JP2017143618A - 電力変換装置の制御システムおよび制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】頻繁な潮流方向の変化に対応できる自励式の電力変換装置の制御システムおよび制御方法を提供する。【解決手段】電力変換器の制御システム１は、直流電流指令値Ｉｄｐに基づいてリミッタ値を変更する制御端切替器８と、リミッタ値に基づいて電圧制御と前記電流制御とを切り替える制御装置９−１，９−２とを有する。制御端切替器８は、電圧制御と電流制御とを切り替える場合にリミッタ値を変更するタイミングを制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流送電線を介して接続された二つの電力系統間で電力の授受を行わせるために当該直流送電線の両端に配置される電力変換装置の制御システムおよび制御方法に関する。

直流送電（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）は、送電損失が小さく、送電設備の建設費が安価なので、長距離送電においては、交流送電よりも経済的に有利である。さらに、異周波数系統の連系や速い応答性があるため、直流送電は交流系統の効率向上などにも使用されている。近年、国際連系や再生可能エネルギーの導入を目的に長距離直流送電がさらに増加している。

また、直流送電に使用する電力変換装置には、従来ではサイリスタを適用した他励式変換器が用いられていたが、最近では、自励式変換器の適用が盛んに検討されている。自励式変換器は、他励式変換器と比較して交流系統への依存度を低減することができ、設置面積の削減が可能である。また、直流送電は、通常の決められた融通電力の送電だけでなく、系統周波数安定化に必要な電力を補正して送電電力を決めている。電力変換装置は直流電流指令値によって潮流方向を変えて電圧制御端と電流制御端とを切り替えている。通常、順変換器側を電圧制御端と、逆変換器側を電流制御端としている。

特開２０１４−１８０１３１号公報

しかしながら、自励式変換器は送電電力ゼロの運転が可能なため、通常の融通電力指令値がゼロという場合がある。そのため、周波数安定化に必要な電力が変動すると、ゼロ近傍で送電電力が変動し、潮流方向が頻繁に変わり制御端子の切り替えが必要になる。頻繁な切り替えは、リレー接点の劣化を招くだけでなく、変換器間通信の数十ｍｓもの遅れ時間により、制御端子の切り替えに追従できず、制御不能になることがある。

本発明の実施形態は、上記のような従来技術の問題点を解決するために提案されたものである。その目的は、頻繁な潮流方向の変化に対応できる自励式の電力変換装置の制御システムおよび制御方法を提供することである。

上記のような目的を達成するための実施形態の電力変換装置の制御システムは、直流電流指令値に基づいて電圧制御または電流制御に切り替える電力変換装置の制御システムであって、前記直流電流指令値に基づいてリミッタ値を変更する制御端切替器と、前記リミッタ値に基づいて前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える制御装置とを有し、前記制御端切替器は、直流電流指令値の零クロス点を挟んで所定のヒステリシスをもって前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える。

第１実施形態を適用した直流送電システムの構成図である。 第１実施形態における電力変換装置の構成図である。 第１実施形態における制御装置および制御端切替器のブロック図である。 第１実施形態における制御端切替器の入力である直流電流指令値と出力であるリミッタ値との関係を示す図である。 第２実施形態における制御装置及び制御端切替器のブロック図である。 第３実施形態を適用した直流送電システムの構成図である。 第４実施形態を適用した直流送電システムの構成図である。 第５実施形態を適用した直流送電システムの構成図である。

［第１実施形態］
［１．構成］
以下、第１実施形態について、図面を参照して説明する。図１は、本実施形態の電力変換装置の制御システムを適用した直流送電システムの構成図である。図３は、本実施形態の電力変換装置の制御システムを適用した制御装置および制御端切替器のブロック図である。なお、各実施形態において「ヒステリシス」とは、不感帯と同義語で使用するものであり、直流電流指令値の所定の変化に対して制御端の切替が行われない状態を総称する。

（１）全体構成
本実施形態の電力変換装置の制御システム１を適用した直流送電システムは、図１（ａ）に示すような構成を有する。直流送電システムは、直流線路２の両端に、それぞれ、一対の電力変換装置３−１，３−２を有し、第１の電力変換装置３−１は、第１の交流系統４−１に接続され、第２の電力変換装置３−２は、第２の交流系統４−２に接続される。

