JP2010063328A

JP2010063328A - 電力変換装置の並列冗長システム

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Publication number: JP2010063328A
Application number: JP2008229240A
Authority: JP
Inventors: Koya Yoshioka; 康哉吉岡
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2008-09-08
Filing date: 2008-09-08
Publication date: 2010-03-18
Anticipated expiration: 2028-09-08
Also published as: JP5211952B2

Abstract

【課題】三相4線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システムでは、負荷に供給する電流に零相電流が含まれ、零相電流に対する電圧制御を逆変換回路で行った場合には、零相成分に対しては同一の出力電圧指令で逆変換回路の３つのアームが制御され干渉する。
【解決手段】零相電流が流れる負荷が接続された場合でも、Ｎ相アームで出力電圧零相成分補正制御を、逆変換回路で出力電圧ノーマル成分補正制御を、各々行う。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流入力を電圧または周波数の異なる別の交流に変換して出力し、安定した電力を負荷に供給する電力変換装置を複数台並列接続し、並列運転する時の制御に関し、特に交流入出力が三相４線式の場合の並列運転制御に関する。

図６に、従来の技術を用いた三相４線式非絶縁型電力変換装置の回路構成を示す。この構成は、特許文献１〜３に記載された回路構成である。本回路は、絶縁トランスを用いずに負荷に電力を供給することができる電力変換装置であり、交流−直流変換を行う順変換回路と、直流−交流変換を行う逆変換回路とで構成され、順変換回路と逆変換回路の共通部分である直流回路の正極と負極との間に、ダイオードが逆並列接続された半導体スイッチング素子（ＩＧＢＴ）を2個直列接続したＮ相アームを接続し、順変換回路の交流入力側と逆変換回路の交流出力側に接続されたフィルタコンデンサの接続方法をスター結線とし、その中性点とＮ相アームの直列接続点とをリアクトル（以下、中性点出力リアクトルと呼ぶ）を介して接続している。

図６において、１は三相交流電源、２は接地点、１７は中性点接地された三相負荷、３は三相4線式非絶縁型電力変換装置である。三相4線式非絶縁型電力変換装置３は、入力リアクトル４、入力フィルタコンデンサ５、入力フィルタリアクトル６、順変換回路７、直流コンデンサ８、Ｎ相アーム９、中性点出力リアクトル１０、逆変換回路１１、出力フィルタリアクトル１２、出力フィルタコンデンサ１３、出力リアクトル１４で構成されている。

電力変換装置においては、負荷への安定した電力供給の信頼性向上のために、複数台の電力変換装置を並列接続する並列冗長方式が採用されている。図５に図６に示した電力変換回路を２台並列接続した場合の並列冗長システムを示す。
並列冗長システムにおいては、各電力変換装置の出力電流と負荷に供給される電流を比較し、並列接続した各電力変換装置の出力電流を均等にする制御が各電力変換装置で行われる。例えば、特許文献４では、複数台の電力変換装置の平均出力電流を計算し、平均出力電流と各電力変換装置の出力電流との差から装置間を流れる循環電流を求め、各電力変換装置の出力電圧を補正し、各電力変換装置の出力電流を均等にする方法が提案されている。

また、複数台の電力変換装置を並列運転すると、装置間を零相電流が循環する。例えば、特許文献５では、電力変換装置の出力電流から零相電流を分離抽出し、零相電流に抑制するように電圧に補正を加える手段を設けている。特許文献６では、電力変換装置のスイッチング動作を制御するパルス幅制御に用いるキャリア信号をすべての電力変換装置で同期させることにより、零相電流を抑制している。
特開２０００−２２４８６２号公報特開２００７−２７４８２５号公報特開２００７−２５９６８８号公報特開２０００−６０１３７号公報特許第３７３２７７２号公報特開２００４−３２０９６４号公報

上述の特許文献４〜６は、三相３線式の電力変換装置に対する制御方法である。三相３線式の場合には、出力電圧の三相和が零でなくても、負荷へ流れる電流の三相和は零となる。これに対し、零相電流は装置間を循環する電流となり、各電力変換装置の出力電流を不均等にする。そこで、三相３線式電力変換装置では上記のように零相電流を積極的に抑制する方式が取られる。

