JP6797333B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、電力変換装置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(図1中の「セル」に対応)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。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、電力変換回路部2と、制御装置3とを含む。
図2は、セル群を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。図2(a)に示す変換器セル7は、ハーフ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31p、31nを直列接続して形成した直列体と、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ32と、バイパススイッチ34と、電圧検出器33とを含む。直列体とコンデンサ32とは並列接続される。電圧検出器33は、コンデンサ32の両端の電圧であるコンデンサ電圧Vcを検出する。
図3は、制御装置3の内部構成を表わす図である。図3を参照して、制御装置3は、スイッチング制御部501a,501b(以下、「スイッチング制御部501」とも総称する。)を含む。スイッチング制御部501aは、変換器セル7aの各スイッチング素子31のオン、オフを制御する。スイッチング制御部501bは、変換器セル7bの各スイッチング素子31のオン、オフを制御する。
(電流演算部の動作)
図1を参照して、U相のレグ回路4uの正側アーム5と負側アーム6との接続点が交流端子Nuであり、交流端子Nuは変圧器13に接続されている。したがって、交流端子Nuから変圧器13に向かって流れる交流電流Iacuは、以下の式(1)のように正側アーム電流Ipuから負側アーム電流Inuを減算した電流値となる。
正側アーム電流Ipuと負側アーム電流Inuの平均値を、正側アーム5および負側アーム6に流れる共通の電流とすると、この電流はレグ回路4uの直流端子を流れるレグ電流Icomuである。レグ電流Icomuは、式(2)のように表される。
V相についても、正側アーム電流Ipvおよび負側アーム電流Invを用いて、交流電流Iacvおよびレグ電流Icomvが算出され、W相についても、正側アーム電流Ipwおよび負側アーム電流Inwを用いて、交流電流Iacwおよびレグ電流Icomwが算出される。具体的には、以下の式(3)〜(6)で表される。
Icomv=(Ipv+Inv)/2 ・・・(4)
Iacw=Ipw−Inw ・・・(5)
Icomw=(Ipw+Inw)/2 ・・・(6)
各相のレグ回路4u,4v,4wの正側の直流端子は正側直流端子Npとして共通に接続され、負側の直流端子は負側直流端子Nnとして共通に接続されている。この構成から、各相のレグ電流Icomu,Icomv,Icomwを加算した電流値は、直流回路14の正側端子から流れ込み、負側端子を介して直流回路14に帰還する直流電流Idcとなる。したがって、直流電流Idcは、式(7)のように表される。
レグ電流に含まれる直流電流成分は、各相で均等に分担する場合には変換器セルの電流容量を均等にすることができる。このことを考慮すると、レグ電流と直流電流値の1/3との差分が、直流回路14に流れないが各相のレグ間に流れる循環電流の電流値として演算できる。そのため、U相、V相、W相の循環電流Iccu,Iccv,Iccwは、それぞれ以下の式(8)、(9)、(10)のように表される。
Iccv=Icomv−Idc/3 ・・・(9)
Iccw=Icomw−Idc/3 ・・・(10)
図4の電流演算部521は、正側アーム電流Ipu,Ipv,Ipwおよび負側アーム電流Inu,Inv,Inwから、上式に従って、交流電流Iacu,Iacv,Iacw、直流電流Idc、循環電流Iccu,Iccv,Iccwを演算する。
交流制御部523は、交流電圧検出器10で検出された交流電圧Vacu,Vacv,Vacwと、電流演算部521が出力した交流電流Iacu,Iacv,Iacwとから、電力変換装置1を構成する各変換器セル7が出力すべき交流電圧を交流電圧指令値Vacrefu,Vacrefv,Vacrefwとして出力する。
直流制御部524は、直流電圧検出器11A,11Bで検出した直流電圧Vdcp,Vdcnの差電圧から直流端子間電圧Vdcが演算され、式(11)のように表される。
直流制御部524は、直流端子間電圧Vdcと、直流電流Idcとから、変換器セル7が出力すべき直流電圧を直流電圧指令値Vdcrefとして生成して出力する。
指令生成部525は、セル群51が出力すべき電圧を電圧指令値Vpref1として演算し、セル群61が出力すべき電圧を電圧指令値Vnref1として演算する。各電圧指令値Vpref1,Vnref1は、直流電圧指令値Vdcrefおよび交流電圧指令値Vacrefを相ごとに合成することによって得られる。
