JP6258806B2

JP6258806B2 - 系統連系用電力変換装置

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Publication number: JP6258806B2
Application number: JP2014152781A
Authority: JP
Inventors: 森島　直樹; 直樹森島; 裕基石飛
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-07-28
Filing date: 2014-07-28
Publication date: 2018-01-10
Anticipated expiration: 2034-07-28
Also published as: JP2016032325A

Description

この発明は、系統連系用電力変換装置に関し、特に、自励式無効電力補償装置に用いられる系統連系用電力変換装置に関する。

系統連系用電力変換装置には、ＳＴＡＴＣＯＭ（Static Synchronous Compensator）、ＳＶＧ（Static Var Generator）あるいは自励式ＳＶＣ（Static Var Compensator）などと呼ばれる自励式無効電力補償装置が含まれる。自励式無効電力補償装置は、系統無効電力を制御することによって系統の安定度を向上させるために導入されることが多い。自励式無効電力補償装置は、定常運転時の系統の安定度を向上させる場合のみならず、系統事故中や事故除去後といった系統の過渡的な安定度の向上にも有効である。

通常、自励式無効電力補償装置は、交流電圧を平滑化するための平滑用コンデンサと、この平滑用コンデンサによって平滑化された電圧を用いて電力系統へ無効電力を出力する自励式変換器（インバータ）とを備えて構成される。自励式無効電力補償装置の制御部は、一般的に、系統電圧が所望の系統電圧指令に追従するように無効電流指令を出力する電圧制御ループと、自励式変換器の出力電流がこの無効電流指令に追従するように自励式変換器の出力電圧を制御する電流制御ループとを有している。

たとえば特開平６−２３３５４４号公報（特許文献１）は、設定交流電流に追従して出力交流電流を高速に制御可能な半導体電力変換装置を開示する。この電力変換装置は、設定交流電流の位相と振幅とから半導体電力変換器の出力電圧指令を生成するフィードフォワード電力制御回路を備える。フィードフォワード電力制御回路からの出力電圧指令は、設定交流電流と系統電流との偏差に基づいて補正される。さらに系統電圧と補正された出力電圧指令との和に基づいて、電力変換器が制御される。

特開平６−２３３５４４号公報

電力系統において事故が発生した場合、自励式無効電力補償装置の制御部は、上記の制御ループを動作させることによって、自励式変換器から電力系統へ出力する無効電力を増加させる。詳細には、系統事故によって系統電圧が低下した場合、電圧制御ループは、系統電圧指令に追従するように無効電流指令を増加させる。そして、この無効電流指令の増加に追従するように、電流制御ループは自励式変換器の出力電流を増加させる。

一方、系統事故中、自励式変換器には逆相電流が流入する。そのため、自励式変換器の出力電流を増加させると、自励式変換器におけるスイッチング素子に許容される電流値以上の電流が流れてしまい、スイッチング素子の損傷に至る可能性がある。

従来の自励式無効電力補償装置においては、自励式変換器に許容される電流値以上の電流が流れた場合には、重故障であるとして自励式無効電力補償装置を緊急停止させる過負荷保護機能を備えたものがある。詳細には、制御部は、自励式変換器に許容される電流値以上の電流が継続して流れたとき、上位装置から自励式無効電力補償装置を停止させるための停止指令を受けて、自励式変換器におけるスイッチング素子のスイッチング動作を停止させる。

しかしながら、自励式変換器の過負荷保護機能が動作することによって自励式無効電力補償装置が重故障停止した場合、系統事故中における系統無効電力を制御することができないため、系統の安定度を向上させることが困難となる。

また、自励式無効電力補償装置が重故障停止した後には、装置のメンテナンスのために、自励式無効電力補償装置と電力系統と間に設けられた遮断器を開放し、平滑用コンデンサを放電する。このため、停止指令が解除されて自励式無効電力補償装置を再起動するときには、まず平滑用コンデンサを充電する必要がある。平滑用コンデンサを充電が完了した後、自励式変換器におけるスイッチング素子のスイッチング動作を再開させる。このため、上位装置からの停止指令が解除されてから自励式無効電力補償装置が運転を再開するまでに時間を費やすという問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力系統に事故が発生しても、重故障停止することなく安定して運転を継続することが可能な系統連系用電力変換装置を提供することである。

