JP2728575B2 - 電力変換方法及び装置 - Google Patents

電力変換方法及び装置

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電力変換装置の制御装
置一般に係るものである。
【０００２】
【従来の技術】大容量変換装置の実用可能性が高まり電
力機器への適用が進められている。この第１ステップと
して電圧型の自励式インバータを適用した、進み、遅れ
無効電力が任意に制御できる無効電力補償装置の開発が
行われている。この具体例を図２に示す。図の番号にし
たがって説明すると、１は交流電源、２は交流電源から
負荷３に至るインピーダンス、４１は無効電力補償装置
のインバータ直流側のコンデンサ、４２は自己消弧機能
を持ったＧＴＯ等のスイッチング素子４０１から４０６
とこれに逆並列に接続されたダイオード４０７から４０
９および４０１１から４０１３で構成される電圧型の自
励式インバータ、４３はこのインバータを交流系統に接
続するための変圧器で４１から４３で無効電力補償装置
を構成する。４１０から４２３はその制御装置で、４１
０は該無効電力補償装置の交流系統側の三相の交流電流
Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する交流電流検出回路、４１１
は次式にしたがって３相交流電流を固定座標の２相に変
換する第１の変換回路である。
【０００３】
【数１】
【０００４】４１２は交流系統の電圧位相θ（＝ωｔ，
ω＝２πｆ）を用いて、次式に従って３相から２相変換
された電流を回転座標系のｄーｑ軸に変換する第２の変
換回路である。
【０００５】
【数２】
【０００６】４１３はｑ軸の電流指令値Ｉｑｐと上記第
２の変換回路４１２によって変換された電流値Ｉｑとの
偏差を求める第１の加算器、４１４はこの偏差を演算増
幅する演算増幅回路、４１５は上記第２の変換回路４１
２によって変換された電流値Ｉｄに前記変圧器４３のイ
ンピーダンスを掛ける掛算器、４１６は演算増幅回路４
１４の出力と掛算器４１５の出力を図示の符号で加算す
る第２の加算器、417はｄ軸の電流指令値Ｉｄｐと上記
第２の変換回路４１２によって変換された電流値Ｉｄと
の偏差を求める第３の加算器、４１８はこの偏差を演算
増幅する演算増幅回路、４１９は上記第２の変換回路４
１２によって変換された電流値Ｉｑに前記変圧器４３の
インピーダンスを掛ける掛算器、４２０は演算増幅回路
４１８の出力と掛算器４１９の出力とバイアス信号Ｖｓ
を図示の符号で加算する第４の加算器でＶｓは後述す
る。４２１は加算器４１６と４２０の出力値から前記イ
ンバータの出力電圧の位相角δの指令値を計算する位相
角計算回路、４２２は加算器４１６と４２０の出力から
前記インバータの出力電圧の振幅ｋを計算する振幅計算
回路、４２３は位相角計算回路４２１と振幅計算回路４
２２のそれぞれの出力指令に従って、該位相と振幅を持
ったインバータ出力電圧を得るためのスイッチング素子
への制御パルスを作成するＰＷＭ波形作成回路である。
このＰＷＭ波形作成回路の動作を図３を用いて説明す
る。図３はＰＷＭ波形作成回路の１相分の動作波形を示
し、（ａ）は搬送波Ｃと変調波Ｍ、（ｂ）はスイッチン
グ素子の制御パルスで、搬送波Ｃ＜変調波Ｍのとき
「１」となり、Ｃ＞Ｍのとき「０」となる。「１」のと
きスイッチング素子４０１(または４０３または４０５)
をオン、スイッチング素子４０２（または４０４または
４０６）をオフ、「０」のときスイッチング素子４０１
（または４０３または４０５）をオフ、スイッチング素
子４０２（または４０４または４０６）をオンする。こ
こで振幅指令ｋが大きくなると変調波Ｍの振幅が大きく
なるのでインバータの出力電圧が大きくなる。逆に振幅
指令ｋが小さくなった場合は以上とは反対にインバータ
の出力電圧は小さくなる。位相角δは搬送波Ｃ及び変調
波Ｍの交流系統の電圧位相に対する位相角を表し、主に
