JP5573919B2 - マトリクスコンバータ - Google Patents

Description

開示の実施形態は、マトリクスコンバータに関する。

マトリクスコンバータは、高調波電流の抑制や回生電力の有効利用が可能であることから、新しい電力変換装置として注目されている。かかるマトリクスコンバータには、交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備え、これらの双方向スイッチを制御して電力変換を行うものがある。

この種のマトリクスコンバータにおいて、交流電源が何らかの理由により低電圧となった場合に、電力変換動作を停止する技術が知られている。例えば、双方向スイッチによって交流電源の各相電圧を制御して発動機を駆動している状態で、交流電源が低電圧となった場合に、発動機への電力供給を停止させる技術がある（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−２８７２００号公報

しかしながら、回転電機を負荷とするマトリクスコンバータにおいては、交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を停止させずに継続させることが望ましい。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を継続することができるマトリクスコンバータを提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係るマトリクスコンバータは、交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチと、前記複数の双方向スイッチを制御して前記交流電源と前記回転電機との間の電力変換制御を行う制御部とを備える。前記制御部は、第１の駆動制御部と、第２の駆動制御部と、切替部とを有する。前記第１の駆動制御部は、前記複数の双方向スイッチをそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子を共にオンにして前記電力変換制御を行う。前記第２の駆動制御部は、前記複数の双方向スイッチをそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子の一部をオンにして前記電力変換制御を行う。前記切替部は、前記交流電源が低電圧になった場合に、前記第１の駆動制御部による前記電力変換制御から前記第２の駆動制御部による前記電力変換制御へ切り替える。

実施形態の一態様によれば、交流電源が低電圧になった場合でも、電力変換動作を継続することができるマトリクスコンバータを提供することができるという効果を奏する。

図１は、実施形態に係るマトリクスコンバータの構成例を示す図である。 図２は、図１に示す双方向スイッチの構成例を示す図である。 図３は、図１に示す第２の駆動制御部の具体的構成の一例を示す図である。 図４は、系統無効電流指令と系統電圧値との関係の一例を示す図である。 図５は、電流形インバータモデルを示す図である。 図６は、系統位相とコンバータのスイッチ駆動信号との関係を示す図である。 図７は、発電機位相とインバータのスイッチ駆動信号との関係を示す図である。 図８は、図１に示す電力変換部の構成例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本願の開示するマトリクスコンバータの実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係るマトリクスコンバータの構成例を示す図である。以下の実施形態では、交流発電機（ＡＣＧ）である回転電機の発電電力を変換して交流電源へ供給するマトリクスコンバータを例に挙げて説明するが、回転電機は交流発電機に限らず、例えば、交流電動機としてもよい。また、交流電源として電力系統（Ｇｒｉｄ）を例に挙げて説明するが、交流電源はこれに限られない。

図１に示すように、実施形態に係るマトリクスコンバータ１は、３相交流の電力系統２と回転電機３との間に設けられ、電力系統２と回転電機３との間の電力変換を行う。なお、以下においては、回転電機３の一例として、同期発電機を用いた場合の例を説明する。

回転電機３の回転軸には、回転電機３の回転位置を検出する位置検出器４が設けられており、かかる位置検出器４によって検出された回転電機３の回転位置θ_Ｇはマトリクスコンバータ１へ入力される。

マトリクスコンバータ１は、電力変換部１０と、ＬＣフィルタ１１と、電流検出部１２と、電圧検出部１３と、停電検出部１４と、制御部１５とを備える。また、マトリクスコンバータ１は、系統側端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔおよび発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗを備え、系統側端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔに電力系統２が接続され、発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗに回転電機３が接続される。

電力変換部１０は、電力系統２のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と回転電機３のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を備える。双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ３は、電力系統２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機３のＵ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。双方向スイッチＳｗ４〜Ｓｗ６は、電力系統２のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機３のＶ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。双方向スイッチＳｗ７〜Ｓｗ９は、電力系統２のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機３のＷ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。

