系统互连逆变器以及系统频率的变动抑制方法与流程

1.本发明涉及通过所谓的虚拟同步发电机控制(vsg：virtual synchronous generator)功能来抑制系统频率的变动的系统互连逆变器以及系统频率的变动抑制方法。


背景技术：

2.用于将自太阳光发电装置等的可再生能源电源输出的直流电转换为交流电并供给至电力系统的逆变器通常通过pll(phase locked loop)控制而与系统频率同步运转。众所周知，逆变器与具有旋转体的同步发电机不同，由于其为由电力用半导体开关元件构成的静止型的电气设备，因此其不具备抑制因旋转体的惯性力引起的系统频率的变动的功能。
3.特别是，若可再生能源电源的导入量增加，相对地同步发电机的数量减少，则担心系统频率因负载的急剧变化、可再生能源电源的输出变动而较大地变动。
4.于是，作为虚拟同步发电机控制(vsg)，使逆变器具有模拟的惯性力来实现同步发电机的频率变动抑制功能，从而谋求系统的稳定化的技术为人所知。
5.图6是包括具有上述的vsg功能的逆变器的系统互连体系的概略构成图。
6.在图6中，同步发电机30与电力系统10连接，从而向负载60供给交流电。另外，pll电路20与电力系统10连接，通过该pll电路20检测的系统频率f
g
及其微分值(df
g
/dt)经由信号线21输入至逆变器50。这里，逆变器50包括由用于进行直流/交流转换的电力用半导体开关元件构成的主电路及其控制电路。
7.在逆变器50的直流输入侧连接有太阳光发电装置40等的可再生能源电源，交流输出侧连接有电力系统10。
8.需要说明的是，图6中的同步发电机30、逆变器50(以及太阳光发电装置40)均不限于单个的情况，多台同步发电机、多台逆变器与电力系统10互连的情况下，作为各自简化后的装置进行图示。
9.在上述构成中，逆变器50通过以下所示vsg功能来抑制伴随负载的急剧变化等的系统频率f
g
的变动。
10.即，例如如非专利文献1的数学式18所示，逆变器50输出的有效电力(的指令)由以下的数学式1演算。
11.(数学式1)
[0012][0013]
在数学式1中，各符号表示如下内容：
[0014]
p
inv
：逆变器50的输出有效电力(指令)；
[0015]
p0：逆变器50的输出有效电力的设定值；
[0016]
k
vd
：模拟衰减系数；
[0017]
k
vi
：模拟惯性系数；
[0018]
f
g
：实际的系统频率；
[0019]
f0：系统的基准频率(例如，50(hz)或60(hz))。
[0020]
根据数学式1，通过从输出有效电力的设定值p0减去作为系统频率的变动量、即根据频率偏差(f
g
－f0)的模拟衰减成分(右边第二项)与根据系统频率f
g
的微分值(df
g
/dt)的模拟衰减成分(右边第三项)之和的调整量，来演算逆变器50的输出有效电力p
inv
。通过将该值p
inv
作为输出有效电力指令来运转逆变器50，从而能够抑制系统频率f
g
的变动。
[0021]
需要说明的是，作为上述模拟衰减系数k
vd
以及模拟惯性系数k
vi
，以往使用适当选择的固定值。
[0022]
另外，在专利文献1中，作为与非专利文献1相同的vsg功能，记载有如下内容：通过设于逆变器的控制电路的发电机惯性力产生部，在负载急剧变化时基于使pll电路的响应延迟而获得的与系统电压的相位差来算出同步发电机的惯性力相当的频率变动抑制量，将其与逆变器的有效电力目标值相加从而改善系统频率的降低。
[0023]
(现有技术文献)
[0024]
(专利文献)
[0025]
专利文献1：日本特开2019－3454号公报([0026]～[0033]、图1、图2等)
[0026]
(非专利文献)
[0027]
非专利文献1：“grid tied converter with virtual kinetic strage”，ieee，2009年


技术实现要素：

[0028]
(本发明要解决的问题)
[0029]
根据非专利文献1中公开的技术，以频率偏差(f
g
－f0)达到最大值之后，系统频率f
g
收敛于基准频率f0的方式进行控制，但是由于模拟惯性系数k
vi
设定为固定值，因此存在系统频率f
g
的收敛速度缓慢的问题。
[0030]
需要说明的是，在专利文献1中，并未公开在负载急剧变化时用于使变动的系统频率f
g
在短时间内恢复的具体方法。
[0031]
