JP4612342B2

JP4612342B2 - 電力変換装置および超電導電力貯蔵装置

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Publication number: JP4612342B2
Application number: JP2004159567A
Authority: JP
Inventors: 正昭繁田; 浩行西川; 茂井岡; 郁夫仙田; 裕文篠原
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2004-05-28
Filing date: 2004-05-28
Publication date: 2011-01-12
Anticipated expiration: 2024-05-28
Also published as: JP2005341754A

Description

本発明は、電力変換装置および瞬低補償用の超電導電力貯蔵装置に関する。

従来の、電源系統が瞬低（瞬時電圧低下）した場合に負荷に対して所要の電力を継続して供給する瞬低補償用の超電導電力貯蔵装置（ＳＭＥＳ）は、電磁エネルギーを貯蔵する超電導のＳＭＥＳコイルと、ＳＭＥＳコイルが出力する直流電力を交流電力に変換し負荷に供給する電力変換装置とから構成される。超電導コイルは電流源であるため、電流形変換器を適用することにより、回路構成を簡単にすることが可能である。

電流形変換器として図１１に示す直接多重化方式が提案されている（例えば、非特許文献１参照）。本方式の場合、単位変換器１の相互間に横流が発生するため、横流抑制用のインダクタンスと横流抑制制御機能が必要となる。また並列方式のため電流容量が大きくなるため、ＳＭＥＳコイルの冷却装置容量が増加し、システム全体のコストが増加する問題がある。更に電流容量の増加に伴い変換器の損失が増大する点においても問題がある。
永井他、「多重空間ベクトル制御を適用した多重電流形変換器の開発」、平成１０年、電学論D,１１８巻５号、ｐｐ．６３０〜６３６

従来のＳＭＥＳにおける電力変換装置では横流が発生することから、横流の抑制のために横流抑制用のインダクタンスと横流抑制制御が必要であった。横流抑制リアクトルを設置すると装置が大型化し、重量も大きくなる。更に横流抑制制御機能が必要となり、電力変換装置のコストアップを招くことになる。またコストにおいては並列方式のためＳＭＥＳコイルの電流容量の増大に伴う冷却装置のコストの抑制が必要であった。

本発明は、制御系が簡素かつ高性能で、ＳＭＥＳコイル、冷却装置、主回路の寸法、重量、容量、コストを大幅に低減することのできる電力変換装置および超電導電力貯蔵装置を提供することを目的とする。

請求項１の発明は電力変換装置であり、相互に直列接続され電流源に接続されて前記電流源から供給される直流電力を２段で３相交流電力の１相分に変換する複数の単位変換器と、前記各単位変換器の出力端にそれぞれ接続されたコンデンサと、３相交流電力の１相分に対応する前記２段のコンデンサにそれぞれ接続される巻線および対応する３相電源系統の１相に接続される巻線を有する３巻変圧器と、前記３相交流電源系統の電圧を検出する電圧検出装置と、前記各コンデンサの電圧を検出する電圧検出装置と、前記３相交流電源系統の電流を検出する電流検出装置と、前記電源系統に瞬低が発生したことを検出した場合に系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御とコンデンサ電圧制御とにより過渡時も安定にコンデンサ電圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、各相を構成する２段の単位変換器の出力端コンデンサの電圧を加算して算出される三相コンデンサ電圧検出値と系統線間電圧検出信号を入力し、コンデンサ電圧制御の結果としてコンデンサ電圧制御ＤＱ電流指令値を出力するコンデンサ電圧制御装置と、前記コンデンサ電圧制御ＤＱ電流指令値と系統電流フィードフォワード制御ＤＱ電流指令値とを入力し、３相出力電流指令を出力する電流指令制御装置と、前記３相出力電流指令を入力し、三相のＵ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号、三相Ｖ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号、三相Ｗ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号を前記各単位変換器に対して出力するＰＷＭ制御装置と、を有し、前記電源系統の瞬低中に所定の時間の間、所要の電力を負荷に対して安定に供給する瞬低補償制御機能を有することを特徴とする。

請求項２の発明は相互に直列接続され電流源に接続されて前記電流源から供給される直流電力を２段で３相交流電力の１相分に変換する複数の単位変換器と、前記各単位変換器の出力端にそれぞれ接続されたコンデンサと、３相交流電力の１相分に対応する前記２段のコンデンサにそれぞれ接続される巻線および対応する３相電源系統の１相に接続される巻線を有する３巻変圧器と、前記３相交流電源系統の電圧を検出する電圧検出装置と、前記各コンデンサの電圧を検出する電圧検出装置と、前記３相交流電源系統の電流を検出する電流検出装置と、前記電源系統に瞬低が発生したことを検出した場合に系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御とコンデンサ電圧制御とにより過渡時も安定にコンデンサ電圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、各単位変換器の出力コンデンサ電圧のうち、同種の相間のコンデンサ電圧を互いに加算した値である３相コンデンサ電圧検出値を入力し、模擬系統電流制御の結果としてＰＩ制御出力ＤＱ電流指令値を出力する模擬系統電流制御装置と、前記ＰＩ制御出力ＤＱ電流指令値と系統電流検出信号とを入力し、３相出力電流指令を出力する電流指令制御装置と、前記３相出力電流指令を入力し、三相のＵ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号、三相のＶ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号、三相のＷ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号を各単位変換器に対して出力するＰＷＭ制御装置と、を有し、前記電源系統の瞬低中に所定の時間の間、所要の電力を負荷に対して安定に供給する瞬低補償制御機能を有することを特徴とする。

