JP6261842B1 - 無効電力補償装置およびその制御方法 - Google Patents

Abstract

無効電力補償装置は、交流電力系統と開閉器（９０）を介して接続されており、複数のサブモジュール（１２０）が直列に接続されアーム回路と、中央保護制御装置（１６０）とを備える。各サブモジュール（１２０）は、直流コンデンサと、この直流コンデンサに保持された電圧を出力するか否かを切り替えるためのブリッジ回路とを含む。中央保護制御装置（１６０）は、無効電力補償装置の運転中に、交流電力系統が停電した場合に、開閉器（９０）を閉状態にしたままで各サブモジュール（１２０）のブリッジ回路を構成する全ての半導体スイッチング素子を開状態にする待機モードに移行し、待機モードから開閉器（９０）を開状態にする停止モードに移行するように構成される。

Description

本開示は、無効電力補償装置およびその制御方法に関し、特にＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）を利用した無効電力補償装置において用いられるものである。

無効電力補償装置には様々な回路方式がある。自励式変換装置を用いた無効電力補償装置の一例として、ＭＭＣを利用した無効電力変換装置が知られている。ＭＭＣは、サブモジュールと呼ばれる単位の電力変換回路が多数直列に接続されることによって構成される。一部のサブモジュールが故障した場合、故障したサブモジュールをバイパスすることによって、残りのサブモジュールを使ってＭＭＣとしては動作を継続することができる。

たとえば、特許文献１（特開２０１３−２５５４２２号公報）、特許文献２（特開２０１４−０８２８０９号公報）、特許文献３（国際公開第２０１６／００２３１９号）などに開示されているように、各サブモジュールは、複数のスイッチング素子と直流コンデンサから構成された主回路と、他のセル変換器と直列接続するための２個の外部端子と、２個の外部端子の両端に接続するバイパス用開閉器と、主回路の直流コンデンサからエネルギーを得てバイパス用開閉器等を駆動する自給電源とを備えている。各サブモジュールの故障により直流コンデンサの電圧または自給電源の出力電圧が下限値未満となったとき、ＭＭＣを保護停止する。

特開２０１３−２５５４２２号公報 特開２０１４−０８２８０９号公報 国際公開第２０１６／００２３１９号

本開示は、上記の各特許文献に記載されたようなサブモジュールの故障を扱うものでなく、無効電力補償装置が接続された交流電力系統の故障によって交流系統電圧が低下した場合を取り扱う。この場合、以下のような課題があることを本願発明者は認識している。

具体的に、各サブモジュールの制御電源の供給源である直流コンデンサは交流側電力系統からエネルギーを得て充電される。このため、交流電力系統で停電が発生すると、サブモジュール自体は故障していない場合でも直流コンデンサが徐々に放電されて電圧が低下し、サブモジュールが制御できなくなるという問題がある。一方で、交流電力系統が停電後に復電した場合には、無効電力補償装置をできるだけ早く再起動をさせるのが望ましい。

この開示は、上記の課題を考慮したものであり、その主な目的は、交流電力系統が停電した後に復電した場合にできるだけ早い再起動が可能な無効電力補償装置を提供することである。

一実施形態の無効電力補償装置は、交流電力系統と開閉器を介して接続されており、複数のサブモジュールが直列に接続されアーム回路と、中央保護制御装置とを備える。各サブモジュールは、直流コンデンサと、直流コンデンサに保持された電圧を出力するか否かを切り替えるためのブリッジ回路とを含む。中央保護制御装置は、サブモジュールおよび開閉器を制御する。中央制御保護装置は、無効電力補償装置の運転中に、交流電力系統が停電した場合に、開閉器を閉状態にしたままで各サブモジュールのブリッジ回路を構成する全ての半導体スイッチング素子を開状態にする待機モードに移行し、待機モードから開閉器を開状態にする停止モードに移行するように構成される。

上記の実施形態によれば、待機モードを設けることによって、交流電力系統が停電した後に待機モードの状態で交流電力系統が復電した場合に、できるだけ早い無効電力補償装置の再起動が可能になる。

無効電力補償装置の構成の一例を示す図である。 図１のサブモジュールの構成の一例を示す図である。 図１の中央制御保護装置の機能的構成の一例を示すブロック図である。 図３の保護制御ユニットに設けられた交流不足電圧保護ロジックの構成例を示す図である。 実施の形態１の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧の変化に応じた無効電力補償装置の動作およびキャパシタ電圧の変化を示すタイミング図である。 実施の形態１の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧が低下したときの中央制御保護装置の動作を示すフローチャートである。 実施の形態２の無効電力補償装置において交流不足電圧保護ロジックの構成例を示す回路図である。 実施の形態２の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧の変化に応じた無効電力補償装置の動作およびキャパシタ電圧の変化を示すタイミング図である。 実施の形態２の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧が低下したときの中央制御保護装置の動作を示すフローチャートである。

