JPS6016176A - 電力変換装置の始動方法 - 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】 〔発明の技術分野〕 す、開閉器を介して他の交流電源と並列運転される電力
変換装置の始動方法に関するものである。

〔発明の技術的背景〕

異なる系統の交流電源を並列運転するために、両系統間
の無効電力の偏差に基づいて電圧差を制御し、有効電力
の偏差に基づいて位相差を制御する方式が知られている
。逆変換器で代表される直流−交流変換装置と電力系統
を連系する場合、変換装置側から電力系統を制御するこ
とはできないので、変換装置に自励式逆変換器を用いて
有効電力および無効電力を制御する方法がとられる。こ
のような逆変換器の始動の際は、逆変換器と交流電源の
間に設けられた開閉器（遮断器を含む）を開としたまま
逆変換器を始動し、所定の出力電圧制御動作が行なわれ
るようになってから両電圧位相が同期していることを条
件として開閉器を閉とし、ここに両者の連系運転を達し
た後、所定の電力制御を行なうようにしている。

逆変換器に直流電圧調整手段、例えばチョッパ回路を前
置していない場合は、交流電源との連系運転に際して、
前述の有効電力制御と無効電力制御の両方を逆変換器の
みで行なわなければならないので、制御が複雑になる。

これに対してチョッパ回路とこれに縦続接続される逆変
換器とで構成される電力変換装置の場合、逆変換器で有
効電力制御、すなわち交流電源との間の電圧位相差の制
御を行ない、チョッパ回路で無効電力制御、すなわち交
流電源との間の電圧差の制御を行なうようにすることが
できる。しかし、逆変換器で交流電源との間の電圧差を
制御する電力変換装置の場合は、出力電圧を逆変換器の
パルス幅制御で行なうため、電圧調整に応じて出力電圧
に含まれる高調波成分が変動する。その結果、出力電圧
の高調波を除去するだめのフィルタ回路を設ける場合、
パルス幅制御範囲を考慮し、高調波の最大値のところで
フィルタ回路を設計しなければならない。

一方、チョッパ回路を有する電力変換装置の場合、チョ
ッパ回路で逆変換器との間の直流電圧を所定の値に制御
することにより、逆変換器は限られた範囲内でパルス幅
制御を行なえばよいので、出力電圧の高調波成分を所定
値以内に抑制するのは割合容易である。

また、逆変換器は、定常時は一定のパルス幅となるよう
に制御し、交流電源の電圧急変時などの過渡時のみパル
ス幅制御を行なわせることにより、定常時出力電圧の高
調波成分を一定にすることができる。すなわち、この制
御方式によれば、フィルタ回路を特定の高調波に対して
設計すればよいので、フィルタ回路の経済設計を図るこ
とができる。

第１図にそのようなチョッパ回路を有する電力変換装置
の従来構成例を示す。

（３） 第１図において、直流電源１の直流出力は電力変換装置
２により交流電力に変換される。電力変換装Ｒ２の出力
側は変圧器３および開閉器４を介して電力系統５に接続
される。電力変換装置２は直流電源側のチョッパ回路２
ムと、これに縦続接続される自動式逆変換器２Ｂとから
なっている。

電力変換装置２を構成するチョツノ（回路２Δおよび逆
変換器２Ｂを制御するために制御回路１００が設けられ
ている。この制御回路１００のための入力実際値として
、変圧器３の出力電流が電流検出器１１によって検出さ
れると共に、出力電圧が電圧検出器１２によって検出さ
れ、さらに系統電圧力ミ電圧検出器１３によって検出さ
れ、それぞれ変圧器検出出力電流、同検出出力電圧、系
統検出電圧を表わす信号として制御回路１００に導かれ
る。電圧設定器２１からの電圧基準と電圧検出器１２か
らの検出出力電圧とが比較され、その偏差が切替スイッ
チ２５を介して増幅器２５に人力される。また、無効電
力設定器２２からの無効電力制御と、電圧検出器１２お
よび電流検出器１１の雨検出出力から無効電力積出回（
４） 路２３を介して得られた無効電力とが比較され、その偏
差が切替スイッチ２５を介して増幅器Ｕに入力される。

