JP3784541B2

JP3784541B2 - 交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法およびこの方法に用いるインバータ

Info

Publication number: JP3784541B2
Application number: JP20958698A
Authority: JP
Inventors: ヘルベルト・シュテムラー
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-24
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: WO1999007055A1; CN1216875A; JPH11127540A; BR9811588A; DE59801541D1; AR009894A1; ES2165176T3; AU745284B2; US6130524A; AU8330198A; EP0998777A1; ZA986705B; CA2298784A1; EP0998777B1; CN1132284C

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電力電子技術の技術分野に関するものであり、グリッドシステムに、無効電力を供給する方法、特に、グリッドシステムの少なくとも１つの線路がそのために生成された補償電圧を有し、該補償電圧が上記線路を流れる電流に対して位相シフトされて該線路に供給されるような、無効電力の供給方法に関するものである。この発明は、さらに、このような方法に用いるインバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電力伝送システムにおいて、グリッド内で相互接続される電送線のインピーダンス関係によって、いかなる制御方法にもよらず、電力の流れの配分が決定される。伝送線の電気的な実効インピーダンスは、直列電圧を印加することによって、無効電力を注入するための直列補償装置を用いることにより、変化させ得るものである。この測定は、接続点間の複合的な電位差を変化させ、延いては線路を流れる電力を変化させる。直列補償は、線路における負荷を意識的に増加あるいは減少させるために、また、全体的な伝送能力をより効率的に実現するために用いることができる。これは、三相伝送システムに限られるものではない。単相交流システムで用いることも可能である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
現存のシステム設計において、一般的にサイリスタによって切替られる、あるいは、サイリスタによって制御される直列的な補償と、静的な同期補償とを区別することは可能である。
【０００４】
サイリスタによって制御される直列的な補償回路は、直列接続された複数のモジュールを備える。これらモジュールは、三相伝送線路の各相線路にそれぞれ配設されている。このケースでは、使用可能なサイリスタ技術により、キャパシタンス及び制御された（サイリスタによってスイッチされる）インダクタンスを備える並列回路が、モジュール毎に必要とされる。この並列回路を過負荷から保護するために、たとえば、バリスタ等として設計された１つのコンポーネントが必要とされる。この公知のシステム構造における課題は、実質的に半導体スイッチ（サイリスタ）が接続されている回路状態に従って転流する（mains‐commutated）ため、結果的に動作範囲がかなり制限されることである。
【０００５】
静的同期補償は、線電流に対して９０度の位相（位相変位９０°）を持つ追加電圧（補償電圧）を印加することにより、電気的に機能する。この追加電圧を印加するためには、トランスフォーマが不可欠であり、このトランスフォーマは、補償されるべき伝送線に直列に接続されている。追加電圧を印加するために必要なトランスフォーマは、このようなシステムの全コストにおいて、比較的高価な素子である。
【０００６】
従って、この発明の目的の１つは、回路の複雑さをかなり縮減し、それにも拘わらず、柔軟に適用しうる新しい補償方法を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
まず、初めに説明する方法において、この発明の目的は、ブリッジ回路のゲートターンオフパワー半導体によって構成されるインバータ手段により、補償電圧が直流電圧から生成されることと、補償電圧が線路に直列的に直接印加されることとによって達成される。半導体を備えたインバータブリッジ回路を用いることにより、単純な方法により、要求されるいかなる所定の位相角度においても、大きな交流補償電圧が生成され得る。補償すべき線路に直接直列に挿入することによって、トランスフォーマなどの付加的な印加素子を省くことが可能である。
