JPH09191650A

JPH09191650A - 電力変換装置

Info

Publication number: JPH09191650A
Application number: JP117896A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Sugiura; 康之杉浦; Shigeta Ueda; 茂太上田; Kazuhiro Imaie; 和宏今家; Seiji Tanaka; 誠二田中; Hiroyasu Sato; 博康佐藤
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1996-01-09
Filing date: 1996-01-09
Publication date: 1997-07-22
Anticipated expiration: 2016-01-09
Also published as: JP3191652B2

Abstract

(57)【要約】【課題】系統に地絡事故が発生し、交流電圧に不平衡が
生じても正確で確実な位相の検出ができ、安定した電力
変換器の制御を可能にすること。【解決手段】３相の系統電圧から対称座標法およびフー
リエ変換法をもちいて正相電圧を演算しこれから位相を
演算する。また、正相電圧の大きさから事故を判断して
正相電圧から求めた位相と位相予測演算から求めた位相
を切り替える。【効果】系統電圧の３相地絡が発生し電圧がなくなって
も予測演算で位相を検出できるとともに復帰時は一次遅
れ要素を予測演算でもとめた位相にもたせきりかえるこ
とで安定した制御が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、交流電源系統に接
続された交直流変換を行う電力変換装置に係り、特に直
流送電装置や無効電力調整装置や周波数変換装置を構成
するに適した電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体スイッチング素子を用いて交流を
直流に変換する順変換器または直流を交流に変換する逆
変換器など自励式電力変換装置において、有効，無効電
力の演算では電流，電圧を検出してｄ−ｑ軸の回転座標
に変換したり、自励式電力変換器に与えるＰＷＭパルス
を生成するときには交流の系統電圧の位相の検出が必要
である。この例としては特開平3−45126号公報に示され
るように交流系統電圧から直接位相を検出する方法があ
る（第１の従来技術）。また特開平4−367011 号公報に
は系統の交流電圧と交流電流から実電力と虚電力を求
め、この実電力と虚電力を検出された交流電圧の最大値
で割算することで、系統電圧の位相を検出することな
く、ｄ−ｑ軸の回転座標の電流を求める方法が記載され
ている（第２の従来技術）。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】自励式電力変換器で
は、３相交流から電圧，電流を検出して有効電力や無効
電力を制御したり、ベクトル制御方式を用いてｄ−ｑ軸
成分に回転座標変換して電流制御を行う。このとき、３
相交流電圧の位相θを用いて変換を行う。上記第１の従
来技術では、交流系統電圧から直接位相θを検出するた
め、ＰＬＬ回路（フェイズロック回路）を用いている。
ＰＬＬ回路を用いる時電源電圧の零点を基準に位相を制
御するため、電源の地絡事故により不平衡電圧になった
り、波形歪による電源の零点通過時にチャタリング等に
より零点を正確に検出が出来なくなる事も生じる。

【０００４】また、第２の従来技術では系統電圧の位相
を検出しなくても電力制御，電流制御を行える利点があ
るが、ＰＷＭパルスを生成する場合にはやはりＰＬＬ回
路等による位相の検出が必要である。そのため、第１の
従来技術と同様、電源の地絡事故等により不平衡電圧が
発生した時に自励式電力変換器が過電流になり、さら
に、電源の至近端での３相地絡事故では電圧が検出でき
ず位相検出が不能となり変換器を運転継続することがで
きない。

【０００５】本発明の目的は、交流系統に異常が発生
し、交流電圧に不平衡が生じても、正確で確実な位相の
検出ができ、安定した制御が可能な電力変換器を提供す
ることにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、３相交流電源
の電圧位相に基づいて交流電源の交流電力を直流電力に
変換する電力変換装置において、前記交流電源の３相分
の電圧信号を実軸と虚軸の各成分に分解し、該各成分か
ら瞬時対称座標法を用いて正相分の位相を検出する位相
角検出器を備え、該検出器からの正相分位相を前記電圧
位相とすることを特徴とする。

【０００７】また、変換器の至近端で系統に３相地絡等
の重大な事故が発生し、系統電圧の位相の演算に誤差が
大きくなるような時は前記正相分の大きさから異常状態
を判断してこの期間は位相予測手段を用いた位相に切り
替えて前記電力変換器を制御し、事故が回復したときは
前記位相演算手段を用いた位相により前記電力変換器を
制御する手段を備えたことを特徴とする。

【０００８】また、３相交流電源の電圧を３相／２相変
換し、この電圧をフーリエ変換して正相電圧を求め、正
相電圧から位相を演算することを特徴とし、フーリエ変
換した正相電圧の大きさから系統の電圧異常を判断し、
正相電圧が所定値以下になった時は位相予測演算を行
い、正常に回復したときはフーリエ変換による位相演算
による位相で前記電力変換器を制御する手段を備えたこ
とを特徴とする。

【０００９】交流系統の３相電源の電圧を波形変換して
実軸，虚軸に分けて測定し、瞬時対称座標法により正相
分の演算から正相分位相を演算することで、安定した交
流系統の位相が検出でき、特に３相の電圧が零になって
も系統電圧が正常時の位相から一定時間位相予測を行う
ことで精度良く継続して位相が検出できるため、該位相
に基づき電力変換器制御することにより電力変換器を停
止させることなく安定に運転を続行でき、電力系統に電
力変換器が接続される直流送電装置，無効電力制御装
置，周波数変換装置では重要な課題の一つである無停止
運転が可能となる。

