JP2011193583A

JP2011193583A - ３レベル電力変換装置

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Publication number: JP2011193583A
Application number: JP2010055642A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Tsukagoshi; 昌彦塚越
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2011-09-29
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP5411031B2

Abstract

【課題】実際の応用にあたっての解となる具体的な固定パルスパターンを有する３レベル電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源１の交流電圧を、正、負及びゼロの３レベル電位を有する直流電圧に変換する３レベルコンバータ３と、直流電圧を平滑する２台の平滑コンデンサ４Ａ、４Ｂと、３レベルコンバータ３の入力電流と電流基準値との偏差が最小となるように位相角基準値を出力する電流制御手段１１と、この位相角基準値に基づいて基本周波数が交流電源周波数に同期した固定パルスパターンを発生して３レベルコンバータ３を制御する固定パルスパターン発生手段１２とで構成する。固定パルスパターン発生手段１２は、四半周期のオンオフ位相角が略１１．２°（オン）、１３．８°（オフ）、１６．５°（オン）、２０．０°（オフ）、２１．７°（オン）で、交流電源１側の系統インピーダンスが１５％のとき、変調率を１．２以上とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電力と直流電力の変換を行う電力変換装置に係り、特に交流入力電流に含まれる高調波を低減することの可能な３レベル電力変換装置に関する。

交流電力と直流電力の変換を行う電力変換装置として、３レベル電力変換装置が知られている。この３レベル電力変換装置は、直流側に２台の平滑コンデンサを直列接続し、直流電位を正、負及びゼロの３レベルとすることによって交流側の基本出力の高調波を低減する。そして更にＰＷＭ（パルス幅変調）制御を加えることによって、変調周波数を交流周波数より高く設定して低次の高調波を低減することが可能となる。

しかしながら、ＰＷＭ制御の変調周波数を高くすると、３レベル電力変換装置に使用されているスイッチング素子のスイッチング損失が増え、３レベル電力変換装置の変換効率が低下してしまう。このため、交流電圧に含まれる高調波成分を低減させるような固定パルスパターンによって３レベル電力変換装置を制御する提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。

特開２００２−７８３４６号公報（第４−７頁、図１）

特許文献１に記載された手法によれば、スイッチング周波数を高めることなく交流入力電流に含まれる高調波を低減させることが可能であるが、特定の高調波成分を低減させるような固定パルスパターンを具体的に演算によってどのように求めるかについて記述がなく、実際の応用にあたっての明確な指針が示されていなかった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、実際の応用にあたっての解となる具体的な固定パルスパターンを有する３レベル電力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に、本発明の３レベル電力変換装置は、交流電源の交流電圧を、正電位、負電位及びゼロ電位の３レベルを有する直流電圧に変換する３レベルコンバータと、前記正電位と前記ゼロ電位間、及び前記ゼロ電位と前記負電位間に接続された２台の平滑コンデンサと、前記３レベルコンバータに入力される交流電流と電流基準値との偏差が最小となるように位相角基準値を出力する電流制御手段と、この位相角基準値に基づいて基本周波数が交流電源周波数に同期した固定パルスパターンのスイッチング信号を発生して前記３レベルコンバータを構成するスイッチング素子をオンオフ制御する固定パルスパターン発生手段とを具備し、前記固定パルスパターン発生手段は、前記交流電源の半周期に５パルスで、四半周期のオンオフ位相角がＡ（オン）、Ｂ（オフ）、Ｃ（オン）、Ｄ（オフ）、Ｅ（オン）である固定パルスを発生し、前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの値を夫々１１．２°、１３．８°、１６．５°、２０．０°及び２１．７°とし、前記交流電源の系統インピーダンスが１５％のとき、変調率を１．２以上としたことを特徴としている。

この発明によれば、実際の応用にあたっての解となる具体的な固定パルスパターンを有する３レベル電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置のブロック構成図。３レベルコンバータの回路構成図。代表的な高調波ガイドライン規制を示す図。本発明の３レベル電力変換装置に使用する固定パルスパターン。高調波ガイドライン規制指標と変調率の関係を示す演算結果。固定パルスパターンのパラメータＡの変化に対するミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図。固定パルスパターンのパラメータＢの変化に対するミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図。固定パルスパターンのパラメータＣの変化に対するミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図。固定パルスパターンのパラメータＤの変化に対するミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図。固定パルスパターンのパラメータＥの変化に対するミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図。本発明の実施例２に係る３レベル電力変換装置のブロック構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。

以下、本発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置を図１乃至図１０を参照して説明する。

図１は本発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置のブロック構成図である。交流電源１から供給される交流電圧は入力変圧器２によって適切な電圧に変換され、３レベルコンバータ３に与えられる。