于是，本发明的解决课题在于，提供一种能够在短时间内抑制伴随负载急剧变化、可再生能源电源的输出变动的系统频率的变动的系统互连逆变器以及系统频率的变动抑制方法。
[0032]
(解决技术问题的方法)
[0033]
为了解决上述课题，权利要求1的系统互连逆变器是与连接有同步发电机的电力系统互连，并且通过按照由虚拟同步发电机控制功能生成的输出有效电力指令进行运转，从而能够抑制系统频率的变动的逆变器，在用于控制上述逆变器的主电路的控制电路按照由上述逆变器的输出有效电力设定值、系统频率与基准频率的偏差乘以模拟衰减系数而得的值、以及系统频率的微分值乘以模拟惯性系数而得的值的和所表示的上述输出有效电力指令来使上述主电路的半导体开关元件导通、断开的系统互连逆变器中，
[0034]
上述控制电路包括调整单元，该调整单元以系统频率到达频率变动量最大点之后的模拟惯性系数比系统频率到达上述频率变动量最大点之前的模拟惯性系数小的方式进行调整。
[0035]
权利要求2的系统互连逆变器在权利要求1中记载的系统互连逆变器中，作为上述逆变器的直流电源连接有可再生能源电源。
[0036]
权利要求3的系统互连逆变器在权利要求1或2中记载的系统互连逆变器中，抑制伴随连接于上述电力系统的负载的变动或者作为上述逆变器的直流电源而连接的可再生能源电源的输出的变动的系统频率的变动。
[0037]
权利要求4的系统互连逆变器在权利要求1～3中任一项记载的系统互连逆变器中，上述控制电路基于系统频率到达上述频率变动量最大点之前的上述同步发电机的惯性、以及系统频率到达上述频率变动量最大点之后的电力系统整体的惯性，来设定系统频率到达上述频率变动量最大点之后的模拟惯性系数。
[0038]
权利要求5的系统互连逆变器在权利要求4中记载的系统互连逆变器中，
[0039]
使用到达上述频率变动量最大点之前的时刻的上述同步发电机的机械输入变动量、不依赖于系统频率的负载变动量、上述同步发电机的衰减系数、上述模拟衰减系数、系统频率与基准频率的偏差、系统频率的微分值、以及上述模拟惯性系数，来求得到达上述频率变动量最大点之前的上述同步发电机的惯性。
[0040]
权利要求6的系统频率的变动抑制方法是通过运转与连接有同步发电机的电力系统互连且包括虚拟同步发电机控制功能的逆变器，来抑制系统频率的变动的方法，
[0041]
在按照由上述逆变器的输出有效电力设定值、系统频率与基准频率的偏差乘以模拟衰减系数而得的值、以及系统频率的微分值乘以模拟惯性系数而得的值的和所表示的输出有效电力指令来运转上述逆变器的系统频率的变动的方法中，
[0042]
以系统频率到达频率变动量最大点之后的模拟惯性系数比系统频率到达上述频率变动量最大点之前的模拟惯性系数小的方式进行调整，从而生成上述频率变动量最大点之后的上述输出有效电力指令。
[0043]
权利要求7的系统频率的变动抑制方法中，在系统频率与基准频率的偏差小于第一阈值的情况下，按照上述逆变器的输出有效电力设定值、以及系统频率与基准频率的偏差乘以模拟衰减系数而得的值的和所表示的输出有效电力指令来运转上述逆变器，
[0044]
上述系统频率与基准频率的偏差超过第一阈值的时刻之后，根据权利要求6记载的处理来生成上述频率变动量最大点之后的上述输出有效电力指令。
[0045]
权利要求8的系统频率的变动抑制方法在权利要求6或7记载的系统频率的变动抑制方法中，抑制伴随连接于上述电力系统的负载的变动或者作为上述逆变器的直流电源而连接的可再生能源电源的输出的变动的系统频率的变动。
[0046]
(发明的效果)
[0047]
根据本发明，通过使系统频率改变而到达频率变动量最大点的时刻之后的模拟惯性系数改变为规定值而生成逆变器的输出有效电力指令，从而能够使变动的系统频率在短时间内恢复，有助于系统的尽早稳定化。
附图说明
[0048]
图1是本发明的实施方式的系统互连逆变器的构成图。
[0049]
图2是本发明的实施方式的频率变动量最大点的说明图。
[0050]
图3是示出在本发明的实施方式中调整模拟惯性系数的情况与模拟惯性系数固定
的情况的、系统频率的恢复状态的示意图。
[0051]
图4是示出在本发明的实施方式中根据系统频率的改变的输出有效电力指令的演算方法的流程图。
[0052]
图5是示出在本发明的实施方式中系统频率变动的情况的一个例子的波形图。
[0053]
图6是包括vsg功能的逆变器的系统互连体系的概略构成图。