【００１０】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例である無
効電力調整機能を備えた直流送電用の電力変換装置の構
成図を示す。１０３は半導体スイッチング素子を用いて
交流を直流に、または直流を交流に変換する電力変換器
で、交流系統１０１と直流系統１０２間に配置され、電
力変換する。ここで、該変換器の半導体スイッチング素
子にはＧＴＯ等の自己消弧素子を用いている。電力変換
器１０３の交流側端子は、電圧の昇降を行う変圧器１０
４と交流リアクトル１０７−Ａを介して交流系統１０１
が接続される。通常、交流リアクトル１０７−Ａは変換
器１０４に含めて設計する。電力変換器１０３の直流側
端子間にはコンデンサ１０８が接続されるとともに、図
示しないもう一方の電力変換器の直流端子が直流送電線
を介して接続される。尚、１０７−Ｂは直流送電線路に
存在する直流リアクトルを表わしている。上記電力変換
器を制御するところの制御装置は以下の構成からなる。
一点鎖線で囲んだ電力変換制御部１０９は変換器の有効
電力および無効電力を制御する電力変換制御部、１１０
は位相角検出器の位相を演算する位相角検出器、１１１
は電力変換制御部１０９および位相角検出器１１０の演
算を一定時間毎に行うためのサンプリングタイマであ
る。１０５−Ａは交流系の電圧を測定する計器用変圧
器、１０５−Ｂは変換器側の交流の電圧を測定する計器
用変圧器、１０６は交流系の電流を測定する計器用変流
器である。

【００１１】次に、電力変換制御部１０９の構成を説明
する。１１２は直流電圧指令Ｖdc*を出力する直流電圧
指令部、１１３は直流電圧指令Ｖdc* と変換器直流端子
の電圧との偏差を求める加算器、１１４は前記偏差がな
くなるように有効電流指令Ｉp*を出力する直流電圧制御
器である。１１５は計器用変流器１０６で検出した３相
変換器電流から２相の直交２軸であるα−β軸座標成分
に変換する３／２相電流変換器、１１６は計器用変圧器
１０５−Ｂで検出した３相変換器電圧から２相のα−β
軸座標に変換する３／２相電圧変換器、１１７はα−β
に座標変換された電圧と電流から無効電力Ｑf を検出す
る無効電力演算器、１１８は計器用変圧器１０５−Ａで
検出した系統電圧より無効電力指令Ｑ* を求める無効電
力指令部、１１９は無効電力指令Ｑ* と無効電力検出値
Ｑf との偏差を求める加算器、１２０は前記無効電力の
偏差がなくなるように無効電流指令Ｉq*を出力する無効
電力制御器である。１２１は３／２相電流変換器１１５
よりのα−β軸座標の電流成分Ｉα，Ｉβを系統電圧位
相θF により有効−無効軸座標（ｐ−ｑ軸）における電
流成分Ｉp，Ｉqに変換するｐ−ｑ軸演算回路、１２２は
有効電流の指令Ｉp*とその検出値Ｉp との偏差を求める
加算器、１２３は前記有効電流の偏差がなくなるように
有効電圧指令Ｖp を出力する有効電流制御器、１２４は
無効電流の指令Ｉq*とその検出値Ｉq との偏差を求める
加算器、１２５は前記無効電流の偏差がなくなるように
無効電圧指令Ｖq を出力する無効電流制御器である。

【００１２】一点鎖線で囲んだ位相角検出器１１０は後
ほど詳細に説明する本発明の特徴とする位相角検出器で
ある。１２６は計器用変圧器１０５−Ａで降圧した３相
の系統電圧を実軸と虚軸に波形変換して各相の実軸電圧
成分と虚軸電圧成分を検出する系統電圧検出回路、１２
７は検出された系統電圧から対称座標法で求めた正相電
圧演算回路、１２８は正相位相演算回路の演算結果から
正相電圧の実軸と虚軸から位相θF を演算する正相位相
演算回路、１２９は系統電圧が急激低下した時に、系統
電圧の位相を予測する位相予測回路、１３０は正相位相
演算回路１２８からの位相θF1か位相予測回路１２９か
らの位相θF2かを切替える切替スイッチ、θF は切替ス
イッチの出力位相である。１３１は正相電圧の大きさか
ら判断して切替スイッチの選択を決定する異常電圧判断
回路である。

【００１３】１３２は前記有効，無効電圧指令Ｖp，Ｖq
を正相分位相θF によりα−β軸座標の電圧成分Ｖo
α，Ｖoβに変換する逆α−β変換器、１３３は電圧成
分Ｖoα，Ｖoβ を３相電圧成分指令Ｖou〜Ｖowに変換
する逆２／３相変換器、１３４は３相電圧成分指令Ｖou
〜Ｖowと正相分位相θF に基づきＰＷＭ信号を発生さ
せ、この信号により電力変換器のスイッチング素子をオ
ン，オフさせＰＷＭ制御を行うＰＷＭパルス発生器であ
る。

