JP6892812B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、波形歪を小さくできる電力変換装置を提供することを目的とする。
〈第1実施形態の全体構成〉
電力系統において、パワーエレクトロニクス技術を用いた電力変換装置は、直流送電や無効電力制御装置に加え、PCS(Power Conditioning System)等への適用が拡大している。ここで、PCSとは、太陽光発電システム、風力発電システム、蓄電システム等を電力系統に連系するためのシステムである。特に、大型の直流送電システムやPCSを高効率の電力変換装置として構成するには、装置に適用される直流電圧を高くすることが好ましい。MMC(Modular Multilevel Converter;モジュラーマルチレベルコンバータ)は、適用される直流電圧(アーム電圧)を高くできる電圧型自励変換装置の一つである。すなわち、MMCにおいて、U相、V相、W相の各相のアームは、直列に接続された複数のセルを有している。そして、セルの直列数を大きくすると、直流電圧(アーム電圧)を高くできるため、MMCは大容量の電力変換器に適している。
図示のMMC102は、ZC−MMC(Zero-Sequence Cancelling Modular Multilevel Converter;零相キャンセル型MMC)と呼ばれることもある。MMC102は、3相の電力系統101(交流系統)と、直流電力系統150との間に接続され、両者間で双方向の電力変換を行うものである。なお、直流電力系統150は、例えば、直流送電系統や、他のMMC等である。MMC102と、これと同様に形成された他のMMC(図示せず)とを背中合わせで接続すると、電力系統101と、他の電力系統(図示せず)との間で相互に電力を融通できる。なお、電力系統101における周波数を「系統周波数」と呼ぶ。
図2は、セル108(すなわちセル108jm)のブロック図である。
セル108jmは、一般的に「ハーフブリッジ」と呼ばれるものであり、入出力端子210a,210bと、セル制御部205と、スイッチング素子201H,201Lと、還流ダイオード202H,202Lと、コンデンサ203と、電圧検出器204と、を有している。なお、図示の例においてスイッチング素子201H,201LはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)である。入出力端子210a,210bを介して流れる電流をアーム電流Ijと呼ぶ。なお、図1に示したアーム電流検出値IUP,IVP,IWPは、このアーム電流Ijの検出値である。
図3は、制御装置112が備える共通制御部140Cのブロック図である。
図3において、共通制御部140Cは、APR510(有効電力調整器)と、DCI−ACR511(直流電流調整器)と、加算器514と、DC−AVR522(直流電圧調整器)と、AQR524(系統無効電力調整器)と、ACR526(電流調整器)と、逆DQ変換器528と、2相3相変換器530と、加算器群532と、3相2相変換器540と、DQ変換器542と、電力演算器550と、位相検出器552と、3相2相変換器560と、DQ変換器562と、電圧平均値演算部564と、を備えている。
図4は、制御装置112が備えるU相制御部140Uのブロック図である。なお、V相制御部140VおよびW相制御部140Wについては図示を省略するが、U相制御部140Uと同様に構成されている。
U相制御部140Uは、電圧平均値演算部604と、M系統(Mはセル108の直列数)のセル制御部620−1〜620−Mと、を備えている。但し、図4においては、セル制御部620−1〜620−Mのうち、一系統のセル制御部620−m(但し、1≦m≦M)のみを図示する。
図5は、パルス幅変調器612のブロック図である。
乗算器710は、系統位相信号φ(t)にパルス数Kを乗算する。ここで、パルス数Kとは、系統周波数すなわち電力系統101の周波数と、パルス幅変調(PWM)のためのキャリア周波数との比である。例えば、系統周波数が50Hzであり、パルス数Kが「5」であれば、キャリア周波数は250Hzになる。乗算器710の出力信号を位相信号φk(t)と呼ぶ。加算器712は、位相信号φk(t)と、搬送波位相信号φmと、を加算し、加算結果をセル番号mに対するセル位相信号(φk(t)+φm)として出力する。
図示のように、変調波Vuref2mは、略正弦波状である。図示の例は、パルス数Kが「5」である場合を想定している。系統周波数が50Hzであった場合、変調波Vuref2mの周期Tfは20ms(ミリ秒)になり、搬送波βm(t)の周期は4msになる。パルス信号GHum,GLumは、相互にほぼ反転した信号になる。なお、図6においては、デッドタイムの図示は省略している。セル電圧Vum(図2におけるVjm)は、パルス信号GHumに近似した波形を有し、レベルが0[V]またはVDCum(図2におけるコンデンサ電圧VDCjm)に交互に切り替わる電圧になる。
図7は、本実施形態における搬送波βm(t)の波形図である。
同図においては、セル直列数M=9、パルス数K=5、系統周波数=50Hzである。図中の区間TA1,TA2,TA3は、系統周波数の周期すなわち20ms毎の周期に対応する区間である。また、搬送波βm(t)すなわち搬送波β1(t)〜β9(t)は、周期が4msであり、順次40°ずつ位相の異なる三角波である。これら搬送波のうち、特にβ1(t)の波形を太線で示す。時刻t0において、β1(t)はピーク値になっている。従って、系統周波数の1周期が経過した時刻t10においても、搬送波β1(t)はピーク値になる。
