JPS59209073A - 自励式電力変換装置の起動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 置を介して他の交流電源と連系運転される交流連系シス
テム妊係り、特に起動時間の短縮化を図り、所定の電力
制御への応答を改善するに適した自励式電力変換装置の
起動方法に関する。

〔発明の技術的背景〕

従来、異なる系統の交流電源を並列運転するには、無効
電力の偏差で各交流型、源間の電圧差を、有効電力の偏
差で各交流電源間の位相差をそれぞれ制御することが知
られている。

インバータ装置に代表される直流−交流電力変換装置と
電力系統を連系する場合は、電力系統は制御できないの
で、変換装置に自励式電力変換装置（以下電力変換装置
と略す）を用いて、有効電力・無効電力を制御する方法
が採用される。

このような電力変換装置の起動方法としては、従来、電
力変換装置と交流電源の間に設けられた開閉器あるいは
遮断器（以下「開閉器」に代表する）を開としておき、
電力変換装置を起動し、出力電圧制御が所定の動作に達
した後、電力変換装置と交流電源の電圧位相が同期して
いる条件で開閉器を閉とし、電力変換装置と交流電源を
連系運転した後、所定の宜カ制御をするよう構成される
。

チョッパ回路を有しないインバータ回路のみで構成され
る電力変換装置の場合、交流電源との連系運転の際には
インバータ回路で前記有効電力制御と無効電力制御を同
時に制御する必要がある。

しかし、チョッパ回路とインバータ回路で構成される電
力変換装置の場合、インバータ回路で有効電力制御、す
なわち交流電源との電圧位相差を制御し、チョッパ回路
では交流電源との電圧差を制御する無効電力制御を行な
うことができる。

インバータ回路で交流電源との電圧差を制御する電力変
換装置の場合は、出力電圧をインバータ回路のパルス幅
制御で行なうため、パルス幅の変化に対す出力電圧の高
調波の成分が変動するので、その結果、出力段に高周波
除去のためのフィルタ回路を設ける場合は、パルス幅の
制御範囲での高調波の最大値でそのフィルタ回路定数を
選定しなければならない。

一方、チぢツバ回路を有する電力変換装置の場合は、チ
ョッパ回路でインバータ回路との間の直流電圧を所定の
値に制御することにより、インバータ回路は限られた範
囲内でのパルス幅制御を行なえば良いので、出力電圧の
高調波成分を所定値以内に抑制することができる。

また、インバータ回路のパルス幅制御は交流電源の電圧
急変特等過渡時のみ動作をさせて定常時は一定のパルス
幅となるよう妊制御させておき、チョッパ回路でインバ
ータ回路の出方電圧を所定の値となるよう制御させるこ
とにより、出方電圧の高調波成分を一定にすることがで
きる。すなわち、チョッパ回路を有する電力変換装置は
フィルタ回路を低減できる利点がある。

第１図に、従来のチョッパ回路を有する電力変換装置の
回路構成を表わすブロック図を示す。

第１図において、１は直流電源でその直流出方は電力変
換装Ｒ２により交流に変換され、開閉器４を介して電力
系統５へ接続され、電力変換装置２はチョッパ回路２Ａ
とインバータ回路２Ｂから構成される。

制御回路１００にあっては電圧基準２１と電力変換装＊
２に接続される変圧器３０２次検出電圧１２とを比較し
、その偏差２１ａは切替スイッチ２５を介して誤差増幅
器列へ印加される。無効電力基準２２と無効電力検出回
路２３の出力を比較し、その偏差２２ａは切替スイッチ
２５を介して誤差増幅器２４に印加され、誤差増幅器２
４の出力はチョッパ回路２Ａのゲート制御回路２６の入
力となっている。同様に、有効電力基準３１と有効電力
検出回路３２の出力を比較し、その偏差３３ａは誤差増
幅器３３の入力へ与えられ、誤差増幅器３３の出力はフ
ェーズロックループ（ｐｈａｓｓ　１ｏｃｋｅｄ　１ｏ
ｏｐ）所謂ＰＬＬ回路３４０１つの入力１イ１となって
いる。３５は分周器でＰＬＬ回路回路出力周波数を分周
し、その出力はＰＬＬ回路３４の他の１つの人力１ハ１
となる。ＰＬＬ回路３４の他の１つの人力１０１ｗは、
電力系統検出電圧１３が位相基準として与えられる。

