JP2008043184A - 電力供給装置および電力変換装置の同期運転方法 - Google Patents

Abstract

【課題】発電装置と電力変換装置とからなるユニット化された電力供給装置を複数台並列運転する電力供給システムに好適に用いることができる電力供給装置を提供する。
【解決手段】本発明は、発電装置と、該発電装置の発電電力を所要の周波数および電圧の交流電力に変換する電力変換装置と、上記電力変換装置のコントローラとを備えた電力供給装置を提供する。上記コントローラは、上記電力変換装置の出力電流に対応する出力電圧を決定する出力電圧−出力電流特性の制御部を備え、上記出力電圧−出力電流特性に、上記発電装置の発電能力を超える第１の出力電流と、上記電力変換装置の変換能力を超える第２の出力電流との間では、上記発電装置の出力電力を制限する第１の垂下特性を持たせた。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスタービン発電機等の分散型発電装置と、前記発電装置により発電された電力を所要の周波数および電圧の交流電力に変換して負荷へ供給するインバータ装置などの電力変換装置とからなるユニット化された電力供給装置に係り、特に複数台の電力供給装置を並列接続し、商用電源系統から切り離された負荷に並列運転により電力を供給する電力供給システムに用いられる電力供給装置に関する。

また、本発明は、複数台のインバータ装置（電力変換装置）を並列接続して、商用電源系統から切り離された負荷に並列運転により三相交流電力を供給する際に、各インバータ装置間で出力電圧の同期を取る方法に関する。

電圧制御型インバータ装置を含む電力供給装置を複数台並列接続して、負荷へ発電電力を供給する電力供給システムでは、インバータ装置が同じ電圧を出力しても、実際に出力される電圧は、センサ、フィルタ回路の構成部品などの誤差により、完全に一致した電圧を出力することは難しい。その為、通常は、電圧制御型インバータ装置を含む電力供給装置を複数台並列接続して、商用電源系統から切り離された負荷に発電電力を供給する電力供給システムにおいては、複数台の電力供給装置の負荷分担率を均等に保つために、インバータ装置間で互いの情報（電流、電力など）を共有し、出力電圧をコントロールし、負荷の分坦率を均等に保ち、インバータ装置の能力を有効に使用することが提案されている。

しかしながら、上記の負荷分担方法では、複数台の電力供給装置間の情報を共有するための専用ハードウェアなどが必要となり、コスト、信頼性の面でも問題がある。また、電力のコントロールの為に共用されている情報は、インバータ装置に関する情報のみであり、発電装置（ガスタービン発電機、燃料電池など）とインバータ装置などの電力変換装置とが組み合わせて使用されるユニット化された電力供給装置の場合には、インバータ装置が過負荷になる前に、発電装置が過負荷になり、発電装置が停止してしまい、インバータ装置の能力に余裕があるにもかかわらず、発電装置が止まってしまう現象が発生するなどの問題がある。

電圧制御型インバータ装置を複数台並列接続して、負荷へ発電電力を供給する電力供給システムでは、商用電源系統から切り離された負荷へ電力を供給する場合、以下のようなインバータ装置間の同期方法がある。

第１に、一台のインバータ装置が親機となり、親機の電圧出力と同期した特別な基準信号をその他のインバータ装置へ出力する。他の(親機以外の)インバータ装置は、その基準信号に同期した出力電圧を形成し、インバータ装置出力電圧の同期を取る。

第２に、外部コントローラが、複数台のインバータ装置へ位相同期用の基準信号を送信し、その基準信号を元に、各インバータ装置が出力電圧を形成することにより、出力電圧の同期を取る。

第３に、複数台の内一台のインバータ装置が、自立（電圧制御）モードで起動して電圧を確立後、その他のインバータ装置が連系（電流制御）モードで起動し、電圧位相に同期した並列運転を行い、出力電圧の同期を取る。

上記従来の技術においては、第１と第２の方法のように、すべてのインバータ装置が電圧制御モードで動作する方法と、第３の方法のように、基準となるインバータ装置が電圧制御モード、その他のインバータ装置が電流制御モードとして同期運転を行う方法とが提案されている。しかしながら、上記従来の技術には、以下の課題がある。上記第１と第２の方法のように、すべてのインバータ装置が電圧制御モードで動作する方法においては、各インバータ装置間の出力を同期させるのに同期信号が必要となっているので、同期信号を出力するインバータ装置または外部のコントローラが故障した場合、運転の継続ができなくなる。また、同期信号を伝達する為の信号線が、出力線以外に必要となるので、システムが複雑になる。

また、基準となるインバータ装置が電圧制御モード、その他のインバータ装置が電流制御モードとして運転を行う第３の方法においては、同期信号を用いないので、同期信号の信号線が不要となり、システムが複雑になるという問題については改善される。しかし、基準となるインバータ装置が電圧制御モード、その他のインバータ装置が電流制御モードとして運転を行う必要があるので、基準となる電圧制御モードで運転を行っているインバータ装置に異常が発生すると、運転の継続が困難になること、また、電流制御モードのインバータ装置が急激な負荷変動に対応できない、などの問題がある。

実開平３−１４９３１号公報 国際公開ＷＯ２００４／０１９４６６号公報

本発明は上述した事情に鑑みて為されたもので、発電装置と電力変換装置とからなるユニット化された電力供給装置を複数台並列運転する電力供給システムに好適に用いることができる電力供給装置を提供することを第１の目的とする。より詳しくは、各電力供給装置間の負荷分担のための専用のハードウェアを設けることなく、また発電装置の能力を超える場合には負荷分担を自動的に当該発電装置の発電能力の範囲内に制限することができる電力供給装置を提供することを第１の目的とする。

