CN109874373A - 有源滤波器的控制装置 - Google Patents

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Abstract

一种控制装置(71)，其控制有源滤波器(6)的动作，有源滤波器(6)在设置点(P)与负载(2)并联连接到交流电源(1)上，且为了补偿在负载中流动的负载电流(Io)的高次谐波成分而向设置点供给补偿电流(Ic)。该控制装置中设有：dq转换器(703)，其将负载电流(Io)转换为d轴电流成分和q轴电流成分；高通滤波器(704、705)，其从dq转换器的至少d轴电流成分输出中提取高次谐波成分；以及乘法器(716、717)，其用高通滤波器的d轴电流成分输出、及dq转换器或高通滤波器的q轴电流成分输出分别乘以补偿率(Kd、Kq)，并将得到的乘积作为电流指令值输出。乘法器中的q轴电流的补偿率(Kq)可调节。

Description

有源滤波器的控制装置
技术领域
本发明涉及一种有源滤波器的控制装置，尤其涉及利用有源滤波器进行的高次谐波电流补偿技术。
背景技术
在现有技术下，接受交流电源的供给而流经AC/AC转换器等负载的负载电流中含有高次谐波电流的成分。为了解决该高次谐波电流带来的问题，而对负载设置了并联型有源滤波器，使负载电流的高次谐波成分不会流向交流电源(例如，参照专利文献1)。
根据一现有技术，为了将有源滤波器的容量抑制在必要的最小限度，从经系统母线与系统电源相连的负载产生的高次谐波电流中检测出不同阶次的高次谐波成分的产生量，并以各上述阶次的高次谐波成分中产生率最高的阶次的高次谐波成分为基准，根据该基准阶次的高次谐波成分，对各阶次的高次谐波成分设定规定的相互比率，利用各上述阶次的高次谐波成分的产生量和各上述阶次的高次谐波成分的相互比率进行运算处理，由此对有源滤波器输出的补偿量进行控制，使其与目标量相一致，其中，该目标量是用各上述阶次的高次谐波成分的产生量减去高次谐波指南(guideline)中规定的高次谐波成分的上限量(标准值)后得到的(参照专利文献2)。
另一方面，当采用无电解电容逆变器(electrolytic capacitor-less inverter)作为负载时，随着电源阻抗变大，有源滤波器的补偿电流控制在无电解电容逆变器的谐振频率下是振荡性的，因此需要利用有源滤波器的控制来抑制谐振。例如，有源滤波器的控制装置通过从根据补偿电流和负载电流得到的值中减去以某一增益放大有源滤波器的设置点电压的微分值而得到的值，从而得到有源滤波器所输出的电压的指令值即电压指令值(参照专利文献3)。
专利文献1：日本公开专利公报特开2014－207798号公报
专利文献2：日本公开专利公报特开平10－210658号公报
专利文献3：日本公开专利公报特开2016－116330号公报
发明内容
－发明要解决的技术问题－
利用上述专利文献2中的技术，无法有效抑制无电解电容逆变器被用作负载且电源阻抗较大时的谐振。
并且，利用上述专利文献3中的技术，无法降低有源滤波器的容量。
本发明的目的在于提供一种有源滤波器的控制装置，其能够将高次谐波电流抑制在标准值以下，并同时做到降低有源滤波器的容量和抑制电源阻抗较大时的谐振。
－用以解决技术问题的技术方案－
