(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、
３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記高圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めること、並びに前記中圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めることによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。
【請求項２】
三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、ΔＶＨＬｙ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔＶＭＬｙ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ｉｙが前記クラスターからの出力電流を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、
３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、ｉｙ≧０のときはΔＶＨＬｙ’＞０且つΔＶＭＬｙ’＞０であるΔＶＨＬｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算し、ｉｙ＜０のときはΔＶＨＬｙ’＜０且つΔＶＭＬｙ’＜０であるΔＶＨＬｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。
【請求項３】
三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、ΔＶＨＭｙ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔＶＨＬｙ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ｉｙが前記クラスターからの出力電流を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、
３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、ｉｙ≧０のときはΔＶＨＭｙ’＞０且つΔＶＨＬｙ’＞０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＨＬｙ’を加算し、ｉｙ＜０のときはΔＶＨＭｙ’＜０且つΔＶＨＬｙ’＜０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＨＬｙ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。
【請求項４】
三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、
前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、
ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、ΔＶＨＭｙ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔＶＭＬｙ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ｉｙが前記クラスターからの出力電流を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、
３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、ｉｙ≧０のときはΔＶＨＭｙ’＞０且つΔＶＭＬｙ’＞０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算し、ｉｙ＜０のときはΔＶＨＭｙ’＜０且つΔＶＭＬｙ’＜０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させることを特徴とする、無効電力補償装置。
【請求項５】
前記三相交流の相毎に請求項２から４に記載のエネルギー移動の方法のうちのいずれか一つが用いられ、前記三相交流の相のうちの全て若しくは少なくとも一部においてエネルギー移動の方法が他の相と異なることを特徴とする無効電力補償装置。
【請求項６】
前記高圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＨｙ、前記中圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＭｙ、及び前記低圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＬｙが、１＜ｋ＜２としたときにＶＣＨｙ：ＶＣＭｙ：ＶＣＬｙ＝６：２：ｋであることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の無効電力補償装置。
【請求項７】
前記高圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＨｙ、前記中圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＭｙ、及び前記低圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＬｙが、１＜ｋ＜２としたときにＶＣＨｙ：ＶＣＭｙ：ＶＣＬｙ＝４：２：ｋであることを特徴とする請求項２から５のいずれか一つに記載の無効電力補償装置。
【請求項８】
前記ｋの値が１．０１〜１．３であることを特徴とする請求項６または７記載の無効電力補償装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無効電力補償装置に関する。さらに詳述すると、本発明は、電力系統用の自励式無効電力補償装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
自励式無効電力補償装置は、電力系統に接続され、無効電力を発生又は消費することによって系統電圧の調整や安定度の向上のために用いられる。
【０００３】
従来の配電系統用の自励式無効電力補償装置としては例えば、図１９に示すように、カスケード変換器を用いたものがある。この自励式無効電力補償装置は、セルと呼ばれる単相フルブリッジコンバータモジュール（図１９中では「 con. 」と表記）を一要素とし、複数のセルの交流端子を直列接続（これをカスケード接続と呼ぶ）することによって高い電圧を出力可能とするものである。例えば、各セルの直流コンデンサの電圧（以下、直流電圧ともいう）を１〔kV〕に設定したセル（符号con．1 〜 con．6）を６段直列接続すると、線間25レベル，７〔kV〕(＝１〔kV〕×６段×√(3/2))の交流電圧波形を出力することができ、6.6〔kV〕の三相高圧配電系統に変圧器を用いることなく連系することができる（非特許文献１）。
【０００４】
しかしながら、上記非特許文献１の自励式無効電力補償装置では、全てのセルは同一の構成で良いものの、出力電圧の波形のレベル数を増加させるにはレベル数に比例した段数のセルを接続する必要がある。なお、上述の変換器の出力電圧は離散的な値をとって階段状の波形になるところ、この階段状波形の段数のことをレベル数という。
【０００５】
そこで、カスケード変換器において少ない直列数で出力電圧の波形のレベル数を増加させる方法としてハイブリッド形構成が提案されている。これを適用したハイブリッド形カスケード変換器は、直流電圧を異なる値に設定したセルを直列接続し、それらの直流電圧を予め定めた論理に従って合成することで必要な出力電圧を得るものである。セルを構成する単相フルブリッジコンバータは、−１，０，１の三つの出力電圧を選択することができるので、直流電圧を１：３：９：…：３nという比に設定すると最大の出力レベル数を得ることができる。また、スイッチング回数の低減や、スイッチングに冗長性を持たせて電圧制御を行うために他の電圧比を利用する場合もある。
【０００６】
そして、上述のハイブリッド形カスケード変換器を用いた従来の配電系統用の自励式無効電力補償装置としては例えば、図２０に示すように、直流電圧をそれぞれ3.2〔kV〕，1.6〔kV〕，0.8〔kV〕に設定したセルをカスケード接続することによって３直列で線間29レベルの電圧を出力することができ、6.6kV配電系統への直接連系を行うことができるものがある（非特許文献２）。
【０００７】
具体的には、交流端子を直列接続した３台の単相フルブリッジコンバータがリアクトルを介して三相交流配電系統に連系される。そして、ハイブリッド形カスケード変換器システムとしては、直流電圧の基準値が４ＶcN〔Ｖ〕，２ＶcN〔Ｖ〕，ＶcN〔Ｖ〕のように電圧比が４：２：１の単相コンバータが直列に接続されたものが用いられる。なお、基準直流電圧ＶcNは出力電圧の階段状波形における1ステップの電圧幅であり、当該基準直流電圧ＶcN〔Ｖ〕の大きさはアプリケーションに応じて適宜決定される。例えば三相6.6kV系統にトランスレスで適用される場合には基準直流電圧ＶcNを0.8〔kV〕程度とし、直流コンデンサ電圧の基準値がＶcH＝3.2〔kV〕，ＶcM＝1.6〔kV〕，ＶcL＝0.8〔kV〕程度になるように設定する。
【０００８】
