JP3722963B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流線路に複数の電圧形電力変換器が接続された直流多端子送電系統の安定性を向上すると共に電圧形電力変換器または系統故障による端子脱落時も残りの端子で運転を継続することができる電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は例えば特開平１−２３８４３０号公報に示された従来の電力変換装置を示す構成図であり、この図９は直流線路に複数台接続された電力変換装置のうちの１つの電力変換装置を示したものである。図において、１０は交流から直流または直流から交流に電力を変換する電力変換装置、２０は交流系統、３０は直流系統である。１０１は電圧形電力変換器、１０２は交流リアクトル又は変圧器、１０３はコンデンサ、１０４は交流系統２０の電圧を検出する電圧検出器、１０５は交流系統２０の電流を検出する交流電流検出器、１０６は直流系統３０の電圧を検出する直流電圧検出器、１０７は電圧検出器１０４及び交流電流検出器１０５により検出された電圧及び電流に基づいて電力を検出する電力検出回路、１０８はゲート制御回路、１１０は直流電圧制御回路、１２０は電力制御回路である。１１１，１２１は減算器、１１２，１２２は補償器、１３０は選択器である。
【０００３】
次に動作について説明する。
電力検出回路１０７では電圧検出器１０４で検出された各相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと電流検出器１０５で検出された各相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから交流有効電力Ｐ＝Ｖｕ＊Ｉｕ＋Ｖｖ＊Ｉｖ＋Ｖｗ＊Ｉｗを出力する（ここで、＊は乗算を示す）。ここでの交流有効電力Ｐは電圧形電力変換器１０１が交流−直流変換している電力にほぼ等しい。検出された交流有効電力Ｐは電力制御回路１２０に入力され、減算器１２１により電力指令値Ｐｒｅｆとの電力偏差を演算し、補償器１２２がその電力偏差に応じて電圧形電力変換器１０１の電力を調節する。この補償器１２２は電力検出回路１０７により検出された交流有効電力Ｐがその電力指令値Ｐｒｅｆよりも小さいときは電圧形電力変換器１０１で変換する電力を大きく、逆に交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆよりも大きいときは電圧形電力変換器１０１で変換する電力を小さくするようにして、交流有効電力Ｐと電力指令値Ｐｒｅｆが一致するように動作する。
【０００４】
一方、直流電圧検出器１０６で検出された直流電圧Ｖｄは減算器１１１により直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆとの偏差を演算し、補償器１１２がその偏差に応じて電圧形電力変換器１０１の電力を調節する。電圧形電力変換器１０１の電力は双方向に調節できるので、補償器１１２は直流電圧が低下した場合には交流から直流方向の電力を増加してコンデンサ１０３を充電し、直流電圧が上昇した場合には逆に直流から交流方向の電力を増加することでコンデンサ１０３を放電して直流電圧Ｖｄがその直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに一致するように動作する。このように補償器１１２，１２２は共に電圧形電力変換器１０１の電力を調節するが、それら補償器１１２，１２２の出力は選択器１３０により両者の最小値が選択され、直流電圧制御回路１１０か、または電力制御回路１２０のどちらか一方が動作するように構成されている。
【０００５】
ゲート制御回路１０８は電圧形電力変換器１０１の有効電力指令Ｐａｃ及び無効電力指令Ｑａｃに応じて電圧形電力変換器１０１の素子を点弧する。図１０は電圧形電力変換器が交流リアクトルを介して交流電源に接続されている場合の構成図である。このとき、交流電源電圧をＶｓ、電力変換器の変調度をｋ、交流リアクトルのリアクタンスをＸ、電圧形電力変換器の交流電圧と交流電源電圧の位相差をφとすると有効電力、無効電力はそれぞれ、
Ｐ＝ｋ＊ｓｉｎφ＊Ｖｓ2 ／Ｘ （１）
Ｑ＝（ｋ＊ｃｏｓφ−１）＊Ｖｓ2 ／Ｘ （２）
となることが知られている。
【０００６】
ゲート制御回路１０８では（１）式および（２）式に従って、変調度ｋ、位相差φに応じて電圧形電力変換器１０１の素子をオン−オフするタイミングを決定し、素子を点弧する。この動作により、選択器１３０が選択した補償器１１２または補償器１２２の出力に応じて電圧形電力変換器１０１の電力が調節される。（１）式および（２）式の関係及び素子の点弧方式及び電圧形電力変換器の構成は、例えば、電気学会半導体電力変換方式調査専門委員会編「半導体電力変換回路」（１９８７年３月３１日初版発行）の２１６〜２２０頁に開示されているので詳細は省略する。
【０００７】
図１１は図９の動作を示す説明図である。横軸は電圧形電力変換器１０１の交流有効電力Ｐで交流から直流へ電力を変換するときを正方向としている。縦軸は電圧形電力変換器１０１の直流電圧Ｖｄである。図１１のＰ＜Ｐｒｅｆの領域における電圧一定の直線の特性は、電力検出回路１０７で検出された交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆよりも小さく、補償器１２２の増幅効果によりその補償器１２２の出力は大きな値となり、出力制限値に至る。直流電圧Ｖｄは直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ付近にあり補償器１１２は出力制限値の範囲内の値を出力するので、信号の最小値を選ぶ選択器１３０では補償器１１２の出力が選択されて直流電圧制御が動作し、電圧形電力変換器１０１の直流電圧は直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに制御される。交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆ付近より大きくなった場合、補償器１２２は逆に小さな値を出力して、一方、補償器１１２は直流電圧Ｖｄが直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆよりも小さいので大きな値を出力し、選択器１３０は補償器１２２の出力を選択して電力制御回路１２０が動作する。図１１のＶｄ＜Ｖｄｒｅｆの領域でＰｒｅｆ一定の直線はこの特性を示している。従って、図９の従来例では電力と、直流電圧の関係において、ある領域では直流電圧制御回路１１０が、また、ある領域では電力制御回路１２０が動作するように構成されている。
【０００８】
図１２は従来の３つの電力変換装置が直流系統に接続された場合の構成図である。ここで、１１，１２は電力変換装置であり、電力変換装置１０と同様の構成である。２０１，２１１，２２１は交流電源であり、それぞれ交流系統２０，２１，２２を介して電力変換装置１０，１１，１２に接続されている。図１３は図１１と同様に、このときの動作を示す説明図である。実線ａは電力変換装置１０、破線ｂは電力変換装置１１、一点鎖線ｃは電力変換装置１２の特性を示している。ここでは、電力変換装置１０，１１，１２の直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ１，Ｖｄｒｅｆ２，Ｖｄｒｅｆ３がＶｄｒｅｆ１＞Ｖｄｒｅｆ２＞Ｖｄｒｅｆ３となるように設定され、電力指令値Ｐｒｅｆ１，Ｐｒｅｆ２，Ｐｒｅｆ３は交流から直流に変換される電力で、Ｐｒｅｆ１＜Ｐｒｅｆ２＜Ｐｒｅｆ３となるように設定されている。図１２に示したように３つの電力変換装置１０，１１，１２は直流系統３０で接続されており、電力の総和が零になるよう動作しなければならない。例えば、直流電圧が直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ１付近にあるとすると、電力変換装置１１，１２では電圧を低下させようと動作し、交流から直流への電力を小さくする。これにより、直流電圧は低下し、電力変換装置１０は電力制御回路１２０が動作するようになる。同様に、直流電圧が直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ２付近にあるとすると、今度は電力変換装置１２が交流から直流への電力を低下させて、直流電圧を下げるように動作し、電力変換装置１１が電力制御回路１２０で動作するようになる。
【０００９】
このように、図１２の構成で図１３の特性を持つ場合、電力変換装置１２が直流電圧を直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ３に保つように動作し、残りの電力変換装置１０，１１はそれぞれの電力指令値Ｐｒｅｆ１，Ｐｒｅｆ２を保つように電力制御回路１２０が動作する。従って、電力変換装置１０，１１は交流から直流に電力を変換し、電力変換装置１２では電力変換装置１０，１１の電力の総和（Ｐｒｅｆ１＋Ｐｒｅｆ２）と等しい電力を直流から交流に変換する。電力変換装置１０，１１，１２の動作点は図１３において、それぞれａ′，ｂ′，ｃ′である。
【００１０】
図１２の構成で図１３の特性のとき、電力変換装置１２が停止したとすると、直流から交流への変換ができなくなるため、直流電圧が上昇して電力変換装置１１が直流電圧を直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ２に保つように動作する。このとき、電力変換装置１０，１１の動作点はそれぞれ、ａ″，ｂ″である。電力変換装置１０は電力制御回路１２０が動作し、電力変換装置１１は直流電圧制御回路１１０が動作して電力変換装置１０の電力指令値Ｐｒｅｆ１に等しい電力を直流から交流へ変換して運転を継続する。
【００１１】
このように従来では直流系統３０に複数の電力変換装置が接続されたときに、ある一つの電力変換装置は直流電圧制御回路１１０が動作し、残りの電力変換装置は電力制御回路１２０が動作する。このとき、直流から交流へ電力を変換している電力変換装置が電力制御回路１２０で動作している場合を考える。直流系統３０の電圧が低下すると、電力を一定に保つためにさらに直流電圧を低下する方向に電流を流し、逆に直流系統３０の電圧が上昇すると、さらに直流電圧を上昇させるように動作する。
【００１２】
図１４にこの動作を説明する回路図を示す。図１４において、電力変換装置Ａ，Ｂ，Ｃのうち、Ｂは直流電圧制御回路１１０が動作して電圧源となり、Ａ，Ｃは電力制御回路１２０が動作して電流源となる。電力変換装置Ａの交流有効電力Ｐ＜０が一定とすると、その直流電流はＰ／Ｖｄである。直流系統３０の電圧Ｅｄが電力変換装置Ｃの停止などで低下したとすると、電力変換装置Ｂはそれを補うように電力を調節して電圧を一定に保つように動作するが、電力変換装置Ａでは直流電圧の低下に対してさらにコンデンサＣを放電する方向（Ｐ＜０なので直流から交流の方向）へ電流を流すように動作するため、電力変換装置ＢはコンデンサＣの充電電流を供給しなければならない。
【００１３】