以下、各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。

実施の形態１．
［無効電力補償装置の全体構成］
図１は、無効電力補償装置の構成の一例を示す図である。図１を参照して、無効電力補償装置１００は、変圧器８２および開閉器９０を介して交流電力系統８０と接続される。

開閉器９０は、交流電力系統８０と無効電力補償装置１００との間の電路の開閉を行う。

無効電力補償装置１００は、交流電力系統８０に出力する交流電圧を生成する。特に本実施の形態の無効電力補償装置１００は、自励式半導体装置を用いて構成され、自励式ＳＶＣ（Static Var Compensator）またはＳＴＡＴＣＯＭ（Static Synchronous Compensator）とも称される。

より詳細には、無効電力補償装置１００は、複数のアーム回路１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃと、中央制御保護装置１６０とを備える。以下の説明では、アーム回路１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃについて、総称する場合または不特定のものを示す場合にアーム回路１１０と記載する。

各アーム回路１１０は、直列接続された多数のサブモジュール１２０と、これらのサブモジュールと直列に接続されたリアクトル１１４と、アーム回路１１０に流れる電流を検出するための電流変成器（ＣＴ：Current Transformer）１１２とを備える。このように無効電力補償装置１００は、電力変換器であるサブモジュール１２０が多数直列に接続されたＭＭＣを基に構成される。各サブモジュール１２０の具体的な構成例については図２を参照して後述する。

なお、電流変成器１１２およびリアクトル１１４は、直列接続された複数のサブモジュール１２０のどの位置に設けられていてもよい。また、リアクトル１１４は複数設けられていてもよい。

図１の場合には、アーム回路１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０ＣはΔ結線されている。すなわち、アーム回路１１０ＡはＵ相のノード１０２ＵとＶ相のノード１０２Ｖとの間に接続され、アーム回路１１０Ｂはノード１０２ＶとＷ相のノード１０２Ｗとの間に接続され、アーム回路１１０Ｃはノード１０２Ｗとノード１０２Ｕとの間に接続される。これに代えて、アーム回路１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０ＣはＹ結線されていてもよい。さらに、無効電力補償装置１００は、ダブルＹ結線されたアーム回路によって構成されていてもよいし、ダブルΔ結線されたアーム回路によって構成されていてもよいし、その他の結線方式で接続された複数のアーム回路によって構成されていてもよい。

中央制御保護装置１６０は、変圧器８２と開閉器９０との間の電路に取り付けられた電圧変成器（ＶＴ：Voltage Transformer）９２から交流電力系統８０の電圧値を表す量の入力を受け、各アーム回路１１０に設けられた電流変成器１１２からアーム回路１１０に流れる電流値を表す量の入力を受ける。さらに、中央制御保護装置１６０は、光ファイバを介して光通信によって各サブモジュール１２０と通信を行うことによって、各サブモジュールを構成する直列コンデンサに保持された電圧の情報を取得する。

中央制御保護装置１６０は、上記の各検出値に基づいて、各サブモジュール１２０の動作を制御するとともに開閉器９０の開閉動作を制御する。たとえば、通常動作時には、中央制御保護装置１６０は、外部から受け取った交流電圧目標値に対して、出力する交流電圧が近づくように各サブモジュール１２０を制御する。

［各サブモジュールの構成］
図２は、図１のサブモジュールの構成の一例を示す図である。図２に示すサブモジュール１２０は、第１の入出力ノード１２２Ｐと、第２の入出力ノード１２２Ｎと、フルブリッジ型のブリッジ回路１３０と、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ１２４と、開閉器１２８と、制御装置１４０とを備える。

入出力ノード１２２Ｐ（１２２Ｎ）は、隣接するサブモジュール１２０の入出力ノード１２２Ｎ（１２２Ｐ）と接続される。ただし、アーム回路１１０の最も端に位置するサブモジュール１２０については、入出力ノード１２２Ｐ，１２２Ｎは、ノード１０２Ｕまたは１０２Ｖまたは１０２Ｗと接続される場合がある。

ブリッジ回路１３０は、半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄと、ダイオード１３４Ａ，１３４Ｂ，１３４Ｃ，１３４Ｄとを含む。半導体スイッチング素子１３２Ａは、直流コンデンサ１２４の高電位側ノード１２６Ｐと入出力ノード１２２Ｐとの間に接続される。半導体スイッチング素子１３２Ｂは、入出力ノード１２２Ｐと直流コンデンサ１２４の低電位側ノード１２６Ｎとの間に接続される。半導体スイッチング素子１３２Ｃは、高電位側ノード１２６Ｐと入出力ノード１２２Ｎとの間に接続される。半導体スイッチング素子１３２Ｄは、入出力ノード１２２Ｎと低電位側ノード１２６Ｎとの間に接続される。ダイオード１３４Ａ，１３４Ｂ，１３４Ｃ，１３４Ｄは、半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄとそれぞれ逆並列に（並列かつ逆バイアス方向に）接続される。

半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄとして、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）などの自励式の半導体スイッチング素子が用いられる。

