JP2010130783A - 電力供給装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを構成する直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１からの出力エネルギの割合を制御するとともに、各相に出力する出力エネルギの累積値の誤差を可及的に低減する。
【解決手段】直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１とその直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２とからなる３組の単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを、３相交流系統と３相負荷３００の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置であって、３組の単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃから出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ_０を調節して、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合とを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分をインバータから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置に関するものである。

従来、三相交流電圧を出力する電力供給装置として、例えば特許文献１に示すように、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路を３組用いて構成するものがある。

しかしながら、単相インバータ回路を３組用いて３相交流電圧と基準電圧の差を出力する電力供給装置は、直流電源もまた３相個別に配置されるため、次の問題がある。

１相又は２相の系統事故による瞬時電圧低下（瞬低）を補償する場合のように、各相から不平衡な補償電圧を出力すると、各相毎の直流電源の出力に偏りが生じ、瞬低補償時間の点で効率の良くないという問題がある。つまり、大きな電力を出力する相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギがいち早く消耗してしまい、他相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギに余裕を残したまま、瞬低などを補償できる限界時間に達してしまうという問題が生じる。また、単相負荷を含むような不平衡な負荷に適用した場合にも，同様な問題が生じる。

そして近時、本願発明者は、特許文献２に示す電力供給装置を発明している。この電力供給装置は、出力電圧の零相電圧成分を調整することにより、３相の直流電源から出力されるエネルギを所定の割合にする（例えば、概ね等しくする）制御方法が用いられている。

しかしながら、この方法は、３相の出力エネルギの累積値に誤差が生じた場合、その誤差を補正することが考慮されていない。例えば、零相電圧成分の計算に移動積分を用いるため、積分結果を得るまでに基本周波数１サイクル分の遅延が発生する。このため、負荷や系統電圧が時間とともに変化すれば、零相電圧成分の計算結果に誤差が生じてしまう。また、測定系やインバータ動作によっても、誤差が発生してしまう。そして、以降の時刻においてその誤差を補正することが考慮されていない。
特開２０００−０５０６４３号公報 再表２００６−１００９１８号公報

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、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分をインバータから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置において、その単相インバータ回路を構成する直流電源からの出力エネルギの割合を制御するとともに、各相に出力する出力エネルギの累積値の誤差を可及的に低減することをその主たる所期課題とするものである。

すなわち本発明に係る電力供給装置は、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を単相インバータ回路から出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置であって、前記３組の単相インバータ回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ_０を調節して、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合とを制御する制御装置を備えていることを特徴とする。

このようなものであれば、単相インバータ回路を構成する直流電源から出力されるエネルギの割合を制御することができ、直流電源のエネルギを３相偏りなく利用することができる。また、動作開始時又は動作中に生じた各直流電源の出力エネルギの誤差をフィードバック制御して、その累積値を所定の割合に制御することにより、各直流電源の容量に見合った補償時間をより一層延長することができる。

例えば、各単相インバータ回路の直流電源の容量が同一のものである場合には、制御装置は、３組の単相インバータ回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ_０を調節することにより、各単相インバータ回路の直流電源の１サイクル毎の出力エネルギを同一にするとともに、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の平均値に対する各相毎の出力エネルギの累積値の偏差を用いてフィードバック制御することにより、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値を同一にする。

また、前記制御装置が、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃ、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃ、系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃ、各単相インバータ回路の直流電源の容量比率をａ相：ｂ相：ｃ相＝Ｘ：Ｙ：Ｚ、及びゲインＫ_ｐを用いて、以下に示される零相電圧成分ｖ_０により、各単相インバータ回路の直流電源からの出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合と制御することが望ましい。

但し、ｅ_ａ、ｅ_ｂ、ｅ_ｃは以下の式で示される。

このように構成した本発明によれば、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を単相インバータ回路から出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置において、その単相インバータ回路を構成する直流電源からの出力エネルギの割合を制御するとともに、各相に出力する出力エネルギの累積値の誤差を可及的に低減し、直流電源に蓄えられたエネルギを有効に活用することができる。

以下に本発明の電力供給装置１００を瞬時電圧低下補償装置（ＤＶＲ；Dynamic Voltage Restorer）として用いた場合の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本発明の一実施形態に係る電力供給装置１００を示す模式図である。

