JP2008072773A - 電力変換制御装置、電力変換制御方法、および電力変換制御用プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】単相インバータモジュールを２つ用いることなく、「交流の単相−単相電力変換」、「直流から交流への電力変換」、および「交流から直流への電力変換」を、三相インバータモジュールを１つにて実現する電力変換制御装置を提供することを目的とする。
【解決手段】三相インバータモジュールを１つにおいて、スイッチ素子を２つ直列に接続した回路部分をレグとすると、１つのレグを共通とし、仮想的に２つの単相インバータモジュールと見立てて制御する。このとき、１つの共通のレグに与えるスイッチ信号は、仮想的な２つのインバータモジュールの両方にとって都合の良い信号に決定する。
【選択図】図１

Description

本発明は、単相インバータモジュールを２つ用いた電力変換を、１つの三相インバータモジュールにて行うための、電力変換制御装置、電力変換制御方法、および電力変換制御用プログラムに関する。

インバータモジュールを用いた電力変換は、近年の世の中を支える重要な技術であり、多彩な制御方法、制御目的が提案されている。

パワーエレクトロ二クスの世界では、直流から交流に変換するためのスイッチ素子をひとまとめにした回路をインバータモジュールと呼ぶ。また、このインバータモジュールは、スイッチ信号の与え方により交流から直流への変換動作、すなわちコンバータ動作をさせることができるため、コンバータ動作を行うものであっても、インバータモジュールと呼ぶのが一般的である。
本明細書では、インバータ動作、コンバータ動作に関らず、逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとする場合に、レグが複数個並列接続される回路をインバータモジュールと定義する。また、このレグが２つ並列接続される回路を単相インバータモジュールと定義し、同様にこのレグが３つ並列接続される回路を三相インバータモジュールと定義する。

単相−単相電力変換を扱う場合、通常、上流側で「交流から直流への電力変換」に単相インバータモジュールを１つ、下流側での「直流から交流への電力変換」に単相インバータモジュールをもう１つ用い、計２つの単相インバータモジュールで電力変換を行っている。なお、２つの単相インバータモジュールの直流側は、上流側と下流側とで共通である。

また、上記と同様に、直流側を共通として、２つの単相インバータモジュールが接続されるとき、直流側を電源として、２つの単相インバータモジュールそれぞれを介して２つの単相交流出力を発生する「直流から交流への電力変換」や、またその逆で、２つの交流電源から１つの直流電源に変換する「交流から直流への電力変換」が知られている。

上述のように、直流側を共通として２つの単相インバータモジュールを接続する回路は、「交流の単相−単相電力変換」、「直流から交流への電力変換」、および「交流から直流への電力変換」に利用できるが、単相インバータモジュールを２つ必要とする。本発明は、インバータモジュールを２つ用いることなく、広く普及している三相インバータモジュールを１つ用いるだけで、「交流の単相−単相電力変換」、「直流から交流への電力変換」、および「交流から直流への電力変換」を実現することを目的とする。

上記した課題を解決して、本発明の目的を達成するために、本発明は、逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとすると、３つのレグが並列接続され、並列接続点が直流側端子であり、各レグにおけるスイッチ素子の直列接続点が交流側端子である直流−交流電力変換回路をＰＷＭ制御するための電力変換制御装置において、前記直流−交流電力変換回路のスイッチ素子にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御手段と、前記ＰＷＭ制御手段に、前記直流−交流電力変換回路の３つのレグそれぞれに対応する指令信号を出力する指令信号演算手段と、を備え、前記ＰＷＭ制御手段は、前記指令信号に基づいてＰＷＭ信号を決定し、前記指令信号演算手段は、２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの入力に対して、該目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂのそれぞれに逆位相の関数であり任意の倍率である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、前記３つの指令信号のうち、１つのレグに対応する指令信号を、前記補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせに基づき決定し、残り２つのレグに対応する指令信号を、それぞれ、前記目標関数ｆ_Ａと前記補助関数ｆ_Ｂ２との重ね合わせと、前記目標関数ｆ_Ｂと前記補助関数ｆ_Ａ２との重ね合わせに基づき決定することを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記指令信号演算手段は、前記２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が同じであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記指令信号演算手段において、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第３調波または第５調波を共通項として重ね合わせることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記指令信号演算手段は、前記２つの補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の振幅が零であることが望ましい。

