(57)【要約】【課題】  変圧器を介して系統に連系される電力変換装置において，変圧器の直流偏磁を良好に抑制することである。 【解決手段】  交流系統に接続された変圧器の交流系統側(以後，一次側と称す)および電力変換器側(以後，二次側と称す)に交流ＣＴを有し，前記各交流ＣＴの差電流を検出する手段を有し，前記差電流から変圧器鉄心の偏磁を判定する機能を有することを特徴とした電力変換装置によって達成できる。 【選択図】図１
2014150598.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器を介して電力系統に連系する電力変換装置であって，所定の交流電力を前記変換器に出力するインバータ装置と，前記変圧器へ流れる電流に応じて交流電流を出力する第１の交流電流センサと、前記変圧器から流れる電流に応じて交流電流を出力する第２の交流電流センサを有し、前記第１の交流電流センサの電流と前記第２の交流電流センサの電流との差分である差分電流から前記変圧器の励磁電流の交流成分を検出する励磁電流検出部と、前記変圧器の励磁電流の交流成分から前記変圧器の鉄心の偏磁を判定する偏磁判定部を有し、前記変圧器の励磁電流に含まれる直流成分が抑制されるように構成したことを特徴とした電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置であって，前記第１の交流電流センサは第１の変流器として構成され、前記第２の交流電流センサは第２の変流器として構成され、前記第１の変流器と前記第２の変流器の変流比の比は前記変圧器の一次側と二次側の巻数比の逆数に大略等しくし，前記第１の交流電流と前記第２の交流電流の出力を接続し，前記第１の交流電流と前記第２の交流電流の出力と並列に抵抗を接続し，前記抵抗に流れる電流から前記変圧器の励磁電流の交流成分を検出することを特徴とした電力変換装置。
【請求項３】
請求項１記載の電力変換装置であって，前記励磁電流の交流成分のうち前記電力系統の系統電圧と等しい周波数成分である基本波成分と，前記系統電圧の二倍の周波数成分である二次調波成分との位相差から前記変圧器の鉄心の偏磁極性を判定し，前記励磁電流の二次調波成分の振幅から前記変圧器の鉄心の偏磁量を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の電力変換装置であって，前記励磁電流の交流成分の前記系統電圧1周期間の最大値または最小値を算出し，前記最大値または前記最小値から前記変圧器鉄心の偏磁極性および偏磁量を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１記載の電力変換装置であって，前記励磁電流の交流成分の前記系統電圧1周期間の最大値または最小値を算出し，前記最大値と前記最小値の和から前記変圧器鉄心の偏磁極性および偏磁量を判定する機能を有することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１記載の電力変換装置であって，前記第１の交流電流センサと前記第２の交流電流センサの少なくともいずれか一方を空心構成の変流器とすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
インバータ装置から変圧器へ流れる電流の交流成分に応じて第１の交流電流を出力し、前記変圧器から電力系統へ流れる電流の交流成分に応じて第２の交流電流を出力し、前記第１の交流電流と前記第２の交流電流との差分である差分電流を形成し、前記インバータ装置から変圧器へ流れる電流に含まれる直流成分が抑制されるようになっており、前記差分電流から前記変圧器の励磁電流の交流成分を検出し、前記励磁電流の交流成分から前記変圧器の鉄心の偏磁を判定する変圧器の偏磁判定方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，電力変換装置及び変圧器の偏磁判定方法に係り、特に、変圧器を介して交流電力系統に連系され，交流電力系統から電力を授受し、さらに、変圧器の直流偏磁を抑制するのに好適な電力変換装置及び変圧器の偏磁判定方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常，交流系統に接続される電力変換装置は，電力変換器を変圧器を介して接続する。