WO2020170550A1

WO2020170550A1 - 電力変換システム

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Publication number: WO2020170550A1
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Inventors: 佳澤李; 景山　寛; 一瀬　雅哉; 佑亮阿部
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Priority date: 2019-02-21
Filing date: 2019-12-05
Publication date: 2020-08-27
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Abstract

蓄電装置を備えながらもコストの増大を抑制できる電力変換システムが開示される。再生可能エネルギー発電装置（１０４）を電力系統に連系する電力変換システム（７００）が、再生可能エネルギー発電装置（１０４）の発電電力を変換する第１電力変換装置（１０１）と、蓄電装置（１０５）からの電力を変換する第２電力変換装置（１０２）と、第１電力変換装置の出力電気量を検出する電気量検出部（７０９）による検出値に基づいて、再生可能エネルギー発電装置の発電電力の変動を補償するために第２電力変換装置の出力を制御する電力制御部（７０６）とを備え、電力制御部は、電力平滑フィルタの出力に基づいて第２電力変換装置を制御し、平滑フィルタは、特性が異なる複数の平滑フィルタ部と、発電電力の変動の大きさに応じて平滑フィルタ部を選択する切替スイッチ部を備える。

Description

電力変換システム

　本発明は、再生可能エネルギー発電装置と電力系統とを連系する電力変換システムに関する。

　近年、風力や太陽光をエネルギー源とする再生可能エネルギー発電設備が普及しつつある。再生可能エネルギー発電設備は、自然エネルギーを利用するため、発電量が変動する。これにより、系統連系用の電力変換システムの出力電力の変動速度が大きくなると、電力系統が不安定になる恐れがある。これに対し、特許文献１に記載の従来技術が知られている。

　特許文献１に記載の技術では、自然エネルギー電源の出力電力の変動を、変化率リミッタを用いて制御される電力貯蔵装置からの電力によって補償する。

特開２０１０－２２１２２号公報

　上記従来技術を適用して電力変換システムに蓄電池を設けると、電力変換システムの設置や保守に要するコストが増える。

　そこで、本発明は、蓄電装置を備えながらもコストの増大を抑制できる電力変換システムを提供する。

　上記課題を解決するために、本発明による電力変換システムは、再生可能エネルギー発電装置からの電力を電力変換する第１電力変換装置と、蓄電装置からの電力を電力変換する第２電力変換装置と、第１電力変換装置の出力の電気量を検出する電気量検出部と、電気量検出部による電気量の検出値に基づいて、再生可能エネルギー発電装置の発電電力の変動を補償するように、第２電力変換装置の出力を制御する電力制御部と、を備え、電力制御部は、電気量の検出値を平滑する平滑フィルタを有し、平滑フィルタの出力に基づいて第２電力変換装置の出力を制御し、再生可能エネルギー発電装置を電力系統に連系するものであって、平滑フィルタは、特性が異なる複数の平滑フィルタ部と、再生可能エネルギー発電装置の発電電力の変動の大きさに応じて、複数の平滑フィルタ部のいずれかを選択する切替スイッチ部と、を備える。

　本発明によれば、蓄電装置に要するコストを低減できるので、再生可能エネルギー発電装置の電力変換システムのコストが低減できる。

　上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

電力系統に連系する電力変換システムの構成を示す。図１における電力制御部の構成を示す機能ブロック図である。図２における電力平滑フィルタの構成例を示す。図２における電力平滑フィルタの他の構成例を示す。図１の電力変換システムの動作を示す。図１の電力変換システムの動作を示す。実施例１である電力変換システムの構成を示す。実施例１における電力制御部の構成を示す機能ブロック図である。実施例１における電力制御部の動作状態例を示す。実施例１の電力変換システムの動作を示す。実施例２である電力変換システムの構成を示す。実施例２における電力制御部の構成を示す機能ブロック図である。実施例２における電力制御部の動作状態例を示す。実施例２の電力変換システムの動作を示す。各種の電力平滑フィルタの充電エネルギー積算値および蓄電電力量ピーク値に関する検討結果の一例である。

　本発明の実施形態について説明する前に、まず、従来技術による電力変換システムについて説明する。なお、以下に説明する電力変換システムおよびその制御系の構成（図１～４）は、後述する本発明の実施例においても適用される。

　図１は、電力系統に連系する電力変換システムの構成を示す。

　図１に示すように、電力変換システム１００は、第１電力変換装置１０１と第２電力変換装置１０２を備える。第１電力変換装置１０１の出力および第２電力変換装置１０２の出力が電力系統１０３に接続される。

　なお、電力系統１０３は、回転電機からなる通常の発電機を備える発電設備、電力を消費する設備、および、これらの設備が接続される送配電網から構成される。

　第１電力変換装置１０１は、再生可能エネルギー発電装置１０４から入力する電力（直流もしくは交流）を所望の交流電力（Ｐ_ＲＥ）に変換する主回路を備える。この主回路は、半導体スイッチング素子のオン・オフにより電力変換を行う。第１電力変換装置１０１の主回路は、図示しないコンバータ制御部によって制御される。すなわち、コンバータ制御部は、出力電力指令値に応じて、主回路の半導体スイッチング素子のオン・オフを制御する。これにより、第１電力変換装置１０１が出力する交流電力が、出力電力指令値になるように制御される。

