JP5509348B2 - マルチレベルコンバータを有する静止型無効電力補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、無効電力補償に用いられる静的同期補償装置に関連する。

高電圧直流の送電においては、架空線および／または海底ケーブルを介した送電のため、交流（ＡＣ）電力が高電圧直流（ＤＣ）電力に変換される。この変換により、電線および／またはケーブルのキロ当たりのコストが削減されるため、長距離にわたって電力が送られる必要がある場合にはコスト効果が高い。伝送される電力が目標の送電先に到達すると、高電圧直流電力は、ローカル送電網に分配される前に交流電力に再変換される。

様々なネットワーク条件において、交流送電線による電力の伝送が電圧特性の変動を受けることがあり、これが正常値からの逸脱を引き起こす。このような変動は、調整機器と交流送電線との間の無効電力の交換によって最小にすることが可能である。このような調整装置は、静的同期補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）と呼ばれている。

図１（ａ）に示されるように、周知の静的同期補償装置は、一形態として、直列接続された絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）２０およびアンチパラレルダイオード２２を６組含んでいる。ＩＧＢＴ２０は直列接続されて同時スイッチングが行われ、１０ＭＷから１００ＭＷという高い定格電力の実現を可能にする。

しかし、このアプローチは、複雑で能動的なＩＧＢＴドライブを必要とし、ＩＧＢＴ２０の直列ストリングでの高電圧がスイッチング中に適切に共有されることを確実にするためには、大型の受動スナバコンポーネントを必要とする。加えて、交流送電網２４に送られる高調波電流を制御するためには、交流電源周波数の各サイクルにおいてＩＧＢＴ２０が高電圧で何度もスイッチオン・オフを行う必要がある。これらの要因は、高損失、高レベルの電磁波障害、および複雑な設計を招く。

図１（ｂ）に示されるように、別の周知の静的同期補償装置は、マルチレベルの形態を含んでいる。このマルチレベル形態は、直列接続されたセル２８のコンバータブリッジ２６を含み、各コンバータセル２８は、コンデンサ３０と並列接続された一対の直列接続ＩＧＢＴ２０を含んでいる。このような形態では、各コンバータセル２８は同時にスイッチングされずに異なるタイミングでスイッチングされ、コンバータステップが比較的小さいため、直列接続ＩＧＢＴ２０の直接スイッチングと関連した問題が回避される。

しかし、マルチレベル形態において、各コンバータセル２８のコンデンサ３０は、コンデンサ端子の電圧変化を制限するために高い容量値を有していなければならない。コンバータ経路３４の並列接続および動作を可能にするためには、６個の直流側リアクトル３２も必要であり、これは主として、コンバータ経路３４の間の過渡電流の流れを制限するために用いられる。

これらの要因により、膨大な量の蓄積エネルギーを持つ高価で大型の重量機器が必要となり、この機器の事前組立、検査、および輸送が困難となる。

本発明の一実施形態によれば、無効電力補償に用いられる静的同期補償装置が提供され、この静的同期補償装置は、第１および第２直流端子と、使用時の交流送電網への接続のための交流端子とを含む少なくとも１つの一次補償装置経路であって、第１および第２経路部分を各々が画定する一次補償装置経路であり、第１および第２直流端子のうち当該の直流端子と交流端子との間でチェーンリンクコンバータと直列接続された少なくとも１つのスイッチング要素を各経路部分が含み、第１および第２経路部分のスイッチング要素が、当該の直流端子と交流端子との間の回路において当該のチェーンリンクコンバータのスイッチオン・オフを行うように動作可能であり、交流端子に電圧波形を発生させるようにチェーンリンクコンバータが動作可能である、少なくとも１つの一次補償装置経路と、第１および第２直流端子の間に接続された少なくとも１つの直流リンクコンデンサを含む二次補償装置経路であって、各一次補償装置経路と並列接続された二次補償装置経路とを具備する。

二次補償装置経路を設けることで、接続された交流送電網の安定性および電圧制御を向上させるため、静的同期補償装置が交流送電網と無効電力を交換できるようになる。これは、無効電力を供給するソースとして、または、無効電力を吸収するシンクとして、直流リンクコンデンサを用いることにより行われ、また、各経路部分のチェーンリンクコンバータを用いて交流送電網と直流リンクコンデンサとの間の無効電力の交換に対し良好な制御が行われる。

各経路部分のチェーンリンクコンバータと直列接続されて当該の直流端子と交流端子との間の回路において経路部分のスイッチオン・オフを行う１つ以上のスイッチング要素の直列組み合わせは、各チェーンリンクコンバータが発生させる必要のある電圧範囲を縮小するため、好適である。このように、各チェーンリンクコンバータの部品数が最小となることで、サイズ、重量、そしてコストの点で削減が行われる。

