(57)【要約】【課題】  交流出力の制御とコンデンサ電圧の制御を独立して行うことができる電力変換装置（ＭＭＣ）を提供する。【解決手段】  電力変換装置が、複数の変換器（セル２）の出力が直列接続されるアーム３を複数有する主回路部１を備え、電圧指令に応じて、主回路部における複数の半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成して複数の半導体スイッチング素子へ出力する駆動部（ＰＷＭ制御部１０５）を備え、主回路部の交流側に制御対象（回転機Ｇ）が接続され、制御対象の交流電力を制御するために交流側の相数分の交流電圧指令を作成する交流制御部（交流電流制御部１０２）と、主回路部における複数のコンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成する直流制御部（コンデンサ平均電圧制御部１０３）と、を備え、駆動部が入力する電圧指令は、交流電圧指令と直流電圧指令とを含む。【選択図】図１
2019068678.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、
複数の前記変換器の各々は、コンデンサを備え、前記コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、
電圧指令を入力し、前記電圧指令に応じて、前記主回路部における複数の前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成して複数の前記半導体スイッチング素子へ出力する駆動部を備え、
前記主回路部の交流側に制御対象が接続される電力変換装置において、
前記制御対象の交流電力を制御するために前記交流側の相数分の交流電圧指令を作成する交流制御部と、
前記主回路部における複数の前記コンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成する直流制御部と、
を備え、
前記駆動部が入力する前記電圧指令は、前記交流電圧指令と前記直流電圧指令とを含むことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載される電力変換装置において、
前記駆動部は、前記電圧指令を搬送波として、パルス幅変調により前記駆動信号を作成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載される電力変換装置において、
前記電圧指令は、前記交流電圧指令と前記直流電圧指令の加算によって作成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１に記載される電力変換装置において
前記交流制御部は、
前記交流側に流れる交流電流の検出値および電流指令値に基づいて前記交流電圧指令を作成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項４に記載される電力変換装置において
前記電流指令値は、回転座標系におけるｄ軸電流指令値およびｑ軸電流指令値であり、
前記交流制御部は、
前記交流電流の前記検出値を前記回転座標系におけるｄ軸電流およびｑ軸電流に変換し、前記ｄ軸電流指令値と前記ｄ軸電流の差分、並びに前記ｑ軸電流指令値と前記ｑ軸電流の差分に応じて、前記交流電圧指令を作成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項４または請求項５に記載される電力変換装置において、
前記電流指令値は前記制御対象の動作状態に基づいて作成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１に記載される電力変換装置において、
前記直流制御部は、
前記主回路部における複数の前記コンデンサの前記直流電圧の前記平均値を算出し、算出される前記平均値と、前記所定値を与えるコンデンサ電圧指令値との差分に応じて前記直流電圧指令を作成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載される電力変換装置において、
前記コンデンサ電圧指令値は、コンデンサ電圧定格値であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項７に記載される電力変換装置において、
前記直流制御部は、
