(57)【要約】【課題】交流電力系統の事故などによる直流回路の電圧変動が発生しても、それを抑制して運転継続することが可能な交流励磁発電電動機の制御装置を提供する。【解決手段】発電電動機２を交流励磁発電電動機として動作させるため、第１の電力変換器４と、その直流端子に接続された直流コンデンサ６と、交直変換を行って発電電動機２を励磁する第２の電力変換器５と、第１の電力変換器４用の第１の制御回路２０と、第２の電力変換器５用の第２の制御回路３０とで構成し、第１の制御回路２０は、直流電圧が指令値に一致するように第１の電力変換器４の有効電力を調節し、第２の制御回路３０は、発電電動機２の２次電流が指令値に一致するように第２の電力変換器５の交流端子電圧を調節し、且つ２次電流の変動成分に応じて、直流コンデンサの両端の電圧変動を抑制するように第２の電力変換器５の交流端子電圧を補正制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発電電動機の１次巻線が接続された交流電力系統と電力の授受を行い、交直変換を行う第１の電力変換器と、
前記第１の電力変換器の直流端子に並列に接続された直流コンデンサと、
前記直流コンデンサの両端に直流端子が接続され、前記発電電動機の２次巻線に交流端子が接続され、交直変換を行って前記発電電動機を励磁する第２の電力変換器と、
前記第１の電力変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給する第１の制御回路と、
前記第２の電力変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給する第２の制御回路と
を具備し、
前記第１の制御回路は、
前記直流コンデンサの両端の電圧が指令値に一致するように前記第１の電力変換器の有効電力を調節する第１の直流電圧制御手段を有し、
前記第２の制御回路は、
前記発電電動機の２次電流が指令値に一致するように前記第２の電力変換器の交流端子電圧を調節する電流制御手段と、
前記２次電流の変動成分に応じて、前記直流コンデンサの両端の電圧変動を抑制するように前記電流制御手段の出力を補正する第２の直流電圧制御手段
を有することを特徴とする交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項２】
前記第２の制御回路は、
前記発電電動機の２次電流を有効成分と無効成分に分解する座標変換手段を有し、
前記電流制御手段は、
前記有効成分及び前記無効成分が夫々の指令値に一致するように前記第２の電力変換器の交流端子電圧を調節するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項３】
前記有効成分及び無効成分の出力に電流の変動成分を除去するフィルタを設け、このフィルタの夫々の出力が夫々の指令値に一致するように前記第２の電力変換器の交流端子電圧を調節するようにしたことを特徴とする請求項２に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項４】
前記第２の直流電圧制御手段は、
前記直流コンデンサの両端の電圧とその指令値との偏差を増幅する補償手段と、
前記補償手段の出力と前記２次電流の変動成分を乗算する乗算手段とを備え、
前期乗算手段の出力に応じて前記電流制御手段の出力を補正するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項５】
前記補償手段は、
前記直流コンデンサの両端の電圧とその指令値との偏差が所定値以下のときには応答しない不感帯を有することを特徴とする請求項４に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項６】
前記２次電流の変動成分は、低域除去フィルタによって抽出されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項７】
前記２次電流の変動成分は、バンドパスフィルタによって抽出されることを特徴とする請求項４または請求項５に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【請求項８】
