JP7324563B2 - 無効電力補償装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、無効電力補償装置に関する。

モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、ＭＭＣ）方式の電力変換器の応用が進んでいる。ＭＭＣ方式の電力変換器は、複数の変換器ユニットをカスケード接続し、多重変調により交流出力を生成するので、フィルタレスで交流系統に接続することができる。また、電力変換器を構成する変換器ユニットの段数を増やすことで、高電圧に対応することも容易であり、電力系統に接続する変換器として有用である。

無効電力補償装置は、交流系統の無効電力を所望の値になるように、交流系統に無効電力を注入する。交流系統には、単相や３相の交流が用いられる。無効電力補償装置にＭＭＣ方式の電力変換器を適用する場合に、単相の交流系統への適用が困難であるとの問題がある。

ＭＭＣ方式の電力変換器を３相の交流系統に適用する場合も、３相交流との結線方式により、問題を生じ得る。

特開２０１５－１４２４６７号公報

実施形態は、電力系統の種類を問わずに接続することができるＭＭＣ方式の無効電力補償装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る無効電力補償装置は、単相変圧器を介して交流系統に接続される。この無効電力補償装置は、カスケードに接続された複数の変換器ユニットを含む電力変換器と、前記複数の変換器ユニットにそれぞれ接続された制御装置と、を備える。前記制御装置は、あらかじめ設定された無効電力指令、前記交流系統の線間電圧、前記単相交流系統の線電流、前記電力変換器の出力電流および前記複数の変換器ユニットが出力し得る電圧にもとづいて、前記複数の変換器ユニットのそれぞれの動作を制御する。前記制御装置は、前記線間電圧の位相に同期する第１位相同期信号および前記第１位相同期信号に直交する位相を有する第２位相同期信号を生成する単相同期検出回路を含む。前記制御装置は、前記線間電圧および前記線電流にもとづいて演算された無効電力検出値および前記無効電力指令にもとづいて生成された第１無効電流指令を前記第２位相同期信号の位相に同期させて第２無効電流指令として生成し、前記出力電流と前記第２無効電流指令にもとづいて、第１電圧指令を生成し、前記第１電圧指令および前記線間電圧にもとづいて、第２電圧指令を生成し、前記複数の変換器ユニットは、前記第２電圧指令にもとづいてそれぞれ動作することを特徴とする。

本実施形態では、電力系統の種類を問わずに接続することができるＭＭＣ方式の無効電力補償装置が提供される。

第１の実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。 第１の実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。 第１の実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。 第１の実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。 第１の実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的な動作波形図である。 図６（ａ）は、第１の実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的な等価回路図である。図６（ｂ）は、第１の実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的なベクトル図である。 図７（ａ）および図７（ｂ）は、第１の実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的なベクトル図である。 図８（ａ）および図８（ｂ）は、第１の実施形態の無効電力補償装置のシミュレーションによる模式的な動作波形の例である。 図９（ａ）および図９（ｂ）は、第１の実施形態の無効電力補償装置のシミュレーションによる模式的な動作波形の例である。 第２の実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。 第３の実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。 図１２（ａ）は、第３の実施形態の無効電力補償装置に接続される３相変圧器の模式的な等価回路図である。図１２（ｂ）は、比較例の無効電力補償装置に接続される３相変圧器の模式的な等価回路図である。 第４の実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

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、本実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、無効電力補償装置１は、電力変換器１０と、変換器制御装置（制御装置）２０と、を備える。無効電力補償装置１は、単相変圧器３を介して、交流系統２に接続される。この例のように、無効電力補償装置１は、遮断器７を介して交流系統２に接続されるようにしてもよい。遮断器７は、たとえば、交流系統２に地絡等の異常が生じた場合に、無効電力補償装置１を保護するために設けられる。

電力変換器１０と交流系統２との間には、いくつかの計測機器が設けられている。これらの計測機器は、電流検出器４，６および電圧検出器５である。電流検出器４は、交流系統２と単相変圧器３との間に流れる電流ｉｓ（ｔ）を計測するように設けられている。電流検出器４は、電流ｉｓ（ｔ）の検出値として、交流電流フィードバック信号ｉｓ１（ｔ）を出力する。電流検出器６は、単相変圧器３と電力変換器１０との間に流れる電流ｉｃ（ｔ）を計測するように設けられている。電流検出器６は、電流ｉｃ（ｔ）の検出値として変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）を出力する。電圧検出器５は、交流系統２の線間の電圧ｖｓ（ｔ）を計測するように設けられている。電圧検出器５は、電圧ｖｓ（ｔ）の検出値として系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）を出力する。

電流検出器４，６および電圧検出器５は、適切な範囲の電流値および電圧値に変換する機器とともに設けられていてもよい。たとえば電流検出器４，６は、変流器によって変流された電流値を計測し、電圧検出器５は、計器用変圧器によって降圧された電圧値を計測するようにしてもよい。

電流検出器４，６および電圧検出器５は、変換器制御装置２０に接続されている。変換器制御装置２０は、電流検出器４，６および電圧検出器５から交流電流フィードバック信号ｉｓ１（ｔ）、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）および系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）のデータを取得する。

変換器制御装置２０は、電力変換器１０に接続されている。変換器制御装置２０は、電力変換器１０が有する複数の変換器ユニット１２のそれぞれに接続されている。以下では、変換器ユニットを単にユニットといい、図中もユニットと表記するものとする。変換器制御装置２０および電力変換器１０は、たとえば光ファイバで接続される。

変換器制御装置２０は、電力変換器１０を構成する各ユニット１２から直流電圧のデータを収集する。各ユニット１２の直流電圧とは、後に詳述するが、各ユニット１２のコンデンサに印加されている電圧である。ユニット１２の直流電圧を単に直流電圧という場合がある。各ユニット１２は、コンデンサに印加された直流電圧を出力することができる。変換器制御装置２０は、交流電流フィードバック信号ｉｓ１（ｔ）、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）および系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）の各データならびに各ユニット１２の直流電圧のデータにもとづいて、各ユニット１２に対するゲート信号に関するデータを含む制御データを生成し、各ユニット１２に送信する。各ユニット１２は、変換器制御装置２０から受信した制御データにしたがって、動作する。

変換器制御装置２０が生成する制御データは、各ユニット１２の動作のためのゲート信号の位相情報等を含んでいる。ゲート信号は、各ユニット１２に対する電圧指令にもとづいて生成される。各ユニット１２に対する電圧指令は、変換器制御装置２０によって演算された電流指令にもとづいて生成される。変換器制御装置２０の具体的な構成については、後述する。

電力変換器１０では、複数のユニット１２がカスケードに接続されている。この例では、６台のユニット１２が直列に接続されているが、ユニットの接続台数は、これに限らず、２台以上接続されていればよく、出力する変換器電圧の振幅に応じて適切な台数に設定される。

電力変換器１０では、カスケードに接続された複数のユニット１２の両端が、単相変圧器３の２次巻線に接続される。単相変圧器３の１次巻線は、交流系統２に接続される。

図２は、本実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図２には、無効電力補償装置１の電力変換器１０に設けられるユニット１２の構成が簡略化されて示されている。
図２に示すように、ユニット１２は、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙと、コンデンサ１０４と、ゲート回路１０２Ｕ，１０２Ｘ，１０２Ｖ，１０２Ｙと、ユニット制御回路１０１と、制御電源回路１０５と、を含む。

スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙのそれぞれは、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されている。スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙは、単相ブリッジ回路を構成する。この例では、２つのスイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘは、直列に接続されている。スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘの接続ノードには、接続端子１２ａが接続されている。２つのスイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙは、直列に接続されている。スイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙの接続ノードには、接続端子１２ｂが接続されている。コンデンサ１０４は、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘの直列回路およびスイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙの直列回路に並列に接続されている。

コンデンサ１０４は、充電されており、単相ブリッジ回路の動作によって、コンデンサ１０４の電圧は、時間的に変動する。図２には図示しないが、コンデンサ１０４の両端の電圧を計測するように、電圧検出器が設けられており、電圧検出器は、コンデンサ１０４の両端の電圧を検出して、直流電圧フィードバック信号ｖｄｃｋ（ｔ）として出力する。コンデンサ１０４の両端の電圧がユニット１２の直流電圧である。

