(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源にリアクトル要素を介して接続されたコンバータを有する電力変換装置において、前記コンバータの入力電流指令信号の位相を、前記コンバータから見た電源側の電圧位相よりも進める力率調整手段を設け、前記力率調整手段は、前記入力電流指令信号の位相を前記リアクトル要素の一次側の電圧位相よりも進めることを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に係り、特に、交流を直流に変換するコンバータを備えてなる電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流を直流に変換するコンバータを備えてなる電力変換装置は、一般に、コンバータにより変換された直流を平滑する平滑コンデンサと、平滑コンデンサの直流電圧を所望周波数の交流に変換するインバータを備えて構成される。このように構成される電力変換装置により、誘導電動機で駆動される負荷の回転数を可変制御して、省エネルギーを図ることが行われている。また、入力電源の効率を高めるために、コンバータにおいて電流位相を制御して力率を１に制御することが行われている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
一方、発電所設備あるいは受電設備等の電力設備には、誘導電動機等の誘導性負荷が多数接続されているが、このような電力設備では、進相コンデンサなどの無効電力補償装置を設けて力率を改善することが行われている（例えば、特許文献２）。
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３１５３４３号公報
【特許文献２】特開２００３−７９０５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来は、発電所設備あるいは受電設備等の電力設備に接続された誘導電動機を駆動する電力変換装置により、電源側の無効電力を補償することについて配慮されていない。
【０００６】
本発明は、電力変換装置が接続された電力設備の無効電力補償を行うことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明は、電源にリアクトル要素を介して接続されたコンバータを有する電力変換装置において、前記コンバータの入力電流指令信号の位相を、前記コンバータから見た電源側の電圧位相よりも進める力率調整手段を設けたことを特徴とする。
【０００８】
すなわち、コンバータの入力電流指令信号の位相を、コンバータから見た電源側の電圧位相よりも進めることにより、コンバータの入力電流が電源側の電圧よりも位相が進むから、電源側の無効電力を補償することができる。
【００１０】
また、力率調整手段は、入力電流指令信号の位相をリアクトル要素の一次側の電圧位相と同一位相とすれば、リアクトル要素に係る無効電力を補償することができ、さらに進めれば、リアクトル要素よりも電源側の無効電力を補償することができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、電力変換装置が接続された電力設備の無効電力補償を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態１）
本発明の一実施の形態の電力変換装置について図を用いて説明する。図１は、本発明の一実施の形態の電力変換装置を発電所の電力設備に適用した全体構成図を示す。図１に示すように、発電所の電力設備は、所内変圧器１と、所内変圧器１の二次側に接続された電源系統２と、電源系統２に入力変圧器３を介して接続されたＰＷＭコンバータ４と平滑コンデンサ５とＰＷＭインバータ６とから構成される電力変換装置と、ＰＷＭインバータ６の出力端子に接続された出力変圧器７と、出力変圧器７の二次側に接続された誘導電動機８と、誘導電動機８によって駆動される負荷９とを有して構成されている。
【００１３】
ＰＷＭコンバータ４は、コンバータ制御回路４０により制御され、入力変圧器３から供給される交流電力を直流電力に変換し、平滑コンデンサ５を介してＰＷＭインバータ６に直流電力を供給するようになっている。すなわち、コンバータ制御回路４０は、電圧調整器（ＡＶＲ）４１と、力率調整部４２と、電流調整器（ＡＣＲ）４３と、ＰＷＭ制御部４４とを備えて構成されている。ＡＶＲ４１は、平滑コンデンサ５の直流電圧Ｖｄｃを目標電圧Ｖｄｃ＊に制御するために、減算器４７により求めた偏差ΔＶｄｃを入力し、偏差ΔＶｄｃを低減する入力電流指令信号Ｉ＊を生成するようになっている。このとき、入力電流指令信号Ｉ＊は、交流電圧変換器（ＰＴ）４５により検出された所内変圧器１の二次側の電圧波形によって変調されるようになっている。