三相 48 パルス形 GTO コンバーター

この例では、3 レベルコンバーターおよび 48 パルス矩形波 GTO コンバーターのジグザグ移相変圧器の使用方法を示します。

P. Giroux and G. Sybille (Hydro-Quebec)

説明

このサンプルでは、理想的なスイッチとジグザグ移相変圧器を使用して、GTO 型 100 MVA 138 kV 電圧源インバーターを構築します。このタイプのコンバーターは、送電系統で電力潮流を制御するために使用する高電力 (最大 200 MVA) のフレキシブル交流送電システム (FACTS) で使用されます。たとえば、シャントまたは静的補償器 (STATCOM または SSSC) のモデルの作成に使用できます。あるいは、統合電力潮流コントローラー (UPFC) として知られる分路デバイスと直列デバイスの組み合わせである 2 つのコンバーターを使用します。

この例で説明しているインバーターは、参考文献で説明のある高調波中性点 48 パルス形 GTO コンバーターです。これは、4 つの 3 レベル三相インバーター、4 つの移相変圧器で構成されています。"48-pulse inverter" サブシステムを開きます。DC 母線 (Vdc = +/-9650 V) は、4 つの三相インバーターに接続されていることに注意してください。インバーターによって生成された 4 つの電圧は、Wye (Y) または Delta (D) に接続された 4 つのジグザグ移相変圧器の二次巻線に印加されます。4 つの電圧基本成分は一次側で同相で合計されるよう、4 つの変圧器の主要巻線は直列に接続されており、コンバーターのパルス形パターンは位相シフトされています。

それぞれの 3 レベルインバーターは、+Vdc、0、-Vdc などの 3 つの矩形波電圧を生成します。+Vdc または -Vdc レベル (σ) の存続期間は、Firing Pulse Generator ブロックのシグマ入力から 0 ～ 180°で調整されます。それぞれのインバーターでは Three-Level Bridge ブロックを使用しますが、このブロックでは指定のパワーエレクトロニクスデバイスが理想的なスイッチになっています。このモデルのインバーターの各レッグには、3 つの電圧レベル (+Vdc、0、- Vdc) を取得するための 3 つの理想的なスイッチが使用されています。この簡略モデルは、4 つの GTO、逆向きに接続されたダイオード、2 つの中性点クランプ形ダイオードで各レッグが構成されている、物理インバーターの動作をシミュレートします。この簡略化スイッチが配置されているにもかかわらず、モデルには物理モデルとしてアームあたり 4 パルスが必要です。三相インバーターの各レッグに送信されたパルス形パターンは、Firing Pulse Generator の内部に記述されます。

また、理想的なスイッチではなく、GTO/ダイオードの組をパワーエレクトロニクスデバイスとして選択できます。GTO とダイオードの順電圧降下を指定したり、Multimeter ブロックを使って GTO とダイオードを流れる電流を観察したりすることができます。

以下に説明するように、二次デルタ接続 (-30°) および一次ジグザグ接続 (変圧器 1Y および 1D の場合は +7.5°、変圧器 2Y および 2D の場合は -7.5°) により生成される位相シフトにより、第 45 次までの高調波が打ち消されます。

Y 結線とΔ結線の変圧器の二次側の 30°の位相シフトにより、第 5+12n (5、17、29、41、...) 次と第 7+12n (7、19、31、43、...) の高調波が打ち消されます。さらに、変圧器の 2 つのグループ (7.5°進みのある 1Y と 1D、7.5°遅れのある 2Y と 2D) 間の 15°の位相シフトにより、第 11+24n (11、35、...) 次と第 13+24n (13、37、...) 次の高調波が打ち消されます。すべての第 3n 次高調波が 2 次側の Y 結線とΔ結線で伝送されるわけではないことを考慮すると、変圧器により吸収されない高調波は、第 23 次、第 25 次、第 47 次、第 49 次となります。3 レベル三相インバーター回路に対して、GTO の適切な導通角 (σ = 180 - 7.5 = 172.5°) を選択することによって、第 23 次と第 25 次を最小化することができます。したがって、最初の主要な高調波は第 47 次と第 49 次となります。このタイプのインバーターは 48 ステップから成るほぼ正弦の波形を生成します。

インバーターは開ループにおいて一定の DC 電圧で稼働するため、通常は 0 付近に保たれている電圧位相角 (α) は使用されません。閉ループでの 48 パルス形 GTO STATCOM の動作を示す STATCOM (詳細モデル) の例を確認できます。

最初は、インバーターは無負荷で稼働します。次に、t = 0.025 秒で、100 MVA の抵抗負荷が 138-kV 端子に接続されます。

シミュレーション

シミュレーションを実行し、Scope ブロックに表示される次の波形を観察してください。

インバーターが生成する電圧 (トレース 1)、負荷電流 (トレース 2)、トレース 3 に重なる 4 つのインバーター (1Y) の 1 つの相間電圧および相中性点電圧。インバーターが負荷なしで動作する間は、3 つの 48 ステップ電圧波形を観察できます。負荷を電圧で切り替えるとスムーズになります。これは、高調波が変圧器の漏れリアクタンスによってフィルター処理されるためです。

シミュレーションが完了したら、Powergui を開き、"FFT Analysis" を選択して、2 つの "psb48pulse_str" 構造体に保存された信号の 0 ～ 4,000 Hz の周波数スペクトルを表示します。'Vabc (pu)' という名前の信号を選択します。FFT は、t = 0.025 - 1/60 秒で始まる A 相電圧の 1 サイクルウィンドウで実行されます (インバーターは負荷なしで動作)。"Display" をクリックし、周波数スペクトルを観察します。

THD と同様に、電圧 (pu 単位) の基本成分がスペクトルウィンドウの上に表示されます。最初の主要な高調波は第 47 次と第 49 次となることに注意してください (約 2%)。また、23 次と 25 次は 0.3% 以下に削減されることにも注意してください。高周波成分を打ち消す効率について理解するには、個々のインバーターが生成する相間電圧の周波数スペクトルを観察します。"Van Vab Converter 1Y" という名前の入力と信号番号 2 を選択し、[表示] をクリックします。0 ～ 4000 Hz の周波数範囲の THD は 25% であることを確認します。

パルス発生器の入力で異なるσ値を指定して別のシミュレーションを実行することもできます。個々のコンバーターの相間電圧の特定の高調波 n を打ち消すにはσ値 (単位: 度) は以下のようにして求められることが確認できます。

$Sigma = 180*(1 - 1/n)$

また、σ = 180°を選択するのは 2 レベルコンバーターを使用するのと同等であること、さらに電圧波形は 24 パルスに低下することを確認します。

参考文献

Narain G. Hingorani and Laszlo Gyuyi, "Understanding FACTS", IEEE® Press , 2000