JP6147363B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

この発明は、複数の半導体スイッチと直流コンデンサからなる単位セルを複数台、カスケード接続したアームをデルタ結線した三相の電力変換装置に関するものである。
大容量電力変換装置は、変換器出力が高電圧または大電流となるため、複数の変換器を直列または並列に多重化することで構成されていることが多い。変換器を多重化することは、変換器容量を大きくするのみでなく、出力を合成することにより、出力電圧波形に含まれる高調波を低減し、変換装置の外部に流出する高調波電流を低減することが知られている。
変換器を多重化する方法は、様々存在し、リアクトル多重や変圧器多重、直接多重などがある。変圧器で多重化すると、交流側は変圧器で絶縁されるため各変換器の直流を共通化できるというメリットがある。しかし、出力電圧が高電圧となると多重変圧器の構成が複雑となる点および変圧器のコストが高くなる点がデメリットである。（例えば、特許文献１）。
そこで、高圧用途に適した多重変圧器を必要としない電力変換装置として、複数の変換器の出力をカスケード接続したマルチレベル変換器が提案されており、その中の一つにモジュラーマルチレベル変換器（以下、ＭＭＣと称す）がある。ＭＭＣは高耐圧大容量化が可能なため電力系統に連系可能な変換器であり、高圧直流送電（ＨＶＤＣ）、ＢＴＢ（Ｂａｃｋ Ｔｏ Ｂａｃｋ）（非同期連系装置）、周波数変換装置（ＦＣ）、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）など、広く適用が検討されている。
ＭＭＣは、セルと呼ばれる複数の単位変換器（以下、単位セルと称す）がカスケード接続されたアームで構成されている。単位セルは、複数の半導体スイッチと直流コンデンサを備えており、半導体スイッチをオン・オフさせることにより、直流コンデンサの両端電圧またはゼロ電圧を出力する。
三相ＭＭＣはアームの結線方法により様々な構成が可能であり、その中の１つの変換器構成として、デルタ結線カスケード方式がある。デルタ結線カスケード変換器は、複数の単位セルをカスケード接続し、更にリアクトルを直列接続したアームをデルタ結線した構成であり、リアクトルまたは変圧器を介し、交流電力系統に並列接続した構成である。そのため、系統から相間を流れる電流と、系統側には出力されず変換器のデルタ結線内を循環する電流の２つの電流成分が存在する。したがって、三相ＭＭＣでは、これらの電流成分を制御する必要がある。また、各々のセルには直流コンデンサが構成されており、この直流コンデンサは電源を持たないため、電圧を一定の範囲内に制御する必要がある。
三相ＭＭＣでは、複数の電流成分および直流コンデンサ電圧を制御する必要があり、系統不平衡による相間の直流コンデンサ電圧のアンバランスを循環電流により制御する方法が開示されている（例えば、特許文献１）。
特開２０１１−２２３７８４号（段落［００２７］〜［００８５］、図１）
三相ＭＭＣの特徴として、系統平衡時では系統電圧と位相差が９０度となる無効電流を流すように制御をしているため、直流コンデンサ電圧は一定となり、バランスする。しかし、系統不平衡時では不平衡である系統電圧に対して、平衡時と同じ電流が流れるため、系統電圧に有効電流が流れることで、コンデンサが充放電してアンバランスする。したがって、不平衡時では直流電圧がアンバランスする。
特許文献１の開示発明では、不平衡率が高い系統事故においては相間の直流コンデンサ電圧をバランスさせるために大きな循環電流を流す必要があり、変換器、すなわち電力変換部に流れる電流が大きくなるという問題があった。
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、系統不平衡時による相間の直流コンデンサ電圧をバランスさせる際に電力変換部に流れる電流を小さくすることが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
この発明に係る電力変換装置は、三相の交流回路に接続される電力変換部と電力変換部を制御するための変換器制御部とを備え、電力変換部は、交流回路に接続されデルタ結線された３つのアームを備え、各アームは、１つまたは複数カスケード接続した単位セルとリアクトルとを直列に接続した構成であり、単位セルは、互いに直列接続された複数の半導体スイッチの直列体とこの直列体と並列に接続された直流コンデンサとを備え、変換器制御部は、各セルの直流コンデンサ電圧に基づき各相アーム電流指令値を演算する相直流電圧制御部と、各相アーム電流指令値に基づき逆相電流指令値を演算する逆相電流指令値演算部と、逆相電流指令値と所定の正相電流指令値とに基づき電力変換部の出力電流を制御する正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値を演算する出力電流制御部と、各相アーム電流指令値に基づいて循環電流を制御する零相電圧指令値を演算する循環電流制御部と、正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値と零相電圧指令値と各セル直流コンデンサ電圧と各相アーム電流に基づき単位セルそれぞれの出力電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、出力電圧指令値に基づき単位セルの半導体スイッチを制御するためのゲート信号を演算するゲート信号生成部とを備え、系統不平衡による相間の各セル直流コンデンサ電圧のアンバランスを循環電流と逆相電流により制御する構成としたものである。
この発明に係る電力変換装置は、上記のように構成され、系統不平衡による相間の各セル直流コンデンサ電圧のアンバランスを循環電流と逆相電流により制御するため、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。
