JP2009232682A - 変換器回路の動作方法およびこの方法を実行するための装置 - Google Patents

Abstract

【課題】システム電圧の高調波成分を減少させる。
【解決手段】多数の駆動可能な電力半導体スイッチを備えた変換器２と、３相のＡＣ電圧システム１を有する変換器回路において、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号Ｓ_Ｒから形成される駆動信号Ｓ_Ａにより駆動され、制御信号Ｓ_Ｒはシステム電流のＨ番目の高調波成分ｉ_ＮＨをシステム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}に調節することにより形成され、システム電圧の高調波成分を減少させるため、システム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}はシステム電圧のＨ番目の高調波成分を予め決定可能なシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}へ調節することにより形成され、システム電圧のＨ番目の高調波成分とシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}からの制御差はＨ番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスｙ_ＮＨにより加重される。
【選択図】図１

Description

本発明は電力電子装置の分野に関する。これは独立請求項の前置きによる変換器回路の動作方法及びこの方法を実行するための装置に基づいている。

通常の変換器回路は少なくとも２つの切換え電圧レベルを切換えるため、既知の方法で相互に接続されている多数の駆動可能な電力半導体スイッチを具備している。典型的に、このような変換器装置は特に３相設計であるＡＣ電圧システムに接続されている。このような変換器回路はしばしば産業施設で使用されており、変換器回路が電力供給システムに結合されており、したがってさらに別の使用分野および可能な使用が考えられる。

変換器回路の動作では、システム電流のＨ番目の高調波成分をシステム電流設定点値に調節することにより制御信号を形成するための制御装置を有する装置が設けられ、その制御装置は制御信号から駆動信号を形成するための駆動回路を介して駆動可能な電力半導体スイッチへ接続され、Ｈ番目の高調波成分は変換器回路により発生され、通常はＨ＝１、２、３…等である。Ｈの典型的な値はＨ＝５、７、１１、１３である。駆動信号はそれ故電力半導体スイッチを駆動するために使用される。

変換器回路を動作するための前述の方法は、制御装置によってシステム電流のＨ番目の高調波成分をシステム電流設定点にするように調節することを可能にしている。しかしながら、ＡＣ電圧システムでは、システム電流中の高調波成分に加えて、高調波成分がシステム電圧で生じることが可能であるが、それは前述の既知の方法によっては調節されることはできず、それ故それを減少させることができない。

それ故、本発明の１目的は変換器回路の動作方法を特定することであり、それによって変換器回路に接続されたＡＣ電圧システムのシステム電圧中の高調波成分を減少させることができる。本発明のさらに別の目的は特定の簡単な方法で実行することができる装置を特定することである。

これらの目的はそれぞれ請求項１と請求項１０の特徴により解決される。本発明の有効な発展形態は従属請求項で与えられている。

変換器回路は多数の駆動可能な電力半導体スイッチを有する変換器装置を有し、３相のＡＣ電圧システムに接続されている。変換器回路を動作する本発明による方法では、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号から形成された駆動信号により駆動され、制御信号はシステム電流のＨ番目の高調波成分をシステム電流設定点値へ調節することにより形成され、ここでＨ＝１、２、３…である。本発明によれば、システム電流設定点値はシステム電圧のＨ番目の高調波成分をシステム電圧設定点値へ調節することにより形成され、システム電圧のＨ番目の高調波成分とシステム電圧設定点値からの制御差はＨ番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスにより加重されている。したがってシステム電圧の対応するＨ番目の高調波成分はシステム電流設定点値の形成に直接影響し、システム電圧のＨ番目の高調波成分は所望の程度まで有効に減少されることができる。システムインピーダンスは典型的に時間にわたって変化し、これは最終的に電流パスの変化に対応するので、調節に関係される制御装置はその制御装置のパラメータに関して毎回、変更されたシステムインピーダンスに一致されるかまたはリセットされる必要がある。システムインピーダンスは制御装置の入力に直接影響し、それ故調節に直接影響するので、制御差がシステムインピーダンスにより加重されている結果として調節に関係する制御装置の制御装置パラメータのこのような一致またはリセットと、さらに制御装置の再設計は非常に有効に過剰である。