しかし、直流系統が長い場合などは電力変換装置Ｂは電力変換装置Ａのコンデンサ電圧とは異なる電圧（Ｂのコンデンサ電圧）で調節することになり、直流電圧の制御性能が劣化する場合がある。特に、直流系統のインダクタンス成分と各電力変換装置のコンデンサＣによる共振は位相遅れが大きくなりやすくダンピングの悪い電圧制御特性を持つ場合がある。この現象は直流系統の距離が長くなるに従い、充電が必要なコンデンサＣの電圧と直流電圧制御回路１１０が調節している電圧の差が大きくなりこの制御系の安定性が損なわれる。また、コンデンサＣの容量が小さくなるに従い放電時間が短くなるため、それに応じて直流電圧制御回路１１０が充電電流を供給しなければならないが、さらに充電が必要なコンデンサＣの電圧と直流電圧制御回路１１０が調節している電圧の差が大きくなり同様に制御特性が悪化し安定性が低下する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力変換装置は以上のように構成されているので、複数の電力変換装置のうちの１つが直流電圧を制御し、残りの電力変換装置がそれぞれの電力を制御する。このため、直流系統３０から交流系統２０へ電力を変換している電力変換装置では、直流系統３０の電圧が低下すると、さらに直流電圧を低下するように電流を流し、逆に直流系統３０の電圧が上昇すると、さらに直流電圧を上昇させるように動作する。この結果、直流系統３０の長距離化、電圧形電力変換器１０１のコンデンサ容量の低減に伴い、直流電圧制御特性が劣化し、特に直流系統３０の共振による直流電圧の振動を十分に抑制することができず、交流系統２０に対しても悪影響を及ぼすなどの課題があった。
【００１５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の電圧形電力変換器が接続された電力変換装置の特性を改善し、直流系統の共振を抑制して安定に電力を送受電できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１６】
また、この発明は、一つまたは複数の電力変換装置が停止しても残りの電力変換装置で運転を継続できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１７】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力変換装置が停止して残りの電力変換装置で運転を継続する場合に各電力変換装置の電力の融通度合いを設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１８】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した直後の電力変動を小さくすることができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１９】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した直後の過渡的な電力の融通度合いを各電力変換装置で設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２０】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した場合の電力の融通度合いを各電力変換装置に接続された交流系統の能力に応じて設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２１】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した場合の過渡的な電力の融通度合いを各電力変換装置に接続された交流系統の能力に応じて設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２２】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止して残りの電力変装置で運転を継続する場合に各電力変換装置の電力の融通度合いを設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換装置は、各電圧形電力変換器に対応して、電力の指令値と電力検出手段の検出値とに基づいて電圧形電力変換器の第一の有効電力指令を出力する電力制御手段と、直流電圧の指令値と直流電圧検出手段の検出値とに基づいて電圧形電力変換器の第二の有効電力指令を出力する直流電圧制御手段と、第一の有効電力指令と第二の有効電力指令との加算値に基づいて電圧形電力変換器の素子を点弧するゲート制御手段とを備えたものである。
【００２４】
この発明に係る電力変換装置は、電力制御手段から出力される第一の有効電力指令に出力制限値を設定するようにしたものである。
【００２５】
この発明に係る電力変換装置は、出力制限値を、各電圧形電力変換器で異なる値に設定するようにしたものである。
【００２６】
この発明に係る電力変換装置は、各電圧形電力変換器の直流電圧制御手段に変化率抑制手段を設けたものである。
【００２７】
この発明に係る電力変換装置は、変化率抑制手段の設定値を、各電圧形電力変換器で異なる値に設定するようにしたものである。
【００２８】
この発明に係る電力変換装置は、出力制限値を、各電圧形電力変換器に接続された交流系の融通能力に応じて設定するようにしたものである。
【００２９】
この発明に係る電力変換装置は、変化率抑制手段の設定値を、各電圧形電力変換器に接続された交流系の融通能力に応じて設定するようにしたものである。
【００３０】
この発明に係る電力変換装置は、直流電圧制御手段の直流増幅率を、各電圧形電力変換器で異なる値に設定するようにしたものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
以下の実施の形態では、制御回路で実現する場合を例に説明するが、プロセッサを用いたソフトウェアでも同様に実現することができる。
図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図であり、この図１は直流線路に複数台接続された電力変換装置のうちの１つの電力変換装置を示したものである。図において、１０は交流から直流または直流から交流に電力を変換する電力変換装置、２０は交流系統、３０は直流系統（直流線路）である。１０１は電圧形電力変換器、１０２は交流リアクトル又は変圧器、１０３はコンデンサ、１０４は交流系統２０の電圧を検出する電圧検出器、１０５は交流系統２０の電流を検出する交流電流検出器、１０６は直流系統３０の電圧を検出する直流電圧検出器（直流電圧検出手段）、１０７は電圧検出器１０４及び交流電流検出器１０５により検出された電圧及び電流に基づいて電力を検出する電力検出回路（電力検出手段）、１０８は電圧形電力変換器１０１の素子を点弧するゲート制御回路（ゲート制御手段）、１１０は直流電圧の指令値Ｖｄｒｅｆと直流電圧検出器１０６の検出値とに基づいて電圧形電力変換器１０１の第二の有効電力指令を出力する直流電圧制御回路（直流電圧制御手段）、１２０は電力の指令値Ｐｒｅｆと電力検出回路１０７の検出値とに基づいて電圧形電力変換器１０１の第一の有効電力指令を出力する電力制御回路（電力制御手段）である。１１１，１２１は減算器、１１２，１２２は補償器、１３１は加算器である。
【００３２】
次に動作について説明する。
電力検出回路１０７では電圧検出器１０４で検出された各相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと電流検出器１０５で検出された各相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから交流有効電力Ｐ＝Ｖｕ＊Ｉｕ＋Ｖｖ＊Ｉｖ＋Ｖｗ＊Ｉｗを出力する（ここで、＊は乗算を示す）。ここでの交流有効電力Ｐは電圧形電力変換器１０１が交流−直流変換している電力にほぼ等しい。検出された交流有効電力Ｐは電力制御回路１２０に入力され、減算器１２１により電力指令値Ｐｒｅｆとの電力偏差を演算し、増幅して電圧形電力変換器１０１の有効電力指令値（第一の有効電力指令）Ｐａｃを出力する。この動作により、交流有効電力Ｐは電力指令値Ｐｒｅｆに一致するように調節される。次に、電圧形電力変換器１０１の直流電圧を調節する動作を説明する。電圧形電力変換器１０１の交流有効電力Ｐと直流電力はほぼ等しい（一般に電力変換器はロスが小さくこの仮定は妥当である）ので、電圧形電力変換器１０１からコンデンサ１０３へ流れる電流はＰａｃ／Ｖｄ（ここで、Ｖｄは直流系統の電圧）となる。従って、有効電力指令値Ｐａｃを正の方向で増加すればコンデンサ１０３ヘは充電電流が流れ電圧が上昇する、逆に有効電力指令値Ｐａｃを負の方向に増加すればコンデンサ１０３は放電して電圧が低下する。補償器１１２では、直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに従って、直流電圧検出器１０６で検出した直流電圧Ｖｄがその直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆよりも小さいときは電圧形電力変換器１０１の有効電力指令値Ｐａｃを大きくするように、また、逆に直流電圧Ｖｄがその直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆよりも大きいときは有効電力指令値Ｐａｃを小さくするように動作して直流電圧Ｖｄが直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに一致するように動作する（第二の有効電力指令）。
【００３３】
図２は電圧形電力変換器の動作を示す等価回路図、図３はその等価ブロック線図を示す。図３（ａ）は電圧形電力変換器の有効電力指令値Ｐａｃから直流線路の電流Ｉｄまでのブロック線図である。有効電力指令値Ｐａｃは電圧形電力変換器１０１の交流側の入力電力であり、交流から直流へ変換（順変換動作）するときは正、直流から交流へ変換（逆変換動作）するときは負の値を持つ。電圧形電力変換器１０１のロスを無視すると電圧形電力変換器１０１の交流側と直流側の電力が等しいので、電圧形電力変換器１０１の直流電流はＩｃ＝Ｐａｃ／Ｖｄの関係がある（図３（ａ）の割り算ブロック）。ブロック１／Ｃｓは電圧形電力変換器１０１の直流電流Ｉｃと直流系統３０の電流Ｉｄの差でコンデンサ１０３が充放電されてその電圧Ｖｄが変化することを表している。その次のブロック１／Ｌｄｓ，Ｒｄはコンデンサ１０３の電圧Ｖｄと他の端子の電圧Ｅｄとの差が直流系統３０のインダクタンスと抵抗に印加されて直流電流Ｉｄが流れることを表している。
【００３４】
図３（ａ）の安定性を評価するために割り算のテーラー展開を用い、動作点近傍で線形化すると図３（ｂ）となる。ただし、動作点を（Ｖｄ０，Ｉｃ０，Ｉｄ０，Ｅｄ０，Ｐａｃ０）、微小変化分を（ΔＶｄ，ΔＩｃ，ΔＩｄ，ΔＥｄ，ΔＰａｃ）としてＶｄ＝Ｖｄ０＋ΔＶｄ，Ｉｃ＝Ｉｃ０＋ΔＩｃ，Ｉｄ＝Ｉｄ０＋ΔＩｄ，Ｅｄ＝Ｅｄ０＋ΔＥｄ，Ｐａｃ＝Ｐａｃ０＋ΔＰａｃである。図３（ｂ）からわかるように、コンデンサ電圧ΔＶｄからコンデンサ１０３の電流（１／Ｃ）ｓブロックの入力）へＩｃ０／Ｖｄ０を係数とするループが存在する。電圧形電力変換器１０１のロスを無視した条件ではＩｃ０＝Ｐａｃ０／Ｖｄｃ０なので、Ｉｃ０／Ｖｄ０＝Ｐａｃ０／（Ｖｄ０＊Ｖｄ０）の関係がある。従って、この係数は電圧形電力変換器１０１が変換する電力の方向で符号が変わり、順変換動作のときは正の値、逆に逆変換動作のときは負の値を持つ。
【００３５】
例えば、直流電圧が正Ｖｄ０＞０で電圧形電力変換器１０１が逆変換動作のとき（Ｉｃ０／Ｖｄ０）＜０である。電圧形電力変換器１０１の直流電圧（コンデンサ電圧に等しい）が低下すると変化が負でΔＶｄ＜０となるので（Ｉｃ０／Ｖｄ０）＊ΔＶｄ＞０となってコンデンサ電流を低下するように働き、さらに電圧を低下させる。反対に電圧が上昇するとΔＶｄ＞０であるから、（Ｉｃ０／Ｖｄ０）＊ΔＶｄ＜０でありコンデンサ電流を大きくするように働き、さらに電圧を上昇させる。つまり、電圧形電力変換器１０１が逆変換動作のときには系の中に正帰還が存在するということであり、これをどのように補償するかによって図２の系の安定性が決定されるということになる。