【００１４】次に本実施例の電力変換装置の動作を説明
する。電力変換器１０３の直流端子電圧Ｖdcを制御する
ため、直流電圧指令部の指令値Ｖdc* とＶdcの偏差を加
算器113 で演算し、この偏差値を入力として直流電圧制
御器１１４で比例積分演算を行い有効電流指令Ｉp*を得
る。３／２相電流変換器１１５では、計器用変流器１０
６で検出した３相系統電流から数１を用いて２相のα−
β座標に変換する。

【００１５】

【数１】

【００１６】ｐ−ｑ軸演算回路１２１では、位相角検出
器１１０からの出力位相角θF を基準として、３／２相
電流変換器１１５で得られたＩα，Ｉβから数２を用い
て有効電流検出値Ｉp と無効電流検出値Ｉq を得る。

【００１７】

【数２】

【００１８】同様に３／２相電圧変換器１１６では、計
器用変圧器１０５−Ｂで検出した３相変換器電圧から数
３を用いて２相のα−β座標に変換する。

【００１９】

【数３】

【００２０】無効電力演算器１１７では、α−β座標に
変換されたＶα，Ｖβ，Ｉα，Ｉβから数４を用いて交
流系統の無効電力Ｑfを算出する。

【００２１】

【数４】Ｑf＝ＶβＩα−ＶαＩβ …（数４）ここで、無効電力Ｑを制御するため、無効電力指令部１
１８の指令値Ｑ*とＱfの偏差を加算器１１９で演算し、
この偏差値を入力として無効電力制御器１２０では比例
積分演算を行い無効電流指令Ｉq*を得る。

【００２２】有効電流制御器１２３では、直流電圧制御
器１１４の出力Ｉp*とｐ−ｑ軸演算回路１２１の出力Ｉ
pとの偏差を入力として比例積分演算を行い有効電圧指
令Ｖpを得る。

【００２３】無効電流制御器１２５では、無効電力制御
器１２０の出力Ｉq*とｐ−ｑ軸演算回路１２１の出力Ｉ
qとの偏差を入力として比例積分演算を行い無効電圧指
令Ｖqを得る。

【００２４】逆α−β軸電圧変換器１３２は、位相角検
出器１１０からの出力位相角θF を基準として、有効電
流制御器１２３の出力Ｖpと無効電流制御器１２５の出
力Ｖqから数５を用いてα軸，β軸出力電圧指令Ｖoα，
Ｖoβを得る。

【００２５】

【数５】

【００２６】逆２／３相変換器１３３は、逆α−β軸電
圧変換器１３２の出力ＶoαとＶoβから数６を用いて３
相ＰＷＭ電圧指令Ｖoｕ，Ｖoｖ，Ｖoｗを得る。

【００２７】

【数６】

【００２８】ＰＷＭ発生器１３４は、３相ＰＷＭ電圧指
令Ｖoｕ，Ｖoｖ，Ｖoｗの値と内蔵のタイマに位相角検
出器１１０からの位相信号θF を入力して得られた値と
比較してＰＷＭ電圧指令値とタイマの一致点でパルス発
生させるか３相ＰＷＭ電圧指令Ｖoｕ，Ｖoｖ，Ｖoｗを
アナログに変換して三角波と比較してアナログ値と三角
波の一致点でパルス発生させ、該パルスを電力変換器１
０３のゲート信号として駆動させる。

【００２９】直流送電の制御は、２台ある電力変換器の
お互いの直流端子の直流電圧Ｖdcの大きさを制御するこ
とにより行う。

【００３０】なお、該直流送電装置を使用して、それぞ
れの交流系統の周波数の異なる交流系統に接合すれば周
波数変換装置になり、また、その他交流系統の周波数が
等しければ、ＢＴＢ(ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ)とな
る。また、電力変換器１０３が１台でその交流側を交流
系統１０１に接続するだけの構成とし、交流系統１０１
の交流電圧と電力変換器１０３の交流電圧の大きさを比
較し、制御すれば無効電力制御装置になる。

【００３１】次に、本発明の一実施例における特徴部で
ある図１に示すの位相角検出器110について以下詳細に
説明する。

【００３２】図２は瞬時対称座標法に基づいて３相交流
電圧における正相分の振幅及び位相を検出するものであ
る。

【００３３】同図は正相分検出に加え逆相分の検出回路
も入った構成になっている。１２６は３相交流系統電源
の電圧を検出する系統電圧検出回路であり、計器用変圧
器１０５−Ａの二次側巻線で、この巻線には３相交流系
統電源に比例した電圧が印加されている。１２６−Ａは
検出した３相系統電圧ｕ，ｖ，ｗ，を実軸電圧とする実
軸電圧検出器、１２６−Ｂは３相系統電圧の各相を電気
角で９０遅らせ虚軸とし、各相をｘ，ｙ，ｚとして検出
する虚軸電圧検出器。これら６個の電圧データは図１の
サンプリングタイマ１１１により一定時間毎にサンプル
ホールドされ、Ａ／Ｄ変換器でディジタル量に変換され
る。系統電圧検出回路１２６の出力Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは
数７で表される。