ここでＰＬＬ回路は周知の回路であるが簡単に説明する
。

第２図はＰＩ、Ｌ回路３４のブロック図の１例であり、
ＰＬＬ回路３４の構成は位相誤差検出器ＰＨＤ　、低域
ｒ波器ＬＰＥそして電圧制御発振器ＶａＯから構成され
る。これ等各要素の概要を説明すると、位相誤差検出器
ＰＨＤは位相基準信号１０１と位相帰還信号１ハ１との
位相差に比例した信号に１を発生する。この位相差匠比
例した信号に１が低域ｒ波器ＬＰＦの入力となり、この
低域ｒ波器ＬＰＦで高調波成分を除去すると共に１位相
誤差を増幅する。そして電圧制御発振器Ｖ○０は低域ｒ
波器ＩＪＰＦの出力１ホ１に比例した周波数を出力し、
この電圧制御発振器ＶａＯの出力１へ１は、分局器３５
へ接続される。分局器３５０段数をＮとすれば、電圧制
御発掘器ＶＣＯの発振周波数は位相基準信号１がのＮ倍
となる。ここでＮは電力変換装置２のインバータ回路２
Ｂの相数により、任意の整数に選ばれる。分周器３５の
出力は位相誤差検出器ＰＨＤの位相帰還信号１ハ１とな
っているので、電圧制御発振器ＶＯＯの発振周波数は位
相基準信号１０１と位相帰還信号１／Ｎ′との位相が一
致するように自動制御される。ここでＰＬＬ回路３４０
１つの入力１イ１の働きは、低域Ｐ波器ＬＰＦへ信号を
与えることＫより位相基準信号１０１と位相帰還信号０
／・２どの位相差を任意に設定可能となる。

再び第１図に戻り、その動作の説明を行なう。

ＰＬＬ回路詞の位相基準信号１０１としては電力系統５
０位相が印加されているので、ＰＬＬ回路３４の出力周
波数は電力系統５０位相と同期し、ＰＬＬ回路あの出力
をインバータ回路２Ｂのゲート制御回路部の入力とする
ことにより、重１力変換装置２の位相も電力系統５０位
相と同期している。

開閉器４が開の状態ではスイッチ２５は偏差２１ａを選
択しており、変圧器３０２次検出電圧１２が電圧基準２
１に等しくなるようチロツバ回路２Ａで自動制御される
。また誤差増幅器３３０入出力はスイッチ３６で短絡さ
れており、有効電力の偏差３３ａ　Ｋよる電力変換装置
２０位相を制御する有効電力制御回路は形成されていな
い。

次に開閉器４を閉の状態にすると、切換スイッチ２５は
偏差２２ａを選択し電力変換装置２の無効電力が無効電
力基準２２に等しくなるよう、電力変換装置２の出力電
圧がチョッパ回路２Ａで自動制御される。また、インバ
ータ回路２Ｂは交流電源の電源急変時等過痩時のみ、微
分回路２７の動作によりパルス幅が制御される。

しかして、開閉器４を閉の状態にすると同時に、スイッ
チ３６が開き、誤差増幅器３３０入出力が解除され、電
力変換装置２の有効電力が有効電力基準３１と等しくな
るよう電力変換装置２の電圧位相がインバータ回路２Ｂ
で自動制御される。このような電力変換システムの起動
にあたっては、従来、［力変換装置２は起動指令が与え
られると、変圧器３の電圧印加時の突入電流を抑える目
的でインバータ回路２Ｂを起動し、インバータ回路２Ｂ
と同時あるいは起動後に電圧基準２１もしくは誤差増幅
器冴に設けられた図示されない制御系のソフトスタート
指令によりチロツバ回路２Ａの直流出力電圧２ＡＢが徐
々に立ち上がるようなソフトスタート方式がとられる。

この起動時のタイムチャートを第３図に示す。

第３図ではチョッパ回路２Ａを良く知られた昇圧チロツ
バ回路で構成した場合を表わした。第３図において、　
Ｔｌがインバータ回路２Ｂの起動時間であり、　Ｔ２が
チョッパ回路２Ａの起動時間である。

出力電圧はチロツバ回路２ムが昇圧チロツバ回路の場合
にチョッパ回路２Ａが停止中であっても、インバータ回
路２Ｂを起動すると直流電源１で決定される電圧が発生
する。チョッパ回路２Ａの起動は一般にソフトスタート
と呼ばれる出力電圧を徐々に確立する制御方式がとられ
るため時間Ｔ３を必要とする。出力電圧が確立すると、
電力変換装置２と電力系統５のそれぞれの電、圧位相が
同期したことを図示されない同期検出器により確認した
後、開閉器４に投入指令を与え、連系運転がなされる。