本発明の実施形態では、二次補償装置経路は、直列接続された２個の直列リンクコンデンサを含み、直流リンクコンデンサの間の接合点が使用時にアース接続される構成としてもよい。

本発明の他の実施形態では、二次補償装置経路は、センタータップを備える直流リンクコンデンサを含み、センタータップが使用時にアース接続される構成としてもよい。

２個の直流リンクコンデンサまたはセンタータップを備える直流リンクコンデンサを二次補償装置経路に設けると、アース接続が可能な中間接合部が設けられる。この箇所をアース接続すると、静的同期補償装置のための電圧基準が得られ、機器内の電圧ストレスが規定および制御されることが可能となる。

他の実施形態では、機器内の別の箇所がアース基準を設けるのに用いられる構成としてもよい。

各経路部分が回路からスイッチオフされた時に、この経路部分の電圧をオフセットする電圧を発生させることによって各スイッチング素子の電圧を最小にするように、各チェーンリンクコンバータが動作可能であることが好ましい。

この特徴は、スイッチング素子を機能させるのに必要な直列接続装置の数を減少させてハードウェアのサイズ、重量、およびコストを最小にするという点で、好適である。

経路部分が回路からスイッチオフされた時に各経路部分のスイッチング素子の電圧を低下させることは、当該のスイッチング素子が開閉位置の間でトグル切替を行う時の導電およびスイッチングの損失を最小にするという点でも有益である。

経路部分の各々のチェーンリンクコンバータが、直列接続されたモジュールのチェーンを含み、エネルギー蓄積装置と並列接続された少なくとも一対の二次スイッチング素子を各モジュールが含み、モジュールのチェーンが段階的可変電圧ソースを画定するように二次スイッチング素子が使用時に動作可能であることが好ましい。

直列接続されたモジュールのチェーンを用いると、各個別モジュールにより提供される電圧よりも高い電圧を提供するように追加モジュールをチェーンに挿入することにより、漸増ステップで上昇する電圧をチェーンリンクコンバータの各々が提供できる。そのため、この形態によれば、各経路部分のチェーンリンクコンバータにより提供される電圧が、交流端子での電圧波形の発生を可能にするように変化可能となる。

二次補償装置経路または静的同期補償装置に接続された交流送電網が漏電して静的同期補償装置に高い漏電電流が流れる場合には、交流送電網の電圧に対抗または整合する電圧を提供することによって静的同期補償装置の漏電電流を減少させるように、チェーンリンクコンバータ内のモジュールの二次スイッチング素子が作動してチェーンにモジュールを挿入する構成としてもよい。

本発明の実施形態では、フルブリッジ方式で当該のエネルギー蓄積装置と並列接続されて正または負電圧を提供するとともに両方向に電流を伝導することのできる４象限バイポーラモジュールを画定する２対の二次スイッチング素子を、チェーンリンクコンバータの各モジュールが含んでいる構成としてもよい。

正または負電圧を提供できるという４象限バイポーラモジュールの機能は、正または負電圧を提供するモジュールの組み合わせから各チェーンリンクコンバータの電圧が発生されることを意味する。そのため、モジュールを制御して正または負電圧の提供を交互に行うことにより、個々のエネルギー蓄積装置のエネルギーレベルが最適なレベルに維持される構成としてもよい。

各経路部分のチェーンリンクコンバータにフルブリッジモジュールを用いると、第１および第２直流端子に接続された直流送電網の直流電圧を超える出力電圧を、チェーンリンクコンバータが交流端子に提供することも可能になる。

本発明の他の実施形態では、ハーフブリッジ方式の当該のエネルギー蓄積装置と並列接続されて正またはゼロ電圧を提供するとともに両方向に電流を伝導することのできる２象限モジュールを画定する一対の二次スイッチング素子を、チェーンリンクコンバータの各モジュールが含んでいる構成としてもよい。

各エネルギー蓄積装置は、電気エネルギーを蓄積および放出して電圧を提供することが可能であるいかなる装置でもよく、そのため、コンデンサ、燃料電池、電池、または関連の整流器を備える補助交流発電機を含んでいる構成としてもよい。

場所により輸送の困難さが異なることにより機器の有用性が変化するため、多様な場所に応じたコンバータステーションの設計には、このような柔軟性が有益である。例えば、洋上風力発電機における各モジュールのエネルギー蓄積装置は、風力発電機に接続される補助交流発電機であってもよい。

各経路部分の各スイッチング素子は半導体素子を含んでいることが好ましく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ゲートターンオフサイリスタ、または統合ゲート整流サイリスタを含んでいる構成としてもよい。

各チェーンリンクコンバータは、少なくとも１つの半導体素子を含んでいることが好ましく、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ゲートターンオフサイリスタ、または統合ゲート整流サイリスタを含んでいる構成としてもよい。

