した交流電力に変換し、変換後の前記交流電力を前記自立系統に供給する電圧源電圧制御型の複数の電力変換装置と、前記複数の電力変換装置の電力の変換動作を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記自立系統で必要とされる有効電力に応じた前記複数の電力変換装置の複数の有効電力指令値を演算するとともに、前記自立系統で必要とされる無効電力に応じた前記複数の電力変換装置の複数の無効電力指令値を演算し、前記複数の電力変換装置は、前記有効電力指令値に応じた有効電力を出力するとともに、前記無効電力指令値に応じた無効電力を出力するように電圧制御運転を行う自立系統向け電源システムが提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態によれば、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置を並列運転させた際にも、自立系統への安定した電力供給を行うことができる自立系統向け電源システムが提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る自立系統向け電源システムを模式的に表すブロック図である。

【図2】実施形態に係る制御装置の一例を模式的に表すブロック図である。

【図3】実施形態に係る電力変換装置の一例を模式的に表すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0013】

図１は、実施形態に係る自立系統向け電源システムを模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、自立系統向け電源システム２（以下、電源システム２と称す）は、複数の電源装置４と、複数の電力変換装置６と、制御装置１０と、を備える。

【0014】

電源システム２は、自立系統ＩＳと接続されている。自立系統ＩＳは、電力会社などが提供する大規模な電力系統と連系していない系統である。自立系統ＩＳは、交流の系統である。自立系統ＩＳの交流電力は、例えば、三相交流電力である。但し、自立系統ＩＳの交流電力は、単相交流電力などでもよい。電源システム２は、自立系統ＩＳへの交流電力の供給を行う。

【0015】

複数の電源装置４は、複数の電力変換装置６に対応して設けられる。複数の電源装置４の数は、例えば、複数の電力変換装置６の数と同じである。複数の電源装置４は、複数の電力変換装置６のそれぞれに接続される。但し、１台の電力変換装置６に対して複数台の電源装置４を接続してもよい。反対に、複数台の電力変換装置６に対して１台の電源装置４を接続してもよい。複数の電源装置４の数は、必ずしも複数の電力変換装置６の数と同じでなくてもよい。

【0016】

複数の電源装置４は、複数の電力変換装置６のそれぞれに電力を供給する。複数の電源装置４は、例えば、蓄電池などを用いた蓄電装置である。複数の電源装置４は、複数の電力変換装置６のそれぞれに直流電力を供給する。

【0017】

複数の電力変換装置６は、複数の電源装置４に対応して設けられる。複数の電力変換装置６は、複数の電源装置４に接続されるとともに、自立系統ＩＳと接続される。複数の電力変換装置６は、自立系統ＩＳに対して並列に接続される。複数の電力変換装置６は、複数の電源装置４から供給された電力を自立系統ＩＳに対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を自立系統ＩＳに供給する。

【0018】

複数の電力変換装置６は、電圧を制御対象とする電圧源電圧制御型の電力変換装置である。これにより、自立系統ＩＳに他の電圧源が存在しない場合においても、自立系統ＩＳへの安定した電力供給を行うことができる。また、複数の電力変換装置６は、並列運転を行う。これにより、比較的規模の大きい自立系統ＩＳに対しても、安定して電力を供給することができる。

【0019】

自立系統ＩＳには、例えば、誘導電動機などの交流負荷が接続される。複数の電力変換装置６（電源システム２）は、換言すれば、自立系統ＩＳを介して交流負荷に交流電力を供給する。なお、自立系統ＩＳには、交流負荷の他に、例えば、同期発電機などが接続されていてもよい。自立系統ＩＳには、例えば、蓄電池システムや太陽光発電システムなどに用いられる電圧源電流制御型の電力変換装置などがさらに接続されていてもよい。換言すれば、自立系統ＩＳは、別の電源と連系していてもよい。

【0020】

複数の電源装置４が蓄電装置である場合、複数の電力変換装置６は、自立系統ＩＳの交流電力を直流電力に変換することにより、複数の電源装置４を充電する機能をさらに有する。

【0021】

但し、複数の電源装置４は、蓄電装置に限ることなく、例えば、太陽電池パネルなどでもよい。この場合、複数の電力変換装置６は、自立系統ＩＳから入力された交流電力を直流電力に変換する機能を有しなくてもよい。

【0022】

また、複数の電源装置４は、例えば、風力発電機やガスタービン発電機などの他の発電機でもよい。複数の電源装置４から複数の電力変換装置６に入力される電力は、直流電力に限ることなく、交流電力でもよい。複数の電力変換装置６は、複数の電源装置４から入力された交流電力を自立系統ＩＳに対応した別の交流電力に変換する構成でもよい。

