JP6529081B2

JP6529081B2 - 高調波補償装置

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Publication number: JP6529081B2
Application number: JP2016037248A
Authority: JP
Inventors: 竜治宮川
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2016-02-29
Filing date: 2016-02-29
Publication date: 2019-06-12
Anticipated expiration: 2036-02-29
Also published as: JP2017158234A

Description

本発明は、高調波補償装置に関する。

高調波補償装置としては、例えば、特許文献１に記載のものが知られている。特許文献１に記載の高調波補償装置は、フーリエ変換により交流信号（負荷電流）の高調波を求め、インバータに上記高調波を打ち消す電流を出力させるようにインバータの出力電流を制御することができる。

特開平１０−１４５９７２号公報

しかしながら、従来の高調波補償装置は、フーリエ変換により高調波を求めるので、必要な計算資源が増えるといった問題があった。また、瞬時的に高調波を補償する装置においては、高い応答性が必要なため、制御遅れの許容範囲に対する要求が高く（制御遅れの許容範囲が狭く）、システム設計が困難になるという問題があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、比較的簡易な構成で制御遅れの許容範囲が広い高調波補償装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る高調波補償装置は、
ｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値に応じた交流出力信号を出力する出力装置を制御し、負荷に入力される交流信号のｎ次高調波およびｎ＋２次高調波（ｎは１以上の整数）を補償する高調波補償装置であって、
前記交流信号に対してｄｑ変換を行いｄ軸出力値ｄ_０およびｑ軸出力値ｑ_０を出力する第１ｄｑ変換部と、
前記ｄ軸出力値ｄ_０および前記ｑ軸出力値ｑ_０の直流成分を除去したｄ軸出力値ｄおよびｑ軸出力値ｑを出力するハイパスフィルタと、
前記ｄ軸出力値ｄに対してｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑを出力するとともに、前記ｑ軸出力値ｑに対してｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑを出力する第２ｄｑ変換部と、
前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑに基づいて生成したｎ＋１逓倍位相の第１交流信号を前記ｄ軸出力指令値に重畳するとともに、前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑに基づいて生成したｎ＋１逓倍位相の第２交流信号を前記ｑ軸出力指令値に重畳するフィードバック制御部と、を備えたことを特徴とする。

この構成によれば、２回のｄｑ変換により高調波を求めているので、フーリエ変換により高調波を求める従来の構成と比較して必要な計算資源が少なくなる。さらに、この構成によれば、ｄ軸出力値ｄｄ、ｑｄおよびｑ軸出力値ｄｑ、ｑｑがゼロに近づくようにフィードバック制御を行っているので、従来の構成と比較して制御遅れの許容範囲が広くなる。

上記高調波補償装置では、
前記フィードバック制御部は、
前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑの極性を反転させる第１反転部と、
前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑに対して積分制御を行う第１積分制御部と、
前記第１積分制御部の出力信号を前記ｎ＋１逓倍位相の交流信号に変換する第１変換部と、
前記第１変換部の出力信号に基づいて前記第１交流信号を生成し、前記第１交流信号を前記ｄ軸出力指令値に重畳する第１重畳部と、
前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑの極性を反転させる第２反転部と、
前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑに対して積分制御を行う第２積分制御部と、
前記第２積分制御部の出力信号を前記ｎ＋１逓倍位相の交流信号に変換する第２変換部と、
前記第２変換部の出力信号に基づいて前記第２交流信号を生成し、前記第２交流信号を前記ｑ軸出力指令値に重畳する第２重畳部と、を備えた構成にしてもよい。

上記高調波補償装置では、
前記第２ｄｑ変換部は、
前記ｄ軸出力値ｄの位相をπ／２遅延させたｄ軸出力値ｄ’を生成する第１遅延部と、
前記ｑ軸出力値ｑの位相をπ／２遅延させたｑ軸出力値ｑ’を生成する第２遅延部と、
前記ｄ軸出力値ｄおよび前記ｄ軸出力値ｄ’に基づいて前記ｄ軸出力値ｄｄを生成する第１演算部と、
前記ｄ軸出力値ｄおよび前記ｄ軸出力値ｄ’に基づいて前記ｑ軸出力値ｄｑを生成する第２演算部と、
前記ｑ軸出力値ｑおよび前記ｑ軸出力値ｑ’に基づいて前記ｄ軸出力値ｑｄを生成する第３演算部と、
前記ｑ軸出力値ｑおよび前記ｑ軸出力値ｑ’に基づいて前記ｑ軸出力値ｑｑを生成する第４演算部と、を備えた構成にしてもよい。

