JP3954068B2 - 電流分担スタティックスイッチを持つダイナミック直列電圧補償器 - Google Patents

Description

本発明は一般的には交流（ＡＣ）電力システムと電力変換システムの分野に関し、より詳しくは、負荷に電力を提供する送電線における電圧降下を補正する分野に関する。

電力システムでは、電力は一般に発生器で発生され、送電・配電網を介して顧客ロケーションに送電され、ここで、その電力が負荷に供給される。通常は、供給されたこの電力は多くの要件を満たすべきである。このような要件には、国によって電圧は正弦波であるべきであるとか周波数は５０Ｈｚか６０Ｈｚであるべきであるとか、また、電圧振幅は、偏差が通常調節範囲内である公称の値であるべきである等が含まれる。

電力供給体からの電圧がこれら要件からずれると、負荷のところで操作上の問題が起こる。特に、電圧降下として知られているこのような逸脱の１つはしばしば、装置の誤動作と、洗練された製造プラントや他の工業用および商業用のシステムのシャットダウンを引き起こす。電圧降下は、電力供給体の電圧が突然そして瞬間的に減少することであり、また、一般的には電力システムの故障によって引き起こされる。電圧降下はまた、電力システムから大電流を引き出すような電力システムに対する負荷によっても引き起こされて、電力システムのインピーダンス全体にわたって電圧降下を引き起こす。この電圧降下は負荷のところでは電圧降下のように現れる。３相電力システムでは、電圧降下の大きさは一般に、３相の電圧でそれぞれ異なるが、それでも電圧降下の持続時間は一般的にほぼ同じである。

電圧降下を補償する様々な電力変換・制御方法または電圧補償器が開発されてきた。電圧降下を補償する１つの技法が、Ｇｙｕｇｙｉらに対して発行された米国特許第５，３２９，２２２号に記載されている。この特許では、公共の送電線に過渡現象が発生するとそれを、共通の直流（ＤＣ）バスを持つ３相インバータによって発生され、カプリング注入変圧器を介して３相送電線にカプリングされている直列注入電圧で補償する装置と方法とが記述されている。しかしながら、１つの共通ＤＣバスと注入変圧器とを持つ３相インバータを低電圧電力システムで応用しても、それを用いるのは適切ではない。それは、カプリング注入変圧器のコストが高く、また、注入変圧器は重く、占有面積も大きいからである。さらにそのうえ、注入変圧器の内部インピーダンスのため、通常動作中に注入変圧器全体にわたってさらなる電圧降下が発生する。この電圧降下は、通常動作中の電圧降下を補償する電圧を出力するようにインバータを構成することによって克服されるが、これによって、開示の装置の動作効率が低下する。

電圧降下を補償する別の技法が、Ｃｈｅｎｇらに対して発行された米国特許第５，８８３，７９６号に記載されている。この特許では、共通ＤＣバスとカプリング注入変圧器とを持つ３相インバータを用いて電圧降下を回復させる装置と方法とが記載されている。結果として、このデバイスと方法とは米国特許第５，３２９，２２２号に記載のそれと類似の制限があって、高い動作効率と低い電圧降下とを注入変圧器全体にわたって同時に実現することは不可能である。

電圧降下を補償するさらに別の技法が、ＳＰシステムに対して発行された国際出願公報第ＰＣＴ／ＳＧ００／０００５７号に記載されている。この公報には、電圧降下を補償する低電圧電気システムに応用するのに適した装置と方法とが記載されている。この方法では、独立型のインバータを、負荷にいたる送電線の各相に直接に接続する。カプリング注入変圧器は使用されていないので、補償器のコスト、重量および占有面積を最小化することが可能である。

電圧降下を補償するさらに別の技法が、Ｄｉｖａｎらに対して発行された米国特許第６，１１８，６７６号に記載されている。この特許には、電圧降下が発生すると、この電圧降下中に送電線の残余電圧から誘導されたエネルギを用いてこの下落を補償する装置と方法とが記載されている。しかしながら、電圧降下中の電源の残余電圧が非常に低いまたは電圧降下が深いと、この方法では、補償のための十分なエネルギを得るのが困難となる。さらに、電圧降下中と電圧回復中は、過渡電流が電源から流れる。この特許による電力変換方法では、同じ電圧を出力するのに全ブリッジインバータより高いＤＣバス電圧を必要とする半ブリッジインバータを利用している。

上記の電圧補償器に加えて、電圧降下、さらには、電圧過渡現象、電圧膨張および電圧降下を補償するため、無停電電源（ＵＰＳ）が用いられてきた。しかしながら、ＵＰＳは通常は、より多くのスイッチングデバイスと、高価なコントローラと、ＵＰＳをより高価なものとする高エネルギー記憶部とから成っている。このようなＵＰＳは、通常は動作効率が低いという点でさらなる制限がある。

したがって、先行技術では、工業用システムと商業用システムの誤動作やシャットダウンを引き起こしかねない電圧降下を補償する軽量で、安価で高効率のデバイスを提供することはできない。