Vpref1v=Vdcref/2−Vacrefv ・・・(13)
Vpref1w=Vdcref/2−Vacrefw ・・・(14)
Vnref1u=Vdcref/2+Vacrefu ・・・(15)
Vnref1v=Vdcref/2+Vacrefv ・・・(16)
Vnref1w=Vdcref/2+Vacrefw ・・・(17)
また、零相電位Vnは以下の式(18)のように表される。
例えば、図1のレグ回路4uにおいて、セル群51が比較的小さい値の交流電圧を出力し、セル群61が比較的大きい値の交流電圧を出力すれば、交流端子Nuの電位は正側直流端子Npの電位に近づき、交流端子Nuには高い電圧が出力される。具体的には、セル群61は交流端子Nuから出力すべき交流電圧と同極性の交流電圧を出力し、セル群51は交流端子Nuから出力すべき交流電圧と逆極性の交流電圧を出力する。
電流演算部521で演算されたU相、V相、W相の循環電流Iccu,Iccv,Iccwは、循環電流制御部526に送られる。循環電流制御部526は、循環電流値が循環電流指令値に一致するようにフィードバック制御する。すなわち、循環電流制御部526には、循環電流指令値と循環電流値との偏差を増幅する補償器が設けられる。ここで、循環電流指令値として通常は零電流が与えられるが、電力系統で不平衡が発生しているときには零でない値を与える場合もある。循環電流制御部526は、セル群52,62が循環電流制御のために出力すべき電圧成分を、電圧指令値Vccrefとして出力する。
各セル群52,62を構成する各変換器セル7bのコンデンサ32の電圧が電圧検出器33で検出される。電圧演算部522は、セル群52の各変換器セル7bのコンデンサ電圧Vcpu2,Vcpv2,Vcpw2と、セル群62の各変換器セル7bのコンデンサ電圧Vcnu2,Vcnv2,Vcnw2(単に「コンデンサ電圧」と称する。)を演算する。
加算器5iは、循環電流制御用の電圧指令値Vccrefと、セル群51用の電圧指令値Vpref1に比例した値と、補正値Vpcorrとを相ごとに加算する。加算器5iの加算結果は、U,V,W相における電圧値Vxpu,Vxpv,Vxpw(以下「電圧値Vxp」とも総称する。)として、加算器5kに出力される。加算器5jは、循環電流制御用の電圧指令値Vccref2と、セル群61用の電圧指令値Vnref1に比例した値と、補正値Vncorrとを相ごとに加算する。加算器5jの加算結果は、U,V,W相における電圧値Vxnu,Vxnv,Vxnw(以下「電圧値Vxn」とも総称する。)として、加算器5mに出力される。
上記において、コンデンサ電圧制御部527が出力する補正値によって、コンデンサ電圧を維持することを説明した。しかし、アーム電流Iarmの大きさが小さく、電力変換装置1から出力される有効電力および無効電力が小さい場合には、交直変換制御を行なっていないセル群52,62の変換器セル7bは、コンデンサ電圧制御部527による補正値によってもコンデンサ32を十分に充電できない。この場合、変換器セル7bのコンデンサ32の電圧が維持できず低下してしまう。そこで、補助電圧生成部528は、変換器セル7bのコンデンサ32の電圧が一定値未満となった場合、コンデンサ32の電圧を維持する(すなわち、コンデンサ32を充電させる)ような補助電圧指令値を生成する。
加算器5kは、電圧値Vxpと補助電圧指令値Vsspとを相ごとに加算する。加算器5kの加算結果は、循環電流制御用のセル群52が出力すべき電圧成分を表す電圧指令値Vpref2(U相用:Vpref2u、V相用:Vpref2v、W相用:Vpref2w)として、正側セル群制御部503Pbに入力される。加算器5mは、電圧値Vxnと補助電圧指令値Vssnとを相ごとに加算する。加算器5mの加算結果は、循環電流制御用のセル群62が出力すべき電圧成分を表す電圧指令値Vnref2(U相用:Vnref2u、V相用:Vnref2v、W相用:Vnref2w)として、負側セル群制御部503Nbに入力される。加算器5k,5mにおいて、補助電圧指令値が加算された電圧指令値がセル群52,62に与えられることにより、各変換器セル7bのコンデンサ32の充電を促進できる。
図5は、セル群制御部503の構成を表わす図である。図5を参照して、セル群制御部503は、N個の個別制御部202_1〜202_N(以下「個別制御部202」とも総称する。)を含む。例えば、セル群51,61に含まれる変換器セル7aはN1個である。そのため、セル群51,61にそれぞれ対応する正側セル群制御部503Pa,負側セル群制御部503Naには、N1個の個別制御部202が含まれる。以下、説明のため、上述した電圧指令値Vpref1,Vnref1,Vpref2,Vnref2を総称して電圧指令値Vrefと記載する。
本実施の形態によると、交直変換制御用のセル群と循環電流制御用のセル群とを含む電力変換装置1において、アーム電流が小さい場合であっても、各セル群に含まれるコンデンサの電圧を適切に制御することができる。
