JP3260610B2 - 偏磁抑制制御装置及びそれを用いた電力変換システム - Google Patents

偏磁抑制制御装置及びそれを用いた電力変換システム

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茂太 上田
博康 佐藤
宏和 鈴木
健一 鈴木
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東京電力株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換器の交流
出力を変圧器を介して3相交流電源に接続して使用する
場合において、変圧器の偏磁による過電流を抑制する偏
磁抑制制御装置及びそれを用いた電力変換システムに関
する。
【0002】
【従来の技術】電力変換器容量の増加や高調波低減の目
的から電力変換器の交流出力を変圧器を介して電源に接
続する場合がある。この変圧器の偏磁による過電流を抑
制する偏磁抑制制御の例として、平成7年電気学会全国
大会講演論文集1378「電圧形自励式変換器の新しい
偏磁抑制制御とその実証試験結果」に記載されている技
術がある。この技術では、偏磁抑制制御として、電力変
換器の交流出力電圧の直流成分を補償する直流電圧補正
制御を使用している。この直流電圧補正制御は変換器出
力電圧に重畳される直流成分を補償して、変圧器の偏磁
を抑制する。この場合、リセット付きの積分により、常
時電力変換器の交流電圧の一周期の平均値を計算して直
流成分を求めて補正を加えている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術では、直
流電圧補正制御は系統事故時などで電源電圧が急変した
場合、特に有効である。この効果を大きくするために補
正ゲインを大きくすると定常時にはかえって制御が不安
定になる。従って、定常時には直流電圧成分補正値を零
として制御をしないことが望ましい。また、電力制御な
ど他の制御との干渉も発生する。しかし電源事故時の迅
速な応答を得るためには補正ゲインを大きくする必要が
ある。
【0004】以上から、通常は、電源電圧急変時の応答
性を犠牲にして、定常時にも安定となるような補正ゲイ
ンに設定する。
【0005】本発明の目的は、定常時の安定性を保つと
共に電源電圧急変時の偏磁抑制の応答をより速くできる
偏磁抑制制御装置及びそれを用いた電力変換システムを
提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の特徴は、検出し
た交流電源電圧の変動量により、変換器交流出力電圧の
直流成分の補正ゲインを可変とする手段を備えたことに
ある。
【0007】
【発明の実施の形態】図1に本発明の電力変換システム
の実施例を示す。1は半導体スイッチング素子で構成す
る3相の電力変換器であり、駆動信号GPにより運転す
る。2は変圧器であり、1次側は3相交流電源に接続
し、2次側は変換器交流出力に接続する。3は3相交流
電源である。電圧変動検出器7では電圧検出器8で検出
した交流電源電圧Vsの変動量dVsを求めて出力す
る。
【0008】5は偏磁抑制制御装置である。電圧検出器
6で検出した電力変換器1の交流出力電圧VIの直流成
分VIDCを直流成分を検出する手段51によって求め
る。52は検出した直流成分VIDCに補正ゲインKG
を乗じて補正値VCを出力する手段である。出力電圧指
令値を補正する手段53では出力電圧指令値Vrefか
ら補正値VCを減じ、補正された出力電圧指令値Vre
f′を出力する。
【0009】図2に直流成分を検出する手段51の動作
を示す。変換器出力電圧VIを一定のサンプル周期Ts
でサンプルした階段状の信号をVIsとし、時刻tk
おける値をVIsk とする。電圧の一周期Tをn分割し
た時間がTsであるとすると、VIの時刻tiにおける
一周期分の平均値VIDCiは数1で求められる。
【0010】
【数1】
【0011】VIDCiは時刻tiにおけるVIの直流成
分である。時刻ti+1,ti+2においても同様に求まる。
【0012】52では、補正ゲインKGは電圧の変動量
dVsに応じて変化させる。図3に変動量dVsと補正
