JP2009201224A - 単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明では、ＰＷＭ指令に含まれる直流成分によって交流出力電圧に直流成分が重畳することをより正確に抑制することができる単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置を提供することを目的とする。
【解決手段】本発明は、直流電圧源からの電力を交流電力に変換して交流端子から出力する電圧型交直変換回路と、交流端子から出力される交流電力の基準となるフィルタ電圧指令値を発生させるフィルタ電圧指令器、及び、入力信号として交流端子の交流出力電圧が入力され、フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と交流端子の交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器を有し、フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と交流端子の交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段と、を備える単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置である。
【選択図】図２

Description

本発明は単相電力変換装置及び三相電力変換装置に関する。詳しくは、直流電力を交流電力に変換する電力変換装置において、電圧指令値ないし電圧指令ベクトルと出力電圧との誤差信号を積分して目標電流を補正することにより、交流電力に含まれる直流成分を抑制する単相電力変換装置及び三相電力変換装置に関する。

無停電電源装置（ＵＰＳ）などに採用される電圧型交直変換装置の交流出力電圧の制御方式として誤差追従式ＰＷＭ方式が知られている（例えば、非特許文献１及び２を参照。）。

電圧型交直変換装置には、変換器と負荷とを絶縁するため、あるいは変換器の出力を負荷の系統電圧に合致させるために変圧器を有するものが多い。一方、変換器制御系の温度ドリフトやオフセットのずれなどによって、負荷側の変圧器の入力電圧に直流成分が含まれると、その直流成分により変圧器の鉄心が一方向に磁化してしまい、磁束分布が偏る偏磁が発生する。これにより、変圧器の励磁インダクタンスが極端に減少し、過大な励磁電流が流れる、交流出力電圧が歪む、変圧器の局部加熱、電磁騒音の増加などが生じて、電圧型交直変換装置が供給する交流電力が不安定になるという問題があった。このような問題を解決する方法として、例えば、図１５や図１６のように交流出力電圧を積分する直流成分抑制手段を用いてＰＷＭ指令を補正する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。図１５は、直流電源から単相交流電力を生成して出力端子２２２に接続される負荷に電力を供給する単相電力変換装置２１１であって、直流端子２２１からの直流電力を単相交流電力に変換する単相電圧型交直変換回路２４０と、単相電圧型交直変換回路２４０の交流側に接続されるインダクタＬｓｐと、出力端子２２２間に印加される出力端子間電圧を検出する電圧検出回路２５０と、交流端子２２２の出力電流の目標値としての目標電流を生成する目標電流生成手段２６０と、を有し、出力電流と目標電流との誤差に基づいて、前記変換器単相電圧型交直変換回路２４０をパルス幅変調制御し、目標電流生成手段２６０は、電圧検出回路２５０で検出された出力端子２２２間電圧の積分値を積分器２７１で増幅して、目標電流を補正することにより、単相交流電力に含まれる直流成分を抑制する直流成分抑制手段２８２を有する。図１６は、直流電源から三相交流電力を生成して出力端子３２２に接続される負荷に電力を供給する三相電力変換装置３１２であって、直流端子３２１からの直流電力を三相交流電力に変換する三相電圧型交直変換回路３４０と、三相電圧型交直変換回路３４０の交流側に接続されるインダクタＬｓｐと、出力端子３２２間に印加される出力端子間電圧を検出する電圧検出回路３５０と、出力電流の目標値としての目標電流を生成する目標電流生成手段３６０と、を有し、出力電流と目標電流との誤差に基づいて、前記変換器をパルス幅変調制御し、目標電流生成手段３６０は、電圧検出回路３５０で検出された出力端子間電圧の積分値を増幅器３７１で増幅して、目標電流を補正することにより、三相交流電力に含まれる直流成分を抑制する補正量算出手段３８２を有する。
特開２００６−２５４６３６号公報 「誤差追従式ＰＷＭをマイナーループとする単相ＵＰＳ用インバータ」、著者：大島正明、中村文則、玉井伸三、山本融真、森治義、電気学会論文誌Ｄ １２０巻１月号（２０００年）１０４〜１１１ページ、社団法人 電気学会 発行 「誤差追従式ＰＷＭを電流マイナーループとする三相ＵＰＳ用インバータ」、著者：大島正明、中村文則、玉井伸三、山本融真、吉田幸一、電気学会論文誌Ｄ １２５巻２号（２００５年）１６４〜１７３ページ、社団法人 電気学会 発行

また、電圧型交直変換回路のＰＷＭ指令（目標電流）にセンサの偏向や入力オペアンプの温度ドリフトなど外的要因による直流成分が含まれることで、電圧型交直変換装置の交流出力電圧に直流成分が重畳することもある。従来の電圧型交直変換装置は、このような外的要因を除去しようとすると、交直変換回路の内部等価インピーダンスを特定することができなかった。

そこで、本発明では、ＰＷＭ指令に含まれる直流成分によって交流出力電圧に直流成分が重畳することをより正確に抑制することができ、且つ内部等価インピーダンスを特定できる単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は、単相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令と出力電圧との誤差電圧を積分してＰＷＭ指令を補正することとした。

具体的には、本発明に係る単相電圧型交直変換装置は、ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を単相交流電力に変換して交流端子から出力する単相電圧型交直変換回路と、前記交流端子から出力される単相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令値を発生させるフィルタ電圧指令器、及び、入力信号として前記交流端子の単相交流出力電圧が入力され、前記フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と前記交流端子の単相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器を有し、前記フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と前記交流端子の単相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段と、を備える。

