JP5593253B2 - Reactive power compensator - Google Patents
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Description
本発明は、無効電力補償装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、電力系統用の自励式無効電力補償装置に関する。 The present invention relates to a reactive power compensator. More specifically, the present invention relates to a self-excited reactive power compensator for a power system.
自励式無効電力補償装置は、電力系統に接続され、無効電力を発生又は消費することによって系統電圧の調整や安定度の向上のために用いられる。 The self-excited reactive power compensator is connected to the power system and is used for adjusting the system voltage and improving the stability by generating or consuming reactive power.
従来の配電系統用の自励式無効電力補償装置としては例えば、図19に示すように、カスケード変換器を用いたものがある。この自励式無効電力補償装置は、セルと呼ばれる単相フルブリッジコンバータモジュール(図19中では「 con. 」と表記)を一要素とし、複数のセルの交流端子を直列接続(これをカスケード接続と呼ぶ)することによって高い電圧を出力可能とするものである。例えば、各セルの直流コンデンサの電圧(以下、直流電圧ともいう)を1〔kV〕に設定したセル(符号con.1 〜 con.6)を6段直列接続すると、線間25レベル,7〔kV〕(=1〔kV〕×6段×√(3/2))の交流電圧波形を出力することができ、6.6〔kV〕の三相高圧配電系統に変圧器を用いることなく連系することができる(非特許文献1)。 As a conventional self-excited reactive power compensator for a distribution system, for example, there is one using a cascade converter as shown in FIG. This self-excited reactive power compensator has a single-phase full-bridge converter module called a cell (indicated as “con.” In FIG. 19) as one element, and AC terminals of a plurality of cells are connected in series (this is referred to as a cascade connection). High voltage can be output. For example, when six stages of cells (references con. 1 to con. 6) in which the voltage of the DC capacitor of each cell (hereinafter also referred to as a DC voltage) is set to 1 [kV] are connected in series at 25 levels, 7 [ kV] (= 1 [kV] x 6 stages x √ (3/2)) AC voltage waveform can be output and connected to a 6.6 [kV] three-phase high-voltage distribution system without using a transformer (Non-Patent Document 1).
しかしながら、上記非特許文献1の自励式無効電力補償装置では、全てのセルは同一の構成で良いものの、出力電圧の波形のレベル数を増加させるにはレベル数に比例した段数のセルを接続する必要がある。なお、上述の変換器の出力電圧は離散的な値をとって階段状の波形になるところ、この階段状波形の段数のことをレベル数という。
However, in the self-excited reactive power compensator of Non-Patent
そこで、カスケード変換器において少ない直列数で出力電圧の波形のレベル数を増加させる方法としてハイブリッド形構成が提案されている。これを適用したハイブリッド形カスケード変換器は、直流電圧を異なる値に設定したセルを直列接続し、それらの直流電圧を予め定めた論理に従って合成することで必要な出力電圧を得るものである。セルを構成する単相フルブリッジコンバータは、−1,0,1の三つの出力電圧を選択することができるので、直流電圧を1:3:9:…:3nという比に設定すると最大の出力レベル数を得ることができる。また、スイッチング回数の低減や、スイッチングに冗長性を持たせて電圧制御を行うために他の電圧比を利用する場合もある。 Therefore, a hybrid configuration has been proposed as a method for increasing the number of levels of the waveform of the output voltage with a small number of series in the cascade converter. A hybrid cascade converter to which this is applied obtains a necessary output voltage by connecting cells in which DC voltages are set to different values in series and synthesizing those DC voltages according to a predetermined logic. Single-phase full-bridge converter constituting the cell, it is possible to select the three output voltages of -1, 0, 1, a DC voltage of 1: 3: 9: ...: maximum is set to a ratio of 3 n The number of output levels can be obtained. In addition, other voltage ratios may be used to reduce the number of times of switching or to perform voltage control with redundancy in switching.
そして、上述のハイブリッド形カスケード変換器を用いた従来の配電系統用の自励式無効電力補償装置としては例えば、図20に示すように、直流電圧をそれぞれ3.2〔kV〕,1.6〔kV〕,0.8〔kV〕に設定したセルをカスケード接続することによって3直列で線間29レベルの電圧を出力することができ、6.6kV配電系統への直接連系を行うことができるものがある(非特許文献2)。 As a conventional self-excited reactive power compensator for a distribution system using the hybrid cascade converter described above, for example, as shown in FIG. 20, the DC voltage is set to 3.2 [kV], 1.6 [kV], 0.8, respectively. By connecting the cells set to [kV] in cascade, it is possible to output a voltage of 29 levels between three lines in series, and to directly connect to a 6.6 kV distribution system (non-patent document) 2).
具体的には、交流端子を直列接続した3台の単相フルブリッジコンバータがリアクトルを介して三相交流配電系統に連系される。そして、ハイブリッド形カスケード変換器システムとしては、直流電圧の基準値が4VcN〔V〕,2VcN〔V〕,VcN〔V〕のように電圧比が4:2:1の単相コンバータが直列に接続されたものが用いられる。なお、基準直流電圧VcNは出力電圧の階段状波形における1ステップの電圧幅であり、当該基準直流電圧VcN〔V〕の大きさはアプリケーションに応じて適宜決定される。例えば三相6.6kV系統にトランスレスで適用される場合には基準直流電圧VcNを0.8〔kV〕程度とし、直流コンデンサ電圧の基準値がVcH=3.2〔kV〕,VcM=1.6〔kV〕,VcL=0.8〔kV〕程度になるように設定する。 Specifically, three single-phase full-bridge converters having AC terminals connected in series are linked to a three-phase AC distribution system via a reactor. As a hybrid cascade converter system, there is a single-phase converter having a voltage ratio of 4: 2: 1 such as 4Vc N [V], 2Vc N [V], and Vc N [V]. Those connected in series are used. The reference DC voltage Vc N is a voltage width of one step in the stepped waveform of the output voltage, and the magnitude of the reference DC voltage Vc N [V] is appropriately determined according to the application. For example, when applied to a three-phase 6.6 kV system without a transformer, the reference DC voltage Vc N is set to about 0.8 [kV], and the reference values of the DC capacitor voltage are Vc H = 3.2 [kV], Vc M = 1.6 [kV ], Vc L = 0.8 [kV].
そして、非特許文献2の装置では、直流電圧の基準値が4VcN〔V〕,2VcN〔V〕の単相コンバータのコンデンサ電圧VcH,VcMの比率を常に4:2に維持する方法として、2台の単相コンバータの出力電圧の合計(=VsH+VsM)が±2VcN〔V〕のタイミングでのスイッチングパターンを二通り設定し、それぞれのパターンで充電されるコンデンサと放電されるコンデンサとが異なるようにしている。一方で、直流電圧の基準値がVcN〔V〕の単相コンバータは、基準値が4VcN〔V〕の単相コンバータ及び2VcN〔V〕の単相コンバータの出力電圧の合計と目標電圧との差分を出力するようにするため、出力電圧に対してスイッチングパターンが一意に定まる。したがって、基準値が4VcN〔V〕,2VcN〔V〕の単相コンバータのコンデンサのような充放電の調整をすることができない。このため、基準値がVcN〔V〕の単相コンバータには、直流コンデンサではなく、AC−DCコンバータ等の補助電源が必要とされる。
In the apparatus of
上述のように、非特許文献2の自励式無効電力補償装置では、最低電圧を出力するセル(即ち、直流電圧の基準値がVcN〔V〕の単相コンバータ)は直流部の電圧を制御することができないので、直流電圧を所定の値に保つために直流部に電力を供給する必要があり追加的な補助電源としての絶縁型直流電源を別途必要とする。このため、i)直流電源のコストがかかってしまう,ii)装置構成が複雑になってしまう,iii)入出力間に配電線電圧(即ち6.6〔kV〕)相当の高電圧が印加されるので高い絶縁性能を必要とするために装置全体の体積が大きくなってしまうと共にコストがかかる、という問題があり、結果的にこれらの問題が設置上の制約となることもあるという点において汎用性が高いとは言い難い。
As described above, in the self-excited reactive power compensator of Non-Patent
そこで、本発明は、追加的な補助電源としての直流電源を必要とすることなく稼働することができるハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式の無効電力補償装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a self-excited reactive power compensator using a hybrid cascade converter that can be operated without requiring a DC power supply as an additional auxiliary power supply.
かかる目的を達成するため、請求項1記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記高圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めること、並びに前記中圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めることによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
To achieve the above object, the reactive power compensator according to
この無効電力補償装置によると、ハイブリッド形カスケード変換器において各セルの出力電圧パルスを調整することによって同一相を構成する(言い換えると、同一クラスターの)セル間の電力融通を可能にしているので、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなる。 According to this reactive power compensator, in the hybrid cascade converter, by adjusting the output voltage pulse of each cell, the same phase is configured (in other words, the same cluster) enables power interchange between cells. There is no need to connect a DC power source as an additional auxiliary power source to each cell.
また、請求項2記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、ΔV HLy ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔV MLy ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、i y が前記クラスターからの出力電流を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、i y≧0のときはΔVHLy’>0且つΔVMLy’>0であるΔV HLy ’及びΔV MLy ’を加算し、iy<0のときはΔVHLy’<0且つΔVMLy’<0であるΔV HLy ’及びΔV MLy ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
Further, the reactive power compensation device according to
また、請求項3記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、ΔV HMy ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔV HLy ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、i y が前記クラスターからの出力電流を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、i y≧0のときはΔVHMy’>0且つΔVHLy’>0であるΔV HMy ’及びΔV HLy ’を加算し、iy<0のときはΔVHMy’<0且つΔVHLy’<0であるΔV HMy ’及びΔV HLy ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。 Moreover, reactive power compensation apparatus according to the third aspect, a reactive power compensator of self-excited to be interconnection to the power system of the three Ai交 flow, the reactive power compensation device, the row control of the output voltage of the waveform comprising a right-wing hybrid type cascade converter, the hybrid cascade converter has a cluster corresponding to each phase of the three-phase AC, said cluster, high pressure cell, the medium each containing a single-phase full-bridge converter It is composed of a series connection of a pressure cell and a low voltage cell, V CHy is the voltage of the DC capacitor of the high voltage cell , V CMy is the voltage of the DC capacitor of the medium voltage cell , and V CLy is the voltage of the DC capacitor of the low voltage cell. voltage, a reference DC voltage V dc, 'the voltage deviation for the causes energy transfer between the medium pressure cell and the high pressure cell, ΔV hLy' ΔV HMy previous The voltage deviation for causing energy transfer between the high pressure cell and the low-pressure cell, the output current of the i y from the cluster, each phase of the subscript y is the three-phase alternating current (u, v, w) when a representative of one of, with a 3V CMy ≧ V CHy> V CMy > V CLy> 0.5 V CM y, a V CLy> V dc, further, V CHy, V CMy, V In order to control CLy , when the boundary value of switching the output voltage mode of the high voltage cell , the medium voltage cell , and the low voltage cell for controlling the waveform of the output voltage from the cluster is i y ≧ 0 ΔV HMy '> 0 and ΔV HLy '> 0 and ΔV HMy 'and ΔV HLy ' are added, and when i y <0, ΔV HMy '<0 and ΔV HLy '<0 , ΔV HMy 'and ΔV adding the HLy ' By Rukoto, the high pressure cell, and so as to generate the exchange of power between the cells in said pressure cells, and the low-pressure cells.