上記した課題を解決して、本発明の目的を達成するために、本発明は、逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとすると、３つのレグが並列接続され、並列接続点が直流側端子であり、各レグにおけるスイッチ素子の直列接続点が交流側端子である直流−交流電力変換回路をＰＷＭ制御するための電力変換制御用プログラムにおいて、前記直流−交流電力変換回路のスイッチ素子に出力するＰＷＭ信号の基準となる信号であり、前記直流−交流電力変換回路の３つのレグそれぞれに対応する信号を指令信号とするとき、コンピュータを、２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの入力に対して、該目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂのそれぞれに逆位相の関数であり任意の倍率である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、１つのレグに対応する指令信号を、前記補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせに基づき決定し、残り２つのレグに対応する指令信号を、それぞれ、前記目標関数ｆ_Ａと前記補助関数ｆ_Ｂ２との重ね合わせと、前記目標関数ｆ_Ｂと前記補助関数ｆ_Ａ２との重ね合わせに基づき決定する指令信号演算手段として機能させることを特徴とする電力変換制御用プログラムであることを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムは、前記２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が同じであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムは、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第３調波または第５調波を共通項として重ね合わせることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムは、前記２つの補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の振幅が零であることが望ましい。

上記した課題を解決して、本発明の目的を達成するために、本発明は、逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとすると、３つのレグが並列接続され、並列接続点が直流側端子であり、各レグにおけるスイッチ素子の直列接続点が交流側端子である直流−交流電力変換回路をＰＷＭ制御するための電力変換制御方法において、前記直流−交流電力変換回路のスイッチ素子に出力するＰＷＭ信号の基準となる信号であり、前記直流−交流電力変換回路の３つのレグそれぞれに対応する信号を指令信号とするとき、２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの入力に対して、該目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂのそれぞれに逆位相の関数であり任意の倍率である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、１つのレグに対応する指令信号を、前記補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせに基づき決定し、残り２つのレグに対応する指令信号を、それぞれ、前記目標関数ｆ_Ａと前記補助関数ｆ_Ｂ２との重ね合わせと、前記目標関数ｆ_Ｂと前記補助関数ｆ_Ａ２との重ね合わせに基づき決定する指令信号演算工程を含むことを特徴とする。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記指令信号演算工程は、前記２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が同じであることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記指令信号演算工程は、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第３調波または第５調波を共通項として重ね合わせることが望ましい。

また、本発明の好ましい態様によれば、前記指令信号演算工程は、前記２つの補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の振幅が零であることが望ましい。

本発明の電力変換制御装置、電力変換制御方法、または電力変換制御用プログラムを用いれば、単相インバータモジュール２つを用いて行っていた「交流の単相−単相電力変換」、「直流から交流への電力変換」、および「交流から直流への電力変換」を、三相インバータモジュール１つで実現できる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。なお、これにより本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
インバータモジュールにＰＷＭ信号を与える場合、同一レグ内の２つのスイッチ素子へのＰＷＭ信号はオンオフを反転させることが基本であり、ＰＷＭ信号は１つのレグに対して１つ決定すれば当業者にとって容易にＰＷＭ制御を実現できる。
また、各レグに対応したＰＷＭ信号は、任意の基準波形に対する三角波比較やヒステリシス比較などによりＰＷＭ信号に変換することができる。このため、インバータモジュールをどのように運転するかは、ＰＷＭ制御における任意の基準波形を、各レグに対してどのような波形とするかにかかる。すなわち、任意の基準波形をＰＷＭ制御に対する指令信号と考えることができ、この指令信号を各レグに対してどのように決定するかがインバータモジュールのＰＷＭ制御の要となる。

