JP6951824B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換器の制御装置に関する。

直流送電システムは、洋上風力発電等を含む長距離の電力伝送を高効率に実現する手段として注目されている。また、直流送電システムは、電力需要のピーク時や災害時等において、異なる電力系統間の電力融通にも有用な手段である。

このような基幹電力系統に用いられる電力変換装置は、さまざまな自然条件や負荷条件に応じて、安定した運転状態を維持する必要がある。

直流送電システムに他励式の電力変換装置を用いる場合に、起動時や潮流方向の反転時等の過渡的な状態であっても、安定して運転を継続することが求められている。

特開２０１６−５３７４号公報

実施形態は、潮流方向の反転時にも安定して運転を継続することができる電力変換器の制御装置を提供する。

実施形態に係る電力変換器の制御装置は、交流の電力系統と直流送電線との間に設けられた電力変換器を制御する。この制御装置は、設定された直流電圧指令値および前記電力変換器が出力する直流電圧にもとづいて、第１位相制御角を生成する第１定電圧制御回路と、設定された直流電流指令値および前記直流送電線を流れる直流電流にもとづいて、第２位相制御角を生成する定電流制御回路と、前記第１位相制御角および前記第２位相制御角のうち小さい方を選択して出力する最小値選択回路と、前記最小値選択回路の出力の上限を設定する第１リミッタ設定回路と、を備える。潮流方向の状態を変更する指令によって、前記電力変換器が順変換器から逆変換器に動作の状態を変更する場合に、前記第１リミッタ設定回路は、前記指令の入力後に、前記直流電圧が前記直流電圧指令値に追従するときの位相制御角を超えないように、前記出力を制限する。

本実施形態では、潮流方向の反転時にも安定して運転を継続することができる電力変換器の制御装置が実現される。

第１の実施形態に係る電力変換器の制御装置を例示するブロック図である。 直流送電システムを例示するブロック図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、潮流反転時の動作を説明する電力変換器の出力特性を例示する模式的なグラフである。 図４（ａ）は、第１の実施形態の制御装置の動作を説明する模式的なグラフである。図４（ｂ）は、比較例の制御装置の動作を説明する模式的なタイミングチャートである。 第２の実施形態に係る電力変換器の制御装置を例示するブロック図である。 第２の実施形態の制御装置の動作を説明する模式的なタイミングチャートである。 第３の実施形態に係る電力変換器の制御装置を例示するブロック図である。 第３の実施形態の制御装置の動作を説明する模式的なタイミングチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換器の制御装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、実施形態の制御装置１０は、電力変換器の直流電圧や直流電流、あるいはこれらの指令値にもとづいて位相制御角αを生成し、電力変換器に供給する。

制御装置１０は、定電流制御回路（ＡＣＲ）１１と、定電圧制御回路（ＡＶＲ）１２と、最小値選択回路（ＬＶＧ）１４と、出力リミッタ回路１５と、潮流方向によるリミッタ制御回路２０と、を備える。制御装置１０は、起動時リミッタ設定回路３０をさらに備える。制御装置１０は、余裕角制御回路（ＡγＲ）１３を含んでいる。

ＬＶＧ１４は、ＡＣＲ１１によって生成された位相制御角αＡＣＲ、ＡＶＲ１２によって生成された位相制御角αＡＶＲ、およびＡγＲ１３によって生成された位相制御角αＡγＲのうちから最小値を選択して位相制御角αとして出力する。ＬＶＧ１４の出力に出力リミッタ回路１５が設けられている。

制御装置１０によって制御される電力変換器は、交流電圧と直流電圧とを相互に電力変換する。電力変換器は、交流電圧を直流電圧に変換する順変換器として動作する場合、および、直流電圧を交流電圧に変換する逆変換器として動作する場合がある。電力変換器が直流送電線の両方の端子に接続された２端子電力網の場合であって、一方の端子が順変換器として動作するときには、他方の端子は逆変換器として動作する。このように、両端子において、順変換器と逆変換器とが入れ替わることを潮流反転という。なお、以下では、順変換器として動作する端子をＲＥＣ端ともいい、逆変換器として動作する端子をＩＮＶ端ともいう。

電力変換器がＲＥＣ端として動作する場合には、ＡＣＲ１１は、電力変換器が出力する直流電流が設定された直流電流指令値Ｉｄｐに追従するように、位相制御角αＡＣＲを生成する。このとき、ＡＶＲ１２は、位相制御角αＡＣＲよりも大きい位相制御角αＡＶＲを生成している。したがって、ＲＥＣ端の電力変換器は、位相制御角αＡＣＲにしたがって定電流制御で運転される。

電力変換器がＩＮＶ端として動作する場合には、ＡＣＲ１１には、直流電流指令値Ｉｄｐから電流マージンΔＩｄｐ分差し引いた電流値が設定される。このとき、ＡＶＲ１２には、直流電圧指令値Ｖｄｐが設定されている。この場合には、位相制御角αＡＶＲは、位相制御角αＡＣＲよりも小さいので、ＩＮＶ端の電力変換器は、位相制御角αＡＶＲにしたがって定電圧制御で運転される。

