JP6269355B2 - マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法 - Google Patents

マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法 Download PDF

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Description

開示の実施形態は、マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法に関する。
従来、電力変換装置として、交流電源（例えば、電力系統）の電圧を任意の周波数・電圧へ直接変換するマトリクスコンバータが知られている。かかるマトリクスコンバータは、例えば、高調波電流の抑制や回生電力の有効利用が可能であることから、新しい電力変換装置として注目されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−３５４８１５号公報
しかしながら、マトリクスコンバータは、電力系統側の力率を適切に制御することが難しい場合がある。例えば、電力系統の電圧を変換して発電機へ出力することにより発電機の電力を電力系統へ提供するマトリクスコンバータにおいて、電力系統側にフィルタが設けられていると、フィルタを構成するコンデンサの進み電流により電力系統側の力率を１に保つことが難しい場合がある。
実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、電力系統側の力率を適切に制御することができるマトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法を提供することを目的とする。
実施形態の一態様に係るマトリクスコンバータは、電力変換部および制御部を備える。前記電力変換部は、複数の双方向スイッチを有し、電力系統と回転電機との間に設けられる。前記制御部は、前記電力系統側の力率を制御するように前記電力変換部から前記回転電機への励磁電流を制御する。
実施形態の一態様によれば、電力系統側の力率を適切に制御することができるマトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法を提供することができる。
図１は、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。 図２は、双方向スイッチの一例を示す図である。 図３は、力率角を調整した場合の、回転速度、有効電力、無効電力および系統側力率との関係例を示す図である。 図４は、励磁電流による系統側力率の制御の説明図である。 図５は、マトリクスコンバータの制御部の構成の一例を示す図である。 図６は、回転電機に出力される電圧の切り替わりの一例を示す図である。 図７は、制御部の処理の流れの一例を示すフローチャートである。 図８は、マトリクスコンバータの制御部の構成の他の例を示す図である。
以下、添付図面を参照して、本願の開示するマトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法の実施形態を詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態によりこの発明が限定されるものではない。
［１．発電システム］
図１は、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係る発電システム１００は、マトリクスコンバータ１と、回転電機２とを備える。マトリクスコンバータ１は、回転電機２と３相交流の電力系統３との間に設けられ、回転電機２と電力系統３との間の電力変換を行う。
以下の実施形態では、回転電機２の一例として、例えば、同期電動機などの交流発電機（ＡＣＧ）について説明するが、回転電機２は、交流発電機に限らず、例えば、交流電動機であってもよい。また、回転電機２の回転軸Ａｘには、回転電機２の回転子位置（機械角）を示す回転位置θＧを検出する位置検出器４が設けられており、かかる位置検出器４によって検出された回転位置θＧはマトリクスコンバータ１へ入力される。
［２．マトリクスコンバータ１］
図１に示すように、マトリクスコンバータ１は、電力変換部１０と、フィルタ１１と、電流検出部１２、１３と、電圧検出部１４と、制御部１５と、端子ＴＲ、ＴＳ、ＴＴと、端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷとを備える。回転電機２は、端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷに接続され、電力系統３は、端子ＴＲ、ＴＳ、ＴＴに接続される。