この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る全体構成図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る単位セルの内部構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る単位セルの別の内部構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る変換器制御部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る相直流電圧制御部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る全電圧制御部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る逆相電流指令値演算部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る出力電流制御部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る循環電流制御部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る電圧指令値演算部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るセル直流電圧制御部の内部構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態２の電力変換装置に係る出力電流制御部の制御器の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態３の電力変換装置に係る出力電流制御部の基準電圧演算部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態４の電力変換装置に係る全体構成図である。 この発明の実施の形態５の電力変換装置に係る推定変換器電圧演算部の構成を示すブロック図である。 この発明の実施の形態６の電力変換装置に係る推定変換器電圧演算部の構成を示すブロック図である。
実施の形態１．
実施の形態１は、電力変換部と変換器制御部を備え、変換器制御部は３つの電圧制御系（相直流電圧制御部、全電圧制御部、セル直流電圧制御部）と、２つの電流制御系（出力電流制御部、循環電流制御部）と、２つの演算部（逆相電流指令値演算部、相電圧指令値演算部）と、さらにゲート信号生成部とを備え、系統不平衡による相間の各セル直流電圧のアンバランスを循環電流と逆相電流により制御する電力変換装置に関するものである。
以下、本願発明の実施の形態１に係る電力変換装置１の構成、動作について、電力変換装置の全体構成図である図１、単位セルの回路図である図２、３、変換器制御部のブロック図である図４、相直流電圧制御部のブロック図である図５、全電圧制御部ブロック図である図６、逆相電流指令値演算部のブロック図である図７、出力電流制御部のブロック図である図８、循環電流制御部のブロック図である図９、電圧指令値演算部のブロック図である図１０、セル直流電圧制御部のブロック図である図１１に基づいて説明する。
図１は、本発明の実施の形態１の電力変換装置１を含む全体システムの構成を示す。システム全体は、電力変換装置１と交流電力系統２と変圧器３から構成され、電力変換装置１は変圧器３を介して交流電力系統２に並列接続されている。
なお、図１では、電力変換装置１は変圧器３を介して交流電力系統２に接続されているが、連系リアクトルを介して接続される構成であってもよい。
次に、電力変換装置１の全体構成を図１に基づいて説明する。電力変換装置１は、電力変換部６と変換器制御部７から構成される。
電力変換部６は、各相にアーム４を備え、各アーム４は複数の単位セル１０、更にアームリアクトル５を直列に接続したものである。各相のアーム４はデルタ結線で接続され、各相アームの接続端は交流電力系統２に接続される。
アームリアクトル５は、後述する循環電流成分を抑制するために挿入するもので、単位セル１０と直列に接続されるものであれば、その挿入位置は、図１に示された位置に限られるものではなく、また、複数個を分散して挿入するものであってもよい。
電力変換部６は、各アーム４の電流を検出するアーム電流検出部４０を備える。さらに後で説明する単位セル１０の直流コンデンサ１５の電圧を検出する直流コンデンサ電圧検出部５０を備える。また、電力変換部６は、交流電力系統２の交流電圧を検出する交流電圧検出部２０からの電圧信号を受信し、さらに交流電力系統２の出力電流を検出する出力電流検出部３０からの電流信号を受信する。
図１の変換器制御部７の構成は、交流電力系統２および電力変換部６との信号の授受を中心に記載しているため、一部構成部を省略している。変換器制御部７の構成、機能は図４に基づいて後述する。
次に、単位セル１０の具体的内部構成を図２、図３に基づいて説明する。
図２は、単位セル１０の内部構成を示す回路図である。フルブリッジで構成されている単位セル１０は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒｓ）等の自己消弧型のスイッチング素子１３から構成される直列体１１を２つ並列接続し、さらに直流コンデンサ１５を並列接続した構成である。直列体１１は、このスイッチング素子１３に逆並列に接続されたダイオード１４からなる半導体スイッチ１２を複数（ここでは、２つ）直列接続したものである。そして、単位セル１０は図２に示すように、それぞれの直列体１１の内部中間接続点となる半導体スイッチ１２の端子を出力端とし、スイッチング素子１３をオン・オフさせることにより、この出力端から直流コンデンサ１５の同極性、逆極性電圧またはゼロ電圧を出力する。
単位セル１０の他の構成例を図３に基づいて説明する。図３はハーフブリッジで構成されている単位セル１０の内部構成を示す回路図である。図３において、単位セル１０は、スイッチング素子１３から構成される直列体１１および直列体１１に並列に接続された直流コンデンサ１５から構成される。直列体１１はこのスイッチング素子１３に逆並列に接続されたダイオード１４からなる半導体スイッチ１２を複数（ここでは、２つ）直列接続したものである。そして、単位セル１０は図３に示すように、一方の半導体スイッチ１２の両端子を出力端とし、スイッチング素子１３をオン・オフさせることにより、この出力端から直流コンデンサ１５の同極性電圧またはゼロ電圧を出力する。
