JP6863117B2 - 単相三線式インバータ及び電圧補償装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＰＷＭ（パルス幅変調）制御される単相三線式インバータ、及び、この単相三線式インバータにより系統電圧の変動を補償する電圧補償装置に関するものである。

図３は、ＰＷＭ制御される単相三線式インバータの従来技術であり、例えば特許文献１に記載されているものである。
図３において、インバータ部２００は、直流電源２０１と、その両極間に接続されたインバータブリッジ２０２とによって構成されている。インバータブリッジ２０２は、三相フルブリッジ接続されたＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６からなり、各相上下アームのスイッチング素子の接続点が、それぞれＵ相出力端子，Ｎ相（中性相）出力端子，Ｖ相出力端子として単相三線式電力系統２０４に接続されている。

スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６を駆動するＰＷＭ制御部２０５は、Ｕ相，Ｎ相，Ｖ相電圧指令とキャリア信号発生器２０５Ｃからのキャリア（三角波）とがそれぞれ入力されるＰＷＭ制御器２０５Ｕ，２０５Ｎ，２０５Ｖを備えている。
Ｕ相のＰＷＭ制御器２０５Ｕは、Ｕ相電圧指令とキャリアとを比較してスイッチング素子Ｑ_１，Ｑ_２の駆動信号を生成し、Ｎ相のＰＷＭ制御器２０５Ｎは、Ｎ相電圧指令（＝０）とキャリアとを比較してスイッチング素子Ｑ_３，Ｑ_４の駆動信号を生成し、Ｖ相のＰＷＭ制御器２０５Ｖは、Ｖ相電圧指令とキャリアとを比較してスイッチング素子Ｑ_５，Ｑ_６の駆動信号を生成する。

図４は、この従来技術の動作を示す波形図である。図４（ａ）はＰＷＭ制御部２０５における各相の電圧指令及びキャリアを示し、図４（ｂ）はインバータ部２００の出力相電圧を示し、図４（ｃ）はインバータ部２００の出力線間電圧（ＵＮ間出力電圧，ＶＮ間出力電圧）を示している。

図４（ａ）において、Ｕ相電圧指令及びＶ相電圧指令は互いに１８０°の位相差を持つ正弦波信号であり、Ｎ相電圧指令は零である。また、図４（ｂ）に示す各相出力電圧は、直流回路の仮想中性点（直流電源２０１の電圧の１／２の電位点）に対する電圧となる。なお、図４（ｃ）から明らかなように、インバータ部２００の出力線間電圧はユニポーラ変調波形となっている。

この従来技術によれば、Ｎ相の出力電圧を零に制御することにより、ＵＮ間及びＶＮ間の線間電圧を容易に制御することができると共に、Ｕ相電圧指令及びＶ相電圧指令の振幅や位相差を個別に与えることで、ＵＮ間及びＶＮ間の線間電圧を独立して制御することが可能である。

次に、図５は、単相三線式電力系統に連系される電圧補償装置の構成図である。
図５において、柱上変圧器３０１の二次側（低圧系統）の端子ｕ，ｖは、連系リアクトル３０２を介して、半導体スイッチング素子Ｑ_１１〜Ｑ_１４からなる単相コンバータ３０３の交流入力端子ｕ_１，ｖ_１に接続されている。

また、単相コンバータ３０３の直流出力端子は、直流コンデンサ３０４を介して、半導体スイッチング素子Ｑ_１５〜Ｑ_２０からなる単相三線式インバータ３０５の直流入力端子に接続されている。
上記インバータ３０５の交流出力端子ｕ_２，Ｎは、連系リアクトル３０６を介して低圧系統の直列変圧器３０８の二次側に接続され、交流出力端子ｖ_２，Ｎは、連系リアクトル３０７を介して低圧系統の直列変圧器３０９の二次側に接続されている。

この従来技術では、インバータ３０５の出力電圧を、直列変圧器３０８,３０９を介して系統電圧に重畳することにより、系統の線間電圧を例えば１０１±６［Ｖ］，２０２±２０［Ｖ］に制御している。
また、特許文献１に記載された単相三線式インバータと同様に、ｎ相の出力電圧指令を零とし、ｕ相,ｖ相の出力電圧指令を互いに１８０°の位相差を持つ正弦波信号としてインバータ３０５を制御することで、ｕｎ線間電圧及びｖｎ線間電圧をそれぞれ個別に制御可能としている。