インバータの直流側のコンデンサ電圧（直流電圧）を調
節する。無効電力補償装置の無効電力はこの直流電圧を
規定の値に保った状態で振幅指令ｋを制御することによ
って行え、ｋを大きくすることによって進みの無効電
力、小さくすることによって遅れの無効電力が制御でき
る。
【０００７】次に制御回路の動作を図４の電圧・電流の
ベクトル図を用いて説明する。図は無効電力補償装置に
遅れの電流が流れた場合を示す。Ｖｉは無効電力補償装
置のインバータの出力電圧、Ｉは電流、Ｘは変圧器のイ
ンピーダンス、Ｖｓは交流系統の電圧である。ｄ軸を系
統電圧Ｖｓと同じ方向にとり、ｑ軸をそれより９０度遅
れの方向にとる。ｄ−ｑ軸表現によりインバータ電圧は
次式で表される。
【０００８】
【数３】
【０００９】ＰＷＭ波形作成回路の指令値を作る振幅計
算回路４２２と位相計算回路４２１では上式に従って計
算される。この指令値を作るため制御回路では４１３か
ら４１６でｑ軸の制御、４１７から４２０でｄ軸の制御
を行なわせる。ｑ軸の制御では（Ｘ・Ｉｄ)、ｄ軸の制御
では(Ｖｓ−Ｘ・Ｉｑ）の計算を行なう。Ｖｓは系統電圧
の大きさに相当する値とし、指令値Ｉｑｐ，Ｉｄｐは図
４中のＩｑ，Ｉｄの値をそれぞれ与える。このようにｄ
−ｑ軸に分解して電流を制御することにより、ｄ軸とｑ
軸を独立に制御できるので高速に電流を目標値に一致さ
せることができる。この動作の詳細は文献 Y.Tokiwa, e
t. al.,“Application of a digitalinstantaneous cur
rent control for static induction thyristor conver
tersin the utility line”, PCIM '88 PROCEEDINGS、
を参照されたい。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】上記の従来技術では、
交流系統の電圧位相θが必要で、系統から検出する必要
があり、検出精度が悪いと高速な応答が得られないとい
う問題があった。本発明の目的は、系統の電圧位相を検
出することなく、指令どおりに高速かつ安定に動作し得
る電力変換方法及び装置を提供するにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、出力電圧の位相を制御することによって
電力制御を行う電力変換装置において、インバータの交
流側の電流及び電圧を入力し瞬時実電力及び瞬時虚電力
を求める手段と、前記求められた瞬時実電力及び瞬時虚
電力を前記交流側電圧の大きさに基づいて演算し実電流
及び虚電流を求め当該得られた実電流及び虚電流に基づ
いて前記インバータの振幅及び位相を表す信号を演算す
る手段とを設けたものである。また本発明は、インバー
タの交流側の電流及び電圧を入力し、当該入力した電流
及び電圧から瞬時実電力及び瞬時虚電力を求め、当該求
めた瞬時実電力及び瞬時虚電力の各々を前記交流側の電
圧の大きさに基づいて演算し実電流及び虚電流を求め、
当該求めた実電流及び虚電流に基づいて前記インバータ
の振幅及び位相を制御するようにしたものである。
【００１２】
【作用】インバータの交流電圧をＶｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、交
流電流をＩｕ，Ｉｖ，Ｉｗとすると数１から３相交流を
２相変換した信号としてＶａ，Ｖｂ，Ｉａ，Ｉｂが得ら
れる。これから実電力Ｗｄと虚電力Ｗｑは次式の数４で
計算される。（参考文献：赤木他３名，“瞬時無効電力
の一般化理論とその応用”，電気学会論文誌Ｂ分冊，論
文５８−Ｂ６０，昭５８年７月）
【００１３】
【数４】
【００１４】従って、交流電圧の大きさをＶｓとすると
実電流信号ｉｄと虚電流信号ｉｑは次式で計算される。
【００１５】
【数５】
【００１６】計算されたｉｄ，ｉｑと数２で求めたＩ
ｄ，Ｉｑとは以下の関係がある。
【００１７】
