JP3992679B2

JP3992679B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP3992679B2
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Authority: JP
Inventors: 秀夫岡山; 俊行藤井
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-12-25
Filing date: 2003-12-25
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Description

本発明は、例えば自己消弧形半導体素子を適用した電力変換装置に係り、特に、無効電力補償や電圧調整、更には系統事故保護等の機能を備える、いわばマルチモード静止形直列補償装置とも言うことができる電力変換装置に関するものである。

需要家は受電端における力率を改善することによって電力会社との契約電力コストを低減するために、力率改善コンデンサを接続している。需要家の負荷ではその殆どがリアクトルを含む場合が多く、このリアクトルの存在は遅れ力率の要因となる。従って、進み力率となるコンデンサを組み合わせることによって力率を改善することができる。
しかしながら需要家が負荷の運転を停止した場合には、力率改善コンデンサが系統に対しては等価的に負荷となる。つまり電力会社は発電機によってこの等価進相負荷に進み無効電力を供給する必要が新たに発生する。

従来、このような問題に対して電力会社が取り得る対策としては、例えば、特許文献１の図８に開示されているような無効電力補償装置の導入がある。これは電力変換回路によって必要な無効電力を発生することができるものである。この無効電力補償装置は進み無効電力、遅れ無効電力ともに発生可能であるので、需要家が負荷を運転する場合には進み無効電力を、負荷を停止している場合には遅れ無効電力を発生して、発電機の発生すべき無効電力を抑制することができる。

また需要家によっては敏感負荷を持つところがあるが、受電している電圧の品質によっては負荷の稼働率が低下する場合がある。例えば、半導体製造ラインを持つ需要家であれば、受電している電圧が変動することによって製造ラインが停止する場合がある。特に系統事故による瞬時電圧低下が発生すると、需要家は大きな損害を被ることになる。
従来、この電圧変動を補償するために需要家が取り得る対策は、例えば、特許文献２の第１図に開示されているような無停電電源装置の導入がある。これは、定常時は系統から負荷に電力を供給するが、系統に電圧変動が生じれば、系統からスイッチによって負荷を切り離してから電力変換回路を介してバッテリーから負荷に電力を供給することができる。

更に、系統電圧が事故などによって変動した電圧を無停電電源装置のように系統から負荷を切り離すことなく補償するＤＶＲ（ＤｙｎａｍｉｃＶｏｌｔａｇｅＲｅｓｔｏｒｅｒ）装置が特許文献３の図１Ａに開示されている。これは、１次側の巻線を系統の送電線に直列に接続した変圧器の電圧を電力変換器を用いて制御することによって系統擾乱時に生じる系統電圧変動を補償するものである。

特開平１１−４１８１２号（第５頁、図８）特開平４−１１７１３５号（第３頁、第１図）米国特許５３２９２２２号（図１Ａ）

従来の無効電力補償装置は、無効電力補償機能によって発電機が発生すべき無効電力を抑制することができることから、電力会社の送電コストを低減できる。しかしながら需要家の期待する無停電電源装置としては運転できない。つまり、系統事故などによって生じる電圧降下を補償することができない。
一方、従来の無停電電源装置は、系統電圧が瞬時電圧低下した場合には高速遮断器やサイリスタスイッチなどにより負荷を事故系統から切り離した後に負荷に電圧を供給することができる。しかしながら無停電電源装置はどのような瞬時電圧変動に対しても系統電圧と等しい電圧、即ち負荷が要求する電力を全て供給する必要がある。つまり１０％の低下であっても５０％の低下であっても補償すべき電圧は１００％である。従って、電力変換回路やバッテリーとしては容量の大きなものを適用しなければならなかった。このため無停電電源装置のコストが高くなっていた。

更に、ＤＶＲは、系統電圧が変動しない限りは、系統に直列接続された変圧器は電力変換器により短絡状態に保持される。従って、系統電圧が正常な値を保持している間は、変圧器及び変圧器の２次側に接続される電力変換器は電力損失を発生しながら系統事故が発生するまで待機することになる。また電力変換器に流れる電流値は系統電流に変圧器の巻数比を乗じた値に等しく、また巻数比は１を超える値に設定されることから大きな値となる。従って、変圧器の２次側に接続される回路網において発生する損失が大きくなる。

本発明は上記のような問題点を解消するためになされたものであり、互いに異なる、例えば無効電力補償機能と無停電電源機能とを同時に備えて電力会社の要求と需要家の要求とを同時に満足することができ、しかもこれを低コスト、低損失で実現できる電力変換装置を提供することを目的としている。

この発明に係る電力変換装置は、電力系統の電力線に直列に挿入接続される第１の端子および第２の端子、エネルギー貯蔵回路からの電力を変換して上記第１の端子と第２の端子との間に電圧を出力する電力変換回路、上記第１および第２の端子の電圧を検出するそれぞれ第１および第２の電圧検出器、上記第１の端子から第２の端子に流れる電流を検出する電流検出器、上記第１および第２の電圧検出器と上記電流検出器との検出信号に基づいて上記第１または第２の端子における電圧変動の異常発生有無を検出する事故検出器、上記第１および第２の電圧検出器と上記電流検出器との検出信号から求めた電力検出値が所定の電力指令と一致するように上記電力変換回路の出力電圧を制御するための第１の電圧指令を出力する第１の制御部、上記事故検出器が上記異常発生有を検出したとき上記第１または第２の電圧検出器の検出電圧が上記異常発生前の電圧を維持するように上記電力変換回路の出力電圧を制御するための第２の電圧指令を出力する第２の制御部、および上記事故検出器が上記異常発生無を検出したときは上記第１の電圧指令を出力し、上記事故検出器が上記異常発生有を検出したときは上記第１の電圧指令と第２の電圧指令との和を出力するよう上記電力変換回路に出力する電圧指令の切換を行う電圧指令切換部を備えたものである。

