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公開番号2025139772
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-09-29
出願番号2024038792
出願日2024-03-13
発明の名称グリッドフォーミングインバータの制御装置および制御方法
出願人国立大学法人長岡技術科学大学,株式会社明電舎
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 7/48 20070101AFI20250919BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】系統(三相電源)の擾乱時にGFMインバータ3のスイッチング回数を抑制し、半導体スイッチング素子の破損を招くことなく運転を継続させる。
【解決手段】無効電力指令から求めた出力電圧振幅Eと、同期発電機の運動特性を模擬した制御を行って得た出力位相θmを基に、GFMインバータ3の出力電圧指令Vrefを生成する出力電圧指令生成部13と、前記Eを用いて、正弦波半周期に1パルスのゲート信号を出力させるためのワンパルス制御指令±Mを生成するワンパルス制御ブロック16と、電流比較部17の比較結果が出力電流>出力電流閾値であるとき、三角波生成部14の三角波信号からワンパルス制御ブロック16のワンパルス制御指令±Mに切り替えるキャリア選択部18と、を備え、前記Vrefとキャリア選択部18で選択されたキャリア信号をPWMブロック15で比較してGFMインバータ3のゲート指令信号Gateを生成する。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項１】
三相電源に並列に接続され、慣性を供給するグリッドフォーミングインバータの制御装置であって、
無効電力指令に基づいた制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅と、系統周波数および前記グリッドフォーミングインバータの有効電力を用いて同期発電機の運動特性を模擬した制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力位相を基に、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成部と、
前記グリッドフォーミングインバータの出力電流と、設定した出力電流閾値を比較する電流比較部と、
前記グリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅を用いて、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令の正弦波半周期に１パルスのゲート信号を出力させるための１パルス変調用電圧信号を生成するワンパルス制御ブロックと、
三角波信号を生成する三角波生成部と、
前記電流比較部の比較結果が、出力電流＞出力電流閾値であるときは前記ワンパルス制御ブロックで生成された１パルス変調用電圧信号をキャリア信号として選択し、出力電流＜出力電流閾値であるときは前記三角波生成部で生成された三角波信号をキャリア信号として選択するキャリア選択部と、を備え、
前記出力電圧指令生成部で生成された出力電圧指令と前記キャリア選択部で選択されたキャリア信号を比較して前記グリッドフォーミングインバータのゲート指令信号を生成することを特徴とするグリッドフォーミングインバータの制御装置。
続きを表示（約 1,700 文字）【請求項２】
三相電源に並列に接続され、慣性を供給するグリッドフォーミングインバータの制御装置であって、
無効電力指令に基づいた制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅と、系統周波数および前記グリッドフォーミングインバータの有効電力を用いて同期発電機の運動特性を模擬した制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力位相を基に、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成部と、
前記グリッドフォーミングインバータの有効電力と、設定した第１の有効電力閾値を比較する第１の電力比較部と、
前記グリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅を用いて、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令の正弦波半周期に１パルスのゲート信号を出力させるための１パルス変調用電圧信号を生成するワンパルス制御ブロックと、
三角波信号を生成する三角波生成部と、
前記第１の電力比較部の比較結果が、有効電力＞第１の有効電力閾値であるときは前記ワンパルス制御ブロックで生成された１パルス変調用電圧信号をキャリア信号として選択し、有効電力＜第１の有効電力閾値であるときは前記三角波生成部で生成された三角波信号をキャリア信号として選択する第１のキャリア選択部と、を備え、
前記出力電圧指令生成部で生成された出力電圧指令と前記第１のキャリア選択部で選択されたキャリア信号を比較して前記グリッドフォーミングインバータのゲート指令信号を生成することを特徴とするグリッドフォーミングインバータの制御装置。
【請求項３】
前記三角波生成部は、第１の周波数の三角波信号と、前記第１の周波数よりも低い第２の周波数の三角波信号を生成し、
前記グリッドフォーミングインバータの有効電力と、前記第１の有効電力閾値よりも小さく設定した第２の有効電力閾値を比較する第２の電力比較部と、
前記第２の電力比較部の比較結果が有効電力＞第２の有効電力閾値であるときは前記第２の周波数の三角波信号を選択し、有効電力＜第２の有効電力閾値であるときは前記第１の周波数の三角波信号を選択する第２のキャリア選択部と、を備え、
前記第１のキャリア選択部は、前記第１の電力比較部の比較結果が有効電力＜第１の有効電力閾値であるときは、前記三角波生成部で生成された三角波信号に代えて、前記第２のキャリア選択部で選択された三角波信号をキャリア信号として選択することを特徴とする請求項２に記載のグリッドフォーミングインバータの制御装置。
【請求項４】
三相電源に並列に接続され、慣性を供給するグリッドフォーミングインバータの制御方法であって、
出力電圧指令生成部が、無効電力指令に基づいた制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅と、系統周波数および前記グリッドフォーミングインバータの有効電力を用いて同期発電機の運動特性を模擬した制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力位相を基に、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令を生成するステップと、
電流比較部が、前記グリッドフォーミングインバータの出力電流と、設定した出力電流閾値を比較するステップと、
ワンパルス制御ブロックが、前記グリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅を用いて、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令の正弦波半周期に１パルスのゲート信号を出力させるための１パルス変調用電圧信号を生成するステップと、