また、本発明は、同期信号を使用せずに、並列運転する全てのインバータ装置（電力変換装置）を電圧制御モードの運転で同期させることが可能な、インバータ装置の同期運転方法を提供することを第２の目的とする。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、発電装置と、該発電装置の発電電力を所要の周波数および電圧の交流電力に変換する電力変換装置と、前記電力変換装置のコントローラとを備えた電力供給装置であって、前記コントローラは、前記電力変換装置の出力電流に対応する出力電圧を決定する出力電圧−出力電流特性の制御部を備え、前記出力電圧−出力電流特性に、前記発電装置の発電能力を超える第１の出力電流と、前記電力変換装置の変換能力を超える第２の出力電流との間では、前記発電装置の出力電力を制限する第１の垂下特性を持たせたことを特徴とするものである。

本発明の他の態様は、複数台のインバータ装置（電力変換装置）を並列接続して、負荷に三相交流電力を供給するシステムにおけるインバータ装置の同期運転方法であって、前記インバータ装置が並列接続される電源系統の三相電圧を検出し、前記三相電圧を、前記インバータ装置内部の位相θ’に基づいてｄｑ座標に変換し、ｄ軸成分Ｖd'を検出し、前記ｄ軸成分Ｖd'がゼロとなるようにＰＩ制御を行い、内部位相の補正量Δfを出力し、該補正量Δfを、インバータ装置の出力基準周波数ｆ^*に加算するとともに、所定のゆらぎ周波数を補正量Δfに加算し、位相θ’を前記系統の電圧位相θと一致させ、前記位相θ’に基づいて前記インバータ装置が正弦波交流電圧を形成し、前記電源系統の交流電圧と同期を取ることを特徴とするものである。

上記本発明によれば、電力供給システムを構成する複数台の電力供給装置間で専用のハードウェアによる情報の共有をしなくても、電力変換装置のコントローラは、出力電流に対応する出力電圧を指令する出力電圧・電流特性制御部を備えることで、各電力供給装置間の負荷分担を概ね均等にする、あるいは、積極的に負荷を制限することができる。すなわち、電力変換装置の出力が発電装置の出力能力の限界に達した場合は、発電装置にさらに負荷がかからない様に、電力一定で（発電電力が限界値を超えないように）出力電圧を垂下させる特性を持たせることで、発電装置が過負荷となる前に当該電力供給装置の負荷を制限し、他の電力供給装置へ負荷を分散できる。このため、当該電力供給装置の運転をその発電能力の範囲内に自動的に制限でき、運転を継続でき、電力供給システム全体としての信頼性を確保でき、コストの面でも効果がある。

また、本発明によれば、インバータ装置内部の位相θ’を電源系統の電圧位相θと一致させ、インバータ装置の出力電圧と電源系統の交流電圧と同期を取ることができる。従って、各インバータ装置間で出力電圧の位相を合わせるための同期信号を使用せずに、すべてのインバータ装置が電圧制御モードで出力を行うことができる。従って、各電力供給装置間で出力電圧の同期を取る為の特別な信号線を設けることなく、インバータ装置の出力端を接続するだけで、負荷変動にも十分に対応できる並列運転を行うことができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の電力供給装置を示す。発電装置１１は、例えばガスタービン発電機などの分散型の発電装置である。発電装置１１の交流発電出力は、全波整流回路などのコンバータ１２により整流され、コンデンサ（直流電源）１３に貯留された直流電力がインバータ１５により所要の周波数および電圧の交流電力に変換され、フィルタ回路１６により高調波成分が除去され、出力側に接続された負荷に供給される。なお、発電装置１１としては、太陽電池、燃料電池などの分散型の発電装置を用いることができる。

インバータ１５は、直流電源１３の直流電力から、指令値の周波数および電圧を有する交流電力を生成する電圧制御形のインバータ装置を構成しており、電力スイッチング素子をパルス幅変調信号に従ってオン／オフ制御することにより直流電力を交流電力に変換する。このため、インバータ装置（電力変換装置）は、インバータ１５などの他に、出力電圧を検出する電圧検出器１８、出力電流を検出する電流検出器１９、出力電力を検出する電力検出器２０、周波数および電圧の指令値と上記検出器１８，１９，２０で検出されたフィードバック値に基づいて電圧指令値を演算する電圧指令演算部２１、電圧制御部２２、インバータ１５の電力スイッチング素子をオンオフ制御するパルス幅変調信号を形成するパルス幅変調器２３などの各種センサおよび制御装置を備えている。

電力供給装置１０は、発電装置１１と、該発電装置１１の発電電力を所要の周波数および電圧の交流電力に変換するインバータ装置などの電力変換装置とが、ユニット化されたものである。例えば、１００ｋＷの発電能力を有する発電装置と、この発電電力を商用電源系統の周波数および電圧の交流電力に変換する電圧制御形インバータ装置などの電力変換装置とが、ユニット化され、一つの筐体（パッケージ）内に収容されたものである。従って、ユーザは、１台の電力供給装置１０を備えることで、商用電源系統に接続可能な負荷に対して商用電源系統と同じ周波数および電圧の交流電力を最大１００ｋＷまで出力可能である。

ところが、電力供給装置のユーザの需要電力は多様であり、このため、図２に示すように、電力供給装置１０を複数台並列接続し、並列運転することが行われている。例えば、同一規格の電力供給装置１０をＮ台並列運転することで、１台当たりの出力のＮ倍の電力を負荷３０に供給することができる。