この発明のある局面によれば、系統連系用電力変換装置は、電力系統に連系され、スイッチング素子を含み、受けた電力に基づいて電力系統へ無効電力を出力するための自励式変換器と、電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、電力系統と自励式変換器との間に流れる電流を検出する電流検出器と、電圧検出器により検出された電圧および電流検出器により検出された電流に基づいてスイッチング素子をスイッチングさせることにより、自励式変換器から電力系統へ出力される無効電力を制御する制御装置とを備える。制御装置は、電圧検出器により検出された電圧に基づいて、電力系統の電圧を制御するための無効電流の電流基準を演算する系統電圧制御部と、電流検出器によって検出された電流に基づいて、自励式変換器から電力系統へ出力される無効電流を検出する無効電流検出部と、無効電流検出部により検出された無効電流が電流基準になるように、自励式変換器から出力される電圧の電圧基準を演算する無効電流制御部と、電圧基準に基づいて、スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号を生成する駆動信号制生成部と、電流検出器により検出された電流に基づいて自励式変換器の過負荷状態が検出されたときに、系統電圧制御部により演算された電流基準を制限する電流リミッタとを含む。

好ましくは、電流リミッタは、電流検出器により検出された電流に基づいて、自励式変換器の過負荷状態を検出する検出部と、検出部により自励式変換器の過負荷状態が検出されたときに、系統電圧制御部により演算された電流基準を電流リミット値に制限するための切替部とを含む。

好ましくは、電流リミッタは、切替部により電流基準を電流リミット値に制限する時間を制限するための時限部をさらに含む。

好ましくは、切替部は、検出部の検出結果に応じて、系統電圧制御部により演算された電流基準と電流リミット値とを切り替えて無効電流制御部に出力するように構成される。電流リミッタは、検出部により自励式変換器の過負荷状態が検出された時点から所定時間の間、切替部における切替動作を禁止するための禁止部をさらに含む。

好ましくは、系統連系用電力変換装置は、自励式無効電力補償装置である。

この発明によれば、系統連系用電力変換装置は、電力系統に事故が発生しても、重故障停止することなく安定して運転を継続することができる。

この発明の実施の形態による系統連系用電力変換装置の代表例として示される自励式無効電力補償装置の全体構成図である。図１における自励式変換器の回路図である。制御装置の構成を示す機能ブロック図である。電力系統において事故が発生した場合における、本発明の実施の形態に係る自励式無効電力補償装置の動作を示す波形図である。電流リミッタの構成を示す機能ブロック図である。電流リミッタの動作を示すタイミングチャートである。電流リミッタの変更例の構成を示す機能ブロック図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

（系統連系用電力変換装置の全体構成）
図１は、この発明の実施の形態による系統連系用電力変換装置の代表例として示される自励式無効電力補償装置の全体構成図である。

図１を参照して、本実施の形態による自励式無効電力補償装置は、自励式変換器１と、平滑用コンデンサ２と、変換器用変圧器３と、電圧検出器５と、電流検出器６と、制御装置７とを備える。

自励式変換器１は、ｕ相、ｖ相、ｗ相を有する電力系統４に連系される。自励式変換器１は、自己消弧型のスイッチング素子を含み、平滑用コンデンサ２によって平滑化された電力に基づいて電力系統４へ無効電力を出力する。

変換器用変圧器３は、自励式変換器１から出力された電圧を変圧して電力系統４へ出力する。

図２は、図１における自励式変換器１の回路図である。図２を参照して、自励式変換器１は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６と、ダイオードＤ１〜Ｄ６とを含む。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は、たとえばＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）であるが、自己消弧型のスイッチング素子であればこれに限定されるものではない。ダイオードＤ１〜Ｄ６はスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６にそれぞれ逆並列接続される。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々には制御装置７からの駆動信号（ゲートパルス信号）が与えられる。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６は駆動信号に応じてスイッチング動作を行ない、平滑用コンデンサ２によって平滑化された電圧すなわち直流電圧を交流電圧に変換して電力系統４に供給する。

再び図１を参照して、電圧検出器５は、電力系統４の電圧（系統電圧）を検出する。電圧検出器５によって検出された電圧はフィードバック電圧として制御装置７に与えられる。電流検出器６は、自励式変換器１の出力電流、すなわち電力系統４と自励式変換器１との間に流れる電流を検出する。電流検出器６によって検出された電流は、フィードバック電流として制御装置７に与えられる。

制御装置７は、代表的には、ＣＰＵ（Central Processing Unit）と、ＲＡＭ（Random Access Memory）やＲＯＭ（Read Only Memory）などのメモリ領域と、入出力インターフェイスとを主体として構成される。そして、制御装置７は、予めＲＯＭなどに格納されたプログラムをＣＰＵがＲＡＭに読み出して実行することによって、自励式変換器１の制御を実行する。

