JP6253258B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本実施形態は、無効電力を注入又は吸収する電力変換装置に関する。

長距離送電系統の定電圧制御や系統安定化対策として電力系統の無効電力を調整する無効電力補償装置が活用されている。系統電圧は、有効電力よりも系統内の無効電力の量に深く関与する。そこで、無効電力補償装置は、例えば系統電圧が低いと無効電力を系統内に注入し、逆の場合には無効電力を吸収する。この無効電力補償装置は、電力系統における定電圧制御、系統安定化、調相の他、負荷に対する電圧フリッカの抑制や負荷不平衡の補償等の目的でも既に広く用いられている。

近年、大規模洋上風力発電や太陽光発電などの再生可能エネルギーによる電力供給設備が次々に建設され、今後も普及していくことが予想されている。但し、それらの大規模再生可能エネルギー発電所から大都市などの消費地まで大電力を長距離に送電しようとした場合、交流送電網のインピーダンスによる位相変化や電圧上昇により、送電線の不安定などが発生し一定容量以上は送電できない問題が発生することが懸念されている。そのため、無効電力補償装置の適用範囲はますます拡がりつつある。

無効電力補償装置としては、電力系統に対して絶縁トランスを介して接続されるインバータを有し、交流系統を安定化させる方向及び位相の無効電流を生成して電力系統へ供給し、電力系統の電圧調整に供するものがある。インバータは、直流コンデンサを直流電圧源として備え、スイッチング素子のオンオフにより直流コンデンサの直流を交流へ変換する。このインバータとしては、３相２レベルインバータや３相３レベルインバータが多用されている。特に３相２レベルインバータを用いた無効電力補償装置は、直流から３相交流を出力する電力変換装置を構成する上で必要最小限の半導体スイッチング素子６個で構成されるため、小型低コスト化を図ることが出来る。

しかしながら、３相２レベルインバータを用いた場合、その出力電圧波形は、入力直流電圧をＶｄｃとしたとき、各相ごとに、＋Ｖｄｃ／２と、−Ｖｄｃ／２の２値の切替をＰＷＭ制御によるパルス幅変調で行い、擬似的な交流波形となる。そうすると、高耐圧のスイッチング素子を使用しているためにＰＷＭスイッチング周波数を高く出来ない無効電力補償装置では、スイッチング高調波低減のために、３相交流出力にリアクトルやコンデンサで構成されるフィルタを挿入する必要が生じていた（例えば、特許文献１参照。）。

このフィルタは、電力系統に流れ出す高調波成分が他の機器に悪影響を及ぼさないレベルまで低減するために大きなフィルタ容量を有するものが必要とされ、無効電力補償装置のコスト向上及び重量増加を招いていた。

そこで、複数のインバータを直列接続することで細かい電圧ステップを出力できるようにし、多段の階段状の電圧波形を出力する無効電力補償装置が研究開発の段階にある。出力電圧及び出力電流の波形が多レベル化により正弦波に近づけば、スイッチング高調波低減のためのフィルタを不要とすることができるメリットも生じるからである。

但し、複数のインバータを直列接続すると、各直流コンデンサの電圧バランス制御が至難となる問題がある。各直流コンデンサの電圧アンバランスが発生すると、所望の出力電圧が得られないだけでなく、各スイッチング素子に印加される電圧が最大定格電圧を超え、スイッチング素子をはじめとする無効電力補償装置の各所の破壊をもたらす虞がある。

そこで、複数のインバータを直列接続する場合、各相のインバータ群をデルタ結線し、デルタ結線内の循環電流を制御することにより、各相間及び各段間の直流コンデンサの電圧バランスを図る手法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。

特開２００３−１８９４７４号 特開２０１１−４５２１０号

複数のインバータを直列接続してなる電源回路により高調波成分を低減させるといっても、その電圧波形は理想的な正弦波とはならずに多段の階段状である。すなわち、高調波電圧は含有されている。そして、各相電圧の基本波成分の和については、振幅が等しく、且つ位相が互いに１２０°シフトするよう制御されている場合にはゼロとなり得る。しかしながら、高調波成分についてはゼロにはならない。

