JP2005065423A - 自励式変換器の制御装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】 電圧型自励式変換器が過電流により停止するのを防止して安定に運転することのできる自励式変換器の制御装置を提供する。
【解決手段】 3相交流出力電流を有効電力成分と無効電力成分に対応するうに直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように電圧型自励式変換器の電流を制御する自励式変換器の制御装置において、出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値を所定値に変更設定する手段(5、15、16)を備えたことを特徴とする。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電力系統において、直流送電/直流連系システム、あるいは、電力供給システムに用いられる自励式変換器の制御装置に関する。
異なる電力系統間で電力の融通を行なう場合、各交流系統に電圧型自励式変換器を設置し、これらの変換器の直流端子間を相互に接続する直流送電/直流連系システムが用いられる。また、電池等の直流電源から交流系統へ電力を供給する電力供給システムにも、電圧型自励式変換器が使用される。電力用の自励式変換器システムでは、スイッチング損失と高調波を減らすために、複数の変換器及び変圧器を接続した多段システムを採用する場合が多い(例えば、特許文献1参照。)。
図17はこの自励式変換器の制御装置の構成を示すブロック図である。同図において、複数の自励式変換器1、1′の直流側は相互に並列接続され、直流キャパシタ2を介して図示省略の直流線路や直流電源等に接続されている。自励式変換器1、1′の交流側は系統側巻線が直列接続された変圧器3、3′を介して交流系統4に接続されている。図17では分かりやすくするために2段システムとしたが、4段、6段、あるいは、8段などのシステムが採用され、各変換器ごとにスイッチングパルスのタイミングをずらすことにより、比較的少ない回数のスイッチングで高調波の小さな電圧及び電流を出力することができる。
また、自励式変換器では交流出力側において有効電力と無効電力とを独立に制御することが可能で、その手段として一般的に直交軸(dq軸)電流制御が行われる。図17に示すように、上位制御系5から有効電力成分の電流指令値Idref及び無効電力成分の電流指令値Iqrefが交流電流制御回路6に与えられる。一方、位相検出回路7によって検出された交流電圧位相θと変換器用変圧器3、3′からの交流出力電流の検出値が直交軸変換回路8に加えられ、3相出力電流Ir、Is、Itが(1)〜(4)式により有効電力成分Idと無効電力成分Iqの直交軸量に変換される。
Iα=(2×Ir−Is−It)/3 …(1)
Iβ=(Is−It)/√3 …(2)
とすると、
Id=Iα×cosθ+Iβ×sinθ …(3)
Iq=Iα×sinθ−Iβ×cosθ …(4)
各電力成分IdとIqは交流電流制御回路6に入力され、それぞれが指令値Idref、Iqrefに追従するような交流出力電圧信号Vdc、Vqcが出力され、この信号に基づいて各変換器ごとにパルス発生回路9、9′によって変換器1、1′に対してスイッチングパルスが加えられる。
図18は交流電流制御回路6の詳細な構成を示すブロック図である。同図において、上位制御系5から、有効電力成分の電流指令値Idref、無効電力成分の電流指令値Iqrefが与えられ、それぞれ加算器11、11′によって有効電力成分電流検出値Id、無効電力成分電流検出値Iqと突合せが行われ、その差分が比例積分回路12、12′に入力される。比例積分回路12、12′では比例ゲイン、積分ゲインに従い、入力値に応じた値を出力する。この信号が加算器14、14′を介して変換器出力電圧信号Vdc、Vqcに反映されることにより、各軸の電流検出値が指令値と一致するようにフィードバック制御される。一方、加算器14、14′に対しては、電流指令値Idref、Iqrefに、乗算器13、13′により、連系インピーダンス値Xcを掛けた値と、位相検出回路7から与えられる交流1次側電圧のd軸成分Vd、q軸成分Vqとが入力され、比例積分回路12、12′の出力に加算されて得られた結果が出力電圧信号Vdc、Vqcとなる。比例積分回路12、12′以外の信号は、与えられた電流指令値、すなわち、有効電力運転点と無効電力運転点から変換器が出力すべき電圧を演算しているといえる。
すなわち、連系インピーダンスXc、そのインピーダンスの1次側電圧のdq軸成分V1d、V1q、2次側電圧のdq軸成分V2d、V2q、インピーダンスを流れる電流のdq軸成分Id、Iqの間には、次の(5)、(6)式の関係がある。
V2d−V1d=−Iq×Xc …(5)
V2q+V1q=Id×Xc …(6)
図17に示す変換器システムでは、Xcが変換器用変圧器のインピーダンス、2次電圧が変換器出力電圧に相当する。図18の交流電流制御回路の加算器14、14′では(5)(6)式から得られるV2d=Vdc、V2q=Vqcを演算しているものといえる。すなわち、図18の交流電流制御回路では有効電力電流指令値及び無効電力電流指令値と系統電圧検出値から変換器が出力すべき電圧信号をオープンループの演算で求め、さらに電流フィードバック制御によって誤差を解消するような制御が行なわれている。
特開2001−258264号公報
電圧型自励式変換器では、一般的に定格の1.5〜2.0倍程度の出力電流が流れると、過電流で保護停止するように設計されている。電圧型自励式変換器は電流型変換器と比較して過電流に弱いため、交流電流制御は比較的大きなゲインを使用してフィードフォワード回路を組み合わせて系統の変動に高速に追従して過電流を防止している。