変換器回路の動作方法を実行するための本発明による装置は、制御信号Ｓ_Ｒを発生するために使用される制御装置を有し、その制御装置は駆動信号を形成するための駆動回路を介して駆動可能な電力半導体スイッチに接続され、制御装置はシステム電流のＨ番目の高調波成分をシステム電流設定点値へ調節することにより制御信号を形成するための第１の制御装置を有し、ここでＨ＝１、２、３…である。本発明によれば、制御装置はシステム電圧のＨ番目の高調波成分を予め決定可能なシステム電圧設定点値へ調節することによりシステム電流設定点値を形成するための第２の制御装置を有し、システム電圧のＨ番目の高調波成分とシステム電圧設定点値からの制御差はＨ番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスにより加重されている。回路に関係する複雑性は非常に低くされることができ、さらに少数のコンポーネントしか設計に必要とされないので、変換器回路の動作方法を実行するための本発明による装置はそれ故、非常に簡単で廉価に実現されることができる。本発明による方法はそれ故、この装置により特に簡単な方法で実行されることができる。

本発明のこれらの目的及びさらに別の目的、効果、特徴は図面を伴った本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。

変換器回路を動作するための本発明による方法を実行する本発明による装置の１実施形態を示す図。 本発明による制御装置の１実施形態を示す図。 システム電圧のＨ番目の高調波成分の絶対値の時間プロフィールを示す図。

図面で使用されている参照符合とそれらの意味が参照符合のリスト中にまとめて記載されている。原理的に、同一の部分には図面では同じ参照符合が設けられている。記載されている実施形態は本発明の主題の例示であり、限定ではない。
図１は変換器回路を動作するための本発明による方法を実行する本発明による装置の１実施形態を示している。図１に示されているように、変換器回路は多数の駆動可能な電力半導体スイッチを備え、３相のＡＣ電圧システムに接続されている変換器２を有している。変換器回路は通常２以上のＤＣ切換え電圧レベルを切換えるための任意の形態の変換器２（マルチレベル変換器回路）であることができることを述べておく。変換器回路を動作するための本発明による方法では、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号Ｓ_Ｒから形成される駆動信号Ｓ_Ａにより駆動され、制御信号Ｓ_Ｒはシステム電流のＨ番目の高調波成分ｉ_ＮＨをシステム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}に調節することにより形成され、ここでＨ＝１、２、３…である。本発明によれば、システム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}はシステム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨを予め決定可能なシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}へ調節することにより形成され、システム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨとシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}からの制御差ｕ_{ＮＨｄｉｆｆ}はＨ番目の高調波成分に関して決定されたシステムインピーダンスｙ_ＮＨにより加重されている。したがってシステム電圧の対応するＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨはシステム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}の形成に直接影響し、その結果システム電圧のＨ番目の高調波成分は所望の程度まで有効に減少されることができる。制御差がシステムインピーダンスにより加重されている結果として、システムインピーダンスｙ_ＮＨは制御装置の入力に直接影響し、それ故調節に直接影響するので、調節に関係する制御装置の制御装置パラメータの整合またはリセットと、さらに典型的に時間にわたって変化するシステムインピーダンスｙ_ＮＨによる制御装置の再設計は不要である利点がある。

システム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨの絶対値の時間プロフィールが図３に示されており、これは時間ｔにわたるＨ番目の高調波成分の著しい減少を示している。

システムインピーダンスｙ_ＮＨは典型的にＨ番目の高調波成分に関して時間にわたって変化することができるので、システム電圧の変化の絶対値｜Δｕ_ＮＨ｜は好ましくはしきい値ｕ_{ＮＨＴｏｌ}に関して監視される。しきい値ｕ_{ＮＨＴｏｌ}が超過される度に、システムインピーダンスｙ_ＮＨは再決定される。システムインピーダンスｙ_ＮＨを決定するため、例えばＨ番目の高調波成分に関する現在のシステム電圧変化Δｕ_ＮＨとＨ番目の高調波成分に関する現在のシステム電流変化Δｉ_ＮＨが確かめられ、その後システムインピーダンスｙ_ＮＨは計算によりこの値から決定される。例えば測定のようなシステムインピーダンスｙ_ＮＨを決定する他の可能な方法も考えられることを述べておく。