ユニット化された電力供給装置１０を複数台並列接続し、並列運転するに際して、各電力供給装置１０の負荷分担を自動的に行うため、インバータ装置のコントローラ２５は、インバータ装置の出力電流に対応する出力電圧を決定する出力電圧−出力電流制御特性を有する制御部２４を備えている。この制御部２４により決定された出力電圧は、指令値として電圧指令演算部２１に送られる。複数台の電力供給装置１０の出力端は並列接続されているので、同一の出力電流に対して同一の出力電圧を指令する制御部２４を各電力供給装置１０に備えることで、各電力供給装置間の負荷分担を概ね均等にすることができる。また、同一の出力電圧に対して出力電流に差を設けることで、積極的に負荷分担に差を持たせることができる。これにより、電力供給システムを構成する複数台の電力供給装置間で、専用のハードウェアによる情報の共有をしなくても、自動的に各電力供給装置間の負荷分担を概ね均等にする、あるいは、積極的に負荷分担に差を持たせることができる。

ところで、電圧制御形インバータ装置において、一般に、出力電圧・電流特性制御部で出力電圧指令値を決定する際に、インバータ装置の出力電流、あるいは出力電力がその定格容量の範囲内であるか否かの状態のみを考慮して出力電圧を決定している。

この種の出力電圧・電流特性制御部を備えたインバータ装置を発電装置と組み合わせて電力供給装置とした場合、
発電装置の発電能力＞インバータ装置の出力能力
である時は、インバータ装置の出力能力範囲内で運転するのであれば、問題が発生しない。しかしながら、運転環境により発電装置の発電能力がインバータ装置の出力能力よりも低くなった際に、すなわち、
発電装置の発電能力＜インバータ装置の出力能力
である時は、インバータ装置の出力能力（通常、定格容量）となる前に発電装置が過負荷となり、安全装置が作動し、電力供給装置全体が停止してしまうという問題がある。

この問題を解決するために、本発明の電力供給装置においては、インバータ装置（電力変換装置）のコントローラ２５の出力電圧・電流特性制御部２４に、図３に示す出力電圧−出力電流の制御特性を持たせている。すなわち、発電装置１１の発電能力を超える出力電流Ａ（第１の出力電流）とインバータ装置の変換能力を超える出力電流Ｂ（第２の出力電流）との間（区間２）では、出力電圧−出力電流特性に第１の垂下特性を持たせ、出力電流Ａ以下（区間１）では、出力電圧−出力電流特性に第２の垂下特性を持たせ、出力電流Ｂ以上（区間３）では、出力電圧−出力電流特性に第３の垂下特性を持たせている。

垂下特性（出力電圧−出力電流特性）は、制御部２４のメモリに予めインバータ装置の出力電流とこれに対応したインバータ装置の出力電圧のテーブルまたは関数を備え、インバータ装置の出力電流を検出し、制御部２４のＣＰＵでテーブルまたは関数を参照し、出力電圧指令値を決定することで実現できる。

従って、図３の区間１において、発電装置１１の発電能力を超える出力電流Ａまでは、出力電流が大きくなると出力電圧をＶ０からＶ１まで、徐々に（緩やかに）垂下（低下）させる第２の垂下特性を持たせている。なお、図４は図３の変形例を示すものであるが、区間１において、発電装置１１の発電能力を超える出力電流Ａまでは、出力電流にかかわらず出力電圧を一定（Ｖ０）にする特性を持たせている。

インバータ装置の出力電流が出力電流Ａ以上に達した場合は、区間２において、発電装置１１に限界以上の負荷がかからないように、発電電力一定で出力電圧を垂下させる第１の垂下特性を持たせている。すなわち、発電装置１１の出力電力を一定に制限する。そして、出力電流がさらに大きくなり、インバータ装置の変換能力を超える出力電流Ｂ以上に達した場合は、区間３において、電力変換装置に限界以上の負荷がかからないように、出力電流の増加に対して急激に出力電圧を垂下（低下）させる第３の垂下特性を持たせている。

図３と図４の区間２において、発電電力一定の垂下特性では、インバータ装置の出力電流と出力電圧の積が所定値以下であり、この電力供給装置を運転する場合には出力電流が増加すると出力電圧が減少し、発電装置１１の発電出力は制限される。複数台の電力供給装置を並列接続する場合には、出力電圧は共通の電圧となり、出力電流はそれぞれの出力電圧−出力電流特性により決定されるので、この第１の垂下特性の区間では、電力供給装置は発電装置１１の限界出力で運転され、その限界出力以上の負荷は他の電力供給装置から供給されることになる。これにより、並列運転する複数台の電力供給装置間に負荷を分散させる為の情報を共有する専用のハードウェアを設けることなく、発電装置１１が過負荷となる前に他の電力供給装置へ負荷を分散できるので、電力供給装置の運転を安定して継続でき、コストと信頼性の面で大きなメリットがある。

例えば、発電装置１１がガスタービン発電機の場合、一般的に、ガスタービン発電機の発電能力限界値は、排ガス温度（ＥＧＴ）または入口空気温度の影響を強く受け、それらの温度により発電能力限界値が決まってくる。ガスタービン発電機のコントローラでは、排ガス温度または入口空気温度からガスタービン発電機の安全に運転が可能な範囲で出力可能な電力値を決定し、その値をインバータ装置を制御するコントローラ２５へ伝達する。コントローラ２５の出力電圧・電流特性制御部２４は、上述の区間２の垂下特性として、この伝達された発電能力限界電力値に基づいて制御を行う。従って、この電力供給装置は、発電装置１１の発電能力を検出する手段と、検出した発電能力に基づいて区間２の垂下特性を設定する手段とを備える。