[0054]
附图标记说明
[0055]
10：电力系统
[0056]
20：pll电路
[0057]
21：信号线
[0058]
30：同步发电机
[0059]
40：太阳光发电装置
[0060]
50：逆变器
[0061]
60：负载
[0062]
71，74：减法运算部
[0063]
72：微分单元
[0064]
73：加法运算部
[0065]
80：电流基准值生成部
[0066]
90：电流控制部
[0067]
91，92，93：坐标转换部
[0068]
94：调制信号生成部
[0069]
100：逆变器主电路
[0070]
101：直流电源
[0071]
102：直流中间电容器
[0072]
103：电流检测器
具体实施方式
[0073]
以下，按照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0074]
图1是示出包括逆变器主电路及其控制电路的本实施方式的系统互连逆变器的构成图，与图6相同的部分付与相同的号码。
[0075]
图1中，由pll电路20检测的系统频率f
g
输入减法运算部71，算出与基准频率f0的偏差(f
g
－f0)。然后，该偏差(f
g
－f0)与上述模拟衰减系数k
vd
的乘法运算结果输入加法运算部73。
[0076]
另外，系统频率f
g
与作为可变值的模拟惯性系数k
vi
进行乘法运算，其乘法运算结果由微分单元72进行微分并输入加法运算部73。
[0077]
加法运算部73对上述两个输入进行加法运算并输入减法运算部74，减法运算部74自逆变器50的输出有效电力设定值p0对加法运算部73的输出进行减法运算来求得输出有效电力指令p
inv
。该输出有效电力指令p
inv
输入电流基准值生成部80。
[0078]
无效电力指令q
inv
与输出有效电力指令p
inv
一同另行输入电流基准值生成部80，电流基准值生成部80基于该输入生成d轴、q轴电流指令值i
dref
、i
qref
并输出至电流控制部90。
[0079]
另一方面，在由电力用半导体开关元件构成的三相逆变器主电路100的直流输入侧，相当于可再生能源电源的直流电源101与直流中间电容器102并联，逆变器主电路100的交流输出侧与电力系统10连接。
[0080]
通过电流检测器103检测逆变器主电路100的各相输出电流i
a
、i
b
、i
c
，然后通过坐标转换部91转换为d轴，q轴电流i
d
、i
q
并输入电流控制部90，并且逆变器主电路100的各相输出电圧v
a
、v
b
、v
c
通过坐标转换部92转换为d轴，q轴电圧v
d
、v
q
并输入电流控制部90。
[0081]
需要说明的是，ρ为用于进行坐标转换的相位角。
[0082]
电流控制部90基于电流以及电圧的各输入信号生成d轴，q轴调制指令m
d
、m
q
，该调制指令m
d
、m
q
通过坐标转换部93以及调制信号生成部94作为三相各相的调制信号m
a
、m
b
、m
c
输入逆变器主电路100。在逆变器主电路100中，通过使用调制信号m
a
，m
b
，m
c
的pwm控制等使半导体开关元件导通、断开，从而将直流电源101的直流电转换为交流电并供给电力系统10。
[0083]
这里，将同步发电机30模型化的情况下的运动方程式(摆动方程式)如数学式2所示。
[0084]
(数学式2)
[0085][0086]
在数学式2中，各符号表示如下内容：
[0087]
m：同步发电机的惯性(将连接于电力系统的同步发电机集合为一个惯性时的简化模型)；
[0088]
f
m
：同步发电机的(转子的)旋转频率；
[0089]
δp
m
：同步发电机的机械输入变动量；
[0090]
δp
e
：同步发电机的电气输出变动量。
[0091]
由上述数学式1，逆变器输出的有效电力的变动量δp
inv
可以通过数学式3表达。
[0092]
(数学式3)
[0093][0094]
另外，如数学式4所示，有效电力变动量δp
inv
与同步发电机30的电气输出变动量δp
e
的和与负载60的有效电力变动量δp
l
相等，该有效电力变动量δp
l
为不依赖于系统频率f
g
的负载变动量δp
l0
与同步发电机30的衰减系数d与频率偏差(f
g
－f0)的积的和。
[0095]
(数学式4)
[0096]
δp
inv
+δp
e
＝δp
