JP6468046B2 - Pwm電力変換器の並列運転方法および並列運転装置 - Google Patents

Pwm電力変換器の並列運転方法および並列運転装置 Download PDF

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本発明は、 PWM電力変換器の並列運転方法および並列運転装置に係り、特に横流を抑制する制御に関する。
図7に特許文献1のPWM電力変換器(図7では3相のインバータ)を並列した並列運転装置を示す。図7は、インバータに横流補償とデッドタイム補償を付加した構成であり、説明のために単線図で表記する。
インバータINV1、インバータINV2の入力は直流電圧源PNであり、これを並列に接続する。インバータINV1,INV2の出力は相間リアクトルL_mutで接続し、相間リアクトルL_mutの中間タップから負荷に接続する。
インバータINV1,INV2それぞれの出力電流をI1,I2とすると、負荷に供給される出力電流はIoである。ここで、電流制御に使用する検出電流をIdetとする。また、横流Icは出力電流I1と出力電流I2の偏差で表される。以下の(1)式,(2)式に出力電流I1,I2,Io,検出電流Idet,横流Icの関係を示す。
Figure 0006468046
電流制御部ACR(Automatic Current Regulator) において、検出電流Idetが電流指令Icmdに追従するように電流制御を行い、電圧指令Vcmdを生成する。
加算器5において、電圧指令Vcmdと後述のデッドタイム補償量Vdtcを加算して、デッドタイム補償後の電圧指令Vcmd’を生成する。加算器6aにおいて、デッドタイム補償後の電圧指令Vcmd’と後述の横流補償分の電圧指令(以下、横流補償値と称する)Vcccを加算して、インバータINV1の電圧指令Vcmd1’を出力する。また、減算器6bにおいて、デッドタイム補償後の電圧指令Vcmd’から横流補償値Vcccを減算して、インバータINV2の電圧指令Vcmd2’を出力する。
PWM制御器PWM1(Pulse Width Modulation),PWM2でそれぞれ、インバータINV1の電圧指令Vcmd1’、インバータINV2の電圧指令Vcmd2’と三角搬送波Carrierを比較し、ゲート指令Gate1,Gate2を生成する。ゲート指令Gate1,Gate2はデッドタイム補償部DTC(Dead Time Compensation)によって補償される。
Vce検出部1は、インバータINV1、インバータINV2の相電圧V1,V2を検出し、絶縁された検出相電圧Vce1,Vce2を出力する。デッドタイム補償部DTCはゲート指令Gate1,Gate2と検出相電圧Vce1とVce2とのオンタイム及びオフタイムの誤差を検出して補償を行い、デッドタイム補償量Vdtcを出力する。インバータが2台あるので検出する誤差も2種類存在する。デッドタイム補償に使用するデッドタイム補償量Vdtcは2つのインバータINV1,INV2の検出誤差の平均をとる。
また、横流制御部(Balance ACR)4のPI制御によって横流制御時間Tcccを算出し、この横流制御時間Tcccに基づいて電圧指令Vcmdと同じ単位の横流補償値Vcccを出力する。
デッドタイム生成部DT1、DT2はゲート指令Gate1およびGate2を入力とし、あらかじめ定められたデッドタイム時間Tdを有したスイッチング指令G1_U,G1_L,G2_U,G2_Lを出力する。スイッチング指令G1_U,G1_L,G2_U,G2_LはインバータINV1およびインバータINV2のスイッチング指令であり、この指令によりインバータINV1,INV2内のスイッチング素子をオンオフさせることによって、インバータINV1,INV2を動作させる。
特開2012−244674号公報 特開2012−016232号公報
特許文献1では、横流制御部4において、各PWM電力変換器INV1,INV2間の横流Icに基づいて、各PWM電力変換器INV1,INV2の共通の電圧指令Vcmdと同じ単位の横流補償値Vcccを求め、この横流補償値Vcccを横流Icの値に応じて一方の電圧指令Vcmd1’に加算し、他方の電圧指令Vcmd2’から減算するものである。
しかし、IGBT等のスイッチング素子は立ち上がり時と立ち下がり時でスイッチング特性が異なる。このスイッチング特性とは、ゲート指令Gate1,Gate2に対するスイッチング素子のターンオンおよびターンオフに関わる諸特性(ターンオン、ターンオフに要する遅れ時間や電圧傾きなど)である。
ゲート指令Gate1,Gate2の立ち上がりとはゲート指令Gate1,Gate2がOFFからONに切り替わることを示し、ゲート指令Gate1,Gate2の立ち下がりとはゲート指令Gate1,Gate2がONからOFFに切り替わることを示す。ゲート指令Gate1,Gate2がONの時はゲート指令Gate1,Gate2の値を1とし、OFFの時は値を0と定義する。
したがって、PWM制御のオン/オフの極性に応じた横流補償制御を行っていないため、ゲート指令Gate1,Gate2に対するスイッチング素子のターンオン時のスイッチング特性とターンオフ時のスイッチング特性との差異が原因となって、横流補償値Vcccを最適値に制御できないという問題があった。
図8に従来方式における横流制御時のゲート指令Gate1,Gate2と横流Icのタイムチャートを示す。本来はデッドタイムが付加されるが本願発明は横流制御に関することであるため、デッドタイムは省略し簡略化して説明する。横流はインバータINV1からインバータINV2に流れる向きを正とする。
