JP6747756B2

JP6747756B2 - 電力変換システム

Info

Publication number: JP6747756B2
Application number: JP2016137999A
Authority: JP
Inventors: 憲一朗佐野; 俊明菊間; 直樹宜保
Original assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Current assignee: Central Research Institute of Electric Power Industry
Priority date: 2016-07-12
Filing date: 2016-07-12
Publication date: 2020-08-26
Anticipated expiration: 2036-07-12
Also published as: JP2018011405A

Description

本発明は、交流系統に連系した他励式変換器により生じる高調波を抑制することができる電力変換システムに関する。

従来、交流系統に連系する他励式変換器により発生した高調波が徐々に拡大したあとに持続する事象（高調波不安定現象とも呼ばれる）が知られている。当該事象は、交流系統に特定高調波次数の並列共振点が存在する場合に生じる。

このような高調波不安定現象を回避するために、様々な解決手段が提案されている。例えば、交流系統に調相用コンデンサを備えた調相設備を設け、当該調相設備の投入・開放により並列共振点をずらすことで高調波の発生を抑制することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。他にも、交流系統に同期調相機を連系させることで高調波不安定現象を回避することも提案されている。

しかしながら、交流系統に調相設備を設ける場合は、調相設備の運用に制約が生じうる。例えば、調相設備は無効電力補償のために設けられているが、これを高調波の発生を抑制するために用いると、無効電力補償が行えなくなる。また、交流系統に同期調相機を設ける場合は、同期調相機を稼動させる際に損失が生じ、またそのメンテナンスが必要となる。

特開２００１−３７０８３号公報

本発明は、このような事情に鑑み、調相用コンデンサの運用制約を生じることなく、また同期調相機を用いずに、高調波不安定現象を回避することができる電力変換システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するための第１の態様は、二つの交流系統間に連系される他励式変換器と、二つの前記交流系統の一方又は両方に連系される自励式変換器と、二つの前記交流系統のそれぞれに接続された交流フィルタ及び調相用コンデンサと、を備え、前記自励式変換器は、前記交流系統に接続される自励式の電力変換器と、前記交流系統の電圧値及び無効電力値に基づいて第１の電流指令値を算出する制御部と、前記交流系統の高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する第２の電流指令値を出力するアクティブフィルタとを備え、前記制御部は、前記電力変換器から前記交流系統に出力される電流が、前記第１の電流指令値に前記第２の電流指令値を重畳した値に追従するように前記電力変換器への電圧指令値を算出することを特徴とする電力変換システムにある。

第１の態様では、交流系統に連系した他励式変換器により生じる高調波を抑制し、高調波不安定現象を回避し、安定した運転を可能とすることができる。また、交流系統に接続された調相用コンデンサを高調波の抑制のために適用することがないので、調相用コンデンサの運用に制約を生じさせることがない。さらに、交流系統に同期調相機を要しないので、それを稼動させる損失を回避し、メンテナンスを不要とすることができる。

本発明の第２の態様は、第１の態様に記載する電力変換システムにおいて、前記アクティブフィルタは、前記交流系統の交流電圧から高調波電圧成分を検出するハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを備え、当該高調波電圧成分に所定のゲインを乗じることにより、当該高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する前記第２の電流指令値を出力することを特徴とする電力変換システムにある。

第２の態様では、ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタにより高調波電圧を抽出し、当該高調波電圧成分に所定のゲインを乗じることにより、当該高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する第２の電流指令値を出力することができる。

本発明の第３の態様は、第２の態様に記載する電力変換システムにおいて、前記ゲインは、高調波不安定現象が回避されるような値が設定されていることを特徴とする電力変換システムにある。

第３の態様では、上記ゲインを設定することで、高調波不安定現象を回避するための第２の電流指令値を算出することができる。

本発明によれば、調相用コンデンサの運用制約を生じることなく、また同期調相機を用いずに、他励式変換器の高調波不安定現象を回避することができ、電力変換システムの安定的な運転を実現できる。

実施形態１に係る電力変換システムの概略図である。実施形態１に係る自励式変換器のブロック図である。電圧Ｖ_ｓｙｓ、電流ｉ_ｌｃｃ＋ｉ_ａｃｆ、出力電流ｉ_ｖｓｃの関係を示すグラフである。電圧Ｖ_ｓｙｓ、電流ｉ_ｌｃｃ＋ｉ_ａｃｆ、出力電流ｉ_ｖｓｃの関係を示すグラフである。

〈実施形態１〉
図１は本実施形態に係る電力変換システムの概略図である。同図に示すように、電力変換システム１０は、自励式変換器ＶＳＣと、他励式変換器ＬＣＣとを備えている。