本発明は、三相インバータモジュール１台を用いて、単相インバータモジュール２台で行っていた「交流の単相−単相電力変換」、「直流から交流への電力変換」、および「交流から直流への電力変換」を行う場合、１つのレグを共通として、２つのレグから構成される２つの単相インバータモジュールを仮想して、それぞれの単相インバータモジュールで電力変換を行うことが基本となる。本発明の三相インバータモジュール１台にて電力変換を行う概略図を図１に示す。また、従来の単相インバータモジュール２台を用いた電力変換の概略を図１８に示す。図中、１１は直流電力、１２ａおよび１２ｂは交流電力、１３はＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御手段であり、１５はＰＷＭ制御手段への指令信号を決定する指令信号演算手段、１４は３相インバータモジュール、１６ａおよび１６ｂは、三相インバータモジュールにおいて１つのレグを共通とする仮想的な単相インバータモジュールであり、１３と１５を含む１００が本発明の電力変換制御装置である。また、図１８における１０は単相インバータモジュールである。図１において本発明は、１６ａおよび１６ｂが示すように、１つのレグが共通であることから、仮想的な２つの単相インバータモジュールに完全に独立した動作をさせることができない、すなわち各レグに対応する指令信号を単純に決定できない制約が生じる。

このことに対し、図２に示すように、一つの共通のレグに対する指令信号を、３相インバータモジュールの直流側の中性点Ｏに対して０［Ｖ］一定とすることで、仮想的な単相インバータモジュールにとって線間電圧の最大振幅が、直流側電圧Ｅ_ｄ［Ｖ］の半分のＥ_ｄ／２［Ｖ］となる、指令信号を残り２つのレグに対して独立して与えることができる。なお、図中、１７は交流電源または負荷、１８ａ、１８ｂ、１８ｃはレグであり、１８ｃは共通のレグである。

（実施の形態２）
実施の形態１に示した１つの共通のレグに対する指令信号として０［Ｖ］一定の指令信号を決定する方法の他に、残り２つのレグにとって都合が良く、何らかの値を持った信号を１つの共通のレグに対する指令信号として決定することが考えられる。
共通のレグではない残り２つのレグにとって都合の良い指令信号を導くには、図１９に示すように、単相インバータモジュールの制御において、１つのレグに対する指令信号として任意の目標関数を決定した後、その目標関数と逆位相で任意の倍率である補助関数を決定し、この補助関数をもう一方のレグに対する指令信号とすることで、単相インバータモジュールの交流側の最大振幅を増加させる考え方を原理として利用する。

図１９に示す技術を、１つのレグが共通であり２つの仮想的な単相インバータモジュールを構成する３相インバータモジュールの制御に用いる場合、上記の補助関数を共通のレグに対する指令信号とすることが考えられるが、共通のレグに対する指令信号は、２つの仮想的な単相インバータモジュールの両方にとって、共通の補助関数となる必要がある。このため、実施の形態２では、仮想的な２つの単相インバータモジュールそれぞれについて別々に求めた補助関数を重ね合わせて、２つにとって共通の補助関数とすることを基本の考え方とする。

上記の具体的な実現方法について、図を用いて説明する。図３に示すように、二つの仮想的な単相インバータモジュールにて共通でないレグをレグＡおよびレグＢとし、共通のレグをレグＣとしたとき、レグＡでの目標とする波形を目標関数ｆ_Ａとし、レグＢでの目標とする波形を目標関数ｆ_Ｂとし、それぞれの目標関数と逆位相であり任意の倍率の関数である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、この目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂと補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を用いて各レグに対する指令信号を決定する。なお、補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２は、例えば下記式（１）により表すことができる。

この補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を用い、共通のレグであるレグＣに対する指令信号Ｆ_Ｃは、補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせを用いて決定し、残り２つのレグＡおよびレグＢに対する指令信号Ｆ_ＡおよびＦ_Ｂは、各レグの目標関数と自身のレグではない補助関数との重ね合わせを用いて決定する。指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃは、例えば下記式（２）により表すことができる。

