JP6289825B2 - 発電機励磁装置および電力変換システム - Google Patents

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Description

本発明の実施形態は、発電機励磁装置および電力変換システムに関する。
発電機速度を可変とする発電システム、例えば水力発電システムでは巻線型誘導発電機が用いられる。この巻線型誘導発電機の２次側となる回転子側からの励磁周波数を制御することにより、発電機の回転速度を制御する。発電機の出力について可変周波数／可変電圧振幅とするために、近年では、２次励磁電源には半導体電力変換装置が用いられる場合が殆どである。
従来の２次励磁電源用の半導体電力変換装置には大電力・高電圧が要求される。このため、複数の電力変換装置を直列もしくは並列に組み合わせた上で、結合用の特殊なリアクトルや変圧器を用いる必要があった。
このような特殊な部品を不要とするために、半導体電力変換装置に単相出力の中性点クランプ形（ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped））のインバータ（直流→交流電力変換装置）３台を用いてフルブリッジ構成とした回路方式がある。
特開平９−１８２４５１号公報
上述した単相出力のＮＰＣインバータの出力電力は、出力電圧周波数の２倍の周期で脈動する。この影響により、ＮＰＣインバータとコンバータとの間の直流リンクコンデンサの電圧としての直流リンク電圧も同じ周期で変動する。
２次励磁電源の出力周波数は最高でも数Ｈｚ程度と非常に低いため、変動電圧幅が大きくなる。この大きい変動を回避するために直流リンクコンデンサの容量を大きくすることが考えられる。しかし、直流リンクコンデンサの容量を大きくすると、装置の大型化や高コスト化を免れることができない。
本発明が解決しようとする課題は、直流リンクコンデンサの容量を大きくせずに直流リンク電圧の変動を低減することが可能な発電機励磁装置および電力変換システムを提供することにある。
実施形態によれば、発電機励磁装置は、回転子の三相の巻線を電気的に独立させた巻線型誘導発電機の前記回転子の三相の巻線に電気的に接続されて直流と交流を双方向に変換する複数の第１の電力変換装置と、第１の電力変換装置の直流側と三相交流電源との間で直流と交流を双方向に変換する第２の電力変換装置とを備え、複数の第１の電力変換装置の直流側を共通させて第２の電力変換装置の直流側に電気的に接続する。
本発明によれば、発電機励磁装置の直流リンクコンデンサの容量を大きくせずに直流リンク電圧の変動を低減することができる。
第１の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムの回路構成例を示す図。 第２の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムの２次側過電圧保護（ＯＶＰ）回路の設置例を示す図。 第３の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムの２次側過電圧保護回路の設置例を示す図。
以下、実施形態について、図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態について説明する。
図１は、第１の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムの回路構成例を示す図である。
第１の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムでは、三相交流電源１と巻線型誘導発電機２とを有する。このシステムでは、三相交流負荷としての巻線型誘導発電機２の励磁巻線に印加する電圧の周波数を制御する事で、巻線型誘導発電機２の回転速度を制御する。
従来技術における通常の巻線型誘導発電機では、回転子側の三相の励磁巻線の結線がスター（星型）結線とされている。これに対し、本実施形態においては、図１に示すように、巻線型誘導発電機２の三相の励磁巻線の結線を、各相の巻線が電気的に独立したオープンスター結線とする。
巻線型誘導発電機２の各相の励磁巻線の両端は、単相フルブリッジ型のインバータユニットを構成する２つのレグにそれぞれ接続される。
この２次励磁システムの各相の計３台の単相フルブリッジインバータは、同一の直流リンク部に接続される。
この直流リンク部への電力の供給は、通常の３相交直半導体電力変換装置（ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)整流器）により行われる。