前記平均値と前記コンデンサ電圧指令値との前記差分に応じて直流ラインの直流電圧の変動量を求め、前記変動量に、前記直流ラインの直流電圧定格値を加算することにより前記直流電圧指令を作成することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１に記載される電力変換装置において、
前記変換器は、チョッパ回路または単相フルブリッジ回路によって構成されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１に記載される電力変換装置において、
前記制御対象が回転機であることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、複数の前記変換器の各々は、コンデンサを備え、前記コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、前記主回路部の交流側に制御対象が接続される電力変換装置の制御装置において、
電圧指令を入力して、前記電圧指令に応じて、前記主回路部における複数の前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成して複数の前記半導体スイッチング素子へ出力する駆動部と、
前記制御対象の交流電力を制御するために前記交流側の相数分の交流電圧指令を作成する交流制御部と、
前記主回路部における複数の前記コンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成する直流制御部と、
を備え、
前記駆動部が入力する前記電圧指令は、前記交流電圧指令と前記直流電圧指令とを含むことを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項１３】
複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、複数の前記変換器の各々は、コンデンサを備え、前記コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、前記主回路部の交流側に制御対象が接続される電力変換装置の制御方法において、
前記制御対象の交流電力を制御するために前記交流側の相数分の交流電圧指令を作成し、
前記主回路部における複数の前記コンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成し、
前記交流電圧指令と前記直流電圧指令に応じて、前記主回路部における複数の前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１４】
水流を受けて回転する水車と、
前記水車に機械的に接続され、前記水車とともに回転する発電機と、
前記発電機が出力する交流電力を制御する電力変換装置と、
を備える発電システムにおいて、
前記電力変換装置は、
複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、
複数の前記変換器の各々は、コンデンサを備え、前記コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、
電圧指令を入力し、前記電圧指令に応じて、前記主回路部における複数の前記半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成して複数の前記半導体スイッチング素子へ出力する駆動部を備え、
前記主回路部の交流側に前記発電機が接続され、
前記発電機が出力する交流電力を制御するために前記交流側の相数分の交流電圧指令を作成する交流制御部と、
前記主回路部における複数の前記コンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成する直流制御部と、
を備え、
前記駆動部が入力する前記電圧指令は、前記交流電圧指令と前記直流電圧指令とを含むことを特徴とする発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、単位の変換器が複数接続されるアームを備える電力変換装置、いわゆるモジュラーマルチレベルコンバータ、その制御装置および制御方法、並びに電力変換装置を用いる発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
