JP2010115033A

JP2010115033A - 電力変換装置

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Publication number: JP2010115033A
Application number: JP2008286206A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Shigeta; 正昭繁田; Kikuo Takagi; 喜久雄高木; Takashi Karibe; 孝史苅部; Noriko Kawakami; 紀子川上
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: JP5300423B2

Abstract

【課題】電力系統の瞬低発生時、系統連系用高速スイッチを遮断し、負荷を偏磁させることなく、所要の電力を負荷に安定供給することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】系統瞬低発生時に、オフアシスト制御を行なって電力系統１と負荷２を接続する高速スイッチ３を遮断動作させた後、負荷２に所定の給電を行うようナトリウム−硫黄電池システム９の交直変換器５と直流チョッパ７を制御する変換制御回路１０２の自立運転制御回路１８が、負荷電圧検出信号と、オフアシスト制御回路２１の出力に基づくオフアシスト期間フラグ信号と、電力系統電圧検出信号に基づく位相同期制御回路からの系統電圧ベクトル位相信号とに基づき、負荷２の直流偏磁を抑制する出力電圧指令信号を生成する偏磁抑制制御回路１１０を備えている。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力系統の事故により瞬時停電、瞬時低下などの瞬低等が発生した場合に、負荷に対して所要の電力を、例えば二次電池のナトリウム−硫黄電池等の直流定電圧源を用いた直流定電圧電源システムから供給可能にした電力変換装置に関する。

近年、半導体工場などのコンピュータ制御された機器、設備等を有する施設では、商用電源から送配電網等を通じて電力供給を行う電力系統が、落雷、地絡等による系統事故で瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等を起こした時でも安定した電力供給が行えるよう瞬低電力補償のための電力変換装置などを備えるようにしている。そして、事故時には速やかに負荷を電力系統から遮断し、電力変換装置から負荷に対して所要の電力を供給するようにして瞬低電力補償を行っている。

こうした瞬低電力補償を行う電力変換装置には、例えば引用文献１に示されるようなものがある。引用文献１に示されたものは、図７及び図８に示すように、商用電力等の電力系統１に対して負荷２が高速スイッチ３を介して接続されており、さらに負荷２には変圧器４を介して交直変換器５が交流側を接続している。そして、交直変換器５の直流側には、ナトリウム−硫黄電池６と直流チョッパ７から構成される電源ユニット８を、必要な電池（電源）容量を確保し負荷２に対し所望の電力を供給し得るように、複数並列接続して構成されるナトリウム−硫黄電池システム９が接続されている。なお、高速スイッチ３には、ＶＣＢ（真空遮断器）や半導体スイッチを用い、直流チョッパ７は、例えば、ＩＧＢＴを用いた双方向チョッパ回路１０により構成されたものとなる。

このように構成される常時商用給電システム（ＳＰＳ）は、系統が健全時は負荷平準化またはピークカット運転を行うが、電力系統１で瞬低が発生した場合は、高速スイッチ３を遮断し、ナトリウム−硫黄電池６から必要とされる（通常の数倍の）負荷全電力を放電することにより瞬低補償制御運転を行う。

また、こうしたシステムで高速スイッチ３に低コストのサイリスタスイッチを適用した場合には、サイリスタスイッチを高速に遮断動作させるために、例えば引用文献２に示されるようなオフアシスト制御を利用する場合がある。

そして、オフアシスト制御を利用した瞬低電力補償のための電力変換装置としては、図９に示すようなものが考えられる。

電力変換装置１１は、電力系統１と負荷２との間に挿入された高速スイッチ３と、負荷２と高速スイッチ３との間に変圧器４を介して接続された交直変換器５と、ナトリウム−硫黄電池システム９（並列接続された複数の電源ユニット８の１つだけを図示）を制御する変換制御回路１２と、パルス制御回路１３とを備え、負荷平準化機能を有するものとなっている。

変換制御回路１２は、固定値回路１４と、直流電流制御回路１５と、直流電圧制御回路１６と、系統連系運転制御回路１７と、自立運転制御回路１８と、系統事故検出回路１９と、スイッチ駆動回路２０と、オフアシスト制御回路２１と、系統連系スイッチオフ状態検出回路２２と、制御モード切替器２３とから構成されている。またオフアシスト制御回路２１は、極性判定回路２４と、オフアシスト電圧指令生成回路２５と、逆関数回路２６とから構成されている。なお、２７は変圧器４と交直変換器５の間に挿入されたＬＣのフィルタであり、２８は直流電流制御回路１５の入力を切替える切替スイッチである。

そして、電力系統１が健全な場合は、固有値回路１４に予め設定した出力指令値に基づき直流チョッパを直流電流制御回路１５で制御し、系統連系運転制御回路１７からの出力電圧指令に基づき交直変換器５を制御することで電力系統１との連系運転が行われる。