また、請求項4記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、ΔV HMy ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔV MLy ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、i y が前記クラスターからの出力電流を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、i y≧0のときはΔVHMy’>0且つΔVMLy’>0であるΔV HMy ’及びΔV MLy ’を加算し、iy<0のときはΔVHMy’<0且つΔVMLy’<0であるΔV HMy ’及びΔV MLy ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
Moreover, reactive power compensation apparatus according to
また、請求項5記載の無効電力補償装置は、前記三相交流の相毎に請求項2から4に記載のエネルギー移動の方法のうちのいずれか一つが用いられ、前記三相交流の相のうちの全て若しくは少なくとも一部においてエネルギー移動の方法が他の相と異なるようにしている。
Moreover, reactive power compensator of
これらの無効電力補償装置によると、ハイブリッド形カスケード変換器において最低電圧を出力するセルの電圧を基準直流電圧よりも少し増加させ、同時に各セルの出力電圧パルスを調整することによって同一相を構成する(言い換えると、同一クラスターの)セル間の電力融通を可能にしているので、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなる。 According to these reactive power compensators, in the hybrid cascade converter, the voltage of the cell that outputs the lowest voltage is slightly increased from the reference DC voltage, and at the same time, the same phase is configured by adjusting the output voltage pulse of each cell. Since power interchange is possible between cells (in other words, in the same cluster), there is no need to connect a DC power source as an additional auxiliary power source to each cell.
また、請求項6記載の発明は、請求項2から5のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy 、前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy 、及び前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが、1<k<2としたときにVCHy:VCMy:VCLy=6:2:kであるようにしている。また、請求項7記載の発明は、請求項2から5のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧VCHy 、前記中圧セルの直流コンデンサの電圧VCMy 、及び前記低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyが、1<k<2としたときにVCHy:VCMy:VCLy=4:2:kであるようにしている。これらの場合には、各セルの出力電圧の比率が適切なものになり、三相交流の各相に対応するクラスターからの出力電圧の波形が良好なものになる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the reactive power compensator according to any one of the second to fifth aspects , the voltage V CHy of the DC capacitor of the high-voltage cell and the voltage V of the DC capacitor of the medium-pressure cell When CMy and the voltage V CLy of the DC capacitor of the low-voltage cell are 1 <k <2, V CHy : V CMy : V CLy = 6: 2: k . According to a seventh aspect of the present invention, in the reactive power compensator according to any one of the second to fifth aspects , the voltage V CHy of the DC capacitor of the high-voltage cell and the voltage V of the DC capacitor of the medium-pressure cell When CMy and the voltage V CLy of the DC capacitor of the low-voltage cell are 1 <k <2, V CHy : V CMy : V CLy = 4: 2: k . In these cases, the ratio of the output voltage of each cell becomes appropriate, and the waveform of the output voltage from the cluster corresponding to each phase of the three-phase alternating current becomes good.
また、請求項8記載の発明は、請求項6または7記載の無効電力補償装置において、前記kの値が1.01〜1.3であるようにしている。この場合には、低圧セルの直流コンデンサの電圧VCLyの大きさが基準直流電圧Vdcとの関係において適切なものになり、三相交流の各相に対応するクラスターからの出力電圧の波形がより一層良好なものになる。
The invention of claim 8 is the reactive power compensator according to
本発明の無効電力補償装置によれば、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなるので、従来と比べて装置構成が簡便で小型,低コストの無効電力補償装置を構成することができ、無効電力補償装置としての汎用性の向上を図ることが可能になる。 According to the reactive power compensator of the present invention, there is no need to connect a DC power source as an additional auxiliary power source to each cell. Therefore, the reactive power compensator is simpler, smaller in size and lower in cost than the prior art. The versatility of the reactive power compensator can be improved.
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, the configuration of the present invention will be described in detail based on an example of an embodiment shown in the drawings.
図1から図11に、本発明の無効電力補償装置の実施形態の一例を示す。この無効電力補償装置は、三相(u,v,w相とする)交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、各々が単相フルブリッジコンバータで構成される高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Lyが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う三相交流の各相に対応するクラスター1u,1v,1wを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、高圧セル1Hyの直流コンデンサの電圧VCHy,中圧セル1Myの直流コンデンサの電圧VCMy,低圧セル1Lyの直流コンデンサの電圧VCLyが3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy(ただし、添字yは三相u,v,wのうちのいずれかを表す)であると共に、低圧セル1Lyの直流コンデンサの電圧VCLyが基準直流電圧Vdcよりも大きく、クラスター1u,1v,1wからの出力電圧の波形の制御のための高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Lyの出力電圧モードの切り替えの境界値に、高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHLy'及び中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVMLy'(ただし、クラスター1u,1v,1wからの出力電流をiyとして、iy≧0のときはΔVHLy'>0且つΔVMLy'>0,iy<0のときはΔVHLy'<0且つΔVMLy'<0)を加算することによって高圧セル1Hy及び中圧セル1My及び低圧セル1Lyの間で電力のやり取りを行って各セル1Hy,1My,1Lyの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyを制御するようにしている。そして、本実施形態では、高圧セル1Hy及び中圧セル1My及び低圧セル1Lyの間での電力のやり取りによる各セル1Hy,1My,1Lyの直流コンデンサの電圧VCHy,VCMy,VCLyの制御は、具体的には、高圧セル1Hy及び中圧セル1Myから電力を流出(言い換えると、放電)若しくは流入(言い換えると、充電)させて低圧セル1Lyに電力を流入若しくは流出させるようにしている。
1 to 11 show an example of a reactive power compensator according to an embodiment of the present invention. This reactive power compensator is a self-excited reactive power compensator linked to a three-phase (u, v, w phase) AC power system, each of which is constituted by a single-phase full-bridge converter. A hybrid having clusters 1u, 1v, and 1w corresponding to each phase of a three-phase alternating current configured to control a waveform of an output voltage, which is configured by connecting a
ここで、以下の説明においては、添字yは三相交流の三相u,v,wのうちのいずれかを意味するものとして用い、添字xは高圧H,中圧M,低圧Lのうちのいずれかを意味するものとして用いる。また、記号*は指令値であることを意味するものとして用いる。 Here, in the following description, the subscript y is used to mean any of the three phases u, v, and w of the three-phase alternating current, and the subscript x is one of the high pressure H, the intermediate pressure M, and the low pressure L. Used to mean either. The symbol * is used to mean a command value.
(1)回路構成
ハイブリッド形カスケード変換器を用いた本発明の自励式無効電力補償装置の実施形態の構成を図1に示す。具体的には、単相フルブリッジコンバータで構成されるセル(高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Ly)を三つ直列接続することで1相分を構成(以下、三相のu相に対応するものをクラスター1u,v相に対応するものをクラスター1v,w相に対応するものをクラスター1wという)する。そして、本実施形態では、三つのセル1Hy,1My,1Lyは、直流コンデンサ(容量Cx)の電圧(即ち、直流電圧)の比がVCHy:VCMy:VCLy=6:2:k(ただし、1<k<2)になるように制御される。そして、同一クラスターを構成する三つのセル1Hy,1My,1Lyの出力電圧の波形を合成することで各クラスター1u,1v,1wとして正弦波状の出力電圧波形が得られるようにする。
(1) Circuit Configuration FIG. 1 shows a configuration of an embodiment of a self-excited reactive power compensator of the present invention using a hybrid cascade converter. Specifically, one phase component is constructed by connecting three cells (high-
高圧配電系統に連系する場合には、電源の線間電圧Vsは6.6〔kV〕であり、各セル1Hy,1My,1Lyの直流電圧は、本実施形態ではk=1.2の場合として、電圧が最も高い高圧セル1HyでVCHy=3.6〔kV〕,電圧が次に高い中圧セル1MyでVCMy=1.2〔kV〕,電圧が最も低い低圧セル1LyでVCLy=0.72〔kV〕にされている。なお、低圧セル1Lyの直流コンデンサの電圧VCLyの比kの値は、各セル1xyの出力電圧VCxyの比率を適切なものにするためには1<k<2であれば良いが、三相交流の各相に対応するクラスター1u,1v,1wからの出力電圧の波形を高調波の少ない良好なものにするために、できる限り小さな値とするのが好ましい。具体的には例えば、本発明の効果を発現させると共に出力電圧の波形を良好なものにするためにkの値を1.01〜1.3程度の範囲とすることが好ましいと考えられる。
When connecting to a high-voltage distribution system, the line voltage Vs of the power source is 6.6 [kV], and the DC voltages of the
(2)制御システム
全て同一電圧のセルで構成する従来型のカスケード変換器の制御法としては、有効・無効電力制御,相間直流電圧バランス制御,段間直流電圧バランス制御の三つの階層で構成する方式が提案されている(例えば、前出の非特許文献1や、井上重徳 他「カスケードPWM変換器と二次電池を使用した6.6kVトランスレス電力貯蔵システム -200V,10kW,3.6kWhミニモデルによる実験検証-」,電気学会論文誌D,Vol.129,No.1,pp.67−76,2009年(以下、非特許文献3という)を参照)。
(2) Control system The control method for the conventional cascade converter, which consists of cells of the same voltage, is composed of three layers: active / reactive power control, interphase DC voltage balance control, and interstage DC voltage balance control. (For example,
有効・無効電力制御は、三相を構成する三つのクラスター1u,1v,1wをまとめて一つの三相変換器とみなし、変換器全体に流入する有効電力・無効電力を制御する。 In the active / reactive power control, the three clusters 1u, 1v, 1w constituting the three phases are collectively regarded as one three-phase converter, and the active power / reactive power flowing into the entire converter is controlled.
