特許 7561990 電力変換装置

(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】2024-09-26

(45)【発行日】2024-10-04

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240927BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 R

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2023531154

(86)(22)【出願日】2021-06-28

(86)【国際出願番号】 JP2021024372

(87)【国際公開番号】W WO2023275937

(87)【国際公開日】2023-01-05

【審査請求日】2023-12-13

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】松本 航輝

(72)【発明者】

【氏名】井上 禎之

【審査官】上野 力

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１７－０１１９２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－２０８９３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１００２３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－０８０４７６（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－１２８１７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／０２１９２５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－２１１６１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－２９５６４８（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流電源からの直流電圧を交流電力系統に向けて交流電圧に変換する電力変換装置であって、
前記直流電圧を前記交流電圧に変換するインバータと、
前記インバータと前記交流電力系統との接続状態を導通状態と非導通状態との間で選択的に切り替えるリレーと、
前記リレーと前記交流電力系統との間の第１電圧の第１測定値と、前記リレーと前記インバータとの間の第２電圧の第２測定値と、前記インバータと前記交流電力系統との間を流れる電流の測定値とを受けて、前記インバータおよび前記リレーを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
電圧振幅目標値に近づくように前記第２電圧の振幅を制御する電圧制御部と、
前記第１測定値と前記電流の測定値とを用いて、前記交流電力系統へ出力される有効電力値を計算する有効電力計算部と、
前記有効電力値および有効電力目標値を同期発電機の回転子の運動方程式の電気的エネルギーおよび機械的エネルギーにそれぞれ対応させて前記同期発電機の動作を模擬することにより、前記第２電圧の周波数の第１指令値および前記第２電圧の位相の第２指令値を生成する仮想同期発電機制御部と、
前記第１測定値から前記第１電圧の位相を検出する検出部と、
投入条件が成立する場合に前記リレーを制御して前記接続状態を前記非導通状態から前記導通状態に切り替える判定部とを含み、
前記投入条件は、前記第１測定値の絶対値と前記第２測定値の絶対値との振幅差が第１許容範囲に含まれるという第１条件、および前記第１電圧の位相と前記第２指令値との位相差が第２許容範囲に含まれるという第２条件を含む、電力変換装置。

【請求項2】

前記検出部は、前記第１測定値から前記第１電圧の周波数を検出し、
前記投入条件は、前記第１電圧の周波数と前記第１指令値との周波数差が第３許容範囲に含まれるという第３条件をさらに含む、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御部は、前記第１条件が成立し、かつ前記第２条件が成立していない場合、前記検出部によって検出された前記第１電圧の位相を前記第２指令値に設定する、請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記判定部は、前記投入条件が継続して成立している時間間隔が基準時間間隔を超えた場合に、前記リレーを制御して前記接続状態を前記非導通状態から前記導通状態に切り替える、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記制御部は、前記第１電圧の周波数と前記第２電圧の周波数との周波数差を用いて、前記有効電力目標値を計算する周波数同期制御部をさらに含み、
前記仮想同期発電機制御部は、前記接続状態が前記非導通状態である場合、前記周波数同期制御部によって計算された前記有効電力目標値を用い、前記接続状態が前記導通状態である場合、予め定められた値あるいは前記制御部の外部から入力される値を前記有効電力目標値として用いる、請求項２～４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記電圧制御部は、前記接続状態が前記非導通状態である場合、前記第１電圧の振幅を前記電圧振幅目標値として用い、前記接続状態が前記導通状態である場合、予め定められた値あるいは前記制御部の外部から入力される値を前記電圧振幅目標値として用いる、請求項１～５のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、交流電力系統と連系するように構成された電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、交流電力系統と連系するように構成された電力変換装置が知られている。たとえば、特許第５９６９０９４号（特許文献１）には、直流電力を交流電力に変換するインバータと、インバータの出力から高調波成分を除去するＬＣフィルタとを備え、商用系統に交流電力を供給する系統連系インバータ装置が開示されている。当該系統連系インバータ装置においては、商用系統と連系する場合に、自立運転が行なわれた後、自立系統電圧の振幅、位相、および周波数が商用系統電圧の振幅、位相および周波数と整合するように調整されて、整合状態が維持されたまま系統連系運転制御に切り替えられる。その結果、突入電流防止回路を設けることなく、ＬＣフィルタを構成するコンデンサへの突入電流を抑制しながら、商用系統との連系を行うことができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第５９６９０９４号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に開示されている系統連系インバータ装置においては、系統連係リレーの投入以後のインバータ制御方式が電流制御であるため、商用系統の電圧を安定的に維持することが困難になり得る。

【0005】

本開示は、上述のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力変換装置が交流電力系統と連係する場合において、突入電流を抑制しながら、交流電力系統の電圧を安定的に維持することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る電力変換装置は、直流電源からの直流電圧を交流電力系統に向けて交流電圧に変換する。電力変換装置は、インバータと、リレーと、制御部とを備える。インバータは、当該直流電圧を当該交流電圧に変換する。リレーは、インバータと交流電力系統との接続状態を導通状態と非導通状態との間で選択的に切り替える。制御部は、リレーと交流電力系統との間の第１電圧の第１測定値と、リレーとインバータとの間の第２電圧の第２測定値と、インバータと交流電力系統との間を流れる電流の測定値とを受けて、インバータおよびリレーを制御する。制御部は、電圧制御部と、有効電力計算部と、仮想同期発電機制御部と、検出部と、判定部とを含む。電圧制御部は、電圧振幅目標値に近づくように第２電圧の振幅を制御する。有効電力計算部は、第１測定値と電流の測定値とを用いて、交流電力系統へ出力される有効電力値を計算する。仮想同期発電機制御部は、有効電力値および有効電力目標値を同期発電機の回転子の運動方程式の電気的エネルギーおよび機械的エネルギーにそれぞれ対応させて同期発電機の動作を模擬することにより、第２電圧の周波数の第１指令値および第２電圧の位相の第２指令値を生成する。検出部は、第１測定値から第１電圧の位相を検出する。判定部は、投入条件が成立する場合にリレーを制御して接続状態を非導通状態から導通状態に切り替える。投入条件は、第１測定値の絶対値と第２測定値の絶対値との振幅差が第１許容範囲に含まれるという第１条件、および第１電圧の位相と第２指令値との位相差が第２許容範囲に含まれるという第２条件を含む。

