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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-01-07
(45)【発行日】2022-01-21
(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換装置の制御方法
(51)【国際特許分類】
H02M 7/487 20070101AFI20220114BHJP
H02M 7/48 20070101ALI20220114BHJP
【ＦＩ】
H02M7/487
H02M7/48 R
【請求項の数】
7
(21)【出願番号】P 2018077718
(22)【出願日】2018-04-13
(65)【公開番号】P2019187156
(43)【公開日】2019-10-24
【審査請求日】2021-02-02
(73)【特許権者】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(73)【特許権者】
【識別番号】317015294
【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100103034
【弁理士】
【氏名又は名称】野河 信久
(74)【代理人】
【識別番号】100075672
【弁理士】
【氏名又は名称】峰 隆司
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100189913
【氏名又は名称】鵜飼 健
(72)【発明者】
【氏名】児山 裕史
(72)【発明者】
【氏名】影山 隆久
(72)【発明者】
【氏名】藤田 崇
(72)【発明者】
【氏名】長谷川 隆太
【審査官】栗栖 正和
(56)【参考文献】
【文献】特開２００８－２２８５００（ＪＰ，Ａ）
【文献】欧州特許出願公開第０３４６２５５９（ＥＰ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１０／０７９５９３（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０００－０３２６６５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ ７／４８７
Ｈ０２Ｍ ７／４８
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流側端子が共通の直流リンク部にそれぞれ接続され、交流側端子が共通の系にそれぞれ接続されるインバータ及びコンバータと、発電システムとして出力する無効電力を、前記インバータから発電機を介して出力される無効電力と前記コンバータから出力される無効電力との合計として出力するよう制御する手段と
を具備する、電力変換装置。
【請求項2】
前記制御する手段は、前記コンバータの出力電流及び前記コンバータの出力電圧に基づいて、前記コンバータの無効電力指令値を演算する演算手段と、
前記発電機から電力系統に出力する無効電力及び前記コンバータから前記電力系統に出力する無効電力の合計の指令値と前記演算手段により演算した前記コンバータの無効電力指令値との偏差を前記発電機の無効電力指令値として出力する出力手段と
を具備する、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項3】
直流側端子が共通の直流リンク部にそれぞれ接続され、交流側端子が共通の系にそれぞれ接続されるインバータ及びコンバータと、発電システムとして出力する無効電力を、前記インバータから出力される無効電力と前記コンバータから出力される無効電力との合計として出力するよう制御する手段と
を具備する、電力変換装置。
【請求項4】
前記コンバータは、前記演算手段により演算した前記コンバータの無効電力指令値に応じた無効電力を、電力の出力容量の範囲内で出力する、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記演算手段は、前記コンバータの出力電流の最大値と前記コンバータの有効電流指令値とに基づいて前記コンバータの無効電流指令値を演算し、前記無効電流指令値及び前記コンバータの出力電圧に基づいて、前記コンバータの無効電力指令値を演算する、