ブリッジ回路１３０として、図２のフルブリッジ型に代えて、ハーフブリッジ型またはスリークオーター（Three Quarter）型を用いることができる。ハーフブリッジ型の場合、図２の構成において半導体スイッチング素子１３２Ｃ，１３２Ｄおよびダイオード１３４Ｃ，１３４Ｄが設けられていない。この場合、第２の入出力ノード１２２Ｎは、直流コンデンサ１２４の低電位側ノード１２６Ｎに接続される。スリークオーター型の場合、図２の構成において半導体スイッチング素子１３２Ｃが設けられていない。

開閉器１２８は、入出力ノード１２２Ｐと入出力ノード１２２Ｎとの間に接続される。開閉器１２８は、初期状態では開状態であり、サブモジュール１２０が故障のときにゲートロジック１４４からの指令に基づいて閉状態に切り替わる。これによって、アーム電流は、故障状態のサブモジュール１２０をバイパスするようになる。

制御装置１４０は、電圧検出器１５０と、給電回路１４２と、通信回路１４８と、ゲートロジック１４４と、ゲート駆動回路１４６とを含む。

電圧検出器１５０は、直流コンデンサ１２４に保持された直流電圧（直流コンデンサ電圧またはキャパシタ電圧とも称する）を検出する。電圧検出器１５０として、たとえば、直流計器用電圧変成器（ＤＣＶＴ：Direct Current Voltage Transformer）を用いることができる。電圧検出器１５０によって検出された直流コンデンサ１２４の電圧は、通信回路１４８によって中央制御保護装置１６０に送信される。

給電回路１４２は、直流コンデンサ１２４に蓄えられた電圧に基づいて、制御装置１４０で必要とされる種々の大きさの駆動電圧を生成する。したがって、無効電力補償装置１００の起動時には、直流コンデンサ１２４に電圧が蓄積されてから給電回路１４２が動作を開始し、これによって制御装置１４０を構成する他の回路が動作することになる。

通信回路１４８は、中央制御保護装置１６０との間で通信を行う。この通信には耐ノイズ性の観点から光ファイバを用いた光通信が行われる。通信回路１４８は、中央制御保護装置１６０に向けて、サブモジュール１２０内の各種の情報（たとえば、直流コンデンサ１２４の電圧、故障情報など）を送信する。

ゲートロジック１４４は、通信回路１４８を介して中央制御保護装置１６０から受信した制御指令および保護指令に基づいて、半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄのオンオフを制御するためのオンオフ指令を生成する。ゲート駆動回路１４６は、ゲートロジック１４４からのオンオフ指令に基づいて半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄのゲート駆動電圧を生成する。

さらに、ゲートロジック１４４は、電圧検出器１５０によって検出されたコンデンサ電圧ならびに複数のセンサ（不図示）の検出値を用いて、サブモジュール１２０内の複数の異常モードを判定するように構成されている。サブモジュール１２０は、異常モードを検知した場合に開閉器１２８を閉状態にする。異常モードとして、たとえば、コンデンサ電圧および給電回路１４２で生成された駆動電圧の各々が予め定められた適正範囲内にないことが挙げられる。

上記のゲートロジック１４４は、専用回路として構成されていてもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）を利用して構成されていてもよい。もしくは、ゲートロジック１４４の機能を、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリなどを備えたマイクロコンピュータによって実現してもよい。

［中央制御保護装置の機能的構成］
図３は、図１の中央制御保護装置の機能的構成の一例を示すブロック図である。中央制御保護装置１６０は、保護制御ユニット１６２と、アナログ回路１６４と、通信ユニット１６６，１６８とを含む。

保護制御ユニット１６２は、専用回路として構成されていてもよいし、ＦＰＧＡを利用して構成されていてもよい。もしくは、保護制御ユニット１６２の機能を、ＣＰＵおよびメモリなどを備えたマイクロコンピュータによって実現してもよい。以下、保護制御ユニット１６２の機能について説明する。

図１の電圧変成器９２および電流変成器１１２などの計測装置９４によって検出された系統電圧および無効電力補償装置１００内の各種の情報（アーム電流など）はアナログ回路１６４を介して保護制御ユニット１６２に入力される。アナログ回路１６４は、補助変成器、アナログフィルタ、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器などを含む。

さらに、保護制御ユニット１６２は、通信ユニット１６６を介して操作端末９６と接続され、交流電圧目標値、起動・停止指令などの入力を受ける。また、保護制御ユニット１６２は、通信ユニット１６８を介して各サブモジュール１２０と接続され、各サブモジュール１２０に設けられた直流コンデンサ１２４の電圧値の情報を受信する。

保護制御ユニット１６２は上記の入力情報に基づいて、各サブモジュール１２０に電圧指令値などの制御指令を送信する。たとえば、保護制御ユニット１６２は、直流コンデンサ電圧を一定値に保ちつつ、交流電力系統８０の電圧が交流電圧目標値に近付くようにもしくは交流電力系統８０の電圧変動を抑制するように、無効電力補償装置１００から交流電力系統８０に出力すべき交流電圧を制御する。

