CN107408899B - 可变速发电电动装置以及可变速发电电动系统 - Google Patents

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Abstract

在可变速发电电动装置中，功率变换器具备6个由k个能输出任意电压的单位变换器串联连接而得的2端子臂，交流旋转电动机械具备2层线圈且60度相带的电枢绕组，分为电枢绕组的第一极侧和第二极侧，将中性点作为双路星型接线，通过2组3相端子引出，第一极侧的3相端子与功率变换器的3个臂的第一端子连接，3个2端子臂的第二端子与直流电源的第一端子进行星型接线，电枢绕组的第二极侧的3相端子与功率变换器的剩余3个2端子臂的第二端子连接，3个2端子臂的第一端子与直流电源的第二端子进行星型接线，将直流电源的直流电流进行3等分，依次流过与直流电源的第二端子连接的3个2端子臂、电枢绕组、与直流电源的第一端子连接的3个2端子臂。

Description

可变速发电电动装置以及可变速发电电动系统
技术领域
本发明涉及连接模块化多电平PWM功率变换器(以下，本发明中称作“MMC变换器”。)和交流旋转电动机械而得的可变速发电电动装置、以及使用该可变速发电电动装置的可变速发电电动系统。
背景技术
MMC变换器的电路由单位变换器组成，该单位变换器通过控制以电容器、蓄电池等电压源特性的储能元件为电压源的PWM变换器的调制率来产生预期电压。单位变换器的储能元件的电压根据由交流频率决定的周期的充放电而变动。将该单位变换器串联连接来作为2端子臂，将该臂的第一端子与交流电源的各相端子连接，将进行星型接线的第二端子与直流电源的端子连接。
根据该结构，与各相连接的臂在产生预期的交流频率电压来进行交流电流控制的同时，通过叠加直流电流来与直流电源之间实现功率变换。
MMC变换器的控制具有根据来自外部的交流电流指令和直流电流指令调节臂电流的电流控制(以下，本发明中称作“变换器电流控制”。)、通过在臂内相互调节在单位变换器中设置的PWM变换器的调制率来使储能元件的平均电压在单位变换器间保持平衡的功能(以下，本发明中称作“级间控制”。)、使臂内的储能元件的总蓄积能量在臂间保持平衡的功能(以下，本发明中称作“相间平衡控制”。)。实现该相间平衡控制需要用于抑制臂间循环电流的电路元件。
专利文献1中公开了为此而在各相臂的第一端子与交流电源端子间设置循环电流抑制电抗器的方式(以下，本发明中称作“DSMMC变换器”。)。
专利文献2中公开了以下方法，设置具备进行了双路星型接线的第二次和第三次绕组的变压器，在将第二次、第三次绕组的漏抗作为电流抑制电路元件的同时，抵消由循环电流引起的变压器铁芯的直流磁动势(以下，本发明中称作“DIMMC变换器”。)。
专利文献3中公开了以下方法，设置具备进行了曲折接线的第二次和第三次绕组的变压器，将第二次、第三次绕组的漏抗作为电流抑制电路元件，抵消由循环电流引起的变压器铁芯的直流磁动势(以下，本发明中称作“ZCMMC 变换器”。)。
非专利文献1中，作为将2台MMC变换器的直流端子进行背后连接来作为可变频率电源，将一个交流端子与交流系统连接，另一个交流端子与交流旋转电动机械连接来实现可变速发电电动装置的方法，公开了将2台DSMMC 变换器的直流端子进行背后连接的方法。
根据该方法，即使与MMC变换器连接，直流电流也不会叠加到交流旋转电动机械。因此，适用于使与交流系统直接连接并以固定频率运转的交流旋转电动机械可变速化的情况。
专利文献4中公开了在交流旋转电动机械侧连接ZCMMC变换器的方法。声称通过该方法即使不设置循环电流抑制电抗器也能实现交流电动系统。
专利文献5中公开了交流旋转电动机械的可变频率电压、电流信号的矢量测量方法。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第5189105号公报
专利文献2：国际公开第2009/135523号
专利文献3：日本特许第5268739号公报
专利文献4：日本特开2013-162735号公报
专利文献5：日本特许第5537095号公报
非专利文献
非专利文献1：萩原誠·西村和敬·赤城泰文，「モジュラー·マルチレベルPWMインバータを用いた高压モータドライブ：第1報，400V，1 5kWミニモデルによる実験的検証」，電気学会論文誌D，2010年4月， 130巻，4号，pp.544－551
非专利文献2：Philip L.Alger,‘Induction Machines’,Second Edition,April,1969
发明内容
发明要解决的课题
采用功率用半导体开关元件(以下，本发明中称作“开关元件”。)的静止功率变换装置可以大致区分为采用晶闸管等不具备自消弧功能的开关元件的他励式电流型变换器(以下，本发明中称作“LCC变换器”。)和采用IGBT等具备自消弧功能的开关元件的自励式电压型变换器(以下，本发明中称作“VSC 变换器”。)。
特别是在VSC变换器的情况下，随着开关元件的高压化，旋转电动机械的线圈电压的时间变化率增高，随着改善开关特性，为了抑制高次谐波电流而提高PWM频率，从而导致线圈的漏电流增加。
特别是在使以商用交流频率电源为前提而设置的交流旋转电动机械可变速化的情况下成为瓶颈。
MMC变换器被分类为具备PWM控制的VSC变换器。不同于现有PWM 变换器，MMC变换器通过将单位变换器N级串联连接，能不对电抗器、变压器使用复杂接线地将PWM控制引起的电压脉动幅度抑制为1/N，抑制施加在交流旋转电动机械的电压的高次谐波成分。通过采用MMC变换器，旋转电动机械的线圈绝缘可不强化地进行使用，特别适宜使以交流电源系统的固定频率为前提而设置的交流旋转电动机械可变速化的情况。
另外，MMC变换器通过使单位变换器的串联连接数具有冗余并使发生故障的单位变换器的输出端子短路，能提高可用性。因此，MMC变换器适宜使需要多个单位变换器的大容量交流旋转电动机械可变速化的情况。
非专利文献1公开了适宜实现该特长的技术。专利文献4中主张通过连接 ZCMMC变换器能实现可变速发电电动装置。
但是，上述2文献中没有公开在应用MMC变换器使交流旋转电动机械可变速化的情况下必然发生的课题和解决方案。
第一课题源自MMC变换器的输出电流容量与频率成正比的特性。该课题为，由于电流容量在低频输出区域下降，因此不能确保原理上输出转矩与电流成正比的交流旋转电动机械的启动转矩。尤其存在不能适用于同步机启动的课题，而同步机占适宜发挥MMC变换器特长的大容量旋转电动机械的大半。无论DSMMC变换器、DIMMC变换器、ZCMMC变换器，该课题是在与交流旋转电动机械连接情况下的通用课题，而非专利文献1和专利文献4中没有公开课题和解决方法。
第二课题为在旋转电动机械的绕组上有意地叠加直流电流而发生的课题。
非专利文献2的p.356中指出，“基于感应机定子和转子铁芯槽数组合的曲折漏磁通导致的磁吸引力的不平衡也会成为问题。”。
再者，在如DIMMC变换器、ZCMMC变换器那样有意图地叠加直流电流的情况下，抵消铁芯槽内部的线圈电流引起的直流磁动势是必要最小条件。该课题在作为交流旋转电动机械而采用同步机、感应机的情况下是通用课题。
