CN112997395B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力转换装置，其能够使无功电流0附近的死区根据负载而动态地可变，并在保持直流电压的平衡的同时供给所要求的无功功率。具有：三电平转换器(42)；计算直流电压的平均值的平均值计算部(47)；控制三电平转换器(42)的PWM控制部(43)；检测向三电平转换器(42)供给的三相交流电流的电流检测部(41)；从该电流转换为d轴及q轴电流反馈的坐标转换部(81)；控制无功功率并输出无功电流基准的无功功率控制部(50)；具有设定所述q轴电流反馈在规定的范围内具有迟滞的d轴电流基准的死区部(62)，并输出d轴电压基准的d轴电流控制部(60)；根据q轴电流基准输出q轴电压基准的q轴电流控制部(70)；以及基于所述d轴及q轴电压基准输出三相的交流电压指令的逆坐标转换部(82)。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明的实施方式涉及驱动交流电动机的电力转换装置。
背景技术
在接受三相交流电压的供给并输出三电平的直流电压的中性点箝位(NPC)方式的三电平的PWM转换器中，在直流电路中，在正极(P极：以下记载为P)与中性点(C极：以下记载为C)间连接第一电容器，在中性点(C极)与负极(N极：以下记载为N)之间连接第二电容器。希望第一电容器与第二电容器以相等的直流电压取得平衡。在转换器的交流电流较小的情况下，第一电容器与第二电容器之间的电压平衡(P－C间、N－C间的电压)在转换器为无负载的状态下，即使这些直流电压发生失衡，也不会从***流过负载电流，无法自动地保持平衡。因此，需要使无功电流叠加并取得平衡。例如，考虑输入变压器的阻抗而始终流过超前的无功电流。
另外，已知有如下方法：转换器控制单元控制PWM控制单元以使施加于正侧及负侧的直流电容器的电压的差分为零，使得三电平转换器的输入电流的无功量分别成为规定的无功电流(参照专利文献1。)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2013－143836号公报
发明内容
发明要解决的课题
然而，在使用驱动电动机的电力转换装置而在转换器侧进行无功功率控制的情况下，需要根据对象的无功功率的变动使所输出的无功功率动态地可变。在无功功率较小的情况下，无功电流的方向(超前/延迟)有可能切换，如上所述，为了保持正极侧与负极侧的直流电压的平衡，需要在无功电流0附近设置死区(使得无功电流的方向不切换的规定范围的不灵敏区)。但是，固定的死区即使在负载电流较大的情况下电力转换装置也继续输出固定的无功功率，成为电力转换装置的转换效率降低的重要因素。
本发明是为了解决上述的课题而完成的，其目的在于提供一种电力转换装置，其能够使无功电流0附近的死区根据转换器的有功电流而动态地可变，并在保持直流电压的平衡的同时供给所要求的无功功率。
用来解决课题的手段
为了实现上述目的，本发明的技术方案1所述的电力转换装置，从交流电源***接受三相交流电压的供给来驱动电动机，其特征在于，该电力转换装置具备：多电平转换器，将三相交流电力转换为直流；逆变器，与所述多电平转换器的直流输出连接，接受从所述多电平转换器输出的直流电力的供给，输出驱动所述电动机的三相交流电力；多个电容器，与所述直流输出连接；以及控制部，控制所述转换器及逆变器，所述控制部具备：电流检测部，检测从所述***向所述多电平转换器供给的三相交流电流；坐标转换部，输入从所述电流检测部输出的电流值，输出相当于有功电流的有功电流反馈值与相当于无功电流的无功电流反馈值；无功电流设定器，基于所述有功电流反馈值生成第一无功电流基准并输出；死区部，对于第二无功电流基准，基于第一无功电流基准设定不灵敏区，输出第三无功电流基准；第一电流控制部，以使所述无功电流反馈值追随所述第三无功电流基准值的方式进行控制，生成第一电压指令；电压控制部，以使所述电容器的电压追随直流电压基准的方式生成有功电流基准；第二电流控制部，以使所述有功电流反馈值追随所述有功电流基准的方式进行控制，生成第二电压指令；以及逆坐标转换部，根据所述第一电流控制部的输出值与所述第二电流控制部的输出值生成三相交流的电压指令。
