(57)【要約】【課題】単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを構成する直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１からの出力エネルギの割合を制御するとともに、各相に出力する出力エネルギの累積値の誤差を可及的に低減する。【解決手段】直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１とその直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２とからなる３組の単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを、３相交流系統と３相負荷３００の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置であって、３組の単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃから出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ０を調節して、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合とを制御する。【選択図】図１
2010130783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源とその直流電源の直流電圧を単相交流電圧に変換するスイッチング回路とからなる３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を前記単相インバータ回路から出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置であって、
前記３組の単相インバータ回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ０を調節して、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合とを制御する制御装置を備えている電力供給装置。
【請求項２】
前記制御装置が、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃ、系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃ、各単相インバータ回路の直流電源の容量比率をａ相：ｂ相：ｃ相＝Ｘ：Ｙ：Ｚ、及びゲインＫｐを用いて、以下に示される零相電圧成分ｖ０により、各単相インバータ回路の直流電源からの出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合と制御する請求項１記載の電力供給装置。
【数１】
2010130783.tif 000036
但し、ｅａ、ｅｂ、ｅｃは以下の式で示される。
【数２】
2010130783.tif 000037
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分をインバータから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、三相交流電圧を出力する電力供給装置として、例えば特許文献１に示すように、直流電圧を単相交流電圧に変換する単相インバータ回路を３組用いて構成するものがある。
【０００３】
しかしながら、単相インバータ回路を３組用いて３相交流電圧と基準電圧の差を出力する電力供給装置は、直流電源もまた３相個別に配置されるため、次の問題がある。
【０００４】
１相又は２相の系統事故による瞬時電圧低下（瞬低）を補償する場合のように、各相から不平衡な補償電圧を出力すると、各相毎の直流電源の出力に偏りが生じ、瞬低補償時間の点で効率の良くないという問題がある。つまり、大きな電力を出力する相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギがいち早く消耗してしまい、他相の単相インバータ回路に設置された直流電源のエネルギに余裕を残したまま、瞬低などを補償できる限界時間に達してしまうという問題が生じる。また、単相負荷を含むような不平衡な負荷に適用した場合にも，同様な問題が生じる。
【０００５】
そして近時、本願発明者は、特許文献２に示す電力供給装置を発明している。この電力供給装置は、出力電圧の零相電圧成分を調整することにより、３相の直流電源から出力されるエネルギを所定の割合にする（例えば、概ね等しくする）制御方法が用いられている。
【０００６】
しかしながら、この方法は、３相の出力エネルギの累積値に誤差が生じた場合、その誤差を補正することが考慮されていない。例えば、零相電圧成分の計算に移動積分を用いるため、積分結果を得るまでに基本周波数１サイクル分の遅延が発生する。このため、負荷や系統電圧が時間とともに変化すれば、零相電圧成分の計算結果に誤差が生じてしまう。また、測定系やインバータ動作によっても、誤差が発生してしまう。そして、以降の時刻においてその誤差を補正することが考慮されていない。
【特許文献１】特開２０００−０５０６４３号公報
【特許文献２】再表２００６−１００９１８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
そこで本発明は、上記問題点を一挙に解決するためになされたものであり、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分をインバータから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置において、その単相インバータ回路を構成する直流電源からの出力エネルギの割合を制御するとともに、各相に出力する出力エネルギの累積値の誤差を可及的に低減することをその主たる所期課題とするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
