JP2013143836A - 3レベル電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】無効電力調整装置として運転したときであっても、中性点電位の変動を抑制することが可能な3レベル電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源系統に接続され第1及び第2の3レベルコンバータ2A、2Bと、
正側及び負側の直流コンデンサ3P、3Nと、交流電動機5を駆動する3レベルインバータ4と、3レベルコンバータ2A、2Bを制御するコンバータ制御手段10とで構成する。
コンバータ制御手段10は、3レベルコンバータ2A、2Bの入力電流の無効分が夫々所定の無効電流基準となるように制御する第1及び第2の無効電流制御手段15A、15Bと、直流コンデンサ3P、3Nに印加される電圧の差分をゼロとするようにPWM制御手段17A、17B制御する第1及び第2の中性点電位変動抑制手段と、3レベルコンバータ2Aから直流リンクを介して3レベルコンバータ2Bに所定の循環有効電流を流す有効電流制御手段とを有する。
【選択図】図1

Description

この発明は、交流電源から3レベルの直流を得る3レベルコンバータと、この直流を交流に変換する3レベルインバータとを備えた3レベル電力変換装置に関する。
従来、比較的容量の大きい電動機などを駆動する電力変換装置として、3レベルコンバータと、この直流を交流に変換する3レベルインバータとを備えた3レベル電力変換装置が使用されている。この3レベル電力変換装置においては、正電位、負電位、中性点の3レベルの直流電圧を有する構成となっているが、中性点の電位が変動すると、交流電源及び負荷である電動機の電圧が変動し、不要な高調波を発生させてしまう。このため、中性点から共通のリアクトルを介して正電位及び負電位に接続される正側及び負側のスイッチング素子を設け、電圧アンバランスが生じたとき、スイッチング素子のオンオフによって、一方の直流コンデンサの電荷を他方に移すことによって中性点電位の変動を抑制する提案が為されている(例えば特許文献1参照。)。
特開平9−65658号公報(第9−10頁、図1)
特許文献1に示された手法によれば、コンバータまたはインバータの制御とは別の制御回路によって中性点電位の変動を抑制することが可能となるが、リアクトル、スイッチング素子などによる新たな回路の追加が必要になる。コンバータが3レベルである場合は、コンバータの制御によって中性点電位の変動を抑制することが可能であるので、特許文献1に示されたような回路追加は行わないのが普通である。
ところで、3レベル電力変換装置を常時は電動機駆動として用い、電動機の運転を行わないときは、無効電力調整装置として運転させる応用があるが、このような応用の場合、上述のコンバータの制御を行うだけでは中性点電位の変動を抑制することが困難となる。この理由は、無効電力調整装置として3レベル電力変換装置を運転し、中性点の電位変化を検出してコンバータから電流を流して変動抑制を行うとき、この中性点変動抑制に遅れが生じることに起因していると考えられる。
本発明は上記問題点に鑑みて為されたもので、無効電力調整装置として運転したときであっても、中性点電位の変動を抑制することが可能な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、交流電源系統に並列に接続され、3レベルの直流出力が並列に接続された第1及び第2の3レベルコンバータと、
この3レベルの直流リンクに接続された正側及び負側の直流コンデンサと、前記3レベルの直流出力を交流に変換して交流電動機を駆動する3レベルインバータと、前記第1及び第2の3レベルコンバータを制御するコンバータ制御手段とを具備し、前記コンバータ制御手段は、前記第1及び第2の3レベルコンバータの入力電流の無効分が夫々所定の無効電流基準となるように制御する第1及び第2の無効電流制御手段と、前記正側及び負側の直流コンデンサに印加される電圧の差分をゼロとするように第1及び第2のPWM制御手段を制御する第1及び第2の中性点電位変動抑制手段と、前記第1の3レベルコンバータから直流リンクを介して前記第2の3レベルコンバータに所定の循環有効電流を流す有効電流制御手段とを有することを特徴としている。
