JP5165916B2 - 偏磁抑制制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、直流を交流に変換する電力変換器の出力側に接続された変圧器の偏磁を抑制する偏磁抑制制御装置に関する。

電力系統に接続して運転する電力変換器は、負荷母線に接続された変圧器に偏磁が生じると、安定に運転できなくなる。そのため、電力変換器に変圧器の偏磁を抑制する偏磁抑制制御装置が必要となる。

従来の偏磁抑制制御装置には、直流電源から供給される直流を交流に変換し変圧器を介して負荷に供給する電力変換器の出力電圧或いは出力電流が基準値に追従するように制御する自動制御回路と、前記変圧器の出力電圧に対応した信号から前記変圧器の磁束指令値を得る手段と、前記変圧器の磁束を検出する磁束検出手段と、前記磁束指令値と検出磁束との偏差信号に応じた信号を出力する補正回路とを具備し、該補正回路の出力と前記自動制御回路の出力の加算値で前記電力変換器を制御するようにしたものや、前記磁束検出手段で検出する磁束の代りに前記自動制御回路の出力の積分値を用いるようにしたものがある（特許文献１）。

また従来の偏磁抑制制御装置には、変圧器の偏磁抑制制御を実行する時点より前の一定周期間の電圧または、電流の積分を行い、直流偏磁の平均値を検出し、直流偏磁量を用いて制御量を求め偏磁を抑制制御するものがある（特許文献２）。
特開平８−２６６０６９号公報 特開平９−１４０１６４号公報

特許文献１に記載されている偏磁抑制制御装置では、磁束検出手段をあらかじめ変圧器に作り込んでおかねばならないという問題点や、電力変換器が停止中で系統から給電しているときに系統電圧が変動すると自動制御回路の出力の積分値が実際の変圧器磁束と一致せず大きな誤差が生じるという問題点がある。

特許文献２に記載された偏磁抑制制御装置では、変圧器の偏磁を検出する手段として変圧器に印加される電圧を電源周期の整数倍の期間積分している。この方法により、一定期間の時間平均値として偏磁による直流分が検出されるが、検出手段に積分を用いているために偏磁の検出には遅れを生じてしまう。このため、系統側の故障等による瞬時的な電圧変化による偏磁には対応することができない。

偏磁が発生したまま電力変換器の運転を継続した場合、電源に接続されている変圧器の飽和が起こり、励磁電流の増加により、電力変換器は過電流故障が発生し、安定に運転できない。また、過電流で電力変換器を停止させないようにするためには、定常動作時の数倍の電流定格とする必要があるため、コストが高くなり、装置の外形が大きくなるなどといった問題点がある。

本発明は、変圧器に瞬時的な偏磁が生じた場合にも検出遅れ無しに偏磁を検出することができ、変圧器の偏磁を迅速に抑制制御することができる偏磁抑制制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために本発明の偏磁抑制制御装置は、系統電源と連系して運転される電力変換器の出力側に接続した変圧器の偏磁を抑制するようにした偏磁抑制制御装置において、前記系統電源に接続された母線から前記変圧器に印加される電圧を検出する電圧検出部と、前記電圧検出部により検出された電圧を入力し、当該電圧に基づいて前記変圧器に実際に発生している磁束の推定値を求める磁束推定値演算部と、前記電力変換器の電圧基準を入力し、定常時に前記変圧器に発生する磁束の設定値を求める磁束設定値演算部と、前記電力変換器の前記電圧基準を入力して電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、前記磁束設定値と前記磁束推定値との差分である磁束偏差量から前記変圧器の補正すべき偏磁量を求める偏磁補正量演算部と、前記偏磁補正量演算部で求めた前記偏磁補正量を前記電圧指令値演算部で求めた前記電力変換器の電圧指令値に加算する加算部と、を備えたことを特徴とする。

本発明の偏磁抑制制御装置によれば、変圧器に瞬時的な偏磁が生じた場合にも検出遅れ無しに偏磁を検出することができ、変圧器の偏磁を迅速に抑制制御することができる。

以下、本発明の第１ないし第９の実施の形態の偏磁抑制制御装置について図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は本発明の第１の実施の形態に係る偏磁抑制制御装置の構成および信号の流れを示す図である。

電力変換器１は半導体素子により構成され、直流電源２４から供給される直流電力を交流電力へ変換する装置であり、図示されていない変流器、インピーダンスを有する系統電源７に接続された母線３５に接続されている。また、母線３５には変圧器２２を介して負荷２３が接続されている。偏磁抑制制御装置は、電圧検出部２と、磁束設定値演算回路４と、磁束推定値演算回路５と、偏磁補正量演算回路６と、減算器２５および加算器２６を備えている。