【0023】

このように、複数の電力変換装置６による電力の変換は、直流から交流への変換に限ることなく、複数の電源装置４の電力を自立系統ＩＳに対応した交流電力に変換する任意の変換でよい。

【0024】

電源システム２は、例えば、複数の変圧器１２と、測定装置１４と、をさらに備える。複数の変圧器１２は、複数の電力変換装置６のそれぞれに対応して設けられる。複数の電力変換装置６は、複数の変圧器１２の一次側に接続される。複数の変圧器１２の二次側は、自立系統ＩＳに接続される。このように、複数の電力変換装置６は、複数の変圧器１２を介して自立系統ＩＳと接続される。複数の電力変換装置６は、自立系統ＩＳに対し、複数の変圧器１２を介して並列に接続される。

【0025】

このように、複数の変圧器１２を介して複数の電力変換装置６を並列に接続することにより、複数の電力変換装置６の並列運転を行う際にも、複数の電力変換装置６間での横流の発生を抑制することができる。すなわち、電力変換装置６から出力された電流が、自立系統ＩＳではなく、別の電力変換装置６に流れてしまうことを抑制することができる。

【0026】

なお、複数の電力変換装置６と自立系統ＩＳとの間には、遮断器やさらに多くの変圧器などが設けられていてもよい。複数の電力変換装置６と自立系統ＩＳとの間の構成は、複数の電力変換装置６を自立系統ＩＳに接続可能な任意の構成でよい。

【0027】

測定装置１４は、複数の電力変換装置６の制御点の有効電力及び電圧を測定し、有効電力測定値及び電圧測定値を制御装置１０に入力する。複数の電力変換装置６の制御点は、換言すれば、複数の電力変換装置６と自立系統ＩＳとの接続点（連系点）である。

【0028】

なお、複数の電力変換装置６の有効電力制御の制御点は、必ずしも複数の電力変換装置６の電圧制御の制御点と同じでなくてもよい。測定装置１４は、例えば、有効電力制御の制御点における有効電力を測定する電力測定器と、電圧制御の制御点における電圧を測定する電圧測定器と、を有してもよい。

【0029】

制御装置１０は、複数の電力変換装置６の電力の変換動作を制御する。制御装置１０は、例えば、測定装置１４と通信を行い、測定装置１４から制御点の有効電力測定値の情報、及び制御点の電圧測定値の情報の入力を受ける。また、制御装置１０は、例えば、複数の電源装置４のそれぞれと通信を行い、複数の電源装置４のそれぞれから複数の電源装置４に関する情報の入力を受ける。制御装置１０は、入力された各情報を基に、複数の電力変換装置６の動作を制御する。

【0030】

複数の電源装置４が蓄電装置である場合、複数の電源装置４に関する情報は、例えば、複数の電源装置４の充放電可能量に関する情報である。より詳しくは、電源装置４の蓄電量の残量（ＳＯＣ：State Of Charge）の情報である。蓄電量の残量の情報は、蓄電量の残量そのものを表す情報でもよいし、例えば電源装置４の電圧など、制御装置１０において蓄電量の残量（充放電可能量に関する情報）を演算可能とする情報でもよい。充放電可能量に関する情報は、上記に限ることなく、制御装置１０において電源装置４の充放電可能量を把握できるようにする任意の情報でよい。

【0031】

複数の電源装置４が太陽光パネルや風力発電機などの発電機である場合には、複数の電源装置４に関する情報は、例えば、複数の電源装置４の発電量に関する情報である。

【0032】

なお、制御装置１０に入力される情報は、上記に限定されるものではない。制御装置１０は、例えば、複数の電力変換装置６のそれぞれと通信を行うことにより、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力出力値の情報や複数の電力変換装置６のそれぞれの無効電力出力値の情報などの入力を受けてもよい。制御装置１０に入力される情報は、複数の電力変換装置６の制御に必要な任意の情報でよい。

【0033】

また、各情報は、例えば、上位のコントローラなどから制御装置１０に入力してもよい。制御装置１０は、必ずしも測定装置１４や複数の電源装置４などと直接的に通信を行わなくてもよい。各情報の制御装置１０への入力方法は、各情報を制御装置１０に対して適切に入力可能な任意の方法でよい。

【0034】

図２は、実施形態に係る制御装置の一例を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、制御装置１０は、有効電力指令値演算部２０と、無効電力合計値演算部２２と、無効電力指令値演算部２４と、を有する。制御装置１０は、入力された各情報を基に、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力指令値及び無効電力指令値を演算し、演算した有効電力指令値及び無効電力指令値を複数の電力変換装置６のそれぞれに入力することにより、複数の電力変換装置６の電力の変換動作を制御する。