電圧ｖｄｃｋ（ｔ）のように添え字の“ｋ”は、カスケードに接続されたｎ台のユニット１２のｋ番目のユニット１２に対応することを示している。つまり、ｋ＝１～ｎ（自然数）であり、直流電圧フィードバック信号ｖｄｃｋ（ｔ）は、ｋ番目のユニット１２のコンデンサ１０４の両端の電圧の検出値であることを表している。その他の記号に添え字として“ｋ”を用いる場合も特に断らない限り同様である。

ゲート回路１０２Ｕ，１０２Ｘ，１０２Ｖ，１０２Ｙは、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙを駆動するようにスイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙのゲートにそれぞれ接続されている。ゲート回路１０２Ｕ，１０２Ｘ，１０２Ｖ，１０２Ｙは、ユニット制御回路１０１からゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹを供給されて、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙのためのゲート駆動信号に増幅してスイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙを駆動する。

ユニット制御回路１０１は、ゲート回路１０２Ｕ，１０２Ｘ，１０２Ｖ，１０２Ｙに接続されており、変換器制御装置２０から受信した制御データからゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹを抽出して、ゲート回路１０２Ｕ，１０２Ｘ，１０２Ｖ，１０２Ｙに供給する。ユニット制御回路１０１は、検出された直流電圧フィードバック信号ｖｄｃｋ（ｔ）のデータをｋ番目のユニットの直流電圧のデータとして、変換器制御装置２０へ送信する。

スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘ，１０３Ｖ，１０３Ｙは、ゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹに応じてオンオフする。スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｙがオンし、スイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙがオフしたときに接続端子１２ｂを基準に、接続端子１２ａに正の電圧が出力される。スイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙがオンし、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘがオフしたときに、接続端子１２ｂを基準に、接続端子１２ａに負の電圧が出力される。この例では、ゲート信号ＧＵ，ＧＶが位相シフトされた信号とされ、ユニット１２は位相シフト制御されて動作する。

図３および図４は、本実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図３および図４は、変換器制御装置２０の構成の一部を模式的に示しており、図３の構成で生成された電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）は、図４のＰＷＭ制御器２６０，２６２に供給されることを表している。電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）は、ユニット１２ごとにそのユニット１２のための信号として生成され、出力される。そのため、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）を生成し、出力する図３のブロックのうち、ユニット１２の直流電圧指令を生成するブロック（図３の演算器２４０、ユニットの直流電圧制御部２４１、乗算器２４２および演算器２２４を含むブロック）は、ユニット１２の台数分設けられる。また、図４のブロックもユニット１２の台数分設けられる。

図３に示すように、変換器制御装置２０は、無効電力検出回路２０１と、単相同期検出回路２０２、無効電力制御部２１１と、乗算器２１２と、電流制御部２２１と、を含む。

無効電力検出回路２０１は、電流検出器４および電圧検出器５に接続されている。無効電力検出回路２０１は、電流検出器４によって検出された交流電流フィードバック信号ｉｓ１（ｔ）および電圧検出器５によって検出された系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）のデータを入力し、これらのデータを用いて、交流系統２の無効電力検出値Ｑを演算する。

単相同期検出回路２０２は、電圧検出器５に接続されている。単相同期検出回路２０２は、系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相を検出する回路であり、電圧検出器５によって検出された系統電圧フィードバック信号ｖｓ（ｔ）を用いて、系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相に同期した位相同期信号ｓｉｎωｔおよび系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相から９０°遅れた位相の位相同期信号（－）ｃｏｓωｔを出力する。系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）からｓｉｎωｔを抽出する技術は、周知の回路技術を用いることができる（たとえば、特許第５９７０２０８号公報等）。

無効電力制御部２１１、乗算器２１２および電流制御部２２１は、電力変換器１０が出力する変換器電流ｉｃ（ｔ）を、無効電力指令Ｑｒｅｆにもとづいて生成された電流指令ｉｒｅｆに追従させる制御を行うブロックである。電流指令ｉｒｅｆは、後述するように、無効電流指令および有効電流指令を含むことができるが、上述のブロックでは、このうちの無効電流分である無効電流指令ｉｒｅｆ’を生成する。

無効電力制御部２１１の入力は、演算器２１０の出力に接続されている。演算器２１０の一方の入力は、無効電力検出回路２０１の出力に接続されている。演算器２１０の他方の入力には、無効電力指令Ｑｒｅｆが入力される。演算器２１０は、無効電力指令Ｑｒｅｆと無効電力検出値Ｑの偏差を出力する。無効電力制御部２１１は、無効電力指令Ｑｒｅｆと無効電力検出値Ｑとの偏差を入力して、無効電力検出値Ｑが無効電力指令Ｑｒｅｆに追従するように無効電流指令Ｉｑｒｅｆを生成し、出力する。無効電力制御部２１１は、たとえばＰＩ制御器である。

無効電力制御部２１１の出力は、乗算器２１２の一方の入力に接続されている。乗算器２１２の他方の入力には、位相同期信号ｃｏｓωｔが入力される。位相同期信号ｃｏｓωｔは、単相同期検出回路２０２によって生成された位相同期信号（－）ｃｏｓωｔを図示しないインバータで反転させて生成される。

ここで、本実施形態の無効電力補償装置１が交流系統２から見てコンデンサと等価な無効電力を出力するときに、その無効電力を正とするものとする。そのため、無効電力補償装置１が出力する無効電流は、系統電圧ｖｓ（ｔ）に対し位相が９０°進むことになる。乗算器２１２は、無効電流指令Ｉｑｒｅｆにｃｏｓωｔを乗ずることによって、系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相から９０°進んだ位相の電流指令ｉｒｅｆ’を生成する。つまり、電流指令ｉｒｅｆ’は、電力変換器１０が出力する変換器電流ｉｃ（ｔ）の無効電流に対する指令値である。

演算器２２０の一方の入力は、電流検出器６に接続されている。演算器２２０の一方の入力には、電流検出器６によって検出された変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）が入力される。演算器２２０の他方の入力は、演算器２１３を介して、乗算器２１２の出力に接続されている。演算器２２０の他方に入力には、乗算器２１２から出力される電流指令ｉｒｅｆが入力される。電流指令ｉｒｅｆは、無効電流指令ｉｒｅｆ’に、後述する有効電流指令Ｉｐｒｅｆを加算した指令値である。演算器２２０は、電流指令ｉｒｅｆと変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）を入力して、これらの偏差を出力する。

演算器２２０の出力は、電流制御部２２１の入力に接続されている。電流制御部２２１は、たとえばＰＩ制御器である。電流制御部２２１は、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）が電流指令ｉｒｅｆに追従するように制御量を生成し、出力する。電流制御部２２１が出力する制御量は、演算器２２２によって、系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）に加算されて、各ユニット１２のための電圧指令が生成される。

電流制御部２２１の出力は、演算器２２２の一方の入力に接続されている。演算器２２２の他方の入力は、電圧検出器５に接続されている。演算器２２２は、電流制御部２２１が生成し、出力する制御量に系統電圧フィードバック信号ｖｓ１（ｔ）を加算して出力する。演算器２２２が出力する信号は、各ユニットに共通する電圧指令とされる。

次に、直流偏磁抑制制御のブロックの構成について説明する。
直流偏磁抑制制御のブロックは、単相変圧器３に流れる直流電流成分を０に制御することにより、変圧器のコアの偏磁を防止するために設けられている。直流偏磁抑制制御のブロックは、直流電流成分検出部２３０および直流偏磁抑制制御部２３２を含んでいる。このブロックで生成された偏磁抑制電圧指令ｖｄｃｃは、各ユニット１２に共通する電圧指令に加算される。

直流電流成分検出部２３０は、電流検出器６に接続されている。直流電流成分検出部２３０は、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）を入力して、変換器電流の直流成分を抽出する。直流電流成分検出部２３０の出力は、演算器２３１の一方の入力に接続されている。演算器２３１の他の入力には、“０”が入力されている。演算器２３１は、変換器電流の直流成分と“０”との偏差を出力する。

直流偏磁抑制制御部２３２は、演算器２３１の出力に接続されている。直流偏磁抑制制御部２３２は、たとえばＰＩ制御器であり、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）の直流成分を０に追従させるように、偏磁抑制電圧指令ｖｄｃｃを生成する。