なお、式（２）に式（１）を代入すると、下記式（３）となる。

こうして求めた指令信号の具体的な波形例を同図３中に示す。ｆ_Ａ、ｆ_Ｂの正弦波波形に対し、Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｃはいびつとなるが、Ｆ_Ａから共通レグのＦ_Ｃを差し引いたＦ_Ａ−Ｆ_Ｃの値や、Ｆ_ＢからＦ_Ｃを差し引いたＦ_Ｂ−Ｆ_Ｃの値がｆ_Ａ、ｆ_Ｂに比例した正弦波波形となっていることが確認できる。
なお、任意定数ｋおよびｌの大きさや、目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの大きさは、指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃが、ＰＷＭ制御における直流側電圧により実現可能な上限値を超えない値に設定する必要がある。特に、目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が異なる場合は、目標関数および補助関数の重ねあわせにより、部分的に上限値を超えてしまう恐れがあるため、目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂを小さめに設定する必要がある。なお、実施の形態１は、実施の形態２における任意定数ｋおよびｌを零と設定し、補助関数が零となる場合である。

（実施の形態３）
実施の形態２において、２つの目標関数の周波数が同じ場合の例を図４および図５に示す。なお、比例定数ｋ及びｌは、ともに０．５とする。実施の形態１に示す制御方法では、仮想的な単相インバータモジュールにとって、線間電圧の最大振幅がＥ_ｄ／２［Ｖ］に限られてしまうが、図４に示すように、目標関数の周波数が同じであれば、目標関数の振幅を±１に設定しても、指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃを±１以内で実現することができ、かつ、線間電圧の目安となるＦ_Ａ−Ｆ_Ｃの値や、Ｆ_Ｂ−Ｆ_Ｃの値において±１を上回る値をとることができる。すなわち、２つの目標関数の周波数が同じ場合は、線間電圧の最大振幅をＥ_ｄ／２［Ｖ］以上とすることができる。

（実施の形態４）
実施の形態２において、前記式（３）の指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃに、目標関数の調波ｆ_Ｘを重ね合わせることで、指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃの正弦波のピークを抑えることができる。この時の指令信号は、下記式（４）となる。特に、指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃが均等にバランスしている３相交流では、式（３）において、ｆ_Ｘとして第３調波を重ね合わせることで、指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃのピークを的確に抑えることができ、２相の場合は、第５調波を重ね合わせることで指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂのピークを抑えることができる。結果として、線間電圧の最大振幅をさらに上げることができる。

（実施の形態５）
図６に、本発明の制御を組入れた電力変換システムの実現例を示す。図中１４は三相インバータモジュールであり、３相インバータモジュールのスイッチ素子に与えるＰＷＭ信号は１３のＰＷＭ制御手段が決定して出力する。１３のＰＷＭ制御手段は、１５の指令信号演算手段が決定した指令信号（Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、Ｆ_Ｃ）を基に、三角波比較によりＰＷＭ信号を決定する。
１５の指令信号演算手段は、前記（３）式や（４）式に基づき、目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂや、補助関数の倍率を指定する定数のｋおよびｌを用いて指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃを決定する。なお、指令信号演算手段１５における演算作業は、例えば、コンピュータに、前記（３）式や（４）式に基づき、目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂや、補助関数の倍率を指定する定数のｋおよびｌを用いて指令信号Ｆ_Ａ、Ｆ_Ｂ、およびＦ_Ｃを決定するプログラムを実行させることにより、実現することができる。

