JP2012175848A - 無効電力補償装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Lyが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う三相交流の各相に対応するクラスター1u,1v,1wを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、クラスター1u,1v,1wからの出力電圧の波形の制御のための高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Lyの出力電圧モードの切り替えの境界値に電圧偏差ΔVHL'及びΔVML'を加算することによって高圧セル1Hy及び中圧セル1My及び低圧セル1Lyの間で電力のやり取りを行って各セルの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyを制御するようにした。
【選択図】図1
Description
ハイブリッド形カスケード変換器を用いた本発明の自励式無効電力補償装置の実施形態の構成を図1に示す。具体的には、単相フルブリッジコンバータで構成されるセル(高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Ly)を三つ直列接続することで1相分を構成(以下、三相のu相に対応するものをクラスター1u,v相に対応するものをクラスター1v,w相に対応するものをクラスター1wという)する。そして、本実施形態では、三つのセル1Hy,1My,1Lyは、直流コンデンサ(容量Cx)の電圧(即ち、直流電圧)の比がVCHy:VCMy:VCLy=6:2:k(ただし、1<k<2)になるように制御される。そして、同一クラスターを構成する三つのセル1Hy,1My,1Lyの出力電圧の波形を合成することで各クラスター1u,1v,1wとして正弦波状の出力電圧波形が得られるようにする。
全て同一電圧のセルで構成する従来型のカスケード変換器の制御法としては、有効・無効電力制御,相間直流電圧バランス制御,段間直流電圧バランス制御の三つの階層で構成する方式が提案されている(例えば、前出の非特許文献1や、井上重徳 他「カスケードPWM変換器と二次電池を使用した6.6kVトランスレス電力貯蔵システム -200V,10kW,3.6kWhミニモデルによる実験検証-」,電気学会論文誌D,Vol.129,No.1,pp.67−76,2009年(以下、非特許文献3という)を参照)。
(数2) ECy=ECHy+ECMy+ECLy
(数3) EC=ECu+ECv+ECw
(数5) EC *=3(ECH *+ECM *+ECL *)
表1に、従来のハイブリッド形カスケード変換器による直流電圧比VCH *:VCM *:VCL *=6:2:k(1≦k<2)の場合の各セルの出力電圧の関係を示す。基準直流電圧Vdcを用い、VCH *=6Vdc,VCM *=2Vdc,VCL *=kVdcと表す。なお、基準直流電圧Vdc〔V〕の大きさはアプリケーションに応じて適宜決定される。
(数6) vL=vout *−vH−vM
(数7) −Vdc ≦ vL ≦ Vdc
まず、高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動について説明する。高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔVHLを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この電圧レベル偏差ΔVHLと出力電流iとによって数式8のようにΔVHL'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔVHLを増加させる(零より大きくする)と、高圧セル1Hyから低圧セル1Lyへと移動する電力を増加させることができる。
(数9) −Vdc−|ΔVHL|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHL|
(数10) VCL ≧ Vdc+|ΔVHL|
次に、中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動について説明する。中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔVMLを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この場合も、出力電流iによって数式11に示すようにΔVML'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔVMLを増加させる(零より大きくする)と、中圧セル1Myから低圧セル1Lyへと移動する電力を増加させることができる。
(数12) −Vdc−|ΔVML|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVML|
(数13) VCL ≧ Vdc+|ΔVML|
次に、高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動について説明する。高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔVHMを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この場合も、出力電流iによって数式14に示すようにΔVHM'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔVHMを増加させる(零より大きくする)と、高圧セル1Hyから中圧セル1Myへと移動する電力を増加させることができる。
(数15) −Vdc−|ΔVHM|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHM|
(数16) VCL ≧ Vdc+|ΔVHM|
この場合は、高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの両方の電圧制御を同時に行うために電圧偏差ΔVHLy'と電圧偏差ΔVMLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図8(A)に示す。なお、図8においては、図中の矢印が、セル間でのエネルギーのやり取りの状況、言い換えると、セル間でのエネルギーのやり取りの有無を表している。また、本明細書の説明では、特定する必要がある場合には、以下に述べる方法Bや方法Cではなく当該方法Aを前提としている。
(数17) −Vdc−|ΔVHLy+ΔVMLy|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHLy+ΔVMLy|
(数18−1) VCL ≧ Vdc+|ΔVHLy|
(数18−2) VCL ≧ Vdc+|ΔVMLy|
(数18−3) VCL ≧ Vdc+|ΔVHLy+ΔVMLy|
B)上記iii及びiを利用する方法
この場合は、電圧偏差ΔVHMy'と電圧偏差ΔVHLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図8(B)に示す。
(数19) −Vdc−|ΔVHMy+ΔVHLy|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHMy+ΔVHLy|
(数20−1) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy|
(数20−2) VCL ≧ Vdc+|ΔVHLy|
(数20−3) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy+ΔVHLy|
C)上記iii及びiiを利用する方法
この場合は、高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの両方の電圧制御を同時に行うために電圧偏差ΔVHMy'と電圧偏差ΔVMLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図8(C)に示す。
(数21) −Vdc−|ΔVHMy+ΔVMLy|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHMy+ΔVMLy|
(数22−1) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy|
(数22−2) VCL ≧ Vdc+|ΔVMLy|
(数22−3) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy+ΔVMLy|
以下に、本発明の自励式無効電力補償装置の制御方法について説明する。
本発明における有効・無効電力制御の方法としては従来の方法を用いることができる(図9参照;例えば、前出の非特許文献1を参照)。
また、本発明における相間直流電圧バランス制御の方法としても従来の方法を用いることができる(図10参照;例えば、前出の非特許文献3を参照)。
一方で、段間直流電圧比制御については本発明特有の方法を用いる。まず、表2に示した電圧分配条件を適用すると、電圧偏差ΔVHLy',ΔVMLy',ΔVHMy'を与えることで各セルの蓄積エネルギーを調整することができる。本発明では、これを利用し、クラスター1u,1v,1w内の各セル1xu,1xv,1xwの蓄積エネルギーECxu,ECxv,ECxwにフィードバック制御を適用することで直流電圧比を制御する。