【００３４】

【数７】Ｖｕ＝ｕ＋ｊｘＶｖ＝ｖ＋ｊｙＶｗ＝ｗ＋ｊｚ …（数７）正相分演算回路１２７は系統電圧検出回路１２６の出力
ｕ，ｖ，ｗ，ｘ，ｙ，ｚと数８，数９に示す対称座標演
算子ａまたはａ２から、数１０を用いてＵ相に関する正
相電圧Ｅ1ｕを演算する。

【００３５】

【数８】

【００３６】

【数９】

【００３７】

【数１０】

【００３８】数１０を実数部と虚数部に整理すると数１
１となる。

【００３９】

【数１１】

【００４０】正相位相演算回路１２８は正相電圧Ｅ1Uか
ら正相電圧の位相θFを演算する回路である。数１１の
実軸電圧ＡF,ＢFから数１２を用いて位相を演算する。

【００４１】

【数１２】

【００４２】演算を高速に実施するため、図３のように
テーブルを用いて行うことも出きる。たとえば電気角で
３６０度をｎ等分すると、ｋ*tanθ1からｋ*tanθnのデ
ータをｎ個のテーブルに入れ、これらテーブルの値とＡ
F／ＢFの結果とを比較し、値が一致または一番近い値の
データのテーブルを見つけそのテーブルのアドレスを位
相θとすることが出きる。

【００４３】位相予測回路１２９はサンプリング時間毎
に演算した位相θF を記憶する位相記憶回路１２９−Ａ
と予測演算回路１２９−Ｂからなる。図４は系統電圧の
１周期の間にｍ回サンプリングする例であり、（ａ）は
タイムチャート、（ｂ）は記憶テーブルである。記憶テ
ーブルは正相位相演算回路１２８の出力データをサンプ
リング時間毎に記憶するものである。予測演算回路１２
９−Ｂは正相電圧判断回路１１１からのトリガにより
位相記憶回路１２９−Ａのトリガのあった位相θF2から
一定位相値Δθを加算するものである。θF2は数１３で
表され、一定位相Δθは数１４で表される。

【００４４】

【数１３】 θF2＝θF1＋Δθ １回目 θF2n＝θF2(n-1)＋Δθ ２回目 …（数１３）

【００４５】

【数１４】

【００４６】異常電圧判断回路１３１では、正相電圧の
大きさを判断してその出力により第１のスイッチ１３０
を切り替えて位相演算回路からの出力θF1か位相予測回
路の出力θF2かを選択する。１３１−Ａは正相電圧の大
きさを決める絶対値演算回路であり、その判断要素は正
相電圧の実軸部ＡFと虚軸部ＢFからなる。数１５は正相
電圧の大きさを評価する二乗加算値、数１６は絶対値、
また数１７は加算値である。

【００４７】

【数１５】ＺＥｕ＝ＡF²＋ＢF²…（数１５）

【００４８】

【数１６】

【００４９】

【数１７】ＺＥu2＝｜ＡF｜＋｜ＢF｜ …（数１７）１３１−Ｂは基準パターン発生回路であり、図５がその
特性である。横軸は二乗加算値ＺＥｕまたは絶対値ＺＥ
ｕ１の大きさであり、縦軸は地絡相数を表す。たとえば
１線地絡したときは正相電圧の大きさは数１５の二乗加
算値のときは４４％に低下し、数１６の絶対値演算のと
きは６７％に低下することがわかる。１３１−Ｃは切替
判定回路である。切替判定１３１−Ｃは絶対値演算回路
１３１−Ａの出力値と基準パターン発生回路１３１−Ｂ
の出力値から、例えば、事故期間が２０ｍｓの場合、図
６（ａ）に位相予測時間可変特性を示す。予測位相出力
時間の判定基準を設ける。実線で示す絶対値による判定
の場合は、数１６で表わされる絶対値から判断して定格
の４０％に低下するまでは予測演算回路１２９−Ｂは行
わず、第１の切替スイッチ１３０は正相位相演算回路１
２８の出力θF1を選択する。しかし絶対値が４０％以下
になったときは数１３を用いて予測演算すると共に第１
のスイッチ１３０は予測演算回路の出力θF2を選択す
る。例として、正相分の電圧の絶対値が３０％低下した
時は切替判定回路では５ミリ秒間、予測演算回路を選択
することになる。

【００５０】同様に、破線で示す二乗加算値による判定
の場合は、正相分の値が２０％低下するまでは予測演算
回路１２９−Ｂは行わず、第１の切替スイッチ１３０は
正相位相演算回路１２８の出力θF1を選択する。正相分
の値が２０％以下に低下した時に図６に従って一定時間
予測位相演算を行い、精度の良い系統電圧の位相を演算
できる。ここで、事故時間を説明上２０ｍｓに決めたが
この値は任意決めることができる。また、位相予測有
り，無しの正相電圧の大きさを４０％に決めたが、これ
も任意にきめることができる。

【００５１】図６（ｂ）に位相予測時間一定この図の特
性を示す。絶対値演算で説明すると、正相電圧が４０％
低下した所で事故があったと判断し、事故時間２０ｍｓ
の間予測値θF2を用い、２０ｍｓ後に正相電圧が４０％
以上であれば系統電圧は正常に復帰したと判断し、位相
演算値θF1に切り替えることができる。