他励式変換器ＬＣＣは、一般的な他励式の電力変換装置であり、二つの交流系統間（交流系統Ａ、交流系統Ｂ）に連系している。また、自励式変換器ＶＳＣは、交流系統Ａに連系している。

交流系統Ａには、交流フィルタＡＣＦ１、調相用コンデンサＣ１が接続され、交流系統Ｂには、交流フィルタＡＣＦ２、調相用コンデンサＣ２が接続されている。これらの交流フィルタＡＣＦ１、ＡＣＦ２及び調相用コンデンサＣ１、Ｃ２は、他励式変換器ＬＣＣにより発生する高調波電流を抑制するために用いられる。

また、交流系統Ａの交流母線は、電圧源及び短絡リアクタンス（ＡＣＧｒｉｄ）が接続されており、交流系統Ｂの交流母線には、電圧源及び短絡リアクタンス（ＡＣＧｒｉｄ）が接続されている。電圧源及び短絡リアクタンスにより、交流系統Ａ及び交流系統Ｂのそれぞれの交流母線における短絡容量が模擬されている。

なお、他励式変換器ＬＣＣ、自励式変換器ＶＳＣ、調相用コンデンサＣ１及び調相用コンデンサＣ２は、図示しない変圧器を介して交流系統Ａの交流母線や交流系統Ｂの交流母線に連系している。

また、交流系統Ａの交流母線の電圧をＶ_ｓｙｓ、交流系統Ａの背後電圧をＶ_ｓ、交流系統Ａの交流母線における短絡リアクタンスをＬ_ａｃ、交流フィルタＡＣＦ１を通過した後の他励式変換器ＬＣＣの出力電流をｉ_ｌｃｃ＋ｉ_ａｃｆ、自励式変換器ＶＳＣからの出力電流をｉ_ｖｓｃ、自励式変換器ＶＳＣの接続端から非接続端への電力潮流をＰ_ｌｃｃとする。

図２を用いて、自励式変換器ＶＳＣの詳細な構成について説明する。図２は本実施形態に係る自励式変換器のブロック図である。

本実施形態の自励式変換器ＶＳＣは、交流系統Ａに接続される自励式の電力変換器２０と、電力変換器２０を制御する制御部３０と、アクティブフィルタ４０とを備えている。

電力変換器２０は、電圧型の自励式変換器である。電力変換器２０は、制御部３０から３相交流のそれぞれについて電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊が与えられ、それらに応じた交流電圧を交流系統Ａに出力する。そして、これらの電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に基づいた交流電圧によって、交流系統Ａに電流ｉ_ｖｓｃが出力される。

制御部３０は、無効電力制御（ＡＱＲ）と直流電圧制御（ＤＣＡＶＲ）を行い、電力変換器２０から交流系統Ａに出力される電流が電流指令値ｉ_ｑ ^＊、ｉ_ｄ ^＊に追従するように電力変換器２０への電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を出力する。具体的には、制御部３０は、交流系統Ａの無効電力を検出する検出器（図示せず）から無効電力値ｑ_ａｃを得て、無効電力値ｑ_ａｃと無効電力指令値ｑ_ａｃ ^＊の偏差がゼロとなるような制御値を求め、当該制御値に所定のゲインＫ_ａｑｒを乗じることで電流指令値ｉ_ｑ ^＊を求める。

また、制御部３０は、交流系統Ａの電圧を検出する検出器（図示せず）から電圧値Ｖ_ｄｃを得て、電圧値Ｖ_ｄｃと電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊との偏差がゼロとなるような制御値を求め、当該制御値に所定のゲインＫ_{ｄｃａｖｒ}を乗じることで電流指令値ｉ_ｄ ^＊を求める。なお、これらの二つの電流指令値ｉ_ｑ ^＊、ｉ_ｄ ^＊は、請求項の第１の電流指令値に相当する。

さらに、制御部３０は、非干渉電流制御器３１（ＡＣＲ）を備えている。非干渉電流制御器３１は、交流系統Ａの電流を検出する検出器（図示せず）からｄ軸の電流値ｉ_ｄを得て、電流値ｉ_ｄと電流指令値ｉ_ｄ ^＊との偏差がゼロとなるような電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊を出力する。同様に、非干渉電流制御器３１は、交流系統Ａの電流を検出する検出器（図示せず）からｑ軸の電流値ｉ_ｑを得て、電流値ｉ_ｑと電流指令値ｉ_ｑ ^＊との偏差がゼロとなるような電圧指令値Ｖ_ｑ ^＊を出力する。