潮流方向によるリミッタ制御回路２０は、出力リミッタ回路１５に作用して、出力リミッタ回路１５の上下限のリミッタの値を設定する。より具体的には、潮流方向によるリミッタ制御回路（以下、単にリミッタ制御回路という）２０は、潮流方向の状態に応じて異なるリミット値を出力し、上下限のリミッタの値をそれぞれ設定する。リミッタ制御回路２０は、ＲＥＣ端の場合には、上下限のリミット値α０ＵＬ，α０ＬＬを出力する。リミッタ制御回路２０は、ＩＮＶ端の場合には、上下限のリミット値α１ＵＬ，α１ＬＬを出力する。リミッタ制御回路２０は、潮流方向を変更する指令に応じて、所定の移行期間を経て、リミッタ値α０ＵＬ，α０ＬＬと、上下限リミット値α１ＵＬ，α１ＬＬとの間でそれぞれ移行させる。

ＲＥＣ端動作時の上下限のリミット値α０ＵＬ，α０ＬＬおよびＩＮＶ端動作時の上下限リミット値α１ＵＬ，α１ＬＬの大きさの関係は、α１ＵＬ＞α０ＵＬかつα１ＬＬ＞α０ＬＬである。また、α０ＵＬ，α０ＬＬからα１ＵＬ，α１ＬＬへの移行期間の各リミット値は、それぞれ時間の関数で表され、各関数は、任意に設定することができる。たとえば、リミット値の関数は、線形関数、一次遅れ等を含む指数関数、その他の適切な関数とすることができる。

リミッタ制御回路２０には、リミット値α０ＵＬ，α０ＬＬおよびリミット値α１ＵＬ，α１ＬＬの値がそれぞれあらかじめ設定されている。リミッタ制御回路２０には、リミット値の関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）があらかじめ設定されている。

ＲＥＣ端の場合の上限のリミット値α０ＵＬは、保護動作時に位相制御角αを適切な範囲で制御できるようにするため、１２０°程度に設定される。

ＩＮＶ端の場合の上限のリミット値α１ＵＬは、ＡＶＲ１２が生成する位相制御角αＡＶＲにもとづいて設定される。たとえばαＡＶＲが１４０°程度で運転される場合には、α１ＵＬは１６０°程度に設定される。

リミット値の関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）は、制御装置１０が用いられる直流送電システムに応じて、適切に調整され、設定されるようにしてもよい。たとえば、関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）が線形関数の場合には、直流送電システムに応じて、線形係数を変更することによって、リミット値の増加レートを調整することができる。

また、リミット値α０ＵＬ，α０ＬＬ，α１ＵＬ，α１ＬＬの値も、直流送電システムに応じて、関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）とともに、調整できるようにしてもよい。

リミッタ制御回路２０は、ＲＥＣ端からＩＮＶ端に潮流方向を反転された場合に、ＬＶＧ１４が出力する位相制御角αがＡＶＲ１２に設定された直流電圧指令値（定格値）となるときの位相制御角を超えないように、上限のリミット値を制限する。そのため、制御装置１０は、潮流反転時に、直流電圧指令値（定格電圧）を出力するときの位相制御角を超えない位相制御角αを、電力変換器に供給することができる。したがって、電力変換器は、オーバーシュートやアンダーシュートを生じることなく安定して潮流反転して運転ｗｐ継続することができる。また、潮流反転時の位相制御角αは、定格電圧を出力するときの位相制御角よりも小さいので、位相制御角αの大きさが制限されて、転流失敗するおそれが低下する。なお、リミッタ制御回路２０が制限する上限値は、直流電圧指令値（定格値）の設定範囲程度であればよく、実際の直流送電システムや電力変換器等に仕様によって適切な値が設定される。

なお、下限のリミット値については、潮流反転時の動作において一定のα０ＬＬとしてもよい。また、下限のリミット値については、上述した課題と直接には関係しないので、以下では詳細な説明を省略する。

起動時リミッタ設定回路３０は、リミッタ制御回路２０と出力リミッタ回路１５との間に接続されている。起動時リミッタ設定回路３０は、起動指令に応答して出力リミッタ回路１５に作用し、ＬＶＧ１４が出力する位相制御角αの値を制限する。

より具体的には、起動時リミッタ設定回路３０は、リミッタ設定部３１と、タイマ３２と、スイッチ回路３３と、を含む。リミッタ設定部３１は、起動時のリミッタの初期値α０を有する。リミッタ設定部３１は、起動指令を入力すると、リミッタの値をα０からα０ＵＬに移行させ、同様にα０からα０ＬＬに移行させる。

α０からα０ＵＬ，α０ＬＬへの移行期間は、この例では同一であるが、異なっていてもよい。移行期間でのリミッタの値の時間変化の割合は、線形的、指数関数的等適切なものが任意で選定される。

α０の値は、電力変換器の起動時に十分な電流を直流送電線や電力系統に供給しつつ、過電流が流れるのを抑制できる程度の位相制御角にあらかじめ設定されている。ＲＥＣ端として起動する場合には、α０の値はたとえば８５°程度である。

リミッタ設定部３１の２つの出力は、上下限のリミット値をそれぞれ出力する。これらの出力には、スイッチ回路３３の一方の入力が接続されている。スイッチ回路３３の他方の入力には、リミッタ制御回路２０の２つの出力がそれぞれ接続されている。スイッチ回路３３の出力は、出力リミッタ回路１５に作用するように接続されている。