この後、連系時の電力の急変を抑えるための電力制御系
のソフトスタートの時間Ｔ６の後、所定の電力制御が行
なわれる。第３図のＴ４は同期の確認時間、Ｔ５は開閉
器４に投入指令が与えられた後投入が完了するまでの操
作時間である。

〔背景技術の問題点〕

一般には第３図のインバータ回路２Ｂ　、チロツバ回路
２Ａの起動するまでの時間Ｔｌ　、　Ｔ２は短時間では
あるが、出力電圧のソフトスタート時間Ｔ３は０．３秒
程度、同期確認時間Ｔ４は０．１秒程度、開閉器操作時
間Ｔ５は０．２秒程度、電力制御系のソフトスタート時
間Ｔ６は０．５秒程度である。

従って、従来の起動方式ではシステムの起動指令が与え
られても、所定の電力制御を行なうまで匠要する時間（
ＴＩ　＋　７２　＋　Ｔ３　＋　’ｒ４　＋　Ｔ５　＋
　Ｔ６　）は１．１秒程度を要してしまう欠点があった
。

〔発明の目的〕

そこで本発明は、従来方式のこの点ＶＣ＠み、他の交流
電源と連系運転される交流連系システムにおいて、電力
交換装置２の起動時間と、交流電源（たとえば電力系統
６）との連系するまでに要する時間の短縮を行ない、所
定の電力制御の応答時間を改善することができる自励式
雷、力変換装置の起動方法を提供することを、その目的
とする。

〔発明の概要〕

本発明は、この目的を達成するためにチョッパ回路とイ
ンバータ回路から構成される自励式電力変換装置の起動
前に連系のための開閉器を投入し、直流電源および自励
式電力変換装置と他の交流電源を予め接続し、前記イン
バータ回路のゲートを停止しておき、前記チョッパ回路
は前記インバータ回路との間の直流電圧を所定の値に制
御するよう起動させておき、前記自動式電力変換装置の
起動指令とともに前記インバータ回路を所定の制御角で
ゲートを起動（ゲートデブロック）し、自励式電力変換
装置を起動させる方法である。

〔発明の実施例〕

以下、本発明を第４図に示す一実施例によって説明する
。

すべての図面において同一符号は同一もしくは相当の機
能を持つものである。

第４図と第１図とを比較してその異なる手段を述べれば
、従来の第１図では電圧基準２１と電力変換装置２の変
圧器３０２次検出電圧１２とを比較し、その偏差２１ａ
と無効電力基準２２と無効電力検出回路２３の出力を比
較し、その偏差２２ａが開閉器４の動作と連動して動作
する切替スイッチ２５を介して誤差増幅器２４に印加さ
れること、また有効電力制御のための誤差増幅器３３の
スイッチ３６が開閉器４の動作と連動して動作するのに
対し、本発明の第４図では電圧基準２１と直流電圧検出
回路４１の出力信号４１＆とを比較し、その偏差２１１
）と無効電力基準２２と無効電力検出回路２３との偏差
２２ａがインバータ回路２Ｂの動作と連動して動作する
切替スイッチ４２を介して誤差増幅器２４に印加される
こと、また、有効電力制御のための誤差増幅器３３のス
イッチ４３がインバータ回路２Ｂの動作と連動する点で
ある。

すなわち、この実施例（第４図）において、システムの
停止中はチ震ツバ回路２Ａのみを起動させて、チョツパ
回路２Ａトインバータ回路２Ｂの間の直流電圧２ＡＢを
電圧基準２１に等しくなるように制御させておく。

この直流電圧２ＡＢは電力系統５から開閉器４゜変圧器
３を介してインバータ回路２Ｂのスイッチング素子と逆
並列に設けられたダイオードにより充電される電圧、あ
るいはそれ以−ヒの値に選択される。

この状態で開閉器４を投入すれば、電力系統５からイン
バータ回路２Ｂを介して直流電圧２ＡＢへの突入電流が
流れるのを防止できるばかりでなく、変圧器３が電力系
統５の電圧で励磁をかけておくことができるので、イン
バータ回路２Ｂの起動時に突入電流が流れることを防止
できる。すなわち、システム停止中はチョッパ回路２Ａ
のみを起動させて、開閉器４を投入の状態としておく。

