JP2023023350A - 電力変換装置とその制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】電力変換装置の初充電、放電時間の短縮と初充電装置の小型化を両立する電力変換装置とその制御装置を提供する。【解決手段】環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を交流端子として第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置であって、充放電装置は、高電圧タップ位置と低電圧タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、電力変換器の起動と停止時に、第1の交流電源に代えて電力変換器に接続されることを特徴とする電力変換装置。【選択図】図1
Description
本発明は、モジュラー・マルチレベル変換器(以降では、MMC変換器と称す)を用いた電力変換装置とその制御装置に関する。
MMC変換器は、エネルギー蓄積要素であるコンデンサなどの電圧源と、ハーフブリッジ回路で構成される単位変換器を複数直列接続した2端子のアーム変換器からなる。単位変換器は、ハーフブリッジ回路のPWM変調率を制御することで所望の電圧を発生する。エネルギー蓄積要素であるコンデンサは、MMC変換器の出力交流周波数により決まる周期で充放電を繰り返すことで電圧変動する。
2端子のアーム変換器は、アーム変換器の第1の端子を交流電源の各相端子に接続し、星型結線した第2の端子を直流電源の端子に接続する。このように各相に接続されたアーム変換器は、所望の交流電圧を発生して交流電流制御すると同時に、直流電流を重畳して直流電源との間で電力変換を実現する。
MMC変換器の制御は、外部からの交流電流指令と直流電流指令にアーム電流を調整する電流制御、単位変換器に設けたハーフブリッジ回路のPWM変調率をアーム内で相互に調整することでコンデンサの平均電圧を単位変換器間で平衡に保つ機能(以降では、段間バランス制御と称す)、アーム変換器内のコンデンサの合計蓄積エネルギーをアーム変換器間で平衡に保つ機能(以降では、相間バランス制御と称す)を備える。この相間バランス制御を実現するには、アーム変換器間の循環電流を抑制する為の回路素子が必要となる。
特許文献1は、循環電流を抑制するために、アーム変換器の第1の端子と交流電源端子の間に循環電流抑制リアクトルを設ける手段が開示されている。特許文献1に開示されている本手段は、MMC変換器の一形態であるダブルスター形MMC変換器(以降では、DSMMC変換器と称す)である。
また、非特許文献1には、2台のDSMMC変換器の直流端子を背後接続して電力変換装置とし、一方の交流電源端子は、電力系統に接続し、他方の交流電源端子は、回転機と接続する手段が開示されている。非特許文献1に開示されている手段によれば、MMC変換器に接続しても回転機に直流電流が重畳されないため、電力系統に直接接続して一定の周波数で運転する回転機を可変速化する場合に適する。
一方、特許文献2には、DSMMC変換器のコンデンサを充電するための初充電装置が開示されている。DSMMC変換器は、初回起動する際にコンデンサを初充電用電源から充電する。また、電力変換装置のメンテナンス等によりDSMMC変換器を停止する際、コンデンサは高電圧に充電されたままになるので、停止する際はあらかじめ高電圧に充電されたコンデンサを放電して安全な状態にする。
特許文献2によれば、初充電動作時は、初充電用電源とDSMMC変換器の間に初充電抵抗を接続して突入電流を抑制しつつコンデンサを初充電する手段が開示されている。また、放電動作時は初充電抵抗と三相短絡用スイッチを組み合わせ、その状態でDSMMC変換器を運転させることで、コンデンサの放電電流を初充電抵抗に流してコンデンサに蓄えられたエネルギーを放出する手段が開示されている。
萩原誠・西村和敏・赤木泰文、「モジュラー・マルチレベルPWMインバータを用いた高圧モータドライブ 第1報:400V、15kwミニモデルによる実験的検証」、電気学会論文誌D、2010年4月、130巻、4号、pp.544-55
本発明は、DSMMC変換器で構成された電力変換装置とその制御装置に関するものであるが、この場合に考慮、解決すべき主な課題は以下のようである。
第1の課題は、コンデンサの初充電、放電に時間を要するため、電力変換装置が起動、停止するまでの時間が長時間化することにある。特に、短時間での起動、停止を要求されることが多い揚水発電所や洋上風力発電所などの用途に適用する際の隘路となる。特許文献2には2台のDSMMC変換器を同時に初充電、放電するための手段は開示されていない。したがって、2台のDSMMC変換器を初充電、放電するには1台のDSMMC変換器と比較して2倍の時間を要する。
第2の課題は、初充電装置が大型化することにある。設備の大型化は、揚水発電所や洋上風力発電所など、設置面積や容積制限の厳しい用途に適用する際の隘路となる。初充電装置が大型化する理由は、初充電抵抗用の冷却装置を大型化せざるを得ないからである。特許文献2によると、DSMMC変換器の初充電、放電動作時は必ず初充電抵抗を介してコンデンサを充電、放電する。特に放電動作時は、コンデンサに蓄えられたエネルギーを全て初充電抵抗で消費するので、短時間で放電する場合は、抵抗の温度上昇による破壊を回避するために冷却装置を大型化して放熱性能を向上せざるをえない。
抵抗でのエネルギー消費を削減するためには、例えば、コンデンサに蓄えられたエネルギーをDSMMC変換器の交流電流制御でDSMMC変換器が連系する交流電源に回生する手段がある。ただし、本手段は回生運転範囲が、DSMMC変換器が連系する交流電源の電圧VACに依存するという欠点がある。換言すると、交流電流制御による回生運転範囲は、DSMMC変換器の変調率Mが過変調運転領域に達しないコンデンサ電圧VCまでとなる。