发明效果
根据本发明，能够使无功电流0附近的死区根据多电平转换器的有功电流而动态地可变，并在保持直流电压的平衡的同时供给所要求的无功功率。
附图说明
图1是具备本发明的实施例1的能够供给无功功率的电力转换装置的电力转换***的电路构成图。
图2是说明死区的图。
图3是说明根据有功电流(q轴电流反馈Iqf)设定死区输出值D2的动态死区的图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施例进行说明。
本发明能够应用于具有三电平转换器以外的多电平转换器的电力转换装置，但作为实施例，用三电平转换器进行说明。
实施例1
图1是具备实施例1的能够供给无功功率的电力转换装置4的电力转换***100的电路构成图的一个例子。
图2是说明死区的图。另外，图3是说明根据有功电流(q轴电流反馈Iqf)设定死区输出值D2的动态死区的图。
图示的电力转换***100表示构成为具有从电力***1经由变压器2供给交流电力的电力转换装置4以及电动机9等的情况。
电力转换装置4由主电路部40与控制部49等构成。另外，具有与电力***1连接的负载10以及检测从电力***1向负载10供给的电流的电流检测部41a等。
电力转换装置4向电动机9供给驱动该电动机9所需的三相交流电力。
主电路部40构成为，具有电流检测部41、三电平转换器42、作为平滑电容器的第一电容器44a和作为平滑电容器的第二电容器44b、三电平逆变器45等。
三相的交流电力从电力***1经由变压器2被输入至电力转换装置4的主电路部40。变压器2的输出经由电流检测部41而与三电平转换器42连接。
三电平转换器42的直流电路侧在正极(P)与中性点(C)间连接有第一电容器44a，在中性点(C)与负极(N)间连接有第二电容器44b。而且，在正极(P)、中性点(C)、负极(N)连接有三电平逆变器45。
三电平转换器42通过从控制部49内的PWM控制部43输出的栅极脉冲来使开关元件开关，将经由变压器2供给的交流电力转换为三电平的直流电力。
PWM(Pulse Width Modulation，脉冲宽度调制)控制部43输出控制构成三电平转换器42的开关元件的栅极的栅极脉冲。
第一电容器44a及第二电容器44b使从三电平转换器42输出的直流电压平滑。
三电平逆变器45接受从第一、二电容器44a及44b输出的三电平的直流电力的供给。进而，三电平逆变器45通过从PWM控制部46输出的栅极脉冲控制开关元件，向电动机9输出可变频率的三相交流电压，以所希望的旋转速驱动该电动机9。在三电平逆变器45的三相交流输出连接有电动机9。
与电力***1连接的电压检测器2a检测电力***1的三相交流电压。检测出的三相交流电压被输入至电力转换装置4的控制部49内的***监视***51以及相位检测电路48。
电流检测部41检测供给至三电平转换器42的三相交流电流，并将检测出的三相交流电流输入至控制部49。
控制部49构成为，具有PWM控制部43、46、无功功率控制部50、d轴电流控制部60、q轴电流控制部70、坐标转换部81、逆坐标转换部82等。
相位检测电路48例如检测由相位同步电路(PLL)等构成电力***1的相位θ，并将其作为基准相位输入至坐标转换部81以及逆坐标逆转换部82。
第一电容器44a的端子间电压以及第二电容器44b的端子间电压被输入至平均值计算部47。平均值计算部47的输出计算第一电容器44a与第二电容器44b的平均电压，并向q轴电流控制部70输入。
