JP6494028B2 - マトリクスコンバータ、発電システム、制御装置および制御方法 - Google Patents

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、制御装置および制御方法に関する。

マトリクスコンバータは、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。かかるマトリクスコンバータには、交流電源（例えば、電力系統）の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを備え、これらの双方向スイッチを制御して電力変換を行うものがある。

かかるマトリクスコンバータにおいて、例えば、電力系統が低電圧となった場合に無効電力を電力系統へ供給することが要求される場合がある。そこで、交流電源が低電圧となった場合に無効電力を交流電源へ供給することができるマトリクスコンバータが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１４−０９０５９４号公報

しかしながら、回転電機を負荷とするマトリクスコンバータにおいては、交流電源が低電圧になった場合でも、回転電機のトルク制御を行うことが望ましい。

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、交流電源が低電圧になった場合でも、回転電機のトルク制御を行うことができるマトリクスコンバータ、発電システム、制御装置および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かかるマトリクスコンバータは、電力変換部、ブレーキ回路および制御部を備える。前記電力変換部は、交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む。前記ブレーキ回路は、前記回転電機の各相に接続されて電力を消費する。前記制御部は、前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記電力変換部から前記回転電機側へのゼロベクトルの出力と前記交流電源と前記回転電機との接続の遮断とを繰り返すように前記電力変換部を制御して前記回転電機から前記ブレーキ回路へ電流を流す。

実施形態の一態様によれば、交流電源が低電圧になった場合でも、回転電機のトルク制御を行うことができるマトリクスコンバータ、発電システム、制御装置および制御方法を提供することができる。

図１は、実施形態にかかる風力発電システムの構成例を示す図である。 図２は、図１に示す双方向スイッチの構成例を示す図である。 図３は、図１に示すブレーキ回路の構成例を示す図である。 図４は、図１に示すブレーキ回路の他の構成例を示す図である。 図５は、第１の動作モードにおける簡易的な等価回路を示す図である。 図６は、第２の動作モードにおける簡易的な等価回路を示す図である。 図７は、第３の動作モードにおける簡易的な等価回路を示す図である。 図８は、図１に示すマトリクスコンバータの制御部の制御例を示すフローチャートである。 図９は、図１に示す第２の駆動制御部の構成例を示す図である。 図１０は、電力変換モデルを示す図である。 図１１は、電力系統の位相とスイッチ駆動信号との関係を示す図である。 図１２は、図９に示す回転電機パルスパターン生成部の構成例を示す図である。 図１３は、第１の動作モードのスイッチ駆動信号によるスイッチング素子の状態を示す図である。 図１４は、第２の動作モードにおける回転電機の回転位置と非ゼロベクトルとの関係を示す図である。 図１５は、第２の動作モードのスイッチ駆動信号によるスイッチング素子の状態を示す図である。 図１６は、第３の動作モードにおける回転電機の回転位置とゼロベクトルとの関係を示す図である。 図１７は、第３の動作モードのスイッチ駆動信号によるスイッチング素子の状態を示す図である。 図１８は、キャリア波、ブレーキ導通率、仮想直流リンク導通率、第１および第２の選択指令、および、動作モードの関係を示す図である。 図１９は、図１２に示す第１の比率演算部の構成例を示す図である。 図２０は、図１９に示す電流指令生成部の構成例を示す図である。 図２１は、図１２に示す第２の比率演算部の構成例を示す図である。

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、制御装置および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。

また、以下の実施形態では、三相交流発電機（ＡＣＧ）である回転電機の発電電力をマトリクスコンバータにより変換して交流電源へ供給する例を説明するが、回転電機は交流発電機に限らず、例えば、交流電動機としてもよい。また、交流電源として三相交流の電力系統（Ｇｒｉｄ）を例に挙げて説明するが、交流電源はこれに限られず、例えば、発電源と送電線等を含み、負荷が接続される交流電源であってもよい。また、以下においては、発電システムの一例として、風力発電システムを一例に挙げるが、かかる例に限定されるものではなく、例えば、水車の回転と同期して回転軸が回転する回転電機を有する水力発電システムにも適用できる。

［１．風力発電システム］
図１は、実施形態にかかる風力発電システムの構成例を示す図である。図１に示すように、実施形態にかかる風力発電システム１は、発電部２と、マトリクスコンバータ３とを備える。マトリクスコンバータ３は、発電部２と電力系統４との間に接続され、発電部２により発電された電力を変換して電力系統４へ出力する。

発電部２は、複数のブレード５と、ロータ６と、シャフト７と、回転電機８と、位置検出部９とを備える。複数のブレード５は、シャフト７の先端に設けられたロータ６に取り付けられ、風力を受けてロータ６およびシャフト７を回転させる。シャフト７は、回転電機８に取り付けられており、回転電機８はロータ６およびシャフト７の回転力に応じた電力を発生することができる。

回転電機８は、交流発電機であり、例えば、永久磁石タイプの回転電機である。位置検出部９は、例えば、シャフト７の回転位置を検出することによって回転電機８の回転位置θ_Ｇを検出する。かかる回転位置θ_Ｇは、例えば、回転電機８の電気角であるが、回転電機８の機械角であってもよい。回転位置θ_Ｇが機械角である場合、制御部２０は、回転電機８の機械角と回転電機８の極数に基づいて回転電機８の電気角を求めることができる。

［２．マトリクスコンバータ３］
図１に示すように、マトリクスコンバータ３は、系統側端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔと、発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗと、電力変換部１０と、ＬＣフィルタ１１と、電流検出部１２、１４と、電圧検出部１３と、ブレーキ回路１５と、低電圧検出部１６（低電圧判定部の一例）と、制御部２０（制御装置の一例）とを備える。電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相が系統側端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔに接続され、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相が発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗに接続される。

［２．１．電力変換部１０］
電力変換部１０は、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相の各相と回転電機８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４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相と回転電機８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４のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機８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４のＲ相、Ｓ相およびＴ相と回転電機８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、片方向スイッチング素子２４とダイオード２６とによる直列接続体と、片方向スイッチング素子２５とダイオード２７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。

片方向スイッチング素子２４、２５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、片方向スイッチング素子２４、２５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２６、２７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２６、２７のカソード同士が接続された構成でもよい。また、片方向スイッチング素子２４、２５が逆素子ＩＧＢＴの場合、ダイオード２６、２７を設けなくてもよい。

［２．２．ＬＣフィルタ１１、電流検出部１２、１４および電圧検出部１３］
ＬＣフィルタ１１は、電力系統４のＲ相、Ｓ相およびＴ相と電力変換部１０との間に設けられる。かかるＬＣ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、例えば、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、ＬＣフィルタ１１は、図１に示す構成に限定されず、他の構成であってもよい。

電流検出部１２は、電力系統４とＬＣフィルタ１１との間に設けられ、マトリクスコンバータ３と電力系統４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、系統相電流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。

電圧検出部１３は、電力系統４と電力変換部１０との間に設けられ、電力系統４からマトリクスコンバータ３へ供給される電力系統４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相の電圧の瞬時値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ（以下、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと記載する）を検出する。

電流検出部１４は、回転電機８と電力変換部１０およびブレーキ回路１５との間に設けられ、回転電機８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に流れる電流の瞬時値Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ（以下、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗと記載する）を検出する。なお、電流検出部１４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。