　なお、再生可能エネルギー発電装置１０４は、例えば、太陽光発電装置や風力発電装置である。また、第１電力変換装置１０１としては、再生可能エネルギー発電装置が出力する電力（ＡＣまたはＤＣ）に応じて、ＤＣ／ＡＣコンバータ、ＡＣ／ＡＣコンバータ、ＡＣ／ＤＣコンバータとＤＣ／ＡＣコンバータの組み合わせなどのいずれかが適用される。

　第２電力変換装置１０２は、蓄電池１０５から入力する直流電力を交流電力（Ｐ_ＢＡＴ）に変換する主回路を備える。この主回路は、ＤＣ／ＡＣコンバータ回路である。第２電力変換装置１０２の主回路は、図示しないコンバータ制御部によって制御される。すなわち、コンバータ制御部は、出力電力指令値に応じて、主回路の半導体スイッチング素子のオン・オフ（スイッチング）を制御する。これにより、第２電力変換装置１０２が出力する交流電力（Ｐ_ＢＡＴ）が、出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）になるように制御される。

　なお、蓄電装置１０５は、例えば、二次電池やキャパシタである。

　電気量検出部１０９は、第１電力変換装置１０１の出力電力１１０（Ｐ_ＲＥ）を検出する。電気量検出部１０９によって検出された出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）に基づいて、電力制御部１０６は出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）を作成し、作成した出力電力指令値１０７を第２電力変換装置１０２へ送る。

　なお、電気量検出部１０９は、例えば、第１電力変換装置１０１の出力電流および出力電流をセンサにより検出し、これらの検出値から出力電力１１０（Ｐ_ＲＥ）を算出して、算出した電力をＰ_ＲＥの検出値として出力する。

　第１電力変換装置１０１の出力電力Ｐ_ＲＥは、再生可能エネルギー発電装置１０４の間欠的な発電特性により、天候などの自然条件に応じた大きな電力変動分を有する。このような大きな電力変動は、電力系統１０３における発電機の動作を不安定にし得る。このため、電力変換システム１００に対しては、電力変換システム１００の総出力電力１１２（Ｐ_ＳＹＳ）の電力変動率すなわち電力変動速度が規定値内に収まることが要求される。

　蓄電池１０５による第２電力変換装置１０２からの出力電力１１１（Ｐ_ＢＡＴ）の注入により、再生可能エネルギー発電装置１０４の出力電力の急峻な電力変動が補償される。そのため、電力変換システム１００の総出力電力１１２の変動速度が所定値内に制御される。これにより、外部の電力系統における通常の回転形発電機が、予期せぬ大きな過渡状態に陥ることが防止されるので、電力系統の安定性が向上する。このような電力変動補償機能は、以下に説明する電力制御部１０６の構成によってもたらされる。

　図２は、図１における電力制御部１０６の構成を示す機能ブロック図である。

　電力制御部１０６は、電力平滑フィルタ２０１を備える。第１電力変換装置１０１の出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）は電力平滑フィルタ２０１に入力される。電力平滑フィルタは、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の変動成分を平滑化することにより電力変換システム１００の総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）を作成し、作成した総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）を出力する。

　電力制御部１０６は、電力平滑フィルタ２０１によって作成された総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）と出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）との差分を算出することにより、第２電力変換装置１０２の出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）を作成する。電力制御部１０６は、作成した出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）を第２電力変換装置１０２における図示されないコンバ－タ制御部に送る。

　電力平滑フィルタ２０１は、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）から、再生可能エネルギー発電装置の出力変動に伴う大きな変動成分を除去し、残りの比較的緩やかに変化する成分を、総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）として出力する。このため、総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）と出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）との差分（Ｐ^＊ _ＳＹＳ－Ｐ_ＲＥ）、すなわち、出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）は、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の大きな変動成分を相殺する。したがって、第２電力変換装置１０２の出力電力１１１（Ｐ_ＢＡＴ）が出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）になるように、第２電力変換装置が制御されることにより、総出力電力１１２（Ｐ_ＳＹＳ）の電力変動が抑制できる。

　図３は、図２における電力平滑フィルタの構成例を示す。

　本構成例において、電力平滑フィルタ２０１Ａは、変化率リミッタ３０１を備える。

　電力平滑フィルタ２０１Ａにおいて、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）と、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の入力時点よりも時間Ｔだけ前の時点における総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）との差分が算出され、算出された差分が変化率リミッタ３０１に入力される。この差分は、時間Ｔの間における出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の変動成分であり、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の変化速度に相当する。

　ここで、遅延時間設定部３０４が、総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）に対して、遅延時間Ｔを設定する。なお、遅延時間設定部３０４の入出力特性は、むだ時間Ｔのある時間応答を示す伝達関数「ｅ^－ｓＴ」によって表される。

　算出された差分は、変化率リミッタ３０１に入力される。変化率リミッタ３０１は、入力する変動成分が所定の許容値を超えていなければ、そのまま出力し、許容値を超えていれば、許容値を出力する。すなわち、変化率リミッタ３０１は、変動速度が許容値内に抑えられた変動成分を出力する。図３においては、ＲＬＩＭＨ（３０２）およびＲＬＩＭＬ（３０３）がそれぞれ、電力増加方向および減少方向の許容値である。これらの許容値は、適宜設定および変更できる。

