JP6318965B2

JP6318965B2 - ３レベル電力変換装置の並列接続システム

Info

Publication number: JP6318965B2
Application number: JP2014163267A
Authority: JP
Inventors: 貴義井上
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2014-08-11
Filing date: 2014-08-11
Publication date: 2018-05-09
Anticipated expiration: 2034-08-11
Also published as: JP2016039738A

Description

本発明は、系統に連系された３レベル電力変換装置の並列接続システムに係り、特に、各々の３レベル電力変換装置における直流リンク電圧の中性点電位を安定化させる方法に関する。

３レベル電力変換装置における直流リンク電圧の中性点電位を制御する方式については、電圧指令に印加する零相電圧として偶数次高調波を加算し、中性点電位を制御する方法が特許文献１に記載されている。特許文献１では、インバータ電流から零相電圧を生成するため、軽負荷（特に無負荷）においては中性点電位を制御させる操作量が小さくなり、中性点電位が安定せずインバータの動作が不安定になる場合がある。

そこで中性点電位の変動が閾値を超過した場合、系統に対して適当な無効電力を重畳することにより、中性点電位制御の入力信号である電流量を増やし電圧指令に印加する零相電圧を増加させ中性点電位を安定化させることが可能である。

特開平０７−０７９５７４号公報

しかしながら、３レベル電力変換装置の並列接続システムにおいて、各々の３レベル電力変換装置が個別に制御を行い、系統に対して無効電力を重畳させた場合、システム全体として無効電力が大きくなるため、系統の品質を悪化させる恐れがある。

以上示したようなことから、３レベル電力変換装置の並列接続システムにおいて、中性点電位を制御すると共に、無効電力が大きくなり系統の品質が悪化することを抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、交流電源の電圧を正極，中性点，負極の３電位の直流電圧に変換する３レベルコンバータと、前記正極，中性点，負極の３電位の直流電圧から３レベルの電圧に変換した交流出力を生成する３レベルインバータと、を備えたユニットを並列接続した３レベル電力変換装置の並列接続システムであって、３レベルコンバータを制御する整流器制御器は、直流電圧偏差が閾値以上、または閾値を超過した時、ユニット数が２Ｎの場合、Ｎ台のユニットに遅れ極性の無効電力指令を重畳し、その他のＮ台のユニットに進み極性の無効電力指令を重畳し、ユニット数が２Ｎ＋１の場合、Ｎ＋１台のユニットに遅れ極性の無効電力指令を重畳し、その他のＮ台のユニットに進み極性の無効電力指令を重畳し、または、Ｎ台のユニットに遅れ極性の無効電力指令を重畳し、その他のＮ＋１台のユニットに進み極性の無効電力指令を重畳することを特徴とする。

また、その一態様は、前記３電位の直流電圧は、正極と中性点、中性点と負極との間に介挿され、互いに直列接続されたコンデンサを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、３レベル電力変換装置の並列接続システムにおいて、中性点電位を制御すると共に、無効電力が大きくなり系統の品質が悪化することを抑制することが可能となる。

実施形態における３レベル電力変換装置の並列接続システムを示すブロック図。実施形態における整流器制御器を示すブロック図。実施形態におけるＯＲ回路と指令極性選択ブロックを示すブロック図。

以下、本願発明に係る３レベル電力変換装置の並列接続システムにおける実施形態を図１〜図３に基づいて詳述する。

［実施形態］
図１は、本実施形態における３レベル電力変換装置の並列接続システムを示すブロック図である。図１に示すように、交流電源１と負荷４との間には、複数のユニット５が並列接続される。各ユニット５では、交流電源１から出力された交流電圧を、系統を介して各３レベルコンバータ２で３電位（正極、中性点、負極）の直流電圧に変換する。前記正極と中性点との間にコンデンサｃ１が介挿され、中性点と負極との間にコンデンサｃ２が介挿される。このコンデンサｃ１とｃ２は直列接続される。そして、３レベルインバータ３において、コンデンサｃ１，ｃ２の直流電圧を３レベルの交流電圧に変換して負荷４に供給する。

なお、交流電源１と３レベルコンバータ２との間、および、３レベルインバータ３と負荷４との間には、フィルタ６ａ，６ｂが介挿される。また、３レベルコンバータ２は、整流器制御器７により制御される。

また、図１に示すように、交流電源１とフィルタ６ａとの間の入力電流と、フィルタ６ａと３レベルコンバータ２との間の整流器電流と、３レベルコンバータ２で変換された正極と中性点との間の直流電圧検出値（上）と、３レベルコンバータ２で変換された中性点と負極との間の直流電圧検出値（下）と、を検出する。

本実施形態では、各々の３レベルインバータが系統に対して重畳する無効電力をシステム全体で制御し、各々の３レベルインバータの中性点電位を安定化させる。また、系統に対し必要以上の無効電力を重畳しないようにする。そのため、図２および図３のアルゴリズムにより中性点電位変動について制御を行う。

図２は本実施形態における整流器制御器７を示すブロック図である。直流電圧偏差部１１において、図１に示す直流電圧検出値（上）と直流電圧検出値（下）との偏差を演算する。この直流電圧の偏差を絶対値変換部１２で絶対値に変換する。次に、閾値判定部１３において前記の絶対値と闘値とを比較し、前記絶対値が閾値以上となった場合、または、閾値を超過した場合に中性点電位変動の閾値超過信号を出力する。

または、本実施形態における整流器制御器７は、そのユニット５が運転しているか否かを示す運転信号を出力する。また、後述する無効電力指令の極性を決める極性信号を入力する。