上述したように、垂下特性の制御は、電流検出部１９で検出した出力電流により、テーブルまたは関数としての出力電圧−出力電流特性を参照して電圧指令値を出力し、その電圧指令値からインバータ装置を制御するものである。従って、検出した発電能力に基づいて区間２の垂下特性を設定する手段は、発電装置１１の発電能力限界の出力電流Ａとインバータ装置の出力可能電流（定格電流）Ｂとから区間２の範囲を設定することができ、発電装置１１の発電能力限界の出力電力から出力電圧−出力電流特性の傾きを設定することができる。

図３と図４の区間３において、電力変換装置（インバータ装置）の変換能力を超える出力電流以上で出力電流の増加に対して出力電圧が急激に低下する垂下特性を持たせたので、電力供給装置は電力変換装置の限界出力で運転され、その限界出力以上の負荷には他の電力供給装置から電力が供給されることになる。

次に、図５を参照して、本発明の第１実施例について説明する。この実施例においては、図３に示す区間１に垂下特性を有する２台の電力供給装置を並列運転する場合である。発電装置の発電能力に余裕があるときは、並列運転時の電力供給装置の負荷分担率を概ね均等に保ち、発電装置の発電能力の限界に達した際は、出力電力を制限して過負荷にならないように、他の電力供給装置の分坦率が増すように制御させる。

電力供給装置１は、無負荷時（出力電流が０）に所定の電圧（例えば、定格電圧）Ｖ０を出力する。電力供給装置２も同様に、無負荷時に所定の電圧Ｖ０を出力するが、センサ、フィルタ回路の構成部品などの誤差により、電力供給装置２から実際に出力される電圧は、Ｖ０’となり、Ｖ０とはわずか（例えば、定格電圧の０．５％程度）ではあるが相違した電圧となる。

電力供給装置１は、発電装置１１の発電能力の限界となる出力電流Ａまでの区間１では、緩やかな垂下特性を有し、出力電流Ａからインバータ装置の出力能力の限界となる出力電流Ｂまでの区間２では、発電装置１１の発電電力一定の垂下特性を有し、出力電流Ｂ以上の区間３では、急激な垂下特性を有する。電力供給装置２は、発電装置１１の発電能力の限界となる出力電流Ｃまでの区間１では、緩やかな垂下特性を有し、出力電流Ｃからインバータ装置の出力の限界となる出力電流Ｂまでの区間２では、発電装置１１の発電電力一定の垂下特性を有し、出力電流Ｂ以上の区間３では、急激な垂下特性を有する。区間２の垂下特性により、上述のように、出力電力が所定値以下となるように制御されるので、電力供給装置の出力電力を発電装置１１の発電能力の範囲内に抑えることが可能である。

並列運転時の２台の電力供給装置は、区間１において、出力電圧がＶ３であるときは、電力供給装置１は出力電流Ｅを分担し、電力供給装置２は出力電流Ｄを分担する。ここで、電力供給装置１と電力供給装置２の出力電圧差（緩やかな区間１における垂下特性の出力電圧差）が、センサ、フィルタ回路の構成部品などによる誤差程度の電圧差の場合、出力電流Ｅおよび出力電流Ｄは概ね互いに近い電流値になるので、分担を概ね均等にすることができる。電力供給装置１の出力電流が発電装置１１の発電能力の限界（出力電流Ａ）に達した際は、出力電圧−出力電流特性は区間２の垂下特性に入り、出力電力を発電能力の限界能力に制限して過負荷にならないようにし、電力供給装置２の分坦率が増すように制御される。電力供給装置２の出力電流が発電装置１１の発電能力の限界（出力電流Ｃ）に達した際は、出力電圧−出力電流特性は区間２の垂下特性に入り、出力電力を発電能力の限界能力に制限して過負荷にならないように制御される。さらにインバータ装置の出力能力（定格電流）Ｂを超える負荷電流が要求されるときは、出力電圧−出力電流特性は区間３の垂下特性に入り、出力電圧は急速に垂下してインバータ装置が過負荷にならないように制御され、さらに並列運転している他の電力供給装置があれば、その装置から負荷へ電力が供給される。

なお、上記実施例では、発電装置１１の発電能力に余裕があるときは、複数台の電力供給装置の負荷分担率を概ね均等に保ち、発電装置１１の発電能力の限界に達した際は、出力電力を制限して過負荷にならないようにすると共に、他の電力供給装置の分坦率が増すように動作する例について説明したが、複数台の電力供給装置間で負荷の分坦率を積極的に変化させたい場合（例えば、二台運転で、一方の電力供給装置から優先的に負荷へ電力を供給させる場合）は、予め出力電圧−出力電流特性に所定の差を付けることで、出力電圧の高い方から優先的に電力を負荷へ供給できる。また、発電装置１１の発電能力の限界に達した際には、電力一定になるように（限界電力値を超えないように）出力電圧を垂下させるので、電力供給装置が停止せずに、他の電力供給装置から負荷へ電力を供給させるように促すことができる。

次に、図６を参照して、本発明の第２実施例について説明する。電力供給装置１は、発電装置１１の発電能力の限界となる出力電流Ａまでの区間１では、出力電圧一定の垂下特性を有し、インバータ装置の出力の限界となる出力電流Ｂまでの区間２では、発電電力を制限する垂下特性を有し、インバータ装置の出力の限界となる出力電流Ｂ以上の区間３では、出力電圧が急激に低下する垂下特性を有する。電力供給装置２は、発電装置１１の発電能力の限界となる出力電流Ｃまでの区間１では、出力電圧一定の特性を有し、インバータ装置の出力の限界となる出力電流Ｂまでの区間２では、発電電力一定の垂下特性を有し、インバータ装置の出力の限界となる出力電流Ｂ以上の区間３では、出力電圧が急激に低下する垂下特性を有する。区間２の垂下特性により、上述のように、出力電力が所定値以下となるように制御される。