一方、三相4線式非絶縁型電力変換装置では、図５に示す負荷１７は、三相出力リアクトル１４Ａ、１４Ｂのいずれか一相の出力端と出力フィルタコンデンサ１３Ａ、１３Ｂの中性点との間に接続される場合がある。この場合には、電力変換装置は三相和が零の電圧を出力していても、零相電流を出力することになる。このため、図５に示す三相4線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システムでは、零相電流が各電力変換装置で均等に出力されるように電圧制御する必要がある。

出力電流を零相成分と三相和零となるノーマル成分とに分離して、各成分に対応した出力電圧指令を生成してから、零相成分とノーマル成分が混在した三相出力電圧指令を生成する方式は、特許文献５において提案されている。しかし、零相成分とノーマル成分が混在した三相出力電圧指令で逆変換回路の三相出力電圧を制御する場合、零相成分に対しては逆変換回路の３つのアームが同一指令で制御されることになり、制御性能のばらつきにより三相アームの電圧制御が干渉を起こす問題が生じる。三相4線式非絶縁型電力変換装置の場合、Ｎ相アーム９Ａ、９Ｂを逆変換回路に従属するように制御することで、この干渉の影響を補うようにＮ相アーム９Ａ、９Ｂを機能させることが出来る。しかし、三相4線式非絶縁型電力変換装置の場合でも、零相成分に対する逆変換回路の三相アーム電圧制御の干渉自体は回避できない。

また、装置間を循環する零相電流を抑制するために各電力変換装置のキャリア信号を同期させることは、電力変換装置の並列台数が増加する場合には、電力変換装置間に共有する信号線を設置することになり、信頼性が低下する。また、信頼性を高めるための並列冗長システムでは電力変換装置の制御装置が個々に独立であり、他の電力変換装置の詳細な情報が得られない場合がある。この場合には、キャリア信号を同期させることは不可能となる。

以上のように、三相4線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システムでは、負荷に供給する電流に零相電流が含まれ、この零相電流を各電力変換装置が均等に負担するように出力電圧を制御する必要がある。また、零相電流に対する電圧制御を逆変換回路で行った場合には、零相成分に対しては同一の出力電圧指令で逆変換回路の３つのアームが制御され干渉する。さらに、電力変換装置の並列冗長システムでは、零相電流循環を抑制するためのキャリア信号同期方式は、電力変換装置間に共有する信号線を設置することになり、信頼性が低下する。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、複数台電力変換装置の各出力電流を均等にし、安定した電力を負荷に供給する信頼性の高い三相４線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システムを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するために、第1の発明においては、三相交流電源に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力する逆変換器と、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子2個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、から構成され、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサおよび前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる三相4線式非絶縁型電力変換装置が、複数台並列に接続されて運転される並列冗長システムにおいて、前記電力変換装置が運転中か停止中かを示す情報を各電力変換装置間で共有する手段と、運転状態にある各電力変換装置が負荷に供給する電流を均等分担するように各電力変換装置の出力電流指令を決定する手段と、出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する手段と、前記横流をさらに零相成分と三相和零のノーマル成分とに分離する手段と、横流の各成分が零となるように、横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を前記Ｎ相アームで行う手段と、横流ノーマル成分に従って三相出力電圧指令およびノーマル成分電圧制御に補正を加える出力電圧ノーマル成分補正制御を逆変換回路で行う手段と、を備える。

第２の発明においては、前記横流を零相成分と三相和零のノーマル成分とに分離する手段は、出力電流指令と電力変換装置が出力している電流との差分を横流として算出し、前記横流の三相分の和を１／３倍したものを横流零相成分とし、出力電流指令と電力変換装置が出力している電流との差分から前記横流零相成分を減算したものを横流ノーマル成分とする。

本発明では、三相４線式非絶縁電力変換装置の並列冗長システムにおいて、電力変換装置が運転中か停止中かを示す情報を各電力変換装置間で共有する手段と、運転状態にある各電力変換装置が負荷に供給する電流を均等分担するように各電力変換装置の出力電流指令を決定する手段と、出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する手段と、前記横流をさらに零相成分と三相和零のノーマル成分とに分離する手段と、横流の各成分が零となるように、横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を前記Ｎ相アームで行う手段と、横流ノーマル成分に従って三相出力電圧指令およびノーマル成分電圧制御に補正を加える出力電圧ノーマル成分補正制御を逆変換回路で行う手段と、を備える。