【０００８】
請求の範囲に記載された本発明の第１の好適な実施の形態における方法は、少なくとも１つの充電されたキャパシタが、インバータのための直列電圧源として用いられていることによって区別することができる。補償素子が実質的に無効電力を供給するので、キャパシタは、簡単で有利な直流電源を提供する。
【０００９】
この実施の形態の第１の好適な展開例は、少なくとも１つのキャパシタが交流グリッドシステムの線路からインバータを通じて充電されることである。この方法では、付加的な電圧供給装置が不要であり、補償回路を特に簡単にすることができる。
【００１０】
この実施の形態における第２の好適な展開例は、少なくとも１つのキャパシタが別個のコンバータを通じて充電されることである。直流中間回路におけるこの直流電圧の供給は、補償回路が純粋な無効電力だけでなく、実効電力を線路に供給する場合であっても、有効的なものである。
【００１１】
請求の範囲に記載された本発明のさらに他の好適な実施の形態における方法は、直流グリッドシステムが三相構造になっていることと、補償電圧を生成して印加するための関連するインバータが三相のそれぞれの線路に直列に接続されていることである。これにより、望ましい補償を各相毎に別々に行うことができる。
【００１２】
さらに他の実施の形態における方法は、各インバータが２つのハーフブリッジによって構成され、これらのハーフブリッジが正弦変調信号に基づいて、パルス幅変調によって駆動されることによって区別できる。パルス幅変調は、インバータによって生成される出力電圧の正弦波への近似を、簡単に、より正確に行なうことを可能とし、結果的に高調波を減少させている。この実施の形態の好適な展開例によれば、インバータが２極ブリッジ構造で構成され、適当な搬送信号を用いることにより、各ハーフブリッジにそれぞれ異なるタイミングでパルス信号が供給されると、あるいは、インバータがＮ極ブリッジ（Ｎ≧３）として構成され、適当な搬送信号を用いるとにより、各ハーフブリッジにそれぞれ異なるタイミングでパルスが供給されると、異なるタイミングで脈動される複数のパルス幅変調部分補償電圧を重ね合わせることによって合成補償電圧が得られることは、この発明に固有の現象である。
【００１３】
この発明の請求の範囲に記載の方法の、さらに好適な実施の形態によれば、補償電圧を生成して印加するための複数のインバータが直流グリッドシステムの線路に直列あるいは並列に接続され、いずれの場合もパルス幅変調波によって駆動され、各インバータにおけるパルス幅変調が異なるタイミングで脈動されることにより行われるものであれば、更なる高調負荷の低減が達成される。同時に、複数のインバータを直列に接続することは、電圧に関する動作範囲を拡げる結果となり、並列接続は、電流に関する動作範囲を拡げる結果となる。
【００１４】
さらに他の実施の形態によれば、少なくともフィルタ回路がインバータの出力側に配設されており、このフィルタ回路が、特に、インバータに直列接続された１つのインダクタンスと、インバータ及び少なくとも１つのインダクタンスによって形成される直列回路に並列接続された少なくとも１つのキャパシタとを備えれば、高調波の更なる低減を図ることができる。直流グリッドシステムが寄生インダクタンスを有するネットワークトランスフォーマを備え、ネットワークトランスフォーマの寄生インダクタンスがフィルタ回路の一部として用いられていれば、より簡単な構成となる。
【００１５】
この発明のさらに他の好適な実施の形態によれば、インバータがそれぞれ少なくとも１つのキャパシタ及び少なくとも１つのインダクタンス、あるいは、少なくとも１つのキャパシタまたは少なくとも１つのインダクタンスに接続されていれば、補償回路の動作範囲を拡げることができる。
【００１６】
この発明の好適な実施の形態によれば、交流グリッドシステムが低電位の中立点を有するネットワークトランスフォーマを備え、補償電圧が中立点に印加されれば、補償システムの絶縁性の要求に関して特に有利となる。
【００１７】
交流グリッドシステムが三相グリッドシステムであると共に、三相ネットワークトランスフォーマがグリッドシステムの中に配設されており、三相ネットワークトランスフォーマが中立点としてのスターポイントを備えていれば、スターポイントに接続される各線路に適切な補償電圧が印加される。これは、１つの方法では、補償電圧を生成して印加するための１つのインバータを、スターポイントに接続された各線路に直列接続することにより達成される。また、これは、他の方法としては、スターポイントに接続されている線路を三相インバータの出力端に接続することによっても達成することができる。この場合、三相インバータは、電力の脈動を考慮する必要がないので、同一の補償電圧を得るのに、直流側のキャパシタを小さくすることができるという特別の利点を有する。