切替スイッチ部は上述の２種の偏差信号の中からいずれ
か一方を選択的に増幅器夙に導く。

増幅器Ｕの出力はチョッパ回路２Ａ用のゲート制御回路
２６０入力信号として用いられる。同様に有効電力設定
器３１からの有効電力基準と、電圧検出器１２および電
流検出器１１の雨検出出力から有効電力検出回路３２を
介して得られた有効電力とが比較され、その偏差が増幅
器３９に人力される。この増幅器３９の出力はフェーズ
四ツクドループ（以下ｒＰＬＬ回路」という）３４の１
つの入力ａを構成し【いる。

ＰＬＩ−回路詞の出力周波数が分局器３５で分周され、
ＰＬＬ回路Ｕの他の１つの人力０を構成する。ＦＬＵ。

回路３４のもう１つの人力すとして、電圧検出器１３に
よって検出された系統電圧が位相基準として与えられる
。

ＰＬＬ回路は周知の回路方式に従って構成できるが、そ
の−例を第２図に示す。第２・図のＰＬＬ回路は位相差
検出器ＦＥＤ　、低域フィルタＬＰ？、および電圧制御
型発車器ＶａＯから構成されている。位相差検出器ＰＨ
Ｄは位相基準信号すと位相帰還信号Ｃとの位相差に比例
した信号ｄを発生する。この信号ｄが低域フィルタＬＰ
Ｆの入力となり、ここで高調波成分が除去されるととも
に、位相差信号が増幅される。電圧制御型発振器ＶＣＯ
は低域フィルタＬＰＦの出力信号ｅに比例した周波数信
号ｆを出力する。この周波数信号ｆは、ＰＬＬ回路３４
の出力を形成するとともに、分局器３５を介して位相差
検出器ＰＨＤに位相帰還信号Ｃとして帰還される。分周
器３５０段数をＮとすれば、電圧制御型発車器ＶＣＯの
発担周波数は位相基準信号すの周波数すなわち系統周波
数のＮ倍となる。Ｎは電力変換装置２の逆変換器２Ｂの
相数に従い、任意の整数に選ばれる。

以上の構成により、電圧制御型発振器ＶＣＯの発振周波
数は、位相基準信号すと位相帰還信号Ｃの両位相が一致
するように自動制御される。ここでＰＬＩ、回路３４の
１つの入力ａの働きは、低域フィルタＬＰＦに信号ａを
与えることにより位相基準信号すと位相帰還信号Ｃの位
相差を任意に設定可能とすることである。

再び第１図に戻り、ＰＬＬ回路３４の位相基準信号）と
して電力系統５からの系統周波数信号が入力されている
ので、ＰＬＬ回路５の出力信号は電力系統５の電圧と回
期し、ＰＬＬ回路３４の出力信号を逆変換器２Ｂ用のゲ
ート制御回路路の入力信号とすることにより、電力変換
装置２の出力電圧として電力系統５の周波数に一致する
位相同期した交流電圧を発生することになる。開閉器４
が開のとき切替スイッチ筋は図示のごとく電圧偏差信号
を選択しており、変圧器３の二次電圧が電圧設定器２１
で設定された電圧基準ｒｃ＠シくなるようにチョッパ回
路２ムによって電圧制御される。このとき、増幅器３３
０入出力側を短絡するスイッチ３６が投入されており、
有効電力偏差によ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、これに連動して
切替スイッチ２５は図示下側の無効電力偏差信号を選択
し、電力変換装置２の無効電力が無効電力設定器２２に
よって設定された無効電力基準に等しくなるように電力
変換装置２（７） の出力電圧がチョッパ回路２Ａによって自動制御される
。このとき逆変換器２Ｂは交流電源の電圧急変時等の過
渡時のみ、増幅器Ｕの出力側に設けられた微分回路２７
を介してパルス幅制御される。開閉器４の閉動作に伴っ
てスイッチ３６も開き、増幅器３３の短絡が解除され、
電力変換装置２の有効電力が有効電力設定器３１によっ
て設定された有効電力基準に等しくなるように電力変換
装置２の電圧位相が逆変換器２Ｂによって自動制御され
る。