次に、制御装置７の構成について説明する。図３は、制御装置７の構成を示す機能ブロック図である。なお、図３に記載された各機能ブロックについては、予め設定されたプログラムに従って制御装置７がソフトウェア処理を実行することにより実現することができる。あるいは、制御装置７の内部に当該機能ブロックに相当する機能を有する回路（ハードウェア）を構成することも可能である。

図３を参照して、制御装置７は、振幅検出部１０と、無効電流検出部１１と、電圧指令生成部１２と、減算器１３，１７と、系統電圧制御部１４と、電流リミッタ１５と、無効電流制御部１８と、ゲートパルス発生部１９とを含む。

制御装置７は、電圧検出器５によって検出された電圧および電流検出器６によって検出された電流に基づいてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６（図２）を制御することにより、自励式変換器１から電力系統４へ出力される無効電力を制御する。

具体的には、振幅検出部１０は、電圧検出器５によって検出された系統電圧の振幅値Ｖｓを検出する。振幅検出部１０は、検出した振幅値Ｖｓを減算器１３に与える。電力系統４におけるｕ相、ｖ相、ｗ相の電圧をそれぞれＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗとすると、振幅検出部１０は式（１）に基づいて振幅値Ｖｓを算出する。
Ｖｓ＝（Ｖｕ^２＋Ｖｖ^２＋Ｖｗ^２）^１／２ …（１）
電圧指令生成部１２は、振幅値Ｖｓの基準値を示す電圧指令Ｖｒｅｆを生成して出力する。電圧指令Ｖｒｅｆが示す振幅値Ｖｓの基準値は一定である。

減算器１３は、電圧指令Ｖｒｅｆから振幅値Ｖｓを減算することにより偏差ΔＶを算出し、その偏差ΔＶを系統電圧制御部１４に与える。

系統電圧制御部１４は、比例積分（ＰＩ：Proportional Integral）制御を行なう演算器として構成される。系統電圧制御部１４は、入力された偏差ΔＶを小さくするための電流基準Ｉｒｅｆを演算する。電流基準Ｉｒｅｆは、自励式変換器１から出力される無効電流Ｉｑの基準値に対応する。

電流リミッタ１５は、電流検出器６によって検出された自励式変換器１の出力電流に基づいて、自励式変換器１の過負荷状態（過電流状態）を検出する。自励式変換器１の過負荷状態が検出されなければ、電流リミッタ１５は、系統電圧制御部１４によって演算された電流基準Ｉｒｅｆをそのまま電流基準Ｉｒｅｆ＊として出力する。一方、自励式変換器１の過負荷状態を検出したときには、電流リミッタ１５は電流基準Ｉｒｅｆを制限する。すなわち、電流リミッタ１５は、電流基準Ｉｒｅｆよりも小さい値（電流リミット値）を電流基準Ｉｒｅｆ＊として出力する。

無効電流検出部１１は、電流検出器６によって検出された自励式変換器１の出力電流に基づいて、自励式変換器１から出力される無効電流Ｉｑを検出する。具体的には、無効電流検出部１１は、電流検出器６により検出されたｕ相電流、ｖ相電流およびｗ相電流を３相／２相変換することによって無効電流Ｉｑを検出する。

減算器１７は、電流基準Ｉｒｅｆ＊から無効電流Ｉｑを減算することにより偏差ΔＩを算出し、その偏差ΔＩを無効電流制御部１８に与える。無効電流制御部１８は、ＰＩ制御を行なう演算器として構成される。無効電流制御部１８は、入力された偏差ΔＩを小さくするための電圧基準Ｖｉを演算し、その電圧基準Ｖｉをゲートパルス発生部１９に与える。

ゲートパルス発生部１９は、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に従って、自励式変換器１が電圧基準Ｖｉに相当する電圧を出力するためのゲートパルス信号を生成する。自励式変換器１のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６の各々は、ゲートにゲートパルス発生部１９からのゲートパルス信号を受ける。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６を所定のタイミングでオンさせることにより、直流電圧を交流電圧に変換することができる。

電圧基準Ｖｉは、系統電圧制御部１４を制御器とする電圧フィードバック制御系に無効電流制御部１８を制御器とする電流マイナーループ制御を加えた制御系の出力として得られる。この制御系により、電圧基準Ｖｉを系統電圧の変換に追従して変化させることができる。

