JP6448882B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[電力変換システムの全体構成]
図1は、電力変換システムの構成を示すブロック図である。以下の説明では、直流送電線111P,111NのA端側の機器を示すときには参照符号の末尾にAを付し、B端側の機器を示すときには参照符号の末尾にBを付す。A端側の機器の構成とB端側の機器の構成とはほぼ同じであるので、A端側およびB端側の両方の機器に該当する場合には参照符号の末尾のA,Bを記載せずに説明する。また、A端側の機器を第1の機器と称し、B端側の機器を第2の機器と称する場合がある。
以下、中央制御装置120を構成する電力制御器121、リミッタ制御器122、変換器制御器123、通信装置124、および平均・分散演算器125についてさらに詳しく説明する。
図2は、図1のMMC方式のVSCの概略構成図である。図2を参照して、VSC110は、主回路であるレグ回路4u,4v,4w(不特定のものを示す場合、レグ回路4と記載する)と、中央制御装置120とを備える。この明細書では、レグ回路4u,4v,4wの全体を電力変換回路2と称する。
図2では、レグ回路4u,4v,4wにそれぞれ設けられた交流端子Nu,Nv,Nwを介して、交流回路112と電力変換回路2とが直流的に接続される例を示した。これに代えて、交流回路112と各レグ回路4は、変圧器を介して交流的に接続されていてもよい。以下、図3を参照してその具体例を説明する。
図4は、図2の各レグ回路を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。図4に示す変換器セル7HBは、ハーフブリッジ型の変換回路20HBと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ24と、ゲート制御部21と、電圧検出部27と、送受信部28とを備える。
図7は、図1の変換器制御器の入出力信号を説明するための図である。図7では、中央制御装置120の構成要素のうち、変換器制御器123と信号を直接的にやりとりする一部の構成要素のみが示されている。また、図7では、図2の電力変換回路2のうちU相用のレグ回路4uのみが代表的に示されているが、他のレグ回路4v,4wについても同様である。
Iacu=Ipu−Inu …(1A)
によって計算することができる。同様に、V層交流電流Iacvは、V相上アーム電流Ipvと、V相下アーム電流Invとを用いて、
Iacv=Ipv−Inv …(1B)
によって計算することができる。W相交流電流Iacwは、W相上アーム電流Ipwと、W相下アーム電流Inwとを用いて、
Iacw=Ipw−Inw …(1C)
によって計算することができる。
Idc=(Idc_p+Idc_n)/2 …(2)
によって計算できる。
Iccu=(Ipu+Inu)/2−Idc/3 …(3)
で表される。上式(3)の第1項はレグ回路4uの上アーム5および下アーム6に共通に流れる電流を表す。上記(3)の第2項は、直流電流Idcが各レグ回路に均等に流れると仮定したときのU相レグ回路4uの分担分を表す。循環電流Iccv,Iccwについても同様に計算することができる。
図9は、図1の各VSC用のリミッタ制御器の構成を示すブロック図である。図9を参照して、リミッタ制御器122は、優先成分決定部150と、リミット値演算部151と、Pリミッタ152と、Qリミッタ153とを含む。
リミッタ制御器122の動作モードにはP優先モードとQ優先モードとがある。本明細書では、P優先モードを第1の動作モードと称し、Q優先モードを第2の動作モードと称する場合がある。
優先成分決定部150は、自端側の事故検出器136の出力と、通信装置124を介して受信した他端のリミッタ制御器122の動作モード(すなわち、P優先モードまたはQ優先モード)とに基づいて、自端のリミッタ制御器122の動作モードを決定する。
リミット値演算部151は、以下の信号に基づいて有効電力リミット値Pmaxおよび無効電力リミット値Qmaxを決定する。
(ii)他端のリミッタ制御器122から受信した他端の有効電力リミット値Pmax、
(iii)自端の電力制御器121から受信した有効電力指令値Prefおよび無効電力指令値Qref、
(iv)平均・分散演算器125から入力されたセルキャパシタ電圧Vcapのばらつきの指標値としての分散Vcapvar。
Pリミッタ152は、電力制御器121から受信した有効電力指令値Prefの値を、リミット値演算部151によって決定された有効電力リミット値Pmaxに従う範囲内に制限する。同様に、Qリミッタ153は、電力制御器121から受信した無効電力指令値Qrefの値を、リミット値演算部151によって決定された無効電力リミット値Qmaxに従う範囲内に制限する。
上記のとおり、実施の形態1の電力変換システムによれば、Q優先モード時には、有効電力リミット値Pmaxは、無効電力指令値Qrefを用いて前述の式(4)に従って計算した値に設定される。これによって、VSCの機器容量を有効に活用することができるとともに、Q優先モード時における有効電力の出力量を増やすことができる。
実施の形態2では、図9のリミット値演算部151のさらに詳細な動作について説明する。具体的な手法は、平均・分散演算器125によるセルキャパシタ電圧Vcapの分散の計算方法によって異なる。第1の手法では、平均・分散演算器125は、各アームごとのセルキャパシタ電圧Vcapの分散を計算する。
具体的に、第1の手法では、次式(5)に従ってU相上アームの分散Varupが計算される。次式(5)において、U相上アームの変換器セル7の個数をNとし、U相上アームの第i番目(1≦i≦N)のセルキャパシタ電圧をVcapup(i)とし、U相上アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgupとする。
第2の手法として、平均・分散演算器125は、VSC110を構成する全ての変換器セル7のセルキャパシタ電圧Vcapの分散を計算してもよい。具体的には次式(7)に従ってVSC110全体におけるセルキャパシタ電圧Vcapの分散Varが計算される。次式(7)において、各アームの変換器セル7の個数をN個とし、第i番目のセルキャパシタ電圧をVcap(i)とし、VSC110全体におけるセルキャパシタ電圧の平均値をAvgとする。
