自励式無効電力補償装置および自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法ならびに電力蓄積装置および電力蓄積装置制御方法
【課題】複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサの直流電圧値を安定に制御することができる自励式無効電力補償装置およびこのコンデンサ電圧制御方法を実現する。
【解決手段】自励式無効電力補償装置１は、各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの直流電圧平均値を算出する演算手段１１と、直流電圧平均値を指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御手段１２と、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を生成する第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−１、１３−２および１３−３と、を備え、第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを用いて各単相電力変換器内をスイッチング制御することにより各コンデンサ電圧を制御する。
【解決手段】自励式無効電力補償装置１は、各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの直流電圧平均値を算出する演算手段１１と、直流電圧平均値を指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御手段１２と、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を生成する第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−１、１３−２および１３−３と、を備え、第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを用いて各単相電力変換器内をスイッチング制御することにより各コンデンサ電圧を制御する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成され、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサを直流電圧源として用いて無効電力を生成する自励式無効電力補償装置、およびこの自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法、ならびに電力の短周期変動を平準化する電力蓄積装置および電力蓄積装置制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導性負荷が多く接続された配電系統では遅れ力率となるので、配電系統には無効電力が流れ、系統電圧が不安定となる。また、将来的には様々な形で分散型電源の導入が積極的に進められていくことが予想され、これに伴う配電系統の電圧変動も大きな問題となり得る。これに対し、配電系統の安定度向上および力率改善の対策として、無効電力補償装置が提案されている。このうち、自励式無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）は、遅相から真相までの連続的な無効電力制御が可能であり、なおかつ高調波を発生しにくいという利点を有する。
【０００３】
自励式無効電力補償装置は、その交流側に接続されるリアクトルと、例えば単相フルブリッジ（全波）電圧型ＰＷＭコンバータなどのような単相電力変換器と、を備えてなる。この単相電力変換器の直流側にはコンデンサが接続されており、自励式無効電力補償装置では、このコンデンサを直流電圧源として用いて無効電力を発生する。
【０００４】
商用周波数変圧器（５０／６０Ｈｚ）を介して自励式無効電力補償装置を配電系統（例えば６．６ｋＶ系統）に接続する場合、自励式無効電力補償装置に接続される商用周波数変圧器の重量および体積は大きくならざるを得ない。特に、配電系統用の自励式無効電力補償装置は、柱上設置されることから小型軽量化が要求されている。このような事情から、商用周波数変圧器を使用する必要のない、トランスレスの自励式無効電力補償装置の開発が特に望まれている。
【０００５】
トランスレスの自励式無効電力補償装置として、単相電力変換器（例えば単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ）を複数台カスケード接続（縦続接続）して構成されたもの（以下、単に「カスケード接続型の自励式無効電力補償装置」と称する。）がある（例えば、非特許文献１参照）。図１５は、一般的なカスケード接続型（Ｙ結線）の三相自励式無効電力補償装置を例示する回路構成図である。
【０００６】
カスケード接続型の自励式無効電力補償装置１０１は、１相あたりＮ台（ここで、Ｎは例えば２以上の自然数）の単相電力変換器（例えば単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ）がその交流側において直列接続されるようにして構成されたものであり、多レベル電圧出力が可能である。三相交流系統にトランスレスで直結されるカスケード接続型の自励式無効電力補償装置１０１は、その交流側にリアクトルＬacが接続され、合計Ｎ×３台の単相電力変換器を備えてなる。以下、単相電力変換器およびこれに接続されるコンデンサからなるユニットの「１相あたりの台数」を、「段数」と称する。単相電力変換器の段数が多いほど、自励式無効電力補償装置の交流側の相電圧および線間電圧のレベル数は多くなるので、高調波電流を抑制できる。
【０００７】
自励式無効電力補償装置は、接続された配電系統に対して、理想的には、有効電力ではなく無効電力のみを出し入れするので、コンデンサに蓄えられた有効電力が放電してしまうことはない。しかしながら、実際の自励式無効電力補償装置では、単相電力変換器内のスイッチング損失や導通損失等により、コンデンサに蓄えられた有効電力は徐々に減少し、直流コンデンサ電圧は低下する。コンデンサが充電電圧不足に陥ると、自励式無効電力補償装置は無効電力を安定して発生することができなくなる。
【０００８】
そこで、実際の自励式無効電力補償装置では、単相電力変換器における損失分に相当する有効電力を交流系統側から適宜取り込んでコンデンサに充電することにより、コンデンサが所定の直流電圧値を維持できるようにしている。
【０００９】
また、大容量のモータを駆動するモータドライブとして、直流側にバッテリを有する単相電力変換器（例えば単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ）を複数台カスケード接続（縦続接続）して構成されたものがある（例えば、非特許文献２参照）。このモータドライブはモータにトランスレスで直結される。
【００１０】
【非特許文献１】Ｊ．Ｓ．ライ（Ｊ．Ｓ． Ｌａｉ）、Ｆ．Ｚ．ペン （Ｆ．Ｚ． Ｐｅｎｇ）著、「マルチレベルコンバータ − 新しいタイプの電力変換器（Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ − Ａ Ｎｅｗ Ｂｒｅｅｄ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」、１９９６年、米国電気電子学会産業応用部門論文誌（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．３、ｐ．５０９−５１７
【非特許文献２】Ｌ．Ｍ．トルバート（Ｌ．Ｍ． Ｔｏｌｂｅｒｔ）、Ｆ．Ｚ．ペン （Ｆ．Ｚ． Ｐｅｎｇ）、Ｔ．Ｇ．ハベトラー（Ｔ．Ｇ． Ｈａｂｅｔｌｅｒ）著、「大容量電気ドライブのためのマルチレベルコンバータ（Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｅｓ）」、１９９９年、米国電気電子学会産業応用部門論文誌（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．１、ｐ．３６−４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
カスケード接続型の自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置においては、多数存在するコンデンサもしくは電力蓄積素子の全てについて均一の直流電圧値に維持するのは難しい。単相電力変換器におけるスイッチング損失や導通損失は、各単相電力変換器で異なることから、一括制御することもできない。また、配電系統に外乱が発生した際の過渡時においては、コンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を安定に制御することは非常に困難である。各コンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値が不均一になると、自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置の交流側の電圧に歪みが発生し、当該自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置が接続された系統には高調波電流が増加してしまう。また、単相電力変換器内の半導体スイッチング素子に印加される電圧が変化するため、半導体スイッチング素子に絶縁破壊が生じやすくなる。
【００１２】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を、定常時のみならず過渡時においても安定にかつ確実に制御することができる自励式無効電力補償装置およびこの自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法ならびに電力蓄積装置および電力蓄積装置制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を実現するために、本発明の第１の態様においては、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置の、無効電力を生成するのに用いられる直流電圧源として各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出し、この直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各直流電圧値が直流電圧平均値と一致するよう、各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することで、各コンデンサの直流電圧値を制御する。
【００１４】
すなわち、本発明の第１の態様による自励式無効電力補償装置は、各単相電力変換器の直流側に設けられる全てのコンデンサの直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御手段と、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する第２の直流コンデンサ電圧制御手段と、を備え、第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを用いて各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各コンデンサの直流電圧値を制御する。
【００１５】
特に、交流側がカスケード接続された単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される自励式無効電力補償装置において、上記第１の直流コンデンサ電圧制御手段は、所定の指令値と演算手段が各相別に算出した直流電圧平均値との差と、自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値と、を用いて、各相別の第１のスイッチング指令値を生成するのが好ましい。
【００１６】
また、本発明の第２の態様においては、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される電力蓄積装置の、交流側に電力を供給するのに用いられる直流電圧源として各単相電力変換器の直流側にそれぞれ設けられる電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出し、この直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各直流電圧値が直流電圧平均値と一致するよう、各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することで、各電力蓄積素子の直流電圧値を制御する。
【００１７】
すなわち、本発明の第２の態様による電力蓄積装置は、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続された全ての電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御手段と、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する第２の電力蓄積素子電圧制御手段と、を備え、第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを用いて各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各電力蓄積素子の直流電圧値を制御する。
【００１８】
特に、本発明の第２の態様による電力蓄積装置は、電力蓄積装置の交流側の各相電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する有効電力制御手段をさらに備えるのが好ましく、第１のスイッチング指令値、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値を用いて各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各電力蓄積素子の直流電圧値を制御する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を、定常時のみならず過渡時においても安定かつ確実に制御することができ、無効電力出力もしくは有効電力出力についても安定に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、図２は、本発明の第１の実施例における自励式無効電力補償装置における、システム全体の概略ブロック図である。各コンデンサの直流電圧値ＶDu1，ＶDu2，ＶDu3，ＶDv1，ＶDv2，ＶDv3，ＶDw1，ＶDw2およびＶDw3は、直流電圧検出器３０によって検出される。また、図３は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。この図３に示す制御部は、図２において参照符号２で示されるＤＳＰとして構成される。また、図４は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、単相電力変換器の回路構成を示す回路図である。この図４には、図２において参照符号４で示されるブロックである「単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ、コンデンサおよびリアクトル」の具体的な回路構成が示されている。
