JP2006246676A - Power conversion equipment, self-excited reactive power compensating system using this power conversion equipment, and power supply system - Google Patents

Power conversion equipment, self-excited reactive power compensating system using this power conversion equipment, and power supply system Download PDF

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JP2006246676A JP2005062379A JP2005062379A JP2006246676A JP 2006246676 A JP2006246676 A JP 2006246676A JP 2005062379 A JP2005062379 A JP 2005062379A JP 2005062379 A JP2005062379 A JP 2005062379A JP 2006246676 A JP2006246676 A JP 2006246676A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide power conversion equipment that can realize turning into high of voltage, increase in capacity, reduction in loss, and high performance. <P>SOLUTION: The power conversion equipment includes a three-phase, three-level inverter circuit 11, that converts direct-current voltage into three-phase alternating-current voltage and outputs voltages of three levels that are controlled by pulse width modulation to the respective phases; power supply circuits 12a, 12b, and 12c, that are connected in series with the outputs in the respective phases of the three-phase, three-level inverter circuit 11 in the respective phases on the output side of the three-phase, three-level inverter circuit 11; and a control device 7 that controls the three-phase, three-level inverter circuit 11 and the power supply circuits 12a, 12b, and 12c and causes a desired three-phase alternating-current voltage to be outputted as the total value of their output voltages. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、直流電圧を3相交流電圧に変換して出力する電力変換装置及びこの電力変換装置を用いた自励式無効電力補償システムや電力供給システムに関するものである。   The present invention relates to a power converter that converts a DC voltage into a three-phase AC voltage and outputs the same, and a self-excited reactive power compensation system and a power supply system that use the power converter.

従来、高電圧で大容量用途の電力変換装置を、低損失に実現するための研究がなされている。そして例えば特許文献1に示すような、3レベルインバータ装置は高電圧の直流電源との組み合わせが容易であり、電力変換装置の高圧化や大容量化に適している。ところが、この3レベルインバータ装置は、系統連系のように出力電圧に高い品質を求められる場合には、多パルス化、すなわち電力変換装置を構成する半導体スイッチ素子のスイッチング回数を増やす必要があるが、これにより半導体スイッチ素子による電力損失が増加し、高効率化を図ることができないという問題がある。   Conventionally, studies have been made to realize a low-loss power converter for high-voltage and large-capacity applications. For example, a three-level inverter device as shown in Patent Document 1 can be easily combined with a high-voltage DC power supply and is suitable for increasing the voltage and capacity of a power converter. However, this three-level inverter device needs to increase the number of switching of the semiconductor switch elements constituting the power conversion device when the output voltage is required to have high quality as in the case of grid connection. As a result, there is a problem that power loss due to the semiconductor switching element increases and high efficiency cannot be achieved.

一方、例えば特許文献2に示すように、単相インバータ装置を直列に接続した回路を3相分用いる方法は、単相インバータの直列数を増やすほど出力電圧が正弦波に近づき、より少ないパルス数でも高品質な出力電圧が得られる。ところがこの方法は、インバータ毎に直流電源が絶縁されていなければならないため、インバータの数だけ独立した直流電源を設置する必要がある。そしてさらに、それぞれの直流電源がエネルギを出力する機能が必要なため、直流電源システムが大規模化するという問題がある。
特開2000−166252 特開2000−050643
On the other hand, for example, as shown in Patent Document 2, the method of using a circuit in which single-phase inverter devices are connected in series for three phases is such that the output voltage approaches a sine wave as the series number of single-phase inverters increases, and the number of pulses is smaller But high quality output voltage can be obtained. However, in this method, since the DC power supply must be insulated for each inverter, it is necessary to install independent DC power supplies as many as the number of inverters. Further, since each DC power supply needs a function of outputting energy, there is a problem that the DC power supply system becomes large-scale.
JP 2000-166252 A JP 2000-050643 A

そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、高効率且つ高性能を実現することができる高電圧・大容量電力変換装置を提供することをその主たる所期課題とするものである。   Accordingly, the present invention has been made to solve the above-mentioned problems all at once, and it is a main aim of providing a high-voltage / large-capacity power converter capable of realizing high efficiency and high performance. It is what.

すなわち本発明に係る電力変換装置は、直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、前記3相3レベルインバータ回路の出力側の各相それぞれに直列に接続され、単相交流電圧を出力する電源回路と、前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備えたことを特徴とするものである。   That is, the power conversion device according to the present invention includes a three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled by one pulse for each positive and negative pulse per cycle of the fundamental frequency, and the 3 A power supply circuit that is connected in series to each phase on the output side of the phase three-level inverter circuit and outputs a single-phase AC voltage, and controls the three-phase three-level inverter circuit and the respective power supply circuits to output them. And a control device that outputs a desired three-phase AC voltage as a sum of voltages.

このようなものであれば、3相3レベルインバータ回路を用いているので、高電圧化及び大容量化に適すると共に、目標電圧と3相3レベルインバータ回路とからの出力電圧との差の電圧を、電源回路に補正させるようにしているので、3相3レベルインバータ回路を多パルス化することなく高品質な電圧を出力できるため、3相3レベルインバータ回路のみを用いたシステムと比べ、高性能化、高効率化を図ることができる。   In such a case, since a three-phase three-level inverter circuit is used, it is suitable for increasing the voltage and capacity, and the voltage difference between the target voltage and the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit. Since the power supply circuit is made to correct, a high-quality voltage can be output without making the three-phase three-level inverter circuit multipulse, which is higher than the system using only the three-phase three-level inverter circuit. High performance and high efficiency can be achieved.

本発明の効果を一層顕著にするための具体的な実施の態様としては、前記電源回路が、単相インバータと直流電源を組み合わせた回路を、単相インバータの出力側で1乃至複数組を直列に接続して構成されるものであり、当該単相インバータが、前記制御装置によりパルス幅変調制御されるものであることが望ましい。   As a concrete embodiment for making the effect of the present invention more remarkable, the power supply circuit is a circuit in which a single-phase inverter and a DC power supply are combined, and one or more sets are connected in series on the output side of the single-phase inverter. It is desirable that the single-phase inverter be controlled by pulse width modulation by the control device.

前記制御装置が、前記電力変換装置より出力される電圧の零相電圧成分のうち、第3次高調波の波高値を調整して、前記3相3レベルインバータ回路からの出力電圧のパルス幅を変更することにより、前記3相3レベルインバータ回路が出力するエネルギと前記電源回路が出力するエネルギとの比を制御するものであることが望ましい。   The control device adjusts the peak value of the third harmonic in the zero-phase voltage component of the voltage output from the power converter, and sets the pulse width of the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit. By changing, it is desirable to control the ratio between the energy output from the three-phase three-level inverter circuit and the energy output from the power supply circuit.

前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路からの出力電圧のパルス幅を変更することにより、前記電源回路の出力エネルギの累積値を可及的にゼロにするものであることが考えられる。   It is conceivable that the control device changes the pulse width of the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit to make the accumulated value of the output energy of the power supply circuit as zero as possible.

また、本発明に係る自励式無効電力補償システムは、電力系統に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償システムであって、コンデンサに充電された直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、前記3相3レベルインバータ回路の出力側のそれぞれの相に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサとは異なるコンデンサ、及び当該コンデンサに充電された直流電圧をパルス幅変調制御された単相交流電圧に変換して出力する単相インバータからなる回路を、2組直列に接続して構成された電源回路と、前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備え、前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電エネルギと、前記電源回路のコンデンサの充電エネルギとの合計が所望の値となるようにし、且つ前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサと、前記電源回路の2つのコンデンサとの充電電圧の比を4:4:2:1の関係に維持するように、前記3相3レベルインバータ回路及び前記電源回路を制御するものである。   Further, the self-excited reactive power compensation system according to the present invention is connected to an electric power system, and supplies reactive power to the electric power system, thereby adjusting the voltage of the electric power system and improving the power factor of the load. A three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage charged in a capacitor into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled by one pulse for each positive and negative frequency per cycle; A capacitor connected in series to each phase on the output side of the three-phase three-level inverter circuit, a capacitor different from the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit, and a DC voltage charged to the capacitor are subjected to pulse width modulation control. A power supply circuit configured by connecting two sets of single-phase inverters that are converted into phase alternating voltage and output, and the three-phase three-level input circuit And a control device that controls the data circuit and each of the power supply circuits to output a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages, and the control device includes the three-phase three-level inverter circuit. The sum of the charging energy of the capacitor and the charging energy of the capacitor of the power supply circuit becomes a desired value, and the charging voltage of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the two capacitors of the power supply circuit The three-phase three-level inverter circuit and the power supply circuit are controlled so as to maintain a ratio of 4: 4: 2: 1.

このようなものであれば、本発明に係る電力変換装置の効果により、3相3レベルインバータ回路を多パルス化することなく高品質な電圧を出力できるため、高電圧・大容量の自励式無効電力補償システムを、高性能且つ高効率に提供することができる。   If this is the case, the effect of the power converter according to the present invention can output a high-quality voltage without making the three-phase three-level inverter circuit multi-pulsed. The power compensation system can be provided with high performance and high efficiency.

また、自励式無効電力補償システムからの出力電圧を多段階にすることにより、当該システムを高性能とするためには、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサと、前記電源回路のコンデンサとの電圧比としては、5:5:2:1あるいは6:6:2:1であっても良い。   In order to increase the output voltage from the self-excited reactive power compensation system in multiple stages, the voltage of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the capacitor of the power supply circuit can be increased. The ratio may be 5: 5: 2: 1 or 6: 6: 2: 1.

さらに、本発明に係る電力変換装置を用いた電力供給システムは、電力系統に接続され、その電力系統に対して電力を入出力する電力供給システムであって、コンデンサに充電された直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、前記コンデンサに並列に接続され、直流電圧を出力する直流電源と、前記3相3レベルインバータ回路の出力側のそれぞれの相に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサとは異なるコンデンサ、及びこのコンデンサに充電された直流電圧をパルス幅変調制御された単相交流電圧に変換して出力する単相インバータからなる回路を、2組直列に接続して構成された電源回路と、前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備え、前記直流電源から出力される電圧が、前記電力系統の定格電圧の波高値との比が概ね12/7であり、前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電エネルギと、前記電源回路のコンデンサの充電エネルギとの合計が所望の値となるようにし、前記所望の3相交流電圧の零相電圧成分のうち、第3次高調波の波高値を調整して、前記3相3レベルインバータ回路からの出力電圧のパルス幅を変更することにより、前記3相3レベルインバータ回路が出力するエネルギと前記電源回路が出力するエネルギとの比を制御するものであり、且つ前記直流電源から出力される直流電圧と、3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電電圧と、前記電源回路の2つのコンデンサの充電電圧との比を12:6:6:2:1の関係に維持するように、前記3相3レベルインバータ回路及び前記電源回路を制御することを特徴とする。   Furthermore, the power supply system using the power converter according to the present invention is a power supply system that is connected to the power system and inputs / outputs power to / from the power system, and a DC voltage charged in the capacitor is A three-phase three-level inverter circuit that converts and outputs a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled by one pulse of positive and negative one pulse per basic frequency, and a DC power source that is connected in parallel to the capacitor and outputs a DC voltage Are connected in series to the respective phases on the output side of the three-phase three-level inverter circuit, and a capacitor different from the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the DC voltage charged in the capacitor are subjected to pulse width modulation control. A power supply circuit configured by connecting two sets of single-phase inverters that are converted into single-phase AC voltage and output in series, and the three-phase circuit And a control device for controlling the level inverter circuit and each of the power supply circuits to output a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages, and the voltage output from the DC power supply is the power system The ratio of the rated voltage to the peak value is approximately 12/7, and the control device has a desired sum of the charging energy of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the charging energy of the capacitor of the power supply circuit. The pulse width of the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit is changed by adjusting the peak value of the third harmonic of the zero-phase voltage component of the desired three-phase AC voltage. Thus, the ratio of the energy output from the three-phase three-level inverter circuit and the energy output from the power supply circuit is controlled and output from the DC power supply. In order to maintain the ratio of the DC voltage, the charging voltage of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit, and the charging voltage of the two capacitors of the power supply circuit in the relationship of 12: 6: 6: 2: 1. A phase three-level inverter circuit and the power supply circuit are controlled.