本発明の目的は、既存の装置の１つ以上の欠点を実質的に克服するまたは少なくとも改善することである。

本発明のある態様によれば、交流電力システム中での電圧降下を補償するダイナミック直列電圧補償器が提供されるが、本ダイナミック直列電圧補償器は、
エネルギをＤＣ電圧という形態で保存するエネルギー記憶部、
前記ダイナミック電圧電圧補償器の入力端子と出力端子間に接続されて、これら入力端子と出力端子を選択的に接続する電流分担スタティックスイッチと、
前記電流分担スタティックスイッチと並列に接続されて、前記エネルギー記憶部からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する直列注入インバータと、
前記入力端子での電圧降下を検出し、また、前記電流分担スタティックスイッチと前記直列注入インバータとを制御するシステムコントローラであり、電圧降下が検出されなければ、前記システムコントローラは、前記電流分担スタティックスイッチが電流サイクルの少なくとも一部にわたって導通状態となるように制御し、前記直列注入インバータが前記電流の一部を前記出力端子に導通させるように制御し、また、前記システムコントローラは、電圧降下を検出すると、前記電流分担スタティックスイッチが非導通状態になるように制御し、前記直列注入インバータが前記入力端子と出力端子間に電圧信号を注入するように制御し、これで電圧降下を補償するようにする前記システムコントローラと、
を備える。

前記電流分担スタティックスイッチは、
非並列に接続されたサイリスタと、
前記システムコントローラから制御信号を受信し、また、前記非並列接続されたサイリスタに前記制御信号に応答して点火信号を提供するサイリスタ駆動回路であり、電圧降下が検出されないと、前記システムコントローラが前記サイリスタ駆動回路を制御して、前記電流分担スタティックスイッチを流れる電流がゼロとなってから所定の期間が過ぎたら前記点火信号を出力させる、前記サイリスタ駆動回路と、
を備えるのが好ましい。

前記直列注入インバータは、スイッチングデバイスから成る全ブリッジを含み、他方、前記電流分担スタティックスイッチは導通するように制御されている間に、前記スイッチングデバイスがスイッチングされ、これで、入力端子と出力端子間に電圧信号が注入されないようにするのが好ましい。

同じ参照番号を有している添付図面の内のどれか１つ以上の中で特徴を参照する場合、この特徴は、別途記載のない限り、この説明の目的のため同じ機能または同じ動作を有するものとする。

図１は、ＡＣ電源１０５とＡＣ負荷１０６間に接続されたダイナミック直列電圧補償器１００を単相で実現したものを示す略図である。ダイナミック直列電圧補償器１００は、ＡＣ電源１０５から出力された供給電圧の電圧降下を補償するように動作可能である。一般的な電圧降下の波形１２１も図示する。ダイナミック直列電圧補償器１００はまた多相システム中で用いられて、このような多相システムのそれぞれの供給相から出力された供給電圧の電圧降下を補償する。図４に、ダイナミック直列補償器１００を３相で実現したものを示し、同図を参照して説明する。

図１を参照すると、本好適な実施形態のダイナミック直列電圧補償器１００は、電流分担スタティックスイッチ１０１と、直列注入インバータ１０２と、これら電流分担スタティックスイッチ１０１および直列注入インバータ１０２とを制御するシステムコントローラ１０３と、直流（ＤＣ）電圧という形態で直列注入インバータ１０２にエネルギを提供するエネルギー記憶部１０４とを含む。このエネルギー記憶部１０４は、ウルトラキャパシタ、フライホイールシステム、バッテリまたはＤＣ電圧という形態でエネルギを提供することが可能な他の任意の手段から形成される。

電流分担スタティックスイッチ１０１は直列注入インバータ１０２と並列に接続されており、これら両者はＡＣ電源１０５と負荷１０６の間にそれぞれワイヤ１０７と１０８とを通じて接続されている。中性ワイヤ１０９が戻り経路として装備されている。エネルギー記憶部１０４はＤＣ電圧を直列注入インバータ１０２に対してワイヤ１１６と１１７とを通じて提供する。システムコントローラ１０３とエネルギー記憶部１０４ともまた中性ワイヤ１０９に接続されており、このワイヤから基準電圧が取得される。

システムコントローラ１０３は電圧信号を得てこれをダイナミック直列電圧補償器１００にワイヤ１０７を介して入力し、このダイナミック電圧補償器１００の出力電圧信号をワイヤ１０８を介して得て、電流センサー１１８で測定された電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流の電流信号を信号ワイヤ１１５を介して得て、電流センサー１１９で測定された直列注入インバータ１０２を流れる電流の電流信号を信号ワイヤ１２０を介して得て、直列注入インバータ１０２のＤＣバス電圧を信号ワイヤ１１０と１１１とを介して得る。システムコントローラ１０３は制御ライン１１４を介して電流分担スタティックスイッチ１０１を制御し、また、直列注入インバータを制御ライン１１２と１１３とを介して制御する。

通常動作状態の間、すなわち、電源１０５が事前定義された限界以内の電圧を出力しているとき、システムコントローラ１０３は電流分担スタティックスイッチ１０１と直列注入インバータ１０２とを制御し、これで、負荷１０６に流れる電流が電流分担スタティックスイッチ１０１と直列注入インバータ１０２とによって分担されるようにする。また、上記の通常動作状態は、それ以降、電流分担モードとも呼ばれる。