電力変換部１０は、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と回転電機２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を備える。双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ３は、電力系統３のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機２のＵ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。
双方向スイッチＳｗ４〜Ｓｗ６は、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機２のＶ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。双方向スイッチＳｗ７〜Ｓｗ９は、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機２のＷ相とをそれぞれ接続する双方向スイッチである。
双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、例えば、図２に示すような構成を有する。図２は、各双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の構成の一例を示す図である。図２に示すように、各双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、スイッチング素子１６とダイオード１８とによる直列接続体と、スイッチング素子１７とダイオード１９とによる直列接続体とが、逆方向に並列に接続されて構成される。
スイッチング素子１６、１７は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子である。また、スイッチング素子１６、１７は、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮであってもよい。
なお、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、図２に示す構成に限られない。例えば、図２に示す例では、ダイオード１８、１９のカソード同士が接続されていないが、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９は、ダイオード１８、１９のカソード同士が接続された構成でもよい。また、スイッチング素子１６、１７が逆阻止ＩＧＢＴの場合、ダイオード１８、１９を設けなくてもよい。
図１に戻って、マトリクスコンバータ１の説明を続ける。フィルタ１１は、電力系統３のＲ相、Ｓ相およびＴ相と電力変換部１０との間に設けられ、電力変換部１０から電力系統３へのノイズの影響を抑制する。具体的には、フィルタ１１は、３つのリアクトルと３つのコンデンサを含み、電力変換部１０を構成する双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のスイッチングに起因するスイッチングノイズを除去する。なお、フィルタ１１は、図１に示すＬＣフィルタ構成に限定されず、他の構成であってもよい。
電流検出部１２は、電力系統３とフィルタ１１との間に設けられ、マトリクスコンバータ１と電力系統３のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相との間に流れる電流の瞬時値ＩＲ、ＩＳ、ＩＴ（以下、系統側電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴと記載する）を検出する。なお、電流検出部１２は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する。
電流検出部１３は、電力変換部１０と回転電機２との間に設けられ、マトリクスコンバータ１と回転電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相との間に流れる電流の瞬時値ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ（以下、回転電機側電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷと記載する）を検出する。なお、電流検出部１３は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する。