【００２１】
本発明の第１の実施例では、１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで自励式無効電力補償装置１を構成する。本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置１は、交流側がカスケード接続された３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される。各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの直流側には、無効電力を生成するための直流電圧源となるコンデンサがそれぞれ接続される。自励式無効電力補償装置１の交流側にはリアクトルＬacが設けられる。単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子には、例えばＩＧＢＴが用いられる。なお、段数を３段としたこと、単相電力変換器を単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータとしたこと、および半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたことはあくまでも一例であって本発明を限定するものではなく、その他の段数、その他のコンバータ、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。また、本発明の第１の実施例ではＹ結線としたが、Δ結線であってもよい。
【００２２】
本発明による直流コンデンサ電圧制御ブロック１０は、図３に示すように、無効電力制御ブロック２０とともに、ＤＳＰ２内にディジタル制御システムとして構成される。ここで、直流コンデンサ電圧制御ブロック１０について図１を参照して説明すると次の通りである。
【００２３】
図１に示す演算手段１１は、各相別に、各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの総和から直流電圧平均値を算出するものである。例えばｕ相について言えば、演算手段１１は、各段のコンデンサの直流電圧値ＶDU1、ＶDU2、およびＶDU3の総和（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）から、直流電圧平均値ＶDUave（＝（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）／３）を算出する。
【００２４】
図１に示す第１の直流コンデンサ電圧制御手段１２は、演算手段１１が各相別に算出した直流電圧平均値を所定の指令値ＶDrefに一致させるための第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成する「相別直流コンデンサ電圧制御」を行う。このとき、自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値をさらに用いて第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成するのが好ましい。例えばｕ相について言えば、第１の直流コンデンサ電圧制御手段１２は、所定の指令値ＶDrefと直流電圧平均値ＶDUaveとの差と、自励式無効電力補償装置１の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値ｉdとを用いて、第１のスイッチング指令値ＳAを生成する。なお、自励式無効電力補償装置１が設置される配電系統の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第１のスイッチング指令値ＳAは、ｓｉｎωｔの位相成分を有するように作成される。なお、第１のスイッチング指令値については、電力蓄積装置の交流側の各相電流を検出してこれに適切なゲインをかけることによって生成してもよい。
【００２５】
図１に示す第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−１、１３−２および１３−３は、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する「段間直流コンデンサ電圧制御」を行う。すなわち、段間直流コンデンサ電圧制御は、段ごとにバラバラであったコンデンサの電圧値を、同一の直流電圧値（特に直流電圧平均値）に一致させようとする制御である。例えばｕ相について言えば、次の通りである。すなわち、第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−１は、直流電圧値ＶDU1と直流電圧平均値ＶDUaveとの差を用いて、第２のスイッチング指令値ＳBu1を生成する。また、第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−２は、直流電圧値ＶDU2と直流電圧平均値ＶDUaveとの差を用いて、第２のスイッチング指令値ＳBu2を生成する。また、第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−３は、直流電圧値ＶDU3と、演算手段１１がこの直流電圧値ＶDU3を平均演算処理に用いることで得られた直流電圧平均値ＶDUaveとの差を用いて、第２のスイッチング指令値ＳBu3を生成する。なお、自励式無効電力補償装置１が設置される配電系統の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第２のスイッチング指令値ＳBu1、ＳBu2およびＳBu3は、ｃｏｓωｔの位相成分を有するように作成される。
【００２６】
図３のＤＳＰ２内の直流コンデンサ電圧制御ブロック１０では、上述のようにして生成された第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを加算することにより、各段のコンデンサの直流電圧値を制御するための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値が生成される。例えばｕ相について言えば、３段の直流コンデンサ電圧制御のために、スイッチング指令値Ｓu1、Ｓu2およびＳu3が生成されることになる。
【００２７】
一方、無効電力制御のための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値については、図３のＤＳＰ２内の無効電力制御ブロック２０において、Ａ／Ｄ変換器８から入力される三相電流値および三相電圧値と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）（参照符号７）から入力される電源同期情報と、から公知の方法によって生成すればよい。
【００２８】
図２に示すように、ＤＳＰ２において、直流コンデンサ電圧制御のためのスイッチング指令値と無効電力制御のためのスイッチング指令値とが重畳されて、フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための最終的なスイッチング指令値が生成される。本発明の第１の実施例では１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで自励式無効電力補償装置１が構成されるので、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータが９台存在し、したがってＤＳＰ２は、最終的なスイッチング指令値を９種類生成する。
【００２９】
ＤＳＰ２で生成された上記スイッチング指令値は、ＰＷＭ発生器３へ入力される。ＰＷＭ発生器３は例えばＦＰＧＡで構成される。９台の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内には半導体スイッチング素子が合計３６個が存在することから、ＰＷＭ発生器３は、これら３６個の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための、合計３６種類のＰＷＭ信号を生成する。
【００３０】
図５は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置の始動方法について説明する回路図である。上述のように、本発明の第１の実施例では、ＩＧＢＴをスイッチング素子とする単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで自励式無効電力補償装置１を構成している。単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にすると、交流側から見れば、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータは単相フルブリッジダイオード整流器とみなせる。本発明の第１の実施例では、自励式無効電力補償装置１の始動前において、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させて交流系統電圧を整流し、これによって得られた直流電圧を用いて各コンデンサを初期充電する。カスケード接続型の自励式無効電力補償装置は必然的にコンデンサの数が多くなるので、各コンデンサの初期充電のための独立電源を別途設けるとコストおよび装置の体積の点で好ましくないが、本発明の第１の実施例では、このような独立電源は必要ない。
【００３１】
スイッチＭＣ１は、自励式無効電力補償装置１と配電系統とを接続するスイッチであり、各相に設けられる。スイッチＭＣ１とリアクトルＬacとの間には、互いに並列接続されたスイッチＭＣ２と電流制限抵抗Ｒとが設けられる。
【００３２】
ここで、各コンデンサが全く充電されていない場合において、コンデンサを初期充電し、自励式無効電力補償装置を始動させる具体的動作について説明する。まず、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にしておいて、スイッチＭＣ２を開放にし、スイッチＭＣ１を閉じる。これにより、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータは単相フルブリッジダイオード整流器として動作し、交流電圧が整流される。得られた直流電圧により、各コンデンサが徐々に充電されていく。各コンデンサが所定の直流電圧値に達したときすなわち充電が完了したときに、ＭＣ２を閉じる。これにより、配電系統と自励式無効電力補償装置１は直結される。そして、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内のＩＧＢＴのスイッチング制御を開始すると、自励式無効電力補償装置１は無効電力補償動作を開始する。
【００３３】
なお、上述のように単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させて得られた直流電圧を、自励式無効電力補償装置内の各制御回路の始動用電源として用いてもよく、このための直流電圧を蓄電するための蓄電手段を設けてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第１の実施例による三相自励式無効電力補償装置のミニモデルを用いた実験結果を示す。本実験では、三相自励式無効電力補償装置を一相あたり単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを３段カスケード接続して構成し、その無効電力補償量を１０ｋＶＡ（ｖａｒ）、交流側に設けられるリアクトルを１．２ｍＨ、各コンデンサの容量を１６４００μＦ、直流コンデンサ電圧を６０〜７０Ｖとした。また、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子として定格６００Ｖ、１５０ＡのＩＧＢＴを用いた。また、ＰＷＭ発生器のキャリア周波数を１ｋＨｚとした。このような自励式無効電力補償装置を、５０Ｈｚ、三相２００Ｖ配電系統に設置した実験結果を図６〜９に示す。
【００３５】
図６は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電動作についての実験結果を示す図である。この図では、自励式無効電力補償装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、自励式無効電力補償装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。時刻０秒の時点で上述の初期充電動作を開始すると、時刻３００ミリ秒過ぎにはコンデンサの充電が完了していることがわかる。
【００３６】
図７は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電完了後の運転開始についての実験結果を示す図である。この図では、自励式無効電力補償装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、自励式無効電力補償装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、無効電力量ｑ[ｋＶＡ]および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、無効電力指令値ｑrefを１ｋＶＡに設定して時刻５０ミリ秒の時点で自励式無効電力補償装置の運転を開始したとき、時刻１００ミリ秒過ぎには正常な無効電力補償動作ができていることがわかる。
【００３７】
図８は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置を、リアクトル動作からコンデンサ動作に変化させたときの実験結果を示す図である。この図では、自励式無効電力補償装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、自励式無効電力補償装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、無効電力量ｑ[ｋＶＡ]および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、無効電力指令値ｑrefを、リアクトル動作を指令する−１０ｋＶＡから、コンデンサ動作を指令する１０ｋＶＡに変化させた。リアクトル動作時およびコンデンサ動作時ともに無効電力量ｑは、無効電力指令値ｑrefに対して定常偏差なく良好に追従していることがわかる。なお、各コンデンサの直流電圧値に１００Ｈｚのリプルが存在するのは、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの直流側に流れ込む有効電力が、商用周波数の２倍の高調波成分を有するためである。また、図８に示すように、各コンデンサの直流電圧指令値は無効電力指令値ｑrefに応じて６０Ｖから７０Ｖへ直線的に制御されている。