電力変換器は，変圧器の鉄心(以後，単に変圧器鉄心と称す)が周知の直流偏磁で飽和しないよう，直流電圧・直流電流は出力しないよう制御される。しかし，主に電圧センサ(以後，単にVT(Voltage Transformer)と称す)・電流センサ(以後，単にCT(Current Transformer)と称す)のオフセット誤差により，電力変換器は意図しない直流電圧・直流電流を出力する。その結果，直流偏磁により変圧器鉄心が飽和することで，変圧器鉄心を通らない漏洩磁束が増加し，周囲のボルトなどを過熱させ，機械的強度を弱めてしまう可能性がある。また，変圧器鉄心が飽和すると，変圧器の励磁電流が増大し，励磁電流の一部が電力変換器にも流れ，電力変換器の許容電流値を超過する可能性がある。また，変圧器鉄心が飽和すると変圧器が発生する騒音も増加する。
【０００３】
このように変圧器鉄心が飽和すると種々問題が生じるので、変圧器鉄心の偏磁状況を判定することが望まれている。そのため、例えば，変圧器の一次側と変圧器の二次側各々に変流器を設置して、これら変流器からのに基づいて変圧器鉄心の偏磁状況を判定する技術が知られている。このような技術は、例えば、特開平１１−１６２７６９号公報に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１６２７６９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記従来技術における変流器には、変圧器の直流偏磁に係る信号のみならず、他に、変圧器に流れる負荷電流に係る信号が含まれており、特に、この信号において直流成分が含まれるのが問題となり、しかも、直流偏磁によって流れる変圧器の励磁電流の成分は，変圧器に流れる負荷電流の大きさに比べ非常に小さいので，例えばＡＤ変換等を介して取り込んでデジタル処理により偏磁検出・抑制制御を行ったのでは、偏磁検出・抑制制御の判定が不正確になるという問題があった。また，変圧器鉄心の直流偏磁によって発生する成分と，交流系統および電力変換器から発生する成分とを区別することができず，誤った判定となる可能性があった。
【０００６】
そこで，本発明は，変圧器鉄心の直流偏磁を精度良く正確に検出することが可能な電力変換装置、及び変圧器の偏磁判定方法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】
【０００７】
上記目的を達成するために、本発明では、インバータ装置から変圧器へ流れる電流に応じて第１の交流電流を出力し、前記変圧器から電力系統へ流れる電流に応じて第２の交流電流を出力し、前記第１の交流電流と前記第２の交流電流との差分である差分電流を形成し、前記インバータ装置から変圧器へ流れる電流に含まれる直流成分が抑制されるようになっており、前記差分電流から前記変圧器の励磁電流の交流成分を検出し、前記励磁電流の交流成分から前記変圧器の鉄心の偏磁を判定するように構成した。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば，変圧器の負荷電流の影響を除去することができ，直流偏磁の誤判定の可能性を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第一の実施例形態である電力変換装置の構成を示す。
【図２】本発明の第一の実施例形態である電力変換装置の制御装置の構成を示す
【図３】変圧器が正側に偏磁しているときの変圧器の励磁電流波形の一例を示す。
【図４】変圧器が正側に偏磁しているときの変圧器の励磁電流の一例を，直流成分，基本波成分，二次調波成分に分離した各成分の波形を示す。
【図５】本発明の第二の実施形態である電力変換装置の制御装置の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下，本発明の実施例について，図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１１】
第１図に本発明の第一の実施形態である電力変換装置を示す。
【００１２】
まず，本発明の第一の実施形態である電力変換装置の構成について説明する。