【００３６】
図９の従来例の場合、電力制御回路１２０が動作しているときにはこの系に対して補償器Ｇｐ（ｓ）が図３（ｃ）のように構成されることと等価である。他の端子では電圧Ｅｄが一定になるように電圧制御回路１２０が動作する。電力制御回路１２０は正帰還となり得るループとは独立に構成されるため、系の安定性には関与しない。従って、系の安定化に寄与するのは他の端子の直流電圧制御回路１１０である。しかし、他の端子の直流電圧制御回路１１０は自端の電圧（図３ではＥｄ）を検出してそれを調節するように動作しているだけである。このため、ΔＶｄの変化が直流線路電流ΔＩｄを変化させ、さらに他の端子の電圧が変化してからそのΔＥｄの変化を抑制するように直流電圧制御回路１１０が働くという過程が必要であり動作が遅れる。逆に他の端子の直流電圧制御回路１１０が働きその端子のコンデンサ１０３を充放電しても、直流線路電流が変化してからΔＶｄが変化するというように遅れが生じる。特に直流系統３０が長くなり、インダクタンスＬｄが大きくなると遅れが顕著になる。このように、従来例では正帰還ループの補償は間接的に行われるため、十分な安定性を確保することが難しい。
【００３７】
これに対して、図１の実施の形態１によるブロック線図は図３（ｄ）である。電力を一定に調節する端子であっても、直流電圧制御回路１１０が構成されて電圧Ｖｄを指令値に一致するように動作する。定常状態では電圧指令Ｖｄ* が一定なのでΔＶｄ* ＝０となる。このとき電圧Ｖｄが低下したとするとΔＶｄ＜０であるからΔＶｄ* −ΔＶｄ＞０であり、補償器Ｇｖ（ｓ）で増幅されてΔＩｃ＞０の電流を流すように動作してコンデンサ１０３を充電する。これにより、逆変換動作のときにΔＶｄから（Ｉｃ０／Ｖｄ０）を介して帰還して放電する正帰還ループの電流を直接補償することができる。電圧Ｖｄが上昇した場合はΔＶｄ* −ΔＶｄ＜０でありΔＩｃは放電するように流れ、同様に正帰還ループの電流を直接補償することができる。従って、図１のように構成すれば、正帰還ループを直接補償でき系の安定性を確保することができる。
【００３８】
以上のように、この実施の形態１によれば、直流系統３０に接続された複数の電力変換装置１０でそれぞれ直流電圧が一定になるように直流電圧制御回路１１０が動作しており、直流から交流へ変換している電力変換装置１０の特性に起因する不安定性を抑制して安定に電力を送電することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による電力変換装置を示す構成図であり、図において、電力制御回路１２０では補償器１２２に出力制限が構成されており、上限値がＰｍａｘ、下限値がＰｍｉｎに設定されるものである。
なお、実施の形態１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００４０】
次に動作について説明する。
図４の電力制御回路１２０の補償器１２２は出力制限が構成されているので、電力指令値Ｐｒｅｆと交流有効電力Ｐに偏差が生じた場合、制限値内の有効電力で調節される。補償器１２２が出力制限を越える信号を出力しようとすると、上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎに制限されて直流電圧制御回路１１０の動作が優先されて交流有効電力Ｐと電力指令値Ｐｒｅｆは偏差を持つ。特に、Ｐｍａｘ＝Ｐｍｉｎのときにはその電力変換装置１０は常に電圧を一定に保つよう動作する。
【００４１】
次に複数の端子が接続された場合にある端子が故障や事故により脱落したときの動作について説明する。今、ｎ個の端子が接続され、それぞれの有効電力をＰｉとすると、各端子以外からの電力はないので、
ΣＰｉ＝０ （３）
が成り立つ。ここで、ｎ番目の端子が脱落したとすると直流電圧、電力に偏差を生じる。
【００４２】
端子脱落前は直流電圧の偏差が零で、電力が一定に調節されているものとし、端子脱落後の直流電圧の偏差をΔＶｄ、電力制御回路１２０の出力の端子脱落前の値Ｐｉに対する偏差をΔＰｉとすれば端子脱落後の有効電力Ｐｉ′は定常状態において、
Ｐｉ′＝（Ｐｉ＋ΔＰｉ）十Ｋｖｉ＊ΔＶｄ （４）
となる。ここで、Ｋｖｉは直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の直流増幅率でありＫｖｉ＊ΔＶｄは直流電圧制御回路１１０の出力である。
【００４３】
端子脱落後の電力もバランスしなければならないので、Ｐｉ′についても残りの（ｎ−１）個の端子の総和が零であり、
ΣＰｉ′＝−Ｐｎ＋ΣΔＰｉ＋ΔＶｄ＊ΣＫｖｉ＝０ （５）
が成り立つ。これよりΔＶｄを求め（４）式に代入すると、
Ｐｉ′＝Ｐｉ＋ΔＰｉ＋Ｋｖｉ＊（Ｐｎ−ΣΔＰｋ）／（ΣＫｖｋ）（６）
となる。
【００４４】
例えば、各端子の直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の直流増幅率が等しいとしてＫｖｉ＊Ｋｖ、また直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の出力偏差も端子脱落前の値に対して増加、減少方向で等しくΔＰｉｍａｘ＝±ΔＰｍａｘとなるようにそのリミッタが設定されているものとする。
【００４５】
即ち、図１の電力制御回路１２０の制限値はＰｍａｘ＝Ｐｉ＋ΔＰｍａｘ及びＰｍｉｎ＝Ｐｉ−ΔＰｍａｘである。順変換端子が脱落し直流電圧が端子脱落前に比べて低下したとすると、直流電圧制御回路１１０が偏差ΔＶｄに比例して電力を正方向（順変換方向）に大きくする。従って、直流電圧制御回路１１０は逆に電力を小さくするように動作するが、リミッタにより制限されてΔＰｉ＝−ΔＰｍａｘとなる。逆に、逆変換端子が脱落して直流電圧が上昇したとすると、直流電圧制御回路１１０が電力を小さくするように動作し、電力制御回路１２０がリミッタに制限されてΔＰｉ＝＋ΔＰｍａｘとなる。
【００４６】
このため、
Ｐｉ′＝Ｐｉ＋Ｐｎ／（ｎ−１） （７）
となる。従って、ある端子が脱落しても各端子で分担して電力を融通し自動的に新たな動作点へ移行して運転を継続することができる。ここでは簡単にするためにＫｖｉとΔＰｉの大きさが等しい場合について説明したが、これらの値が異なっても同様に新たな動作点へ移行することができる。また、複数の端子が脱落しても同様である。
【００４７】
以上のように、この実施の形態２によれば、電力制御回路１２０の出力制限値を設定しているので、ある電力変換装置１０が停止しても残りの電力変換装置１０で運転を継続して自動的に新たな動作点へ移行することができる。
【００４８】
実施の形態３．
この実施の形態３では図４の電力制御回路１２０の制限値が各端子毎に異なる値に設定されている。直流電圧の安定性については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。複数の端子が接続された場合にある端子が故障や事故により脱落したときの動作について説明する。電力制御回路１２０は交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆに一致するように動作するが、その能力は制限値Ｐｍａｘ，Ｐｍｉｎにより制限されている。このため、制限値が大きい端子は電力制御回路１２０の能力が大きく、制限値が小さい端子に比較して交流有効電力Ｐと電力指令値Ｐｒｅｆの偏差が小さい。従って、制限値が大きい端子は端子脱落が発生した後の電力がその前の電力に対して変化が小さくなり交流系統２０への影響を小さくすることができる。
【００４９】
例えば、（６）式において各端子の直流増幅率Ｋｖｋが等しいとすると、ΣＫｖｋ＝（ｎ−１）Ｋｖ，Ｋｖｉ＝Ｋｖなので、
Ｐｉ′＝Ｐｉ＋ΔＰｉ＋（Ｐｎ−ΣΔＰｋ）・１／（ｎ−１）
ΔＰの平均値をΔＰａｖ＝ΣΔＰｋ／（ｎ−１）として、ΔＰｉ＝ΔＰａｖ＋ΔＰｄｉと定義すると、これより、
である。逆変換端子が脱落したとするとＰｎ＜０であり、直流電圧が上昇するため直流電圧制御回路１１０が電力を小さくし、電力制御回路１２０は電力を増加するように動作するのでΔＰｉは正方向である。
【００５０】
従って、電力制御回路のリミット値が、
ΔＰｄｉ＞−Ｐｎ／（ｎ−１） （９）
となるように設定されていると、電力制御回路１２０が飽和せずにその端子の電力は端子が脱落する前と等しく制御される。電力制御回路１２０が飽和してリミットされる場合でもΔＰｄｉが大きく上限のリミット値が大きい端子は融通する電力が小さくなる。電力制御回路１２０の上限のリミット値が小さい端子は逆に融通する電力が大きくなる動作点へ移行する。
【００５１】
順変換端子が脱落した場合はＰｎ＞０であり、直流電圧が低下するため直流電圧制御回路１１０が電力を増加するように動作して電力制御回路１２０は電力を低下するように動作するのでΔＰｉは負の方向である。従って、各端子の電力制御回路１２０のリミット値が、
ΔＰｄｉ＜−Ｐｎ／（ｎ−１） （１０）
となるように設定されていると、電力制御回路１２０が飽和せずに脱落前の電力が保たれる。電力制御回路１２０が飽和する場合でも下限のリミット値が小さい（負方向に大きい）端子は融通する電力が小さく、下限のリミット値が大きい端子は電力融通が大きい動作点へ移行する。
【００５２】
以上により、この実施の形態３によれば、電力制御回路１２０の出力制限値を各電力変換装置１０で異なる値を設定しているので、一つまたは複数の電力変換装置１０が停止して残りの電力変換装置１０で運転を継続する場合に、電力の変化を小さくする端子と、電力融通の大きい端子を設定することができる。
【００５３】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による電力変換装置を示す構成図であり、図において、１１３は直流電圧制御回路１１０に設けられた、入力信号の時間に関する変化率を抑制する変化率抑制回路（変化率抑制手段）である。
なお、実施の形態１および実施の形態２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００５４】
次に動作について説明する。
直流系の共振による変動を抑制している直流電圧制御回路１１０は端子が脱落した場合などの急激な直流電圧変動にも応答するように設定される。直流電圧制御回路１１０の補償器１１２では直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆと直流電圧Ｖｄの偏差を増幅するが、直流電圧Ｖｄが急峻に変化するとその出力もそれに応じて変化する。変化率抑制回路１１３では補償器１１２の出力の変化率が予め設定された最大変化率を越える場合、その変化を最大変化率に抑制するように動作する。補償器１１２の出力の変化率が設定された最大変化率よりも小さい場合はそのまま出力されて、補償器１１２の出力に等しい信号が有効電力指令となる。このため、定常状態においては直流電圧制御回路１１０の直流電圧変動抑制効果を低下することなく、過渡的な変動を抑えることができる。これに対して、補償器１１２をフィルタ効果を持つように構成しても過渡的な変動を抑制することができるが、直流制御系の定常的な安定性を損ねる恐れがある。図６に変化率抑制回路の動作を示す信号波形の例を示す。横軸が時間、縦軸が信号の振幅である。
【００５５】