［動作］
次に、本発明の実施の形態に係る自励式無効電力補償装置の動作について説明する。

図４は、電力系統４において事故が発生した場合における、本発明の実施の形態に係る自励式無効電力補償装置の動作を示す波形図である。図４は、電圧検出器５によって検出された電力系統４の電圧（系統電圧）、電力系統４に流れる電流（系統電流）および、電流検出器６によって検出された自励式変換器１の出力電流に基づいて検出される無効電流Ｉｑの波形図を示している。

図４を参照して、時刻ｔ１において、落雷等によって電力系統４に地絡、または短絡事故が発生した場合には、系統電圧が低下する。図４では電力系統４において二線地絡事故が発生した場合を例示している。図３に示した制御装置７の構成によれば、系統電圧が低下すると、系統電圧制御部１４は、自励式変換器１から無効電力を出力するために電流基準Ｉｒｅｆを増加させる。これにより、無効電流制御部１８が電流基準Ｉｒｅｆ＊に対する無効電流Ｉｑの偏差ΔＩを小さくするように動作するため、電流基準Ｉｒｅｆ＊の増加に追従して無効電流Ｉｑが増加する。

このとき、自励式変換器１においては、無効電流Ｉｑが増加するに従ってスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６に流れる電流も大きくなる。さらに、系統事故中、自励式変換器１には大きな逆相電流が流れ込む。そのため、自励式変換器１のスイッチング素子に過電流が流れることによって素子温度が上昇してしまい、スイッチング素子が損傷に至る可能性がある。このような自励式変換器１におけるスイッチング素子の損傷を防止するために、自励式無効電力補償装置では、一般的に、自励式変換器１の出力電流が所定の許容値を超えて流れ続けた場合には重故障であるとして緊急停止する。詳細には、制御装置７は、自励式変換器１の出力電流が許容値を超えて流れ続けた場合、自励式無効電力補償装置を停止させるための停止指令を上位装置から受ける。制御装置７は、停止指令に応答して自励式変換器１におけるスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ６のスイッチング動作を停止する。すなわち、自励式変換器１を停止させる。これにより、自励式無効電力補償装置から電力系統４への無効電力の出力が停止する。その後、装置のメンテナンスのために、自励式無効電力補償装置と電力系統４との間に設けられた遮断器を開放し、平滑用コンデンサ２を放電させる。

しかしながら、上記のように系統事故中に自励式変換器１の保護機能が動作することによって自励式無効電力補償装置が重故障停止すると、電力系統４に無効電力を出力することができないため、系統の安定度を向上させることが困難となる。また、停止指令が解除されて自励式無効電力補償装置を再起動するときには、まず平滑用コンデンサ２を充電し、平滑用コンデンサ２の充電完了後に自励式変換器１におけるスイッチング素子のスイッチング動作を再開させるため、停止指令が解除されてから自励式無効電力補償装置が運転を再開するまでに時間を費やすという問題がある。

そこで、本発明の実施の形態では、電流リミッタ１５は、電流検出器６によって検出される自励式変換器１の出力電流を監視することにより、自励式変換器１の過負荷状態を検出する。そして、自励式変換器１の過負荷状態が検出されたときには、電流リミッタ１５によって電流基準Ｉｒｅｆを制限する。

詳細には、図４に示されるように、時刻ｔ１以降、電流基準Ｉｒｅｆ＊の増加に追従して自励式変換器１の出力電流が増加する。電流リミッタ１５は、時刻ｔ２において、自励式変換器１の出力電流が所定の閾値を超えて流れ続けたことに基づいて自励式変換器１の過負荷状態を検出する。電流リミッタ１５は、自励式変換器１の過負荷状態を検出すると、電流基準Ｉｒｅｆ＊を、系統電圧制御部１４によって生成された電流基準Ｉｒｅｆよりも小さい値に制限する。詳細には、電流リミッタ１５は、電流基準Ｉｒｅｆ＊を、予め定められた電流リミット値Ｉｌｉｍに低下させる。この電流リミット値Ｉｌｉｍは、たとえば、自励式変換器１に逆相電流が流入した場合においても、自励式変換器１におけるスイッチング素子に流れる電流が許容される電流値を超えない値に設定される。