単位セル１０の構成は、半導体スイッチにより構成される直列体と、この直列体に並列に接続された直流コンデンサから構成され、直列体の半導体スイッチにより出力端に直流コンデンサ電圧を選択的に出力する構成であれば、図２および図３に限定されるものではない。
なお、以降「単位セル」を適宜、「セル」と記載する。
次に、本発明の電力変換装置１の制御について説明する。図４は、本発明の実施の形態１による電力変換部６を制御するための変換器制御部７の全体ブロック図である。変換器制御部７は主な構成部として、３つの電圧制御系（相直流電圧制御部６０、全電圧制御部７０、セル直流電圧制御部１４０）および２つの電流制御系（出力電流制御部９０、循環電流制御部１００）、さらに２つの演算部（逆相電流指令値演算部８０、相電圧指令値演算部１３０）を備える。なお、相電圧指令値演算部１３０およびセル直流電圧制御部１４０をまとめた機能部を電圧指令値演算部１１０としている。
変換器制御部７の機能概要、特に本発明の要部となる電力変換装置１の各セルの直流コンデンサ電圧を相間でバランスさせるための相間を循環する電流の制御および逆相電流指令値演算について最初に説明する。さらに、変換器制御部７の各部の構成、機能を順次説明する。
まず、変換器制御部７の機能概要を説明する。
出力電流制御部９０では、有効電流ｉｑと無効電流ｉｄを制御することで、電力変換部６の電力制御を行っている。正相電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊は、正相無効電流指令値ｉｄ＊と正相有効電流指令値ｉｑ＊で構成され、電力変換装置１の運転条件から定まる所定の値である。ここで、正相有効電流指令値ｉｑ＊は、例えば全電圧制御部７０で演算され、正相無効電流指令値ｉｄ＊は、例えば交流電力系統２の正相電圧から演算される。
循環電流制御部１００では、デルタ結線内を循環する電流を制御することで、相間の直流コンデンサ電圧をバランスさせている。循環電流を制御するための循環電流指令値ｉｚ＊は、相直流電圧制御部６０で演算される。
セル直流電圧制御部１４０では、各セルの直流コンデンサ電圧を制御している。出力電圧指令値ｖｃｅｌｌ＊は、出力電流制御部９０の出力である正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊、循環電流制御部１００の出力である零相電圧指令値ｖｚ＊と、各セル直流電圧ｖｃｅｌｌおよびアーム電流ｉｕｖ、ｉｖｗ、ｉｗｕに基づいて演算される。
なお、「直流コンデンサ電圧」を適宜、「直流電圧」と記載する。
変換器制御部７の各部の構成、機能を説明するに際して、図４の各電流・電圧要素について説明する。
ｖｕ、ｖｖ、ｖｗ：系統電圧
ｉｕ、ｉｖ、ｉｗ：出力電流
ｉｕｖ、ｉｖｗ、ｉｗｕ：アーム電流
ｖｄｃｃｅｌｌ：各セル直流電圧（Ｎ個：各アームのセル数ｎ×３アーム）
ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊：アーム電流指令値
ｉｄ＊、ｉｑ＊：正相電流指令値
ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊：逆相電流指令値
ｖｄ＊、ｖｑ＊：正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値
ｖｚ＊：零相電圧指令値
ｖｃｅｌｌ＊：出力電圧指令値（Ｎ個：各アームのセル数ｎ×３アーム）
ｖｕｖ＊、ｖｖｗ＊、ｖｗｕ＊：アーム電圧指令値
次に、変換器制御部７の相直流電圧制御部６０の構成、動作を図５に基づいて説明する。
図５は、実施の形態１による電力変換装置１の変換器制御部７の相直流電圧制御部６０の内部構成を示すブロック図である。
相直流電圧制御部６０は、電圧演算部６１、推定変換器電圧演算部６２、減算器６３、制御器６４、乗算器６５、およびフィルタ６６から構成される。
相直流電圧制御部６０では、電圧演算部６１で全セル直流コンデンサ電圧ｖｄｃｃｅｌｌから全セル直流コンデンサ電圧の平均値、最大値または最小値などの代表電圧値ｖｄｃおよび各相電圧の代表値ｖｕｖ、ｖｖｗ、ｖｗｕを各セル直流電圧ｖｄｃｃｅｌｌに基づいて演算する。減算器６３では全セル直流コンデンサ電圧の代表値ｖｄｃと各相電圧の代表値ｖｕｖ、ｖｖｗ、ｖｗｕとの誤差Δｖｕｖ、Δｖｖｗ、Δｖｗｕを演算する。制御器６４は、誤差Δｖｕｖ、Δｖｖｗ、Δｖｗｕがゼロとなるよう、すなわち、各相電圧の代表値ｖｕｖ、ｖｖｗ、ｖｗｕを全セル直流コンデンサ電圧の代表値ｖｄｃに追従させるような各相電流指令値を演算する。
また、各相電圧の代表値ｖｕｖ、ｖｖｗ、ｖｗｕは２ｆ（ｆは基本周波数）で振動しているため、減算器６３に入力する前にフィルタ６６により２ｆの交流分を除去し、直流分のみとしている。
各セル１０内の直流コンデンサ１５を充放電するためには、有効電力を制御する必要がある。このため、制御器６４の出力に各アーム４の出力電圧を乗算することで、アーム電流指令値を演算する。しかし、本電力変換装置１では、各アーム４の出力電圧を検出する機構がないため、系統電圧等の検出値を用いて、各アーム４の出力電圧と同位相の推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕを演算する。
乗算器６５は変圧器３の電圧と同位相の成分（推定変換器電圧）ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕと制御器６４の出力の積を演算する。ここで、推定変換器電圧ｖａｒｎｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕは、系統電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗから推定変換器電圧演算部６２で線間電圧を演算した値を用いる。つまり、相直流電圧制御部６０の出力であるアーム電流指令値ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊は、制御器６４の出力と推定変換器電圧を乗算した値である。
次に、変換器制御部７の全電圧制御部７０の構成、動作を図６に基づいて説明する。
図６は、本発明の実施の形態１による電力変換装置１の全電圧制御部７０の内部構成を示すブロック図である。全電圧制御部７０は、直流電圧代表値演算部７１、減算器７２、および制御器７３から構成される。