【0035】

有効電力指令値演算部２０には、複数の電力変換装置６の全体から出力すべき有効電力の大きさを表す有効電力合計値が入力される。自立系統ＩＳが他の電源から電力の供給を受けていない場合においては、制御点の有効電力測定値が、自立系統ＩＳにおいて現在必要とされている有効電力の大きさとみなすことができる。従って、制御装置１０は、測定装置１４から入力された有効電力測定値を有効電力合計値として有効電力指令値演算部２０に入力する。

【0036】

また、制御点における有効電力測定値は、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力出力値の合計値とほぼ同じである。従って、制御装置１０は、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力出力値の情報を取得し、有効電力出力値の合計値を有効電力合計値として有効電力指令値演算部２０に入力してもよい。

【0037】

有効電力指令値演算部２０は、入力された有効電力合計値を基に、複数の電力変換装置６のそれぞれから個別に出力すべき有効電力の大きさを表す複数の有効電力指令値を演算する。

【0038】

この際、有効電力指令値演算部２０は、例えば、複数の電力変換装置６のそれぞれの状態に応じた適切な有効電力の大きさとなるように、複数の有効電力指令値の按分処理を行う。

【0039】

有効電力指令値演算部２０は、例えば、複数の電源装置４が蓄電装置である場合には、蓄電量の残量の高い電源装置４に対応する電力変換装置６の方が、蓄電量の残量の低い電源装置４に対応する電力変換装置６よりも放電時における有効電力の大きさが大きくなり、蓄電量の残量の高い電源装置４に対応する電力変換装置６の方が、蓄電量の残量の低い電源装置４に対応する電力変換装置６よりも充電時における有効電力の大きさが小さくなるように、複数の有効電力指令値の按分処理を行う。

【0040】

このように、有効電力指令値演算部２０は、例えば、複数の電源装置４に関する情報を基に、按分処理を行う。例えば、有効電力合計値（単位：Ｗ）をＰ_{Ｔｏｔａｌ}とし、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力指令値（単位：Ｗ）をＰ_ｒｅｆ（ｉ）とし、複数の電源装置４のそれぞれの蓄電量の残量（単位：％）をＳＯＣ（ｉ）とし、複数の電源装置４の蓄電量の残量の合計値（単位：％）をＳＯＣ_{Ｔｏｔａｌ}とする時、有効電力指令値演算部２０は、放電時（Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}＞０）においては、次の（１）式によって、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力指令値Ｐ_ｒｅｆ（ｉ）を演算する。
Ｐ_ｒｅｆ（ｉ）＝Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}×（ＳＯＣ（ｉ）／ＳＯＣ_{Ｔｏｔａｌ}）・・・（１）
なお、（ｉ）は、複数の電力変換装置６及び対応する電源装置４を個別に表す変数である。ＳＯＣ_{Ｔｏｔａｌ}は、換言すれば、複数のＳＯＣ（ｉ）の合計値である。

【0041】

すなわち、蓄電量の残量の合計値に対する個別の蓄電量の残量の割合を演算し、その割合を有効電力合計値に乗算する。これにより、上記のように、蓄電量の残量の高い電源装置４に対応する電力変換装置６の方が、蓄電量の残量の低い電源装置４に対応する電力変換装置６よりも放電時における有効電力の大きさが大きくなるように、按分処理を行うことができる。

【0042】

また、複数の電源装置４のそれぞれの電池使用量（単位：％）をＢＡＵ（ｉ）とし、複数の電源装置４の電池使用量の合計値（単位：％）をＢＡＵ_{Ｔｏｔａｌ}とする時、有効電力指令値演算部２０は、充電時（Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}＜０）においては、次の（２）式によって、複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力指令値Ｐ_ｒｅｆ（ｉ）を演算する。
Ｐ_ｒｅｆ（ｉ）＝Ｐ_{Ｔｏｔａｌ}×（ＢＡＵ（ｉ）／ＢＡＵ_{Ｔｏｔａｌ}）・・・（２）
なお、ＢＡＵ（ｉ）は、ＢＡＵ（ｉ）＝１００－ＳＯＣ（ｉ）である。ＢＡＵ_{Ｔｏｔａｌ}は、換言すれば、複数のＢＡＵ（ｉ）の合計値である。

【0043】

これにより、上記のように、蓄電量の残量の高い電源装置４に対応する電力変換装置６の方が、蓄電量の残量の低い電源装置４に対応する電力変換装置６よりも充電時における有効電力の大きさが小さくなるように、按分処理を行うことができる。

