JP7040077B2

JP7040077B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP7040077B2
Application number: JP2018020247A
Authority: JP
Inventors: マハルジャンラクスマン; 稔久田重田; 博篠原
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2018-02-07
Publication date: 2022-03-23
Anticipated expiration: 2038-02-07
Also published as: JP2019140743A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

従来より、三相電流を出力する電力変換装置の出力電流制限回路であって、電力変換装置の電流指令値に乗じる制限信号を、出力電流の三相全波整流信号が電流制限設定値を越えた場合に小さくすることにより前記電流指令値を制限する電流制限回路において、前記三相全波整流信号の経路に、この整流信号が増加傾向にあるときには小さな時定数で出力信号を増加させ、前記整流信号が減少傾向にあるときには大きな時定数で出力信号を減少させる非対称フィルタ手段を設け、この非対称フィルタ手段の出力信号を前記電流制限設定値との比較に用いることを特徴とする電流制限回路がある（例えば、特許文献１参照）。

特開平０７－００７８５６号公報

ところで、従来の電流制限回路は、複数の電流指令を１つのフィルタ（非対称フィルタ手段）によって生成される共通の制限値を用いて生成しているため、デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器（MMC:Modular Multilevel Converter）に適用した場合、逆相電流の最大出力は変換器定格の50％までとなる。これは、デルタ結線MMCにおいて、逆相電流出力時は、各相の直流コンデンサ電圧の平均値を相間でバランスするためにデルタ結線部に基本周波数の零相電流を流すことにより変換器に流れる電流が増加するためである。

そこで、逆相電流の出力可能範囲を増大したデルタ結線MMC適用電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の実施の形態の電力変換装置は、
第１電力変換部、第２電力変換部、及び第３電力変換部を有し、前記第１電力変換部、前記第２電力変換部、及び前記第３電力変換部がデルタ接続されたデルタ結線部を有するデルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器と、
負荷電流から逆相ｄ軸電流及び逆相ｑ軸電流を求める逆相ｄｑ軸電流指令生成部と、
前記逆相ｑ軸電流と、前記逆相ｑ軸電流を制限する第１制限値とに基づいて、－０．５以上０．５以下の逆相ｑ軸電流指令を生成する逆相ｑ軸電流指令制限部と、
前記逆相ｄ軸電流と、前記逆相ｑ軸電流指令に応じて前記逆相ｄ軸電流を制限する第２制限値とに基づいて、前記逆相ｑ軸電流指令を含む関数を利用して逆相ｄ軸電流指令を生成する逆相ｄ軸電流指令制限部と、
前記逆相ｑ軸電流指令及び前記逆相ｄ軸電流指令に基づいて、前記デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器に流れる循環電流の指令値を表す循環電流指令を生成する循環電流指令生成部と、
前記逆相ｑ軸電流指令及び前記逆相ｄ軸電流指令を三相電流値に変換する二軸三相変換部と、
前記三相電流値に前記循環電流指令を加算して三相電流指令を生成する三相電流指令生成部と、
前記三相電流指令に基づいて三相電圧指令を生成する電流制御部と、
前記三相電圧指令に基づいて、前記デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器を駆動する駆動部と、を含み、
前記逆相ｑ軸電流指令をｉ _Ｎｑ ^＊とすると、前記関数は、ｆ（ｉ _Ｎｑ ^＊）＝（１－｜ｉ _Ｎｑ ^＊｜）／（√３）である。

逆相電流の出力可能範囲を増大したデルタ結線MMC適用電力変換装置を提供することができる。

実施の形態の電力変換装置に含まれるデルタ結線電力変換部１１０を示す図である。電力変換装置１００を示す図である。実施の形態の変形例のデルタ結線電力変換部１１０Ｍを示す図である。