ここで、目標関数ｆ_Ａは、３相インバータモジュール１４のＡ相の電流ｉ_ａを電流検出器２３により検出し、その検出値を、その電流の目標値ｉ_ａｒと比較して偏差を求め、その偏差をＰＩ調節器２４に通すことにより決定する。
なお、電流の目標値ｉ_ａｒは、３相インバータモジュール１４の直流側の電圧検出器１９の検出値Ｅ_ｄと、電圧目標値Ｅ_ｄｒとの偏差をＰＩ調節器２０に通した値をＩ_ａｒとし、Ｉ_ａｒを関数発生器２１により発生した任意の正弦波と掛け算器２２により掛け合わせることにより、振幅Ｉ_ａｒの電流目標値ｉ_ａｒとして決定する。ここで、電圧目標値Ｅ_ｄｒは、３相インバータモジュール１４の直流側に充放電させるか否かで設定値が異なるが、通常の電力変換動作では、動作させたい電圧の一定値を設定することが基本となる。また、関数発生器２１では、３相インバータモジュール１４のＡ相に接続される交流回路２５から検出した同期信号２６（ω_１）をもとに、任意の位相（φ_１）の正弦波関数（ｓｉｎ（ω_１ｔ＋φ_１））を発生する。すなわち、電流目標値ｉ_ａｒは、Ｉ_ａｒ・ｓｉｎ（ω_１ｔ＋φ_１）となる。

一方、目標関数ｆ_Ｂは、３相インバータモジュール１４のＢ相の電流ｉ_ｂを電流検出器３１により検出し、その検出値を、その電流の目標値ｉ_ｂｒと比較して偏差を求め、その偏差をＰＩ調節器２７に通して決定することが、目標関数ｆ_Ａのときと同様であるが、電流の目標値ｉ_ｂｒの決定の仕方がｆ_Ａと異なる。ｆ_Ｂの場合、電流目標値ｉ_ｂｒの振幅Ｉ_ｂｒについても、関数発生器２８にて任意に決定する。このとき、振幅Ｉｂｒは、Ｂ相にて目標とする電流の向きに応じて、符号を反転することができる。ただし、周波数については、Ｂ相に接続する交流回路２９と、同期信号３０（ω_２）により同期する必要がある。すなわち、関数発生器２８では、任意の位相をφ_２とすると、Ｉ_ｂｒ・ｓｉｎ（ω_２ｔ＋φ_２）の目標電流値ｉ_ｂｒを発生する。

以下、本発明の実施例を説明する。

図７に示すシミュレーション回路により、本発明の電力変換動作を確認した。図７中、使用される記号は、前記（３）式において、ｆ_Ａがｅ_ａｏに対応し、ｆ_Ｂがｅ_ｂｏに対応する。また、Ｆ_Ａがｅ_Ａｏ、Ｆ_Ｂがｅ_Ｂｏ、Ｆ_Ｃがｅ_Ｃｏに対応し、定数ｋはｋに、定数ｌは１−ｋに対応している。また、ｅ_ｏ１はＣ相からＡ相への線間電圧、ｅ_ｏ１はＣ相からＢ相への線間電圧を示している。

図８は、定数ｋを０．５一定とし、目標関数ｅ_ａｏおよびｅ_ｂｏが、振幅、位相、および周波数（６０Ｈｚ）ともに一致する場合の電力変換動作のシミュレーション結果を示す。なお、ｅ_ｏ１およびｅ_ｏ２の文字の上に直線を引いたものは、ｅ_ｏ１およびｅ_ｏ２の平均値を表す。
この図より、６０Ｈｚ−６０Ｈｚの単相−単相電力変換動作を確認できる。

図９は、図８と同じく、目標関数ｅ_ａｏおよびｅ_ｂｏが、振幅、位相、および周波数（６０Ｈｚ）が一致するが、定数ｋを１．０一定（すなわち、ｌ＝１−ｋ＝０一定）とした場合の電力変換動作のシミュレーション結果を示す。
この図より、定数ｋとｌの値を均等としなかった場合においても、６０Ｈｚ−６０Ｈｚの単相−単相電力変換動作を確認できる。

図１０は、目標関数ｅ_ａｏを目標関数ｅ_ｂｏの逆位相で振幅を０．２倍とした場合（周波数は６０Ｈｚで一致）であり、定数ｋを０．２とした場合の電力変換動作のシミュレーション結果を示す。
この図より、定数ｋとｌの値を均等とせず、目標関数ｅ_ａｏとｅ_ｂｏについても均等にしなかった場合においても、６０Ｈｚ−６０Ｈｚの単相−単相電力変換動作を確認できる。