この２次励磁システムは、巻線型誘導発電機２からみて、巻線型誘導発電機２の各相に対応したインバータユニットが、少なくとも１台のコンバータユニットに電気的に接続される。このコンバータユニットは、コンバータトランスに電気的に接続される。
三相交流電源１からの三相交流電圧Ｅはコンバータユニットにより直流電圧に一旦変換される。さらに、インバータユニットは、この直流電圧を任意の周波数による任意の交流電圧に変換して巻線型誘導発電機２の励磁巻線に供給する。本実施形態では、電力系統の三相をＲＳＴ相と呼び、巻線型誘導発電機２の三相をＵＶＷ相と呼ぶ。
図１に示した例では、この２次励磁システムでは、三相交流電圧Ｅを直流電圧に変換するための第１のコンバータトランスTR1と、第１のコンバータユニットCNV1とが直列接続される。また、三相交流電圧Ｅを直流電圧に変換するための第２のコンバータトランスTR2と、第２のコンバータユニットCNV2とが直列接続される。
コンバータユニットの構成について、第１のコンバータユニットCNV1を例として説明する。第２のコンバータユニットCNV2の構成も同様である。
第１のコンバータユニットCNV1は、三相の中性点クランプ（ＮＰＣ）形である。そして、このコンバータユニットCNV1は、ＲＳＴ相の各相に応じた３つのＮＰＣレグが並列接続されて三相ハーフブリッジ構成をなす。コンバータユニットCNV1の３つのＮＰＣレグのそれぞれの中性点の出力端子は第１のコンバータトランスTR1の直流巻線に接続される。コンバータユニットCNV1は、直流電圧端子を有する。この直流電圧端子は、高電位側端子、中性点側端子、低電位側端子でなる。コンバータユニットCNV1の高電位側端子と中性点側端子との間には直流リンクコンデンサC1が設けられ、中性点側端子と低電位側端子との間には直流リンクコンデンサC2が設けられる。
第２のコンバータユニットCNV2の高電位側端子は第１のコンバータユニットCNV1の高電位側端子に接続される。
第２のコンバータユニットCNV2の中性点側端子は第１のコンバータユニットCNV1の中性点側端子に接続される。
第２のコンバータユニットCNV2の低電位側端子は第１のコンバータユニットCNV1の低電位側端子に接続される。つまり、それぞれのコンバータユニットは、インバータユニットとコンバータユニットとの間の同一の直流リンク部に接続される。
次に、インバータユニットの構成について、Ｕ相のインバータユニットINVUを例として説明する。Ｖ相のインバータユニットINVVの構成やＷ相のインバータユニットINVWの構成も同様である。
Ｕ相のインバータユニットINVUは、コンバータユニットCNV1と同じく中性点クランプ（ＮＰＣ）形である。そして、このインバータユニットINVUは、２つのＮＰＣレグが並列接続されてフルブリッジ構成をなす。インバータユニットINVUの高電位側端子と中性点側端子の間には、直流リンクコンデンサCUPが設けられる。また、インバータユニットINVUの中性点側端子と低電位側端子との間には、直流リンクコンデンサCUNが設けられる。
Ｖ相のインバータユニットINVVやＷ相のインバータユニットINVWの高電位側端子は、Ｕ相のインバータユニットINVUの高電位側端子に接続される。
Ｖ相のインバータユニットINVVやＷ相のインバータユニットINVWの中性点側端子は、Ｕ相のインバータユニットINVUの中性点側端子に接続される。
Ｖ相のインバータユニットINVVやＷ相のインバータユニットINVWの低電位側端子は、Ｕ相のインバータユニットINVUの低電位側端子に接続される。つまり、各相のインバータユニットは、インバータユニットとコンバータユニットとの間の同一の直流リンク部に接続される。
ＵＶＷ相の各相のコンバータトランス、コンバータユニット、インバータユニットの電圧・電流定格は、各相の間で全て同じであるとする。
コンバータトランスTR1、TR2の交流巻線は、コンバータトランスTR1、TR2の順に直列接続される。また、各相の電力変換装置における図１中の最下段のコンバータトランスをコンバータトランスTR2とする。また、図１に示した最上段のコンバータトランスTR1は三相交流電源１に接続される。この構成により、各コンバータユニットCNV1、CNV2の電力系統への出力電圧を加算した電圧が電力系統に出力される。
また、各相のインバータユニットから巻線型誘導発電機２への２つの出力端子は巻線型誘導発電機２の三相の各相に対応する端子にそれぞれ接続される。