ゲインKGとの関係の一例を示す。しきい値Vthを設
定し、|dVs|<Vthでは補正ゲインを零とする。
|dVs|≧Vthでは補正ゲインを一定値K1にす
る。本実施例によれば、しきい値Vthによって、電源
電圧の定常時と変動時を判定することにより、定常時に
は補正ゲインを零として安定な制御ができ、変動時には
一定値K1にすることで、変圧器の偏磁を高応答に抑制
することが可能となる。
【0013】図4に変動量dVsと補正ゲインKGとの
関係の他の例を示す。しきい値Vthを設定し、|dVs
|<Vthでは補正ゲインを零とする。|dVs|≧V
thでは補正ゲインを|dVs|の増加に応じて一定の
増加率K1/ΔVで一定値K1まで増加させる。本実施
例によれば、定常時には補正ゲインを零として安定な制
御ができる。また変動時には変動量の小さいときには小
さい補正ゲインで安定した制御ができ、変動量の大きい
時には補正量を大きくして変圧器の偏磁を高応答に抑制
することが可能となる。
【0014】出力電圧指令値を補正する手段53の動作
を図5を用いて説明する。実際は3相の信号であるが、
簡略化のため1相のみについて説明する。図5(1)に
示す様に出力電圧指令値Vrefは正弦波、補正値VC
は一定値とすると、補正された出力電圧指令値Vre
f′は図5(2)に示すようにVrefからVCを減じ
た波形となる。
【0015】4は電力変換器1を駆動する駆動回路であ
り、補正された3相の出力電圧指令値Vref′を入力
し半導体スイッチング素子のスイッチング信号GPを出
力する。駆動回路4の動作を図6を用いて説明する。実
際は3相であるが、簡略化のため1相のみについて説明
する。補正された出力電圧指令値Vref′と搬送波E
Cを比較し、Vref′≧ECならばHiレベル,Vr
ef′<ECならLowレベルとなる変換器駆動信号GP
を出力する。
【0016】VrefをVref′に補正することで、
図7に示すように、駆動信号GPは補正しない場合の点
線に対し、実線の波形となる。電力変換器の出力相電圧
は、GPがHighレベルの時は正の電圧、Low レベルの時
は負の電圧を出力する。図7では補正値VCは正の値で
あるため、補正された出力電圧は補正されない場合に比
べ負の期間が長くなり、直流成分を減少させることにな
る。VCの値が負の場合は逆に直流成分を増加させる。
こうして補正値VCにより出力電圧の直流成分を補正す
ることが可能となる。
【0017】次に電圧変動検出器7の一実施例として、
交流電源電圧Vsの正相電圧v1の実効値V1の変動量
ΔV1又はV1の微分値dV1を変動量dVsとする方
式について説明する。対称座標法によりVs(vu,v
v,vw)の正相電圧v1は数2により導かれる。
【0018】
【数2】
【0019】実効値は数3で求まる。
【0020】
【数3】
【0021】数3のvにv1を代入すれば、正相電圧の
実効値V1を求めることができる。図8(1)は電源系
統に、一線地絡が発生した場合の波形を示す。この時、
V1は(2)に示すように地絡が起きると減少し、電圧
が復帰すれば定常値に復帰する。ΔV1は図8(2)に
示す波形となり、dV1は図8(4)に示す波形とな
る。V1の微分値dV1を利用する場合には、フィルタ
を用いてゲインの変動を抑制すればより安定な動作が期
待できる。本実施例によれば、電源電圧の正相電圧実効
値の変動量または正相電圧実効値の微分値を検出するこ
とで、電圧変動を判定することができる。
【0022】電圧変動検出器7の他の実施例として、交
流電源電圧Vsの逆相電圧v2の実効値V2または、V
2の微分値dV2を変動量dVsとする方式について説
明する。対称座標法によりVs(vu,vv,vw)の
逆相電圧v2は数2により導かれる。実効値は数3で求
まる。数3のvにv2を代入すれば、逆相電圧の実効値
V2を求めることができる。図9(1)に電源電圧に、
一線地絡が発生した場合の波形を示す。この時、V2は
図9(2)に示すように地絡が起きると増加し、電圧が
回復すれば減少する。dV2は図9(3)に示す波形と
なる。V2の微分値dV2を利用する場合には、フィル
タを用いてゲインの変動を抑制すればより安定な動作が