電圧検出部１４は、電力系統３と電力変換部１０との間に設けられ、電力系統３のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電圧値ＶＲ、ＶＳ、ＶＴ（以下、系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴと記載する）を検出する。
制御部１５は、電力変換部１０を制御する。例えば、制御部１５は、回転位置θＧ、系統側電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴ、回転電機側電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷ、および、系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴに基づき、電力変換部１０を制御する。
制御部１５は、入力力率角θｉｎを調整することにより、電力系統３側の力率λｇｒｉｄ（以下、系統側力率λｇｒｉｄと記載する）を制御する。入力力率角θｉｎは、電力変換部１０から電力系統３側へ供給される電力の力率角である。また、系統側力率λｇｒｉｄは、マトリクスコンバータ１から電力系統３側へ供給される電力の力率角であり、電力系統３から見た力率である。
制御部１５は、回転電機２の回転速度ωＧが高い場合、入力力率角θｉｎの調整により系統側力率λｇｒｉｄの調整を行うことができる。一方、回転電機２の回転速度ωＧが低いと、入力力率角θｉｎの調整では、系統側力率λｇｒｉｄの調整が難しい場合がある。以下、この点について説明する。
マトリクスコンバータ１には、図１に示すように、電力変換部１０と電力系統３との間にフィルタ１１が設けられており、かかるフィルタ１１により、電力系統３に進み無効電流が流れ、進み無効電力Ｑｉｎｉが発生する。かかる進み無効電力Ｑｉｎｉは、回転電機２の回転速度ωＧが低いと、入力力率角θｉｎを変更しても、進み無効電力Ｑｉｎｉを相殺する遅れ無効電流を電力変換部１０から電力系統３側へ流せない場合がある。
例えば、回転電機２からマトリクスコンバータ１へ供給される発電電力（有効電力）ＰＧと、マトリクスコンバータ１から電力系統３へ供給される無効電力Ｑｇｒｉｄと、入力力率角θｉｎと、進み無効電力Ｑｉｎｉとは、下記式（１）に示す関係にある。なお、電力変換部１０での損失は無視できるものとする。
Ｑｇｒｉｄ＝ＰＧ×ｔａｎ（θｉｎ）−Ｑｉｎｉ ・・・（１）
回転電機２の回転速度ωＧが低い場合、発電電力ＰＧが小さいため、入力力率角θｉｎを調整しても、上記式（１）においてＰＧ×ｔａｎ（θｉｎ）が進み無効電力Ｑｉｎｉよりも大きくならない場合がある。この場合、無効電力Ｑｇｒｉｄが負の状態である。そのため、入力力率角θｉｎの調整では系統側力率λｇｒｉｄを「１」に制御したり、遅れ力率に制御したりすることが難しい。
図３は、入力力率角θｉｎを調整した場合の、回転速度ωＧ、発電電力ＰＧ、無効電力Ｑｇｒｉｄおよび系統側力率λｇｒｉｄとの関係例を示す図である。図３に示す例では、入力力率角θｉｎを調整する力率制御では、回転電機２の定格の約３０％以上の回転速度ωＧでは系統側力率λｇｒｉｄを「１」にできている。一方で、回転電機２の定格の約３０％未満の回転速度ωＧでは系統側力率λｇｒｉｄを「１」にできていない。
そこで、制御部１５は、電力変換部１０から回転電機２への励磁電流を制御することによって、系統側力率λｇｒｉｄを制御する。図４は、励磁電流による系統側力率λｇｒｉｄの制御の説明図である。
図４に示すように、回転電機２は、例えば、巻線抵抗Ｒを有しており、回転速度ωＧに応じた周波数の電流を流すことで、巻線抵抗Ｒにより電力損失ＰＲが発生する。かかる電力損失ＰＲは、例えば、回転電機２の銅巻線を有している場合、銅損である。
制御部１５は、電力変換部１０から回転電機２へ励磁電流を流すように電力変換部１０を制御することによって、電力損失ＰＲを発生させる。これにより、回転電機２によって発生する電力は、回転電機２の発電電力ＰＧに電力損失ＰＲを加えた電力になる。
制御部１５は、このように発生させた電力損失ＰＲを電力系統３側へ電力変換部１０から無効電力として供給することにより、進み無効電力Ｑｉｎｉをキャンセルする遅れ無効電流を電力変換部１０から電力系統３側へ流すことができる。したがって、回転速度ωＧが低い場合であっても、系統側力率λｇｒｉｄを精度よく調整することができる。