このような電力変換装置の始動に際しては、従来は、始
動指令が与えられると、変圧器３の突入電流を抑制する
目的で、逆変換器２Ｂは通常の始動を行ない、それと同
時または多少遅らして電圧設定器２１あるいは増幅器Ｕ
に設けられた図示していない制御系ソフトスタート指令
によりチョッパ回路２ムの直流出力電圧が徐々に立ち上
がるようなソフトスタート方式がとられる。このソフト
スタート方式による始動時のタイムチャートを第３図に
示す。

第３図には、チョッパ回路２ムを周知の昇圧チョ（８） ツバで構成した場合のものを示した。図中、始動指令直
後のＴ１が逆変換器２Ｂの始動時間であり、これに続（
’［’２がチョッパ回路２ムの始動時間である。出力電
圧は、チョッパ回路２ムが昇圧チョッパ回路からなって
いる場合、これが停止中であっても、逆変換器２Ｂを始
動すると直流電源１で決定される成る値のものが発生す
る。チョッパ回路２Ａの始動には一般にソフトスタート
方式、すなわち出力電圧を徐々に確立する制御方式がと
られるため、その始動時間Ｔ３を必要とする。時間Ｔ３
の経過後、出力電圧が確立すると、電力変換装置２の出
力電圧と電力系統５の電圧とが同期したことを図示して
いない同期検出器により検出して開閉器４を投入し、こ
こに電力変換装置２と電力系統５の連系運転に入る。こ
の後、連系時の電力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が経過してから、所定の電力制
御が行なわれる。図中、同期検出確認のための時間はＴ
−で、また開閉器４に投入指令が与えられてから実際に
投入が完了するまでの操作時間はＴ６でそれぞれ示され
ている。

逆変換器２Ｂ、チョッパ回路２Ａの始動時間ＴＩ　、　
Ｔ２は一般に極めて短いが、出力電圧のソフトスタート
時間Ｔ３は０．３秒程度、同期検出時間Ｔ４は０．１秒
程度、開閉器４の操作時間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。

したがって、装置全体としては、始動指令が与えられて
から所定の電力制御を行なうまでに要する時間（Ｔ１＋
Ｔ２＋・・・Ｔ６　）として１．１秒程度を要すること
になる。

〔発明の目的〕

本発明は以上の事情を考慮してなされたもので、電力変
換装置自体の始動時間の短縮と、電力系統との連系まで
に要する時間の短縮を図り、それにより所定の電力制御
を行なうまでの応答時間を短縮できる電力変換装置の始
動方法を提供することを目的とするものである。

〔発明の概要〕

上記目的を達成するために本発明は、電力変換装置の始
動前に開閉器を投入して電力変換装置と他の交流電源と
を予め接続し、チョッパ回路および自励式逆変換器をゲ
ートブロックした状態でチョッパ回路と自励式逆変換器
との間の直流回路を他の交流電源により予め充電してお
き、始動指令とともにチョッパ回路を所定の制御角で始
動させると同時圧、自励式逆変換器はパルス幅を絞った
状態で始動し、チョッパ回路と自励式逆変換器との間の
直流電圧が所定値圧達した時点で自励式逆変換器の制御
角を所定の値に戻すことを特徴とするものである。

