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技術 電力変換装置

出願人 川崎重工業株式会社
発明者 古賀毅大野達也宮前亮松尾和也浜松正典
出願日 2016年2月5日 (5年3ヶ月経過) 出願番号 2016-020605
公開日 2017年8月10日 (3年9ヶ月経過) 公開番号 2017-139920
状態 特許登録済
技術分野 整流装置 インバータ装置
主要キーワード RS線 発電機モデル 計測電圧 軸誤差 電圧差分 エネルギー保存則 計測電流 三相コンバータ
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (7)

課題

交流電源系統電圧及び周波数の安定化を図るのに適した電力変換装置を提供する。

解決手段

交流電源系統2と、N相回転機3との間に接続された電力変換装置1であって、回転機3のN相の各々に対応して設けられ、1つまたは複数のキャパシタ等で構成されるN個の直流部11x、11y、11zと、直流部11x、11y、11zと回転機3との間に接続されて直流電力交流電力とを互いに変換する回転機側電力変換器12と、この電力変換器12を制御する回転機側制御器13と、直流部11x、11y、11zと交流電源系統2との間に接続されて直流電力と交流電力とを互いに変換するコンバータ14x、14y、14zと、コンバータ14x、14y、14zを制御する系統側制御器15とを備え、回転機側制御器13は、直流部11x、11y、11zの電圧の代表値が所定の値となるように回転機側電力変換器12を制御するよう構成されている。

概要

背景

例えば、船舶等に用いられ、交流電源系統電動発電機等の回転機との間に接続される電力変換装置が、例えば特許文献1に記載されている。この電力変換装置では、交流電源系統に接続された系統側電力変換器と、回転機に接続された回転機側電力変換器との間に、キャパシタ等の蓄電装置からなる直流部が接続されている。

一方、このような電力変換装置において、回転機の小型化などを目的として高電圧化するにあたり、直流部と系統側電力変換器とを回転機の各相に対応した部分ごとに独立させた構成とする場合がある。例えば、図1のように、回転機3のX,Y,Zの各相に対応して、3つの直流部11x、11y、11zと3つの三相コンバータ14x、14y、14zとが設けられる。

概要

交流電源系統の電圧及び周波数の安定化をるのに適した電力変換装置を提供する。 交流電源系統2と、N相の回転機3との間に接続された電力変換装置1であって、回転機3のN相の各々に対応して設けられ、1つまたは複数のキャパシタ等で構成されるN個の直流部11x、11y、11zと、直流部11x、11y、11zと回転機3との間に接続されて直流電力交流電力とを互いに変換する回転機側電力変換器12と、この電力変換器12を制御する回転機側制御器13と、直流部11x、11y、11zと交流電源系統2との間に接続されて直流電力と交流電力とを互いに変換するコンバータ14x、14y、14zと、コンバータ14x、14y、14zを制御する系統側制御器15とを備え、回転機側制御器13は、直流部11x、11y、11zの電圧の代表値が所定の値となるように回転機側電力変換器12を制御するよう構成されている。

目的

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、交流電源系統の電圧及び周波数の安定化を図るのに適した電力変換装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

第1交流電源系統と、N相(Nは2以上の整数)の回転機またはN相の第2交流電源系統との間に接続された電力変換装置であって、前記回転機または第2交流電源系統のN相の各々に対応して設けられ、1つまたは複数のキャパシタまたは二次電池で構成されるN個の直流部と、前記N個の直流部と前記回転機または第2交流電源系統との間に接続されて直流電力交流電力とを互いに変換する第1の電力変換器と、前記第1の電力変換器の変換動作を制御する第1の制御器と、各々、前記直流部に対応して設けられ、前記直流部と前記第1交流電源系統との間に接続されて直流電力と交流電力とを互いに変換するN個の第2の電力変換器と、前記N個の第2の電力変換器の変換動作を制御する第2の制御器と、を備え、前記第1の制御器は、前記N個の直流部の電圧代表値が所定の値となるように前記第1の電力変換器の変換動作を制御するよう構成された、電力変換装置。

請求項2

前記第2の制御器は、前記N個のうちのいずれかの前記直流部の電圧が、前記N個の直流部の電圧の平均値となるように前記第2の電力変換器の変換動作を制御するよう構成された、請求項1に記載の電力変換装置。

請求項3

前記N個の直流部の電圧の代表値は、前記N個の直流部の電圧の平均値、中央値最小値または最大値である、請求項1または2に記載の電力変換装置。

請求項4

前記第1の電力変換器は、複数のスイッチング素子を有し、前記第1の制御器によって前記スイッチング素子のオンオフ動作が制御されることによって変換動作が行われるよう構成され、前記第2の電力変換器は、複数のスイッチング素子を有し、前記第2の制御器によって前記スイッチング素子のオンオフ動作が制御されることによって変換動作が行われるよう構成された、請求項1〜3のいずれかに記載の電力変換装置。

