JP2015046985A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 負荷電流を検出するセンサ及び電圧変動を抑制する大容量のキャパシタを用いずに負荷急変時の電圧変動を抑制することのできる電力変換装置を提供する。
【解決手段】 電流指令値に対応する電流を出力することで入力される直流または交流の電力を一定の直流電力に変換する電力変換回路１１と、前記電力変換回路の出力部に接続するキャパシタ１２と、前記キャパシタの電圧を設定値に制御するために前記電力変換回路に前記電流指令値を出力する電圧制御手段１４とを有し、前記電圧制御手段は、前記キャパシタの電圧のプロセス値Ｖ_ｄｃ及び設定値Ｖ_{ｄｃ＿ｒｅｆ}から前記電流指令値を求める電力変換装置１０である。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

入力される直流又は交流の電力を一定の直流電力に変換する電力変換装置は、例えば６アームＰＷＭ（Pulse Width Modulation）コンバータ、ＤＣ／ＤＣコンバータ等の電力変換回路と、当該電力変換装置に接続して直流電圧を生成するキャパシタとを備えている。ＰＷＭコンバータやＤＣ／ＤＣコンバータは自己消弧型素子を適用したスイッチング回路であるため、キャパシタ電圧をフィードバックしてスイッチング動作を制御することで出力電圧を任意の電圧に制御することが可能である。

ところで、電力変換回路は出力する電流を一定値に制御する。電力変換回路には、キャパシタと並列に負荷が接続される。従って、電力変換回路が制御した電流はキャパシタおよび負荷側に流れる。このため、負荷が急激に変化するなどの過渡的な変動が生じると、負荷側に流れる電流が外乱として作用することによってキャパシタ電圧が変動するため、電力変換回路の制御動作が乱れる。

そこで、負荷に流れる電流（負荷電流）を検出し、この負荷電流に応じて制御信号を補償する（例えば、フィードフォワード制御を適用する）ことでキャパシタに意図した電流を流し、負荷急変時の電圧変動を抑制することができる。

川田昌克、西岡勝博「MATLAB/Simulinkによるわかりやすい制御工学」、森北出版、p66

しかし、負荷電流を制御系に取り入れるためには、負荷電流を検出するためのセンサ、及び新たな制御系を構成するための回路が必要となるため、制御装置の装置コストが上昇する。一方、負荷急変時におけるキャパシタ電圧の変動を抑制するために、容量が大きいキャパシタを備えることが考えられるが、大容量のキャパシタ設置による電力変換装置の体積増大、コスト上昇を招く。

本発明は上述した課題を解決するためになされたものであり、負荷電流を検出するセンサ及び電圧変動を抑制する大容量のキャパシタを用いずに負荷急変時の電圧変動を抑制することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明の実施の形態によれば、電流指令値に対応する電流を出力することで入力される直流または交流の電力を一定の直流電力に変換する電流変換回路と、前記電流変換回路の出力部に接続するキャパシタと、前記キャパシタの電圧を設定値に制御するために前記電流変換回路に前記電流指令値を出力する電圧制御手段とを有し、前記電圧制御手段は、前記キャパシタの電圧のプロセス値及び設定値から前記電流指令値を求める電力変換装置を得ることができる。

第１の実施の形態の電力変換装置の制御ブロックを示す図。 第１の実施の形態のバリエーションの電力変換装置の制御ブロックを示す図。 第２の実施の形態の電力変換装置の制御ブロックを示す図。 第３の実施の形態の電力変換装置の制御ブロックを示す図。 第１の実施の形態の電力変換装置に先立って検討した電力変換装置の構成を示す図。

[第１の実施の形態]
第１の実施の形態の電力変換装置について説明する前に、従来の電力変換装置における問題点について説明する。

図５は、第１の実施の形態の電力変換装置に先立って検討した電力変換装置の構成を示す図である。

電力変換装置１０は、交流電源５から入力した交流電力を直流電力に変換して負荷６に供給する。電力変換装置１０の外部に設けられた電流検出器７は、負荷電流を検出して電力変換装置１０に出力する。

電力変換装置１０は、電力変換回路１１、キャパシタ１２、電圧検出器１３、直流電圧制御回路１４、電流制御回路１５、電流検出器１６、ゲート信号生成回路１７、及びゲート駆動回路１８を備えている。