特開平７−１６３１５３号公報（段落［０００７］〜［０００９］、図１，図３等）

図３に示したインバータ部２００は、単相三線式電力系統２０４に直接、連系されている。このため、インバータ部２００の出力電圧指令には系統の定格電圧付近の値が設定される。
これに対し、図５の電圧補償装置を構成するインバータ３０５の出力電圧指令は、インバータ３０５が直列変圧器３０８,３０９を介して系統に連系されることから、零から定格電圧まで広範囲の値に設定される。このため、系統電圧が目標とする電圧範囲から大きく逸脱する場合には、インバータ３０５の出力電圧指令が変化する幅も大きくなる。

この種の電圧補償装置におけるインバータ３０５のＰＷＭ制御方式として、特許文献１と同様にユニポーラ変調方式を適用した場合、出力電圧指令が小さい時には出力線間電圧波形が歪んでしまう。インバータ３０５の出力線間電圧は直列変圧器３０８,３０９を介して系統に重畳されるので、インバータ３０５の出力線間電圧の歪みによって系統電圧波形も歪み、その結果、系統に接続された周辺機器の誤動作や破損を招くという問題がある。

そこで、本発明の解決課題は、ＰＷＭ制御されるインバータの出力線間電圧波形の歪みを低減させるようにした単相三線式インバータ及び電圧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、請求項１に係る単相三線式インバータは、半導体スイッチング素子を有する一相分の上下アームを三相分、並列接続してインバータブリッジを構成し、前記インバータブリッジの直流入力端子間に直流電源を接続してなるインバータ部と、
前記インバータブリッジの各相の電圧指令とキャリアとを比較して各相の半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するＰＷＭ制御部であって、前記インバータブリッジの第１相の出力電圧指令を零にして第２相及び第３相の出力電圧指令を可変とし、前記第１相と前記第２相との間、及び、前記第１相と前記第３相との間の出力線間電圧をそれぞれ所定値に制御可能としたＰＷＭ制御部と、
を備えた単相三線式インバータにおいて、
前記ＰＷＭ制御部は、
前記第２相及び第３相に対する出力電圧指令が小さい期間では出力線間電圧波形がダイポーラ変調波形となるように、前記第１相に対するキャリアと前記第２相及び前記第３相に対するキャリアとの間に位相差を持たせる手段を有することを特徴とする。

請求項２に係る単相三線式インバータは、請求項１に記載した単相三線式インバータにおいて、前記第２相及び前記第３相に対するキャリアの位相が等しいことを特徴とする。

請求項３に係る単相三線式インバータは、請求項１に記載した単相三線式インバータにおいて、前記第２相に対するキャリアと前記第３相に対するキャリアとの間に位相差を持たせたことを特徴とする。

請求項４に係る単相三線式インバータは、請求項１に記載した単相三線式インバータにおいて、
前記単相三線式インバータの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を更に有し、
前記第１相に対するキャリアと前記第２相及び前記第３相に対するキャリアとの間に位相差を持たせる手段は、前記出力電圧検出手段の検出値に応じて、前記位相差を調整することを特徴とする。

請求項５に係る電圧補償装置は、請求項１〜４の何れか１項に記載した前記単相三線式インバータの各相の交流出力端子を単相三線式電力系統に連系させ、前記単相三線式インバータの動作により前記単相三線式電力系統の電圧変動を補償することを特徴とする。

請求項６に係る電圧補償装置は、請求項５に記載した電圧補償装置において、前記単相三線式電力系統の電圧値を検出する系統電圧検出手段を更に有し、前記系統電圧検出手段の検出値に応じて、前記位相差を調整することを特徴とする。

本発明によれば、中性相を除く他の二相の出力電圧指令が小さい期間では単相三線式インバータの出力線間電圧波形がダイポーラ変調波形となるようにインバータを制御することにより、出力電圧を広範囲にわたって制御する場合の制御精度を向上させて電圧波形の歪みを低減することができる。
このため、単相三線式インバータを、例えば電圧補償装置に適用して電力系統の電圧変動を補償する場合に、系統に接続された周辺機器の誤動作や破損を防止することができる。