上記のように電流基準Ｉｒｅｆ＊を制限したことによって、時刻ｔ２以降、制限された電流基準Ｉｒｅｆ＊に従って自励式変換器１から出力される無効電流が制御される。これにより、自励式変換器１の出力電流が低下する。このように自励式変換器１に流入する正相電流を減少させたことによって、系統事故中に自励式変換器１に過大な逆相電流が流入しても、自励式変換器１に過電流が流れるのを抑制することができる。したがって、過電流による素子温度の上昇が抑制されるため、自励式変換器１の保護機能が動作するのを未然に回避することができる。この結果、系統事故中、自励式無効電力補償装置は重故障停止することなく、電力系統４に出力する無効電力を制限した状態で運転を継続する。したがって、系統事故中に系統の安定度を向上させることができる。また、時刻ｔ３において事故が除去された後、電力系統４を速やかに定常運転に復旧させることができる。

（電流リミッタの構成）
次に、電流リミッタ１５の詳細な構成について説明する。図５は、電流リミッタ１５の構成を示す機能ブロック図である。図５を参照して、電流リミッタ１５は、乗算器２０，２１，２２と、移動平均部２３，２４，２５と、最大値選択部２６と、比較部２７と、検出部２８と、禁止部２９と、時限部３０と、論理積（ＡＮＤ）回路３１と、ＲＳフリップフロップ回路３２と、切替部３３とを含む。

乗算器２０，２１，２２は、電流検出器６によって検出されたｕ相電流、ｖ相電流およびｗ相電流をそれぞれ受ける。乗算器２０は、ｕ相電流を二乗した値を移動平均部２３に出力する。乗算器２１は、ｖ相電流を二乗した値を移動平均部２４に出力する。乗算器２２は、ｗ相電流を二乗した値を移動平均部２５に出力する。

移動平均部２３は、ｕ相電流の二乗の移動平均を算出してｕ相電流の二乗を平滑化する。詳細には、電力系統４の周波数が６０Ｈｚである場合、乗算器２０から出力されるｕ相電流の二乗した値は１２０Ｈｚの周波数を１周期として変化する。移動平均部２３は、１周期ごとにｕ相電流の二乗を平滑化する。

移動平均部２４は、移動平均部２３と同様の手法によって、ｖ相電流の二乗の移動平均を算出してｖ相電流の二乗を平滑化する。移動平均部２５も、移動平均部２３と同様の手法によって、ｗ相電流の二乗の移動平均を算出してｗ相電流の二乗を平滑化する。

最大値選択部２６は、ｕ相電流の二乗、ｖ相電流の二乗およびｗ相電流の二乗を入力とする。最大値選択部２６は、ｕ相電流の二乗、ｖ相電流の二乗およびｗ相電流の二乗のうち、最も値が高いものを選択して比較部２７に出力する。

比較部２７は、ｕ相電流の二乗、ｖ相電流の二乗およびｗ相電流の二乗のうちの最大値を最大値選択部２６から受けると、当該最大値と閾値とを比較する。比較部２７は、比較結果を示す信号を検出部２８へ出力する。比較部２７は、最大値が閾値よりも高いときに論理が「１」（Ｈレベル）の信号を検出部２８へ出力し、最大値が閾値以下となるときに論理が「０」（Ｌレベル）の信号を検出部２８へ出力する。

検出部２８は、比較結果を示す信号がＨレベル（論理「１」）となる時間をカウントする。比較結果を示す信号が所定時間Ｔｄ１を超えてＨレベルとなるときに、検出部２８は、自励式変換器１が過負荷状態であると判断する。すなわち、ｕ相電流の二乗、ｖ相電流の二乗およびｗ相電流の二乗のうちの最大値が閾値よりも高い状態が所定時間Ｔｄ１を超えて継続したときに、検出部２８は、自励式変換器１が過負荷状態であると判断する。

上記のように、所定時間Ｔｄ１の継続を条件としたのは、ノイズの混入等に起因して一時的に最大値が閾値を超えたときに、自励式変換器１が過負荷状態であると誤って判断するのを回避するためである。検出部２８は、自励式変換器１の過負荷状態を検出すると、Ｈレベル（論理「１」）に活性化された検出信号を生成する。検出部２８は、生成した検出信号を論理積回路３１の一方入力に与える。

論理積回路３１の他方入力には、禁止部２９から出力される信号の反転信号が与えられる。論理積回路３１は、検出部２８から出力される検出信号と、禁止部２９から出力される信号の反転信号との論理積信号を出力する。

