JPH0568721B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔発明の利用分野〕 本発明は電力変換装置の制御装置に係り、特
に、直列接続した複数台の交直変換器の各制御遅
れ角をそれぞれ独立かつ非対称に制御するのに好
適な電力変換装置の制御装置に関する。

〔発明の背景〕

複数台の交直変換器を直列に接続すると無効電
力の消費が低減でき、またこのように直列接続さ
れた各交直変換器の制御遅れ角を、独立かつ適切
に制御することによつて、有効電力と無効電力を
同時に制御できることが知られている。

このような有効・無効電力同時制御に関して
は、昭和57年電気学会全国大会論文集で、伊瀬氏
らにより“超電導エネルギー貯蔵装置の有効・無
効電力同時制御の一方式について“と題する文献
において論じられている。また、この種制御に関
連する特許文献として、特願昭59−11839号があ
る。

有効電力と無効電力を同時に制御するには、複
数台の交直変換器の制御遅れ角を個別に制御す
る。即ち、複数台の交直変換器を同一制御遅れ角
でなく、各制御遅れ角をそれぞれ独立させて非対
称に制御することになる。

すなわち、有効・無効電力を同時に制御する場
合、有効・無効電力の各指令値に応じて、実際の
有効電力、無効電力が指令値となるように制御遅
れ角を演算し、決定して、それぞれの交直変換器
に供給する。

この時、有効電力あるいは無効電力の指令値が
正弦波状に変化した場合、特に有効電力の指令値
が正から負、あるいは負から正へと変化する場
合、演算した制御遅れ角αは、その下限値α_nioと
上限値α_naxとの間で大きく変化し、これに応じて
各交直変換器の出力電圧も変化する。

特に、有効電力の指令値が正から負、負から正
へと変化した時点で、制御遅れ角αが整流器運転
領域（α＜90°）から逆変換器運転領域（α＞
90°）へ、あるいはその逆へと急峻に変化する場
合がある。

このような制御遅れ角αの変化によつて、整流
器運転領域から逆変換器運転領域へと変化した場
合、交直変換器の出力電圧は、交流電源電圧波形
に沿つて正電圧から負電圧へと移行する。

また反対に、逆変換器運転領域から整流器運転
領域へと変化した場合、前記出力電圧は、制御遅
れ角に応じて急峻に負電圧から正電圧へと変化す
る。

したがつて、例えば２台直列接続した交直変換
器の制御遅れ角の大きさが、１方は、整流器運転
領域から逆変換器運転領域へと変化し、他方は逆
変換器運転領域から整流器運転領域へと変化した
場合−すなわち、各制御遅れ角の大小関係が反転
した場合には、その変化時点で各々の交直変換器
の出力電圧が正電圧から負電圧に、あるいは負電
圧から正電圧に移行するのに前述した如く時間差
がある。

そのために２台直列接続した交直変換器の直流
出力電圧に、変化時点で急峻な電圧のはね上りが
生じるという問題がある。

以上は交直変換器を２台直列接続した場合につ
いて述べたが、交直変換器を複数台直列接続した
場合も同様な現象が生じ、問題となる。

〔発明の目的〕

本発明の目的は、直列接続された複数台の交直
変換器に対する各制御遅れ角が大きく変化して、
制御遅れ角の大小関係が反転した場合でも、各々
の交直変換器の出力電圧波形の時間差によつて直
流出力電圧のはね上りが生じないような電力変換
装置の制御装置を提供することにある。

〔発明の概要〕

本発明は、有効電力と無効電力を、複数台の交
直変換器を直列接続して個々の制御遅れ角で制御
する場合、即ち非対称で制御する場合に、有効お
よび無効電力実測値の各指令値に対する偏差、な
らびに無負荷直流電圧および直流負荷電流に基づ
いて演算された、前記複数台の交直変換器の各制
御遅れ角をその値の大小関係にしたがつて、該複
数台の交直変換器に供給される各制御遅れ角の大
小関係が逆転しないように、該複数台の交直変換
器に供給することにより、直流出力電圧のはね上
りが生じない様にした点に特徴がある。

〔発明の実施例〕

２台の交直変換器と直列接続されたコイルによ
るエネルギー貯蔵装置に、本発明を適用した場合
の実施例について述べる。この実施例では、各交
直変換器を非対称に制御する。

