JP2011239564A - Neutral point clamp type power conversion equipment - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、鉄道車両などに用いられる中性点クランプ式電力変換装置に関する。 The present invention relates to a neutral point clamp type power converter used for a railway vehicle or the like.
鉄道車両では、3レベル出力のNPC変換器が主変換装置(単相コンバータ+3相インバータ)に用いられる場合がある。このシステムは、通常の2レベル出力変換器に比べ、高調波が小さい特徴がある。レールに流れる電流の高周波帯域は、列車の信号として用いられるため、高調波が小さい同システムが適している。 In a railway vehicle, a three-level output NPC converter may be used for a main converter (single-phase converter + three-phase inverter). This system is characterized by less harmonics than a normal two-level output converter. Since the high-frequency band of the current flowing through the rail is used as a train signal, the system with small harmonics is suitable.
しかしながら、同システム固有の現象であるインバータ出力周波数の3倍の高周波が発生する。この高周波の周波数スペクトル成分がインバータ出力周波数の変動と共に動き、ATCなどで用いられる信号帯(500Hz〜2kHz付近の非同期成分)を横切り、問題となる場合がある(このような500Hz〜2kHz信号帯があるかどうか、その許容レベルがどうか、による)。この要因は、PCインバータから中性点へ流れる電流により、中性点の電位がインバータ出力周波数の3倍で脈動し、この成分が単相NPCコンバータから帰線(レール)へ流れるからである。 However, a high frequency three times the inverter output frequency, which is a phenomenon unique to the system, is generated. The frequency spectrum component of this high frequency moves with the fluctuation of the inverter output frequency, and crosses the signal band (asynchronous component in the vicinity of 500 Hz to 2 kHz) used in ATC or the like, which may cause a problem (such a signal band of 500 Hz to 2 kHz). Depending on whether it is present and its tolerance level). This is because the current flowing from the PC inverter to the neutral point causes the potential at the neutral point to pulsate at three times the inverter output frequency, and this component flows from the single-phase NPC converter to the return line (rail).
特に、鉄道車両の場合、前記ATC等の信号周波数帯の帰線電流許容値は、基本波電流(50Hz/60Hz)の10000分の1程度のオーダーと微弱なレベルであり、厳密な抑制が要求される。 In particular, in the case of a railway vehicle, the return current allowable value of the signal frequency band such as the ATC is on the order of 1 / 10,000 of the fundamental current (50 Hz / 60 Hz), which is a weak level, and strict suppression is required. Is done.
この問題に対して、登録3585733では、インバータとコンバータの中性点を切り離して、インバータによる影響がコンバータ出力に現われないようにしている。しかしながら、コンバータ・インバータの個々にコンデンサが分割されるため、直流安定化のための総容量が増加するなど課題がある。 With respect to this problem, registration 3585733 separates the neutral point of the inverter and the converter so that the influence of the inverter does not appear in the converter output. However, since capacitors are individually divided into converters and inverters, there are problems such as an increase in total capacity for stabilizing the DC.
一方、中性点電位の変動を抑制する制御法として、登録3182322では、インバータの3相出力電圧に対して、一定のバイアス電圧を重畳する方式がある。しかしながら、このバイアス電圧の大きさに制限を受けて、出力電圧が大きい領域では利用できない課題がある。 On the other hand, as a control method for suppressing the fluctuation of the neutral point potential, registration 3182322 has a method of superimposing a constant bias voltage on the three-phase output voltage of the inverter. However, there is a problem that it cannot be used in a region where the output voltage is high due to the limitation of the magnitude of the bias voltage.
バイアス電圧量を中性点電位のアンバランス量に応じて制御する方式もあるが、フィードバック制御になるため、インバータ出力周波数が高くなり、中性点電位の脈動周波数が高くなる領域では、十分な効果が得られない。 Although there is a method of controlling the bias voltage amount according to the unbalance amount of the neutral point potential, since feedback control is performed, the inverter output frequency becomes high and the neutral point potential pulsation frequency becomes high. The effect is not obtained.
また、フィードフォワード方式として、特開平8−317663には、3相NPCインバータが理論上、中性点電位変動を生じない演算方式が提案されているが、演算式が複雑であり、実用化は難しかった。 Further, as a feedforward method, Japanese Patent Laid-Open No. 8-317663 proposes a calculation method in which a three-phase NPC inverter theoretically does not cause a neutral point potential fluctuation, but the calculation formula is complicated and practical use is not possible. was difficult.
本発明は、三相NPC変換器の中性点電流および中性点電位の脈動を、高い周波数成分まで簡単な制御アルゴリズムにて精度よく抑制する方式を実現することを目的とする。 An object of the present invention is to realize a method for accurately suppressing pulsation of a neutral point current and a neutral point potential of a three-phase NPC converter to a high frequency component with a simple control algorithm.