＜１．装置構成＞
本実施形態に係る電力供給装置１００は、インバータを交流系統と負荷の間に直列に接続し、系統電圧の変動分をインバータから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する、いわゆる３相トランスレスＤＶＲと言われるものである。そしてこの、電力供給装置１００は、図１に示すように、３相交流電源２００と３相負荷３００を含む、ａ相３０１、ｂ相３０２及びｃ相３０３からなる３相交流系統において、３相交流電源２００及び３相負荷３００の間に直列に接続される。そして、この装置１００は、通常時は電力の出力を行わず、電力系統での瞬時電圧低下を監視している。そして、瞬時電圧低下を検出した場合には、３相負荷３００の正常動作を維持するように補償電圧を出力する。

具体的にこのものは、図１に示すように、単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃと、直流電圧測定部３と、系統電圧測定部４と、負荷電流測定部５と、各単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを制御する制御装置６と、を備える。なお、図１において、直流電圧測定部３、系統電圧測定部４、負荷電流測定部５及び制御装置６は図示しない。

以下、各部ついて詳述する。

単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃは、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１と、それらが出力する直流電圧を単相交流電圧に変換して、ａ相、ｂ相又はｃ相に出力するスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２と、を有する。

直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１は、エネルギの充放電機能を有し、かつスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２以外とは電気的に絶縁された、例えばコンデンサである。

スイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２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とから構成したフルブリッジインバータである。本実施形態では半導体スイッチ素子として、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar
Transistor）を用いている。このスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２は、後述する制御装置６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。

直流出力測定部３は、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１より出力されるエネルギを測定するためのものであり、その測定結果を示す直流出力データを制御装置６に出力するものである。

系統電圧測定部４は、電力系統のａ相、ｂ相、ｃ相の系統電圧を測定し、その測定結果を示す系統電圧データを制御装置６に出力するものである。

負荷電流測定部５は、ａ相、ｂ相、ｃ相から３相負荷３００に供給される負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを測定し、その測定結果を示す負荷電流データを制御装置６に出力するものである。

制御装置６は、常時系統電圧データを受信し、系統電圧低下の検出と、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃの設定を行っているものとする。

また、この際、制御装置６は、系統と負荷が直接接続されるように、スイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２の半導体スイッチ素子のオン・オフ状態を保持している。

そして、系統電圧の低下を検出した際には、制御装置６は、受信した系統電圧データより正相・逆相電圧成分（以下、単に「系統電圧」という。）ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃを抽出し、次に、ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃと受信した直流出力データと負荷電流データを用いて、後述する式（２０）に示す零相電圧ｖ_０を演算し、補償電圧ｖ_ｎａ−ｖ_ｓａ＋ｖ_０（＝ｖ_ｉａ）、ｖ_ｎｂ−ｖ_ｓｂ＋ｖ_０（＝ｖ_ｉｂ）、ｖ_ｎｃ−ｖ_ｓｃ＋ｖ_０（＝ｖ_ｉｃ）を出力するように、単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃをフィードバック制御するものである。

＜２．電力供給装置１００の動作＞
次に、このように構成した本実施形態の電力供給装置１００の動作について、従来の基本的な動作及びその課題を示した後に、詳細に説明する。

＜３．従来の基本的な動作について＞
本実施形態の電力供給装置１００の基本的な動作を図２に示す。ａ相を例にとると、電力供給装置１００は、系統電圧ｖ_ｓａを常時監視し、あらかじめ基準電圧ｖ_ｎａを定めておく。瞬低が発生すれば、系統電圧ｖ_ｓａ及び基準電圧ｖ_ｎａの差分をインバータより補償電圧ｖ_ｉａとして出力し、負荷電圧ｖ_Ｌａを正常に維持するよう動作する。

図１において、電力供給装置１００の出力する補償電圧ｖ_ｉａ、ｖ_ｉｂ、ｖ_ｉｃと有効電力ｐ_ｉａ、ｐ_ｉｂ、ｐ_ｉｃの関係は、以下の通りである。瞬低が発生したとき、電力供給装置１００の出力する補償電圧ｖ_ｉａ、ｖ_ｉｂ、ｖ_ｉｃは、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃと系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃを用いて、式（１）のように表される。ただし、太字で表記した変数はそれぞれの電圧をフェーザで表示したものである。

