多级串联矩阵变换器、发电系统以及功率因数控制方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及多级串联矩阵变换器、发电系统以及功率因数控制方法。
【背景技术】
[0002] 由于矩阵变换器能抑制高次谐波电流及有效利用再生电力，因此作为新的电力转 换装置而被关注。作为所述矩阵变换器，已知如下一种多级串联矩阵变换器，其多级地串联 连接具有多个双向开关的电力转换单元而构成（例如，参照专利文献1)。
[0003] 现有技术文献
[0004] 专利文献
[0005] 专利文献1 :日本特开2006-174559号公报
【发明内容】
[0006] 本发明要解决的问题
[0007] 然而，矩阵变换器有时很难适当地控制电力系统侧的功率因数。例如，在对电力系 统的电压进行转换而向发电机进行输出从而向电力系统提供发电机的电力的矩阵变换器 中，如果在电力系统侧设有滤波器，则包含在滤波器的电容器的超前电流导致有时很难将 电力系统侧的功率因数保持为1。
[0008] 本发明的实施方式的一个方案是鉴于上述问题而完成的，其目的在于提供能够适 当地控制电力系统侧的功率因数的多级串联矩阵变换器、发电系统以及功率因数控制方 法。
[0009] 用于解决问题的技术方案
[0010] 实施方式的一个方案涉及的多级串联矩阵变换器具备电力转换部以及控制部。所 述电力转换部设在电力系统和旋转电机之间，并具有串联连接的多个电力转换单元。所述 控制部以电流从所述多个电力转换单元中的一部分的电力转换单元向所述旋转电机侧流 动的方式对所述一部分的电力转换单元进行控制，并以在所述旋转电机侧流动的电流作为 无功电流从剩余的电力转换单元向所述电力系统侧流动的方式对所述剩余的电力转换单 元进行控制。
[0011] 发明效果
[0012] 根据实施方式的一个方案，可以提供能够适当地控制电力系统侧的功率因数的多 级串联矩阵变换器、发电系统以及功率因数控制方法。
【附图说明】
[0013] 图1是表示实施方式涉及的发电系统的结构的一例的图。
[0014] 图2是表示单相电力转换单元装置的结构的一例的图。
[0015] 图3是表不双向开关的一例的图。
[0016] 图4是表示调整了输入功率因数角的情况下的转速、有功功率、无功功率以及系 统侧功率因数的关系例的图。
[0017] 图5是由主控制部进行控制的第一模式下的系统侧功率因数的控制例的说明图。
[0018] 图6是表示主控制部的结构的一例的图。
[0019] 图7是表示单元控制部的结构的一例的图。
[0020] 图8是表示功率因数设定部的结构的一例的图。
[0021] 图9是表示对输出至旋转电机的电压进行切换的一例的图。
[0022] 图10是表示控制部的处理的流程的一例的流程图。
[0023] 附图标记说明
[0024] 1 :多级串联矩阵变换器，2 :旋转电机，3 :电力系统，4 :位置检测器，10 :多级变压 器，13 :电力转换部，14a~14c :单相电力转换单元装置组，15 :电压相位检测部，16、17 :电 流检测部，18 :主控制部，20a~20i :单相电力转换单元装置，21 :单相电力转换单元，22 : 滤波器，23 :电压检测部，24 :单元控制部，30 :相位检测部，31 :第一电流控制部，32 :第二电 流控制部，33 :输出部，66、67 :切换器，73 :功率因数设定部，100 :发电系统，Swl~Sw6 :双 向开关。
【具体实施方式】
[0025] 下面，参照附图详细说明本申请公开的多级串联矩阵变换器、发电系统及功率因 数控制方法的实施例。此外，本发明不限于该实施例。
[0026] [1.发电系统]
[0027] 图1是表示实施方式涉及的发电系统的结构的一例的图。如图1所示，实施方式 涉及的发电系统100具备多级串联矩阵变换器1和旋转电机2。多级串联矩阵变换器1设 在旋转电机2和三相交流电力系统3之间，并进行旋转电机2和电力系统3之间的电力转 换。
[0028] 在以下的实施方式中，作为旋转电机2的一例，对例如同步电动机等交流发电机 (ACG)进行说明，但旋转电机2不限于交流发电机，例如也可以是交流电动机。另外，在旋转 电机2的旋转轴Ax上设有位置检测器4,所述位置检测器4对表示旋转电机2的转子位置 (机械角）的旋转位置S ti进行检测，由该位置检测器4检测出的旋转位置Θ e被输入到多 级串联矩阵变换器1。
[0029] [2.多级串联矩阵变换器1]
[0030] 参照图1对多级串联矩阵变换器1的结构的一例进行说明。在下面，为了便于说 明，将多级串联矩阵变换器1的控制部分成主控制部和单元控制部进行说明，但也可以在 主控制部内设置单元控制部。另外，也可以设置成由单元控制部进行主控制部的一部分处 理，还可以设置成由主控制部来进行单元控制部的一部分处理。