回転機（発電機や電動機）の交流入出力を電力変換装置で直接制御する一次励磁（フルコンバータ）方式では、可変速ドライブ制御によって回転機の効率が向上する。これにより、ＣＯ２削減や省エネルギー化が図れる。また、電力変換装置として、電力変換損失が小さいモジュラーマルチレベルコンバータ（以下、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）と称す）を用いることで、さらなる効率向上が期待できる（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
ＭＭＣにおいては、個別にコンデンサを有する単相コンバータ（以下、セルと称す）を直列接続したアームを三相分備える。このため、所望の交流電圧と直流電圧を出力するために、セル間、アーム間でコンデンサ電圧をバランスさせるように、かつ三相アーム全体のコンデンサの平均電圧を定格値に保つように、コンデンサ電圧が制御される（例えば、非特許文献１および特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】電力系統用新方式自励交直変換器調査専門委員会編、「電力系統用新方式自励交直変換器の技術動向〜モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）を中心として〜」、電気学会技術報告、電気学会、２０１６年４月、第１３７４号、ｐ．１３−１５
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１５−１２７６９号公報
【特許文献２】特許第５９９３６７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ＭＭＣでは、回転機を高効率で運転するために、機械エネルギー量や回転速度の状態に応じて回転機の交流電力を制御する機能を要するが、従来のＭＭＣでは、三相アーム全体のコンデンサの平均電圧が定格値に保たれるように、変換器における交流電流（有効電流）を制御しているため、回転機の出力制御を独立して行うことが難しい。
【０００７】
そこで、本発明は、交流電力の制御とコンデンサ電圧の制御を独立して行うことができる電力変換装置、その制御装置および制御方法、並びに発電システムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明による電力変換装置は、複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、複数の変換器の各々は、コンデンサを備え、コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、電圧指令を入力し、電圧指令に応じて、主回路部における複数の半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成して複数の半導体スイッチング素子へ出力する駆動部を備え、主回路部の交流側に制御対象が接続されるものであって、制御対象の交流電力を制御するために交流側の相数分の交流電圧指令を作成する交流制御部と、主回路部における複数のコンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成する直流制御部と、を備え、駆動部が入力する電圧指令は、交流電圧指令と直流電圧指令とを含む。
【０００９】
また、上記課題を解決するために、本発明による電力変換装置の制御装置は、複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、複数の変換器の各々は、コンデンサを備え、コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、主回路部の交流側に制御対象が接続される電力変換装置を制御するものであって、電圧指令を入力して、電圧指令に応じて、主回路部における複数の半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成して複数の半導体スイッチング素子へ出力する駆動部と、制御対象の交流電力を制御するために交流側の相数分の交流電圧指令を作成する交流制御部と、主回路部における複数のコンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成する直流制御部と、を備え、駆動部が入力する電圧指令は、交流電圧指令と直流電圧指令とを含む。
【００１０】