【００１３】
本実施例の電力変換装置1は，直流コンデンサとIGBTやGCTなどの自己消弧形素子を有する電圧形インバータ装置(以後，単にインバータ装置と称す)4と，
インバータ装置4の直流電圧Vdcを検出する直流電圧センサ5と，
インバータ装置4の出力電圧を制御するための出力電圧指令値Vc_refを出力する制御装置2と，
制御装置2から与えられる出力電圧指令Vc_refに応じてインバータ装置4の自己消弧形素子のオン，オフを制御するためのゲートパルスGate_Pulseを生成するPWM回路3と，
インバータ装置4と交流系統9を連系する変圧器6と，
変圧器6の交流系統9側(以後，単に一次側と称す)に設置され，電力変換装置２から交流系統9へ出力する電流Is1を検出する出力電流センサ7 と，
交流系統9の系統電圧Vsを検出する交流電圧センサ8と，
変圧器6の一次側に設置され，例えば周知の巻線形変流器のように，電流Is1を検出し，前記電流Is1の交流成分をIs2に変流する一次側交流CT11(或いは第２の交流電流センサとも称する)と，
変圧器6のインバータ装置4側(以後，単に二次側と称す)に設置され，例えば周知の巻線形変流器のように，インバータ装置4の出力する電流Ic1を検出し，前記電流Ic1の交流成分をIc2に変流する二次側交流CT10(或いは第１の交流電流センサとも称する)と，
一次側交流CT11と二次側交流CT10の各出力端子に並列に接続される負担抵抗12と，
負担抵抗12に流れる電流Ic2とIs2の差電流Imagを検出する電流検出手段13
とを備えて構成される。
【００１４】
ここで、一次側交流CT11と二次側交流CT10は、いずれも、交流電流センサとして動作し、電磁誘導の法則から前記各CTの一次側に流れる電流によって発生する磁束の時間変化分によって発生する交流誘起電圧により前記各CTの二次側には交流電流が流れる。すなわち、一次側交流CT11と二次側交流CT10は、時間的に変化がない直流分をカットして、交流成分のみを出力する。このように、一次側交流CT11と二次側交流CT10は、交流成分のみを検出して，電流を出力する交流電流センサとして用いられ、例えば、巻線形変流器，ロゴスキーコイル，ピアソンCTなどが利用される。
【００１５】
なお，本実施例では出力電流センサ7は変圧器6の一次側に設置してあるが，変圧器6の二次側に設置してもよい。
【００１６】
また，負担抵抗12に流れる差電流Imagが，直流成分を除いた変圧器6の励磁電流の変流比換算倍となるよう，一次側交流CT11と二次側交流CT10の変流比の逆比を，変圧器6の一次巻線と二次巻線の巻数比と大略等しくする。
【００１７】
また，変圧器6が直流偏磁していないときには，差電流Imagは電流Ic2とIs2に比べ数十分の1から数百分の1以下の大きさであるため，通常交流CTを用いるときのように交流CT10および11にそれぞれ負担抵抗12を接続してから差電流Imagを算出するときに比べ，交流CT10および11は飽和しづらくなる。そのため，負担抵抗12を大きくして高感度に検出することができる。
【００１８】
また，本実施例では説明を簡単にするために変圧器6は単相変圧器としているが，変圧器6の鉄心の各脚に巻かれている一次巻線と二次巻線に流れる電流の差分をとることで励磁電流の交流成分を検出することを特徴としており，変圧器6を三相変圧器としても同様に差電流Imagを検出できる。
【００１９】
また，変圧器鉄心に三巻線以上巻かれているような変圧器においても，変圧器の鉄心の同じ脚に巻かれた一次巻線から各巻線に流れる電流の差分をとることで変圧器の励磁電流の交流成分を検出することができる。
【００２０】
次に，本発明の第一の実施形態である電力変換装置1の動作について説明する。
【００２１】
制御装置2は，インバータ装置4の直流コンデンサ電圧Vdcと，交流系統9の系統電圧Vsと，電力変換装置1の出力電流Is1，差電流Imagを入力とし，インバータ装置4の出力電圧指令値Vc_refを出力する。
【００２２】
PWM回路3は，出力電圧指令値Vc_refと三角波などのキャリアとの大小関係に基づき，インバータ装置4の自己消弧形素子のオン，オフを制御するためのゲートパルスを出力する。
【００２３】
