JP7324563B2 - 無効電力補償装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)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。
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。
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)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)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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (12)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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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