技術分野

0001

本発明は、マイクログリッド小規模配電網)や船舶等に用いられる電力変換装置に関する。

背景技術

0002

例えば、船舶等に用いられ、交流電源系統電動発電機等の回転機との間に接続される電力変換装置が、例えば特許文献1に記載されている。この電力変換装置では、交流電源系統に接続された系統側電力変換器と、回転機に接続された回転機側電力変換器との間に、キャパシタ等の蓄電装置からなる直流部が接続されている。

0003

一方、このような電力変換装置において、回転機の小型化などを目的として高電圧化するにあたり、直流部と系統側電力変換器とを回転機の各相に対応した部分ごとに独立させた構成とする場合がある。例えば、図1のように、回転機3のX,Y,Zの各相に対応して、3つの直流部11x、11y、11zと3つの三相コンバータ14x、14y、14zとが設けられる。

先行技術

0004

特開2015−100234号公報

発明が解決しようとする課題

0005

上記のように、直流部と系統側電力変換器とを回転機の各相に対応した部分ごとに独立させた構成とした場合、系統側電力変換器の各々の三相コンバータによって各々の直流部の電圧を制御し、回転機側電力変換器(単相インバータ)によって速度制御トルク制御を実施することが通常行われている。

0006

しかしながら、このような制御方式では、回転機の回転数や出力を任意の値とすることはできても、交流電源系統の電圧や周波数の安定化を図るのには適していない。

0007

本発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、交流電源系統の電圧及び周波数の安定化を図るのに適した電力変換装置を提供することを目的としている。

課題を解決するための手段

0008

上記目的を達成するために、本発明のある形態に係る電力変換装置は、第1交流電源系統と、N相(Nは2以上の整数)の回転機またはN相の第2交流電源系統との間に接続された電力変換装置であって、前記回転機または第2交流電源系統のN相の各々に対応して設けられ、1つまたは複数のキャパシタまたは二次電池で構成されるN個の直流部と、前記N個の直流部と前記回転機または第2交流電源系統との間に接続されて直流電力交流電力とを互いに変換する第1の電力変換器と、前記第1の電力変換器の変換動作を制御する第1の制御器と、各々、前記直流部に対応して設けられ、前記直流部と前記第1交流電源系統との間に接続されて直流電力と交流電力とを互いに変換するN個の第2の電力変換器と、前記N個の第2の電力変換器の変換動作を制御する第2の制御器と、を備え、前記第1の制御器は、前記N個の直流部の電圧の代表値が所定の値となるように前記第1の電力変換器の変換動作を制御するよう構成されている。

0009

この構成によれば、回転機または第2交流電源系統に接続される第1の電力変換器を、N個の直流部の電圧の代表値が所定の値となるように制御することにより、直流部の電圧のある程度の安定化を図り、一方、第1交流電源系統に接続される第2の電力変換器を、直流部の電圧の安定化以外の制御目的にも運用可能となるので、第2の電力変換器を第1交流電源系統の電圧及び周波数の安定化を図るように制御することが可能となる。よって、第1交流電源系統の電圧及び周波数の安定化を図るのに適している。

0010

前記第2の制御器は、前記N個のうちのいずれかの前記直流部の電圧が、前記N個の直流部の電圧の平均値となるように前記第2の電力変換器の変換動作を制御するよう構成されていてもよい。

0011

この構成によれば、直流部の電圧の平準化が可能となる。

0012

前記N個の直流部の電圧の代表値は、前記N個の直流部の電圧の平均値、中央値最小値または最大値であってもよい。

0013

前記第1の電力変換器は、複数のスイッチング素子を有し、前記第1の制御器によって前記スイッチング素子のオンオフ動作が制御されることによって変換動作が行われるよう構成され、前記第2の電力変換器は、複数のスイッチング素子を有し、前記第2の制御器によって前記スイッチング素子のオンオフ動作が制御されることによって変換動作が行われるよう構成されていてもよい。