本発明によれば、制御系が簡素かつ高性能で、ＳＭＥＳコイル、冷却装置、主回路の寸法、重量、容量、コストを大幅に低減することのできる電力変換装置および超電導電力貯蔵装置を提供することができる。

（第１の実施の形態）
（構成）
図１に本発明の第１の実施の形態の電力変換装置１０１の構成を示す。
負荷１１２は系統連系装置１０９を介して電源系統１１１に接続され、系統連系装置１０９と負荷１１２の間に電力変換装置１０１が接続されている。

電力変換装置１０１は、相互に直列接続され直流電力を交流電力に変換する複数の単位変換器１０２と、単位変換器１０２の出力端に接続されたコンデンサ１０３と、コンデンサ１０３と電源系統１１１とを接続する変圧器１０４と、系統電圧を検出する電圧検出装置１０６と、コンデンサ１０３の電圧を検出する電圧検出装置１０７と、系統電流を検出する系統電流検出装置１０８と、系統に瞬低が発生したことを検出した場合に系統電流のフィードフォワード制御を行うとともに瞬低直前のコンデンサ電圧ベクトル振幅および系統相電圧ベクトル位相をそれぞれコンデンサ電圧振幅指令値およびコンデンサ電圧位相指令値とするコンデンサ電圧フィードバック制御により過渡時も安定にコンデンサ電圧を制御する制御装置１０５とを備えている。

単位変換器１０２は、互いに直列接続されている。直列接続された両端の単位変換器１０２は、ＳＭＥＳコイルからなる電流源１１０の両端にそれぞれ接続されている。単位変換器１０２の出力端子間には、コンデンサ１０３が接続されている。コンデンサ１０３は、変圧器１０４の２次側端子に接続される。各変圧器１０４の１次側の一方の端子は電源系統１１１の各相の電源ラインに接続され、他の端子は他の変圧器１０４の一方の端子と互いに接続されている。

（作用）
制御装置１０５は、電圧検出装置１０６を介して電源系統１１１の線間電圧を検出すると共に、電圧検出装置１０７を介して各単位変換器１０２の出力端のコンデンサ１０３の電圧を検出する。

制御装置１０５は、検出した系統電圧信号から算出した系統電圧ベクトルの大きさが、基準値より小さい場合は、系統に瞬低が発生したと判断し、系統連系装置１０９を開放し、負荷１１２を電源系統１１１から遮断する。

制御装置１０５は、電圧検出装置１０６により検出した３相系統線間電圧信号を入力し、３相２相変換により静止座標系における水平軸方向の基準座標軸に対して９０度位相が遅れた系統線間電圧ベクトルを生成する。この９０度位相が遅れた系統線間電圧ベクトルの位相に６０度を加算することにより、電源系統１１１の相電圧ベクトルの位相を算出する。瞬低を検出した場合、瞬低直前の相電圧ベクトルの位相をコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号とする。また、瞬低発生直前のコンデンサ１０３の電圧ベクトルの大きさをコンデンサ電圧振幅指令信号とする。このようにして算出したコンデンサ電圧振幅指令信号とコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号に基づいて、コンデンサ１０３の電圧をフィードバック制御する。

また制御装置１０５は、系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御により過渡応答性能を改善する。
この結果、電力変換装置１０１は、電源系統１１１に瞬低が発生した場合、所定の時間の間、負荷１１２に対して安定に電力供給を継続し、瞬低補償制御を行う。

（効果）
本実施の形態の電力変換装置によれば、大容量化のため複数の単位変換器１０２を互いに直列接続することにより、ＳＭＥＳコイルの直流電圧を大きく直流電流を小さくすることが可能となる。これにより従来の並列方式のＳＭＥＳ用電力変換器で必要であった横流抑制リアクトルと制御が不要となり、電力変換装置の寸法、重量、コストを低減することができる。また直流電流容量が低減するためＳＭＥＳコイルと冷却装置の電流容量とコストを低減することができる。

更に、系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御により、過渡応答性能を改善することが可能となり、系統連系装置１０９のＯＦＦ時に系統に過電流が流れたり、負荷電圧が低下したりする問題を解決し、低コストで高性能な瞬低補償用ＳＭＥＳ電力変換装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態を図２と図３を参照して説明する。
（構成）
図２は本実施の形態の電力変換装置２０１の構成を示す。

負荷１１２は系統連系装置２０９を介して電源系統１１１に接続され、系統連系装置２０９と負荷１１２の間に電力変換装置２０１が接続されている。

電力変換装置２０１は、単位変換器２０２と、コンデンサ２０３と、三巻変圧器２０４と、制御装置２０５と、電源系統１１１の系統線間電圧を検出する電圧検出装置２０６と、各単位変換器２０２の交流出力端子間に接続された電圧検出装置２０７と、電源系統１１１の３相交流電流を検出する電流検出装置２０８と、負荷１１２と電力変換装置２０１とを電源系統１１１に接続する系統連系装置２０９とを備えている。

この実施の形態では、６台の単位変換器２０２を互いに直列接続して電力変換装置２０１を構成している。直列接続された両端の単位変換器２０２は、ＳＭＥＳコイルからなる電流源１１０の両端にそれぞれ接続される。単位変換器２０２の出力端子間には、コンデンサ２０３が接続されている。コンデンサ２０３は、三巻変圧器２０４の２次側の巻線に接続されている。三巻変圧器２０４の１次側の一方の端子は、電源系統１１１の各相の電源ラインに接続され、他の端子は他の三巻変圧器２０４の他方の端子と互いに接続されている。

図３に本実施の形態における単位変換器２０２の構成を示す。
単位変換器２０２は、単相ブリッジの構成である。各アームは、逆阻止用のダイオード３０１とスイッチング素子３０２からなる。この単位変換器２０２は、一般的な単相ブリッジと汎用の素子を使用することにより低コストな電力変換器となっている。