本発明によれば、比較的簡易な構成で制御遅れの許容範囲が広い高調波補償装置を提供することができる。

本発明の高調波補償装置の使用例を示す図である。本発明の高調波補償装置のブロック図である。本発明のフィードバック制御部のブロック図である。本発明の高調波補償装置の別の使用例を示す図である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係る高調波補償装置の実施形態について説明する。

図１に、本発明の一実施形態に係る高調波補償装置１の使用例を示す。高調波補償装置１は、ｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値に応じた交流出力電流（本発明の「交流出力信号」に相当）を出力するインバータ２（本発明の「出力装置」に相当）を制御し、三相交流電源３から高調波発生源となる負荷４に入力される三相交流電流（本発明の「交流信号」に相当）に対して高調波補償を行う。

具体的には、インバータ２は、高調波補償装置１により変更されたｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値に基づいて、逆位相の高調波電流を出力し、当該高調波電流により三相交流電流に含まれる高調波を打ち消すことで三相交流電流を正弦波に近付ける。なお、以下では、三相交流電流に５次高調波および７次高調波が含まれているものとする。

図２に、高調波補償装置１のブロック図を示す。高調波補償装置１は、第１ｄｑ変換部１１と、ハイパスフィルタ１２と、第２ｄｑ変換部１３と、フィードバック制御部１４とを備える。

第１ｄｑ変換部１１は、入力された三相交流電流に対してｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｄ_０、ｑ軸出力値ｑ_０および位相θ_ｎを算出する。算出されたｄ軸出力値ｄ_０およびｑ軸出力値ｑ_０は、ハイパスフィルタ１２に、位相θ_ｎは第２ｄｑ変換部１３とフィードバック制御部１４に入力される。５次高調波および７次高調波を含む三相交流電流に対してｄｑ変換を行った場合、６次高調波に対応したｄ軸出力値ｄ_０、ｑ軸出力値ｑ_０および位相θ_６が算出される。

ハイパスフィルタ１２は、入力されたｄ軸出力値ｄ_０およびｑ軸出力値ｑ_０の直流成分を除去する。直流成分が除去されたｄ軸出力値ｄおよびｑ軸出力値ｑは第２ｄｑ変換部１３に入力される。

第２ｄｑ変換部１３は、入力されたｄ軸出力値ｄに対してｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑを出力するとともに、入力されたｑ軸出力値ｑに対してもｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑを出力する。

第２ｄｑ変換部１３は、ｄ軸出力値ｄおよびｑ軸出力値ｑに対してｄｑ変換を行うための、第１遅延部１５と、第２遅延部１６と、第１〜第４演算部１７〜２０とを備える。

第１遅延部１５は、ｄ軸出力値ｄの位相をπ／２遅延させたｄ軸出力値ｄ’を生成する。一方、第２遅延部１６は、ｑ軸出力値ｑの位相をπ／２遅延させたｑ軸出力値ｑ’を生成する。

第１演算部１７は、ｄ軸出力値ｄにｃｏｓθ_６を乗算した値とｄ軸出力値ｄ’にｓｉｎθ_６を乗算した値とを加算してｄ軸出力値ｄｄを生成する。第２演算部１８は、ｄ軸出力値ｄにｓｉｎθ_６を乗算した値とｄ軸出力値ｄ’に｛−ｃｏｓθ_６｝を乗算した値とを加算してｑ軸出力値ｄｑを生成する。第３演算部１９は、ｑ軸出力値ｑにｃｏｓθ_６を乗算した値とｑ軸出力値ｑ’にｓｉｎθ_６を乗算した値とを加算してｄ軸出力値ｑｄを生成する。第４演算部２０は、ｑ軸出力値ｑにｓｉｎθ_６を乗算した値とｑ軸出力値ｑ’に｛−ｃｏｓθ_６｝を乗算した値とを加算してｑ軸出力値ｑｑを生成する。

すなわち、第２ｄｑ変換部１３では、下記の演算が行われる。
ｄｄ＝ｄｃｏｓθ_６＋ｄ’ｓｉｎθ_６
ｄｑ＝ｄｓｉｎθ_６＋ｄ’｛−ｃｏｓθ_６｝
ｑｄ＝ｑｃｏｓθ_６＋ｑ’ｓｉｎθ_６
ｑｑ＝ｑｓｉｎθ_６＋ｑ’｛−ｃｏｓθ_６｝
ここで、θ_６は、第１ｄｑ変換部１１で算出された基本波位相を６逓倍した位相である。

フィードバック制御部１４は、ｄ軸出力値ｄｄ、ｑｄおよびｑ軸出力値ｄｑ、ｑｑがゼロに近づくようにフィードバック制御を行い、入力されたｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値を変更してインバータ２に出力する。ここで、フィードバック制御部１４に入力されるｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値はオペレータが任意に設定することができる。本実施形態では、インバータ２に逆位相の高調波電流のみを出力させるので、ｄ軸出力指令値は有効電流の指令値に相当し、ｑ軸出力指令値は無効電流の指令値に相当し、両者はともにゼロに設定される。