双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、例えば、図２に示すような構成を有する。図２は、各双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の構成例を示す図である。図２に示すように、各双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、片方向スイッチング素子３１とダイオード３３とによる直列接続体と、片方向スイッチング素子３２とダイオード３４とによる直列接続体とが、逆方向に並列に接続されて構成される。

片方向スイッチング素子３１、３２は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの半導体素子が用いられる。双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２を個別にオン／オフすることで、通電方向を制御することができる。

なお、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、図２に示す構成に限られない。例えば、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、片方向スイッチング素子３１、３２をそれぞれ逆阻止型のスイッチング素子とし、これらのスイッチング素子を互いに逆方向に並列接続した構成でもよく、また、後述する図８に示す構成であってもよい。

ＬＣフィルタ１１は、電力系統２のＲ相、Ｓ相およびＴ相と電力変換部１０との間に設けられ、電力変換部１０から電力系統２へのノイズの影響を抑制する。具体的には、ＬＣフィルタ１１は、３つのリアクトルと３つのコンデンサによって構成され、電力変換部１０を構成する双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のスイッチングに起因するスイッチングノイズを除去する。これにより、電力変換部１０によって発生するスイッチングノイズの電力系統２への出力を抑制することができる。

なお、３つのリアクトルの一端は、電力系統２のＲ相、Ｓ相およびＴ相側と電力変換部１０との間の電力系統２側に接続され、３つのリアクトルの他端は、電力変換部１０側に接続される。また、３つコンデンサは、異なる２つのリアクトルの他端間に接続される。

電流検出部１２は、電力系統２とＬＣフィルタ１１との間に設けられ、電力系統２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相とＬＣフィルタ１１との間に流れる電流の電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ（以下、「系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ」と記載する）を検出する。なお、電流検出部１２は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。

電圧検出部１３は、電力系統２と電力変換部１０との間に設けられ、電力系統２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ（以下、「系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ」と記載する）を検出する。

停電検出部１４は、系統電圧の電圧値Ｖａ（以下、系統電圧値Ｖａと記載する）が電圧値Ｖ１以下であるか否かを検出する。停電検出部１４は、系統電圧値Ｖａが電圧値Ｖ１以下である場合には、電力系統２が停電したと判定してＨｉｇｈレベルの停電検出信号Ｓｄを出力する。一方、停電検出部１４は、系統電圧値Ｖａが電圧値Ｖ１を超える場合には、電力系統２が停電していないと判定してＬｏｗレベルの停電検出信号Ｓｄを出力する。

停電検出部１４は、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換して、α軸方向の系統電圧値Ｖ_αとβ軸方向の系統電圧値Ｖ_βとを求める。そして、停電検出部１４は、系統電圧値Ｖ_α、Ｖ_βの自乗和平方根（＝√（Ｖ_α ^２＋Ｖ_β ^２））を演算し、演算結果を系統電圧値Ｖａとする。

制御部１５は、第１の駆動制御部２０と、第２の駆動制御部２１と、切替部２２とを備える。第１の駆動制御部２０は、トルク指令に基づいて電圧指令を生成し、公知のマトリクスコンバータのＰＷＭ制御方法によって電圧指令に応じた電圧を回転電機３に出力するためのスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を生成して電力変換部１０へ出力する。

なお、電圧指令は、回転電機３が発生すべきトルクを規定するトルク指令に基づいて公知の同期発電機のベクトル制御則によって生成される。また、スイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８によって、電力変換部１０は、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９をそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子３１、３２を共にオンにしつつ、電圧指令に等しい電圧をＰＷＭ制御により出力し、流れる電流の大きさや通電方向が出力電圧と発電電圧の関係で決まる電力変換を行う。

第２の駆動制御部２１は、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔおよび系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔに基づいて、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９をそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子３１、３２の一部をオンにして電力変換制御を行う。