［２．３．ブレーキ回路１５］
ブレーキ回路１５は、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相に接続されて電力を消費する回路である。図３は、ブレーキ回路１５の構成例を示す図である。図３に示すように、ブレーキ回路１５は、３相整流回路３０（整流回路の一例）と、直流電圧源３１とを備える。

３相整流回路３０は、３相ブリッジ接続されたダイオード３２〜３７を備え、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相の各相の電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗを整流する。直流電圧源３１は、３相整流回路３０の整流出力側に接続され、例えば、電力系統４の低電圧時に３相整流回路３０による整流後の電圧が直流電圧源３１の電圧Ｖｂｒｋ（以下、ブレーキ電圧Ｖｂｒｋと記載する）を超える部分をクランプして電力を消費する。

直流電圧源３１は、コンデンサ３８と、抵抗３９と、スイッチング素子４０と、ダイオード４１とを備える。コンデンサ３８は、３相整流回路３０で整流された電圧を平滑する。抵抗３９およびスイッチング素子４０は、直列に接続され、コンデンサ３８の端子間に並列に接続される。

スイッチング素子４０には、保護用のダイオード４１が逆並列接続される。かかるスイッチング素子４０がＯＮになった場合、抵抗３９がコンデンサ３８と並列に接続された状態になる。これにより、直流電圧源３１は、例えば、電力系統４の低電圧時に３相整流回路３０による整流後の電圧がブレーキ電圧Ｖｂｒｋを超える部分の電力を抵抗３９によって消費することができる。

なお、スイッチング素子４０は、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子であり、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮであってもよい。また、マトリクスコンバータ３には、図３に示すように、ブレーキ電圧検出部１７が設けられる。かかるブレーキ電圧検出部１７は、コンデンサ３８の両端電圧の瞬時値であるブレーキ電圧Ｖｂｒｋを制御部２０へ出力する。

また、スナバ回路にブレーキ回路１５を形成することができる。図４は、ブレーキ回路１５の他の構成例を示す図である。図４に示すように、スナバ回路１８に、抵抗３９、スイッチング素子４０およびダイオード４１を形成することによって、ブレーキ回路１５を形成することができる。なお、スナバ回路１８は、電力変換部１０の回転電機８側に接続される整流回路３０と、電力変換部１０の電力系統４側に接続される整流回路１９と、コンデンサ３８と、抵抗４２とを備える。スナバ回路１８は、電力変換部１０の動作時に生じるサージ電圧を吸収して蓄積する回路である。

抵抗３９、スイッチング素子４０およびダイオード４１は、例えば、スナバ回路１８に蓄積された電荷を放電する回路として機能することができる。このように、ブレーキ回路１５をスナバ回路１８と一部または全部を共用することができ、これにより、ブレーキ回路１５によるコストアップや大型化を抑制できる。

なお、ブレーキ回路１５は、上述した構成に限定されない。すなわち、ブレーキ回路１５は、後述する第１の動作モードにおいて、回転電機８と導通して回転電機８からの電力を消費することができる構成であればよく、例えば、ツェナーダイオードと抵抗とによって構成されてもよい。

［２．４．低電圧検出部１６］
図１に示す低電圧検出部１６は、系統電圧の電圧値Ｖａ（以下、系統電圧Ｖａと記載する）が電圧値Ｖｔｈ以下であるか否かを判定する。系統電圧が低下するのは、例えば、電力系統４の送電網が故障した場合（例えば、送電線が切断された場合）や発電装置が停止や故障をした場合などである。

低電圧検出部１６は、系統電圧Ｖａが電圧値Ｖｔｈ以下である場合には、電力系統４が低電圧になったと判定してＨｉｇｈレベルの低電圧検出信号Ｓｄを出力する。一方、低電圧検出部１６は、系統電圧Ｖａが電圧値Ｖｔｈを超える場合には、電力系統４が低電圧になっていないと判定してＬｏｗレベルの低電圧検出信号Ｓｄを出力する。

低電圧検出部１６は、例えば、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換して、α軸方向の系統電圧Ｖｉｎαとβ軸方向の系統電圧Ｖｉｎβとを求める。そして、低電圧検出部１６は、系統電圧Ｖｉｎα、Ｖｉｎβの２乗和平方根（＝√（Ｖｉｎα^２＋Ｖｉｎβ^２））を演算し、演算結果を系統電圧Ｖａとすることができる。

なお、低電圧検出部１６は、例えば、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔのいずれかの振幅が所定値以下になった場合に、電力系統４が低電圧になったと判定してＨｉｇｈレベルの低電圧検出信号Ｓｄを出力することができる。

［２．５．制御部２０］
制御部２０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各種の回路を含む。かかるマイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されているプログラムを読み出して実行することにより、切替部２１と、第１の駆動制御部２２と、第２の駆動制御部２３（電流制御部の一例）の機能を実現する。なお、切替部２１、第１の駆動制御部２２および第２の駆動制御部２３の少なくともいずれかまたは全部をハードウェアのみで構成することもできる。

切替部２１は、低電圧検出部１６から出力される低電圧検出信号Ｓｄに基づいて、電力変換部１０へ出力するスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８を選択して出力する。例えば、切替部２１は、低電圧検出信号ＳｄがＬｏｗレベルである場合、第１の駆動制御部２２によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として出力する。また、切替部２１は、低電圧検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである場合、第２の駆動制御部２３によって生成されるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８をスイッチ駆動信号Ｓ１〜Ｓ１８として出力する。

第１の駆動制御部２２は、電圧指令を生成する。かかる電圧指令は、例えば、回転電機８が発生すべきトルクを規定するトルク指令に基づいて公知の同期発電機のベクトル制御則によって生成される。第１の駆動制御部２２は、公知のマトリクスコンバータのＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御方法によって電圧指令に応じた電圧を回転電機８に出力するためのスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８を生成して電力変換部１０へ出力する。

電力変換部１０の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９はスイッチ駆動信号Ｓａ１〜Ｓａ１８によりＰＷＭ制御される。これにより、電力変換部１０は、回転電機８の発電電力を電力系統４の電圧および周波数に対応する有効電力に変換して電力系統４へ出力することができる。

第２の駆動制御部２３は、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ、系統相電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗおよび回転位置θ_Ｇなどに基づいて、スイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８を生成する。

かかる第２の駆動制御部２３は、スイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８により、複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する複数の片方向スイッチング素子２４、２５を個別にＯＮ／ＯＦＦして系統無効電流制御とトルク制御とを行う。系統無効電流制御は、無効電力を電力系統４へ供給する制御であり、トルク制御は、回転電機８のトルクの制御である。

第２の駆動制御部２３は、第１〜第３の動作モードを所定期間Ｔａ（例えば、１０ｋＨｚ）内で所定の順番にしたがって切り替えて実行する一連の処理を所定期間Ｔａ毎に実行することで、無効電力を電力系統４へ供給しつつ、回転電機８のトルク制御を行うスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８を生成する。

図５は、第１の動作モードにおける簡易的な等価回路を示す図であり、第１の動作モードで生成されたスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８によって形成される。第１の動作モードでは、電力変換部１０によって回転電機８と電力系統４との間の接続が遮断され、図５に示すように、回転電機８はブレーキ回路１５と導通する。

