(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を直流、及び直流を交流に変換する二つの自励式変換器が直流回路を介して互いに接続される直流送電用自励式変換器の制御装置において、
前記自励式変換器の制御装置は、三相交流を有効成分と無効成分の二相直流成分に変換するベクトル制御系で構成すると共に、前記自励式変換器の交流側各相より検出した電流から、減らしたい高調波成分を各相毎に検出して、該高調波成分を基に生成された低次高調波の発生を抑制する高調波抑制信号を、加算手段により前記制御装置の出力電圧指令値に加算して、この加算された出力電圧指令を基に前記自励式変換器を制御することを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【請求項２】
交流を直流、及び直流を交流に変換する二つの自励式変換器が直流回路を介して互いに接続される直流送電用自励式変換器の制御装置において、
前記自励式変換器の制御装置は、三相交流を有効成分と無効成分の二相直流成分に変換するベクトル制御系で構成すると共に、前記自励式変換器の交流側電流を各相毎に検出する交流電流検出器、その各相より検出した電流から減らしたい高調波成分を各相毎に検出し、その検出信号を各相毎にゲイン倍する高調波抑制信号作成回路、前記自励式変換器の交流出力電圧波形の原型となる各相毎の出力電圧指令値に前記高調波抑制信号作成回路の出力信号を各相毎に加算する加算手段、この加算された信号を基にパルスを作成し前記自励式変換器を制御するパルス発生回路を設けたことを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【請求項３】
交流を直流、及び直流を交流に変換する二つの自励式変換器が直流回路を介して互いに接続される直流送電用自励式変換器の制御装置において、
前記自励式変換器の制御装置は、三相交流を有効成分と無効成分の二相直流成分に変換するベクトル制御系で構成すると共に、前記自励式変換器の交流側電流を各相毎に検出する第一の交流電流検出器および／または自励式変換器の交流側電流と負荷電流を含む交流系統側の電流を各相毎に検出する第二の交流電流検出器、各相より検出した電流から減らしたい高調波成分を各相毎に検出し、その検出信号を各相毎にゲイン倍する高調波抑制信号作成回路、前記自励式変換器の交流出力電圧波形の原型となる各相毎の出力電圧指令値に前記高調波抑制信号作成回路の出力信号を各相毎に加算する加算手段、及びこの加算された信号を基にパルスを作成し前記自励式変換器を制御するパルス発生回路を設けたことを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【請求項４】
請求項３において、
一方の自励式変換器の側に前記第一の交流電流検出器、他方の自励式変換器の側に前記第二の交流電流検出器を設けることを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【請求項５】
請求項２、３または４において、
前記高調波抑制信号作成回路の高調波検出は、交流電流に含まれる一つの高調波次数をバンドパスフィルタにより検出することを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【請求項６】
請求項２、３または４において、
前記高調波抑制信号作成回路の高調波検出は、交流電流に含まれる幾つかの高調波次数を幾つかのバンドパスフィルタにより検出して検出された信号を加算することを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【請求項７】
請求項２、３または４において、
前記高調波抑制信号作成回路の高調波検出は、交流電流に含まれる基本波を除くすべての高調波成分を検出することを特徴とする直流送電用自励式変換器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は自励式変換器で構成される直流送電システムの制御装置に係り、特に自励式変換器から交流系統に流出する高調波、または交流系統にもともと残存する高調波を低減するための高調波抑制機能を備えた制御装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