次に、図１に示したインバータユニットの詳細構成を説明する。ここでは、Ｕ相を例として説明するが、Ｖ相やＷ相のインバータユニットの構成も同様である。
図１に示したＵ相のインバータユニットINVUは８つのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4を有する。また、このインバータユニットINVUは、８つの還流ダイオードDUA1、DUA2、DUA3、DUA4、DUB1、DUB2、DUB3、DUB4を有する。これらの還流ダイオードは全スイッチング素子にそれぞれ１対１で逆並列接続される。さらに、インバータユニットINVUは、中性点に接続される４つのクランプダイオードDUA5、DUA6、DUB5、DUB6を有する。
これらスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4と還流ダイオードDUA1、DUA2、DUA3、DUA4とクランプダイオードDUA5、DUA6とでインバータユニットINVUの１つ目のレグが構成される。
これらのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4は、インバータユニットINVUの高電位側から低電位側にかけてSUA1、SUA2、SUA3、SUA4の順で直列接続される。クランプダイオードDUA5のアノードはインバータユニットINVU側の中性点に接続され、クランプダイオードDUA5カソードはスイッチング素子SUA1、SUA2の接続点に接続される。クランプダイオードDUA6のカソードはインバータユニットINVU側の中性点に接続され、クランプダイオードDUA6のアノードはスイッチング素子SUA3、SUA4の接続点に接続される。
スイッチング素子SUA1には還流ダイオードDUA1が逆並列接続され、スイッチング素子SUA2には還流ダイオードDUA2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SUA3には還流ダイオードDUA3が逆並列接続され、スイッチング素子SUA4には還流ダイオードDUA4が逆並列接続される。
また、スイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4と還流ダイオードDUB1、DUB2、DUB3、DUB4とクランプダイオードDUB5、DUB6とでインバータユニットINVUの２つ目のレグが構成される。
これらのスイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4は、インバータユニットINVUの高電位側から低電位側にかけてSUB1、SUB2、SUB3、SUB4の順で直列接続される。クランプダイオードDUB5のアノードはインバータユニットINVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUB5のカソードはスイッチング素子SUB1、SUB2の接続点に接続される。クランプダイオードDUB6のカソードはインバータユニットINVU側の中性点に接続される。クランプダイオードDUB6のアノードはスイッチング素子SUB3、SUB4の接続点に接続される。
スイッチング素子SUB1には還流ダイオードDUB1が逆並列接続され、スイッチング素子SUB2には還流ダイオードDUB2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SUB3には還流ダイオードDUB3が逆並列接続され、スイッチング素子SUB4には還流ダイオードDUB4が逆並列接続される。
つまり、インバータユニットINVUは、スイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4が直列接続され、かつ、スイッチング素子SUB1、SUB2、SUB3、SUB4が直列接続されて２つのレグを構成するＮＰＣフルブリッジ電力変換装置である。
また、スイッチング素子SUA2、SUA3の接続点電位VUAとスイッチング素子SUB2、SUB3の接続点電位VUBとの電位差VUA−VUBは、巻線型誘導発電機２へ出力される。この電位差は、PWM電圧を意味する。
次に、図１に示した各コンバータユニットの詳細構成を説明する。
ここでは第１のコンバータユニットCNV1について説明するが、第２のコンバータユニットCNV2の構成も同様である。