【００３８】
図９は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。この図では、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、上述の第２の直流コンデンサ電圧制御を停止させて第１の直流コンデンサ電圧制御のみ動作させてコンデンサの直流電圧値を不均一にさせた状態において、時刻１００ミリ秒の時点で上述の第２の直流コンデンサ制御の動作を開始した。時刻３５０ミリ秒過ぎには各コンデンサの直流電圧値が均一に制御できていることがわかる。
【００３９】
上述の図６〜９の実験結果から、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置の直流コンデンサ電圧制御方法は有効であることがわかる。
【００４０】
図１０は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、電力蓄積素子電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。また、図１１は、本発明の第２の実施例における電力蓄積装置における、システム全体の概略ブロック図である。各電力蓄積装置の直流電圧値ＶDu1，ＶDu2，ＶDu3，ＶDv1，ＶDv2，ＶDv3，ＶDw1，ＶDw2およびＶDw3は、直流電圧検出器３０によって検出される。また、図１２は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、有効電力・無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ／バッテリ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。この図１２に示す制御部は、図１１において参照符号２で示されるＤＳＰとして構成される。
【００４１】
また、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における単相電力変換器の回路構成は、図４の回路図の各単相電力変換器のコンデンサを電力蓄積素子に置き換えたものであり、これ以外の回路構成要素およびその変形例は本発明の第１の実施例の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。電力蓄積素子の例としては、直流コンデンサ、電気二重層キャパシタもしくはバッテリなどがある。本発明の第２の実施例によれば、本発明の第１の実施例と同様に、１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで電力蓄積装置が構成される。
【００４２】
図１０に示す演算手段１１は、上述の第１の実施例の場合と同様に、各相別に、各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの総和から直流電圧平均値を算出するものである。例えばｕ相について言えば、演算手段１１は、各段のコンデンサの直流電圧値ＶDU1、ＶDU2、およびＶDU3の総和（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）から、直流電圧平均値ＶDUave（＝（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）／３）を算出する。
【００４３】
図１０に示す第１の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１２’は、演算手段１１が各相別に算出した直流電圧平均値を所定の指令値ＶDrefに一致させるための第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成する「相別直流コンデンサ／バッテリ電圧制御」を行う。このとき、電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値をさらに用いて第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成するのが好ましい。例えばｕ相について言えば、第１の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１２’は、所定の指令値Ｐref／ＶDrefと直流電圧平均値ＶDUaveとの差と、電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値ｉdとを用いて、第１のスイッチング指令値ＳAを生成する。なお、電力蓄積装置が設置される配電系統の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第１のスイッチング指令値ＳAは、ｓｉｎωｔの位相成分を有するように作成される。なお、第１のスイッチング指令値については、電力蓄積装置の交流側の各相電流を検出してこれに適切なゲインをかけることによって生成してもよい。
【００４４】
図１０に示す第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−１’、１３−２’および１３−３’は、まず上述の第１の実施例の場合と同様に、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する「段間直流コンデンサ／バッテリ電圧制御」を行う。すなわち、段間直流コンデンサ／バッテリ電圧制御は、段ごとにバラバラであったコンデンサの電圧値を、同一の直流電圧値（特に直流電圧平均値）に一致させようとする制御である。そしてさらに、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−１’、１３−２’および１３−３’は、電力蓄積装置の交流側の系統電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する。例えばｕ相について言えば、次の通りである。すなわち、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−１’は、直流電圧値ＶDU1と直流電圧平均値ＶDUaveとを用いて、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値ＳBu1を生成する。また、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−２’は、直流電圧値ＶDU2と直流電圧平均値ＶDUaveとを用いて、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値ＳBu2を生成する。また、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−３’は、直流電圧値ＶDU3と直流電圧平均値ＶDUaveとを用いて、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値ＳBu3を生成する。なお、電力蓄積装置が設置される配電系統（すなわち交流側）の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第２のスイッチング指令値はｃｏｓωｔの位相成分を有するように作成され、第３のスイッチング指令値はｓｉｎωｔの位相成分を有するように作成される。なお、第３のスイッチング指令値については、電力蓄積装置の交流側の各相電流を検出してこれに適切なゲインをかけることによって生成してもよい。
【００４５】
図１２のＤＳＰ２内の直流コンデンサ／バッテリ電圧／電力制御ブロック１０’では、上述のようにして生成された第１のスイッチング指令値、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値を加算することにより、電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各段のコンデンサの直流電圧値を制御するための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値が生成される。例えばｕ相について言えば、３段の直流コンデンサ／バッテリ電圧／電力制御のために、スイッチング指令値Ｓu1、Ｓu2およびＳu3が生成されることになる。
【００４６】
一方、有効電力制御および無効電力制御のための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値については、図１２のＤＳＰ２内の有効電力・無効電力制御ブロック２０’において、Ａ／Ｄ変換器８から入力される三相電流値および三相電圧値と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）（参照符号７）から入力される電源同期情報と、から公知の方法によって生成すればよい。例えば、無効電力出力をゼロ（０）とするようなスイッチング指令値を作成すれば有効電力制御のみが実現されることになる。
【００４７】
図１１に示すように、ＤＳＰ２において、直流コンデンサ／バッテリ電圧制御のためのスイッチング指令値と有効電力・無効電力制御のためのスイッチング指令値とが重畳されて、フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための最終的なスイッチング指令値が生成される。本発明の第２の実施例では１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで電力地区製装置が構成されるので、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータが９台存在し、したがってＤＳＰ２は、最終的なスイッチング指令値を９種類生成する。
【００４８】
ＤＳＰ２で生成された上記スイッチング指令値は、ＰＷＭ発生器３へ入力される。ＰＷＭ発生器３は例えばＦＰＧＡで構成される。９台の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内には半導体スイッチング素子が合計３６個が存在することから、ＰＷＭ発生器３は、これら３６個の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための、合計３６種類のＰＷＭ信号を生成する。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施例による三相電力蓄積装置のミニモデルを用いた実験結果を示す。本実験では、三相電力蓄積装置を一相あたり単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを３段カスケード接続して構成し、その有効電力出力量を１０ｋＷ、交流側に設けられるリアクトルを１．２ｍＨ、電気蓄積素子としての各直流コンデンサの容量を０．９Ｆ、コンデンサ電圧を６０〜７０Ｖとした。また、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子として定格６００Ｖ、１５０ＡのＩＧＢＴを用いた。また、ＰＷＭ発生器のキャリア周波数を１ｋＨｚとした。このような電力蓄積装置を、５０Ｈｚ、三相２００Ｖ配電系統に設置した実験結果を図１３および１４に示す。
【００５０】
図１３は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置を、放電動作から充電動作に変化させたときの実験結果を示す図である。この図では、電力蓄積装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、電力蓄積装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、有効電力量ｐ[ｋＷ]および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、直流電圧指令値ＶDrefを、２０ミリ秒（１周期）で６５Ｖから８０Ｖにランプ状に変化させた。過渡時においても有効電力量ｐは良好に制御されていることがわかる。
【００５１】
図１４は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、直流コンデンサ／バッテリ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、１相分の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータのコンデンサの容量を１．１Ｆ、のこりの２相分の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータのコンデンサの容量を０．９Ｆとし、意図的に容量不均一を発生させて起動した状態において、時刻２ミリ秒の時点で上述の第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御の動作を開始した。およそ時刻２０ミリ秒過ぎには各コンデンサの直流電圧値が均一に制御できていることがわかる。
【００５２】
上述の図１３および１４の実験結果から、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置制御方法は有効であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置（カスケード接続型の自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置）の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を、定常時のみならず過渡時においても安定に制御することができる。また、定常状態および過渡状態の両方において、無効電力および有効電力についても良好に制御することができる。本発明による自励式無効電力補償装置および電力蓄積装置の有効性については実験結果に示すとおりである。
【００５４】
本発明による自励式無効電力補償装置および電力蓄積装置は、商用周波数変圧器を使用することなくすなわちトランスレスに配電系統に設置することができるので、重量、体積およびコストの面で非常に有利である。また、本発明による自励式無効電力補償装置については、始動前のコンデンサの初期充電も、電圧安定化用の独立電源も必要なく低コストかつ容易に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例における自励式無効電力補償装置における、システム全体の概略ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、単相電力変換器の回路構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置の始動方法について説明する回路図である。