そうすると、複数のインバータを直列接続した無効電力補償装置であっても、デルタ結線内のリアクタンスがゼロであれば、電源回路が出力する電圧の高調波成分に起因してデルタ結線内に過大な短絡循環電流が流れてしまい、スイッチング素子をはじめとする無効電力補償装置の各所の破壊をもたらす虞がある。

従って、複数のインバータを直列接続してデルタ結線内に設ける無効電力補償装置では、短絡電流が過大にならないように制限を加えるべく、各相にバッファリアクトルが必要となっていた。バッファリアクトルには無効電力補償装置の本来機能を満足すべくコンデンサの直流充放電電流が流れるため、バッファリアクトルの鉄心は、この直流充放電電流によって生じる直流磁束で磁気飽和を起こさないように大断面積又は多巻線数が必要となり、その体積及び重量は大きいものとなってしまう。

すなわち、デルタ結線内の各相に複数のインバータを直列接続して設ける無効電力補償装置は、高調波抑制フィルタを不要とできるものの、引き替えとしてバッファリアクトルを必要とするため、装置の大型化及び高コスト化の抑制には至らなかった。

本実施形態は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、高調波抑制フィルタ及びバッファリアクトルの何れも不要とする電力変換装置を提供することを目的とする。

本実施形態の電力変換装置は、三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する電力変換装置であって、直流電圧源を含み、この直流電圧源の直流を交流に変換する単位変換器と、前記単位変換器を複数直列接続してなる各相の電源回路部と、前記各相の電源回路部をデルタ結線して構成されるデルタ結線部と、前記デルタ結線部の回路上に巻線が挿入された、前記三相交流系統と前記デルタ結線部とを絶縁する絶縁トランスと、を備え、前記単位変換器は、自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に２個接続したレグを２つとコンデンサとを並列に接続してなり、前記各相の電源回路部は、前記単位変換器をそれぞれ複数直列接続した一対のアームを有し、一方のアームの一端は、３巻線の前記絶縁トランスの二次巻線の正側に接続され、他方のアームの一端は、前記３巻線の絶縁トランスの三次巻線の正側に接続され、前記一方のアームの他端は、他相の前記他方のアームの他端と接続され、前記二次巻線と前記三次巻線の負側は、各相及び３相間で互いに接続され、前記３巻線の絶縁トランスの一次巻線は、正側が前記三相交流系統に接続され、負側が３相間で互いに接続されていることを特徴とする。

各無効電力補償装置の概略構成図である。 Ｈブリッジ単位変換器の構成図である。 第１の実施形態に係る無効電力補償装置の構成図である。 第１の実施形態に係る無効電力補償装置の等価回路図の一部である。 第２の実施形態に係る無効電力補償装置の絶縁トランスを示す構成図である。 第３の実施形態に係る無効電力補償装置の構成図である。

（第１の実施形態）
（構成）
以下、無効電力補償装置の第１の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、第１の実施形態に係る無効電力補償装置の構成図である。この無効電力補償装置１は、３相５０／６０Ｈｚの交流系統に対して、絶縁トランス２を介した無効電流の注入又は吸収を行う電力変換装置である。交流系統の電圧が低いと無効電力を交流系統に注入し、交流系統の電圧が高いと無効電力を交流系統から吸収することにより、交流系統のインピーダンスを利用して交流系統の電圧を調整する。

この無効電力補償装置１はデルタ結線部３を備える。デルタ結線部３の各相には、多段階段波形の相電圧を出力する電源回路部４が設けられている。交流系統とデルタ結線部３とを絶縁する絶縁トランス２は、このデルタ結線部３内部に設けられている。電源回路部４は、直列接続されたＨブリッジ単位変換器５群である。

Ｈブリッジ単位変換器５は、図２に示すように、スイッチ５２を直列に２個接続したレグ５１を２つと直流コンデンサ５３とを並列に接続してなる。スイッチ５２は、オン時には一方向に電流を流すＩＧＢＴ等の自己消弧型の半導体スイッチング素子と、この半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードとにより構成される逆導通スイッチである。例えば、ＧＴＯ、ＧＣＴ、又はＭＯＳＦＥＴ等のように、自己消弧型素子であって、オンオフ制御可能なスイッチング素子であれば、ＩＧＢＴに代えて代用可能である。