ＲＳフリップフロップ回路３２は、論理積回路３１からの論理積信号をセット端子（Ｓ）に受け、時限部３０からの出力信号をリセット端子（Ｒ）に受ける。ＲＳフリップフロップ回路３２は、論理積信号がＨレベル（論理「１」）に切り替わったときに（論理積信号の立上りエッジで）セット状態（論理「１」）になり、時限部３０からの出力信号がＨレベルに切り替わったときにリセット状態（論理「０」）になる。ＲＳフリップフロップ回路３２の出力端子Ｑの出力は、切替指令として切替部３３へ入力される。切替指令はさらに、禁止部２９および時限部３０に入力される。

切替部３３は、切替指令に応じて、系統電圧制御部１４により生成された電流基準Ｉｒｅｆおよび所定の電流リミット値Ｉｌｉｍのいずれか一方を選択して電流基準Ｉｒｅｆ＊に設定する。詳細には、切替指令が論理「１」のとき、切替部３３は電流リミット値Ｉｌｉｍを電流基準Ｉｒｅｆ＊に設定する。一方、切替指令が論理「０」のとき、切替部３３は、電流基準Ｉｒｅｆを電流基準Ｉｒｅｆ＊に設定する。

禁止部２９は、切替指令が論理「０」のとき、Ｌレベル（論理「０」）の信号を出力する。そして、切替指令が論理「１」に切り替わったとき、禁止部２９は、切替指令の立上りエッジから所定時間Ｔの間、出力信号をＨレベル（論理「１」）に保持する。すなわち、禁止部２９は、切替指令が論理「１」に切り替わった時点から所定時間Ｔが経過するまでの間、Ｈレベルの信号を出力する。禁止部２９の出力信号の反転信号は、論理積回路３１の他方入力に入力される。

時限部３０は、切替指令が論理「０」のとき、Ｌレベル（論理「０」）の信号を出力する。そして、時限部３０は、切替指令が論理「１」に切り替わった時点から所定時間Ｔｄ２が経過した時点でＨレベル（論理「１」）の信号を出力する。時限部３０はさらに、切替指令が論理「０」に切り替わったときに、出力信号を論理「０」に切り替える。時限部３０の出力信号は、ＲＳフリップフロップ回路３２のリセット端子（Ｒ）に入力される。

なお、本発明の実施の形態では、ｕ相電流、ｖ相電流およびｗ相電流の二乗の移動平均の最大値と閾値との比較結果に基づいて自励式変換器１が過負荷状態であることを検出する構成について例示したが、自励式変換器１の過負荷状態を検出するための手法はこれに限定されない。

図６は、電流リミッタ１５の動作を示すタイミングチャートである。図６を参照して、時刻ｔ１において、自励式変換器１の出力電流の二乗の最大値が閾値を超えたことに応じて、比較部２７の出力信号がＨレベル（論理「１」）に切り替わった場合を想定する。

比較部２７の出力信号が時刻ｔ１から所定時間Ｔｄ１を超えてＨレベルとなったとき（時刻ｔ４）、検出部２８の出力信号がＨレベル（論理「１」）に切り替わる。論理積回路３１は、検出部２８から出力されるＨレベルの信号と、禁止部２９から出力されるＬレベルの信号の反転信号との論理積信号を出力する。Ｈレベルの論理積信号をセット端子（Ｓ）に受けることにより、ＲＳフリップフロップ回路３２はセット状態となり、出力端子Ｑから論理「１」の切替指令を出力する（時刻ｔ２）。

時刻ｔ２において切替指令が論理「１」に切り替わったことに応答して、切替部３３は、電流基準Ｉｒｅｆに代えて電流リミット値Ｉｌｉｍを電流基準Ｉｒｅｆ＊に設定する。すなわち、時刻ｔ２以降、電流基準Ｉｒｅｆ＊は、系統電圧制御部１４によって生成される電流基準Ｉｒｅｆよりも小さい値（電流リミット値Ｉｌｉｍ）に制限される。図３に示したように、電流基準Ｉｒｅｆ＊の低下に追従するように自励式変換器１の出力電流が低下する。

一方、禁止部２９は、切替指令が論理「１」に切り替わった時点（時刻ｔ２）から所定時間Ｔが経過する時点（時刻ｔ５）までの間、Ｈレベル（論理「１」）の信号を出力する。これにより、論理積信号は論理「１」から論理「０」に切り替わる。ＲＳフリップフロップ回路３２は、セット端子（Ｓ）およびリセット端子（Ｒ）の両方に論理「０」の信号を受けることにより、出力である切替指令を論理「１」に保持する。

