(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１台の他励式変換器と、少なくとも１台の自励式変換器の双方からなり、電力系統からの交流を直流に変換する複数台の変換器と、上記自励式変換器と上記他励式変換器とに接続され、変換された直流を通流させるエネルギー貯蔵用のインダクタンス要素とを備えた電力変換装置であって、自励式変換器の発生する無効電力により、他励式変換器の発生する無効電力の変化をキャンセルして、上記複数台の変換器の発生する無効電力が直流電流および直流電圧に関わらず一定になるように上記自励式変換器を制御したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換装置において、他励式変換器における制御角αと直流電流Ｉd とから、次式
【数１】
0003794092.tif 000014
で演算した遅れ無効分電流ＩQ を各他励式変換器毎に求め、これら遅れ無効分電流の和と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流の制御指令値とし、有効分電流指令値と共に上記自励式変換器を制御したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１記載の電力変換装置において、他励式変換器群は同じ交流母線に接続され、交流母線の他励式変換器群の接続点よりも電力系統側、かつ自励式変換器よりも他励式変換器群側の交流母線の電圧、電流から他励式変換器群の遅れ無効分電流を計測し、上記遅れ無効分電流と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流の制御指令値とし、有効分電流指令値と共に上記自励式変換器を制御したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１記載の電力変換装置において、他励式変換器群は同じ交流母線に接続され、交流母線の他励式変換器群の接続点よりも電力系統側、かつ自励式変換器よりも他励式変換器群側の交流母線の電圧、電流から他励式変換器群の遅れ無効電力を計測し、上記遅れ無効電力と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効電力に相当する値との差を求め、これを自励式変換器の無効電力の制御指令値とし、上記制御指令値を系統電圧で除した無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１記載の電力変換装置において、交流母線の全ての変換器群の接続点よりも電力系統側、かつ電力系統に接続された進相コンデンサよりも変換器群側の交流母線の電圧、電流から全ての変換器群の無効分電流または無効電力を計測し、上記無効分電流または無効電力と、上記進相コンデンサの進み無効分電流または進み無効電力に相当する値との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流または無効電力の制御指令値とし、上記制御指令値が０またはそれに近い値となるように上記自励式変換器の無効分電流指令値を作成する制御器を備え、上記無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１に記載の電力変換装置において、交流母線の全ての変換器群および進相コンデンサの接続点よりも電力系統側の交流母線の電圧、電流から無効分電流または無効電力を計測し、上記無効分電流または無効電力が、０またはそれに近い値となるように上記自励式変換器の無効分電流指令値を作成する制御器を備え、上記無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電力変換装置において、自励式変換器は、電流形コンバータで構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１ないし６のいずれかに記載の電力変換装置において、自励式変換器は、直流側にコンデンサを接続した、交流直流変換のための電圧形コンバータと、上記電圧形コンバータのコンデンサとインダクタンス要素との間に接続され、直流電圧を可変に制御して上記インダクタンス要素に流れる電流を制御するチョッパとで構成したことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置において、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効電力を、システムの運転状態において他励式変換器が発生する最大遅れ無効電力と最小遅れ無効電力の和の１／２としたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のいずれかに記載の電力変換装置において、他励式変換器の高調波電流を計測し、自励式変換器の無効分電流指令値及び有効分電流指令値より、上記他励式変換器の高調波電流を減算して他励式変換器の高調波電流をキャンセルするようにしたことを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は電力変換装置、特に電力系統に接続される超電導エネルギー貯蔵設備における交流直流変換装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