通常の運用で過電流保護停止が発生しやすいのは、その近傍で変圧器の投入が行なわれ、大きな励磁突入電流が流れた場合である。励磁突入電流により系統電圧波形に歪みや正負非対象が生じ、これにより変換器用変圧器の偏磁現象が発生する。偏磁が起きると励磁回路が飽和して大きな励磁電流が流れ、これが変換器に流れ込むため、過電流で保護停止する。偏磁による過電流トリップを防止するため、一般的に図17に示すように各変換器ごとに偏磁抑制制御回路10、10′が設けられ、変圧器の1次側(系統側)電流I1と2次側(変換器側)電流I2の差分すなわち励磁電流相当の信号の直流量に応じた値だけ、交流電圧信号に対して補正が行われ、励磁電流が零に近づくような制御が行われる。ただし、偏磁抑制制御は直流量検出のために1サイクル積分などが必要になることから応答速度が遅くなる。そのため、急激に大きな励磁突入電流が流れた場合などには充分な過電流抑制が行えないという問題があった。
また、交流電流制御は各変換器で共通の値である系統側電流を制御するのに対して、励磁電流は変圧器3、3′ごとに異なる値であるため、偏磁抑制制御は各変換器側の電流を制御している。そのため動作が相反し、電流制御の動作によって充分な偏磁抑制効果が得られない場合がある。抑制効果を高めるために偏磁抑制制御のゲインを上げると電流制御と干渉して動作が不安定になるという問題もあった。
事前の出力電流が大きい場合、たとえばフルパワー運転時等には、励磁電流や零相電流に対する許容値が小さくなるため、変換器が過電流で保護停止する可能性がより高くなる。
また、上位制御系5として、たとえば負荷電流に応じた値を指令値Idref、Iqrefとして出力する制御が行われている場合、近隣の変圧器の投入などで負荷電流に歪みや変動が生じると、指令値自体が急峻に変化することによって変換器出力電流の変動が大きくなり、過電流発生の可能性が大きくなるという問題が生じる。
本発明の目的は、電圧型自励式変換器が過電流により停止するのを防止して安定に運転することのできる自励式変換器の制御装置を提供することにある。
請求項1に係る発明は、
3相交流出力電流を有効電力成分と無効電力成分に対応するように直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように電圧型自励式変換器の電流を制御する自励式変換器の制御装置において、
出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値を所定値に変更設定する手段を備えた、ことを特徴とする。
このように構成したことにより、変換器の運転点を出力電流の小さな領域に移行させ、許容される励磁電流や零相電流の値を大きくすることによって過電流を防止することができる。
請求項2に係る発明は、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置において、各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、有効電力成分の電流指令値を零あるいは事前の運転電力と零との間の値に固定し、無効電力成分の電流指令値を予め決められた一定の値に固定することを特徴とする。
このように構成したことにより、変換器の運転点を出力電流の小さな領域に移行させ、許容される励磁電流や零相電流の値を大きくすることによって過電流を防止することができる。
請求項3に係る発明は、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置において、各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、有効電力成分の電流指令値を零あるいは事前の有効電力運転点と零との間の値に固定し、無効電力成分の電流指令値を事前の無効電力運転点に対して予め決められた一定の値だけ変えた値に固定することを特徴とする。
このように構成したことにより、変換器の運転点を出力電流の小さな領域に移行させ、許容される励磁電流や零相電流の値を大きくすることによって過電流を防止することができる。
請求項4に係る発明は、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置において、各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値を事前の値に対して一定の比率で低減した値に変更することを特徴とする。
このように構成したことにより、変換器の運転点を出力電流の小さな領域に移行させ、許容される励磁電流や零相電流の値を大きくすることによって過電流を防止することができる。
請求項5に係る発明は、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置において、各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値に対して1次遅れ回路等により平滑化処理をした信号を新たな電流指令値として使用することを特徴とする。
このように構成したことにより、指令値自体が変動することによって変換器出力電流が過電流となるのを防止することができる。
請求項6に係る発明は、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の自励式変換器の制御装置において、各軸電流指令値を変更設定する手段は、各軸電流指令値に対して定常運転時は有効電力成分の指令値を優先させる制限をかけ、出力電流が一定値を越えたことを条件に、無効電力成分を優先させる制限に切り替えることを特徴とする。
このように構成したことにより、定常運転時には必要な有効電力を優先的に供給し、かつ過電流の可能性のある場合には無効電流を優先的に適切な値に保つことにより過電流を防止して安定に運転を継続することができる。
請求項7に係る発明は、
3相交流出力電流を直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように制御を行う電流制御回路と、変圧器の1次側と2次側の電流の差分に応じて自励式変換器の各相出力電圧の補正を行うことにより変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御回路を有する自励式変換器の制御装置において、
出力電流が一定値を越えたことを条件に、電流制御回路の制御ゲインを通常よりも小さな値に切り替える手段を備えたことを特徴とする。
このように構成したことにより、偏磁抑制制御の効力を高めて偏磁による変換器過電流を防止することができる。
請求項8に係る発明は、
