(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンオフ制御されるスイッチング素子を備え、その交流出力側が変圧器を介して交流系統に接続された電力変換装置であって、
上記交流系統の異常発生に基づく信号によりゲートブロックしてその交流電圧出力を停止し、その後上記交流系統が復電しその異常解消に基づく信号によりゲートデブロックして上記交流系統の電圧に同期した交流電圧出力を再開するものにおいて、
上記交流系統の電圧零の位相を検出する電圧位相検出手段を備え、上記ゲートデブロックは、上記交流系統の電圧零のタイミングで実行するようにし、
かつ、上記交流系統が複数相で電力変換装置がゲートデブロックを各相同時に行う多相構成の場合、
上記交流系統の各相電圧零の位相を検出する電圧位相検出手段、および変圧器の各相偏磁量を検出し偏磁量が最大の最悪相を判定する偏磁最悪相判定手段を備え、上記ゲートデブロックは、上記最悪相の電圧零のタイミングで実行するようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
変圧器の偏磁量を検出する偏磁量検出手段を備え、上記偏磁量が零となるよう電力変換装置の出力電圧指令を補正する電圧指令補正手段を備えたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
電力変換装置は、１周期正負各１パルスの矩形波電圧を出力することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、自己消弧型素子で構成され、変圧器を介して交流電力系統や負荷と接続される電力変換器を備えた電力変換装置に係り、特にその変圧器の直流偏磁を防止する技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図７は、例えば特開平１０−１７１５４３号公報に示された、変圧器を介して交流電力系統に接続される電力変換器を備えた従来の電力変換装置において、ゲートブロック時の残留磁束による偏磁を防止する構成を示す回路図である。
図７において、１は交流電力系統、２はゲート駆動信号に基づいて交流電圧を発生する自励式変換装置、３は交流電力系統１と自励式変換装置２とを接続する変圧器、４は自励式変換装置２に直流電圧を供給する直流電圧源、５Ａ、５Ｂは変圧器３の巻線に流れる電流を検出する電流検出器、６は電流検出器５Ａと５Ｂの出力の差分をとる減算器、７は減算器６の出力から直流成分を検出する直流成分検出器、８は交流電力系統１の電圧を検出する計器用変圧器、９は交流電力系統１の設定電圧を与える電圧基準、１０は電圧基準９と計器用変圧器８の出力信号に応じて自励式変換装置２の電圧指令を作成する電圧指令値作成回路、１１は直流成分検出器７の出力と電圧指令値作成回路１０の出力を加算する加算器、１２は加算器１１の出力に従って自励式変換装置２の自己消弧型素子の点弧タイミングを決めゲートパルス信号を作成するパルス幅変調制御回路、１３はパルス幅変調制御回路１２の出力を増幅して自励式変換装置２にゲート駆動信号を与えるゲートパルス増幅回路、１４はゲートブロック、ゲートデブロックの指令を出力するＧＢ・ＧＤＢ指令回路、１５は自励式変換装置２のＧＢ・ＧＤＢ状態信号（ゲートブロック・ゲートデブロック状態信号）、１６はＧＢ・ＧＤＢ指令回路１４の出力とＧＢ・ＧＤＢ状態信号１５と計器用変圧器８の出力よりゲートブロックおよびゲートデブロックタイミングを演算するゲートタイミング演算回路、１７はＧＢ・ＧＤＢ指令である。
【０００３】
次に動作について説明する。何らかの要因で交流電力系統１の電圧が完全に喪失し、ＧＢ・ＧＤＢ指令回路１４からＧＢ指令が出力されると自励式変換装置２はゲートブロックする。ゲートタイミング演算回路１６はＧＢ・ＧＤＢ状態信号１５により自励式変換装置２がゲートブロックした位置を認識する。次にＧＢ・ＧＤＢ指令回路１４からＧＤＢ指令が出力されるとゲートタイミング演算回路１６は最適な位置でＧＤＢ指令をゲートパルス増幅回路１３に出力し自励式変換装置２を再起動する。