【発明の効果】

【0007】

本開示によれば、仮想同期発電機制御部および判定部により、電力変換装置が交流電力系統と連係する場合において、突入電流を抑制しながら、交流電力系統の電圧を安定的に維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。

【図2】図１の制御部の内部構成の一例を示すブロック図である。

【図3】図２の周波数同期制御部、ＶＳＧ制御部、および有効電力指令値切替部の具体的な構成の一例を示す制御ブロック図である。

【図4】図２の電圧制御部および電圧振幅指令値切替部の内部構成の一例を示す制御ブロック図である。

【図5】図２の投入判定部によって行われる投入判定処理（投入判定シーケンス）の流れを説明するフローチャートである。

【図6】実施の形態２に係る電力変換装置の制御部の内部構成の一例を示すブロック図である。

【図7】図６の電圧制御部の内部構成の一例を示す制御ブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は原則として繰り返さない。

【0010】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１００の全体構成を示すブロック図である。なお、図１においては、１相のみの回路に対応するブロック図が示されているが、当該ブロック図は三相系統連系インバータ、または単相系統連系インバータに適用されてもよい。実施の形態１においては、三相系統への連系インバータを例に説明する。

【0011】

図１に示されるように、電力変換装置１００は、入力端子Ｔｍｉと、出力端子Ｔｍｏと、インバータ１０２と、ＬＣフィルタ１２０と、投入リレー１０５と、系統電圧測定部１０６と、インバータ電圧測定部１０７と、電流測定部１０８と、制御部１１０とを備える。電力変換装置１００は、直流電源８００からの直流電圧を交流電力系統９００に向けて交流電圧に変換する。

【0012】

入力端子Ｔｍｉには、直流電源８００から直流電圧が入力される。直流電源８００は、直流電圧を発生させる電源装置である。直流電源８００は、たとえば、太陽光発電装置、直流リンク方式の風力発電機、または蓄電池を含む。

【0013】

インバータ１０２は、入力端子Ｔｍｉから直流電圧を受ける。インバータ１０２は、制御部１１０からのゲート駆動信号Ｓｇｇに応じてスイッチング動作を行って、当該直流電圧を交流電圧に変換する。インバータ１０２に適用される回路方式、またはスイッチング素子の種類は、回路方式またはスイッチング素子の種類に限定されない。

【0014】

ＬＣフィルタ１２０は、インバータ１０２と電流測定部１０８との間に接続されている。ＬＣフィルタ１２０は、リアクトル１０３と、コンデンサ１０４とを含む。リアクトル１０３は、インバータ１０２と電流測定部１０８との間に接続されている。コンデンサ１０４は、接地点と、リアクトル１０３および電流測定部１０８の接続点との間に接続されている。ＬＣフィルタ１２０は、インバータ１０２におけるスイッチングに伴って発生する電流のリプル成分を抑制（フィルタリング）する。

【0015】

投入リレー１０５は、電流測定部１０８と出力端子Ｔｍｏとの間に接続されている。投入リレー１０５は、インバータ１０２と出力端子Ｔｍｏとの接続状態を決定する。すなわち、投入リレー１０５は、制御部１１０からの投入リレー制御信号Ｓｇｒに応じて、当該接続状態を非導通（遮断または開放）状態（開）と導通状態（閉）との間で選択的に切り替える。以下では、当該接続状態が導通状態である場合を投入リレー１０５が投入状態である場合とも称するとともに、当該接続状態が非導通状態である場合を投入リレー１０５が非投入状態である場合とも称する。

【0016】

出力端子Ｔｍｏには、交流電力系統９００が接続されている。交流電力系統９００には、電力変換装置１００から交流電圧が供給される。交流電力系統９００は、電力変換装置１００が連系する電力系統である。交流電力系統９００は、たとえば、電力会社が管理する通常の商用電力系統、町単位で独立して自立管理されるマイクログリッド、あるいはビルまたは建物単位で独立して自立運転される独立系統を含む。ただし、交流電力系統９００の交流電圧は、投入リレー１０５が遮断状態であって電力変換装置１００から交流電圧が供給されていない場合でも、電力変換装置１００以外の電源要素によって交流電圧が維持されているものとする。

【0017】

以下では、投入リレー１０５を基準として、投入リレー１０５とインバータ１０２との間の構成をインバータ側とも称し、投入リレー１０５と出力端子Ｔｍｏとの間の構成を系統側とも称する。

【0018】

系統電圧測定部１０６は、出力端子Ｔｍｏの電圧（第１電圧）を測定し、当該電圧の測定値である系統電圧測定値Ｖｏ（第１測定値）を制御部１１０に出力する。インバータ電圧測定部１０７は、投入リレー１０５に入力される電圧（第２電圧）を測定し、当該電圧の測定値であるインバータ電圧測定値Ｖｆｏ（第２測定値）を制御部１１０に出力する。電流測定部１０８は、投入リレー１０５に入力される電流を測定し、当該電流の測定値である電流測定値Ｉｏを制御部１１０に出力する。

【0019】

制御部１１０は、測定値Ｖｏ，Ｖｆｏ，Ｉｏを用いて、インバータ１０２の駆動および投入リレー１０５の開閉を制御する。制御部１１０は、ゲート駆動信号Ｓｇｇをインバータ１０２に出力する。制御部１１０は、投入リレー制御信号Ｓｇｒを投入リレー１０５に出力する。ＣＰＵ（Central Processing Unit）等を含む処理回路、および各種プログラムが保存されたメモリを含む。制御部１１０の機能は、専用のハードウェア、またはプログラム（ソフトウェア）を実行する処理回路によって実現される。なお、制御部１１０へ入力される情報は、系統電圧測定値Ｖｏ、インバータ電圧測定値Ｖｆｏ、および電流測定値Ｉｏに限定されない。

【0020】

図２は、図１の制御部１１０の内部構成の一例を示すブロック図である。図２に示されるように、制御部１１０は、周波数・位相検出部２０４（検出部）と、有効電力計算部２０５と、ＶＳＧ（Virtual Synchronous Generator）制御部２０７（仮想同期発電機制御部）と、周波数同期制御部２０６と、投入判定部２０８（判定部）と、電圧制御部２０９と、電圧指令値計算部２１０と、ゲート駆動信号生成部２１１と、有効電力指令値切替部２１２と、電圧振幅指令値切替部２１３とを含む。