以下、本発明の電力変換装置を適用した実施の形態について説明する。

＜実施の形態＞
図１は、実施の形態の電力変換装置に含まれるデルタ結線電力変換部１１０を示す図である。

デルタ結線電力変換部１１０は、ｕ相用のコンバータセル１１１ｕ、１１２ｕ、１１３ｕ（以下、１１１ｕ～１１３ｕ）、ｖ相用のコンバータセル１１１ｖ、１１２ｖ、１１３ｖ（以下、１１１ｖ～１１３ｖ）、ｗ相用のコンバータセル１１１ｗ、１１２ｗ、１１３ｗ（以下、１１１ｗ～１１３ｗ）、及び、リアクトル成分１１５ｕ、１１５ｖ、１１５ｗ（以下、１１５ｕ～１１５ｗ）を有する。デルタ結線電力変換部１１０は、デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器の一例である。

コンバータセル１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗは、互いにデルタ結線されている。このため、デルタ結線電力変換部１１０は、デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器（MMC：Modular Multilevel Converter）を構築する。

コンバータセル１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗは、それぞれ、フルブリッジ接続される４個の半導体スイッチと、コンデンサＣとを有する。各半導体スイッチは、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)と還流ダイオードとを有する。

ｕ相用のコンバータセル１１１ｕ～１１３ｕは、この順に直列接続されている。同様に、ｖ相用のコンバータセル１１１ｖ～１１３ｖは、この順に直列接続されており、ｗ相用のコンバータセル１１１ｗ～１１３ｗは、この順に直列接続されている。

ｕ相用のコンバータセル１１１ｕ～１１３ｕは、デルタ結線部１１４ｕを介して電力系統１０に接続されており、ｖ相用のコンバータセル１１１ｖ～１１３ｖは、デルタ結線部１１４ｖを介して電力系統１０に接続されており、ｗ相用のコンバータセル１１１ｗ～１１３ｗは、デルタ結線部１１４ｗを介して電力系統１０に接続されている。

リアクトル成分１１５ｕ、１１５ｖ、１１５ｗは、それぞれ、ｕ、ｖ、ｗ相のデルタ結線部１１４ｕ、１１４ｖ、１１４ｗと、コンバータセル１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗとの間のリアクトル成分をＬとして表記したものである。

コンバータセル１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗは、それぞれのコンデンサＣの直流電力を交流電力に変換する。

コンバータセル１１１ｕ～１１３ｕの各々は、第１電力変換部の一例である。コンバータセル１１１ｖ～１１３ｖの各々は、第２電力変換部の一例である。コンバータセル１１１ｗ～１１３ｗ各々は、第３電力変換部の一例である。

なお、ここでは、ｕ、ｖ、ｗ相用のコンバータとして、それぞれ３個のコンバータセル１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗを含む形態について説明するが、ｕ、ｖ、ｗ相用のコンバータは、それぞれ少なくとも１個あればよい。

ここで、デルタ結線部１１４ｕからコンバータセル１１１ｕ～１１３ｕに流れる電流をｉ_ｕｖ、デルタ結線部１１４ｖからコンバータセル１１１ｖ～１１３ｖに流れる電流をｉ_ｖｗ、デルタ結線部１１４ｗからコンバータセル１１１ｗ～１１３ｗに流れる電流をｉ_ｗｕとする。電流の流れる向きは矢印の方向を正とする。

また、コンバータセル１１１ｕ～１１３ｕのデルタ結線部１１４ｖに対する線間電圧をｖ_ｕｖ、コンバータセル１１１ｖ～１１３ｖのデルタ結線部１１４ｗに対する線間電圧をｖ_ｖｗ、コンバータセル１１１ｗ～１１３ｗのデルタ結線部１１４ｕに対する線間電圧をｖ_ｗｕとし、矢印で示す方向を正とする。

また、電力系統１０のｕ相とｖ相との系統線間電圧をＶ_Ｓｕｖ、電力系統１０のｖ相とｗ相との系統線間電圧をＶ_Ｓｖｗ、電力系統１０のｗ相とｕ相との系統線間電圧をＶ_Ｓｗｕとする。