さらに、保護制御ユニット１６２は上記の入力情報に基づいて、交流電力系統８０に異常がある場合または無効電力補償装置１００に故障の虞がある場合には、保護指令を生成して各サブモジュール１２０に送信する。各サブモジュール１２０は、保護指令に従って半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄの全て開状態にすることによって待機状態となる。

また、保護制御ユニット１６２は、外部からの起動指令に従って、開閉器９０を投入して無効電力補償装置１００を起動し、外部からの停止指令に従って、開閉器９０を開放することによって無効電力補償装置１００を停止させる。

後述するように、保護制御ユニット１６２は、自ら出力した保護指令に従って開閉器９０を開放させることによって無効電力補償装置１００を停止状態にする場合もある。以下、交流電力系統８０の系統電圧が予め定める下限電圧よりも低下した場合の、無効電力補償装置１００の待機状態および停止状態の制御についてさらに詳しく説明する。

［交流不足電圧保護ロジックの構成例］
図４は、図３の保護制御ユニットに設けられた交流不足電圧保護ロジックの構成例を示す図である。交流不足電圧保護ロジック１７０は、比較器１７６，１７８と、フリップフロップ１８０，１８４と、オンディレータイマ１８２とを含む。

比較器１７６は、交流電力系統８０の系統電圧Ｖｓｙｓが第１の閾値１７２（たとえば、定格電圧の５５％）より小さくなったときに“１”を出力し、その他の場合に“０”を出力する。したがって、比較器１７６は系統電圧Ｖｓｙｓの低下を検出する電圧低下検出部として機能する。

比較器１７８は、交流電力系統８０の系統電圧Ｖｓｙｓが第２の閾値１７４（たとえば、定格電圧の６０％）より大きくなったときに“１”を出力し、その他場合に“０”を出力する。第２の閾値１７４は第１の閾値１７２よりも大きい。したがって、比較器１７８は交流電力系統８０の復電を検出する復電検出部として機能する。

フリップフロップ１８０は、待機指令部として動作し、比較器１７６の出力が“１”となった場合にセット状態“１”となって待機指令１８６を出力する。フリップフロップ１８０は、比較器１７８の出力が“１”となったとき、リセット状態“０”となって待機指令１８６を解除する。したがって、電圧低下検出部（比較器１７６）によって系統電圧Ｖｓｙｓの低下が検出されたときに待機指令１８６が出力され、復電検出部（比較器１７８）によって復電が検出されたときに待機指令１８６が解除される。待機指令は各サブモジュール１２０に出力され、待機指令を受けたサブモジュール１２０は、半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄを全て開状態に切替える。

フリップフロップ１８４のセット端子には、フリップフロップ１８０の出力信号がオンディレータイマ１８２を介して入力される。フリップフロップ１８４のリセット端子には、比較器１７８の出力信号が入力される。フリップフロップ１８４はセット状態のとき停止指令１８８を出力する停止指令部として動作する。したがって、待機指令部（フリップフロップ１８４）によって待機指令１８６が出力されてから、オンディレータイマ１８２によって決まるｔ１［ｓｅｃ］が経過したとき、停止指令部（フリップフロップ１８４）は停止指令１８８を出力することになる。この停止指令１８８に従って、図１の開閉器９０が投入される。復電検出部（比較器１７８）によって復電が検出されたときに停止指令１８８が解除される。

［交流不足電圧保護ロジックの動作］
次に、図５のタイミング図および図６のフローチャートを参照して、交流不足電圧保護ロジック１７０の動作について説明する。

図５は、実施の形態１の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧の変化に応じた無効電力補償装置の動作およびキャパシタ電圧の変化を示すタイミング図である。

図４および図５を参照して、時刻ｔ１０１において交流電力系統８０に故障が発生したとする。

次の時刻ｔ１０２において、交流電力系統８０に設けられた保護リレー装置（不図示）によって遮断器（不図示）が遮断されたとする。この結果、図１の電圧変成器９２によって検出された系統電圧Ｖｓｙｓが０［Ｖ］になる（すなわち、交流電力系統８０は停電状態になる。この停電状態を検出して無効電力補償装置１００は待機状態になる（すなわち、待機指令１８６が出力される）。待機状態では各サブモジュール１２０の半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄは全てオフ状態（開状態）になる。

時刻ｔ１０２からオンディレータイマ１８２によって決まる時間ｔ１［ｓｅｃ］が経過した時刻ｔ１０３において無効電力補償装置１００は停止状態になる（すなわち、停止指令１８８が出力される）。

時刻ｔ１０４において、遮断器（不図示）が再閉路されることによって系統電圧Ｖｓｙｓは定格電圧に戻る。このとき、無効電力補償装置１００の待機状態が続いていれば、無効電力補償装置１００は即座に通常状態に戻ることができるが、図５のように停止状態になっている場合は、無効電力補償装置１００の再起動が必要になり、再起動までに時間がかかることになる。

