JP7371545B2 - 電力変換装置およびその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関し、より詳細には、入力された直流電力を三相の商用交流電力に変換して出力する電力変換装置およびその制御方法に関する。

高圧および特別高圧の電力系統に接続される機器は、電力系統の高い電圧（例えば、３．３ｋＶまたは６．６ｋＶ）が半導体スイッチに印加される。高耐圧の半導体スイッチは、コストが高く、損失も大きいことから、低耐圧の半導体スイッチを用いたマルチセル電力変換装置が用いられる場合がある。

マルチセル電力変換装置は、低耐圧の半導体素子を用いた変換回路（例えば，単相２レベルフルブリッジインバータ等）で構成された変換器セルを複数備え、それぞれの変換器セルの出力端子を直列に接続することにより、低耐圧の半導体スイッチなどの部品を用いることができる。従って、単一の変換器セルにより高耐圧の半導体スイッチにより構成した電力変換装置と比較して、製造コストを削減することができる（例えば、特許文献１参照）。

マルチセル電力変換装置の適用例として、太陽光発電装置のＰＣＳ（Power Conditioning System）が知られており、変換セルを絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータと単相インバータとにより構成し、変圧器を大幅に小型化・軽量化することができる。ＰＣＳは、太陽光発電パネルから出力された直流電力を商用交流電力に変換するだけでなく、電力系統（高圧または特別高圧）と系統連系することができる。系統連系する場合には、瞬時電圧低下が発生しても、運転を継続することが義務付けられている。しかしながら、一相短絡や二相短絡などにより電力系統の電圧が瞬時に不平衡に低下した場合、瞬時電圧低下の期間中、電力変換装置の出力電流によっては逆相電力を流す場合がある。例えば、電力系統が不平衡になっている場合、系統への出力電流が三相平衡のままだと各相の電力が不平衡となるため逆相電力が必要となる。

特許第６４９６６０８号公報 特許第５５３７２３５号公報

図１に、電力系統の電圧が三相不平衡の状態で電力変換装置から三相平衡電流を流した際の出力電力を示す。一例として、電力系統の電圧が三相不平衡の状態（図１（ａ））で三相平衡の交流電流を出力する（図１（ｄ））場合について説明する。

電力系統の電圧の相回転が正方向の電圧成分（図１（ｂ））を、

とし、相回転が逆方向の電圧成分（図１（ｃ））を、

とする。前者は対象座標上における正相電圧、後者は逆相電圧である。ここでは対象座標上における零相電圧はないものとする。電力系統に流れる三相平衡の交流電流（図１（ｄ）、正相成分のみ）は、

である。

電力系統に出力される電力の平衡分である正相電力（図１（ｅ））は、正相電圧と正相電流の積であるのに対し、不平衡分である逆相電力（図１（ｆ））は、逆相電圧と正相電流の積（および正相電圧と逆相電流の積）となる。この場合，電力系統に流入する電力は正相電力に加え，逆相電力を含んだ波形となる（図１（ｇ））。

この逆相電力を発生させないために、各相の出力電力が平衡になるように三相電流を不平衡にすると、電圧低下と電圧不平衡率によっては過電流となり、電力系統側の機器に影響を与える可能性がある。そのため，過電流の問題を考慮すると、三相平衡電流を流すことが望ましい。

図２に、従来のマルチセル電力変換装置を概略の構成を示す。マルチセル電力変換装置１０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各々の相ごとに、複数の変換器セルからなるクラスタ１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗを備えている。各クラスタの入力端子が並列に接続され、太陽光発電装置、蓄電池などの直流電源に接続されている。各クラスタの出力端子は、Ｙ結線（スター結線）方式で電力系統１４に接続されている。各々の変換器セルは、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである直流－直流変換器１２と、単相インバータである直流－交流変換器１３とが縦続接続されている。各々の変換器セルの入力端子が並列に接続され、出力端子が直列に接続されて、電力系統１４の１つの相に接続されている。

マルチセル電力変換装置１０が逆相電力を出力する場合、各クラスタへの入力電力が均等に流入する（例えば、２００ｋＷ）のに対して、各クラスタからの出力電力は不平衡となるため（正相電力と逆相電力の和）、各クラスタの入出力電力の平均値に不一致が生じる。この入出力電力の差分は、各変換器セルのコンデンサに充放電される。入出力電力の差分の平均が０であれば、コンデンサ電圧は、電力脈動によるリプルを含みつつある一定の値となる。しかしながら、入出力電力の差分の平均が０でない場合、すなわち入力電力平均値と出力電力平均値とが一致していない場合には、各クラスタに含まれる変換器セルのコンデンサ電圧が継続的に上昇または低下する。