インバータ装置4は，PWM回路3の出力するゲートパルスに基づきインバータ装置4の出力電圧Vcを変圧器6へ出力することで，交流系統との間で電力を変換する。
【００２４】
次に，制御装置2の構成と動作について述べる。図2は，図1で示した制御装置2の制御ブロックの概略を示した図である。
【００２５】
制御装置2は，
直流電圧Vdc，系統電圧Vs，出力電流Is1を入力とし，インバータ装置4の出力すべき電圧指令値Vc_ref0を演算する電圧指令演算器21と，
交流電圧Vsと差電流Imagを入力とし，例えば周知の離散フーリエ変換(Discrete Fourier Transform ：以後，単にDFTと称す)を行い交流電圧Vsの位相を基準とする差電流Imagの交流電圧Vsと同じ周波数成分(以後，基本波成分と称す)の位相θ1を演算する基本波位相演算器22と，
交流電圧Vsと差電流Imagを入力とし，例えば周知のDFTを行い差電流Imagの交流電圧Vsの2倍の周波数成分(以後，二次調波成分と称す)の振幅I2および，交流電圧Vsの位相を基準とする差電流の二次調波成分の位相θ2を演算する二次調波振幅・位相演算器23と，
各位相θ1，θ2を入力とし，式(1)の論理に基づいて変圧器6の偏磁極性を判定する偏磁極性判定演算器24と，
差電流Imagの二次調波成分の指令値I2_ref（通常，直流偏磁を抑制するためには0とする)と，二次調波成分の振幅I2との偏差と，偏磁極性判定演算24の出力を入力とし，例えば周知の比例積分演算を行い変圧器6の偏磁を抑制するため偏磁極性と逆の極性の直流補償電圧Vhosを算出する偏磁制御演算器25とを備え，
電圧指令値演算器21の出力電圧指令値Vc_ref0と偏磁制御演算器25の出力である補償電圧Vhosの和をインバータ装置4の新たな出力電圧指令値Vc_refとする。
【００２６】
ここで、差電流Imagは，変圧器6の励磁電流のうち直流成分が除去された波形となる。
【００２７】
なお，前記I2,θ1,θ2は，入力である差電流Imagが基本波周期で同じ値であれば，時間的に変化しない一定値の信号となる。
【００２８】
また、新たな出力電圧指令値Vc_refは、例えば、電力系統に従属した周期を持って変動する指令値であり、正弦波に類似した波形に若干の直流成分を含んだものである。
【００２９】
本実施例で、制御装置2の構成は，電圧指令演算器21と，基本波位相演算器22，二次調波振幅・位相演算器23，偏磁極性判定演算器24及び偏磁制御演算器25を機能ブロックとして説明したが、これら機能は、例えば、１つ或いは複数の電子計算機のプログラム動作として実施してもよいのはもちろんである。
【００３０】
この場合、制御装置2においては、例えば、所定の制御周期毎に出力電圧指令値Vc_ref0を演算し、また、補償電圧Vhosを演算する。下記で示される式(1)乃至(3)に係る演算及び偏磁極性の判定も、この一連の制御周期の中でなされる。
【００３１】
次に，偏磁極性判定演算器24の判定方法について詳細に説明する。
【００３２】
変圧器が正側に偏磁している状態の変圧器の励磁電流の代表的な波形を図3に示す。励磁電流は偏磁している極性と同極性の直流成分が重畳し，偏磁している極性にピークをもつ波形になることが特徴である。励磁電流を直流成分，周期Tの基本波成分，周期T/2の二次調波成分に分離した波形を図4に示す。図4のように，正側に偏磁しているときには励磁電流の基本波成分の正側ピークと二次調波成分の正側ピークが大略一致することから，励磁電流の基本波成分と二次調波成分は式(1)の関係をもつ。
【００３３】
正に偏磁：θ2−2×θ1  ≒  0 (rad)                    (1)
負側に偏磁しているときには励磁電流の基本波成分の負側ピークと二次調波成分の負側ピークが大略一致することから，励磁電流の基本波成分と二次調波成分は式(2)の関係をもつ。
【００３４】
負に偏磁：θ2−2×θ1  ≒  π(rad)                    (2)
よって，偏磁極性判定演算器24は，例えば式(3)のようにして偏磁した極性を判定することができる。
【００３５】
正に偏磁：Cos(θ2−2×θ1)  ≧  0
負に偏磁：Cos(θ2−2×θ1)  <  0                    (3)
