JP2008048536A - 無効電力補償装置 - Google Patents

Abstract

【課題】無効電力補償装置として必要十分な機能を発揮するとともに、装置の大型化や、それに伴う、損失、コストの増大をもたらすハードウエアを備えることなく、小型、安価、低損失で、各電圧出力ユニットの直流電圧比を一定に保持することが可能となる階調電圧制御の無効電力補償装置を得ることを目的とする。
【解決手段】Ｈ、Ｍビットの電圧出力ユニット２は、電流の指令値に電力貯蔵手段３のエネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えることにより、電力貯蔵手段３全体のエネルギーを一定に保ち、その出力電圧の組合せを選択することにより、電力貯蔵手段３相互間の電圧を一定に保つ。Ｌビットの電圧出力ユニット２は、その電力貯蔵手段３がＤＣ電源１３に接続され、パルス幅変調制御により高精度な電圧出力を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は、系統回路に無効電力を供給することにより系統回路の力率改善、電流歪みを改善する無効電力補償装置に関するものである。

図２９は、例えば、非特許文献１に記載された、直流電圧が異なる単相の電圧出力ユニットをカスケード接続した無停電電源装置である。
図の階調制御型インバータは、フルブリッジインバータの電圧出力ユニットを３直列で構成し、直流電圧がそれぞれ三進数の関係に設定されている。そして、大きい電圧の電圧出力ユニットの出力のパルス数は少なく、電圧の低い電圧出力ユニットの出力パルス数により波形整形をする、いわゆる、階調電圧出力により高効率変換を実現している。

「三進数階調制御型電力変換装置の無停電電源装置への応用」（電気学会全国大会 2006年3／15発行 第４分冊 Ｐ．113−114）

以上のように、非特許文献１で紹介された階調制御の電力変換装置は、無停電源装置に適用するもので有効電力の発生が必要であり、比較的容量の大きな常時給電の直流電源や、各電圧出力ユニットに電力を分配供給するためのバランサ回路が必要となり、この階調制御の電力変換装置をそのまま無効電力補償装置に適用すると、従来からの一般的な無効電力補償装置に比較して、外形、コスト的に不利となる。

この発明は、以上のような問題点を解消するためになされたもので、無効電力補償装置として必要十分な機能を発揮するとともに、装置の大型化や、それに伴う、損失、コストの増大をもたらすハードウエアを備えることなく、小型、安価、低損失で、各電圧出力ユニットの直流電圧比を一定に保持することが可能となる階調電圧制御の無効電力補償装置を得ることを目的とする。

第１の発明に係る無効電力補償装置は、電力貯蔵手段を有する電圧出力ユニットを直列に２個以上配置し、各電圧出力ユニットの出力電圧の組合せで電圧出力を得る電流制御型の無効電力補償装置において、
電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することにより各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧比率を一定にすることと、
無効電力補償装置が出力すべき電流の指令値に電力貯蔵手段のエネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えるものである。

また、第２の発明に係る無効電力補償装置は、電力貯蔵手段を有する電圧出力ユニットを直列に２個以上配置し、各電圧出力ユニットの出力電圧の組合せで電圧出力を得る電流制御型多相の無効電力補償装置において、
電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することにより上記各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧比率を一定にすることと、
上記無効電力補償装置が出力すべき電流の指令値に上記電力貯蔵手段の多相平均エネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えるものである。

また、第３の発明に係る無効電力補償装置は、電力貯蔵手段を有する電圧出力ユニットを直列に２個以上配置し、
電力貯蔵手段の電圧が電圧出力ユニットにより異なり、
各電圧出力ユニットの出力電圧の組合せで電圧出力を得る無効電力補償装置において、
電力貯蔵装置の電圧が最も小さい電圧出力ユニットは、電力常時供給手段に接続された電力貯蔵装置を有し、それ以外の電圧出力ユニットは、電力常時供給手段に接続されない電力貯蔵装置を有するものである。

第１の発明によれば、電流の指令値に電力貯蔵手段のエネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えることにより、電力貯蔵手段全体のエネルギーが一定に保たれ、電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することにより、電力貯蔵手段相互間の電圧が一定に保たれ、回路またはソフトウエアである制御動作で各電力貯蔵手段の電圧が一定に保たれる。

また、第２の発明によれば、電流の指令値に上記電力貯蔵手段の多相平均エネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えることにより、多相の電力貯蔵手段全体のエネルギーが一定に保たれ、電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することにより、電力貯蔵手段相互間の電圧が一定に保たれる。

また、第３の発明によれば、電圧が最も小さい電圧出力ユニットにのみ電力常時供給手段を接続することにより、電力常時供給手段の容量が低減し、装置が小型となる。

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１における、三相交流系統における無効電力を補償する無効電力補償装置７の構成を示す図である。これは、交流系統の無効電力を補償して、系統の力率改善、電流の高調波成分の抑制を行うものである。
言い換えると、この無効電力補償装置７は、負荷８に供給される負荷電流１２の内、高調波成分を含む無効電流を系統電源１に替わって供給することで、系統電流１１の高調波成分の低減、系統の力率改善を行い、送電効率を向上させる。
図に示すように、無効電力補償装置７は、複数の電圧出力ユニット２の直列接続により構成される。各電圧出力ユニット２には、電力貯蔵手段３が配置接続され、それから電圧出力ユニット２を通して、電力は出力される。
また、系統電源１との間には系統インダクタンス６が存在し、無効電力補償装置７は出力フィルタリアクトル９を介して系統に接続されている。