上記の交流電流制御による回生運転を適用した場合の、初充電抵抗のエネルギー削減量を計算する。DSMMC変換器の変調率Mは、(1)式で定義される。また、DSMMC変換器1台あたりの全単位変換器コンデンサに蓄えられる総エネルギーECは(2)式で定義される。
(1)、(2)式において、VACはDSMMC変換器が連系する交流電源の線間電圧実効値、kはアーム変換器あたりの単位変換器の個数、VCは単位変換器内のコンデンサ電圧、Cはコンデンサの静電容量である。
DSMMC変換器をはじめとする電力変換回路は、一般的に電圧利用率を高く設計することが経済的であるため、定格運転時の変調率を0.8から0.9程度で設計する。(1)、(2)式のVAC、k、Cが一定値、定格運転時の変調率が0.85であると仮定すると、過変調運転領域(M≧1.0)に達するのはVCが約17%低下したときである。つまり、(2)式から初充電抵抗で消費されるエネルギーは、特許文献2の手段を100%(全て抵抗で消費)とすると、本手段は70%程度である。30%程度のエネルギーの削減が限界であるため、本手段による初充電装置の小型化は限定的である。
以上のことから本発明の目的は、上記の課題を解決し、電力変換装置の初充電、放電時間の短縮と初充電装置の小型化を両立する電力変換装置とその制御装置を提供することにある。
以上のことから本発明においては、「環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を交流端子として第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置であって、充放電装置は、高電圧タップ位置と低電圧タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、電力変換器の起動と停止時に、第1の交流電源に代えて電力変換器に接続されることを特徴とする電力変換装置」としたものである。
また本発明においては、「環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置の制御装置であって、充放電装置は、高電圧タップ位置と低電圧タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、電力変換器の起動と停止時に、第1の交流電源に代えて電力変換器に接続され、制御装置は、電力変換器の起動時に、第2の交流電源を抵抗、タップ付き変圧器の高電圧タップ位置を介して電力変換器の交流端子に接続する抵抗充電モードから、第2の交流電源から、タップ付き変圧器を介して電力変換器の交流端子に接続するバイパス充電モードに移行し、その後に単位変換器を点弧するスイッチング充電モードに移行し、第2の交流電源に代えて第1の交流電源を電力変換器に接続することを特徴とする電力変換装置の制御装置」としたものである。
また本発明においては、「環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置の制御装置であって、充放電装置は、高電圧タップ位置と低電圧タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、電力変換器の起動と停止時に、第1の交流電源に代えて電力変換器に接続され、制御装置は、電力変換器の停止時に、第1の交流電源に代えてタップ付き変圧器の低電圧タップ位置を介して第2の交流電源に接続し、電流制御部が定めるPWM変調率のゲートパルスをスイッチング素子に与えて電力変換器を運転する回生放電モードから、タップ付き変圧器の低電圧タップ位置から抵抗を介して第2の交流電源に接続して運転する抵抗放電モードに移行することを特徴とする電力変換装置の制御装置」としたものである。
本発明によれば、DSMMC変換器で構成する電力変換装置の全てのコンデンサを同時に充電、放電できるので、電力変換装置の起動、停止時間を高速化できる。
また本発明の実施例によれば、初充電変圧器にタップを設けることで、初充電動作時と放電動作時で異なる交流電源電圧値を選択することができるようになる。特に放電動作時は、交流電源電圧値を下げて、初充電電源への回生運転範囲が拡大させることができるので抵抗で消費するエネルギーを大幅に削減でき、抵抗を放熱するための冷却装置の大型化を招くことなく高速に初充電、放電できる初充電装置を構成することが可能になる。
以下、本発明の実施例に係る電力変換装置とその制御装置を図面に基づいて説明する。なお、本実施例によりこの発明が限定されるものではない。
以下の説明においては、実施例1において本発明の電力変換装置の主回路構成例を説明し、実施例2においては、高速な初充電を可能とする電力変換装置の起動制御手法について説明し、実施例3においては、高速な放電を可能とする電力変換装置の停止制御手法について説明し、実施例4においては、実施例1とは異なる電力変換装置の主回路構成例を説明する。
図1は、本発明の実施例1に係る電力変換装置の主回路構成例を示す図である。電力変換装置は、電力変換器1(図示の例ではDSMMC変換器1A、1B)と初充電装置4を含んで構成されている。
図1の電力変換装置の主回路構成例では、2組のDSMMC変換器1A、1Bの直流端子PA、PBと、NA、NBを背後接続し、また2組のDSMMC変換器1A、1Bの交流端子UA、VA、WAを、主回路用遮断器6A、6Bを介して三相電源2A、2Bにそれぞれ接続することで三相電源2A、2B間の電力を融通することができ、これにより周波数変換システム、或は直流送電システムを構成した事例を示している。但し、本発明は、少なくとも1組の電力変換器1と初充電装置4を含んで構成される電力変換装置に適用が可能である。なお電圧位相検出手段3は、三相の交流電圧から電圧位相θを演算してDSMMC制御装置22へ出力する。
電力変換装置のもう一方の主たる構成要素である初充電装置4は、DSMMC変換器1Aが未だ起動前の状態にあり、従って内部のコンデンサが未充電の状態に置いてこれを充電する機能を果たすものである。またDSMMC変換器1Aを停止するときに内部のコンデンサが充電の状態に置いてこれを放電する機能を果たすものである。この意味において初充電装置4は、充放電装置ということができる。図1の初充電装置4は、その端子UP、VP、WPを、DSMMC変換器1Aの交流端子UA、VA、WA端子と同じ線路に接続する。また、初充電装置4の端子AA、BA、CAは、初充電用電源5と接続する。