図６は、実施の形態１の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧が低下したときの中央制御保護装置の動作を示すフローチャートである。以下、図１、図３および図６を参照して、これまでの説明を総括する。

ステップＳ１００において、無効電力補償装置１００の起動後に、無効電力補償装置１００の運転状態は通常状態（通常モードとも称する）に移行する。通常モードでは、図１の開閉器９０は閉状態である。

次にステップＳ１１０において、交流不足電圧保護ロジック１７０は、交流電力系統８０の系統電圧Ｖｓｙｓが閾値電圧Ｖｔｈ１（図４の１７２）よりも小さくなったこと（交流不足電圧）を検出したとする（ステップＳ１１０でＹＥＳ）。この場合、ステップＳ１２０において、交流不足電圧保護ロジック１７０は、待機指令１８６を各サブモジュール１２０に出力する。待機指令１８６を受けて、各サブモジュール１２０の半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄは全てオフ状態（開状態）になる。

そして、待機指令１８６の出力後、時間ｔ１［ｓｅｃ］が経過する前に系統電圧Ｖｓｙｓが閾値電圧Ｖｔｈ２（図４の１７４、Ｖｔｈ２＞Ｖｔｈ１）よりも大きな値に戻ったとする（ステップＳ１４０でＮＯ、ステップＳ１３０でＹＥＳ）。この場合、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態（待機モードとも称する）から通常状態に戻る。すなわち、交流不足電圧保護ロジック１７０は待機指令１８６を解除する。

一方、待機指令１８６の出力後、時間ｔ１［ｓｅｃ］が経過しても系統電圧Ｖｓｙｓが閾値電圧Ｖｔｈ２（図４の１７４、Ｖｔｈ２＞Ｖｔｈ１）よりも大きな値に戻らなかった場合（ステップＳ１３０でＮＯ、ステップＳ１４０でＹＥＳ）、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態から停止状態（停止モードとも称する）に移行する。すなわち、ステップＳ１６０において、交流不足電圧保護ロジック１７０は図１の開閉器９０および各サブモジュール１２０に停止指令１８８を出力する。停止指令１８８を受けて、開閉器９０は開放される。

［効果］
上記の構成の交流不足電圧保護ロジック１７０によれば、以下の効果が得られる。

まず前提として、各サブモジュール１２０の制御装置１４０の駆動電圧の供給源である直流コンデンサ１２４は、交流電力系統８０からエネルギーを得て充電される。このため、交流電力系統８０で停電（図４の時刻ｔ１０２）が発生すると、無効電力補償装置１００自体は故障していない場合でも直流コンデンサ１２４が徐々に放電されてその電圧が低下し、結果として、サブモジュール１２０を制御できなくなる。

これを防止するため、本実施の形態の無効電力補償装置１００では、交流電力系統８０の系統電圧Ｖｓｙｓが第１の閾値（図４の１７２）より小さくなったとき、無効電力補償装置１００は一旦、通常状態から待機状態に制御される。その後、待機状態が予め定める時間（図４、図５の時間ｔ１）以上継続した場合には、無効電力補償装置１００は、停止状態となるように制御される。

交流電力系統８０が一旦停電し、その後、復電した場合、復電時に無効電力補償装置１００が待機状態であれば即座に再起動可能である。したがって、本実施の形態によれば、停電後の復電時にできるだけ早い再起動が可能な無効電力補償装置を提供することができる。

しかし、復電時に無効電力補償装置１００が停止状態の場合は、再起動するまでに時間がかかることになる。待機状態の上限時間は、種々のケースを考慮して各サブモジュール１２０が制御不能にならないように設定される。

実施の形態２．
［実施の形態１の問題点と実施の形態２の特徴］
無効電力補償装置１００は、交流電力系統８０の停電後、復電したときに即座に再起動できることが望ましい。つまり、交流電力系統８０の停電中に、できるだけ長い時間、待機状態を継続できることが求められる。

しかしその一方で、たとえば、落雷による系統事故発生時には、系統事故が発生してから遮断器が遮断されるまでの間に、サブモジュール１２０の直流コンデンサ電圧が大きく変動する場合がある（図５の時刻ｔ１０１から時刻ｔ１０２までを参照）。このような場合には、その他の故障発生時と比べて、停電発生後の直流コンデンサの電圧値はより低下した値になっている。この結果、その他の故障発生時に比べて、直流コンデンサ電圧は、サブモジュール１２０の制御装置１４０が制御不能な電圧レベルまでより早く低下してしまう可能性がある。

したがって、実施の形態１の場合には、上記のような最悪のケースを考慮する必要があるため、待機モードの継続可能時間が制限されていた。結果として、多くの場合において、サブモジュール１２０の制御装置１４０が制御不能な電圧レベルにまで直流コンデンサ電圧が低下する前に、無効電力補償装置１００の運転状態が待機状態から停止状態に移行していた。