スイッチ回路３３は、タイマ３２の出力に応じて切り替えられる。スイッチ回路３３は、初期状態では、リミッタ設定部３１の出力を出力リミッタ回路１５に接続する。起動時リミッタ設定回路３０に起動指令が入力されると、リミッタ設定部３１の出力がリミット値α０ＵＬ，α０ＬＬ向かって移行を開始するとともに、移行期間が経過するまで、スイッチ回路３３の接続は維持される。

移行期間が経過すると、タイマ３２の出力が反転し、スイッチ回路３３の入力をリミッタ制御回路２０の出力に切り替える。タイマ３２の出力が反転するタイミングは、移行期間の経過後即時であってもよいし、移行期間の経過後さらに所定期間経過した後であってもよい。制御装置１０が用いられる直流送電システムに応じて、適切な値に調整し、設定できるようにしてもよい。

ＡγＲ１３は、所定の余裕角を入力し、電力変換器が転流失敗しないように、最大の位相制御角αＡγＲを出力する。もっとも位相制御角が大きい状態であっても、電力変換器が確実に転流できるように適切な値が設定されている。なお、以下で説明する各実施形態のおける動作では、断らない限り、ＡγＲ１３が生成する位相制御角αＡγＲは、他の位相制御角αＡＣＲ，αＡＶＲよりも十分大きく、ＬＶＧ１４よって選択されないものとする。

本実施形態の電力変換器の制御装置１０の動作について説明する。
図２は、直流送電システムを例示するブロック図である。
図２に示すように、直流送電システム１００は、交流の電力系統１，１ａと、直流送電線３と、制御装置１０，１０ａと、電力変換器４０，４０ａと、を含む。制御装置１０は、電力変換器４０と接続されている。制御装置１０ａは、電力変換器４０ａと接続されている。制御装置１０，１０ａは、たとえば上位の制御システムから直流電流指令値Ｉｄｐのデータや潮流反転指令等を受信することができる。制御装置１０，１０ａは、直流電流指令値Ｉｄｐや電力変換器４０，４０ａからそれぞれ直流電圧の検出値等を取り込み、これらにもとづいて位相制御角αを生成して、電力変換器４０，４０ａにそれぞれ供給する。

制御装置１０ａおよび電力変換器４０ａは、たとえば上述した実施形態の制御装置１０および電力変換器４０と同一の構成を有するが、必ずしも同一の構成を有している必要はなく、相互に直流送電を行えればよい。

電力変換器４０は、電力系統１と直流送電線３との間に接続されている。電力変換器４０は、他の電力変換器４０ａと直流送電線３を介して接続されている。電力変換器４０ａは、直流送電線３と電力系統１ａとの間に接続されている。

電力変換器４０がＲＥＣ端の場合には、電力変換器４０は、電力系統１の交流電圧を直流電圧に変換し直流送電線３を介して、電力変換器４０ａに送電する。

電力変換器４０がＩＮＶ端の場合には、電力変換器４０は、電力変換器４０ａによって直流送電線３を介して送電されてきた直流電圧を交流電圧に変換して、電力系統１に供給する。

以下では、電力変換器４０がＲＥＣ端である場合に、制御装置１０が上位制御システムからＩＮＶ端への潮流方向を変更する指令を受信して、ＩＮＶ端に切り替わるときの動作について説明する。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、潮流反転時の動作を説明する電力変換器の出力特性を例示する模式的なグラフである。
図３（ａ）および図３（ｂ）の出力特性のグラフは、横軸が直流送電線３を流れる直流電流Ｉｄ、縦軸がそれぞれの端子のおける直流電圧Ｖｄを表している。図３（ａ）および図３（ｂ）の両方のグラフにおいて、実線が電力変換器４０の出力特性であり、破線が電力変換器４０ａの出力特性を示している。

図３（ａ）に示すように、ＲＥＣ端として動作する電力変換器４０は、定電流制御によって、設定された直流電流指令値Ｉｄｐに追従するように直流電流Ｉｄを出力する。電力変換器４０の出力特性では、直流電流Ｉｄが直流電流指令値Ｉｄｐよりも小さい場合には、電力変換器４０が出力できる電圧は、位相制御角の下限のリミッタ値によって制限される。直流電流Ｉｄが直流電流指令値Ｉｄｐよりも大きい場合には、電力変換器４０は定電圧制御によって動作し、その出力電圧は、直流電圧指令値に追従するように制御される。

この例のＩＮＶ端の電力変換器４０ａでは、定電流制御のための指令値は、直流電流指令値Ｉｄｐから電流マージンΔＩｄｐを差し引かれて設定される。直流電流Ｉｄが（Ｉｄｐ−ΔＩｄｐ）よりも小さい場合には、電力変換器４０ａが出力し得る電圧は、位相制御角の下限のリミッタ値によって制限される。直流電流Ｉｄが（Ｉｄｐ−ΔＩｄｐ）よりも大きい場合には、電力変換器４０ａが出力する電圧は、直流電圧指令値Ｖｄｐによって設定される直流電圧に定電圧制御される。

