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
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Abstract
【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。
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。
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。
なお、任意定数kおよびlの大きさや、目標関数fAおよびfBの大きさは、指令信号FA、FB、およびFC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fAおよびfB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fAおよびfB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Ed/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FA、FB、およびFC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FA−FCの値や、FB−FC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Ed/2[V]以上とすることができる。
実施の形態2において、前記式(3)の指令信号FA、FB、およびFCに、目標関数の調波fXを重ね合わせることで、指令信号FA、FB、およびFC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FA、FB、およびFCが均等にバランスしている3相交流では、式(3)において、fXとして第3調波を重ね合わせることで、指令信号FA、FB、およびFC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FA、FB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。
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(FA、FB、FC)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fAおよびfB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FA、FB、およびFC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fAおよびfB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FA、FB、およびFC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。
なお、電流の目標値iar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Edと、電圧目標値Edrとの偏差をPI調節器20に通した値をIarとし、Iar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Iarの電流目標値iarとして決定する。ここで、電圧目標値Edr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(ω1)をもとに、任意の位相(φ1)の正弦波関数(sin(ω1t+φ1))を発生する。すなわち、電流目標値iarは、Iar・sin(ω1t+φ1)となる。
この図より、60Hz−60Hzの単相−単相電力変換動作を確認できる。
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。
この図より、定数kとlの値を均等とせず、目標関数eaoとebo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。
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eaoおよびeboの振幅は、eAo、eBo、およびeCo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16に、図15の3相出力の場合に加え、eAo、eBo、およびeCo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ecmが、重ね合わせた第3調波で、目標関数eao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eaoおよびeboの振幅を1.34まで上げられ、eo1、eo2、およびeo3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。
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(ω1)
27…PI調節器
28…関数発生器
29…交流回路
30…同期信号(ω2)
31…電流検出器(B相)
100…電力変換制御装置
Claims (15)
- 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fAおよびfBの入力に対して、該目標関数fAおよびfB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fA2およびfB2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fA2およびfB2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fAと前記補助関数fB2との重ね合わせと、前記目標関数fBと前記補助関数fA2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。 - 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fAおよびfB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。
- 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。
- 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。
- 前記指令信号演算手段において、前記2つの補助関数fA2およびfB2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。
- 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fAおよびfBの入力に対して、該目標関数fAおよびfB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fA2およびfB2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fA2およびfB2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fAと前記補助関数fB2との重ね合わせと、前記目標関数fBと前記補助関数fA2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。 - 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fAおよびfB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。
- 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。
- 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。
- 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fA2およびfB2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。
- 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fAおよびfBの入力に対して、該目標関数fAおよびfB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fA2およびfB2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fA2およびfB2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fAと前記補助関数fB2との重ね合わせと、前記目標関数fBと前記補助関数fA2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。 - 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fAおよびfB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。
- 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。
- 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。
- 前記指令信号演算工程において、前記2つの補助関数fA2およびfB2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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JP2017147890A (ja) * | 2016-02-18 | 2017-08-24 | 住友電気工業株式会社 | 電力変換装置及びその制御方法 |
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