図8に示すように、大部分において横流を補償できているがスイッチング素子のターンオン時、ターンオフ時はスイッチング特性が異なる為、横流補償値Vcccを最適値に制御できない。これにより、インバータINV1の電圧指令Vcmd1’およびインバータINV2の電圧指令Vcmd2’が最適値でなくなり、結果としてインバータINV1のゲート指令Gate1とインバータINV2のゲート指令Gate2の立ち上がりのタイミングと立下りのタイミングのそれぞれに差異が生じてしまい、横流抑制の効果が低減するという問題があった。
以上示したようなことから、PWM電力変換器の並列運転方法および並列運転装置において、スイッチング素子の立ち上がり時(ターンオン時)と立ち下がり時(ターンオフ時)のスイッチング特性の差異が起因で発生する横流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、2つのPWM電力変換器を並列接続し、2つのPWM電力変換器の出力を相間リアクトルで接続したPWM電力変換器の並列運転装置であって、ゲート指令を生成するための三角搬送波を出力するキャリア生成部と、三角搬送波が、上限値から下限値に減少している期間か、下限値から上限値に上昇している期間か、を判定する三角搬送波判定部と、三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間に横流の検出値を立ち下がり横流制御部に入力し、三角搬送波が下限値から上限値に上昇している期間に横流の検出値を立ち上がり横流制御部に入力する第1選択部と、三角搬送波が下限値から上限値に上昇している期間の横流の検出値に基づいて、立ち上がり横流補償値を演算する立ち上がり横流制御部と、三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間の横流の検出値に基づいて、立ち下がり横流補償値を演算する立ち下がり横流制御部と、三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間に立ち上がり横流制御部が演算した立ち上がり横流補償値を出力し、三角搬送波が下限値から上限値に増加している期間に立ち下がり横流制御部が演算した立ち下がり横流補償値を出力する第2選択部と、一方のPWM電力変換器の電圧指令に第2選択部が出力した値を加算する加算器と、他方のPWM電力変換器の電圧指令から第2選択部が出力した値を減算する減算器と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、PWM電力変換器の並列運転方法および並列運転装置において、スイッチング素子の立ち上がり時(ターンオン時)と立ち下がり時(ターンオフ時)のスイッチング特性の差異が起因で発生する横流を抑制することが可能となる。
実施形態1におけるPWM電力変換器の並列運転装置を示すブロック図。 実施形態1における横流制御部を示すブロック図。 三角搬送波、ゲート立ち上がり信号、ゲート立ち下がり信号を示すタイムチャート。 ゲート指令と横流を示すタイムチャート。 実施形態2における横流制御部を示すブロック図。 実施形態3における横流制御部を示すブロック図。 従来のPWM電力変換器の並列運転装置を示すブロック図。 従来のゲート指令と横流を示すタイムチャート。
以下、本願発明におけるPWM電力変換器の並列運転方法および並列運転装置の実施形態1〜3を図1〜図6に基づいて詳述する。
[実施形態1]
従来方式ではゲート指令Gate1,Gate2の立ち上がり時と立ち下がり時を区別していないため、横流補償値Vcccを最適値に制御できない。よって、本実施形態1では、ゲート指令Gate1,Gate2の立ち上がり時と立ち下がり時を区別して補償制御を行う。
本実施形態1におけるPWM電力変換器の並列運転装置を図1に示す。本実施形態1におけるPWM電力変換器の並列運転装置は、三角搬送波判定部3、横流制御部4a以外は図7と同様である。キャリア生成部2から出力されるゲート指令Gate1,Gate2を生成するための三角搬送波Carrierが三角搬送波判定部3に入力される。三角搬送波判定部3では、三角搬送波Carrierが上限値から下限値に減少している期間か下限値から上限値に上昇している期間かを判定して、ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalとゲート立ち下がり信号Gate_down_signalを生成し、これを横流制御部4aに入力する。本実施形態1の横流制御部4aは、ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalとゲート立ち下がり信号Gate_down_signalを使用してゲートの立ち上がり時と立ち下がり時を区別して横流制御を行う。
図2に本実施形態1における横流制御部4aのブロック図を示す。図2に示すように、 横流制御部4aは、ゲート立ち上がり時用の横流制御部(以下、立ち上がり横流制御部と称する)9aとゲート立ち下がり時用の横流補償制御部(以下、立ち下がり横流制御部と称する)9bをそれぞれ専用に備える。
ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalまたはゲート立ち下がり信号Gate_down_signalに基づいて、横流Icの検出値を立ち上がり横流制御部9aと立ち下がり横流制御部9bのどちらに入力するか判定する。
