JP2015126632A - マトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を継続し、かつ、回転電機のトルクを制御することができるマトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法を提供すること。【解決手段】マトリクスコンバータ３は、電力変換部１０と、駆動制御部とを備える。電力変換部は、交流電源４の各相と回転電機８の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む。駆動制御部は、交流電源の電圧が所定値以下である場合に、電力変換部を制御して電力変換部から交流電源へ無効電力を供給し、かつ、回転電機のトルクを制御する。【選択図】図２

Description

開示の実施形態は、マトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法に関する。

マトリクスコンバータは、高調波電流の抑制や回生電力の有効利用が可能であることから、新しい電力変換装置として注目されている。かかるマトリクスコンバータには、交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備え、これらの双方向スイッチを制御して電力変換を行うものがある。

この種のマトリクスコンバータにおいて、交流電源が何らかの理由により低電圧となった場合に、電力変換動作を停止する技術が知られている。例えば、双方向スイッチによって交流電源の各相電圧を制御して発動機を駆動している状態で、交流電源が低電圧となった場合に、発動機への電力供給を停止させる技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８７２００号公報

しかしながら、回転電機を負荷とするマトリクスコンバータにおいては、交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を停止させずに継続させることが望ましく、この場合、さらに、回転電機のトルクを制御することが望ましい。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を継続し、かつ、回転電機のトルクを制御することができるマトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様にかかるマトリクスコンバータは、電力変換部と、駆動制御部とを備える。前記電力変換部は、交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む。前記駆動制御部は、前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記電力変換部を制御して前記電力変換部から前記交流電源へ無効電力を供給し、かつ、前記回転電機のトルクを制御する。

実施形態の一態様によれば、交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を継続し、かつ、回転電機のトルクを制御することができるマトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法を提供することができるという効果を奏する。

図１は、第１の実施形態にかかる風力発電システムの構成例を示す図である。 図２は、図１に示すマトリクスコンバータの構成例を示す図である。 図３は、図２に示す双方向スイッチの構成例を示す図である。 図４は、図２に示す制御部の制御例を示すフローチャートである。 図５は、図２に示す第２の駆動制御部の具体的構成の一例を示す図である。 図６は、系統無効電流指令と系統電圧値との関係の一例を示す図である。 図７は、電流形インバータモデルを示す図である。 図８は、発電機位相とスイッチ駆動信号との関係を示す図である。 図９は、系統補正位相とスイッチ駆動信号との関係を示す図である。 図１０Ａは、スイッチ駆動信号によるスイッチング素子の状態を示す図（その１）である。 図１０Ｂは、スイッチ駆動信号によるスイッチング素子の状態を示す図（その２）である。 図１０Ｃは、スイッチ駆動信号によるスイッチング素子の状態を示す図（その３）である。 図１１は、図７に示す電流形インバータモデルのコンバータにおける空間ベクトルの一例を示す図である。 図１２は、図１１に示す空間ベクトルの一部分における電流ベクトルとデューティ比との関係を示す図である。 図１３は、電流ベクトルに対応するスイッチングパターンの一例を示す空間ベクトル図である。 図１４は、系統パルスパターン生成器のスイッチングパターンを示す図である。 図１５は、電力変換部の構成例を示す図である。 図１６は、第２の実施形態にかかるマトリクスコンバータの構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するマトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。また、以下の実施形態では、三相交流発電機（ＡＣＧ）である回転電機の発電電力をマトリクスコンバータにより変換して交流電源へ供給する例を説明するが、回転電機は交流発電機に限らず、例えば、交流電動機としてもよい。また、交流電源として三相交流の電力系統（Ｇｒｉｄ）を例に挙げて説明するが、交流電源はこれに限られない。

［１．第１の実施形態］
図１は、第１の実施形態にかかる風力発電システムの構成例を示す図である。図１に示すように、第１の実施形態にかかる風力発電システム１は、発電部２と、マトリクスコンバータ３とを備える。マトリクスコンバータ３は、発電部２と電力系統４との間に接続され、発電部２により発電された電力を変換して電力系統４へ出力する。

発電部２は、複数のブレード５と、ロータ６と、シャフト７と、回転電機８と、位置検出器９とを備える。複数のブレード５は、シャフト７の先端に設けられたロータ６に取り付けられ、風力を受けてロータ６およびシャフト７を回転させる。シャフト７は、回転電機８に取り付けられており、回転電機８はロータ６およびシャフト７の回転力に応じた電力を発生することができる。

回転電機８は、交流発電機であり、例えば、永久磁石タイプの回転電機である。位置検出器９は、例えば、シャフト７の回転位置を検出することによって回転電機８の出力軸の回転位置θ_Ｇを検出する。

［１．１．マトリクスコンバータ３］
図２は、マトリクスコンバータ３の構成例を示す図である。図２に示すように、マトリクスコンバータ３は、系統側端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔと、発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗと、電力変換部１０と、ＬＣフィルタ１１と、電流検出部１２と、電圧検出部１３と、停電検出部１４と、制御部１５とを備える。電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相が系統側端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔに接続され、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相が発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗに接続される。

電力変換部１０は、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を備える。双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ３は、電力系統４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機８のＵ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。

双方向スイッチＳｗ４〜Ｓｗ６は、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機８のＶ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。双方向スイッチＳｗ７〜Ｓｗ９は、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機８のＷ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。

双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、例えば、図３に示すような構成を有する。図３は、各双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の構成例を示す図である。図３に示すように、各双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、片方向スイッチング素子２４とダイオード２６とによる直列接続体と、片方向スイッチング素子２５とダイオード２７とによる直列接続体とが、逆方向に並列に接続されて構成される。

片方向スイッチング素子２４、２５は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子である。また、片方向スイッチング素子２４、２５は、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮであってもよい。

なお、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、図３に示す構成に限られない。例えば、図３に示す例では、ダイオード２６、２７のカソード同士が接続されていないが、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、ダイオード２６、２７のカソード同士が接続された構成でもよい。また、片方向スイッチング素子２４、２５が逆素子ＩＧＢＴの場合、ダイオード２６、２７を設けなくてもよい。

図２に戻って、マトリクスコンバータ３の説明を続ける。ＬＣフィルタ１１は、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相と電力変換部１０との間に設けられ、電力変換部１０から電力系統４へのノイズの影響を抑制する。具体的には、ＬＣフィルタ１１は、３つのリアクトルと３つのコンデンサを含み、電力変換部１０を構成する双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のスイッチングに起因するスイッチングノイズを除去する。なお、ＬＣフィルタ１１は、図２に示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。

電流検出部１２は、電力系統４とＬＣフィルタ１１との間に設けられ、マトリクスコンバータ３と電力系統４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相との間に流れる電流の瞬時値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ（以下、系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔと記載する）を検出する。なお、電流検出部１２は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する。