複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９をそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子３１、３２の一部をオンにすることで、通電方向を制御することができる。これにより、電力系統２の電圧が回転電機３の電圧よりも極端に低い停電のような場合であっても、回転電機３と電力系統２の間に大電流が流れ続けることを避け、電流制御を行いつつ電力変換動作を行うことができる。

例えば、第２の駆動制御部２１は、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２のうち、電力系統２側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子を常にオンにする。また、第２の駆動制御部２１は、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２のうち、回転電機３側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子を常にオンにする。かかる制御によって、電力系統２のどれか２つの相の間および回転電機３のどれか２つの相の間に電流を流し続けることができる。

切替部２２は、停電検出部１４から出力される停電検出信号Ｓｄに基づいて、電力変換部１０へ出力するスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を選択して出力する。具体的には、切替部２２は、停電検出部１４から出力される停電検出信号ＳｄがＬｏｗレベルである場合、第１の駆動制御部２０によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として出力する。

一方、切替部２２は、停電検出部１４から出力される停電検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである場合、第２の駆動制御部２１によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として出力する。

したがって、電力系統２が低電圧になった場合に、第２の駆動制御部２１によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８によって、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９をそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子３１、３２の一部をオンにする電力変換制御を行う。これにより、電力系統２が低電圧になった場合でも、電力変換動作を継続することができる。

以下、第２の駆動制御部２１の具体的構成の一例について具体的に説明する。図３は、第２の駆動制御部２１の具体的構成の一例を示す図である。図３に示すように、第２の駆動制御部２１は、有効電流補償部４１と、無効電流補償部４２と、パルスパターン生成部４３とを備える。

まず、有効電流補償部４１について説明する。有効電流補償部４１は、ＰＱ変換器５１と、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）５２と、系統有効電流指令器５３と、減算器５４と、系統有効電流制御器５５とを備える。かかる有効電流補償部４１は、系統有効電流値が系統有効電流指令ＩＰｒｅｆと一致するように、系統位相補償値ｄθｒｓｔを生成し、生成した系統位相補償値ｄθｒｓｔをパルスパターン生成部４３へ出力する。

ＰＱ変換器５１は、系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換して、α軸方向の系統電流値Ｉ_αとβ軸方向の系統電流値Ｉ_βとを求める。さらに、ＰＱ変換器５１は、αβ軸座標系の成分を、電力系統２の電圧位相θｒｓｔ（以下、「系統位相θｒｓｔ」と記載する）に応じて回転する回転座標系の成分へ変換することによって、系統有効電流ＩＰと系統無効電流ＩＱとを求める。

ＰＱ変換器５１は、例えば、下記式（１）の演算を行うことで、系統有効電流ＩＰと系統無効電流ＩＱとを求める。

ＬＰＦ５２は、系統有効電流ＩＰから高周波成分を除去して減算器５４へ出力する。これにより、系統有効電流ＩＰからスイッチングノイズによる影響を除去するようにしている。

減算器５４は、系統有効電流指令器５３から出力される系統有効電流指令ＩＰｒｅｆからＬＰＦ５２の出力を減算することによって、系統有効電流指令ＩＰｒｅｆと系統有効電流ＩＰとの偏差である系統有効電流偏差を演算し、系統有効電流制御器５５へ出力する。

系統有効電流制御器５５は、例えば、ＰＩ（比例積分）制御器から構成され、系統有効電流偏差がゼロとなるように比例積分演算を行うことによって、系統位相補償値ｄθｒｓｔを生成する。ここでは、系統有効電流指令ＩＰｒｅｆは、ゼロに設定されており、系統有効電流制御器５５は、系統有効電流ＩＰがゼロとなるように系統位相補償値ｄθｒｓｔを生成する。

次に、無効電流補償部４２について説明する。無効電流補償部４２は、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）６１と、系統無効電流指令器６２と、減算器６３と、系統無効電流制御器６４とを備える。かかる無効電流補償部４２は、系統無効電流値が系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと一致するように、発電機位相補正値ｄθｕｖｗを生成し、生成した発電機位相補正値ｄθｕｖｗをパルスパターン生成部４３へ出力する。