超電導エネルギー貯蔵設備は、電力系統から超電導コイルに直流電流を流してエネルギーをコイルの磁気エネルギーとして貯蔵しておき、電力需要家の消費電力が増大し、系統の電力が不足する場合にコイルエネルギーを交流電力に戻して電力需要家に供給し電力不足を補おうとするものである。このような用途には、交流を直流に、また直流を交流に変換する電力変換器が用いられる。また、これら設備は容量が数十、数百ＭＷに達する非常に大きいものがあり、変換器はコイルに流す電圧、電流に応じて、直列または並列に複数台接続される。
【０００３】
図１８は典型的なこのような従来の電力変換装置の構成例を示した構成図である。図１８において、１０１はコイル、１はコイル１０１を含む直流回路、２０１、２０２、２０３は他励式変換器、２は交流を直流に変換する電力変換器群、３は電力系統、４は進相コンデンサ、５は進み無効電力を可変制御できるＳＶＣ（Static Var Compensator）、６は電力変換器群から発生する高調波を抑制する高調波フィルタである。
【０００４】
次に動作について説明する。電力変換器群２のそれぞれの他励式変換器２０１、２０２、２０３は、電力系統３からの交流電力を直流に変換し、コイル１０１に直流電流を流す。電力変換器群２はサイリスタを用いた他励式変換器で構成され、位相制御される。進相コンデンサ４は電力変換器群２の交流側に接続され、その進み無効電力で他励式変換器で構成される電力変換器群２の発生する遅れ無効電力をキャンセルする。進相コンデンサ４は数バンクに分けて構成され、他励式変換器の無効電力量に応じて、適当な量だけ切り換えて選択し、交流側に接続できるようになっている。
【０００５】
しかし、進相コンデンサのバンク数をむやみに多くすることは、スイッチの数も増え、経済的にも不利であり、装置も大きくなるため好ましくない。このため、進相コンデンサのバンク数には限度があり、通常は他励式変換器の無効電力と一致した進相コンデンサ量を選ぶことができず、無効電力に多少のアンバランスが生じる。そこで、電力系統によっては、更にきめ細かく無効電力を調整できるよう、無効電力を無段階調節できるＳＶＣ５を設置し、進相コンデンサ４の進み無効電力と他励式変換器の遅れ無効電力とのアンバランス分を補償する。この時、進相コンデンサ４とＳＶＣ５を合わせた最大の進み無効電力が、電力変換器群２の発生する最大無効電力量に見合うように進相コンデンサ４とＳＶＣ５の容量を設定しなければならない。
【０００６】
電力変換器群２を構成する他励式変換器の代表例であるサイリスタ変換器を備えた従来の電力変換装置の動作を図１９を用いて説明する。図において、直流側に接続されたコイル１００の直流電流Ｉd を計測装置で測定し、コイル電流指令との差を０に近くするように制御器２５１がコイル電圧指令ＶdREFを出力する。直流電圧Ｖd と制御角αの関係は、交流相電圧の振幅をＶとすると、
【０００７】
【数２】
0003794092.tif 000002
【０００８】
であり、これを制御パルス位相計算回路２５１で計算して、制御角αとし、他励式変換器を構成するそれぞれの素子のＯＮ、ＯＦＦ指令を作成する。サイリスタ変換器の動作を簡単に説明するため、図２０に単相サイリスタ変換器を、図２１にその電圧電流波形例を示す。図２１に示すように、単相交流電圧の０点から位相αだけ遅れた角度で電流Ｉadが流れる。次のサイリスタがスイッチングするのは、電圧が同じ位相関係となる１８０度後になるので、電流は１８０度の方形波となる。この電流が流れる期間は交流電圧で決まり、単相では１８０度、３相では１２０度で固定されてしまう。そのため、有効電力を変更しようとして制御角を変えると、電圧と同相の電流成分は勿論変化するが、それと同時に電圧と９０度位相のずれた無効分電流も変化してしまう。これを式で説明すると次のようになる。
【０００９】
まず、交流相電圧ｖ=Ｖsinθに対して交流電流の基本波は、
【００１０】
【数３】
0003794092.tif 000003
【００１１】
となる。ここでは問題に関係の小さい、転流時の電流変化時間を無視し、変換器に付属する変圧器の巻き数比は１と仮定して考える。
さて、式（２）は、
【００１２】
【数４】
0003794092.tif 000004
【００１３】
と変形できるから、交流電圧に対して９０度位相のずれた成分、即ち無効分電流ＩQ は、
【００１４】
【数５】
0003794092.tif 000005
【００１５】
となる。
従って、無効電力Ｑは回路を３相回路として、
【００１６】
【数６】
0003794092.tif 000006
【００１７】
となる。また、他励式変換器の直流電圧Ｖd は、
【００１８】
【数７】
0003794092.tif 000007
【００１９】
であるから、式（６）のαをＶd で置き換えると、
【００２０】
【数８】
0003794092.tif 000008
【００２１】
となる。
【００２２】
無効電力は、式（５）または式（７）で表されるため、他励式変換器の制御角αと直流電圧Ｖd 、または直流電圧Ｖd と直流電流Ｉd に依存して変化する量となる。従って、コイル電流を変化させようとすると、直流電圧Ｖd を変化させてコイルに電圧をかけて制御するため、本構成の電力変換装置は運転状態によって必ず無効電力が変化する。このような無効電力の変化は、進相コンデンサの切り換え、あるいはＳＶＣによる調節により補償する。従って、他励式変換器群の発生する無効電力の最大値に合わせた進相コンデンサ、ＳＶＣが必要となる。
【００２３】
さらに、他励式変換器は電流をオン、オフするため、高調波を発生する。その高調波は、基本波交流に対して、１１次、１３次などの低次の高調波が多く、その抑制のために高調波フィルタ６を設置しなければならない。
【００２４】
