(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する３つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルと、を備え、３相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記３つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記３つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記３相交流電力系統のそれぞれの相に前記リアクトルを介して接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記３つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記３つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴とする系統連系電力変換装置。
【請求項２】
平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する３つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するトランスと、を備え、３相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記３つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記３つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記トランスを介して前記３相交流電力系統の各相に接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記３つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記３つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴とする系統連系電力変換装置。
【請求項３】
前記装置損失検出手段は、前記平滑コンデンサの直流電圧を検出し、この検出結果と予め設定された基準直流電圧との差分を演算し、その演算結果を前記装置損失として出力するようになっていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の系統連系電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電力系統における無効電力を補償し、系全体の電力安定性を確保するのに好適な系統連系電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、自励式単相インバータを用いて交流電力系統の無効電力を補償する系統連系電力変換装置として、図５に示すような構成の従来型電力変換回路５０を含むものが用いられていた。
図５に示すように、従来型系統連系電力変換装置における従来型電力変換回路５０は、平滑コンデンサＣを直流電圧源とし、その直流入力を交流出力に変換する単相インバータＵ１〜Ｕ３と、トランスＴｒと、高調波フィルタＦＬと、共振抑制抵抗Ｒccと、を含んだ構成となっている。
【０００３】
単相インバータＵ１〜Ｕ３は、それぞれのインバータにおける平滑コンデンサＣを含む直流回路が共通化され、それ以外の部分がそれぞれ並列に接続されており、更に、それらの出力がトランスＴｒを介して３相交流電力系統Ｖｓの各相にそれぞれ接続された構成となっている。
更に、平滑コンデンサＣは、図５に示すように、他の平滑コンデンサＣとの間のインダクタンスＬccによって共振を引き起こすため、共振抑制抵抗Ｒccによって、共振が生じるのを抑制している。
【０００４】
また、３相交流電力系統Ｖｓは、誘導電動機等の誘導性の負荷を有するものであり、従来型系統連系電力変換装置は、同変換装置を構成する従来型電力変換回路５０の出力電圧を制御することによって、自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の装置損失全体を補償する電力を系統から供給し、平滑コンデンサＣの直流電圧を所望の電圧に制御して、各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３から出力される無効電力を一定化することにより系統の安定化を行うようになっている。
【０００５】
具体的には、従来型系統連系電力変換装置は、従来型電力変換回路５０における各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３に、図示しないスイッチングパルス供給装置からのスイッチングパルス信号が入力されており、そのスイッチングパルスによって、インバータを構成するスイッチング素子のオン、オフを切り替えることで直流入力を交流出力に変換している。これらスイッチング素子には、強制転流回路を必要としない、パワートランジスタ、ＧＴＯ（Gate Turn Off）サイリスタ、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型素子が用いられる。
【０００６】
つまり、各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３は、図５に示すように、スイッチング素子とダイオードとを互いに逆方向に並列接続した第１〜第４スイッチング素子部５１〜５４を備えており、これらスイッチング素子部におけるスイッチング素子に対してパルス信号を供給し、第１スイッチング素子部５１と第４スイッチング素子部５４との組合わせと、第２スイッチング素子部５２と第３スイッチング素子部５３との組み合わせとに対して、一方がオン状態のときは、他方はオフ状態となるように各スイッチング素子をスイッチングさせることで直流入力を交流出力へと変換する。これにより、３相交流電力系統Ｖｓに無効電力を供給し、また、図示しない力率角度制御装置等によって、自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の出力電力の力率角度を制御することで、各装置損失を系統から供給し、同インバータＵ１〜Ｕ３の各平滑コンデンサＣの直流電圧をそれぞれ同じ電圧となるように制御する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来型電力変換回路５０は、上記したように、自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３における平滑コンデンサＣ間のインダクタンスＬccによる共振の発生を抑制するために共振抑制抵抗Ｒccが必要となるため、このＲccによる損失によって、系統全体の効率が低下するといった不具合があった。
【０００８】