全電圧制御部７０では、直流電圧代表値演算部７１で全セル直流コンデンサ電圧ｖｄｃｃｅｌｌから全セル直流コンデンサ電圧の平均値、最大値または最小値などの電圧代表値ｖｄｃを演算する。減算器７２は、直流全電圧指令値ｖｄｃ＊と直流電圧代表値演算部７１により演算された電圧代表値ｖｄｃの誤差Δｖｄｃを演算する。なお、直流全電圧指令値ｖｄｃ＊は１に設定される。
制御器７３は、演算された誤差Δｖｄｃがゼロとなるよう、すなわち、全セル直流コンデンサ電圧の代表値ｖｄｃを直流全電圧指令値ｖｄｃ＊に追従させるように正相有効電流指令値ｉｑ＊を演算する。
電圧代表値に全セル直流コンデンサ電圧の平均値、および最大値または最小値の平均値のいずれかを用いることで、全セルの直流コンデンサ電圧が一定に制御される。
次に、変換器制御部７の逆相電流指令値演算部８０の構成、動作を図７に基づいて説明する。
図７は本発明の実施の形態１による電力変換装置１の逆相電流指令値演算部８０の内部構成を示すブロック図である。逆相電流指令値演算部８０は、減算器８１、８５、加算器８２、三相／二相座標変換部８３、およびフィルタ８４から構成される。
逆相電流指令値演算部８０では、アーム電流指令値ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊から逆相電流指令値ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊を演算する。なお、逆相電流指令値ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊は、逆相無効電流指令値ｉｄｎ＊と逆相有効電流指令値ｉｑｎ＊で構成される。
相直流電圧制御部６０の出力であるアーム電流指令値ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊を加算器８２で加算し、３で割って循環電流指令値ｉｚ＊を演算する。
減算器８１は、相直流電圧制御部６０の出力であるアーム電流指令値ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊と循環電流指令値ｉｚ＊の差Δｉｕｖ＊、Δｉｖｗ＊、Δｉｗｕ＊を演算して、正相成分と逆相成分を抽出する。抽出した正相成分と逆相成分を三相／二相座標変換部８３により、正相座標系で三相／二相座標変換する。
減算器８５は、三相／二相座標変換部８３の出力から正相成分を抽出するフィルタ８４の出力を減算することで逆相電流指令値ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊を演算する。
なお、正相成分抽出に用いるフィルタ８４は、フィルタ入力値から逆相成分を除き、正相成分を抽出する機能を有する。正相座標系では正相成分は直流成分、逆相成分は基本波周波数の２倍周波数成分（２ｆ）となるため、一次遅れ、２ｆ移動平均、２ｆのノッチフィルタ等を用いる。
次に、変換器制御部７の出力電流制御部９０の構成、動作を図８に基づいて説明する。
図８は本発明の実施の形態１による電力変換装置１の出力電流制御部９０の内部構成を示すブロック図である。出力電流制御部９０は、基準電圧演算部９１、三相／二相座標変換部９２、および加算器９３から構成される。そして基準電圧演算部９１は、三相／二相座標変換部９４、加算器９５、減算器９６および制御器９７から構成される。
出力電流制御部９０では、加算器９５により正相電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と逆相電流指令値ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊とを加算することで電流指令値ｉｄｐｎ＊、ｉｑｐｎ＊を演算する。
ｉｄｐｎ＊＝ｉｄ＊＋ｉｄｎ＊（１）
ｉｑｐｎ＊＝ｉｑ＊＋ｉｑｎ＊（２）
三相／二相座標変換部９４は、出力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを正相座標系で三相／二相変換した正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑを演算する。減算器９６は、電流指令値ｉｄｐｎ＊、ｉｑｐｎ＊と三相／二相座標変換部９４の出力である正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑとの誤差Δｉｄ、Δｉｑを演算する。
制御器９７は、演算された誤差Δｉｄ、Δｉｑがゼロとなるよう、すなわち、正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑを電流指令値ｉｄｐｎ＊、ｉｑｐｎ＊に追従させるように演算し、正相逆相基準電圧ｖｄｒｅｆ、ｖｑｒｅｆを出力する。
三相／二相座標変換部９２は、系統電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗを正相座標系で三相／二相変換した正相電圧ｖｄ、ｖｑを演算する。
出力電流制御部９０では、加算器９３でこの正相電圧ｖｄ、ｖｑをフィードフォワード的に制御器９７の出力である正相逆相基準電圧（ｖｄｒｅｆ、ｖｑｒｅｆ）に加算して、正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を演算する。なお、正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊は、正相成分と逆相成分の両方を含む無効電圧指令値ｖｄ＊と正相成分と逆相成分の両方を含む有効電圧指令値ｖｑ＊で構成される。
次に、変換器制御部７の循環電流制御部１００の構成、動作を図９に基づいて説明する。ここでは、本発明の電力変換装置１の各相間の直流コンデンサ電圧をバランスさせるための電流制御について説明する。
図９は本発明の実施の形態１による電力変換装置１の循環電流制御部１００の内部構成を示すブロック図である。循環電流制御部１００は、加算器１０１、１０２、減算器１０３、および制御器１０４から構成される。
