JP3358965B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電源系統に接
続された交直流変換を行う電力変換装置に係り、特に、
直流送電装置、無効電力調整装置、周波数変換装置及び
無停電電源装置を構成するに適した電力変換装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】半導体スイッチング素子を用いて交流を
直流に変換する順変換器、または、直流を交流に変換す
る逆変換器など自励式電力変換装置において、有効、無
効電力の演算では電流、電圧を検出してｄ−ｑ軸の回転
座標に変換したり、自励式電力変換器に与えるＰＷＭパ
ルスを生成するときには、交流の系統電圧の位相の検出
が必要である。この例としては、特開平３−４５１２６
号公報に示すように、交流系統電圧から直接位相を検出
する手段がある。また、特開平４−３６７０１１号公報
に示すように、系統の交流電圧と交流電流から実電力と
虚電力を求め、この実電力と虚電力を検出された交流電
圧から交流電圧の最大値で割算することにより、系統電
圧の位相を検出することなく、ｄ−ｑ軸の回転座標の電
流を求める手段がある。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自励式電力変換器にお
いて、３相交流から電圧、電流を検出して有効電力や無
効電力を制御し、また、ベクトル制御方式を用いてｄ−
ｑ軸成分に回転座標変換して電流制御を行う。このと
き、３相交流電圧の位相θを用いて変換を行う。特開平
３−４５１２６号公報の例では、交流系統電圧から直
接、位相θを検出するため、ＰＬＬ回路（フェイズロッ
ク回路）を用いている。ＰＬＬ回路を用いる時、電源電
圧の零点を基準に位相を制御するため、電源の地絡事故
により不平衡電圧になったり、波形歪による電源の零点
通過時にチャタリング等により零点を正確に検出ができ
なくなる事が生じる。また、特開平４−３６７０１１号
公報の例では、系統電圧の位相を検出しなくとも電力制
御、電流制御を行える利点があるが、ＰＷＭパルスを生
成する場合にはやはりＰＬＬ回路等による位相を検出す
る必要がある。そのため、前記の従来例と同様、電源の
地絡事故等により不平衡電圧が発生した時に自励式電力
変換器が過電流になり、さらに、従来の位相検出方式で
は電源の至近端の３相地絡事故では電圧が検出できず、
位相検出が不能となり、電力変換器を運転継続すること
ができなくなる事が生じる。

【０００４】本発明の課題は、交流系統に異常が発生し
ても、正確かつ確実な系統電圧の位相を検出し、安定に
制御して電力変換器を運転継続することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、３相交流電源の電圧位相に基づいて交流電力と直流
電力との間で電力を変換する電力変換装置において、系
統電圧の位相（θｓ）には同期しない系統の定格周波数
を周波数（角速度）基準信号としてこの周波数（角速
度）基準信号を積分して求めた基準位相（θＦｉ）を３
相各相毎のフーリエ変換α成分およびフーリエ変換β成
分を求める三角関数演算に用い、フーリエ変換された各
相のα成分および各相のβ成分から正相電圧のα軸成分
および正相電圧のβ軸成分を演算し、このα軸成分およ
びβ軸成分に基づいて正相電圧位相（△θ）を求め、こ
の位相（△θ）を系統電圧の位相（θｓ）と基準位相
（θＦｉ）の位相差として、この位相（△θ）に基準位
相（θＦｉ）を加算した制御位相（θｕ）を電力制御の
三角関数の位相とする。また、α軸成分およびβ軸成分
に基づいて正相電圧絶対値を求めるとともに、前記求め
た正相電圧位相（△θ）を記憶し、正相電圧絶対値が予
め設定した基準値以下になった時、前記位相（△θ）の
値を基準値以下になった時の前の値に一定に保ち、この
位相（△θ）を基準位相（θＦｉ）に加算する。ここ
で、系統電圧の位相（θｓ）には同期しない系統の定格
周波数を周波数（角速度）基準信号としてこの周波数
（角速度）基準信号を発生する周波数基準信号発生器
と、この周波数（角速度）基準信号から基準位相（θＦ
ｉ）を演算する角速度積分回路と、３相各相毎のフーリ
エ変換α成分演算回路およびフーリエ変換β成分演算回
路と、フーリエ変換された各相のα成分および各相のβ
成分から正相電圧のα軸成分および正相電圧のβ軸成分
を演算する回路と、正相電圧絶対値および正相電圧位相
（△θ）を演算する正相電圧絶対値演算回路および位相
差演算回路と、正相電圧絶対値が予め設定した基準値を
超えたか否かを判定する絶対値判定回路と、前記位相
（△θ）をスイッチを介して記憶する位相差記憶回路を
有する。