電圧検出部１３は、電力系統４と電力変換部１０との間に設けられ、電力系統４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ（以下、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと記載する）を検出する。

停電検出部１４は、系統電圧の電圧値Ｖａ（以下、系統電圧値Ｖａと記載する）が電圧値Ｖ１以下であるか否かを検出する。停電検出部１４は、系統電圧値Ｖａが電圧値Ｖ１以下である場合には、電力系統４が停電したと判定してＨｉｇｈレベルの停電検出信号Ｓｄを出力する。一方、停電検出部１４は、系統電圧値Ｖａが電圧値Ｖ１を超える場合には、電力系統４が停電していないと判定してＬｏｗレベルの停電検出信号Ｓｄを出力する。

停電検出部１４は、例えば、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換して、α軸方向の系統電圧値Ｖ_αとβ軸方向の系統電圧値Ｖ_βとを求める。そして、停電検出部１４は、系統電圧値Ｖ_α、Ｖ_βの自乗和平方根（＝√（Ｖ_α ^２＋Ｖ_β ^２））を演算し、演算結果を系統電圧値Ｖａとする。

制御部１５は、停電検出信号Ｓｄに応じたスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を生成し、かかるスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８により電力変換部１０の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を制御する。

図４は、制御部１５の制御例を示すフローチャートである。図４に示すように、制御部１５は、停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルか否かを判定する（Ｓｔｅｐ１０）。停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルであると判定すると（Ｓｔｅｐ１０；Ｙｅｓ）、制御部１５は、回転電機８の回転位置θ_Ｇに基づいて制動用トルク指令Ｉｂｒａを生成する（Ｓｔｅｐ１１）。

例えば、制御部１５は、回転電機８の回転位置θ_Ｇに基づき、回転電機８の回転速度ω_Ｇを判定し、かかる回転速度ω_Ｇと設定速度ωｒｅｆとの偏差がゼロになるように、制動用トルク指令Ｉｂｒａを生成する。なお、制御部１５は、例えば、停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになる直前の回転速度ω_Ｇを設定速度ωｒｅｆとする。

次に、制御部１５は、電力系統４へ供給する無効電流の値と制動用トルク指令Ｉｂｒａとに基づき、無効電流供給期間Ｔ１とトルク制御期間Ｔ２とを決定する（Ｓｔｅｐ１２）。無効電流供給期間Ｔ１は、マトリクスコンバータ３から電力系統４へ無効電流を供給する期間であり、トルク制御期間Ｔ２は、マトリクスコンバータ３によって回転電機８のトルク制御を行う期間である。

制御部１５は、電力変換部１０を制御することにより無効電流供給処理およびトルク制御処理を順次または逆順で実行する。無効電流供給処理により、無効電流供給期間Ｔ１において電力変換部１０から電力系統４へ無効電流が供給され、トルク制御処理により、トルク制御期間Ｔ２において電力変換部１０により回転電機８のトルク制御が行われる（Ｓｔｅｐ１３）。停電検出信号Ｓｄが継続してＨｉｇｈレベルである場合、Ｓｔｅｐ１１〜Ｓｔｅｐ１３の処理が繰り返し行われる。

一方、停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルではないと判定すると（Ｓｔｅｐ１０；Ｎｏ）、制御部１５は、電力変換部１０を制御して、回転電機８の発電電力を電力系統４へ供給する（Ｓｔｅｐ１４）。かかる処理において、制御部１５は、例えば、回転電機８の発電電力を電力系統４の電圧および周波数に対応する電力に変換して電力系統４へ出力するように電力変換部１０を制御する。

このように、マトリクスコンバータ３は、電力系統４が低電圧になった場合に、無効電力を電力系統４へ供給することにより電力変換動作を継続し、かつ、回転電機８のトルクを制御する。これにより、例えば、電力系統４が停電になった場合でも、回転電機８の回転速度ω_Ｇを抑制することができる。その結果、例えば、回転電機８の回転速度ω_Ｇが発電部２の定格を超え、発電部２が故障するような事態を回避することができる。

制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータや各種の回路を含む。かかるマイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、上述した制御を実現する。

制御部１５は、図２に示すように、例えば、切替部２０と、第１の駆動制御部２１と、第２の駆動制御部２２とを備え、上述した制御を実現する。これら切替部２０、第１の駆動制御部２１および第２の駆動制御部２２の機能は、上記ＣＰＵが上記プログラムを読み出して実行することにより実現される。なお、切替部２０、第１の駆動制御部２１および第２の駆動制御部２２の少なくともいずれかまたは全部をハードウェアのみで構成することもできる。

切替部２０は、停電検出部１４から出力される停電検出信号Ｓｄに基づいて、電力変換部１０へ出力するスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を選択して出力する。具体的には、切替部２０は、停電検出信号ＳｄがＬｏｗレベルである場合、第１の駆動制御部２１によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として出力する。また、切替部２０は、停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである場合、第２の駆動制御部２２によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として出力する。

第１の駆動制御部２１は、電圧指令を生成する。かかる電圧指令は、例えば、回転電機８が発生すべきトルクを規定するトルク指令に基づいて公知の同期発電機のベクトル制御則によって生成される。第１の駆動制御部２１は、公知のマトリクスコンバータのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方法によって電圧指令に応じた電圧を回転電機８に出力するためのスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８を生成して電力変換部１０へ出力する。

電力変換部１０の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９はスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８によりＰＷＭ制御される。これにより、電力変換部１０は、回転電機８の発電電力を電力系統４の電圧および周波数に対応する有効電力に変換して電力系統４へ出力する。

第２の駆動制御部２２は、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ、系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔおよび回転位置θ_Ｇに基づいて、スイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８を生成する。第２の駆動制御部２２は、かかるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８により、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する複数の片方向スイッチング素子２４、２５を個別に制御して上述した無効電流供給処理とトルク制御処理とを繰り返し行う。

第２の駆動制御部２２は、無効電力を電力系統４へ供給しつつ、電力変換部１０を介して回転電機８の相間（線間）を間欠的に接続するようにスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８を電力変換部１０へ出力することにより、回転電機８のトルクを制御する。

回転電機８にはインダクタンス分と直列に抵抗分が存在する。したがって、電力変換部１０を介して回転電機８の相間を接続することにより回転電機８の抵抗分に電流が流れ、回転電機８にトルクが発生する。電力変換部１０を介した回転電機８の相間の接続は、間欠的に行われることから、第２の駆動制御部２２は、回転電機８の相間を接続しないタイミングで、電力変換部１０から無効電流を電力系統４へ供給させることで、電力変換部１０の電力変換動作を継続させることができる。以下、第２の駆動制御部２２の具体的構成の一例について具体的に説明する。

［１．２．第２の駆動制御部２２］
図５は、第２の駆動制御部２２の具体的構成の一例を示す図である。図５に示すように、第２の駆動制御部２２は、有効電流補償部３１と、無効電流補償部３２と、回転電機速度補償部３３と、パルスパターン生成部３４とを備える。