また、図２２は典型的な従来の電力変換装置の他の構成例を示した構成図である。図１８と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
図２２において、１０２、１０３、１０４、１０５はコイル、２０４、２０５は他励式変換器である。
【００２５】
次に動作について説明する。この構成例は、図１８の構成例に対して、コイルが複数あった場合であり、電力変換器群２の中で、電力変換器２０１、２０２はコイル１０１の電流を制御し、電力変換器２０３はコイル１０２の電流を制御する。電力変換器２０４、２０５はコイル１０３の電流を電流バランス用コイル１０４、１０５を通じて制御する。
このようにコイルが１台だけでなく、複数あった場合には、それぞれのコイルに流す電流、電圧によって変換器を直列構成にしたり、並列構成にしたり、単体で用いたりする。
【００２６】
この場合も図１８の構成例と同様に、コイル電流、電圧の制御動作によって、交流側の無効電力が変化することは言うまでもない。従って、これら他励式変換器群の無効電力を補償するために、図１８と同様に、他励式変換器群の発生無効電力の最大値に合わせて進相コンデンサ４、ＳＶＣ５が必要となる。
さらに、この場合も他励式変換器の低次の高調波が多く、その抑制のために高調波フィルタ６を設置しなければならない。
【００２７】
また、図２３は典型的な従来の電力変換装置の他の構成例を示した構成図である。図１８、図２２と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
【００２８】
次に動作について説明する。この構成例は、図１８の実施例に対して、コイルに流す電流を増やすために電力変換器２０１、２０２、２０３の直流側を並列に接続した場合である。それぞれの電力変換器の直流電流をバランスさせるために電流バランス用コイル１０４、１０５、１０６を通じて並列接続している。電力変換器群２の中で、それぞれの電力変換器２０１、２０２、２０３は、それぞれコイル１０４、１０５、１０６の電流を制御し、その合計としてコイル１０１の電流を制御する。
【００２９】
この場合も図１８、図２２の構成例と同様に、コイル電流、電圧の制御動作によって、交流側の無効電力が変化することは言うまでもない。従って、これら他励式変換器群の無効電力を補償するために、図１８、図２２と同様に、他励式変換器群が発生する無効電力の最大値に合わせて進相コンデンサ４、ＳＶＣ５が必要となる。
さらに、この場合も他励式変換器の低次の高調波が多く、その抑制のために高調波フィルタ６を設置しなければならない。
【００３０】
【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、電力変換器群の発生する遅れ無効電力が一定ではなく、変換器の直流電流および直流電圧により変化するため、無効電力補償のための進相コンデンサ４、ＳＶＣ５を他励式変換器の動作範囲における最大無効電力に従って容量を決め、設置しなければならなかった。また、他励式変換器の無効電力の変化に合わせてＳＶＣ５を制御したり、進相コンデンサ４のいくつかをオンオフしなければならず、進相コンデンサの切り換えスイッチが必要となり、装置の構成が複雑となった。さらに、他励式変換器の高調波を抑制するための高調波フィルタが必要であった。これら交流側の付加設備は広い面積をとるため、設備全体の敷地面積が大きくなるという問題点があった。
【００３１】
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、ＳＶＣを設置する必要がなく、また、進相コンデンサもいくつかに分けてオンオフすることがなく、一定の状態でよく、かつ容量も少なく、または無くしてしまうことのできる電力変換装置を得ることを目的とする。
また、高調波フィルタの容量も低減、または無くしてしまうことのできる電力変換装置を得ることを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
この発明の電力変換装置は、少なくとも１台の他励式変換器と、少なくとも１台の自励式変換器の双方からなり、電力系統からの交流を直流に変換する複数台の変換器と、上記自励式変換器と上記他励式変換器とに接続され、変換された直流を通流させるエネルギー貯蔵用のインダクタンス要素とを備えた電力変換装置であって、自励式変換器の発生する無効電力により、他励式変換器の発生する無効電力の変化をキャンセルして、上記複数台の変換器の発生する無効電力が直流電流および直流電圧に関わらず一定になるように上記自励式変換器を制御したものである。
【００３３】
この発明の電力変換装置は、上記他励式変換器における制御角αと直流電流Ｉd とから、次式
【００３４】
【数９】
0003794092.tif 000009
【００３５】
で演算した遅れ無効分電流ＩQ を各他励式変換器毎に求め、これら遅れ無効分電流の和と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流の制御指令値とし、有効分電流指令値と共に上記自励式変換器を制御したものである。
【００３６】
この発明の電力変換装置は、上記他励式変換器群が同じ交流母線に接続され、交流母線の他励式変換器群の接続点よりも電力系統側、かつ自励式変換器よりも他励式変換器群側の交流母線の電圧、電流から他励式変換器群の遅れ無効分電流を計測し、上記遅れ無効分電流と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流の制御指令値とし、有効分電流指令値と共に上記自励式変換器を制御したものである。
【００３７】