そして、電力供給装置１００が出力する有効電力ｐ_ｉａ、ｐ_ｉｂ、ｐ_ｉｃを、式（１）と、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを用いて、以下の式（２）で表す。ここで、「・」で表す演算は、フェーザを複素平面上のベクトルとして取扱った場合の、ベクトルの内積である。

さらに、式（１）と式（２）を整理すると以下の式（３）が得られる。

この式（３）から分かるように、電力供給装置１００は、負荷３００の定格電力と系統が負荷３００に対して供給する電力との差分を、補償電力ｐ_ｉａ、ｐ_ｉｂ、ｐ_ｉｃとして出力する。

次に、上記３で説明した従来の基本的な動作を不平衡な瞬低や負荷３００に適用する場合において、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１のエネルギ蓄積規模に対して、瞬低補償時間の点での問題点を以下に説明する。

まず、不平衡な瞬低に適用する場合の課題を示す。電力供給装置１００は、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃを以下の式（４）のように定め、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃは、以下の式（５）で表されるものであったとする。

ここで、系統側でｂ−ｃ相の２相短絡による瞬低が発生したとし、系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃを式（６）で表すものとする。

式（３）〜式（６）より、電力供給装置１００が出力する有効電力ｐ_ｉａ、ｐ_ｉｂ、ｐ_ｉｃは、式（７）で表される。

この式（７）より分かるように、電力供給装置１００のａ相からは有効電力が出力されておらず、ａ相の直流電源２ａ１に蓄えられていたエネルギは利用できていない。つまり、３台の直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の内２台しか利用できていない。通常の電力供給装置であれば、３相分の直流電源を１台で構成できるため、これと比べると、従来の電力供給装置（３相トランスレスＤＶＲ）は、２／３の時間しか瞬低を補償できないことになる。逆に同じ時間の瞬低補償を実現するためには、３相合計で１．５倍のエネルギを直流電源に蓄積しておかなければならないことになる。瞬低の約８割は、１相もしくは２相の系統事故によるものであり、このことは実用上重要な課題となる。

次に、不平衡な負荷に適用する場合にも、同様な課題があることを示す。負荷がｂ−ｃ相間に接続された単相負荷のみであったとし、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃを、式（５）に替えて式（８）で表す。また、系統電圧は式（６）に替え、式（９）のように３相とも０まで低下したとする。

式（３）、式（４）、式（８）、式（９）より、電力供給装置１００が出力する有効電力ｐ_ｉａ、ｐ_ｉｂ、ｐ_ｉｃは、式（１０）で表される。

式（１０）より、従来の電力供給装置（三相トランスレスＤＶＲ）を不平衡な負荷に適用する場合にも、不平衡な瞬低に適用する場合と同様な課題があることが分かる。

＜４．電力供給装置が出力する補償エネルギ（出力エネルギ）の各相制御＞
＜４−１．基本原理＞
３相３線式の負荷供給の場合には、線間電圧のみを制御し、余った自由度を利用するという考え方（線間電圧制御）がある。これに基づき、筆者らは特許文献２で、例えば瞬時電圧低下補償装置において、補償電圧の零相電圧成分ｖ_０を調整することにより、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の出力エネルギの偏りを回避する方法を発明している。以下に、これをさらに拡張し、三相トランスレスＤＶＲ等の電力供給装置１００において、それぞれの直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１が出力する有効電力（出力エネルギ）を任意の比率に制御する方法を示す。

図１において、電力供給装置１００により式（１１）のように補償電圧ｖ_ｉａ、ｖ_ｉｂ、ｖ_ｉｃを出力したとする。ｖ_０は、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１が出力する有効電力の各相制御を行うために用いる零相電圧成分であるが、負荷の線間電圧には影響を与えない。

ここで、零相電圧成分ｖ_０を、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃ、比率Ｘ、Ｙ、Ｚ、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃ、および系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃを用いて、式（１２）のように定める。ここで比率Ｘ、Ｙ、Ｚは、各相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量の比であり、「ａ相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量」：「ｂ相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量」：「ｃ相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量」＝Ｘ：Ｙ：Ｚである。