図２は、電力変換装置１００を示す図である。電力変換装置１００は、デルタ結線電力変換部１１０、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０、電流センサ１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ、逆相ｑ軸電流指令制限部１３０、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０、循環電流指令演算部１５０、二軸三相変換部１６０、三相電流指令生成部１７０、電流制御部１８０、及びＰＷＭ(Pulse Width Modulation：パルス幅変調)駆動部１９０を含む。

電流センサ１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃは、負荷電流ｉLｕ、ｉLｖ、ｉLｗを検出する電流検出部である。電流センサ１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃで検出される電流値を表す電圧値は、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０に入力される。

逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０は、電流センサ１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃで検出される負荷電流ｉ_Lｕ、ｉ_Lｖ、ｉ_Lｗを逆相ｄ軸電流ｉ_Ｎｄ及び逆相ｑ軸電流ｉ_Ｎｑに変換し、それぞれ逆相ｑ軸電流指令制限部１３０、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０に出力する。

逆相ｑ軸電流指令制限部１３０は、絶対値出力部１３１、固定値出力部１３２、下限リミッタ１３３、除算器１３４、及び乗算器１３５を有する。逆相ｑ軸電流指令制限部１３０のうち、絶対値出力部１３１、固定値出力部１３２、下限リミッタ１３３、及び除算器１３４は、制限値Ｋ_Ｎｑを生成する制限値生成部（第１制限値生成部の一例）を構築する。制限値Ｋ_Ｎｑは、第１制限値の一例である。

絶対値出力部１３１は、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０の出力側に接続されており、逆相ｑ軸電流ｉ_Ｎｑの絶対値｜ｉ_Ｎｑ｜を下限リミッタ１３３に出力する。

固定値出力部１３２は、固定値０．５を除算器１３４の分子側の端子と、下限リミッタ１３３とに出力する。固定値０．５は、第１所定値の一例であり、電力変換装置１００の定格出力電流値に対する逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の割合が最大５０％であることを表す値である。

下限リミッタ１３３は、絶対値出力部１３１から逆相ｑ軸電流ｉ_Ｎｑの絶対値｜ｉ_Ｎｑ｜が入力され、固定値出力部１３２から固定値０．５が入力される。下限リミッタ１３３は、絶対値｜ｉ_Ｎｑ｜と固定値０．５とのうちの大きい方の値を除算器１３４の分母側の端子に出力する。このため、下限リミッタ１３３の出力は、０．５以上になる。下限リミッタ１３３は、第１下限リミッタの一例である。

除算器１３４は、下限リミッタ１３３の出力が分母側の端子に入力されるとともに、固定値出力部１３２から固定値０．５が分子側の端子に入力される。除算器１３４は、固定値０．５を下限リミッタ１３３の出力で除算して得る値を制限値Ｋ_Ｎｑとして乗算器１３５に出力する。除算器１３４は、第１除算部の一例である。

乗算器１３５は、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０と除算器１３４に接続されており、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０から出力される逆相ｑ軸電流ｉ_Ｎｑに、除算器１３４から出力される制限値Ｋ_Ｎｑを乗算して逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊として、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０と二軸三相変換部１６０に出力する。乗算器１３５は、第１乗算部の一例である。

逆相ｄ軸電流指令制限部１４０は、絶対値出力部１４１、演算部１４２、下限リミッタ１４３、除算器１４４、絶対値出力部１４５、及び乗算器１４６を有する。逆相ｄ軸電流指令制限部１４０のうち、絶対値出力部１４１、演算部１４２、下限リミッタ１４３、除算器１４４、及び絶対値出力部１４５は、制限値Ｋ_Ｎｄを生成する制限値生成部（第２制限値生成部の一例）を構築する。制限値Ｋ_Ｎｄは、第２制限値の一例である。