３レベルコンバータ３は図２に示すようにＲ相、Ｓ相及びＴ相の３相を各々を構成するスイッチングレグの並列回路から成っている。各々のスイッチングレグの構成は同一であり、その基本は、自己消弧型スイッチング素子４個で構成される直列回路である。各々のスイッチング素子には夫々逆並列にフライホイールダイオードが接続されている。そして各相のスイッチングレグの中間点に入力変圧器２の対応する各相の２次出力が接続されている。

各相の正側アームの中点、また負側アームの中点には中性点から電流を流す方向にクランプダイオードが夫々接続されている。

そして、スイッチングレグの正電位端と中性点の間に正側コンデンサ４Ａが、また、中性点とスイッチングレグの負電位端の間に負側コンデンサ４Ｂが接続されており、正電位、負電位及び中性点電位の３レベルを有する直流電圧を負荷５に供給する。尚、通常は３レベルコンバータ３は交流側から直流側への順方向の電力変換を行うが、自己消弧型スイッチング素子を使用した回路構成となっているので直流側から交流側への逆方向の電力変換も可能である。

３レベルコンバータ３の交流入力電流は電流検出器６によって検出される。検出された電流はフィードバック電流として電流制御器１１に与えられる。電流制御器１１においては、このフィードバック電流と電流基準との偏差が最小となるような位相基準を出力し、固定スパターン変調器１２に与える。固定パターン変調器１２は、交流電源１の位相と上記位相基準の値だけ位相のずれた固定パルスパターンを発生し、３レベルコンバータを構成するスイッチング素子にゲートパルスを与える。固定パターン変調器１２で使用する固定パルスパターンは、固定パターン設定器２１から与えられる構成となっている。この固定パターン設定器２１で固定パルスパターンを演算によって求めることも可能であるが、通常はこの演算は装置外部で行い、その演算結果を手動設定する。

尚、上記において電流検出器６によって検出された電流を、電圧と同相の有効電流と、電圧と９０度位相のずれた無効電流に分離し、フィードバック電流として上記有効電流を使用すれば、上述の位相制御によって３レベルコンバータ３に流れる有効電流を制御することが可能となる。

図３に、本発明の対象となる固定パルスパターンを示す。固定パルスパターンとは毎周期同一の変調パターンを発生し続ける方式であり、その基本周波数は交流電源１の周波数と同期している。３相各相のパルスは互いに１２０度ずれた同一のパルスとし、図示するように各々のパルスはその１／４周期の波形が９０度を挟んで左右対称となる。また、３レベル変換器のための正側のパルスと負側のパルスは上下対称となる。従って１／４周期のパルスパターンが決定されれば全てのパルスパターンは決まる。

本発明においては、後述する高調波規制の対応と３レベルコンバータ３のスイッチング損失のトレードオフを考慮し、図示するような片側半周期のパルス数を５パルスとした。５パルスであるので１／４のオンオフ回数は５回となり、この５回の角度を夫々Ａ（オン）、Ｂ（オフ）、Ｃ（オン）、Ｄ（オフ）及びＥ（オン）とした。このＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの５つのパラメータによってパルスパターンの特性が決定されることになる。

図３に示した５パルスのパルスパターンのｎ次高調波は、前述した１／４周期対称性を考慮すると、ｋを整数として、ｎ＝６ｋ±１すなわち５、７、１１、１３、・・・の成分だけとなる。そして第ｎ次高調波の振幅は、フーリエ変換によって求めることが可能であり、（１）式となる。

Ｖ_ｎ＝４／ｎπ（ｃｏｓｎＡ−ｃｏｓｎＢ＋ｃｏｓｎＣ−ｃｏｓｎＤ＋ｃｏｓｎＥ）・・・（１）
ここで、（１）式にｎ＝１を代入して求められる基本波振幅Ｖ_１を変調率ｍと定義する。

この変調率ｍは、３レベルコンバータ３の交流入力線間電圧をＶａ、正側または負側の直流電圧をＶｄとしたとき、
（√２／√３）Ｖａ＝ｍＶｄ・・・（２）
で定義される変調率と同一のものである。

（１）式でｎ＝１のときのＥを求めると、
Ｅ＝ｃｏｓ^−１{πｍ／４−（ｃｏｓＡ−ｃｏｓＢ＋ｃｏｓＣ−ｃｏｓＤ）}・・（３）
となる。図３からも分かるように、パラメータＥが増大すれば５パルスの中央のパルス幅が減少して変調率ｍは減少する。そしてパラメータＥが減少すれば、このパルス幅が増大して変調率ｍは４／π＝１．２７に近づく。そこで、本発明では、（３）式を基本としてまずパラメータＥによって変調率ｍを決め、残るパラメータＡ乃至Ｄを高調波の規制条件に応じて決める手法を採用する。