発明の効果

0014

本発明は、以上に説明した構成を有し、交流電源系統の電圧及び周波数の安定化を図るのに適した電力変換装置を提供することができるという効果を奏する。

図面の簡単な説明

0015

図1は、本実施形態に係る電力変換装置の一例を示す概略ブロック図である。
図2は、回転機側電力変換器、系統側電力変換器及び3つの直流部の内部構成の一例を示す回路図である。
図3は、回転機側制御器の一例を示すブロック図である。
図4は、系統側制御器の第1〜第3制御器のうちの任意の1つの概略を示すブロック図である。
図5(A)、図5(B)は、第1例における第2、第3制御部のq軸電流指令値演算部の一例を示すブロック図である。
図6(A)、図6(B)、図6(C)は、第2例における第1、第2、第3制御部のq軸電流指令値演算部の一例を示すブロック図である。

実施例

0016

以下、好ましい実施の形態を、図面を参照しながら説明する。なお、以下では全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。また、本発明は、以下の実施形態に限定されない。

0017

(実施形態)
図1は、本実施形態に係る電力変換装置の一例を示す概略ブロック図である。

0018

本実施形態の電力変換装置1は、交流電路である交流電源系統(母線)2と回転機3との間に接続されている。交流電源系統2には、商用電源系統が接続されていてもよいし、二次電池等の蓄電設備(図示せず)が接続されていてもよい。このように、電力変換装置1が接続される交流電源系統2は、商用電源系統と連系をしていてもよいし、商用電源系統と連系をしていない自立電源系統であってもよい。回転機3は、ここでは三相回転機を例示しているがこれに限らず、他の多相回転機であってもよい。また、回転機3は、例えば電動発電機であってもよい。

0019

なお、回転機3の代わりに、交流電源系統2とは異なる多相交流電源系統が接続されていてもよい。

0020

電力変換装置1は、交流電源系統2に接続された系統側変換装置101と、回転機3に接続された回転機側変換装置102と、直流部11x,11y,11zとを備えている。

0021

回転機側変換装置102は、回転機3に接続された回転機側電力変換器(第1の電力変換器)12と、これを制御する回転機側制御器(第1の制御器)13とを備えている。回転機側電力変換器12は、回転機3の三相の各相に対応する3つの単相インバータ12x、12y、12zにより構成されている。

0022

系統側変換装置101は、交流電源系統2に接続された系統側電力変換器14と、これを制御する系統側制御器15とを備えている。系統側電力変換器14は、回転機3の三相の各相に対応する3つの三相コンバータ14x、14y、14zにより構成されている。系統側制御器(第2の制御器)15は、三相コンバータ(第2の電力変換器)14x、14y、14zの各々を制御する第1、第2、第3制御部15x、15y、15zを有している。三相コンバータ14x、14y、14zの各々に接続される交流電源系統2は同一のものでもよい。

0023

3つの直流部11x、11y、11zは、回転機3の三相の各相に対応して設けられている。回転機3のX相に対応する直流部11xは、同X相に対応する単相インバータ12xと三相コンバータ14xとの間に設けられている。同様に、回転機3のY相に対応する直流部11yは、同Y相に対応する単相インバータ12yと三相コンバータ14yとの間に設けられ、回転機3のZ相に対応する直流部11zは、同Z相に対応する単相インバータ12zと三相コンバータ14zとの間に設けられている。

0024

回転機側制御器13及び系統側制御器15は、それぞれ、例えば、FPGA(field-programmable gate array)、PLC(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の制御装置で構成されている。なお、回転機側制御器13及び系統側制御器15とが共通(単一)の制御装置で構成されていてもよい。

0025

図2は、回転機側電力変換器12、系統側電力変換器14及び直流部11x、11y、11zの内部構成の一例を示す回路図である。

0026

各直流部11x、11y、11zは、ここでは、上下二段のキャパシタCp,Cnを備えている。そして、各単相インバータ12x、12y、12zは、それぞれ逆並列接続されたダイオードを備えた8個のスイッチング素子S(例えばIGBT)と4個のダイオードDとが図2のように接続されて構成されている。また、各三相コンバータ14x、14y、14zは、それぞれ逆並列接続されたダイオードを備えた12個のスイッチング素子S(例えばIGBT)と6個のダイオードDとが図2のように接続されて構成されている。

0027

X相に対応する直流部11xは、上段のキャパシタCpの電圧をVpx、下段のキャパシタCnの電圧をVnxとすると、両者の合計(Vpx+Vnx)が直流部電圧VCxとなっている。Y相、Z相に対応する直流部11y、11zについても同様である。X,Y,Z相それぞれに対応する直流部11x、11y、11zは、互いに直接接続されておらず独立であり、各々の直流部電圧VCx、VCy、VCzは互いに別個の値を取ることができる。