すなわち本発明に係る電力供給装置は、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を単相インバータ回路から出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置であって、前記３組の単相インバータ回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ０を調節して、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合とを制御する制御装置を備えていることを特徴とする。
【０００９】
このようなものであれば、単相インバータ回路を構成する直流電源から出力されるエネルギの割合を制御することができ、直流電源のエネルギを３相偏りなく利用することができる。また、動作開始時又は動作中に生じた各直流電源の出力エネルギの誤差をフィードバック制御して、その累積値を所定の割合に制御することにより、各直流電源の容量に見合った補償時間をより一層延長することができる。
【００１０】
例えば、各単相インバータ回路の直流電源の容量が同一のものである場合には、制御装置は、３組の単相インバータ回路から出力される３相交流電圧の零相電圧成分ｖ０を調節することにより、各単相インバータ回路の直流電源の１サイクル毎の出力エネルギを同一にするとともに、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の平均値に対する各相毎の出力エネルギの累積値の偏差を用いてフィードバック制御することにより、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値を同一にする。
【００１１】
また、前記制御装置が、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃ、系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃ、各単相インバータ回路の直流電源の容量比率をａ相：ｂ相：ｃ相＝Ｘ：Ｙ：Ｚ、及びゲインＫｐを用いて、以下に示される零相電圧成分ｖ０により、各単相インバータ回路の直流電源からの出力エネルギの割合と、各単相インバータ回路の直流電源の出力エネルギの累積値の割合と制御することが望ましい。
【００１２】
【数１】
2010130783.tif 000003
【００１３】
但し、ｅａ、ｅｂ、ｅｃは以下の式で示される。
【００１４】
【数２】
2010130783.tif 000004
【発明の効果】
【００１５】
このように構成した本発明によれば、３組の単相インバータ回路を、３相交流系統と３相負荷の間に直列に接続し、基準電圧と系統電圧の差分を単相インバータ回路から出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する電力供給装置において、その単相インバータ回路を構成する直流電源からの出力エネルギの割合を制御するとともに、各相に出力する出力エネルギの累積値の誤差を可及的に低減し、直流電源に蓄えられたエネルギを有効に活用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に本発明の電力供給装置１００を瞬時電圧低下補償装置（ＤＶＲ；Dynamic Voltage Restorer）として用いた場合の一実施形態について図面を参照して説明する。なお、図１は本発明の一実施形態に係る電力供給装置１００を示す模式図である。
【００１７】
＜１．装置構成＞
本実施形態に係る電力供給装置１００は、インバータを交流系統と負荷の間に直列に接続し、系統電圧の変動分をインバータから出力することにより、負荷電圧を正常に維持させるように動作する、いわゆる３相トランスレスＤＶＲと言われるものである。そしてこの、電力供給装置１００は、図１に示すように、３相交流電源２００と３相負荷３００を含む、ａ相３０１、ｂ相３０２及びｃ相３０３からなる３相交流系統において、３相交流電源２００及び３相負荷３００の間に直列に接続される。そして、この装置１００は、通常時は電力の出力を行わず、電力系統での瞬時電圧低下を監視している。そして、瞬時電圧低下を検出した場合には、３相負荷３００の正常動作を維持するように補償電圧を出力する。
【００１８】
具体的にこのものは、図１に示すように、単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃと、直流電圧測定部３と、系統電圧測定部４と、負荷電流測定部５と、各単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを制御する制御装置６と、を備える。なお、図１において、直流電圧測定部３、系統電圧測定部４、負荷電流測定部５及び制御装置６は図示しない。
【００１９】
以下、各部ついて詳述する。
【００２０】
単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃは、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１と、それらが出力する直流電圧を単相交流電圧に変換して、ａ相、ｂ相又はｃ相に出力するスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２と、を有する。
【００２１】
直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１は、エネルギの充放電機能を有し、かつスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２以外とは電気的に絶縁された、例えばコンデンサである。
【００２２】
スイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２は、半導体スイッチ素子とそれに逆並列されたダイオードとから構成したフルブリッジインバータである。本実施形態では半導体スイッチ素子として、自己消弧能力を有するＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar
Transistor）を用いている。このスイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２は、後述する制御装置６を用いて、ゲートへの駆動信号によりオンオフ制御され、動作パターン（スイッチパターン）が制御されるようにしている。
【００２３】
直流出力測定部３は、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１より出力されるエネルギを測定するためのものであり、その測定結果を示す直流出力データを制御装置６に出力するものである。
【００２４】
系統電圧測定部４は、電力系統のａ相、ｂ相、ｃ相の系統電圧を測定し、その測定結果を示す系統電圧データを制御装置６に出力するものである。
【００２５】
負荷電流測定部５は、ａ相、ｂ相、ｃ相から３相負荷３００に供給される負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを測定し、その測定結果を示す負荷電流データを制御装置６に出力するものである。
【００２６】
制御装置６は、常時系統電圧データを受信し、系統電圧低下の検出と、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃの設定を行っているものとする。
【００２７】
また、この際、制御装置６は、系統と負荷が直接接続されるように、スイッチング回路２ａ２、２ｂ２、２ｃ２の半導体スイッチ素子のオン・オフ状態を保持している。
【００２８】
そして、系統電圧の低下を検出した際には、制御装置６は、受信した系統電圧データより正相・逆相電圧成分（以下、単に「系統電圧」という。）ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃを抽出し、次に、ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃと受信した直流出力データと負荷電流データを用いて、後述する式（２０）に示す零相電圧ｖ０を演算し、補償電圧ｖｎａ−ｖｓａ＋ｖ０（＝ｖｉａ）、ｖｎｂ−ｖｓｂ＋ｖ０（＝ｖｉｂ）、ｖｎｃ−ｖｓｃ＋ｖ０（＝ｖｉｃ）を出力するように、単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃをフィードバック制御するものである。
【００２９】
＜２．電力供給装置１００の動作＞
次に、このように構成した本実施形態の電力供給装置１００の動作について、従来の基本的な動作及びその課題を示した後に、詳細に説明する。
【００３０】
＜３．従来の基本的な動作について＞
本実施形態の電力供給装置１００の基本的な動作を図２に示す。ａ相を例にとると、電力供給装置１００は、系統電圧ｖｓａを常時監視し、あらかじめ基準電圧ｖｎａを定めておく。瞬低が発生すれば、系統電圧ｖｓａ及び基準電圧ｖｎａの差分をインバータより補償電圧ｖｉａとして出力し、負荷電圧ｖＬａを正常に維持するよう動作する。
【００３１】
図１において、電力供給装置１００の出力する補償電圧ｖｉａ、ｖｉｂ、ｖｉｃと有効電力ｐｉａ、ｐｉｂ、ｐｉｃの関係は、以下の通りである。瞬低が発生したとき、電力供給装置１００の出力する補償電圧ｖｉａ、ｖｉｂ、ｖｉｃは、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃと系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃを用いて、式（１）のように表される。ただし、太字で表記した変数はそれぞれの電圧をフェーザで表示したものである。
【００３２】
【数３】
2010130783.tif 000005
【００３３】
そして、電力供給装置１００が出力する有効電力ｐｉａ、ｐｉｂ、ｐｉｃを、式（１）と、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを用いて、以下の式（２）で表す。ここで、「・」で表す演算は、フェーザを複素平面上のベクトルとして取扱った場合の、ベクトルの内積である。
【００３４】
【数４】
2010130783.tif 000006
【００３５】
さらに、式（１）と式（２）を整理すると以下の式（３）が得られる。
【００３６】
【数５】
2010130783.tif 000007
【００３７】
この式（３）から分かるように、電力供給装置１００は、負荷３００の定格電力と系統が負荷３００に対して供給する電力との差分を、補償電力ｐｉａ、ｐｉｂ、ｐｉｃとして出力する。
【００３８】
次に、上記３で説明した従来の基本的な動作を不平衡な瞬低や負荷３００に適用する場合において、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１のエネルギ蓄積規模に対して、瞬低補償時間の点での問題点を以下に説明する。
【００３９】
まず、不平衡な瞬低に適用する場合の課題を示す。電力供給装置１００は、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃを以下の式（４）のように定め、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃは、以下の式（５）で表されるものであったとする。
【００４０】
【数６】
2010130783.tif 000008
【００４１】
【数７】
2010130783.tif 000009
【００４２】
ここで、系統側でｂ−ｃ相の２相短絡による瞬低が発生したとし、系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃを式（６）で表すものとする。
【００４３】
【数８】
2010130783.tif 000010
【００４４】
式（３）〜式（６）より、電力供給装置１００が出力する有効電力ｐｉａ、ｐｉｂ、ｐｉｃは、式（７）で表される。