ｉ_ａ、ｉ_ｂの位相関係が、０又はπの場合は、式（１２）によりｖ_０を計算することができず、本実施形態で提案する手法の適用対象外となる。ただし、３相３線式の場合、負荷電流の３相合計は、式（１３）の通り０であり、ｉ_ｃの位相も０又はπとなる。定常的には稀なケースであるが、過渡的にこのような状態となれば、零相電圧成分ｖ_０を用いずに、つまりｖ_０＝０として補償を行う。

式（２）、式（１１）、式（１２）を整理すると、電力供給装置１００がａ相に出力する有効電力ｐ_ｉａは、式（１４）となる。

ここで、式（１２）より、ΔＰ_ｂ＋ΔＰ_ｃ＝−ΔＰ_ａであるため、式（１４）は、式（１５）のように整理できる。

さらに、式（１３）を用いて、ｉ_ｃを、式（１２）を用いてΔＰ_ａを消去すると、式（１５）は、式（１６）のように整理できる。

同様の計算により、電力供給装置１００がｂ相とｃ相より出力する有効電力ｐ_ｉｂ、ｐ_ｉｃは、式（１７）のようになる。

式（１６）と式（１７）のように、式（１２）の零相電圧成分ｖ_０により、電力供給装置１００のａ相、ｂ相、ｃ相から、任意のＸ：Ｙ：Ｚの比率で補償電力を出力させることが可能となる。例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚは、三相それぞれに接続された直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量の比率に設定すればよい。ただし、通常は直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量は等しく設定されるため、Ｘ＝Ｙ＝Ｚ＝１とすることが一般的になると考える。

＜４−２．瞬時値制御＞
以上は電圧と電流のフェーザを用いて基本原理を説明したが、現実の装置では瞬時値を取扱わなければならない。瞬時値制御において、電力供給装置１００の動作の基本となる式（１１）は、式（１８）のようになる。

式（１２）によるｖ_０を計算するにあたっては、式（１２）の「・」で示した内積演算を、式（１９）のように、１サイクル時間の移動積分を用いて近似する。

ここで、ｘ及びｙは、式（１２）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、Ｔは系統基本周波数の１サイクル分の時間である。

式（１９）のように、瞬時値制御では、ある時刻ｔで零相電圧成分ｖ_０を計算するときには、１サイクル前までの電圧と電流の瞬時値を用いることになる。これらの電圧と電流が定常状態にあれば、二つの積に1サイクル時間の移動積分を施した結果は、時刻tにかかわらず定数になる。このとき、＜４−１＞節と同様の方法により、式（１６）に対応する結果を導くことができる。

しかし、負荷や系統電圧が時間とともに変化すれば、移動積分による1サイクルの遅れにより、以降の時刻に用いる零相電圧成分ｖ_０の計算に誤差が生じる。これに対し、次に、各相の補償エネルギ（出力エネルギ）を補正するための方法を説明する。

＜４−３．補償エネルギの制御誤差に対する改善＞
誤差補正にあたり、式（１２）に替えて、零相電圧成分ｖ_０を負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃ、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃ、系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃ、比率Ｘ、Ｙ、Ｚ、及びゲインＫ_ｐを用いて、式（２０）のように定める。

ただし、ｅ_ａ、ｅ_ｂ、ｅ_ｃは、瞬低補償開始後に電力供給装置１００（各相に接続された直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１）から出力された補償エネルギであり、式（２１）で表す。

この時、例えばａ相を例に取ると、式（２０）と式（２１）により定まる電力供給装置１００の出力は、式（２２）となる。式（２２）の導出方法は、式（１６）と同様である。

ここで、式（１３）より、ｅ_ａ、ｅ_ｂ、ｅ_ｃの間には式（２３）の関係がある。

式（２１）〜式（２３）を整理すると、式（２４）が得られる。

式（２４）にラプラス変換を施すと、式（２５）が得られる。ここで、ｓはラプラス演算子を表す。

このように、式（２０）及び式（２１）からなる零相電圧成分ｖ_０を用いることにより、式（２５）の右辺第２項の誤差は、時定数１／Ｋ_ｐで減衰し、ｅ_ａは平均値に収束する。以上の計算は、ｂ相及びｃ相の補償エネルギに関しても同様である。

