JP6185436B2 - 不平衡補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、三相交流電源システムにおける不平衡電流の補償を行う不平衡補償装置に関する。

従来から、三相交流電源から負荷に電力を供給する三相交流電源システムでは、負荷が変動すると、不平衡電流が発生する。そして、三相交流電源システムには、不平衡補償装置が備えられ、三相交流電源システムで発生する不平衡電流が保障されている。不平衡補償装置における三相交流電源システムで発生する不平衡電流の補償は、逆相分電流を検出し、不平衡補償装置のインバータを制御して、逆相分電流を補償するものである（特許文献１、２参照）。

特許文献１に記載された不平衡補償装置の制御回路では、特許文献１の図３に示すように、まず、電流検出器により検出した三相電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを三相／二相変換回路で二相電流Ｉα、Ｉβに変換する。そして、逆回転座標（ＰＱ）変換回路で逆相による回転座標変換し、基本波逆相分を直流成分、基本波正相成分を基本波の２倍波成分、更に、基本波以外の高調波成分に変換する（Ｉｐ，Ｉｑ）。次に、この有効分電流Ｉｐ及び向こう分電流Ｉｑから低域通過フィルタにより直流成分Ｉｄ２，Ｉｑ２を抽出する。更に、逆回転座標逆変換回路により逆回転座標変換回路の逆回転座標変換を用い、二相交流Ｉα２，Ｉβ２に逆変換する。この逆変換による二相交流Ｉα２，Ｉβ２から、二相／三相変換回路により基本波逆相電流成分、即ち、逆相分電流Ｉｕ２，Ｉｖ２，Ｉｗ２を算出する。

そして、三相平衡装置の制御回路で算出された逆相分電流を流すべく、三相不平衡補償装置は、スイッチングデバイスをスイッチングして電流を流すと同時に、制御を成立させるためにコンデンサ電圧を供給される電圧の整流後電圧以上に保つために、電圧設定値が決定される。

特開平８−２０５４０７号公報 特開平１−９７１３８号公報

一方、従来の三相交流電源システムでは、負荷変動に対して高速な応答特性を持つことが前提となっている。タービン発電装置やエンジン発電装置等は、負荷変動に対して高速な応答特性を有して、発電量の調整を急峻に行うことができる。しかしながら、移動電源車等の移動式発電システムや、バイナリ発電システム等の再生可能エネルギーを用いる発電システム等の三相交流電源システムにおいては、発電量の調整を急峻に制御ができないことがある。また、移動式発電システムのような三相交流電源システムでは、使用する負荷が急激に変動する場合がある。このような場合、発電量の調整を急峻に制御できないため、三相交流電源システムが、急激な負荷増加によって、電圧ドロップが発生しシステムダウンが生じる、あるいは、急激な負荷減少によって電圧が上昇し、負荷や機器に故障を生じて、三相交流電源システムの運転が中断される恐れがある。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、発電量の調整を急峻に制御できない三相交流電源システムに対しても、不平衡電流を補償しつつ、急峻な負荷変動に対応して、三相交流電源システムの運転を継続することができる不平衡補償装置を提供するものである。

上記の課題を解決するために、本発明に係る不平衡補償装置は、三相交流電源から負荷に電力を供給する三相交流電源システムに接続され、前記負荷の変動による不平衡電流を補償する不平衡補償装置であって、前記負荷に並列に接続されるインバータと、前記インバータに並列に接続されたコンデンサである蓄電装置と、前記三相交流電源に接続された前記負荷の負荷電流と、前記三相交流電源の電源電圧を、前記負荷に流れる瞬時実電力Ｐ及び瞬時虚電力Ｑに変換する逆回転座標変換回路と、前記逆回転座標変換回路からの出力信号に基づいて、前記負荷に流れる瞬時実電力Ｐの直流成分及び瞬時虚電力Ｑの直流成分及び交流成分を抽出し、これらを補償するために前記不平衡補償装置に流す瞬時実電力Ｐ及び瞬時虚電力Ｑを算出すると共に、前記蓄電装置の電圧と前記蓄電装置の目標電圧との差分を前記不平衡補償装置に流す瞬時実電力Ｐに加算する補償電流生成回路と、前記補償電流生成回路からの出力信号と前記電源電圧とに基づいて、前記不平衡補償装置に流す補償電流を算出する逆回転座標逆変換回路と、前記不平衡補償装置の電流検出値と前記逆回転座標逆変換回路からの出力信号との差に基づいて、前記インバータに入力するゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、を備えた制御回路と、を備え、前記蓄電装置の目標電圧は、前記負荷の負荷電流の変動または前記蓄電装置の電圧の変動に応じて設定されることを特徴とする。