第１のコンバータユニットCNV1は、１２個のスイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4、SS1、SS2、SS3、SS4、ST1、ST2、ST3、ST4を有する。このコンバータユニットCNV1は、１２個の還流ダイオードDR1、DR2、DR3、DR4、DS1、DS2、DS3、DS4、DT1、DT2、DT3、DT4を有する。これらの還流ダイオードは、全スイッチング素子にそれぞれ１対１で逆並列接続される。さらに、コンバータユニットCNV1は、このコンバータユニットCNV1側の中性点に接続される６つのクランプダイオードDR5、DR6、DS5、DS6、DT5、DT6を有する。
詳細に述べると、スイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4と還流ダイオードDR1、DR2、DR3、DR4とクランプダイオードDR5、DR6とでコンバータユニットCNV1のＲ相のレグが構成される。
スイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4は、コンバータユニットCNV1の高電位側から低電位側にかけてスイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4の順で直列接続される。
クランプダイオードDR5のアノードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDR5のカソードはスイッチング素子SR1、SR2の接続点に接続される。また、クランプダイオードDR6のカソードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDR6のアノードはスイッチング素子SR3、SR4の接続点に接続される。
スイッチング素子SR1には還流ダイオードDR1が逆並列接続され、スイッチング素子SR2には還流ダイオードDR2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SR3には還流ダイオードDR3が逆並列接続され、スイッチング素子SR4には還流ダイオードDR4が逆並列接続される。
また、スイッチング素子SS1、SS2、SS3、SS4と還流ダイオードDS1、DS2、DS3、DS4とクランプダイオードDS5、DS6とでコンバータユニットCNV1のＳ相のレグが構成される。詳細に述べると、スイッチング素子SS1、SS2、SS3、SS4は、コンバータユニットCNV1の高電位側から低電位側にかけてスイッチング素子SS1、SS2、SS3、SS4の順で直列接続される。
クランプダイオードDS5のアノードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDS5のカソードはスイッチング素子SS1、SS2の接続点に接続される。クランプダイオードDS6のカソードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDS6のアノードはスイッチング素子SS3、SS4の接続点に接続される。
スイッチング素子SS1には還流ダイオードDS1が逆並列接続され、スイッチング素子SS2には還流ダイオードDS2が逆並列接続される。また、スイッチング素子SS3には還流ダイオードDS3が逆並列接続され、スイッチング素子SS4には還流ダイオードDS4が逆並列接続される。
また、スイッチング素子ST1、ST2、ST3、ST4と還流ダイオードDT1、DT2、DT3、DT4とクランプダイオードDT5、DT6とでコンバータユニットCNV1のＴ相のレグが構成される。詳細に述べると、スイッチング素子ST1、ST2、ST3、ST4は、コンバータユニットCNV1の高電位側から低電位側にかけてスイッチング素子ST1、ST2、ST3、ST4の順で直列接続される。
クランプダイオードDT5のアノードはコンバータユニットCNV1の中性点に接続される。クランプダイオードDT5のカソードはスイッチング素子ST1、ST2の接続点に接続される。また、クランプダイオードDT6のカソードはコンバータユニットCNV1側の中性点に接続される。クランプダイオードDT6のアノードはスイッチング素子ST3、ST4の接続点に接続される。
スイッチング素子ST1には還流ダイオードDT1が逆並列接続され、スイッチング素子ST2には還流ダイオードDT2が逆並列接続される。スイッチング素子ST3には還流ダイオードDT3が逆並列接続され、スイッチング素子ST4には還流ダイオードDT4が逆並列接続される。