この発明は以上のように構成されているので、電力系統に異常が無い定常時には、電力を一定に制御する機能を発揮し、電力系統に異常が発生した時の過渡時には、上記電力を一定に制御する機能に加えて補償対象部位の電圧変動を抑制する機能を発揮し、１台の装置で低コスト、低損失で上記両機能を実現することが出来る。

実施の形態１．
本発明の実施の形態１について図面を参照して説明する。図１、図２には本発明の実施の形態によって実現する電力変換装置としてのマルチモード静止形直列補償装置のブロック構成を示す。
まず図１の点線にて囲まれた主回路部分についてその構成を説明する。電力系統もしくは負荷に接続される第１の端子Ａ、第２の端子Ｂに対して電圧を出力する電力変換回路１が直列に接続されている。電力変換回路１にはエネルギー貯蔵回路２が接続されており、電力変換回路１はエネルギー貯蔵回路２に蓄積されているエネルギーを用いて電圧を出力する。第１の端子Ａと第２の端子Ｂとには、それぞれ第１の電圧検出器３と第２の電圧検出器４とを備える。また、第１の端子Ａと第２の端子Ｂとの間を流れる電流（瞬時値）、即ち系統電流Ｉｓを検出する電流検出器５を備える。
電力変換回路１は電圧指令切換部６の出力である第３の電圧指令Ｖ３^＊（瞬時値）に従って、第１の端子Ａと第２の端子Ｂとの間に電圧を出力する。事故検出用インダクタンス７については、後述する実施の形態６で詳細に説明する。

図１の点線にて囲まれていない制御回路部分についてその構成を説明する。指令出力部８から出力された電力指令は主として無効電力補償制御を司る第１の制御部としての定常制御部９に入力される。また、電圧検出器３、４の出力と電流検出器５の出力が定常制御部９と第２の制御部としての過渡制御部１０とに入力される。
定常制御部９は必要な無効電力を演算し、系統電流Ｉｓの位相に対して９０度進んだ、もしくは遅れた電圧を出力するための第１の電圧指令Ｖ１^＊（瞬時値）を電圧指令切換部６に入力する。一方、過渡制御部１０は第１の端子Ａまたは第２の端子Ｂにおける電圧の変動分を補償するための電圧を演算し、第２の電圧指令Ｖ２^＊（瞬時値）として電圧指令切換部６に入力する。
事故検出部１１では、系統事故の有無と系統事故発生場所（第１の端子Ａ側もしくは第２の端子Ｂ側）を特定し、その結果を出力する。なお、この事故発生個所を判定する構成については、後述する実施の形態６で具体的に説明する。

特に、第１の端子Ａ側と第２の端子Ｂ側とのどちらで電圧変動が生じたかを判定した結果に従って、過渡制御部１０は極性を誤ることなく適切に第２の電圧指令Ｖ２^＊を演算できる。電圧指令切換部６は電圧補償が必要であるという信号、つまり系統事故が発生した情報が入力されれば、電力変換回路１への電圧指令値である第３の電圧指令Ｖ３^＊として、事故発生前における第１の電圧指令Ｖ１^＊から事故発生後の第１の電圧指令Ｖ１^＊と第２の電圧指令Ｖ２^＊とを加算した値に切換える。
当然のことながら、事故が除去された場合には事故検出部１１が電圧補償の必要がないと判断することから、電圧指令切換部６は第３の電圧指令Ｖ３^＊として、事故除去前の第１の電圧指令Ｖ１^＊と第２の電圧指令Ｖ２^＊とを加算した値から事故除去後の第１の電圧指令Ｖ１^＊に切換えて、通常運転に復帰する。