【００４５】
【数９】
2010130783.tif 000011
【００４６】
この式（７）より分かるように、電力供給装置１００のａ相からは有効電力が出力されておらず、ａ相の直流電源２ａ１に蓄えられていたエネルギは利用できていない。つまり、３台の直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の内２台しか利用できていない。通常の電力供給装置であれば、３相分の直流電源を１台で構成できるため、これと比べると、従来の電力供給装置（３相トランスレスＤＶＲ）は、２／３の時間しか瞬低を補償できないことになる。逆に同じ時間の瞬低補償を実現するためには、３相合計で１．５倍のエネルギを直流電源に蓄積しておかなければならないことになる。瞬低の約８割は、１相もしくは２相の系統事故によるものであり、このことは実用上重要な課題となる。
【００４７】
次に、不平衡な負荷に適用する場合にも、同様な課題があることを示す。負荷がｂ−ｃ相間に接続された単相負荷のみであったとし、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを、式（５）に替えて式（８）で表す。また、系統電圧は式（６）に替え、式（９）のように３相とも０まで低下したとする。
【００４８】
【数１０】
2010130783.tif 000012
【００４９】
【数１１】
2010130783.tif 000013
【００５０】
式（３）、式（４）、式（８）、式（９）より、電力供給装置１００が出力する有効電力ｐｉａ、ｐｉｂ、ｐｉｃは、式（１０）で表される。
【００５１】
【数１２】
2010130783.tif 000014
【００５２】
式（１０）より、従来の電力供給装置（三相トランスレスＤＶＲ）を不平衡な負荷に適用する場合にも、不平衡な瞬低に適用する場合と同様な課題があることが分かる。
【００５３】
＜４．電力供給装置が出力する補償エネルギ（出力エネルギ）の各相制御＞
＜４−１．基本原理＞
３相３線式の負荷供給の場合には、線間電圧のみを制御し、余った自由度を利用するという考え方（線間電圧制御）がある。これに基づき、筆者らは特許文献２で、例えば瞬時電圧低下補償装置において、補償電圧の零相電圧成分ｖ０を調整することにより、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の出力エネルギの偏りを回避する方法を発明している。以下に、これをさらに拡張し、三相トランスレスＤＶＲ等の電力供給装置１００において、それぞれの直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１が出力する有効電力（出力エネルギ）を任意の比率に制御する方法を示す。
【００５４】
図１において、電力供給装置１００により式（１１）のように補償電圧ｖｉａ、ｖｉｂ、ｖｉｃを出力したとする。ｖ０は、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１が出力する有効電力の各相制御を行うために用いる零相電圧成分であるが、負荷の線間電圧には影響を与えない。
【００５５】
【数１３】
2010130783.tif 000015
【００５６】
ここで、零相電圧成分ｖ０を、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、比率Ｘ、Ｙ、Ｚ、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃ、および系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃを用いて、式（１２）のように定める。ここで比率Ｘ、Ｙ、Ｚは、各相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量の比であり、「ａ相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量」：「ｂ相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量」：「ｃ相に接続される直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量」＝Ｘ：Ｙ：Ｚである。
【００５７】
【数１４】
2010130783.tif 000016
【００５８】
ｉａ、ｉｂの位相関係が、０又はπの場合は、式（１２）によりｖ０を計算することができず、本実施形態で提案する手法の適用対象外となる。ただし、３相３線式の場合、負荷電流の３相合計は、式（１３）の通り０であり、ｉｃの位相も０又はπとなる。定常的には稀なケースであるが、過渡的にこのような状態となれば、零相電圧成分ｖ０を用いずに、つまりｖ０＝０として補償を行う。
【００５９】
【数１５】
2010130783.tif 000017
【００６０】
式（２）、式（１１）、式（１２）を整理すると、電力供給装置１００がａ相に出力する有効電力ｐｉａは、式（１４）となる。
【００６１】
【数１６】
2010130783.tif 000018
【００６２】
ここで、式（１２）より、ΔＰｂ＋ΔＰｃ＝−ΔＰａであるため、式（１４）は、式（１５）のように整理できる。
【００６３】
【数１７】
2010130783.tif 000019
【００６４】
さらに、式（１３）を用いて、ｉｃを、式（１２）を用いてΔＰａを消去すると、式（１５）は、式（１６）のように整理できる。
【００６５】
【数１８】
2010130783.tif 000020
【００６６】
同様の計算により、電力供給装置１００がｂ相とｃ相より出力する有効電力ｐｉｂ、ｐｉｃは、式（１７）のようになる。
【００６７】
【数１９】
2010130783.tif 000021
【００６８】