一方、電力系統１の事故で瞬低等が発生した場合は、系統電圧の低下を系統事故検出回路１９で検出し、瞬低発生信号を出力することでスイッチ駆動回路２０から系統連係用高速スイッチ３にオフ信号が出力され、同時にオフアシスト制御回路２１でのオフアシスト制御により高速スイッチ３が遮断動作する。また制御モード切替２３も動作して系統連系運転制御回路１７から自立運転制御回路１８への切り替えが行われる。

さらに、高速スイッチ３が遮断動作した後、交直変換器５の直流電圧を所定値とするよう制御する直流電圧制御回路１６の出力指令値とナトリウム−硫黄電池６の出力電圧値とから算出した直流電流指令値に基づき直流電流制御回路１５により直流チョッパ７を制御し、自立運転制御回路１８からは、負荷２に対し交直変換器５から所定電圧が出力されるようにする出力電圧指令が、負荷電圧に基づいて出力される。この自立運転制御回路１８の出力電圧指令に基づき、パルス制御回路１３はゲートパルス信号を出力して交直変換器５のスイッチング状態を制御し、負荷２に対し所定の電力が出力される。

しかしながら、電力系統１に瞬低等が発生し、電力変換装置１１が系統連系運転制御回路１７による制御モードからオフアシスト制御に切り替わり、高速スイッチ３が遮断動作した後、自立運転制御回路１８による制御モードに移行して負荷電圧制御を開始した場合、ナトリウム−硫黄電池システム９、交直変換器５から送配電を行う給電網の所要とする電圧、例えば配電網の定格電圧である６．６ｋＶが、ステップ状に１００％変圧器４を介して負荷２に供給されることになる。すなわち０Ｖから瞬時に６．６ｋＶに立ち上がる電圧が供給されることになる。また配電網に接続された負荷２は、図示しないが電動機や抵抗、整流器など種々のものでなり、それぞれ変圧器を設けて配電網に接続されるため、通常、配電網には不図示の力率補償用のコンデンサがインダクタンスを直列に挿入するようにして接続される。

こうした構成の負荷２に対し、０から瞬時に１００％となるステップ状の電圧が加わることで、変圧器４や力率補償コンデンサに直列のインダクタンス等が磁気飽和を起こし、さらに継続して直流分が加わることで、負荷２が直流偏磁してしまう虞がある。そして、直流偏磁が起こった場合に、電力変換装置１１の出力は、過電流状態になり、ゲートブロックによって電力変換装置１１の運転が停止してしまう状況が生じることが考えられる。
特開２００４−２３８６０号公報特開２００６−１６６５８５号公報

上記のような状況に鑑みて本発明はなされたもので、その目的とするところは電力系統事故により瞬低等が発生した場合、系統連系用高速スイッチを遮断し、負荷を偏磁させることなく、負荷に対して所要の電力を安定に供給することができる電力変換装置を提供することにある。

本発明の電力変換装置は、
系統連系用高速スイッチが挿入された電路を介して負荷を接続する電力系統と、
直流定電圧源と直流チョッパを有する電源ユニットを複数並列に交直変換器の直流側に接続して、前記電力系統と連系運転を行うよう設けられた直流定電圧電源システムと、
前記電力系統健全時は、固有値回路に予め設定した出力指令値に基づき前記直流チョッパを直流電流制御回路で制御し、系統連系運転制御回路からの出力電圧指令に基づき前記交直変換器を制御して前記電力系統との連係運転を行うように構成され、
前記電力系統の瞬低等の発生時に、電力系統電圧検出による系統事故検出回路での瞬低発生信号に基づきスイッチ駆動回路から前記高速スイッチにオフ信号を出力すると共に、オフアシスト制御回路でのオフアシスト制御を行なって前記高速スイッチを遮断動作させた後、前記交直変換器の直流電圧を所定値とするよう制御する直流電圧制御回路の出力指令値と直流定電圧源の出力電圧値とから算出した直流電流指令値に基づき直流電流制御回路により前記直流チョッパを制御し、かつ前記交直変換器から前記負荷に対し所定電圧が出力されるようにする出力電圧指令を負荷電圧に基づいて自立運転制御回路から出力するように構成された変換制御回路と、
前記自立運転制御回路の出力した出力電圧指令に基づきゲートパルス信号を出力して前記交直変換器のスイッチング状態を制御するパルス制御回路と
を備える電力変換装置であって、
前記自立運転制御回路が、負荷電圧検出信号と、オフアシスト制御回路の出力に基づくオフアシスト期間フラグ信号と、電力系統電圧検出信号に基づく位相同期制御回路からの系統電圧ベクトル位相信号とに基づき、負荷の直流偏磁を抑制する出力電圧指令信号を生成する偏磁抑制制御回路を有することを特徴とするものである。

本発明によれば、電力系統事故により瞬低等が発生した場合でも、系統連系用高速スイッチを遮断して電力系統から負荷を切り離すと共に、直流定電圧源から負荷に対し、負荷を偏磁させることなく、所要の電力を安定的に供給することができる等の効果を有する。