循環電流制御部１００では、相直流電圧制御部６０の出力であるアーム電流指令値ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊を加算器１０１で加算し、３で割って循環電流指令値ｉｚ＊を演算する。また、アーム電流値ｉｕｖ、ｉｖｗ、ｉｗｕを加算器１０２で加算し、３で割って循環電流ｉｚを演算する。
減算器１０３は、循環電流指令値ｉｚ＊と循環電流ｉｚの誤差Δｉｚを演算する。制御器１０４は、この誤差Δｉｚがゼロとなるよう、すなわち、循環電流ｉｚを循環電流指令値ｉｚ＊に追従させるような零相電圧指令値ｖｚ＊を演算する。
次に、変換器制御部７の電圧指令値演算部１１０の構成、動作を図１０に基づいて説明する。
図１０は電圧指令値演算部１１０の内部構成を示す。電圧指令値演算部１１０は、相電圧指令値演算部１３０とセル直流電圧制御部１４０から構成される。
相電圧指令値演算部１３０は、二相／三相座標変換部１３１と加算器１３２から構成される。セル直流電圧制御部１４０の内部構成は後述する。
電圧指令値演算部１１０は全体として、正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊と零相電圧指令値ｖｚ＊と各セル直流電圧ｖｄｃｃｅｌｌと各相アーム電流ｉｕｖ、ｉｖｗ、ｉｗｕに基づき単位セル１０それぞれの出力電圧指令値ｖｃｅｌｌ＊を演算する。
相電圧指令値演算部１３０は、各相のアーム電圧指令値を演算し、セル直流電圧制御部１４０は各セルの出力電圧指令値を演算する。
相電圧指令値演算部１３０では、二相／三相座標変換部１３１により正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を正相座標系で三相に変換する。加算器１３２は、三相に変換された各正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値に零相電圧指令値ｖｚ＊をそれぞれ加算し、各相アーム電圧指令値ｖｕｖ＊、ｖｖｗ＊、ｖｗｕ＊を演算する。
詳細は後述するがセル直流電圧制御部１４０は、これら各相アーム電圧指令値ｖｕｖ＊、ｖｖｗ＊、ｖｗｕ＊とアーム電流ｉｕｖ、ｉｖｗ、ｉｗｕ、および各セル直流電圧ｖｄｃｃｅｌｌに基づき、各セルの出力電圧指令値ｖｃｅｌｌ＊を演算する。
次に、変換器制御部７のセル直流電圧制御部１４０の構成、動作を図１１に基づいて説明する。
図１１はセル直流電圧制御部１４０の内部構成を示すブロック図である。セル直流電圧制御部１４０は、セル数Ｎ個のセル個別制御部１４１を備える。セル個別制御部１４１は、相代表値演算部１４２、セル電圧抽出部１４３、フィルタ１４４、減算器１４５、１４８、制御器１４６、および乗算器１４７から構成される。
セル個別制御部１４１では、相代表値演算部１４２が各セル直流電圧ｖｄｃｃｅｌｌから各相の直流コンデンサ電圧平均値、最大値または最小値などの各相電圧代表値ｖｄｃｕｖａｖを演算する。また、セル電圧抽出部１４３が各セル直流電圧ｖｄｃｃｅｌｌから各セル直流電圧ｖｄｃｕｖ１を演算する。フィルタ１４４は、各セル直流電圧ｖｄｃｕｖ１から周波数２ｆの交流分を除去してｖｄｃｕｖｆ１を演算する。減算器１４５は、各相電圧代表値ｖｄｃｕｖａｖからｖｄｃｕｖｆ１を減算して誤差Δｖｄｃｕｖ１を演算する。制御器１４６は、演算された誤差Δｖｄｃｕｖ１がゼロとなるようにｖｄｃｕｖ１ｒｅｆを演算する。
さらに、制御出力ｖｄｃｕｖ１ｒｅｆと同相のアーム電流ｉｕｖを乗算器１４７で乗算する。各相アーム電圧指令値ｖｕｖ＊から乗算器１４７の出力を減算器１４８で減算することで、各セル直流電圧指令値ｖｄｃｕｖ１＊を演算する。ｖｄｃｕｖ１＊からｖｄｃｗｕＮ＊が各セルの出力電圧指令値ｖｃｅｌｌ＊である。
ゲート信号生成部１２０では、電圧指令値演算部１１０の出力である各セルの出力電圧指令値ｖｃｅｌｌ＊に基づきＰＷＭ制御を行い、各セルのスイッチング素子１３のオン・オフ駆動を制御するゲート信号を演算する。
以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置は、電力変換部と変換器制御部を備え、変換器制御部は３つの電圧制御系（相直流電圧制御部、全電圧制御部、セル直流電圧制御部）と、２つの電流制御系（出力電流制御部、循環電流制御部）と、２つの演算部（逆相電流指令値演算部、相電圧指令値演算部）と、さらにゲート信号生成部とを備え、系統不平衡による相間の各セル直流電圧のアンバランスを循環電流と逆相電流により制御する構成としている。このため、実施の形態１の電力変換装置は、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。このため、省エネルギー化を図ることができる。
本実施の形態１では、正相有効電流指令値を図４に示す全電圧制御部７０で全セル直流コンデンサ電圧と直流全電圧指令値とから演算して生成する場合を説明した。しかし、電力変換装置の損失（例えばリアクトルの損失や単位セル内の半導体スイッチング素子の損失）をあらかじめ測定し、この測定値から正相有効電流指令値を算出して設定した値を用いてもよい。
また、正相無効電流指令値を電力変換装置内部で交流電力系統の正相電圧から演算する場合を説明した。しかし、上位制御システムで系統電源の電圧から正相無効電流指令値を演算し、電力変換装置は、上位制御システムからこの正相無効電流指令値を受信して、使用してもよい。
実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置の出力電流制御部に逆相電流を制御する機能部をさらに追加した構成としたものである。
以下、実施の形態２の電力変換装置の出力電流制御部の制御器の構成、動作について、制御器２９７の構成図である図１２に基づいて実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態２の電力変換装置の全体構成は、実施の形態１の電力変換装置１と同じである。出力電流制御部９０の制御器９７の構成が異なっており、実施の形態１の制御器９７と区別するため、図１２において制御器２９７としている。
実施の形態２の変換器制御部（出力電流制御部）が実施の形態１の変換器制御部（出力電流制御部）と異なっている部分は、制御器２９７の構成、機能のみである。他の部分は、実施の形態１の場合と同一であるので、説明は省略する。