電圧出力ユニット２は、例えば図２に示すような、フルブリッジ構成の半導体のスイッチ２０〜２３からなるインバータで構成される。半導体スイッチは、自己消弧機能のスイッチとこれに逆並列接続されたダイオードとから構成されている。
自己消弧機能のスイッチとしては、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＴＯ（Gate Turn Off Thyristor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn−off Thyristor）、ＭＯＳＦＥＴ（Power Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transisor）、等が該当する。図２の電圧出力ユニット２は、各スイッチのオン、オフ動作に基づき、その端子間に、＋Ｅ、０、−Ｅの３つのレベルの電圧を出力する。
電力貯蔵手段３としては、例えば、電解コンデンサ、電気二重層コンデンサ等のコンデンサ、また、リチウム電池、ニッケル水素電池、鉛蓄電池等の電池で構成される。

ここで、各々の電圧出力ユニット２に対応する電力貯蔵手段３の設定電圧は、異なっていても良いし、等しくても良い。直列に接続される電圧出力ユニット２のＨビット、Ｍビット、Ｌビットの設定電圧の比が、例えば、図３（ａ）の表に示すように、２進数３ビットの関係により階調レベル数が７レベルある場合は、図３（ｂ）に示すように、正の出力は７レベル、負の出力は７レベル、０電圧出力は１レベルとなり、出力する相電圧のレベル数は合計１５レベルとなる。
また、同様に２進数４ビットの場合、直列に接続される電圧出力ユニット２のＨＨビット、Ｈビット、Ｍビット、Ｌビットの設定電圧の比が、図３（ｃ）の表に示す条件では、出力する相電圧のレベル数は、図３（ｄ）に示すように合計３１レベルとなる。

このように異なった電圧の電圧出力ユニット２を複数個、直列構成することで、系統電源へ出力する電圧を多レベル化して、高調波を小さくすることが出来る。また、電圧の高いメインインバータのスイッチング回数を抑えることにより、スイッチング損失を抑えることが出来、無効電力補償装置７の効率は向上し、さらに電磁ノイズも減らすことが出来る。

図１の無効電力補償装置７では、電圧が最小のＬビットの電圧出力ユニット２には、電力常時供給手段であるＤＣ電源１３を接続している。後段で詳述するが、このＬビットのインバータは、他のＨビット、Ｍビットのインバータと異なりパルス幅変調制御により電圧を出力し、高調波成分を含む無効電流の補償を実現している。出力に小さなフィルタをおくことで、電圧出力の精度を向上させることが出来、電圧や電流の高調波を抑制できる。
なお、このＬビットの電圧出力ユニット２にＤＣ電源１３が取り付いても、出力電圧及び電力は小さいので、このＤＣ電源１３の大きさは小さい。

このように、電圧が高いＨ、Ｍビットの電圧出力ユニット２の出力パルス数を少なくし、電圧が低いＬビットの電圧出力ユニット２の出力を動作周波数が数ｋＨｚもしくはそれ以上の高周波ＰＷＭ出力にすると、変換効率の向上と高調波抑制の両立が実現出来、効果的である。ここで、Ｈ、Ｍビットの電圧出力ユニット２には、後に述べる、ビット間エネルギー流用制御と、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）により、電力常時供給手段は不要とする。

無効電力補償装置７が無効電流しか流さない場合には、各々の電圧出力ユニット２にも、無効電流しか電流を流さないので、各電力貯蔵手段３の電圧は理想的には時間平均では変化しない。従って、図４に示すように、無効電力補償装置を、電力常時供給手段を一切使用しない構成とすることも出来る。

更なる変形例として、無効電力補償装置の構成は、図５に示すように、三相共通の電力貯蔵手段３と電圧出力ユニット２とを備えたものとしてもよい。ここでは、Ｈビットは、三相共通の３レベル電圧出力ユニット２と電力貯蔵手段３とから構成されている。三相各相では電流位相は１２０度ずつずれるので、Ｈビットの電力貯蔵手段３の電圧の変動周期は、商用周波の周期の１／３となり、その電圧変動は小さくなり、図１の各相個別方式に比べ電圧一定制御には有利になる。

次に、図１に示す無効電力補償装置７の制御部による運転動作の具体的内容について説明する。
先ず、全体の制御部のフローチャートを図６に示す。図において、系統瞬時電力Pp系統瞬時虚電力Qpルーチン３０では、負荷８の電圧（負荷電圧５）VLi（i＝u，v，w）、電流（負荷電流１２）ILi（i＝u，v，w）、無効電力補償装置７の電流（無効電力補償装置電流１０）Isi（i＝u，v，w）に基づき、系統瞬時虚電力Qp（フィルタリングあり）と有効、無効分の系統電流の指令値Ipi＿P，Ipi＿Q（i＝u，v，w）を求める。
電圧出力ユニットの電力貯蔵手段３の電圧を一定にするため、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）４０では、無効電力補償装置７の電流指令に重畳する有効分の電流指令ΔEc・sinωtを生成し、後述する電流制御ルーチン５０に送る。
なお、ここでは、Ｈビット、Ｍビットが、本願請求項に記載するエネルギー制御対象とするユニットの電力貯蔵手段に相当し、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）４０は、同じく、エネルギー制御手段に相当し、更に、有効分の電流指令ΔEc・sinωtは、同じく、有効電流値または偏差指令に相当する。

そして、電流制御ルーチン５０（本願請求項に記載する電流制御手段に相当する）では、有効、無効分の系統電流の指令値Ipi＿P，Ipi＿Q（i＝u，v，w）、系統瞬時虚電力Qp、有効分の電流指令ΔEc・sinωtに基づき、無効電力補償装置電流１０を流すために出力すべき電圧指令値Vs（t），Vso（t）を求める。
次に、高精度電圧出力ルーチン６０においては、Ｈビット、Ｍビットの電圧出力ユニット２の少パルス運転の実現と、エネルギー流用によるＨビット、Ｍビットの電力貯蔵手段３の電圧比一定制御を行いつつ、ＬビットによるＰＷＭ出力制御（パルス幅変調制御）を行う。高精度電圧出力ルーチン６０を経て、ゲート生成回路７０にてゲート指令が生成され、所望の無効電力補償装置電流１０を出力して無効電力補償を行う。