【図６】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電動作についての実験結果を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電完了後の運転開始についての実験結果を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置を、リアクトル動作からコンデンサ動作に変化させたときの実験結果を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、電力蓄積素子電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。
【図１１】本発明の第２の実施例における電力蓄積装置における、システム全体の概略ブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、有効電力・無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ／バッテリ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置を、放電動作から充電動作に変化させたときの実験結果を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、直流コンデンサ／バッテリ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。
【図１５】一般的なカスケード接続型（Ｙ結線）の三相自励式無効電力補償装置を例示する回路構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 自励式無効電力補償装置
２ ＤＳＰ
３ ＰＷＭ発生器
１０ 直流コンデンサ電圧制御ブロック
１０’ 直流コンデンサ／バッテリ電圧制御ブロック
１１ 演算手段
１２ 第１の直流コンデンサ電圧制御手段
１２’ 第１の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段
１３−１、１３−２、１３−３ 第２の直流コンデンサ電圧制御手段
１３−１’、１３−２’、１３−３’ 第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段
２０ 無効電力制御ブロック
２０’ 有効電力・無効電力制御ブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成され、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサを直流電圧源として用いて無効電力を生成する自励式無効電力補償装置、およびこの自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法、ならびに電力の短周期変動を平準化する電力蓄積装置および電力蓄積装置制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
誘導性負荷が多く接続された配電系統では遅れ力率となるので、配電系統には無効電力が流れ、系統電圧が不安定となる。また、将来的には様々な形で分散型電源の導入が積極的に進められていくことが予想され、これに伴う配電系統の電圧変動も大きな問題となり得る。これに対し、配電系統の安定度向上および力率改善の対策として、無効電力補償装置が提案されている。このうち、自励式無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）は、遅相から真相までの連続的な無効電力制御が可能であり、なおかつ高調波を発生しにくいという利点を有する。
【０００３】
自励式無効電力補償装置は、その交流側に接続されるリアクトルと、例えば単相フルブリッジ（全波）電圧型ＰＷＭコンバータなどのような単相電力変換器と、を備えてなる。この単相電力変換器の直流側にはコンデンサが接続されており、自励式無効電力補償装置では、このコンデンサを直流電圧源として用いて無効電力を発生する。
【０００４】
商用周波数変圧器（５０／６０Ｈｚ）を介して自励式無効電力補償装置を配電系統（例えば６．６ｋＶ系統）に接続する場合、自励式無効電力補償装置に接続される商用周波数変圧器の重量および体積は大きくならざるを得ない。特に、配電系統用の自励式無効電力補償装置は、柱上設置されることから小型軽量化が要求されている。このような事情から、商用周波数変圧器を使用する必要のない、トランスレスの自励式無効電力補償装置の開発が特に望まれている。
【０００５】
トランスレスの自励式無効電力補償装置として、単相電力変換器（例えば単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ）を複数台カスケード接続（縦続接続）して構成されたもの（以下、単に「カスケード接続型の自励式無効電力補償装置」と称する。）がある（例えば、非特許文献１参照）。図１５は、一般的なカスケード接続型（Ｙ結線）の三相自励式無効電力補償装置を例示する回路構成図である。
【０００６】
カスケード接続型の自励式無効電力補償装置１０１は、１相あたりＮ台（ここで、Ｎは例えば２以上の自然数）の単相電力変換器（例えば単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ）がその交流側において直列接続されるようにして構成されたものであり、多レベル電圧出力が可能である。三相交流系統にトランスレスで直結されるカスケード接続型の自励式無効電力補償装置１０１は、その交流側にリアクトルＬacが接続され、合計Ｎ×３台の単相電力変換器を備えてなる。以下、単相電力変換器およびこれに接続されるコンデンサからなるユニットの「１相あたりの台数」を、「段数」と称する。単相電力変換器の段数が多いほど、自励式無効電力補償装置の交流側の相電圧および線間電圧のレベル数は多くなるので、高調波電流を抑制できる。
【０００７】
自励式無効電力補償装置は、接続された配電系統に対して、理想的には、有効電力ではなく無効電力のみを出し入れするので、コンデンサに蓄えられた有効電力が放電してしまうことはない。しかしながら、実際の自励式無効電力補償装置では、単相電力変換器内のスイッチング損失や導通損失等により、コンデンサに蓄えられた有効電力は徐々に減少し、直流コンデンサ電圧は低下する。コンデンサが充電電圧不足に陥ると、自励式無効電力補償装置は無効電力を安定して発生することができなくなる。
【０００８】
そこで、実際の自励式無効電力補償装置では、単相電力変換器における損失分に相当する有効電力を交流系統側から適宜取り込んでコンデンサに充電することにより、コンデンサが所定の直流電圧値を維持できるようにしている。
【０００９】
また、大容量のモータを駆動するモータドライブとして、直流側にバッテリを有する単相電力変換器（例えば単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ）を複数台カスケード接続（縦続接続）して構成されたものがある（例えば、非特許文献２参照）。このモータドライブはモータにトランスレスで直結される。
【００１０】
【非特許文献１】Ｊ．Ｓ．ライ（Ｊ．Ｓ． Ｌａｉ）、Ｆ．Ｚ．ペン （Ｆ．Ｚ． Ｐｅｎｇ）著、「マルチレベルコンバータ − 新しいタイプの電力変換器（Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ − Ａ Ｎｅｗ Ｂｒｅｅｄ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ）」、１９９６年、米国電気電子学会産業応用部門論文誌（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、Ｖｏｌ．３２、Ｎｏ．３、ｐ．５０９−５１７
【非特許文献２】Ｌ．Ｍ．トルバート（Ｌ．Ｍ． Ｔｏｌｂｅｒｔ）、Ｆ．Ｚ．ペン （Ｆ．Ｚ． Ｐｅｎｇ）、Ｔ．Ｇ．ハベトラー（Ｔ．Ｇ． Ｈａｂｅｔｌｅｒ）著、「大容量電気ドライブのためのマルチレベルコンバータ（Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｌａｒｇｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｄｒｉｖｅｓ）」、１９９９年、米国電気電子学会産業応用部門論文誌（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）、Ｖｏｌ．３５、Ｎｏ．１、ｐ．３６−４４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
カスケード接続型の自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置においては、多数存在するコンデンサもしくは電力蓄積素子の全てについて均一の直流電圧値に維持するのは難しい。単相電力変換器におけるスイッチング損失や導通損失は、各単相電力変換器で異なることから、一括制御することもできない。また、配電系統に外乱が発生した際の過渡時においては、コンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を安定に制御することは非常に困難である。各コンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値が不均一になると、自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置の交流側の電圧に歪みが発生し、当該自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置が接続された系統には高調波電流が増加してしまう。また、単相電力変換器内の半導体スイッチング素子に印加される電圧が変化するため、半導体スイッチング素子に絶縁破壊が生じやすくなる。
【００１２】
従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を、定常時のみならず過渡時においても安定にかつ確実に制御することができる自励式無効電力補償装置およびこの自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法ならびに電力蓄積装置および電力蓄積装置制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記目的を実現するために、本発明の第１の態様においては、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置の、無効電力を生成するのに用いられる直流電圧源として各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出し、この直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各直流電圧値が直流電圧平均値と一致するよう、各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することで、各コンデンサの直流電圧値を制御する。
【００１４】
すなわち、本発明の第１の態様による自励式無効電力補償装置は、各単相電力変換器の直流側に設けられる全てのコンデンサの直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御手段と、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する第２の直流コンデンサ電圧制御手段と、を備え、第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを用いて各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各コンデンサの直流電圧値を制御する。
【００１５】
特に、交流側がカスケード接続された単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される自励式無効電力補償装置において、上記第１の直流コンデンサ電圧制御手段は、所定の指令値と演算手段が各相別に算出した直流電圧平均値との差と、自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値と、を用いて、各相別の第１のスイッチング指令値を生成するのが好ましい。
【００１６】
また、本発明の第２の態様においては、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される電力蓄積装置の、交流側に電力を供給するのに用いられる直流電圧源として各単相電力変換器の直流側にそれぞれ設けられる電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出し、この直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各直流電圧値が直流電圧平均値と一致するよう、各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することで、各電力蓄積素子の直流電圧値を制御する。
【００１７】
すなわち、本発明の第２の態様による電力蓄積装置は、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続された全ての電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御手段と、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する第２の電力蓄積素子電圧制御手段と、を備え、第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを用いて各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各電力蓄積素子の直流電圧値を制御する。
【００１８】
特に、本発明の第２の態様による電力蓄積装置は、電力蓄積装置の交流側の各相電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する有効電力制御手段をさらに備えるのが好ましく、第１のスイッチング指令値、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値を用いて各単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各電力蓄積素子の直流電圧値を制御する。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を、定常時のみならず過渡時においても安定かつ確実に制御することができ、無効電力出力もしくは有効電力出力についても安定に制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