本発明の一実施例に係る中性点クランプ式電力変換装置は、3つの電位を有した直流電源に接続され三相負荷を駆動する、3レベルを出力可能な中性点クランプ式(NPC)の三相インバータと、三相電圧指令を演算する手段12と、前記三相電圧指令および前記負荷電流に流れる電流に応じて、前記中性点電位の変動を抑制するように零相バイアス電圧補償量を演算する中性点電位変動抑制手段23と、当該零相バイアス電圧補償量を前記三相電圧指令に加算して補正する手段14とを具備し、前記中性点電位変動抑制手段23は、少なくとも前記三相電圧指令の絶対値およびその符号と負荷電流に応じて、前記零相バイアス電圧補償量を演算する手段を具備する。
A neutral point clamp type power converter according to an embodiment of the present invention is a neutral point clamp type (NPC) capable of outputting three levels, which is connected to a DC power source having three potentials and drives a three-phase load. Three-phase inverter, means 12 for calculating a three-phase voltage command, and zero-phase bias voltage compensation so as to suppress fluctuations in the neutral potential according to the three-phase voltage command and the current flowing through the load current A neutral point potential fluctuation suppressing means 23 for calculating the amount, and a
三相NPC変換器の中性点電流および中性点電位の脈動を、高い周波数成分まで簡単な制御アルゴリズムにて精度よく抑制する方式を実現する。 A system for accurately suppressing pulsation of the neutral point current and neutral point potential of the three-phase NPC converter up to a high frequency component with a simple control algorithm is realized.
以下、本発明に係る中性点クランプ式電力変換装置の実施例について、図面を参照して説明する。 Embodiments of a neutral point clamp type power converter according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
(第1実施例)
第1実施例を図1に示す。本実施例は鉄道の交流電気車駆動システムを対象に記載している。単相交流架線電力をパンタグラフ1、主変圧器2を介して受電し、単相NPC(中性点クランプ式)PWMコンバータ3により、交流から直流に変換する。コンバータ3とインバータ6を結ぶ配線及びフィルタコンデンサ4−1、4−2の直列回路は直流リンク部を構成する。この直流リンク部は、このフィルタコンデンサ4−1、4−2により3レベルを有している。直流リンク部には、三相NPC−PWMインバータ6が接続され、三相NPC−PWMインバータ6は主電動機(誘導電動機)7を駆動する。
(First embodiment)
A first embodiment is shown in FIG. This embodiment is described for a railway AC electric vehicle drive system. Single-phase AC overhead power is received through the
上記の主回路に対する制御部は、ベクトル制御に基づいて主回路を制御する。ここでは主電動機7の回転子の磁束軸をD軸とし、D軸に直交する軸をQ軸とするDQ軸回転座標系を導入している。記載してはいないが、D軸電流指令Id*,Q軸電流指令Iq*は、ノッチ指令に対応するトルク指令や速度に応じて決定されるものである。DQ軸電流指令Id*,Iq*に応じて、すべり周波数演算部17にて、すべり周波数wsを次式のように算出する。
The control unit for the main circuit controls the main circuit based on vector control. Here, a DQ axis rotation coordinate system is introduced in which the magnetic flux axis of the rotor of the main motor 7 is the D axis and the axis orthogonal to the D axis is the Q axis. Although not shown, the D-axis current command Id * and the Q-axis current command Iq * are determined according to the torque command and speed corresponding to the notch command. In accordance with the DQ axis current commands Id * and Iq *, the
Ws=R2/L2*Iq*/Id* …(1)
ここでR2は主電動機7の2次抵抗値、L2は主電動機7の自己インダクタンスである。主電動機7には回転速度検出器8を有しており、検出された回転速度Wrと、すべり周波数Wsを加算器18で加算することにより、インバータ出力周波数W1を決定する。W1は、積分器19にて積分されて、静止座標系の基準軸(例えばU相)からD軸までの位相差θdqとなる。
Ws = R2 / L2 * Iq * / Id * (1)
Here, R2 is the secondary resistance value of the main motor 7, and L2 is the self-inductance of the main motor 7. The main motor 7 has a