このようなものであれば、本発明に係る電力変換装置の効果により、3相3レベルインバータ回路を多パルス化することなく高品質な電圧を出力できるため、高電圧・大容量の電力供給システムを、高性能且つ高効率に提供することができる。   If it is such, since the high-quality voltage can be output without making the three-phase three-level inverter circuit multipulse due to the effect of the power conversion device according to the present invention, a high-voltage / large-capacity power supply system Can be provided with high performance and high efficiency.

また、このようなものであれば、本発明を用いて3相3レベルインバータ回路から出力される電圧のパルス幅を調整することにより、3相3レベルインバータ回路の出力電力を、所望の出力電力に可及的に近づけることができる。すなわち、前記電源回路から出力される電力を可及的にゼロに近づけることができ、前記電源回路の直流電源において、エネルギの充電・回生するための補助回路を省略、もしくは極小化できる。したがって、3相3レベルインバータ回路以外のインバータには、大規模な直流電源を配置する必要がなくなり、単相インバータのみを直列に接続し、それぞれに相当規模の直流電源を配置する方法と比べ、小型・低コストな電力供給システムを提供することができる。   In such a case, the output power of the three-phase three-level inverter circuit can be changed to a desired output power by adjusting the pulse width of the voltage output from the three-phase three-level inverter circuit using the present invention. As close as possible. That is, the power output from the power supply circuit can be made as close to zero as possible, and an auxiliary circuit for charging and regenerating energy can be omitted or minimized in the DC power supply of the power supply circuit. Therefore, it is not necessary to arrange a large-scale DC power supply for inverters other than the three-phase three-level inverter circuit. Compared with a method in which only a single-phase inverter is connected in series and a DC power supply of a considerable scale is arranged for each, A small and low-cost power supply system can be provided.

このように構成した本発明によれば、3相3レベルインバータ回路を用いているので、高電圧化及び大容量化に適すると共に、目標電圧と3相3レベルインバータ回路とからの出力電圧との差の電圧を、電源回路に補正させるようにしているので、3相3レベルインバータ回路を多パルス化することなく高品質な電圧を出力できるため、3相3レベルインバータ回路のみを用いたシステムと比べ、高性能化、高効率化を図ることができる。   According to the present invention configured as described above, since the three-phase three-level inverter circuit is used, it is suitable for high voltage and large capacity, and the target voltage and the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit are Since the power supply circuit corrects the difference voltage, a high-quality voltage can be output without making the three-phase three-level inverter circuit multipulse, and a system using only the three-phase three-level inverter circuit In comparison, higher performance and higher efficiency can be achieved.

さらに、本発明に係る電力変換装置を、高電圧・大容量の自励式無効電力補償システムや、負荷平準化、停電対策、直流送電等を目的とした高電圧・大容量の電力供給システムに適用することにより、高性能且つ高効率なシステムを提供することができる。   Furthermore, the power converter according to the present invention is applied to a high-voltage / large-capacity self-excited reactive power compensation system and a high-voltage / large-capacity power supply system for load leveling, power failure countermeasures, DC power transmission, etc. By doing so, a high-performance and highly efficient system can be provided.

<第1実施形態>   <First Embodiment>

次に、本発明に係る電力変換装置1を自励式無効電力補償システムSSに用いた場合の第1実施形態ついて図面を参照して説明する。   Next, a first embodiment in which the power conversion device 1 according to the present invention is used in a self-excited reactive power compensation system SS will be described with reference to the drawings.

本実施形態の自励式無効電力補償システムSSは、図1に示すように、3相交流電源2と3相交流負荷3とを含む、a相31、b相32及びc相33からなる3相交流電力系統において、3相交流負荷3と並列に3相交流電源2に接続され、当該電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の系統電圧Vtj(j=a,b,c)が目標電圧Vrefとなるよう調整を行うものである。そして、後述するように、3相3レベルインバータ回路11及び電源回路12j(j=a,b,c)の単相インバータ回路121j(j=a,b,c)、122j(j=a,b,c)に接続されたコンデンサC1、C2、C3j(j=a,b,c)、C4j(j=a,b,c)の電圧Vh、Vh、Vmj(j=a,b,c)、Vlj(j=a,b,c)の比を4:4:2:1に維持するよう制御し、例えば図2に示すように、所定のタイミングで動作させ、所望の無効電力を出力し系統電圧Vtj(j=a,b,c)の調整を行う。 As shown in FIG. 1, the self-reactive reactive power compensation system SS according to the present embodiment includes a three-phase AC power supply 2 and a three-phase AC load 3, and includes a three-phase circuit including an a-phase 31, a b-phase 32, and a c-phase 33 In the AC power system, the system voltage Vtj (j = a, b, c) of the power system is supplied by being connected to the three-phase AC power source 2 in parallel with the three-phase AC load 3 and supplying reactive power to the power system. Is adjusted to be the target voltage V ref . Then, as will be described later, single-phase inverter circuits 121j (j = a, b, c) and 122j (j = a, b) of the three-phase three-level inverter circuit 11 and the power supply circuit 12j (j = a, b, c). , C), voltages Vh 1 , Vh 2 , Vmj (j = a, b, c) of capacitors C 1, C 2, C 3 j (j = a, b, c), C 4 j (j = a, b, c) connected to ), The ratio of Vlj (j = a, b, c) is controlled to be maintained at 4: 4: 2: 1, and is operated at a predetermined timing, for example, as shown in FIG. 2, to output desired reactive power The system voltage Vtj (j = a, b, c) is adjusted.

なお、以下では前記の添字j(j=a,b,c)を省略した際には、a相、b相、c相とも共通に成り立つ、または必要な事項として取り扱う。   In the following, when the subscript j (j = a, b, c) is omitted, the a-phase, the b-phase, and the c-phase are treated in common or necessary.

この自励式無効電力補償システムSSの構成は、電力変換装置1と、連系リアクトルXSVGと、後述するコンデンサC1、C2、C3、C4の電圧Vh、Vh、Vm、Vlを測定するためのコンデンサ電圧測定手段5と、系統電圧Vtを測定するための系統電圧測定手段6と、それらからの測定データに基づいて出力電圧VSVGの波高値と位相を調整するための制御装置7と、を備えている。なお、図1においては、コンデンサ電圧測定手段5と、系統電圧測定手段6と、制御装置7とは省略している。 The configuration of the self-excited reactive power compensation system SS includes a power converter 1, and the interconnection reactor X SVG, capacitor C1 to be described later, C2, C3, the voltage Vh 1 of C4, Vh 2, Vm, for measuring Vl Capacitor voltage measuring means 5, system voltage measuring means 6 for measuring the system voltage Vt, and a control device 7 for adjusting the peak value and phase of the output voltage V SVG based on the measurement data therefrom, It has. In FIG. 1, the capacitor voltage measuring means 5, the system voltage measuring means 6, and the control device 7 are omitted.

以下にこれらについて詳述する。   These are described in detail below.

電力変換装置1は、直流電圧を3相交流電圧に変換して、各相に3レベルの電圧を出力する3相3レベルインバータ回路11と、前記3相3レベルインバータ回路11の出力側の各相それぞれにおいて、前記3相3レベルインバータ回路11に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路11からの出力電圧V11と所望の電圧VSVGとの差分の電圧を出力する電源回路12と、前記3相3レベルインバータ回路11及び前記電源回路12を制御して、所望の電圧VSVGを出力させる制御装置7とを備えている。 The power conversion device 1 converts a DC voltage into a three-phase AC voltage and outputs a three-level voltage to each phase, and each of the output sides of the three-phase three-level inverter circuit 11 In each phase, a power supply circuit 12 that is connected in series to the three-phase three-level inverter circuit 11 and outputs a difference voltage between the output voltage V11 from the three-phase three-level inverter circuit 11 and a desired voltage V SVG And a control device 7 for controlling the three-phase three-level inverter circuit 11 and the power supply circuit 12 to output a desired voltage V SVG .

3相3レベルインバータ回路11は、コンデンサC1もしくはC2の直流電圧を3相交流電圧に変換して出力するものであり、4つ直列に接続された半導体スイッチ素子111と、その半導体スイッチ素子111にそれぞれに逆並列接続されたダイオード112と、4つ直列に接続された半導体スイッチ素子111の内側の2つの半導体スイッチ素子に並列接続された2つのダイオードD1、D2とからなる3レベルインバータ回路110と、を備えている。そして、ダイオードD1とダイオードD2との相互接続点N1がコンデンサC1、C2の相互接続点(中性点)N2に接続されている。本実施形態では半導体スイッチ素子111として、自己消弧能力を有するIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。この3相3レベルインバータ回路11は、後述する制御装置7により、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン(スイッチパターン)が制御されるようにしている。   The three-phase three-level inverter circuit 11 converts the DC voltage of the capacitor C1 or C2 into a three-phase AC voltage and outputs it. The four semiconductor switch elements 111 connected in series and the semiconductor switch element 111 A three-level inverter circuit 110 comprising a diode 112 connected in antiparallel to each other, and two diodes D1 and D2 connected in parallel to two semiconductor switch elements inside four semiconductor switch elements 111 connected in series; It is equipped with. An interconnection point N1 between the diode D1 and the diode D2 is connected to an interconnection point (neutral point) N2 between the capacitors C1 and C2. In this embodiment, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) having a self-extinguishing capability is used as the semiconductor switch element 111. The three-phase three-level inverter circuit 11 is controlled to be turned on / off by a control device 7 to be described later by a drive signal to the gate, so that an operation pattern (switch pattern) is controlled.

電源回路12は、単相インバータ回路121、122を直列に接続して構成したものである。単相インバータ回路121、122は、コンデンサC3、C4と、単相インバータI1、I2と、からなる。   The power supply circuit 12 is configured by connecting single-phase inverter circuits 121 and 122 in series. Single-phase inverter circuits 121 and 122 include capacitors C3 and C4 and single-phase inverters I1 and I2.

単相インバータI1、I2は、半導体スイッチ素子とそれに逆並列されたダイオードから構成したフルブリッジインバータであり、コンデンサC3、C4に接続して、そのコンデンサC3、C4の直流電圧を交流電圧に変換して各相に出力するものである。半導体スイッチ素子として、前記3相3レベルインバータ回路11と同様に、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)を用いている。この電源回路12は、後述する制御装置7の回路制御部74を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン(スイッチパターン)が制御されるようにしている。   The single-phase inverters I1 and I2 are full-bridge inverters composed of semiconductor switch elements and diodes anti-parallel to them, and are connected to capacitors C3 and C4 to convert the DC voltage of the capacitors C3 and C4 into AC voltage. Output to each phase. As the semiconductor switch element, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) is used as in the three-phase three-level inverter circuit 11. The power supply circuit 12 is controlled to be turned on and off by a drive signal to the gate using a circuit control unit 74 of the control device 7 to be described later, so that an operation pattern (switch pattern) is controlled.