請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記インバータは、固定子巻線が電力系統に接続される発電機の二次励磁巻線に電力を供給する、請求項１、２、４又は５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項7】
直流側端子が共通の直流リンク部にそれぞれ接続され、交流側端子が共通の系にそれぞれ接続されるインバータ及びコンバータを有する電力変換装置を制御する方法であって、発電システムとして出力する無効電力を、前記インバータから発電機を介して出力される無効電力と前記コンバータから出力される無効電力との合計として出力するよう制御する、
電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
直流と交流を相互に変換する電力変換装置は、インバータ及びコンバータを有し、社会の中で幅広い分野で用いられている。
最も基本的なインバータは、２つの半導体スイッチング素子による２レベルインバータであり、１つのレグで２つの電圧レベルを出力する。
最も基本的なインバータは、２つの半導体スイッチング素子による２レベルインバータであり、１つのレグで２つの電圧レベルを出力する。
【0003】
図６は、中性点クランプ型(ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped）)インバータの回路構成の一例を示す図である。
図６のように、１つのレグで４つの半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子と呼ぶことがある）と２つのクランプ用の半導体スイッチング素子（ダイオードでも良い）と直流分圧コンデンサとを用いた中性点クランプ型インバータが存在する。
図６では、三相のＮＰＣのインバータ・コンバータ回路を例示している。ＮＰＣインバータは１つのレグで３つの電圧レベルを出力する事ができ、高耐圧化、損失低減、高調波低減に寄与するため、様々なインバータに用いられている。
図６のように、１つのレグで４つの半導体スイッチング素子（以下、スイッチング素子と呼ぶことがある）と２つのクランプ用の半導体スイッチング素子（ダイオードでも良い）と直流分圧コンデンサとを用いた中性点クランプ型インバータが存在する。
図６では、三相のＮＰＣのインバータ・コンバータ回路を例示している。ＮＰＣインバータは１つのレグで３つの電圧レベルを出力する事ができ、高耐圧化、損失低減、高調波低減に寄与するため、様々なインバータに用いられている。
【0004】
図６に示した回路の構成を説明する。まず、直流リンク部において高電位側のコンデンサＣ１と、低電位側のコンデンサＣ２とが直列接続される。交流電源にはＵ相のコンバータ１０１を含むＵＶＷ相のコンバータの交流側端子が接続され、負荷にはｕ相のインバータ１０２を含むｕｖｗ相のインバータの交流側端子が接続される。
【0005】
コンバータ１０１は、高電位側から低電位側にかけて直列接続してレグを構成する４つのスイッチング素子ＳＷ＿Ｃ１、ＳＷ＿Ｃ２、ＳＷ＿Ｃ３、ＳＷ＿Ｃ４と、各スイッチング素子に１対１で逆並列接続される４つの還流ダイオードＤ＿Ｃ１、Ｄ＿Ｃ２、Ｄ＿Ｃ３、Ｄ＿Ｃ４と、スイッチング素子ＳＷ＿Ｃ１、ＳＷ＿Ｃ２の相互接続点からスイッチング素子ＳＷ＿Ｃ３、ＳＷ＿Ｃ４の相互接続点にかけて直列接続される２つのスイッチング素子ＳＷ＿Ｃ５、ＳＷ＿Ｃ６と、スイッチング素子ＳＷ＿Ｃ５、ＳＷ＿Ｃ６に対して１対１で逆並列接続される２つのダイオードＤ＿Ｃ５、Ｄ＿Ｃ６を有する。コンデンサＣ１は直流電圧ｖｄｃ１を保持し、コンデンサＣ２は直流電圧ｖｄｃ２を保持する。各スイッチング素子は、コレクタを高電位側としてエミッタを低電位側とする。また、各ダイオードは、カソードを高電位側としてアノードを低電位側とする。
【0006】
なお、スイッチング素子ＳＷ＿Ｃ２、ＳＷ＿Ｃ３の相互接続点からコンバータ１０１の外部へ電流ｉｕ
ｃが出力される。スイッチング素子ＳＷ＿Ｃ５、ＳＷ＿Ｃ６の相互接続点はコンデンサＣ１、Ｃ２の相互接続点である中性点ＮＰ（電位はｖｎ）へ接続され、電流ｉｎ
ｃが流れる。Ｖ相、Ｗ相のコンバータの構成はＵ相のコンバータ１０１と同様である。
【0007】