3相交流出力電流を直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように制御を行う電流制御回路と、変圧器の1次側と2次側の電流の差分に応じて自励式変換器の各相出力電圧の補正を行うことにより変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御回路を有する自励式変換器の制御装置において、
出力電流が一定値を越え、かつ、偏磁抑制制御回路の入力信号である励磁電流相当の値又は偏磁抑制制御回路の出力信号が一定値を越えたことを条件に、電流制御回路の制御ゲインを通常よりも小さな値に切り替える手段を備えたことを特徴とする。
このように構成したことにより、偏磁抑制制御の効力を高めて偏磁による変換器過電流を防止することができる。
以上の説明によって明らかなように、本発明によれば、電圧型自励式変換器が過電流により停止するのを防止して安定に運転することのできる自励式変換器の制御装置を提供することができる。
以下、本発明を図面に示す好適な実施形態に基づいて詳細に説明する。なお、図17及び図18を用いて説明した従来の自励式変換器の制御装置と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。
図1は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第1の実施形態の構成を示すブロック図である。図中、主回路部は従来の装置と同じに構成され、動作も同じであるのでその説明を省略し、従来装置と異なる点について説明する。
この第1の実施形態は、図17に示す従来装置に対して、指令値設定回路15、スイッチ回路16及び過電流検出回路17を新たに設けた点が構成上異なっている。
ここで、指令値設定回路15は、交流電流制御回路6で使用される電流指令値Idref′、Iqref′を設定する回路であり、その出力はスイッチ回路16に入力される。一方、上位制御系5から与えられる電流指令値Idref、Iqrefもスイッチ回路16に入力される。スイッチ回路16は過電流検出回路17からの信号により、上位制御系5からの電流指令値Idref、Iqrefあるいは指令値設定回路15からの電流指令値Idref′、Iqref′のいずれか一方を選択して、交流電流制御回路6に加える。
図2は過電流検出回路17の詳細な構成を示すブロック図である。ここで、各変換器用変圧器3、3′の2次側(変換器側)の各相電流の検出値が絶対値演算回路18、18′に入力され、この絶対値検出回路18、18′でそれぞれ絶対値に変換され、最大値検出回路19に入力される。最大値検出回路19では、各変換器の各相電流のうち、絶対値の最も大きなものを選択し、レベル検出回路20に加える。レベル検出回路20ではこれに加えられた値が予め設定された値、たとえば、定格電流100%を越えた場合に、スイッチ回路16に対して切換え信号を加える。その他の構成は従来例と同じである。
次に、図1及び図2に示す第1の実施形態の動作について、特に、従来装置と構成を異にする点について説明する。図1に示した自励式変換器の制御装置では、指令値設定回路15に予め、Idref′、Iqref′としてそれぞれ零、あるいは零に近い一定の値が設定されている。設定手法としてはユーザーによる手動設定、あるいは、事前の解析などにより決められた固定値などがある。定常運転時においては、スイッチ回路16は上位制御系5から与えられた指令値Idref、Iqrefを選択している。ここで、系統外乱などにより、変換器出力電流が定格電流を越えると、過電流検出回路17によりこれが検出され、スイッチ回路16へ切換え信号が加えられる。電流指令値がIdref′、Iqref′、すなわち、零あるいは零に近い小さな値に切換えられることにより、系統側の変換器出力電流が小さな運転点に移行する。
かくして、第1の実施形態によれば、変換器の出力電流が大きくなった場合には、電流指令値を切り替えることにより、系統側出力電流が小さな値に抑えられ、保護停止にいたる過電流レベルに対する余裕が大きくなる。このため、交流電流制御回路による制御を行えない変換器用変圧器の励磁電流や零相電流が大きくなったとしても、過電流には至らず安定して運転を継続することができる。
図3は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第2の実施形態の構成を示すブロック図である。図中、第1の実施形態を示す図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略し、第1の実施形態と異なる点について説明する。
この第2の実施形態は、指令値設定回路15Aに対して上位制御系5から与えられる有効電力成分電流指令値Idref、及び、過電流検出回路17の出力信号が入力されている点で第1の実施形態と構成を異にしている。
図4は指令値設定回路15Aの詳細な構成を示すブロック図である。同図において、上位制御系5から与えられる有効電力成分の電流指令値Idref及び低減ゲインKdが乗算器21に入力され、各入力値が乗算された結果がホールド回路22に加えられる。低減ゲインKdは0〜1の間の値であり、例えば、ユーザーが適切な値を設定する。ホールド回路22に対しては入力値をホールドする指令信号として過電流検出回路17の出力信号が加えられている。ホールド回路22の出力は電流指令値Idref′としてスイッチ回路16に加えられる。一方、無効電力成分電流指令値Iqref′としては予め設定された固定の値がそのまま出力されてスイッチ回路16に加えられる。
次に、図3及び図4に示す第2の実施形態の動作について以下に説明する。図3に示した自励式変換器の制御装置では、定常運転時においてはスイッチ回路16は上位制御系5から与えられる指令値Idref、Iqrefを選択して交流電流制御回路6に加える。ここで、交流系統4の外乱などにより、変換器の出力電流が定格電流を越えると、過電流検出回路13によりこれが検出され、スイッチ回路16へ切換え信号が加えられる。以上の動作は図1に示す第1の実施形態と同様である。一方、指令値設定回路15Aの内部では、過電流検出回路17から過電流検出信号が加えられたことにより、ホールド回路22の出力がその時点での入力値、すなわち、上位制御系5から与えられた電流指令値Idrefに低減ゲインKdを乗じた値に固定され、その値と固定値Iqref′とがスイッチ回路16に加えられる。この動作により、最終的に交流電流制御回路6に加えられる電流指令値は、有効電力の成分電流としては上位制御系5から与えられた値にゲインKdを乗じて低減された値となり、無効電力の成分電流としては予め設定された固定値Iqref′となる。