そして、非特許文献２の装置では、直流電圧の基準値が４ＶcN〔Ｖ〕，２ＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータのコンデンサ電圧ＶcH，ＶcMの比率を常に４：２に維持する方法として、２台の単相コンバータの出力電圧の合計（＝ＶsH＋ＶsM）が±２ＶcN〔Ｖ〕のタイミングでのスイッチングパターンを二通り設定し、それぞれのパターンで充電されるコンデンサと放電されるコンデンサとが異なるようにしている。一方で、直流電圧の基準値がＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータは、基準値が４ＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータ及び２ＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータの出力電圧の合計と目標電圧との差分を出力するようにするため、出力電圧に対してスイッチングパターンが一意に定まる。したがって、基準値が４ＶcN〔Ｖ〕，２ＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータのコンデンサのような充放電の調整をすることができない。このため、基準値がＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータには、直流コンデンサではなく、ＡＣ−ＤＣコンバータ等の補助電源が必要とされる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】吉井剣・井上重徳・赤木泰文「6.6kV トランスレス・カスケードPWM STATCOM  -三相200V 10kVAミニモデルによる動作検証-」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖol.127，Ｎo.８，pp.781−788，2007年
【非特許文献２】羽田野伸彦・岸田行盛・岩田明彦「階調制御型変換器を用いた自励式無効電力補償装置」，電気学会論文誌Ｄ，Ｖol.127，Ｎo.８，pp.789−795，2007年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のように、非特許文献２の自励式無効電力補償装置では、最低電圧を出力するセル（即ち、直流電圧の基準値がＶcN〔Ｖ〕の単相コンバータ）は直流部の電圧を制御することができないので、直流電圧を所定の値に保つために直流部に電力を供給する必要があり追加的な補助電源としての絶縁型直流電源を別途必要とする。このため、ｉ）直流電源のコストがかかってしまう，ii）装置構成が複雑になってしまう，iii）入出力間に配電線電圧（即ち6.6〔kV〕）相当の高電圧が印加されるので高い絶縁性能を必要とするために装置全体の体積が大きくなってしまうと共にコストがかかる、という問題があり、結果的にこれらの問題が設置上の制約となることもあるという点において汎用性が高いとは言い難い。
【００１１】
そこで、本発明は、追加的な補助電源としての直流電源を必要とすることなく稼働することができるハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式の無効電力補償装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
かかる目的を達成するため、請求項１記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記高圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めること、並びに前記中圧セルの出力電圧の波形のパルスを部分的に遅らせることまたは進めることによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
【００１３】
この無効電力補償装置によると、ハイブリッド形カスケード変換器において各セルの出力電圧パルスを調整することによって同一相を構成する（言い換えると、同一クラスターの）セル間の電力融通を可能にしているので、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなる。
【００１４】
また、請求項２記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、ΔＶＨＬｙ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔＶＭＬｙ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ｉｙが前記クラスターからの出力電流を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、ｉｙ≧０のときはΔＶＨＬｙ’＞０且つΔＶＭＬｙ’＞０であるΔＶＨＬｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算し、ｉｙ＜０のときはΔＶＨＬｙ’＜０且つΔＶＭＬｙ’＜０であるΔＶＨＬｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
【００１５】
また、請求項３記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、ΔＶＨＭｙ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔＶＨＬｙ’が前記高圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ｉｙが前記クラスターからの出力電流を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、ｉｙ≧０のときはΔＶＨＭｙ’＞０且つΔＶＨＬｙ’＞０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＨＬｙ’を加算し、ｉｙ＜０のときはΔＶＨＭｙ’＜０且つΔＶＨＬｙ’＜０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＨＬｙ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
【００１６】
また、請求項４記載の無効電力補償装置は、三相交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、前記無効電力補償装置は、出力電圧の波形の制御を行うハイブリッド形カスケード変換器を備え、前記ハイブリッド型カスケード変換器は、前記三相交流の各相に対応するクラスターを有し、前記クラスターは、各々が単相フルブリッジコンバータを含む高圧セル、中圧セル、及び低圧セルの直列接続から構成され、ＶＣＨｙが前記高圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＭｙが前記中圧セルの直流コンデンサの電圧を、ＶＣＬｙが前記低圧セルの直流コンデンサの電圧を、Ｖｄｃが基準直流電圧を、ΔＶＨＭｙ’が前記高圧セルと前記中圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ΔＶＭＬｙ’が前記中圧セルと前記低圧セルとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差を、ｉｙが前記クラスターからの出力電流を、添字ｙが前記三相交流の各相（ｕ，ｖ，ｗ）のうちのいずれかを表すとしたとき、３ＶＣＭｙ≧ＶＣＨｙ＞ＶＣＭｙ＞ＶＣＬｙ＞０．５ＶＣＭｙであると共に、ＶＣＬｙ＞Ｖｄｃであり、さらに、ＶＣＨｙ，ＶＣＭｙ，ＶＣＬｙを制御するために、前記クラスターからの出力電圧の波形の制御のための前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルの出力電圧モードの切り替えの境界値に、ｉｙ≧０のときはΔＶＨＭｙ’＞０且つΔＶＭＬｙ’＞０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算し、ｉｙ＜０のときはΔＶＨＭｙ’＜０且つΔＶＭＬｙ’＜０であるΔＶＨＭｙ’及びΔＶＭＬｙ’を加算することによって、前記高圧セル、前記中圧セル、及び前記低圧セルのセル間での電力のやり取りを発生させるようにしている。
【００１７】
また、請求項５記載の無効電力補償装置は、前記三相交流の相毎に請求項２から４に記載のエネルギー移動の方法のうちのいずれか一つが用いられ、前記三相交流の相のうちの全て若しくは少なくとも一部においてエネルギー移動の方法が他の相と異なるようにしている。
【００１８】
これらの無効電力補償装置によると、ハイブリッド形カスケード変換器において最低電圧を出力するセルの電圧を基準直流電圧よりも少し増加させ、同時に各セルの出力電圧パルスを調整することによって同一相を構成する（言い換えると、同一クラスターの）セル間の電力融通を可能にしているので、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなる。
【００１９】
また、請求項６記載の発明は、請求項２から５のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＨｙ、前記中圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＭｙ、及び前記低圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＬｙが、１＜ｋ＜２としたときにＶＣＨｙ：ＶＣＭｙ：ＶＣＬｙ＝６：２：ｋであるようにしている。また、請求項７記載の発明は、請求項２から５のいずれか一つに記載の無効電力補償装置において、前記高圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＨｙ、前記中圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＭｙ、及び前記低圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＬｙが、１＜ｋ＜２としたときにＶＣＨｙ：ＶＣＭｙ：ＶＣＬｙ＝４：２：ｋであるようにしている。これらの場合には、各セルの出力電圧の比率が適切なものになり、三相交流の各相に対応するクラスターからの出力電圧の波形が良好なものになる。
