CN102630369B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置。在现有技术中，在使将由串联(级联)连接的1个或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成的电力转换装置(以下，称为MMC)额定运转规定时间，来进行各元器件的发热试验的情况下，存在需要所述MMC的额定容量以上的试验用电源的技术问题。本发明是MMC，其特征在于，针对与构成该MMC的正侧直流母线连接的桥臂群(以下，称为正侧组)和与负侧直流母线连接的桥臂群(以下，称为负侧组)的各个桥臂群，独立地提供有功功率指令值以及/或者无功功率指令值。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及电力转换装置和其控制方法以及控制装置。
背景技术
模块化多电平转换器(以下，称为MMC)，是一种使用IGBT(InsulatedGate Bipolar Transistor)等的可接通·关断控制的开关元件，能够输出上述开关元件的耐压以上的电压的电路形式，是一种被期待可应用于直流输电系统(HVDC)或无功功率补偿装置(STATCOM)、电机驱动逆变器等的技术。
非专利文献1公示出了MMC的电路形式。
根据非专利文献1，MMC是将由串联(以下，称为级联(cascade))连接的1个或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成的。桥臂中的一半与MMC的正侧直流母线连接，余下半数与MMC的负侧直流母线连接。在本申请中，将与上述正侧直流母线连接的桥臂称为正侧桥臂，将与上述负侧直流母线连接的桥臂称为负侧桥臂。上述MMC是由正侧桥臂、2个电抗器和负侧桥臂的串联电路的并联连接而构成的，上述2个电抗器的连接点为上述MMC的交流端子。
各单位转换器例如是双向斩波电路，具备开关元件和直流电容器。各单位转换器至少经由2个端子与外部连接，可以将上述两个端子间的电压控制为该单位转换器所具有的直流电容器的电压或者零。
在对各单位转换器进行PWM(Pulse-Width Modulation)控制的情况下，通过适当地对提供给各单位转换器的载波的相位进行位移，可将MMC的输出电压波形变为多电平波形。据此，与2电平转换器相比较，能降低高次谐波成分。
现有技术文献
非专利文献
非专利文献1：萩原誠·赤木泰文：「モジユラ一·マルチレベル変换器(MMC)のPWM制御法と動作検証」、電気学会論文誌D、128巻7号、pp.957-965。
发明内容
发明要解决的技术问题
在将根据以往的控制方法控制的上述MMC额定运转规定时间，来进行各元器件的发热试验的情况下，存在需要上述MMC的额定容量以上的试验用电源的技术问题(以后，将上述发热试验称为“heat run试验”)。
另外，在对根据以往的控制方法控制的上述MMC，实施与电力系统互连进行额定运转的试验的情况下，存在本来不需要的电力会流出到上述电力系统的技术问题(以后，将如上述那样把MMC与电力系统并网并进行额定运转的试验称为系统并网试验)。
用于解决技术问题的技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供一种电力转换装置，将由串联连接的1个或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于具备下述单元：针对与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群的各个桥臂群，独立地控制有功功率或者无功功率。
另外，为了解决上述技术问题，本发明提供一种电力转换装置，将由串联连接的1个或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于具备：针对与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群的各个桥臂群，独立的控制装置。
另外，为了解决上述技术问题，本发明提供一种电力转换装置，将由串联连接的1个或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于具备下述综合控制装置：针对与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群两者，独立地进行控制。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述正侧组桥臂群和所述负侧组桥臂群分别具有3个桥臂。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述正侧组桥臂群和所述负侧组桥臂群分别具有2个桥臂。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述电力转换装置具备：检测在属于所述正侧组桥臂群的各桥臂中流动的电流的电流检测器、和检测在属于所述负侧组桥臂群的桥臂中流动的电流的电流检测器。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述正侧组桥臂群控制装置具有下述功能：至少基于在属于所述正侧组桥臂群的各桥臂中流动的电流和属于所述正侧组桥臂群的各单位转换器的直流电压，反馈控制所述正侧组桥臂群的有功功率以及/或者无功功率。