【００１８】
交流グリッドシステムが単相システムであり、単相ネットワークトランスフォーマがグリッドシステム中に配設され、その単相ネットワークトランスフォーマが、少なくとも一端に、中立点としてのゼロポイントを有するゼロポイント回路を備えれば、適切な補償電圧がゼロポイントに接続された各線路に印加される。これは、補償電圧を生成して印加するためのインバータを、ゼロポイントに接続された各線路に直列に接続することにより、あるいは、ゼロポイントに接続された線路を単相インバータの出力端に接続することにより、行われる。
【００１９】
この発明の方法によるインバータは、インバータがＮ極ブリッジ（Ｎ≧２）として構成されていることにより区別される。
【００２０】
この発明の一実施の形態における、小電圧（例えば１３ＫＶグリッドシステム）に適するインバータは、各ハーフブリッジのブリッジアーム毎に、パワー半導体が１つだけ配設されていることによって区別することができる。
【００２１】
この発明の一実施の形態における、大電圧（例えば４００ＫＶグリッドシステム）に適するインバータは、各ハーフブリッジのブリッジアーム毎に、複数の直列接続されたパワー半導体が配設されていることによって区別することができる。
【００２２】
この実施の形態におけるとりわけ好適な発展例では、ゲートターンオフパワー半導体としてハードに駆動されるＧＴＯが使用される。この場合におけるハードに駆動するとは、例えば、文献 EP‐A1‐0 498 945 若しくは WO‐93/09600 または、1996年発行の ABB Technik (ABB Engineering) 5 の第１４頁から第２０頁に記載されているものを意味するものである。
さらに他の実施の形態は、従属項から導き出されるものである。
【００２３】
なお、ハードに駆動されるＧＴＯとしては、ゲートターンオフパワー半導体として、ゲート回路インピーダンスを著しく減少させ、素子のＯＮ、ＯＦＦ信号に応じてゲート電流を高い電流増加率で駆動されるＧＴＯが使用される。このＧＴＯは、特にＧＴＣ（Gate Communicated Turnoff）サイリスタとも称されるものであり、ゲート電流に従った高速なＯＮ、ＯＦＦ動作が可能で、ＯＦＦ動作が一般のＧＴＯよりも約１０倍も速く、素子を直列接続した場合に、ＯＦＦ動作のばらつきによる素子の電圧分担差が少なく、特に高電圧の用途に好適なＧＴＯである。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図において、引用番号は、全ての図を通じて同一または相当の部分を示すものである。図１は、この発明による補償回路の概要を示す回路図であり、最も簡易な構造を表している。単相グリッドシステムまたは三相グリッドシステムにおいて、線路１０は補償を行うために用いられる。線路１０は分離されており、インバータ１１は、線路１０に直接的に直列接続されている。交流電圧は、インバータ１１によって、直流電圧（これはキャパシタＣ１から供給される）から生成され、線路１０に補償電圧Ｕ_compとして直接印加される。
【００２５】
図２に示すように、インバータ１１は、ハーフブリッジ１２，１３から構成される２極ブリッジ回路を含み、これらのハーフブリッジの機能は、それぞれ切替スイッチＵ１，Ｕ２によって決定される。インバータ１１中におけるハーフブリッジ１２，１３の出力端は、線路１０に直接接続されている。切替スイッチＵ１，Ｕ２を適当に駆動することにより、キャパシタＣ１に発生するキャパシタ電圧は、正電圧あるいは負電圧として、選択的に線路１０に供給される。
【００２６】
生成される補償電圧Ｕ_compは、線路１０の交流電流に対して位相が９０°進んでいるか、あるいは、遅れている正弦波状の交流電圧であることが理想的である。このようにするために、線路における電流および電圧が測定され、制御装置において、切替スイッチＵ１，Ｕ２を駆動するための駆動パルスが測定信号から導き出される。
【００２７】
これは、図５に示すように、所望の位相角度で正弦変調信号Ｕ_Ｍを生成し、これを２つの三角波搬送信号Ｕ_Ｃ１，Ｕ_Ｃ２と比較することによって、達成される。信号の交点は、スイッチＵ１，Ｕ２を切り替えるためのスイッチング指令を導き出すために用いられ、このようにして、図５の底部に示されているパルス幅変調補償電圧Ｕ_compが生成される。
【００２８】
