JP3904137B2 - 並列接続及び直列接続インバータをリンクする直流−直流コンバータを備えた電力潮流コントローラ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スタティックインバータによる送電線の電力潮流制御に関し、さらに詳細には、一般化電力潮流コントローラ(generalized power flow controller)において並列接続及び直列接続インバータを切り離し可能な方式でリンクする直流−直流コンバータを使用する方式に関する。
【０００２】
【発明の背景】
米国特許第５，３４３，１３９号は、交流送電線に接続されて、送電線の送電電力を決定する電気パラメータの迅速、同時的、または選択的な制御を可能にする電力スイッチングコンバータとその制御装置の特異な組み合わせ
を開示している。即ち、一般化電力潮流コントローラと呼ばれるその電力コンバータ及び制御装置は、送電線インピーダンス、送電線に印加される電圧の振幅及び送電線の端部に表われる電圧間の角度を同時的にまたは逐次的に変化させることができる。
【０００３】
米国特許第５，３４３，１３９号に記載された一般化電力潮流コントローラの好ましい電力回路は、共通の直流リンクキャパシタに背面結合方式で接続された２つの交流−直流スイッチングインバータ回路よりなる。この装置のインバータ２は挿入変成器により送電線に直列に電圧を注入するために使用されるが、その電圧の角度は線電圧に関して０度と３６０°の間で連続的に可変であり、その電圧の振幅は０と所定の最大値との間で連続的に可変である。注入される電圧と線電圧を加えたものが、送電線の一端に電力潮流制御のために印加される新しい電圧である。
【０００４】
挿入変成器を線電流が流れる際、注入される電圧と線電圧の間の関係によって交流系統とインバータ２の間で電力が交換される。交換されるこの電力は一般的に２つの成分を有するが、その１つは注入電圧と同相の線電流成分から得られる有効電力成分であり、もう１つは注入される電圧と直角位相の線電流成分から得られる無効電力成分である。交流−直流インバータの理論で知られているように、このインバータは交換される無効電力を発生可能であるが、その直流端子に交流端子で交換される正または負の有効電力の供給を受ける必要がある。
【０００５】
米国特許第５，３４３，１３９号の電力回路では、この有効電力は交流系統からインバータ１により供給される。即ち、インバータ１は、共通の直流端子にインバータ２の有効需要電力を供給することによって、送電線に所望の全電力潮流を発生させるに必要な連続的な有効電力の潮流を２つのインバータに発生させる。
【０００６】
２つのインバータと共通の直流リンクキャパシタの構成は、インバータのうちの少なくとも一方が入力電圧対出力電圧の比率を制御する能力を備える必要があることを意味する。即ち、インバータ２が一定の直流電圧を可変振幅の交流電圧に変換できるか、またはインバータ１が一定振幅の交流電圧を可変振幅の直流電圧に変換できるか、いずれかの条件を満足する必要がある。第１のケースでは、インバータ２は注入される交流電圧の振幅を直接制御し、第２のケースでは、その制御をインバータ１が共通の直流リンク電圧を制御することによって行う。米国特許第５，３４３，１３９号に記載されるように、一般化電力潮流コントローラは、特定の振幅の直流リンク電圧を必要とする、並列無効電力補償を行うために使用されることが多いため、実際、インバータ２は通常、注入される交流電圧の振幅を制御する能力を具備する必要がある。
【０００７】
直流−交流インバータの分野では電圧振幅を連続的に制御するための種々の方式があるが、それらには通常、以下に述べる実用上の欠点のうちの一部または全てが該当する。即ち、回路が複雑で高コストであること、損失が大きいこと、調波成分が多いことである。これらの欠点に加えて、共通の直流リンクを有する構成には、交流系統の偶発事故またはインバータ故障時において一般化電力潮流コントローラの融通性を低くするという固有の欠点がある。これは、２つのインバータの直流端子が固く接続される結果、一部の機能（例えば、線インピーダンスの直列制御及び並列無効電力補償）が単一の直列または並列接続インバータで実行できるにもかかわらず、両方のインバータが任意の電力潮流機能を実行できるように完全な作動状態でなければならないという理由による。