次に、各ルーチンの内容を詳細に説明する。
図７は、系統瞬時電力Pp系統瞬時虚電力Qpルーチン３０の処理内容を示すフローチャートである。系統瞬時電力Pp、系統瞬時虚電力Qpは、一周期分の平均電力ではなく、瞬時値を表すものである。ここではその意味で、通例、平均値で表現される有効電力、無効電力という表示と区別し、瞬時電力、瞬時虚電力という表示を使用している。
最初に、負荷の電流ILi（i＝u，v，w）、電圧VLi（i＝u，v，w）と無効電力補償装置電流Isi（i＝u，v，w）を、図８の行列式を用いて、三相交流（Ｕ，Ｖ，Ｗ）−二相交流（α、β）に変換する（３１）。そして、図７に示すように、（３１）による変換で得られた二相の負荷の電圧VLα，VLβ、電流ILα，ILβと無効電力補償装置電流Isα，Isβ（３２）に基づき、系統瞬時電力Pp、系統瞬時虚電力Qpを求める（３３、３４）。

基本波振幅抽出フィルタ（３６）では、図９に示す演算により、系統瞬時電力Pp、系統瞬時虚電力Qpの平均値を求める。なお、この平均化演算で使用するため、負荷電圧VLαβの平均値が求められる（３５）。
図７の系統電流導出ルーチン（３７）は、具体的には、図１０の３７−１および３７−２に示す計算式により、系統瞬時電力Pp、系統瞬時虚電力Qpの平均値および負荷電圧VLα、VLβの平均値からU，V，W相の有効分、無効分の系統電流Ipi＿P（i＝u，v，w）、Ipi＿Q（i＝u，v，w）を求める。

次に、電流制御ルーチン５０の内容について図１１のブロック図を参照して説明する。図において、無効電力補償装置７の出力電圧のバルク部分であるVso（t）＝｜Vs｜・sinωtは、図７（３５）で導出した負荷電圧VLαβと同じ大きさの基本波としている。
無効電力補償のため、系統の基本波無効電力Qpがゼロになるように、Ｉ（積分）制御で無効成分｜Iqqu｜・cosωtの電流指令を求める。ここでは、各相共通に、基本波無効電力Qpから無効成分｜Iqqu｜・cosωtの電流指令を求めているが、各相毎に、無効系統電流Ipi＿Qから無効成分｜Iqqu｜・cosωtの電流指令を求めるようにしてもよい。

そして、先の系統電流導出ルーチン（３７）で求めた有効成分の系統電流Ipi＿P（sinωt）、上記無効電力補償のための無効成分の系統電流指令値｜Iqqu｜・cosωt、および後に説明する、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン４０から求めた電流指令値ΔEci・sin（ωt＋φi）の合計の電流指令Irefi（t）と、フィードバック系統電流Ipi（t）（i＝u，v，w）との偏差のＰＤ（比例微分）制御より無効電力補償装置７の電圧指令値ΔVsi（t）が出力される。このΔVsi（t）に先のバルク成分Vsoi（t）が加算され、最終の電圧指令Vsi（t）＝Vsoi（t）＋ΔVsi（t）が高精度電圧出力ルーチン６０に送出される。
無効電力補償装置７がこの電圧指令に基づき無効電流を流すことにより、系統の基本波無効電力Qpは定常的に零となる。この瞬時無効電力の考えを導入した電流制御は、過渡応答時においても完全に無効電力を補償できる。

なお、本来の電圧指令Vsi（t）と別に、後に説明する高精度電圧出力ルーチン６０のＰＷＭ処理前階調電圧Vpk決定ルーチンにおいて、Ｈ、Ｍビットの出力をそれぞれ１パルス、３パルスにするための判定用の電圧指令値として、Vsoi（t）＝｜VLi｜・sin（ωt＋φi）を使用する。これにより、Ｈビット、若しくはＭビット電圧が変化する際、電圧指令値が急変した場合の多パルス化を防ぐことができる。

次に、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）４０の内容について図１２を参照して説明する。この制御では、全電力貯蔵手段、ここではエネルギー制御対象となっているＨビット、Ｍビットの電力貯蔵手段のエネルギーを一定にするため、電力貯蔵手段３の目標電圧と検出電圧（フィードバック値）との偏差（ΔVHi，ΔVMi）から、無効電力補償装置７に流し込む有効分の電流指令ΔＥciを生成する。この有効分の電流を流すことにより、電力貯蔵手段３の電圧を全体として一定にする。
複数個の電力貯蔵手段３の電圧を全体として一定に制御する場合、これら複数個の電力貯蔵手段３が現在持っている保有エネルギーと目標のエネルギー（基準エネルギー）との偏差に基づき電流指令ΔＥciを導出すべきであるが、図１２の右下部に、上述した両エネルギーおよび両者の差のエネルギー、更に、ΔVH、ΔVMが十分小さい値であるという、通常成立し得る条件下での差エネルギーをそれぞれ数式で示すように、電圧偏差から電流指令ΔＥciを求めることが出来ることが分かる。電圧偏差を利用することで、演算が簡便となる利点がある。

系統電圧が不平衡になると（この点は、後段の実施の形態２で触れる）、無効電力補償装置７は系統の無効電力を補償するので、無効電力補償装置７に流れる電流も不平衡になる。それに伴い、各相の電力貯蔵手段３の電圧も不平衡になるが、各相にこの制御が実施されていれば、各相における電力貯蔵手段３の電圧のバランスも保つことが出来る。