主電動機7の電流は、電流検出器9により検出されて、座標変換器20にて三相DQ変換されてD軸電流Id,Q軸電流Iqとなる。電流制御部10には、D軸電流偏差(=Id*−Id)とQ軸電流偏差(=Iq*−Iq)が入力されて、PI制御器などにより、それぞれの電流がそれぞれの電流指令に追従するようにインバータ出力のDQ軸電圧指令(Vd*,Vq*)が決定される。座標変換部11では、DQ三相変換により、三相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*が演算される。
The current of the main motor 7 is detected by the current detector 9 and three-phase DQ converted by the
直流リンク部のコンデンサ4−1の電圧は正側直流電圧VdcPと呼び、コンデンサ4−2の電圧は負側直流電圧VdcNと呼ぶ。それぞれ直流電圧検出器5により検出され、加算器22によって加算されて直流リンク部全体の直流電圧Vdcが算出される。
The voltage of the capacitor 4-1 in the DC link unit is called a positive DC voltage VdcP, and the voltage of the capacitor 4-2 is called a negative DC voltage VdcN. Each is detected by the DC voltage detector 5 and added by the
三相変調率指令演算部12では、三相電圧指令Vu*,Vv*,Vw*と直流電圧Vdcから、三相変調率指令Au*,Av*,Aw*を次式のように計算する。
The three-phase modulation rate
Au*=Vu*/(Vdc/2)
Av*=Vv*/(Vdc/2) …(2)
Aw*=Vw*/(Vdc/2)
ここで、NPC変換器は、前述のように3レベルを有しており、その中性点が変動する。これを抑制するのが中性点電位抑制制御部23である。中性点電位抑制制御部23は、座標変換部16、零相バイアス補償量演算部13、加算器14から構成される。座標変換器16では、DQ軸電流指令Id*,Iq*を入力し、三相電流指令Iu*,Iv*,Iw*を演算する。零相バイアス補償量演算部13では、三相変調率指令Au*,Av*,Aw*と三相電流指令Iu*,Iv*,Iw*に基づき、零相バイアス補償量NPcmpALを演算する。零相バイアス補償量NPcmpALは、加算器14にて三相変調率指令Au*,Av*,Aw*と加算され、補正後三相変調率指令Au**,Av**,Aw**が出力される。
Au * = Vu * / (Vdc / 2)
Av * = Vv * / (Vdc / 2) (2)
Aw * = Vw * / (Vdc / 2)
Here, the NPC converter has three levels as described above, and its neutral point varies. It is the neutral point potential
補正後三相変調率指令Au**,Av**,Aw**は、ゲート指令生成部15にて、キャリア発生部21で生成されたNPC変換器用のキャリアCAR1,CAR2と比較されて、インバータ6の各スイッチング素子へのゲート指令が生成される。
The corrected three-phase modulation rate commands Au **, Av **, and Aw ** are compared with the carriers CAR1 and CAR2 for the NPC converter generated by the
ここで、本実施例の特徴部分である零相バイアス補償量演算部13の詳細構成を図2に示す。基本的な構成は、中性点電流基準InpRefを中性点電流変化量InpRef2で除して、零相バイアス補償量NPcmpALを算出するものである。
Here, a detailed configuration of the zero-phase bias compensation
中性点電流基準InpRefは、三相変調率指令Au*,Av*,Aw*によりインバータがスイッチング動作し、三相電流指令Iu*,Iv*,Iw*に一致したモータ電流Iu,Iv,Iwが流れた場合に、中性点に流れる電流を予測するものである。中性点電位Vnpは、中性点(コンデンサ4−1と4−2の接続点)からインバータの中性点電流InINVが図中矢印のように流れ出すと、コンデンサ4−2は放電され、コンデンサ4−1は充電されるので下がる。逆に中性点に中性点電流InINVが流れ込むと、コンデンサ4−2は充電され、コンデンサ4−1は放電されるので中性点電位Vnpは上がる。本発明の1実施例は、この中性点電流をできるだけ0に抑えることを目的としている。 The neutral point current reference InpRef is a motor current Iu, Iv, Iw that matches the three-phase current commands Iu *, Iv *, Iw * by switching the inverter according to the three-phase modulation rate commands Au *, Av *, Aw *. When the current flows, the current flowing to the neutral point is predicted. The neutral point potential Vnp is discharged when the neutral point current InINV of the inverter flows from the neutral point (the connection point between the capacitors 4-1 and 4-2) as indicated by the arrow in the figure, and the capacitor 4-2 is discharged. Since 4-1 is charged, it goes down. Conversely, when the neutral point current InINV flows into the neutral point, the capacitor 4-2 is charged and the capacitor 4-1 is discharged, so that the neutral point potential Vnp rises. One embodiment of the present invention aims to minimize this neutral point current as much as possible.
