JP2008228439A - Power conversion apparatus and stabilization method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力変換装置及びその安定化方法に関し、特に交流を直流に変換する電力変換器を用いた、交流電気車の電圧制御系に関する。 The present invention relates to a power converter and a method for stabilizing the power converter, and more particularly to a voltage control system for an AC electric vehicle using a power converter that converts AC to DC.
従来、図4に示すように、交流電気車の電圧制御系において、フィルタコンデンサ7の両端電圧Ecfを制御目標値Ecf*一定に制御するためのコンバータ制御系11では、制御目標値Ecf*と検出器52で求められた両端電圧検出値Ecfの差に対して、電圧制御器61を通して2次電流実効値Isを求めている。2次電流実効値指令値Is*に正弦波発生器64の出力を乗じて、2次電流指令値is*とする。
Conventionally, as shown in FIG. 4, in a voltage control system for an AC electric vehicle, a
算出した2次電流指令値is*と2次電流検出器50で検出された2次電流検出値isの差に対して、電流制御器66を通して2次電圧検出器51より検出したコンバータ電圧Ecを基準にしてPWM制御68を行い、コンバータ電力変換器3にゲートパルス信号PWM_Cを出力する。
For the difference between the calculated secondary current command value is * and the secondary current detection value is detected by the
コンバータ電力変換器3では、PWM制御器68から出力されたゲートパルス信号PWM_Cに従い、コンバータ出力電流iconvが出力される。2次電流実効値指令値Is*に従い、iconvを出力しているが、コンバータ電力変換器3のスイッチング遅れや配線のインダクタンス成分の影響により、必ずしもis*=iconvとならない。コンバータ制御系11及びコンバータ電力変換器3では、コンバータ出力電流iconvの電流の向きによりフィルタコンデンサ電圧Ecfを変化させ、一定電圧に制御することができる。
In
従来技術では、コンバータ制御器11に含まれる電圧制御器61の応答性を低減させた場合、負荷変動などによりフィルタコンデンサ両端電圧Ecfが急激に変化した時に、両端電圧Ecfを一定に制御することができなくなる傾向にある。一方で、交流電源1に流れる帰線電流の高調波成分を低減するために電圧制御器61の応答性を低減させる手段が用いられることがあり、応答性を低減させ帰線電流の高調波成分を低減するのが好ましい。やみくもに応答性を低減するとコンバータ制御系11で考慮されていない実モデルの影響により、コンバータ制御系11が不安定となる。特に、コンバータ電力変換器3が回生動作を行っている場合(iconv<0の時)は、その影響が大きくコンバータ制御系11が不安定となる。
In the prior art, when the responsiveness of the
本発明は、電圧制御器61の応答性を低減させた場合においても、コンバータ制御系11を安定化させ、フィルタコンデンサ両端電圧Ecfを一定に制御する方法を実現する電力変換装置及びその安定化方法を提供することを目的とする。
The present invention provides a power conversion device that realizes a method of stabilizing the
電圧制御器61の応答性を低減させた場合、負荷変動等が発生しフィルタコンデンサ両端電圧Ecfが急激に変化した時に、両端電圧Ecfを一定に制御することが困難である。そこで、本発明は、コンバータ制御系11の安定化を目的として補償演算部10を設け、補償演算部10より2次電流補償量Is**を出力する。出力された2次電流補償量Is**と電力制御器61にて算出される2次電流実効値Isを乗ずることによって、コンバータ制御系11では考慮されていなかったコンバータ電力変換器3に存在する不安定要素が補償され、コンバータ電力変換器3の制御系が安定化しフィルタコンデンサ両端電圧Ecfを一定に制御することが可能となる。
When the responsiveness of the
すなわち、本発明は、交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びPWM制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置において、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを基に、2次電流補償量Is**を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した2次電流補償量Is**により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させる電力変換装置である。 That is, the present invention is connected to a transformer connected to an AC power source, a winding of the transformer, a converter power converter for converting AC to DC, and connected to a DC side of the converter power converter, A DC stage circuit having a filter capacitor; an inverter power converter connected to the DC stage circuit for converting DC to AC; an AC motor connected to the inverter power converter; a voltage control unit; a current control unit; A power conversion device comprising a PWM controller and a converter controller that inputs a voltage control target value Ecf * across the filter capacitor and a voltage detection value Ecf across the filter capacitor and controls the voltage across the filter capacitor to be constant. , The secondary current compensation amount Is * based on the both-end voltage control target value Ecf * of the filter capacitor and the both-end voltage detection value Ecf. A power conversion device that includes a compensation calculation unit that calculates the above, compensates for unstable elements of the converter power converter by the secondary current compensation amount Is ** calculated by the compensation calculation unit, and stabilizes the converter controller It is.
