JP2008125171A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源電圧が瞬時低下から復帰したときの制御電流のオーバシュートを抑制し、かつ速やかに復帰させる。
【解決手段】比例積分（ＰＩ）演算部１とリミッタ部２で構成された電流制御アンプを有して電力変換する電力変換装置において、リミッタ値調節部５は電源電圧が低下したときに電流制御アンプの正負出力リミッタ値を電源電圧変化に応じて調節しておき、電源電圧が正規の電圧に戻ったときに電流制御アンプの出力を低いリミッタ値から上昇させて正常値に戻す。
電源電圧が低下したとき、制御対象のモデルから求める比例積分演算部の出力に相当する電圧を発生し、この電圧を比例積分演算部の出力にフィードフォワード電圧として加算しておくモデル電圧発生部を備えたことも含む。位置型の電流制御アンプに適用することも含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流制御系を有して電力変換する半導体電力変換装置に係り、特に電源電圧が瞬時低下から復帰したときのオーバシュート抑制に関する。

この種の電力変換装置は、例えば、モータのベクトル制御やトルク制御を行うインバータ、系統電源から制御した直流電力を得るコンバータ、系統電源と連系するアクティブフィルタ（パワーコンディショナ）などがある。

このような電力変換装置において、制御系としては出力電流を制御する電流制御系を設けることが多い。この電流制御系は、図６に電流制御アンプを等価ブロックで示すように、比例積分（ＰＩ）演算部１とリミッタ部２で構成され、比例積分演算部１は電流指令Ｉ＊と出力電流検出値Ｉ_DETとの偏差を比例積分演算し、リミッタ部２は演算結果を正負リミッタ値Ｖ_LIM、−Ｖ_LIMに制限して電圧指令Ｖ＊を出力し、この電圧指令Ｖ＊で例えばインバータ３の出力制御することでモータ４の電流を制御する。

電流制御系をもつ電力変換制御装置は、制御に必要な電源電圧が確保できなくなると、電流制御アンプの出力が電源電圧によりリミットされる、いわゆる電圧飽和現象が発生する。この電圧飽和の発生は、適正で安定した制御ができなくなるため、その対策として、ベクトル制御方式にしたインバータの直流電源電圧と出力電圧指令とから電圧飽和を検出し、この検出で積分要素の演算（更新）を停止させ、さらに出力電圧を上限電圧以下に制限し、電圧飽和から回復したときに積分要素の演算を再開する方式が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平０９−０２８０９９号公報

従来の電圧飽和対策では、電圧飽和の発生時に電流制御アンプの積分要素Ｉが許容値一杯まで値を保持するため、電源電圧が回復した時に電流制御アンプの出力が速やかに復帰することの妨げとなり、制御電流がオーバシュートするなどの原因となる。

図７は、電源電圧Ｖ_DCが一旦低下し、その後に復帰した瞬時電圧低下時の電圧指令Ｖ＊と電流Ｉ_DETの動作波形を示したものである。電流制御アンプで設定される電圧のリミット値Ｖ_LIMは、電源電圧Ｖ_DCを有効に活用するため、電源電圧Ｖ_DCより大きく設定されている。同図において、電源電圧Ｖ_DCが電流Ｉ_DETを流すのに必要なレベル以下に低下したとき、電流Ｉ_DETは現在値を維持できなくなり低下を始める。電流制御アンプの出力Ｖ＊は、電流の低下を抑制するため出力を高めるように上昇し、最終的にはＶ_LIMまで出力する。その後、電源電圧Ｖ_DCが復帰すると、電流制御アンプのリミット値にクランプされていた出力Ｖ＊が正常値に復帰するが、この過程で一時、電流を流すのに必要なレベルを超えた出力Ｖ＊が出力されてしまい、制御電流のオーバシュートが発生する。

本発明の目的は、電源電圧が瞬時低下から復帰したときの制御電流のオーバシュートを抑制し、かつ速やかに復帰させることができる電力変換装置を提供することにある。

本発明は、物理的に電流制御アンブの出力は電源電圧以上にはなり得ないことに着目し、電流制御アンプの出力リミッタ値を電源電圧変化に応じて調節しておくことにより、前記の課題を解決するものであり、以下の構成を特徴とする。

（１）比例積分（ＰＩ）演算部とリミッタ部で構成された電流制御アンプを有して電力変換する電力変換装置において、
電源電圧が低下したときに前記電流制御アンプの正負出力リミッタ値を電源電圧変化に応じて調節しておき、電源電圧が正規の電圧に戻ったときに電流制御アンプの出力を低いリミッタ値から上昇させて正常値に戻すリミッタ値調節部を備えたことを特徴とする。

（２）電源電圧が低下したとき、制御対象のモデルから求める比例積分演算部の出力に相当する電圧を発生し、この電圧を比例積分演算部の出力にフィードフォワード電圧として加算しておくモデル電圧発生部を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、電流制御アンプの出力リミッタ値を電源電圧変化に応じて調節しておくため、電源電圧の低下により発生する不足電圧からの復帰動作では、必要以上に電圧を出力することが無くなり、制御電流のオーバシュートを抑制ができる。また、電圧リミッタのリミットレベルが電源電圧により絶えず最適化されているため、リミットレベルからの復帰動作が速くなる。