【００２０】
また、請求項８記載の発明は、請求項６または７記載の無効電力補償装置において、前記ｋの値が１．０１〜１．３であるようにしている。この場合には、低圧セルの直流コンデンサの電圧ＶＣＬｙの大きさが基準直流電圧Ｖｄｃとの関係において適切なものになり、三相交流の各相に対応するクラスターからの出力電圧の波形がより一層良好なものになる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の無効電力補償装置によれば、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなるので、従来と比べて装置構成が簡便で小型，低コストの無効電力補償装置を構成することができ、無効電力補償装置としての汎用性の向上を図ることが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の無効電力補償装置の実施形態の一例のシステム構成を示す図である。
【図２】本発明の無効電力補償装置の実施形態の一例の制御システムブロック図である。
【図３】電圧比６：２：ｋの場合に表１の条件を適用した際の各セルの出力電圧の波形を示す図である。
【図４】表１の条件を用いた制御を自励式無効電力補償装置に適用した場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図５】実施形態の無効電力補償装置における高圧セルから低圧セルへとエネルギーを移動させる場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図６】実施形態の無効電力補償装置における中圧セルから低圧セルへとエネルギーを移動させる場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図７】実施形態の無効電力補償装置における高圧セルから中圧セルへとエネルギーを移動させる場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図８】実施形態の無効電力補償装置における段間直流電圧比制御のイメージ図である。（Ａ）は電圧偏差ΔＶHLy'と電圧偏差ΔＶMLy'とを同時に加算する場合のイメージ図である。（Ｂ）は電圧偏差ΔＶHMy'と電圧偏差ΔＶHLy'とを同時に加算する場合のイメージ図である。（Ｃ）は電圧偏差ΔＶHMy'と電圧偏差ΔＶMLy'とを同時に加算する場合のイメージ図である。
【図９】実施形態の無効電力補償装置における有効・無効電力制御のブロック図である。
【図１０】実施形態の無効電力補償装置における相間直流電圧バランス制御のブロック図である。
【図１１】実施形態の無効電力補償装置における段間直流電圧比制御のブロック図である。
【図１２】本発明の無効電力補償装置における段間直流電圧比制御のその他のパターンの一例を示す図である。
【図１３】実施例１におけるセル間のエネルギー制御がない場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図１４】実施例１における高圧セルのエネルギー制御をした場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図１５】実施例１における中圧セルのエネルギー制御をした場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図１６】実施例１における高圧セルと中圧セルとのエネルギー制御を併用した場合の各セルの流入電力等の波形を示す図である。
【図１７】実施例１におけるハイブリッド形カスケード変換器の始動時のシミュレーション結果を示す図である。
【図１８】実施例１における定常動作中に電圧制御を無効にした場合のシミュレーション結果を示す図である。
【図１９】カスケード変換器を用いた従来の配電系統用の自励式無効電力補償装置のシステム構成を示す図である。
【図２０】ハイブリッド形カスケード変換器を用いた従来の配電系統用の自励式無効電力補償装置のシステム構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の構成を図面に示す実施の形態の一例に基づいて詳細に説明する。
【００２４】
図１から図１１に、本発明の無効電力補償装置の実施形態の一例を示す。この無効電力補償装置は、三相（ｕ，ｖ，ｗ相とする）交流の電力系統に連系される自励式の無効電力補償装置であって、各々が単相フルブリッジコンバータで構成される高圧セル１Hy，中圧セル１My，低圧セル１Lyが直列に接続されて構成されて出力電圧の波形の制御を行う三相交流の各相に対応するクラスター１u，１v，１wを有するハイブリッド形カスケード変換器を備え、高圧セル１Hyの直流コンデンサの電圧ＶCHy，中圧セル１Myの直流コンデンサの電圧ＶCMy，低圧セル１Lyの直流コンデンサの電圧ＶCLyが３ＶCMy≧ＶCHy＞ＶCMy＞ＶCLy＞0.5ＶCMy（ただし、添字ｙは三相ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれかを表す）であると共に、低圧セル１Lyの直流コンデンサの電圧ＶCLyが基準直流電圧Ｖdcよりも大きく、クラスター１u，１v，１wからの出力電圧の波形の制御のための高圧セル１Hy，中圧セル１My，低圧セル１Lyの出力電圧モードの切り替えの境界値に、高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔＶHLy'及び中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔＶMLy'（ただし、クラスター１u，１v，１wからの出力電流をｉyとして、ｉy≧０のときはΔＶHLy'＞０且つΔＶMLy'＞０，ｉy＜０のときはΔＶHLy'＜０且つΔＶMLy'＜０）を加算することによって高圧セル１Hy及び中圧セル１My及び低圧セル１Lyの間で電力のやり取りを行って各セル１Hy，１My，１Lyの直流コンデンサの電圧ＶCHy，ＶCMy，ＶCLyを制御するようにしている。そして、本実施形態では、高圧セル１Hy及び中圧セル１My及び低圧セル１Lyの間での電力のやり取りによる各セル１Hy，１My，１Lyの直流コンデンサの電圧ＶCHy，ＶCMy，ＶCLyの制御は、具体的には、高圧セル１Hy及び中圧セル１Myから電力を流出（言い換えると、放電）若しくは流入（言い換えると、充電）させて低圧セル１Lyに電力を流入若しくは流出させるようにしている。
【００２５】
ここで、以下の説明においては、添字ｙは三相交流の三相ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれかを意味するものとして用い、添字ｘは高圧Ｈ，中圧Ｍ，低圧Ｌのうちのいずれかを意味するものとして用いる。また、記号＊は指令値であることを意味するものとして用いる。
【００２６】
（１）回路構成
ハイブリッド形カスケード変換器を用いた本発明の自励式無効電力補償装置の実施形態の構成を図１に示す。具体的には、単相フルブリッジコンバータで構成されるセル（高圧セル１Hy，中圧セル１My，低圧セル１Ly）を三つ直列接続することで１相分を構成（以下、三相のｕ相に対応するものをクラスター１u，ｖ相に対応するものをクラスター１v，ｗ相に対応するものをクラスター１wという）する。そして、本実施形態では、三つのセル１Hy，１My，１Lyは、直流コンデンサ（容量Ｃx）の電圧（即ち、直流電圧）の比がＶCHy：ＶCMy：ＶCLy＝６：２：ｋ（ただし、１＜ｋ＜２）になるように制御される。そして、同一クラスターを構成する三つのセル１Hy，１My，１Lyの出力電圧の波形を合成することで各クラスター１u，１v，１wとして正弦波状の出力電圧波形が得られるようにする。
【００２７】
高圧配電系統に連系する場合には、電源の線間電圧Ｖsは6.6〔kV〕であり、各セル１Hy，１My，１Lyの直流電圧は、本実施形態ではｋ＝1.2の場合として、電圧が最も高い高圧セル１HyでＶCHy＝3.6〔kV〕，電圧が次に高い中圧セル１MyでＶCMy＝1.2〔kV〕，電圧が最も低い低圧セル１LyでＶCLy＝0.72〔kV〕にされている。なお、低圧セル１Lyの直流コンデンサの電圧ＶCLyの比ｋの値は、各セル１xyの出力電圧ＶCxyの比率を適切なものにするためには１＜ｋ＜２であれば良いが、三相交流の各相に対応するクラスター１u，１v，１wからの出力電圧の波形を高調波の少ない良好なものにするために、できる限り小さな値とするのが好ましい。具体的には例えば、本発明の効果を発現させると共に出力電圧の波形を良好なものにするためにｋの値を1.01〜1.3程度の範囲とすることが好ましいと考えられる。
【００２８】
（２）制御システム
全て同一電圧のセルで構成する従来型のカスケード変換器の制御法としては、有効・無効電力制御，相間直流電圧バランス制御，段間直流電圧バランス制御の三つの階層で構成する方式が提案されている（例えば、前出の非特許文献１や、井上重徳 他「カスケードPWM変換器と二次電池を使用した6.6kVトランスレス電力貯蔵システム  -200V，10kW，3.6kWhミニモデルによる実験検証-」，電気学会論文誌Ｄ，Vol.129，No.1，pp.67−76，2009年（以下、非特許文献３という）を参照）。
【００２９】
有効・無効電力制御は、三相を構成する三つのクラスター１u，１v，１wをまとめて一つの三相変換器とみなし、変換器全体に流入する有効電力・無効電力を制御する。
【００３０】