［１．２．１．有効電流補償部３１］
有効電流補償部３１は、系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔおよび電力系統４の電圧位相θｒｓｔ（以下、系統位相θｒｓｔと記載する）に基づき、系統位相補償値ｄθｒｓｔを生成し、生成した系統位相補償値ｄθｒｓｔをパルスパターン生成部３４へ出力する。

かかる有効電流補償部３１は、ＰＱ変換器４１と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）４２と、系統有効電流指令器４３と、減算器４４と、系統有効電流制御器４５とを備える。

ＰＱ変換器４１は、系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換し、さらに、かかるαβ軸座標系の成分を、系統位相θｒｓｔに応じて回転する回転座標系の成分へ変換することによって、系統有効電流ＩＰと系統無効電流ＩＱとを求める。

ＰＱ変換器４１は、例えば、下記式（１）の演算を行うことで、系統有効電流ＩＰと系統無効電流ＩＱとを求める。

ＬＰＦ４２は、系統有効電流ＩＰから高周波成分を除去して減算器４４へ出力する。これにより、系統有効電流ＩＰからスイッチングノイズによる影響を除去するようにしている。

減算器４４は、系統有効電流指令器４３から出力される系統有効電流指令ＩＰｒｅｆからＬＰＦ４２の出力を減算することによって、系統有効電流指令ＩＰｒｅｆと系統有効電流ＩＰとの偏差である系統有効電流偏差を演算し、系統有効電流制御器４５へ出力する。

系統有効電流制御器４５は、例えば、ＰＩ（比例積分）制御器から構成され、系統有効電流偏差がゼロとなるように比例積分演算を行うことによって、系統位相補償値ｄθｒｓｔを生成する。ここでは、系統有効電流指令ＩＰｒｅｆは、ゼロに設定されており、系統有効電流制御器４５は、系統有効電流ＩＰがゼロとなるように系統位相補償値ｄθｒｓｔを生成する。

［１．２．２．無効電流補償部３２］
図５に示す無効電流補償部３２は、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに基づいて、発電機位相補正値ｄθｕｖｗを生成し、生成した発電機位相補正値ｄθｕｖｗをパルスパターン生成部３４へ出力する。かかる無効電流補償部３２はローパスフィルタ（ＬＰＦ）５１と、系統無効電流指令器５２と、減算器５３と、系統無効電流制御器５４とを備える。

系統無効電流指令器５２は、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを生成して出力する。減算器５３は、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆからＬＰＦ５１の出力を減算することによって、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと系統無効電流ＩＱとの偏差である系統無効電流偏差を演算し、系統無効電流制御器５４へ出力する。

系統無効電流制御器５４は、例えば、ＰＩ制御器から構成され、系統無効電流偏差がゼロとなるように比例積分演算を行うことによって、発電機位相補正値ｄθｕｖｗを生成する。系統無効電流指令ＩＱｒｅｆは、例えば、系統電圧値Ｖａに応じた値とすることができる。

図６は、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと系統電圧値Ｖａとの関係の一例を示す図である。図６に示すように、系統無効電流指令器５２は、系統電圧値Ｖａが第２閾値である電圧値Ｖ２を超え、かつ第１閾値である電圧値Ｖ１以下の場合に、系統電圧値Ｖａが大きくなると直線で表される関係に従い値が減少する系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを生成する。

また、系統無効電流指令器５２は、系統電圧値Ｖａが第２閾値である電圧値Ｖ２以下の場合に、最大値となり、第１閾値である電圧値Ｖ１を超える場合は、ゼロ値となる系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを生成する。なお、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと系統電圧値Ｖａとの関係は、図６に示す例に限られず、異なる関係であってもよい。

［１．２．３．回転電機速度補償部３３］
図５に示す回転電機速度補償部３３は、回転電機８の回転位置θ_Ｇ、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆおよび系統補正位相θｒｓｔ’を取得し、ＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂを生成してパルスパターン生成部３４へ出力する。かかる回転電機速度補償部３３は、記憶部６０と、制動用トルク指令器６１と、制動比率演算器６２と、キャリア比較器６３とを備える。

記憶部６０は、停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルになる直前の回転速度ω_Ｇを設定速度ωｒｅｆとして記憶する。

制動用トルク指令器６１は、回転電機８の回転位置θ_Ｇに基づき、回転電機８の回転速度ω_Ｇを判定し、かかる回転速度ω_Ｇと設定速度ωｒｅｆとの偏差がゼロになるように、制動用トルク指令Ｉｂｒａを生成する。制動用トルク指令器６１は、生成した制動用トルク指令Ｉｂｒａを制動比率演算器６２へ出力する。制動用トルク指令器６１は、例えば、内部の設定速度パラメータＰｓに基づいて、設定速度ωｒｅｆを決定する。

例えば、制動用トルク指令器６１は、設定速度パラメータＰｓが「０」の場合、記憶部６０に記憶された設定速度ωｒｅｆを用いて制動用トルク指令Ｉｂｒａを生成する。また、制動用トルク指令器６１は、設定速度パラメータＰｓが「１」の場合、予め設定された上限速度ωｍａｘを設定速度ωｒｅｆとする。

制動比率演算器６２は、制動用トルク指令Ｉｂｒａおよび系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに基づき、デューティ比Ｄｏを決定する。デューティ比Ｄｏは、キャリア周期Ｔｃに対する無効電流供給期間Ｔ１の比率である。制動比率演算器６２は、例えば、下記式（２）の演算を行うことにより、デューティ比Ｄｏを決定する。式（２）は、電力系統４へ出力する電流に対する回転電機８の相間に流す電流の比に対応するデューティ比である。

さらに、制動比率演算器６２は、デューティ比Ｄｏおよび系統補正位相θｒｓｔ’に基づいて、デューティ比Ｄａ、Ｄｂを決定する。デューティ比Ｄａは、後述するａベクトルのキャリア周期Ｔｃに対する比率であり、デューティ比Ｄｂは、後述するｂベクトルのキャリア周期Ｔｃに対する比率である。

制動比率演算器６２は、例えば、下記式（３）、（４）の演算を行うことにより、デューティ比Ｄａ、Ｄｂを決定する。下記式（３）、（４）において、角度θａは、系統電流ベクトルＩｏとａベクトルとの角度であり、後述するように、系統補正位相θｒｓｔ’に基づいて判定される。

キャリア比較器６３は、キャリア信号Ｓｃとデューティ比Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂを比較することにより、ＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂを生成する。キャリア信号Ｓｃは、例えば、三角波、鋸波、または、台形波であり、キャリア信号Ｓｃの振幅は、「１」である。