【0044】

有効電力指令値演算部２０は、例えば、複数の電源装置４が発電機である場合には、発電量の高い電源装置４に対応する電力変換装置６の方が、発電量の低い電源装置４に対応する電力変換装置６よりも有効電力の大きさが大きくなるように、複数の有効電力指令値の按分処理を行う。この按分処理は、例えば、上記（１）式における蓄電量の残量ＳＯＣ（ｉ）を発電量に置き換えることで演算することができる。

【0045】

なお、有効電力指令値演算部２０は、必ずしも上記のような按分処理を行わなくてもよい。有効電力指令値演算部２０は、例えば、有効電力合計値を複数の電力変換装置６の台数で除算した平均値を複数の有効電力指令値として演算してもよい。

【0046】

無効電力合計値演算部２２には、例えば、制御点の電圧目標値と、測定装置１４から入力された制御点の電圧測定値と、が入力される。電圧目標値は、予め設定された一定の値でもよいし、上位のコントローラなどから入力される変数でもよい。

【0047】

無効電力合計値演算部２２は、入力された電圧目標値と電圧測定値とを基に、複数の電力変換装置６の全体から出力すべき無効電力の大きさを表す無効電力合計値を演算する。無効電力合計値演算部２２は、例えば、電圧目標値と電圧測定値との差分を演算し、演算した差分に対してＰＩ制御を行うことにより、無効電力合計値を演算する。

【0048】

無効電力合計値演算部２２は、例えば、電圧測定値が電圧目標値よりも低い場合に、無効電力合計値を大きくし、電圧測定値が電圧目標値よりも高い場合に、無効電力合計値を小さくするように、無効電力合計値を演算する。これにより、電圧測定値を電圧目標値に近付け、制御点の電圧を一定に保つように制御を行うことができる。

【0049】

なお、無効電力合計値演算部２２による無効電力合計値の演算は、ＰＩ制御に限ることなく、比例制御やＰＩＤ制御などでもよい。無効電力合計値演算部２２による無効電力合計値の演算は、電圧目標値と電圧測定値とを基に、無効電力合計値を適切に演算可能な任意の演算でよい。

【0050】

無効電力合計値演算部２２は、演算した無効電力合計値を無効電力指令値演算部２４に入力する。なお、例えば、無効電力合計値の演算は、上位のコントローラなどで演算し、制御装置１０に入力するようにしてもよい。制御装置１０は、必ずしも無効電力合計値演算部２２を有していなくてもよい。

【0051】

無効電力指令値演算部２４は、入力された無効電力合計値を基に、複数の電力変換装置６のそれぞれから個別に出力すべき無効電力の大きさを表す複数の無効電力指令値を演算する。

【0052】

無効電力指令値演算部２４は、例えば、複数の電力変換装置６のそれぞれの無効電力出力上限を考慮した適切な無効電力の大きさとなるように、複数の無効電力指令値の按分処理を行う。

【0053】

無効電力指令値演算部２４は、例えば、無効電力合計値を複数の電力変換装置６の台数で除算した平均値を演算する。この後、無効電力指令値演算部２４は、平均値が無効電力出力上限を超えているか否かを複数の電力変換装置６のそれぞれについて確認する。

【0054】

平均値が無効電力出力上限を超えている場合には、超過分を余裕のある電力変換装置６に割り当てる。すなわち、無効電力出力上限を超えていない別の電力変換装置６の無効電力指令値に超過分を追加し、無効電力出力上限を超えた電力変換装置６の無効電力指令値は、無効電力出力上限に制限する。

【0055】

また、例えば、無効電力合計値が、複数の電力変換装置６の無効電力出力上限の合計値を超えている場合には、無効電力指令値演算部２４は、無効電力合計値を無効電力出力上限の合計値に制限する。

【0056】

これにより、上記のように複数の無効電力指令値を按分することができる。なお、複数の電力変換装置６のそれぞれの無効電力出力上限は、予め設定された一定の値でもよいし、上位のコントローラなどから入力される変数でもよい。

【0057】

なお、無効電力指令値演算部２４は、必ずしも上記のような按分処理を行わなくてもよい。無効電力指令値演算部２４は、例えば、無効電力合計値を複数の電力変換装置６の台数で除算した平均値を複数の無効電力指令値として演算してもよい。

【0058】

制御装置１０は、有効電力指令値演算部２０で演算された複数の電力変換装置６のそれぞれの有効電力指令値、及び無効電力指令値演算部２４で演算された複数の電力変換装置６のそれぞれの無効電力指令値を、複数の電力変換装置６のそれぞれに入力する。これにより、制御装置１０は、複数の電力変換装置６の電力の変換動作を制御する。