電力変換回路１１は、スイッチング素子１１ａを６アームに構成したＰＷＭコンバータである。電力変換回路１１は、スイッチング素子１１ａを駆動して入力電流ｉ_ｉｎから出力電流ｉ_ｃｏｎｖを生成する。電流制御回路１５は、電流検出器１６で検出した入力電流ｉ_ｉｎと電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}とからＰＷＭを実行するための制御信号を出力する。ゲート信号生成回路１７は、制御信号に基づいてスイッチング素子１１ａのゲートを駆動するためのゲート信号を生成する。ゲート駆動回路１８は、ゲート信号に基づいてスイッチング素子１１ａを動作させる。

生成された出力電流ｉ_ｃｏｎｖは、キャパシタ１２に流れる電流ｉ_ｃと負荷６に流れる電流ｉ_ｌｏａｄとに分岐する。電流ｉ_ｃによってキャパシタ１２には電荷が蓄積され、キャパシタ１２の両端には電圧が発生する。電圧検出器１３は、キャパシタ１２の電圧Ｖ_ＤＣを検出して直流電圧制御回路１４に出力する。電流検出器７は、負荷６に流れる電流ｉ_ｌｏａｄを検出して直流電圧制御回路１４に出力する。

直流電圧制御回路１４は、キャパシタ１２の電圧Ｖ_ＤＣ（出力端子Ｐ−出力端子Ｎ間の電圧）と電圧指令値Ｖ_{ＤＣ＿ｒｅｆ}との偏差に基づいて制御信号を生成して電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}として電流制御回路１５に出力する。

このように、直流電圧制御回路１４は、キャパシタ１２の電圧Ｖ_ＤＣから電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}を求め、電流制御回路１５は、その指令値に対応する電流をキャパシタに流すことで電圧制御を行う。従って、直流電圧制御回路１４と電流制御回路１５とは、カスケード制御を構成している。

ここで、直流電圧制御回路１４に入力されるプロセス値（ＰＶ）は、キャパシタ１２に流れる電流ｉ_ｃによって生ずる電圧値である。一方、電流制御回路１５が制御する電流値出力電流ｉ_ｃｏｎｖは、キャパシタ１２に流れる電流ｉ_ｃと負荷６に流れる電流ｉ_ｌｏａｄとを合計した値である。このように電力変換回路１１はキャパシタ１２および負荷６に流れる電流の合計値を操作するが，キャパシタ１２の電圧を直接操作することはできない。従って、負荷６に過渡的な変動が生じるとキャパシタ１２の電圧が変動する。

そのため、図５に示す電力変換装置１０では、負荷６に流れる電流ｉ_ｌｏａｄを検出し、直流電圧制御回路１４で求めた電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}に電流ｉ_ｌｏａｄに対応する信号を加算した値を新たな電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}とすることでキャパシタ１２に意図した電流ｉ_ｃを供給して、負荷６が急変した際の電圧変動を抑制している。

このように、図５に示す電力変換方式では、上述のように負荷電流を検出するためのセンサ、及び新たな制御系を構成するための回路が必要となるため、電力変換装置１０の装置コストが上昇するという問題が存在する。

続いて、第１の実施の形態の電力変換装置１０の構成について説明する。

図１は、第１の実施の形態の電力変換装置１０の制御ブロックを示す図である。第１の実施の形態の電力変換装置１０は、図５に示す電力変換装置１０と制御方法が異なっている。

電力変換装置１０の制御ブロックは、電圧制御ブロック２０及び電流制御ブロック２１を備えている。

電圧制御ブロック２０は、直流電圧制御回路１４の制御機能を示すブロックである。電流制御ブロック２１は、図５で説明した電流制御回路１５、電流検出器１６、ゲート信号生成回路１７、ゲート駆動回路１８、及び電力変換回路１１を含めた制御機能を示すブロックである。

但し、電流制御ブロック２１は、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}に対応する出力電流ｉ_ｃｏｎｖをスイッチング動作によって生成する動作を実行する制御ブロックであり、負荷６の変動を取り入れてスイッチング動作を制御する機能は備えていない。従って、本実施の形態では、電流制御ブロック２１は、ゲイン変換機能を備えた比例動作ブロックとして扱い、スイッチング動作による遅延要素などの制御要素は、電圧制御ブロック２０において考慮する。