インバータ１１の動作方法は、キャパシタＣ１に、グリッドシステムの２倍の周波数で、グリッドシステムから電力を奪うことと、グリッドシステムに電力を放出することとを交互に行わせ、全行程時間を通じての平均電力レベルは、零となる。これらのパルス振動を減衰させるためには、キャパシタＣ１を調整回路４３と並列に接続すればよく、この調整回路４３は、インダクタンスＬ４およびキャパシタＣ１０の直列回路を備え、グリッドシステムの２倍の周波数に調整されている。
【００２９】
切替スイッチＵ１，Ｕ２は、図３および図４に示すような態様で、ゲートターンオフパワー半導体によって構成される。ＧＴＯ（Ｇａｔｅ−Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：ゲートターンオフサイリスタ）、とくに逆導電ＧＴＯは、ゲートターンオフ電力半導体のための保証付きの電力電子素子として使用される。これの代わりに、ＩＧＢＴ（ＩｎｓｕｌａｔｅｄＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）または他のゲートターンオフ素子を用いてもよい。このようなパワー半導体の電圧範囲は限られている。
【００３０】
比較的低いグリッドシステム電圧（例えば１３ＫＶ）では、各パワー半導体Ｓ１、Ｓ２は、図１に示すようにブリッジアームに配設される。高いグリッドシステム電圧（例えば４００ＫＶ）では、図４に示すように、多数（ｎ）のパワー半導体Ｓ１１，．．，Ｓ１ｎおよびＳ２１，．．，Ｓ２ｎにより構成される直列回路がブリッジアームに用いられる。ＧＴＯが直列回路に用いられている場合は、各ＧＴＯ素子が同時に切り替わるようにするためには、特別な注意が必要である。ハードな駆動は、直列接続された複数のＧＴＯを正確に駆動させることができる。ハードな駆動の固有の特性や回路構成に関しては、最初に引用した、従来技術における文献が参照されるべきである。
【００３１】
補償電圧Ｕ_compを生成するために、既に述べた２極ブリッジに加えて、３極ブリッジ、あるいはさらに一般的にＮ極ブリッジを代替的に効果的に用いることができる。図６によれば、３極ブリッジは、２つの切替スイッチＵ３，Ｕ４を備えており、それぞれ３つの切替点を２つのハーフブリッジ１４および１５に備え、キャパシタＣ２，Ｃ３から構成される直列回路の２つの端点または中央タップを適宜それぞれのブリッジの出力端に接続する。
【００３２】
この方法では、２つの部分補償電圧Ｕ_１２，Ｕ_３４が生成され、これらの補償電圧はインバータ１１の出力で合成され、補償電圧Ｕ_compが生成される。３極ブリッジの１つの優位性は、等しい補償電圧を得るために、１つの大きなキャパシタの代わりに２つの小さなキャパシタを用いることができることである。他の優位点は、図９に示す位相のシフトした搬送信号Ｕ_Ｃ１，．．，Ｕ_Ｃ４のように、ここでも用いることの望ましいパルス幅変調が異なるタイミング（異なる位相）での脈動により行われると、異なるタイミングでの脈動によって生成された部分補償電圧Ｕ_１２，Ｕ_３４から構成される補償電圧Ｕ_compの高調波成分をかなり低減させることができることである。
Ｎ極ブリッジの場合は、３極ブリッジの場合のように、Ｎ個の切替ポイントを備える切替スイッチがハーフブリッジに用いられることになる。
【００３３】
図６に示す切替スイッチＵ３，Ｕ４の内部構成は、図７、８に示すような構成であることが望ましい。比較的低いグリッドシステム電圧に対して、逆伝導ＧＴＯで構成される各パワー半導体Ｓ３，．．，Ｓ６と、ブリッジアームに配設されたダイオードＤ１およびＤ２とが図７に示すように接続されている。高いグリッドシステム電圧に対して、ｎ個のパワー半導体Ｓ３１，．．，Ｓ３ｎないしＳ６１，．．，Ｓ６ｎから構成される複数の直列回路がそれぞれ個々のパワー半導体の代わりに用いられ、これらにＧＴＯが用いられる場合は、上述したようにハードに駆動されることになる。ＧＴＯの代わりに他のゲートターンオフパワー半導体を用いてもよい。
【００３４】
以上の説明においては、補償は個々の単一の線路１０について考慮し、説明してきた。交流グリッドシステムが三相グリッドシステムである場合は、図１０に示すように、線路１６、１７および１８に上述した形式のインバータ１９，２０および２１を直列に接続することにより、各相に接続されたこれらの線路が補償されることが望ましい。単相グリッドシステムの場合は、図１１に示すように、インバータ１１を２つの線路１０，２２の一方のみに配設すればよい。また、この代わりに、２つの線路１０，２２のそれぞれにインバータ１１，１１ａを配設しても同様に実施することができる。
【００３５】