なお、電力変換器４０，４０ａとも、ＩＮＶ端として動作する場合において、直流電流Ｉｄが大きくなると、ＡγＲ１３によって、出力できる電圧が制限される。

このように、ＲＥＣ端の電力変換器４０では、直流電流指令値Ｉｄｐに追従するＡＣＲ１１による定電流制御となり、ＩＮＶ端の電力変換器４０ａでは、直流電圧指令値Ｖｄｐに追従するＡＶＲによる定電圧制御となる。２つの特性グラフは１点で交差し、交差する点が直流送電システム１００の運転点ＯＰ１である。つまり、直流送電システム１００では、ＲＥＣ端は直流電流指令値Ｉｄｐで送電し、ＩＮＶ端は直流電圧Ｖｄ１の定電圧制御により受電する。

ＲＥＣ端の制御装置１０は、潮流方向を変更する指令を受信すると、直流電流指令値Ｉｄｐを電流マージンΔＩｄｐ差し引いて適用する。そして、ＩＮＶ端の制御装置１０ａは、直流電流指令値Ｉｄｐから電流マージンΔＩｄｐを差し引くことを解除する。そのため、ＲＥＣ端の制御装置１０は、位相制御角αＡＣＲを増大させて出力する直流電流を引き下げる。

その結果、図３（ｂ）に示すように、実線の特性グラフが電流マージンΔＩｄｐだけ左方向にシフトし、破線の特性グラフが電流マージンΔＩｄｐ分だけ右方向にシフトする。これによって、運転点ＯＰ２は、制御装置１０に設定された直流電圧指令値（−Ｖｄｐ）に追従する直流電圧（−Ｖｄ１）となる。制御装置１０は、位相制御角αＡＶＲを増大させて、直流電圧を反転させる。

図４（ａ）は、本実施形態の制御装置の動作を説明する模式的なタイミングチャートである。
図４（ａ）には、ＡＣＲ１１，ＡＶＲ１２がそれぞれ生成する位相制御角αＡＣＲ，αＡＶＲの時間変化およびＬＶＧ１４が出力する位相制御角αの時間変化が示されている。図４（ａ）には、これらの位相制御角の時間変化とともに、ＡＶＲ１２に適用される上下限のリミッタの値の時間変化を表す関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）が示されている。図では破線で、時間の関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）の曲線が示されている。また、図には、一点鎖線でαＡＶＲが、二点鎖線でαＡＣＲが、実線でαが示されている。

なお、図では、各曲線が重なることで変化の様子が見づらくなることから、同一時刻で同一の値となる場合であっても、上下にずらして表示している。具体的には、潮流反転前および潮流反転の前半では、αはαＡＣＲと等しい値となるところ、αＡＣＲをαよりも若干大きく表示している。また、潮流反転の後半および潮流反転後では、αはαＡＶＲと等しい値となるところ、αＡＶＲをαよりも若干大きく表示している。後述する他の実施形態の同様の図（図６、図８）についても同様である。

図４（ａ）に示すように、潮流反転指令が入力され、潮流反転が開始されると（時刻ｔ１）、上下限のリミッタの関数αＵＬ（ｔ），αＬＬ（ｔ）は、α０ＵＬ，α０ＬＬからα１ＵＬ，α１ＬＬに向かってそれぞれ増大するように変化する。

電力変換器４０が出力する電圧は、ＡＶＲ１２によって制御される直流電圧指令値−Ｖｄｐに向かって変化するため、ＡＶＲ１２が出力する位相制御角αＡＶＲは、増大する。

電力変換器４０が出力する電流は、ＡＣＲ１１によって制御される直流電流指令値Ｉｄｐから電流マージンΔＩｄｐ分だけ差し引かれて設定されるので、ＡＣＲ１１が出力する位相制御角αＡＣＲも、増大する。

関数αＵＬ（ｔ）の大きさは、αＡＶＲよりもゆっくりと増大するように設定されている。この例では、関数αＵＬ（ｔ）は、αＡＶＲの応答よりも遅い係数を有する一次遅れ関数である。時刻ｔ２において、αＡＶＲは、αＵＬ（ｔ２）で制限される。αＡＶＲがαＡＣＲと等しくなるまで、αＵＬ（ｔ）はαＡＶＲの上昇を制限する。時刻ｔ３以降では、αＡＶＲはαＡＣＲよりも小さくなり、電力変換器４０の動作は定電流制御から定電圧制御に切り替わる。

このように、本実施形態の制御装置１０は、時刻ｔ１から時刻ｔ３までのαＡＶＲを、時刻ｔ３より十分遅い時刻における位相制御角αの大きさよりも大きくならないように制限する。ここで、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの期間は、潮流反転指令により潮流反転が開始されてから、電力変換器が定電圧制御動作に切り替わるまでの期間である。また、時刻ｔ３より十分遅い時刻における位相制御角αは、直流電圧指令値（定格値）を出力するときの位相制御角である。したがって、電力変換器が出力する直流電圧の絶対値は、直流電圧指令値（定格値）の絶対値よりも大きくなることはなく、オーバーシュートやアンダーシュートを生じることが防止される。また、制御装置１０では、位相制御角αが、潮流反転時に転流失敗を生じにくくすることができる。

図４（ｂ）は、比較例の制御装置の動作を説明する模式的なグラフである。
図４（ｂ）には、本実施形態の場合と比較するために、リミッタ制御回路２０が作用しない場合の制御装置が生成する位相制御角の変化が示されている。
比較例の制御装置は、ＡＶＲの上限のリミッタの値がα１ＵＬで一定である以外、上述の実施形態の制御装置１０と同じ構成を備えている。なお、下限のリミッタの値はα０ＬＬで一定である。