另外，第一电容器44a的端子间电压及第二电容器44b的端子间电压被输入至差分检测器83。
差分检测器83运算第一电容器44a的端子间电压与第二电容器44b的端子间电压的差电压ΔE，将该值作为中性点变动抑制信号输入至PWM控制部43。
PWM控制部43根据从后述的逆坐标转换部82输出的三相交流的电压基准V＊，输出三电平转换器42的栅极脉冲。进而，PWM控制部43使与第一电容器44a的端子间电压和第二电容器44b的端子间电压的差电压ΔE成比例的直流量与电压基准V＊相加，并以差电压ΔE减小的方式进行校正。或者，通过调制波的振幅调整、调整三电平转换器的0电平电压输出期间，以电压ΔE减小的方式进行校正。
坐标转换部81以由相位检测电路48检测出的电力***的相位θ为基准相位，输入从电流检测部41输出的三相交流电流，转换为由相互正交的d轴电流反馈Idf及q轴电流反馈Iqf构成的2轴的电流分量。
上述d轴电流反馈Idf相当于无功电流，q轴电流反馈Iqf相当于有功电流。若忽略主电路部40的损失，则q轴电流反馈Iqf相当于逆变器45输出的有功电流。即，相当于逆变器45输出的负载电流的有功电流分量。另外，逆坐标转换部82进行与坐标转换部81相反的转换。
无功功率控制部50构成为，具有***监视***51、减法电路52、Var控制部53等。
***监视***51监视从电力***1向负载侧供给的电压、有功电力以及无功功率，在此，生成并输出无功功率基准(Var基准)Var＊以及无功功率反馈(Var反馈)Varf。所输出的Var基准Var＊被输入至减法电路52的+端子，Var反馈Varf被输入至减法电路52的－端子。
***监视***51根据由电流检测部41a检测出的供给至负载10的电流以及由电压检测器2a检测出的电力***1的电压，运算从电力***1向负载10供给的无功功率，基于该无功功率生成Var基准Var＊。
***监视***51根据由电流检测部41检测出的供给至三电平转换器42的电流以及由电压检测器2a检测出的电力***1的电压，运算三电平转换器42向交流侧供给的无功功率，并生成Var反馈Varf。
减法电路52将从Var基准Var＊减去Var反馈Varf而求出的无功功率的差分(残留偏差)输入至Var控制部53。
Var控制部53基于从减法电路52输入的无功功率的差分，以Var反馈Varf值追随Var基准Var＊值的方式进行例如比例积分控制，生成无功电流基准Ir＊并输出。所输出的无功电流基准Ir＊被输入至d轴电流控制部60。
d轴电流控制部60构成为具有死区部62、死区设定部62a、减法电路63、第一电流控制部64(第一电流控制部)，切换开关65等，对d轴电流(无功电流)进行控制。关于死区部62的说明，也参照图2及图3进行说明。
为了由三电平转换器42进行第一电容器44a与第二电容器44b间的电压平衡的控制，需要在第一电容器44a与第二电容器44b间进行电荷的传递。即，需要在三电平转换器中流过规定的电流。即使在电动机9为轻负载或停止时、负载10未消耗无功功率时，死区部62也以使三电平转换器42流过规定的无功电流的方式进行控制。
图2所示的死区是指，例如在根据负载10的无功功率而使无功功率动态地可变的情况下，当无功电流成为0附近时，无功电流的方向(超前/延迟)有可能切换，但为了保持直流电压的平衡，在无功电流0附近，设置死区，在规定的死区宽度值(＝│D1│)的范围内，使无功电流的方向不切换。
死区部62被输入从Var控制部53输出的无功电流基准Ir＊。死区部62的输出Ir1＊经由限制器66而与切换开关65的第一输入连接。
q轴电流反馈Iqf作为限制器66的控制信号而被输入，在限制器66的输入值的二次方与q轴电流反馈Iqf的二次方之和不超过例如三电平转换器42的电流限制值Imc的平方的情况下，限制器66原样地输出输入值，在限制器66的输入值的二次方与q轴电流反馈Iqf的二次方之和超过三电平转换器42的电流限制值Imc的平方的情况下，限制器66的输出Ir2＊的极性与输入信号相同，其绝对值由下式(1)表示。电流限制值Imc例如是三电平转换器42的连续最大交流电流值。