半導体素子は、サイズが小さくて重量が軽いとともに、電力散逸が比較的低くて冷却機器の必要性を最小にする。そのため、半導体素子を用いることが好適である。これにより、電力コンバータのコスト、サイズ、および重量の顕著な削減につながる。

半導体素子の高速スイッチング特性により、静的同期補償装置は即座に反応して交流送電網の交流電圧特性を変化させることができる。静的同期補償装置の即応性は、送電機器へのダメージを生じる交流電圧特性の変動のリスクを最小にする。

本発明の実施形態において、静的同期補償装置は、多数の一次補正装置経路を含んでもよく、多位相交流送電網の各位相への接続のための交流端子を各経路が含んでいる構成としてもよい。

このような静的同期補償装置では、各コンバータ経路のスイッチング素子とチェーンリンクコンバータとの直列接続は、他のコンバータ経路の直列接続から独立して作動し、そのため当該の交流端子に接続された位相のみに直接の影響を与え、他のコンバータ経路の交流端子に接続された位相に与える影響は限定される。

各経路部分のチェーンリンクコンバータは、使用時に二次補償装置経路または交流送電網の漏電により生じる電流の流れに抵抗する電圧を発生させるように動作可能であることが好ましい。

チェーンリンクモジュールは、回路でスイッチオンされて、漏電電流を消滅することにより静的同期補償装置コンポーネントへのダメージを防止するのに必要な抵抗または整合電圧を提供する構成としてもよい。電圧変換と漏電電流の消滅の両方を実行するために、このようにチェーンリンクモジュールを用いると、漏電電流を伝導および遮断する独立の保護回路機器を設置する必要が無くなる。これにより、ハードウェアのサイズ、重量、およびコストの点での節約につながる。

各経路において、チェーンリンクコンバータの定格電圧と各スイッチング素子の定格電圧とが等しい構成としてもよい。しかし他の実施形態では、コンバータのコスト、サイズ、重量、効率、および／または性能を最適化するように、チェーンリンクコンバータの定格電圧と各スイッチング素子の定格電圧とが等しくなくてもよい。

第１および第２経路部分のスイッチング素子は、チェーンリンクコンバータ素子における電圧のドリフトをリセットするのと同時に、チェーンリンクコンバータを回路でスイッチオンするように動作可能であることが好ましい。

添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態を非限定的な例として以下で説明する。
（ａ）および（ｂ）は、無効電力補償のための先行技術による静的同期補償装置を示す概略図である。 本発明の第一実施形態による静的同期補償装置を示す図である。 図２の静的同期補償装置のチェーンリンクコンバータの構造を示す図である。 図３に示されたチェーンリンクコンバータを用いた５０Ｈｚ波形の合成を示す図である。 図３に示されたチェーンリンクコンバータのフルブリッジモジュールを示す図である。 図２に示された静的同期補償装置の交流端子における正弦電圧波形の生成を示す図である。 本発明の第二実施形態による静的同期補償装置を示す図である。

本発明の実施形態による静的同期補償装置３６が、図２に示されている。

静的同期補償装置３６は、第１および第２直流端子４０，４２と交流端子４４とを有する一次補償装置経路３８と、直流リンクコンデンサ４８を含む二次補償装置経路４６と、を含んでいる。一次補償装置経路３８は第１および第２経路部分５０，５２を画定し、各経路部分５０，５２は、第１および第２直流端子４０，４２のうち１つの直流端子と交流端子４４との間でチェーンリンクコンバータ５６に直列接続されたスイッチング素子５４を含んでいる。

図２に示された実施形態では、第１および第２経路部分５０，５２の各々のスイッチング素子５４は交流端子４４に接続され、第１および第２経路部分５０，５２の各々のチェーンリンクコンバータ５６は個々の直流端子４０，４２に接続されている。

スイッチング素子５４と、第１および第２経路部分５０，５２の各々のチェーンリンクコンバータ５６との間の直列接続は、他の実施形態では、交流端子４４と当該の直流端子４０，４２との間においてこれらが逆の順序で接続されてもよいことを意味する。

交流端子４４は、使用時に交流送電網５８に接続される。他の実施形態では、１つ以上の変圧器および／または１つ以上の誘導子６２を介して、交流端子４４が交流送電網５８に接続されてもよい。

二次補償装置経路４６が一次補償装置経路３８と並列接続されるように、第１および第２直流端子４０，４２の間に二次補償装置経路４６が接続される。第１直流端子４０は、＋Ｖ_ＤＣ／２の電圧がかかる直流リンクコンデンサ４８の正端子に接続され、Ｖ_ＤＣは直流リンクコンデンサ４８の直流電圧範囲である。第２直流端子４２は、使用時に−Ｖ_ＤＣ／２の電圧がかかる直流リンクコンデンサ４８の負端子に接続されている。