そこで、本発明は、このような従来の技術の有する未解決の課題に着目してなされたものであって、電力変換部の回路を、３つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路を相互に独立のままデルタ結線構成とすることで、共振抑制抵抗Ｒccを必要としない系統連系電力変換装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明に係る請求項１記載の系統連系電力変換装置は、平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する３つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルと、を備え、３相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記３つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記３つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記３相交流電力系統のそれぞれの相に前記リアクトルを介して接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記３つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記３つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００１０】
つまり、自励式単相インバータを構成する平滑コンデンサなどの直流回路部分を相互に独立にしたまま、３つの自励式単相インバータをデルタ結線し、その出力を自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルを介して３相交流電力系統に接続する構成となっている。従って、直流回路部分が独立となっており、異なる自励式単相インバータにおける平滑コンデンサ間で共振が発生しないため、共振を抑制する共振抑制抵抗を必要としないので、この抵抗による自装置の効率低下を防ぐことが可能となる。
【００１１】
また、各自励式単相インバータはデルタ結線されているので、装置損失検出手段によって、自励式単相インバータのそれぞれの装置損失を検出し、力率角度制御手段によって、その検出結果に基づき自励式単相インバータのそれぞれの出力電力の力率角度を独立に制御することによって、各自励式単相インバータの装置損失を補償する電力を３相交流電力系統から引き込むことが可能となる。従って、直列接続された自励式単相インバータの出力電圧を一定電圧となるように制御することで、自装置を安定して動作させることができる。
【００１２】
また、本発明に係る請求項２記載の系統連系電力変換装置は、平滑コンデンサを直流電圧源として含み、当該直流電圧を交流電圧に変換する３つの自励式単相インバータと、当該自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するトランスと、を備え、３相交流電力系統との間で電力の入出力を行うことで無効電力の補償を行う系統連系電力変換装置であって、
前記３つの自励式単相インバータを、そのそれぞれの直流回路部分を相互に独立のままデルタ結線すると共に、結線後の前記３つの自励式単相インバータのそれぞれの出力側は、前記トランスを介して前記３相交流電力系統の各相に接続されるようになっており、
前記複数の単相インバータのそれぞれの装置損失を検出する装置損失検出手段と、この検出結果に基づき前記３つの自励式単相インバータにおける前記平滑コンデンサの電圧が所望の電圧となるように、前記３つの自励式単相インバータの出力電力の力率角度をそれぞれ独立に制御する力率角度制御手段と、を備えることを特徴としている。
【００１３】
つまり、上記請求項１記載の系統連系電力変換装置におけるリアクトルをトランスに変更した構成のもので、自装置と３相交流電力系統とをトランスによって絶縁することが可能となる。
また、請求項３に係る発明は、請求項１又は請求項２記載の系統連系電力変換装置において、前記装置損失検出手段は、前記平滑コンデンサの直流電圧を検出し、この検出結果と予め設定された基準直流電圧との差分を演算し、その演算結果を前記装置損失として出力するようになっていることを特徴としている。
【００１４】
つまり、装置損失検出手段は、装置損失として、平滑コンデンサの直流電圧を検出すると共に、検出された電圧と予め設定された基準直流電圧との差分を演算して出力するようにした。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１乃至図４は、本発明に係る系統連系電力変換装置の実施の形態を示す図である。
まず、本発明に係る系統連系電力変換装置の構成を図１及び図２に基づいて説明する。図１は、本発明に係る系統連系電力変換装置の構成を示すブロック図であり、図２は、系統連系電力変換装置における電力変換回路を示す図である。なお、図５の従来例と同一の部品には同一の符号を付した。
【００１６】
図１に示すように、系統連系電力変換装置１は、誘導性負荷を有する３相交流電力系統に、進み、遅れを含む無効電力を供給するための電力変換回路５と、スイッチングパルス信号の生成及び電力変換回路５にスイッチングパルス信号の供給を行うスイッチングパルス供給部２と、電力変換回路５における自励式単相インバータを構成する平滑コンデンサの直流電圧を検出し、その電圧に基づいて各自励式単相インバータの装置損失を演算する装置損失検出部３と、この演算結果に基づき電力変換回路５における各自励式単相インバータの出力電力の力率角度を制御する力率角度制御部４と、を含んだ構成となっており、電力変換回路５の各出力は、３相交流電力系統の各相に、後述するリアクトルＬ１〜Ｌ３を介して接続されている。
【００１７】
電力変換回路５は、自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３と、リアクトルＬ１〜Ｌ３と、高調波フィルタＦＬと、を含んだ構成となっている。
自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３は、図２に示すように、デルタ結線されており、それぞれの出力がリアクトルＬ１〜Ｌ３及び高調波フィルタＦＬを介して３相交流電力系統Ｖｓに接続された構成となっている。
【００１８】
ここで、リアクトルＬ１〜Ｌ３は、デルタ結線された自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の各出力電流の変化を抑制するものである。
また、高調波フィルタＦＬは、デルタ結線された自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の各出力に含まれる高調波を抑制するものである。
スイッチングパルス供給部２は、適切なパルス幅及び周波数のスイッチングパルス信号を生成し、各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３における上記第１〜第４スイッチング素子部の各スイッチング素子に対して生成されたスイッチングパルス信号を供給するもので、第１スイッチング素子部５１と第４スイッチング素子部５４との組合わせと、第２スイッチング素子部５２と第３スイッチング素子部５３との組み合わせとに対して、一方がオン状態のときは、他方はオフ状態となるようにスイッチングパルス信号を供給し、直流電圧を交流電圧へと変換させるものである。
