JP2007336632A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用交流電源を入力する電力変換装置は、自家用交流発電機等の周波数、電圧変動の大きい交流電源にその装置を適用すると、変動に追従できず制御不能となるという課題を解消し、安定した制御可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】ＰＷＭコンバータを制御するための信号を出力する直流電圧変動回路と、電源電圧変動信号生成回路と、ＰＷＭコンバータ入力電流指令信号生成回路と、入力電流変動補償回路と、リアクトルの電圧降下補償回路と、交流電源電圧、入力電流変動補償、電圧降下補償の各信号の和の電圧信号を変調波とし、ＰＷＭコンバータを制御するコンバータ制御回路とを備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、例えば自家発電所に設けられた小型発電機である同期発電機等の、周波数や電圧変動の激しい交流発電機を備えた電力変換装置に関するものであり、特にＰＷＭコンバータ方式電源の制御特性向上に係るものである。

従来のＰＷＭコンバータを備えた電力変換装置として、交流電源に交流リアクトルを介して接続されたＰＷＭコンバータおよび平滑コンデンサと、この平滑コンデンサを電圧源とする負荷と、平滑コンデンサの直流電圧を検知して基準電圧に対応した値に制御する直流電圧制御回路の出力信号に応じて、交流電源から供給する電流を制御する入力電流制御回路と、交流電源の電圧と交流リアクトルの電圧降下分の補償信号を出力する補償回路と、前記入力電流制御回路の出力信号に補償信号を加えてＰＷＭコンバータの制御入力信号を得る加算器を備え、
入力電流制御の位相遅れ分を補償し、電源からの供給電流を指令値に追従するよう制御する技術が示されている（例えば、特許文献１参照）。

特公平０７−０４８９５１号公報

しかしながら前記特許文献１に示されたものは、商用電源から電力供給される電力変換装置に係るものであり、商用電源の周波数は一般に安定していることから、周波数変動に配慮した技術は示されていない。
このような特許文献１に示された技術を、例えば自家用小型交流発電機等の周波数、電圧変動の大きい交流電源や起動、停止の多い電源を備えた電力変換装置に適用すると、装置によっては追従できず制御不能となり、過電流、過電圧等の保護動作で停止するケースが生じる等の問題点があった。

この発明は、前記のような課題を解消するためになされたもので、周波数や電圧変動の大きい、または起動／停止の多い交流電源の場合でも安定した制御が可能な電力変換装置を得ることを目的としている。

この発明に係る電力変換装置は、交流電源に交流リアクトルを介して接続されたＰＷＭコンバータと、ＰＷＭコンバータに接続されて負荷に供給する直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、フィルタコンデンサの直流電圧と予め設定された直流基準電圧との差が小さくなるように、ＰＷＭコンバータを制御するための直流電圧変動補償信号を出力する直流電圧変動補償回路と、
交流電源の実効値電圧の逆数と比例し、負荷に供給する直流電流である負荷電流に比例する電源電圧変動信号を出力する電源電圧変動信号生成回路と、
直流電圧変動補償信号と電源電圧変動信号との和により、ＰＷＭコンバータの入力電流の指令値であるコンバータ入力電流指令信号を出力するコンバータ入力電流指令信号生成回路と、
コンバータ入力電流指令信号とＰＷＭコンバータの入力電流との差が小さくなるようにＰＷＭコンバータを制御するための入力電流変動補償信号を出力する入力電流変動補償回路と、
交流リアクトルの電圧降下を補償するための電圧降下補償信号を出力する電圧降下補償回路と、交流電源の電圧信号と入力電流変動補償信号と電圧降下補償信号との和の電圧信号を変調波として、ＰＷＭコンバータを制御するＰＷＭコンバータ制御回路とを備えたものである。