本発明に係る単相電圧型交直変換装置は、目標電流生成手段の電圧制御器に積分器及び増幅器を有している。積分器は、フィルタ電圧指令値と交流端子の単相交流出力電圧との差分を積分している。この積分器での積分値が単相交流出力電圧に含まれる直流逆符号成分である。このため、目標電流生成手段は、増幅器の出力に積分器の出力を加算し、直流成分が０となるようにＰＷＭ指令を出力することで、交流出力電圧に直流成分が重畳することを抑制できる。

従って、本発明は、ＰＷＭ指令に含まれる直流成分によって交流出力電圧に直流成分が重畳することをより正確に抑制することができる単相電圧型交直変換装置を提供することできる。また、積分器が目標電流生成手段の増幅器と並列に入っているため、交直変換回路の内部等価インピーダンスを特定することができる。

本発明に係る単相電圧型交直変換装置は、前記交流端子の単相交流出力電流を検出し、検出電流値を入力信号として前記目標電流生成手段へ入力する出力電流検出回路をさらに備え、前記目標電流生成手段は、前記単相電圧型交直変換回路内の単相交流フィルタ回路における電流損失分を補償するように規定された電流補償値を前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するフィルタ電流補償器、前記単相電圧型交直変換回路からの単相交流出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償値を前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するＰＷＭ電流偏差補償器、及び、前記出力電流検出回路から入力される検出電流値を所定のゲインで増幅して前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算し、前記交流端子の単相交流出力電流の変化による単相交流出力電圧の変動を補償するフィードフォワード増幅器、をさらに有する。

目標電流生成手段がフィルタ電流補償器を有することで、単相電圧型交直変換回路における電流損失分を予め設定でき、目標電流生成手段からのＰＷＭ指令に加算することで当該損失を補償することができる。また、目標電流生成手段がＰＷＭ電流偏差補償器を有することで、ＰＷＭ指令をゼロ指令としたときの単相電圧型交直変換回路における電流偏差分を予め設定でき、目標電流生成手段からのＰＷＭ指令に加算することで当該損失を補償することができる。

さらに、単相電圧型交直変換装置が出力電流検出回路を備え、目標電流生成手段がフィードフォワード増幅器を有しているため、フィードフォワード増幅器に交流端子を流れる電流を補償するように所定のフィードフォワードゲインを設定することで、単相電圧型交直変換装置は負荷電流が変化しても安定した単相交流出力電圧を発生することができる。

本発明に係る単相電圧型交直変換装置の前記電圧制御器は、前記フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と前記交流端子の単相交流出力電圧との差分が入力される、並列に接続された増幅器及び積分器を含み、前記増幅器のゲインをα、前記積分器の積分時定数をＴ_Ｉとしたとき、伝達関数がα（１＋１／（Ｔ_Ｉ・Ｓ））であることが好ましい。

積分器の積分時定数Ｔ_Ｉの値を設定することで交流出力端子側に接続した変圧器の偏磁を解消することができる。

以上に説明した単相電圧型交直変換装置の効果は、三相電圧型交直変換装置についても同様の効果を得ることができる。

すなわち、本発明に係る三相電圧型交直変換装置は、ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を三相交流電力に変換して交流端子から出力する三相電圧型交直変換回路と、前記交流端子から出力される三相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令ベクトルを発生させるフィルタ電圧ベクトル指令器、及び、入力信号として前記交流端子の三相交流出力電圧が入力され、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器を有し、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段と、を備える。

また、本発明に係る三相電圧型交直変換装置は、前記交流端子の三相交流出力電流を検出し、検出電流値を入力信号として前記目標電流生成手段へ入力する出力電流検出回路をさらに備え、前記目標電流生成手段は、前記三相電圧型交直変換回路内の三相交流フィルタ回路における電流損失分を補償するように規定された電流補償ベクトルを前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するフィルタ電流補償器、前記三相電圧型交直変換回路からの三相交流出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償ベクトルを前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するＰＷＭ電流偏差補償器、及び、前記出力電流検出回路から入力される検出電流値を所定のゲインで増幅して前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算し、前記交流端子の三相交流出力電流の変化による三相交流出力電圧の変動を補償するフィードフォワード増幅器、をさらに有する。

本発明に係る三相電圧型交直変換装置の前記目標電流生成手段に入力される入力信号を、三相のうちの１つを基準として互いに直交するα軸及びβ軸のαβ静止座標空間上に変換し、前記目標電流生成手段に入力するＭ変換回路をさらに備えることが好ましい。

Ｍ変換回路で交流端子の三相交流出力電圧をαβ静止座標空間上にＭ変換することで、電力系統の振幅及び周波数が変化しても、当該振幅及び周波数に対する三相電圧型交直変換装置の三相交流出力電力の振幅及び周波数のそれぞれを検出できる。また、この場合、出力電流検出回路が検出した検出電流値についてもＭ変換する必要がある。

また、本発明に係る単相電圧型交直変換装置と同様に、本発明に係る三相電圧型交直変換装置の前記電圧制御器は、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分が入力される、並列に接続された増幅器及び積分器を含み、前記増幅器のゲインをα、前記積分器の積分時定数をＴ_Ｉとしたとき、伝達関数がα（１＋１／（Ｔ_Ｉ・Ｓ））であることが好ましい。

本発明は、ＰＷＭ指令に含まれる直流成分によって交流出力電圧に直流成分が重畳することをより正確に抑制することができる単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置を提供することができる。このため、本発明に係る単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置は、交流端子に接続した変圧器の偏磁を抑制することができる。

さらに、本発明に係る単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置は、内部等価インピーダンスが特定されるため、並列運転が容易であり、複数台を並列に接続して並行運転する場合においても、個々の装置が自律して出力偏差を制御する自律平行運転が可能である。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下に示す実施形態に限定されるものではない。なお、本明細書及び図面において符号が同じ構成要素は、相互に同一のものを示すものとする。