そして、コンデンサC1、C2、C3、C4の充電電圧Vh、Vh、Vm、Vlは、後述する制御装置7により、電圧比が、Vh=Vh=2×Vm=2×2×Vlの関係となるように制御される。 The charging voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl of the capacitors C 1, C 2, C 3, and C 4 are set to a voltage ratio of Vh 1 = Vh 2 = 2 × Vm = 2 × 2 × Vl by the control device 7 described later. It is controlled so that

なお、コンデンサC1、C2、C3、C4は、あらかじめ、図示しない初期充電回路により、それぞれ定格交流電圧の波高値の、概ね、60[%]、60[%]、30[%]、15[%]に充電されているものとする。例えば3相6.6kV交流系統への適用の場合には、順に0.6×6.6×√2/√3[kV]、0.6×6.6×√2/√3[kV]、0.3×6.6×√2/√3[kV]、0.15×6.6×√2/√3[kV]、である。充電が完了すれば、前記初期充電回路は、図示しないスイッチにより前記コンデンサC1、C2、C3、C4から電気的に切り離され、自励式無効電力補償システムSSの動作には、なんら影響を与えない。   Capacitors C1, C2, C3, and C4 are preliminarily set to 60%, 60%, 30%, and 15% of the peak values of the rated AC voltage in advance by an initial charging circuit (not shown). ] Is charged. For example, in the case of application to a three-phase 6.6 kV AC system, 0.6 × 6.6 × √2 / √3 [kV] and 0.6 × 6.6 × √2 / √3 [kV] in this order. 0.3 × 6.6 × √2 / √3 [kV], 0.15 × 6.6 × √2 / √3 [kV]. When the charging is completed, the initial charging circuit is electrically disconnected from the capacitors C1, C2, C3, and C4 by a switch (not shown), and does not affect the operation of the self-excited reactive power compensation system SS.

コンデンサC1、C2、C3、C4は、後述する制御装置7により、概ね4:4:2:1の電圧比に維持されているので、図2、図6及び図7に示すとおり、3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンを選択の仕方により、正側7レベル、負側7レベル、零出力レベルの合計15レベルの電圧VSVGを出力することができる。以下では、出力電圧の昇順にレベル−7,レベル−6,…,レベル0,…,レベル7と呼ぶ。 Since the capacitors C1, C2, C3, and C4 are maintained at a voltage ratio of 4: 4: 2: 1 by the control device 7 described later, a three-level inverter is provided as shown in FIGS. Depending on how the operation patterns of the circuit 110 and the power supply circuit 12 are selected, it is possible to output a voltage V SVG of 15 levels in total including 7 levels on the positive side, 7 levels on the negative side, and zero output level. Hereinafter, the levels are referred to as level-7, level-6,..., Level0,.

なお、図6及び図7においては、電圧Vh、Vh、Vm、Vlのみが表記されているが、これらはコンデンサC1、C2、C3、C4の充電電圧である。また、表中の1、0、−1はそれぞれのコンデンサC1、C2、C3、C4が接続された3レベルインバータ回路110及び単相インバータ回路121、122からの電圧出力の有無および出力電圧の極性を表す。 6 and 7, only the voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl are shown, but these are the charging voltages of the capacitors C1, C2, C3, and C4. In the table, 1, 0, and −1 indicate the presence / absence of voltage output from the three-level inverter circuit 110 and the single-phase inverter circuits 121 and 122 to which the capacitors C1, C2, C3, and C4 are connected, and the polarity of the output voltage. Represents.

また図6には、同一レベルの電圧VSVGを出力するにあたり3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンが複数通り記載されている場合があるが、このうちのどれを選択するかは、後述する。 In FIG. 6, there are cases where a plurality of operation patterns of the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are described in outputting the voltage V SVG of the same level. It will be described later.

系統電圧測定手段6は、系統電圧Vtの波高値および位相を測定するものであり、その測定結果を示すデータを制御装置7に出力するものである。   The system voltage measuring means 6 measures the peak value and phase of the system voltage Vt, and outputs data indicating the measurement result to the control device 7.

コンデンサ電圧測定手段5は、コンデンサC1、C2、C3、C4に充電されている電圧Vh、Vh、Vm、Vlを測定するためのものであり、その電圧測定データを制御装置7に出力するものである。 The capacitor voltage measuring means 5 is for measuring the voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, Vl charged in the capacitors C 1, C 2, C 3, C 4, and outputs the voltage measurement data to the control device 7. Is.

なお、系統電圧測定手段6およびコンデンサ電圧測定手段5は、ごく一般的なものであるため、構成の詳細な説明は省略する。   The system voltage measuring means 6 and the capacitor voltage measuring means 5 are very general, and detailed description of the configuration is omitted.

制御装置7は、図3に示すように、その機器構成はCPU701、メモリ702、入出力インターフェイス703、AD変換器704等を備えた汎用乃至専用のコンピュータであり、前記メモリ702の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってCPU701、周辺機器等を協働させることにより、図4に示すように、受付部71、出力電圧算出部72、回路制御部74等としての機能を発揮する。   As shown in FIG. 3, the control device 7 is a general purpose or dedicated computer having a CPU 701, a memory 702, an input / output interface 703, an AD converter 704, etc., and is stored in a predetermined area of the memory 702. By cooperating the CPU 701, peripheral devices, and the like according to the predetermined program, the functions as the receiving unit 71, the output voltage calculating unit 72, the circuit control unit 74, and the like are exhibited as shown in FIG.

受付部71は、前述した各測定手段5、6からその測定データを受信して、出力電圧算出部72および回路制御部74に出力するものである。   The accepting unit 71 receives the measurement data from each of the measuring means 5 and 6 described above and outputs it to the output voltage calculating unit 72 and the circuit control unit 74.

出力電圧算出部72は、受付部71が受信した各測定データに基づいて、系統電圧Vtを目標値Vrefに制御するために自励式無効電力補償システムSSが出力すべき電圧VSVGを算出し、その算出データを回路制御部74に出力するものである。 The output voltage calculation unit 72 calculates a voltage V SVG that the self-excited reactive power compensation system SS should output in order to control the system voltage Vt to the target value V ref based on each measurement data received by the reception unit 71. The calculated data is output to the circuit control unit 74.

具体的には、出力電圧算出部72は、自励式無効電力補償システムSSが出力すべき電圧VSVGを以下の式および図5のブロック線図により計算して、3レベルインバータ回路110及び電源回路12を制御する。 Specifically, the output voltage calculation unit 72 calculates the voltage V SVG to be output by the self-excited reactive power compensation system SS using the following equation and the block diagram of FIG. 5 to calculate the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit. 12 is controlled.

ここで、ωは電力系統の基本周波数、VpSVGは出力電圧VSVGの波高値、φは系統電圧Vtに対する出力電圧VSVGの位相差である。 Here, ω is the fundamental frequency of the power system, Vp SVG is the peak value of the output voltage V SVG , and φ is the phase difference of the output voltage V SVG with respect to the system voltage Vt.

図5のブロック線図において、伝達関数G(s)は目標電圧Vrefと系統電圧Vtの差が定常状態においてゼロとなるように波高値VpSVGを決定する。コンデンサC1、C2、C3、C4の充電エネルギの目標値Erefは、コンデンサC1、C3、C4の充電電圧の合計Vh+Vm+Vl、およびコンデンサC2、C3、C4の充電電圧の合計Vh+Vm+Vlが、波高値VpSVGと等しくなるよう決定される。伝達関数H(s)はコンデンサC1、C2、C3、C4の充電エネルギEと目標値Erefの差が定常状態においてゼロとなるようにコンデンサC1、C2、C3、C4に入出力する有効電力Pを決定する。そして、定数Kによる換算により、有効電力Pを自励式無効電力補償システムSSと電力系統との間でやりとりするための系統電圧Vtと出力電圧VSVGの位相差φが決定される。 In the block diagram of FIG. 5, the transfer function G (s) determines the peak value Vp SVG so that the difference between the target voltage V ref and the system voltage Vt becomes zero in the steady state. The target value E ref of the charging energy of the capacitors C1, C2, C3, and C4 is the sum of charging voltages Vh 1 + Vm + Vl of the capacitors C1, C3, and C4 and the total charging voltage Vh 2 + Vm + Vl of the capacitors C2, C3, and C4. It is determined to be equal to the peak value Vp SVG . The transfer function H (s) is an effective power input / output to / from the capacitors C1, C2, C3, and C4 so that the difference between the charging energy E C of the capacitors C1, C2, C3, and C4 and the target value E ref becomes zero in a steady state. P is determined. The phase difference φ between the system voltage Vt and the output voltage V SVG for exchanging the active power P between the self-excited reactive power compensation system SS and the power system is determined by conversion using the constant K 7 .

なお図5において、Cは、コンデンサC1及びコンデンサC2の静電容量、Cは、コンデンサC3の静電容量、Cは、コンデンサC4の静電容量である。 Note that in FIG. 5, C 1 is the capacitance of the capacitors C1 and C2, C 3 is the capacitance of the capacitor C3, C 4 is the capacitance of capacitor C4.

以上のようにして、出力電圧算出部72は、系統電圧Vtおよびコンデンサ電圧Vh、Vh、Vm、Vlの測定データより、系統電圧Vtを目標値Vrefに制御するための無効電力を電力系統に供給し、且つコンデンサ充電エネルギと初期充電エネルギとの差に応じて電力系統との間で有効電力の入出力を行い、コンデンサC1、C2、C3、C4の充電エネルギEが目標値Erefとなるように、すなわち前記電力系統とコンデンサC1、C3、C4の充電電圧の合計Vh+Vm+Vl、およびコンデンサC2、C3、C4の充電電圧の合計Vh+Vm+Vlが、出力電圧VSVGの波高値VpSVGと速やかに一致するように制御するための、出力電圧VSVGを算出する。 As described above, the output voltage calculation unit 72 generates reactive power for controlling the system voltage Vt to the target value V ref from the measurement data of the system voltage Vt and the capacitor voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl. The active power is input to and output from the power system according to the difference between the capacitor charging energy and the initial charging energy, and the charging energy E C of the capacitors C1, C2, C3, and C4 is set to the target value E. as a ref, i.e. the power system and the capacitor C1, C3, total Vh 1 + Vm + Vl of the charging voltage of the C4, and the capacitors C2, C3, C4 total Vh 2 + Vm + Vl charging voltage of peak value of the output voltage V SVG An output voltage V SVG is calculated for control so as to quickly coincide with Vp SVG .

回路制御部74は、受信した出力電圧算出データ、図6の表、図7の表およびコンデンサ電圧測定データから、出力電圧VSVGに最も近い値となるよう、出力レベルを選択する。 The circuit control unit 74 selects an output level from the received output voltage calculation data, the table in FIG. 6, the table in FIG. 7, and the capacitor voltage measurement data so as to be a value closest to the output voltage V SVG .

