JP3599524B2

JP3599524B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP3599524B2
Application number: JP8816297A
Authority: JP
Inventors: 清敦二木; 紀子川上
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 1997-04-07
Filing date: 1997-04-07
Publication date: 2004-12-08
Anticipated expiration: 2017-04-07
Also published as: JPH10285791A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば無効電力補償装置、直流送電装置、周波数変換装置、電池電力貯蔵システム用電力変換装置等、交流電力系統に連系されて、交流電力を直流電力に、または直流電力を交流電力に変換する電力変換システムに係り、特に系統地絡事故時にも正常に運転を継続することができ、かつ定常運転時の制御精度も確保できるようにした電力変換システムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えば無効電力補償装置、直流送電装置、周波数変換装置、電池電力貯蔵システム用電力変換装置等、交流電力系統に連系されて、交流電力を直流電力に、または直流電力を交流電力に変換する電力変換システムが、多く用いられてきている。
【０００３】
図５は、この種の電圧型の電力変換システムの一例を示す概略構成図である。図５において、電力変換システム１００は、自励式電力変換器１０と、直流コンデンサ２０と、連系リアクトル３０、変換器用変圧器４０とから構成され、直流電源５０と交流電力系統６０との間に接続されている。
【０００４】
なお、連系リアクトル３０は、変換器用変圧器４０の漏れインダクタンスで代用され、省略される場合もある。
一方、図５に示すような電力変換システム１００を、直流電源５０と交流電力系統６０との間に接続して、両者間で電力を授受する場合の動作原理については公知であり、例えば“電気学会半導体電力変換方式調査専門委員会版「半導体電力変換回路」（１９８７年３月３１日発行）の２１６〜２２９ページ”に記述されている。
【０００５】
図６は、図５の電力変換システム１００における自励式電力変換器１０の主回路の一例を示す構成図である。
図６において、自励式電力変換器１０は、ブリッジ接続された複数（ここでは６個）の自己消弧可能な素子（以下、自己消弧素子と称する）、例えばゲートターンオフサイリスタＧＵ，ＧＶ，ＧＷ，ＧＸ，ＧＹ，ＧＺと、これらにそれぞれ逆並列に接続されたダイオードＤＵ，ＤＶ，ＤＷ，ＤＸ，ＤＹ，ＤＺと、直流端子ＰＴ，ＮＴと、交流端子Ｒ，Ｓ，Ｔとを備えている。
【０００６】
図７は、図５の電力変換システム１００における制御装置の一例を示す構成図であり、図５および図６と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる部分についてのみ述べる。
【０００７】
図７において、電流検出器４５は、３台の変流器をスター（Ｙ）接続して構成され、交流電力系統６０と変換器用変圧器４０の間に流れる交流電流（各相電流）を検出する。
【０００８】
また、電圧検出器４７は、交流電力系統６０と変換器用変圧器４０との間に印加される交流電圧を検出する。
さらに、電力検出器７０は、電流検出器４５により検出された交流電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗと、電圧検出器４７により検出された交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを入力として、電力変換システム１００と交流電力系統６０との間を流れる有効電力Ｐｄおよび無効電力Ｑｄを検出する。
【０００９】
一方、電力制御装置８０は、有効電力基準設定器８１、無効電力基準設定器８２、比較器８４、８５、有効電力制御器（ＡＰＲ）８６と、無効電力制御器（ＡＱＲ）８７と、定電流制御回路（ＡＣＲ）８８と、ゲート制御回路８９とから構成されている。
【００１０】
比較器８４は、有効電力基準設定器８１により設定された有効電力基準値Ｐｒｅｆと、電力検出器７０により検出された有効電力検出値Ｐｄとを比較して、両者の差を出力する。
【００１１】
また、有効電力制御器８６は、比較器８４により検出された有効電力基準値Ｐｒｅｆと有効電力検出値Ｐｄとの差を入力し、その差を小さくするように有効電流指令値Ｐ＊を出力する。
【００１２】
さらに、比較器８５は、無効電力基準設定器８２により設定された無効電力基準値Ｑｒｅｆと、電力検出器７０により検出された無効電力検出値Ｑｄとを比較して、両者の差を出力する。
【００１３】