次に、電力変換器1であるDSMMC変換器について、1Aを例にとり詳細に説明する。なお、1Bは1Aと同じ構成であるので、説明を割愛する。DSMMC変換器1Aは、A端子、B端子、2つの端子を備えた6つのアーム変換器17UP、17UN、17VP、17VN、17WP、17WNと、各相のアーム電流IUP、IUN、IVP、IVN、IWP、IWNを検出するための6つの電流検出器18と、6つの循環電流抑制リアクトル19、高抵抗20P、20N、電流検出器21P、21Nで構成する。
アーム変換器17UP、17VP、17WPのA端子、および、17UN、17VN、17WNのB端子は、電流検出器18と循環電流抑制リアクトル19を介して交流端子UA、VA、WAと接続する。アーム変換器17UP、17VP、17WPのB端子、および、17UN、17VN、17WNのA端子は、直流端子PA、NAと接続し、他方のDSMMC変換器1Bの直流端子PB、NBと接続する。また、アーム変換器17はDSMMC制御装置22と接続するC端子、D端子を備える。
DSMMC変換器1Aにおける上記の接続関係は、これをごく簡便に表現するならば要するに、アーム変換器17と循環電流抑制リアクトル19の直列回路によりアームを構成し、2組のアームの直列回路によりレグを構成し、3組のレグにおける2組のアームの接続点を交流電源の各相に接続し、3組のレグの両端を直流端子とするグレーツ結線構成としたものである。
DSMMC変換器1Aの直流端子PA、NAは、高抵抗20P、20Nで接地して電位固定し、電流検出器21P、21Nで直流電圧VDCを差動計測する。計測した直流電圧VDCは、DSMMC制御装置22に送られる。
DSMMC制御装置22は、アーム電流IUP、IUN、IVP、IVN、IWP、IWN、直流電圧VDC、電圧位相θ、アーム変換器17のD端子を介して得られる各単位変換器のコンデンサ電圧VCを入力として、各単位変換器に与えるゲートパルスgを演算し、各アーム変換器17のC端子へ出力する。以上の説明は、DSMMC変換器1Aの内部構造についての説明であるが、もう一方のDSMMC変換器1Bの構造についてもDSMMC変換器1Aと同じであるため、本実施例では説明を省略する。
次に本発明の初充電装置4を説明する。初充電装置4は、初充電装置用遮断器7、三相短絡用遮断器8、放電抵抗9、初充電抵抗10、放電用遮断器11、初充電用遮断器12、抵抗バイパス用遮断器13、タップ付き初充電用変圧器14、変圧器タップ切替用遮断器15、16から構成される。
初充電装置用遮断器7は、初充電装置4と初充電用電源5を接続するための交流遮断器である。三相短絡用遮断器8は、放電動作時に各相の放電抵抗9をスター接続するための交流遮断器である。放電抵抗9は、放電動作時にコンデンサに蓄えられたエネルギーを一部消費するための抵抗器である。放電用遮断器11は、放電動作時に放電抵抗9を回路に接続するための交流遮断器である。初充電抵抗10は、初充電動作時の突入過電流を防止するための抵抗器である。初充電用遮断器12は、初充電動作時に初充電抵抗10を回路に接続するための交流遮断器である。抵抗バイパス用遮断器13は、放電抵抗9または初充電抵抗10を介さずに回路を接続するための交流遮断器である。
本発明の実施例1に係る電力変換装置の初充電装置4の特徴は、タップ付き初充電用変圧器14を備えたことである。かつ電力変換器1を起動すべく初充電するときと、電力変換器1を停止すべく放電するときとで、異なるタップ位置を採用したものである。充電時は全電圧タップ位置(高電圧タップ位置)とし、放電時は半電圧タップ位置(低電圧タップ位置)として運用するものである。
より詳細に述べると、タップ付き初充電用変圧器14は、初充電用電源5側(以降では、1次巻線側と称す)に第1の端子AT、BT、CTを有し、DSMMC変換器1A側(以降では、2次巻線側と称す)に第2の端子UT1、VT1、WT1と第3の端子UT2、VT2、WT2を有する変圧器である。第2の端子UT1、VT1、WT1と第3の端子UT2、VT2、WT2は、それぞれ1次巻線との巻数比が異なるように構成する。このように構成することで、2次巻線側のそれぞれの端子の交流電圧値が異なる。また、1次巻線に印加される交流電圧値が同じ場合、2次巻線の交流電圧は、第2の端子UT1、VT1、WT1のほうが第3の端子UT2、VT2、WT2よりも高くなるように端子を構成する。第2の端子UT1、VT1、WT1は初充電動作時に使用し、第3の端子UT2、VT2、WT2は放電動作時に使用する。
変圧器タップ切替用遮断器15、16は、タップ付き初充電用変圧器14の2次巻線側の接続端子を切り替えるための交流遮断器である。初充電動作時は、第2の端子UT1、VT1、WT1をDSMMC変換器1Aの交流端子UA、VA、WAと接続するよう変圧器タップ切替用遮断器15を「閉」、16を「開」操作する。これらのタップ位置は、いわゆる全タップ位置(高電圧タップ位置)である。
一方、放電動作時は、第3の端子UT2、VT2、WT2をDSMMC変換器1Aの交流端子UA、VA、WAに接続するよう変圧器タップ切替用遮断器15を「開」、16を「閉」操作する。これらのタップ位置は、いわゆる半タップ位置(低電圧タップ位置)である。
以上で説明したように本発明は、初充電装置4内の各遮断器(初充電装置用遮断器7、三相短絡用遮断器8、放電用遮断器11、初充電用遮断器12、抵抗バイパス用遮断器13、変圧器タップ切替用遮断器15、16)の開閉条件を動作モード毎に切り替えることで初充電動作時の回路、放電動作時の回路を形成する。
実施例1によれば、DSMMC変換器1内のコンデンサの充放電の夫々に適した回路構成、条件を満たすことを可能とする電力変換装置を構成することができる。