実施の形態２の無効電力補償装置では、各サブモジュール１２０の直流コンデンサの電圧の最低値が下限電圧より小さくなった場合に、待機状態から停止状態に移行するようにする。この結果、交流電力系統の停電後の復電時にできるだけ早い再起動が可能な無効電力補償装置を提供することができる。

以下、図面を参照して詳しく説明する。なお、図１の無効電力補償装置１００の全体構成、図２の各サブモジュール１２０の構成、および図３の中央制御保護装置１６０の構成（交流不足電圧保護ロジック１７０の構成を除く）は、実施の形態１の場合と実施の形態２の場合とで共通であるので説明を繰り返さない。

［交流不足電圧保護ロジックの構成例］
図７は、実施の形態２の無効電力補償装置において交流不足電圧保護ロジックの構成例を示す回路図である。

図７の交流不足電圧保護ロジック１７０Ａは、直流不足電圧検出部１９０と、待機時間制限部２００と、ＯＲゲート２０８とをさらに含む点で、図４の交流不足電圧保護ロジック１７０と異なる。待機時間制限部２００およびＯＲゲート２０８は必ずしも設けられていなくてもよい。図７のその他の構成は図４の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

直流不足電圧検出部１９０は、サブモジュール１２０の直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値より小さくなったことを検出する。具体的に、直流不足電圧検出部１９０は、比較器１９６と、ＡＮＤゲート１９８とを含む。

比較器１９６は、各サブモジュール１２０から取得した直流コンデンサ電圧値のうちの最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値１９４（たとえば、標準値の７０％）より小さくなったときに“１”を出力し、その他の場合に“０”を出力する。

ＡＮＤゲート１９８は、オンディレータイマ１８２の出力と比較器１９６の出力とを受けてその論理積を出力する。したがって、ＡＮＤゲート１９８は、待機状態に移行してから時間ｔ１［ｓｅｃ］が経過した後に、直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値より小さくなっていれば“１”を出力し、その他の場合に“０”を出力する。ＡＮＤゲート１９８の出力は、ＯＲゲート２０８を介してフリップフロップ１８４のセット端子に入力される。これによって、ＡＮＤゲート１９８の出力が“１”となっていれば、フリップフロップ１８４から停止指令１８８が出力されることになる。

待機時間制限部２００は、待機状態に移行してから時間ｔ２［ｓｅｃ］（待機モードの上限時間、ｔ２＞ｔ１）が経過したか否かを判定する。具体的に、待機時間制限部２００は、オンディレータイマ２０２と、インバータ２０４と、ＡＮＤゲート２０６とを含む。

オンディレータイマ２０２は、待機指令部（フリップフロップ１８４）によって待機指令１８６が出力されてから時間ｔ２［ｓｅｃ］が経過したときに“１”を出力する。ＡＮＤゲート２０６は、オンディレータイマ２０２の出力と、比較器１９６の出力を反転した信号との論理積を出力する。したがって、待機時間制限部２００は、待機指令１８６が出力されてから時間ｔ２［ｓｅｃ］が経過し、かつ、直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値より小さくなっていれば“１”を出力し、その他の場合に“０”を出力する。

ＡＮＤゲート２０６の出力は、ＯＲゲート２０８を介してフリップフロップ１８４のセット端子に入力される。これによって、ＡＮＤゲート２０６の出力が“１”となっていれば、フリップフロップ１８４から停止指令１８８が出力されることになる。

［交流不足電圧保護ロジックの動作］
次に、図８のタイミング図および図９のフローチャートを参照して、交流不足電圧保護ロジック１７０Ａの動作について説明する。

図８は、実施の形態２の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧の変化に応じた無効電力補償装置の動作およびキャパシタ電圧の変化を示すタイミング図である。

図７および図８を参照して、時刻ｔ１０１において交流電力系統８０に故障が発生したとする。

次の時刻ｔ１０２において、交流電力系統８０に設けられた保護リレー装置（不図示）によって遮断器（不図示）が遮断される。この結果、図１の電圧変成器９２によって検出された系統電圧Ｖｓｙｓは０［Ｖ］になり、この停電状態を検出して無効電力補償装置１００は待機状態になる（すなわち、待機指令１８６が出力される）。待機状態では各サブモジュール１２０の半導体スイッチング素子１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄは全てオフ状態（開状態）になる。

時刻ｔ１０４において、遮断器（不図示）が再閉路されることによって系統電圧Ｖｓｙｓは定格電圧に戻る。このとき、図８のように無効電力補償装置１００の待機状態が続いていれば、無効電力補償装置１００は即座に通常状態に戻ることができる。具体的に、時刻ｔ１０４において直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎは、下限値（図８の場合、標準値の７０％）よりも小さくなっていないので、待機状態が維持されていることがわかる。なお、遮断器（不図示）の遮断から再閉路までの停電時間ｔ３［ｓｅｃ］は、図７の時間ｔ１より長く時間ｔ２より短くなっている。

