(57)【要約】【課題】基幹系統や変換器電源系統などの高電圧系統の位相検出なしに、電力変換器間の往復電流の抑制が可能な電力変換器を備えた電圧源型電力変換装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子を備え、交流側端子を電源用変圧器２の２次巻線に接続し、直流側端子を互いに接続した複数の電圧源型電力変換器と、前記電圧源型電力変換器の直流側に接続したコンデンサ９から構成する電圧源型電力変換装置において、交流電源系統１との位相差が既知である低圧電源系統５の交流電圧を検出し、その位相を検出する位相検出手段１０と、検出した交流電源の位相を基に位相基準を生成する位相変換手段１１と、生成された位相基準を位相同期の基準として、前記スイッチング素子のオンオフ指令を作成するスイッチング素子オンオフ指令作成手段７とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を備え、交流側端子をそれぞれ別の変圧器２次巻線に接続し、直流側端子を互いに接続した複数の電圧源型電力変換器と、
前記複数の電圧源型電力変換器の直流側に接続したコンデンサとから構成する電圧源型電力変換装置において、
前記電圧源型電力変換器の電源との位相差が既知である低圧電源系統の交流電圧を検出し、その位相を検出する位相検出手段と、
前記検出した交流電源の位相を基に、位相基準を生成する位相変換手段と、
前記位相変換手段により生成された位相基準を位相同期の基準として、前記スイッチング素子のオンオフ指令を生成するスイッチング素子オンオフ指令作成手段とを備えた電圧源型電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電圧源型電力変換装置において、
前記位相検出手段を、前記複数の電圧源型電力変換器にそれぞれ備えることを特徴とする電圧源型電力変換装置。
【請求項３】
請求項１記載の電圧源型電力変換装置において、
前記低圧電源系統は、前記電圧源型電力変換器の制御電源系統とし、前記位相検出手段は、前記電圧源型電力変換器を構成する制御演算基板に搭載することを特徴とする電圧源型電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電力と直流電力とを変換する電圧源型電力変換装置に関し、特に電圧源型電力変換装置を構成する複数の電圧源型電力変換器の並列運転技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を直流電力に変換する電圧源型電力変換装置（以下、電力変換装置と記す）は、スイッチング素子オンオフ指令作成手段によって生成されたオンオフ指令に基づき、電力変換主回路のスイッチング素子をオンオフ制御することにより交流電力を直流電力に変換する。スイッチング素子としては、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）やトランジスタ等の自己消弧形の素子を用いる。
【０００３】
変換する電力の容量を増大させるなどの目的のため、複数の電圧源型電力変換器（以下、電力変換器と記す）の交流側端子をそれぞれ別の変圧器２次巻線に接続し、直流側端子を互いに接続して並列に構成した電力変換装置がある。このような電力変換装置において、各電力変換器のスイッチング素子のオンオフタイミングにわずかなずれが生じると、互いの電力変換器から出力される電圧レベルが異なる状態が発生し、各電力変換器の主回路間に電流の往復が生じる。それぞれの電力変換器の主回路が出力することの出来る電流は、負荷側に流す電流と前記の回路間電流の和となる。そのため、回路間電流が多くなると、その分負荷に流すことの出来る電流が減少し、結果として負荷に出力できる電流が小さく抑えられ、効率の低下を招いていた。
【０００４】
そのため、従来の直流側を並列または直列に接続した複数の電力変換器を持つ電力変換装置では、電力変換器間で循環する高調波電流の抑制を図る事を目的に、交流系統の周波数を基にスイッチング素子のオンオフ指令の同期をとるように制御していた。
【０００５】
特許文献１には、複数の電圧源型電力変換器を、１次側が共通の変圧器でかつ互いに位相差を持つ多相２次巻線に接続し、交流系統の交流電圧を検出することにより基準位相情報を求め、これを基に各変換器の位相基準を生成してスイッチング素子のオンオフ動作を行うことにより、スイッチング位相を制御する電圧源型電力変換装置の例についての開示がある。