从未图示的d轴电流基准设定部输出的d轴电流基准设定Ids与从坐标转换部81输出的q轴电流反馈Iqf被输入至死区设定部62a，输出死区输出值D2。
死区输出值D2被输入至死区部62，设定死区，并且与切换开关65的第二输入连接。
切换开关65的输出Id＊与减法电路63的加法输入连接。作为坐标转换部81的输出的d轴电流反馈Idf被输入至减法电路63的减法输入。减法电路63的输出被输入至第一电流控制部64。如后述那样，通过采用本构成，能够以追随切换开关65的输出Id＊的方式控制三电平转换器42的d轴电流反馈Idf、即三电平转换器42所输出的无功电流。
使用图2，对死区部62的输入与输出的关系进行说明。
(1)在作为输入的无功电流基准Ir＊的绝对值超过死区宽度值(＝│D1│)的范围内，针对输入的输出Ir1＊与输入成比例。在此，若将输出相对于输入的增益设为K，则输出Ir1＊由下式(2)计算。
Ir1＊＝K·Ir＊
D2＝K·D1
D1＝D2/K·······(2)
(2)在输入从较大的值变化为较小的值的情况下：在0≤输入≤│D1│的范围内，输出＝D2。
(3)在输入从较小的值变化为较大的值的情况下：在0≥输入≥－│D1│的范围内，输出＝－D2。
即，在输入(q轴电流反馈值)为0附近(0≤输入≤│D1│的范围)时，输出相对于输入的关系设定为输出(d轴电流基准值)具有迟滞特性。
在上述说明中，示出了D1≠D2的情况，但当然也可以是设K＝1，D1＝D2的情况。另外，本实施例中的死区输出值D2的上限由d轴电流基准设定Ids指定，例如在三电平转换器42的额定电流的10％的范围内使用。
另外，死区输出值D2d将轴电流基准设定Ids与q轴电流反馈Iqf作为输入，由死区设定部62a如以下那样设定。
图3是说明与电动机9的负载相应的d轴电流基准Ids的动态死区的图。以下，在下式(3)到(5)中示出图3所示的死区输出值D2的设定方法。
(1)在0≤│Iqf│≤Ids时，
D2＝Ids···················(3)
(2)在Ids≤│Iqf│≤K2·Ids时，
D2＝(K2·Ids－Iqf)/(K2－1)···(4)
(3)在K2·Ids≤│Iqf│时，
D2＝0·····················(5)
Ids：在d轴电流基准设定中设为正值。
K2：为1以上的比例常数，例如能够设为2。
上式(3)所示的部分相当于不依赖于电动机9的负载的死区，上式(4)所示的部分相当于动态死区。
在与电动机9的负载大致成比例的q轴电流反馈Iqf的绝对值比规定的值(＝Ids)小的范围内，将死区输出值D2固定为一定值(＝Ids)，维持三电平转换器42的无功电流，但在q轴电流反馈Iqf的绝对值不超过规定值的K2倍的范围内，随着使死区输出值D2变化而q轴电流反馈Iqf的绝对值增加，逐渐减小死区输出值D2，在q轴电流反馈Iqf的绝对值为规定值的K2以上时为0或微小值。这是因为，电动机9的负载(q轴电流反馈Iqf)上升，若负载电流流过，则直流电压自然变得容易平衡，因此无需在负载时流过无功电流。因此，通过根据负载无缝调整死区，能够减少不必要的无功功率的输出，提高电力转换装置4的效率。
根据未图示的切换开关65的控制信号，将切换开关65所输出的信号切换为第一输入或第二输入，由此将电力转换装置4切换为进行负载10的无功功率补偿的运转(无功功率控制运转)和不进行负载10的无功功率补偿的运转(非无功功率控制运转)。
(1)无功功率控制运转
在无功功率控制运转中，切换开关65选择第一输入作为输出。
由此，切换开关65输出限制器66的输出Ir2＊作为无功电流基准Id＊。
(2)非无功功率控制运转