期待できる。本実施例によれば、電源電圧の逆相電圧実
効値または逆相電圧実効値の微分値を検出することで、
電圧変動を判定することができる。
【0023】電圧変動検出器7のさらに他の実施例とし
て、交流電源電圧Vsの各相電圧(vu,vv,vw)
の実効値VRMS(VuRMS,VvRMS,VwRM
S)の変動量の最大値ΔVRMSMAXまたはVRMSの微分値
の最大値dVRMSMAX を変動量dVsとする方式について
説明する。実効値は数3で求まる。また、ΔVRMSMAXは
3相の実効値の変動量(ΔVuRMS,ΔVvRMS,
ΔVwRMS)のうちもっとも大きい値であり数4で求
まる。
【0024】
【数4】
【0025】dVRMSMAXは3相の実効値の微分量(dVuRM
S,dVvRMS,dVwRMS)のうちもっとも大きい値であり、
数5で求まる。
【0026】
【数5】
【0027】図10(1)にU相電源電圧に、一線地絡
が発生した場合の波形を示す。この時、VRMSMAX は図1
0(2)に示すように地絡が起きると減少し、地絡が治
まれば定常値に復帰する。ΔVRMSMAX は図10(3)に
示す波形となり、dVRMSMAXは図10(4)に示す波形と
なる。VRMSの微分値dVRMSMAXを利用する場合には、
フィルタを用いてゲインの変動を抑制すればより安定な
動作が期待できる。本実施例によれば、電源電圧の各相
電圧実効値の変動量または微分値を検出することで、電
圧変動を判定することができる。
【0028】図11に本発明の電力変換システムの他の
実施例を示す。本実施例は第1の実施例を多重変換シス
テムに適用した例である。m台の単位電力変換器11〜
1mの交流出力を多重変圧器21〜2mを介して交流電
源に接続する。変圧器21〜2mは2次側は各単位電力
変換器11〜1mに接続され、1次側は多重接続して交
流電源3に接続する。
【0029】電圧変動検出器7では電圧検出器8で検出
した交流電源電圧Vsの変動量dVsを求めて出力する。
各単位電力変換器11〜1mの交流出力電圧VI1〜V
mを電圧検出器61〜6mで検出して偏磁抑制制御装
置51〜5mに入力する。偏磁抑制制御装置51〜5m
では本発明の第1の実施例と同様の動作をし、出力電圧
指令値Vrefの単位変換器毎に補正された出力電圧指
令値Vref′1 〜Vref′mを出力する。駆動回路
41〜4mは各単位変換器毎の駆動信号GP1〜GPm
を出力する。本実施例によれば、各単位変換器毎に個別
に出力電圧直流成分を補正することで、複数台の変圧器
の偏磁を個別に抑制できる。
【0030】
【発明の効果】本発明によれば、偏磁抑制制御装置の直
流電圧補正ゲインを電源電圧の状態によって変化させる
ことで、定常時には安定な制御ができる。また電源電圧
変動時にのみ補正ゲインを大きくすることができるの
で、過渡的な出力電圧の直流成分によって変圧器が偏磁
し発生する過電流抑制が高速に行える。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施例を説明する図。
【図2】出力電圧の直流成分を検出する手段の動作を説
明する図。
【図3】補正ゲインを可変する手段の第1の実施例を示
す図。
【図4】補正ゲインを可変する手段の第2の実施例を示
す図。
【図5】出力電圧指令値を補正する手段を説明する図。
【図6】駆動回路の動作を示す図。
【図7】直流成分の補正原理を示す図。
【図8】電圧変動を検出する手段の第1の実施例を示す
図。
【図9】電圧変動を検出する手段の第2の実施例を示す
図。
【図10】電圧変動を検出する手段の第3の実施例を示
す図。
【図11】第2の実施例を説明する図。
【符号の説明】
1…電力変換器、2…変圧器、3…3相交流電源、4…
駆動回路、5…偏磁抑制制御装置、6,8…電圧検出