なお、図１では、系統事故が発生した地点が第１の端子Ａ側であるのか第２の端子Ｂ側であるのかを判断する必要がある場合の構成であるのに対し、図２はその事故発生個所の判別の必要がない場合の構成で、他は図１の場合と同様である。
また、図１、２に示す電力変換回路１としては、エネルギー貯蔵回路２の蓄積エネルギーを用いて第１の端子Ａと第２の端子Ｂの両端に電圧を印加できる手段であればどのようなものでも適用可能である。例えば電力用半導体デバイスなどから構成され直流−交流変換を行うインバータ回路はその手段のひとつである。
更に、図１、２に示すエネルギー貯蔵回路２としては、電気エネルギーを貯蔵するバッテリー、コンデンサ、ＳＭＥＳなどがある。更に回転エネルギーを貯蔵するフライホイールなどもその手段のひとつである。
また、図１、２では単相回路で説明したが、三相回路構成にも適用できることは言うまでもない。この場合には位相検出や電流振幅検出の手段に多少の違いがあるものの、同業者においては容易に想定できる範囲であることから説明は省略する。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２によって実現するマルチモード静止形直列補償装置のブロック構成を示す。ここでは、マルチモード静止形直列補償装置は２つの交流電源Ｖｓ１（第１の電源）、Ｖｓ２（第２の電源）の間に接続され、そこに電圧を注入するよう構成されている。マルチモード静止形直列補償装置と交流電源Ｖｓ１、Ｖｓ２の間には例えば送電線や変圧器が持つインピーダンスＸが存在する。図３では一方の交流電源Ｖｓ２との間にインピーダンスＸがあるが、両側に存在しても本質は変わらない。
まず、マルチモード静止形直列補償装置がゼロ電圧を発生し運転している状態を説明する。図４（ａ）はこのときの状態を示したベクトル図である。このとき、２つの交流電源の間に流れる電流Ｉｓ（ベクトル）は、インピーダンスＸに印加される電圧とインピーダンスＸの大きさにより決定される。送電線や変圧器の主たるインピーダンスＸはリアクタンスであるので、２つの電源の電圧Ｖｓ１（ベクトル）およびＶｓ２（ベクトル）とリアクタンスＸより、Ｉｓ＝（Ｖｓ１−Ｖｓ２）／ｊＸなる電流が系統に流れる。

図４（ａ）の状態からマルチモード静止形直列補償装置が電流Ｉｓに対して電気角で９０度遅れた電圧を印加したときのベクトル図を図４（ｂ）に示す。マルチモード静止形直列補償装置の第１の端子Ａ側はインピーダンスＸが存在していないので電圧Ｖｓ１と同じ電圧であるが、第２の端子Ｂはマルチモード静止形直列補償装置が注入した電圧だけ差が生じる。そのためインピーダンスＸには第２の端子Ｂの電圧とＶｓ２との差電圧が印加される。その結果、図４（ａ）に比べて大きな電圧がインピーダンスＸに印加されて、２つの電源に流れる電流の大きさが大きくなる。逆に、マルチモード静止形直列補償装置が電流に対して進んだ電圧を注入すると、インピーダンスＸに印加される電圧が小さくなって、その結果電流の大きさも小さくなる。この動作により２つの電源に流れる電流が変化して潮流が調節される。

図３の定常制御部９は、この動作を実現する制御装置の構成の一例を示した構成図である。電圧検出器４で検出した第２の端子Ｂの電圧ＶＢ（瞬時値）を位相同期ループ１２に入力する。位相同期ループ１２は電圧ＶＢに同期した位相θＢを検出して、その正弦と余弦を出力する。位相同期ループ１２の構成と動作は例えば電気工学ハンドブック（第６版）第９編、第９章、４３２〜４３４頁、２００１年２月２０日電気学会発行に詳細に開示されているのでここでは省略する。電圧ＶＢに対する同期位相のオフセットは任意に選択することができるが、ここでは位相θＢの余弦波の零点と電圧ＶＢの零点が同期したオフセットである。

次に、θＢの正弦と余弦をマルチモード静止形直列補償装置の第１の端子Ａから第２の端子Ｂに流れる電流検出器５の検出値に乗算した後、低域通過フィルタ１３により、電流Ｉｓの正弦成分Ｉｑと余弦成分Ｉｄとを演算する。そして、電流Ｉｓの正弦成分Ｉｑと余弦成分Ｉｄとから位相θＢに対する電流の位相差φを演算する。更に、位相差φの正弦と余弦および位相θＢの正弦と余弦からθＢ＋φの正弦を演算する。
即ち、ｓｉｎ（θＢ＋φ）＝ｓｉｎ（θＢ）・ｃｏｓ（φ）＋ｃｏｓ（θＢ）・ｓｉｎ（φ）を乗算器及び加算器で演算する。この演算により、電流Ｉｓに対して９０度遅れた基準信号ｓｉｎ（θＢ＋φ）が得られる。検出した電圧ＶＢと電流Ｉｓとを乗算器で乗算して低域通過フィルタ１４により第２の端子Ｂへ流れる有効電力ＰＢを検出する。
そして、指令出力部８の出力に相当する有効電力指令ＰＢ^＊との偏差をとり補償器１５でその偏差を増幅する。増幅した信号と電流に対して９０度遅れた基準信号ｓｉｎ（θＢ＋φ）とを乗算器で乗算して第１の電圧指令Ｖ１^＊を発生する。第２の端子Ｂの有効電力ＰＢが有効電力指令ＰＢ^＊よりも小さい場合、偏差が正となり電流Ｉｓに対して９０度遅れた第１の電圧指令Ｖ１^＊を発生し、その電圧指令に応じて電力変換回路１が動作し、第１の端子Ａと第２の端子Ｂとの間に電圧を注入する。
これにより、図４（ｂ）のベクトル図で示したように電流Ｉｓが増加して有効電力が増加し、偏差が減少する。逆に、偏差が負の場合には電流Ｉｓに対して９０度進んだ電圧を注入するよう第１の電圧指令Ｖ１^＊が発生し、その注入電圧により電流が減少して電力偏差が減少するように動作する。