第１図はコイルによるエネルギー貯蔵装置の全
体構成を示す。主回路は、変換器用変圧器２，３
を介して交流系統１に接続される交直変換器４，
５、及び交直変換器４，５の負荷としてのエネル
ギー蓄積用超電導コイル６をループ状に接続した
構成となつている。

制御回路は、電力トランスデユーサ１１、有
効・無効電力制御回路１２、位相制御回路１３、
ゲート回路１４などで構成される。

交流系統１の電圧、電流を、交流電圧検出回路
７、交流電流検出回路８でそれぞれ検出し、電力
トランスデユーサ１１に取り込む。電力トランス
デユーサ１１では、検出した交流系統１の電圧・
電流に基づいて、装置に流入する有効電力Ｐと無
効電力Ｑを演算する。

この有効電力Ｐと無効電力Ｑ、ならびに直流電
流検出器１０で検出した直流電流Id、及び交流電
圧の振幅に比例する交直変換器１台当りの無負荷
直流電圧Ed₀（無負荷直流電圧検出回路１５を介
して得られる）を有効・無効電力制御回路１２に
取り込む。

有効・無効電力制御回路１２では、上位の系統
制御装置から与えられる有効電力指令値Pr、無
効電力指令値Qrを制御入力として、交直変換器
４，５の制御遅れ角α₁，α₂を演算出力する。

この制御遅れ角α₁，α₂を制御入力とし、交流電
圧検出回路９を介して得られる交流電圧Vaに同
期して、制御遅れ角α₁で交直変換器４を動作させ
る点弧パルスg₁、及び制御遅れ角α₂で交直変換器
５を動作させる点弧パルスg₂を位相制御回路１３
で発生させる。

そして、ゲート回路１４を介して、前記点弧パ
ルスg₁，g₂を交直変換器４，５にそれぞれ供給
し、これらを制御する。

第１図において、変換器用変圧器２，３の転流
リアクタンスをXc、交直変換器４，５の無負荷
直流電圧をそれぞれEd₀で表わすと、変換器用変
圧器２を流れる交流電流の基本波成分の位相角θ₁
と、交直変換器４の制御遅れ角α₁との関係は次式
となる。

cosθ₁＝cosα₁−3Xc・Id／πEd₀ ……(1) 同様に、変換器用変圧器３を流れる交流電流の
基本波成分の位相角θ₂と、交直変換器５の制御遅
れ角α₂との関係は次式となる。

cosθ₂＝cosα₂−3Xc・Id／πEd₀ ……(2) 上記で定義した位相角θ₁を用いて、交直変換器
４に流入する有効電力P₁、無効電力Q₁は次の(3)
(4)式で表わすことができる。

P₁＝Id・Ed₀cosθ₁ ……(3) Q₁＝Id・Ed₀sinθ₁ ……(4) 同様に、交直変換器５に流入する有効電力P₂、
無効電力Q₂を次の(5)(6)式で表わすことができる。

P₂＝Id・Ed₀cosθ₂ ……(5) Q₂＝Id・Ed₀sinθ₂ ……(6) (3)、(4)、(5)、(6)式より、第１図に示すエネルギ
ー貯蔵装置に流入する有効電力Ｐ、及び無効電力
Ｑは次の(7)(8)式で表わされる。

Ｐ＝P₁＋P₂ ＝Id・Ed₀（cosθ₁＋cosθ₂） ……(7) Ｑ＝Q₁＋Q₂ ＝Id・Ed₀（sinθ₁＋sinθ₂） ……(8) (1)、(2)、(7)及び(8)式より次式を得る。

cosθ₁＋cosθ₂＝Ｐ／Id・Ed₀ ……(9) sinθ₁＋sinθ₂＝Ｑ／Id・Ed₀ ……(10) α₁＝cos^-1（cosθ₁＋3Xc・Id／πEd₀） ……(11) α₂＝cos^-1（cosθ₂＋3Xc・Id／πEd₀） ……(12) したがつて有効電力の指令値Pr、無効電力の
指令値Qrが与えられると、Ｐ＝Pr、Ｑ＝Qrと置
くことによつて、前記(9)、(10)式よりcosθ₁、cosθ₂
が求まる。また、このcosθ₁、cosθ₂を(11)、(12)式に
代入することにより制御遅れ角α₁，α₂が求まる。