好ましくはシステム電圧のＨ番目の高調波ｕ_ＮＨはシステム電圧ｕ_Ｎｄとｕ_Ｎｑのパーク-クラーク変換から形成され、ｕ_Ｎｄとｕ_Ｎｑはシステム電圧のパーク-クラーク変換の対応する成分である。

パーク-クラーク変換は通常次式により規定される。
／ｘ＝（ｘ_ｄ＋ｊｘ_ｑ）ｅ^ｊωｔ
ここで／ｘは通常、複素変数であり、ｘ_ｄは変数／ｘのパーク-クラーク変換のｄ成分であり、ｘ_ｑは変数／ｘのパーク-クラーク変換のｑ成分である。複素変数／ｘの基本波だけではなく、生じる複素変数／ｘの全ての高調波がパーク-クラーク変換で変換される利点がある。それ故Ｈ番目の高調波成分も含まれ、簡単な濾波により抽出されることができる。

本発明による方法に関して、システム電圧値ｕ_Ｎｄおよびｕ_Ｎｑのパーク-クラーク変換は有効に、システム電圧ｕ_Ｎαおよびｕ_Ｎβの空間ベクトル変換により形成され、即ちシステム電圧ｕ_Ｎａ、ｕ_Ｎｂ、ｕ_Ｎｃは空間ベクトル変換により変換される。

空間ベクトル変換は次式のように規定される。
／ｘ＝ｘ_α＋ｊｘ_β
ここで／ｘは通常、複素変数であり、ｘ_α変数／ｘの空間ベクトル変換のα成分であり、ｘ_βは変数／ｘの空間ベクトル変換のβ成分である。

好ましくはシステム電流のＨ番目の高調波成分ｉ_ＮＨはシステム電流ｉ_Ｎｄおよびｉ_Ｎｑのパーク-クラーク変換から形成され、ｉ_Ｎｄとｉ_Ｎｑはシステム電流のパーク-クラーク変換の対応する成分である。さらに、システム電流ｉ_Ｎｄとｉ_Ｎｑのパーク-クラーク変換はシステム電流ｉ_Ｎαとｉ_Ｎβの空間ベクトル変換から形成され、即ちシステム電流ｉ_Ｎａとｉ_Ｎｂとｉ_Ｎｃは空間ベクトル変換により変換される。

既に述べたようにシステム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨを予め決定可能なシステム電圧設定点値ｕ_{ＮＨｒｅｆ}に調節することは、簡単さを特徴とする比例／積分特性にしたがって行われることが好ましい。しかしながら代わりに、システム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨを予め決定可能なシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}に調節することが反復的に速示（dead-beat）特性にしたがって行われることも考えられる。反復による速示特性にしたがった調節では、次式が形成に使用されることが好ましい。
ｉ_{ＮＨｒｅｆ}＝ｉ_{ＮＨｒｅｆ，ｏｌｄ}＋（ｕ_ＮＨ−ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）・ｙ_ＮＨ・ｋ
システム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}は各反復ステップで再形成され、ｉ_{ＮＨｒｅｆ，ｏｌｄ}は先行する反復ステップのシステム電流設定点値であり、ｋは補正係数であり、これは有効に０．１から１の程度の大きさであるように選択される。しかしながら任意の他の制御特性も考えられることを述べておく。

既に述べたように、図１は変換器回路を動作するための本発明による方法を実行する本発明による装置の１実施形態を示している。図１に示されているように、制御信号Ｓ_Ｒを発生するために使用される制御装置４は駆動信号Ｓ_Ａを形成するため駆動回路３を介して変換器２の駆動可能な電力半導体スイッチに接続されている。図２は、システム電流のＨ番目の高調波成分ｉ_ＮＨをシステム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}に調節することにより制御信号Ｓ_Ｒを形成するための第１の制御装置５を有する本発明による制御装置４の１実施形態を示しており、ここでＨ＝１、２、３…である。本発明によれば、制御装置４は、システム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨを予め決定可能なシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}へ調節することによりシステム電流設定点値ｉ_{ＮＨｒｅｆ}を形成する第２の制御装置６を有し、システム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨとシステム電圧設定点ｕ_{ＮＨｒｅｆ}からの制御差ｕ_{ＮＨｄｉｆｆ}はＨ番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスｙ_ＮＨにより加重されている。