絶対値出力部１４１は、逆相ｑ軸電流指令制限部１３０の乗算器１３５の出力側に接続されており、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の絶対値｜ｉ_Ｎｑ ^＊｜を演算部１４２に出力する。

演算部１４２は、演算用の関数を表すデータを保持しており、絶対値出力部１４１から入力される逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の絶対値｜ｉ_Ｎｑ ^＊｜を関数ｆ（ｉ_Ｎｑ ^＊）＝（１－｜ｉ_Ｎｑ ^＊｜）／（√３）に代入して得る演算値を下限リミッタ１４３及び除算器１４４に出力する。この関数ｆの意味については後述する。演算部１４２の演算値は、第２所定値の一例である。

下限リミッタ１４３は、絶対値出力部１４５から逆相ｄ軸電流ｉ_Ｎｄの絶対値｜ｉ_Ｎｄ｜が入力され、演算部１４２から演算値が入力される。下限リミッタ１４３は、絶対値｜ｉ_Ｎｄ｜と演算値とのうちの大きい方の値を除算器１４４の分母側の端子に出力する。このため、下限リミッタ１４３の出力は、演算値以上になる。下限リミッタ１４３は、第２下限リミッタの一例である。

除算器１４４は、下限リミッタ１４３の出力が分母側の端子に入力されるとともに、演算部１４２から演算値が分子側の端子に入力される。除算器１４４は、演算値を下限リミッタ１４３の出力で除算して得る値を制限値Ｋ_Ｎｄとして乗算器１４６に出力する。除算器１４４は、第２除算部の一例である。

絶対値出力部１４５は、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０の出力側に接続されており、逆相ｄ軸電流ｉ_Ｎｄの絶対値｜ｉ_Ｎｄ｜を下限リミッタ１４３に出力する。

乗算器１４６は、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０と除算器１４４に接続されており、逆相ｄｑ軸電流指令生成部１２０から出力される逆相ｄ軸電流ｉ_Ｎｄに、除算器１４４から出力される制限値Ｋ_Ｎｄを乗算して逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊として、循環電流指令演算部１５０と二軸三相変換部１６０に出力する。乗算器１４６は、第２乗算部の一例である。

循環電流指令演算部１５０は、逆相ｑ軸電流指令制限部１３０の乗算器１３５から出力される逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊と、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０の乗算器１４６から出力される逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊とに基づいて、循環電流指令ｉ_ｚ ^＊を演算する。循環電流指令演算部１５０は、循環電流指令生成部の一例である。

循環電流指令ｉ_ｚ ^＊は、デルタ結線電力変換部１１０に通流させる循環電流（ゼロ相電流）の指令値であり、次式（１）で表される。なお、角速度ωは、電力系統電圧の周波数に対応する角速度である。

二軸三相変換部１６０は、変換部１６０Ａ及び１６０Ｂを有する。変換部１６０Ａは、逆相ｑ軸電流指令制限部１３０の乗算器１３５から出力される逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊と、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０の乗算器１４６から出力される逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊とに基づいて、ｄｑ軸系からαβ軸系への変換（正変換）を行い、電流指令ｉ_α、ｉ_βを変換部１６０Ｂに出力する。

変換部１６０Ｂは、次式(２)に基づいて変換部１６０Ａから入力される電流指令ｉ_α、ｉ_βをｕｖｗの三相に変換し、電流指令ｉ^' _ｕｖ、ｉ^' _ｖｗ、ｉ^' _ｗｕを三相電流指令生成部１７０に出力する。

三相電流指令生成部１７０は、加算器１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃを有する。加算器１７０Ａは、循環電流指令演算部１５０から出力される循環電流指令ｉ_ｚ ^＊と、電流指令ｉ^' _ｕｖとを加算して電流指令ｉ_ｕｖ ^＊を生成し、電流制御部１８０に出力する。