相間直流電圧バランス制御では、クラスター1u,1v,1wの各々を一つの単相変換器とみなし、三相のクラスター1u,1v,1w間において電力を調整することでクラスター1u,1v,1w間の蓄積エネルギーを均等化する。 In interphase DC voltage balance control, each of the clusters 1u, 1v, and 1w is regarded as a single-phase converter, and the power is adjusted between the three-phase clusters 1u, 1v, and 1w to adjust the power between the clusters 1u, 1v, and 1w. Equalize stored energy.
段間直流電圧バランス制御では、同一クラスターを構成するセル1Hy,1My,1Ly間で電力を調整することにより各セル1Hy,1My,1Lyの蓄積エネルギーを所定の値に制御する。
In the interstage DC voltage balance control, the stored energy of each
ハイブリッド形カスケード変換器では、従来のカスケード変換器と比較して、クラスター内部の構成は異なる一方で、クラスターから上位の構成は同一とみなすことができる。よって、有効・無効電力制御,相間直流電圧バランス制御は従来と同様の手法を適用できる。一方で、同一クラスター内の電圧制御には従来の段間直流電圧バランス制御を適用することができない。このため、本発明では、これを実施するために新たに開発した段間直流電圧比制御を用いる。 In the hybrid cascade converter, the configuration inside the cluster is different from that of the conventional cascade converter, but the upper configuration from the cluster can be regarded as the same. Therefore, methods similar to those in the past can be applied to active / reactive power control and interphase DC voltage balance control. On the other hand, conventional interstage DC voltage balance control cannot be applied to voltage control in the same cluster. For this reason, in the present invention, a newly developed interstage DC voltage ratio control is used to implement this.
ハイブリッド形カスケード変換器を用いた本発明の自励式無効電力補償装置の制御ブロック図を図2に示す。 FIG. 2 shows a control block diagram of the self-excited reactive power compensator of the present invention using a hybrid cascade converter.
有効・無効電力制御は、電源電圧vSyと出力電流iyとから自励式無効電力補償装置の動作に必要な電圧指令値vy *を生成する(図2中の符号2;図9を用いて後に詳述する)。この際、無効電力を指令値q*に追従させると同時に、変換器全体の蓄積エネルギーの総和ECを指令値EC *に一致させるように制御する。なお、無効電力指令値q*は、電力系統の電圧を適切に制御するように、上位の制御システム若しくは作業者によって与えられる。
In the active / reactive power control, a voltage command value v y * necessary for the operation of the self-excited reactive power compensator is generated from the power supply voltage v Sy and the output current i y (
相間直流電圧バランス制御は、各相を構成するクラスター1u,1v,1w間において蓄積エネルギーECyが均一となるように、変換器の電圧指令値vy *に零相電圧v0 *を重畳し、出力電圧指令値vout-y *を生成する(同符号3;図10を用いて後に詳述する)。
In the interphase DC voltage balance control, the zero phase voltage v 0 * is superimposed on the voltage command value v y * of the converter so that the accumulated energy E Cy is uniform between the clusters 1u, 1v, 1w constituting each phase. The output voltage command value v out-y * is generated (
段間直流電圧比制御は、同一クラスターを構成する各セルの蓄積エネルギーECxyを指令値に一致させるように電圧レベル偏差ΔVHLy,ΔVMLy,ΔVHMyを生成する(同符号4;図11を用いて後に詳述する)。
In the interstage DC voltage ratio control, voltage level deviations ΔV HLy , ΔV MLy , ΔV HMy are generated so that the stored energy E Cxy of each cell constituting the same cluster matches the command value (
ここで、本発明における電圧レベル偏差ΔVHLy,ΔVMLy,ΔVHMyについては、基準直流電圧Vdcと、前述の低圧セル1Lyの直流コンデンサの電圧VCLyの比kとに基づいて、(k−1)×Vdc〔V〕以下であることが必要とされる。
Here, the voltage level deviations ΔV HLy , ΔV MLy , ΔV HMy in the present invention are expressed as (k) based on the reference DC voltage V dc and the ratio k of the voltage V CLy of the DC capacitor of the
最後に、上記の出力電圧指令値vout-y *と電圧レベル偏差ΔVHLy,ΔVMLy,ΔVHMy(極性を考慮した電圧偏差ΔVHLy',ΔVMLy',ΔVHMy')とから、表2に示す電圧分配ルールに基づいて各セル1xyの出力電圧指令値vxy *が決定される。
Finally, from the output voltage command value v out-y * and the voltage level deviations ΔV HLy , ΔV MLy , ΔV HMy (voltage deviations ΔV HLy ', ΔV MLy ', ΔV HMy 'considering polarity), Table 2 The output voltage command value v xy * for each
そして、各セル1xyの直流電圧の制御では、検出した直流コンデンサの電圧vCxyにローパスフィルタ(図2中の符号LPF)を施して求めた平均値VCxyと既知のコンデンサ容量Cxとから直流コンデンサの蓄積エネルギーECxyを数式1によって算出し(図2中の符号5)、これを指令値に追従させるようにフィードバック制御を構成する。
ハイブリッド形カスケード変換器のように各セル1xyの直流電圧VCxyとコンデンサ静電容量Cxとが異なる場合でも、蓄積エネルギーの和であれば容易に計算することができ、複数のセルをまとめて制御するようなシステムの構成が容易になる。
Even if the DC voltage V Cxy of each
相間直流電圧バランス制御では各クラスター1u,1v,1w内の蓄積エネルギーの総和ECyを高圧・中圧・低圧の各セルの蓄積エネルギーECHy,ECMy,ECLyより数式2によって求め、この蓄積エネルギーECyを三相u,v,w間で均一化するように制御する。
(数2) ECy=ECHy+ECMy+ECLy
In the interphase DC voltage balance control, the total energy E Cy in each cluster 1u, 1v, 1w is obtained from the accumulated energy E CHy , E CMy , E CLy of each cell of high pressure, medium pressure, and low pressure by
( Equation 2) E Cy = E CHy + E CMy + E CLy
また、有効・無効電力制御では、変換器の蓄積エネルギーの総和ECを数式3によって求め、この総和ECが変換器全体の蓄積エネルギー指令値EC *と一致するように制御する。
(数3) EC=ECu+ECv+ECw
Further, the active and reactive power control, the total sum E C stored energy of the transducer according to
(Equation 3) E C = E Cu + E Cv + E Cw
ここで、各セル1xyの蓄積エネルギー指令値ECx *は、高圧・中圧・低圧の各セルの電圧指令値VCx *から数式4によって定められる。なお、各セル1xyの電圧指令値VCx *は、交流系統の電源線間電圧Vsを変換器が出力可能なように、変換器の設計者若しくは運転者によって決定されて与えられる。具体的には例えば、はじめに基準直流電圧Vdcと直流電圧比(本実施形態の場合は6:2:k)を回路設計者が決定し、次いでVCH *=6Vdc,VCM *=2Vdc,VCL *=kVdcになるように各セルの電圧指令値VCx *が決定されて与えられる。
そして、変換器全体の蓄積エネルギー指令値EC *は数式5によって定められる。
(数5) EC *=3(ECH *+ECM *+ECL *)
The stored energy command value E C * of the entire converter is determined by
(Equation 5) E C * = 3 (E CH * + E CM * + E CL * )
(3)ハイブリッド形カスケード変換器の各セルの出力電圧
表1に、従来のハイブリッド形カスケード変換器による直流電圧比VCH *:VCM *:VCL *=6:2:k(1≦k<2)の場合の各セルの出力電圧の関係を示す。基準直流電圧Vdcを用い、VCH *=6Vdc,VCM *=2Vdc,VCL *=kVdcと表す。なお、基準直流電圧Vdc〔V〕の大きさはアプリケーションに応じて適宜決定される。
出力電圧指令値vout *が与えられると、表1に示す条件(言い換えると、動作規則)によって高圧セル1Hyの出力電圧vH(各相別に考えるとvHy),中圧セル1Myの出力電圧vM(各相別に考えるとvMy)が一意に定められる。そして、低圧セル1Lyの出力電圧vL(各相別に考えるとvLy)は数式6によって与えられ、これをパルス幅変調によって出力する。
(数6) vL=vout *−vH−vM
When the output voltage command value v out * is given, the output voltage v H of the high voltage cell 1 Hy (v Hy when considered for each phase), the
(Equation 6) v L = v out * −v H −v M
このとき、数式6で与えられる出力電圧vLは数式7を満たす波形となり、低圧セル1Lyの直流電圧は基準直流電圧Vdc以上、すなわち1≦kであれば良い。
(数7) −Vdc ≦ vL ≦ Vdc
At this time, the output voltage v L given by
(Expression 7) −V dc ≦ v L ≦ V dc
出力電圧指令値vout *として振幅9Vdcの正弦波を与えた場合の出力電圧波形を図3に示す。この例では、高圧セル1Hyは電源1周期に正負一つずつパルスを出力し、中圧セル1Myは電源1周期に正負各5パルスを出力する。出力電圧voutから,高圧セルの出力電圧vHと中圧セルの出力電圧vMとを差し引いた偏差を計算し,低圧セル1Lyが当該偏差分の電圧を出力する。
FIG. 3 shows an output voltage waveform when a sine wave having an amplitude of 9 V dc is given as the output voltage command value v out * . In this example, the high-
そして、図4に、表1に示す動作規則を用いたハイブリッド形カスケード変換器を自励式無効電力補償装置に適用した場合の各セル1xyの電圧波形vxと流入電力vx・iとを示す。
FIG. 4 shows the voltage waveform v x and inflow power v x · i of each
自励式無効電力補償装置として動作する場合、出力電圧voutと出力電流iとは90度の位相角をなす。また、高圧セル1Hy・中圧セル1My・低圧セル1Lyの交流側は直列接続されるため、いずれのセルも交流端子電流はi(各相別に考えるとiy)に等しい。したがって、各セルに流入する電力は、各セルの出力電圧vH,vM,vLとiとの積になる。
When operating as a self-excited reactive power compensator, the output voltage v out and the output current i form a phase angle of 90 degrees. In addition, since the AC side of the high-
この電力は電源周期で平均すると原理的には零になり、平均値としては各セルに有効電力は流入せず直流電圧は変化しない。しかしながら、過渡時の非周期的な電流や素子のスイッチング特性のばらつきなどによって実際には各セルに有効電力が流入することがあり、各セルの直流電圧比が6:2:kから逸脱することがある。直流電圧比が既定値から逸脱すると出力電圧の波形に歪みを生じるため、何らかの方法によって直流電圧比を保つ必要がある。 When this power is averaged over the power supply cycle, in principle, it becomes zero. As an average value, no effective power flows into each cell and the DC voltage does not change. However, the active power may actually flow into each cell due to non-periodic current at the time of transition or variations in element switching characteristics, and the DC voltage ratio of each cell deviates from 6: 2: k. There is. When the DC voltage ratio deviates from the predetermined value, the waveform of the output voltage is distorted. Therefore, it is necessary to maintain the DC voltage ratio by some method.