0028

ここで、各直流部電圧VCx、VCy、VCzの動特性を式(1)に示す。

0029

ただし、Pxin,Pxout,Pyin,Pyout,Pzin,Pzoutは、図2に示すように、各電力変換器(単相インバータ、三相コンバータ)を通過する瞬時電力[W]であり、有効電流交流電圧有効分との積で決まる。Cx,Cy,Czは、X,Y,Z相それぞれに対応する上下キャパシタCp,Cnの合算分の静電容量[F]であり、通常、共通(同一)である。

0030

次に、回転機3を、三相に限らず、N相(Nは2以上)の回転機とした場合の、各直流部電圧VCkと有効電力との間の、エネルギー保存則に基づく関係を式(2)に示す(損失は省略)。なお、X,Y,Z相の三相の場合(N=3の場合)の直流部電圧VCx、VCy、VCzについては、VC1、VC2、VC3と置き換え、静電容量Cx,Cy,Czについては、C1,C2,C3と置き換えればよい。

0031

上式の関係により、Pinを操作することで直流部電圧VCkの平均値などを制御できることが分かる。ここで、回転機の制御においては、Pxin、Pyin、Pzinを個別に操作することは一般的でなく、その合計値Pinが操作量となるため、以下で述べるように、直流部電圧VCkの平均値など一次元の量を制御することになる。

0032

〔回転機側制御器の詳細例〕
図3は、回転機側制御器13の一例を示すブロック図である。

0033

回転機側制御器13は、単相インバータ12x、12y、12zをPWM制御する。すなわち、回転機側制御器13は、単相インバータ12x、12y、12zのそれぞれのスイッチング素子の制御端子(例えばIGBTのゲート端子)に入力されるPWM信号を出力し、各スイッチング素子のオンオフ動作を制御することにより、電力変換器12をインバータ(直流電力を交流電力に変換する機器)あるいはコンバータ(交流電力を直流電力に変換する機器)として機能させる。

0034

単相インバータ12x、12y、12zの出力線交流側配線)は、電動発電機等の回転機3に接続されており、各出力線電流値(各相の電流ix、iy、iz)が電流検出部30x、30y、30zによって検出され、回転機側制御器13のdq変換部31へ入力される。

0035

回転機3が同期電動発電機の場合には、磁極位置センサが設けられている。この磁極位置センサで検出される磁極位置(角度)θMは、回転機側制御器13のdq変換部31及びdq逆変換部40へ入力される。また、角速度算出部(図示せず)により、磁極位置(角度)θMから回転機3の機械角速度ωrm_Mが算出され、その機械角速度ωrm_Mは、回転機側制御器13のd軸電流指令値演算部35へ入力される。

0036

また、回転機3が誘導電動発電機の場合には、角速度センサが設けられている。この角速度センサで検出される機械角速度ωrm_Mがd軸電流指令値演算部35へ入力される。また、図示しない算出部によって、機械角速度ωrm_Mから磁極位置(角度)θMが算出されて、dq変換部31及びdq逆変換部40へ入力される。

0037

dq変換部31では、回転機3の位相情報である磁極位置(角度)θMを用いて、電流検出部30x、30y、30zによって検出されるX相、Y相、Z相の電流ix、iy、izをdq変換して、出力電流のq軸成分iq_M及びd軸成分id_Mを算出し、q軸成分iq_Mを減算器38へ出力し、d軸成分id_Mを減算器36へ出力する。

0038

次に、d軸電流指令値演算部35は、機械角速度ωrm_Mに応じたd軸電流指令値id*_Mを算出し、これを減算器36へ出力する。例えば、機械角速度ωrm_Mが所定値(「a」とする)以下の場合はd軸電流指令値id*_Mを0とし、所定値aを超えた場合には、弱め磁束を考慮してd軸電流指令値id*_Mを所定の値b(b<0)として出力する。また、機械角速度ωrm_Mが所定値aを超えた場合には、その超えた程度に応じたd軸電流指令値id*_Mを出力するようにしてもよい。このd軸電流指令値演算部35では、回転機3の弱め界磁制御がなされる処理が行われるようにしているが、回転機3の強め界磁制御がなされる処理が行われるようにすることも可能である。

0039

減算器36は、d軸電流指令値id*_Mから、dq変換部31から入力される出力電流のd軸成分id_Mを減算してd軸誤差電流を算出し、これをd軸電流コントローラ37に出力する。d軸電流コントローラ37は、d軸誤差電流に比例積分補償等の所定の処理を施してd軸電圧指令値Vd*_Mを算出し、dq逆変換部40に出力する。

0040

次に、q軸電流指令値演算部32は、減算器33と直流部電圧平均値コントローラ34と減算器73とq軸電流補正値演算部74とで構成されている。

0041

減算器33では、直流部電圧指令値VCrefから直流部電圧平均値VCaveを減算して誤差電圧を算出し、これを直流部電圧平均値コントローラ34に出力する。直流部電圧平均値コントローラ34は、この誤差電圧に例えば比例積分補償等の所定の処理を施して、q軸電流指令値iq*_Mを算出し、これを減算器38へ出力する。