この発明の電力変換装置は、他励式変換器群が同じ交流母線に接続され、交流母線の他励式変換器群の接続点よりも電力系統側、かつ自励式変換器よりも他励式変換器群側の交流母線の電圧、電流から他励式変換器群の遅れ無効電力を計測し、上記遅れ無効電力と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効電力に相当する値との差を求め、これを自励式変換器の無効電力の制御指令値とし、上記制御指令値を系統電圧で除した無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したものである。
【００３８】
この発明の電力変換装置は、交流母線の全ての変換器群の接続点よりも電力系統側、かつ電力系統に接続された進相コンデンサよりも変換器群側の交流母線の電圧、電流から全ての変換器群の無効分電流または無効電力を計測し、上記無効分電流または無効電力と、上記進相コンデンサの進み無効分電流または進み無効電力に相当する値との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流または無効電力の制御指令値とし、上記制御指令値が０またはそれに近い値となるように上記自励式変換器の無効分電流指令値を作成する制御器を備え、上記無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したものである。
【００４０】
この発明の電力変換装置は、交流母線の全ての変換器群および進相コンデンサの接続点よりも電力系統側の交流母線の電圧、電流から無効分電流または無効電力を計測し、上記無効分電流または無効電力が、０またはそれに近い値となるように上記自励式変換器の無効分電流指令値を作成する制御器を備え、上記無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したものである。
【００４１】
この発明の電力変換装置は、上記各電力変換装置において、自励式変換器を電流形コンバータで構成したものである。
【００４２】
この発明の電力変換装置は、上記各電力変換装置において、自励式変換器を、直流側にコンデンサを接続した、交流直流変換のための電圧形コンバータと、上記電圧形コンバータのコンデンサとインダクタンス要素との間に接続され、直流電圧を可変に制御して上記インダクタンス要素に流れる電流を制御するチョッパとで構成したものである。
【００４３】
この発明の電力変換装置は、上記電力変換装置において、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効電力を、システムの運転状態において他励式変換器が発生する最大遅れ無効電力と最小遅れ無効電力の和の１／２としたものである。
【００４４】
この発明の電力変換装置は、上記各電力変換装置において、他励式変換器の高調波電流を計測し、自励式変換器の無効分電流指令値及び有効分電流指令値より、上記他励式変換器の高調波電流を減算して他励式変換器の高調波電流をキャンセルするようにしたものである。
【００４５】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態を図について説明する。図１はこの発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。図において、従来のものと同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。図において、２１０は交流を直流に変換する自励式変換器、２２１、２２２は他励式変換器２０１、２０２の直流電流、制御角から無効分電流を演算する演算回路、２２３は演算された各無効分電流の総和をとる総和演算器、２２４は加減算器、２２５は進相コンデンサ４の無効分電流値を設定する設定回路、２２６は自励式変換器２１０の有効分電流指令を設定する設定回路、２２７は自励式変換器２１０の交流電流制御器である。
【００４６】
次に動作について説明する。まず、従来のものと同様に、変換器２０１、２０２は直流電流を制御するために制御角αを調整する。演算回路２２１、２２２は、他励式変換器２０１、２０２の直流電流Ｉd 、制御角αから、各他励式変換器の無効分電流ＩQ を
【００４７】
【数１０】
0003794092.tif 000010
【００４８】
で演算する。それらの総和を総和演算器２２３でとると、全ての他励式変換器が発生する遅れ無効分電流が計算できる。
【００４９】
そこで、交流系統に接続されている進相コンデンサ容量とほぼ同じ無効分電流設定値ＩCQを設定回路２２５で設定し、この設定値から上記遅れ無効分電流の値を加減算器２２４で減算すると、他励式変換器の遅れ無効分電流と進相コンデンサの進み無効分電流の差の無効分電流（ＩCQ −ＩQ）が演算できる。それを自励式変換器２１０の無効分電流指令として交流電流制御器２２７に出力する。
一方、変換器２１０は直流電流を制御するために設定回路２２６で必要とする自励式変換器２１０の有効分電流の値を設定し、この設定値を自励式変換器２１０の有効分電流指令として交流電流制御器２２７に出力する。
交流電流制御器２２７は上記無効分電流指令と上記有効分電流指令を用いて自励式変換器２１０の交流電流を制御する。
【００５０】