例えば、発電システム１００が風力発電であり、回転電機２にロータ（例えば、風車のプロペラ）が接続されている場合、風が弱いと、ロータの回転速度が低いため、回転電機２の回転速度ωＧが低い。このような場合であっても、発電システム１００は、電力変換部１０から回転電機２への励磁電流を制御することによって、系統側力率λｇｒｉｄを制御するため、系統側力率λｇｒｉｄを精度よく調整することができる。そのため、例えば、電力系統３側によって要求される力率に系統側力率λｇｒｉｄを合せることができる。
なお、電力損失ＰＲを発生させるために回転電機２へ流すのは励磁電流である。そのため、回転電機２にトルクは発生しないが、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９のスイッチングによって、回転電機２によって発生した電力を電力変換部１０から電力系統３側へ遅れ無効電力として供給することができる。
［３．制御部１５の構成］
図５は、制御部１５の構成の一例を示す図である。図５に示すように、制御部１５は、位相検出器２０と、ｄｑ座標変換器２１と、ｑ軸電流指令生成器２２と、ｄ軸電流指令生成器２３と、減算器２４、２５と、ｑ軸電流制御器２６と、ｄ軸電流制御器２７と、座標変換器２８と、駆動制御器２９と、力率指令生成器３０と、リミッタ３１とを備える。
制御部１５は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータやＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現される。
マイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、上述した各部位２０〜３１の一部または全部の機能を実行することができる。また、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどの回路によって上述した各部位２０〜３１の一部または全部の機能を実行することもできる。
位相検出器２０は、例えば、位置検出器４によって検出された回転位置θＧに回転電機２の極数を乗算することにより、回転電機２の電気角位相θを検出する。
ｄｑ座標変換器２１は、回転電機側電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷからｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流ｉｑとを求める。例えば、ｄｑ座標変換器２１は、回転電機側電流ＩＵ、ＩＶ、ＩＷを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換し、電気角位相θに基づき、αβ軸座標系の成分をｄｑ軸座標系の成分へ変換することでｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流ｉｑとを求める。なお、ｄ軸は、回転電機２の磁束に平行な軸であり、ｑ軸は、ｄ軸に直交する軸である。
ｑ軸電流指令生成器２２は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*を生成する。ｑ軸電流指令生成器２２は、例えば、トルク−電流換算係数Ｋを用いて、トルク指令Ｔ*に対応するｑ軸電流指令Ｉｑ*を求める。ｑ軸電流指令Ｉｑ*は、回転電機２に流すトルク電流の目標値である。
ｄ軸電流指令生成器２３は、ｄ軸電流指令Ｉｄ*（励磁電流指令の一例）を生成する。ｄ軸電流指令Ｉｄ*は、回転電機２に流す励磁電流の目標値である。かかるｄ軸電流指令Ｉｄ*によって回転電機２に励磁電流が流れる。なお、ｄ軸電流指令生成器２３については、後で詳述する。
減算器２４は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*からｑ軸電流Ｉｑを減算し、減算器２５は、ｄ軸電流指令Ｉｄ*からｄ軸電流Ｉｄを減算する。
ｑ軸電流制御器２６は、例えば、ＰＩ（比例積分）制御器であり、比例積分制御により、ｑ軸電流指令Ｉｑ*とｑ軸電流Ｉｑとの偏差がゼロになるように、ｑ軸電圧指令Ｖｑ*を生成する。また、ｄ軸電流制御器２７は、例えば、ＰＩ制御器であり、比例積分制御により、ｄ軸電流指令Ｉｄ*とｄ軸電流Ｉｄとの偏差がゼロになるように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ*を生成する。なお、ｑ軸電流制御器２６およびｄ軸電流制御器２７は、ＰＩ制御器に代えて、例えば、ＰＩＤ制御器を有してもよい。
座標変換器２８は、ｑ軸電流制御器２６のｑ軸電圧指令Ｖｑ*とｄ軸電流制御器２７のｄ軸電圧指令Ｖｄ*とに基づき、電圧指令の振幅Ｍおよび位相指令θａ*を求める。座標変換器２８は、例えば、下記式（２）を用いて、電圧指令の振幅Ｍを求め、下記式（３）を用いて、位相指令θａ*を求める。