式（１６）と式（１７）のように、式（１２）の零相電圧成分ｖ０により、電力供給装置１００のａ相、ｂ相、ｃ相から、任意のＸ：Ｙ：Ｚの比率で補償電力を出力させることが可能となる。例えば、Ｘ、Ｙ、Ｚは、三相それぞれに接続された直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量の比率に設定すればよい。ただし、通常は直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量は等しく設定されるため、Ｘ＝Ｙ＝Ｚ＝１とすることが一般的になると考える。
【００６９】
＜４−２．瞬時値制御＞
以上は電圧と電流のフェーザを用いて基本原理を説明したが、現実の装置では瞬時値を取扱わなければならない。瞬時値制御において、電力供給装置１００の動作の基本となる式（１１）は、式（１８）のようになる。
【００７０】
【数２０】
2010130783.tif 000022
【００７１】
式（１２）によるｖ０を計算するにあたっては、式（１２）の「・」で示した内積演算を、式（１９）のように、１サイクル時間の移動積分を用いて近似する。
【００７２】
【数２１】
2010130783.tif 000023
【００７３】
ここで、ｘ及びｙは、式（１２）の中の任意のフェーザであり、ｘ（ｔ）とｙ（ｔ）は、それらの瞬時値である。また、Ｔは系統基本周波数の１サイクル分の時間である。
【００７４】
式（１９）のように、瞬時値制御では、ある時刻ｔで零相電圧成分ｖ０を計算するときには、１サイクル前までの電圧と電流の瞬時値を用いることになる。これらの電圧と電流が定常状態にあれば、二つの積に1サイクル時間の移動積分を施した結果は、時刻tにかかわらず定数になる。このとき、＜４−１＞節と同様の方法により、式（１６）に対応する結果を導くことができる。
【００７５】
しかし、負荷や系統電圧が時間とともに変化すれば、移動積分による1サイクルの遅れにより、以降の時刻に用いる零相電圧成分ｖ０の計算に誤差が生じる。これに対し、次に、各相の補償エネルギ（出力エネルギ）を補正するための方法を説明する。
【００７６】
＜４−３．補償エネルギの制御誤差に対する改善＞
誤差補正にあたり、式（１２）に替えて、零相電圧成分ｖ０を負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃ、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃ、系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃ、比率Ｘ、Ｙ、Ｚ、及びゲインＫｐを用いて、式（２０）のように定める。
【００７７】
【数２２】
2010130783.tif 000024
【００７８】
ただし、ｅａ、ｅｂ、ｅｃは、瞬低補償開始後に電力供給装置１００（各相に接続された直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１）から出力された補償エネルギであり、式（２１）で表す。
【００７９】
【数２３】
2010130783.tif 000025
【００８０】
この時、例えばａ相を例に取ると、式（２０）と式（２１）により定まる電力供給装置１００の出力は、式（２２）となる。式（２２）の導出方法は、式（１６）と同様である。
【００８１】
【数２４】
2010130783.tif 000026
【００８２】
ここで、式（１３）より、ｅａ、ｅｂ、ｅｃの間には式（２３）の関係がある。
【００８３】
【数２５】
2010130783.tif 000027
【００８４】
式（２１）〜式（２３）を整理すると、式（２４）が得られる。
【００８５】
【数２６】
2010130783.tif 000028
【００８６】
式（２４）にラプラス変換を施すと、式（２５）が得られる。ここで、ｓはラプラス演算子を表す。
【００８７】
【数２７】
2010130783.tif 000029
【００８８】
このように、式（２０）及び式（２１）からなる零相電圧成分ｖ０を用いることにより、式（２５）の右辺第２項の誤差は、時定数１／Ｋｐで減衰し、ｅａは平均値に収束する。以上の計算は、ｂ相及びｃ相の補償エネルギに関しても同様である。
【００８９】
次に、比例ゲインＫｐの設定方法について説明する。
【００９０】
瞬時電圧低下補償装置は、通常は数百ｍｓｅｃ以上の瞬低を補償するよう設計されるため、それよりも十分短い数十ｍｓｅｃで誤差を減衰させるよう、式（２５）右辺の伝達関数の時定数を設定する。本実施形態では式（２６）のように、比例ゲインをＫｐ＝６０とする。
【００９１】
【数２８】
2010130783.tif 000030
【００９２】
＜４−４．直流電圧による制約に対する改善＞
ここまでは、式（２０）等から定まる補償電圧を、インバータが概ね正確に出力できることを前提としていた。ところが現実には、インバータが出力できる電圧は、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の直流電圧により制約を受ける。
【００９３】
例えば、３相平衡な純抵抗負荷に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡による瞬低が発生したとする。図３に、式（１２）の零相電圧成分ｖ０を含む補償電圧と系統電圧との関係を示す。
【００９４】
上述した方法を用いない場合には、ｂ相及びｃ相の補償電圧ｖｎｂ−ｖｓｂとｖｎｃ−ｖｓｃのピーク値は、√３／２ｐｕである。ところが、上述した方法を用いた場合には、補償電圧ｖｎｂ−ｖｓｂ＋ｖ０とｖｎｃ−ｖｓｃ＋ｖ０のピーク値は、１ｐｕとなる。そして、この補償電圧を出力するためには、直流電圧には１ｐｕが必要となる。このことは、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１がコンデンサのように、補償エネルギの出力とともに充電電圧が低下する電源であった場合、瞬低を補償できる時間に影響を及ぼすことを示している。つまり、充電電圧が１ｐｕ以下になった場合以降は、零相電圧成分ｖ０を用いなければｂ相及びｃ相のインバータの直流電圧ｖＣｂ、ｖＣｃが√３／２ｐｕに低下するまで瞬低補償を継続できるが、ｖ０を加えた補償電圧は出力できない状態となる。
【００９５】