0042

このようなq軸電流指令値演算部32によって、直流部電圧平均値VCaveが所望の値(直流部電圧指令値VCref)となるように制御される。なお、各直流部11x、11y、11zには、各々の直流部電圧VCx、VCy、VCzを測定するための電圧検出部(図示せず)が設けられており、各電圧検出部で測定された直流部電圧VCx、VCy、VCzが平均値算出手段(図示せず)へ入力されて、この平均値算出手段で直流部電圧VCx、VCy、VCzの平均値である直流部電圧平均値VCaveが次式で算出される。

0043

VCave=(VCx+VCy+VCz)÷3
また、直流部電圧指令値VCrefは、回転機側制御器13に予め保持(記憶)されていてもよいし、外部の制御装置(図示せず)から入力されるようにしてもよい。

0044

次に、減算器38は、q軸電流指令値iq*_Mから、dq変換部31から入力される出力電流のq軸成分iq_Mを減算してq軸誤差電流を算出し、これをq軸電流コントローラ39に出力する。q軸電流コントローラ39は、このq軸誤差電流に例えば比例積分補償等の所定の処理を施してq軸電圧指令値Vq*_Mを算出し、dq逆変換部40に出力する。

0045

次に、dq逆変換部40では、回転機3の磁極位置(角度)θMを用いて、d軸電圧指令値Vd*_M及びq軸電圧指令値Vq*_Mをdq逆変換して、X相、Y相、Z相の各相の電圧出力指令値Vx*_M,Vy*_M,Vz*_Mを生成し、これを各相のPWM信号生成部41x、41y、41zへ出力する。

0046

PWM信号生成部41x、41y、41zは、電圧出力指令値Vx*_M,Vy*_M,Vz*_Mに応じたPWM信号を生成し、これを単相インバータ12x、12y、12zに出力する。これにより、電力変換器12の出力電流が、d軸電流指令値id*_M及びq軸電流指令値iq*_Mに対応する電流になるようにフィードバック制御される。

0047

なお、q軸電流指令値演算部32において、直流部11x、11y、11zの電圧VCx、VCy、VCzの平均値VCaveが、所望の値(直流部電圧指令値VCref)となるように制御するようにしたが、これに限らず、直流部11x、11y、11zの電圧VCx、VCy、VCzの中央値、最小値または最大値等の代表値が、それぞれに応じて設定された所望の値となるように制御されるようにしてもよい。

0048

〔系統側制御器の詳細例〕
系統側制御器15は、前述したように、第1〜第3制御部15x〜15zを備えている。第1、第2、第3制御部15x、15y、15zは、各々対応する三相コンバータ14x、14y、14zをPWM制御する。すなわち、第1、第2、第3制御部15x、15y、15zは、各々対応する三相コンバータ14x、14y、14zのそれぞれのスイッチング素子の制御端子(例えばIGBTのゲート端子)に入力されるPWM信号を出力し、各スイッチング素子のオンオフ動作を制御することにより、各三相コンバータ14x、14y、14zをコンバータ(交流電力を直流電力に変換する機器)あるいはインバータ(直流電力を交流電力に変換する機器)として機能させる。

0049

図4は、系統側制御器15の第1〜第3制御部15x〜15zのうちの任意の1つの概略を示すブロック図である。図4において、符号「14k」で示される三相コンバータ14kは、三相コンバータ14x、三相コンバータ14yまたは三相コンバータ14zであり、符号「15k」で示される制御部は、第1制御部15x、第2制御部15yまたは第3制御部15zである。

0050

交流電源系統2のRS線間電圧が電圧検出部50aによって検出され、ST線間線圧が電圧検出部50bによって検出され、それぞれ系統電圧位相検出手段52へ入力される。系統電圧位相検出手段52は、例えばPLLによって構成され、電圧検出部50a、50bによって検出される線間電圧を用いて系統側電圧位相θを算出し、dq変換部53及びdq逆変換部60へ出力する。

0051

dq変換部53は、系統側電圧位相θを用いて、電流検出部51r、51s、51tによって検出されるRST各相の電流ir、is、itをdq変換して当該電流のq軸成分iq及びd軸成分idを算出し、q軸成分iqを減算器58へ出力し、d軸成分idを減算器55へ出力する。