なお、設定回路２２６および交流電流制御器２２７は、自励式変換器２１０の構成によって異なる。図２は電流型変換器を自励式変換器として用いた例である。コイル電流指令と測定コイル電流の差を０に近くなるように制御器が有効分電流指令を制御する。有効分電流指令と無効分電流指令は、互いに９０度位相がずれているので図３に示すように、ベクトル的に合成して和を取り、交流電流指令を作る。その交流電流指令を三角波発生器と比較してパルス幅変調をかけ、制御パルス発生回路を通してスイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦする。図４、図５は単相自励式変換器の場合の動作説明図である。交流電圧に対して、任意の位相で電流を交流側へ流すようＳＷ１、ＳＷ４をＯＮしたり、ＳＷ２、ＳＷ３をＯＮしたりできる。電流０の期間は、直列に接続されたスイッチをＯＮして直流側を短絡し、交流には電流を流さない。
【００５１】
このようにして自励式変換器２１０において交流電流を制御することにより、他励式変換器２０１、２０２、自励式変換器２１０、進相コンデンサ４の全体で流れる無効分電流の和は、
ＩQ＋（ＩCQ −ＩQ）−ＩCQ＝０          ・・・（９）
となり、キャンセルされて０になる。
【００５２】
図６は本実施の形態による電力変換装置の無効分電流の大きさの変化を示すものであり、図に示すように、他励式変換器の無効分電流ＩQ が時間とともに変化しても、それに応じて自励式変換器の無効分電流が制御される、例えば、他励式変換器の遅れ無効分電流の大きさが進相コンデンサの無効分電流の大きさよりも大きかった場合、自励式変換器は進みの無効分電流を流して、遅れの無効分電流を補償する。また、他励式変換器の遅れ無効分電流の大きさが進相コンデンサの無効分電流の大きさよりも小さかった場合、自励式変換器は遅れの無効分電流を流す。このようにして、全体として無効分電流を一定に制御するため、交流側の進相コンデンサをオンオフする必要はなく、一定のままでよい。また、別にＳＶＣを置いて無効電力補償量を変化させなくとも、電力変換器群２を構成する自励式変換器自体が無効電力の変化分を吸収し、常に無効電力を一定にするように制御されているため、ＳＶＣも必要ない。
【００５３】
また、進相コンデンサの容量は、全ての変換器が他励式の従来例の場合、他励式変換器の最大無効電力に合わせて進相コンデンサの容量を決めなければならなかったが、本実施の形態においては、他励式変換器の遅れ無効電力の最大値から、自励式変換器が発生する進み無効電力分だけ差し引いた小さな容量で良く、進相コンデンサの容量も大幅に少なくできる。
【００５４】
なお、上記他励式変換器は電流形の変換器が通常用いられており、超電導エネルギー貯蔵においては直流コイルの電源であるので電流形変換器が都合がよい。本実施の形態１においては自励式変換器２１０も電流形変換器を用いたので、コイル電源としてそのまま利用でき、構成が簡単になる。
【００５５】
実施の形態２．
上記実施の形態１では、他励式変換器の直流電流Ｉd 、制御角αから、他励式変換器の無効分電流ＩQ を演算で求めたが、図７に示すように、他励式変換器群と自励式変換器の間の交流母線の電圧、電流から交流母線電圧より９０度位相の遅れた無効分電流を無効分電流測定回路２２８で測定して、他励式変換器群の遅れ無効分電流ＩQ を求め、以下同様に、設定回路２２５で設定された設定値から上記遅れ無効分電流の値を加減算器２２４で減算して自励式変換器２１０を制御してもよく、上記実施の形態１と同様の効果が得られる。
【００５６】
実施の形態３．
上記実施の形態１では、他励式変換器の直流電流Ｉd 、制御角αから、他励式変換器の無効分電流ＩQ を演算で求め、自励式変換器２１０を制御したが、図８に示すように、他励式変換器群と自励式変換器の間の交流母線の電圧、電流から遅れ無効電力Ｑを無効電力測定回路２３０で測定し、測定された遅れ無効電力Ｑを用いて自励式変換器２１０を制御してもよい。この場合は、交流系統に接続されている進相コンデンサ容量とほぼ同じ無効電力設定値ＱC を設定回路２３２で設定し、この設定値ＱC から他励式変換器群の上記遅れ無効電力Ｑを加減算器２３１で減算し、この値を自励式変換器２１０の無効電力の制御指令値として割算器２２９に出力する。割算器２２９では上記制御指令値を系統電圧で除した値を無効分電流指令値とし、交流電流制御器２２７に出力する。以下、実施の形態１と同様、設定回路２２６で必要とする自励式変換器２１０の有効分電流の値を設定し、この設定値を自励式変換器２１０の有効分電流指令として交流電流制御器２２７に出力する。交流電流制御器２２７は上記無効分電流指令と上記有効分電流指令を用いて自励式変換器２１０の交流電流を制御する。
【００５７】
実施の形態４．
上記実施の形態１では、他励式変換器の直流電流Ｉd 、制御角αから、他励式変換器の無効分電流ＩQ を演算で求め、自励式変換器２１０を制御したが、図９に示すように、全ての他励式、自励式変換器群の合流する交流母線の電圧、電流から無効電力Ｑを無効電力測定回路２３０で測定し、測定された全変換器の遅れ無効電力Ｑを用いて自励式変換器２１０を制御してもよい。この場合は、交流系統に接続されている進相コンデンサ容量とほぼ同じ無効電力設定値ＱC を設定回路２３２で設定し、この設定値から全変換器の上記遅れ無効電力を加減算器２３１で減算すると、全変換器の遅れ無効電力と進相コンデンサの進み無効電力の差の無効電力（ＱC −Ｑ）が演算できる。それが０または０に近くなるように、制御器２３３において自励式変換器の無効分電流指令を制御し、この指令値を交流電流制御器２２７に出力する。以下、実施の形態１と同様、設定回路２２６で必要とする自励式変換器２１０の有効分電流の値を設定し、この設定値を自励式変換器２１０の有効分電流指令として交流電流制御器２２７に出力する。交流電流制御器２２７は上記無効分電流指令と上記有効分電流指令を用いて自励式変換器２１０の交流電流を制御する。
【００５８】