また、ｕ相のインバータ１０２は、高電位側から低電位側にかけて直列接続してレグを構成する４つのスイッチング素子ＳＷ＿Ｉ１、ＳＷ＿Ｉ２、ＳＷ＿Ｉ３、ＳＷ＿Ｉ４と、各スイッチング素子に１対１で逆並列接続される４つの還流ダイオードＤ＿Ｉ１、Ｄ＿Ｉ２、Ｄ＿Ｉ３、Ｄ＿Ｉ４と、スイッチング素子ＳＷ＿Ｉ１、ＳＷ＿Ｉ２の相互接続点からスイッチング素子ＳＷ＿Ｉ３、ＳＷ＿Ｉ４の相互接続点にかけて直列接続される２つのスイッチング素子ＳＷ＿Ｉ５、ＳＷ＿Ｉ６と、スイッチング素子ＳＷ＿Ｉ５、ＳＷ＿Ｉ６に対して１対１で逆並列接続される２つのダイオードＤ＿Ｉ５、Ｄ＿Ｉ６を有する。
【0008】
なお、スイッチング素子ＳＷ＿Ｉ２、ＳＷ＿Ｉ３の相互接続点からインバータ１０２の外部へ電流ｉｕ
ｉが出力される。スイッチング素子ＳＷ＿Ｉ５、ＳＷ＿Ｉ６の相互接続点は中性点ＮＰへ接続され、電流ｉｎ
ｉが流れる。ｖ相、ｗ相のインバータの構成はｕ相のインバータ１０２と同様である。
【0009】
図７は、誘導発電機の二次励磁変換器の回路構成の一例を示す図である。
図７に示すように、交流発電機である誘導発電機１１１の二次励磁変換器は、インバータ１１２、直流リンク部（高電位側コンデンサ１１３ａ、低電位側コンデンサ１１３ｂの直列回路）、コンバータ１１４、変圧器１１５を含む。インバータ１１２は、誘導発電機１１１の二次励磁巻線を励磁し、この誘導発電機１１１から無効電力Ｑが電力系統側の変圧器１１６に出力される。二次励磁巻線の励磁に必要な有効電力Ｐｃは、変圧器１１６から二次励磁変換器側の変圧器１１５を介して、コンバータ１１４が、インバータ１１２、コンバータ１１４間の直流リンク部に供給する。このような発電システムは、風力発電機、可変速発電機などに用いられる。
図７に示すように、交流発電機である誘導発電機１１１の二次励磁変換器は、インバータ１１２、直流リンク部（高電位側コンデンサ１１３ａ、低電位側コンデンサ１１３ｂの直列回路）、コンバータ１１４、変圧器１１５を含む。インバータ１１２は、誘導発電機１１１の二次励磁巻線を励磁し、この誘導発電機１１１から無効電力Ｑが電力系統側の変圧器１１６に出力される。二次励磁巻線の励磁に必要な有効電力Ｐｃは、変圧器１１６から二次励磁変換器側の変圧器１１５を介して、コンバータ１１４が、インバータ１１２、コンバータ１１４間の直流リンク部に供給する。このような発電システムは、風力発電機、可変速発電機などに用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【文献】特許第５６２２４３７号公報
【非特許文献】
【0011】
【文献】電気学会論文誌D, vol. 113, No. 1, 1993年, 中性点クランプ電圧形PWMインバータの中性点電位変動の解析
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0012】
ＮＰＣインバータはＰＮ間の直流電圧ｖｐｎを分圧するコンデンサを有する。ＮＰＣインバータの中性点ＮＰの電位ｖｎは、インバータの動作に従い、基本波の３倍の周波数で変動する性質を持つ。この中性点電位の変動（Ripple of neutral point voltage）が大きいと、スイッチング素子にかかる電圧が変動し、この電圧が高い時には耐圧超過で素子が破損する危険があり、当該電圧が低い時には所望の電圧が出力できずに過変調となる可能性がある。
【0013】
中性点電位の変動の大きさは、変調率（Modulation index）と力率、コンデンサ容量、負荷電流が関係する。図８は、ＮＰＣインバータにおける、変調率と力率による中性点電位の変動の大きさの一例を示す図である。図８では、コンデンサ容量と負荷電流とを一定値とし、変調率と力率による中性点電位の変動の大きさを計算した例を示す。
ここで、力率は電圧と電流の位相差（Phase difference）として示している。図８では、変調率が高いほど、また、力率が低いほど、中性点電位の変動が大きい事が分かる。
ここで、力率は電圧と電流の位相差（Phase difference）として示している。図８では、変調率が高いほど、また、力率が低いほど、中性点電位の変動が大きい事が分かる。
【0014】
中性点電位の変動を抑える最も単純な方法は、コンデンサ容量を増加させる事である。しかし、コンデンサ容量の増加はインバータの体積およびコストの増加を招き、事故時のエネルギーも大きくなる。
【0015】
一方、中性点電位の変動は、ＮＰＣインバータの制御により、ある程度抑制することができる。以下の式（１）に示す零相電圧ｖ０を各相の電圧指令値ｖｕ,ｖｖ,ｖｗに加算する事で、中性点電位変動を抑制できる。
【0016】
【数1】
【0017】