図３に示すように、フィードバック制御部１４は、第１反転部２１と、第１積分制御部２２と、第１変換部２３と、第１重畳部２４と、第２反転部２５と、第２積分制御部２６と、第２変換部２７と、第２重畳部２８とを備える。

第１反転部２１は、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑに−１を乗算して、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑの極性を反転させる。第１積分制御部２２は、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、より詳しくは、極性を反転させたｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、積分制御（Ｉ制御）を行う。

第１変換部２３は、第１積分制御部２２の出力信号をｎ＋１逓倍位相（本実施形態では、６逓倍位相）の交流信号に変換する。具体的には、第１変換部２３は、第１積分制御部２２の出力信号のうちｄ軸出力値ｄｄをＩ制御したものに対してｃｏｓθ_６を乗算する一方、ｑ軸出力値ｄｑをＩ制御したものに対してｓｉｎθ_６を乗算する。なお、θ_６は、第１ｄｑ変換部１１で算出された基本波位相を６逓倍した位相である。

第１重畳部２４は、第１変換部２３の出力信号を加算したもの（本発明の「第１交流信号」に相当）をｄ軸出力指令値に加算して出力する。これにより、第１重畳部２４からは、ｄ軸出力指令値に逆位相の６次高調波電流に関する指令値を重畳したものが出力される。本実施形態では、第１重畳部２４に入力されるｄ軸出力指令値はゼロであるから、インバータ２には、逆位相の６次高調波電流に関する指令値のみがｄ軸出力指令値として入力される。

第２反転部２５は、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑに−１を乗算して、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑの極性を反転させる。第２積分制御部２６は、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、より詳しくは、極性を反転させたｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、積分制御（Ｉ制御）を行う。

第２変換部２７は、第２積分制御部２６の出力信号をｎ＋１逓倍位相（本実施形態では、６逓倍位相）の交流信号に変換する。具体的には、第２変換部２７は、第２積分制御部２６の出力信号のうちｄ軸出力値ｑｄをＩ制御したものに対してｃｏｓθ_６を乗算する一方、ｑ軸出力値ｑｑをＩ制御したものに対してｓｉｎθ_６を乗算する。なお、θ_６は、第１ｄｑ変換部１１で算出された基本波位相を６逓倍した位相である。

第２重畳部２８は、第２変換部２７の出力信号を加算したもの（本発明の「第２交流信号」に相当）をｑ軸出力指令値に加算して出力する。これにより、第２重畳部２８からは、ｑ軸出力指令値に逆位相の６次高調波電流に関する指令値を重畳したものが出力される。本実施形態では、第２重畳部２８に入力されるｑ軸出力指令値はゼロであるから、インバータ２には、逆位相の６次高調波電流に関する指令値のみがｑ軸出力指令値として入力される。

結局、高調波補償装置１は、ｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値として逆位相の６次高調波電流に関する指令値をインバータ２に出力して、インバータ２に逆位相の６次高調波電流を出力させることができる。その結果、三相交流電流に含まれる５次高調波および７次高調波を打ち消すことができ、負荷４に入力される三相交流電流を正弦波に近付けることができる。

また、高調波補償装置１では、２回のｄｑ変換により６次高調波を求めているので、フーリエ変換により６次高調波を求める従来の構成と比較して必要な計算資源が少なくなる。さらに、高調波補償装置１では、第１積分制御部２２および第２積分制御部２６で、ｄ軸出力値ｄｄ、ｑｄおよびｑ軸出力値ｄｑ、ｑｑがゼロに近づくようにフィードバック制御（本実施形態では、Ｉ制御）を行っているので、従来の構成と比較して制御遅れの許容範囲が広くなる。

以上、本発明に係る高調波補償装置の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

上記実施形態では、６次高調波により５次高調波および７次高調波を補償しているが、本発明は、ｎ＋１次高調波によりｎ次高調波およびｎ＋２次高調波（ｎは１以上の整数）を補償することができる。例えば、１２次高調波により１１次高調波および１３次高調波を補償してもよいし、２次高調波により１次高調波（基本波）および３次高調波を補償してもよい。また、２つ以上の高調波を同時に制御して、４つ以上の高調波を同時に補償してもよい。

上記実施形態では、補償する交流信号として三相交流電流を例に挙げて説明したが、高調波が含まれる物理量であれば、本発明の交流信号として扱うことができる。ｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値は、補償する物理量の指令値となる。