（作用）
（系統電圧、コンデンサ電圧、系統電流の検出）
制御装置２０５は、電圧検出装置２０６を介して系統電圧を検出すると共に、電圧検出装置２０７を介して各単位変換器２０２の出力端のコンデンサ２０３の電圧を検出する。また制御装置２０５は、電流検出装置２０８を介して、３相の系統電流を検出する。

（コンデンサ電圧位相指令信号の生成）
制御装置２０５は、電圧検出装置２０６を介して検出した３相系統電圧を１次遅れフィルタに入力する。
制御装置２０５は、１次遅れフィルタによって得られた１次遅れ出力信号を３相２相変換し、位相が９０度遅れた２相系統線間電圧信号を生成する。制御装置２０５はこの２相系統線間電圧信号から系統線間電圧ベクトルの位相を算出する。制御装置２０５は、この系統線間電圧ベクトル位相信号にπ／３［ｒａｄ］を加算することにより、系統相電圧ベクトルの位相信号を生成する。そして制御装置２０５は、この系統相電圧ベクトルの位相信号をコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号として使用する。

（コンデンサ電圧のフィードバック）
制御装置２０５は、検出した１段目と２段目のコンデンサ２０３の電圧を加算して３相の１相であるＵ相のコンデンサ電圧を生成する。

また制御装置は、３段目と４段目のコンデンサ２０３の電圧を加算して３相の１相であるＶ相のコンデンサ電圧を生成する。

更に制御装置２０５は、５段目と６段目のコンデンサ２０３の電圧を加算して３相の１相であるＷ相のコンデンサ電圧を生成する。制御装置２０５は、ＵＶＷ３相のコンデンサ電圧信号を３相２相変換して２相コンデンサ電圧を生成する。

制御装置２０５は、２相コンデンサ電圧の２乗和の正の平方根をコンデンサ電圧ベクトルの大きさとして算出する。

制御装置２０５は、算出したコンデンサ電圧ベクトルの大きさを１次遅れフィルタを通すことにより、３相コンデンサ電圧振幅指令信号として出力する。そして３相コンデンサ電圧振幅指令信号を３相２相変換し、２相コンデンサ電圧振幅信号を出力する。

制御装置２０５は、２相コンデンサ電圧振幅信号を前記コンデンサ電圧ベクトル位相指令信号によりDQ変換して、DQコンデンサ電圧振幅信号を出力する。DQ変換は、静止座標系の成分を系統電圧と同一周波数で回転する回転座標系へ変換する座標変換である。

（系統電流フィードフォワード制御）
制御装置２０５は、検出した３相系統電流を１次遅れフィルタに入力し、１次遅れフィルタ出力の３相系統電流信号を用いて、３相２相変換する。
制御装置２０５は、３相２相変換した２相系統電流をコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号を用いてDQ変換を行ない、DQ系統電流信号を出力する。

（瞬低検出判断）
制御装置２０５は、２相系統線間電圧信号の各成分の２乗和の正の平方根を計算し、系統線間電圧ベクトル振幅信号として出力する。そして、この系統線間電圧ベクトル振幅信号がしいき値以下であれば、系統に瞬低が発生したと判断し、瞬低検出信号を出力する。

（待機制御）
制御装置２０５は、電源系統１１１が健全な場合は各単位変換器２０２の上下アームを導通することにより、電流源１１０（ＳＭＥＳコイル）の電流を保持し、待機する。

（瞬低補償制御）
もし電源系統１１１に瞬低が発生した場合は、制御装置２０５は、瞬低直前の３相コンデンサ電圧振幅指令信号とコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号を保持し、系統電源周波数によりコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号の位相を進める。

制御装置２０５は、３相コンデンサ電圧振幅指令信号とコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号を用いて３相コンデンサ電圧指令信号を算出する。
制御装置２０５は、３相コンデンサ電圧指令信号を３相２相変換し、コンデンサ電圧ベクトル位相指令信号によりDQ変換し、DQコンデンサ電圧指令信号を生成する。

また制御装置２０５は、２相コンデンサ電圧検出信号に対してコンデンサ電圧ベクトル位相指令信号を用いてDQコンデンサ電圧検出信号に変換する。
制御装置２０５は、DQコンデンサ電圧指令信号とDQコンデンサ電圧検出信号を用いてPI制御により、コンデンサ電圧制御出力信号を生成する。

制御装置２０５は、コンデンサ電圧制御出力信号とDQ系統電流信号を加算して、DQ電流指令信号を生成する。
制御装置２０５は、系統電流のフィードフォワード制御であるDQ系統電流信号を加算することにより、高速に系統連系装置２０９をＯＦＦし、電源系統１１１を遮断する。

これにより、電力変換装置２０１は、瞬低期間中、負荷１１２に対し安定に電力供給を継続する。この結果、電力変換装置２０１は、電源系統１１１に瞬低が発生した場合、所定の時間の間、負荷１１２に対して安定に電力供給を継続し、瞬低補償制御を行う。

（効果）
この第２の実施の形態によれば、複数の単相ブリッジ回路を使用することにより、容易にＳＭＥＳ用電力変換装置を構成できる。この結果、低コストな電力変換装置を構築できると共に、システムの信頼性を改善することができる。また直流電流容量が低減するためＳＭＥＳコイルと冷却装置の電流容量とコストを低減することができる。