なお、本実施の形態では全ての他励式、自励式変換器群の合流する交流母線の電圧、電流から無効電力を測定して自励式変換器２１０を制御したが、実施の形態２と同様、無効分電流を測定して制御してもよい。
【００５９】
実施の形態５．
上記実施の形態１では、他励式変換器の直流電流Ｉd 、制御角αから、無効分電流ＩQ を演算で求め、自励式変換器２１０を制御したが、図１０に示すように、全ての他励式、自励式変換器群、進相コンデンサの合流する交流母線の電圧、電流から無効電力を無効電力測定回路２２８で測定し、測定された無効電力が０または０に近くなるように制御器２３３において自励式変換器の無効分電流指令値を制御し、この指令値を交流電流制御器２２７に出力する。以下、実施の形態１と同様、設定回路２２６で必要とする自励式変換器２１０の有効分電流の値を設定し、この設定値を自励式変換器２１０の有効分電流指令として交流電流制御器２２７に出力する。交流電流制御器２２７は上記無効分電流指令と上記有効分電流指令を用いて自励式変換器２１０の交流電流を制御する。
【００６０】
なお、本実施の形態では全ての他励式、自励式変換器群、進相コンデンサの合流する交流母線の電圧、電流から無効電力を測定して自励式変換器２１０を制御したが、実施の形態２と同様、無効分電流を測定して制御してもよい。
【００６１】
実施の形態６．
次に、上記実施の形態１ないし５において、自励式変換器２１０として電圧型自励式変換器を用いた場合を説明する。
電流形自励式変換器はコイルに流れる直流電流を直流回路で環流（直流短絡）させたり、交流側に流したりしながら交流側に流れる電流を調節する。従って制御できる交流電流は、コイル電流に依存し、コイル電流以上の電流を流すことはできない。このことは、コイル電流が小さい電流である運転状態の場合、自励式変換器の流せる無効分電流が小さくなる。直流電流が小さい場合、他励式変換器の無効電力も小さくなるが、交流側には進相コンデンサが接続されており、自励式変換器は遅れの無効電力を積極的に流して進相コンデンサの進み無効電力をキャンセルする必要がある。自励式変換器が電流形の場合、無効分電流が不足する場合がある。
これに対して、電圧形自励式変換器は電流形と逆に、直流側コンデンサの電圧、または０電圧（交流短絡）を交流側に交互に印可して交流側電流を流すため、交流側電流は、直流電流に依存しない。
【００６２】
図１１は実施の形態６による電力変換装置の主要部を示す構成図である。２１０は電圧形自励式変換器であり、電圧形コンバータ２１１は直流コンデンサ２１２の電圧を制御する。直流コイル電流を自由に制御するためには、直流電圧は０から可変にできなくてはならないが、自励式変換器の直流コンデンサ電圧は０にはできないため直流母線をそのまま直流コイルに接続できない。そこで、直流電圧を自由に制御できるＤＣチョッパ２１３を通して直流コイルに接続する。
本構成では、電圧形自励式変換器２１０はＤＣチョッパ２１３を通じてコイル１の電流を増減させるための有効電力を制御する他、交流側の無効電力を制御する。また、電圧形自励式変換器２１０は、上記電流形自励式変換器のような、直流電流が小さい場合に無効分電流を流せない不都合はないので、装置の最大電流容量まで、自由に電流を制御することができる。
【００６３】
次に動作について説明する。
図１２は電圧形自励式変換器を自励式変換器２１０として用いた場合の電力変換装置の動作を説明する図である。直流電圧Ｖd は一定であるので、コイル電流指令と測定コイル電流の差を０にするように、制御回路２１４がＤＣチョッパ２１３の制御パルスを制御し、コイルにかかる電圧を調整する。ＤＣチョッパ２１３からコイル１にエネルギーが移動すると、コンデンサ電圧Ｖd が変化する。コンデンサ電圧Ｖd を一定にするように、設定回路２２６において直流電圧指令から測定直流電圧Ｖd の差を取り、それが０近くなるように制御器で有効分電流指令を制御する。交流電流制御器２２７で有効分電流指令と無効分電流指令をベクトル的に合成して和を取り、交流電流指令を作る。その交流電流指令と、測定された交流電流の差を取り、それが０に近くなるように制御器で電圧指令を制御する。交流電流は変換器出力電圧と系統電圧の差電圧によって流れるため、交流電圧測定値を加えて交流電圧指令とし、その交流電圧指令を三角波発生器と比較してパルス幅変調をかけ、スイッチング素子をＯＮ、ＯＦＦする。図１３、図１４は単相変換器の場合の動作説明図である。交流電圧に対して、任意の位相で電圧をかけることができ、電圧０の期間はＳＷ１、ＳＷ２またはＳＷ３、ＳＷ４をＯＮして交流側を短絡する。
【００６４】
なお、上記電圧形自励式変換器２１０の容量をなるべく小さくするには、予想される他励式変換器の運転状態において、最大の無効電力Ｑmax と最小の無効電力Ｑmin の間を、自励式変換器が補償できればよい。従って、進相コンデンサの進み無効電力Ｑc は、
【００６５】
【数１１】
0003794092.tif 000011
【００６６】
とし、自励式変換器の制御可能無効電力ＱI は、
【００６７】
【数１２】
0003794092.tif 000012
【００６８】
であれば、他励式変換器と自励式変換器の無効電力の和を
【００６９】
【数１３】
0003794092.tif 000013
【００７０】
に一定に制御できるので、進相コンデンサの進み無効電力とキャンセルすることができる。この結果、自励式変換器の容量を少なくすることができる。
【００７１】
なお、上記実施の形態１ないし６では、進相コンデンサ４を一定量入れて、全体でキャンセルするようにしたが、図１５に示すように自励式変換器の容量を増やせば、進相コンデンサを無くすことができ、装置をより簡単にできる。
【００７２】