また、本発明は、交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びPWM制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置において、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と電圧検出値Ecfと電圧最小値Ecf_minを基に、2次電流補償量Is**を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した2次電流補償量Is**により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させる電力変換装置である。 Further, the present invention is connected to the transformer connected to the AC power source, the converter power converter connected to the winding of the transformer, and connected to the DC side of the converter power converter, A DC stage circuit having a filter capacitor; an inverter power converter connected to the DC stage circuit for converting DC to AC; an AC motor connected to the inverter power converter; a voltage control unit; a current control unit; A power conversion device comprising a PWM controller and a converter controller that inputs a voltage control target value Ecf * across the filter capacitor and a voltage detection value Ecf across the filter capacitor and controls the voltage across the filter capacitor to be constant. 2 based on the voltage control target value Ecf * at both ends of the filter capacitor, the detected voltage value Ecf, and the minimum voltage value Ecf_min. A compensation calculation unit that calculates a current compensation amount Is **, and compensates for unstable elements of the converter power converter by the secondary current compensation amount Is ** calculated by the compensation calculation unit, It is the power converter device to be stabilized.
そして、本発明は、交流電源に接続される変圧器と、上記変圧器の巻線に接続され、交流を直流に変換するコンバータ電力変換器と、上記コンバータ電力変換器の直流側に接続され、フィルタコンデンサを有する直流ステージ回路と、上記直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器と、上記インバータ電力変換器に接続される交流電動機と、電圧制御部、電流制御部及びPWM制御部を有し、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを入力して上記フィルタコンデンサの両端電圧を一定に制御するコンバータ制御器とで構成される電力変換装置における上記コンバータ制御部を安定化させる方法において、上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを基に、2次電流補償量Is**を算出することと、算出した2次電流補償量Is**により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償することとを有する電力変換装置安定化方法である。 And, the present invention is connected to the transformer connected to the AC power supply, the converter power converter connected to the winding of the transformer, and connected to the DC side of the converter power converter, A DC stage circuit having a filter capacitor; an inverter power converter connected to the DC stage circuit for converting DC to AC; an AC motor connected to the inverter power converter; a voltage control unit; a current control unit; A power conversion device comprising a PWM controller and a converter controller that inputs a voltage control target value Ecf * across the filter capacitor and a voltage detection value Ecf across the filter capacitor and controls the voltage across the filter capacitor to be constant. In the method for stabilizing the converter control unit in the above, the voltage control target value Ecf * across the filter capacitor and the both ends Calculating the secondary current compensation amount Is ** based on the detected pressure value Ecf, and compensating the unstable element of the converter power converter by the calculated secondary current compensation amount Is **. It is a power converter stabilization method.
本発明によれば、コンバータ制御器11に補償演算部10を設け、2次電流指令補償量Is**を求めコンバータ電力変換器3の不安定要素を補償することにより、コンバータ制御器11を安定化させることができる。その結果、コンバータ制御器11に含まれる電圧制御器61の応答性を低減させ、負荷変動などによりフィルタコンデンサ両端電圧Ecfが急激に変化した時でも、両端電圧Ecfを一定に制御することができる。さらに、従来よりも応答性を低減させることができる為、交流電源1に流れる帰線電流の高調波成分を従来技術よりも低減することができる。
According to the present invention, the
本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明の電力変換装置及びその安定化方法の実施例について、図面を用いて説明する。
The best mode for carrying out the present invention will be described.
Embodiments of a power conversion device and a stabilization method thereof according to the present invention will be described with reference to the drawings.