ここで、例えば制御遅れ角α₁は交直変換器４
に、また制御遅れ角α₂は交直変換器５にというよ
うに、演算で求めた制御遅れ角信号を、その大小
関係にかゝわりなく、各交直変換器に固定的に供
給して制御したとすると、有効電力、無効電力の
指令値Pr、Qrに応じて求められる制御遅れ角α₁，
α₂の大小関係が反転するような場合、先に述べた
様に、制御遅れ各の反転時点で、直流出力電圧の
はね上りを生じるという問題がある。

この点に着目して、本実施例では、有効・無効
電力制御回路１２を第２図に示す構成とした。

第２図において、１２１は定有効・定無効電力
制御回路部、１２２は制御遅れ角算出部、１２３
は算出された各制御遅れ角α₁₀，α₂₀の大きさを比
較し、大きさの順位により出力先を決定して位相
制御回路１３に制御遅れ角α₁，α₂を出力する比較
出力回路部である。

以下、本発明の一実施例について第２図および
第３図を用いて説明する。第３図において、ａは
直流出力電圧、ｂは交直変換器出力電圧、ｃは制
御遅れ角のタイムチヤートである。

上位の系統制御装置からの有効電力指令値Pr、
無効電力指令値Qrを制御入力とし、実際に装置
に流入する有効電力Ｐおよび無効電力Ｑの前記制
御入力に対する偏差を用いて、定有効・定無効電
力制御回路部１２１で、有効電力Ｐ、無効電力Ｑ
がそれぞれ有効電力、無効電力の指令値Pr、Qr
に合致するように内部設定値P₀、Q₀を決定する。

すなわち、この内部設定値P₀、Q₀は、有効お
よび無効電力の実測値Ｐ、Ｑの各指令値Pr、Qr
に対する偏差に基づいて、各電力実測値Ｐ、Ｑを
各指令値Pr、Qrに合致させための制御量である。

次に、この内部設定値P₀、Q₀を基に、無負荷
直流電圧Ed₀と直流電流Idを用いて、制御遅れ各
算出部１２２において制御遅れ角信号α₁₀，α₂₀を
算出し、比較出力回路部１２３に出力する。

比較出力部１２３では、制御遅れ角算出部１２
２からの制御れ角信号α₁₀，α₂₀の大小関係を比較
し、必ず大きい方の値を制御遅れ角α₁、小さい方
の値をα₂と定義し、位相制御回路１３に制御遅れ
角α₁，α₂として出力する。

即ち、制御遅れ角信号がα₁₀≧α₂₀の場合はα₁＝
α₁₀、α₂＝α₂₀と定義し、逆にα₁₀＜α₂₀の場合はα₁
＝α₂₀、α₂＝α₁₀と制御遅れ角信号を変更定義す
る。

位相制御回路１３では、制御遅れ角α₁で交直変
換器４を動作させる点孤パルスg₁、及び制御遅れ
角α₂で交直変換器５を動作させる点孤パルスg₂を
発生する。

この結果、交直変換器４は常に制御遅れ角信号
α₁で制御され、交直変換器は常に制御遅れ角信号
α₂で制御されることになり、かつ制御遅れ角信号
α₁は制御遅れ角信号α₂よりも常に大きいことか
ら、各交直変換器４，５は、制御遅れ角の大小関
係と固定的に対応付けられたことになる。即ち、
各交直変換器４，５は、並び換えられて順序付け
された各制御遅れ角で、それぞれの大小関係が逆
転しないように制御されることになる。

第５図に比較出力部１２３の具体的構成例をブ
ロツク図で示す。この例は、制御遅れ角算出部１
２２で演算し、出力する制御遅れ角信号α₁₀，α₂₀
がアナログ量で、かつ交直変換器が２台の場合で
ある、第５図において、第２図と同一機能を有す
るものには同一符号を付してある。

また、６０〜６３は演算増幅器、６４〜６９，
７２〜７８，８１は抵抗、７０，７１，７９，８
０はダイオードである。

演算増幅器６０，６１と抵抗６４〜６９，７２
及びダイオード７０，７１で構成する演算回路
は、演算増幅器６０，６１の入力である制御遅れ
角信号α₁₀，α₂₀のうちの大きな方の値を、制御遅
れ角α₁として位相制御回路１３１に出力する回路
である。