これにより、変換器の運転点は、有効電力成分は零に近い値、無効電力成分は固定の指令値Idref′に移行する。Kd=0と設定しておけば有効電力成分の指令値は0になる。
過電流の発生原因が近隣変圧器の励磁突入電流の場合、無効電力運転点は零に近い点より、むしろ系統条件に応じたある大きさの値を出力している方が過電流を抑制できる場合がある。どの程度の値が適切であるかについては、予め系統シミュレーションなどの解析により求めておく必要がある。図4における固定値Iqref′としては、こうして得られた適切な無効電力運転点の値を設定しておく。有効電力成分については零に近くするほど過電流は抑制される傾向にある。
かくして、第2の実施形態によれば、変換器出力電流が大きくなった場合には、電流指令値を切り替えることにより、系統側出力電流の有効電力成分は小さな値に抑えられ、無効電力成分は過電流の発生し難い運転点に移行する。これにより保護停止にいたる過電流レベルに対する余裕が大きくなる。このため、電流制御回路による制御の行えない変換器用変圧器の励磁電流や零相電流が大きくなっても、過電流に至らず安定に運転を継続することができる。
図5は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第3の実施形態の構成を示すブロック図である。図中、第1の実施形態を示す図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略し、第1の実施形態と異なる点について説明する。この第3の実施形態は、指令値設定回路15Bに対して上位制御系5から与えられる有効電力成分電流指令値Idref、無効電力成分電流指令値Iqref、及び、過電流検出回路13の出力信号が加えられている点が図1に示す第1の実施形態と構成を異にしている。
図6は図5に示す指令値設定回路15Bの詳細な構成を示すブロック図である。同図において、上位制御系5から与えられる有効電力の成分電流指令値Idref及び低減ゲインKdが乗算器21に入力され、各入力値の乗算結果がホールド回路22に加えられる。低減ゲインKdは0〜1の間の値であり、例えば、ユーザーが適切な値を設定する。一方、上位制御系5から与えられる無効電力の成分電流指令値Iqref及びこの電流指令値に対する加算値ΔIqrefが加算器23に入力され、各入力値が加算され、その加算結果がホールド回路24に入力される。加算値ΔIqrefは−0.5〜0.5程度の値であり例えばユーザーが適切な値を設定する。ホールド回路22、24に対しては入力値をホールドする指令信号として過電流検出回路17の出力信号が加えられている。ホールド回路24の出力経路にはリミッタ回路25が接続され、リミッタ回路25ではこれに加えられた値が定格電流値を越えないように制限を加えた結果を出力する。ホールド回路22の出力は電流指令値Idref′として、リミッタ回路25の出力は電流指令値Iqref′としてスイッチ回路16に加えられる。
次に、図5及び図6に示す第3の実施形態の動作について説明する。この第3の実施形態では、定常運転時においてはスイッチ回路16は上位制御系5から与えられた指令値Idref、Iqrefを選択して交流電流制御回路6に加えている。ここで交流系統4の外乱などにより、変換器出力電流が定格電流を越えると、過電流検出回路17によってこの過電流が検出され、スイッチ回路16に切換え信号が加えられる。以上の動作は図1に示す第1の実施形態と同様である。
一方、指令値設定回路15Bの内部では、過電流検出回路17から過電流検出信号が加えられることにより、ホールド回路22及び24の出力がその時点での入力値、すなわち、上位制御系5から与えられたIdrefに低減ゲインKdを乗じた値、及び、上位制御系5から与えられたIqrefに加算値ΔIqrefを加えた値に固定される。さらに無効電力成分の指令値についてはリミッタ回路25により、指令値が定格電流を超えないように制限され、それらの結果がIdref′、Iqref′としてスイッチ回路16に加えられる。この動作により最終的に交流電流制御回路6に加えられる電流指令値は、有効電力の成分電流指令値としては上位制御系5から与えられた値をゲインKdにより低減した値となり、無効電力の成分電流指令値としては定格電流範囲内で、上位制御系から与えられた値に対して加算値ΔIqrefだけずれた値となる。
かくして、第3の実施形態によれば、自励式変換器の出力電流が大きくなった場合には、電流指令値を切り替えることにより、系統側出力電流の有効電力成分は小さな値に抑えられ、無効電力成分は過電流の発生しにくい運転点に移行する。これにより保護停止にいたる過電流レベルに対する余裕が大きくなる。このため、電流制御回路による制御の行えない変換器用変圧器の励磁電流や零相電流が大きくなっても、過電流に至らず安定に運転を継続することができる。
図7は本発明に係る自励式変換器の第3の実施形態の変形例を示し、図5に示す指令値設定回路の他の構成例を示すブロック図である。ここに示した指令値設定回路15Cは、上位制御系5から与えられる有効電力の成分電流指令値Idref及び低減ゲインKdが乗算器21に入力され、無効電力成分電流指令値Iqref及び低減ゲインKdが乗算器26に入力され、各入力値が乗算される。低減ゲインKdは0〜1の間の値であり、例えば、ユーザーが適切な値を設定する。乗算器21、26の出力はそれぞれホールド回路22、24に入力され、ホールド回路22、24に対しては、その入力値をホールドする指令信号として過電流検出回路17の出力信号が加えられている。各ホールド回路の出力は電流指令値Idref′、Iqref′としてスイッチ回路16に加えられる。
以下、図7に示した指令値設定回路15Cの動作について説明する。図5の制御装置では、定常運転時においてはスイッチ回路16は上位制御系5から与えられた指令値Idref、Iqrefを選択している。ここで、交流系統4の外乱などにより、変換器出力電流が定格電流を越えると、過電流検出回路17によりその過電流が検出され、スイッチ回路16に切換え信号が加えられる。以上の動作は図1に示す第1の実施形態と同様である。