以下本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。

先ず第１の実施形態を図１及び図２により説明する。図１は電力変換装置の構成を示すブロック図であり、図２は偏磁抑制制御回路の構成図である。なお、従来と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、従来と異なる本実施形態の構成について説明する。

図１及び図２において、電力変換装置１０１は、電力系統１と負荷２との間に挿入された、例えばサイリスタで構成される系統連系用高速スイッチ３と、負荷２と系統連系用高速スイッチ３との間の送配電を行う電路の給電網に変圧器４を介して接続された交直変換器５と、この交直変換器５の直流側に、直流定電圧電源を構成する例えばナトリウム−硫黄電池６と双方向チョッパ回路１０により形成された直流チョッパ７とからなる電源ユニット８を、複数（１つの電源ユニット８のみ図示）並列接続するようにして設けたナトリウム−硫黄電池システム９と、ナトリウム−硫黄電池システム９を制御する変換制御回路１０２と、交直変換器５のスイッチング状態を制御するゲートパルス信号を出力するパルス制御回路１０３とを備え、負荷平準化機能を有し、ピークカット運転が可能なものとなっている。

そして、変換制御回路１０２は、固定値回路１４と、直流電流制御回路１５と、直流電圧制御回路１６と、系統連系運転制御回路１７と、自立運転制御回路１０４と、系統事故検出回路１９と、スイッチ駆動回路２０と、オフアシスト制御回路２１と、系統連系スイッチオフ状態検出回路２２と、制御モード切替器１０５とを備えて構成されている。

また、自立運転制御回路１０４は、負荷電圧信号、電力系統電圧信号をＰＵ化（無次元化）するＰＵ化回路１０６ａ，１０６ｂ，１０６ｃと、ＰＵ化された電力系統電圧検出信号から系統電圧ベクトル位相信号を出力する位相同期回路（ＰＬＬ）１０７と、ＰＵ化された負荷電圧検出信号を３相／２相変換する３相／２相変換回路１０８と、２相からｄ軸とｄ軸に対して９０度進みの方向をｑ軸とするｄｑ軸の回転座標系への２相／ｄｑ変換を行う２相／ｄｑ変換回路１０９と、偏磁抑制制御回路１１０と、減算器１１１ａ，１１１ｂと、ＰＩ（比例積分）制御回路１１２ａ，１１２ｂと、ｄｑ／２相変換を行うｄｑ／２相変換回路１１３と、２相／３相変換を行う２相／３相変換回路１１４と、キャリア発生回路１１５と、パルス幅変調回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃとを備えて構成されている。

さらに、偏磁抑制制御回路１１０は、積分器２０３，２０４と、除算器２０５と、リミット付き積分器２０６と、乗算器２０７と、３相／２相変換回路２１０と、２相／ｄｑ変換回路２１１と、ｄｑ／２相変換回路２１２と、２相／３相変換回路２１３とを備えて構成されている。

そして、上記のように構成された電力変換装置１０１では、電力系統が健全な場合、直流電流制御回路１５は、予め固定値回路１４に設定され、切替スイッチ２８を介して入力したナトリウム−硫黄電池６の出力指令値を、ナトリウム−硫黄電池６に並列接続されたコンデンサの端子電圧から得た電池出力電圧検出値で除算することにより直流電流指令値を算出する。そして、算出した直流電流指令値と、変流器を介して検出した電源ユニット８を流れる直流電流検出値との偏差がゼロになるように直流チョッパ７の双方向チョッパ回路１０のスイッチをオン／オフする。この結果、ナトリウム−硫黄電池６は所定の電力を出力する。

これと平行して、直流電圧制御回路１６は、ナトリウム−硫黄電池６の電池出力電圧に基づいて交直変換器５の直流電圧を一定に制御するように、有効電流指令値を系統連系運転制御回路１７に出力する。

系統連系運転制御回路１７は、直流電圧制御回路１６からの有効電流指令値が入力し、交直変換器５の出力電流を変流器で検出してフィードバックすることで電流制御を実行し、制御モード切替器１０５を介してパルス制御回路１０３に対して交直変換器５の出力電圧指令を出力する。またパルス制御回路１０３は、入力した交直変換器５の出力電圧指令に基づきパルス幅変調制御を行ない、ゲートパルス信号を交直変換器５に対して出力する。これにより、電力変換装置１０１は、配電網に接続されている負荷２に対し、配電網にＬＣフィルタ２７、変圧器４を介して接続されている交直変換器５を通じ、ナトリウム−硫黄電池システム９は電力系統１との連系運転を行う。

一方、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合、先ず、系統電圧の低下を系統事故検出回路１９が、電力系統１に接続した変成器で検出した系統電圧の振幅と瞬低等の検出のため予め設定記憶した閾値と比較することによって瞬低等の発生を検出し、瞬低発生信号を出力する。そして、この瞬低発生信号を検出することでスイッチ駆動回路２０は、系統連系用高速スイッチ３をサイリスタのゲートを駆動しオフ動作させるオフ信号を出力する。また切替スイッチ２８は、直流電流制御回路１５の入力が直流電圧制御回路１６側となるよう切り替わる。