時限部３０は、切替指令が論理「１」に切り替わった時点（時刻ｔ３）から所定時間Ｔｄ２が経過した時点において、Ｈレベル（論理「１」）の信号を出力する。ＲＳフリップフロップ回路３２は、時限部３０からＨレベルの信号をリセット端子（Ｒ）を受けることによりリセット状態になる（時刻ｔ３）。したがって、切替指令は論理「１」から論理「０」に切り替わる。

時刻ｔ３において切替指令が論理「０」に切り替わったことに応答して、切替部３３は、電流リミット値Ｉｌｉｍに代えて電流基準Ｉｒｅｆを電流基準Ｉｒｅｆ＊に設定する。すなわち、時刻ｔ３以降、電流基準Ｉｒｅｆ＊の制限が解除される。

図６に示されるように、本発明の実施の形態では、電流基準Ｉｒｅｆ＊を電流リミット値Ｉｌｉｍに制限する処理の実行時間を所定時間Ｔｄ２に設定している。したがって、自励式変換器１の過負荷状態が検出されたときには、所定時間Ｔｄ２の間、電流基準Ｉｒｅｆ＊が制限される。

電流基準Ｉｒｅｆ＊の制限中は自励式変換器１から出力される無効電力が制限されるため、電流基準Ｉｒｅｆ＊の制限が長期に及ぶと、事故除去後の自励式無効電力補償装置の定常運転に支障が生じる可能性がある。そのため、電流リミッタ１５は、時限部３０によって電流基準Ｉｒｅｆ＊を制限する時間を制限する。所定時間Ｔｄ２は、系統事故の発生から事故が除去されるまでの時間内に収まるように、たとえば数１０ｍｓｅｃに設定される。なお、所定時間Ｔｄ２の値は、系統事故の種類に応じて異なる値に設定してもよい。具体的には、系統事故の発生から事故除去までに要する時間を系統事故の種類ごとに実験等により適合するようにしてもよい。

また、切替指令は、時刻ｔ２において論理「１」に立ち上がった後所定時間Ｔの間、論理「１」に保持される。禁止部２９によって所定時間Ｔの間、切替指令が保持されることによって、実質的に、電流基準Ｉｒｅｆ＊が、電流基準Ｉｒｅｆから電流リミット値Ｉｌｉｍに切り替わってから所定時間Ｔの間、切替部３３における切替え動作が禁止される。これにより、電流基準Ｉｒｅｆと電流リミット値Ｉｌｉｍとの切替えが短時間で頻繁に繰り返されるハンチングを抑制することができる。

以上説明したように、この発明の実施の形態によれば、自励式変換器の過負荷状態が検出されたときには、自励式変換器から電力系統へ出力される無効電流を制御するための電流基準を電流リミット値に制限する。これにより、過負荷状態が検出された後は自励式変換器の出力電流が低下するため、自励式変換器の保護機能が動作することを未然に回避することができる。したがって、電力系統に事故が発生した場合においても、自励式無効電力補償装置を重故障停止させることなく運転を継続させることができる。この結果、自励式無効電力補償装置の信頼性を確保することができる。

（電流リミッタの変更例）
上記の本発明の実施の形態では、電流リミッタ１５における電流リミット値Ｉｌｉｍを固定値とする構成について説明したが、電流リミット値Ｉｌｉｍは電力系統４の状態に応じて設定される可変値であってもよい。たとえば、系統事故が発生した時点からの経過時間に応じて、電流リミット値Ｉｌｉｍを設定してもよい。

図７は、電流リミッタ１５の変更例の構成を示す機能ブロック図である。図７を参照して、本変更例に係る電流リミッタ１５は、図５に示した電流リミッタ１５と比較して、調整部３４および乗算器３５をさらに含む。

本変更例では、系統電圧制御部１４により生成された電流基準Ｉｒｅｆに係数ｋ（０＜ｋ＜１）を乗じた値を電流リミット値Ｉｌｉｍとして算出する（Ｉｌｉｍ＝Ｉｒｅｆ×ｋ）。係数ｋは、調整部３４によって可変に設定することができる。具体的には、調整部３４は、検出部２８からＨレベルに活性化された検出信号を受けると、自励式変換器１が過負荷状態であると判断された時点からの経過時間を計時する。そして、調整部３４は、計時された経過時間に応じて係数ｋを設定する。一例として、調整部３４は、自励式変換器１が過負荷状態であると判断された時点からの経過時間が長くなるに従って係数ｋが大きくなるように、係数ｋを設定する。

