JP3838092B2 - 系統連系電力変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力系統における無効電力を補償し、系全体の電力安定性を確保するのに好適な系統連系電力変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、自励式単相インバータを用いて交流電力系統の無効電力を補償する系統連系電力変換装置として、図5に示すような構成の従来型電力変換回路50を含むものが用いられていた。
図5に示すように、従来型系統連系電力変換装置における従来型電力変換回路50は、平滑コンデンサCを直流電圧源とし、その直流入力を交流出力に変換する単相インバータU1〜U3と、トランスTrと、高調波フィルタFLと、共振抑制抵抗Rccと、を含んだ構成となっている。
【0003】
単相インバータU1〜U3は、それぞれのインバータにおける平滑コンデンサCを含む直流回路が共通化され、それ以外の部分がそれぞれ並列に接続されており、更に、それらの出力がトランスTrを介して3相交流電力系統Vsの各相にそれぞれ接続された構成となっている。
更に、平滑コンデンサCは、図5に示すように、他の平滑コンデンサCとの間のインダクタンスLccによって共振を引き起こすため、共振抑制抵抗Rccによって、共振が生じるのを抑制している。
【0004】
また、3相交流電力系統Vsは、誘導電動機等の誘導性の負荷を有するものであり、従来型系統連系電力変換装置は、同変換装置を構成する従来型電力変換回路50の出力電圧を制御することによって、自励式単相インバータU1〜U3の装置損失全体を補償する電力を系統から供給し、平滑コンデンサCの直流電圧を所望の電圧に制御して、各自励式単相インバータU1〜U3から出力される無効電力を一定化することにより系統の安定化を行うようになっている。
【0005】
具体的には、従来型系統連系電力変換装置は、従来型電力変換回路50における各自励式単相インバータU1〜U3に、図示しないスイッチングパルス供給装置からのスイッチングパルス信号が入力されており、そのスイッチングパルスによって、インバータを構成するスイッチング素子のオン、オフを切り替えることで直流入力を交流出力に変換している。これらスイッチング素子には、強制転流回路を必要としない、パワートランジスタ、GTO(Gate Turn Off)サイリスタ、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の自己消弧型素子が用いられる。
【0006】
つまり、各自励式単相インバータU1〜U3は、図5に示すように、スイッチング素子とダイオードとを互いに逆方向に並列接続した第1〜第4スイッチング素子部51〜54を備えており、これらスイッチング素子部におけるスイッチング素子に対してパルス信号を供給し、第1スイッチング素子部51と第4スイッチング素子部54との組合わせと、第2スイッチング素子部52と第3スイッチング素子部53との組み合わせとに対して、一方がオン状態のときは、他方はオフ状態となるように各スイッチング素子をスイッチングさせることで直流入力を交流出力へと変換する。これにより、3相交流電力系統Vsに無効電力を供給し、また、図示しない力率角度制御装置等によって、自励式単相インバータU1〜U3の出力電力の力率角度を制御することで、各装置損失を系統から供給し、同インバータU1〜U3の各平滑コンデンサCの直流電圧をそれぞれ同じ電圧となるように制御する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来型電力変換回路50は、上記したように、自励式単相インバータU1〜U3における平滑コンデンサC間のインダクタンスLccによる共振の発生を抑制するために共振抑制抵抗Rccが必要となるため、このRccによる損失によって、系統全体の効率が低下するといった不具合があった。
【0008】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、電力変換部の回路を、3つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路を相互に独立のままデルタ結線構成とすることで、共振抑制抵抗Rccを必要としない系統連系電力変換装置を提供することを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項1記載の系統連系電力変換装置は、平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する3つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルと、を備え、3相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記3つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記3つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記3相交流電力系統のそれぞれの相に前記リアクトルを介して接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記3つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記3つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴としている。
【0010】
つまり、自励式単相インバータを構成する平滑コンデンサなどの直流回路部分を相互に独立にしたまま、3つの自励式単相インバータをデルタ結線し、その出力を自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルを介して3相交流電力系統に接続する構成となっている。従って、直流回路部分が独立となっており、異なる自励式単相インバータにおける平滑コンデンサ間で共振が発生しないため、共振を抑制する共振抑制抵抗を必要としないので、この抵抗による自装置の効率低下を防ぐことが可能となる。
【0011】
また、各自励式単相インバータはデルタ結線されているので、装置損失検出手段によって、自励式単相インバータのそれぞれの装置損失を検出し、力率角度制御手段によって、その検出結果に基づき自励式単相インバータのそれぞれの出力電力の力率角度を独立に制御することによって、各自励式単相インバータの装置損失を補償する電力を3相交流電力系統から引き込むことが可能となる。従って、直列接続された自励式単相インバータの出力電圧を一定電圧となるように制御することで、自装置を安定して動作させることができる。