（電圧型交直変換装置の内部等価インピーダンス）
図１は、電圧型交直変換装置の交流端子からみた等価回路である。図１で、Ｖｃｏ（ｔ）は無負荷起電圧、Ｒｉは内部等価インピーダンスの抵抗成分、Ｌｉは内部等価インピーダンスのインダクタンス成分である。電圧型交直変換装置の内部等価インピーダンスは以下のように計算できる。

内部等価インピーダンスの抵抗成分Ｒｉは数式１で表される。

ここで、αはフィードバックゲイン、βはフィードフォワードゲインであり、非特許文献１の図１及び非特許文献２の図１のα、βに相当する。Ｇ_ＰＷＭはＰＷＭインバータのゲインであり、非特許文献１の図２及び非特許文献２の図２の傾斜に相当する。

内部等価インピーダンスのインダクタンス成分Ｌｉは数式２で表される。

ここで、Ｔ_Ｉは後述する積分器の積分時定数である。数式２の詳細な説明は省略する。

また、無負荷起電圧Ｖｃｏ（ｔ）は数式３で表される。

（第１実施形態）
図２に、本実施形態に係る単相電圧型交直変換装置の概略構成図を示す。

図２に示す単相電圧型交直変換装置１１は、ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を単相交流電力に変換して交流端子２２から出力する単相電圧型交直変換回路４０と、交流端子２２から出力される単相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令値を発生させるフィルタ電圧指令器６１、及び、入力信号として交流端子２２の単相交流出力電圧が入力され、フィルタ電圧指令器６１からのフィルタ電圧指令値と交流端子２２の単相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器６４を有し、フィルタ電圧指令器６１からのフィルタ電圧指令値と交流端子２２の単相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段６０と、を備える。

単相電圧型交直変換回路４０は、ＰＷＭ指令に基づいてゲート信号発生器４１により発生させたゲート信号のパルス幅に応じて不図示の直流電圧源からの電力を直流端子２１で受けて単相交流電力に変換する。直流電圧源は、バッテリ等の単独で直流電圧を出力する電圧源、風力発電等の発電方法で発電し整流して直流電圧を出力する電圧源、又は直流コンデンサの電圧を制御して直流電圧を出力する電圧源を例示することができる。この場合、電圧検出回路５０の接続点と交流端子２２との間にさらにブロッキングインダクタを備え、単相出力電圧をブロッキングインダクタを介して交流端子２２から出力することとしてもよい。単相電圧型交直変換回路４０でのＰＷＭ成分が交流端子２２へ流出することを防止することができる。

図５及び図６に単相電圧型交直変換回路の概略構成図を示す。

図５に示す単相電圧型交直変換回路４０−１は、交流端子２２から見て内部等価インピーダンスを持ちゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を直流端子２１で受けて単相交流電力に変換して出力する単相電圧型交直変換部４２と、単相電圧型交直変換部４２の単相出力電流を検出し単相出力電流の大きさに応じて生成した信号を出力する電流検出回路４３と、ＰＷＭ指令と電流検出回路４３からの出力との差分がゼロに近づくようにゲート信号を発生させて出力するゲート信号発生器４１と、単相電圧型交直変換部４２の単相出力電圧から単相電圧型交直変換部４２でのゲート信号に起因する高周波成分を除去して出力する単相交流フィルタ回路４５と、を備える。

また、図６に示す単相電圧型交直変換回路４０−２は、図５の電流検出回路４３に代えて、単相電圧型交直変換部４２の単相出力電圧を検出し単相出力電圧の大きさに応じて生成した信号を出力する電圧検出回路４４を備える。この場合、ゲート信号発生器４１は、ＰＷＭ指令と電圧検出回路４４からの出力との差分がゼロに近づくようにゲート信号を発生させて出力する。

図５及び図６に示す単相電圧型交直変換部４２の持つ内部等価インピーダンスは、図２の単相電圧型交直変換装置１１内の制御変数により持たせることもできるし、図５及び図６の単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２の出力に抵抗、リアクトル若しくは単相変圧器又はこれらの組み合わせを接続して持たせることもできる。例えば、単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２の単相出力にそれぞれ抵抗又はリアクトルを直列に接続してもよいし、さらに抵抗を接続した場合には抵抗の後段にリアクトルをそれぞれ直列に接続してもよい。また、単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２の単相出力に単相変圧器を接続してもよい。また、単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２の単相出力にそれぞれリアクトルを接続した場合には、リアクトルの後段に単相変圧器を接続してもよい。さらに、単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２の単相出力にそれぞれ抵抗を接続し、抵抗の後段にリアクトルをそれぞれ直列に接続した場合には、当該リアクトルの後段に単相変圧器を接続してもよい。このように、単相電圧型交直変換部４２が内部等価インピーダンスを持つことにより、図２の単相電圧型交直変換装置１１は、電圧源として電力系統に接続して運転することが可能となる。

図２の単相電圧型交直変換回路４０を図５又は図６に示す構成とすることにより、単相電圧型交直変換装置１１は、単相交流フィルタ回路４５（図５及び図６）を備えることから、単相電圧型交直変換部４２の出力から単相電圧型交直変換部４２でのゲート信号に起因する高周波成分を除去することができる。また、電流検出回路４３又は電圧検出回路４４において単相電圧型交直変換部４２からの電流又は電圧を検出し、ゲート信号発生器４１においてＰＷＭ指令と電流検出回路４３又は電圧検出回路４４からの出力との差分がゼロに近づくようにゲート信号を発生させることで電流誤差が許容範囲内に収まるように制御すること、或いは出力電圧をＰＷＭ指令に追従させることができる。