另一方面，专利文献4中主张，“如果使3等分的直流电流流过3相绕组，则由零相电流产生的磁场为零”。
非专利文献2的p.76～p.79中介绍了3种电枢绕组。该文献的图3.5中介绍了单层线圈构成的绕组，图3.6中介绍了2层线圈60度相带的绕组，图3.7 中介绍了2层线圈120度相带的绕组。其中，“如果使3等分的直流电流流过 3相绕组，则槽内的磁动势被抵消，由零相电流产生的磁场为零”这一专利文献4的主张成立的仅仅是图3.7中所示的2层线圈构成的120度相带结构。以下，针对3种绕组进行说明。
单层线圈的情况下，由于槽内部的线圈电流为单一相，因此原理上不能抵消磁动势。
图21中表示将2极机的电枢绕组构成为容纳在18槽内的2层线圈构成的 60度相带的例子。
图21中表示使非专利文献2的图3.3在圆周上展开得到的图3.6的3相绕组进行星型接线并且在各相中流过3等分的直流电流时的磁动势分布和磁场分布。而且，图21中，实线表示2层线圈的上层线圈，虚线表示下层线圈。
此处，表示从N端子向3相(RST)端子流过3等分的直流电流IDC/3时各相绕组产生的磁动势分布、由3相部分合计得到的磁动势分布和磁场分布。如图21所示，由于直流电流生成接近正弦波的磁场分布，因此不实用。
接着，图7中表示以将2极机的电枢绕组容纳在18槽内的2层线圈构成 120度相带的例子。
图7表示将非专利文献2的图3.7的绕组由短节距绕组(线圈间距8/9)变更为全节距绕组并对3相绕组进行星型接线，流过3等分的直流电流时的磁动势分布和磁场分布。而且，图7中，实线表示2层线圈的上层线圈，虚线表示下层线圈。
此处，表示从N端子向3相(RST)端子流过3等分的直流电流IDC/3时各相绕组产生的磁动势分布、以及3相合计得到的磁动势分布和磁场分布。如图 7所示，直流电流叠加部分引起的槽内磁动势被抵消，对磁场分布的贡献为零。
由上，在连接ZCMMC变换器和交流旋转电动机械来构成可变速发电电动装置的情况下，针对交流旋转电动机械，“向2层线圈构成的120度相带的电枢绕组的各相叠加3等分的直流电流”是必要条件。
但是，在使已设置交流旋转电动机械可变速化的情况下，大多情况下使绕组系数、高次谐波成分优先，120度相带的应用例未必多。因此，专利文献4 的方法能应用于已设置机器可变速化的情况有限。
另一方面，在2层线圈构成的60度相带的电枢绕组的情况下，根据图4 所示方法，也能抵消由3等分的直流叠加电流引起的槽内磁动势，使对磁场分布的贡献为零。
图4中，对图21的3相线圈生成的每个磁极进行等分，将分别叠加到第一组3相端子(RP、SP、TP)和第二组3相端子(RN、SN、TN)的直流电流3等分，彼此叠加逆极性的直流电流。
此时，表示各相绕组生成的磁动势分布、以及3相合计的磁动势分布和磁场分布。如图4所示，能抵消由直流电流叠加部分引起的槽内磁动势，使对磁场分布的贡献为零。但是，ZCMMC变换器存在不能叠加相反极性直流电流的课题。
本发明的目的在于提供解决上述课题并采用大型交流发电电动机的可变速发电电动装置、可变速发电电动系统。
用于解决课题的手段
为了达成上述目的，本发明提供一种可变速发电电动装置，使交流电动机械电枢绕组为2层线圈60度相带，分为正极侧和负极侧并连结中性点端子作为星型接线，正极侧端子与DIMMC变换器臂的第一端子连接，负极侧端子与DIMMC变换器臂的第二端子连接，使正侧和负侧绕组的直流电流为相反极性的同一值，对各相3等分，从而抵消线圈槽内直流电流部分引起的磁动势，稳定。
或者，为了达成上述目的，提供一种可变速发电电动装置，使交流旋转电动机械的电枢绕组为2层线圈120度相带，通过将ZCMMC变换器的各臂直流电流3等分，从而抵消线圈槽内的直流电流重叠部分引起的磁动势，稳定。
或者，为了达成上述目的，本发明提供一种可变速发电电动装置，使4×n 极交流旋转电动机械的电枢绕组为2层线圈60度相带，在正极和负极进行2 等分并与各相串联连接(2×n)极绕组，并联连接m路而得的星型接线设置2组 3相端子，n、m为自然数，正极侧3相端子与DIMMC变换器臂的第一端子连接，第二端子与直流电源装置的正侧端子连接，负极侧3相端子与DIMMC 变换器臂的第二端子连接，第一端子与直流电源装置的负侧端子连接，使针对 MMC变换器臂的直流电流值相同，使正侧和负侧臂为相反极性，向各相3等分从而抵消线圈槽内直流电流叠加部分引起的磁动势，稳定；同时能对 DIMMC变换器进行旁路运用。特别在使(4×n)极的(2×m)路并联星型接线的交流旋转电动机械通过变更电枢绕组的线圈端连接来进行可变速化的情况下，由于在变更前后能保持端子电压，因此提供实现不通过变换器的旁路运转、能沿用已设置交流设备的可变速发电电动装置。
或者，为了达成上述目的，本发明将带阻尼绕组的同步机与DSMMC变换器、DIMMC变换器或ZCMMC变换器连接，在停止状态下对励磁绕组进行电阻短路，将臂电流和频率固定为各自额定的大约10％来启动MMC变换器，对交流旋转电动机械进行感应机启动。
或者，为了达成上述目的，本发明在当旋转速度加速至相当于变换器频率时暂时停止MMC变换器，接着，将励磁绕组的连接从电阻变更为励磁用变换器，以与旋转速度成正比的电流指令再次启动MMC变换器并加速。由此提供能自行起动的可变速发电电动装置。
发明效果
根据本发明，以基于交流系统的固定频率运转为前提而设置的交流旋转电动机械，只变更电枢绕组的线圈端部，就能使交流旋转电动机械可变速化。特别是能迅速实现有效抑制电力系统伴随太阳能发电系统或风力发电系统等的再生能量利用扩大而波动的水力发电所以及扬水发电所中的交流旋转电动机械的可变速化。
附图说明
图1是表示本发明第一实施方式的电路图；
图2是表示本发明实施方式的单位变换器的电路图；
图3是表示本发明实施方式的其他单位变换器的电路图；
图4是体现表示本发明第一实施方式的交流旋转电动机械的电枢绕组的图；
图5是表示本发明第一实施方式的控制框图；
图6是表示本发明第二实施方式的电路图；
图7是体现表示本发明第二实施方式的交流旋转电动机械的电枢绕组的图；
图8是表示本发明第二实施方式的控制框图；
图9是表示本发明第三实施方式的电路图；
图10是表示本发明第三实施方式的直流电源装置的电路图；
图11是表示本发明第三实施方式的其他直流电源装置的电路图；
图12是体现表示本发明第三实施方式交流旋转电动机械的电枢绕组的图；
图13是表示本发明第三实施方式的控制框图；
图14是表示本发明第三实施方式的运转时序图；
图15是表示本发明第四实施方式的电路图；
图16是表示本发明第四实施方式的直流电源装置的电路图；
图17是体现表示本发明第四实施方式交流旋转电动机械的电枢绕组的图；
图18是表示本发明第四实施方式的控制框图；
图19是表示本发明第五实施方式的控制框图；
图20是表示本发明第五实施方式的运转时序图；
图21是表示现有交流旋转电动机械的电枢绕组的图(单路星型接线60度相带)；
图22是表示现有交流旋转电动机械的电枢绕组的图(双路星型接线60度相带)；
图23是表示现有交流旋转电动机械的电枢绕组的图(双路星型接线120度相带)。
具体实施方式
以下，基于附图详细说明本发明涉及的可变速发电电动装置以及可变速发电电动系统的实施方式。而且，本发明不被该实施方式限定。
(第一实施方式)
图1是表示本发明第一实施方式的电路图。