図９は、実施の形態２の無効電力補償装置において、交流電力系統の系統電圧が低下したときの中央制御保護装置の動作を示すフローチャートである。以下、図１、図３および図９を参照して、これまでの説明を総括する。

ステップＳ１００において無効電力補償装置１００は起動され、その後、無効電力補償装置１００の運転状態は通常状態に移行する。

次にステップＳ１１０において、交流不足電圧保護ロジック１７０Ａは、交流電力系統８０の系統電圧Ｖｓｙｓが閾値電圧Ｖｔｈ１（図７の１７２）よりも小さくなったこと（交流不足電圧）を検出したとする（ステップＳ１１０でＹＥＳ）。この場合、ステップＳ１２０において、交流不足電圧保護ロジック１７０Ａは、待機指令１８６を各サブモジュール１２０に出力する。

そして、待機指令１８６の出力後、停止指令１８８を出力する前に、系統電圧Ｖｓｙｓが閾値電圧Ｖｔｈ２（図７の１７４、Ｖｔｈ２＞Ｖｔｈ１）よりも大きな値に戻ったとする（ステップＳ１３０でＹＥＳ）。この場合、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態から通常状態に戻る。すなわち、交流不足電圧保護ロジック１７０Ａは待機指令１８６を解除する。

一方、待機指令１８６の出力後、ステップＳ１５０において、無効電力補償装置１００は、サブモジュール１２０の直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値Ｖｔｈ３よりも小さくなっているか否かを判定する。この結果、待機状態に移行してから時間ｔ１［ｓｅｃ］が経過し（ステップＳ１４０でＹＥＳ）、かつ、サブモジュール１２０の直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値Ｖｔｈ３よりも小さくなっていれば（ステップＳ１５０でＹＥＳ）、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態から停止状態に移行する。すなわち、ステップＳ１６０において、交流不足電圧保護ロジック１７０Ａは図１の開閉器９０および各サブモジュール１２０に停止指令１８８を出力する。

なお、上記では全ての直流コンデンサの電圧の最小値に基づいて運転状態を制御するようにしたが、代表となる複数個のサブモジュールの直流コンデンサ電圧の最小値に基づいて無効電力補償装置１００の運転状態を制御してもよい。したがって、少なくとも一部の直流コンデンサの電圧値の最小値が下限値以下となっていれば、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態から停止状態に移行する。

ステップＳ１５０において、無効電力補償装置１００は、サブモジュール１２０の直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値Ｖｔｈ３よりも小さくなっておらず（ステップＳ１５０でＮＯ）、かつ、待機指令に移行してから時間ｔ２［ｓｅｃ］が経過していない（ステップＳ１７０でＮＯ）の場合には、ステップＳ１３０に戻り、待機状態が継続される。

待機指令に移行してから時間ｔ２［ｓｅｃ］（待機モードの上限時間）が経過した場合には（ステップＳ１７０でＹＥＳ）、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態から停止状態に移行する。なお、ステップＳ１７０は必ずしも必要でない。すなわち、サブモジュール１２０の直流コンデンサ電圧の最低値Ｖｄｃ＿ｍｉｎが下限値Ｖｔｈ３よりも小さくなっていれば、無効電力補償装置１００の運転状態は待機状態から停止状態に移行し、そうでなければ待機状態が継続されるようにしてもよい。

［効果］
上記のとおり、実施の形態２の無効電力補償装置によれば、直流コンデンサ電圧の最小値が下限値よりも小さくなった場合に、無効電力補償装置の運転状態が待機状態から停止状態に移行するようにしたので、実施の形態１の場合に比べて待機状態の維持時間をより長くすることができる。結果として、交流電力系統の停電後の復電時にできるだけ早い再起動が可能な無効電力補償装置を提供することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

８０ 交流電力系統、８２ 変圧器、９０ 開閉器、９２ 電圧変成器、９４ 計測装置、９６ 操作端末、１００ 無効電力補償装置、１１０，１１０Ａ，１１０Ｂ，１１０Ｃ アーム回路、１１２ 電流変成器、１２０ サブモジュール、１２２Ｎ，１２２Ｐ 入出力ノード、１２４ 直流コンデンサ、１２６Ｎ 低電位側ノード、１２６Ｐ 高電位側ノード、１３０ ブリッジ回路、１３２Ａ，１３２Ｂ，１３２Ｃ，１３２Ｄ 半導体スイッチング素子、１３４Ａ，１３４Ｂ，１３４Ｃ，１３４Ｄ ダイオード、１４０ 制御装置、１４２ 給電回路、１４４ ゲートロジック、１４６ ゲート駆動回路、１４８ 通信回路、１５０ 電圧検出器、１６０ 中央制御保護装置、１６２ 保護制御ユニット、１６４ アナログ回路、１６６，１６８ 通信ユニット、１７０，１７０Ａ 交流不足電圧保護ロジック、１７６，１７８，１９６ 比較器、１８０，１８４ フリップフロップ、１８２，２０２ オンディレータイマ、１９０ 直流不足電圧検出部、１９８，２０６ ＡＮＤゲート、２００ 待機時間制限部、２０４ インバータ、２０８ ＯＲゲート。