すなわち、前記２つの制御遅れ角信号のうち
α₁₀の方がα₂₀よりも大きいと仮定すると、演算増
幅器６０の出力の方が演算増幅器６１の出力より
も高レベルとなるので、演算増幅器６１の出力に
接続されているダイオード７１は逆バイアスとな
つて遮断される。

その結果、演算増幅器６０の出力が、ダイオー
ド７０を介して制御遅れ角α₁として出力される。

また、演算増幅器６２，６３と抵抗７３〜７
８，８１及びダイオード７９，８０で構成する演
算回路は、演算増幅器６２，６３の入力である制
御遅れ角信号α₁₀，α₂₀のうち小さい方の値を、制
御遅れ角α₂として位相制御回路１３２に出力する
回路である。

前述のように、前記２つの制御遅れ角信号のう
ちα₁₀の方がα₂₀よりも大きいと仮定すると、演算
増幅器６２の出力の方が演算増幅器６３よりも高
レベルとなるので、電圧Vccを適当に設定するこ
とにより、演算増幅器６２の出力に接続されてい
るダイオード７９が逆バイアスとなつて遮断され
るようにすることができる。

その結果、演算増幅器６３の出力が、ダイオー
ド８０を介して制御遅れ角α₂として出力される。

これにより、制御遅れ角α₁で交直変換器４を動
作させる点孤パルスg₁を位相制御回路１３１で発
生させ、一方、制御遅れ角α₂で交直変換器５を動
作させる点孤パルスg₂を位相制御回路１３２で発
生させ、ゲート回路１４（第１図）を介して各々
の交直変換器４，５に供給する。

第５図のような構成により、制御遅れ角の大き
さにより、その出力先を変更、定義することが可
能となり、前述した本発明による制御遅れ角制御
が得られる。

本発明で制御した場合の各部波形を第３図に示
す。第３図ｃに示す如く、制御遅れ角α₁はα₂より
必ず大きな値となり、これらの制御遅れ角によつ
て交直変換器４，５が制御されるので、第３図
ａ，ｂに示す如く、直流出力電圧波形に電圧のは
ね上りは生じない。

比較のために、第４図に、本発明を実施しない
で、例えば制御遅れ角信号α₁₀は交直変換器４に、
また制御遅れ角信号α₂₀は交直変換器５にという
ように、制御遅れ角算出部１２２で求めた制御遅
れ角信号を、その大小関係にかかわりなく、各交
直変換器に固定的に供給して制御した場合の各部
波形を示す。同図の波形ａ〜ｃはそれぞれ第３図
の波形ａ〜ｃにそれぞれ対応している。

第４図ｃに示す如く、制御遅れ角α₁，α₂の大小
関係が反転するタイミングで、第４図ａに示す如
く直流電圧波形にはね上り部分が生じている。

第６図に本発明の他の実施例を示す。第６図は
交直変換器をｎ台直列接続した場合の有効・無効
電力制御回路１２の構成を示す。第６図におい
て、第２図と同一機能・動作を有するものについ
ては同一符号を付してある。

第５図において、第２図と異なるのは次の点で
ある。

まず、第１に制御遅れ角算出部１２２では、ｎ
台分の制御遅れ角信号α₁₀，α₂₀，α₃₀，…α_o0を算
出し、比較出力部１２３に出力している。

第２に、比較出力部１２３では、これらの制御
遅れ角信号α₁₀，α₂₀，α₃₀，…，α_o0の値を比較
し、 α₁α₂α₃…α_o となるように、前記制御遅れ角信号α₁₀…α_o0を入
替えて位相制御回路１３に出力する。位相制御回
路１３は、それぞれの交直変換器を動作させる点
孤パルスg₁，g₂，g₃，…，g_oを発生させ、それぞ
れの交直変換器に供給する。

以上の説明から分るように、本発明によれば、
有効電力あるいは無効電力の指令値が正弦波状に
変化し、特に有効電力の指令値が正から負（すな
わち、コイル６の電流の減少）、あるいは負から
正（すなわち、コイル６の電流の増加）へと変化
し、その時にそれぞれの交直変換器に出力する制
御遅れ角の大小関係が反転するような場合、それ
ぞれの制御遅れ角の大きさを比較し、その大小関
係により、常に大きな値の制御遅れ角を供給され
て制御される交直変換器、および常に小さな値の
制御遅れ角を供給されて制御される交直変換器を
一意的、かつ固定的に設定することにより、個々
の交直変換器の制御遅れ角の大小関係が反転して
出力電圧波形が大きく変化することが防止され、
出力電圧の変化に伴ない、直列接続した２台の交
直変換器の直流出力電圧にはね上り部分が生じな
いようにすることができるという効果がある。