次に、高精度電圧出力ルーチン６０の内容について図１３を参照して説明する。ここでは、Ｈ、Ｍビットの電力貯蔵手段３の電圧比率の一定化を目的にＨ、Ｍビット間の電荷量のやり取りを行う、いわゆる、エネルギー流用制御と、Ｈ、Ｍビットのスイッチング切り換えを増加させないことを目的にスイッチパターンを１周期ずつ決定することと、各ビットの出力状態の決定とを行う。

先ず、この場合の動作の原理を図１４を参照して解説する。ここでは、Ｌビット、Ｍビット、Ｈビットの電圧比を１：２：４とし、その１のレベルの電圧を１A.U.（absolute unit）とする。なお、少なくともこの原理解説の項では、説明の便宜上、例えば、Ｈビットという場合、４A.U.の電圧を出力する電圧出力ユニットと同義とする。
また、各ビットの電圧制御としては、Ｈ、Ｍビットは、その出力電圧の組み合わせが交流出力電圧指令値に追随するように階調電圧制御を行い、Ｌビットは、Ｈ、Ｍビットの組み合わせで出力される電圧と交流出力電圧指令値との偏差を埋めるようにＰＷＭ制御で電圧を出力するものとする。

そして、この発明では、Ｈ、Ｍビットの各出力電圧は異なるが両者を組み合わせた電圧は同一となる特定期間が存在する、従って、電圧指令値に追随する制御であっても、Ｈ、Ｍビットの組み合わせ形（ＳＷパターン）に自由度が存在することに着目し、この自由度の範囲でＳＷパターンを選択し、ＨビットとＭビットの間の電圧均衡化を図らんとするものである。

図１４の下欄に示す波形は、この組み合わせた電圧波形は同一であるが、特定期間ではＨ、Ｍビットの各出力電圧が異なる２つのスイッチパターンＳＷ１とＳＷ２とを示している。
先ず、パターンＳＷ１で、正弦波は、電圧指令値を示し、矩形の階調電圧波形は、その電圧指令値に追随するＨ、Ｍビットの出力電圧和を示す。図は、基本波の１周期について示しているが、時間軸方向と正負方向の対称性を考えると１／４周期分で論じることが出来る。ハッチングを施した矩形波形は、Ｍ、Ｈビットの出力波形である。
下方のパターンＳＷ２もＨ、Ｍビットの出力電圧和の波形はパターンＳＷ１と同一であるが、特定期間であるθ１〜θ２の期間では、各ビットの出力電圧がパターンＳＷ１と異なっている。

即ち、同特定期間での出力和は共に２A.U.であるが、個々の出力は、パターンＳＷ１では、Ｍビット：＋２A.U.、Ｈビット：０A.U.であるの対し、パターンＳＷ２では、Ｍビット：−２A.U.、Ｈビット：＋４A.U.である。
この特定期間が１／４周期毎に存在するので、それぞれの特定期間でパターンＳＷ１またはＳＷ２のいずれかを選択することで考えられるパターンは、図１４の上欄に示すように合計１６種類となる。本願請求項では、ユニットパターン設定手段が、以上のＳＷパターンを設定するとしている。
なお、図１４では、基本波の１周期で繰り返す１６種類のパターンを設定したが、例えば、基本波の２周期で繰り返すパターンを設定するようにしてもよい。

電荷量演算ルーチン６１（通過電荷量演算手段）は、図１５に示すように、以上で説明した１６種類のＳＷパターンについて、Ｈビットの電力貯蔵手段を通過する電荷量Ｑｉ（ｉ＝１〜１６）を演算するものである。ここで、電荷量とする電流は、Ｈビットの電力貯蔵手段を流れる電流、即ち、無効電力補償装置電流である補償電流で、負荷電流ILと図１１の電流制御ルーチン５０で求めた電流指令Iref（t）との差で求められる。

図１６は、スイッチパターン候補決定ルーチン６２の処理を示すフローチャートである。スイッチパターン候補決定ルーチン６２は、先の電荷量演算ルーチン６１で求めた１６種類の通過電荷量Ｑｉにつき、図１６に示す処理を施すことにより、正の最大Ｈビット通過電荷量ＱｐｍａｘとそのＳＷパターン番号ｐｍａｘ、負の最小Ｈビット通過電荷量ＱｎｍｉｎとそのＳＷパターン番号ｎｍｉｎを求める。
なお、図１６では、先のルーチン６１で計算した１６種類のＳＷパターンの内、電荷量が正の符号と負の符号で絶対値が最大のものを抽出したが、これは、次に説明するスイッチパターン決定ルーチン６３において計測誤差等で判定が難しい場合があるので、その判定を確実にするためである。しかし、判定が困難でない場合は、絶対値が小さいものを選択した方がＨ、Ｍビット電力貯蔵手段の電圧変動が小さくなるので、絶対値が小さいものを選択しても良い。

次のスイッチパターン決定ルーチン６３では、図１７に示すように、図示しないユニット電圧検出手段でＨビット、Ｍビットの電力貯蔵手段３の電圧値を検出し、両者の電圧比の比較結果に応じて、先に選択した正、負の電荷量の１周期ＳＷパターンを選択することにより、Ｈビット、Ｍビットの電力貯蔵手段３の電圧の比率を等しくする。これは、Ｈビット、Ｍビット間でエネルギーのやり取りを行うことと同じであるので、ここでは、エネルギー流用制御と呼んでいる。

先に説明したように、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン４０でＨ、Ｍビット電力貯蔵手段の全体のエネルギーを一定にしている。そして、スイッチパターン決定ルーチン６３では、Ｈビット、Ｍビット間のエネルギー流用制御により、Ｈビット、Ｍビットの電力貯蔵手段の電圧の比率を等しくするので、Ｈビット、Ｍビットの電力貯蔵手段の電圧比率は目標値に一致する。ここでは、Ｈビットの通過電荷量で演算し、電力貯蔵手段の電圧により判定を行ってＨビット、Ｍビットの電力貯蔵手段の電圧を一定比率に制御しているが、Ｍビットを通過する電荷量で判定しても、同じ効果が得られるのは、言うまでもない。