【００５２】本発明の実施例によれば系統電圧に異常が
生じたとき正相電圧の大きさを基準に異常状態を予測，
判断し、重大な異常の時は系統の電圧から位相を演算す
るのを中断し、サンプリング時間ごとに、一定位相を加
算して予測演算を実施することで系統電源の異常の影響
を避け、系統電圧が復帰した時に系統電圧から位相を演
算することで、精度の良い系統電圧の位相を演算でき
る。

【００５３】図７は本発明になる電力変換装置の他の実
施例における位相検出器の構成図である。図２の中の構
成要素と同じものには同じ番号を付した。図２に於いて
は、系統電圧に異常が発生した時、位相演算θF1から位
相予測θF2に切り替えて位相の精度を向上させた。しか
し、不平衡から正常電圧に復帰するとき、位相演算値θ
F1と位相予測値θF2の値に隔たりがあるとこれらが間欠
的に切り替わり、電力制御に動揺が生ずる。そこで、本
実施例ではこの点を解消するため、復帰の時は位相演算
θF1と位相予測値θF2の偏差から一次遅れ回路からの出
力θF3を用い、θF1とθF3の偏差が小さくなり、或範囲
内に入った所で位相遅れ回路出力θF3から位相演算θF1
に切り替える。

【００５４】図７で１３５は第２の切替スイッチ、１３
６は一次遅れ回路、１３７は遅れ定数ＫＬ，１３８は遅
れ積分項ＦＩＬ，１３９は加算器、１４０は減算器、１
４１は復帰判定回路である。図８は図６の特性から第１
のスイッチ１３０と第２のスイッチ１３５の動作接点を
説明するものである。また、図９は系統電圧に不平衡が
発生したときの位相のタイムチャートである。図８で系
統電圧に不平衡が発生し正相電圧が定常時の１５％に低
下したとする。図７の切替判定回路１３１−Ｃでは１３
ミリ秒予測演算を実施するようにＳ３信号から予測演算
するように働くと共に、Ｓ１信号から第１のスイッチ１
３０のＫ２接点と第２のスイッチＫ３接点を選択するよ
うに働く。予測演算回路の出力θF2は１３ミリ秒間、第
２のスイッチＫ３接点と第１のスイッチＫ２接点を介
し、位相出力θF はθF2を出力する。もちろん、その
間、正相位相演算回路１２８はθF1を演算している。

【００５５】この期間は図９の時間ｔ1からｔ2の区間で
あり、系統電圧が乱れている間は一点鎖線の位相θF2を
使用する。次に時間ｔ2 でθF2からθF1に即切り替える
と位相段差が付く可能性がある。そこで正相位相演算回
路１２８の値θF1と予測演算回路１２９−Ｂの出力θF2
から一次遅れ位相θF3を作る。図９の拡大図に示すよう
にθF1とθF3の偏差が或一定値ε以内に入ったことを復
帰判定回路１４１で確認して第１のスイッチのＫ２接点
からＫ１接点に切り替え、一次遅れ位相θF3から正相位
相演算回路１２８のθF1に切り替える。すなわち、切替
判定回路１３１−Ｃからは時間ｔ2 の時、Ｓ２信号を出
力し、第２の切替スイッチ１３５の接点をＫ３からＫ４
に切り替える。もちろん、第１のスイッチ１３０は接点
Ｋ２を選択し続ける。時間ｔ2 の時、遅れ積分項ＦＩＬ
の初期値はクリアする。遅れ定数１３７の値をＫＬとす
ると、復帰のとき、１回目は数１８により演算し、２回
目以後はサンプリング時間ごとに数１９，数２０の演算
を行う。

【００５６】

【数１８】 θF31＝θF20 １回目 …（数１８）

【００５７】

【数１９】 εn＝θF1n−θF3n ２回目以後 …（数１９）

【００５８】

【数２０】ＦＩＬn＝ＦＩＬ(n-1)＋εn×ＫＬ θF3n＝θF2n＋ＦＩＬn …（数２０）本実施例によれば、系統電圧に異常が生じた後異常が解
除され、位相予測演算から正規の系統電圧の位相の演算
に復帰する時、予測位相から系統電圧の位相に一次遅れ
要素を加えて近づけ両者の偏差が或値ε以下になった
時、系統電圧の位相の演算に切り替えるので、階段的に
位相が切り替わって系統電圧に擾乱等の影響が生じるの
を防ぐため、スムースな位相切り替えができる。

【００５９】図１０は本発明になる電力変換装置のさら
に他の実施例における位相検出器の構成図である。図２
の中の構成要素と同じものには同じ番号を付した。

【００６０】本実施例では、系統の電圧の位相を３相電
圧から２相電圧に変換し、フーリエ変換法を用いて基本
波成分の大きさを演算し、これから位相を演算する。そ
して、地絡事故で系統電圧が異常になった時、基本波の
大きさに従いフーリエ変換法を用いた位相演算する方法
とサンプリング時間に併せて位相を予測する方法を切り
替える。