図8において、位相分布PD01は、図7の区間TA1における位相分布である。この区間TA1におけるセル番号m=1の搬送波位相信号φmすなわち搬送波位相信号φ1は0°であることとする。そして、セル番号m=2〜9における搬送波位相信号φ2〜φ9は、搬送波位相信号φ1に対して、順次40°ずつ遅れた値になる。また、位相分布PD02は、図7の区間TA2における位相分布である。位相分布PD02においては、搬送波位相信号φ1〜φ9は、位相分布PD01のものと比較して、それぞれ40°ずつ遅れた値になる。また、位相分布PD03は、図7の区間TA3における位相分布である。位相分布PD03においては、搬送波位相信号φ1〜φ9は、位相分布PD02のものと比較して、それぞれ40°ずつ遅れた値になる。換言すれば、位相分布PD03における搬送波位相信号φ1〜φ9は、位相分布PD01のものと比較して、それぞれ80°ずつ遅れた値になる。
次に、本実施形態の効果を明らかにするため、本実施形態の比較例について説明する。
比較例のハードウエア構成は、キャリアローテーションを実行しない点を除いて、第1実施形態のもの(図1〜図5)と同様である。すなわち、第1実施形態の構成において、位相設定番号Aを常に一定にした場合と等価である。
図9は、比較例における搬送波βm(t)の波形図である。図9において、セル直列数M=9、パルス数K=5、系統周波数=50Hzであることは、図7の波形図と同様である。
以上のように本実施形態によれば、オンオフ制御部(140U,140V,140W)は、各々のセル(108)における複数のスイッチング素子(201H,201L)を、位相情報(A)と各セル(108)に対応するセル対応情報(m)とに基づいたタイミングでオンオフさせることができる。
従って、位相情報(A)を適切に設定することにより、波形歪を小さくできる
これにより、位相情報(A)によって、搬送波(βm(t))の位相を適切に設定することができる。
これにより、スイッチング素子(201H,201L)のオンオフタイミングを所定期間毎に変更することができ、コンデンサ(203)の電圧を平均化することができ、波形歪を一層小さくできる。
また、所定期間は、交流系統(101)における電圧周期に等しい。これにより、電圧周期毎に、スイッチング素子(201H,201L)のオンオフタイミングを変更することができる。
これにより、本実施形態によれば、コンデンサ電圧をバランスさせる制御の制御量を小さくできるため(あるいはバランス制御そのものを省略できるため)、制御装置112の構成を簡単化できるという効果も奏する。
次に、本発明の第2実施形態によるMMCの構成を説明する。なお、以下の説明において、図1〜図9の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
なお、本実施形態のハードウエア構成は第1実施形態のもの(図1〜図5)と同様である。但し、本実施形態においては、キャリアローテーションによって搬送波位相信号φmが切り替えられる際、搬送波位相信号φmの変更幅は、第1実施形態のものと比較して大きくなる。
すなわち、同図の区間TB1,TB2,TB3は、系統周波数の周期すなわち20ms毎の周期に対応する区間であり、これらの境界である時刻t40および時刻t60において、キャリアローテーションによる位相の切替が発生している。
そして、本実施形態においては、時刻t40,t60において、各搬送波位相信号φ1〜φ9が120°ずつシフトされる。
図13において、位相分布PD21は、図12の区間TB1における位相分布である。これは、図11に示したものと同様であり、この区間TB1におけるセル番号m=1の搬送波位相信号φmすなわち搬送波位相信号φ1は0°であることとする。また、位相分布PD22は、図12の区間TB2における位相分布である。位相分布PD02においては、搬送波位相信号φ1〜φ9は、位相分布PD01のものと比較して、それぞれ120°ずつ遅れた値になる。また、位相分布PD23は、図12の区間TB3における位相分布である。位相分布PD23においては、搬送波位相信号φ1〜φ9は、位相分布PD22のものと比較して、それぞれ120°ずつ遅れた値になる。換言すれば、搬送波位相信号φ1〜φ9は、位相分布PD21のものと比較して、それぞれ240°ずつ遅れた値になる。
〈第3実施形態の構成〉
図14は、本発明の第3実施形態によるMMC162のブロック図である。なお、以下の説明において、図1〜図13の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
MMC162は、第1実施形態におけるアーム104に代えて、アーム164U,164V,164W(以下、これらをアーム164と総称することがある)を備えている。アーム164は、第1実施形態のアーム104と同様に、直列接続された複数のセル108を備えている。
以上のように本実施形態によれば、各々のセル(108)は、複数のセルグループ(GR1〜GR5)のうち何れかのセルグループに属するものであり、オンオフ制御部(140U,140V,140W)は、一のセルグループ(GR1〜GR5)に属するセル(108)における搬送波(βm(t))の位相を、他のセルグループ(GR1〜GR5)に属するセル(108)における搬送波(βm(t))の位相とは異なるように設定する。さらに、オンオフ制御部(140U,140V,140W)は、一のセルグループ(GR1〜GR5)に属するセル(108)における搬送波(βm(t))の位相を、同一の位相に設定する。