次に、過渡制御部１０を説明する。検出した電圧ＶＢから位相同期ループ１６により検出した、電圧に同期した位相から、その正弦と余弦を演算するのは定常制御部９と同様であるが、事故検出部１１が端子Ｂの電圧低下を検出し、系統事故発生を示す信号Ｆａｕｌｔを出力すると、位相同期ループ１６を自励発振させて事故前の電圧に同期した位相を発生し続ける。その位相の正弦と余弦を乗算器で電圧ＶＢとそれぞれ乗算し、ホールド付き低域通過フィルタ１７に入力する。ホールド付き低域通過フィルタ１７は事故前には電圧ＶＢの正弦及び余弦成分を演算しているが、系統事故発生を示す信号Ｆａｕｌｔによりその出力をホールドする。

低域通過フィルタ１７はその特性上、電圧ＶＢが事故で低下してもその出力はすぐには変化せず、ホールドされたときには事故前の電圧成分を維持するように動作する。例えば、低域通過フィルタ１７が交流電圧の１周期以上の時定数を持つ場合に、事故検出部１１が１／４周期程度で検出すれば、低域通過フィルタ１７の出力はほぼ変化しない。ホールドされた正弦及び余弦成分は、自励発振した位相の正弦及び余弦と乗算して加算する。加算器の出力は、事故前の交流電圧とほぼ同じ振幅、位相の交流信号を発生する。そして、その加算器の出力から電圧ＶＢを減算器で減算し、電圧偏差を演算する。第１の端子Ａを電圧の正側としており、電圧偏差の逆極性が第２の電圧指令Ｖ２^＊として電圧指令切換部６へ送られ、電力変換回路１が第１の端子Ａと第２の端子Ｂとの間に電圧を注入する。この動作により第１の端子Ａ側で交流系統事故が発生してもマルチモード静止形直列補償装置が第２の端子Ｂに対して事故前との差電圧を補償して第２の端子Ｂの電圧を維持し第１の端子Ａの交流系統事故の影響を第２の端子Ｂに接続された交流系統へ与えないようにしながら高品質な電圧を維持することができる。
なお、ここで電圧検出部１１に適用可能な電圧低下検出方法については例えば特許第２５８１７３５号に詳しく開示されているのでここでは説明を省略する。

次に、電圧指令切換部６について説明する。系統の電圧が通常の電圧値を維持している場合には、事故検出部１１の出力Ｆａｕｌｔが事故ではないことを示し、電圧指令切換部６にある切換スイッチ１８が第１の電圧指令Ｖ１^＊を第３の電圧指令Ｖ３^＊として電力変換回路１へ送る。事故検出部１１の出力が事故を示す信号を発生すると、切換スイッチ１８がもう一方の入力に切り換わり、Ｖ１^＊＋Ｖ２^＊の信号を第３の電圧指令Ｖ３^＊として電力変換回路１へ送る。このようにして通常運転時は電力潮流制御が動作し、事故時には同時に変動（主として低下）電圧を補償するように動作する。
図４（ｃ）に第１の端子Ａの電圧が低下したときのベクトル図を示す。電力制御は系統事故時には変動しない応答で動作しており第１の電圧指令Ｖ１^＊は事故前とほぼ同じベクトルであり、電圧低下分の第２の電圧指令Ｖ２^＊が加算されて第１及び第２の端子ＡとＢの間に電圧が注入され、第２の端子Ｂの電圧が事故前と同じベクトルに維持される。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３によって実現するマルチモード静止形直列補償装置のブロック構成を示す。マルチモード静止形直列補償装置の第１の端子Ａには交流電源Ｖｓ１、第２の端子Ｂには負荷２５が接続され、交流電源Ｖｓ１からマルチモード静止形直列補償装置を経由して負荷２５へ電力を供給するよう構成されている。
まず、マルチモード静止形直列補償装置がゼロ電圧を発生し運転している状態を説明する。図６（ａ）はこのときの状態を示すベクトル図である。マルチモード静止形直列補償装置はゼロ電圧であり、第１の端子Ａと第２の端子Ｂの電圧ＶＡ、ＶＢは同じベクトルとなり、電流Ｉｓは負荷２５の力率に応じて電圧と位相差を持つ。図６（ａ）の状態からマルチモード静止形直列補償装置が第２の端子Ｂを基準に電流Ｉｓに対して９０度遅れた電圧を印加したときのベクトル図を図６（ｂ）に示す。第２の端子Ｂの電圧と電流の位相関係は図６（ａ）の場合と同じであり、マルチモード静止形直列補償装置が第１の端子Ａに対して電圧を印加することにより第１の端子Ａの電圧が補償され、第１の端子Ａの電圧と電流との位相差が減少し電源に対する負荷力率が改善される。マルチモード静止形直列補償装置の補償電圧は電圧ＶＡとＶＢとの差電圧となる。

負荷力率が電圧に対して進みの場合は、マルチモード静止形直列補償装置が電流Ｉｓに対して進みの電圧を印加すると、遅れ力率の場合と同様に電源側の力率が改善される。この状態のベクトル図を図６（ｃ）に示す。図６（ｂ）と同様に電圧ＶＡとＶＢとの差電圧がマルチモード静止形直列補償装置の補償電圧に相当する。