以下の説明において、U相上アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgupとし、U相下アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgunとする。同様に、V相上アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgvpとし、V相下アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgvnとする。W相上アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgwpとし、W相下アームのセルキャパシタ電圧の平均値をAvgwnとする。
上記のとおり、実施の形態2の電力変換システムによれば、セルキャパシタ電圧のばらつきの指標値(すなわち、図11の場合にはアームごとの分散の最大値、図12の場合には全キャパシタの電圧分散、図13の場合にはアーム平均電圧の分散)が閾値を超えるほど大きくなると、有効電力リミット値Pmaxが小さくなる。この結果、送電電力が小さくなるので、セルキャパシタ電圧の値のばらつきを抑制することができ、これにより、MMC方式のVSCの運転を継続することができる。
実施の形態3では、図11(A)、図12(A)、図13(A)のリミッタ調整量演算部161および図11(B)、図12(B)、図13(B)のリミッタ調整量演算部181のより詳細な構成について説明する。
図14は、リミッタ調整量演算部の構成を示すブロック図である。図14のリミッタ調整量演算部200は、図11(A)、図12(A)、図13(A)のリミッタ調整量演算部161および図11(B)、図12(B)、図13(B)のリミッタ調整量演算部181に対応する。
上記のリミッタ調整量演算部200の構成によれば、セルキャパシタ電圧の分散Vcapvarが短周期で振動したとしても、リミット値が振動するのを防止することができる。
Claims (9)
- 交流電力系統と直流電力系統との間で電力変換を行う電力変換回路を備え、前記電力変換回路は互いにカスケード接続された複数の変換器セルを含み、各前記変換器セルはエネルギー蓄積器を含み、
さらに、有効電力指令値および無効電力指令値を有効電力リミット値および無効電力リミット値にそれぞれ応じた値に制限し、前記制限された有効電力指令値および前記制限された無効電力指令値に従って前記電力変換回路の動作を制御する中央制御装置を備え、
前記中央制御装置は、
前記複数の変換器セルにそれぞれ含まれる前記エネルギー蓄積器の両端間の電圧のばらつきの程度を示す指標値を算出する指標値算出部と、
前記指標値が閾値を超えている場合に、前記有効電力リミット値の値をより小さい値に変更するリミッタ制御器とを含む、電力変換装置。 - 前記電力変換回路は、前記交流電力系統の相ごとに、
前記直流電力系統の正側端子と接続された上アーム回路と、
前記直流電力系統の負側端子と接続された下アーム回路とを含み、
前記上アーム回路および前記下アーム回路の各々は、互いにカスケード接続された前記複数の変換器セルを含む、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記指標値算出部は、前記交流電力系統の相ごとに、前記上アーム回路を構成する変換器セルの前記エネルギー蓄積器の両端間の電圧の分散を算出し、前記下アーム回路を構成する変換器セルの前記エネルギー蓄積器の両端間の電圧の分散を算出し、
前記指標値算出部は、算出した複数の分散の最大値を前記指標値として用いる、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記指標値算出部は、前記電力変換回路を構成する全ての変換器セルの前記エネルギー蓄積器の両端間の電圧の分散を算出し、
前記指標値算出部は、算出した分散を前記指標値として用いる、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記指標値算出部は、前記交流電力系統の相ごとに、前記上アーム回路を構成する変換器セルの前記エネルギー蓄積器の両端間の電圧の平均値を算出し、前記下アーム回路を構成する変換器セルの前記エネルギー蓄積器の両端間の電圧の平均値を算出し、
前記指標値算出部は、算出した複数の平均値の分散を前記指標値として用いる、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記リミッタ制御器は、前記指標値が前記閾値を超えた状態から前記閾値以下の状態に戻った場合には、前記指標値が前記閾値以下である状態が予め定める時間継続した場合に、前記有効電力リミット値を元の値に戻す、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記中央制御装置は、動作モードとして第1の動作モードと第2の動作モードとを有し、
前記リミッタ制御器は、前記第2の動作モードにおいて、前記無効電力リミット値を予め設定された値に設定し、
前記リミッタ制御器は、前記第1の動作モードにおいて、前記有効電力指令値に基づいて算出された値と前記予め設定された値とのうち小さいほうに、前記無効電力リミット値を設定する、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記電力変換装置は、前記直流電力系統を介して他の電力変換装置と接続され、
前記リミッタ制御器は、前記第1の動作モードにおいて、前記指標値に基づいて設定した前記有効電力リミット値と前記他の電力変換装置において用いられている有効電力リミット値とのうち小さいほうを、最終的な前記有効電力リミット値に設定する、請求項7に記載の電力変換装置。 - 前記リミッタ制御器は、前記第2の動作モードにおいて、前記無効電力指令値に基づいて算出された値と、前記指標値に基づいて設定した前記有効電力リミット値と、前記他の電力変換装置において用いられている有効電力リミット値とのうちで最も小さい値を、最終的な前記有効電力リミット値に設定する、請求項8に記載の電力変換装置。
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