システム電圧のＨ番目の高調波成分ｕ_ＮＨを予め決定可能なシステム電圧設定点値ｕ_{ＮＨｒｅｆ}へ調節する第２の制御装置６は図２に示されるように制御装置11を具備し、この制御装置11は例えば（既に前述した）対応する特性を有する比例／積分制御装置の形態であるかまたは（既に前述した）対応する特徴を有する速示制御装置の形態であることができる。しかしながら、その対応する制御特性を有する任意の他の制御装置も考えられることができる。

図２によれば、制御装置４はシステム電圧Ｕ_Ｎα、Ｕ_Ｎβの空間ベクトル変換からシステム電圧Ｕ_Ｎｄ、Ｕ_Ｎｑのパーク-クラーク変換を形成し、システム電圧Ｕ_Ｎｄ、Ｕ_Ｎｑのパーク-クラーク変換からシステム電圧のＨ番目の高調波成分Ｕ_ＮＨを形成するための第１の計算装置７を付加的に有する。

さらに、図２によれば、制御装置４はシステム電圧Ｕ_Ｎα、Ｕ_Ｎβの空間ベクトル変換を形成するための第２の計算装置８を有する。さらに制御装置４はシステム電流ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑの空間ベクトル変換からシステム電流ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑのパーク-クラーク変換を形成し、システム電流ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑのパーク-クラーク変換からシステム電流のＨ番目の高調波成分ｉ_ＮＨを形成するための第３の計算装置９を具備している。制御装置４はさらにシステム電流ｉ_Ｎα、ｉ_Ｎβの空間ベクトル変換を形成するための第４の計算装置10を有している。

詳細に前述した方法と、この方法を実行するための関連装置はシステム電圧のＨ番目の高調波成分Ｕ_ＮＨを減少させる。言うまでもなく、例えばシステム電圧の複数の高調波成分を減少させるために、対応する方法ステップを有する前述の方法は各これらの各高調波成分に対して別々に実行される。方法を実行するための装置に関しては、高調波成分を減少するために、前述したように関連される装置がこれらの各高調波成分で必要とされる。

本発明による方法の全てのステップは、ソフトウェアとして実行されることができ、前記ソフトウェアはその後、例えば特にデジタル信号プロセッサによりコンピュータシステムにロードされ、前記コンピュータシステムで実行されることができる。さらに、詳細に説明した本発明の装置はコンピュータシステムにおいて、特にデジタル信号プロセッサにおいて構成されることもできる。

全体的に、特に図１および２で示されている本発明による装置は、回路の複雑性が非常に低く維持され、少数のコンポーネントしか設計に必要とされないので、非常に簡単で価格が効率的に実現されることができる。本発明による方法はそれ故、この装置を使用して特に簡単な方法で実行されることができる。

符合の説明

１…ＡＣ電圧システム、２…変換器装置、３…駆動回路、４…制御装置、５…第１の制御装置、６…第２の制御装置、７…第１の計算装置、８…第２の計算装置、９…第３の計算装置、10…第４の計算装置、11…制御装置。

Claims (15)