【特許文献１】特開平８−３０８２３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の電力変換装置では、位相同期の基準として交流電圧を検出する場合、基幹系統または変換器電源の交流側から検出していた。ところが、大電力を扱うこれらの系統は電圧が高いため、高電圧用の絶縁を確保するために検出器が大きくなってしまうという問題があった。更に、基幹系統または変換器電源の交流側系統の電圧を位相検出に用いる方式では、高い電圧のまま電力変換器の制御演算回路の基板に直接取り込むことはできないため、変圧器などの降圧手段が別途必要であった。また、基幹系統の電圧を検出する場合、既設配線とは別に電力変換装置までの配線を追加する必要があった。
【０００７】
本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、交流側端子をそれぞれ別の変圧器２次巻線に接続し、直流側端子を互いに接続した複数の電力変換器からなる電力変換装置において、基幹系統や変換器電源系統などの高電圧系統の位相検出なしに、電力変換器間の往復電流の抑制が可能な電力変換器を備えた電力変換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】
本発明は、スイッチング素子を備え、交流側端子をそれぞれ別の変圧器２次巻線に接続し、直流側端子を互いに接続した複数の電圧源型電力変換器と、前記複数の電圧源型電力変換器の直流側に接続したコンデンサとから構成する電圧源型電力変換装置において、前記電圧源型電力変換器の電源との位相差が既知である低圧電源系統の交流電圧を検出し、その位相を検出する位相検出手段と、前記検出した交流電源の位相を基に位相基準を生成する位相変換手段と、前記位相変換手段により生成された位相基準を位相同期の基準として、前記スイッチング素子のオンオフ指令を生成するスイッチング素子オンオフ指令作成手段とを備えるものである。
【０００９】
また、前記位相検出手段を、前記複数の電圧源型電力変換器にそれぞれ備えることもできる。
【００１０】
また、前記低圧電源系統を前記電圧源型電力変換器の制御電源系統とし、前記位相検出手段は、前記電圧源型電力変換器を構成する制御演算基板に搭載することもできる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によると、変換器電源との位相差が既知である低圧電源系統の交流電圧を検出し、検出した交流電圧の位相をそれぞれの電力変換器における位相同期の基準としてスイッチング素子のオンオフ動作を行うことで、電力変換器間の往復電流を抑制することが可能になる。その結果、従来のように高電圧系統から位相基準とする電圧を検出する場合に必要な絶縁手段や変圧器などが不要となり、装置を簡略化することができる。
【００１２】
また、位相同期の基準とする電圧を電力変換器の制御電源から検出することもできる。その場合、従来の主回路用交流電源系統などの高電圧系統の電圧を採用する場合に比べて電圧が低いため、制御演算基板に直接入力することができ、分圧などの手段によって演算回路に取り込めるレベルにすることが可能である。このように、演算回路に取り込んだ電圧を基に位相を検出することができるため、位相検出手段及び位相変換手段の小型化を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。
【実施例１】
【００１４】
まず、本発明の第１の実施の形態について図１、図２を参照して説明する。図１は、本発明の第１の実施の形態による構成例を示す構成図である。図１を参照して本例の構成例について説明する。
【００１５】
本例は、変換器主回路用交流電源系統１（以下、交流電源系統と記す）に電源用変圧器２の１次巻線を接続し、電源用変圧器２のそれぞれ別の２次巻線を介して電力変換器ブロック３ａ、３ｂを並列に接続する。電力変換器ブロック３ａ、３ｂの直流側には、コンデンサ９と電力変換器負荷４を接続する。図１では、２個の２次巻線を備えた変圧器に２台の電力変換器を並列しているが、並列する台数を２台以上にして構成してもよい。その場合、電力変換器を２個以上の２次巻線を備えた変圧器に接続する構成や、同じ交流電源系統に並列に接続する複数の変圧器の２次巻線に接続する構成などが可能である。
【００１６】
一方、交流電源系統１との位相差が既知で、かつ交流電源系統１より電圧が低い低圧電源系統５に、低圧電源系統５の交流電圧を検出し、その電圧から位相を検出するための位相検出手段１０を接続し、その検出結果を電力変換器ブロック３ａ、３ｂへ入力するよう構成する。なお、低圧電源系統５は、例えば、交流電源系統１と共通の電源系統に接続し、電力変換器ブロックの制御電源などを供給するために、１００Ｖ〜２００Ｖ程度に降圧したものである。