次に、比例ゲインＫ_ｐの設定方法について説明する。

瞬時電圧低下補償装置は、通常は数百ｍｓｅｃ以上の瞬低を補償するよう設計されるため、それよりも十分短い数十ｍｓｅｃで誤差を減衰させるよう、式（２５）右辺の伝達関数の時定数を設定する。本実施形態では式（２６）のように、比例ゲインをＫ_ｐ＝６０とする。

＜４−４．直流電圧による制約に対する改善＞
ここまでは、式（２０）等から定まる補償電圧を、インバータが概ね正確に出力できることを前提としていた。ところが現実には、インバータが出力できる電圧は、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の直流電圧により制約を受ける。

例えば、３相平衡な純抵抗負荷に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡による瞬低が発生したとする。図３に、式（１２）の零相電圧成分ｖ_０を含む補償電圧と系統電圧との関係を示す。

上述した方法を用いない場合には、ｂ相及びｃ相の補償電圧ｖ_ｎｂ−ｖ_ｓｂとｖ_ｎｃ−ｖ_ｓｃのピーク値は、√３／２ｐｕである。ところが、上述した方法を用いた場合には、補償電圧ｖ_ｎｂ−ｖ_ｓｂ＋ｖ_０とｖ_ｎｃ−ｖ_ｓｃ＋ｖ_０のピーク値は、１ｐｕとなる。そして、この補償電圧を出力するためには、直流電圧には１ｐｕが必要となる。このことは、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１がコンデンサのように、補償エネルギの出力とともに充電電圧が低下する電源であった場合、瞬低を補償できる時間に影響を及ぼすことを示している。つまり、充電電圧が１ｐｕ以下になった場合以降は、零相電圧成分ｖ_０を用いなければｂ相及びｃ相のインバータの直流電圧ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃが√３／２ｐｕに低下するまで瞬低補償を継続できるが、ｖ_０を加えた補償電圧は出力できない状態となる。

この対策として、可能な範囲で３相均等に補償エネルギを出力できるよう、直流電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃ、系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃ、および基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃを用いて、零相電圧成分ｖ_０を式（２７）のように制限する。

図３の場合では、直流電圧が１ｐｕを下回ると、式（２７）による制限が発生し、ｂ相とｃ相からはｖ_０を加えた補償電圧を正確に出力できなくなる。この結果、３相均等な補償エネルギの出力はできなくなる。しかし、ａ相では、補償電圧ｖ_ｉａのピーク値を出力する時に式（２７）による制限は発生しない。これにより、ａ相からも十分な補償エネルギが出力され、ｂ相とｃ相より出力する補償エネルギとの差を低減することができる。

＜４−５．制御フロー＞
次に、式（２０）および式（２１）による零相電圧成分ｖ_０の値を演算するためのフローチャートを図４に示す。ただし、式（２０）における比率Ｘ、Ｙ、Ｚは、いずれも１としている。また０≦ｔ＜Ｔの場合の記載は省略している。

ステップＳ１において、系統電圧測定部４、負荷電流測定部５直流電圧測定部３から系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃと、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃと、補償電圧ｖ_ｉａ、ｖ_ｉｂ、ｖ_ｉｃの各測定データを取得する。また、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃの振幅は系統の定格電圧と一致させ、位相は正相分離式乗算型ＰＬＬを用いて系統電圧の正相分と同期をとった値を用いる。

ステップＳ２では、これらの値を用いて、パラメータΔＰ_ａ、ΔＰ_ｂ、ΔＰ_ｃを演算する。ここで時刻ｔは、電力供給装置１００が補償電圧の出力を開始する時刻を０としている。

ステップＳ３では、ステップＳ１及びステップＳ２で得られた値を用いて、仮の零相電圧成分ｖ_０’を演算する。ステップＳ２及びステップＳ３の演算には、積分を用いるため、ｖ_０’に正確な値が設定されるのは、補償開始の１サイクル後以降となる。

ステップＳ４では、式（２７）の処理を行い、零相電圧成分ｖ_０を確定させる。なお、式（２７）を満足するｖ_０が存在しなければ、負荷の線間電圧を正常に維持することはできないが、このような場合にも負荷電圧を可能な限り基準電圧に近づけるという観点から、ｖ_０を０として瞬低補償を行う処理を加える。