この発明によれば、無効電力調整装置として運転したときであっても、中性点電位の変動を抑制することが可能な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回路構成図。 本発明の実施例2に係る3レベル電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例3に係る3レベル電力変換装置の回路構成図。 本発明の実施例4に係る3レベル電力変換装置の回路構成図。
以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。
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回路構成図である。交流電源系統から各々変圧器1A、1Bを介して夫々3レベルコンバータ2A、2Bに交流電圧が与えられる。3レベルコンバータ2A、2Bの各々の3レベルの直流出力は互いに並列に接続され、正電位端と中性電位端の間には直流コンデンサ3Pが、負電位端と中性電位端の間には直流コンデンサ3Nが平滑用として接続されている。そしてこの3レベルの直流出力は3レベルインバータ4に与えられ、3レベルインバータ4は3レベルの交流電圧を出力し、交流電動機5を駆動する。
交流電動機5には速度検出器6が、交流電動機5の入力側には電流検出器7が夫々取り付けられており、これらの出力信号は図示しないインバータ制御部に与えられる。3レベルコンバータ2A、2Bの入力側には電流検出器8A、8Bが取り付けられており、これらの出力信号はコンバータ制御部10に与えられる。以下、コンバータ制御部10の内部構成について説明する。
3レベルコンバータ2A、2Bの出力電圧の目標値である電圧基準は直流電圧フィードバックと比較され電圧制御器12の入力となる。直流電圧フィードバックとしては、この実施例では、直流コンデンサ3P、3Nの両端電圧の平均値が平均値検出器11で検出され、これが用いられる。電圧制御器12の出力は有効電流基準となるが、この実施例では、同一の有効電流基準が3レベルコンバータ2A、2B各々に対して出力される。これら各々の有効電流基準に対して、循環電流補正回路13によって補正が施される。循環電流補正回路13においては、一方の有効電流基準に対して別途設定された循環電流基準分を加算し、他方の有効電流基準に対して循環電流基準分を減算する。
電流検出器8A、8Bによって検出された3相電流は、夫々3相/dq変換器13A、13Bによって各々有効電流帰還Iq_FBKと無効電流帰還Id_FBKに変換される。
そして、3相/dq変換器13Aから得られた有効電流帰還Iq_FBKが上記の循環電流基準分が加算された有効電流基準となるように電流制御器14Aが調節し、q軸電圧基準を出力する。同様に、3相/dq変換器13Bから得られた有効電流帰還Iq_FBKが上記の循環電流基準分が減算された有効電流基準となるように電流制御器14Bが調節し、q軸電圧基準を出力する。
また、3相/dq変換器13Aから得られた無効電流帰還Id_FBK及び3相/dq変換器13Bから得られた無効電流帰還Id_FBKは、系統監視システム20から与えられる無効電力基準となるように夫々電流制御器14A、14Bが調節し、各々d軸電圧基準を出力する。ここで、系統監視システム20は交流電源系統に供給する無効電力が所望の値、例えば交流電源系統の力率を1とするような値となるように無効電力基準を出力する。
このようにして得られた電流制御器14A、14Bの出力である各々のq軸電圧基準及びd軸電圧基準は夫々dq/3相変換器15A、15Bによって各々の3相電圧基準に変換される。そして、各々の3相電圧基準は夫々PWM制御器16A、16Bに与えられ、PWM制御器16A、16Bは各々PWM制御を行ってPWMゲート信号を得て、夫々3レベルコンバータ2A、2Bのスイッチング素子をオンオフ制御する。