図１は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。以降、異なる図面において同じ参照符号が付されたものは同じ機能を有する構成要素であることを意味するものとする。また、図２は、本発明の第１の実施例における自励式無効電力補償装置における、システム全体の概略ブロック図である。各コンデンサの直流電圧値ＶDu1，ＶDu2，ＶDu3，ＶDv1，ＶDv2，ＶDv3，ＶDw1，ＶDw2およびＶDw3は、直流電圧検出器３０によって検出される。また、図３は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。この図３に示す制御部は、図２において参照符号２で示されるＤＳＰとして構成される。また、図４は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、単相電力変換器の回路構成を示す回路図である。この図４には、図２において参照符号４で示されるブロックである「単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ、コンデンサおよびリアクトル」の具体的な回路構成が示されている。
【００２１】
本発明の第１の実施例では、１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで自励式無効電力補償装置１を構成する。本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置１は、交流側がカスケード接続された３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される。各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの直流側には、無効電力を生成するための直流電圧源となるコンデンサがそれぞれ接続される。自励式無効電力補償装置１の交流側にはリアクトルＬacが設けられる。単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子には、例えばＩＧＢＴが用いられる。なお、段数を３段としたこと、単相電力変換器を単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータとしたこと、および半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたことはあくまでも一例であって本発明を限定するものではなく、その他の段数、その他のコンバータ、その他の半導体スイッチング素子であってもよい。また、本発明の第１の実施例ではＹ結線としたが、Δ結線であってもよい。
【００２２】
本発明による直流コンデンサ電圧制御ブロック１０は、図３に示すように、無効電力制御ブロック２０とともに、ＤＳＰ２内にディジタル制御システムとして構成される。ここで、直流コンデンサ電圧制御ブロック１０について図１を参照して説明すると次の通りである。
【００２３】
図１に示す演算手段１１は、各相別に、各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの総和から直流電圧平均値を算出するものである。例えばｕ相について言えば、演算手段１１は、各段のコンデンサの直流電圧値ＶDU1、ＶDU2、およびＶDU3の総和（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）から、直流電圧平均値ＶDUave（＝（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）／３）を算出する。
【００２４】
図１に示す第１の直流コンデンサ電圧制御手段１２は、演算手段１１が各相別に算出した直流電圧平均値を所定の指令値ＶDrefに一致させるための第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成する「相別直流コンデンサ電圧制御」を行う。このとき、自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値をさらに用いて第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成するのが好ましい。例えばｕ相について言えば、第１の直流コンデンサ電圧制御手段１２は、所定の指令値ＶDrefと直流電圧平均値ＶDUaveとの差と、自励式無効電力補償装置１の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値ｉdとを用いて、第１のスイッチング指令値ＳAを生成する。なお、自励式無効電力補償装置１が設置される配電系統の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第１のスイッチング指令値ＳAは、ｓｉｎωｔの位相成分を有するように作成される。なお、第１のスイッチング指令値については、電力蓄積装置の交流側の各相電流を検出してこれに適切なゲインをかけることによって生成してもよい。
【００２５】
図１に示す第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−１、１３−２および１３−３は、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する「段間直流コンデンサ電圧制御」を行う。すなわち、段間直流コンデンサ電圧制御は、段ごとにバラバラであったコンデンサの電圧値を、同一の直流電圧値（特に直流電圧平均値）に一致させようとする制御である。例えばｕ相について言えば、次の通りである。すなわち、第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−１は、直流電圧値ＶDU1と直流電圧平均値ＶDUaveとの差を用いて、第２のスイッチング指令値ＳBu1を生成する。また、第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−２は、直流電圧値ＶDU2と直流電圧平均値ＶDUaveとの差を用いて、第２のスイッチング指令値ＳBu2を生成する。また、第２の直流コンデンサ電圧制御手段１３−３は、直流電圧値ＶDU3と、演算手段１１がこの直流電圧値ＶDU3を平均演算処理に用いることで得られた直流電圧平均値ＶDUaveとの差を用いて、第２のスイッチング指令値ＳBu3を生成する。なお、自励式無効電力補償装置１が設置される配電系統の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第２のスイッチング指令値ＳBu1、ＳBu2およびＳBu3は、ｃｏｓωｔの位相成分を有するように作成される。
【００２６】
図３のＤＳＰ２内の直流コンデンサ電圧制御ブロック１０では、上述のようにして生成された第１のスイッチング指令値と第２のスイッチング指令値とを加算することにより、各段のコンデンサの直流電圧値を制御するための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値が生成される。例えばｕ相について言えば、３段の直流コンデンサ電圧制御のために、スイッチング指令値Ｓu1、Ｓu2およびＳu3が生成されることになる。
【００２７】
一方、無効電力制御のための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値については、図３のＤＳＰ２内の無効電力制御ブロック２０において、Ａ／Ｄ変換器８から入力される三相電流値および三相電圧値と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）（参照符号７）から入力される電源同期情報と、から公知の方法によって生成すればよい。
【００２８】
図２に示すように、ＤＳＰ２において、直流コンデンサ電圧制御のためのスイッチング指令値と無効電力制御のためのスイッチング指令値とが重畳されて、フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための最終的なスイッチング指令値が生成される。本発明の第１の実施例では１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで自励式無効電力補償装置１が構成されるので、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータが９台存在し、したがってＤＳＰ２は、最終的なスイッチング指令値を９種類生成する。
【００２９】
ＤＳＰ２で生成された上記スイッチング指令値は、ＰＷＭ発生器３へ入力される。ＰＷＭ発生器３は例えばＦＰＧＡで構成される。９台の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内には半導体スイッチング素子が合計３６個が存在することから、ＰＷＭ発生器３は、これら３６個の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための、合計３６種類のＰＷＭ信号を生成する。
【００３０】
図５は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置の始動方法について説明する回路図である。上述のように、本発明の第１の実施例では、ＩＧＢＴをスイッチング素子とする単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで自励式無効電力補償装置１を構成している。単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にすると、交流側から見れば、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータは単相フルブリッジダイオード整流器とみなせる。本発明の第１の実施例では、自励式無効電力補償装置１の始動前において、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させて交流系統電圧を整流し、これによって得られた直流電圧を用いて各コンデンサを初期充電する。カスケード接続型の自励式無効電力補償装置は必然的にコンデンサの数が多くなるので、各コンデンサの初期充電のための独立電源を別途設けるとコストおよび装置の体積の点で好ましくないが、本発明の第１の実施例では、このような独立電源は必要ない。
【００３１】
スイッチＭＣ１は、自励式無効電力補償装置１と配電系統とを接続するスイッチであり、各相に設けられる。スイッチＭＣ１とリアクトルＬacとの間には、互いに並列接続されたスイッチＭＣ２と電流制限抵抗Ｒとが設けられる。
【００３２】
ここで、各コンデンサが全く充電されていない場合において、コンデンサを初期充電し、自励式無効電力補償装置を始動させる具体的動作について説明する。まず、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にしておいて、スイッチＭＣ２を開放にし、スイッチＭＣ１を閉じる。これにより、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータは単相フルブリッジダイオード整流器として動作し、交流電圧が整流される。得られた直流電圧により、各コンデンサが徐々に充電されていく。各コンデンサが所定の直流電圧値に達したときすなわち充電が完了したときに、ＭＣ２を閉じる。これにより、配電系統と自励式無効電力補償装置１は直結される。そして、各単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内のＩＧＢＴのスイッチング制御を開始すると、自励式無効電力補償装置１は無効電力補償動作を開始する。
【００３３】
なお、上述のように単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させて得られた直流電圧を、自励式無効電力補償装置内の各制御回路の始動用電源として用いてもよく、このための直流電圧を蓄電するための蓄電手段を設けてもよい。
【００３４】
次に、本発明の第１の実施例による三相自励式無効電力補償装置のミニモデルを用いた実験結果を示す。本実験では、三相自励式無効電力補償装置を一相あたり単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを３段カスケード接続して構成し、その無効電力補償量を１０ｋＶＡ（ｖａｒ）、交流側に設けられるリアクトルを１．２ｍＨ、各コンデンサの容量を１６４００μＦ、直流コンデンサ電圧を６０〜７０Ｖとした。また、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子として定格６００Ｖ、１５０ＡのＩＧＢＴを用いた。また、ＰＷＭ発生器のキャリア周波数を１ｋＨｚとした。このような自励式無効電力補償装置を、５０Ｈｚ、三相２００Ｖ配電系統に設置した実験結果を図６〜９に示す。
【００３５】
図６は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電動作についての実験結果を示す図である。この図では、自励式無効電力補償装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、自励式無効電力補償装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。時刻０秒の時点で上述の初期充電動作を開始すると、時刻３００ミリ秒過ぎにはコンデンサの充電が完了していることがわかる。
【００３６】
図７は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電完了後の運転開始についての実験結果を示す図である。この図では、自励式無効電力補償装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、自励式無効電力補償装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、無効電力量ｑ[ｋＶＡ]および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、無効電力指令値ｑrefを１ｋＶＡに設定して時刻５０ミリ秒の時点で自励式無効電力補償装置の運転を開始したとき、時刻１００ミリ秒過ぎには正常な無効電力補償動作ができていることがわかる。
【００３７】