一般に、クラスター1u,1v,1w毎に三つのセル1Hy,1My,1Lyの直流電圧の比を制御する場合、制御に二つの自由度が必要とされる。本発明では、各セルの出力電圧位相を調整することにより、高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間の蓄積エネルギーのやり取りと、中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間の蓄積エネルギーのやり取りとを同時に実現する。これにより、二つの制御自由度が得られ、直流電圧比を一定に保つことを可能にする。このようにすることにより、本発明においては、三つのセル1Hy,1My,1Lyの直流部のいずれにも電源を接続する必要が一切なくなる。
In general, when the ratio of the DC voltages of the three
セル間のエネルギー移動を可能にするための本発明におけるハイブリッド形カスケード変換器における各セルの出力電圧を表2に示す。
各セルの出力電圧モードを切り替える境界値に、高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHL'(各相別に考えるとΔVHLy'),中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVML'(各相別に考えるとΔVMLy'),高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔVHM'(各相別に考えるとΔVHMy')を所定の組み合わせで加算することにより、出力電圧モードが切り替わるタイミングが変更され、各セル間のエネルギー移動が生じる。なお、ΔVHL'及びΔVML'及びΔVHM'を0に設定すると、表2は表1と一致し、各セル間のエネルギー移動は生じない。
Voltage deviation ΔV HL '(ΔV HLy ' when considering each phase), medium to make the energy transfer between the
そして、本発明においては、三つのセルの直流部への電源の接続を省くため、例えば、i)高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動及びii)中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用する、或いは、iii)高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動及びi)高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用する、或いは、iii)高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動及びii)中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用する。ここで、以下の処理は三相交流の三相u,v,w別に行うことが基本であり、以下の説明においては三相u,v,w別(言い換えると、クラスター1u,1v,1w毎)に考えることが基本であるので、当該三相u,v,wのうちのいずれかを意味する添字yを適宜省略する。
In the present invention, for example, i) energy transfer between the high-
以下では、まず、上述のi)高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動,ii)中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動,iii)高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動のそれぞれについて説明する。その後、三つのセルの直流部への電源の接続を省くための本発明の、i)及びii)を利用する方法,iii)及びi)を利用する方法,iii)及びii)を利用する方法のそれぞれについて説明する。
In the following, first, i) energy transfer between the
i)高圧セルと低圧セルとの間でのエネルギー移動
まず、高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動について説明する。高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔVHLを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この電圧レベル偏差ΔVHLと出力電流iとによって数式8のようにΔVHL'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔVHLを増加させる(零より大きくする)と、高圧セル1Hyから低圧セル1Lyへと移動する電力を増加させることができる。
電圧レベル偏差ΔVHLを増加させた場合の各セルの電圧・電力波形を図5に示す。図5においては、細線はΔVHL=0として制御を行わない場合の波形であり、太線はΔVHL>0として制御を行った場合の波形である。なお、いずれの場合においてもΔVML=ΔVHM=0に設定している。 FIG. 5 shows voltage / power waveforms of each cell when the voltage level deviation ΔV HL is increased. In FIG. 5, a thin line is a waveform when control is not performed with ΔV HL = 0, and a thick line is a waveform when control is performed with ΔV HL > 0. In either case, ΔV ML = ΔV HM = 0.
制御適用時は高圧セル1Hyの出力電圧vHは位相が遅れる。これにより、高圧セル1Hyの流入電力PH(=vH・i)が変化する。制御適用前後での流入電力PHの差ΔPHは当該ΔPHの波形の4箇所において全て負の極性で発生する。したがって、高圧セル1Hyから電力が流出する。
When control is applied, the phase of the output voltage v H of the
一方、中圧セル1Myの出力電圧vMは、高圧セル1Hyのスイッチング時及びその直前直後のスイッチングにおいてタイミングが遅れる。これにより、中圧セル1Myの流入電力PM(=vM・i)の制御適用前後での差ΔPMは、当該ΔPMの波形において正の極性で4回及び負の極性で8回の振幅半分のパルスが発生するが、電源1周期で平均するとほぼ零になる。したがって、中圧セル1Myへの電力流入は殆ど発生しない。
On the other hand, the output voltage v M of the
また、低圧セル1Lyの出力電圧vLは、高圧セル1Hyの出力電圧vHと中圧セル1Myの出力電圧vMとに連動し、前掲の数式6に基づいて決定される。このとき、低圧セル1Lyの出力電圧vLは数式9によって表される範囲を取り得る。
(数9) −Vdc−|ΔVHL|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHL|
Further, the output voltage v L of the
(Equation 9) −V dc − | ΔV HL | ≦ v L ≦ V dc + | ΔV HL |
そして、低圧セル1Lyの出力電圧vLが数式9によって表される全領域の電圧を出力することができるように、低圧セル1Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)VCLは数式10を満たすように設定する必要がある。したがって、直流電圧VCLは基準直流電圧Vdcよりも高く設定される。
(数10) VCL ≧ Vdc+|ΔVHL|
Then, to be able to output a voltage of the entire region where the output voltage v L of the
(Equation 10) V CL ≧ V dc + | ΔV HL |
そして、低圧セル1Lyの流入電力PL(=vL・i)の制御適用前後での差ΔPLは、当該ΔPLの波形において正のパルスが12回発生し、その平均値は正になる。つまり、低圧セル1Lyには電力が流入する。これにより、高圧セル1Hyから低圧セル1Lyへのエネルギーの移動を生じさせることができる。
The difference ΔP L before and after the control application of the inflow power P L (= v L · i) of the low-
ii)中圧セルと低圧セルとの間でのエネルギー移動
次に、中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動について説明する。中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔVMLを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この場合も、出力電流iによって数式11に示すようにΔVML'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔVMLを増加させる(零より大きくする)と、中圧セル1Myから低圧セル1Lyへと移動する電力を増加させることができる。
電圧レベル偏差ΔVMLを増加させた場合の各セルの電圧・電力波形を図6に示す。図6においては、細線はΔVML=0として制御を行わない場合の波形であり、太線はΔVML>0として制御を行った場合の波形である。なお、いずれの場合においてもΔVHL=ΔVHM=0に設定している。 FIG. 6 shows voltage / power waveforms of each cell when the voltage level deviation ΔV ML is increased. In FIG. 6, the thin line is a waveform when control is not performed with ΔV ML = 0, and the thick line is a waveform when control is performed with ΔV ML > 0. In any case, ΔV HL = ΔV HM = 0.
この制御では、高圧セル1Hyの出力電圧vHは変化せず、高圧セル1Hyに電力の流入は生じない。一方で、中圧セル1Myは出力電圧vMの位相が遅れる動作となり、中圧セル1Myから電力が流出する。
In this control, the output voltage v H of the high-
そして、低圧セル1Lyは中圧セル1Myに連動して出力電圧vLを変更するため、低圧セル1Lyに電力が流入する。これにより、中圧セル1Myから低圧セル1Lyへのエネルギーの移動を生じさせることができる。
Since the
また、低圧セル1Lyの出力電圧vLは、高圧セル1Hyの出力電圧vHと中圧セル1Myの出力電圧vMとに連動し、前掲の数式6に基づいて決定される。このとき、低圧セル1Lyの出力電圧vLは数式12によって表される範囲を取り得る。
(数12) −Vdc−|ΔVML|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVML|
Further, the output voltage v L of the
(Equation 12) −V dc − | ΔV ML | ≦ v L ≦ V dc + | ΔV ML |
そして、低圧セル1Lyの出力電圧vLが数式12によって表される全領域の電圧を出力することができるように、低圧セル1Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)VCLは数式13を満たすように設定する必要がある。したがって、直流電圧VCLは基準直流電圧Vdcよりも高く設定される。
(数13) VCL ≧ Vdc+|ΔVML|
Then, to be able to output a voltage of the entire region where the output voltage v L of the low-
(Equation 13) V CL ≧ V dc + | ΔV ML |
iii)高圧セルと中圧セルとの間でのエネルギー移動
次に、高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動について説明する。高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔVHMを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この場合も、出力電流iによって数式14に示すようにΔVHM'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔVHMを増加させる(零より大きくする)と、高圧セル1Hyから中圧セル1Myへと移動する電力を増加させることができる。
電圧レベル偏差ΔVHMを増加させた場合の各セルの電圧・電力波形を図7に示す。図7においては、細線はΔVHM=0として制御を行わない場合の波形であり、太線はΔVHM>0として制御を行った場合の波形である。なお、いずれの場合においてもΔVHL=ΔVML=0に設定している。 FIG. 7 shows voltage / power waveforms of the respective cells when the voltage level deviation ΔV HM is increased. In FIG. 7, a thin line is a waveform when control is not performed with ΔV HM = 0, and a thick line is a waveform when control is performed with ΔV HM > 0. In any case, ΔV HL = ΔV ML = 0 is set.