出力電流が発電装置１１の発電能力の限界により決定される出力電流Ａまでの区間１において、電力供給装置１および電力供給装置２の出力電圧（指令値）を同じＶ０一定（実際に出力される電圧は、センサ、フィルタ回路の構成部品などの誤差により、相違した電圧）にさせ、並列運転する複数台の電力供給装置の負荷分坦率が概ね均等になるように制御する。上記区間１は、出力電圧（指令値）は一定出力だが、インバータ１５自体の出力と電力供給装置全体としての出力端との間に接続されているコイルＬとコンデンサＣからなるフィルタ１６による電圧降下が発生することにより、出力電流の増大と共に、出力端の電圧が降下し、負荷の分担率を概ね均等にすることができる。

また、出力電流が発電装置１１の発電能力の限界により決定される出力電流Ａまでの区間１おいて、電力供給装置１および電力供給装置２の出力電圧（指令値）に差を持たせ、Ｖ０およびＶ１を出力電圧（指令値）にすると、出力電圧（指令値）の高い電力供給装置から優先的に電力を負荷へ供給することができる。

さらに負荷電流が増えて、出力電力が発電装置１１の発電能力の限界（出力電流Ａ）を超えたら、インバータ装置の出力能力の限界（出力電流Ｂ）に達するまでの区間は、発電装置１１が過負荷にならない様に、一定電力（発電電力一定）制御を行い、出力電圧を低下させ、他の電力供給装置からの出力を促す。さらに負荷電流が増えて、出力電流がインバータ装置の出力能力（出力電流Ｂ）を超えたら、急激に出力電圧を低下させ（区間３）、インバータ装置が過負荷にならないようにすると共に、他の電力供給装置からの出力を促すことは、上記第１実施例と同様である。

なお、上記実施形態では、発電装置１１のコントローラが発電装置１１の発電能力限界の出力電力値を決定しているが、排ガス温度または入口空気温度の情報を電力変換装置（インバータ装置）のコントローラ２５が受け取り、その値に基づいて限界発電電力値を演算し、制御に用いてもよいことは勿論である。さらに、ガスタービン発電機の例について説明したが、ガスエンジン、燃料電池、水車、太陽電池などの分散型発電装置においても、発電装置で運転環境に応じて、発電能力限界値を決定し、電力変換装置のコントローラへ伝達し、区間２の垂下特性を設定することにより、同じように利用できることも勿論である。

次に、本発明の他の実施形態について説明する。図７は、本発明の他の実施形態の電力供給装置を示す。発電装置４１は、例えばガスタービン発電機などの分散型の発電装置である。発電装置４１の交流発電出力は、全波整流回路などのコンバータ４２により整流され、コンデンサ（直流電源）４３に貯留された直流電力がインバータ４５により所要の周波数および電圧の交流電力に変換され、フィルタ回路４６により高調波成分が除去され、出力側に接続された負荷に供給される。なお、発電装置４１としては、太陽電池、燃料電池などの分散型の発電装置を用いることができる。

インバータ４５は、直流電源４３の直流電力から、指令値の周波数および電圧を有する交流電力を生成する電圧制御形のインバータ装置を構成しており、電力スイッチング素子をパルス幅変調信号に従ってオン／オフ制御することにより直流電力を交流電力に変換する。インバータ装置（電力変換装置）全体としては、インバータ４５の出力電圧を検出する電圧検出器４８ａ、負荷が接続された電源系統５９の電圧を検出する電圧検出器４８ｂ、インバータ４５の出力電流を検出する電流検出器４９、出力電力を検出する電力検出器５０、インバータ４５の出力電流などから電圧指令値を演算する電圧指令演算部５１、インバータ４５の出力電圧を制御する電圧制御部５２、インバータ４５の出力位相を制御する位相制御部５３、インバータ４５の電力スイッチング素子をオンオフ制御してパルス幅変調信号を形成するパルス幅変調器５４などの各種センサおよび制御装置を備えている。

電力供給装置４０は、発電装置４１と、該発電装置４１の発電電力を所要の周波数および電圧の交流電力に変換するインバータ装置（電力変換装置）とが、ユニット化されたものである。例えば、１００ｋＷの発電能力を有する発電装置と、この発電電力を商用電源系統の周波数および電圧の交流電力に変換する電圧制御形インバータ装置とが、ユニット化され、一つの筐体（パッケージ）内に収容されたものである。従って、ユーザは、１台の電力供給装置４０を備えることで、商用電源系統に接続可能な負荷に対して商用電源系統と同じ周波数および電圧の交流電力を最大１００ｋＷまで出力可能である。

ところが、電力供給装置４０に要求される需要電力は多様であり、このため、図８に示すように、電力供給装置４０を複数台並列接続し、並列運転することが行われている。例えば、同一規格の電力供給装置４０をＮ台並列運転することで、１台当たりの出力のＮ倍の電力を負荷６０に供給することができる。

ユニット化された電力供給装置４０を複数台並列接続し、並列運転するに際して、各電力供給装置４０のインバータ装置の出力の同期を取る必要がある。このため、この電力供給装置４０は、電源系統の電圧を検出する電圧検出器４８ｂと位相制御部５３を備えており、この位相制御部５３により、インバータ装置の出力電圧波形（正弦波波形）の位相と、電源系統５９の電圧波形の位相とを一致させる、すなわち、同期を取るようにしている。これにより、各インバータ装置間で出力電圧の位相を合わせるための同期信号を使用せずに、すべてのインバータ装置が電圧制御モードで出力を行うことができるので、出力電圧の同期を取る為の特別な信号線で各インバータ装置を接続することなく、インバータ装置の出力端を電源系統５９に接続するだけで、負荷変動にも対応できる並列運転を行うことができる。