前記バンドパスフィルタの中心周波数を前記変動成分の主たる周波数成分近傍に設定したことを特徴とする請求項７に記載の交流励磁発電電動機の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は交流電力系統に接続された交流励磁発電電動機を、直流回路を有する電圧形の電力変換器で励磁する交流励磁発電電動機の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
１次巻線が交流電力系統に接続され、２次巻線に可変電圧、可変周波数の出力を有する電力変換器が接続された交流励磁発電電動機は、交流電力系統の周波数と回転子回転速度が同期していなくても運転が可能であり、水力発電、風力発電などの発電システムにおいて高効率に運転できる方式である。また、交流電力系統の事故に際しては系統の周波数が変動しても目標値に一致した電力を供給して交流系統を安定化することが可能な発電システムを得ることができる。
【０００３】
交流励磁発電電動機の２次巻線を励磁するための電力変換器としては、従来、交流電力系統の交流を直接可変電圧、可変周波数の励磁用出力に変換するサイクロコンバータが使用されていたが、最近は交流電力系統の交流を直流に変換して直流回路に供給する第１の電力変換器と、直流回路から電力供給を受けて交流に変換して２次巻線に供給する第２の
電力変換器を組み合わせて用いている。この場合、例えば第１の電力変換器によって直流回路の直流電圧を一定値に制御し、第２の電力変換器によって励磁電流の有効分を所望の値に制御するようにすれば、交流電力系統と有効電力のみのやりとりを行うことが可能となり、比較的大きい無効電力を必要とするサイクロコンバータ方式に比べて全体の設備容量を低減することができる。
【０００４】
このような交流励磁発電電動機システムにおいて、交流電力系統で事故が発生すると、交流励磁発電電動機の１次電流に直流成分や逆相成分が重畳し、それが２次側に誘起され、２次電流には励磁電流の成分以外に変動成分が重畳する。その変動成分が直流回路に流入して直流電圧を変動させる。さらに、交流電力系統で事故が発生して電圧が低下すると、第１の電力変換器は電流容量が制限されているので、変換可能な電力の大きさも低下する。このため、直流回路の直流電圧の変動を抑制するのに必要な電力を第１の電力変換器から供給することができない。従って、直流電圧を制御することができず、過電圧や低電圧が発生してシステム停止に至る恐れがあった。
【０００５】
上記の対策として、直流回路に並列に抵抗とスイッチング素子から成るチョッパ回路を付加し、直流電圧が上昇しようとしたとき、スイッチング素子をオンオフ制御して直流電圧を制御する技術が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【特許文献１】特許第２７０３４４１号公報（第３−７頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述したように従来の交流励磁発電電動機システムは、交流電力系統の事故が発生して直流回路の電圧が変動したときに、直流電圧を制御することができずに直流回路の過電圧や低電圧が発生してシステム停止に至るという問題があった。また、特許文献１に示された手法によれば直流電圧を制御することは可能となるが、直流回路にチョッパ回路を付加する必要があり、回路構成が複雑となるという問題があった。
【０００７】
この発明は上記のような課題を解決するために為されたものであり、比較的簡単な回路構成によって、交流電力系統の事故などによる直流回路の電圧変動が発生しても、それを抑制して運転継続することが可能な交流励磁発電電動機の制御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】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の交流励磁発電電動機の制御装置は、発電電動機の１次巻線が接続された交流電力系統と電力の授受を行い、交直変換を行う第１の電力変換器と、前記第１の電力変換器の直流端子に並列に接続された直流コンデンサと、前記直流コンデンサの両端に直流端子が接続され、前記発電電動機の２次巻線に交流端子が接続され、交直