　電力平滑フィルタ２０１Ａは、変化率リミッタ３０１の出力する変動成分と、遅延時間設定部３０４によって遅延された総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）とを加算することにより、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の入力時点における総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）を作成して、作成した総出力電力指令値２０２を出力する。

　図３の電力平滑フィルタ２０１Ａによれば、変化率リミッタ３０１を用いることによって、電力変動速度が許容値の範囲内である総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）を作成できる。

　図４は、図２における電力平滑フィルタの他の構成例を示す。

　本構成例では、第２電力変換装置の出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）が、移動平均フィルタ２０１Ｂを介して、上述のような変化率リミッタを備える電力平滑フィルタ２０１Ａに入力される。

　移動平均フィルタ２０１Ｂにおいては、Ｎ－１個（Ｎは２以上の整数）の遅延時間設定部４０１（図３の遅延時間設定部３０４と同様の構成を有する）が直列に接続される。出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）は、この直列接続に入力される。移動平均フィルタ２０１Ｂは、演算器４０２によって、出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）と、Ｎ－１個の遅延時間設定部４０１の出力との総和を算出し、さらに総和をＮで除算することにより、電力平滑フィルタ２０１Ａへの入力を作成する。すなわち、移動平均フィルタ２０１Ｂは、入力された出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の入力時点（現時点）から時間にして（Ｎ－１）Ｔ遡った時点から現時点までの時間間隔Ｔごとの時点でのＮ個の出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）の平均値を出力する。このような移動平均フィルタ２０１Ｂの入出力特性は、次式のような伝達関数Ｈ（ｓ）で表される。
H(s)=N^-1(1+e^-sT+…+e^-sT(N-1))=N^-1{(1-e^-sTN)/(1-e^-sT)}
　図４の構成例によれば、所定の時間幅で変動成分の大きさが平均化された出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）が電力平滑フィルタ２０１Ａに入力される。これにより、図２に示したように、総出力電力指令値２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）と電力平滑フィルタに入力される出力電力検出値１０８（Ｐ_ＲＥ）との差分を算出して第２電力変換装置１０２の出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）を作成する場合に、出力電力指令値１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）の瞬時値が過大になることが防止される。このため、蓄電池１０５の電力容量を低減できる。

　図５は、図１の電力変換システムの動作を示す。なお、本図は、後述する実施例１（図９）に対する比較例となる。

　図５は、電力変換システムの総出力電力指令値Ｐ^＊ _ＳＹＳと第２電力変換装置の出力電力指令値Ｐ^＊ _ＢＡＴの時間変化の一例を示している。図中、破線（２０２）が総出力電力指令値Ｐ^＊ _ＳＹＳを表し、実線（１０７）が出力電力指令値Ｐ^＊ _ＢＡＴを表す。

　図中、（１）および（２）の場合は、それぞれ、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が小および大の場合である。また、（Ａ）および（Ｂ）の場合は、それぞれ、電力平滑フィルタが変化率リミッタ（図３）および移動平均フィルタ（図４）を備える場合である。

　（１）－（Ａ）の場合、変化率リミッタは実質的に動作しないので、電力平滑フィルタ（図３）は、Ｐ_ＲＥと同じＰ^＊ _ＳＹＳを生成する。したがって、電力制御部（図２）が出力するＰ^＊ _ＢＡＴはほぼゼロとなる。すなわち、蓄電池は充放電されない。

　これに対し、（１）－（Ｂ）の場合、実線（１０７）の変動が示すように、移動平均フィルタを備える電力平滑フィルタ（図４）が生成するＰ^＊ _ＢＡＴは負および正の値をとる。すなわち、蓄電池が充放電される。

　また、（２）－（Ａ）および（２）－（Ｂ）の場合、各実線（１０７）の大きな変動が示すように、いずれの場合においても、電力平滑フィルタ（図３、図４）は、Ｐ_ＲＥの大きな変動に応じて、このような変動を補償するようにＰ^＊ _ＢＡＴを生成する。

　図６は、図１の電力変換システムの動作を示す。なお、本図は、後述する実施例１（図図１０）に対する比較例となる。

　図６は、蓄電池１０５（図１）における充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）の時間変化の一例を示している。図中、破線は、第２電力変換装置の出力電力指令値Ｐ^＊ _ＢＡＴの絶対値の積分値を示し、充放電エネルギー積算値を表す。また、図中、実線は、Ｐ^＊ _ＢＡＴの積分値を示し、蓄電電力量を表す。

　なお、Ｐ^＊ _ＢＡＴの絶対値の積分値は、蓄電池の寿命に関わる指標となり得る。また、Ｐ^＊ _ＢＡＴの積分値は、蓄電池に要求される電力容量に関わる指標となり得る。

　（１）－（Ａ）の場合と（１）－（Ｂ）の場合を比較すると、充放電エネルギー積算値（破線６０１Ａ１，６０１Ｂ１）および蓄電電力量（実線６０２Ａ１，６０２Ｂ１）は、ともに、（１）－（Ａ）の場合の方が（１）－（Ｂ）の場合よりも小さい。したがって、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が小の場合、蓄電池の寿命および容量にとっては、変化率リミッタが移動平均フィルタよりも有利である。