位相制御部５３は、図９に示すように、電圧検出器４８ｂで検出された三相電圧を、インバータ装置の内部の位相θ’に基づいてｄｑ座標成分に変換するｄｑ変換部６１と、ｄｑ変換部６１で変換されたｄ軸成分Ｖd'がゼロとなるように、インバータ装置の内部の位相θ’をフィードバック制御により調整する位相調整部６２とを備えている。位相調整部６２は、ｄ軸成分Ｖd'を誤差位相差εとし、これをゼロとするように位相θ’を調整するＰＩ演算部６３を含む。

電源系統５９の三相電圧をインバータ装置の内部の角周波数で回転しているｄｑ座標成分に変換することで、図１０に示すように、インバータ装置の内部位相θ'(ｄ'−ｑ’軸)と電源系統５９の三相電圧の位相θ(ｄ−ｑ軸)が完全に一致しているなら、電源系統５９の三相電圧Ｖsysはｑ軸成分のみであるので、ｄｑ変換により得られるｄ軸成分Ｖd'はゼロとなる。また、位相差がある場合には、位相差に応じた大きさのｄ軸成分Ｖd'が演算結果として得られる。

すなわち、電源系統５９の三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、ｄｑ変換によるｄ軸成分Ｖｄとｑ軸成分Ｖｑとの位相θにおける関係は、下式のようになる。

このｄｑ変換演算で得られたｄ軸成分Ｖd'（位相差情報）がゼロになるようにＰＩ制御を行い、内部位相の補正量Δfを得る。この補正量Δfを、インバータ装置の出力基準周波数（例えば、５０または６０Ｈｚ）に加算することにより、内部位相θ’の修正を行う。この修正を行い、ｄ軸成分Ｖd'がゼロとなることは、インバータ装置の内部位相θ’が電源系統５９の電圧の位相θと一致していることを意味する。このＰＩ制御により、インバータ装置の内部位相θ’と電源系統５９の電圧位相θを一致させるように位相制御を行うことが可能となる。

図９に示すように、位相調整部６２は、ｄ軸成分Ｖd'を誤差位相差εとし、これをゼロとするように周波数補正量Δfを出力するＰＩ演算部６３と、ＰＩ演算部６３の出力を制限するリミッタ６４と、リミッタ６４の出力をインバータ装置の出力基準周波数（例えば、５０または６０Ｈｚ）ｆ^*と加算する加算器６５と、出力基準周波数ｆ^*と周波数補正量Δfの加算量を積分して位相θ’を出力する積分器６６とを備える。位相θ’はｄｑ変換部６１にフィードバックされ、該位相θ’に基づいて系統三相電圧をｄｑ座標成分に変換する演算が数１の式により行われる。このフィードバックループの繰り返し演算により、インバータ装置の内部位相θ’は系統電圧（電源系統５９の電圧）の位相θと一致し、インバータ装置の出力電圧は系統電圧に同期したものとなる。

積分器６６から出力された位相θ’は、θ／ｓｉｎθ変換器６７により正弦波に変換され、電圧制御部５２から出力される電圧信号と合成器６８により合成され、正弦波形の出力電圧指令値として、パルス幅変調器５４に供給され、インバータ装置により出力電圧波形が形成される。

しかし、図９に示す位相制御部５３では、一台目の電力供給装置が起動し電力を出力している状態で、出力周波数がリミッタ６４の上限値、あるいは下限値になっている（制御上発散している）場合、二台目の電力供給装置の内部位相θ’の補正が、リミッタ６４の影響により行えず、電圧位相の同期を取ることができない。

上述の問題を改善するために、図１１Ａに示すように位相調整部６２を変更した。この位相調整部６２では、誤差ｄ軸成分Ｖｄ’がゼロにならない限りＰ演算器（比例制御器）６３ｂがゼロ以外の値を出力するので、位相補正結果に揺らぎが残り、リミッタ６４が補正に及ぼす影響（補正を行えなくなる現象）を改善することができる。但し、Ｐ（比例）演算器６３ｂのゲインを大きく取りすぎると、常時残る揺らぎの影響により、出力周波数が安定しないおそれがあるので、Ｐ（比例）演算器６３ｂのゲインは、出力に影響を及ぼさない程度の小さい値にする必要がある。

また、図１１Ｂのように、インバータ装置の出力に影響を与えない程度の所定の外乱を外乱発生器６３ｃにより発生させ、これをリミッタ６４の出力に加算することにより、位相補正結果に強制的に揺らぎを与え、リミッタ６４が補正に及ぼす影響（補正ができなくなる現象）を改善することも可能である。また、外乱を与える周期をランダムにすることにより、複数のインバータ装置間で揺らぎの周期が一致することにより生じる制御上の発散現象を防ぐことができる。

次に、図１２および図１３は、本発明のインバータ装置の動作例を示す。上述の説明は、系統電圧の位相にインバータ装置の内部位相を同期させる方法であるが、複数台の電力供給装置の並列運転において、最初に電力出力を始める電力供給装置は系統電圧を検出することができないので、上述の方法にて起動することができない。この場合は、まず、インバータ装置の内部位相回路に基準周波数（５０または６０Ｈｚ）を設定し、補正量Δfの演算を行わずに（Δfにゼロをセットして）基準周波数の電圧を出力する。並列運転する他の電力供給装置は、系統電圧を検出後、上述の位相同期制御（Δfによる補正）を行い、内部位相回路の補正処理を行いながら、電力出力を継続させる。

