JP2002516556A - 交流電力線の負荷変圧器により直列補償を行う電力インバータ装置 - Google Patents

交流電力線の負荷変圧器により直列補償を行う電力インバータ装置

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JP2002516556A
JP2002516556A JP2000550195A JP2000550195A JP2002516556A JP 2002516556 A JP2002516556 A JP 2002516556A JP 2000550195 A JP2000550195 A JP 2000550195A JP 2000550195 A JP2000550195 A JP 2000550195A JP 2002516556 A JP2002516556 A JP 2002516556A
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ホーグラフ,クラーク,グレン
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Abstract

(57)【要約】 交流電力線に対する直列電圧補償を、ダイナミック電圧復旧装置(DVR)のインバータユニットを既に存在するであろう負荷変圧器の一次巻線に直列に接続して行うため、注入変圧器は不要である。三相交流電力線では、3つの一次相巻線はYまたはデルタ接続である。Y接続の場合、共通直流源を有する三相インバータが好ましい。デルタ接続一次相巻線の場合、各々がそれ自身の浮動直流源を有する別個の単相インバータを各一次相巻線に直列に直接接続することができる。しかしながら、好ましくは、二相インバータの極を一次相巻線の2つと共通電源の相との間に直接接続し、共通電源相と比較される共通直流源を共用させる。隔離された直流源を有する単相インバータを第3のデルタ接続一次相巻線に使用できるが、この単相インバータが二相インバータにより使用される共通直流源を共用するのが好ましい。その場合、第3のデルタ接続一次巻線に直列に単相インバータに挿入される補償電圧を隔離するために、1つの注入変圧器を必要とする。デルタ接続二次巻線を有する変圧器の負荷側で直列電圧補償を行うために、同様なDVR構成を使用することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の背景】
【0002】
【発明の分野】
本発明は、電力線の補償を行うソリッドステートインバータを組み込んだ装置
に関し、さらに詳細には、上流の故障により生ずるような電圧低下を相殺するた
めに電力線に直列に補償電圧を注入するダイナミック電圧復旧装置(dynamic vo
ltage restorer)に関する。補償電圧は、多くの場合電圧変換の目的で既に設け
られている負荷変圧器の一次巻線またはデルタ接続の二次巻線により注入される
【0003】
【背景情報】
既存のダイナミック電圧復旧装置(DVR)の設計では、部分定格の補償電圧
源が電力会社の電力線に直列に挿入される。このため、補償電圧を発生させる電
圧源インバータと、注入が行われるフィーダとの間に隔離変圧器を設ける必要が
ある。各相が必要とするこれらの注入変圧器は、ある範囲の波形を合成可能にす
るためパーユニット2またはそれ以上の磁束変動に対処できるような定格を持つ
必要がある。従って、これらの変圧器は大型で高価である。
【0004】 注入変圧器の利用及びそれらに関連する問題を回避するために、1998年2
月2日付け米国特許第09/017,034号は、負荷変圧器の二次巻線の中性
部にインバータを配置する構成を記載している。3または4線Y接続型の系統は
、この方式により対処することできる。この構成の短所の1つは、インバータが
変圧器の低電圧側にあるということである。従って、DVRインバータは比較的
低電圧で高電流を取り扱わなければならない。インバータスイッチの順方向の導
通による電圧降下は、全交流電圧のかなりの部分を占めるため、損失が比較的大
きい。デルタ接続の負荷変圧器へ注入を行う構成については記載がない。
【0005】 従って、電力線に補償電圧を注入する注入変圧器を不要にするかあるいはその
条件を少なくとも軽減する改良型DVRに対する需要が存在する。 効率を改善したDVRのような装置に対する特定の需要がある。
【0006】 また、任意の数の相を有する電力線に使用可能なかかるDVRに対する需要も
存在する。
【0007】 デルタまたはY接続の変圧器巻線を有する三相系統に使用可能なかかるDVR
に対する需要が特に存在する。
【0008】 さらに、特に、既にかかる変圧器が存在する系統において、電力線に補償電圧
を注入するため負荷変圧器を使用可能な改良型DVRに対する需要が存在する。