上述したように、ブリッジアームを適切にパルス幅変調駆動することは、３極ブリッジの場合においても、特に補償電圧Ｕ_comp中の高調波の減少を達成するために用いられる。しかしながら、高調波を減少させるためには、これらに加えてさらに他の方法を行うこともできる。そのような方法の１つとして、図１２に示すようにインバータ１１の出力端にフィルタ回路を配設する。このフィルタ回路は、１または２つのインダクタンスＬ１およびＬ２をインバータ１１の出力端に直列接続すると共に、キャパシタＣ４を並列接続したものであり、高調波を除去し、あるいは、減衰させることができる。この場合のキャパシタＣ４の容量は、パルス幅変調のクロック周波数によって決定される。
【００３６】
図６に示すような３極ブリッジにおいて、互いに９０°位相が異なり、周波数がＦで表される４つの搬送信号Ｕ_Ｃ１，．．，Ｕ_Ｃ４が、ＰＷＭ駆動信号を生成するのに用いられると、補償電圧Ｕ_compのパルス周波数は４倍の４Ｆとなる。フィルタキャパシタＣ４は、一方では、帯電電圧が望ましい正弦波形を有するのに十分な容量を持つように選択され、他方では、基本周波数において微小電流を引き出すために十分小さな容量を有するように選択される。
これらの代わりに、図２１に示すように、寄生インダクタンスＬ１０，Ｌ１１を有する隣接したネットワークトランスフォーマ４６の寄生インダクタンスＬ１０は、フィルタ回路のインダクタンスとして、効果的に用いることができる。
【００３７】
インバータ１１の場合、補償を行うことが可能な動作範囲は、本質的に補償電圧Ｕ_compの増幅率によって決定され、この補償電圧Ｕ_compは、本質的にキャパシタＣ１（２極ブリッジの場合）の帯電電圧、または、キャパシタＣ２およびＣ３（３極ブリッジの場合）の帯電電圧によって決定される。キャパシタ側の動作範囲は、図１３に示すように、インバータ１１の出力側にキャパシタＣ５を直列接続することにより、インバータ１１およびスイッチング素子を代えることなく、拡げることが可能である。インダクタンス側の動作範囲を拡げるためには、インダクタンス（図１４のＬ５）をキャパシタの代わりに直列接続すればよい。
【００３８】
図１４によれば、動作範囲の拡張は、直列接続されたキャパシタＣ５およびインダクタンスＬ５をスイッチ４４，４５で橋渡し（ブリッジ）することによって、選択的および切替的に行うことができる。図２１に示す場合でも、キャパシタＣ１５を直列接続することにより、動作範囲を拡張することができる。
【００３９】
インバータの内部または回路を変えることによるインバータの動作範囲の変化に加えて、補償しうるレベルは、図１５に示すように、複数のインバータ１１，２３および２４を直列にまたは並列に（インバータ１１，１１ａ）、グリッドシステムの線路１０に接続することによって、増大させることができる。各インバータによって生成される補償電圧は合成され、さらに大きな補償電圧を形成する。このような直列回路において、高調波成分をさらに一層減少させるためには、各インバータ１１，１１ａ，２３および２４を異なるタイミングで脈動させて駆動することが有効的である。
【００４０】
直列回路中の各インバータ１１，１１ａ，２３，２４は、インダクタンスＬ６，．．，Ｌ９およびキャパシタＣ１１，．．，Ｃ１３から構成されるフィルタ回路を備えてもよい。同様に、付加キャパシタＣ１４は、動作範囲を拡げている。さらに他の選択としては、図１６に示すように、フィルタ回路（インダクタンスＬ３およびキャパシタＣ６）のための集積素子から構成される付加回路を直列回路の全体に備えることである。直列キャパシタＣ７の機能は、図１５におけるキャパシタＣ１４に対応するものである。
【００４１】
この発明によるトランスフォーマを用いない直列補償回路は、低電位側に中立点を有する交流グリッドシステムのネットワークトランスフォーマに接続して用いれば、特に効果的である。図１７に示すように、グリッドシステムは、三相グリッドシステムであり、ネットワークトランスフォーマ２５はスター（星形）接続（一次側２６および二次側２７）された三相変圧器であり、補償電圧は、ネットワークトランスフォーマ２５の中立点（スターポイント（星形接続点）３１）としての低電位側に供給される。これを行うために、補償インバータ３２，３３および３４は、それぞれ、スターポイント３１に接続された線路２８，２９，３０に直列接続されている。インバータを低電位側に配設することにより、絶縁レベルは著しく軽減され、システムの簡略化およびコストの低減をはかることができる。
【００４２】
ゼロポイント（零点）が中立点である単相ネットワークトランスフォーマ３５（一次側３６および二次側３８、図１８参照）を備えた単相グリッドシステムの場合には、低電位動作時における補償回路の等価回路は、ゼロポイント３９に接続された線路３８，４０に、インバータ４１，４２を直列接続することによって得ることができる。また、２つのインバータ４１，４２を用いる代わりに、１つのインバータ（４１または４２）のみを用いても同様に実施できる。