図８は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置を、リアクトル動作からコンデンサ動作に変化させたときの実験結果を示す図である。この図では、自励式無効電力補償装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、自励式無効電力補償装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、無効電力量ｑ[ｋＶＡ]および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、無効電力指令値ｑrefを、リアクトル動作を指令する−１０ｋＶＡから、コンデンサ動作を指令する１０ｋＶＡに変化させた。リアクトル動作時およびコンデンサ動作時ともに無効電力量ｑは、無効電力指令値ｑrefに対して定常偏差なく良好に追従していることがわかる。なお、各コンデンサの直流電圧値に１００Ｈｚのリプルが存在するのは、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの直流側に流れ込む有効電力が、商用周波数の２倍の高調波成分を有するためである。また、図８に示すように、各コンデンサの直流電圧指令値は無効電力指令値ｑrefに応じて６０Ｖから７０Ｖへ直線的に制御されている。
【００３８】
図９は、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。この図では、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、上述の第２の直流コンデンサ電圧制御を停止させて第１の直流コンデンサ電圧制御のみ動作させてコンデンサの直流電圧値を不均一にさせた状態において、時刻１００ミリ秒の時点で上述の第２の直流コンデンサ制御の動作を開始した。時刻３５０ミリ秒過ぎには各コンデンサの直流電圧値が均一に制御できていることがわかる。
【００３９】
上述の図６〜９の実験結果から、本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置の直流コンデンサ電圧制御方法は有効であることがわかる。
【００４０】
図１０は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、電力蓄積素子電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。また、図１１は、本発明の第２の実施例における電力蓄積装置における、システム全体の概略ブロック図である。各電力蓄積装置の直流電圧値ＶDu1，ＶDu2，ＶDu3，ＶDv1，ＶDv2，ＶDv3，ＶDw1，ＶDw2およびＶDw3は、直流電圧検出器３０によって検出される。また、図１２は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、有効電力・無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ／バッテリ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。この図１２に示す制御部は、図１１において参照符号２で示されるＤＳＰとして構成される。
【００４１】
また、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における単相電力変換器の回路構成は、図４の回路図の各単相電力変換器のコンデンサを電力蓄積素子に置き換えたものであり、これ以外の回路構成要素およびその変形例は本発明の第１の実施例の場合と同様であるので、詳細な説明は省略する。電力蓄積素子の例としては、直流コンデンサ、電気二重層キャパシタもしくはバッテリなどがある。本発明の第２の実施例によれば、本発明の第１の実施例と同様に、１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで電力蓄積装置が構成される。
【００４２】
図１０に示す演算手段１１は、上述の第１の実施例の場合と同様に、各相別に、各単相電力変換器の直流側に設けられる全コンデンサの総和から直流電圧平均値を算出するものである。例えばｕ相について言えば、演算手段１１は、各段のコンデンサの直流電圧値ＶDU1、ＶDU2、およびＶDU3の総和（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）から、直流電圧平均値ＶDUave（＝（ＶDU1＋ＶDU2＋ＶDU3）／３）を算出する。
【００４３】
図１０に示す第１の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１２’は、演算手段１１が各相別に算出した直流電圧平均値を所定の指令値ＶDrefに一致させるための第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成する「相別直流コンデンサ／バッテリ電圧制御」を行う。このとき、電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値をさらに用いて第１のスイッチング指令値ＳAu、ＳAv、およびＳAwを生成するのが好ましい。例えばｕ相について言えば、第１の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１２’は、所定の指令値Ｐref／ＶDrefと直流電圧平均値ＶDUaveとの差と、電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値ｉdとを用いて、第１のスイッチング指令値ＳAを生成する。なお、電力蓄積装置が設置される配電系統の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第１のスイッチング指令値ＳAは、ｓｉｎωｔの位相成分を有するように作成される。なお、第１のスイッチング指令値については、電力蓄積装置の交流側の各相電流を検出してこれに適切なゲインをかけることによって生成してもよい。
【００４４】
図１０に示す第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−１’、１３−２’および１３−３’は、まず上述の第１の実施例の場合と同様に、各直流電圧値を直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各単相電力変換器別に生成する「段間直流コンデンサ／バッテリ電圧制御」を行う。すなわち、段間直流コンデンサ／バッテリ電圧制御は、段ごとにバラバラであったコンデンサの電圧値を、同一の直流電圧値（特に直流電圧平均値）に一致させようとする制御である。そしてさらに、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−１’、１３−２’および１３−３’は、電力蓄積装置の交流側の系統電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する。例えばｕ相について言えば、次の通りである。すなわち、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−１’は、直流電圧値ＶDU1と直流電圧平均値ＶDUaveとを用いて、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値ＳBu1を生成する。また、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−２’は、直流電圧値ＶDU2と直流電圧平均値ＶDUaveとを用いて、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値ＳBu2を生成する。また、第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段１３−３’は、直流電圧値ＶDU3と直流電圧平均値ＶDUaveとを用いて、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値ＳBu3を生成する。なお、電力蓄積装置が設置される配電系統（すなわち交流側）の相電圧の位相基準をｓｉｎωｔとしたとき、第２のスイッチング指令値はｃｏｓωｔの位相成分を有するように作成され、第３のスイッチング指令値はｓｉｎωｔの位相成分を有するように作成される。なお、第３のスイッチング指令値については、電力蓄積装置の交流側の各相電流を検出してこれに適切なゲインをかけることによって生成してもよい。
【００４５】
図１２のＤＳＰ２内の直流コンデンサ／バッテリ電圧／電力制御ブロック１０’では、上述のようにして生成された第１のスイッチング指令値、第２のスイッチング指令値および第３のスイッチング指令値を加算することにより、電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各段のコンデンサの直流電圧値を制御するための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値が生成される。例えばｕ相について言えば、３段の直流コンデンサ／バッテリ電圧／電力制御のために、スイッチング指令値Ｓu1、Ｓu2およびＳu3が生成されることになる。
【００４６】
一方、有効電力制御および無効電力制御のための単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータに対するスイッチング指令値については、図１２のＤＳＰ２内の有効電力・無効電力制御ブロック２０’において、Ａ／Ｄ変換器８から入力される三相電流値および三相電圧値と、ＰＬＬ（Phase Locked Loop）（参照符号７）から入力される電源同期情報と、から公知の方法によって生成すればよい。例えば、無効電力出力をゼロ（０）とするようなスイッチング指令値を作成すれば有効電力制御のみが実現されることになる。
【００４７】
図１１に示すように、ＤＳＰ２において、直流コンデンサ／バッテリ電圧制御のためのスイッチング指令値と有効電力・無効電力制御のためのスイッチング指令値とが重畳されて、フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための最終的なスイッチング指令値が生成される。本発明の第２の実施例では１相あたり３段の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータで電力地区製装置が構成されるので、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータが９台存在し、したがってＤＳＰ２は、最終的なスイッチング指令値を９種類生成する。
【００４８】
ＤＳＰ２で生成された上記スイッチング指令値は、ＰＷＭ発生器３へ入力される。ＰＷＭ発生器３は例えばＦＰＧＡで構成される。９台の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内には半導体スイッチング素子が合計３６個が存在することから、ＰＷＭ発生器３は、これら３６個の半導体スイッチング素子をスイッチング制御するための、合計３６種類のＰＷＭ信号を生成する。
【００４９】
次に、本発明の第２の実施例による三相電力蓄積装置のミニモデルを用いた実験結果を示す。本実験では、三相電力蓄積装置を一相あたり単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを３段カスケード接続して構成し、その有効電力出力量を１０ｋＷ、交流側に設けられるリアクトルを１．２ｍＨ、電気蓄積素子としての各直流コンデンサの容量を０．９Ｆ、コンデンサ電圧を６０〜７０Ｖとした。また、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータ内の半導体スイッチング素子として定格６００Ｖ、１５０ＡのＩＧＢＴを用いた。また、ＰＷＭ発生器のキャリア周波数を１ｋＨｚとした。このような電力蓄積装置を、５０Ｈｚ、三相２００Ｖ配電系統に設置した実験結果を図１３および１４に示す。
【００５０】
図１３は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置を、放電動作から充電動作に変化させたときの実験結果を示す図である。この図では、電力蓄積装置が設置された配電系統のｕ相電圧ｖu[Ｖ]、電力蓄積装置に流れ込む電流ｉ[Ａ]、有効電力量ｐ[ｋＷ]および、各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、直流電圧指令値ＶDrefを、２０ミリ秒（１周期）で６５Ｖから８０Ｖにランプ状に変化させた。過渡時においても有効電力量ｐは良好に制御されていることがわかる。
【００５１】
図１４は、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、直流コンデンサ／バッテリ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。各コンデンサの直流電圧ＶD[Ｖ]が示されている。本実験では、１相分の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータのコンデンサの容量を１．１Ｆ、のこりの２相分の単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータのコンデンサの容量を０．９Ｆとし、意図的に容量不均一を発生させて起動した状態において、時刻２ミリ秒の時点で上述の第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御の動作を開始した。およそ時刻２０ミリ秒過ぎには各コンデンサの直流電圧値が均一に制御できていることがわかる。
【００５２】
上述の図１３および１４の実験結果から、本発明の第２の実施例による電力蓄積装置制御方法は有効であることがわかる。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置（カスケード接続型の自励式無効電力補償装置もしくは電力蓄積装置）の、各単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサもしくは電力蓄積素子の直流電圧値を、定常時のみならず過渡時においても安定に制御することができる。また、定常状態および過渡状態の両方において、無効電力および有効電力についても良好に制御することができる。本発明による自励式無効電力補償装置および電力蓄積装置の有効性については実験結果に示すとおりである。
【００５４】
本発明による自励式無効電力補償装置および電力蓄積装置は、商用周波数変圧器を使用することなくすなわちトランスレスに配電系統に設置することができるので、重量、体積およびコストの面で非常に有利である。また、本発明による自励式無効電力補償装置については、始動前のコンデンサの初期充電も、電圧安定化用の独立電源も必要なく低コストかつ容易に実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５５】
【図１】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施例における自励式無効電力補償装置における、システム全体の概略ブロック図である。
【図３】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。