相間直流電圧バランス制御では、クラスター１u，１v，１wの各々を一つの単相変換器とみなし、三相のクラスター１u，１v，１w間において電力を調整することでクラスター１u，１v，１w間の蓄積エネルギーを均等化する。
【００３１】
段間直流電圧バランス制御では、同一クラスターを構成するセル１Hy，１My，１Ly間で電力を調整することにより各セル１Hy，１My，１Lyの蓄積エネルギーを所定の値に制御する。
【００３２】
ハイブリッド形カスケード変換器では、従来のカスケード変換器と比較して、クラスター内部の構成は異なる一方で、クラスターから上位の構成は同一とみなすことができる。よって、有効・無効電力制御，相間直流電圧バランス制御は従来と同様の手法を適用できる。一方で、同一クラスター内の電圧制御には従来の段間直流電圧バランス制御を適用することができない。このため、本発明では、これを実施するために新たに開発した段間直流電圧比制御を用いる。
【００３３】
ハイブリッド形カスケード変換器を用いた本発明の自励式無効電力補償装置の制御ブロック図を図２に示す。
【００３４】
有効・無効電力制御は、電源電圧ｖSyと出力電流ｉyとから自励式無効電力補償装置の動作に必要な電圧指令値ｖy*を生成する（図２中の符号２；図９を用いて後に詳述する）。この際、無効電力を指令値ｑ*に追従させると同時に、変換器全体の蓄積エネルギーの総和ＥCを指令値ＥC*に一致させるように制御する。なお、無効電力指令値ｑ*は、電力系統の電圧を適切に制御するように、上位の制御システム若しくは作業者によって与えられる。
【００３５】
相間直流電圧バランス制御は、各相を構成するクラスター１u，１v，１w間において蓄積エネルギーＥCyが均一となるように、変換器の電圧指令値ｖy*に零相電圧ｖ0*を重畳し、出力電圧指令値ｖout-y*を生成する（同符号３；図１０を用いて後に詳述する）。
【００３６】
段間直流電圧比制御は、同一クラスターを構成する各セルの蓄積エネルギーＥCxyを指令値に一致させるように電圧レベル偏差ΔＶHLy，ΔＶMLy，ΔＶHMyを生成する（同符号４；図１１を用いて後に詳述する）。
【００３７】
ここで、本発明における電圧レベル偏差ΔＶHLy，ΔＶMLy，ΔＶHMyについては、基準直流電圧Ｖdcと、前述の低圧セル１Lyの直流コンデンサの電圧ＶCLyの比ｋとに基づいて、(ｋ−１)×Ｖdc〔Ｖ〕以下であることが必要とされる。
【００３８】
最後に、上記の出力電圧指令値ｖout-y*と電圧レベル偏差ΔＶHLy，ΔＶMLy，ΔＶHMy（極性を考慮した電圧偏差ΔＶHLy'，ΔＶMLy'，ΔＶHMy'）とから、表２に示す電圧分配ルールに基づいて各セル１xyの出力電圧指令値ｖxy*が決定される。
【００３９】
そして、各セル１xyの直流電圧の制御では、検出した直流コンデンサの電圧ｖCxyにローパスフィルタ（図２中の符号ＬＰＦ）を施して求めた平均値ＶCxyと既知のコンデンサ容量Ｃxとから直流コンデンサの蓄積エネルギーＥCxyを数式１によって算出し（図２中の符号５）、これを指令値に追従させるようにフィードバック制御を構成する。
【数１】
0005593253.tif 000002
【００４０】
ハイブリッド形カスケード変換器のように各セル１xyの直流電圧ＶCxyとコンデンサ静電容量Ｃxとが異なる場合でも、蓄積エネルギーの和であれば容易に計算することができ、複数のセルをまとめて制御するようなシステムの構成が容易になる。
【００４１】
相間直流電圧バランス制御では各クラスター１u，１v，１w内の蓄積エネルギーの総和ＥCyを高圧・中圧・低圧の各セルの蓄積エネルギーＥCHy，ＥCMy，ＥCLyより数式２によって求め、この蓄積エネルギーＥCyを三相ｕ，ｖ，ｗ間で均一化するように制御する。
（数２）  ＥCy＝ＥCHy＋ＥCMy＋ＥCLy
【００４２】
また、有効・無効電力制御では、変換器の蓄積エネルギーの総和ＥCを数式３によって求め、この総和ＥCが変換器全体の蓄積エネルギー指令値ＥC*と一致するように制御する。
（数３）  ＥC＝ＥCu＋ＥCv＋ＥCw
【００４３】
ここで、各セル１xyの蓄積エネルギー指令値ＥCx*は、高圧・中圧・低圧の各セルの電圧指令値ＶCx*から数式４によって定められる。なお、各セル１xyの電圧指令値ＶCx*は、交流系統の電源線間電圧Ｖsを変換器が出力可能なように、変換器の設計者若しくは運転者によって決定されて与えられる。具体的には例えば、はじめに基準直流電圧Ｖdcと直流電圧比（本実施形態の場合は６：２：ｋ）を回路設計者が決定し、次いでＶCH*＝６Ｖdc，ＶCM*＝２Ｖdc，ＶCL*＝ｋＶdcになるように各セルの電圧指令値ＶCx*が決定されて与えられる。
【数４】
0005593253.tif 000003
【００４４】
そして、変換器全体の蓄積エネルギー指令値ＥC*は数式５によって定められる。
（数５）  ＥC*＝３(ＥCH*＋ＥCM*＋ＥCL*)
【００４５】
（３）ハイブリッド形カスケード変換器の各セルの出力電圧
表１に、従来のハイブリッド形カスケード変換器による直流電圧比ＶCH*：ＶCM*：ＶCL*＝６：２：ｋ（１≦ｋ＜２）の場合の各セルの出力電圧の関係を示す。基準直流電圧Ｖdcを用い、ＶCH*＝６Ｖdc，ＶCM*＝２Ｖdc，ＶCL*＝ｋＶdcと表す。なお、基準直流電圧Ｖdc〔Ｖ〕の大きさはアプリケーションに応じて適宜決定される。
【表１】
0005593253.tif 000004
【００４６】
出力電圧指令値ｖout*が与えられると、表１に示す条件（言い換えると、動作規則）によって高圧セル１Hyの出力電圧ｖH(各相別に考えるとｖHy)，中圧セル１Myの出力電圧ｖM(各相別に考えるとｖMy)が一意に定められる。そして、低圧セル１Lyの出力電圧ｖL(各相別に考えるとｖLy)は数式６によって与えられ、これをパルス幅変調によって出力する。
（数６）  ｖL＝ｖout*−ｖH−ｖM
【００４７】
このとき、数式６で与えられる出力電圧ｖLは数式７を満たす波形となり、低圧セル１Lyの直流電圧は基準直流電圧Ｖdc以上、すなわち１≦ｋであれば良い。
（数７）  −Ｖdc ≦ ｖL ≦ Ｖdc
【００４８】
出力電圧指令値ｖout*として振幅９Ｖdcの正弦波を与えた場合の出力電圧波形を図３に示す。この例では、高圧セル１Hyは電源１周期に正負一つずつパルスを出力し、中圧セル１Myは電源１周期に正負各５パルスを出力する。出力電圧ｖoutから，高圧セルの出力電圧ｖHと中圧セルの出力電圧ｖMとを差し引いた偏差を計算し，低圧セル１Lyが当該偏差分の電圧を出力する。
【００４９】
そして、図４に、表１に示す動作規則を用いたハイブリッド形カスケード変換器を自励式無効電力補償装置に適用した場合の各セル１xyの電圧波形ｖxと流入電力ｖx・ｉとを示す。
【００５０】
自励式無効電力補償装置として動作する場合、出力電圧ｖoutと出力電流ｉとは90度の位相角をなす。また、高圧セル１Hy・中圧セル１My・低圧セル１Lyの交流側は直列接続されるため、いずれのセルも交流端子電流はｉ(各相別に考えるとｉy)に等しい。したがって、各セルに流入する電力は、各セルの出力電圧ｖH，ｖM，ｖLとｉとの積になる。
【００５１】
この電力は電源周期で平均すると原理的には零になり、平均値としては各セルに有効電力は流入せず直流電圧は変化しない。しかしながら、過渡時の非周期的な電流や素子のスイッチング特性のばらつきなどによって実際には各セルに有効電力が流入することがあり、各セルの直流電圧比が６：２：ｋから逸脱することがある。直流電圧比が既定値から逸脱すると出力電圧の波形に歪みを生じるため、何らかの方法によって直流電圧比を保つ必要がある。
【００５２】
一般に、クラスター１u，１v，１w毎に三つのセル１Hy，１My，１Lyの直流電圧の比を制御する場合、制御に二つの自由度が必要とされる。本発明では、各セルの出力電圧位相を調整することにより、高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間の蓄積エネルギーのやり取りと、中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間の蓄積エネルギーのやり取りとを同時に実現する。これにより、二つの制御自由度が得られ、直流電圧比を一定に保つことを可能にする。このようにすることにより、本発明においては、三つのセル１Hy，１My，１Lyの直流部のいずれにも電源を接続する必要が一切なくなる。
【００５３】
セル間のエネルギー移動を可能にするための本発明におけるハイブリッド形カスケード変換器における各セルの出力電圧を表２に示す。
【表２】
0005593253.tif 000005
【００５４】
各セルの出力電圧モードを切り替える境界値に、高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔＶHL'(各相別に考えるとΔＶHLy')，中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔＶML'(各相別に考えるとΔＶMLy')，高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動を行わせるための電圧偏差ΔＶHM'(各相別に考えるとΔＶHMy')を所定の組み合わせで加算することにより、出力電圧モードが切り替わるタイミングが変更され、各セル間のエネルギー移動が生じる。なお、ΔＶHL'及びΔＶML'及びΔＶHM'を０に設定すると、表２は表１と一致し、各セル間のエネルギー移動は生じない。
【００５５】