このように、初充電変圧器14にタップを設けることで、初充電動作時と放電動作時で異なる交流電源電圧値を選択することができるようになる。特に放電動作時は、交流電源電圧値を下げて、初充電電源への回生運転範囲が拡大させることができるので抵抗で消費するエネルギーを大幅に削減でき、抵抗を放熱するための冷却装置の大型化を招くことなく高速に初充電、放電できる初充電装置を構成することが可能になる。
実施例2においては、高速な初充電を可能とする電力変換装置の起動制御手法について説明する。
図2は、アーム変換器17の回路構成例を示す図である。なお以降では、アーム変換器17UPを説明するが、その他のアーム変換器17UN、17VP、17VN、17WP、17WNも同様の構成であるため、他のアーム変換器については本実施例では説明を省略する。
アーム変換器17UPは、単位変換器23をk個直列接続した回路である。kはアーム変換器あたりの単位変換器23の個数である。単位変換器23は、環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子24H、24Lを2つ直列接続したスイッチング回路と、エネルギー蓄積要素であるコンデンサ25と、コンデンサ25の両端電圧VCを検出する電圧検出器26をそれぞれ並列接続する。また、スイッチング素子24H、24Lのゲートを制御するための2つのゲートドライブユニット(GDU)28H、28Lを備える。信号変換器(CONV)29は、電圧検出器26で検出したコンデンサ25の両端電圧VCをDSMMC制御装置22に出力する。
図2のA端子からD端子は、アーム変換器17UPの入出力端子であり、図1のアーム変換器のA端子からD端子と対応している。この中で、C端子はDSMMC制御装置22からアーム変換器17UPへ送信される2×k個のゲートパルスを受信する入力端子である。D端子はアーム変換器17UPからDSMMC制御装置22へ送信されるk個のコンデンサ25の両端電圧VCを送信する出力端子である。
次に、本発明の初充電動作を図3、図4を用いて説明する。図3は、初充電動作時における図1の初充電装置4内の各遮断器の開閉条件とDSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力条件を示したタイムチャートである。なお、図3の中で、三相短絡用遮断器8及び、放電用遮断器11については初充電動作と関係ない遮断器であり、以降で説明する時刻t0cから時刻t4cの初充電動作期間中は常に「開」であるので動作説明を省略する。
図4は本発明の初充電動作時におけるDSMMC変換器1A、1Bのコンデンサ電圧波形と初充電装置4内の各部交流電流波形である。図4は、上からDSMMC変換器1A側アーム変換器17UPのコンデンサ電圧、アーム変換器17UNのコンデンサ電圧、DSMMC変換器1B側アーム変換器17UPのコンデンサ電圧、アーム変換器17UNのコンデンサ電圧、初充電装置4内の電流IPA、IPB、IPC、放電抵抗9に流れる電流IRDA、IRDB、IRDC、初充電抵抗10に流れる電流IRPA、IRPB、IRPC、抵抗バイパス用遮断器13に流れる電流IBA、IBB、IBCである。
図3と図4の横軸は時刻tであり、図3と図4の時刻t0cから時刻t4cはそれぞれ対応し、同じ時刻を表す。なお、コンデンサ電圧波形はそれぞれのアーム変換器17UPまたは17UN内の代表単位変換器のコンデンサの電圧波形1つのみを表示している。また、それぞれの交流電流は、以下の関係にある。
IPA=IRDA+IRPA+IBA・・・・(a)
IPB=IRDB+IRPB+IBB・・・・(b)
IPC=IRDC+IRPC+IBC・・・・(c)
図3と図4を用いて、初充電が抵抗充電モード、バイパス充電モード、DSMMCスイッチング充電モードの各モードを経て充電されることについて説明する。
IPA=IRDA+IRPA+IBA・・・・(a)
IPB=IRDB+IRPB+IBB・・・・(b)
IPC=IRDC+IRPC+IBC・・・・(c)
図3と図4を用いて、初充電が抵抗充電モード、バイパス充電モード、DSMMCスイッチング充電モードの各モードを経て充電されることについて説明する。
まず図3の時刻t0cでは、主回路用遮断器6A、6B「開」で三相電源2A、2BとDSMMC変換器1A、1Bは電気的に切り離されている。また、初充電装置用遮断器7「閉」、初充電用遮断器12「閉」、抵抗バイパス用遮断器13「開」、変圧器タップ切替用遮断器15「閉」、16「開」であり、DSMMC変換器1A、1Bと初充電用電源5が初充電装置4内の初充電抵抗10とタップ付き初充電用変圧器14を介して接続している。また、タップ付き初充電用変圧器14の2次巻線側の第2の端子UT1、VT1、WT1とDSMMC変換器1Aの交流端子UA、VA、WAが接続している。DSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力フラグFLG_GDBは「0」であり、DSMMC変換器1A、1Bのスイッチング動作は停止している。
次に、時刻t0cから時刻t1cまでの期間は抵抗充電モードでの運用期間であり、初充電抵抗10を介して2つのDSMMC変換器1A、1Bのコンデンサを充電するため、初充電抵抗10に充電電流が流れる。図4に示すように、初充電抵抗10で過大な突入電流を防止できる。
次に時刻t1cで初充電用遮断器12を「閉→開」、抵抗バイパス用遮断器13を「開→閉」に切り替える。これにより、以後の時刻t1cから時刻t2cまでの期間はバイパス充電モードでの運用期間であり、初充電抵抗10を抵抗バイパス用遮断器13でバイパスして2つのDSMMC変換器1A、1Bのコンデンサを充電する。図4示すように初充電抵抗10をバイパスしても初充電装置4内に流れる突入電流を大幅に制限できる。また、時刻t1cから時刻t2cまでの期間は、初充電抵抗10を介して充電する時刻t0cから時刻t1cまでの期間よりもコンデンサの初充電速度を高速化できる。
なお、突入電流を大幅に制限できる理由は、時刻t0cから時刻t1cまでの期間で、コンデンサを一定電圧まで充電するためである。