さらに回路制御部74は、前記それぞれのコンデンサC1、C2、C3、C4間の充電電圧の比を所定の値(Vh:Vh:Vm:Vl=4:4:2:1)に可及的に近づけるように、同一レベルの電圧VSVGを出力するにあたり3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンが複数通り存在する中から、適切な動作パターンを選択し、3レベルインバータ回路110及び電源回路12に駆動信号を出力するものである。 Further, the circuit control unit 74 allows the ratio of charging voltages between the capacitors C1, C2, C3, and C4 to be a predetermined value (Vh 1 : Vh 2 : Vm: Vl = 4: 4: 2: 1). To output the same level of voltage V SVG , an appropriate operation pattern is selected from among a plurality of operation patterns of the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 to output the voltage V SVG of the same level, and the three-level inverter circuit 110 and A drive signal is output to the power supply circuit 12.

具体例として、出力レベル1および出力レベル−1の電圧をVSVGとして出力する場合の動作パターンの選択の方法を示す。ここで出力電流ISVGは正極性とする。 As a specific example, a method of selecting an operation pattern in the case where the voltages of output level 1 and output level −1 are output as V SVG is shown. Here, the output current I SVG is positive.

[1]出力レベル1を出力するためのインバータ動作および充放電関係としては、図8に示すように、   [1] As an inverter operation and charge / discharge relationship for outputting the output level 1, as shown in FIG.

(1−1)単相インバータ回路122より電圧Vlを出力する。この際コンデンサC4は、放電する。   (1-1) The voltage Vl is output from the single-phase inverter circuit 122. At this time, the capacitor C4 is discharged.

(1−2)単相インバータ回路121より電圧Vmを出力、単相インバータ回路122より電圧−Vlを出力する。この際コンデンサC3は放電し、コンデンサC4は充電される。   (1-2) The voltage Vm is output from the single-phase inverter circuit 121, and the voltage -Vl is output from the single-phase inverter circuit 122. At this time, the capacitor C3 is discharged and the capacitor C4 is charged.

(1−3)3レベルインバータ回路110より電圧Vhを出力、単相インバータ回路121より電圧−Vmを出力、単相インバータ回路122より電圧−Vlを出力する。この際コンデンサC1は放電し、コンデンサC3およびコンデンサC4は充電される。 (1-3) The voltage Vh 1 is output from the three-level inverter circuit 110, the voltage −Vm is output from the single-phase inverter circuit 121, and the voltage −Vl is output from the single-phase inverter circuit 122. At this time, the capacitor C1 is discharged, and the capacitor C3 and the capacitor C4 are charged.

の3通りがある。   There are three ways.

これらの充放電関係を活用し、例えば2Vm≧Vh>4Vlのタイミングで出力レベル1を出力する場合には、(1−2)の動作パターンを選択する。 For example, when the output level 1 is output at the timing of 2 Vm ≧ Vh 1 > 4 Vl by utilizing these charge / discharge relationships, the operation pattern (1-2) is selected.

[2]出力レベル−1を出力するためのインバータ動作および充放電関係は、図9に示すように、   [2] The inverter operation and the charge / discharge relationship for outputting the output level-1 are as shown in FIG.

(2−1)単相インバータ回路122より電圧−Vlを出力する。この際コンデンサC4は充電される。   (2-1) The voltage −Vl is output from the single-phase inverter circuit 122. At this time, the capacitor C4 is charged.

(2−2)単相インバータ回路121より電圧−Vmを出力、単相インバータ回路122より電圧Vlを出力する。この際コンデンサC3は充電され、コンデンサC4は放電する。   (2-2) The voltage −Vm is output from the single-phase inverter circuit 121, and the voltage Vl is output from the single-phase inverter circuit 122. At this time, the capacitor C3 is charged and the capacitor C4 is discharged.

(2−3)3レベルインバータ回路110より電圧−Vhを出力、単相インバータ回路121より電圧Vmを出力、単相インバータ回路122より電圧Vlを出力する。この際コンデンサC1は充電され、コンデンサC3およびコンデンサC4は放電する。 (2-3) The voltage -Vh 2 is output from the three-level inverter circuit 110, the voltage Vm is output from the single-phase inverter circuit 121, and the voltage Vl is output from the single-phase inverter circuit 122. At this time, the capacitor C1 is charged, and the capacitor C3 and the capacitor C4 are discharged.

の3通りがある。   There are three ways.

これらの充放電関係を活用し、例えばVh≦2VmかつVh≦4Vlのタイミングで出力レベル−1を出力する場合には、(2−3)の動作パターンを選択する。 Utilizing these charge-discharge relationship, for example in the case of outputting the output level -1 at the timing of Vh 2 ≦ 2Vm and Vh 2 ≦ 4Vl selects an operation pattern of (2-3).

出力レベル±2、±3などにおいても同様であり、一般的に図6の表及び図7の表において、出力電流ISVGと出力電圧VSVGとが同じ極性の場合には、動作パターンが「1」の場合には、対応するコンデンサC1、C2、C3、C4から放電し、「−1」の場合には、対応するコンデンサC1、C2、C3、C4が充電される。なお、出力電流ISVGと出力電圧VSVGとが逆極性の場合は充放電関係が逆になる。さらに、この場合には、同じ出力レベルにおける動作パターンを選択するためのコンデンサ電圧条件の不等号の向きも反対になる。 The same applies to the output levels ± 2, ± 3, etc. Generally, in the tables of FIGS. 6 and 7, when the output current I SVG and the output voltage V SVG have the same polarity, the operation pattern is “ In the case of “1”, the corresponding capacitors C1, C2, C3, and C4 are discharged, and in the case of “−1”, the corresponding capacitors C1, C2, C3, and C4 are charged. When the output current I SVG and the output voltage V SVG are opposite in polarity, the charge / discharge relationship is reversed. Further, in this case, the direction of the inequality sign of the capacitor voltage condition for selecting the operation pattern at the same output level is also reversed.

以上の原理を用いて、回路制御部74は、3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンが複数存在する出力レベルにおいて、コンデンサC1、C2、C3、C4のそれぞれの充電電圧Vh、Vh、Vm、Vlの状態が、コンデンサ電圧条件のいずれの関係に当てはまるかにより、3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターン動作パターンを選択、つまり放電及び充電を決定する。そして、これにより、コンデンサC1、C2、C3、C4の充電電圧Vh、Vh、Vm、Vlの比が調整可能となる。 Using the above principle, the circuit control unit 74 has the respective charging voltages Vh 1 , Vh of the capacitors C 1, C 2, C 3, C 4 at the output level where a plurality of operation patterns of the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 exist. 2. The operation patterns of the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are selected, that is, discharging and charging are determined depending on which of the capacitor voltage conditions the states of V, Vm, and Vl apply. As a result, the ratio of the charging voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl of the capacitors C1, C2, C3, and C4 can be adjusted.

次に、このように構成した本実施形態に係る自励式無効電力補償システムSSの動作を以下に述べる。   Next, the operation of the self-excited reactive power compensation system SS according to this embodiment configured as described above will be described below.

まず、自励式無効電力補償システムSSを起動すると、系統電圧測定手段6が系統電圧Vtを測定し、コンデンサ電圧測定手段5がコンデンサ電圧Vh、Vh、Vm、Vlを測定して、それぞれ測定データを制御装置7に出力する。そして、その測定データを制御装置7が受信して、回路制御部74からの駆動信号に応じて3相3レベルインバータ回路11及び電源回路12が動作し、自励式無効電力補償システムSSは、系統電圧Vtが、あらかじめ設定された目標値Vrefになるよう、電力系統に所定の無効電力を供給し始める。 First, when the self-excited reactive power compensation system SS is activated, the system voltage measuring unit 6 measures the system voltage Vt, and the capacitor voltage measuring unit 5 measures the capacitor voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl, and measures them. Data is output to the control device 7. The control device 7 receives the measurement data, and the three-phase three-level inverter circuit 11 and the power supply circuit 12 operate according to the drive signal from the circuit control unit 74. The self-excited reactive power compensation system SS The predetermined reactive power is started to be supplied to the power system so that the voltage Vt becomes a preset target value V ref .

自励式無効電力補償システムSSの動作中は、制御装置7中の出力電圧算出部72は、系統電圧測定データ及びコンデンサ電圧測定データに基づいて、図5の制御ブロック線図に示される制御手法により、系統電圧Vtを目標値Vrefに一致させ、且つコンデンサC1、C2、C3、C4の充電エネルギの総和Eが目標値Erefと一致するよう出力電圧VSVGを演算し、回路制御部74に出力する。 During the operation of the self-excited reactive power compensation system SS, the output voltage calculation unit 72 in the control device 7 uses the control method shown in the control block diagram of FIG. 5 based on the system voltage measurement data and the capacitor voltage measurement data. The circuit voltage Vt is made to coincide with the target value V ref , and the output voltage V SVG is calculated so that the sum E C of the charging energy of the capacitors C 1, C 2, C 3 and C 4 coincides with the target value E ref, and the circuit control unit 74 Output to.

回路制御部74は、受信した出力電圧算出データ、図6の表、図7の表およびコンデンサ電圧測定データにより、出力電圧VSVGに最も近い値になるよう出力レベルを選択し、コンデンサC1、C2、C3、C4の充電エネルギの合計であるEが目標値Erefと一致し、コンデンサC1、C2、C3、C4の電圧比を所定の値(Vh:Vh:Vm:Vl=4:4:2:1)に維持するよう、3レベルインバータ回路110及び電源回路12を動作させる。 The circuit control unit 74 selects the output level to be a value closest to the output voltage V SVG based on the received output voltage calculation data, the table of FIG. 6, the table of FIG. 7, and the capacitor voltage measurement data, and the capacitors C1, C2 , C3, E C is the sum of the charging energy of C4 is equal to the target value E ref, capacitors C1, C2, C3, a predetermined value a voltage ratio of C4 (Vh 1: Vh 2: Vm: Vl = 4: The three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are operated so as to maintain 4: 2: 1).

このように構成した自励式無効電力補償システムSSによれば、3相3レベルインバータ回路11を多パルス化することなく高品質な電圧を出力できるため、3相3レベルインバータ回路11のみを用いたシステムと比べ、高性能化、高効率化を図ることができる。   According to the self-excited reactive power compensation system SS configured as described above, since the high-quality voltage can be output without making the three-phase three-level inverter circuit 11 multipulse, only the three-phase three-level inverter circuit 11 is used. Compared with the system, it is possible to achieve higher performance and higher efficiency.

<第2実施形態>   Second Embodiment

以下に本発明の電力変換装置1を負荷平準化システムHSに用いた場合の第2実施形態について図面を参照して説明する。   Below, 2nd Embodiment at the time of using the power converter device 1 of this invention for the load leveling system HS is described with reference to drawings.