これによると、制御回路により、蓄電装置の電圧を目標電圧に維持すると共に、不平衡電流を補償する補償電流を算出して、ゲート信号を出力している。これにより、発電量の調整を急峻に制御できない三相交流電源システムに対しても、負荷に並列に接続されている蓄電装置により、負荷変動のエネルギー調整を実現し、不平衡電流を補償しつつ、急峻な負荷変動に対応して、三相交流電源システムの運転を継続することができる。
また、蓄電装置としてコンデンサを用いることにより、負荷変動のエネルギー
調整を、コンデンサでの蓄電及び放電により実現することができる。また、蓄電装置としてコンデンサを用いることにより、急速に蓄電をすることが可能になる。また、蓄電装置として用いるコンデンサの容量を選択することにより、大容量の蓄電も可能になる。
さらに、目標電圧の値を調整することにより、必要最小限のエネルギー調整で行うことができ、余分なエネルギーの消費を抑えることができる。

また、本発明に係る不平衡補償装置において、前記蓄電装置は、コンデンサと、前記コンデンサに並列に接続される抵抗負荷及び前記抵抗負荷に直列に接続されるスイッチング素子と、を備えて良い。

これによると、蓄電装置として、抵抗負荷を用いることにより、負荷変動のエネルギー調整を、抵抗負荷に流す電流を調整することにより実現することができる。また、蓄電装置として、抵抗負荷を用いることにより、低コスト性、耐久性を備えることができる。

尚、前記スイッチング素子は、前記負荷の負荷電圧の変動または前記蓄電装置の電圧の変動に応じてデューティー比が制御されるのが良い。

これによると、抵抗負荷が消費するエネルギーの量を、スイッチング素子により制御して、負荷変動のエネルギー調整を実現することができる。

本発明の不平衡補償装置は、発電量の調整を急峻に制御できない三相交流電源システムに対しても、不平衡電流を補償しつつ、急峻な負荷変動に対応して、三相交流電源システムの運転を継続することができる。

第一の実施形態及び第二の実施形態に係る不平衡補償装置を備えた三相交流電源システムの構成を示す概略図である。 第一の実施形態に係る不平衡補償装置を示す回路図である。 第一の実施形態に係る不平衡補償装置の制御回路を示す回路図である。 第一の実施形態に係る不平衡補償装置におけるコンデンサの目標電圧の設定の過程の一例を示すフローチャート図である。 第二の実施形態に係る不平衡補償装置を示す回路図である。 第一の実施形態に係る不平衡補償装置の制御回路を示す回路図である。 第二の実施形態に係る不平衡補償装置におけるスイッチング素子のデューティー比の設定の過程の一例を示すフローチャート図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る不平衡補償装置を実施するための形態について、具体的な一例に即して説明する。

尚、以下に説明するものは、例示したものにすぎず、本発明に係る不平衡補償装置の適用限界を示すものではない。すなわち、本発明に係る不平衡補償装置は、下記の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいてさまざまな変更が可能なものである。

第一の実施形態及び第二の実施形態に係る不平衡補償装置を備えた三相交流電源システムについて説明する。図１は、第一の実施形態及び第二の実施形態に係る不平衡補償装置を備えた三相交流電源システムの構成を示す概略図である。図１に示すように、三相交流電源システム１は、三相交流電源１０と、三相不平衡負荷（負荷）２０と、不平衡補償装置３０とを備える。

三相交流電源１０は、高周波電流を発生する三相不平衡負荷２０に接続される。そして、不平衡補償装置３０は、三相交流電源１０と三相不平衡負荷２０との間に具備される。三相交流電源１０は、所定の三相電力を発電する発電装置であって、発電量の調整を急峻に行うことのできない発電装置、例えば、移動電源車やバイナリ発電装置が想定される。