図５の定常制御部９はこの動作を実現する制御装置の構成の一例を示す構成図である。電圧検出器３で検出した第１の端子Ａの電圧ＶＡを位相同期ループ１２に入力する。位相同期ループ１２は電圧ＶＡに同期した位相θＡを検出して、その正弦と余弦を出力する。電圧ＶＡに対する同期位相のオフセットは、位相θＡの余弦波の零点と電圧ＶＡの零点が同期するように選択する。
次に、位相θＡの正弦と余弦をマルチモード静止形直列補償装置の第１の端子Ａから第２の端子Ｂに流れる電流を電流検出器５で検出した検出値に乗算した後、低域通過フィルタ１３により、電流Ｉｓの正弦成分と余弦成分とを演算する。そして、電流Ｉｓの正弦成分と余弦成分から位相θＡに対する電流の位相差φを演算する。位相差φの正弦と余弦および位相θＡの正弦と余弦からθＡ−φの正弦ｓｉｎ（θＡ−φ）＝ｓｉｎ（θＡ）ｃｏｓ（φ）−ｃｏｓ（θＡ）ｓｉｎ（φ）を乗算器および減算器で演算する。
この演算により電流に対して９０度遅れた基準信号ｓｉｎ（θＡ−φ）が得られる。検出した電圧ＶＡと電流Ｉｓとを乗算器で乗算して低域通過フィルタ１４を構成し第１の端子Ａに流れる有効電力ＰＡを検出する。次に位相差φの正接を乗算器で乗算し第１の端子Ａの無効電力ＱＡを演算する。そして、無効電力指令ＱＡ^＊と減算器で偏差をとり補償器１５でその偏差を増幅する。増幅した信号と電流に対して９０度遅れた基準信号ｓｉｎ（θＡ−φ）とを乗算器で乗算して第１の電圧指令Ｖ１^＊を発生する。

電源力率を改善する場合には、例えば無効電力指令ＱＡ^＊を０に設定する。図６（ｂ）のベクトル図に示すように、第１の端子Ａの無効電力が遅れの場合、補償器１５が正の補償量を発生してマルチモード静止形直列補償装置が電流に対して遅れの補償電圧を印加する。逆に図６（ｃ）のベクトル図が示すように、第１の端子Ａの無効電力が進みの場合、補償器１５が負の補償量を発生してマルチモード静止形直列補償装置が電流に対して進みの補償電圧を印加する。
以上のように定常制御部９が動作して交流電源Ｖｓ１の力率を改善することができる。

過渡制御部１０及び電圧指令切換部６は、先の実施の形態２のそれらと同様であるので説明を省略する。図６（ｄ）は電源電圧が低下したときの状態を示すベクトル図である。低下した電圧を過渡制御部１０の第２の電圧指令Ｖ２^＊が補償し、電圧低下前に補償していた電圧を定常制御部９の第１の電圧指令Ｖ１^＊が補償し、第２の端子Ｂの電圧を事故前の電圧に維持するように動作して、負荷には高品質の電圧を供給することができる。

実施の形態４．
図７は、本発明の実施の形態４によって実現するマルチモード静止形直列補償装置のブロック構成を示す。マルチモード静止形直列補償装置は２つの交流電源Ｖｓ１、Ｖｓ２の間に接続され、そこに電圧を注入するよう構成されている。マルチモード静止形直列補償装置と電源の間には例えば送電線や変圧器が持つインピーダンスＸが存在する。図７では一方の電源との間にインピーダンスＸがあるが、両側に存在しても本質は変わらない。
マルチモード静止形直列補償装置の定常制御部９の構成と定常制御部９が電流Ｉｓに対して電気角で９０度遅れまたは進みの電圧を印加して潮流を制御する動作は先の実施の形態２と同様であるので説明を省略する。

次に過渡制御部１０を説明する。検出した電圧ＶＢから電圧偏差を演算する部分の構成と動作は実施の形態２と同様であり、さらに検出した電圧ＶＢから電圧低下を検出して系統事故発生を示す信号（図７のＦａｕｌｔ信号）から電圧指令を切換える動作も実施の形態２と同様であるので説明を省略する。
図７では電流Ｉｓの検出値と電圧ＶＢの検出値とから事故検出部１１がマルチモード静止形直列補償装置の第１の端子Ａで事故が発生したのか、または第２の端子Ｂで事故が発生したのかを示す事故点信号（図７のＡ／Ｂ信号）を発生する。
第１の端子Ａで事故が発生した場合は、事故点信号が”１”、第２の端子Ｂで事故が発生した場合は、事故点信号が“−１”となる。そして、電圧偏差を−１倍して電圧偏差の逆極性の信号を演算した後、極性反転回路２６により事故点信号を乗算して第２の電圧指令Ｖ２^＊が演算される。従って、第１の端子Ａでの事故に対する動作は図８（ａ）のベクトル図で示すように、実施の形態２と同様である。

