JP2016082761A - 三相中性点クランプ式の電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＰＷＭ制御を行う三相中性点クランプ式の電力変換装置において、電流制御と中性点電位制御の干渉を抑制する。
【解決手段】電流制御部ＡＶＲにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｃｍｄとｄ軸電流検出値Ｉｄ＿ｄｅｔとの偏差、ｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｃｍｄとｑ軸電流検出値Ｉｑ＿ｄｅｔとの偏差に基づいてＰＩ制御を行い、電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ，Ｖｑ＿ｃｍｄを演算する。また、中性点電位制御部ＮＰＣにより直列接続された平滑コンデンサの電圧偏差を補償する中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを演算する。制限手段４において、運転開始時から予め設定された時間経過するまで中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを制限する。加算器３において制限された中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐと電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄを加算し、補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’を演算する。この補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’に基づいてＰＷＭ制御部ＰＷＭによりＰＷＭ制御をする。
【選択図】図１

Description

本発明は、三相中性点クランプ式のマルチレベル電力変換装置に係り、特に、ＰＷＭ制御を用いた中性点電圧制御に関する。

図７は、モータ負荷を接続した三相中性点クランプ式の電力変換装置における主回路を示す構成図である。スイッチングデバイス（図７ではＩＧＢＴ）Ｓ１〜Ｓ１２にゲート指令を入力することによりスイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１２をＯＮ／ＯＦＦ動作させ、出力端子Ｕ，Ｖ，Ｗに交流電圧を出力する。

この電力変換装置は直流電圧Ｐ−Ｎ間を平滑コンデンサＣｄｃ１，Ｃｄｃ２により分割し、直流電位Ｐ、Ｎおよび中性点電位ＮＰの３レベルの電位をＰＷＭ変調（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）を用いて出力するものである。

ＡＣＲ（電流制御：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）の後、直流電圧Ｖｄｃ１とＶｄｃ２のばらつきを抑える中性点電位制御（Ｎｅｕｔｒａｌ Ｐｏｉｎｔ Ｃｏｎｔｒｏｌ）を行っている。中性点電位制御は直流電圧Ｐ−Ｎ間の正極側（Ｐ側）の平滑コンデンサＣｄｃ１の直流電圧Ｖｄｃ１と、負極側（Ｎ側）の平滑コンデンサＣｄｃ２の直流電圧Ｖｄｃ２の偏差をとり、この偏差が零になるように制御を行うものである。

この電力変換装置の三相交流出力に接続する負荷をモータＭとして電流制御をする場合を例にとり、電力変換装置の制御回路を説明する。図８は、三相中性点クランプ式の電力変換装置の制御回路を示すブロック図である。

モータＭには位相検出器ｅｎｃが取り付けられており、位相検出値をｔｈｅｔａ＿ｄｅｔとする。三相二相変換器１において、三相電流（モータ電流）Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを位相検出値ｔｈｅｔａ＿ｄｅｔに基づいて三相二相変換し、ｄ軸電流検出値Ｉｄ＿ｄｅｔおよびｑ軸電流検出値Ｉｑ＿ｄｅｔを得る。

次に、電流制御部ＡＣＲにおいて、ｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｃｍｄ，ｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｃｍｄを目標値とし、この目標値にｄ軸電流検出値Ｉｄ＿ｄｅｔ，Ｉｑ＿ｄｅｔが追従するようにＰＩ制御を行う。電流制御部ＡＣＲの出力は二相電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ，Ｖｑ＿ｃｍｄとなる。

二相電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ，Ｖｑ＿ｃｍｄは、二相三相変換器２により二相三相変換が行われ、三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄが生成される。次に、中性点電位制御部ＮＰＣにおいて、直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２に基づいて中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを演算する。加算器３において、三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄに中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを加算し、加算後の電圧指令を補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’とする。

さらに、この補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’に対し、リミッタＬＭＴにより電圧制限をかけ、リミット処理電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’’をＰＷＭ処理部ＰＷＭへ入力する。ここで、リミッタＬＭＴは補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’が閾値を下回るｂ場合、補正電圧指令値をそのままリミット処理電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’’として出力し、補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’が閾値以上の場合、閾値をリミット処理電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’’として出力する。リミッタＬＭＴを設ける目的は、後述のゲート指令ＧＩ＿Ｈ，ＧＩ＿Ｌが異常なパルス（極小パルスなど）となることを抑制し、電力変換装置の出力電圧や出力電流に歪が生じることを防止するためである。

ＰＷＭ処理部ＰＷＭでは、リミット処理電圧指令値Ｖｃｍｄ’’を用いて、各スイッチングデバイスＳ１〜Ｓ１２のゲート指令ＧＩ＿Ｈ，ＧＩ＿Ｌを生成する。図８には示していないが、三角波キャリア信号とリミット処理電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’’を比較してゲート指令ＧＩ＿Ｈ，ＧＩ＿Ｌを生成する方法が一般的である。

