JP5678844B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流系統に接続され、直流電圧を交流電圧に変換し、交流系統に電流を供給する電力変換器の制御装置に関するものである。

従来の、例えば、特許文献１に紹介された電力変換器の制御装置では、交流系統と電力変換器との間にインピーダンス要素を持ち、直流電圧を交流電圧に変換する電力変換器は、インピーダンス要素に流れる電流を制御する電流制御回路と系統電圧補償回路とＰＷＭ回路とを備えている。電流制御回路は、電流指令値と電流検出値との偏差を増幅し、系統電圧補償回路は系統電圧を検出して電流制御回路の出力信号を補正する。そして、電流制御回路の出力と系統電圧補償回路の補正信号とを加算して電力変換器が発生すべき交流電圧の指令とし、その電圧指令値に応じてＰＷＭ回路が電力変換器のスイッチング素子の点弧信号を発生し、電力変換器が電圧指令値に応じた交流電圧を発生するように構成されている。

インピーダンス要素に流れる電流は、系統電圧と電力変換器が発生する交流電圧との電位差による。インピーダンス要素に流れる電流を検出して、所望の電流指令値との偏差を増幅して電力変換器の交流電圧指令とすることで、電流のフィードバック制御ループが構成され、電流指令値に一致した電流を流すことができる。一方、インピーダンス要素に電位差を発生する要素として系統電圧変動がある。このため、系統電圧を検出しその系統電圧に応じた信号で交流電圧指令を補正している。系統電圧の変動は、電流制御フィードバックループからみると外乱に相当し、従って、系統電圧補償回路は、外乱フィードフォワード補償ループとみなすことができ、電圧変動（外乱変動）による電流変動を抑制することができる。従って、この構成によれば、系統電圧の変動が発生した場合、系統電圧補償回路が電力変換器の発生すべき交流電圧を系統電圧とほぼ一致するように補正することで、系統電圧と電力変換器の交流電圧とがバランスしてインピーダンス要素の電位差を小さくすることにより、このインピーダンス要素に流れる電流の変動を抑制するように動作する。

特開平４−２８９７２８号公報

このような電力変換器の制御装置にあっては、系統電圧の検出値により電力変換器の電圧指令を補正しているが、系統電圧の変動を補償する制御を行うと、系統電圧に定常的に存在する高調波成分も検出した状態で電力変換器の電圧を補正するように動作する。このため、検出遅れや電圧指令と電力変換器の交流電圧との誤差等によりその高調波成分が増幅され、電圧歪みが増加する可能性があるという問題がある。

この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、定常的に存在する高調波を増幅することなく電流変動を安定して抑制することができる、電力変換器の制御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器の制御装置は、直流電圧を交流電圧に変換しインピーダンス要素を介して交流系統に出力するものであって、インピーダンス要素に流れる電流を検出する電流検出器、交流系統の電圧を検出する電圧検出器、電流検出器からの電流検出値が電流指令値に追従するよう電圧指令信号を生成する電流制御手段、電圧検出器からの電圧検出値に基づき交流系統の電圧変動に伴う電流変動を補償するための電圧補正信号を生成する電圧補正手段、および電圧指令信号と電圧補正信号とを加算した信号に基づき電力変換器を制御する変換器制御手段を備えている。そして、この電圧補正手段は、電圧検出器の出力から周波数が交流系統の基本波成分より高い高調波成分を除去する第１のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき第１の補正信号を生成する第１の電圧補正器、電圧検出器の出力から遮断周波数が第１のフィルタの遮断周波数より高い第２のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき第２の補正信号を生成する第２の電圧補正器、および電圧検出器からの電圧検出値が、所定の設定範囲以内のときは第１の補正信号を電圧補正信号として出力し、所定の設定範囲を越えたときは第２の補正信号を電圧補正信号として出力するよう補正信号を切り替える電圧補正信号切り替え手段を備え、電圧補正信号切り替え手段は、第１の補正信号から第２の補正信号に切り替えた後、電圧検出器からの電圧検出値が、所定の設定範囲以内となり、かつ、第１の補正信号が所定の範囲以内となったとき第２の補正信号から第１の補正信号に復帰させるようにしたものである。