変換を行って前記発電電動機を励磁する第２の電力変換器と、前記第１の電力変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給する第１の制御回路と、前記第２の電力変換器のスイッチング素子にゲートパルスを供給する第２の制御回路とを具備し、前記第１の制御回路は、前記直流コンデンサの両端の電圧が指令値に一致するように前記第１の電力変換器の有効電力を調節する第１の直流電圧制御手段を有し、前記第２の制御回路は、前記発電電動機の２次電流が指令値に一致するように前記第２の電力変換器の交流端子電圧を調節する電流制御手段と、前記２次電流の変動成分に応じて、前記直流コンデンサの両端の電圧変動を抑制するように前記電流制御手段の出力を補正する第２の直流電圧制御手段を有することを特徴としている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、交流電力系統の事故などによる直流回路の電圧変動が発生しても、それを抑制して運転継続することが可能な交流励磁発電電動機の制御装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１１】
以下、本発明の第１の実施例に係る交流励磁発電電動機の制御装置を図１乃至図３を参照して説明する。図１は本発明の実施例１に係る交流励磁発電電動機の制御装置のブロック構成図である。
【００１２】
交流電力系統１に発電電動機２の１次巻線が接続され、発電電動機２は発電機としても電動機としても動作する構成となっている。また、交流電力系統１は変圧器３を介して第１の電力変換器４の交流端子に接続されている。第１の電力変換器４の直流端子は直流回路を介して第２の電力変換器５の直流端子に接続され、この第２の電力変換器５の交流端子が発電電動機２の２次巻線に接続さている。直流回路には平滑用の直流コンデンサ６が並列に接続されている。
【００１３】
第１の電力変換器４及び第２の電力変換器５は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のスイッチング素子をブリッジ接続して構成されており、これらのスイッチング素子は夫々第１の制御回路２０及び第２の制御回路３０から供給されるゲート制御パルスによってオンオフ制御されている。
【００１４】
第１の電力変換器４の交流側の電流は電流検出器７によって検出され、第１の制御回路２０に与えられる。同様に、第２の電力変換器５の交流側の電流即ち発電電動機２の２次電流は電流検出器８によって検出され、第２の制御回路３０に与えられる。また、平滑コンデンサ６に印加される電圧即ち直流回路の直流電圧Vdcは、電圧検出器９によって検出され、第１の制御回路２０及び第２の制御回路３０に与えられる。
【００１５】
交流電力系統１の電圧位相は位相検出器１０で検出され、第１の制御回路２０及び第２の制御回路３０に与えられる。また、発電電動機２の２次電圧は回転子位相検出器１１によって検出され、第２の制御回路３０に与えられる。
【００１６】
以下、第１の制御回路２０及び第２の制御回路３０の内部構成について説明する。
【００１７】
電流検出器７で検出された第１の電力変換器４の交流電流及び位相検出器１０で検出された電圧位相θ１は座標変換器２０１に入力される。座標変換器２０１は、第１の電力変換器４の交流電流を電圧位相θ１に基づいて有効電流成分Icqと無効電流成分Icdに分離し、これらの電流成分から構成される電流Icを電流制御器２０２に与える。電流制御器２０２は電流指令値Icrefと電流Icが一致するように第１の電力変換器４が出力すべき電圧指令Vcrefを出力してパルス幅変調器２０３に与える。そして、パルス幅変調器２０３が電圧指令Vcrefに応じて第１の電力変換器４のスイッチング素子をオンオフ制御する。
【００１８】
一方、電圧制御器２０４は、直流電圧指令Vdcrefと電圧検出器９によって検出された直流電圧Vdcが一致するように電流指令値Icrefの有効電流成分Icqを制御する。例えば座標変換器２０１において、交流電力系統１から第１の電力変換器４へ電力が流入するときに有効電流成分Icqが正となるように変換されているとすると、直流電圧Vdcが上昇したときには有効電流成分Icqを減少し、直流電圧Vdcが下降したときにはこれを増加するように動作する。これにより直流回路の直流電圧Vdcは直流電圧指令Vdcrefに一致するように制御される。また、無効電流成分Icdの指令値を零にすることにより変圧器３の交流電力系統１側の力率をほぼ１に制御することが可能となる。