実施の形態７．
上記実施の形態１ないし６では、無効電力を補償したが、さらに、図１６に示すように、他励式変換器の電流を検出し、その検出電流から高調波電流検出回路２４０で基本波分を取り除いて他励式変換器の高調波電流を検出し、他励式変換器の高調波電流を自励式変換器の高調波電流によりキャンセルするよう自励式変換器２１０の電流を制御する構成を取ることができる。２４１、２４２は各々、自励式変換器の無効分電流指令値及び有効分電流指令値とから、それぞれ他励式変換器の高調波電流を減算する加減算器である。この場合は、高調波フィルタ６が不要になるか、自励式変換器で補償できない高い周波数の高調波のみをフィルタリングする小さな高調波フィルタで済む効果がある。
【００７３】
なお、上記実施の形態７では、無効分電流検出回路を他励式変換器群と自励式変換器の間に挿入し、自励式変換器の無効分電流指令値を制御したが、実施の形態１や実施の形態３ないし６のように自励式変換器の無効分電流指令値を制御してもよい。
【００７４】
また、上記実施の形態７では、進相コンデンサを一定量入れて、全体でキャンセルするようにしたが、図１７に示すように自励式変換器の容量を増やせば、進相コンデンサを無くすことができ、装置をより簡単にできる。
【００７５】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、少なくとも１台の他励式変換器と、少なくとも１台の自励式変換器の双方からなり、電力系統からの交流を直流に変換する複数台の変換器と、上記自励式変換器と上記他励式変換器とに接続され、変換された直流を通流させるエネルギー貯蔵用のインダクタンス要素とを備えた電力変換装置であって、自励式変換器の発生する無効電力により、他励式変換器の発生する無効電力の変化をキャンセルして、上記複数台の変換器の発生する無効電力が直流電流および直流電圧に関わらず一定になるように上記自励式変換器を制御したので、交流側の進相コンデンサを一定かつ少ない容量、または、無くしてしまってもよく、装置の構成が簡単になる効果がある。
【００７６】
この発明によれば、各他励式変換器の遅れ無効分電流を直流電流と制御角から計算して求め、これら遅れ無効分電流の和と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流の制御指令値とし、有効分電流指令値と共に自励式変換器を制御したので、無効電力や無効分電流を検出する回路を交流母線上に設ける必要が無く、構成が簡単になる効果がある。
【００７７】
この発明によれば、他励式変換器群の遅れ無効分電流の和を無効分電流検出回路で検出し、上記遅れ無効分電流と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流の制御指令値とし、有効分電流指令値と共に自励式変換器を制御したので、他励式変換器からの無効分電流計算が必要なく、制御装置が簡単になる効果がある。
【００７８】
この発明によれば、他励式変換器群の遅れ無効電力を計測し、上記遅れ無効電力と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効電力に相当する値との差を求め、これを自励式変換器の無効電力の制御指令値とし、上記制御指令値を系統電圧で除した無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したので、他励式変換器からの無効分電流計算が必要なく、制御装置が簡単になる効果がある。
【００７９】
この発明によれば、他励式変換器と自励式変換器の無効分電流の和または無効電力の和を検出し、上記無効分電流または無効電力と、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効分電流または進み無効電力に相当する値との差を求め、これを自励式変換器の無効分電流または無効電力の制御指令値とし、上記制御指令値が０またはそれに近い値となるように上記自励式変換器の無効分電流指令値を作成する制御器を備え、上記無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したので、他励式変換器からの無効分電流計算が必要なく、制御装置が簡単になる効果がある。
【００８１】
この発明によれば、他励式変換器と自励式変換器と進相コンデンサの無効分電流の和または無効電力の和を検出し、上記無効分電流または無効電力が、０またはそれに近い値となるように自励式変換器の無効分電流指令値を作成する制御器を備え、上記無効分電流指令値と、有効分電流指令値とにより上記自励式変換器を制御したので、他励式変換器からの無効分電流計算が必要なく、制御装置が簡単になる効果がある。
【００８２】
この発明によれば、上記各電力変換装置において、自励式変換器を電流形コンバータで構成したので、自励式変換器が他励式変換器との直流母線に直接接続され、直流回路が簡単になる効果がある。
【００８３】
この発明によれば、上記各電力変換装置において、自励式変換器を、直流側にコンデンサを接続した、交流直流変換のための電圧形コンバータと、上記電圧形コンバータのコンデンサとインダクタンス要素との間に接続され、直流電圧を可変に制御して上記インダクタンス要素に流れる電流を制御するチョッパとで構成したので、交流無効分電流を直流電流の大きさに関わらず制御できるため、無効電力制御機能が直流回路の運転状態に影響されにくい効果がある。
【００８４】
この発明によれば、上記電力変換装置において、電力系統に接続された進相コンデンサの進み無効電力を、システムの運転状態において他励式変換器が発生する最大遅れ無効電力と最小遅れ無効電力の和の１／２としたので、自励式変換器の容量を少なくすることができる。