変換器を構成するスイッチング素子がＩＧＢＴ（Insulated Gate Turn−off  Bipolar Transistor）等の自己消弧素子で構成される自励式変換器は、それ自身で流れる電流を遮断する能力を持っているので、交流系統の影響を余り受けることなく有効電力と無効電力が独立、かつ高速に制御できる。このため直流送電システムへの適用が検討されている。
【０００３】
自励式変換器は自己消弧素子を用いた三相ブリッジで構成され、一般に変換器の低次の発生高調波を小さくするためにパルス数を多くして使用している。しかし、パルス数を多くすると変換器のスイッチング損失が増加して変換効率が悪くなる問題がある。一方、パルス数を少なくすると低次の発生高調波が大きくなり、交流フィルタ容量が大きくなるのでシステムコストが高くなる問題がある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
変換器の損失を少なくするために、一台当たりの自励式変換器のパルス数を少なくし、自励式変換器を多重接続して等価なパルス数を大きくする方法が考えられている。これは出力電圧位相の異なった自励式変換器を多重接続することにより、各自励式変換器間で発生高調波を打ち消し、変換所全体としての高調波を低減する方法である。しかし、多重接続するために変換用変圧器の移相をずらす必要があるため、変圧器の構造が複雑となり、自励式変換器のユニット数の増加に伴うコストアップや、制御・保護が複雑となりシステムの信頼性が低下すると言った問題がある。
【０００５】
一方、交流電動機制御などに用いられる自励式変換器では、負荷電流から検出された高調波成分に基づいて自励式変換器の制御信号を補正するものが知られている（たとえば、特開平１１−２２５４７７号）。しかし、直流送電用の自励式変換器の場合、このような１軸制御では高速の制御ができないので、適用が困難である。
【０００６】
本発明の目的は、従来技術の問題点に鑑み、自励式変換器における低次高調波を抑制することによって、変換所の交流フィルタ容量を小さくできるようにした直流連系システムの自励式変換器の制御装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、２軸制御の自励式変換器にアクティブフィルタ機能を持たせ、同じ自励式変換器パルス数でも低次高調波の発生を抑制することによって、上記目的を達成するものである。
【０００８】
すなわち、前記自励式変換器の制御装置は三相交流を有効成分と無効成分の二相直流成分に変換するベクトル制御系で構成すると共に、前記自励式変換器の交流側各相より検出した電流から、減らしたい高調波成分を各相毎に検出して低次高調波の発生を抑制するアクティブフィルタ機能を、前記制御装置の出力電圧指令値を補正するように設けたことを特徴とする。
【０００９】
より具体的には、交流を直流、及び直流を交流に変換する二つの自励式変換器が直流回路を介して互いに接続される直流送電用自励式変換器の制御装置において、前記自励式変換器の制御装置は三相交流を有効成分と無効成分の二相直流成分に変換するベクトル制御系で構成すると共に、前記自励式変換器の交流側電流を各相毎に検出する交流電流検出器、その各相より検出した電流から減らしたい高調波成分を各相毎に検出し、その検出信号を各相毎にゲイン倍する高調波抑制信号作成回路、前記自励式変換器の交流出力電圧波形の原型となる各相毎の出力電圧指令値に前記高調波抑制信号作成回路の出力信号を各相毎に加算する加算手段、及びこの加算された信号を基にパルスを作成し前記自励式変換器を制御するパルス発生回路を設けたことを特徴とする。
【００１０】
また、少なくとも前記自励式変換器の一方側には上記の交流電流検出器に代えて、自励式変換器の交流電流と負荷電流を含む交流系統側の電流を各相毎に検出する第二の交流電流検出器を設け、これにより検出された電流を各相毎に前記高調波抑制信号作成回路の高調波検出手段に入力する構成としたことを特徴とする。