本実施形態に係る負荷平準化システムHSは、図10に示すように、3相交流電源2と3相交流負荷3を含む、a相31、b相32、及びc相33からなる3相交流電力系統において、3相交流負荷3と並列に3相交流電源2に接続され、当該電力系統と有効電力を入出力することにより、3相交流電源2から3相交流負荷3へ供給される電力を、例えば昼間の重負荷時と深夜の軽負荷時の差を、平準化し、3相交流電源2などの設備容量の軽減を図るものである。そして、後述するように、3相3レベルインバータ回路11及び電源回路12j(j=a,b,c)の単相インバータ回路121j(j=a,b,c)、122j(j=a,b,c)のコンデンサC1、C2、C3j(j=a,b,c)、C4j(j=a,b,c)の電圧Vh、Vh、Vmj(j=a,b,c)、Vlj(j=a,b,c)の比を6:6:2:1に維持するよう制御し、例えば図11に示すように、所定のタイミングで動作をさせ所望の電力を出力し、負荷平準化を行う。 As shown in FIG. 10, the load leveling system HS according to the present embodiment includes a three-phase alternating current power source 2 and a three-phase alternating current load 3, and includes a three-phase alternating current including a phase 31, a b phase 32, and a c phase 33. In the power system, the power supplied from the three-phase AC power source 2 to the three-phase AC load 3 is connected to the three-phase AC power source 2 in parallel with the three-phase AC load 3 and inputs / outputs active power to / from the power system. For example, the difference between the daytime heavy load and the light load at midnight is leveled, and the equipment capacity of the three-phase AC power source 2 and the like is reduced. Then, as will be described later, single-phase inverter circuits 121j (j = a, b, c) and 122j (j = a, b) of the three-phase three-level inverter circuit 11 and the power supply circuit 12j (j = a, b, c). , C) capacitors C1, C2, C3j (j = a, b, c), C4j (j = a, b, c) voltages Vh 1 , Vh 2 , Vmj (j = a, b, c), Vlj Control is performed so that the ratio of (j = a, b, c) is maintained at 6: 6: 2: 1. For example, as shown in FIG. 11, operation is performed at a predetermined timing to output desired power, and load leveling is performed. To do.

なお、以下では前記の添字j(j=a,b,c)を省略した際には、a相、b相、c相とも共通に成り立つ、または必要な事項として取り扱う。   In the following, when the subscript j (j = a, b, c) is omitted, the a-phase, the b-phase, and the c-phase are treated in common or necessary.

この負荷平準化システムHSの構成は、主直流電源10と、当該主直流電源10に接続された電力変換装置1と、連系リアクトルXHSと、後述するコンデンサC1、C2、C3、C4の電圧Vh、Vh、Vm、Vlを測定するためのコンデンサ電圧測定手段5と、系統電圧Vtを測定するための系統電圧測定手段6と、負荷平準化システムHSから入出力する電力を測定する手段4と、それらの測定データに基づいて出力電圧VHSの波高値と位相を調整するための制御装置7と、を備えている。なお、図10においては、入出力電力測定手段4と、コンデンサ電圧測定手段5と、系統電圧測定手段6と、制御装置7とは省略している。 The configuration of the load leveling system HS includes a main DC power supply 10, a power conversion device 1 connected to the main DC power supply 10, an interconnection reactor XHS, and voltages of capacitors C1, C2, C3, and C4 described later. Capacitor voltage measuring means 5 for measuring Vh 1 , Vh 2 , Vm, Vl, system voltage measuring means 6 for measuring system voltage Vt, and means for measuring power input / output from the load leveling system HS 4 and a control device 7 for adjusting the peak value and phase of the output voltage V HS based on the measurement data. In FIG. 10, the input / output power measuring means 4, the capacitor voltage measuring means 5, the system voltage measuring means 6, and the control device 7 are omitted.

以下にこれらについて詳述する。   These are described in detail below.

本実施形態においては、電力変換装置1の基本構成は、前記第1実施形態と同様である。   In the present embodiment, the basic configuration of the power conversion device 1 is the same as that of the first embodiment.

主直流電源10は、出力する直流電圧は電力系統の定格電圧の波高値との比が概ね12/7であり、且つ鉛電池のようにエネルギの入出力が可能な直流電圧源である。   The main DC power supply 10 is a DC voltage source capable of inputting and outputting energy, such as a lead battery, in which the ratio of the output DC voltage to the peak value of the rated voltage of the power system is approximately 12/7.

そして、コンデンサC1、C2、C3、C4の充電電圧Vh、Vh、Vm、Vlは、後述する制御装置7により、電圧比が、Vh=Vh=3×Vm=2×3×Vlの関係となるように制御される。 The charging voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl of the capacitors C 1, C 2, C 3, and C 4 are set to a voltage ratio of Vh 1 = Vh 2 = 3 × Vm = 2 × 3 × Vl by the control device 7 described later. It is controlled so that

なお、コンデンサC1、C2、C3、C4は、あらかじめ、図示しない初期充電回路により、それぞれ定格交流電圧の波高値の、概ね、6/7[pu]、6/7[pu]、2/7[pu]、1/7[pu]に充電されているものとする。例えば3相6.6kV交流系統への適用の場合には、順に6/7×6.6×√2/√3[kV]、6/7×6.6×√2/√3[kV]、2/7×6.6×√2/√3[kV]、1/7×6.6×√2/√3[kV]、である。充電が完了すれば、前記初期充電回路は、図示しないスイッチにより前記コンデンサC1、C2、C3、C4から電気的に切り離され、負荷平準化システムHSの動作には、なんら影響を与えない。   Capacitors C1, C2, C3 and C4 are preliminarily set to 6/7 [pu], 6/7 [pu], 2/7 [ pu], 1/7 [pu]. For example, in the case of application to a three-phase 6.6 kV AC system, 6/7 × 6.6 × √2 / √3 [kV] and 6/7 × 6.6 × √2 / √3 [kV] in this order. 2/7 × 6.6 × √2 / √3 [kV] and 1/7 × 6.6 × √2 / √3 [kV]. When charging is completed, the initial charging circuit is electrically disconnected from the capacitors C1, C2, C3, and C4 by a switch (not shown), and does not affect the operation of the load leveling system HS.

3相3レベルインバータ回路11及び電源回路12の構成は実施形態1と同様であるため、説明は省略する。   Since the configurations of the three-phase three-level inverter circuit 11 and the power supply circuit 12 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

入出力電力測定手段4は、負荷平準化システムHSが系統に出力する電力PHSを測定し、その測定結果を示す系統電圧測定データを制御装置7に出力するものである。なお、入出力電力測定手段4は、ごく一般的なものであるため、構成の詳細な説明は省略する。 The input / output power measuring means 4 measures the power PHS output from the load leveling system HS to the system, and outputs system voltage measurement data indicating the measurement result to the control device 7. Since the input / output power measuring means 4 is very general, detailed description of the configuration is omitted.

系統電圧測定手段6と、コンデンサ電圧測定手段5は実施形態1と同様であるため、説明は省略する。   Since the system voltage measuring unit 6 and the capacitor voltage measuring unit 5 are the same as those in the first embodiment, description thereof is omitted.

制御装置7は、前記第1実施形態と機器構成が同じ汎用乃至専用のコンピュータであり、メモリ702の所定領域に記憶させた所定プログラムにしたがってCPU701、周辺機器等を協働させることにより、図12に示すように、受付部71、位相算出部73、零相電圧算出部75、回路制御部74等としての機能を発揮する。   The control device 7 is a general-purpose or dedicated computer having the same device configuration as that of the first embodiment, and the CPU 701, peripheral devices, and the like cooperate in accordance with a predetermined program stored in a predetermined area of the memory 702. As shown in FIG. 4, the functions as the receiving unit 71, the phase calculating unit 73, the zero-phase voltage calculating unit 75, the circuit control unit 74, and the like are exhibited.

受付部71は、前述した各測定手段4、5、6からその測定データを受信して、位相算出部73及び零相電圧算出部75に出力するものである。   The accepting unit 71 receives the measurement data from each of the measuring means 4, 5, 6 described above and outputs it to the phase calculating unit 73 and the zero phase voltage calculating unit 75.

位相算出部73は、受付部71が受信した各測定に基づいて、負荷平準化システムHSが目標電力Prefを入出力するために負荷平準化システムHSが出力すべき電圧の位相、すなわちVHSのうちの正相電圧成分の系統電圧Vtとの位相差φを算出し、その算出データを回路制御部74に出力するものである。 Based on each measurement received by the receiving unit 71, the phase calculating unit 73 outputs the phase of the voltage that the load leveling system HS should output in order for the load leveling system HS to input and output the target power Pref , that is, VHS. The phase difference φ of the positive phase voltage component with respect to the system voltage Vt is calculated, and the calculated data is output to the circuit control unit 74.

零相電圧算出部75は、受付部71が受信した各測定に基づいて、3レベルインバータ回路110より電力PHSを出力し、電源回路12から入出力される電力をゼロにするために負荷平準化システムHSが出力すべき電圧、すなわちVHSの零相電圧成分のうちの第3次高調波成分の波高値Vpを算出し、その算出データを回路制御部74に出力するものである。 The zero-phase voltage calculation unit 75 outputs the power P HS from the three-level inverter circuit 110 based on each measurement received by the reception unit 71, and performs load leveling so that the power input / output from the power supply circuit 12 is zero. The peak value Vp 0 of the third harmonic component of the voltage to be output by the control system HS, that is, the zero phase voltage component of V HS is calculated, and the calculated data is output to the circuit control unit 74.

なお、3相交流系統において、出力電圧VHSの零相電圧成分は、線間電圧に影響しないため、負荷平準化システムHSの出力電力PHSや出力電流IHSに影響しないことは、一般的な事項であり、説明は省略する。 In the three-phase AC system, the zero-phase voltage component of the output voltage V HS does not affect the line voltage, and therefore it is common that the output power P HS and the output current I HS of the load leveling system HS are not affected. This is an important matter and will not be described.

具体的には、位相算出部73と、零相電圧算出部75は、負荷平準化システムHSの出力電圧VHSj(j=a,b,c)を以下の式および図13、図14により計算して、3相3レベルインバータ回路11及び電源回路12を制御する。 Specifically, the phase calculation unit 73 and the zero-phase voltage calculation unit 75 calculate the output voltage V HS j (j = a, b, c) of the load leveling system HS according to the following equations and FIGS. 13 and 14. The three-phase three-level inverter circuit 11 and the power supply circuit 12 are controlled by calculation.

ここで、ωは電力系統の基本周波数、Vnは電力系統の定格電圧の波高値、φは系統電圧Vtに対する出力電圧VHSのうちの正相電圧成分の位相差、Vpは出力電圧VHSのうち第3次高調波成分の波高値である。なお、上の3つの式の右辺第1項のφが位相算出部73の演算結果であり、第4式のVpが零相電圧算出部75の演算結果である。 Here, ω is the fundamental frequency of the power system, Vn is the peak value of the rated voltage of the power system, φ is the phase difference of the positive phase voltage component of the output voltage V HS with respect to the system voltage Vt, and Vp 0 is the output voltage V HS. Is the peak value of the third harmonic component. Note that φ in the first term on the right side of the above three expressions is the calculation result of the phase calculation unit 73, and Vp 0 of the fourth expression is the calculation result of the zero-phase voltage calculation unit 75.

位相φは図13のブロック線図に示すように、波高値Vpは図14のブロック線図に示すように決定する。伝達関数X(s)は負荷平準化システムHSの出力電力PHSと目標値Prefの差が定常状態において0となるように有効電力Pを決定する。そして、定数K11による換算により、有効電力Pを負荷平準化システムHSと電力系統との間でやりとりするための系統電圧Vtと出力電圧VHSのうちの正相電圧成分との位相差φが決定される。 The phase φ is determined as shown in the block diagram of FIG. 13, and the peak value Vp 0 is determined as shown in the block diagram of FIG. The transfer function X (s) determines the active power P so that the difference between the output power P HS of the load leveling system HS and the target value P ref is 0 in the steady state. By conversion by a constant K 11, a phase difference φ between the positive phase voltage component of the system voltage Vt and output voltage V HS for exchanging active power P between the load leveling system HS and power system It is determined.