一方、中性点電流変化量InpRef2は、零相バイアス補償量NPcmpALを1(=100%)として、加算器14にて三相変調率を補償した場合に、中性点電流InINVがどれほど変化するかを予測した値、すなわち中性点電流の零相バイアス補償量に対する感度である。よって、中性点電流の予測値である中性点電流基準InpRefを除算器27にて中性点電流変化量InpRef2で除することにより、零相バイアス補償量NPcmpALを求めることができる。更に実用的には、除算器27の出力に、零相バイアス補償量の値を制限するリミッタ28、演算により生じる不要な高周波成分を除去するフィルタ29、当該零相バイアス補償による中性点電位抑制制御の有効・無効を制御するための切り替えスイッチ30を有している。
On the other hand, the neutral point current change amount InpRef2 changes how much the neutral point current InINV changes when the zero-phase bias compensation amount NPcmpAL is set to 1 (= 100%) and the
中性点電流基準InpRefおよび中性点電流変化量InpRef2の演算の詳細を以下に説明する。 Details of the calculation of the neutral point current reference InpRef and the neutral point current change amount InpRef2 will be described below.
中性点電流基準InpRefは、各相の中性点電流予測値を加算器26で加算することにより算出する。例えば、U相の中性点電流予測値は後述するように、U相の変調率指令Au*の絶対値を1から減じ、U相電流指令Iu*と乗じることにより、算出することができる。
The neutral point current reference InpRef is calculated by adding the predicted neutral point current value of each phase by the
中性点電流変化量InpRef2も、各相の中性点電流変化量を加算器31で加算することにより算出する。例えば、U相の中性点電流変化量の場合、基本的にはU相変調率指令Au*の符号を符号器32(入力が正なら1、負なら−1を出力する)により演算し、該演算値とU相電流指令Iu*を乗じることにより、U相の中性点電流変化量を求めることができる。また、より厳密に中性点電流を抑制するための補償として、高精度補償部40(後述される)を備えている。
The neutral point current change amount InpRef2 is also calculated by adding the neutral point current change amount of each phase by the
以上により中性点電流が抑制できる作用を示す。本実施例の構成は次のような考えに基づいている。 Thus, the neutral point current can be suppressed. The configuration of this embodiment is based on the following idea.
零相バイアス電圧補償を施さない場合、U相の中性点電流は次式に計算できる。 When zero-phase bias voltage compensation is not performed, the neutral point current of the U phase can be calculated by the following equation.
U相中性点電流=(1−|Au*|)×Iu … (3)
図3は式(3)を説明するための図であり、ゲート生成部15で処理される波形を示している。ここではU相についてのみ説明するが、V相、W相についても同様である。変調率Au*は正弦波であるが、ここでは時間方向に拡大した波形を示しているので、ほぼ直線となっている。変調率Au*が正の値であるとき、変調率Au*は図3のように三角波キャリアCAR1を横切る。
U-phase neutral point current = (1- | Au * |) × Iu (3)
FIG. 3 is a diagram for explaining the expression (3), and shows a waveform processed by the
中性点電流が流れるのは、図1におけるインバータ6のゲートgu1、gu2、gu3、gu4がオフ、オン、オン、オフのときに限られる。すなわち、変調率Au*がキャリアCAR1の内側(図3では下)に位置するとき、中性点電流が流れる。三角形a、b、gで示すと、Au*が期間d、f間にあるとき、中性点電流が流れる。これは、変調率Au*が負の値をとり、キャリアCAR2を横切る時も同様に、変調率Au*がキャリアCAR2の内側(図3では上)に位置するとき、中性点電流が流れる。
The neutral point current flows only when the gates gu1, gu2, gu3, and gu4 of the
ここでキャリアCAR1の斜辺a、bを含む直角三角形a,b,cを考える。この場合、中性点電流はd,e間で流れる。変調率Au*は0〜1の値であって、’1’のとき点aを通過する。三角形a,b,cと三角形a,d,eは合同であるから、変調率Au*は、線分の長さの比ae/acに等しい。従って、底辺bcの長さを1とすると、線分deの長さは、1−Au*である。つまり、中性点電流が流れる時間的割合は、1−Au*である。変調率Au*が負の場合も考慮すると、中性点電流は式(3)のように(1−|Au*|)の時間的割合で流れる。 Consider right triangles a, b, and c including hypotenuses a and b of carrier CAR1. In this case, the neutral point current flows between d and e. The modulation factor Au * is a value from 0 to 1, and passes the point a when it is “1”. Since the triangles a, b, c and the triangles a, d, e are congruent, the modulation rate Au * is equal to the line segment length ratio ae / ac. Therefore, when the length of the base bc is 1, the length of the line segment de is 1-Au *. That is, the time ratio at which the neutral point current flows is 1-Au *. Considering the case where the modulation factor Au * is negative, the neutral point current flows at a time ratio of (1− | Au * |) as shown in Expression (3).
中性点電流に流れる中性点電流の総和、すなわち、中性点電流基準InpRefは、(3)式をUVW相の各相について計算し加算することで算出することができる。一方、零相バイアス電圧補償量NPcmpALを加算した場合、U相中性点電流は次式により計算できる。 The total neutral point current flowing through the neutral point current, that is, the neutral point current reference InpRef can be calculated by calculating and adding Equation (3) for each phase of the UVW phase. On the other hand, when the zero-phase bias voltage compensation amount NPcmpAL is added, the U-phase neutral point current can be calculated by the following equation.