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述负侧组桥臂群控制装置具有下述功能：至少基于在属于所述负侧组桥臂群的各桥臂中流动的电流和属于所述负侧组桥臂群的各单位转换器的直流电压，反馈控制所述负侧组桥臂群的有功功率以及/或者无功功率。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述综合控制装置具有下述功能：至少基于在各桥臂中流动的电流和各单位转换器的直流电压，反馈控制正侧组和负侧组的各个组的有功以及/或者无功功率。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述单位转换器具备：主电路，其由开关元件和直流电容器构成；电压传感器，其检测所述直流电容器的电压；单位转换器控制装置，其承担接收来自所述正侧组桥臂群控制装置或者所述负侧组桥臂群控制装置的信号并生成所述开关元件的栅极脉冲的功能、和将来自所述电压传感器的信号传输给所述正侧组桥臂群控制装置或者所述负侧组桥臂群控制装置的功能；栅极驱动器，其接收来自所述单位转换器控制装置的栅极脉冲并使开关元件接通/断开；和自给电源，其给所述单位转换器控制装置和栅极驱动器提供电源。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述单位转换器具备：主电路，其由开关元件和直流电容器构成；电压传感器，其检测所述直流电容器的电压；单位转换器控制装置，其承担接收来自所述正侧组桥臂群控制装置或者所述负侧组桥臂群控制装置的信号并生成所述开关元件的栅极脉冲的功能、和将来自所述电压传感器的信号传输给所述正侧组桥臂群控制装置或者所述负侧组桥臂群控制装置的功能；栅极驱动器，其接收来自所述单位转换器控制装置的栅极脉冲并使开关元件接通/断开；和自给电源，其给所述单位转换器控制装置和栅极驱动器供给电源，与所述直流电容器并联地连接二次电池、其他能量存储或产生装置，或者经由DC-DC转换器连接二次电池、其他能量存储或产生装置。
另外，为了解决上述技术问题，本发明提供一种电力转换装置，将由串联连接的1个或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于具有下述功能：针对与该电力转换装置的第1母线连接的第1桥臂群和与第2母线连接的第2桥臂群的各个桥臂群，独立地控制有功功率或者无功功率。
而且，在本发明的电力转换装置中，其特征在于，所述电力转换装置具备用于相对于电力系统或者试验用电源独立地接通(投入)/断开(解列)所述第1桥臂群及第2桥臂群的开关单元。
另外，为了解决上述技术问题，本发明提供一种电力转换装置，将由串联连接的1个单位转换器或者多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于：与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群的有功功率输出或者无功功率输出不相同。
发明效果
根据本发明，可得到降低上述电力转换装置的heat run试验中的试验用电源装置的所需容量的效果。
另外，根据本发明，在上述电力转换装置的并网试验中，可得到上述电力转换装置能够降低使电力系统流出的不必要的电力的效果。
本发明的其他目的、特征及优点由与附图相关的以下本发明的实施例的记载可明确。
附图说明
图1是表示三相MMC和控制装置的图。
图2是表示单位转换器的图。
图3是表示在正侧组中的无功功率控制器的图。
图4是表示综合后的正侧/负侧组控制装置的图。
图5是表示单相MMC和控制装置的图。
图6是表示单相MMC的正侧组中的无功功率控制器的图。
图7是表示具备了独立地断开(解列)正侧/负侧组的功能的三相MMC的图。
图8是表示使用了具备二次电池的单位转换器的三相MMC的图。
图9是表示具备了二次电池的单位转换器的图。
图10是表示正侧组中的有功功率控制器的图。
图11是三相MMC的等效电路图。
图12是着眼于基波交流成分的三相MMC的等效电路图。
图13是说明无功功率授受的相量图(phasor diagram)。
图14是说明有功功率授受的相量图。
具体实施方式
以下，基于附图，对本发明的实施方式进行说明。此外，以下的实施例只是表示本发明的一个实施方式，只要不脱离本发明的主旨，还可以包含其他实施方式。
实施例1
使用图1～图3，对实施本发明的第1实施方式进行说明。本实施例叙述将三相MMC方式的电力转换装置用作无功功率补偿装置的情况。因此，该实施例的电力转换装置主要控制无功功率。
在实施例1中，其特征是独立地控制正侧组和负侧组的无功功率。
在实施例1中，其目的是与以往相比大幅度地降低用于heat run试验的试验用电源的所需容量。
以下，使用图1，对实施例1的整体构成进行说明。
电力转换装置102与试验用电源101互连。此外，图1是假设进行heat run试验的图。另一方面，在并网试验或者正常运用时，电力转换装置102替代试验用电源101而与电力系统互连。
电力转换装置102由变压器103、电抗器104、单位转换器105、正侧组控制装置114、负侧组控制装置115、电压检测用变量器(transformer)116、电流检测器117、将正侧组控制装置114或者负侧组控制装置115和上述单位转换器105菊链(daisy chain)连接的信号线118构成。
在本实施例中，将级联连接了单位转换器105的电路称为桥臂。电力转换装置102具有6个桥臂，分别称为U相正侧桥臂106、U相负侧桥臂107、V相正侧桥臂108、V相负侧桥臂109、W相正侧桥臂110、W相负侧桥臂111。
另外，将属于各相正侧·负侧的2个桥臂的单位转换器105，按靠近正侧直流母线P的顺序称为第j单位转换器。在属于各相的2个桥臂的单位转换器105的数量为N的情况下，为j＝1、2、……、N。