【０００８】
従って、改良型一般化電力潮流コントローラが要望されている。
【０００９】
動作の融通性が高い、即ち、直列または並列補償のみをを実行するにあたり両方のインバータが作動状態にある必要はない、改良型一般化電力潮流コントローラが特に要望されている。
【００１０】
また、簡単な制御装置を有する改良型一般化電力潮流コントローラが要望されている。さらに詳細には、制御装置が直列接続インバータにより注入される電圧の位相角制御を行うことだけが必要なかかるコントローラが要望されている。
【００１１】
送電線に注入される補償電圧の振幅を制御するために直列接続インバータの電圧入力を制御する改良型一般化電力潮流コントローラが要望されている。
【００１２】
上記のことを、並列接続インバータから必要に応じて有効電力を取り出し、それと同時に並列接続インバータの直流電圧を変化させて並列接続インバータが行う並列無効電力補償の必要性を満たしながら、実行する改良型一般化電力潮流コントローラが要望されている。
【００１３】
【発明の概要】
上記及び他の要望は、並列接続インバータ及び直列接続インバータの直列端子が直流−直流コンバータを介して結合される一般化電力潮流コントローラに関する本発明により充足される。この構成により、２つのインバータは異なる直流電圧レベルでの動作が可能となり、従っていずれのインバータも電圧振幅制御能力を内部に備える必要はない。また、直流−直流コンバータは、２つのインバータを電子的に切り離すことによってそれらを直列及び並列無効電力補償手段としてそれぞれ独立に作動できるようにする。直流−直流インバータはまた、２つのインバータ間の直流電流の流れを制御するか、または交流系統に大きなインバランスが生じた場合に発生する交流電力の過度の変動を抑制するよう特定の態様で一方の直流電圧をもう一方の直流電圧に関して変化させるために使用可能である。
【００１４】
さらに詳細には、本発明は、送電線に並列接続される交流端子を有し、送電線と無効電力を交換するように作動される第１のインバータと、送電線に直列に交流電圧を注入するように接続される交流端子を有する第２のインバータとを備えた、交流送電線のための電力潮流コントローラに関する。本発明の電力潮流コントローラはさらに、２つのインバータの直流端子を接続する直流−直流コンバータ手段と、直流−直流コンバータ手段を制御して第２のインバータが送電線に注入する交流電圧の振幅を調整する制御手段とを備えている。この制御手段はさらに、第１のインバータの動作を制御する手段と、第２のインバータの動作を制御して送電線に注入される交流電圧の位相角を制御する手段とを有する。好ましくは、この直流−直流コンバータ手段は、第１及び第２のインバータの直流端子間に接続されたキャパシタと、両方のキャパシタの両端間に接続された直流チョッパとよりなり、制御手段は、直流チョッパを制御してキャパシタ間で電荷を交換させることにより直列に注入される交流電圧の振幅を決定する、直列接続インバータに接続されたキャパシタの電圧を調整する。
【００１５】
並列接続インバータの直流端子間の電圧は、並列無効電力補償条件を満足させるように変化する。一般的に、この直流電圧の変動範囲は送電線電圧の約±１５％である。一方、もう１つのインバータが発生する直列補償のための注入電圧の振幅は、送電線電圧の０％から最大約２５％或いは恐らく５０％の間で変化する。直列接続インバータの直流端子間のキャパシタにかかる直流電圧を減少させるために、その振幅は電荷が交換される並列接続インバータの直流端子間のキャパシタの直流電圧よりも小さいが、インダクタを直列接続インバータの両端間においてキャパシタと直列に接続する。このインダクタは、２つのキャパシタ間で電流が交換されるレートを制限する。
【００１６】
【好ましい実施例の説明】