そのため、回転電機８の３相巻線の各インダクタＬｇにエネルギーが蓄積されている場合、ブレーキ回路１５へ回転電機８の３相巻線から電流が流れる。そして、第１の動作モードを実行する期間の長さを調整することで、回転電機８からマトリクスコンバータ３へ流す電流を調整して回転電機８のトルク制御を行うことができる。なお、制御部２０は、低電圧検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである場合に、スイッチング素子４０を継続してＯＮにすることができる。また、直流電圧源３１は、低電圧検出部１６から出力される低電圧検出信号Ｓｄを増幅してスイッチング素子４０へ入力することもでき、この場合も、低電圧検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルである場合にスイッチング素子４０を継続してＯＮにすることができる。

図６は、第２の動作モードにおける簡易的な等価回路を示す図であり、第２の動作モードで生成されたスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８によって形成される。第２の動作モードでは、回転電機８側へ非ゼロベクトルが出力され、かつ、電力系統４側の力率がゼロになるように電力変換部１０がスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８によって制御される。これにより、電力変換部１０から電力系統４へ無効電流が供給される。

図７は、第３の動作モードにおける簡易的な等価回路を示す図であり、第３の動作モードで生成されたスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８によって形成される。第３の動作モードでは、電力変換部１０によって回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相が短絡される。これにより、回転電機８の各インダクタＬｇにエネルギーが蓄積される。このように各インダクタＬｇに蓄積されたエネルギーは、第１の動作モードにおいて、ブレーキ回路１５へ放出される。

図８は、制御部２０の制御例を示すフローチャートである。かかる処理は、例えば、所定期間Ｔａ毎に繰り返し実行される処理である。

図８に示すように、制御部２０は、低電圧検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルか否かを判定する（ステップＳ１００）。低電圧検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルであると判定すると（ステップＳ１００；Ｙｅｓ）、制御部２０の第２の駆動制御部２３は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*と仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*とを決定する（ステップＳ１０１）。

ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*は、所定期間Ｔａにおける第１の動作モードの実行期間の比率であり、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*は、所定期間Ｔａにおける第２の動作モードの実行期間の比率である。

次に、制御部２０の第２の駆動制御部２３は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*と仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*に基づき、第１〜第３の動作モードを切り替えながら実行して電力変換部１０を制御する（ステップＳ１０２）。制御部２０は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*に応じた期間で第１の動作モードを実行して電力変換部１０を制御し、また、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*に応じた期間で第２の動作モードを実行して電力変換部１０を制御する。また、制御部２０は、所定期間Ｔａの残りの期間で第３の動作モードを実行して電力変換部１０を制御する。

かかる第１および第３の動作モードによって、電力変換部１０とブレーキ回路１５とが単方向の３相昇圧コンバータとして機能する。そのため、回転電機８のトルク制御を行うことができ、また、回転電機８の各相の電流を正弦波状にすることができる。

一方、低電圧検出信号ＳｄがＨｉｇｈレベルではないと判定すると（ステップＳ１００；Ｎｏ）、制御部２０の第１の駆動制御部２２は、電力変換部１０を制御して、回転電機８の発電電力を電力系統４へ供給する（ステップＳ１０３）。かかる処理において、制御部２０は、例えば、回転電機８の発電電力を電力系統４の電圧および周波数に対応する電力に変換して電力系統４へ出力するように電力変換部１０を制御する。

このように、マトリクスコンバータ３は、電力系統４が低電圧になった場合に、第２の動作モードを実行して電力系統４への無効電流供給制御を行い、第１および第３の動作モードを実行して回転電機８のトルク制御を行う。

これにより、マトリクスコンバータ３は、電力系統４が低電圧になった場合でも、例えば、回転電機８の回転速度ω_Ｇを抑制することができる。その結果、例えば、回転電機８の回転速度ω_Ｇが発電部２の定格を超え、発電部２が故障するような事態を回避することができる。以下、第２の駆動制御部２３の構成についてさらに詳細に説明する。

［３．第２の駆動制御部２３］
図９は、第２の駆動制御部２３の構成例を示す図である。図９に示すように、第２の駆動制御部２３は、系統パルスパターン生成部５１と、回転電機パルスパターン生成部５２と、スイッチ駆動信号生成部５３とを備える。

かかる第２の駆動制御部２３は、図１０に示す仮想的な電力変換モデルを利用してスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８を生成する。図１０は、電力変換モデルを示す図である。電力変換モデル２００を用いることによりマトリクスコンバータ３を仮想的に電圧形インバータ・電流形コンバータとみなすことができる。

電力変換モデル２００は、図１０に示すように、仮想的な電圧形インバータのモデル２０１（以下、仮想ＶＳＩ２０１と記載する）と仮想的な電流形コンバータのモデル２０２（以下、仮想ＣＳＲ２０２と記載する）を備えるモデルである。仮想ＶＳＩ２０１は、回転電機８のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に仮想的に接続された複数のスイッチング素子Ｓｗｕｐ、Ｓｗｖｐ、Ｓｗｗｐ、Ｓｗｕｎ、Ｓｗｖｎ、Ｓｗｗｎ（以下、スイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎと記載する場合がある）から構成される。

かかるスイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎは、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ（以下、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎと記載する場合がある）によって駆動される。なお、以下において、スイッチング素子Ｓｗｕｐ、Ｓｗｖｐ、Ｓｗｗｐを上アームと呼び、スイッチング素子Ｓｗｕｎ、Ｓｗｖｎ、Ｓｗｗｎを下アームと呼ぶ場合がある。また、スイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎは、「１（例えば、Ｈｉｇｈレベル）」でＯＮになり、「０（例えば、Ｌｏｗレベル）」でＯＦＦになるとする。

仮想ＣＳＲ２０２は、電力系統４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相に仮想的に接続された複数のスイッチング素子Ｓｗｒｐ、Ｓｗｓｐ、Ｓｗｔｐ、Ｓｗｒｎ、Ｓｗｓｎ、Ｓｗｔｎ（以下、スイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎと記載する場合がある）から構成される。

かかるスイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎは、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐ、Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎ（以下、スイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎと記載する場合がある）によって駆動される。なお、スイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎは、「１（例えば、Ｈｉｇｈレベル）」でＯＮになり、「０（例えば、Ｌｏｗレベル）」でＯＦＦになるとする。

系統パルスパターン生成部５１は、仮想ＣＳＲ２０２を１２０度通電制御するスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎのスイッチングパターンを有し、電力系統４の位相（以下、系統位相θｒｓｔと記載する）に応じたスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成する。

かかる系統パルスパターン生成部５１は、例えば、系統相電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔに基づき、電力系統４の電圧周波数（以下、系統周波数ｆｒｓｔと記載する）を検出し、低電圧検出信号ＳｄがＬｏｗレベルからＨｉｇｈレベルに変化する直前の系統周波数ｆｒｓｔを保持する。系統パルスパターン生成部５１は、保持した系統周波数ｆｒｓｔを積分し、系統位相θｒｓｔを生成する。

図１１は、系統位相θｒｓｔとスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎとの関係を示す図である。系統パルスパターン生成部５１によって生成されたスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎによって、図１１に示すように、例えば、系統位相θｒｓｔに対してπ／２進んだ電流が流れる。これにより、電力系統４にπ／２進みでかつ有効電流がゼロである無効電流を流すことができる。