＜４−６．シミュレーションによる検証＞
＜４−６−１．シミュレーションモデル＞
シミュレーションに用いる回路モデルと定数を、図５と図６に示す。

交流電源２００は３相２００Ｖとした。負荷３００には、３相平衡な純抵抗負荷（R Load）、単相負荷を含む不平衡な純抵抗負荷（Unbalance Load）、純抵抗とインダクタンスを直列接続した遅れ力率負荷（RL Load）、整流器負荷（Rec Load）、の４種類を用い、容量はいずれも１００ｋＷとした。

電力供給装置１００のインバータは、図７に示すように、可変電圧源により模擬した。直流電源との結合は、インバータと直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の出力する瞬時電力を一致させる形で模擬した。制御については、式（１８）の関係と図４のフローチャートを用いた。電力供給装置１００の直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１には、コンデンサを用いた。コンデンサの初期充電電圧Ｖ_ＣＨは、三相短絡による瞬低の補償も可能なように、系統の相電圧ピーク値の約２割増しとし、式（２８）により定めた。

コンデンサ容量Ｃは、直流電源を３相で共有し、且つ零相の調整を行わなかった場合に、３相平衡負荷３００に対して２相短絡による瞬低を３００ｍｓｅｃ補償できるよう、式（２９）により定めた。ここで第１式右辺の５０％とは、式（７）の結果より計算される、補償電力の１相あたりの平均値である。

＜４−６−２．２相短絡事故、純抵抗負荷に対する検証＞
図８（ａ）の３相平衡な定格１００ｋＷの純抵抗負荷３００に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡事故による瞬低が発生した場合のシミュレーション結果を示す。基本的な瞬低補償動作に関して、ｃ相の電圧波形を図９に示す。２段目と３段目のグラフは、補償エネルギを調整するための零相電圧成分ｖ_０を含む補償電圧と負荷電圧である。零相電圧成分ｖ_０の存在により、瞬低補償が正常になされているかどうかは、判断できない。一方、４段目と５段目は零相電圧成分ｖ_０を除く補償電圧と負荷電圧である。電力供給装置１００は系統電圧ｖ_ｓｃに対して補償電圧ｖ_ｉｃ−ｖ_０により、負荷電圧ｖ_Ｌｃ−ｖ_０を正常に維持、すなわち負荷の線間電圧を正常に維持するよう動作している。電力供給装置１００のコンデンサ電圧は図１０の通りであり、時刻４００ｍｓｅｃに至るまで、ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃは概ね等しい。つまり３相均等に補償エネルギを出力することができている。零相電圧成分ｖ_０の、瞬低補償中の様子を、図１１に示す。零相電圧成分ｖ_０の波形は補償開始から１サイクル程度は安定していない。これは、＜４−２．＞節などで説明したとおり、零相電圧成分ｖ_０の計算には１サイクルの遅れがあるためである。その結果、図１０からは目視では確認できない程度であるが、コンデンサ電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃが３相等しくなるようには制御できていない。ただし、負荷の相間電圧は、これにかかわらず正常に補償される。

一方、ｍａｘ＿ｖ_０とｍｉｎ＿ｖ_０は、ｖ_０を制限するための上限値と下限値であり、式（３０）により定まる。

瞬低補償を進めるにつれ、コンデンサ電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃが低下するため、ｍａｘ＿ｖ_０とｍｉｎ＿ｖ_０の間が狭まってゆく。しかし、瞬低が開始した時刻１００ｍｓｅｃから４００ｍｓｅｃ付近までは、常にｍａｘ＿ｖ_０がｍｉｎ＿ｖ_０を上回っており、負荷の線間電圧を基準電圧に維持できるよう零相電圧成分ｖ_０を設定できている。すなわち、式（２９）で行ったコンデンサ容量Ｃの設計通り、２相短絡による瞬低を３００ｍｓｅｃ補償することができた。一方、詳細な図示は省略するが、図９の元となるデータでは、時刻４００ｍｓｅｃ付近以降では、負荷電圧の歪が徐々に増加する。これは、ｍｉｎ＿ｖ_０がｍａｘ＿ｖ_０を上回り、零相電圧成分ｖ_０＝０として補償電圧を出力するタイミングが発生することによる。