この発明に係る電力変換装置は、ＰＷＭコンバータに接続されて負荷に供給する直流電力を蓄積するフィルタコンデンサの直流電圧と予め設定された直流基準電圧との差が小さくなるように、ＰＷＭコンバータを制御するための直流電圧変動補償信号を出力する直流電圧変動補償回路と、
交流電源の実効値電圧の逆数と比例し、負荷に供給する負荷電流に比例する電源電圧変動信号を出力する電源電圧変動信号生成回路と、
直流電圧変動補償信号と電源電圧変動信号との和により、コンバータ入力電流指令信号を出力するコンバータ入力電流指令信号生成回路と、
コンバータ入力電流指令信号とＰＷＭコンバータの入力電流との差が小さくなるようにＰＷＭコンバータを制御する信号を出力する入力電流変動補償回路と、
交流リアクトルの電圧降下を補償するための信号を出力する電圧降下補償回路と、交流電源の電圧信号と入力電流変動補償信号と電圧降下補償信号との和の電圧信号を変調波として、ＰＷＭコンバータを制御するＰＷＭコンバータ制御回路とを備えた構成であるので、周波数や電圧変動の大きい、または起動／停止の多い交流電源の場合にでも、電力変換装置の安定した制御が可能となる。

実施の形態１．
以下、この発明の実施の形態１を図１に基づいて説明する。
電力変換装置１００は交流電源である、例えば自家発電設備の同期発電機である交流発電機１と、この交流発電機１に接続された交流リアクトル２と、交流電流Ｉｓを検出する第１の電流センサ３と、入力した交流を直流に変換するＰＷＭコンバータ４と、ＰＷＭコンバータ４の直流出力電力を蓄積するフィルタコンデンサ５と、この直流電圧源であるフィルタコンデンサ５に接続された負荷６と、直流出力電流Ｉｄを検出する第２の電流センサ７と、以下に述べる各要素より構成されている。
すなわち、交流発電機１の出力電圧を検知する電圧センサ８、ＰＷＭコンバータ４の変調波を作成するために使用する、電源電圧Ｖｓに同期した正弦波（ｓｉｎ波）と、ｓｉｎ波よりも９０度進んだ位相を持つ同じ振幅の正弦波ｃｏｓ波とを生成するｓｉｎ／ｃｏｓ（サイン／コサイン）発生器９、コンデンサ電圧指令Ｖｄ^＊と符号を反転させたコンデンサ電圧Ｖｄとを加算する第１の加算器１０、この加算器１０の出力を増幅する電圧コントローラ１１、電圧コントローラ１１の出力と後述するフィードフォワード信号Ｉｓ^＊を加算する第２の加算器１２、ｓｉｎ／ｃｏｓ発生器９の出力するｓｉｎ信号と第２の加算器１２の出力とを乗算する第１の乗算器１３、交流電流Ｉｓと符号を反転させた第１の乗算器１３の出力とを加算する第３の加算器１４、この第３の加算器１４の出力する差分を増幅する電流コントローラ１５、電圧センサ８の出力と電流コントローラ１５の出力とを加算する第４の加算器１６、ＰＷＭコンバータ４のスイッチングパターンを決定する信号を出力するＰＷＭ信号発生器１８、ｃｏｓ信号と第２の加算器１２の出力を第２の乗算器１９で乗算し、電圧センサ８が検知する交流発電機１の実効値電圧をｆ／Ｖ（周波数／電圧）変換器２１で変換された周波数ｆと交流リアクトル２のインピーダンス分２πＬｓとを乗算する第５の乗算器２４の出力とを乗算する第３の乗算器２０、第４の加算器１６と第３の乗算器２０の出力を加算してＰＷＭ信号発生器１８に出力する第５の加算器１７、所定の係数を前記周波数ｆで割った値を求める割算器２２、直流電流Ｉｄと割算器２２の出力とを乗算してフィードフォワード信号Ｉｓ^＊を出力する第４の乗算器２３とが設けられている。

ここで、前記第１の加算器１０、電圧コントローラ１１とでＰＷＭコンバータ４を制御するための直流電圧変動補償信号を出力する直流電圧変動補償回路を構成し、ｆ／Ｖ変換器２１で交流発電機１の周波数である電源周波数信号を出力する電源周波数信号生成回路を、ｆ／Ｖ変換器２１と割算器２２と第４の乗算器２３とで電源電圧変動信号生成回路を、第２の加算器１２でＰＷＭコンバータ４の入力電流指令値信号を出力するコンバータ入力電流指令信号生成回路を、第３の加算器１４と電流コントローラ１５で前記コンバータ入力電流指令信号とＰＷＭコンバータ４の入力電流との差が小さくなるようにＰＷＭコンバータ４を制御する入力電流変動補償信号を出力する入力電流変動補償回路を、第２の乗算器１９、第３の乗算器２０で交流リアクトル２の電圧降下を補償する電圧降下補償信号を出力する電圧降下補償回路を、第４の加算器１６、第５の加算器１７、ＰＷＭ信号発生器１８とで電源の電圧信号Ｖｓと前記入力電流変動補償信号と前記電圧降下補償信号との和の電圧信号を変調波としてＰＷＭコンバータ４を制御するＰＷＭコンバータ制御回路を構成する。