図４（ｂ）に示すように、αＡＶＲは、実施形態の場合と同様に増大するが、時刻ｔ２で関数αＵＬ（ｔ）による上限の制限がされないので、αＡＶＲ（ｔ２）がαＵＬ（ｔ２）に相当する値に達した後も増大する。

αＡＶＲが直流電圧指令値（定格値）となるときの位相制御角αを超えて上昇し、時刻ｔ４において、αＡＶＲはαＡＣＲに等しくなる。その後、αＡＶＲは、時刻ｔ５に達するまで低下する。時刻ｔ５におけるαＡＶＲの値αＡＶＲ（ｔ５）は、直流電圧指令値（定格値）となるときの位相制御角αにほぼ等しい。

ここで、αＡＶＲ（ｔ４）はαＡＶＲ（ｔ５）よりも大きい。そして、αＡＶＲ（ｔ４），αＡＶＲ（ｔ５）は、αＡＣＲ以下である。つまり、時刻ｔ４と時刻ｔ５との間では、αＡＶＲは、ＡＶＲ１２によって設定された直流電圧指令値（定格値）になるときの位相制御角以上となっており、ＬＶＧ１４は、そのような位相制御角αを電力変換器４０に供給している。そのため、電力変換器は、直流電圧指令値（定格値）よりも絶対値が大きい直流電圧を出力しようとするので、出力電圧がオーバーシュートまたはアンダーシュートする。そして、位相制御角が大きくなるように制御される期間では、余裕角が小さくなり、転流失敗を生じるおそれが生じる。

次に、本実施形態の制御装置１０の起動時リミッタ設定回路３０の動作について説明する。図１で既に示したように、スイッチ回路３３は、リミッタ設定部３１の出力をＡＶＲ１２のリミッタ回路に接続しているので、リミッタ設定部３１は、起動指令が入力されるまで、ＡＶＲ１２のリミッタ回路には、リミッタの初期値α０が設定されている。

起動指令が入力されると、リミッタ設定部３１は、タイマ３２で設定された期間では、リミッタの上下限の値を所定の時間変化率で変化させて出力する。上下限のリミッタの値α０ＵＬ，α０ＬＬに達する。

その後、起動時リミッタ設定回路３０は、タイマ３２を出力を反転させて、スイッチ回路３３の入力を切り替える。スイッチ回路３３は、リミッタ制御回路２０から出力されるリミッタの値をＡＶＲ１２に供給する。

本実施形態の電力変換器の制御装置の効果について説明する。
本実施形態の制御装置１０では、リミッタ制御回路２０を備えており、リミッタ制御回路２０は、潮流方向を変更する指令に応答して、出力リミッタ回路に作用する。リミッタ制御回路２０は、上限リミッタの値をＲＥＣ端のリミッタ値からＩＮＶ端のリミッタ値に変化させる。

ＡＶＲ１２では、潮流方向を変更する指令に応答して、位相制御角αＡＶＲを増大させて、電力変換器４０の出力電圧を反転させる。一方、リミッタ制御回路２０は、潮流反転開始後には、ＡＶＲ１２の応答にかかわらず、位相制御角αの大きさを、ＡＶＲ１２に設定された直流電圧指令値（定格値）となるときの位相制御角を超えないように、αの上限を制限する。そのため、位相制御角αは、直流電圧が直流電圧指令値となるときの位相制御角を超えないので、出力電圧がオーバーシュート（アンダーシュート）したり、転流失敗したりすることを防止することができる。

電力変換器には、過大な直流電圧に対して、装置自体やシステムの損傷を防止するために、過電圧保護が設けられている場合が多い。オーバーシュートやアンダーシュートによって過電圧保護が機能することによって、電力変換器の運転が停止されてしまうと、直流送電システムが遮断されてしまい、再起動に時間要するおそれがある。転流失敗が発生した場合には、直流電圧、潮流電流が大きく変動し、電力変換器が接続される交流系統にも大きな擾乱を与えるおそれがある。本実施形態の電力変換器の制御装置１０では、このような不測の運転停止を防止することができ、安定して直流送電システムの運転を継続することができる。

本実施形態の制御装置１０では、ＲＥＣ端動作時の上限のリミッタの値α０ＵＬおよびＩＮＶ端動作時の上限のリミッタの値α１ＵＬをあらかじめ設定し、リミッタの値の移行期間における関数αＵＬ（ｔ）を適切かつ任意に設定することができる。そのため、直流送電システムに応じて、適切な関数αＵＬ（ｔ）を設定することができるので、潮流反転時のαＡＶＲの増大を制限することができ、確実にオーバーシュート、アンダーシュートおよび転流失敗を防止することができる。

さらに、関数αＵＬ（ｔ）とともに、α０ＵＬ，α１ＵＬも適切かつ任意に調整し、設定することができるので、直流送電システムに応じてより確実にオーバーシュート、アンダーシュートおよび転流失敗を防止することができる。

本実施形態では、起動時リミッタ設定回路３０をさらに備えており、リミッタ制御回路２０は、起動時リミッタ設定回路３０が動作を完了した後に切り替えられて動作する。そのため、リミッタ制御回路２０は、起動時リミッタ設定回路３０の動作に干渉することなく、安定して潮流反転動作を実現することができる。