同時に、オフアシスト制御回路２１は、高速スイッチ３の負荷側に設けた変流器より、負荷側における電流（サイリスタ電流）の極性、すなわち電流方向が負荷方向の場合をプラス、逆方向の場合をマイナスとして、その極性を判定する極性判定回路２４、瞬低発生信号を検出するオフアシスト電圧指令生成回路２５、変圧器４とＬＣフィルタ２７の伝達関数に基づき、その逆関数演算を行う逆関数回路２６がそれぞれ動作し、オフアシスト電圧指令を生成、出力することによりオフアシスト制御を行ない、高速スイッチ３が速やかに遮断動作する。

また、系統連系スイッチオフ状態検出回路２２は、高速スイッチ３の系統側の電圧と負荷側のサイリスタ電流を入力し、高速スイッチ３の両端の電圧が所定値以上であり、高速スイッチ３のスイッチ電流（負荷側のサイリスタ電流）が所定値以下である場合は高速スイッチ３がオフしたと判定しオフ信号を出力する。このオフ信号により制御モード切替器１０５は動作し、系統連系運転制御回路１７は遮断し、オフアシスト制御から自立運転制御回路１０４による自立運転制御に制御モードが切り替わり、負荷電圧制御を開始する。そして直流電流制御回路１５は、高速スイッチ３が遮断動作することで、ナトリウム−硫黄電池６の出力電圧値と直流電圧制御回路１６の出力指令値とから算出した直流電流指令値に基づき、交直変換器５から負荷２に対し所定電圧を出力するよう直流チョッパ７を制御する。

また自立運転制御は、自立運転制御回路１０４により、次のように行われる。先ず、電力系統１に接続した変成器からの電力系統電圧信号をＰＵ化回路１０６ａで、例えば定格電圧６．６ｋＶを１パーユニット（ＰＵ）とするようにしてＰＵ化し、位相同期回路１０７において、ＰＵ化した電力系統電圧検出信号と、制御モード切替器１０５の出力とから系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓを得る。また配電網に接続した変成器からの負荷電圧信号をＰＵ化回路１０６ｂでＰＵ化し、負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬを得る。

続いて、偏磁抑制制御回路１１０には、各相のＰＵ化した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬ、制御モード切替器１０５からの１，０の信号であるオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧ、系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓがそれぞれ入力する。そして、各相の負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬは、それぞれ同様の演算処理がなされるため、例えば負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬについて説明すると、積分器２０３は、オフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧが１にセットされている期間、負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬを積分し、磁束信号φを出力する。

一方、ｄｑ／２相変換回路２１２は、予め設定してあるｄ軸電圧指令値１、ｑ軸電圧指令値０と系統電圧ベクトルの位相信号２０９θｓが入力し、ｄ軸電圧指令値１、ｑ軸電圧指令値０を静止座標系における２相成分に変換して２相電圧指令信号を出力する。さらに、２相／３相変換回路２１３は、ｄｑ／２相変換回路２１２から入力した２相電圧指令信号を２相／３相変換して３相電圧指令値とし、電力系統健全時の正弦波状となっている負荷電圧のベース値信号Ｖ_ＢＡＳＥを生成し、積分器２０４に出力する。

積分器２０４は、オフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧが１にセットされている期間、電力系統健全時の正弦波状となっている負荷電圧のベース値信号Ｖ_ＢＡＳＥを積分し、ベース磁束信号φ_ＢＡＳＥを出力する。また除算器２０５は、磁束信号φをベース磁束信号φ_ＢＡＳＥで除算することにより、係数ｋを出力する。さらにリミッタ付き積分器２０６は、係数ｋを入力し、０以上１以下の実数に制限された係数ｋ_ＬＩＭを出力する。またさらに乗算器２０７は、負荷電圧のベース値信号Ｖ_ＢＡＳＥと係数ｋ_ＬＩＭを掛け合わせて、その相の電圧指令信号を出力する。同様にして、各相についての電圧指令信号が得られ、３相／２相変換回路２１０に出力する。

そして、３相／２相変換回路２１０では、演算を行い、入力した各相の電圧指令信号から静止２相座標系における２相電圧指令信号を出力する。また２相／ｄｑ変換回路２１１は、３相／２相変換回路２１０からの静止２相座標系の電圧指令信号と、系統電圧ベクトルの位相信号２０９θｓとを得て、２相／ｄｑ変換により回転座標系におけるｄ軸成分、ｑ軸成分を算出し、電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを出力する。

偏磁抑制制御回路１１０が出力した電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦは、それぞれ減算器１１１ａ，１１１ｂにおいて、ＰＵ化回路１０６ｃでＰＵ化し、３相／２相変換回路１０８で３相／２相変換し、２相／ｄｑ変換回路１０９で位相同期回路１０７からの系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓを得て算出した負荷電圧信号の回転座標系のｄ軸成分、ｑ軸成分との間で減算を行ない、減算結果に基づきＰＩ制御回路１１２ａ，１１２ｂでＰＩ制御を行い、偏差がゼロとなるようなｄ軸指令値、ｑ軸指令値を出力する。