【０００６】本発明は、交流電源の３相分の電圧信号
（Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ）の各相の電圧をそれぞれフーリエ
変換する。すなわち、フーリエ変換されたそれぞれ各相
の電圧のα成分Ｖαｕ、Ｖαｖ、Ｖαｗを加えて正相電
圧の成分ＶαＦとし、それぞれ各相の電圧のβ成分Ｖβ
ｕ、Ｖβｖ、Ｖβｗを加えて正相電圧の成分ＶβＦとす
る。このＶαＦ成分とＶβＦ成分から正相電圧の位相と
絶対値を演算する。今、フーリエ変換するときに使用す
る位相角は、電源位相θｓに同期しない一定の基準周波
数（角速度）に相当する、基準信号ω１を積分して得ら
れる基準位相θＦｉを用いる。基準周波数は交流系統の
定格周波数に等しくするフーリエ演算結果より、正相分
の演算を行い、得られた位相△θは交流電源の位相θｓ
と基準位相θＦｉの位相差となる。そこで、フーリエ演
算された位相差△θと前記周波数（角速度）基準信号ω
１を積分して得られた基準位相θＦｉを加算した位相θ
uは電源位相θｓと一致する。これによって、系統電圧
の位相を精度よく検出することができるとともに、電源
位相が変動しても電力変換制御を円滑に実施できる。ま
た、系統に地絡等の重大な事故が発生し、系統電圧の位
相の演算に大きな誤差が生ずるような時は、正相電圧の
絶対値から異常状態を監視し、判断する。この絶対値の
大きさがある値以下になった時は事故と判断し、正常時
に記憶した正相演算から得られた位相差△θを基準位相
θＦｉに加算することにより、事故直前の交流電源位相
を保持した予測演算を行うことができる。これによっ
て、電力変換器は事故時にも制御を続けられる。また、
事故が回復したとき、正相電圧の絶対値から判断して、
事故時に一時演算を中断していた位相差△θの演算を復
活して正常な電源電圧の位相を演算し、これによって、
速やかに精度よく安定して電力変換器を制御することが
できる。

【０００７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である無
効電力調整機能を備えた直流送電における電力変換装置
の構成図を示す。電力変換器１０３は、交流系統１０１
と直流系統１０２間に配置され、半導体スイッチング素
子を用いて交流を直流に、または、直流を交流に電力変
換する。ここで、電力変換器１０３の半導体スイッチン
グ素子にはＧＴＯ等の自己消弧素子を用いる。電力変換
器１０３の交流側端子は、電圧の昇降を行う変圧器１０
４を介して交流系統１０１が接続される。リアクトル１
０７−Ａは交流系統の短絡リアクタンスである。電力変
換器１０３の直流側端子間には、コンデンサ１０８が接
続されるとともに、直流送電路を介し、図示しない他端
の電力変換器の直流端子に接続される。なお、図示の１
０７−Ｂは直流送電線路に存在するリアクタンスを表わ
す。

【０００８】電力変換器１０３を制御する制御装置は以
下の構成からなる。一点鎖線で囲んだブロック１０９は
電力変換器の有効電力および無効電力を制御する電力変
換制御部、１１０は系統電圧の位相を演算する位相角検
出器、１１１は電力変換制御器１０９および位相角検出
器１１０の演算を一定時間毎に行うためのサンプリング
タイマである。１０５−Ａは交流系の電圧を測定する計
器用変圧器、１０５−Ｂは変換器側の交流の電圧を測定
する計器用変圧器、１０６は交流系の電流を測定する計
器用変流器である。

【０００９】まず、電力変換器の有効電力および無効電
力を制御する電力変換制御部１０９を説明する。１１２
は直流電圧指令Ｖｄｃ*を出力する直流電圧指令部、１
１３は直流電圧指令Ｖｄｃ*と変換器直流端子の電圧と
の偏差を求める加算器、１１４は前記偏差がなくなるよ
うに有効電流指令Ｉｐ*を出力する直流電圧制御器であ
る。また、１１５は計器用変流器１０６で検出した３相
変換器電流から２相の直交２軸であるα−β軸座標成分
に変換する３／２相電流変換器、１１６は計器用変圧器
１０５−Ｂで検出した３相変換器電圧から２相のα−β
軸座標に変換する３／２相電圧変換器、１１７はα−β
に座標変換された電圧と電流から無効電力Ｑｆを検出す
る無効電力演算器、１１８は計器用変圧器１０５−Ａで
検出した系統電圧より無効電力指令Ｑ*を求める無効電
力指令部、１１９は無効電力指令Ｑ*と無効電力検出値
Ｑｆとの偏差を求める加算器、１２０は前記無効電力の
偏差がなくなるように無効電流指令Ｉｑ*を出力する無
効電力制御器である。また、１２１は３／２相電流変換
器１１５よりのα−β軸座標の電流成分Ｉα，Ｉβを、
演算された系統電圧位相により、有効−無効軸座標（ｐ
−ｑ軸）における電流成分Ｉｐ，Ｉｑに変換するｐ−ｑ
軸演算回路、１２２は有効電流の指令Ｉｐ*とその検出
値Ｉｐとの偏差を求める加算器、１２３は前記有効電流
の偏差がなくなるように有効電圧指令Ｖｐを出力する有
効電流制御器、１２４は無効電流の指令Ｉｑ*とその検
出値Ｉｑとの偏差を求める加算器、１２５は前記無効電
流の偏差がなくなるように無効電圧指令Ｖｑを出力する
無効電流制御器である。なお、有効電流指令Ｉｐ*は定
電力で与える場合もある。また、無効電流の指令Ｉｑ*
は交流電圧を一定とするように与える場合もある。他の
方式で指令値を与える方式にも適用可能である。