電力変換装置３−１，３−２については、基本的に同様な構成であり、電力変換装置３と総称する。本実施形態の直流送電システムは、双方向に電力を送電することができる。第１の電力変換装置３−１側から第２の電力変換装置３−２側に送電する場合は、第１の電力変換装置３−１が順変換器、第２の電力変換装置３−２が逆変換器であり、第２の電力変換装置３−２側から第１の電力変換装置３−１側に送電する場合は、第２の電力変換装置３−２が順変換器、第１の電力変換装置３−１が逆変換器である。第１の電力変換装置３−１と第２の電力変換装置３−２は、基本的に同様の構成を有し、本明細書では電力変換装置３と総称する。

制御システム１は、各電力変換装置３−１，３−２にそれぞれ接続された第１と第２の制御装置９−１，９−２と、各制御装置９−１，９−２にリミッタ値を出力する制御端切替器８とを有する。第１と第２の制御装置９−１，９−２は、基本的に同様の構成を有し、制御装置９と総称する。

（２）電力変換装置３
電力変換装置３は、交流系統４の電力を直流に変換する、または、直流線路２に流れる直流を交流へ変換するものである。電力変換装置３は、図２に示すように、交流系統４に対してトランスＴｒを介して接続されている。電力変換装置３は、複数のチョッパセル回路３１を直列接続して構成された電力変換器３２を有する。すなわち、電力変換器３２は例えばチョッパ型の単位変換器であって、自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に複数個接続したレグと、１つのコンデンサ等とを並列に接続することによって構成される。各チョッパセル回路３１は、所望の値の電圧を出力する回路である。電力変換器３２は、チョッパ型の単位変換器の代わりに、Ｈブリッジ型単位変換器でもよい。

電力変換器３２は、交流系統４との接続点を中央にして直列接続された正側アーム３３−１と負側アーム３３−２とから構成される相アームを有する。正側アーム３３−１および負側アーム３３−２の出力側に、それぞれ直流正側端子３ａと直流負側端子３ｂが設けられている。これらの端子は、相アームの中性点を基準に電圧の高い方を正側、低い方を負側と呼ぶ。本実施形態において、電力変換器３２は、図２に示すようなモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）であるが、正側アームと負側アームとの間をリアクトルの機能を持たせた三巻線トランスに変更してもよい。

（３）制御端切替器８
制御端切替器８は、直流電流指令値Ｉｄｐに基づいて電圧制御と電流制御とを切り替える。電力変換装置３は、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）、または、デルタモジュラーマルチレベル変換器によって構成される。

制御端切替器８の入力側には、自動周波数制御回路１０（ＡＦＣ）、加算器１１及び除算器１２が順次直列に接続されている。加算器１１は、外部より入力された融通電力指令値Ｐ０と自動周波数制御回路１０の出力値とを加算して、電力指令値Ｐｄｐを算出する。融通電力指令値Ｐ０は、電力会社の判断で決定されたり、電力を供給される側の計測器で不足電力を計測して決定される。例えば、システム外部に設けられた中央給電指令所においては、交流系統４−１，４−２のどちらかの不足電力を測定し、当該システムに交流系統４−１，４−２間で電力の融通を実行させる。その場合、中央給電指令所に駐在するユーザから入力された電力指令値Ｐ０と自動周波数制御回路１０（ＡＦＣ）の出力値とを加算器１１において加算し、融通電力指令値Ｐｄｐを作成する。

除算器１２は、加算器１１において算出された電力指令値Ｐｄｐを直流端子電圧Ｖｄで除算し、直流電流指令値Ｉｄｐを算出する。除算器１２は、算出された直流電流指令値Ｉｄｐを、順変換器側および逆変換器側の制御装置９−１，９−２と制御端切替器８に出力する。

制御端切替器８は、直流電流指令値Ｉｄｐに基づいてリミッタ値を決定することにより、電力変換装置３を、電流制御端から電圧制御端へ切り替えたり、電圧制御端から電流制御端へ切り替える。また、制御端切替器８は、電圧制御と電流制御とを切り替える場合にリミッタ値を変更するタイミングを決定する。