[0031] 如图1所示，多级串联矩阵变换器1具备多级变压器10、电力转换部13、电压相位 检测部15、电流检测部16、17、主控制部18、端子T R、Ts、1\以及端子TTv、Tw。旋转电机2 与端子!；、T v、Tw连接，电力系统3与端子T R、Ts、Tt连接。
[0032] 多级变压器10具备一次绕组11、和九个二次绕组12a~12i (下面，有时统称为二 次绕组12)，并对从电力系统3输入至一次绕组11的三相交流电压进行变压而输出至九个 二次绕组12a~12i。
[0033] 多级变压器10是例如使与同一输出相对应的二次绕组12之间产生电压相位差的 移相变压器。例如，与位置U2、V2、W2对应的二次绕组12d~12f相对于与位置U1、V1、W1 对应的二次绕组12a~12c，具有20度的电压相位差。另外，与位置U3、V3、W3对应的二次 绕组12g~12i相对于与位置Ul、VI、Wl对应的二次绕组12a~12c，具有40度的电压相 位差。如此，通过设置电压相位差，能够降低在一次绕组11侧流动的高次谐波电流。此外， 多级变压器10也可以不是移相变压器。
[0034] 电力转换部13具备单相电力转换单元装置组14a~14c (下面，有时统称为单相 电力转换单元装置组14)。单相电力转换单元装置组14a~14c的一端相互连接于中性点 N，另一端分别与旋转电机2的U相、V相及W相连接。
[0035] 单相电力转换单元装置组14a具有分别与二次绕组12a、12d、12g连接的单相电力 转换单元装置20a、20d、20g。单相电力转换单元装置20a、20d、20g的输出被串联连接。单 相电力转换单元装置20a的端子T2与中性点N连接，单相电力转换单元装置20g的端子Tl 与旋转电机2的U相连接。
[0036] 单相电力转换单元装置组14b具有分别与二次绕组12b、12e、12h连接的单相电力 转换单元装置20b、20e、20h。单相电力转换单元装置20b、20e、20h的输出被串联连接。单 相电力转换单元装置20b的端子T2与中性点N连接，单相电力转换单元装置20h的端子Tl 与旋转电机2的V相连接。
[0037] 单相电力转换单元装置组14c具有分别与二次绕组12c、12f、12i连接的单相电力 转换单元装置20(3、2(^、20丨。单相电力转换单元装置20(：、2(^、201的输出被串联连接。单 相电力转换单元装置20c的端子T2与中性点N连接，单相电力转换单元装置20i的端子Tl 与旋转电机2的W相连接。
[0038] 各单相电力转换单元装置20具有端子T3(后述的端子Tr、Ts、Tt)和端子T1、T2， 并将经由二次绕组12输入至端子Τ3的三相交流电压转换为单相交流电压并从端子Τ1、Τ2 输出。
[0039] 例如，单相电力转换单元装置组14a向旋转电机2的U相输出对单相电力转换单 元装置20a、20d、20g的输出电压进行累加的电压。另外，单相电力转换单元装置组14b向 旋转电机2的V相输出对单相电力转换单元装置20b、20e、20h的输出电压进行累加的电 压。另外，单相电力转换单元装置组14c向旋转电机2的W相输出对单相电力转换单元装 置20c、20f、20i的输出电压进行累加的电压。
[0040] 图2是表示单相电力转换单元装置20的结构的一例的图。如图2所示，单相电力 转换单元装置20具备单相电力转换单元21 (电力转换单元的一例）、滤波器22、电压检测 部23以及单元控制部24。
[0041] 单相电力转换单元21具备双向开关Swl~Sw6(下面，有时统称为双向开关Sw)。 该双向开关Swl~Sw6经由滤波器22分别连接在端子Tl、T2和端子Tr、Ts、Tt (端子T3) 之间。
[0042] 双向开关Sw例如具有图3所示的结构。图3是表示各双向开关Sw的结构的一例 的图。如图3所示，各双向开关Sw被构成为：由开关元件5和二极管7组成的串联连接体、 和由开关元件6和二极管8组成的串联连接体反向并联连接。
[0043] 开关元件 5、6 例如是 MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor :金属氧化物半导体场效应晶体管）或IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor:绝缘栅双极型晶体管）等半导体开关元件。另外，开关元件5、6也可以是下一 代半导体开关元件SiC、GaN。
[0044] 此外，双向开关Sw不限于图3所示的结构。例如，在图3所示的例子中，二极管7、 8的阴极没有彼此连接，但双向开关Sw也可以是二极管7、8的阴极彼此连接的结构。另外， 在开关元件5、6为反向阻断IGBT的情况下，也可以不设置二极管7、8。
[0045] 滤波器22设在单相电力转换单元21和端子Tr、Ts、Tt之间，并抑制因单相电力转 换单元21产生的高频成分对电力系统3的影响。该滤波器22由三个电抗器LU L2、L3和