図９に戻って第２の駆動制御部２３の説明を続ける。回転電機パルスパターン生成部５２は、仮想ＶＳＩ２０１を制御するスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成する。

スイッチ駆動信号生成部５３は、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ、Ｓｖｐ、Ｓｗｐ、Ｓｕｎ、Ｓｖｎ、Ｓｗｎ、Ｓｒｐ、Ｓｓｐ、Ｓｔｐ、Ｓｒｎ、Ｓｓｎ、Ｓｔｎに基づき、下記式（１）を用いて、スイッチ駆動信号Ｓｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗを生成する。

上記式（１）において、スイッチ駆動信号Ｓｒｕ、Ｓｓｕ、Ｓｔｕ、Ｓｒｖ、Ｓｓｖ、Ｓｔｖ、Ｓｒｗ、Ｓｓｗ、Ｓｔｗは、双方向スイッチＳｗ１、Ｓｗ２、Ｓｗ３、Ｓｗ４、Ｓｗ５、Ｓｗ６、Ｓｗ７、Ｓｗ８、Ｓｗ９（図１参照）をそれぞれ駆動する信号である。

スイッチ駆動信号Ｓｒｕは、双方向スイッチＳｗ１の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ１、Ｓｂ２としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。スイッチ駆動信号Ｓｓｕは、双方向スイッチＳｗ２の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ３、Ｓｂ４としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。スイッチ駆動信号Ｓｔｕは、双方向スイッチＳｗ３の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ５、Ｓｂ６としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。

スイッチ駆動信号Ｓｒｖは、双方向スイッチＳｗ４の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ７、Ｓｂ８としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。スイッチ駆動信号Ｓｓｖは、双方向スイッチＳｗ５の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ９、Ｓｂ１０としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。スイッチ駆動信号Ｓｔｖは、双方向スイッチＳｗ６の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ１１、Ｓｂ１２としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。

スイッチ駆動信号Ｓｒｗは、双方向スイッチＳｗ７の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ１３、Ｓｂ１４としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。スイッチ駆動信号Ｓｓｗは、双方向スイッチＳｗ８の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ１５、Ｓｂ１６としてスイッチ駆動信号生成部５３から電力変換部１０へ出力される。スイッチ駆動信号Ｓｔｗは、双方向スイッチＳｗ９の片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号Ｓｂ１７、Ｓｂ１８としてスイッチ駆動信号生成部５３から出力される。

かかるスイッチ駆動信号Ｓｂ１〜Ｓｂ１８（以下、スイッチ駆動信号Ｓｏｗと総称する場合がある）によって、電力変換部１０は、電力系統４へ無効電流を供給しつつ、回転電機８のトルク制御を行う。これにより、マトリクスコンバータ３は、電力系統４へ無効電流を供給しつつ、回転電機８のトルク制御を行うことができる。なお、スイッチ駆動信号Ｓｏｗが「０（例えば、Ｌｏｗレベル）」の場合に、対応する片方向スイッチング素子がＯＦＦになり、スイッチ駆動信号Ｓｏｗが「１（例えば、Ｈｉｇｈレベル）」の場合に、対応する片方向スイッチング素子がＯＮになる。

［３．１．回転電機パルスパターン生成部５２］
次に、回転電機パルスパターン生成部５２の構成例について説明する。図１２は、回転電機パルスパターン生成部５２の構成例を示す図である。図１２に示すように、回転電機パルスパターン生成部５２は、第１のスイッチ制御部６０と、第２のスイッチ制御部６１と、第３のスイッチ制御部６２と、比率演算部６３と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）６４とを備える。

第１のスイッチ制御部６０は、第１の動作モードを実行するスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成する。かかる第１のスイッチ制御部６０は、スイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎ（図１０参照）を全てＯＦＦするように、スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜ＳｗｎをすべてＬｏｗレベルにし、かかるスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎをマルチプレクサ６４へ出力する。

図１３は、第１の動作モードのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎによるスイッチング素子Ｓｗｒｐ〜Ｓｗｔｎの状態を示す図である。図１３に示すように、第１の動作モードのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎによって、スイッチング素子Ｓｗｕｐ〜Ｓｗｗｎ（図１０参照）がＯＦＦになるように電力変換部１０が制御される。スイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎがすべてゼロの場合、上記式（１）から分かるように、電力変換部１０の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９がすべてＯＦＦになり、電力系統４と回転電機８との間の接続が遮断される。

図１２に戻って、回転電機パルスパターン生成部５２の説明を続ける。第２のスイッチ制御部６１は、位置検出部９によって検出された回転電機８の回転位置θ_Ｇに基づいて、電力変換部１０から回転電機８側へ非ゼロベクトルが出力されるようなスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成しマルチプレクサ６４へ出力する。

図１４は、第２の動作モードにおける回転電機８の回転位置θ_Ｇと非ゼロベクトルとの関係を示す図である。図１４に示すように、第２のスイッチ制御部６１は、回転電機８の回転位置θ_Ｇに応じて、出力される非ゼロベクトルが変化するようなスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成しマルチプレクサ６４へ出力する。

かかるスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎによって、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち絶対値が最も大きい電流を有する相が仮想ＶＳＩ２０１と仮想ＣＳＲ２０２との間の仮想直流リンクに接続される。これにより、かかる仮想直流リンクの電流Ｉｄｃ（以下、仮想直流リンク電流Ｉｄｃと記載する）を取得することができ、かかる電流Ｉｄｃに基づき、電力系統４への無効電流を制御することができる。なお、図１４に示す例（後述する図１６の例も同様）では、Ｕ相電流Ｉｕが正の最大値のときに、回転位置θ_Ｇがゼロである。すなわち、基準角度（θ_Ｇ＝０[rad]）において電流ベクトルがＵ相電流Ｉｕに一致している。

例えば、−π／６≦θ_Ｇ＜π／６である場合、出力ベクトルを非ゼロベクトルＶ１とし、π／６≦θ_Ｇ＜π／２である場合、出力ベクトルを非ゼロベクトルＶ２とし、π／２≦θ_Ｇ＜５π／６である場合、出力ベクトルを非ゼロベクトルＶ３とする。また、５π／６≦θ_Ｇ＜７π／６である場合、出力ベクトルを非ゼロベクトルＶ４とし、７π／６≦θ_Ｇ＜３π／２である場合、出力ベクトルを非ゼロベクトルＶ５とし、３π／２≦θ_Ｇ＜１１π／６である場合、出力ベクトルを非ゼロベクトルＶ６とする。

なお、図１４に示すＶ１の「１００」は、Ｕ相に対応する上アームがＯＮであり、Ｖ相およびＷ相の下アームがＯＮであることを示す。その他の非ゼロベクトルＶ２〜Ｖ６についても同様に、左からＵ相、Ｖ相、Ｗ相の順に上下アームの状態を表し、上アームがＯＮである相を「１」で表し、下アームがＯＮである相を「０」で表している。