更に、系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御により、過渡応答性能を改善することが可能となり、系統連系装置２０９のＯＦＦ時に系統に過電流が流れたり、負荷電圧が低下したりする問題を解決し、低コストで高性能な瞬低補償用ＳＭＥＳ電力変換装置を提供することができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態を図４から図７を参照して説明する。本実施の形態は、図２に示した制御装置２０５に関する。

（構成）
本実施の形態における制御装置２０５は、図４に示すように、コンデンサ電圧制御装置４０１と、電流指令制御装置４０２と、ＰＷＭ制御装置４０３とから構成されている。

コンデンサ電圧制御装置４０１は、図５に示すように、電圧ベクトル位相を９０度遅らせる３相２相変換手段５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄと、コンデンサ電圧振幅検出手段５０２と、コンデンサ電圧振幅制御手段５０３と、系統線間電圧位相検出手段５０４と、加算器５２５と、コンデンサ電圧位相制御手段５０５と、コンデンサ電圧指令生成手段５０６と、２相DQ変換手段５０７ａ，５０７ｂ，５０７ｃと、減算手段５０８と、PI制御手段５０９と、１次遅れフィルタ５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃと、加算器５２５と、瞬低判定手段５２６とを備えている。

電流指令制御装置４０２は、図６に示すように、リミッタ手段６０１と、ベクトル・リミット手段６０２と、最小ONパルス幅制御手段６０３と、DQ２相変換手段６０４と、２相３相変換手段６０５と、３相電流指令制御手段６０６とを備えている。

図７に１相当りのＰＷＭ制御装置４０３の構成を示す。
ＰＷＭ制御装置４０３は、１段目変換器ＰＷＭ制御装置７０１と、２段目変換器ＰＷＭ制御装置７０２とから構成されている。１段目変換器ＰＷＭ制御装置７０１は、ＰＷＭ制御装置７０３と、ＮＯＴ回路７０４と、極性反転回路７０５とを備えている。２段目変換器ＰＷＭ制御装置７０２は、１段目変換器ＰＷＭ制御装置７０１と同じ構成であるが、キャリヤ信号７１１の位相が１段目変換器ＰＷＭ制御装置７０１のキャリヤ信号７０６に対して９０度遅れている。

（作用）
図４に示すように、制御装置２０５を構成するコンデンサ電圧制御装置４０１は、３相コンデンサ電圧検出値４０４と系統線間電圧検出信号２１０を入力し、コンデンサ電圧制御の結果としてコンデンサ電圧制御DQ電流指令値４０５を出力する。ここで、３相コンデンサ電圧検出値４０４は、各相を構成する２段の単位変換器２０２の出力端コンデンサ２０３の電圧を加算し算出される３相電圧である。

電流指令制御装置４０２は、コンデンサ電圧制御DQ電流指令値４０５と系統電流フィードフォワード制御DQ電流指令値４０６を入力し、３相出力電流指令４０７を出力する。
ＰＷＭ制御装置４０３は、３相出力電流指令４０７を入力し、Ｕ相１段目単位変換器ゲート信号４０８、Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号４０９、Ｖ相１段目単位変換器ゲート信号４１０、Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号４１１、Ｗ相１段目単位変換器ゲート信号４１２、Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号４１３を各単位変換器２０２に対して出力する。

図５に示すように、コンデンサ電圧制御装置４０１を構成する３相２相変換手段５０１ａは、３相コンデンサ電圧検出値４０４を入力し、静止２相座標系の２軸成分である２相コンデンサ電圧信号５１１に変換する。

コンデンサ電圧振幅検出手段５０２は、２相コンデンサ電圧信号５１１を入力し、２乗和の正の平方根をコンデンサ電圧振幅５１２として出力する。

１次遅れフィルタ５２３ａは、コンデンサ電圧振幅５１２を入力し、コンデンサ電圧振幅５１２の高周波リプル成分を除去し、コンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値５２４を出力する。

コンデンサ電圧振幅制御手段５０３は、コンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値５２４と、瞬低発生信号５２２を入力し、瞬低が発生した場合は瞬低発生直前のコンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値５２４をコンデンサ電圧振幅指令値５１３として保持する。

３相２相変換手段５０１ｂは、１次遅れフィルタ５２３ｂを介して３相の系統線間電圧検出信号２１０を入力し、系統線間電圧を９０度位相遅れの電圧ベクトル信号に変換する。

系統線間電圧位相検出手段５０４は、９０度位相が遅れた電圧ベクトルを入力し、系統電圧位相信号を算出し出力する。加算器５２５は、系統電圧位相信号の位相とπ／３［ｒａｄ］を加算し、系統相電圧位相信号５１４を出力する。

コンデンサ電圧位相制御手段５０５は、系統相電圧位相信号５１４と瞬低発生信号５２２とを入力し、瞬低が発生した場合は、瞬低発生直前の系統相電圧位相信号５１４をコンデンサ電圧位相指令信号の基準値として保持し、系統電圧の定格周波数で位相を進め、コンデンサ電圧位相指令信号５１５を出力する。
コンデンサ電圧指令生成手段５０６は、コンデンサ電圧振幅指令値５１３とコンデンサ電圧位相指令信号５１５とを入力し、３相コンデンサ電圧指令値５１６を出力する。

３相２相変換手段５０１ｃは、３相コンデンサ電圧指令値５１６を入力し、静止２相成分のDQコンデンサ電圧指令値５１７を出力する。
２相DQ変換手段５０７ａは２相コンデンサ電圧指令値５１７とコンデンサ電圧位相指令信号５１５とを入力しDQコンデンサ電圧指令値５１８を出力する。