また、ＰＩ制御回路１１２ａ，１１２ｂの出力は、ｄｑ／２相変換回路１１３で系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓを得てｄｑ／２相変換を行ない、さらに２相／３相変換回路１１４で２相／３相変換する。その後、パルス幅変調回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃで、それぞれキャリア発生回路１１５のキャリア信号を得てパルス幅変調を行ない、パルス制御回路１０３に出力する。

さらにパルス制御回路１０３は、入力信号に基づいてゲートパルス信号を交直変換器５に出力し、交直変換器５のスイッチング状態を制御する。そしてスイッチング状態を制御された交直変換器５を通じ、ナトリウム−硫黄電池システム９から負荷２に対し所定の電力の供給が行なわれる。

このような自立運転制御を行う過程で、偏磁抑制制御回路１１０は、オフアシスト制御が完了した時点の負荷電圧から最大値の１［ＰＵ（パーユニット）］、例えば配電網の所要とする電圧である定格電圧６．６ｋＶまで、電圧指令値を、１ｍｓ〜２０ｍｓの範囲、例えば１０ｍｓに設定したリミット付き積分器２０６の時定数に、主として基づく立上り時間で、緩やかに増加するように制御することになる。このように、０から瞬時に１００％となるステップ状の電圧が加わることがなくなるため、変圧器４や力率補償コンデンサに直列のインダクタンス等が磁気飽和を起こすのが抑制でき、負荷２が直流偏磁してしまう虞が少なくなり、電力変換装置１０１の運転が停止することも少なくなる。

その結果、本実施形態によれば、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合においても、速やかに自立運転制御状態に移行し、自立運転制御状態においても、負荷２を偏磁させることなく、安定な瞬低補償制御を実現させることが可能となる。

次に、第２の実施形態を図３により説明する。図３は偏磁抑制制御回路の構成図である。なお、本実施形態は、第１の実施形態と自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路の構成が異なるのみで、他の構成は同一であるため、第１の実施形態の図面を参照し、第１の実施形態と同一部分及び対応する部分には同一符号を付して説明を省略し、第１の実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図３において、電力変換装置１０１の自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路１２０は、３相／２相変換回路３０１と、２相／ｄｑ変換回路３０２と、積分器３０３と、パルス幅測定器３０４と、除算器３０５と、リミット付き積分器３０６と、ベクトルリミッタ３０７とを備えて構成されている。

そして、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合、電力変換装置１０１は、第１の実施形態と同様に、系統連系運転制御回路１７は遮断し、オフアシスト制御から自立運転制御回路１０４による自立運転制御に制御モードが切り替わり、負荷電圧制御を開始する。

自立運転制御に入ると、自立運転制御回路１０４において、先ず、電力系統１の電力系統電圧信号をＰＵ化回路１０６ａでＰＵ化した電力系統電圧検出信号と、制御モード切替器１０５の出力とから位相同期回路１０７において、系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓを得る。また、負荷電圧信号をＰＵ化回路１０６ｂでＰＵ化して、負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬを得る。

また、偏磁抑制制御回路１２０において、３相／２相変換回路３０１は、ＰＵ化回路１０６ｂから入力したＰＵ化した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの３相／２相変換を行い、静止座標系における２相成分ＶａＬ，ＶｂＬを２相／ｄｑ変換回路３０２に出力する。続いて、２相／ｄｑ変換回路３０２は、３相／２相変換回路３０１から入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの２相成分ＶａＬ，ＶｂＬと、位相同期回路１０７から入力した系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓとから２相／ｄｑ変換により回転座標系におけるｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを算出し、対応する積分器３０３にそれぞれ出力する。

また、積分器３０３は、制御モード切替器１０５からの１，０の信号であるオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧが入力し、その信号が１にセットされている間は、２相／ｄｑ変換回路３０２から入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬのｄ軸成分またはｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを積分し、対応する除算器３０５にそれぞれ出力する。一方、パルス幅測定器３０４は、制御モード切替器１０５からのオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧが入力し、入力信号が１にセットされている時間を測定し、除算器３０５に出力する。

また、除算器３０５は、積分器３０３から入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬのｄ軸またはｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬの時間積分信号を、パルス幅測定器３０４から入力したオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧが１にセットされている時間信号で除算し、負荷電圧のｄ軸またはｑ軸成分の時間平均値を算出し、リミット付き積分器３０６に出力する。

そして、リミット付き積分器３０６は、入力した負荷電圧のｄ軸またはｑ軸成分の時間平均値を積分し、積分結果をベクトルリミッタ３０７に出力する。ベクトルリミッタ３０７は、リミット付き積分器３０６から入力した負荷電圧のｄ軸とｑ軸成分の時間平均値の積分値から構成されるベクトルの振幅が１［ＰＵ］を超えないように入力値を制限した値の電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを出力する。