つまり、コンバータユニットCNV1は、Ｒ相のスイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4とＳ相のスイッチング素子SS1、SS2、SS3、SS4と、Ｔ相のスイッチング素子ST1、ST2、ST3、ST4とを各相のそれぞれについて直列接続して３つのレグを構成する三相ＮＰＣ電力変換装置である。
なお、コンバータユニットCNV1のＲ相のレグの接続点電位VRと、Ｓ相のレグの接続点電位VSと、Ｔ相のレグの接続点電位VTとでなる三相電圧はコンバータトランスTR1の直流巻線へ出力される。
接続点電位VRは、コンバータユニットCNV1のＲ相のレグのスイッチング素子SR2、SR3の接続点電位である。接続点電位VSは、コンバータユニットCNV1のＳ相のレグのスイッチング素子SS2、SS3の接続点電位である。また、接続点電位VTは、コンバータユニットCNV1のＴ相のレグのスイッチング素子ST2、ST3の接続点電位である。
本実施形態では、コンバータユニットCNV1をコンバータトランスTR1の直流巻線側にΔ結線で接続することで、三相の線間電圧VR−VS、VS−VT、VT−VRをコンバータトランスTR1の交流巻線側に出力する。
次に、インバータユニットによる電圧出力方法をＵ相のインバータユニットINVUを例として説明する。
インバータユニットINVUはフルブリッジ構成である。このため、インバータユニットINVUの直流電圧をVDCとすると、インバータユニットINVUは、−VDC、−VDC/2、０、＋VDC/2、＋VDCでなる５レベルの直流電圧を出力できる。
インバータユニットINVUのスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4の駆動方法を述べる。
本実施形態では、図１に示すように制御装置１０を有する。この制御装置１０は、インバータユニットのスイッチング素子に対するＯＮ／ＯＦＦやコンバータユニットのスイッチング素子に対するＯＮ／ＯＦＦを制御する。
インバータユニットINVUは、制御装置１０によるスイッチング素子SUA1、SUA2、SUA3、SUA4、SUB1、SUB2、SUB3、SUB4に対する選択的なＯＮ／ＯＦＦ制御によって、電位差VUA−VUBを巻線型誘導発電機２に出力する。この出力により、巻線型誘導発電機２へは、前述した５レベル、つまり−VDC、−VDC/2、0、＋VDC/2、＋VDCの電圧が印加される。
制御装置１０は、インバータユニットINVU内の１つ目のレグのスイッチング素子SUA1、SUA3をそれぞれ相補的に動作させ、このレグのスイッチング素子SUA2、SUA4をそれぞれ相補的に動作させる。また、本実施形態では、制御装置１０は、インバータユニットINVU内の２つ目のレグのスイッチング素子SUB1、SUB3をそれぞれ相補的に動作させ、このレグのスイッチング素子SUB2、SUB4をそれぞれ相補的に動作させる。
三角波キャリア変調を用いて、制御装置１０からのインバータＵ相電圧指令値VU*に対応したPWM電圧VUA−VUBをインバータユニットINVUから出力させる。
また、インバータユニットINVUに対する電圧指令値の位相と、インバータユニットINVVに対する電圧指令値の位相と、インバータユニットINVWに対する電圧指令値の位相は、120度ずつずれている。
つまり、三角波キャリア変調を用いて、制御装置１０からのインバータＶ相電圧指令値VV*に対応したPWM電圧VVA−VVBをインバータユニットINVVから出力させる。また、三角波キャリア変調を用いて、制御装置１０からのインバータＷ相電圧指令値VW*に対応したPWM電圧VWA−VWBをインバータユニットINVWから出力させる。
このように電圧指令値の位相がずれていること以外は、インバータユニットINVU、INVV、INVWの動作は共通している。
次に、コンバータユニットによる電圧出力方法を第１のコンバータユニットCNV1を例として説明する。第２のコンバータユニットCNV2による電圧出力方法も同様である。
第１のコンバータユニットCNV1は三相ハーフブリッジ構成であるため、系統電圧のＲ相電圧を出力するレグを例として、電力系統の各相についての電圧出力方法を述べる。
コンバータユニットCNV1のＲ相レグは、スイッチング素子SR1、SR2、SR3、SR4に対するＯＮ/ＯＦＦ制御によって電圧を出力する。この際、直流電圧は、−VDC/2、0、＋VDC/2でなる３レベルの電圧となる。
制御装置１０は、第１コンバータユニットCNV1内のＲ相のレグのスイッチング素子SR1、SR3をそれぞれ相補的に動作させ、コンバータユニットCNV1内のＲ相のレグのスイッチング素子SR2、SR4をそれぞれ相補的に動作させる。