最初のインバータ装置が起動後、二台目以降のインバータ装置が運転を開始する際には、上述した位相同期方法により、インバータ装置の内部位相と電源系統５９の検出電圧位相の同期処理を行い、同期が確立した後、並列運転を開始する。例えば、インバータ装置の内部位相と電源系統５９の検出電圧位相の差が±５°以下となるまで並列運転を行わず、それ以下になると同期が確立したとして、スイッチ（Ｋ１）を閉として並列運転を開始する。

上記の様に起動後、複数台のインバータ装置が並列運転中に、１台のインバータ装置が電力出力を停止する際は、インバータ装置間での制御を行っていないので、停止したい１台のインバータ装置の電力出力を停止するだけでよい。停止したインバータ装置以外のインバータ装置は、同期を維持したまま、運転を継続することができる。

上述の様に構成することで、並列運転する複数台のインバータ装置間で情報を共有することなく、インバータ装置の出力電圧位相の同期をとることが可能となる。例えば、マイクロコンピュータを使用して、上述の同期制御を行う場合は、図１４に示すような方法で行うことができる。最初に起動するインバータ装置が、単独で基準周波数の出力電圧を出力する場合には、インバータ装置の内部位相を管理するタイマ１に基準周波数１周期の時間をセットし、タイマ２に基準周波数１周期の１／３６０の時間をセットする。インバータ装置は、このタイマ２のタイムアップ毎にインバータ装置の出力ＳＩＮテーブル（一周期分の出力データを格納、この例では、データ数は３６０個）参照用のポインタをインクリメントすることによって、図１４の（ｄ）に示す正弦波の出力を行う。

２台目以降のインバータ装置の内部位相を、すでに起動されているインバータ装置により確立されている系統電圧の位相に同期させる際は、まず、タイマ２の初期値として、基準周波数の１／３６０の時間Ｔ２をセットする。次に、所定時間毎に電圧検出器により検出された三相系統電圧（図１４の（ａ））の値を、タイマ２で管理している内部位相（ポインタ値）にてｄｑ変換を行い、ｄ軸成分Ｖd’を求める。図１４の例では、ｄｑ変換演算の間隔は、１msecである。ｄｑ変換演算にて算出されたｄ軸成分Ｖd'がゼロになるようにＰＩ演算を行い、修正量Δfが出力される。この修正量Δfを、図１４（ｃ）に示すタイマ２にセットしている値に加算（あるいは減算）して、タイマ２にセットされている基準周波数の１／３６０の時間を修正する（Ｔ２’をセットする）。この修正を繰り返すことにより、電源系統の電圧位相とインバータ装置の内部位相の同期を行うことができる。

上述したように本発明によれば、複数台のインバータ装置を並列に接続する際に、インバータ装置の出力電圧位相の同期を取る為の特別な信号線（同期線）でインバータ装置同士を接続することが不要となる。すなわち、インバータ装置の出力端子同士を並列接続するだけで、インバータ装置の出力電圧位相を同期させることができる。このため、配線量を減らすことができ、同期線の断線や親機の故障によるシステムのダウンといった問題を防止できる。また、系統電圧を利用して電圧制御モードで運転するインバータ装置の同期を取れるので、異機種・異形式のインバータ装置間でも容易に並列同期運転を行える上、系統電圧の周波数が、リミッタのリミット値と一致する場合においても、同期を取ることができる。

さらに、ｄｑ変換部６１や位相調整部６２はマイクロプロセサで容易に構成できるので、ハード的には既存のマイクロプロセサや電圧検出器等を利用でき、新規なハードウェアを必要とせず、低コストなシステムとすることができる。

なお、上記実施形態では、分散形発電装置とインバータ装置などの電力変換装置とをユニット化した電力供給装置を複数台並列運転する例について説明してきたが、例えば共通の直流電源を用い、複数台のインバータ装置を並列運転する際にも、上記方法を同様に利用可能である。

ここで、これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。

本発明の一実施形態の電力供給装置を示すブロック図である。 上記電力供給装置を複数台並列接続し、並列運転する電力供給システムを示すブロック図である。 本発明の一実施形態の出力電圧−出力電流特性を示すグラフである。 出力電圧−出力電流特性の他の例を示すグラフである。 本発明の第１実施例の出力電圧−出力電流特性を示すグラフである。 本発明の第２実施例の出力電圧−出力電流特性を示すグラフである。 本発明の他の実施形態の電力供給装置を示すブロック図である。 上記電力供給装置を複数台並列接続し、並列運転する電力供給システムを示すブロック図である。 本発明の位相制御部の構成例を示すブロック図である。 ｄｑ座標変換を示す図である。 （ａ）は図９の変形例の位相制御部の構成例を示すブロック図であり、（ｂ）は（ａ）のさらなる変形例を示すブロック図である。 本発明のインバータ装置の動作例を示すフローチャートであり、前半部分を示す。 本発明のインバータ装置の動作例を示すフローチャートであり、後半部分を示す。 本発明のインバータ装置の動作例を示す各部の波形図である。

符号の説明

１０ 電力供給装置
１１ 発電装置
１２ コンバータ
１３ 直流電源
１５，４５ インバータ
１６ フィルタ回路
１８ａ，１８ｂ 電圧検出器
１９ 電流検出器
２０ 電力検出器
２１ 電圧指令演算部
２２ 電圧制御部
２３，５４ パルス幅変調器
２４ 出力電圧−出力電流特性制御部
３０，６０ 負荷
５３ 位相制御部
５９ 電源系統
６１ ｄｑ変換部
６２ 位相調整部
６３ ＰＩ演算部
６３ｂ Ｐ演算器
６４ リミッタ
６５ 加算器
６６ 積分器
６７ 変換器
６８ 合成器