すなわち、図３のゲイン９２のフィードバック出力をリミットすることで、フィードバック制御をオンオフし、制御端の切り替えを実施するために、直流電流指令値Ｉｄｐにはリミッタが掛けられる。本実施形態では、制御端切替器８によってこのリミッタ値を「０」から「１」へ、または「１」から「０」へ変更することにより、電流制御端と電圧制御端の切替、すなわち、電力変換器３の順変換器（コンバータ）と逆変換器（インバータ）の切替を行う。この場合、制御端切替器８は、図４（ｃ）に示すようなヒステリシス特性と直流電流指令値Ｉｄｐとによって決定されたタイミングでリミッタ値を変更して制御装置９に出力する。

このタイミングの調整は、
(1) 直流電流指令値Ｉｄｐの大きさに応じて
(2) 所定時間が経過に応じて
という２つの基準によって行う。

そのため、図１（ｂ）に示すように、制御端切替器８は、零クロス検出部８１、直流電流指令値Ｉｄｐの判定部８２、計時部８３及びリミッタ値変更部８４を有する。零クロス検出部８１は、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス、つまり、負から正に変わる場合または正から負に変わる場合を検出する。直流電流指令値Ｉｄｐの判定部８２は、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロスを通過し、予め定めた負の値の閾値に達したことを判定する。計時部８３は、零クロス検出部８１が零クロスを検出してから所定時間経過したことを計測する。リミッタ値変更部８４は、直流電流指令値Ｉｄｐが閾値に達したことを判定部８２が検出した時、または、零クロスから所定時間を経過したことを計時部８３が検出した時に、リミッタ値を変更する。例えば、制御端切替器は、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロスしてから１〜１０秒経過後、リミッタ値を変更する。

（４）制御装置９
制御装置９は、直流電流指令値Ｉｄｐ、制御端切替器８の出力結果であるリミッタ値、直流電流Ｉｄおよび直流電圧指令値Ｖｄｐに基づいて電力変換装置３を制御する。特に、制御装置９は、制御端切替器８から出力されたリミッタ値に基づいて、電圧制御と電流制御とを切り替える。

図３に示すとおり、制御装置９は、直流電流指令値Ｉｄｐに基づく操作電圧値の出力回路と、直流電圧指令値Ｖｄｐの補正回路を並列に接続して成る。操作電圧値の出力回路には、減算器９１と、ゲイン回路９２と、第１の乗算器９３と、第１のリミッタ回路９４とが設けられている。直流電圧指令値Ｖｄｐの補正回路には、第２のリミッタ回路９５と、第２の乗算器９６と、第１の加算器９７が設けられている。操作電圧値の出力回路の出力側と直流電圧指令値Ｖｄｐの補正回路の出力側の接続点には、第２の加算器９８が設けられている。

操作電圧値の出力回路に設けられた減算器９１は、直流電流指令値Ｉｄｐから直流電流値Ｉｄを減算する。ゲイン回路９２は、減算器９１が減算した値に基づいて、ＰＩ制御やＰＩＤ制御等のフィードバック制御を用いて、直流電流値Ｉｄを直流電流指令値Ｉｄｐに追随させるための操作量である操作電圧値（ｐｕ単位）を出力する。第１の乗算器９３は符号変換器として機能するもので、制御端切替器８から出力されたリミッタ値（正の値）に対して、「−１」を乗じた値を下限値として第１のリミッタ回路９４に出力する。

第１のリミッタ回路９４は、ゲイン回路９２の出力である操作電圧値を入力し、操作電圧値が下限値以下である場合には下限値を、操作電圧値が上限値以上である場合には上限値を限度として、制限された操作電圧値を第２の加算器９８に出力する。

直流電圧指令値Ｖｄｐの補正回路に設けられた第２のリミッタ回路９５は、直流電流Ｉｄを入力し、その負成分値Ｉｄ′を出力する。第２の乗算器９６は、第２のリミッタ回路９５の出力Ｉｄ′に直線線路２の抵抗値Ｒを乗算する。第１の加算器９７は、第２の乗算器９６の出力を直流電圧指令値Ｖｄｐに加算して直流電圧指令値を補正する。つまり、制御装置９は、入力された直流電流値Ｉｄを第２のリミッタ回路９５によって、上限値「０」、下限値「−１（ｐｕ）」で制限した後、その値を乗算器９６において直流線路２の全抵抗値Ｒで乗算し、第１の加算器９７において、乗算した値に直流電圧指令値Ｖｄｐを加算して第２の加算器９８に出力する。