【００１１】
ここで、減らしたい高調波成分の前記高調波検出手段は、交流電流に含まれる１つの次数の高調波をバンドパスフィルタにより検出する方法、いくつかの次数の高調波をバンドパスフィルタで検出する方法、基本波を除くすべての高調波成分を検出する方法を含む。
【００１２】
本発明によれば、直流送電用の自励式変換器から発生する高調波、さらには負荷を含む交流系統に残存する高調波を抑制することができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１に、本発明の対象とする自励式直流連系システムの構成例を示す。図の符号に従って説明すると、１，２は交流系統、２１，２２は交流系統の背後のインピーダンスを表すインピーダンス、３１，３２は系統連系用の変換用変圧器、４１，４２は直流を交流、または交流を直流に変換する自己消弧機能を持ったスイッチング素子を三相ブリッジ結線して構成される電圧形の自励式変換器、５１，５２は直流電圧を平滑するための直流コンデンサ、６０は直流送電線のインピーダンスを示す。この直流送電線は異周波連系システムや非同期連系システムのＢＴＢ（Back−Ｔｏ−Back）システムにはない。
【００１４】
７１，７２は自励式変換器から発生する高次高調波を吸収させる交流フィルタ、１００は直流連系システムの運転を指令する運転指令回路、１１０は自励式変換器４１の制御回路、１１１は交流系統から自励式変換器４１に流れる電流を検出する交流電流検出器、１１２は自励式変換器４１にかかる電圧を検出する交流電圧検出器、１１３は検出された交流電流と交流電圧から自励式変換器４１に流れる有効電力と無効電力を計算し、出力する有効・無効電力検出器、１１４は自励式変換器の直流出力側の直流コンデンサで平滑された直流電圧を検出する直流電圧検出器、１２０は自励式変換器４２の制御回路、１２１は交流系統から自励式変換器４２に流れる電流を検出する交流電流検出器、１２２は自励式変換器４２にかかる電圧を検出する交流電圧検出器、１２３は検出された交流電流と交流電圧から自励式変換器４２に流れる有効電力を無効電力を計算し出力する有効・無効電力検出器、１２４は自励式変換器の直流出力側の直流コンデンサで平滑された直流電圧を検出する直流電圧検出器を示す。
【００１５】
図２に、アクティブフィルタ機能を持つ自励式変換器の制御装置の詳細回路を示す。一般に制御回路は潮流反転を行うため、交流を直流に変換する順変換器も、直流を交流に変換する逆変換器も同じ回路で構成され、順変換器運転か、逆変換器運転かの運転状態に応じて運転指令値を切り替えることによって、順変換器運転と逆変換器運転の運転モードの切り替えを行う。このため、図１の自励式変換器４１と４２の制御回路１１０及び１２０には、同一の制御回路が設けられている。
【００１６】
図２の符号に従って説明すると、１１５は自励式変換器の出力電圧指令値（変調波）Ｖａ，Ｖｂ，Ｖｃを作成する出力電圧指令値作成回路、１１６は加算回路、１１７は自励式変換器に流れる交流電流を検出する交流電流検出器１１１（１２１）を入力とし、各相毎に交流電流に含まれる低減させたい高調波成分を検出するバンドパスフィルタを含む高調波抑制信号作成回路で、この出力は加算回路１１６で自励式変換器の出力電圧指令値に加算される。正確には出力電圧指令値に検出された高調波成分を逆位相で加える、即ち引き算する。
【００１７】
１１９は加算回路の出力信号（自励式変換器の新しい電圧指令値、すなわち新しい変調波）からＰＷＭパルスを作成するＰＷＭパルス発生回路である。ＰＷＭパルス発生回路のＣＡＲＲは、新しい変調波と比較することによってパルスを作ることになるキャリア周波数、例えば三角波信号である。
【００１８】
このように、本実施例では高調波成分を低減するアクティブフィルタを、出力電圧指令値作成回路１１５の出力側、つまり制御回路１１０（１２０）の主ループに設けているので、自励式変換器の発生する高調波を確実に抑制することができる。
【００１９】
図３に出力電圧指令値作成回路の詳細を示す。自励式変換器の制御装置は高速制御が要求されるので、一般にｄｑ変換により三相交流を有効成分と無効成分の二相直流分に変換し、非干渉ベクトル制御系で構成される。