ここで、式（１）のｖｕ,ｖｖ,ｖｗは、１で規格化された各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相またはｕ相、ｖ相、ｗ相）レグの電圧指令値であり、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは各相のレグから出力される電流である。また、式（１）のsignは符号関数を表す。
【0018】
しかしながら、これらの方法では、中性点電位の変動を抑制しきれない動作領域が存在する。図９は、ＮＰＣインバータにおける、変動抑制制御を行なったときの中性点電位の変動の大きさの一例を示す図である。上記の非特許文献１または特許文献１に開示された制御を適用した場合の中性点電位の変動を同様に計算すると図９のようになる。また、図９では、力率が低いほど中性点電位の変動が大きい事が分かる。上記の図７のような発電システムで無効電力Ｑを主に系統に出力する場合、インバータの力率は低く、コンデンサの中性点電位変動は大きくなる。
【0019】
本発明が解決しようとする課題は、インバータの中性点電位変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぐことが可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0020】
実施形態における電力変換装置は、直流側端子が共通の直流リンク部にそれぞれ接続され、交流側端子が共通の系にそれぞれ接続されるインバータおよびコンバータと、発電システムとして出力する無効電力を、前記インバータから発電機を介して出力される無効電力と前記コンバータから出力される無効電力との合計として出力するよう制御する手段とを有する。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、インバータの中性点電位変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【図1】第１の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図。
【図2】第１の実施形態に係る無効電力指令の制御回路の一例を示すブロック図。
【図3】コンバータからの電流の出力範囲の一例を示す図。
【図4】第２の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図。
【図5】第３の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図。
【図6】中性点クランプ型インバータの回路構成の一例を示す図。
【図7】誘導発電機の二次励磁変換器の回路構成の一例を示す図。
【図8】ＮＰＣインバータにおける、変調率と力率による中性点電位の変動の大きさの一例を示す図。
【図9】ＮＰＣインバータにおける、変動抑制制御を行なったときの中性点電位の変動の大きさの一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、実施形態について図面を用いて説明する。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。なお、以下においては、図１に示す電力変換装置の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明する。
図１では、可変速揚水発電システム（以下、発電システムを称することがある）の三相誘導発電機（以下、誘導発電機）１の二次励磁変換器をＮＰＣインバータ（以下、インバータ）３、ＮＰＣコンバータ（以下、コンバータ）５により構成する。この二次励磁変換器と制御装置１０とで電力変換装置を構成する。誘導発電機１には揚水発電用の水車２が接続される。
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。なお、以下においては、図１に示す電力変換装置の構成要素と同一または相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明する。
図１では、可変速揚水発電システム（以下、発電システムを称することがある）の三相誘導発電機（以下、誘導発電機）１の二次励磁変換器をＮＰＣインバータ（以下、インバータ）３、ＮＰＣコンバータ（以下、コンバータ）５により構成する。この二次励磁変換器と制御装置１０とで電力変換装置を構成する。誘導発電機１には揚水発電用の水車２が接続される。