【０００４】
ここで、ゲートデブロックする最適な位置について図８を参照して説明する。図８は変圧器３に印加される電圧と磁束（密度）との関係を示す図である。図において、１８は変圧器３に印加される電圧、ここで、点線部分は電圧が喪失している部分である。１９Ａはタイミング２２Ａでゲートデブロックした場合の変圧器３の磁束、１９Ｂはタイミング２２Ｂでゲートデブロックした場合の変圧器３の磁束、２０はタイミング２１でゲートブロックしたときの変圧器３の残留磁束である。
【０００５】
自励式変換装置２がタイミング２１でゲートブロックすると変圧器３に印加される電圧１８は喪失する。ここで、変圧器３の残留磁束は２０の位置で保持される。次にゲートデブロックがいま、タイミング２２Ａで行われた場合、変圧器３の磁束密度は１９Ａとなり最高で定格磁束の３倍まで上昇し、変圧器３の鉄心が偏磁し、励磁電流が増加し、過電流に至り自励式変換装置２は保護停止する。最悪の場合には、変換装置を構成する素子の破損に至ることもある。そこでゲートタイミング演算回路１６の出力からタイミング２２Ｂでゲートデブロックすることにより変圧器３の鉄心は偏磁することもなく安定に運転継続することが可能となる。つまり自励式変換装置２がゲートブロックしたときの電圧の位相と同じ電圧位相で自励式変換装置２をゲートデブロックすることが最適な位置でのゲートデブロックとなる。
以上述べたように図７に示した従来の電力変換装置はゲートタイミング演算回路１６を用いてゲートデブロックするタイミングを演算することにより、ゲートデブロックした際の変圧器３の鉄心の偏磁を防止するように動作する。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来の電力変換装置は以上のように構成されているので、自励式変換装置２がゲートデブロックした際の偏磁を防止するように動作する。
従来の電力変換装置では、交流電力系統１で電圧が完全に喪失するケースしか考えられていないが、実際の電力系統における事故では電圧が著しく低下するものの、数１０％の電圧が残るケースが多く、その場合自励式変換装置２がゲートブロックした間も、変圧器３は交流電力系統１により励磁される。
さらに自励式変換装置２がゲートデブロックするより先に交流電力系統１において事故点が遮断され電圧が回復するケースが多い。自励式変換装置２がゲートデブロックするより先に交流電力系統１の電圧が回復するケースの、変圧器３を励磁する電圧と磁束との関係を図９に示す。図９において、２４はゲートブロックタイミング、２５は事故除去タイミング、２６はゲートデブロックタイミングである。
【０００７】
変圧器３は系統事故等で自励式変換装置２がゲートブロックタイミング２４でゲートブロックされるまでは自励式変換装置２が発生する電圧パルスにより励磁されている。２４の時点で自励式変換装置２がゲートブロックすると、２４の時点以降の変圧器３の励磁は交流電力系統１からの励磁となる。このときの交流電力系統１の電圧は系統事故等により電圧の大きさが変化しているため、例えば図９のような通常より著しく小さな電圧により励磁されることになる。このとき変圧器３の磁束も振幅が小さくなり、ゲートブロックした時点２４の磁束に応じて直流分を含んだ波形となる。さらに図９に示すように、自励式変換装置２がゲートブロックしている間の２５の時点で交流電力系統１の電圧が回復すると、変圧器３は磁束に直流分を含んだまま、ほぼ定格まで回復した交流電力系統１の電圧で励磁されることになる。
そして、その後、ゲートブロックした電圧位相と同じ電圧位相となるタイミング２６でゲートデブロックする。従って、ゲートデブロックタイミング２６では、変圧器３にはかなりの偏磁量が存在し、その後、直流成分検出器７から求めた偏磁分で電圧指令を補正することにより、偏磁量低減の制御を行っていくことになる。
【０００８】