減算器６３は、系統無効電流指令器６２から出力される系統無効電流指令ＩＱｒｅｆからＬＰＦ６１の出力を減算することによって、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと系統無効電流ＩＱとの偏差である系統無効電流偏差を演算し、系統無効電流制御器６４へ出力する。

系統無効電流制御器６４は、例えば、ＰＩ制御器から構成され、系統無効電流偏差がゼロとなるように比例積分演算を行うことによって、発電機位相補正値ｄθｕｖｗを生成する。系統無効電流指令ＩＱｒｅｆは、例えば、系統電圧値Ｖａに応じた値とすることができる。

図４は、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと系統電圧値Ｖａとの関係の一例を示す図である。図４に示すように、系統無効電流指令器６２は、系統電圧値Ｖａが第２閾値である電圧値Ｖ２を超え、かつ第１閾値である電圧値Ｖ１以下の場合に、系統電圧値Ｖａが大きくなると直線で表される関係に従い値が減少する系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを生成する。

また、系統無効電流指令器６２は、系統電圧値Ｖａが第２閾値である電圧値Ｖ２以下の場合に、最大値となり、第１閾値である電圧値Ｖ１を超える場合は、ゼロ値となる系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを生成する。なお、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと系統電圧値Ｖａとの関係は、図４に示す例に限られず、異なる関係であってもよい。

次に、図３に示すパルスパターン生成部４３について説明する。パルスパターン生成部４３は、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ、回転位置θ_Ｇ、系統位相補償値ｄθｒｓｔ、発電機位相補正値ｄθｕｖｗ、停電検出信号Ｓｄに基づき、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を駆動するスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を生成する。

パルスパターン生成部４３は、系統周波数検出器７０と、保持器７１と、積分器７２と、加算器７３と、発電機位相生成器７４と、加算器７５とを備える。また、パルスパターン生成部４３は、系統パルスパターン生成器７６と、発電機パルスパターン生成器７７と、ＧｅＧｒスイッチ駆動信号生成器７８と、ＧｒＧｅスイッチ駆動信号生成器７９とを備える。

系統周波数検出器７０は、例えば、ＰＬＬ（Ｐｈｅｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）であり、系統相電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに基づき、電力系統２の電圧周波数と同期した系統周波数ｆｒｓｔを出力する。

保持器７１は、停電検出信号ＳｄがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変換したタイミングで、系統周波数検出器７０から出力される系統周波数ｆｒｓｔを保持し、ＨｉｇｈレベルからＬｏｗレベルに変換したタイミングで、系統周波数ｆｒｓｔの保持を解除する。

積分器７２は、保持器７１から出力される系統周波数ｆｒｓｔを積分し、系統位相θｒｓｔを生成し、有効電流補償部４１および加算器７３へ出力する。加算器７３は、系統位相θｒｓｔに系統位相補償値ｄθｒｓｔを加算して系統補正位相θｒｓｔ’を生成し、生成した系統補正位相θｒｓｔ’を系統パルスパターン生成器７６へ出力する。

発電機位相生成器７４は、回転位置θ_Ｇに回転電機３の極対数を掛け算することにより、発電機位相θｕｖｗを生成し、加算器７５へ出力する。加算器７５は、発電機位相θｕｖｗに発電機位相補正値ｄθｕｖｗを加算して発電機補正位相θｕｖｗ’を生成し、生成した発電機補正位相θｕｖｗ’を発電機パルスパターン生成器７７へ出力する。

パルスパターン生成部４３は、図５に示す電流形インバータモデルを用いてスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を生成する。図５は、電流形インバータモデルを示す図である。