定常時に変圧器２２に発生する磁束を磁束設定値演算回路４で演算したものを磁束設定値とし、実際に変圧器２２に発生している磁束を磁束推定値演算回路５にて演算したものを磁束推定値とする。減算器２５では磁束設定値から磁束推定値の差分をとることによって磁束偏差量を算出する。偏磁補正量演算回路６は磁束偏差量に対応する偏磁補正量を演算し出力する。この偏磁補正量を加算器２６において電力変換器１の電圧指令値に加算することにより、変圧器２２の偏磁を抑制する方向へ電力変換器１の出力電圧を変化させる。

本実施の形態によれば、系統電源７側の故障等により瞬時的に電圧変化が起きたことによる瞬時の偏磁が生じた場合にもそれを検出することが可能であり、瞬時の偏磁に対しても抑制制御が可能な偏磁抑制制御装置を提供することができる。

（第２の実施の形態）
図２は本発明の第２の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる磁束設定値演算回路４の構成および信号の流れを示す図である。磁束設定値演算回路４は基準位相生成部２７と２相／３相変換器１１からなる。

変圧器２２の磁束は変圧器２２に印加される電圧の積分であることから定常時の変圧器２２の磁束は電圧波形の９０°遅れの波形となる。ところで、電力変換器１は系統電源７と連係して運転するために、変圧器２２が出力すべき電圧の基準値と位相の基準値を持っている。そのため、この電圧基準を位相基準から９０°遅れた信号を用いて２相／３相変換器１１により演算を行うと、電力変換器１が出力すべき電圧波形から９０°遅れた正弦波状の信号が求められ、これを磁束設定値とする。
本実施の形態によれば、定常時に変圧器２２に発生すべき磁束の瞬時値を求めることが可能となり、磁束の基準値として用いることができる。

（第３の実施の形態）
図３は本発明の第３の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる磁束推定値演算回路５の構成および信号の流れを示す図である。すなわち、磁束推定値演算回路５は積分器９と直流分除去フィルタ１０より構成されている。

偏磁を抑制すべき変圧器２２の磁束推定値は、変圧器２２の１次側電圧を電圧検出部２から入力した電圧値を積分器９で積分することにより、変圧器２２の実際の磁束を求める。出力電圧が一定である場合はこの演算結果は正弦波状の波形となる。しかしながら、演算回路に有効桁数による切り上げ切捨て処理や、電圧検出部２のオフセットといった要因により誤差がある場合には、積分を継続すると誤差が蓄積し、磁束推定値に直流成分が重畳してしまう。これを防ぐために、積分器９の後段に設けた直流分除去フィルタ１０により直流分を除去する。直流分除去フィルタ１０は電源周期より十分に大きな時定数を持つ一次遅れ要素で構成され、磁束推定値に含まれる直流分のみを除去する。

本実施の形態によれば、磁束推定値から直流分が除去され、変圧器２２の推定磁束の精度を向上させることができる。また、電力変換器１の直後に接続された変換器出力変圧器の偏磁を抑制する場合には、変換器出力変圧器の偏磁の検出に変圧器１次側に接続される変換器の電圧制御に用いる電圧検出器の信号を用いるため、変圧器の磁束検出器といった偏磁抑制用の専用の検出器が不要となる。専用の検出器が不要のため既設装置へ偏磁抑制制御部の追加も容易となる。

（第４の実施の形態）
図４は本発明の第４の実施の形態の偏磁抑制制御装置の構成および信号の流れを示す図であり、図５は本実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる磁束設定値演算回路４の構成および信号の流れを示す図である。本実施の形態における磁束設定演算回路は、変換器出力変圧器２８の持つインピーダンスによる電圧低下分の補正回路である掛算器２９と、加算器３０と、基準位相生成部２７と、２相／３相変換器１１を備えている。

電力変換器１が変換器出力変圧器２８を介して母線３５に接続されており、母線３５に接続されている変圧器２２の偏磁を抑制する場合には、変換器出力変圧器２８の持つインピーダンスにより電圧降下が発生するので、電圧降下分を補正せずに磁束設定値の演算を行った値を用いると定常状態においても常に磁束偏差が現れてしまう。そこで、本実施の形態においては、変換器出力変圧器２８の持つインピーダンスによる電圧低下分として負荷電流と変換器出力変圧器２８のインピーダンスを乗算したものを電圧降下分とし、この降下分の電圧補正値を用いて、磁束設定値の演算を行う。

本実施の形態によれば、変換器出力変圧器２８の持つインピーダンスによる電圧低下分の補正することが可能となり、偏磁を抑制すべき変圧器２２の磁束設定値の演算精度を向上させることができる。

（第５の実施の形態）
図６は本発明の第５の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる偏磁補正量演算回路６の構成および信号の流れを示す図である。