ところで、従来の自励式変換装置２では、ゲートデブロックは、ゲートブロックタイミング２４での電圧位相と同一の電圧位相となるタイミングで行われるので、ゲートブロックタイミング２４における力率（電圧と電流との位相関係）等によっては、このゲートデブロックタイミング２６は、必ず図８や図９に示したように、電圧零の位相になるとは限らない。
一方、自励式変換装置２の出力電圧波形は、図８、図９では、交流電力系統１の電圧と同じ正弦波で図示しているが、正確には、パルス状の電圧を合成した不連続なステップ状の波形（１パルス出力では、１周期正負各１パルスの矩形波となる）となり、この不連続性のため、ゲートデブロックタイミングによっては、この時点で変圧器３の偏磁量がさらに増大する。なお、この偏磁分が更に増大する現象の詳細については後述する。
【０００９】
以上のように、従来の自励式変換装置２においては、ゲートデブロックによって出力する電圧を交流電力系統１の電圧と同期したものとしても、その出力電圧波形の不連続性のため、ゲートデブロックの時点で変圧器３の偏磁量が更に増大し、結果として変圧器３の鉄心が大きく偏磁し、励磁電流が増加し、過電流に至り自励式変換装置２は保護停止する。最悪の場合には、変換装置を構成する素子の破損に至ることもある。
【００１０】
この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、ゲートデブロック時に変圧器の偏磁を増大させることのない電力変換装置を得ることを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明に係る電力変換装置は、オンオフ制御されるスイッチング素子を備え、その交流出力側が変圧器を介して交流系統に接続された電力変換装置であって、
上記交流系統の異常発生に基づく信号によりゲートブロックしてその交流電圧出力を停止し、その後上記交流系統が復電しその異常解消に基づく信号によりゲートデブロックして上記交流系統の電圧に同期した交流電圧出力を再開するものにおいて、
上記交流系統の電圧零の位相を検出する電圧位相検出手段を備え、上記ゲートデブロックは、上記交流系統の電圧零のタイミングで実行するようにしたものであり、
かつ、上記交流系統が複数相で電力変換装置がゲートデブロックを各相同時に行う多相構成の場合、
上記交流系統の各相電圧零の位相を検出する電圧位相検出手段、および変圧器の各相偏磁量を検出し偏磁量が最大の最悪相を判定する偏磁最悪相判定手段を備え、上記ゲートデブロックは、上記最悪相の電圧零のタイミングで実行するようにしたものである。
【００１２】
また、この発明に係る電力変換装置は、変圧器の偏磁量を検出する偏磁量検出手段を備え、上記偏磁量が零となるよう電力変換装置の出力電圧指令を補正する電圧指令補正手段を備えたものである。
【００１３】
また、この発明に係る電力変換装置は、１周期正負各１パルスの矩形波電圧を出力するものである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電力変換装置を示す回路図である。図において、１は交流電力系統、２はその交流出力側が変圧器３を介して交流電力系統１に接続された自励式変換装置、４は自励式変換装置２の直流入力側に接続された直流電圧源、８は交流電力系統１の電圧を検出する計器用変圧器、９は交流電力系統１の設定電圧を与える電圧基準、１０は電圧基準９と計器用変圧器８の出力信号に応じて自励式変換装置２の電圧指令を作成する電圧指令値作成回路、１２は電圧指令値作成回路１０の出力に従って自励式変換装置２の自己消弧型のスイッチング素子の点弧タイミングを決めゲートパルス信号を作成するパルス幅変調制御回路、１３はパルス幅変調制御回路１２の出力を増幅して自励式変換装置２にそのスイッチング素子をオフオフ制御するゲート駆動信号を与えるゲートパルス増幅回路、１４は交流電力系統１の異常発生に基づきゲートブロックの指令を出力し、その後交流電力系統１が復電しその異常解消に基づきゲートデブロックの指令を出力するＧＢ・ＧＤＢ指令回路、１５は自励式変換装置２のＧＢ・ＧＤＢ状態信号、２３は計器用変圧器８の出力から交流電力系統１の電圧零の位相を検出する電圧位相検出回路、１６はＧＢ・ＧＤＢ指令回路１４の出力とＧＢ・ＧＤＢ状態信号１５と計器用変圧器８の出力と電圧位相検出回路２３の出力よりゲートブロックおよびゲートデブロックタイミングを演算するゲートタイミング演算回路、１７はＧＢ・ＧＤＢ指令である。