【図４】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、単相電力変換器の回路構成を示す回路図である。
【図５】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置の始動方法について説明する回路図である。
【図６】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電動作についての実験結果を示す図である。
【図７】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、初期充電完了後の運転開始についての実験結果を示す図である。
【図８】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置を、リアクトル動作からコンデンサ動作に変化させたときの実験結果を示す図である。
【図９】本発明の第１の実施例による自励式無効電力補償装置における、直流コンデンサ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。
【図１０】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、電力蓄積素子電圧制御ブロックを示す原理ブロック図である。
【図１１】本発明の第２の実施例における電力蓄積装置における、システム全体の概略ブロック図である。
【図１２】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、有効電力・無効電力制御ブロックおよび直流コンデンサ／バッテリ制御ブロックからなる制御部を示すブロック図である。
【図１３】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置を、放電動作から充電動作に変化させたときの実験結果を示す図である。
【図１４】本発明の第２の実施例による電力蓄積装置における、直流コンデンサ／バッテリ電圧制御の特性についての実験結果を示す図である。
【図１５】一般的なカスケード接続型（Ｙ結線）の三相自励式無効電力補償装置を例示する回路構成図である。
【符号の説明】
【００５６】
１ 自励式無効電力補償装置
２ ＤＳＰ
３ ＰＷＭ発生器
１０ 直流コンデンサ電圧制御ブロック
１０’ 直流コンデンサ／バッテリ電圧制御ブロック
１１ 演算手段
１２ 第１の直流コンデンサ電圧制御手段
１２’ 第１の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段
１３−１、１３−２、１３−３ 第２の直流コンデンサ電圧制御手段
１３−１’、１３−２’、１３−３’ 第２の直流コンデンサ／バッテリ電圧制御手段
２０ 無効電力制御ブロック
２０’ 有効電力・無効電力制御ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成され、各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサを直流電圧源として用いて無効電力を生成する自励式無効電力補償装置であって、
全ての前記コンデンサの直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、
前記直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御手段と、
各前記直流電圧値を前記直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各前記単相電力変換器別に生成する第２の直流コンデンサ電圧制御手段と、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記コンデンサの直流電圧値を制御することを特徴とする自励式無効電力補償装置。
【請求項２】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１に記載の自励式無効電力補償装置であって、
前記第１の直流コンデンサ電圧制御手段は、前記所定の指令値と、前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の直流コンデンサ電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する自励式無効電力補償装置。
【請求項３】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１に記載の自励式無効電力補償装置であって、
前記第１の直流コンデンサ電圧制御手段は、前記所定の指令値と前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差と、前記自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値とを用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の直流コンデンサ電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する自励式無効電力補償装置。
【請求項４】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項１〜３のいずれか一項に記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項５】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧により前記コンデンサが初期充電される請求項４に記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項６】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧を、前記自励式無効電力補償装置の始動用電源として蓄電する蓄電手段をさらに備える請求項４に記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項７】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置の、無効電力を生成するのに用いられる直流電圧源として各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ設けられるコンデンサの直流電圧値を制御する、自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法であって、
全ての前記コンデンサの直流電圧値の総和をとって算出された直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各前記直流電圧値が前記直流電圧平均値と一致するよう、各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項８】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備える前記自励式無効電力補償装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項７に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記コンデンサの直流電圧値を制御する自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項９】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器のグループを三相分備える前記自励式無効電力補償装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項７に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差と、前記自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値と、を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記コンデンサの直流電圧値を制御する自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１０】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項７〜９のいずれか一項に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１１】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧により前記コンデンサを初期充電する初期充電ステップをさらに備える請求項１０に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１２】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧を、前記自励式無効電力補償装置の始動用電源として蓄電する蓄電ステップをさらに備える請求項１０に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１３】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成され、各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続された電力蓄積素子を直流電圧源として用いて交流側に電力を供給する電力蓄積装置であって、
全ての前記電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、
前記直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御手段と、
各前記直流電圧値を前記直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各前記単相電力変換器別に生成する第２の電力蓄積素子電圧制御手段と、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御することを特徴とする電力蓄積装置。
【請求項１４】
前記電力蓄積装置の交流側の各相電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する有効電力制御手段をさらに備え、
前記第１のスイッチング指令値、前記第２のスイッチング指令値および前記第３のスイッチング指令値を用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、前記電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する請求項１３に記載の電力蓄積装置。
【請求項１５】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１３に記載の電力蓄積装置であって、
前記第１の電力蓄積素子電圧制御手段は、前記所定の指令値と、前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の電力蓄積素子電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する電力蓄積装置。
【請求項１６】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１３に記載の電力蓄積装置であって、
前記第１の電力蓄積素子電圧制御手段は、前記所定の指令値と前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差と、前記電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値とを用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の電力蓄積素子電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する電力蓄積装置。
【請求項１７】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の電力蓄積装置。
【請求項１８】
前記電力蓄積素子は、直流コンデンサ、電気二重層キャパシタもしくはバッテリである請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の電力蓄積装置。
【請求項１９】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される電力蓄積装置の、交流側に電力を供給するのに用いられる直流電圧源として各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ設けられる電力蓄積素子の直流電圧値を制御する電力蓄積装置制御方法であって、
全ての前記電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって算出された直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各前記直流電圧値が前記直流電圧平均値と一致するよう、各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする電力蓄積装置制御方法。
【請求項２０】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備える前記電力蓄積装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１９に記載の電力蓄積装置制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する電力蓄積装置制御方法。
【請求項２１】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器のグループを三相分備える前記電力蓄積装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１９に記載の電力蓄積装置制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差と、前記電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値と、を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する電力蓄積装置制御方法。
【請求項２２】
前記電力蓄積装置の交流側の各相電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する有効電力制御ステップをさらに備え、