【００１０】次に、系統電圧の位相を演算する位相角検
出器１１０を説明する。位相角検出器１１０は本発明が
特徴とするものであり、詳細は後述する。１２６は計器
用変圧器１０５−Ａで降圧した３相の系統電圧をＡ−Ｄ
変換器等でアナログからディジタルに変換して系統電圧
を検出する系統電圧検出回路、１２７は検出された系統
電圧をフーリエ変換演算を行い、α成分とβ成分に分け
て演算するフーリエ変換演算回路、１２８はフーリエ演
算されたα及びβ成分から正相分の絶対値および系統電
圧と正相位相との位相差を演算する正相分絶対値位相差
演算回路、１２９は位相調整部である。１３０は位相差
記憶回路、１３１は周波数基準信号ω１を発生させる周
波数基準信号器、１３２はサンプリング毎に周波数基準
信号ω１を積算して基準位相θＦｉを発生する角速度積
分回路、１３３は位相差記憶回路１３０の位相△θと角
速度積分回路１３２の出力基準位相θＦｉを加算する加
算器である。１３４は加算器１３３の出力位相値θｕか
ら正弦波および余弦波テーブルを引いて系統電源位相の
正弦、余弦を算出する位相演算回路である。また、角速
度積分回路１３２の出力基準位相θＦｉは、フーリエ変
換演算回路１２７の演算を行う時にも使用する。

【００１１】また、１３５は有効、無効電圧指令Ｖｐ，
Ｖｑを位相演算回路１３４の出力位相θｕによりα−β
軸座標の電圧成分Ｖｏα，Ｖｏβに変換する逆α−β変
換器、１３６は電圧成分Ｖｏα，Ｖｏβを３相電圧成分
指令Ｖｏｕ，Ｖｏｖ，Ｖｏｗに変換する２／３相変換
器、１３７は３相電圧成分指令Ｖｏｕ，Ｖｏｖ，Ｖｏｗ
と演算された位相θｕに基づいてＰＷＭ信号を発生さ
せ、この信号により電力変換器のスイッチング素子をオ
ン，オフしてＰＷＭ制御を行うＰＷＭパルス発生器であ
る。

【００１２】以下、本実施形態の電力変換装置の動作原
理を説明する。電力変換器１０３の直流端子電圧Ｖｄｃ
を制御するため、直流電圧指令部１１２の指令値Ｖｄｃ
*とＶｄｃの偏差を加算器１１３で演算し、この偏差値
を入力として直流電圧制御器１１４で比例積分演算を行
い、有効電流指令Ｉｐ*を得る。３／２相電流変換器１
１５では、計器用変流器１０６で検出した３相系統電流
から（数１）を用いて２相のα−β座標に変換する。

【数１】 ｐ−ｑ軸演算回路１２１では、位相角検出器１１０から
の出力位相角θｕを基準として、３／２相電流変換器１
１５で得られたＩα，Ｉβから（数２）を用いて、有効
電流検出値Ｉｐと無効電流検出値Ｉｑを得る。

【数２】 同様に、３／２相電圧変換器１１６では、計器用変圧器
１０５−Ｂで検出した３相変換器電圧から（数３）を用
いて、２相のα−β座標に変換する。

【数３】 無効電力演算器１１７では、α−β座標に変換されたＶ
α，Ｖβ，Ｉα，Ｉβから（数４）を用いて、交流系統
の無効電力Ｑｆを算出する。

【数４】 ここで、無効電力Ｑｆを制御するため、無効電力指令部
１１８の指令値Ｑ*とＱｆの偏差を加算器１１９で演算
し、この偏差値を入力として無効電力制御器１２０で比
例積分演算を行い、無効電流指令Ｉｑ*を得る。有効電
流制御器１２３では、直流電圧制御器１１４の出力Ｉｐ
*とｐ−ｑ軸演算回路１２１の出力Ｉｐとの偏差を入力
として比例積分演算を行い、有効電圧指令Ｖｐを得る。
また、無効電流制御器１２５では、無効電力制御器１２
０の出力Ｉｑ*とｐ−ｑ軸演算回路１２１の出力Ｉｑと
の偏差を入力として比例積分演算を行い、無効電圧指令
Ｖｑを得る。

【００１３】逆α−β軸電圧変換器１３５は、位相角検
出器１１０からの出力位相角θｕを基準として、有効電
流制御器１２３の出力Ｖｐと無効電流制御器１２５の出
力Ｖｑから（数５）を用いて、α軸，β軸出力電圧指令
ＶｏαとＶｏβを得る。