非干渉電流制御器３１により出力された電圧指令値Ｖ_ｄ ^＊、Ｖ_ｑ ^＊は、逆ｄｑ変換器３２により、電圧指令値Ｖ_ｕ ^＊、Ｖ_ｖ ^＊、Ｖ_ｗ ^＊に変換され、電力変換器２０へ出力される。

アクティブフィルタ４０を機能させない場合、自励式変換器ＶＳＣは、従来の自励式変換器と同様の動作をする。すなわち、制御部３０により、電圧指令値Ｖ_ｄｃ ^＊、無効電力指令値ｑ_ａｃ ^＊に対応した電流ｉ_ｖｓｃが交流系統Ａに出力されるようになっている。

本実施形態のアクティブフィルタ４０は、ｄｑ変換器４１と、ハイパスフィルタ４２ｄ、４２ｑと、ゲインＫ_ａｆとから構成されている。

ｄｑ変換器４１は、交流系統Ａの各相の電圧を検出する検出器（図示せず）から電圧値Ｖ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗを得て、これらを基本波位相に基づいてｄｑ変換し、電圧値Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑを出力する。これによりＶ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗの基本波周波数成分は、Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑにおいては直流量に変換される。

ハイパスフィルタ４２ｄは、電圧値Ｖ_ｄから高調波電圧成分を抽出する。同様にハイパスフィルタ４２ｑは、電圧値Ｖ_ｑから高調波電圧成分を抽出する。具体的には、カットオフ周波数を例えば５Ｈｚとしたハイパスフィルタ４２ｄ、４２ｑを用いる。

ハイパスフィルタの代わりに、特定の高調波電圧を抽出する、バンドパス（帯域通過）フィルタを用いても良い。例えば基本波成分が５０ＨｚであるＶ_ｕ、Ｖ_ｖ、Ｖ_ｗの第２次高調波電圧成分は、Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑにおいては５０Ｈｚに変換されるため、具体的には、通過帯域を例えば４５〜５５Ｈｚとしたバンドパスフィルタを用いる。

ハイパスフィルタ４２ｄ、４２ｑから出力された高調波電圧成分は、所定のゲインＫ_ａｆが乗じられる。電圧指令値Ｖ_ｄ、Ｖ_ｑの高調波電圧成分にゲインＫ_ａｆを乗じた値は、高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する請求項の第２の電流指令値に相当する。

制御部３０は、電圧指令値Ｖ_ｄから出力された高調波電圧成分にゲインＫ_ａｆを乗じた第２の電流指令値を、電流指令値ｉ_ｄ ^＊に重畳する。同様に、制御部３０は、電圧指令値Ｖ_ｑから出力された高調波電圧成分にゲインＫ_ａｆを乗じた第２の電流指令値を、電流指令値ｉ_ｑ ^＊に重畳する。

ゲインＫ_ａｆの逆数である１／Ｋ_ａｆは、抵抗値に対応する。このような制御部３０により、自励式変換器ＶＳＣは、交流系統Ａの基本波周波数に対しては応答せず、高調波の周波数に対しては抵抗として作用する。ゲインＫ_ａｆは、高調波不安定現象が回避されるような値を設定する。具体的には、交流系統Ａの並列共振周波数におけるインピーダンスが、他励式変換器の等価インピーダンスを上回る場合に高調波不安定現象が発生するため、これを下回るような値を設定する。例えば、他励式変換器ＬＣＣの等価インピーダンスが５００Ωの場合には、１／Ｋ_ａｆを３３０Ω、つまりＫ_ａｆを０．００３Ｓと設定する。もしくは実験又は計算機シミュレーションにより、試行錯誤的に高調波不安定現象が回避されるような値を設定しても良い。

このような自励式変換器ＶＳＣが交流系統Ａに接続されることにより、交流系統Ａの並列共振点におけるインピーダンスが低減される。これにより、自励式変換器ＶＳＣが交流系統Ａに出力する電流ｉ_ｖｓｃは、高調波成分を打ち消すような波形となる。

図１及び図２に示す構成の電力変換システムに、表１に示すパラメータを適用し、瞬時値シミュレーションを実行した。図３及び図４はこのシミュレーション結果より得られた電圧Ｖ_ｓｙｓ、電流ｉ_ｌｃｃ＋ｉ_ａｃｆ、自励式変換器ＶＳＣからの出力電流ｉ_ｖｓｃの関係を示すグラフである。図３は自励式変換器のアクティブフィルタを運転させない場合であり、図４は自励式変換器のアクティブフィルタを運転させた場合のグラフである。横軸は時間であり、縦軸は電圧又は電流である。