(1)上述した実施の形態において、各レグ回路4において、リアクトル8A,8Bのうち、正側のリアクトル8Aのみを設けてもよいし、負側のリアクトル8Bのみを設けてもよい。負側のリアクトル8Bのみを設けた場合には、循環電流制御用のセル群52が不要になり、それに関係する正側セル群制御部503Pb、加算器5i,5k、およびゲイン回路5gも不要となるので、制御装置3の構成を簡素化できる利点がある。同様に、正側のリアクトル8Aのみを設けた場合には、循環電流制御用のセル群62が不要になり、それに関係する負側セル群制御部503Nb、加算器5j,5m、およびゲイン回路5hも不要になるので、制御装置3の構成を簡素化できる利点がある。
Claims (10)
- 直流回路と交流回路との間で電力変換を行なう電力変換装置であって、
前記交流回路の複数の相にそれぞれ対応する複数のレグ回路を含む電力変換回路部を備え、
各前記レグ回路は、直列接続された2つのアームにより構成され、前記2つのアームの接続点が前記交流回路の対応する相に接続され、直列接続された前記2つのアームの両端が前記直流回路に接続され、
各前記アームは、各々がコンデンサを有し、互いに直列接続された複数の変換器セルを含み、
前記複数の変換器セルの動作を制御する制御装置をさらに備え、
前記複数の変換器セルの各々は、前記複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づかずに制御される第1変換器セル、または、前記循環電流に基づいて制御される第2変換器セルであり、
前記制御装置は、
前記直流回路の直流電流および直流電圧と、前記交流回路の各相の交流電流および交流電圧とにより生成される第1電圧指令値に基づいて、各前記アームにおける複数の前記第1変換器セルの出力電圧を制御し、
前記循環電流と循環電流指令値との偏差に基づいた第1の値と、前記第2変換器セルにおける前記コンデンサの電圧と前記コンデンサの電圧の指令値との偏差に基づいた第2の値とを用いて、各前記アームにおける複数の前記第2変換器セルの出力電圧を制御し、
前記第2変換器セルにおける前記コンデンサの電圧が第1閾値未満となった場合には、直流成分および前記交流回路の基本波交流成分の少なくとも一方を含む補助電圧指令値と、前記第1の値と、前記第2の値とを線形結合し、線形結合した結果を用いて、複数の前記第2変換器セルの出力電圧を制御する、電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記電力変換回路部に流入する直流電流の方向に基づいて、前記直流成分の符号を設定する、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記複数のレグ回路は、高電位側直流端子と低電位側直流端子との間に互いに並列に接続されており、
前記制御装置は、
前記直流回路から前記高電位側直流端子へ直流電流が流入する場合、前記直流成分の符号を正に設定し、
前記直流回路から前記低電位側直流端子へ直流電流が流入する場合、前記直流成分の符号を負に設定する、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記電力変換回路部に流入する交流電流の位相に基づいて、前記基本波交流成分の位相を設定する、請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、前記電力変換回路部に流入する交流電流の位相と同位相となるように前記基本波交流成分の位相を設定する、請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、
前記電力変換回路部に流入する直流電流と前記直流成分の最大値とから算出される補助直流電力が、前記電力変換回路部に流入する交流電流と前記基本波交流成分の最大振幅値とから算出される補助交流電力よりも大きいか否かを判断し、
前記補助直流電力が前記補助交流電力よりも大きい場合には、前記直流成分を含む前記補助電圧指令値を生成し、
前記補助直流電力が前記補助交流電力よりも小さい場合には、前記基本波交流成分を含む前記補助電圧指令値を生成する、請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記補助電圧指令値の実効値をランプ状に変化させる、請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2変換器セルは、フルブリッジ型である、請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記2つのアームのうちの第1アームは、複数の前記第1変換器セルと、複数の前記第2変換器セルと、第1リアクトルとを含み、
前記2つのアームのうちの第2アームは、複数の前記第1変換器セルと、複数の前記第2変換器セルとを含む、請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第2アームは、第2リアクトルをさらに含む、請求項9に記載の電力変換装置。
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