【数５】 ２／３相変換器１３６は、逆α−β軸電圧変換器１３５
の出力ＶｏαとＶｏβから（数６）を用いて、３相ＰＷ
Ｍ電圧指令Ｖｏｕ，Ｖｏｖ，Ｖｏｗを得る。

【数６】 ＰＷＭ発生器１３７は、３相ＰＷＭ電圧指令Ｖｏｕ，Ｖ
ｏｖ，Ｖｏｗの値と内蔵のタイマに位相角検出器１１０
からの位相信号θｕを入力して得られた値と比較し、Ｐ
ＷＭ電圧指令値とタイマの一致点でパルスを発生させる
か、３相ＰＷＭ電圧指令Ｖｏｕ，Ｖｏｖ，Ｖｏｗをアナ
ログに変換し、θｕを用いて発生する電源に同期した三
角波の搬送波と比較してアナログ値と三角波との大小に
応じてパルスを発生させ、このパルスを電力変換器１０
３のゲート信号として駆動させる。

【００１４】直流送電の制御は、２台ある電力変換器の
お互いの直流端子の直流電圧Ｖｄｃの大きさおよび電力
を制御することにより行う。なお、直流送電装置を使用
して、それぞれの交流系統の周波数の異なる交流系統に
接合すれば、周波数変換装置になり、また、二つの交流
系統の周波数が等しければ、ＢＴＢ（ｂａｃｋ−ｔｏ−
ｂａｃｋ）となる。また、電力変換器１０３が１台でそ
の交流側を交流系統１０１に接続するだけの構成とし、
交流系統１０１の交流電圧と変換器１０３の交流電圧の
大きさを比較し、制御すれば、無効電力制御装置にな
る。

【００１５】次に、位相角検出器１１０の動作を説明す
る。図２に、位相角検出器１１０の詳細を示す。位相角
検出器１１０は、フーリエ変換に基づいて３相交流電圧
における正相分の振幅及び位相を演算する。系統電圧検
出回路１２６から３相交流系統電源の電圧をＡ／Ｄ変換
してディジタル値Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを得る。Ｕ相フーリ
エ変換α成分演算回路１２７−１は、（数７）により演
算してＵ相の電圧をα成分に変換する。Ｕ相フーリエ変
換β成分演算回路１２７−２は、（数８）により演算し
てＵ相の電圧をβ成分に変換する。

【数７】

【数８】 なお、式はθＦｉの積分をサンプルデータにより数値積
分するものとして表した。同様に、Ｖ相フーリエ変換α
成分演算回路１２７−３は、（数９）により演算してＶ
相の電圧をα成分に変換する。Ｖ相フーリエ変換β成分
演算回路１２７−４は、（数１０）により演算してＶ相
の電圧をβ成分に変換する。

【数９】

【数１０】 同様に、Ｗ相フーリエ変換α成分演算回路１２７−５
は、（数１１）により演算してＷ相の電圧をα成分に変
換する。Ｗ相フーリエ変換β成分演算回路１２７−６
は、（数１２）により演算してＷ相の電圧をβ成分に変
換する。

【数１１】

【数１２】 なお、平均値をとる区間は１サイクルまたはそれ以上と
してもよい。α軸演算回路１２７−７は、各相（Ｕ，
Ｖ，Ｗ）のα成分を（数１３）により演算して正相分の
α軸成分ＶＦαを求め、β軸演算回路１２７−８は、各
相（Ｕ，Ｖ，Ｗ）のβ成分を（数１４）により演算して
正相分のβ軸成分ＶＦβを求める。

【数１３】

【数１４】

【００１６】正相分絶対値位相差演算回路１２８は、フ
ーリエ変換演算回路１２７により正相分のα軸成分ＶＦ
αと正相分のβ軸成分ＶＦβから正相分の演算を行う。
正相電圧演算回路１２８−１は、絶対値演算回路１２８
−２と位相差演算回路１２８−３を有し、絶対値演算回
路１２８−２は（数１５）により正相分絶対電圧ＶABS
を演算し、位相差演算回路１２８−３は（数１６）によ
り位相差△θを演算する。また、絶対値判定回路１２８
−４は正相電圧の絶対値から地絡事故を判定する。この
判定は図７（詳細は後述する。）に基づいて行う。

【数１５】

【数１６】 基準位相θＦｉは（数１７）により求まる。

【数１７】 位相調整部１２９のスイッチ１３８は通常オン状態であ
る。位相差演算回路１２８−３により求めた位相差△θ
は、角速度積分回路１３２により得た基準位相θＦｉと
系統電圧位相θｓとの偏差位相に相当する。加算器１３
３は角速度積分回路１３２により得た基準位相θＦｉと
位相差演算回路１２８−３により求めた位相差△θを加
算し、位相θｕを求め、電力制御の位相角として使用す
る。また、位相差記憶回路１３０は位相差△θをサンプ
リング時間毎に記憶する。