l
＝δp
lo
+d(f
g
‑
f0)
[0097]
这里，若数学式2中的f
m
≒f
g
，则基于数学式2～4，同步发电机30的放大运动方程式为数学式5。
[0098]
(数学式5)
[0099][0100]
在数学式5中，(m+k
vi
)为(包含逆变器输出的惯性的)系统整体的惯性系数、(d+k
vd
)为系统整体的衰减系数。
[0101]
在该实施方式中，例如，伴随负载变动，系统频率f
g
自基准频率f0降低的情况下，通
过在系统频率f
g
在比推测的收敛值f
∞
小的区域中自收敛值f
∞
离开的期间内，使模拟惯性系数k
vi
较大从而使数学式5的系统整体的惯性系数(m+k
vi
)为较大值，另外，在接近收敛值f
∞
的期间内，使模拟惯性系数k
vi
较小从而使系统整体的惯性系数(m+k
vi
)为较小值，由此使系统频率f
g
的恢复速度变快。需要说明的是，系统整体的惯性系数(m+k
vi
)以及同步发电机的惯性m为正值。
[0102]
换言之，系统频率f
g
在比收敛值f
∞
小的区域改变的情况下，在系统频率f
g
到达频率变动量最大点之前使模拟惯性系数k
vi
较大，在到达频率变动量最大点之后接近收敛值f
∞
的期间内使模拟惯性系数k
vi
较小。
[0103]
这样，通过调整逆变器的模拟惯性系数k
vi
，与以往那样使模拟惯性系数k
vi
为固定值的情况相比能够使系统频率f
g
在短时间内恢复。
[0104]
在上述频率变动量最大点处，由于系统频率f
g
的微分值(df
g
/d
t
)为零，因此数学式5变为数学式6那样。在该数学式6中，f
min
为频率变动量最大点的频率最小值，t2为其时刻。
[0105]
(数学式6)
[0106]
δp
lo
＝
‑
(d+k
vd
)(f
min
‑
f
o
)+δp
m
(t2)
[0107]
图2为频率变动量最大点的上述f
min
、t2等的说明图，也一并示出了比t2靠前的时刻t1以及与其对应的频率f1及作为其微分值的频率改变率(df1/dt)。
[0108]
接下来，如上述那样调整模拟惯性系数k
vi
时必要的系统频率的收敛值f
∞
如下那样进行推定。
[0109]
首先，同步发电机30的旋转频率的改变量δf与上述负载变动量δp
l0
之间存在数学式7的关系。在该数学式7中，s为拉普拉斯算子、g(s)为传递函数。
[0110]
(数学式7)
[0111]
δf(s)＝g(s)δp
l0
(s)
[0112]
由该数学式7以及最终值定理，能够通过数学式8推定系统频率的收敛值f
∞
。
[0113]
(数学式8)
[0114]
稳态值
[0115]
这里，图3为示出了上述那样调整模拟惯性系数k
vi
的情况(本实施方式)和固定的情况(现有技术)的、系统频率f
g
的恢复状态的示意图。由图3可知，本实施方式中，直至以收敛值f
∞
为中心使系统频率f
g
恢复为规定范围内的时间比现有技术短，由此，能够有助于系统频率f
g
的尽早稳定化。
[0116]
接下来，基于图4、图5，对与系统频率f
g
的变动状态相应的逆变器的输出有效电力的演算方法进行说明。
[0117]
图4的流程图是通过图1所示逆变器的控制电路在规定的控制周期执行的流程，设定现在时刻为k、一个控制周期前的时刻为(k－1)。
[0118]
另外，图5是示出系统频率f
g
变动的情况的一个例子的波形图。
[0119]
以下，对系统频率f
g
降低的情况进行说明，但是本发明也能够适用于系统频率f
g
上升的情况。
[0120]
在图4中，首先，判断现在时刻k的系统频率f
g
与基准频率f0(例如50(hz))的偏差的绝对值是否比预先设定的第一阈值c1小(步骤s1)。该步骤s1是为了判断系统频率f
g
是否大
幅降低(或上升)。
[0121]
系统频率f
g
未大幅降低的情况下，输出通常模式的有效电力指令至逆变器(s1yes、s8)，大幅降低的情况下(s1no)，转移至步骤s2。
[0122]
在步骤s2中，将逆变器的模拟惯性系数设定为第一模拟惯性系数k
vi1
，通过数学式1演算现在时刻k的有效电力指令p
inv
(k)并输入逆变器。
[0123]
接下来，判断现在时刻k的系统频率f
k
与时刻(k－1)的系统频率f
k－1
的差的绝对值是否小于第二阈值c2(s3)。该步骤s3是为了判断系统频率f
g
是否到达图5的频率变动量最大点。