また、上記課題を解決するために、本発明による電力変換装置の制御方法は、複数の変換器の出力が直列接続されるアームを複数有する主回路部を備え、複数の変換器の各々は、コンデンサを備え、コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御し、主回路部の交流側に制御対象が接続される電力変換装置を制御する方法であって、制御対象の交流電力を制御するために交流側の相数分の交流電圧指令を作成し、主回路部における複数のコンデンサの直流電圧の平均値を所定値に設定するために直流電圧指令を作成し、交流電圧指令と直流電圧指令に応じて、主回路部における複数の半導体スイッチング素子を駆動する駆動信号を作成する。
【００１１】
さらに、上記課題を解決するために、本発明による発電システムは、水流を受けて回転する水車と、水車に機械的に接続され、水車とともに回転する発電機と、発電機が出力する交流電力を制御する電力変換装置と、を備えるものであって、電力変換装置は、上記本発明による電力変換装置である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、交流電力の制御とコンデンサ電圧の制御を独立して行うことができる。これにより、回転機システムや発電システムを高効率で運転できる。
【００１３】
上記した以外の課題、構成および効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施形態である電力変換装置の全体構成を示す。
【図２】主回路部におけるセルの回路構成例を示す。
【図３】主回路部におけるセルの回路構成例を示す。
【図４】回転機出力目標値算出部の構成を示す機能ブロック図である。
【図５】交流電流制御部の構成を示す機能ブロック図である。
【図６】コンデンサ平均電圧制御部の構成を示す機能ブロック図である。
【図７】三相交流電圧指令値と直流電圧指令値の波形例である
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の実施形態について、以下、図を用いて説明する。各図において、参照番号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示している。
【００１６】
図１は、本発明の一実施形態である電力変換装置を含む発電システムの全体構成を示す。
【００１７】
電力変換装置の主回路部１は、単位の変換器であるセル２が複数個直列に接続されるアーム３を、交流の相数分、本実施形態では三相（ＵＶＷ）分備えている。すなわち、本実施形態の電力変換装置は、ＭＭＣの構成を有する。
【００１８】
セル２は、直流電圧源となるコンデンサを備える、公知のチョッパ回路もしくはフルブリッジ回路（例えば、前述の特許文献１および特許文献２参照）などから構成される。複数のセル２の出力側が直列接続されて、アーム３が構成される。なお、本実施形態においては、セル２の回路を構成する半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）が用いられる。
【００１９】
三相分すなわち３個のアーム３の各両端部の内、低電位側の各端部は、回転機システム５における回転機Ｇの固定子巻線との接続点Ｕ，Ｖ，Ｗとなる。これら接続点は、電流センサ４を介して回転機Ｇの固定子巻線の三相交流端子と電気的に接続される。また、三相分のアーム３の各両端部の内、高電位側の各端部は、共通接続され、三相分のアーム３の中性点となる。すなわち、三相分のアーム３は、これらの高電位側においてＹ結線（あるいはスター結線）され、このＹ結線の中性点が引き出される。
【００２０】
三相分のアーム３の中性点および回転機ＧのＹ結線（あるいはスター結線）される固定子巻線の中性点が、それぞれ、直流ラインの高電位側接続点Ｐおよび低電位側接続点Ｎに接続される。直流ラインは系統連系用の電力変換器６の直流側に接続される。電力変換器６の交流側は、図示されない商用交流電力系統に接続される。これにより、ＭＭＣの主回路部１と、電力変換器６の図示されない主回路部とが接続され、両主回路部間で電力が授受される。
【００２１】
なお、本実施形態ではＹ結線される固定子巻線の中性点が引き出されるが、これに代えて、接続点Ｕ，Ｖ，Ｗに公知の中性点引き出しリアクトル（例えば、前述の特許文献１参照）を接続し、中性点引き出しリアクトルの中性点を引き出して低電位側接続点Ｎに接続しても良い。この場合、固定子巻線はデルタ結線されていても良い。
【００２２】
また、ＭＭＣの主回路部の回路構成は、公知の二重スターＭＭＣ方式（例えば、前述の非特許文献１の第１９頁参照）でも良い。この二重スターＭＭＣ方式は、図１のアーム３を６個備え、６個のアーム３が三相フルブリッジ状に接続される。
【００２３】