【００１７】
次に、電力変換器ブロック３ａ、３ｂの内部構成について説明する。電力変換器ブロック３ａ、３ｂはそれぞれ同様の内部回路で構成しているため、電力変換器ブロック３ａを例にその内部構成を説明する。
【００１８】
電力変換器ブロック３ａは、上記低圧電源系統５に接続する位相検出手段１０から検出された位相情報を入力し、演算処理を行って位相基準を生成する位相変換手段１１と、電力変換器ブロックの出力電流の指令値Ｉ＊を演算し出力する出力指令演算手段６と、位相変換手段１１から出力された位相基準と出力指令演算手段６から出力された出力電流の指令値を基に、スイッチング素子のオンオフ動作を制御するためのオンオフ指令を生成するスイッチング素子オンオフ指令作成手段７と、複数のスイッチング素子などから構成する電力変換主回路８と、制御電源入力手段１２から構成する。
【００１９】
次に、図２を参照し、本例の電力変換装置によって、交流電源系統１の交流電力を直流電力に変換するための動作について説明する。図２は、本例の動作例について示した説明図である。なお、図２では、電力変換器ブロック３ａを例に示しているが、他の電力変換器ブロックでも同様である。
【００２０】
交流電源系統１から供給された交流電力は、電源用変圧器２により所定の電圧へ降圧され、複数の電力変換器ブロック３ａ、３ｂに供給される。複数の電力変換器ブロック３ａ、３ｂは、供給された交流電力をそれぞれの電力変換主回路８のスイッチング素子をオンオフ制御することにより直流に変換し、電力変換器負荷４に直流電力を供給する。ここで、電力変換器ブロック３ａ、３ｂが接続する電源用変圧器２は、接続する２次巻線毎に交流電源系統１との位相差が予め定められているため、並列する複数の電力変換器ブロックの電力変換主回路８は、それぞれ接続する電源用変圧器２の位相差に合わせてスイッチング素子のオンオフを行うことで、並列するすべての電力変換主回路８のスイッチング素子のオンオフタイミングを合わせることができる。
【００２１】
本例では、複数の電力変換主回路８のオンオフタイミングを合わせるための位相基準を、交流電源系統１ではなく、低圧電源系統５から取得する。次に、電力変換主回路８に与えられるオンオフ指令を生成するための処理について説明する。
【００２２】
まず、出力指令演算手段６は、電力変換器負荷４に供給する直流電圧を一定とするために必要な出力電流を演算し、その指令値Ｉ＊をスイッチング素子オンオフ指令作成手段７に入力する。一方、位相検出手段１０は、低圧電源系統５の交流電圧を検出し、その電圧値からこの電源の位相を検出する。ここで、低圧電源系統５は交流電源系統１との位相差が既知であり、交流電源系統１の位相をθ０、位相差をθ１とすると、検出される低圧電源系統５の位相はθ０＋θ１となる。位相検出手段１０は、この検出値を電力変換器ブロック３ａ、３ｂの位相変換手段１１へ入力するために、変圧器などの降圧手段と、検出した交流電圧などのアナログ値を位相値などのデジタル値に変換する手段などを設け、検出値の変換処理を行い出力する。
【００２３】
一方、電力変換器ブロック３ａ、３ｂが接続する電源用変圧器２においても、接続する２次巻線毎に交流電源系統１との位相差が予め定められている。例えば、電力変換器ブロック３ａが接続する２次巻線の位相差をθ２とする。
【００２４】
位相変換手段１１には、位相検出手段１０で検出された低圧電源系統５の位相θ０＋θ１を入力する。そして、既知である低圧電源系統５の位相差θ１と電源用変圧器２の２次巻線側の位相差θ２との差を算出し、入力された位相に加算する。その結果、算出された位相値は、θ０＋θ２となり、これが電力変換主回路８のスイッチングタイミングを決めるための位相基準となる。位相変換手段１１は、算出した位相基準に必要な変換処理を行い、出力する。スイッチング素子オンオフ指令作成手段７は、位相変換手段１１から算出された位相基準と、出力指令演算手段６から算出された出力電流の指令値Ｉ＊を入力し、位相基準に同期させるようにスイッチング素子のオンオフ指令を作成し、電力変換主回路８へ出力する。電力変換主回路８のスイッチング素子は、入力されたオンオフ指令を基にオンオフ動作を行うことで、電源用変圧器２から入力された交流電力を直流電力へ変換する。
【００２５】