【００４３】
図１７および１８に示す補償回路は、共に、複数のインバータ３２，．．，３４および４１，４２をそれぞれ備え、インバータを上手に一つのブリッジに結合することにより簡略化することができる。図１７に示す回路を簡略化した構成を図１９に示す。この場合、線路２８，２９および３０は、三相インバータの出力端に接続されており、これらの出力端は、制御切替スイッチＵ５，Ｕ６およびＵ７（図３、４参照）を介して、２つのキャパシタＣ６，Ｃ７から構成される直列回路の端点に接続されている。キャパシタＣ６およびＣ７の中央タップは、スターポイント３１に接続されている。
また、図１７および図１９に示す回路を互いに結合させても同様の結果を得ることができ、即ち、補償回路の柔軟性を増加させるために、図１９に示す回路に、各インバータ（図１７におけるインバータ３２，３３および３４のように）を線路２８，２９および３０に直列に接続してもよい。
【００４４】
図２０は、図１８に示すものと同様の構成を簡略化して示すものである。この場合、線路３８，４０は、切替スイッチＵ８，Ｕ９を通じて、充電されたキャパシタＣ８およびＣ９から構成される直列回路の端点に選択的に接続される。これらのキャパシタＣ８およびＣ９の間の中央タップは、ゼロポイント３９に接続されている。図１７ないし図２０に示す構成では、中立点（スターポイント３１またはゼロポイント３９）は、接地されている（点線で表す）。しかしながら、このような接地することは、絶対的に必要なものではない。
【００４５】
この発明による補償装置が無効電力のみを出力すると、インバータに直流電圧を供給するキャパシタＣ１，．．，Ｃ３およびＣ６，．．，Ｃ９は、インバータを適切に制御することにより、グリッドシステム線路から直接的に効果的に充電される。この方法では、グリッドシステムの他の素子からキャパシタへの付加的な接続を必要としない。また、補償されるべき線路には、無効電力と共に、実効電力を供給することが望ましい。この場合、適切な（別個の）直流源（例えばコンバータ）により、キャパシタＣ１，．．，Ｃ３およびＣ６，．．，Ｃ９をそれぞれ充電または放電させることができる。
【００４６】
以上より、この発明によれば、高度に簡略化され、非常に汎用性のある、交流グリッドシステムのための無効電力の補償を行うことができる。
また、以上から明らかなように、上述の説明に基づき、本発明の様々な変形や変更を実施することができる。従って、本発明は、特許請求の範囲の適用範囲内であれば、上述の説明以外の形態でも実施できるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の補償回路の概要を表す図であり、インバータが線路に直列に接続されている。
【図２】この発明の第１の好適で例示的な実施の形態による、図１に示すインバータの基本的な２極ブリッジ形の内部構造を示す図であり、２極ブリッジは、半導体を備えた切替スイッチと、直流側の付加的調整回路とを有する。
【図３】図２に示す切替回路の内部構造の一例を示す図であり、１つのパワー半導体（反転接続されたＧＴＯ）がブリッジアーム毎に配設されている。
【図４】図２に示す切替回路の内部構造の一例を示す図であり、直列接続された複数のパワー半導体（反転接続されたＧＴＯ）がブリッジアーム毎に配設されている。
【図５】図２に示す２極ブリッジの駆動にパルス幅変調が用いられる際の電圧波形の一例を示す図である。
【図６】この発明の第２の好適で例示的な実施の形態による、図１に示すインバータの基本的な３極ブリッジ形の内部構造を示す図であり、３極ブリッジは、半導体を備えた切替スイッチを有する。
【図７】図６に示す切替スイッチの内部構造の一例を示す図であり、１つのパワー半導体（反転接続されたＧＴＯ）がブリッジアーム毎に接続されている。
【図８】図６に示す切替スイッチの内部構造の一例を示す図であり、複数のパワー半導体（反転接続されたＧＴＯ）から構成される直列回路がブリッジアーム毎に接続されている。
【図９】図６に示す３極ブリッジの駆動にパルス幅変調が用いられる際の電圧波形の一例を示す図である。
【図１０】この発明による補償が三相の全てに行われる三相グリッドシステムの基本的な回路を示す図である。
【図１１】この発明による補償が行われる単相交流グリッドシステムの基本的な回路を示す図である。
【図１２】この発明による補償回路の一例を示す図であり、インバータの出力側に配設されると共に、高調波を除去するために、直列接続された２つのインダクタンスと並列接続された１つのキャパシタから構成されるフィルタ回路を備える。