一方、図7に示す指令値設定回路15Cの内部では、過電流検出回路17から過電流検出信号が加えられることにより、ホールド回路22及び24の出力がその時点での入力値、すなわち、上位制御系5から与えられたIdref、Iqrefにそれぞれ低減ゲインKdを乗じた値に固定される。それらの結果が電流指令値Idref′、Iqref′としてスイッチ回路16に加えられる。この動作により最終的に交流電流制御回路6に加えられる電流指令値は、上位制御系5から加えられた値をゲインKdにより低減した値に固定される。
かくして、図7に示した第3の実施形態の変形例によれば、変換器出力電流が大きくなった場合には、電流指令値を切り替えることにより、系統側出力電流が小さな値に抑えられ、保護停止にいたる過電流レベルに対する余裕が大きくなる。このため、電流制御回路による制御が行えない変換器用変圧器の励磁電流や零相電流が大きくなっても、過電流に至らず安定して運転を継続することができる。
なお、上位制御系5がフィードバック制御を行っていないシステムの場合には、図7の指令値設定回路におけるホールド回路22及びホールド回路24を除去しても同様の効果が得られる。
図8は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第4の実施形態の構成を示すブロック図である。図中、第1の実施形態を示す図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略し、第1の実施形態と異なる点について説明する。この実施形態は、図1中の指令値設定回路15の代わりに信号平滑化回路27、27′を設けた点が図1と構成を異にし、これ以外は図1と同一に構成されている。ここで、信号平滑化回路27、27′の入力として、上位制御系5から与えられる有効電力成分電流指令値Idref、無効電力成分電流指令値Iqrefがそれぞれ加えられ、その出力がスイッチ回路16に加えられる。信号平滑化回路27、27′は、例えば、1次遅れ回路等、上位制御系5からの信号が変動している場合にそれを平滑化するための回路である。これら以外は図1に示す第1の実施形態と同様に構成されている。
上記のように構成された第4の実施形態の動作について、特に、図1と構成を異にする部分について以下に説明する。この制御装置では、定常運転時においてはスイッチ回路16は上位制御系5から与えられた指令値Idref、Iqrefを選択している。ここで、交流系統4の外乱などにより、変換器の出力電流が定格電流を越えると、過電流検出回路17によりこれが検出され、スイッチ回路16へ切換え信号が加えられ、スイッチ回路16では信号平滑化回路27、27′から出力された信号を選択し、交流電流制御回路6に対して、電流指令値として加える。
かくして、図8に示す第4の実施形態によれば、変換器出力電流が大きくなった場合には、電流指令値が定常運転の場合に比べて変動の小さな値となる。上位制御系5として、例えば、負荷電流の大きさに合わせて電流指令値を算出する制御方式などが使われていると、近隣の変圧器の投入が行われた場合などには負荷電流の歪みや変動が大きくなることにより指令値自体の変動が大きくなり、これが原因で変換器の過電流が発生しやすくなるが、本実施形態によれば指令値を平滑化して変動を抑えることにより、変換器の過電流を防止することができる。
図9は本発明に係る自励式変換器の第5の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、第1の実施形態を示す図1と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図1に示す第1の実施形態に対して、リミット値切換え回路28、リミッタ回路29及び29′を追加したものである。このうち、リミット値切換え回路28は過電流検出回路17から過電流検出信号を受信して、電流指令値Idref、Iqrefに対する上下限リミット値を出力するものであり、リミッタ回路29、29′はこれらの上下限リミット値に従って電流指令値Idref、Iqrefにそれぞれ制限を加えるものである。
図10はリミット値切換え回路28の詳細な構成を示すブロック図である。このリミット値切換え回路28には有効電力の最大値として有効電力定格Pmax、無効電力の最大値として無効電力定格Qmax、及び、皮相電力の最大値として容量MVAの固定値がそれぞれ設定されており、過電流検出回路17が過電流を検出したとき、これらの設定値に基づいて電流指令値Idrefに対する上、下限値Idmax、Idminと、電流指令値Iqrefに対する上、下限値Iqmax、Iqminとを出力するための演算回路30、30′、スイッチ回路31、規格化回路32、32′及び符号反転回路33、33′とで構成されている。
このうち、演算回路30は無効電力定格Qmax及び変換器容量MVAを入力し、√(MVA−Qmax)を演算するものであり、演算回路30′は有効電力定格Pmax及び変換器容量MVAを入力し、√(MVA−Pmax)を演算するものである。スイッチ回路31は、過電流検出回路17が過電流を検出しないとき、有効電力定格Pmaxと演算回路30′の出力とを規格化回路32、32′に加え、過電流検出回路17が過電流を検出したとき演算回路30の出力と無効電力定格Qmaxとを規格化回路32、32′に加えるように切り換えるものである。規格化回路32はスイッチ回路31を介してこれに加えられる値を規格化して電流指令値Idrefの上限値Idmaxを出力し、規格化回路32′はスイッチ回路31からこれに加えられる値を規格化して電流指令値Iqrefの上限値Iqmaxを出力するものである。符号反転回路33は電流指令値Idrefの上限値Idmaxの符号を負の値に反転して下限値Idminとして出力し、符号反転回路33′は電流指令値Iqrefの上限値Idmaxの符号を負の値に反転して下限値Iqminとして出力するものである。