【００６１】図１０の１４２は計器用変圧器１０５−Ａ
で降圧した３相の系統電圧をＶUS，ＶVS，ＶWSを３相２
相変換するフーリエ系統電圧検出回路、１４３は２相に
変換された系統電圧をサンプリング時間毎に測定し、フ
ーリエ変換法を用いて正相電圧を演算するフーリエ正相
電圧演算回路、１４４はフーリエ変換した基本波のα成
分とβ成分から基本波の位相を演算するフーリエ位相演
算回路、１４５はフーリエ異常電圧判定回路であり、系
統電圧が異常時、フーリエ変換法から求めた正相電圧の
大きさを判断して第１の切替スイッチ１３０を切り替え
てフーリエ位相演算回路１４４からの出力θF1か位相予
測回路の出力θF2かを判断するものである。１４５−Ａ
は正相電圧の絶対値を決めるフーリエ絶対値演算回路で
ある。１４５−Ｂはフーリエ基準パターン発生回路であ
り、１４５−Ｃはフーリエ切替判定回路である。

【００６２】図１１はフーリエ変換法による基本波位相
の演算の原理図である。図１０の中の構成要素と同じも
のには同じ番号を付した。フーリエ系統電圧検出回路１
４２で検出された系統電圧ＶUS，ＶVS，ＶWSは数２１式
で２相のα成分Ｖαｉとβ成分Ｖβｉに変換される。

【００６３】

【数２１】

【００６４】フーリエ正相電圧演算回路１４３はフーリ
エ変換により正相電圧の振幅値を求める回路であり、α
軸とβ軸に分けて基本波成分の振幅を演算する回路であ
る。振幅演算回路はα座標基本波正弦振幅演算回路１４
３−Ａとα座標基本波余弦振幅演算回路１４３−Ｂとβ
座標基本波正弦振幅演算回路１４３−Ｃとβ座標基本波
余弦振幅演算回路１４３−Ｄからなる。α座標基本波正
弦振幅値Ｖαｓは数２２で、α座標基本波余弦振幅値Ｖ
αｃは数２３で、β座標基本波正弦振幅値Ｖβｓは数２
４で、β座標基本波余弦振幅値Ｖβｃは数２５で求める
ことができる。

【００６５】これらの式は２相の電圧成分ＶαｉとＶβ
ｉの一周期をｎ等分し、部分積分を行っているが、通常
の定積分の式に置き換えても実施できる。

【００６６】

【数２２】

【００６７】

【数２３】

【００６８】

【数２４】

【００６９】

【数２５】

【００７０】１４３−Ｅはβ加算器、１４３−Ｆはα加
算器である。β加算器１４３−ＥはＶαｓとＶβｃを加
算してＶFβ を得る。α加算器１４３−ＦはＶαｃと−
Ｖβｓを加算してＶFα を得る。ＶFαとＶFβは数２
６，数２７で表わせる。これらの値はそれぞれの成分を
α軸とβ軸上で合成したものであり、α座標正相分基本
波振幅ＶFαとβ座標正相分基本波振幅ＶFβである。

【００７１】

【数２６】ＶFα＝Ｖαｃ−Ｖβｓ …（数２６）

【００７２】

【数２７】ＶFβ＝Ｖαｓ＋Ｖβｃ …（数２７）１４４はフーリエ位相演算回路である。１４４−Ａはα
座標正相分基本波振幅ＶFαとβ座標正相分基本波振幅
ＶFβから数２８を用いて正相分基本波の絶対値ＶF を
求め、また数２９からsinθF、数３０からcosθFを求め
ることができるフーリエ振幅回路である。

【００７３】

【数２８】

【００７４】

【数２９】

【００７５】

【数３０】

【００７６】１４４−Ｂはフーリエ変換後の基本波の位
相を演算するフーリエ位相演算回路Ｂである。制御装置
をマイコン等でディジタル化する場合、数３１によりθ
F を求めることができる。このとき、あらかじめtanθF
＝ＶFα／ＶFβを計算し、テーブル化しておいて、数３
２でＫθを演算し、この結果からテーブルを引くことで
高速に位相を演算することができる。

【００７７】

【数３１】

【００７８】

【数３２】

【００７９】図１２及び図１３はフーリエ変換による位
相検出の動作を説明するものであり、図１２はベクトル
図、図１３はαβ電圧成分波形である。図１３において
サンプリング時間毎にα波形とβ波形の瞬時値をサンプ
ルし、１周期分図示しない記憶回路に記憶させておく。
たとえば、電気角で３６０度の間を９６等分してサンプ
リングすると仮定する。今、系統の電圧の周波数を５０
Ｈｚとすればサンプリング周期は２０８マイクロ秒とな
る。データの記憶は１周期過ぎたところで新しいデータ
と１周期前のデータを記憶回路から入れ替えてデータの
更新を行う。また、９６個のデータでフーリエ演算する
とマイコンの１サンプリング内の演算時間が長くかか
り、その他の制御演算に影響をかける。そのため、図１
３の例では数２２から数２５の演算は各サンプリングの
都度行う。その方法はサンプリング毎に演算されたＶα
ｉとＶβｉを記憶回路に記憶されている１周期前のデー
タと入れ替える。今、入れ替えられた最も新しいデータ
を基準に、すでに記憶されているデータをさかのぼって
３０度毎に１２個抽出する。これらのデータにｎ＝０か
らｎ＝１１までの番号を付け、この１２個のデータで部
分積分を行うことで演算時間を短縮するようにしてい
る。図１３のｎ＝０はα軸電圧が０度の時の例である。

