特開 2023-168023 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023168023

(43)【公開日】2023-11-24

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20231116BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

H02M7/48 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022079625

(22)【出願日】2022-05-13

(71)【出願人】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】服部 圭佑

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770BA12

5H770CA08

5H770DA03

5H770DA10

5H770DA41

5H770HA02W

5H770HA03W

5H770HA03Z

5H770JA04X

5H770KA03Z

5H770KA05X

5H770LB03

(57)【要約】

【課題】転流インダクタンスの値が想定された値と異なる場合にも、フィードフォワード式の定余裕角制御によって、基準値に応じた値に余裕角をより適切に制御することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】ブリッジ接続された複数のスイッチ部を有し、前記複数のスイッチ部のオン状態及びオフ状態の切り替えにより、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う他励式電力変換器と、前記他励式電力変換器による電力の変換を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記他励式電力変換器の実システムにおける転流インダクタンスを計算し、前記転流インダクタンスを基に前記複数のスイッチ部の余裕角を余裕角基準値と一致させる制御角を計算し、前記制御角に基づいて前記複数のスイッチ部のオンタイミングを制御する電力変換装置が提供される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ブリッジ接続された複数のスイッチ部を有し、前記複数のスイッチ部のオン状態及びオフ状態の切り替えにより、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う他励式電力変換器と、
前記他励式電力変換器による電力の変換を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、前記他励式電力変換器の実システムにおける転流インダクタンスを計算し、前記転流インダクタンスを基に前記複数のスイッチ部の余裕角を余裕角基準値と一致させる制御角を計算し、前記制御角に基づいて前記複数のスイッチ部のオンタイミングを制御する電力変換装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記他励式電力変換器の交流電圧、前記他励式電力変換器の直流電流、前記他励式電力変換器の直流電圧、及び運転中の制御角を基に、前記転流インダクタンスを計算する請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御装置は、計算された前記転流インダクタンスの変化を遅らせる処理を行う遅延回路を有し、前記遅延回路によって処理された後の前記転流インダクタンスを基に前記制御角を計算する請求項２記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記制御装置は、計算された前記転流インダクタンスを上限値及び下限値の範囲内に制限する処理を行うリミッタを有し、前記リミッタによって処理された後の前記転流インダクタンスを基に前記制御角を計算する請求項２又は３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記制御装置は、前記他励式電力変換器の交流電圧、前記他励式電力変換器の直流電流、前記他励式電力変換器の直流電圧、及び補正前の転流インダクタンスを基に、制御角を計算し、計算された前記制御角と運転中の制御角との偏差を演算し、前記偏差を小さくするための前記転流インダクタンスの補正値を演算し、補正前の前記転流インダクタンスに前記補正値を加算し、前記転流インダクタンスＸを補正することにより、前記他励式電力変換器の実システムにおける前記転流インダクタンスを計算する請求項２記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記制御装置は、前記補正値の変化を遅らせる処理を行う遅延回路を有し、前記遅延回路によって処理された後の前記補正値を基に前記転流インダクタンスを補正する請求項５記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記制御装置は、前記補正値を上限値及び下限値の範囲内に制限する処理を行うリミッタを有し、前記リミッタによって処理された後の前記補正値を基に前記転流インダクタンスを補正する請求項５又は６に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

サイリスタなどの他励式のスイッチング素子を用いた他励式電力変換器と、他励式電力変換器の動作を制御する制御装置と、を備えた電力変換装置がある。他励式電力変換器は、例えば、サイリスタバルブによって構成されたサイリスタブリッジである。電力変換装置は、例えば、交流電力を直流電力に変換し、直流電力を交流電力に戻す電力変換システムに用いられている。

【0003】

電力変換システムは、例えば、直流電力によって送電を行う直流送電（ＨＶＤＣ：High Voltage Direct Current）、周波数の変換を行う周波数変換器（ＦＣ：Frequency Converter）、あるいは周波数の変換を行うことなく２つの交流電力系統を連系させるＢＴＢ（Back-To-Back）などに用いられている。

【0004】

制御装置は、他励式電力変換器の順変換器（ＲＥＣ）運転を行う場合、定電流制御（ＡＣＲ：Automatic Current Regulator）にて他励式電力変換器の動作を制御する。制御装置は、他励式電力変換器の逆変換器（ＩＮＶ）運転を行う場合、定電圧制御（ＡＶＲ：Automatic Voltage Regulator）又は定余裕角制御（ＡγＲ：Automatic γ Regulator）にて他励式電力変換器の動作を制御する。

【0005】

ＩＮＶ運転時においては、ＡＶＲとＡγＲの出力の最小値選択が行われる。例えば、定常時にはＡＶＲが選択されるが、交流電圧が低下するなどして余裕角γが小さくなった場合などには、ＡγＲ制御が選択される。

【0006】

ＡγＲ制御には、フィードバック式の制御と、フィードフォワード式の制御と、がある。フィードバック式の制御は、余裕角を測定し、測定された余裕角が事前に定めた余裕角基準値よりも大きくなるように制御する方式である。余裕角は、換言すれば、サイリスタバルブ各相の逆圧期間である。フィードバック式の制御では、例えば、サイリスタバルブ各相の逆圧期間を測定する測定回路が用いられる。

