JP6864116B2 - 電力変換システム - Google Patents

Description

この発明は、出力が並列接続された少なくとも２台の電力変換装置から成る電力変換システムに関する。

電力変換装置の容量を増大させる手段として、複数台の電力変換装置の出力を並列接続する方法が知られている。例えば、交流電動機を２台の電力変換装置で駆動する電力変換システムにおいて、結合リアクトルを介して２台の電力変換装置の交流出力を接続する。このような並列多重の電力変換システムにおいては、２台の電力変換装置の出力電圧などの差や、結合リアクトルや配線ケーブルのインピーダンスの差によって各装置の出力電流に不平衡が生じ、装置間に横流と呼ばれる循環電流が発生する。この横流を抑制する方法として、電力変換装置の２台のＰＷＭインバータ間の横流を検出し、各ＰＷＭインバータの共通の電圧指令値と同じ単位の横流補償値として求め、この横流補償値を横流の値に応じて一方のＰＷＭインバータの電圧指令値に加算し、他方のＰＷＭインバータの電圧指令値から減算する横流制御部を設ける対策が知られている（例えば特許文献１参照。）。

特開２０１２−２４４６７４号公報（第９頁、図１及び図３）

特許文献１に示されている横流制御部は、基本的には電力変換装置の出力を掌るＰＷＭインバータの出力電圧を操作量として制御する。このような制御において、制御すべき横流がある程度大きい場合には、２台のインバータの出力波形が異なる状態となり、予期しない高調波電流が結合リアクトルに流れてしまう場合があった。このため、このような事象を考慮して結合リアクトルの仕様を決める必要があった。

本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、並列運転される２台の電力変換装置の横流制御において、予期しない高調波電流を流さないようにした電力変換システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の電力変換システムは、直流電圧を制御可能な第１のコンバータと第１のインバータで構成される第１の電力変換装置と、直流電圧を制御可能な第２のコンバータと第２のインバータで構成される第２の電力変換装置を有し、前記第１のインバータの出力と前記第２のインバータの出力を、結合リアクトルを介して並列接続して交流電動機を駆動する電力変換システムであって、前記第１のインバータの出力電流を検出する第１の電流検出器で検出された第１検出電流と、前記第２のインバータの出力電流を検出する第２の電流検出器で検出された第２検出電流との差分に応じて、前記第１のコンバータと前記第２のコンバータの何れか一方の直流出力電圧を制御して前記第１のインバータと前記第２のインバータ間に流れる横流を抑制するようにしたことを特徴としている。

この発明によれば、並列運転される２台の電力変換装置の横流制御において、予期しない高調波電流を流さないようにした電力変換システムを提供することができる。

本発明の実施例１に係る電力変換システムの回路構成図。 本発明の実施例１による横流制御の説明図。 本発明の実施例２に係る電力変換システムの回路構成図。 本発明の実施例３に係る電力変換システムのブロック構成図。 本発明の実施例４に係る電力変換システムの回路構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。

図１は本発明の実施例１に係る電力変換システムの回路構成図である。商用の３相の交流電源１が、夫々電流検出器５Ａ、５Ｂを介して電力変換器２Ａ、２Ｂのコンバータ２１Ａ、２１Ｂに接続される。電力変換器２Ａ、２Ｂは、夫々コンバータ２１Ａ、２１Ｂ、直流コンデンサ２３Ａ、２３Ｂ及びインバータ２２Ａ、２２Ｂより構成される。コンバータ２１Ａ、２１Ｂの直流出力は夫々直流コンデンサ２３Ａ、２３Ｂで平滑化されインバータ２２Ａ、２２Ｂに入力される。インバータ２２Ａ、２２Ｂの交流出力は夫々電流検出器６Ａ、６Ｂを介して相間に設けられた結合リアクトル３の一方及び他方の端子に接続される。結合リアクトル３の中点の３相出力は交流電動機４に接続される。以上の構成によって、電力変換器２Ａ、２Ｂは交流電動機４を並列駆動する。ここで、インバータ２２Ａとインバータ２２Ｂは同期制御されており、その基本波出力は同相とする。

本実施例においては、コンバータ２１Ａ、２１Ｂ及びインバータ２２Ａ、２２Ｂは電圧型のＰＷＭ変換器である。コンバータ２１Ａ、２１Ｂを構成するパワーデバイスは、夫々制御部８Ａ、８Ｂから与えられるゲート信号によりオンオフ制御されている。制御部８Ａ、８Ｂには、電流検出器５Ａ、５Ｂによる入力電流信号のほか、直流コンデンサ２３Ａ、２３Ｂに印加される直流電圧を検出する電圧検出器２４Ａ、２４Ｂの出力も夫々与えられている。