【００８０】図１０においてフーリエ異常電圧判定回路
１４５はフーリエ正相電圧演算回路１４３のα座標正相
分基本波振幅ＶFαとβ座標正相分基本波振幅ＶFβから
判断する回路である。１４５−Ａは正相電圧の絶対値を
決める絶対値演算回路であり、数２８に示すフーリエ変
換後の基本波の振幅の大きさである。また、演算時間を
短縮するために数３３に示すフーリエ二乗加算値ＺＥF
、または数３４式に示すフーリエ加算値ＺＥF により
評価することができる。

【００８１】

【数３３】ＺＥF1＝ＡFα²＋ＢFβ²…（数３３）

【００８２】

【数３４】ＺＥF2＝｜ＡFα｜＋｜ＢFβ｜ …（数３４）１４５−Ｂは基準パターン発生回路であり、１４５−Ｃ
は切替判定回路である。動作は前記した基準パターン発
生回路１３１−Ｂ，切替判定回路１３１−Ｃと同様であ
る。ただし図５において絶対値の特性は数２８のＶF と
なり、二乗加算は数３３のＺＥF1、加算値は数３４のＺ
ＥF2となる。特性式もＡF をＶFαに、ＢFをＶFβに
置換したもので特性的には異常電圧判断回路１３１と全
く同様である。

【００８３】本実施例によれば系統の電圧を３相／２相
変換した後、フーリエ変換法により基本波電圧を求め、
基本波電圧の大きさから系統の電圧の異常を判断して系
統電圧から基本波位相を演算する方法と、サンプリング
時間毎に一定位相を加算した位相予測方法を切り替える
ことにより、系統電圧に異常を生じたときより正しく精
度良い位相を制御に用いることができ、変換器の安定な
運転が可能となる。

【００８４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、交
流系統に異常が発生し、交流系統に不平衡が生じても正
確で確実な位相の検出ができ、安定した制御が可能な電
力変換器を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す電力変換装置の構成図
である。

【図２】本発明の特徴部を示す図１の系統電圧位相角検
出器の構成図である。

【図３】本発明の位相を演算するためのテーブルの説明
図である。

【図４】本発明の系統電圧の１周期の間にｍ回サンプリ
ングする例であり、（ａ）はタイムチャート（ｂ）は記
憶テーブルである。

【図５】本発明の系統電圧から位相演算を行って得た位
相か、位相予測演算を行って得た位相かを、選択するた
めの基準を決める特性である。

【図６】本発明の動作を説明するに用いた図で正相分電
圧の大きさに従い、予測による位相を選択する時間を決
定する切替判定図。

【図７】本発明の他の実施例を示す系統電圧位相角検出
器の構成図である。とくに系統電圧に不平衡が発生し、
解除するとき予測演算から位相演算に戻る時、一次遅れ
要素を加えた図である。