在本实施例中，将与正侧直流母线P连接的3个桥臂、即U相正侧桥臂106、V相正侧桥臂108、W相正侧桥臂110总称为正侧组112。
另外，在本实施例中，将与负侧直流母线N连接的3个桥臂、即U相负侧桥臂107、V相负侧桥臂109、W相负侧桥臂111总称为负侧组113。
下面，在电力转换装置102中，对本发明的特征部分进行说明。
特征在于，本发明的电力转换装置102具备正侧组112和负侧组113分别独立的控制装置、即具备正侧组控制装置114、负侧组控制装置115，正侧组控制装置114和负侧组控制装置分别提供独立的无功功率指令值QP*、QN*。
属于正侧组112的各单位转换器105，经由菊链连接的信号线118，受控于正侧组控制装置114。
属于负侧组113的各单位转换器105，经由菊链连接的信号线118，受控于负侧组控制装置115。
以下，使用图2，对单位转换器105的构成进行说明。
单位转换器105由高压侧(high side)·开关元件201、低压侧(lowside)·开关元件202、直流电容器203、栅极驱动器(gate driver)204、电压传感器205、单位转换器控制装置206、给上述栅极驱动器204和上述单位转换器控制装置206供给电源的自给电源207构成。单位转换器控制装置206，经由菊链连接的信号线118而与正侧组控制装置114或者负侧组控制装置115连接。
图2所示的单位转换器105是i相第j单位转换器。其中，i＝U、V、W，j＝1、2、……、N。
虽然图2所示的单位转换器105的主电路是由高压侧·开关元件201、低压侧·开关元件202、直流电容器203构成的双向斩波电路，但本发明在将其作为全桥转换器的情况下也有效。
在本实施例中，将i相第j单位转换器的输出电压称为Vij，将直流电压称为VCij。
此外，虽然在本实施例中作为高压侧及低压侧·开关元件201、202而例示了IGBT，但本发明在将其作为GTO(Gate-Turn-Off Thyristor)、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)等其他可接通·关断控制的开关元件的情况下也有效。
在这里，使用图11、图12，对本发明的特征、即独立地控制正侧组112和负侧组113的无功功率的方法进行说明。这里为了简化说明，将变压器103的匝数比设为1∶1，变压器的一次、二次线圈的电动势不产生相位差。
图11是图1的等效电路。在图11中，忽视伴随IGBT的开关控制而在电路各部分产生的纹波电压·电流，仅着眼于直流成分和基波交流成分。首先，对图11的各部分进行说明。
电压源1101表示变压器103的二次线圈的电压。
属于正侧组112的斩波单元105的输出电压，由正侧组控制装置114控制。在本实施例中，斩波单元的串联体、即U相正侧桥臂106、V相正侧桥臂108、W相正侧桥臂110的两端电压，都由正侧组控制装置114以具有直流成分和基波交流成分的方式进行控制。
另外，属于负侧组112的斩波单元105的输出电压，由负侧组控制装置115控制。因此，斩波单元的串联体、即U相负侧桥臂107、V相负侧桥臂109、W相负侧桥臂111的两端电压，都由负侧组控制装置115以具有直流成分和基波交流成分的方式进行控制。
因此，各桥臂106～111可以以将其视作输出直流电压成分和基波交流电压的电压源的方式进行控制。因此，在图11中，可将U相正侧桥臂106、U相负侧桥臂107、V相正侧桥臂108、V相负侧桥臂109、W相正侧桥臂110、W相负侧桥臂111分别视作直流电压源和基波交流电压源的串联体1102～1107(以下，仅称为电压源)。
将U相正侧桥臂106的等效电路也就是电压源1102的直流输出电压设为VUPDC，将基波交流输出电压设为VUPAC。
将U相负侧桥臂107的等效电路也就是电压源1103的直流输出电压设为VUNDC，将基波交流输出电压设为VUNAC。
将V相正侧桥臂108的等效电路也就是电压源1104的直流输出电压设为VVPDC，将基波交流输出电压设为VVPAC。
将V相负侧桥臂109的等效电路也就是电压源1105的直流输出电压设为VVNDC，将基波交流输出电压设为VVNAC。
将W相正侧桥臂110的等效电路也就是电压源1106的直流输出电压设为VWPDC，将基波交流输出电压设为VWPAC。
将W相负侧桥臂111的等效电路也就是电压源1107的直流输出电压设为VWNDC，将基波交流输出电压设为VWNAC。
电压源1101的中性点(O点)和P点之间的电位差，为公式1所示的3个正侧桥臂106、108、110的直流输出电压的平均值与桥臂106、108、110的两端电压所包含的基波交流零相成分V0的和。
(公式1)
(VUPDC+VVPDC+VWPDC)/3+V0
N点和基波交流源1101的中性点(O点)之间的电位差，为公式2所示的3个负侧桥臂106、108、110的直流输出电压的平均值与桥臂107、109、111的两端电压所包含的基波交流零相成分V0的和。
(公式2)
(VUNDC+VVNDC+VWNDC)/3+V0
在本实施例中，以各桥臂106～111的直流输出电压VUPDC、VUNDC、VVPDC、VVNDC、VWPDC、VWNDC相等的方式进行控制。
因此，通过进行这样的控制，可考虑将上述直流电压VUPDC、VUNDC、VVPDC、VVNDC、VWPDC、VWNDC和上述基波零相交流成分V0、与上述基波交流成分VUPAC、VVPAC、VWPAC、VUNAC、VVNAC、VWNAC分离。若将图11中的直流电压源和上述基波零相交流成分V0分离，而仅着眼于上述基波交流成分VUPAC、VVPAC、VWPAC、VUNAC、VVNAC、VWNAC，则可得到图12所示的等效电路。