【0024】
インバータ３は、交流側端子が誘導発電機１の二次励磁巻線に接続される。コンバータ５は、交流側端子が変圧器（Transformer）６を介して電力系統に接続される。インバータ３およびコンバータ５の直流側端子は、共通の直流リンク部（高電位側のコンデンサ４ａ、低電位側のコンデンサ４ｂの直列回路）に接続される。
【0025】
インバータ３は、誘導発電機１の二次励磁巻線に電力を供給し、この誘導発電機１を励磁する。誘導発電機１の固定子巻線は変圧器７を介して電力系統に接続される。
【0026】
誘導発電機１が有効電力を電力系統に出力する際にはインバータ３からも有効電力が誘導発電機１に出力され、誘導発電機１が無効電力を電力系統に出力する際にはインバータ３からも無効電力が誘導発電機１に出力される。
【0027】
コンバータ５は、インバータ３の運転に必要な有効電力Ｐｃを電力系統から電力系統側の変圧器７、変換器側の変圧器６を介して得て、コンバータ５とインバータ３との間の直流リンク部に供給している。
【0028】
発電システムが無効電力Ｑを電力系統に出力する場合について説明する。第１の実施形態では、誘導発電機１が無効電力Ｑｇを電力系統に出力し、コンバータ５が無効電力Ｑｃを電力系統に直接出力し、発電システムとして無効電力Ｑを電力系統に出力している。即ち、以下の式（２）が成り立つ。
【0029】
Ｑ＝Ｑｇ＋Ｑｃ …式（２）
ここで、Ｑｇの上添え字のｇは誘導発電機１を、Ｑｃの上添え字のｃはコンバータ５を表す。ここで、誘導発電機１の発電端有効電力は任意であり、記載は省略している。
ここで、Ｑｇの上添え字のｇは誘導発電機１を、Ｑｃの上添え字のｃはコンバータ５を表す。ここで、誘導発電機１の発電端有効電力は任意であり、記載は省略している。
【0030】
コンバータ５の役割は直流電圧を維持する事であるが、電力の出力容量に余力があれば、コンバータ５は、無効電力を出力する事が出来る。
【0031】
図２は、第１の実施形態に係る無効電力指令の制御回路の一例を示すブロック図である。
図２に示すように、コンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊は、制御装置１０により与えられる。ここでは、誘導発電機１の無効電力指令値Ｑｇ＊の演算についても説明する。
図２に示すように、コンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊は、制御装置１０により与えられる。ここでは、誘導発電機１の無効電力指令値Ｑｇ＊の演算についても説明する。
【0032】
図３は、コンバータ５からの電流の出力範囲の一例を示す図である。
図３のように、コンバータ５が電力を出力できる範囲は、ｄ軸とｑ軸（ｄ軸に直交する軸）を用いた回転座標系で表すことができる。コンバータ５の出力電流Ｉｃは図３中の破線の円に対応する出力電流最大値Ｉｍａｘ ｃの範囲で出力する。直流電圧維持に必要な、有効電流Ｉｄ ｃが図３に示すｄ軸上のベクトルで表される時、出力可能な無効電流Ｉｑ ｃは図３のｑ軸に平行なベクトルＩｑ ｃで表される。この関係からコンバータ５の無効電流指令値Ｉｑ ｃ＊は以下の式（３）で求められる。
図３のように、コンバータ５が電力を出力できる範囲は、ｄ軸とｑ軸（ｄ軸に直交する軸）を用いた回転座標系で表すことができる。コンバータ５の出力電流Ｉｃは図３中の破線の円に対応する出力電流最大値Ｉｍａｘ ｃの範囲で出力する。直流電圧維持に必要な、有効電流Ｉｄ ｃが図３に示すｄ軸上のベクトルで表される時、出力可能な無効電流Ｉｑ ｃは図３のｑ軸に平行なベクトルＩｑ ｃで表される。この関係からコンバータ５の無効電流指令値Ｉｑ ｃ＊は以下の式（３）で求められる。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、コンバータ５の有効電流指令値Ｉｄ
ｃ＊、コンバータ５の無効電流指令値Ｉｑ
ｃ＊、コンバータ５の有効電圧指令値Ｖｄ
ｃ＊とコンバータ５の無効電圧指令値Ｖｑ
ｃ＊から、コンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊が以下の式（４）のように求められる。
【0035】
Ｑｃ＊＝Ｖｑ
ｃ＊Ｉｄ
ｃ＊－Ｖｄ
ｃ＊Ｉｑ
ｃ＊ …式（４）