上記の技術は、特許文献１〜３に記載されている。

ＷＯ９７／２５７６６ 特開平６−２３３５３７号公報 特開平１０−２４８２６２号公報

図８に示すように、補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｐ’は、三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄに中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを加算した値である。電力変換装置の運転開始時すなわちモータＭの始動時は、モータＭの始動トルクの関係で大きな電力変換装置の出力電流（すなわちモータ電流）が必要になるため、電流制御部ＡＣＲの出力を二相三相変換した三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄも大きくなる。

この三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄと中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐが重畳すると、補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’が閾値に達しやすくリミッタＬＭＴの動作によりリミット処理電圧指令値に制限がかかり、Ｖ＿ｃｍｄ’≠Ｖ＿ｃｍｄ’’となる。その結果、安定動作が困難となり、電力変換装置の出力電流や出力電圧が過電流・過電圧になることがある。その場合、過電流保護や過電圧保護などで故障停止してしまい、電力変換装置を運転できなくなる。

また、図７の平滑コンデンサＣｄｃ１，Ｃｄｃ２のコンデンサ容量は等しくすることが一般的であるが、製造のばらつきや経年劣化などにより初期充電値の偏差すなわち直流電圧Ｖｄｃ１とＶｄｃ２の偏差が大きくなる。すなわち、起動直後の中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐは大きくなりやすい。これらの要因から補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’が閾値に達してリミット処理電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’’が制限されることを回避するには電流制御もしくは中性点電圧制御のゲインを下げることになる。しかし、そのトレードオフとして、定常時の制御性能が低下する。そこで中性点電位制御のゲインを下げることなく電流制御と中性点電位制御の干渉を考慮した制御機構が必要になる。

以上示したように、ＰＷＭ制御を行う三相中性点クランプ式の電力変換装置において、電流制御と中性点電位制御の干渉を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、 三相中性点クランプ式の電力変換装置であって、その制御回路は、ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差、および、ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値との偏差に基づいてＰＩ制御を行う電流制御機能により、二相電圧指令値を演算する電流制御部と、二相電圧指令値を三相電圧指令値に変換する二相三相変換部と、直列接続された平滑コンデンサの電圧偏差を補償する中性点電位補償量を演算する中性点電位制御部と、電力変換装置の運転開始時から予め設定された時間経過するまで制限補償量として中性点電位補償量を制限した値を出力し、電力変換装置の運転開始時から予め設定された時間経過後は制限補償量として中性点電位補償量をそのまま出力する制限手段と、制限補償量と三相電圧指令値を加算し、補正電圧指令値を演算する加算部と、補正電圧指令値が閾値を下回る場合、補正電圧指令値をそのままリミット処理電圧指令値として出力し、補正電圧指令値が閾値以上の場合、閾値をリミット処理電圧指令値として出力するリミッタと、前記リミット処置電圧指令値に基づいてＰＷＭ制御をするＰＷＭ制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記制限手段は、電力変換装置が運転を開始してから予め設定された時間経過するまで制限補償量を０とすることを特徴とする。

また、他の態様として、前記制限手段は、電力変換装置が運転開始するまで制限補償量を０とし、電力変換装置が運転開始してから予め設定された時間経過するまでの間に制限補償量を徐々に増加させることを特徴とする。

また、その一態様として、前記電力変換装置の三相交流出力に接続する負荷はモータであり、モータの位相検出値に基づいて三相電流検出値をｄ軸電流検出値，ｑ軸電流検出値に変換し、モータの位相検出値に基づいて二相電圧指令値を三相電圧指令値に変換することを特徴とする。

また、他の態様として、前記電力変換装置は系統に連系されており、系統位相の検出値に基づいて三相電流検出値をｄ軸電流検出値，ｑ軸電流検出値に変換し、系統位相の検出値に基づいて二相電圧指令値を三相電圧指令値に変換することを特徴とする。

本発明によれば、ＰＷＭ制御を行う三相中性点クランプ式の電力変換装置において、電流制御と中性点電位制御の干渉を抑制することが可能となる。

実施形態１における制御回路を示すブロック図。 実施形態２における制御回路を示すブロック図。 実施形態２における可変リミッタの入出力動作を示すタイムチャート。 系統に連系した三相中性点クランプ式の電力変換装置の主回路構成図。 実施形態３における制御回路を示すブロック図。 実施形態４における制御回路を示すブロック図。 モータ負荷に接続した三相中性点クランプ式の電力変換装置の主回路構成図。 従来における制御回路の一例を示すブロック図。