101A为直流电源装置，具备2组星型接线的交流旋转电动机械102A中设有3相端子(RP、SP、TP)和3相端子(RN、SN、TN)，连结2组星型接线的中性点并引出至N端子，经由高电阻接地。设有6台具备2端子(a、b)的臂(104RP、104SP、104TP、104RN、104SN、104TN)，2端子(a、b)由MMC变换器的单位变换器103的输出端子(x、y)的N级串联连接而构成，将3台臂(104RP、104SP、104TP)的b端子与直流电源装置101A的第一端子(P)进行星型连接，a端子与交流旋转电动机械102A的3相端子(RP、SP、TP)连接。将剩余3台臂(104RN、104SN、104TN)的a端子与直流电源装置101A的第二端子(N)进行星型连接，b端子与交流旋转电动机械102A的3相端子(RN、SN、 TN)连接。
105A为控制装置，输入来自测量6台臂的输出电流的直流电流互感器 106、测量3相端子(RP、SP、TP)的线间电压的直流电压互感器107A、测量3 相端子(RN、SN、TN)的线间电压的直流电压互感器107B、测量以电角度所示的旋转相位θ的相位检测器108的信号并进行控制运算，向单位变换器103输出栅极信号(GateP*、GateN*)。断路器109A和109B在通常使用时闭路，在维护时开路。相位检测器108可以由来自直流电压互感器107A、107B的线间电压、来自直流电流互感器106的电流信号通过矢量运算来推定旋转相位θ。
专利文献5公开了以旋转速度频率变化的交流信号的矢量运算方法、以及由电压信号和电流信号运算相当于旋转相位θ的内部感应电压的相位的方法。
图2是表示第一实施方式的单位变换器103的电路图。单位变换器103 中，构成双向斩波电路的开关元件201和开关元件202与作为电压源特性的储能元件的电容器203连接，利用从与控制装置105A连接的光通信缆线204A 经由光-电变换元件205A、串行-并行变换电路206A输入栅极驱动器207A的针对开关元件201和202的栅极信号进行PWM控制，在0与电容器电压VC 之间调节2端子(x、y)间的平均电压。另一方面，电容器电压VC使直流电压互感器208的模拟信号输出经由模拟-数字变换器209和并行-串行变换器210、电-光变换元件211通过光通信缆线204A返回控制装置105A。根据该结构，开关元件中流动的电流限定在开关元件201或202的某一个元件，能将损失抑制为最小。
图3是表示第一实施方式的单位变换器103的其他形态的电路图。单位变换器103B中，取代图2的双向斩波电路，使用构成全桥电路的开关元件212、 213、214、215。根据该结构，在设电容器电压为VC时，能在-VC～+VC间调节端子(x、y)间的平均电压。
图4体现表示第一实施方式的交流旋转电动机械的电枢绕组与端子连接的例子。为了简化，体现接近最小结构的结构，即槽数18的2极机的例子。另外，为了易于理解与励磁的关系，绘制出凸极同步机，但也可以为圆筒同步机或感应机。
以下说明由图21所示的绕组和端子结构通过线圈端的连接变更和端子引出能实现图4的绕组和端子结构。
图21、图4均为2层线圈构成的60度相带结构，在槽内通过的线圈部分没有变更。改造前的图21中，为通常的3相端子(R、S、T)的单路星型接线，在空隙上串联连接有产生正逆极性磁场的线圈。改造后的图4中，设有2组3 相端子(RP、SP、TP)和(RN、SN、TN)。
如上所述，改造为电枢绕组的线圈端的连接变更和3端子的追加引出。通过连接变更，3相绕组的匝数减半，因此线间电压成为改造前的1/2。在改造前后，电枢线圈的电流容量没有变化。但是，电流容量的使用方式改变。
以下，针对使用同步机作为交流旋转电动机械的情况进行说明。改造前的电流频率仅为交流系统的频率，电流有效值为有效功率成分与无效功率成分的平方和的平方根。改造后的电流为功率变换装置的输出频率成分的有效值与直流电流平均值的平方和的平方根。原理上，2组3相端子的相电压为同相，有效值也相等。在通过图1定义2组绕组中流动的交流电流(IRP_AC、ISP_AC、 ITP_AC)、(IRN_AC、ISN_AC、ITN_AC)的符号的情况下，电流为逆相位，有效值相等。交流电流控制为功率因数1。此处设功率变换装置交流相电压为 VAC，设电流有效值为IAC，设直流电流为IDC，直流电流相对于各相绕组3 等分。设直流电源装置101A的输出电压为VDC时，若忽略交流旋转电动机械或功率变换装置的损失，则与输出容量P的关系为 (P＝6×VAC×IAC＝VDC×IDC)。(IDC/3)相对于IAC的比率根据单位变换器103的电容器203的容量、电源异常时的使用方法、设单位变换器为图2还是图3 而不同。
通常，减小电容器203的容量，为了提高电源异常时的可用性(持续运转性)而通过抑制单位变换器的PWM调制率的上下限来降低电容器电压VC的利用率，重视功率变换装置的效率而采用图2的双向斩波电路作为单位变换器，则(IDC/3)的比率提高，等价功率因数降低。在将(IDC/3)的比率设计得较高的情况下，大概为(IDC/3)/IAC＝0.5。其结果为，若对输出做出贡献的电流容量的有效部分设为IAC，直流叠加部分(IDC/3)设为无效部分，则等价功率因数降低至0.9左右。该值不因MMC变换器的方式而改变。
其结果为，如果改造前的同步机的额定功率因数为0.9以下，则改造后也能确保相同有效功率输出。在使用感应机作为交流旋转电动机械的情况下，功率因数不能调节，因此改造后的有效功率输出减少为乘以MMC变换器的等价功率因数所得的值。
图5是表示第一实施方式的控制装置105A的控制框图。
501A为相电压运算器，由2组3相线间电压检测信号运算相电压信号。 502为速度运算器，由旋转相位θ的当前值和上次周期中来自同一相位的信号的样本数Np运算旋转速度频率ω。此处，设样本周期为Δt，则ω＝2×π/(Np×Δt) 的关系成立。
503A为移动平均运算器，对3相交流电流(IRP、ISP、ITP)的总量进行 Np次的移动平均来运算直流电流IDC。d-q变换器504P进行公式1的运算，d-q变换器504N进行公式2的运算。但是，此处相序设为RST。
[数学式1]
Figure GDA0001388036640000111
[数学式2]
Figure GDA0001388036640000112
505A为功率运算器，由旋转相位信号、相电压信号和交流电流信号利用瞬时对称坐标法运算有效功率P和无效功率Q。
506A为有效功率调节器，507A为无效功率调节器，分别输出电流指令ID* 和IQ*，使得运算值P、Q与指令值P*和Q*一致。508A为交流电流调节器，进行控制运算，使得测量运算值IDP与将指令值ID*进行2等分所得的一个指令值一致，且测量运算值IDN与将指令值ID*进行2等分所得的另一指令值的极性反转所得到的指令值一致，并且进行控制运算，使得测量运算值IQP与将指令值IQ*进行2等分所得的一个指令值一致，且测量运算值IQN与将指令值IQ*进行2等分所得的另一指令值的极性反转所得到的指令值一致。509A 为直流电流调节器，进行控制运算，使得由输出指令值P*与直流电源的输出电压VDC*的除法运算求得的直流电流指令IDC*与测量运算值IDC一致。