第２の加算器９８は、前記２系統の回路によって、直流電流値Ｉｄと、直流電流指令値Ｉｄｐまたは直流電圧指令値Ｖｄｐとを処理して求めた値を加算し、変換器直流出力電圧として電力変換装置３に出力する。

［２．作用］
前記のような構成を有する本実施形態の作用を、図４に従って説明する。
図４（ａ）〜（ｃ）は、本実施形態の電力変換装置の制御システムを適用した制御端切替器８の入力である直流電流指令値Ｉｄｐと出力であるリミッタ値との関係を示す図である。以下、これらの図に従って、電流制御と電圧制御との切替動作を説明する。
（１）電圧制御から電流制御への切替…その１
電力変換装置３が、電圧制御される順変換器（コンバータ）から電流制御される逆変換器（インバータ）に変更される場合を、図４（ａ）により説明する。
外部からの融通電力指令値Ｐ０が減少することによって直流電流指令値Ｉｄｐが徐々に下がって行く。直流電流指令値Ｉｄｐが閾値Ｌ１よりも大きな場合は、制御端切替器８はリミッタ値を「０」としているので、図３に示す第１のリミッタ回路９４における上限値と下限値は「０」となるので、第２の加算器９８には、直流電流指令値Ｉｄｐに基づく操作電圧値は入力されない。そのため、第２の加算器９８には、直流電流値Ｉｄによって補正された直流電圧指令値Ｖｄｐのみが入力され、それに基づいた変換器直流出力電圧が電力変換装置３に出力される。その結果、電力変換装置３は、順変換器として電圧制御される。

直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス点を下回って負の値になり、更に、所定の閾値Ｌ１に達したことを判定部８２が検出すると、制御端切替器８はリミッタ値を「０」から「１」に変更する。変更された「１」のリミッタ値は、第１のリミッタ回路９４に入力され上限値となると共に、第１の乗算器９３において符号変換された後、第１のリミッタ回路９４に入力され下限値となる。その結果、直流電流指令値Ｉｄｐを第１の加算器９１及びゲイン回路９２によって処理することで得られた操作電圧値は、第１のリミッタ回路９４に設定された上限値と下限値を限度として第２の加算器９８に出力される。

第２の加算器においては、前記の様にして得られた操作電圧値と、直流電流値Ｉｄによって補正された直流電圧指令値Ｖｄｐが加算され、それに基づいた変換器直流出力電圧が電力変換装置３に出力される。その結果、電力変換装置３は、逆変換器として電流制御される。

（２）電圧制御から電流制御への切替…その２
電力変換装置３が、順変換器として電圧制御されている状態において、外部からの融通電力指令値Ｐ０が減少し、直流電流指令値Ｉｄｐが徐々に下がって行き、零クロス点を下回ったにもかかわらず、前記（１）のような所定の閾値Ｌ１に達しない状況が一定時間以上継続することがある。その場合、制御端切替器８の計時部８３は、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロスに達した時間から計時を開始する。そして、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス点を下回った時間が継続して予め定めた所定時間を越えたことを計時部８３が検出すると、制御端切替器８は、リミッタ値を「０」から「１」に変更する。以下、前記（１）と同様にして、電力変換装置３は、電圧制御から電流制御に切り替わる。

（３）電流制御から電圧制御への切替…その１
前記（１）（２）の通り、電力変換装置３が逆変換器に切り替わり、電流制御されている状態においては、直流電流指令値Ｉｄｐは負の値を取り、制御端切替器８から出力されるリミッタ値は「１」になっている。その状態で、徐々に直流電流指令値Ｉｄｐが増加し、零クロス点を上回って正の値になり、更に、図４（ｂ）に示す所定の閾値Ｌ２に達したことを判定部８２が検出すると、制御端切替器８はリミッタ値を「１」から「０」に変更する。すると、第１のリミッタ回路９４における上限値と下限値は「０」となるので、第２の加算器９８には、直流電流指令値Ｉｄｐに基づく操作電圧値は入力されない。そのため、第２の加算器９８には、直流電流値Ｉｄによって補正された直流電圧指令値Ｖｄｐのみが入力され、それに基づいた変換器直流出力電圧が電力変換装置３に出力される。その結果、電力変換装置３は、順変換器に切り替わり、電圧制御される。