図１８は、次のＰＷＭ処理前階調電圧Vpk決定ルーチン６４の処理を示すフローチャートである。このルーチンでは、先のスイッチパターン決定ルーチンで決定した１／４周期ＳＷパターンに対応して、電圧指令値Vsoi（t）＝｜VLi｜・sin（ωt＋φi）、測定値であるＨビット、Ｍビットのコンデンサ電圧VHB、VMBからＨビット、ＭビットのＰＷＭ処理前階調値Npk＝4×NH＋2×NM、ＰＷＭ処理前階調電圧出力Vpk＝VHB・NH＋VMB・NMを決定する。
前のスイッチパターン決定ルーチン６３の処理で決定した、１/４周期スイッチパターンを選択する。次に、Ｈビットの出力について決定する。スイッチパターン１（以下、ＳＷ１）では、階調値±２についてはＭビットのみで出力するので、電圧指令値Vsoの絶対値が、Ｈビット電力貯蔵手段の電圧（以下、VHB）とＭビット電力貯蔵手段の電圧（以下、VMB）の平均値以上（すなわち、階調値３以上に相当）になったときに、Ｈビットを出力する。そして、Ｈビットの階調値の符号はVsoの符号と等しくなる。一方のスイッチパターン２（以下、ＳＷ２）では、階調値±２についてはＭビットとＨビットで出力するので、電圧指令値Vso（t）の絶対値が、VMBの半分以上（すなわち、階調値１以上に相当）になったときに、Ｈビットを出力する。そして、Ｈビットの階調値の符号はVsoの符号と等しくなる。
次にＭビットの出力は、電圧指令値Vsoと上記で求めたＨビット出力電圧との差（以下、Vim）がVMBの半分以上になったときに、出力する。これの符号もＨビット同様、Vimの符号と等しくなる。

図１９は、次のＰＷＭ階調出力決定ルーチン６５における｜補償電圧−階調値｜変調方式ＰＷＭ制御における変調波と搬送波との関係とそれによるパルス波形発生の一例を示したものである。このルーチンは、Ｈビット、Ｍビットを階調制御し、ＬビットをＰＷＭ制御することにより電圧指令値対して高精度の電圧を出力するためのものである。
先ず、ＰＷＭをしない状態での階調値を選定し、次に目標値との誤差を埋めるようＰＷＭ波形を生成する。具体的な処理の流れを図２０に示す。最初に三角波またはのこぎり波の搬送波を生成する。そして、このＰＷＭ処理前階調値Vpkと電圧指令値Ｖsiとから得られる変調波｜電圧指令値Vsi−Vpk｜を定義する。搬送波と変調波とを比較することによりＰＷＭ波形を生成する。
図２１は各部波形を拡大したものである。

以下、実施の形態１の無効電力補償装置における発明の効果について述べる。
図２２は、図１における負荷８がＬＲ負荷である場合のこの発明の効果を示した電流電圧波形である。負荷電流の位相は、系統電圧の位相と比べ大きく遅れるが、無効電力補償装置が無効分の電流を流すことにより、系統電流の位相は系統電圧の位相に近づいて、その位相差はほぼゼロとなる。この結果、系統電流の波高値は負荷電流の波高値より小さくなり、系統において、抵抗分の損失は抑制される。このとき、Ｈビット、Ｍビットの電力貯蔵手段の電圧は一定制御され、運転継続ができる。

図２３は、図１における負荷８が三相整流器入力のコンデンサである場合のこの発明の効果を示した電流電圧波形である。負荷電流の波形は、２つの大きいコブ状の波形となり、大きく歪むが、無効電力補償装置が高調波電流を流すことにより、系統電流の歪みは小さくなり、正弦波電流に近づく。この結果、系統に接続される機器への高調波による悪影響は低減される。このとき、Ｈビット、Ｍビットの電力貯蔵手段の電圧は一定制御され、運転継続ができる。

図２４は、系統電圧の２つの相が電圧降下した、いわゆる不平衡になった場合でも、Ｈビット、Ｍビットの電力貯蔵手段の電圧は一定制御され、運転継続ができている電流電圧波形を示す。図２４の上図の系統電圧のうちＵ、Ｖ相の電圧が低下しているのがわかる。
このとき、無効電力補償装置は、電力貯蔵手段の電圧が一定になるように、逆相分を含む無効電流を流す。こうして、電力貯蔵手段の電圧は一定に制御され、運転継続が出来る。

なお、以上では、三相交流回路に適用した場合について説明したが、この発明は、単相交流回路にも適用でき同等の効果を奏するものである。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、各相個別に電力貯蔵手段のエネルギーの偏差分の有効電流を無効電力補償装置が流すべき電流指令値に加えて、その電流値を出力することにより、結果的に系統電圧が不平衡のときでも、無効電力補償装置の各相では電力貯蔵手段のエネルギーは不平衡にならずに運転継続が出来た。
この実施の形態２では、系統電圧の不平衡時には、無効電力補償装置に逆相電流を重畳した電流を流すことにより各相の電力貯蔵手段のエネルギーの不平衡を改善させるものである。

実施の形態２の構成は、先の実施の形態１の図１１で説明した電流制御ルーチンのブロック図、図１２のＨ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）と、次に説明する電源不平衡改善ルーチン以外は実施の形態１と同じである。
系統電圧が不平衡のときに無効電力補償装置に不平衡電流が流れて、電力貯蔵手段の電圧は各相でまちまちになり、運転継続が出来なくなる可能性がある。
そこで、図２５に示すように、不平衡電流は正相電流と逆相電流とで表すことが出来るので、電力貯蔵手段のエネルギーの不平衡分に応じて、逆相成分の電流を流すことにより、無効電力装置の電力貯蔵手段の電圧を平衡にする。なお、ここでは、系統は星形非接地系統として零相成分の電流は流れないものとする。