直流偏磁抑制制御部２３２の出力は、演算器２２３の一方の入力に接続されている。直流偏磁抑制制御部２３２によって生成され、出力された偏磁抑制電圧指令ｖｄｃｃは、演算器２２３の一方の入力に入力される。演算器２２３の他方の入力には、演算器２２２の出力が接続されており、ユニット１２のための電圧指令ｖｒｅｆが入力される。偏磁抑制電圧指令ｖｄｃｃは、電圧指令ｖｒｅｆに加算されて、単相変圧器３に流れる直流電流を抑制する。

次に、有効電流指令Ｉｐｒｅｆを生成し、出力するブロックの構成について説明する。
直流電圧平均部２５０、変換器直流電圧制御部２５２および乗算器２５３は、交流系統２から取り出す有効電力に応じた有効電流指令Ｉｐｒｅｆを生成するブロックである。有効電流指令Ｉｐｒｅｆは、電流指令ｉｒｅｆ’に加算されて、新たな電流指令ｉｒｅｆが生成される。変換器電流ｉｃ（ｔ）が、有効電流指令Ｉｐｒｅｆを含む電流指令ｉｒｅｆに追従するように制御されることによって、各ユニット１２のコンデンサ１０４の両端の直流電圧を維持することができる。

直流電圧平均部２５０の入力には、各ユニット１２で検出された直流電圧フィードバック信号ｖｄｃｋ（ｔ）が入力される。上述したように、ｋは、１～ｎの自然数であり、図１の例では、６台分の直流電圧フィードバック信号が入力される。直流電圧平均部２５０は、全ユニット１２の直流電圧ｖｄｃｋ（ｔ）の平均値を演算して出力する。

直流電圧平均部２５０の出力は、演算器２５１の一方の入力に接続されている。演算器２５１の他方の入力には、各ユニット１２共通の直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆが入力される。演算器２５１は、全ユニット１２の直流電圧フィードバック信号の平均値と各ユニット１２共通の直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆの偏差を出力する。

変換器直流電圧制御部２５２の入力は、演算器２５１の出力に接続されている。変換器直流電圧制御部２５２は、全ユニット１２の直流電圧の平均値と各ユニット１２共通の直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆの偏差を入力して、全ユニット１２の直流電圧の平均値が直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆに追従するように制御量を出力する。変換器直流電圧制御部２５２は、たとえばＰＩ制御器である。

乗算器２５３の一方の入力には、変換器直流電圧制御部２５２の出力が接続されている。乗算器２５３の他方の入力には、位相同期信号ｓｉｎωｔが入力される。位相同期信号ｓｉｎωｔは、単相同期検出回路２０２によって生成された系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相に同期する信号である。乗算器２５３は、全ユニット１２の直流電圧の平均値と各ユニット１２共通の直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆの偏差にもとづいて生成された制御量にｓｉｎωｔを乗じて出力する。位相同期信号ｓｉｎωｔは、系統電圧ｖｓ（ｔ）と同相であり、乗算器２５３が出力する信号は、全ユニット１２の直流電圧の平均値が直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆに追従するのに必要な有効電力分に応じた有効電流の情報を含んでおり、有効電流指令Ｉｐｒｅｆとされる。

演算器２１３の一方の入力は、乗算器２１２の出力に接続されている。演算器２１３の他方の入力は、乗算器２５３の出力に接続されている。演算器２１３の一方の入力には、無効電流指令ｉｒｅｆ’が入力され、演算器２１３の他方の入力には、有効電流指令Ｉｐｒｅｆが入力される。演算器２１３は、無効電流指令ｉｒｅｆ’と有効電流指令Ｉｐｒｅｆを加算して、電流指令ｉｒｅｆを出力する。

有効電流指令Ｉｐｒｅｆを生成し、無効電流指令ｉｒｅｆ’に加算して電流指令ｉｒｅｆとすることによって、電力変換器１０が出力する変換器電流ｉｃ（ｔ）は、所望の無効電流を出力しつつ、電力変換器１０と交流系統２と間での有効電力をやりとりすることを可能にする。換言すると、電力変換器１０は、有効電流指令Ｉｐｒｅｆに追従するように、交流系統２から有効電流を供給され、あるいは有効電流を出力することによって、各ユニット１２の直流電圧を一定に制御することができる。

次に、各ユニット１２の直流電圧をユニット１２ごとに制御するブロックの構成について説明する。
直流電圧をユニット１２ごとに制御するブロックは、ユニットの直流電圧制御部２４１１および乗算器２４２を含んでいる。ユニットの直流電圧制御部２４１および乗算器２４２は、各ユニット１２の直流電圧をユニット１２ごとに直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆに制御し、この例では、生成された制御量を無効電流指令ｉｒｅｆの位相に同期する信号として出力する。電流制御部２２１によって出力された信号に加算することによって、各ユニット１２のための電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）を生成し出力するブロックである。このブロックは、各ユニット１２の直流電圧を制御するため、ユニット１２ごとに設けられている。つまり、ｎ台のユニット１２それぞれが電圧指令ｖｒｅｆ１（ｔ）～ｖｒｅｆｎ（ｔ）を生成し、出力する。

ユニットの直流電圧制御部２４１の入力は、演算器２４０の出力に接続されている。演算器２４０の一方の入力には、ｋ番目のユニット１２に設けられた電圧検出器１０６によって検出された直流電圧フィードバック信号ｖｄｃｋ（ｔ）のデータが入力される。演算器２４０の他方の入力には、各ユニット１２共通の直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆが入力される。演算器２４０は、直流電圧フィードバック信号ｖｄｃｋ（ｔ）と直流電圧指令ｖｄｃｒｅｆとの偏差を出力し、ユニットの直流電圧制御部２４１に供給する。

ユニットの直流電圧制御部２４１は、たとえばＰＩ制御器であり、直流電圧ｖｄｃｋ（ｔ）が直流電圧指令ｖｄｃｒｅｆに追従するように制御量を生成し、出力する。

ユニットの直流電圧制御部２４１の出力は、乗算器２４２の一方の入力に接続されている。乗算器２４２の他方の入力には、演算器２１３の出力が接続されている。乗算器２４２は、ユニットの直流電圧制御部２４１が生成し、出力する制御量である、そのユニット１２に対する電圧指令の補正量である補正電圧指令ｖａｄｊｋに、電流指令ｉｒｅｆを乗じて出力する。つまり、乗算器２４２は、各ユニット１２のための補正電圧指令ｖａｄｊｋを、電力変換器１０が出力すべき電流の位相に同期した信号にして出力する。補正電圧指令ｖａｄｊｋは、電力変換器１０が出力する変換器電流ｉｃ（ｔ）と同相であればよいので、乗算器２４２の他方の入力に入力する信号は、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）としてもよい。

演算器２２４は、電圧指令ｖｒｅｆに偏磁抑制電圧指令ｖｄｃｃを加算した信号にさらに、電流指令ｉｒｅｆの位相に同期した補正電圧指令ｖａｄｊｋを加算して、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）を出力する。

次に、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）を用いて、ゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹを生成するブロックの構成例について説明する。
図４に示すように、ゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹを生成するブロックは、ＰＷＭ制御部２６０，２６２、キャリア信号生成回路２６４およびゲートロジック回路２６１，２６３を含む。

ＰＷＭ制御部２６０の一方の入力は、図３に示した演算器２２４の出力に接続されている。ＰＷＭ制御部２６０の他方の入力は、キャリア信号生成回路２６４の出力に接続されている。キャリア信号生成回路２６４は、キャリア信号ｖｃＵＸｋ（ｔ）を出力する。ＰＷＭ制御部２６０は、たとえば、２入力のコンパレータ回路を含んでおり、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）およびキャリア信号ｖｃＵＸｋ（ｔ）を比較して、結果をＰＷＭ出力として出力する。ＰＷＭ制御部２６０は、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３ＸのためのＰＷＭ出力を生成する。

ＰＷＭ制御部２６２の一方の入力は、図３に示した演算器２２４の出力に接続されている。ＰＷＭ制御部２６２の他方の入力は、キャリア信号生成回路２６４の出力に接続されている。キャリア信号生成回路２６４は、キャリア信号ｖｃＶＹｋ（ｔ）を出力する。キャリア信号ｖｃＶＹｋ（ｔ）は、キャリア信号ｖｃＵＸｋ（ｔ）の位相と１８０°異なる位相を有する信号である。ＰＷＭ制御部２６２は、たとえば、２入力のコンパレータ回路を含んでおり、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）およびキャリア信号ｖｃＶＹｋ（ｔ）を比較して、結果をＰＷＭ出力として出力する。ＰＷＭ制御部２６２は、スイッチング素子１０３Ｖ，１０３ＹのためのＰＷＭ出力を生成する。