加算器１７０Ｂは、循環電流指令演算部１５０から出力される循環電流指令ｉ_ｚ ^＊と、電流指令ｉ^' _ｖｗとを加算して電流指令ｉ_ｖｗ ^＊を生成し、電流制御部１８０に出力する。加算器１７０Ｃは、循環電流指令演算部１５０から出力される循環電流指令ｉ_ｚ ^＊と、電流指令ｉ^' _ｗｕとを加算して電流指令ｉ_ｗｕ ^＊を生成し、電流制御部１８０に出力する。

電流制御部１８０は、三相電流指令生成部１７０の加算器１７０Ａ、１７０Ｂ、１７０Ｃからそれぞれ入力される電流指令ｉ_ｕｖ ^＊、ｉ_ｖｗ ^＊、ｉ_ｗｕ ^＊と、線間電圧Ｖ_Ｓｕｖ、Ｖ_Ｓｖｗ、Ｖ_Ｓｗｕと、変換器電流ｉ_ｕｖ、ｉ_ｖｗ、ｉ_ｗｕとに基づいて、電圧指令Ｖ_ｕｖ ^＊、Ｖ_ｖｗ ^＊、Ｖ_ｗｕ ^＊を生成する。なお、線間電圧Ｖ_Ｓｕｖ、Ｖ_Ｓｖｗ、Ｖ_Ｓｗｕは、図示しない電圧センサによって、変換器電流ｉ_ｕｖ、ｉ_ｖｗ、ｉ_ｗｕは図示しない電流センサによって検出されて電流制御部１８０に入力される。

具体的には、電流制御部１８０は、電流指令ｉ_ｕｖ ^＊から電流ｉ_ｕｖを減算した差分に基づいてＰＩＤ（Proportional-Integral-Differential）制御におけるゲインを調整して所望の電圧Ｖ_ｕｖが得られるように電圧指令Ｖ_ｕｖ ^＊の値を調整する。

同様に、電流制御部１８０は、電流指令ｉ_ｖｗ ^＊から電流ｉ_ｖｗを減算した差分に基づいてＰＩＤ制御におけるゲインを調整して所望の電圧Ｖ_ｖｗが得られるように電圧指令Ｖ_ｖｗ ^＊の値を調整する。また、電流制御部１８０は、電流指令ｉ_ｗｕ ^＊から電流ｉ_ｗｕを減算した差分に基づいてＰＩＤ制御におけるゲインを調整して所望の電圧Ｖ_ｗｕが得られるように電圧指令Ｖ_ｗｕ ^＊の値を調整する。

ＰＷＭ駆動部１９０は、電流制御部１８０から入力される電圧指令Ｖ_ｕｖ ^＊、Ｖ_ｖｗ ^＊、Ｖ_ｗｕ ^＊に基づいて、デルタ結線電力変換部１１０のコンバータセル１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗのゲートを駆動するゲート信号を生成し、デルタ結線電力変換部１１０に出力する。

ここで、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０の演算部１４２が演算に用いる関数ｆ（ｉ_Ｎｑ ^＊）＝（１－｜ｉ_Ｎｑ ^＊｜）／（√３）について説明する。

線間電圧ｖ_ｕｖ、ｖ_ｖｗ、ｖ_ｗｕ（瞬時値）は、実効値Ｖを用いると、次式(３)、(４)、(５)で表すことができる。

また、デルタ結線電力変換部１１０の各相にそれぞれ流入する電流ｉ_ｕｖ、ｉ_ｖｗ、ｉ_ｗｕは、次式(６)、(７)、(８)で表すことができる。なお、φは、線間電圧ｖ_ｕｖに対する電流ｉ_ｕｖの位相である。

また、デルタ結線電力変換部１１０に流すべき循環電流の指令を表す循環電流指令ｉ_ｚ ^＊は、次式(９)で表すことができる。Ｉ_ｚ０は循環電流の実効値であり、φ_ｚ０は、線間電圧ｖ_ｕｖに対する循環電流Ｉ_ｚ０の位相である。