在图12中，如公式1、公式2所示那样，O点、P′点、N′点的电位相等。
以下，使用图13，对独立地控制正侧组112和负侧组113的无功功率的方法进行说明。此外，这里作为一例，对使正侧组112产生进相无功功率、使负侧组113产生迟相无功功率的方法进行说明。
图13是电压源1101的U相电压VU、U相正侧桥臂106的基波交流输出电压VUPAC、U相负侧桥臂106的基波交流输出电压VUNAC、与U相正侧桥臂106连接的电抗器104的施加电压VLUP、与U相负侧桥臂106连接的电抗器104的施加电压VLNP、U相正侧桥臂106中流动的电流IUP、U相负侧桥臂107中流动的电流IUN的相量图。此外，在图13中，逆时针方向是进相方向，顺时针方向是迟相方向。虽然在图13中仅表示出了U相，但也能作为V相、W相各旋转120度相位后的相量图来描述。
如图13所示，关于U相，存在VU＝VUPAC+VLUP＝VUNAC+VLUN。另外，关于V相，存在VV＝VVPAC+VLVP＝VVNAC+VLVN，关于W相，存在VW＝VWPAC+VLWP＝VWNAC+VLWN。
在使正侧组112产生进相无功功率的情况下，将U相正侧桥臂106的基波交流电压VUPAC、V相正侧桥臂108的基波交流电压VVPAC、W相正侧桥臂110的基波交流电压VWPAC的振幅分别设定得比VU、VV、VW的振幅更高。
据此，正侧组112所连接的电抗器104的施加电压VLUP、VLVP、VLWP的相位，分别变为与VU、VV、VW的相位相反的相位。
因此，如图13所示，正侧组112中流动的电流IUP、IVP、IWP，成为比正侧组112所连接的电抗器104的施加电压VLUP、VLVP、VLWP仅滞后90度的电流、即成为比VU、VV、VW超前90度的电流，正侧组112产生进相无功功率。
同样地，在使负侧组113产生迟相无功功率的情况下，将U相负侧桥臂107的基波交流电压VUNAC、V相负侧桥臂109的基波交流电压VVPAC、W相负侧桥臂111的基波交流电压VWNAC的振幅分别设定得比VU、VV、VW的振幅更低。
据此，负侧组113所连接的电抗器104的施加电压VLUN、VLVP、VLWP的相位，分别变为与VU、VV、VW的相位同相。
因此，如图13所示，负侧组113中流动的电流IUN、IVN、IWN，成为比负侧组113所连接的电抗器104的施加电压VLUN、VLVN、VLWN仅滞后90度的电流、即成为比VU、VV、VW滞后90度的电流，负侧组113产生迟相无功功率。
此外，虽然在图13中作为一例说明了使正侧组112产生进相无功功率、使负侧组113产生无功功率的方法，但也可以将其逆转。
以下，对独立地控制正侧组112和负侧组113的无功功率而带来的效果进行说明。
为了实施电力转换装置102的heat run试验，考虑需要将各电抗器104及各单位转换器105进行额定运转的情况。
在以往的控制方法中，向电力转换装置102提供一个无功功率指令值。因为伴随该无功功率流动的电流是由试验用电源101供给的，故试验用电源101需要电力转换装置102的额定功率以上的容量。
另一方面，在本实施例中，特征在于，独立地控制正侧组112和负侧组113的无功功率。
在正侧组产生进相无功功率，同时负侧组产生迟相无功功率的情况下，流入试验用电源101的无功功率，因来自正侧组的进相无功功率和来自负侧组的迟相无功功率被抵消而变小。
若将正侧组产生的无功功率设为QP，将负侧组产生的无功功率设为QN，将进相无功功率表示为正，将迟相无功功率表示为负，则从电力转换装置102输出到试验用电源101的进相无功功率Q为Q＝QP+QN。
若设电力转换装置102的额定无功功率为QR，则在进行heat run试验的情况下，设QP*＝QR/2，QN*＝-QR/2。在无功功率控制是理想状态的情况下，存在QP＝QP*＝QR/2，QN＝QN*＝-QR/2，从电力转换装置102输出到试验用电源101的无功功率，在理想状态下为Q＝QP+QN＝0。
因此，根据本发明，试验用电源101仅供给与在电力转换装置102内部产生的功率损耗份额相当的有功功率，故可得到试验用电源101的所需容量相比于额定无功功率大幅降低的效果。
以下，使用图1～图3，对正侧和负侧组控制装置114、115的动作进行说明。
首先，使用图3，对正侧组控制装置114的内部构成进行说明。正侧组控制装置114具备无功功率检测部301和无功功率控制部302。此外，因为负侧组控制装置115的内部构成是将图3中的QP*、QP、IUP、IVP、IWP分别置换成QN*、QN、IUN、IVN、IWN的构成，故省略图示。
正侧和负侧组控制装置114、115，大致以固定周期进行以下说明的一系列动作。将该周期称为控制周期。以下，以正侧组控制装置114的动作为代表进行说明。因负侧组控制装置115的动作与正侧组控制装置114相同，故省略说明。
无功功率检测部301根据由电压检测用变量器116检测出的电压VU、VV、VW和由电流检测器117检测出的电流IUP、IVP、IWP，检测正侧组的无功功率QP。
另外，无功功率控制部302基于比较无功功率指令值QP*和无功功率检测部301检测出的无功功率QP之后的误差QP*-QP、通过信号线118检测出的各单位转换器的直流电压VCij、和电压VU、VV、VW，计算各单位转换器105的输出电压Vij*的基波交流成分。
另外，无功功率控制部302在全部单位转换器105的输出电压指令值Vij*上重叠相同的直流电压成分。据此，在电力转换器102中不会流动直流电流。