図１５は、−π／６≦θ_Ｇ＜π／６である場合に、第２の動作モードのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎによるスイッチング素子の状態を示す図である。図１５に示す例では、スイッチング素子Ｓｗｕｐ、Ｓｗｖｎ、ＳｗｗｎがＯＮであり、スイッチング素子Ｓｗｒｕｎ、Ｓｗｖｐ、ＳｗｗｐがＯＦＦである。そのため、電力変換部１０から回転電機８のＵ相へ電流が流れ、回転電機８のＶ相およびＷ相を経由して電力変換部１０へ電流が入力される。

このように、第２のスイッチ制御部６１は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち１相または２相の上アームをＯＮにし、残りの相の下アームをＯＮにするようなスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成しマルチプレクサ６４へ出力する。そのため、第２の動作モードにおいて、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相のすべてを導通状態とすることができる。

一方、電流形インバータの場合、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち１相が非導通状態になることから、ブレーキ回路１５へ電流が流入し回転電機８のトルク制御が難しくなる。そこで、本実施形態では、電流形インバータではなく、電圧形インバータを採用している。

図１２に戻って、回転電機パルスパターン生成部５２の説明を続ける。第３のスイッチ制御部６２は、位置検出部９によって検出された回転電機８の回転位置θ_Ｇに基づいて、電力変換部１０から回転電機８側へゼロベクトルが出力されるようなスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成しマルチプレクサ６４へ出力する。

図１６は、第３の動作モードにおける回転電機８の回転位置θ_Ｇとゼロベクトルとの関係を示す図である。図１６に示すように、第３のスイッチ制御部６２は、回転電機８の回転位置θ_Ｇに応じて、出力されるゼロベクトルが変化するようなスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを生成しマルチプレクサ６４へ出力する。

図１６に示すように、例えば、−π／６≦θ_Ｇ＜π／６、π／２≦θ_Ｇ＜５π／６、または、７π／６≦θ_Ｇ＜３π／２である場合、出力ベクトルをゼロベクトルＶ０とし、π／６≦θ_Ｇ＜π／２、５π／６≦θ_Ｇ＜７π／６、または、３π／２≦θ_Ｇ＜１１π／６である場合、出力ベクトルをゼロベクトルＶ７とする。

なお、図１６に示すＶ０の「０００」は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のすべての上アームがＯＦＦであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のすべての下アームがＯＮであることを示す。また、図１６に示すＶ７の「１１１」は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のすべての上アームがＯＮであり、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のすべての下アームがＯＦＦであることを示す。

図１７は、第３の動作モードのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎによるスイッチング素子の状態を示す図であり、ゼロベクトルＶ０が出力される場合の例である。図１７に示す例では、スイッチング素子Ｓｗｕｐ、Ｓｗｖｐ、ＳｗｗｐがＯＦＦであり、スイッチング素子Ｓｗｕｎ、Ｓｗｖｎ、ＳｗｗｎがＯＮである。そのため、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相が互いに接続される。これにより、回転電機８の３相巻線の各インダクタＬｇにエネルギーが蓄積される。なお、ゼロベクトルＶ７が出力される場合も同様に、回転電機８のＵ相、Ｖ相およびＷ相が互いに接続され、回転電機８の３相巻線の各インダクタＬｇにエネルギーが蓄積される。

また、回転電機パルスパターン生成部５２は、第２の動作モードと第３の動作モードとを切り替える場合に、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相のうち１相のみの状態を変更する。例えば、−π／６≦θ_Ｇ＜π／６の場合、第２の動作モードの出力ベクトルは非ゼロベクトルＶ１であり、第３の動作モードの出力ベクトルはゼロベクトルＶ０であることから、Ｕ相のみの状態を切り替えるだけでよい。そのため、切り替えるスイッチング素子の数が少なく、スイッチング素子のスイッチングによって発生する熱損失を抑制することができる。

図１２に戻って、回転電機パルスパターン生成部５２の説明を続ける。比率演算部６３は、系統相電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔ、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗ、回転位置θ_Ｇおよびブレーキ電圧Ｖｂｒｋなどに基づいて、第１および第２の選択指令Ｓｅｌ１、Ｓｅｌ２を生成する。

マルチプレクサ６４は、第１のスイッチ制御部６０、第２のスイッチ制御部６１および第３のスイッチ制御部６２からそれぞれスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを取得し、第１および第２の選択指令Ｓｅｌ１、Ｓｅｌ２に基づいて、出力するスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを選択する。

第１の選択指令Ｓｅｌ１は、第１の動作モードを選択するための信号であり、かかる第１の選択指令Ｓｅｌ１がＨｉｇｈレベルである場合、マルチプレクサ６４は、第１のスイッチ制御部６０からのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。

また、第２の選択指令Ｓｅｌ２は、第２の動作モードを選択するための信号であり、かかる第２の選択指令Ｓｅｌ２がＨｉｇｈレベルである場合、マルチプレクサ６４は、第２のスイッチ制御部６１からのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。また、第１および第２の選択指令Ｓｅｌ２が共にＬｏｗレベルである場合、マルチプレクサ６４は、第３のスイッチ制御部６２からのスイッチ駆動信号Ｓｕｐ〜Ｓｗｎを出力する。

比率演算部６３は、図１２に示すように、第１の比率演算部６６と、第２の比率演算部６７と、加算部６８と、キャリア波生成部６９と、コンパレータ７０、７１と、論理積（ＡＮＤ）部７２と、減算部７３とを備える。

第１の比率演算部６６は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*を演算して出力する。第２の比率演算部６７は、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*を演算して出力する。加算部６８は、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*にブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*を加算する。キャリア波生成部６９は、例えば、所定期間Ｔａを１周期とするキャリア波Ｖｃを生成して出力する。

コンパレータ７０は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*とキャリア波Ｖｃとを比較し、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*がキャリア波Ｖｃよりも高い場合に、第１の選択指令Ｓｅｌ１を「１」（例えば、Ｈｉｇｈレベルの信号）にして出力する。

また、コンパレータ７１は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*と仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*との加算値とキャリア波Ｖｃとを比較し、かかる加算値がキャリア波Ｖｃよりも高い場合に、「１」（例えば、Ｈｉｇｈレベルの信号）を出力する。論理積部７２は、コンパレータ７０の出力とコンパレータ７１の出力との論理積を演算し、減算部７３は、コンパレータ７１の出力から論理積部７２の出力を減算することによって、第２の選択指令Ｓｅｌ２を生成し出力する。

図１８は、キャリア波Ｖｃ、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*、第１および第２の選択指令Ｓｅｌ１、Ｓｅｌ２、および、動作モードとの関係を示す図である。図１８に示すように、比率演算部６３は、キャリア波Ｖｃ、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*および仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*に基づき、第１および第２の選択指令Ｓｅｌ１、Ｓｅｌ２を生成する。

［３．２．第１の比率演算部６６］
次に、第１の比率演算部６６の構成例について説明する。図１９は、第１の比率演算部６６の構成例を示す図である。

図１９に示すように、第１の比率演算部６６は、座標変換部７５と、振幅検出部７６と、電流指令出力部７７と、減算部７８、８１と、ＰＩ（比例積分）制御部７９と、起電力演算部８０と、除算部８２と、リミッタ８３を備える。

