JP2013258841A - 変圧器多重電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】多相交流電力と直流電力を相互に変換する複数台の変換器ユニット25〜28と、複数台の変圧器21〜24と、変換器制御部11から構成され、各変換器ユニット25〜28の交流電圧端子は各変圧器21〜24を介して直列接続されて電力系統2に連系され、各変換ユニット25〜28の直流電圧端子は相互に独立し、変換器制御部11は、各変換器ユニット25〜28の直流電圧が所定の値になるように各変換器ユニット25〜28を制御する。
【選択図】図1
Description
変換器を多重化する方法は様々存在し、リアクトル多重や変圧器多重などがあり、変圧器で多重化すると、交流側は変圧器で絶縁されるため各変換器の直流側を共通化できるという利点がある。しかし、大容量装置で変換器の多重数が増加する場合は、直流回路の配線インダクタンスと各変換器が持つ平滑コンデンサとの間で共振が発生することがあり、対策が必要となる。
さらに、直流回路を共通とする変圧器多重電力変換装置の問題点として、無効電力補償装置のように直流回路に負荷および電源を持たない場合は有効電力が殆ど流れないため、平均的な直流電流はほぼ零となるが、各段の高調波成分の大きさ、位相のずれによる横流が生じる。変換器多重数が増加すると直流回路の共振特性によりその変換器間の横流電流が増加し、直流回路のケーブルやブスバーなどの配線の電流責務が増大するという問題点がある。また直流回路の平滑コンデンサ容量にばらつきがあり配線インピーダンスがある場合、過渡変動時にコンデンサ電圧にばらつきが発生し、コンデンサ電圧が高い変換器から低い変換器へと直流の横流が生じる。
実施の形態1は、多重化する変換器ユニット毎に直流回路を設けて分離するとともに、各変換器ユニットの直流電圧を制御する手段を設ける構成とした変圧器多重電力変換装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態1の構成、動作について、変圧器多重電力変換装置のシステム構成図である図1、電力変換器の構成図である図2、変換器ユニットの回路図例である図3、4に基づいて説明する。
図1の変圧器多重電力変換装置1は、電力系統2に接続されており、電力変換器10、変換器制御部11、交流電圧検出器12、電流検出器13、および直流電圧検出器14で構成される。
以下、順次電力変換器10、さらに電力変換器10の構成機器である変換器ユニット25〜28および変換器制御部11の構成、機能について説明する。
図2は、電力変換器を単独で変圧器多重電力変換装置を構成した場合の構成図である。説明の都合上、図1の変圧器多重電力変換装置1と区別するため、変圧器多重電力変換装置101としている。
各変換器ユニット25〜28は、GCT(Gate Commutated Turn−Off thyristor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの自己消弧形素子を使用した電力変換機器で構成されている。直流電圧を保持する平滑コンデンサ29〜32は、変換器ユニット25〜28の直流電圧端子に接続されている。平滑コンデンサ29〜32が保持する直流電圧を、所望の交流電圧に変換する各変換器ユニット25〜28の交流電圧端子は、各変圧器21〜24の二次巻線に接続されている。各変圧器21〜24の一次巻線は、電力系統2に接続される。
各変圧器21〜24の電力系統2側の一次巻線は、各相直列接続されて星型結線され、各変換器ユニット25〜28の交流電圧が、各相直列合成された電圧が電力系統2に出力される。
各変換器ユニット25〜28の直流電圧端子に接続された各平滑コンデンサ29〜32は、それぞれ独立しており、相互に接続されていない。
例えば、後で具体的に説明するように、変圧器21の二次巻線各相の一端33には、平滑コンデンサ29の直流電圧を交流に変換する電力変換回路が接続され、二次巻線のもう一端34には、平滑コンデンサ29の直流電圧を交流に変換する電力変換回路が接続される。変圧器二次巻線に接続される二つの電力変換回路の直流回路は共通である。
まず、図3に基づいて、変換器ユニット25の具体例を説明する。
変換器ユニット25は、スイッチング素子S11〜S22と、ダイオードD11〜D22から構成される。スイッチング素子S11〜S22は、例えばGCTであるが、自己消弧型のスイッチング素子であればこれに限定されるものではない。ダイオードD11〜D22はスイッチング素子S11〜S22にそれぞれ逆並列接続される。
図3の例では、平滑コンデンサ29は、直流回路にコンデンサC1を1個直列に接続することで構成されており、直流電圧を平滑化する。