ここでインバータ回路２Ｂを構成する自励式インバータ
のパルス幅と出力電圧との関係は周知のことであるが、
簡単に説明する。インバータの出力電圧を所定の値に制
御するための手段の一つとして、インバータの出力パル
ス幅を制御する方法がある。インバータのパルス幅制御
を単相インノクータでかつ、サイリスタ等のスイッチン
グ素子を接点におきかえ簡略化した第５図で説明する。

第５図において、７０は直流電源であり、８１〜８４は
サイリスク等のスイッチング素子（以下スイッチと称す
）、８５は第４図で変圧器３以後の回路でインバータの
負荷となるものであり、９１　、９２はそれぞれ端子で
ある。スイッチ８１とスイッチ８２またはスイッチ８３
とスイッチ８４はおのおの雪１気角１８０゜の期間交互
に開閉を行なうもので、スイッチ８１とスイッチ８３が
閉とするとスイッチ８２とスイッチ８４は開の状態とな
る。この状態では、端子９１と端子９２は共に直流電源
７０と等しい電位となるため、端子９１と端子９２０間
の電位は零で負荷８５ニは電圧が印加されないことにな
る。また、スイッチ８１とスイッチ８４が閉でスイッチ
８２とスイッチ８３が開とすると、端子９１と端子９２
０間の電圧は端子９２に対して端子９１が正で直流電源
７０に等しい電圧が印加されることＫなる。

スイッチ８１に対してスイッチ８３を電気角１８０゜遅
らせて開閉するとすれば、第６図（ａ）　Ｋ示されるよ
うな電圧波形が負荷８５に印加されることになる。

また、スイッチ８１に対してスイッチ８３を開閉させる
タイξング、つまり制御角ｒを変化させると負荷８５に
印加される電圧波形が第６図（ａ）〜（ｅ）　Ｋ示され
るように変化する。このようにスイッチ８１〜８４の開
閉のタイミングによりインバータの出力電圧を制御する
ことをパルス幅制御という。

すなわち、直流電源７０の電圧が変化してもスイッチ８
１に対してスイッチ８３を開閉させる制御角ｒを自動制
御することにより、負荷電圧を所定の値に保つことがで
きる。この直流電源７０の常圧Ｅｄとし制御角ｒＫよる
端子９１　、９２間の端子間電圧ｅの関係を示すと ｏ４Ｂｄ ｅ−Σ　−一一日１ｎ（ｎ−Ｌ）００９（ｎωｔ）　　
　　・−・・（１式）％式％ なる関数で表わされる。このうち基本波のみをとり出し
たとすると これの実効値は すなわち、直流電圧”（１１の時、インバータ回路２Ｂ
が制御角ｒ□で起動したとすると、この時の電力変換装
置２の出力電圧ｅ、は ハ ｅｌ。Ｋ　’ｓ、１Ｂｉｎ＝　　　　　・・・・・・・
・・（４式）（ただし７、Ｋは変圧器３０巻線比を含む
定数である） で与えられる。

この電力変換装置２の出力電圧が変換器３の有するイン
ピーダンス２で電力系統、５の電圧ｅａ０と連系される
ため、電力変換装置２と雪、力系統５とａＱ−０１ の間Ｋ　　２　０１に、流が流ねることになる。つまり
、無効電力のやりとりが牛する。この無効電力が電力変
換装置２の定格内に抑えられるため、システムの起動時
における電力変換装置２の定格出力筒５流を１、。０％
とした時 なる条件を満たさなければならないＪ 再び第４図に戻りその動作の説明を行なうと、直流電圧
２ＡＢはチョッパ回路２Ａが予め動作し、所定の値とな
るよう制御されているので（５式）の電圧Ｅｄ１は一定
である。すなわち、電力系統５の電圧ｅａ０の変動に対
して変圧器インピーダンス２を適切に選択することによ
り、制御１角ｒ□は常に一定の値でインバータ回路２Ｂ
を起動することができる。

インバータ回路２Ｂは起動後は第１図に示す従来方式同
様切替スイッチ４２により直流電圧２ＡＢ一定制御を無
効電力の偏差２２ａ　Ｋ切り換えて無効電力制御を行な
うとともに有効電力制御を行なう。

この起動時のタイムチャートを第７図に表わす。

つまり、予めシステムの起動前にチョッパ回路２ＡＫよ
り直流電圧２ＡＥが所定値に制御されて、開閉器４が投
入されていれば、システムの起動指令から所定の電力制
御までの時間は、インバータ回路２Ｂの起動時間Ｔ１と
電力制御系のソフトスタート時間Ｔ６の和であり、０．
５秒程度で従来の起動時間１．１秒に比較して大幅匠短
縮することができる。