偏磁補正量演算回路６は、磁束偏差量のレベルを判定するレベル判定器１２と切替スイッチ１３からなり、磁束偏差量が設定値以上になった場合に演算した偏磁補正量を出力する。また、設定値以下の場合については抑制制御を活かさずに零を出力する。

本実施の形態によれば、偏磁量が少なく抑制制御の必要のない偏磁が発生した場合に偏磁抑制制御を活かしたことによる電圧の動揺を発生させることなく、電圧を安定に出力させることができる。

（第６の実施の形態）
図７は本発明の第６の実施の形態の偏磁抑制制御装置の構成および信号の流れを示す図であり、図８は本実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる偏磁補正量演算回路６の構成および信号の流れを示す図である。

本実施の形態の偏磁抑制制御装置は第１の実施の形態の偏磁抑制制御装置（図１）に変換器電流検出部１４を追加した構成であり、偏磁補正量演算回路６は極性判定器１５と２つの掛算器３１，３２を備えている。磁束設定値演算回路４の出力と磁束推定値演算回路５の出力から算出した磁束偏差量から偏磁の極性を判断する。変換器電流検出部１４で検出した変換器電流に偏磁補正ゲインおよび前記極性をかけたものを偏磁補正量とする。適切な偏磁補正ゲインは装置の特性および偏磁偏差量によって異るので作業者が外部から入力する。

偏磁が発生した場合、変圧器２２の飽和が発生し、変圧器２２の励磁電流により電流が顕著に増加するが、本実施の形態では、この偏磁中の電流値を用いて変圧器２２の偏磁を抑制するので、偏磁抑制制御によって変換器が過電流になることはない。

（第７の実施の形態）
図９は本発明の第７の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる偏磁補正量演算回路６の構成および信号の流れを示す図である。

本実施の形態における偏磁補正量演算回路６は掛算器３３を備え、磁束設定値演算回路４の出力と磁束推定値演算回路５の出力から求められた磁束偏差量に偏磁補正ゲインをかけたものを偏磁補正量とする。偏磁抑制と電圧制御の兼ね合いを考慮して、偏磁抑制の強さを決めることができる。
本実施の形態によれば磁束偏差量を用いて偏磁の抑制制御を行うことができる。

（第８の実施の形態）
図１０は本発明の第８の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる電圧指令値演算部８の構成および信号の流れを示す図である。電圧指令値演算部８は電圧一定制御活殺回路１７を備え、電圧一定制御活殺回路１７は電圧指令値切替スイッチ１８を備え、偏磁抑制制御オン指令により電圧一定制御をバイパスして電圧基準を電圧指令値として直接出力させる。

偏磁抑制制御は偏磁を抑制するために偏磁の極性と逆の方向へ電圧を出力させ電圧を変動させる。また、電圧一定制御は出力電圧が一定になるように制御を行う。このため２つの制御が同時に動作していると制御の干渉が生じることとなり、偏磁が抑制できなくなり、電力変換器１を安定に運転できない可能性がある。そのため本実施の形態では、偏磁抑制制御中で偏磁抑制制御オン信号が出力されている間は電圧一定制御を活かさずに、電圧基準値を電圧指令値として出力する。
こうして本実施の形態によれば、偏磁抑制制御中は電圧一定制御を働かせないため、偏磁抑制制御と電圧一定制御の干渉を防ぎ電力変換器１を安定に運転することができる。

（第９の実施の形態）
図１１は本発明の第９の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられるタイマ回路１９の構成および信号の流れを示す図である。タイマ回路１９は時間設定回路２０とカウンタ２１を備えている。

偏磁抑制制御指令の出力でカウンタ２１はカウントを開始する。同時に図１，図４あるいは図７に示されている偏磁補正量演算回路６へ偏磁抑制制御オン指令を出力する。また、時間設定回路２０にはあらかじめ電源周波数の一周期の時間が設定されており、これに設定値入力部より入力される設定値を乗算したものをタイマ回路１９の動作時間設定に用いる。設定値入力を整数入力とすることにより、タイマ回路１９の動作設定時間は電源周期の整数倍の時間後となる。タイマ回路１９は偏磁抑制制御指令でカウントを開始し、動作設定時間に達するとタイマ回路１９から偏磁抑制制御オフ信号を偏磁補正量演算回路６へ出力する。偏磁補正量演算回路６はタイマ回路１９からのオフ信号を受け取ると偏磁抑制制御を終了する。

本実施の形態にれば、偏磁補正量の出力がタイマ回路１９により電源周期の整数倍の時間に制御されるため、偏磁補正量にオフセット分があった場合でもオフセット分が一周期内のみ積分され、キャンセルされた状態で偏磁抑制制御を終了することが可能となり、偏磁抑制制御オフのタイミングによる偏磁が発生することを防ぐことができる。