力率調整部４２は、入力電流指令信号Ｉ＊の位相を進めた入力電流指令信号Ｉ＊(θ)を出力するようになっている。ＡＣＲ４３は、ＰＷＭコンバータ４の入力電流Ｉｄを入力電流指令信号Ｉ＊(θ)に合わせるため、減算器４８により求めた偏差ΔＩ＝Ｉ＊(θ)−Ｉｄを入力し、偏差ΔＩを低減する入力電流指令信号Ｉｓを生成して、ＰＷＭ制御部４４に出力するようになっている。ＰＷＭ制御部４４は、入力される入力電流指令信号Ｉｓに基づいて、ＰＷＭコンバータ４のスイッチング素子を制御するＰＷＭゲートパルスを生成して、各スイッチング素子を制御するようになっている。なお、入力電流Ｉｄは、電流変換器（ＣＴ）４６により検出されるようになっている。
【００１４】
一方、ＰＷＭインバータ６は、インバータ制御回路６０により制御され、平滑コンデンサ５を介してＰＷＭコンバータ４から供給される直流電力を、速度制御装置６２から与えられる誘導電動機８の速度指令に応じた周波数の交流に変換して、誘導電動機８を駆動するようになっている。すなわち、インバータ制御回路６０は、ベクトル制御部６１と、励磁電流指令部６３と、周波数指令部６４と、ＰＷＭ制御部６５とを備えて構成されている。周波数指令部６４は速度制御装置６２から与えられる速度指令に基づいて周波数指令を生成して、ベクトル制御部６１に入力するようになっている。ベクトル制御部６１は、励磁電流指令部６３から出力される励磁電流指令と周波数指令部６４から出力される周波数指令とを取り込み、さらに電流変換器（ＣＴ）６６により検出された電動機電流を取り込んで、誘導電動機８をベクトル制御する交流電圧指令値を生成するようになっている。ＰＷＭ制御部６５は、ベクトル制御部６１から出力される交流電圧指令値に基づいて、ＰＷＭインバータ６のスイッチング素子を制御するＰＷＭゲートパルスを生成して、各スイッチング素子を制御するようになっている。
【００１５】
このように構成される本実施形態の電力変換装置の特徴構成について、動作とともに説明する。まず、図２、図３を用いて、無効電力の補償制御の基本事項について説明する。図２（ａ）は、電源系統２と入力変圧器３とＰＷＭコンバータ４から構成される電気回路の等価回路であり、図２（ｂ）は、同図（ａ）の等価回路の電圧ベクトル図を示す。なお、図２において、入力変圧器３は、交流リアクトルとして表されている。図３はＰＷＭ制御信号波形を示す。
【００１６】
図２（ｂ）の電圧ベクトル図の関係から、ＰＷＭコンバータ電圧は、数１式になる。
【００１７】
【数１】
0004658707.tif 000002
【００１８】
また、電源系統からＰＷＭコンバータに流れ込む電流は、数２式になる。
【００１９】
【数２】
0004658707.tif 000003
【００２０】
また、電源電圧とＰＷＭコンバータ電圧の位相差が小さいとすると、数２式は数３式になる。
【００２１】
【数３】
0004658707.tif 000004
【００２２】
したがって、電源系統よりＰＷＭコンバータに供給される有効電力は数４式、無効電力は数５式になる。
【００２３】
【数４】
0004658707.tif 000005
【００２４】
【数５】
0004658707.tif 000006
【００２５】
ＰＷＭコンバータにおける従来の力率制御では入力電流の基本波力率を１、つまり総合力率を１とするよう制御されている。これはコンバータでの電力利用の高効率化を実現する目的で実施されており、上記式における制御率と位相差により無効電力を０とするように制御される。このときの制御率と位相差の関係式は、数６式である。
【００２６】
【数６】
0004658707.tif 000007
【００２７】
本実施形態において特徴とするＰＷＭコンバータの力率制御による入力電流位相制御によれば、電源系統へ帰還させる無効電力は、数７式となる。
【００２８】
【数７】
0004658707.tif 000008
【００２９】
次に、本発明の特徴部に係る力率調整部４２の詳細構成及び動作について説明する。力率調整部４２に入力されるＡＶＲ４１の出力は、所内変圧器１の二次側の電圧の位相情報を有する入力電流指令Ｉ＊である。力率調整部４２は、入力電流指令Ｉ＊の位相を進めることにより、ＰＷＭコンバータ４の入力電流Ｉｄの位相を所内変圧器１の二次側の電圧位相と同等、あるいはその電圧位相よりも進めて、電源系統２の無効電力を低減する。つまり、力率調整部４２は、所内変圧器１の二次側の電圧とＰＷＭコンバータ４の入力電流Ｉｄとの位相差θを調整して、入力電流指令信号Ｉ＊の位相を進めた入力電流指令信号Ｉ＊(θ)を出力することにより、電源系統２の無効電力を補償する。この位相差θを図３の位相差φにすると、電源系統２の力率を１にすることができる。
【００３０】