デルタ結線電力変換部１１０に循環電流を流すことにより、各相の有効電力は零になるという条件から、Ｉ_ｚ０及びφ_ｚ０を求める。ｕ相とｖ相との相間電力Ｐ_ｕｖは、次式(１０)で表すことができる。

式(１０)より、ＶＩｃｏｓφ＋ＶＩ_ｚ０ｃｏｓφ_ｚ０＝０にするＩ_ｚ０及びφ_ｚ０は、Ｉ_ｚ０＝－Ｉ、φ_ｚ０＝φ、又は、φ_ｚ０＝－φとなる。

ｖ相とｗ相との相間電力Ｐ_ｖｗは、次式(１１)で表すことができる。

式(１１)より、ＶＩｃｏｓ（２π／３－φ）＋ＶＩ_ｚ０ｃｏｓ（－２π／３－φ_ｚ０）＝０にするＩ_ｚ０及びφ_ｚ０は、Ｉ_ｚ０＝－Ｉ、φ_ｚ０＝φ－４π／３、又は、φ_ｚ０＝－φとなる。

ｗ相とｕ相との相間電力Ｐ_ｗｕは、次式(１２)で表すことができる。

式(１２)より、ＶＩｃｏｓ（－２π／３－φ）＋ＶＩ_ｚ０ｃｏｓ（－４π／３－φ_ｚ０）＝０にするＩ_ｚ０及びφ_ｚ０は、Ｉ_ｚ０＝－Ｉ、φ_ｚ０＝φ－２π／３、又は、φ_ｚ０＝－φとなる。

式(１０)～(１２)から各相の有効電力が０となる条件を満足するＩ_ｚ０及びφ_ｚ０は、次式(１３)、(１４)となる。

従って、循環電流指令ｉ_ｚ ^＊は次式(１５)で求めることができる。

次に、電流ｉ_ｕｖ、ｉ_ｖｗ、ｉ_ｗｕを3相/2相変換すると、式(３)、(４)、(５)を用いて電流ｉα、ｉβは次式(１６)で表すことができる。

さらに、電流ｉα、ｉβはdq（逆）変換すると、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊は、次式(１７)で表すことができる。

ここで、循環電流指令ｉ_ｚ ^＊を次式(１８)のように表すこととする。

式(１３)、(１４)から、循環電流指令ｉ_ｚ ^＊は次式(１９)で表わせる。Ａ、Ｂは係数である。

式(１９)は、式(１５)と等しいことから、係数Ａ、Ｂは次式(２０)、(２１)のように表すことができる。

以上から、循環電流指令ｉ_ｚ ^＊は次式(２２)のように求めることができる。

従って、逆相の三相交流電流の指令ｉ_ｕｖ ^＊、ｉ_ｖｗ ^＊、ｉ_ｗｕ ^＊を次式(２３)で求めることができる。

式(２３)を展開すると、以下のように表すことができる。

式(２４)より、三相交流電流の指令ｉ_ｕｖ ^＊、ｉ_ｖｗ ^＊、ｉ_ｗｕ ^＊の最大値は次式(２５)、(２６)、(２７)として表すことができる。

式(２５)から逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の範囲として、次式(２８)で表される条件が得られる。

すなわち、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊は、電力変換装置１００の定格出力の－５０％から５０％の値を取りうることになる。換言すれは、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の絶対値は、電力変換装置１００の定格出力の０％から５０％までの値を取りうることになる。

また、(２６)、(２７)式から、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊の範囲として、次式(２９)で表される条件が得られる。

このように、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊が取り得る範囲は、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を含んだ関数で表され、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊の絶対値は、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊がゼロ（０）のときに１／√３（約０．５７７）であり、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊が０．５のときに１／２√３（約０．２８８）である。すなわち、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊の絶対値は、電力変換装置１００の定格出力の２８．８％から５７．７％までの値を取りうることになる。