座標変換部７５は、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換して、α軸方向の回転電機電流Ｉｏαとβ軸方向の回転電機電流Ｉｏβを求める。振幅検出部７６は、αβ軸回転電機電流Ｉｏα、Ｉｏβの２乗和平方根（＝√（Ｉｏα^２＋Ｉｏβ^２））を演算し、演算結果を電流振幅ＩｏＭとする。

電流指令出力部７７は、回転電機８の電流を制御するための電流指令Ｉｏ^*を生成する。減算部７８は、電流指令Ｉｏ^*から電流振幅ＩｏＭを減算する。ＰＩ制御部７９は、電流指令Ｉｏ^*と電流振幅ＩｏＭとの差をＰＩ（比例積分）制御することによって、電流指令Ｉｏ^*と電流振幅ＩｏＭとの差がゼロになるように、電圧指令Ｖｏ^*を生成する。

起電力演算部８０は、回転電機８の回転位置θ_Ｇに基づき、回転電機８の回転速度ω_Ｇを求める。例えば、起電力演算部８０は、回転電機８の回転位置θ_Ｇを微分することによって回転電機８の回転速度ω_Ｇを求める。起電力演算部８０は、回転速度ω_Ｇに基づいて、回転電機８に生じる誘起電圧の振幅Ｅａを推定する。なお、位置検出部９が、回転速度ω_Ｇも検出することができる場合、起電力演算部８０は、回転速度ω_Ｇは、位置検出部９などから取得することもできる。

減算部８１は、誘起電圧の振幅Ｅａから電圧指令Ｖｏ^*を減算する。除算部８２は、減算部８１の減算結果をブレーキ電圧検出部１７によって検出されたブレーキ電圧Ｖｂｒｋで除算することによって、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*（＝（Ｅａ−Ｖｏ^*）／Ｖｂｒｋ）を生成する。

ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*は、電力変換部１０の出力線間（発電機側端子Ｔｕ、Ｔｖ、Ｔｗ間）の電圧Ｖｏを制御する。一方で、ＰＩ制御部７９は、回転電機８のインダクタＬｇに印加する電圧（インダクタ電圧Ｖｇと記載する）の目標値を電圧指令Ｖｏ^*をとして出力する。パワーフローは回生であることから、電力変換部１０の出力線間の電圧Ｖｏは、誘起電圧の振幅Ｅａからインダクタ電圧Ｖｇを減じたものと等価である。そのため、減算部８１によって誘起電圧の振幅Ｅａから電圧指令Ｖｏ^*を減算するようにしている。また、減算部８１の出力は電圧に対応する値である。そこで、除算部８２は、導通率に対応する値に換算するために、減算部８１の演算結果をブレーキ電圧Ｖｂｋで除算するようにしている。

リミッタ８３は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*が上限値ｄｌｉｍｕ（例えば、０．５）と下限値ｄｌｉｍｄ（例えば、０）の範囲（例えば、０〜０．５）を超えないように、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*を制限する。これにより、第２の動作モードの期間を確保することができる。

このように、第１の比率演算部６６は、電流振幅ＩｏＭが電流指令Ｉｏ^*に一致するようにブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*を生成する。すなわち、第１の比率演算部６６は、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗが目標値になるようにブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*を生成することができる。

図２０は、図１９に示す電流指令出力部７７の構成例を示す図である。図２０に示すように、電流指令出力部７７は、ブレーキ電圧指令生成部８５と、減算部８６と、ＰＩ制御部８７とを備える。

ブレーキ電圧指令生成部８５は、ブレーキ電圧指令Ｖｂｒｋ^*を生成して出力する。減算部８６は、ブレーキ電圧指令Ｖｂｒｋ^*からブレーキ電圧検出部１７によって検出されたブレーキ電圧Ｖｂｒｋを減算する。

ＰＩ制御部８７は、ブレーキ電圧指令Ｖｂｒｋ^*とブレーキ電圧Ｖｂｒｋとの差をＰＩ制御することによってブレーキ電圧指令Ｖｂｒｋ^*とブレーキ電圧Ｖｂｒｋとの差がゼロになるように電流指令Ｉｏ^*を生成する。これにより、ブレーキ電圧Ｖｂｒｋが、ブレーキ電圧指令Ｖｂｒｋ^*と一致するように電流指令Ｉｏ^*を生成することができる。このように、ブレーキ電圧Ｖｂｒｋのフィードバック制御を行って、抵抗３９に印加される電圧を制御することによって、回転電機８のトルク制御を安定して行うことができる。

［３．３．第２の比率演算部６７］
図２１は、第２の比率演算部６７の構成例を示す図である。図２１に示すように、第２の比率演算部６７は、座標変換部８８と、振幅検出部８９と、電流指令出力部９０と、減算部９１と、ＰＩ制御部９２と、リミッタ９３と、増幅部９４と、絶対値変換部９５と、最大値出力部９６と、除算部９７と、減算部９８と、乗算部９９とを備える。

座標変換部８８は、系統相電流Ｉｒ、Ｉｓ、Ｉｔを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換して、α軸方向の系統電流Ｉｉｎαとβ軸方向の系統電流Ｉｉｎβを求める。振幅検出部８９は、αβ軸系統電流Ｉｉｎα、Ｉｉｎβの２乗和平方根（＝√（Ｉｉｎα^２＋Ｉｉｎβ^２））を演算し、演算結果を電流振幅ＩｉｎＭとする。

電流指令出力部９０は、電力系統４側の電流を制御するための無効電流指令ＩｉｎＱ^*を生成する。なお、無効電流指令ＩｉｎＱ^*は、外部から取得することもできる。減算部９１は、無効電流指令ＩｉｎＱ^*から電流振幅ＩｉｎＭを減算する。ＰＩ制御部９２は、無効電流指令ＩｉｎＱ^*と電流振幅ＩｉｎＭの差をＰＩ（比例積分）制御することによって、無効電流指令ＩｉｎＱ^*と電流振幅ＩｉｎＭとの差がゼロになるように、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^****を生成する。

リミッタ９３は、ＰＩ制御部９２から出力される仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^****の上下限を制限する。増幅部９４は、リミッタ９３の出力を√３／２倍（約０．８６６倍）に増幅して仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^***を生成する。なお、第２の比率演算部６７は、ＰＩ制御部９２およびリミッタ９３を設けない構成であってもよい。

リミッタ９３の出力を√３／２倍にするのは、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの大小関係が切り替わるときの瞬時値がピーク時の瞬時値に対して√３／２倍になるためであり、仮想直流リンクの電流Ｉｄｃを一定にするために、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^****を√３／２倍にして仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^***を生成している。

絶対値変換部９５は、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの絶対値｜Ｉｕ｜、｜Ｉｖ｜、｜Ｉｗ｜を演算する。最大値出力部９６は、絶対値｜Ｉｕ｜、｜Ｉｖ｜、｜Ｉｗ｜のうち、最も大きな絶対値｜Ｉｏ_ｍａｘ｜を選択して出力する。除算部９７は、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^***を絶対値｜Ｉｏ_ｍａｘ｜で除算して仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^**（＝ｄｌｉｎｋ^**／｜Ｉｏ_ｍａｘ｜）を生成する。