【0012】
また、本発明に係る請求項2記載の系統連系電力変換装置は、平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する3つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するトランスと、を備え、3相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記3つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記3つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記トランスを介して前記3相交流電力系統の各相に接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記3つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記3つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴としている。
【0013】
つまり、上記請求項1記載の系統連系電力変換装置におけるリアクトルをトランスに変更した構成のもので、自装置と3相交流電力系統とをトランスによって絶縁することが可能となる。
また、請求項3に係る発明は、請求項1又は請求項2記載の系統連系電力変換装置において、前記装置損失検出手段は、前記平滑コンデンサの直流電圧を検出し、この検出結果と予め設定された基準直流電圧との差分を演算し、その演算結果を前記装置損失として出力するようになっていることを特徴としている。
【0014】
つまり、装置損失検出手段は、装置損失として、平滑コンデンサの直流電圧を検出すると共に、検出された電圧と予め設定された基準直流電圧との差分を演算して出力するようにした。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図1乃至図4は、本発明に係る系統連系電力変換装置の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る系統連系電力変換装置の構成を図1及び図2に基づいて説明する。図1は、本発明に係る系統連系電力変換装置の構成を示すブロック図であり、図2は、系統連系電力変換装置における電力変換回路を示す図である。なお、図5の従来例と同一の部品には同一の符号を付した。
【0016】
図1に示すように、系統連系電力変換装置1は、誘導性負荷を有する3相交流電力系統に、進み、遅れを含む無効電力を供給するための電力変換回路5と、スイッチングパルス信号の生成及び電力変換回路5にスイッチングパルス信号の供給を行うスイッチングパルス供給部2と、電力変換回路5における自励式単相インバータを構成する平滑コンデンサの直流電圧を検出し、その電圧に基づいて各自励式単相インバータの装置損失を演算する装置損失検出部3と、この演算結果に基づき電力変換回路5における各自励式単相インバータの出力電力の力率角度を制御する力率角度制御部4と、を含んだ構成となっており、電力変換回路5の各出力は、3相交流電力系統の各相に、後述するリアクトルL1〜L3を介して接続されている。
【0017】
電力変換回路5は、自励式単相インバータU1〜U3と、リアクトルL1〜L3と、高調波フィルタFLと、を含んだ構成となっている。
自励式単相インバータU1〜U3は、図2に示すように、デルタ結線されており、それぞれの出力がリアクトルL1〜L3及び高調波フィルタFLを介して3相交流電力系統Vsに接続された構成となっている。
【0018】
ここで、リアクトルL1〜L3は、デルタ結線された自励式単相インバータU1〜U3の各出力電流の変化を抑制するものである。
また、高調波フィルタFLは、デルタ結線された自励式単相インバータU1〜U3の各出力に含まれる高調波を抑制するものである。
スイッチングパルス供給部2は、適切なパルス幅及び周波数のスイッチングパルス信号を生成し、各自励式単相インバータU1〜U3における上記第1〜第4スイッチング素子部の各スイッチング素子に対して生成されたスイッチングパルス信号を供給するもので、第1スイッチング素子部51と第4スイッチング素子部54との組合わせと、第2スイッチング素子部52と第3スイッチング素子部53との組み合わせとに対して、一方がオン状態のときは、他方はオフ状態となるようにスイッチングパルス信号を供給し、直流電圧を交流電圧へと変換させるものである。
【0019】
装置損失検出部3は、電力変換回路5における各自励式単相インバータU1〜U3の平滑コンデンサCの直流電圧を検出し、その検出された直流電圧と予め設定されている基準直流電圧Vrとの差分を演算し、この演算結果を装置損失として力率角度制御部4に出力する。本実施の形態において、装置損失検出部3は、所定の周期で各自励式単相インバータU1〜U3における平滑コンデンサCの直流電圧を検出し、且つ、装置損失を演算するようになっている。
【0020】
力率角度制御部4は、装置損失検出部3によって演算された装置損失に基づき、各自励式単相インバータU1〜U3の装置損失が一定値以上のときに、同インバータU1〜U3のそれぞれの出力電力の力率角度を制御して、装置損失分の電力を3相交流電力系統Vsから引き込む処理を行う。
更に、系統連系電力変換装置1のより具体的な動作を図4に基づいて説明する。図4は、各自励式単相インバータにおけるそれぞれの装置損失分の損失電流及び3相交流電力系統から流れ込む損失補償電流分である零相電流を示すベクトル図である。
【0021】
まず、系統連系電力変換装置1は、力率角度制御部4において、装置損失検出部3によって検出された装置損失を取得すると、その損失が予め設定された一定の損失値と比較して一定値以上か否かを判定する判定処理を行う。そして、一定値以上であると判定された場合は、その損失分を補償する電力を3相交流電源部Vsから取得するために、対象の自励式単相インバータの出力電力の力率角度を、装置損失の大きさに応じて制御する。
【0022】
このとき、各自励式単相インバータU1〜U3において発生する装置損失は、図4に示すように、それぞれ大きさが異なるため、力率角度制御部3は、その損失を3相交流電力系統Vsから供給するために、損失の大きさに応じて各自励式単相インバータU1〜U3の出力電力の力率角度をそれぞれ制御することになる。
【0023】