図１に示すように、直流−直流コンバータ３に接続される２つの電力インバータ１及び２は、統合型電力潮流コントローラ（ＵＰＦＣ）４と呼ばれる本発明の一般化電力潮流コントローラを形成する。インバータ１，２は、ゲートターンオフ（ＧＰＯ）サイリスタ５または同様な電力半導体を使用する。図示を簡略化するために、図１に示す回路は、簡単な６パルスブリッジインバータ回路１，２と、ただ２つのＧＰＯ９を備えた１つの直流−直流コンバータ枝路７を用いた構成を示すが、高電力用としては、通常、多パルスインバータ回路と多枝路直流−直流コンバータ回路を用いる。かかる拡張型回路の例は、本明細書の一部として引用する米国特許第５，３４３，１３９号に図示されている。
【００１７】
ＵＰＦＣ４は、送電線１１の電力潮流制御に使用される。再び、図示を簡略化するために、送電線１１は単線の単純化した形で示すが、三相交流送電線である。米国特許第５，３４３，１３９号の一般化電力潮流コントローラのように、インバータ１は並列接続変成器１３を介して送電線１１にその送電線電圧に並列に電圧を注入するように接続される。インバータ２は、直列接続変成器１５を介して送電線電圧に直列に電圧を注入するよう接続される。各インバータ１及び２は交流端子及び直流端子を有する。インバータ１の三相交流端子１７は並列接続変成器１３の二次巻線に接続されており、インバータ２の交流端子１９は直列変成器１５の二次巻線に接続されている。インバータ１及び２の直流端子２１は直流−直流コンバータ装置３を介して接続されている。
【００１８】
直流−直流コンバータ装置３は、インバータ１の直流端子２１に接続したキャパシタ２５と、インバータ２の直流端子２３に同様に接続した第２のキャパシタ２７とを有する。本発明の好ましい例の直流−直流コンバータ装置３に含まれる直流−直流コンバータ７は直流チョッパより成る。図示を簡略化すべく単一枝路で示すが、直流チョッパは、アノードがインバータ１の正の直流端子２１に接続された第１のＧＰＯ９₁と、カソードが負の直流端子２１に接続された第２のＧＰＯ９₂とよりなる。各ＧＰＯ９₁及び９₂は、ダイオード２９₁及び２９₂に逆並列接続されている。ＧＰＯ９₁と９₂の間の点３１は、インダクタ３３を介してインバータ２の正の直流端子２３とキャパシタ２７の正電圧側に接続されている。制御回路３５は、インバータ１及び２と直流チョッパ７のＧＰＯのための点弧信号を発生する。以下に述べるように、制御回路３５は変数測定値、パラメータの設定値及び幾つかの基準入力からこれらの点弧信号を発生する。
【００１９】
インバータ１は、制御回路３５により作動されて、米国特許第５，３４３，１３９号に記載されたような態様で送電線１１の並列無効電力補償を行う。この態様で作動するについて、インバータ１は、送電線１１から結合変成器１３を介してキャパシタ２５を充電することによりこのキャパシタ２５上に必要な直流電圧を発生させる。一般的に、この直流電圧は、交流送電線１１の電圧の公称値に相当する中間値の周りを±約１５％変化する。
【００２０】
ＤＣチョッパ７は、インバータ１によりキャパシタ２５の両端間に維持される電圧Ｖ1をインバータ２の直流入力を終端するキャパシタ２７の両端間の直流電圧Ｖ2へ変換する。この電圧Ｖ2は、０と設計による最大設定値との間で連続的に可変である。一般的に、この最大値は送電線の公称電圧の±約２５％乃至５０％である。インバータ２の直流端子２３に印加されるこの電圧Ｖ2は、インバータ２により直列変成器１５を介して送電線１１に注入される交流電圧の振幅を設定する。この構成によると、インバータ２にとって制御する必要があるのは交流線電圧に関するその位相角だけである。米国特許第５，３４３，１３９号に記載されるように、この注入電圧の位相角は３６０°の範囲で制御可能である。直列注入電圧の位相角の大きさをこのように柔軟に制御できるため、インバータ２は送電線電圧の振幅、送電線インピーダンス及び送電線電圧の位相角を同時にまたは別々に制御して送電線の電力潮流を制御する。
【００２１】