【００１５】
次に動作、特にゲートデブロック時の動作を中心に図２を参照して説明する。図２は、ゲートデブロックのタイミングを電圧位相との関係で変化させた場合の変圧器３の磁束レベルの状態を説明するものである。なお、図２はいずれも先の図９で示した事故除去タイミング２５以降についてのみ図示している。即ち、交流電力系統１の異常発生に基づきＧＢ・ＧＤＢ指令回路１４から出力されたＧＢ指令により自励式変換装置２がゲートブロックした後、事故除去タイミング２５で交流電力系統１が復電し、変圧器３は交流電力系統１からの正弦波電圧で励磁され、その状態からタイミング２６でゲートデブロックすることになる。
また、図２では、自励式変換装置２は、その出力電圧波形の不連続性が最も顕著に現れる、１周期正負各１パルスの矩形波電圧を出力するものとしている。
【００１６】
先ず、同図（ａ１）（ｂ１）は、図１で説明した電圧位相検出回路２３の検出出力に基づき、ゲートデブロックを交流電力系統１の電圧零のタイミング２６Ａで実行するもので、図から明らかなように、ゲートデブロックにより、ゲートデブロック前の変圧器３の偏磁量は増大することなくそのまま維持されることになる。
これに対し、同図（ａ２）（ｂ２）は、電圧零点を過ぎたタイミング２６Ｂでゲートデブロックを実行するものである。ゲートデブロックタイミングの如何にかかわらず、自励式変換装置２の出力電圧は交流電力系統１の電圧と同期したものとする必要があるため、変圧器３に印加される電圧は同図（ａ２）に示すようになる。この場合、電圧零からタイミング２６Ｂまでの期間での交流電力系統１の電圧を積分した磁束が変圧器３に発生する一方、タイミング２６Ｂ以降の自励式変換装置２の電圧の積分は同図（ａ１）の場合と変わらないので、結果として、同図（ｂ２）に示すように、このゲートデブロックにより変圧器３の偏磁量が増大することになる。
【００１７】
これに対し、同図（ａ３）（ｂ３）は逆に、電圧零点の手前のタイミング２６Ｃでゲートデブロックを実行するものである。この場合、タイミング２６Ｃから電圧零のタイミングまでの期間では、自励式変換装置２の出力電圧波形は零となっているので、この期間では、変圧器３の磁束レベルは変化せず、電圧零のタイミング以降は同図（ａ１）と同一の電圧が変圧器３に印加されるので結果として、同図（ｂ３）に示すように、このゲートデブロック動作により変圧器３の偏磁量が増大する。
【００１８】
即ち、図２の各波形図から判るように、ゲートデブロック後の自励式変換装置２の出力電圧は、各ケースいずれも、交流電力系統１の電圧と同期したものとなっているが、前述した、自励式変換装置２の出力電圧波形の不連続性のためゲートデブロックのタイミングによっては変圧器３に新たな偏磁量を発生させる。この発明は、このゲートデブロックのタイミングを交流電力系統１の電圧零のタイミングに一致させることにより、このゲートデブロックによる新たな偏磁量の増大を未然に防止するものである。
【００１９】
実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における電力変換装置を示す回路図である。この形態２は、交流電力系統１の復電時に発生した変圧器３の偏磁分をゲートデブロック後、自励式変換装置２の出力電圧指令を補正することにより、当該偏磁分を速やかに低減せしめるようにしたものである。
【００２０】