为了达到上述目的，第一方面的发明涉及一种有源滤波器的控制装置，其是控制有源滤波器6的动作的控制装置71、72、73，上述有源滤波器6在设置点P与负载2并联地连接到交流电源1上，且为了补偿在上述负载2中流动的负载电流Io的高次谐波成分而向上述设置点P供给补偿电流Ic，其特征在于，上述有源滤波器的控制装置具有：dq转换器703，其将上述负载电流Io转换为d轴电流成分和q轴电流成分；高通滤波器704、705，其从上述dq转换器703的d轴电流成分输出和q轴电流成分输出中的至少d轴电流成分输出中提取高次谐波成分；乘法器716、717，其用上述高通滤波器704的d轴电流成分输出、以及上述dq转换器703的q轴电流成分输出或上述高通滤波器705的q轴电流成分输出分别乘以补偿率Kd、Kq，并将得到的乘积作为电流指令值id*、iq*输出；运算器712、713、714、715，其根据上述乘法器716、717的输出和上述补偿电流Ic的检测结果，计算上述有源滤波器6应输出的电压Vr的指令值即电压指令值Vid、Viq；以及驱动信号生成电路720，其根据上述电压指令值Vid、Viq生成对上述有源滤波器6进行驱动控制的信号G。上述乘法器716、717中的q轴电流的补偿率Kq可调节。
在该构成方式下，当不仅利用有源滤波器6减少高次谐波成分，还利用有源滤波器6对基波功率因数进行改善的情况下，不设置从dq转换器703的q轴电流成分输出中提取高次谐波成分的高通滤波器705，而是通过将用dq转换器703的q轴电流成分输出乘以补偿率Kq得到的乘积作为电流指令值iq*输出，来补偿q轴电流的基波成分和高次谐波成分。
并且，在该构成方式下，在dq转换器703和高通滤波器704、705的输出即d轴高次谐波电流和q轴高次谐波电流中，尤其是将与q轴高次谐波电流相乘的补偿率Kq调节到小于1.0的值。鉴于无电解电容逆变器的高次谐波电流中q轴电流成分占支配性地位，于是主要通过调节q轴电流的补偿率Kq，来将高次谐波电流抑制在标准值以下，并抑制电源阻抗较大时的谐振。相反，即使减小d轴电流的补偿率Kd，流向交流电源1的高次谐波电流的增加量也会较小，因此，通过尽可能地将d轴电流的补偿率Kd设定得较小，就能尽可能降低有源滤波器6的容量。
第二方面的发明在第一方面的发明的基础上，其特征在于：上述乘法器716、717中的q轴电流的补偿率Kq按照上述负载电流Io的大小进行调节。
在该构成方式下，例如当为轻负载时，即负载电流Io较小时，q轴电流的补偿率Kq便被调节得较小。
第三方面的发明在第一或第二方面的发明的基础上，其特征在于：上述乘法器716、717中的q轴电流的补偿率Kq按照构成上述有源滤波器6的装置的壳体温度tc进行调节。
在该构成方式下，例如如果壳体温度tc达到规定的温度以上，则q轴电流的补偿率Kq就会被调节到特别小。
第四方面的发明在第一到第三方面中任一方面的发明的基础上，其特征在于：上述乘法器716、717中的d轴电流的补偿率Kd亦可调节。
在该构成方式下，q轴电流的补偿率Kq和d轴电流的补偿率Kd都可调节。
－发明的效果－
根据第一方面的发明，能够将高次谐波电流抑制在标准值以下，并同时做到降低有源滤波器6的容量和抑制电源阻抗较大时的谐振。
根据第二方面的发明，按照负载电流Io的大小将q轴电流的补偿率Kq调节到最佳，由此能够抑制轻负载时的有源滤波器6的损失，并能够符合高次谐波限制标准。
根据第三方面的发明，以装置的壳体温度tc已达到规定温度以上为条件，通过减小q轴电流的补偿率Kq，就能够防止装置产生热破坏。
根据第四方面的发明，通过使q轴电流的补偿率Kq和d轴电流的补偿率Kd都可调节，而使得控制的自由度得以提高。
附图说明
图1是将第一实施方式的有源滤波器的控制装置的构成与其控制对象的构成及其周边的构成一起示出的方框图。
图2是示出在下述情况下电源电流中含有的高次谐波电流的变化情况的图，该情况为：在电源阻抗较小的情况下，对负载电流中含有的高次谐波电流进行补偿时，使d轴电流的补偿率和q轴电流的补偿率互为相等，并使两个补偿率发生了变化。
图3是当在电源阻抗较大的情况下，使d轴电流的补偿率和q轴电流的补偿率均为0.8时，图1中的各部分的电流波形图。