次に時刻t2cで、DSMMC変換器1Aのゲートパルス出力フラグFLG_GDBを「0→1」に切り替え、DSMMC変換器1Aのスイッチング動作を開始する。時刻t3cでは、DSMMC変換器1Bのゲートパルス出力フラグFLG_GDBを「0→1」に切り替え、DSMMC変換器1Bのスイッチング動作を開始する。
図4に示した時刻t2cから時刻t4cまでの期間はDSMMCスイッチング充電モードでの運用期間であり、DSMMC変換器1A、1Bをスイッチング動作させ、DSMMC変換器1A、1Bのそれぞれのコンデンサを目標電圧値(1p.u.)まで充電し、目標電圧値に達した時刻t4cにて初充電動作を完了する。
実施例2における起動制御での特徴的な事項の1つは、時刻t2cから時刻t4cまでの期間、スイッチング動作を開始するのは、図2の単位変換器23の下側スイッチング素子24Lのみで、単位変換器23の上側スイッチング素子24Hはスイッチング動作停止の状態を維持するようにしたことである。
このように制御することでコンデンサを効率よく充電できる。その理由を、図5を用いて説明する。コンデンサを効率よく充電する単位変換器の電流経路を示す図5において、横軸のA側はアーム電流IUPが正、横軸のB側はアーム電流IUPが負であるときを、また縦軸のNo.1、No.2、No.3は、スイッチング素子24H、24Lのゲートオン、オフ状態を表している。電流正、負の定義は、図1と対応している。縦横軸のマトリクス内には単位変換器23の回路構成とこの条件の時に流れる電流経路をコンデンサの充放電状態を示している。
この図5のまとめによれば、No.1-Aのマトリクスは、コンデンサを放電する放電動作モード、No.1-B、No.3-Bのマトリクスは、コンデンサを充電する充電動作モード、それ以外のマトリクスは、コンデンサ25を電流が通らないバイパス動作モードである。
この中でNo.1の動作モードは、コンデンサ25を放電する動作モードであり、初充電動作時において使用するには不適切である。この不適切モードは、アーム電流IUPが正であるときに、単位変換器23の上側スイッチング素子24Hをゲートオンし、下側スイッチング素子24Lをゲートオフしたものであり、そのため本発明の実施例2の運用においては、上側スイッチング素子24Hのゲートパルス出力を積極的に停止してスイッチング素子を常時オフ動作とする。
このように制御することで、図5の動作条件からNo.1の2つの動作モードNo.1-A、No.1-Bが省かれ、No.2、No.3の4つの動作モードが必ず選択されることとする。結果として、コンデンサ25を放電する動作モードが選択されなくなることから、コンデンサを効率よく充電できる。以上が本発明において、時刻t2cから時刻t4cまでの期間、単位変換器23の下側スイッチング素子24Lのみをスイッチング動作させる理由である。
図6にDSMMC制御装置22の初充電動作時における制御ブロック図を示す。図5の制御ブロックを用いて、時刻t2cから時刻t4cまでの期間の具体的な制御方法を説明する。なお、図6はDSMMC変換器1AのDSMMC制御装置22について説明するが、もう一方のDSMMC変換器1BのDSMMC制御装置22も制御ブロック構成が同じであるため、本実施例では詳細説明を省略する。
図6のDSMMC制御装置22は、変調率決定手段30、PWM演算手段31、ゲートパルス出力判定回路32で構成される。図6の出力であるゲートパルスgHUP、gHVP、gHWP、gHUN、gHVN、gHWNは、図2の単位変換器23の上側スイッチング素子24Hに与えるゲートパルスで、ゲートパルスgLUP、gLVP、gLWP、gLUN、gLVN、gLWNは、単位変換器23の下側スイッチング素子24Lに与えるゲートパルスである。ゲートパルスは「0」または「1」が出力され、「1」のときは、スイッチング素子がオン動作、「0」のときは、スイッチング素子がオフ動作と定義する。図5で説明した通り、初充電動作中、上側スイッチング素子24Hに与えるゲートパルスは常時オフ動作のため、ゲートパルスgHUP、gHVP、gHWP、gHUN、gHVN、gHWNは常に「0」出力である。
実施例2における起動制御での特徴的な事項の2つ目は、DSMMCスイッチング充電モードにおいて、変調率制御を実行する事で起動時間短縮を図ることである。このため、図7に例示するところの変調率決定手段30は、時刻t2cから時刻t4cまでの期間(DSMMCスイッチング充電モード)のDSMMC変換器1Aの各アーム変換器17UP、17UN、17VP、17VN、17WP、17WNに与える変調波Mrefを決定し出力する。なお、DSMMC変換器1B側については、時刻t3cから時刻t4cまでの期間のDSMMC変換器1Bの各アーム変換器に与える変調波Mrefを決定し出力する。
図7に変調率決定手段30から出力される時刻毎の変調波Mrefの例を示す。図7の時刻t2cにおいてDSMMC変換器1A側の変調率決定手段30は、変調率Mref_Aの変調波を出力し、それを搬送波Carryと比較してゲートパルスgLUP、gLVP、gLWP、gLUN、gLVN、gLWNを演算する。時刻t4cにおいてDSMMC変換器1Aの変調率決定手段30は変調率Mref_Bの変調波を出力し、それを搬送波Carryと比較してゲートパルスgLUP、gLVP、gLWP、gLUN、gLVN、gLWNを演算する。
時刻t2cから時刻t4cまでの期間、変調波Mrefをランプ状に変化させ、下側スイッチング素子24Lのオン、オフ比率を変化させながら動作する。図7のように変調波Mrefを時刻とともに変化させることで、図5の充電動作モードとバイパス動作モードの比率を変えることができるので、DSMMC変換器1Aのコンデンサ電圧の充電速度を調整できる。
なお、DSMMC変換器1Bの動作については、ゲートパルス出力開始時刻がt2cからt3cに変わるだけでその他は同様の動作である。本実施例においてDSMMC変換器1A、1Bでゲートパルス出力開始時刻をt2c、t3cとずらした理由は、それぞれのコンデンサの充電速度を調整して目標電圧値(1p.u.)までの時刻を一致させるためである。