より詳細には、図３に示すように、各相の電源回路部４は、それぞれＮ個のＨブリッジ単位変換器５を有する正側アーム４Ｕｐ、４Ｖｐ、４Ｗｐと負側アーム４Ｕｎ、４Ｖｎ、４Ｗｎであり、その間に、絶縁トランス２の一次巻線２１以外の二次巻線２２や三次巻線２３等の巻線が挿入されている。換言すると、それぞれＮ個のＨブリッジ単位変換器５を有するＵＷ相の電源回路部４とＷＶ相の電源回路部４とＶＵ相の電源回路部４との間のそれぞれに絶縁トランス２の一次巻線２１以外の二次巻線２２や三次巻線２３等の巻線が挿入されている。本実施形態はＮ＝４の例である。

すなわち、絶縁トランス２は、３機の単相３巻線トランスで構成されている。一次側はスター結線、二次及び三次は直列接続された上でデルタ結線部３内に挿入される。Ｕ相単相３巻線トランスの一次巻線２１の正側は交流系統のＲ相に接続され、Ｖ相単相３巻線トランスの一次巻線２１の正側は交流系統のＳ相に接続され、Ｗ相単相３巻線トランスの一次巻線２１の正側は交流系統のＴ相に接続される。各相の単相３巻線トランスの一次巻線２１の負側は、互いに接続される。

そして、Ｕ相正側アーム４Ｕｐの１端は、Ｕ相単相３巻線トランスの二次巻線２２の正側に接続され、Ｕ相負側アーム４Ｕｎの１端は、Ｕ相単相３巻線トランスの三次巻線２３の正側に接続される。同様に、Ｖ相正側アーム４Ｖｐの一端は、Ｖ相単相３巻線トランスの二次巻線２２の正側に接続され、Ｖ相負側アーム４Ｖｎの一端は、Ｖ相単相３巻線トランスの三次巻線２３の正側に接続される。また、Ｗ相正側アーム４Ｗｐの一端は、Ｗ相単相３巻線トランスの二次巻線２２の正側に接続され、Ｗ相負側アーム４Ｗｎの一端は、Ｗ相単相３巻線トランスの三次巻線２３の正側に接続される。

また、Ｕ相正側アーム４Ｕｐの絶縁トランス２に接続されていない側の一端と、Ｗ相負側アーム４Ｗｎの絶縁トランス２に接続されていない側の一端とが接続される。同様に、Ｖ相正側アーム４Ｖｐの絶縁トランス２に接続されていない側の一端と、Ｕ相負側アーム４Ｕｎの絶縁トランス２に接続されていない側の一端とが接続される。また、Ｗ相正側アーム４Ｗｐの絶縁トランス２に接続されていない側の一端と、Ｖ相負側アーム４Ｖｎの絶縁トランス２に接続されていない側の一端とが接続される。

更に、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相、それぞれの単相３巻線の絶縁トランス２の二次巻線２２と三次巻線２３の負側が接続され、３相間でも当該負側が互いにそれぞれ接続される。

（作用）
この無効電力補償装置１は、制御回路（不図示）により、同相のＨブリッジ単位変換器５が同位相の正弦波の電圧を出力し、また各相のＨブリッジ単位変換器５が１２０度シフトの正弦波の電圧を出力するように、スイッチング素子のオンオフを制御する。

すなわち、無効電力補償装置１には、交流系統に出力する無効電流指令値ＩｄＲｅｆ、Ｈブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧を一定に保つために交流系統から損失分を補償する有効電流指令値ＩｑＲｅｆが入力される。

無効電力補償装置１の制御回路は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の絶縁トランス２の一次巻線２１の交流電流を検出し、系統電圧交流同期のｄｑ座標軸変換した結果である無効電流検出値Ｉｄ及び有効電流検出値Ｉｑとが、それぞれの指令値ＩｄＲｅｆ及びＩｑＲｅｆと一致するようにフィードバック制御してｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑを算出し、これらｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑをｄｑ逆座標変換してＵ相電圧指令値ＶｕＲｅｆ、Ｖ相電圧指令値ＶｖＲｅｆ、及びＷ相電圧指令値ＶｗＲｅｆを演算する。