静的同期補償装置３６が交流送電網５８に接続されると、直流リンクコンデンサ４８は、交流送電網５８に無効電力を供給するソースとして、または、交流送電網５８から無効電力を吸収するシンクとして機能することができる。このような機能を与えることで、静的同期補償装置３６は交流送電網５８の交流電圧を調節することができる。

静的同期補償装置３６は外部の直流ネットワークに直流側で接続されていないので、直流電圧は特定の値に制限されず、そのため変化が可能である。直流電圧の変化は、静的同期補償装置３６と交流送電網５８との間の無効電力交換を制御するのに用いられる構成としてもよい。

第１および第２直流端子４０，４２の間に直列接続された２個の直流リンクコンデンサ４８を二次補償装置経路４６が含み、直流リンクコンデンサ４８の間の接合部にアース接続が設けられることが考えられる。アース接続により、交流端子４４に接続された変圧器には正価ゼロの直流電圧が確実に存在する。他の実施形態では、交流端子４４に接続された変圧器のニュートラル（スター）ポイントにアース接続を移動させることが考えられる。

図３を参照すると、第１および第２経路部分の各々のチェーンリンクコンバータ５６は、直列接続されたモジュール６４のチェーンを含み、各モジュール６４は、フルブリッジ方式でコンデンサ６８に並列接続されて、正、ゼロ、または負の電圧を提供するとともに両方向に電流を伝導することのできる４象限バイポーラモジュール６４を形成する２対の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄを含んでいる。

二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄは、モジュール６４のチェーンが段階的可変電圧ソースとなるように動作可能であって、交流送電網の基本周波数でスイッチングを行う。

他の実施形態では、燃料電池、電池、または関連の整流器を備える補助交流発電機など、異なるエネルギー蓄積装置によって各モジュール６４のコンデンサ６８が置き換えられることが考えられる。

二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄの状態を変化させることにより、各モジュール６４のコンデンサ６８が迂回されるか、当該のチェーンリンクコンバータ５６に挿入される構成としてもよい。

一対の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄが短絡回路をモジュール６４に形成するように構成されると、モジュール６４のコンデンサ６８が迂回され、静的同期補償装置の電流が短絡回路を通過してコンデンサ６８を迂回する。

補償装置電流をコンデンサ６８に流入および流出させるように一対の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄが構成されると、モジュール６４のコンデンサ６８がチェーンリンクコンバータ５６に挿入されて、蓄積エネルギーを蓄積または放出して電圧を提供することができる。

そのため、各々が独自の電圧を提供する多数のモジュール６４のコンデンサ６８をチェーンリンクコンバータ５６に挿入することによって、個々のモジュール６４の各々から入手可能な電圧よりも高い合成電圧をチェーンリンクコンバータ５６に発生させることが可能となる。

個々のモジュール６４のコンデンサ６８をチェーンリンクコンバータ５６に挿入および／または迂回して結果的に電圧波形を発生させるように、各モジュール６４のスイッチング動作のタイミングを変化させることも可能である。チェーンリンクコンバータ５６を用いて発生される電圧波形の一例が図４に示されており、個々のモジュール６４のコンデンサ６８を時間をずらしながら挿入することで５０Ｈｚの正弦波形が発生している。チェーンリンクコンバータ５６の各モジュール６４のスイッチング動作のタイミングを調節することにより、他の波形形状が発生される構成としてもよい。

図３に示された実施形態において、各二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄは、逆並列接続されたダイオードを伴う絶縁ゲートバイポーラトランジスタを含んでいる。

他の実施形態では、逆並列接続ダイオードを伴った、ゲートターンオフサイリスタまたは統合ゲート整流サイリスタなどの異なる半導体スイッチを、各二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄが含むことが考えられる。

半導体素子の高速スイッチング特性は、静的同期補償装置３６が交流送電網５８の交流電圧のいかなる変化にも即座に反応することを可能にする。静的同期補償装置３６の即応性は、送電機器にダメージを起こす交流電圧特性の変動のリスクを最小にする。

各モジュール６４の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ（図５）の状態は、モジュール６４を流れる電流の経路を決定し、ゆえにモジュール６４により提供される電圧を決定する。

より詳しく述べると、二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂを閉じるか、二次スイッチング素子６６ｃ，６６ｄを閉じることによりコンデンサが迂回されると、モジュール６４はゼロ電圧を提供する。

電流が二次スイッチング素子６６ａ，６６ｄを介してコンデンサに流入および流出するように、二次スイッチング素子６６ａ，６６ｄが閉じられて二次スイッチング素子６６ｂ，６６ｃが開かれると、モジュール６４は両方向の電流の流れに正電圧を提供する。

電流がスイッチ６６ｂ，６６ｃを介してコンデンサに流入および流出するように、スイッチ６６ｂ，６６ｃが閉じられてスイッチ６６ａ，６６ｄが開かれると、モジュール６４は両方向の電流の流れに負電圧を提供する。