このような計算結果から、図２に示す逆相ｑ軸電流指令制限部１３０の固定値出力部１３２が保持する固定値を逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の絶対値の最大値である０．５に設定するとともに、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０の演算部１４２の関数を式(２９)に基づいてｆ（ｉ_Ｎｑ ^＊）＝（１－｜ｉ_Ｎｑ ^＊｜）／（√３）に設定している。

従って、電力変換装置１００では、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊を５７．７％まで増大させることができる。これは、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を生成する逆相ｑ軸電流指令制限部１３０と、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊を生成する逆相ｄ軸電流指令制限部１４０とを別々に設けたことと、式(２９)に示すように、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊が取り得る範囲が逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を含んだ関数で表されることから、逆相ｄ軸電流指令制限部１４０が逆相ｑ軸電流指令制限部１３０によって生成される逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を用いて逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊を生成するようにしたこととによって実現されている。

逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊と逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊とのベクトルでの関係が考慮されていない場合には、従来のように逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊と逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊とを１つの共通のフィルタ（制限器）を用いて生成している。このような場合には、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊及び逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の最大値は、変換器定格の５０％になる。これは、デルタ結線MMCにおいて、逆相電流出力時は、各相の直流コンデンサ電圧の平均値を相間でバランスするためにデルタ結線部に基本周波数の零相電流を流すことにより変換器に流れる電流が増加するためである。

このような従来の手法に比べて、電力変換装置１００は、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊を５７．７％まで増大させることができ、デルタ結線電力変換部１１０の容量を増大させることなく、電力変換装置１００の逆相電流の出力可能範囲を増大させることができる。

従来のように、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊と逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を１つの共通の制限値で制限する場合には、逆相電流の出力可能範囲は、電力変換装置１００が出力可能な最大の電力をＰとすると、半径が０．５Ｐの円で表される。

これに対して、電力変換装置１００のように逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊と逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊をそれぞれ別の制限値で制限する場合には、逆相電流の出力可能範囲は、半径が０．５Ｐの円に外接する六角形で表される。

従って、デルタ結線電力変換部１１０（デルタ結線ＭＭＣ）を含む電力変換装置１００において、制限値の異なる逆相ｑ軸電流指令制限部１３０及び逆相ｄ軸電流指令制限部１４０を含むことによって、電流制限がかかっている状態において最大の逆相無効電流を出力することが可能になる。

高圧・大容量次世代電力変換器としてＭＭＣへの注目度が高まっており、特にデルタ結線ＭＭＣはデルタ結線部に循環電流を流して逆相無効電流を出力できることから注目されている。このため、デルタ結線電力変換部１１０の容量を増大させることなく、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊を５７．７％まで増大させることによって、逆相電流出力を増大させることができる電力変換装置１００は、非常に有用性が高い。

なお、以上では、図２に示すような構成の逆相ｑ軸電流指令制限部１３０及び逆相ｄ軸電流指令制限部１４０を含む形態について説明したが、逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊と逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を生成する回路構成は、図２に示す回路構成に限られるものではない。

逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊と逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を生成する回路は、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊の絶対値の最大値が５０％であり、逆相ｑ軸電流指令ｉ_Ｎｑ ^＊を含む関数ｆ（ｉ_Ｎｑ ^＊）＝（１－｜ｉ_Ｎｑ ^＊｜）／（√３）を利用して逆相ｄ軸電流指令ｉ_Ｎｄ ^＊を生成できる回路構成であれば、図２に示す回路構成とは異なる構成であってもよい。

また、以上では、デルタ結線電力変換部１１０（デルタ結線ＭＭＣ）を含む電力変換装置１００について説明したが、三相五脚鉄心変圧器を用いた構成であってもよい。図３は、実施の形態の変形例のデルタ結線電力変換部１１０Ｍを示す図である。