そして、本発明においては、三つのセルの直流部への電源の接続を省くため、例えば、ｉ）高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動及びii）中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用する、或いは、iii）高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動及びｉ）高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用する、或いは、iii）高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動及びii）中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用する。ここで、以下の処理は三相交流の三相ｕ，ｖ，ｗ別に行うことが基本であり、以下の説明においては三相ｕ，ｖ，ｗ別（言い換えると、クラスター１u，１v，１w毎）に考えることが基本であるので、当該三相ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれかを意味する添字ｙを適宜省略する。
【００５６】
以下では、まず、上述のｉ）高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動，ii）中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動，iii）高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動のそれぞれについて説明する。その後、三つのセルの直流部への電源の接続を省くための本発明の、ｉ）及びii）を利用する方法，iii）及びｉ）を利用する方法，iii）及びii）を利用する方法のそれぞれについて説明する。
【００５７】
ｉ）高圧セルと低圧セルとの間でのエネルギー移動
まず、高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動について説明する。高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔＶHLを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この電圧レベル偏差ΔＶHLと出力電流ｉとによって数式８のようにΔＶHL'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔＶHLを増加させる（零より大きくする）と、高圧セル１Hyから低圧セル１Lyへと移動する電力を増加させることができる。
【数８】
0005593253.tif 000006
【００５８】
電圧レベル偏差ΔＶHLを増加させた場合の各セルの電圧・電力波形を図５に示す。図５においては、細線はΔＶHL＝０として制御を行わない場合の波形であり、太線はΔＶHL＞０として制御を行った場合の波形である。なお、いずれの場合においてもΔＶML＝ΔＶHM＝０に設定している。
【００５９】
制御適用時は高圧セル１Hyの出力電圧ｖHは位相が遅れる。これにより、高圧セル１Hyの流入電力ＰH(＝ｖH・ｉ)が変化する。制御適用前後での流入電力ＰHの差ΔＰHは当該ΔＰHの波形の４箇所において全て負の極性で発生する。したがって、高圧セル１Hyから電力が流出する。
【００６０】
一方、中圧セル１Myの出力電圧ｖMは、高圧セル１Hyのスイッチング時及びその直前直後のスイッチングにおいてタイミングが遅れる。これにより、中圧セル１Myの流入電力ＰM(＝ｖM・ｉ)の制御適用前後での差ΔＰMは、当該ΔＰMの波形において正の極性で４回及び負の極性で８回の振幅半分のパルスが発生するが、電源１周期で平均するとほぼ零になる。したがって、中圧セル１Myへの電力流入は殆ど発生しない。
【００６１】
また、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは、高圧セル１Hyの出力電圧ｖHと中圧セル１Myの出力電圧ｖMとに連動し、前掲の数式６に基づいて決定される。このとき、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは数式９によって表される範囲を取り得る。
（数９）  −Ｖdc−｜ΔＶHL｜≦ ｖL ≦ Ｖdc＋｜ΔＶHL｜
【００６２】
そして、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLが数式９によって表される全領域の電圧を出力することができるように、低圧セル１Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)ＶCLは数式１０を満たすように設定する必要がある。したがって、直流電圧ＶCLは基準直流電圧Ｖdcよりも高く設定される。
（数１０）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHL｜
【００６３】
そして、低圧セル１Lyの流入電力ＰL(＝ｖL・ｉ)の制御適用前後での差ΔＰLは、当該ΔＰLの波形において正のパルスが12回発生し、その平均値は正になる。つまり、低圧セル１Lyには電力が流入する。これにより、高圧セル１Hyから低圧セル１Lyへのエネルギーの移動を生じさせることができる。
【００６４】
ii）中圧セルと低圧セルとの間でのエネルギー移動
次に、中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動について説明する。中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔＶMLを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この場合も、出力電流ｉによって数式１１に示すようにΔＶML'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔＶMLを増加させる（零より大きくする）と、中圧セル１Myから低圧セル１Lyへと移動する電力を増加させることができる。
【数１１】
0005593253.tif 000007
【００６５】
電圧レベル偏差ΔＶMLを増加させた場合の各セルの電圧・電力波形を図６に示す。図６においては、細線はΔＶML＝０として制御を行わない場合の波形であり、太線はΔＶML＞０として制御を行った場合の波形である。なお、いずれの場合においてもΔＶHL＝ΔＶHM＝０に設定している。
【００６６】
この制御では、高圧セル１Hyの出力電圧ｖHは変化せず、高圧セル１Hyに電力の流入は生じない。一方で、中圧セル１Myは出力電圧ｖMの位相が遅れる動作となり、中圧セル１Myから電力が流出する。
【００６７】
そして、低圧セル１Lyは中圧セル１Myに連動して出力電圧ｖLを変更するため、低圧セル１Lyに電力が流入する。これにより、中圧セル１Myから低圧セル１Lyへのエネルギーの移動を生じさせることができる。
【００６８】
また、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは、高圧セル１Hyの出力電圧ｖHと中圧セル１Myの出力電圧ｖMとに連動し、前掲の数式６に基づいて決定される。このとき、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは数式１２によって表される範囲を取り得る。
（数１２）  −Ｖdc−｜ΔＶML｜≦ ｖL ≦ Ｖdc＋｜ΔＶML｜
【００６９】
そして、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLが数式１２によって表される全領域の電圧を出力することができるように、低圧セル１Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)ＶCLは数式１３を満たすように設定する必要がある。したがって、直流電圧ＶCLは基準直流電圧Ｖdcよりも高く設定される。
（数１３）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶML｜
【００７０】
iii）高圧セルと中圧セルとの間でのエネルギー移動
次に、高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動について説明する。高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間で電力のやり取りを行うことを可能にするため、電圧レベル偏差ΔＶHMを操作することにより、各セルの出力電圧を変化させる。この場合も、出力電流ｉによって数式１４に示すようにΔＶHM'の極性を選択する。そして、電圧レベル偏差ΔＶHMを増加させる（零より大きくする）と、高圧セル１Hyから中圧セル１Myへと移動する電力を増加させることができる。
【数１４】
0005593253.tif 000008
【００７１】
電圧レベル偏差ΔＶHMを増加させた場合の各セルの電圧・電力波形を図７に示す。図７においては、細線はΔＶHM＝０として制御を行わない場合の波形であり、太線はΔＶHM＞０として制御を行った場合の波形である。なお、いずれの場合においてもΔＶHL＝ΔＶML＝０に設定している。
【００７２】
制御適用時は高圧セル１Hyの出力電圧ｖHは位相が遅れ、高圧セル１Hyから電力が流出する。また、中圧セル１Myの出力電圧ｖMも変化し、中圧セル１Myの流入電力ＰM(＝ｖM・ｉ)が変化する。制御適用前後での流入電力ＰMの差ΔＰMは正の極性で４回発生する。したがって、中圧セル１Myに電力が流入する。これにより、高圧セル１Hyから中圧セル１Myへのエネルギーの移動を生じさせることができる。
【００７３】
なお、低圧セル１Lyは中圧セル１Myに連動して出力電圧ｖLを変更するが、低圧セル１Lyの流入電力ＰL(＝ｖL・ｉ)の制御適用前後での差ΔＰLは、当該ΔＰLの波形において正の極性で４回及び負の極性で４回発生し、平均すると電力のやり取りは発生しない。
【００７４】