【0021】

周波数・位相検出部２０４は、系統電圧測定値Ｖｏ（系統電圧）の系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌおよび系統電圧位相θ＿ｐｌｌを逐次計算する。周波数・位相検出部２０４の機能を実現するための構成としては、たとえば、三相系統連系において、系統電圧測定値Ｖｏに対してｄ－ｑ変換を行い、比例積分制御を用いて系統電圧測定値Ｖｏのｑ軸成分が０に近づくよう系統電圧測定値Ｖｏを制御する構成を挙げることができる。周波数・位相検出部２０４の機能を実現するために、ゼロクロス点検出を用いる方法などが実行されてもよい。

【0022】

有効電力計算部２０５は、系統電圧測定値Ｖｏおよび電流測定値Ｉｏを用いて、交流電力系統９００に出力される（交流電力系統９００において消費される）有効電力値Ｐｏｕｔを計算する。有効電力値Ｐｏｕｔの計算方法としては、たとえば、系統電圧測定値Ｖｏおよび電流測定値Ｉｏの各々にｄ－ｑ変換を行い、系統電圧測定値Ｖｏのｄ軸電圧および電流測定値Ｉｏのｄ軸電流の積と、系統電圧測定値Ｖｏのｑ軸電圧および電流測定値Ｉｏのｑ軸電流の積との和から有効電力値Ｐｏｕｔを求める方法を挙げることができる。

【0023】

周波数同期制御部２０６は、周波数・位相検出部２０４によって計算された系統電圧測定値Ｖｏの系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌと、ＶＳＧ制御部２０７によって決定されたインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇとを比較して、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇが系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌに近づくようインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇを制御する。より具体的には、周波数同期制御部２０６は、系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌとインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇとの周波数差に応じて、ＶＳＧ制御部２０７において用いられる有効電力指令値Ｐｒｅｆ（有効電力目標値）を増加または減少させることによって、ＶＳＧ制御部２０７を介して間接的にインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇを調整する。

【0024】

有効電力指令値切替部２１２は、投入判定部２０８から投入リレー１０５の状態が投入状態か非投入状態かを示す切替信号Ｓｇｓ１を受ける。有効電力指令値切替部２１２は、投入リレー１０５が非投入状態である場合、周波数同期制御部２０６からの有効電力指令値ＰｒｅｆをＶＳＧ制御部２０７に出力する。有効電力指令値切替部２１２は、投入リレー１０５が非投入状態である場合、予め定められた値または通信等によって制御部１１０の外部から指定された値を有効電力指令値ＰｒｅｆとしてＶＳＧ制御部２０７に出力する。

【0025】

ＶＳＧ制御部２０７は、有効電力値Ｐｏｕｔおよび有効電力指令値Ｐｒｅｆを用いて、インバータ１０２の出力電圧指令値のインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇ（第１指令値）およびインバータ電圧位相θ_ｖｓｇ（第２指令値）を生成する。

【0026】

電圧振幅指令値切替部２１３は、投入判定部２０８から投入リレー１０５の状態が投入状態か非投入状態かを示す切替信号Ｓｇｓ２を受ける。電圧振幅指令値切替部２１３は、投入リレー１０５が非投入状態である場合、系統電圧測定値Ｖｏの振幅｜Ｖｏ｜を電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆ（電圧振幅目標値）として電圧制御部２０９に出力する。電圧振幅指令値切替部２１３は、投入リレー１０５が投入状態である場合、予め定められた値または通信等によって制御部１１０の外部から指定された値を電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆとして電圧制御部２０９に出力する。

【0027】

電圧制御部２０９は、電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆおよびインバータ電圧測定値Ｖｆｏを受けて、インバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅が電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆに近づくように、インバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜を制御する。インバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅を計算する方法としては、たとえば、インバータ電圧測定値Ｖｆｏにｄ－ｑ変換を行って、インバータ電圧測定値Ｖｆｏのｄ軸電圧を用いる方法を挙げることができる。また、インバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅に替えて電圧実効値を用いる制御が行われてもよい。

【0028】

電圧指令値計算部２１０は、インバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜およびインバータ電圧位相θ_ｖｓｇを用いて、インバータ１０２に対するインバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒｅｆを計算する。インバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒｅｆの振幅はインバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜に等しく、インバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒｅｆの位相はインバータ電圧位相θ_ｖｓｇと等しい。すなわち、インバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒｅｆは、インバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜とインバータ電圧位相θ_ｖｓｇとを有する正弦波信号となる。

【0029】

ゲート駆動信号生成部２１１は、インバータ電圧指令値Ｖｉｎｖｒｅｆを用いるＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって、インバータ１０２に含まれる複数のスイッチング素子の駆動パターンを決定して、当該パターンに対応するゲート駆動信号Ｓｇｇをインバータ１０２に出力する。

【0030】

投入判定部２０８は、系統電圧測定値Ｖｏ、系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌ、系統電圧位相θ＿ｐｌｌ、インバータ電圧測定値Ｖｆｏ、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇ、およびインバータ電圧位相θ_ｖｓｇを用いて、投入リレー１０５の投入条件が成立しているか否かを判定する。投入判定部２０８は、投入リレー１０５の投入条件の判定処理の結果に応じて、投入リレー１０５に投入リレー制御信号Ｓｇｒを出力する。投入判定部２０８は、投入リレー制御信号Ｓｇｒに対応する切替信号Ｓｇｓ１，Ｓｇｓ２を、有効電力指令値切替部２１２、および電圧振幅指令値切替部２１３にそれぞれ出力する。

【0031】

太陽光発電など、インバータを用いた分散型電源の増加に伴い、電力系統の総電源量に占める、電力変換装置１００のようなインバータ電源の比率が増加している。通常、インバータ電源が、交流電力系統と連系しながら運転する場合、電流制御（系統連系モードとも呼ばれる。）が適用されることが多い。電流制御の下でインバータ電源が動作する場合、インバータ電源の系統接続端の電圧は系統内の他の電源(たとえば、同期発電機)によって維持されていることが多い。インバータ電源は、同機発電機の電圧の位相を基準として所望の電流を流す。すなわちインバータ電源を電流制御によって動作させる場合、インバータ電源は系統電圧維持能力（慣性）を持たないため、インバータ電源の比率の増加に伴って系統電圧の安定性が低下し得る。