0052

次に、d軸電流指令値演算部54は、無効電力制御がなされるようにしてd軸電流指令値id*を算出し、これを減算器55へ出力する。

0053

例えば、d軸電流指令値演算部54では、系統側電力変換器14全体に対する無効電力指令値Qrefを1/3倍して1台分(1つの三相コンバータ14k)の無効電力指令値を算出し、この1台分の無効電力指令値(Qref/3)から当該三相コンバータ14kから系統側へ出力される無効電力Qkを減算して無効電力の差分を算出し、この無効電力の差分に例えば比例積分補償等の所定の処理を施して、d軸電流指令値id*を算出するようにしてもよい。

0054

なお、無効電力指令値Qrefは、例えば、外部の制御装置(図示せず)から入力される。また、各々の三相コンバータ14k(14x,14y,14z)から交流電源系統2へ出力される無効電力Qk(Qx,Qy,Qz)は、各々の無効電力算出部(図示せず)によって算出される。この無効電力算出部では、三相コンバータ14kが接続されたRST各相の計測電流ir、is、itと、RST各相の計測電圧Vr、Vs、Vtとに基づいて、三相コンバータ14kから交流電源系統2へ出力される無効電力Qkを算出する。

0055

無効電力Qkは、三相電圧Vr、Vs、Vtを系統側電圧位相θを用いてdq変換して得られる、当該電圧のd軸成分Vd及びq軸成分Vqと、三相電流ir、is、itを系統側電圧位相θを用いてdq変換して得られる、当該電流のd軸成分id及びq軸成分iqとを用いて、例えば次式によって算出するようにしてもよい。

0056

Qk=−Vdiq+Vqid
そして、減算器55では、d軸電流指令値id*から、dq変換部53から入力される電流のd軸成分idを減算してd軸誤差電流を算出し、これをd軸電流コントローラ56に出力する。d軸電流コントローラ56は、d軸誤差電流に比例積分補償等の所定の処理を施してd軸電圧指令値Vd*を算出し、dq逆変換部60に出力する。

0057

次に、q軸電流指令値演算部57は、q軸電流指令値iq*を算出し、これを減算器58へ出力する。q軸電流指令値演算部57の詳細については、図5図6等を参照して後述する。

0058

次に、減算器58は、q軸電流指令値iq*から、dq変換部53から入力される電流のq軸成分iqを減算してq軸誤差電流を算出し、これをq軸電流コントローラ59に出力する。q軸電流コントローラ59は、このq軸誤差電流に例えば比例積分補償等の所定の処理を施してq軸電圧指令値Vq*を算出し、dq逆変換部60に出力する。

0059

次に、dq逆変換部60では、系統側電圧位相θを用いて、d軸電圧指令値Vd*及びq軸電圧指令値Vq*をdq逆変換して、R相、S相、T相の各相の電圧出力指令値Vr*,Vs*,Vt*を生成し、これをPWM信号生成部61へ出力する。

0060

PWM信号生成部61は、電圧出力指令値Vr*,Vs*,Vt*に応じたPWM信号を生成し、これを三相コンバータ14kに出力する。これにより、三相コンバータ14kの出力電流が、d軸電流指令値id*及びq軸電流指令値iq*に対応する電流になるようにフィードバック制御される。

0061

図4では、三相コンバータ14k(14x、14y、14z)を制御する制御部15k(15x、15y、15z)の概略の一例を示し、共通する構成について説明した。次に、第1〜第3制御部15x、15y、15zの相違点となるq軸電流指令値演算部57の詳細について2つの例を用いて説明する。

0062

〔第1例〕
まず、第1例において、回転機3のX相に対応する三相コンバータ14xを制御する第1制御部15xにおけるq軸電流指令値演算部57(図4参照)では、周知のCVCF(定電圧定周波数)制御のような制御が行われるための処理がなされて、q軸電流指令値iq*を算出するように構成することができる。

0063

また、この他に、第1制御部15xは、例えば、特許文献1(特開2015−100234号公報)に開示されているように、系統側電力変換器の1つである三相コンバータ14xが交流電源系統2に対して仮想同期発電機仮想発電機)として動作するよう制御するように構成されていてもよい。この場合、第1制御部15xにおいて、d軸電流指令値演算部54及びq軸電流指令値演算部57に代えて、電動機としての動作も可能にした同期発電機本体モデル化した発電機モデルと、同期発電機を制御するガバナ及びAVRをモデル化したガバナモデル及びAVRモデル等を設け、発電機モデルにおいて、ガバナモデルで算出した仮想発電機の内部相差角と、AVRモデルで算出した仮想発電機の界磁による内部誘起電圧等を用いて、d軸電流指令値id*、q軸電流指令値iq*を算出し、それぞれ減算器55,58(図4参照)へ出力するように構成してもよい。

