JP2695009B2 - 系統連系用電力変換装置の制御装置 - Google Patents

系統連系用電力変換装置の制御装置

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  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の目的〕 (産業上の利用分野) 本発明は、交流電力を直流電力に或は直流電力を交流
電力に変換する自励式電力変換装置を用いて交流系統間
の電力の授受を行なう系統連系用多電力変換装置の制御
装置に関する。
(従来の技術) 第3図は電圧源形自励式電力変換装置(以降変換装置
と呼ぶ)の制御装置の従来例の構成を説明する図を示し
ている。第4図は変換装置を構成するインバータ主回路
の1構成例を説明する図を示している。第5図はインバ
ータ主回路の動作原理を説明する図を示している。第3
図及び第4図においては、10はインバータ主回路、20は
直流コンデンサ、30は連系リアクトル、40は変圧器、45
は変流器、46は電圧検出用変圧器、300は電力制御装
置、350はゲート制御装置であり、変換装置1000を構成
している。また、50は直流電源、100は交流系統電源
(以降系統と呼ぶ)を各々示している。第4図において
GU、GV、GW、GX、GYおよびGZは可制御整流素子の1種で
あるゲートターンオフサイリスタ(以降GTOと呼ぶ)を
示しており、DU、DV、DW、DX、DYおよびDZはダイオード
を示している。またPTとNTは直流端子を示し、R、S及
びTは交流端子を各々示している。
交流系統の平衡三相電圧の瞬時値を ここでθ=ωt、ωは出力周波数の角速度、tは時間を
表わし、Vmは平衡三相電圧の振幅を表わす。
とし、これを静止座標系U−V−W軸上の成分とみなす
と、平衡しているという条件から(2)式の如き座標変
換により、静止直交座標系X−Y軸上の成分に変換でき
る。
(1)式と(2)式から静止直交座標系X−Y軸上の瞬
時値υとυは υ=Vm・sinθ υ=−Vm・cosθ ……(3) となる。この静止直交座標系の諸量は、(4)式の座標
変換により角速度ωで回転する回転座標系d−q軸上の
成分に変換できる。
回転座標系d−q軸上の瞬時値υとυは、 υ=0 υ=−Vm ……(5) となる。つまり、系統電圧の角速度と同期速度で回転す
る座標軸上では、正弦波成分が直流量として表現され
る。
瞬時有効電力を静止座標系において P=υ・iu+υ・iv+υ・iw =3/2*(υ・ix+υ・iy) ……(6) と定義する。ここでiu、iv、iwは静止座標系U−V−W
軸上の電流成分、ix、iyは静止直交座標系X−Y軸上の
電流成分、υ、υ、υは静止座標系U−V−W軸
上の電圧成分、υ、υは静止直交座標系X−Y軸上
の電圧成分である。また、瞬時無効電力を Q=3/2*(υ・iy−υ・ix) ……(7) と定義する。以上の式では、瞬時電圧ベクトルに対し
て、瞬時電流ベクトルが進んでいる時、瞬時有効電力
(P)と瞬時無効電力(Q)が正となるように定義して
いる。
(4)式より と表わせるので、PとQは、回転座標系では(6)式と
(7)式から、それぞれ P=3/2*(υ・id+υ・iq) ……(10) Q=3/2*(υ・iq−υ・id) ……(11) となる。電圧が平衡していれば、(5)式より P=−3/2Vm・iq ……(12) Q=3/2Vm・id ……(13) となる。
電流が平衡していれば、静止座標系でのU−V−W軸
上の平衡三相電流の瞬時値は ここでImは平衡三相電流の振幅を表わし、φは平衡三相
電流と平衡三相電流の位相差を表わす。
と表わせるので、回転座標系のd−q軸上では次式の成
分で表わせる。
このとき、(12)式と(13)式は となる。すなわち。この場合、瞬時有効電力と瞬時無効
電力は一般的な有効電力と無効電力の算出式と一致す
る。このことから、電圧が平衡していれば、有効電力と
無効電力はd−q軸に分解されたidとiqをそれぞれ制御
すればよいことが分かる。ちなみに、(12)、(13)式
より となる。
第5図(a)において、インバータ主回路10のインバ
ータ出力電圧を、系統100の系統電圧を、連系
インピーダンス2のインピーダンスをX、連系インピー
ダンス2を介して系統100からインバータ主回路10に向
かう電流をiとするとd−q軸上にとった動作ベクトル
図は第5図(b)のようになる。ベクトル成分を式で表
わすと υid=jX*id υiq=−jX*iq−Vm ……(20) の関係にある。このυidとυiqを静止座標系のU−V−
W軸の三相電圧成分に変換して第4図のインバータ主回
路の電圧とすることにより直流電源50と系統100との間