ここで、図７に、図５及び図６における単相電圧型交直変換部４２の概略構成図を示す。また、図８に、図５及び図６における単相交流フィルタ回路４５の概略構成図を示す。

図７に示す単相電圧型交直変換部４２は、４個の自己消弧型スイッチ４６ｇ、４６ｈ、４６ｋ、４６ｌと、４個のダイオード４６ａ、４６ｂ、４６ｅ、４６ｆと、を備える。自己消弧型スイッチ４６ｇ、４６ｈ、４６ｋ、４６ｌは、入力信号のオン／オフに応じてスイッチのオン／オフを切替る素子で、ＭＯＳＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）やＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を例示できる。単相電圧型交直変換部４２は、入力信号として図５又は図６に示すゲート信号発生器４１からゲート信号が入力される。単相電圧型交直変換部４２は、ゲート信号に応じて４つのスイッチのオン／オフを４つの自己消弧型スイッチ４６ｇ、４６ｈ、４６ｋ、４６ｌごとにパルス信号により切替えることで、直流電圧源２３からの電力を単相交流電力に変換して交流端子２４、２６から出力することができる。出力電圧は、パルス信号のパルス幅を変えることで変化させることができる。なお、図７において直流端子２１−１，２１−２は、概略図である図２の直流端子２１に対応する。

図８に示す単相交流フィルタ回路４５は、図５又は図６の単相電圧型交直変換部４２からの単相出力を入力側の交流端子２４、２６で受けて出力側の交流端子２２−１、２２−３から出力する間で、インダクタ４７ｄと、交流端子２２−１と交流端子２２−３との間に接続された抵抗４７ａと、コンデンサ４７ｇと、を有する。電流制御用インダクタ４７ｄ、抵抗４７ａ及びコンデンサ４７ｇの各容量は、出力側の交流端子２２−１，２２−３からの出力信号の周波数特性に応じて適宜定めることができる。なお、抵抗４７ａを省き、コンデンサ４７ｇを交流端子２２−１と交流端子２２−３との間に接続してもよい。また、インダクタ４７ｄは変圧器としてもよい。図５及び図６の単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２では、単相交流フィルタ回路４５として図８の単相交流フィルタ回路４５を適用して単相電圧型交直変換部４２でのゲート信号に起因する高周波成分を除去することができる。なお、図８において交流端子２２−１、２２−３は、概略図である図２の交流端子２２に対応する。

図２の目標電流生成手段６０は、交流端子２２から出力される単相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令値を発生させるフィルタ電圧指令器６１、及び、入力信号として交流端子２２の単相交流出力電圧が入力され、フィルタ電圧指令器６１からのフィルタ電圧指令値と交流端子２２の単相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器６４を有し、フィルタ電圧指令器６１からのフィルタ電圧指令値と交流端子２２の単相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する。

フィルタ電圧指令器６１は、例えば、理想的な交流信号を発生させる理想交流信号発生器である。加算器６３は、フィルタ電圧指令器６１が出力するフィルタ電圧指令値と交流端子２２の単相交流出力電圧との差分を計算して出力し、計算した差分値を入力信号として電圧制御器６４に入力する。電圧制御器６４は、増幅器７１及び積分器７２を含む。電圧制御器６４に入力された入力信号は、増幅器７１及び積分器７２の双方に入力される。

増幅器７１は、入力された入力信号を所定のゲインαで増幅する。増幅器７１のゲインαは、数式１で説明したフィードバックゲインαである。ここで、増幅器７１には位相遅れ要素を設けてもよい。この場合は時定数Ｔ_Ｌを用いると、増幅器７１の伝達関数は数式４となる。

積分器７２は、入力された入力信号を積分する。ここで、数式２で説明した積分器の時定数Ｔ_Ｉを用いると、積分器７２の伝達関数は数式５となる。積分時定数を調整することで図２の交流端子２２に接続される変圧器の偏磁を防止することができる。

ここで、増幅器７１に位相遅れ要素を設けない場合、数式４の時定数Ｔ_Ｌは０であり、増幅器７１の伝達関数は、数式４のＴ_Ｌに０を代入するとαとなる。このため、並列する積算器７２の伝達関数を考慮すれば、図３に示す単相電圧型交直変換装置１１の電圧制御器６４の伝達関数はα（１＋１／（Ｔ_Ｉ・Ｓ））となる。

電圧制御器６４は、増幅器７１の出力及び積分器７２の出力を加算器６５で加算し、フィルタ電圧指令器６１からのフィルタ電圧指令値と交流端子２２の単相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する。目標電流生成手段６０は、さらに補助信号発生器７０を有していてもよい。補助信号発生器７０は、電圧制御器６４が出力したＰＷＭ指令に補助信号を加算する。この補助信号の加算により、単相出力電流の損失及び偏差を補償でき、負荷電流の変化に対する出力電圧の安定化を図ることができる。

目標電流生成手段６０が出力するＰＷＭ指令は単相電圧型交直変換回路４０のゲート信号発生器４１に入力される。このため、外的要因によりＰＷＭ指令に直流成分が重畳し、単相交流出力電圧に直流成分が重畳したとしても積分器７２で検出でき、この積分値を増幅器７１の出力に加算することで、ＰＷＭ指令に含まれる直流成分をキャンセルすることができる。従って、交流端子２２の単相交流出力電圧に重畳する直流成分を除去することができる。