その結果、零相電流が流れる負荷が接続された場合でも、Ｎ相アームで出力電圧零相成分補正制御を、逆変換回路で出力電圧ノーマル成分補正制御を、各々行い、また、電力変換装置間で運転状態の情報を共有するだけで、負荷に供給する電流を各電力変換装置が均等分担し、安定した電力を負荷に供給することが可能となる。

本発明の要点は、零相アームを備えた電力変換装置において、出力電流指令と電力変換装置の出力電流との差分を横流として算出し、前記横流を零相成分とノーマル成分とに分離し、横流の各成分が零となるように、横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を前記Ｎ相アームで行い、横流ノーマル成分に従って三相出力電圧指令およびノーマル成分電圧制御に補正を加える出力電圧ノーマル成分補正制御を逆変換回路で行うことである。

図１に、本発明の第1の実施例を示す。逆変換回路のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各アームを制御する電圧制御ブロックとＮ相アームを制御する電圧制御ブロックとを示している。
制御対象の出力電圧は、三相４線式非絶縁電力変換装置のスター結線された出力フィルタコンデンサ１３の中性点を基準にした出力フィルタコンデンサの三相各電圧である。検出した三相電圧Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗは図２に示すように、ノーマル成分と零相成分に分離する。まず、三相和を加算器４４で求め、加算器４４の出力を比例ゲイン４５で三分の一にして出力電圧零相成分Ｖｚを抽出する。次に、減算器４３ｕ、４３ｗを用いて各相電圧検出より出力電圧零相成分を除去して、各相のノーマル成分Ｖｎｕ、Ｖｎｗを求める。ノーマル成分は三相和零であり、三相のうち一相は二相に従属であることから、Ｖ相電圧ノーマル成分は用いない。

負荷に供給されずに他の電力変換装置とで循環する三相横流は、検出した負荷電流と電力変換装置の出力電流とから図３に示すような制御ブロックで算出し、さらに、三相横流ノーマル成分と横流零相成分に分離する。まず、図５の電流検出器１６で検出した負荷に供給される電流を比例ゲイン１８ｕ、１８ｖ、１８ｗに各々入力し、運転状態にある電力変換装置で負荷に供給する電流を均等分担するように各電力変換装置の出力電流指令を生成する。電流検出器１６を設置できない場合は、負荷に供給される電流は、各電力変換装置の検出器１５で検出した出力電流の総和から算出することもできる。

比例ゲイン１８ｕ、１８ｖ、１８ｗは運転状態の電力変換装置台数に反比例する。例えば、運転状態にある電力変換装置が２台の場合には、比例ゲイン１８ｕ、１８ｖ、１８ｗは０．５となる。また、運転状態にある電力変換装置が３台の場合には、０．３となる。電力変換装置が運転中か停止中かの情報は各電力変換装置間で共有されており、電力変換装置の運転状態に従って比例ゲインは比例ゲイン演算器４６で変更され、出力電流指令となる。

次に、出力電流指令と検出器１５Ａ、１５Ｂで検出した電力変換装置が実際に出力している電流との差を減算器１９ｕ、１９ｖ、１９ｗにより求め、負荷に供給されずに他の電力変換装置とで循環する三相横流を求める。続いて、減算器１９ｕ、１９ｖ、１９ｗが出力する三相横流の三相和を加算器２１で求め、加算器２１の出力を比例ゲイン２２で三分の一にして、横流零相分を抽出する。さらに、減算器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗを用いて、減算器１９ｕ、１９ｖ、１９ｗが出力する三相横流より横流零相成分Ｉｃｚを除去して、各相の横流ノーマル成分Ｉｃｕ、Ｉｃｖ、Ｉｃｗを求める。

