JPH09308264A - 自励電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 低損失かつ系統に事故があっても運転継続が
可能な自励電力変換装置を提供することにある。 【解決手段】 電力系統に連系した自励電力変換装置で
あって、パルス発生装置を備え、系統電圧Ｖｓを検出
し、系統電圧が平衡して正常の電圧範囲にある場合は、
信号波の振幅の大きさを搬送波の振幅よりも大きくし、
制御方式をパルス振幅変調（ＰＡＭ）方式とし、系統電
圧が低下または不平衡になった場合に、信号波の振幅の
大きさを搬送波の振幅よりも小さくし、制御方式をパル
ス幅変調（ＰＷＭ）方式に切り換えることを特徴とす
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、自己ターンオフ形
デバイスを使用した自励半導体電力変換装置に係わり、
特に、電力系統に適用する自励電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、自励半導体電力変換装置の大容量
化が進み、これを電力系統に連系して無効電力補償装置
などの電力系統安定化装置として使用するようになって
きた。自励電力変換装置を制御するには、その出力交流
電圧の位相と振幅を制御する必要がある。出力交流電圧
の制御方式としては、文献（”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ
ｏｆ ａ ±１００ ＭＶＡＲ Ｓｔａｔｉｃ Ｃｏ
ｎｄｅｎｓｅｒ ｆｏｒ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｃｏｎｔｒ
ｏｌ ｏｆ Ｔｒｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ
ｓ”）に報告されているような直流電圧を制御して電圧
を制御するいわゆるＰＡＭ(パルス振幅変調)方式の他
に、ＰＷＭ(パルス幅変調)方式がある。ＰＡＭ方式で
は、各アームが交流電圧の１サイクル当たりにオン、オ
フのスイッチングを行う回数（パルス数）が１であり、
損失が少ないという特徴がある。しかしながら、ＰＡＭ
方式は、直流電圧を制御するため、応答速度が遅く、系
統電圧の急変時に追従できない問題がある。また、直流
電圧は三相に共通であるため、出力交流電圧は、直流電
圧の変化により、三相同時に変化するので、系統に事故
があった場合など不平衡電圧となる条件では運転できな
くなってしまう。他方、ＰＷＭ方式は、応答速度が速
く、また、各相ごとに電圧を制御できるので、不平衡電
圧のときにも運転継続ができる特徴がある。しかしなが
ら、パルス数が多いので、損失が大きくなるという欠点
がある。損失は、スイッチングに伴って発生する分があ
り、パルス数によってスイッチング回数が変わる。各ア
ームのパルス数が例えば１と３とでは０．５パーセント
程度も損失が異なることもある。これは電力用変換装置
にとっては無視できない差である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、低損
失かつ系統に事故があっても運転継続が可能な自励電力
変換装置を提供することにある。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題は、系統電圧を
検出し、系統電圧が平衡して正常の電圧範囲にある場合
は制御方式をパルス振幅変調方式とし、系統電圧が低下
または不平衡の異常が発生した場合にパルス幅変調方式
に切り換えることによって、解決される。

【０００５】本発明では、直流電圧を制御することによ
りＰＡＭ方式を可能とする。また、パルス発生は信号波
と搬送波とを比較する方式を使用し、搬送波の振幅を常
時は信号波の振幅より小さくする。そのため、信号波の
０付近とだけ搬送波と信号波とが交差してパルスを出す
ので、常時はパルス数が１となる。信号波の振幅が小さ
くなると、波高値付近でも搬送波と交差するようにな
り、パルス数が増えてＰＷＭ方式に移行する。これによ
り、系統が正常の状態にはＰＡＭ方式により運転し、損
失を少なくし、系統に事故があった場合にはＰＷＭ方式
により運転し、系統電圧に不平衡があっても運転を継続
させることができる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面を
用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態を示す自
励電力変換装置であり、無効電力補償装置に適用した場
合の例を示す。図１において、１，２，３，４は変換
器、６は変換装置用変圧器、７は直流コンデンサ、１１
は無効電力制御装置、１２は直流電圧制御装置、１３は
リミッタ、２１，２２，２３はパルス発生装置、３１は
三相／２相変換回路、３２は２相／三相変換回路を示
す。電力変換装置は、変換器１，２，３，４の４台から
４多重構成する。変換装置用変圧器６は、高調波を抑制
するために位相巻線を設けて多相化し、正弦波に近い波
形を発生する。直流コンデンサ７は直流回路の電圧源と
して機能する。

【０００７】ここで、４台の変換器１，２，３，４から
合成される変換器電圧を系統側に換算した値をＶとし、
系統電圧をＶｓとする。連系リアクタンス、ここでは変
換装置用変圧器６のもれリアクタンスをＸとする。Ｖと
Ｖｓをベクトルで表したとき、系統から流れる電流Ｉ
は、