「U相中性点電流」=(1−|Au*+NPcmpAL|)×Iu
… (4)
(3)式と(4)式を比較して、Au*とAu*+NPcmpAL の符号が同じならば、零相バイアス電圧補償量NPcmpAL による中性点電流の変化量は、次式になる。
“U-phase neutral point current” = (1− | Au * + NPcmpAL |) × Iu
(4)
When the expressions (3) and (4) are compared and the signs of Au * and Au * + NPcmpAL are the same, the amount of change in the neutral point current due to the zero-phase bias voltage compensation amount NPcmpAL is as follows.
「零相バイアス電圧補償量によるU相中性点電流変化量」=
−Sign(Au*)×NPcmpAL×Iu …(5)
この(5)式は、零相バイアス電圧補償量がNPcmpALである場合であり、それが100%であるとして正規化すれば、(6)式になる。
“U-phase neutral point current change due to zero-phase bias voltage compensation” =
-Sign (Au *) × NPcmpAL × Iu (5)
This equation (5) is for the case where the zero-phase bias voltage compensation amount is NPcmpAL, and if it is normalized to be 100%, equation (6) is obtained.
「中性点電流変化量」=−Sign(Au*)×Iu … (6)
これをUVW相について計算し加算すれば、中性点電流変化量InpRef2を求めることができる。
“Neutral point current change amount” = − Sign (Au *) × Iu (6)
If this is calculated for the UVW phase and added, the neutral point current change amount InpRef2 can be obtained.
よって、中性点電流を零にするためのことは、零相バイアス電圧補償量NPcmpALは、次のように考えればよい。 Therefore, the zero-phase bias voltage compensation amount NPcmpAL may be considered as follows to make the neutral point current zero.
「零相バイアス電圧補償量NPcmpAL」=
「(3)式の総和(UVW相)」/「(6)式の総和(UVW相)」 … (7)
一方、前述のように“Au*とAu*+NPcmpAL”の符号が同一であれば、という仮定をしている。必ずしもこの仮定は成立しない。より厳密な補償のためには、次のように考える。
“Zero-phase bias voltage compensation amount NPcmpAL” =
“Sum of formula (3) (UVW phase)” / “Sum of formula (6) (UVW phase)” (7)
On the other hand, it is assumed that “Au * and Au * + NPcmpAL” have the same sign as described above. This assumption does not necessarily hold. For more precise compensation, the following is considered.
上記の仮定が成立しない可能性があるのは、|NPcmpAL|に対して|Au*|の方が小さくなる場合である。この場合、(4)式のAu*+NPcmpALの符号を参照すればよい。この方式を第2実施例として図4に示す。 The above assumption may not be satisfied when | Au * | is smaller than | NPcmpAL |. In this case, the sign of Au * + NPcmpAL in equation (4) may be referred to. This method is shown in FIG. 4 as a second embodiment.
まず、U相変調率指令Au*の絶対値と補償後のU相変調率指令Au**の絶対値を絶対値演算器35、36にて演算する。コンパレータ37にて2つを比較し、U相変調率指令Au*が補償後のU相変調率指令Au**より大きい場合には、切り替え器33にて、前記のようにU相変調率指令Au*の符号とU相電流指令Iu*を乗じてU相中性点電流変化量とする。一方、コンパレータ37にてU相変調率指令Au*が補償後のU相変調率指令Au**より小さい場合には、符号器38にて前回演算に利用した零相バイアス補償量NPcmpALの符号とU相電流指令Iu*を乗じて、U相中性点電流変化量とする。尚、Zインバース(Z−1)41は、前回演算に利用した値を記憶して出力する記憶部である。
First, the
また、|Au*|が小さいことを考えると、Au*+NPcmpALではなく、NPcmpALの符号のみを参照することもできる。図2の第1実施例では、このNPcmpALの符号を参照した例を示した。 Considering that | Au * | is small, it is also possible to refer only to the sign of NPcmpAL instead of Au * + NPcmpAL. In the first embodiment shown in FIG. 2, an example in which the reference numeral NPcmpAL is referred to is shown.
更に、前述のように|NPcmpAL|と|Au*|の大きさで場合分けをするのではなく、Au*+NPcmpALの符号だけを用いて演算する方法も可能である。これを第3実施例として図5に示す。第1実施例、第2実施例と比べ、場合分けもなく最も簡素な構成で実現できる。 Furthermore, as described above, it is possible to perform the calculation using only the sign of Au * + NPcmpAL, instead of dividing the cases by the sizes of | NPcmpAL | and | Au * |. This is shown in FIG. 5 as a third embodiment. Compared with the first embodiment and the second embodiment, it can be realized with the simplest configuration without being classified.