逆変換回路の三相出力電圧指令の周波数と振幅に対して、上記で求めた三相横流ノーマル成分に従って、図４のように補正が加えられる。まず、三相横流ノーマル成分を式１の変換を行う三相二相変換２６により、α成分Ｉｃαとβ成分Ｉｃβの二相に変換する。同様にして、逆変換回路の三相出力電圧指令を式２の変換を行う三相二相変換２７により、α成分Ｖα＊とβ成分Ｖβ＊の二相に変換する。
(式１)

(式２)

次に、二相出力電圧指令を基準にした式３の回転座標変換２５により、二相出力電圧指令に対する横流ノーマル成分の有効分Ｉｃｄと無効分Ｉｃｑを求める。
(式３)

回転座標変換２５で得られた横流ノーマル成分の有効分Ｉｃｄと無効分Ｉｃｑをそれぞれ補償器２３、２４に入力する。補償器２３の出力は、加算器２９を用いて三相出力電圧指令の基準周波数ｆ*に加算される。補償器２４の出力は、加算器３０を用いて三相出力電圧指令の基準電圧振幅|Ｖ|*に加算される。
補正された周波数指令ｆと振幅指令|Ｖ|を用いて、式４の演算を行う三相出力電圧指令生成器２８により三相出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊が生成される。
(式４)

ただし、

三相出力電圧指令生成器２８で生成した三相出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｖ＊、Ｖｗ＊に対し、図１の逆変換回路の電圧制御ブロックは、以下のような制御を行う。
まず、三相横流ノーマル成分Ｉｃｕ、Ｉｃｗに比例した電圧補正分を比例ゲイン３１ｕ、３１ｗ、で求め、その電圧補正分を加算器３３ｕ、３３ｗで各相の出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｗ＊に加算する。この部分が出力電圧ノーマル成分補正制御に相当する。次に加算器３３ｕ、３３ｗの出力と検出した出力電圧のノーマル成分Ｖｎｕ、Ｖｎｗとの差を減算器３４ｕ、３４ｗにより求め、補償器３２ｕ、３２ｗに入力する。続いて、加算器３５ｕ、３５ｗにより補償器３２ｕ、３２ｗの出力を出力電圧指令Ｖｕ＊、Ｖｗ＊に加算し、加算器３５ｕ、３５ｗの出力をＵ相、Ｗ相アーム電圧指令Ｖｉｕ＊、Ｖｉｗ＊としている。

ただし、ノーマル成分は三相和零であり、三相のうち一相は二相に従属であることから、Ｖ相アーム電圧指令Ｖｉｖ＊は、減算器３６により他の二相の補償器３２ｕ、３２ｗの出力をＶ相出力電圧指令Ｖｖ＊から減算することにより求めている。各相アーム電圧指令Ｖｉｕ＊、Ｖｉｖ＊、Ｖｉｗ＊は、逆変換回路のスイッチング動作を制御するパルス幅制御の電圧指令信号となる。

一方、Ｎ相アームの電圧制御ブロックでは、まず、三相横流零相成分に比例した補正分を比例ゲイン３７で求め、その補正分を加算器４０で出力電圧零相成分指令Ｖｚ＊に加算する。この部分が出力電圧零相成分補正制御に相当する。次に加算器４０の出力と出力電圧の零相成分Ｖｚの差を減算器４１により求め、減算器４１の出力を補償器３８に入力する。続いて、加算器４２により補償器３８の出力を出力電圧零相成分指令Ｖｚ＊に加算し、さらに比例ゲイン３９で極性を反転し、Ｎ相アーム電圧指令Ｖｏ＊としている。Ｎ相アーム電圧指令Ｖｏ＊は、Ｎ相アームのスイッチング動作を制御するパルス幅制御の電圧指令信号となる。

尚、上記実施例では、Ｕ相とＷ相の出力電圧ノーマル成分に横流ノーマル成分で補正を加えて電圧指令を求め、Ｖ相は三総和が零となる関係を用いて電圧指令を求める例を示したが、横流ノーマル成分で補正を加える相はいずれか二つの相であれば良く、Ｖ相とＷ相或いはＷ相とＵ相の出力電圧ノーマル成分に横流ノーマル成分で補正を加えても実現可能である。