各チェーンリンクコンバータ５６におけるモジュール６４の数は、静的同期補償装置３６に必要とされる定格電圧によって決定される。

使用時に、第１および第２経路部分５０，５２のスイッチング素子５４およびチェーンリンクコンバータ５６は、それぞれの直流端子４０，４２と交流端子４４との間の回路においてチェーンリンクコンバータ５６の各々のスイッチオン・オフを行うように動作することができる。チェーンリンクコンバータ５６は、交流端子４４に電圧波形を発生させるように動作することができる。

チェーンリンクコンバータ５６は、段階的近似を用いて正弦電圧波形を発生させるように動作可能であることが好ましい。チェーンリンクコンバータ５６は、電圧ステップを提供して交流端子４４での出力電圧を増減するという機能を有しているため、段階的波形発生での使用に適している。

異なる波形形状を発生させるというチェーンリンクコンバータ５６の機能により、静的同期補償装置３６は送電網条件の多様性から生じる交流電圧特性の様々な変化に対処することができる。加えて、チェーンリンクコンバータ５６を設けると、切断を必要とせずに交流送電網５８の変化要求に合うようにチェーンリンクコンバータ５６のスイッチング動作が変化するため、静的同期補償装置３６が無効電力を交流送電網５８と連続的に交換することができる。

上述したように、コンデンサ６８の挿入および迂回が時間をずらして行われて図４に示された正弦波形の段階的近似となるように、チェーンリンクモジュール６４のスイッチング動作が構成されてもよい。図６に示されているように、低電圧レベルの多数のモジュール６４を用いて電圧ステップの数を増加させることにより、電圧波形の段階的近似が改良される構成としてもよい。これは、静的同期補償装置３６と交流送電網５８との間の無効電力交換の精度を上昇させてそれぞれの交流相電圧のプロファイルをスムーズにするために用いられてもよい。

第２経路部分５２のスイッチング素子５４が開いている間、第１経路部分５０のスイッチング素子５４は閉じられる。第１経路部分５０のチェーンリンクコンバータ５６は、直流リンクコンデンサ４８の正端子の電圧に抵抗するため、＋Ｖ_ＤＣ／２の電圧を提供するように制御される。そのため、交流端子４４での出力電圧はゼロボルト、すなわち、正端子での正の直流電圧＋Ｖ_ＤＣ／２と負端子での負の直流電圧−Ｖ_ＤＣ／２との中間値である。未使用のチェーンリンクモジュール６４は、迂回モードのままである。

正弦電圧波形の正電圧成分７６を生成するため、チェーンリンクコンバータ５６のモジュール６４の挿入コンデンサ６８の数を減少させてチェーンリンクコンバータ電圧を低下させることにより、出力電圧がゆっくりと上昇する。チェーンリンクコンバータ電圧の変化は、交流端子４４での出力電圧の段階的上昇において観察可能である。正電圧成分７６のピークでは、チェーンリンクコンバータ５６が迂回されて正直流電圧＋Ｖ_ＤＣ／２と等しいピーク値７４を発生させるか、または、直流リンクコンデンサ４８の正の直流電圧に付加される電圧を発生させる構成としてもよい。そのため、発生した正電圧成分７６は、所望であれば、直流リンクコンデンサ４８の正の直流電圧より高いピーク７４を有してもよい。

正弦電圧波形の正電圧成分７６の生成中において、第２経路部分５２の電圧は、出力電圧と、直流リンクコンデンサ４８の負端子での負の直流電圧−Ｖ_ＤＣ／２との差に等しい。

次に、出力電圧がゼロ７０に戻るまで、チェーンリンクコンバータ５６における合成電圧を制御することにより、出力電圧を段階的減少率で低下させるように第１経路部分５０のチェーンリンクコンバータ５６が制御される。

出力電圧がゼロ７０に戻ると、第２経路部分５２のスイッチング素子５４が閉じられて第１経路部分５０のスイッチング素子５４が開かれる前までは、第１経路部分５０のスイッチング素子５４は閉じられたままである。この一時的な重複期間により、いくつかのモジュール６４を直流リンクコンデンサ４８と直接に並列接続する方法が提供されるとともに、コンデンサ電圧レベルのドリフトをリセットする好適な方法が提供される。

１つの状態から他の状態への両方のスイッチング素子５４のスイッチング動作中に、両方の経路部分５０，５２のチェーンリンクコンバータ５６により提供される電圧によって、直流リンクコンデンサ４８の全電圧範囲Ｖ_ＤＣが抵抗を受ける。