制御適用時は高圧セル1Hyの出力電圧vHは位相が遅れ、高圧セル1Hyから電力が流出する。また、中圧セル1Myの出力電圧vMも変化し、中圧セル1Myの流入電力PM(=vM・i)が変化する。制御適用前後での流入電力PMの差ΔPMは正の極性で4回発生する。したがって、中圧セル1Myに電力が流入する。これにより、高圧セル1Hyから中圧セル1Myへのエネルギーの移動を生じさせることができる。
The output voltage v H at the control application
なお、低圧セル1Lyは中圧セル1Myに連動して出力電圧vLを変更するが、低圧セル1Lyの流入電力PL(=vL・i)の制御適用前後での差ΔPLは、当該ΔPLの波形において正の極性で4回及び負の極性で4回発生し、平均すると電力のやり取りは発生しない。
The
また、低圧セル1Lyの出力電圧vLは、高圧セル1Hyの出力電圧vHと中圧セル1Myの出力電圧vMとに連動し、前掲の数式6に基づいて決定される。このとき、低圧セル1Lyの出力電圧vLは数式15によって表される範囲を取り得る。
(数15) −Vdc−|ΔVHM|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHM|
Further, the output voltage v L of the
(Equation 15) −V dc − | ΔV HM | ≦ v L ≦ V dc + | ΔV HM |
そして、低圧セル1Lyの出力電圧vLが数式15によって表される全領域の電圧を出力することができるように、低圧セル1Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)VCLは数式16を満たすように設定する必要がある。したがって、直流電圧VCLは基準直流電圧Vdcよりも高く設定される。
(数16) VCL ≧ Vdc+|ΔVHM|
Then, to be able to output a voltage of the entire region where the output voltage v L of the low-
(Equation 16) V CL ≧ V dc + | ΔV HM |
A)上記i及びiiを利用する方法
この場合は、高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの両方の電圧制御を同時に行うために電圧偏差ΔVHLy'と電圧偏差ΔVMLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図8(A)に示す。なお、図8においては、図中の矢印が、セル間でのエネルギーのやり取りの状況、言い換えると、セル間でのエネルギーのやり取りの有無を表している。また、本明細書の説明では、特定する必要がある場合には、以下に述べる方法Bや方法Cではなく当該方法Aを前提としている。
A) Method using i and ii above In this case, voltage deviation ΔV HLy ′ and voltage deviation ΔV MLy ′ are added at the same time in order to perform voltage control of both
そして、この場合は、低圧セル1Lyの出力電圧vLは数式9及び数式12に加えて数式17の範囲を取り得る。さらに、低圧セル1Lyの出力電圧vLが数式9,数式12,数式17の三つの全領域の電圧を出力することができるように低圧セル1Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)VCLは数式18−1,18−2,18−3の三つの方程式を満たすように設定する必要がある。
(数17) −Vdc−|ΔVHLy+ΔVMLy|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHLy+ΔVMLy|
(数18−1) VCL ≧ Vdc+|ΔVHLy|
(数18−2) VCL ≧ Vdc+|ΔVMLy|
(数18−3) VCL ≧ Vdc+|ΔVHLy+ΔVMLy|
B)上記iii及びiを利用する方法
この場合は、電圧偏差ΔVHMy'と電圧偏差ΔVHLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図8(B)に示す。
In this case, the output voltage v L of the low-
( Equation 17) −V dc − | ΔV HLy + ΔV MLy | ≦ v L ≦ V dc + | ΔV HLy + ΔV MLy |
( Equation 18-1) V CL ≧ V dc + | ΔV HLy |
( Equation 18-2) V CL ≧ V dc + | ΔV MLy |
( Equation 18-3) V CL ≧ V dc + | ΔV HLy + ΔV MLy |
B) Method using iii and i above In this case, the voltage deviation ΔV HMy ′ and the voltage deviation ΔV HLy ′ are added simultaneously. FIG. 8B shows an image diagram of the interstage DC voltage ratio control in this case.
そして、この場合は、低圧セル1Lyの出力電圧vLは数式15及び数式9に加えて数式19の範囲を取り得る。さらに、低圧セル1Lyの出力電圧vLが数式9,数式15,数式19の三つの全領域の電圧を出力することができるように低圧セル1Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)VCLは数式20−1,20−2,20−3の三つの方程式を満たすように設定する必要がある。
(数19) −Vdc−|ΔVHMy+ΔVHLy|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHMy+ΔVHLy|
(数20−1) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy|
(数20−2) VCL ≧ Vdc+|ΔVHLy|
(数20−3) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy+ΔVHLy|
C)上記iii及びiiを利用する方法
この場合は、高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの両方の電圧制御を同時に行うために電圧偏差ΔVHMy'と電圧偏差ΔVMLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図8(C)に示す。
In this case, the output voltage v L of the
( Equation 19) −V dc − | ΔV HMy + ΔV HLy | ≦ v L ≦ V dc + | ΔV HMy + ΔV HLy |
( Equation 20-1) V CL ≧ V dc + | ΔV HMy |
( Equation 20-2) V CL ≧ V dc + | ΔV HLy |
( Equation 20-3) V CL ≧ V dc + | ΔV HMy + ΔV HLy |
C) Method using iii and ii In this case, voltage deviation ΔV HMy 'and voltage deviation ΔV MLy ' are added at the same time in order to perform voltage control of both
そして、この場合は、低圧セル1Lyの出力電圧vLは数式15及び数式12に加えて数式21の範囲を取り得る。さらに、低圧セル1Lyの出力電圧vLが数式12,数式15,数式21の三つの全領域の電圧を出力することができるように低圧セル1Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)VCLは数式22−1,22−2,22−3の三つの方程式を満たすように設定する必要がある。
(数21) −Vdc−|ΔVHMy+ΔVMLy|≦ vL ≦ Vdc+|ΔVHMy+ΔVMLy|
(数22−1) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy|
(数22−2) VCL ≧ Vdc+|ΔVMLy|
(数22−3) VCL ≧ Vdc+|ΔVHMy+ΔVMLy|
In this case, the output voltage v L of the
( Equation 21) −V dc − | ΔV HMy + ΔV MLy | ≦ v L ≦ V dc + | ΔV HMy + ΔV MLy |
( Equation 22-1) V CL ≧ V dc + | ΔV HMy |
( Equation 22-2) V CL ≧ V dc + | ΔV MLy |
( Equation 22-3) V CL ≧ V dc + | ΔV HMy + ΔV MLy |
なお、本発明においては、各セル1xyの検出された直流コンデンサの電圧vCxyにより、低圧セル1Lyに電力が流入する場合も低圧セル1Lyから電力が流出する場合もあり得る。すなわち、クラスター1u,1v,1w毎に各セル1xy間の特性の微小なばらつきに起因して一部のセルの直流電圧vCxyが上昇すると共に一部のセルの直流電圧vCxyが低下して既定値から乖離していくという状況が発生し得るところ、本発明では、低圧セル1Lyの直流電圧vCLyが既定値よりも低い状況では低圧セル1Lyに電力が流入するように制御が働き、一方、低圧セル1Lyの直流電圧VCLyが既定値よりも高い状況では低圧セル1Lyから電力が流出するように制御が働く。そして、高圧セル1Hy及び中圧セル1Myにおいても同様に電力が流入する場合と流出する場合とがあり得る。
In the present invention, the voltage v Cxy of each
(4)自励式無効電力補償装置の制御法
以下に、本発明の自励式無効電力補償装置の制御方法について説明する。
(4) Control Method of Self-Excited Reactive Power Compensation Device Hereinafter, a control method of the self-excited reactive power compensation device of the present invention will be described.
(4−1)有効・無効電力制御
本発明における有効・無効電力制御の方法としては従来の方法を用いることができる(図9参照;例えば、前出の非特許文献1を参照)。
(4-1) Active / Reactive Power Control A conventional method can be used as a method of active / reactive power control in the present invention (see FIG. 9; see, for example,
具体的には、三相を構成するクラスター1u,1v,1wを1台の三相系統連系変換器と考えて制御を行う。出力電流iyと電源電圧vSyを、それぞれdq変換(図9中の符号9a,9b)により出力電流のd軸成分id、q軸成分iq、及び電源電圧のd軸成分vSd、q軸成分vSqに分離して、dq座標上で非干渉電流制御を適用する。
Specifically, the control is performed by regarding the clusters 1u, 1v, and 1w constituting the three phases as one three-phase grid connection converter. The output current i y and the power supply voltage v Sy are respectively converted into a d-axis component i d , a q-axis component i q , and a d-axis component v Sd of the power supply voltage by dq conversion (
三相カスケード変換器の蓄積エネルギーの総和ECと指令値EC *との偏差を取り(同符号10)、これらを一致させるようにフィードバック制御器(同符号11;なお、KCは制御器の比例ゲインを表す)により変換器全体に流入する瞬時有効電力p*を算出する。当該瞬時有効電力p*と瞬時無効電力指令値q*とを用い、変換器がこれらを出力するように電流指令値id *とiq *とを求める(同符号12a,12b)。
Deviation between the total energy E C of the three-phase cascade converter and the command value E C * is taken (same sign 10), and the feedback controller (
そして、電流指令値id *,iq *と、実際の出力電流id,iqの偏差を取り(同符号13a,13b)、比例積分制御器を用いて電流フィードバック制御を構成する(同符号14a,14b;なお、K1は電流制御器の比例ゲイン,sはラプラス演算子(微分演算子),T1は電流制御器の積分時定数をそれぞれ表す)。交流リアクトルにおける電圧降下を打ち消すための項と電源電圧のフィードフォワード項との和を取り(同符号15a,15b)、逆dq変換を施して三相電圧指令値vu *,vv *,vw *を出力する(同符号16)。なお、図9においてωは電源電圧の角周波数を表し、図9及び図1においてLACは交流リアクトルのインダクタンスをそれぞれ表す。
Then, the deviation between the current command values i d * , i q * and the actual output currents i d , i q is taken (
(4−2)相間直流電圧バランス制御
また、本発明における相間直流電圧バランス制御の方法としても従来の方法を用いることができる(図10参照;例えば、前出の非特許文献3を参照)。
(4-2) Interphase DC voltage balance control The conventional method can also be used as the method of interphase DC voltage balance control in the present invention (see FIG. 10; for example, see
一般に、三相平衡な電流を出力する三相電力変換器において、その三相電圧指令値vu *,vv *,vw *に基本波零相電圧v0 *を重畳すると、相間で電力の受け渡しが行われる。重畳する零相電圧v0 *の振幅によって相間で受け渡しを行う電力の大きさが決定し、その電力は位相φ0と同位相の電圧を出力するクラスターへと流入する。 In general, in a three-phase power converter that outputs a three-phase balanced current, if the fundamental zero-phase voltage v 0 * is superimposed on the three-phase voltage command values v u * , v v * , v w * , the power between the phases Is delivered. The magnitude of the power to be transferred between the phases is determined by the amplitude of the superimposed zero-phase voltage v 0 * , and the power flows into a cluster that outputs a voltage having the same phase as the phase φ 0 .
相間直流電圧バランス制御では、三相を構成するクラスター1u,1v,1w間の電力が均一となるようにフィードバック制御を用いて基本波零相電圧v0 *を算出する(図10中の符号20から符号21まで)。なお、図10において、ΔECα,ΔECβは、各クラスターのエネルギー偏差ΔECu,ΔECv,ΔECwに対して三相二相変換を施したα軸,β軸成分,K0は相間エネルギー制御器の比例ゲイン,φ0は零相電圧v0 *の位相,ωは電源電圧の角周波数,tは時刻をそれぞれ表す。
In the inter-phase DC voltage balance control, the fundamental zero-phase voltage v 0 * is calculated by using feedback control so that the power between the clusters 1u, 1v, 1w constituting the three phases is uniform (
そして、基本波零相電圧v0 *を前述の有効・無効電力制御で決定される三相電圧指令値vu *,vv *,vw *に重畳することにより(図2参照)、各クラスター1u,1v,1w間の電力が調整されて各クラスターの蓄積エネルギーECyが均一に保たれる。 Then, by superimposing the fundamental wave zero-phase voltage v 0 * on the three-phase voltage command values v u * , v v * , v w * determined by the above-described active / reactive power control (see FIG. 2), The electric power among the clusters 1u, 1v, 1w is adjusted, and the accumulated energy E Cy of each cluster is kept uniform.