运算后的输出电压指令值Vij*，经由信号线118被传输到各单位转换器105。
这样，基于比较正侧桥臂无功功率指令值QP*和实际无功功率QP之后的误差QP*-QP，控制各斩波单元的输出电压Vij，即通过反馈控制无功功率QP，可得到能够更正确地控制正侧组无功功率指令值QP的效果。
图2所示的单位转换器控制装置206，将由电压检测器205检测出的直流电压信号VCij，通过信号线118送出到正侧或者负侧组控制装置114、115。另外，单位转换器控制装置206，基于从正侧或者负侧组控制装置114、115接收到的输出电压指令值Vij*，生成开关元件201、202用的栅极脉冲，并传输到栅极驱动器204。栅极驱动器204基于从单位转换器控制装置206接收到的栅极脉冲，控制高压侧和低压侧·开关元件201、202的栅极·发射极间电压。
此外，虽然在本实施例中从正侧和负侧组控制装置114、115传输各单位转换器105的输出电压指令值Vij*，但也可以是代替输出电压指令值Vij*而传输各单位转换器105内的开关元件201、202的栅极脉冲的方式。
在这里，对本实施例的另一个效果进行说明。在将电力转换装置102不与试验用电源101互连而与电力系统互连来进行并网试验的情况下，通过使正侧、负侧组各自输出大小相同且极性相反的无功功率，可得到在不使不需要的电力流出到电力系统的情况下能够实施并网试验的效果。
实施例2
使用图1～图4，对实施本发明的第2实施方式进行说明。在实施例1中，如图1所示，使用正侧组控制装置114和负侧组控制装置115这两个控制装置控制电力转换装置102。本实施例将其综合为1个控制装置。并且，关于正侧和负侧组控制装置114、115以外的部分，只要没有特别提及均与实施例1相同。
并且，根据本实施例可得到与实施例1相同的效果。
图4是在1个控制装置中综合了正侧组控制装置114和负侧组控制装置115的功能的控制装置401。基于由电压检测用变量器116检测出的电压VU、VV、VW、由用电流检测器117检测出的IUP、IVP、IWP、IUN、IVN、IWN、2个无功功率指令值QP*、QN*、以及经由信号线118接收到的各单位转换器的直流电压VCij，计算各单位转换器105的输出电压指令值Vij*，并通过信号线118传输到各单位转换器105。
此外，虽然从控制装置401传输了输出电压指令值Vij*，但也可以是代替输出电压指令值Vij*而传输各单位转换器105内的开关元件201、202用的栅极脉冲的方式。
实施例3
使用图5，对实施本发明的第3实施方式进行说明。在实施例1中，电力转换装置102是三相MMC方式。本实施例是将其作为单相MMC方式。
并且，根据本实施例可得到与实施例1相同的效果。
电力转换装置502与单相试验用电源501互连。此外，图5是假设进行heat run试验的图。另一方面，在并网试验或者正常运用时，电力转换装置502代替单相试验用电源501而与单相电力系统互连。
电力转换装置502由单相变压器503、电抗器104、单位转换器105、正侧组控制装置507、负侧组控制装置508、电压检测用变量器504、电流检测器117、将来自正侧组控制装置507和负侧控制装置508的控制信号向各单位转换器传输的信号线118构成。
电力转换装置502具有4个桥臂，分别称为U相正侧桥臂106、U相负侧桥臂107、V相正侧桥臂108、V相负侧桥臂109。
将与正侧直流母线P连接的2个桥臂、即U相正侧桥臂106和V相正侧桥臂108总称为正侧组。属于正侧组505的各单位转换器105，经由菊链连接的信号线118而受控于正侧组控制装置507。
将与负侧直流母线N连接的2个桥臂、即U相负侧桥臂107和V相负侧桥臂109总称为负侧组113。属于负侧组113的各单位转换器105，经由菊链连接的信号线118而受控于负侧组控制装置508。
本实施例中的单位转换器105的构成与实施例1相同。
在本发明的单相MMC方式的电力转换装置502中，其特征点是具备正侧组112和负侧组113各自独立的控制装置、即具备正侧组控制装置114、负侧组控制装置115，正侧组控制装置114和负侧组控制装置115分别可提供独立的无功功率指令值QP*、QN*。
以下，使用图6，对正侧组控制装置507的内部构成进行说明。
正侧组控制装置507具备无功功率检测部601和无功功率控制部602。负侧组控制装置508的内部构成是将图6中的QP*、QP、IUP分别置换成QN*、QN、IUN的构成，故省略图示。
以下，使用图1、图2、图5、图6，对电力转换装置502的控制进行说明。
正侧和负侧组控制装置507、508，大致以固定周期进行以下说明的一系列动作。将该周期称为控制周期。以下，以正侧组控制装置507的动作为代表进行说明。因负侧组控制装置508的动作与正侧组控制装置507相同，故省略说明。
无功功率检测部601根据由电压检测用变量器116检测出的电压VU和由电流检测器117检测出的电流IUP，检测正侧组的无功功率QP。
另外，无功功率控制部602基于比较无功功率指令值QP*和无功功率检测部601检测出的无功功率QP之后的误差QP*-QP、通过信号线118检测出的各单位转换器的直流电压VCij和电压VU、VV、VW，算出各单位转换器105的输出电压Vij*的基波交流成分。
另外，无功功率控制部302在全部单位转换器105的输出电压指令值Vij*上叠加相同的直流电压成分。据此，在电力转换器102中不会流动直流电流。
运算后的输出电压指令值Vij*，经由信号线118传输到各单位转换器105。
这样，基于比较正侧桥臂无功功率指令值QP*和实际的无功功率QP之后的误差QP*-QP，通过控制各斩波单元的输出电压Vij，可得到能够更正确地控制正侧桥臂无功功率指令值QP的效果。