ここで、図１に示すように、図示しない電圧検出器及び電流検出器で検出される三相交流電源１０の電圧及び電流を、電源電圧Ｖｓ及び電源電流Ｉｓとする。また、図示しない電圧検出器及び電流検出器で検出される三相不平衡負荷２０の電源及び電流を、負荷電圧ＶＬ及び負荷電流ＩＬとする。更に、図示しない電圧検出器及び電流検出器で検出される不平衡補償装置３０の電源及び電圧を補償器電圧Ｖｆ及び補償器電流Ｉｆとする。

［第一の実施形態］
第一の実施形態に係る不平衡補償装置について、図２〜図４に基づいて説明する。まず、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０について、図２に基づいて説明する。図２は、第一の実施形態に係る不平衡補償装置を示す回路図である。

図２に示すように、不平衡補償装置３０は、インダクタンス３１と、インバータ３２と、蓄電装置としてのコンデンサ３３と、インバータ３２にゲート信号を入力するコントローラ（制御回路）１００とを備えている。

インバータ３２は、インダクタンス３１を介して、三相不平衡負荷２０に並列に接続される。インバータ３２は、例えば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＳＳＲ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｒｅｌａｙ）、ＳＳＣ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｃｏｎｔａｃｔｏｒ）等のスイッチング素子が複数接続されて構成される。

コンデンサ３３は、インバータ３２に並列に接続されて、インバータ３２の直流電圧を充電するようにしている。コンデンサ３３の直流電圧Ｖｄｃは、後述するコントローラ１００からのゲート信号に基づいてスイッチングされるインバータ３２により、目標電圧Ｖｄｃｒｅｆとなるように制御される。

コントローラ１００は、電源電圧Ｖｓと、補償器電流Ｉｆと、負荷電流ＩＬと、コンデンサ電圧Ｖｄｃとに基づいて、インバータ３２にゲート信号を出力する。ここで、コントローラ１００について、図３に基づいて説明する。図３は、第一の実施形態に係る不平衡補償装置の制御回路を示す回路図である。

図３に示すように、コントローラ１００は、負荷電流三相二相変換（３φ→αβ）回路１０１と、電源電圧三相二相変換（３φ→αβ）回路１０２と、逆回転座標変換（ＰＱ変換）回路１１０と、補償電流生成回路１２０と、逆回転座標逆変換（ＰＱ逆変換）回路１３０と、二相三相変換回路１４０と、ゲート信号生成回路１５０と、目標電圧設定回路１６０と、を備える。

負荷電流三相二相変換回路１０１は、三相交流電源１０に接続された三相不平衡負荷２０の負荷電流ＩＬを、三相からα相、β相の二相に変換して、α相のＩα、β相のＩβを逆回転座標変換回路１１０に出力する。

また、電源電圧三相二相変換回路１０２は、三相交流電源１０の電源電圧Ｖｓを、三相からα相、β相の二相に変換して、α相のＶα、β相のＶβを逆回転座標変換回路１１０に出力する。

逆回転座標変換回路１１０は、負荷電流三相二相変換回路１０１から入力された負荷電流ＩＬの二相電流Ｉα，Ｉβと、電源電圧三相二相変換回路１０２から入力された電源電圧Ｖｓの二相電圧Ｖα，Ｖβとを、逆相による回転座標変換し、電源電圧Ｖｓ及び負荷電流ＩＬを、三相不平衡負荷２０に流れる瞬時実電力Ｐ及び瞬時虚電力Ｑに変換して、補償電流生成回路１２０に出力する。この逆回転座標変換回路１１０により、二相電圧Ｖα，Ｖβ及び二相電流Ｉα，Ｉβの基本波成分は直流信号となり、高周波成分は交流信号となる。

補償電流生成回路１２０は、逆回転座標変換１１０から、三相不平衡負荷２０に流れる瞬時実電力Ｐ及び瞬時虚電力Ｑが入力される。そして、三相不平衡負荷２０に流れる瞬時実電力Ｐの直流成分、及び、瞬時虚電力Ｑ（直流成分及び交流成分両方とも）を抽出し、これをキャンセルするために、不平衝補償装置３０に流すべき瞬時実電力Ｐ、瞬時虚電力Ｑを算出する。また、補償電流生成回路１２０は、減算器１２１により算出された、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆと、図示しない電圧検出器で検出されるコンデンサ３３のコンデンサ電圧Ｖｄｃとの差分が入力される。そして、補償電流生成回路１２０では、不平衝補償装置３０に流すべき瞬時実電力Ｐに、入力された差分から算出されるコンデンサ３３を目標電圧Ｖｄｃｒｅｆに充電するために必要な電力を加算して、Ｐ信号及びＱ信号として、逆回転座標逆変換回路１３０に出力する。