（４）電流制御から電圧制御への切替…その２
前記（１）（２）の通り、電力変換装置３が逆変換器に切り替わり、電流制御されている状態においては、直流電流指令値Ｉｄｐは負の値を取り、制御端切替器８から出力されるリミッタ値は「１」になっている。その状態で、徐々に直流電流指令値Ｉｄｐが増加し、零クロス点を上回って正の値になったにもかかわらず、前記（２）のような所定の閾値Ｌ２に達しない状況が一定時間以上継続することがある。その場合、制御端切替器８の計時部８３は、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロスに達した時間から計時を開始する。そして、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス点を上回った時間が継続して予め定めた所定時間を越えたことを計時部８３が検出すると、制御端切替器８は、リミッタ値を「１」から「０」に変更する。以下、前記（３）と同様にして、電力変換装置３は、電流制御から電圧制御に切り替わる。

（５）電圧制御端における直流電圧指令値Ｖｄｐの補正
次に、電圧制御端における直流電圧指令値Ｖｄｐの補正について説明する。
直流電圧指令値Ｖｄｐを補正するときは、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス点近傍になり、順変換器と逆変換器とが頻繁に変更され、かつ、電圧制御端と電流制御端とが頻繁に変更される場合において、例外的に、順変換器側で電流制御を行い、逆変換器側で電圧制御を行うことになったときである。直流線路２の電圧は、上流側から下流側に向かって下がっていくので、上記の場合には、順変換器側の直流電圧の目標値である直流電圧指令値Ｖｄｐを補正する必要がある。

この場合、順変換器側が電流制御端となり、逆変換器側が電圧制御端となっているので、通常、プラスである直流電流Ｉｄは、マイナスとなっている。この場合、直流電流Ｉｄは、上限値が「−１ｐｕ」で下限値が「０」である第２のリミッタ回路９５を通過する。そして、第１の乗算器９６は、直流電流Ｉｄに直流線路２の既定の抵抗値Ｒを乗算し、直流線路２にかかっている電圧差Ｄ△を算出する。この電圧差はマイナスの値であり、第１の加算器９７は、当該電圧差と直流電圧指令値Ｖｄｐとを加算して、直流電圧指令値Ｖｄｐを補正する。なお、順変換器側が電圧制御端で逆変換器側が電流制御端である通常の場合は、直流電流Ｉｄがプラスなので、リミッタ回路９５を通過せず、直流電圧指令値Ｖｄｐの補正は行われない。

［３．効果］
以上のような本実施形態の効果について説明する。電力変換装置３の制御システム１は、直流電流指令値Ｉｄｐに基づいてリミッタ値を決定する制御端切替器８と、リミッタ値に基づいて電圧制御と前記電流制御とを切り替える制御装置９−１，９−２とを有する。制御端切替器８は、電圧制御と電流制御とを切り替える場合にリミッタ値を変更するタイミングを変更する。

したがって、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロスしてから所定時間経過、またはある閾値を超過してから制御端の切り替えを行うので、頻繁に制御端の切り替えが起きることを防止することができ、リレー接点の劣化を防止し、頻繁な制御端の切り替えによる制御不能を防止することができる。例えば、図４（ｄ）のように直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス点を通過する毎にリミッタ値を切り替えていると、頻繁に制御端の切り替えが行われることになるが、本実施形態のように、所定の閾値に達してから、あるいは零クロス点通過後所定の時間が経過してからリミッタ値を切り替えることにより、図４（ｃ）のように、直流電流指令値Ｉｄｐの零クロス点の通過に対して所定のヒステリシスをもって電流制御と電圧制御の切替が可能となる。