なお、図１では交流電源５を明示して記載していないが、これは、本実施の形態の電力変換回路１０は、交流電源を入力とすることに限定されず、出力側にキャパシタ（容量成分）を備えるタイプの電力変換回路１０を全て対象とすることを表していることに留意されたい。

続いて、電圧制御ブロック２０の構成について説明する。

図１において電力変換回路出力電流ｉ_ｃｏｎｖ、出力に接続されたキャパシタ１２に流れる電流ｉ_ｃ及び負荷電流ｉ_ｌｏａｄの関係は式（１）となる。

ここで図１の出力端子Ｐ-Ｎ間の電圧をＶ_ＤＣとするとＰ-Ｎ間電圧はキャパシタ電圧であり、従って、キャパシタ電流は式（２）で表される。

ここで、式（２）に示すキャパシタ電圧の微分値をそのまま負荷電流推定に用いると、電力変換回路１１のスイッチングによる高周波ノイズの影響が表れるため制御系が不安定となる。そこで高周波ノイズを抑制するための一次遅れ要素（不完全微分）を挿入する。一次遅れ要素を入れたキャパシタ電流ｉ_ｃの推定値は微分演算子ｓを用いて表すと式（３）となる。

キャパシタ電圧Ｖ_ＤＣから電流ｉ_ｃを推定できたため、出力電流ｉ_ｃｏｎｖを求めることができれば負荷電流ｉ_ｌｏａｄを推定することができる。しかし、一般的に電流操作可能な電力変換回路１０では出力電流を検出するためのセンサは備えられていないため、直接出力電流ｉ_ｃｏｎｖを求めることができない。そこで、出力電流ｉ_ｃｏｎｖを知るための手段として、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}を用いる。しかし、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}を出力電流ｉ_ｃｏｎｖとしてそのまま利用することはできない。キャパシタ電圧を検出した時点での電力変換回路出力電流ｉ_ｃｏｎｖと電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}とは一致しないためである。そこで、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}に一次遅れフィルタ等の遅れ要素を追加し、所定時間過去の値を使用することで、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}からキャパシタ電圧を検出した時点での出力電流ｉ_ｃｏｎｖを推定する。一次遅れ要素を用いて推定した電力変換回路の出力電流は式（４）で表される。

以上のことから負荷電流ｉ_ｌｏａｄは式（５）で表すことができる。

一方、図１に示すように、制御補償ブロックの出力と推定した負荷電流ｉ_ｌｏａｄとが加算されて電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}が式（６）で求められる。

式（５）、式（６）を整理すると、キャパシタ電圧Ｖ_ＤＣから、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}を導く電圧制御ブロック２０の伝達関数を求めることができる。そして、この伝達関数に従って制御を実行することによって、電圧変動抑制を実現できる。

[第１の実施の形態のバリエーション]
第１の実施の形態では、キャパシタ電流推定の時定数Ｔ_Ｄと出力電流推定の時定数Ｔ_ｆとを用いた。第１の実施の形態のバリエーションでは、時定数Ｔ_Ｄ＝時定数Ｔ_ｆとして伝達関数を簡略化する。

ここで、時定数Ｔ_ｆは電力変換回路１１を制御する動作の一次遅れ要素であり物理的に確定した値である。これに対し時定数Ｔ_Ｄは上述のように高周波ノイズを抑制するための一次遅れ要素（不完全微分）として実用的な制御を実現するために導入した値である。そして、両値ともに同じオーダの値である。従って、時定数Ｔ_Ｄを時定数Ｔ_ｆで置き換えることは合理的な対応である。

この簡略化により、式（５）は、式（７）で表すことができる。

図２は、第１の実施の形態のバリエーションの電力変換装置１０の制御ブロックを示す図である。

式（６）、式（７）を整理すると、キャパシタ電圧Ｖ_ＤＣから、電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}を導く電圧制御ブロック２０の伝達関数を求めることができる。そして、この伝達関数に従って制御を実行することによって、電圧変動抑制を実現できる。このバリエーションの構成によれば、直流電圧制御回路１４の回路構成を簡略化でき、処理の効率を向上させることができる。

[第２の実施の形態]
第２の実施の形態では、電力変換装置が直流電源からの電力を変換するように構成されている点で第１の実施の形態と異なっている。第１の実施の形態と同一または同様な機能を奏する部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図３は、第２の実施の形態の電力変換装置１０の制御ブロックを示す図である。