次に、コンバータユニットCNV1、CNV2を含めたＲ相電圧VRの出力方法を説明する。
各コンバータトランスTR1、TR2の交流巻線は直列接続されている。このため、Ｒ相電圧VRは各コンバータユニットCNV1、CNV2のＲ相の出力電圧に基づいて求められる。
本実施形態では、インバータユニットの交流側は各相で電気的に独立しているため、各相のインバータユニットを介して短絡ループが構成されることはない。よって、各相のインバータユニットを構成するスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態に特に制限はない。
また、３台の単相のインバータユニットが同一の直流リンク部に接続されているため、励磁回路の周波数が低い場合でも、各相のインバータユニットは、電力の脈動を互いに打ち消しあうように動作する。
このため、直流リンク部に電力を供給するためのコンバータユニット（ＰＷＭ整流器）は、通常のＰＷＭ制御を行なえば、直流リンク電圧を一定に制御することができる。
また、コンバータユニットのスイッチング素子に対する高速な制御を行う必要がなくなるため、この半導体素子のスイッチング周波数を下げることができる。これにより、スイッチング素子に対するスイッチングに伴って発生する損失を低減することが可能となる。
本実施形態では、コンバータユニットの数は特に限られず、交流側の電圧と直流リンク電圧に応じて、直列接続や並列接続を行っても良い。
この実施形態では、中性点クランプ式とした３レベルの半導体電力変換装置を用いている。しかしこれに限らず、出力電圧がさほど高くない場合には、中性点のない２レベルの半導体電力変換装置を用いてもよい。
また、この実施形態では、巻線型誘導発電機２から電力が流出する場合について説明を行った。しかしこれに限らず、巻線型誘導発電機２へ電力を流入させ、この巻線型誘導発電機２から機械的な出力を得る場合にも適用可能である。
（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態について説明する。なお、以下の各実施形態における構成のうち図１に示したものと同一部分の説明は省略する。
第２の実施形態では、第１の実施形態にて説明した回路方式に対して、２次側過電圧保護（ＯＶＰ:Over Voltage Protection）回路を設けている。
図２は、第２の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムの過電圧保護（ＯＶＰ）回路の設置例を示す図である。図２では、２レベルの半導体電力変換装置を用いた例を示す。
図２に示すように、第２の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムででは、巻線型誘導発電機２と各相のインバータユニットとの間にＯＶＰ回路１１，１２，１３が設けられる。
図２に示すように、ＯＶＰ回路１１は、サイリスタなどの半導体素子１１ａ，１１ｂを逆並列に接続したもので構成される。ＯＶＰ回路１２，１３も同様である。
ＯＶＰ回路１１は、巻線型誘導発電機２とＵ相のインバータユニットとの間における、巻線型誘導発電機２のＵ相における励磁巻線と並列に接続する。
ＯＶＰ回路１２は、巻線型誘導発電機２とＶ相のインバータユニットとの間における、巻線型誘導発電機２のＶ相における励磁巻線と並列に接続する。
ＯＶＰ回路１３は、巻線型誘導発電機２とＷ相のインバータユニットとの間における、巻線型誘導発電機２のＷ相における励磁巻線と並列に接続する。
電力系統にて地絡・短絡事故が発生した場合、巻線型誘導発電機２の一次側（固定子側）には、通常運転時よりはるかに大きな電流が流れる場合がある。
この場合、巻線型誘導発電機２の２次側（回転子側）には、電磁誘導作用により過大な電圧が発生する。この場合、励磁回路を構成するインバータユニットを停止させても、このインバータユニット内のスイッチング素子と並列に接続されたダイオードを介して電力が直流リンク部に流入し、この直流リンク部の電圧を上昇させてしまう。
そこで、第２の実施形態では、巻線型誘導発電機２の２次側電圧の振幅もしくは直流リンク部の電圧が、あらかじめ設定された値を超えたことを過電圧検出部１０ａが検出した場合、制御装置１０の停止制御部１０ｂは、各相のインバータユニットのスイッチング素子へのゲート信号を停止させることで、インバータユニットを停止させる。
そして、制御装置１０の停止制御部１０ｂは、各相のＯＶＰ回路１１，１２，１３を構成する半導体素子に点孤指令を与えることで、巻線型誘導発電機２の２次側の巻線を短絡させる。このようにして、直流リンク部への電力の流入を抑えることができる。点弧指令の後は、巻線型誘導発電機２は完全な誘導機として電力系統に接続される。