この対策として、可能な範囲で３相均等に補償エネルギを出力できるよう、直流電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃ、系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃ、および基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃを用いて、零相電圧成分ｖ０を式（２７）のように制限する。
【００９６】
【数２９】
2010130783.tif 000031
【００９７】
図３の場合では、直流電圧が１ｐｕを下回ると、式（２７）による制限が発生し、ｂ相とｃ相からはｖ０を加えた補償電圧を正確に出力できなくなる。この結果、３相均等な補償エネルギの出力はできなくなる。しかし、ａ相では、補償電圧ｖｉａのピーク値を出力する時に式（２７）による制限は発生しない。これにより、ａ相からも十分な補償エネルギが出力され、ｂ相とｃ相より出力する補償エネルギとの差を低減することができる。
【００９８】
＜４−５．制御フロー＞
次に、式（２０）および式（２１）による零相電圧成分ｖ０の値を演算するためのフローチャートを図４に示す。ただし、式（２０）における比率Ｘ、Ｙ、Ｚは、いずれも１としている。また０≦ｔ＜Ｔの場合の記載は省略している。
【００９９】
ステップＳ１において、系統電圧測定部４、負荷電流測定部５直流電圧測定部３から系統電圧ｖｓａ、ｖｓｂ、ｖｓｃと、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃと、補償電圧ｖｉａ、ｖｉｂ、ｖｉｃの各測定データを取得する。また、基準電圧ｖｎａ、ｖｎｂ、ｖｎｃの振幅は系統の定格電圧と一致させ、位相は正相分離式乗算型ＰＬＬを用いて系統電圧の正相分と同期をとった値を用いる。
【０１００】
ステップＳ２では、これらの値を用いて、パラメータΔＰａ、ΔＰｂ、ΔＰｃを演算する。ここで時刻ｔは、電力供給装置１００が補償電圧の出力を開始する時刻を０としている。
【０１０１】
ステップＳ３では、ステップＳ１及びステップＳ２で得られた値を用いて、仮の零相電圧成分ｖ０’を演算する。ステップＳ２及びステップＳ３の演算には、積分を用いるため、ｖ０’に正確な値が設定されるのは、補償開始の１サイクル後以降となる。
【０１０２】
ステップＳ４では、式（２７）の処理を行い、零相電圧成分ｖ０を確定させる。なお、式（２７）を満足するｖ０が存在しなければ、負荷の線間電圧を正常に維持することはできないが、このような場合にも負荷電圧を可能な限り基準電圧に近づけるという観点から、ｖ０を０として瞬低補償を行う処理を加える。
【０１０３】
＜４−６．シミュレーションによる検証＞
＜４−６−１．シミュレーションモデル＞
シミュレーションに用いる回路モデルと定数を、図５と図６に示す。
【０１０４】
交流電源２００は３相２００Ｖとした。負荷３００には、３相平衡な純抵抗負荷（R Load）、単相負荷を含む不平衡な純抵抗負荷（Unbalance Load）、純抵抗とインダクタンスを直列接続した遅れ力率負荷（RL Load）、整流器負荷（Rec Load）、の４種類を用い、容量はいずれも１００ｋＷとした。
【０１０５】
電力供給装置１００のインバータは、図７に示すように、可変電圧源により模擬した。直流電源との結合は、インバータと直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の出力する瞬時電力を一致させる形で模擬した。制御については、式（１８）の関係と図４のフローチャートを用いた。電力供給装置１００の直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１には、コンデンサを用いた。コンデンサの初期充電電圧ＶＣＨは、三相短絡による瞬低の補償も可能なように、系統の相電圧ピーク値の約２割増しとし、式（２８）により定めた。
【０１０６】
【数３０】
2010130783.tif 000032
【０１０７】
コンデンサ容量Ｃは、直流電源を３相で共有し、且つ零相の調整を行わなかった場合に、３相平衡負荷３００に対して２相短絡による瞬低を３００ｍｓｅｃ補償できるよう、式（２９）により定めた。ここで第１式右辺の５０％とは、式（７）の結果より計算される、補償電力の１相あたりの平均値である。
【０１０８】
【数３１】
2010130783.tif 000033
【０１０９】
＜４−６−２．２相短絡事故、純抵抗負荷に対する検証＞
図８（ａ）の３相平衡な定格１００ｋＷの純抵抗負荷３００に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡事故による瞬低が発生した場合のシミュレーション結果を示す。基本的な瞬低補償動作に関して、ｃ相の電圧波形を図９に示す。２段目と３段目のグラフは、補償エネルギを調整するための零相電圧成分ｖ０を含む補償電圧と負荷電圧である。零相電圧成分ｖ０の存在により、瞬低補償が正常になされているかどうかは、判断できない。一方、４段目と５段目は零相電圧成分ｖ０を除く補償電圧と負荷電圧である。電力供給装置１００は系統電圧ｖｓｃに対して補償電圧ｖｉｃ−ｖ０により、負荷電圧ｖＬｃ−ｖ０を正常に維持、すなわち負荷の線間電圧を正常に維持するよう動作している。電力供給装置１００のコンデンサ電圧は図１０の通りであり、時刻４００ｍｓｅｃに至るまで、ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃは概ね等しい。つまり３相均等に補償エネルギを出力することができている。零相電圧成分ｖ０の、瞬低補償中の様子を、図１１に示す。零相電圧成分ｖ０の波形は補償開始から１サイクル程度は安定していない。これは、＜４−２．＞節などで説明したとおり、零相電圧成分ｖ０の計算には１サイクルの遅れがあるためである。その結果、図１０からは目視では確認できない程度であるが、コンデンサ電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃが３相等しくなるようには制御できていない。ただし、負荷の相間電圧は、これにかかわらず正常に補償される。