システムコントローラ１０３がＡＣ電源１０５からの電圧に事前定義された限界を超える下落、これはワイヤ１０７上の電圧を測定することによって検出されるが、があることを検出すると、システムコントローラ１０３は、電流分担スタティックスイッチ１０１を制御してこれを開放し、また、直列注入インバータ１０２を制御してこれらか端子１０７と１０８間にエネルギを注入させ、これで、公称電圧レベルのまたはこの近傍のＡＣ電力が負荷１０６に提供されるようにする。ダイナミック直列電圧補償器１００と、特に直列注入インバータ１０２とは、このようにしてワイヤ１０７とワイヤ１０８間に電圧を注入し、これで、波形１２２で示すように、負荷１０６が下落の無い供給を受けられるようにする。

図１に示すダイナミック直列電圧補償器１００のより詳細な略図を図２に示し、また、それを参照して説明する。特に、電流分担スタティックスイッチ１０１と直列注入インバータ１０２とのより詳細を示す。システムコントローラ１０３とエネルギー記憶部１０４への入力接続部とこれらからの出力接続部も図示する。

電流分担スタティックスイッチ１０１は、非並列接続されたサイリスタ２１０および２１１と、サイリスタ駆動回路２１２とを含む。このサイリスタ駆動回路２１２は、制御ワイン１１４を通じてコントローラ１０３から制御信号を受信する。制御ライン１１４上の制御信号が「ハイレベル」であると、サイリスタ駆動回路２１２はサイリスタ２１０および２１１に点火信号を提供し、これで、それぞれの適切な電圧極性が印加されている間はサイリスタ２１０と２１１の各々が導通するようにする。逆に、制御ライン１１４上の制御信号が「ローレベル」であると、サイリスタ駆動回路２１２はサイリスタ２１０および２１１に点火信号を提供せず、これで、サイリスタ２１０および２１１は、サイリスタ２１０と２１１をそれぞれ流れる電流がゼロに達すると、開放回路を形成する。

直列注入インバータ１０２は、スイッチングデバイス２００という全ブリッジと、ブリッジ駆動ユニット２０５および２０６と、スイッチング倍振動フィルタと、ライン１１６および１１７を介してエネルギー記憶部１０４から供給されるＤＣ電源電圧によって接続されているＤＣバスキャパシタ２０９とを含む。スイッチングデバイス２００という全ブリッジは、非並列接続されたフリーホイールダイオード２０１、２０２、２０３および２０４を持つ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）から成っている。スイッチング倍振動フィルタは、直列接続されたインダクタ２０８とキャパシタ２０７とから成っており、また、スイッチングデバイス２００という全ブリッジの両出力端子間に接続されているが、インダクタ２０８は正の出力端子「＋」に接続され、キャパシタ２０７は負の出力端子「−」に接続されている。キャパシタ２０７とインダクタ２０８の接続ポイントはワイヤ１０８に接続されて直列注入インバータの出力端子を形成しており、スイッチングデバイス２００という全ブリッジの負の出力端子はワイヤ１０７に接続されて直列注入インバータの入力端子を形成している。

直列注入インバータ１０２は、制御ライン１１２と１１３を介してシステムコントローラ１０３から制御信号を受信する。制御ライン１１２上の制御信号が「ハイレベル」であるときは、ＩＧＢＴ２０３が導通モードにあり、また、制御ライン１１２上の制御信号はブリッジ駆動ユニット２０６で反転されるので、ＩＧＢＴ２０４は遮断モードにあり、この逆も成り立つ。同様に、制御ライン１１３上の制御信号が「ハイレベル」であるときは、ＩＧＢＴ２０１が導通モードにあり、また、制御ライン１１３上の制御信号はブリッジ駆動ユニット２０５で反転されるので、ＩＧＢＴ２０２は遮断モードにあり、この逆も成り立つ。

システムコントローラ１０３は、エネルギー記憶部１０４から直列注入インバータ１０２に対して、ライン１１６と１１７とに接続されたライン１１０と１１１とを介して供給されたＤＣバス電圧を測定する。

図３はダイナミック直列電圧補償器１００のシステムコントローラ１０３のより詳細な略図である。図３の略図はシステムコントローラ１０３をディジタル回路で実現したものと示しているが、システムコントローラ１０３はまた、アナログ回路でまたはディジタル回路とアナログ回路の組み合わせで実現される。

図１と図２とに関連して説明したように、システムコントローラ１０３は５つの入力を受信するが、その内訳は以下のとおり、
ワイヤ１０７から得られるダイナミック電圧補償器１００への入力電圧信号と、
ワイヤ１０８から得られるダイナミック電圧補償器１００の出力電圧信号と、
電流センサー１１８で測定され、信号ワイヤ１１５を介して提供される電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流と、
電流センサー１１９で測定され、信号ワイヤ１２０を介してシステムコントローラ１０３に提供される直列注入インバータ１０２を流れる電流と、
信号ワイヤ１１０を介して受信された電圧とワイヤ１１１を介して受信された電圧との間の差であり、また、信号ワイヤ１１０を介して受信された電圧と信号ワイヤ１１１を介して受信された電圧を差動減衰回路３０６に通すことによって得られる直列注入インバータ１０２のＤＣバス電圧である。