その後、偏磁抑制制御回路１２０が出力した電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを、第１の実施形態と同様に、それぞれ減算器１１１ａ，１１１ｂ、ＰＩ制御回路１１２ａ，１１２ｂ、ｄｑ／２相変換回路１１３、さらに２相／３相変換回路１１４、パルス幅変調回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃで処理し、パルス制御回路１０３に出力する。

このような自立運転制御を行う過程で、偏磁抑制制御回路１２０は、オフアシスト制御が完了した時点の負荷電圧から最大値の１［ＰＵ］まで、電圧指令値を、主にリミット付き積分器３０６の適正値に設定した時定数に基づく立上り時間で、緩やかに増加するように制御することになる。このため、第１の実施形態と同様に、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合においても、速やかに自立運転制御状態に移行し、自立運転制御状態においても、負荷２を偏磁させることなく、安定な瞬低補償制御を実現させることが可能となる。そして、第１の実施形態よりも、偏磁抑制制御回路１２０をより低コストで実現することが可能である。

次に、第３の実施形態を図４により説明する。図４は偏磁抑制制御回路の構成図である。なお、本実施形態は、上記の各実施形態と自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路の構成が異なるのみで、他の構成は同一であるため、各実施形態の図面を参照し、各実施形態と同一部分及び対応する部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図４において、電力変換装置１０１の自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路１３０は、３相／２相変換回路４０１と、２相／ｄｑ変換回路４０２と、１次遅れ要素４０３と、リミット付き積分器４０４と、ベクトルリミッタ４０５とを備えて構成されている。なお、１次遅れ要素４０３は、１／（１＋ｓＴ）で示されるＲＣ回路で形成されたローパスフィルタで、Ｔ＝ＲＣ、ｓ＝ｊωであり、Ｒ、Ｃの値は所要とする適正値に設定されている。

また、偏磁抑制制御回路１３０においては、３相／２相変換回路４０１は、ＰＵ化回路１０６ｂから入力したＰＵ化した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの３相／２相変換を行い、静止座標系における２相成分ＶａＬ，ＶｂＬを２相／ｄｑ変換回路４０２に出力する。続いて、２相／ｄｑ変換回路４０２は、３相／２相変換回路４０１から入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの２相成分ＶａＬ，ＶｂＬと、位相同期回路１０７から入力した系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓとから２相／ｄｑ変換により回転座標系におけるｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを算出し、対応する１次遅れ要素４０３にそれぞれ出力する。

そして、１次遅れ要素４０３は、入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの回転座標系におけるｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬと、制御モード切替器１０５から入力したオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧとから、負荷電圧のｄ軸成分とｑ軸成分信号の１次遅れ信号を演算し、対応するリミット付き積分器４０４にそれぞれ出力する。

また、リミット付き積分器４０４は、１次遅れ要素４０３から入力した負荷電圧のｄ軸成分とｑ軸成分信号の時間平均値をそれぞれ積分して、積分値を、ベクトルリミッタ４０５に出力する。ベクトルリミッタ４０５は、リミット付き積分器４０４から入力した負荷電圧のｄ軸とｑ軸成分の時間平均値の積分値から構成されるベクトルの振幅が１［ＰＵ］を超えないように入力値を制限した値の電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを出力する。

その後、偏磁抑制制御回路１３０が出力した電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを、第１の実施形態と同様に、それぞれ減算器１１１ａ，１１１ｂ、ＰＩ制御回路１１２ａ，１１２ｂ、ｄｑ／２相変換回路１１３、さらに２相／３相変換回路１１４、パルス幅変調回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃで処理し、パルス制御回路１０３に出力する。

このような自立運転制御を行う過程で、偏磁抑制制御回路１３０は、オフアシスト制御が完了した時点の負荷電圧から最大値の１［ＰＵ］まで、電圧指令値を、主にリミット付き積分器４０４の適正値に設定した時定数に基づく立上り時間で、緩やかに増加するように制御することになる。このため、各実施形態と同様に、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合においても、速やかに自立運転制御状態に移行し、自立運転制御状態においても、負荷２を偏磁させることなく、安定な瞬低補償制御を実現させることが可能となる。そして、上記の各実施形態よりも、偏磁抑制制御回路１３０をより低コストで実現することが可能である。

次に、第４の実施形態を図５により説明する。図５は偏磁抑制制御回路の構成図である。なお、本実施形態は、上記の各実施形態と自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路の構成が異なるのみで、他の構成は同一であるため、各実施形態の図面を参照し、各実施形態と同一部分及び対応する部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図５において、電力変換装置１０１の自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路１４０は、、３相／２相変換回路５０１と、２相／ｄｑ変換回路５０２と、振幅計算器５０３と、最小値検出器５０４と、リミット付き積分器５０５と、ベクトルリミッタ５０６と、乗算器５０７とを備えて構成されている。