で電力の授受が行なえることが分かる。インバータ主回
路の電圧の調整は、GTO GU、GV、GW、GX、GYおよびGZ
の通電時間幅を上記静止座標系の三相電圧成分に基づい
て変更することになる。
従来、直流電源50にはサイリスタを用いた整流器や電
池などが使用されることが多かった。直流電源50として
は第3図の変換装置1000と同じものを用い系統100とは
異なる系統から電力を得て直流電源とすることが出来
る。直流電源は無効電力を供給できないから、有効電力
を供給するものと考えられる。
以上説明したことから、従来、第6図に示す方式の電
力授受方式が用いられている。第6図は第3図の詳細を
説明する図である。
第6図において第3図中と同じ機能を遂行する装置に
は同一の番号を付してある。71は有効電力基準設定器、
72は無効電力基準設定器、60は電圧位相検出器、70は電
流基準算出器、80は電流制御回路で、これらにより電力
制御装置300を構成している。
電圧検出用変圧器46により、系統電圧瞬時値υが検
出される。電圧位相検出器60は、系統電圧瞬時値υ
ら系統電圧位相θを検出する。有効電力設定器71は有効
電力基準Pdpを出力する。無効電力設定器72は無効電力
基準Qdpを出力する。電流基準算出器70は、系統電圧瞬
時値υから系統電圧実効値Vrmsを求め、その値と有効
電力基準Pdpと無効電力基準Qdpとから、 の式に基づき有効電流基準値icdと無効電流基準値icq
算出する。電流制御回路80は、変流器45からの変換器出
力電流iと系統電圧位相θと有効電流基準値icdと無効
電流基準値icqを入力値とし、変換器出力電流iを有効
電流基準値icdと無効電流基準値icqに等しくするように
変換器の電圧指令値υuc、υvc、υwcを決定しゲート制
御回路350へと出力する。ゲート制御回路350は電流制御
回路80から出力されたυucとυvcとυwcに基づいてイン
バータ主回路10の各GTO素子の通電時間幅を決定するゲ
ート信号をインバータ主回路10に出力する。以上の作用
により変換装置1000は系統100と有効電力Pおよび無効
電力Qの授受を行なっている。尚、上記電流制御回路80
の1例は、文献Shun−ichi Hirose et al「Application
of a digital instantaneous current control for st
atic induction thyristor converters in the utility
line」PCIM Proceeding(Dec.8,1988)の343頁から349
頁に開示されている。
(発明が解決しようとする課題) 第6図の従来例では、変換装置を定格皮相電力で運転
している状態で、系統故障などで系統電圧を低下した場
合、次の如き不具合がある。系統電圧の低下に応じて電
流基準算出器の出力が増加するため、変換装置の出力電
流が定格値を越えて流れるので、変換装置の運転を止め
ざるを得ないという不具合である。変換装置を構成する
可制御整流素子やリアクトルおよびトランスは過電流に
対する制約をきびしく設計することが多く、系統電圧低
下による過電流を許せば変換装置の致命的な故障とな
る。
本発明の目的は上記従来例のもつ不具合を解決するも
ので、変換装置が定格皮相電力範囲内で運転している状
態で、系統側の電圧が低下しても過電流を起こすことな
く変換装置の運転を安定に続けることができるようにす
る系統連系用電力変換装置の制御装置を提供することを
目的とする。
〔発明の構成〕
(課題を解決するための手段) 上記本発明の目的を達成する手段は下記の如くであ
る。
系統連系用電力変換装置において、前記変換装置が交
流系統と授受する有効電力および無効電力を制御する系
統連系用電力変換装置の電力制御装置を、交流系統電圧
の位相を検出する電圧位相検出器と、交流系統電圧と有
効電力基準と無効電力基準とから有効電流基準値と無効
電流基準値を算出する電流基準算出器と、該電流基準算
出器の出力値を制限する電流基準制限器と、該電流基準
制限器の出力値と前記電圧位相検出器の出力値と変換器
の出力電流を入力値とし電流制御を行なう電流制御回路
とで構成し、有効電流基準値と無効電流基準値をある任
意の電流値以内に制限する。
(作用) 上記問題を解決するための手段がどの様に作用するか
説明する。電流基準値の制限値をImaxとし、有効電流基
準値icdと無効電流基準値icqがImax 2≧icd 2+icq 2範囲
にあるように制限する。
(実施例) 第1図は本発明による実施例の構成を説明する図であ
る。第1図では第3図と同じ機能を遂行する装置には同
じ符号を付してある。系統連系用電力変換装置の電力制
御装置300は、有効電力基準設定器71と無効電力基準設