従って、自励式単相インバータU1〜U3の出力電力の力率角度はそれぞれ異なる角度に制御されることになり、3相交流電力系統Vsの各相からは、それぞれ異なる電力が系統連系電力変換装置1側に引き込まれることになる。これにより、3相交流電力系統Vsの各相の電流値をそれぞれ足しあわせた値は零とならず、同系統Vsは不平衡状態となる。この零相電流を流すために、各自励式単相インバータU1〜U3をデルタ結線構成とするのである。
【0024】
以上、自励式単相インバータU1〜U3を構成する平滑コンデンサなどの直流回路部分を独立にしたまま、それぞれの自励式単相インバータをデルタ結線し、その出力を自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルを介して3相交流電力系統に接続したので、平滑コンデンサ間で共振が発生しないため、共振を抑制する共振抑制抵抗を必要としない。
【0025】
また、自励式単相インバータをデルタ結線したので、同インバータの装置損失が異なっても零相電流を流すことができ、その結果、3相交流電力系統Vsから装置損失補償電力を供給することが可能となっている。
なお、図3に、電力変換回路の第2の実施の形態として、上記電力変換回路5における自励式単相インバータの出力を3相交流電源に接続する際のリアクトルL1〜L3に代えて、トランスTrとしたものを示す。
【0026】
上記系統連系電力変換装置1との違いはトランスTrの部分のみであり、その他の回路動作は同様であるので説明を省略する。トランスTrの役割は、3相交流電力系統Vsと第2の電力変換回路6とを絶縁することである。
以上、第2の電力変換回路6は、各自励式単相インバータの3相交流電力系統Vsへの接続にトランスTrを介するようにしたので、同回路6と3相交流電力系統Vsとを絶縁することが可能である。
【0027】
ここで、図1に示す、装置損失検出部3は、請求項1乃至請求項3記載の装置損失検出手段に対応し、力率角度制御部4は、請求項1及び請求項2記載の力率角度制御手段に対応する。
なお、上記実施の形態においては、力率角度制御部4によって各自励式単相インバータの出力電力の力率角度を制御することで、3相交流電力系統Vsから電力を供給し、装置損失を補正する。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る系統連系電力変換装置によれば、各自励式単相インバータはデルタ結線されているので、装置損失検出手段によって、自励式単相インバータのそれぞれの装置損失を検出し、力率角度制御手段によって、その検出結果に基づき自励式単相インバータのそれぞれの出力電力の力率角度を独立に制御することによって、各自励式単相インバータの装置損失を補償する電力を3相交流電力系統から引き込むことが可能となる。よって、直流回路部分を独立にすることができ、異なる自励式単相インバータにおける平滑コンデンサ間で共振が発生しないため、共振を抑制する共振抑制抵抗を必要としないので、この抵抗による自装置の効率低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る系統連系電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図2】系統連系電力変換装置における電力変換回路を示す図である。
【図3】系統連系電力変換装置の第2の実施の形態を示す図である。
【図4】各自励式単相インバータにおけるそれぞれの装置損失分の損失電流及び3相交流電力系統から流れ込む損失補償電流分である零相電流を示すベクトル図である。
【図5】従来型系統連系電力変換装置における従来型電力変換回路50を示す図である。
【符号の説明】
1 系統連系電力変換装置
2 スイッチングパルス供給部
3 装置損失検出部
4 力率角度制御部
5 電力変換回路
6 第2の電力変換回路
50 従来型電力変換回路
51〜54 第1〜第4スイッチング素子部
L1〜L3 リアクトル
FL 高調波フィルタ
Tr トランス
Vs 3相交流電力系統
Claims (3)
- 平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する3つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルと、を備え、3相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記3つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記3つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記3相交流電力系統のそれぞれの相に前記リアクトルを介して接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記3つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記3つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴とする系統連系電力変換装置。 - 平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する3つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するトランスと、を備え、3相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記3つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記3つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記トランスを介して前記3相交流電力系統の各相に接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記3つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記3つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴とする系統連系電力変換装置。 - 前記装置損失検出手段は、前記平滑コンデンサの直流電圧を検出し、この検出結果と予め設定された基準直流電圧との差分を演算し、その演算結果を前記装置損失として出力するようになっていることを特徴とする請求項1又は請求項2記載の系統連系電力変換装置。
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