以上のように、この発明に係る電力変換器の制御装置の電圧補正手段は、交流系統が定常状態等でその電圧検出値が所定の設定範囲内にあるときは、第１の電圧補正器により、電圧検出器の出力から周波数が交流系統の基本波成分より高い高調波成分を除去する第１のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき生成された第１の補正信号に基づき電流変動を補償する動作が行われるので、定常的に存在する高調波を増幅することなく電流変動を安定して抑制することができる。また、交流系統が故障発生等でその電圧検出値が所定の設定範囲を越えるときは、第２の電圧補正器により、遮断周波数が第１のフィルタの遮断周波数より高い第２のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき生成された第２の補正信号に基づき電流変動を補償する動作が行われるので、故障等による電圧変動に伴う電流変動を確実に抑制することができる。
更に、交流系統が定常状態に確実に復帰したことを判定することができ、この判定結果に基づき、第１の電圧補正器へ復帰させる切り替えを行うことができ、補正信号の切り替えを安定に行うことができる。

本発明の実施の形態１による電力変換器の制御装置を示す構成図である。 本発明の動作を説明するための等価回路図である。 本発明の実施の形態２による電力変換器の制御装置を示す構成図である。 本発明の実施の形態３による電力変換器の制御装置を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による電力変換器の制御装置の構成図である。電力変換器１と交流系統４とがインピーダンス要素２を介して接続され、電力変換器１の直流側にはコンデンサ３と直流系統５とが接続されている。インピーダンス要素２に流れる電流は電流検出器６により、交流系統４の電圧は電圧検出器７によりそれぞれ検出され制御装置８に送られる。制御装置８には、電流検出器６で検出した電流Ｉとその指令値Ｉ＊との偏差を得る減算器８０１と、その偏差を増幅する、電流制御手段としての電流制御器８０２と、電圧検出器７で検出した交流系統４の電圧から第１の補正信号を生成する第１の電圧補正器８０５ａと、同じく電圧検出器７で検出した交流系統４の電圧から第２の補正信号を生成する第２の電圧補正器８０５ｂと、同じく電圧検出器７で検出した交流系統４の電圧から切り替え信号を発生する補正信号判定器８０６と、切り替え信号に応じて第１の電圧補正器８０５ａと第２の電圧補正器８０５ｂとの切り替えを行う補正信号切り替え器８０７とを備えている。

ここで、補正信号判定器８０６と補正信号切り替え器８０７とで電圧補正信号切り替え手段を構成し、更に、これらを含む第１の電圧補正器８０５ａと第２の電圧補正器８０５ｂとで電圧補正手段を構成する。

そして、電流制御器８０２の出力と補正信号切り替え器８０７の出力とを加算する加算器８０３が電力変換器１の発生すべき交流電圧指令を出力し、変換器制御手段としてのパルス幅制御器８０４が加算器８０３の出力に応じて電力変換器１のスイッチング素子を点弧する点弧信号を出力する。

インピーダンス要素２に流れる電流をフィードバック制御する構成は、従来技術と同様であり、電流制御器８０２が減算器８０１で得た電流偏差を増幅し電圧指令をパルス幅制御器８０４に与えることで、パルス幅制御器８０４によりスイッチング素子が点弧されて電力変換器１が直流電圧を電圧指令に応じた交流電圧に変換する。この結果、電流偏差が減少するようにフィードバック制御されて、電流検出器６で検出された電流検出値が電流指令値に追従一致するように動作し、結果インピーダンス要素２に流れる電流が電流指令値に応じて制御される。