キャリア比較器６３は、例えば、キャリア信号Ｓｃの値が上昇する場合、キャリア信号ＳｃがＤｏの値になるまでＰＷＭ信号ＳｏをＨｉｇｈレベルにし、ＰＷＭ信号Ｓａ、ＳｂをＬｏｗレベルにする。その後、キャリア信号ＳｃがＤｏの値になると、キャリア比較器６３は、ＰＷＭ信号ＳａをＨｉｇｈレベルにし、ＰＷＭ信号Ｓｏ、ＳｂをＬｏｗレベルにする。さらに、キャリア信号ＳｃがＤｏ＋Ｄａの値になると、キャリア比較器６３は、ＰＷＭ信号ＳｂをＨｉｇｈレベルにし、ＰＷＭ信号Ｓｏ、ＳａをＬｏｗレベルにする。

また、キャリア比較器６３は、例えば、キャリア信号Ｓｃの値が１から下降する場合、キャリア信号ＳｃがＤｂの値になるまでＰＷＭ信号ＳｂをＨｉｇｈレベルにし、ＰＷＭ信号Ｓｏ、ＳａをＬｏｗレベルにする。その後、キャリア信号ＳｃがＤｂの値になると、キャリア比較器６３は、ＰＷＭ信号ＳａをＨｉｇｈレベルにし、ＰＷＭ信号Ｓｏ、ＳｂをＬｏｗレベルにする。さらに、キャリア信号ＳｃがＤｂ＋Ｄａの値になると、キャリア比較器６３は、ＰＷＭ信号ＳｏをＨｉｇｈレベルにし、ＰＷＭ信号Ｓａ、ＳｂをＬｏｗレベルにする。

このように、キャリア比較器６３は、キャリア周期Ｔｃにおいて、デューティ比Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂに応じた期間でＨｉｇｈレベルになるＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂを生成して出力する。なお、ＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂの生成方法は、上述した例に限定されるものではなく、デューティ比Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂに応じた期間でＨｉｇｈレベルになるＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂを生成できればよい。

［１．２．４．パルスパターン生成部３４］
図５に示すパルスパターン生成部３４は、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ、回転位置θ_Ｇ、系統位相補償値ｄθｒｓｔ、発電機位相補正値ｄθｕｖｗ、停電検出信号ＳｄおよびＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂに基づき、スイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を生成する。

パルスパターン生成部３４は、系統周波数検出器７０と、保持器７１と、積分器７２と、加算器７３と、発電機位相生成器７４と、加算器７５とを備える。また、パルスパターン生成部３４は、発電機パルスパターン生成器７６と、系統パルスパターン生成器７７と、ＧｒＧｅスイッチ駆動信号生成器７８と、ＧｅＧｒスイッチ駆動信号生成器７９とを備える。

系統周波数検出器７０は、例えば、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）であり、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに基づき、電力系統４の電圧周波数と同期した系統周波数ｆｒｓｔを出力する。

保持器７１は、停電検出信号ＳｄがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変換したタイミングで、系統周波数検出器７０から出力される系統周波数ｆｒｓｔを保持し、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変換したタイミングで、系統周波数ｆｒｓｔの保持を解除する。

積分器７２は、保持器７１から出力される系統周波数ｆｒｓｔを積分し、系統位相θｒｓｔを生成し、有効電流補償部３１および加算器７３へ出力する。加算器７３は、系統位相θｒｓｔに系統位相補償値ｄθｒｓｔを加算して系統補正位相θｒｓｔ’を生成し、生成した系統補正位相θｒｓｔ’を系統パルスパターン生成器７７へ出力する。

発電機位相生成器７４は、回転位置θ_Ｇに回転電機８の極対数を掛け算することにより、発電機位相θｕｖｗを生成し、加算器７５へ出力する。加算器７５は、発電機位相θｕｖｗに発電機位相補正値ｄθｕｖｗを加算して発電機補正位相θｕｖｗ’を生成し、生成した発電機補正位相θｕｖｗ’を発電機パルスパターン生成器７６へ出力する。

パルスパターン生成部３４は、図７に示す電流形インバータモデルを用いてスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を生成する。図７は、電流形インバータモデルを示す図である。マトリクスコンバータ３を電流源とみなし、電流形インバータモデルを用いてマトリクスコンバータ３を仮想的な電流形インバータ・コンバータとみなすことで、無効電流を電力系統４へ流すことができる。

電流形インバータモデル８０は、図７に示すように、インバータ８１とコンバータ８２を備えるモデルである。インバータ８１は、回転電機８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｓｗｕｐ、Ｓｗｖｐ、Ｓｗｗｐ、Ｓｗｕｎ、Ｓｗｖｎ、Ｓｗｗｎ（以下、スイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎと記載する場合がある）から構成される。かかるスイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎは、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ（以下、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎと記載する場合がある）によって駆動される。

コンバータ８２は、電力系統４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相にフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子Ｓｗｒｐ、Ｓｗｓｐ、Ｓｗｔｐ、Ｓｗｒｎ、Ｓｗｓｎ、Ｓｗｔｎ（以下、スイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎと記載する場合がある）から構成される。かかるスイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎは、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐ、Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎ（以下、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎと記載する場合がある）によって駆動される。

図５に戻ってパルスパターン生成部３４の説明を続ける。発電機パルスパターン生成器７６は、発電機補正位相θｕｖｗ’に応じたスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成する。図８は、発電機位相θｕｖｗとスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎとの関係を示す図である。

発電機パルスパターン生成器７６は、発電機位相θｕｖｗに対して１２０度通電の電流を流すインバータ８１のスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎのスイッチングパターンを有し、発電機補正位相θｕｖｗ’に応じてスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。

発電機補正位相θｕｖｗ’は、系統無効電流偏差がゼロとなるように求められた発電機位相補正値ｄθｕｖｗが発電機位相θｕｖｗに加算されて求められる。そのため、発電機パルスパターン生成器７６は、発電機補正位相θｕｖｗ’を基準とすることで、図８に示すように、発電機位相θｕｖｗに対して、π／２−ｄθｕｖｗ遅れた電流が流れるように、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。これにより、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと等しい大きさの無効電流を電力系統４に流すことができる。

発電機パルスパターン生成器７６は、回転電機８側のいずれか２つの相の間に電流を流すスイッチング素子を常にオンにするようにスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。例えば、−π／６≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｗｐ、ＳｖｎがＨｉｇｈレベルであり、その他はＬｏｗレベルである。これにより、Ｗ相とＶ相との間に電流が流れる。

同様に、π／６≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜π／２の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、ＳｖｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｕ相とＶ相との間に電流が流れる。π／２≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜５π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、ＳｗｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｕ相とＷ相との間に電流が流れる。５π／６≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜７π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｖｐ、ＳｗｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｖ相とＷ相との間に電流が流れる。