アナログ形態で与えられるこれらの入力はその各々が、それぞれアナログ−ディジタル（Ａ／Ｄ）変換器３０１、３０２、３０３、３０５および３０４によってディジタル形態に変換される。加えて、ダイナミック直列電圧補償器１００への入力電圧信号のディジタル信号はディジタルフィルタ３０７によって前処理される。

システムコントローラ１０３の出力は、制御ライン１１３を介して出力されるＩＧＢＴ２０１とＩＧＢＴ２０２への制御信号と、制御ライン１１２を介して出力されるＩＧＢＴ２０３とＩＧＢＴ２０４への制御信号と、制御ライン１１４を介して出力される電流分担スタティックスイッチ１０１のサイリスタ駆動回路２１２への制御信号である。中性ライン１０９はシステムコントローラ１０３の内部グランドに接続されていて、図３中では３２７で示されている。

過電流検出部３１４は、電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流のディジタル値と、直列注入インバータ１０２を流れる電流のディジタル値とを入力として受信して、過電流状態が存在するかどうかを判定する。過電流検出部３１４は、電流分担スタティックスイッチ１０１（図２）と直列注入インバータ１０２のどちらかを流れる電流がスイッチングデバイス２００の全ブリッジのＩＧＢＴの能力を超えたと判定すると、「ローレベル」信号を信号ワイヤ３６０を介して出力する。信号ワイヤ３６０上の信号は通常「ハイレベル」である。信号ワイヤ３６０上に「ローレベル」の信号があると、ＮＡＮＤゲート３２１を介して電流分担スタティックスイッチ１０１が「オン状態」に保持または転換され、ＡＮＤゲート３２４ａと３２４ｂを介して「ローレベル」信号を制御ライン１１２と１１３に供給することによってＩＧＢＴ２０１と２０３が「オフ状態」に、ＩＧＢＴ２０２と２０４が「オン状態」に転換される。したがって、このような過電流状態では、電流分担スタティックスイッチ１０１は導通状態にされ、他方、直列注入インバータ１０２はワイヤ１０７とワイヤ１０８間にはエネルギは注入しない。ダイナミック直列電圧補償器１００は、過電流状態では電圧降下を補償しない。

動作中、ダイナミック直列電圧補償器１００への入力電圧のフィルタリングされたディジタル信号は基準テーブル更新部３０８に送られる。この基準テーブル更新部３０８は信号ワイヤ３４５上の信号によって制御される。信号ライン３４５上の信号が「ローレベル」、これは、通常動作状態または電流分担モードの場合、であれば、基準テーブル更新部３０８は、ワイヤ１０７上の入力電圧のディジタル表示をストアする基準信号テーブルを連続的に更新する。信号ワイヤ３４５上の信号が「ハイレベル」、これは、電圧降下が検出された場合、であれば、基準テーブル更新部３０８は、利用可能な基準信号テーブルを凍結する。基準テーブル更新部３０８は基準信号を発生し、この信号が電圧降下状態を検出するために信号ワイヤ３６２を介して降下検出部３０９に供給され、また、注入電圧信号を発生するために信号ライン３４１を介して減算器３１０と３１１にも供給される。

減算器３１０は、信号ワイヤ３４１上の基準信号とワイヤ１０７上の入力電圧がフィルタリングされた信号ワイヤ３４０上の信号間の差を計算する。減算器３１１は、信号ライン３４１上の基準信号と信号ライン３４２上の出力信号のディジタル信号との間の差を計算し、これが次にＰＩ制御装置３１２で調整される。加算器３１３で計算される減算器３１０の出力とＰＩ制御装置３１２の出力との和が次に、入力としてパルス幅変調（ＰＷＭ）発生器３１８に提供される。さらに、ＰＷＭ発生器３１８はＡ／Ｄ変換器３０４からの直列注入インバータ１０２のＤＣバス電圧を利用して、信号ワイヤ３４３と信号ワイヤ３４４上にＰＷＭスイッチング信号を発生する。

降下検出部３０９は、入力として、ワイヤ１０７上の入力電圧のフィルタリングされたディジタル信号を信号ライン３４０を介して受信し、基準テーブル更新部３０８から基準信号を受信し、ワイヤ１０８上の出力信号のディジタル信号を信号ライン３４２を介して受信し、電流分担スタティックスイッチ１０１からの電流のディジタル値を信号ワイヤ３４６を介して受信して、これらの入力から、電圧降下が発生したかどうか、どのような種類の強制転流を印加すべきかおよびこの強制転流が完了したかどうかを判定する。降下検出部３０９は導通角制御信号を信号ワイヤ３５３上の出力として電流分担スタティックスイッチ１０１にＮＡＮＤゲート３２６とＮＡＮＤゲート３２１を介して発生し、また、２ビット信号をブロック３１５への信号ワイヤ３５１と３５２上の出力として発生する。ある好適な実施形態では、降下検出部３０９が、基準テーブル更新部３０８からの基準信号の瞬時値がストアされているピーク値の３０％を越えたときに電圧降下が発生したかどうかを判定するだけである。