また、本発明の起動方法によればＰＬＬ回路回路３伎０ 変圧器３０２次検出電圧１２で良いため、電圧検出回路
の削減ができる。

次に、本発明の他の実施例について述べる。

さきに実施例ではシステム起動時はチョッパ回路かによ
る直流電圧２ＡＢの一定制御としているが、一般に電力
系統５の交流電圧は±５〜１０％の変動があり、この変
動範囲で安定した起動を行なうためには、連系時におけ
る過大な無効電力を防止するため、第８図に示すように
、交流電圧を検出して電圧基準２１に対し、設定レベル
を補正するような極性でつまり電力系統５の交流常圧が
大となったら、補正回路５１により直流電圧２ＡＢを高
くし、電力系統５の交流電圧が小となったら直流電圧２
ＡＢを低くするように補正回路５１の出力を加えれば、
偏差２１０　Ｋより電力系統５の交流電圧に追従して直
流電圧２ＡＢが制御され、過大な無効電力の授受を抑制
し、安定した起動を行なうことができる。

また、この補正回路５１の出力による電圧補正はチョッ
パ回路２ＡＫよる直流電圧制御系に入れ代わりにインバ
ータ回路２Ｂのパルス幅１１を決めるゲート制御回路２
８に与え、パルス幅１１を補正しても同様の効果が得ら
れる。

〔発明の効果〕

かくして本発明によれば、直流電源と他の異なる交流電
源を接続する交流連系システムにおいて、停止中におい
ても、チ田ツバ回路による直流雷、圧一定制御を行なう
ことにより、起動時には、インバータ回路に瞬時に所定
の制御角を考えることができるため、電力変換装置のソ
フトスタートが不要となり、システムの起動指令から所
定の電力制御までの応答時間を大幅に短く改善すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の交流連系システムの制御方式を示すブロ
ック図、第２図は第１図のＰＬＬ回路の具体的な回路構
成図、第３図は第１図の起動時の各部の動作を表わすタ
イムチャート、第４図は本発明の一実施例の回路構成を
示すブロック図、第５図はパルス幅制御の説明のための
単相インバータの基本構成図、第６図は第５図のインバ
ータ出力電圧波形と制御角ｒとの関係を表わす波形図、
第７図は第４図の起動時の各部の動作を示すタイムチャ
ート、第８図は本発明の他の実施例の回路構成を表わす
ブロック図である。 １．７０・・・直流電源、２・・・自励式電力変換＠置
、２Ａ・・・チ目ツバ回路、２ＡＢ・・・直流雫庄、２
Ｂ・・・インバータ回路、３・・・変圧器、４・・・開
閉器あるいは遮断器、５・・・交流電源たとえば電力系
統、１１・・・出力電流、１２・・・変圧器３０２次検
出雷圧、１３・・・雷力系統検出雷圧、２１・・・雪圧
基準、２２・・・無効電力基準、２１ａ　、　２１ｂ　
、　２１０　、２２ａ　、　３３ａ　・・・偏差、２３
　・・・無効電力検出回路、Ｕ・・・誤差増幅器、２４
ａ・・・出力信号、２５・・・切替スイッチ、２６　、
２８・・・ゲート制御回路、２７・・・微分回路、３１
・・・有効電力基準、３２・・・有効電力検出回路、３
３・・・誤差増幅器、３４・・・ＰＬＬ回路、３５・・
・分周器、３６　、４３・・・スイッチ、４１・・・直
流電圧検出回路、４１＆・・・出力信号、４２・・・切
替スイッチ、５１・・・補正回路。 ＄２０ 粥３図 悄４図 第５図 栴６図 ０

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. チョッパ回路とインバータ回路により直流電源の出力を
   交流に変換する自励式電力変換装置が開閉器を介して他
   の交流電源に接続される電力変換システムにおいて、前
   記インバータ回路はそのゲートを停止しておき、前記チ
   ョッパ回路は前記インバータ回路との間の直流電圧を所
   定の値に制御するよう起動させた後、前記開閉器を投入
   し、前記直流電源および前記自励式電力変換装置と前記
   他の交流電源を予め接続しておき、前記自励式電力変換
   装置の起動指令で、前記インバータ回路を所定の制御角
   でゲートデブロックし、前記自励式電力変換装置を起動
   させることを特徴とする自励式電力変換装置の起動方法
   。