　これに対し、（２）－（Ａ）の場合と（２）－（Ｂ）の場合を比較すると、充放電エネルギー積算値（破線６０１Ａ２，６０１Ｂ２）は、（２）－（Ａ）の場合の方が（２）－（Ｂ）の場合よりも小さい。また、蓄電電力量（実線６０２Ａ２，６０２Ｂ２）は、（２）－（Ｂ）の場合の方が（２）－（Ａ）の場合よりも小さい。したがって、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が大の場合、蓄電池の寿命にとっては、変化率リミッタが移動平均フィルタよりも有利であるが、蓄電池の容量にとっては、移動平均フィルタが変化率リミッタよりも有利である。

　上述のように、変化率リミッタおよび移動平均フィルタは、蓄電池の寿命および容量に対する影響が様々である。このため、電力変換システムのコスト低減のために、蓄電池の寿命を向上しかつ要求される容量を低減することが難しい。

　以下、本発明の実施形態について、実施例１および実施例２により説明する。なお、いずれの実施例も、図１に示したシステム構成を有するとともに、電力平滑フィルタにおいて、図３に示した変化率リミッタおよび図４に示した移動平均フィルタが用いられる。なお、すでに図示した構成については、詳細な説明を省略する。

　図７は、本発明による実施例１である電力変換システム７００の構成を示す。

　図７に示すように、本実施例１の電力変換システム１００は、図１に示した電力変換システム１００と同様な構成を有する。なお、電力制御部７０６の具体的な構成は、以下に説明するように、図２－４に示した構成とは異なる。

　図８は、実施例１における電力制御部７０６の構成を示す機能ブロック図である。

　電力制御部７０６は、電力平滑フィルタ８０１を備える。第１電力変換装置１０１の出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）は電力平滑フィルタ８０１に入力される。電力平滑フィルタ８０１は、出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）の変動成分を平滑化することにより電力変換システム７００の総出力電力指令値８０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）を作成し、作成した総出力電力指令値８０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）を出力する。

　電力制御部７０６は、電力平滑フィルタ８０１によって作成された総出力電力指令値８０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）と出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）との差分を算出することにより、第２電力変換装置１０２の出力電力指令値７０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）を作成する。電力制御部７０６は、作成した出力電力指令値７０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）を第２電力変換装置１０２における図示されないコンバ－タ制御部に送る。

　電力平滑フィルタ８０１は、出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）から、再生可能エネルギー発電装置の出力変動に伴う大きな変動成分を除去し、残りの比較的緩やかに変化する成分を、総出力電力指令値８０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）として出力する。このため、総出力電力指令値８０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）と出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）との差分（Ｐ^＊ _ＳＹＳ－Ｐ_ＲＥ）、すなわち、出力電力指令値７０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）は、出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）の大きな変動成分を相殺する。したがって、第２電力変換装置１０２の出力電力７１１（Ｐ_ＢＡＴ）が出力電力指令値７０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）になるように、第２電力変換装置１０２が制御されることにより、総出力電力７１２（Ｐ_ＳＹＳ）の電力変動が抑制できる。

　図８に示すように、電力平滑フィルタ８０１は、変化率リミッタを有し、図３に示した構成と同様の構成を有する電力平滑フィルタ部２０１Ａ（以下、単に「変化率リミッタ部」と記す）と、切替スイッチ部８０３を介して変化率リミッタ部（２０１Ａ）に接続され、図４に示した構成と同様の構成を有する移動平均フィルタ２０１Ｂとを備える。

　切替スイッチ部８０３は、フィルタ動作モード設定部８０４が設定する電力平滑フィルタ８０１の動作モードに応じて、移動平均フィルタ２０１Ｂの出力と変化率リミッタ部（２０１Ａ）の入力との接続および非接続を切り替える。なお、本実施例１において、フィルタ動作モード設定部８０４は、設定される動作モードを示す動作モードフラグ信号を出力する。切替スイッチ部８０３は、この動作モードフラグ信号に応じて動作する。

　移動平均フィルタ２０１Ｂと変化率リミッタ部（２０１Ａ）とが接続される場合、出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）は、移動平均フィルタ２０１Ｂを介して変化率リミッタ部へ入力される。また、移動平均フィルタ２０１Ｂと変化率リミッタ部（２０１Ａ）とが非接続の場合、出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）は、移動平均フィルタ２０１Ｂを介することなく、直接、変化率リミッタ部へ入力される。したがって、電力平滑フィルタ８０１においては、図３に示した構成と図４に示した構成とが切替スイッチ部８０３によって切り替えられる。

　フィルタ動作モード設定部８０４は、出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）を入力し、入力したＰ_ＲＥと、遅延時間設定部８０５によって遅れ時間Ｔが設定されたＰ_ＲＥ（すなわち時間Ｔ前の検出値）との差分を算出し、算出された差分の絶対値を絶対値演算部８０６（ＡＢＳ）によって算出する。さらに、フィルタ動作モード設定部８０４は、算出した絶対値から、低域通過フィルタ８０７（ＬＰＦ）によって高周波成分を除去することにより、動作モードを判定するための指標となるモード選択指標８０８（Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}）を算出する。