図6には、インバータ出力周波数30Hz,各相電流振幅300A, 変調率70%,力率0.9の場合のモータ電流(Iu,Iv,Iw),補償前の三相変調率指令(Au*,Av*,Aw*),補償後の三相変調率指令(Au**,Av*,Aw**),零相バイアス補償量NPcmpAL,インバータから直流リンク部の中性点に流れる中性点電流Inpを示す。 FIG. 6 shows the motor current (Iu, Iv, Iw) when the inverter output frequency is 30 Hz, each phase current amplitude is 300 A, the modulation factor is 70%, and the power factor is 0.9, and the three-phase modulation factor command (Au *) before compensation. , Av *, Aw *), three-phase modulation rate command after compensation (Au **, Av *, Aw **), zero-phase bias compensation amount NPcmpAL, neutral point flowing from the inverter to the neutral point of the DC link The current Inp is shown.
図6Aは、本補償がない場合であり、インバータ出力周波数の3倍で脈動する中性点電流Inpが流れることが分かる。これによって、直流リンク部の中性点電圧Vnpが脈動する。 FIG. 6A shows the case without this compensation, and it can be seen that a neutral point current Inp that pulsates at three times the inverter output frequency flows. As a result, the neutral point voltage Vnp of the DC link portion pulsates.
図6Bは、図1および図2に示した本実施例での結果である。中性点電流は厳密には零ではないが、大域的にはほぼ零に抑えられていること分かる。これにより、図示してはいないが、直流リンク部の中性点電圧Vnpの脈動を抑制することができる。簡素な制御アルゴリズムに関わらず、大きな効果が得られることが分かる。 FIG. 6B shows the result of the present example shown in FIGS. 1 and 2. It can be seen that the neutral point current is not strictly zero, but is suppressed to almost zero globally. Thereby, although not shown in figure, the pulsation of the neutral point voltage Vnp of a DC link part can be suppressed. It turns out that a big effect is acquired irrespective of a simple control algorithm.
図6Cは、高精度補償部40がない場合の結果である。図6Bに比べて、スパイク状の電流が流れていることが分かる。高精度補償部40による効果が確認できるとともに、高精度補償部40が無い場合でも、中性点電流および中性点電圧Vnpの抑制において大きな効果が得られることが分かる。
FIG. 6C shows the result when the high-
また、図2におけるリミッタ28は、零相バイアス補償量を制限するのに有効である。零相バイアス補償量の演算は、中性点電流基準InpRefを中性点電流変化量InpRef2で除して求めているが、その演算入力値である三相電圧指令や電流指令、あるいは、電流指令の代わりに用いる電流は、ノイズやリプルを含むものであり、相互に除して求める零相バイアス電圧補償量も大きく変動することがある。これを有意な範囲な制限することで、過電流や制御破綻を回避することができる。
Further, the
また、図2におけるフィルタ29も、前述と同様なリプルや脈動が含まれる零相バイアス電圧補償量を必要な帯域に制限することで、過電流や制御破綻を回避することができる。
Also, the
前述のとおり、インバータ出力周波数の3倍の周波数成分のみを補償すればよく、それより高い成分は除去することが望ましい。交流電気車などでは、インバータは1パルスモードまで出力電圧を高く利用する。このような1パルスモードでは中性点電流は原理上流れない。よって、フィルタの遮断周波数は、インバータの出力周波数の最高周波数ではなく、1パルスモードになる出力周波数の3倍より高く設定することが有効である。 As described above, it is only necessary to compensate for a frequency component that is three times the inverter output frequency, and it is desirable to remove components higher than that. In an AC electric vehicle or the like, the inverter uses the output voltage high until the 1-pulse mode. In such a one-pulse mode, the neutral point current is not upstream in principle. Therefore, it is effective to set the cut-off frequency of the filter higher than three times the output frequency at which the one-pulse mode is set, not the highest frequency of the inverter output frequency.
以上により、中性点電流の脈動成分を抑制することで、中性点電圧の変動を抑制することができる。 As described above, the fluctuation of the neutral point voltage can be suppressed by suppressing the pulsating component of the neutral point current.