図３に示すように、アクティブフィルタ４０を含む自励式変換器ＶＳＣが運転していないときは、電流ｉ_ｖｓｃはゼロである。このとき、電圧Ｖ_ｓｙｓや電流ｉ_ｌｃｃ＋ｉ_ａｃｆに示すように、他励式変換器ＬＣＣから１００Ｈｚ及び３２０Ｈｚの高調波電流が流出していることが確認できる。実際の電力変換システムでは、設備への障害を防ぐために他励式変換器ＬＣＣの運転が停止される。

一方、アクティブフィルタ４０を含む自励式変換器ＶＳＣが運転しているときは、自励式変換器ＶＳＣは、交流系統Ａの基本周波数付近である４５〜５５Ｈｚに対しては応答せず、その他の周波数に対しては等価的に１／Ｋ_ａｆ＝３３０Ωの抵抗として作用する。

したがって、図４に示すように、自励式変換器ＶＳＣから出力される電流ｉ_ｖｓｃは高調波電流を打ち消すような波形となっている。これにより、電圧Ｖ_ｓｙｓや電流ｉ_ｌｃｃ＋ｉ_ａｃｆにおける１００Ｈｚ及び３２０Ｈｚの高調波電流の影響が大幅に低減される。

以上に説明したように、本実施形態の電力変換システム１０によれば、他励式変換器ＬＣＣにより生じた高調波を抑制し、高調波不安定現象を回避することができる。また、電力変換システム１０では、高調波の抑制のために調相用コンデンサＣ２を適用することがないので、調相用コンデンサの運用に制約を生じさせることがない。さらに、電力変換システム１０では、同期調相機を要しないので、それを稼動させる損失を回避し、メンテナンスを不要とすることができる。

また、図４に示した例では、無効電力指令値ｑ_ａｃ ^＊をゼロとしたので、電流ｉ_ｖｓｃは、アクティブフィルタ４０からの指令値に基づいた波形となっているが、このような態様に限定されない。例えば、自励式変換器ＶＳＣは、従来の基本波無効電力補償装置と同様の動作をすると共に、さらにアクティブフィルタ４０による電流指令値を重畳する態様でもよい。このような態様の自励式変換器ＶＳＣを、他励式変換器ＬＣＣを用いた既設の電力変換システムに連系させることで、既設の他励式変換器ＬＣＣの高調波不安定現象を回避し、安定した運転を可能とできる。

なお、上述した電力変換システム１０では、ハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタと、ゲインとから構成されたアクティブフィルタ４０を用いたが、このような構成に限定されない。アクティブフィルタ４０は、交流系統Ａの高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する第２の電流指令値を出力することが可能な構成であればよい。アクティブフィルタがそのような第２の電流指令値を出力することで、自励式変換器ＶＳＣから高調波不安定現象を回避できる電流を交流系統に出力できる。

また、自励式変換器ＶＳＣは、一つの交流系統Ａに連系していたが、二つの交流系統Ａ、交流系統Ｂに連系する構成としてもよい。

１０…電力変換システム、２０…電力変換器、３０…制御部、４０…アクティブフィルタ、４２ｄ、４２ｑ…ハイパスフィルタ

Claims

二つの交流系統間に連系される他励式変換器と、
二つの前記交流系統の一方又は両方に連系される自励式変換器と、
二つの前記交流系統のそれぞれに接続された交流フィルタ及び調相用コンデンサと、を備え、
前記自励式変換器は、
前記交流系統に接続される自励式の電力変換器と、
前記交流系統の電圧値及び無効電力値に基づいて第１の電流指令値を算出する制御部と、
前記交流系統の高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する第２の電流指令値を出力するアクティブフィルタとを備え、
前記制御部は、
前記電力変換器から前記交流系統に出力される電流が、前記第１の電流指令値に前記第２の電流指令値を重畳した値に追従するように前記電力変換器への電圧指令値を算出する
ことを特徴とする電力変換システム。
請求項１に記載する電力変換システムにおいて、
前記アクティブフィルタは、前記交流系統の交流電圧から高調波電圧成分を検出するハイパスフィルタ又はバンドパスフィルタを備え、当該高調波電圧成分に所定のゲインを乗じることにより、当該高調波電圧成分と同位相で振幅が比例する前記第２の電流指令値を出力する
ことを特徴とする電力変換システム。
請求項２に記載する電力変換システムにおいて、
前記ゲインは、高調波不安定現象が回避されるような値が設定されている
ことを特徴とする電力変換システム。