在非无功功率控制运转中，切换开关65选择第二输入作为输出。
由此，切换开关65输出死区设定部62a的输出D2作为无功电流基准Id＊。
减法电路63输出对无功电流基准Id＊与从坐标转换部81输出的d轴电流反馈Idf进行减法而求出的差分(残留偏差)。所输出的d轴电流的差分被输入至第一电流控制部64。
第一电流控制部64基于从减法电路63输入的d轴电流的差分，以d轴电流反馈Idf值追随切换开关65的输出Id＊值的方式生成d轴电压基准Vd＊并输出。第一电流控制部64例如为比例积分器。
所输出的d轴电压基准Vd＊被输入至逆坐标转换部82。
q轴电流控制部70构成为，具有减法电路71、电压控制部72、减法电路73以及第二电流控制部74等。
减法电路71将从由未图示的直流电压基准设定电路设定的直流电压基准VD＊减去从平均值计算部47输出的直流电压反馈VDf而求出的直流电压的差分(残留偏差)输入至电压控制部72。
电压控制部72基于从减法电路71输入的直流电压的差分，以直流电压反馈VDf追随直流电压基准VD＊值的方式生成q轴电流基准Iq＊并输出。电压控制部72例如为比例积分器。
从电压控制部72输出的q轴电流基准Iq＊被输入至减法电路73的+端子。
减法电路73输出从q轴电流基准Iq＊减去从坐标转换部81输出的q轴电流反馈Iqf而求出的差分(残留偏差)。所输出的q轴电流的差分被输入至第二电流控制部74。
第二电流控制部74基于从减法电路73输入的q轴电流的差分，以q轴电流反馈Iqf追随q轴电流基准Iq＊值的方式生成q轴电压基准Vq＊并输出。第二电流控制部74例如为比例积分器。
从第二电流控制部74输出的q轴电压基准Vq＊被输入至逆坐标转换部82。
逆坐标转换部82基于从第一电流控制部64输入的d轴电压基准Vd＊以及从第二电流控制部74输入的q轴电压基准Vq＊，以作为相位检测电路48的输出的相位θ为基准，将2轴的信号向三相的信号进行逆坐标转换，生成电压基准V＊(三相交流电压基准)并输出。所输出的电压基准V＊被输入至PWM控制部43。
三电平转换器42是多电平转换器的一个例子。
作为坐标转换部81的输出的q轴电流反馈Iqf是有功电流反馈值的一个例子。
作为坐标转换部81的输出的d轴电流反馈Idf是无功电流反馈值的一个例子。
死区设定部62a是无功电流设定部的一个例子。
作为死区设定部62a的输出的死区输出值D2是第一无功电流基准的一个例子。
作为无功功率控制部50的输出的无功电流基准Ir＊是第二无功电流基准的一个例子。
死区部62的输出Ir1＊是第三无功电流基准的一个例子。
作为第一电流控制部输出的d轴电压基准Vd＊是第一电压指令的一个例子。
作为平均值计算部47的输出的直流电压反馈VDf是电容器的电压的一个例子。
作为逆坐标转换部82的输出的电压基准V＊是三相交流的电压指令的一个例子。
从d轴电流基准设定部输出的d轴电流基准设定Ids是第四无功电流基准的一个例子。
d轴电流基准设定Ids是第一值的一个例子。作为比例常数K2与d轴电流基准设定Ids之积的K2·Ids是第二值的一个例子。
三电平转换器42的连续最大交流电流值是电流限制值的一个例子。
如以上说明那样，根据本发明的实施例，在电动机9的负载较大、三电平转换器42的无功电流的通电量较小即可的情况下，能够减小基于死区宽度的三电平转换器42的无功电流。
由此，根据本发明，能够提供一种效率良好的电力转换装置，其能够使d轴电流(无功电流)0附近的死区根据电动机9的负载而动态地可变，并在保持直流电压的平衡的同时供给所要求的无功功率。
附图标记说明
1电源***
2变压器
2a电压检测器
4电力转换装置
10负载
40主电路部
41、41a电流检测部
42三电平转换器
43PWM控制部
44a第一电容器
44b第二电容器
45逆变器
46PWM控制部
47平均值计算部
48相位检测电路
50无功功率控制部