Ｍ＝（Ｖｄ*2＋Ｖｑ*2）1/2 ・・・（２）
θａ*＝ｔａｎ-1（Ｖｑ*／Ｖｄ*） ・・・（３）
さらに、座標変換器２８は、電圧指令の振幅Ｍ、位相指令θａ*および電気角位相θに基づいて、Ｕ相の電圧指令Ｖｕ*、Ｖ相の電圧指令Ｖｖ*およびＷ相の電圧指令Ｖｗ*を生成する。座標変換器２８は、例えば、下記式（４）〜（６）を用いて、電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を求める。
Ｖｕ*＝Ｍ×ｓｉｎ（θ＋θａ*） ・・・（４）
Ｖｖ*＝Ｍ×ｓｉｎ（θ＋θａ*−２π／３） ・・・（５）
Ｖｗ*＝Ｍ×ｓｉｎ（θ＋θａ*＋２π／３） ・・・（６）
駆動制御器２９は、電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*と、系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴと、入力力率角指令θｉｎ*とに基づいて、ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１８を生成する。ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１８は、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の各スイッチング素子のゲートにそれぞれ入力され、これにより、電力変換部１０が制御される。
例えば、駆動制御器２９は、系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴの大きさの大小関係が変化しない期間において、系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴの大きさが大きい順に入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとする。駆動制御器２９は、電圧指令Ｖｕ*、Ｖｖ*、Ｖｗ*を、入力力率角指令θｉｎ*に基づき、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの各電圧値に対応したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に変換する。駆動制御器２９は、ＰＷＭ信号に転流制御処理を施し、ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１８を生成する。
図６は、回転電機２に出力される入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの切り替わりの一例を示す図である。図６に示すように、ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１８による双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９の制御により、ＰＷＭ信号の１周期Ｔｃにおいて、回転電機２に出力される入力相電圧は、例えば、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎへと切り替わる。なお、回転電機２に出力される入力相電圧の切り替わりは、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎに限定されない。
図５に戻って、制御部１５の説明を続ける。力率指令生成器３０は、入力力率角指令θｉｎ*（力率指令の一例）を生成する。かかる力率指令生成器３０は、無効電流指令出力器３２と、無効電流抽出器３３と、減算器３４と、ＰＩ制御器３５とを備える。
無効電流指令出力器３２は、無効電流指令ＩＱ*（目標値の一例）を出力する。かかる無効電流指令ＩＱ*が例えばゼロである場合、力率指令生成器３０において、系統側力率λｇｒｉｄが「１」になるように入力力率角指令θｉｎ*が生成される。
また、無効電流指令出力器３２は、目標とする系統側力率λｇｒｉｄ（以下、目標力率と記載する）が「１」以外の場合、例えば、目標力率に応じた電力系統３側の無効電流ＩＱの値を無効電流指令ＩＱ*とする。例えば、無効電流指令出力器３２は、目標力率が設定された場合、設定された目標力率と、発電電力ＰＧとから、目標力率に応じた電力系統３側の無効電流ＩＱの値を無効電流指令ＩＱ*とする。なお、無効電流指令出力器３２は、例えば、振幅Ｍやｑ軸電流指令Ｉｑ*などから発電電力ＰＧを検出または推定する。