前記第１のスイッチング指令値、前記第２のスイッチング指令値および前記第３のスイッチング指令値を用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、前記電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する請求項２０または２１に記載の電力蓄積装置制御方法。
【請求項２３】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の電力蓄積装置制御方法。
【請求項２４】
前記電力蓄積素子は、直流コンデンサ、電気二重層キャパシタもしくはバッテリである請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の電力蓄積装置制御方法。
【請求項１】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成され、各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続されたコンデンサを直流電圧源として用いて無効電力を生成する自励式無効電力補償装置であって、
全ての前記コンデンサの直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、
前記直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御手段と、
各前記直流電圧値を前記直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各前記単相電力変換器別に生成する第２の直流コンデンサ電圧制御手段と、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記コンデンサの直流電圧値を制御することを特徴とする自励式無効電力補償装置。
【請求項２】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１に記載の自励式無効電力補償装置であって、
前記第１の直流コンデンサ電圧制御手段は、前記所定の指令値と、前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の直流コンデンサ電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する自励式無効電力補償装置。
【請求項３】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１に記載の自励式無効電力補償装置であって、
前記第１の直流コンデンサ電圧制御手段は、前記所定の指令値と前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差と、前記自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値とを用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の直流コンデンサ電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する自励式無効電力補償装置。
【請求項４】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項１〜３のいずれか一項に記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項５】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧により前記コンデンサが初期充電される請求項４に記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項６】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧を、前記自励式無効電力補償装置の始動用電源として蓄電する蓄電手段をさらに備える請求項４に記載の自励式無効電力補償装置。
【請求項７】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される自励式無効電力補償装置の、無効電力を生成するのに用いられる直流電圧源として各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ設けられるコンデンサの直流電圧値を制御する、自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法であって、
全ての前記コンデンサの直流電圧値の総和をとって算出された直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各前記直流電圧値が前記直流電圧平均値と一致するよう、各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項８】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備える前記自励式無効電力補償装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項７に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記コンデンサの直流電圧値を制御する自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項９】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器のグループを三相分備える前記自励式無効電力補償装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項７に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差と、前記自励式無効電力補償装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値と、を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の直流コンデンサ電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記コンデンサの直流電圧値を制御する自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１０】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項７〜９のいずれか一項に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１１】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧により前記コンデンサを初期充電する初期充電ステップをさらに備える請求項１０に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１２】
前記自励式無効電力補償装置の始動前において、前記単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータの全ゲートを開放状態にして該単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータを単相フルブリッジダイオード整流器として動作させることにより交流系統電圧を整流し、得られた直流電圧を、前記自励式無効電力補償装置の始動用電源として蓄電する蓄電ステップをさらに備える請求項１０に記載の自励式無効電力補償装置におけるコンデンサ電圧制御方法。
【請求項１３】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成され、各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ接続された電力蓄積素子を直流電圧源として用いて交流側に電力を供給する電力蓄積装置であって、
全ての前記電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって直流電圧平均値を算出する演算手段と、
前記直流電圧平均値を所定の指令値に一致させるための第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御手段と、
各前記直流電圧値を前記直流電圧平均値に一致させるための第２のスイッチング指令値を、各前記単相電力変換器別に生成する第２の電力蓄積素子電圧制御手段と、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御することを特徴とする電力蓄積装置。
【請求項１４】
前記電力蓄積装置の交流側の各相電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する有効電力制御手段をさらに備え、
前記第１のスイッチング指令値、前記第２のスイッチング指令値および前記第３のスイッチング指令値を用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、前記電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する請求項１３に記載の電力蓄積装置。
【請求項１５】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１３に記載の電力蓄積装置であって、
前記第１の電力蓄積素子電圧制御手段は、前記所定の指令値と、前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の電力蓄積素子電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する電力蓄積装置。
【請求項１６】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備えて三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１３に記載の電力蓄積装置であって、
前記第１の電力蓄積素子電圧制御手段は、前記所定の指令値と前記演算手段が各相別に算出した前記直流電圧平均値との差と、前記電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値とを用いて、各相別の前記第１のスイッチング指令値を生成し、
前記第２の電力蓄積素子電圧制御手段は、各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の前記第２のスイッチング指令値を生成する電力蓄積装置。
【請求項１７】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の電力蓄積装置。
【請求項１８】
前記電力蓄積素子は、直流コンデンサ、電気二重層キャパシタもしくはバッテリである請求項１３〜１６のいずれか一項に記載の電力蓄積装置。
【請求項１９】
複数の単相電力変換器の交流側が互いにカスケード接続されて構成される電力蓄積装置の、交流側に電力を供給するのに用いられる直流電圧源として各前記単相電力変換器の直流側にそれぞれ設けられる電力蓄積素子の直流電圧値を制御する電力蓄積装置制御方法であって、
全ての前記電力蓄積素子の直流電圧値の総和をとって算出された直流電圧平均値が所定の指令値と一致し、なおかつ各前記直流電圧値が前記直流電圧平均値と一致するよう、各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することを特徴とする電力蓄積装置制御方法。
【請求項２０】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器の組を三相分備える前記電力蓄積装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１９に記載の電力蓄積装置制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する電力蓄積装置制御方法。
【請求項２１】
交流側がカスケード接続された前記単相電力変換器のグループを三相分備える前記電力蓄積装置が、三相交流系統にトランスレスで直結される請求項１９に記載の電力蓄積装置制御方法であって、
前記所定の指令値と各相別に算出された前記直流電圧平均値との差と、前記電力蓄積装置の交流側の三相電流値をｄｑ座標変換して算出されるｄ軸電流値と、を用いて、各相別に第１のスイッチング指令値を生成する第１の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
各前記直流電圧値と、この直流電圧値を前記演算手段が平均演算処理に用いることにより得られた前記直流電圧平均値との差を用いて、各前記単相電力変換器別の第２のスイッチング指令値を生成する第２の電力蓄積素子電圧制御ステップと、
を備え、
前記第１のスイッチング指令値と前記第２のスイッチング指令値とを用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する電力蓄積装置制御方法。
【請求項２２】
前記電力蓄積装置の交流側の各相電流と同位相を有する第３のスイッチング指令値を生成する有効電力制御ステップをさらに備え、
前記第１のスイッチング指令値、前記第２のスイッチング指令値および前記第３のスイッチング指令値を用いて各前記単相電力変換器内の半導体スイッチング素子をスイッチング制御することにより、前記電力蓄積装置の交流側に供給すべき電力を制御しながら各前記電力蓄積素子の直流電圧値を制御する請求項２０または２１に記載の電力蓄積装置制御方法。
【請求項２３】
前記単相電力変換器は、単相フルブリッジ電圧型ＰＷＭコンバータである請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の電力蓄積装置制御方法。
【請求項２４】
前記電力蓄積素子は、直流コンデンサ、電気二重層キャパシタもしくはバッテリである請求項１９〜２２のいずれか一項に記載の電力蓄積装置制御方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００７−２８０３５８（Ｐ２００７−２８０３５８Ａ）
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−４６３０（Ｐ２００７−４６３０）
【出願日】平成１９年１月１２日（２００７．１．１２）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１月１２日（２００７．１．１２）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]