第２経路部分５２のチェーンリンクコンバータ５６が−Ｖ_ＤＣ／２の電圧を提供するように制御されている間に、第１経路部分５０のチェーンリンクコンバータ５６は＋Ｖ_ＤＣ／２の電圧を提供するように制御される。その結果、スイッチング素子５４が１つの状態から他の状態にスイッチングする時に、第１および第２経路部分５０，５２のスイッチング素子５４にはゼロまたは最低電圧が生じる。経路部分５０，５２の各々のスイッチング素子５４における低電圧は、低スイッチング損失につながる。

第１経路部分５０のスイッチング素子５４が開いたままであり第２経路部分５２のスイッチング素子５４が閉じたままであることを除いて、正弦波形の負電圧成分７８の生成は正電圧成分７６の生成と類似しており、第２経路部分５２のチェーンリンクコンバータ５６のモジュール６４の挿入および迂回により、電圧波形の生成が行われる。

正弦電圧波形の負電圧成分７８の生成中において、第１経路部分５０の電圧は、出力電圧と、直流リンクコンデンサ４８の正端子における正の直流電圧＋Ｖ_ＤＣ／２との差に等しい。

経路部分のスイッチング素子５４が開状態にある時、スイッチング素子５４の定格電圧は、交流端子４４のピーク出力電圧と、同じ経路部分のチェーンリンクコンバータ５６の最大電圧性能との差である。例えば、ピーク出力電圧が＋Ｖ_ＤＣ／２である時、第２経路部分５２のスイッチング素子５４およびチェーンリンクコンバータ５６における電圧は、ピーク出力電圧と、直流リンクコンデンサ４８の負端子での負の直流電圧との差であるＶ_ＤＣに等しい。そのため、ピーク出力電圧が直流リンクコンデンサ４８の直流電圧を超えた場合に高い方のＶ_ＤＣの電圧レベルを維持できる電圧性能を第２経路部分５２が有していなければならない。

各経路部分５０，５２の電圧性能は、各チェーンリンクコンバータ５６の電圧性能と各スイッチング素子５４の定格電圧との組み合わせであり、必要であれば非対称的に分配されることもできる。

チェーンリンクモジュール６４の数を増加させること、または個々のコンデンサと半導体スイッチング素子５４の各々の電圧を上昇させることにより、各チェーンリンクコンバータ５６の電圧性能が最大となる。結果的に、チェーンリンクコンバータ５６の電圧性能がＶ_ＤＣに近づいた場合、必要とされるスイッチング素子５４の定格電圧が低下する構成としてもよい。スイッチング素子５４の定格電圧の低下は、交流送電網５８および／または直流リンクコンデンサ４８より低い、またはかなり低い電圧に耐え得るスイッチング素子５４の使用を可能にするため、ある用途においては好適である。

しかし、各経路部分５０，５２のチェーンリンクコンバータ５６に必要な電圧性能が低下するように、高い定格電圧を持つスイッチング素子５４が各経路部分５０，５２で用いられることも考えられる。これは、チェーンリンクコンバータ５６の各々のモジュール６４の数が減少して、静的同期補償装置３６のサイズおよび重量がかなり軽減されることを意味している。

本発明の実施形態では、交流端子４４での出力電圧が直流リンクコンデンサ４８の正および負端子での電圧レベルを超えるように、フルブリッジモジュール６４の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄが反対方向に電圧を提供するように構成されるとよい。この結果、静的同期補償装置３６の所与の定格電流に対する電力出力が大きくなる。

正または負の電圧を提供するフルブリッジモジュール６４の機能は、正電圧のみの代わりに正または負の電圧を提供するモジュール６４の組み合わせからチェーンリンクコンバータ５６の各々の電圧が発生されることを意味している。そのため、正電圧または負電圧の提供を交互に行うようにモジュール６４を制御することにより、個々のコンデンサ６８の電圧レベルが最適レベルに維持され得る。

二次補償装置経路４６が漏電して静的同期補償装置３６に高い漏電電流が流れる結果となる場合には、チェーンリンクコンバータ５６の一方または他方の各モジュール６４の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄが、フルブリッジモジュール６４を挿入して、交流送電網５８の駆動電圧に抵抗することで静的同期補償装置３６の漏電電流を減少させる電圧を提供するように作動する構成としてもよい。

例えば、直流リンクコンデンサ４８に短絡が生じると、正と負の両方の端子の電圧がゼロボルトまで低下する結果になる。これが起こると、高い漏電電流が、交流送電網５８から一次補償装置経路３８の第１経路部分５０を流れて、短絡回路と隣接の位相の第２経路部分５２とを通って交流送電網５８へ戻る。

短絡回路が低インピーダンスであることは、静的同期補償装置３６を流れる漏電電流が静的同期補償装置３６の定格電流を超えてもよいことを意味している。

交流送電網５８からの駆動電圧に抵抗することにより、漏電電流が最小化される構成としてもよい。これは、モジュール６４がそれぞれのチェーンリンクコンバータ５６へ挿入され、駆動電圧に抵抗してこれを低下させる電圧を提供するように各チェーンリンクモジュール６４の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄを構成することによって実行される。