以上のような構成の電力変換装置１００の動作について説明する前に、本実施の形態１の特徴である周波数ｆが変動した場合に、安定した制御を行う上での交流電流のフィードフォワード信号を得ることの重要性を以下に述べる。
交流電源である自家発電等で使用される発電機として、例えば同期発電機等が使用されるが、このような交流発電機の特徴としては通常磁束（回転磁界）φ＝一定で運転される。即ち交流発電機の回転により発生する交流電圧Ｖｓと周波数ｆの間には磁束をφとして、
φ＝Ｋ×Ｖｓ／ｆ＝一定 Ｖｓ＝φ／Ｋ×ｆが成り立つ。
ここでＫは一定の定数である。この特性を（図２）に示す。
一方、交流電源から供給される交流電力Ｐａｃ＝Ｖｓ×Ｉｓと出力直流電力Ｐｄｃ＝Ｖｄ×Ｉｄは損失を無視し、交流電源から見て、力率＝１と仮定すると等しくなるので、
Ｖｓ×Ｉｓ＝Ｖｄ×Ｉｄが成り立つ。
従ってＩｓ＝Ｐｄｃ／Ｖｓとなり、φ＝Ｋ×Ｖｓ／ｆ＝一定の条件と組み合わせると、Ｖｄ＝一定として
Ｉｓ＝Ｐｄｃ／Ｖｓ＝Ｋ×Ｖｄ×Ｉｄ／φ×ｆ＝Ｋ´／ｆ×Ｉｄ
ここでＫ´＝Ｋ×Ｖｄ／φ
となり、周波数ｆが変化した場合に交流入力電流は直流電流ＩｄにＫ´／ｆをかけたものに比例することになる。
そこで、交流電圧Ｖｓをｆ／Ｖ（周波数／電圧）変換器２１で周波数ｆに変換し、割算器２２で定数Ｋ´を割り、Ｋ´／ｆを求めて、直流電流Ｉｄに第４の乗算器２３で乗算してやることにより、周波数ｆが変動した場合の交流電流のフィードフォワード信号Ｉｓ^＊を得ることができる。
このフィードフォワード信号Ｉｓ^＊は直流電流Ｉｄの変動に対するフィードフォワードとして働くとともに、周波数ｆの項を持っているため周波数変動に対するフィードフォワード信号としても働く。
この発明は前述のようなフィードフォワード信号を得るような構成を備える。

次に、この構成の電力変換装置１００の動作について述べる。
まず交流発電機1の出力は、交流リアクトル２、ＰＷＭコンバータ４、フィルタコンデンサ５で構成されるＡＣ／ＤＣ変換器はたとえば三相ＡＣ４００Ｖ電圧を直流例えばＤＣ７５０Ｖに変換し、その後直流は負荷６へ給電される。
まず電圧センサ８で検出した交流電源電圧をベースにｓｉｎ／ｃｏｓ発生器９により入力交流に同期したｓｉｎ／ｃｏｓ信号を発生させる。ここでｓｉｎ信号は入力と同相、ｃｏｓ信号は９０°位相差の正弦波信号である。このｓｉｎ／ｃｏｓ信号はＰＷＭコンバータ４が出力する入力交流電流指令の基準となる。
ＰＷＭコンバータ４の制御対象はフィルタコンデンサ５の電圧であり、フィルタコンデンサ５の電圧Ｖｄと図示省略した直流電圧設定器の出力するコンデンサ電圧指令Ｖｄ^＊とは、第１の加算器１０で偏差を得た後、電圧コントローラ１１で増幅され、電圧差がある場合は有効電流を流して電圧を維持するための入力交流電流指令となる。