また、偏磁抑制制御回路１４０においては、３相／２相変換回路５０１は、ＰＵ化回路１０６ｂから入力したＰＵ化した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの３相／２相変換を行い、静止座標系における２相成分ＶａＬ，ＶｂＬを２相／ｄｑ変換回路５０２に出力する。続いて、２相／ｄｑ変換回路５０２は、３相／２相変換回路５０１から入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの２相成分ＶａＬ，ＶｂＬと、位相同期回路１０７から入力した系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓとから２相／ｄｑ変換により回転座標系におけるｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを算出し、対応する振幅計算器５０３とリミット付き積分器５０５にそれぞれ出力する。

振幅計算器５０３は、２相／ｄｑ変換回路５０２から入力した負荷電圧のｄ軸成分とｑ軸成分の信号から負荷電圧ベクトルの振幅を演算し、最小値検出器５０４に出力する。また最小値検出器５０４は、制御モード切替器１０５から入力したオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧのもとに、振幅計算器５０３から入力した負荷電圧ベクトルの振幅の最小値検出を行い、最小値を検出した場合は、対応する乗算器５０７に対して信号１をそれぞれ出力する。

一方、リミット付き積分器５０５は、２相／ｄｑ変換回路５０２から入力した負荷電圧のｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを積分し、積分値をベクトルリミッタ５０６に出力する。またベクトルリミッタ５０６は、リミット付き積分器５０５から入力した負荷電圧のｄ軸とｑ軸成分の積分値から構成されるベクトルの振幅が１［ＰＵ］を超えないように入力値を制限した値を、対応する乗算器５０７にそれぞれ出力する。

そして、乗算器５０７は、ベクトルリミッタ５０６からの入力信号に最小値検出器５０４からの入力信号を乗算することにより、電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを出力する。

その後、偏磁抑制制御回路１４０が出力した電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを、第１の実施形態と同様に、それぞれ減算器１１１ａ，１１１ｂ、ＰＩ制御回路１１２ａ，１１２ｂ、ｄｑ／２相変換回路１１３、さらに２相／３相変換回路１１４、パルス幅変調回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃで処理し、パルス制御回路１０３に出力する。

このような自立運転制御を行う過程で、偏磁抑制制御回路１４０は、オフアシスト制御が完了した時点の負荷電圧から最大値の１［ＰＵ］まで、電圧指令値を、主にリミット付積分器５０５の適正値に設定した時定数に基づく立上り時間で、緩やかに増加するように制御することになる。このため、各実施形態と同様に、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合においても、速やかに自立運転制御状態に移行し、自立運転制御状態においても、負荷２を偏磁させることなく、安定な瞬低補償制御を実現させることが可能となる。また、オフアシスト制御期間中の最小の負荷電圧から自立運転制御を開始するので、負荷２に対する外乱を最小に抑えることができる。

次に、第５の実施形態を図６により説明する。図６は偏磁抑制制御回路の構成図である。なお、本実施形態は、上記の各実施形態と自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路の構成が異なるのみで、他の構成は同一であるため、各実施形態の図面を参照し、各実施形態と同一部分及び対応する部分には同一符号を付して説明を省略し、各実施形態と異なる本実施形態の構成について説明する。

図６において、電力変換装置１０１の自立運転制御回路の偏磁抑制制御回路１５０は、３相／２相変換回路６０１と、２相／ｄｑ変換回路６０２と、リミット付き積分器６０３と、ベクトルリミッタ６０４と、乗算器６０５とを備えて構成されている。

また、偏磁抑制制御回路１５０においては、３相／２相変換回路６０１は、ＰＵ化回路１０６ｂから入力したＰＵ化した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの３相／２相変換を行い、静止座標系における２相成分ＶａＬ，ＶｂＬを２相／ｄｑ変換回路６０２に出力する。続いて、２相／ｄｑ変換回路６０２は、３相／２相変換回路６０１から入力した負荷電圧検出信号２０１ＶｕｖＬ，２０１ＶｖｗＬ，２０１ＶｗｕＬの２相成分ＶａＬ，ＶｂＬと、位相同期回路１０７から入力した系統電圧ベクトル位相信号２０９θｓとから２相／ｄｑ変換により回転座標系におけるｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを算出し、リミット付き積分器６０３にそれぞれ出力する。

リミット付き積分器６０３は、２相／ｄｑ変換回路６０２から入力した負荷電圧のｄ軸成分とｑ軸成分のＶｄＬ，ＶｑＬを積分し、積分値をベクトルリミッタ６０４に出力する。またベクトルリミッタ６０４は、リミット付き積分器６０３から入力した負荷電圧のｄ軸とｑ軸成分の積分値から構成されるベクトルの振幅が１［ＰＵ］を超えないように入力値を制限した値を、対応する乗算器６０５にそれぞれ出力する。

そして、乗算器６０５は、ベクトルリミッタ６０４からの入力信号に制御モード切替器１０５から入力したオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧを乗算することにより、電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを出力する。ただし、オフアシスト制御期間中、オフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧは０とし、オフアシスト制御期間を終了した時点でオフアシスト期間フラグ信号２０２Ｖ_FＬＡＧを１にリセットする。