以上のように、第２の実施形態では、巻線型誘導発電機２の２次側に過大な電圧が発生した場合に、励磁巻線に並列に接続されるＯＶＰ回路を動作させる。これにより、２次励磁システムの直流リンク部に流入する電力を抑えて、直流リンク部の電圧の上昇を抑制することができる。
よって、過電圧によるインバータユニットやコンバータユニット（ＰＷＭ整流器）の素子破壊を回避することができる。
（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態について説明する。
図３は、第３の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムのＯＶＰ回路の設置例を示す図である。図３では、２レベルの半導体電力変換装置を用いた例を示す。
図３に示すように、第３の実施形態における巻線型誘導発電機の２次励磁システムでは、巻線型誘導発電機２と各相のインバータユニットとの間にＯＶＰ回路２１，２２が設けられる。
図３に示すように、ＯＶＰ回路２１は、３つの半導体素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃを設ける。ＯＶＰ回路２２の構成も同様である。
半導体素子２１ａ，２１ｂ，２１ｃはサイリスタであるとする。半導体素子２１ａのアノードはＯＶＰ回路２１の第１の端子をなす。半導体素子２１ａのカソードは、半導体素子２１ｂのアノードに接続されるとともに、ＯＶＰ回路２１の第２の端子をなす。
半導体素子２１ｂのカソードは、ＯＶＰ回路２１の第３の端子をなすとともに、半導体素子２１ｃのアノードに接続される。半導体素子２１ｃのカソードは半導体素子２１ａのアノードに接続される。
ＯＶＰ回路２１の第１の端子は、Ｕ相のインバータユニットINVUの接続点電位VUAをなす箇所（高電位点）に接続され、第２の端子は、Ｖ相のインバータユニットINVVの接続点電位VVAをなす高電位点に接続され、第３の端子は、Ｗ相のインバータユニットINVWの接続点電位VWAをなす高電位点に接続される。
また、ＯＶＰ回路２２の第１の端子は、Ｕ相のインバータユニットINVUの接続点電位VUBをなす箇所（低電位点）に接続され、第２の端子は、Ｖ相のインバータユニットINVVの接続点電位VVBをなす低電位点に接続され、第３の端子は、Ｗ相のインバータユニットINVWの接続点電位VWBをなす低電位点に接続される。
第３の実施形態では、巻線型誘導発電機２の３組の励磁巻線の一端を短絡し、かつ、励磁巻線の他端を短絡するために、ＯＶＰ回路２１，２２は、各相のインバータユニットの高電位側と低電位側に１つずつ設置される。
第３の実施形態では、制御装置１０がＯＶＰ回路３２の半導体素子に点弧指令を与えると、巻線型誘導発電機２の３組の励磁巻線の中性点を接続することができる。この結果、巻線型誘導発電機２の各相の励磁巻線の結線は、通常の巻線型誘導発電機と同様な星型結線となり、各相の励磁巻線を同一電位とすることができる。
また、制御装置１０がＯＶＰ回路３１の半導体素子に点弧指令を与えることで、巻線型誘導発電機２の励磁巻線の相間を短絡することができる。
制御装置１０の過電圧検出部１０ａが、直流リンク部や巻線型誘導発電機２の励磁巻線の過電圧を検知した場合、制御装置１０の停止制御部１０ｂは、各相のインバータユニットのスイッチング素子へのゲート信号を停止させることで、これらのインバータユニットを停止させる。
そして、停止制御部１０ｂは、ＯＶＰ回路３１，３２を構成する半導体素子に対して点孤指令を与える。
このようにして直流リンク部への電力流入を抑えることができ、過電圧の発生を抑制することができる。第２の実施形態と同様に、点弧指令の後は、巻線型誘導発電機２は完全な誘導機として電力系統に接続される。
以上のように、第３の実施形態では、第２の実施形態で説明した特徴に加えて、巻線型誘導発電機２の３組の励磁巻線の電位を同一とすることができる。これにより、巻線型誘導発電機２の設計にあたり、各相の巻線間の絶縁耐力などを考慮しなくてもすむようになる。また、第２の実施形態と比較して、２次側過電圧保護回路の数を減らすことができる。
発明のいくつか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り、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、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。