一方、交流発電機１の出力する電圧Ｖｓを電圧センサ８で検知し、この値を前述したようにｆ／Ｖ（周波数／電圧）変換器２１によって周波数ｆに変換し、割算器２２でＫ´／ｆを求めて、この値を第２の電流センサ７の検知するＰＷＭコンバータの直流出力電流Ｉｄに、第４の乗算器２３で乗算することによりフィードフォワード信号Ｉｓ^＊を得る。このフィードフォワード信号Ｉｓ^＊は、前述した電圧コントローラ１１で増幅された電圧指令と第２の加算器１２で加算された後、第１の乗算器１３でｓｉｎ／ｃｏｓ発生器９の出力するｓｉｎ信号と乗算され最終的なＰＷＭコンバータ４が出すべき入力電流の指令となる。

その後、前記入力電流指令と第１の電流センサ３で検出されたＰＷＭコンバータ４の入力交流電流について第３の加算器１４で差分を取った後、電流コントローラ１５で増幅され、電流差がある場合は有効電流を流して電圧を維持するための入力交流電流指令となる。
この電流コントローラ１５で増幅された出力と入力電圧の電圧センサ８の出力を第４の加算器１６で加算することよりＰＷＭコンバータ４が出力すべき交流電圧Ｖｃ^＊が決定する。
さらに交流リアクトル２による交流側の電圧降下を補償するためｓｉｎ／ｃｏｓ発生器９の出力するｃｏｓ信号と、前記第２の加算器１２の出力する電流指令を第２の乗算器１９で乗算し、また交流リアクトル２のインピーダンス分の２πＬｓとｆ／Ｖ変換器２１の出力する周波数ｆとを第５の乗算器２４で乗算し、その出力と前記第２の乗算器１９の出力とを第３の乗算器２０で乗算し、その出力をフィードフォワード信号として第５の加算器１７により前記第４の加算器１６の出力する交流電圧Ｖｃ^＊に加算し、その結果をＰＷＭ信号発生器１８へ与え、ＰＷＭコンバータ４のスイッチングパターンを決定する。交流発電機電圧Ｖｓ^＊、入力電流Ｉｓ^＊、ＰＷＭコンバータ電圧Ｖｃ^＊、交流リアクトル電圧ＶＬの関係を図３に示す。
このように、この実施の形態１の電力変換装置１００は、入力する交流周波数に応じてフィードフォワード制御を行うので、より高速で安定制御の可能な装置となる。

また、この実施の形態１では、交流リアクトル２での電圧降下を補償する際に、電源周波数の変動を考慮したが、電源周波数の変動を考慮しない場合でも同様の効果が得られる。電圧降下補償で電源周波数の変動を考慮しない場合には、第４の乗算器２３が無く、定格周波数をｆ０とすると、定数２πｆ０Ｌｓが第３の乗算器２０に入力される。
さらに、この実施の形態１は、交流発電機の端子電圧が計測可能であり、交流発電機の端子電圧を用いて電力変換装置のフィードフォワード制御を行った場合であるが、交流発電機が電力変換装置と離れている場所にある場合でも、電力変換装置の入力の交流電圧を用いて、電力変換装置のフィードフォワード制御を行っても同様の効果がある。

実施の形態２．
この実施の形態２は、フィードフォワード信号Ｉｓ^＊を、直流電流のフィードフォワード信号にするように、実施の形態１を変更した場合である。実施の形態２における電力変換装置１００の構成図を図４に示す。図１と異なる点のみを説明する。図１に記載されていた割算器２２と、第４の乗算器２３を図４では削除している。
図４において、第５の乗算器２４にてｆ／Ｖ（周波数／電圧）変換器２１の出力ｆと、交流リアクトル２のインピーダンス分の２πＬｓとを乗算して２πｆＬｓとし、ｓｉｎ／ｃｏｓ発生器９の出力するｃｏｓ信号と、第２の加算器１２が出力する電圧コントローラ１１の出力と第２の電流センサ７の検知電流との偏差からの電流指令とを第２の乗算器１９で乗算し、その出力と前記第５の乗算器２４の出力値２πｆＬｓとを第３の乗算器２０に出力する回路としたものである。このような回路を採用することにより、例えば周波数変動の大きい電源の場合に、従来の電力変換装置に比較してより高速で安定した制御が可能となる。