一方、無効電力制御器８７は、比較器８５により検出された無効電力基準値Ｑｒｅｆと無効電力検出値Ｑｄとの差を入力し、その差を小さくするように無効電流指令値Ｑ＊を出力する。
【００１４】
また、定電流制御回路８８は、電流検出器４５により検出された交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを、有効電力制御器８６から出力される有効電流指令値Ｐ＊と、無効電力制御器８７から出力される無効電流指令値Ｑ＊とに合わせるように動作して、出力電圧指令Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊を出力する。
【００１５】
なお、この定電流制御回路８８の原理については、例えば“特開平１−７７１０号公報”に、また定電流制御回路８８の例としては、例えば“文献Ｓｈｕｎ−１ｃｈｉＨｉｒｏｓｅｅｔａｌ１１ＡＰＰｌｉｃａｔｉｏｎｏｆａｄｉｇｉｔａｌｉｎｓｔａｎｔａｎｃｏｕｓｃｕｒｒｅｎｔｃｏｎｂｏ１０ｆｓｔａｔｉｃｊｌｄｕｃｔ１０ｎｔｈｙｒｉｓｔｏｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓｉｎｔｈｅｕｔ１１１ｔｙ−１１ｎｅ゜゜ＰＣＩＭＰｒｏｃｃｅｄｊｌｇ（Ｄｃｃ８，１９８８） ”他に開示されていて公知であるので、ここではその説明を省略する。
【００１６】
以上のような構成とすることにより、電力変換システム１００の出力する有効電力、無効電力を制御することができる。
ところで、通常、図５に示すような電力変換システム１００が、基幹電力系統に接続される場合、変換器用変圧器４０の１次側の中性点は接地される。
【００１７】
そして、このような構成において、交流電力系統６０に落雷等により地絡事故が発生した場合には、地絡電流が変換器用変圧器４０の中性点接地回路を通して流れる。この地絡電流のピーク値は、変換器用変圧器４０の％インダクタンスが２０％の場合、最大定格電流の５倍まで流れる。
【００１８】
この地絡電流は、制御に使用している電流検出器４５による各相電流の検出値にも重畳し、検出値のピークは、通常の電流値に地絡電流が重畳するため、変換器用変圧器４０の％インダクタンスが２０％の場合、定格電流の６倍に達する場合がある。
【００１９】
交流電流の検出に使用される電流検出器４５の変流器は、通常は変流器の定格の３倍程度までしか精度は保証されていない。
また、検出した交流電流の制御を行なう定電流制御回路８８は、通常運転時の制御精度を確保するために、入力範囲は定格電流の２倍程度までとすることが一般的である。
【００２０】
すなわち、これは６倍の入力範囲を確保すると、通常運転時の電流値が入力範囲の１／６以下となり、制御に使用する部品のオフセット、ドリフト、直線性誤差による影響が増加して、制御精度が低下するためである。
【００２１】
一方、系統地絡事故時等で、入力範囲が２倍の制御回路に、６倍のピーク値を持つ検出値が入力されると、ピーク値が飽和した状態になり、正しい電流が入力されず、制御が正しく行なわれない。
【００２２】
すると、地絡電流が流れないため、制御が正常であれば過電流にはならない変換器用変圧器４０の２次側（変換器側）の電流も過電流となり、保護停止してしまう。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来の電力変換システムにおいては、系統地絡事故時に地絡電流が重畳しても、定電流制御回路への入力が飽和しないようにするためには、入力範囲を大きくとることになり、定常運転時の制御精度を低下させてしまうという問題があった。
【００２４】
また、定常運転時の制御精度を確保するために、入力範囲を定格電流の２倍程度にすると、系統地絡事故時に入力電流が飽和してしまい、正しく制御が行なえないため、変換器側の電流が過電流になるという不具合があった。
【００２５】
本発明の目的は、系統地絡事故時にも正常に運転を継続することができ、かつ定常運転時の制御精度も確保することが可能な電力変換システムを提供することにある。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、
請求項１の発明では、自己消弧素子をブリッジ接続してなり、交流電力を直流電力にまたは直流電力を交流電力に変換する自励式電力変換器と、前記自励式電力変換器の交流端子側に設置され、交流電力系統の電圧を所望の値に変換する変換器用変圧器と、前記自励式電力変換器の直流端子側に設置された直流電源と、前記自励式電力変換器の交流端子と前記交流電力系統との間に設置され、出力側をデルタ結線され、当該部所に流れる交流電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出された交流電流に基づいて、前記自励式電力変換器の出力電圧を制御する電力制御装置とを備えている。
【００２７】