【0007】

一方、フィードフォワード式の制御は、直流電流、交流電圧、転流インダクタンスから、余裕角が基準値と一致するような制御角αで制御する方式である。フィードフォワード式の制御では、例えば、余裕角が基準値と一致する制御角αを逆算する方式が適用される。

【0008】

フィードバック式の制御では、実際にサイリスタバルブに印加される逆圧期間を余裕角基準値以上に制御できる点で、転流失敗を抑制する効果が大きくなる。一方で、逆圧期間の測定回路が必要となるため、部品点数が増加し、装置構成が複雑になってしまう。例えば、製造コストの増加を招いてしまう。

【0009】

フィードフォワード式の制御では、追加の測定を必要としないことから、部品点数の増加を抑制し、フィードバック式の制御と比べて装置構成を簡単にすることができる。反面、転流インダクタンスの値が想定された値と異なる場合には、基準値通りに余裕角を制御できない場合がある。この場合には、例えば、転流失敗に至る可能性や、ＡＶＲ制御ではなくＡγＲ制御が無用に選択され、定格の直流電圧を出力できなくなってしまう可能性などが生じてしまう。

【0010】

また、転流インピーダンスには、例えば、変換器用変圧器の漏れインダクタンス、サイリスタバルブのアノードリアクトル、交流フィルタのインダクタンスなどの様々な要素が含まれる。これらの各要素のインダクタンスの製作誤差が積み重なることや、交流フィルタの投入状態が運用によって異なる場合があることなどから、実システムでの運転を行う前に、高精度に転流インダクタンスを求めることは困難であった。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0011】

【特許文献1】特開平７－１０９７４５号公報

【特許文献2】特開平８－２３７８６８号公報

【特許文献3】特開平８－３１５８８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

実施形態は、転流インダクタンスの値が想定された値と異なる場合にも、フィードフォワード式の定余裕角制御によって、基準値に応じた値に余裕角をより適切に制御することができる電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0013】

本発明の実施形態によれば、ブリッジ接続された複数のスイッチ部を有し、前記複数のスイッチ部のオン状態及びオフ状態の切り替えにより、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う他励式電力変換器と、前記他励式電力変換器による電力の変換を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記他励式電力変換器の実システムにおける転流インダクタンスを計算し、前記転流インダクタンスを基に前記複数のスイッチ部の余裕角を余裕角基準値と一致させる制御角を計算し、前記制御角に基づいて前記複数のスイッチ部のオンタイミングを制御する電力変換装置が提供される。

【発明の効果】

【0014】

本実施形態では、転流インダクタンスの値が想定された値と異なる場合にも、フィードフォワード式の定余裕角制御によって、基準値に応じた値に余裕角をより適切に制御することができる電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】第１の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。

【図2】第１の実施形態に係る定余裕角制御部を模式的に表すブロック図である。

【図3】第２の実施形態に係る定余裕角制御部を模式的に表すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0017】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換システムを模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換システム１０は、第１電力変換装置１１と、第２電力変換装置１２（電力変換装置）と、直流回路１４と、を備える。第１電力変換装置１１は、第１他励式電力変換器２１と、第１制御装置３１と、を備える。第２電力変換装置１２は、第２他励式電力変換器２２（他励式電力変換器）と、第２制御装置３２（制御装置）と、を備える。

【0018】

直流回路１４は、第１電力変換装置１１と第２電力変換装置１２との間に設けられる。直流回路１４は、より詳しくは、第１他励式電力変換器２１と第２他励式電力変換器２２との間に設けられる。直流回路１４は、第１他励式電力変換器２１と第２他励式電力変換器２２とを接続する。

【0019】

直流回路１４は、正側直流母線１４ｐと、負側直流母線１４ｎと、を有する。電力変換システム１０は、例えば、直流送電に用いられる。この場合、正側直流母線１４ｐは、例えば、海底ケーブルなどの直流ケーブルである。負側直流母線１４ｎは、ケーブル帰路でもよいし、大地帰路や海水帰路などでもよい。すなわち、負側直流母線１４ｎは、必要に応じて設けられ、省略可能である。

【0020】

電力変換システム１０は、送電ケーブルなどを介することなく、第１他励式電力変換器２１の直流側と第２他励式電力変換器２２の直流側とを直接的に接続する周波数変換器やＢＴＢなどでもよい。この場合には、例えば、第１他励式電力変換器２１の直流側と第２他励式電力変換器２２の直流側とを接続するブスバーなどの配線部材を直流回路１４とすればよい。

【0021】

第１他励式電力変換器２１は、第１交流電力系統と直流回路１４とに接続されている。第２他励式電力変換器２２は、第２交流電力系統と直流回路１４とに接続されている。第１他励式電力変換器２１は、変圧器２ａを介して第１交流電力系統と接続される。第２他励式電力変換器２２は、変圧器２ｂを介して第２交流電力系統と接続される。第１他励式電力変換器２１及び第２他励式電力変換器２２は、直流回路１４を介して互いに接続されている。

【0022】

第１他励式電力変換器２１は、第１交流電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換し、直流電力を直流回路１４に供給する。第２他励式電力変換器２２は、直流回路１４から供給された直流電力を交流電力に変換し、交流電力を第２交流電力系統に供給する。