逆回転座標逆変換回路１３０は、電源電圧三相二相変換回路１０２から出力された電源電圧Ｖｓの二相電圧Ｖα，Ｖβ、及び、負荷電流三相二相変換回路１０１から出力された負荷電流ＩＬの二相電流Ｉα、Ｉβを元に、補償電流生成回路１２０から入力されたＰ信号、Ｑ信号から、不平衡補償装置３０に流すべき補償電流Ｉｆｒｅｆのα相及びβ相の二相信号Ｉｆｒｅｆα及びＩｆｒｅｆβを、二相三相変換回路１４０に出力する。

二相三相変換回路１４０は、逆回転座標逆変換回路１３０から入力された不平衡補償装置３０に流すべき補償電流Ｉｆｒｅｆの二相信号Ｉｆｒｅｆα及びＩｆｒｅｆβを、三相信号ＩｆｒｅｆＵ、ＩｆｒｅｆＶ、ＩｆｒｅｆＷに変換し、ゲート信号生成回路１５０の減算器１５１に出力する。

ゲート信号生成回路１５０には、二相三相変換回路１４０から入力された三相信号ＩｆｒｅｆＵ、ＩｆｒｅｆＶ、ＩｆｒｅｆＷと、実際の図示しない電流検出器で検出される不平衡補償装置３０の補償器電流Ｉｆとの差が、減算器１５１から入力される。そして、ゲート信号生成回路１５０は、減算器１５１から入力された差に基づいて、インバータ３２に入力するゲート信号を生成する。例えば、ゲート信号生成回路１５０は、減算器１５１から入力された差に比例ゲインを掛けたものを出力電圧とし、その出力電圧をＰＷＭ変換したものをゲート信号として出力する。出力されたゲート信号は、インバータ３２のスイッチング素子に与えられる。

目標電圧設定回路１６０は、三相不平衡負荷２０の負荷電流ＩＬが入力されて、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを設定する。ここで、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０の目標電圧設定回路１６０におけるコンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆの設定の手順について、図４に基づいて説明する。図４は、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０におけるコンデンサの目標電圧の設定の過程の一例を示すフローチャート図である。

第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０では、一例として、三相交流電源１０が三相２２０ＶＡＣであり、コンデンサ３３の容量Ｃが１００ｍＦである場合を想定する。そして、通常、全波整流後の電圧は約２８０Ｖとなり、コンデンサ３３の電圧が電圧リップルを含めて２８０Ｖ以上になるように、例えば５００Ｖとなるように制御を行う。これに対して、急峻は負荷増加量及び減少量の上限を、例えば５ｋＷと想定する。そして、コンデンサの目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを通常の５００Ｖから６００Ｖに設定する。この時、コンデンサ容量Ｃが１００ｍＦであるため、コンデンサに蓄電される電力が下記の通りに計算される。
目標電圧Ｖｄｒｅｆを５００Ｖに設定した場合：
Ｅ＝１／２×Ｃ×（５００）２＝１２．５ｋＷ
目標電圧Ｖｄｒｅｆを６００Ｖに設定した場合：
Ｅ＝１／２×Ｃ×（６００）２＝１８ｋＷ
目標電圧Ｖｄｒｅｆを６８５．５Ｖに設定場合：
Ｅ＝１／２×Ｃ×（６８５．５）２＝２３．５ｋＷ
以上から、図４に示す例では、目標電圧Ｖｄｒｅｆを、６００Ｖを中心にして、±５．５ｋＷの電力調整が行えるように制御する。

まず、三相交流電源システム１の運転が開始されると、減算器１２１に入力するコンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆは、６００Ｖに設定される（Ｓ１１）。

次に、負荷変動を検出したかどうかが判断される（Ｓ１２）。負荷変動を検出したかどうかは、図示しない電流検出器で測定される三相不平衡負荷２０の負荷電流ＩＬの値から検出する。尚、負荷変動を検出は、三相不平衡負荷２０の負荷電流ＩＬの値から検出するに限らない。例えば、図示しない電圧検出器で測定される三相交流電源１０の電源電圧Ｖｓの値から検出しても良いし、図示しない電圧検出器で測定されるコンデンサ３３の電圧Ｖｄｃの値から検出しても良い。