従って、請求項１の発明の電力変換システムにおいては、電流検出器の出力側をデルタ結線とすることにより、零相成分である地絡電流は、デルタ結線された電流検出器内を環流して、地絡電流が除去される。
【００２８】
また、請求項２の発明では、
自己消弧素子をブリッジ接続してなり、交流電力を直流電力にまたは直流電力を交流電力に変換する自励式電力変換器と、前記自励式電力変換器の交流端子側に設置され、交流電力系統の電圧を所望の値に変換する変換器用変圧器と、前記自励式電力変換器の直流端子側に設置された直流電源と、前記自励式電力変換器の交流端子と前記交流電力系統との間に設置され、当該部所に流れる交流電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出された交流電流に基づいて、前記自励式電力変換器の出力電圧を制御する電力制御装置と、前記電流検出器の出力側に接続され、出力側をデルタ結線された補助電流検出器と、
を備えている。
【００２９】
従って、請求項２の発明の電力変換システムにおいては、電流検出器の出力側に補助電流検出器を接続し、補助電流検出器の出力側をデルタ結線とすることにより、零相成分である地絡電流は、デルタ結線された補助電流検出器内を環流して、地絡電流が除去される。
【００３７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図であり、前記図５乃至図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００３８】
すなわち、図１に示すように、本実施の形態の電力変換システム１００は、前記電流検出器４５の出力側に、電流検出器４５により検出された交流電流から零相成分を除去する零相成分除去回路９０を設けた構成としている。
【００３９】
次に、以上のように構成した本実施の形態の電力変換システム１００においては、電流検出器４５で検出された交流電流から、零相成分除去回路９０によって零相成分を除去することにより、零相である地絡電流を除去することができる。
【００４０】
よって、零相成分除去回路９０の出力であるＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗには、系統地絡事故時にも、定電流制御回路８８への入力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗには地絡電流は重畳されず、検出電流のピーク値も、定常運転中と殆ど変わらない値となる。
【００４１】
一方、交流電力系統６０に連系される電力変換システム１００においては、通常、零相成分を出力しないように、変換器用変圧器４０の自励式電力変換器１０側はデルタ結線されている。
【００４２】
よって、制御を行なう上でも零相成分は無視しており、制御電流の零相成分が除去されることは制御上何ら支障がない。
上述したように、本実施の形態の電力変換システム１００では、電流検出器４５の出力側に、電流検出器４５により検出された交流電流から零相成分を除去する零相成分除去回路９０を設けるようにしているので、系統地絡事故時の地絡電流を定電流制御回路８８の入力電流から除去できるため、制御系への検出電流の入力範囲（制御入力範囲）を定格の２倍程度としても、系統地絡事故中も制御入力が飽和することなく、正常に制御を行なうことが可能となる。
【００４３】
これにより、定常運転時の制御精度を確保した上で、系統地絡事故中も自励式電力変換器１０の電流が過電流になることなく制御を行なうことができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図であり、前記図５乃至図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００４４】
すなわち、図２に示すように、本実施の形態の電力変換システム１００は、前記自励式電力変換器１０の交流端子と変換器用変圧器４０との間、より具体的には自励式電力変換器１０の交流端子と連系リアクトル３０との間に電流検出器４６を設け、この電流検出器４６により検出された交流電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を、前記電流検出器４５により検出された交流電流に代えて、定電流制御回路８８に入力する構成としている。
【００４５】
次に、以上のように構成した本実施の形態の電力変換システム１００においては、零相成分を含まないデルタ結線された変換器用変圧器４０の２次側の電流を電流検出器４６で検出することにより、系統地絡事故時にも、定電流制御回路８８への入力電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２には地絡電流は重畳されず、検出電流のピーク値も、定常運転中と殆ど変わらない値となる。
【００４６】