此外，虽然在本实施例中从正侧和负侧组控制装置114、115传输各单位转换器105的输出电压指令值Vij*，但也可以是代替输出电压指令值Vij*而传输各单位转换器105内的开关元件201、202的栅极脉冲的方式。
在这里，对本实施例的其他效果进行说明。在将电力转换装置102不与试验用电源101互连而与电力系统互连来进行并网试验的情况下，通过使正侧、负侧组各自输出大小相同且极性相反的无功功率，可得到在不使电力系统流出不需要的电力的情况下能够实施并网试验的效果。
实施例4
使用图7，对实施本发明的第4实施方式进行说明。本实施例的特征点是具备用于将正侧组和负侧组从试验用电源或者电力系统中独立地断开的断路器或者开关器702。
并且，根据本实施例可得到和实施例1相同的效果。
而且，由于具备断路器或者开关器702，在将正侧、负侧组112、113的其中一个从电力系统中独立地断开而进行维护的状态下，可得到另一个与电力系统互连而能够继续运转的效果。
为了维护正侧组112，即便在将与U相正侧桥臂106、V相正侧桥臂108、W相正侧桥臂110串联连接的断路器或者开关器702断开的情况下，也向负侧组控制装置提供无功功率指令值QN*，通过进行如实施例1所示那样的控制，可得到能继续进行无功功率补偿运转的效果。
实施例5
使用图8、图9，对实施本发明的第5实施方式进行说明。
在实施例1中叙述了将三相MMC方式的电力转换装置用作无功功率补偿装置的情况。另一方面，在本实施例中，示出与各单位转换器的直流电容器并联地连接二次电池，将三相MMC方式的电力转换装置用作电力存储装置的构成。
在本实施例的电力转换装置801中，其特征在于，正侧、负侧组112、113各自独立地具备正侧组控制装置803、负侧组控制装置804，正侧和负侧组控制装置803、804可独立地提供有功功率指令值PP*、PN*。
并且，根据本实施例可得到和实施例1相同的效果。
进一步阐述本实施例的其他效果。根据本实施例，可实现从正侧组112向负侧组113或者与之相反地传输能量，据此可以得到在试验用电源101中几乎不流动电流就可以进行二次电池的充放电试验的效果。
电力转换装置801与试验用电源101互连。此外，图8是假设进行场内试验的图。另一方面，在并网试验或者正常运用时，电力转换装置802代替试验用电源101而与电力系统互连。
图8和图1的不同点在于，与图8的各单位转换器802的直流电容器并联地连接二次电池。另外，其他不同点是图8的正侧、负侧组控制装置803、804控制的不是无功功率而是有功功率。
作为图8和图1的不同点，是各单位转换器802所连接的二次电池，故图8和图1同样地，可用图11、图12的等效电路表示。以下，使用图11、图12、图14，对独立地控制正侧组112和负侧组113的有功功率的方法进行说明。在这里，为了简化说明，将变压器103的匝数比设为1∶1，变压器的一次、二次线圈的电动势没有相位差。
以下，使用图14，对独立地控制正侧组112和负侧组113的无功功率的方法进行说明。此外，这里作为一例，说明正侧组112吸收有功功率，同时负侧组113释放有功功率的情况。
图14是电压源1101的U相电压VU、U相正侧桥臂106的基波交流输出电压VUPAC、U相负侧桥臂106的基波交流输出电压VUNAC、与U相正侧桥臂106连接的电抗器104的施加电压VLUP、与U相负侧桥臂106连接的电抗器104的施加电压VLNP、在U相正侧桥臂106中流动的电流IUP、在U相正侧桥臂106中流动的电流INP的相量图。此外，在图14中，逆时针方向是进相方向，顺时针方向是迟相方向。虽然在图14中仅表示出了U相，但也能作为V相、W相各旋转120度相位后的相量图来描述。
如图14所示，关于U相，存在VU＝VUPAC+VLUP＝VUNAC+VLUN。另外，关于V相，存在VV＝VVPAC+VLVP＝VVNAC+VLVN，关于W相，存在VW＝VWPAC+VLWP＝VWNAC+VLWN。
在使正侧组112吸收有功功率的情况下，使U相正侧桥臂106的基波交流电压VUPAC、V相正侧桥臂108的基波交流电压VVPAC、W相正侧桥臂110的基波交流电压VWPAC的相位分别比VU、VV、VW的相位更滞后。
据此，正侧组112所连接的电抗器104的施加电压VLUP、VLVP、VLWP的相位，分别变为比VU、VV、VW的相位超前了90度的相位。
因此，如图14所示，正侧组112中流动的电流IUP、IVP、IWP，成为比正侧组112所连接的电抗器104的施加电压VLUP、VLVP、VLWP仅滞后90度的电流、即成为与VU、VV、VW同相的电流，正侧组112吸收有功功率。
同样地，在使负侧组113释放有功功率的情况下，使U相负侧桥臂107的基波交流电压VUNAC、V相负侧桥臂109的基波交流电压VVPAC、W相负侧桥臂111的基波交流电压VWNAC的相位分别比VU、VV、VW的相位更超前。
据此，负侧组113所连接的电抗器104的施加电压VLUN、VLVP、VLWP的相位，分别变为比VU、VV、VW的相位滞后了90度的相位。
因此，如图14所示，负侧组113中流动的电流IUN、IVN、IWN，成为比负侧组113所连接的电抗器104的施加电压VLUN、VLVN、VLWN仅滞后90度的电流、即成为与VU、VV、VW反相的电流，负侧组113释放有功功率。
此外，虽然在图13中作为一例说明了正侧组112吸收有功功率、同时负侧组113释放有功功率的情况，但也可以将其逆转。
以下，对独立地控制正侧组112和负侧组113的有功功率带来的效果进行说明。