実施の形態１、２の電力変換装置による制御応答性を図５によって説明する。
図５は、交流発電機の加速／減速パターンの１例を示している。図において加速／減速パターンの曲線５１に対し、実施の形態１、２は応答曲線５２に示すように、特許文献１による従来の電力変換装置による応答曲線５３に比較して、より速い応答性を有する。その理由は特許文献１では平滑コンデンサの直流電圧を検知して制御するのであるのに対し、本発明は交流電圧をｆ／Ｖ変換器によって周波数に変換、処理したフィードフォワード信号を用いてＰＷＭコンバータを制御するので、周波数や電圧変動の大きいまたは起動／停止の多い交流電源でも速い応答により安定した制御が可能となる。

この発明の実施の形態１は、自家用発電機や、一般産業用、さらには新幹線電車等で採用されている交流発電機の出力する交流を入力する電力変換装置に利用できる。

この発明の実施の形態１の電力変換装置の構成図である。 交流発電機の一般的な電圧／周波数特性を示す図である。 ＰＷＭコンバータの一般的な電圧、電流ベクトルの関係を示す図である。 この発明の実施の形態２の電力変換装置の構成図である。 発電機の一般的な加速／減速パターンに対する応答性を示す図である。

符号の説明

１ 交流発電機、２ 交流リアクトル、４ ＰＷＭコンバータ、
５ フィルタコンデンサ、６ 負荷、１８ ＰＷＭ信号発生器、
２１ ｆ／Ｖ（周波数／電圧）変換器、２２ 割算器、１００ 電力変換装置。

Claims (3)

1. 交流電源に交流リアクトルを介して接続されたＰＷＭコンバータと、
   該ＰＷＭコンバータに接続されて負荷に供給する直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、
   該フィルタコンデンサの直流電圧と予め設定された直流基準電圧との差が小さくなるように、前記ＰＷＭコンバータを制御するための直流電圧変動補償信号を出力する直流電圧変動補償回路と、
   前記交流電源の実効値電圧の逆数と比例し、負荷に供給する直流電流である負荷電流に比例する電源電圧変動信号を出力する電源電圧変動信号生成回路と、
   前記直流電圧変動補償信号と前記電源電圧変動信号との和により、前記ＰＷＭコンバータの入力電流の指令値であるコンバータ入力電流指令信号を出力するコンバータ入力電流指令信号生成回路と、
   前記コンバータ入力電流指令信号と前記ＰＷＭコンバータの入力電流との差が小さくなるように前記ＰＷＭコンバータを制御するための入力電流変動補償信号を出力する入力電流変動補償回路と、
   前記交流リアクトルの電圧降下を補償するための電圧降下補償信号を出力する電圧降下補償回路と、
   交流電源の電圧信号と前記入力電流変動補償信号と前記電圧降下補償信号との和の電圧信号を変調波として、前記ＰＷＭコンバータを制御するＰＷＭコンバータ制御回路とを備えた電力変換装置。
2. 前記交流電源の電圧信号から前記交流電源の周波数である電源周波数信号を出力する電源周波数信号生成回路とを備え、
   前記電圧降下補償回路が前記電源周波数信号に応じた電圧降下補償信号を出力することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 交流電源に交流リアクトルを介して接続されたＰＷＭコンバータと、
   該ＰＷＭコンバータに接続されて負荷に供給する直流電力を蓄積するフィルタコンデンサと、
   該フィルタコンデンサの直流電圧と予め設定された直流基準電圧との差が小さくなるように、前記ＰＷＭコンバータを制御するための直流電圧変動補償信号を出力する直流電圧変動補償回路と、
   負荷に供給する直流電流である負荷電流信号を出力する負荷電流信号生成回路と、
   前記直流電圧変動補償信号と前記負荷電流信号との和により、前記ＰＷＭコンバータの入力電流の指令値であるコンバータ入力電流指令信号を出力するコンバータ入力電流指令信号生成回路と、
   前記コンバータ入力電流指令信号と前記ＰＷＭコンバータの入力電流との差が小さくなるように、前記ＰＷＭコンバータを制御するための入力電流変動補償信号を出力する入力電流変動補償回路と、
   前記交流電源の電圧信号から前記交流電源の周波数である電源周波数信号を出力する電源周波数信号生成回路と、
   前記電源周波数信号を入力として前記交流リアクトルの電圧降下を補償するための電圧降下補償信号を出力する電圧降下補償回路と、
   交流電源の電圧信号と前記入力電流変動補償信号と前記電圧降下補償信号との和の電圧信号を変調波として前記ＰＷＭコンバータを制御するＰＷＭコンバータ制御回路とを備えた電力変換装置。

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