本実施形態において、回転機システム５における回転機Ｇは、水力発電用の発電機である。この発電機には、水車Ｔが機械的に接続される。水車Ｔが水流を受けて回転すると、回転機Ｇすなわち発電機は、水車の機械的エネルギーを三相交流電力に変換して固定子巻線から出力する。発電機から出力される電力は、ＭＭＣ方式の電力変換装置および系統連系用の電力変換器６を介して、一定周波数で一定電圧の三相交流電力として電力系統へ供給される。本実施形態では、発電機出力が、ＭＭＣ方式の主回路部１を備える電力変換装置によって直接制御される。これにより、発電機を、高効率で可変速運転することができる。
【００２４】
図２は、主回路部１におけるセル２の回路構成例を示す。本例において、セル２は、チョッパ回路によって構成される。このチョッパ回路は、コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子（図２ではＩＧＢＴ）のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御する。半導体スイッチング素子は、制御端子（図２ではＩＧＢＴのゲート端子）に与えられる駆動信号（図２におけるゲートパルス信号）によってオン・オフ駆動される。なお、各セル２におけるコンデンサの両端の直流電圧の検出値Ｖｃｊｋ（ｊ＝ｕ，ｖ，ｗ；ｋ＝１，…，Ｎ）は、後述するコンデンサ平均電圧制御部１０３（図１）に入力される。
【００２５】
図３は、主回路部１におけるセル２の回路構成例を示す。本例において、セル２は、単相フルブリッジ回路によって構成される。この単相フルブリッジ回路は、コンデンサの直流電圧を入力して、半導体スイッチング素子（図３ではＩＧＢＴ）のオン・オフ駆動によって出力電圧を制御する。図２の例と同様に、半導体スイッチング素子は、制御端子に与えられる駆動信号（ゲートパルス信号）によってオン・オフ駆動される。また、図２の例と同様に、各セル２におけるコンデンサの両端の直流電圧の検出値Ｖｃｊｋは、コンデンサ平均電圧制御部１０３（図１）に入力される。
【００２６】
なお、図２および図３における一個の回路記号で示される半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）は、複数の半導体チップの直並列接続から構成されても良い。また、このような複数の半導体チップが一個のパッケージあるいはケースに収納されても良い。
【００２７】
次に、制御装置１００（図１）について説明する。なお、本実施形態においては、マイクロコンピュータなどの演算処理装置が、所定のプログラムを実行することによって、後述する制御装置１００の各機能部として動作する。なお、制御装置１００においては、いわゆるベクトル制御方式が用いられている。
【００２８】
回転機出力目標値算出部１０１は、センサ７によって検出される機械エネルギー量や回転機システム５の回転速度（図１では水車Ｔの回転速度）を入力として、交流電流制御部１０２に与える電流指令値（Ｉｄｒ，Ｉｑｒ）と周波数指令値Ｆｒを演算して出力する。ここで、本実施形態において、機械エネルギー量は、水力発電に用いられる流量［ｍ３／ｓ］や落差［ｍ］である。
【００２９】
交流電流制御部１０２は、回転機出力目標値算出部１０１からの指令値（Ｉｄｒ，Ｉｑｒ，Ｆｒ）に応じて、電流センサ４によって検出されるＵ相アーム電流Ｉａｕ、Ｖ相アーム電流ＩａｖおよびＷ相アーム電流Ｉａｗに含まれる交流電流を制御するように、三相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒ，Ｖａｃｖｒ，Ｖａｃｗｒを演算して出力する。
【００３０】
コンデンサ平均電圧制御部１０３は、各セル２のコンデンサ電圧の検出値（図２，３におけるＶｃｊｋ）、すなわち、Ｕ相アームのＮ個のセルの電圧Ｖｃｕ１,Ｖｃｕ２,…，ＶｃｕＮ、Ｖ相アームのＮ個のセルの電圧Ｖｃｖ１,Ｖｃｖ２,…，ＶｃｖＮ、Ｗ相アームのＮ個のセルの電圧Ｖｃｗ１,Ｖｃｗ２,…，ＶｃｗＮの平均電圧値を演算子し、算出される平均電圧を所定の電圧値たとえばコンデンサ定格電圧値になるように制御するために、直流電圧指令値Ｖｄｃｒを演算して出力する。ここで、平均電圧値は、例えば、算術平均値（＝（Ｖｃｕ１＋…＋ＶｃｕＮ＋Ｖｃｖ１＋…＋ＶｃｖＮ＋Ｖｃｗ１＋…＋ＶｃｗＮ）／３Ｎ）である。
【００３１】
本実施形態では、主回路部１を構成する全セル（１アーム当たりＮ個で総数３Ｎ個）のコンデンサ電圧の平均値が算出されるが、これに限らず、総数よりも少ない複数個のセルを選択して、これらセルのコンデンサ電圧の平均値を算出しても良い。なお、本実施形態では、セルのコンデンサ電圧の平均値が所定値に制御されるが、本制御は、いわば、主回路部１を構成する複数のセルのコンデンサ電圧の一括制御である。