図２６は、実施の形態２における、Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）４０Ａである。Ｈ、Ｍビットの三相平均電圧とＨ、Ｍビットの目標電圧との偏差を求め、この偏差に基づき有効電流ΔEci・sin（ωt＋φi）を作成する。この有効電流ΔEci・sin（ωt＋φi）を、図２７の電流制御ルーチン５０Ａの電流指令に加えることにより、系統と電圧出力ユニットとの間で有効電流の出し入れを行う。先の図１２で説明したと同様、図２６中の式に示すように、三相平均電圧の偏差は、電力貯蔵手段の三相平均エネルギーの偏差に替えても、同様な効果が得られる。

さらに図２８の電源不平衡改善ルーチン（電力貯蔵手段電圧不平衡改善）８０に示すように、各相の電力貯蔵手段エネルギーと電力貯蔵手段エネルギーの三相平均との偏差の逆相成分電流ΔIci2（i＝u，v，w）を求める。そして、図２７の電流制御ルーチン５０Ａのブロック図に示すように、電力貯蔵手段の電圧が平衡になるように、上記逆相成分電流ΔIci2（i＝u，v，w）のマイナス値を系統電流指令に重畳する。
この結果、系統電圧が三相で不平衡の場合でも、電力貯蔵手段の電圧が三相で不平衡にならず、運転継続が出来る。

また、この発明の各変形例において、電力貯蔵手段のエネルギー指令値とフィードバック値との偏差に替え、電力貯蔵手段の電圧指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき有効電流値を生成するようにしたので、上記偏差の演算が簡便になされる。

また、電力貯蔵手段の直流電圧を交流電圧に変換する電圧出力ユニットを複数、その交流出力側を直列に接続し、複数の電圧出力ユニットが出力する交流電圧の総和を交流出力電圧として無効電力を発生し系統回路の無効電力の補償を行う無効電力補償装置であって、
電流検出値が電流指令に追随するよう交流出力電圧指令値を演算する電流制御手段、および交流出力電圧指令値に基づき各電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせを決定するユニット電圧決定手段を備えたものにおいて、
複数の電圧出力ユニットの内エネルギー制御対象とするものの電力貯蔵手段の保有するエネルギーを検出しこの保有エネルギー検出値と所定の基準エネルギーとの偏差に基づく偏差指令を作成するエネルギー制御手段を備え、電流制御手段は、偏差指令を電流指令に重畳するようにし、
交流出力電圧指令値が同一となる条件でエネルギー制御対象電圧出力ユニットの出力電圧の異なる組み合わせが存在する特定期間を求め、特定期間において電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせが互いに異なる複数のユニット組み合わせパターンを設定するユニットパターン設定手段、エネルギー制御対象の各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段における通過電荷量をユニット組み合わせパターン毎に演算する通過電荷量演算手段、およびエネルギー制御対象の各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧比率を検出するユニット電圧検出手段を備え、ユニット電圧決定手段は、通過電荷量の演算値に基づき電圧比率が所定の基準値に近づく方向に複数のユニット組み合わせパターンの中から１個のパターンを選択し、当該パターンに基づき各電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせを決定するようにしたので、回路またはソフトウエアである制御動作により各電力貯蔵手段の電圧が一定に保たれる。

また、エネルギー制御手段は、保有エネルギーと基準エネルギーとの偏差に替え、各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧検出値と所定の基準電圧値との偏差の和を偏差指令として作成するようにしたので、上記偏差の演算が簡便になされる。

また、ユニットパターン設定手段は、特定期間が交流電圧の１周期内に複数存在する場合、１周期を各特定期間を含む複数の周期に分割し、当該分割した任意の周期内の特定期間において電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせが互いに異なる複数のユニット組み合わせパターンを設定するようにしたので、パターンの設定が適切になされる。

また、電力貯蔵手段の電圧が各電圧出力ユニットにより互いに異なる場合、最小電圧の電力貯蔵手段にはその電圧を一定に保持する電力常時供給手段を接続し、その他の電力貯蔵手段に係る電圧出力ユニットをエネルギー制御対象のユニットとしたので、電力常時供給手段を小容量と出来る。

また、ユニット電圧決定手段は、複数の電圧出力ユニットの内の任意のユニットを除くユニットに基づき階調電圧を出力するため各電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせを決定する階調電圧決定手段、および交流出力電圧指令値と階調電圧出力との偏差が零となるよう任意の電圧出力ユニットをパルス幅変調するパルス幅変調手段を備えたので、スイッチング損失を抑制して高精度な電圧出力が得られる。

また、電力貯蔵手段の電圧が各電圧出力ユニットにより互いに異なる場合、電力貯蔵手段の電圧が最小である電圧出力ユニットを任意の電圧出力ユニットとしたので、高精度な電圧出力が得られる。

また、無効電力発生装置が三相交流系統に適用される場合、
電力貯蔵手段の各相の保有エネルギーと三相平均の保有エネルギーとの各相偏差の逆相成分を求め、各相の電流制御手段における電流指令に逆相成分の各相値を重畳するようにしたので、三相不平衡時にも、各電力貯蔵手段の電圧が一定に保たれる。

また、各相の電力貯蔵手段のエネルギーとその多相平均エネルギーとの各相偏差の逆相成分を求め、無効電力補償装置が出力すべき電流の指令値に逆相成分の各相値に基づき生成された量を加えるので、不平衡時にも、各電力貯蔵手段の電圧が一定に保たれる。

また、ある期間を複数期間に分割した期間ごとに電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択するので、電圧出力ユニットのスイッチ状態の変化の頻度、スイッチング損失を抑えることができる。