図６（ａ）は入力信号（実線）が最大変化率を越える変化率を持つ場合であり、出力は破線のように変化率が抑制される。図６（ｂ）は入力信号の変化率が最大変化率よりも小さい場合であり、出力信号は入力信号に一致する。従って、有効電力の急峻な変化が抑制され、直流系統３０の過渡的な変動の交流系統２０に対する影響を小さくすることができる。なお、電力制御回路１２０は電圧制御系の安定性に関係がないので、電力制御回路１２０による有効電力の急峻な変化は、その補償器１２２にフィルタ効果を持たせるように構成することで問題がない。
【００５６】
以上のように、この実施の形態４によれば、直流電圧制御回路１１０に設けられた、変化率抑制回路１１３により、有効電力の過渡的な変化を抑制することができる。
【００５７】
実施の形態５．
この実施の形態５では図５の直流電圧制御回路１１０の変化率抑制回路１１３の設定値が各端子毎に異なる値に設定されている。従って、ある端子が脱落して直流電圧が急峻に変化した場合、変化率抑制回路１１３の最大変化率の設定値が大きい電力変換装置１０が優先的に働き、過渡的な直流電圧の変動を抑制するように動作する。逆に最大変化率の設定値が小さい電力変換装置１０は過渡的な電圧変化に対しての応答が抑制されており、直流電圧を維持するために必要な過渡的な電力融通が少なく交流系への影響が小さい。
【００５８】
以上のように、この実施の形態５によれば、変化率抑制回路１１３の設定値を各端子毎に異なる値に設定することにより、一つまたは複数の端子が脱落した場合などに発生する直流電圧変動に対して、その電圧変動を優先的に抑制する端子を設定することができる。
【００５９】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６による電力変換装置を示す構成図であり、図において、１０，１１，１２は電力変換装置であり、例えば図４に示した構成を有するものである。２０，２１，２２は交流系統、４０は各電力変換装置１０，１１，１２の電力制御回路１２０の補償器１２２の制限値を設定する制限値設定回路、２０１，２１１，２２１は交流電源である。
【００６０】
次に動作について説明する。
図４に示した電力制御回路１２０の補償器１２２には出力制限値が設定されている。この実施の形態６による制限値設定回路４０では各電力変換装置１０，１１，１２に接続された交流系統２０，２１，２２が許容できる電力範囲ＰＡＣｍａｘ，ＰＡＣｍｉｎを得て、各電力変換装置１０，１１，１２の電力制御回路１２０の補償器１２２の制限値ＰｍａｘとＰｍｉｎを出力する。図４の構成では電力制御回路１２０の補償器１２２の出力制限が小さい方が電力制御回路１２０の動作が制限されて、直流電圧を維持するために電力を融通するように動作する。従って、制限値ＰｍａｘとＰｍｉｎはその電力変換装置１０，１１，１２が接続された交流系統２０，２１，２２の電力許容範囲ＰＡＣｍａｘとＰＡＣｍｉｎが大きいものは制限値を小さく設定して、ある電力変換装置が停止したときの電力融通ができるように動作する。逆に電力許容範囲が小さいものは制限値を大きく設定して電力制御回路１２０が働くように設定し、交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆに一致するようにして電力融通を少なくするように動作する。
【００６１】
以上のように、この実施の形態６によれば、一つまたは複数の電力変換装置が停止した場合の電力融通を交流系統の能力に応じて設定することができ、交流系統への影響を小さくすることができる。図７では３つの電力変換装置１０，１１，１２が直流系統３０に接続された場合を示しているが、２つ以上の構成について同様の効果がある。
【００６２】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７による電力変換装置を示す構成図であり、図において、５０は各電力変換装置１０，１１，１２の電圧制御回路１２０の最大変化率を設定する最大変化率設定回路である。
なお、実施の形態６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００６３】
次に動作について説明する。
電力変換装置１０，１１，１２は例えば図５に示したように構成されている。図５に示した直流電圧制御回路１１０には変化率抑制回路１１３が構成されている。最大変化率設定回路５０では各電力変換装置１０，１１，１２に接続された交流系統２０，２１，２２が許容できる電力範囲ＰＡＣｍａｘ，ＰＡＣｍｉｎを得て、各電力変換装置１０，１１，１２の直流電圧制御回路１１０の最大変化率ＤＰＤＴを出力する。図５の構成では最大変化率が小さい電力変換装置ほど過渡的な電力融通が抑えられ、大きいものが電力融通を行う。従って、最大変化率ＤＰＤＴはその電力変換装置が接続された交流系統の電力許容範囲ＰＡＣｍａｘとＰＡＣｍｉｎが大きいものは大きく設定され、一つまたは複数の電力変換装置が停止したときの過渡的な電力融通ができるように動作する。逆に電力許容範囲が小さいものは最大変化率を小さくして過渡的な電力融通を抑制する。
【００６４】
以上のように、この実施の形態７によれば、一つまたは複数の電力変換装置が停止した場合の過渡的な電力融通を交流系統の能力に応じて設定することができ、交流系統への影響を小さくすることができる。図８では３つの電力変換装置１０，１１，１２が直流系統３０に接続された場合を示しているが、２つ以上の構成についても同様の効果がある。
【００６５】
実施の形態８．
この実施の形態８では図４の直流電圧制御回路１１０の補償器直流増幅率Ｋｖｉが各端子で異なる値に設定されている。簡単にするために直流電圧制御回路１１０のΔＰｉはすべての端子で同一とする。各端子の直流増幅率Ｋｖｉの平均値をＫｖａｖとして、Ｋｖａｖ＝ΣＫｖｋ／（ｎ−１），Ｋｖｉ＝Ｋｖａｖ＊Ｋｖｄｉと定義すると（６）式は、
である。順変換端子が脱落した場合（Ｐｎ＞０）はΔＰｉ＜０であるから、補償器１１２の直流増幅率が平均値よりも大きい場合（Ｋｖｄｉ＞１）はより多くの電力を融通するように動作する。逆に直流増幅率が平均値よりも小さい場合（Ｋｖｄｉ＜１）は融通電力が小さい動作点へ移行する。逆変換端子（Ｐｎ＜０）が脱落した場合はΔＰｉ＞０であり同様の動作となる。
【００６６】
以上のように、この実施の形態８によれば、直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の直流増幅率を各電力変換装置１０，１１，１２で異なる値に設定しているので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して残りの電力変換装置で運転を継続する場合に、電力融通を小さくする端子と、大きくする端子を設定することができる。なお、この実施の形態８では、直流電圧制御回路１１０の余裕（ΔＰｉ）がすべての端子で同一としたが、値が異なっても同様の効果がある。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、常に直流電圧制御手段が動作するように構成したので、各電力変換装置の直流電圧の変動を抑制して一定に保つことができ、直流線路の長距離化やコンデンサ容量の低減に対しても各電力変換装置の相互に送受電する電力を安定に送ることができる効果がある。
【００６８】
この発明によれば、電力制御手段に出力制限値を設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止しても自動的に動作点を移行し残りの電力変換装置で運転を継続することができる効果がある。
【００６９】
この発明によれば、各電力変換装置の電力制御手段の出力制限値を異なる値に設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して動作点を移行し残りの電力変換装置で運転を継続する場合に電力の融通度合を各電力変換装置で設定できる効果がある。
【００７０】
この発明によれば、各電圧形電力変換器の直流電圧制御手段に変化率抑制手段を設けるように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止した直後、残りの電力変換装置の交流電力の変動を抑制できる効果がある。
【００７１】
この発明によれば、各電力変換装置の直流電圧制御手段の変化率抑制手段を異なる設定とするように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止した直後、過渡的な電力融通度合いを各電力変換装置で設定できる効果がある。
【００７２】
この発明によれば、各電力変換装置の電力制御手段の出力制限値を交流系統の融通能力に応じて設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して残りの電力変換装置で運転を継続する場合に交流系統への影響を小さくできる効果がある。
【００７３】
この発明によれば、各電力変換装置の直流電圧制御手段の変化率抑制手段を交流系統の融通能力に応じて設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止した直後の過渡的な電力融通の際に交流系統への影響を小さくできる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、各電力変換装置の直流電圧制御手段の直流増幅率を異なる値に設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して動作点を移行し残りの電力変換装置で運転を継続する場合に電力の融通度合を各電力変換装置で設定できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。
【図２】 電圧形電力変換器の動作を示す等価回路図である。
【図３】 図２の等価ブロック線図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による電力変換装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による電力変換装置を示す構成図である。
【図６】 実施の形態４の特性の一例を示す説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態６による電力変換装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態７による電力変換装置を示す構成図である。
【図９】 従来の電力変換装置を示す構成図である。
【図１０】 従来の電力変換装置の動作を示す説明図である。
【図１１】 従来の電力変換装置の特性を示す説明図である。
【図１２】 従来の３つの電力変換装置が直流系統に接続された場合の構成図である。
【図１３】 従来の電力変換装置の特性を示す説明図である。
【図１４】 従来の電力変換装置の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２ 電力変換装置、３０ 直流系統（直流線路）、１０１ 電圧形電力変換器、１０６ 直流電圧検出器（直流電圧検出手段）、１０７ 電力検出回路（電力検出手段）、１０８ ゲート制御回路（ゲート制御手段）、１１０ 直流電圧制御回路（直流電圧制御手段）、１１３ 変化率抑制回路（変化率抑制手段）、１２０ 電力制御回路（電力制御手段）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流線路に複数の電圧形電力変換器が接続された直流多端子送電系統の安定性を向上すると共に電圧形電力変換器または系統故障による端子脱落時も残りの端子で運転を継続することができる電力変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図９は例えば特開平１−２３８４３０号公報に示された従来の電力変換装置を示す構成図であり、この図９は直流線路に複数台接続された電力変換装置のうちの１つの電力変換装置を示したものである。図において、１０は交流から直流または直流から交流に電力を変換する電力変換装置、２０は交流系統、３０は直流系統である。１０１は電圧形電力変換器、１０２は交流リアクトル又は変圧器、１０３はコンデンサ、１０４は交流系統２０の電圧を検出する電圧検出器、１０５は交流系統２０の電流を検出する交流電流検出器、１０６は直流系統３０の電圧を検出する直流電圧検出器、１０７は電圧検出器１０４及び交流電流検出器１０５により検出された電圧及び電流に基づいて電力を検出する電力検出回路、１０８はゲート制御回路、１１０は直流電圧制御回路、１２０は電力制御回路である。１１１，１２１は減算器、１１２，１２２は補償器、１３０は選択器である。