次に、電圧補正手段の動作を説明する。第１の電圧補正器８０５ａは、電圧検出器７で検出した出力を入力し、内蔵した第１のフィルタを介することで、交流系統４の基本波成分より高い高調波成分を除去した電圧検出信号に基づき第１の補正信号を生成出力する。第２の電圧補正器８０５ｂは、第１の電圧補正器８０５ａの第１のフィルタの遮断周波数より高い遮断周波数を有する第２のフィルタを内蔵し、当該第２のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき第２の補正信号を出力する。なお、第１の電圧補正器８０５ａの帯域は、第２の電圧補正器８０５ｂの帯域に含まれる。

第１の電圧補正器８０５ａ、第２の電圧補正器８０５ｂは、それぞれ低域通過特性の第１および第２のフィルタで構成されるが、第２の電圧補正器８０５ｂの方が高周波を通過する特性になる。例えば、第１の電圧補正器８０５ａ（第１のフィルタ）を１次遅れフィルタとしたときの遮断周波数を２５０〜５００ｒａｄ／ｓとした場合、第２の電圧補正器８０５ｂ（第２のフィルタ）の１次遅れの遮断周波数を５００〜２０００ｒａｄ／ｓなどに設定される（第１のフィルタの遮断周波数＜第２のフィルタの遮断周波数）。

補正信号判定器８０６は、電圧検出器７からの電圧の変動を検出して、その変動が所定の設定範囲を越えた場合には第２の補正信号を選択、設定範囲以内の場合には第１の補正信号を選択するよう選択信号を出力し、その選択信号に応じて補正信号切り替え器８０７が、第１の電圧補正器８０５ａの出力と第２の電圧補正器８０５ｂの出力とを切り替えるように動作する。

具体的には、上述の所定の設定範囲としては、例えば、電圧変動で１０〜２０％程度の範囲とする。これにより、交流系統４が定常状態にあるときは、補正信号判定器８０６は、第１の電圧補正器８０５ａを選択し、交流系統４に故障等が発生した過渡時では、補正信号判定器８０６は、第２の電圧補正器８０５ｂを選択するように動作する。

以上の構成を採用することにより、交流系統４が定常状態において含まれる電圧歪みに対しては、第１の電圧補正器８０５ａが出力する第１の補正信号により加算器８０３で電流制御器８０２の出力を補正して電圧指令とすることで、定常状態での高調波成分は電力変換器１からは出力しないように動作する。

一方、交流系統４の電圧変動が大きい場合、例えば、交流系統故障や落雷などによる瞬時電圧低下や電圧上昇が発生した場合は電圧変動が大きくなり、補正信号判定器８０６では、第２の電圧補正器８０５ｂが出力する第２の補正信号を選択するように補正信号切り替え器８０７に信号を送り、第２の電圧補正器８０５ｂからの第２の補正信号を出力して加算器８０３により電圧指令を補正する。
この動作により、系統電圧変動に応答し、例えば、電圧が急激に低下した場合、電力変換器１の電圧も同様に急激に低下させることができ、インピーダンス要素２の電位差の拡大を抑制してその電流変動を確実に抑制することができる。

交流系統４の定常状態における電圧歪みに対しては、インピーダンス要素２に印加される電位差より発生する電流変動はインピーダンス要素２の特性で小さく抑制される。例えば、インピーダンス要素２としてインダクタンス成分をもつリアクトルや変圧器で構成すればよい。

なお、交流系統故障や落雷などによる瞬時電圧低下や電圧上昇を速やかに検出できるよう、第２の電圧補正器８０５ｂに内蔵する第２のフィルタの遮断周波数は十分高い値に設定する。この点からは、遮断周波数を無限大、即ち、第２のフィルタを事実上単なる導体とすることもできる。
しかし、実際の系統運用では、交流系統４の影響と共に電力変換器１自身の影響も考慮する必要がある。即ち、電圧検出器７からの検出出力には、電力変換器１が発生する高調波成分も含まれ、この高調波成分がフィードバックされて増幅され弊害をもたらす可能性がある。
従って、第２のフィルタとして、電力変換器１からそのパルス幅制御に起因して発生する高次の高調波成分を除去する遮断周波数を有するものを採用することにより、上述した弊害を未然に防止することができる。