図3は、ゲート立ち上がり信号Gate_up signalおよびゲート立ち下がり信号Gate down signalを示すタイムチャートである。ゲート指令Gate1,Gate2は電圧指令(図1におけるインバータINV1の電圧指令Vcmd1’もしくはインバータINV2の電圧指令Vcmd2’)が三角搬送波Carrierよりも大きい場合にON信号1を出力し、三角搬送波Carrierよりも小さい場合にはOFF信号0を出力する。
三角搬送波Carrierが下限値から上限値に上昇する期間中にゲート指令Gate1,Gate2が1→0に変化する。逆に、三角搬送波Carrierが上限値から下限値に減少する期間中にゲート指令Gate1,Gate2が0→1に変化する。
三角搬送波判定部3は、三角搬送波Carrierが上限値に達した時から下限値に達するまでの期間、ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalを出力する。この期間では、図2のスイッチ(第1選択部)SW1とスイッチ(第2選択部)SW2はそれぞれ「1」側に接続される。ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalが出力されている期間に検出される横流Icは、前回のゲート更新のタイミング(ゲート指令Gate1,Gate2が1→0に変化するタイミング)に起因して発生する横流Icの検出値である。そこで、この期間は、スイッチSW1を「1」側に接続し、立ち下がり横流制御部9bにおいて、横流Icの検出値に基づいて、立ち下がり横流補償値Vccc_downを演算する。
一方、スイッチSW2が「1」側に接続されることにより、ゲート立ち下がり信号Gate_down_signalが出力されているときに立ち上がり横流制御部9aで演算をしておいた立ち上がり横流補償値Vccc_upが、図2の横流制御部4aの最終出力である横流補償値Vcccとなる。この横流補償値Vcccをデッドタイム補償後の電圧指令Vcmd’に重畳する。
ゲート立ち下がり信号Gate_down_signalを出力している期間(すなわち、ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalを出力していない期間)はスイッチSW1,SW2が「0」側に接続されて、立ち上がり横流制御部9aにおいて、横流Icの検出値に基づいて、立ち上がり横流補償値Vccc_upを演算する。一方、スイッチSW2が「0」側に接続されていることにより、ゲート立ち下がり信号Gate_up_signalが出力されている時に立ち下がり横流制御部9bで演算しておいた立ち下がり横流補償値Vccc_downを横流補償値Vcccとして出力する。
このように、三角搬送波Carrierの状態に応じて、2種類の立ち上がり横流補償値Vccc_up,立ち下がり横流補償値Vccc_downを演算し、立ち上がり横流補償値Vccc_upまたは立ち下がり横流補償値Vccc_downのどちらかを選択して、デッドタイム補償後の電圧指令Vcmd’に重畳する。
上記のように処理を行うことにより、ゲート指令Gate1,Gate2の立ち上がりと立ち下がりを考慮して横流Icの補償ができるため、補償量にずれが生じることはない。
図4は、本実施形態1におけるゲート指令Gate1,Gate2と横流Icを示すタイムチャートである。
三角搬送波Carrierが減少している期間(ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalを出力している期間)と三角搬送波Carrierが増加している期間(ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalを出力していない間)とでは、横流補償値Vcccの値が異なっているため、両期間のインバータINV1,INV2の電圧指令Vcmd1’、Vcmd2’の値は異なっている。
この動作によって、図4に示すようにゲート指令Gate1とGate2の立ち上がりおよび立下りのタイミングが一致するように制御され、横流が抑制される。
以上示したように、本実施形態1によれば、スイッチング素子の立ち上がり時(ターンオン時)と立ち下がり時(ターンオフ時)のスイッチング特性の差異が起因で発生する横流を抑制することが可能となる。
[実施形態2]
図5は、本実施形態2における横流制御部4bを示すブロック図である。本実施形態2は、スイッチSW1,SW2の切り替えを、ゲート立ち下がり信号Gate_down_signalを用いて行うものである。ゲート立ち下がり信号Gate_down_signalが出力されている期間では、図5のスイッチSW1とスイッチSW2はそれぞれ「1」側に接続される。その他は実施形態1と同様である。
この期間で検出される横流Icは前回のゲート更新のタイミングに起因して発生する横流Icの検出値である。そこで、このゲート立ち下がり信号Gate_down_signalが出力される期間スイッチSW1を「1」側に接続することにより、横流Icの検出値は、立ち上がり横流制御部9aに入力される。立ち上がり横流制御部9aは横流Icの検出値に基づいて立ち上がり横流補償値Vccc_upを演算する。