なお、図２の整流器制御器７は、閾値超過信号を生成する制御ブロックと運転信号の出力、無効電力指令の極性信号の入力以外は、従来の３レベルコンバータと同様である。

具体的には、直流電圧指令と直流電圧検出値との偏差を減算部１４で算出し、その偏差に基づいて電圧制御部１５で比例積分制御（ＰＩ制御）による電圧制御を行う。また、極性信号に基づいた無効電力指令と無効電力検出値との偏差を減算部１６で算出し、その偏差に基づいて無効電力制御部１７で比例積分制御（ＰＩ制御）による無効電力制御を行う。この電圧制御部１５の出力と無効電力制御部１７の出力と整流器電流とに基づいて、電流制御部１８により電流制御を行う。

さらに、直流電圧の偏差と整流器電流検出値とに基づいて、中性点電位制御部１９により中性点電位制御を行う。前記の電流制御部１８の出力と中性点電位制御部１９の出力との合計値に基づいてＰＷＭ制御器２０により、ＰＷＭ信号を生成して整流器のスイッチング素子をオンおよびオフの制御を行う。

並列接続されているユニット５のうち任意の１台をマスター機とする。そして、マスター機には図３に示すように、ＯＲ回路２１と、極性選択ブロック２２が設けられる。

ＯＲ回路２１はＮ台並列接続される３レベルインバータ全ての閾値超過信号を入力する。ＯＲ回路２１は全てのユニット５の閾値検出信号のうち少なくとも何れか１つが「Ｈ」レベルの場合、「Ｈ」レベルの信号を極性選択ブロック２２に出力する。

極性選択ブロック２２は各ユニット５の整流器制御器７から運転しているか否かの運転信号を入力する。極性選択ブロック２２は、運転している全てのユニット５の整流器制御器７に対して無効電力の極性信号を送る。各ユニット５の整流器制御器７は、その極性信号に基づいて無効電力指令を系統に対して重畳させ中性点電位を安定化（中性点電位変動を抑制）させる。

マスター機の極性選択ブロック２２は無効電力指令を決定する際に各々のユニット５から出力される運転信号に基づいて、現在の並列運転台数を識別し、系統に対して重畳する無効電力が最小になるように並列接続システム全体の各３レベルインバータに対して無効電力指令の極性（遅れ／進み）を決定する。

無効電力指令の極性決定アルゴリズムは、並列運転台数が２Ｎ（偶数）の場合遅れ極性Ｎ台、進み極性Ｎ台とする。また、並列運転代数が２Ｎ＋１（奇数）の場合、遅れ極性Ｎ＋１台、進み極性Ｎ台，または、遅れ極性Ｎ台、進み極性Ｎ＋1台とする。これにより、３レベル電力変換装置の並列接続システム全体としては系統に対して無効電力を抑制することができる。

仮に中性点を安定化させるためにＮ台すべての３レベルインバータが系統に対して遅れ無効電力を重畳した場合、一台当たりの無効電力をＱとすればＮ×Ｑの無効電力を系統に対して重畳させることになる。それに対し、本実施形態では遅れ極性と進み極性の無効電力指令に分けることにより、並列接続されたユニット５の台数がＮ＝２Ｍ＋１（奇数台）の場合、系統に対してＱ＝（Ｍ＋１）×Ｑ＋Ｍ×（−Ｑ）の無効電力を重畳させることとなる。また、並列接続されたユニット５がＮ＝２Ｍ（偶数台）の場合、系統に対する重畳は０＝Ｍ×Ｑ＋Ｍ×（−Ｑ）となり、各３レベルインバータは規定の無効電流を流し、中性点電位を安定化させることができ、さらに、系統に対して重畳する無効電力を小さくすることが可能となる。

以上示したように、本実施形態によれば、中性点電位が変動した場合、系統に対して無効電力を重畳することにより、中性点電位の変動を抑制すると共に、系統に対して重畳する無効電力を最小にすることが可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、図１では、コンデンサｃ１，ｃ２それぞれ１つの構成を示しているが、それぞれ複数直列接続してもよい。

７…整流器制御器
１１…直流電圧偏差部
１２…絶対値変換部
１３…閾値判定部
１４，１６…減算部
１５…電圧制御部
１７…無効電力制御部
１８…電流制御部
１９…中性点電位制御部
２０…ＰＷＭ制御部

Claims

交流電源の電圧を正極，中性点，負極の３電位の直流電圧に変換する３レベルコンバータと、
前記正極，中性点，負極の３電位の直流電圧から３レベルの電圧に変換した交流出力を生成する３レベルインバータと、を備えたユニットを並列接続した３レベル電力変換装置の並列接続システムであって、
３レベルコンバータを制御する整流器制御器は、
直流電圧偏差が閾値以上、または閾値を超過した時、
ユニット数が２Ｎの場合、Ｎ台のユニットに遅れ極性の無効電力指令を重畳し、その他のＮ台のユニットに進み極性の無効電力指令を重畳し、ユニット数が２Ｎ＋１の場合、Ｎ＋１台のユニットに遅れ極性の無効電力指令を重畳し、その他のＮ台のユニットに進み極性の無効電力指令を重畳し、または、Ｎ台のユニットに遅れ極性の無効電力指令を重畳し、その他のＮ＋１台のユニットに進み極性の無効電力指令を重畳することを特徴とする３レベル電力変換装置の並列接続システム。
前記３電位の直流電圧は、正極と中性点、中性点と負極との間に介挿され、互いに直列接続されたコンデンサを備えたことを特徴とする請求項１記載の３レベル電力変換装置の並列接続システム。