【００１９】
装置損失検出部３は、電力変換回路５における各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の平滑コンデンサＣの直流電圧を検出し、その検出された直流電圧と予め設定されている基準直流電圧Ｖｒとの差分を演算し、この演算結果を装置損失として力率角度制御部４に出力する。本実施の形態において、装置損失検出部３は、所定の周期で各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３における平滑コンデンサＣの直流電圧を検出し、且つ、装置損失を演算するようになっている。
【００２０】
力率角度制御部４は、装置損失検出部３によって演算された装置損失に基づき、各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の装置損失が一定値以上のときに、同インバータＵ１〜Ｕ３のそれぞれの出力電力の力率角度を制御して、装置損失分の電力を３相交流電力系統Ｖｓから引き込む処理を行う。
更に、系統連系電力変換装置１のより具体的な動作を図４に基づいて説明する。図４は、各自励式単相インバータにおけるそれぞれの装置損失分の損失電流及び３相交流電力系統から流れ込む損失補償電流分である零相電流を示すベクトル図である。
【００２１】
まず、系統連系電力変換装置１は、力率角度制御部４において、装置損失検出部３によって検出された装置損失を取得すると、その損失が予め設定された一定の損失値と比較して一定値以上か否かを判定する判定処理を行う。そして、一定値以上であると判定された場合は、その損失分を補償する電力を３相交流電源部Ｖｓから取得するために、対象の自励式単相インバータの出力電力の力率角度を、装置損失の大きさに応じて制御する。
【００２２】
このとき、各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３において発生する装置損失は、図４に示すように、それぞれ大きさが異なるため、力率角度制御部３は、その損失を３相交流電力系統Ｖｓから供給するために、損失の大きさに応じて各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の出力電力の力率角度をそれぞれ制御することになる。
【００２３】
従って、自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３の出力電力の力率角度はそれぞれ異なる角度に制御されることになり、３相交流電力系統Ｖｓの各相からは、それぞれ異なる電力が系統連系電力変換装置１側に引き込まれることになる。これにより、３相交流電力系統Ｖｓの各相の電流値をそれぞれ足しあわせた値は零とならず、同系統Ｖｓは不平衡状態となる。この零相電流を流すために、各自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３をデルタ結線構成とするのである。
【００２４】
以上、自励式単相インバータＵ１〜Ｕ３を構成する平滑コンデンサなどの直流回路部分を独立にしたまま、それぞれの自励式単相インバータをデルタ結線し、その出力を自励式単相インバータの出力電流の変化を抑制するリアクトルを介して３相交流電力系統に接続したので、平滑コンデンサ間で共振が発生しないため、共振を抑制する共振抑制抵抗を必要としない。
【００２５】
また、自励式単相インバータをデルタ結線したので、同インバータの装置損失が異なっても零相電流を流すことができ、その結果、３相交流電力系統Ｖｓから装置損失補償電力を供給することが可能となっている。
なお、図３に、電力変換回路の第２の実施の形態として、上記電力変換回路５における自励式単相インバータの出力を３相交流電源に接続する際のリアクトルＬ１〜Ｌ３に代えて、トランスＴｒとしたものを示す。
【００２６】
上記系統連系電力変換装置１との違いはトランスＴｒの部分のみであり、その他の回路動作は同様であるので説明を省略する。トランスＴｒの役割は、３相交流電力系統Ｖｓと第２の電力変換回路６とを絶縁することである。
以上、第２の電力変換回路６は、各自励式単相インバータの３相交流電力系統Ｖｓへの接続にトランスＴｒを介するようにしたので、同回路６と３相交流電力系統Ｖｓとを絶縁することが可能である。
【００２７】
ここで、図１に示す、装置損失検出部３は、請求項１乃至請求項３記載の装置損失検出手段に対応し、力率角度制御部４は、請求項１及び請求項２記載の力率角度制御手段に対応する。
なお、上記実施の形態においては、力率角度制御部４によって各自励式単相インバータの出力電力の力率角度を制御することで、３相交流電力系統Ｖｓから電力を供給し、装置損失を補正する。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る系統連系電力変換装置によれば、各自励式単相インバータはデルタ結線されているので、装置損失検出手段によって、自励式単相インバータのそれぞれの装置損失を検出し、力率角度制御手段によって、その検出結果に基づき自励式単相インバータのそれぞれの出力電力の力率角度を独立に制御することによって、各自励式単相インバータの装置損失を補償する電力を３相交流電力系統から引き込むことが可能となる。よって、直流回路部分を独立にすることができ、異なる自励式単相インバータにおける平滑コンデンサ間で共振が発生しないため、共振を抑制する共振抑制抵抗を必要としないので、この抵抗による自装置の効率低下を防ぐことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る系統連系電力変換装置の構成を示すブロック図である。
【図２】系統連系電力変換装置における電力変換回路を示す図である。
【図３】系統連系電力変換装置の第２の実施の形態を示す図である。
【図４】各自励式単相インバータにおけるそれぞれの装置損失分の損失電流及び３相交流電力系統から流れ込む損失補償電流分である零相電流を示すベクトル図である。
【図５】従来型系統連系電力変換装置における従来型電力変換回路５０を示す図である。
【符号の説明】
１                系統連系電力変換装置
２                スイッチングパルス供給部
３                装置損失検出部
４                力率角度制御部
５                電力変換回路
６                第２の電力変換回路
５０              従来型電力変換回路
５１〜５４        第１〜第４スイッチング素子部
Ｌ１〜Ｌ３        リアクトル
ＦＬ              高調波フィルタ
Ｔｒ              トランス
Ｖｓ              ３相交流電力系統
【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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