【００１７】このように、本実施形態は、定格の任意の
周波数基準信号による角速度ω１を積分して基準位相θ
Ｆｉを作る。また、系統電圧の各相毎の電圧に対して基
準位相θＦｉを用いてフーリエ変換を行い、それぞれα
軸及びβ軸に分解し、フーリエ変換された各相電圧をα
軸に関して加え合わせて、正相電圧のα軸成分ＶＦαと
し、各相電圧をβ軸に関して加え合わせて、正相電圧の
β軸成分ＶＦβとする。α軸成分ＶＦαとβ軸成分ＶＦ
βから、位相差△θを演算する。この位相差△θは系統
電圧の位相θｓと基準位相θＦｉとの位相差に相当する
ことになるから、この位相差△θに基準位相θＦｉを加
算することにより系統電圧位相θｓを得る。このように
して得た系統電圧の位相θｓ（図２では制御位相θｕと
して表現）を有効電力および無効電力を制御する電力変
換制御に用いる。以上、本実施形態では、位相差△θを
フーリエ変換から求め、この位相差△θに基準位相θＦ
ｉを加算することにより系統電圧の位相θｓを得るの
で、系統電圧の位相θｓを精度よく検出することがで
き、このため電源位相が変動しても、電力変換制御を円
滑に実施することができる。なお、位相角が０〜３６０
度の範囲を超えたときは補正し、０〜３６０度の範囲と
し、値が発散しないようにする。

【００１８】図３、図４は、（数７）と（数８）のＵ相
に関してフーリエ変換演算方法の原理を示すタイムチャ
ートである。図３に、Ｕ相フーリエ変換α成分演算回路
１２７−１の例を示す。Ｕ相の電源波形Ｖｕｉ、基準位
相θＦｉ、余弦波形ｃｏｓ（θＦｉ）、Ｖαｕｉ＝Ｖｕ
ｉ×ｃｏｓ（θＦｉ）の波形である。今、例として、始
動時に周波数基準信号ω１により作られた基準位相θＦ
ｉは、電源電圧の位相θｓより位相差△θ＝２２．５度
ずれているところから零値で始まったと仮定する。図３
中、基準位相θＦｉは電源位相に対し２２．５度を零と
し、θｍａを最高値とした鋸歯状波形となる。その結
果、ｃｏｓ（θＦｉ）波形は２２．５度のところが最大
値となる。また、ＶαｕｉはＵ相の電源波形Ｖｕｉとｃ
ｏｓ（θＦｉ）を乗じた値である。この値を１８０度区
間積分してπ／２で除算すれば、（数７）を実行するこ
とができる。すなわち、鋸歯状波は基準位相θＦｉの状
態を示す。図３中、○印内はマイクロコンピュータ等で
演算する時の詳細説明図であり、サンプリング時間毎に
鋸歯状波（基準位相θＦｉに等しい。）は角速度ω＝ω
１を加える様子を拡大したものである。また、サンプリ
ング毎にＵ相の電源波形Ｖｕｉ×ｃｏｓ（θＦｉ）を計
算し、記憶素子に記憶させる。記憶するデータの数は１
８０度区間でよい。マイクロコンピュータの演算はこの
１８０度の区間記憶されたデータを全て加え合わせ、１
８０度間のサンプリング回数で除算すれば、部分積分を
行ったことになり、（数７）を実施したことと等しい。
同様に、図４に、Ｕ相フーリエ変換β成分演算器１２７
−２の例を示す。すなわち、Ｕ相の電源波形Ｖｕｉ、基
準位相θＦｉ、正弦波形ｓｉｎ（θＦｉ）、Ｖβｕｉ＝
Ｖｕｉ×ｓｉｎ（θＦｉ）の波形である。図３と同様に
考えると、ｓｉｎ（θＦｉ）は２２．５度のところが零
となる。また、ＶβｕｉはＵ相の電源波形Ｖｕｉとｓｉ
ｎ（θＦｉ）を乗じた値である。この値を１８０度区間
加えて合わせてπ／２で除算すれば、（数８）を実施し
たことと等しい。以下、Ｖ相とＷ相の値（Ｖｖｉ，Ｖｗ
ｉ）に関しては、乗ずる正弦波信号と余弦波信号を｛Ｖ
相に関しては（θＦｉ−２／３π）、Ｗ相に関しては
（θＦｉ−４／３π）｝とすることにより、（数９）、
（数１０）、（数１１）、（数１２）を実行し、Ｕ相の
α軸成分Ｖαｕとβ軸成分Ｖβｕにそれぞれ同軸上に乗
ることになる。すなわち、Ｖαｕ，Ｖαｖ，Ｖαｗはα
軸上に、Ｖβｕ，Ｖβｖ，Ｖβｗはβ軸上になるので、
スカラ量として（数１３）、（数１４）を演算すること
ができる。

【００１９】図５は、（数１６）の位相差△θの演算を
実施するためのテーブルを示す。図５（ａ）はｔａｎテ
ーブルである。このテーブルには、ｔａｎθ１からｔａ
ｎθｎのデータをｎ個のテーブルに入れ、これらテーブ
ルの値と（数１８）で演算して求めた値（ＶＦα／ＶＦ
β）を比較し、値が一致または一番近い値のデータのテ
ーブルθｎを見つけ、そのテーブルのアドレスを位相△
θとすることができる。テーブルの数はｎ個である。