図１２において、制御器２９７は、比較器２０１、積分器２０２、２０６、加算器２０３、２０８、二相／二相座標変換部２０４、２０７、およびフィルタ２０５で構成されている。
制御器２９７を備える出力電流制御部は、実施の形態１で説明した図８の減算器９６からの誤差Δｉｄ、Δｉｑがゼロとなるように正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を演算する。すなわち、正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑを電流指令値ｉｄｐｎ＊、ｉｑｐｎ＊に追従するように正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値ｖｄ＊、ｖｑ＊を演算する。
比較器２０１の出力である定常偏差Δｄｉｄ、Δｄｉｑには正相成分と逆相成分が含まれており、それぞれを積分器２０２，２０６で制御する。逆相成分については比較器２０１の出力を二相／二相座標変換部２０４で逆相座標系へ座標変換し、フィルタ２０５で逆相成分を抽出する。そして抽出した逆相成分を積分器２０６で制御し、その出力を二相／二相座標変換部２０７で、正相座標系へと座標変換する。その演算結果を積分器２０２の出力に加算器２０８で加算することで、逆相成分も制御する。
本実施の形態２の電力変換装置では、出力電流制御部の制御器２９７の逆相成分を制御する積分器２０６を備えることで、実施の形態１の電力変換装置による効果に加えて、逆相電流を指令値通りに制御することが可能となる。
以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１の電力変換装置の出力電流制御部に逆相電流を制御する機能部をさらに追加した構成としたものである。このため、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。さらに、逆相電流を指令値通りに制御することが可能となる。
実施の形態３．
実施の形態３の電力変換装置は、出力電流制御部に正相電流制御部と逆相電流制御部とを備える構成としたものである。
以下、実施の形態３の電力変換装置の出力電流制御部の基準電圧演算部の構成、動作について、基準電圧演算部３９１の構成図である図１３に基づいて実施の形態１との差異を中心に説明する。
実施の形態３の電力変換装置の全体構成は、実施の形態１の電力変換装置１と同じである。出力電流制御部の基準電圧演算部３９１の構成が異なっており、実施の形態１の基準電圧演算部９１と区別するため、図１３において基準電圧演算部３９１としている。
実施の形態３の出力電流制御部が実施の形態１の出力電流制御部と異なっている部分は、基準電圧演算部３９１の構成、機能のみである。他の部分は、実施の形態１の場合と同一であるので、説明は省略する。
図１３において、基準電圧演算部３９１は、正相電流制御部３０１、逆相電流制御部３０２、三相／二相座標変換部３０３、３０４、および加算器３０５から構成されている。
正相電流制御部３０１は、減算器３０６および制御器３０７から構成され、逆相電流制御部３０２は、減算器３０８および制御器３０９から構成されている。
正相電流制御部３０１は、減算器３０６により正相電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊と正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑの誤差Δｉｄ、Δｉｑを演算する。さらに、制御器３０７は、演算された誤差Δｉｄ、Δｉｑがゼロになるよう、すなわち、正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑを正相電流指令値ｉｄ＊、ｉｑ＊に追従するように正相有効・無効電圧指令値ｖｄ１＊、ｖｑ１＊を演算する。
また、逆相電流制御部３０２は、減算器３０８により逆相電流指令値ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊と逆相無効電流ｉｄｎ、逆相有効電流ｉｑｎの誤差Δｉｄｎ、Δｉｑｎを演算する。さらに、制御器３０９は演算された誤差Δｉｄｎ、Δｉｑｎがゼロになるよう、すなわち、逆相無効電流ｉｄｎ、逆相有効電流ｉｑｎを逆相電流指令値ｉｄｎ＊、ｉｑｎ＊に追従するように逆相有効・無効電圧指令値ｖｄｎ＊、ｖｑｎ＊を演算する。
三相／二相座標変換部３０３は、出力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを正相座標系で三相／二相変換した正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑを演算する。また、三相／二相座標変換部３０４は、出力電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗを逆相座標系で三相／二相変換した逆相無効電流ｉｄｎ、逆相有効電流ｉｑｎを演算する。
正相電流制御部３０１の出力である正相有効・無効電圧指令値ｖｄ１＊、ｖｑ１＊に逆相電流制御部３０２の出力である逆相有効・無効電圧指令値ｖｄｎ＊、ｖｑｎ＊を加算器３０５で加算することで正相逆相基準電圧ｖｄｒｅｆ、ｖｑｒｅｆを演算する。
つまり、実施の形態３の出力電流制御部では、正相無効電流ｉｄ、正相有効電流ｉｑおよび逆相無効電流ｉｄｎ、逆相有効電流ｉｑｎそれぞれを個別に４軸で制御する。
本実施の形態３の電力変換装置では、出力電流制御部が逆相電流制御部を備えることで、実施の形態１の電力変換装置による効果に加えて、逆相電流を指令値どおりに制御することが可能となる。
以上説明したように、実施の形態３の電力変換装置は、出力電流制御部に正相電流制御部と逆相電流制御部とを備える構成としたものである。このため、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。さらに、逆相電流を指令値通りに制御することが可能となる。
実施の形態４．
実施の形態４の電力変換装置は、アーム出力電圧を検出する機構を備える構成としたものである。
以下、実施の形態４の電力変換装置の構成、動作について、電力変換装置の全体構成図である図１４に基づいて実施の形態１との差異を中心に説明する。