減算手段５０８は、DQコンデンサ電圧指令値５１８からDQコンデンサ電圧検出値５１９を減算することにより、DQコンデンサ電圧偏差５２０を算出する。
PI制御手段５０９はDQコンデンサ電圧偏差５２０を入力し、PI（積算および積分）制御の結果として、コンデンサ電圧制御DQ電流指令値４０５を出力する。

３相２相変換５０１ｄは、３相の系統電流検出信号２１１を入力し、３相２相変換により２相の系統電流検出信号を出力する。
２相DQ変換手段５０７ｃは、２相の系統電流検出信号を入力し、DQ変換により系統電流フィードフォワード制御DQ電流指令値４０６を出力する。

図６に示すように、電流指令制御装置４０２を構成するリミッタ手段６０１は、系統電流フィードフォワード制御DQ電流指令値４０６とコンデンサ電圧制御DQ電流指令値４０５を加算して生成するDQ電流指令値６００を入力し、Ｄ軸電流指令値とＱ軸電流指令値との絶対値が、それぞれのリミット値を超えた場合は、DQ軸電流指令値を所定のリミット値に制限したリミットDQ電流指令６０７を出力する。

ベクトル・リミット手段６０２は、リミットDQ電流指令６０７を入力し、Ｄ軸とＱ軸のリミット電流指令から構成される電流ベクトルの振幅が規定値を超えた場合は、電流ベクトルの振幅が規定値になるように、Ｄ軸とＱ軸のリミット電流指令を変換し、ベクトル・リミットDQ電流指令６０８を出力する。

最小ONパルス幅制御手段６０３は、ベクトル・リミットDQ電流指令６０８を入力し、この電流指令を用いたＰＷＭ制御の結果、電力変換器２０２を構成する素子により規定される最小ONパルス幅より短いＰＷＭパルスが発生しないように、ベクトル・リミットDQ電流指令値を制限した値である最小ONパルス幅制御DQ電流指令６０９を出力する。

DQ２相変換手段６０４は、最小ONパルス幅制御DQ電流指令６０９と、コンデンサ電圧位相指令値５１５とを入力し、２相電流指令６１０を出力する。
２相３相変換手段６０５は、２相電流指令６１０を入力し、２相３相変換を行ない瞬低補償制御用３相出力電流指令６１２を出力する。

３相電流指令制御手段６０６は、待機制御用３相出力電流指令６１３と瞬低補償制御用３相出力電流指令６１２と瞬低発生信号５２２を入力する。３相電流指令制御手段６０６は、瞬低発生信号５２２が瞬低発生の値にセットされていなければ、待機制御用３相出力電流指令６１３を３相出力電流指令４０７として出力する。瞬低発生信号５２２が瞬低発生の値にセットされていれば、瞬低補償制御用３相出力電流指令６１２を３相出力電流指令４０７として出力する。

図７に示すように、１段目変換器ＰＷＭ制御装置７０１を構成するＰＷＭ信号発生器７０３は、３相出力電流指令４０７の一相当りの電流指令信号と、キャリヤ信号７０６を入力し、３相出力電流指令４０７の一相当りの電流指令信号がキャリヤ信号７０６より大きければスイッチング素子をONするＰＷＭ信号を出力し、そうでなければ、スイッチング素子をＯＦＦするＰＷＭ信号を出力する。発生したＰＷＭ信号は、ＮＯＴ回路７０４を介して、単相ブリッジ回路の上アームを構成するスイッチング素子のゲート信号７０７と７０８として出力される。

単相ブリッジ回路の下側アームを構成するスイッチング素子に対するＰＷＭ制御は、１相分の電流指令信号４０７を極性反転回路７０５により反転させた電流指令信号を用いて行なわれる。反転された電流指令信号とキャリヤ信号７０６によりＰＷＭ制御され、単相ブリッジ回路の下アームを構成するスイッチング素子に対するゲート信号が出力される。

２段目の単位変換器に対するＰＷＭ制御は、キャリヤ信号７１１の位相を１段目の単位変換器に対するＰＷＭ制御におけるキャリヤ信号７０６の位相から９０°ずらすことにより実現する。１段目と２段目の単位変換器に対するＰＷＭ制御キャリヤ信号に９０°の位相差を設けるのは、発生する高調波を抑制するためである。

他相のＰＷＭ制御は、他の相の電流指令信号４０７を用いて、同様に実現する。
上記の制御の結果、各単位変換器の出力端フィルタコンデンサ電圧を系統が瞬低する直前の電圧に制御することができる。
本制御により系統瞬低時に負荷に対して所要の電力補償を実現することが可能となる。

（効果）
この第３の実施の形態の電力変換装置によれば、従来の三角波比較ＰＷＭ制御を使用することができる。この結果、制御系のコストを抑制することができ、低コストな電力変換装置を提供することができる。また直流電流容量が低減するためＳＭＥＳコイルと冷却装置の電流容量とコストを低減することができる。

更に、系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御により、過渡応答性能を改善することが可能となり、系統連系装置２０９のＯＦＦ時に系統に過電流が流れたり、負荷電圧が低下する問題を解決し、低コストで高性能な瞬低補償用ＳＭＥＳ電力変換装置を提供することができる。

（第４の実施の形態）
本発明の第４の実施の形態を図８から図１０を参照して説明する。本実施の形態も第３の実施の形態と同様に図２に示した制御装置２０５に関する。

（構成）
本実施の形態における制御装置２０５は、図８に示すように、模擬系統電流制御装置８０１と、電流指令制御装置８０２と、ＰＷＭ制御装置４０３から構成されている。