電流検出器６Ａ、６Ｂで検出された出力電流は、夫々差電流制御部７の減算器７１の加算入力及び減算入力に与えられる。そして、減算器７１の出力、すなわち、インバータ２２Ａとインバータ２２Ｂの出力電流の差分は、例えばＰＩ制御器である差電流制御器７２に与えられる。差電流制御器７２は、この差分が最小となるように制御してその出力を直流電圧基準補正量として減算器７３の減算入力に与える。減算器７３の加算入力には予め設定された直流電圧基準が与えられる。そして、減算器７３の出力は補正された直流電圧基準として制御部８Ａに与えられる。また、制御部８Ｂには直流電圧基準そのものが与えられる。ここで、例えばインバータ２２Ａの出力電流がインバータ２２Ｂのそれより小さい場合を考えると、差電流制御器７２の出力はマイナスとなり、従って減算器７３の出力である補正された直流電圧基準は設定された直流電圧基準より大きい値となる。この動作によってインバータ２２Ａの出力電圧及び出力電流は増加し、結果として上記差分はゼロに近づくことになる。

制御部８Ａの内部構成について以下説明する。電圧検出器２４Ａで検出された電力変換器２Ａの直流電圧は、差電流制御部７の減算器７３から与えられる補正された直流電圧基準と、直流電圧帰還として減算器８１Ａで比較され、その差分は、例えばＰＩ制御器である電圧制御器８２Ａに与えられる。電圧制御器８２Ａは、この差分が最小となるように制御し、入力電流基準を出力する。この入力電流基準は、減算器８３Ａにおいて電流検出器５Ａで検出された入力電流と比較され、その差分は、例えばＰＩ制御器である電流制御器８４Ａに与えられる。電流制御器８４Ａは、マイナーループ制御器として動作し、この差分が最小となるように制御し、３相の電圧指令を出力する。この３相の電圧指令はＰＷＭ制御器８５Ａに与えられる。ＰＷＭ制御器８５Ａはコンバータ２１Ａの各相の入力電圧がこの３相の電圧指令となるようにコンバータ２１Ａの各パワーデバイスに対して、パルス幅変調されたゲート信号を供給する。

次に制御部８Ｂの内部構成であるが、減算器８１Ｂの加算入力に与えられる信号が、補正された直流電圧基準ではなく、設定された直流電圧基準そのものである点を除けば、制御部８Ａの内部構成と同一であるので、その説明は省略する。

以上の構成により、差電流制御部７及び制御部８Ａの動作によってインバータ２２Ａの出力電圧波形がどのように変化するのかについて図２を参照して説明する。図２（ａ）は実施例１において、差電流制御部７による横流抑制制御を行う前と行った後のインバータ２２Ａの出力電圧波形を示したものである。この制御はインバータ２２Ａの出力電流が小さかった場合の制御例である。図示したように直流電圧を増加させる制御を行っているので、ＰＷＭ変調された出力電圧波形のパルス幅は制御前と制御後では同じであり、従ってその高調波成分も波高値が異なるだけとなる。基本波電圧は制御前にくらべ制御後は波高値が増加しているが、予期しない高調波成分は含まれない。

図２（ｂ）に同じ横流制御をインバータ２２ＡのＰＷＭパルスの変調で行った場合のインバータ２２Ａの出力電圧波形の推移を示す。図示したようにこの場合は横流抑制制御によってＰＷＭ変調された出力電圧波形の波高値は変わらないが出力電圧波形のパルス幅は大幅に変化し、高調波の周波数成分も制御前と制御後で大きく異なる。従ってこの場合は結合リアクトル３に予期しない高調波電流が流れる可能性がある。

電力変換器２Ａは「第１の電力変換装置」の一例であり、電力変換器２Ｂは「第２の電力変換装置」の一例である。また、コンバータ２１Ａは「第１のコンバータ」の1例であり、コンバータ２１Ｂは「第２のコンバータ」の一例である。また、インバータ２２Ａは「第１のインバータ」の一例であり、コンバータ２２Ｂは「第２のインバータ」の一例である。また、電流検出器６Ａは「第１の電流検出器」の一例であり、電流変換器６Ｂは「第２の電流検出器」の一例である。また、制御部８Ａは「第１の制御部」の一例であり、制御部８Ｂは「第２の制御部」の一例である。

