JP6899967B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、電力変換装置の概略構成図である。図1を参照して、電力変換装置1は、互いに直列接続された複数の変換器セル(図1中の「セル」に対応)を含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。電力変換装置1は、直流回路14と交流回路12との間で電力変換を行なう。電力変換装置1は、電力変換回路部2と、制御装置3とを含む。
図2は、セル群を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。図2(a)に示す変換器セル7は、ハーフブリッジ構成と呼ばれる回路構成を有する。この変換器セル7は、2つのスイッチング素子31p、31nを直列接続して形成した直列体と、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ32と、バイパススイッチ34と、電圧検出器33とを含む。直列体とコンデンサ32とは並列接続される。電圧検出器33は、コンデンサ32の両端の電圧であるコンデンサ電圧Vcを検出する。
図3は、制御装置3の内部構成を表わす図である。図3を参照して、制御装置3は、スイッチング制御部501a,501b(以下、「スイッチング制御部501」とも総称する。)を含む。スイッチング制御部501aは、変換器セル7aの各スイッチング素子31のオン、オフを制御する。スイッチング制御部501bは、変換器セル7bの各スイッチング素子31のオン、オフを制御する。
(電流演算部の動作)
図1を参照して、U相のレグ回路4uの正側アーム5と負側アーム6との接続点が交流端子Nuであり、交流端子Nuは変圧器13に接続されている。したがって、交流端子Nuから変圧器13に向かって流れる交流電流Iacuは、以下の式(1)のように正側アーム電流Ipuから負側アーム電流Inuを減算した電流値となる。
正側アーム電流Ipuと負側アーム電流Inuの平均値を、正側アーム5および負側アーム6に流れる共通の電流とすると、この電流はレグ回路4uの直流端子を流れるレグ電流Icomuである。レグ電流Icomuは、式(2)のように表される。
V相についても、正側アーム電流Ipvおよび負側アーム電流Invを用いて、交流電流Iacvおよびレグ電流Icomvが算出され、W相についても、正側アーム電流Ipwおよび負側アーム電流Inwを用いて、交流電流Iacwおよびレグ電流Icomwが算出される。具体的には、以下の式(3)〜(6)で表される。
Icomv=(Ipv+Inv)/2 ・・・(4)
Iacw=Ipw−Inw ・・・(5)
Icomw=(Ipw+Inw)/2 ・・・(6)
各相のレグ回路4u,4v,4wの正側の直流端子は正側直流端子Npとして共通に接続され、負側の直流端子は負側直流端子Nnとして共通に接続されている。この構成から、各相のレグ電流Icomu,Icomv,Icomwを加算した電流値は、直流回路14の正側端子から流れ込み、負側端子を介して直流回路14に帰還する直流電流Idcとなる。したがって、直流電流Idcは、式(7)のように表される。
レグ電流に含まれる直流電流成分は、各相で均等に分担する場合には変換器セルの電流容量を均等にすることができる。このことを考慮すると、レグ電流と直流電流値の1/3との差分が、直流回路14に流れないが各相のレグ間に流れる循環電流の電流値として演算できる。そのため、U相、V相、W相の循環電流Iccu,Iccv,Iccwは、それぞれ以下の式(8)、(9)、(10)のように表される。
Iccv=Icomv−Idc/3 ・・・(9)
Iccw=Icomw−Idc/3 ・・・(10)
図4の電流演算部521は、正側アーム電流Ipu,Ipv,Ipwおよび負側アーム電流Inu,Inv,Inwから、上式に従って、交流電流Iacu,Iacv,Iacw、直流電流Idc、循環電流Iccu,Iccv,Iccwを演算する。
交流制御部523は、交流電圧検出器10で検出された交流電圧Vacu,Vacv,Vacwと、電流演算部521が出力した交流電流Iacu,Iacv,Iacwとから、電力変換装置1を構成する各変換器セル7が出力すべき交流電圧を交流電圧指令値Vacrefu,Vacrefv,Vacrefwとして出力する。