1. 複数の駆動可能な電力半導体スイッチを備えた変換器（２）と、３相のＡＣ電圧システム（１）を有し、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号（Ｓ_Ｒ）から形成される駆動信号（Ｓ_Ａ）により駆動され、制御信号（Ｓ_Ｒ）はシステム電流のＨ番目（Ｈ＝１、２、３…である）の高調波成分（ｉ_ＮＨ）をシステム電流設定点値（ｉ_{ＮＨｒｅｆ}）に調節することにより形成される変換器回路の動作方法において、
   システム電流設定点値（ｉ_{ＮＨｒｅｆ}）はシステム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）を予め決定可能なシステム電圧設定点値（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）へ調節することにより形成され、システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）とシステム電圧設定点（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）からの制御差（ｕ_{ＮＨｄｉｆｆ}）はＨ番目の高調波成分に関して決定されたシステムインピーダンス（ｙ_ＮＨ）によって加重されることを特徴とする方法。
2. Ｈ番目の高調波成分に関して、しきい値（ｕ_{ＮＨＴｏｌ}）方向へのシステム電圧の変化の絶対値（｜Δｕ_ＮＨ｜）が監視され、
   しきい値（ｕ_{ＮＨＴｏｌ}）が超過される度に、システムインピーダンス（ｙ_ＮＨ）が決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
3. システムインピーダンス（ｙ_ＮＨ）はＨ番目の高調波成分に関するシステム電圧の変化（Δｕ_ＮＨ）とシステムの電流変化（Δｉ_ＮＨ）から決定されることを特徴とする請求項１記載の方法。
4. システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）はシステム電圧（ｕ_Ｎｄ）と（ｕ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換から形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の方法。
5. システム電圧値（ｕ_Ｎｄ、ｕ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換はシステム電圧（ｕ_Ｎα、ｕ_Ｎβ）の空間ベクトル変換から形成されることを特徴とする請求項４記載の方法。
6. システム電流のＨ番目の高調波成分（ｉ_ＮＨ）はシステム電流（ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換から形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の方法。
7. システム電流（ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換はシステム電流（ｉ_Ｎα、ｉ_Ｎβ）の空間ベクトル変換から形成されることを特徴とする請求項６記載の方法。
8. システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）の予め決定可能なシステム電圧設定点値（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）への調節は、比例／積分特性にしたがって行われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
9. システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）の予め決定可能なシステム電圧設定点値（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）への調節することは、反復的に速示特性にしたがって行われることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項記載の方法。
10. 複数の駆動可能な電力半導体スイッチを有する変換器（１）を備え、３相のＡＣ電圧システムに接続されている変換器回路を動作する方法を実行する装置において、
    制御信号（Ｓ_Ｒ）を発生するために使用される制御装置（４）は駆動信号（Ｓ_Ａ）を形成するための駆動回路（３）を介して駆動可能な電力半導体スイッチに接続されており、制御装置（４）はシステム電流のＨ番目の高調波成分（ｉ_ＮＨ）をシステム電流設定点値（ｉ_{ＮＨｒｅｆ}）に調節することにより制御信号（Ｓ_Ｒ）を形成する第１の制御装置（５）を有しており、ここでＨ＝１、２、３…であり、
    前記制御装置（４）は、システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）を予め決定可能なシステム電圧設定点（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）へ調節することによりシステム電流設定点値（ｉ_{ＮＨｒｅｆ}）を形成する第２の制御装置（６）を有し、システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）とシステム電圧設定点値（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）からの制御差（ｕ_{ＮＨｄｉｆｆ}）はＨ番目の高調波成分に関して決定されたシステムインピーダンス（ｙ_ＮＨ）により加重されていることを特徴とする装置。
11. 前記制御装置（４）はシステム電圧（Ｕ_Ｎα、Ｕ_Ｎβ）の空間ベクトル変換からシステム電圧（Ｕ_Ｎｄ、Ｕ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換を形成し、システム電圧（Ｕ_Ｎｄ、Ｕ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換からシステム電圧のＨ番目の高調波成分（Ｕ_ＮＨ）を形成するための第１の計算装置（７）を有していることを特徴とする請求項１０記載の装置。
12. 前記制御装置（４）は、システム電圧（Ｕ_Ｎα、Ｕ_Ｎβ）の空間ベクトル変換を形成するための第２の計算装置（８）を有している請求項１１記載の装置。
13. 前記制御装置（４）はシステム電流（ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑ）の空間ベクトル変換からシステム電流（ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換を形成し、システム電流（ｉ_Ｎｄ、ｉ_Ｎｑ）のパーク-クラーク変換からシステム電流のＨ番目の高調波成分（ｉ_ＮＨ）を形成するための第３の計算装置（９）を具備していることを特徴とする請求項１０乃至１２のいずれか１項記載の装置。
14. 前記制御装置（４）はさらにシステム電流（ｉ_Ｎα、ｉ_Ｎβ）の空間ベクトル変換を形成するための第４の計算装置（10）を有していることを特徴とする請求項１３記載の装置。
15. システム電圧のＨ番目の高調波成分（ｕ_ＮＨ）を予め決定可能なシステム電圧設定点値（ｕ_{ＮＨｒｅｆ}）へ調節するための第２の制御装置（６）は別の１つの制御装置（11）を具備していることを特徴とする請求項１０乃至１４のいずれか１項記載の装置。

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