＜４−６−３．補償エネルギ誤差の補正制御の検証＞
瞬低時の系統電圧と、負荷３００が前節と同じ条件において、＜４−３．＞節で説明した３相の補償エネルギの誤差を補正する制御の検証を行った。誤差は、コンデンサ電圧ｖ_Ｃａの初期値を、Ｖ_ＣＨ（＝２００Ｖ）から１９０Ｖに変更することにより模擬した。補償開始前後のコンデンサ電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃを図１２に示す。コンデンサ電圧の誤差は、５０ｍｓｅｃ程度で解消している。これは式（２６）で設定した時定数１／６０ｓｅｃとよく整合がとれており、３相の補償エネルギの誤差を補正するための手法の妥当性を示すことができたと考える。

＜４−６−４．３相短絡事故、不平衡負荷に対する検証＞
図８（ｂ）の三相平衡な定格５０ｋＷの純抵抗負荷と単相で定格５０ｋＷの純抵抗負荷を組み合わせた負荷３００に対して、３相短絡事故により電圧が７０％低下した瞬低が発生した場合のシミュレーション結果を示す。

基本的な瞬低補償動作に関して、ｃ相に関する電圧波形を図１３に示す。時刻４００ｍｓｅｃ付近までは、電力供給装置１００は、系統電圧に対して負荷電圧を正常に維持するよう動作している。図１４では、瞬低補償開始から早々に、コンデンサ電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃの乖離が始まっている。この原因は、図１５に示すように、瞬低補償開始直後から零相電圧成分ｖ_０の制限が発生し、電力供給装置１００から３相均等に有効電力を出力できなかったためである。しかし、図１５では、時刻４００ｍｓｅｃ付近までは、常にｍａｘ＿ｖ_０がｍｉｎ＿ｖ_０を上回っており、負荷の線間電圧の維持という点で、約３００ｍｓｅｃの間は瞬低を補償できている。仮に、直流電源を３相で共有しても、零相電圧成分ｖ_０の調整を行わなかった場合の補償可能な時間は、式（３１）よりＴ_ｃｍｐ≒２８８ｍｓｅｃであった。

このように、不平衡な負荷３００に対しても、直流電源を３相で共有した場合と同等の補償時間を得ることができた。また、電力供給装置１００より３相均等に有効電力を出力できなくとも、可能な範囲で３相均等に補償エネルギを出力するように零相電圧成分ｖ_０を制御し、補償時間を延長することができた。

＜４−６−５．２相短絡事故、遅れ力率負荷に対する検証＞
図８（ｃ）の定格１００ｋＷ、力率０．７（遅れ）の負荷３００に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡事故による瞬低が発生した場合のシミュレーションを行った。結果を図１６~図１８に示す。負荷電流が３相平衡であるという点においては、図９に示した純抵抗負荷３００に対するケースと同じであるが、コンデンサ電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃが低下する様子は、図１７に示す通り、図１０に示したものとは全く異なる。この理由を以下に説明する。

本ケースにおいて、３相均等に補償出力する場合の、補償電圧、系統電圧及び負荷電流の振幅と位相の関係を図１９に示す。負荷電流が遅れ力率であるため、ｉ_ｃとｖ_ｎｃ−ｖ_ｓｃの力率が高く、ｉ_ｂとｖ_ｎｂ−ｖ_ｓｂの力率が低くなる。式（１２）による零相電圧成分ｖ_０は、ｃ相の補償電圧ｖ_ｉｃのピークを抑制し、ｂ相の補償電圧ｖ_ｉｂのピークを増加させるように計算される。ところが、このままであると、ｖ_ｉｂのピークは約１．４ｐｕとなり、式（２７）による制約が、早い時刻から発生する。この結果、ｖ_ｉｃのピークを十分抑制できず、ｃ相から大きな補償エネルギが出力されることにより、ｃ相のコンデンサ電圧ｖ_Ｃｃが他相よりも早く低下する。そして図１２の純抵抗負荷３００のケースと比べ、若干ではあるがｍａｘ＿ｖ_０がｍｉｎ＿ｖ_０を下回る時間が早くなる、つまり瞬低を補償できる時間が短くなる。以上のように、提案手法を用いた場合、瞬低を補償できる時間は、負荷力率に影響を受けることを注意しなければならない。