图4是示出在下述情况下电源电流中含有的高次谐波电流的变化情况的图，该情况为：在电源阻抗较小的情况下，将q轴电流的补偿率调节到0.8，并使d轴电流的补偿率发生了变化。
图5是当在电源阻抗较大的情况下，使q轴电流的补偿率为0.8且使d轴电流的补偿率为0.6时，图1中的各部分的电流波形图。
图6是将第二实施方式的有源滤波器的控制装置的构成与其控制对象的构成及其周边的构成一起示出的方框图。
图7是示出第二实施方式中按照负载电流的大小调节q轴电流的补偿率的图。
图8是示出在下述情况下电源电流中含有的高次谐波电流的变化情况的图，该情况为：在按照图7对补偿率进行了调节的基础上，使负载的大小发生了变化。
图9是将第三实施方式的有源滤波器的控制装置的构成与其控制对象的构成及其周边的构成一起示出的方框图。
具体实施方式
下面，参照附图说明本发明的实施方式。需要说明的是，下面的实施方式是本质上优选的示例，并没有对本发明、其应用对象或其用途的范围加以限制的意图。
(发明的第一实施方式)
图1是将第一实施方式的有源滤波器的控制装置71的构成与其控制对象即有源滤波器6的构成及其周边的构成一起示出的方框图。
〈整体构成〉
三相交流电源1输出电源电流Is。有源滤波器6经三相并网电抗器(three-phasegrid-connected reactor)4与负载2并联地连接到交流电源1上。有源滤波器6通过将三相电压Vr施加给并网电抗器4，来向并网电抗器4输出三相补偿电流Ic。
此处，就补偿电流Ic而言，以从有源滤波器6朝向交流电源1的方向为正向。因此，以从交流电源1流出的三相电源电流Is与补偿电流Ic之和作为向负载2输入的三相负载电流Io进行说明。
将交流电源1的电源阻抗作为电抗器3示出。在电抗器3中，由于电源电流Is流动而产生三相电压。当可以无视电抗器3时，如果引入交流电源1输出的三相电压Vs，则电抗器3的负载2侧的三相电压Vi可理解为从电压Vs中减去电抗器3两端的电压后得到的电压。也就是说，交流电源1实质上输出的不是电压Vs，而是电压Vi。
需要说明的是，电抗器3的负载2侧由于有源滤波器6经并网电抗器4与负载2相连而作为设置点P示出。因此，下面有时将电压Vi称作设置点电压Vi。相对于此，下面有时将电压Vs称作电源电压Vs。
需要说明的是，在图1中，由于将交流电源1、电抗器3、并网电抗器4这三相汇总起来表示为一相，所以设置点P也只作为一个点示出，但实际上每个相都存在一个点，共存在有三个点。
〈有源滤波器的构成〉
有源滤波器6例如具有直交流转换器(inverter)61和电容器62。直交流转换器61通过输入和输出补偿电流Ic，从而按照直流电压Vdc以d轴电流对电容器62进行充放电，并且q轴电流不经过电容器62而是在直交流转换器61的内部的线之间回流。
例如直交流转换器61是电压型直交流转换器，三条电流路径并联连接到电容器62上，在各条电流路径上设有两个开关元件。
〈有源滤波器的控制装置的构成〉
控制装置71具有交流电压检测器701、相位检测部702、dq转换器703、711、高通滤波器704、705、乘法器716、717、减法器707、712、713、比例积分控制器708、714、715、加法器709和驱动信号生成电路720。
交流电压检测器701检测三相设置点电压Vi，更具体而言是检测它们的相间电压，并将检测结果送往相位检测部702。相位检测部702检测设置点电压Vi的相位ωt，并将检测结果送往dq转换器703、711。交流电压检测器701还可以构成为利用光耦合器来检测设置点电压Vi的零交点。
dq转换器703将检测出的负载电流Io进行三相/二相转换。d轴和q轴是与相位检测部702检测出的相位同步旋转的旋转坐标系。