【0059】

但し、制御装置１０の構成は、上記に限定されるものではない。制御装置１０は、例えば、制御点の有効電力目標値と制御点の有効電力測定値との差分から有効電力合計値を演算する構成としてもよい。制御装置１０の構成は、入力される複数の情報を基に、複数の有効電力指令値及び複数の無効電力指令値を適切に演算可能な任意の構成でよい。

【0060】

図３は、実施形態に係る電力変換装置の一例を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、電力変換装置６は、主回路部３０と、制御部３２と、測定器３４、３６と、を備える。主回路部３０は、電力の変換を行う。制御部３２は、主回路部３０による電力の変換を制御する。なお、複数の電力変換装置６の構成は、実質的に同じであるから、ここでは、１つの電力変換装置６の構成についてのみ説明を行う。

【0061】

主回路部３０は、電源装置４及び自立系統ＩＳと接続される。主回路部３０は、例えば、電源装置４から入力された直流電力を自立系統ＩＳに対応した交流電力に変換し、変換後の交流電力を自立系統ＩＳに出力するとともに、自立系統ＩＳから入力された交流電力を直流電力に変換することにより、電源装置４を充電する。これにより、主回路部３０は、電源装置４を自立系統ＩＳと連系させる。但し、主回路部３０による電力の変換は、直流から交流への変換に限ることなく、電源装置４の電力を自立系統ＩＳに対応した交流電力に変換する任意の変換でよい。

【0062】

主回路部３０は、電力変換部４０と、フィルタ回路４２と、を有する。電力変換部４０は、電力の変換を行う。電力変換部４０は、例えば、複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のスイッチングにより、電力の変換を行う。電力変換部４０は、例えば、三相ブリッジ接続された複数のスイッチング素子を有する。電力変換部４０の構成は、複数のスイッチング素子のスイッチングなどにより、入力された電力を自立系統ＩＳに対応した交流電力に変換可能な任意の構成でよい。

【0063】

フィルタ回路４２は、電力変換部４０の交流側に設けられる。換言すれば、フィルタ回路４２は、電力変換部４０と自立系統ＩＳとの間に設けられる。この例において、フィルタ回路４２は、電力変換部４０と変圧器１２との間に設けられる。フィルタ回路４２は、電力変換部４０から出力された交流電力を正弦波に近付ける。フィルタ回路４２は、例えば、電力変換部４０から出力された交流電力に含まれる高周波成分を抑制することにより、電力変換部４０から出力された交流電力を正弦波に近付ける。

【0064】

フィルタ回路４２は、例えば、電力変換部４０の交流出力点に対して直列に接続されるリアクトル４４、４５と、電力変換部４０の交流出力点に対して並列に接続されるコンデンサ４６と、を有する。なお、リアクトル４４、４５、及びコンデンサ４６は、電力変換部４０から出力される交流電力の各相毎に設けられる。

【0065】

リアクトル４５は、リアクトル４４と直列に接続される。換言すれば、リアクトル４５は、リアクトル４４と変圧器１２との間に設けられる。コンデンサ４６は、リアクトル４４、４５の接続点に接続されることにより、電力変換部４０の交流出力点に対して並列に接続される。

【0066】

この例において、複数の電力変換装置６は、自立系統ＩＳに対し、変圧器１２及びリアクトル４５を介して並列に接続される。これにより、変圧器１２及びリアクトル４５のそれぞれのリアクタンス成分によって、複数の電力変換装置６間での横流の発生をより適切に抑制することができる。

【0067】

但し、フィルタ回路４２の構成は、上記に限ることなく、電力変換部４０から出力された交流電力を正弦波に近付けることが可能な任意の構成でよい。例えば、変圧器１２のみで横流の発生を適切に抑制できる場合には、フィルタ回路４２のリアクトル４５を省略してもよい。

【0068】

また、リアクトル４５のみで横流の発生を適切に抑制できる場合には、変圧器１２を省略してもよい。すなわち、複数の電力変換装置６は、自立系統ＩＳに対し、変圧器１２及びリアクトル４５の少なくとも一方を介して並列に接続される。これにより、変圧器１２及びリアクトル４５の少なくとも一方のリアクタンス成分によって、複数の電力変換装置６間での横流の発生を抑制することができる。

【0069】

測定器３４は、電力変換部４０から出力される交流電力の各相の相電圧Ｖａ（ＩＮＶ）、Ｖｂ（ＩＮＶ）、Ｖｃ（ＩＮＶ）、及び各相の線電流Ｉａ（ＩＮＶ）、Ｉｂ（ＩＮＶ）、Ｉｃ（ＩＮＶ）を測定し、測定結果を制御部３２に入力する。