図１１に、実施例１をもとに、目標関数ｅ_ａｏとｅ_ｂｏの振幅と周波数が同じで位相が異なり、定数ｋおよびｌを０［Ｖ］一定とした場合の電力変換動作のシミュレーション結果を示す。なお、この場合は、図７に示すシミュレーション回路において定数ｋおよび１の入力を０［Ｖ］にすることで実現できる。図１１より、ｅ_Ｃｏが０［Ｖ］一定となる、ｅ_ｏ１およびｅ_ｏ２の２相出力電力変換動作を確認できる。

図１２に、図１１に比べて目標関数ｅ_ａｏとｅ_ｂｏの振幅をともに０．８９倍し、周波数と位相差の条件が同じで、定数ｋを０．５（すなわちｌ＝１−ｋ＝０．５であり、図７のシミュレーション回路そのまま）とした場合の電力変換動作のシミュレーション結果を示す。図１２より、ｅ_Ｃｏがｅ_Ａｏやｅ_Ｂｏと同じ周波数の正弦波となり、ｅ_ｏ１およびｅ_ｏ２の２相出力電力変換動作を確認できる。なお、このとき、目標関数ｅ_ａｏおよびｅ_ｂｏの振幅が図１１のときに比べて小さいにも関らず、ｅ_ｏ１およびｅ_ｏ２の平均出力を、図１１よりも高く実現できており、ｅ_Ｃｏの決定が的確に行われていることを確認できる。

図１３に、実施例２の図１２から派生して、ｅ_Ａｏ、ｅ_Ｂｏ、およびｅ_Ｃｏに、前記式（４）に示す目標関数の任意の調波を重ね合わせた制御（すなわち共通（ｃｏｍｍｏｎ）項の重ね合わせ制御）を行ったときの電力変換動作のシミュレーション結果を示す。図中ｅ_ｃｍが、前記（４）式に基づき重ね合わせた関数で、目標関数ｅ_ａｏの６％の第５調波（５倍の周波数で、振幅が０．０６倍）である。このことにより、目標関数ｅ_ａｏとｅ_ｂｏの振幅は図１２の０．８９から０．９４へアップさせることができる。図１３より、２相出力動作の電力変換において、ｅ_ｃｍの重ね合わせを行っても電力変換動作が的確に行われていることを確認できる。

図１４に、実施例１の単相−単相電力変換をもとに、目標関数ｅ_ａｏとｅ_ｂｏの周波数が異なる場合の電力変換動作のシミュレーション結果を示す。なお、目標関数ｅ_ａｏの周波数は６０Ｈｚ、ｅ_ｂｏの周波数は５０Ｈｚとし、定数ｋは０．５とする。
この図より、周波数が異なる６０Ｈｚ−５０Ｈｚの単相−単相電力変換が実現できていることが確認できる。なお、この場合、目標関数ｅ_ａｏおよびｅ_ｂｏの振幅は、ｅ_Ａｏ、ｅ_Ｂｏ、およびｅ_Ｃｏが１を超えない制限から、０．６７５以下に制限されてしまう。

図１５に、実施例２の図１２をもとに、３相出力の電力変換を行った場合の動作波形のシミュレーション結果を示す。なお、定数ｋは０．５である。目標関数ｅ_ａｏとｅ_ｂｏは振幅と周波数が同じで、１２０°の位相差をもつ関数であり、その結果、ｅ_Ａｏ、ｅ_Ｂｏ、およびｅ_Ｃｏが１２０°ごとの位相差をもってバランスし、Ａ相とＢ相の線間電圧をｅ_ｏ３とすると、ｅ_ｏ１、ｅ_ｏ２、ｅ_ｏ３の３出力の平均出力がバランスして３相出力となっていることが確認できる。
図１６に、図１５の３相出力の場合に加え、ｅ_Ａｏ、ｅ_Ｂｏ、およびｅ_Ｃｏに、前記式（４）を適用して第３調波を重ね合わせた制御を行った電力変換動作のシミュレーション結果を示す。図中ｅ_ｃｍが、重ね合わせた第３調波で、目標関数ｅ_ａｏを０．２倍の振幅とした関数である。この図より、３相出力が得られ、目標関数の２０％の第３調波を重ね合わせることにより、目標関数ｅ_ａｏおよびｅ_ｂｏの振幅を１．３４まで上げられ、ｅ_ｏ１、ｅ_ｏ２、およびｅ_ｏ３の振幅を線間電圧の２００Ｖまで上げられることが確認できる。