伝達関数Y(s)はコンデンサC1及びコンデンサC2の充電電圧の平均値(Vh+Vh)/2と、コンデンサC3、C4の電圧の和の3相分の平均値{(Vma+Vla)+(Vmb+Vlb)+(Vmc+Vlc)}/3との比が、定常状態において2:1となるように、零相電圧成分のうちの第3次高調波の波高値Vpを決定する。 The transfer function Y (s) is an average value of three phases of the average value (Vh 1 + Vh 2 ) / 2 of the charging voltage of the capacitors C1 and C2 and the voltage of the capacitors C3 and C4 {(Vma + Vla) + (Vmb + Vlb) ) + (Vmc + Vlc)} / 3 is determined so that the peak value Vp 0 of the third harmonic of the zero-phase voltage component is 2: 1 in the steady state.

以下に、波高値Vpの調整により、コンデンサC1(またはC2)の充電電圧Vh(またはVh)と、C3及びC4の充電電圧の合計Vm+Vlとの比を制御する原理を説明する。 Hereinafter, the principle of controlling the ratio between the charging voltage Vh 1 (or Vh 2 ) of the capacitor C1 (or C2) and the total charging voltage Vm + Vl of C3 and C4 by adjusting the peak value Vp 0 will be described. .

まず、負荷平準化システムHSの出力レベルと、3レベルインバータ回路110の動作の関係について説明する。   First, the relationship between the output level of the load leveling system HS and the operation of the three-level inverter circuit 110 will be described.

図16に示すように、零相電圧V(t)を用いない場合には、3レベルインバータ回路110からは出力レベル3以上で電圧を出力することが可能である。本実施形態では、概ねVh1=Vh2=6/7pu、Vm=2/7pu、Vl=1/7puであるため、出力電圧VHSが約0.357pu(=(Vm+Vl)/2)となる位相、すなわちsinθ=約0.357となる位相θで3レベルインバータ回路110の電圧出力を開始することが可能である。ここで単位に用いたpu(per unit)は、電力系統の定格電圧の波高値を基準とする。 As shown in FIG. 16, when the zero-phase voltage V 0 (t) is not used, the voltage can be output from the three-level inverter circuit 110 at the output level 3 or higher. In this embodiment, since Vh 1 = Vh 2 = 6/7 pu, Vm = 2/7 pu, and Vl = 1/7 pu, the output voltage V HS is approximately 0.357 pu (= (Vm + Vl) / 2). The voltage output of the three-level inverter circuit 110 can be started with the phase, that is, the phase θ where sin θ = about 0.357. Here, pu (per unit) used as a unit is based on the peak value of the rated voltage of the power system.

次に3レベルインバータ回路110の出力する電力と位相θとの関係を説明する。   Next, the relationship between the power output from the three-level inverter circuit 110 and the phase θ will be described.

3レベルインバータ回路110を位相θで電圧出力動作させた場合、3レベルインバータ回路110から出力される電力Pは、次式のとおりである。ここで位相αは負荷平準化システムHSの出力電流IHSと出力電圧VHSの位相差であったとする。 When the voltage output operation of the three-level inverter circuit 110 is performed at the phase θ, the electric power P 3 output from the three-level inverter circuit 110 is as follows. Here, it is assumed that the phase α is a phase difference between the output current I HS and the output voltage V HS of the load leveling system HS.

このように、3レベルインバータ回路110から出力される電力Pは、位相θにより変化する。 As described above, the electric power P 3 output from the three-level inverter circuit 110 changes depending on the phase θ.

一方、電源回路12にエネルギを出力させないためには、3レベルインバータ回路110より負荷の全エネルギを供給できればよい。すなわち、   On the other hand, in order to prevent the power supply circuit 12 from outputting energy, it is only necessary to supply all the energy of the load from the three-level inverter circuit 110. That is,

を満たせばよいので、もし3レベルインバータ回路110の電圧出力開始位相を次式のθ’にできれば、電源回路12からはエネルギが入出力されなくなる。   Therefore, if the voltage output start phase of the three-level inverter circuit 110 can be set to θ ′ of the following equation, energy is not input / output from the power supply circuit 12.

ここで、Vh=6/7puとすると、sinθ’=約0.355となる。このようにVh=6/7puとすれば、3レベルインバータ回路110の電圧出力開始が可能な位相θ(sinθ=約0.357)と、3レベルインバータ回路110より負荷の全エネルギを供給するために電圧出力を開始しなければならない位相θ’は極めて近い値をとることになる。   Here, when Vh = 6 / 7pu, sin θ ′ = about 0.355. In this way, when Vh = 6 / 7pu, the phase θ (sin θ = about 0.357) at which the voltage output of the three-level inverter circuit 110 can be started and the total energy of the load are supplied from the three-level inverter circuit 110. The phase θ ′ at which voltage output must be started takes a very close value.

次に、図15を参照して、位相θを制御できることを説明する。   Next, the fact that the phase θ can be controlled will be described with reference to FIG.

図15の中図(イ)は零相電圧成分がゼロとした場合である。一方、図15の上図(ア)および下図(ウ)のように出力電圧VHSの零相電圧成分のうちの第3次高調波の波高値Vpを調整すれば、3レベルインバータ回路110が電圧出力する位相θを制御できることがわかる。 The middle diagram (a) in FIG. 15 shows the case where the zero-phase voltage component is zero. On the other hand, if the peak value Vp 0 of the third harmonic of the zero-phase voltage component of the output voltage V HS is adjusted as shown in the upper diagram (A) and lower diagram (C) of FIG. It can be seen that the phase θ at which the voltage is output can be controlled.

また、図15に示すようにVpを、−0.15≦Vp≦0.15の範囲で変化させれば、位相θは0.357±0.1[rad]程度調整できるため、先の3レベルインバータ回路110より負荷の全エネルギを供給するために電圧出力を開始しなければならない位相θ’(sinθ’=約0.355)と3レベルインバータ回路110の電圧出力開始が可能な位相θと一致させるためのVpの調整幅は十分にある。さらに、位相θはVpの増加とともに単調に増加するため、図14のブロック線図のように、VpがVh―(Vm+Vl)×2に単調増加となるようにフィードバック制御してやれば、定常状態においては、3レベルインバータ回路110より負荷の全エネルギを供給するために電圧出力を開始しなければならない位相θ’と、3レベルインバータ回路110の電圧出力開始が可能な位相θと一致させることができる。すなわち、負荷平準化システムHSにおいて、電源回路12の出力エネルギをゼロに制御できる。 Further, as shown in FIG. 15, if Vp 0 is changed in a range of −0.15 ≦ Vp 0 ≦ 0.15, the phase θ can be adjusted by about 0.357 ± 0.1 [rad]. The phase θ ′ (sin θ ′ = about 0.355) in which the voltage output must be started in order to supply all the energy of the load from the three-level inverter circuit 110 and the phase in which the voltage output of the three-level inverter circuit 110 can be started. There is a sufficient adjustment range of Vp 0 to match θ. Further, since the phase θ increases monotonously with the increase of Vp 0 , if feedback control is performed so that Vp 0 monotonically increases to Vh− (Vm + Vl) × 2 as shown in the block diagram of FIG. In this case, the phase θ ′ at which voltage output must be started in order to supply all the energy of the load from the three-level inverter circuit 110 and the phase θ at which the voltage output of the three-level inverter circuit 110 can be started can be matched. it can. That is, in the load leveling system HS, the output energy of the power supply circuit 12 can be controlled to zero.

回路制御部74は、受信した位相算出データ、零相電圧算出データから負荷平準化システムHSの出力電圧VHSを演算し、さらに図16の表およびコンデンサ電圧測定データから、出力電圧VHSに最も近い値となる出力レベルを選択し、且つ前記それぞれのコンデンサC1、C2、C3、C4間の電圧比を所定の値(Vh:Vh:Vm:Vl=6:6:2:1)に可及的に近づけるように、3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンを選択し、3レベルインバータ回路110及び電源回路12に駆動信号を出力するものである。 The circuit control unit 74, the received phase calculation data, calculates the output voltage V HS of load leveling system HS from the zero-phase voltage calculation data, from more tables and capacitor voltage measurement data of FIG. 16, most of the output voltage V HS An output level that is a close value is selected, and the voltage ratio among the capacitors C1, C2, C3, and C4 is set to a predetermined value (Vh 1 : Vh 2 : Vm: Vl = 6: 6: 2: 1). The operation patterns of the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are selected so as to be as close as possible, and drive signals are output to the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12.

なお、出力レベルが負およびゼロについては、説明および図示を省略する。   Note that description and illustration are omitted for negative and zero output levels.

次に、このように構成した負荷平準化システムHSの動作について以下に述べる。   Next, the operation of the load leveling system HS configured as described above will be described below.

まず、負荷平準化システムHSを起動すると、系統電圧測定手段6と、入出力電力測定手段4と、コンデンサ電圧測定手段5とが、それぞれ測定を行い、その測定データを制御装置7に出力する。そして、その測定データを制御装置7が受信して、回路制御部74からの駆動信号に応じて3レベルインバータ回路110及び電源回路12が動作し、負荷平準化システムHSは、あらかじめ設定された負荷平準化パターンに基づいて、電力系統に所定の電力Prefを供給し始める。 First, when the load leveling system HS is activated, the system voltage measuring unit 6, the input / output power measuring unit 4, and the capacitor voltage measuring unit 5 perform measurement and output the measurement data to the control device 7. Then, the control device 7 receives the measurement data, the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 operate according to the drive signal from the circuit control unit 74, and the load leveling system HS has a preset load. Based on the leveling pattern, the power system starts to supply a predetermined power Pref .

負荷平準化システムHSの動作中は、制御装置7の位相算出部73は入出力電力測定データに基づいて、図13の制御ブロック線図に示される制御手法により、目標電力Prefを入出力するために負荷平準化システムHSが出力すべき電圧の位相、すなわちVHSのうちの正相成分の系統電圧Vtとの位相差φを算出し、その算出データを回路制御部74に出力する。 During the operation of the load leveling system HS, the phase calculation unit 73 of the control device 7 inputs / outputs the target power P ref by the control method shown in the control block diagram of FIG. 13 based on the input / output power measurement data. load leveling system HS is the voltage to be output phase, namely the phase difference φ between the system voltage Vt of the positive-phase component of the V HS is calculated for, and outputs the calculated data to the circuit control unit 74.

零相電圧算出部75は、コンデンサ電圧測定データに基づいて、図14の制御ブロック線図に示される制御手法により、電源回路12から入出力される電力をゼロにするために負荷平準化システムHSが出力すべき電圧VHSの内の零相電圧成分の第3次高調波成分の波高値Vpを算出し、その算出データを回路制御部74に出力する。 Based on the capacitor voltage measurement data, the zero-phase voltage calculation unit 75 uses the control method shown in the control block diagram of FIG. 14 to reduce the power input / output from the power supply circuit 12 to zero. Calculates the peak value Vp 0 of the third harmonic component of the zero phase voltage component of the voltage V HS to be output, and outputs the calculated data to the circuit control unit 74.

回路制御部74は、受信した位相算出データ、零相電圧算出データから負荷平準化システムHSの出力電圧VHSを演算し、さらに図16の表およびコンデンサ電圧測定データから、電圧VHSに最も近い値となる出力レベルを選択し、且つ前記それぞれのコンデンサC1、C2、C3、C4間の電圧比を所定の値(Vh:Vh:Vm:Vl=6:6:2:1)に維持するように、3レベルインバータ回路110及び電源回路12を動作させる。 The circuit control unit 74 calculates the output voltage V HS of the load leveling system HS from the received phase calculation data and zero-phase voltage calculation data, and is closest to the voltage V HS from the table of FIG. 16 and the capacitor voltage measurement data. The output level to be a value is selected, and the voltage ratio between the respective capacitors C1, C2, C3, and C4 is maintained at a predetermined value (Vh 1 : Vh 2 : Vm: Vl = 6: 6: 2: 1). Thus, the three-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are operated.