特に、本実施形態において、制御端切替器８は、直流電流指令値Ｉｄｐが零クロス点を通過しても直ちにリミッタ値の切替を行うことなく、所定の閾値Ｌ１，Ｌ２に達してから切替を行うので、零クロス点近傍の細かな直流電流指令値Ｉｄｐの変動に基づいて電圧制御と電流制御の切替が生じることがない。同様に、制御端切替器８は、直流電流指令値Ｉｄｐによる、電圧制御端から電流制御端への切り替えと、電流制御端から前記電圧制御端への切り替えを所定時間遅らせるようにしたので、所定時間以内に再度零クロスが発生しても、それによって電流制御と電圧制御間の切替が行われることがなく、短時間の零クロスの発生に関してヒステリシスを有する切替制御が可能となる。

その結果、本実施形態によれば、リミッタ値の切替処理に所定のヒステリシスを設けることによって、電流制御と電圧制御を安定して実施することが可能となり、リレー接点の劣化や頻繁な制御端の切り替えによる制御不能を防止することができる。

また、本実施形態では、図３の回路図に示すように、制御装置９は、直流電圧Ｖｄが定格値より大きくならないように、直流電圧指令値Ｖｄｐから直流線路２にかかる電圧を減算した値に補正する。すなわち、制御装置９は、直流電流Ｉｄの負成分値を取りだし、当該負成分値に直流線路２の抵抗値Ｒをかけた電圧値Ｄ△を直流電圧指令値Ｖｄｐに加算して補正する。

したがって、下流側で電圧制御を行い、上流側で電流制御を行うことになった場合において、本来、上流側の電力変換装置３の目標値である直流電圧指令値Ｖｄｐから直流線路２にかかる電圧を減算することによって、下流側で電圧制御を行うために最適な直流電圧指令値に補正することができ、最適な電圧制御を行うことができる。また、直流電圧指令値Ｖｄｐから直流線路２にかかる電圧を減算することで直流線路２の直流電圧が定格値より大きくなることを防止することができる。また、上流側で電圧制御を行い、下流側で電流制御を行う通常の場合は、プラスの直流電流値が入力され、リミッタ回路９５を通過しないので、直流電圧指令値の補正は行われず、潮流方向と制御端の関係が通常である場合と、それ以外の場合とで、それぞれ最適な直流電圧指令値を出力することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態の制御装置９は、電圧制御端において直流電圧指令値Ｖｄｐを補正するためのものであるが、図３の構成では、電力変換装置３が電流制御端になった場合でも直流電圧指令値Ｖｄｐが補正されることになる。電流制御端においては、フィードバック制御でその補正を帳消しにできるので、動作には直接影響を与えることはない。しかし、第２実施形態では、フィードバック制御によることなく、制御端切替器８の出力を利用して、電力変換装置３が電流制御端になった場合に、第２のリミッタ回路９５の上限値および下限値を変更するものである。

図５に示すように、本実施形態では、第２のリミッタ回路９５の後段に乗算器１００を設け、この乗算器１００に対して制御端切替器８からの信号を入力することで、リミッタ値に応じて直流電圧指令値Ｖｄｐを補正する。具体的には、制御端切替器８からの信号を入力する比較器９９を設け、この比較器９９の判定結果を乗算器１００に入力して、乗算器１００に入力された電圧差Ｄ△を第１の加算器９７に出力するか否か、すなわち、直流電圧指令値Ｖｄｐを補正するか否かを決定する。

例えば、電力変換装置３が電流制御端として機能する場合、制御端切替器８からはリミッタ値「０」が出力されるので、そのリミッタ値Ａを比較器９９において比較する。比較器９９には、基準値Ｂとして「０」が予め与えられているので、比較器９９ではＡ≦Ｂが判定され、リミッタ値が「０」の場合には、比較器９９からは判定値として「０」が出力される。この判定値「０」は乗算器１００に入力されると、乗算器１００に電圧差Ｄ△が入力されていても、乗算器１００からの出力は「０」となる。その結果、電力変換装置３が電流制御端として機能している間は、直流電圧指令値Ｖｄｐの補正は行われない。