また、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは、高圧セル１Hyの出力電圧ｖHと中圧セル１Myの出力電圧ｖMとに連動し、前掲の数式６に基づいて決定される。このとき、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは数式１５によって表される範囲を取り得る。
（数１５）  −Ｖdc−｜ΔＶHM｜≦ ｖL ≦ Ｖdc＋｜ΔＶHM｜
【００７５】
そして、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLが数式１５によって表される全領域の電圧を出力することができるように、低圧セル１Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)ＶCLは数式１６を満たすように設定する必要がある。したがって、直流電圧ＶCLは基準直流電圧Ｖdcよりも高く設定される。
（数１６）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHM｜
【００７６】
Ａ）上記ｉ及びiiを利用する方法
この場合は、高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの両方の電圧制御を同時に行うために電圧偏差ΔＶHLy'と電圧偏差ΔＶMLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図８(Ａ)に示す。なお、図８においては、図中の矢印が、セル間でのエネルギーのやり取りの状況、言い換えると、セル間でのエネルギーのやり取りの有無を表している。また、本明細書の説明では、特定する必要がある場合には、以下に述べる方法Ｂや方法Ｃではなく当該方法Ａを前提としている。
【００７７】
そして、この場合は、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは数式９及び数式１２に加えて数式１７の範囲を取り得る。さらに、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLが数式９，数式１２，数式１７の三つの全領域の電圧を出力することができるように低圧セル１Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)ＶCLは数式１８−１，１８−２，１８−３の三つの方程式を満たすように設定する必要がある。
（数１７）  −Ｖdc−｜ΔＶHLy＋ΔＶMLy｜≦ ｖL ≦ Ｖdc＋｜ΔＶHLy＋ΔＶMLy｜
（数１８−１）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHLy｜
（数１８−２）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶMLy｜
（数１８−３）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHLy＋ΔＶMLy｜
Ｂ）上記iii及びｉを利用する方法
この場合は、電圧偏差ΔＶHMy'と電圧偏差ΔＶHLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図８(Ｂ)に示す。
【００７８】
そして、この場合は、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは数式１５及び数式９に加えて数式１９の範囲を取り得る。さらに、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLが数式９，数式１５，数式１９の三つの全領域の電圧を出力することができるように低圧セル１Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)ＶCLは数式２０−１，２０−２，２０−３の三つの方程式を満たすように設定する必要がある。
（数１９）  −Ｖdc−｜ΔＶHMy＋ΔＶHLy｜≦ ｖL ≦ Ｖdc＋｜ΔＶHMy＋ΔＶHLy｜
（数２０−１）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHMy｜
（数２０−２）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHLy｜
（数２０−３）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHMy＋ΔＶHLy｜
Ｃ）上記iii及びiiを利用する方法
この場合は、高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの両方の電圧制御を同時に行うために電圧偏差ΔＶHMy'と電圧偏差ΔＶMLy'とを同時に加算する。この場合の段間直流電圧比制御のイメージ図を図８(Ｃ)に示す。
【００７９】
そして、この場合は、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは数式１５及び数式１２に加えて数式２１の範囲を取り得る。さらに、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLが数式１２，数式１５，数式２１の三つの全領域の電圧を出力することができるように低圧セル１Lyの直流電圧(即ち、直流コンデンサの電圧)ＶCLは数式２２−１，２２−２，２２−３の三つの方程式を満たすように設定する必要がある。
（数２１）  −Ｖdc−｜ΔＶHMy＋ΔＶMLy｜≦ ｖL ≦ Ｖdc＋｜ΔＶHMy＋ΔＶMLy｜
（数２２−１）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHMy｜
（数２２−２）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶMLy｜
（数２２−３）  ＶCL ≧ Ｖdc＋｜ΔＶHMy＋ΔＶMLy｜
【００８０】
なお、本発明においては、各セル１xyの検出された直流コンデンサの電圧ｖCxyにより、低圧セル１Lyに電力が流入する場合も低圧セル１Lyから電力が流出する場合もあり得る。すなわち、クラスター１u，１v，１w毎に各セル１xy間の特性の微小なばらつきに起因して一部のセルの直流電圧ｖCxyが上昇すると共に一部のセルの直流電圧ｖCxyが低下して既定値から乖離していくという状況が発生し得るところ、本発明では、低圧セル１Lyの直流電圧ｖCLyが既定値よりも低い状況では低圧セル１Lyに電力が流入するように制御が働き、一方、低圧セル１Lyの直流電圧ＶCLyが既定値よりも高い状況では低圧セル１Lyから電力が流出するように制御が働く。そして、高圧セル１Hy及び中圧セル１Myにおいても同様に電力が流入する場合と流出する場合とがあり得る。
【００８１】
（４）自励式無効電力補償装置の制御法
以下に、本発明の自励式無効電力補償装置の制御方法について説明する。
【００８２】
（４−１）有効・無効電力制御
本発明における有効・無効電力制御の方法としては従来の方法を用いることができる（図９参照；例えば、前出の非特許文献１を参照）。
【００８３】
具体的には、三相を構成するクラスター１u，１v，１wを１台の三相系統連系変換器と考えて制御を行う。出力電流ｉyと電源電圧ｖSyを、それぞれｄｑ変換（図９中の符号９ａ，９ｂ）により出力電流のｄ軸成分ｉd、ｑ軸成分ｉq、及び電源電圧のｄ軸成分ｖSd、ｑ軸成分ｖSqに分離して、ｄｑ座標上で非干渉電流制御を適用する。
【００８４】
三相カスケード変換器の蓄積エネルギーの総和ＥCと指令値ＥC*との偏差を取り（同符号１０）、これらを一致させるようにフィードバック制御器（同符号１１；なお、ＫCは制御器の比例ゲインを表す）により変換器全体に流入する瞬時有効電力ｐ*を算出する。当該瞬時有効電力ｐ*と瞬時無効電力指令値ｑ*とを用い、変換器がこれらを出力するように電流指令値ｉd*とｉq*とを求める（同符号１２ａ，１２ｂ）。
【００８５】
そして、電流指令値ｉd*，ｉq*と、実際の出力電流ｉd，ｉqの偏差を取り（同符号１３ａ，１３ｂ）、比例積分制御器を用いて電流フィードバック制御を構成する（同符号１４ａ，１４ｂ；なお、Ｋ1は電流制御器の比例ゲイン，ｓはラプラス演算子（微分演算子），Ｔ1は電流制御器の積分時定数をそれぞれ表す）。交流リアクトルにおける電圧降下を打ち消すための項と電源電圧のフィードフォワード項との和を取り（同符号１５ａ，１５ｂ）、逆ｄｑ変換を施して三相電圧指令値ｖu*，ｖv*，ｖw*を出力する（同符号１６）。なお、図９においてωは電源電圧の角周波数を表し、図９及び図１においてＬACは交流リアクトルのインダクタンスをそれぞれ表す。
【００８６】
（４−２）相間直流電圧バランス制御
また、本発明における相間直流電圧バランス制御の方法としても従来の方法を用いることができる（図１０参照；例えば、前出の非特許文献３を参照）。
【００８７】
一般に、三相平衡な電流を出力する三相電力変換器において、その三相電圧指令値ｖu*，ｖv*，ｖw*に基本波零相電圧ｖ0*を重畳すると、相間で電力の受け渡しが行われる。重畳する零相電圧ｖ0*の振幅によって相間で受け渡しを行う電力の大きさが決定し、その電力は位相φ0と同位相の電圧を出力するクラスターへと流入する。
【００８８】
相間直流電圧バランス制御では、三相を構成するクラスター１u，１v，１w間の電力が均一となるようにフィードバック制御を用いて基本波零相電圧ｖ0*を算出する（図１０中の符号２０から符号２１まで）。なお、図１０において、ΔＥCα，ΔＥCβは、各クラスターのエネルギー偏差ΔＥCu，ΔＥCv，ΔＥCwに対して三相二相変換を施したα軸，β軸成分，Ｋ0は相間エネルギー制御器の比例ゲイン，φ0は零相電圧ｖ0*の位相，ωは電源電圧の角周波数，ｔは時刻をそれぞれ表す。
【００８９】
そして、基本波零相電圧ｖ0*を前述の有効・無効電力制御で決定される三相電圧指令値ｖu*，ｖv*，ｖw*に重畳することにより（図２参照）、各クラスター１u，１v，１w間の電力が調整されて各クラスターの蓄積エネルギーＥCyが均一に保たれる。