【０００３】
次に動作について説明する。
電力検出回路１０７では電圧検出器１０４で検出された各相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと電流検出器１０５で検出された各相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから交流有効電力Ｐ＝Ｖｕ＊Ｉｕ＋Ｖｖ＊Ｉｖ＋Ｖｗ＊Ｉｗを出力する（ここで、＊は乗算を示す）。ここでの交流有効電力Ｐは電圧形電力変換器１０１が交流−直流変換している電力にほぼ等しい。検出された交流有効電力Ｐは電力制御回路１２０に入力され、減算器１２１により電力指令値Ｐｒｅｆとの電力偏差を演算し、補償器１２２がその電力偏差に応じて電圧形電力変換器１０１の電力を調節する。この補償器１２２は電力検出回路１０７により検出された交流有効電力Ｐがその電力指令値Ｐｒｅｆよりも小さいときは電圧形電力変換器１０１で変換する電力を大きく、逆に交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆよりも大きいときは電圧形電力変換器１０１で変換する電力を小さくするようにして、交流有効電力Ｐと電力指令値Ｐｒｅｆが一致するように動作する。
【０００４】
一方、直流電圧検出器１０６で検出された直流電圧Ｖｄは減算器１１１により直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆとの偏差を演算し、補償器１１２がその偏差に応じて電圧形電力変換器１０１の電力を調節する。電圧形電力変換器１０１の電力は双方向に調節できるので、補償器１１２は直流電圧が低下した場合には交流から直流方向の電力を増加してコンデンサ１０３を充電し、直流電圧が上昇した場合には逆に直流から交流方向の電力を増加することでコンデンサ１０３を放電して直流電圧Ｖｄがその直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに一致するように動作する。このように補償器１１２，１２２は共に電圧形電力変換器１０１の電力を調節するが、それら補償器１１２，１２２の出力は選択器１３０により両者の最小値が選択され、直流電圧制御回路１１０か、または電力制御回路１２０のどちらか一方が動作するように構成されている。
【０００５】
ゲート制御回路１０８は電圧形電力変換器１０１の有効電力指令Ｐａｃ及び無効電力指令Ｑａｃに応じて電圧形電力変換器１０１の素子を点弧する。図１０は電圧形電力変換器が交流リアクトルを介して交流電源に接続されている場合の構成図である。このとき、交流電源電圧をＶｓ、電力変換器の変調度をｋ、交流リアクトルのリアクタンスをＸ、電圧形電力変換器の交流電圧と交流電源電圧の位相差をφとすると有効電力、無効電力はそれぞれ、
Ｐ＝ｋ＊ｓｉｎφ＊Ｖｓ2 ／Ｘ （１）
Ｑ＝（ｋ＊ｃｏｓφ−１）＊Ｖｓ2 ／Ｘ （２）
となることが知られている。
【０００６】
ゲート制御回路１０８では（１）式および（２）式に従って、変調度ｋ、位相差φに応じて電圧形電力変換器１０１の素子をオン−オフするタイミングを決定し、素子を点弧する。この動作により、選択器１３０が選択した補償器１１２または補償器１２２の出力に応じて電圧形電力変換器１０１の電力が調節される。（１）式および（２）式の関係及び素子の点弧方式及び電圧形電力変換器の構成は、例えば、電気学会半導体電力変換方式調査専門委員会編「半導体電力変換回路」（１９８７年３月３１日初版発行）の２１６〜２２０頁に開示されているので詳細は省略する。
【０００７】
図１１は図９の動作を示す説明図である。横軸は電圧形電力変換器１０１の交流有効電力Ｐで交流から直流へ電力を変換するときを正方向としている。縦軸は電圧形電力変換器１０１の直流電圧Ｖｄである。図１１のＰ＜Ｐｒｅｆの領域における電圧一定の直線の特性は、電力検出回路１０７で検出された交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆよりも小さく、補償器１２２の増幅効果によりその補償器１２２の出力は大きな値となり、出力制限値に至る。直流電圧Ｖｄは直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ付近にあり補償器１１２は出力制限値の範囲内の値を出力するので、信号の最小値を選ぶ選択器１３０では補償器１１２の出力が選択されて直流電圧制御が動作し、電圧形電力変換器１０１の直流電圧は直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに制御される。交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆ付近より大きくなった場合、補償器１２２は逆に小さな値を出力して、一方、補償器１１２は直流電圧Ｖｄが直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆよりも小さいので大きな値を出力し、選択器１３０は補償器１２２の出力を選択して電力制御回路１２０が動作する。図１１のＶｄ＜Ｖｄｒｅｆの領域でＰｒｅｆ一定の直線はこの特性を示している。従って、図９の従来例では電力と、直流電圧の関係において、ある領域では直流電圧制御回路１１０が、また、ある領域では電力制御回路１２０が動作するように構成されている。
【０００８】
図１２は従来の３つの電力変換装置が直流系統に接続された場合の構成図である。ここで、１１，１２は電力変換装置であり、電力変換装置１０と同様の構成である。２０１，２１１，２２１は交流電源であり、それぞれ交流系統２０，２１，２２を介して電力変換装置１０，１１，１２に接続されている。図１３は図１１と同様に、このときの動作を示す説明図である。実線ａは電力変換装置１０、破線ｂは電力変換装置１１、一点鎖線ｃは電力変換装置１２の特性を示している。ここでは、電力変換装置１０，１１，１２の直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ１，Ｖｄｒｅｆ２，Ｖｄｒｅｆ３がＶｄｒｅｆ１＞Ｖｄｒｅｆ２＞Ｖｄｒｅｆ３となるように設定され、電力指令値Ｐｒｅｆ１，Ｐｒｅｆ２，Ｐｒｅｆ３は交流から直流に変換される電力で、Ｐｒｅｆ１＜Ｐｒｅｆ２＜Ｐｒｅｆ３となるように設定されている。図１２に示したように３つの電力変換装置１０，１１，１２は直流系統３０で接続されており、電力の総和が零になるよう動作しなければならない。例えば、直流電圧が直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ１付近にあるとすると、電力変換装置１１，１２では電圧を低下させようと動作し、交流から直流への電力を小さくする。これにより、直流電圧は低下し、電力変換装置１０は電力制御回路１２０が動作するようになる。同様に、直流電圧が直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ２付近にあるとすると、今度は電力変換装置１２が交流から直流への電力を低下させて、直流電圧を下げるように動作し、電力変換装置１１が電力制御回路１２０で動作するようになる。
【０００９】
このように、図１２の構成で図１３の特性を持つ場合、電力変換装置１２が直流電圧を直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ３に保つように動作し、残りの電力変換装置１０，１１はそれぞれの電力指令値Ｐｒｅｆ１，Ｐｒｅｆ２を保つように電力制御回路１２０が動作する。従って、電力変換装置１０，１１は交流から直流に電力を変換し、電力変換装置１２では電力変換装置１０，１１の電力の総和（Ｐｒｅｆ１＋Ｐｒｅｆ２）と等しい電力を直流から交流に変換する。電力変換装置１０，１１，１２の動作点は図１３において、それぞれａ′，ｂ′，ｃ′である。
【００１０】
図１２の構成で図１３の特性のとき、電力変換装置１２が停止したとすると、直流から交流への変換ができなくなるため、直流電圧が上昇して電力変換装置１１が直流電圧を直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆ２に保つように動作する。このとき、電力変換装置１０，１１の動作点はそれぞれ、ａ″，ｂ″である。電力変換装置１０は電力制御回路１２０が動作し、電力変換装置１１は直流電圧制御回路１１０が動作して電力変換装置１０の電力指令値Ｐｒｅｆ１に等しい電力を直流から交流へ変換して運転を継続する。
【００１１】
このように従来では直流系統３０に複数の電力変換装置が接続されたときに、ある一つの電力変換装置は直流電圧制御回路１１０が動作し、残りの電力変換装置は電力制御回路１２０が動作する。このとき、直流から交流へ電力を変換している電力変換装置が電力制御回路１２０で動作している場合を考える。直流系統３０の電圧が低下すると、電力を一定に保つためにさらに直流電圧を低下する方向に電流を流し、逆に直流系統３０の電圧が上昇すると、さらに直流電圧を上昇させるように動作する。
【００１２】
図１４にこの動作を説明する回路図を示す。図１４において、電力変換装置Ａ，Ｂ，Ｃのうち、Ｂは直流電圧制御回路１１０が動作して電圧源となり、Ａ，Ｃは電力制御回路１２０が動作して電流源となる。電力変換装置Ａの交流有効電力Ｐ＜０が一定とすると、その直流電流はＰ／Ｖｄである。直流系統３０の電圧Ｅｄが電力変換装置Ｃの停止などで低下したとすると、電力変換装置Ｂはそれを補うように電力を調節して電圧を一定に保つように動作するが、電力変換装置Ａでは直流電圧の低下に対してさらにコンデンサＣを放電する方向（Ｐ＜０なので直流から交流の方向）へ電流を流すように動作するため、電力変換装置ＢはコンデンサＣの充電電流を供給しなければならない。
【００１３】
しかし、直流系統が長い場合などは電力変換装置Ｂは電力変換装置Ａのコンデンサ電圧とは異なる電圧（Ｂのコンデンサ電圧）で調節することになり、直流電圧の制御性能が劣化する場合がある。特に、直流系統のインダクタンス成分と各電力変換装置のコンデンサＣによる共振は位相遅れが大きくなりやすくダンピングの悪い電圧制御特性を持つ場合がある。この現象は直流系統の距離が長くなるに従い、充電が必要なコンデンサＣの電圧と直流電圧制御回路１１０が調節している電圧の差が大きくなりこの制御系の安定性が損なわれる。また、コンデンサＣの容量が小さくなるに従い放電時間が短くなるため、それに応じて直流電圧制御回路１１０が充電電流を供給しなければならないが、さらに充電が必要なコンデンサＣの電圧と直流電圧制御回路１１０が調節している電圧の差が大きくなり同様に制御特性が悪化し安定性が低下する。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力変換装置は以上のように構成されているので、複数の電力変換装置のうちの１つが直流電圧を制御し、残りの電力変換装置がそれぞれの電力を制御する。このため、直流系統３０から交流系統２０へ電力を変換している電力変換装置では、直流系統３０の電圧が低下すると、さらに直流電圧を低下するように電流を流し、逆に直流系統３０の電圧が上昇すると、さらに直流電圧を上昇させるように動作する。この結果、直流系統３０の長距離化、電圧形電力変換器１０１のコンデンサ容量の低減に伴い、直流電圧制御特性が劣化し、特に直流系統３０の共振による直流電圧の振動を十分に抑制することができず、交流系統２０に対しても悪影響を及ぼすなどの課題があった。