本実施例の電力変換装置1は，変圧器6の負荷電流の影響を除去することができ，直流偏磁の誤判定の可能性を低減することができる。
【００３６】
また，本発明の電力変換装置1を適用することで，直流成分の検出誤差による直流偏磁の誤判定の可能性を低減することができる。
【００３７】
また，変圧器の直流偏磁を高精度で抑制できるため，変圧器の騒音を低減することができる。
【実施例２】
【００３８】
第5図は，本発明の第二の実施形態である電力変換装置1の制御装置12の制御ブロック図の概略を示した図である。
【００３９】
まず，本発明の第二の実施形態である電力変換装置の制御ブロックの構成について説明する。ただし，実施例1と同じまたは相当する部分については説明を省略し，異なる部分のみを説明する。
【００４０】
図5で示す電力変換装置1の制御装置12の制御ブロックは，図2で示した制御ブロックのうち，基本波位相演算器22と二次調波振幅・位相演算器23ではなく，系統電圧1周期毎に差電流Imagの最大値と最小値演算する周期最大値演算器31と周期最小値演算器32を用いることが異なる。
【００４１】
次に，制御装置12の動作および効果について，実施例1と異なる部分のみ述べる。
【００４２】
差電流Imagは，交流CTにより検出するため，変圧器6の励磁電流のうち直流成分が除去された波形となる。直流偏磁していない場合，差電流Imagは大略正負対称な波形となり，系統電圧一周期毎の最大値と最小値の和は大略０となる。
【００４３】
一方，直流偏磁した場合，差電流Imagは，偏磁した極性に大きなピークをもつ正負非対称な波形となり，系統電圧一周期毎の最大値と最小値の和は偏磁した極性の値をもつ。
【００４４】
本実施例の電力変換装置1は，系統電圧一周期毎の差電流Imagの最大値Imag_maxと最小値Imag_minの和を変圧器6の偏磁量として，変圧器6の偏磁量の指令値Isum_ref(通常，直流偏磁を抑制する場合は0とする）との偏差を偏磁制御演算器25に入力する。
【００４５】
本実施例の電力変換装置1を適用することで，変圧器6の負荷電流の影響を除去することができ，直流偏磁の誤判定の可能性を低減することができる。
【００４６】
また，本発明の電力変換装置1を適用することで，直流成分の検出誤差による直流偏磁の誤判定の可能性を低減することができる。
【００４７】
また，一般に変圧器が直流偏磁して飽和すると励磁電流が急激に大きくなるため，系統電圧一周期毎の差電流Imagの最大値Imag_maxと最小値Imag_minの和も非常に大きくなる。そのため，本発明の電力変換装置1を適用することで，高感度で直流偏磁を検出できる。
【００４８】
また，変圧器の直流偏磁を高精度で抑制できるため，変圧器の騒音を低減することができる。
【００４９】
以上のように，変圧器を用いて交流系統に連系する電力変換装置のうち特に，変圧器の直流偏磁を抑制する機能を有する電力変換装置に関するものである。
【符号の説明】
【００５０】
1              電力変換装置
2              制御装置
3            PWM回路
4            電圧形インバータ装置
5            直流電圧センサ
6            変圧器
7            出力電流センサ
8            交流電圧センサ
9            交流系統
10            二次側交流CT
11            一次側交流CT
12            負担抵抗
13            電流検出手段
21            電圧指令演算器
22            基本波位相演算器
23            二次調波振幅・位相演算器
24            偏磁極性判定演算器
25            偏磁制御演算器
31            周期最大値演算器
32            周期最小値演算器
【図１】
2014150598.tif 000003
【図２】
2014150598.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2014150598.tif 000007