【００９０】
（４−３）段間直流電圧比制御
一方で、段間直流電圧比制御については本発明特有の方法を用いる。まず、表２に示した電圧分配条件を適用すると、電圧偏差ΔＶHLy'，ΔＶMLy'，ΔＶHMy'を与えることで各セルの蓄積エネルギーを調整することができる。本発明では、これを利用し、クラスター１u，１v，１w内の各セル１xu，１xv，１xwの蓄積エネルギーＥCxu，ＥCxv，ＥCxwにフィードバック制御を適用することで直流電圧比を制御する。
【００９１】
本発明における段間直流電圧比制御では、図１１(Ａ)に示すように、クラスター全体の蓄積エネルギーＥCyから、高圧セル１Hyが分担すべき蓄積エネルギーの指令値ＥCHy*を数式２３によって算出する（図１１(Ａ)中の符号３０ａ）。
【数２３】
0005593253.tif 000009
【００９２】
そして、蓄積エネルギーの指令値ＥCHy*と、電圧を検出して計算した実際の蓄積エネルギーＥCHyとの偏差を取り（同符号３１ａ）、当該偏差にゲインＫCHを乗じて電圧レベル偏差ΔＶHLyを求める（同符号３２ａ）。中圧セル１Myについても同様の手順で電圧レベル偏差ΔＶMLyを求める（同符号３０ｂ，３１ｂ，３２ｂ）。
【００９３】
本実施形態の場合には、上述により求めた電圧レベル偏差ΔＶHLy，ΔＶMLyに基づく電圧偏差ΔＶHLy'，ΔＶMLy'を表２に示す電圧分配条件に反映させることにより、高圧セル１Hy，中圧セル１My，低圧セル１Lyの間の蓄積エネルギーＥCHy，ＥCMy，ＥCLyが所定の値に制御され、同一クラスターを構成するセルの直流電圧比を６：２：ｋに保つことができる。
【００９４】
なお、本実施形態のように図８(Ａ)に示すセル間のエネルギーのやり取りによる段間直流電圧比制御を行う場合には図１１(Ａ)に示す変数及び手順によって電圧レベル偏差ΔＶHLy及び電圧レベル偏差ΔＶMLyが求められ、図８(Ｂ)に示すセル間のエネルギーのやり取りによる段間直流電圧比制御を行う場合には図１１(Ｂ)に示す変数及び手順によって電圧レベル偏差ΔＶHMy及び電圧レベル偏差ΔＶHLyが求められ、図８(Ｃ)に示すセル間のエネルギーのやり取りによる段間直流電圧比制御を行う場合には図１１(Ｃ)に示す変数及び手順によって電圧レベル偏差ΔＶHMy及び電圧レベル偏差ΔＶMLyが求められる。
【００９５】
以上の構成を有する本発明の無効電力補償装置によれば、ハイブリッド形カスケード変換器において最低電圧を出力するセルの電圧を基準直流電圧よりも少し増加させ、同時に各セルの出力電圧パルスを調整することによって同一相を構成する（言い換えると、同一クラスターの）セル間の電力融通を可能にしているので、各セルに追加的な補助電源としての直流電源を接続する必要が一切なくなり、従来と比べて装置構成が簡便で小型，低コストの無効電力補償装置を構成することができ、無効電力補償装置としての汎用性の向上を図ることが可能になる。
【００９６】
なお、上述の形態は本発明の好適な形態の一例ではあるがこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々変形実施可能である。例えば、上述の実施形態では図８に示すようにｕ，ｖ，ｗ相のいずれの相も同じ方法によって段間直流電圧比制御を行うようにしているが、これに限られず、ｕ，ｖ，ｗ相で異なる方法によって段間直流電圧比制御を行うようにしても良い。一例として具体的には例えば、図１２（Ａ）に示すように、クラスター１u（即ちｕ相）においては高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動及び中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用し、クラスター１v（即ちｖ相）においては高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動及び高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用し、クラスター１w（即ちｗ相）においては高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動及び中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用するようにしたり、同図（Ｂ）に示すように、クラスター１uにおいては高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動及び中圧セル１Myと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用し、クラスター１v及びクラスター１wにおいては高圧セル１Hyと中圧セル１Myとの間でのエネルギー移動及び高圧セル１Hyと低圧セル１Lyとの間でのエネルギー移動を利用するようにしたりしても良い。このように、ｕ，ｖ，ｗ相で異なる方法によって段間直流電圧比制御を行うようにしても、当該制御は相毎に独立して作動するので所定の動作が行われ、本発明の作用効果が発揮される。なお、図１２においては、図中の矢印が、セル間でのエネルギーのやり取りの状況、言い換えると、セル間でのエネルギーのやり取りの有無を表している。
【００９７】
また、上述の実施形態では高圧セル１Hy，中圧セル１My，低圧セル１Lyの直流コンデンサの電圧比がＶCHy：ＶCMy：ＶCLy＝６Ｖdc：２Ｖdc：ｋＶdc（ただし、１＜ｋ＜２；Ｖdcは基準直流電圧）であるように構成されているが、直流コンデンサの電圧比はこれに限られるものではない。具体的には例えばＶCHy：ＶCMy：ＶCLy＝４Ｖdc：２Ｖdc：ｋＶdc（ただし、１＜ｋ＜２）でも良いし、さらに言えば、３ＶCMy≧ＶCHy＞ＶCMy＞ＶCLy＞０．５ＶCMyという関係が成り立てばＶCHy：ＶCMy：ＶCLyはどのような値であっても良い。
【００９８】
さらに、上述の実施形態では表２に示すように出力電圧モードの切り替えの境界値に電圧偏差ΔＶHMy'，ΔＶMLy'を加算することによって各セル１xyの出力電圧パルスの位相を変化させてセル間のエネルギー移動を可能にしているが、本発明の要点である追加的な補助電源としての直流電源を必要とすることなくハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式の無効電力補償装置を稼働させるための方法は上記電圧偏差を加算する方法に限られるものではない。すなわち、電圧偏差を加算する方法でなくても、図５，図６，図７に示すような電圧位相を変えたパルス列を出力するようにすれば本発明の要点は実現される。
【００９９】
具体的には、まず、高圧・中圧・低圧の各セル１xyの直流電圧ｖCxyを検出して各セル１xyの蓄積エネルギーＥCxyを数式１によって求め、数式４によって求められる蓄積エネルギー指令値ＥCx*と大小比較を行う。そして、例えば、高圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCHyが蓄積エネルギー指令値ＥCH*よりも大きい場合には、高圧セル１Hyからエネルギーを放出するために図５に示すように当該図５と同じ部分の出力電圧パルスのみ変化するようにパルス列を遅らせれば良い。また、高圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCHyが蓄積エネルギー指令値ＥCH*よりも小さい場合には、高圧セル１Hyにエネルギーを流入させるために図５とは逆向きにパルス列を進めれば良い。また、中圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCMyが蓄積エネルギー指令値ＥCM*よりも大きい場合には、中圧セル１Myからエネルギーを放出するために図６に示すように当該図６と同じ部分の出力電圧パルスのみ変化するようにパルス列を遅らせれば良い。また、中圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCMyが蓄積エネルギー指令値ＥCM*よりも小さい場合には、中圧セル１Myにエネルギーを流入させるために図６とは逆向きにパルス列を進めれば良い。なお、パルス列を進める若しくはパルス列を遅らせる大きさは、実測の蓄積エネルギーＥCxyと蓄積エネルギー指令値ＥCx*との差分に比例させるようにしても良いし、予め設定された固定値とするようにしても良い。
【０１００】
上記の考え方を用いる場合には、全体としては、高圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCHyと蓄積エネルギー指令値ＥCH*とについてＥCH*≧ＥCHy及びＥCH*＜ＥCHyの２通りと、中圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCMyと蓄積エネルギー指令値ＥCM*とについてＥCM*≧ＥCmy及びＥCM*＜ＥCMyの２通りと、低圧セルの実測の蓄積エネルギーＥCLyと蓄積エネルギー指令値ＥCL*とについてＥCL*≧ＥCly及びＥCL*＜ＥCLyの２通りとの組み合わせとして考えられる８通りの全てについて上述の実施形態における方法Ａ，Ｂ，Ｃなどを用いて出力電圧パルスのどの部分をシフトさせれば良いのかを事前に調べておき、当該出力電圧パルスのシフトのさせ方を記憶装置に保存しておけば、各セルの蓄積エネルギーの実測値と指令値とがどのような関係になっている場合でも各セル間の電力のやり取りが行われる。
【０１０１】