〔発明の実施例〕

以下、第４図を参照して本発明をさらに詳細圧説明する
。

第４図の制御回路２００において第１図と異なる点は、
チョッパ回路２Ａと自励式逆変換器２Ｂとの間の直流電
圧を検出する直流電圧検出回路４１と、これによって検
出された直流電圧が所定値に達したときに動作出力を出
すレベル検出器４２とが設けられていること、系統電圧
検出用電圧検出器１３が省略されていること、電圧設定
器２１からの電圧基準と比較される裏際値として変圧器
３の二次電圧（１１） ではなく、直流電圧検出回路４１によって検出される直
流電圧が用いられること、レベル検出器４２が動作出力
を出すときまでは逆変換器用ゲート制御回路詔が動作停
止状態とされること、ＰＬＬ回路３４の入力信号すとし
て系統電圧ではなく電圧検出器１２を介して導かれる変
圧器３の二次電圧が用いられていること、さらに増幅器
３３の入出力端短絡用スイッチ３６が開閉器４と連動す
るのではなく逆変換器２Ｂの動作と連動することである
。他は第１図と同様である。

第４図において、システムの停止中、開閉器４は投入の
ままでチョッパ回路２Ａ、逆変換器２Ｂを停止させてお
く。こうすることにより、チョッパ回路２Ａと逆変換器
２Ｂとの間の直流回路を、電力系統５から開閉器４、変
圧器３、および逆変換器２Ｂの各アームスイツチング素
子と逆並列に接続されたダイオードを介して充電してお
く。

ここで第５図を参照して自励式逆変換器２Ｂの内部構成
について説明する。この種の逆変換器は通常三相器とし
て構成されるが、ここでは原理的な（１２） ところが理解できればよいとの観点から、単相器の場合
を例として説明する。サイリスタ等のスイッチング素子
５１〜５４をブリッジ結線して逆変換回路を構成し、そ
の直流入力端子間に直流電源５０を接続し、交流出力端
子５６　、５７間に負荷５５を接続している。各スイッ
チング素子５１〜５４には自励式逆変換回路に怜いて必
須の逆並列ダイオード６１〜６４が接続されている。ス
イッチング素子５１と５２、またはスイッチング素子５
３と５４が同時にオンとなることはなく、それぞれ電気
角１８００の位相差に相当する時間差をもって交互に開
閉動作する。またブリッジの対辺をなす一対のスイッチ
ング素子５１と５４、またはスイッチング素子５２と５
３は同時にオンオフする。個々のスイッチング素子５１
〜５４は、周知のごとく、制御角ｒにより導通区間が変
化し、例えば７−１８０°、１３５°、９０°、４５°
、０°の場合の個々のスイッチングｗ子の導通区間は第
６図（ａ）〜（θ）に示すように変化する。このように
各スイッチング素子をパルス幅制御することにより逆変
換器の出力電圧の大きさを制御することができる。この
電圧調整機能は直流電源５０の電圧が変化したときでも
制御角ｒを制御することにより出力電圧を所定の値に保
つことができることをも意味している。

入力電圧すなわち直流電源５０の電圧をＥｄ、制御角ｒ
のときの出力電圧すなわち端子５６　、５７間の電圧（
瞬時値）をｅとすれば、ｅは 閃　４Ｅｄ ｅ口Σ−一〇ｉｎ　（ｎ−）　ｃｏｓ　（ｎωｔ）−・
嘩（１）ｎ口１　ｎπ　２ なる関数で表わされる。このうち基本波のみを取出すと
、（１）式でｎｗｓ　ｌとおいて、 であって、その実効値Ｅは、 “１　′　・・・・・・・・・（３） ■π　２ となる。