交流電気車システムでは、架線に流れる電流が軌道回路などの信号系を妨害する(誘導障害)ことを避けることが必要である。例えば、自動列車制御装置(ATC)で利用される信号には、帰線電流(レールに流れる電流)の500Hz〜2000Hz帯を利用するものがある。この許容信号レベルは非常に微弱なものである。一般にPWMコンバータは、電源に同期した奇数次あるいは偶数次に大きな高調波成分を有しており、その間の非同期成分は低いレベルしか生じない。しかしながら、PWMコンバータがNPC変換器であり、その中性点電圧が脈動する場合、中性点電圧の脈動周波数とその大きさに応じて非同期成分が生じることになる。その脈動周波数はインバータ出力周波数の3倍の周波数であり、コンバータ側がそれを検知して補償する「フィードバック補償」では、周波数が高いこと、また、許容レベルが微弱であることから有効ではない。一方、本構成により、中性点電圧の脈動源であるインバータ側にて、フィードフォワード的に補償することにより、中性点電圧自体の脈動を抑制することにより、前記のようなコンバータ交流側電流に含まれる非同期成分を低減することができる。特に、公知例にあるフィードフォワード演算は複雑であり、マイコンへの処理負荷(演算時間、コード量)がかかり、実現性が乏しい。本実施例による演算は厳密解ではない部分がある一方、アルゴリズムは簡単であり、実装上の問題がない。 In an AC electric vehicle system, it is necessary to avoid that a current flowing in an overhead wire interferes with a signal system such as a track circuit (induction failure). For example, some signals used in the automatic train control device (ATC) use a 500 Hz to 2000 Hz band of return current (current flowing in the rail). This allowable signal level is very weak. In general, the PWM converter has an odd-order or even-order higher harmonic component synchronized with the power supply, and an asynchronous component therebetween generates only a low level. However, when the PWM converter is an NPC converter and the neutral point voltage pulsates, an asynchronous component is generated according to the pulsation frequency of the neutral point voltage and its magnitude. The pulsation frequency is three times the inverter output frequency, and “feedback compensation” in which the converter detects and compensates for it is not effective because the frequency is high and the allowable level is weak. On the other hand, with this configuration, the converter side current as described above is suppressed by suppressing the pulsation of the neutral point voltage itself by performing feedforward compensation on the inverter side which is the pulsation source of the neutral point voltage. Asynchronous components contained in can be reduced. In particular, the feedforward calculation in the known example is complicated, requires a processing load (calculation time, code amount) on the microcomputer, and lacks feasibility. While the calculation according to the present embodiment has a part that is not an exact solution, the algorithm is simple and there is no problem in implementation.
なお、本実施例では、各電流指令と実電流が一致するように電流制御10を有しており、DQ軸電流指令Id*,Iq*に実電流Id,Iqは一致する。すなわち、三相電流指令Iu*,Iv*,Iw*と実三相電流Iu,Iv,Iwは一致すると考えてよい。よって、中性点電流基準InpRefや中性点電流変化量InpRef2の演算には電流指令Iu*,Iv*,Iw*を用いたが、実電流Iu,Iv,Iwであっても同様な作用効果を得ることができる。また、本実施例では、三相変調率指令Au*,Av*,Aw*に対する中性点電位補償方法を示したが、(2)式で示したように、三相変調率指令と三相電圧指令は直流電圧倍の関係があり、等価と考えることができる。よって、三相電圧指令に対して、同様な中性点電位補償方法を構築することが可能である。
In this embodiment, the
1…パンタグラフ、2…主変圧器、3…単相NPCコンバータ、4…フィルタコンデンサ、5…直流電圧検出器、6…NPC三相インバータ、7…電動機、8…回転速度検出器、23…中性点電位抑制制御部。
DESCRIPTION OF
Claims (10)
三相電圧指令を演算する手段と、
前記三相電圧指令および前記負荷電流に流れる電流に応じて、前記中性点電位の変動を抑制するように零相バイアス電圧補償量を演算する中性点電位変動抑制手段と、
当該零相バイアス電圧補償量を前記三相電圧指令に加算して補正する手段とを具備し、
前記中性点電位変動抑制手段は、少なくとも前記三相電圧指令の絶対値およびその符号と負荷電流に応じて、前記零相バイアス電圧補償量を演算する手段を具備することを特徴とする中性点クランプ式電力変換装置。 A neutral-point clamped (NPC) three-phase inverter that is connected to a DC power source having three potentials to drive a three-phase load and that can output three levels;
Means for calculating a three-phase voltage command;
Neutral point potential fluctuation suppression means for calculating a zero-phase bias voltage compensation amount so as to suppress fluctuations in the neutral point potential according to the three-phase voltage command and the current flowing through the load current;
Means for adding and correcting the zero-phase bias voltage compensation amount to the three-phase voltage command,
The neutral point potential fluctuation suppressing means includes a means for calculating the zero-phase bias voltage compensation amount according to at least the absolute value of the three-phase voltage command, its sign, and the load current. Point clamp type power converter.