第２の端子Ｂでの事故では電圧偏差と同じ極性の電圧が印加されるが、このときの動作を図８（ｂ）のベクトル図で説明する。第２の端子Ｂ側の電圧低下により電圧偏差が発生し、第２の電圧指令ベクトルＶ２^＊が印加されるとともに定常制御部９の第１の電圧指令ベクトルＶ１^＊が印加される。これにより第１の端子Ａ側の電圧が事故前と同じベクトルに維持される。そして、第２の端子Ｂは、この結果電圧偏差分だけ低下して、インピーダンスＸに印加される電圧が維持されて電流Ｉｓも事故前の大きさを保つように動作する。第１の端子Ａの事故に対しても電流が事故前の大きさを保つように動作するので、マルチモード静止形直列補償装置は系統事故が発生した場合に過電流抑制装置として機能させることができる。

実施の形態５．
図９は、本発明の実施の形態５によって実現するマルチモード静止形直列補償装置のブロック構成を示す。
マルチモード静止形直列補償装置の定常制御部９の基本構成と定常制御部９が電流Ｉｓに対して電気角で９０度遅れまたは進みの電圧を印加して潮流を制御する動作および過渡制御部１０の構成とその動作は先の実施の形態４と同様であるので説明を省略する。

次に、定常制御部９内に新たに追加された電流制限制御回路１９を説明する。電流制限制御回路１９では、第１の端子Ａから第２の端子Ｂへ流れる電流の検出値を絶対値回路２０に入力し、電流検出値の絶対値を演算する。そして、減算器で電流検出値の絶対値から制限電流指令値Ｉｍａｘを減算し、ヒステリシス回路２１に入力する。ヒステリシス回路２１では、その入力が正の所定値以上になると”１”を出力し、入力が負の所定値以下になると”０”を出力する。
従って、検出した電流が制限電流指令Ｉｍａｘを超えてヒステリシス回路２１の制限電流指令Ｉｍａｘから正の所定値分増加するとヒステリシス回路２１の出力が”１”となる。また、電流の検出値は極性検出回路２２に入力され、電流の検出値が正のときは”１”を、負のときは”−１”を、そして０のときは”０”を出力する。極性検出回路２２の出力は正のゲイン回路２３で増幅されてヒステリシス回路２１の出力と乗算器で乗算される。

そして、定常制御部９の基本構成が作成した第１の電圧指令Ｖ１^＊から減算器で減算され、新たな定常制御部９の電圧指令Ｖ１１^＊が電圧指令切換部６に入力される。例えば、電流が正方向に増加して大きくなると、ヒステリシス回路２１の出力が”０”から”１”へ変化し、極性検出回路２２が”１”を出力して電圧指令Ｖ１１^＊が減少する。これにより、第１の端子Ａの電圧が減少して、交流系統のインピーダンスＸに印加される電圧を減少させて電流を減少するように動作する。逆に、電流が負の方向に増加した場合は、ヒステリシス回路２１が”０”から”１”へ変化し、極性検出回路２２が”−１”を出力して第１の端子Ａの電圧を増加させる。
以上のように、マルチモード静止形直列補償装置が動作して系統に流れる電流を制限することができる。

なお、図９において、過電流を補正する電圧を求めるために極性検出回路２２の出力に対して正のゲイン回路２３で増幅する手段を示したが、図１０に示すように制限電流指令Ｉｍａｘからの乖離幅を求めて過電流の度合いに応じてゲイン回路２４で増幅する手段も適用できる。

実施の形態６．
先の各実施の形態に用いた事故検出部１１の具体例につき、実施の形態６として図１１を用いて説明する。図１１（ａ、ｂ）は第１の端子Ａの電圧が正極である場合を、また図１１（ｃ、ｄ）は第１の端子Ａの電圧が負極である場合を示している。
第１の端子Ａと第２の端子Ｂとの間に電力変換回路１と電流変化率検出器として事故検出用インダクタンス７を挿入する。先ず、図１１（ａ）において、第１の端子Ａ側で系統事故が発生した場合には、負荷電流の変化分ΔＩｓに相当する事故電流は図示する方向に増加することから、事故検出用インダクタンス７には、図示する極性に電圧が誘起される。ここでは事故電流は通常の系統電流が持つ電流変化率よりも大きいことから誘起電圧は通常よりも大きな値を示すことを前提とする。この電圧の大きさを事故が発生しない場合の誘起電圧と比較して、大きな値が発生すれば系統事故が発生したと判定できる。

一方、図１１（ｂ）において、第２の端子Ｂ側で系統事故が発生した場合には、事故電流ΔＩｓは図示する方向に増加することから、事故検出用インダクタンス７には、図示する極性に電圧が誘起される。この極性は第１の端子Ａ側で系統事故が発生した場合とは異なることから、事故検出用インダクタンス７がある基準電圧より大きい場合に、事故が発生したと判断した後の事故検出用インダクタンス７の誘起電圧の極性情報に基づけば、系統事故の発生した場所が第１の端子Ａ側であるのか、第２の端子Ｂ側であるのかを判定できる。