この無効電力指令値Ｑｃ＊が発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊、つまり、誘導発電機１から電力系統に出力する無効電力およびコンバータ５から電力系統に出力する無効電力の合計の指令値を上回ってはならないので、リミッタ１８は、無効電力指令値Ｑｃ＊を－Ｑ＊～Ｑ＊の範囲でリミットする。
この無効電力指令値Ｑｃ＊が発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊、つまり、誘導発電機１から電力系統に出力する無効電力およびコンバータ５から電力系統に出力する無効電力の合計の指令値を上回ってはならないので、リミッタ１８は、無効電力指令値Ｑｃ＊を－Ｑ＊～Ｑ＊の範囲でリミットする。
【0036】
ここで、誘導発電機１の無効電力指令値Ｑｇ＊は、発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊からコンバータ５の出力無効電力指令値Ｑｃ＊の分だけ下げた値とすることができるので、以下の式（５）が成り立つ。つまり、第１の実施形態では、電力変換装置は、発電システムから電力系統に出力する無効電力指令値を、コンバータ５の無効電力指令値および誘導発電機１の無効電力指令値の合計として出力する。
【0037】
Ｑｇ＊＝Ｑ＊－Ｑｃ＊ …式（５）
このように、制御装置１０は、誘導発電機１の無効電力指令値Ｑｇ＊をインバータ３を介して誘導発電機１に与え、コンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊をコンバータ５に与える事で、発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊を与える。
このように、制御装置１０は、誘導発電機１の無効電力指令値Ｑｇ＊をインバータ３を介して誘導発電機１に与え、コンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊をコンバータ５に与える事で、発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊を与える。
【0038】
図２に示すように、制御装置１０は、演算回路として、演算器１１，１２、減算器１３、演算器１４、乗算器１５，１６、減算器１７、リミッタ１８、減算器１９を有する。この演算回路は、例えばＣＰＵ、記憶装置等からなるコンピュータ装置により実現することができる。この演算回路を用いた無効電力指令値の出力の具体例について説明する。
演算器１１は、コンバータ５の出力電流最大値Ｉｍａｘ ｃの二乗を出力し、演算器１２は、コンバータ５の有効電流指令値Ｉｄ ｃ＊の二乗を出力する。出力電流最大値Ｉｍａｘ ｃは、設計上の任意の値である。
演算器１１は、コンバータ５の出力電流最大値Ｉｍａｘ ｃの二乗を出力し、演算器１２は、コンバータ５の有効電流指令値Ｉｄ ｃ＊の二乗を出力する。出力電流最大値Ｉｍａｘ ｃは、設計上の任意の値である。
【0039】
減算器１３は、演算器１１からの出力値から演算器１２からの出力値を減じた偏差を出力し、演算器１４は、減算器１３からの偏差の平方根をコンバータ５の無効電流指令値Ｉｑ
ｃ＊として出力する。
これらの演算器１１、１２、減算器１３、演算器１４を用いた演算は、上記の式（３）に従った演算に対応する。
これらの演算器１１、１２、減算器１３、演算器１４を用いた演算は、上記の式（３）に従った演算に対応する。
【0040】
乗算器１５は、演算器１４からのコンバータ５の無効電流指令値Ｉｑ
ｃ＊にコンバータ５の有効電圧指令値Ｖｄ
ｃ＊を乗じた値を出力する。乗算器１６は、コンバータ５の有効電流指令値Ｉｄ
ｃ＊にコンバータ５の無効電圧指令値Ｖｑ
ｃ＊を乗じた値を出力する。
【0041】
減算器１７は、乗算器１６の出力値から乗算器１５の出力値を減じた偏差を出力する。これらの乗算器１５、１６、減算器１７を用いた演算は、上記の式（４）に従った演算に対応する。
リミッタ１８は、減算器１７からの偏差を－Ｑ＊～Ｑ＊の範囲でリミットした値をコンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊として出力する。
リミッタ１８は、減算器１７からの偏差を－Ｑ＊～Ｑ＊の範囲でリミットした値をコンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊として出力する。
【0042】
