JP6686562B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents
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Description
このデルタ結線MMCでは、各クラスタ電圧をマルチレベル波形に制御することで電力系統の高調波成分を低減可能であり、例えば、電力系統に接続されたアーク炉との間で正相無効電流及び逆相電流を制御する電圧フリッカ補償装置として利用されている。
三相電力系統101の各相(u,v,w相)にデルタ結線部10を介して接続されるMMC100は、直列接続された3個のコンバータセル11u−j,11v−j,11w−j(ただし、j=1〜3。以下、同じ。)からなるクラスタをそれぞれ備えている。なお、Lは、各相のデルタ結線部10とコンバータセルとの間のリアクトル成分である。
コンバータセル11u−j,11v−j,11w−jは、直流コンデンサCと、この直流コンデンサCに対して並列に接続された2個の半導体スイッチ群からなるフルブリッジ回路とを備え、半導体スイッチ群は、直列接続されたIGBT等の2個の半導体スイッチにより構成されている。
更に、電力系統101からデルタ結線部10に流入する電流をiu,iv,iwとし、デルタ結線部10から各クラスタにそれぞれ流入する電流をiuv,ivw,iwuとする。また、各コンバータセル内の直流コンデンサCの電圧をvCju,vCjv,vCjw、各コンバータセルの出力電圧をvju,vjv,vjwとする。
ここで、電流iu,iv,iwと電流iuv,ivw,iwuとの間には、数式4〜数式6が成り立つ。
[数4]
iu=iuv−iwu
[数5]
iv=ivw−iuv
[数6]
iw=iwu−ivw
(a)直流電圧一括制御
(b)直流電圧相間バランス制御
(c)直流電圧段間バランス制御
(b)の直流電圧相間バランス制御は、各相の直流コンデンサCの電圧平均値を相間でバランスさせるものである。MMC100において、逆相電流の補償時には、定常的に零でない有効電流が各相に流入して直流コンデンサ電圧を変動させるため、このような場合に相間バランス制御は効果的である。MMC100では、デルタ結線部10間を循環する零相電流iZを流すことにより、逆相電流の補償時にも、各相の交流電圧と交流電流との直交関係を保ちながら相間で直流コンデンサCの電圧をバランスさせることができる。
(c)の直流電圧段間バランス制御は、同一相のコンバータセル間の直流コンデンサ電圧をバランスさせるものである。
以下、図6,図7を参照しつつ、従来の直流電圧一括制御、直流電圧相間バランス制御及び直流電圧段間バランス制御について説明する。
この電力制御部24は、無効電力補償装置において無効電力制御、有効電力制御を行う場合に一般的なものである。特に、図7の減算手段26及びPI(比例積分)制御手段27の動作により全ての直流コンデンサCの電圧平均値vCaveを電圧指令値vC *に追従させるためのフィードバックループは、前述した直流電圧一括制御を行うためのものである。
すなわち、直流電圧一括制御によって得られる電圧平均値vCaveは、直流電圧相間バランス制御及び直流電圧段間バランス制御におけるフィードバック制御に不可欠であるため、3つの制御動作の中では、直流電圧一括制御の応答が最も速くなるように制御系を設計することが求められる。従って、図6の電力制御部24における直流電圧一括制御の応答が遅れる場合には、逆相電流の補償時に最も重要となる直流電圧相間バランス制御の応答が遅くなり、補償性能が低下するという問題があった。
複数の半導体スイッチからなるブリッジ回路が直流コンデンサの両端に接続されたコンバータセルを1個または複数段直列に接続して一相分のクラスタを構成し、前記クラスタ同士のデルタ結線部が三相の電力系統にそれぞれ接続された電力変換器としてのモジュラー・マルチレベル変換器の制御装置であって、
各相の直流コンデンサの電圧平均値と前記各相の直流コンデンサの電圧平均値を追従させるための電圧指令値とを用いて、零相電流指令値、d軸補正電流指令値及びq軸補正電流指令値を演算する直流電圧相間バランス制御部と、
瞬時有効電力指令値、瞬時無効電力指令値、各相のクラスタに流れる電流、電力系統の線間電圧、前記零相電流指令値、前記d軸補正電流指令値及び前記q軸補正電流指令値を用いて各相のクラスタの出力電圧指令値を演算する電力制御部と、
各相のクラスタの出力電圧指令値に基づいて各相のコンバータセルの出力電圧指令値を演算する電圧指令値生成部と、
を備えたものである。
請求項1に記載した電力変換器の制御装置において、
前記直流電圧相間バランス制御部は、
各相の直流コンデンサの電圧平均値を前記電圧指令値に追従させるためのPI制御手段と、
前記PI制御手段の出力に、各相のクラスタの出力電圧と同相の位相成分を乗算する乗算手段と、
前記乗算手段の出力を座標変換して前記電力変換器に対する前記零相電流指令値、第1d軸補正電流指令値及び第1q軸補正電流指令値を演算する手段と、
前記第1d軸補正電流指令値及び前記第1q軸補正電流指令値に所定のゲインを乗算して前記d軸補正電流指令値及び前記q軸補正電流指令値を演算する手段と、
を備えたものである。
すなわち、本発明においては、直流電圧相間バランス制御部におけるフィードバック指令値として直流コンデンサの電圧指令値を用い、そのPI制御結果に基づいて生成した補正量(補正電流)を用いて電力制御部におけるd軸電流指令値を補正することにより、MMCと電力系統との間で授受する有効電力を制御する。これにより、全ての直流コンデンサの電圧平均値を一括して電圧指令値に追従させることができる。