【数１】 となる。ＶをＶｓと同じ位相として大きさを変えた場
合、電流の位相は９０度ずれて、無効分となる。また、
Ｖの位相を変えると、有効電力となる電流が流れる。Ｖ
の値（基本波実効値）は、パルス数を１としたとき、

【数２】 の関係がある。したがって、パルスをＶｓの位相に合わ
せて発生し、Ｅｄを変化させれば、ＶはＶｓと同じ位相
で振幅だけが変化し、上記のように無効電力を制御でき
る。Ｅｄを変えるには次のようにする。すなわち、パル
スの位相を変える。すると有効電力が流れるので、直流
コンデンサ７が充電または放電する。これによって、直
流電圧が変化する。以上をまとめると、図１の変換装置
では、パルス位相をずらすことにより、直流電圧を変化
させる。直流電圧を変化させることにより、交流電圧の
大きさを変えて無効電力を変化させる。

【０００８】次に、本実施形態の動作を説明する。無効
電力は、無効電力設定値と無効電力検出値とが比較さ
れ、無効電力制御装置１１により制御される。なお、無
効電力制御装置１１は、交流電圧を一定に保つように制
御する方が一般的であるが、ここでは分かりやすくする
ため、無効電力制御の形で説明する。無効電力制御装置
１１の出力からリミッタ１３を介してΔＥｄが出力され
る。これに基準直流電圧設定値Ｅｄ０が加算され、直流
電圧設定値Ｅｄｒとなる。Ｅｄｒは検出された直流電圧
Ｅｄと比較され、直流電圧制御装置１２により直流電圧
が制御される。直流電圧制御装置１２からはＵｑが出力
される。一方、系統の交流電圧Ｖｓを検出し、これを三
相／２相変換回路３１により回転座標に変換して正相電
圧の位相と同相のＰ軸の電圧成分Ｖｐと、それより９０
度進んだＱ軸の電圧成分Ｖｑとを求める。系統電圧Ｖｓ
が平衡した三相正弦波であれば、Ｖｐは正相電圧に相当
する一定値、Ｖｑは０となる。直流電圧制御装置１２の
出力ＵｑはＶｑに加算される。その結果を用いてＶｑ＋
ＵｑとＶｐは２相／三相変換回路３２により三相の信号
波に逆変換され、各相ごとにパルス発生装置２１，２
２，２３に入力される。

【０００９】以上の動作を式を用いて説明する。検出し
た系統の三相電圧をＶａ，Ｖｂ，Ｖｃとする。三相／２
相変換回路３１では次の演算を行う。

【数３】 すなわち、一旦Ｖα，Ｖβの２相固定座標電圧に変換し
た後、さらに回転座標の電圧Ｖｑ，Ｖｐに変換する。ω
ｔは系統電圧Ｖｓの位相角であり、系統電圧から求めら
れる。ωｔは正相電圧の位相を基準とする。三相電圧
は、常時は正相電圧だけであるが、ここでは事故時まで
想定して正相電圧Ｅ１と逆相電圧Ｅ２がある場合を考え
る。ωｔは正相電圧の位相を基準としているので、Ｖａ
に対する正相電圧の位相は０である。逆相電圧のＶａに
対する位相をφ２とする。三相電圧は次式で表される。

【数４】 この三相電圧を上記の式で変換すると、Ｖα，Ｖβは次
式となる。

【数５】 Ｖｑ，Ｖｐは次式となる。

【数６】 平衡した三相電圧であれば、Ｅ２が０であり、前述のよ
うにＶｑは０となる。ここで、ＶｑにＵｑを加算する
と、

【数７】 この結果が２相／三相変換回路３２に入力される。逆変
換の式は、

【数８】 である。ここで、

【数９】 とすると、

【数１０】 となる。Ｅ１に比べてＵｑが十分に小さければ、実用上
はＥ１ｃはＥ１のままとしてよい。ここではＥ１のまま
として扱う。その結果、（数７）のＵｐ、Ｕｑは、

【数１１】 となる。これを上記のように逆変換すると、Ｖα，Ｖβ
は次式となる。

【数１２】 三相電圧は、

【数１３】 となる。すなわち、ＶｑにＵｑを加算した結果、三相電
圧は正相分の位相がδだけずれる。この三相電圧が信号
波となって各相のパルス発生装置２１，２２，２３に入
力される。