図５に示す電流形インバータモデル８０は、コンバータ８１とインバータ８２を備えるモデルである。コンバータ８１は、電力系統２のＲ相、Ｓ相、Ｔ相にフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成される。かかるコンバータ８１の各スイッチング素子は、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐ、Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎ（以下、「スイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎ」と記載する）によって駆動される。

インバータ８２は、回転電機３のＵ相、Ｖ相、Ｗ相にフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子から構成される。かかるインバータ８２の各スイッチング素子は、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ（以下、「スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎ」と記載する）によって駆動される。

系統パルスパターン生成器７６は、系統位相θｒｓｔに対して１２０°通電の電流を流すコンバータ８１のスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎのパターンを有しており、系統補正位相θｒｓｔ’に応じてスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成する。図６は、系統位相θｒｓｔとスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎとの関係を示す図であり、系統位相θｒｓｔに対して９０°遅れた１２０°通電の電流を流すための両者の関係を表すものである。

系統補正位相θｒｓｔ’は、系統有効電流ＩＰがゼロとなるように求められた系統位相補償値ｄθｒｓｔが系統位相θｒｓｔに加算されて生成される。そのため、系統パルスパターン生成器７６は、系統補正位相θｒｓｔ’に基づき、図６に示すようにスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成することにより、電力系統２側に９０°遅れでかつ系統有効電流ＩＰがゼロである無効電流を流すことができる。

系統パルスパターン生成器７６は、電力系統２側のいずれか２つの相の間に電流を流すスイッチング素子を常にオンにするようにスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成する。例えば、３３０°≦θｒｓｔ＜３０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｔｐ、ＳｓｎがＨｉｇｈレベルであり、その他はＬｏｗレベルである。これにより、Ｔ相とＳ相との間に電流が流れる。

同様に、３０°≦θｒｓｔ＜９０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、ＳｓｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｒ相とＳ相との間に電流が流れる。９０°≦θｒｓｔ＜１５０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、ＳｔｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｒ相とＴ相との間に電流が流れる。１５０°≦θｒｓｔ＜２１０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｓｐ、ＳｔｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｓ相とＴ相との間に電流が流れる。

２１０°≦θｒｓｔ＜２７０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｓｐ、ＳｒｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｓ相とＲ相との間に電流が流れる。２７０°≦θｒｓｔ＜３３０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｔｐ、ＳｒｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｔ相とＲ相との間に電流が流れる。このように、系統パルスパターン生成器７６は、発電機位相θｕｖｗに対して９０°遅れた位相の電流が流れるようにパルスパターンを生成する。

発電機パルスパターン生成器７７は、発電機補正位相θｕｖｗ’に応じたスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成する。図７は、発電機位相θｕｖｗとスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎとの関係を示す図である。

発電機パルスパターン生成器７７は、発電機位相θｕｖｗに対して１２０°通電の電流を流すインバータ８２のスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎのパターンを有し、発電機補正位相θｕｖｗ’に応じてスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。

発電機補正位相θｕｖｗ’は、偏差である系統無効電流偏差がゼロとなるように求められた発電機位相補正値ｄθｕｖｗが発電機位相θｕｖｗに加算されて求められる。そのため、発電機パルスパターン生成器７７は、発電機補正位相θｕｖｗ’を基準とすることで、図７に示すように、発電機位相θｕｖｗに対して、９０°−ｄθｕｖｗ遅れた電流が流れるように、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。これにより、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと等しい大きさの無効電流を電力系統２側に流すことができる。

発電機パルスパターン生成器７７は、回転電機３側のいずれか２つの相の間に電流を流すスイッチング素子を常にオンにするようにスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。例えば、３３０°≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜３０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｗｐ、ＳｖｎがＨｉｇｈレベルであり、その他はＬｏｗレベルである。これにより、Ｗ相とＶ相との間に電流が流れる。

同様に、３０°≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜９０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、ＳｖｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｕ相とＶ相との間に電流が流れる。９０°≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜１５０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、ＳｗｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｕ相とＷ相との間に電流が流れる。１５０°≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜２１０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｖｐ、ＳｗｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｖ相とＷ相との間に電流が流れる。