高調波の規制条件は種種考えられるが、本発明においては、まず国内規制の代表である「高圧または特別高圧で受電する需要家の高調波抑制対策ガイドライン」（以下単にガイドラインと呼称する。）、そして海外規制の代表である「ＩＥＥＥ５１９」を対象とする。

図４にこの両者の高調波規制をグラフで示す。高調波規制は５次から４９次までの基本波電流に対する高調波電流の含有率で示されており、ガイドラインでは５次が６．７％、以下順次低減して４９次は１．４％である。これに対し、ＩＥＥＥ５１９では５次が７．０％、以下順次低減して４９次は０．５％となっている。

このように高調波の規制条件は電流で示されている。従って、（１）式の電圧に対して流入する高調波電流を求める必要がある。ｎ次の高調波電流Ｉ_ｎは、３レベルコンバータ３の交流入力から交流電源１を見た交流電源側のインピーダンスを％ＩＺとすると、
Ｉ_ｎ＝Ｖ_ｎ／％ＩＺ・・・（４）
で表すことができる。通常交流電源１そのもののインピーダンスは小さいので、この交流電源側のインピーダンスは、図１にＬ及びＲで示した入力変圧器２のインピーダンスが主体となる。尚、以下の計算には％ＩＺ＝１５％を使用した。

以上述べた各種条件によって、まず変調率ｍを定め、残るパラメータＡ乃至Ｄを高調波の規制条件をクリアする、あるいは規制条件になるべく近くなるように定める。このような計算を行った結果を図５に示す。図５の横軸は変調率ｍ、縦軸はミニマム高調波電流対規制値比である。このミニマム高調波電流対規制値比の意味は、パラメータＡ乃至Ｄを振って各高調波電流の対規制値比を求めたとき、最大の比率が最小となるようなパラメータＡ乃至Ｄの条件における最大の比率ということである。従ってこの値が１以下のとき全ての次数の高調波電流が規制値をクリアすることを意味する。結果を見ると、ガイドラインに対してはクリアする解が無いが、ＩＥＥＥ５１９並びにガイドライン及びＩＥＥＥ５１９の両者の規制に対して、変調率ｍが略１．２以上の領域でクリアしていることが分かる。

変調率ｍ＝１．２２のとき、ミニマム高調波電流対規制値比は０．７８となっている。このときの各パラメータＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの値は、夫々１１．２°、１３．８°、１６．５°、２０．０°及び２１．７°である。

図６は固定パルスパターンのパラメータＡを上記１１．２°を中心に増減させたときのミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図である。この図からパラメータＡが、１０．７６°＜Ａ＜１１．９７°の範囲であれば、成績（上記ミニマム高調波電流対規制値比）は１以下となり規制をクリアすることが分かる。

図７は固定パルスパターンのパラメータＢを上記１３．８°を中心に増減させたときのミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図である。この図からパラメータＢが、１３．０４°＜Ｂ＜１４．４５°の範囲であれば同様に成績は１以下となることが分かる。

図８は固定パルスパターンのパラメータＣを上記１６．５°を中心に増減させたときのミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図である。この図からパラメータＣが、１５．８８°＜Ｃ＜１７．３４°の範囲であれば同様に成績は１以下となることが分かる。

図９は固定パルスパターンのパラメータＤを上記２０．０°を中心に増減させたときのミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図である。この図からパラメータＤが、１９．５９°＜Ｄ＜２０．６３°の範囲であれば同様に成績は１以下となることが分かる。

そして図１０は固定パルスパターンのパラメータＥを上記２１．７°を中心に増減させたときのミニマム高調波電流対規制値比の変化を示す図である。この図からパラメータＥが、２１．０６°＜Ｅ＜２２．３２°の範囲であれば同様に成績は１以下となることが分かる。尚、Ｅ＝２１．０６°のとき変調率は１．２３、Ｅ＝２２．３２°のとき変調率は１．２１となっており、この範囲でパラメータＥを増加させても変調率は１．２以下とはならない。

以上の図７乃至図１０は、他のパラメータを固定した演算を行っているので厳密ではない。しかし、各パラメータの変化に対するミニマム高調波電流対規制値比の変化の感度は低いので、厳密な演算を行う場合と大きな差は生じないものと考えられる。

また上記計算においては、交流電源側のインピーダンスを１５％としたが、（４）式から分かるように、このインピーダンスを例えば１６％と増大すれば、全ての高調波電流の対基本波比率はその次数に従って低減されることになる。従ってインピーダンスの増大比率に応じて上記パラメータＡ乃至Ｅの範囲を広げることが可能となる。逆に、インピーダンスを１４％と低減すれば、全ての高調波電流の対基本波比率はその次数に従って増大することになるので、インピーダンスの低減比率に応じて上記パラメータＡ乃至Ｅの範囲を狭くする必要がある。