各チェーンリンクコンバータ５６にフルブリッジモジュール６４が用いられる実施形態では、各モジュール６４が正または負の電圧を提供することが可能であって両方向に電流を伝導することができるため、各モジュール６４は交流駆動電圧に抵抗する電圧を提供することができる。

交流送電網５８における漏電の場合には、静的同期補償装置３６の出力電圧よりも低い値まで交流送電網５８の電圧が低下する構成としてもよい。これが起こった時には、コンバータから交流送電網５８の漏電箇所まで、高い漏電電流が流れる。モジュール６４がそれぞれのチェーンリンクコンバータ５６へ挿入され、交流送電網５８の現在の電圧と適合する電圧を提供して静的同期補償装置３６と交流送電網５８との間の電流の流れを防止するように、各チェーンリンクモジュール６４の二次スイッチング素子６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄを構成することにより、漏電電流が最小化される構成としてもよい。

図２に示されている静的同期補償装置３６は、多相交流送電網５８の１つの位相への接続に適している。

図７に示されているような他の実施形態では、静的同期補償装置３６が多数の一次補償装置経路３８を含み、各一次補償装置経路３８は、多相交流送電網５８の個々の位相への接続のための交流端子４４を含んでいる構成としてもよい。このような実施形態では、用意される一次補償装置経路３８の数は、交流送電網５８の位相の数に依存する。

三相交流送電網５８を備える静的同期補償装置３６の使用を可能にするため、図７に示されている静的同期補償装置３６は３本の一次補償装置経路３８を含んでいる。

各一次補償装置経路３８は、第１および第２直流端子４０，４２と交流端子４４とを含んでいる。各一次補償装置経路３８は第１および第２経路部分５０，５２も画定し、各経路部分５０，５２は、第１および第２直流端子４０，４２のうち１つの直流端子と交流端子４４との間でチェーンリンクコンバータ５６と直列接続されたスイッチング素子５４を含んでいる。

第１および第２経路部分５０，５２の各々のスイッチング素子５４は各交流端子４４に接続され、第１および第２経路部分５０，５２の各々のチェーンリンクコンバータ５６は第１および第２端子４０，４２にそれぞれ接続されている。

第１および第２経路部分５０，５２の各々のスイッチング素子５４とチェーンリンクコンバータ５６との間の直列接続は、他の実施形態において、交流端子４４と各直流端子４０，４２との間に逆の順序で接続されてもよいことを意味する。

各交流端子４４は、使用時に三相交流送電網５８の個々の位相に接続される。他の実施形態としては、１つ以上の変圧器６０および／または１つ以上の誘導子６２を介して、三相交流送電網５８の個々の位相に各交流端子４４が接続される構成としてもよい。

二次補償装置経路４６が一次補償装置経路３８と並列接続されるように、第１および第２直流端子４０，４２の間に二次補償装置経路４６が接続される。各第１直流端子４０は、＋Ｖ_ＤＣ／２の電圧がかかる直流リンクコンデンサ４８の正端子に接続され、Ｖ_ＤＣは直流リンクコンデンサ４８の直流電圧範囲である。各第２直流端子４２は、−Ｖ_ＤＣ／２の電圧がかかる直流リンクコンデンサ４８の負端子に接続される。

各一次補償装置経路３８の第１および第２経路部分５０，５２のスイッチング素子５４は、使用時に、当該の直流端子４０，４２と交流端子４４との間の回路において個々のチェーンリンクコンバータ５６のスイッチオン・オフを行うように動作可能である。三相電圧波形が生成されるように、各一次補償装置経路３８のチェーンリンクコンバータ５６は、個々の交流端子４４に電圧波形を生成するように動作可能である。

一次補償装置経路３８のスイッチング素子５４とチェーンリンクコンバータ５６との直列組み合わせの動作は、一次補償装置経路３８に接続された位相のみに直接の影響を及ぼし、他の一次補償装置経路３８に接続された位相に与える影響は限定的であるので、三相静的同期補償装置３６の制御は上記の単相静的同期補償装置３６の制御に類似している。

３６：静的同期補償装置、３８：一次補償装置経路、４０：第１直流端子、４２：第２直流端子、４４：交流端子、４６：二次補償装置経路、４８：直流リンクコンデンサ、５０：第１経路部分、５２：第２経路部分、５４：スイッチング素子、５６：チェーンリンクコンバータ、５８：交流送電網、６０：変圧器、６２：誘導子、６４：モジュール、６６ａ〜ｄ：二次スイッチング素子、６８：コンデンサ、７０：ゼロ、７４：ピーク、７６：正電圧成分、７８：負電圧成分

Claims (16)