模擬系統電流制御装置８０１は、図９に示すように、系統線間電圧位相検出手段９０１と、入力した電圧ベクトルの位相を９０度遅らせる３相２相変換手段９０２ａ，９０２ｂ，９０２ｃと、コンデンサ電圧振幅検出手段９０３と、１次遅れフィルタ９２７と、コンデンサ電圧振幅制御手段９０４と、コンデンサ電圧位相制御手段９０６と、模擬系統３相電圧生成手段９０７と、２相DQ変換手段９０８ａ，９０８ｂと、減算手段９０９と、模擬系統電流算出手段９１０と、PI制御手段９１１とを備えている。

模擬系統電流算出手段９１０は、図１０に示すように、減算器１００１ａ，１００１ｂと、除算器１００２と、乗算器１００３ａ，１００３ｂと、積分器１００４と、遅れ要素１００５とを備えている。

（作用）
図８に示すように、制御装置２０５の模擬系統電流制御装置８０１は、３相コンデンサ電圧検出値４０４を入力し、模擬系統電流制御の結果としてPI制御出力DQ電流指令値８０５を出力する。ここで、３相コンデンサ電圧検出値４０４は、各単位変換器の出力コンデンサ電圧のうち、同種の相間のコンデンサ電圧を互いに加算した値である。

電流指令制御装置８０２は、PI制御出力DQ電流指令値８０５と系統電流検出信号２１１を入力し、３相出力電流指令４０７を出力する。

ＰＷＭ制御装置４０３は、３相出力電流指令４０７を入力し、Ｕ相１段目単位変換器ゲート信号４０８、Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号４０９、Ｖ相１段目単位変換器ゲート信号４１０、Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号４１１、Ｗ相１段目単位変換器ゲート信号４１２、Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号４１３を各単位変換器２０２に対して出力する。

図９に示すように、模擬系統電流制御装置８０１の３相２相変換手段９０２ａは、３相コンデンサ電圧検出値４０４を入力し、静止２相座標系の２軸成分である二相コンデンサ電圧信号９１４に変換する。

コンデンサ電圧振幅検出手段９０３は、二相コンデンサ電圧信号９１４を入力し、２乗和の正の平方根をコンデンサ電圧振幅９１５として出力する。１次遅れフィルタ９２７は、コンデンサ電圧振幅９１５を入力し、高周波リプルを除去したコンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値９２８を出力する。

コンデンサ電圧振幅制御手段９０４は、コンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値９２８と、瞬低発生信号５２２とを入力し、瞬低が発生した場合は瞬低発生直前のコンデンサ電圧振幅９１５をコンデンサ電圧振幅指令値９１７として保持する。

系統線間電圧検出信号２１０は、１次遅れフィルタ５２３ｂを介して３相２相変換手段９０２ｃに入力される。
３相２相変換手段９０２ｃは、系統線間電圧検出信号２１０の１次遅れフィルタ出力値を入力し、２相系統線間電圧位相信号９１２を出力する。

系統線間電圧位相検出手段９０１は、２相系統線間電圧位相信号９１２を入力し、系統線間電圧位相信号９１３を出力する。
加算器９０５は系統線間電圧位相信号９１３にπ／３［ｒａｄ］を加算してコンデンサ電圧位相信号９１８を出力する。

コンデンサ電圧位相制御手段９０６は、コンデンサ電圧位相信号９１８と瞬低発生信号５２２とを入力し、瞬低が発生した場合は、瞬低発生直前のコンデンサ電圧位相信号９１８をコンデンサ電圧位相指令信号の基準値として保持し、系統電圧の定格周波数で位相を進め、コンデンサ電圧位相指令信号９１９を出力する。

模擬系統３相電圧生成手段９０７は、コンデンサ電圧振幅指令値９１７とコンデンサ電圧位相指令信号９１９とを入力し、模擬系統電源３相電圧指令値９２０を出力する。
３相２相変換手段９０２ｂは、模擬系統電源３相電圧指令値９２０を入力し、静止２相成分の模擬系統電源２相電圧指令値９２１を出力する。

２相DQ変換手段９０８ａは、模擬系統電源２相電圧指令値９２１とコンデンサ電圧位相指令値９１９とを入力し模擬系統電源DQ電圧９２２を出力する。
減算手段９０９は、模擬系統電源DQ電圧９２２から、コンデンサDQ電圧検出値９２３を減算することにより、模擬系統DQ電圧９２４を算出する。

模擬系統電流算出手段９１０は、模擬系統DQ電圧９２４から模擬系統電流偏差９２５を算出し出力する。
PI制御手段９１１は、模擬系統電流偏差９２５を入力し、PI制御の結果として、PI制御出力DQ電流指令値８０５を出力する。

図１０に示すように、模擬系統電流算出手段９１０は、減算器１００１ａにおいて、模擬系統DQ電圧９２４から、遅れ要素１００５により保持された前回の模擬系統電流計算値１００６に電源系統１１１の抵抗値１００７を乗算して算出した電源系統１１１の抵抗による電圧降下１００８を減算することにより、電源系統１１１のインダクタンスによる電圧降下１００９を算出する。

次に除算器１００２において、電源系統１１１のインダクタンスによる電圧降下１００９を電源系統１１１のインダクタンス値１０１０で除算することにより、電源系統１１１のインダクタンスによる電圧降下を電源系統１１１のインダクタンスで除算した値１０１１を算出する。次に乗算器１００３ｂにおいて、電源系統１１１のインダクタンスによる電圧降下を電源系統１１１のインダクタンスで除算した値１０１１にサンプリング時間１０１２を乗算するこよにより、電源系統１１１の電流変化量１０１３を算出する。