【0032】

このような系統電圧の安定性の低下を防止するためには、インバータ電源が交流電力系統と連系する場合にも、インバータ電源が電圧制御（自立運転モードとも呼ばれる。）によって動作させる必要がある。しかし、ＣＶＣＦ(Constant Voltage Constant Frequencyの)運転の電圧制御の下でインバータ電源が交流電力系統と連系する場合、インバータ電源から交流電力系統に供給される交流電圧の位相を交流電力系統内の他の電圧源の位相と同期させることができず、当該交流電圧の位相と他の電圧源の位相との間の位相差によって大きな横流が発生し得る。当該位相差は、仮想同期発電機制御によって抑制され得る。仮想同期発電機制御によれば、インバータ電源に同期発電機が有する動作特性を模擬して他の電圧源との同期をとる能力（同期化力）をインバータ電源に付与することにより、電圧制御により系統電圧維持に寄与（慣性力を付与）しながら交流電源系統との連系運転が可能となる。

【0033】

このような仮想同期発電機制御を行うＶＳＧ制御部２０７について詳細に説明する。ＶＳＧ制御部２０７は、同期発電機の有する動作特性をインバータ１０２に模擬的に持たせることにより、同期発電機が有する慣性力、同期化力、および制動力等の能力をインバータ１０２に付与する制御方法を実現する。同期発電機の能力は同期発電機の構造および動作原理から導かれるため、まず、実際の同期発電機の構造および動作原理について概略的に説明する。

【0034】

同期発電機は、火力発電、原子力発電、または水力発電等に広く用いられている。同期発電機は、燃料の燃焼によって発生する水蒸気の運動エネルギー、または水の位置エネルギーを利用して巨大な回転子を回転させる。回転子には界磁巻線が巻き付けられている。回転子に界磁電流を流すことにより、回転子は電磁石として機能する。回転子によって回転磁界が生成されて回転子の周囲に配置された固定子コイルに電磁誘導によって電圧が誘起される。当該誘起電圧が電力系統の電圧を担う。したがって、誘起電圧の周波数は回転子の回転速度と対応する。

【0035】

次に、同期発電機が有する慣性力、同期化力、および制動力について説明する。慣性力とは出力電圧を一定の振幅および一定の周波数に維持する能力である。同期発電機の回転子の回転運動の慣性が誘起電圧の維持能力に関係していることが同機発電機の動作原理から説明することができる。また、同期化力は、同機発電機と同一の系統に並列に接続されている他の電圧源の電圧の周波数および位相と、同機発電機の電圧の周波数および位相を他の電圧源と同期させて同機発電機と当該他の電圧源との間の横流を解消する能力である。同期化力も回転子の回転運動の加減速によって実現されている。同様に、制動力は、系統電圧、または電流の振動現象を減衰させる能力である。制動力は、回転子の回転運動に対する摩擦、抵抗、または熱的損失等に起因している。以上のように、同期発電機の回転子の回転運動が、慣性力、同期化力、および制動力とう能力と強く関連している。したがって、ＶＳＧ制御部２０７においては、同期発電機の回転子の回転運動の特性を模擬することが重要である。同期発電機の回転子の回転運動を支配している運動方程式は、以下の式（１）に示されるような動揺方程式として表現される。

【0036】

【数1】

【0037】

式（１）において、Ｐｍは、回転子が受ける機械的入力エネルギーである。Ｐｅは系統に電力として出力される電気的出力エネルギーである。ωは、回転子の回転速度である。ω_０は、回転子の定格回転速度である。Ｍは、慣性定数である。Ｄは、制動係数である。すなわち、機械的入力エネルギーＰｍおよび電気的出力エネルギーＰｅが等しい場合、回転子の回転速度は一定速度に保たれる。機械的入力エネルギーＰｍが電気的出力エネルギーＰｅより大きい場合、回転子は加速する。機械的入力エネルギーＰｍが電気的出力エネルギーＰｅより小さい場合、回転子は減速する。

【0038】

図３は、図２の周波数同期制御部２０６、ＶＳＧ制御部２０７、および有効電力指令値切替部２１２の具体的な構成の一例を示す制御ブロック図である。まず、ＶＳＧ制御部２０７の構成について説明する。図３に示されるように、ＶＳＧ制御部２０７は、減算器３０４，３０５，３０６と、積分器３０７と、フィードバックゲインブロック３０８と、一次遅れブロック３０９と、加算器３１０と、換算ゲインブロック３１１と、積分器３１２とを含む。ラプラス変換された動揺方程式（式（１））の両辺が、制御ブロックである積分器３０７とフィードバックゲインブロック３０８とによって模擬されている。

【0039】

減算器３０４は、有効電力指令値切替部２１２から有効電力指令値Ｐｒｅｆを受けて、有効電力指令値Ｐｒｅｆと有効電力値Ｐｏｕｔとの差ΔＰ（＝Ｐｒｅｆ－Ｐｏｕｔ）を減算器３０５に出力する。減算器３０５は、差ΔＰと指令値補正項Ｐｇｏｖとの差ΔＰ１（＝ΔＰ－Ｐｇｏｖ）を減算器３０６に出力する。減算器３０６は、差ΔＰ１と、周波数差ΔｆおよびフィードバックゲインＤ（式（１）の制動係数）の積Ｄ・Δｆとの差ΔＰ２（＝ΔＰ１－Ｄ・Δｆ）を積分器３０７に出力する。積分器３０７は、差ΔＰ２を積分することによって計算された周波数差Δｆを加算器３１０に出力する。なお、図３の積分器３０７に記載されている係数Ｍは、同期発電機の慣性定数Ｍに対応する。慣性定数Ｍは、ＶＳＧ制御部２０７の応答速度を決定する。すなわち、慣性定数Ｍが大きいほどＶＳＧ制御部２０７の応答速度は遅くなり、慣性定数Ｍが小さいほどＶＳＧ制御部２０７の応答速度は速くなる。