通常、変調率ｍの選定は、ＰＷＭ制御の場合、３相のうち１相を１２０度の期間オンを継続する所謂２相変調が最大と考えられ、このときの変調率は１．１５であった。また、１３次までの低次高調波を略ゼロとするような固定パルスパターンを定める場合もこの変調率は１．１５以下であり、変調率を１．１５以上に選定することは行われていない。

ところが、本発明の条件による計算では、変調率ｍを略１．２以上に選定することによって、特にガイドラインとＩＥＥＥ５１９の両者を満たす高調波抑制効果が得られることが分かった。これは予想外の結果と言うことができる。

図１１は本発明の実施例２に係る３レベル電力変換装置のブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１の本発明の実施例１に係る３レベル電力変換装置の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、負荷５に代えて３レベルインバータ５Ａを設け、その出力で交流電動機７を駆動する構成とした点、直流電圧を検出する電圧検出器９を設け、この検出電圧と電圧基準との偏差を最小化するように電流基準を出力する電圧制御器１３を設けた点である。

交流電動機７には速度検出器８が取り付けられており、この速度検出器８から得られる速度フィードバック信号と速度基準の偏差が最小となるように速度制御器１４は電流基準を出力する。そしてこの電流基準と、３レベルインバータ５Ａの出力電流を検出する電流検出器９から得られた電流フィードバックとの偏差が最小となるように電流制御器１５は電圧基準を出力する。そしてこの電圧基準に従ってＰＷＭ制御器１６はＰＷＭ変調を行い、得られた信号で３レベルインバータ５Ａを構成する各スイッチング素子のゲートを駆動する。

この実施例２の構成によれば、交流電源１から流入する高調波電流を規制値以内に低減し、且つ３レベルコンバータ３の損失を低減した状態で交流電動機７の速度制御を行うことが可能となる。

尚、交流電動機７の負荷が変動の少ない流体負荷のような場合には、ＰＷＭ制御器１６に代えて固定パターン変調器１２を使用し、３レベルインバータ５Ａを３レベルコンバータ３と同一の制御を行っても良い。

１交流電源
２入力変圧器
３３レベルコンバータ
４Ａ、４Ｂ平滑コンデンサ
５負荷
５Ａ３レベルインバータ
６、６Ａ電流検出器
７交流電動機
８速度検出器
９電圧検出器
１１電流制御器
１２固定パターン変調器
１３電圧制御器
１４速度制御器
１５電流制御器
１６ＰＷＭ制御器
２１固定パターン設定器

Claims

交流電源の交流電圧を、正電位、負電位及びゼロ電位の３レベルを有する直流電圧に変換する３レベルコンバータと、
前記正電位と前記ゼロ電位間、及び前記ゼロ電位と前記負電位間に接続された２台の平滑コンデンサと、
前記３レベルコンバータに入力される交流電流と電流基準値との偏差が最小となるように位相角基準値を出力する電流制御手段と、
この位相角基準値に基づいて基本周波数が交流電源周波数に同期した固定パルスパターンのスイッチング信号を発生して前記３レベルコンバータを構成するスイッチング素子をオンオフ制御する固定パルスパターン発生手段と
を具備し、
前記固定パルスパターン発生手段は、
前記交流電源の半周期に５パルスで、四半周期のオンオフ位相角がＡ（オン）、Ｂ（オフ）、Ｃ（オン）、Ｄ（オフ）、Ｅ（オン）である固定パルスを発生し、
前記Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの値を夫々略１１．２°、１３．８°、１６．５°、２０．０°及び２１．７°とし、
前記交流電源側のインピーダンスが１５％のとき、
変調率を１．２以上としたことを特徴とする３レベル電力変換装置。
前記各々の位相角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの範囲を、
１０．７６°＜Ａ＜１１．９７°
１３．０４°＜Ｂ＜１４．４５°
１５．８８°＜Ｃ＜１７．３４°
１９．５９°＜Ｄ＜２０．６３°
２１．０６°＜Ｅ＜２２．３２°
とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の３レベル電力変換装置。
前記交流電源の系統インピーダンスが１５％から減少したとき、その減少比率に応じて前記各々の位相角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの範囲を狭くし、１５％から増大したときはその増大比率に応じて前記各々の位相角Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ及びＥの範囲を広くするようにしたことを特徴とする請求項２に記載の３レベル電力変換装置。
前記電流基準値は、前記負電位と前記正電位との間の直流電圧と電圧基準との偏差が最小となるように電圧制御手段から出力されたものであることを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。
前記３レベルを有する直流電圧を入力とし、交流電動機を駆動する３レベルインバータを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか１項に記載の３レベル電力変換装置。