为了实施电力转换装置801的heat run试验，考虑需要将各电抗器104及各单位转换器105进行额定运转的情况。
在以往的控制方法中，向电力转换装置801提供一个有功功率指令值。因为伴随着该无功功率流动的电流是由试验用电源101供给的，故试验用电源101需要电力转换装置801的额定功率以上的容量。
另一方面，在本实施例中，特征在于，独立地控制正侧组112和负侧组113的有功功率。
在正侧组吸收有功功率，同时负侧组释放有功功率的情况下，流入试验用电源101的有功功率，因正侧组吸收的有功功率和负侧组释放的有功功率被抵消而变小。
若将正侧和负侧组112、113吸收的有功功率分别设为PP、PN，将吸收的有功功率表示为正，将释放的有功功率表示为负，则从试验用电源101供给到电力转换装置102的有功功率P设为P＝PP+PN。
若设电力转换装置102的额定有功功率为PR，则在进行heat run试验的情况下，设PP*＝PR/2，PN*＝-PR/2。在无功功率控制是理想状态的情况下，存在PP＝PP*＝PR/2，PN＝PN*＝-PR/2，由电力转换装置102从试验用电源101吸收的有功功率，在理想状态下为P＝PP+PN＝0。
因此，根据本实施例，试验用电源101仅提供与在电力转换装置102内部产生的功率损耗份额相当的有功功率，故可得到试验用电源101的所需容量相比于额定有功功率大幅降低的效果。
以下，使用图9，对单位转换器802的构成进行说明。
图9所示的单位转换器802是与图2所示的单位转换器基本相同的构成，不同点在于与直流电容器203并联地连接二次电池901。
此外，在图9中，将二次电池901与直流电容器203直接地并联连接，但也可以在直流电容器203和二次电池之间设置DC-DC转换器(直流-直流转换器)。
以下，使用图8～图10，对正侧和负侧组控制装置114、115的动作进行说明。
首先，使用图10，对正侧组控制装置803的内部构成进行说明。正侧组控制装置114具备有功功率检测部1001和有功功率控制部1002。此外，因为负侧组控制装置804的内部构成是将图10中的PP*、PP、IUP、IVP、IWP分别置换成PN*、PN、IUN、IVN、IWN的构成，故省略图示。
正侧和负侧组控制装置803、804，大致以固定周期进行以下说明的一系列动作。将该周期称为控制周期。以下，以正侧组控制装置114的动作为代表进行说明。因负侧组控制装置804的动作与正侧组控制装置114相同，故此省略说明。
有功功率检测部1001根据由电压检测用变量器116检测出的电压VU、VV、VW和由电流检测器117检测出的电流IUP、IVP、IWP，检测正侧组的有功功率PP。
另外，有功功率控制部1002基于比较无功功率指令值PP*和无功功率检测部1001检测出的有功功率PP之后的误差PP*-PP、通过信号线118检测出的各单位转换器的直流电压VCij、和电压VU、VV、VW，计算各单位转换器802的输出电压Vij*的基波交流成分。
另外，有功功率控制部1002在全部单位转换器105的输出电压指令值Vij*上叠加相同的直流电压成分。据此，在电力转换器801中不会流动直流电流。
运算后的输出电压指令值Vij*，经由信号线118传输到各单位转换器105。
这样，基于比较正侧组有功功率指令值PP*和实际的正侧组有功功率PP之后的误差PP*-PP，控制各斩波单元的输出电压Vij。即、通过反馈控制有功功率PP，可得到能够更正确地控制正侧组有功功率PP的效果。
此外，虽然在本实施例中从正侧和负侧组控制装置114，115传输各单位转换器105的输出电压指令值Vij*，但也可以是代替输出电压指令值Vij*而传输各单位转换器105内的开关元件201，202的栅极脉冲的方式。
在本实施例中，如实施例2所示那样，可以使用综合了正侧和负侧组控制装置803、804的控制装置。
此外，在本实施例中，也与实施例4同样地，可与各桥臂串联地连接断路器或者开关器，将正侧、负侧组从系统中独立地断开或者接入。
此外，在本实施例中，例示出连接了二次电池的各单位转换器802，但也可以替代二次电池，而连接太阳能电池等授受能量的元件。
上述记载只是针对实施例进行的，本发明并不限定于此，在本发明的宗旨和所附的权利要求范围内可进行各种变更及修正，对于本领域技术人员而言是显而易见的。
产业上的可利用性
本发明的电力转换装置，可适用于直流输电系统(HVDC)或无功功率补偿装置(STATCOM)、电机驱动逆变器等的控制电力的装置。
符号说明
101  试验用电源
102、502、701、801  电力转换装置
103  变压器
104  电抗器
105  单位转换器
106  U相正侧桥臂
107  U相负侧桥臂
108  V相正侧桥臂
109  V相负侧桥臂
110  W相正侧桥臂
111  W相负侧桥臂
112、505  正侧组
113、506  负侧组
114、507、803  正侧组控制装置
115、508、804  负侧组控制装置
116  电压检测用变量器
117  电流检测器
118  信号线
201  高压侧·开关元件
202  低压侧·开关元件
203  直流电容器
204  栅极驱动器
205  电压检测器
206、902  单位转换器控制装置
207  自给电源
301、601  无功功率检测部
302  无功功率控制部
401  综合后的正侧·负侧组控制装置
501  单相试验用电源
503  单相变压器
504  单相电压检测用变量器
502  无功功率·直流电压控制部
702  断路器或者开关器
802  连接了二次电池的单位转换器
901  二次电池
1001  有功功率检测部
1002  有功功率控制部
1101  表示变压器103的二次线圈的电压的电压源