無効電流抽出器３３は、無効電流ＩＱＲＳＴを検出する。無効電流抽出器３３は、例えば、系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴから系統側電圧位相θＲＳＴを求め、かかる系統側電圧位相θＲＳＴに基づき、系統側電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴに含まれる無効電流ＩＱＲＳＴを抽出する。
無効電流抽出器３３は、例えば、系統側電流ＩＲ、ＩＳ、ＩＴの実効値ＩＲＳＴを検出し、下記式（７）を用いて、無効電流ＩＱＲＳＴを求めることができる。また、無効電流抽出器３３は、無効電流ＩＱＲＳＴを推定することにより無効電流ＩＱＲＳＴを検出することもできる。例えば、無効電流抽出器３３は、オブザーバを用いた推定結果を無効電流ＩＱＲＳＴの検出値として取得することもできる。
ＩＱＲＳＴ＝ＩＲＳＴ×ｓｉｎ（θＲＳＴ） ・・・（７）
減算器３４は、無効電流指令ＩＱ*から無効電流ＩＱＲＳＴを減算する。ＰＩ制御器３５は、比例積分制御により、無効電流指令ＩＱ*と無効電流ＩＱＲＳＴとの偏差がゼロになるように、入力力率角指令θｉｎ*を生成する。駆動制御器２９は、入力力率角θｉｎが入力力率角指令θｉｎ*と一致するようにゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１８を生成する。なお、力率指令生成器３０は、ＰＩ制御器３５に代えて、例えば、ＰＩＤ制御器を有してもよい。
なお、力率指令生成器３０は、無効電流指令ＩＱ*および無効電流ＩＱＲＳＴに基づいて入力力率角指令θｉｎ*を生成するが、無効電力指令ＱＲＳＴ *（目標値の一例）と無効電力ＱＲＳＴとに基づいて入力力率角指令θｉｎ*を生成することもできる。この場合、力率指令生成器３０は、無効電流指令出力器３２に代えて無効電力指令ＱＲＳＴ *を生成する無効電力指令生成器を用い、また、無効電流抽出器３３に代えて無効電力ＱＲＳＴを検出する無効電力抽出器を用いる。なお、無効電力ＱＲＳＴの検出には、無効電力ＱＲＳＴの推定も含まれる。この場合も、無効電力指令ＱＲＳＴ *をゼロにすることで、系統側力率λｇｒｉｄが「１」になるように入力力率角指令θｉｎ*が生成される。なお、無効電力抽出器は、例えば、無効電力ＱＲＳＴは、無効電流ＩＱＲＳＴと系統側電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴにより求める。
リミッタ３１は、入力力率角指令θｉｎ*が所定範囲内になるように、入力力率角指令θｉｎ*を下限値θｔｈ１と上限値θｔｈ２により制限して出力する。例えば、リミッタ３１は、入力力率角指令θｉｎ*を−３０度〜＋３０度の範囲内になるように制限する場合、下限値θｔｈ１を−３０度に設定し、上限値θｔｈ２を＋３０度に設定する。
ｄ軸電流指令生成器２３は、力率指令生成器３０から出力される入力力率角指令θｉｎ*とリミッタ３１から出力される入力力率角指令θｉｎ*との差に基づいて、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。力率指令生成器３０により生成される入力力率角指令θｉｎ*がリミッタ３１で制限された場合に、系統側力率λｇｒｉｄを制御するようにｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。このように、ｄ軸電流指令生成器２３は、入力力率角指令θｉｎ*のリミッタ３１による制限の前後の差に基づいてｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。
かかるｄ軸電流指令生成器２３は、減算器４１と、ＰＩ制御器４２とを備える。減算器４１は、力率指令生成器３０から出力される入力力率角指令θｉｎ*からリミッタ３１から出力される入力力率角指令θｉｎ*を減算する。
ＰＩ制御器４２は、入力力率角指令θｉｎ*が所定範囲外である場合、リミッタ３１による制限前後の入力力率角指令θｉｎ*が一致するように、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。これにより、系統側力率λｇｒｉｄを制御するように回転電機２に励磁電流が流れ、かかる励磁電流によって生じる電力損失ＰＲに応じた無効電流が電力変換部１０から電力系統３側へ供給される。ｄ軸電流指令生成器２３は、ＰＩ制御器４２に代えて、例えば、ＰＩＤ制御器を有していてもよい。
なお、入力力率角指令θｉｎ*が例えばリミッタ３１によって制限されない範囲内であれば、ｄ軸電流指令Ｉｄ*による系統側力率λｇｒｉｄの制御が行われず、入力力率角指令θｉｎ*による入力力率角θｉｎの制御によって、系統側力率λｇｒｉｄの制御が行われる。したがって、例えば、下限値θｔｈ１と上限値θｔｈ２を調整することによって、ｄ軸電流指令Ｉｄ*による系統側力率λｇｒｉｄの制御タイミングを変えることができる。