[0124]
需要说明的是，第一阈值c1、第二阈值c2的大小关系如图5中举例示出那样为c1＞＞c2(例如，c1＝0.3，c2＝0.001)。
[0125]
系统频率f
g
未到达频率变动量最大点的情况下返回步骤s2(s3no)，若到达频率变动量最大点，则通过上述方法来推定收敛值f
∞
(s3yes、s4)。
[0126]
接下来，判断f
k
－f
k－1
的符号是否改变(s5)。该步骤s5是用于判断系统频率f
g
开始返回的点的步骤。
[0127]
f
k
－f
k－1
的符号未改变的情况下(s5no)，与步骤s2相同地，通过数学式1演算现在时刻k的有效电力指令p
inv
(k)并输入逆变器(s9)。
[0128]
f
k
－f
k－1
的符号改变的情况下(s5yes)，判断系统频率f
g
是否在比收敛值f
∞
小的范围内向接近收敛值f
∞
的方向改变(s6)。
[0129]
然后，系统频率f
g
向接近收敛值f
∞
的方向改变的情况下(s6yes)，将逆变器的模拟惯性系数设定为比第一模拟惯性系数k
vi1
小的第二模拟惯性系数k
vi2
(k
vi2
＜k
vi1
、且0＜k
vi2
)，并且通过数学式1演算现在时刻k的有效电力指令p
inv
(k)并输入逆变器(s10)。
[0130]
另外，未向接近收敛值f
∞
的方向改变的情况下(s6no)，与步骤s2、s9相同地，通过数学式1演算现在时刻k的有效电力指令p
inv
(k)并输入逆变器(s7)。
[0131]
需要说明的是，只要系统频率f
g
不恢复到基准频率f0，则执行图4中的步骤s7或s10中的任一者。另外，若系统频率f
g
恢复到基准频率f0，则依次重复步骤s1之后的处理。
[0132]
如上所述，通过执行与系统频率f
g
的变动状态相应的上述处理，能够使系统频率f
g
到达频率变动量最大点之后向接近收敛值f
∞
的方向改变的情况的恢复速度较快。
[0133]
使系统频率f
g
恢复基准频率f0的动作通过同步发电机30的惯性力进行，在较多情况下，即使系统频率f
g
产生变动，调整功能也不会立即生效。因此，本实施方式的vsg功能在直至同步发电机30的上述调整功能有效的期间内，为了抑制系统频率f
g
的变动是有效的。
[0134]
接下来，对设定在图4的步骤s10中演算有效电力指令p
inv
(k)时的第二模拟惯性系数k
vi2
(相当于频率变动量最大点的时刻t2之后使用的模拟惯性系数k
vi
＝k
vi2
)时的数值范围的求法、即模拟惯性系数k
vi
的再设定方法进行说明。
[0135]
若将再设定模拟惯性系数k
vi
之后的系统整体的惯性系数设定为期望的值m’(m’＝m+k
vi2
、且m’＞0)，则为了改善系统频率f
g
的恢复速度需要将m’设定为比再设定模拟惯性系数k
vi
之前的系统整体的惯性系数(m+k
vi1
)小，从而数学式9成立。
[0136]
(数学式9)
[0137]
k
vi2
＜k
vi1
(o＜k
vi1
，o＜k
vi2
的情况下)
[0138]
‑
m＜k
vi2
(k
vi2
＜o的情况下)
[0139]
但是，根据数学式9，若同步发电机30的惯性m不明确，则不能再设定模拟惯性系数k
vi
。
[0140]
于是，通过以下的方法，能够求得用于再设定模拟惯性系数k
vi
的数值范围。
[0141]
首先，通过将上述数学式6代入数学式5，得到数学式10。在该数学式10中，如图2所示，t1，f1是频率变动量最大点(时刻t2)之前的某个时刻以及当时的系统频率，(df1/dt)是频率改变率。
[0142]
(数学式10)
[0143][0144]
若对数学式10进行变形，能够得到数学式11。需要说明的是，数学式11的右边第二项的k
vi
是频率变动量最大点之前的模拟惯性系数(相当于图4的步骤s2、s7、s9中的k
vi1
)。
[0145]
通过该数学式11求得m，在数学式9所示k
vi2
的数值范围之中再设定k
vi
。由此，即使k
vi2
取负的值，也能够再设定满足k
vi2
+m＞0的k
vi2
。
[0146]
(数学式11)
[0147][0148]
另外，作为同步发电机30的惯性m不明确的情况下的模拟惯性系数k
vi
的再设定方法，例如运用电力系统的电力公司算出同步发电机的惯性m，将包括该算出值的上述数学式9的值发送至逆变器一侧进行再设定即可。