直流−直流コンバータ７は通常、パルス持続時間を制御することにより作動される。即ち、ＧＰＯ９₁は、インバータ１のキャパシタ２５からインバータ２の直流入力キャパシタ２７へエネルギーを伝達するように「オン」にすることによって電圧Ｖ₂を増加させる。このモードでは、インダクタ３３は、直流−直流コンバータ７を流れる電流のレートを制限する働きがある。上述したように、キャパシタ２７にかかる電圧Ｖ₂は通常、キャパシタ２５の電圧Ｖ₁より小さい。キャパシタ２７の電圧Ｖ₂を減少させるためには、ＧＰＯ９₂は「オン」にされる。これにより、インダクタ３３が充電される。ＧＰＯ９₂が「オフ」になると、電流が中断するためインダクタ３３にかかる電圧が上昇し、逆並列のダイオード２９₁が順方向にバイアスされて、キャパシタ２７からキャパシタ２５へ電荷が流れ、電圧Ｖ₂が減少する。ＧＰＯ９₁及び９₂を適当に作動させることにより、インバータ１による所要の並列無効電力補償が変化する結果として電圧Ｖ₁が変化しても、必要な電圧Ｖ₂を発生させ、維持することができる。
【００２２】
ＧＰＯ９₁及び９₂の両方が「オフ」になると、インバータ１及び２の直流端子２１及び２３はそれぞれ電子的に切り離されて、２つのインバータ間の電力潮流が停止する。この場合、各インバータは別個に作動可能である。何等かの状態にある送電線が無効電力の直列及び／または並列補償を必要とする場合、これは必要な動作であろう。また、この動作モードは、一般化電力潮流コントローラの動作損失を最小限に抑えるための、強力な送電網の異常事態前の動作でありうる。インバータ１は、インバータ２が必要とする有効電力を供給することに注意されたい。２つのインバータが直流−直流コンバータ７により切り離されると、インバータ２は、別の有効電力源がないかぎり無効電力の直列補償だけを行うことができる。
【００２３】
インバータ２により送電線１１に直列に注入される電圧Ｖ_pqの位相関係を図２のフェーザ図に示すが、これにより、送電線の一端の電圧Ｖ₀と他端の電圧Ｖ₀'の間の差が得られる。上述したように、この注入電圧Ｖ_pqと交流系統の電圧との間の位相関係は完全に制御可能である。
【００２４】
図３は、制御回路３５により使用される変数の名称及び極性を含む本発明の電力潮流コントローラ４の簡単な略図である。この図はまた、基本的な機能及びインバータ１、インバータ２及び直流チョッパ７への制御入力を定義するものである。図示の目的のために、インバータ１を、その交流出力電圧Ｖ_dc1の位相角Θ₁、直流端子電圧に関する交流電圧の振幅τ₁の両方を制御できるインバータとして一般化して示す。従って、インバータ１は角度及び振幅をそれぞれ制御する２つの制御入力Θ₁及びτ₁を有する。図３において、インバータ２は単一の関連制御入力Θ₂で位相角制御だけが可能なように図示してある。その交流出力電圧の振幅は、その直流端子電圧Ｖ_dc2に直接関係がある。直流チョッパ７は、高電圧入力Ｖ_dc1と平均出力電圧Ｖ_chの間の比率を制御する単一の制御入力τ_chを有する。その入力τ_chは本質的にチョッパのデューティサイクルであり、０と１の間で可変である。
【００２５】
インバータ１の交流出力電圧は下記のように定義される：
【００２６】
【数１】

インバータ２により注入される電圧は下記のように定義される：
【００２７】
【数２】

上式において、ｋは乗数である。
【００２８】
直流チョッパ９の平均出力電圧Ｖ_chは下記のように定義される：
【００２９】
【数３】

上式において、τ_ch < １。
【００３０】
図４は、制御回路３５をブロック図で示す。制御回路３５への入力は、次の連続的な需要信号、即ち、インバータ１の交流無効電流需要信号ｉ^* _q1、インバータ２の交流出力電圧の位相角需要信号α^* ₂、インバータ２の交流出力電圧の振幅需要信号ｅ^* ₂を与える外部の制御装置３７から得られる。
【００３１】
制御回路３５は、これらの需要信号を迅速且つ連続して満足させながらインバータ１の直流端子電圧Ｖ_dc1を一定の基準値Ｖ^* _dc1に調整するようにτ₁、Θ₁、τ_ch、Θ₂の瞬時値を決定する。一般的に、外部の制御装置３７は、例えば、電力潮流を制御するか或いは電力発振を減衰させることにより送電線１１を最適利用するように作用する。図４から分かるように、この外部制御回路への入力は、送電線の相間電圧だけでなくインバータ１の相電流と送電線の補償された電流である。図４から明らかなように、制御回路３５の大きな部分は、需要信号ｉ^* _q1、Ｖ^* _dc1を満足させるようにインバータ１の値τ₁、Θ₁を決定することに向けられている。制御回路３５のこの部分３９は、米国特許第５，３４３，１３９号のものと同じ機能を実行するベクトル制御方式である。