(4−3)段間直流電圧比制御
一方で、段間直流電圧比制御については本発明特有の方法を用いる。まず、表2に示した電圧分配条件を適用すると、電圧偏差ΔVHLy',ΔVMLy',ΔVHMy'を与えることで各セルの蓄積エネルギーを調整することができる。本発明では、これを利用し、クラスター1u,1v,1w内の各セル1xu,1xv,1xwの蓄積エネルギーECxu,ECxv,ECxwにフィードバック制御を適用することで直流電圧比を制御する。
(4-3) Interstage DC voltage ratio control On the other hand, for the interstage DC voltage ratio control, a method unique to the present invention is used. First, when the voltage distribution conditions shown in Table 2 are applied, the stored energy of each cell can be adjusted by giving voltage deviations ΔV HLy ′, ΔV MLy ′, and ΔV HMy ′. In the present invention, this is used to apply the feedback control to the stored energy E Cxu , E Cxv , E Cxw of the
本発明における段間直流電圧比制御では、図11(A)に示すように、クラスター全体の蓄積エネルギーECyから、高圧セル1Hyが分担すべき蓄積エネルギーの指令値ECHy *を数式23によって算出する(図11(A)中の符号30a)。
そして、蓄積エネルギーの指令値ECHy *と、電圧を検出して計算した実際の蓄積エネルギーECHyとの偏差を取り(同符号31a)、当該偏差にゲインKCHを乗じて電圧レベル偏差ΔVHLyを求める(同符号32a)。中圧セル1Myについても同様の手順で電圧レベル偏差ΔVMLyを求める(同符号30b,31b,32b)。
Then, a deviation between the stored energy command value E CHy * and the actual accumulated energy E CHy calculated by detecting the voltage is calculated (same as 31a), and the deviation is multiplied by the gain K CH to obtain a voltage level deviation ΔV HLy. (Same reference numeral 32a). The voltage level deviation ΔV MLy is also obtained for the
本実施形態の場合には、上述により求めた電圧レベル偏差ΔVHLy,ΔVMLyに基づく電圧偏差ΔVHLy',ΔVMLy'を表2に示す電圧分配条件に反映させることにより、高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Lyの間の蓄積エネルギーECHy,ECMy,ECLyが所定の値に制御され、同一クラスターを構成するセルの直流電圧比を6:2:kに保つことができる。
In the case of the present embodiment, the voltage deviations ΔV HLy ′ and ΔV MLy ′ based on the voltage level deviations ΔV HLy and ΔV MLy obtained as described above are reflected in the voltage distribution conditions shown in Table 2 so that the
なお、本実施形態のように図8(A)に示すセル間のエネルギーのやり取りによる段間直流電圧比制御を行う場合には図11(A)に示す変数及び手順によって電圧レベル偏差ΔVHLy及び電圧レベル偏差ΔVMLyが求められ、図8(B)に示すセル間のエネルギーのやり取りによる段間直流電圧比制御を行う場合には図11(B)に示す変数及び手順によって電圧レベル偏差ΔVHMy及び電圧レベル偏差ΔVHLyが求められ、図8(C)に示すセル間のエネルギーのやり取りによる段間直流電圧比制御を行う場合には図11(C)に示す変数及び手順によって電圧レベル偏差ΔVHMy及び電圧レベル偏差ΔVMLyが求められる。 When the interstage DC voltage ratio control is performed by exchanging energy between cells as shown in FIG. 8A as in the present embodiment, the voltage level deviation ΔV HLy and the variable and procedure shown in FIG. prompts the voltage level difference [Delta] V MLY, the voltage level difference [Delta] V HMy by the variable and procedure shown in FIG. 11 (B) in the case of exchanging interstage DC voltage ratio control by the energy between the cells shown in FIG. 8 (B) And the voltage level deviation ΔV HLy is obtained, and when the interstage DC voltage ratio control is performed by exchanging energy between the cells shown in FIG. 8C, the voltage level deviation ΔV is obtained by the variables and procedures shown in FIG. HMy and voltage level deviation ΔV MLy are determined.
以上の構成を有する本発明の無効電力補償装置によれば、ハイブリッド形カスケード変換器において最低電圧を出力するセルの電圧を基準直流電圧よりも少し増加させ、同時に各セルの出力電圧パルスを調整することによって同一相を構成する(言い換えると、同一クラスターの)セル間の電力融通を可能にしているので、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなり、従来と比べて装置構成が簡便で小型,低コストの無効電力補償装置を構成することができ、無効電力補償装置としての汎用性の向上を図ることが可能になる。 According to the reactive power compensator of the present invention having the above configuration, the voltage of the cell that outputs the lowest voltage in the hybrid cascade converter is slightly increased from the reference DC voltage, and the output voltage pulse of each cell is adjusted at the same time. This enables power interchange between cells that make up the same phase (in other words, in the same cluster), eliminating the need to connect a DC power source as an additional auxiliary power source to each cell. Thus, a reactive power compensator having a simple device configuration, a small size, and a low cost can be configured, and versatility as a reactive power compensator can be improved.
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では図8に示すようにu,v,w相のいずれの相も同じ方法によって段間直流電圧比制御を行うようにしているが、これに限られず、u,v,w相で異なる方法によって段間直流電圧比制御を行うようにしても良い。一例として具体的には例えば、図12(A)に示すように、クラスター1u(即ちu相)においては高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動及び中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用し、クラスター1v(即ちv相)においては高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動及び高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用し、クラスター1w(即ちw相)においては高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動及び中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用するようにしたり、同図(B)に示すように、クラスター1uにおいては高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動及び中圧セル1Myと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用し、クラスター1v及びクラスター1wにおいては高圧セル1Hyと中圧セル1Myとの間でのエネルギー移動及び高圧セル1Hyと低圧セル1Lyとの間でのエネルギー移動を利用するようにしたりしても良い。このように、u,v,w相で異なる方法によって段間直流電圧比制御を行うようにしても、当該制御は相毎に独立して作動するので所定の動作が行われ、本発明の作用効果が発揮される。なお、図12においては、図中の矢印が、セル間でのエネルギーのやり取りの状況、言い換えると、セル間でのエネルギーのやり取りの有無を表している。
In addition, although the above-mentioned form is an example of the suitable form of this invention, it is not limited to this, A various deformation | transformation implementation is possible in the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, in the above-described embodiment, as shown in FIG. 8, the interstage DC voltage ratio control is performed by the same method in any of the u, v, and w phases. The interstage DC voltage ratio control may be performed by a method different in w phase. As an example, for example, as shown in FIG. 12A, in cluster 1u (that is, u phase), energy transfer between
また、上述の実施形態では高圧セル1Hy,中圧セル1My,低圧セル1Lyの直流コンデンサの電圧比がVCHy:VCMy:VCLy=6Vdc:2Vdc:kVdc(ただし、1<k<2;Vdcは基準直流電圧)であるように構成されているが、直流コンデンサの電圧比はこれに限られるものではない。具体的には例えばVCHy:VCMy:VCLy=4Vdc:2Vdc:kVdc(ただし、1<k<2)でも良いし、さらに言えば、3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMyという関係が成り立てばVCHy:VCMy:VCLyはどのような値であっても良い。
In the above-described embodiment, the voltage ratio of the DC capacitors of the high-
さらに、上述の実施形態では表2に示すように出力電圧モードの切り替えの境界値に電圧偏差ΔVHMy',ΔVMLy'を加算することによって各セル1xyの出力電圧パルスの位相を変化させてセル間のエネルギー移動を可能にしているが、本発明の要点である追加的な補助電源としての直流電源を必要とすることなくハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式の無効電力補償装置を稼働させるための方法は上記電圧偏差を加算する方法に限られるものではない。すなわち、電圧偏差を加算する方法でなくても、図5,図6,図7に示すような電圧位相を変えたパルス列を出力するようにすれば本発明の要点は実現される。
Furthermore, in the above-described embodiment, as shown in Table 2, the phase of the output voltage pulse of each
具体的には、まず、高圧・中圧・低圧の各セル1xyの直流電圧vCxyを検出して各セル1xyの蓄積エネルギーECxyを数式1によって求め、数式4によって求められる蓄積エネルギー指令値ECx *と大小比較を行う。そして、例えば、高圧セルの実測の蓄積エネルギーECHyが蓄積エネルギー指令値ECH *よりも大きい場合には、高圧セル1Hyからエネルギーを放出するために図5に示すように当該図5と同じ部分の出力電圧パルスのみ変化するようにパルス列を遅らせれば良い。また、高圧セルの実測の蓄積エネルギーECHyが蓄積エネルギー指令値ECH *よりも小さい場合には、高圧セル1Hyにエネルギーを流入させるために図5とは逆向きにパルス列を進めれば良い。また、中圧セルの実測の蓄積エネルギーECMyが蓄積エネルギー指令値ECM *よりも大きい場合には、中圧セル1Myからエネルギーを放出するために図6に示すように当該図6と同じ部分の出力電圧パルスのみ変化するようにパルス列を遅らせれば良い。また、中圧セルの実測の蓄積エネルギーECMyが蓄積エネルギー指令値ECM *よりも小さい場合には、中圧セル1Myにエネルギーを流入させるために図6とは逆向きにパルス列を進めれば良い。なお、パルス列を進める若しくはパルス列を遅らせる大きさは、実測の蓄積エネルギーECxyと蓄積エネルギー指令値ECx *との差分に比例させるようにしても良いし、予め設定された固定値とするようにしても良い。
Specifically, first, the DC voltage v Cxy of each of the high-voltage, medium-pressure, and low-
上記の考え方を用いる場合には、全体としては、高圧セルの実測の蓄積エネルギーECHyと蓄積エネルギー指令値ECH *とについてECH *≧ECHy及びECH *<ECHyの2通りと、中圧セルの実測の蓄積エネルギーECMyと蓄積エネルギー指令値ECM *とについてECM *≧ECmy及びECM *<ECMyの2通りと、低圧セルの実測の蓄積エネルギーECLyと蓄積エネルギー指令値ECL *とについてECL *≧ECly及びECL *<ECLyの2通りとの組み合わせとして考えられる8通りの全てについて上述の実施形態における方法A,B,Cなどを用いて出力電圧パルスのどの部分をシフトさせれば良いのかを事前に調べておき、当該出力電圧パルスのシフトのさせ方を記憶装置に保存しておけば、各セルの蓄積エネルギーの実測値と指令値とがどのような関係になっている場合でも各セル間の電力のやり取りが行われる。 In the case of using the above concept, as a whole, there are two types of stored energy E CHy and stored energy command value E CH * of the high-pressure cell: E CH * ≧ E CHy and E CH * <E CHy , Measured stored energy E CMy and stored energy command value E CM * of the medium pressure cell E CM * ≧ E Cmy and E CM * <E CMy and measured stored energy E CLy and stored energy of the low pressure cell With respect to the command value E CL * , all eight possible combinations of E CL * ≧ E Cly and E CL * <E CLy are output using the methods A, B, C, etc. in the above-described embodiment. By investigating in advance which part of the voltage pulse should be shifted and storing in the storage device how to shift the output voltage pulse, the measured value and command value of the stored energy of each cell What kind of relationship Power of the interaction between even if each cell that Tsu is performed.