本实施例的情况下，电流路径的自由度为5，交流电流调节器508A中设置4台积分运算器，直流电流调节器509A中设置1台积分运算器。合计5台积分运算器与电流路径自由度5相等，因此所有积分运算器能独立地将输入偏差抑制为零。510P和510N为逆d-q变换器，进行公式3的运算。
[数学式3]
Figure GDA0001388036640000113
511P为针对臂104RP、104SP、104TP的直流电压指令校正运算器，511N 为针对臂104RN、104SN、104TN的直流电压指令校正运算器，输出针对各臂的输出电压指令VRP*、VSP*、VTP*、VRN*、VSN*、VTN*。
由上，交流旋转电动机械102A的3相端子(RP、SP、TP)和3相端子(RN、 SN、TN)的相电压大致相等，若将其设为(VR*、VS*、VT*)，则针对臂104RP 和臂104RN的输出电压指令分别大概为：
VRP*＝+VR*+(1/2)×VDC
VRN*＝-VR*+(1/2)×VDC。
由这些输出电压指令和单位变换器103的电容器电压VC，利用PWM运算器512P和512N，输出栅极指令GateP*和GateN*。
(第二实施方式)
图6是表示本发明第二实施方式的电路图。
101A为直流电源装置，具备1组星型接线的交流旋转电动机械102B中设有3相端子(R、S、T)，将星型接线的中性点引出至N端子，与直流电源装置101A的第二端子(N)连接。设置3台由MMC变换器的单位变换器103的输出端子(x、y)的N级串联连接而构成的具备2端子(a、b)的臂(604R、604S、604T)， 3台臂的a端子与交流旋转电动机械102B的3相端子(R、S、T)连接，b端子与直流电源装置101A的第一端子(P)进行星型连接。
605A为控制装置，输入来自测量3台臂的输出电流的直流电流互感器 106、测量3相端子(R、S、T)的线间电压的直流电压互感器607、测量以电角度所示的旋转相位θ的相位检测器108的信号并进行控制运算，向单位变换器 103输出栅极信号Gate*。断路器609在通常使用时闭路，在维护时开路。相位检测器108可以根据来自直流电压互感器607的线间电压、来自直流电流互感器106的电流信号通过矢量运算来推定旋转相位θ。单位变换器103的实施方式为图2或者图3。
图7体现表示第二实施方式的交流旋转电动机械的电枢绕组与端子连接的例子。为了简化，体现槽数18的2极机的例子，其结构接近最小结构。另外，为了易于理解与励磁的关系，绘制凸极同步机，但也可以为圆筒同步机或感应机。
图7的绕组是2层线圈构成的120度相带结构。是通常的引出3相端子(R、S、T)的单路星型接线。
以下，针对交流旋转电动机械为同步机的情况进行说明。改造前的电流为交流系统的频率，电流有效值为有效功率成分与无效功率成分的平方和的平方根。改造后的电流为功率变换装置的输出频率和直流电流。交流电流(IR、IS、 IT)控制为功率因数1。此处设功率变换装置交流相电压和电流的有效值为 VAC、IAC，叠加的直流电流设为IDC，直流电流相对于各相绕组3等分。设直流电源装置101A的输出电压为VDC时，若忽略交流旋转电动机械或功率变换装置的损失，则与输出容量P的关系为(P＝3×VAC×IAC＝VDC×IDC)。 (IDC/3)相对于IAC的比率与图1的情况相同，为了避免重复，省略其说明。
如果改造前同步机的额定功率因数为0.9以下，则改造后也能确保相同有效功率输出。在使用感应机作为交流旋转电动机械的情况下，功率因数不能调节，因此改造后有效功率输出减少为乘以MMC变换器的等价功率因数所得的值。
图8是表示第二实施方式的控制装置605A的控制框图。
501B为相电压运算器，由线间电压检测信号运算相电压信号。502为速度运算器，503A为移动平均运算器，对3相交流电流(IR、IS、IT)的总量进行 Np次移动平均来运算直流电流IDC。d-q变换器504C进行公式4的运算。其中，相序表示RST的情况。
[数学式4]
Figure GDA0001388036640000131
505B为功率运算器，由相电压信号和交流电流信号利用瞬时对称坐标法运算有效功率P和无效功率Q。
506B为有效功率调节器，507B为无效功率调节器，分别输出电流指令 ID*、IQ*，使得运算值P、Q与指令值P*、Q*一致。508B为交流电流调节器，进行控制运算，使得测量运算值ID、IQ与指令值ID*、IQ*一致。509B为直流电流调节器，进行控制运算，使得由输出指令值P*与直流电源的输出电压 VDC*的除法运算求得的直流电流指令IDC*与测量运算值IDC一致。
本实施例情况下，电流路径的自由度为3，交流电流调节器508B的2台积分运算器和直流电流调节器509B的1台积分运算器的合计为3台，与电流路径自由度相等，因此能将所有积分运算器输入偏差独立地抑制为零。510C 为逆d-q变换器，进行公式3的运算。
511C为针对臂604R、604S、604T的直流电压指令校正运算器，输出针对各臂的输出电压指令VR*、VS*、VT*。
由上，设交流旋转电动机械102B的3相端子(R、S、T)的相电压为(VRG*、 VSG*、VTG*)，则针对臂104R的输出电压指令如下：
VR*＝+VRG*+(1/2)×VDC。
由这些输出电压指令和单位变换器103的电容器电压VC，通过PWM运算器512C输出栅极指令Gate*。
(第三实施方式)
图9是表示本发明第三实施方式的电路图。此处，交流旋转电动机械902A 为具备阻尼绕组的同步机。
在具备2组星型接线的交流旋转电动机械902A中设有3相端子(RP、SP、 TP)和3相端子(RN、SN、TN)，连结2组星型接线的中性点并引出至N端子，经由高电阻接地。
直流电源装置901在交流系统侧端子(A、B、C)与直流侧端子(P、N)间进行功率变换。交流系统侧端子(A、B、C)从交流系统903经由遮断器904连接。
直流电源装置901中除此之外具备3组交流端子(UP、VP、WP)(UM、VM、 WM)(UX、VX、WX)。从交流端子(UP、VP、WP)经由断路器905P和遮断器 906与交流旋转电动机械902A的3相端子(RP、SP、TP)连接。从交流端子(UM、 VM、WM)经由断路器905N与交流旋转电动机械902A的3相端子(RN、SN、 TN)连接。另外，3相端子(RP、SP、TP)与3相端子(RN、SN、TN)间通过断路器907A和907B连接。交流端子(UX、VX、WX)经由所内电源系统920、励磁用遮断器909和励磁用变压器910分支到励磁用功率变换器911。励磁绕组908通过与电阻器913连接的遮断器914和与励磁用功率变换器911连接的遮断器912进行切换连接。
交流系统903经由初次充电用变压器915和初次充电用遮断器916、限流电阻917、初次充电连接用遮断器918与交流端子(UP、VP、WP)和(UM、VM、 WM)连接。另外，设置旁路遮断器919用于限流电阻917。
图10是表示直流电源装置901A的实施方式的电路图，应用了专利文献2 中公开的DIMMC变换器。