【００１９】
一方、電流検出器８で検出された電流は座標変換器３０１に与えられ、発電電動機２の励磁電流及び１次電流の無効電流に関係する無効電流成分Iidと、１次電流の有効電流に関係する有効電流成分Iiqに分離される。電流検出器８で検出した電流を、座標変換器３０１により、位相θ２を基準として有効電流成分Iiqと無効電流成分Iidを含む電流Iiに変換する。ここで位相θ２は、位相θ１から回転子位相検出器１１で検出した回転子位相θｒを減算器３０４で減算することによって得ている。
【００２０】
電流制御器３０２は電流指令値Iirefと電流Iiが一致するように、後述する減算器３０６を介して第２の電力変換器５の電圧指令Virefを調節する。そして、パルス幅変調器３０３が電圧指令Virefに応じて第２の電力変換器５のスイッチング素子をオンオフ制御する。ここで、発電電動機２の２次電流の周波数は位相θ２の変化率になり、交流電力系統１の周波数ω１と発電電動機２の回転子速度ωｒの差周波数ω２となっている。
【００２１】
第２の制御回路３０は、直流電圧指令Vdcref、直流電圧Vdc及び電流Iiを入力し、電流制御器３０２の出力を減算器３０６で補正するように構成された電圧制御器３０５を有している。
【００２２】
図２は電圧制御器３０５の内部構成を説明するためのブロック構成図である。直流電圧指令Vdcrefと直流電圧Vdcの偏差を減算器３０５ａで演算した後、補償器３０５ｂでその偏差を増幅し、電流Iiをフィルタ３０５ｃで低域遮断した信号と乗算器３０５ｄで乗算する。乗算器３０５ｄの出力は、電圧制御器３０５の出力を補正するように減算器３０６によって減算されて電圧指令Virefを得る構成となっている。
【００２３】
次に動作について説明する。交流電力系統１が正常状態のとき、発電電動機２の２次巻線の周波数は交流電力系統１の周波数ω１と発電電動機２の回転子速度ωｒの差周波数ω２である。座標変換器３０１においては、周波数ω２の２次電流である第２の電力変換器５の出力電流を周波数ω２に係る位相θ２を基準として回転座標変換することにより、周波数ω２成分が直流量に変換された電流Iiが得られる。電流制御器３０２は周波数ω２に相当する指令値となる電流指令値Iirefと電流Iiが一致するように動作する。電流Iiには有効電流成分Iiqと無効電流成分Iidの２つの信号が含まれている。このように発電電動機２の２次電流を有効電流成分Iiqと無効電流成分Iidとに分離して各々独立して制御することにより、有効電流成分Iiqは発電電動機２が交流電力系統１へ出力する有効電流に比例し、無効電流成分Iidは発電電動機２が交流電力系統１へ出力する無効電流と発電電動機２の励磁電流に比例するようになる。有効電流成分Iiqと無効電流成分Iidは、発電電動機２の回転速度と交流電力系統１の周波数が変化しても、その差周波数ω２に応じて一定に制御される。従って発電電動機２を可変速度で運転しつつ交流電力系統１との電力の授受を調整することが可能となっている。
【００２４】
交流電力系統１で事故が発生すると、発電電動機２の１次電流には正相電流の変動と共に直流成分と逆相成分が重畳される。この重畳した電流が発電電動機２の２次巻線にも流入し、第２の電力変換器５を介して直流回路に流れて直流電圧Vdcを変動させる。２次巻線に重畳する変動分は、１次巻線の直流電流成分が回転子速度ωｒの周波数成分に、逆相成分が回転子速度ωｒと周波数ω１の和の周波数成分となる。
【００２５】
図３は交流電力系統１で事故が発生したときの交流電力系統電圧、発電電動機２の２次電流、無効電流成分Iid及び有効電流成分Iiqを模式的に示した図である。今時刻Ｔ１で事故が発生したとすると、その直後図示したように交流電力系統電圧が低下し、２次電流には変動が重畳し、無効電流成分Iid及び有効電流成分Iiqには直流成分に加えて交流成分が重畳する。そして、時刻Ｔ２において事故が除去されると正常状態に復帰している。
【００２６】