上記のように構成された第5の実施形態の動作について、特に、図1に示す第1の実施形態と構成を異にする部分について以下に説明する。この実施形態では、定常運転時においてはスイッチ回路16は上位制御系5から与えられた指令値Idref、Iqrefを選択している。ここで交流系統4の外乱などにより、変換器の出力電流が定格電流を越えると、過電流検出回路17によりこれが検出され、スイッチ回路16へ切換え信号が加えられ、スイッチ回路16では指令値設定回路15から与えられた信号Idref′、Iqref′を選択して出力し、交流電流制御回路6に対して電流指令値として与える。
一方、過電流検出回路17の出力はリミット値切換え回路28に対しても加えられていて、変換器出力電流が定格電流を越えると、リミット値切換え回路28で信号の切り換えが行われる。すなわち、図10に示すリミット値切換え回路28において、定常時はスイッチ回路31では有効電力定格Pmax及び演算回路30′の出力が選択され、その値がリミッタ回路29、29′に加えられている。すなわち、有効電力は定格いっぱいの出力が可能であり、無効電力は皮相電力に対して有効電力分を差し引いた残りの範囲で指令値が決められる。これにより有効電力優先の制御が行われる。ここで、過電流検出回路17から切換え指令が与えられると、スイッチ回路31では無効電力定格Qmax及び演算回路30の出力が選択され、その値がリミッタ回路29、29′に加えられる。すなわち、無効電力は定格いっぱいの出力が可能であり、有効電力は皮相電力に対して無効電力分を差し引いた残りの範囲で指令値が決められ、無効電力優先の制御に切り換わる。
かくして、図9及び図10に示した第5の実施形態によれば、変換器出力電流が大きくなった場合には、電流指令値が有効電力優先から無効電力優先に切り替わる。定常運転の場合、一般に融通電力や出力電力といった有効電力が上位制御系から与えられるとおり出力されることが重要であり有効電力優先制御を行う必要がある。変換器出力電流が増大した時には、有効電力成分は零に近い値に絞り込み、無効電力は適切な値を出力することによって過電流による保護停止が発生するのを防止することができる。本実施形態により、定常時は有効電力を必要なだけ融通し、過電流発生の可能性がある時には無効電力優先に切り換えることによって過電流をより確実に防止することができる。
図11は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第6の実施形態の構成を示すブロック図でり、図中、第5の実施形態を示す図9と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この第6の実施形態は図9に示すリミット値切換え回路28Aに対して、スイッチ回路16の各出力をリミット値切換え回路28Aに加えている点が異なっている。これ以外は図9と同一に構成されている。
図12はリミット値切換え回路28Aの詳細な構成を示すブロック図である。このリミット値切換え回路28Aにおいては、演算回路30に対してスイッチ回路16からの無効電力指令値Iqrefと変換器容量MVAとが加えられ、演算回路30′に対してスイッチ回路16からの有効電力指令値Idrefと変換器容量MVAとが加えられており、演算回路30では、MVAとIqrefより、√(MVA−Iqref)を演算する。この結果、得られる値は、無効電力が指令値どおりに出力されている時に有効電力を出力することのできる値である。同様に、演算回路30′では、MVAとIdrefより、√(MVA−Idref)を演算する。この結果、得られる値は、有効電力が指令値とおりに出力されている時に無効電力を出力することのできる値である。その他の構成は図10に示すリミット値切換え回路28と同じである。
上記のように構成された第6の実施形態の動作について、特に、図9及び図10を用いて説明した第5の実施形態と構成を異にする部分について説明する。図12に示すリミット値切換え回路28Aにおいて、定常時はスイッチ回路31では有効電力定格Pmax、及び、演算回路30′の出力が選択され、それらの値がリミッタ回路29、29′に加えられる。すなわち、有効電力は定格いっぱいの出力が可能であり、無効電力は皮相電力に対して有効電力の指令値分を差し引いた残りの範囲で指令値が決められる。これにより有効電力優先の制御が行われる。ここで過電流検出回路17から切換え指令が与えられると、スイッチ回路31では無効電力定格Qmax、及び演算回路30の出力が選択され、その値がリミッタ回路29、29′に加えられる。すなわち、無効電力は定格いっぱいの出力が可能であり、有効電力は皮相電力に対して無効電力指令値分を差し引いた残りの範囲で指令値が決められ、無効電力優先の制御に切り換えられる。
かくして、図11及び図12を用いて説明した第6の実施形態によれば、変換器出力電流が大きくなった場合には、電流指令値が有効電力優先から無効電力優先に切り替わる。定常運転の場合、一般に融通電力や出力電力といった有効電力が上位制御系から与えられるとおり出力されることが重要であり有効電力優先制御を行う必要がある。変換器出力電流が増大した時には、有効電力成分は零に近い値に絞り込み、無効電力は適切な値を出力することによって過電流による保護停止が発生するのを防止することができる。本実施形態により、定常時は有効電力を必要なだけ融通し、過電流発生の可能性がある時には無効電力優先に切り換えることによって過電流をより確実に防止することができる。
なお、図9に示す第5の実施形態及び図11に示す第6の実施形態は、それぞれ、図1に示す第1の実施形態に、リミット値切換え回路28又は28A及びリミッタ回路29、29′を加入した構成になっているが、図3に示した第2の実施形態、図5に示した第3の実施形態及び図8に示した第4の実施形態にそれぞれリミット値切換え回路28又は28A及びリミッタ回路29、29′を加入することによって、第5又は第6の実施形態と同様な効果が得られる。
図13は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第7の実施形態の構成を示すブロック図であり、図中、従来装置を説明した図17と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は図17に示す自励式変換器の制御装置に対して過電流検出回路17を設け、その出力信号を交流電流制御回路6Aに加えると共に、この交流電流制御回路6Aを図14に示すように構成した点が図17と構成上異なっている。