また、直流コンデンサ3P、3Nの両端電圧の差分が差分検出器17で検出され、この出力が中性点変動抑制信号としてPWM制御器16A、16Bに与えられている。例えば、直流コンデンサ3Pの電圧が直流コンデンサ3Nの電圧よりΔEだけ高い場合には、差分検出器17はPWM制御器16A、16Bに対しては、中性点の電位を調節して、ΔEがゼロとなるような補正指令を与える。この補正指令を受け、PWM制御器16A、16Bが実際に行う動作は、例えばΔEに比例した直流量を電圧基準に重畳する。また、変調波の振幅を変える、あるいはPWM出力の零期間を調整することによっても実現することができる。このような中性点電位の変動抑制制御は、循環電流補正回路13によって適切な量の循環電流を3レベルコンバータ2Aから直流リンクを介して3レベルコンバータ2Bに流すことによって前述した制御の遅れが減少するので、より効果的に達成される。
図2は本発明の実施例2に係る3レベル電力変換装置の回路構成図である。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、コンバータ制御部10aにおいて、循環電流補正回路13を、電圧制御器12の出力側から電流制御器15A、15Bの出力側に移動させた点である。
実施例1で説明したように、電流制御器15A、15Bの各々の出力はq軸電圧基準とd軸電圧基準である。この実施例2において循環電流補正回路13は有効分であるq軸電圧基準を補正する。従ってここでの循環電流基準の意味は、所望の循環電流を与えるためのq軸電圧補正分ということである。
このように所望の循環電流を与えるためにq軸電圧基準を補正するようにしても実施例1と同一の効果が得られることは明らかである。
図3は本発明の実施例3に係る3レベル電力変換装置の回路構成図である。この実施例3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3が実施例1と異なる点は、3レベルインバータを3レベルインバータ4A、4Bの並列構成とし、結合リアクトル9を介して交流電動機5を駆動する構成とした点、コンバータ制御部10bは循環電流補正回路13を省く構成とした点、インバータ制御部30を追加した点である。
3レベルインバータ4Aは3レベルコンバータ2Aから直流コンデンサ3AP、3ANを介して3レベルの直流電圧が供給され、3レベルインバータ4Bは3レベルコンバータ2Bから直流コンデンサ3BP、3BNを介して3レベルの直流電圧が供給される。3レベルインバータ4A、4Bの出力電流は電流検出器7A、7Bによって夫々検出され、この検出信号はインバータ制御部30に与えられる。以下にインバータ制御部30の内部構成を説明する。
速度検出器6によって検出された速度フィードバック信号は、外部より与えられる速度基準と比較され、その偏差が少なくなるように速度制御器31はトルク基準を出力する。このトルク基準は、演算器32により磁束で除算することによってトルク電流基準となる。このトルク電流基準は、循環電流補正回路33によって、与えられた循環電流基準が加算されたA側トルク電流基準と、循環電流基準が減算されたB側トルク電流基準に分離される。A側トルク電流基準は、電流検出器7Aによって検出され、図示しない3相/dq変換器によって変換されたA側q軸電流フィードバックと比較され、その偏差が少なくなるように電流制御器34AはA側トルク電圧基準を出力する。同様にB側トルク電流基準は、電流検出器7Bによって検出され、図示しない3相/dq変換器によって変換されたB側q軸電流フィードバックと比較され、その偏差が少なくなるように電流制御器34BはB側トルク電圧基準を出力する。
電流制御器34A、34Bの各々の出力は夫々dq/3相変換器35A、35Bによって3相の電圧基準に変換されたあと、夫々PWM制御器36A、36Bに与えられ、PWM制御器36A、36Bは各々PWM制御を行ってPWMゲート信号を得て、夫々3レベルインバータ4A、4Bのスイッチング素子をオンオフ制御する。尚、励磁軸の電流基準とその変換について言及していないが、本実施例においては交流電動機5の駆動は行わないので、励磁軸の電流基準はゼロ、従ってdq/3相変換器35A、35Bに与えられる励磁電圧基準もゼロと考えて良い。
以上の構成によって、循環電流補正回路33の効果により、3レベルインバータ4Aは循環電流基準分の有効電流を流し、3レベルインバータ4Bは循環電流基準分の有効電流を回生させるので、この循環電流に見合う有効電流が3レベルコンバータ2Aから供給されると共に、3レベルコンバータ2Bから回生される。この結果3レベルコンバータ2Aは力行運転、3レベルコンバータ2Bは回生運転となり、差分検出器17A、17Bによる各々の中性点制御は効果的に行われることとなる。