【0009】
【発明の概要】
上記及び他の需要は、インバータが発生する補償電圧を電力線に接続された負
荷電圧器の一次巻線に直列に注入するDVRに係わる本発明により充足される。
三相電力線の場合、三相一次巻線はYまたはデルタ接続である。前者の場合、各
々がそれ自身の浮動直流電源を備えた3つの単相インバータを、負荷電圧器の3
つの一次相巻線に直列に直接挿入することができる。しかしながら、共通直流電
源を有する単一の三相インバータの極を3つの一次相巻線に直列に直接接続して
Y接続を形成するのが好ましい。この共通直流電源と中性導体(設けられておれ
ば)との比較は、別の基準インバータ極により、あるいは直流電源の分割キャパ
シタ間の中間点を中性導体または他の手段に直接接続することにより行える。
【0010】 デルタ接続一次相巻線については、各々がそれ自身の浮動直流源を有する別個
の単相インバータを、デルタ接続一次相巻線の各々に直接接続できる。しかしな
がら、好ましくは、二相インバータの極を2つの一次相巻線と共通電源の相との
間に直接接続し、共通直流源または他の手段を共用させる。再び、この直流源は
、基準インバータ極または直流源の分割キャパシタ間の中間点を直接接続するこ
とにより、若しくは他の手段により共通電源の相と比較できる。隔離された直流
電源を有する単相インバータを3つのデルタ接続一次相巻線に対して使用できる
が、この単相インバータが二相インバータにより使用される共通直流源を共用す
るのが好ましい。その場合、単一の注入変圧器が、第3のデルタ接続一次巻線と
直列にこの単相インバータにより挿入される補償電圧を隔離するために必要であ
る。同様な構成を用いて、デルタ接続二次巻線を有する変圧器の負荷側で直列電
圧補償を行うことが可能である。
【0011】
【好ましい実施例の説明】
本発明の思想は、多くの場合、ライン電圧の逓昇または逓降を行なう目的で電
力線に使用されている負荷変圧器により、電力線のライン電圧に直列に補償電圧
を挿入することである。本発明の第1の実施例を示す図1を参照して、三相交流
ライン1は、電源端相導体5a−5cを有する電源端3と、負荷端導体9a−9
cを有する負荷端7とを備えている。負荷変圧器11は、電源端導体5a−5c
に接続された一次巻線13wと、負荷端導体9a−9cに接続された三相二次巻
線15dとを有する。一次及び二次巻線13w、15dは、コア17上に巻き付
けられているが、これは必ずしも必要条件ではない。3つの一次相導体13a−
13cは、電源端中性導体5nに接続された共通ノード19にY接続されている
。図1に示す構成では、負荷変圧器11の3つの二次巻線15ac、15bc、
15acはデルタ接続されている。しかしながら、三相二次巻線15dもまたY
接続にしてもよい。
【0012】 ダイナミック電圧復旧装置(DVR)21は、各々が負荷変圧器の一次相巻線
13a−13cの対応する1つの巻線及びY接続共通点19に直列に直接接続さ
れた3つのインバータ相23a−23cを有するインバータ装置である。インバ
ータ相23a−23cが発生する補償電圧は、一次相巻線が発生する電圧に加算
される。別個の注入変圧器を設けることは不要である。従って、DVR21から
の補償電圧は、注入変圧器の飽和による制約を受けない。補償電圧は任意の値で
よく、磁束の限界はない。
【0013】 図2は、図1のDVR211の実施例をさらに詳細に示す図である。インバー
タ相が共通ノード19に接続されているため、インバータ相23a−23cは、
3つの極の共通直流源251を有する単一の三相インバータ23の極でもよい
。この共通直流源251は、キャパシタ27より成るエネルギー蓄積装置でよい
。何れの場合も、共通直流源は正の直流ライン29pと負の直流ライン29nと
の間に接続される。インバータ23の各極は、一対のスイッチ31p及び31n
が正のライン29pと負のライン29nとの間に直列に接続されたものである。
インバータ23の交流端子33a―33cは、一次相巻線13a−13cに直列
に直接接続されている。電力用途では、スイッチ31は、例えば絶縁ゲートバイ
ポーラトランジスタ(IGBT)またはゲートターンオフデバイス(GTO)で
よい。調波を減少させるために、インダクタ37a−37cを並列キャパシタ3
9a−39cに直列に接続したLCフィルター35a−35cを、交流端子33
a―33cと、それらに対応する一次相巻線13a−13cとの間に設ける。キ
ャパシタ39a−39cは、共通接続点41に接続されている。交流電力線1の
電源端が中性導体5nを有する場合、直流電源251は、図2のDVR211では
単一の極基準インバータである基準回路431により中性電圧と比較される。図
2からわかるように、この構成の利点の1つは、単一のエネルギー源251を有