【０１１０】
一方、ｍａｘ＿ｖ０とｍｉｎ＿ｖ０は、ｖ０を制限するための上限値と下限値であり、式（３０）により定まる。
【０１１１】
【数３２】
2010130783.tif 000034
【０１１２】
瞬低補償を進めるにつれ、コンデンサ電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃが低下するため、ｍａｘ＿ｖ０とｍｉｎ＿ｖ０の間が狭まってゆく。しかし、瞬低が開始した時刻１００ｍｓｅｃから４００ｍｓｅｃ付近までは、常にｍａｘ＿ｖ０がｍｉｎ＿ｖ０を上回っており、負荷の線間電圧を基準電圧に維持できるよう零相電圧成分ｖ０を設定できている。すなわち、式（２９）で行ったコンデンサ容量Ｃの設計通り、２相短絡による瞬低を３００ｍｓｅｃ補償することができた。一方、詳細な図示は省略するが、図９の元となるデータでは、時刻４００ｍｓｅｃ付近以降では、負荷電圧の歪が徐々に増加する。これは、ｍｉｎ＿ｖ０がｍａｘ＿ｖ０を上回り、零相電圧成分ｖ０＝０として補償電圧を出力するタイミングが発生することによる。
【０１１３】
＜４−６−３．補償エネルギ誤差の補正制御の検証＞
瞬低時の系統電圧と、負荷３００が前節と同じ条件において、＜４−３．＞節で説明した３相の補償エネルギの誤差を補正する制御の検証を行った。誤差は、コンデンサ電圧ｖＣａの初期値を、ＶＣＨ（＝２００Ｖ）から１９０Ｖに変更することにより模擬した。補償開始前後のコンデンサ電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃを図１２に示す。コンデンサ電圧の誤差は、５０ｍｓｅｃ程度で解消している。これは式（２６）で設定した時定数１／６０ｓｅｃとよく整合がとれており、３相の補償エネルギの誤差を補正するための手法の妥当性を示すことができたと考える。
【０１１４】
＜４−６−４．３相短絡事故、不平衡負荷に対する検証＞
図８（ｂ）の三相平衡な定格５０ｋＷの純抵抗負荷と単相で定格５０ｋＷの純抵抗負荷を組み合わせた負荷３００に対して、３相短絡事故により電圧が７０％低下した瞬低が発生した場合のシミュレーション結果を示す。
【０１１５】
基本的な瞬低補償動作に関して、ｃ相に関する電圧波形を図１３に示す。時刻４００ｍｓｅｃ付近までは、電力供給装置１００は、系統電圧に対して負荷電圧を正常に維持するよう動作している。図１４では、瞬低補償開始から早々に、コンデンサ電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃの乖離が始まっている。この原因は、図１５に示すように、瞬低補償開始直後から零相電圧成分ｖ０の制限が発生し、電力供給装置１００から３相均等に有効電力を出力できなかったためである。しかし、図１５では、時刻４００ｍｓｅｃ付近までは、常にｍａｘ＿ｖ０がｍｉｎ＿ｖ０を上回っており、負荷の線間電圧の維持という点で、約３００ｍｓｅｃの間は瞬低を補償できている。仮に、直流電源を３相で共有しても、零相電圧成分ｖ０の調整を行わなかった場合の補償可能な時間は、式（３１）よりＴｃｍｐ≒２８８ｍｓｅｃであった。
【０１１６】
【数３３】
2010130783.tif 000035
【０１１７】
このように、不平衡な負荷３００に対しても、直流電源を３相で共有した場合と同等の補償時間を得ることができた。また、電力供給装置１００より３相均等に有効電力を出力できなくとも、可能な範囲で３相均等に補償エネルギを出力するように零相電圧成分ｖ０を制御し、補償時間を延長することができた。
【０１１８】
＜４−６−５．２相短絡事故、遅れ力率負荷に対する検証＞
図８（ｃ）の定格１００ｋＷ、力率０．７（遅れ）の負荷３００に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡事故による瞬低が発生した場合のシミュレーションを行った。結果を図１６~図１８に示す。負荷電流が３相平衡であるという点においては、図９に示した純抵抗負荷３００に対するケースと同じであるが、コンデンサ電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃが低下する様子は、図１７に示す通り、図１０に示したものとは全く異なる。この理由を以下に説明する。
【０１１９】
本ケースにおいて、３相均等に補償出力する場合の、補償電圧、系統電圧及び負荷電流の振幅と位相の関係を図１９に示す。負荷電流が遅れ力率であるため、ｉｃとｖｎｃ−ｖｓｃの力率が高く、ｉｂとｖｎｂ−ｖｓｂの力率が低くなる。式（１２）による零相電圧成分ｖ０は、ｃ相の補償電圧ｖｉｃのピークを抑制し、ｂ相の補償電圧ｖｉｂのピークを増加させるように計算される。ところが、このままであると、ｖｉｂのピークは約１．４ｐｕとなり、式（２７）による制約が、早い時刻から発生する。この結果、ｖｉｃのピークを十分抑制できず、ｃ相から大きな補償エネルギが出力されることにより、ｃ相のコンデンサ電圧ｖＣｃが他相よりも早く低下する。そして図１２の純抵抗負荷３００のケースと比べ、若干ではあるがｍａｘ＿ｖ０がｍｉｎ＿ｖ０を下回る時間が早くなる、つまり瞬低を補償できる時間が短くなる。以上のように、提案手法を用いた場合、瞬低を補償できる時間は、負荷力率に影響を受けることを注意しなければならない。
【０１２０】
＜４−６−６．２相短絡事故、整流器負荷に対する検証＞
図８（ｄ）の定格１００ｋＷの整流器負荷３００に対して、ｂ−ｃ相の２相短絡事故による瞬低が発生した場合のシミュレーションを行った。結果を図２０~図２２に示す。コンデンサ電圧ｖＣａ、ｖＣｂ、ｖＣｃの低下の様相を他の負荷と比べると、図１０の純抵抗負荷３００のケースが、最も近いものとなった。
【０１２１】
本ケースで用いた整流器負荷３００の電流波形を、図２３に示す。ピーク値が６００Ａ近くに達するなど、１００ｋＷ相当の基本波のみによる波形とは大きく異なる。しかし、図２３から分かるように、用いた負荷３００の電流は、電圧に対する位相遅れが、あまり大きくない。このため、図２０に示した遅れ力率負荷３００とは異なり、式（２７）によるｖ０のピーク値付近での制約は、瞬低補償開始後の早い時刻では発生しなかった。その結果、コンデンサ電圧の低下は、図１０の純抵抗負荷３００のケースと似た傾向となった。