直流制御部524は、直流電圧検出器11A,11Bで検出した直流電圧Vdcp,Vdcnの差電圧から直流端子間電圧Vdcが演算され、式(11)のように表される。
直流制御部524は、直流端子間電圧Vdcと、直流電流Idcとから、変換器セル7が出力すべき直流電圧を直流電圧指令値Vdcrefとして生成して出力する。直流制御部524は、例えば、直流電流を制御する直流電流制御器、直流電圧を制御する直流電圧制御器、および直流電力を制御する直流電力制御器のうちのいずれか1つまたは複数を組み合わせることによって構成される。
指令生成部525は、セル群51が出力すべき電圧を電圧指令値Vpref1として演算し、セル群61が出力すべき電圧を電圧指令値Vnref1として演算する。各電圧指令値Vpref1,Vnref1は、直流電圧指令値Vdcrefと、交流電圧指令値Vacrefと、循環電圧指令値Vccref1を相ごとに合成することによって得られる。
Vpref1v=(1-β)Vdcref-(1-α)Vacrefv+Vccref1v ・・・(13)
Vpref1w=(1-β)Vdcref-(1-α)Vacrefw+Vccref1w ・・・(14)
Vnref1u=(1-β)Vdcref+(1-α)Vacrefu+Vccref1u ・・・(15)
Vnref1v=(1-β)Vdcref+(1-α)Vacrefv+Vccref1v ・・・(16)
Vnref1w=(1-β)Vdcref+(1-α)Vacrefw+Vccref1w ・・・(17)
Vn=Vacrefu+Vacrefv+Vacrefw ・・・(18)
Vccref1u+Vccref1v+Vccref1w=0 ・・・(19)
これらの式より、循環電圧指令値Vccref1は、交流電圧Vacおよび直流電圧Vdcの変動には寄与しないことが理解される。
各セル群52,62を構成する各変換器セル7bのコンデンサ32の電圧が電圧検出器33で検出される。電圧演算部522は、セル群52の各変換器セル7bのコンデンサ電圧Vcpu2,Vcpv2,Vcpw2と、セル群62の各変換器セル7bのコンデンサ電圧Vcnu2,Vcnv2,Vcnw2(単に「コンデンサ電圧」と称する。)とを演算する。
電流演算部521で演算されたU相、V相、W相の循環電流Iccu,Iccv,Iccwは、循環電流制御部526に送られる。循環電流制御部526は、循環電流値が循環電流指令値に一致するようにフィードバック制御する。すなわち、循環電流制御部526には、循環電流指令値と循環電流値との偏差を増幅する補償器が設けられる。循環電流制御部526は、セル群52,62が循環電流制御のために出力すべき電圧成分を、循環電圧指令値Vccref2として出力する。
加減算器5iは、循環電流制御用の循環電圧指令値Vccref2に、交流電圧指令値Vacrefをα倍した値を減算合成し、直流電圧指令値Vdcrefをβ倍した値を加算合成する。加減算器5iの加算結果は、循環電流制御用のセル群52が出力すべき電圧成分を表す電圧指令値Vpref2(U相用:Vpref2u、V相用:Vpref2v、W相用:Vpref2w)として、正側セル群制御部503Pbに入力される。
Vpref2v=βVdcref-αVacrefv+Vccref2v ・・・(21)
Vpref2w=βVdcref-αVacrefw+Vccref2w ・・・(22)
Vnref2u=βVdcref+αVacrefu+Vccref2u ・・・(23)
Vnref2v=βVdcref+αVacrefv+Vccref2v ・・・(24)
Vnref2w=βVdcref+αVacrefw+Vccref2w ・・・(25)
Vccref2u+Vccref2v+Vccref2w=0 ・・・(26)
これらの式より、循環電圧指令値Vccref2は、交流電圧Vacおよび直流電圧Vdcの変動には寄与しないことが理解される。
本実施の形態において、上記構成を有する制御装置3は、セル群51,61に含まれる変換器セル7aに、循環電流を変動させるような循環電圧指令値Vccref1を与え、当該循環電流の変動によって、循環電流制御用のセル群52,62に含まれる変換器セル7bのコンデンサ32の充電を促進させる。これにより、それぞれの動作が異なる変換器セル7aおよび変換器セル7bのコンデンサ電圧のアンバランスを抑制する。ここでは、本実施の形態の特徴の理解を容易にするため、電力変換回路部2の等価回路を用いて説明を行なう。