次に、無効電力補償装置１の制御回路は、Ｈブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧の不平衡を抑制するための循環電流Ｉ０を演算する。

ここで、Ｕ相正側アーム４ＵｐのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値、Ｕ相負側アーム４ＵｎのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値、Ｖ相正側アーム４ＶｐのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値、Ｖ相負側アーム４ＶｎのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値、Ｗ相正側アーム４ＷｐのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値、Ｗ相負側アーム４ＷｎのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値、及び全Ｈブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値を以下の通りとする。

Ｕ相正側アームのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：ＶｕＰ＿Ｃａｖｅ
Ｕ相負側アームのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：ＶｕＮ＿Ｃａｖｅ
Ｖ相正側アームのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：ＶｖＰ＿Ｃａｖｅ
Ｖ相負側アームのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：ＶｖＮ＿Ｃａｖｅ
Ｗ相正側アームのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：ＶｗＰ＿Ｃａｖｅ
Ｗ相負側アームのＨブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：ＶｗＮ＿Ｃａｖｅ
全Ｈブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値：Ｖ＿Ｃａｖｅ

全Ｈブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧平均値は、各相各アームのコンデンサ電圧平均値を平均して求められる。すなわち、制御回路は、Ｖ＿Ｃａｖｅ＝（ＶｕＰ＿Ｃａｖｅ＋ＶｕＮ＿Ｃａｖｅ＋ＶｖＰ＿Ｃａｖｅ＋ＶｖＮ＿Ｃａｖｅ＋ＶｗＰ＿Ｃａｖｅ＋ＶｗＮ＿Ｃａｖｅ）／６を演算する。

そして、制御回路は、循環電流指令値Ｉ０Ｒｅｆを以下式Ａの演算により求める。尚、式中、Ｇ（ｓ）は制御ゲイン、ｓはラプラス演算子であり、Ｇ（ｓ）に対する乗算部分は誤差信号であり、演算式は制御入力であるＩ０ＲｅｆをＰ制御、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御等のフィードバック制御により求める。

（式Ａ）
Ｉ０Ｒｅｆ＝Ｇ（ｓ）×｛（（ＶｕＰ＿Ｃａｖｅ＋ＶｗＮ＿Ｃａｖｅ）／２−Ｖ＿Ｃａｖｅ）×ｓｉｎ（ωｔ＋π／６）
＋（（ＶｖＰ＿Ｃａｖｅ＋ＶｕＮ＿Ｃａｖｅ）／２−Ｖ＿Ｃａｖｅ）×ｓｉｎ（ωｔ＋π／６−２π／３）
＋（（ＶｗＰ＿Ｃａｖｅ＋ＶｖＮ＿Ｃａｖｅ）／２−Ｖ＿Ｃａｖｅ）×ｓｉｎ（ωｔ＋π／６＋２π／３）｝

更に、制御回路は、循環電流Ｉ０が循環電流指令値Ｉ０Ｒｅｆと一致するためのフィードバック制御により、コンデンサ電圧のバランスを図るためのデルタ結線部３内の正弦波電圧指令値Ｖ０Ｒｅｆを以下式Ｂの演算により求める。尚、式中、Ｈ（ｓ）は制御ゲイン、ｓはラプラス演算子であり、Ｈ（ｓ）に対する乗算部分は誤差信号であり、演算式は制御入力であるＶ０ＲｅｆをＰ制御、ＰＩ制御又はＰＩＤ制御等のフィードバック制御により求める。

（式Ｂ）
Ｖ０Ｒｅｆ＝Ｈ（ｓ）×（Ｉ０Ｒｅｆ−Ｉ０）

そして、制御回路は、先の系統電圧調整のための３相電圧指令値ＶｕＲｅｆ、ＶｖＲｅｆ、ＶｗＲｅｆにコンデンサ電圧バランス制御のための電圧指令値Ｖ０Ｒｅｆを加算して、各Ｈブリッジ単位変換器５が出力する電圧を決定し、スイッチング素子をＰＷＭ制御する。