第１の電力変換器４は変圧器３を介して交流電力系統１に接続されているため、交流電力系統１で事故が発生してその電圧が低下すると、授受できる電力は電圧の低下度合いに応じて制限される。授受可能な電力は第１の電力変換器４の入力電圧と第１の電力変換器４の電流の積となるが、流すことができる電流は第１の電力変換器４の設備能力に依存して制限されるため、授受可能な電力は制限されることになる。このため、第２の電力変換器５から流入する変動電流による直流電圧Vdcの変動を抑制するのに必要な電力が第１の電力変換器４から供給することができない場合が想定される。
【００２７】
電圧制御器３０５においては、直流電圧Vdcが変動すると、直流電圧指令Vdcrefとの間に偏差が生じて補償器３０５ｂにはその偏差を増幅した信号が出力される。電流Iiは低域遮断フィルタ３０５ｃにより直流成分が除去されて、変動成分だけが抽出される。抽出された変動電流と補償器３０５ｂの出力を乗算することにより電圧制御器３０５の出力補正信号を得るが、この補正信号は電流の変動分と同位相または逆位相であり、補償器３０５ｂの出力は変動成分に関する有効成分と等価となる。例えば、偏差が正のときは直流電圧Vdcが下降していることを意味しているので、出力電流が正のとき電流と逆位相の電圧を出力するようにすれば直流コンデンサ６を充電する方向に作用する。従って図１においては、電圧制御器３０５の出力を減算器３０６で減算することによって、逆位相の電圧指令をパルス幅変調器３０３に与えるようにしている。
【００２８】
以上説明したように本発明の実施例１においては、交流電力系統１で事故が発生したときに第１の電力変換器４による直流コンデンサ６の充放電が制限された場合でも、第２の電力変換器５に流入する変動電流を利用して充放電することができるため、直流回路の過電圧及び低電圧を防止しシステムを停止することなく運転を継続することが可能となる。
【実施例２】
【００２９】
図４は本発明の実施例２に係る交流励磁発電電動機の制御装置の回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の実施例１に係る交流励磁発電電動機の制御装置の回路構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、座標変換器３０１の出力側にフィルタ３０７を設け、このフィルタ３０７を介して第２の電力変換器５に係る電流Iiを電流制御器３０２に与える構成とした点である。
【００３０】
次に動作について説明する。交流電力系統１で事故が発生すると発電電動機２の２次巻線電流には図３の模式図に示したように変動成分が重畳する。そして、無効電流成分Iid及び有効電流成分Iiqには直流成分に加えて交流成分が重畳する。フィルタ３０７は低域通過フィルタで構成され、交流成分を除去して電流制御器３０２に無効電流成分Iid及び有効電流成分Iiqを入力する。電流制御器３０２による電流制御は、電流指令値Iirefの変化に対して電流Iiが遅れて追従すると共に、電流Iiの変動に対しても遅れて補償する過渡特性を持っている。このため、電流Iiに重畳された交流変動成分に応答して電圧指令Virefを修正したときに変動を抑制することができない場合がある。また、発電電動機２は主にインダクタンス成分に電流を通流するが、変動成分を抑制する場合、周波数が高くなると抑制するために必要とする電圧が大きくなり、第２の電力変換器５の電圧が飽和して電流指令値Iirefの追従特性が劣化する恐れがある。
【００３１】
上記に対し、この実施例２の発明によれば、その変動成分をフィルタ３０７で除去することにより、電流指令値Iirefに対する追従特性を向上する効果がある。これにより、電流制御器３０２では主に直流成分である電流指令値Iirefに追従するよう動作し、電圧制御器３０５では電流の変動成分を利用して直流回路６の直流電圧Vdcを制御するよう動作するため、電流制御器３０２と電圧制御器３０５の干渉を抑制できるという効果がある。
【実施例３】
【００３２】
図５は本発明の実施例３に係る交流励磁発電電動機の制御装置に用いられる電圧制御器のブロック構成図である。この実施例３の各部について、図２の実施例１に係る交流励磁発電電動機の制御装置に用いられる電圧制御器のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、減算器３０5ａの出力側に不感帯３０５ｅを設け、この不感帯３０５ｅを介して補償器３０５ｂに電圧偏差信号を与える構成とした点である。