このように、本実施形態によれば、ＰＷＭコンバータ４を進み力率にて動作させ、無効電力を電源側へ供給することで、電力変換装置を小型な進相装置として利用することが可能となり、電源系統の力率改善を行なうことができる。
【００３１】
ところで、ＰＷＭコンバータ４により無効電力を補償できる限界は、ＰＷＭコンバータの変調率が１００％以内である。したがって、ＰＷＭコンバータ４の変調率を検知して入力電流指令信号I*（θ）の位相θの進み量を制限することが好ましい。ここで、変調率は、入力電流指令信号I*（θ）の波高値を搬送波の波高値で除して検出される。
【００３２】
また、ＰＷＭコンバータ４が電源系統２に接続されるためには交流リアクトルが必要であるが、入力変圧器３のインダクタンスを用いることによって代用可能であり、既存のシステムを変更することなく本発明を実現することができる。その結果、電源系統２に接続されている無効電力補償装置の小型低容量化が図れるとともに、電源系統２におけるケーブルの細径化、所内変圧器１等の低容量化を行なうことができ、小規模な電源系統２でも設備容量の低減を実現することができるようになる。
（実施の形態２）
図４に、本発明の電力変換装置を適用した他の実施形態の発電所の電力設備の全体構成図を示す。本実施形態が、図１の実施形態と異なる点は、ＰＴ４５を入力変圧器３の二次側に設置したことにある。
【００３３】
本実施形態によれば、入力変圧器３の二次側に接続される電力系統の無効電力を補償することができる。
【００３４】
また、工場等の受電設備等に本発明を適用することにより、設備容量の低減を図ることが可能であるとともに、電力料金の削減にも効果がある。
（実施の形態３）
図５及び図６に、本発明の他の実施形態の電力変換装置を適用した発電所の電力設備の全体構成図を示す。本実施形態が、図１の実施形態と異なる点は、上位制御装置から与えられる電源無効電力補償要求に合わせて、力率調整部４２により入力電流指令信号Ｉ＊(θ)の位相θの進み量を調整するようにしたことにある。すなわち、図５に示すように、力率調整部４２には、電源無効電力補償要求と、ＰＷＭコンバータ４が補償している無効電力の検出値が入力されている。
【００３５】
力率調整部４２は、図６に示すフローチャートのように、電源無効電力補償要求とＰＷＭコンバータ４が補償しているフィードバック無効電力の検出値との偏差を求め（Ｓ１）、その偏差がなくなるまで、ＰＷＭコンバータ４の入力電流指令信号Ｉ＊(θ)の位相θを進める力率の調整を行うようにしている（Ｓ２）。ここで、入力電流指令信号Ｉ＊(θ)の位相θを進めるにつれて、ＰＷＭコンバータ４の変調率を上げていく必要があるが、ＰＷＭコンバータ４により所内変圧器１の二次側の無効電力を補償できる限界は、ＰＷＭコンバータ４の変調率が１００％以内である。そこで、ＰＷＭコンバータ４の変調率を検知し（Ｓ３）、そのＰＷＭコンバータ４の変調率が１００％になった場合、入力電流指令信号Ｉ＊(θ)の位相を進める力率調整を停止する（Ｓ４）。
【００３６】
以上説明したように、本実施形態によれば、ＰＷＭコンバータ４により、電源無効電力補償要求に応じた無効電力を補償することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の一実施形態の電力変換装置を適用してなる発電所の電力系統の全体構成図である。
【図２】電源系統と入力変圧器とＰＷＭコンバータから構成される電気回路の等価回路、及びその等価回路の電圧ベクトル図を示す。
【図３】ＰＷＭ制御信号波形である。
【図４】本発明の一実施形態の電力変換装置を適用してなる発電所の電力系統の他の全体構成図である。
【図５】本発明の他の実施形態の電力変換装置を適用してなる発電所の電力系統の全体構成図である。
【図６】図５の実施形態の力率調整部の処理手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００３８】
１  所内変圧器
２  電源系統
３  入力変圧器
４  ＰＷＭコンバータ
４０  コンバータ制御回路
４１  電圧調整器
４２  力率調整部
４３  電流調整器
４４  ＰＷＭ制御部
４５  電圧変換器
４６  電流変換器
５  平滑コンデンサ
６  ＰＷＭインバータ
【図１】
0004658707.tif 000009
【図２】
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【図３】
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【図４】
0004658707.tif 000012
【図５】
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【図６】
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