【００１０】パルス発生装置２１，２２，２３は、図２
に示す原理によりパルスを出す。図２にはｕ相とｖ相に
ついて示す。原理は、サブハーモニック変調方式のＰＷ
Ｍパルス発生方式と同様に搬送波と信号波とを比較し、
その大小に応じて正または負のアームをオンとする。た
だし、搬送波の振幅は、系統電圧Ｖｓが正常な場合の信
号波の振幅よりも小さい。搬送波は三角波で３パルスＰ
ＷＭの場合を示す。他の波形や２パルスなど他のパルス
数であってもよい。搬送波の振幅を系統電圧Ｖｓの正常
時の信号波より小さくしているので、系統電圧が正常で
あれば、搬送波と信号波は正弦波波形の信号波の０付近
とだけで交差する。Ｕｑが変化すると、上記の式に示し
たように、信号波の振幅はほぼ一定で位相が変わる。こ
の結果、パルスの位相が図２に点線で示すように変化
し、出力交流電圧の位相も変わるので、有効電力となる
電流が流れ、直流電圧が制御される。この結果、変換器
１，２，３，４の合成交流電圧Ｖ（基本波実効値）が変
わり、無効電力が制御されることになる。このようにし
て、本実施形態では、ＰＷＭパルス発生方式を同様の方
法を用いながら、実際には１パルスで動作し、ＰＡＭに
よって無効電力を制御することができる。

【００１１】次に、系統電圧Ｖｓに異常があった場合の
ＰＷＭ制御への切り換えを説明する。系統電圧Ｖｓに異
常があった場合、異常の原因は地絡短絡などであり、電
圧が低下する。ｕ相の電圧が低下した場合を図３に示
す。ｕ相の信号波の振幅が小さくなり、ｕ相の信号波は
波高値付近でも搬送波と重なるようになる。この結果、
パルス発生装置はＰＷＭ制御に移行する。このように、
本実施形態では、地絡短絡などによる電圧の不平衡に対
しても運転継続が可能となる。また、このパルス発生装
置は、電圧の低下時だけでなく、図示のように不平衡電
圧の場合にも動作する。すなわち、式の上では不平衡時
はＥ２が発生するとともにＥ１も変化する。しかし、上
記のように変換しているので、２相／三相変換回路３２
により三相に戻した結果は、正相の位相がδだけ変化す
ることを除いて、元の電圧波形がほぼ復元されるので、
上記のように不平衡時も動作することができる。

【００１２】ＰＷＭ動作時について、さらに詳細に説明
する。図１では、無効電力制御装置１１の出力に基準直
流電圧Ｅｄ０を加算する方式としている。このため、無
効電力制御装置１１の出力ΔＥｄを０に絞ることによ
り、直ちに基準直流電圧Ｅｄ０で運転できるようにな
る。本実施形態では、必ずしもΔＥｄを０に絞る必要は
ないが、簡単のために絞った場合を説明する。基準直流
電圧Ｅｄ０はＰＡＭ制御方式の場合に定格交流電圧が出
力される値付近とする。すなわち、変換器１，２，３，
４の合成交流電圧Ｖ（基本波実効値）は、直流電圧Ｅｄ
との関係式

【数１４】 を用いて、Ｖが定格電圧となるＥｄを基準直流電圧とす
ればよい。ΔＥｄが０になれば、ＥｄがＥｄｒに制御さ
れ、変換器１，２，３，４の合成出力電圧Ｖは定格値と
なり、系統電圧Ｖｓが定格値であれば、系統電圧と同じ
電圧となり、ほぼ無負荷で運転することになる。この場
合、系統電圧Ｖｓが多少変動しても、連系リアクタンス
Ｘがあるので、過電流を発生させずに運転できる。した
がって、ΔＥｄを０にするのは、過電流を防止するのに
適切な手段となる。なお、本実施形態では、無効電力制
御装置１１の出力ΔＥｄにはリミッタ１３を設けてい
る。これは、直流電圧Ｅｄが異常な値となることを未然
に防止する効果を持つ。そのため、このリミッタ値を絞
ることにより、前述の過電流を防止する動作を可能とす
ることができる。

【００１３】また、図２、図３の搬送波では三角波の頂
点を落としている。搬送波の頂点を落とさない三角波を
考えたときにその振幅を１とし、信号波の振幅をｋとす
ると、ＰＷＭ制御に移行したとき、変換器１，２，３，
４の合成出力電圧Ｖ（基本波実効値）は近似的に、

【数１５】 となる。系統電圧Ｖｓが正常時の信号波の振幅は単位法
で表して１になる。搬送波の振幅は上述のように１であ
る。ΔＥｄを０にしたときには、ＥｄがＥｄｒに制御さ
れ、ｋ＝１のときはＶは定格電圧となる。系統電圧Ｖｓ
がｋ倍に低下したときには、信号波と搬送波が頂点付近
でも交差してＰＷＭ制御に移行するが、このとき、Ｖも
定格電圧のｋ倍になる。したがって、不平衡に対しても
過電流を発生させずに運転が継続可能となる。たとえΔ
Ｅｄを０にしなくても、系統電圧Ｖｓとの差は規定の無
効電力を出力する値の範囲であり、運転継続が可能であ
る。