すなわち、制御回路は、Ｕ相正側アーム４ＵｐのＨブリッジ単位変換器５の電圧ＶｕＰ、Ｕ相負側アーム４ＵｎのＨブリッジ単位変換器５の電圧ＶｕＮ、Ｖ相正側アーム４ＶｐのＨブリッジ単位変換器５の電圧ＶｖＰ、Ｖ相負側アーム４ＶｎのＨブリッジ単位変換器５の電圧ＶｖＮ、Ｗ相正側アーム４ＷｐのＨブリッジ単位変換器５の電圧ＶｗＰ、Ｗ相負側アーム４ＷｎのＨブリッジ単位変換器５の電圧ＶｗＮについて以下の演算を行う。尚、各式中の差分の項はデルタ結線中の接続関係を加味したものである。

ＶｕＰ＝ＶｕＲｅｆ−ＶｗＲｅｆ＋Ｖ０Ｒｅｆ
ＶｕＮ＝ＶｕＲｅｆ−ＶｖＲｅｆ−Ｖ０Ｒｅｆ
ＶｖＰ＝ＶｖＲｅｆ−ＶｕＲｅｆ＋Ｖ０Ｒｅｆ
ＶｖＮ＝ＶｖＲｅｆ−ＶｗＲｅｆ−Ｖ０Ｒｅｆ
ＶｗＰ＝ＶｗＲｅｆ−ＶｖＲｅｆ＋Ｖ０Ｒｅｆ
ＶｗＮ＝ＶｗＲｅｆ−ＶｕＲｅｆ−Ｖ０Ｒｅｆ

このような無効電力補償装置１では、同相のＨブリッジ単位変換器５が同位相の正弦波の電圧を出力し、また各相のＨブリッジ単位変換器５が１２０度シフトの正弦波の電圧を出力するように、スイッチング素子のオンオフを制御され、交流系統に出力する無効電流、Ｈブリッジ単位変換器５のコンデンサ電圧を一定に保つために交流系統から損失分を補償する有効電流が生成される。

そして、その出力電圧の正弦波は、厳密には多段の階段状となっており、各相電圧の和を取っても零にはならない高調波成分が含まれている。但し、この無効電力補償装置１は、絶縁トランス２の各巻線に生ずる漏れインダクタンスを従来のバッファリアクトルのリアクタンス代わりに利用して、循環電流の急増を抑制している。

すなわち、この回路方式では、循環電流の経路に絶縁トランス２の巻線２２、２３が存在しており、各相の単相３巻線の絶縁トランス２において、二次巻線２２と三次巻線２３には、それぞれ相互誘導に関与しない漏れインダクタンスが結合係数に応じて発生する。この漏れインダクタンス成分は、循環電流が流れるデルタ結線部３において、図４に示すように、二次巻線２２と三次巻線２３に隣接してリアクタンス６が発生した状況と等価の回路を作り出すこととなる。そのため、バッファリアクトルの無いデルタ結線部３においても、デルタ結線部３内にリアクタンスを生じさせ、循環電流の急増は抑制される。

（効果）
以上のように、第１の実施形態に係る電力変換装置は、Ｈブリッジ単位変換器５を複数直列接続してなる各相の電源回路部４をデルタ結線してデルタ結線部３を構成し、三相交流系統と当該デルタ結線部３とを絶縁する絶縁トランス２の巻線２２、２３をデルタ結線部３の回路上に挿入するようにした。この電力変換装置は、例えば三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する無効電力補償装置として適用される。

これにより、高調波抑制フィルタなしに低高調波の電圧電流波形を出力することができるとともに、バッファリアクトルのような高コスト・大型のリアクトルを設置すること無しに、直流循環電流の急増を抑制して単位ユニットのコンデンサ電圧の平均値を一定に制御することが可能になり、小型の電力変換器を提供することが可能になる。