变压器1001将交流系统侧端子(A、B、C)与一次绕组连接，二次、三次绕组为双路星型接线，分别与交流端子(UP、VP、WP)和(UM、VM、WM)连接。变压器1001的交流端子(Up、Vp、Wp)与3台将单位变换器103串联连接成的2端子臂(1004UP、1004VP、1004WP)的a端子连接，b端子与直流端子 (P)进行星型连接。另一方面，交流端子(Um、Vm、Wm)与3台将单位变换器103串联连接成的2端子臂(1004UM、1004VM、1004WM)的b端子连接，a 端子与直流端子(N)进行星型连接。在变压器1001中设置进行三角形接线的四次绕组，兼具向所内电源和励磁电路供电功能以及三次高次谐波抑制功能。
图11是表示直流电源装置901B的其他实施方式的电路图，应用了专利文献1中公开的DSMMC变换器。
与图10相同的编号为同一部件，为了避免重复而省略其说明。
变压器1002的交流系统侧端子(A、B、C)与一次绕组连接，三角形接线的二次绕组端子(Ut、Vt、Wt)与3组3端子电抗器1003的中性点(Ux、Vx、 Wx)连接。3端子电抗器1003的端子(Up、Vp、Wp)与3台将单位变换器103 串联连接成的2端子臂(1004UP、1004VP、1004WP)的a端子连接，b端子与直流端子(P)进行星型连接。另一方面，3端子电抗器1003的端子(Um、Vm、Wm)与3台将单位变换器103串联连接成的2端子臂(1004UM、1004VM、 1004WM)的b端子连接，a端子与直流端子(N)进行星型连接。由变压器1002 的二次绕组经由交流端子(UX、VX、WX)向所内电源或励磁电路供电。
以下，以图9的结构表示对直流电源装置901的单位变换器103的电容器 203充电的步骤。充电期间中，断路器905P和905N保持开路状态。
若保持旁路遮断器919为开路状态地使初次充电用遮断器916、初次充电连接用遮断器918为闭路，则在通过限流电阻器917抑制涌浪电流的同时开始单位变换器103的电容器203的充电。接着，使旁路遮断器919为闭路来加速充电。初次充电用变压器915的基于交流端子电压的二极管整流的充电结束后，使初次充电连接用遮断器918开路，使遮断器904为闭路来对直流电源装置901的变压器1001或者1002充电后，通过单位变换器103的PWM控制，将电容器电压升压充电至所预期的电压。
接着，从直流电源装置901对交流旋转电动机械902A侧的6臂(104RP、 104SP、104TP、104RN、104SN、104TN)的单位变换器103供电，通过PWM 控制对各个单位变换器的电容器203充电。
由上完成充电后，使交流旋转电动机械902A保持停止，仅使直流电源装置901侧单位变换器103工作，能作为无效功率调节装置进行运用。在交流旋转电动机械902A直接连接有法式水泵水轮机情况下，虽然相序在发电方向和扬水方向反转，但是均能仅通过变换器的控制来切换，不需要相位反转断路器。
根据本实施方式，由于单位变换器全部为已经充电状态，因此在发电、电动任一旋转方向的运转中都能迅速启动。
图12体现表示第三实施方式的交流旋转电动机械的电枢绕组和端子连接的例子。为了简化，体现接近最小结构的槽数36的4极机的例子。另外，为了表示与励磁的关系，绘制凸极同步机，但也可为圆筒励磁同步机或感应机。
由图22所示的绕组和端子结构仅变更线圈端部就能实现图12的绕组和端子结构。图22为双路星型接线的4极机，为通常的2层线圈的60度相带结构。图22 示例中，在各相为正极侧3次卷绕、负极侧3次卷绕的合计6次卷绕。该星型接线以极间渡线并联两路。
另一方面，图12中，第一组3相端子(RP、SP、TP)的绕组将两个正极串联连接，合计为6次卷绕。另一个3相端子(RN、SN、TN)的绕组将两个负极串联连接，合计为6次卷绕。
根据图12的实施方式，由于匝数在改造前后不变，因此能维持额定电压。因此，能沿用遮断器906等设备。另外，在作为直流电源装置使用图11的实施方式的情况下，变压器1002的二次侧端子电压在改造前后不变，因此能沿用变压器1002。
图9的结构中，能绕过MMC变换器进行运转。具体地，通过使断路器 905P、905N、遮断器906、断路器907A、907B闭路，能将交流旋转电动机械 902A作为3相的双路星型接线的发电机进行运用。在与法式水泵水轮机直接连接的情况下，相序与发电方向连接，从而能绕过MMC变换器进行发电运用。
图13是表示第三实施方式的控制装置905的控制框图。与之前的图5相同的编号表示同一部件，因此为了避免重复，省略其说明。
1301为指令切换器(SW1)，对固定的起动频率ωS和旋转速度频率ω切换指令。1302为电流指令发生器，输出与旋转速度频率ω成正比的电流指令ID*。 1303为电流指令发生器，输出ID*＝0。1304为指令切换器(SW2)，选择切换有效功率调节器506A、电流指令发生器1302、电流指令发生器1303并输出电流指令ID*。
1305为指令切换器(SW3)，选择切换有效功率指令P*和有效功率测量值 P。1306为功率运算器，向功率运算器505追加交流旋转电动机械902A的线间电压有效值VGM的输出。1307为电压指令发生器，是与旋转速度频率ω成正比的电压指令VGM*的发生器，1308为交流旋转电动机械902A的电压调节器，1309为电流指令发生器，输出IQ*＝0。1310为指令切换器(SW4)，选择切换电压调节器1308、电流指令发生器1309、无效功率调节器507A并输出电流指令IQ*。
由上，图14表示以图9和图13的实施方式启动交流发电电动装置的方法。
首先说明电动机模式下的启动方法。
图14中，在时刻Tm1，单位变换器103的电容器已经预先充电，遮断器 904为闭路，断路器905P、905N、907A、907B保持开路状态。
遮断器CBE2为闭路(ON：开)，CBE3为开路状态(OFF：关)，指令切换器SW1设定为固定速度指令ωS固定侧，指令切换器SW2设定为速度比例的 ID*指令侧(ID*＝kω)。指令切换器SW3设定为有效功率测量值P侧，指令切换器SW4设定为IQ*＝0。
在以上状态下，在时刻Tm2启动MMC变换器(MMC控制_开)，则交流旋转电动机械902A以基于阻尼绕组的感应机模式启动。在时刻Tm3当旋转速度成为相当于设定值ωS，使MMC变换器暂时停止(MMC控制_关)，使CBE3 闭路，从而与励磁用功率变换器911连接。接着，在时刻Tm4使CBE2开路，将电阻器913分离。同时将指令切换器SW1切换为旋转速度频率ω(旋转速度ω)，将指令切换器SW4切换为电压调节器1308的输出侧(AVR)。由此，ID* 指令输出与速度成正比的指令值，IQ*指令也输出与速度成正比的指令值。同时开始励磁控制。在保持该状态的同时在时刻Tm5开始MMC变换器控制 (MMC控制_开)，则以同步机转矩开始加速。当旋转速度ω进入可变速运转范围，则在时刻Tm6使指令切换器SW2的输出暂时切换为ID*＝0，在时刻Tm7 将指令切换器SW2设定为有效功率调节器的输出侧(APR)，将指令切换器SW3 设定为指令P*侧，将指令切换器SW4设定为无效功率调节器的输出侧(AQR)，进入通常的可变速电动机模式运转。
以上，根据本实施方式，能不依赖于起动用装置地以电动机模式自行起动。
接着说明发电模式下的起动方法。