0064

次に、図5(A)は、第1例において、回転機3のY相に対応する三相コンバータ14yを制御する第2制御部15yにおけるq軸電流指令値演算部57y(図4のq軸電流指令値演算部57)の内部構成の一例を示す。また、図5(B)は、第1例において、回転機3のZ相に対応する三相コンバータ14zを制御する第3制御部15zにおけるq軸電流指令値演算部57z(図4のq軸電流指令値演算部57)の内部構成の一例を示す。

0065

この場合、図5(A)に示すように、三相コンバータ14yを制御する第2制御部15yのq軸電流指令値演算部57yは、減算器71と直流部電圧差分コントローラ72とで構成されている。減算器71では、直流部電圧平均値VCaveからY相直流部11yの電圧VCyを減算して電圧差分を算出し、これを直流部電圧差分コントローラ72に出力する。直流部電圧差分コントローラ72は、この電圧差分に例えば比例積分補償等の所定の処理を施して、q軸電流指令値iq*を算出し、これを減算器58(図4参照)へ出力する。

0066

そして、図5(B)に示すように、三相コンバータ14zを制御する第3制御部15zのq軸電流指令値演算部57zは、第2制御部15yのそれと同様、減算器71と直流部電圧差分コントローラ72とで構成されている。減算器71では、直流部電圧平均値VCaveからZ相直流部11zの電圧VCzを減算して電圧差分を算出し、これを直流部電圧差分コントローラ72に出力する。直流部電圧差分コントローラ72は、この電圧差分に例えば比例積分補償等の所定の処理を施して、q軸電流指令値iq*を算出し、これを減算器58(図4参照)へ出力する。

0067

この第1例の場合、前述のように、回転機側制御器13による回転機側電力変換器12の動作によって、3つの直流部電圧VCx、VCy、VCzの代表値(例えば直流部電圧平均値VCave)が所望の値となるように制御される。一方、系統側電力変換器14では、系統側制御器15のq軸電流指令値演算部57y、57zの処理によって、直流部電圧VCy、VCzが直流部電圧平均値VCaveに近づくように制御されることとなり、各々の直流部電圧VCx、VCy、VCzを互いの差が0になるように平準化することができる。

0068

また、三相コンバータ14xをCVCF制御等の制御によって、交流電源系統2の電圧と周波数を一定に保つことができ、交流電源系統2の自立運転も可能になる。

0069

すなわち、3つのうちの1つの三相コンバータ14xをCVCF等の任意の制御則によって運用し、残りの2つの三相コンバータ14y、14zを上記のように制御することにより、直流部電圧VCx、VCy、VCzの互いの差を小さくして平準化することができる。

0070

〔第2例〕
次に、第1〜第3制御部15x、15y、15zの第2例について説明する。

0071

図6(A)は、第2例において、回転機3のX相に対応する三相コンバータ14xを制御する第1制御部15xにおけるq軸電流指令値演算部57X(図4のq軸電流指令値演算部57)の内部構成の一例を示す。図6(B)は、第2例において、回転機3のY相に対応する三相コンバータ14yを制御する第2制御部15yにおけるq軸電流指令値演算部57Y(図4のq軸電流指令値演算部57)の内部構成の一例を示す。また、図6(C)は、第2例において、回転機3のZ相に対応する三相コンバータ14zを制御する第3制御部15zにおけるq軸電流指令値演算部57Z(図4のq軸電流指令値演算部57)の内部構成の一例を示す。

0072

まず、図6(A)に示すように、三相コンバータ14xを制御する第1制御部15xのq軸電流指令値演算部57Xは、演算器81、減算器82、有効電力コントローラ83、加算器84、減算器85及び直流部電圧差分コントローラ86によって構成されている。

0073

演算器81では、系統側電力変換器14全体に対する有効電力指令値Prefを1/3倍して1台分(ここでは三相コンバータ14x)の有効電力指令値として減算器82へ出力し、減算器82では、1台分の有効電力指令値(Pref/3)から三相コンバータ14xから系統側へ出力される有効電力Pxを減算して有効電力の差分を算出し、これを有効電力コントローラ83に出力する。有効電力コントローラ83は、この有効電力の差分に例えば比例積分補償等の所定の処理を施して、第1指令値(iq1*)を算出し、加算器84へ出力する。

0074

一方、減算器85では、直流部電圧平均値VCaveからX相直流部11xの電圧VCxを減算して電圧差分を算出し、これを直流部電圧差分コントローラ86に出力する。直流部電圧差分コントローラ86は、この電圧差分に例えば比例積分補償等の所定の処理を施して、第2指令値(iq2*)を算出し、加算器84へ出力する。直流部電圧平均値VCaveは、例えば、前述の平均値算出手段(図示せず)での算出値を用いることができる。