図14において、交流電流制御回路6Aは、図18に示す従来の交流電流制御回路6に対して、スイッチ回路34及び乗算器35、35′を新たに設けたものである。スイッチ回路34の入力端子には、「1」及び低減ゲインKdが与えられており、過電流検出回路17からの切換え信号によりどちらかの値が選択され、乗算器35、35′に加えられる。低減ゲインは1以下の適切な値であり、手動設定などにより予め設定されている。その他の構成は図18に示す従来の交流電流制御回路6と同じである。
上記のように構成された第7の実施形態の動作について、特に、図17及び図18と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。ここに示した自励式変換器の制御装置においては、通常運転時に交流電流制御過電流を検出しておらず、従って、図14に示した交流電流制御回路6Aではスイッチ回路34で「1」が選択されて乗算器35、35′に加えられる。これにより変換器は従来と同様に制御される。ここで、交流系統4の外乱などにより変換器の出力電流が大きくなると、過電流検出回路17により切換え指令が交流電流制御回路6Aの内部のスイッチ回路34に加えられ、スイッチ回路34は低減ゲインKdを選択して乗算器35、35′に加える。これにより、比例積分回路12、12′に入力される信号の大きさは定常時のKd倍に低減され、実質的に比例積分回路すなわちフィードバック制御のゲインがKd倍に低減される。
かくして、図13及び図14に示した第7の実施形態によれば、過電流が発生する可能性がある場合に、交流電流制御のフィードバックゲインが低減される。定常運転における過電流の原因で最も頻度が大きいのは近隣変圧器の投入による偏磁が原因となっており、偏磁抑制制御回路10、10′による制御をより効果的に行うことにより過電流を防止し得る確率が高められる。従来装置で説明したように、交流電流制御と偏磁抑制制御は相反する動作を行うため、十分な追従性を持つ、すなわち、ゲインの高い電流制御回路を採用した場合に偏磁抑制制御による過電流防止効果が十分に得られない可能性があるが、本実施形態によれば定常運転時には高速の電流追従性を持ち、かつ、偏磁による過電流が発生した場合には偏磁抑制制御の相対的なゲインを高めて、過電流を防止することができる。
なお、第7の実施形態を構成する交流電流制御回路6A(図14)では、乗算器35、35′を比例積分回路12、12′の入力部分に挿入しているが、これを比例積分回路12、12′の出力部分に挿入しても同様の効果が得られる。また、第1ないし第6の実施形態を構成する交流電流制御回路6Aに、それぞれ図14に示したと同様のスイッチ回路34、乗算器35、35′を付加することによって図7で説明したと同様な効果が得られる。
図15は本発明に係る自励式変換器の制御装置の第8の実施の形態の構成を示すブロック図であり、図中、図13に示す第7の実施形態と同一の要素には同一の符号を付してその説明を省略する。この実施形態は第7の実施形態を示す図13の構成に対して、励磁過電流検出回路36を付加すると共に、過電流検出回路17の出力を一方入力、励磁過電流検出回路36の出力を他方入力とするAND回路37を設け、このAND回路37の出力信号を過電流検出回路17の出力信号の代わりに交流電流制御回路6に入力するようにした点が異なっている。この場合、励磁過電流検出回路36に対しては、偏磁抑制制御回路10、10′より変圧器3、3′の励磁電流相当の値、すなわち、各相ごとに2次電流I2から1次電流I1を引いた値が入力される。それらの値から、励磁過電流検出回路36では変圧器励磁電流が一定値を越えたか否かを判断し、その結果をAND回路37に与える。
図16は励磁過電流検出回路36の詳細な構成を示すブロック図であり、これは図2に示す過電流検出回路17と構成は同じで与えられる信号が各変圧器、各相の励磁電流となる。また、交流電流制御回路6の内部構成は、図14に示す第7の実施形態と同じであり、スイッチ回路34の切換え信号としてAND回路37の出力が使用される。
上記のように構成された第8の実施形態の動作について、特に、図7と構成を異にする部分を中心にして以下に説明する。通常の運転時は、交流電流制御の過電流を検出しておらず、スイッチ回路34で「1」が選択されて乗算器35、35′に加えられる。これにより変換器は従来と同様に制御される。ここで、交流系統4の外乱などにより変換器の出力電流が大きくなると、過電流検出回路17の出力が「1」となる。さらに変圧器励磁電流が大きな値になっていると励磁過電流検出回路36の出力が「1」となってAND回路37へ与えられることにより、切換え指令が交流電流制御回路6の内部のスイッチ回路34に与えられ、スイッチ回路34は低減ゲインKdを選択して乗算器35、35′に与える。これにより、比例積分回路12、12′に入力される信号の大きさは定常時のKd倍に低減され、実質的に比例積分回路、すなわち、フィードバック制御のゲインがKd倍に低減される。
かくして、図15及び図16に示した第8の実施形態によれば、変圧器の偏磁、すなわち、励磁電流の増大によって過電流が発生する可能性がある場合に、交流電流制御のフィードバックゲインが低減される。定常運転における過電流の原因で最も頻度が大きいのは近隣変圧器の投入による偏磁が原因となっており、偏磁抑制制御回路10、10′による制御をより効果的に行うことにより過電流が防止できる確率が高くなる。従来装置で説明したように交流電流制御と偏磁抑制制御は相反する動作を行うため、十分な追従性を持つことになる。すなわち、ゲインの高い電流制御を使用した場合に偏磁抑制制御による過電流防止効果が十分に得られない可能性があるが、本実施形態によれば定常運転時には高速の電流追従性を持ち、かつ、偏磁による過電流が発生する場合には偏磁抑制制御の相対的なゲインを高めて、過電流を防止することができる。また偏磁以外の原因で過電流の可能性が生じた場合には通常通り、交流電流制御を高速に動作させることによって過電流を防止することができる。