图14中，在Tg1，单位变换器103的电容器203预先已经充电，遮断器 904保持为闭路，断路器905P、905N、907A、907B保持开路状态。
遮断器CBE2为开路，CBE3为闭路状态，指令切换器SW1为不使用(因为不固定，所以设定在一方)，指令切换器SW2设定为ID*＝0侧。指令切换器 SW3设定为有效功率测量值P侧，指令切换器SW4设定为电压调节器输出侧。
在发电模式下，以与交流旋转电动机械902A直接连结的原动机的调速机进行旋转速度控制，以原动机侧的驱动转矩启动、加速。
在以上状态下，在Tg1，在利用原动机侧的调速机进行调节的同时加速。使交流旋转电动机械902A保持无负荷状态不变。旋转速度加速至可变速范围后，在Tg2将针对调速机的旋转速度指令保持为固定。此时，相位信号θ为旋转相位，因此在交流旋转电动机械902A的端子感应的电压与电压指令的相位同步。在Tg3，在开始MMC控制的同时将指令切换器SW4切换设定为无效功率调节器侧。接着，在Tg4将指令切换器SW2切换为有效功率调节器输出侧，将指令切换器SW3切换为有效功率指令P*侧，进入通常的可变速发电机模式运转。
(第四实施方式)
图15是表示本发明第四实施方式的电路图。与之前的图6、图9相同的编号表示同一部件。为了避免重复而省略其说明。此处，交流旋转电动机械 1502A为具备阻尼绕组的同步机。
在具备2组星型接线的交流旋转电动机械1502A中设有3相端子(R1、S1、T1)和3相端子(R2、S2、T2)，连结2组星型接线的中性点并引出至N端子，与直流电源装置1501的第二端子(N)连接。设置6台具备2端子(a、b)的臂 (1504R1、1504S1、1504T1、1504R2、1504S2、1504T2)，2端子(a、b)由MMC 变换器的单位变换器103的输出端子(x、y)的N级串联连接而成，3台臂 (1504R1、1504S1、1504T1)的b端子与直流电源装置1501的第一端子(P)进行星型连接，a端子与交流旋转电动机械1502A的3相端子(R1、S1、T1)连接。剩余3台臂(1504R2、1504S2、1504T2)的b端子与直流电源装置1501的第一端子(P)进行星型连接，a端子与交流旋转电动机械1502A的3相端子(R2、S2、 T2)连接。
1605为控制装置，输入来自6台直流电流互感器106、测量3相端子(R1、 S1、T1)的线间电压的直流电压互感器107C、测量3相端子(R2、S2、T2)的线间电压的直流电压互感器107D、测量以电角度所示的旋转相位θ的相位检测器108的信号并进行控制运算，向单位变换器103输出栅极信号(Gate1*、 Gate2*)。断路器1505在通常使用时闭路，在维护时开路。断路器1507在通常运用时开路，在旁路运转时闭路。
直流电源装置1501在交流系统侧端子(A、B、C)与直流侧端子(P、N)间进行功率变换。交流系统侧端子(A、B、C)由交流系统903经遮断器904连接。
直流电源装置1501中除此之外具备2组交流端子(U、V、W)(UX、VX、 WX)。从交流端子(U、V、W)开始，经断路器1505和遮断器1506，在断路器 1507分支后与交流旋转电动机械的2组3相端子(R1、S1、T1)和(R2、S2、T2) 连接。交流端子(UX、VX、WX)经由所内电源系统920、励磁用遮断器909和励磁用变压器910分支到励磁用功率变换器911。励磁绕组908通过与电阻器 913连接的遮断器914和与励磁用功率变换器911连接的遮断器912切换连接。
交流系统903经由初次充电用变压器915和初次充电用遮断器916、限流电阻917、初次充电连接用遮断器1518与交流端子(U、V、W)连接。另外，设置旁路遮断器919用于限流电阻917。
图16是表示直流电源装置1501的实施方式的电路图，应用了专利文献3 中公开的ZCMMC变换器。
变压器1601的交流系统侧端子(A、B、C)与一次绕组连接，二次、三次绕组为曲折接线，与交流端子(U、V、W)连接。变压器1601的交流端子(U、 V、W)与3台将单位变换器103串联连接而成的2端子臂(1602U、1602V、1602W) 的a端子连接，b端子与直流端子(P)进行星型连接。另一方面，曲折接线的中性点与直流端子(N)连接。在变压器1601中设置进行三角形接线的四次绕组，兼具向所内电源、励磁电路供电功能以及三次高次谐波抑制功能。
图17体现表示第四实施方式的交流旋转电动机械的电枢绕组和端子连接的例子。为了简化，体现接近最小结构的槽数36的4极机的例子。另外，为了表示与励磁的关系，绘制了凸极同步机，但也可为圆筒励磁同步机、感应机。
图17的绕组和端子结构由图23所示绕组和端子结构仅变更线圈端部就能实现。图23是双路星型接线的4极机，是通常的2层线圈的120度相带结构。图23 示例中，各相为6次卷绕。该星型接线以极间渡线并联两路。
另一方面，图17中将双路星型接线分为2组并引出独立端子，第一组3 相端子(R1、S1、T1)、第2组3相端子(R2、S2、T2)的绕组与图23同为总计 6次卷绕。
根据图17的实施方式，由于匝数在改造前后不变，因此能维持额定电压。因此，能沿用遮断器1506等设备。
图15的结构中，能绕过MMC变换器进行运转。具体地，通过使断路器 1505、遮断器1506、断路器1507闭路，能将交流旋转电动机械1502A作为3 相的双路星型接线的发电机加以运用。在与法式水泵水轮机直接连接的情况下，相序与发电方向连接，能绕过MMC变换器进行发电运用。
根据图17的实施方式，在交流旋转电动机械1502A的电流容量增大并且并联星型接线的情况下，通过将并联绕组等分并将端子分割引出，能削减每个臂的电流。由此，能削减单位变换器103内的开关元件的并联数，使结构简化，提高可靠性。
图18是表示第四实施方式的控制装置1605的控制框图。与之前的图5 以及图8相同的编号表示同一部件，因此为了避免重复而省略其说明。
1801A为相电压运算器，由线间电压检测信号运算相电压信号。502为速度运算器，503A和503B为移动平均运算器，对2组3相交流电流(IR1、IS1、 IT1)(IR2、IS2、IT2)的总量进行Np次移动平均来运算直流电流IDC1和IDC2。d-q变换器1804A和1804B进行公式4的运算，分别输出(ID1、IQ1)(ID2、IQ2)。其中，相序表示RST的情况。
1806为功率运算器，由相电压信号和交流电流信号利用瞬时对称坐标法运算有效功率P和无效功率Q。
506B为有效功率调节器，507B为无效功率调节器，分别输出电流指令ID* 和IQ*，使得运算值P、Q与有效功率指令P*、无效功率指令Q*一致。508B 为交流电流调节器，进行控制运算，使得将电流指令ID*进行2等分所得的指令值分别与测量运算值ID1、IQ1一致，并且进行控制运算，使得将电流指令 IQ*进行2等分所得的指令值分别与测量运算值ID2、IQ2一致。1809A和1809B 为直流电流调节器，直流电流调节器1809A进行控制运算，使得将由输出指令值P*和直流电源的输出电压指令VDC*的除法运算求得的直流电流指令 IDC*进行2等分所得的指令值与测量运算值IDC1一致，直流电流调节器 1809B进行控制运算，使得将由输出指令值P*和直流电源的输出电压指令 VDC*的除法运算求得的直流电流指令IDC*进行2等分所得的指令值与测量运算值IDC2一致。