積分器１００４は、電源系統１１１の電流変化量１０１３を積分することにより、電源系統１１１の電流計算値１０１４を算出する。減算器１００１ｂは、電源系統１１１の電流指令値１０１５から電源系統１１１の電流計算値１０１４を減算することにより模擬系統電流偏差９２５を出力する。電源系統１１１の電流指令値１０１５をゼロに設定することにより、模擬系統電流をゼロに制御するようにコンデンサ電圧を制御する。

（効果）
この実施の形態の電力変換装置によれば、複数の単相ブリッジ回路を使用することにより、容易にＳＭＥＳ用電力変換装置を構成できる。この結果、低コストな電力変換装置を構築できると共に、システムの信頼性を改善することができる。また直流電流容量が低減するためＳＭＥＳコイルと冷却装置の電流容量とコストを低減することができる。

更に、系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御により、過渡応答性能を改善することが可能となり、系統連系装置２０９のＯＦＦ時に系統に過電流が流れたり、負荷電圧が低下したりする問題を解決し、低コストで高性能な瞬低補償用ＳＭＥＳ電力変換装置を提供することができる。また、模擬系統電流制御装置８０１を備えることにより、電源系統１１１による電力供給と電流源１１０による電力供給を円滑に切り換えることができる。

本発明の第１の実施の形態の電力変換装置を示す回路図。本発明の第２の実施の形態の電力変換装置を示す回路図。本発明の第２の実施の形態における単位変換器の構成を示す回路図。本発明の第３の実施の形態における制御装置の構成および信号の流れを示す図。本発明の第３の実施の形態におけるコンデンサ電圧制御装置の構成および信号の流れを示す図。本発明の第３の実施の形態における電流指令制御装置の構成および信号の流れを示す図。本発明の第３の実施の形態におけるＰＷＭ制御装置の構成（１相当り）の構成および信号の流れを示す図。本発明の第４の実施の形態における制御装置の構成および信号の流れを示す図。本発明の第４の実施の形態における模擬系統電流制御装置の構成および信号の流れを示す図。本発明の第４の実施の形態における模擬系統電流算出手段の構成および信号の流れを示す図。従来の電力変換装置の構成を示す回路図。

符号の説明

１…単位変換器、２…変圧器、１０１…電力変換装置、１０２…単位変換器、１０３…コンデンサ、１０４…変圧器、１０５…制御装置、１０６…電圧検出装置、１０７…電圧検出装置、１０８…電流検出装置、１０９…系統連系装置、１１０…電流源、１１１…電源系統、１１２…負荷、２０１…電力変換装置、２０２…単位変換器、２０３…コンデンサ、２０４…３巻変圧器、２０５…制御装置、２０６…電圧検出装置、２０７…電圧検出装置、２０８…電流検出装置、２０９…系統連系装置、２１０…系統線間電圧検出信号、２１１…系統電流検出信号、２１２…コンデンサ電圧検出信号、３０１…ダイオード、３０２…スイッチング素子、４０１…コンデンサ電圧制御装置、４０２…電流指令制御装置、４０３…ＰＷＭ制御装置、４０４…３相コンデンサ電圧検出値、４０５…コンデンサ電圧制御DQ電流指令値、４０６…系統電流フィードフォワード制御DQ電流指令値、４０７…３相出力電流指令、４０８…Ｕ相１段目単位変換器ゲート信号、４０９…Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号、４１０…Ｖ相１段目単位変換器ゲート信号、４１１…Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号、４１２…Ｗ相１段目単位変換器ゲート信号、４１３…Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号、５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ…３相２相変換手段、５０２…コンデンサ電圧振幅検出手段、５０３…コンデンサ電圧振幅制御手段、５０４…系統線間電圧位相検出手段、５０５…コンデンサ電圧位相制御手段、５０６…コンデンサ電圧指令生成手段、５０７ａ，５０７ｂ，５０７ｃ…２相DQ変換手段、５０８…減算手段、５０９…PI制御手段、５１１…２相コンデンサ電圧信号、５１２…コンデンサ電圧振幅、５１３…コンデンサ電圧振幅指令値、５１４…系統相電圧位相信号、５１５…コンデンサ電圧位相指令信号、５１６…３相コンデンサ電圧指令値、５１７…２相コンデンサ電圧指令値、５１８…DQコンデンサ電圧指令値、５１９…DQコンデンサ電圧検出値、５２０…DQコンデンサ電圧偏差、５２２…瞬停発生信号、５２３ａ，５２３ｂ，５２３ｃ…１次遅れフィルタ、５２４…コンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値、５２５…加算器、５２６…瞬低判定手段、６００…DQ電流指令値、６０１…リミッタ手段、６０２…ベクトル・リミット手段、６０３…最小ONパルス幅制御手段、６０４…DQ２相変換手段、６０５…２相３相変換手段、６０６…３相電流指令制御手段、６０７…リミットDQ電流指令、６０８…ベクトル・リミットDQ電流指令、６０９…最小ONパルス幅制御DQ電流指令、６１０…２相電流指令、６１２…瞬低補償制御用３相出力電流指令、６１３…待機制御用３相出力電流指令、７０１…１段目変換器ＰＷＭ制御装置、７０２…２段目変換器ＰＷＭ制御装置、７０３…ＰＷＭ信号発生器、７０４…ＮＯＴ回路、７０５…極性反転回路、７０６…キャリヤ信号、７０７…１段目変換器Ｕアームゲート信号、７０８…１段目変換器Ｖアームゲート信号、７０９…１段目変換器Ｘアームゲート信号、７１０…１段目変換器Ｙアームゲート信号、７１１…キャリヤ信号、７１２…２段目変換器Ｕアームゲート信号、７１３…２段目変換器Ｖアームゲート信号、７１４…２段目変換器Ｘアームゲート信号、７１５…２段目変換器Ｙアームゲート信号、８０１…模擬系統電流制御装置、８０２…電流指令制御装置、８０５…PI制御出力DQ電流指令値、９０１…系統線間電圧位相検出手段、９０２ａ，９０２ｂ，９０２ｃ…３相２相変換手段、９０３…コンデンサ電圧振幅検出手段、９０４…コンデンサ電圧振幅制御手段、９０５…加算器、９０６…コンデンサ電圧位相制御手段、９０７…模擬系統３相電圧生成手段、９０８ａ，９０８ｂ…２相DQ変換手段、９０９…減算手段、９１０…模擬系統電流算出手段、９１１…PI制御手段、９１２…２相系統線間電圧位相信号、９１３…系統線間電圧位相信号、９１４…２相コンデンサ電圧信号、９１５…コンデンサ電圧振幅、９１７…コンデンサ電圧振幅指令値、９１８…コンデンサ電圧位相信号、９１９…コンデンサ電圧位相指令信号、９２０…模擬系統電源三相電圧指令値、９２１…模擬系統電源二相電圧指令値、９２２…模擬系統電源DQ電圧、９２３…コンデンサDQ電圧検出値、９２４…模擬系統DQ電圧、９２５…模擬系統電流偏差、９２７…１次遅れフィルタ、９２８…コンデンサ電圧振幅指令フィルタ出力値、１００１ａ，１００１ｂ…減算器、１００２…除算器、１００３ａ，１００３ｂ…乗算器、１００４…積分器、１００５…遅れ要素、１００６…前回の模擬系統電流計算値、１００７…電源系統の抵抗値、１００８…電源系統の抵抗による電圧降下、１００９…電源系統のインダクタンスによる電圧降下、１０１０…電源系統のインダクタンス値、１０１１…電源系統のインダクタンスによる電圧降下を、電源系統のインダクタンスで除算した値、１０１２…サンプリング時間、１０１３…電源系統の電流変化量、１０１４…電源系統の電流計算値、１０１５…電源系統の電流指令値。

