JP2017139920A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 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。
【解決手段】 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と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。
【選択図】 図１

Description

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。

例えば、船舶等に用いられ、交流電源系統と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。

特開２０１５−１００２３４号公報

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）によって速度制御やトルク制御を実施することが通常行われている。

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。

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。

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と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。

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。

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。

この構成によれば、直流部の電圧の平準化が可能となる。

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。

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。

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。

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。

（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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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Ｖ_Cx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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Czは互いに別個の値を取ることができる。

ここで、各直流部電圧Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Czの動特性を式(1)に示す。

ただし、Ｐ_xin，Ｐ_xout，Ｐ_yin，Ｐ_yout，Ｐ_zin，Ｐ_zout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、有効電流と交流電圧の有効分との積で決まる。Ｃ_x，Ｃ_y，Ｃ_z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。

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Ｖ_Ck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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Czについては、Ｖ_C1、Ｖ_C2、Ｖ_C3と置き換え、静電容量Ｃ_x，Ｃ_y，Ｃ_zについては、Ｃ₁，Ｃ₂，Ｃ₃と置き換えればよい。

上式の関係により、Ｐ_inを操作することで直流部電圧Ｖ_Ck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、Ｐ_xin、Ｐ_yin、Ｐ_zinを個別に操作することは一般的でなく、その合計値Ｐ_inが操作量となるため、以下で述べるように、直流部電圧Ｖ_Ckの平均値など一次元の量を制御することになる。

〔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。

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。

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、各出力線の電流値（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。

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）θ_Ｍ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）θ_Ｍ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。

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）θ_Ｍ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。

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）θ_Ｍ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ｉ_ｑ_M及びｄ軸成分ｉ_ｄ_Mを算出し、ｑ軸成分ｉ_ｑ_Mを減算器３８へ出力し、ｄ軸成分ｉ_ｄ_Mを減算器３６へ出力する。

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ｉ_ｄ ^＊_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ｉ_ｄ ^＊_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ｉ_ｄ ^＊_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ｉ_ｄ ^＊_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。

減算器３６は、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊_Mから、ｄｑ変換部３１から入力される出力電流のｄ軸成分ｉ_ｄ_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Ｖ_ｄ ^＊_Mを算出し、ｄｑ逆変換部４０に出力する。

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。

減算器３３では、直流部電圧指令値Ｖ_Ｃｒｅｆから直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅ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ｉ_ｑ ^＊_Mを算出し、これを減算器３８へ出力する。

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Ｖ_Ｃａｖｅが所望の値（直流部電圧指令値Ｖ_Ｃｒｅｆ）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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Cz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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Cz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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Czの平均値である直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅが次式で算出される。

Ｖ_Ｃａｖｅ＝（Ｖ_Cx＋Ｖ_Cy＋Ｖ_Cz）÷３
また、直流部電圧指令値Ｖ_Ｃｒｅｆ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。

次に、減算器３８は、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊_Mから、ｄｑ変換部３１から入力される出力電流のｑ軸成分ｉ_ｑ_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Ｖ_ｑ ^＊_Mを算出し、ｄｑ逆変換部４０に出力する。

次に、ｄｑ逆変換部４０では、回転機３の磁極位置（角度）θ_Ｍを用いて、ｄ軸電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊_M及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊_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。

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ｉ_ｄ ^＊_M及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊_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。

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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Czの平均値Ｖ_Ｃａｖｅが、所望の値（直流部電圧指令値Ｖ_Ｃｒｅｆ）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Ｖ_Cx、Ｖ_Cy、Ｖ_Cz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。

〔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。

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。

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。

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ｉ_ｑ及びｄ軸成分ｉ_ｄを算出し、ｑ軸成分ｉ_ｑを減算器５８へ出力し、ｄ軸成分ｉ_ｄを減算器５５へ出力する。