本实施例的情况下，电流路径的自由度为6，交流电流调节器508B的4 台积分运算器和直流电流调节器的2台积分运算器合计为6台，与电流路径自由度相等，因此能将所有积分运算器输入偏差独立地抑制为零。1810C和 1810D为逆d-q变换器，进行公式3的运算。
1811A为针对臂1504R1、1504S1、1504T1的直流电压指令校正运算器，输出输出电压指令VR1*、VS1*、VT1*，1811B为针对臂1504R2、1504S2、 1504T2的直流电压指令校正运算器，输出输出电压指令VR2*、VS2*、VT2*。
由上，交流旋转电动机械1502A的2组的并联绕组的3相端子(R1、S1、 T1)(R2、S2、T2)的相电压相等，设为(VR*、VS*、VT*)，则针对臂1504R1 的输出电压指令VR1*和针对1504R2的输出电压指令VR2*分别如下：
VR1*＝+VR*+(1/2)×VDC
VR2*＝+VR*+(1/2)×VDC。
由这些输出电压指令和单位变换器103的电容器电压VC通过PWM运算器1812A和1812B输出栅极指令Gate1*和Gate2*。
(第五实施方式)
图19是表示第五实施方式的控制装置905的控制框图。与之前的图13 相同的编号表示同一部件，因此为了避免重复，省略其说明。
该实施方式中，在本发明系统的带阻尼绕组的同步机902A直接连接水泵或者可逆式水泵水轮机，在水泵或者可逆式水泵水轮机的排出侧设有密封阀。 1901为旋转速度指令发生器，根据全扬程信号Hp输出确立水压时的输入Pp 和由可变速发电电动系统的特性确定的加速时的电动机输入Pm相一致的速度ωp。在全扬程的变动幅度小的情况下，可以使固定值输出的指令发生器简化。 1902为旋转速度调节器，调节电流指令ID*，使得旋转速度指令ωp*与旋转速度频率ω的偏差为零。1903为指令切换器(SW5)，以旋转速度指令ωp*和旋转速度频率ω为判定条件切换电流指令ID*。
由上，图20中表示图9和图19的实施方式中启动交流发电电动系统的方法。与之前的图14相同的符号表示相同内容，为了避免重复而省略其说明。
在时刻Tm2启动MMC变换器(MMC控制_开)，则交流旋转电动机械902A 以基于阻尼绕组的感应机模式启动，有效功率Pm从0开始上升。在时刻Tm3，当旋转速度ω成为相当于设定值ωS，使MMC变换器暂时停止(MMC控制_ 关)，有效功率Pm返回0。使CBE3闭路从而与励磁用功率变换器911连接。接着，在时刻Tm4使CBE2开路，使电阻器913分离。同时将指令切换器SW1 切换为旋转速度频率ω，将指令切换器SW4切换为电压调节器1308的输出侧 (AVR)。由此，ID*指令输出与速度成正比的指令值，IQ*指令也输出与速度成正比的指令值。同时开始励磁控制(励磁控制_开)。在保持该状态的同时在时刻Tm5开始MMC变换器控制(MMC控制_开)，则以同步机转矩开始加速。该期间的电压、电流均与旋转速度ω成正比，因此电动机输入Pm与旋转速度ω的平方成正比增加。另一方面，水压确立时的输入Pp通过旋转速度ω而渐增，但是相比电动机输入Pm的变化很小，因此必定存在两者相一致的旋转速度ω。该值根据全扬程范围或涡轮机械的比速度而不同，如果设额定输入时的旋转速度为100％，则经验上收敛于50％和90％之间。将该值利用旋转速度指令发生器1901进行运算，作为旋转速度指令ωp*输出。若旋转速度ω加速至指令值ωp*，则在时刻Tm8将从指令切换器SW5输出的电流指令ID*切换为旋转速度调节器1902输出(ASR)的同时，将指令切换器SW4切换为无效功率调节器507A输出(AQR)。由于在时刻Tm8停止加速，因此电动机输入Pm暂时下降，但是在时刻Tm9打开密封阀确立水压时(密封阀_开)，电动机输入Pm 对应于水泵或者水泵水轮机输入Pp的急剧上升而再次上升。为了抑制此期间的电动机输入Pm的变动，调节打开密封阀的时机，使得时刻Tm9与时刻Tm8 的时间差ΔTp尽量短，只要提高旋转速度指令发生器1901的精度，减小ΔPp 即可。通过旋转速度调节器1902对水压确立时的旋转速度波动进行固定后，在时刻Tm10通过指令切换器SW5将电流指令ID*切换为有效功率调节器的输出(APR)，将指令切换器SW3切换为指令P*侧，进入通常的可变速电动机模式运转。
根据本实施方式，由于能确保启动转矩，因此不需要水面下压装置，从停止时能对水泵或者水泵水轮机从充水状态加速，因此能缩短启动时间。另外，加速期间中能以单位变换器103的输出电流容量的上限运转，因此能缩短加速时间。另外，能将水压确立时的电动机输入变动抑制为最小限，因此不需要现有扬水机中必须具有的交流系统的负荷调节等，具有实现灵活运用的效果。
在以上的实施方式中，以3相交流旋转电动机械为例进行了说明，本发明的实施方式当然也能扩展至N相交流旋转电动机械。另外，在以上的实施方式中，作为绕组方式以重叠绕组为例进行了说明，当然能将本发明的各实施方式扩展到波状绕组。
符号说明
101A、901、901A、901B、1501：直流电源装置；
102A、102B、902A、1502A：交流旋转电动机械；
903：交流系统；
904、906、912、914、1506：遮断器；
1001、1002、1601：变压器；
1003：3端子电抗器；
920：所内电源系统；
908：励磁绕组；
909：励磁用遮断器；
910：励磁用变压器；
911：励磁用功率变换器；
913：电阻器；
917：限流电阻；
915：初次充电用变压器；
916：初次充电用遮断器；
918、1518：初次充电连接用遮断器；
919：旁路遮断器；
109A、109B、609、905P、905N、907A、907B、1505、1507：断路器；
104RP、104SP、104TP、104RN、104SN、104TN、604R、604S、604T、 1004UP、1004VP、1004WP、1004UM、1004VM、1004WM、1504R1、1504S1、 1504T1、1504R2、1504S2、1504T2、1602U、1602V、1602W：臂；
106：直流电流互感器；
107A、107B、107C、107D、208、607、507A、507B：直流电压互感器；
103：单位变换器；
201、202、212、213、214、215：开关元件；
105A、605A、905、1605：控制装置；
203：电容器；
204A、204B：光通信缆线；
205A、205B：光-电变换元件；
206A：串行-并行变换电路；
207A：栅极驱动器；
209：模拟-数字变换器；
210：并行-串行变换器；
211：电-光变换元件；
501A、501B、1801A：相电压运算器；
502：速度运算器；
503A、503B：移动平均运算器；
504P、504N、504C、1804A、1804B：d-q变换器；
505A、505B、1306、1806：功率运算器；
506A、506B：有效功率调节器；
507A、507B：无效功率调节器；
508A、508B：交流电流调节器；