【0040】

加算器３１０は、周波数差Δｆと基準周波数ｆ０との和をインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇとして換算ゲインブロック３１１およびＶＳＧ制御部２０７の外部に出力する。換算ゲインブロック３１１は、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇに２πを乗じた角周波数ω＿ｖｓｇ（＝２π・ｆ＿ｖｓｇ）を積分器３１２に出力する。積分器３１２は、角周波数ω＿ｖｓｇを積分することによって計算されたインバータ電圧位相θ＿ｖｓｇを出力する。

【0041】

フィードバックゲインブロック３０８は、周波数差ΔｆとフィードバックゲインＤの積Ｄ・Δｆを減算器３０６に出力する。一次遅れブロック３０９は、周波数差Δｆに応じた指令値補正項Ｐｇｏｖを減算器３０５に出力する。

【0042】

同期発電機と、インバータ電源としての電力変換装置１００との類比（対応関係）に関して、電力変換装置１００の有効電力値Ｐｏｕｔが電気的出力エネルギーＰｅに対応する。一方で、電力変換装置１００は、機械的入力エネルギーＰｍに対応するエネルギー要素を有さない。ただし、電力変換装置１００の定常動作においては電力変換装置１００から出力される交流電力の周波数を一定に保つことが求められる。そのため、定常動作においては、機械的入力エネルギーＰｍは電気的出力エネルギーＰｅとほとんど等しくなる。機械的入力エネルギーＰｍを電気的出力エネルギーＰｅの指令値（目標値）と解釈することができる。したがって、電力変換装置１００においては、有効電力指令値Ｐｒｅｆを機械的入力エネルギーＰｍに対応させることができる。有効電力値Ｐｏｕｔが有効電力指令値Ｐｒｅｆと等しい場合、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇは基準周波数ｆ０（定格周波数）となる。有効電力値Ｐｏｕｔが有効電力指令値Ｐｒｅｆより小さい場合、ＶＳＧ制御部２０７はインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇを現在の値よりも増加させて、有効電力値Ｐｏｕｔを有効電力指令値Ｐｒｅｆに近づける。有効電力値Ｐｏｕｔが有効電力指令値Ｐｒｅｆより大きい場合、ＶＳＧ制御部２０７はインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇを現在の値よりも減少させて、有効電力値Ｐｏｕｔを有効電力指令値Ｐｒｅｆに近づける。ＶＳＧ制御部２０７がこのように実際の同期発電機の動作特性を模擬する制御を行うことにより、慣性力、同期化力、および制動力という同期発電機の有する能力が電力変換装置１００によって発揮される。その結果、電力変換装置１００が交流電力を供給する交流電力系統９００の安定性を向上させることができる。

【0043】

また、同期発電機は、回転子の回転速度を定格速度に維持するために、ガバナー（調速機）と呼ばれる機械的な機構を備える。ガバナーは、同期発電機において回転子の回転速度の定格回転速度からの偏差に応じて機械的入力エネルギーＰｍの大きさを調整する。一次遅れブロック３０９は、ガバナーによる回転速度の調整機能を、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇの調整機能として模擬する。一次遅れブロック３０９は、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇの基準周波数ｆ０からの周波数差Δｆに応じて、指令値補正項Ｐｇｏｖを決定する。指令値補正項Ｐｇｏｖは、減算器３０５において有効電力指令値Ｐｒｅｆから減算される。ガバナーを模擬する制御により、有効電力指令値Ｐｒｅｆと有効電力値Ｐｏｕｔとが大きく異なる場合でも、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇの基準周波数ｆ０からの周波数差Δｆを低減することができる。

【0044】

次に、周波数同期制御部２０６の構成について説明する。周波数同期制御部２０６は、減算器３０１と、ＰＩ（Proportional-Integral）制御器３０２とを含む。減算器３０１は、系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌとインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇとの周波数差Δｆ１０をＰＩ制御器３０２に出力する。ＰＩ制御器３０２は、周波数差Δｆ１０を積分することによって計算された有効電力指令値Ｐｒｅｆを有効電力指令値切替部２１２に出力する。

【0045】

周波数同期制御部２０６は、投入リレー１０５が非投入状態である場合に動作する。周波数同期制御部２０６の目的は、ＶＳＧ制御部２０７によって決定されたインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇが、周波数・位相検出部２０４によって検出された系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌに近づくように有効電力指令値Ｐｒｅｆを制御することである。すなわち、当該目的は、インバータ側の電圧と系統側の電圧との周波数差を解消することである。図３に示される構成においては、系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌとインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇとの差Δｆ１０がＰＩ制御器３０２に入力され、ＰＩ制御器３０２によって計算される差Δｆ１０の積分値が仮想同期発電機制御によって用いられる有効電力指令値Ｐｒｅｆとされる。

【0046】

有効電力指令値切替部２１２は、ノードＴＡ１，ＴＢ１，ＴＣ１を含む。有効電力指令値切替部２１２は、切替信号Ｓｇｓ１に応じて、ノードＴＡ１～ＴＣ１の接続状態を変化させる。すなわち、有効電力指令値切替部２１２は、投入リレー１０５が非投入状態である場合、ノードＴＣ１とＴＡ１とを接続する。有効電力指令値切替部２１２は、投入リレー１０５が投入状態である場合、ノードＣ１とＴＢ１とを接続する。ノードＴＢ１には、予め定められた値または通信等によって制御部１１０の外部から指定された値である有効電力指令値Ｐｒｅｆが入力されている。

【0047】

次に、上記の構成によりインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇと系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌとが同期されるする原理について説明する。たとえば、系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌがインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇより高い場合、周波数同期制御部２０６の出力である有効電力指令値Ｐｒｅｆは正の値を有する。この場合、投入リレー１０５は投入前の遮断状態（非投入状態）であるため、電力変換装置１００と交流電力系統９００とは接続されておらず、有効電力値Ｐｏｕｔは０Ｖである。したがって、ＶＳＧ制御部２０７の入力となる有効電力指令値Ｐｒｅｆと有効電力値Ｐｏｕｔとの差ΔＰは有効電力指令値Ｐｒｅｆ（＞０）となる。仮想同期発電機制御の効果によって出力電圧周波数ｆ＿ｖｓｇは増加するため、差Δｆ１０が減少していく。系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌがインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇより低い場合も同様にインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇは減少し、差Δｆ１０が減少していく。ＰＩ制御器３０２が積分を含むため、十分時間が経過した後は差Δｆ１０の定常偏差は解消され、系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌおよびインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇは同期する。