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ｉ_ｄ ^＊を算出し、これを減算器５５へ出力する。

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Ｑ_ｒｅｆ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（Ｑ_ｒｅｆ／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ｉ_ｄ ^＊を算出するようにしてもよい。

なお、無効電力指令値Ｑ_ｒｅｆ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。

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Ｖ_ｄ及びｑ軸成分Ｖ_ｑ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ｉ_ｄ及びｑ軸成分ｉ_ｑ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。

Ｑｋ＝−Ｖ_ｄｉ_ｑ＋Ｖ_ｑｉ_ｄ
そして、減算器５５では、ｄ軸電流指令値ｉ_ｄ ^＊から、ｄｑ変換部５３から入力される電流のｄ軸成分ｉ_ｄ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Ｖ_ｄ ^＊を算出し、ｄｑ逆変換部６０に出力する。

次に、ｑ軸電流指令値演算部５７は、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊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。

次に、減算器５８は、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊から、ｄｑ変換部５３から入力される電流のｑ軸成分ｉ_ｑ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Ｖ_ｑ ^＊を算出し、ｄｑ逆変換部６０に出力する。

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Ｖ_ｄ ^＊及びｑ軸電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊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。

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ｉ_ｄ ^＊及びｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊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。

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。

〔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ｉ_ｑ ^＊を算出するように構成することができる。

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に対して仮想の同期発電機（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を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ｉ_ｄ ^＊、ｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊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。

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。

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Ｖ_ＣａｖｅからＹ相直流部１１ｙの電圧Ｖ_Ｃｙ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ｉ_ｑ ^＊を算出し、これを減算器５８（図４参照）へ出力する。

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Ｖ_ＣａｖｅからＺ相直流部１１ｚの電圧Ｖ_Ｃｚ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ｉ_ｑ ^＊を算出し、これを減算器５８（図４参照）へ出力する。

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Ｖ_Ｃｘ、Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚの代表値（例えば直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅ）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Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚが直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅ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Ｖ_Ｃｘ、Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚを互いの差が０になるように平準化することができる。

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。

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Ｖ_Ｃｘ、Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚの互いの差を小さくして平準化することができる。

〔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。

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。

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。

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Ｐ_ｒｅｆ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（Ｐ_ｒｅｆ／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（ｉ_ｑ1 ^＊）を算出し、加算器８４へ出力する。

一方、減算器８５では、直流部電圧平均値Ｖ_ＣａｖｅからＸ相直流部１１ｘの電圧Ｖ_Ｃｘ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（ｉ_ｑ2 ^＊）を算出し、加算器８４へ出力する。直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅ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。

加算器８４では、上記第１指令値（ｉ_ｑ1 ^＊）と第２指令値（ｉ_ｑ2 ^＊）を加算してｑ軸電流指令値ｉ_ｑ ^＊を算出し、これを減算器５８（図４参照）へ出力する。

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Ｖ_Ｃｘに代えて、Ｙ相直流部１１ｙの電圧Ｖ_Ｃｙが入力されることが異なるだけである。

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Ｖ_Ｃｘに代えて、Ｚ相直流部１１ｚの電圧Ｖ_Ｃｚが入力されることが異なるだけである。

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。

なお、有効電力指令値Ｐ_ｒｅｆ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。

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Ｖ_ｄ及びｑ軸成分Ｖ_ｑ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ｉ_ｄ及びｑ軸成分ｉ_ｑ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＝Ｖ_ｄｉ_ｄ＋Ｖ_ｑｉ_ｑ
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。

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Ｖ_Ｃｘ、Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚの代表値（例えば直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅ）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Ｖ_Ｃｘ、Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚが直流部電圧平均値Ｖ_Ｃａｖｅ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Ｖ_Ｃｘ、Ｖ_Ｃｙ、Ｖ_Ｃｚ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Ｐ_ｒｅｆに追従させることができる。

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。

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。

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。

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。

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

Claims (4)

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と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た、
   電力変換装置。
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。
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。
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。
   

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