尚、以上のように、絶縁トランス２をデルタ結線部３内に挿入し、漏れインダクタンスを利用してデルタ結線部３にリアクタンスを生じさせればよいため、デルタ結線部３内に直列接続される巻線は少なくとも一つあればよく、また其の巻線挿入箇所も正側アーム４Ｕｐ、４Ｖｐ、４Ｗｐと負側アーム４Ｕｎ、４Ｖｎ、４Ｗｎとの間の他、各相の入力端部や出力端部とすることもできる。

（第２の実施形態）
絶縁トランス２は、第１の実施形態のように３機の単相３巻線トランスを用いる等、各種構造を採用するができる。例えば、各相において２つの単相トランスを用いて構成することもできる。

また、図５に示すように、絶縁トランス２は３脚が共通磁路で接続された鉄心２ａを有する３相３脚トランスとすることもできる。３相３脚トランスでは、各脚を各相に対応させ、一次側１巻線、二次側２巻線とし、二次側２巻線の一つは二次巻線２２として用いて正側アーム４Ｕｐ、４Ｖｐ、４Ｗｐと接続し、他方は三次巻線２３として用いて負側アーム４Ｕｎ、４Ｖｎ、４Ｗｎと接続する。

絶縁トランス２が３相３脚トランスである場合、各相の直流コンデンサ５３が発生させる充放電電流が少なくとも基本波成分において１２０度シフトしているために、その充放電電流により生じる直流磁束は共通磁路で相互に打ち消し合う。そのため、鉄心２ａに直流偏磁が起こりにくく、磁気飽和し難くなり、絶縁トランス２の鉄心２ａを小型化することができる。また、各相２脚の計６脚の鉄心が各相１脚の計三脚の鉄心２ａとなるため、この点においても絶縁トランスの小型化が達成される。

尚、単相トランスを用いる場合であっても、各相それぞれ２つの単相トランスの鉄心２ａを共通化する構成とし、各相の鉄心２ａに一次巻線２１、二次巻線２２、及び三次巻線２３を巻設する構成であれば、直流コンデンサ５３の直流充放電電流により発生する直流磁束が相互に打ち消しあうことになる。そのため、鉄心２ａには直流偏磁が起こりにくくなり、磁気飽和し難くなるため、絶縁トランス２の鉄心２ａを小型化できる。例えば二次巻線２２と三次巻線２３とを逆極性となるように巻設するようにしてもよい。

（第３の実施形態）
Ｈブリッジ単位変換器５の直流コンデンサ５３に対する初期充電について説明する。直流コンデンサ５３に対する初期充電については各種態様を採用することができ、例えば、長距離送電系統のような基幹系統から抵抗と遮断器を介して初期充電電力の供給を受けることもできる。

また、図６に示すように、基幹系統とは別の低電圧交流電源７から初期充電電力の供給を受けるようにすることもできる。すなわち、図６に示すように、この無効電力補償装置１では、デルタ結線部３内に設けられた絶縁トランス２に四次巻線２４を追加し、この四次巻線２４と低電圧交流電源７とを遮断器８と抵抗９を介して接続している。

絶縁トランス２の四次巻線２４は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相それぞれの単相トランスの４つ目の巻線である。四次巻線２４のＲ相、Ｓ相、Ｔ相のそれぞれの正側端子が低電圧交流電源７に接続される。四次巻線２４のＲ相正側の端子はＴ相負側の端子に接続し、Ｓ相正側の端子はＲ相負側端子、Ｔ相正側端子はＳ相負側端子に接続することにより、デルタ結線された構成となる。

低電圧交流電源７は例えば３．３ｋＶなどの一般電源を用いることができ、または、インバータなどの可変電圧電源を用いることもできる。抵抗９は低電圧交流電源からの突入電流を抑制するために用いられる。

この四次巻線２４と低電圧交流電源７とによる直流コンデンサ５３の初期充電時の動作は以下の通りとなる。尚、無効電力補償装置１の起動時は、Ｈブリッジ単位変換器５の直流コンデンサ５３が全て放電されており、ゼロ電圧となっている。

まず、無効電力補償装置１の起動時において、一次巻線２１側の遮断器は解放状態とし、最初に四次巻線２４側の遮断器８を投入する。そうすると、低電圧交流電源７からの供給電力は、抵抗９、絶縁トランス２の四次巻線２４、二次巻線２２、そして三次巻線２３を通過しながら、Ｈブリッジ単位変換器５の直流コンデンサ５３に充電される。