ゲートロジック回路２６１は、スイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘが同時にオンしないようにゲート回路１０２Ｕ，１０２Ｘおよびスイッチング素子１０３Ｕ，１０３Ｘの特性等を考慮してオンオフのタイミングを調整して、ゲート信号ＧＵ，ＧＸを生成し、出力する。ゲートロジック回路２６３は、スイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙが同時にオンしないようにゲート回路１０２Ｖ，１０２Ｙおよびスイッチング素子１０３Ｖ，１０３Ｙの特性等を考慮してオンオフのタイミングを調整して、ゲート信号ＧＶ，ＧＹを生成し、出力する。

図５は、本実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的な動作波形図である。
図５の１段目の動作波形は、電圧軸（縦軸）の基準を合わせた状態で、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）と、キャリア信号ｖｃＵＸｋ（ｔ），ｖｃＶＹｋ（ｔ）の時間変化を示している。
図５の２段目から５段目の動作波形は、ゲートロジック回路２６１，２６３が生成し出力するゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹの時間変化を示している。
図５の最下段の動作波形は、図２に示した単相ブリッジ回路の出力（端子１２ａ，１２ｂ間）の電圧ｖｏｋ（ｔ）を示している。
なお、キャリア信号生成回路２６４が生成するキャリア信号は、ユニット１２ごとに位相を変えて生成され、図５の１段目の動作波形には、他のユニット１２のキャリア信号の波形も同時に示されている。
また、図５の２段目から５段目のゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹについては、表示の煩雑さを回避するためにデッドタイムを省略して示している。

図５に示すように、電圧指令ｖｒｅｆｋ（ｔ）とキャリア信号ｖｃＵＸｋ（ｔ），ｖｃＶＹｋ（ｔ）との比較結果により、ゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹが生成されている。そして、ユニット１２の出力の電圧ｖｏｋ（ｔ）は、ゲート信号ＧＵ，ＧＸ，ＧＶ，ＧＹに応じて出力されている。時刻ｔ１から時刻ｔ２までが、１／２周期であり、時刻ｔ２から時刻ｔ３が１／２周期であり、図５では、１周期分のユニット１２が出力する電圧ｖｏｋ（ｔ）の波形が示されている。電力変換器１０では、ユニット１２の台数に応じてキャリア信号の位相が異なる電圧が出力され、多重化されて、出力される。

本実施形態の無効電力補償装置１の動作について説明する。
図６（ａ）は、本実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的な等価回路図である。
図６（ｂ）、図７（ａ）および図７（ｂ）は、本実施形態の無効電力補償装置の動作を説明するための模式的なベクトル図である。
図６（ａ）には、図１に示した、交流系統２、単相変圧器３および電力変換器１０の接続状態を、簡易的な等価回路で表した図が示されている。図６（ａ）では、図１の交流系統２は、系統電圧ｖｓを生成し、図１の単相変圧器３は、漏れインダクタンスＸを有し、図１の電力変換器１０は、変換器電圧ｖｃを出力している。
図６（ａ）に示すように、漏れインダクタンスＸの両端に印加される電圧ΔＶは、漏れインダクタンスＸによるインピーダンスｊＸと漏れインダクタンスに流れる変換器電流ｉｃとの積に等しい。
図６（ｂ）は、図６（ａ）の等価回路図における各電圧をベクトル図で示している。
つまり、図６（ｂ）に示すように、電力変換器１０が出力する変換器電圧ｖｃ（ｔ）は、系統電圧ｖｓ（ｔ）にΔＶをベクトル加算したものである。

図７（ａ）は、ΔＶと、電力変換器１０が出力する変換器電流ｉｃの関係を表したベクトル図である。
図７（ａ）に示すように、電力変換器１０は、ΔＶから９０°位相が遅れた電流を出力するので、変換器電流ｉｃは、ΔＶに直交するベクトルとなる。変換器電流ｉｃは、無効電流成分および有効電流成分を含んでいる。ここで、ΔＶは、無効電力に対応する電圧成分ΔＶｐおよび有効電力に対応する電圧成分ΔＶｑを含んでいる。

変換器電流ｉｃのうち無効電流成分Ｉｑは、ΔＶｑおよび漏れインダクタンスＸで表すことができ、Ｉｑ＝ΔＶｑ／Ｘと表すことができる。無効電流成分Ｉｑは、系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相に対して９０°進んだベクトルで表される。

変換器電流ｉｃのうち有効電流成分Ｉｐは、ΔＶｐおよび漏れインダクタンスＸで表すことができ、Ｉｐ＝ΔＶｐ／Ｘと表すことができる。有効電流成分Ｉｐは、系統電圧ｖｓ（ｔ）と同相のベクトルで表される。

無効電流成分Ｉｑは、図３に関連して説明した無効電力制御部２１１および乗算器２１２によって生成された電流指令ｉｒｅｆ’に追従させる変換器電流ｉｃ（ｔ）の無効電流に相当する。

有効電流成分Ｉｐは、図３に関連して説明した変換器直流電圧制御部２５２および乗算器２５３によって生成された有効電流指令Ｉｐｒｅｆに追従させる変換器電流ｉｃ（ｔ）の有効電流に相当する。

つまり、本実施形態の無効電力補償装置１では、交流系統２における無効電力検出値Ｑにもとづいて無効電流指令Ｉｑｒｅｆを演算して、無効電流指令Ｉｑｒｅｆを交流系統２の電圧位相に対して９０°進めるように乗算器２１２でｃｏｓωｔを乗じて電流指令ｉｒｅｆ’を算出する。

また、各ユニット１２の直流電圧の平均値にもとづいて有効電流指令ｉｒｅｆ’’を演算して、有効電流指令ｉｒｅｆ’’を系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相と同じ位相となるように、乗算器２５３でｓｉｎωｔを乗じて有効電流指令Ｉｐｒｅｆを算出する。

演算器２１３によって、電流指令ｉｒｅｆ’および有効電流指令Ｉｐｒｅｆは、加算されて電流指令ｉｒｅｆが生成される。電力変換器１０は、電流指令ｉｒｅｆに追従するように変換器電流ｉｃ（ｔ）を出力する。

図７（ｂ）は、図１の例の場合の電力変換器１０の出力を各ユニット１２でどのように分担して出力するのかを示した図である。
図７（ｂ）に示すように、図１の例では、電力変換器１０を構成するユニット１２は、６台あり、変換器電圧ｖｃ（ｔ）は、６台のユニット１２が出力する電圧Ｖｏ１～Ｖｏ６のベクトル和である。図７（ｂ）には、各ユニット１２が出力する電圧Ｖｏｋは、有効電力に相当する成分および無効電力に相当する成分が合わせて示されている。系統電圧に平行な成分が無効電力成分に相当し、系統電圧に直交する成分が有効電力に相当する。

電圧Ｖｏ１～Ｖｏ３、Ｖｏ５およびＶｏ６では、有効電力成分に相当する成分が、右向きの矢印とされており、電圧Ｖｏ４では、有効電力成分に相当する成分が左向きとされている。この例では、電圧Ｖｏ１～Ｖｏ３、Ｖｏ５およびＶｏ６を出力している５台のユニット１２は、交流系統２から有効電力を供給されていることを表している。電圧Ｖｏ４を出力しているユニット１２は、交流系統２に有効電力を吐き出していることを表している。

図３に関連して説明したように、ユニット１２ごとに直流電圧制御がされており、コンデンサ１０４の両端の電圧が低下しているときには、交流系統２から有効電力を供給されるように、補正電圧指令ｖａｄｊｋを調整する。また、コンデンサ１０４の両端の電圧が上昇しているときには、交流系統２に有効電力を吐き出すように補正電圧指令ｖａｄｊｋを調整する。つまり、コンデンサ１０４の両端電圧を上昇させるか下降させるかによって、補正電圧指令ｖａｄｊｋの補正方向を逆方向にすることによって、各ユニット１２の直流電圧を制御しつつ、変換器電圧ｖｃ（ｔ）を出力することができる。