入力電圧Ｖ_ｉｎの直流電源８からリアクタ９を介して供給される入力電流ｉ_ｉｎは、電力変換回路１１において電力変換回路出力電流ｉ_ｃｏｎｖに変換される。ここで、電力変換回路１１は、図５の構成と異なり、２アームＰＷＭコンバータで構成されているが、これは図５では交流電力を変換するのに対し、第２の実施の形態では直流電力を変換するためである。

また、電流制御ブロック２１には、ゲインブロックが新たに設けられている。ゲインブロックには比例ゲインが設定され、第１の実施の形態のバリエーション（図２）で示したそれぞれのブロックによって求められる電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}に対してゲイン演算が行われる。そして、ゲイン演算後の補正電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ０}が電流制御回路１５に指令値として出力される。

ここで、図３に示すリアクタ９、電力変換回路１１、キャパシタ１２は、昇圧チョッパを構成する。従って、入力電圧Ｖ_ｉｎ、入力電流ｉ_ｉｎ、電力変換回路出力電流ｉ_ｃｏｎｖ及び出力電圧Ｖ_ｏｕｔの間には、式（８）の関係が成立する。
Ｖ_ｉｎ×ｉ_ｉｎ＝Ｖ_ｏｕｔ×ｉ_ｃｏｎｖ ・・・式（８）
即ち、昇圧チョッパを構成することによって入力電圧Ｖ_ｉｎは電圧Ｖ_ｏｕｔに昇圧されるため、入力電流ｉ_ｉｎは電圧Ｖ_ｉｎ／電圧Ｖ_ｏｕｔの割合で低減して出力される。従って、電流制御ブロック２１では、制御演算で求められた電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ}に対してゲインブロックにおいて逆数の係数（＝Ｖ_ｏｕｔ／Ｖ_ｉｎ）を乗じる。そして得られた補正電流指令値ｉ_{ｃｏｎｖ＿ｒｅｆ０}を電流制御回路１５に出力する。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態では、電力変換装置が交流電源を電力変換するように構成されている点で第２の実施の形態と異なっている。第２の実施の形態と同一または同様な機能を奏する部位には同一の符号を付してその詳細の説明は省略する。

図４は、第３の実施の形態の電力変換装置１０の制御ブロックを示す図である。

第３の実施の形態では、交流電源５を使用する。従って、電力変換回路１１は、６アームＰＷＭコンバータで構成されている。これ以外の構成は第２の実施の形態と同様であるためその詳細の説明は省略する。

尚、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
例えば、上述の各実施の形態で開示した制御ブロックは、図示の制御ブロックで構成される態様に限られず、同様の機能を備えたハードウエア、ソフトウエアによって構成することができる。

上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。

５…交流電源、６…負荷、７…電流検出器、８…直流電源、９…リアクタ、１０…電力変換装置、１１…電力変換回路、１２…キャパシタ、１３…電圧検出器、１４…直流電圧制御回路、１５…電流制御回路、１６…電流検出器、１７…ゲート信号生成回路、１８…ゲート駆動回路、２０…電圧制御ブロック、２１…電流制御ブロック。

Claims (4)

1. 電流指令値に対応する電流を出力することで入力される直流または交流の電力を一定の直流電力に変換する電力変換回路と、
   前記電力変換回路の出力部に接続するキャパシタと、
   前記キャパシタの電圧を設定値に制御するために前記電力変換回路に前記電流指令値を出力する電圧制御手段とを有し、
   前記電圧制御手段は、前記キャパシタの電圧のプロセス値及び設定値から前記電流指令値を求める、電力変換装置。
2. 前記電圧制御手段は、
   前記キャパシタの電圧のプロセス値と設定値との偏差から制御信号を演算して出力する制御補償手段と、
   所定時間過去の電流指令値から前記キャパシタに流れる電流値を減算して前記電力変換回路に接続する負荷に流れる負荷電流を求める減算手段と、
   前記制御信号と推定した前記負荷電流とを加算して前記電流指令値を求める加算手段とを有する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力変換回路の入力部には直流電源が接続され、
   前記電力変換回路は２アームのＰＷＭコンバータである、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記電力変換回路の入力部には交流電源が接続され、
   前記電力変換回路は６アームのＰＷＭコンバータである、請求項１または２に記載の電力変換装置。