７π／６≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜９π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｖｐ、ＳｕｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｖ相とＵ相との間に電流が流れる。９π／６≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜１１π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｗｐ、ＳｕｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｗ相とＵ相との間に電流が流れる。このように、発電機パルスパターン生成器７６は、発電機位相θｕｖｗに対して、π／２遅れた電流が流れるようにパルスパターンをｄθｕｖｗ分進ませたスイッチ駆動信号ｕｐ〜Ｓｗｎを生成する。

図５に戻ってパルスパターン生成部３４の説明を続ける。系統パルスパターン生成器７７は、コンバータ８２をＰＷＭ制御するスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎのスイッチングパターンを有し、ＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂおよび系統補正位相θｒｓｔ’に基づき、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成する。

図９は、系統補正位相θｒｓｔ’とスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎとの関係を示す図であり、系統位相θｒｓｔに対してπ／２遅れた電流を流し、かつ、回転電機８のトルクを制御するための両者の関係を表すものである。

系統補正位相θｒｓｔ’は、系統有効電流ＩＰがゼロとなるように求められた系統位相補償値ｄθｒｓｔが系統位相θｒｓｔに加算されて生成される。そのため、系統パルスパターン生成器７７は、ＰＷＭ信号Ｓａ、Ｓｂおよび系統補正位相θｒｓｔ’に基づき、図９に示すようにスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成することにより、電力系統４にπ／２遅れでかつ系統有効電流ＩＰがゼロである無効電流を流すことができる。

また、系統パルスパターン生成器７７は、ＰＷＭ信号Ｓｏおよび系統補正位相θｒｓｔ’に基づき、図９に示すようにスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成することにより、回転電機８のトルクを制御する。具体的には、ＰＷＭ信号Ｓｏと、ＰＷＭ信号Ｓａ、Ｓｂの一方とにより、回転電機８の三つの相間（ＵＶ、ＶＷ、ＷＵ）のうちのいずれかの相間が接続される。そして、ＰＷＭ信号Ｓｏの期間に応じたトルクを回転電機８に与える。

図１０Ａ〜図１０Ｃは、−π／６≦θｒｓｔ＜π／６の範囲にある場合のスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎによるスイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎの状態を示す図である。−π／６≦θｒｓｔ＜π／６の範囲にある場合、図９に示すように、スイッチ駆動信号ＳｒｎがＨｉｇｈレベルになり、スイッチ駆動信号ＳｒｐとしてＰＷＭ信号Ｓｏが用いられ、スイッチ駆動信号ＳｓｐとしてＰＷＭ信号Ｓａが用いられ、スイッチ駆動信号ＳｔｐとしてＰＷＭ信号Ｓｂが用いられる。

したがって、−π／６≦θｒｓｔ＜π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎの状態は、キャリア周期Ｔｃ内で、図１０Ａの状態、図１０Ｂの状態、および、図１０Ｃの状態が遷移し、これらの状態遷移がキャリア周期Ｔｃ毎に実行される。

図１０Ａに示す状態では、Ｈｉｇｈレベルのスイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｒｐによりスイッチング素子Ｓｗｒｎ、Ｓｗｒｐがオンになり、コンバータ８２が短絡する。インバータ８１では、上述のように、回転電機８側のいずれか２つの相の間に電流を流すスイッチング素子が常にオンになるため、インバータ８１を介して回転電機８の相間が接続される。これにより、回転電機８に発生した相間電力（線間電力）が回転電機８の抵抗分によって消費され、回転電機８にトルクが発生する。

図１０Ｂに示す状態では、Ｈｉｇｈレベルのスイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｓｐによりスイッチング素子Ｓｗｒｎ、Ｓｗｓｐがオンになる。これにより、電力系統４のＲ相とＳ相との間に電流が流れる。また、図１０Ｃに示す状態では、Ｈｉｇｈレベルのスイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｔｐによりスイッチング素子Ｓｗｒｎ、Ｓｗｔｐがオンになる。これにより、電力系統４のＲ相とＴ相との間に電流が流れる。

このように、系統パルスパターン生成器７７は、キャリア周期Ｔｃにおいて、電力系統４のいずれか２つの相の間に電流を流すスイッチング素子をオンにすることで、電力系統４の無効電流を流す。また、系統パルスパターン生成器７７は、キャリア周期Ｔｃにおいて、電力系統４の同一相に接続された上下のスイッチング素子をオンにすることで、回転電機８のトルクを発生させる。これにより、系統パルスパターン生成器７７は、キャリア周期Ｔｃ内で、回転電機８のトルクを発生させつつも、電力系統４へ無効電流を供給することができる。

系統パルスパターン生成器７７は、空間ベクトル変調法を用いてスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成する。図１１は、図７に示すコンバータ８２の空間ベクトルの一例を示す図である。図１１の空間ベクトルにおいては、空間ベクトル変調における９つの電流ベクトルＩｒｓ、Ｉｒｔ、Ｉｓｔ、Ｉｓｒ、Ｉｔｒ、Ｉｔｓ、Ｉｒｒ、Ｉｓｓ、Ｉｔｔが示される。

系統パルスパターン生成器７７は、これらの電流ベクトルに応じたスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成して出力する。以下、便宜上、電流ベクトルに応じたスイッチ駆動信号を出力することを、電流ベクトルを出力すると記載する場合がある。

９つの電流ベクトルのうち、電流ベクトルＩｒｓ、Ｉｒｔ、Ｉｓｔ、Ｉｓｒ、Ｉｔｒ、Ｉｔｓは、異なる出力相間を流れる電流に対応する電流ベクトルである。また、電流ベクトルＩｒｒ、Ｉｓｓ、Ｉｔｔは、それぞれ一つの出力相に対応する電流ベクトルであり、大きさがゼロの電流ベクトルである。以下、異なる相間を流れる電流に対応する電流ベクトルを「有効ベクトル」と記載し、一つの出力相に対応する大きさがゼロの電流ベクトルを「ゼロベクトル」と記載する場合がある。

系統パルスパターン生成器７７は、系統補正位相θｒｓｔ’の位相状態が領域Ａ〜Ｆ（図９参照）のうちどの領域の状態であるかを判定し、判定した領域において隣接する２つの有効ベクトルとこれら有効ベクトルに隣接するゼロベクトルとを出力する。この出力状態は、例えば、図１１における系統電流ベクトルＩｏで表現される。

系統電流ベクトルＩｏは、ａベクトル成分と、ｂベクトル成分と、ゼロベクトル成分とにより形成される。かかる系統電流ベクトルＩｏが図１１に示す状態である場合、ａベクトル成分Ｉａは電流ベクトルＩｒｓであり、ｂベクトル成分Ｉｂは電流ベクトルＩｒｔである。また、ゼロベクトルは、電流ベクトルＩｒｒである。したがって、この場合、系統パルスパターン生成器７７は、電流ベクトルＩｒｓ、Ｉｒｔ、Ｉｒｒを出力する。