三相の場合、平滑コンデンサ29には6つの電力変換回路(例えば、S11、S12、D11、D12で一つの電力変換回路を構成する)が並列に接続されて、そのうち3つの交流出力端子が変圧器21の各相二次巻線の一端33に接続され、残りの3つの交流出力端子が各相二次巻き線のもう一端34に接続される。すなわち、各相二次巻線の両端それぞれに電力変換回路の交流出力端子が接続されて、2つの電力変換回路により二次巻線に交流電圧が出力される。ここで、図3の変換器ユニット25〜28の出力相電圧は、2レベルである。
図4において、変換器ユニット25は、スイッチング素子S31〜S54と、ダイオードD31〜D54とD60〜D71から構成される。スイッチング素子S31〜S54は、例えばGCTであるが自己消弧型のスイッチング素子であればこれに限定されるものではない。ダイオードD31〜D54はスイッチング素子S31〜S54にそれぞれ逆並列接続される。D60〜D71は中性点クランプダイオードである。
図4の例では平滑コンデンサ29(C3、C4)は、直流回路にコンデンサC3、C4を2個直列に接続することで構成されており、直流電圧を平滑化する。
図3と同様に、変圧器21の各相二次巻線の両端には、それぞれ一つの電力変換回路(例えば、S31、S32、S33、S34、D31、D32、D33、D34、D60、D61で一つの電力変換回路を構成する)の交流出力端子が接続されて、三相の場合6つの電力変換回路が平滑コンデンサ29に並列に接続される。ここで、図4の変換器ユニット25〜28の出力相電圧は、3レベルである。
変換器制御部11は、電圧位相検出部41、有効無効電流検出部42、直流電圧制御部43、ユニット個別直流電圧制御部44、無効電流制御部45、有効電流制御部46、電圧基準値生成部47、およびゲートパルス信号生成部48〜51とから構成される。
変換器制御部11の機能概要は、次の通りである。変換器制御部11は、電力系統2への接続線に設けられた交流電圧検出器12、電流検出器13によって検出された交流電圧、電流および各変換器ユニット25〜28の直流電圧端子の直流電圧を直流電圧検出器14によって検出された直流電圧に基づいて、電力変換器10における各変換器ユニット25〜28内のスイッチング素子をスイッチングさせることにより、各変換器ユニット25〜28の直流電圧を同一になるように制御するとともに、電力変換器10から電力系統2へ出力される電流を制御する。
電圧位相検出部41は、交流電圧検出器12により検出された電圧Vu、Vv、Vwから電圧位相を検出する。検出した電圧位相を電圧位相基準として、変換器制御部11は以下に説明するように制御を行う。
有効無効電流検出部42は、電流検出器13により検出された電流Iu、Iv、Iwと電圧位相検出部41から出力される電圧位相基準に基づいて、電力変換器10から電力系統2へ出力される有効無効電流Iq、Idを検出する。
ユニット個別直流電圧制御部44は、直流電圧検出器14により検出された変換器ユニット25〜28の直流電圧Vdcと、有効無効電流検出部42で検出される有効電流Iq、無効電流Idと、直流電圧制御部43で演算された直流電圧代表値Vdc_sとから、各変換器ユニット25〜28の直流電圧が同一となるように各変換器ユニット25〜28の電圧補正値ΔVdc1d〜ΔVdc4d、ΔVdc1q〜ΔVdc4qを求める。
有効電流制御部46は、有効無効電流検出部42により検出される有効電流Iqが指令値Iq*と一致するように、電力変換器10から出力される電圧のうち有効電流と同位相成分である有効電圧基準値Vq*を演算する。つまり有効電流制御部46は、電力変換器10から出力される交流電圧のうち有効電流にかかわる成分の制御を行なう。
電圧基準値生成部47にて、無効電流制御部45で算出された無効電圧基準値Vd*と、有効電流制御部46で算出された有効電圧基準値Vq*に、ユニット個別直流電圧制御部44で算出された変換器ユニット25の電圧補正値ΔVd1、ΔVq1を加算し、系統電圧と同位相であるV1d*とV1d*から位相が90度異なる成分であるV1q*を、静止座標系の三相(ある相に対し、他の相が120度進んだ成分および120度遅れた成分)に変換することで、変換器ユニット25から出力される出力交流電圧基準値V1u*、V1v*、V1w*を演算する。
まず直流電圧制御部43について説明する。一般的に、コンデンサの充放電により直流電圧を制御するには、コンデンサに流入流出する直流電流を変化させる。直流電流が変化することは有効電力が変化することとなるので、実施の形態1の変換器制御部11においては、有効電流指令値を変化させる。したがって、直流電圧制御部43では、直流電圧指令値Vdc*と、各変換器ユニット25〜28の直流電圧から算出される直流電圧代表値Vdc_sの偏差を小さくするような有効電流指令値Iq*を求める。