Claims

相互に直列接続され電流源に接続されて前記電流源から供給される直流電力を２段で３相交流電力の１相分に変換する複数の単位変換器と、
前記各単位変換器の出力端にそれぞれ接続されたコンデンサと、
３相交流電力の１相分に対応する前記２段のコンデンサにそれぞれ接続される巻線および対応する３相電源系統の１相に接続される巻線を有する３巻変圧器と、
前記３相交流電源系統の電圧を検出する電圧検出装置と、
前記各コンデンサの電圧を検出する電圧検出装置と、
前記３相交流電源系統の電流を検出する電流検出装置と、
前記電源系統に瞬低が発生したことを検出した場合に系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御とコンデンサ電圧制御とにより過渡時も安定にコンデンサ電圧を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
各相を構成する２段の単位変換器の出力端コンデンサの電圧を加算して算出される三相コンデンサ電圧検出値と系統線間電圧検出信号を入力し、コンデンサ電圧制御の結果としてコンデンサ電圧制御ＤＱ電流指令値を出力するコンデンサ電圧制御装置と、
前記コンデンサ電圧制御ＤＱ電流指令値と系統電流フィードフォワード制御ＤＱ電流指令値とを入力し、３相出力電流指令を出力する電流指令制御装置と、
前記３相出力電流指令を入力し、三相のＵ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号、三相Ｖ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号、三相Ｗ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号を前記各単位変換器に対して出力するＰＷＭ制御装置と、を有し、
前記電源系統の瞬低中に所定の時間の間、所要の電力を負荷に対して安定に供給する瞬低補償制御機能を有することを特徴とする電力変換装置。
相互に直列接続され電流源に接続されて前記電流源から供給される直流電力を２段で３相交流電力の１相分に変換する複数の単位変換器と、
前記各単位変換器の出力端にそれぞれ接続されたコンデンサと、
３相交流電力の１相分に対応する前記２段のコンデンサにそれぞれ接続される巻線および対応する３相電源系統の１相に接続される巻線を有する３巻変圧器と、
前記３相交流電源系統の電圧を検出する電圧検出装置と、
前記各コンデンサの電圧を検出する電圧検出装置と、
前記３相交流電源系統の電流を検出する電流検出装置と、
前記電源系統に瞬低が発生したことを検出した場合に系統電流の検出値を用いたフィードフォワード制御とコンデンサ電圧制御とにより過渡時も安定にコンデンサ電圧を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
各単位変換器の出力コンデンサ電圧のうち、同種の相間のコンデンサ電圧を互いに加算した値である３相コンデンサ電圧検出値を入力し、模擬系統電流制御の結果としてＰＩ制御出力ＤＱ電流指令値を出力する模擬系統電流制御装置と、
前記ＰＩ制御出力ＤＱ電流指令値と系統電流検出信号とを入力し、３相出力電流指令を出力する電流指令制御装置と、
前記３相出力電流指令を入力し、三相のＵ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｕ相２段目単位変換器ゲート信号、三相のＶ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｖ相２段目単位変換器ゲート信号、三相のＷ相１段目単位変換器ゲート信号、Ｗ相２段目単位変換器ゲート信号を各単位変換器に対して出力するＰＷＭ制御装置と、を有し、
前記電源系統の瞬低中に所定の時間の間、所要の電力を負荷に対して安定に供給する瞬低補償制御機能を有することを特徴とする電力変換装置。
前記単位変換器は単相ブリッジ回路により構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
請求項１ないし３のいずれかの１項に記載の電力変換装置と、前記電流源としてのＳＭＥＳコイルとを備えていることを特徴とする超電導電力貯蔵装置。