各電流ベクトルＩｒｓ、Ｉｒｔ、Ｉｒｒの出力時間は、デューティ比Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂに応じた時比率でＨｉｇｈレベルになるＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂによって調整される。図１２は、図１１に示す空間ベクトルの一部分における電流ベクトルとデューティ比Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂとの関係を示す図である。なお、図１２に示す例では、角度θａは、系統電流ベクトルＩｏとａベクトルとの角度を表す。上述した制動比率演算器６２は、系統補正位相θｒｓｔ’とａベクトルとの角度θａを判定する。

上記式（３）、（４）に示すように、デューティ比Ｄａは、ａベクトルのキャリア周期Ｔｃに対する比率であり、デューティ比Ｄｂは、ｂベクトルのキャリア周期Ｔｃに対する比率である。したがって、デューティ比Ｄｏ、Ｄａ、Ｄｂに応じた時比率でＨｉｇｈレベルになるＰＷＭ信号Ｓｏ、Ｓａ、Ｓｂによって、各電流ベクトルの出力時間が調整される。

図１３は、電流ベクトルに対応するスイッチングの一例を示す図であり、図１１に対応する空間ベクトル図である。図１３に示す破線は、Ｒ相、Ｓ相およびＴ相のスイッチング素子のスイッチングパターンの軌跡を示す。図１３において、例えば、［Ｎ Ｐ Ｘ］は、Ｒ相に対応するスイッチング素子が「Ｎ」の状態であり、Ｓ相に対応するスイッチング素子が「Ｐ」の状態であり、Ｔ相に対応するスイッチング素子が「Ｘ」の状態であることを示す。

図１３において、「Ｎ」は、コンバータ８２の上側のスイッチング素子がオンであることを示し、「Ｐ」は、コンバータ８２の下側のスイッチング素子をオンにすることを示す。また、「Ｏ」は、コンバータ８２の上下のスイッチング素子をオンにすることを示し、「Ｘ」は、コンバータ８２の上下のスイッチング素子をオンにすることを示す。なお、図７に示すように、上側のスイッチング素子は、スイッチング素子Ｓｗｔｐ、Ｓｗｓｐ、Ｓｗｒｐであり、下側のスイッチング素子は、スイッチング素子Ｓｗｔｎ、Ｓｗｓｎ、Ｓｗｒｎである。

図１４は、図１３に示すスイッチングに対応するスイッチングパターンを示す図である。図１４において、「ＯＮ」はスイッチ駆動信号がＨｉｇｈレベルであることを示し、「ＯＦＦ」はスイッチ駆動信号がＬｏｗレベルであることを示す。また、「Ｓｏ」はスイッチ駆動信号としてＰＷＭ信号Ｓｏが用いられ、「Ｓａ」はスイッチ駆動信号としてＰＷＭ信号Ｓａが用いられ、「Ｓｂ」はスイッチ駆動信号としてＰＷＭ信号Ｓｂが用いられることを示す。

系統パルスパターン生成器７７は、系統補正位相θｒｓｔ’の位相状態が領域Ａ〜Ｆ（図１１参照）のうちどの領域の状態であるかを判定し、判定した領域に対応するスイッチングパターンのスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを出力する。

例えば、−π／６≦θｒｓｔ＜π／６の範囲にある場合、スイッチ駆動信号ＳｒｎがＨｉｇｈレベルであり、スイッチ駆動信号Ｓｓｎ、ＳｔｎがＬｏｗレベルである。また、スイッチ駆動信号Ｓｒｐは、ＰＷＭ信号Ｓｏによりデューティ比ＤｏでＨｉｇｈレベルになる。また、スイッチ駆動信号ＳｓｐはＰＷＭ信号Ｓａによりデューティ比ＤａでＨｉｇｈレベルになる。また、スイッチ駆動信号ＳｔｐはＰＷＭ信号Ｓｂによりデューティ比ＤｂでＨｉｇｈレベルになる。

また、例えば、π／６≦θｒｓｔ＜π／２の範囲にある場合、スイッチ駆動信号ＳｔｐがＨｉｇｈレベルであり、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、ＳｓｐがＬｏｗレベルである。また、スイッチ駆動信号ＳｔｎはＰＷＭ信号Ｓｏによりデューティ比ＤｏでＨｉｇｈレベルになる。また、スイッチ駆動信号ＳｒｎはＰＷＭ信号Ｓａによりデューティ比ＤａでＨｉｇｈレベルになる。また、スイッチ駆動信号ＳｓｎはＰＷＭ信号Ｓｂによりデューティ比ＤｂでＨｉｇｈレベルになる。

このように、系統パルスパターン生成器７７は、２つの有効ベクトルによって電力系統４に９０度遅れでかつ系統有効電流ＩＰがゼロである無効電流を流し、ゼロベクトルにより回転電機８の相間を短絡して回転電機８のトルクを制御することができる。

図５に戻ってパルスパターン生成部３４の説明を続ける。ＧｒＧｅスイッチ駆動信号生成器７８は、スイッチ駆動信号Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐに基づき、下記式（５）を用いて、スイッチ駆動信号Ｓｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗを生成する。

上記式（５）において、スイッチ駆動信号Ｓｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗは、図１５に示すように、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のうち電力系統４から回転電機８へ電流を流す片方向スイッチング素子２４、２５を駆動する信号である。図１５は、電力変換部１０の構成例を示す図である。

ＧｅＧｒスイッチ駆動信号生成器７９は、スイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎ、Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐに基づき、下記式（６）を用いて、スイッチ駆動信号Ｓｕｒ、Ｓｕｓ、Ｓｕｔ、Ｓｖｒ、Ｓｖｓ、Ｓｖｔ、Ｓｗｒ、Ｓｗｓ、Ｓｗｔを生成する。

上記式（６）において、スイッチ駆動信号Ｓｕｒ、Ｓｕｓ、Ｓｕｔ、Ｓｖｒ、Ｓｖｓ、Ｓｖｔ、Ｓｗｒ、Ｓｗｓ、Ｓｗｔは、図１５に示すように、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のうち、回転電機８側から電力系統４へ電流を流す片方向スイッチング素子２４、２５を駆動する信号である。

このように生成されたスイッチ駆動信号Ｓｕｒ、Ｓｒｕ、Ｓｕｓ、Ｓｓｕ、Ｓｕｔ、Ｓｔｕ、Ｓｖｒ、Ｓｒｖ、Ｓｖｓ、Ｓｓｖ、Ｓｖｔ、Ｓｔｖ、Ｓｗｒ、Ｓｒｗ、Ｓｗｓ、Ｓｓｗ、Ｓｗｔ、Ｓｔｗは、スイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として、図１５に示す対応関係で、パルスパターン生成部３４から電力変換部１０へ出力される。

かかるスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８によって、電力変換部１０は、キャリア周期Ｔｃ毎の無効電流供給期間Ｔ１において、電力系統４へ無効電流を供給し、キャリア周期Ｔｃ毎のトルク制御期間Ｔ２において、回転電機８のトルク制御を行う。これにより、マトリクスコンバータ３は、電力系統４へ無効電流を供給しつつ、回転電機８のトルク制御を行うことができる。

また、無効電流供給期間Ｔ１において、スイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなり、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなる。そのため、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５のうち、電力系統４側から回転電機８側へ電流を流す片方向スイッチング素子のいずれか１つが常にオンになる。

また、無効電流供給期間Ｔ１において、スイッチ駆動信号Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなり、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなる。そのため、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５のうち、回転電機８側から電力系統４側に電流を流す片方向スイッチング素子のいずれか１つが常にオンになる。

したがって、無効電流供給期間Ｔ１において、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５のうち、電力系統４側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子が常にオンにされ、回転電機８側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子が常にオンにされる。これにより、電力系統４の電圧が回転電機８の電圧よりも極端に低い停電のような場合であっても、回転電機８と電力系統４の間に大電流が流れ続けることを避け、電流制御を行いつつ電力変換動作を行うことができる。

また、トルク制御期間Ｔ２においては、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５のうち、電力系統４側のいずれか１つの相に対応する片方向スイッチング素子が常にオンにされ、回転電機８側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子が常にオンにされる。これにより、電力系統４の電圧が回転電機８の電圧よりも極端に低い停電のような場合であっても、回転電機８に大電流が流れ続けることを避け、回転電機８のトルクを制御することができる。

［２．第２の実施形態］
次に、第２の実施形態にかかる風力発電システムのマトリクスコンバータについて説明する。第２の実施形態にかかるマトリクスコンバータは、回転電機８の相間（線間）に設けた相間接続スイッチ（線間接続スイッチ）により回転電機８のトルクを制御する点で、第１の実施形態にかかるマトリクスコンバータ３と異なる。

なお、以下においては、第１の実施形態にかかるマトリクスコンバータ３と同一機能を有する構成要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。また、第２の実施形態にかかる風力発電システムの発電部は、第１の実施形態にかかる発電部２と同様の構成であるため省略している。

図１６は、第２の実施形態にかかるマトリクスコンバータ３Ａの構成を示す図である。図１６に示すように、マトリクスコンバータ３Ａは、電力変換部１０Ａと、ＬＣフィルタ１１と、電流検出部１２と、電圧検出部１３と、停電検出部１４と、制御部１５Ａとを備える。

電力変換部１０Ａは、電力変換部１０と同様に、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を有するスイッチ部１６を備える。さらに、電力変換部１０Ａは、回転電機８の相間を接続する相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２を備える。

相間接続スイッチＳｗ１０は、回転電機８のＵ相とＶ相との間を接続するスイッチであり、相間接続スイッチＳｗ１１は、回転電機８のＶ相とＷ相との間を接続するスイッチであり、相間接続スイッチＳｗ１２は、回転電機８のＵ相とＷ相との間を接続するスイッチである。なお、相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２は、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９と同様の構成であるが、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９と異なる構成であってもよい。

制御部１５Ａは、切替部２０Ａと、第１の駆動制御部２１Ａと、第２の駆動制御部２２Ａとを有する。切替部２０Ａは、停電検出部１４から出力される停電検出信号Ｓｄに基づいて、電力変換部１０Ａへ出力するスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ２１を選択して電力変換部１０Ａへ出力する。スイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８により双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９が制御され、スイッチ駆動信号Ｓ１９〜Ｓ２１により相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２が制御される。

第１の駆動制御部２１Ａは、第１の駆動制御部２１と同様にスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８を生成して、切替部２０Ａへ出力する。また、第１の駆動制御部２１Ａは、Ｌｏｗレベルのスイッチ駆動信号Ｓａ１９〜Ｓａ２１を生成して出力する。

切替部２０Ａは、停電検出信号ＳｄがＬｏｗレベルである場合、第１の駆動制御部２１Ａによって生成されるスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ２１をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ２１として出力する。これにより、電力変換部１０Ａは、回転電機８の発電電力を電力系統４の電圧および周波数に対応する有効電力に変換して電力系統４へ出力する。なお、相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２はオフに維持される。

第２の駆動制御部２２Ａは、第２の駆動制御部２２において制動用トルク指令Ｉｂｒａがゼロである場合に出力されるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８と同様の信号をスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８として生成して、切替部２０Ａへ出力する。なお、第２の駆動制御部２２Ａは、インバータ８１に対する制御と同様に１２０度通電制御によりコンバータ８２を制御することもできる。

また、第２の駆動制御部２２Ａは、例えば、制動用トルク指令Ｉｂｒａに応じた期間だけ相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２をキャリア周期Ｔｃ毎にＨｉｇｈレベルにするスイッチ駆動信号Ｓｂ１９〜Ｓｂ２１を生成する。なお、Ｈｉｇｈレベルのスイッチ駆動信号Ｓｂ１９〜Ｓｂ２１を出力する周期は、キャリア周期Ｔｃに限られず、キャリア周期Ｔｃよりも長い周期であってもよい。

切替部２０Ａは、停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである場合、第２の駆動制御部２２Ａによって生成されるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ２１をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ２１として出力する。これにより、電力変換部１０Ａは、無効電力を電力系統４へ供給しつつ、回転電機８のトルクを制御する。

このように、第２の実施形態にかかるマトリクスコンバータ３Ａの電力変換部１０Ａは、回転電機８の相間を接続する相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２を備える。第２の駆動制御部２２Ａは、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２を間欠的に制御することにより相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２を介して回転電機８の相間を接続する。これにより、マトリクスコンバータ３Ａは、無効電力を電力系統４へ供給しつつ、回転電機８のトルクを制御することができる。

なお、上述の実施形態では、相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２を同時にオンにする制御例を説明したが、第２の駆動制御部２２Ａは、相間接続スイッチＳｗ１０〜Ｓｗ１２をランダムまたは所定の順序で制御することもできる。

以上のように、本実施形態にかかるマトリクスコンバータ３の第２の駆動制御部２２は、電力系統４（交流電源の一例）の電圧が所定値以下である場合に、電力変換部１０を制御して電力変換部１０から電力系統４へ無効電力を供給し、かつ、回転電機８のトルクを制御する。これにより、マトリクスコンバータ３は、電力系統４が低電圧になった場合でも、電力系統４側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続することができる。

風力発電システム１では、電力系統４が停電などにより低電圧になった場合に、電力系統４へ無効電力を供給することが要求される場合があり、本実施形態にかかるマトリクスコンバータ３および風力発電システム１は、かかる要求に適切に対応することが可能となる。

なお、電力系統４の管理者側から無効電力の大きさを規定する系統無効電流指令ＩＱｒｅｆが送信される場合、かかる系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを系統無効電流指令器５２から減算器５３へ出力するようにしてもよい。このようにすることで、外部から電力系統４側の無効電流の大きさを設定することができる。