　フィルタ動作モード設定部８０４は、比較部８１０（ＣＭＰ）によって、算出したＰ_{ＲＥＶＩＯ}と所定の閾値８０９（Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}）とを比較し、比較結果に応じて動作モードを設定する。本実施例１では、フィルタ動作モード設定部８０４は、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}を超えていなければ、移動平均フィルタを用いずに変化率リミッタ部によるフィルタ動作モード（Ｍ０）を設定し、比較部８１０から動作モードＭ０を示す動作モードフラグ信号８１１を出力する。また、フィルタ動作モード設定部８０４は、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}を超えていると、移動平均フィルタおよび変化率リミッタ部によるフィルタ動作モード（Ｍ１）を設定し、比較部８１０から動作モードＭ１を示す動作モードフラグ信号を出力する。

　切替スイッチ部８０３は、動作モードＭ１を示す動作モードフラグ信号を受けると、移動平均フィルタ２０１Ｂと変化率リミッタ部（２０１Ａ）とを接続し、動作モードＭ０を示す動作モードフラグ信号を受けると、移動平均フィルタ２０１Ｂと変化率リミッタ部（２０１Ａ）を非接続にする。

　ここで、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}は、瞬時もしくは短時間におけるＰ_ＲＥの変動の大きさを表している。したがって、上記のようなフィルタ動作モード設定部８０４の動作によれば、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}を超えない場合、すなわちＰ_ＲＥの変動が比較的小さな場合において、電力平滑フィルタ８０１は、移動平均フィルタを用いず、変化率リミッタ部を用いる構成（図３）となる。また、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}を超える場合、すなわちＰ_ＲＥの変動が比較的大きな場合において、電力平滑フィルタ８０１は、移動平均フィルタおよび変化率リミッタ部を用いる構成（図４）となる。

　図９は、実施例１における電力制御部７０６（図中では「電力平滑制御部」と記す）の動作状態例を示す。

　図中、（１）および（２）の場合は、それぞれ、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が小および大の場合である。

　（１）および（２）の各場合について、電力制御部７０６へ入力される第１電力変換装置の出力電力検出値Ｐ_ＲＥと、モード選択指標８０８（Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}：実線）およびその閾値８０９（Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}：破線）と、動作モード（Ｍ０，Ｍ１）を示す動作モードフラグ信号８１１と、を示す。

　（１）の場合、中央図が示すように、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}（８０８）＜Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}（８０９）である。このため、下図が示すように、動作モードＭ０が設定される。すなわち、電力制御部７０６は、移動平均フィルタを用いずに、変化率リミッタ部を用いる。

　これに対し、（２）の場合、中央図が示すように、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}（８０８）＜Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}（８０９）となる期間と、Ｐ_{ＲＥＶＩＯ}（８０８）≧Ｐ_{ＶＩＯＴＨ}（８０９）となる期間とが、交互に繰り返し現れる。このため、下図が示すように、Ｐ_ＲＥの変動の大きさに応じて、動作モードＭ０と動作モードＭ１とが交互に設定される。すなわち、電力制御部７０６は、Ｐ_ＲＥの変動の大きさに応じて、移動平均フィルタを用いずに変化率リミッタ部を用いたり、移動平均フィルタおよび変化率リミッタを用いたりする。

　図１０は、実施例１の電力変換システムの動作を示す。

　図中、（１）および（２）の場合は、図９と同様に、それぞれ、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が小および大の場合である。

　（１）および（２）の各場合について、電力制御部７０６（図中では「電力平滑制御部」と記す）へ入力される第１電力変換装置の出力電力検出値７０８（Ｐ_ＲＥ）と、電力変換システム７００の総出力電力指令値８０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）および第２電力変換装置の出力電力指令値７０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）と、蓄電池１０５（図７）における充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）と、を示す。下図中、破線は、第２電力変換装置の出力電力指令値Ｐ^＊ _ＢＡＴの絶対値の積分値を示し、充放電エネルギー積算値を表す。また、下図中、実線は、Ｐ^＊ _ＢＡＴの積分値を示し、蓄電電力量を表す。

　（１）の場合、図９について上述したように、電力制御部７０６は、移動平均フィルタを用いずに、変化率リミッタ部を用いる。Ｐ_ＰＥの変動が小さいため、変化率リミッタは実質的に動作しないので、電力平滑フィルタ８０１（図８）は、Ｐ_ＲＥと同じＰ^＊ _ＳＹＳを生成する。したがって、電力制御部７０６（図７）が出力するＰ^＊ _ＢＡＴはほぼゼロとなる。すなわち、蓄電池は充放電されない。このため、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）はともにゼロとなる。

　これに対し、（２）の場合、電力制御部７０６は、図９について上述したように、電力制御部７０６は、Ｐ_ＲＥの変動の大きさに応じて、移動平均フィルタを用いずに変化率リミッタ部を用いたり、移動平均フィルタおよび変化率リミッタ部を用いたりする。したがって、電力制御部７０６（図７）が出力するＰ^＊ _ＢＡＴは、Ｐ_ＲＥの変動の大きさに応じて、ゼロおよび正負の値をとる。すなわち、蓄電池は充放電される。この結果、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）は有限の値をとる。

　図１０における（２）の場合の下図が示す、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）と、図６の（２）－（Ａ），（２）－（Ｂ）の各場合の充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）とを比較すると、蓄電電力量（energy deviation）は、実施例１が最も小さい。さらに、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）は、（２）－（Ｂ）の場合よりも小さく、（２）－（Ｂ）の場合よりも小さな（２）－（Ａ）の場合と同等である。したがって、本実施例１によれば、蓄電池に要求される電力容量を低減できるとともに、蓄電池の寿命を向上できる。