そこで、各クラスタの出力端子をΔ結線（デルタ結線）方式で電力系統に接続し、循環電流により逆相電力を補償することが知られている（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、Δ結線方式の場合、電力系統１４の線間電圧（例えばＵＶ相間）が直列接続した変換器セルに印加されるのに対し、Ｙ結線方式では、電力系統１４の相電圧（例えばＵ相）が直列接続した変換器セルに印加される。このため、変換器セルの段数が同じであるとすると、Δ結線方式は、Ｙ結線方式に比べて、印加電圧が３^1/2倍となって、適用素子に要求される耐圧が高くなってしまい、装置コストの増加を招くという問題があった。

本発明の目的は、Ｙ結線方式で電力系統に接続することができ、逆相電力を補償することができる電力変換装置およびその制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、直流電力から三相交流電力または三相交流電力から直流電力のいずれかに変換する電力変換装置であって、 各々の相ごとに少なくとも１つの変換器セルからなるクラスタであって、前記変換器セルの直流側の端子が並列に接続され、前記変換器セルの交流側の端子がスター結線方式で電力系統に接続されるクラスタと、前記電力系統側の逆相電力に合わせて各相の前記クラスタの直流電力を不均等にする相間電力制御部とを備えたことを特徴とする。

本発明によれば、Ｙ結線方式で電力系統に接続し、各クラスタへの直流側の入力電力に不平衡分を加えることにより、各変換器セルのコンデンサ電圧の継続的な上昇もしくは減少を起こさずに、逆相電力を補償することができるので、電力変換装置の信頼性を保ちつつコストを低減することが可能となる。

電力系統の電圧が三相不平衡の状態で電力変換装置から三相平衡電流を流した際の出力電力を示す図である。 従来のマルチセル電力変換装置を概略の構成を示す図である。 本発明の一実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す図である。 本実施形態のマルチセル電力変換装置の制御系を示す図である。 本実施形態の正相逆相分離部の構成を示す図である。 第１の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す図である。 第２の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す図である。 第３の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す図である。 第４の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（マルチセル電力変換装置）
図３に、本発明の一実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す。マルチセル電力変換装置２０は、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各々の相ごとに、複数の変換器セルからなるクラスタ２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗを備えている。各クラスタの直流側の入力端子が並列に接続され、太陽光発電装置、蓄電池などの直流電源に接続されている。各クラスタの交流側の出力端子は、Ｙ結線方式で電力系統２４に接続されている。各々の変換器セルは、絶縁ＤＣ／ＤＣコンバータである直流－直流変換器２２と、単相インバータである直流－交流変換器２３とが縦続接続されている。各々の変換器セルの直流側の入力端子が並列に接続され、交流側の出力端子が直列に接続されて、電力系統２４の１つの相に接続されている。本実施形態では、直流側を入力とし、交流側を出力として説明するが、直流側に蓄電池を接続することもでき、交流側の電力系統から直流側に電力を伝送することもできる。

直流－直流変換器２２は、直流電力を高周波の交流電力に変換するインバータ回路ＩＮ１と、この交流電力出力を所定の交流電圧に変成する高周波変圧器Ｔと、変成された交流電力を所定の電圧の直流電力に変換するトランジスタで構成されたコンバータ回路ＣＮ１とにより構成されている。この直流電力出力を平滑するためのコンデンサＣ１を介して、直流－交流変換器２３が接続されている。直流－交流変換器２３は、直流電力を交流電力に変換するトランジスタブリッジで構成されたインバータ回路ＩＮ２からなる。

本実施形態では、各クラスタからの出力電力が不平衡となる（正相電力と逆相電力の和）場合に、交流側の逆相電力に応じて、各クラスタの直流側の入力電力の分配を調整する。入力電力の分配は、クラスタ間のみで調整し、同じクラスタに含まれる変換器セルへの入力電力は均等に分配しておく。

ここで、電力系統の正相電圧、逆相電圧、正相電流および逆相電流を下記に示す。

この時、各相の正相電力は、

となり、各相の逆相電力は、下記の通りとなる。

例えば、

とすると、各相の正相電力と逆相電力は以下のようになる。

図３に示したように、各クラスタへの直流側の入力電力に不平衡分を加えることにより、各クラスタの入力電力の平均値と出力電力の平均値とが一致して、逆相電力を補償することができる。また、各クラスタの入力電力の平均値と出力電力の平均値とが一致しているので、各クラスタに含まれる変換器セルのコンデンサ電圧が一定に保たれる。