定器72と電流基準算出器70と電流基準制限器90と電圧位
相検出器60と電流制御回路80とから構成している。
第2図は実施例の動作を説明する図である。電流基準
算出器70は、系統電圧瞬時値υから系統電圧実効値V
rmsを求め、その値と有効電力基準設定器71からの有効
電力基準Pdpと無効電力設定器72からの無効電力基準Qdp
から、有効電流基準値icdと無効電流基準値icqを算出す
る。電流基準制限器90は、電流基準算出器70からの有効
電流基準値icdと無効電流基準値icqを電流基準値の制限
値Imaxに対して、Imax 2≧icd 2+icq 2の条件が成り立つ
ときには、有効電流基準値icd′をicd′=icdとし無効
電流基準値icq′をicq′=icqとして電流制御回路80へ
出力し、Imax 2≧icd 2+icq 2の条件が成り立たないとき
にはicdとicqをImax 2=icd 2+icq 2の円内におさまる値
に制限し、制限した有効電流基準値icd′と無効電流基
準値icq′を電流制限回路80へ出力する。制限方法につ
いて第2図で説明する。第2図の横軸は、有効電流id
あり、縦軸は無効電流iqである。図中に示す円aはImax
2=id 2+iq 2の円である。有効電流指令値icdと無効電流
指令値icqはImax 2≧icd 2+icq 2、aの円外にあることに
なる。指令(icd、icq)がある点をX点とする。制限方
法の一例としては、ゲインを K=(Imax 2/(icd 2+icq 2))1/2 として icd′をicd′=K*icd icq′をicq′=K*icq を決定し、PとQの皮相電力量をaの円上(第2図中Y
点)に縮小する方法がある。制限方法としてはこの限り
ではなく、この他に有効電流を優先しその点を第2図中
M点とする方法や、無効電流を優先しその点を第2図中
N点とする方法もある。電流制御回路80は、変流器45か
らの変換出力電流信号iと系統電圧位相θと有効電流基
準値Icd′と無効電流基準値icq′を入力値とし、変換器
出力電流信号iを有効電流基準値icd′と無効電流基準
値icq′に等しくするように変換器の電圧指令値υuc
υvc、υwcを決定しゲート制御回路350へと出力する。
ゲート制御回路350は電流制御回路80から出力されたυ
ucとυvcとυwcに基づいてインバータ主回路10の各GTO
素子の通電時間幅を決定するゲート信号をインバータ主
回路10に出力する。
〔発明の効果〕
以上説明したように本発明によれば、変換装置が定格
皮相電力範囲内で運転している状態で、系統側の電圧が
低下し、それに応じて電流基準算出器の出力が増加して
も電流基準値を電流基準制限値以内に制限するので、変
換器の出力電圧も低下するため過電流を起こすことなく
変換装置の運転を安定に続けることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す系統連系用電力変換装
置の制御装置の構成図、第2図は第1図の実施例の動作
を説明するための図、第3図は電圧源形自励式電力変換
装置の制御装置の従来例を示す構成図、第4図は電圧源
形自励式電力変換装置を構成するインバータの主回路の
一構成例を示す図、第5図は第4図のインバータ主回路
の動作原理を説明するための図、第6図は第3図の詳細
を示す構成図である。 10……インバータ主回路、20……直流コンデンサ、 30……連系リアクトル、40……変圧器、 50……直流電源、60……電圧位相検出器、 70……電流基準算出器、 71……有効電力基準設定器、 72……無効電力基準設定器、80……電流制御器、 90……電流基準制限器、100……交流系統、 300……電力制御装置、350……ゲート制御回路、 1000……電圧源形自励式電力変換装置。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流電力を直流電力に変換し、また逆に直
    流電力を交流電力に変換し、交流系統と直流線路との間
    で電力の授受を行う系統連係用電力変換装置において、 前記交流系統の電圧の位相を検出する電圧位相検出器
    と、 前記交流系統の電圧と有効電力基準と無効電力基準とか
    ら有効電流基準値と無効電流基準値とを算出する電流基
    準算出器と、 前記有効電流基準値と前記無効電流基準値とをある任意
    の電流値以内に制限する電流基準制限器と、 前記電流基準制限器の出力値と前記電圧位相検出器の出
    力値と前記変換器の出力電流とを入力値とし電流制御を
    行う電流制限回路と、 を具備したことを特徴とする系統連係用電力変換装置の
    制御装置。
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