（第２の実施形態）
図５は、本実施形態に係る電力変換器の制御装置を例示するブロック図である。
本実施形態では、制御装置２１０は、潮流方向によるリミッタ制御回路２２０を備える。潮流方向によるリミッタ制御回路（以下、単にリミッタ制御回路という）２２０は、ＡＶＲ１２のリミッタ回路に作用して、ＡＶＲ１２の上限のリミッタの値を設定する。本実施形態の場合には、ＡＶＲ１２のリミッタ回路の上限のリミッタの値は、電力変換器が出力する実際の直流電圧の値をあらかじめ設定された判定値と比較することによって決定される。

リミッタ制御回路２２０は、電力変換器が出力する直流電圧の絶対値が直流電圧の復帰判定値の絶対値に達したときに、上下限のリミッタの値がＬＶＧ１４が出力している位相制御角αに一致するように設定する。なお、出力リミッタ回路１５の上下限のリミット値は、あらかじめ設定された値αＵＬ，αＬＬとされている。

この例では、リミッタ制御回路２２０は、絶対値回路２２１，２２２と、比較器２２３と、ワンショット回路２２４と、スイッチ回路２２５と、を含む。絶対値回路２２１，２２２には、直流電圧の検出値Ｖｄおよび復帰判定値Ｖｄ（ｄｅｔ）がそれぞれ入力される。絶対値回路２２１，２２２の出力は、比較器２２３に入力される。比較器２２３の出力は、ワンショット回路２２４に入力される。ワンショット回路２２４の出力は、スイッチ回路２２５の制御入力に入力される。

スイッチ回路２２５は、２つのスイッチ２２５ａ，２２５ｂを含んでいる。スイッチ２２５ａの一方の入力には、あらかじめ設定された上限のリミッタの値αＵＬが設定されている。スイッチ２２５ａの他方の入力には、ＬＶＧ１４の出力が接続されている。スイッチ２２５ａの出力はＡＶＲ１２のリミッタ回路に接続され、上限のリミッタの値を提供する。スイッチ２２５ｂの一方の入力には、あらかじめ設定された下限のリミッタの値αＬＬが設定されている。スイッチ２２５ｂの他方の入力には、ＬＶＧ１４の出力が接続されている。スイッチ２２５ｂの出力はＡＶＲ１２のリミッタ回路に接続され、下限のリミッタの値を提供する。スイッチ２２５ａ，２２５ｂの制御入力は、ワンショット回路２２４の出力に接続されている。

ワンショット回路２２４の出力がローレベルの間には、スイッチ２２５ａ，２２５ｂは、αＵＬ，αＬＬをＡＶＲ１２のリミット値として設定する。ワンショット回路２２４の出力がハイレベルの間には、スイッチ２２５ａ，２２５ｂは、ＬＶＧ１４の出力をＡＶＲ１２のリミット値として設定する。

本実施形態の制御装置の動作について説明する。
図６は、本実施形態の制御装置の動作を説明する模式的なグラフである。
図６の上段の図は、ＡＣＲ１１およびＡＶＲ１２が生成する位相制御角αＡＣＲ，αＡＶＲの時間変化およびＬＶＧ１４が出力する位相制御角αの時間変化を示している。αＡＣＲは二点鎖線で示され、αＡＶＲは一点鎖線が示され、αは実線で示されている。αＵＬは、ＡＶＲの上限のリミッタの値であり、時間に関して一定である。なお、図には、下限のリミッタの値αＬＬも示されている。
図６の下段の図は、制御装置が制御している電力変換器が出力する直流電圧Ｖｄの時間変化を太実線で示している。
図６の上下の図では、時間軸は同じである。

図６に示すように、時刻ｔ１において潮流反転指令により潮流反転が開始されると、位相制御角αＡＣＲ，αＡＶＲは、増大し始め、電力変換器が出力する直流電圧Ｖｄは反転を開始し、低下する。

直流電圧Ｖｄがさらに低下し、時刻ｔ１１において復帰判定値−Ｖｄ（ｄｅｔ）に達すると、リミッタ制御回路２２０の比較器２２３の出力はハイレベルに反転する。ハイレベルの信号を入力したワンショット回路２２４は、あらかじめ設定されたパルス幅のワンショットパルス信号をスイッチ回路２２５の制御入力に供給する。

ハイレベルのワンショットパルス信号によって、スイッチ２２５ａは、αＵＬが供給されている一方の入力から、ＬＶＧ１４の出力が供給されている他方の入力に、ＡＶＲ１２の上限のリミッタの値を切り替える。同時に、スイッチ２２５ｂは、αＬＬが供給されている一方の入力から、ＬＶＧ１４の出力が供給されている他方の入力にＡＶＲ１２の下限のリミッタの値を切り替える。

上下限のリミッタの値が同一の値であるαに設定されるので、ＡＶＲ１２は、ワンショットパルス信号がハイレベルの期間には、ＬＶＧ１４が出力している位相制御角αと同一の大きさのαを出力する。

時刻ｔ１１までの期間では、αＡＣＲの値がαＡＶＲの値よりも小さく、そのため、αの値はαＡＣＲに等しい。一方、αＡＶＲの値は、時刻ｔ１１において、ワンショット回路２２４によって強制的にαの値に設定される。ワンショット回路２２４が出力するパルス幅の期間が経過すると、αＡＶＲは、ＡＶＲ１２の応答性能に応じて変化するが、ｔ１１以降には、αＡＣＲを上回ることはないため、αＡＶＲによって決定される直流電圧は、直流電圧指令値（定格値）を超えることはない。