以下、本発明に係る三相中性点クランプ式のマルチレベル電力変換装置における実施形態１〜４を図１〜図６に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１は、本実施形態１における電力変換装置の制御回路を示すブロック図である。本実施形態１の制御回路は、電流制御と中性点電位制御の干渉を考慮している。図８と同一の箇所は同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態１では、図１に示すように中性点電位制御部ＮＰＣが出力する中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを電力変換装置の運転開始時から予め設定された時間経過するまで制限手段（本実施形態１ではディレイカウンタ４）により制限する。ディレイカウンタ４は、電力変換装置の運転開始時の信号（以下、運転開始信号と称する）Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒをトリガとし、運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒが入力されてから時定数τが経過するまでは制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして０を出力し、運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒが入力されてから時定数τが経過後は制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを出力する。

ディレイカウンタ４では接続されたモータＭのｄ軸インダクタンスＬｄとｑ軸インダクタンスＬｑと抵抗Ｒとに基づき、時定数τが算出されている。ここでｄ軸インダクタンスＬｄ，ｑ軸インダクタンスＬｑ，抵抗Ｒの値は、別途モータＭのインピーダンス測定試験などによってあらかじめ求めておくこととする。

電力変換装置の運転開始から時定数τまでの期間では、ディレイカウンタ４は零を出力するため、Ｖ＿ｃｍｄ’＝Ｖ＿ｃｍｄとなる。一方、運転開始時から時定数τの時間経過後に、制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐを三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄに加算する。したがって、Ｖ＿ｃｍｄ’＝Ｖ＿ｃｍｄ＋Ｖ＿ｃｍｐとなる。

以上示したように、本実施形態１における電力変換装置によれば、電力変換装置の運転開始時（すなわちモータ始動時）から上記時定数τまでの期間、補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’は中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐから影響せずに電流制御で算出された三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄのみで動作する。そのため、電流制御と中性点電位制御は干渉せず、電力変換装置の出力電圧は安定して動作する。その結果、過電流保護や過電圧保護による故障停止が発生しない。また、定常時において電流制御と中性点電位制御のゲインを下げていないため定常時の制御性能が低下することを抑制することが可能となる。

［実施形態２］
本実施形態２は、制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏを運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒをトリガとして時間経過に応じて可変にしたものである。その他は実施形態１と同様である。

具体的には、ディレイカウンタ４の代わりに可変リミッタ５を設け、電力変換装置の運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒと、中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐと、を入力する。

可変リミッタ５は、ステップ的に補償量を加算するのではなく、図３に示すように、運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒ入力するまで制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして０を出力し、運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒが入力されてから時定数τまでの時間をクッション的に、制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏを徐々に増加させ、運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒが入力されてから時定数τ経過後、制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐをそのまま出力する。

本実施形態２によれば、電力変換装置の運転開始時（すなわちモータ始動時）から上記時定数τまでの期間、制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏを小さくできるため、電流制御と中性点電位制御の干渉が小さくなり、電力変換装置の出力電圧を安定させることが可能となる。また、定常時は制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿０として中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐをそのまま出力しゲインを下げていないため、定常時の制御性能が低下することを抑制することが可能となる。

［実施形態３］
本実施形態３では、系統連系を行い直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の制御を行う場合を考える。まず、図４に系統連系した三相中性点クランプ式の電力変換装置の主回路構成図を示す。三相の系統電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒと三相中性点クランプ式の電力変換装置との間に、入力フィルタＬｆ，Ｃｆを挿入している。

続いて、図５に図４の直流電圧制御，電流制御ブロック構成図を示す。図４，５の基準電圧をＶｒｓとし、系統電圧Ｖｒｓ，Ｖｓｔ，Ｖｔｒを計測しＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）回路を用いて系統位相ｐｌｌ＿ｏｕｔを求める。

本実施形態３では、三相二相変換器１により、系統位相ｐｌｌ＿ｏｕｔに基づいて、三相電流検出値（系統電流）Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔがｄ軸電流検出値Ｉｄ＿ｄｅｔ，ｑ軸電流検出値Ｉｑ＿ｄｅｔに変換される。また、二相三相変換器２により、系統位相ｐｌｌ＿ｏｕｔに基づいて、二相電圧指令値Ｖｄ＿ｃｍｄ，Ｖｑ＿ｃｍｄが三相電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄに変換される。

また、本実施形態３では、直流電圧指令Ｖｄｃ＿ｃｍｄ（図４のＰＮ端子間電圧の指令）と直流電圧Ｖｄｃ１，Ｖｄｃ２の和との偏差をとり、ＡＶＲ（電圧制御：Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｒｅｇｕｌａｔｏｒ）をかけた値を電流制御のｄ軸電流指令値Ｉｄ＿ｃｍｄ，ｑ軸電流指令値Ｉｑ＿ｃｍｄとしている。なお、ＡＶＲの構成については、特許文献２に示されている。その他は実施形態１と同様である。