【００３３】
次に動作について説明する。不感帯３０５ｅでは直流電圧Vdcの直流電圧指令Vdcrefに対する偏差が不感帯内にあるときは零を出力し、不感帯を超えると入力に応じた信号が出力される。交流電力系統１が健全な場合、第１の電力変換器４と第１の制御回路２０により直流回路の直流電圧Vdcが制御される。このときは、電圧制御器３０５による電圧制御動作は不要であり、第２の制御回路３０は２次電流を制御する動作のみを行うことが望ましい。
【００３４】
従って上記構成を採用することにより、２つの電圧制御器２０４と電圧制御器３０５が干渉することなく、通常運転時には電圧制御器２０４が動作し、交流電力系統１が事故の時には電圧制御器３０５も動作して直流電圧Vdcを制御することが可能となる。
【００３５】
以上説明したように本発明の実施例３によれば、２つの電圧制御器の干渉を防止することが可能な安定した交流励磁発電電動機の制御装置を得ることができる。
【実施例４】
【００３６】
図６は本発明の実施例４に係る交流励磁発電電動機の制御装置に用いられる電圧制御器のブロック構成図である。この実施例４の各部について、図２の実施例１に係る交流励磁発電電動機の制御装置に用いられる電圧制御器のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、フィルタ３０５ｅに代え、バンドパスフィルタであるＢＰフィルタ３０５ｆを用いた点である。
【００３７】
交流電力系統１で事故が発生したとき、発電電動機２の２次巻線に流れる変動電流は、１次巻線の直流成分が回転子速度ωｒ成分、１次巻線の逆相成分が回転子速度ωｒと交流電力系統１の周波数ω１の和の成分となる。従って、ＢＰフィルタ３０５を中心周波数が回転子速度ωｒの近傍及びωｒ＋ω１の近傍のバンドパスフィルタで構成すれば主に変動成分のみを抽出することができる。この場合、他の周波数成分は除去されるため、電流Iiに含まれるノイズの影響を除去できる効果がある。尚上記における近傍とは、バンドパスフィルタの周波数特性にもよるが、通常はプラスマイナス５％以内の範囲である。
【００３８】
また、特に回転子速度ωｒが交流電力系統１の周波数ω１付近で運転される用途においては、中心周波数を交流電力系統１の周波数ω１の近傍及び周波数ω１の２倍の近傍に設定すれば良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施例１に係る交流励磁発電電動機の制御装置のブロック構成図。
【図２】本発明の実施例１における電圧制御器のブロック構成図。
【図３】本発明の動作を説明するための各部波形の模式図。
【図４】本発明の実施例２に係る交流励磁発電電動機の制御装置のブロック構成図。
【図５】本発明の実施例３における電圧制御器のブロック構成図。
【図６】本発明の実施例４における電圧制御器のブロック構成図。
【符号の説明】
【００４０】
１  交流電力系統
２  発電電動機
３  変圧器
４  第１の電力変換器
５  第２の電力変換器
６  直流コンデンサ
７  電流検出器
８  電流検出器
９  電圧検出器
１０  位相検出器
１１  回転子位相検出器
２０  第１の制御回路
３０  第２の制御回路
２０１  座標変換器
２０２  電流制御器
２０３  PWM制御器
２０４  電圧制御器
３０１  座標変換器
３０２  電流制御器
３０３  PWM制御器
３０４  減算器
３０５  電圧制御器
３０５ａ  減算器
３０５ｂ  補償器
３０５ｃ  フィルタ
３０５ｄ  乗算器
３０５ｅ  不感帯
３０５ｆ  ＢＰフィルタ
３０６  減算器
３０７  フィルタ
【図１】
2008079383.tif 000003
【図２】
2008079383.tif 000004
【図３】
2008079383.tif 000005
【図４】
2008079383.tif 000006
【図５】
2008079383.tif 000007
【図６】
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