なお、図１４において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
実施の形態４の電力変換装置の全体構成は、アーム出力電圧を検出するアーム出力電圧検出部４０８を備える以外は実施の形態１の電力変換装置１と同じである。実施の形態１の電力変換装置１と区別するため、図１４において電力変換装置４０１、電力変換部４０６、変換器制御部４０７、および相直流電圧制御部４６０としている。
実施の形態４の電力変換装置が実施の形態１の電力変換装置と異なっている部分は、アーム出力電圧を検出するアーム出力電圧検出部４０８を備えることのみである。他の部分は、実施の形態１の場合と同一であるので、説明は省略する。
図１４において、アーム出力電圧検出部４０８によりアーム出力電圧を検出する。検出したアーム出力電圧を、相直流電圧制御部４６０では、実施の形態１で説明した図５の制御器６４の出力に乗算器６５で乗算することでアーム電流指令値ｉｕｖ＊、ｉｖｗ＊、ｉｗｕ＊を演算する。すなわち、相直流電圧制御部４６０では、図５の推定変換器電圧演算部６２で推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕを演算するのではなく、アーム出力電圧検出部４０８で検出したアーム出力電圧を用いる。
以上のように、本発明の実施の形態４の電力変換装置において、推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕとして実際のアーム出力電圧を用いることで、先の実施の形態１による効果に加えて、より電圧制御の精度が向上する。
以上説明したように、実施の形態４の電力変換装置は、アーム出力電圧を検出する機構を備える構成としたものである。このため、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。さらに、電圧制御の精度が向上する。
実施の形態５．
実施の形態５の電力変換装置は、相直流電圧制御部で各アーム出力電圧の推定値を演算する際、変圧器からセル出力端までの電圧ドロップ分を考慮する構成としたものである。
以下、実施の形態５の電力変換装置の相直流電圧制御部の推定変換器電圧演算部の構成、動作について、推定変換器電圧演算部５６２の構成を示すブロック図である図１５に基づいて実施の形態１および４との差異を中心に説明する。
実施の形態５の電力変換装置の全体構成は、実施の形態１の電力変換装置１と同じである。実施の形態５では、推定変換器電圧演算部の具体的構成例を示したものであり、実施の形態１の推定変換器電圧演算部６２と区別するため、図１５において推定変換器電圧演算部５６２としている。
実施の形態５は、推定変換器電圧演算部の具体的構成例を示したものであるため、推定変換器電圧演算部５６２の構成と機能を説明する。
図１５において、推定変換器電圧演算部５６２は、減算器５０１、５０３、乗算器５０２、５０４、および演算器５０５、５０６、５０７で構成されている。
系統電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗから減算器５０１で各系統電圧の電圧差を演算し、乗算器５０２で１／√３を乗ずることで、系統線間電圧ｖｓｕｖ、ｖｓｖｗ、ｖｓｗｕを演算する。
乗算器５０４で正相無効電流指令値ｉｄ＊に変圧器３のリアクタンスＸを乗ずることで、電圧ドロップ分を演算する。この電圧ドロップ分に演算器５０５、５０６、５０７で基準位相θに対する位相差（２／３π、４／３π）を考慮して、減算器５０３で系統線間電圧ｖｓｕｖ、ｖｓｖｗ、ｖｓｗｕから減算する。この結果、推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕが演算される。
本発明の実施の形態５の電力変換装置において、推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕの演算を系統電圧から電圧ドロップ分を考慮することで、実施の形態４の電力変換装置の電圧制御の精度が向上する効果に加えて、アーム出力電圧を検出する機構が不要となる。
以上説明したように、実施の形態５の電力変換装置は、相直流電圧制御部で各アーム出力電圧の推定値を演算する際、変圧器の電圧ドロップ分を考慮する構成としたものである。このため、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。さらに、電圧制御の精度が向上するとともに、アーム出力電圧を検出する機構が不要となり、設備を簡素化できる。
実施の形態６．
実施の形態６の電力変換装置は、相直流電圧制御部の推定変換器電圧演算部に単相位相検出機能部を備える構成としたものである。
以下、実施の形態６の電力変換装置の相直流電圧制御部の推定変換器電圧演算部の構成、動作について、推定変換器電圧演算部６６２の構成を示すブロック図である図１６に基づいて主として実施の形態５との差異を中心に説明する。
実施の形態６の電力変換装置の全体構成は、実施の形態１の電力変換装置１と同じである。実施の形態６では、推定変換器電圧演算部の他の具体的構成例を示したものであり、実施の形態５の推定変換器電圧演算部５６２と区別するため、図１６において推定変換器電圧演算部６６２としている。
実施の形態６は、推定変換器電圧演算部の他の具体的構成例を示したものであるため、推定変換器電圧演算部６６２の構成と機能を説明する。
図１６において、推定変換器電圧演算部６６２は、減算器６０１、乗算器６０２、６０３、６０４、二相／二相座標変換部６０５、フィルタ６０６および演算器６０７、６０８で構成されている。
系統電圧ｖｕ、ｖｖ、ｖｗから減算器６０１で各系統電圧の電圧差を演算し、乗算器６０２で１／√３を乗ずることで、系統線間電圧ｖｓｕｖ、ｖｓｖｗ、ｖｓｗｕを演算する。
系統線間電圧ｖｓｕｖ、ｖｓｖｗ、ｖｓｗｕにｓｉｎωＬ、ｃｏｓωＬ（ここで、θを基準位相として、ωＬ＝θ＋π／６）を乗算器６０３、６０４で乗ずることで、基準位相を用いて系統線間電圧ｖｓｕｖ、ｖｓｖｗ、ｖｓｗｕに対して、９０度位相の異なる信号を演算する。乗算器６０３、６０４の出力信号を二相／二相座標変換部６０５で正相座標系から回転座標変換する。その後、フィルタ６０６によりフィルタリングを行うことで、高調波の含まない単相位相の電圧ベクトルを検出する。演算器６０７で電圧ベクトルから位相θを演算し、さらに演算器６０８で推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕを演算する。