51***监视***
52、63、71、73减法电路
53Var控制部
60d轴电流控制部
62死区部
62a死区设定部
64第一电流控制部
66限制器
72电压控制部
74第二电流控制部
70q轴电流控制部
81坐标转换部
82逆坐标转换部
83差分检测器
9电动机

Claims (8)

1.一种电力转换装置，从交流电源***接受三相交流电压的供给来驱动电动机，其特征在于，该电力转换装置具备：
多电平转换器，将三相交流电力转换为直流；
逆变器，与所述多电平转换器的直流输出连接，接受从所述多电平转换器输出的直流电力的供给，输出驱动所述电动机的三相交流电力；
多个电容器，连接于所述多电平转换器的直流电路侧的正极与中性点间以及中性点与负极间；以及
控制部，控制所述多电平转换器及所述逆变器，
所述控制部具备：
电流检测部，检测从所述交流电源***向所述多电平转换器供给的三相交流电流；
坐标转换部，输入从所述电流检测部输出的电流值，输出相当于有功电流的有功电流反馈值与相当于无功电流的无功电流反馈值；
无功电流设定部，基于所述有功电流反馈值生成第一无功电流基准并输出；
死区部，对于被输入的、由所述控制部生成的第二无功电流基准，基于第一无功电流基准设定不灵敏区，输出第三无功电流基准，所述不灵敏区是使无功电流的方向不切换的区域；
第一电流控制部，以使所述无功电流反馈值追随所述第三无功电流基准的方式进行控制，生成第一电压指令；
电压控制部，以使所述电容器的电压追随直流电压基准的方式生成有功电流基准；
第二电流控制部，以使所述有功电流反馈值追随所述有功电流基准的方式进行控制，生成第二电压指令；以及
逆坐标转换部，根据所述第一电流控制部的输出值与所述第二电流控制部的输出值生成三相交流的电压指令。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述死区部的不灵敏区具有迟滞特性。
3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第二无功电流基准基于连接于电力***的负载的无功功率而生成。
4.如权利要求1或3所述的电力转换装置，其特征在于，
所述第二无功电流基准根据连接于电力***的负载的无功功率与所述多电平转换器输出的无功功率的差分而生成。
5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述无功电流设定部，
在所述有功电流反馈值的绝对值小于第一值的情况下，将第四无功电流基准作为所述第一无功电流基准而输出，
在所述有功电流反馈值的绝对值为所述第一值至第二值时，所述第一无功电流基准作为以从第四无功基准变为0或微小值的方式依赖于所述有功电流反馈值的绝对值而逐渐减小的值而输出，
在所述有功电流反馈值的绝对值为所述第二值以上时，将所述第一无功电流基准作为0或微小值而输出。
6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述死区部的输出设置限制器，使所述有功电流反馈值的平方与所述限制器的输出值的平方之和不超过所述多电平转换器的电流限制值的平方之和，将所述限制器的输出值作为第三无功电流基准。
7.如权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于，
所述控制部在所述死区部的输出设置限制器，所述控制部具备切换开关，该切换开关能够选择所述限制器的输出与所述无功电流设定部的输出中的某一方，所述控制部将所述切换开关的输出作为第三无功电流基准。
8.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述多电平转换器为三电平转换器。
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