以上のことを第４図の回路に即して述べるならば、逆変
換器２Ｂの入力直流電圧がＥ（Ｌｌのとき、逆変換器２
Ｂが制御角７エで始動したとすると、電力系統５から見
た電力変換装置２の出力電圧Ｅ□は、変圧器３の巻線比
を加味した定数なＫとして、Ｅｌ、、　Ｋ　ｌ（１，−
ｅｌｎ−Ｌ　−−−−−・・−（４）で与えられる。電
力変換装置２のこの出力電圧１！ｉ１が変圧器３のイン
ピーダンス２を介して電力系統５の電圧１１１ａａと連
系されるため、電力変換装置２と電力系統５との間＆Ｃ
（Ｂａａ　−Ｊ　）　／　Ｚ　という大きさの電流が流
れるとと忙なる。つまり両者間に無効電力のやりとりが
生ずることになる。この電流を電力変換装置２の定格値
内に抑えるためには、電力変換装置２の定格出力電流を
１０として、−鼠ｙでも（Ｌｚリエ□。　、（５） なる条件を満たさなければならない。

逆変換器２Ｂが電力系統５の電圧急変時等の過渡時のみ
調整動作をすればよいときは、定常状態における制御角
Ｉは通常１２０°〜１５０°に設定される。

したがって、定常状態における電力変換装置２Ｂの出力
基本波電圧実効値Ｆｉａは、（３）式においてｒ−（１
５） １２０°〜１５０°とおいて、 Ｆｉｄ Ｅｄ日（０，８７〜０．９７）Ｘ　−−−−・旧・・（
６）辺π となる。この電圧ｌａを変圧器３によって変圧した値の
電圧が電力系統５の電圧と等しい訳であり、逆に言うと
、電力系統５の電圧を電力変換装置２Ｂの出力側すなわ
ち変圧器３の一次側に換算すれば実効値表示で（６）式
の電圧値になるということである。逆変換器２Ｂが運転
停止されると、そのスイッチング素子に逆並列のダイオ
ード（第５図におけるダイオード６１〜６４に相当）Ｋ
より逆変換器２Ｂは電力系統５を電源側とする整流回路
を構成し、逆変換器２Ｂの直流側は電力系統５側から直
流で充電される。この時の充電電圧Ｂａａは、変圧器３
の一次電圧の波高値となるので、（６）式を利用し、４
］１ｆｌｌ Ｂｌｈ　ｍ　Ｖ′２Ｆｉａ　−（０，８７〜０．９？　
）　ｘ　−π −（１，１１〜１．２４　）　１ｄ　・・・（７）で表
わされる。この（７）式から明らかなように、ｒ−１２
０°〜１５０°という一般的条件のもとで交流によ（１
６） る充電電圧Ｂａａは定常運転状態における直流電圧Ｒａ
よりも高（なる、。

以上の検討を踏まえて本発明の始動方法の説明を続ける
。第７図に示すよ５に電力変換装置２の始動指令ととも
にチョッパ回路２ムを始動する。チョッパ回路２ムの始
動時の制御角は、前述のごとくチョッパ回路２Ａの出力
側が電力系統５側から充電されているので、直流電源１
と充電電圧で決定される所定の値で始動することができ
る。このとき、逆変換器２Ｂの入力側直流電圧が定常運
転時よりも高目に充電されているので、一時的にその高
目の電圧に相当する状態に絞って逆変換器２Ｂを始動し
、レベル検出器４２により入力直流電圧が所定値に低下
したらゲート制御回路四を介してパルス幅が本来の制御
角に戻るように制御する。有効電力制御系、無効電力制
御系は逆変換器２Ｂの始動と同時に切替スイッチ２５を
無効電力制御系（要素２２　、２３側）に切替えること
忙より、要素、３１　、３２を含む有効電力制御系とと
もに構成される。

以上のように、システム始動前圧開閉器４を予め投入し
て逆変換器２Ｂの入力側を予め充電しておくことにより
、直流電圧が所定値に制御されるまでの時間が、第３図
の従来方法によるソフトスタート時間Ｔ３よりも短くて
すみ、システムの始動指令から所定の電力制御までの時
間は逆変換器２Ｂの始動時間Ｔ１と電力制御系のソフト
スタート時間Ｔ６との和であって、それは０．５秒程度
であり、従来方法による始動時間１．１秒の約半分に短
縮できていることが分かる。