ライン３５３上の導通角制御信号は、電流がゼロになる度に、事前定義された遅延時間が経過すると「ハイレベル」に設定される。導通角制御信号は、電流が次のゼロになる以前に再度「ローレベル」に設定される。電流分担スタティックスイッチの導通角が１８０電気度に設定されると、電流がゼロになる度に遅延時間はゼロに設定される。この場合、信号ワイヤ３５３上の導通角制御信号は常に「ハイレベル」に設定される。

ブロック３１５は、降下検出部３０９から受信した２ビット信号を４つの信号に復号化して信号ワイヤ３５０、３４９、３４８および３４７上に出力する。２ビット信号が「００」であれば、信号ライン３５０上の信号は「ハイレベル」に設定され、他の３つの信号が「ローレベル」に設定される。２ビット信号が「０１」であれば、信号ライン３４９上の信号は「ハイレベル」に設定され、他の３つの信号は「ローレベル」に設定される。２ビット信号が「１０」であれば、信号ライン３４８上の信号が「ハイレベル」に設定され、他の３つの信号は「ローレベル」に設定される。最後に、２ビット信号が「１１」であれば、信号ライン３４７上の信号は「ハイレベル」に設定され、他の３つの信号は「ローレベル」に設定される。

信号ワイヤ３６２上に出力された基準信号と信号ワイヤ３４０上に出力された入力電圧のフィルタリングされたディジタル信号間の差が事前定義された設定値より大きくて、また、電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流のディジタル値が負の値である場合、降下検出部３０９は２ビット信号「００」を発生する。この２ビット信号が「００」であるということは、正の強制転流（正のＦＣ）が必要とされていることを示している。

信号ワイヤ３６２上に出力された基準信号と信号ワイヤ３４０上に出力された入力電圧のフィルタリングされたディジタル信号間の差が事前定義された設定値より大きくて、また、電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流のディジタル値が正の値である場合、降下検出部３０９は２ビット信号「０１」を発生する。この２ビット信号が「０１」であるということは、負の強制転流（負のＦＣ）が必要とされていることを示している。

信号ワイヤ３６２上に出力された基準信号と信号ワイヤ３４０上に出力された入力電圧のフィルタリングされたディジタル信号間の差が事前定義された設定値より大きくて、また、電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流のディジタル値がゼロとなったことが検出されると、降下検出部３０９は２ビット信号「１１」を発生する。この２ビット信号が「１１」であるということは、強制転流が完了し、直列注入を開始することが可能であることを示している。一般的に、この状態は、２ビット信号「００」または「０１」が発生された上記の状態の内の一方の状態の後に発生する。

通常動作中、すなわち、信号ワイヤ３６２上の基準信号と信号ワイヤ３４０上に出力された入力電圧のフィルタリングされたディジタル信号との間の差が事前定義された設定値より小さい場合、降下検出部３０９は２ビット信号「１０」を発生するが、この信号は、下落の補償は必要無いことを示しており、この状態はトグリング状態と呼ばれる。ブロック３１５によって信号ワイヤ３４８上の信号は「ハイレベル」に設定され、他の３つの信号は「ローレベル」に設定され、これで、ＯＲゲート３１６の出力は「ローレベル」となる。この状態にある間は、信号ワイヤ３４５上の信号もまた「ローレベル」であり、基準テーブル更新部３０８は基準信号テーブルを連続的に更新する。ＯＲゲート３１６の出力はＩＮＶＥＲＴゲート３２５によって反転されてから、ライン３５３上の導通角信号と共にＡＮＤゲート３２６に供給される。この通常状態にある間、信号ワイヤ３６１上に提供されるＩＮＶＥＲＴゲート３２５の出力は「ハイレベル」である。過電流状態でない間は、ライン１１４上の信号の状態は信号ワイヤ３５３上の導通角信号の状態に等しい。したがって、過電流状態でなければ、電流の移相角は導通角以内にあれば（信号ワイヤ３５３上の信号が「ハイレベル」であれば）、制御ライン１１４が「ハイレベル」とされ、サイリスタ駆動回路２１２はサイリスタ２１０と２１１に点火信号を提供する。

降下検出部３０９が電圧降下を検出して２ビット信号「００」、「０１」または「１１」を発生すると生じる状態であるが、信号ライン３５０、３４９または３４７上の信号の内のどれか１つがハイレベルであると、ＯＲゲート３１６の出力は「ハイレベル」であり、信号ワイヤ３６１上の信号は「ローレベル」である。過電流状態でなければ、電圧降下が検出されると、制御ライン１１４は、信号ワイヤ３５３上の導通角制御信号の状態とは無関係に「ローレベル」にされ、サイリスタ駆動回路２１２はサイリスタ２１０と２１１に点火信号を提供しない。また、信号ワイヤ３４５上の信号は「ハイレベル」であり、基準テーブル更新部３０８は利用可能な基準信号テーブルを凍結する。

したがって、上記から、電圧降下が検出され、電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流がゼロになると電流分担スタティックスイッチ１０１は「オフ」となる。過電流状態が検出された場合または電圧降下補償が必要なくて電流の移相が導通移相角内にある場合、電流分担スタティックスイッチ１０１は「オン」となるまたは「オン」に保たれる。電流分担モードでは、スタティック電流分担スタティックスイッチ１０１は、電流の移相が導通移相角内にあれば「オン」となるだけである。