実施例1を説明する。図1は、本実施例の電力変換装置の回路構成を示す図である。本実施例における交流電車の電力変換装置は、交流電源1に接続される変圧器2と、変圧器2の巻線に接続されており交流を直流に変換するコンバータ電力変換器3と、コンバータ電力変換器3の直流側に接続され、フィルタコンデンサ7を含む直流ステージ回路に接続され、直流を交流に変換するインバータ電力変換器4と、インバータ電力変換器4に接続される交流電動機8と、速度検出器9と、コンバータ制御系11と、インバータ制御系12と、補償演算部10とで構成される。
Example 1 will be described. FIG. 1 is a diagram illustrating a circuit configuration of the power conversion device according to the present embodiment. The power converter for an AC train in this embodiment includes a
単相交流電源である交流電源1からの交流電力は、変圧器2を介してコンバータ電力変換器3に交流電力を供給する。
AC power from the
コンバータ電力変換器3は、U相とV相の二相からなるフルブリッジ型で構成するものとする。コンバータ電力変換器3は、P側半導体スイッチ31PとN側半導体スイッチ31Nの二つの半導体スイッチから構成され、P側半導体スイッチ31Pは、変圧器2のP側端子とフィルタコンデンサ7のP側端子を接続し、N側半導体スイッチ31Nは、変圧器2のN側端子とフィルタコンデンサ7のN側端子に接続する。コンバータU相と同じ様に、コンバータV相では、P側半導体スイッチ32Pは、変圧器2のP側端子とフィルタコンデンサ7のP側端子を接続し、N側半導体スイッチ32Nは、変圧器2のN側端子とフィルタコンデンサ7のN側端子に接続する。
The
コンバータ電力変換器3は、半導体スイッチ31P〜32Nの導通状態を制御することによって、変圧器2から供給される交流電力を直流電力に変換する。コンバータ電力変換器3のP側端子は、フィルタコンデンサ7のP側端子およびインバータ電力変換器4のP側端子と接続する。コンバータ電力変換器3のN側端子は、フィルタコンデンサ7のN側端子およびインバータ電力変換器4のN側端子に接続され、コンバータ電力変換器3の供給する直流電力は、フィルタコンデンサ7によって平滑化されインバータ電力変換器4に供給される。
コンバータ電力変換器3から出力されるコンバータ出力電流iconvは、2次電流検出値isと変調率Vcの積で表される。
Converter output current iconv outputted from
インバータ電力変換器4は、U、V,W相の三相から構成される三相交流変換器とする。インバータ電力変換器4のU相は、P側半導体スイッチ41PとN側半導体スイッチ41Nの二つの半導体スイッチから構成される。P側半導体スイッチ41Pはフィルタコンデンサ7のP側端子と交流電動機8のU相端子に接続され、N側半導体スイッチ41Nはフィルタコンデンサ7のN側端子と交流電動機8のU相端子に接続する。インバータ電力変換器4のV相は、P側半導体スイッチ42PとN側半導体スイッチ42Nの二つの半導体スイッチから構成される。P側半導体スイッチ42Pはフィルタコンデンサ7のP側端子と交流電動機8のV相端子に接続され、N側半導体スイッチ42Nはフィルタコンデンサ7のN側端子と交流電動機8のV相端子に接続する。インバータ電力変換器4のW相は、P側半導体スイッチ43PとN側半導体スイッチ43Nの二つの半導体スイッチから構成される。P側半導体スイッチ43Pはフィルタコンデンサ7のP側端子と交流電動機8のW相端子に接続され、N側半導体スイッチ43Nはフィルタコンデンサ7のN側端子と交流電動機8のW相端子に接続する。
The inverter power converter 4 is a three-phase AC converter composed of three phases of U, V, and W phases. The U phase of the inverter power converter 4 includes two semiconductor switches, a P-
インバータ電力変換器4は、半導体スイッチ41P〜43Nの導通状態を制御することによって、コンバータ電力変換器3から供給される直流電力を、任意の交流電力に変換し交流電動機8を駆動する。
The inverter power converter 4 converts the DC power supplied from the
交流電動機8は、交流電気車を駆動するモータである。パルスジェネレータ9は、交流電動機の回転速度を検出し速度信号Frを出力する。
The
次に、実施例1におけるコンバータ電力変換器3の半導体スイッチ31P〜32Nの導通状態を制御するゲートパルス信号を生成するコンバータ制御系11の構成について説明する。コンバータ制御系11は、差分器(1)60と、電圧制御部61と、乗算器(1)62と、乗算器(2)63と、正弦波発生器64と、差分器(2)65と、電流制御部66と、差分器(3)67と、PWM制御部68とで構成される。
Next, the configuration of the
コンバータ制御系11では、フィルタコンデンサ7の両端電圧Ecfを一定に制御する。制御目標値Ecf*と検出器52で求められた両端電圧検出値Ecfの差に対して、電圧制御器61を通して2次電流実効値Isを求めている。
The
図2は、実施例1における補償演算部10を説明する図であり、補償演算部10は、除算器(3)10aで構成されている。フィルタコンデンサ両端電圧制御目標値Ecfと検出値Ecf*より、2次電流補償量Is**を求め、コンバータ制御系11に出力する。
FIG. 2 is a diagram illustrating the
2次電流補償量Is**と2次電流実効値Isを乗算器(1)62で乗算し、2次電流実効値指令値Is*を求める。 The secondary current compensation value Is ** and the secondary current effective value Is are multiplied by the multiplier (1) 62 to obtain the secondary current effective value command value Is *.