【0070】

測定器３６は、主回路部３０（フィルタ回路４２）から出力される交流電力の各相の相電圧Ｖａ（ＰＣＳ）、Ｖｂ（ＰＣＳ）、Ｖｃ（ＰＣＳ）、各相の線電流Ｉａ（ＰＣＳ）、Ｉｂ（ＰＣＳ）、Ｉｃ（ＰＣＳ）、主回路部３０の出力端における有効電力Ｐ（ＰＣＳ）、及び主回路部３０の出力端における無効電力Ｑ（ＰＣＳ）を測定し、測定結果を制御部３２に入力する。

【0071】

制御部３２は、電力変換部４０の動作を制御することにより、主回路部３０による電力の変換を制御する。換言すれば、制御部３２は、電力変換部４０の複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する。

【0072】

制御部３２には、測定器３４、３６の測定結果が入力されるとともに、主回路部３０から出力する交流電力の有効電力指令値及び無効電力指令値が、制御装置１０から入力される。

【0073】

制御部３２は、測定器３４、３６から入力された各測定結果と、制御装置１０から入力された有効電力指令値及び無効電力指令値と、を基に、電力変換部４０の動作を制御する。

【0074】

より具体的には、制御部３２は、入力された各測定結果、有効電力指令値、及び無効電力指令値を基に、電力変換部４０から出力する交流電力の各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）を演算し、演算した瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）に応じた電圧が電力変換部４０から出力されるように、電力変換部４０の動作を制御する。

【0075】

このように、制御部３２は、主回路部３０の出力電圧を制御する。制御部３２は、主回路部３０の電圧制御運転を行う。なお、各測定結果は、測定器３４、３６から直接的に制御部３２に入力することに限ることなく、例えば、上位のコントローラなどを介して制御部３２に入力してもよい。

【0076】

また、主回路部３０の出力端における有効電力Ｐ（ＰＣＳ）の測定値、及び主回路部３０の出力端における無効電力Ｑ（ＰＣＳ）の測定値は、測定器３６から制御部３２に入力する構成に限ることなく、例えば、各相の相電圧Ｖａ（ＰＣＳ）、Ｖｂ（ＰＣＳ）、Ｖｃ（ＰＣＳ）、及び各相の線電流Ｉａ（ＰＣＳ）、Ｉｂ（ＰＣＳ）、Ｉｃ（ＰＣＳ）の各測定値を基に、制御部３２内で演算して求めてもよい。測定器３６は、必ずしも有効電力Ｐ（ＰＣＳ）及び無効電力Ｑ（ＰＣＳ）を測定しなくてもよい。

【0077】

制御部３２は、指令値演算部５０と、制御信号生成部５２と、を有する。指令値演算部５０には、制御装置１０から入力された有効電力指令値及び無効電力指令値が入力されるとともに、測定器３６によって測定された有効電力Ｐ（ＰＣＳ）及び無効電力Ｑ（ＰＣＳ）の各測定値が入力される。有効電力Ｐ（ＰＣＳ）の測定値は、換言すれば、主回路部３０の現在の有効電力出力値Ｐｏｕｔｐｕｔである。無効電力Ｑ（ＰＣＳ）の測定値は、換言すれば、主回路部３０の現在の無効電力出力値Ｑｏｕｔｐｕｔである。

【0078】

指令値演算部５０は、有効電力指令値Ｐｒｅｆに応じた有効電力、及び無効電力指令値Ｑｒｅｆに応じた無効電力を主回路部３０から出力するため、入力された有効電力指令値Ｐｒｅｆ、無効電力指令値Ｑｒｅｆ、有効電力出力値Ｐｏｕｔｐｕｔ、及び無効電力出力値Ｑｏｕｔｐｕｔを基に、主回路部３０から出力する交流電力の出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆを演算する。指令値演算部５０は、例えば、発電機動揺方程式やドループ制御などの電圧源電圧制御型の制御ロジックにより、上記の演算を行う。

【0079】

図３に表したように、指令値演算部５０は、例えば、有効電力指令値Ｐｒｅｆと有効電力出力値Ｐｏｕｔｐｕｔとを基に、出力電圧位相δｒｅｆと出力電圧周波数ｆｒｅｆとを演算する。そして、指令値演算部５０は、例えば、無効電力指令値Ｑｒｅｆと無効電力出力値Ｑｏｕｔｐｕｔとを基に、出力電圧振幅Ｖｒｅｆを演算する。

【0080】

指令値演算部５０は、演算した出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆを制御信号生成部５２に入力する。なお、出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆの演算には、周知の演算方法を用いればよい。