図８（ａ）～図９（ｂ）は、本実施形態の無効電力補償装置のシミュレーションによる模式的な動作波形の例である。
図８（ａ）～図９（ｂ）では、縦軸は、相対値で示されている。
図８（ａ）は、系統電圧ｖｓ（ｔ）、変換器電圧ｖｃ（ｔ）および変換器電流ｉｃ（ｔ）の時間変化を表している。図８（ａ）に示すように、変換器電圧ｖｃ（ｔ）は、系統電圧ｖｓ（ｔ）と同相の電圧が出力されている。シミュレーション回路では、単相変圧器と電力変換器との間に、制御動作検証のため、意図的に直流電圧源を接続してあり、その直流電圧を打ち消して直流電流成分が流れないようにするため、変換器電圧ｖｃ（ｔ）は、直流偏磁抑制制御によって、系統電圧ｖｓ（ｔ）よりも正側にシフトされている。変換器電流ｉｃ（ｔ）は、系統電圧ｖｓ（ｔ）の位相よりも９０°進んだ位相が再現されている。

図８（ｂ）は、３台分のユニット１２の直流電圧の変化分に相当する信号の時間変化を示している。
図８（ｂ）に示すように、カスケード接続された各ユニット１２は、キャリア信号の位相をずらしながらスイッチング動作しており、変換器全体として、周波数が高くなっている。各ユニットの電圧変動は、ほぼ同レベルであること、また、変動の中心が０になるように制御されている様子が再現されている。

図９（ａ）は、電流指令ｉｒｅｆおよび変換器電流ｉｃ（ｔ）の時間変化を示している。
図９（ａ）に示すように、変換器電流ｉｃ（ｔ）は、変換器制御装置２０によって生成された電流指令ｉｒｅｆに追従するように制御されることが再現されている。

図９（ｂ）は、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）に含まれる直流電流成分を表しており、図３の直流電流成分検出部２３０の出力を観測した波形である。この図の縦軸に目盛りはないが、変換器電流の０．１％以下の直流電流成分が変換器電流ｉｃ（ｔ）に重畳されている。図８（ａ）においては、このような微小な直流電流をキャンセルするように直流偏磁抑制制御が機能していることが再現されている。

このようにして、本実施形態の無効電力補償装置１は動作することができる。

本実施形態の無効電力補償装置１の効果について説明する。
本実施形態の無効電力補償装置１では、単相変圧器３の１次側が単相交流からなる交流系統２に接続され、その単相変圧器３の２次側にカスケード接続されたユニット１２を接続することによって、単相交流の交流系統２に接続することができる。

変換器制御装置２０は、単相同期検出回路２０２を有しており、単相同期検出回路２０２によって、系統電圧に直交する信号を生成することができる。そのため、系統電圧に直交する信号に同期するように、無効電流指令ｉｒｅｆを生成することができ、無効電流指令ｉｒｅｆに追従するように電圧指令を生成することによって、単相交流の交流系統２に必要な無効電力を供給することができる。

本実施形態の無効電力補償装置１では、単相同期検出回路２０２によって、系統電圧に同期する信号を生成することができる。そのため、系統電圧に同期するように、有効電流指令Ｉｐｒｅｆを生成することができ、有効電流指令Ｉｐｒｅｆに追従するように電圧指令を生成することによって、単相交流の交流系統２との間で有効電力を授受することができ、ユニット１２内の直流電圧を安定化することができる。

本実施形態の無効電力補償装置１では、ユニット１２ごとに、直流電圧を検出し直流電圧指令に追従するように制御する。ユニット１２ごとの直流電圧制御のための補正電圧指令ｖａｄｊｋは、電力変換器１０が出力する電流の位相に同期した信号とする。電力変換器１０が出力する変換器電流ｉｃ（ｔ）は、無効電流成分に加え、上述のように有効電流成分も含むことができる。そのため、ユニット１２の直流電圧の大きさに応じて、有効電流を出し入れすることができ、各ユニット１２で安定して直流電圧を維持することができる。

（第２の実施形態）
図１０は、本実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。
本実施形態では、上述した第１の実施形態の無効電力補償装置１を３相交流の交流系統に適用する。
図１０に示すように、本実施形態の無効電力補償装置１００１は、電力変換器１０ａ，１０ｂ，１０ｃと変換器制御装置１０２０と、を備える。電力変換器１０ａは、単相変圧器３ａの２次側に接続されている。単相変圧器３ａの１次側は、３相交流の交流系統１００２のＵ相１００２ａおよびＶ相１００２ｂの線間に接続されている。電力変換器１０ｂは、単相変圧器３ｂの２次側に接続されている。単相変圧器３ｂの１次側は、交流系統１００２のＶ相１００２ｂおよびＷ相１００２ｃの線間に接続されている。電力変換器１０ｃは、単相変圧器３ｃの２次側に接続されている。単相変圧器３ｃの１次側は、交流系統１００２のＷ相１００２ｃおよびＵ相１００２ａの間に接続されている。３台の単相変圧器３ａ～３ｃの１次側は、Δ結線されている。

この例では、交流系統１００２と単相変圧器３ａとの間、交流系統１００２と単相変圧器３ｂとの間、交流系統１００２と単相変圧器３ｃとの間には、遮断器７が設けられている。

交流系統２と単相変圧器３ａとの間には、交流系統２と単相変圧器３ａとの間に流れる電流を検出するように電流検出器４ａが設けられ、電流検出器４ａは、交流電流フィードバック信号ｉｓ１（ｔ）を出力する。単相変圧器３ａと電力変換器１０との間には、単相変圧器３と電力変換器１０との間に流れる電流を検出するように電流検出器６ａが設けられ、電流検出器６ａは、変換器電流フィードバック信号ｉｃ１（ｔ）を出力する。

電流検出器４ｂ，６ｂについても上述と同様に、交流電流フィードバック信号ｉｓ２（ｔ）および変換器電流フィードバック信号ｉｃ２（ｔ）を出力する。電流検出器４ｃ，６ｃについても上述と同様に、交流電流フィードバック信号ｉｓ３（ｔ）および変換器電流フィードバック信号ｉｃ３（ｔ）を出力する。

電圧検出器１００５は、交流系統１００２の各相に接続され、各相の、相電圧ｖｓＵ（ｔ）、ｖｓＶ（ｔ）、ｖｓＷ（ｔ）を検出し、各相の線間電圧を出力する。

電力変換器１０ａ～１０ｃの構成は、第１の実施形態の電力変換器１０の構成と同じである。変換器制御装置１０２０の構成は、各相ごとに設けられ、各相のための構成は、第１の実施形態の場合の変換器制御装置２０の構成と同一とすることができる。たとえば、変換器制御装置１０２０では、各相に対応する制御ブロックは、同一の筐体に収納される。各相ごとに制御ブロックが別々の筐体に収納されてもよい。本実施形態では、各相の電力変換器１０ａ～１０ｃが、相ごとに制御される。なお、無効電力指令Ｑｒｅｆおよび直流電圧指令Ｖｄｃｒｅｆは、各相に共通のデータとして用いられる。

本実施形態の無効電力補償装置１００１は、各相ごとに上述した第１の実施形態の場合の無効電力補償装置１と同様に動作することができる。

本実施形態の無効電力補償装置１００１の効果について説明する。
本実施形態の無効電力補償装置１００１は、各相の構成が第１の実施形態の場合の無効電力補償装置１と同じであり、同様の効果を奏する。すなわち、各相の電力変換器１０ａ～１０ｃを単相変圧器３ａ～３ｃの２次側にそれぞれ直接接続することができる。

従来、ＭＭＣ方式を採用した無効電力補償装置では、３相変圧器の２次側で各相の電力変換器をΔ結線する場合が多い。電力変換器をΔ結線した場合には、ユニットの直流電圧制御のために、電力変換器内を循環する循環電流を流す必要がある。電力変換器の各相を構成するユニットが出力する電圧は、ステップ状に変化し、また、電力変換器の相間で出力電圧に差が生じ得るので、相間の循環電流を所望の値に制御するために、各相の電力変換器は、リアクトルを介して、３相変圧器に接続する必要がある。そのため、リアクトルを各相に設けることとなるが、変換器出力を大容量化する場合に、リアクトルの大型化が顕著となり、設置スペースの増大や、コストの上昇に加え、リアクトルによる電力損失も懸念されている。