図１７に、実施例１の６０Ｈｚ−６０Ｈｚの単相―単相電力変換動作を図６の制御システムとして働かせたときの動作波形を示す。ただし、図６における交流回路２５には、６０Ｈｚ交流電源を接続し、交流回路２９には負荷としてコンデンサインプット形整流回路を接続し、目標関数ｆ_Ｂは、交流負荷で必要とする大きさの交流出力電圧を出力する基準電圧ｅ_ｂｏを与えている。コンデンサインプット形整流回路には、歪み波形の交流負荷電流ｉ_ｏ２が流れるが、交流電源に接続された電流ｉ_ｏ１は正弦波電流となり、負荷電流ｉ_ｏ２の電流波形歪みが補償されており、アクティブフィルタとしての動作が確認できる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換の概略図である。 本発明の実施の形態１に係る指令信号の概略図である。 本発明の実施の形態２に係る指令信号の概略図である。 本発明の実施の形態３に係る指令信号の概略図その１である。 本発明の実施の形態３に係る指令信号の概略図その２である。 本発明の実施の形態５に係る電力変換システムの概略図である。 本発明の実施例１に係るシミュレーション回路である。 本発明の実施例１に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例１に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例１に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例２に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例２に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例３に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例４に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例５に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例５に係るシミュレーション結果である。 本発明の実施例６に係るシミュレーション結果である。 実施の形態１に係る本発明との比較技術の概略図である。 本発明の実施の形態２の基礎となる動作原理の概略図である。

符号の説明

１０…単相インバータモジュール
１１…直流電力
１２ａ、１２ｂ…交流電力
１３…ＰＷＭ制御手段
１４…３相インバータモジュール
１５…指令信号演算手段
１６ａ、１６ｂ…仮想的な単相インバータモジュール
１７…交流電源
１８ａ…レグＡ
１８ｂ…レグＢ
１８ｃ…レグＣ
１９…電圧検出器（直流側）
２０…ＰＩ調節器
２１…関数発生器
２２…掛け算器
２３…電流検出器（Ａ相）
２４…ＰＩ調節器
２５…交流回路
２６…同期信号（ω_１）
２７…ＰＩ調節器
２８…関数発生器
２９…交流回路
３０…同期信号（ω_２）
３１…電流検出器（Ｂ相）
１００…電力変換制御装置

Claims (15)