さらに、三相の場合、各変圧器21〜24の二次巻線をデルタ結線して、三相の電力変換回路で変換器ユニット25〜28を構成することもできる。
実施の形態2は、実施の形態1の変圧器多重電力変換装置1の変換器制御部11の直流電圧制御部43とユニット個別直流電圧制御部44について、さらに具体的回路に展開したものである。
実施の形態2の変圧器多重電力変換装置の構成は、実施の形態1の図1と同じであり、図5は図1の中の直流電圧制御部43とユニット個別直流電圧制御部44について詳細を示したものである。
以下、実施の形態2の直流電圧制御部243とユニット個別直流電圧制御部244の構成、動作について、主要部の詳細構成図である図5に基づいて説明する。
図5において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
直流電圧制御部243は、加算器251、演算器252、加減算器253、制御器254から構成される。
次に、直流電圧制御部243の機能について説明する。
直流電圧制御部243は、直流電圧指令値Vdc*と平滑コンデンサ29〜32の直流電圧から加算器251と演算器252で算出した直流電圧の平均値Vdc_aveとの偏差を加減算器253で算出し、この偏差を零にするように制御器254で制御を行い有効電流指令値Iq*を算出する。
これにより、変換器ユニット25〜28毎に接続されている平滑コンデンサ29〜32の直流電圧平均値Vdc_aveを直流電圧指令値Vdc*に制御することが可能となる。
ユニット個別直流電圧制御部244は、加減算器261〜264、制御器265〜268、乗算器269〜276、演算器277、割算器278、279、符号変換器280、281から構成される。
ユニット個別直流電圧制御部244の機能について説明する。
前述のように各変換器ユニット25〜28に接続されている平滑コンデンサ29〜32の電圧は、変換器の損失や各検出器、制御のばらつき等の要因により、実際にはアンバランスが生じる。よってユニット個別直流電圧制御部244では、各変換器ユニット25〜28の直流電圧のばらつきを補正する。
以下に、詳細を説明する。変換器ユニット25〜28はすべて同じであり、ここでは例として変換器ユニット25について説明する。
無効電流にかかる配分係数(以降、無効配分係数という)と有効電流にかかる配分係数(以降、有効配分係数という)は、無効配分係数の二乗と有効配分係数の二乗の和の平方根で計算される大きさが1となるように設定し、電圧補正値ΔVdc1にそれぞれ乗算(乗算器269〜276)して、変換器ユニット25の無効電圧補正値ΔVd1と有効電圧補正値ΔVq1を算出する。
具体的には、無効配分係数は検出された無効電流IdをIdの二乗とIqの二乗和の平方根で計算される(演算器277)出力電流の大きさで除算(割算器278)して算出する。有効配分係数は、有効電流IqをIdの二乗とIqの二乗和の平方根で計算される(演算器277)出力電流の大きさで除算(割算器279)して演算する。
変換器ユニット27は平均直流電圧Vdc_aveと変換器ユニット27の直流電圧Vdc3より電圧基準値V3u*、V3v*、V3w*を算出する。
変換器ユニット28は平均直流電圧Vdc_aveと変換器ユニット28の直流電圧Vdc4より電圧基準値V4u*、V4v*、V4w*を算出する。
実施の形態3の変圧器多重電力変換装置は、実施の形態1の変圧器多重電力変換装置(以下、第1の変圧器多重電力変換装置)の変換器ユニットの直流電圧端子に接続された電源または負荷が、実施の形態1の変圧器多重電力変換装置と同一構成の第2の変圧器多重電力変換装置の場合である。具体的には、第1の変圧器多重電力変換装置の各変換器ユニットの直流電圧端子と第2の変圧器多重電力変換装置の各変換器ユニットの直流電圧端子とを接続した構成としたものである。
図6において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
なお、図6において、第1の変圧器多重電力変換装置および第2の変圧器多重電力変換装置の基本的な構成、機能は実施の形態1と同じであるため、説明は省略し、差異部を中心に説明する。
すなわち、2つの変圧器多重電力変換装置である第1の変圧器多重電力変換装置と第2の変圧器多重電力変換装置を、各変換器ユニットの直流部を接続した構成となっている。
変圧器多重電力変換装置301は、1方の系統から他の系統へと電力を融通する回路構成であり、直流回路には融通電力による大きな直流電流が流れる。
これにより、変圧器多重電力変換装置の直流回路の横流が流れず、直流回路を簡素にすることができ、多重数を増加することができる。