上述したように、本実施の形態では、交流電圧指令値Vacrefは、セル群51,61に対する交流電圧指令値Vacref1と、セル群52,62に対する交流電圧指令値Vacref2とに分けられる。直流電圧指令値Vdcrefは、セル群51,61に対する直流電圧指令値Vdcref1と、セル群52,62に対する直流電圧指令値Vdcref2とに分けられる。これにより、電力変換装置1の交直変換制御は、各指令値に従ってセル群51,61を動作させ、各指令値に従ってセル群52,62を動作させることで実現される。
(B)(1−β)|Vdcref|+(1−α)|Vacref|≦(各変換器セル7aのコンデンサ電圧の合計値Vsuma)
(C)α|Vacref|−β|Vdcref|≦(各変換器セル7bのコンデンサ電圧の合計値Vsumb)
(D)α|Vacref|+β|Vdcref|≦(各変換器セル7bのコンデンサ電圧の合計値Vsumb)
条件(1)は、セル群51に与えられる電圧指令値Vpref1を0以上にするための条件である。条件(2)は、セル群61に与えられる電圧指令値Vnref1をVsuma以下にするための条件である。条件(3)は、セル群52に与えられる電圧指令値Vpref2を“−Vsumb”以上にするための条件である。条件(4)は、セル群62に与えられる電圧指令値Vnref2をVsumb以下にするための条件である。上記条件(1)〜(4)を満たすゲインα,βを設定することにより、セル群51、52およびセル群61、62がそれぞれ出力可能な電圧範囲の中で、負電圧も出力可能な交直変換制御を行なうことができるため、電力変換装置1の運転範囲を拡大できる。例えば、直流回路14での短絡事故発生時における運転継続のために、各変換器セル7の直流電圧を零にすることで事故電流を抑制することができる。
図6は、セル群制御部503の構成を表わす図である。図6を参照して、セル群制御部503は、N個の個別制御部202_1〜202_N(以下「個別制御部202」とも総称する。)を含む。例えば、セル群51,61に含まれる変換器セル7aはN1個である。そのため、セル群51,61にそれぞれ対応する正側セル群制御部503Pa,負側セル群制御部503Naには、N1個の個別制御部202が含まれる。以下、説明のため、上述した電圧指令値Vpref1,Vnref1,Vpref2,Vnref2を総称して電圧指令値Vrefと記載する。
本実施の形態によると、交直変換制御用のセル群と循環電流制御用のセル群とを含む電力変換装置1において、アーム電流が小さい場合であっても、各セル群に含まれるコンデンサの電圧を適切に制御することができる。
(1)上述した実施の形態において、各レグ回路4において、リアクトル8A,8Bのうち、正側のリアクトル8Aのみを設けてもよいし、負側のリアクトル8Bのみを設けてもよい。負側のリアクトル8Bのみを設けた場合には、循環電流制御用のセル群52が不要になり、それに関係する正側セル群制御部503Pb、加減算器5iも不要となるので、制御装置3の構成を簡素化できる利点がある。同様に、正側のリアクトル8Aのみを設けた場合には、循環電流制御用のセル群62が不要になり、それに関係する負側セル群制御部503Nb、加算器5jも不要になるので、制御装置3の構成を簡素化できる利点がある。
Claims (11)
- 直流回路と交流回路との間で電力変換を行なう電力変換装置であって、
前記交流回路の複数の相に対応する複数のレグ回路を含む電力変換回路部を備え、
各前記レグ回路は、各々がコンデンサを有し、互いに直列接続された複数の変換器セルを含み、
前記複数の変換器セルの各々は、2つ以上のスイッチング素子を有する第1変換器セル、または、4つ以上のスイッチング素子を有する第2変換器セルであり、
前記複数の変換器セルの動作を制御する制御装置をさらに備え、
前記制御装置は、
前記複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づかずに制御される複数の前記第1変換器セルを、前記直流回路および前記交流回路を含まない閉回路を示す循環回路において循環電圧を出力する電圧源として動作させ、