仮に、従来のように、常に、第２の電圧補正器８０５ｂからの補正信号で交流系統４の電圧変動に対する補償動作を行うようにした場合の現象を、回路の伝達特性から検討した結果を次に説明する。即ち、定常状態において交流系統４に電圧歪みが発生している状態で第２の電圧補正器８０５ｂの補正信号により電圧指令を補正した場合、以下のような電圧高調波の増加を発生する可能性がある。
交流系統４は単純な電源ではなく、インダクタンス成分、抵抗成分、キャパシタンス成分などが含まれ、そのインピーダンス特性は一様ではなく交流系統４の運用状態により変化する。このため、電圧検出器７で検出される電圧歪みは、交流系統４のインピーダンス特性を反映した結果となる。

図２にこの場合を想定した等価回路の一例を示す。電力変換器１を可制御電圧源、インピーダンス要素２をＺｃ、交流系統４を構成する要素として電圧源Ｖｓ、インピーダンスＺｓ、アドミタンスＹｓとすると、電力変換器１が発生する電圧Ｖｃから交流系統電圧Ｖｏまでの伝達特性は、（１）式の通りとなる。

Ｖｏ／Ｖｃ＝Ｚｓ／（Ｚｃ（１＋Ｙｓ・Ｚｓ）＋Ｚｓ） ・・・ （１）

電圧検出器７の伝達特性Ｇｉｎと電圧指令から電力変換器１の伝達特性Ｇｏｕｔを考慮し、第２の電圧補正器８０５ｂの伝達特性を１として補正したときに、電流制御器８０２の出力ＶｉからＶｏまでの伝達特性は、Ｖｃ＝Ｇｏｕｔ（Ｖｉ＋Ｇｉｎ・Ｖｏ）より、（２）式で表される。

Ｖｏ／Ｖｉ＝Ｇｏｕｔ・Ｚｓ／
（Ｚｃ（１＋Ｙｓ・Ｚｓ）＋Ｚｓ−Ｇｉｎ・Ｇｏｕｔ・Ｚｓ）・・・ （２）

Ｇｉｎ・Ｇｏｕｔ＝１となる関係が満足されれば、（２）式は（３）式となり、交流系統４が受動素子で構成されている場合安定である。

Ｖｏ／Ｖｉ＝Ｇｏｕｔ・Ｚｓ／（Ｚｃ（１＋Ｙｓ・Ｚｓ）） ・・・ （３）

しかし、Ｇｉｎは検出遅れ、Ｇｏｕｔは制御遅れや変換誤差を含むことになり、Ｇｉｎ・Ｇｏｕｔ＝１を満足することはできない。このため、交流系統４のインピーダンスＺｓ、アドミタンスＹｓによっては、Ｖｏ／Ｖｉにはある周波数においては正帰還が構成されて、電圧歪みを増加する可能性がある。
以上のように、交流系統４が複雑な特性を持つことを考慮すると、第２の電圧補正器８０５ｂの伝達特性を１とする場合でも電圧歪みを増加させる可能性がある。

以上のように、この発明の実施の形態１による電力変換器の制御装置では、交流系統４が定常状態において電圧歪が発生しているときは、電圧歪が増加しないような伝達特性を持つ第１のフィルタで構成される第１の電圧補正器８０５ａを使用し、急激な電圧変動時には、第２の電圧補正器８０５ｂを使用してインピーダンス要素２の電位差の拡大を速い応答で抑制することで電流変動を確実に抑制することができる。これにより、定常時の安定な動作と、故障等の過渡時の確実な電流変動抑制とを両立させることができる。