そして、上述の考え方に従って出力電圧パルスの位相を変えることによって、高圧セル1Hy及び中圧セル1My及び低圧セル1Lyの間で電力のやり取りを行って直流コンデンサの電圧を制御するようにしても良い。具体的には例えば、高圧セル1Hy及び中圧セル1Myから電力を流出させて低圧セル1Lyに電力を流入させるようにしたり、高圧セル1Hyから電力を流出させて中圧セル1My及び低圧セル1Lyに電力を流入させるようにしたり、高圧セル1Hyから電力を流出させて中圧セル1Myに電力を流入させると共に中圧セル1Myから電力を流出させて低圧セル1Lyに電力を流入させるようにしたりすることによって、低圧セル1Lyに電力を流入させるようにしても良い。なお、この場合には、高圧セルの直流電圧VCHy,中圧セルの直流電圧VCMy,低圧セルの直流電圧VCLyがVCHy>VCMy>VCLyであると共に、低圧セルの直流電圧VCLyが基準直流電圧Vdcよりも大きい。
Then, by changing the phase of the output voltage pulse according to the above-described concept, power is exchanged between the
すなわち、本発明において追加的な補助電源としての直流電源を必要とすることなくハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式の無効電力補償装置を稼働させるという要点を実現するための図2における「電圧分配」を行う方法は、上述の実施形態で説明した表2に示すような出力電圧モードの切り替えの境界値に電圧偏差ΔVHMy',ΔVMLy'を加算する方法には限られるものではなく、電圧位相を変えたパルス列を出力する方法であればどのようなものであっても良い。 That is, in the present invention, the “voltage” in FIG. 2 for realizing the gist of operating the self-excited reactive power compensator using the hybrid cascade converter without requiring a DC power supply as an additional auxiliary power supply. The method of “distribution” is not limited to the method of adding the voltage deviations ΔV HMy ′ and ΔV MLy ′ to the boundary value for switching the output voltage mode as shown in Table 2 described in the above embodiment. Any method may be used as long as it outputs a pulse train having a changed voltage phase.
ここで、本発明において各セルからの出力電圧の波形のパルス列を部分的に遅らせる若しくは進めるための電圧位相を変えたパルス列を出力する方法は特定の方法に限定されるものではない。また、電圧位相を変えたパルス列を出力する方法については周知のものが存在するので詳細については省略する。なお、あくまで一例としては具体的には例えば、i)パルス列を操作しない場合,ii)パルス列を遅らせた場合,iii)パルス列を進めた場合の三つの場合について高圧セル1Hy及び中圧セル1Myの出力電圧波形を例えば半導体メモリ等の読取高速の記憶装置に保存しておき、電源の周期に同期して切り替えるようにすることが考えられる。なお、低圧セル1Lyの出力電圧vLは、高圧セル1Hyの出力電圧vHと中圧セル1Myの出力電圧vMとに連動し、前掲の数式6に基づいて随時計算され決定される。
Here, in the present invention, the method of outputting a pulse train in which the voltage phase for partially delaying or advancing the pulse train of the waveform of the output voltage from each cell is not limited to a specific method. Further, since there is a known method for outputting a pulse train with the voltage phase changed, the details are omitted. As an example, specifically, for example, i) when the pulse train is not operated, ii) when the pulse train is delayed, iii) when the pulse train is advanced, the
また、上述の実施形態では高圧,中圧,低圧の三つのセルを用いて一つのクラスターを三段構成のセルによって構成するようにしているが、クラスターの構成はこれに限られるものではなく、例えば、上述の実施形態の高圧セルの3倍の電圧を有するセルを更に一段追加して四段構成としたり(この場合、直流コンデンサの電圧比は例えば18:6:2:kとする)、高圧セルを四段として全六段構成としたり(この場合、直流コンデンサの電圧比は例えば6:6:6:6:2:kとする)しても良い。 Further, in the above-described embodiment, one cluster is configured by three-stage cells using three cells of high pressure, medium pressure, and low pressure, but the configuration of the cluster is not limited to this, For example, a cell having a voltage three times that of the high voltage cell of the above-described embodiment is further added to form a four-stage configuration (in this case, the voltage ratio of the DC capacitor is set to 18: 6: 2: k, for example) The high voltage cell may have four stages to form a six-stage configuration (in this case, the voltage ratio of the DC capacitors is, for example, 6: 6: 6: 6: 2: k).
なお、本発明の無効電力補償装置は、配電系統に接続して用いることに限られるものではなく、例えば変圧器を合わせて用いるようにすることによって送電系統に接続して用いることも可能である。 Note that the reactive power compensator of the present invention is not limited to being used by being connected to a power distribution system, and can be used by being connected to a power transmission system by using, for example, a transformer. .
本発明の無効電力補償装置の構成を適用したハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式無効電力補償装置の動作適正性を検証するために行ったシミュレーション結果を図13から図18を用いて説明する。なお、以下の説明においては、三相u,v,wのうちのいずれかを意味する添字yを適宜省略する。 The simulation results performed to verify the operational suitability of the self-excited reactive power compensator using the hybrid cascade converter to which the configuration of the reactive power compensator of the present invention is applied will be described with reference to FIGS. . In the following description, the suffix y meaning any one of the three phases u, v, and w is omitted as appropriate.
本実施例では、図1に示す回路モデルを構築し、計算機シミュレーションによって動作適正性の検証を行った。本実施例のシミュレーションに用いた回路定数を表3に示す。
本実施例では、段間直流電圧比制御を適用するため、各セル1H,1M,1Lの直流電圧比をVCH *:VCM *:VCL * =6:2:1.2に設定した。これにより、低圧セル1Lの直流電圧は基準直流電圧Vdcよりも4〔V〕だけ高くなるため、|ΔVHL|,|ΔVML|,|ΔVHL +ΔVML|は4〔V〕以下の範囲で設定した。
In this embodiment, in order to apply the interstage DC voltage ratio control, the DC voltage ratio of each
(1)同相セル間のエネルギー制御の検証
表2に示した電圧分配条件を用いた種々の動作シミュレーションを行い、各セル1H,1M,1Lの出力電圧を合成することによって図13〜図16に示す結果が得られた。図13〜図16には、具体的には、u相クラスターの出力電圧vout-u,出力電流iu,高圧セル出力電圧vHu,中圧セル出力電圧vMu,低圧セル出力電圧vLu,高圧セル直流電圧vCHu,中圧セル直流電圧vCMu,低圧セル直流電圧vCLuの波形を示す。
(1) Verification of energy control between in-phase cells Various operation simulations using the voltage distribution conditions shown in Table 2 are performed, and the output voltages of the
まず、ΔVHLu=ΔVMLu=0〔V〕と設定してセル間のエネルギー制御を行わない場合のシミュレーションを行い、図13に示す結果が得られた。この結果から、各セル1Hu,1Mu,1Luが電圧vHu,vMu,vLuを出力するのに伴い、各セル1Hu,1Mu,1Luの直流電圧vCHu,vCMu,vCLuにはリプルを発生するものの、電源1周期(=20〔ms〕)後には元の電圧まで戻り、電圧偏差は発生しないことが確認された。これより、電源1周期の間で各セル1Hu,1Mu,1Lu間におけるエネルギーの移動は発生していないことが確認された。
First, a simulation was performed in the case where ΔV HLu = ΔV MLu = 0 [V] and energy control between cells was not performed, and the result shown in FIG. 13 was obtained. From this result, as each
次に、ΔVHLu=4〔V〕且つΔVMLu=0〔V〕と設定して高圧セル1Huから電力を流出させるように制御した場合のシミュレーションを行い、図14に示す結果が得られた。この結果から、電源1周期後に高圧セル1Huの直流電圧vCHuは低下する一方で低圧セル1Luの直流電圧vCLuは上昇していることが確認された。一方で、中圧セル1Muの直流電圧vCMuは変化していないことが確認された。これらより、高圧セル1Huと低圧セル1Luとの間でエネルギーのやり取りが行われていることが確認された。
Next, simulation was performed when ΔV HLu = 4 [V] and ΔV MLu = 0 [V] and control was performed so that power was discharged from the high-
また、ΔVHLu=0〔V〕且つΔVMLu=4〔V〕と設定して中圧セル1Muから電力を流出させるように制御した場合のシミュレーションを行い、図15に示す結果が得られた。この結果から、電源1周期後に中圧セル1Muの直流電圧vCMuは低下する一方で低圧セル1Luの直流電圧vCLuは上昇していることが確認された。一方で、高圧セル1Huの直流電圧vCHuは変化していないことが確認された。これらより、中圧セル1Muと低圧セル1Luとの間でエネルギーのやり取りが行われていることが確認された。
Further, a simulation was performed in which ΔV HLu = 0 [V] and ΔV MLu = 4 [V] were set to control power to flow out from the
さらに、ΔVHLu=−4〔V〕且つΔVMLu=4〔V〕と設定して高圧セル1Huに電力が流入すると共に中圧セル1Muから電力が流出するように制御した場合のシミュレーションを行い、図16に示す結果が得られた。この結果から、高圧セル1Huと中圧セル1Muとを同時に調整した場合においても、高圧セル1Huの直流電圧vCHuを増加させると共に中圧セル1Muの直流電圧vCMuを減少させることができることが確認された。
Furthermore, a simulation is performed when ΔV HLu = −4 [V] and ΔV MLu = 4 [V] are set so that power flows into the high-
以上の結果から、ハイブリッド形カスケード変換器の電圧分配にセル間のエネルギー制御を適用することで各セル1H,1M,1L間で蓄積エネルギーのやり取りが実現できることが確認された。
From the above results, it was confirmed that exchange of stored energy can be realized between the
(2)自励式無効電力補償装置動作の検証
次に、ハイブリッド形カスケード変換器を始動する際のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、各セル1H,1M,1Lの直流コンデンサは初期充電回路によって定格時の90%まで充電した状態で始動を行い、始動と同時に5〔kVA〕の無効電力指令を与えた。
(2) Verification of operation of self-excited reactive power compensator Next, a simulation when starting the hybrid cascade converter was performed. In this simulation, the DC capacitors of the
上述の条件でハイブリッド形カスケード変換器を始動する際のシミュレーションを行い、図17に示す結果が得られた。この結果から、始動から50〔ms〕後に各セル1xyの直流電圧vCxyは所定の電圧指令値(表3参照)に一致することが確認された。また、電源電圧から90度位相が遅れた電流が流れており、無効電力の補償を実現できることが確認された。
A simulation when starting the hybrid cascade converter under the above-described conditions was performed, and the results shown in FIG. 17 were obtained. From this result, it was confirmed that the DC voltage v Cxy of each
次に、定常動作中に段間直流電圧比制御を無効にした場合のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、各セル1xyの直流コンデンサと並列に、電圧不均一要因を模擬するための抵抗を接続した。
Next, a simulation was performed when the interstage DC voltage ratio control was disabled during steady operation. In this simulation, a resistor for simulating a voltage non-uniformity factor was connected in parallel with the DC capacitor of each
上述の条件で定常動作中に段間直流電圧比制御を無効にした場合のシミュレーションを行い、図18に示す結果が得られた。この結果から、段間直流電圧比制御を適用している間は各セル1xyの直流電圧vCxyは所定の電圧指令値(表3参照)に一致して動作を行っている一方で、段間直流電圧比制御を無効にすると各セル1xyの直流電圧vCxyが不均一になることが確認された。
A simulation was performed when the interstage DC voltage ratio control was disabled during steady operation under the above-described conditions, and the results shown in FIG. 18 were obtained. From this result, while the interstage DC voltage ratio control is applied, the DC voltage v Cxy of each
以上の結果から、段間直流電圧比制御はハイブリッド形カスケード変換器の直流電圧を所定の値に保つことに寄与していることが確認され、自励式無効電力補償装置として適正に動作することが確認された。 From the above results, it is confirmed that the interstage DC voltage ratio control contributes to maintaining the DC voltage of the hybrid cascade converter at a predetermined value, and can operate properly as a self-excited reactive power compensator. confirmed.