1. 逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとすると、３つのレグが並列接続され、並列接続点が直流側端子であり、各レグにおけるスイッチ素子の直列接続点が交流側端子である直流−交流電力変換回路をＰＷＭ制御するための電力変換制御装置において、
   前記直流−交流電力変換回路のスイッチ素子にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ制御手段と、
   前記ＰＷＭ制御手段に、前記直流−交流電力変換回路の３つのレグそれぞれに対応する指令信号を出力する指令信号演算手段と、
   を備え、
   前記ＰＷＭ制御手段は、前記指令信号に基づいてＰＷＭ信号を決定し、
   前記指令信号演算手段は、２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの入力に対して、該目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂのそれぞれに逆位相の関数であり任意の倍率である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、
   前記３つの指令信号のうち、１つのレグに対応する指令信号を、前記補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせに基づき決定し、残り２つのレグに対応する指令信号を、それぞれ、前記目標関数ｆ_Ａと前記補助関数ｆ_Ｂ２との重ね合わせと、前記目標関数ｆ_Ｂと前記補助関数ｆ_Ａ２との重ね合わせに基づき決定することを特徴とする電力変換制御装置。
2. 前記指令信号演算手段において、前記２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が同じであることを特徴とする請求項１記載の電力変換制御装置。
3. 前記指令信号演算手段において、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第３調波を共通項として重ね合わせる手段を用いることを特徴とする請求項２記載の電力変換制御装置。
4. 前記指令信号演算手段において、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第５調波を共通項として重ね合わせる手段を用いることを特徴とする請求項２記載の電力変換制御装置。
5. 前記指令信号演算手段において、前記２つの補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の振幅が零であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換制御装置。
6. 逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとすると、３つのレグが並列接続され、並列接続点が直流側端子であり、各レグにおけるスイッチ素子の直列接続点が交流側端子である直流−交流電力変換回路をＰＷＭ制御するための電力変換制御用プログラムにおいて、
   前記直流−交流電力変換回路のスイッチ素子に出力するＰＷＭ信号の基準となる信号であり、前記直流−交流電力変換回路の３つのレグそれぞれに対応する信号を指令信号とするとき、
   コンピュータを、
   ２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの入力に対して、該目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂのそれぞれに逆位相の関数であり任意の倍率である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、１つのレグに対応する指令信号を、前記補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせに基づき決定し、残り２つのレグに対応する指令信号を、それぞれ、前記目標関数ｆ_Ａと前記補助関数ｆ_Ｂ２との重ね合わせと、前記目標関数ｆ_Ｂと前記補助関数ｆ_Ａ２との重ね合わせに基づき決定する指令信号演算手段と、
   して機能させることを特徴とする電力変換制御用プログラム。
7. 前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムにおいて、前記２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が同じであることを特徴とする請求項６記載の電力変換制御用プログラム。
8. 前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムにおいて、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第３調波を共通項として重ね合わせる演算を含むことを特徴とする請求項７記載の電力変換制御用プログラム。
9. 前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムにおいて、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第５調波を共通項として重ね合わせる演算を含むことを特徴とする請求項７記載の電力変換制御用プログラム。
10. 前記コンピュータを前記指令信号演算手段として機能させる電力変換制御用プログラムにおいて、前記２つの補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の振幅が零であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の電力変換制御用プログラム。
11. 逆導通機能を持つスイッチ素子を２つ直列に接続するスイッチ回路をレグとすると、３つのレグが並列接続され、並列接続点が直流側端子であり、各レグにおけるスイッチ素子の直列接続点が交流側端子である直流−交流電力変換回路をＰＷＭ制御するための電力変換制御方法において、
    前記直流−交流電力変換回路のスイッチ素子に出力するＰＷＭ信号の基準となる信号であり、前記直流−交流電力変換回路の３つのレグそれぞれに対応する信号を指令信号とするとき、
    ２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの入力に対して、該目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂのそれぞれに逆位相の関数であり任意の倍率である補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２を決定し、１つのレグに対応する指令信号を、前記補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の重ね合わせに基づき決定し、残り２つのレグに対応する指令信号を、それぞれ、前記目標関数ｆ_Ａと前記補助関数ｆ_Ｂ２との重ね合わせと、前記目標関数ｆ_Ｂと前記補助関数ｆ_Ａ２との重ね合わせに基づき決定する指令信号演算工程を、
    含むことを特徴とする電力変換制御方法。
12. 前記指令信号演算工程において、前記２つの任意の目標関数ｆ_Ａおよびｆ_Ｂの周波数が同じであることを特徴とする請求項１１記載の電力変換制御方法。
13. 前記指令信号演算工程において、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第３調波を共通項として重ね合わせる工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の電力変換制御方法。
14. 前記指令信号演算工程において、前記それぞれの指令信号の決定に、前記目標関数の第５調波を共通項として重ね合わせる工程を含むことを特徴とする請求項１２記載の電力変換制御方法。
15. 前記指令信号演算工程において、前記２つの補助関数ｆ_Ａ２およびｆ_Ｂ２の振幅が零であることを特徴とする請求項１１〜１４のいずれか１項に記載の電力変換制御方法。

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