JPH11127540A

JPH11127540A - 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: JPH11127540A
Application number: JP10209586A
Authority: JP
Inventors: Herbert Stemmler; 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: 1999-05-11
Anticipated expiration: 2018-07-24
Also published as: WO1999007055A1; CN1216875A; BR9811588A; DE59801541D1; AR009894A1; ES2165176T3; AU745284B2; US6130524A; AU8330198A; EP0998777A1; ZA986705B; CA2298784A1; JP3784541B2; EP0998777B1; CN1132284C

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体スイッチが動作中に行うメインズ整流
では、動作範囲がかなり制限され、また、線電流（位相
９０°）に対して９０度の位相を持つ補償電圧を印加す
るために、高価なトランスフォーマを必要とする。【解決手段】グリッドシステムの少なくとも１つの線
路（１０）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、線路（１０）中の電流に対して
位相がシフトされた補償電圧（Ｕ_comp）を、インバータ
（１１）によって直流電圧から生成し、直列的かつ直接
的に、線路（１０）に印加する。

Description

【発明の詳細な説明】

【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 Tech
nik (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Ｕ
１，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Ｕ
１，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−Ｏ
ｆｆｔｈｙｒｉｓｔｏｒ：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（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ
ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）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Ｓ３
１，．．，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。Ｇ
ＴＯ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１
０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１
０，２２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１
１，１１ａ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１
１，２３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Ｌ
３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４
２）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４１，４
２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３８，４
０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Ｃ
６，．．，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ＧＴ
Ｏ）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Ｇ
ＴＯ）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Ｇ
ＴＯ）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、２
６、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

【特許請求の範囲】

【請求項１】グリッドシステムの少なくとも１つの線
路（１０；１６，．．，１８；２８，．．，３０；３
８，４０）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（Ｓ
１，．．，Ｓ６；Ｓ１１，．．，Ｓ６ｎ）により構成さ
れたインバータ（１１；１９，．．，２１；４１、４
２）によって、線路（１０；１６，．．，１８、２
８，．．，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，．．，１
８、２８，．．，３０；３８，４０）に印加する交流グ
リッドシステムへの無効電力の供給方法。
【請求項２】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；１
９，．．，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。
【請求項３】上記少なくとも１つのキャパシタ（Ｃ
１，．．，Ｃ９）を、上記インバータ（１１；１
９，．．，２１；４１，４２）を介して、上記線路（１
０；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。
【請求項４】上記少なくとも１つのキャパシタ（Ｃ
１，．．，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。
【請求項５】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。
【請求項６】上記インバータ（１１；１９，．．，２
１；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（Ｕ_Ｍ）に基づくパルス幅
変調形式で、上記ハーフブリッジ（１２，１３および１
４，１５）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。
【請求項７】上記インバータ（１１；１９，．．，２
１；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６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。
【請求項８】上記インバータ（１１；１９，．．，２
１；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
６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。
【請求項９】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。
【請求項１０】上記インバータ（１１，１１ａ，２
３，２４）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９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。
【請求項１１】フィルタ回路（Ｌ１，．．，Ｌ３；Ｌ
６，．．，Ｌ１０，Ｃ４，Ｃ６，Ｃ１１，．．，Ｃ１
３）が、インバータ（１１；１１ａ，１９，．．，２
１；４１，４２）の出力側に配設される請求項１ないし
請求項９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。
【請求項１２】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（Ｌ
１，．．，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，．．，Ｌ
３；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，Ｃ
６，Ｃ１１，．．，Ｃ１３）とを備える請求項１１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。
【請求項１３】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（Ｌ
１０，Ｌ１１）が、フィルタ回路の一部として用いられ
る請求項１１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。
【請求項１４】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つのキャパシタ（Ｃ５，Ｃ７）、およ
び／または、インダクタンス（Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３）と直
列接続される請求項１ないし請求項１３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。
【請求項１５】交流グリッドシステムは、低電位の中
立点（３１，３９）を有するネットワークトランスフォ
ーマ（２５，３５）を備え、補償電圧（Ｕ_co _mp）が上記
中立点（３１，３９）に印加される請求項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。
【請求項１６】上記交流グリッドシステムは、三相グ
リッドシステムであり、三相トランスフォーマ（２５）
は、上記三相グリッドシステム内に設けられると共に、
中立点としてのスターポイント（３１）を備え、各補償
電圧（Ｕ_comp）が、上記スターポイント（３１）に接続
された各線路（２８，．．，３０）に印加される請求項
１５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。
【請求項１７】補償電圧（Ｕ_comp）を生成して印加す
るための上記インバータ（３２，．．，３４）が、上記
スターポイント（３１）に接続された上記各線路（２
８，．．，３０）に直列に接続されており、および／ま
たは、上記スターポイント３１に接続された上記各線路
（２８，．．，３０）が、上記三相インバータ（Ｕ
５，．．，Ｕ７；Ｃ６，７）の出力端に接続される請求
項１６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。
【請求項１８】スターポイント（３１）に接続された
線路（２８，．．，３０）が、三相インバータ（Ｕ
５，．．，Ｕ７；Ｃ６，７）の出力端に接続されてお
り、三相インバータが、Ｎ極ブリッジ（Ｎ≧２）として
構成される請求項１７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。
【請求項１９】上記交流グリッドシステムは単相シス
テムであり、単相ネットワークトランスフォーマ（３
５）が、上記グリッドシステム内に配設され、上記単相
ネットワークトランスフォーマ（３５）は、少なくとも
いずれか一方の側に、中立点としてのゼロポイント（３
９）を有するゼロポイント回路を備え、補償電圧（Ｕ
_comp）が、上記ゼロポイント（３９）に接続された各線
路（３８，４０）に印加される請求項１５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。
【請求項２０】補償電圧（Ｕ_comp）を生成して印加す
るための上記インバータ（４１，４２）は、上記ゼロポ
イント（３９）に接続された上記各線路（３８，４０）
に直列に接続される請求項１９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。
【請求項２１】上記ゼロポイント（３９）に接続され
た上記線路（３８，４０）は、上記単相インバータ（Ｕ
８，９；Ｃ８，９）の出力側に接続される請求項１９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。
【請求項２２】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。
【請求項２３】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２２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。
【請求項２４】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２３に記載のインバータ。
【請求項２５】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，．．，Ｓ１
ｎ；．．；Ｓ６１，．．，Ｓ６ｎ）が直列接続される請
求項２３に記載のインバータ。
【請求項２６】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
２４または２５に記載のインバータ。
【請求項２７】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２４または２５に記載のインバータ。
【請求項２８】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２７に記載のインバータ。