此时，因为负载电流Io为三相电流，所以只要检测其中两相的负载电流ir、it，就能够得到负载电流Io的d轴成分和q轴成分。在图1中示出了按照上述方式检测两相负载电流ir、it的情况。
dq转换器711将检测出的补偿电流Ic进行三相/二相转换而得到d轴电流id、q轴电流iq。此时，因为补偿电流Ic也是三相电流，所以只要检测其中两相，就能够得到d轴电流id、q轴电流iq。在图1中示出了按照上述方式检测两相电流的情况。
高通滤波器704、705分别除去负载电流Io的d轴成分和q轴成分的直流成分。
在负载电流Io中，与相位ωt同步的成分在d轴成分、q轴成分中均作为直流成分出现。也就是说，如果负载电流Io中不含高次谐波成分，则d轴成分、q轴成分就成为直流成分。因此，上述高通滤波器704、705仅输出负载电流Io的d轴成分、q轴成分中的高次谐波成分。
乘法器716、717输出用高通滤波器704、705的输出分别乘以可调节的补偿率Kd、Kq而得到的乘积。
需要说明的是，当不仅利用有源滤波器6减少高次谐波成分，还利用有源滤波器6改善基波功率因数的情况下，不设置从dq转换器703的q轴电流成分输出中提取高次谐波成分的高通滤波器705，而是将dq转换器703的q轴电流成分输出中含有的基波成分和高次谐波成分输入乘法器717即可。
如果补偿电流Ic的d轴电流id、q轴电流iq没有相位偏差且与负载电流Io的高次谐波成分一致，则它们就会承担负载电流Io的高次谐波成分，电源电流Is中就不会产生高次谐波成分。因此，如果无视后述的d轴的修正，就可以说乘法器716、717输出补偿电流Ic的d轴电流id、q轴电流iq的指令值。
q轴电流iq的指令值iq*可由q轴侧的乘法器717得到。另一方面，d轴电流id的指令值id*是对d轴侧的乘法器716的输出进行用以与直流电压Vdc的变动相对应的修正而得到的。具体而言，如下述那样进行修正。
减法器707求出电容器62所支撑的直流电压Vdc与其指令值Vdc*之间的偏差。比例积分控制器708对由减法器707得到的偏差进行比例积分控制而求出修正值。该修正值和d轴侧的乘法器716的输出由加法器709相加起来。这样一来，就由加法器709得到受直流电压Vdc变动的影响较小的指令值id*。
减法器712、713分别输出偏差Δid、Δiq。d轴电流的偏差Δid是用指令值id*减去d轴电流id求出的。q轴电流的偏差Δiq是用指令值iq*减去q轴电流iq求出的。
d轴侧和q轴侧的比例积分控制器714、715分别对偏差Δid、Δiq进行比例积分控制并将比例运算结果即所得到的值作为电压指令值Vid、Viq输出。
此处，因为交流电源1所供给的设置点电压Vi是三相电压，所以电流指令值id*、iq*在稳态下具有设置点电压Vi的周期的1/6倍的周期并与设置点电压Vi同步。
驱动信号生成电路720根据电压指令值Vid、Viq生成对有源滤波器6进行驱动控制的驱动信号G。因为具有上述功能的驱动信号生成电路720的构成是公知构成，因此这里省略说明。
〈负载的构成〉
在本实施方式的示例中，负载2是空调机，其包括直交流转换器23和由直交流转换器23控制而对制冷剂(未图示)进行压缩的压缩机24。为了向直交流转换器23供给直流电源，负载2还包括交直流转换器21和低通滤波器22，低通滤波器22并联连接在交直流转换器21和直交流转换器23之间。
低通滤波器22借助电抗器221和电容器222而作为扼流圈输入型滤波器(chokeinput filter)起作用。具体而言，电容器222是电容小于电解电容器的薄膜电容器，在交直流转换器21和直交流转换器23之间的直流链路中与直交流转换器23并联。电抗器221在比电容器222靠近交直流转换器21的一侧与直流链路的一条直流母线串联。
〈其他构成〉