実施の形態4の変圧器多重電力変換装置は、実施の形態1の変圧器多重電力変換装置の各変換器ユニットの直流電圧端子を高インピーダンス機器で相互接続した構成であり、具体的には、各変換器ユニットの直流電圧端子に接続された各平滑コンデンサを、共通のコンデンサで相互に接続した構成としたものである。
以下、本願発明の実施の形態4の構成、動作について、変圧器多重電力変換装置401のシステム構成図である図7に基づいて、実施の形態1との差異部を中心に説明する。
図7において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
変換器ユニット25〜28にて変換された直流電圧を保持する平滑コンデンサは、各変換器ユニット25〜28の直流電圧端子に接続された各平滑コンデンサ70〜73と各変換器ユニット共通のコンデンサ74とで構成されている。つまり実施の形態4では、各変換器ユニットの直流部はコンデンサ74で相互に接続されているという特徴を持つ。
さらに、平滑コンデンサ70〜73とコンデンサ74の間にはインピーダンスが存在し、直流回路の共振は発生しない。このインピーダンスの例としては、装置が大型で直流回路が長くなることにより抵抗が大きくなる場合や、回路に挿入されたダンピング抵抗がある。
また、各変換器ユニット25〜28の平滑コンデンサ70〜73を相互に接続することで、平滑コンデンサ70〜73の対地電圧がほぼ同電位となる。直流回路がほぼ同電位となることにより、変換器の絶縁設計の簡素化、および直流回路に設けられている地絡保護検出を共通化が可能となる。
さらに、各変換器ユニット25〜28の各平滑コンデンサ29〜32を相互に接続することで、各平滑コンデンサ29〜32の対地電圧がほぼ同電位、すなわち直流回路がほぼ同電位となることにより、変換器ユニットの絶縁設計の簡素化、および直流回路に設けられている地絡保護検出を共通化が可能となる。
実施の形態5の変圧器多重電力変換装置は、実施の形態1の変圧器多重電力変換装置1の変換器制御部11のユニット個別直流電圧制御部44について、別の具体的回路に展開したものである。
実施の形態5の変圧器多重電力変換装置の構成は、実施の形態1の図1と同じであり、図8は図1の中の直流電圧制御部43とユニット個別直流電圧制御部44について詳細を示したものであり、実施の形態2の図5とはユニット個別直流電圧制御部が異なる。
以下、実施の形態5の直流電圧制御部243とユニット個別直流電圧制御部544の構成、動作について、主要部の詳細構成図である図8に基づいて説明する。実施の形態2と同一の構成要素の説明は省略する。
図8において、図1あるいは図5と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
ユニット個別直流電圧制御部544は、加減算器561〜564、制御器565〜568、乗算器569〜576、演算器577、割算器578、579、符号変換器580、581から構成される。
ユニット個別直流電圧制御部544の機能について説明する。
ユニット個別直流電圧制御部544は、直流電圧検出器14により検出された変換器ユニット25〜28の直流電圧と有効無効電流検出部42で検出される有効電流Iqと無効電流Idとから、各変換器ユニット25〜28の電圧補正値ΔVdc1d〜ΔVdc4d、ΔVdc1q〜ΔVdc4qを求める。
変換器ユニット25〜28はすべて同じであり、ここでは、例えば変換器ユニット25について説明する。また例として、直流電圧代表値Vdc_sを、各変換器ユニット25〜28の直流電圧の平均値Vdc_aveとした場合を説明する。
電圧は電力を電流で除すことで計算できるので、有効電力偏差ΔP1を有効電流で除算し、電圧偏差ΔVdc1を求める。電圧偏差ΔVdc1から無効電圧補正値ΔVd1と有効電圧補正値ΔVq1の演算方法は、実施の形態2と同様のため詳細な説明は省略する。
上記より有効電力偏差ΔP1をIdの二乗とIqの二乗の和(演算器577)で除算(割算器578、579)し、検出された無効電流Idと有効電流Iqをそれぞれ乗算(乗算器569、579)することで、無効電圧補正値ΔVd1および有効電圧補正値ΔVq1が演算できる。
変換器ユニット27は平均直流電圧Vdc_aveと変換器ユニット27の直流電圧Vdc3とVd*、Vq*、Id*、Iq*より、電圧基準値V3u*、V3v*、V3w*を算出する。
変換器ユニット28は平均直流電圧Vdc_aveと変換器ユニット28の直流電圧Vdc4とVd*、Vq*、Id*、Iq*より、電圧基準値V4u*、V4v*、V4w*を算出する。
10,310,410 電力変換器、