1. 無効電力補償に使用するための静的同期補償装置（３６）であって、
   第１および第２直流端子（４０，４２）と使用時に交流送電網（５８）と接続されるための交流端子（４４）とを含む少なくとも一つの一次補償装置経路（３８）と、
   前記第１および第２直流端子の間に接続された少なくとも一つの直流リンクコンデンサ（４８）を含み、前記少なくとも一つの一次補償装置経路と並列接続された二次補償装置経路（４６）と、
   を備え、
   前記少なくとも一つの一次補償装置経路は、第１および第２経路部分（５０，５２）を画定し、
   各経路部分は、共通ポイントにおいて直列接続された少なくとも一つのスイッチング素子（５４）およびチェーンリンクコンバータ（５６）を含み、
   前記共通ポイントは前記スイッチング素子および前記チェーンリンクコンバータでのみ共有され、前記スイッチング素子および前記チェーンリンクコンバータは、前記第１および第２直流端子のうちの１つと前記交流端子との間に搭載され、
   前記第１および第２経路部分の前記スイッチング素子は、前記直流端子と前記交流端子との間の回路において前記当該チェーンリンクコンバータのスイッチオン・オフを行うように動作可能であり、
   前記チェーンリンクコンバータは、前記交流端子に電圧波形を発生させるように動作可能であることを特徴とする静的同期補償装置。
2. 前記二次補償装置経路（４６）は、直列接続された２個の直流リンクコンデンサを含み、前記２個の直流リンクコンデンサの間の接合部は、使用時にアース接続されることを特徴とする請求項１に記載の静的同期補償装置。
3. 前記二次補償装置経路は、センタータップを備える直流リンクコンデンサを含み、
   前記センタータップは、使用時にアース接続されることを特徴とする請求項１に記載の静的同期補償装置。
4. 各チェーンリンクコンバータは、各経路部分が回路でスイッチオフされた時に前記経路部分の電圧をオフセットする電圧を発生させることにより各スイッチング素子の電圧を最小にするように、動作可能であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
5. 前記経路部分の各々の前記チェーンリンクコンバータは、直列接続されたモジュール（６４）のチェーンを含み、
   各モジュールは、エネルギー蓄積素子と並列接続された少なくとも一対の二次スイッチング素子を含み、
   前記モジュールのチェーンは、前記二次スイッチング素子が段階的可変電圧ソースを画定するように、使用時に動作可能であることを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
6. 前記チェーンリンクコンバータの前記モジュールの各々は、二対の二次スイッチング素子（６６ａ，６６ｂ，６６ｃ，６６ｄ）を含み、当該二対の二次スイッチング素子はフルブリッジ方式で各エネルギー蓄積素子（６８）と並列接続されて、正または負電圧を提供するとともに両方向に電流を伝導することのできる４象限バイポーラモジュールを画定することを特徴とする請求項４に記載の静的同期補償装置。
7. 前記チェーンリンクコンバータの前記モジュールの各々は、一対の二次スイッチング素子を含み、当該一対の二次スイッチング素子はハーフブリッジ方式で各エネルギー蓄積素子と並列接続されて、正またはゼロ電圧を提供するとともに両方向に電流を伝導することのできる２象限モジュールを画定することを特徴とする請求項４に記載の静的同期補償装置。
8. 各エネルギー蓄積素子は、コンデンサ、燃料電池、電池、または関連の整流器を備える補助交流発電機を含むことを特徴する請求項５から７のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
9. 各経路部分の各スイッチング素子は、半導体素子を含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
10. 各経路部分の前記チェーンリンクコンバータは、少なくとも１つの半導体素子を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
11. 前記半導体素子の各々は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、ゲートターンオフサイリスタ、または統合ゲート整流サイリスタを含むことを特徴とする請求項９または１０に記載の静的同期補償装置。
12. 複数の一次補償装置経路を含み、
    各一次補償装置経路は、多相交流送電網の個々の位相へ使用時に接続されるための交流端子を含むことを特徴とする請求項１から１１のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
13. 前記二次補償装置経路または前記交流送電網における使用時の漏電により生じる電流の流れに抵抗する電圧を発生させるように、各経路部分の前記チェーンリンクコンバータが動作可能であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
14. 各経路部分において、前記チェーンリンクコンバータの定格電圧と前記スイッチング素子の各々の定格電圧とが等しいことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
15. 各経路部分において、前記チェーンリンクコンバータの定格電圧と前記スイッチング素子の各々の定格電圧とが等しくないことを特徴とする請求項１から１３のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。
16. 前記第１および第２経路部分の前記スイッチング素子は、前記チェーンリンクコンバータ素子の電圧のドリフトをリセットするのと同時に前記チェーンリンクコンバータを回路でスイッチオンするように動作可能であることを特徴とする請求項１から１５のいずれか一項に記載の静的同期補償装置。

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