【数６】
【００１８】従って、インバータの交流電圧及び電流か
ら瞬時実電力及び瞬時虚電力を求め、この瞬時実電力及
び瞬時虚電力から交流電圧の大きさに基づいて瞬時実電
流及び虚電流（ｉｄとｉｑ）を求め、このｉｄとｉｑに
基づいて振幅及び位相を制御することができ、交流系統
の電圧位相を検出することなく、応答の早い安定な電力
変換方法及び装置を実現できるものである。
【００１９】
【実施例】本発明を無効電力補償装置に適用した一実施
例を図１に示す（尚、以下では図中の一点鎖線で囲まれ
た部分４５０を除いた構成で説明する。）。１は交流電
源、２は交流電源から負荷３に至るインピーダンス、４
１は無効電力補償装置のインバータ直流側のコンデン
サ、４２は自己消弧機能を持ったＧＴＯ等のスイッチン
グ素子とこれに逆並列に接続されたダイオードで構成さ
れる電圧型の自励式インバータ、４３はこのインバータ
を交流系統に接続するための変圧器で４１から４３で無
効電力補償装置を構成する。４１０から４４０はその制
御装置で、410は無効電力補償装置の交流系統側の三相
の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを検出する交流電流検出回
路、４４０は無効電力補償装置の交流系統側の三相電圧
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを検出する交流電圧検出回路、４３０
は検出された三相の交流電圧と三相の交流電流Ｉｕ，Ｉ
ｖ，Ｉｗから数１及び数４に従って実電力と虚電力を計
算する電力計算回路、４３１は検出された交流電圧から
交流電圧の３相のうちの振幅の最大値（交流電圧の絶対
値の最大値）を検出する最大値検出回路、４３２は実電
力と虚電力の計算結果を検出された交流電圧の大きさで
割算する割算回路で、この結果である虚電流信号ｉｑ
（尚、数６によりｉｑはＩｑと等価であるため、以降は
Ｉｑとして説明する）は第１の加算器４１３に入力され
ｑ軸の電流指令値Ｉｑｐとの偏差が求められる。この偏
差は演算増幅回路４１４により演算増幅される。また、
４３２により求められた実電流信号ｉｄ（尚、数６によ
りｉｄはＩｄと等価であるため、以降はＩｑとして説明
する）は掛算器４１５に入力されて変圧器４３のインピ
ーダンスと掛け合わされる。第２の加算器４１６は演算
増幅回路４１４の出力と掛算器４１５の出力を図示の符
号で加算し、第３の加算器４１７はｄ軸の電流指令値Ｉ
ｄｐと割算回路４３２によって求められた電流値Ｉｄと
の偏差を求め、４１８はこの偏差は演算増幅回路４１８
により演算増幅される。掛算器４１９は割算回路４３２
によって求められた電流値Ｉｑに変圧器４３のインピー
ダンスを掛け合わせ、第４の加算器４２０は演算増幅回
路４１８の出力と掛算器４１９の出力とバイアス信号Ｖ
ｓを図示の符号で加算する。位相角計算回路４２１は加
算器４１６と４２０の出力値からインバータの出力電圧
の位相角δの指令値を計算し、振幅計算回路４２２は加
算器４１６と４２０の出力からインバータの出力電圧の
振幅ｋを計算する。ＰＷＭ波形作成回路４２３は位相角
計算回路４２１と振幅計算回路４２２のそれぞれの出力
指令に従って、該位相と振幅を持ったインバータ出力電
圧を得るためのスイッチング素子への制御パルスを作成
し、これにより無効電力の制御を行う。本実施例によれ
ば、電圧位相の検出は必要なく高速な応答の制御系が得
られる。
【００２０】以上の説明では交流系統の交流電圧と交流
電流から実電力と虚電力を計算して交流電圧の大きさの
検出値でこれらを割ることにより等価的なＩｄとＩｑを
求めたが、交流系統の無効電力と有効電力を高速に検出
できる場合には、これらの値を上述同様に交流電圧の大
きさで割って等価的なＩｄとＩｑを求めても良いこと
は、実電力と虚電力が交流系統が対称な平衡状態では、
実電力が有効電力に等しく、虚電力が無効電力に等しい
ことから明らかである。