【0023】

変圧器２ｂの一次側（第２交流電力系統側）には、例えば、交流フィルタ４が設けられる。交流フィルタ４は、第２他励式電力変換器２２の電力変換にともなうノイズなどを抑制し、第２他励式電力変換器２２から第２交流電力系統に供給される交流電力を正弦波に近付ける。

【0024】

第１交流電力系統及び第２交流電力系統の交流電力は、例えば、三相交流電力である。例えば、第１他励式電力変換器２１は、三相交流電力から直流電力への変換を行い、第２他励式電力変換器２２は、直流電力から三相交流電力への変換を行う。第１交流電力系統及び第２交流電力系統の交流電力は、単相交流電力などでもよい。

【0025】

このように、電力変換システム１０では、第１交流電力系統の交流電力を直流電力に変換し、再び交流電力に戻して第２交流電力系統に供給する。電力変換システム１０では、第１電力変換装置１１が順変換器（ＲＥＣ）運転を行い、第２電力変換装置１２が逆変換器（ＩＮＶ）運転を行う。これとは反対に、第１電力変換装置１１が逆変換器運転を行い、第２電力変換装置１２が順変換器運転を行ってもよい。

【0026】

また、第１電力変換装置１１及び第２電力変換装置１２の順変換器運転及び逆変換器運転を任意に切り替えられるようにしてもよい。換言すれば、第１交流電力系統側から第２交流電力系統側への電力供給と第２交流電力系統側から第１交流電力系統側への電力供給とを任意に切り替えられるようにしてもよい。

【0027】

以下では、第１電力変換装置１１が順変換器運転を行い、第２電力変換装置１２が逆変換器運転を行うものとして説明を行う。順変換器運転及び逆変換器運転を任意に切り替えられるようにする場合には、第１電力変換装置１１及び第２電力変換装置１２のそれぞれに順変換器運転の機能と逆変換器運転の機能とを設ければよい。

【0028】

第１他励式電力変換器２１は、三相ブリッジ接続された６つのスイッチ部４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ、４１ｘ、４１ｙ、４１ｚを有する。以下では、便宜的に、各スイッチ部４１ｕ、４１ｖ、４１ｗ、４１ｘ、４１ｙ、４１ｚをまとめて称す場合に、「スイッチ部４１」と称す。

【0029】

同様に、第２他励式電力変換器２２は、三相ブリッジ接続された６つのスイッチ部４２ｕ、４２ｖ、４２ｗ、４２ｘ、４２ｙ、４２ｚを有する。以下では、便宜的に、各スイッチ部４２ｕ、４２ｖ、４２ｗ、４２ｘ、４２ｙ、４２ｚをまとめて称す場合に、「スイッチ部４２」と称す。

【0030】

各スイッチ部４２は、例えば、他励式のスイッチング素子４２ａと、スイッチング素子４２ａに並列に接続されたスナバ回路４２ｂと、スイッチング素子４２ａの高電位側の端子に接続されたリアクトル４２ｃと、を有する。スイッチング素子４２ａには、例えば、サイリスタなどが用いられる。スイッチ部４２は、例えば、直列に接続された複数のスイッチング素子４２ａを有する。また、この場合、スイッチ部４２は、例えば、複数のスイッチング素子４２ａのそれぞれに対して並列に接続された複数のスナバ回路４２ｂを有する。各スイッチ部４２は、例えば、サイリスタバルブである。リアクトル４２ｃは、例えば、アノードリアクトルである。リアクトル４２ｃは、例えば、複数のスイッチング素子４２ａの直列接続体の高電位側の一端（アノード）に設けられる。

【0031】

各スイッチ部４１の構成は、各スイッチ部４２の構成と同様とすることができる。各スイッチ部４１、４２は、例えば、一対の主端子と制御端子とを有する。各スイッチ部４１、４２は、一対の主端子間を導通させるオン状態と、一対の主端子間を非導通とするオフ状態と、を有する。オン状態は、換言すれば、一対の主端子間に電流が流れるようにする状態であり、オフ状態は、換言すれば、一対の主端子間に電流が実質的に流れないようにする状態である。オフ状態は、第１他励式電力変換器２１及び第２他励式電力変換器２２の動作に影響が無い程度の微弱な電流が流れる状態でもよい。

【0032】

各スイッチ部４１、４２は、例えば、一対の主端子間に順方向の電圧が印加された状態で、制御端子に駆動パルスが入力されることにより、オフ状態からオン状態に切り替わる。各スイッチ部４１、４２は、例えば、オン状態に切り替わった後、一対の主端子間の電圧が所定以下となることにより、オン状態からオフ状態に切り替わる。各スイッチ部４１、４２の、オフ状態からオン状態への切り替わりは、例えば、ターンオン、あるいは点弧などと呼ばれる。各スイッチ部４１、４２の、オン状態からオフ状態への切り替わりは、例えば、ターンオフ、あるいは消弧などと呼ばれる。