［４．制御部１５による処理フロー］
図７は、制御部１５の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図７に示す処理は、制御部１５により繰り返し実行される。
図７に示すように、制御部１５は、ｑ軸電流指令Ｉｑ*を生成する（ステップＳ１０）。また、制御部１５は、マトリクスコンバータ１から電力系統３への無効電流ＩＱＲＳＴまたは無効電力ＱＲＳＴを検出または推定し、無効電流ＩＱＲＳＴまたは無効電力ＱＲＳＴに応じた入力力率角指令θｉｎ*を生成する（ステップＳ１１）。
制御部１５は、入力力率角指令θｉｎ*が下限値θｔｈ１と上限値θｔｈ２との間の範囲（以下、非制限範囲と記載する）内であるか否かを判定する（ステップＳ１２）。制御部１５は、入力力率角指令θｉｎ*が非制限範囲内ではないと判定した場合（ステップＳ１２；Ｎｏ）、入力力率角指令θｉｎ*と下限値θｔｈ１または上限値θｔｈ２とに基づき、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する（ステップＳ１３）。
ステップＳ１３において、制御部１５は、例えば、入力力率角指令θｉｎ*が下限値θｔｈ１よりも小さい場合、入力力率角指令θｉｎ*と下限値θｔｈ１との差がゼロになるように、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。また、制御部１５は、例えば、入力力率角指令θｉｎ*が上限値θｔｈ２よりも大きい場合、入力力率角指令θｉｎ*と上限値θｔｈ２との差がゼロになるように、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。
一方、入力力率角指令θｉｎ*が非制限範囲内であると判定した場合（ステップＳ１２；Ｙｅｓ）、制御部１５は、ｄ軸電流指令Ｉｄ*をゼロに設定する（ステップＳ１４）。
制御部１５は、ステップＳ１３、Ｓ１４の処理が終了すると、生成したｑ軸電流指令Ｉｑ*、ｄ軸電流指令Ｉｄ*および入力力率角指令θｉｎ*に基づいてゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１８を生成することにより電力変換部１０を制御する（ステップＳ１５）。これにより、制御部１５は、系統側力率λｇｒｉｄを適切に制御することができる。
［５．その他の実施形態］
上述した実施形態において、制御部１５は、入力力率角指令θｉｎ*が下限値θｔｈ１未満または上限値θｔｈ２を超える場合に、励磁電流を制御するようにｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成したが、回転速度ωＧに基づいて、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成することもできる。
図８は、マトリクスコンバータ１の制御部１５の構成の他の例を示す図である。図８に示すように、制御部１５は、回転速度検出器５１と、判定器５２と、ｄ軸電流指令生成器５３とを備える。なお、以下においては、図５に示す制御部１５と同一機能を有する構成要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。
回転速度検出器５１は、回転位置θＧに基づき、回転電機２の回転速度ωＧを検出する。例えば、回転速度検出器５１は、回転位置θＧを微分して回転速度ωＧを求めることができる。
判定器５２は、回転速度ωＧが予め設定された閾値ωｔｈ（所定値の一例）以下であるか否かを判定する。判定器５２は、回転速度ωＧが閾値ωｔｈ以下ではないと判定すると、第１モードを示す判定情報Ｓｍをｄ軸電流指令生成器５３へ通知し、回転速度ωＧが閾値ωｔｈ以下であると判定すると、第２モードを示す判定情報Ｓｍをｄ軸電流指令生成器５３へ通知する。
なお、閾値ωｔｈは、例えば、入力力率角θｉｎの調整によって無効電力Ｑｇｒｉｄをゼロにできる発電電力ＰＧを得るために必要な回転速度ωＧよりも大きい値に設定される。例えば、マトリクスコンバータ１が入力力率角θｉｎの調整により図３に示す特性になる場合、閾値ωｔｈは、例えば、回転電機２の定格速度の３０％〜３３％の範囲内に設定される。
ｄ軸電流指令生成器５３は、判定器５２から第１モードを示す判定情報Ｓｍが通知された場合、ゼロに設定してｄ軸電流指令Ｉｄ*を出力する。一方、判定器５２から第２モードを示す判定情報Ｓｍが通知された場合、ｄ軸電流指令生成器５３は、無効電流ＩＱＲＳＴまたは無効電力ＱＲＳＴに応じて生成された入力力率角指令θｉｎ*に基づき、ｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。例えば、ｄ軸電流指令生成器５３は、第２モードの場合、入力力率角指令θｉｎ*に応じた大きさのｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成する。