【００１５】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の電圧形電力変換器が接続された電力変換装置の特性を改善し、直流系統の共振を抑制して安定に電力を送受電できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１６】
また、この発明は、一つまたは複数の電力変換装置が停止しても残りの電力変換装置で運転を継続できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１７】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力変換装置が停止して残りの電力変換装置で運転を継続する場合に各電力変換装置の電力の融通度合いを設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１８】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した直後の電力変動を小さくすることができる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１９】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した直後の過渡的な電力の融通度合いを各電力変換装置で設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２０】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した場合の電力の融通度合いを各電力変換装置に接続された交流系統の能力に応じて設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２１】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止した場合の過渡的な電力の融通度合いを各電力変換装置に接続された交流系統の能力に応じて設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２２】
さらに、この発明は、一つまたは複数の電力制御装置が停止して残りの電力変装置で運転を継続する場合に各電力変換装置の電力の融通度合いを設定できる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換装置は、各電圧形電力変換器に対応して、電力の指令値と電力検出手段の検出値とに基づいて電圧形電力変換器の第一の有効電力指令を出力する電力制御手段と、直流電圧の指令値と直流電圧検出手段の検出値とに基づいて電圧形電力変換器の第二の有効電力指令を出力する直流電圧制御手段と、第一の有効電力指令と第二の有効電力指令との加算値に基づいて電圧形電力変換器の素子を点弧するゲート制御手段とを備えたものである。
【００２４】
この発明に係る電力変換装置は、電力制御手段から出力される第一の有効電力指令に出力制限値を設定するようにしたものである。
【００２５】
この発明に係る電力変換装置は、出力制限値を、各電圧形電力変換器で異なる値に設定するようにしたものである。
【００２６】
この発明に係る電力変換装置は、各電圧形電力変換器の直流電圧制御手段に変化率抑制手段を設けたものである。
【００２７】
この発明に係る電力変換装置は、変化率抑制手段の設定値を、各電圧形電力変換器で異なる値に設定するようにしたものである。
【００２８】
この発明に係る電力変換装置は、出力制限値を、各電圧形電力変換器に接続された交流系の融通能力に応じて設定するようにしたものである。
【００２９】
この発明に係る電力変換装置は、変化率抑制手段の設定値を、各電圧形電力変換器に接続された交流系の融通能力に応じて設定するようにしたものである。
【００３０】
この発明に係る電力変換装置は、直流電圧制御手段の直流増幅率を、各電圧形電力変換器で異なる値に設定するようにしたものである。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
以下の実施の形態では、制御回路で実現する場合を例に説明するが、プロセッサを用いたソフトウェアでも同様に実現することができる。
図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図であり、この図１は直流線路に複数台接続された電力変換装置のうちの１つの電力変換装置を示したものである。図において、１０は交流から直流または直流から交流に電力を変換する電力変換装置、２０は交流系統、３０は直流系統（直流線路）である。１０１は電圧形電力変換器、１０２は交流リアクトル又は変圧器、１０３はコンデンサ、１０４は交流系統２０の電圧を検出する電圧検出器、１０５は交流系統２０の電流を検出する交流電流検出器、１０６は直流系統３０の電圧を検出する直流電圧検出器（直流電圧検出手段）、１０７は電圧検出器１０４及び交流電流検出器１０５により検出された電圧及び電流に基づいて電力を検出する電力検出回路（電力検出手段）、１０８は電圧形電力変換器１０１の素子を点弧するゲート制御回路（ゲート制御手段）、１１０は直流電圧の指令値Ｖｄｒｅｆと直流電圧検出器１０６の検出値とに基づいて電圧形電力変換器１０１の第二の有効電力指令を出力する直流電圧制御回路（直流電圧制御手段）、１２０は電力の指令値Ｐｒｅｆと電力検出回路１０７の検出値とに基づいて電圧形電力変換器１０１の第一の有効電力指令を出力する電力制御回路（電力制御手段）である。１１１，１２１は減算器、１１２，１２２は補償器、１３１は加算器である。
【００３２】
次に動作について説明する。
電力検出回路１０７では電圧検出器１０４で検出された各相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと電流検出器１０５で検出された各相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗから交流有効電力Ｐ＝Ｖｕ＊Ｉｕ＋Ｖｖ＊Ｉｖ＋Ｖｗ＊Ｉｗを出力する（ここで、＊は乗算を示す）。ここでの交流有効電力Ｐは電圧形電力変換器１０１が交流−直流変換している電力にほぼ等しい。検出された交流有効電力Ｐは電力制御回路１２０に入力され、減算器１２１により電力指令値Ｐｒｅｆとの電力偏差を演算し、増幅して電圧形電力変換器１０１の有効電力指令値（第一の有効電力指令）Ｐａｃを出力する。この動作により、交流有効電力Ｐは電力指令値Ｐｒｅｆに一致するように調節される。次に、電圧形電力変換器１０１の直流電圧を調節する動作を説明する。電圧形電力変換器１０１の交流有効電力Ｐと直流電力はほぼ等しい（一般に電力変換器はロスが小さくこの仮定は妥当である）ので、電圧形電力変換器１０１からコンデンサ１０３へ流れる電流はＰａｃ／Ｖｄ（ここで、Ｖｄは直流系統の電圧）となる。従って、有効電力指令値Ｐａｃを正の方向で増加すればコンデンサ１０３ヘは充電電流が流れ電圧が上昇する、逆に有効電力指令値Ｐａｃを負の方向に増加すればコンデンサ１０３は放電して電圧が低下する。補償器１１２では、直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに従って、直流電圧検出器１０６で検出した直流電圧Ｖｄがその直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆよりも小さいときは電圧形電力変換器１０１の有効電力指令値Ｐａｃを大きくするように、また、逆に直流電圧Ｖｄがその直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆよりも大きいときは有効電力指令値Ｐａｃを小さくするように動作して直流電圧Ｖｄが直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆに一致するように動作する（第二の有効電力指令）。
【００３３】
図２は電圧形電力変換器の動作を示す等価回路図、図３はその等価ブロック線図を示す。図３（ａ）は電圧形電力変換器の有効電力指令値Ｐａｃから直流線路の電流Ｉｄまでのブロック線図である。有効電力指令値Ｐａｃは電圧形電力変換器１０１の交流側の入力電力であり、交流から直流へ変換（順変換動作）するときは正、直流から交流へ変換（逆変換動作）するときは負の値を持つ。電圧形電力変換器１０１のロスを無視すると電圧形電力変換器１０１の交流側と直流側の電力が等しいので、電圧形電力変換器１０１の直流電流はＩｃ＝Ｐａｃ／Ｖｄの関係がある（図３（ａ）の割り算ブロック）。ブロック１／Ｃｓは電圧形電力変換器１０１の直流電流Ｉｃと直流系統３０の電流Ｉｄの差でコンデンサ１０３が充放電されてその電圧Ｖｄが変化することを表している。その次のブロック１／Ｌｄｓ，Ｒｄはコンデンサ１０３の電圧Ｖｄと他の端子の電圧Ｅｄとの差が直流系統３０のインダクタンスと抵抗に印加されて直流電流Ｉｄが流れることを表している。
【００３４】
図３（ａ）の安定性を評価するために割り算のテーラー展開を用い、動作点近傍で線形化すると図３（ｂ）となる。ただし、動作点を（Ｖｄ０，Ｉｃ０，Ｉｄ０，Ｅｄ０，Ｐａｃ０）、微小変化分を（ΔＶｄ，ΔＩｃ，ΔＩｄ，ΔＥｄ，ΔＰａｃ）としてＶｄ＝Ｖｄ０＋ΔＶｄ，Ｉｃ＝Ｉｃ０＋ΔＩｃ，Ｉｄ＝Ｉｄ０＋ΔＩｄ，Ｅｄ＝Ｅｄ０＋ΔＥｄ，Ｐａｃ＝Ｐａｃ０＋ΔＰａｃである。図３（ｂ）からわかるように、コンデンサ電圧ΔＶｄからコンデンサ１０３の電流（１／Ｃ）ｓブロックの入力）へＩｃ０／Ｖｄ０を係数とするループが存在する。電圧形電力変換器１０１のロスを無視した条件ではＩｃ０＝Ｐａｃ０／Ｖｄｃ０なので、Ｉｃ０／Ｖｄ０＝Ｐａｃ０／（Ｖｄ０＊Ｖｄ０）の関係がある。従って、この係数は電圧形電力変換器１０１が変換する電力の方向で符号が変わり、順変換動作のときは正の値、逆に逆変換動作のときは負の値を持つ。
【００３５】
例えば、直流電圧が正Ｖｄ０＞０で電圧形電力変換器１０１が逆変換動作のとき（Ｉｃ０／Ｖｄ０）＜０である。電圧形電力変換器１０１の直流電圧（コンデンサ電圧に等しい）が低下すると変化が負でΔＶｄ＜０となるので（Ｉｃ０／Ｖｄ０）＊ΔＶｄ＞０となってコンデンサ電流を低下するように働き、さらに電圧を低下させる。反対に電圧が上昇するとΔＶｄ＞０であるから、（Ｉｃ０／Ｖｄ０）＊ΔＶｄ＜０でありコンデンサ電流を大きくするように働き、さらに電圧を上昇させる。つまり、電圧形電力変換器１０１が逆変換動作のときには系の中に正帰還が存在するということであり、これをどのように補償するかによって図２の系の安定性が決定されるということになる。
【００３６】