【0048】

このようにして、ＶＳＧ制御部２０７および周波数同期制御部２０６は、インバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇを系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌに追従させる。また、投入リレー１０５の投入以前からＶＳＧ制御部２０７を介してインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇを制御しておくことにより、投入リレー１０５の投入前後で電圧周波数を決定する方法が共通となる。その結果、投入リレー１０５の投入の瞬間にインバータ側電圧周波数ｆ＿ｖｓｇが不連続に変化することを予防することができる。

【0049】

さらに、周波数同期制御部２０６からＶＳＧ制御部２０７に入力される有効電力指令値Ｐｒｅｆとして、投入リレー１０５が投入されていない間は周波数同期制御部２０６によって計算された値を用い、投入リレー１０５の投入されている間は予め定められた値または通信等によって制御部１１０の外部から指定された値を用いることにより、投入リレー１０５の投入がされていない間は周波数同期効果が得られるとともに、投入リレー１０５の投入されている間は仮想同期発電機制御による交流電力系統９００の電圧を安定化することができる。

【0050】

図４は、図２の電圧制御部２０９および電圧振幅指令値切替部２１３の内部構成の一例を示す制御ブロック図である。図４に示されるように、有効電力指令値切替部２１２は、ノードＴＡ２，ＴＢ２，ＴＣ２を含む。ノードＴＡ２には、系統電圧測定値Ｖｏの振幅（絶対値）｜Ｖｏ｜が入力される。ノードＴＢ２には、振幅指令値Ｖｒｅｆが入力される。有効電力指令値切替部２１２は、切替信号Ｓｇｓ２に応じて、ノードＴＡ２～ＴＣ２の接続状態を変化させる。すなわち、有効電力指令値切替部２１２は、投入リレー１０５が非投入状態である場合、ノードＴＣ２とＴＡ２とを接続する。有効電力指令値切替部２１２は、投入リレー１０５が投入状態である場合、ノードＣ２とＴＢ２とを接続する。有効電力指令値切替部２１２は、振幅｜Ｖｏ｜および振幅指令値Ｖｒｅｆのいずれかである電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆをノードＴＣ２から電圧制御部２０９に出力する。

【0051】

電圧制御部２０９は、減算器４０２と、ＰＩ制御器４０３と、加算器４０４とを含む。減算器４０２は、電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆとインバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅｜Ｖｆｏ｜との振幅差Δ｜Ｖ｜をＰＩ制御器４０３に出力する。ＰＩ制御器４０３は、振幅差Δ｜Ｖ｜を積分することによって計算された積分値を加算器４０４に出力する。加算器４０４は、当該積分値と電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆとの和をインバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜として出力する。

【0052】

電圧制御部２０９は、インバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅｜Ｖｆｏ｜が電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆに近づくよにインバータ電圧測定値Ｖｆｏを制御する。電圧制御部２０９においては、電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆとして、投入リレー１０５が投入されていない間は系統電圧測定値Ｖｏの振幅｜Ｖｏ｜を用い、投入リレー１０５が投入されている間は予め定められた値あるいは通信等によって制御部１１０の外部から指定された値である振幅指令値Ｖｒｅｆを用いることにより、投入リレー１０５が投入されていない間はインバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅を系統電圧測定値Ｖｏの振幅に追従させる。その結果、投入リレー１０５のインバータ側の電圧の振幅と系統側の電圧の振幅とを等しい大きさに近づけることができるため、投入リレー１０５の投入条件を満たし易くすることができる。また、投入リレー１０５が投入されている間は、インバータ１０２から出力される電圧の振幅を所望の電圧振幅に維持することができる。

【0053】

図５は、図２の投入判定部２０８によって行われる投入判定処理（投入判定シーケンス）の流れを説明するフローチャートである。図５に示される投入判定処理は、制御部１１０において予め決定された時間周期（サンプリングタイム）毎に繰り返し実行される。たとえば、インバータ１０２のスイッチング周波数を２０ｋＨｚとし、ゲート駆動信号Ｓｇｇの生成にキャリア比較ＰＷＭを用いる場合、インバータ１０２のスイッチング周波数の１／２０（キャリアの一周期）である５μｓに合わせて、投入判定部２０８による投入判定処理が行われる。以下では、ステップを単にＳと記載する。

【0054】

図５に示されるように、投入判定部２０８は、Ｓ５０１において、投入リレー１０５が非投入状態であるか否かを判定する。投入リレー１０５が導入状態である場合（Ｓ５０１においてＮＯ）、投入判定部２０８は、投入判定処理を終了する。投入リレー１０５が非投入状態である場合（Ｓ５０１においてＹＥＳ）、投入判定部２０８は、処理をＳ５０２に進める。

【0055】

投入判定部２０８は、Ｓ５０２において、系統電圧測定値Ｖｏの振幅｜Ｖｏ｜とインバータ電圧測定値Ｖｆｏの振幅｜Ｖｆｏ｜との振幅差Δ｜Ｖ１｜（＝｜Ｖｏ｜－｜Ｖｆｏ｜）が予め定められた許容範囲（第１許容範囲）に含まれるという条件（第１条件）が成立するか否かを判定する。当該許容範囲は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。当該許容範囲は、振幅差Δ｜Ｖ１｜がいかなる範囲内にある場合に投入リレー１０５を投入すれば投入リレー１０５の投入時に発生する突入電流がインバータ１０２の動作可能電流範囲に含まれるかという観点から設定されることが望ましい。当該許容範囲のしきい値（最大値および最小値）は、たとえば、定格電圧比の±１％とすることができる。

【0056】

振幅差Δ｜Ｖ１｜が許容範囲に含まれていない場合（Ｓ５０２においてＮＯ）、投入判定部２０８は、Ｓ５０３において、投入可能状態継続カウンタを０にリセットし、処理を終了する。投入可能状態継続カウンタは、投入リレー１０５を投入可能な状態が連続でどれだけの時間継続しているかを記録するためのカウンタである。振幅差Δ｜Ｖ１｜が許容範囲に含まれている場合（Ｓ５０２においてＹＥＳ）、投入判定部２０８は、処理をＳ５０４に進める。