図４に、本実施形態のマルチセル電力変換装置の制御系を示す。各クラスタの入力電力の分配を調整するために、マルチセル電力変換装置２０は、相間電力制御部３１と正相逆相分離部３２とを備えている。正相逆相分離部３２は、系統電圧と系統電流の測定結果から、式（１）に示した正相電圧、逆相電圧、正相電流、逆相電流を分離する。相間電力制御部３１は、正相逆相分離部３２の出力から各クラスタの逆相電力（式（３））を求め、逆相電力と直流バス電圧とから各クラスタの電流補正値を算出する。制御部３３からの電流指令は、各クラスタに均等に送出されるが、これに相間電力制御部３１からの電流補正値を加えて、各クラスタへの入力電力を調整する。

図５に、本実施形態の正相逆相分離部の構成を示す。測定された系統電圧と系統電流のそれぞれを、ａｂｃ相からｄｑ軸変換を行い、正相分と逆相分に分離して、正相電圧、逆相電圧、正相電流および逆相電流を算出する。

（第１の実施形態）
図６に、第１の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す。相間電力制御部３１は、正相逆相分離部３２の出力である正相電流と逆相電圧とを乗算し、逆相電流と正相電圧とを乗算し、２つの乗算結果を合算して、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各々の相ごとに、式（３）の逆相電力Ｐ_UN，Ｐ_VN，Ｐ_WNを算出する。この逆相電力を直流側の端子間電圧である直流バス電圧の測定結果により除算して、各クラスタ２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗに与える電流指令の電流補正値を算出する。電流補正値は、図３に示した入力電力に加えられる不平衡分に相当する。

マルチセル電力変換装置の制御部３３からの電流指令は、各クラスタに均等に配分される。この各クラスタに与えられる電流指令に、それぞれ電流補正値を加えることにより、各クラスタの入力電力に、逆相電力に応じた不平衡分を加える。

（第２の実施形態）
図７に、第２の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す。式（１）中の逆相電力には、いずれも振動成分（３０ｋＷ×ｃｏｓ２ωｔ）を含んでいるので、振動成分除去部３４において、下式

により求めた振動成分を、各クラスタに加える電流補正値から差し引くこともできる。

（第３の実施形態）
図８に、第３の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す。第１および第２の実施形態では、直流－直流変換器２２に対する電流指令に補正値を加えて、入力電力に不平衡分を加えることにより、逆相電力を補償した。第３の実施形態では、直流－交流変換器２３に対するフィードバック制御において、各クラスタ２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗに与える電圧指令に対して補正値を加える。

制御部４１は、直流－交流変換器２３の各変換器セルの平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を測定し、全セルのコンデンサ電圧の平均値に基づいて電圧指令を算出する。電圧指令は、各クラスタに均等に配分され、この電圧指令に、それぞれ電流補正値を加えることにより、各クラスタの入力電力を調整する。なお、各クラスタ（各相）のコンデンサ電圧の平均値、すなわち相平均値に基づいて相電圧指令を算出し、段間バランス制御を行い、各クラスタへのセル電圧指令を算出することもできる。このとき、クラスタごとのセル電圧指令のそれぞれに、上記の電流補正値を加える。

また、第３の実施形態では、相間バランス制御部４２において、相平均値を全セル平均値に近づける相間バランス制御を行う。相間バランス制御は、各クラスタ、各変換器セルにおける容量のばらつき、検出誤差、スイッチングに伴うコンデンサ電圧の変動を補正するための制御である。

一方、相間電力制御部３１による制御は、フィードフォワード制御であり、直流－交流変換器２３が出力しようとする逆相電力に合わせて、直流－直流変換器２２から逆相電力分相当の電力を供給させる。クラスタごとに見れば、直流－直流変換器２２から供給される平均電力と直流－交流変換器２３から供給される平均電力とが一致し、コンデンサ電圧は一定になるので、相間電力制御と相間バランス制御とは別個に制御することができる。

（第４の実施形態）
図９に、第４の実施形態にかかる相間電力制御部の構成を示す。第３の実施形態では、制御部４１は、直流－交流変換器２３の各変換器セルの平滑コンデンサＣ１の端子間電圧を測定し、フィードバック制御を行って、各クラスタへのセル電圧指令を送出し、相間バランス制御部４２において、相平均値を全セル平均値に近づける相間バランス制御を行っていた。