する単一の三相インバータ23を3つの相全てに使用できることである。上述し
たように、二次巻線15wはY接続でよく、二次巻線の中性導体9n(設けられ
ておれば)に接続可能である。別の方法として、二次巻線をデルタ接続にしても
よい。
【0014】 図3は、図2のDVRの変形例を示す。DVR212は、直流源252と基準回
路432を変更した点を除き図2の211と同じである。この構成では、共通直流
源252のエネルギー蓄積キャパシタが、2つの同じ値のキャパシタ271、27 2 に分割されている。そのため、基準回路432は、中性導体5nを2つのキャパ
シタ271及び272の中間点に接続する接続部19を有する。また、交流電流線
1の電源端3が中性導体5nを備えていない場合、直流電圧源252の電圧は浮
動するだけであることに注意されたい。図3はまた、負荷変圧器11の二次巻線
15wが電力線の負荷端7の中性導体9nにY接続されて、完全な4線系統を構
成する例を示す。
【0015】 本発明はまた、負荷変圧器11がデルタ接続の一次巻線13dを有する設備に
も利用可能である。図4に示すDVR213の1つのかかる実施例では、インバ
ータ装置は実際、3つの単相インバータ23ac、23bc、23acより成り
、その各々は相巻線13ac、13bc、13acのうちの連携する1つの相巻
線及び交流電力線1の電源端3の相導体5a−5cにそれぞれ直接接続されてい
る。この場合、直流電源25ac、25bc、25acはそれぞれ別個に浮動す
る。再び、図4において、二次巻線15wをY接続として示したが、この実施例
ではデルタ接続の二次巻線も使用できる。
【0016】 図4のDVR213の単一の極インバータ23ac、23bc、23abは、
それぞれ2つの別個の極を必要とする。デルタ接続の一次巻線に接続されたDV
Rの他の構成も、インバータの条件を軽減するものとして可能である。図5は、
デルタ接続の一次巻線を有する三相交流電力線に適用したDVR214の変形例
を示すハイレベルの概略的回路図である。この構成では、23ab’及び23b
c’のような2つのインバータ相は、デルタ接続の相巻線13ab、13bcの
対応する1つ及び共通の電源端導体5bに直列に接続されている。第3のインバ
ータ23ac’は、第3の一次相巻線13acと別の電源端導体5aに直列に接
続されている。
【0017】 図6は、図5の構成を実現した1つの実施例である。このDVR215におい
て、インバータ23ac’は、浮動する直流源25ac’がデルタ接続の相巻線
13acに直列に直接接続された単相インバータである。他の2つのインバータ
相23ab’及び23bc’は電力線1の電源端の共通導体5bに接続されてい
るため、それらは共通の直流源252を共用可能であり、実際、二相インバータ
23の2つの極でよい。このため、図4の実施例において別個の単相インバ
ータに必要とされた2つの極が不要になることが分かる。また、電源252の直
流電圧が共通電源端の相導体5bの電圧と比較されることに注意されたい。図6
の実施例では分割したキャパシタ271、272を用いて共通直流源を相Bと比較
するのであるが、図2に示すような基準インバータ431を用いてもよい。
【0018】 図7は、図5の構成を別の形で実現した実施例である。このDVR216では
、3つのインバータ相の全てに対して共通の直流源251が使用されている。
【0019】 再び、二相インバータ23の2つの極23ab’及び23bc’は、デル
タ接続の一次巻線13ab及び13bcの2つと直列に直接接続される補償電圧
を発生させるために使用される。それ自身2つの極を有する単相インバータ23 は、巻線13acにより発生される電圧に加算する補償電圧を与える。共通
直流電源を用いるため、この後者の補償電圧を隔離することが必要である。この
ため、注入変圧器47の一次巻線47pは単相インバータ23に接続され、
その二次巻線47sは巻線13acと電力線1の電源端3のA相導体5aとの間
に直列に接続されている。通常通り、インバータ23と注入変圧器の一次巻
線47pとの間に別のフィルタ49を挿入する。再び、基準インバータ431
より電源25の直流電圧をB相導体5bの電圧と比較するが、図6の構成を代わ
りに用いてもよい。
【0020】 上述したように、1998年2月2日付け米国特許第09/017034号は
、負荷変圧器の二次相巻線をY接続にしてこの二次巻線に補償電圧を直接注入す
る構成を教示している。この出願はデルタ巻きの二次巻線の構成は用いない。本
発明の原理は、この目的を達成するように調整可能である。図8は、図4に用い
るような隔離された浮動直流源25ab、25bc、25acを有する単相イン
バータ23ab、23bc、23acを負荷変圧器11のデルタ接続の二次巻線