図９の従来例の場合、電力制御回路１２０が動作しているときにはこの系に対して補償器Ｇｐ（ｓ）が図３（ｃ）のように構成されることと等価である。他の端子では電圧Ｅｄが一定になるように電圧制御回路１２０が動作する。電力制御回路１２０は正帰還となり得るループとは独立に構成されるため、系の安定性には関与しない。従って、系の安定化に寄与するのは他の端子の直流電圧制御回路１１０である。しかし、他の端子の直流電圧制御回路１１０は自端の電圧（図３ではＥｄ）を検出してそれを調節するように動作しているだけである。このため、ΔＶｄの変化が直流線路電流ΔＩｄを変化させ、さらに他の端子の電圧が変化してからそのΔＥｄの変化を抑制するように直流電圧制御回路１１０が働くという過程が必要であり動作が遅れる。逆に他の端子の直流電圧制御回路１１０が働きその端子のコンデンサ１０３を充放電しても、直流線路電流が変化してからΔＶｄが変化するというように遅れが生じる。特に直流系統３０が長くなり、インダクタンスＬｄが大きくなると遅れが顕著になる。このように、従来例では正帰還ループの補償は間接的に行われるため、十分な安定性を確保することが難しい。
【００３７】
これに対して、図１の実施の形態１によるブロック線図は図３（ｄ）である。電力を一定に調節する端子であっても、直流電圧制御回路１１０が構成されて電圧Ｖｄを指令値に一致するように動作する。定常状態では電圧指令Ｖｄ* が一定なのでΔＶｄ* ＝０となる。このとき電圧Ｖｄが低下したとするとΔＶｄ＜０であるからΔＶｄ* −ΔＶｄ＞０であり、補償器Ｇｖ（ｓ）で増幅されてΔＩｃ＞０の電流を流すように動作してコンデンサ１０３を充電する。これにより、逆変換動作のときにΔＶｄから（Ｉｃ０／Ｖｄ０）を介して帰還して放電する正帰還ループの電流を直接補償することができる。電圧Ｖｄが上昇した場合はΔＶｄ* −ΔＶｄ＜０でありΔＩｃは放電するように流れ、同様に正帰還ループの電流を直接補償することができる。従って、図１のように構成すれば、正帰還ループを直接補償でき系の安定性を確保することができる。
【００３８】
以上のように、この実施の形態１によれば、直流系統３０に接続された複数の電力変換装置１０でそれぞれ直流電圧が一定になるように直流電圧制御回路１１０が動作しており、直流から交流へ変換している電力変換装置１０の特性に起因する不安定性を抑制して安定に電力を送電することができる。
【００３９】
実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２による電力変換装置を示す構成図であり、図において、電力制御回路１２０では補償器１２２に出力制限が構成されており、上限値がＰｍａｘ、下限値がＰｍｉｎに設定されるものである。
なお、実施の形態１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００４０】
次に動作について説明する。
図４の電力制御回路１２０の補償器１２２は出力制限が構成されているので、電力指令値Ｐｒｅｆと交流有効電力Ｐに偏差が生じた場合、制限値内の有効電力で調節される。補償器１２２が出力制限を越える信号を出力しようとすると、上限値Ｐｍａｘまたは下限値Ｐｍｉｎに制限されて直流電圧制御回路１１０の動作が優先されて交流有効電力Ｐと電力指令値Ｐｒｅｆは偏差を持つ。特に、Ｐｍａｘ＝Ｐｍｉｎのときにはその電力変換装置１０は常に電圧を一定に保つよう動作する。
【００４１】
次に複数の端子が接続された場合にある端子が故障や事故により脱落したときの動作について説明する。今、ｎ個の端子が接続され、それぞれの有効電力をＰｉとすると、各端子以外からの電力はないので、
ΣＰｉ＝０ （３）
が成り立つ。ここで、ｎ番目の端子が脱落したとすると直流電圧、電力に偏差を生じる。
【００４２】
端子脱落前は直流電圧の偏差が零で、電力が一定に調節されているものとし、端子脱落後の直流電圧の偏差をΔＶｄ、電力制御回路１２０の出力の端子脱落前の値Ｐｉに対する偏差をΔＰｉとすれば端子脱落後の有効電力Ｐｉ′は定常状態において、
Ｐｉ′＝（Ｐｉ＋ΔＰｉ）十Ｋｖｉ＊ΔＶｄ （４）
となる。ここで、Ｋｖｉは直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の直流増幅率でありＫｖｉ＊ΔＶｄは直流電圧制御回路１１０の出力である。
【００４３】
端子脱落後の電力もバランスしなければならないので、Ｐｉ′についても残りの（ｎ−１）個の端子の総和が零であり、
ΣＰｉ′＝−Ｐｎ＋ΣΔＰｉ＋ΔＶｄ＊ΣＫｖｉ＝０ （５）
が成り立つ。これよりΔＶｄを求め（４）式に代入すると、
Ｐｉ′＝Ｐｉ＋ΔＰｉ＋Ｋｖｉ＊（Ｐｎ−ΣΔＰｋ）／（ΣＫｖｋ）（６）
となる。
【００４４】
例えば、各端子の直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の直流増幅率が等しいとしてＫｖｉ＊Ｋｖ、また直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の出力偏差も端子脱落前の値に対して増加、減少方向で等しくΔＰｉｍａｘ＝±ΔＰｍａｘとなるようにそのリミッタが設定されているものとする。
【００４５】
即ち、図１の電力制御回路１２０の制限値はＰｍａｘ＝Ｐｉ＋ΔＰｍａｘ及びＰｍｉｎ＝Ｐｉ−ΔＰｍａｘである。順変換端子が脱落し直流電圧が端子脱落前に比べて低下したとすると、直流電圧制御回路１１０が偏差ΔＶｄに比例して電力を正方向（順変換方向）に大きくする。従って、直流電圧制御回路１１０は逆に電力を小さくするように動作するが、リミッタにより制限されてΔＰｉ＝−ΔＰｍａｘとなる。逆に、逆変換端子が脱落して直流電圧が上昇したとすると、直流電圧制御回路１１０が電力を小さくするように動作し、電力制御回路１２０がリミッタに制限されてΔＰｉ＝＋ΔＰｍａｘとなる。
【００４６】
このため、
Ｐｉ′＝Ｐｉ＋Ｐｎ／（ｎ−１） （７）
となる。従って、ある端子が脱落しても各端子で分担して電力を融通し自動的に新たな動作点へ移行して運転を継続することができる。ここでは簡単にするためにＫｖｉとΔＰｉの大きさが等しい場合について説明したが、これらの値が異なっても同様に新たな動作点へ移行することができる。また、複数の端子が脱落しても同様である。
【００４７】
以上のように、この実施の形態２によれば、電力制御回路１２０の出力制限値を設定しているので、ある電力変換装置１０が停止しても残りの電力変換装置１０で運転を継続して自動的に新たな動作点へ移行することができる。
【００４８】
実施の形態３．
この実施の形態３では図４の電力制御回路１２０の制限値が各端子毎に異なる値に設定されている。直流電圧の安定性については実施の形態１と同様であるので説明を省略する。複数の端子が接続された場合にある端子が故障や事故により脱落したときの動作について説明する。電力制御回路１２０は交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆに一致するように動作するが、その能力は制限値Ｐｍａｘ，Ｐｍｉｎにより制限されている。このため、制限値が大きい端子は電力制御回路１２０の能力が大きく、制限値が小さい端子に比較して交流有効電力Ｐと電力指令値Ｐｒｅｆの偏差が小さい。従って、制限値が大きい端子は端子脱落が発生した後の電力がその前の電力に対して変化が小さくなり交流系統２０への影響を小さくすることができる。
【００４９】
例えば、（６）式において各端子の直流増幅率Ｋｖｋが等しいとすると、ΣＫｖｋ＝（ｎ−１）Ｋｖ，Ｋｖｉ＝Ｋｖなので、
Ｐｉ′＝Ｐｉ＋ΔＰｉ＋（Ｐｎ−ΣΔＰｋ）・１／（ｎ−１）
ΔＰの平均値をΔＰａｖ＝ΣΔＰｋ／（ｎ−１）として、ΔＰｉ＝ΔＰａｖ＋ΔＰｄｉと定義すると、これより、
【００５０】
従って、電力制御回路のリミット値が、
ΔＰｄｉ＞−Ｐｎ／（ｎ−１） （９）
となるように設定されていると、電力制御回路１２０が飽和せずにその端子の電力は端子が脱落する前と等しく制御される。電力制御回路１２０が飽和してリミットされる場合でもΔＰｄｉが大きく上限のリミット値が大きい端子は融通する電力が小さくなる。電力制御回路１２０の上限のリミット値が小さい端子は逆に融通する電力が大きくなる動作点へ移行する。
【００５１】
順変換端子が脱落した場合はＰｎ＞０であり、直流電圧が低下するため直流電圧制御回路１１０が電力を増加するように動作して電力制御回路１２０は電力を低下するように動作するのでΔＰｉは負の方向である。従って、各端子の電力制御回路１２０のリミット値が、
ΔＰｄｉ＜−Ｐｎ／（ｎ−１） （１０）
となるように設定されていると、電力制御回路１２０が飽和せずに脱落前の電力が保たれる。電力制御回路１２０が飽和する場合でも下限のリミット値が小さい（負方向に大きい）端子は融通する電力が小さく、下限のリミット値が大きい端子は電力融通が大きい動作点へ移行する。
【００５２】
以上により、この実施の形態３によれば、電力制御回路１２０の出力制限値を各電力変換装置１０で異なる値を設定しているので、一つまたは複数の電力変換装置１０が停止して残りの電力変換装置１０で運転を継続する場合に、電力の変化を小さくする端子と、電力融通の大きい端子を設定することができる。
【００５３】
実施の形態４．
図５はこの発明の実施の形態４による電力変換装置を示す構成図であり、図において、１１３は直流電圧制御回路１１０に設けられた、入力信号の時間に関する変化率を抑制する変化率抑制回路（変化率抑制手段）である。
なお、実施の形態１および実施の形態２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００５４】
次に動作について説明する。
直流系の共振による変動を抑制している直流電圧制御回路１１０は端子が脱落した場合などの急激な直流電圧変動にも応答するように設定される。直流電圧制御回路１１０の補償器１１２では直流電圧指令値Ｖｄｒｅｆと直流電圧Ｖｄの偏差を増幅するが、直流電圧Ｖｄが急峻に変化するとその出力もそれに応じて変化する。変化率抑制回路１１３では補償器１１２の出力の変化率が予め設定された最大変化率を越える場合、その変化を最大変化率に抑制するように動作する。補償器１１２の出力の変化率が設定された最大変化率よりも小さい場合はそのまま出力されて、補償器１１２の出力に等しい信号が有効電力指令となる。このため、定常状態においては直流電圧制御回路１１０の直流電圧変動抑制効果を低下することなく、過渡的な変動を抑えることができる。これに対して、補償器１１２をフィルタ効果を持つように構成しても過渡的な変動を抑制することができるが、直流制御系の定常的な安定性を損ねる恐れがある。図６に変化率抑制回路の動作を示す信号波形の例を示す。横軸が時間、縦軸が信号の振幅である。
【００５５】
図６（ａ）は入力信号（実線）が最大変化率を越える変化率を持つ場合であり、出力は破線のように変化率が抑制される。図６（ｂ）は入力信号の変化率が最大変化率よりも小さい場合であり、出力信号は入力信号に一致する。従って、有効電力の急峻な変化が抑制され、直流系統３０の過渡的な変動の交流系統２０に対する影響を小さくすることができる。なお、電力制御回路１２０は電圧制御系の安定性に関係がないので、電力制御回路１２０による有効電力の急峻な変化は、その補償器１２２にフィルタ効果を持たせるように構成することで問題がない。
【００５６】
以上のように、この実施の形態４によれば、直流電圧制御回路１１０に設けられた、変化率抑制回路１１３により、有効電力の過渡的な変化を抑制することができる。
【００５７】
実施の形態５．
この実施の形態５では図５の直流電圧制御回路１１０の変化率抑制回路１１３の設定値が各端子毎に異なる値に設定されている。従って、ある端子が脱落して直流電圧が急峻に変化した場合、変化率抑制回路１１３の最大変化率の設定値が大きい電力変換装置１０が優先的に働き、過渡的な直流電圧の変動を抑制するように動作する。逆に最大変化率の設定値が小さい電力変換装置１０は過渡的な電圧変化に対しての応答が抑制されており、直流電圧を維持するために必要な過渡的な電力融通が少なく交流系への影響が小さい。