【００３２】
加算器１０４は、三相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒ，Ｖａｃｖｒ，Ｖａｃｗｒの各々に、直流電圧指令値Ｖｄｃｒを加算して、ＰＷＭ制御部１０５に与える電圧指令すなわち変調波を生成する。
【００３３】
ＰＷＭ制御部１０５は、搬送波と加算器１０４が生成する変調波とから、いわゆるＰＷＭ（Pulse Width Modulation（パルス幅変調））によって、ＭＭＣの主回路部１を構成する各セル２を駆動するための駆動信号、本実施形態では各セルのＩＧＢＴのゲートパルス信号を作成して出力する。
【００３４】
図４は、図１における回転機出力目標値算出部１０１の構成を示す機能ブロック図である。
【００３５】
図４に示すように、Ｉｄ指令算出部１０１Ａは、出力指令と機械エネルギー量（流量、落差）に基づいて、ｄ軸電流指令Ｉｄｒを演算する。出力指令は、本実施形態においては、例えば回転機Ｇ（発電機）に対する有効電力指令値である。また、Ｉｑ指令算出部１０１Ｂは、水車Ｔもしくは回転機Ｇの回転速度に応じてｑ軸電流指令Ｉｑｒを算出する。ここで、「ｄ軸」および「ｑ軸」は、公知のベクトル制御において用いられる回転座標の座標軸である。
【００３６】
回転機Ｇが誘導発電機である場合、回転速度が定格値に達するまではｑ軸電流指令Ｉｑｒを所定の一定値とし、回転速度が定格値を超える領域では、ｑ軸電流指令Ｉｑｒを回転速度に応じて小さくするように、Ｉｑｒは算出される。
【００３７】
回転機Ｇが同期発電機である場合、ｑ軸電流指令Ｉｑｒは常にゼロとする。すなわち、発電機の出力を力率１に制御する。ただし、力率調整時などにおいて、弱め界磁電流が流れるようにｑ軸電流指令Ｉｑｒを算出する場合もある。
【００３８】
図４における周波数指令算出部１０１Ｃは、出力指令と、水車Ｔもしくは回転機Ｇの回転速度とに基づいて、電力変換装置（ＭＭＣ）に対する周波数指令値Ｆｒを算出して出力する。
【００３９】
回転機Ｇが誘導発電機である場合、出力指令からすべり角周波数を算出し（誘導機の発電動作領域ではすべりは負の値を取る）、算出されるすべり角周波数および回転速度から同期周波数すなわち周波数指令値Ｆｒを算出する。
【００４０】
回転機Ｇが同期発電機である場合、回転速度に基づいて周波数指令値Ｆｒを算出する。
【００４１】
図５は、図１における交流電流制御部１０２の構成を示す機能ブロック図である。
【００４２】
図５に示すように、電流座標変換部１０２Ａは、アーム電流Ｉａｕ，Ｉａｖ，Ｉａｗを、式（１）を用いて、静止座標系において三相／二相変換し、さらに式（２）を用いて、回転座標系におけるｄ軸電流Ｉｄ（有効電流）およびｑ軸電流Ｉｑ（無効電流）に変換する。式（１），（２）において、Ｉα，Ｉβは三相／二相変換した電流成分、Ｆｒは周波数指令値、ｔは時間を示す。
【００４３】
【数１】
2019068678.tif 000003
【００４４】
【数２】
2019068678.tif 000004
【００４５】
ｄ軸電流制御器１０２Ｂは、ｄ軸電流Ｉｄがｄ軸電流指令Ｉｄｒに一致するように、ＩｄｒとＩｄの差分に応じて、ｄ軸電圧指令Ｖｄｒを演算する。また、ｑ軸電流制御器１０２Ｃは、ｑ軸電流Ｉｑがｑ軸電流指令Ｉｑｒに一致するように、ＩｑｒとＩｑの差分に応じて、ｑ軸電圧指令Ｖｑｒを演算する。
【００４６】
電圧座標変換部１０２Ｄは、ｄ軸電流制御器１０２Ｂおよびｑ軸電流制御器１０２Ｃによってそれぞれ演算されるｄ軸電圧指令Ｖｄｒおよびｑ軸電圧指令Ｖｑｒを、式（３）を用いて、回転座標系から静止座標系へ変換し、さらに式（４）を用いて、静止座標系において二相／三相変換により、三相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒ，Ｖａｃｖｒ，Ｖａｃｗｒに変換する。式（３），（４）において、Ｖαｒ，Ｖβｒは、静止座標へ二相／二相変換した電圧指令値、Ｆｒは周波数指令値、ｔは時間を示す。
【００４７】
【数３】
2019068678.tif 000005
【００４８】
【数４】
2019068678.tif 000006
【００４９】
図６は、図１におけるコンデンサ平均電圧制御部１０３の構成を示す機能ブロック図である。
【００５０】