上述したように、本実施の形態の電力変換システム１００では、自励式電力変換器１０の交流端子と連系リアクトル３０との間に電流検出器４６を設け、この電流検出器４６により検出された交流電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を、定電流制御回路８８に入力するようにしているので、系統地絡事故時の地絡電流を定電流制御回路８８の入力電流から除去できるため、制御系への検出電流の入力範囲（制御入力範囲）を定格の２倍程度としても、系統地絡事故中も制御入力が飽和することなく、正常に制御を行なうことが可能となる。
【００４７】
これにより、定常運転時の制御精度を確保した上で、系統地絡事故中も自励式電力変換器１０の電流が過電流になることなく制御を行なうことができる。
（第３の実施の形態）
図３は、本実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図であり、前記図５乃至図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００４８】
すなわち、図３に示すように、本実施の形態の電力変換システム１００は、前記電流検出器４５の出力側をデルタ結線する構成としている。
次に、以上のように構成した本実施の形態の電力変換システム１００においては、電流検出器４５の出力側をデルタ結線とすることにより、零相成分である地絡電流は、デルタ結線された電流検出器４５内を環流して、地絡電流が除去され、系統地絡事故時も定電流制御回路８８への入力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、過大なピーク電流値にならない。
【００４９】
上述したように、本実施の形態の電力変換システム１００では、電流検出器４５の出力側をデルタ結線するようにしているので、系統地絡事故時の地絡電流を定電流制御回路８８の入力電流から除去できるため、制御系への検出電流の入力範囲（制御入力範囲）を定格の２倍程度としても、系統地絡事故中も制御入力が飽和することなく、正常に制御を行なうことが可能となる。
【００５０】
これにより、定常運転時の制御精度を確保した上で、系統地絡事故中も自励式電力変換器１０の電流が過電流になることなく制御を行なうことができる。
（第４の実施の形態）
図４は、本実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図であり、前記図５乃至図７と同一部分には同一符号を付してその説明を省略し、ここでは異なる点についてのみ述べる。
【００５１】
すなわち、図４に示すように、本実施の形態の電力変換システム１００は、前記電流検出器４５の出力側に補助電流検出器４９を接続し、かつこの補助電流検出器４９の出力側をデルタ結線する構成としている。
【００５２】
次に、以上のように構成した本実施の形態の電力変換システム１００においては、電流検出器４５の出力側に補助電流検出器４９を接続して、その出力側をデルタ結線とすることにより、零相成分である地絡電流は、デルタ結線された補助電流検出器４９内を環流して、地絡電流が除去され、系統地絡事故時も定電流制御回路８８への入力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗは、過大なピーク電流値にならない。
【００５３】
上述したように、本実施の形態の電力変換システム１００では、電流検出器４５の出力側に補助電流検出器４９を接続して、その出力側をデルタ結線するようにしているので、系統地絡事故時の地絡電流を定電流制御回路８８の入力電流から除去できるため、制御系への検出電流の入力範囲（制御入力範囲）を定格の２倍程度としても、系統地絡事故中も制御入力が飽和することなく、正常に制御を行なうことが可能となる。
【００５４】
これにより、定常運転時の制御精度を確保した上で、系統地絡事故中も自励式電力変換器１０の電流が過電流になることなく制御を行なうことができる。
また、電流検出器４５の出力側の結線は通常の結線でよいため、変圧器保護装置、メータ等に利用することも可能となる。
【００５５】
（その他の実施の形態）
（ａ）前記第２の実施の形態では、電力検出器７０への入力電流として、電流検出器４５による検出電流を入力する場合について説明したが、これに限らず、電流検出器４６による検出電流を入力するようにしてもよい。
【００５６】
この場合には、電力検出器７０により検出した電力と、実際に系統に出力する有効電力、および無効電力との間には、変換器用変圧器４０の損失、励磁電流分の差が生じることから、有効電力基準値Ｐｒｅｆ、および無効電力基準値Ｑｒｅｆを補正するようにすれば、何ら問題はない。
【００５７】
（ｂ）前記第３の実施の形態では、電力検出器７０への入力電流として、電流検出器４７による検出電流を入力する場合について説明したが、これに限らず、通常のスター結線で検出した相電流を入力するようにしてもよい。
【００５８】