15dの二次相巻線15の各々に直列に直接接続した、かかるDVR217を示
す。
【0021】 図9は、三相交流電力線1の負荷変圧器11のデルタ接続二次巻線15dに補
償電圧を注入するDVR218の第2の実施例を示す。この構成は、別個の単相
インバータ23acが巻線15acに直列接続されるとともに、共通電源端の導
体9bの電圧に対して比較される正及び負のライン29p、29nを有する共通
直流源252を備えた二相インバータ23が他の2つのデルタ接続二次相巻線
15ab、15bcに直列に補償電圧を注入する点で、図6の構成と軌を一にす
る。あるいは、図10のDVR219に示すように、注入変圧器47を関連のフ
ィルタ49と共に用いて補償電圧を第3のデルタ接続二次相巻線15acに直列
に挿入する限り、共通直流源251をこの単相インバータ23に対して用いる
ことができる。もちろん、図9及び10の回路において共通直流源の直流電圧を
比較する何れの構成もそれぞれ交換的に利用可能である。
【0022】 本発明の特定の実施例を詳細に説明したが、当業者は、本願の記載全体に鑑み
てこれらの詳細な説明に対する種々の変形例及び設計変更が可能であることがわ
かるであろう。例えば、本発明を三相交流電力線に利用する実施例を説明した。
当業者は、本発明を単相を含む他の数の相を備えた交流電力線に利用可能なこと
が分かるであろう。これら他の変形例も本発明に包含される。従って、図示説明
した特定の構成は例示的なものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものでなく、
本発明の範囲は頭書の特許請求の範囲及びその任意及び全ての均等物の全幅を与
えられるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、Y接続一次巻線と中性導体を有する三相交流電力線に適用した本発明
のDVRを示すハイレベルな概略的回路図である。
【図2】 図2は、図1のDVRの詳細回路図である。
【図3】 図3は、図2のDVRの変形例を示す概略的回路図である。
【図4】 図4は、デルタ接続一次巻線を有する三相交流電力線に適用した本発明のDV
Rの概略図である。
【図5】 図5は、デルタ接続一次巻線を有する三相交流電力線に適用したDVRの変形
例のハイレベルな概略的回路図である。
【図6】 図6は、図5のDVRの1つの実施例を示す詳細回路図である。
【図7】 図7は、図5のDVRの別の実施例を示す詳細回路図である。
【図8】 図8は、負荷変圧器の二次巻線に補償電圧を注入するDVRのハイレベルな概
略的回路図である。
【図9】 図9は、三相交流電力線の負荷変圧器のデルタ接続二次巻線に補償電圧を注入
するDVRの第2の実施例の詳細回路図である。
【図10】 図10は、図9のDVRの変形例を示す回路図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW,ML, MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,GM,K E,LS,MW,SD,SL,SZ,UG,ZW),E A(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ ,TM),AE,AL,AM,AT,AU,AZ,BA ,BB,BG,BR,BY,CA,CH,CN,CU, CZ,DE,DK,EE,ES,FI,GB,GD,G E,GH,GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS ,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,LC,LK, LR,LS,LT,LU,LV,MD,MG,MK,M N,MW,MX,NO,NZ,PL,PT,RO,RU ,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM, TR,TT,UA,UG,UZ,VN,YU,ZA,Z W Fターム(参考) 5G066 DA01 DA07 5H007 AA07 BB00 CB02 CB05 CC32 DA06 【要約の続き】 成を使用することもできる。

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 電源端と負荷端との間の交流電力線において補償を行う装置で
    あって、 電力線の電源端に接続された一次巻線手段及び電力線の負荷端に接続された二
    次巻線手段を有する変圧器手段と、 一次巻線手段に接続されて電力線に直列補償電圧を与えるインバータ手段とよ
    り成る補償装置。
  2. 【請求項2】 電力線は三相交流電力線であり、一次巻線手段は3つの一次