複数の前記第2変換器セルを、前記循環回路において循環電流を制御するように動作させる、電力変換装置。 - 前記制御装置は、各前記第2変換器セルのコンデンサの電圧をコンデンサ電圧指令値に追従させるための循環電流が前記循環回路に流れるように前記第2変換器セルを動作させる、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、各前記第2変換器セルのコンデンサの電圧が、各前記第1変換器セルのコンデンサの電圧に追従するように、前記コンデンサ電圧指令値を設定する、請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記循環電流は、前記交流回路の基本周波数成分および直流成分以外の周波数成分を含む、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記循環電圧は、前記交流回路の基本周波数成分および直流成分を含まない、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換装置から前記交流回路に出力される交流電圧の指令値は、複数の前記第1変換器セルに対する第1交流電圧指令値と、複数の前記第2変換器セルに対する第2交流電圧指令値とから構成され、
前記第1交流電圧指令値:前記第2交流電圧指令値=(1−α):α(0<α<1)であり、
前記電力変換装置から前記直流回路に出力される直流電圧の指令値は、複数の前記第1変換器セルに対する第1直流電圧指令値と、複数の前記第2変換器セルに対する第2直流電圧指令値とから構成され、
前記第1直流電圧指令値:前記第2直流電圧指令値=(1−β):β(0<β<1)である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、以下の条件(1)〜(4)を満たすようにα、βを設定する、請求項6に記載の電力変換装置。
(1){(1−β)×(前記直流電圧の指令値の絶対値)}−{(1−α)×(前記交流電圧の指令値の絶対値)}≧0
(2){(1−β)×(前記直流電圧の指令値の絶対値)}+{(1−α)×(前記交流電圧の指令値の絶対値)}≦(各前記第1変換器セルのコンデンサの電圧の合計値)
(3){α×(前記交流電圧の指令値の絶対値)}−{β×(前記直流電圧の指令値の絶対値)}≦(各前記第2変換器セルのコンデンサの電圧の合計値)
(4){α×(前記交流電圧の指令値の絶対値)+β×(前記直流電圧の指令値の絶対値)}≦(各前記第2変換器セルのコンデンサの電圧の合計値)。 - 前記電力変換装置から前記交流回路に出力される交流電圧の指令値は、複数の前記第1変換器セルに対する交流電圧指令値であり、
前記電力変換装置から前記直流回路に出力される直流電圧の指令値は、複数の前記第1変換器セルに対する直流電圧指令値である、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 各前記レグ回路は、第1アームおよび第2アームを含み、
前記第1アームは、複数の前記第1変換器セルと、複数の前記第2変換器セルと、第1リアクトルとを含み、
前記第2アームは、複数の前記第1変換器セルを含む、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第2アームは、複数の前記第2変換器セルと、第2リアクトルとをさらに含む、請求項9に記載の電力変換装置。
- 前記第1アームおよび前記第2アームの各々は、バイパス回路と並列接続されており、
前記制御装置は、前記直流回路の短絡事故を検出した場合、
前記第1アームおよび前記第2アームの各々に含まれる複数の前記第1変換器セルを停止させ、
前記第1アームおよび前記第2アームの各々について、当該アームおよび前記バイパス回路に前記直流回路の短絡電流を分流させるように、当該アームに含まれる複数の前記第2変換器セルを制御する、請求項9または請求項10に記載の電力変換装置。
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