器、7…電圧変動検出器。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 上田 茂太 茨城県日立市大みか町七丁目2番1号 株式会社 日立製作所 電力・電機開発 本部内 (72)発明者 佐藤 博康 茨城県日立市幸町三丁目1番1号 株式 会社 日立製作所 日立工場内 (72)発明者 鈴木 宏和 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町4番1号 東京電力株式会社 電力技術研究所内 (72)発明者 鈴木 健一 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町4番1号 東京電力株式会社 電力技術研究所内 (72)発明者 矢島 正士 神奈川県横浜市鶴見区江ケ崎町4番1号 東京電力株式会社 電力技術研究所内 (56)参考文献 特開 平6−78564(JP,A) 特開 昭57−153569(JP,A) 特開 昭63−202272(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/537 H02M 7/155

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流を直流または直流を交流に変換する電
    力変換器の交流側を変圧器を介して3相交流電源に接続
    した電力変換システムに用いられ、 該電力変換器の交流出力電圧の直流成分を検出する手段
    と、該直流成分に補正ゲインを乗じた値を前記電力変換
    器の出力電圧指令値の直流成分補正値として出力する手
    段と、前記出力電圧指令値と前記直流成分補正値とから
    補正された出力電圧指令値を求め、これを前記電力変換
    器に出力する手段とを備え、前記3相交流電源の電圧変
    動量を検出して該電圧変動量がしきい値より小さい場合
    には補正ゲインを零とし、電圧変動量がしきい値より大
    きい場合には補正ゲインを有限値としたことを特徴とす
    る偏磁抑制制御装置
  2. 【請求項2】請求項1において、前記電力変換器の交流
    出力電圧のある時刻における直流成分は、前記ある時刻
    より前記交流出力電圧の一周期前から、前記ある時刻ま
    での前記交流出力電圧のサンプル値の平均値とすること
    を特徴とする偏磁抑制制御装置。
  3. 【請求項3】請求項1,2において、前記電圧変動量が
    しきい値以上の時は一定値とすることを特徴とする偏磁
    抑制制御装置。
  4. 【請求項4】請求項1,2において、前記電圧変動量が
    しきい値以上の時は前記電圧変動量の増加に応じて一定
    の増加率で前記補正ゲインを任意の一定値まで増加させ
    ることを特徴とする偏磁抑制制御装置。
  5. 【請求項5】請求項1〜4において、電源電圧の正相成
    分を検出し、該正相成分の変動量または微分値を前記電
    圧変動量とすることを特徴とする偏磁抑制制御装置。
  6. 【請求項6】請求項1〜4において、電源電圧の逆相成
    分を検出し、該逆相成分の変動量または微分値を前記電
    圧変動量とすることを特徴とする偏磁抑制制御装置。
  7. 【請求項7】請求項1〜4において、3相電源電圧各相
    の実効値をそれぞれ検出し、該実効値の変動量または微
    分値が最大となる相の前記実効値の変動量または微分値
    を前記電圧変動量とすることを特徴とする偏磁抑制制御
    装置。
  8. 【請求項8】複数の単位電力変換器を該単位電力変換器
    の交流出力を変圧器により多重化し、交流電源に接続し
    た多重電力変換システムにおいて、 前記各単位電力変換器毎に、該単位電力変換器の交流出
    力電圧の直流成分を検出する手段と、該直流成分に補正
    ゲインを乗じた値を前記単位電力変換器の出力電圧指令
    値の直流成分補正値として出力する手段と、前記出力電
    圧指令値と前記直流成分補正値とから補正された出力電
    圧指令値を求め、これを前記単位電力変換器に出力する
    手段とを備え、前記3相交流電源の電圧変動量を検出し
    て該電圧変動量該電圧変動量がしきい値より小さい場合
    には補正ゲインを零とし、電圧変動量がしきい値より大
    きい場合には補正ゲインを有限値としたことを特徴とす
    る多重電力変換システム。
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