【００２０】
図３を符号に従って説明すると、出力電圧指令値作成回路１１５は、有効成分制御回路と無効成分制御回路から自励式変換器の三相出力電圧指令値（変調波信号）Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃを作成する。１１５０ａは有効電力指令値Ｐｐと有効・無効電力検出回路の出力の一つである有効電力検出値Ｐｆとの偏差を求める第一の加算回路、１１５０ｂはこの偏差を演算増幅する第一の演算増幅回路で、１１５０ａと１１５０ｂとで自励式変換器の有効電力を指令値に制御する有効電力制御回路を構成する。
【００２１】
１１５１ａは直流送電システムの直流電圧指令値Ｖdpと前記直流電圧検出器からの検出値Ｖdfとの偏差を求める第二の加算回路、１１５１ｂはこの偏差を演算増幅する第二の演算増幅回路で、１１５１ａと１１５１ｂとで自励式変換器の直流出力電圧を指令値の一定値に制御する直流電圧制御回路を構成する。
【００２２】
１１５２は自励式変換器の有効電力制御を行うか、直流電圧制御を行うかを選択する信号選択回路で、一般に交流を直流に変換する順変換器側では直流送電システムの直流電圧を指令値に制御する直流電圧制御が選択され、直流を交流に変換する逆変換器側では負荷に供給する電力を指令値に制御する有効電力制御回路が選択される。従って、順変換器側では直流電圧制御回路が信号選択回路１１５２で選択されるように直流電圧指令値と有効電力指令値を与え、逆変換器側では有効電力制御回路が選択されるように各々の指令値を与える。
【００２３】
なお、説明は省略するが、順変換器側で有効電力制御を行わせ、逆変換器側で直流電圧制御を行わせて潮流送電システムを運転こともできる。また制御系の構成として、直流電圧制御回路のリミッタとして有効電力制御回路を構成することもでき、動作は変わらない。
【００２４】
１１５３ａは信号選択回路の選択された制御回路の出力信号を有効電流指令値Ｉdpとして、Ｉdpと交流電流検出器によって検出された三相交流電流検出値を二相変換して得られた有効電流検出値Ｉdfとの偏差を求める第三の加算回路、１１５３ｂはこの偏差を演算増幅する第三の演算増幅回路で、１１５３ａと１１５３ｂとで有効電流制御回路を構成する。
【００２５】
１１５４は有効電流制御回路の出力と交流電圧検出器によって検出された三相交流電圧検出値を二相変換して得られた有効電圧検出値Ｅdfと無効電流検出値Ｉqf、または無効電流指令値に変換用変圧器のインピーダンスＸｔを掛けた信号を加算する第４の加算回路で、１１５０ａから１１５４の回路で有効分制御回路が構成され、この加算回路の出力が有効分電圧指令値となる。無効電流検出値Ｉqfまたは無効電流指令値に変換用変圧器のインピーダンスＸｔを掛けた信号を加算することによって、無効成分制御回路との非干渉制御を行っている。
【００２６】
次に無効分制御回路を説明する。１１５５ａは無効電力指令値Ｑｐと有効・無効電力検出回路の出力の一つである無効電力検出値Ｑｆとの偏差を求める第五の加算回路、１１５５ｂはこの偏差を演算増幅する第五の演算増幅回路で、１１５５ａと１１５５ｂとで自励式変換器の無効電力を指令値に制御する無効電力制御回路を構成する。
【００２７】
１１５６ａは無効電力制御回路の出力信号を無効電流指令値Ｉqpとして、Ｉqpと前記交流電流検出器によって検出された三相交流電流検出値を二相変換して得られた無効電流検出値Ｉqfとの偏差を求める第六の加算回路、１１５６ｂはこの偏差を演算増幅する第六の演算増幅回路で、１１５６ａと１１５６ｂとで無効電流制御回路を構成する。
【００２８】
１１５７は無効電流制御回路の出力と交流電圧検出器によって検出された三相交流電圧検出値を二相変換して得られた無効電圧検出値Ｅqfと有効電流検出値Ｉdf、または有効電流指令値に変換用変圧器のインピーダンスＸｔを掛けた信号を加算する第七の加算回路で、１１５５ａから１１５７の回路で無効分制御回路が構成され、この加算回路の出力が無効分電圧指令値となる。
【００２９】