【0033】

第１他励式電力変換器２１は、各スイッチ部４１のオン状態及びオフ状態の切り替えにより、電力の変換を行う。同様に、第２他励式電力変換器２２は、各スイッチ部４２のオン状態及びオフ状態の切り替えにより、電力の変換を行う。

【0034】

この例において、第１他励式電力変換器２１及び第２他励式電力変換器２２は、６相サイリスタブリッジである。但し、第１他励式電力変換器２１及び第２他励式電力変換器２２は、これに限ることなく、例えば、１２相サイリスタブリッジなどでもよい。第１他励式電力変換器２１及び第２他励式電力変換器２２の構成は、他励式のスイッチ部のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行うことができる任意の構成でよい。

【0035】

第１制御装置３１は、信号線を介して第１他励式電力変換器２１と接続されている。第１制御装置３１は、第１他励式電力変換器２１による電力の変換を制御する。第１制御装置３１は、例えば、信号線を介して第１他励式電力変換器２１の各スイッチ部４１と接続され、各スイッチ部４１に駆動パルスを入力することにより、各スイッチ部４１のオンタイミング（オフ状態からオン状態への切り替えのタイミング）を制御する。より具体的には、各スイッチ部４１に設けられたスイッチング素子のオンタイミングを制御する。このように、第１制御装置３１は、第１他励式電力変換器２１の各スイッチ部４１のオンタイミングを制御することにより、第１他励式電力変換器２１による電力の変換を制御する。

【0036】

信号線は、例えば、光ファイバケーブルである。これにより、第１他励式電力変換器２１と第１制御装置３１とを電気的に絶縁することができる。第１制御装置３１の生成する駆動パルスは、例えば、光信号である。

【0037】

第２制御装置３２は、信号線を介して第２他励式電力変換器２２と接続されている。第２制御装置３２は、第１制御装置３１と同様に、第２他励式電力変換器２２の各スイッチ部４２のオンタイミングを制御することにより、第２他励式電力変換器２２による電力の変換を制御する。

【0038】

電力変換システム１０において、順変換器運転を行う第１電力変換装置１１の第１制御装置３１は、定電流制御（ＡＣＲ）で第１他励式電力変換器２１の動作を制御する。逆変換器運転を行う第２電力変換装置１２の第２制御装置３２は、定電圧制御（ＡＶＲ）又は定余裕角制御（ＡγＲ）で第２他励式電力変換器２２の動作を制御する。

【0039】

第１電力変換装置１１は、電流測定器５１を有する。電流測定器５１は、直流回路１４に流れる直流電流Ｉｄを測定する。換言すれば、電流測定器５１は、第１他励式電力変換器２１から出力される直流電流Ｉｄを測定する。電流測定器５１は、直流電流Ｉｄの測定値を第１制御装置３１に入力する。

【0040】

第１制御装置３１は、定電流制御部６１を有する。定電流制御部６１は、電流測定器５１によって測定された直流電流Ｉｄの測定値を基に、直流回路１４に流れる直流電流Ｉｄを電流基準値に応じた一定の電流に制御するための各スイッチ部４１の制御角αを演算する。第１制御装置３１は、定電流制御部６１で演算された制御角αに基づいて、直流回路１４に電流基準値に応じた実質的に一定の電流が流れるように、各スイッチ部４１のオンタイミングを制御する。

【0041】

なお、直流電流Ｉｄの測定値は、電流測定器５１から第１制御装置３１に直接的に入力する構成に限ることなく、例えば、上位のコントローラなどから第１制御装置３１に入力する構成などとしてもよい。

【0042】

第２電力変換装置１２は、電流測定器５２と、電圧測定器５３、５４と、を有する。電流測定器５２は、直流回路１４に流れる直流電流Ｉｄを測定する。換言すれば、電流測定器５２は、第２他励式電力変換器２２に入力される直流電流Ｉｄを測定する。電流測定器５２は、直流電流Ｉｄの測定値を第２制御装置３２に入力する。

【0043】

電圧測定器５３は、直流回路１４の直流電圧Ｖｄを測定する。換言すれば、電圧測定器５３は、第２他励式電力変換器２２に入力される直流電圧Ｖｄを測定する。電圧測定器５３は、直流電圧Ｖｄの測定値を第２制御装置３２に入力する。

【0044】

電圧測定器５４は、第２交流電力系統の交流電圧Ｖａｃ１を測定する。換言すれば、電圧測定器５４は、変圧器２ｂの一次側の交流電圧Ｖａｃ１を測定する。交流電圧Ｖａｃ１は、より詳しくは、第２交流電力系統の各相の線間電圧である。電圧測定器５４は、交流電圧Ｖａｃ１の測定値を第２制御装置３２に入力する。

【0045】

第２制御装置３２は、定電圧制御部６２と、定余裕角制御部６３と、最小値選択回路６４と、を有する。

【0046】

定電圧制御部６２は、電圧測定器５３によって測定された直流電圧Ｖｄの測定値を基に、直流回路１４の直流電圧Ｖｄを電圧基準値に応じた一定の電圧に制御するための各スイッチ部４２の制御角αを演算する。