（実施形態１）
図１は、本実施形態を示す電流制御アンプの等価ブロック図である。同図が図６と異なる部分は、リミッタ値調節部５を設けた点にある。

リミッタ値調節部５は、リミッタ部２のリミッタ値を電源電圧レベルの変化に応じて調節しておくものであり、インバータ３の直流電圧（または交流電源電圧）の検出値を入力とし、この電圧に比例した電圧Ｖ_DCでリミッタ部２の正側リミッタ値＋Ｖ_LIMを調節し、電圧Ｖ_DCを反転アンプ５Ａで反転した電圧でリミッタ部２の負側リミッタ値−Ｖ_LIMを調節する。

図２は本実施形態における電流、電圧の動作波形図を示す。通常時は、電流指令Ｉ＊に一致した検出電流Ｉ_DETになり、出力電圧Ｖ＊は電源電圧Ｖ_DC（リミッタ値Ｖ_LIM）よりも低く、リミッタ値による制限はされない。電源電圧が低下（不足電圧検出）したとき、この電圧低下に従って電圧Ｖ_DC（リミッタ値Ｖ_LIM）も低下し、この電圧に出力電圧Ｖ＊を制限し、電流出力Ｉ_DETも低下していく。その後、電源の復帰で、電源電圧が不足電圧から正規の電圧に戻ったとき、出力Ｖ＊は低いリミッタ値から上昇を始めて正常値に戻る。

したがって、電源電圧が不足電圧から正規の電圧に戻ったときに、電圧Ｖ＊を必要以上に出力することが無くなり、制御電流のオーバシュートを抑制することができる。また、電圧リミットレベルを電源電圧に応じて絶えず最適化することで、リミットレベルからの復帰動作を速くして正常運転への早期復帰ができる。

（実施形態２）
実施形態１は速度型の電流制御アンプに適用した場合であるが、本実施形態は位置型の電流制御アンプに適用した場合である。

図３は本実施形態を示す電流制御アンプの等価ブロック図である。位置型の電流制御演算は、積分演算出力をその１回前の演算出力に加算する方式であり、図３では本実施形態に係る積分要素のみを位置型の演算ブロックで示す。

この構成において、図１と異なる部分は、リミット動作判定部６と切替スイッチ７を設けた点にある。リミット動作判定部６は、比例積分演算部１の出力Ｖ₀とリミッタ部２の出力Ｖ＊の偏差が一定値以上あるか否かによりリミッタ動作の有無を判定する。切替スイッチ７は、リミット動作判定部６の判定結果に応じて切り替えられ、リミット動作無しの判定状態では積分演算要素（Ｉ）による位置型の積分演算を継続させ、リミット動作有りの判定では積分演算要素（Ｉ）の積分演算を「０」にし、前回値を保持する。

本実施形態においても、電源電圧が不足電圧から正規の電圧に戻ったときに、必要以上に電圧Ｖ＊を出力することが無くなり、制御電流のオーバシュートを抑制することができる。また、電圧リミットレベルを電源電圧に応じて絶えず最適化することで、リミットレベルからの復帰動作を速くして正常運転への早期復帰ができる。

（実施形態３）
本実施形態は、電流制御アンプの出力に、制御対象のモデルに基づくフィードフォワード電圧を加算する方式である。

図４は、本実施形態を示す電流制御アンプの等価ブロック図である。同図が図１と異なる部分は、モデル電圧演算部８を設けた点にある。

モデル電圧演算部８は、電源電圧が低下（不足電圧検出）したとき、制御対象のモデルから求める比例積分演算部１の出力に相当する電圧を発生し、この電圧を比例積分演算部１の出力に加算してリミッタ部２の入力を与える。

本実施形態においても、電源電圧が不足電圧から正規の電圧に戻ったときに、モデル電圧を印加することで、制御電流のオーバシュートを抑制しながらリミットレベルからの復帰動作を速くして正常運転への早期復帰ができる。

（実施形態４）
本実施形態は、図５に電流制御アンプの等価ブロック図を示すように、実施形態２における位置型の電流制御アンプにおいて、実施形態３におけるモデル電圧演算部８を追加した点にある。

本実施形態においても、位置型の比例積分演算に対して、電源電圧が不足電圧から正規の電圧に戻ったときに、モデル電圧を印加することで、制御電流のオーバシュートを抑制しながらリミットレベルからの復帰動作を速くして正常運転への早期復帰ができる。

本発明の実施形態１を示す電流制御アンプの等価ブロック図。 実施形態１における電流、電圧の動作波形図。 本発明の実施形態２を示す電流制御アンプの等価ブロック図。 本発明の実施形態３を示す電流制御アンプの等価ブロック図。 本発明の実施形態４を示す電流制御アンプの等価ブロック図。 従来の電流制御アンプの等価ブロック図。 従来の瞬時電圧低下時の電流、電圧の動作波形図。

符号の説明

１ 比例積分演算部
２ リミッタ部
３ インバータ
４ モータ
５ リミッタ値調節部
６ リミット動作判定部
７ 切替スイッチ
８ モデル電圧演算部

Claims (2)

1. 比例積分（ＰＩ）演算部とリミッタ部で構成された電流制御アンプを有して電力変換する電力変換装置において、
   電源電圧が低下したときに前記電流制御アンプの正負出力リミッタ値を電源電圧変化に応じて調節しておき、電源電圧が正規の電圧に戻ったときに電流制御アンプの出力を低いリミッタ値から上昇させて正常値に戻すリミッタ値調節部を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 電源電圧が低下したとき、制御対象のモデルから求める比例積分演算部の出力に相当する電圧を発生し、この電圧を比例積分演算部の出力にフィードフォワード電圧として加算しておくモデル電圧発生部を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。

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