負荷変動が検出されないと判断されると（Ｓ１２：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻る。

一方、負荷変動が検出されたと判断されると（Ｓ１２：ＹＥＳ）、負荷の増加が検出されたかどうかが判断される（Ｓ１３）。負荷の増加は、三相不平衡負荷２０の負荷電流ＩＬの値から負荷変動を検出した場合は、負荷電流ＩＬの値の増加により判断される。尚、負荷の増加は、三相交流電源１０の電源電圧Ｖｓの値から負荷変動を検出した場合は、電源電圧Ｖｓの値の減少により判断される。または、負荷の増加は、コンデンサ３３の電圧Ｖｄｃの値から検出した場合は、電圧Ｖｄｃの値の減少により判断される。

負荷の増加が検出されたと判断されると（Ｓ１３：ＹＥＳ）、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを５００Ｖに設定し（Ｓ１４）、コンデンサ３３に蓄積された電力を放電して発電量を増加させる（Ｓ１５）。そして、ある時定数を持って三相交流電源１０の発電量を調整し、徐々に、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆの値を６００Ｖに戻し、ステップＳ１１に戻る。

一方、負荷の増加が検出されないと判断されると（Ｓ１３：ＮＯ）、負荷の減少が検出されたかどうかが判断される（Ｓ１６）。負荷の減少は、三相不平衡負荷２０の負荷電流ＩＬの値から負荷変動を検出した場合は、負荷電流ＩＬの値の減少により判断される。尚、負荷の減少は、三相交流電源１０の電源電圧Ｖｓの値から負荷変動を検出した場合は、電源電圧Ｖｓの値の増加により判断される。または、負荷の減少は、コンデンサ３３の電圧Ｖｄｃの値から検出した場合は、電圧Ｖｄｃの値の増加により判断される。

負荷の減少が検出されたと判断されると（Ｓ１６：ＹＥＳ）、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを６８５．５Ｖに設定し（Ｓ１７）、コンデンサ３３に電力を蓄電して発電量を減少させる（Ｓ１８）。そして、ある時定数を持って三相交流電源１０の発電量を調整し、徐々に、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆの値を６００Ｖに戻し、ステップＳ１１に戻る。

一方、負荷の減少が検出されないと判断されると（Ｓ１６：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻る。

尚、図４に示す例では、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを、６００Ｖから５００Ｖ、あるいは、６００Ｖから６８５．５Ｖと一意に設定していたが、本実施形態に係る不平衡補償装置３０におけるコンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆの設定の手順はそれに限らない。例えば、ステップＳ１２で検出した負荷変動の変動量に応じて、コンデンサ３３の目標電圧値Ｖｄｃｒｅｆの値を調整しても良い。または、フィードバック制御、例えば、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆと実際のコンデンサ３３の電圧Ｖｄｃとの偏差によるＰＷＭ制御やＰＩ制御を行い、＋方向に偏差が大きくなれば、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを増加させ、−方向に偏差が大きくなれば、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆを減少させることにより、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆの値を調整しても良い。

このように、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０は、コントローラ１００により、コンデンサ３３の電圧を目標電圧Ｖｄｃｒｅｆに維持すると共に、不平衡電流を補償する補償電流Ｉｆｒｅｆを算出して、ゲート信号を出力している。これにより、発電量の調整を急峻に制御できない三相交流電源システム１に対しても、三相不平衡負荷２０に並列に接続されているコンデンサ３３を常に目標電圧Ｖｄｃｒｅｆに維持することにより、負荷変動のエネルギー調整を実現し、不平衡電流を補償しつつ、急峻な負荷変動に対応して、三相交流電源システム１の運転を継続することができる。また、コンデンサ３３という必要最小限の蓄電装置により、三相交流電源システム１の負荷変動の吸収が可能となる。即ち、蓄電装置にコンデンサ３３を用いることにより、負荷変動のエネルギー調整を、コンデンサ３３での蓄電及び放電により実現することができる。また、蓄電装置としてコンデンサ３３を用いることにより、急速に蓄電をすることが可能になる。また、蓄電装置として用いるコンデンサ３３の容量を選択することにより、大容量の蓄電も可能になる。