【0057】

投入判定部２０８は、Ｓ５０４において、周波数・位相検出部２０４によって検出された系統電圧周波数ｆ＿ｐｌｌと、ＶＳＧ制御部２０７によって生成されるインバータ電圧周波数ｆ＿ｖｓｇとの周波数差Δｆ１（＝ｆ＿ｐｌｌ－ｆ＿ｖｓｇ）が予め定められた許容範囲（第３許容範囲）に含まれるという条件（第３条件）が成立するか否かを判定する。当該許容範囲は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。当該許容範囲は、周波数差Δｆ１がいかなる範囲内にある場合に投入リレー１０５を投入すれば投入リレー１０５の投入時に発生する突入電流がインバータ１０２の動作可能電流範囲に含まれるかという観点から設定されることが望ましい。周波数差Δｆ１の許容範囲は、たとえば、±０．０１Ｈｚとすることができる。

【0058】

周波数差Δｆ１が許容範囲に含まれていない場合（Ｓ５０４においてＮＯ）、投入判定部２０８は、Ｓ５０５において、投入可能状態継続カウンタを０にリセットし、処理を終了する。周波数差Δｆ１が許容範囲に含まれている場合（Ｓ５０４においてＹＥＳ）、投入判定部２０８は、処理をＳ５０６に進める。

【0059】

投入判定部２０８は、Ｓ５０６において、周波数・位相検出部２０４によって検出された系統電圧位相θ＿ｐｌｌと、ＶＳＧ制御部２０７によって生成されたインバータ電圧位相θ_ｖｓｇとの位相差Δθ１が予め定められた許容範囲（第２許容範囲）に含まれるという条件（第２条件）が成立するか否かを判定する。位相差Δθ１の許容範囲は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。位相差Δθ１の許容範囲は、位相差Δθ１がいかなる範囲内にある場合に投入リレー１０５を投入すれば投入リレー１０５の投入時に発生する突入電流がインバータ１０２の動作可能電流範囲に含まれるかという観点から設定されることが望ましい。位相差Δθ１の許容範囲は、たとえば、±５°以内とすることができる。

【0060】

位相差Δθ１が許容範囲に含まれていない場合（Ｓ５０６においてＮＯ）、投入判定部２０８は、Ｓ５０７において、投入可能状態継続カウンタを０にリセットし、処理をＳ５０８に進める。投入判定部２０８は、Ｓ５０８において、インバータ電圧位相θ_ｖｓｇに系統電圧位相θ＿ｐｌｌを設定して、処理を終了する。位相差Δθ１が許容範囲に含まれている場合（Ｓ５０６においてＹＥＳ）、投入判定部２０８は、処理をＳ５０９に進める。

【0061】

投入判定部２０８による処理がＳ５０９に至る場合、振幅差Δ｜Ｖ１｜、周波数差Δｆ１、および位相差Δθ１の各々が対応する許容範囲内に含まれるため、投入リレー１０５が投入可能な状態にある。投入判定部２０８は、投入可能状態継続カウンタを投入判定シーケンスの実行周期の１周期分（１演算時間）だけ増加させて、処理をＳ５１０に進める。

【0062】

投入判定部２０８は、Ｓ５１０において、投入可能状態継続カウンタが予め定められた基準時間間隔を超えているか否かを判定する。基準時間間隔は、実機実験あるいはシミュレーションによって適宜決定することができる。基準時間間隔は、投入リレー１０５に投入指令（オン指令）が出力された後から実際にリレーが投入されるまでの遅れ時間に対して十分長い時間に設定されることが望ましい。基準時間間隔は、たとえば５秒とすることができる。Ｓ５１０が行われる理由については後に説明する。

【0063】

投入判定部２０８による処理がＳ５１１に至る場合、投入リレー１０５を投入可能な状態が基準時間間隔より長く継続している。投入判定部２０８は、Ｓ５１０において、投入リレー１０５に投入リレー制御信号Ｓｇｒとして投入指令を出力し、処理をＳ５１２に進める。投入判定部２０８は、Ｓ５１２において、電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆを予め定められた値または通信等によって制御部１１０の外部から指定された値に切り替えることを指示する切替信号Ｓｇｓ２を電圧振幅指令値切替部２１３に出力し、処理をＳ５１３に進める。投入判定部２０８は、Ｓ５１３において、有効電力指令値Ｐｒｅｆを予め定められた値または通信等によって制御部１１０の外部から指定された値に切り替えることを指示する切替信号Ｓｇｓ１を有効電力指令値切替部２１２に出力し、処理を終了する。Ｓ５１２およびＳ５１３の切替処理によって、投入リレー１０５を投入後も電圧制御および仮想同期発電機制御が継続される。

【0064】

なお、図５においては、電圧の振幅差Δ｜Ｖ１｜、電圧の周波数差Δｆ１、および電圧の位相差Δθ１の各々について、当該差が対応する許容範囲に含まれるか否かを判定する場合について説明した。しかし、周波数差Δｆ１が許容範囲に含まれているか否かの判定は行われなくてもよい。たとえば、投入リレー制御信号Ｓｇｒが投入リレー１０５に出力されてから投入リレー１０５が実際にオンとなる時間が十分に短く、投入リレー１０５の投入可否を電圧の瞬時値で判断することができるような場合には、振幅差Δ｜Ｖ１｜および位相差｜θ１｜を用いて投入リレー１０５の投入可否が判定されてもよい。

【0065】

ここで、Ｓ５１０において、投入可能状態の継続時間を確認する理由について説明する。たとえば、或るタイミングにおける投入判定において投入リレー１０５の両端の電圧の振幅差Δ｜Ｖ１｜、周波数差Δｆ１、および位相差Δθ１のそれぞれが対応する許容範囲に含まれているという３つの条件がすべて成立している場合、当該電圧が比較的大きく変化する過渡現象の過程で偶発的に当該３つの条件が成立している可能性がある。偶発的に当該３つの条件が成立している場合、投入判定処理終了後の数μ秒後には過渡現象が進展して、振幅差Δ｜Ｖ１｜、周波数差Δｆ１、および位相差Δθ１のいずれかが、投入可能な許容範囲から逸脱する可能性がある。このような状況で投入判定後に投入リレー１０５へ投入指令が出力された場合、投入指令の出力から実際に投入リレー１０５が投入されるまでの時間遅れに起因して、投入リレー１０５が実際に投入される瞬間には投入リレー１０５の両端の電圧差が投入判定時よりも増大しており、その結果、突入電流が想定よりも増加し得る。そこで、図５においては、Ｓ５１０において投入可能状態が一定時間継続していることが確認されてから投入リレー１０５に投入指令が出力される。Ｓ５１０が行われることにより、投入リレー１０５の両端の電圧の振幅差Δ｜Ｖ１｜、周波数差Δｆ１、および位相差Δθ１のそれぞれが対応する許容範囲に含まれているという３つの条件がすべて成立している場合が、過渡現象の過程ではなく、当該３つの条件の成立が継続する定常状態であることを確認することができる。その結果、突入電流の発生を確実に予防することができる。