0075

加算器84では、上記第1指令値(iq1*)と第2指令値(iq2*)を加算してq軸電流指令値iq*を算出し、これを減算器58(図4参照)へ出力する。

0076

図6(B)に示す第2制御部15yのq軸電流指令値演算部57Yは、図6(A)のq軸電流指令値演算部57Xとは、減算器82において、有効電力Pxに代えて、三相コンバータ14yから系統側へ出力される有効電力Pyが入力されることと、減算器85において、X相直流部11xの電圧VCxに代えて、Y相直流部11yの電圧VCyが入力されることが異なるだけである。

0077

同様に、図6(C)に示す第3制御部15zのq軸電流指令値演算部57Zは、図6(A)のq軸電流指令値演算部57Xとは、減算器82において、有効電力Pxに代えて、三相コンバータ14zから系統側へ出力される有効電力Pzが入力されることと、減算器85において、X相直流部11xの電圧VCxに代えて、Z相直流部11zの電圧VCzが入力されることが異なるだけである。

0078

すなわち、第2例の場合には、3つの三相コンバータ14x、14y、14zが同一の制御則によって運用される。

0079

なお、有効電力指令値Prefは、例えば、外部の制御装置(図示せず)から入力される。また、有効電力Px,Py,Pzは、各々の有効電力算出部(図示せず)によって算出される。例えば、有効電力Pxを算出する有効電力算出部では、三相コンバータ14xが接続されたRST各相の計測電流ir、is、itと、RST各相の計測電圧Vr、Vs、Vtとに基づいて、三相コンバータ14xから交流電源系統2へ出力される有効電力Pxを算出する。

0080

有効電力Pxは、三相電圧Vr、Vs、Vtを系統側電圧位相θを用いてdq変換して得られる、当該電圧のd軸成分Vd及びq軸成分Vqと、三相電流ir、is、itを系統側電圧位相θを用いてdq変換して得られる、当該電流のd軸成分id及びq軸成分iqとを用いて、例えば次式によって算出するようにしてもよい。
Px=Vdid+Vqiq
同様にして、有効電力Py,Pzのそれぞれを算出する有効電力算出部を構成することができる。

0081

この第2例の場合、前述のように、回転機側制御器13による回転機側電力変換器12の動作によって、3つの直流部電圧VCx、VCy、VCzの代表値(例えば直流部電圧平均値VCave)が所望の値となるように制御される。一方、系統側電力変換器14では、系統側制御器15のq軸電流指令値演算部57X、57Y、57Zの減算器85及び直流部電圧差分コントローラ86の処理によって、直流部電圧VCx、VCy、VCzが直流部電圧平均値VCaveに近づくように制御されることとなり、各々の直流部電圧VCx、VCy、VCzを互いの差が0になるように平準化することができる。さらに、q軸電流指令値演算部57X、57Y、57Zの演算器81、減算器82及び有効電力コントローラ83の処理によって、3つの三相コンバータ14x、14y、14zが交流電源系統2へ出力する有効電力Px,Py,Pzの合計値を有効電力指令値Prefに追従させることができる。

0082

なお、本実施形態では、各々の直流部11x、11y、11zは、2つのキャパシタCp、Cnで構成されているが、単相インバータ12x、12y、12z及び三相コンバータ14x、14y、14zの構成によっては2つに限られない。例えば、各々の単相インバータ12x、12y、12zが、それぞれ逆並列接続されたダイオードを備えた4個のスイッチング素子により構成され、各々の三相コンバータ14x、14y、14zが、それぞれ逆並列接続されたダイオードを備えた6個のスイッチング素子により構成される場合には、各々の直流部11x、11y、11zは、1つのキャパシタで構成される。これらの構成はいずれも周知の構成である。また、各々の直流部は、キャパシタに代えて、二次電池で構成されてもよく、キャパシタまたは二次電池からなる蓄電装置で構成することができる。

0083

また、直流部の個数(N)は、3個に限らず、前述したように、回転機3の相数または、回転機3に代えて接続される交流電源系統の相数と同数の2個以上の個数とすることができる。

0084

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。

0085

本発明は、交流電源系統の電圧及び周波数の安定化を図るのに適した電力変換装置等として有用である。

0086

1電力変換装置
2交流電源系統
3回転機
11x,11y,11z直流部
12 回転機側電力変換器
12x,12y,12z単相インバータ
13 回転機側制御器
14系統側電力変換器
14x,14y,14z三相コンバータ
15系統側制御器

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