また、第２の駆動制御部２２は、電流形インバータモデル８０をスイッチングモデルとして採用している。コンバータ８２にはＰＷＭのスイッチングパターンが与えられ、インバータ８１には系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに応じた大きさの無効電流を流すための位相をもった１２０度通電のスイッチングパターンが与えられる。コンバータ８２に与えられるスイッチングパターンとインバータ８１に与えられるスイッチングパターンは合成されて双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５に対するスイッチ駆動信号として出力される。

かかる処理により、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５に対するスイッチ駆動信号として出力されることから、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに応じた大きさの無効電流を電力系統４に容易かつ精度よく流すことができる。

また、上述した実施形態では、インバータ８１において１２０度通電のスイッチングパターンを用いて電力変換部１０を駆動するようにしたが、制御方法は１２０度通電のスイッチングパターンに限られるものではない。すなわち、片方向スイッチング素子２４、２５を個別に制御する電流制御を行うことによって電力系統４側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続するものであればよく、種々の変更が可能である。

また、上述した実施形態では、回転電機８を同期発電機として説明したが、回転電機８を誘導発電機としてもよい。回転電機８を誘導発電機とする場合、マトリクスコンバータ３は、例えば、以下のように構成される。

停電発生後において誘導発電機は残留磁束による発電電圧が発生しており、位置検出器９は、誘導発電機の回転速度を検出する。制御部１５は、公知の誘導機のベクトル制御則に従って、誘導発電機に対するトルク指令を略ゼロとした上で、かかるトルク指令に基づきすべり周波数指令を生成し、位置検出器９の検出した回転速度に加算して、出力周波数指令を生成する。

そして、制御部１５は、出力周波数指令を積分することにより発電機位相θｕｖｗを生成し、生成した発電機位相θｕｖｗを発電機位相補正値ｄθｕｖｗに加算することで、発電機補正位相θｕｖｗ’を生成する。このようにすることで、電力系統４が低電圧になった場合でも、電力系統４側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続することができる。

また、上述した実施形態では、回転電機８として発電機を適用した例を説明したが回転電機８として電動機を適用することもでき、電力系統４の電圧が低電圧になった場合であっても、電動機の速度起電力によって運転を継続することができる。

すなわち、電力系統４の電圧が低電圧になった場合、電力系統４から電動機への電力供給が困難になるが、電動機の回転子は減速しつつも回転状態にある。そのため、かかる回転によって発生する起電力を、例えば、無効電力として電力系統４へ供給することで運転を継続することができる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 風力発電システム
２ 発電部
３、３Ａ マトリクスコンバータ
４ 電力系統
５ ブレード
６ ロータ
７ シャフト
８ 回転電機
９ 位置検出器
１０、１０Ａ 電力変換部
１１ ＬＣフィルタ
１２ 電流検出部
１３ 電圧検出部
１４ 停電検出部
１５、１５Ａ 制御部
２０、２０Ａ 切替部
２１、２１Ａ 第１の駆動制御部
２２、２２Ａ 第２の駆動制御部
２４、２５ 片方向スイッチング素子
２６、２７ ダイオード
３１ 有効電流補償部
３２ 無効電流補償部
３３ 発電機速度補償部
３４ パルスパターン生成部
４１ ＰＱ変換器
８０ 電流形インバータモデル
８１ インバータ
８２ コンバータ
Ｓ１〜Ｓ２１ ：スイッチ駆動信号
Ｓｄ ：停電検出信号
Ｓｗ１〜Ｓｗ１２ ：双方向スイッチ

Claims (11)

1. 交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む電力変換部と、
   前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記電力変換部を制御して前記電力変換部から前記交流電源へ無効電力を供給し、かつ、前記回転電機のトルクを制御する駆動制御部と、を備える
   ことを特徴とするマトリクスコンバータ。
2. 前記駆動制御部は、
   前記電力変換部を制御して前記回転電機の相間を間欠的に接続することにより、前記回転電機のトルクを制御する
   ことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
3. 前記駆動制御部は、
   前記複数の双方向スイッチを構成する片方向スイッチング素子のうち前記回転電機の相間を接続する片方向スイッチング素子を制御することにより前記片方向スイッチング素子を介して前記回転電機の相間を接続することを特徴とする請求項２に記載のマトリクスコンバータ。
4. 前記電力変換部は、前記回転電機の相間を接続する相間接続スイッチをさらに備え、
   前記駆動制御部は、
   前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記相間接続スイッチを制御することにより前記相間接続スイッチを介して前記回転電機の相間を接続することを特徴とする請求項２に記載のマトリクスコンバータ。
5. 前記駆動制御部は、
   前記交流電源へ出力する電流に対する前記回転電機の相間に流す電流の比に対応するデューティ比で前記回転電機の相間を間欠的に接続する
   ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータ。
6. 前記交流電源の電圧が所定値以下になる前の前記回転電機の回転速度を記憶する記憶部を備え、
   前記駆動制御部は、
   前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記回転電機の回転速度が前記記憶部に記憶された前記回転速度と一致するように前記回転電機の相間に流す電流を設定する
   ことを特徴とする請求項５に記載のマトリクスコンバータ。
7. 前記駆動制御部は、
   コンバータとインバータを備えた電流形インバータモデルにおける前記コンバータに対するスイッチ駆動信号と前記インバータに関するスイッチ駆動信号を合成して、前記片方向スイッチング素子を制御するスイッチ駆動信号を生成することを特徴とする請求項３に記載のマトリクスコンバータ。
8. 前記駆動制御部は、
   前記コンバータの異なる相の上下スイッチをそれぞれオンにする第１のスイッチ駆動信号と、前記コンバータの同一相の上下スイッチをそれぞれオンにする第２のスイッチ駆動信号とを所定期間毎に時分割により生成する
   ことを特徴とする請求項７に記載のマトリクスコンバータ。
9. 前記駆動制御部は、
   前記回転電機に対して１２０度通電により無効電流を流すスイッチ駆動信号を無効電流指令に応じた位相分進ませて前記インバータに対するスイッチ駆動信号を生成する
   ことを特徴とする請求項７または８に記載のマトリクスコンバータ。
10. 請求項１〜９のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータと、
    ブレードと、
    前記ブレードに接続されたロータと、
    前記ロータの回転による発電電力を前記マトリクスコンバータへ出力する回転電機と、を備える
    ことを特徴とする風力発電システム。
11. 交流電源の電圧が所定値以下であるか否かを判定する判定工程と、
    前記判定工程により前記交流電源の電圧が所定値以下であると判定された場合、前記交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む電力変換部から無効電力を供給させつつ、前記回転電機のトルクを制御するトルク制御工程と、を含む
    ことを特徴とするマトリクスコンバータの制御方法。
    

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