２１０°≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜２７０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｖｐ、ＳｕｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｖ相とＵ相との間に電流が流れる。２７０°≦θｕｖｗ−ｄθｕｖｗ＜３３０°の範囲にある場合、スイッチ駆動信号Ｓｗｐ、ＳｕｎがＨｉｇｈレベルであり、Ｗ相とＵ相との間に電流が流れる。このように、発電機パルスパターン生成器７７は、発電機位相θｕｖｗに対して、９０°−ｄθｕｖｗ遅れた電流が流れるようにパルスパターンを生成する。

ＧｅＧｒスイッチ駆動信号生成器７８は、スイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎ、Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐに基づき、下記式（２）を用いて、スイッチ駆動信号Ｓｕｒ、Ｓｕｓ、Ｓｕｔ、Ｓｖｒ、Ｓｖｓ、Ｓｖｔ、Ｓｗｒ、Ｓｗｓ、Ｓｗｔを生成する。

上記式（２）において、スイッチ駆動信号Ｓｕｒ、Ｓｕｓ、Ｓｕｔ、Ｓｖｒ、Ｓｖｓ、Ｓｖｔ、Ｓｗｒ、Ｓｗｓ、Ｓｗｔは、図８に示すように、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のうち、回転電機３側から電力系統２へ電流を流す片方向スイッチング素子３１、３２を駆動する信号である。図８は、電力変換部１０の構成例を示す図である。なお、図８に示す電力変換部１０の構成例では、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の構成が図２に示す例とは異なる。すなわち、図８に示す双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、図２に示す双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９における片方向スイッチング素子３１、３２のコレクタ、ダイオード３３、３４を共通に接続した構成である。かかる接続構成であっても、図８に示す双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の動作は図２に示す双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の動作と変わらない。

ＧｒＧｅスイッチ駆動信号生成器７９は、スイッチ駆動信号Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐに基づき、下記式（３）を用いて、スイッチ駆動信号Ｓｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗを生成する。

上記式（３）において、スイッチ駆動信号Ｓｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗは、図８に示すように、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のうち電力系統２側から回転電機３側へ電流を流す片方向スイッチング素子３１、３２を駆動する信号である。

このように生成されたスイッチ駆動信号Ｓｕｒ、Ｓｒｕ、Ｓｕｓ、Ｓｓｕ、Ｓｕｔ、Ｓｔｕ、Ｓｖｒ、Ｓｒｖ、Ｓｖｓ、Ｓｓｖ、Ｓｖｔ、Ｓｔｖ、Ｓｗｒ、Ｓｒｗ、Ｓｗｓ、Ｓｓｗ、Ｓｗｔ、Ｓｔｗは、スイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として、図８に示す対応関係にて、パルスパターン生成部４３から電力変換部１０へ出力される。

これにより、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２のうち、電力系統２側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子が常にオンにされ、回転電機３側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子が常にオンにされる。

なお、スイッチ駆動信号Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなり、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなる。そのため、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２のうち、電力系統２側から回転電機３側へ電流を流す片方向スイッチング素子のいずれか１つが常にオンになる。

また、スイッチ駆動信号Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなり、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐのいずれか一つが常にＨｉｇｈレベルとなる。そのため、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２のうち、回転電機３側から電力系統２側に電流を流す片方向スイッチング素子のいずれか１つが常にオンになる。

以上のように、本実施形態に係るマトリクスコンバータ１の制御部１５は、第１の駆動制御部２０と、第２の駆動制御部２１とを備える。第１の駆動制御部２０は、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９をそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子３１、３２を共にオンにして行う電圧制御により電力変換を行う。一方、第２の駆動制御部２１は、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９をそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子３１、３２の一部をオンにして行う電流制御によって電力変換を行う。