【図８】本発明の動作を説明するに用いた図７において
位相演算，予測演算，一次遅れ演算，位相演算の選択方
法の説明図。

【図９】本発明の動作を説明するに用いた図７において
位相演算，予測演算，一次遅れ演算，位相演算の選択す
る過程の時間と位相の状態図である。

【図１０】本発明の他の実施例を示す系統電圧位相角検
出器の構成図である。フーリエ変換法を用いた系統電圧
位相角検出器の構成図である。

【図１１】本発明の動作を説明するに用いた図１０にお
いてフーリエ変換法の動作原理の説明図。

【図１２】フーリエ変換の原理を説明するベクトル図。

【図１３】フーリエ変換において、α，β電圧のサンプ
リング方法を説明する図。

【符号の説明】

１０１…交流系統、１０２…直流系統、１０３…電力変
換器、１０４…変圧器、１０５…計器用変圧器、１０６
…計器用変流器、１０７−Ａ…交流リアクトル、１０７
−Ｂ…直流リアクトル、１０８…コンデンサ、１０９…
電力変換制御部、１１０…位相角検出器、１１１…サン
プリングタイマ、１１２…直流電圧指令部、１１３，１
１９，１２２，１２４，１３９…加算器、１１４…直流
電圧制御器、１１５…３／２相電流変換器、１１６…３
／２相電圧変換器、１１７…無効電力演算器、１１８…
無効電力指令部、１２０…無効電力制御器、１２１…ｐ
−ｑ軸演算回路、１２３…有効電流制御器、１２５…無
効電流制御器、１２６…系統電圧検出回路、１２６−Ａ
…実軸電圧検出器、１２６−Ｂ…虚軸電圧検出器、１２
７…正相分演算回路、１２８…正相位相演算回路、１２
９…位相予測回路、１３０…第１の切替スイッチ、１３
１…異常電圧判断回路、１３１−Ａ…絶対値演算回路、
１３１−Ｂ…基準パターン発生回路、１３１−Ｃ…切替
判定回路、１３２…逆α−β変換器、１３３…逆２／３
相変換器、１３４…ＰＷＭ発生器、１３５…第２の切替
スイッチ、１３６…一次遅れ回路、１３７…遅れ定数Ｋ
Ｌ、１３８…遅れ積分項ＦＩＬ、１４０…減算器、１４
１…復帰判定回路、１４２…フーリエ系統電圧検出回
路、１４３…フーリエ正相電圧演算回路、１４３−Ａ…
α座標基本波正弦振幅演算回路、１４３−Ｂ…α座標基
本波余弦振幅演算回路、１４３−Ｃ…β座標基本波正弦
振幅演算回路、１４３−Ｄ…β座標基本波余弦振幅演算
回路、１４３−Ｅ…β加算器、１４３−Ｆ…α加算器、
１４４…フーリエ位相演算回路、１４４−Ａ…フーリエ
振幅回路、１４４−Ｂ…フーリエ位相演算回路Ｂ、１４
５…フーリエ異常電圧判定回路、１４５−Ａ…フーリエ
絶対値演算回路、１４５−Ｂ…フーリエ基準パターン発
生回路、１４５−Ｃ…フーリエ切替判定回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者田中誠二茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者佐藤博康茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】３相交流電源の電圧位相に基づいて交流電
源の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置におい
て、前記交流電源の３相分の電圧信号を実軸と虚軸の各
成分に分解し、該各成分から瞬時対称座標法を用いて正
相分の位相を検出する検出器と、サンプリング毎に一定
位相を加算する位相予測演器を備え、正相電圧の大きさ
が所定値以下になったことを判断して前記正相電圧によ
る位相出力から前記位相予測演算による位相出力に切り
替えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】請求項１において、３相交流電源の正相電
圧の実数部の二乗と虚数部の二乗を加えて平方根演算し
たもの、または実数部の二乗と虚数部の二乗を加えたも
の、または実数部と虚数部の絶対値を加えたものを求
め、それらの少なくとも１つが対応する所定値以下にな
った場合、正相分から演算した位相出力から位相予測か
ら演算した位相出力に切り替えることを特徴とする電力
変換装置。
【請求項３】請求項２において、３相交流電源の正相電
圧の実数部と虚数部から正相電圧の大きさを判定し、そ
の大きさにより位相予測による位相を出力する期間を正
相電圧の大きさに依存させて可変となるように、正相分
から演算した位相出力と位相予測から演算した位相出力
を切り替えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】請求項２において、３相交流電源の正相電
圧の実数部と虚数部から正相電圧の大きさを判定し、そ
の大きさにより位相予測による位相を一定時間出力する
ようにし、正相分から演算した位相出力と位相予測から
演算した位相出力を切り替えることを特徴とする電力変
換装置。
【請求項５】請求項１において、３相交流電源の電圧異
常の状態に位相予測演算の位相出力を選択している状態
から正常の状態に復帰するとき、正相電圧から演算した
位相に対し、位相予測から演算した位相に一次遅れ要素
を加えて前記３相交流電源電圧の正相電圧から演算した
位相に近づけ、偏差がある一定値以下に接近した所で前
記電源電圧の正相電圧から演算した位相に切り替えるこ
とを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】３相交流電源の電圧位相に基づいて交流電
源の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置におい
て、前記交流電源の３相分の電圧信号を２相の直交する
２軸α軸，β軸電圧信号に変換し、該α，β軸電圧信号
をフーリエ変換してα座標正相分基本波振幅とβ座標正
相分基本波振幅を用いて基本波の位相を検出する検出器
と、サンプリング毎に一定位相を加算する位相予測演算
器を備え、正相分基本波振幅の大きさから判断して、前
記基本波振幅による位相と位相予測演算による位相を切
り替えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】請求項６において、前記フーリエ変換の基
本波電圧のα座標正相分基本波振幅値とβ座標正相分基
本波振幅値で行い、α座標正相分基本波振幅値の二乗と
β座標正相分基本波振幅値の二乗を加えて平方根演算し
たもの、またはα座標正相分基本波振幅値の二乗とβ座
標正相分基本波振幅値の二乗を加えたもの、またはα座
標正相分基本波振幅値とβ座標正相分基本波振幅値を加
えたものを求め、それらの少なくとも１つが対応する所
定値以下になった場合基本波から演算した位相出力から
位相予測器で演算した位相出力に切り替えることを特徴
とする電力変換装置。
【請求項８】請求項６において、基本波のα座標正相分
基本波振幅値とβ座標正相分基本波振幅値から基本波の
大きさを判定し、その大きさにより位相予測による位相
を出力する期間を正相電圧の大きさに依存させて可変と
なるように、基本波から演算した位相出力と位相予測か
ら演算した位相出力を切り替えることを特徴とする電力
変換装置。
【請求項９】請求項６において、基本波のα座標正相分
基本波振幅値とβ座標正相分基本波振幅値から基本波の
大きさを判定し、その大きさにより位相予測による位相
を一定時間出力するようにし、基本波から演算した位相
出力と位相予測から演算した位相出力を切り替えること
を特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】請求項６において、３相交流電源の電圧
異常の状態に位相予測演算の位相出力を選択している状
態から正常の状態に復帰するとき、基本波から演算した
位相に対し、位相予測から演算した位相を一次遅れ要素
を加えて前記３相交流電源電圧の基本波から演算した位
相に近づけ、偏差がある一定値以下に接近した所で基本
波から演算した位相に切り替えることを特徴とする電力
変換装置。
【請求項１１】交流電源系統に接続された交直流変換を
行う電力変換装置を有する直流送電装置または、無効電
力調整装置または、周波数変換装置の何れかに請求項１
乃至８記載の何れかの電力変換装置を用いたことを特徴
とする電力変換装置。