図15は、本発明の第4実施形態によるMMC172のブロック図である。なお、以下の説明において、図1〜図14の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
MMC172は、第1実施形態(図1参照)における変圧器103に代えて、変圧器173を備えている。ここで、変圧器173は、Δ−Δ結線、Y−Y結線、Y−Δ結線またはΔ−Y結線の通常の3相変圧器である。
変圧器173のU相、V相、W相の二次巻線には、レグ174U,174V,174W(以下、これらをレグ174と総称することがある)が接続されている。
図16は、本発明の第5実施形態による無効電力補償装置182のブロック図である。なお、以下の説明において、図1〜図15の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
無効電力補償装置182は、アーム184U,184V,184W(以下、これらをアーム184と総称することがある)とを有しており、これらアーム184は、電力系統101の線間にΔ結線されている。そして、各アーム184は、直列接続された複数のセル188を備えている。
図18は、本発明の第6実施形態によるMMC300のブロック図である。なお、以下の説明において、図1〜図17の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
MMC300は、3相の電力系統320,322の間に接続される。また、MMC300は、3台のアーム306UP,306VP,306WP(以下、これらをアーム306と総称することがある)を有しており、各アーム306は、複数のセル308を備えている。各アーム306と、電力系統320との間には、電圧検出器110と、電流検出器111と、初充電装置120と、遮断器121とが挿入されている。なお、各アーム306と、電力系統322との間にも同様のものが挿入されているが、図示を省略する。
セル308は、一次側入出力端子310a,310bと、二次側入出力端子312a,312bと、を有している。一次側入出力端子310a,310bには、第5実施形態に適用したセル188(図17参照)と同様の構成を有する一次側フルブリッジ部330が接続されている。また、二次側入出力端子312a,312bには、一次側フルブリッジ部330と同様に構成された二次側フルブリッジ部332が接続されている。
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記各実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
102 MMC(電力変換装置)
103 変圧器
104 アーム
107 アームリアクトル
108 セル
109 電流検出器
110 電圧検出器
111 電流検出器
112 制御装置
140C 共通制御部
140P 指令値発生部(位相情報発生部)
140U,140V,140W U相、V相およびW相制御部(オンオフ制御部)
201H,201L スイッチング素子
203 コンデンサ
721 搬送波演算器(搬送波生成部)
βm(t) 搬送波
A 位相設定番号(位相情報)
GR1〜GR5 セルグループ
m セル番号(セル対応情報)
Vuref2m 変調波
Claims (4)
- 各々が複数のスイッチング素子と、少なくとも一のコンデンサとを有し、直列接続された複数のセルと、
位相情報を発生させる位相情報発生部と、
各々の前記セルにおける複数の前記スイッチング素子を、前記位相情報と前記セルに対応するセル対応情報とに基づいたタイミングでオンオフさせるオンオフ制御部と、を備え、
前記オンオフ制御部は、前記セル毎の変調波と、前記セル毎の搬送波と、に基づいて各々の前記セルにおける複数の前記スイッチング素子のオンオフ状態を制御するものであり、
前記位相情報は、交流系統における電圧の位相と、前記搬送波との位相差とに係る情報であり、
前記位相情報発生部は、前記位相情報を、所定期間毎に変更するものであり、
各々の前記セルは、複数のセルグループのうち何れかのセルグループに属するものであり、
前記オンオフ制御部は、一のセルグループに属する前記セルにおける前記搬送波の位相を、他のセルグループに属する前記セルにおける前記搬送波の位相とは異なるように設定する
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記所定期間は、前記交流系統における電圧周期である
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記オンオフ制御部は、一のセルグループに属する前記セルにおける前記搬送波の位相を、同一の位相に設定する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記オンオフ制御部は、前記交流系統における電圧に同期させつつ、前記搬送波を生成する搬送波生成部を有する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
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