本発明に係る自励式変換器の制御装置の第1の実施形態の構成を示すブロック図。 図1に示す第1の実施形態を構成する過電流検出回路の詳細な構成を示すブロック図。 本発明に係る自励式変換器の制御装置の第2の実施形態の構成を示すブロック図。 図3に示す第2の実施形態を構成する指令値設定回路の詳細な構成を示すブロック図。 本発明に係る自励式変換器の制御装置の第3の実施形態の構成を示すブロック図。 第3の実施形態を構成する指令値設定回路の詳細な構成を示すブロック図。 図6に示す第3の実施形態を構成する指令値設定回路の他の構成例を示すブロック図。 本発明に係る自励式変換器の制御装置の第4の実施形態の構成を示すブロック図。 本発明に係る自励式変換器の第5の実施形態の構成を示すブロック図。 図9に示す第5の実施形態を構成するリミット値切換え回路の詳細な構成を示すブロック図。 本発明に係る自励式変換器の制御装置の第6の実施形態の構成を示すブロック図。 図11に示す第6の実施形態を構成するリミット値切換え回路の詳細な構成わ示すブロック図。 自励式変換器の制御装置の第7の実施形態の構成を示すブロック図。 図13に示す第7の実施形態を構成する交流電流制御回路の詳細な構成を示すブロック図。 本発明に係る自励式変換器の制御装置の第8の実施の形態の構成を示すブロック図。 図15に示す第8の実施形態を構成する励磁過電流検出回路の詳細な構成を示すブロック図。 従来の自励式変換器の制御装置の構成を示すブロック図。 図17に示す交流電流制御回路の詳細な構成を示すブロック図。
符号の説明
1 自励式変換器
2 直流キャパシタ
3、3′ 変換器用変圧器
4 交流系統
5 上位制御系
6、6A 交流電流制御回路
7 位相検出回路
8 直交軸変換回路
9、9′ パルス発生回路
10、10′ 偏磁抑制制御回路
11、11′ 加算器
12、12′ 比例積分回路
13、13′ 乗算器
14、14′ 加算器
15、15A、15B、15C 指令値設定回路
16 スイッチ回路
17 過電流検出回路
18、18′ 絶対値演算回路
19 最大値選択回路
20 レベル検出器
21 乗算器
22 ホールド回路
23 加算器
24 ホールド回路
25 リミッタ回路
26 乗算器
27、27′ 平滑化回路
28、28A リミット値切換え回路
29、29′ リミッタ回路
30、30′ 演算回路
31 スイッチ回路
32、32′ 規格化回路
33、33′ 符号反転回路
34 スイッチ回路
35、35′ 乗算器
36 励磁過電流検出回路
37 AND回路
38、38′ 絶対値演算回路
39 最大値選択回路
40 レベル検出器

Claims (8)

  1. 3相交流出力電流を有効電力成分と無効電力成分に対応するように直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように電圧型自励式変換器の電流を制御する自励式変換器の制御装置において、
    出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値を所定値に変更設定する手段を備えた、ことを特徴とする自励式変換器の制御装置。
  2. 前記各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、有効電力成分の電流指令値を零あるいは事前の運転電力と零との間の値に固定し、無効電力成分の電流指令値を予め決められた一定の値に固定することを特徴とする、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置。
  3. 前記各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、有効電力成分の電流指令値を零あるいは事前の有効電力運転点と零との間の値に固定し、無効電力成分の電流指令値を事前の無効電力運転点に対して予め決められた一定の値だけ変えた値に固定することを特徴とする、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置。
  4. 前記各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値を事前の値に対して一定の比率で低減した値に変更することを特徴とする、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置。
  5. 前記各軸電流指令値を変更設定する手段は、出力電流が一定値を越えたことを条件に、各軸電流指令値に対して1次遅れ回路等により平滑化処理をした信号を新たな電流指令値として使用することを特徴とする、請求項1に記載の自励式変換器の制御装置。
  6. 前記各軸電流指令値を変更設定する手段は、各軸電流指令値に対して定常運転時は有効電力成分の指令値を優先させる制限をかけ、出力電流が一定値を越えたことを条件に、無効電力成分を優先させる制限に切り替えることを特徴とする、請求項1ないし5のいずれか1項に記載の自励式変換器の制御装置。
  7. 3相交流出力電流を直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように制御を行う電流制御回路と、変圧器の1次側と2次側の電流の差分に応じて自励式変換器の各相出力電圧の補正を行うことにより変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御回路を有する自励式変換器の制御装置において、
    出力電流が一定値を越えたことを条件に、前記電流制御回路の制御ゲインを通常よりも小さな値に切り替える手段を備えたことを特徴とする、自励式変換器の制御装置。
  8. 3相交流出力電流を直交座標上のdq軸変数に変換し、各軸電流が指令値に追従するように制御を行う電流制御回路と、変圧器の1次側と2次側の電流の差分に応じて自励式変換器の各相出力電圧の補正を行うことにより変圧器の偏磁を防止する偏磁抑制制御回路を有する自励式変換器の制御装置において、
    出力電流が一定値を越え、かつ、偏磁抑制制御回路の入力信号である励磁電流相当の値又は偏磁抑制制御回路の出力信号が一定値を越えたことを条件に、前記電流制御回路の制御ゲインを通常よりも小さな値に切り替える手段を備えたことを特徴とする、自励式変換器の制御装置。
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