本実施形態の制御装置の効果について説明する。
本実施形態では、制御装置２１０は、リミッタ制御回路２２０を備えている。本実施形態の場合には、リミッタ制御回路２２０は、電力変換器が出力する直流電圧Ｖｄが所定の復帰判定値に達したか否かによって、リミッタの値を切り替えるので、確実にαＡＶＲの上昇を抑制することができる。

本実施形態では、直流電圧の復帰判定値Ｖｄ（ｄｅｔ）を検出した瞬間には、αＡＶＲはステップ状に変化するが、ＬＶＧ１４が出力する位相制御角αの値は、αＡＣＲおよびαＡＶＲの大きさの小さい方を選択することによって決定されるので、出力される位相制御角αは、急変せず、したがって電力変換器が出力する電流や直流電圧が急変することもない。

直流電圧の復帰判定値Ｖｄ（ｄｅｔ）の値は、適切なものを任意に設定することができる。復帰判定値Ｖｄ（ｄｅｔ）を検出したときのαが、ＡＶＲ１２に設定された直流電圧指令値（定格値）となるときの位相制御角αよりも小さければ、時刻ｔ１１以降のαＡＶＲも直流電圧指令値（定格値）となるときの位相制御角をほとんど超えることがないようにすることができる。復帰判定値Ｖｄ（ｄｅｔ）は、たとえば直流電圧指令値（定格値）の９０％程度に設定することができ、直流送電システムに応じて、調整し、適切な値を設定することによって、出力電圧のオーバーシュート、アンダーシュートおよび転流失敗を防止することができる。

（第３の実施形態）
図７は、本実施形態に係る電力変換器の制御装置を例示するブロック図である。
本実施形態では、制御装置３１０は、潮流方向によるリミッタ制御回路３２０を備える。潮流方向によるリミッタ制御回路（以下、単にリミッタ制御回路という）３２０は、ＡＶＲ３２１を含む。ＡＶＲ３２１は、ＡＶＲ１２がフィードバック制御による定電圧制御を実行するのに対して、オープンループ制御によって、定電圧制御を実行する。ＡＶＲ３２１には、直流電圧指令値Ｖｄｐ、直流電流Ｉｄ、交流電圧Ｖａｃおよび転流インピーダンスＺｃを入力し、これらにもとづいて位相制御角の推定値αＡＶＲ０を演算する。

リミッタ制御回路３２０は、加算器３２２をさらに含む。リミッタの上限値には、加算器３２２によって、推定値αＡＶＲ０には、あらかじめ設定されたバイアス値αｍが加算される。ＡＶＲ１２の上限のリミッタの値は、αＡＶＲ０にαｍを加算したαＡＶＲ０’が供給される。

バイアス値αｍは、通常の運転においてリミッタ制御回路３２０が生成する位相制御角αＡＶＲ０が、ＡＶＲ１２の出力を制限しない程度の小さな値に設定される。バイアス値αｍは、数°であり、たとえば３°程度である。

本実施形態の制御装置３１０の動作について説明する。
図８は、本実施形態の制御装置の動作を説明する模式的なグラフである。
図８の線種は、図４等で説明したものと同一である。ただし、破線の曲線は、リミッタ制御回路３２０が出力する位相制御角の推定値αＡＶＲ０’を示している。

図８に示すように、時刻ｔ１において、潮流反転指令により潮流反転が開始されると、αＡＣＲ，αＡＶＲが上昇し、αも上昇する。

リミッタ制御回路３２０は、直流電圧指令値Ｖｄｐ、直流電流Ｉｄ、交流電圧Ｖａｃおよび転流インピーダンスＺｃを入力し、周知の関係式を用いて、位相制御角の推定値αＡＶＲ０を演算する。ここで、周知の関係式とは、電力変換器が定電圧制御によって出力する直流電圧Ｖｄが、直流電圧指令値（定格値）に制御されるような位相制御角を求めるものである。直流電流Ｉｄおよび交流電圧Ｖａｃが実測値であるため、ＡＶＲ３２１はオープンループ制御を実行することとなる。

推定値αＡＶＲ０の値は、直流電圧Ｖｄの実測値を用いているので、潮流反転開始後、直流電圧Ｖｄの絶対値の変化に応じて変化する。そのため、破線の曲線は、直流電流Ｉｄが変化している期間で多少増減するが、全期間にわたってほぼ一定の値となる。なお、ＡＶＲ１２の上限のリミッタの値αＵＬは、通常動作しているＡＶＲ１２の出力および推定値αＡＶＲ０’よりも大きな値に設定されている。

時刻ｔ２１において、ＡＶＲ１２によって生成された位相制御角αＡＶＲは、αＡＶＲ０’に到達するので、位相制御角αＡＶＲがこれ以上大きくなることが抑制される。

その後、時刻ｔ２２において、αＡＶＲは、αＡＣＲよりも小さくなり、制御装置３１０が出力する位相制御角αは、αＡＶＲと等しくなり、電力変換器は直流電圧指令値（定格値）で定電圧制御運転をすることができる。