【0047】

定余裕角制御部６３は、電流測定器５２によって測定された直流電流Ｉｄの測定値、電圧測定器５３によって測定された直流電圧Ｖｄの測定値、及び電圧測定器５４によって測定された交流電圧Ｖａｃ１の測定値を基に、各スイッチ部４２の余裕角を余裕角基準値に応じた一定の余裕角に制御するための各スイッチ部４２の制御角αを演算する。

【0048】

最小値選択回路６４は、定電圧制御部６２によって演算された制御角α及び定余裕角制御部６３によって演算された制御角αのうちの最小値を選択する。

【0049】

第２制御装置３２は、最小値選択回路６４で選択された制御角αに基づいて、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御する。第２制御装置３２は、定電圧制御部６２の制御角αが選択された場合には、直流回路１４の電圧が電圧基準値に応じた実質的に一定の電圧となるように、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御する。第２制御装置３２は、定余裕角制御部６３の制御角αが選択された場合には、各スイッチ部４２の余裕角が余裕角基準値に応じた実質的に一定の余裕角となるように、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御する。

【0050】

なお、直流電流Ｉｄの測定値、直流電圧Ｖｄの測定値、及び交流電圧Ｖａｃ１の測定値は、電流測定器５２、電圧測定器５３、５４から第２制御装置３２に直接的に入力する構成に限ることなく、例えば、上位のコントローラなどから第２制御装置３２に入力する構成などとしてもよい。

【0051】

図２は、第１の実施形態に係る定余裕角制御部を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、定余裕角制御部６３は、転流インダクタンス計算回路７０と、遅延回路７１と、リミッタ７２と、制御角計算回路７３と、を有する。

【0052】

定余裕角制御部６３は、電圧測定器５４によって測定された変圧器２ｂの一次側の交流電圧Ｖａｃ１に対して変圧器２ｂの変圧比を乗算することにより、変圧器２ｂの一次側の交流電圧Ｖａｃ１の測定値を変圧器２ｂの二次側の交流電圧Ｖａｃ２の測定値に変換する。変圧器２ｂの二次側の交流電圧Ｖａｃ２は、換言すれば、第２他励式電力変換器２２から出力される交流電圧の各相の線間電圧である。

【0053】

定余裕角制御部６３は、変換後の第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４の直流電流Ｉｄ、直流回路１４の直流電圧Ｖｄ、及び運転中の制御角αを転流インダクタンス計算回路７０に入力する。運転中の制御角αは、換言すれば、最小値選択回路６４で選択されている現在の制御角αである。

【0054】

なお、電圧測定器５４は、変圧器２ｂの二次側の交流電圧Ｖａｃ２を直接的に測定してもよい。換言すれば、電圧測定器５４は、第２他励式電力変換器２２から出力される交流電圧を測定してもよい。但し、上記のように、変圧器２ｂの一次側の交流電圧Ｖａｃ１を測定し、一次側の交流電圧Ｖａｃ１に変圧比を乗算して二次側の交流電圧Ｖａｃ２を演算することにより、例えば、各スイッチ部４２が転流するときの電圧変動による影響などを抑制し、二次側の交流電圧Ｖａｃ２をより適切に取得することができる。

【0055】

転流インダクタンス計算回路７０は、入力された第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４（第２他励式電力変換器２２）の直流電流Ｉｄ、直流回路１４（第２他励式電力変換器２２）の直流電圧Ｖｄ、及び運転中の制御角αを基に、転流インダクタンスＸを計算する。転流インダクタンスＸは、例えば、第２他励式電力変換器２２の一次側のインダクタンス成分である。転流インダクタンスＸは、例えば、変圧器２ｂ（変換器用変圧器）の漏れインダクタンス、スイッチ部４２のリアクトル４２ｃ、交流フィルタ４のインダクタンスなどの複数の要素を含む。

【0056】

転流インダクタンス計算回路７０は、第２他励式電力変換器２２の実システムにおける転流インダクタンスＸを計算する。換言すれば、転流インダクタンス計算回路７０は、第２他励式電力変換器２２の現在の転流インダクタンスＸを計算する。

【0057】

第２他励式電力変換器２２の出力する直流電圧Ｖｄは、次の（１）式で求めることができる。

【数1】

なお、（１）式において、Ｘは、転流インダクタンス（ＰＵ：Per Unit）、Ｖａｃ２は、第２他励式電力変換器２２の交流電圧（ＰＵ）、Ｖａｃｂは、第２他励式電力変換器２２の交流定格電圧（ｋＶ）、Ｉｄは、直流回路１４の直流電流（ＰＵ）、Ｖｄは、直流回路１４の直流電圧（ｋＶ）、αは、制御角（ｄｅｇ）である。Ｖａｃ２は、換言すれば、第２他励式電力変換器２２の二次側線間電圧である。Ｖａｃｂは、換言すれば、第２他励式電力変換器２２の二次側定格線間電圧である。

【0058】

転流インダクタンス計算回路７０は、上記の（１）式を用いて、次の（２）式により、転流インダクタンスＸを計算する。

【数2】

【0059】

遅延回路７１及びリミッタ７２は、転流インダクタンス計算回路７０と制御角計算回路７３との間に設けられる。遅延回路７１は、転流インダクタンス計算回路７０によって計算された転流インダクタンスＸの変化を遅らせる処理を行う。遅延回路７１は、例えば、一次遅れの処理により、転流インダクタンスＸの変化を遅らせる。遅延回路７１は、換言すれば、ローパスフィルタである。遅延回路７１は、例えば、Ｖａｃが電力系統の擾乱によって変動し、転流インダクタンスＸの計算値が急峻に変化した場合の高い周波数成分の変化を抑制する。