このように構成した負荷平準化システムHSによれば、3相3レベルインバータ回路11を多パルス化することなく高品質な電圧を出力できるため、3相3レベルインバータ回路のみを用いたシステムと比べ、高性能化、高効率化を図ることができる。   According to the load leveling system HS configured as described above, a high-quality voltage can be output without making the three-phase three-level inverter circuit 11 multi-pulsed, and therefore, compared with a system using only the three-phase three-level inverter circuit. High performance and high efficiency can be achieved.

さらに、電源回路12の直流電源C3、C4には、小型・低コストなコンデンサを用いることができるため、単相インバータのみを直列に接続し、それぞれに相当規模の直流電源を配置する方法と比べ、小型・低コストな負荷平準化システムHSを提供することができる。   Furthermore, since a small and low-cost capacitor can be used for the DC power supplies C3 and C4 of the power supply circuit 12, as compared with a method in which only a single-phase inverter is connected in series and a DC power supply of a considerable scale is arranged in each. Thus, a small and low-cost load leveling system HS can be provided.

<その他の変形実施形態>   <Other modified embodiments>

なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。   The present invention is not limited to the above embodiment.

例えば、本発明に係る電力変換装置1を自励式無効電力補償システムSSに用いた場合において、それぞれの充電電圧Vh、Vh、Vm、Vlの比率をVh:Vh:Vm:Vl=5:5:2:1としたものでも良い。 For example, when the power conversion device 1 according to the present invention is used in the self-excited reactive power compensation system SS, the ratio of the charging voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl is expressed as Vh 1 : Vh 2 : Vm: Vl = It may be 5: 5: 2: 1.

この場合には、図17に示すように、3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンを選択の仕方により、正側8レベル、負側8レベル、零出力レベルの合計17レベルの電圧VSVGを出力することができる。 In this case, as shown in FIG. 17, the voltage V of the total of 17 levels including the positive 8 levels, the negative 8 levels, and the zero output level is selected depending on how the operation patterns of the 3-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are selected. SVG can be output.

さらに、本発明に係る電力変換装置1を自励式無効電力補償システムSSに用いた場合において、それぞれの充電電圧Vh、Vh、Vm、Vlの比率をVh:Vh:Vm:Vl=6:6:2:1としたものでも良い。このとき、図18に示すように、3レベルインバータ回路110及び電源回路12の動作パターンを選択の仕方により、正側9レベル、負側9レベル、零出力レベルの合計19レベルの電圧VSVGを出力することができる。 Further, when the power conversion device 1 according to the present invention is used in the self-excited reactive power compensation system SS, the ratios of the charging voltages Vh 1 , Vh 2 , Vm, and Vl are expressed as Vh 1 : Vh 2 : Vm: Vl = It may be 6: 6: 2: 1. At this time, as shown in FIG. 18, the voltage V SVG of 19 levels in total, that is, 9 levels on the positive side, 9 levels on the negative side, and zero output level, is selected depending on how the operation patterns of the 3-level inverter circuit 110 and the power supply circuit 12 are selected. Can be output.

また、本発明に係る電力変換装置を自励式直流送電システムTSに用いることもできる。具体的には、図19に示すように、3相交流系統2Aに接続され交流電圧を直流電圧に変換する第1の電力変換装置TS1と、この第1の電力変換装置TS1に直列に接続され、直流電圧を交流電圧に変換して3相交流系統2Bに出力する第2の電力変換装置TS2とから構成している。前記第1の電力変換装置TS1と第2の電力変換装置TS2は、交流電圧及び直流電圧の入出力関係が逆で、その構成はともに、3相3レベルインバータ回路11及び電源回路12からなる。   Moreover, the power converter device which concerns on this invention can also be used for self-excited direct-current power transmission system TS. Specifically, as shown in FIG. 19, a first power conversion device TS1 that is connected to a three-phase AC system 2A and converts an AC voltage into a DC voltage, and is connected in series to the first power conversion device TS1. The second power conversion device TS2 converts the DC voltage into an AC voltage and outputs the AC voltage to the three-phase AC system 2B. The first power conversion device TS1 and the second power conversion device TS2 have an AC voltage and a DC voltage input / output relationship opposite to each other, and both have a three-phase three-level inverter circuit 11 and a power supply circuit 12.

上記に加えて、前記それぞれの実施形態では、電源回路は各相単相インバータ回路を2個直列に接続することにより構成したが、1つあるいは3つ以上直列に接続して構成しても良い。   In addition to the above, in each of the above embodiments, the power supply circuit is configured by connecting two single-phase inverter circuits of each phase in series, but may be configured by connecting one or more than three in series. .

前記第2実施形態では主直流電源2の直流電圧を固定値として取り扱ったが、   In the second embodiment, the DC voltage of the main DC power supply 2 is handled as a fixed value.

例えば直流電圧を可変制御できるDC−DCコンバータのような補助回路を用いれば、出力電圧VHSの最大値を大きく変化させることが出来るため、第1実施形態のような無効電力補償機能を兼ね備えた電力供給装置が実現できる。 For example, if an auxiliary circuit such as a DC-DC converter that can variably control the direct current voltage is used, the maximum value of the output voltage VHS can be changed greatly. Therefore, the reactive power compensation function as in the first embodiment is also provided. A power supply device can be realized.

前記第2実施形態では、電源回路12の直流電源を小型・低コストなコンデンサにするための直流電源の電圧値やコンデンサの電圧比を用いたが、逆に直流側から外部とエネルギを入出力するための補助回路を設ければ、直流電圧値や電圧比の制約を受けることがなくなる。   In the second embodiment, the voltage value of the DC power supply and the voltage ratio of the capacitor are used to make the DC power supply of the power supply circuit 12 a small and low-cost capacitor. Conversely, energy is input / output from the DC side to the outside. If an auxiliary circuit for this purpose is provided, there will be no restrictions on the DC voltage value or voltage ratio.

すなわち、例えば、9/13pu、3/13pu、1/13puといった電圧の直流電源を用いることもでき、負荷平準化システムHSの出力電圧は正側13レベル、負側13レベル、零出力レベルの合計27レベルと飛躍的に精度が向上する。   That is, for example, a DC power supply having a voltage of 9/13 pu, 3/13 pu, or 1/13 pu can be used, and the output voltage of the load leveling system HS is the sum of the positive 13 level, the negative 13 level, and the zero output level. The accuracy is dramatically improved to 27 levels.

この場合にも、本発明により、3レベルインバータ回路110からの出力電圧のパルス幅を変更し、3レベルインバータ回路110からの出力を可能な限り負荷平準化システムHSの出力エネルギに近づけることにより、電源回路12の前記補助回路の容量、すなわち装置規模を小さくするような応用もできる。   Also in this case, according to the present invention, by changing the pulse width of the output voltage from the three-level inverter circuit 110 and making the output from the three-level inverter circuit 110 as close as possible to the output energy of the load leveling system HS, The power supply circuit 12 can be applied to reduce the capacity of the auxiliary circuit, that is, the device scale.

この他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であることは言うまでもない。   In addition, it goes without saying that various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention.

第1実施形態に係る自励式無効電力補償システムの概略構成図。1 is a schematic configuration diagram of a self-excited reactive power compensation system according to a first embodiment. 同実施形態における3レベルインバータ回路及び電源回路の動作タイミングを示す図。The figure which shows the operation | movement timing of the 3 level inverter circuit and power supply circuit in the embodiment. 同実施形態における制御装置の機器構成図。The equipment block diagram of the control apparatus in the embodiment. 同実施形態における制御装置の機能構成図。The function block diagram of the control apparatus in the embodiment. 同実施形態における自励式無効電力補償システムの出力電圧の演算方法を示すブロック線図。The block diagram which shows the calculation method of the output voltage of the self-excited reactive power compensation system in the embodiment. 同実施形態における出力レベル0〜7/7に応じたスイッチングパターン、タイミング及びその時のコンデンサ電圧条件を示す表。The table | surface which shows the switching pattern according to the output level 0-7 / 7 in the same embodiment, timing, and the capacitor voltage condition at that time. 同実施形態における出力レベル0〜−7/7に応じたスイッチングパターン、タイミング及びその時のコンデンサ電圧条件を示す表。The table | surface which shows the switching pattern according to the output level 0--7 / 7 in the same embodiment, timing, and the capacitor voltage condition at that time. 同実施形態における出力レベル1の電圧を出力する際の3レベルインバータ回路及び電源回路の充電及び放電を示す図。The figure which shows charge and discharge of a 3 level inverter circuit and power supply circuit at the time of outputting the voltage of the output level 1 in the embodiment. 同実施形態における出力レベル−1の電圧を出力する際の3レベルインバータ回路及び電源回路の充電及び放電を示す図。The figure which shows charge and discharge of a 3 level inverter circuit and power supply circuit at the time of outputting the voltage of the output level -1 in the embodiment. 第2実施形態に係る負荷平準化システムの概略構成図。The schematic block diagram of the load leveling system which concerns on 2nd Embodiment. 同実施形態における3レベルインバータ回路及び電源回路の動作タイミングを示す図。The figure which shows the operation | movement timing of the 3 level inverter circuit and power supply circuit in the embodiment. 同実施形態における制御装置の機能構成図。The function block diagram of the control apparatus in the embodiment. 同実施形態における負荷平準化システムの出力電圧の演算方法を示すブロック線図。The block diagram which shows the calculation method of the output voltage of the load leveling system in the embodiment. 同実施形態における負荷平準化システムの出力電圧の演算方法を示すブロック線図。The block diagram which shows the calculation method of the output voltage of the load leveling system in the embodiment. 同実施形態における負荷平準化システムの出力電圧のうち、零相電圧成分の波高値を変化させたときの、出力電圧の変化及び3レベルインバータ回路の動作タイミングの変化を示す図。The figure which shows the change of an output voltage when the peak value of a zero phase voltage component is changed among the output voltages of the load leveling system in the embodiment, and the change of the operation timing of a 3 level inverter circuit. 同実施形態における出力レベルに応じたスイッチングパターンを示す表。The table | surface which shows the switching pattern according to the output level in the embodiment. その他の実施形態に係る自励式無効電力補償システムにおける出力レベルの組み合わせ及びその時のコンデンサ電圧条件を示す表。The table | surface which shows the combination of the output level in the self-excitation reactive power compensation system which concerns on other embodiment, and the capacitor voltage condition at that time. その他の実施形態に係る自励式無効電力補償システムにおける出力レベルの組み合わせ及びその時のコンデンサ電圧条件を示す表。The table | surface which shows the combination of the output level in the self-excitation reactive power compensation system which concerns on other embodiment, and the capacitor voltage condition at that time. その他の実施形態に係る自励式直流送電システムの模式図。The schematic diagram of the self-excitation type DC power transmission system which concerns on other embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1・・・電力変換装置
11・・・3相3レベルインバータ回路
12a、12b、12c・・・電源回路
Vt・・・系統電圧
ref・・・電力系統の目標電圧
SVG・・・自励式無効電力補償装置の出力電圧
HS・・・負荷平準化システムの出力電圧
11・・・3相3レベルインバータ回路の出力電圧
7・・・制御装置
・・・交流周波数の第3次高調波の電圧成分
SS・・・自励式無効電力補償システム
C1、C2・・・3相3レベルインバータ回路の直流電源
C3a、C4a、C3b、C4b、C3c、C4c・・・電源回路の直流電源
I1a、I2a、I1b、I2b、I1c、I2c・・・単相インバータ
HS・・・負荷平準化システム
1 ... electric power converter 11 ... three-phase three-level inverter circuit 12a, 12b, 12c ... power supply circuit Vt · system voltage V ref ... power system of the target voltage V SVG ... self-excited third output voltage V HS ... output voltage 7 ... controller V 0 ... AC frequency of the output voltage V 11 ... 3-phase three-level inverter circuit in the load leveling system of the reactive power compensator Harmonic voltage component SS... Self-excited reactive power compensation system C1, C2... Three-phase three-level inverter circuit DC power supply C3a, C4a, C3b, C4b, C3c, C4c. , I2a, I1b, I2b, I1c, I2c ... Single-phase inverter HS ... Load leveling system