また、ＭＭＣ方式を採用した無効電力補償装置では、各相の電力変換器をスター結線で接続する構成も考えられるが、スター結線とすると、循環電流を用いたユニットの直流電圧制御が電流経路不在により適用できないので、系統電圧不平衡時に無効電流指令の範囲に制約を受ける問題を生じ得る。本問題を解消するために、スター結線の中性点電圧（零相電圧）に系統周波数の電圧を重畳する方法が知られているが、実現のためには各相のユニットの直列段数を増加させる必要があり、電力変換器の大型化やコスト増大が懸念される。

本実施形態の無効電力補償装置１００１では、単相変圧器３ａ～３ｃの１次－２次間に存在する漏れインダクタンスを介して各相の電力変換器１０ａ～１０ｃ同士が接続されるため、上述のとおり、単相変圧器３ａ～３ｃに各相の電力変換器１０ａ～１０ｃを外付けのリアクトルを介することなく直接接続することができる。また、上述のようなスター結線に特有の問題を生じることがない。

また、本実施形態の無効電力補償装置１００１では、従来の３相交流系統に接続する無効電力補償装置のように、制御パラメータ等の演算にＤＱ変換等の回転座標変換を用いる必要がない。そのため、第１の実施形態において説明した単相交流のための構成をそのまま流用し、３相交流系統接続に対応した無効電力補償装置とすることができる。

さらに、本実施形態の無効電力補償装置１００１では、３相交流系統の相ごとに無効電力補償をすることができるので、不平衡な３相交流系統にそのまま接続して、異なる無効電力をそれぞれ補償することができる。

その他、第１の実施形態の場合と同様の効果を奏する。すなわち、単相同期検出回路２０２によって生成された位相同期信号を用いることによって、無効電流指令および有効電流指令を含む電流指令を生成することができ、必要な無効電流を出力するとともに、ユニットの直流電圧を安定化する制御を容易に行うことができる。

（第３の実施形態）
図１１は、本実施形態に係る無効電力補償装置を例示する模式的なブロック図である。
図１１に示すように、本実施形態の無効電力補償装置２００１は、第２の実施形態の場合の３相交流の各相に対応して設けられた単相変圧器に代えて、オープンデルタ変圧器２００３を介して、交流系統１００２に接続される。本実施形態の無効電力補償装置２００１では、他の構成は、第２の実施形態の場合と同じであり、同一の構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。

オープンデルタ変圧器２００３は、１次側で、交流系統１００２の各相、すなわちＵ相１００２ａ、Ｖ相１００２ｂおよびＷ相１００２ｃに接続される。オープンデルタ変圧器２００３の２次側は、Ｕ相に対応する単相巻線が電力変換器１０ａに接続され、Ｖ相に対応する単相巻線が電力変換器１０ｂに接続され、Ｗ相に対応する単相巻線が電力変換器１０ｃに接続される。

図１２（ａ）は、第３の実施形態の無効電力補償装置に接続される３相変圧器の模式的な等価回路図である。図１２（ｂ）は、比較例の無効電力補償装置に接続される３相変圧器の模式的な等価回路図である。
図１２（ａ）は、本実施形態のオープンデルタ変圧器２００３の等価回路を模式的に示している。図１２（ｂ）は、比較のために、Δ－Δ結線の３相変圧器１００３の模式的な等価回路を示している。
図１２（ａ）に示すように、オープンデルタ変圧器２００３の１次側は、３相の３つの端子は、３相交流の各相に接続される。Ｕ相に接続される巻線は、一方がＵ端子を介してＵ相に接続される。Ｕ相に接続される他方の巻線は、Ｖ端子に接続されている。Ｖ相に接続される巻線の一方は、Ｖ端子を介してＶ相に接続される。Ｖ相に接続される他方の巻線は、Ｗ端子に接続されている。Ｗ相に接続される巻線は、一方がＷ端子を介して、Ｗ相に接続される。Ｗ相に接続される他方の巻線は、Ｕ端子に接続されている。つまり、１次側の３つ巻線は、Δ結線されている。

オープンデルタ変圧器２００３の２次側の巻線は、それぞれ独立して設けられていおり、互いに絶縁されている。すなわち、Ｕ相に接続される１次巻線に磁気結合された２次巻線は、端子ｕ１，ｕ２に接続されている。Ｖ相に接続される１次巻線に磁気結合された２次巻線は、端子ｖ１，ｖ２に接続されている。Ｗ相に接続される１次巻線に磁気結合された２次巻線は、端子ｗ１，ｗ２に接続されている。端子ｕ１，ｕ２の端子対、端子ｖ１，ｖ２の端子対および端子ｗ１，ｗ２の端子対は、それぞれ絶縁されている。端子対ｕ１，ｕ２には、電力変換器１０ａが接続され、端子対ｖ１，ｖ２には、電力変換器１０ｂが接続され、端子対ｗ１，ｗ２の端子対には、電力変換器１０ｃが接続される。

比較例の３相変圧器１００３は、１次側は、オープンデルタ変圧器２００３と同じ端子であり、内部接続されている。２次側は、１次側と同様にΔ結線されている。

本実施形態の無効電力補償装置２００１の効果について説明する。
３相変圧器をオープンデルタ変圧器２００３とすることによって、単相変圧器を３台設置する場合よりも設置スペースを削減することが可能になる。したがって、本実施形態の無効電力補償装置２００１では、第２の実施形態の場合と同様の効果を有し、加えて、オープンデルタ変圧器２００３に接続できることにより、設置した場合のシステム全体の占有面積を削減することができ、変圧器を含めたシステム全体として、小型化、省スペース化を図ることができる。

（第４の実施形態）
図１３は、本実施形態の無効電力補償装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
本実施形態では、変換器制御装置２０２０の構成が、第２、第３の実施形態の場合と相違する。他の構成要素は、第２、第３の実施形態の場合と同じであり、同一の構成要素には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。本実施形態における変換器制御装置２０２０は、第２あるいは第３の実施形態の変換器制御装置１０２０を置き換えて適用することができる。
図１３に示すように、変換器制御装置２０２０は、零相電流指令ｉ０を生成するブロック１０２１を含む。このブロック１０２１は、各相の直流電圧平均部２５０ａ～２５０ｃによって演算された、各相の電力変換器１０ａ～１０ｃを構成するユニット１２の直流電圧の平均値を入力する。直流電圧平均部２５０ａは、Ｕ相に対応した電力変換器１０ａのユニット１２の直流電圧の平均値を演算する。直流電圧平均部２５０ｂは、Ｖ相に対応した電力変換器１０ｂのユニット１２の直流電圧の平均値を演算する。直流電圧平均部２５０ｃは、Ｗ相に対応した電力変換器１０ｃのユニット１２の直流電圧の平均値を演算する。

零相電流指令ｉ０を生成するブロック１０２１は、各相のユニット１２の直流電圧の平均値を入力し、３つの平均値にもとづいて、零相電流指令ｉ０を生成する。生成された零相電流指令ｉ０は、演算器２１３によって電流指令ｉｒｅｆ’および有効電流指令Ｉｐｒｅｆに加算されて、電流指令ｉｒｅｆとされる。

零相電流指令ｉ０を生成するブロック１０２１は、最大値選択部１０２２、平均値演算部１０２３、零相電流指令生成部１０２５および乗算器１０２７を含む。

最大値選択部１０２２の入力は、各相の直流電圧平均部２５０ａ～２５０ｃの出力に接続されている。最大値選択部１０２２は、各相の直流電圧の平均値のうち、最大値を選択して出力する。

平均値演算部１０２３の入力は、各相の直流電圧平均部２５０ａ～２５０ｃの出力に接続されている。平均値演算部１０２３は、各相の直流電圧の平均値の各相間の平均値を演算して出力する。

演算器１０２４の一方の入力は、最大値選択部１０２２の出力に接続されている。演算器１０２４の他方の入力は、平均値演算部１０２３の出力に接続されている。演算器１０２４は、各相の直流電圧のうちの最大値と各相の直流電圧の平均値の各相間の平均値との偏差を演算して出力する。

零相電流指令生成部１０２５の入力は、演算器１０２４の出力に接続されている。零相電流指令生成部１０２５は、たとえばＰＩ制御器であり、各相の直流電圧のうちの最大値が各相の直流電圧の平均値の各相間の平均値に追従するように制御量を生成し、出力する。