また、各電圧出力ユニットの電圧出力の組合せの中から正の最大と負の最大になる組合せを選択するので、電圧出力ユニットの電荷量の計測、出力パターンの選択、電圧一定比率の判断が容易になり、各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧一定比率制御を確実に行えるようになる。

また、各電圧出力ユニットの電圧出力の組合せの中から正の最小と負の最小になる組合せを選択するので、電力貯蔵手段の電圧変動が小さくすることが出来る。

また、各電圧出力ユニットは、いずれも電力常時供給手段と接続されない電力貯蔵手段を有するので、電圧出力ユニットの常時電力供給の電源を省くことが出来る。

また、パルス幅変調出力する電圧出力ユニットを保有するので、高精度な電圧出力が可能となり、電流制御応答性能向上が可能となる。

また、各電圧出力ユニットの有する電力貯蔵手段の電圧が互いに異なるので、いわゆる、階調出力が出来、単なる同じ電圧の電圧出力ユニットの組合せよりも、出力電圧の多レベル化ができ、高精度な電圧出力が可能となる。

この発明の実施の形態１による無効電力補償装置の構成図である。 この発明の実施の形態１による無効電力補償装置の電圧出力ユニットの構成図である。 この発明の実施の形態１による無効電力補償装置の出力電圧（階調レベル）と各ユニットの出力論理を表した表である。 この発明の実施の形態１による無効電力補償装置のＬビットの電圧出力ユニットに接続されたＤＣ電源を取り除いた変形例を示す図である。 この発明の実施の形態１による無効電力補償装置として、Ｈビットの電圧出力ユニットを三相３レベルインバータとした変形例を示す図である。 この発明の実施の形態１による無効電力補償装置の全体の制御フローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１による無効電力補償装置の制御系の系統瞬時電力、系統瞬時虚電力ルーチンを示したものである。 この発明の実施の形態１による三相−二相変換の行列を示したものである。 この発明の実施の形態１による基本波振幅抽出フィルタルーチンの数値計算式を示すものである。 この発明の実施の形態１による系統電流導出ルーチンのフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１による電流制御ルーチンのブロック図を示したものである。 この発明の実施の形態１によるＨ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）のフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１による高精度電圧出力ルーチンのブロック図を示したものである。 この発明の実施の形態１による１周期パターン表とＳＷパターンの説明図を示したものである。 この発明の実施の形態１による電荷量演算ルーチンのフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１によるスイッチパターン候補決定ルーチンのフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１によるスイッチパターン決定ルーチンのフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１によるＰＷＭ処理前階調電圧Vpk決定ルーチンのフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１による｜補償電圧−階調値｜変調方式ＰＷＭ制御の電圧出力を示したものである。 この発明の実施の形態１によるＰＷＭ階調出力決定ルーチンのフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態１による｜補償電圧−階調値｜変調方式ＰＷＭ制御の電圧出力を示したものである。 この発明の実施の形態１による無効電力補償の効果を示したものである。 この発明の実施の形態１によるアクティブフィルタ効果を示したものである。 この発明の実施の形態１による系統電圧不平衡における運転継続の効果を示したものである。 この発明の実施の形態２において、不平衡系統電圧による不平衡電流が流れることにより、各相の電力貯蔵手段の電圧が一定とならないことを解消することを説明した図である。 この発明の実施の形態２によるＨ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン（電圧一定制御）のフローチャートを示したものである。 この発明の実施の形態２による電流制御ルーチンのブロック図を示したものである。 この発明の実施の形態２による電源不平衡改善ルーチン（コンデンサ電圧不平衡改善）のフローチャートを示したものである。 従来の電力変換装置の無停電電源装置の構成を示した図である。

符号の説明

１ 系統電源、２ 電圧出力ユニット、３ 電力貯蔵手段、４ 系統電圧、
５ 負荷電圧、６ 系統インダクタンス、７ 無効電力補償装置、８ 負荷、
９ 出力フィルタリアクトル、１０ 無効電力補償装置電流（補償電流）、
１１ 系統電流、１２ 負荷電流、２０〜２３ スイッチ、
３０ 系統瞬時電力Ｐ_Ｐ系統瞬時虚電力Ｑ_Ｐルーチン、
４０，４０Ａ Ｈ、Ｍビット電力貯蔵手段電力補給ルーチン、
５０，５０Ａ 電流制御ルーチン、６０ 高精度電圧出力ルーチン、
６１ 電荷量演算ルーチン、７０ ゲート生成回路、８０ 電源不平衡改善ルーチン。

Claims (18)