【0060】

リミッタ７２は、転流インダクタンス計算回路７０によって計算された転流インダクタンスＸに対して上限値及び下限値を設定し、転流インダクタンスＸを上限値及び下限値の範囲内に制限する処理を行う。より詳しくは、リミッタ７２は、入力された転流インダクタンスＸの値が上限値と下限値との間の値である場合には、入力された転流インダクタンスＸをそのまま出力し、入力された転流インダクタンスＸの値が上限値以上である場合には、転流インダクタンスＸを上限値に制限して出力し、入力された転流インダクタンスＸの値が下限値以下である場合には、転流インダクタンスＸを下限値に制限して出力する。換言すれば、リミッタ７２は、転流インダクタンスＸの値が上限値以上である場合には、上限値を出力し、転流インダクタンスＸの値が下限値以下である場合には、下限値を出力する。

【0061】

この例では、リミッタ７２が、遅延回路７１と制御角計算回路７３との間に設けられている。リミッタ７２は、遅延回路７１によって処理された後の転流インダクタンスＸを上限値及び下限値の範囲内に制限する処理を行う。これとは反対に、リミッタ７２と制御角計算回路７３との間に遅延回路７１を設けてもよい。遅延回路７１は、リミッタ７２による制限の処理の後の転流インダクタンスＸに対して変化を遅らせる処理を行ってもよい。遅延回路７１及びリミッタ７２は、例えば、実質的に一体に構成されていてもよい。転流インダクタンスＸの変化を遅らせる処理、及び転流インダクタンスＸを上限値及び下限値の範囲内に制限する処理は、実質的に同時に行ってもよい。

【0062】

また、遅延回路７１及びリミッタ７２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。定余裕角制御部６３は、遅延回路７１のみを有してもよいし、リミッタ７２のみを有してもよい。遅延回路７１のみを有する場合には、遅延回路７１による処理後の転流インダクタンスＸが、制御角計算回路７３に入力される。リミッタ７２のみを有する場合には、リミッタ７２による処理後の転流インダクタンスＸが、制御角計算回路７３に入力される。遅延回路７１及びリミッタ７２のいずれも有しない場合には、転流インダクタンス計算回路７０によって計算された転流インダクタンスＸが、そのまま制御角計算回路７３に入力される。

【0063】

制御角計算回路７３には、転流インダクタンス計算回路７０によって計算され、遅延回路７１及びリミッタ７２で処理が行われた転流インダクタンスＸが入力されるとともに、第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４の直流電流Ｉｄ、及び余裕角基準値γ_０が入力される。

【0064】

制御角計算回路７３は、入力された転流インダクタンスＸ、第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４の直流電流Ｉｄ、及び余裕角基準値γ_０を基に、各スイッチ部４２の余裕角γを余裕角基準値γ_０と一致させる制御角αを計算する。制御角計算回路７３は、フィードフォワード式の定余裕角制御を行うための制御角α（ＡγＲ－α）を計算する。

【0065】

余裕角γと制御角αは、次の（３）式にて表すことができる。

【数3】

制御角計算回路７３は、上記の（３）式を基に、次の（４）式を用いることにより、余裕角γを余裕角基準値γ_０と一致させる制御角αを計算する。

【数4】

【0066】

定余裕角制御部６３は、制御角計算回路７３によって計算された制御角αを最小値選択回路６４に入力する。これにより、前述のように、定電圧制御部６２の制御角αが選択された場合には、直流回路１４の電圧が電圧基準値に応じた実質的に一定の電圧となるように、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御し、定余裕角制御部６３の制御角αが選択された場合には、各スイッチ部４２の余裕角が余裕角基準値に応じた実質的に一定の余裕角となるように、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御することができる。

【0067】

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換システム１０の第２電力変換装置１２では、転流インダクタンス計算回路７０が、第２他励式電力変換器２２の実システムにおける転流インダクタンスＸを計算し、制御角計算回路７３が、転流インダクタンス計算回路７０によって計算された実システムの転流インダクタンスＸを基に、定余裕角制御を行うための制御角αを計算する。

【0068】

これにより、第２電力変換装置１２では、実システムにおける転流インダクタンスＸを反映した定余裕角制御を行うことができる。転流インダクタンスＸの値が想定された値と異なる場合にも、フィードフォワード式の定余裕角制御によって、余裕角基準値γ_０に応じた値に余裕角γをより適切に制御することができる第２電力変換装置１２を提供することができる。

【0069】

また、第２電力変換装置１２では、各スイッチ部４２（サイリスタバルブ）の逆圧期間を測定する測定回路などを設ける必要が無く、フィードバック式の定余裕角制御を行う場合と比べて、装置構成を簡単にすることができる。