乗算器１０２７の一方の入力は、零相電流指令生成部１０２５の出力に接続されている。乗算器１０２７の他方の入力は、切替器１０２６の出力に接続されている。

切替器１０２６は、３つの入力を切り替えて出力する。切替器１０２６の３つの入力には、交流系統１００２の各相、すなわちＵ相１００２ａ、Ｖ相１００２ｂおよびＷ相１００２ｃの位相を反転させた位相を有する位相同期信号が入力される。これらの位相同期信号は、Ｕ相に対応する（－）ｓｉｎωｔ、Ｖ相に対応する（－）ｓｉｎ（ωｔ－１２０°）およびＷ相に対応する（－）ｓｉｎ（ωｔ－２４０°）である。

切替器１０２６は、最大値選択部１０２２によって選択された最大値の相を選択する。最大値選択部１０２２がＵ相の直流電圧を最大値として選択した場合には、切替器１０２６は、位相同期信号（－）ｓｉｎωｔを出力するように切り替える。最大値選択部１０２２がＶ相の直流電圧を最大値として選択した場合には、切替器１０２６は、位相同期信号（－）ｓｉｎ（ωｔ－１２０°）を出力するように切り替える。最大値選択部１０２２がＷ相の直流電圧を最大値として選択した場合には、切替器１０２６は、位相同期信号（－）ｓｉｎ（ωｔ－２４０°）を出力するように切り替える。

乗算器１０２７は、零相電流指令生成部１０２５によって生成され出力された操作量を切替器１０２６から出力された位相同期信号に同期した信号にして出力する。乗算器１０２７から出力された信号は、零相電流指令ｉ０とされる。

本実施形態の無効電力補償装置の動作について説明する。
本実施形態の無効電力補償装置では、変換器制御装置２０２０は、Ｕ相～Ｗ相各相のユニット１２の直流電圧の平均値のうち、最大値を有する相について、直流電圧の平均値がこの最大値を含めた３相分の直流電圧の平均値に追従するように、零相電流指令ｉ０を生成する。この零相電流指令ｉ０は、直流電圧が最大となっている相の有効電流指令の大きさを減少させ、減少させた有効電流を他相に配分させる。

たとえば、交流系統１００２が不平衡状態の場合に、無効電力補償装置は、ある相の出力が大きく設定され、他相の出力がそれに比べて小さく設定されることによって、不平衡状態を平衡させようと動作する。このときに、出力が小さい相の電力変換器では、変換器損失が小さいため、ユニット１２の直流電圧が高くなる傾向にある。本実施形態では、そのような状態にある相を検出し、その相の電圧位相とは１８０°異なるように零相電流指令ｉ０を有効電流指令Ｉｐｒｅｆに加算することによって、その相の有効電流を低減させることができる。他相では、１２０°ずつ位相がずれた零相電流指令ｉ０が有効電流指令Ｉｐｒｅｆに加算されるので、他相における有効電流指令は増加する。

上述の動作は、電力変換器１０ａ～１０ｃ間で相互に有効電流の調整を行うので、交流系統１００２に影響を与えることなく各相の直流電圧の間のバランスを調整することができる。

本実施形態の無効電力補償装置の効果について説明する。
本実施形態の無効電力補償装置では、第２、第３の実施形態の場合と同様の効果に加え、変換器制御装置２０２０が零相電流指令ｉ０を生成するブロックを有するので、各相のユニット１２の直流電圧の平均値にアンバランスが生じた場合であっても、交流系統１００２に影響を与えることなく、ユニット１２の直流電圧の平均値の相間のアンバランスを解消することができる。ユニット１２の直流電圧の平均値の相間のバランスを維持するように制御することによって、ユニット１２の電力損失等の相間アンバランスを解消すること、ユニット１２の許容電力等を最適化することができ、装置全体の小型化、省スペース化等を実現することが可能になる。

このようにして、電力系統の種類を問わずに接続することができるＭＭＣ方式の無効電力補償装置が実現される。

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。

１，１００１，２００１ 無効電力補償装置、２，１００２ 交流系統、３，３ａ，３ｂ，３ｃ 単相変圧器、４，４ａ，４ｂ，４ｃ，６，６ａ，６ｂ，６ｃ 電流検出器、５，１００５ 電圧検出器、１０，１０ａ，１ｂ，１０ｃ 電力変換器、１２ 変換器ユニット（ユニット）、２０，１０２０，２０２０ 変換器制御装置、１０１ ユニット制御回路、１０２Ｕ，１０２Ｖ，１０２Ｘ，１０２Ｙ ゲート回路、１０３Ｕ，１０３Ｖ，１０３Ｘ，１０３Ｙ スイッチング素子、１０４ コンデンサ、１０５ 制御電源回路、２０１ 無効電力検出回路、２０２ 単相同期検出回路、２１１ 無効電力制御部、２１２，２４２，２５３ 乗算器、２２１ 電流制御部、２３０ 直流電流成分検出部、２３２ 直流偏磁抑制制御部、２４１ ユニットの直流電圧制御部２４１、２５０，２５０ａ，２５０ｂ，２５０ｃ 直流電圧平均部、２５２ 変換器直流電圧制御部、２６０，２６２ ＰＷＭ制御部、２６１，２６３ ゲートロジック回路、２６４ キャリア信号生成回路、１０２１ 零相電流指令を生成するブロック、１０２２ 最大値選択部、１０２３ 平均値演算部、１０２５ 零相電流指令生成部、１０２６ 切替器、１０２７ 乗算器、２００３ オープンデルタ変圧器

Claims (12)