これにより、交流電源系統１から位相基準を検出することなく、低圧電源系統５の交流電圧を用いることで位相基準を算出することができる。そして、変圧器２の２次巻線にそれぞれ接続している電力変換器ブロック３ａ、３ｂのスイッチング素子のオンオフタイミングを、低圧電源系統５から算出された位相基準により、接続する２次巻線の位相に合わせて互いに同期させることが可能となる。その結果、電力変換器ブロック間相互に流れる電流を抑制することができる。また、位相基準を低圧電源系統５の交流電圧から検出するため、検出用の装置を小型化することができる。
【実施例２】
【００２６】
次に、本発明の第２の実施の形態について図３を参照して説明する。図３は、第２の実施の形態による構成例を示す構成図である。なお、第１の実施の形態で説明した図１と同一の構成については同一の符号で示し、詳細な説明を省略する。
【００２７】
図１では、電力変換器ブロック３ａ、３ｂに共通の位相検出手段１０を設けていたが、本例では、複数の電力変換器ブロック３ａ、３ｂのそれぞれに対応する位相検出手段１０ａ、１０ｂを設ける。なお、位相検出手段１０ａ、１０ｂが、低圧電源系統５から検出した交流電圧から位相を検出し、検出した位相を基に位相基準を算出して各電力変換器ブロックのスイッチング素子のオンオフタイミングを同期させる処理は、上記第１の実施の形態で説明した方法と同様である。
【００２８】
実際に電力変換装置を設置する場合には、電源用変圧器２に接続する複数の電力変換器ブロックを、それぞれ別の電力変換装置として設置することがある。本例では、それに対応するため、位相検出手段をそれぞれの電力変換装置に実装するように構成することができる。これにより、各電力変換装置の構成を共通にすることができる。
【実施例３】
【００２９】
次に、本発明の第３の実施の形態について図４を参照して説明する。図４は、第３の実施の形態による構成例を示す構成図である。なお、第１の実施の形態で説明した図１と同一の構成については同一の符号で示し、詳細な説明を省略する。
【００３０】
図１では、電力変換器ブロック３ａ、３ｂに共通の位相検出手段１０を設けていたが、本例では、位相検出手段１０ｃをそれぞれの電力変換器ブロックの制御基板上に回路として実装してあり、制御電源入力手段１２より入力された交流電源の位相を検出するよう構成する。位相検出手段１０ｃには、図４に示したような分圧回路などを設け、制御電源入力手段１２から入力した制御電源を分圧して電圧を落とした後、制御電源の位相を検出する。位相検出手段１０ｃにて検出した制御電源の位相は、同じ制御基板上に実装されている位相変換手段１１へ入力する。位相変換手段１１が入力された位相から位相基準を算出し、その位相基準を基にスイッチング素子のオンオフタイミングを制御することで、各電力変換器ブロックのスイッチング素子のオンオフタイミングを同期させる処理は、上記第１の実施の形態で説明した方法と同様である。
【００３１】
これにより、位相基準を算出するための電源位相検出用の信号を電力変換器ブロックの制御基板に別途入力することなく、制御電源のみの入力によって交流電源系統の位相を検出することができるため、位相検出用の配線や変圧器などの装置が不要となる。このように、複数の電力変換器間の位相基準を、既設として用意されている制御電源系統によって作成できるため、既存電源設備への配線追加が困難な場合にも適応できる。また、外付けの電圧変換部の代わりに、制御回路基板に変換部を組み込むことが可能となるため、装置を簡略化、小型化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１の実施の形態による構成例を示す構成図である。
【図２】本発明の一実施の形態による動作例を示す説明図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態による構成例を示す構成図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態による構成例を示す構成図である。
【符号の説明】
【００３３】
１…変換器主回路用交流電源系統（交流電源系統）、２…電源用変圧器、３ａ，３ｂ…電力変換器ブロック、４…電力変換器負荷、５…低圧電源系統、６…出力指令演算手段、７…スイッチング素子オンオフ指令作成手段、８…電力変換主回路、９…コンデンサ、１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…位相検出手段、１１…位相変換手段、１２…制御電源入力手段
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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