そして、マトリクスコンバータ１は、電力系統２の電圧が所定値を超える場合に、第１の駆動制御部２０によって電力変換制御を行い、電力系統２の電圧が所定値以下である場合に、第２の駆動制御部２１によって電力変換制御を行う。これにより、マトリクスコンバータ１は、電力系統２が低電圧になった場合でも、電力系統２側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続することができる。

発電システムでは、電力系統２が停電などにより低電圧になった場合に、電力系統２へ無効電力を供給することが要求される場合があり、本実施形態に係るマトリクスコンバータ１は、かかる要求に適切に対応することが可能となる。

なお、電力系統２の管理者側から無効電力の大きさを規定する系統無効電流指令ＩＱｒｅｆが送信される場合、かかる系統無効電流指令ＩＱｒｅｆを系統無効電流指令器６２から減算器へ出力するようにしてもよい。このようにすることで、外部から電力系統２側の無効電流の大きさを設定することができる。

また、第２の駆動制御部２１は、電流形インバータモデル８０をスイッチングモデルとして採用している。コンバータ８１には電圧波形から９０°遅れた電流を流す１２０°通電のスイッチングパターンが与えられ、インバータ８２には系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに応じた大きさの無効電流を流すための位相をもった１２０°通電のスイッチングパターンが与えられる。コンバータ８１に与えられるスイッチングパターンとインバータ８２に与えられるスイッチングパターンは合成されて双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２に対するスイッチ駆動信号として出力される。

かかる処理により、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子３１、３２に対するスイッチ駆動信号として出力されることから、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに応じた大きさの無効電流を電力系統２に容易且つ精度よく流すことができる。

また、上述した実施形態では、１２０°通電のスイッチングパターンを用いて電力変換部１０を駆動するようにしたが、制御方法は１２０°通電のスイッチングパターンに限られるものではない。すなわち、片方向スイッチング素子３１、３２を個別に制御する電流制御を行うことによって電力系統２側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続するものであればよく、種々の変更が可能である。

また、上述した実施形態では、回転電機３を同期発電機として説明したが、回転電機３を誘導発電機としてもよい。回転電機３を誘導発電機とする場合、マトリクスコンバータ１は、例えば、以下のように構成される。

停電発生後において誘導発電機は残留磁束による発電電圧が発生しており、位置検出器４は、誘導発電機の回転速度を検出する。制御部１５は、公知の誘導機のベクトル制御則に従って、誘導発電機に対するトルク指令を略ゼロとした上で、かかるトルク指令に基づきすべり周波数指令を生成し、位置検出器４の検出した回転速度に加算して、出力周波数指令を生成する。

そして、制御部１５は、出力周波数指令を積分することにより発電機位相θｕｖｗを生成し、生成した発電機位相θｕｖｗを発電機位相補正値ｄθｕｖｗに加算することで、発電機補正位相θｕｖｗ’を生成する。このようにすることで、電力系統２が低電圧になった場合でも、電力系統２側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続することができる。

また、上述した実施形態では、回転電機３として発電機を適用した例を説明したが回転電機３として電動機を適用することもでき、電力系統２の電圧が低電圧になった場合であっても、電動機の速度起電力によって運転を継続することができる。

すなわち、電力系統２の電圧が低電圧になった場合、電力系統２から電動機への電力供給が困難になるが、電動機の回転子は減速しつつも回転状態にある。そのため、かかる回転によって発生する起電力を、例えば、無効電力として電力系統２へ供給することで運転を継続することができる。

また、上述した実施形態では、有効電流補償部４１の一例として、図３に示す構成を説明したが、有効電流補償部４１は、テーブルを用いた構成であってもよい。すなわち、有効電流補償部４１において、系統有効電流ＩＰおよび系統無効電流ＩＱと系統位相補償値ｄθｒｓｔとの関係を示す二次元テーブルを記憶する記憶部を設け、かかるテーブルから系統相電流値Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔに基づいて、系統位相補償値ｄθｒｓｔを出力してもよい。また、ｄθｒｓｔ＝−ｔａｎ^−１（ＩＱ／ＩＰ）の演算により系統位相補償値ｄθｒｓｔを求めて出力してもよい。