乗算器３５は、調整部３４により設定された係数ｋと電流基準Ｉｒｅｆとを乗算し、その乗算値を電流リミット値Ｉｌｉｍとして切替部３３に入力する。切替部３３は、切替指令に従って電流基準Ｉｒｅｆおよび電流リミット値Ｉｌｉｍのいずれか一方を選択して電流基準Ｉｒｅｆ＊に設定する。

本変更例によれば、電流リミット値Ｉｌｉｍは、自励式変換器１が過負荷状態であると判断された時点からの経過時間が長くなるほど、大きい電流値に設定される。すなわち、自励式変換器１が過負荷状態となった直後において電流基準Ｉｒｅｆ＊の制限を最も強化し、過負荷状態となってからの経過時間が長くなるに従って電流基準Ｉｒｅｆ＊の制限を徐々に緩和する。これによれば、系統事故中において、自励式変換器１の保護機能が動作するのを回避しながら、電力系統４に出力する無効電力を増やすことができる。したがって、電流リミット値Ｉｌｉｍを固定値とする構成と比較して、系統事故中における系統の安定度を向上させることができる。

今回開示された実施の形態は例示であって、上記内容のみに限定されるものではない。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内のすべての変更が含まれることが意図される。

１自励式変換器、２平滑用コンデンサ、３変換器用変圧器、４電力系統、５電圧検出器、６電流検出器、７制御装置、１０振幅検出部、１１無効電流検出部、１２電圧指令生成部、１３，１７減算器、１４系統電圧制御部、１５電流リミッタ、１８無効電流制御部、１９ゲートパルス発生部、２０，２１，２２乗算器、２３，２４，２５移動平均部、２６最大値選択部、２７比較部、２８検出部、２９禁止部、３０時限部、３１論理積回路、３２ＲＳフリップフロップ回路、３３切替部、３４調整部。

Claims

電力系統に連系され、スイッチング素子を含み、受けた電力に基づいて前記電力系統へ無効電力を出力するための自励式変換器と、
前記電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、
前記電力系統と前記自励式変換器との間に流れる電流を検出する電流検出器と、
前記電圧検出器により検出された電圧および前記電流検出器により検出された電流に基づいて前記スイッチング素子をスイッチングさせることにより、前記自励式変換器から前記電力系統へ出力される前記無効電力を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記電圧検出器により検出された電圧に基づいて、前記電力系統の電圧を制御するための無効電流の電流基準を演算する系統電圧制御部と、
前記電流検出器によって検出された電流に基づいて、前記自励式変換器から前記電力系統へ出力される無効電流を検出する無効電流検出部と、
前記無効電流検出部により検出された前記無効電流が前記電流基準になるように、前記自励式変換器から出力される電圧の電圧基準を演算する無効電流制御部と、
前記電圧基準に基づいて、前記スイッチング素子をスイッチングするための駆動信号を生成する駆動信号生成部と、
前記電流検出器により検出された電流に基づいて前記自励式変換器の過負荷状態が検出されたときに、前記系統電圧制御部により演算された前記電流基準を制限する電流リミッタとを含み、
前記電流リミッタは、前記自励式変換器の過負荷状態が検出された時点からの経過時間が長くなるに従って、前記電流基準の制限を緩和する、系統連系用電力変換装置。
前記電流リミッタは、
前記電流検出器により検出された電流に基づいて、前記自励式変換器の過負荷状態を検出する検出部と、
前記検出部により前記自励式変換器の過負荷状態が検出されたときに、前記系統電圧制御部により演算された前記電流基準を電流リミット値に制限するための切替部と、
前記経過時間が長くなるほど、前記電流リミット値を大きい電流値に設定するための調整部とを含む、請求項１に記載の系統連系用電力変換装置。
前記電流リミッタは、前記切替部により前記電流基準を前記電流リミット値に制限する時間を制限するための時限部をさらに含む、請求項２に記載の系統連系用電力変換装置。
前記切替部は、前記検出部の検出結果に応じて、前記系統電圧制御部により演算された前記電流基準と前記電流リミット値とを切り替えて前記無効電流制御部に出力するように構成され、
前記電流リミッタは、前記検出部により前記自励式変換器の過負荷状態が検出された時点から所定時間の間、前記切替部における切替動作を禁止するための禁止部をさらに含む、請求項２または請求項３に記載の系統連系用電力変換装置。
前記系統連系用電力変換装置は、自励式無効電力補償装置である、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の系統連系用電力変換装置。