Claims (8)

直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、
前記3相3レベルインバータ回路の出力側の各相それぞれに直列に接続され、単相交流電圧を出力する電源回路と、
前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備えた電力変換装置。
A three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled with one pulse each for positive and negative pulses per cycle of the fundamental frequency;
A power supply circuit connected in series with each phase on the output side of the three-phase three-level inverter circuit and outputting a single-phase AC voltage;
And a control device that controls the three-phase three-level inverter circuit and the respective power supply circuits to output a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages.
前記電源回路が、単相インバータと直流電源を組み合わせた回路を、単相インバータの出力側で1乃至複数組を直列に接続して構成されるものであり、当該単相インバータが、前記制御装置によりパルス幅変調制御されるものである請求項1記載の電力変換装置。   The power supply circuit is configured by connecting a circuit in which a single-phase inverter and a DC power supply are combined to one or more sets in series on the output side of the single-phase inverter, and the single-phase inverter includes the control device. The power converter according to claim 1, wherein the pulse width modulation is controlled by the power converter. 前記制御装置が、前記電力変換装置より出力される電圧の零相電圧成分のうち、第3次高調波の波高値を調整して、前記3相3レベルインバータ回路からの出力電圧のパルス幅を変更することにより、前記3相3レベルインバータ回路が出力するエネルギと前記電源回路が出力するエネルギとの比を制御するものである請求項1又は2記載の電力変換装置。   The control device adjusts the peak value of the third harmonic in the zero-phase voltage component of the voltage output from the power converter, and sets the pulse width of the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit. The power conversion device according to claim 1 or 2, wherein a ratio between the energy output from the three-phase three-level inverter circuit and the energy output from the power supply circuit is controlled by changing. 前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路からの出力電圧のパルス幅を変更することにより、前記電源回路の出力エネルギの累積値を可及的にゼロにするものである請求項3記載の電力変換装置。   The said control apparatus makes the accumulated value of the output energy of the said power supply circuit zero as much as possible by changing the pulse width of the output voltage from the said 3-phase 3 level inverter circuit. Power conversion device. 電力系統に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償システムであって、
コンデンサに充電された直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、
前記3相3レベルインバータ回路の出力側のそれぞれの相に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサとは異なるコンデンサ、及び当該コンデンサに充電された直流電圧をパルス幅変調制御された単相交流電圧に変換して出力する単相インバータからなる回路を、2組直列に接続して構成された電源回路と、
前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電エネルギと、前記電源回路のコンデンサの充電エネルギとの合計が所望の値となるようにし、且つ前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサと、前記電源回路の2つのコンデンサとの充電電圧の比を4:4:2:1の関係に維持するように、前記3相3レベルインバータ回路及び前記電源回路を制御することを特徴とする自励式無効電力補償システム。
A self-excited reactive power compensation system that is connected to a power system and supplies reactive power to the power system to adjust the voltage of the power system and improve the power factor of the load,
A three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage charged in a capacitor into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled by one pulse each for a positive and negative frequency per cycle;
Pulse width modulation control was performed on a capacitor different from the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and a DC voltage charged in the capacitor, connected in series to each phase on the output side of the three-phase three-level inverter circuit A power supply circuit configured by connecting two sets of circuits composed of single-phase inverters that convert and output single-phase AC voltage;
A control device that controls the three-phase three-level inverter circuit and the respective power supply circuits, and outputs a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages,
The control device causes a sum of the charging energy of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the charging energy of the capacitor of the power supply circuit to be a desired value, and the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit; The three-phase three-level inverter circuit and the power supply circuit are controlled so as to maintain a ratio of charging voltage to two capacitors of the power supply circuit in a relationship of 4: 4: 2: 1. Excited reactive power compensation system.
電力系統に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償システムであって、
コンデンサに充電された直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、
前記3相3レベルインバータ回路の出力側のそれぞれの相に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサとは異なるコンデンサ、及びこのコンデンサに充電された直流電圧をパルス幅変調制御された単相交流電圧に変換して出力する単相インバータからなる回路を、2組直列に接続して構成された電源回路と、
前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電エネルギと、前記電源回路のコンデンサの充電エネルギとの合計が所望の値となるようにし、且つ前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサと、前記電源回路の2つのコンデンサとの充電電圧の比を5:5:2:1の関係に維持するように、前記3相3レベルインバータ回路及び前記電源回路を制御することを特徴とする自励式無効電力補償システム。
A self-excited reactive power compensation system that is connected to a power system and supplies reactive power to the power system to adjust the voltage of the power system and improve the power factor of the load,
A three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage charged in a capacitor into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled by one pulse each for a positive and negative frequency per cycle;
Pulse width modulation control is performed on a capacitor different from the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and a DC voltage charged in the capacitor, which are connected in series to the respective phases on the output side of the three-phase three-level inverter circuit. A power supply circuit configured by connecting two sets of circuits composed of single-phase inverters that convert and output single-phase AC voltage;
A control device that controls the three-phase three-level inverter circuit and the respective power supply circuits, and outputs a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages,
The control device is configured so that the sum of the charging energy of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the charging energy of the capacitor of the power supply circuit becomes a desired value, and the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit; The three-phase three-level inverter circuit and the power supply circuit are controlled so as to maintain a charging voltage ratio of the two capacitors of the power supply circuit to a relationship of 5: 5: 2: 1. Excited reactive power compensation system.
電力系統に接続され、その電力系統に無効電力を供給することにより、当該電力系統の電圧調整や負荷の力率改善を行う自励式無効電力補償システムであって、
コンデンサに充電された直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、
前記3相3レベルインバータ回路の出力側のそれぞれの相に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサとは異なるコンデンサ、及びこのコンデンサに充電された直流電圧をパルス幅変調制御された単相交流電圧に変換して出力する単相インバータからなる回路を、2組直列に接続して構成された電源回路と、
前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備え、
前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電エネルギと、前記電源回路のコンデンサの充電エネルギとの合計が所望の値となるようにし、且つ前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサと、前記電源回路の2つのコンデンサとの充電電圧の比を6:6:2:1の関係に維持するように、前記3相3レベルインバータ回路及び前記電源回路を制御することを特徴とする自励式無効電力補償システム。
A self-excited reactive power compensation system that is connected to a power system and supplies reactive power to the power system to adjust the voltage of the power system and improve the power factor of the load,
A three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage charged in a capacitor into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled with one pulse for each positive and negative frequency per cycle;
Pulse width modulation control is performed on a capacitor different from the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and a DC voltage charged in the capacitor, which are connected in series to the respective phases on the output side of the three-phase three-level inverter circuit. A power supply circuit configured by connecting two sets of circuits composed of single-phase inverters that convert and output single-phase AC voltage;
A control device that controls the three-phase three-level inverter circuit and the respective power supply circuits, and outputs a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages,
The control device is configured so that the sum of the charging energy of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the charging energy of the capacitor of the power supply circuit becomes a desired value, and the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit; The three-phase three-level inverter circuit and the power supply circuit are controlled so as to maintain a ratio of charging voltage between the two capacitors of the power supply circuit in a 6: 6: 2: 1 relationship. Excited reactive power compensation system.
電力系統に接続され、その電力系統に対して電力を入出力する電力供給システムであって、
コンデンサに充電された直流電圧を、基本周波数1サイクルあたり正負各1パルスのパルス幅変調制御された3相交流電圧に変換して出力する3相3レベルインバータ回路と、
前記コンデンサに並列に接続され、直流電圧を出力する直流電源と、
前記3相3レベルインバータ回路の出力側のそれぞれの相に直列に接続され、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサとは異なるコンデンサ、及び当該コンデンサに充電された直流電圧をパルス幅変調制御された単相交流電圧に変換して出力する単相インバータからなる回路を、2組直列に接続して構成された電源回路と、
前記3相3レベルインバータ回路及び前記それぞれの電源回路を制御して、それらの出力電圧の合計として所望の3相交流電圧を出力させる制御装置と、を備え、
前記直流電源から出力される電圧が、前記電力系統の定格電圧の波高値との比が概ね12/7であり、
前記制御装置が、前記3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電エネルギと、前記電源回路のコンデンサの充電エネルギとの合計が所望の値となるようにし、前記所望の3相交流電圧の零相電圧成分のうち、第3次高調波の波高値を調整して、前記3相3レベルインバータ回路からの出力電圧のパルス幅を変更することにより、前記3相3レベルインバータ回路が出力するエネルギと前記電源回路が出力するエネルギとの比を制御するものであり、且つ前記直流電源から出力される直流電圧と、3相3レベルインバータ回路のコンデンサの充電電圧と、前記電源回路の2つのコンデンサの充電電圧との比を12:6:6:2:1の関係に維持するように、前記3相3レベルインバータ回路及び前記電源回路を制御することを特徴とする電力供給システム。
A power supply system that is connected to a power system and inputs / outputs power to / from the power system,
A three-phase three-level inverter circuit that converts a DC voltage charged in a capacitor into a three-phase AC voltage that is pulse-width-modulated and controlled by one pulse each for a positive and negative frequency per cycle;
A DC power source connected in parallel to the capacitor and outputting a DC voltage;
Pulse width modulation control is performed on a capacitor different from the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and a DC voltage charged in the capacitor, which are connected in series to the respective phases on the output side of the three-phase three-level inverter circuit. A power supply circuit configured by connecting two sets of circuits composed of single-phase inverters that convert and output single-phase AC voltage;
A control device that controls the three-phase three-level inverter circuit and the respective power supply circuits, and outputs a desired three-phase AC voltage as a sum of their output voltages,
The ratio of the voltage output from the DC power supply to the peak value of the rated voltage of the power system is approximately 12/7,
The control device is configured so that the sum of the charging energy of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit and the charging energy of the capacitor of the power supply circuit becomes a desired value, and the zero-phase voltage of the desired three-phase AC voltage Among the components, by adjusting the peak value of the third harmonic and changing the pulse width of the output voltage from the three-phase three-level inverter circuit, the energy output from the three-phase three-level inverter circuit and the A ratio of energy output from the power supply circuit is controlled, and the DC voltage output from the DC power supply, the charging voltage of the capacitor of the three-phase three-level inverter circuit, and the charging of the two capacitors of the power supply circuit The three-phase three-level inverter circuit and the power supply circuit are controlled so as to maintain a ratio with voltage of 12: 6: 6: 2: 1. The power supply system.
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