キャリア選択部が、前記電流比較部の比較結果が出力電流＞出力電流閾値であるときは前記ワンパルス制御ブロックで生成された１パルス変調用電圧信号をキャリア信号として選択し、出力電流＜出力電流閾値であるときは三角波信号をキャリア信号として選択するステップと、
ゲート信号生成部が、前記出力電圧指令生成部で生成された出力電圧指令と前記キャリア選択部で選択されたキャリア信号を比較して前記グリッドフォーミングインバータのゲート指令信号を生成するステップと、
を備えたことを特徴とするグリッドフォーミングインバータの制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、グリッドフォーミングインバータ（Ｇｒｉｄ－ＦｏｒｍｉｎｇＩｎｖｅｒｔｅｒ；以下ＧＦＭインバータと称することもある）の制御装置、運転方法に関する。
続きを表示（約 2,500 文字）【背景技術】
【０００２】
再生可能エネルギー電源の大量導入を背景に，系統に慣性を供給するＧＦＭインバータが注目されている。ＧＦＭインバータは電圧制御型インバータであるために系統擾乱時に容易に電流出力が上がり、ＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子が損失によって発熱する。一般的に、インバータは一定以上素子が発熱すると破損するため、保護装置によって運転を停止させる。ＧＦＭインバータ導入の目的は分散電源システムの電源供給能力における安定化向上であるため、装置保護レベルに掛かる前で可能な限り運転継続をすることが求められる。
【０００３】
尚、慣性力インバータの制御に関しては、従来、例えば非特許文献１、２に記載の技術が開示されていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
崎元謙一、三浦友史、伊瀬敏史、「仮想同期発電機によるインバータ連系型分散電源を含む系統の安定化制御」、電学論Ｂ、Ｖｏｌ．１３２，Ｎｏ．４，ｐｐ.３４１－３４９，２０１２
櫛田秀人、三浦友史、「小規模電力系統における仮想同期発電機制御を適用した電力貯蔵装置の過電流抑制」、半導体電力変換／モータドライブ合同研究会、２０２２年１月２７日、ＳＰＣ－２２－０４４、２５－３０ページ
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ＧＦＭインバータは三相電源の擾乱補償を目的とする装置であり、特に系統が不安定になる状況下において、例えば過負荷（過電流）とされる領域に達しても、出力電力の維持等、運転の継続が求められる。
【０００６】
しかし、半導体スイッチング素子は電圧電流定格において一般的に余裕が小さいので、ＧＦＭインバータの主回路選定時に定格電流の大きな半導体スイッチング素子を選定することや、半導体スイッチング素子を並列に配置することで、電流定格の増加を図る。しかしながらこの場合、半導体スイッチング素子の増加や半導体冷却機構の大型化によりＧＦＭインバータ装置の大型化や部品価格の上昇といった問題が生じる。
【０００７】
尚、非特許文献１、２に記載の技術では、規定された電流／負荷よりも高い出力が必要な場合において運転が継続できないという問題がある。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、系統（三相電源）の擾乱時にグリッドフォーミングインバータのスイッチング回数を抑制し、半導体スイッチング素子の破損を招くことなく運転を継続することができるグリッドフォーミングインバータの制御装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決するための請求項１に記載のグリッドフォーミングインバータの制御装置は、
三相電源に並列に接続され、慣性を供給するグリッドフォーミングインバータの制御装置であって、
無効電力指令に基づいた制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅と、系統周波数および前記グリッドフォーミングインバータの有効電力を用いて同期発電機の運動特性を模擬した制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力位相を基に、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成部と、
前記グリッドフォーミングインバータの出力電流と、設定した出力電流閾値を比較する電流比較部と、
前記グリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅を用いて、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令の正弦波半周期に１パルスのゲート信号を出力させるための１パルス変調用電圧信号を生成するワンパルス制御ブロックと、
三角波信号を生成する三角波生成部と、
前記電流比較部の比較結果が、出力電流＞出力電流閾値であるときは前記ワンパルス制御ブロックで生成された１パルス変調用電圧信号をキャリア信号として選択し、出力電流＜出力電流閾値であるときは前記三角波生成部で生成された三角波信号をキャリア信号として選択するキャリア選択部と、を備え、
前記出力電圧指令生成部で生成された出力電圧指令と前記キャリア選択部で選択されたキャリア信号を比較して前記グリッドフォーミングインバータのゲート指令信号を生成することを特徴としている。
【００１０】
請求項２に記載のグリッドフォーミングインバータの制御装置は、
三相電源に並列に接続され、慣性を供給するグリッドフォーミングインバータの制御装置であって、
無効電力指令に基づいた制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅と、系統周波数および前記グリッドフォーミングインバータの有効電力を用いて同期発電機の運動特性を模擬した制御を行って得たグリッドフォーミングインバータの出力位相を基に、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令を生成する出力電圧指令生成部と、
前記グリッドフォーミングインバータの有効電力と、設定した第１の有効電力閾値を比較する第１の電力比較部と、
前記グリッドフォーミングインバータの出力電圧振幅を用いて、グリッドフォーミングインバータの出力電圧指令の正弦波半周期に１パルスのゲート信号を出力させるための１パルス変調用電圧信号を生成するワンパルス制御ブロックと、
三角波信号を生成する三角波生成部と、
前記第１の電力比較部の比較結果が、有効電力＞第１の有効電力閾値であるときは前記ワンパルス制御ブロックで生成された１パルス変調用電圧信号をキャリア信号として選択し、有効電力＜第１の有効電力閾値であるときは前記三角波生成部で生成された三角波信号をキャリア信号として選択する第１のキャリア選択部と、を備え、
前記出力電圧指令生成部で生成された出力電圧指令と前記第１のキャリア選択部で選択されたキャリア信号を比較して前記グリッドフォーミングインバータのゲート指令信号を生成することを特徴としている。
（【００１１】以降は省略されています）

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