【数１８】 図５（ｂ）は、（数７）から（数１２）までの積分の演
算の正弦波値、余弦波値を求めるときに使用するｓｉｎ
テーブル、ｃｏｓテーブルである。テーブルの数はｍａ
個とする。例えば、あるサンプル時点のときの図２にお
ける角速度積分回路１３２の出力基準位相θＦｉの値を
図５（ｂ）ｓｉｎ、ｃｏｓテーブルから引けばよい。本
実施形態は、図５（ａ）（ｂ）のテーブルを用いること
により、（数７）から（数１６）の演算を高速に行うこ
とができる。

【００２０】図６は、（数７）から（数１２）までの積
分の演算をマイクロコンピュータ等を用いて実現させる
ため、記憶テーブルを用いる方法について説明したもの
である。図６には、系統電圧の１／２周期の間にｍ回サ
ンプリングする例を示し、（ａ）はタイムチャート、
（ｂ）は記憶テーブルである。テーブル数はｍ個であ
る。今、Ｕ相に関して説明する。記憶テーブルはサンプ
リング毎にｔ１からｔｍまでのＵ相の電源波形Ｖｕｉ×
ｃｏｓ（θＦｉ）と電源波形Ｖｕｉ×ｓｉｎ（θＦｉ）
の値をその都度Ｕ相の三角関数演算メモリに記憶させ、
ｔ１からｔｍまでのｍ個をそれぞれについて加算し、Ｖ
αｕｕ、Ｖβｕｕとする。この加算結果Ｖαｕｕ、Ｖβ
ｕｕをｍで除算すれば、（数７）、（数８）のフーリエ
演算をマイクロコンピュータにより演算することができ
る。（数７−１）と（数８−１）は（数７）、（数８）
をテーブルで加算する式である。この例は電気角で１８
０度に相当する半周期の時間を表わしたものである。こ
のときサンプリング時間は電気角で１８０度内に１／ｍ
である必要が生じる。

【数７−１】

【数８−１】

【００２１】また、サンプリングの毎に前記乗算結果を
積算するのは時間がかかる。簡易演算として、ｔｎ番目
で演算するときは、（数７−１）は余弦波振幅全積算結
果Ｖαｕｕであり、このＶαｕｕを記憶しておき、ｎ番
目の演算をするとき、記憶素子に残っている前回演算結
果のデータ｛Ｖｕｎ×ｃｏｓ（θＦｉ）｝を全積算結果
Ｖαｕｕから引き、今回演算したデータ｛Ｖｕｎ×ｃｏ
ｓ（θＦｉ）｝を前記全積算結果Ｖαｕｕに加算し、ｍ
で除算することにより、（数７−１）を実施することが
できる。同様に、正弦波振幅全積算結果Ｖβｕｕを記憶
しておき、ｎ番目の演算をするとき、記憶素子に残って
いる前回演算結果のデータ｛Ｖｕｎ×ｓｉｎ（θＦ
ｉ）｝を全積算結果Ｖβｕｕから引き、今回演算したデ
ータ｛Ｖｕｎ×ｓｉｎ（θＦｉ）｝を前記全積算結果Ｖ
βｕｕに加算し、ｍで除算することにより、（数８−
１）を実施することができる。Ｖ相、Ｗ相に関しても、
同様に記憶テーブルが必要となる。全積算結果Ｖαｖ
ｖ，全積算結果Ｖβｖｖ，全積算結果Ｖαｗｗ，全積算
結果Ｖβｗｗは、それぞれ（数９−１）、（１０−
１）、（１１−１）、（１２−１）により表わされる。

【数９−１】

【数１０−１】

【数１１−１】

【数１２−１】

【００２３】また、図５（ｂ）ｓｉｎ、ｃｏｓテーブル
を用いてｓｉｎ（θＦｉ）およびｃｏｓ（θＦｉ）を求
める。テーブル数をｍａ個とすると、テーブルを３６０
度分持つとき、テーブルの分解能は３６０／ｍａ度とな
る。また、角速度積分回路１３２の（数１７）により求
めた基準位相θＦｉは、大きさがθｍａに達したら、零
にクリアすることでテーブルを効率よく使用することが
できる。

【００２４】図７は、系統電圧に異常が生じたときの正
相分の大きさの変化を示す。図７において、横軸に正相
分絶対値および二乗加算値の大きさ（パーセント）、縦
軸に地絡相数を表わす。すなわち、実線は地絡事故が発
生した時の正相電圧の絶対値（数１５）を表した曲線で
ある。また、グラフの右軸に○印に対応した地絡事故の
状況に見合った条件を記す。また、マイクロコンピュー
タで平方根（数１５）の演算をするのは時間が長くかか
るので、（数１９）に示すように、二乗加算（破線）で
も地絡状況を判断することができる。