また、上述した実施形態では、無効電流補償部４２の一例として、図３に示す構成を説明したが、無効電流補償部４２は、テーブルを用いた構成であってもよい。すなわち、無効電流補償部４２において、系統無効電流指令ＩＱｒｅｆと発電機位相補正値ｄθｕｖｗとの関係を示すテーブルを記憶する記憶部を設け、かかるテーブルから系統無効電流指令ＩＱｒｅｆに基づいて、発電機位相補正値ｄθｕｖｗを出力してもよい。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。よって、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細及び代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ マトリクスコンバータ
２ 電力系統（交流電源）
３ 回転電機
１０ 電力変換部
１１ ＬＣフィルタ
１２ 電流検出部
１３ 電圧検出部
１４ 停電検出部
１５ 制御部
２０ 第１の駆動制御部
２１ 第２の駆動制御部
２２ 切替部

Claims (8)

1. 交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチと、
   前記複数の双方向スイッチを制御して前記交流電源と前記回転電機との間の電力変換制御を行う制御部と、を備え、
   前記制御部は、
   前記複数の双方向スイッチをそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子を共にオンにして前記電力変換制御を行う第１の駆動制御部と、
   前記複数の双方向スイッチをそれぞれ構成する複数の片方向スイッチング素子の一部をオンにして前記電力変換制御を行う第２の駆動制御部と、
   前記交流電源が低電圧になった場合に、前記第１の駆動制御部による前記電力変換制御から前記第２の駆動制御部による前記電力変換制御へ切り替える切替部と、を有する
   ことを特徴とするマトリクスコンバータ。
2. 前記第２の駆動制御部は、
   前記複数の双方向スイッチを構成する片方向スイッチング素子のうち、前記交流電源側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子を常にオンにし、かつ、前記回転電機側のいずれか２つの相の間に電流を流す片方向スイッチング素子を常にオンにして前記電力変換制御を行う
   ことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
3. 前記第２の駆動制御部は、
   前記複数の双方向スイッチを構成する片方向スイッチング素子のうち、前記交流電源側から前記回転電機側へ電流を流す片方向スイッチング素子のいずれか１つと、前記回転電機側から前記交流電源側に電流を流す片方向スイッチング素子のいずれか１つとを常にオンする
   ことを特徴とする請求項２に記載のマトリクスコンバータ。
4. 前記第２の駆動制御部は、
   コンバータとインバータを備えた電流形インバータモデルにおける前記コンバータに対するスイッチ駆動信号と前記インバータに関するスイッチ駆動信号を合成して、前記片方向スイッチング素子を制御するスイッチ駆動信号を生成することを特徴とする請求項３に記載のマトリクスコンバータ。
5. 前記コンバータに対するスイッチ駆動信号によって１２０度通電を行い、前記インバータに対するスイッチ駆動信号によって１２０度通電を行う
   ことを特徴とする請求項４に記載のマトリクスコンバータ。
6. 前記第２の駆動制御部は、
   前記インバータに関するスイッチ駆動信号を無効電流指令に応じた位相分進ませて前記片方向スイッチング素子を制御する
   ことを特徴とする請求項４または５に記載のマトリクスコンバータ。
7. 前記第２の駆動制御部は、
   前記交流電源の電圧に応じた大きさの無効電流指令を生成する無効電流指令器を備える
   ことを特徴とする請求項６に記載のマトリクスコンバータ。
8. 前記交流電源の電圧を検出する電圧検出部を備え、
   前記切替部は、
   前記交流電源の電圧が所定値を超える場合に、前記第１の駆動制御部によって前記電力変換制御を行い、前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記第２の駆動制御部によって前記電力変換制御を行うことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータ。

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