一方、図１１（ｃ）において、第１の端子Ａ側で系統事故が発生した場合には、事故電流は図示する方向に増加することから、事故検出用インダクタンス７には図示する極性に電圧が誘起される。
一方、図１１（ｄ）において、第２の端子Ｂ側で系統事故が発生した場合には、事故電流は図示する方向に増加することから、事故検出用インダクタンス７には図示する極性に電圧が誘起される。この極性は第１の端子Ａ側で系統事故が発生した場合とは異なることから、事故検出用インダクタンス７がある基準電圧より大きい場合に、事故が発生したと判断した後の事故検出用インダクタンス７の誘起電圧の極性情報に基づけば、系統事故の発生した場所が第１の端子Ａ側であるのか、第２の端子Ｂ側であるのかを判定できる。
但し、図１１（ａ、ｂ）と図１１（ｃ、ｄ）とを比較して判るように、それら２つの場合では事故検出用インダクタンス７の誘起電圧の極性と事故発生側端子との関係が逆になる。従って、以上のことから、事故検出部１１は、第１の端子Ａの電圧極性と事故検出用インダクタンス７の誘起電圧の大きさとその極性の３つの情報を得ることができれば事故の発生がいずれであるかの判定ができることになる。

なお、第１の端子Ａの電圧極性の代わりに第２の端子Ｂの電圧極性を事故検出部１１に入力してもよい。また、事故検出用インダクタンス７の誘起電圧を第１の端子Ａの電圧と第２の端子Ｂの電圧、つまり電圧検出器３、４と電力変換回路１の出力電圧から演算して間接的に得ることも可能である。
更に、系統事故が発生したか否かの判定は実施の形態２において説明した方法を用いてもよく、事故発生の判定の直後（あるいは同時）に事故検出用インダクタンス７の誘起電圧の極性情報を得ても、事故発生場所が第１の端子Ａ側であるのか第２の端子Ｂ側であるのかを判定することができることは明らかである。
なお、上記では、電流変化率検出器として事故検出用インダクタンスの誘起電圧出力を利用するものについて説明したが、この事故検出用インダクタンスに替わり、電流検出器を挿入し、その出力を微分する微分回路の出力を利用するようにしてもよい。

実施の形態７．
実施の形態５において、第１の端子Ａ、第２の端子Ｂに接続される対象を交流電源として説明したが、電圧異常が第１の端子Ａで発生したものか、第２の端子Ｂで発生したものかを判断することができることから、第２の端子Ｂに接続される対象を実施の形態３で説明したように負荷であっても良い。例えば負荷短絡が生じた場合や、変圧器の投入時には通常過電流や突入電流が流れる。これらの電流値を実施の形態５に示した手段によってある値以下に制限することが可能である。

更に、各実施の形態例において、上記第１の制御部は、上記第１または第２の電圧検出器の出力と上記電流検出器の出力とを乗算して有効電力検出値を求める有効電力検出回路、および上記有効電力検出値と有効電力指令との偏差を入力しこの偏差が零となるよう無効電力を発生するための上記第１の電圧指令を出力する有効電力制御回路を備えたので、電力系統に異常が無い定常時には、有効電力を一定に制御する機能を発揮し、電力系統に異常が発生した時の過渡時には、上記有効電力を一定に制御する機能に加えて補償対象部位の電圧変動を抑制する機能を発揮し、１台の装置で低コスト、低損失で上記両機能を実現することが出来る。

また、上記第１の制御部は、上記第１または第２の電圧検出器の出力と上記電流検出器の出力とを乗算して無効電力検出値を求める無効電力検出回路、および上記無効電力検出値と目標力率から設定される無効電力指令との偏差を入力しこの偏差が零となるよう無効電力を発生するための上記第１の電圧指令を出力する力率制御回路を備えたので、電力系統に異常が無い定常時には、力率を一定に制御する機能を発揮し、電力系統に異常が発生した時の過渡時には、上記力率を一定に制御する機能に加えて補償対象部位の電圧変動を抑制する機能を発揮し、１台の装置で低コスト、低損失で上記両機能を実現することが出来る。

また、上記事故検出部は、上記電圧変動の異常発生有無の情報と、上記異常発生が上記第１の端子側であるか第２の端子側であるかを区別する情報とを含む事故点信号を出力するものとし、上記第２の制御部は、上記事故検出部が上記事故点信号を出力したとき、上記第１または第２の端子のいずれか上記異常発生を検出していない側の端子の電圧検出器の検出電圧が上記異常発生前の電圧を維持するよう上記事故点信号に応じて出力する上記第２の電圧指令の極性を反転させる電圧指令極性反転回路を備えたので、電力系統に異常が発生した場合の電圧変動抑制機能がより確実になされる。

また、上記第１の端子と第２の端子との間に上記電力変換回路の出力側と直列に電流変化率検出器を挿入し、上記事故検出部は、上記第１または第２の電圧検出器の検出電圧の極性と上記電流変化率検出器の出力の大きさおよび極性とから上記事故点信号を出力するので、事故発生位置が確実に判定される。

また、上記第１の制御部は、上記電流検出値の絶対値が所定値を越えたとき当該絶対値を低減するよう上記電流検出値の極性に応じて上記第１の電圧指令に電圧制限分を加減算する電流制限制御回路を備えたので、事故発生時の過電流が確実に抑制される。

また、上記電力変換装置が、第１の電源と第２の電源とを連系するものである場合、上記第１の端子は上記第１の電源に接続され、上記第２の端子は上記第２の電源に接続されているので、通常運転時は、２つの電源間の電力潮流の制御が出来、系統擾乱時は更に変動電圧を補償することが出来る。

また、上記電力変換装置が、電源とこの電源から電力が供給される負荷とを接続するものである場合、上記第１の端子は上記電源に接続され、上記第２の端子は上記負荷に接続されているので、通常運転時、系統擾乱時の負荷の電圧品質が向上する。