【0070】

転流インダクタンスＸを構成する複数の要素のうち、支配的な要素は、変圧器２ｂの漏れインダクタンスである。変圧器２ｂに負荷時タップ切替機能が実装されている場合、タップ切替により漏れインダクタンスが変化することはあるが、タップ切替は、一般的に秒オーダーの制御・動作である。このことから、転流インダクタンスＸの変化速度は、秒オーダーで十分であり、むしろ過敏な転流インダクタンスＸの変化は、予期せぬ転流失敗を引き起こす場合も考えられる。

【0071】

このため、第２電力変換装置１２では、定余裕角制御部６３が遅延回路７１を有する。これにより、転流インダクタンスＸの過敏な変化を抑制することができる。例えば、転流インダクタンスＸの過敏な変化に起因する予期せぬ転流失敗を抑制することができる。第２電力変換装置１２の動作をより安定させることができる。

【0072】

また、例えば、転流が正常に行われない場合や、電流測定器５２、電圧測定器５３、５４に異常が発生した場合などには、転流インダクタンスＸを適切に計算することができなくなってしまう。このため、第２電力変換装置１２では、定余裕角制御部６３がリミッタ７２を有する。これにより、転流が正常に行われない場合や、電流測定器５２、電圧測定器５３、５４に異常が発生した場合などにおいても、転流インダクタンスＸの値が異常な値となってしまうことを抑制することができる。第２電力変換装置１２の動作をより安定させることができる。

【0073】

（第２の実施形態）
図３は、第２の実施形態に係る定余裕角制御部を模式的に表すブロック図である。
第２の実施形態においては、上記第１の実施形態の第２電力変換装置１２の定余裕角制御部６３が、定余裕角制御部６３ａに置き換えられる。なお、第１の実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。

【0074】

図３に表したように、定余裕角制御部６３ａは、第１制御角計算回路８０と、減算器８１と、補正値演算器８２と、遅延回路８３と、リミッタ８４と、加算器８５と、第２制御角計算回路８６と、を有する。

【0075】

第１制御角計算回路８０には、第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４の直流電流Ｉｄ、直流回路１４の直流電圧Ｖｄ、及び補正前の転流インダクタンスＸが入力される。補正前の転流インダクタンスＸは、例えば、計算などに基づいて事前に設定された転流インダクタンスである。

【0076】

制御角αは、上記の（１）式より、次の（５）式でも求めることができる。

【数5】

第１制御角計算回路８０は、入力された第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４の直流電流Ｉｄ、直流回路１４の直流電圧Ｖｄ、及び補正前の転流インダクタンスＸを基に、上記の（５）式により、制御角αを計算する。第１制御角計算回路８０は、計算した制御角αを減算器８１に入力する。

【0077】

減算器８１には、第１制御角計算回路８０によって計算された制御角αが入力されるとともに、運転中の制御角αが入力される。減算器８１は、第１制御角計算回路８０によって計算された制御角αと運転中の制御角αとの偏差を演算する。

【0078】

補正値演算器８２は、減算器８１から入力された偏差を基に、第１制御角計算回路８０によって計算された制御角αと運転中の制御角αとの偏差を小さくするための転流インダクタンスＸの補正値を演算する。

【0079】

補正値演算器８２は、例えば、偏差に所定の係数を乗算することによって、転流インダクタンスＸの補正値を演算する。補正値演算器８２は、例えば、ＰＩＤ制御（Proportional-Integral-Differential Controller）やＰＩ制御などによって転流インダクタンスＸの補正値を演算してもよい。補正値演算器８２による転流インダクタンスＸの補正値の演算方法は、転流インダクタンスＸの補正値を適切に演算可能な任意の方法でよい。

【0080】

遅延回路８３は、補正値演算器８２によって演算された転流インダクタンスＸの補正値の変化を遅らせる処理を行う。遅延回路８３は、例えば、一次遅れの処理により、転流インダクタンスＸの補正値の変化を遅らせる。遅延回路８３には、上記第１の実施形態に関して説明した遅延回路７１と同様のものを用いることができる。

【0081】

リミッタ８４は、補正値演算器８２によって演算された転流インダクタンスＸの補正値に対して上限値及び下限値を設定し、転流インダクタンスＸの補正値を上限値及び下限値の範囲内に制限する処理を行う。より詳しくは、リミッタ８４は、入力された転流インダクタンスＸの補正値が上限値と下限値との間の値である場合には、入力された転流インダクタンスＸの補正値をそのまま出力し、入力された転流インダクタンスＸの補正値が上限値以上である場合には、転流インダクタンスＸの補正値を上限値に制限して出力し、入力された転流インダクタンスＸの補正値が下限値以下である場合には、転流インダクタンスＸの補正値を下限値に制限して出力する。換言すれば、リミッタ８４は、転流インダクタンスＸの補正値が上限値以上である場合には、上限値を出力し、転流インダクタンスＸの補正値が下限値以下である場合には、下限値を出力する。

【0082】

遅延回路８３及びリミッタ８４は、上記第１の実施形態に関して説明した遅延回路７１及びリミッタ７２と同様に、順序を入れ替えて配置してもよいし、実質的に一体に構成してもよい。遅延回路８３及びリミッタ８４は、上記第１の実施形態に関して説明した遅延回路７１及びリミッタ７２と同様に、必要に応じて設けられ、省略可能である。