1102  U相正侧桥臂的等效电压源
1103  U相负侧桥臂的等效电压源
1104  V相正侧桥臂的等效电压源
1105  V相负侧桥臂的等效电压源
1106  W相正侧桥臂的等效电压源
1107  W相负侧桥臂的等效电压源
1201  仅考虑了基波交流成分的U相正侧桥臂的等效电压源
1202  仅考虑了基波交流成分的U相负侧桥臂的等效电压源
1203  仅考虑了基波交流成分的V相正侧桥臂的等效电压源
1204  仅考虑了基波交流成分的V相负侧桥臂的等效电压源
1205  仅考虑了基波交流成分的W相正侧桥臂的等效电压源
1206  仅考虑了基波交流成分的W相负侧桥臂的等效电压源
1207  正侧组的平均直流电压
1208  正侧组的基波零相电压
1209  负侧组的平均直流电压
1210  负侧组的基波零相电压

Claims (11)

1.一种电力转换装置，将由1个单位转换器或者串联连接的多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于具备下述单元：
针对与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群的各个桥臂群，独立地控制有功功率或者无功功率。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述正侧组桥臂群和所述负侧组桥臂群分别具有3个桥臂。
3.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述正侧组桥臂群和所述负侧组桥臂群分别具有2个桥臂。
4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置具备：检测在属于所述正侧组桥臂群的各桥臂中流动的电流的电流检测器；和检测在属于所述负侧组桥臂群的桥臂中流动的电流的电流检测器。
5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述正侧组桥臂群的控制装置具有下述功能：至少基于在属于所述正侧组桥臂群的各桥臂中流动的电流和属于所述正侧组桥臂群的各单位转换器的直流电压，反馈控制所述正侧组桥臂群的有功功率以及/或者无功功率。
6.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述单位转换器具备：
主电路，其由开关元件和直流电容器构成；
电压传感器，其检测所述直流电容器的电压；
单位转换器控制装置，其承担接收来自所述正侧组桥臂群的控制装置或者所述负侧组桥臂群的控制装置的信号并生成所述开关元件的栅极脉冲的功能、和将来自所述电压传感器的信号传输给所述正侧组桥臂群的控制装置或者所述负侧组桥臂群的控制装置的功能；
栅极驱动器，其接收来自所述单位转换器控制装置的栅极脉冲并使开关元件接通/断开；和
自给电源，其给所述单位转换器控制装置和栅极驱动器供给电源。
7.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述单位转换器具备：
主电路，其由开关元件和直流电容器构成；
电压传感器，其检测所述直流电容器的电压；
单位转换器控制装置，其承担接收来自所述正侧组桥臂群的控制装置或者所述负侧组桥臂群的控制装置的信号并生成所述开关元件的栅极脉冲的功能、和将来自所述电压传感器的信号传输给所述正侧组桥臂群的控制装置或者所述负侧组桥臂群的控制装置的功能；
栅极驱动器，其接收来自所述单位转换器控制装置的栅极脉冲并使开关元件接通/断开；和
自给电源，其给所述单位转换器控制装置和栅极驱动器供给电源，
与所述直流电容器并联地连接二次电池、其他能量存储或产生装置，或者经由直流-直流转换器连接二次电池、其他能量存储或产生装置。
8.一种电力转换装置，将由1个单位转换器或者串联连接的多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置针对与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群的各个桥臂群具备独立的控制装置，该电力转换装置的特征在于，
所述负侧组桥臂群的控制装置具有下述功能：至少基于在属于所述负侧组桥臂群的各桥臂中流动的电流和属于所述负侧组桥臂群的各单位转换器的直流电压，反馈控制所述负侧组桥臂群的有功功率以及/或者无功功率。
9.一种电力转换装置，将由1个单位转换器或者串联连接的多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，该电力转换装置具备对与该电力转换装置的正侧直流母线连接的正侧组桥臂群和与负侧直流母线连接的负侧组桥臂群两者独立地进行控制的综合控制装置，该电力转换装置的特征在于，
所述综合控制装置具有下述功能：至少基于在各桥臂中流动的电流和各单位转换器的直流电压，反馈控制正侧组和负侧组的各个组的有功功率以及/或者无功功率。
10.一种电力转换装置，将由1个单位转换器或者串联连接的多个单位转换器构成的桥臂连接成电桥状而构成，所述电力转换装置的特征在于具有下述功能：
针对与该电力转换装置的第1母线连接的第1桥臂群和与第2母线连接的第2桥臂群的各个桥臂群，独立地控制有功功率或者无功功率。
11.根据权利要求10所述的电力转换装置，其特征在于，
所述电力转换装置具备用于相对于电力系统或者试验用电源独立地接通/断开所述第1桥臂群及第2桥臂群的开关单元。
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