【００２１】以上のことは自励式コンバータ／インバー
タの制御装置一般にあてはまる。
【００２２】本発明の他の実施例として上述の図１にお
ける一点鎖線囲まれた部分４５０を含む構成を説明す
る。４５０中の４４１は前記交流電流検出回路４１０と
交流電圧検出回路４４０の検出値から無効電力を検出す
るための無効電力検出回路、４４２は無効電力の設定値
と無効電力の検出値との偏差を求める第５の加算器、４
４３はこの偏差を演算増幅する演算増幅回路で、４４２
と４４３で無効電力一定制御回路を構成する。この演算
増幅回路の出力が前述のｑ軸制御の指令値Ｉqpとなる。
４４４はコンデンサの電圧を検出する直流電圧検出回
路、４４５は直流電圧設定値と直流電圧検出値の偏差を
求める第６の加算器、４４６はこの偏差を演算増幅する
演算増幅回路で、４４５と４４６で直流電圧一定制御回
路を構成する。この演算増幅回路の出力が前述のｄ軸制
御の指令値Ｉｄｐとなる。今、直流電圧が指令値より低
下した場合を考えると、第６の加算回路の出力が正とな
るので、Ｉｄｐが正となる。演算増幅回路４１４に積分
特性を持たせておくと、定常的にＩｄがＩｄｐと一致す
るようにインバータ出力電圧の振幅と位相が制御され、
これによって無効電力と直流電圧が指令値に一致する。
また無効電力が指令値からずれた場合も同様である。無
効電力が指令値より高くなった場合は、第７の加算回路
の出力が負となるので、Ｉｑｐが負となる。演算増幅回
路４１８に積分特性を持たせておくと、定常的にＩｑが
Ｉｑｐと一致するようにインバータ出力電圧の振幅と位
相が制御され、これによって直流電圧と無効電力が規定
値に一致する。この回路構成によりコンデンサの電圧を
一定とした状態で無効電力を指令どおりの値に高速に制
御できる。
【００２３】また更に本発明の他の実施例としては、図
１（一点鎖線で囲まれた部分４５０を除いたもの）のイ
ンバータ直流側のコンデンサの代わりにナトリウムーサ
ルファ電池のごとく２次電池が接続されて構成される無
効電力補償装置がある。この場合、２次電池のエネルギ
ーが在る間は無効電力のみならず有効電力も出すことが
できるので系統にとっては発電機と同じ役割を果たすこ
とになるが、本実施例であれば、無効電力・有効電力と
も高速に制御が行なえる特徴がある。
【００２４】更に本発明の他の実施例として、インバー
タ駆動電動機のインバータ制御に本発明の制御装置を適
用することも容易に行える。この場合、図１（一点鎖線
で囲まれた部分４５０を除いたもの）の構成のものにイ
ンバータの直流側の直流電圧を作る整流器の変圧器（コ
ンバータ），インバータ，インバータの変圧器，電動機
を付加した構成となる。電動機の回転数，トルクに見合
ったｄ軸，ｑ軸の指令値を与えることにより、応答の早
い安定な制御特性を持つ電動機を得ることができる。
【００２５】更に本発明の他の実施例として、インバー
タ駆動電動機のコンバータ制御に本発明の制御装置を適
用することも容易に行える。この場合、ｄ軸は零、ｑ軸
に直流出力電圧の指令値を与えることによりコンバータ
の力率を１とし、応答の早い制御特性を持った電動機駆
動装置を得ることができる。
【００２６】
【発明の効果】系統の電圧位相を検出することなく、簡
単な構成で指令どおりに高速かつ安定に動作し得る電力
変換方法及び装置の実現が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す無効電力補償装置の制
御装置の構成図である。
【図２】本発明の従来技術を説明する無効電力補償装置
の制御装置の構成図である。
【図３】ＰＷＭ波形作成回路の動作を説明する図であ
る。
【図４】図２の動作を説明する電圧・電流のベクトル図
である。
【符号の説明】
１…交流系統、２…リアクタンス、３…負荷、４１…コ
ンデンサ、４２…インバータ、４３…変圧器、４１０…
交流電圧検出回路、４１３，４１６，４１７，４２０…
加算器、４１４，４１８…演算増幅回路、４１５，４１