【0081】

指令値演算部５０の演算に用いられる情報は、有効電力指令値Ｐｒｅｆ、無効電力指令値Ｑｒｅｆ、有効電力出力値Ｐｏｕｔｐｕｔ、及び無効電力出力値Ｑｏｕｔｐｕｔのみに限ることなく、その他の情報を含んでもよい。指令値演算部５０の構成は、少なくとも有効電力指令値Ｐｒｅｆ、無効電力指令値Ｑｒｅｆ、有効電力出力値Ｐｏｕｔｐｕｔ、及び無効電力出力値Ｑｏｕｔｐｕｔを基に、出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆを演算可能な任意の構成でよい。

【0082】

制御信号生成部５２は、入力された出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆを基に、電力変換部４０の交流電力の各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）を演算する。

【0083】

そして、制御信号生成部５２は、例えば、各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）に応じた電圧を電力変換部４０から出力するための制御信号を生成し、生成した制御信号を電力変換部４０に入力する。これにより、制御信号生成部５２は、各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）に応じた電圧を電力変換部４０に出力させる。換言すれば、制御信号生成部５２は、瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）に応じた電圧を電力変換部４０に出力させるように、電力変換部４０の動作を制御する。制御信号生成部５２は、瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）に応じた電圧を電力変換部４０に出力させることにより、有効電力指令値Ｐｒｅｆに応じた有効電力、及び無効電力指令値Ｑｒｅｆに応じた無効電力を主回路部３０から出力させる。

【0084】

制御信号生成部５２は、例えば、各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）を基に、正弦波パルス幅変調制御を行うことにより、電力変換部４０の各スイッチング素子のスイッチングを制御するための制御信号を生成する。但し、制御信号生成部５２の構成は、これに限ることなく、各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）に応じた電圧を電力変換部４０から出力するための制御信号を生成可能な任意の構成でよい。

【0085】

例えば、正弦波パルス幅変調制御を行う機能は、電力変換部４０側に設けてもよい。制御信号生成部５２は、例えば、各相の瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）自体を制御信号として電力変換部４０に入力してもよい。

【0086】

また、制御信号生成部５２には、例えば、出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆが入力されるとともに、測定器３４によって測定された相電圧Ｖａ（ＩＮＶ）、Ｖｂ（ＩＮＶ）、Ｖｃ（ＩＮＶ）、線電流Ｉａ（ＩＮＶ）、Ｉｂ（ＩＮＶ）、Ｉｃ（ＩＮＶ）、及び測定器３６によって測定された相電圧Ｖａ（ＰＣＳ）、Ｖｂ（ＰＣＳ）、Ｖｃ（ＰＣＳ）、線電流Ｉａ（ＰＣＳ）、Ｉｂ（ＰＣＳ）、Ｉｃ（ＰＣＳ）の各測定値が入力される。

【0087】

制御信号生成部５２は、出力電圧位相δｒｅｆ、出力電圧周波数ｆｒｅｆ、及び出力電圧振幅Ｖｒｅｆを用いるとともに、相電圧Ｖａ（ＩＮＶ）、Ｖｂ（ＩＮＶ）、Ｖｃ（ＩＮＶ）、線電流Ｉａ（ＩＮＶ）、Ｉｂ（ＩＮＶ）、Ｉｃ（ＩＮＶ）、相電圧Ｖａ（ＰＣＳ）、Ｖｂ（ＰＣＳ）、Ｖｃ（ＰＣＳ）、及び線電流Ｉａ（ＰＣＳ）、Ｉｂ（ＰＣＳ）、Ｉｃ（ＰＣＳ）の各入力情報の少なくともいずれかを用いることにより、主回路部３０の出力端での過電流を抑制するように、瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）を演算する。

【0088】

このように、主回路部３０の出力端での過電流を抑制するように、瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）を演算することにより、電圧制御運転をした場合にも、過電流の発生を抑制することができる。例えば、系統電圧の急変などで瞬時的な電位差が発生した場合などにも、主回路部３０に過電流が発生し、電力変換部４０のスイッチング素子などの主回路部３０の内部の部品が故障してしまうことを抑制することができる。

【0089】

制御部３２は、過電流の抑制によって主回路部３０から出力される交流電力の有効電力の大きさが有効電力指令値から変化してしまった場合、又は過電流の抑制によって主回路部３０から出力される交流電力の無効電力の大きさが無効電力指令値から変化してしまった場合には、有効電力の変化又は無効電力の変化を制御装置１０に通知する。制御装置１０は、所定の電力変換装置６の制御装置１０から有効電力の変化又は無効電力の変化の通知を受信した場合、変化分を調整するように、他の電力変換装置６の動作を制御する。これにより、所定の電力変換装置６において過電流の抑制が行われ、所定の電力変換装置６から出力される有効電力又は無効電力の大きさが変化した場合にも、複数の電力変換装置６の全体から出力する有効電力及び無効電力の大きさの変化を抑制することができる。