　上述のように、本実施例１によれば、蓄電池に要求される電力容量を低減できるとともに、蓄電池の寿命を向上できるので、蓄電池の設置および保守に要するコストを低減できる。これにより、再生可能エネルギー発電装置を外部の電力系統に連系する電力変換システムのコストを確実に低減できる。

　次に、実施例２について、図１１－１４を用いて説明する。なお、主に、実施例１と異なる点について、説明する。

　図１１は、本発明による実施例２である電力変換システム１１００の構成を示す。

　本実施例においては、再生可能エネルギー発電装置１０４として、太陽光発電装置が適用される。また、電力変換システム１１００は、日射量を検出する日射計１１１３を備える。電力制御部１１０６は、後述するように、日射計１１１３による日射量検出値１１１４（Ｉｎ_ＲＥ）に基づいて、動作モードを選択する。

　図１２は、実施例２における電力制御部１１０６の構成を示す機能ブロック図である。

　本実施例２において、フィルタ動作モード設定部１２０４は、日射量検出値１１１４（Ｉｎ_ＲＥ）を入力し、入力したＩｎ_ＲＥと、遅延時間設定部１２０５によって遅れ時間Ｔが設定されたＩｎ_ＲＥ（すなわち時間Ｔ前の検出値）との差分を算出し、算出された差分の絶対値を絶対値演算部１２０６（ＡＢＳ）によって算出する。さらに、フィルタ動作モード設定部１２０４は、算出した絶対値から、低域通過フィルタ１２０７（ＬＰＦ）によって高周波成分を除去することにより、動作モードを判定するための指標となるモード選択指標１２０８（Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}）を算出する。

　フィルタ動作モード設定部１２０４は、比較部１２１０（ＣＭＰ）によって、算出したＩｎ_{ＲＥＶＩＯ}と所定の閾値１２０９（Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}）とを比較し、比較結果に応じて動作モードを設定する。本実施例２では、フィルタ動作モード設定部１２０４は、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}を超えていなければ、移動平均フィルタを用いずに変化率リミッタ部によるフィルタ動作モード（Ｍ０）を設定し、比較部１２１０から動作モードＭ０を示す動作モードフラグ信号１２１１を出力する。また、フィルタ動作モード設定部１２０４は、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}を超えていると、移動平均フィルタおよび変化率リミッタ部によるフィルタ動作モード（Ｍ１）を設定し、比較部１２１０から動作モードＭ１を示す動作モードフラグ信号を出力する。

　切替スイッチ部１２０３は、動作モードＭ１を示す動作モードフラグ信号を受けると、移動平均フィルタ２０１Ｂと変化率リミッタ部（２０１Ａ）とを接続し、動作モードＭ０を示す動作モードフラグ信号を受けると、移動平均フィルタ２０１Ｂと変化率リミッタ部（２０１Ａ）を非接続にする。

　ここで、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}は、瞬時もしくは短時間におけるＩｎ_ＲＥの変動の大きさを表している。したがって、上記のようなフィルタ動作モード設定部１２０４の動作によれば、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}を超えない場合、すなわちＩｎ_ＲＥの変動が比較的小さな場合において、電力平滑フィルタ１２０１は、移動平均フィルタを用いず、変化率リミッタ部を用いる構成（図３）となる。また、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}が閾値Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}を超える場合、すなわちＩｎ_ＲＥの変動が比較的大きな場合において、電力平滑フィルタ１２０１は、移動平均フィルタおよび変化率リミッタ部を用いる構成（図４）となる。

　図１３は、実施例２における電力制御部１１０６（図中では「電力平滑制御部」と記す）の動作状態例を示す。

　図中、（１）は、天候が晴天であって、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が小の場合である。また、（２）は、天候が曇天もしくは雨天であって、第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が大の場合である。

　（１）および（２）の各場合について、電力制御部７０６へ入力される第１電力変換装置の出力電力検出値１１０８（Ｐ_ＲＥ：実線）および日射量検出値１１１４（Ｉｎ_ＲＥ：破線）と、モード選択指標１２０８（Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}：実線）およびその閾値１２０９（Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}：破線）と、動作モード（Ｍ０，Ｍ１）を示す動作モードフラグ信号１２１１と、を示す。

　（１）の場合、中央図が示すように、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}（１２０８）＜Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}（１２０９）である。このため、下図が示すように、動作モードＭ０が設定される。すなわち、電力制御部１１０６は、移動平均フィルタを用いずに、変化率リミッタ部を用いる。

　これに対し、（２）の場合、中央図が示すように、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}（１２０８）＜Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}（１２０９）となる期間と、Ｉｎ_{ＲＥＶＩＯ}（１２０８）≧Ｉｎ_{ＶＩＯＴＨ}（１２０９）となる期間とが、交互に繰り返し現れる。このため、下図が示すように、Ｐ_ＲＥの変動の大きさに応じて、動作モードＭ０と動作モードＭ１とが交互に設定される。すなわち、電力制御部１１０６は、Ｉｎ_ＲＥおよびＰ_ＲＥの変動の大きさに応じて、移動平均フィルタを用いずに変化率リミッタ部を用いたり、移動平均フィルタおよび変化率リミッタを用いたりする。