2次電流実効値指令値Is*に正弦波発生器64の出力を乗じて、2次電流指令値is*とする。算出した2次電流指令値is*と2次電流検出器50で検出された2次電流検出値isの差に対して、電流制御器66にて電流制御を行う。差分器(3)67では、2次電圧検出器51より検出したコンバータ電圧Ecと前電流制御器66の出力操作量を減算し、コンバータU相電圧指令Vu,コンバータV相電圧指令Vvを出力する。
The secondary current effective value command value Is * is multiplied by the output of the
PWM制御68を行い、コンバータU相電圧指令Vu,およびコンバータV相電圧指令Vvを入力し、フィルタコンデンサ両端電圧検出器52によって検出したフィルタコンデンサ電圧Ecfを基準としてPWM演算を行い、ゲートパルス信号PWM_Cを出力する。
コンバータ電力変換器3では、PWM制御器68から出力されたゲートパルス信号PWM_Cに従い、半導体スイッチ31P〜32Nを入、切することによってコンバータ出力電流iconvが出力される。2次電流実効値指令値Is*に従い、iconvを出力しているが、コンバータ電力変換器3のスイッチング遅れや配線のインダクタンス成分の影響により、必ずしもIs*=iconvとならない。コンバータ制御系11およびコンバータ電力変換器3では、コンバータ出力電流iconvの電流の向きによりフィルタコンデンサ電圧Ecfを変化させ、一定電圧に制御する。
In
インバータ制御系12では、速度信号Frとモータ電流Imから電圧指令を求め、フィルタコンデンサ電圧Ecfを基準としてPWM演算を行い、ゲートパルス信号PWM_Iを出力する。
The
実施例2を説明する。本実施例の電力変換装置は、実施例1と同様であるが、補償演算部10が相違する。実施例2では、図3に示す補償演算部10を設け、2次電流補償量Is**を算出する。補償演算部10では、フィルタコンデンサ両端電圧検出値Ecfとフィルタコンデンサ電圧最小値Ecf_minを最大値算出器(1)10bに入力し、フィルタコンデンサ両端電圧制御目標値Ecf*とフィルタコンデンサ電圧最小値Ecf_minを最大値算出器(2)10cに入力し、各々の最大値算出器10b、10cで算出した値を除算器(1)10aで除算して2次電流補償量Is**を求める。フィルタコンデンサ電圧最小値Ecf_minは、フィルタコンデンサ両端電圧検出値として、設定時に想定される下限値を使用する。これにより、フィルタコンデンサ両端電圧検出値Ecfとして0(ゼロ)Vを検出しても、除算による暴走を防ぐことができる。
A second embodiment will be described. The power conversion device of the present embodiment is the same as that of the first embodiment, but the
1 交流電源
2 変圧器
3 コンバータ電力変換器
4 インバータ電力変換器
7 フィルタコンデンサ
8 交流電動機
9 パルスジェネレータ(速度検出器)
10 補償演算部
11 コンバータ制御系
12 インバータ制御系
31P コンバータU相P側半導体スイッチ
31N コンバータU相N側半導体スイッチ
32P コンバータV相P側半導体スイッチ
32N コンバータV相N側半導体スイッチ
41P インバータU相P側半導体スイッチ
41N インバータU相N側半導体スイッチ
42P インバータV相P側半導体スイッチ
42N インバータV相N側半導体スイッチ
43P インバータW相P側半導体スイッチ
43N インバータW相N側半導体スイッチ
50 2次電流検出器
51 2次電圧検出器
52 フィルタコンデンサ両端電圧検出器
53 モータ電流検出器
60 差分器1
61 電圧制御部
62 乗算器1
63 乗算器2
64 正弦波発生器
65 差分器2
66 電流制御部
67 差分器3
68 PWM制御部
Ep 1次電圧
Ec コンバータ電圧
Ecf フィルタコンデンサ両端電圧検出値
Ecf* フィルタコンデンサ両端電圧制御目標値
Vc 変調率
Is 2次電流実効値
Is* 2次電流実効値指令
Is** 2次電流補償量
iconv コンバータ出力電流
is 2次電流検出値
is* 2次電流指令値
im 誘導機負荷電流
Fr ロータ回転周波数検出値
PMW_C コンバータゲートパルス信号
PWM_I インバータゲートパルス信号
1
DESCRIPTION OF
61
63
64
66
68 PWM control unit Ep Primary voltage Ec Converter voltage Ecf Detected value Ecf at both ends of filter capacitor * Voltage control target value Vc at both ends of filter capacitor Modulation factor Is Secondary current effective value Is * Secondary current effective value command Is ** Secondary current Compensation amount iconv Converter output current is Secondary current detection value is * Secondary current command value im Induction machine load current Fr Rotor rotation frequency detection value PMW_C Converter gate pulse signal PWM_I Inverter gate pulse signal
Claims (3)
上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを基に、2次電流補償量Is**を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した2次電流補償量Is**により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させることを特徴とする電力変換装置。 A transformer connected to an AC power source, a converter power converter connected to the winding of the transformer, and converts AC to DC, and a DC stage connected to the DC side of the converter power converter and having a filter capacitor A circuit, an inverter power converter connected to the DC stage circuit for converting DC to AC, an AC motor connected to the inverter power converter, a voltage control unit, a current control unit, and a PWM control unit In the power conversion apparatus configured with a converter controller that inputs the voltage control target value Ecf * of both ends of the filter capacitor and the voltage detection value Ecf of both ends and controls the voltage across the filter capacitor to be constant,