（ｃ）前記第４の実施の形態では、電力検出器７０への入力電流として、補助電流検出器４９による検出電流を入力する場合について説明したが、これに限らず、通常のスター結線で検出した相電流を入力するようにしてもよい。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１の発明の電力変換システムによれば、自己消弧素子をブリッジ接続してなり、交流電力を直流電力にまたは直流電力を交流電力に変換する自励式電力変換器と、前記自励式電力変換器の交流端子側に設置され、交流電力系統の電圧を所望の値に変換する変換器用変圧器と、前記自励式電力変換器の直流端子側に設置された直流電源と、前記自励式電力変換器の交流端子と前記交流電力系統との間に設置され、出力側をデルタ結線され、当該部所に流れる交流電流を検出する電流検出器と、前記電流検出器により検出された交流電流に基づいて、前記自励式電力変換器の出力電圧を制御する電力制御装置とを備えようにしたので、系統地絡事故時も過大なピーク電流を制御系に入力する必要がなくなり、制御系への検出電流の入力範囲を定格の２倍程度にして制御精度を確保した上で、系統地絡事故時にも正しい制御を行なうことが可能となる。
【００６０】
また、請求項２の発明の電力変換システムによれば、電流検出器の出力側に補助電流検出器を接続し、かつ当該補助電流検出器の出力側をデルタ結線するようにしたので、制御系への検出電流の入力範囲を定格の２倍程度にして制御精度を確保した上で、系統地絡事故時にも正しい制御を行なうことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図。
【図２】本発明の第２の実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図。
【図３】本発明の第３の実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図。
【図４】本発明の第４の実施の形態による電力変換システムの一例を示す構成図。
【図５】電圧型電力変換システムの一例を示す概略構成図。
【図６】図５の電力変換システム１００における自励式電力変換器１０の主回路の一例を示す構成図。
【図７】図５の電力変換システム１００における制御装置の一例を示す構成図。
【符号の説明】
１０…自励式電力変換器、
２０…直流コンデンサ、
３０…連系リアクトル、
４０…変換器用変圧器、
４５，４６…電流検出器、
４７…電圧検出器、
４９…補助電流検出器、
５０…直流電源、
６０…交流電力系統、
７０…電力検出器、
８０…電力制御装置、
８１…有効電力基準設定器、
８２…無効電力基準設定器、
８４，８５…比較器、
８６…有効電力制御器、
８７…無効電力制御器、
８８…定電流制御回路、
８９…ゲート制御回路、
１００…電力変換システム、
ＧＵ，ＧＶ，ＧＷ，ＧＸ，ＧＹ，ＧＺ…ゲートターンオフサイリスタ、
ＤＵ，ＤＶ，ＤＷ，ＤＸ，ＤＹ，ＤＺ…ダイオード、
ＰＴ，ＮＴ…直流端子、
Ｒ，Ｓ，Ｔ…交流端子、
ｉｕ，ｉｖ，ｉｗ…交流電流検出値、
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ…交流電圧検出値、
Ｐｄ…有効電力検出値、
Ｑｄ…無効電力検出値、
Ｐｒｅｆ…有効電力基準値、
Ｐ＊ …有効電流指令値、
Ｑｒｅｆ…無効電力基準値、
Ｑ＊ …無効電流指令値、
Ｕ＊，Ｖ＊，Ｗ＊ …出力電圧指令値、
ΔＰ…有効電力値誤差分、
ΔＱ…無効電力値誤差分、
ＧＵ，ＧＶ，ＧＷ…ゲート信号。

Claims

自己消弧素子をブリッジ接続してなり、交流電力を直流電力にまたは直流電力を交流電力に変換する自励式電力変換器と、
前記自励式電力変換器の交流端子側に設置され、交流電力系統の電圧を所望の値に変換する変換器用変圧器と、
前記自励式電力変換器の直流端子側に設置された直流電源と、
前記自励式電力変換器の交流端子と前記交流電力系統との間に設置され、出力側をデルタ結線され、当該部所に流れる交流電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された交流電流に基づいて、前記自励式電力変換器の出力電圧を制御する電力制御装置と、
を備えて成ることを特徴とする電力変換システム。
自己消弧素子をブリッジ接続してなり、交流電力を直流電力にまたは直流電力を交流電力に変換する自励式電力変換器と、
前記自励式電力変換器の交流端子側に設置され、交流電力系統の電圧を所望の値に変換する変換器用変圧器と、
前記自励式電力変換器の直流端子側に設置された直流電源と、
前記自励式電力変換器の交流端子と前記交流電力系統との間に設置され、当該部所に流れる交流電流を検出する電流検出器と、
前記電流検出器により検出された交流電流に基づいて、前記自励式電力変換器の出力電圧を制御する電力制御装置と、
前記電流検出器の出力側に接続され、出力側をデルタ結線された補助電流検出器と、
を備えて成ることを特徴とする電力変換システム。