このため、図１の回路に以下の構成を加えている。即ち、変圧器３の両巻線に流れる電流を検出する電流検出器５Ａ、５Ｂ、この電流検出器５Ａ、５Ｂの出力差分を演算する減算器６、この減算器６の出力から直流成分を検出する直流成分検出器７、および電圧指令値作成回路１０からの出力電圧指令に直流成分検出器７の直流成分出力を加算して出力電圧指令を補正する加算器１１を付加している。
【００２１】
次に動作を図４を参照して説明する。タイミング２４までは、正常に自励式変換装置２から変圧器３を経て交流電力系統１に電力が供給されている。異常発生でＧＢ指令が出力され、タイミング２４で自励式変換装置２がゲートブロックする。この後、変圧器３は交流電力系統１の大幅に低減した電圧により励磁され、タイミング２４で発生した偏磁分を残留させたまま、系統の異常が解消してタイミング２５で復電し、ＧＤＢ指令が出力され電圧零のタイミング２６でゲートデブロックする。実施の形態１で説明した通り、このゲートデブロックの動作で変圧器３の偏磁量が増大することはない。
ゲートデブロック後、変圧器３は自励式変換装置２の出力電圧で励磁され、その偏磁量が直流成分検出器７で検出され、加算器１１で出力電圧指令を補正することで、図４に示す通り、変圧器３の偏磁量は急速に低減する。
【００２２】
なお、変圧器３の偏磁量の検出は、図３で示す電流差から求める方式に限られるものではなく、例えば変圧器３の磁束をホール素子等で直接検出する方式等を採用してもよい。
【００２３】
実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３における電力変換装置を示す回路図である。図１の回路と異なるのは、交流電力系統１が例えば３相等の複数相からなり、これに対応して自励式変換装置２は単相器を複数相分備えた構成としている点である。そして、電圧位相検出回路２３も各相毎に電圧零の位相を検出するものとしている。
【００２４】
従って、ゲートデブロック動作は、各相毎に電圧零のタイミングを検出して当該タイミングで実行できるので、複数相の系であっても、各相共、ゲートデブロック動作に伴う変圧器３の偏磁量の増大は防止され、自励式変換装置２の円滑な動作が達成される。
更に、図３で説明した出力電圧指令の補正手段を備えると、交流電力系統１の復電時に変圧器３に偏磁量が存在しても、ゲートデブロック後、急速に低減せしめることができる。
【００２５】
実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４における電力変換装置を示す回路図である。ここでは、複数相の交流電力系統１に対し、自励式変換装置２は複数相一体の構成で、少なくともゲートデブロック動作は各相同時に実行される方式のものである。構成が簡単になる分、実施の形態３における単相各構成の自励式変換装置２に比較してコスト面で有利となるが、本願発明に関して言えば、各相毎に電圧零のタイミングでゲートデブロックを実行することが実現できない点不利となる。
【００２６】
そこで、この不利をカバーするため、この実施の形態４では、図６に示す偏磁最悪相判定回路２７を設け、直流成分検出器７により検出する各相の偏磁量の内、その偏磁量が最大となる最悪相を判定する。そして、自励式変換装置２のゲートデブロック動作は、電圧位相検出回路２３で検出する各相の電圧零の位相の内、偏磁最悪相判定回路２７で判定した最悪相の電圧零のタイミングで実行するものである。
従って、ゲートデブロック直前における変圧器３の最大偏磁量がゲートデブロックの実行によって更に増大することが確実に防止される。但し、最悪相以外の相においては、電圧零でないタイミングでゲートデブロックが実行されることになり、当該相の偏磁量は増加し得ることになるが、元々偏磁量のレベルが低いため問題にならない。
図６の回路では、既述した偏磁量に応じて動作する出力電圧指令補正手段を各相毎に備えているので、ゲートデブロック後は、変圧器３の偏磁量は各相共速やかに低減する。
【００２７】
なお、偏磁最悪相の判定方式は、図６に示したものに限られるものではなく、偏磁量の検出方式の種別に応じて種々の方式を採用し得ることは勿論である。