９…掛算器、４２１…位相角計算回路、４２２…振幅計
算回路、４２３…ＰＷＭ制御回路、４３０…電力計算回
路、４３１…最大値検出回路、４３２…割算回路、４４
０…交流電流検出回路、４４１…無効電力検出回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川上 潤三 茨城県日立市久慈町4026番地 株式会社 日立製作所 日立研究所内 (72)発明者 中村 知治 茨城県日立市国分町一丁目１番１号 株 式会社 日立製作所 国分工場内 (72)発明者 常磐 幸生 東京都調布市西つつじケ丘２丁目４番１ 号 東京電力株式会社 技術研究所内 (72)発明者 中島 達人 東京都調布市西つつじケ丘２丁目４番１ 号 東京電力株式会社 技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−213234（ＪＰ，Ａ) 特開 昭61−58018（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−32324（ＪＰ，Ａ) 実開 平１−131241（ＪＰ，Ｕ)

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】出力電圧の位相を制御することによって電
    力制御を行う電力変換装置において、インバータの交流
    側の電流及び電圧を入力し瞬時実電力及び瞬時虚電力を
    求める手段と、前記求められた瞬時実電力及び瞬時虚電
    力の各々を前記交流側電圧の大きさで除算して実電流及
    び虚電流を求める手段と、求めた実電流及び虚電流の各
    々をベクトル制御のためのｄ軸成分とｑ軸成分の電流フ
    ィードバック信号とすることにより前記インバータの振
    幅及び位相を表す信号を演算する手段とを設けたことを
    特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項２】出力電圧の位相を制御することによって電
    力制御を行う電力変換装置において、インバータの交流
    側の電流及び電圧を入力し有効電力及び無効電力を求め
    る手段と、前記求められた有効電力及び無効電力の各々
    を前記交流側電圧の大きさにより除算して有効分電流及
    び無効分電流を求める手段と、求めた有効分電流及び無
    効分電流の各々をベクトル制御のためのｄ軸成分とｑ軸
    成分の電流フィードバック信号とすることにより前記イ
    ンバータの振幅及び位相を制御する手段とを有すること
    を特徴とする電力変換装置。
  3. 【請求項３】請求項１の電力変換装置において、前記実
    電流と前記虚電流の二乗和の平方根に比例した信号を前
    記インバータの出力電圧の振幅指令とし、前記実電流と
    前記虚電流との比のアークタンジェントをとった値に比
    例した信号をインバータの出力電圧の位相指令とするこ
    とを特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項４】インバータの交流側の電流及び電圧を入力
    し、当該入力した電流及び電圧から瞬時実電力及び瞬時
    虚電力を求め、当該求めた瞬時実電力及び瞬時虚電力の
    各々を前記交流側の電圧の大きさで除算し実電流及び虚
    電流を求め、当該求めた実電流及び虚電流の各々をベク
    トル制御のためのｄ軸成分とｑ軸成分の電流フィードバ
    ック信号とすることにより前記インバータの振幅及び位
    相を制御することを特徴とする電力変換方法。
JP3142967A 1991-06-14 1991-06-14 電力変換方法及び装置 Expired - Fee Related JP2728575B2 (ja)

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