なお、電力変換器１が直流系統５から切り離されて有効電力を融通せずに、交流系統４には無効電力を出力するような運用またはそれを目的とした装置でも同様の効果がある。更に、直流系統５の電圧が安定している場合、コンデンサ３が無くても同様の効果がある。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２による電力変換器の制御装置の構成図である。この図３では、補正信号判定器８０６に第１の電圧補正器８０５ａの出力も入力するようにしている。そして、第１の電圧補正器８０５ａから第２の電圧補正器８０５ｂへの切り替えは、電圧検出器７からの信号に応じて、既述した所定の設定範囲（具体例としては、電圧変動で１０〜２０％程度）を越えたと判定したときに行い、第２の電圧補正器８０５ｂから第１の電圧補正器８０５ａに戻すときには、第１の電圧補正器８０５ａの出力に応じて行うようにしている。

例えば、第１の電圧補正器８０５ａの出力の補正信号（第１の補正信号）の振幅が所定の範囲以内の大きさにあることを検出することで、第２の電圧補正器８０５ｂから第１の電圧補正器８０５ａに戻す動作を行う。
ここで、所定の範囲としては、例えば、１０５〜１１０％程度の範囲とする。これは、交流系統４の電圧変動に換算すると、５〜１０％に相当し、従って、第２の電圧補正器８０５ｂから第１の電圧補正器８０５ａに戻す動作は、電圧検出器７からの電圧検出値が、所定の設定範囲（例えば、電圧変動で１０〜２０％の範囲）以内となり、かつ、第１の補正信号が所定の範囲（例えば、電圧変動で５〜１０％の範囲）以内となったときに行う。

以上のように、この発明の実施の形態２による電力変換器の制御装置では、交流系統４が定常状態に確実に復帰したことを判定することができ、この判定結果に基づき、第１の電圧補正器８０５ａへ復帰させる切り替えを行うことができ、補正信号の切り替えを安定に行うことができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３による電力変換器の制御装置の構成図である。先の実施の形態１の構成に加えて、補正信号判定器８０６の出力に第２の電圧補正器８０５ｂの出力を選択する信号が入力されたときに、その状態を所定時間継続する信号保持器８０８を設けている。これにより、電圧変動が発生してから所定期間は、第２の電圧補正器８０５ｂの第２の補正信号により電流変動を抑制する動作をさせることができ、瞬間的な電圧変動でも安定した動作特性が得られる。

ここで、上述の所定時間としては、交流系統４の電源周期の１〜２倍程度が適当と考えられ、これは、５０Ｈｚ系では、２０〜４０ｍｓ、６０Ｈｚ系では、１６．７〜３３ｍｓに相当する。
なお、図３の実施の形態２の補正信号判定器８０６自体に信号保持器８０８の機能を持たせる構成としても同様の効果がある。

実施の形態４．
なお、電流制御器８０２、第１の電圧補正器８０５ａ、第２の電圧補正器８０５ｂ、補正信号判定器８０６および補正信号切り替え器８０７は必ずしも３相交流に構成する必要はなく、例えば、有効、無効電流成分のように交流系統４の周波数に同期した回転座標上で制御される制御装置においても、本発明は同様に適用することができる。

交流系統４の電圧検出を回転２軸変換した場合、基本波成分が直流成分、高調波成分が各次数±１の次数（例えば、５次高調波であれば、４次と６次）の高調波成分に分離されて２軸変換後の信号にも高調波成分として残存する。
第１の電圧補正器８０５ａ、第２の電圧補正器８０５ｂは、共に低域通過フィルタとして機能し、直流成分、従って２軸変換前の基本波成分は通過させ、高調波成分はそれぞれの遮断周波数に応じた高調波成分を除去することで、以上で説明したと同様の動作となる。