図6のPWM演算手段31は、前記変調率決定手段30で演算した変調波Mrefと搬送波Carryを比較してゲートパルスを出力する。
ゲートパルス出力判定回路32は、DSMMC変換器1Aをスイッチング動作を開始するか停止するか選択する回路である。ゲートパルス出力フラグFLG_GDBが「0」のときは、ゲートパルス出力を常にオフ動作としてスイッチング動作を停止する。ゲートパルス出力フラグFLG_GDBが「1」のときは、PWM演算手段31から出力されるゲートパルスを出力する。
以上の制御方法でコンデンサを目標電圧値まで充電し、目標電圧値に達する時刻t4cにて、初充電装置用遮断器7、を抵抗バイパス用遮断器13、変圧器タップ切替用遮断器15を「閉→開」に切り替えて、ゲートパルス出力フラグFLG_GDB「1→0」に切り替えて、DSMMC1A、1Bと初充電装置4を電気的に切り離すことで初充電動作を完了する。
実施例2によれば、短時間での充電が可能となる。
実施例3においては、高速な放電を可能とする電力変換装置の停止制御手法について図8、図9を用いて説明する。
図8は、放電動作時における図1の初充電装置4内の各遮断器の開閉とDSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力動作を示したタイムチャートである。なお、図8の初充電用遮断器12については放電動作と関係ない遮断器であり、以降で説明するt0dからt3dの放電動作期間中は「開」であるので動作説明を省略する。
図9は本発明の放電動作時におけるDSMMC変換器1A、1Bのコンデンサ電圧波形と初充電装置4内の各部交流電流波形である。なお、図9の各波形名の説明は図4と同じである。図8と図9の時刻t0dから時刻t3dはそれぞれ対応し、同じ時間を表す。
図8と図9を用いて、放電が回生放電モード、放電モード切替、抵抗放電モードの各モードを経て放電されることについて説明する。
図9の時刻t0dでは、主回路用遮断器6A、6Bが「閉→開」に切り替わり、DSMMC変換器の交流電流制御で初充電用電源5に回生する放電動作モードへ移行するために、三相電源2A、2BとDSMMC変換器1A、1Bが電気的に切り離される。また、初充電装置用遮断器7「開→閉」、三相短絡用遮断器8「開」、放電用遮断器11「開」、抵抗バイパス用遮断器13「開→閉」、変圧器タップ切替用遮断器15「開」、16「開→閉」となり、DSMMC変換器1A、1Bが初充電装置4内のタップ付き初充電用変圧器14を介して、初充電用電源5と接続する。また、タップ付き初充電用変圧器14の2次巻線側の第3の端子UT2、VT2、WT2とDSMMC変換器1Aの交流端子UA、VA、WAが接続されている。DSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力フラグFLG_GDBは「0→1」に切り替わり、DSMMC変換器1A、1Bはスイッチング動作を開始する。
時刻t0dから時刻t1dまでの期間は回生放電モードでの運用期間であり、DSMMC変換器1A、1Bのコンデンサに蓄えられたエネルギーを、放電抵抗9を介さずにDSMMC変換器の交流電流制御で初充電用電源5に回生する放電動作モードである。放電抵抗9を介さずに初充電用電源5に回生するため、図9では、抵抗バイパス用遮断器13に放電電流が流れていることが分かる。また、本期間でDSMMC変換器1A、1Bのコンデンサの電圧を50%まで放電できる。
一般的に、電力変換装置は電圧利用率を高く設計することが経済的であるため、定格運転時の変調率が0.85の場合、17%程度のコンデンサ電圧低下により過変調運転となり、それ以降は、電源への回生運転ができなくなる。そのため、以降は放電抵抗でコンデンサのエネルギーを消費せざるを得ない。
一方、本実施例はコンデンサの電圧が45%に到達するまでDSMMC変換器が過変調とならずに動作できる。その理由は、実施例1で説明したようにタップ付き初充電用変圧器14の2次巻線側の接続端子を第2の端子UT1、VT1、WT1から第3の端子UT2、VT2、WT2に切り替え、電源の交流電圧値を下げるためである。
具体的には、変圧器タップ切替用遮断器15を「開」、16を「閉」として、タップ付き初充電用変圧器14の2次巻線側の第3の端子UT2、VT2、WT2とDSMMC変換器1Aの交流端子UA、VA、WAを接続する。第2の端子UT1、VT1、WT1と第3の端子UT2、VT2、WT2は、1次巻線との巻数比が異なるよう構成する。本実施例において、1次巻線に印加される交流電圧値が同じ場合、2次巻線の交流電圧は、第2の端子UT1、VT1、WT1の端子電圧が第3の端子UT2、VT2、WT2の端子電圧よりも2倍高くなるように巻数比を構成し、本実施例の放電動作時においては第3の端子UT2、VT2、WT2と接続する。すると、第2の端子UT1、VT1、WT1と接続するよりも、電源の交流電圧値を約半分に下げることができる。タップ付き初充電用変圧器14の2次巻線の交流電圧が約半分に下がることで変調率に余裕ができるので、コンデンサの電圧を45%まで放電できるようになる。以上の構成により、コンデンサに蓄えられたエネルギーの大部分を電源へ回生させる。
時刻t1dでは、DSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力フラグFLG_GDBを「1→0」に切り替え、DSMMC変換器1A、1Bのスイッチング動作を一度停止し、放電抵抗9を用いた放電動作モードへ移行するための準備に入る。
時刻t2dでは、初充電装置用遮断器7を「閉→開」、三相短絡用遮断器8を「開→閉」、放電用遮断器11を「開→閉」、抵抗バイパス用遮断器13を「閉→開」に切り替える。また、DSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力フラグFLG_GDBを「0→1」に切り替え、DSMMC変換器1A、1Bのスイッチング動作を再開して放電抵抗9を用いた放電動作モードへ移行する。これら時刻t1dから時刻t2dに至る一連の期間が放電モード切替に相当している。