A compensation calculation unit that calculates a secondary current compensation amount Is ** based on the both-end voltage control target value Ecf * and the both-end voltage detection value Ecf of the filter capacitor is provided, and the secondary current compensation amount calculated by the compensation calculation unit A power conversion apparatus characterized in that an unstable factor of the converter power converter is compensated by Is ** and the converter controller is stabilized.
上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfと電圧最小値Ecf_minを基に、2次電流補償量Is**を算出する補償演算部を備え、上記補償演算部が算出した2次電流補償量Is**により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償し、上記コンバータ制御器を安定化させることを特徴とする電力変換装置。 A transformer connected to an AC power source, a converter power converter connected to the winding of the transformer, and converts AC to DC, and a DC stage connected to the DC side of the converter power converter and having a filter capacitor A circuit, an inverter power converter connected to the DC stage circuit for converting DC to AC, an AC motor connected to the inverter power converter, a voltage control unit, a current control unit, and a PWM control unit In the power conversion apparatus configured with a converter controller that inputs the voltage control target value Ecf * of both ends of the filter capacitor and the voltage detection value Ecf of both ends and controls the voltage across the filter capacitor to be constant,
Based on the both-end voltage control target value Ecf *, the detected both-end voltage value Ecf, and the minimum voltage value Ecf_min of the filter capacitor, a compensation calculation unit that calculates a secondary current compensation amount Is ** is provided. A power conversion apparatus, wherein an unstable factor of the converter power converter is compensated by a secondary current compensation amount Is ** to stabilize the converter controller.
上記フィルタコンデンサの両端電圧制御目標値Ecf*と両端電圧検出値Ecfを基に、2次電流補償量Is**を算出することと、算出した2次電流補償量Is**により、上記コンバータ電力変換器の不安定要素を補償することとを有することを特徴とする電力変換装置安定化方法。 A transformer connected to an AC power source, a converter power converter connected to the winding of the transformer, and converts AC to DC, and a DC stage connected to the DC side of the converter power converter and having a filter capacitor A circuit, an inverter power converter connected to the DC stage circuit for converting DC to AC, an AC motor connected to the inverter power converter, a voltage control unit, a current control unit, and a PWM control unit The converter control unit in the power conversion apparatus including a converter controller that inputs the voltage control target value Ecf * of the filter capacitor and the voltage detection value Ecf of the filter capacitor and inputs and controls the voltage of the filter capacitor to be constant. In the stabilization method,
Based on the voltage control target value Ecf * of both ends of the filter capacitor and the detected voltage value Ecf of both ends, the converter power is calculated by calculating the secondary current compensation amount Is ** and the calculated secondary current compensation amount Is **. Compensating for unstable elements of the converter. A method for stabilizing a power converter.
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