上で説明したように、正の強制転流が必要とされ、また、２ビット信号が「００」であれば、信号ワイヤ３５０上の信号は「ハイレベル」に設定される。信号ワイヤ３５８上の信号は、ＯＲゲート３２２を過ぎれば、これまた「ハイレベル」である。過電流状態が無ければ、ＡＮＤゲート３２４ａの出力は「ハイレベル」であり、これで、制御ライン１１２が「ハイレベル」となり、ＩＧＢＴ２０３は「オン」となり、一方、ＩＧＢＴ２０４は「オフ」となる。信号ワイヤ３４７と３４８上の信号が「ローレベル」であると、それぞれ信号ワイヤ３５４、３５６および３６７上に出力されるＡＮＤゲート３１９、３２０ａおよび３２０ｂは「ローレベル」であり、信号ワイヤ３４９上の信号もまた「ローレベル」であり、信号ワイヤ３５９上に提供されるＯＲゲート３２３の出力もまた「ローレベル」である。ＡＮＤゲート３２４ｂの出力は「ローレベル」であり、これで、制御ライン１１３は「ローレベル」となり、ＩＧＢＴ２０２は「オン」となり、一方、ＩＧＢＴ２０１は「オフ」となる。

同様に、負の強制転流が必要とされ、また、２ビット信号が「０１」であれば、信号ワイヤ３４９上の信号は「ハイレベル」となり、その結果、ライン３５９上の信号は、ＯＲゲート３２３を過ぎれば、「ハイレベル」となる。過電流状態でなければ、ＡＮＤゲート３２４ｂの出力は「ハイレベル」であり、これで制御ライン１１３は「ハイレベル」となり、ＩＧＢＴ２０１は「オン」し、一方、ＩＧＢＴ２０２は「オフ」する。信号ワイヤ３４７と３４８上の信号が「ローレベル」であると、ＡＮＤゲート３２０ａと３１９の出力は「ローレベル」であり、信号ワイヤ３５０上の信号が「ローレベル」であると、ライン３５８上の信号は、ＯＲゲート３２２を過ぎれば、これもまた「ローレベル」となる。ライン１１２上の信号はＡＮＤゲート３２４ａによって「ローレベル」にされ、ＩＧＢＴ２０４は「オン」され、ＩＧＢＴ２０３は「オフ」される。

負のまたは正の強制転流（２ビット信号「００」と「０１」にそれぞれ対応する）の後で、電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる電流のディジタル値がゼロになったことが検出されると、２ビット信号が「１１」となって下落補償を実行する。信号ライン３４７上の信号が「ハイレベル」に設定され、ブロック３１５の他の３つの出力信号がローレベルに設定される。ＰＷＭ発生器３１８によって発生された信号ワイヤ３４３と３４４上のＰＷＭスイッチング信号は、それぞれ制御ライン１１２と１１３にスイッチングされる。スイッチングデバイス２００（図２）の全ブリッジのＩＧＢＴ２０１、２０２、２０３および２０４はＰＷＭスイッチング信号によって制御されて、ＰＷＭ出力を発生し、これが、インダクタ２０８とキャパシタ２０７によってフィルタリングされた後、必要とされる正弦波信号となって、これによって、ライン１０８上のダイナミック電圧補償器の出力電圧に下落が無くなる。

最後に、電圧降下補償の必要がなくなると、トグル状態となって、２ビット信号が「１０」となり、信号ワイヤ３４８上の信号が「ハイレベル」に設定される。信号ワイヤ３４８上の信号が「ハイレベル」になり、ブロック３１７によるトグリング信号が入力としてＡＮＤゲート３１９に提供されると、信号ワイヤ３５４上に提供されるＡＮＤゲート３１９の出力はトグル信号の状態となる。ＯＲゲート３２２と３２３の出力もまたトグル信号でトグリングする。過電流状態でなければ、ＡＮＤゲート３２４ａと３２４ｂの出力もまたトグリングして、これが次に、制御ライン１１２と１１３をトグリングさせる。ブロック３１７のトグル信号が「ハイレベル」であれば、ＩＧＢＴ２０１と２０３は「オン」となり、一方、ＩＧＢＴ２０２と２０４は「オフ」となる。次に、ブロック３１７のトグル信号が「ローレベル」となり、ＩＧＢＴ２０１と２０３は「オフ」され、一方、ＩＧＢＴ２０２と２０４は「オン」となる。トグリング状態の間、スイッチングデバイス２００の全ブリッジの出力端子「＋」と「−」は同時に負のＤＣバス２２１から正のＤＣバス２２０にスイッチングされるかまたは同時に正のＤＣバス２２０から負のＤＣバス２２１にスイッチングされる。これらのトグリング状態のどちらにおいても、入力端子１０７と出力端子１０８の間に外乱は発生しない。トグリング状態の間、電流がゼロとなる毎に、そして、ライン３５３上の導通角制御信号が「ハイレベル」に設定される前に、電流分担スタティックスイッチ１０１は非導通状態であり、また、短絡モードにあるインバータ１０２を負荷電流が流れる。事前定義された遅延の後でライン３５３上の導通角制御信号が「ハイレベル」に設定されると、電流分担スタティックスイッチ１０１が導通し、負荷電流が電流分担スタティックスイッチ１０１を流れる。