系統連系時は、電力変換装置の運転開始時における昇圧動作時に電流制御と中性点電位制御の補償量を加算することで補正電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’が閾値に達しリミット処理電圧指令値Ｖ＿ｃｍｄ’’が制限されやすいため、ディレイカウンタ４を設ける。ディレイカウンタ４では、入力フィルタのインダクタンスＬｆと
コンデンサＣｆに基づき、時定数τを算出する。運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒが入力されてから時定数τの時間経過までは制限補償量Ｖ＿ｖｍｐ＿ｏを０とし、運転開始信号Ｓｔａｒｔ ｔｒｉｇｇｅｒが入力されてから時定数τの時間経過後に、制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐをそのまま出力することで、電流制御と中性点電位制御が非干渉化し、安定した制御特性を得ることができる。これにより、系統電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔが安定化する。

［実施形態４］
本実施形態４は、実施形態３の制御回路に対し、実施形態２と同様に、ディレイカウンタ４の代わりに可変リミッタ５を設けたものである。図６に本実施形態４における制御回路を示す。

可変リミッタ５の動作は、実施形態２と同様の演算をすればよく、電力変換装置の運転開始時は制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏを小さくでき、定常時は制限補償量Ｖ＿ｃｍｐ＿ｏとして中性点電位補償量Ｖ＿ｃｍｐをそのまま出力できるため、定常時の制御性能を低下することなく、電流制御と中性点電位制御の干渉が小さくなり、安定した制御特性を得ることができる。これにより、交流電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔが安定化する。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

Ｉｄ＿ｄｅｔ…ｄ軸電流検出値
Ｉｑ＿ｄｅｔ…ｑ軸電流検出値
Ｉｄ＿ｃｍｄ…ｄ軸電流指令値
Ｉｑ＿ｃｍｄ…ｑ軸電流検出値
Ｖｄ＿ｃｍｄ，Ｖｑ＿ｃｍｄ…二相電圧指令値
Ｖ＿ｃｍｄ…三相電圧指令値
Ｖ＿ｃｍｐ…中性点電位補償量
Ｖ＿ｃｍｄ’…補正電圧指令値
Ｖ＿ｃｍｄ’’…リミット処理電圧指令値

Claims (5)

1. 三相中性点クランプ式の電力変換装置であって、
   その制御回路は、
   ｄ軸電流指令値とｄ軸電流検出値との偏差、および、ｑ軸電流指令値とｑ軸電流検出値との偏差に基づいてＰＩ制御を行う電流制御機能により、二相電圧指令値を演算する電流制御部と、
   二相電圧指令値を三相電圧指令値に変換する二相三相変換部と、
   直列接続された平滑コンデンサの電圧偏差を補償する中性点電位補償量を演算する中性点電位制御部と、
   電力変換装置の運転開始時から予め設定された時間経過するまで制限補償量として中性点電位補償量を制限した値を出力し、電力変換装置の運転開始時から予め設定された時間経過後は制限補償量として中性点電位補償量をそのまま出力する制限手段と、
   制限補償量と三相電圧指令値を加算し、補正電圧指令値を演算する加算部と、
   補正電圧指令値が閾値を下回る場合、補正電圧指令値をそのままリミット処理電圧指令値として出力し、補正電圧指令値が閾値以上の場合、閾値をリミット処理電圧指令値として出力するリミッタと、
   前記リミット処置電圧指令値に基づいてＰＷＭ制御をするＰＷＭ制御部と、を備えたことを特徴とする三相中性点クランプ式の電力変換装置。
2. 前記制限手段は、
   電力変換装置が運転を開始してから予め設定された時間経過するまで制限補償量を０とすることを特徴とする請求項１記載の三相中性点クランプ式の電力変換装置。
3. 前記制限手段は、
   電力変換装置が運転開始するまで制限補償量を０とし、電力変換装置が運転開始してから予め設定された時間経過するまでの間に制限補償量を徐々に増加させることを特徴とする請求項１記載の三相中性点クランプ式の電力変換装置。
4. 前記電力変換装置の三相交流出力に接続する負荷はモータであり、
   モータの位相検出値に基づいて三相電流検出値をｄ軸電流検出値，ｑ軸電流検出値に変換し、モータの位相検出値に基づいて二相電圧指令値を三相電圧指令値に変換することを特徴とする請求項１〜３のうち何れかに記載の３相中性点クランプ式の電力変換装置。
5. 前記電力変換装置は系統に連系されており、系統位相の検出値に基づいて三相電流検出値をｄ軸電流検出値，ｑ軸電流検出値に変換し、系統位相の検出値に基づいて二相電圧指令値を三相電圧指令値に変換することを特徴とする請求項１〜３のうち何れかに記載の３相中性点クランプ式の電力変換装置。

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