一般に電力系統には定格値に対して±５〜１０％程度の
電圧変動がある。この変動範囲内で安定した始動を行な
うために、連系時における無効電力の過大な授受を防止
する手段を施してお（のが望ましい。その−例を第８図
により説明する。

第８図の制御回路３００においては、電圧検出器１２に
よって検出された変圧器３の二次電圧と、定格電圧信号
発生器４３からの定格電圧との偏差をとり、それをレベ
ル検出器４２０入力側に正帰還することにより、電力系
統５の電圧が高くなったら検出直流電圧もそれに応じて
高くなるように補正し、電力系統５の電圧が低くなった
ら直流電圧の検出値も低くなる方向に補正する。こうす
ることにより、逆変換器２Ｂを本来の制御角制御に戻し
たときの電力変換装置２と電力系統５との間における無
効電力の過大な授受を抑制し、安定した始動を達成する
ことができる。

〔発明の効果〕

以上述べたように本発明によればチョッパ回路の始動と
同時に逆変換器も同時に始動できるため、システムの始
動指令から所定の電力制御を行なうまでの時間、すなわ
ち始動時間を短縮し、電力系統と連系運転される電力変
換装置の始動応答性を向上させ′−シかも安定した始動
運転を達成することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の始動方法によって始動される電力変換装
置とその制御回路のブロック図、第２図は第１図におけ
るフェーズロックドループの部分の詳細構成を示すブロ
ック図、（１９） 第３図は第１図の装置によって行なわれる従来の始動方
法を説明するためのタイムチャート、第４図は本発明の
始動方法によって始動される電力変換装置とその制御回
路のブロック図、第５図は自励式逆変換器の原理的回路
構成を示す結線図、 第６図（ａ）〜（ｅ）は第５図の逆変換器の制御角と出
力電圧波形との関係を示す波形図、 第７図は第４図の装置によって行なわれる本発明の始動
方法を説明するためのタイムチャート、第８図は本発明
を一部変形実施するための制御回路を示すブロック図で
ある。 １・・・直流電源、２・・・電力変換装置、２Ａ・・・
チョッパ回路、２Ｂ・・・自励式逆変換器、３・・・変
圧器、４・・・開閉器、５・・・電力系統、１１・・・
電流検出器、１２・・・電圧検出器、２１・・・電圧設
定器、２２・・・無効電力設定器、２３・・・無効電力
検出回路、２５・・・切替スイッチ、２６゜詔・・・ゲ
ート制御回路、２７・・・微分回路、３１・・・有効電
力設定器、３２・・・有効電力検出回路、３４・・・Ｐ
Ｉ、Ｌ回路、３５・・・分周器、３６・・・スイッチ、
４１・・・直流電圧検出口（２０） 路、４２・・・レベル検出器、２００　、３００・・・
制御回路。 出願人代理人　猪　股　清 第２図 第３図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 直流電源に接続されるチョッパ回路、およびこれ罠縦続
   接続される自動式逆変換器からなり、開閉器を介して他
   の交流電源と並列運転される電力変換装置の始動方法に
   おいで、 電力変換装置の始動前に前記開閉器を投入して電力変換
   装置と他の交流電源とを予め接続し、前記チョッパ回路
   および自励式逆変換器をゲートブロックした状態でチ目
   ツバ回路と自励式逆変換器どの間の直流回路を前記性の
   交流電源により予め充電しておき、 始動指令ととも・にチョッパ回路を所定の制御角で始動
   させると同時に、自励式逆変換器はパルス幅を絞った状
   態で始動し、 前記チョッパ回路と自励式逆変換器との間の直流電圧が
   所定値に達した時点で自励式逆変換器の制御角を所定の
   値に戻す ことを特徴とする電力変換装置の始動方法。