JP6545425B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
実施の形態1.
(電力変換装置の全体構成)
図1は、実施の形態の電力変換装置1の概略構成図である。図1を参照して、電力変換装置1は、互いに直列接続された複数の変換器セルを含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。なお、「変換器セル」は、「サブモジュール」、SM、または「単位変換器」とも呼ばれる。電力変換装置1は、直流回路14と交流回路12との間で電力変換を行なう。電力変換装置1は、電力変換器2と、制御装置3とを含む。
交流電圧検出器10は、交流回路12のU相の交流電圧Vacu、V相の交流電圧Vacv、およびW相の交流電圧Vacwを検出する。以下の説明では、Vacu、Vacv、およびVacwを総称してVacと記載する。
図2(a)および図2(b)は、電力変換器2を構成する変換器セル7の構成を表わす図である。
図2(b)に示す変換器セル7は、フルブリッジ構成と呼ばれる回路構成を有する。この変換器セル7は、2つのスイッチング素子31p1,31n1を直列接続して形成された第1の直列体と、2つスイッチング素子31p2,31n2を直列接続して形成された第2の直列体と、蓄電要素32と、バイパススイッチ34と、電圧検出器33とを備える。第1の直列体と、第2の直列体と、蓄電要素32とが並列接続される。
図2(a)および図2(b)において、スイッチング素子31p、31n、31p1、31n1、31p2、31n2は、例えば、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、GCT(Gate Commutated Turn−off)サイリスタなどの自己消弧型の半導体スイッチング素子にFWD(Freewheeling Diode)が逆並列に接続されて構成される。
図3は、実施の形態1の制御装置3の内部構成を表わす図である。
スイッチング制御部501は、変換器セル7のスイッチング素子31p,31nのオン、オフを制御する。
基本制御部502は、アーム電圧指令生成部601と、キャパシタ電圧指令生成部602とを備える。
Iz=(Iarmp+Iarmn)/2−Idc/3 ・・・(2)
循環電流制御部605は、循環電流Izを設定された循環電流指令値Izref、例えば0に追従制御するための循環制御指令値Vzpを算出する。
アーム制御部503は、変換器セル7の故障を検知すると、故障により増大するアーム電流の高調波成分の割合を抑制するようにアーム内の健全変換器セルを制御する。より、具体的には、アーム制御部503は、故障により増大するアーム電流の高調波成分を抑制するための高調波抑制制御出力値に基づいて、アーム内の健全変換器セルを制御する。
個別セル制御部202は、個別セルバランス制御部2021と、PWM変調部2022と、信号切替器2023と、加算器2051とを備える。
以下では、すべての変換器セル7が健全な状態のときと、1つ以上の変換器セル7が故障状態のときのそれぞれにおける、制御装置3の動作を説明する。
アーム内の全変換器セル7が健全な状態のときの制御装置3の動作について説明する。
アーム内に故障した変換器セル7が含まれる場合の動作について説明する。
図8は、制御装置3のハードウエア構成の一例を表わす図である。
実施の形態1では、アーム毎に高調波電流抑制制御を設ける構成とした。これに対して、実施の形態2では、全アームのアーム電流に基づいて、変換器セルを流れる電流の高調波成分を抑制する。
Iccu=(Ipu+Inu)/2−Idc/3 ・・・(4)
Iccv=(Ipv+Inv)/2−Idc/3 ・・・(5)
Iccw=(Ipw+Inw)/2−Idc/3 ・・・(6)
第1座標変換部712_1は、UVW3相の循環電流成分Iccu、Iccv、Iccwを、電力変換器2から出力される交流電流の周波数f1のk1倍の周波数で回転するdq2相座標上に変換する。変換されたIcd1は有効成分、Icq1は無効成分で、いずれも直流量となる。
変換器セル7が故障した場合に、アーム電流Iarmの高調波成分が増大し、健全な変換器セル7において、キャパシタ電圧のアンバランスが生じる恐れがあるのは、電力変換器2の交流出力電流および直流出力電流が小さく、アーム電流の実効値が小さい場合である。
実施の形態3の制御装置3は、実施の形態1の制御装置3と同様に、スイッチング制御部501およびバイパス制御部510を備えるととともに、セルバランス用循環電流制御部610を備える。
セルバランス用循環電流制御部610は、第1座標変換部611と、補償器612と、第2座標変換部613とを備える。
指令分配部606は、実施の形態1と同様に、交流制御指令値Vcp、循環制御指令値Vzpと、直流電圧指令値Vdcrefと、中性点電圧Vsnと、交流電圧Vacとを受けるともに、直流電圧指令循環電流成分Vdccを受ける。
本実施の形態では、変圧器13は、変圧比可変の変圧器とする。変圧比可変の変圧器は、たとえば、タップ切替機能付き変圧器などで実現される。