【図１３】この発明による補償回路の一例を示す図であり、動作範囲を拡げるために、図１２に示す補償回路に１つのキャパシタを付加的に直列接続したものである。
【図１４】この発明による補償回路の一例を示す図であり、動作範囲を拡げるために、図１３に示す補償回路に１つのインダクタンスを付加的に直列接続すると共に、付加キャパシタおよび付加インダクタンスをスイッチと置き換えることができるようになっている。
【図１５】動作範囲を増加させると共に高調波を除去するために、直列または並列に接続された複数のインバータ（パルス数の異なるパルス信号が供給される）と、ローカルフィルタ回路とを備える回路の概要を示す図である。
【図１６】動作範囲を拡げるために、図１５に対応する回路に、集中フィルタ回路および付加インダクタンスを備えた直列回路を示す図である。
【図１７】三相変圧器の低ポテンシャル側（スターポイント）に配設されたこの発明による好適な補償素子を示す図である。
【図１８】単相ネットワークトランスフォーマの低ポテンシャル側（ゼロポイント）に配設されたこの発明による好適な補償素子を示す図である。
【図１９】図１７に示す補償素子における様々なインバータを三相ブリッジに置き換えて簡略化した構成を示す図である。
【図２０】図１８に示す補償素子における様々なインバータを単相ブリッジに置き換えて簡略化した構成を示す図である。
【図２１】ネットワークトランスフォーマの寄生インダクタンスをインバータとして用いる回路を示す図である。
【符号の説明】
１０、１６、１７、１８、２２線路、１１、１１ａインバータ、１２、１３、１４、１５ハーフブリッジ、１９、２０、２１インバータ、２３、２４インバータ、２５、３５ネットワークトランスフォーマ、２６、３６一次側、２７、３７二次側、２８、２９、３０線路、３１スターポイント、３８、４０線路、４１、４２インバータ、４３調整回路、４４、４５スイッチ、４６ネットワークトランスフォーマ、Ｃ１〜Ｃ１５キャパシタ、Ｄ１、Ｄ２ダイオード、Ｌ１〜Ｌ１１インダクタンス、Ｓ１〜Ｓ６パワー半導体（ゲートターンオフ素子）、Ｓ１１〜Ｓ６ｎパワー半導体（ゲートターンオフ素子）、Ｕ１〜Ｕ９切替スイッチ、Ｕ_Ｍ変調信号（正弦波）Ｕ_Ｃ１〜Ｕ_Ｃ４搬送信号（三角波）、Ｕ_１２、Ｕ_３４部分補償電圧、Ｕ_comp 補償電圧。

Claims

グリッドシステムの少なくとも１つの線路（１０；１６，．．，１８；２８，．．，３０；３８，４０）に、その線路のために生成された補償電圧（Ｕ_ｃｏｍｐ）を供給するための交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法であって、ブリッジ回路中のゲートターンオフパワー半導体（Ｓ１，．．，Ｓ６；Ｓ１１，．．，Ｓ６ｎ）により構成されたインバータ（１１；１９，．．，２１；４１、４２）によって、線路（１０；１６，．．，１８、２８，．．，３０；３８，４０）中の電流に対して位相がシフトされた補償電圧（Ｕ_ｃｏｍｐ）を直流電圧から生成し、直列的かつ直接的に、線路（１０；１６，．．，１８、２８，．．，３０；３８，４０）に印加し、
上記インバータ（１１；１９，．．，２１；４１，４２）は、それぞれ、２つのハーフブリッジを備えてなり、正弦変調信号（ＵＭ）に基づくパルス変調形式で、上記ハーフブリッジ（１２，１３及び１４，１５）を駆動することを特徴とする交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
少なくとも１つの充電されたキャパシタ（Ｃ１，．．，Ｃ９）を、上記インバータ（１１；１９，．．，２１；４１，４２）のための直流電圧源として用いる請求項１に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記少なくとも１つのキャパシタ（Ｃ１，．．，Ｃ９）を、上記インバータ（１１；１９，．．，２１；４１，４２）を介して、上記線路（１０；１６，．．，１８；２８，．．，３０）から充電する請求項２に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記少なくとも１つのキャパシタ（Ｃ１，．．，Ｃ９）を、別個の直流電圧源を介して充電する請求項２に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記交流グリッドシステムは三相形式であり、各相に補償電圧（Ｕ_ｃｏｍｐ）を生成して印加する上記インバータ（１９，．．，２１）が、上記各相の線路（１６，．．，１８）に直列接続される請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記インバータ（１１；１９，．．