第４の実施形態では、この相間バランス制御を用いて、各クラスタの入力電力に、逆相電力に応じた不平衡分を加える。すなわち、逆相電力に伴う平滑コンデンサＣ１の変動を抑えるように、各クラスタに与えられる電流指令に、それぞれ電流補正値を加える。相間バランス制御部５１では、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧の相平均値と全セル平均値から電流補正値を算出することにより、直流－交流変換器２３から供給される平均電力に対し直流－直流変換器２２から供給される平均電力を一致させる。これにより、各変換器セルのコンデンサ電圧の継続的な上昇もしくは減少を起こさずに、逆相電力を補償することができる。

相間バランス制御部５１は、逆相電力に伴うコンデンサ電圧変動から、間接的に各相に分配する電力を求めていることになるから、相間電力制御部３１による制御を兼ねることができる。ただし、ＰＩ制御によるため、系統電圧の瞬時的な電圧低下など外乱の瞬間的な変化に追従できない可能性があるが、定常的な変動には対応することができる。

本実施形態によれば、Ｕ，Ｖ，Ｗ相の各々の相ごとに、少なくとも１の変換器セルからなるクラスタを備え、変換器セルの直流側の端子が並列に接続された電力変換装置において、変換器セルの交流側の端子をＹ結線方式で電力系統に接続することができ、平滑コンデンサの端子間電圧を維持しつつ逆相電力を出力できるため、電力変換装置の信頼性を保ちつつコストを低減することができる。

（他の実施形態）
第１～第３の実施形態では、直流－直流変換器２２として、ＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータを例にして説明したが、ＬＬＣコンバータを適用してもよい。

本実施形態では、ＰＣＳに適用されるような、入力された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置について説明した。双方向に電力変換できることは明らかであるから、例えば、高圧の系統交流電源（６６００Ｖ）から、通信機器室内の通信機器に供給する直流電力（－４８Ｖ）を供給する電力変換装置に適用することができる。

１０，２０ マルチセル電力変換装置
１１Ｕ，１１Ｖ，１１Ｗ，２１Ｕ，２１Ｖ，２１Ｗ クラスタ
１２，２２ 直流－直流変換器
１３，２３ 直流－交流変換器
１４，２４ 電力系統
３１ 相間電力制御部
３２ 正相逆相分離部
３３，４１ 制御部
３４ 振動成分除去部
４２，５１ 相間バランス制御部
ＣＮ１，ＣＮ２ コンバータ回路
ＩＮ１，ＩＮ２ インバータ回路
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサＣａ
Ｔ 高周波変圧器

Claims (7)

1. 直流電力から三相交流電力または三相交流電力から直流電力のいずれかに変換する電力変換装置であって、
   各々の相ごとに少なくとも１つの変換器セルからなるクラスタであって、前記変換器セルの直流側の端子が並列に接続され、前記変換器セルの交流側の端子がスター結線方式で電力系統に接続されるクラスタと、
   前記電力系統側の逆相電力に合わせて各相の前記クラスタの直流電力を不均等にする相間電力制御部と
   を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記電力系統の系統電圧と系統電流を測定し、正相電圧、逆相電圧、正相電流および逆相電流を算出する正相逆相分離部を備え、
   前記相間電力制御部は、前記正相電圧、前記逆相電圧、前記正相電流および前記逆相電流から前記逆相電力を算出し、直流側の端子間電圧で除算して電流補正値を算出して、各相の前記クラスタへの電流指令に加えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記逆相電力の振動成分を、前記電流補正値から減算する振動成分除去部をさらに備えたことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記変換器セルの直流電圧を測定する手段と、
   前記クラスタ内の前記変換器セルの直流電圧の相平均値を、全ての前記変換器セルの直流電圧の全セル平均値に近づける制御を行う相間バランス制御部と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記変換器セルの直流電圧を測定する手段を備え、
   前記相間電力制御部は、測定された直流電圧から電流補正値を算出して、各相の前記クラスタへの電流指令に加えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
6. 直流電力から三相交流電力または三相交流電力から直流電力のいずれかに変換する電力変換装置であって、各々の相ごとに少なくとも１つの変換器セルを含み、前記変換器セルの直流側の端子が並列に接続され、前記変換器セルの交流側の端子がスター結線方式で電力系統に接続されたクラスタを含む電力変換装置の制御方法において、
   前記電力系統の系統電圧と系統電流を測定し、逆相電力を算出するステップと、
   前記逆相電力に合わせて各相の前記クラスタの直流電力の不均等分に相当する電流補正値を算出するステップと、
   各相の前記クラスタへの電流指令に前記電流補正値を加えるステップと
   を備えたことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
7. 前記逆相電力の振動成分を、前記電流補正値から減算する振動成分除去ステップをさらに備えたことを特徴とする請求項６に記載の電力変換装置の制御方法。

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