時刻t2dから時刻t3dまでの期間は抵抗放電モードでの運用期間であり、DSMMC変換器1A、1Bのコンデンサに蓄えられたエネルギーをDSMMC変換器の交流電流制御で放電抵抗9に電流を流すことで消費する放電動作モードである。時刻t0dから時刻t1dまでの期間で、コンデンサの電圧を100%から45%まで放電できる。つまり、数式(2)から、放電抵抗9で消費するエネルギーを特許文献2で100%(全て抵抗で消費)とすると本実施例は約20%となり、放電抵抗9で消費するエネルギーを約80%削減できる。そのため、冷却装置の大型化を回避できるので、初充電装置を小型化できる。
図10にDSMMC制御装置22の放電動作時における制御ブロック図を示す。図10の制御ブロックを用いて、時刻t0dから時刻t1dまでの期間と、時刻t2dから時刻t3dまでの期間の具体的なDSMMC変換器1Aの制御方法を説明する。なお、DSMMC変換器1Bについては、時刻t0dから時刻t1dまでの期間と、時刻t2dから時刻t3dまでの期間は変調率0.5一定で運転するため説明を省略する。
図10に示す停止時のDSMMC制御装置22は、交流電流演算手段33、三相二相変換手段34、交流電流制御手段35、三相二相逆変換手段36、Q軸電流指令演算手段37、PWM演算手段31、ゲートパルス出力判定回路32、デッドタイム演算手段38から構成される。この中で、PWM演算手段31、ゲートパルス出力判定回路32は初充電動作時と同じであるため説明を省略する。
交流電流演算手段33は、電流検出器18で検出した各相のアーム電流IUP、IUN、IVP、IVN、IWP、IWNから交流電流IU、IV、IWを以下のようにして演算する。
IU=IUP-IUN・・・(d)
IV=IVP-IVN・・・(e)
IW=IWP-IWN・・・(f)
三相二相変換手段34は、三相交流電流IU、IV、IWをQ軸電流IQ、D軸電流IDに変換する。なお、IU、IV、IWとIQ、IDと電圧位相θの関係は(3)式となる。
IU=IUP-IUN・・・(d)
IV=IVP-IVN・・・(e)
IW=IWP-IWN・・・(f)
三相二相変換手段34は、三相交流電流IU、IV、IWをQ軸電流IQ、D軸電流IDに変換する。なお、IU、IV、IWとIQ、IDと電圧位相θの関係は(3)式となる。
交流電流制御手段35は、交流電流指令値IQref、IDrefを指令値として、交流電流IQ、IDをIQref、IDrefに追従させるよう、交流電圧指令VQref、VDrefを生成する。交流電流制御手段35は比例積分制御器で構成する。
三相二相逆変換手段36は、VQref、VDrefを三相交流電圧指令VUref、VVref、VWrefに変換する。なお、IQ、IDとIU、IV、IWと電圧位相θの関係は(4)式となる。
VUref、VVref、Vwrefからアーム変換器17UP、17VP、17WPに与える交流電圧指令VUParef、VVParef、VWParefとアーム変換器17UN、17VN、17WNに与える交流電圧指令VUNaref、VVNaref、VWNarefを生成する。また、直流電圧指令VDCref/2を交流電圧指令に加算し、アーム電圧指令VUPref、VUNref、VVPref、VVNref、VWPref、VWNrefを演算する。
デッドタイム演算手段38は、PWM演算手段31から得られるゲートパルスにデッドタイムを付加して、上側スイッチング素子24Hと下側スイッチング素子24Lの同時オンを防止する機能を有する。
図9の時刻t2dから時刻t3dまでの期間において、放電抵抗9に流れる電流IRDA、IRDB、IRDCが低下しているのは、図10のQ軸電流指令演算手段37が直流電圧VDCに応じてQ軸電流指令IQrefを変更演算しているからである。時刻t2dから時刻t3dまでの期間において、直流電圧VDCに応じてQ軸電流指令IQrefを変更する理由を説明する。
時刻t2dから時刻t3dまでの期間、IQrefを一定電流指令として放電動作を続けた場合、コンデンサ電圧が低下すると直流電圧VDCが低下し過変調運転領域となりIQがIQrefに追従できなくなる。それを回避するため、Q軸電流指令演算手段37は、直流電圧VDCに応じたQ軸電流指令IQrefを演算する。具体的には、IQrefは(5)式を満たすように設定する。Rは放電抵抗9の抵抗値で、Xはタップ付き初充電用変圧器14の漏れリアクタンスである。
上述の手段でコンデンサを目標電圧まで放電した後、時刻t3dにて、全ての遮断器を「開」、DSMMC変換器1A、1Bのゲートパルス出力フラグFLG_GDBを「1→0」に切り替え、DSMMC1A、1Bと初充電装置4を電気的に切り離すことで放電動作を完了させ、電力変換装置を安全に停止することができる。
以上で説明した初充電動作により、初充電動作時の突入過電流を防止しつつ2台のDSMMC変換器で構成する電力変換装置のコンデンサを同時に充電できるので、電力変換装置の起動、停止時間を高速化できる。また、放電動作時、初充電変圧器14に電圧調整用のタップを設け、変圧器のタップを切り替えて電源電圧値を調整する機能を備えるので、放電時の回生運転範囲が広がり、放電抵抗で消費するエネルギーを特許文献2の手段と比較して約80%削減できる。
図11は、本発明の実施例4に係る電力変換装置の主回路構成例を示す図である。図11は、実施例1の図1と比べて、初充電装置4内の放電抵抗9、放電用遮断器11がないことが異なる。除かれた放電抵抗については初充電抵抗10、放電用遮断器については初充電用遮断器12がそれぞれ機能を担うことが特長である。
図11のように構成することで、初充電装置を更に小型化することが可能となる。
1A、1B:DSMMC変換器
2A、2B:三相電源
3:電圧位相検出手段
4:初充電装置
5:初充電用電源
6A、6B:主回路用遮断器
7:初充電装置用遮断器
8:三相短絡用遮断器
9:放電抵抗
10:初充電抵抗