【0083】

加算器８５には、補正前の転流インダクタンスＸと、転流インダクタンスＸの補正値と、が入力される。加算器８５は、補正前の転流インダクタンスＸに、転流インダクタンスＸの補正値を加算することにより、転流インダクタンスＸを補正する。換言すれば、加算器８５は、補正値を加算し、転流インダクタンスＸを補正することにより、第２他励式電力変換器２２の実システムにおける転流インダクタンスＸを計算する。加算器８５は、第２他励式電力変換器２２の現在の転流インダクタンスＸを計算する。加算器８５は、補正後の転流インダクタンスＸを第２制御角計算回路８６に入力する。

【0084】

第２制御角計算回路８６には、補正後の転流インダクタンスＸが入力されるとともに、第２他励式電力変換器２２の交流電圧Ｖａｃ２、直流回路１４の直流電流Ｉｄ、及び余裕角基準値γ_０が入力される。

【0085】

第２制御角計算回路８６は、上記第１の実施形態の制御角計算回路７３と同様に、上記の（４）式を用いることにより、余裕角γを余裕角基準値γ_０と一致させる制御角αを計算する。

【0086】

定余裕角制御部６３ａは、第２制御角計算回路８６によって計算された制御角αを最小値選択回路６４に入力する。これにより、上記第１の実施形態と同様に、定電圧制御部６２の制御角αが選択された場合には、直流回路１４の電圧が電圧基準値に応じた実質的に一定の電圧となるように、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御し、定余裕角制御部６３ａの制御角αが選択された場合には、各スイッチ部４２の余裕角が余裕角基準値に応じた実質的に一定の余裕角となるように、各スイッチ部４２のオンタイミングを制御することができる。

【0087】

事前に設定された転流インダクタンスＸと実システムの転流インダクタンスＸとに差がある場合には、第１制御角計算回路８０によって計算された制御角αと現在運転中の制御角αとに偏差が生じる。このため、定余裕角制御部６３ａは、第１制御角計算回路８０によって計算された制御角αと現在運転中の制御角αとの偏差を演算し、この偏差が小さくなるように転流インダクタンスＸを補正し、補正後の転流インダクタンスＸに基づいて定余裕角制御の制御角αを計算する。

【0088】

これにより、上記第１の実施形態と同様に、実システムにおける転流インダクタンスＸを反映した定余裕角制御を行うことができる。転流インダクタンスＸの値が想定された値と異なる場合にも、フィードフォワード式の定余裕角制御によって、余裕角基準値γ_０に応じた値に余裕角γをより適切に制御することができる第２電力変換装置１２を提供することができる。

【0089】

また、定余裕角制御部６３ａは、遅延回路８３を有する。これにより、転流インダクタンスＸの過敏な変化を抑制することができる。例えば、転流インダクタンスＸの過敏な変化に起因する予期せぬ転流失敗を抑制することができる。第２電力変換装置１２の動作をより安定させることができる。

【0090】

定余裕角制御部６３ａは、リミッタ８４をさらに有する。これにより、転流が正常に行われない場合や、電流測定器５２、電圧測定器５３、５４に異常が発生した場合などにおいても、転流インダクタンスＸの値が異常な値となってしまうことを抑制することができる。第２電力変換装置１２の動作をより安定させることができる。

【0091】

なお、定余裕角制御部６３ａによる定余裕角制御の制御角αの計算を繰り返し行う場合、第１制御角計算回路８０に入力される補正前の転流インダクタンスＸは、事前に設定された転流インダクタンスＸでもよいし、前回の制御角αの計算において加算器８５で計算された補正後の転流インダクタンスＸでもよい。

【0092】

上記各実施形態では、直流送電などの電力変換システム１０に用いられる電力変換装置を表している。電力変換装置は、これに限ることなく、交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う任意の電力変換装置でよい。制御装置は、必ずしも定電圧制御部６２と最小値選択回路６４とを有しなくてもよい。制御装置は、定余裕角制御部６３、６３ａによって計算された制御角αを基に、各スイッチ部のオンタイミングを制御してもよい。

【0093】

以上、本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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0094】

２ａ、２ｂ 変圧器、 ４ 交流フィルタ、 １０電力変換システム、 １１第１電力変換装置、 １２ 第２電力変換装置、 １４ 直流回路、 １４ｎ 負側直流母線、 １４ｐ 正側直流母線、 ２１ 第１他励式電力変換器、 ２２ 第２他励式電力変換器、 ３１第１制御装置、 ３２ 第２制御装置、 ４１、４２ スイッチ部、 ５１ 電流測定器、 ５２ 電流測定器、 ５３、５４ 電圧測定器、 ６１ 定電流制御部、 ６２ 定電圧制御部、 ６３、６３ａ 定余裕角制御部、 ６４ 最小値選択回路、 ７０ 転流インダクタンス計算回路、 ７１ 遅延回路、 ７２ リミッタ、 ７３ 制御角計算回路、 ８０ 第１制御角計算回路、 ８１ 減算器、 ８２ 補正値演算器、 ８３ 遅延回路、 ８４ リミッタ、 ８５ 加算器、 ８６ 第２制御角計算回路

【図1】

【図2】

【図3】