    相巻線より成り、インバータ手段は3つの一次相巻線に接続された三相インバー
    タ手段より成る請求項1の装置。
  3. 【請求項3】 3つの一次相巻線は、三相インバータ手段によりY接続され
    ている請求項2の装置。
  4. 【請求項4】 三相インバータ手段は、各々が3つの一次相巻線のうちの1
    つに直列に接続され、全部が共通中性ノードに接続された3つのインバータ相よ
    り成る請求項3の装置。
  5. 【請求項5】 3つのインバータ相は単一の三相インバータを構成し、イン
    バータ手段は三相インバータの共通直流電源を含む請求項4の装置。
  6. 【請求項6】 3つの一次相巻線はデルタ接続されている請求項2の装置。
  7. 【請求項7】 三相インバータ手段は、各々が隔離された直流電圧源を有し
    、各々が3つの一次相巻線の異なるものと三相交流電力線の電源端の1つの相と
    に直列に接続された3つの単相インバータより成る請求項6の装置。
  8. 【請求項8】 三相インバータ手段は、第1及び第2のインバータ極が一次
    相巻線の第1及び第2の一次相巻線及び交流電力線の電源端の共通相に直列に接
    続された二相インバータと、第3の一次相巻線と交流電力線の電源端の別の相に
    直列に接続された単相インバータとを含む請求項6の装置。
  9. 【請求項9】 インバータ手段はさらに、第1及び第2のインバータ極の共
    通直流電源と、共通直流電源の直流電圧を交流電力線の電源端の共通相と比較す
    る比較手段とを含む請求項8の装置。
  10. 【請求項10】 共通直流源は、正及び負の直流ラインと、該直流ライン間
    に接続されたキャパシタ手段とより成り、比較手段は、正及び負の直流ラインと
    交流電力線の電源端の共通相との間に接続された別のインバータ極より成る請求
    項9の装置。
  11. 【請求項11】 共通直流電源は、正及び負の直流ラインと、正及び負の直
    流ライン間に直列に接続された一対のキャパシタとより成り、比較手段は、キャ
    パシタ対の間にあって、交流電力線の電源端の共通相に接続された共通接続点で
    ある請求項9の装置。
  12. 【請求項12】 単相インバータはまた共通直流電源にも接続され、インバ
    ータ手段はさらに、単相インバータを3つの一次相巻線及び交流電力線の電源端
    の別の相に直列に接続する注入変圧器を含む請求項9の装置。
  13. 【請求項13】 電源端と負荷端を有する三相交流電力線の補償を行う装置
    であって、 三相交流電力線の電源端に接続された3つの一次相巻線及び三相交流電力線の
    負荷端にデルタ接続された3つの二次相巻線を有する三相変圧器手段と、 三相変圧器手段の3つのデルタ接続二次相巻線の各々に直列に補償電圧を与え
    るように接続されたインバータ手段とより成る補償装置。
  14. 【請求項14】 インバータ手段は、各々が隔離された直流電圧源を有し、
    各々が3つの二次相巻線の異なるものと三相交流電力線の電源端の1つの相とに
    直列に接続された3つの単相インバータより成る請求項13の装置。
  15. 【請求項15】 インバータ手段は、第1及び第2のインバータ極が第1及
    び第2の二次相巻線及び交流電力線の電源端の共通相に直列に接続された二相イ
    ンバータと、第3の一次相巻線と交流電力線の電源端の別の相に直列に接続され
    た単相インバータとを含む請求項13の装置。
  16. 【請求項16】 インバータ手段はさらに、第1及び第2のインバータ極の
    共通直流電源と、共通直流電源の直流電圧を交流電力線の電源端の共通相と比較
    する比較手段とを含む請求項15の装置。
  17. 【請求項17】 共通直流源は、正及び負の直流ラインと、該直流ライン間
    に接続されたキャパシタ手段とより成り、比較手段は、正及び負の直流ラインと
    交流電力線の負荷端の共通相との間に接続された別のインバータ極より成る請求
    項16の装置。
  18. 【請求項18】 共通直流電源は、正及び負の直流ラインと、正及び負の直
    流ライン間に直列に接続された一対のキャパシタとより成り、比較手段は、キャ
    パシタ対の間にあって、交流電力線の負荷端の共通相に接続された共通接続点で
    ある請求項16の装置。
  19. 【請求項19】 単相インバータはまた共通直流電源にも接続され、インバ
    ータ手段はさらに、単相インバータを3つの一次相巻線及び交流電力線の負荷端
    の別の相に直列に接続する注入変圧器を含む請求項16の装置。
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