図３は本発明の実施例２に係る電力変換システムの回路構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換システムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、差電流制御部７Ａにおいて、減算器７４が差電流制御器７２の出力である直流電圧帰還補正量と電圧検出器２４Ａで検出された直流電圧との差分を演算してその出力を補正された直流電圧帰還として制御部８Ｃの減算器８６の減算入力に与える構成とした点、また減算器８６の加算入力には直流電圧基準を与え、この直流電圧基準と減算器７４の出力の差分を電圧制御器８２Ａに与える構成とした点である。

実施例１においては、減算器７３によって直流電圧基準を補正し、補正された直流電圧基準を減算器８１Ａに与えた。これに対しこの実施例２においては、上述の通り、直流電圧基準は変えないで、直流電圧帰還を減算器７４で補正し、補正された直流電圧帰還を減算器８６に与えている。すなわち、実施例１と実施例２とでは、横流抑制制御のために直流電圧基準を補正するか直流電圧帰還を補正するかの違いしかなく、基本的な作用効果は同一である。

図４は本発明の実施例３に係る電力変換システムのブロック構成図である。交流電源１は入力トランス１Ａの１次巻線に交流電圧を与える。入力トランス１Ａは２次多巻線トランスであり、この実施例では６個の２次巻線を有している。これらの２次巻線の各々から電力変換装置２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ及び２Ｈの各コンバータに３相または単相の２次電圧が給電される。電力変換装置２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ及び２Ｈの各インバータは出力が単相のインバータであり、電力変換装置２Ｃと２Ｄ、２Ｅと２Ｆ、２Ｇと２Ｈは夫々組となってインバータの出力が夫々結合リアクトル３Ａ、３Ｂ、３Ｃを介して並列に接続されている。そして、結合リアクトル３Ａ、３Ｂ、３Ｃの各々の中点は夫々電動機４のＵ相、Ｖ相及びＷ相の入力端子に接続されている。

この図４に示す構成の電力変換システムであっても、実施例１あるいは実施例２で説明した横流抑制制御を適用することが可能である。すなわち、組となるインバータの出力電流の差分に応じて一方の電力変換装置の直流電圧基準または直流電圧帰還を補正し、この差分が最小となるように一方の電力変換装置のコンバータを制御すれば良い。

図５は本発明の実施例４に係る電力変換システムの回路構成図である。この実施例４の各部について、図１の本発明の実施例１に係る電力変換システムの各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、コンバータ２１Ａを制御する制御部８Ｃで無効電力制御を行うようにした点である。このためにコンバータ２１Ａの入力電圧を検出する電圧検出器９Ａを設け、制御部８Ｃ内の位相同期回路８６Ａにその出力を与えている。

以下、制御部８Ｃの内部構成を説明する。電流検出器５Ａで検出された３相の電流は３相―２相変換器８７Ａに入力される。３相―２相変換器８７Ａは、位相同期回路８６Ａが出力する基準位相φに基づいてこの３相電流をｑ軸電流とこれと直交するｄ軸電流に変換する。基準位相φを適切に選べば、ｑ軸電流はコンバータ２１Ａに流入する有効電流、ｄ軸電流は無効電流とすることができる。減算器８３Ｃは電圧制御器８２Ａの出力である有効電流基準と上記ｑ軸電流との差分を演算し、ｑ軸電流制御器８４Ｃに与える。ｑ軸電流制御器８４Ｃはマイナーループ制御器として動作し、入力された差分が最小となるように制御してｑ軸電圧指令を出力し、これを２相―３相変換器８８Ａに与える。一方ｄ軸電流は減算器８３Ｄに与えられ、外部から与えられる無効電流基準と減算器８３Ｄでその差分が演算され、これがｄ軸電流制御器８４Ｄに与えられる。ｄ軸電流制御器８４Ｄは入力された差分が最小となるように制御してｄ軸電圧指令を出力し、これを２相―３相変換器８８Ａに与える。２相―３相変換器８８Ａは基準位相φに基づいて上記ｑ軸電圧指令とｄ軸電圧指令を３相の電圧指令に変換してＰＷＭ制御器８５Ａに与える。

また、図５においては、コンバータ２１Ｂを制御する制御部８Ｄも無効電力制御を行うものとし、従って電圧検出器９Ｂの信号を制御部８Ｄに与えている。制御部８Ｂの内部構成であるが、直流電圧基準が、補正された直流電圧基準ではなく、設定された直流電圧基準そのものである点を除けば、制御部８Ｃの内部構成と同一であるので、その説明は省略する。

以上の構成によれば、コンバータ２１Ａに無効電力制御を適用することによって、有効電流制御で直流電圧一定制御及びインバータ側の横流抑制制御を行い、無効電流制御によって例えば電力系統への無効電力を所望の値に制御することが可能となる。