有効電流検出値Ｉdfまたは有効電流指令値に変換用変圧器のインピーダンスＸｔを掛けた信号を加算することによって、有効成分制御回路との非干渉制御を行っている。１１５８は有効分電圧指令値と無効分電圧指令値を逆ｄｑ変換し、更に二相／三相変換することによって自励式変換器の三相出力電圧指令値（変調波信号）Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃが作られる。この信号に高調波抑制信号作成回路１１７で作られた各相毎の高調波抑制信号が加算されて新たな変調波が作られ、ＰＷＭパルス発生回路１１９で自励式変換器の制御パルスＰａｐ，Ｐａｎ，…Ｐｃｎが作られる。これらのパルスは自励式変換器４１、または４２に導かれる。
【００３０】
図４に、高調波抑制信号作成回路１１７の具体的な例を示す。図４の回路は一相分を示し、同じ回路が各相毎に備わっている。１１７０は交流電流検出器の各相毎の交流電流検出値を入力とし、交流電流検出値に含まれる高調波のうちで減らしたい次数の高調波を検出するバンドパスフィルタである。検出された交流電流に含まれる高調波成分はバンドパスフィルタに備わった増幅器によって定数倍され、加算回路１１６に導かれて変調波に逆位相で加算され、新しい変調波が作られる。
【００３１】
この新しい変調波とキャリア信号(三角波)とが比較されてＰＷＭパルスが作られる。自励式変換器ではこのＰＷＭパルスにより、新しい変調波に基づいた交流出力電圧波形が作られるので、出力電圧波形にはバンドパスフィルタで検出された高調波が抑制された出力電圧波形を得ることができる。当然のことであるが、減らしたい交流電流の高調波次数はキャリア信号の周波数の次数よりも低いことが必要である。
【００３２】
本発明により直流送電システムの自励式変換器にアクティブフィルタ機能を持たせることによって、同じ自励式変換器パルス数でも低次高調波の発生を少なくすることができるので、変換所の交流フィルタ容量を小さくでき、変換所のコスト低減を図ることができる。
【００３３】
図５に、高調波抑制信号作成回路の他の例を示す。この高調波抑制信号作成回路は、減らしたい高調波が幾つか有る場合の一相分を示し、同じ回路が各相毎に備わっている。１１７４は減らしたい高調波の一つの高調波成分を交流電流から検出する第一のバンドパスフィルタ、１１７５は第二のバンドパスフィルタ、１１７ｎは第ｎ番目のバンドパスフィルタ、１１７６は検出された高調波成分を加算する加算回路で、この出力が図２の加算回路１１６に導かれて変調波に逆位相で加算され、新しい変調波が作られる。
【００３４】
この新しい変調波とキャリア信号(三角波)とが比較されてＰＷＭパルスが作られる。自励式変換器ではこのＰＷＭパルスにより、新しい変調波に基づいた交流出力電圧波形が作られるので、出力電圧波形にはバンドパスフィルタで検出された高調波が抑制された出力電圧波形を得ることができる。
【００３５】
図６に、高調波抑制信号作成回路のさらに他の例を示す。この高調波抑制信号作成回路は、基本波を除くすべての高調波を抑制するための一相分を示し、同じ回路が各相毎に備わっている。１１７１は基本波を中心周波数とするバンドパスフィルタ、１１７２は交流電流湯検出値から基本波のバンドパスフィルタの検出信号を差し引く加算回路で、加算回路の出力信号には基本波を除く交流電流に含まれる高調波成分が検出される。この信号は定数掛け算回路１１７３でゲイン倍され、図２の加算回路１１６に導かれる。
【００３６】
この高調波抑制信号作成回路１１７で作られた高調波抑制信号は、変調波に逆位相で加算されて新しい変調波となり、これとキャリア信号(三角波)とが比較されてＰＷＭパルスが作られる。自励式変換器ではこのＰＷＭパルスにより、新しい変調波に基づいた交流出力電圧波形が作られるので、出力電圧波形には検出された高調波が抑制された出力電圧波形を得ることができる。この場合、抑制できる交流電流の高調波次数はキャリア信号の周波数よりも低い高調波となる。
【００３７】
本発明の他の実施例を図７に示す。この実施例では自励式直流送電システムの自励式変換器から発生する高調波を減らすのみでなく、交流系統に残存する、及び近傍の負荷から発生する高調波をも自励式変換器で抑制することができる。ここでは、負荷から発生する高調波を含めて抑制することを説明するために、自励式変換器４２の側に本発明を適用した例を示している。もちろん相手端も同じ構成を取ることによって、交流系統に残存する高調波を抑制できる。