本実施形態の制御装置の効果について説明する。
本実施形態では、制御装置３１０は、ＡＶＲ３２１を備えている。ＡＶＲ３２１は、直流電圧指令値Ｖｄｐ、直流電流Ｉｄ、交流電圧Ｖａｃおよび転流インピーダンスＺｃを入力して、電力変換器が出力する直流電圧Ｖｄが、直流電圧指令値（定格値）に制御されるような位相制御角αＡＶＲ０を演算する。このように、ＡＶＲ３２１は、オープンループ制御を実行し、演算により出力する推定値αＡＶＲ０は、直流電圧指令値（定格値）を出力するときの位相制御角αにほぼ等しい。そのため、αＡＶＲの大きさを、直流電圧指令値（定格値）を出力するときの位相制御角を超えないようにすることができる。したがって、出力電圧がオーバーシュート、アンダーシュートおよび転流失敗を防止することができる。

ＡＶＲ３２１が出力する位相制御角の推定値αＡＶＲ０にはバイアス値αｍが加算されて、上限のリミット値に設定される。バイアス値αｍは、推定値αＡＶＲ０よりも十分に小さい値があらかじめ設定されているので、バイアス値αｍを加算することによって、潮流反転時の位相制御角の上限リミットのみならず、通常の運転時には、ＡＶＲ１２が生成する位相制御角αＡＶＲの値に影響を与えないようにすることができる。

上述したいずれの実施形態の場合において、ＲＥＣ端からＩＮＶ端に潮流反転するときに、＋Ｖｄｐから−Ｖｄｐに変化することについて説明をしたが、制御装置は、直流電圧の絶対値で制御するので、−Ｖｄｐから＋Ｖｄｐに変化することについても同様である。

以上説明した実施形態によれば、潮流方向の反転時にも安定して運転を継続することができる電力変換器の制御装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１，１ａ 電力系統、３ 直流送電線、１０，１０ａ，２１０，３１０ 制御装置、１１ 定電流制御回路、１２ 定電圧制御回路、１３ 余裕角制御回路、１４ 最小値選択回路、１５ 出力リミッタ回路、２０，２２０，３２０ リミッタ制御回路、３０ 起動時リミッタ設定回路、３１ リミッタ設定部、３２ タイマ、３３ スイッチ回路、４０，４０ａ 電力変換器、１００ 直流送電システム、２２１，２２２ 絶対値回路、２２３ 比較器、２２４ ワンショット回路、２２５ スイッチ回路、３２１ 定電圧制御回路、３２２ 加算器

Claims (6)

1. 交流の電力系統と直流送電線との間に設けられた電力変換器の制御装置であって、
   設定された直流電圧指令値および前記電力変換器が出力する直流電圧にもとづいて、第１位相制御角を生成する第１定電圧制御回路と、
   設定された直流電流指令値および前記直流送電線を流れる直流電流にもとづいて、第２位相制御角を生成する定電流制御回路と、
   前記第１位相制御角および前記第２位相制御角のうち小さい方を選択して出力する最小値選択回路と、
   前記最小値選択回路の出力の上限を設定する第１リミッタ設定回路と、
   を備え、
   潮流方向の状態を変更する指令によって、前記電力変換器が順変換器から逆変換器に動作の状態を変更する場合に、
   前記第１リミッタ設定回路は、前記指令の入力後に、前記直流電圧が前記直流電圧指令値に追従するときの位相制御角を超えないように、前記出力を制限する電力変換器の制御装置。
2. 前記第１リミッタ設定回路は、
   前記電力変換器が順変換器として動作するときに設定される第１上限リミット値と、
   前記第１上限リミット値よりも大きい値を有し、前記指令の入力がされたとき設定される第２上限リミット値と、
   前記第１上限リミット値から前記第２上限リミット値に遷移するための時間に関する第１関数と、
   を含む請求項１記載の電力変換器の制御装置。
3. 前記第１上限リミット値よりも小さい値を有する第３上限リミット値と、
   前記第３上限リミット値から前記第１上限リミット値に遷移するための時間に関する第２関数と、
   を含む第２リミッタ設定回路をさらに備え、
   前記第２リミッタ設定回路は、
   前記電力変換器を起動指令によって起動させる場合に、
   前記起動指令に応じて、前記第３上限リミット値から前記第１上限リミット値に前記第２関数を介して遷移させた後、前記指令を入力する請求項２記載の電力変換器の制御装置。
4. 前記指令の入力後であって、前記電力変換器が出力する直流電圧があらかじめ設定されたしきい値に達した場合に、前記第１リミッタ設定回路は、前記第１定電圧制御回路の上限および下限を制限することによって、そのときの前記第２位相制御角に前記第１位相制御角を設定する請求項１記載の電力変換器の制御装置。
5. 前記第１リミッタ設定回路は、
   前記直流電圧指令値、前記電力変換器が出力する直流電流、前記電力系統の交流電圧および転流インピーダンスにもとづいて、前記電力変換器が出力する直流電圧が、前記直流電圧指令値に等しくなる位相制御角の推定値を演算する第２定電圧制御回路を含み、
   前記第２定電圧制御回路の出力によって、前記第１定電圧制御回路の出力の上限を設定する請求項１記載の電力変換器の制御装置。
6. 前記第１リミッタ設定回路は、
   前記第２定電圧制御回路の出力に設けられた加算器を含む請求項５記載の電力変換器の制御装置。

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