【数１９】 具体的に説明すると、図２の絶対値判定回路１２８−４
では図７の特性を判定条件に使用する。例えば、２相１
００パーセント地絡が発生したとき、正相分の絶対値の
大きさは、（数１５）により演算すると、定常時の正相
電圧の大きさに比べ、３３パーセントに落ちる。それを
基準にすると定義すれば、この基準値により正相電圧の
大きさが小さくなったとき、絶対値判定回路１２８−４
は、２相１００パーセント地絡〜３相１００パーセント
地絡が発生したと判断し、スイッチ１３８を解放する。
スイッチ１３８の解放により、位相差記憶回路１３０は
今の出力位相△θの値もしくは１回前の値を保持し、こ
の位相△θを事故期間保持する。加算器１３３はサンプ
リング時間毎に角速度積分回路１３２の出力基準位相θ
Ｆｉを加算するので、事故前の制御位相θｕが保たれ、
この制御位相θｕにより、位相演算回路１３４を用いて
電力変換装置を制御する。この結果、事故前の制御位相
θｕつまり位相予測により制御装置を停止することな
く、運転が継続することになる。そして、事故の解除
は、絶対値判定回路１２８−４が正相分の絶対値の大き
さを監視し、定常時の３３パーセント以上（基準値）の
大きさに回復すれば、事故が解除されたと判断し、スイ
ッチ１３８を投入する。復帰後に位相差記憶回路１３０
を動作させれば、加算器１３３の出力の制御位相θｕは
電源位相θｓに限りなく近づき、正常な電力制御を行
う。なお、事故復帰の基準値を３３パーセントより大き
い値を選択し、復帰電圧にヒステリシスを設ければ、さ
らに安定な動作を行う。

【００２５】このように、本実施形態は、系統電圧に地
絡等の事故が発生したとき、系統電圧が低下して逆相電
圧が発生した分、正相電圧の大きさが小さくなる。この
正相電圧を用いて異常状態を検出し、判断し、重大な異
常の時は、系統の電圧からフーリエ変換を用いた位相差
△θの演算を一時中断し、正常時の位相差△θを一定に
保持し、角速度積分回路が出力する基準位相θＦｉとこ
の正常時に記憶した位相差△θの値をサンプリング時間
ごとに加算して位相を予測する。これにより、本実施形
態では、事故時にも滑らかな位相検出を行うことがで
き、そのため、有効電力および無効電力を制御する電力
変換制御を停止させることなく、円滑に制御することが
できる。

【００２６】ここで、図６（ｂ）記憶テーブルにおい
て、基準位相θＦｉで記憶メモリが動作している時、正
相分絶対値の大きさが基準値以下になり、異常状態と判
断したとき、この基準値によりスイッチ１３８を解放す
るとともに、位相差記憶回路１３０の値△θもしくは１
回前の値を保持し、この位相差△θの値を事故期間保持
し、サンプリング時間毎に周波数基準信号ω１を積分し
て得られた基準位相θＦｉと位相差△θを加算すれば、
事故前の角速度を保つとともに、これから得た位相によ
り、位相演算回路１３４を用いて電力変換装置を制御
し、定常時の３３パーセント以上（基準値）の大きさに
回復すれば、事故が解除されたと判断し、スイッチ１３
８を投入するとともに、位相差△θを動作させれば、系
統電圧の位相にかなり近い値であることと、すでに記憶
メモリは初期状態と違い、データが記憶されているの
で、復帰後の位相変動が僅かですむ。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
系統電圧の各相をフーリエ変換を行い、正相電圧の位相
△θを演算し、この位相△θは系統電圧の位相θｓと基
準位相θＦｉとの位相差に相当することになることか
ら、位相差△θと基準位相θＦｉを加算することによ
り、系統電圧の位相θｓを精度よく検出することができ
る。また、このように検出した系統電圧の位相θｓを制
御位相θｕとして有効電力および無効電力を制御する電
力変換制御に用いることにより、電源位相が変動しても
電力変換制御を円滑に実施できる。また、交流系統の異
常により電圧低下あるいは不平衡になったとき、正相分
の絶対値の大きさから判断し、系統電圧異常と判定した
ときは、位相差記憶回路の位相△θを事故の期間中、中
断し、このとき、位相差記憶回路の位相△θを事故直前
の値に保持し、フーリエ演算は周波数基準信号に加算し
て基準位相θＦｉを用いて行い、基準位相θＦｉと正常
時の位相差△θを加算した位相θｕを電力変換器の制御
に用いるので、事故期間中ほぼ正常時に近い系統電圧位
相を予測でき、電力変換器装置を停止せず、継続して制
御することが可能となる。また、位相差△θの演算は、
正相電圧の演算から行うため、地絡事故等のとき、系統
電圧に高調波が含まれても正確に演算でき、特に、系統
に３相の地落事故等で電圧が零になったときでも、予測
位相制御を行って位相を演算するので、電力変換器を停
止させることなく、安定に運転を続行し、無停止運転が
可能となる。このことは、電力系統に電力変換器が接続
される直流送電装置、無効電力制御装置、周波数変換装
置では特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す電力変換装置の構成
図