表2に示した電圧分配条件を用いた種々の動作シミュレーションを行い、各セル1H,1M,1Lの出力電圧を合成することによって図13〜図16に示す結果が得られた。図13〜図16には、具体的には、u相クラスターの出力電圧vout-u,出力電流iu,高圧セル出力電圧vHu,中圧セル出力電圧vMu,低圧セル出力電圧vLu,高圧セル直流電圧vCHu,中圧セル直流電圧vCMu,低圧セル直流電圧vCLuの波形を示す。
次に、ハイブリッド形カスケード変換器を始動する際のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、各セル1H,1M,1Lの直流コンデンサは初期充電回路によって定格時の90%まで充電した状態で始動を行い、始動と同時に5〔kVA〕の無効電力指令を与えた。
1My 中圧セル(y相)
1Ly 低圧セル(y相)
Claims (8)
- 三相(u,v,w相とする)交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、各々が単相フルブリッジコンバータで構成される高圧セル,中圧セル,低圧セルが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う前記三相交流の各相に対応するクラスターを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy,前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy,前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy(ただし、添字yは前記三相u,v,wのうちのいずれかを表す)であると共に、前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが基準直流電圧Vdcよりも大きく、前記高圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせる若しくは進めると共に前記中圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせる若しくは進めることによって前記高圧セル及び前記中圧セル及び前記低圧セルの間で電力のやり取りを行って前記各セルの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyを制御することを特徴とする無効電力補償装置。
- 三相(u,v,w相とする)交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、各々が単相フルブリッジコンバータで構成される高圧セル,中圧セル,低圧セルが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う前記三相交流の各相に対応するクラスターを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy,前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy,前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy(ただし、添字yは前記三相u,v,wのうちのいずれかを表す)であると共に、前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが基準直流電圧Vdcよりも大きく、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル,前記中圧セル,前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHLy'及び前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVMLy'(ただし、前記クラスターからの出力電流をiyとして、iy≧0のときはΔVHLy'>0且つΔVMLy'>0,iy<0のときはΔVHLy'<0且つΔVMLy'<0)を加算することによって前記高圧セル及び前記中圧セル及び前記低圧セルの間で電力のやり取りを行って前記各セルの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyを制御することを特徴とする無効電力補償装置。
- 三相(u,v,w相とする)交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、各々が単相フルブリッジコンバータで構成される高圧セル,中圧セル,低圧セルが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う前記三相交流の各相に対応するクラスターを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy,前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy,前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy(ただし、添字yは前記三相u,v,wのうちのいずれかを表す)であると共に、前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが基準直流電圧Vdcよりも大きく、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル,前記中圧セル,前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHMy'及び前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHLy'(ただし、前記クラスターからの出力電流をiyとして、iy≧0のときはΔVHMy'>0且つΔVHLy'>0,iy<0のときはΔVHMy'<0且つΔVHLy'<0)を加算することによって前記高圧セル及び前記中圧セル及び前記低圧セルの間で電力のやり取りを行って前記各セルの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyを制御することを特徴とする無効電力補償装置。
- 三相(u,v,w相とする)交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、各々が単相フルブリッジコンバータで構成される高圧セル,中圧セル,低圧セルが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う前記三相交流の各相に対応するクラスターを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy,前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy,前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy(ただし、添字yは前記三相u,v,wのうちのいずれかを表す)であると共に、前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが基準直流電圧Vdcよりも大きく、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル,前記中圧セル,前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHMy'及び前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVMLy'(ただし、前記クラスターからの出力電流をiyとして、iy≧0のときはΔVHMy'>0且つΔVMLy'>0,iy<0のときはΔVHMy'<0且つΔVMLy'<0)を加算することによって前記高圧セル及び前記中圧セル及び前記低圧セルの間で電力のやり取りを行って前記各セルの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyを制御することを特徴とする無効電力補償装置。
- 前記三相毎に請求項2から4に記載のエネルギー移動の方法のうちのいずれか一つが用いられ、前記三相のうちの全て若しくは少なくとも一部においてエネルギー移動の方法が他の相と異なることを特徴とする無効電力補償装置。
- 前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy,前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy,前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが、VCHy:VCMy:VCLy=6:2:k(ただし、1<k<2)であることを特徴とする請求項2から5のいずれか一つに記載の無効電力補償装置。
- 前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy,前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy,前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが、VCHy:VCMy:VCLy=4:2:k(ただし、1<k<2)であることを特徴とする請求項2から5のいずれか一つに記載の無効電力補償装置。
- 前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyの比kの値が1.01〜1.3であることを特徴とする請求項6または7記載の無効電力補償装置。
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