［第二の実施形態］
第二の実施形態に係る不平衡補償装置について、図５〜図７に基づいて説明する。まず、第二の実施形態に係る不平衡補償装置３０について、図５に基づいて説明する。図５は、第二の実施形態に係る不平衡補償装置を示す回路図である。

図５に示すように、不平衡補償装置３０は、インダクタンス３１と、インバータ３２と、蓄電装置としてのコンデンサ３３及び抵抗負荷３４と、抵抗負荷３４に直接に接続されたスイッチング素子３５と、抵抗負荷３４に流れる電流を測定する電流検出器３６と、インバータ３２にゲート信号を入力するコントローラ（制御回路）１００とを備えている。

インバータ３２は、インダクタンス３１を介して、三相不平衡負荷２０に並列に接続される。インバータ３２は、例えば、ＩＧＢＴ、ＳＳＲ、ＳＳＣ等のスイッチング素子が複数接続されて構成される。

コンデンサ３３は、インバータ３２に並列に接続されて、インバータ３２の直流電圧を充電するようにしている。コンデンサ３３の直流電圧Ｖｄｃは、後述するコントローラ１００からのゲート信号に基づいてスイッチングされるインバータ３２により、目標電圧Ｖｄｃｒｅｆとなるように制御される。

抵抗負荷３４は、コンデンサ３３（即ち、インバータ３２）に並列に接続され、三相交流電源１０からインバータ３２を介してコンデンサ３３に供給される電力の一部を消費する。抵抗負荷３４は、より詳細には、インバータ３２に出力される直流電力の一部を消費する。

スイッチング素子３５は、後述するデューティー比制御回路１７０に制御されて、インバータ３２と抵抗負荷３４との間を導通・遮断（ＯＮ／ＯＦＦ）する。より詳細には、スイッチング素子３５には、後述するデューティー比制御回路１７０からゲート信号（ＯＮの指令及びＯＦＦの指令）が入力される。スイッチング素子３５は、ＩＧＢＴ、ＳＳＲ、ＳＳＣ等のスイッチング素子を用いる。

ここで、スイッチング素子３５としてＩＧＢＴのパワースイッチング素子を用いた場合、スイッチング素子３５に対してデューティー比制御回路１６０によりＯＮの指令が入力されると、ＩＧＢＴのゲートに対してスイッチング動作によりＯＮにするために電圧を印加して、ゲートからエミッタへ電流を流す。ＩＧＢＴのゲートからエミッタへ電流が流れると、コレクタからエミッタへ電流が流れ始めて、抵抗負荷３４に電流が流される。一方、ＩＧＢＴに対してデューティー比制御回路１６０によりＯＦＦの指令が入力されると、ＩＧＢＴのゲートに対してスイッチング動作によりＯＦＦにするためにマイナスの電圧を印加して、エミッタからゲートへ電流を流す。ＩＧＢＴのエミッタからゲートへ電流が流れると、コレクタからエミッタへ流れていた電流が止まり、抵抗負荷３４へ流されていた電流も止まる。尚、ＩＧＢＴに、スイッチング時の電流の向きと反対向きに流れることを許容する整流子を並列に設けても良い。

また、スイッチング素子３５としてＳＳＲ、ＳＳＣのスイッチング素子を用いた場合は、スイッチング素子３５に対してデューティー比制御回路１６０によりＯＮの指令が入力されると、スイッチをＯＮすることにより、抵抗負荷３４に電流を流す。一方、スイッチング素子３５に対してデューティー比制御回路１６０によりＯＦＦの指令が入力されると、スイッチをＯＦＦすることにより、抵抗負荷３４に流している電流を止める。

電流検出器３６は、抵抗負荷３４に流れる電流の値Ａを測定するための装置である。

コントローラ１００は、電源電圧Ｖｓと、補償器電流Ｉｆと、負荷電流ＩＬと、コンデンサ電圧Ｖｄｃとに基づいて、インバータ３２にゲート信号を出力する。また、コントローラは、電流検出器３６で検出した抵抗負荷３４の電流の値Ａに基づいて、スイッチング素子３５にゲート信号を出力する。ここで、コントローラ１００について、図６に基づいて説明する。図６は、第二の実施形態に係る不平衡補償装置の制御回路を示す回路図である。