また、上記各実施の形態では、自励式変換装置２は直流を交流に変換して出力する型式のものとしたが、交流／交流変換装置等、少なくともその交流電圧出力を変圧器を介して交流系統へ供給する型式のものであれば、この発明は同様に適用でき同等の効果を奏する。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように、この発明に係る電力変換装置は、オンオフ制御されるスイッチング素子を備え、その交流出力側が変圧器を介して交流系統に接続された電力変換装置であって、
上記交流系統の異常発生に基づく信号によりゲートブロックしてその交流電圧出力を停止し、その後上記交流系統が復電しその異常解消に基づく信号によりゲートデブロックして上記交流系統の電圧に同期した交流電圧出力を再開するものにおいて、
上記交流系統の電圧零の位相を検出する電圧位相検出手段を備え、上記ゲートデブロックは、上記交流系統の電圧零のタイミングで実行するようにしたので、ゲートデブロック動作に伴い、変圧器の偏磁量が増大するという弊害を確実に防止することが可能となる。
かつ、上記交流系統が複数相で電力変換装置がゲートデブロックを各相同時に行う多相構成の場合、
上記交流系統の各相電圧零の位相を検出する電圧位相検出手段、および変圧器の各相偏磁量を検出し偏磁量が最大の最悪相を判定する偏磁最悪相判定手段を備え、上記ゲートデブロックは、上記最悪相の電圧零のタイミングで実行するようにしたので、ゲートデブロック動作に伴う変圧器の最大偏磁量の増大が確実に防止される。
【００２９】
また、この発明に係る電力変換装置は、変圧器の偏磁量を検出する偏磁量検出手段を備え、上記偏磁量が零となるよう電力変換装置の出力電圧指令を補正する電圧指令補正手段を備えたので、ゲートデブロック動作直前に変圧器に偏磁が存在しても、ゲートデブロック動作後、速やかに低減させることが可能となる。
【００３０】
また、この発明に係る電力変換装置は、１周期正負各１パルスの矩形波電圧を出力するので、電力変換装置の出力電圧波形の不連続性が顕著に現れるが、その不連続性に原因する偏磁量の増大は確実に防止される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１における電力変換装置を示す回路図である。
【図２】  ゲートデブロックタイミングを変化させたときの変圧器磁束の変化を示す図である。
【図３】  この発明の実施の形態２における電力変換装置を示す回路図である。
【図４】  変圧器に印加される電圧と変圧器の磁束の関係を示す図である。
【図５】  この発明の実施の形態３における電力変換装置を示す回路図である。
【図６】  この発明の実施の形態４における電力変換装置を示す回路図である。
【図７】  従来の電力変換装置を示す回路図である。
【図８】  変圧器に印加される電圧と変圧器の磁束の関係を示す図である。
【図９】  図８とは異なる条件における電圧と変圧器の磁束の関係を示す図である。
【符号の説明】
１  交流電力系統、２  自励式変換装置、３  変圧器、４  直流電圧源、
５Ａ，５Ｂ  電流検出器、６  減算器、７  直流成分検出器、８  計器用変圧器、
９  電圧基準、１０  電圧指令値作成回路、１１  加算器、
１２  パルス幅変調制御回路、１３  ゲートパルス増幅回路、
１４  ＧＢ・ＧＤＢ指令回路、１５  ＧＢ・ＧＤＢ状態信号、
１６  ゲートタイミング演算回路、１７  ＧＢ・ＧＤＢ指令、２３  電圧位相検出回路、２７  偏磁最悪相判定回路。
【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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【図８】
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【図９】
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