この発明の実施の形態１におけるマルチモード静止形直列補償装置の概略構成を示す図である。この発明の実施の形態１における図１とは異なるマルチモード静止形直列補償装置の概略構成を示す図である。この発明の実施の形態２におけるマルチモード静止形直列補償装置の構成を示す図である。図３の動作を説明するための電圧、電流ベクトルを示す図である。この発明の実施の形態３におけるマルチモード静止形直列補償装置の構成を示す図である。図５の動作を説明するための電圧、電流ベクトルを示す図である。この発明の実施の形態４におけるマルチモード静止形直列補償装置の構成を示す図である。図７の動作を説明するための電圧、電流ベクトルを示す図である。この発明の実施の形態５におけるマルチモード静止形直列補償装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態５における図９とは異なるマルチモード静止形直列補償装置の構成を示す図である。事故検出部の動作原理を示す図である。

符号の説明

１電力変換回路、２エネルギー貯蔵回路、３，４電圧検出器、５電流検出器、６電圧指令切換部、７事故検出用インダクタンス、８指令出力部、
９定常制御部、１０過渡制御部、１１事故検出部、１２，１６位相同期ループ、１３，１４，１７低域通過フィルタ、１５補償器、１８切換スイッチ、
１９電流制限制御回路、２０絶対値回路、２１ヒステリシス回路、
２２極性検出回路、２３，２４ゲイン回路、２５負荷、２６極性反転回路、
Ａ第１の端子、Ｂ第２の端子、Ｖ１^＊第１の電圧指令、Ｖ２^＊第２の電圧指令、
Ｖ３^＊第３の電圧指令。

Claims

電力系統の電力線に直列に挿入接続される第１の端子および第２の端子、エネルギー貯蔵回路からの電力を変換して上記第１の端子と第２の端子との間に電圧を出力する電力変換回路、上記第１および第２の端子の電圧を検出するそれぞれ第１および第２の電圧検出器、上記第１の端子から第２の端子に流れる電流を検出する電流検出器、上記第１および第２の電圧検出器と上記電流検出器との検出信号に基づいて上記第１または第２の端子における電圧変動の異常発生有無を検出する事故検出部、上記第１および第２の電圧検出器と上記電流検出器との検出信号から求めた電力検出値が所定の電力指令と一致するように上記電力変換回路の出力電圧を制御するための第１の電圧指令を出力する第１の制御部、上記事故検出部が上記異常発生有を検出したとき上記第１または第２の電圧検出器の検出電圧が上記異常発生前の電圧を維持するように上記電力変換回路の出力電圧を制御するための第２の電圧指令を出力する第２の制御部、および上記事故検出部が上記異常発生無を検出したときは上記第１の電圧指令を出力し、上記事故検出部が上記異常発生有を検出したときは上記第１の電圧指令と第２の電圧指令との和を出力するよう上記電力変換回路に出力する電圧指令の切換を行う電圧指令切換部を備えた電力変換装置。
上記第１の制御部は、上記第１または第２の電圧検出器の出力と上記電流検出器の出力とを乗算して有効電力検出値を求める有効電力検出回路、および上記有効電力検出値と有効電力指令との偏差を入力しこの偏差が零となるよう無効電力を発生するための上記第１の電圧指令を出力する有効電力制御回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記第１の制御部は、上記第１または第２の電圧検出器の出力と上記電流検出器の出力とを乗算して無効電力検出値を求める無効電力検出回路、および上記無効電力検出値と目標力率から設定される無効電力指令との偏差を入力しこの偏差が零となるよう無効電力を発生するための上記第１の電圧指令を出力する力率制御回路を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
上記事故検出部は、上記電圧変動の異常発生有無の情報と、上記異常発生が上記第１の端子側であるか第２の端子側であるかを区別する情報とを含む事故点信号を出力するものとし、上記第２の制御部は、上記事故検出部が上記事故点信号を出力したとき、上記第１または第２の端子のいずれか上記異常発生を検出していない側の端子の電圧検出器の検出電圧が上記異常発生前の電圧を維持するよう上記事故点信号に応じて出力する上記第２の電圧指令の極性を反転させる電圧指令極性反転回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
上記第１の端子と第２の端子との間に上記電力変換回路の出力側と直列に電流変化率検出器を挿入し、上記事故検出部は、上記第１または第２の電圧検出器の検出電圧の極性と上記電流変化率検出器の出力の大きさおよび極性とから上記事故点信号を出力することを特徴とする請求項４記載の電力変換装置。
上記第１の制御部は、上記電流検出値の絶対値が所定値を越えたとき当該絶対値を低減するよう上記電流検出値の極性に応じて上記第１の電圧指令に電圧制限分を加減算する電流制限制御回路を備えたことを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の電力変換装置。
上記電力変換装置が、第１の電源と第２の電源とを連系するものである場合、上記第１の端子は上記第１の電源に接続され、上記第２の端子は上記第２の電源に接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電力変換装置。
上記電力変換装置が、電源とこの電源から電力が供給される負荷とを接続するものである場合、上記第１の端子は上記電源に接続され、上記第２の端子は上記負荷に接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の電力変換装置。