減算器１９は、発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊から、リミッタ１８からのコンバータ５の無効電力指令値Ｑｃ＊を減じた偏差を誘導発電機１の無効電力指令値Ｑｇ＊として出力する。この減算器１９を用いた演算は、上記の式（５）に従った演算に対応する。
【0043】
ここで、従来例について説明する。従来例では、上記で説明した図７のように誘導発電機１１１からのみ無効電力Ｑが電力系統に出力される。即ち、以下の式（６）が成り立つ。
【0044】
Ｑ＝Ｑｇ …式（６）
図７に示すコンバータ１１４は有効電力Ｐｃを直流リンク部に供給する一方で、コンバータ１１４から無効電力Ｑｃは出力されない。つまり、誘導発電機１１１の無効電力指令値Ｑｇ＊は以下の式（７）で表され、コンバータ１１４の無効電力指令値Ｑｃ＊は以下の式（８）で表される。
図７に示すコンバータ１１４は有効電力Ｐｃを直流リンク部に供給する一方で、コンバータ１１４から無効電力Ｑｃは出力されない。つまり、誘導発電機１１１の無効電力指令値Ｑｇ＊は以下の式（７）で表され、コンバータ１１４の無効電力指令値Ｑｃ＊は以下の式（８）で表される。
【0045】
Ｑｇ＊＝Ｑ＊ …式（７）
Ｑｃ＊＝０ …式（８）
上記のように、ＮＰＣインバータの中性点電位変動は、力率が低いほど大きい。本実施形態において、誘導発電機１が無効電力を電力系統に出力する際にはインバータ３からも無効電力が出力される。
Ｑｃ＊＝０ …式（８）
上記のように、ＮＰＣインバータの中性点電位変動は、力率が低いほど大きい。本実施形態において、誘導発電機１が無効電力を電力系統に出力する際にはインバータ３からも無効電力が出力される。
【0046】
実施形態の説明に戻る。本実施形態では、誘導発電機１が電力系統に出力する無効電力Ｑｇは、発電システムとしての無効電力出力値（実際の出力値）Ｑ（または発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊）に対して、コンバータ５から電力系統に出力する無効電力出力値Ｑｃ（またはコンバータ５への無効電力指令値Ｑｃ＊）だけ低下した電力であるので（式（５）参照）、インバータ３の力率が向上する。この結果、ＮＰＣインバータの中性点電位変動を小さくすることができる。
【0047】
本実施形態によれば、ＮＰＣインバータ・コンバータにおいて、ＮＰＣインバータの中性点電位変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぎ、この結果、小型・低コストで安全な電力変換装置を提供することができる。
【0048】
以下に、第１の実施形態を含む各実施形態の共通事項を述べる。
ＮＰＣコンバータはＴ型ＮＰＣコンバータでも構わない。また、制御装置１０の演算回路での演算にあたり、コンバータ５の有効電圧指令値Ｖｄ ｃ＊とコンバータ５の無効電圧指令値Ｖｑ ｃ＊に代えて、コンバータ５の有効電圧出力値Ｖｄ ｃとコンバータ５の無効電圧出力値Ｖｑ ｃを用いても構わない。
また、制御装置１０の演算での演算にあたり、コンバータ５の有効電流指令値Ｉｄ ｃ＊に代えて、コンバータ５の有効電流出力値Ｉｄ ｃを用いても構わない。
ＮＰＣコンバータはＴ型ＮＰＣコンバータでも構わない。また、制御装置１０の演算回路での演算にあたり、コンバータ５の有効電圧指令値Ｖｄ ｃ＊とコンバータ５の無効電圧指令値Ｖｑ ｃ＊に代えて、コンバータ５の有効電圧出力値Ｖｄ ｃとコンバータ５の無効電圧出力値Ｖｑ ｃを用いても構わない。
また、制御装置１０の演算での演算にあたり、コンバータ５の有効電流指令値Ｉｄ ｃ＊に代えて、コンバータ５の有効電流出力値Ｉｄ ｃを用いても構わない。
【0049】
（第２の実施形態）
図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。
本実施形態にかかる電力変換装置が適用されるシステムの基本的な構成は第１の実施形態と同じだが、第１の実施形態の水車２に代えて風車３０が誘導発電機１を回す。つまり誘導発電機１を風力発電機として用いる。
図４は、第２の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。
本実施形態にかかる電力変換装置が適用されるシステムの基本的な構成は第１の実施形態と同じだが、第１の実施形態の水車２に代えて風車３０が誘導発電機１を回す。つまり誘導発電機１を風力発電機として用いる。
【0050】