本発明は、三相４線式交流電源が適用される無停電電源装置や交流電源装置などへの適用が可能である。

本発明の実施例を示す電圧制御ブロック図を示す。本発明の実施例の三相出力電圧をノーマル成分と零相成分に分離するブロック図を示す。本発明の実施例の三相横流をノーマル成分と零相成分に分離するブロック図を示す。本発明の実施例の三相横流ノーマル成分に従い三相電圧指令の周波数と振幅を補正するブロック図を示す。三相４線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システムの構成図を示す。三相４線式非絶縁型電力変換装置の構成図を示す。

符号の説明

１・・・三相交流電源２・・・接地点
３、３Ａ、３Ｂ・・・三相４線式非絶縁型電力変換装置
４、４Ａ、４Ｂ・・・入力リアクトル
５、５Ａ、５Ｂ・・・入力フィルタコンデンサ
６、６Ａ、６Ｂ・・・入力フィルタリアクトル
７、７Ａ、７Ｂ・・・順変換回路
８、８Ａ、８Ｂ・・・直流コンデンサ９、９Ａ、９Ｂ・・・Ｎ相アーム
１０、１０Ａ、１０Ｂ・・・中性点出力リアクトル
１１、１１Ａ、１１Ｂ・・・逆変換回路
１２、１２Ａ、１２Ｂ・・・出力フィルタリアクトル
１３、１３Ａ、１３Ｂ・・・出力フィルタコンデンサ
１４、１４Ａ、１４Ｂ・・・出力リアクトル
１５Ａ、１５Ｂ、１６・・・電流検出器１７・・・三相負荷
１８ｕ、１８ｖ、１８ｗ・・・比例ゲイン
２２、３１ｕ、３１ｗ、３７、３９、４５・・・比例ゲイン
１９ｕ、１９ｖ、１９ｗ、２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ、４３ｕ、４３ｗ・・・減算器
３４ｕ、３４ｗ、４１・・・減算器
３６・・・減算器
２９、３０、３３ｕ、３３ｗ、３５ｕ、３５ｗ、４０、４２・・・加算器
２１、４４・・・加算器
２３、２４、３２ｕ、３２ｗ、３８・・・補償器２５・・・回転座標変換
２６、２７・・・三相二相変換２８・・・三相出力電圧指令生成器
４６・・・比例ゲイン演算器

Claims

三相交流電源に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により交流−直流変換を行う順変換器と、順変換器の直流回路の直流端子間に接続され、半導体スイッチング素子の高周波スイッチング動作により直流−交流変換を行い、三相交流電圧を出力する逆変換器と、ダイオードを逆並列接続した半導体スイッチング素子2個の直列回路からなり前記直流回路の直流端子間に接続されるＮ相アームと、から構成され、前記順変換器交流入力側のフィルタコンデンサおよび前記逆変換器交流出力側のフィルタコンデンサの接続方法を、各々スター結線とし、その中性点と前記Ｎ相アームの直列接続点とをリアクトルを介して接続してなる三相4線式非絶縁型電力変換装置が、複数台並列に接続されて運転される並列冗長システムにおいて、
前記電力変換装置が運転中か停止中かを示す情報を各電力変換装置間で共有する手段と、運転状態にある各電力変換装置が負荷に供給する電流を均等分担するように各電力変換装置の出力電流指令を決定する手段と、出力電流指令と実際に電力変換装置が出力している電流との差分を負荷に供給されずに他の電力変換装置との間で循環する横流として算出する手段と、前記横流をさらに零相成分と三相和零のノーマル成分とに分離する手段と、横流の各成分が零となるように、横流零相成分に従って零相電圧制御に補正を加える出力電圧零相成分補正制御を前記Ｎ相アームで行う手段と、横流ノーマル成分に従って三相出力電圧指令およびノーマル成分電圧制御に補正を加える出力電圧ノーマル成分補正制御を逆変換回路で行う手段と、を備えることを特徴とする三相４線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システム。
前記横流を零相成分と三相和零のノーマル成分とに分離する手段は、出力電流指令と電力変換装置が出力している電流との差分を横流として算出し、前記横流の三相分の和を１／３倍したものを横流零相成分とし、出力電流指令と電力変換装置が出力している電流との差分から前記横流零相成分を減算したものを横流ノーマル成分とすることを特徴とする請求項１に記載の三相４線式非絶縁型電力変換装置の並列冗長システム。