如图1所示，从除去补偿电流Ic的纹波的观点出发，理想的是：由电抗器91和电容器92构成的低通滤波器9例如设置在并网电抗器4和交流电压检测器701之间。此处，低通滤波器9仅图示出一相，但实际上设有三相。
〈有源滤波器的控制装置的动作〉
有源滤波器6在设置点P与负载2并联地连接到交流电源1上，且为了补偿在负载2中流动的负载电流Io的高次谐波成分而向设置点P供给补偿电流Ic。如果补偿为全补偿的话，则电源电流Is就具有不含高次谐波成分的正弦波状的电流波形。控制装置71控制该有源滤波器6的动作。
在图1的控制装置71中，将d轴电流和q轴电流的补偿率分别设为Kd、Kq，并设定d轴电流指令值id*和q轴电流指令值iq*。
图2是示出在下述情况下电源电流Is中含有的高次谐波电流的变化情况的图，该情况为：在电抗器3每一相为50μH且电源阻抗较小的情况下，对负载电流Io中含有的高次谐波电流进行补偿时，使d轴电流的补偿率Kd和q轴电流的补偿率Kq互为相等，并使两个补偿率Kd、Kq从1.0变化到0.6。
根据图2可知，在Kd＝Kq＝0.7～0.6的情况下，虽然存在无法满足示例出的高次谐波限制的标准值(根据标准IEC61000-3-2ClassA)的高次谐波阶次，但在Kd＝Kq＝1.0～0.8的情况下所有高次谐波阶次都满足标准值。例如如果使d轴电流和q轴电流的补偿率Kd、Kq均为0.8，就能够使有源滤波器6的装置容量降低20％。
图3是在电抗器3每一相为1mH且电源阻抗较大的情况下，使d轴电流和q轴电流的补偿率Kd、Kq均为0.8时，图1中的各部分的电流波形图。根据图3，在电源电流Is中因谐振而产生脉动。这样一来，可知存在有随电源阻抗变大而无法抑制谐振的情况。
图4是示出在下述情况下电源电流Is中含有的高次谐波电流的变化情况的图，该情况为：在电抗器3每一相为50μH且电源阻抗较小的情况下，将q轴电流的补偿率Kq调节到0.8，并使d轴电流的补偿率Kd从1.0变化到0.6。
根据图4可知：只要Kq＝0.8，则即使Kd为1.0～0.6中的任一值，在所有高次谐波阶次下也都满足标准值。
图5是在电抗器3每一相为1mH且电源阻抗较大的情况下，使q轴电流的补偿率Kq为0.8且使d轴电流的补偿率Kd为0.6时，图1中的各部分的电流波形图。根据图5可知：电源电流Is的谐振能够得到抑制。而且，因为q轴电流的补偿率Kq和d轴电流的补偿率Kd均被抑制到小于1.0，所以有源滤波器6的装置容量得以降低。
〈本实施方式的效果〉
根据本实施方式，能够将高次谐波电流抑制在标准值以下，并同时做到降低有源滤波器6的容量和抑制电源阻抗较大时的谐振。
(发明的第二实施方式)
图6是将第二实施方式的有源滤波器的控制装置72的构成与其控制对象即有源滤波器6的构成及其周边的构成一起示出的方框图。
〈有源滤波器的控制装置的构成〉
在图6的控制装置72中，按照表示负载电流Io的大小的dq转换器703的输出，来调节乘法器717中的q轴电流的补偿率Kq。其他方面与图1的控制装置71相同。
〈有源滤波器的控制装置的动作〉
图7是示出第二实施方式中按照负载电流Io的大小调节q轴电流的补偿率Kq的图。根据图7，当为轻负载时，即负载电流Io较小时，q轴电流的补偿率Kq会被调节得较小。例如当负载电流Io的大小为2.5A时，将q轴电流的补偿率Kq减小到0.6。另一方面，d轴电流的补偿率Kd无关于负载电流Io的大小，该补偿率Kd被调节到基本固定的值0.6。
图8是示出在下述情况下电源电流Is中含有的高次谐波电流的变化情况的图，该情况为：在按照图7对补偿率进行了调节的基础上，使负载的大小发生了变化。根据图8可知：从2.5kW到10kW的任一负载在所有高次谐波阶次下均满足标准值。
〈本实施方式的效果〉