そして、抵抗９の抵抗値ＲとＨブリッジ単位変換器５の直流コンデンサ５３の直列数分の合計容量Ｃとで決まる時定数Ｔ＝Ｃ×Ｒ（秒）より長い時間で充電されたのち、低電圧交流電源７に接続されている遮断器８を投入する。その後、無効電力補償装置１を通常運転動作に移行させる。

基幹系統から抵抗と遮断器を介して初期充電電力の供給を受ける場合、その抵抗は、基幹系統を由来とする突入電流を抑制できるように高定格電圧のタイプが必要となり、無効電力補償装置１のコストアップが避けられない。しかしながら、本実施形態のように、四次巻線２４を追加し、低電圧交流電源７と接続し、低電圧交流電源７から直流コンデンサ５３への充電電力の供給を受けるようにすれば、低電圧交流電源７と四次巻線２４との間に介在させる抵抗９の定格電圧は低く設定できる。従って、無効電力補償装置１のコストダウンを図ることができる。

（その他の実施の形態）
本明細書においては、本発明に係る複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図していない。具体的には、第１乃至第３の実施形態を全て又は一部を組み合わせたものも包含される。以上のような実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１ 無効電力補償装置
２ 絶縁トランス
２ａ 鉄心
２１ 一次巻線
２２ 二次巻線
２３ 三次巻線
２４ 四次巻線
３ デルタ結線部
４ 電源回路部
４Ｕｐ Ｕ相正側アーム
４Ｕｎ Ｕ相負側アーム
４Ｖｐ Ｖ相正側アーム
４Ｖｎ Ｖ相負側アーム
４Ｗｐ Ｗ相正側アーム
４Ｗｎ Ｗ相負側アーム
５ Ｈブリッジ単位変換器
５１ レグ
５２ スイッチ
５３ 直流コンデンサ
６ リアクタンス
７ 低電圧交流電源
８ 遮断器
９ 抵抗

Claims (5)

1. 三相交流系統に対して無効電力を注入又は吸収する電力変換装置であって、
   直流電圧源を含み、この直流電圧源の直流を交流に変換する単位変換器と、
   前記単位変換器を複数直列接続してなる各相の電源回路部と、
   前記各相の電源回路部をデルタ結線して構成されるデルタ結線部と、
   前記デルタ結線部の回路上に巻線が挿入された、前記三相交流系統と前記デルタ結線部とを絶縁する絶縁トランスと、
   を備え、
   前記単位変換器は、自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に２個接続したレグを２つとコンデンサとを並列に接続してなり、
   前記各相の電源回路部は、前記単位変換器をそれぞれ複数直列接続した一対のアームを有し、
   一方のアームの一端は、３巻線の前記絶縁トランスの二次巻線の正側に接続され、
   他方のアームの一端は、前記３巻線の絶縁トランスの三次巻線の正側に接続され、
   前記一方のアームの他端は、他相の前記他方のアームの他端と接続され、
   前記二次巻線と前記三次巻線の負側は、各相及び３相間で互いに接続され、
   前記３巻線の絶縁トランスの一次巻線は、正側が前記三相交流系統に接続され、負側が３相間で互いに接続されていること、
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記各相の電源回路部は、前記単位変換器をそれぞれ複数直列接続した正側アームと負側アームとを有し、
   前記３巻線の絶縁トランスは、前記三相交流系統側の一次巻線と、二次巻線及び三次巻線を有し、
   前記正側アームと前記負側アームとの間の前記デルタ結線部内に前記二次巻線及び前記三次巻線が直列接続して介挿されていること、
   を特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記絶縁トランスは、各巻線が共通に巻設された鉄心を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至２の何れかに記載の電力変換装置。
4. 前記絶縁トランスは、３相３脚トランスであり、３相に共通の共通磁路を有すること、
   を特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の電力変換装置。
5. 前記絶縁トランスは、デルタ結線された四次巻線を有し、
   前記四次巻線は、遮断器及び抵抗を介して低電圧交流電源に接続されること、
   を特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の電力変換装置。
   

Images