第７図に、本発明をデイジタル制御によつて実
施する場合の演算処理フローを示す。

処理８２では、有効電力及び無効電力の制御に
必要なデータ、即ちPr、Qr、Ｐ、Ｑ、Id、Ed₀を
取り込み、処理８３で第２図に示す定有効・定無
効電力制御回路部１２１を実現する制御演算を行
なう。

次に処理８４で、制御遅れ角算出部１２２を実
現する演算処理を行ない、制御遅れ角信号α₁₀，
α₂₀を算出する。

判断部８５は、制御遅れ角信号α₁₀とα₂₀の大き
さを比較し、α₁₀≧α₂₀の場合は、処理８６でα₁＝
α₁₀、α₂＝α₂₀とした後、処理８８で制御遅れ角
α₁，α₂を出力する。

一方、α₁₀＜α₂₀の場合は、処理８７でα₁＝α₂₀、
α₂＝α₁₀と、大きな値と小さな値とを入れ換えた
後、処理８８で制御遅れ角α₁，α₂を出力する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、直列接続した複数台の交直変
換器を同一制御遅れ角でなく、固有の制御遅れ角
で非対称に制御する場合、制御演算結果である複
数の各制御遅れ角信号の大きさを比較し、て大小
の順序に並べ換え、該複数台の交直変換器に供給
される各制御遅れ角の大小関係が逆転しないよう
に、該複数台の交直変換器に供給するようにし、
常に大きな値の制御遅れ角で制御される交直変換
器、および常に小さな値の制御遅れ角で制御され
る交直変換器を、一意的かつ固定的に設定するこ
とができるので、複数台直列接続した交直変換器
の直流出力電圧に、個々の交直変換器の出力電圧
波形の変化に伴う電圧のはね上りが生じることを
防止できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図はコイルによるエネルギー貯蔵装置の全
体構成を示すブロツク図、第２図は本発明の１実
施例のブロツク図、第３図は本発明の動作を説明
するための各部波形を示すタイムチヤート、第４
図は従来例の動作を説明するための各部波形を示
すタイムチヤート、第５図は第４図の比較出力部
の具体例を示すブロツク図、第６図は本発明の他
の実施例のブロツク図、第７図は本発明をデイジ
タル制御によつて実施する場合の演算処理フロー
チヤートである。 １２……有効・無効電力制御回路、１２１……
定有効・定無効電力制御回路部、１２２……制御
遅れ角算出部、１２３……比較出力部、１３……
位相制御回路。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 複数台の交直変換器を直列接続して成る電力
   変換装置と負荷とをループ状に接続し、当該複数
   台の交直変換器の各制御遅れ角をそれぞれ独立か
   つ非対称に制御する電力変換装置の制御装置にお
   いて、 有効および無効電力実測値Ｐ、Ｑの各指令値
   Pr、Qrに対する偏差に基づいて、電力実測値Ｐ、
   Ｑを指令値Pr、Qrに合致させるための制御量P0、
   Q0を算出する定有効・定無効電力制御手段と、 前記制御量P0、Q0、無負荷直流電圧Ed0、お
   よび直流電流Idに基づいて、前記複数台の交直変
   換器の各制御遅れ角を算出する制御遅れ角算出手
   段と、 前記算出された各制御遅れ角を、その大小関係
   に基づいて並べ換えて出力する比較出力手段と、 制御遅れ角の大小関係と固定的に対応付けられ
   た前記複数台の交直変換器のそれぞれを、前記並
   べ換えられて順序付けされた各制御遅れ角に基づ
   いて制御する手段とを具備し、 その結果、各交直変換器を制御する制御遅れ角
   の大小関係が、運転中に各交直変換器相互間で逆
   転しないようにしたことを特徴とする電力変換装
   置の制御装置。 ２ 負荷は超電導コイルであることを特徴とする
   前記特許請求の範囲第１項記載の電力変換装置の
   制御装置。