例えば、図４に示すように、インバータ２を電圧源として発生させた三相交流電圧を不平衡負荷５に供給する場合、三相交流電圧に歪が生じて電圧不平衡が発生する。この場合、高調波補償装置１は、フィードバック制御部１４に入力されるｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値に逆位相の２次高調波電圧に関する指令値を加算し、新たに生成したｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値をインバータ２に出力する。これにより、インバータ２は、逆位相の２次高調波電圧を重畳した三相交流電圧を出力することになり、電圧不平衡は解消される。

第２ｄｑ変換部１３は、ｄ軸出力値ｄに対してｄｑ変換を行いｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑを出力するとともに、ｑ軸出力値ｑに対してｄｑ変換を行いｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑを出力するのであれば、その構成を適宜変更することができる。

フィードバック制御部１４は、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑに基づいて生成したｎ＋１逓倍位相の第１交流信号をｄ軸出力指令値に重畳するとともに、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑに基づいて生成したｎ＋１逓倍位相の第２交流信号をｑ軸出力指令値に重畳するのであれば、その構成を適宜変更することができる。

１高調波補償装置
２インバータ
３三相交流電源
４負荷
５不平衡負荷
１１第１ｄｑ変換部
１２ハイパスフィルタ
１３第２ｄｑ変換部
１４フィードバック制御部
２１第１反転部
２２第１積分制御部
２３第１変換部
２４第１重畳部
２５第２反転部
２６第２積分制御部
２７第２変換部
２８第２重畳部

Claims

ｄ軸出力指令値およびｑ軸出力指令値に応じた交流出力信号を出力する出力装置を制御し、負荷に入力される交流信号のｎ次高調波およびｎ＋２次高調波（ｎは１以上の整数）を補償する高調波補償装置であって、
前記交流信号に対してｄｑ変換を行いｄ軸出力値ｄ_０およびｑ軸出力値ｑ_０を出力する第１ｄｑ変換部と、
前記ｄ軸出力値ｄ_０および前記ｑ軸出力値ｑ_０の直流成分を除去したｄ軸出力値ｄおよびｑ軸出力値ｑを出力するハイパスフィルタと、
前記ｄ軸出力値ｄに対してｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｄｄおよびｑ軸出力値ｄｑを出力するとともに、前記ｑ軸出力値ｑに対してｄｑ変換を行い、ｄ軸出力値ｑｄおよびｑ軸出力値ｑｑを出力する第２ｄｑ変換部と、
前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑに基づいて生成したｎ＋１逓倍位相の第１交流信号を前記ｄ軸出力指令値に重畳するとともに、前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑに基づいて生成したｎ＋１逓倍位相の第２交流信号を前記ｑ軸出力指令値に重畳するフィードバック制御部と、を備えた
ことを特徴とする高調波補償装置。
前記フィードバック制御部は、
前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑの極性を反転させる第１反転部と、
前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｄｄおよび前記ｑ軸出力値ｄｑに対して積分制御を行う第１積分制御部と、
前記第１積分制御部の出力信号を前記ｎ＋１逓倍位相の交流信号に変換する第１変換部と、
前記第１変換部の出力信号に基づいて前記第１交流信号を生成し、前記第１交流信号を前記ｄ軸出力指令値に重畳する第１重畳部と、
前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑの極性を反転させる第２反転部と、
前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑがゼロに近づくように、前記ｄ軸出力値ｑｄおよび前記ｑ軸出力値ｑｑに対して積分制御を行う第２積分制御部と、
前記第２積分制御部の出力信号を前記ｎ＋１逓倍位相の交流信号に変換する第２変換部と、
前記第２変換部の出力信号に基づいて前記第２交流信号を生成し、前記第２交流信号を前記ｑ軸出力指令値に重畳する第２重畳部と、を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の高調波補償装置。
前記第２ｄｑ変換部は、
前記ｄ軸出力値ｄの位相をπ／２遅延させたｄ軸出力値ｄ’を生成する第１遅延部と、
前記ｑ軸出力値ｑの位相をπ／２遅延させたｑ軸出力値ｑ’を生成する第２遅延部と、
前記ｄ軸出力値ｄおよび前記ｄ軸出力値ｄ’に基づいて前記ｄ軸出力値ｄｄを生成する第１演算部と、
前記ｄ軸出力値ｄおよび前記ｄ軸出力値ｄ’に基づいて前記ｑ軸出力値ｄｑを生成する第２演算部と、
前記ｑ軸出力値ｑおよび前記ｑ軸出力値ｑ’に基づいて前記ｄ軸出力値ｑｄを生成する第３演算部と、
前記ｑ軸出力値ｑおよび前記ｑ軸出力値ｑ’に基づいて前記ｑ軸出力値ｑｑを生成する第４演算部と、を備えた
ことを特徴とする請求項１または２に記載の高調波補償装置。