【0090】

なお、上記の各入力情報の少なくともいずれかを用いて過電流を抑制するように瞬時値電圧出力指令値Ｖａ（ｒｅｆ）、Ｖｂ（ｒｅｆ）、Ｖｃ（ｒｅｆ）を演算する方法は、例えば、ＰＣＴ／ＪＰ２０２１／０１２７２１やＰＣＴ／ＪＰ２０２１／０１２７２３などの文献に、より詳しく説明されている。

【0091】

但し、制御信号生成部５２は、必ずしも過電流を抑制するように瞬時値電圧出力指令値を演算する構成でなくてもよい。制御信号生成部５２は、少なくとも出力電圧位相、出力電圧周波数、及び出力電圧振幅を基に、瞬時値電圧出力指令値を演算可能に構成されていればよい。

【0092】

制御部３２の構成は、有効電力指令値、無効電力指令値、有効電力出力値、及び無効電力出力値を基に、出力電圧位相、出力電圧周波数、及び出力電圧振幅を演算可能であるとともに、出力電圧位相、出力電圧周波数、及び出力電圧振幅を基に、瞬時値電圧出力指令値を演算可能であり、かつ瞬時値電圧出力指令値に応じた電圧を電力変換部４０から出力させるように、電力変換部４０の動作を制御可能な任意の構成でよい。

【0093】

複数台の電力変換装置を自立系統に対して並列に接続し、並列運転を行う電源システムにおいて、複数台の電力変換装置に電圧源電圧制御型の電力変換装置を用いると、電力変換装置の動作が不安定になり、自立系統への安定した電力供給を行うことができなくなってしまう可能性がある。

【0094】

本願発明者は、鋭意の検討の結果、自立系統の周波数及び電圧を監視し、周波数及び電圧を一定に保つことができる有効電力及び無効電力の必要量を把握することにより、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置を並列運転させた際にも、自立系統への安定した電力供給を行うことができることを見出した。

【0095】

本実施形態に係る電源システム２では、制御装置１０が、自立系統ＩＳで必要とされる有効電力に応じた各電力変換装置６の有効電力指令値を演算し、各電力変換装置６は、有効電力指令値に応じた有効電力を出力するように電圧制御運転を行う。これにより、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳの周波数の変動を抑制することができる。また、本実施形態に係る電源システム２では、制御装置１０が、自立系統ＩＳで必要とされる無効電力に応じた各電力変換装置６の無効電力指令値を演算し、各電力変換装置６は、無効電力指令値に応じた無効電力を出力するように電圧制御運転を行う。これにより、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳの電圧の変動を抑制することができる。従って、本実施形態に係る電源システム２によれば、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳへの安定した電力供給を行うことができる。

【0096】

また、本願発明者は、鋭意の検討の結果、複数の電力変換装置６の出力可能な有効電力及び無効電力を考慮し、適切な有効電力指令値及び無効電力指令値を複数の電力変換装置６に送信することにより、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置を並列運転させた際にも、自立系統へのより安定した電力供給を行うことができることを見出した。

【0097】

本実施形態に係る電源システム２では、制御装置１０が、複数の電力変換装置６のそれぞれの状態に応じた適切な有効電力の大きさとなるように、複数の有効電力指令値の按分処理を行うとともに、複数の電力変換装置６のそれぞれの無効電力出力上限を考慮した適切な無効電力の大きさとなるように、複数の無効電力指令値の按分処理を行う。これにより、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳの周波数の変動及び電圧の変動をより抑制することができる。従って、本実施形態に係る電源システム２によれば、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳへのよりより安定した電力供給を行うことができる。

【0098】

さらに、本願発明者は、鋭意の検討の結果、複数の電力変換装置６間での横流の発生を抑制することにより、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置を並列運転させた際にも、自立系統へのより安定した電力供給を行うことができることを見出した。

【0099】

本実施形態に係る電源システム２では、複数の電力変換装置６が、自立系統ＩＳに対し、変圧器１２及びリアクトル４５の少なくとも一方を介して並列に接続される。これにより、本実施形態に係る電源システム２によれば、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳへのよりより安定した電力供給を行うことができる。

【0100】

以上、説明したように、本実施形態に係る電源システム２では、複数台の電圧源電圧制御型の電力変換装置６を並列運転させた際にも、自立系統ＩＳへの安定した電力供給を行うことができる。

【0101】

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、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。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに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。

【図1】

【図2】

【図3】