【００５８】
以上のように、この実施の形態５によれば、変化率抑制回路１１３の設定値を各端子毎に異なる値に設定することにより、一つまたは複数の端子が脱落した場合などに発生する直流電圧変動に対して、その電圧変動を優先的に抑制する端子を設定することができる。
【００５９】
実施の形態６．
図７はこの発明の実施の形態６による電力変換装置を示す構成図であり、図において、１０，１１，１２は電力変換装置であり、例えば図４に示した構成を有するものである。２０，２１，２２は交流系統、４０は各電力変換装置１０，１１，１２の電力制御回路１２０の補償器１２２の制限値を設定する制限値設定回路、２０１，２１１，２２１は交流電源である。
【００６０】
次に動作について説明する。
図４に示した電力制御回路１２０の補償器１２２には出力制限値が設定されている。この実施の形態６による制限値設定回路４０では各電力変換装置１０，１１，１２に接続された交流系統２０，２１，２２が許容できる電力範囲ＰＡＣｍａｘ，ＰＡＣｍｉｎを得て、各電力変換装置１０，１１，１２の電力制御回路１２０の補償器１２２の制限値ＰｍａｘとＰｍｉｎを出力する。図４の構成では電力制御回路１２０の補償器１２２の出力制限が小さい方が電力制御回路１２０の動作が制限されて、直流電圧を維持するために電力を融通するように動作する。従って、制限値ＰｍａｘとＰｍｉｎはその電力変換装置１０，１１，１２が接続された交流系統２０，２１，２２の電力許容範囲ＰＡＣｍａｘとＰＡＣｍｉｎが大きいものは制限値を小さく設定して、ある電力変換装置が停止したときの電力融通ができるように動作する。逆に電力許容範囲が小さいものは制限値を大きく設定して電力制御回路１２０が働くように設定し、交流有効電力Ｐが電力指令値Ｐｒｅｆに一致するようにして電力融通を少なくするように動作する。
【００６１】
以上のように、この実施の形態６によれば、一つまたは複数の電力変換装置が停止した場合の電力融通を交流系統の能力に応じて設定することができ、交流系統への影響を小さくすることができる。図７では３つの電力変換装置１０，１１，１２が直流系統３０に接続された場合を示しているが、２つ以上の構成について同様の効果がある。
【００６２】
実施の形態７．
図８はこの発明の実施の形態７による電力変換装置を示す構成図であり、図において、５０は各電力変換装置１０，１１，１２の電圧制御回路１２０の最大変化率を設定する最大変化率設定回路である。
なお、実施の形態６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００６３】
次に動作について説明する。
電力変換装置１０，１１，１２は例えば図５に示したように構成されている。図５に示した直流電圧制御回路１１０には変化率抑制回路１１３が構成されている。最大変化率設定回路５０では各電力変換装置１０，１１，１２に接続された交流系統２０，２１，２２が許容できる電力範囲ＰＡＣｍａｘ，ＰＡＣｍｉｎを得て、各電力変換装置１０，１１，１２の直流電圧制御回路１１０の最大変化率ＤＰＤＴを出力する。図５の構成では最大変化率が小さい電力変換装置ほど過渡的な電力融通が抑えられ、大きいものが電力融通を行う。従って、最大変化率ＤＰＤＴはその電力変換装置が接続された交流系統の電力許容範囲ＰＡＣｍａｘとＰＡＣｍｉｎが大きいものは大きく設定され、一つまたは複数の電力変換装置が停止したときの過渡的な電力融通ができるように動作する。逆に電力許容範囲が小さいものは最大変化率を小さくして過渡的な電力融通を抑制する。
【００６４】
以上のように、この実施の形態７によれば、一つまたは複数の電力変換装置が停止した場合の過渡的な電力融通を交流系統の能力に応じて設定することができ、交流系統への影響を小さくすることができる。図８では３つの電力変換装置１０，１１，１２が直流系統３０に接続された場合を示しているが、２つ以上の構成についても同様の効果がある。
【００６５】
実施の形態８．
この実施の形態８では図４の直流電圧制御回路１１０の補償器直流増幅率Ｋｖｉが各端子で異なる値に設定されている。簡単にするために直流電圧制御回路１１０のΔＰｉはすべての端子で同一とする。各端子の直流増幅率Ｋｖｉの平均値をＫｖａｖとして、Ｋｖａｖ＝ΣＫｖｋ／（ｎ−１），Ｋｖｉ＝Ｋｖａｖ＊Ｋｖｄｉと定義すると（６）式は、
【００６６】
以上のように、この実施の形態８によれば、直流電圧制御回路１１０の補償器１１２の直流増幅率を各電力変換装置１０，１１，１２で異なる値に設定しているので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して残りの電力変換装置で運転を継続する場合に、電力融通を小さくする端子と、大きくする端子を設定することができる。なお、この実施の形態８では、直流電圧制御回路１１０の余裕（ΔＰｉ）がすべての端子で同一としたが、値が異なっても同様の効果がある。
【００６７】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、常に直流電圧制御手段が動作するように構成したので、各電力変換装置の直流電圧の変動を抑制して一定に保つことができ、直流線路の長距離化やコンデンサ容量の低減に対しても各電力変換装置の相互に送受電する電力を安定に送ることができる効果がある。
【００６８】
この発明によれば、電力制御手段に出力制限値を設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止しても自動的に動作点を移行し残りの電力変換装置で運転を継続することができる効果がある。
【００６９】
この発明によれば、各電力変換装置の電力制御手段の出力制限値を異なる値に設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して動作点を移行し残りの電力変換装置で運転を継続する場合に電力の融通度合を各電力変換装置で設定できる効果がある。
【００７０】
この発明によれば、各電圧形電力変換器の直流電圧制御手段に変化率抑制手段を設けるように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止した直後、残りの電力変換装置の交流電力の変動を抑制できる効果がある。
【００７１】
この発明によれば、各電力変換装置の直流電圧制御手段の変化率抑制手段を異なる設定とするように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止した直後、過渡的な電力融通度合いを各電力変換装置で設定できる効果がある。
【００７２】
この発明によれば、各電力変換装置の電力制御手段の出力制限値を交流系統の融通能力に応じて設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して残りの電力変換装置で運転を継続する場合に交流系統への影響を小さくできる効果がある。
【００７３】
この発明によれば、各電力変換装置の直流電圧制御手段の変化率抑制手段を交流系統の融通能力に応じて設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止した直後の過渡的な電力融通の際に交流系統への影響を小さくできる効果がある。
【００７４】
この発明によれば、各電力変換装置の直流電圧制御手段の直流増幅率を異なる値に設定するように構成したので、一つまたは複数の電力変換装置が停止して動作点を移行し残りの電力変換装置で運転を継続する場合に電力の融通度合を各電力変換装置で設定できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。
【図２】 電圧形電力変換器の動作を示す等価回路図である。
【図３】 図２の等価ブロック線図である。
【図４】 この発明の実施の形態２による電力変換装置を示す構成図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による電力変換装置を示す構成図である。
【図６】 実施の形態４の特性の一例を示す説明図である。
【図７】 この発明の実施の形態６による電力変換装置を示す構成図である。
【図８】 この発明の実施の形態７による電力変換装置を示す構成図である。
【図９】 従来の電力変換装置を示す構成図である。
【図１０】 従来の電力変換装置の動作を示す説明図である。
【図１１】 従来の電力変換装置の特性を示す説明図である。
【図１２】 従来の３つの電力変換装置が直流系統に接続された場合の構成図である。
【図１３】 従来の電力変換装置の特性を示す説明図である。
【図１４】 従来の電力変換装置の動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１０，１１，１２ 電力変換装置、３０ 直流系統（直流線路）、１０１ 電圧形電力変換器、１０６ 直流電圧検出器（直流電圧検出手段）、１０７ 電力検出回路（電力検出手段）、１０８ ゲート制御回路（ゲート制御手段）、１１０ 直流電圧制御回路（直流電圧制御手段）、１１３ 変化率抑制回路（変化率抑制手段）、１２０ 電力制御回路（電力制御手段）。
Claims (8)
- 交流電力から直流電力または直流電力から交流電力に変換する電圧形電力変換器が直流線路に複数台接続されて相互に電力を送受電する電力変換装置において、前記各電圧形電力変換器に対応して、前記電圧形電力変換器の直流電圧を検出する直流電圧検出手段と、前記電圧形電力変換器が交流から直流または直流から交流に変換している電力を検出する電力検出手段と、電力の指令値と前記電力検出手段の検出値とに基づいて前記電圧形電力変換器の第一の有効電力指令を出力する電力制御手段と、直流電圧の指令値と前記直流電圧検出手段の検出値とに基づいて前記電圧形電力変換器の第二の有効電力指令を出力する直流電圧制御手段と、前記第一の有効電力指令と前記第二の有効電力指令との加算値に基づいて前記電圧形電力変換器の素子を点弧するゲート制御手段とを備えたことを特徴とする電力変換装置。
- 電力制御手段から出力される第一の有効電力指令に出力制限値を設定することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
- 出力制限値は、各電圧形電力変換器で異なる値を設定することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
- 各電圧形電力変換器には、直流電圧制御手段に変化率抑制手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載の電力変換装置。
- 変化率抑制手段の設定値は、各電圧形電力変換器で異なる値を設定することを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
- 出力制限値は、各電圧形電力変換器に接続された交流系の融通能力に応じて設定することを特徴とする請求項３記載の電力変換装置。
- 変化率抑制手段の設定値は、各電圧形電力変換器に接続された交流系の融通能力に応じて設定することを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
- 直流電圧制御手段の直流増幅率は、各電圧形電力変換器で異なる値を設定することを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
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