【００１４】また、ＰＷＭではパルス幅に最小値があ
る。このため、搬送波と比較してパルスを決める方式で
はｋの値に制限があり、０．９程度に制限される。この
ため搬送波の三角波の頂点付近の切断をこの値程度にす
れば、これよりも信号波が小さくなったときに、ＰＷＭ
制御に移行して系統電圧に追従した制御ができるように
なる。また、正常な系統では、系統電圧Ｖｓの変動は±
数パーセント以下であり、通常は信号波の波高値付近で
搬送波と交差せず、ＰＡＭ制御となる。

【００１５】また、ＰＡＭとＰＷＭ制御の間を交流電圧
が連続的に変化するように切り換えることは困難であ
る。特に、切り換え前後でハンチングが起きる可能性が
あるので、ヒステリシス特性を持たせる。例えば、ＰＷ
Ｍ制御に移行したら、系統電圧が正常に戻るまでは電圧
が上昇してもｋが最大値のままのＰＷＭ波形のままとし
ておく。なお、電圧が不連続に変化しても、連系インピ
ーダンスがあるため、電流は過大にはならない。

【００１６】以上、本実施形態では、ＰＡＭとＰＷＭの
制御方式が自動的に変化する方式を示したが、変換装置
を一旦停止し、制御方式を切り換えた後に、再起動する
方式でもよい。特に、系統事故直後は電圧が不安定であ
り、一旦停止した方が安定な運転が可能である。事故の
直後なので、停止による系統への影響は少ない。この場
合も切り換えのためのごく短時間の範囲を除いて、不平
衡電圧でも運転を継続できる。事故回復後、電圧が安定
している状態で上記と逆の方法で停止することなく、Ｐ
ＡＭ制御に戻ればよい。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
系統が正常の状態にはＰＡＭ方式により運転し、損失を
少なくし、系統に事故があった場合にはＰＷＭ方式によ
り運転し、系統電圧に不平衡があっても運転を継続する
ことができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施形態を示す自励電力変換装置

【図２】本発明のパルス信号の発生方法を説明するため
の図

【図３】本発明の他の条件におけるパルス信号の発生方
法を説明するための図

【符号の説明】

１，２，３，４ 変換器 ６ 変換装置用変圧器 ７ 直流コンデンサ １１ 無効電力制御装置 １２ 直流電圧制御装置 １３ リミッタ ２１，２２，２３ パルス発生装置 ３１ 三相／２相変換回路 ３２ ２相／三相変換回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電力系統に連系した自励電力変換装置で
   あって、系統電圧を検出し、系統電圧の状態に応じて制
   御方式をパルス振幅変調方式とパルス幅変調方式とに切
   り換えることを特徴とする自励電力変換装置。
2. 【請求項２】 電力系統に連系した自励電力変換装置で
   あって、系統電圧を検出し、系統電圧が平衡して正常の
   電圧範囲にある場合は制御方式をパルス振幅変調方式と
   し、系統電圧が低下または不平衡になった場合にパルス
   幅変調方式に切り換えることを特徴とする自励電力変換
   装置。
3. 【請求項３】 請求項１または請求項２において、搬送
   波と信号波とを比較して変換器をスイッチングするパル
   スを決定するパルス発生装置を備え、信号波の振幅の大
   きさを系統電圧の正常時は搬送波の振幅よりも大きく
   し、系統電圧の異常時は搬送波の振幅よりも小さくし、
   変換器の出力交流電圧の振幅を制御することを特徴とす
   る自励電力変換装置。
4. 【請求項４】 電力系統に連系した自励電力変換装置で
   あって、無効電力を制御する無効電力制御装置を備え、
   無効電力制御装置に基づいて設定した直流電圧設定値と
   検出した直流電圧の偏差を元に直流電圧を制御する出力
   値を求め、一方、検出した系統の三相電圧を２相変換し
   て、Ｐ軸とＱ軸の電圧成分を求め、前記出力値を加算し
   たＱ軸の電圧成分とＰ軸の電圧成分を三相に逆変換し
   て、前記出力値に応じて三相の信号波の位相を変化さ
   せ、各相ごとに該信号波と搬送波とを比較して位相の変
   化したパルスを決定すると同時に、変換器の出力交流電
   圧の位相を変化させ、無効電力を制御することを特徴と
   する自励電力変換装置。
5. 【請求項５】 請求項４において、系統電圧が平衡して
   正常の電圧範囲にある場合は制御方式をパルス振幅変調
   方式とし、系統電圧が低下または不平衡になった場合
   に、信号波の振幅の大きさを搬送波の振幅よりも小さく
   し、パルス幅変調方式に切り換え、変換器の出力交流電
   圧の振幅を制御することを特徴とする自励電力変換装
   置。