【００３８】
図７において、これまでと同じ符号のものは同じ機能を表しているので、異なった新しいものについて説明する。８２は高調波の発生がある負荷、１２５は負荷８２や自励式変換器の接続された交流母線の系統側の交流電流を検出する第二の交流電流検出器を示す。
【００３９】
図８に制御回路を示す。１１８は高調波抑制信号作成回路１１７と同様に構成され、第二の流電流検出器の出力Ｉacを入力とする。高調波抑制信号作成回路１１８の具体的な回路は図４から図６に示したものと同様で良い。高調波抑制信号作成回路１１８で作られた高調波抑制信号は、図２の制御回路出力１１５で作られた変調波に加算回路１１６を介して逆位相で加算されて新しい変調波となり、PWMパルス発生回路１１９においてキャリア信号（三角波）と比較され、ＰＷＭパルスが作られる。自励式変換器４２ではこのＰＷＭパルスにより、交流出力電圧波形が作られるので、検出された高調波が抑制された出力電圧波形が出力される。
【００４０】
これにより、自励式変換器から発生する高調波、及び負荷を含む交流系統に残存する高調波を抑制することができる。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、直流送電用自励式変換器の制御装置にアクティブフィルタ機能を持たせることによって、同じ自励式変換器パルス数でも低次高調波の発生を抑制するので、変換所の交流フィルタ容量を小さくでき、変換所のコスト低減を図ることができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例による自励式変換器を備えた自励式直流連系システムの構成図。
【図２】本発明の一実施例によるアクティブフィルタ機能を持った自励式変換器の制御回路の構成図。
【図３】自励式変換器の制御回路の詳細を示す構成図。
【図４】高調波抑制信号作成回路の一実施例を示す構成図。
【図５】高調波抑制信号作成回路の他の実施例を示す構成図。
【図６】高調波抑制信号作成回路の更に他の実施例を示す構成図。
【図７】本発明の他の実施例による自励式変換器を備えた自励式直流連系システムの構成図。
【図８】本発明の他の実施例によるアクティブフィルタ機能を持った自励式変換器の制御回路の構成図。
【符号の説明】
１，２…交流系統、２１，２２…交流系統の背後のインピーダンス、３１，３２…連系用(変換用)変圧器、４１，４２…電圧形自励式変換器、５１，５２…直流コンデンサ、６０…直流送電線インピーダンス、７１，７２…交流フィルタ、８１…負荷、１００…運転指令回路、１１０…変換器４１の制御回路、１１１…交流電流検出器、１１２…交流電圧検出器、１１３…有効・無効電力検出器、１１４…直流電圧検出器、１２０…変換器４２の制御回路、１２１…交流電流検出器、１２２…交流電圧検出器、１２３…有効・無効電力検出器、１２４…直流電圧検出器、１２５…交流電流検出器、１１５…出力電圧指令値作成回路、１１６…加算回路、１１７，１１８…高調波抑制信号作成回路、１１９…ＰＷＭパルス発生回路、１１５０ａ…第一の加算回路、１１５０ｂ…第一の演算増幅回路、１１５１ａ…第２の加算回路、１１５１ｂ…第二の演算増幅回路、１１５２…信号選択回路、１１５３ａ…第三の加算回路、１１５３ｂ…第三の演算増幅回路、１１５４…第４の加算回路、１１５５ａ…第五の加算回路、１１５５ｂ…第五の演算回路、１１５６ａ…第六の加算回路、１１５６ｂ…第六の演算増幅回路、１１５７…第七の加算回路、１１５８…二相／三相変換回路、１１７０…バンドパスフィルタ、１１７１…基本波のバンドパスフィルタ、１１７３…定数掛け算回路、１１７４…第一のバンドパスフィルタ、１１７５…第二のバンドパスフィルタ、１１７ｎ…第ｎ番目のバンドパスフィルタ、１１７６…加算回路。
【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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