　図１４は、実施例２の電力変換システムの動作を示す。

　図中、（１）の場合および（２）の場合は、図１３と同様に、それぞれ、晴天であり第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が小の場合および曇天もしくは雨天であり第１電力変換装置の出力電力Ｐ_ＲＥの変動が大の場合である。

　（１）および（２）の各場合について、電力制御部１１０６（図中では「電力平滑制御部」と記す）へ入力される第１電力変換装置の出力電力検出値１１０８（Ｐ_ＲＥ：実線）および日射量検出値１１１４（Ｉｎ_ＲＥ：破線）と、電力変換システム１１００の総出力電力指令値１２０２（Ｐ^＊ _ＳＹＳ）および第２電力変換装置の出力電力指令値１１０７（Ｐ^＊ _ＢＡＴ）と、蓄電池１０５（図１１）における充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）と、を示す。下図中、破線は、第２電力変換装置の出力電力指令値Ｐ^＊ _ＢＡＴの絶対値の積分値を示し、充放電エネルギー積算値を表す。また、下図中、実線は、Ｐ^＊ _ＢＡＴの積分値を示し、蓄電電力量を表す。

　（１）の場合、図１３について上述したように、電力制御部１１０６は、移動平均フィルタを用いずに、変化率リミッタ部を用いる。Ｉｎ_ＲＥの変動が小さいためにＰ_ＲＥの変動が小さいため、変化率リミッタは実質的に動作しないので、電力平滑フィルタ１２０１（図１２）は、Ｐ_ＲＥと同じＰ^＊ _ＳＹＳを生成する。したがって、電力制御部１１０６（図１１）が出力するＰ^＊ _ＢＡＴはほぼゼロとなる。すなわち、蓄電池は充放電されない。このため、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）はともにゼロとなる。

　これに対し、（２）の場合、電力制御部１１０６は、図１３について上述したように、電力制御部１１０６は、Ｉｎ_ＲＥおよびＰ_ＲＥの変動の大きさに応じて、移動平均フィルタを用いずに変化率リミッタ部を用いたり、移動平均フィルタおよび変化率リミッタ部を用いたりする。したがって、電力制御部１１０６（図１１）が出力するＰ^＊ _ＢＡＴは、Ｉｎ_ＲＥおよびＰ_ＲＥの変動の大きさに応じて、ゼロおよび正負の値をとる。すなわち、蓄電池は充放電される。この結果、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）は有限の値をとる。

　図１４における（２）の場合の下図が示す、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）と、図６の（２）－（Ａ），（２）－（Ｂ）の各場合の充放電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量（energy deviation）とを比較すると、充放電エネルギー積算値（accumulated energy）は、実施例２が最も小さい。さらに、蓄電電力量（energy deviation）は、（２）－（Ａ）の場合よりも小さく、（２）－（Ａ）の場合よりも小さな（２）－（Ｂ）の場合と同等である。したがって、本実施例１によれば、蓄電池に要求される電力容量を低減できるとともに、蓄電池の寿命を向上できる。

　なお、本実施例２の変形例として、再生可能エネルギー発電装置１０４として、風力発電装置を適用し、日射計に替えて風速計を備えてもよい。

　上述のように、本実施例２によれば、蓄電池に要求される電力容量を低減できるとともに、蓄電池の寿命を向上できるので、蓄電池の設置および保守に要するコストを低減できる。これにより、再生可能エネルギー発電装置を外部の電力系統に連系する電力変換システムのコストを確実に低減できる。また、再生可能エネルギー発電装置の発電量の直接的な要因である自然エネルギーのパラメータ（日射量、風速）によって動作モードを切り替えるので、第１電力変換装置の出力電力（Ｐ_ＲＥ）の変動を補償するための制御の追従性が向上する。

　ここで、各種の電力平滑フィルタの性能に関する本発明者の検討結果について説明しておく。

　図１５は、各種の電力平滑フィルタについて、充電エネルギー積算値（accumulated energy）および蓄電電力量ピーク値（peak energy deviation）に関する本発明者による検討結果の一例である。

　図１５が示すように、蓄電池の寿命の向上および電力容量の低減にとって、総合的に見て、本発明による実施例１または実施例２が有利であることがわかる。

　なお、上記の各実施例を、次のように変形してもよい。

　電力平滑フィルタは、複数の平滑フィルタ部（実施例では、変化率リミッタと、変化率リミッタ付き移動平均フィルタ）として、複数の一次遅れフィルタと、単位時間当たりの入力を用いて計算する移動平均フィルタと、単位時間当たりの変化率を制限するリミッタと、単位時間当たりの入力を用いる中位数計算手段と、これら四方式を任意に組み合わせる手段の内の複数を備えてもよい。なお、一次遅れフィルタにおいては、一次遅れ時定数が調整可能でもよい。また、中位数計算手段においては、単位時間幅を調整可能でもよい。

　移動平均フィルタにおいては、移動平均フィルタの単位時間幅と平均計算係数が調整可能でもよい。

　単位時間当たりの変化率を制限する変化率リミッタは、変化率制限上下限値が調整可能でもよい。

　電力平滑フィルタにおける複数の平滑フィルタ部の内、稼働している平滑フィルタ部に関する情報を報知および記録可能でもよい。

　なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。

　例えば、第１電力変換装置および第２電力変換装置は、複数の電力変換部の多重接続から構成されてもよい。また、再生可能エネルギー発電装置および蓄電池の各台数は任意でよい。