なお、この実施形態に係る制御装置は、前述した図5のデルタ結線MMC100を制御するためのものである。
この制御装置は、直流電圧相間バランス制御部201と、直流電圧段間バランス制御部202と、電力制御部203と、電圧指令値生成部204とを有する。本実施形態では、後述するように、直流電圧相間バランス制御部201内に、全ての直流コンデンサCの電圧平均値vCuave,vCvave,vCwaveを一括して電圧指令値vC *に制御するための直流電圧一括制御手段を備えている。
直流電圧相間バランス制御部201は、直流コンデンサCの電圧指令値vC *と各相の直流コンデンサCの電圧平均値vCuave,vCvave,vCwaveとに基づいて、デルタ結線部10間を循環する零相電流の指令値iZ *と、d軸補正電流id ***、q軸補正電流iq ***を生成する。
この直流電圧相間バランス制御部201の構成及び機能を、以下に詳述する。
ここで、u相の位相成分は、電力系統101のu相電圧vSuの位相成分「sinωt」を基準としており、「sin(ωt+π/6)」は、図5におけるu相のクラスタの出力電圧vuvと同相成分を表している。
これらの指令値のうち、d軸電流指令値id **及びq軸電流指令値iq **は電流指令値補正手段201eに入力され、それぞれゲインK3を乗算してd軸補正電流id ***及びq軸補正電流iq ***を生成する。ここで、上記のゲインK3は、零相電流iZによる直流相間バランス制御に干渉しないように、低い値に設定される。
上記のようにして直流電圧相間バランス制御部201により生成されたd軸補正電流id ***、q軸補正電流iq ***及び零相電流指令値iZ *は、図1における電力制御部203に入力され、正相無効電流及び逆相電流を補償するための各相の出力電圧指令値vuv *,vvw *,vwu *の演算に用いられる。
この電力制御部203は、前述した特許文献1や、例えば特許第5593253号公報に開示されている周知の制御系を基本として、直流電圧相間バランス制御部201から出力された前記d軸補正電流id ***、q軸補正電流iq ***及び零相電流指令値iZ *による補正処理を付加したものである。なお、電力制御部203の基本的な動作としては、d軸電流id及びq軸電流iqのフィードバックループを備え、正相無効電流制御及び逆相無効電流制御を実行するための各相の出力電圧指令値vuv *,vvw *,vwu *を生成する。
また、本実施形態の図2において、各相の直流コンデンサCの電圧平均値がバランスしており(vCuave=vCvave,=vCwave)、これらが電圧指令値vC *に一致している場合には、直流電圧相間バランス制御部201から出力される零相電流指令値iZ *は0となり、d軸補正電流id ***、q軸補正電流iq ***も0となる。
vju=vuv */3+vBju
[数9]
vjv=vvw */3+vBjv
[数10]
vjw=vwu */3+vBjw
11u−j,11v−j,11w−j コンバータセル
100 デルタ結線MMC
101 電力系統
201 直流電圧相間バランス制御部
201a 減算手段
201b ゲイン乗算手段
201c 乗算手段
201d 座標変換手段
201e 電流指令値補正手段
202 直流電圧段間バランス制御部
203 電力制御部
203a 電流指令値演算手段
203b,203h 減算手段
203c 加算手段
203d PI制御手段
203e,203j,203k 座標変換手段
203f 電圧降下演算手段
203g 加減算手段
203i ゲイン乗算手段
204 電圧指令値生成部
204a 除算手段
204b 加算手段
Claims (2)
- 複数の半導体スイッチからなるブリッジ回路が直流コンデンサの両端に接続されたコンバータセルを1個または複数段直列に接続して一相分のクラスタを構成し、前記クラスタ同士のデルタ結線部が三相の電力系統にそれぞれ接続された電力変換器としてのモジュラー・マルチレベル変換器の制御装置であって、
各相の直流コンデンサの電圧平均値と前記各相の直流コンデンサの電圧平均値を追従させるための電圧指令値とを用いて、零相電流指令値、d軸補正電流指令値及びq軸補正電流指令値を演算する直流電圧相間バランス制御部と、
瞬時有効電力指令値、瞬時無効電力指令値、各相のクラスタに流れる電流、電力系統の線間電圧、前記零相電流指令値、前記d軸補正電流指令値及び前記q軸補正電流指令値を用いて各相のクラスタの出力電圧指令値を演算する電力制御部と、
各相のクラスタの出力電圧指令値に基づいて各相のコンバータセルの出力電圧指令値を演算する電圧指令値生成部と、
を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。 - 請求項1に記載した電力変換器の制御装置において、
前記直流電圧相間バランス制御部は、
各相の直流コンデンサの電圧平均値を前記電圧指令値に追従させるためのPI制御手段と、
前記PI制御手段の出力に、各相のクラスタの出力電圧と同相の位相成分を乗算する乗算手段と、
前記乗算手段の出力を座標変換して前記電力変換器に対する前記零相電流指令値、第1d軸補正電流指令値及び第1q軸補正電流指令値を演算する手段と、
前記第1d軸補正電流指令値及び前記第1q軸補正電流指令値に所定のゲインを乗算して前記d軸補正電流指令値及び前記q軸補正電流指令値を演算する手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
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