このように、絶対値｜Ｉｏ_ｍａｘ｜の大きさに応じて仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^***を補正することができるため、例えば、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの周波数の６倍の交流成分が仮想直流リンクの電流Ｉｄｃに生じることを抑制することができる。なお、絶対値変換部９５は、回転電機電流Ｉｕ、Ｉｖ、Ｉｗの絶対値｜Ｉｕ｜、｜Ｉｖ｜、｜Ｉｗ｜は、０〜２πまでの間で最も大きくなる場合の値を「１」としている。

減算部９８は、１からブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*を減算する。乗算部９９は、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^**に減算部９８の減算結果を乗算して、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*を生成する。

このように、第２の比率演算部６７は、無効電流指令ＩｉｎＱ^*に応じた無効電流が電力系統４に流れるように仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^**を生成する。また、第２の比率演算部６７は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*が大きくなるほど仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*が小さくなる。これにより、回転電機８のトルク制御を優先することができる。

なお、第２の比率演算部６７において、例えば、減算部９８および乗算部９９に代えて、リミッタを設けることもできる。これにより、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*が大きくなり過ぎて、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*との加算値が所定値（例えば、０．８）を超えてしまうことを抑制することができ、第１〜第３の動作モードを実行することができる。また、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*による仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*への干渉を低減することができる。

以上のように、本実施形態にかかるマトリクスコンバータ３は、電力変換部１０と、ブレーキ回路１５と、制御部２０とを備える。電力変換部１０は、電力系統４（交流電源の一例）の各相と回転電機８の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を含む。ブレーキ回路１５は、回転電機８の各相に接続されて電力を消費する回路である。制御部２０は、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、電力変換部１０を制御して回転電機８からブレーキ回路１５へ電流を流す。これにより、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、回転電機８のトルク制御を行うことができる。

また、制御部２０は、電力変換部１０から回転電機８側へのゼロベクトルの出力と電力系統４と回転電機８との接続の遮断とを繰り返すように電力変換部１０を制御して回転電機８の電流をブレーキ回路１５へ流す。これにより、回転電機８のトルクを精度よく制御することができる。

また、制御部２０の第２の駆動制御部２３は、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、さらに、電力変換部１０から回転電機８側へ非ゼロベクトルを出力するように電力変換部１０を制御する。これにより、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、回転電機８のトルク制御を行いしつつ、電力変換部１０から電力系統４へ無効電力を供給することができる。

また、制御部２０の第２の駆動制御部２３は、電力変換部１０を制御して、ゼロベクトルの出力（第３の動作モード）と、電力系統４と回転電機８との接続の遮断（第１の動作モード）と、非ゼロベクトルの出力（第２の動作モード）とを所定の順番で切り替えて実行する処理を所定期間Ｔａ毎に行う。これにより、系統無効電流制御とトルク制御とを容易に行うことができる。

また、制御部２０の第２の駆動制御部２３は、第１の比率演算部６６と、第２の比率演算部６７と、第１のスイッチ制御部６０と、第２のスイッチ制御部６１と、第３のスイッチ制御部６２とを備える。第１の比率演算部６６は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*（所定期間Ｔａにおいて電力系統４と回転電機８との接続を遮断する時比率の一例）を演算する。第２の比率演算部６７は、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*（所定期間Ｔａにおいて非ゼロベクトルを出力する時比率の一例）を演算する。第１のスイッチ制御部６０は、ブレーキ導通率ｄｂｒｋ^*に基づき、所定期間Ｔａ毎に電力変換部１０を制御して電力系統４と回転電機８との接続を遮断する。第２のスイッチ制御部６１は、仮想直流リンク導通率ｄｌｉｎｋ^*に基づき所定期間Ｔａ毎に電力変換部１０を制御して電力変換部１０から非ゼロベクトルを出力する。第３のスイッチ制御部６２は、第１のスイッチ制御部６０および第２のスイッチ制御部６１よる電力変換部１０の制御期間以外の期間において所定期間Ｔａ毎に電力変換部１０を制御して電力変換部１０からゼロベクトルを出力する。これにより、系統無効電流制御とトルク制御とを容易に行うことができる。

また、第２のスイッチ制御部６１は、回転電機８の各相の電流のうち絶対値が最も大きい電流を有する相の電流が電力変換部１０に流れるように電力変換部１０を制御する。こにより、仮想直流リンク電流Ｉｄｃを取得することができ、かかる仮想直流リンク電流Ｉｄｃに基づき、電力系統４への無効電流を制御することができる。

また、ブレーキ回路１５は、回転電機８の各相に接続された整流回路３０と、整流回路３０の整流出力側に接続された直流電圧源３１とを備える。かかるブレーキ回路１５により、回転電機８から適切に電流を取得することができる。

また、直流電圧源３１は、コンデンサ３８と、コンデンサ３８に並列に接続された抵抗３９とスイッチング素子４０との直列回路とを備える。制御部２０は、前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、スイッチング素子４０をＯＮにする。これにより、例えば、抵抗３９で定格電力を消費しつつ回転電機８のトルク制御を安定して行うことができる。

また、マトリクスコンバータ３は、回転電機８の各相および電力系統４の各相に接続され、複数の整流回路１９、３０を備えるスナバ回路１８を備える。そして、ブレーキ回路１５の整流回路３０をスナバ回路１８の整流回路３０と共用化している。これにより、ブレーキ回路１５によるコストアップや大型化を抑制できる。

また、制御部２０は、電流形コンバータのモデルに対するスイッチ駆動信号と電圧形インバータのモデルに対するスイッチ駆動信号を合成して、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を構成する片方向スイッチング素子２４、２５を制御するスイッチ駆動信号を生成する。このように、電圧形インバータのモデルを用いることによって、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ９を制御するスイッチ駆動信号を容易に生成することができる。

また、風力発電システム１は、マトリクスコンバータ３と、ブレード５と、ブレード５に接続されたロータ６と、ロータ６の回転による発電電力をマトリクスコンバータ３へ出力する回転電機８とを備える。これにより、風力発電システム１は、電力系統４が低電圧になった場合でも、電力系統４側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続することができる。そのため、電力系統４が停電などにより低電圧になった場合に、電力系統４へ無効電力を供給することが要求される場合であっても、かかる要求に適切に対応することが可能となる。

また、第２の駆動制御部２３は、電力変換モデル２００をスイッチングモデルとして採用しているが、上述した第１〜第３の動作モードによる回転電機８の制御と同様の制御を行うものであれば、電力変換モデル２００を用いなくてもよい。

また、上述した実施形態では、制御部２０は、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、電力系統４側の力率がゼロになるように電力変換部１０を制御したが、制御部２０は、電力系統４の電圧の大きさに応じて有効電力と無効電力との割合を変更することもできる。

また、上述した実施形態では、仮想ＣＳＲ２０２において１２０度通電のスイッチングパターンを用いて電力変換部１０を駆動するようにしたが、制御方法は１２０度通電のスイッチングパターンに限られるものではない。すなわち、片方向スイッチング素子２４、２５を個別に制御する電流制御を行うことによって電力系統４側に無効電流を流しながら電力変換動作を継続するものであればよく、種々の変更が可能である。例えば、系統パルスパターン生成部５１は、例えば、上述した１２０度通電の期間において、ＰＷＭ（Ｐulse Ｗidth Ｍodulation）制御を行うスイッチ駆動信号Ｓｒｐ〜Ｓｔｎを生成することもできる。