本発明の実施形態に係る単相三線式インバータの構成図である。 図１の動作を示す波形図である。 特許文献１に記載された従来技術の構成図である。 図３の動作を示す波形図である。 単相三線式電力系統に連系される電圧補償装置の構成図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、この実施形態に係る単相三線式インバータの構成図である。図１において、インバータ部２００の構成は図３と同一であるため、図３と同じ部分には同一の符号を付して説明を省略する。

インバータブリッジ２０２の半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６を駆動するＰＷＭ制御部３は、以下のように構成されている。
すなわち、ＰＷＭ制御部３は、図３と同様にＵ相，Ｎ相，Ｖ相電圧指令を生成する電圧指令生成部４を備え、各相電圧指令（Ｎ相電圧指令は０）は、駆動信号生成部７を構成するＵ相，Ｎ相，Ｖ相のＰＷＭ制御器７Ｕ，７Ｎ，７Ｖにそれぞれ入力されている。

また、キャリア信号発生器５から出力されるキャリア（三角波）は、Ｕ相，Ｖ相のＰＷＭ制御器７Ｕ，７Ｖにそのまま入力されると共に、Ｎ相のＰＷＭ制御器７Ｎには、遅延回路６により所定の位相だけ遅延されて入力される。
ＰＷＭ制御器７Ｕ，７Ｎ，７Ｖは、入力された電圧指令とキャリアとを比較して駆動信号をそれぞれ生成し、これらの駆動信号により、インバータブリッジ２０２の各相のスイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_６をオン・オフさせるようになっている。
なお、インバータブリッジ２０２の各相出力端子Ｕ，Ｎ，Ｖは、単相三線式電力系統に連系され、あるいは交流負荷に接続されている。

図２は、この実施形態の動作を示す波形図である。
図２（ａ）はＰＷＭ制御部３における各相の電圧指令及びキャリアを示している。図４（ａ）と同様に、Ｕ相電圧指令及びＶ相電圧指令は互いに１８０°の位相差を持つ正弦波信号であり、Ｎ相電圧指令は零となっている。また、Ｕ相及びＶ相のキャリアは同一であるのに対し、Ｎ相のキャリアは、前記遅延回路６の作用により、Ｕ相及びＶ相のキャリアに対して例えば４５度の位相差を持たせてある。

図２（ｂ）はインバータ部２００の出力相電圧であり、直流電源２０１の電圧の１／２の電位点に対する電圧である。この実施形態では、Ｕ相及びＶ相のキャリアとＮ相のキャリアとの位相差により、Ｎ相の出力電圧とＵ相及びＶ相の出力電圧との間には位相差が生じている。

図２（ｃ）は、インバータ部２００の出力線間電圧（ＵＮ間出力電圧，ＶＮ間出力電圧）を示している。
図２（ｂ）に示したＮ相の出力電圧とＵ相及びＶ相の出力電圧との間の位相差に起因して、図２（ｃ）では、ＵＮ間出力電圧，ＶＮ間出力電圧にユニポーラ変調期間とダイポーラ変調期間とが生じている。そして、Ｕ相電圧指令,Ｖ相電圧指令に対応して、ダイポーラ変調期間においては、ＵＮ間出力電圧及びＶＮ間出力電圧の平均値が何れも小さく（零電圧付近に）なっていることが分かる。

言い換えれば、ダイポーラ変調方式では出力線間電圧の平均値を小さく制御可能であるため、出力電圧指令が小さい期間にダイポーラ変調が行われるようにＵ相及びＶ相のキャリアとＮ相のキャリアとの位相差を適宜設定すれば、インバータ部２００の出力線間電圧を微小値に制御する精度を高めることができる。

これにより、例えばインバータ部２００を電圧補償装置として単相三線式電力系統に連系させる際に、インバータ部２００のＵ相及びＶ相に対する出力電圧指令が零から系統電圧の定格値までの広範囲にわたるような場合であっても、出力線間電圧の高精度な制御が可能になる。

なお、図１の実施形態では、遅延回路６を用いてＵ相及びＶ相のキャリアとＮ相のキャリアとの間に位相差を持たせているが、遅延回路６を用いずに、キャリア信号発生器５とは別個に設けたキャリア信号発生器により、Ｕ相及びＶ相のキャリアに対して位相差を有するＮ相のキャリアを発生させても良い。更に、キャリア信号発生器５による単一のキャリア信号と遅延時間（位相差）が異なる二つの遅延回路とを用いて、Ｕ相,Ｖ相,Ｎ相のキャリアの間に順次、位相差を持たせても良い。