根据本实施方式，按照负载电流Io的大小将q轴电流的补偿率Kq调节到最佳，由此，在为轻负载时不进行多余的补偿，因而能够抑制有源滤波器6的损失，并能够符合高次谐波限制标准。
(发明的第三实施方式)
图9是将第三实施方式的有源滤波器的控制装置73的构成与其控制对象即有源滤波器6的构成及其周边的构成一起示出的方框图。
〈有源滤波器的控制装置的构成〉
在图9的控制装置73中，按照构成有源滤波器6的装置的壳体温度tc，来调节乘法器717中的q轴电流的补偿率Kq。其他方面与图1的控制装置71相同。
〈有源滤波器的控制装置的动作〉
在第三实施方式中，如果壳体温度tc达到规定温度以上，则q轴电流的补偿率Kq就会被调节到特别小。
〈本实施方式的效果〉
根据本实施方式，以装置的壳体温度tc已达到规定温度以上为条件，通过减小q轴电流的补偿率Kq，就能够防止装置产生热破坏。
(其他实施方式)
在第一到第三实施方式中，使d轴电流的补偿率Kd和q轴电流的补偿率Kq都可调节，但还可以例如固定d轴电流的补偿率Kd以满足Kd＝0.6，并仅使q轴电流的补偿率Kq可调节。
－产业实用性－
本发明作为一种有源滤波器的控制装置很有用，该有源滤波器的控制装置能够将高次谐波电流抑制在标准值以下，并同时做到降低有源滤波器的容量和抑制电源阻抗较大时的谐振。
－符号说明－
1 交流电源
2 负载
4 并网电抗器
6 有源滤波器
71、72、73 有源滤波器的控制装置
704、705 高通滤波器
712、713 减法器(运算器)
714、715 比例积分控制器(运算器)
716、717 乘法器
720 驱动信号生成电路
P 设置点

Claims (4)

1.一种有源滤波器的控制装置，其是控制有源滤波器(6)的动作的控制装置(71、72、73)，上述有源滤波器(6)在设置点(P)与负载(2)并联地连接到交流电源(1)上，且为了补偿在上述负载(2)中流动的负载电流(Io)的高次谐波成分而向上述设置点(P)供给补偿电流(Ic)，其特征在于：
上述有源滤波器的控制装置具有：
dq转换器(703)，其将上述负载电流(Io)转换为d轴电流成分和q轴电流成分；
高通滤波器(704、705)，其从上述dq转换器(703)的d轴电流成分输出和q轴电流成分输出中的至少d轴电流成分输出中提取高次谐波成分；
乘法器(716、717)，其用上述高通滤波器(704)的d轴电流成分输出、以及上述dq转换器(703)的q轴电流成分输出或上述高通滤波器(705)的q轴电流成分输出分别乘以补偿率(Kd、Kq)，并将得到的乘积作为电流指令值(id*、iq*)输出；
运算器(712、713、714、715)，其根据上述乘法器(716、717)的输出和上述补偿电流(Ic)的检测结果，计算上述有源滤波器(6)应输出的电压(Vr)的指令值即电压指令值(Vid、Viq)；以及
驱动信号生成电路(720)，其根据上述电压指令值(Vid、Viq)生成对上述有源滤波器(6)进行驱动控制的信号(G)，
上述乘法器(716、717)中的q轴电流的补偿率(Kq)可调节。
2.根据权利要求1所述的有源滤波器的控制装置，其特征在于：
上述乘法器(716、717)中的q轴电流的补偿率(Kq)按照上述负载电流(Io)的大小进行调节。
3.根据权利要求1或2所述的有源滤波器的控制装置，其特征在于：
上述乘法器(716、717)中的q轴电流的补偿率(Kq)按照构成上述有源滤波器(6)的装置的壳体温度(tc)进行调节。
4.根据权利要求1到3中任一项权利要求所述的有源滤波器的控制装置，其特征在于：
上述乘法器(716、717)中的d轴电流的补偿率(Kd)亦可调节。
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