また、図１に示す構成の電力変換部１０について説明したが、例えば、図１０に示すスイッチング素子を双方向スイッチに置き換えたインダイレクト型マトリクスコンバータについても上述した制御によって系統無効電流制御とトルク制御とを容易に行うことができる。

また、上述した実施形態では、回転電機８を同期発電機として説明したが、回転電機８を誘導発電機としてもよい。

また、上述した実施形態では、回転電機８として発電機を適用した例を説明したが回転電機８として電動機を適用することもでき、電力系統４の電圧が低電圧になった場合であっても、電動機の速度起電力によって運転を継続することができる。

すなわち、電力系統４の電圧が低電圧になった場合、電力系統４から電動機への電力供給が困難になるが、電動機の回転子は減速しつつも回転状態にある。そのため、かかる回転によって発生する起電力を、例えば、無効電力として電力系統４へ供給することで運転を継続することができる。

なお、上述したマトリクスコンバータ３は、電力変換部１０から回転電機８側へのゼロベクトルの出力と電力系統４と回転電機８との接続の遮断とを繰り返すように電力変換部１０を制御して回転電機８からブレーキ回路１５へ電流を流すが、かかる構成に限定されない。すなわち、制御部２０は、電力変換部１０を制御して回転電機８からブレーキ回路１５へ電流を流すことができれば、他の構成であってもよい。

また、上述の実施形態では、系統無効電流制御とトルク制御とを行う例を説明したが、制御部２０は、系統無効電流制御を行わないこともできる。この場合、制御部２０は、例えば、第１の動作モードと第３の動作モードを交互に繰り返し実行することで、トルク制御を行うことができる。

このように、マトリクスコンバータ３は、電力系統４（交流電源の一例）の各相と回転電機８の各相とを接続する複数の双方向スイッチＳｗを含む電力変換部１０と、回転電機８の各相に接続されて電力を消費するブレーキ回路１５と、電力系統４の電圧が所定値以下である場合に、電力変換部１０を制御して回転電機８からブレーキ回路１５へ電流を流す制御部２０とを備えており、これにより、電力系統４が低電圧になった場合でも、回転電機８のトルク制御を行うことができる。

なお、電力変換部１０および制御部２０は、「回転電機のリアクトルにエネルギーを蓄積させる手段」および「前記回転電機のリアクトルに蓄積された前記エネルギーを、ブレーキ回路に放出する手段」として機能する。

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 風力発電システム
２ 発電部
３ マトリクスコンバータ
４ 電力系統
５ ブレード
６ ロータ
７ シャフト
８ 回転電機
１０ 電力変換部
１５ ブレーキ回路
１６ 低電圧検出部（低電圧判定部の一例）
１７ ブレーキ電圧検出部
１８ スナバ回路
１９、３０ 整流回路
２３ 第２の駆動制御部
３８ コンデンサ
３９ 抵抗
４０ スイッチング素子
６０ 第１のスイッチ制御部
６１ 第２のスイッチ制御部
６２ 第３のスイッチ制御部
６６ 第１の比率演算部
６７ 第２の比率演算部
２０１ 電圧形インバータのモデル
２０２ 電流形コンバータのモデル

Claims (10)

1. 交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む電力変換部と、
   前記回転電機の各相に接続されて電力を消費するブレーキ回路と、
   前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記電力変換部から前記回転電機側へのゼロベクトルの出力と、前記交流電源と前記回転電機との接続の遮断と、前記電力変換部から回転電機側への非ゼロベクトルの出力とを所定の順番で切り替えて実行する処理を所定期間毎に繰り返すように前記電力変換部を制御して前記回転電機から前記ブレーキ回路へ電流を流す制御部と、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、
   前記所定期間において前記交流電源と前記回転電機との接続を遮断する時比率を演算する第１の比率演算部と、
   前記所定期間において前記非ゼロベクトルを出力する時比率を演算する第２の比率演算部と、
   前記第１の比率演算部によって演算された時比率に基づき前記所定期間毎に前記電力変換部を制御して前記交流電源と前記回転電機との接続を遮断する第１のスイッチ制御部と、
   前記第２の比率演算部によって演算された時比率に基づき前記所定期間毎に前記電力変換部を制御して前記電力変換部から前記非ゼロベクトルを出力する第２のスイッチ制御部と、
   前記第１および第２のスイッチ制御部による前記電力変換部の制御期間以外の期間において前記所定期間毎に前記電力変換部を制御して前記電力変換部から前記ゼロベクトルを出力する第３のスイッチ制御部と、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. 前記第２のスイッチ制御部は、
   前記回転電機の各相の電流のうち絶対値が最も大きい電流を有する相の電流が前記電力変換部に流れるように前記電力変換部を制御する
   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. 前記ブレーキ回路は、
   前記回転電機の各相に接続された整流回路と、
   前記整流回路の整流出力側に接続された直流電圧源と、を備える
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータ。
5. 前記直流電圧源は、
   コンデンサと、
   前記コンデンサに並列に接続された抵抗とスイッチング素子との直列回路と、を備え、
   前記制御部は、
   前記交流電源の電圧が所定値以下である場合に、前記スイッチング素子をＯＮにする
   ことを特徴とする請求項４に記載のマトリクスコンバータ。
6. 前記回転電機の各相および前記交流電源の各相に接続され、複数の整流回路を備えるスナバ回路を備え、
   前記ブレーキ回路の整流回路が前記スナバ回路の整流回路と共用化された
   ことを特徴とする請求項４または５に記載のマトリクスコンバータ。
7. 前記制御部は、
   電流形コンバータのモデルに対するスイッチ駆動信号と電圧形インバータのモデルに対するスイッチ駆動信号を合成して、前記双方向スイッチを構成する複数の片方向スイッチング素子を制御するスイッチ駆動信号を生成する
   ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のマトリクスコンバータ。
8. 請求項１〜７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、を備え、
   前記回転電機は、発電電力を前記マトリクスコンバータへ出力する
   ことを特徴とする発電システム。
9. 交流電源の電圧が所定値以下であるか否かを判定する低電圧判定部と、
   前記交流電源の電圧が所定値以下である場合、前記交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む電力変換部から前記回転電機側へのゼロベクトルの出力と、前記交流電源と前記回転電機との接続の遮断と、前記電力変換部から回転電機側への非ゼロベクトルの出力とを所定の順番で切り替えて実行する処理を所定期間毎に繰り返すように前記電力変換部を制御して、前記回転電機の各相に接続されて電力を消費するブレーキ回路へ前記回転電機から電流を流す制御部と、を備える
   ことを特徴とする制御装置。
10. 交流電源の電圧が所定値以下であるか否かを判定することと、
    前記交流電源の電圧が所定値以下である場合、前記交流電源の各相と回転電機の各相とを接続する複数の双方向スイッチを含む電力変換部から前記回転電機側へのゼロベクトルの出力と、前記交流電源と前記回転電機との接続の遮断と、前記電力変換部から回転電機側への非ゼロベクトルの出力とを所定の順番で切り替えて実行する処理を所定期間毎に繰り返すように前記電力変換部を制御して、前記回転電機の各相に接続されて電力を消費するブレーキ回路へ前記回転電機から電流を流すことと、を含む
    ことを特徴とする制御方法。

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