図３に、図２の単相電圧型交直変換装置１１の補助信号発生器７０を詳細に説明する単相電圧型交直変換装置の概略構成図を示す。

図３の単相電圧型交直変換装置１１は、図２に示す単相電圧型交直変換装置１１に交流端子２２の単相交流出力電流を検出し、検出電流値を入力信号として目標電流生成手段６０へ入力する出力電流検出回路３４をさらに備え、目標電流生成手段６０は、単相電圧型交直変換回路４０内の単相交流フィルタ回路における電流損失分を補償するように規定された電流補償値を電圧制御器６４から出力されるＰＷＭ指令に加算するフィルタ電流補償器６６、単相電圧型交直変換回路４０でのＰＷＭに起因する単相交流出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償値を電圧制御器６４から出力されるＰＷＭ指令に加算するＰＷＭ電流偏差補償器６７、及び、出力電流検出回路３４から入力される検出電流値を所定のゲインで増幅して電圧制御器６４から出力されるＰＷＭ指令に加算し、交流端子２２の単相交流出力電流の変化による単相交流出力電圧の変動を補償するフィードフォワード増幅器６８、をさらに有した形態である。この場合、単相電圧型交直変換回路４０は、図５又は図６で説明したいずれかの単相電圧型交直変換回路４０−１，４０−２を適用することができる。

フィルタ電流補償器６６は、単相電圧型交直変換回路４０内の単相交流フィルタ回路４５（図５又は図６）における電流損失分を補償するように規定された電流補償値を出力する。これにより、単相電圧型交直変換装置１１では、図５又は図６の単相交流フィルタ回路４５における電流損失分を予めフィルタ電流補償器６６において設定し、電圧制御器６４からのＰＷＭ指令に加算することで当該損失を補償することができる。

ＰＷＭ電流偏差補償器６７は、単相電圧型交直変換回路４０でのＰＷＭに起因する単相出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償値を出力する。これにより、単相電圧型交直変換装置１１では、ＰＷＭ指令をゼロ指令としたときの単相電圧型交直変換回路４０における電流偏差分を予めＰＷＭ電流偏差補償器６７において設定し、電圧制御器６４からのＰＷＭ指令に加算することで当該損失を補償することができる。

フィードフォワード増幅器６８は、出力電流検出回路３４から入力される検出電流値に基づき、交流端子２２を流れる電流を補償するように所定のゲインβで増幅して出力する。フィードフォワード増幅器６８のゲインβは、数式１で説明したフィードフォワードゲインβである。これにより、単相電圧型交直変換装置１１では、出力電流検出回路３４において交流端子２２の単相出力電流を検出し、検出電流値をフィードフォワード増幅器６８をとおして電圧制御器６４からのＰＷＭ指令に加算することで、負荷電流が変化しても安定した出力電圧を発生することができる。

ここで、図３に示す単相電圧型交直変換装置の具体例を図４に示し、図３で説明できなかった具体的な構成要素を説明する。

目標電流生成手段６０は、電圧検出回路５０が検出した単相交流フィルタ回路４５の出力Ｖｆｉｌ（ｔ）を交流端子２２の単相交流出力電圧として受信する。

フィルタ電圧指令器６１は、基準周波数発生部６１ａ及び規準電圧発生部６１ｂを含み、フィルタ電圧指令値として数式３で表されるような理想交流信号を発生させる。加算器６３は、フィルタ電圧指令器６１からのフィルタ電圧指令値と単相交流フィルタ回路４５の出力Ｖｆｉｌ（ｔ）との差分ΔＶ（ｔ）を出力する。

ゲート信号発生器４１は、加算器４１ａ及びＰＷＭ制御手段４１ｂを含む。ゲート信号発生器４１は、目標電流生成手段６０が出力したＰＷＭ指令ｊ（ｔ）と電流検出回路４３が検出した出力電流Ｉｐ（ｔ）との誤差Δ（ｔ）を求めてＰＷＭ制御手段４１ｂに入力し、ＰＷＭ制御手段４１ｂで誤差Δ（ｔ）に基づくゲート信号を発生させる。さらに、ゲート信号発生器４１は、発生させたゲート信号を単相電圧型交直変換部４２に入力する。

図４の単相電圧型交直変換装置は、図２及び図３の単相電圧型交直変換装置１１と同様に動作し、直流電圧源２３からの電力を単相交流電力に変換して交流端子２２−１、２２−３から出力することができる。なお、図４において、Ｅ_Ｂは直流電圧源２３の直流電圧値、Ｉ_Ｐ（ｔ）は単相電圧型交直変換部４２から出力される単相交流電流値、Ｌ_Ｐはインダクタ４７ｄのインダクタンス、Ｒ_Ｆは抵抗４７ａの抵抗値、Ｃ_Ｆはコンデンサ４７ｇの容量を示す。

図４の単相電圧型交直変換装置の効果を確かめるため、ＰＷＭ指令ｊ（ｔ）に直流成分を加える実験を行った。その結果を図１４に示す。図１４（ａ）は交流端子２２の単相交流出力電圧である単相交流フィルタ回路４５の出力Ｖｆｉｌ（ｔ）である。図１４（ｂ）はＰＷＭ信号に印加する直流電流である。具体的には、図４のＡ点にＰＷＭ指令ｊ（ｔ）に直流電流を印加する。図１４（ｃ）に図１４（ａ）の制御時間５５ミリ秒から制御時間６５ミリ秒までのＶｆｉｌ（ｔ）を拡大して示す。ＰＷＭ制御を開始してから６０ミリ秒後、ＰＷＭ指令に直流成分を印加すると、図１４（ｃ）の丸で囲んだ部分で示されるようにＶｆｉｌ（ｔ）は直流成分が重畳して電圧が上昇するが、目標電流生成手段６０の制御により直流成分が除去されていることが確認できた。