一方、電力変換装置３が電圧制御端として機能する場合、制御端切替器８からはリミッタ値Ａとして「１」が出力される。このリミッタ値「１」は比較器９９において基準値Ｂと比較され、比較器９９のＡ≦Ｂを満足しないことから、比較器９９からは判定値「１」が出力される。すると、乗算器１００においては電圧差Ｄ△に「１」が乗じられ、乗算器１００からは電圧差Ｄ△がそのまま出力される。その結果、電圧制御端においては、電圧差Ｄ△分が補正された直流電圧指令値Ｖｄｐに基づいて電圧制御が行われる。

第２実施形態によれば、電力変換装置３が電流制御端として機能する場合、フィードバック制御に頼ることなく、リミッタ値に基づいて直流電圧指令値Ｖｄｐの補正を解消することが可能になり、電流制御を正確且つ容易に実施できる。

［第３実施形態］
第３実施形態の制御システム１は、図６に示すように、制御装置９−１，９−２がそれぞれ内部に制御端切替器８−１，８−２を有する。制御端切替器８−１，８−２は、第１実施形態の制御端切替器８と同様の機能を有する。本実施形態によると、制御装置９−１または制御装置９−２までの経路を簡単な構成にすることができる。

［第４実施形態］
第４実施形態の制御システム１は、図７に示すように、電力変換装置３−１，３−２がそれぞれ内部に制御装置９−１，９−２を有し、制御装置９−１，９−２がそれぞれ内部に制御端切替器８−１，８−２を有する。本実施形態によると、電力変換装置３と制御装置９と制御端切替器８とを一体化しているので、生産上のコストを下げることができる。

［第５の実施形態］
第５実施形態の制御システム１は、図８に示すように、ネットワーク上に配置されている。ネットワーク上のコンピュータ１３が、第１実施形態と同様の、直流電流指令値Ｉｄｐに基づいてリミッタ値を決定する制御端切替器８と、リミッタ値に基づいて電圧制御と電流制御とを切り替える制御装置９としての機能を有し、当該コンピュータ１３がネットワークを介して直流出力電圧の情報を電力変換装置に送信する。本実施形態によれば、第１乃至第３実施形態においてハードウェアとして実装していた機能をソフトウェアとしてネットワーク上に配置することができ、コストを抑えることができる。また、遠隔から操作することを可能にすることができ、利便性が上がる。

［他の実施形態］
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これらの実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。例えば、本発明は下記の様な構成も包含する。

（１）前記実施形態においては、制御端切替器８が所定のヒステリシスをもってリミッタ値の切替を行うに当たり、(1) 直流電流指令値Ｉｄｐの大きさに応じて、(2) 所定時間が経過に応じて、という２つの基準を採用したが、いずれか一方のみでも良い。直流線路２や交流系統４−１，４−２の特性によって、直流電流指令値Ｉｄｐの零クロス点近傍の挙動に一定の傾向、例えば、短時間で比較的大きな直流電流指令値Ｉｄｐの変動が繰り返し現れる場合には(2) のみを使用し、逆に所定時間内における零クロス点を挟んだ直流電流指令値Ｉｄｐの変動量が少ない場合には(1) のみを使用することができる。

（２）電力変換装置３として、出力が２レベルの２レベル変換器、または、３レベルの３レベル変換器を使用することができる。２レベル、３レベル変換器の場合は、電圧マージン方式で制御端の切り替えを実施する。電圧マージン方式は、両変換器に与える直流電圧指令値Ｖｄｐに差を設けることで、電流制御端と電圧制御端の切り替えを実施する。

（３）２以上の多レベルのチョッパ回路を配列したモジュラーマルチレベル変換器以外の電力変換装置３でも、融通電力指令値がゼロ近傍である場合に、制御端子の頻繁な切り替えを防止し、リレー接点の劣化を防止し、制御端子の切り替えに追従できずに制御不能になることを防止することができる。

１…電力変換装置の制御システム
２…直流線路
３−１，３−２…電力変換装置
４−１，４−２…交流系統
８…制御端切替器
９−１，９−２…制御装置

Claims (11)

1. 交流系統と直流線路に対して接続され、所定の指令値に基づいて電圧制御または電流制御される電力変換装置の制御システムであって、
   前記指令値に基づいて前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える制御端切替器と、
   前記制御端切替器の指令に基づいて前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える制御装置とを有し、
   前記制御端切替器は、直流電流指令値の零クロス点を挟んで所定のヒステリシスをもって前記電圧制御と前記電流制御とを切り替えること、を特徴とする電力変換装置の制御システム。
   