11:放電用遮断器
12:充電用遮断器
13:抵抗バイパス用遮断器
14:タップ付き初充電用変圧器
15、16:変圧器タップ切替用遮断器
17UP、17UN、17VP、17VN、17WP、17WN:アーム変換器
18、21P、21N:電流検出器
19:循環電流抑制リアクトル
20P、20N:高抵抗
23:単位変換器
24H、24L:スイッチング素子
25:コンデンサ、26:電圧検出器
28H、28L:ゲートドライブユニット(GDU)
29:信号変換器
30:変調率決定手段
31:PWM演算手段
32:ゲートパルス出力判定回路
33:交流電流演算手段
34:三相二相変換手段
35:交流電流制御手段
36:三相二相逆変換手段
37:Q軸電流指令演算手段
38:デッドタイム演算手段
2A、2B:三相電源
3:電圧位相検出手段
4:初充電装置
5:初充電用電源
6A、6B:主回路用遮断器
7:初充電装置用遮断器
8:三相短絡用遮断器
9:放電抵抗
10:初充電抵抗
11:放電用遮断器
12:充電用遮断器
13:抵抗バイパス用遮断器
14:タップ付き初充電用変圧器
15、16:変圧器タップ切替用遮断器
17UP、17UN、17VP、17VN、17WP、17WN:アーム変換器
18、21P、21N:電流検出器
19:循環電流抑制リアクトル
20P、20N:高抵抗
23:単位変換器
24H、24L:スイッチング素子
25:コンデンサ、26:電圧検出器
28H、28L:ゲートドライブユニット(GDU)
29:信号変換器
30:変調率決定手段
31:PWM演算手段
32:ゲートパルス出力判定回路
33:交流電流演算手段
34:三相二相変換手段
35:交流電流制御手段
36:三相二相逆変換手段
37:Q軸電流指令演算手段
38:デッドタイム演算手段
Claims (6)
- 環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を交流端子として第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を前記第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置であって、
前記充放電装置は、全タップ位置と半タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、前記電力変換器の起動と停止時に、前記第1の交流電源に代えて前記電力変換器に接続されることを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置であって、
前記電力変換器の起動時に前記タップ付き変圧器の高電圧タップ位置に接続し、前記電力変換器の停止時に前記タップ付き変圧器の低電圧タップ位置に接続することを特徴とする電力変換装置。 - 環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を前記第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置の制御装置であって、
前記充放電装置は、高電圧タップ位置と低電圧タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、前記電力変換器の起動と停止時に、前記第1の交流電源に代えて前記電力変換器に接続され、
前記制御装置は、前記電力変換器の起動時に、前記第2の交流電源を抵抗、前記タップ付き変圧器の高電圧タップ位置を介して前記電力変換器の交流端子に接続する抵抗充電モードから、前記第2の交流電源から、前記タップ付き変圧器を介して前記電力変換器の交流端子に接続するバイパス充電モードに移行し、その後に前記単位変換器を点弧するスイッチング充電モードに移行し、前記第2の交流電源に代えて前記第1の交流電源を前記電力変換器に接続することを特徴とする電力変換装置の制御装置。 - 請求項3に記載の電力変換装置の制御装置であって、
前記制御装置は、前記単位変換器を点弧するスイッチング充電モードにおいて、前記スイッチング回路に与えるゲートパルスのPWM変調率を時間経過とともに増大させるように制御することを特徴とする電力変換装置の制御装置。 - 請求項3または請求項4に記載の電力変換装置の制御装置であって、
前記制御装置は、前記単位変換器を点弧する前記スイッチング充電モードにおいて、前記スイッチング素子を2組直列接続した前記スイッチング回路の一方の前記スイッチング素子に与えるゲートパルスをOFF信号とすることにより、前記スイッチング回路に並列接続したコンデンサが放電状態となることを阻止することを特徴とする電力変換装置の制御装置。 - 環流ダイオードが並列接続されたスイッチング素子を2組直列接続したスイッチング回路とコンデンサを並列接続して構成された単位変換器と、循環電流抑制リアクトルが直列に接続されてアームを構成し、2組の直列接続されたアームによりレグを構成し、2組のアームの接続点を第1の交流電源の相に接続し、レグの両端を直流端子とする電力変換器と、一方端を第2の交流電源に接続し、他方端を前記第1の交流電源の相に接続する充放電装置を含む電力変換装置の制御装置であって、
前記充放電装置は、高電圧タップ位置と低電圧タップ位置に切替可能なタップ付き変圧器を含み、前記電力変換器の起動と停止時に、前記第1の交流電源に代えて前記電力変換器に接続され、
前記制御装置は、前記電力変換器の停止時に、前記第1の交流電源に代えて前記タップ付き変圧器の低電圧タップ位置を介して前記第2の交流電源に接続し、電流制御部が定めるPWM変調率のゲートパルスを前記スイッチング素子に与えて前記電力変換器を運転する回生放電モードから、前記タップ付き変圧器の低電圧タップ位置から抵抗を介して前記第2の交流電源に接続して運転する抵抗放電モードに移行することを特徴とする電力変換装置の制御装置。
Priority Applications (3)
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