デルタ結線電力変換部１１０Ｍは、図１に示すようにデルタ結線部１１４ｕ、１１４ｖ、１１４ｗでデルタ結線電力変換部１１０を電力系統１０に接続する代わりに、三相五脚鉄心変圧器１０１Ｍを介して電力系統１０に接続されている。なお、三相五脚鉄心変圧器１０１Ｍは、変圧器の漏れインダクタンスを連系リアクトルとして使用することができ、また循環電流に対するインダクタンス成分を含んでいるため、図１に示すリアクトル成分１１５ｕ、１１５ｖ、１１５ｗは図３では示さない。

電力変換装置１００は、図３に示すデルタ結線電力変換部１１０Ｍを図１に示すデルタ結線電力変換部１１０の代わりに用いた構成であってもよい。

以上、本発明の例示的な実施の形態の電力変換装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。

１０電力系統
１００電力変換装置
１０１Ｍ三相五脚鉄心変圧器
１１０、１１０Ｍデルタ結線電力変換部
１１１ｕ～１１３ｕ、１１１ｖ～１１３ｖ、１１１ｗ～１１３ｗコンバータセル
１１４ｕ、１１４ｖ、１１４ｗデルタ結線部
１１５ｕ、１１５ｖ、１１５ｗリアクトル成分
１２０逆相ｄｑ軸電流指令生成部
１２５Ａ、１２５Ｂ、１２５Ｃ電流センサ
１３０逆相ｑ軸電流指令制限部
１３１絶対値出力部
１３２固定値出力部
１３３下限リミッタ
１３４除算器
１３５乗算器
１４０逆相ｄ軸電流指令制限部
１４１絶対値出力部
１４２演算部
１４３下限リミッタ
１４４除算器
１４５絶対値出力部
１４６乗算器
１５０循環電流指令演算部
１６０二軸三相変換部
１７０三相電流指令生成部
１８０電流制御部
１９０ＰＷＭ駆動部

Claims

第１電力変換部、第２電力変換部、及び第３電力変換部を有し、前記第１電力変換部、前記第２電力変換部、及び前記第３電力変換部がデルタ接続されたデルタ結線部を有するデルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器と、
負荷電流から逆相ｄ軸電流及び逆相ｑ軸電流を求める逆相ｄｑ軸電流指令生成部と、
前記逆相ｑ軸電流と、前記逆相ｑ軸電流を制限する第１制限値とに基づいて、－０．５以上０．５以下の逆相ｑ軸電流指令を生成する逆相ｑ軸電流指令制限部と、
前記逆相ｄ軸電流と、前記逆相ｑ軸電流指令に応じて前記逆相ｄ軸電流を制限する第２制限値とに基づいて、前記逆相ｑ軸電流指令を含む関数を利用して逆相ｄ軸電流指令を生成する逆相ｄ軸電流指令制限部と、
前記逆相ｑ軸電流指令及び前記逆相ｄ軸電流指令に基づいて、前記デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器に流れる循環電流の指令値を表す循環電流指令を生成する循環電流指令生成部と、
前記逆相ｑ軸電流指令及び前記逆相ｄ軸電流指令を三相電流値に変換する二軸三相変換部と、
前記三相電流値に前記循環電流指令を加算して三相電流指令を生成する三相電流指令生成部と、
前記三相電流指令に基づいて三相電圧指令を生成する電流制御部と、
前記三相電圧指令に基づいて、前記デルタ結線モジュラー・マルチレベル・変換器を駆動する駆動部と、を含み、
前記逆相ｑ軸電流指令をｉ _Ｎｑ ^＊とすると、前記関数は、ｆ（ｉ _Ｎｑ ^＊）＝（１－｜ｉ _Ｎｑ ^＊｜）／（√３）である、電力変換装置。