実施の形態4の制御装置3は、実施の形態1と同様にスイッチング制御部501およびバイパス制御部510を備えるととともに、変圧器制御部504を備える。
図14は、実施の形態5の電力変換装置1Aの構成を表わす図である。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、たとえば、以下のような変形例も含まれる。
上記の実施形態では、電力変換器2は、ダブルスター型と呼ばれる構成を有する。電力変換器2は、主にHVDC(High Voltage Direct Current)送電用の交直変換器に使われる。上記の実施形態で説明した電力変換器の制御は、他の構成の電力変換器にも適用できる。
電力変換装置1Bの電力変換器2Bは、シングルデルタ型と呼ばれる構成を有する。電力変換器2Bは、主に無効電力補償装置に使用される。
電力変換装置1Cの電力変換器2Cは、シングルスター型と呼ばれる構成である。電力変換器2Cも、主に無効電力補償装置に使用される。
アーム内に通常の変換器セルと、循環電流制御用の変換器セルとが含まれる場合には、基本制御部の構成が、図4に示すものと相違する。
図17の基本制御部502Aが、図4の基本制御部502と相違する点は、基本制御部60から出力される循環制御指令値Vzpが指令分配部606Aに出力されない。
実施の形態1、2では、アーム電流からアーム電流の高調波成分を抽出し、アーム電流の高調波成分を抑制したが、これに限定するものではない。アーム電圧からアーム電圧の高調波成分を抽出し、アーム電圧の高調波成分を抑制してもよい。
高調波電流抽出部2041の出力に不感帯を設け、アーム電流に含まれる高調波成分またはアーム電圧に含まれる高調波成分が閾値に超えた場合にのみ、高調波電流制御部2042が動作するようにしてもよい。
Claims (9)
- 2個以上のスイッチング素子と、蓄電要素と、一対の出力端子とを含む複数の変換器セルが直列に接続されたアームを有する電力変換器と、
前記電力変換器を制御する制御装置とを備え、
前記変換器セルは、前記変換器セルをバイパスするためのスイッチを有し、
前記制御装置は、前記変換器セルの故障を検知すると、前記アーム内の故障変換器セルをバイパスさせるとともに、前記故障により増大するアーム電流の高調波成分の割合を抑制するように前記アーム内の健全変換器セルを制御し、
前記制御装置は、前記故障により増大するアーム電流の高調波成分を抑制するための高調波抑制制御出力値に基づいて、前記アーム内の健全変換器セルを制御する、電力変換装置。 - 前記制御装置は、
前記高調波抑制制御出力値に基づいて、アーム電圧指令値を補正する、請求項1記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、
前記アーム電圧指令値を出力する基本制御部と、
前記高調波抑制制御出力値と前記アーム電圧指令値とを加算する加算器と、
前記アーム内の変換器セルの数を前記アーム内の健全変換器セルの数で除算する除算器と、
前記加算器の出力と前記除算器の出力とを乗算する乗算器とを含む、請求項2記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、さらに、
各々が、前記乗算器の出力を受けて、前記アーム内の対応する前記変換器セルを個別に制御する複数個の個別セル制御部を備え、
前記健全変換器セルに対応する前記個別セル制御部は、前記乗算器の出力に基づいて、対応する変換器セルの電圧指令値を算出する、請求項3記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記電力変換器内の各アームのアーム電流に基づいて、前記故障により増大する各アームのアーム電流の高調波成分を抑制するための各アームの高調波抑制制御出力を求める、請求項1記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、前記電力変換器内の全アームのアーム電流に基づいて、前記故障により増大する全アームのアーム電流の高調波成分を抑制するための各相の高調波抑制制御出力を求める、請求項1記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、前記変換器セルの故障を検知すると、前記アームに流れるアーム電流の実効値を増加させるように構成される、請求項1記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、前記アーム電流の実効値を増加させるために、前記電力変換器から出力される電流の周波数成分とは異なる周波数成分の電流を前記電力変換器の内部で循環させるように構成される、請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換装置は、変圧比が可変の変圧器を備え、
前記制御装置は、前記アーム電流の実効値を増加させるために、前記変圧比を変化させることによって、交流出力電流を増加させるように構成される、請求項7に記載の電力変換装置。
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