図６に示す通り、コントローラ１００は、負荷電流三相二相変換（３φ→αβ）回路１０１と、電源電圧三相二相変換（３φ→αβ）回路１０２と、逆回転座標変換（ＰＱ変換）回路１１０と、補償電流生成回路１２０と、逆回転座標逆変換（ＰＱ逆変換）回路１３０と、二相三相変換回路１４０と、ゲート信号生成回路１５０と、を備える。目標電圧設定回路１６０以外は、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０のコントローラ１００と同じであり、その説明を省略する。

図６に示す通り、コントローラ１００は、更に、デューティー比制御回路１６０を備える。デューティー比制御回路１６０は、電流検出器３６で検出した抵抗負荷３４の電流の値Ａに応じて、スイッチング素子３５のデューティー比（開閉タイミング）を決定し、決定したデューティー比に基づいて、スイッチング素子３５に対してゲート信号を出力する。

ここで、デューティー比制御回路１６０におけるデューティー比の設定の手順について、図７に基づいて説明する。図７は、第二の実施形態に係る不平衡補償装置３０におけるスイッチング素子のデューティー比の設定の過程の一例を示すフローチャート図である。

第二の実施形態に係る不平衡補償装置３０では、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０と同様に、三相交流電源１０が三相２２０ＶＡＣであり、コンデンサ３３の容量Ｃが１００ｍＦである場合を想定する。そして、通常、全波整流後の電圧は約２８０Ｖとなり、コンデンサ３３の電圧が電圧リップルを含めて２８０Ｖ以上になるように、例えば５００Ｖとなるように制御を行う。

まず、三相交流電源システム１の運転が開始されると、スイッチング素子子３５のデューティー比の値は、例えば５０％に設定されている（Ｓ２１）。また、減算器１２１に入力するコンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆは、通常通り、５００Ｖに設定されている。

次に、負荷変動を検出したかどうかが判断される（Ｓ２２）。負荷変動を検出したかどうかは、電流検出器３６で検出した抵抗負荷の電流の値Ａから検出する。

負荷変動が検出されないと判断されると（Ｓ２２：ＮＯ）、ステップＳ１２に戻る。

一方、負荷変動が検出されたと判断されると（Ｓ２２：ＹＥＳ）、負荷の増加が検出されたかどうかが判断される（Ｓ２３）。負荷の増加は、電流検出器３６で検出した抵抗負荷の電流の値Ａの増加により判断される。

負荷の増加が検出されたと判断されると（Ｓ２３：ＹＥＳ）、スイッチング素子３５のデューティー比を減少させて所定の値（例えば、４０％）に設定し（Ｓ２４）、抵抗負荷３４で消費する電力を増加させて、発電量を増加させる（Ｓ２５）。そして、ある時定数を持って三相交流電源１０の発電量を調整し、徐々に、スイッチング素子３５のデューティー比の値を元の値である５０％に戻し、ステップＳ１１に戻る。

一方、負荷の増加が検出されないと判断されると（Ｓ２３：ＮＯ）、負荷の減少が検出されたかどうかが判断される（Ｓ２６）。負荷の減少は、電流検出器３６で検出した抵抗負荷の電流の値Ａの減少により判断される。

負荷の減少が検出されたと判断されると（Ｓ２６：ＹＥＳ）、スイッチング素子３５のデューティー比を増加させて所定の値（例えば、６０％）に設定し（Ｓ２７）、抵抗負荷３４で消費する電力を減少させて、発電量を減少させる（Ｓ２８）。そして、ある時定数を持って三相交流電源１０の発電量を調整し、徐々に、スイッチング素子３５のデューティー比の値を元の値である５０％に戻し、ステップＳ１１に戻る。

一方、負荷の減少が検出されないと判断されると（Ｓ２６：ＮＯ）、ステップＳ２２に戻る。

尚、図７に示す例では、デューティー比の値を、所定の値と、一意に設定していたが、本実施形態に係る不平衡補償装置３０におけるスイッチング素子３５のデューティー比の設定の手順はそれに限らない。例えば、ステップＳ２２で検出した負荷変動の変動量に応じてスイッチング素子３５のデューティー比の値を調整しても良い。または、フィードバック制御、例えば、電流検出器３６で検出した抵抗負荷３４の電流の値ＡによるＰＷＭ制御やＰＩ制御を行い、＋方向に偏差が大きくなれば、スイッチング素子３５のデューティー比を増加させ、−方向に偏差が大きくなれば、スイッチング素子３５のデューティー比を減少させることにより、スイッチング素子３５のデューティー比の値を調整しても良い。または、例えば、ＰＩＤ制御により、予め設定した抵抗負荷３４の電流目標値と電流検出器３６の電流の値Ａの偏差により、デューティー比５０％を中心にデューティー比を調整しても良いし、現在の電流の値Ａから予め実験に基づいて設定した関係式やテーブルに基づいてデューティー比を調整しても良い。