2. 直流電流指令値に基づいてリミッタ値を変更することによって電圧制御または電流制御に切り替える電力変換装置の制御システムであって、
   前記直流電流指令値に基づいて前記リミッタ値を変更する制御端切替器と、
   前記リミッタ値に基づいて前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える制御装置とを有し、
   前記制御端切替器は、直流電流指令値の零クロス点を挟んで所定のヒステリシスをもって前記電圧制御と前記電流制御とを切り替えること、を特徴とする電力変換装置の制御システム。
3. 前記制御端切替器は、前記直流電流指令値が零クロスする場合に、零クロスしてから所定時間を計測し、所定時間が経過してから前記リミッタ値を変更して電圧制御端と電流制御端とを切り替えること、を特徴とする請求項２記載の電力変換装置の制御システム。
4. 前記制御端切替器は、前記直流電流指令値が零クロスする場合に、零クロスしてから所定の閾値を超過してから前記リミッタ値を変更して電圧制御端と電流制御端とを切り替えること、を特徴とする請求項２または請求項３記載の電力変換装置の制御システム。
5. 前記制御端切替器は、
   直流電流指令値が零クロスを通過することを検出する零クロス検出部と、
   直流電流指令値が零クロスを通過し、予め定めた閾値に達したことを判定する判定部と、
   直流電流指令値が零クロスを検出してから所定時間経過したことを計測する計時部と、
   直流電流指令値が閾値に達したことを判定部が検出した時、または、零クロスから所定時間を経過したことを計時部が検出した時にリミッタ値を変更するリミッタ値変更部と、
   を備えている請求項４に記載の電力変換装置の制御システム。
6. 前記制御装置は、
   直流電流指令値から直流電流値を減算する減算器と、
   前記減算器が減算した値に基づいて、直流電流値を直流電流指令値に追随させるための操作電圧値を出力するゲイン回路と、
   前記制御端切替器から出力されたリミッタ値に対して、符号変換器として機能する第１の乗算器と、
   前記制御端切替器からのリミッタ値を上限値とし、前記第１の乗算器からの符号を変換されたリミッタ値を下限値として、前記ゲイン回路の出力である操作電圧値を入力し、操作電圧値が下限値以下である場合には下限値を、操作電圧値が上限値以上である場合には上限値を限度として、制限された操作電圧値を出力する第１のリミッタ回路と、
   を有する請求項５に記載の電力変換装置の制御システム。
7. 前記制御装置は、直流電圧が定格値より大きくならないように直流電圧指令値を補正する直流電圧指令値の補正回路を有すること、を特徴とする請求項５に記載の電力変換装置の制御システム。
8. 前記直流電圧指令値の補正回路は、
   直流電流を入力し、その負成分値を出力する第２のリミッタ回路と、
   前記第２のリミッタ回路の出力に直線線路の抵抗値を乗算する第２の乗算器と、
   前記第２の乗算器の出力を直流電圧指令値に加算して直流電圧指令値を補正する第１の加算器と、
   を有する請求項７に記載の電力変換装置の制御システム。
9. 前記直流電圧指令値の補正回路は、
   前記制御端切替器からのリミッタ値を入力し、入力されたリミッタ値が電力変換装置を電流制御端として機能させる値であるか否かを判定する比較器と、
   前記比較器の判定結果に応じて、直流電圧指令値を補正するか否かを決定する請求項７に記載の電力変換装置の制御システム。
10. 前記電力変換装置は、２レベル変換器、３レベル変換器、モジュラーマルチレベル変換器、または、デルタモジュラーマルチレベル変換器であること、を特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の電力変換装置の制御システム。
11. 直流電流指令値に基づいて電圧制御または電流制御に切り替える電力変換装置の制御方法であって、
    前記直流指令値に基づいてリミッタ値を決定する工程と、
    前記リミッタ値に基づいて前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える工程と、
    前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える場合に、直流電流指令値の零クロス点を挟んで所定のヒステリシスをもって前記電圧制御と前記電流制御とを切り替える工程とを有すること、を特徴とする電力変換装置の制御方法。

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