（第２実施形態）
図９に、本実施形態の三相電圧型交直変換装置の概略構成図を示す。

図９に示す三相電圧型交直変換装置１１２は、ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を三相交流電力に変換して交流端子１２２から出力する三相電圧型交直変換回路１４０と、交流端子１２２から出力される三相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令ベクトルを発生させるフィルタ電圧ベクトル指令器１６１、及び、入力信号として交流端子１２２の三相交流出力電圧が入力され、フィルタ電圧ベクトル指令器１６１からのフィルタ電圧指令ベクトルと交流端子１２２の三相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器１６４を有し、フィルタ電圧ベクトル指令器１６１からのフィルタ電圧指令ベクトルと交流端子１２２の三相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段１６０と、を備える。三相電圧型交直変換装置１１２は、第１実施形態の単相電圧型交直変換装置１１の各構成要素を三相交流用に置換したものである。

すなわち、図９の直流端子１２１、交流端子１２２、単相電圧型交直変換回路１４０、ゲート信号発生器１４１、目標電流生成手段１６０、フィルタ電圧ベクトル指令器１６１、電圧制御器１６４、増幅器１６６、積分器１６７、加算器１６３、加算器１６５、補助信号発生器１７０は、それぞれ図２の直流端子２１、交流端子２２、単相電圧型交直変換回路４０、ゲート信号発生器４１、目標電流生成手段６０、フィルタ電圧指令器６１、電圧制御器６４、増幅器６６、積分器６７、加算器６３、加算器６５、補助信号発生器７０に相当し、同様の動作をする。フィルタ電圧ベクトル指令器１６１は、交流端子１２２から出力される三相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令ベクトルを出力する。

図９の三相電圧型交直変換装置１１２も図２の単相電圧型交直変換装置１１と同様に、電圧制御器１６４に積分器１７２及び増幅器１７１を有している。増幅器１７１は、図２の増幅器７１と同様に入力された入力信号を所定のゲインαで増幅する。増幅器１７１には位相遅れ要素を設けてもよい。この場合、増幅器１７１の伝達関数は増幅器７１と同様に数式４となる。積分器１７２は、フィルタ電圧指令ベクトルと交流端子１２２の三相交流出力電圧のベクトルとの差分を積分している。このため、電圧制御器１６４は、増幅器１７１の出力に積分器１７２の出力を加算し、直流成分を０となるようにＰＷＭ指令を出力することで、三相交流出力電圧の各相に直流成分が重畳することを抑制できる。従って、三相電圧型交直変換装置１１２は、第１実施形態の単相電圧型交直変換装置１１で説明した単相交流電圧の制御と同様に三相交流電圧を制御する。

図１０に、図９の単相電圧型交直変換装置１１２の補助信号発生器１７０を詳細に説明する三相電圧型交直変換装置の概略構成図を示す。

図１０の三相電圧型交直変換装置１１２は、図９の三相電圧型交直変換装置１１２に交流端子１２２の三相交流出力電流を検出し、検出電流値を入力信号として目標電流生成手段１６０へ入力する出力電流検出回路１３４をさらに備え、目標電流生成手段１６０は、三相電圧型交直変換回路１４０内の三相交流フィルタ回路における電流損失分を補償するように規定された電流補償ベクトルを電圧制御器１６４から出力されるＰＷＭ指令に加算するフィルタ電流補償器１６６、三相電圧型交直変換回路１４０でのＰＷＭに起因する三相交流出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償ベクトルを電圧制御器１６４から出力されるＰＷＭ指令に加算するＰＷＭ電流偏差補償器１６７、及び、出力電流検出回路１３４から入力される検出電流値を所定のゲインで増幅して電圧制御器１６４から出力されるＰＷＭ指令に加算し、交流端子１２２の三相交流出力電流の変化による三相交流出力電圧の変動を補償するフィードフォワード増幅器１６８、をさらに有した形態である。

図１０の出力電流検出回路１３４、フィルタ電流補償器１６６、ＰＷＭ電流偏差補償器１６７、フィードフォワード増幅器１６８は、それぞれ図３の出力電流検出回路３４、フィルタ電流補償器６６、ＰＷＭ電流偏差補償器６７、フィードフォワード増幅器６８に相当し、同様の動作をする。このため、図１０の三相電圧型交直変換装置１１２は、フィルタ電流補償器１６６で三相電圧型交直変換回路１４０内の三相交流フィルタにおける電流損失分を補償でき、ＰＷＭ電流偏差補償器１６７で三相電圧型交直変換回路１４０からの単相出力電流の電流偏差による損失を補償でき、フィードフォワード増幅器１６８で負荷電流が変化しても安定した出力電圧を発生することができる。

図１１及び図１２に、他の形態の三相電圧型交直変換装置の概略構成図を示す。

図１１及び図１２の三相電圧型交直変換装置１１２は、図９及び図１０の三相電圧型交直変換装置１１２に、目標電流生成手段１６０に入力される入力信号を、三相のうちの１つを基準として互いに直交するα軸及びβ軸のαβ静止座標空間上に変換し、目標電流生成手段１６０に入力するＭ変換回路をさらに備える形態である。

図１１の三相電圧型交直変換装置１１２では、交流端子１２２の三相交流出力電圧を目標電流生成手段１６０に入力される入力信号としている。図１１の三相電圧型交直変換装置１１２は、Ｍ変換回路３１で交流端子１２２の三相出力電圧のうち１つを基準として互いに直交するα軸及びβ軸とするαβ静止座標空間上に変換し、目標電流生成手段１６０の加算器１６３に入力する。Ｍ変換回路３１で交流端子１２２の三相交流出力電圧をαβ静止座標空間上にＭ変換することで、電力系統の振幅及び周波数が変化しても、当該振幅及び周波数に対する三相電圧型交直変換装置１１２の三相交流出力電力の振幅及び周波数のそれぞれを検出できる。