＜４−６−６．２相短絡事故、整流器負荷に対する検証＞
図８（ｄ）の定格１００ｋＷの整流器負荷３００に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡事故による瞬低が発生した場合のシミュレーションを行った。結果を図２０~図２２に示す。コンデンサ電圧ｖ_Ｃａ、ｖ_Ｃｂ、ｖ_Ｃｃの低下の様相を他の負荷と比べると、図１０の純抵抗負荷３００のケースが、最も近いものとなった。

本ケースで用いた整流器負荷３００の電流波形を、図２３に示す。ピーク値が６００Ａ近くに達するなど、１００ｋＷ相当の基本波のみによる波形とは大きく異なる。しかし、図２３から分かるように、用いた負荷３００の電流は、電圧に対する位相遅れが、あまり大きくない。このため、図２０に示した遅れ力率負荷３００とは異なり、式（２７）によるｖ_０のピーク値付近での制約は、瞬低補償開始後の早い時刻では発生しなかった。その結果、コンデンサ電圧の低下は、図１０の純抵抗負荷３００のケースと似た傾向となった。

＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る電力供給装置１００によれば、単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを構成する直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１から出力されるエネルギの割合を制御することができ、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１のエネルギを３相偏りなく利用することができる。また、動作開始時又は動作中に生じた各直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の出力エネルギの誤差をフィードバック制御して、その累積値を所定の割合に制御することにより、各直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量に見合った補償時間をより一層延長することができる。

＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。

例えば、前記実施形態では、各相１つの単相インバータ回路から構成しているが、複数個の単相インバータ回路を直列接続して単相電源回路を構成するようにしても良い。

また、半導体スイッチ素子にはＩＧＢＴを用いたがこれに限られることなく、例えばゲートターンオフサイリスタのような他の自己消弧形半導体スイッチ素子であっても差支えない。

その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。

本発明の第１実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。 補償電圧を出力して負荷電圧を維持する動作を示す図。 零相電圧成分を含む補償電圧と系統電圧との関係を示す図。 零相電圧成分を算出するためのフローチャート。 シミュレーションに用いる回路モデルを示す図。 回路定数を示す表。 インバータから可変電圧源への模擬を示す図。 純抵抗負荷等のシミュレーションに用いる負荷を示す図。 ２相短絡、純抵抗負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、純抵抗負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、純抵抗負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 補償エネルギ誤差の補正結果を示す図。 ３相短絡、不平衡負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ３相短絡、不平衡負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ３相短絡、不平衡負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、遅れ力率負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、遅れ力率負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、遅れ力率負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ３相均等に補償出力する場合の補償電圧、系統電圧及び負荷電流の振幅と位相の関係を示す図。 ２相短絡、整流器負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、整流器負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 ２相短絡、整流器負荷に対するシミュレーション結果を示す図。 同シミュレーションで用いた整流器負荷の電流波形を示す図。

符号の説明

１００・・・電力供給装置
２００・・・交流電源
３００・・・３相負荷
２ａ、２ｂ、２ｃ・・・単相インバータ回路
２ａ１、２ｂ１、２ｃ１・・・直流電源
２ａ２、２ｂ２、２ｃ２・・・スイッチング回路
６・・・制御装置

Claims (2)

1. 直流電源とその直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を前記単相インバータ回路から出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置であって、
   前記３組の単相インバータ回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ_０を調節して、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合とを制御する制御装置を備えている電力供給装置。
2. 前記制御装置が、負荷電流ｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃ、基準電圧ｖ_ｎａ、ｖ_ｎｂ、ｖ_ｎｃ、系統電圧ｖ_ｓａ、ｖ_ｓｂ、ｖ_ｓｃ、各単相インバータ回路の直流電源の容量比率をａ相：ｂ相：ｃ相＝Ｘ：Ｙ：Ｚ、及びゲインＫ_ｐを用いて、以下に示される零相電圧成分ｖ_０により、各単相インバータ回路の直流電源からの出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合と制御する請求項１記載の電力供給装置。
   但し、ｅ_ａ、ｅ_ｂ、ｅ_ｃは以下の式で示される。