一般的に、電力補償デバイスは、電圧降下が検出されない状態であれば数ヶ月、さらには数年にもわたって動作する。ダイナミック直列電圧補償器１００は、このような電圧降下が無い期間では、電流分担スタティックスイッチ１０１と直列注入インバータ１０２のスイッチングデバイス２０１、２０２、２０３および２０４とのスイッチング機能を検証する。特に、電流分担スタティックスイッチ１０１のスイッチング機能は導通角制御によって検証され、一方、スイッチングデバイス２０１、２０２、２０３および２０４のスイッチング機能はトグルスイッチングによって検証される。トグルスイッチングの際の周波数はブロック３１７の信号の周波数で制御されるが、この周波数は、スイッチングデバイス２０１、２０２、２０３および２０４のスイッチング機能が検証される頻度によって決まる。ある好適な実施形態では、トグリング周波数は０．１Ｈｚである。

図４は、電流分担スタティックスイッチを持つダイナミック直列電圧補償器を３相で実現したものを示す略ブロック図である。事実、図２に示す電流分担スタティックスイッチを持つダイナミック電圧補償器を単相で実現したものを３つ組み合わせて、３相のダイナミック電圧補償器を形成する。図４には、制御ライン、信号ライン、エネルギー記憶部および、ｂ相とｃ相の直列注入インバータが図示されている。独立した３つのシステムコントローラがダイナミック直列電圧補償器の３相実現例で用いられているが、一般的には１つのコントローラを用いて、図３に関連して説明した原理を利用して３つの直列注入インバータと３つの電流分担スタティックスイッチを制御する。

図５Ａに、ワイヤ１０７上のＡＣ電源１０５（図１）の一般的な電圧降下のオシログラム５０１を示す。図５Ｂに、図５Ａに示す電圧降下の際の単相ダイナミック直列電圧補償器の出力電圧のオシログラム５０２を示す。図６Ａに３相ＡＣ電源１０５の一般的電圧降下のオシログラム６０１を示し、図６Ｂに図６Ａに示す電圧降下の際の３相ダイナミック直列電圧補償器（図４）の出力電圧のオシログラム６０２を示す。入力電圧５０１と６０２に現れる電圧降下が補償され、これで、出力電圧５０２と６０２に下落がなくなる。

本発明の実施形態の利点はマニホルドにある。１つの利点は、電流分担モードまたはＡＣ電源１０５の電圧に下落が無い場合、負荷電流が電流分担スタティックスイッチ１０１と直列注入インバータ１０２とによって分担されるということである。導通モードでは電圧降下が非常に小さい（１Ｖ未満）電流分担スタティックスイッチ１０１を負荷電流の大半が流れるので、ダイナミック直列電圧補償器１００の入力と出力間に明らかな電圧降下はない。

本発明の実施形態の別の利点は、電流分担モードまたはＡＣ電源１０５の電圧に下落が無い場合、負荷電流のほんの少しの部分しかインバータ１０２を流れず、このため、インバータ１０２とフィルタ（図２に示すキャパシタ２０７とインダクタ２０８）のサイズが小さく保たれるということである。

本発明の実施形態のさらに別の利点は、電流分担モードまたはＡＣ電源１０５の電圧に下落が無い場合、インバータ１０２のスイッチングデバイス２０１、２０２、２０３、２０４、２１０および２１１と電流分担スタティックスイッチ１０１とのスイッチング機能がトグリングスイッチと導通角制御とによって連続的に検証されるということである。

上記の記述は本発明の実施形態の一部を説明しただけであり、これに対して、本発明の範囲と精神から逸脱することなく修正および／または変更を加えることが可能であり、これらの実施形態は解説目的であり制限的なものではない。

次に本発明の実施形態を以下の図面を参照して説明する。
電流分担スタティックスイッチを持つダイナミック直列電圧補償器を単相で実現したものと、ダイナミック直列電圧補償器を応用回路中でどのように接続するかを示す略ブロック図である。 ダイナミック直列電圧補償器の詳細な略図である。 ダイナミック直列電圧補償器のシステムコントローラの詳細な略図である。 電流分担スタティックスイッチを持つダイナミック直列電圧補償器を３相で実現したものを示す略ブロック図である。 ＡＣ電源の一般的な電圧降下のオシログラムを示す図である。 図５Ａに示す電圧降下の際の単相ダイナミック直列電圧補償器の出力電圧のオシログラムを示す図である。 ３相ＡＣ電源の一般的電圧降下のオシログラムを示す図である。 図６Ａに示す電圧降下の際の３相ダイナミック直列電圧補償器の出力電圧のオシログラムを示す図である。

Claims (17)