以上本発明の実施例を説明したが、これは例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

例えば各実施例において、コンバータ２１は所謂自己消弧形素子を用いた自励のコンバータとしたが、無効電力を制御しないコンバータの場合は、直流出力を可変制御できるものであれば、他励コンバータなどであっても良い。

また、実施例３においては、２台の単相出力の電力変換装置複数組で構成される電力変換システムの例を記載したが、通常の３相出力の電力変換装置を用いたものであっても本願が適用されることは明らかである。例えば、図１に示す２台の電力変換装置を２組用い、各組の出力同士を、結合リアクトルを介して交流電動機を駆動するものであっても良い。

また、実施例４において、２台の電力変換装置のコンバータは何れも無効電力制御するものと記載したが、何れか一方のみ無効電力制御を行うように構成しても良い。

１ 交流電源
１Ａ 入力変圧器
２Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２Ｄ、２Ｅ、２Ｆ、２Ｇ、２Ｈ 電力変換器
２１Ａ、２１Ｂ コンバータ
２２Ａ、２２Ｂ インバータ
２３Ａ、２３Ｂ 直流コンデンサ
２４Ａ、２４Ｂ 電圧検出器
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ 結合リアクトル
５Ａ、５Ｂ 電流検出器
６Ａ、６Ｂ 電流検出器
７、７Ａ 差電流制御部
７１ 減算器
７２ 差電流制御器
７３、７４ 減算器
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ 制御部
８１Ａ、８１Ｂ 減算器
８２Ａ、８２Ｂ 電圧制御器
８３Ａ、８３Ｂ、８３Ｃ、８３Ｄ 減算器
８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ、８４Ｄ 電流制御器
８５Ａ、８５Ｂ ＰＷＭ制御器
８６Ａ 位相同期回路
８７Ａ ３相―２相変換器
８８Ａ ２相―３相変換器
９Ａ、９Ｂ 電圧検出器

Claims (6)

1. 直流電圧を制御可能な第１のコンバータと第１のインバータで構成される第１の電力変換装置と、
   直流電圧を制御可能な第２のコンバータと第２のインバータで構成される第２の電力変換装置を有し、
   前記第１のインバータの出力と前記第２のインバータの出力を、結合リアクトルを介して並列接続して交流電動機を駆動する電力変換システムであって、
   前記第１のインバータの出力電流を検出する第１の電流検出器で検出された第１検出電流と、前記第２のインバータの出力電流を検出する第２の電流検出器で検出された第２検出電流との差分に応じて、前記第１のコンバータと前記第２のコンバータの何れか一方の直流出力電圧を制御して前記第１のインバータと前記第２のインバータ間に流れる横流を抑制するようにしたことを特徴とする電力変換システム。
2. 前記第１のコンバータを制御する第１の制御部と、前記第２のコンバータを制御する第２の制御部と、前記第１検出電流と前記第２検出電流との差分から前記第１の制御部に前記差分が最小となるような補正信号を出力する差電流制御部を備え、
   前記第２の制御部は、前記第２のコンバータの直流出力電圧が所定の直流電圧基準となるように制御し、
   前記第１の制御部は、前記第１のコンバータの直流出力電圧が、前記所定の直流電圧基準を前記補正信号で補正した値となるように制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記第１のコンバータを制御する第１の制御部と、前記第２のコンバータを制御する第２の制御部と、前記第１検出電流と前記第２検出電流との差分から前記第１の制御部に前記差分が最小となるような補正信号を出力する差電流制御部を備え、
   前記第２の制御部は、前記第２のコンバータの直流出力電圧が所定の直流電圧基準となるように制御し、
   前記第１の制御部は、前記第１のコンバータの直流出力電圧の帰還を前記補正信号で補正した値が、前記所定の直流電圧基準となるように制御するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
4. 前記第１のコンバータを制御する第１の制御部と、前記第２のコンバータを制御する第２の制御部と備え、
   前記第１の制御部と前記第２の制御部のうち少なくとも１つは無効電流制御を行うものとし、
   前記第１のコンバータまたは前記第２のコンバータに流れる無効電流制御をマイナーループとして前記第１のコンバータまたは前記第２のコンバータの交流出力電圧制御を行うようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
5. 前記第１の制御部と前記第２の制御部のうち少なくとも１つは無効電流制御を行うものとし、
   前記第１のコンバータまたは前記第２のコンバータに流れる無効電流制御をマイナーループとして前記第１のコンバータまたは前記第２のコンバータの交流出力電圧制御を行うようにしたことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の電力変換システム。
6. 前記２台の電力変換装置を複数組備え、複数組の前記インバータの出力を合成して前記交流電動機を駆動するようにしたことを特徴とする請求項１乃至請求項５の何れか１項に記載の電力変換システム。

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