【００８５】
この発明によれば、上記各電力変換装置において、他励式変換器の高調波電流を計測し、自励式変換器の無効分電流指令値及び有効分電流指令値より、上記他励式変換器の高調波電流を減算して他励式変換器の高調波電流をキャンセルするようにしたので、高調波フィルタを不要にするか、自励式変換器で補償できない高い周波数の高調波のみをフィルタリングする小さな高調波フィルタで済ませることができ、装置構成が簡単になる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  この発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。
【図２】  この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図３】  この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図４】  この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図５】  この発明の実施の形態１による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図６】  この発明の実施の形態１による電力変換装置の無効分電流の大きさの変化を示す図である。
【図７】  この発明の実施の形態２による電力変換装置を示す構成図である。
【図８】  この発明の実施の形態３による電力変換装置を示す構成図である。
【図９】  この発明の実施の形態４による電力変換装置を示す構成図である。
【図１０】  この発明の実施の形態５による電力変換装置を示す構成図である。
【図１１】  この発明の実施の形態６による電力変換装置の主要部を示す構成図である。
【図１２】  この発明の実施の形態６による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図１３】  この発明の実施の形態６による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図１４】  この発明の実施の形態６による電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図１５】  この発明の実施の形態６による電力変換装置の主要部を示す構成図である。
【図１６】  この発明の実施の形態７による電力変換装置を示す構成図である。
【図１７】  この発明の実施の形態７による電力変換装置を示す構成図である。
【図１８】  従来の電力変換装置を示す構成図である。
【図１９】  従来の電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図２０】  従来の電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図２１】  従来の電力変換装置の動作を説明する説明図である。
【図２２】  従来の他の電力変換装置を示す回路構成図である。
【図２３】  従来の他の電力変換装置を示す回路構成図である。
【符号の説明】
１  直流回路、１０１，１０２，１０３，１０４，１０５，１０６  コイル、２  電力変換器群、２０１，２０２，２０３，２０４，２０５  他励式変換器、２１０  自励式変換器、２１１  電圧形自励式変換器、２１２  直流コンデンサ、２１３  ＤＣチョッパ、２１４  制御回路、２２１，２２２  演算回路、２２３  総和演算器、２２４，２３１，２４１，２４２  加減算器、２２５，２２６設定回路、２２７  交流電流制御器、２２８  無効分電流測定回路、２２９  割算器、２３０  無効電力測定回路、２３２  設定回路、２３３  制御器、２４０  高調波電流検出器、３  電力系統、４  進相コンデンサ、５  ＳＶＣ、６  高調波フィルタ。
【図１】
0003794092.tif 000015
【図２】
0003794092.tif 000016
【図３】
0003794092.tif 000017
【図４】
0003794092.tif 000018
【図５】
0003794092.tif 000019
【図６】
0003794092.tif 000020
【図７】
0003794092.tif 000021
【図８】
0003794092.tif 000022
【図９】
0003794092.tif 000023
【図１０】
0003794092.tif 000024
【図１１】
0003794092.tif 000025
【図１２】
0003794092.tif 000026
【図１３】
0003794092.tif 000027
【図１４】
0003794092.tif 000028
【図１５】
0003794092.tif 000029
【図１６】
0003794092.tif 000030
【図１７】
0003794092.tif 000031
【図１８】
0003794092.tif 000032
【図１９】
0003794092.tif 000033
【図２０】
0003794092.tif 000034
【図２１】
0003794092.tif 000035
【図２２】
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【図２３】
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