１…三相交流電源、２…巻線型誘導発電機、１１，１２，１３，２１，２２…２次側過電圧保護（ＯＶＰ:Over Voltage Protection）回路。

Claims (8)

  1. 回転子の三相の巻線を電気的に独立させた巻線型誘導発電機の前記回転子の三相の巻線に電気的に接続されて直流と交流を双方向に変換する複数の第１の電力変換装置と、
    前記第１の電力変換装置の直流側と三相交流電源との間で直流と交流を双方向に変換する第２の電力変換装置とを備え、
    前記複数の第１の電力変換装置の直流側を共通させて前記第２の電力変換装置の直流側に電気的に接続したことを特徴とする発電機励磁装置。
  2. 前記第２の電力変換装置は、
    前記三相交流電源から出力される三相交流電圧を直流電圧に変換し、
    前記複数の第１の電力変換装置は、
    前記第２の電力変換装置により変換された直流電圧を、前記巻線型誘導発電機の三相のそれぞれの単相交流電圧に変換することを特徴とする請求項１に記載の発電機励磁装置。
  3. 前記第１の電力変換装置は、
    直列に接続されて中性点で区分された複数のスイッチング素子でなる回路を前記巻線型誘導発電機の三相についてそれぞれ有し、
    前記第２の電力変換装置は、
    直列に接続されて中性点で区分された複数のスイッチング素子でなる回路を有することを特徴とする請求項１に記載の発電機励磁装置。
  4. 前記第１の電力変換装置の交流側に設けられ、前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに三相についてそれぞれ短絡するための過電圧保護回路をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電機励磁装置。
  5. 前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに前記第１の電力変換装置を停止させる停止制御部と、
    前記複数の第１の電力変換装置の交流側の三相の高電位側に接続されて、前記第１の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の一端を短絡するための第１の過電圧保護回路と、
    前記第１の電力変換装置の交流側の三相の低電位側に接続されて、前記第１の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の他端を短絡するための第２の過電圧保護回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の発電機励磁装置。
  6. 回転子の三相の巻線を電気的に独立させた巻線型誘導発電機と、
    前記巻線型誘導発電機の回転子の三相の巻線に電気的に接続されて直流と交流を双方向に変換する複数の第１の電力変換装置と、
    前記第１の電力変換装置の直流側と三相交流電源との間で直流と交流を双方向に変換する第２の電力変換装置とを備え、
    前記複数の第１の電力変換装置の直流側を共通させて前記第２の電力変換装置の直流側に電気的に接続したことを特徴とする電力変換システム。
  7. 前記第１の電力変換装置の交流側に設けられ、前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに三相についてそれぞれ短絡するための過電圧保護回路をさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の電力変換システム。
  8. 前記巻線型誘導発電機の回転子の巻線に過電圧が印加されたときに前記第１の電力変換装置を停止させる停止制御部と、
    前記複数の第１の電力変換装置の交流側の三相の高電位側に接続されて、前記第１の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の一端を短絡するための第１の過電圧保護回路と、
    前記第１の電力変換装置の交流側の三相の低電位側に接続されて、前記第１の電力変換装置が停止した状態で、前記巻線型誘導発電機の三相の巻線の他端を短絡するための第２の過電圧保護回路とをさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の電力変換システム。
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