一方、スイッチSW2を「1」側に接続することにより、ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalが出力されているときに立ち下がり横流制御部9bで演算をしておいた立ち下がり横流補償値Vccc_downが横流補償値Vcccとなる。この横流補償値Vcccをデッドタイム補償後の電圧指令Vcmd’に重畳する。
ゲート立ち上がり信号Gate_up_signalを出力している期間(すなわち、ゲート立ち下がり信号Gate_down_signalを出力していない期間)の動作も同様である。
以上示したように、本実施形態2によれば、実施形態1と同様の作用効果を奏する。
[実施形態3]
図6は、本実施形態3における横流制御部4cを示すブロック図である。本実施形態3は、スイッチSW1の判定信号にゲート立ち下がり信号Gate_down_signalを、スイッチSW2の判定信号にゲート立ち上がり信号Gate_up_signalを用いたものである。その他は、実施形態1と実施形態2と同様である。
なお、スイッチSW1とスイッチSW2の判定信号を逆にしても、同様に実施することができる。 これにより、実施形態1,2と同様の作用効果を奏する。
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。
3…三角搬送波判定部
4a,4b,4c…横流制御部
9a…立ち上がり横流制御部
9b…立ち下がり横流制御部
INV1,INV2…PWM電力変換器(インバータ)
Ic…横流
Vcmd…電圧指令
Vcmd’…デッドタイム補償後の電圧指令
Vcmd1’…インバータINV1の電圧指令
Vcmd2’…インバータINV2の電圧指令
Vccc…横流補償値(横流補償分の電圧指令)
Vccc_up…立ち上がり横流補償値
Vccc_down…立ち上がり横流補償値
Carrier…三角搬送波

Claims (2)

  1. 2つのPWM電力変換器を並列接続し、2つのPWM電力変換器の出力を相間リアクトルで接続したPWM電力変換器の並列運転装置であって、
    ゲート指令を生成するための三角搬送波を出力するキャリア生成部と、
    三角搬送波が、上限値から下限値に減少している期間か、下限値から上限値に上昇している期間か、を判定する三角搬送波判定部と、
    三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間に横流の検出値を立ち下がり横流制御部に入力し、三角搬送波が下限値から上限値に上昇している期間に横流の検出値を立ち上がり横流制御部に入力する第1選択部と、
    三角搬送波が下限値から上限値に上昇している期間の横流の検出値に基づいて、立ち上がり横流補償値を演算する立ち上がり横流制御部と、
    三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間の横流の検出値に基づいて、立ち下がり横流補償値を演算する立ち下がり横流制御部と、
    三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間に立ち上がり横流制御部が演算した立ち上がり横流補償値を出力し、三角搬送波が下限値から上限値に増加している期間に立ち下がり横流制御部が演算した立ち下がり横流補償値を出力する第2選択部と、
    一方のPWM電力変換器の電圧指令に第2選択部が出力した値を加算する加算器と、
    他方のPWM電力変換器の電圧指令から第2選択部が出力した値を減算する減算器と、
    を備えたことを特徴とするPWM電力変換器の並列運転装置。
  2. 2つのPWM電力変換器を並列接続し、2つのPWM電力変換器の出力を相間リアクトルで接続したPWM電力変換器の並列運転装置の並列運転方法であって、
    キャリア生成部において、ゲート指令を生成するための三角搬送波を出力する三角搬送波出力処理と、
    三角搬送波判定部において、三角搬送波が、上限値から下限値に減少している期間か、下限値から上限値に上昇している期間か、を判定する三角搬送波判定処理と、
    第1選択部が、三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間に横流の検出値を立ち下がり横流制御部に入力し、三角搬送波が下限値から上限値に上昇している期間に横流の検出値を立ち上がり横流制御部に入力する第1選択処理と、
    立ち上がり横流制御部が、三角搬送波が下限値から上限値に増加している期間の横流の検出値に基づいて、立ち上がり横流補償値を演算する立ち上がり横流補償処理と、
    立ち下がり横流補償部が、三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間の横流の検出値に基づいて、立ち下がり横流補償値を演算する立ち下がり横流補償処理と、
    第2選択部が、三角搬送波が上限値から下限値に減少している期間に立ち上がり横流制御部が演算した立ち上がり横流補償値を出力し、三角搬送波が下限値から上限値に増加している期間に立ち下がり横流制御部が演算した立ち下がり横流補償値を出力する第2選択処理と、
    加算器が、一方のPWM電力変換器の電圧指令に第2選択部が出力した値を加算する加算処理と、
    減算器が、他方のPWM電力変換器の電圧指令から第2選択部が出力した値を減算する減算処理と、
    を行うことを特徴とするPWM電力変換器の並列運転方法。
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