なお、ｄ軸電流指令生成器５３は、第２モードの場合、予め設定されたゼロでない固定値のｄ軸電流指令Ｉｄ*を出力することもできる。また、ｄ軸電流指令生成器５３は、第２モードの場合、回転速度ωＧに応じたｄ軸電流指令Ｉｄ*を出力することもできる。
また、上述した実施形態においては、マトリクスコンバータ１は、電力変換部１０から遅れ無効電流を電力系統３側へ流す例を主に説明したが、電力変換部１０から進み無効電流を電力系統３側へ流すこともできる。例えば、電力変換部１０と電力系統３との間に配置された素子等によって遅れ無効電流が電力系統３へ流れる場合、制御部１５は、電力変換部１０から進み無効電流が電力系統３側へ流れるようにｄ軸電流指令Ｉｄ*を生成することができる。
さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。
１ マトリクスコンバータ
２ 回転電機
３ 電力系統
４ 位置検出器
１０ 電力変換部
１１ フィルタ
１２、１３ 電流検出部
１４ 電圧検出部
１５ 制御部
２０ 位相検出器
２１ ｄｑ座標変換器
２２ ｑ軸電流指令生成器
２３ ｄ軸電流指令生成器
２４、２５、３４、４１ 減算器
２６ ｑ軸電流制御器
２７ ｄ軸電流制御器
２８ 座標変換器
２９ 駆動制御器
３０ 力率指令生成器
３１ リミッタ
３２ 無効電流指令出力器
３３ 無効電流抽出器
３５、４２ ＰＩ制御器
５１ 回転速度検出器
５２ 判定器
５３ ｄ軸電流指令生成器
１００ 発電システム

Claims (8)

  1. 複数の双方向スイッチを有し、電力系統と回転電機との間に設けられる電力変換部と、
    前記電力系統側の力率を制御するように前記電力変換部から前記回転電機への励磁電流を制御する制御部と、を備える
    ことを特徴とするマトリクスコンバータ。
  2. 前記制御部は、
    当該マトリクスコンバータから前記電力系統へ供給される無効電力または無効電流を検出する検出器と、
    前記検出器によって検出される前記無効電力または前記無効電流に基づき、励磁電流指令を生成する電流指令生成器と、を備える
    ことを特徴とする請求項１に記載のマトリクスコンバータ。
  3. 前記制御部は、
    前記無効電流または前記無効電力が所定値になるように前記電力系統側の力率指令を生成する力率指令生成器と、
    前記力率指令を予め設定された範囲内に制限するリミッタと、を備え、
    前記電流指令生成器は、
    前記力率指令と前記リミッタの出力との差に基づいて前記励磁電流指令を生成する
    ことを特徴とする請求項２に記載のマトリクスコンバータ。
  4. 前記電流指令生成器は、
    前記回転電機の回転速度が所定値以下の場合に、前記無効電力または前記無効電流に基づき、記励磁電流指令を生成する
    ことを特徴とする請求項２に記載のマトリクスコンバータ。
  5. 請求項１〜４のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータと、前記回転電機として発電機とを備える
    ことを特徴とする発電システム。
  6. 複数の双方向スイッチを有し、電力系統と回転電機との間に設けられる電力変換部を有するマトリクスコンバータから前記電力系統へ供給される無効電流または無効電力を検出する工程と、
    前記無効電流または前記無効電力に基づき、前記電力系統側の力率を制御するように前記電力変換部から前記回転電機への励磁電流を制御する工程と、を含む
    ことを特徴とする力率制御方法。
  7. 前記力率を制御する工程は、
    前記検出された前記無効電力または前記無効電流に基づき、励磁電流指令を生成する工程と、
    前記励磁電流指令に基づき前記電力変換部を制御する工程と、を含む
    ことを特徴とする請求項６に記載の力率制御方法。
  8. 前記無効電流または前記無効電力が所定値になるように前記電力系統側の力率指令を生成する工程と、
    前記力率指令を予め設定された範囲内に制限する工程と、を含み、
    前記励磁電流指令を生成する工程は、
    前記力率指令の前記制限の前後の差に基づいて前記励磁電流指令を生成する工程を含む
    ことを特徴とする請求項７に記載の力率制御方法。
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