図１０のように、出力電流検出回路１３４が検出した検出電流値をフィードフォワードする場合は、図１２の三相電圧型交直変換装置１１２のように、さらにＭ変換回路３５を備える。図１２の三相電圧型交直変換装置１１２では、出力電流検出回路１３４の検出電流値も目標電流生成手段１６０に入力される入力信号としている。図１２の三相電圧型交直変換装置１１２は、Ｍ変換回路３５で出力電流検出回路１３４の検出電流値のうち１つを基準として互いに直交するα軸及びβ軸とするαβ静止座標空間上に変換し、目標電流生成手段１６０のフィードフォワード増幅器１６８に入力する。

ここで、図１２に示す三相電圧型交直変換装置１１２の具体例を図１３に示す。ここでは、図１２で説明できなかった具体的な構成要素を説明する。

目標電流生成手段１６０は、三相交流フィルタ回路１４５の各相間の出力Ｖｆｉｌ（ｔ）を電圧検出回路１５０で検出し、さらにＭ変換回路３１でＭ変換を行い、交流端子１２２の三相交流出力電圧として受信する。目標電流生成手段１６０は、各相の交流電流を出力電流検出回路１３４で検出し、さらにＭ変換回路３５でＭ変換を行い、検出電流値として受信する。

フィルタ電圧ベクトル指令器１６１は、基準周波数発生部１６１ａ及び規準電圧ベクトル発生部１６１ｂを含み、フィルタ電圧指令ベクトルとして数式３で表されるような理想交流信号を発生させる。加算器１６３は、フィルタ電圧ベクトル指令器１６１からのフィルタ電圧指令ベクトルと三相交流フィルタ回路１４５の各相間の出力Ｖｆｉｌ（ｔ）との差分ベクトルΔＶ（ｔ）を出力する。

ゲート信号発生器１４１は、加算器１４１ａ及びＰＷＭ制御手段１４１ｂを含む。ゲート信号発生器１４１は、目標電流生成手段１６０が出力したＰＷＭ指令ｊ（ｔ）と電流検出回路１４３が検出した各相の出力電流Ｉｐ（ｔ）をＭ変換した値との誤差ベクトルΔ（ｔ）を求めてＰＷＭ制御手段１４１ｂに入力し、ＰＷＭ制御手段１４１ｂで誤差ベクトルΔ（ｔ）に基づくゲート信号を発生させる。さらに、ゲート信号発生器１４１は、発生させたゲート信号を三相電圧型交直変換部１４２に入力する。

図１３の三相電圧型交直変換装置は、図１２の三相電圧型交直変換装置１１２と同様に動作し、直流電圧源２３からの電力を三相交流電力に変換して交流端子１２２−１〜１２２−３から出力することができる。なお、図１３において、Ｅ_Ｂは直流電圧源２３の直流電圧値、Ｉ_Ｐ（ｔ）は三相電圧型交直変換部１４２から出力される各相の交流電流値、Ｌ_Ｐはインダクタ１４７ｄのインダクタンス、Ｒ_Ｆは抵抗１４７ａの抵抗値、Ｃ_Ｆはコンデンサ１４７ｇの容量を示す。

本発明の単相電圧型交直変換装置及び三相電圧型交直変換装置は、並列冗長運転が必要なＵＰＳ（無停電電源装置）の他、太陽光発電用インバータ、燃料電池用インバータ、蓄電システム用インバータ、ＤＣリンク付風力発電用インバータ等の分散電源用インバータ、整流器、並びにＳＶＣ（無効電力補償装置）などに適用することができる。また、本発明に係る単相電圧型交直変換装置は、単相三線式回路にも接続して運転できる。

電圧型交直変換装置の交流端子からみた等価回路である。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置の具体的な構成図である。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置が備える単相電圧型交直変換回路の概略構成図を示す。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置が備える単相電圧型交直変換回路の概略構成図を示す。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置が備える単相電圧型交直変換回路内の単相電圧型交直変換部の概略構成図である。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置が備える単相電圧型交直変換回路内の単相交流フィルタ回路の概略構成図である。 本発明に係る三相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 本発明に係る三相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 本発明に係る三相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 本発明に係る三相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 本発明に係る三相電圧型交直変換装置の具体的な構成図である。 本発明に係る単相電圧型交直変換装置の効果を説明するための図である。（ａ）は交流端子２２の単相交流出力電圧である単相交流フィルタ回路４５の出力Ｖｆｉｌ（ｔ）である。（ｂ）は、ＰＷＭ信号に印加する直流電流である。（ｃ）は、制御時間５５ミリ秒から制御時間６５ミリ秒までのＶｆｉｌ（ｔ）を拡大して示した図である。 従来の単相電圧型交直変換装置の概略構成図である。 従来の三相電圧型交直変換装置の概略構成図である。