509A、509B、1809A、1809B：直流电流调节器；
510P、510N、510C、1810C、1810D：逆d-q变换器；
511P、511N、511C、1811A、1811B：直流电压指令校正运算器；
512P、512N、512C、1812A、1812B：PWM运算器；
1301、1304、1305、1310、1903：指令切换器；
1302、1303、1309：电流指令发生器；
1307：电压指令发生器；
1308：电压调节器；
1901：旋转速度指令发生器；
1902：旋转速度调节器。

Claims (6)

1.一种可变速发电电动装置，包括与直流电源连接的功率变换器和与该功率变换器的交流侧连接的3相交流旋转电动机械，该可变速发电电动装置的特征在于，
所述功率变换器具备6个2端子臂，该2端子臂由k个经由电压源特性的储能元件能输出任意电压的2端子的单位变换器串联连接而得，其中k为1以上的自然数，
所述交流旋转电动机械具备2层线圈且60度相带的电枢绕组，该电枢绕组分为第一极侧和第二极侧，连结中性点端子作为双路星型接线，通过2组的3相端子引出，
所述电枢绕组的第一极侧的所述3相端子与所述功率变换器的3个2端子臂的第一端子分别连接，这3个2端子臂的第二端子与所述直流电源的第一端子进行星型接线，
所述电枢绕组的第二极侧的所述3相端子与所述功率变换器的剩余3个2端子臂的第二端子分别连接，这3个2端子臂的第一端子与所述直流电源的第二端子进行星型接线，
该可变速发电电动装置设有以下单元，该单元使所述直流电源的直流电流3等分，并针对每相依次流过与所述直流电源的第二端子连接的所述3个2端子臂、所述电枢绕组的第二极侧的3相端子、所述电枢绕组的第一极侧的3相端子、与所述直流电源的第一端子连接的所述3个2端子臂。
2.一种可变速发电电动装置，包括与直流电源连接的功率变换器和与该功率变换器的交流侧连接的(4×n)极的3相交流旋转电动机械，其中n为1以上的自然数，该可变速发电电动装置的特征在于，
所述功率变换器具备6个2端子臂，该2端子臂由k个经由电压源特性的储能元件能输出任意电压的2端子的单位变换器串联连接而得，其中k为1以上的自然数，
所述交流旋转电动机械具备2层线圈且60度相带的电枢绕组，分为该电枢绕组的第一极侧和第二极侧对各相串联连接(2×n)极的绕组并且并联m路而得到星型接线，连接该星型接线的中性点端子，将绕组的相反侧通过2组的3相端子引出，其中m为1以上的自然数，
所述电枢绕组的第一极侧的所述3相端子与所述功率变换器的3个2端子臂的第一端子分别连接，这3个2端子臂的第二端子与所述直流电源的第一端子进行星型接线，
所述电枢绕组的第二极侧的所述3相端子与所述功率变换器的剩余3个2端子臂的第二端子分别连接，这3个2端子臂的第一端子与所述直流电源的第二端子进行星型接线，
该可变速发电电动装置具有下述单元，该单元使所述直流电源的直流电流3等分，并针对每相依次流过与所述直流电源的第二端子连接的所述3个2端子臂、所述电枢绕组的第二极侧的所述3相端子、所述电枢绕组的第一极侧的所述3相端子、与所述直流电源的第一端子连接的所述3个2端子臂。
3.一种可变速发电电动系统，包括与直流电源连接的功率变换器和与该功率变换器的交流侧连接的带阻尼绕组的同步机，该可变速发电电动系统的特征在于，
所述功率变换器具备2端子臂，该2端子臂由k个经由电压源特性的储能元件能输出任意电压的2端子的单位变换器串联连接而得，其中k为1以上的自然数，
该可变速发电电动系统中设有：
第一控制单元，将从所述功率变换器供给到所述同步机的电流的频率以及振幅调节为固定值；
第二控制单元，使从所述功率变换器供给到所述同步机的电流的频率与所述同步机的旋转速度同步，将该电流的振幅调节为与频率成正比的值；以及
切换单元，在使用所述第一控制单元时，利用电阻使所述同步机的励磁绕组短路，在使用所述第二控制单元时，使所述同步机的励磁绕组与励磁装置连接，
在将所述同步机从停止状态启动时，使用所述第一控制单元，若频率达到设定值，则切换到所述第二控制单元。
4.根据权利要求3所述的可变速发电电动系统，其特征在于，
在所述带阻尼绕组的同步机上直接连结水泵或者可逆式水泵水轮机并在排出侧设置密封阀，
所述可变速发电电动系统设有：
第三控制单元，其根据该水泵或者可逆式水泵水轮机的扬程信号产生旋转速度指令，并将旋转速度调节为该旋转速度指令，
在利用所述第二控制单元检测到向所述旋转速度指令加速的情况下，打开所述密封阀，切换到第三控制单元。
5.一种可变速发电电动装置，包括与直流电源连接的功率变换器和与该功率变换器的交流侧连接的N相交流旋转电动机械，N为3以上的自然数，该可变速发电电动装置的特征在于，
所述功率变换器具备(2×N)个2端子臂，该2端子臂由k个经由电压源特性的储能元件能输出任意电压的2端子的单位变换器串联连接而得，其中k为1以上的自然数，
所述交流旋转电动机械具备2层线圈且(180/N)度相带的电枢绕组，分为该电枢绕组的第一极侧和第二极侧连结中性点端子作为双路星型接线，通过2组的N相端子引出，
所述电枢绕组的第一极侧的所述N相端子与所述功率变换器的N个2端子臂的第一端子分别连接，这N个2端子臂的第二端子与所述直流电源的第一端子进行星型接线，所述电枢绕组的第二极侧的所述N相端子与所述功率变换器的剩余N个2端子臂的第二端子分别连接，这N个2端子臂的第一端子与所述直流电源的第二端子进行星型接线，
该可变速发电电动装置设有以下单元，该单元使所述直流电源的直流电流N等分，并针对每相依次流过与所述直流电源的第二端子连接的所述N个2端子臂、所述电枢绕组的第二极侧的所述N相端子、所述电枢绕组的第一极侧的所述N相端子、与所述直流电源的第一端子连接的所述N个2端子臂。
6.一种可变速发电电动装置，包括与直流电源连接的功率变换器和与该功率变换器的交流侧连接的(4×n)极的N相交流旋转电动机械，其中n为1以上的自然数，N为3以上的自然数，该可变速发电电动装置的特征在于，
所述功率变换器具备(2×N)个2端子臂，该2端子臂由k个经由电压源特性的储能元件能输出任意电压的2端子的单位变换器串联连接而得，其中k为1以上的自然数，
所述交流旋转电动机械具备2层线圈且(180/N)度相带的电枢绕组，分为该电枢绕组的第一极侧和第二极侧对各相串联连接(2×n)极的绕组并且并联m路而得到星型接线，连接该星型接线的中性点端子，将绕组的相反侧通过2组N相端子引出，其中m为1以上的自然数，
所述电枢绕组的第一极侧的所述N相端子与所述功率变换器的N个2端子臂的第一端子分别连接，这N个2端子臂的第二端子与所述直流电源的第一端子进行星型接线，
所述电枢绕组的第二极侧的所述N相端子与所述功率变换器的剩余N个2端子臂的第二端子分别连接，这N个2端子臂的第一端子与所述直流电源的第二端子进行星型接线，
该可变速发电电动装置设有以下单元，该单元使所述直流电源的直流电流N等分，并针对每相依次流过与所述直流电源的第二端子连接的所述N个2端子臂、所述电枢绕组的第二极侧的所述N相端子、所述电枢绕组的第一极侧的所述N相端子、与所述直流电源的第一端子连接的所述N个2端子臂。
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