1. 交流電力システム中での電圧降下を補償するダイナミック直列電圧補償器であり、
   エネルギをＤＣ電圧の形態で保存するエネルギー記憶部、
   前記ダイナミック直列電圧補償器の入力端子と出力端子間に接続されて、これら入力端子と出力端子を選択的に接続する電流分担スタティックスイッチと、
   前記電流分担スタティックスイッチと並列に接続されて、前記エネルギー記憶部からのＤＣ電圧をＡＣ電圧に変換する直列注入インバータと、
   前記入力端子での電圧降下を検出し、また、前記電流分担スタティックスイッチと前記直列注入インバータとを制御するシステムコントローラであり、電圧降下が検出されなければ、前記システムコントローラは、前記電流分担スタティックスイッチが電流サイクルの一部にわたって導通状態となるように制御し、かつ前記電流サイクルの他の一部にわたって非導通状態となるように制御し、前記直列注入インバータが前記電流の一部を前記出力端子に導通させるように制御し、また、前記システムコントローラは、電圧降下を検出すると、前記電流分担スタティックスイッチが非導通になるように制御し、前記直列注入インバータが前記入力端子と出力端子間に電圧信号を注入するように制御し、これで電圧降下を補償するようにする前記システムコントローラと、
   を備える、前記ダイナミック直列電圧補償器。
2. 電圧降下が検出されない場合、前記システムコントローラが前記電流分担スタティックスイッチを制御して、それを前記電流分担スタティックスイッチを流れる電流がゼロになった後の所定の期間にわたって非導通状態となるようにし、その後は前記電流分担スタティックスイッチを流れる前記電流が再度ゼロになるまで導通状態となるようにする、請求項１に記載のダイナミック直列電圧補償器。
3. 前記電流分担スタティックスイッチが、
   逆並列に接続されたサイリスタと、
   前記システムコントローラから制御信号を受信し、また、前記逆並列接続されたサイリスタに前記制御信号に応答して点火信号を提供するサイリスタ駆動回路であり、電圧降下が検出されないと、前記システムコントローラが前記サイリスタ駆動回路を制御して、前記電流分担スタティックスイッチを流れる電流がゼロとなって所定の期間が過ぎたら前記点火信号を前記サイリスタに供給する、前記サイリスタ駆動回路と、
   を備える、請求項１に記載のダイナミック直列電圧補償器。
4. 前記直列注入インバータから前記出力端子に供給される前記電流の一部は、前記所定の期間の長さよって制御される、請求項３に記載のダイナミック直列電圧補償器。
5. 前記直列注入インバータがスイッチングデバイスから成る全ブリッジを含む、請求項１に記載のダイナミック直列電圧補償器。
6. 前記電流分担スタティックスイッチが導通状態となるように制御されている間に、前記スイッチングデバイスは、前記入力端子と前記出力端子間になにも電圧信号が注入されないようにスイッチングされる、請求項５に記載のダイナミック直列電圧補償器。
7. 前記全ブリッジが、逆並列接続されたフリーホイールダイオードを持つ絶縁ゲート型バイポーラトランジスタを含む、請求項５に記載のダイナミック直列電圧補償器。
8. 前記直列注入インバータが、キャパシタとインダクタから成る低域フィルタをさらに含む、請求項５に記載のダイナミック直列電圧補償器。
9. 前記システムコントローラが、電圧降下が検出されたときの前記入力端子における電圧を示す値をストアする基準信号テーブルを含み、前記システムコントローラが前記基準信号テーブル中の前記値を用いて、前記電圧降下を検出し、また、前記直列注入インバータによって注入された前記電圧を制御する、請求項１に記載のダイナミック直列電圧補償器。
10. 前記システムコントローラは、前記入力端子に印加されている電圧と前記基準信号テーブル中にストアされている対応する値の間の差が所定の値を超えると前記電圧降下を検出する、請求項９に記載のダイナミック直列電圧補償器。
11. 前記システムコントローラが、前記基準信号テーブル中の前記対応する値が前記基準信号テーブルにストアされているピーク値の３０％を超える場合にだけ電圧降下検出を実行する、請求項１０に記載のダイナミック直列電圧補償器。
12. 前記電圧降下が検出されると、前記基準信号テーブルは凍結される、請求項９に記載のダイナミック直列電圧補償器。
13. 前記入力端子に印加されている電圧と前記基準信号テーブル中にストアされている対応する値との間の少なくとも一つの差を用いて、前記直列注入インバータに対してパルス幅変調制御信号を発生する、請求項９に記載のダイナミック直列電圧補償器。
14. 前記出力端子に印加されている電圧と前記対応する値との間の差をさらに用いて、前記パルス幅変調制御信号を発生する、請求項１３に記載のダイナミック直列電圧補償器。
15. 前記システムコントローラがさらに、前記直列注入インバータを流れる電流と前記電流分担スタティックスイッチを流れる電流とを監視して、過電流状態を検出する、請求項１に記載のダイナミック直列電圧補償器。
16. 前記システムコントローラは、前記電流分担スタティックスイッチを流れる電流と、前記直列注入インバータを流れる電流との内の少なくとも一方が前記直列注入インバータのスイッチングデバイスの能力を超えたことが検出されると、前記電流分担スイッチが電流サイクル全体にわたって導通状態となるように前記電流分担スイッチを制御する、請求項１５に記載のダイナミック直列電圧補償器。
17. 前記エネルギー記憶部がウルトラキャパシタと、フライホイールシステムと、バッテリバンクとの内の１つ以上を含む、請求項１に記載のダイナミック直列電圧補償器。

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