なお上記各実施の形態における磁束設定値演算回路４、磁束推定演算回路５、偏磁補正量演算回路６等の各部は抵抗、コンデンサ、リアクトル等の回路部品で構成されていてもよいし、プログラムされたソフトウェアによって実現されてもよい。

本発明の第１の実施の形態の偏磁抑制制御装置の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第２の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる磁束設定値演算回路の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第３の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる磁束推定値演算回路の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第４の実施の形態の偏磁抑制制御装置の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第４の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる磁束推定値演算回路の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第５の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる偏磁補正量演算回路の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第６の実施の形態の偏磁抑制制御装置の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第６の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる偏磁補正量演算回路の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第７の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる偏磁補正量演算回路の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第８の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられる電圧指令値演算部の構成および信号の流れを示すブロック図。 本発明の第９の実施の形態の偏磁抑制制御装置に備えられるタイマ回路の構成および信号の流れを示すブロック図。

符号の説明

１…電力変換器、２…電圧検出部、３…電圧基準入力部、４…磁束設定値演算回路、５…磁束推定値演算回路、６…偏磁補正量演算回路、７…系統電源、８…電圧指令値演算部、９…積分器、１０…直流分除去フィルタ、１１…２相／３相変換器、１２…レベル判定器、１３…偏磁補正量切替スイッチ、１４…変換器電流検出部、１５…極性判定器、１６…電圧一定制御部、１７…電圧一定制御活殺回路、１８…電圧指令値切替スイッチ、１９…タイマ回路、２０…時間設定回路、２１…カウンタ、２２…変圧器、２３…負荷、２４…直流電源、２５…減算器、２６…加算器、２７…基準位相生成部、２８…変換器出力変圧器、２９…掛算器、３０…加算器、３１，３２，３３，３４…掛算器、３５…母線。

Claims (9)

1. 系統電源と連系して運転される電力変換器の出力側に接続した変圧器の偏磁を抑制するようにした偏磁抑制制御装置において、
   前記系統電源に接続された母線から前記変圧器に印加される電圧を検出する電圧検出部と、
   前記電圧検出部により検出された電圧を入力し、当該電圧に基づいて前記変圧器に実際に発生している磁束の推定値を求める磁束推定値演算部と、
   前記電力変換器の電圧基準を入力し、定常時に前記変圧器に発生する磁束の設定値を求める磁束設定値演算部と、
   前記電力変換器の前記電圧基準を入力して電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
   前記磁束設定値と前記磁束推定値との差分である磁束偏差量から前記変圧器の補正すべき偏磁量を求める偏磁補正量演算部と、
   前記偏磁補正量演算部で求めた前記偏磁補正量を前記電圧指令値演算部で求めた前記電力変換器の電圧指令値に加算する加算部と、
   を備えたことを特徴とする偏磁抑制制御装置。
2. 前記磁束設定値演算部は基準位相生成部と２相／３相変換器とを備え、前記電力変換器の電圧基準と位相基準から９０°遅れた位相を用いて２相／３相変換を行うことにより前記磁束設定値の演算を行うことを特徴とする請求項１記載の偏磁抑制制御装置。
3. 前記磁束設定値演算部は変換器出力変圧器の持つインピーダンスによる電圧低下分を補正する補正回路を備えていることを特徴とする請求項２記載の偏磁抑制制御装置。
4. 前記磁束推定値演算部は、前記変圧器の検出電圧を積分する積分器と、前記積分器の後段に接続された直流分除去フィルタとを備えていることを特徴とする請求項１記載の偏磁抑制制御装置。
5. 前記偏磁補正量演算は、前記磁束偏差量の大きさを判定するレベル判定器と、前記磁束偏差量が所定のしきい値以上になったときにのみ前記電圧指令値に前記偏磁補正量を加算する切替スイッチとを備えていることを特徴とする請求項１記載の偏磁抑制制御装置。
6. 前記偏磁補正量演算部は前記磁束偏差量にゲインをかけた値を前記偏磁補正量として出力することを特徴とする請求項１記載の偏磁抑制制御装置。
7. 前記偏磁補正量演算部は、前記磁束偏差量のほかに偏磁を検出した相の電力変換器電流を用いて前記偏磁補正量を求めることを特徴とする請求項６記載の偏磁抑制制御装置。
8. 偏磁抑制制御中は前記電力変換器の電圧一定制御を活かさないようにする活殺回路を備えていることを特徴とする請求項１記載の偏磁抑制制御装置。
9. 偏磁抑制制御を制御開始から電源周期の整数倍の期間だけ動作させるタイマ回路を備えていることを特徴とする請求項１記載の偏磁抑制制御装置。

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