実施の形態５．
先の各実施の形態では、補正信号判定器８０６は、電圧検出器７からの電圧検出値の電圧瞬時値が所定の範囲内にあるか否かでその判定動作を行っているが、同電圧検出値の電圧歪みに基づき判定動作を行うようにしても同様の効果を得ることができる。
電圧変動を起こした電圧は、多くの周波数成分を含むため、電圧歪みの増加として扱うことが可能であり、補正信号の判定に使うことができる。

電圧歪みを検出する方法としては、例えば、電圧検出値の高調波成分をフィルタで除去して基本波成分を求め、電圧検出値からその基本波成分を減算した成分の実効値を電圧歪みとして求める方法がある。この方法では、実効値の演算に時間遅れが発生し、切り替えタイミングが、電圧瞬時値で判定する場合に比較して動作が遅れるという短所がある。一方、比較的低次の高調波や計測ノイズなどの影響を受けにくくなり、電圧瞬時値で判定する場合に比較して不要な動作を回避することができるという長所が得られる。

１ 電力変換器、２ インピーダンス要素、３ コンデンサ、４ 交流系統、
５ 直流系統、６ 電流検出器、７ 電圧検出器、８ 制御装置、８０１ 減算器、
８０２ 電流制御器、８０３ 加算器、８０４ パルス幅制御器、
８０５ａ 第１の電圧補正器、８０５ｂ 第２の電圧補正器、８０６ 補正信号判定器、８０７ 補正信号切り替え器、８０８ 信号保持器。

Claims (5)

1. 直流電圧を交流電圧に変換しインピーダンス要素を介して交流系統に出力する電力変換器の制御装置であって、
   前記インピーダンス要素に流れる電流を検出する電流検出器、前記交流系統の電圧を検出する電圧検出器、前記電流検出器からの電流検出値が電流指令値に追従するよう電圧指令信号を生成する電流制御手段、前記電圧検出器からの電圧検出値に基づき前記交流系統の電圧変動に伴う電流変動を補償するための電圧補正信号を生成する電圧補正手段、および前記電圧指令信号と前記電圧補正信号とを加算した信号に基づき前記電力変換器を制御する変換器制御手段を備えた電力変換器の制御装置において、
   前記電圧補正手段は、前記電圧検出器の出力から周波数が前記交流系統の基本波成分より高い高調波成分を除去する第１のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき第１の補正信号を生成する第１の電圧補正器、前記電圧検出器の出力から遮断周波数が前記第１のフィルタの遮断周波数より高い第２のフィルタを介して取り出した電圧検出信号に基づき第２の補正信号を生成する第２の電圧補正器、および前記電圧検出器からの電圧検出値が、所定の設定範囲以内のときは前記第１の補正信号を前記電圧補正信号として出力し、前記所定の設定範囲を越えたときは前記第２の補正信号を前記電圧補正信号として出力するよう補正信号を切り替える電圧補正信号切り替え手段を備え、
   前記電圧補正信号切り替え手段は、前記第１の補正信号から前記第２の補正信号に切り替えた後、前記電圧検出器からの電圧検出値が、前記所定の設定範囲以内となり、かつ、前記第１の補正信号が所定の範囲以内となったとき前記第２の補正信号から前記第１の補正信号に復帰させるようにしたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
2. 前記第２のフィルタは、前記電力変換器から発生する高次の高調波成分を除去する遮断周波数を有するものであることを特徴とする請求項１記載の電力変換器の制御装置。
3. 前記電圧補正信号切り替え手段は、前記第１の補正信号から前記第２の補正信号に切り替えた後、その状態を所定時間保持するようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換器の制御装置。
4. 前記電圧補正信号切り替え手段は、前記所定の設定範囲を、前記電圧検出器からの電圧検出値の電圧瞬時値に基づき設定したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。
5. 前記電圧補正信号切り替え手段は、前記所定の設定範囲を、前記電圧検出器からの電圧検出値の電圧歪みに基づき設定したことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換器の制御装置。

Images