図６に示すように、平均値算出部１０３Ａは、各セル２のコンデンサ電圧Ｖｃｕ１,…，ＶｃｕＮ，Ｖｃｖ１,…ＶｃｖＮ，Ｖｃｗ１,…，ＶｃｗＮから三相分のアームすなわち主回路部１全体におけるコンデンサの平均電圧Ｖｃａｖｅを算出する。
【００５１】
電圧制御器１０３Ｂは、平均値算出部１０３Ａによって算出される平均電圧Ｖｃａｖｅが電圧指令Ｖｃｒに一致するように、ＶｃａｖｅとＶｃｒとの差分に応じて直流ラインの直流電圧（図１におけるＰＮ間の直流電圧）の操作量（電圧変動量すなわち増加分もしくは減少分）を生成する。生成される操作量に、直流ライン（ＰＮ間）の直流電圧定格値Ｖｄｃ０（固定値）を加算して、直流電圧指令値Ｖｄｃｒが作成される。
【００５２】
図７は、三相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒ，Ｖａｃｖｒ，Ｖａｃｗｒと直流電圧指令値Ｖｄｃｒの波形例である。
【００５３】
図７は、三相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒ，Ｖａｃｖｒ，Ｖａｃｗｒの波形と直流電圧指令値Ｖｄｃｒの波形を個別に示しているが、ＰＷＭ制御部１０５（図１）には、これらの波形が重畳された波形の変調波が入力される。従って、変調波の交流成分すなわち三相交流電圧指令値（Ｖａｃｕｒ，Ｖａｃｖｒ，Ｖａｃｗｒ）が有する振幅と位相および周波数によって、回転機Ｇ（発電機）から所望の交流出力が得られるとともに、変調波の直流成分すなわち直流電圧指令値Ｖｄｃｒの振幅によって、主回路部すなわち三相分のアーム全体のコンデンサ電圧の平均電圧が定格値となるように制御される。
【００５４】
上述のように、本実施形態においては、コンデンサ電圧の検出値から作成される直流電圧指令値を三相交流電圧指令値に加算してＰＷＭ制御部への電圧指令すなわち変調波を作成するので、交流出力の制御とコンデンサ電圧の制御を独立して行うことができる。従って、発電機の交流出力すなわち電力変換装置（ＭＭＣ）への交流入力およびコンデンサ電圧を共に高精度で制御できる。これにより、回転機および発電システムの運転効率が向上する。
【００５５】
なお、本発明は前述した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、前述した実施形態は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置き換えをすることが可能である。
【００５６】
本実施形態における電力変換装置（ＭＭＣ）は、回転機を発電専用機とする可変速水力発電システム（図１）に限らず、回転機を発電電動機とする可変速揚水発電システムにも適用できる。この場合、ＭＭＣの交流側が回転子巻線に接続され、ＭＭＣが交流励磁装置として用いられる。
【００５７】
また、本実施形態における電力変換装置（ＭＭＣ）は、水力発電システムに限らず、風力発電システムや太陽光発電システムに適用しても良い。風力発電システムにおいて、図１における「機械エネルギー量」は「風速［ｍ／ｓ］」に対応する。
【００５８】
また、本実施形態における電力変換装置（ＭＭＣ）は、交流電動機を駆動するインバータとして用いても良い。この場合、図２における出力指令は、電気トルク指令値である。
【００５９】
なお、回転機は誘導機および同期機のいずれでも良い。回転機が誘導電動機である場合、図２におけるＦｒは、すべりを減算して算出される。回転機が同期電動機である場合、回転速度に基づいて周波数指令値Ｆｒを算出する。
【００６０】
また、本実施形態における全コンデンサ電圧の一括制御と、公知の「アームバランス制御」や「個別バランス制御」（例えば、上述の非特許文献１を参照）を併用してコンデンサ電圧を制御しても良い。
【符号の説明】
【００６１】
１  主回路部
２  セル
３  アーム
４  電流センサ
５  回転機システム
６  電力変換器
７  センサ
１００  制御装置
１０１  回転機出力目標値算出部
１０１Ａ  Ｉｄ指令算出部
１０１Ｂ  Ｉｑ指令算出部
１０１Ｃ  周波数指令算出部
１０２  交流電流制御部
１０２Ａ  電流座標変換部
１０２Ｂ  ｄ軸電流制御器
１０２Ｃ  ｑ軸電流制御器
１０２Ｄ  電圧座標変換部
１０３  コンデンサ平均電圧制御部
１０３Ａ  平均値算出部
１０３Ｂ  電圧制御器
１０４  加算器
１０５  ＰＷＭ制御部
Ｇ  回転機
Ｔ  水車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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