　また、蓄電池に替えて、キャパシタなどの他の蓄電装置を適用してもよい。なお、蓄電装置は、電力変換システムの余剰電力の蓄電や、電力変換システムの出力の平準化などに用いてもよい。

　電気量検出部は、第１電力変換装置の出力電力のほか、出力電圧や出力電流を検出してもよい。そして、出力電圧や出力電流の変動を補償するように、第２電力変換装置の出力電力を制御してもよい。また、動作モード設定部が、これらの出力電圧や出力電流の検出値の変動、もしくは再生可能エネルギー発電装置の出力（電力、電圧、電流）の変動に基づいて、動作モードを設定してもよい。

１００　電力変換システム、１０１　第１電力変換装置、１０２　第２電力変換装置、１０３　電力系統、１０４　再生可能エネルギー発電装置、１０５　蓄電池、１０６　電力制御部、１０９　電気量検出部、２０１　電力平滑フィルタ、２０１Ｂ　移動平均フィルタ、３０１　変化率リミッタ、３０４　遅延時間設定部、４０１　遅延時間設定部、４０２　演算器、７００　電力変換システム、７０６　電力制御部、７０９　電気量検出部、８０１　電力平滑フィルタ、８０３　切替スイッチ部、８０４　フィルタ動作モード設定部、８０５　遅延時間設定部、８０６　絶対値演算部、８０７　低域通過フィルタ、８１０　比較部、１１００　電力変換システム、１１０６　電力制御部、１１０９　電気量検出部、１１１３　日射計、１２０１　電力平滑フィルタ、１２０３　切替スイッチ部、１２０４　フィルタ動作モード設定部、１２０５　遅延時間設定部、１２０６　絶対値演算部、１２０７　低域通過フィルタ、１２１０　比較部

Claims

　再生可能エネルギー発電装置からの電力を電力変換する第１電力変換装置と、
　蓄電装置からの電力を電力変換する第２電力変換装置と、
　前記第１電力変換装置の出力の電気量を検出する電気量検出部と、
　電気量検出部による前記電気量の検出値に基づいて、前記再生可能エネルギー発電装置の発電電力の変動を補償するように、前記第２電力変換装置の出力を制御する電力制御部と、
を備え、
　前記電力制御部は、前記電気量の検出値を平滑する平滑フィルタを有し、前記平滑フィルタの出力に基づいて前記第２電力変換装置の出力を制御し、
　前記再生可能エネルギー発電装置を電力系統に連系する電力変換システムにおいて、
　前記平滑フィルタは、
　特性が異なる複数の平滑フィルタ部と、
　前記再生可能エネルギー発電装置の発電電力の変動の大きさに応じて、前記複数の平滑フィルタ部のいずれかを選択する切替スイッチ部と、
を備えることを特徴とする電力変換システム。
　請求項１に記載の電力変換システムにおいて、
　前記複数の平滑フィルタ部は、
　前記電気量の前記検出値を入力する変化率リミッタを有する第１平滑フィルタ部と、
　前記電気量の前記検出値を入力する移動平均フィルタを有する第２平滑フィルタ部と、
を含むことを特徴とする電力変換システム。
　請求項２に記載の電力変換システムにおいて、
　前記第２平滑フィルタ部は、前記移動平均フィルタの出力に接続される変化率リミッタ部を有することを特徴とする電力変換システム。
　請求項１に記載の電力変換システムにおいて、
　前記電気量は、前記第１電力変換装置の出力電力であることを特徴とする電力変換システム。
　請求項１に記載の電力変換システムにおいて、
　前記切替スイッチ部は、前記再生可能エネルギー発電装置の前記発電電力とともに変動する物理量の検出値に基づいて、前記複数の平滑フィルタ部のいずれかを選択することを特徴とする電力変換システム。
　請求項５に記載の電力変換システムにおいて、
　前記物理量は前記第１電力変換装置の出力電力であることを特徴とする電力変換システム。
　請求項５に記載の電力変換システムにおいて、
　前記再生可能エネルギー発電装置は、太陽光発電装置であり、
　前記物理量は日射量であることを特徴とする電力変換システム。
　請求項５に記載の電力変換システムにおいて、
　前記再生可能エネルギー発電装置は、風力発電装置であり、
　前記物理量は風速であることを特徴とする電力変換システム。
　請求項２に記載の電力変換システムにおいて、
　前記切替スイッチ部は、前記再生可能エネルギー発電装置の前記発電電力とともに変動する物理量の検出値に基づいて、前記複数の平滑フィルタ部のいずれかを選択し、
　前記切替スイッチ部は、前記物理量の前記検出値の変動の大きさが所定値を超えない場合、前記第１平滑フィルタ部を選択し、前記物理量の前記検出値の変動の大きさが前記所定値を超える場合、前記第２平滑フィルタ部を選択することを特徴とする電力変換システム。
　請求項５に記載の電力変換システムにおいて、
　前記物理量の前記検出値の変動の大きさに応じて、前記複数の平滑フィルタ部のいずれかを選択するためのフラグ信号を作成する動作モード設定部を備え、
　前記切替スイッチ部は、前記フラグ信号に応じて、前記複数の平滑フィルタ部のいずれかを選択することを特徴とする電力変換システム。