【０１２２】
＜本実施形態の効果＞
このように構成した本実施形態に係る電力供給装置１００によれば、単相インバータ回路２ａ、２ｂ、２ｃを構成する直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１から出力されるエネルギの割合を制御することができ、直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１のエネルギを３相偏りなく利用することができる。また、動作開始時又は動作中に生じた各直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の出力エネルギの誤差をフィードバック制御して、その累積値を所定の割合に制御することにより、各直流電源２ａ１、２ｂ１、２ｃ１の容量に見合った補償時間をより一層延長することができる。
【０１２３】
＜その他の変形実施形態＞
なお、本発明は前記実施形態に限られるものではない。以下の説明において前記実施形態に対応する部材には同一の符号を付すこととする。
【０１２４】
例えば、前記実施形態では、各相１つの単相インバータ回路から構成しているが、複数個の単相インバータ回路を直列接続して単相電源回路を構成するようにしても良い。
【０１２５】
また、半導体スイッチ素子にはＩＧＢＴを用いたがこれに限られることなく、例えばゲートターンオフサイリスタのような他の自己消弧形半導体スイッチ素子であっても差支えない。
【０１２６】
その他、前述した実施形態や変形実施形態の一部又は全部を適宜組み合わせてよいし、本発明は前記実施形態に限られず、その趣旨を逸脱しない範囲で種々の変形が可能であるのは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【０１２７】
【図１】本発明の第１実施形態に係る電力供給装置の概略構成図。
【図２】補償電圧を出力して負荷電圧を維持する動作を示す図。
【図３】零相電圧成分を含む補償電圧と系統電圧との関係を示す図。
【図４】零相電圧成分を算出するためのフローチャート。
【図５】シミュレーションに用いる回路モデルを示す図。
【図６】回路定数を示す表。
【図７】インバータから可変電圧源への模擬を示す図。
【図８】純抵抗負荷等のシミュレーションに用いる負荷を示す図。
【図９】２相短絡、純抵抗負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１０】２相短絡、純抵抗負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１１】２相短絡、純抵抗負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１２】補償エネルギ誤差の補正結果を示す図。
【図１３】３相短絡、不平衡負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１４】３相短絡、不平衡負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１５】３相短絡、不平衡負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１６】２相短絡、遅れ力率負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１７】２相短絡、遅れ力率負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１８】２相短絡、遅れ力率負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図１９】３相均等に補償出力する場合の補償電圧、系統電圧及び負荷電流の振幅と位相の関係を示す図。
【図２０】２相短絡、整流器負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図２１】２相短絡、整流器負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図２２】２相短絡、整流器負荷に対するシミュレーション結果を示す図。
【図２３】同シミュレーションで用いた整流器負荷の電流波形を示す図。
【符号の説明】
【０１２８】
１００・・・電力供給装置
２００・・・交流電源
３００・・・３相負荷
２ａ、２ｂ、２ｃ・・・単相インバータ回路
２ａ１、２ｂ１、２ｃ１・・・直流電源
２ａ２、２ｂ２、２ｃ２・・・スイッチング回路
６・・・制御装置
【図１】
2010130783.tif 000038
【図２】
2010130783.tif 000039
【図３】
2010130783.tif 000040
【図４】
2010130783.tif 000041
【図５】
2010130783.tif 000042
【図６】
2010130783.tif 000043
【図７】
2010130783.tif 000044
【図８】
2010130783.tif 000045
【図９】
2010130783.tif 000046
【図１０】
2010130783.tif 000047
【図１１】
2010130783.tif 000048
【図１２】
2010130783.tif 000049
【図１３】
2010130783.tif 000050
【図１４】
2010130783.tif 000051
【図１５】
2010130783.tif 000052
【図１６】
2010130783.tif 000053
【図１７】
2010130783.tif 000054
【図１８】
2010130783.tif 000055
【図１９】
2010130783.tif 000056
【図２０】
2010130783.tif 000057
【図２１】
2010130783.tif 000058
【図２２】
2010130783.tif 000059
【図２３】
2010130783.tif 000060