三相電圧指令を演算する手段と、
前記三相電圧指令および前記負荷電流に流れる電流に応じて、前記中性点電位の変動を抑制するように零相バイアス電圧補償量を演算する中性点電位変動抑制手段と、
当該零相バイアス電圧補償量を前記三相電圧指令に加算して補正する手段とを具備し
前記中性点電位変動抑制手段は、
前記三相電圧指令の絶対値と負荷電流に応じて中性点に流れる中性点電流を演算する中性点電流推定手段と、
前記三相電圧指令の符号と負荷電流に応じて所定単位の零相バイアス電圧補償を施すことによって変化する中性点電流の変化量を推定する中性点電流変化量推定手段と、
前記中性点電流推定値と中性点電流変化量に応じて零相バイアス電圧補償量を演算する手段とを具備することを特徴とする中性点クランプ式電力変換装置。 A neutral-point clamped (NPC) three-phase inverter that is connected to a DC power source having three potentials to drive a three-phase load and that can output three levels;
Means for calculating a three-phase voltage command;
Neutral point potential fluctuation suppression means for calculating a zero-phase bias voltage compensation amount so as to suppress fluctuations in the neutral point potential according to the three-phase voltage command and the current flowing through the load current;
Means for adding and correcting the zero-phase bias voltage compensation amount to the three-phase voltage command, and the neutral point potential fluctuation suppressing means,
Neutral point current estimating means for calculating a neutral point current flowing in the neutral point according to the absolute value and load current of the three-phase voltage command;
Neutral point current change amount estimating means for estimating a change amount of a neutral point current that changes by applying a zero-phase bias voltage compensation of a predetermined unit according to the sign of the three-phase voltage command and the load current;
A neutral point clamp type power conversion device comprising: a neutral point current estimated value and a means for calculating a zero phase bias voltage compensation amount according to a neutral point current change amount.
三相電圧指令を演算する手段と、
前記三相電圧指令および前記負荷電流に流れる電流に応じて、前記中性点電位の変動を抑制するように零相バイアス電圧補償量を演算する中性点電位変動抑制手段と、
当該零相バイアス電圧補償量を前記三相電圧指令に加算して補正する手段とを具備し、
前記中性点電位変動抑制手段は、前記三相電圧指令の絶対値および加算補正された三相電圧指令の符号と負荷電流に応じて、零相バイアス電圧補償量を演算する手段を有したことを特徴とする中性点クランプ式電力変換装置。 A neutral-point clamped (NPC) three-phase inverter that is connected to a DC power source having three potentials to drive a three-phase load and that can output three levels;
Means for calculating a three-phase voltage command;
Neutral point potential fluctuation suppression means for calculating a zero-phase bias voltage compensation amount so as to suppress fluctuations in the neutral point potential according to the three-phase voltage command and the current flowing through the load current;
Means for adding and correcting the zero-phase bias voltage compensation amount to the three-phase voltage command,
The neutral point potential fluctuation suppressing means has means for calculating a zero-phase bias voltage compensation amount according to the absolute value of the three-phase voltage command, the sign of the addition-corrected three-phase voltage command, and the load current. A neutral point clamp type power converter.
三相電圧指令を演算する手段と、
前記三相電圧指令および前記負荷電流に流れる電流に応じて、前記中性点電位の変動を抑制するように零相バイアス電圧補償量を演算する中性点電位変動抑制手段と、
当該零相バイアス電圧補償量を前記三相電圧指令に加算して補正する手段とを具備し、
前記中性点電位変動抑制手段は、
前記三相電圧指令の絶対値と負荷電流に応じて中性点に流れる中性点電流を演算する中性点電流推定手段と、
前記加算補正された三相電圧指令の符号と負荷電流に応じて所定単位の零相バイアス電圧補償を施すことによって変化する中性点電流の変化量を推定する中性点電流変化量推定手段と、
前記中性点電流推定値と中性点電流変化量に応じて、零相バイアス電圧補償量を演算する手段を具備することを特徴とする中性点クランプ式電力変換装置。 A neutral point clamp (NPC) three-phase inverter capable of driving a three-phase load connected to a DC power source having three potentials and outputting three levels, and a means for calculating a three-phase voltage command;
Neutral point potential fluctuation suppression means for calculating a zero-phase bias voltage compensation amount so as to suppress fluctuations in the neutral point potential according to the three-phase voltage command and the current flowing through the load current;
Means for adding and correcting the zero-phase bias voltage compensation amount to the three-phase voltage command,
The neutral point potential fluctuation suppressing means is:
Neutral point current estimating means for calculating a neutral point current flowing in the neutral point according to the absolute value and load current of the three-phase voltage command;
Neutral point current change amount estimation means for estimating a change amount of a neutral point current that changes by applying a zero-phase bias voltage compensation of a predetermined unit in accordance with the sign of the addition corrected three-phase voltage command and the load current; ,
A neutral point clamp type power converter comprising means for calculating a zero phase bias voltage compensation amount according to the neutral point current estimated value and the neutral point current change amount.
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