Claims (12)

1. 発電装置と、
   該発電装置の発電電力を所要の周波数および電圧の交流電力に変換する電力変換装置と、
   前記電力変換装置のコントローラとを備えた電力供給装置であって、
   前記コントローラは、前記電力変換装置の出力電流に対応する出力電圧を決定する出力電圧−出力電流特性の制御部を備え、
   前記出力電圧−出力電流特性に、前記発電装置の発電能力を超える第１の出力電流と、前記電力変換装置の変換能力を超える第２の出力電流との間では、前記発電装置の出力電力を制限する第１の垂下特性を持たせたことを特徴とする電力供給装置。
2. 前記発電装置の発電能力を検出する手段と、検出した発電能力に基づいて前記発電装置の出力電力を制限する前記第１の垂下特性を設定する手段とを備えたことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
3. 前記発電装置はガスタービン発電機であり、該ガスタービン発電機の排ガス温度または入口空気温度を検出し、検出した温度から前記発電装置の出力電力を制限する前記第１の垂下特性を設定する手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
4. 前記出力電圧−出力電流特性に、前記出力電流が前記第１の出力電流以下であるときは出力電流の増加に対して出力電圧が低下する、前記第１の垂下特性と特性の異なる第２の垂下特性を持たせ、前記出力電流が前記第２の出力電流以上であるときは出力電流の増加に対して出力電圧が低下する、前記第１及び第２の垂下特性とは特性の異なる第３の垂下特性を持たせたことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
5. 前記出力電圧−出力電流特性に、前記出力電流が前記第１の出力電流以下であるときは出力電流の増加に対して出力電圧を一定に制限する第２の垂下特性を持たせ、前記出力電流が前記第２の出力電流以上であるときは出力電流の増加に対して出力電圧が低下する、前記第１の垂下特性と特性の異なる第３の垂下特性を持たせたことを特徴とする請求項１記載の電力供給装置。
6. 複数台の電力変換装置を並列接続して、負荷に三相交流電力を供給するシステムにおける電力変換装置の同期運転方法であって、
   前記電力変換装置が並列接続される電源系統の三相電圧を検出し、
   前記三相電圧を、前記電力変換装置内部の位相θ’に基づいてｄｑ座標に変換し、ｄ軸成分Ｖd'を検出し、
   前記ｄ軸成分Ｖd'がゼロとなるようにＰＩ制御を行い、内部位相の補正量Δfを出力し、該補正量Δfを、電力変換装置の出力基準周波数ｆ^*に加算するとともに、所定のゆらぎ周波数を補正量Δfに加算し、位相θ’を前記系統の電圧位相θと一致させ、
   前記位相θ’に基づいて前記電力変換装置が正弦波交流電圧を形成し、前記電源系統の交流電圧と同期を取ることを特徴とする電力変換装置の同期運転方法。
7. 前記所定のゆらぎ周波数は、比例制御器の出力値であることを特徴とする請求項６記載の電力変換装置の同期運転方法。
8. 前記所定のゆらぎ周波数は、外乱発生器の出力の周波数であることを特徴とする請求項６記載の電力変換装置の同期運転方法。
9. 複数台の電力変換装置を並列接続して、負荷に三相交流電力を供給する電力供給システムに用いる電力変換装置であって、
   前記電力変換装置が並列接続される電源系統の三相電圧を検出する電圧検出器と、
   前記電圧検出器で検出された三相電圧を、前記電力変換装置内部の位相θ’に基づいてｄｑ座標に変換し、ｄ軸成分Ｖd'を検出する演算部と、
   前記ｄ軸成分Ｖd'を誤差位相差εとし、これをゼロとするように周波数補正量Δfを出力するＰＩ演算部と、
   該ＰＩ演算部の出力を制限するリミッタと、
   所定のゆらぎ周波数を発生させるゆらぎ周波数発生器と、
   前記リミッタの出力と前記電力変換装置の出力基準周波数ｆ^*と前記ゆらぎ周波数発生器の出力とを加算する加算器と、
   前記加算器の出力を積分して位相θ’を出力する積分器とを備え、
   前記系統の電圧位相θと一致させた位相θ’に基づいて、前記系統の交流電圧と同期した正弦波交流電圧を出力することを特徴とする電力変換装置。
10. 前記ゆらぎ周波数発生器は、比例制御器であることを特徴とする請求項９記載の電力変換装置。
11. 前記ゆらぎ周波数発生器は、前記所定のゆらぎ周波数を出力する外乱発生器であることを特徴とする請求項９記載の電力変換装置。
12. 複数台の電力変換装置を並列接続して、負荷に三相交流電力を供給する電力供給システムに用いる電力変換装置であって、
    前記電力変換装置が並列接続される電源系統の三相電圧を検出する電圧検出器と、
    前記電力変換装置を、前記電源系統に接続するスイッチとを備え、
    前記電圧検出器で前記電源系統の三相電圧が検出されない場合は、前記スイッチを閉じて前記電力変換装置から基準周波数の交流電圧を出力させ、
    前記電圧検出器で前記電源系統の電圧が検出された場合には、前記電力変換装置の電圧位相を前記電源系統の三相電圧の位相と一致するように位相調整を行い、前記電源系統の三相電圧との位相差が所定値以内となった場合に、前記スイッチを閉じることを特徴とする電力変換装置。

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