【００３２】
この制御方式の新規な特徴は、インバータ２の制御電圧の制御である。送電線電圧に関連して表わされる角度要求α^* ₂は線電圧の位相角φに加算され、制御入力Θ₂としてインバータ２のゲート制御装置４１へ直接送られる。インバータ２の出力電圧の振幅要求ｅ^* ₂を４３において比例乗数ｋで割り算した値は、インバータ２の直流端子電圧の需要信号Ｖ^* _dc2と解釈される。この需要信号は４５においてフィードバック電圧Ｖ_dc2と比較され、エラー信号は比例プラス積分補償ブロック４７へ送られる。このブロック４７の出力は、直流チョッパ出力電流の需要電流ｉ^* _chと解釈される。この需要信号は４９においてフィードバック電流ｉ_chと比較され、エラー信号が比例利得補償ブロック５１へ送られる。このブロック５１の出力は、制御入力τ_chとして直流チョッパゲート制御５３へ送られる。かくして、Ｖ_dc2のこの制御ループ構造は、ｉ_chの内部電流制御ループとＶ_dc2の外部電流制御ループよりなることが分かる。
【００３３】
本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者にとっては本願の記載全体から種々の変形例及び設計変更が想到可能なことが分かるであろう。従って、図示説明した特定の構成は例示的であって本発明を限定するものでなく、この範囲は頭書の特許請求の範囲及びその任意の且つ全ての均等の幅を与えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明による統合型電力潮流コントローラの略図。
【図２】 図１のコントローラにより送電線に注入される電圧と送電線電圧の関係を示すフェーザ図。
【図３】 図１の電力潮流コントローラの機能を単純化して示す図。
【図４】 図１の電力潮流コントローラの一部を形成する制御装置の概略的なブロック図である。

Claims (6)

1. 交流送電線のための電力潮流コントローラであって、
   送電線に並列接続される交流端子と、直流端子とを有する第１のインバータと、
   送電線に直列に交流電圧を注入するように接続される交流端子と、直流端子とを有する第２のインバータと、
   第１のインバータの直流端子と第２のインバータの直流端子とを接続する直流−直流コンバータ手段と、
   第１のインバータの動作を制御し、第２のインバータの動作を制御して送電線電圧に関する送電線に注入される交流電圧の位相角を制御し、直流−直流コンバータを制御して第２のインバータにより送電線に注入される交流電圧の振幅を調整する制御手段とよりなる電力潮流コントローラ。
2. 前記直流−直流コンバータ手段は、第１のインバータの直流端子間に接続された第１のキャパシタと、第２のインバータの直流端子間に接続された第２のキャパシタと、第１のインバータと第２のインバータの直流端子間に接続された直流チョッパとよりなり、前記制御手段は、第１と第２のキャパシタの間で電荷を交換することにより第２のキャパシタの電圧、従って第２インバータの直流端子間の電圧を調整するように直流チョッパを動作させる手段を含む請求項１の電力潮流コントローラ。
3. 前記直流チョッパは、第１のキャパシタの両端間に同じ極性で直列に接続された第１及び第２の電子スイッチ手段を含み、前記第２のキャパシタは第１及び第２の電子スイッチ手段のうちの一方の電子スイッチ手段の両端間に接続されている請求項２の電力潮流コントローラ。
4. 前記第１及び第２の電子スイッチ手段はそれぞれ、少なくとも１つの電子スイッチと、その少なくとも１つの電子スイッチの両端間に逆並列接続された少なくとも１つのダイオードとよりなる請求項３の電力潮流コントローラ。
5. 前記直流−直流コンバータ手段は、第１及び第２の電子スイッチ手段のうちの前記一方の電子スイッチ手段の両端間に第２のキャパシタに直列に接続されたインピーダンスを含む請求項４の電力潮流コントローラ。
6. 前記インピーダンス手段はインダクタである請求項５の電力潮流コントローラ。

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