1. 単相変圧器を介して交流系統に接続される無効電力補償装置であって、
   カスケードに接続された複数の変換器ユニットを含む電力変換器と、
   前記複数の変換器ユニットにそれぞれ接続された制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、あらかじめ設定された無効電力指令、前記交流系統の線間電圧、前記単相交流系統の線電流、前記電力変換器の出力電流および前記複数の変換器ユニットが出力し得る電圧にもとづいて、前記複数の変換器ユニットのそれぞれの動作を制御し、
   前記制御装置は、前記線間電圧の位相に同期する第１位相同期信号および前記第１位相同期信号に直交する位相を有する第２位相同期信号を生成する単相同期検出回路を含み、
   前記線間電圧および前記線電流にもとづいて演算された無効電力検出値および前記無効電力指令にもとづいて生成された第１無効電流指令を前記第２位相同期信号の位相に同期させて第２無効電流指令として生成し、
   前記出力電流と前記第２無効電流指令にもとづいて、第１電圧指令を生成し、
   前記第１電圧指令および前記線間電圧にもとづいて、第２電圧指令を生成し、
   前記複数の変換器ユニットは、前記第２電圧指令にもとづいてそれぞれ動作することを特徴とする無効電力補償装置。
2. 前記制御装置は、
   前記出力電流から直流成分を抽出し、前記直流成分を０に追従するように偏磁抑制電圧指令を生成し、
   前記第１電圧指令に前記偏磁抑制電圧指令を加算して、前記第２電圧指令を生成することを特徴とする請求項１記載の無効電力補償装置。
3. 前記制御装置は、
   あらかじめ設定された直流電圧指令および前記複数の変換器ユニットがそれぞれ出力し得る電圧の平均値にもとづいて第１有効電流指令を生成し、
   前記第１有効電流指令を前記第１位相同期信号の位相に同期させて第２有効電流指令を生成し、
   前記第２有効電流指令を前記第２無効電流指令に加算して、電流指令を生成し、
   前記出力電流および前記電流指令にもとづいて、前記第１電圧指令を生成する請求項１または２に記載の無効電力補償装置。
4. 前記制御装置は、
   前記複数の変換器ユニットのうちの１つの変換器ユニットが出力し得る第１直流電圧および前記直流電圧指令にもとづいて、前記第１直流電圧を前記直流電圧指令に追従させるために必要な第１補正電圧指令を生成し、
   前記第１補正電圧指令に前記電流指令の位相に同期する第２補正電圧指令を生成し、
   前記第２補正電圧指令を前記第１電圧指令に加算して前記第２電圧指令を生成し、
   前記１つの変換器ユニットは、前記第２電圧指令にもとづいて動作することを特徴とする請求項３記載の無効電力補償装置。
5. 前記制御装置は、
   前記第４電圧指令および前記１つの変換器ユニットのスイッチング周波数を設定するキャリア信号にもとづいて、前記１つの変換器ユニットを制御するためのゲート信号を生成する請求項４記載の無効電力補償装置。
6. 前記複数の変換器ユニットは、
   第１スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、
   第３スイッチング素子と、
   前記第３スイッチング素子に直列に接続された第４スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の直列回路に並列に接続されるとともに、前記第３スイッチング素子および前記第４スイッチング素子の直列回路に並列に接続されたコンデンサと、
   前記第１～第４スイッチング素子をそれぞれ駆動するように設けられたゲート回路と、
   前記制御装置と前記ゲート回路との間に設けられ、前記第１～第４スイッチング素子の駆動のタイミングに関する情報を前記制御装置と送受信するユニット制御回路と、
   前記ゲート回路および前記ユニット制御回路に動作のための電力を供給する制御電源回路と、
   をそれぞれ含む請求項１～５のいずれか１つに記載の無効電力補償装置。
7. 第１単相変圧器を介して３相交流系統の第１相に接続され、
   第２単相変圧器を介して前記３相交流系統の第２相に接続され、
   第３単相変圧器を介して前記３相交流系統の第３相に接続される無効電力補償装置であって、
   カスケードに接続された複数の第１変換器ユニットを含む第１電力変換器と、
   カスケードに接続された複数の第２変換器ユニットを含む第２電力変換器と、
   カスケードに接続された複数の第３変換器ユニットを含む第３電力変換器と、
   前記複数の第１変換器ユニット、複数の第２変換器ユニットおよび複数の第３変換器ユニットにそれぞれ接続された制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、あらかじめ設定された無効電力指令、前記第１相と前記第２相との間の線間電圧、前記第２相と前記第３相との線間電圧、前記第３相と前記第１相との線間電圧、前記第１相の線電流、前記第２相の線電流、前記第３の線電流、前記第１電力変換器の出力電流、前記第２電力変換器の出力電流、前記第３電力変換器の出力電流、前記複数の第１変換器ユニットが出力し得る電圧、前記複数の第２変換器ユニットが出力し得る電圧および前記複数の第３変換器ユニットが出力し得る電圧にもとづいて、前記複数の第１変換器ユニット、前記複数の第２変換器ユニットおよび前記複数の第３変換器ユニットのそれぞれの動作を制御し、
   前記制御装置は、前記第１相間電圧の位相に同期する第１位相同期信号および前記第１位相同期信号に直交する位相を有する第２位相同期信号を生成する単相同期検出回路を含み、
   前記第１線間電圧および前記第１線電流にもとづいて演算された第１無効電力検出値および前記第１無効電力指令にもとづいて生成された第１無効電流指令を前記第２位相同期信号の位相に同期させて第２無効電流指令として生成し、
   前記出力電流と前記第２無効電流指令にもとづいて、第１電圧指令を生成し、
   前記第１電圧指令および前記第１線間電圧にもとづいて、第２電圧指令を生成し、
   前記複数の第１変換器ユニットは、前記第２電圧指令にもとづいてそれぞれ動作することを特徴とする無効電力補償装置。
8. ３相交流系統に１次側で接続されたオープンデルタ変圧器の第１の２次巻線、第２の２次巻線および第３の２次巻線を介して接続される無効電力補償装置であって、
   カスケードに接続された複数の第１変換器ユニットを含む第１電力変換器と、
   カスケードに接続された複数の第２変換器ユニットを含む第２電力変換器と、
   カスケードに接続された複数の第３変換器ユニットを含む第３電力変換器と、
   前記複数の第１変換器ユニット、複数の第２変換器ユニットおよび複数の第３変換器ユニットにそれぞれ接続された制御装置と、
   を備え、
   前記第１電力変換器は、前記第１の２次巻線に接続され、
   前記第２電力変換器は、前記第２の２次巻線に接続され、
   前記第３電力変換器は、前記第３の２次巻線に接続され、
   前記制御装置は、あらかじめ設定された無効電力指令、前記３相交流の第１相と前記３相交流の第２相との間の第１線間電圧、前記第２相と前記３相交流の第３相との第２線間電圧、前記第３相と前記第１相との第３線間電圧、前記第１相の第１線電流、前記第２相の第２線電流、前記第３相の第３線電流、前記第１電力変換器の第１出力電流、前記第２電力変換器の第２出力電流、前記第３電力変換器の第３出力電流、前記複数の第１変換器ユニットが出力し得る第１電圧、前記複数の第２変換器ユニットが出力し得る第２電圧および前記複数の第３変換器ユニットが出力し得る第３電圧にもとづいて、前記複数の第１変換器ユニット、前記複数の第２変換器ユニットおよび前記複数の第３変換器ユニットのそれぞれの動作を制御し、
   前記制御装置は、前記第１相間電圧の位相に同期する第１位相同期信号および前記第１位相同期信号に直交する位相を有する第２位相同期信号を生成する単相同期検出回路を含み、
   前記第１線間電圧および前記第１線電流にもとづいて演算された第１無効電力検出値および前記第１無効電力指令にもとづいて生成された第１無効電流指令を前記第２位相同期信号の位相に同期させて第２無効電流指令として生成し、
   前記出力電流と前記第２無効電流指令にもとづいて、第１電圧指令を生成し、
   前記第１電圧指令および前記第１線間電圧にもとづいて、第２電圧指令を生成し、
   前記複数の第１変換器ユニットは、前記第２電圧指令にもとづいてそれぞれ動作することを特徴とする無効電力補償装置。
9. 前記制御装置は、
   前記第１出力電流から直流成分を抽出し、前記直流成分を０に追従するように偏磁抑制電圧指令を生成し、
   前記第１電圧指令に前記偏磁抑制電圧指令を加算して、前記第２電圧指令を生成することを特徴とする請求項７または８に記載の無効電力補償装置。
10. 前記制御装置は、
    あらかじめ設定された第１直流電圧指令および前記複数の第１変換器ユニットがそれぞれ出力し得る電圧の平均値にもとづいて第１有効電流指令を生成し、
    前記第１有効電流指令を前記第１位相同期信号の位相に同期した第２有効電流指令を生成し、
    前記第２有効電流指令および前記第２無効電流指令を加算して、電流指令を生成し、
    前記第１出力電流および前記電流指令にもとづいて、前記第１電圧指令を生成する請求項７～９のいずれか１つに記載の無効電力補償装置。
11. 前記制御装置は、
    前記複数の第１変換器ユニットのうちの１つの第１変換器ユニットが出力し得る第１直流電圧および前記直流電圧指令にもとづいて、前記第１直流電圧を前記直流電圧指令に追従させるために必要な第１補正電圧指令を生成し、
    前記第１補正電圧指令に前記電流指令の位相に同期する第２補正電圧指令を生成し、
    前記第２補正電圧指令を前記第１電圧指令に加算して前記第２電圧指令を生成し、
    前記１つの第１変換器ユニットは、前記第２電圧指令にもとづいて動作することを特徴とする請求項１０記載の無効電力補償装置。
12. 前記制御装置は、
    前記複数の第１変換器ユニットのそれぞれの第１変換器ユニットがそれぞれ出力し得る前記第１直流電圧の第１平均値、前記複数の第２変換器ユニットのそれぞれの第２変換器ユニットがそれぞれ出力し得る第２直流電圧の第２平均値および前記複数の第３変換器ユニットのそれぞれの第３変換器ユニットがそれぞれ出力し得る第３直流電圧の第３平均値を演算し、
    前記第１～第３平均値のうちから最大値を選択し、
    前記第１～第３平均値の平均である第４平均値を演算し、
    前記最大値が前記第４平均値に追従するように第１零相電流指令を生成し、
    前記第１零相電流指令に、前記第１位相同期信号の位相から１８０°遅れた第３位相同期信号、前記第３位相同期信号の位相から１２０°遅れた位相に同期する第４位相同期信号および前記第３位相同期信号の位相から２４０°遅れた位相に同期する第５位相同期信号のいずれかの位相に同期した第２零相電流指令を生成し、
    前記第２有効電流指令、前記第２無効電流指令および前記第２零相電流指令を加算して、前記電流指令を生成し、
    前記第１出力電流および前記電流指令にもとづいて、前記第１電圧指令を生成し、
    前記第１平均値が前記最大値のときには、前記第１零相電流指令を前記第３位相同期信号に同期させて前記第２零相電流指令とし、
    前記第１平均値が前記最大値でないときには、前記第１零相電流指令を前記第４位相同期信号または前記第５位相同期信号に同期させて前記第２零相電流指令とする請求項１０または１１に記載の無効電力補償装置。

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