そして、上述の考え方に従って出力電圧パルスの位相を変えることによって、高圧セル１Hy及び中圧セル１My及び低圧セル１Lyの間で電力のやり取りを行って直流コンデンサの電圧を制御するようにしても良い。具体的には例えば、高圧セル１Hy及び中圧セル１Myから電力を流出させて低圧セル１Lyに電力を流入させるようにしたり、高圧セル１Hyから電力を流出させて中圧セル１My及び低圧セル１Lyに電力を流入させるようにしたり、高圧セル１Hyから電力を流出させて中圧セル１Myに電力を流入させると共に中圧セル１Myから電力を流出させて低圧セル１Lyに電力を流入させるようにしたりすることによって、低圧セル１Lyに電力を流入させるようにしても良い。なお、この場合には、高圧セルの直流電圧ＶCHy，中圧セルの直流電圧ＶCMy，低圧セルの直流電圧ＶCLyがＶCHy＞ＶCMy＞ＶCLyであると共に、低圧セルの直流電圧ＶCLyが基準直流電圧Ｖdcよりも大きい。
【０１０２】
すなわち、本発明において追加的な補助電源としての直流電源を必要とすることなくハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式の無効電力補償装置を稼働させるという要点を実現するための図２における「電圧分配」を行う方法は、上述の実施形態で説明した表２に示すような出力電圧モードの切り替えの境界値に電圧偏差ΔＶHMy'，ΔＶMLy'を加算する方法には限られるものではなく、電圧位相を変えたパルス列を出力する方法であればどのようなものであっても良い。
【０１０３】
ここで、本発明において各セルからの出力電圧の波形のパルス列を部分的に遅らせる若しくは進めるための電圧位相を変えたパルス列を出力する方法は特定の方法に限定されるものではない。また、電圧位相を変えたパルス列を出力する方法については周知のものが存在するので詳細については省略する。なお、あくまで一例としては具体的には例えば、ｉ）パルス列を操作しない場合，ii）パルス列を遅らせた場合，iii）パルス列を進めた場合の三つの場合について高圧セル１Hy及び中圧セル１Myの出力電圧波形を例えば半導体メモリ等の読取高速の記憶装置に保存しておき、電源の周期に同期して切り替えるようにすることが考えられる。なお、低圧セル１Lyの出力電圧ｖLは、高圧セル１Hyの出力電圧ｖHと中圧セル１Myの出力電圧ｖMとに連動し、前掲の数式６に基づいて随時計算され決定される。
【０１０４】
また、上述の実施形態では高圧，中圧，低圧の三つのセルを用いて一つのクラスターを三段構成のセルによって構成するようにしているが、クラスターの構成はこれに限られるものではなく、例えば、上述の実施形態の高圧セルの３倍の電圧を有するセルを更に一段追加して四段構成としたり（この場合、直流コンデンサの電圧比は例えば１８：６：２：ｋとする）、高圧セルを四段として全六段構成としたり（この場合、直流コンデンサの電圧比は例えば６：６：６：６：２：ｋとする）しても良い。
【０１０５】
なお、本発明の無効電力補償装置は、配電系統に接続して用いることに限られるものではなく、例えば変圧器を合わせて用いるようにすることによって送電系統に接続して用いることも可能である。
【実施例１】
【０１０６】
本発明の無効電力補償装置の構成を適用したハイブリッド形カスケード変換器を用いた自励式無効電力補償装置の動作適正性を検証するために行ったシミュレーション結果を図１３から図１８を用いて説明する。なお、以下の説明においては、三相ｕ，ｖ，ｗのうちのいずれかを意味する添字ｙを適宜省略する。
【０１０７】
本実施例では、図１に示す回路モデルを構築し、計算機シミュレーションによって動作適正性の検証を行った。本実施例のシミュレーションに用いた回路定数を表３に示す。
【表３】
0005593253.tif 000010
【０１０８】
本実施例では、段間直流電圧比制御を適用するため、各セル１H，１M，１Lの直流電圧比をＶCH*：ＶCM*：ＶCL* ＝６：２：1.2に設定した。これにより、低圧セル１Lの直流電圧は基準直流電圧Ｖdcよりも４〔Ｖ〕だけ高くなるため、｜ΔＶHL｜，｜ΔＶML｜，｜ΔＶHL ＋ΔＶML｜は４〔Ｖ〕以下の範囲で設定した。
【０１０９】
（１）同相セル間のエネルギー制御の検証
表２に示した電圧分配条件を用いた種々の動作シミュレーションを行い、各セル１H，１M，１Lの出力電圧を合成することによって図１３〜図１６に示す結果が得られた。図１３〜図１６には、具体的には、ｕ相クラスターの出力電圧ｖout-u，出力電流ｉu，高圧セル出力電圧ｖHu，中圧セル出力電圧ｖMu，低圧セル出力電圧ｖLu，高圧セル直流電圧ｖCHu，中圧セル直流電圧ｖCMu，低圧セル直流電圧ｖCLuの波形を示す。
【０１１０】
まず、ΔＶHLu＝ΔＶMLu＝０〔Ｖ〕と設定してセル間のエネルギー制御を行わない場合のシミュレーションを行い、図１３に示す結果が得られた。この結果から、各セル１Hu，１Mu，１Luが電圧ｖHu，ｖMu，ｖLuを出力するのに伴い、各セル１Hu，１Mu，１Luの直流電圧ｖCHu，ｖCMu，ｖCLuにはリプルを発生するものの、電源１周期(＝20〔ms〕)後には元の電圧まで戻り、電圧偏差は発生しないことが確認された。これより、電源１周期の間で各セル１Hu，１Mu，１Lu間におけるエネルギーの移動は発生していないことが確認された。
【０１１１】
次に、ΔＶHLu＝４〔Ｖ〕且つΔＶMLu＝０〔Ｖ〕と設定して高圧セル１Huから電力を流出させるように制御した場合のシミュレーションを行い、図１４に示す結果が得られた。この結果から、電源１周期後に高圧セル１Huの直流電圧ｖCHuは低下する一方で低圧セル１Luの直流電圧ｖCLuは上昇していることが確認された。一方で、中圧セル１Muの直流電圧ｖCMuは変化していないことが確認された。これらより、高圧セル１Huと低圧セル１Luとの間でエネルギーのやり取りが行われていることが確認された。
【０１１２】
また、ΔＶHLu＝０〔Ｖ〕且つΔＶMLu＝４〔Ｖ〕と設定して中圧セル１Muから電力を流出させるように制御した場合のシミュレーションを行い、図１５に示す結果が得られた。この結果から、電源１周期後に中圧セル１Muの直流電圧ｖCMuは低下する一方で低圧セル１Luの直流電圧ｖCLuは上昇していることが確認された。一方で、高圧セル１Huの直流電圧ｖCHuは変化していないことが確認された。これらより、中圧セル１Muと低圧セル１Luとの間でエネルギーのやり取りが行われていることが確認された。
【０１１３】
さらに、ΔＶHLu＝−４〔Ｖ〕且つΔＶMLu＝４〔Ｖ〕と設定して高圧セル１Huに電力が流入すると共に中圧セル１Muから電力が流出するように制御した場合のシミュレーションを行い、図１６に示す結果が得られた。この結果から、高圧セル１Huと中圧セル１Muとを同時に調整した場合においても、高圧セル１Huの直流電圧ｖCHuを増加させると共に中圧セル１Muの直流電圧ｖCMuを減少させることができることが確認された。
【０１１４】
以上の結果から、ハイブリッド形カスケード変換器の電圧分配にセル間のエネルギー制御を適用することで各セル１H，１M，１L間で蓄積エネルギーのやり取りが実現できることが確認された。
【０１１５】
（２）自励式無効電力補償装置動作の検証
次に、ハイブリッド形カスケード変換器を始動する際のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、各セル１H，１M，１Lの直流コンデンサは初期充電回路によって定格時の90％まで充電した状態で始動を行い、始動と同時に５〔kVA〕の無効電力指令を与えた。
【０１１６】
上述の条件でハイブリッド形カスケード変換器を始動する際のシミュレーションを行い、図１７に示す結果が得られた。この結果から、始動から50〔ms〕後に各セル１xyの直流電圧ｖCxyは所定の電圧指令値（表３参照）に一致することが確認された。また、電源電圧から90度位相が遅れた電流が流れており、無効電力の補償を実現できることが確認された。
【０１１７】
次に、定常動作中に段間直流電圧比制御を無効にした場合のシミュレーションを行った。このシミュレーションでは、各セル１xyの直流コンデンサと並列に、電圧不均一要因を模擬するための抵抗を接続した。
【０１１８】
上述の条件で定常動作中に段間直流電圧比制御を無効にした場合のシミュレーションを行い、図１８に示す結果が得られた。この結果から、段間直流電圧比制御を適用している間は各セル１xyの直流電圧ｖCxyは所定の電圧指令値（表３参照）に一致して動作を行っている一方で、段間直流電圧比制御を無効にすると各セル１xyの直流電圧ｖCxyが不均一になることが確認された。
【０１１９】
以上の結果から、段間直流電圧比制御はハイブリッド形カスケード変換器の直流電圧を所定の値に保つことに寄与していることが確認され、自励式無効電力補償装置として適正に動作することが確認された。
【符号の説明】
【０１２０】
１Hy  高圧セル（ｙ相）
１My  中圧セル（ｙ相）
１Ly  低圧セル（ｙ相）
【図１】
0005593253.tif 000011
【図２】
0005593253.tif 000012
【図３】
0005593253.tif 000013
【図４】
0005593253.tif 000014
【図５】
0005593253.tif 000015
【図６】
0005593253.tif 000016
【図７】
0005593253.tif 000017
【図８】
0005593253.tif 000018
【図９】
0005593253.tif 000019
【図１０】
0005593253.tif 000020
【図１１】
0005593253.tif 000021
【図１２】
0005593253.tif 000022
【図１３】
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【図１４】
0005593253.tif 000024
【図１５】
0005593253.tif 000025
【図１６】
0005593253.tif 000026
【図１７】
0005593253.tif 000027
【図１８】
0005593253.tif 000028
【図１９】
0005593253.tif 000029
【図２０】
0005593253.tif 000030