符号の説明

１１、２１１：単相電圧型交直変換装置
１１２、３１２：三相電圧型交直変換装置
２１，２１−１，２１−２、１２１、２２１、３２１：直流端子
２２，２２−１，２２−２，２２−３、１２２、１２２−１、１１２−２、１１２−３、２２２、３２２：交流端子
２３：直流電圧源
２４，２５，２６：交流端子
３１、３５：Ｍ変換回路
３７：逆Ｍ変換回路
３４、１３４：出力電流検出回路
４０、２４０：単相電圧型交直変換回路
１４０、３４０：三相電圧型交直変換回路
４０−１，４０−２：単相電圧型交直変換回路
４１、１４１、２４１、３４１：ゲート信号発生器
４１ａ、１４１ａ：加算器
４１ｂ、１４１ｂ：ＰＷＭ制御手段
４２：単相電圧型交直変換部
１４２：三相電圧型交直変換部
４３：電流検出回路
４４：電圧検出回路
４５：単相交流フィルタ回路
１４５：三相交流フィルタ回路
４６ａ、４６ｂ、４６ｅ、４６ｆ：ダイオード
４６ｇ、４６ｈ、４６ｋ、４６ｌ：自己消弧型スイッチ
４７ａ、１４７ａ：抵抗
４７ｄ、１４７ｄ：インダクタ
４７ｇ、１４７ｇ：コンデンサ
５０、１５０、２５０、３５０：電圧検出回路
６０、１６０、２６０、３７０：目標電流生成手段
６１、２６１：フィルタ電圧指令器
１６１、３６１：フィルタ電圧ベクトル指令器
６１ａ、１６１ａ：基準周波数発生部
６１ｂ、１６１ｂ：規準電圧発生部
６３、６５、６９、１６３、１６５、１６９、２６３、２６５、２６９、３６３、３６５、３６９：加算器
６４、１６４：電圧制御器
６６、１６６：フィルタ電流補償器
６７、１６７：ＰＷＭ電流偏差補償器
６８、１６８：フィードフォワード増幅器
７０、１７０、２７０、３７０：補助信号発生器
７１、１７１、２７１、３７１：増幅器
７２、１７２、３７２：積分器
２８２：直流成分抑制手段
３８２：補正量算出手段
３９１：ｄｑ変換回路
３９２：逆ｄｑ変換回路

Claims (7)

1. ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を単相交流電力に変換して交流端子から出力する単相電圧型交直変換回路と、
   前記交流端子から出力される単相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令値を発生させるフィルタ電圧指令器、及び、入力信号として前記交流端子の単相交流出力電圧が入力され、前記フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と前記交流端子の単相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器を有し、前記フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と前記交流端子の単相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段と、
   を備える単相電圧型交直変換装置。
2. 前記交流端子の単相交流出力電流を検出し、検出電流値を入力信号として前記目標電流生成手段へ入力する出力電流検出回路をさらに備え、
   前記目標電流生成手段は、
   前記単相電圧型交直変換回路内の単相交流フィルタ回路における電流損失分を補償するように規定された電流補償値を前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するフィルタ電流補償器、
   前記単相電圧型交直変換回路からの単相交流出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償値を前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するＰＷＭ電流偏差補償器、及び、
   前記出力電流検出回路から入力される検出電流値を所定のゲインで増幅して前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算し、前記交流端子の単相交流出力電流の変化による単相交流出力電圧の変動を補償するフィードフォワード増幅器、
   をさらに有することを特徴とする請求項１に記載の単相電圧型交直変換装置。
3. 前記電圧制御器は、前記フィルタ電圧指令器からのフィルタ電圧指令値と前記交流端子の単相交流出力電圧との差分が入力される、並列に接続された増幅器及び積分器を含み、前記増幅器のゲインをα、前記積分器の積分時定数をＴ_Ｉとしたとき、伝達関数が
   α（１＋１／（Ｔ_Ｉ・Ｓ））
   であることを特徴とする請求項１又は２に記載の単相電圧型交直変換装置。
4. ＰＷＭ指令に基づいて発生させたゲート信号のパルス幅に応じて直流電圧源からの電力を三相交流電力に変換して交流端子から出力する三相電圧型交直変換回路と、
   前記交流端子から出力される三相交流電力の基準となるフィルタ電圧指令ベクトルを発生させるフィルタ電圧ベクトル指令器、及び、入力信号として前記交流端子の三相交流出力電圧が入力され、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分を積分する電圧制御器を有し、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分の積分値が０となるようなＰＷＭ指令を出力する目標電流生成手段と、
   を備える三相電圧型交直変換装置。
5. 前記交流端子の三相交流出力電流を検出し、検出電流値を入力信号として前記目標電流生成手段へ入力する出力電流検出回路をさらに備え、
   前記目標電流生成手段は、
   前記三相電圧型交直変換回路内の三相交流フィルタ回路における電流損失分を補償するように規定された電流補償ベクトルを前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するフィルタ電流補償器、
   前記三相電圧型交直変換回路からの三相交流出力電流の電流偏差を補償するように規定された電流偏差補償ベクトルを前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算するＰＷＭ電流偏差補償器、及び、
   前記出力電流検出回路から入力される検出電流値を所定のゲインで増幅して前記電圧制御器から出力されるＰＷＭ指令に加算し、前記交流端子の三相交流出力電流の変化による三相交流出力電圧の変動を補償するフィードフォワード増幅器、
   をさらに有することを特徴とする請求項４に記載の三相電圧型交直変換装置。
6. 前記電圧制御器は、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分が入力される、並列に接続された増幅器及び積分器を含み、前記増幅器のゲインをα、前記積分器の積分時定数をＴ_Ｉとしたとき、伝達関数が
   α（１＋１／（Ｔ_Ｉ・Ｓ））
   であることを特徴とする請求項４又は５に記載の単相電圧型交直変換装置。
7. 前記目標電流生成手段に入力される入力信号を、三相のうちの１つを基準として互いに直交するα軸及びβ軸のαβ静止座標空間上に変換し、前記目標電流生成手段に入力するＭ変換回路をさらに備え、
   前記電圧制御器は、前記フィルタ電圧ベクトル指令器からのフィルタ電圧指令ベクトルと前記交流端子の三相交流出力電圧との差分が入力される、並列に接続された増幅器及び積分器を含み、前記増幅器のゲインをα、前記積分器の積分時定数をＴ_Ｉとしたとき、伝達関数が
   α（１＋１／（Ｔ_Ｉ・Ｓ））
   であることを特徴とする請求項４又は５に記載の三相電圧型交直変換装置。

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