本実施形態では、誘導型の風力発電機の二次励磁変換器を、第１の実施形態と同様のＮＰＣインバータ・コンバータで構成しており、無効電力の出力は第１の実施形態と同様に行われる。誘導発電機１が電力系統に出力する無効電力Ｑｇが、発電システムとしての無効電力出力値（実際の出力値）Ｑ（または発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊）に対して、コンバータ５から電力系統に出力する無効電力出力値Ｑｃ（またはコンバータ５への無効電力指令値Ｑｃ＊）だけ低下した電力であるので（式（５）参照）、インバータ３の力率が向上する。この結果、中性点電位変動を小さくすることができる。
【0051】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ＮＰＣインバータ・コンバータにおいて、ＮＰＣインバータの中性点電位変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぎ、この結果、小型・低コストで安全な電力変換装置を提供することができる。
【0052】
（第３の実施形態）
図５は、第３の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムは、第１の実施形態で説明した誘導発電機１を設けない、電力系統の電圧補償装置またはパワーフローコントローラなどに適用できる。第３の実施形態では、変圧器６、７に代えて、変換器側の並列変圧器４１と、電力系統側の直列変圧器４２を設け、インバータ３の交流側端子が直列変圧器４２を介して電力系統に接続し、コンバータ５の交流側端子が並列変圧器４１を介して電力系統に接続し、直流リンク部は共通になっている。
図５は、第３の実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムの構成例を示す図である。
本実施形態に係る電力変換装置が適用されるシステムは、第１の実施形態で説明した誘導発電機１を設けない、電力系統の電圧補償装置またはパワーフローコントローラなどに適用できる。第３の実施形態では、変圧器６、７に代えて、変換器側の並列変圧器４１と、電力系統側の直列変圧器４２を設け、インバータ３の交流側端子が直列変圧器４２を介して電力系統に接続し、コンバータ５の交流側端子が並列変圧器４１を介して電力系統に接続し、直流リンク部は共通になっている。
【0053】
通常は、インバータ３が補償電圧またはパワーフローを制御する電圧を電力系統に出力し、コンバータ５は、インバータ３の動作に必要な有効電力のみを系統から得る。本実施形態では、電力系統への無効電力の出力を第１の実施形態と同様に行う。ただし、第１の実施形態での誘導発電機１への無効電力指令値は、インバータ３への無効電力指令値Ｑｉ＊として出力する。
インバータ３が出力する無効電力Ｑｉが、発電システムとしての無効電力出力値（実際の出力値）Ｑ（または発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊）に対して、コンバータ５から電力系統に出力する無効電力出力値Ｑｃ（またはコンバータ５への無効電力指令値Ｑｃ＊）だけ低下した電力となるので、インバータ３の力率が向上し、中性点電位変動を小さくできる。
インバータ３が出力する無効電力Ｑｉが、発電システムとしての無効電力出力値（実際の出力値）Ｑ（または発電システムとしての無効電力指令値Ｑ＊）に対して、コンバータ５から電力系統に出力する無効電力出力値Ｑｃ（またはコンバータ５への無効電力指令値Ｑｃ＊）だけ低下した電力となるので、インバータ３の力率が向上し、中性点電位変動を小さくできる。
【0054】
本実施形態によれば、第１の実施形態と同様に、ＮＰＣインバータ・コンバータにおいて、ＮＰＣインバータの中性点電位変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぎ、この結果、小型・低コストで安全な電力変換装置を提供することができる。
【0055】
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。
【符号の説明】
【0056】
１…誘導発電機、２…水車、３…インバータ、５…コンバータ、６，７…変圧器、１０…制御装置、１１，１２，１４…演算器、１３，１７，１９…減算器、１５，１６…乗算器、１８…リミッタ、３０…風車、４１…並列変圧器、４２…直列変圧器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