要するに、Ｕ相及びＶ相のキャリアとＮ相のキャリアとの間に位相差を持たせ、あるいは、Ｕ相,Ｖ相,Ｎ相のキャリアの間に順次、位相差を持たせることにより、結果として出力線間電圧（ＵＮ間出力電圧，ＶＮ間出力電圧）の波形がダイポーラ変調波形となるようにインバータ部２００をＰＷＭ制御すれば良い。

ここで、例えば特開平７−２７４５１７号公報には、同一編成の電気車に搭載され、パンタグラフから共通の変圧器を介して交流電力が供給される複数台のＰＷＭコンバータにおいて、各コンバータに対するキャリアに順次、位相差を持たせるようにした制御装置が開示されている。
しかしながら、この公知技術は、各コンバータのスイッチングのタイミングをずらすことにより、各コンバータに流れる電流波形の山,谷を相殺して高調波成分を低減させるものであり、本発明のように、単相三線式インバータの出力線間電圧波形の一部がダイポーラ変調波形となるように制御する技術とは着想が異なっている。

本発明に係る単相三線式インバータは、単相三線式電力系統に連系される電圧補償装置や分散型発電システムの電源装置として利用することができる。

３：ＰＷＭ制御部
４：電圧指令生成部
５：キャリア信号発生器
６：遅延回路
７：駆動信号生成部
７Ｕ，７Ｎ，７Ｖ：ＰＷＭ制御器
２００：インバータ部
２０１：直流電源
２０２：インバータブリッジ
Ｑ_１〜Ｑ_６：半導体スイッチング素子
Ｕ：Ｕ相出力端子
Ｎ：Ｎ相出力端子
Ｖ：Ｖ相出力端子

Claims (6)

1. 半導体スイッチング素子を有する一相分の上下アームを三相分、並列接続してインバータブリッジを構成し、前記インバータブリッジの直流入力端子間に直流電源を接続してなるインバータ部と、
   前記インバータブリッジの各相の電圧指令とキャリアとを比較して各相の半導体スイッチング素子に対する駆動信号を生成するＰＷＭ制御部であって、前記インバータブリッジの第１相の出力電圧指令を零にして第２相及び第３相の出力電圧指令を可変とし、前記第１相と前記第２相との間、及び、前記第１相と前記第３相との間の出力線間電圧をそれぞれ所定値に制御可能としたＰＷＭ制御部と、
   を備えた単相三線式インバータにおいて、
   前記ＰＷＭ制御部は、
   前記第２相及び第３相に対する出力電圧指令が小さい期間では出力線間電圧波形がダイポーラ変調波形となるように、前記第１相に対するキャリアと前記第２相及び前記第３相に対するキャリアとの間に位相差を持たせる手段を有することを特徴とする単相三線式インバータ。
2. 請求項１に記載した単相三線式インバータにおいて、
   前記第２相及び前記第３相に対するキャリアの位相が等しいことを特徴とする単相三線式インバータ。
3. 請求項１に記載した単相三線式インバータにおいて、
   前記第２相に対するキャリアと前記第３相に対するキャリアとの間に位相差を持たせたことを特徴とする単相三線式インバータ。
4. 請求項１に記載した単相三線式インバータにおいて、
   前記単相三線式インバータの出力電圧を検出する出力電圧検出手段を更に有し、
   前記第１相に対するキャリアと前記第２相及び前記第３相に対するキャリアとの間に位相差を持たせる手段は、前記出力電圧検出手段の検出値に応じて、前記位相差を調整することを特徴とする単相三線式インバータ。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載した前記単相三線式インバータの各相の交流出力端子を単相三線式電力系統に連系させ、前記単相三線式インバータの動作により前記単相三線式電力系統の電圧変動を補償することを特徴とする電圧補償装置。
6. 請求項５に記載した電圧補償装置において、
   前記単相三線式電力系統の電圧値を検出する系統電圧検出手段を更に有し、
   前記系統電圧検出手段の検出値に応じて、前記位相差を調整することを特徴とする電圧補償装置。

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