Claims (9)

1. 交流電力系統と開閉器を介して接続された無効電力補償装置であって、
   複数のサブモジュールが直列に接続されたアーム回路を備え、
   各前記サブモジュールは、
   直流コンデンサと、
   前記直流コンデンサに保持された電圧を出力するか否かを切り替えるためのブリッジ回路とを含み、
   前記無効電力補償装置は、前記サブモジュールおよび前記開閉器を制御する中央制御保護装置をさらに備え、
   前記中央制御保護装置は、前記無効電力補償装置の運転中に、前記交流電力系統が停電した場合に、前記開閉器を閉状態にしたままで各前記サブモジュールの前記ブリッジ回路を構成する全ての半導体スイッチング素子を開状態にする待機モードに移行し、
   前記中央制御保護装置は、少なくとも一部の前記サブモジュールの前記直流コンデンサの電圧値の情報を取得し、
   前記中央制御保護装置は、前記待機モードにおいて、前記少なくとも一部のサブモジュールの前記直流コンデンサの電圧値の最小値が下限値より小さくなっている場合に、前記待機モードから前記開閉器を開状態にする停止モードに移行するように構成される、無効電力補償装置。
2. 前記中央制御保護装置は、前記待機モードにおいて、予め定める上限時間が経過した後に前記停止モードに移行するように構成される、請求項１に記載の無効電力補償装置。
3. 前記中央制御保護装置は、前記待機モードにおいて前記交流電力系統の停電が解消した場合に、前記待機モードを解除するように構成される、請求項１または２に記載の無効電力補償装置。
4. 前記中央制御保護装置は、
   前記交流電力系統の電圧値を第１の閾値と比較する第１の比較器と、
   前記交流電力系統の電圧値を前記第１の閾値よりも大きい第２の閾値と比較する第２の比較器と、
   前記交流電力系統の電圧値が前記第１の閾値よりも小さい場合にセット状態になり、前記交流電力系統の電圧が前記第２の閾値よりも大きい場合にリセット状態になる第１のフリップフロップとを含み、
   前記中央制御保護装置は、前記第１のフリップフロップが前記セット状態のときに前記待機モードである、請求項１に記載の無効電力補償装置。
5. 前記中央制御保護装置は、
   前記少なくとも一部のサブモジュールの前記直流コンデンサの電圧値の最小値を前記下限値と比較する第３の比較器と、
   前記第１のフリップフロップがセット状態でありかつ前記少なくとも一部のサブモジュールの前記直流コンデンサの電圧値の最小値が前記下限値よりも低い場合にセット状態になり、前記交流電力系統の電圧が前記第２の閾値よりも大きい場合にリセット状態になる第２のフリップフロップとをさらに含み、
   前記中央制御保護装置は、前記第２のフリップフロップが前記セット状態のときに前記停止モードである、請求項４に記載の無効電力補償装置。
6. 前記中央制御保護装置は、
   前記第１のフリップフロップがセット状態になってから前記待機モードの上限時間が経過したか否かを判定する待機時間制限部をさらに含み、
   前記第２のフリップフロップは、前記第１のフリップフロップがセット状態になってから前記待機モードの上限時間が経過した場合にセット状態になる請求項５に記載の無効電力補償装置。
7. 交流電力系統と開閉器を介して接続された無効電力補償装置の制御方法であって、
   前記無効電力補償装置は、複数のサブモジュールが直列に接続されたアーム回路を含み、
   各前記サブモジュールは、
   直流コンデンサと、
   前記直流コンデンサに保持された電圧を出力するか否かを切り替えるためのブリッジ回路とを含み、
   前記制御方法は、
   前記無効電力補償装置の運転中に、前記交流電力系統が停電した場合に、前記開閉器を閉状態にしたままで各前記サブモジュールの前記ブリッジ回路を構成する全ての半導体スイッチング素子を開状態にする待機モードに移行するステップと、
   少なくとも一部の前記サブモジュールの前記直流コンデンサの電圧値の情報を取得するステップと、
   前記待機モードにおいて、前記少なくとも一部のサブモジュールの前記直流コンデンサの電圧値の最小値が下限値より小さくなっている場合に、前記待機モードから前記開閉器を開状態にする停止モードに移行するステップとを備える、無効電力補償装置の制御方法。
8. 前記停止モードに移行するステップは、前記待機モードにおいて、予め定める上限時間が経過したときに実行される、請求項７に記載の無効電力補償装置の制御方法。
9. 前記待機モードにおいて前記交流電力系統の停電が解消した場合に、前記待機モードを解除するステップをさらに備える、請求項７または８に記載の無効電力補償装置の制御方法。

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