1Hy 高圧セル(y相)
1My 中圧セル(y相)
1Ly 低圧セル(y相)
1 Hy high pressure cell (y phase)
1 My medium pressure cell (y phase)
1 Ly low pressure cell (y phase)
Claims (8)
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、
3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記高圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めること、並びに前記中圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めることによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。 A reactive power compensation apparatus of the self-excited to be interconnection to the power system of the three Ai交 stream,
The reactive power compensation device, the control of the output voltage waveform includes a line right wing hybrid type cascade converter, the hybrid cascade converter has a cluster corresponding to each phase of the three-phase AC, said cluster Consists of a series connection of a high pressure cell, a medium pressure cell, and a low pressure cell, each containing a single phase full bridge converter,
V CHy is the voltage of the DC capacitor of the high voltage cell , V CMy is the voltage of the DC capacitor of the medium voltage cell , V CLy is the voltage of the DC capacitor of the low voltage cell , V dc is the reference DC voltage, and the suffix y Is one of the phases (u, v, w) of the three-phase alternating current,
3V CMy ≧ V CHy > V CMy > V CLy > 0.5 V CM y and V CLy > V dc , and in order to control V CHy , V CMy and V CLy , delaying it or proceed with the pulse of the output voltage of the waveform partially and by or advancing delaying the pulses of the output voltage waveform of the medium pressure cell partially, the high pressure cell, the medium pressure cells, and the and wherein the generating the power exchange between the low pressure cell cells, reactive power compensator.
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、ΔV HLy ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔV MLy ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、i y が前記クラスターからの出力電流を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、
3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、i y≧0のときはΔVHLy’>0且つΔVMLy’>0であるΔV HLy ’及びΔV MLy ’を加算し、iy<0のときはΔVHLy’<0且つΔVMLy’<0であるΔV HLy ’及びΔV MLy ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。 A reactive power compensation apparatus of the self-excited to be interconnection to the power system of the three Ai交 stream,
The reactive power compensation device, the control of the output voltage waveform includes a line right wing hybrid type cascade converter, the hybrid cascade converter has a cluster corresponding to each phase of the three-phase AC, said cluster Consists of a series connection of a high pressure cell, a medium pressure cell, and a low pressure cell, each containing a single phase full bridge converter,
V CHy is the voltage of the DC capacitor of the high voltage cell , V CMy is the voltage of the DC capacitor of the medium voltage cell , V Cly is the voltage of the DC capacitor of the low voltage cell , V dc is the reference DC voltage, ΔV HLy 'Is a voltage deviation for causing energy transfer between the high pressure cell and the low pressure cell, and ΔV MLy ' is a voltage for causing energy transfer between the medium pressure cell and the low pressure cell. When the deviation y represents the output current from the cluster and the suffix y represents one of the phases (u, v, w) of the three-phase alternating current,
3V CMy ≧ V CHy > V CMy > V CLy > 0.5 V CM y and V CLy > V dc , and further from the cluster to control V CHy , V CMy , V CLy When i y ≧ 0, ΔV HLy '> 0 and ΔV MLy '> are set as boundary values for switching the output voltage modes of the high voltage cell , the medium voltage cell , and the low voltage cell for controlling the waveform of the output voltage. by adding [Delta] V hly 'and [Delta] V MLY' is 0, by the time i y <0 for adding the [Delta] V hly '<0 and [Delta] V MLY' <0 and is [Delta] V hly 'and [Delta] V MLY', the high pressure cell , and wherein the generating the exchange of power between the cells in said pressure cells, and the low-pressure cells, the reactive power compensator.
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、ΔV HMy ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔV HLy ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、i y が前記クラスターからの出力電流を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、
3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、i y≧0のときはΔVHMy’>0且つΔVHLy’>0であるΔV HMy ’及びΔV HLy ’を加算し、iy<0のときはΔVHMy’<0且つΔVHLy’<0であるΔV HMy ’及びΔV HLy ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。 A reactive power compensation apparatus of the self-excited to be interconnection to the power system of the three Ai交 stream,
The reactive power compensation device, the control of the output voltage waveform includes a line right wing hybrid type cascade converter, the hybrid cascade converter has a cluster corresponding to each phase of the three-phase AC, said cluster Consists of a series connection of a high pressure cell, a medium pressure cell, and a low pressure cell, each containing a single phase full bridge converter,
V CHy is the voltage of the DC capacitor of the high voltage cell , V CMy is the voltage of the DC capacitor of the medium voltage cell , V Cly is the voltage of the DC capacitor of the low voltage cell , V dc is the reference DC voltage, ΔV HMy 'Is a voltage deviation for causing energy transfer between the high pressure cell and the medium pressure cell, and ΔV HLy ' is a voltage for causing energy transfer between the high pressure cell and the low pressure cell. When the deviation y represents the output current from the cluster and the suffix y represents one of the phases (u, v, w) of the three-phase alternating current,
3V CMy ≧ V CHy > V CMy > V CLy > 0.5 V CM y and V CLy > V dc , and further from the cluster to control V CHy , V CMy , V CLy When i y ≧ 0, ΔV HMy ′> 0 and ΔV HLy ′> are set as boundary values for switching the output voltage mode of the high voltage cell , the medium voltage cell , and the low voltage cell for controlling the waveform of the output voltage. by adding [Delta] V HMy 'and [Delta] V hly' is 0, by the time i y <0 for adding the [Delta] V HMy '<0 and [Delta] V hly' <0 and is [Delta] V HMy 'and [Delta] V hly', the high pressure cell , and wherein the generating the exchange of power between the cells in said pressure cells, and the low-pressure cells, the reactive power compensator.
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
V CHy が前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CMy が前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、V CLy が前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、V dc が基準直流電圧を、ΔV HMy ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔV MLy ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、i y が前記クラスターからの出力電流を、添字yが前記三相交流の各相(u,v,w)のうちのいずれかを表すとしたとき、
3VCMy≧VCHy>VCMy>VCLy>0.5VCMy であると共に、V CLy >V dc であり、さらに、V CHy ,V CMy ,V CLy を制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、i y≧0のときはΔVHMy’>0且つΔVMLy’>0であるΔV HMy ’及びΔV MLy ’を加算し、iy<0のときはΔVHMy’<0且つΔVMLy’<0であるΔV HMy ’及びΔV MLy ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。 A reactive power compensation apparatus of the self-excited to be interconnection to the power system of the three Ai交 stream,
The reactive power compensation device, the control of the output voltage waveform includes a line right wing hybrid type cascade converter, the hybrid cascade converter has a cluster corresponding to each phase of the three-phase AC, said cluster Consists of a series connection of a high pressure cell, a medium pressure cell, and a low pressure cell, each containing a single phase full bridge converter,
V CHy is the voltage of the DC capacitor of the high voltage cell , V CMy is the voltage of the DC capacitor of the medium voltage cell , V Cly is the voltage of the DC capacitor of the low voltage cell , V dc is the reference DC voltage, ΔV HMy 'Is a voltage deviation for causing energy transfer between the high pressure cell and the medium pressure cell, and ΔV MLy ' is for causing energy transfer between the medium pressure cell and the low pressure cell. When the voltage deviation is represented by i y indicating the output current from the cluster, and the subscript y represents one of the phases (u, v, w) of the three-phase alternating current,
3V CMy ≧ V CHy > V CMy > V CLy > 0.5 V CM y and V CLy > V dc , and further from the cluster to control V CHy , V CMy , V CLy The boundary value for switching the output voltage mode of the high voltage cell , the medium voltage cell , and the low voltage cell for controlling the waveform of the output voltage is set to ΔV HMy '> 0 and ΔV MLy '> when i y ≧ 0. by adding [Delta] V HMy 'and [Delta] V MLY' is 0, by the time i y <0 for adding the [Delta] V HMy '<0 and [Delta] V MLY' <0 and is [Delta] V HMy 'and [Delta] V MLY', the high pressure cell , and wherein the generating the exchange of power between the cells in said pressure cells, and the low-pressure cells, the reactive power compensator.
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