その後、偏磁抑制制御回路１５０が出力した電圧指令信号２０８Ｖ_ｄＲＥＦ，２０８Ｖ_ｑＲＥＦを、第１の実施形態と同様に、それぞれ減算器１１１ａ，１１１ｂ、ＰＩ制御回路１１２ａ，１１２ｂ、ｄｑ／２相変換回路１１３、さらに２相／３相変換回路１１４、パルス幅変調回路１１６ａ，１１６ｂ，１１６ｃで処理し、パルス制御回路１０３に出力する。

このような自立運転制御を行う過程で、偏磁抑制制御回路１５０は、オフアシスト制御が完了し、自立運転制御状態に移行する時点での負荷電圧から自立運転制御を開始して最大値の１［ＰＵ］まで制御を行い、その際の電圧指令値を、主にリミット付積分器６０３の適正値に設定した時定数に基づく立上り時間で、緩やかに増加するように制御することになる。このため、各実施形態と同様に、電力系統１の事故により瞬時停電や瞬時の電圧低下などの瞬低等が発生した場合においても、速やかに自立運転制御状態に移行し、自立運転制御状態においても、負荷２を偏磁させることなく、安定な瞬低補償制御を実現させることが可能となる。

本発明の第１の実施形態の構成を示すブロック図である。本発明の第１の実施形態における偏磁抑制制御回路の構成図である。本発明の第２の実施形態における偏磁抑制制御回路の構成図である。本発明の第３の実施形態における偏磁抑制制御回路の構成図である。本発明の第４の実施形態における偏磁抑制制御回路の構成図である。本発明の第５の実施形態における偏磁抑制制御回路の構成図である。従来技術に係る電力変換装置の構成図である。従来技術に係る直流チョッパの回路図である。背景技術を説明するための電力変換装置の構成図である。

符号の説明

１…電力系統
２…負荷
３…高速スイッチ
４…変圧器
５…交直変換器
６…ナトリウム−硫黄電池
７…直流チョッパ
８…電源ユニット
９…ナトリウム−硫黄電池システム
１４…固定値回路
１５…直流電流制御回路
１６…直流電圧制御回路
１７…系統連系運転制御回路
１８…自立運転制御回路
１９…系統事故検出回路
２０…スイッチ駆動回路
２１…オフアシスト制御回路
２７…ＬＣフィルタ
１０１…電力変換装置
１０２…変換制御回路
１０３…パルス制御回路
１１０…偏磁抑制制御回路

Claims

系統連系用高速スイッチが挿入された電路を介して負荷を接続する電力系統と、
直流定電圧源と直流チョッパを有する電源ユニットを複数並列に交直変換器の直流側に接続して、前記電力系統と連系運転を行うよう設けられた直流定電圧電源システムと、
前記電力系統健全時は、固有値回路に予め設定した出力指令値に基づき前記直流チョッパを直流電流制御回路で制御し、系統連系運転制御回路からの出力電圧指令に基づき前記交直変換器を制御して前記電力系統との連系運転を行うように構成され、
前記電力系統の瞬低等の発生時に、電力系統電圧検出による系統事故検出回路での瞬低発生信号に基づきスイッチ駆動回路から前記高速スイッチにオフ信号を出力すると共に、オフアシスト制御回路でのオフアシスト制御を行なって前記高速スイッチを遮断動作させた後、前記交直変換器の直流電圧を所定値とするよう制御する直流電圧制御回路の出力指令値と直流定電圧源の出力電圧値とから算出した直流電流指令値に基づき直流電流制御回路により前記直流チョッパを制御し、かつ前記交直変換器から前記負荷に対し所定電圧が出力されるようにする出力電圧指令を負荷電圧に基づいて自立運転制御回路から出力するように構成された変換制御回路と、
前記自立運転制御回路の出力した出力電圧指令に基づきゲートパルス信号を出力して前記交直変換器のスイッチング状態を制御するパルス制御回路と
を備える電力変換装置であって、
前記自立運転制御回路が、負荷電圧検出信号と、オフアシスト制御回路の出力に基づくオフアシスト期間フラグ信号と、電力系統電圧検出信号に基づく位相同期制御回路からの系統電圧ベクトル位相信号とに基づき、負荷の直流偏磁を抑制する出力電圧指令信号を生成する偏磁抑制制御回路を有することを特徴とする電力変換装置。
前記偏磁抑制制御回路の出力電圧指令信号を、オフアシスト期間中の負荷電圧の回転座標系ｄ軸成分とｑ軸成分の時間平均値を用いて生成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記偏磁抑制制御回路の出力電圧指令値の振幅を、オフアシスト期間中の負荷電圧の回転座標系ｄ軸成分とｑ軸成分の一次遅れ出力を用いて生成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記偏磁抑制制御回路の出力電圧指令値の振幅を、オフアシスト期間中の負荷電圧ベクトル振幅の最小値を用いて生成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
前記偏磁抑制制御回路の出力電圧指令値の振幅を、自立運転制御開始時における負荷電圧ベクトルを用いて生成することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。