本発明の実施の形態６の電力変換装置は、推定変換器電圧演算部に単相位相検出機能を備え、高調波の含まない単相位相の電圧ベクトルを検出し、これに基づいて推定変換器電圧ｖａｒｍｕｖ、ｖａｒｍｖｗ、ｖａｒｍｗｕを演算する。このため、基準電圧の位相の同期精度が向上し、不平衡時のアーム電流最大値を小さくすることが可能となる。
以上説明したように、実施の形態６の電力変換装置は、相直流電圧制御部の推定変換器電圧演算部に単相位相検出機能を備える構成としたものである。このため、系統不平衡時における、定常状態に対する単位セル電流の増加が抑制されるため電力変換部の定格電流を小さくでき、電力変換装置を小型化できる。さらに変換効率を改善でき、省エネルギー化を図ることができる。さらに、不平衡時のアーム電流最大値を小さくすることができる。
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。
この発明は系統不平衡時に電力変換部に流れる電流を小さくすることが可能な電力変換装置に関するものであり、大電力変換装置に広く適用できる。

Claims (12)

  1. 三相の交流回路に接続される電力変換部と前記電力変換部を制御するための変換器制御部とを備え、
    前記電力変換部は、前記交流回路に接続されデルタ結線された３つのアームを備え、
    前記各アームは、１つまたは複数カスケード接続した単位セルとリアクトルとを直列に接続した構成であり、
    前記単位セルは、互いに直列接続された複数の半導体スイッチの直列体とこの直列体と並列に接続された直流コンデンサとを備え、
    前記変換器制御部は、前記各セルの直流コンデンサ電圧に基づき各相アーム電流指令値を演算する相直流電圧制御部と、
    前記各相アーム電流指令値に基づき逆相電流指令値を演算する逆相電流指令値演算部と、
    前記逆相電流指令値と所定の正相電流指令値とに基づき前記電力変換部の出力電流を制御する正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値を演算する出力電流制御部と、
    前記各相アーム電流指令値に基づいて循環電流を制御する零相電圧指令値を演算する循環電流制御部と、
    前記正相成分と逆相成分の両方を含む電圧指令値と前記零相電圧指令値と前記各セル直流コンデンサ電圧と各相アーム電流に基づき前記単位セルそれぞれの出力電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
    前記出力電圧指令値に基づき前記単位セルの半導体スイッチを制御するためのゲート信号を演算するゲート信号生成部とを備え、
    系統不平衡による相間の前記各セル直流コンデンサ電圧のアンバランスを前記循環電流と逆相電流により制御する電力変換装置。
  2. 前記正相電流指令値は、正相有効電流指令値と正相無効電流指令値から構成され、前記出力電圧指令値と前記各セル直流コンデンサ電圧の代表値との誤差をゼロとするように前記正相有効電流指令値を演算する全電圧制御部を備える請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記正相電流指令値は、正相有効電流指令値と正相無効電流指令値から構成され、前記電力変換装置の損失に基づき前記正相有効電流指令値を設定する請求項１に記載の電力変換装置。
  4. 前記交流回路の正相電圧から前記正相無効電流指令値を演算する請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
  5. 上位制御システムで系統電源の電圧から前記正相無効電流指令値を演算し、この正相無効電流指令値を受信して使用する請求項２または請求項３に記載の電力変換装置。
  6. 前記逆相電流指令値演算部は、前記各相アーム電流指令値から、正相成分と零相成分を除去することで前記逆相電流指令値を演算する請求項１記載の電力変換装置。
  7. 前記出力電流制御部は、前記出力電流を前記正相電流指令値と前記逆相電流指令値の和により演算する出力電流指令値に追従させる請求項１または請求項６に記載の電力変換装置。
  8. 前記出力電流制御部は、前記出力電流指令値と前記出力電流から定常偏差を演算し、前記定常偏差を座標変換して逆相成分を抽出し、前記逆相成分を制御する請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 前記出力電流制御部は、前記出力電流の正相成分を前記正相電流指令値に追従させる正相電流制御部、および前記出力電流の逆相電流成分を前記逆相電流指令値に追従させる逆相電流制御部を備える請求項１または請求項６に記載の電力変換装置。
  10. 前記相直流電圧制御部は、前記各アームの出力電圧の検出電圧を用いて前記各相アーム電流指令値を演算する請求項１から請求項３、または請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  11. 前記相直流電圧制御部は、前記交流回路の系統電圧から前記交流回路と前記電力変換部の接続を介する変圧器からセル出力端までのインピーダンスドロップ電圧を補正して前記各アームの出力電圧の推定値を演算し、この演算結果を用いて前記各相アーム電流指令値を演算する請求項１から請求項３、または請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  12. 前記相直流電圧制御部は、前記交流回路の系統電圧から系統線間電圧を演算し、基準位相を用いて、各々の系統線間電圧に対して９０度異なる高調波成分を含まない単相位相の電圧ベクトルを演算し、これに基づき前記各アームの出力電圧の推定値を演算し、この演算結果を用いて前記各相アーム電流指令値を演算する請求項１から請求項３、または請求項６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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