1. 電力貯蔵手段を有する電圧出力ユニットを直列に２個以上配置し、上記各電圧出力ユニットの出力電圧の組合せで電圧出力を得る電流制御型の無効電力補償装置において、
   上記電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することにより上記各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧比率を一定にすることと、
   上記無効電力補償装置が出力すべき電流の指令値に上記電力貯蔵手段のエネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えることを特徴とする無効電力補償装置。
2. 上記電力貯蔵手段のエネルギー指令値とフィードバック値との偏差に替え、上記電力貯蔵手段の電圧指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき上記有効電流値を生成するようにしたことを特徴とする請求項１記載の無効電力補償装置。
3. 上記電力貯蔵手段の直流電圧を交流電圧に変換する上記電圧出力ユニットを複数、その交流出力側を直列に接続し、上記複数の電圧出力ユニットが出力する交流電圧の総和を交流出力電圧として無効電力を発生し系統回路の無効電力の補償を行う無効電力補償装置であって、
   電流検出値が電流指令に追随するよう交流出力電圧指令値を演算する電流制御手段、および上記交流出力電圧指令値に基づき上記各電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせを決定するユニット電圧決定手段を備えたものにおいて、
   上記複数の電圧出力ユニットの内エネルギー制御対象とするものの電力貯蔵手段の保有するエネルギーを検出しこの保有エネルギー検出値と所定の基準エネルギーとの偏差に基づく偏差指令を作成するエネルギー制御手段を備え、上記電流制御手段は、上記偏差指令を上記電流指令に重畳するようにし、
   上記交流出力電圧指令値が同一となる条件で上記エネルギー制御対象電圧出力ユニットの出力電圧の異なる組み合わせが存在する特定期間を求め、上記特定期間において上記電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせが互いに異なる複数のユニット組み合わせパターンを設定するユニットパターン設定手段、上記エネルギー制御対象の各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段における通過電荷量を上記ユニット組み合わせパターン毎に演算する通過電荷量演算手段、および上記エネルギー制御対象の各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧比率を検出するユニット電圧検出手段を備え、上記ユニット電圧決定手段は、上記通過電荷量の演算値に基づき上記電圧比率が所定の基準値に近づく方向に上記複数のユニット組み合わせパターンの中から１個のパターンを選択し、当該パターンに基づき上記各電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせを決定するようにしたことを特徴とすることを特徴とする請求項１記載の無効電力補償装置。
4. 上記エネルギー制御手段は、上記保有エネルギーと基準エネルギーとの偏差に替え、上記各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧検出値と所定の基準電圧値との偏差の和を上記偏差指令として作成するようにしたことを特徴とする請求項３記載の無効電力補償装置。
5. 上記ユニットパターン設定手段は、上記特定期間が上記交流電圧の１周期内に複数存在する場合、上記１周期を上記各特定期間を含む複数の周期に分割し、当該分割した任意の周期内の特定期間において上記電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせが互いに異なる複数のユニット組み合わせパターンを設定するようにしたことを特徴とする請求項３または４記載の無効電力補償装置。
6. 上記電力貯蔵手段の電圧が上記各電圧出力ユニットにより互いに異なる場合、最小電圧の電力貯蔵手段にはその電圧を一定に保持する電力常時供給手段を接続し、その他の電力貯蔵手段に係る電圧出力ユニットを上記エネルギー制御対象のユニットとしたことを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の無効電力補償装置。
7. 上記ユニット電圧決定手段は、上記複数の電圧出力ユニットの内の任意のユニットを除くユニットに基づき階調電圧を出力するため上記各電圧出力ユニットの出力電圧の組み合わせを決定する階調電圧決定手段、および上記交流出力電圧指令値と上記階調電圧出力との偏差が零となるよう上記任意の電圧出力ユニットをパルス幅変調するパルス幅変調手段を備えたことを特徴とする請求項３ないし５のいずれかに記載の無効電力補償装置。
8. 上記電力貯蔵手段の電圧が上記各電圧出力ユニットにより互いに異なる場合、上記電力貯蔵手段の電圧が最小である電圧出力ユニットを上記任意の電圧出力ユニットとしたことを特徴とする請求項７記載の無効電力補償装置。
9. 上記無効電力発生装置が三相交流系統に適用される場合、
   上記電力貯蔵手段の各相の保有エネルギーと三相平均の保有エネルギーとの各相偏差の逆相成分を求め、各相の上記電流制御手段における電流指令に上記逆相成分の各相値を重畳するようにしたことを特徴とする請求項３ないし８のいずれかに記載の無効電力補償装置。
10. 電力貯蔵手段を有する電圧出力ユニットを直列に２個以上配置し、上記各電圧出力ユニットの出力電圧の組合せで電圧出力を得る電流制御型多相の無効電力補償装置において、
    上記電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することにより上記各電圧出力ユニットの電力貯蔵手段の電圧比率を一定にすることと、
    上記無効電力補償装置が出力すべき電流の指令値に上記電力貯蔵手段の多相平均エネルギー指令値とそのフィードバック値との偏差に基づき生成された有効電流値を加えることを特徴とする無効電力補償装置。
11. 各相の電力貯蔵手段のエネルギーとその多相平均エネルギーとの各相偏差の逆相成分を求め、上記無効電力補償装置が出力すべき電流の指令値に上記逆相成分の各相値に基づき生成された量を加えることを特徴とする請求項１０記載の無効電力補償装置。
12. 電力貯蔵手段を有する電圧出力ユニットを直列に２個以上配置し、
    当該電力貯蔵手段の電圧が電圧出力ユニットにより異なり、
    上記各電圧出力ユニットの出力電圧の組合せで電圧出力を得る無効電力補償装置において、
    上記電力貯蔵装置の電圧が最も小さい電圧出力ユニットは、電力常時供給手段に接続された電力貯蔵装置を有し、それ以外の電圧出力ユニットは、上記電力常時供給手段に接続されない電力貯蔵装置を有することを特徴とする無効電力補償装置。
13. ある期間を複数期間に分割した期間ごとに上記電圧出力ユニットの出力電圧の組合せを選択することを特徴とすることを特徴とする請求項１、２、１０、１１のいずれかに記載の無効電力補償装置。
14. 上記各電圧出力ユニットの電圧出力の組合せの中から正の最大と負の最大になる組合せを選択することを特徴とする請求項１、２、１０、１１のいずれかに記載の無効電力補償装置。
15. 上記各電圧出力ユニットの電圧出力の組合せの中から正の最小と負の最小になる組合せを選択することを特徴とする請求項１、２、１０、１１のいずれかに記載の無効電力補償装置。
16. 上記各電圧出力ユニットは、いずれも電力常時供給手段と接続されない電力貯蔵手段を有することを特徴とする請求項１、２、１０、１１のいずれかに記載の無効電力補償装置。
17. パルス幅変調出力する電圧出力ユニットを保有することを特徴とする請求項１、２、１０、１１のいずれかに記載の無効電力補償装置。
18. 上記各電圧出力ユニットの有する電力貯蔵手段の電圧が互いに異なることを特徴とする請求項１、２、１０、１１のいずれかに記載の無効電力補償装置。

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