このように、第二の実施形態に係る不平衡補償装置３０は、発電量の調整を急峻に制御できない三相交流電源システム１に対しても、三相不平衡負荷２０に並列に接続されている抵抗負荷３４で、負荷変動のエネルギー調整を実現し不平衡電流を補償しつつ、急峻な負荷変動に対応して、三相交流電源システム１の運転を継続することができる。また、蓄電装置として、抵抗負荷３４を用いることにより、常にエネルギーを消費しつつ、スイッチング素子３５におけるデューティー比を変更して、抵抗負荷３４に流す電流を調整することにより、負荷変動３４のエネルギー調整を、実現することができる。また、蓄電装置として、抵抗負荷３４を用いることにより、低コスト性、耐久性を備えることができる。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態や実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

例えば、第一の実施形態に係る不平衡補償装置３０において、コンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆは、図４に示す値に限らず、コンデンサ３３の容量、三相交流電源１０の電圧、想定される負荷変動の値に応じて変更される。第二の実施形態に係る不平衡補償装置３０におけるコンデンサ３３の目標電圧Ｖｄｃｒｅｆも同様である。

また、第二の実施形態に係る不平衡補償装置３０において、スイッチング素子３５におけるデューティー比は、図７に示す値に限らず、抵抗負荷３４、三相交流電源１０の電圧、想定される負荷変動の値に応じて変更される。

１ 三相交流電源システム
１０ 三相交流電源
２０ 三相不平衡負荷（負荷）
３０ 不平衡補償装置
３２ インバータ
３３ コンデンサ（蓄電装置）
３４ 抵抗負荷
３５ スイッチング素子
１００ コントローラ（制御回路）
１１０ 逆回転座標変換回路
１２０ 補償電流生成回路
１３０ 逆回転座標逆変換回路
１５０ ゲート信号生成回路
１６０ デューティー比制御回路

Claims (3)

1. 三相交流電源から負荷に電力を供給する三相交流電源システムに接続され、前記負荷の変動による不平衡電流を補償する不平衡補償装置であって、
   前記負荷に並列に接続されるインバータと、
   前記インバータに並列に接続されたコンデンサである蓄電装置と、
   前記三相交流電源に接続された前記負荷の負荷電流と、前記三相交流電源の電源電圧を、前記負荷に流れる瞬時実電力Ｐ及び瞬時虚電力Ｑに変換する逆回転座標変換回路と、前記逆回転座標変換回路からの出力信号に基づいて、前記負荷に流れる瞬時実電力Ｐの直流成分及び瞬時虚電力Ｑの直流成分及び交流成分を抽出し、これらを補償するために前記不平衡補償装置に流す瞬時実電力Ｐ及び瞬時虚電力Ｑを算出すると共に、前記蓄電装置の電圧と前記蓄電装置の目標電圧との差分を前記不平衡補償装置に流す瞬時実電力Ｐに加算する補償電流生成回路と、前記補償電流生成回路からの出力信号と前記電源電圧とに基づいて、前記不平衡補償装置に流す補償電流を算出する逆回転座標逆変換回路と、前記不平衡補償装置の電流検出値と前記逆回転座標逆変換回路からの出力信号との差に基づいて、前記インバータに入力するゲート信号を生成するゲート信号生成回路と、を備えた制御回路と、
   を備え、
   前記蓄電装置の目標電圧は、前記負荷の負荷電流の変動または前記蓄電装置の電圧の変動に応じて設定されることを特徴とする不平衡補償装置。
2. 前記蓄電装置は、コンデンサと、前記コンデンサに並列に接続される抵抗負荷及び前記抵抗負荷に直列に接続されるスイッチング素子と、を備えることを特徴とする請求項１に記載不平衡補償装置。
3. 前記スイッチング素子は、前記負荷の負荷電圧の変動または前記蓄電装置の電圧の変動に応じてデューティー比が制御されることを特徴とする請求項２に記載の不平衡補償装置。