【図２】本発明の特徴部を示す系統電圧位相角検出器の
詳細図

【図３】本発明の位相を演算するためのＵ相フーリエ変
換α成分演算の原理説明図

【図４】本発明の位相を演算するためのＵ相フーリエ変
換β成分演算の原理説明図

【図５】本発明の位相およびフーリエ変換のためのｔａ
ｎ，ｓｉｎ，ｃｏｓテーブル

【図６】本発明の記憶素子の説明図

【図７】系統電圧に異常が生じたときの正相分の大きさ
の変化を示す図

【符号の説明】 １０１ 交流系統 １０２ 直流系統 １０３ 電力変換器 １０４ 変圧器 １０５ 計器用変圧器 １０６ 計器用変
流器 １１０ 位相角検出器 １１１ サンプリ
ングタイマ １２６ 系統電圧検出回路 １２７ フーリエ
変換演算回路 １２７−１ Ｕ相フーリエ変換α成分演算回路 １２７−２ Ｕ相フーリエ変換β成分演算回路 １２７−３ Ｖ相フーリエ変換α成分演算回路 １２７−４ Ｖ相フーリエ変換β成分演算回路 １２７−５ Ｗ相フーリエ変換α成分演算回路 １２７−６ Ｗ相フーリエ変換演β成分算回路 １２７−７ α軸演算回路 １２７−８ β軸
演算回路 １２８ 正相絶対値位相差演算回路 １２８−１ 正相
電圧演算回路 １２８−２ 絶対値演算回路 １２８−３ 位相
差演算回路 １２８−４ 絶対値判定回路 １３０ 位相差記
憶回路 １３１ 位相差比例積分制御回路 １３１ 周波数基
準信号器 １３２ 角速度積分回路 １３３ 加算器 １３４ 位相演算回路 １３４−１ 正弦
波演算回路 １３４−２ 余弦波演算回路 １３５ 逆α−β
変換器 １３６ 逆２／３相変換器 １３７ ＰＷＭパ
ルス発生器 １３８ スイッチ

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平８−266058（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−255131（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−284584（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−45126（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−367011（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−217475（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02J 3/00 - 5/00 H02J 9/00 - 9/08

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ３相交流電源の電圧位相に基づいて交流
   電力と直流電力との間で電力を変換する電力変換装置に
   おいて、系統電圧の位相（θｓ）には同期しない系統の
   定格周波数を周波数（角速度）基準信号としてこの周波
   数（角速度）基準信号を積分して求めた基準位相（θＦ
   ｉ）を３相各相毎のフーリエ変換α成分およびフーリエ
   変換β成分を求める三角関数演算に用い、フーリエ変換
   された各相のα成分および各相のβ成分から正相電圧の
   α軸成分および正相電圧のβ軸成分を演算し、このα軸
   成分およびβ軸成分に基づいて正相電圧位相（△θ）を
   求め、この位相（△θ）を系統電圧の位相（θｓ）と前
   記基準位相（θＦｉ）の位相差として、この位相（△
   θ）に前記基準位相（θＦｉ）を加算した制御位相（θ
   ｕ）を電力制御の三角関数の位相とすることを特徴とす
   る電力変換装置。
2. 【請求項２】 請求項１において、系統電圧の位相（θ
   ｓ）には同期しない系統の定格周波数を周波数（角速
   度）基準信号としてこの周波数（角速度）基準信号を発
   生する周波数基準信号発生器と、この周波数（角速度）
   基準信号から基準位相（θＦｉ）を演算する角速度積分
   回路と、３相各相毎のフーリエ変換α成分演算回路およ
   びフーリエ変換β成分演算回路と、フーリエ変換された
   各相のα成分および各相のβ成分から正相電圧のα軸成
   分および正相電圧のβ軸成分を演算する回路と、正相電
   圧位相（△θ）を演算する位相差演算回路を有すること
   を特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１において、前記α軸成分および
   β軸成分に基づいて正相電圧絶対値を求めるとともに、
   前記求めた正相電圧位相（△θ）を記憶し、前記正相電
   圧絶対値が予め設定した基準値以下になった時、前記位
   相（△θ）の値を前記基準値以下になった時の前の値に
   一定に保ち、この位相（△θ）を前記基準位相（θＦ
   ｉ）に加算することを特徴とする電力変換装置。
4. 【請求項４】 請求項３において、系統電圧の位相（θ
   ｓ）には同期しない系統の定格周波数を周波数（角速
   度）基準信号としてこの周波数（角速度）基準信号を発
   生する周波数基準信号発生器と、この周波数（角速度）
   基準信号から基準位相（θＦｉ）を演算する角速度積分
   回路と、３相各相毎のフーリエ変換α成分演算回路およ
   びフーリエ変換β成分演算回路と、フーリエ変換された
   各相のα成分および各相のβ成分から正相電圧のα軸成
   分および正相電圧のβ軸成分を演算する回路と、正相電
   圧絶対値および正相電圧位相（△θ）を演算する正相電
   圧絶対値演算回路および位相差演算回路と、前記正相電
   圧絶対値が予め設定した基準値を超えたか否かを判定す
   る絶対値判定回路と、前記位相（△θ）をスイッチを介
   して記憶する位相差記憶回路を有することを特徴とする
   電力変換装置。