，２１；４１，４２）は、２極ブリッジとして構成されており、上記各ハーフブリッジ（１２，１３）は、適切な搬送信号（Ｕ_Ｃ１，Ｕ_Ｃ２）を使用することにより、異なるタイミングで脈動される請求項１に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記インバータ（１１；１９，．．，２１；４１，４２）は、Ｎ極ブリッジとして構成されており、上記各ハーフブリッジ（１４，１５）は、それぞれの搬送信号（Ｕ_Ｃ１，．．，Ｕ_Ｃ４）によって、異なるタイミングで脈動され、該異なるタイミングで脈動された複数のパルス幅変調部分補償電圧（Ｕ_１２，Ｕ_３４）を重ね合わせて、補償電圧（Ｕ_ｃｏｍｐ）を生成する請求項１に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
補償電圧（Ｕ_ｃｏｍｐ）を生成して印加する複数の上記インバータ（１１，１１ａ，２３，２４）が、上記交流グリッドシステムの少なくとも１つの線路（１０）に直列あるいは並列、または、直列かつ並列に接続されている請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記インバータ（１１，１１ａ，２３，２４）はパルス幅変調形式で駆動され、互いに異なるタイミングで脈動させることにより、パルス幅変調を行う請求項８に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
フィルタ回路（Ｌ１，．．，Ｌ３；Ｌ６，．．，Ｌ１０，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ１１，．．，Ｃ１３）が、インバータ（１１；１１ａ，１９，．．，２１；４１，４２）の出力側に配設される請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記フィルタ回路が、上記インバータ（１１；１１ａ，１９，．．，２１；４１，４２）に直列接続された少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１，．．，Ｌ３；Ｌ６，．．，Ｌ９）と、インバータ（１１；１１ａ，１９，．．，２１；４１，４２）および少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ１，．．，Ｌ３；Ｌ６，．．，Ｌ９）から構成される直列回路と並列に接続された少なくとも１つのキャパシタ（Ｃ４，Ｃ６，Ｃ１１，．．，Ｃ１３）とを備える請求項１０に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記交流グリッドシステムが、寄生インダクタンス（Ｌ１０，Ｌ１１）を有するネットワークトランスフォーマ（４６）を備えると共に、ネットワークトランスフォーマ（４６）の寄生インダクタンス（Ｌ１０，Ｌ１１）が、フィルタ回路の一部として用いられる請求項１０に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
動作範囲を拡げるために、上記インバータ（１１；１９、…、２１；４１，４２）が、それぞれ少なくとも１つのインダクタンス（Ｌ５）、または、インダクタンス（Ｌ５）とキャパシタンス（Ｃ５）と直列接続される請求項１ないし請求項１２のいずれかに記載の交流グリッドシステムヘの無効電力の供給方法。
調整回路が上記少なくとも１つのキャパシタ（Ｃ１，．．，Ｃ９）に接続される請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法。
上記インバータ（１１；１９，．．，２１；４１，４２）がＮ極ブリッジ（Ｎ≧２）として構成される請求項１ないし請求項１４に記載の交流グリッドシステムへの無効電力の供給方法に用いるためのインバータ。
上記インバータ内のブリッジアーム毎に、パワー半導体（Ｓ１，Ｓ２；Ｓ３，．．，Ｓ６）が１つだけ配設される請求項１５に記載のインバータ。
上記インバータ内のブリッジアーム毎に、複数のパワー半導体（Ｓ１１，．．，Ｓ１ｎ；．．；Ｓ６１，．．，Ｓ６ｎ）が直列接続される請求項１５に記載のインバータ。
上記パワー半導体であるゲートターンオフパワー半導体として、ＩＧＢＴが用いられる請求項１６または１７に記載のインバータ。
上記パワー半導体であるゲートターンオフパワー半導体として、複数のＧＴＯが用いられる請求項１６または１７に記載のインバータ。
直列接続された上記複数のＧＴＯは、上記インバータ内のブリッジアーム毎に直列接続されており、該直列接続されたＧＴＯは、ハードに駆動される請求項１９に記載のインバータ。