11,211,311,411,511 変換器制御部、12,312 交流電圧検出器、13,313 電流検出器、14 直流電圧検出器、
21,22,23,24,59,60,61,62 変圧器、
25,26,27,28,55,56,57,58 変換器ユニット、
29,30,31,32 平滑コンデンサ、41 電圧位相検出部、
42 有効無効電流検出部、43,243 直流電圧制御部
44,244,544 ユニット個別直流電圧制御部、45 無効電流制御部、
46 有効電流制御部、47 電圧基準値生成部、
48,49,50,51 ゲートパルス信号生成部、74 コンデンサ、
254,265,266,267,268,565,566,567,568 制御器。
Claims (8)
- 多相交流電力と直流電力を相互に変換する複数台の変換器ユニットと、
複数台の変圧器と、
変換器制御部から構成され、
前記各変換器ユニットの交流電圧端子は前記各変圧器を介して直列接続されて電力系統に連系され、
前記各変換ユニットの直流電圧端子は相互に独立し、
前記変換器制御部は、前記各変換器ユニットの直流電圧が所定の値になるように、前記各変換器ユニットを制御する変圧器多重電力変換装置。 - 前記各変換器ユニットの前記各直流電圧端子を相互に高インピーダンスで接続する構成とした請求項1に記載の変圧器多重電力変換装置。
- 前記変換器ユニットの直流電圧端子に、電源または負荷が接続され、前記変換器ユニットの直流電圧端子は相互に独立しており、前記各変換器ユニットの通過電力はほぼ同じである請求項1に記載の変圧器多重電力変換装置。
- 前記高インピーダンスはコンデンサであり、前記各変換ユニットの前記各直流電圧端子に接続された各平滑コンデンサを前記コンデンサで相互接続する構成とした請求項2に記載の変圧器多重電力変換装置。
- 前記電源または負荷は、前記変圧器多重電力変換装置と同一構成の第2の変圧器多重電力変換装置であり、前記各変換器ユニットの直流電圧端子と前記第2の変圧器多重電力変換装置の各変換器ユニットの直流電圧端子とを接続する構成とした請求項3に記載の変圧器多重電力変換装置。
- 前記変換器制御部は、前記各変換器ユニットの直流電圧を検出する直流電圧検出器と、
前記電力系統への連系線に設置した交流電圧検出器で検出した交流電圧から電圧位相基準を検出する電圧位相検出部と、
前記電力系統への連系線に設置した電流検出器で検出した交流電流から前記電圧位相基準に基づき前記電力系統へ出力される交流電流の有効電流および無効電流を検出する有効無効電流検出部と、
前記直流電圧検出値と直流電圧指令値に基づいて、有効電流指令値を演算する直流電圧制御部と、
前記有効電流と前記無効電流と前記直流電圧検出値に基づいて、前記各変換器ユニットの前記直流電圧が同一となるように前記直流電圧の直流電圧補正値を演算するユニット個別直流電圧制御部と、
前記無効電流が無効電流指令値に一致するように、無効電流に関する無効電圧基準値を演算する無効電流制御部と、
前記有効電流が有効電流指令値に一致するように、前記有効電流に関する有効電圧基準値を演算する有効電流制御部と、
前記無効電圧基準値と前記有効電圧基準値と前記直流電圧補正値と前記電圧位相基準に基づいて、前記各変換器ユニットの出力交流電圧基準値を演算する電圧基準値生成部と、
前記交流電圧基準値に基づいて、前記各変換ユニットのスイッチング素子を駆動するためのゲートパルス信号を生成するゲートパルス信号生成部と、
から構成される請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の変圧器多重電力変換装置。 - 前記直流電圧制御部は、前記直流電圧検出値から直流電圧代表値を算出し、前記直流電圧代表値が前記直流電圧指令値に一致するように、前記有効電流指令値を演算し、
前記ユニット個別直流電圧制御部は、前記直流電圧代表値と前記直流電圧検出値との偏差を零に制御する制御器を備え、前記制御器の出力である有効電力に関わる電圧補正値から前記有効電流に関する有効電圧補正値と前記無効電流に関する無効電圧補正値を演算する構成とした請求項6に記載の変圧器多重電力変換装置。 - 前記直流電圧制御部は、前記直流電圧検出値から直流電圧代表値を算出し、前記直流電圧代表値が前記直流電圧指令値に一致するように、前記有効電流指令値を演算し、
前記ユニット個別直流電圧制御部は、前記直流電圧代表値と前記直流電圧検出値の偏差を零に制御する制御器を備え、前記制御器の出力である有効電力偏差から、前記有効電流に関する有効電圧補正値と前記無効電流に関する無効電圧補正値を演算する構成とした請求項6に記載の変圧器多重電力変換装置。
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