【0066】

以上の投入判定処理により、投入リレー１０５の両端の電圧の振幅差Δ｜Ｖ１｜、周波数差Δｆ１、および位相差Δθ１の各々が対応する許容範囲に一定時間継続的に含まれることが確認されてから投入リレー１０５が投入される。その結果、投入リレー１０５の投入時に突入電流が抑制され、過大な衝撃なく電力変換装置１００を交流電力系統９００へ追加的に連系することができる。また、交流電力系統９００へ連系された後も、仮想同期発電機制御を用いる電圧制御を実施することができるため、交流電力系統９００の安定性を向上させることができる。

【0067】

以上、実施の形態１に係る電力変換装置によれば、電力変換装置が交流電力系統と連係する場合において、突入電流を抑制しながら、商用系統の電圧を安定的に維持することができる。

【0068】

実施の形態２．
実施の形態１においては、電圧制御部において出力電圧振幅指令値とインバータ電圧測定値の振幅との振幅差を積分することによってインバータ電圧指令値の振幅が決定される構成について説明した。実施の形態２においては、電圧制御部において電流制御を介してインバータ電圧指令値の振幅が決定される構成について説明する。

【0069】

図６は、実施の形態２に係る電力変換装置の制御部１１０Ｂの内部構成の一例を示すブロック図である。制御部１１０Ｂの構成は、図２の電圧制御部２０９が２０９Ｂに置き換えられた構成である。これ以外の制御部１１０Ｂの構成は制御部１１０と同様であるため、同様の構成についての説明を繰り返さない。図６に示されるように、電圧制御部２０９Ｂには、電圧振幅指令値｜Ｖ｜ｒｅｆおよびインバータ電圧測定値Ｖｆｏに加えて、電流測定値Ｉｏが入力される。

【0070】

図７は、図６の電圧制御部２０９Ｂの内部構成の一例を示す制御ブロック図である。電圧制御部２０９Ｂの構成は、図４のＰＩ制御器４０３が、ＰＩ制御器６０１および電流制御部６１０に置き換えられた構成である。これ以外の電圧制御部２０９Ｂの構成は電圧制御部２０９と同様であるため、同様の構成についての説明を繰り返さない。

【0071】

図７に示されるように、ＰＩ制御器６０１は、振幅差Δ｜Ｖ｜を積分することによって計算された、インバータ１０２から出力される電流の振幅指令値｜Ｉｏ｜ｒｅｆを電流制御部６１０に出力する。ＰＩ制御器６０１は、インバータ電圧測定値Ｖｆｏを指令値に近づけるために必要なインバータ側の電流値を決定する。

【0072】

電流制御部６１０は、減算器６０２とゲインブロック６０３とを含む。減算器６０２は、振幅指令値｜Ｉｏ｜ｒｅｆと電流測定値Ｉｏの振幅｜Ｉｏ｜との振幅差Δ｜Ｉ｜をゲインブロック６０３に出力する。ゲインブロック６０３は、振幅差Δ｜Ｉ｜にゲインＫを乗じて、加算器４０４に出力する。

【0073】

電圧制御部２０９Ｂは、電流測定値Ｉｏを電流指令値Ｉｏｒｅｆに近づけるようにインバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜を制御する。電圧制御部２０９Ｂにおいては、部分的に電流制御が行われながら、全体としては電圧制御が行われる。電圧制御において電流制御が行われることにより、突入電流が収束する方向にインバータ電圧振幅｜Ｖｉｎｖ｜を制御することが可能になる。その結果、突入電流の収束を高速化することができるとともに、突入電流の発生をさらに抑制することができる。

【0074】

以上、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、電力変換装置が交流電力系統と連係する場合において、突入電流を抑制しながら、商用系統の電圧を安定的に維持することができる。

【0075】

今回開示された各実施の形態は、矛盾しない範囲で適宜組み合わせて実施することも予定されている。今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0076】

１００ 電力変換装置、１０２ インバータ、１０３ リアクトル、１０４ コンデンサ、１０５ 投入リレー、１０６ 系統電圧測定部、１０７ インバータ電圧測定部、１０８ 電流測定部、１１０，１１０Ｂ，２０７ 制御部、１２０ ＬＣフィルタ、２０４ 位相検出部、２０５ 有効電力計算部、２０６ 周波数同期制御部、２０８ 投入判定部、２０９，２０９Ｂ 電圧制御部、２１０ 電圧指令値計算部、２１１ ゲート駆動信号生成部、２１２ 有効電力指令値切替部、２１３ 電圧振幅指令値切替部、３０１，３０４～３０６，４０２，６０２ 減算器、３０２，４０３，６０１ ＰＩ制御器、３０７，３１２ 積分器、３０８ フィードバックゲインブロック、３０９ 一次遅れブロック、３１０，４０４ 加算器、３１１ 換算ゲインブロック、６０３ ゲインブロック、６１０ 電流制御部、８００ 直流電源、９００ 交流電力系統、Ｉｏ 電流測定値、｜Ｉｏ｜ｒｅｆ 電流指令値、Ｐｅ 電気的出力エネルギー、Ｐｇｏｖ 指令値補正項、Ｐｍ 機械的入力エネルギー、Ｐｏｕｔ 有効電力値、Ｐｒｅｆ 有効電力指令値、Ｔｍｉ 入力端子、Ｔｍｏ 出力端子、Ｖｆｏ インバータ電圧測定値、Ｖｉｎｖｒｅｆ インバータ電圧指令値、Ｖｏ 系統電圧測定値、Ｖｒｅｆ 振幅指令値、ｆ＿ｖｓｇ インバータ電圧周波数、ｆ＿ｐｌｌ 系統電圧周波数。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】