図4は本発明の実施例4に係る3レベル電力変換装置の回路構成図である。この実施例4の各部について、図3の本発明の実施例3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4が実施例3と異なる点は、インバータ制御部30aにおいて、循環電流補正回路33を、電流制御器34A、34Bの入力側から出力側に移動させた点である。
実施例3で説明したように、電流制御器34A、34Bの夫々の出力はA側トルク電圧基準とB側トルク電圧基準である。この実施例4において循環電流補正回路33は有効分であるこれらの電圧基準を補正する。従ってここでの循環電流基準の意味は、所望の循環電流を与えるためのトルク軸電圧補正分ということである。
このように所望の循環電流を与えるためにトルク軸電圧基準を補正するようにしても実施例3と同一の効果が得られることは明らかである。
以上本発明のいくつかの実施例を説明したが、これらの実施例は例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施例やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、全ての実施例において、循環電流基準は系統監視システムから与えられる無効電流基準と連動させる構成としても良い。この場合は、無効電流基準に比例するようにしても良く、また無効電流基準の増加に応じて段階的に増加させるようにしても良い。
また、実施例1、2において、電圧制御器12を3レベルコンバータ2A、2B共通に設けたが、個別に設ける構成としても良い。
1A、1B 入力変圧器
2A、2B 3レベルコンバータ
3P、3N、3AP、3AN、3BP、3BN 直流コンデンサ
4、4A、4B 3レベルインバータ
5 交流電動機
6 速度検出器
7、7A、7B 電流検出器
8A、8B、 電流検出器
9 結合リアクトル
10、10a、10b コンバータ制御部
11 平均値検出器
12 電圧制御器
13 循環電流補正回路
14A、14B 3相/dq変換器
15A、15B 電流制御器
16A、16B dq/3相変換器
17A、17B PWM制御回路
18、18A、18B 差分検出回路
20 系統監視システム
30、30a インバータ制御部
31 速度制御器
32 演算器
33 循環電流補正回路
34A、34B 電流制御器
35A、35B dq/3相変換器
36A、36B PWM制御回路

Claims (8)

  1. 交流電源系統に並列に接続され、3レベルの直流出力が並列に接続された第1及び第2の3レベルコンバータと、
    この3レベルの直流リンクに接続された正側及び負側の直流コンデンサと、
    前記3レベルの直流出力を交流に変換して交流電動機を駆動する3レベルインバータと、
    前記第1及び第2の3レベルコンバータを制御するコンバータ制御手段と
    を具備し、
    前記コンバータ制御手段は、
    前記第1及び第2の3レベルコンバータの入力電流の無効分が夫々所定の無効電流基準となるように制御する第1及び第2の無効電流制御手段と、
    前記正側及び負側の直流コンデンサに印加される電圧の差分をゼロとするように第1及び第2のPWM制御手段を制御する第1及び第2の中性点電位変動抑制手段と、
    前記第1の3レベルコンバータから直流リンクを介して前記第2の3レベルコンバータに所定の循環有効電流を流す有効電流制御手段と
    を有することを特徴とする3レベル電力変換装置。
  2. 前記コンバータ制御手段は、
    前記直流リンクの電圧が所定の電圧基準となるようにフィードバック制御して第1及び第2共通の有効電流基準を出力する電圧制御手段と、
    前記有効電流基準に循環電流基準を加算して第1の補正有効電流基準とし、前記有効電流基準から前記循環電流基準を減算して第2の補正有効電流基準とする循環電流補正手段と、
    前記第1の3レベルコンバータの入力電流の有効分が前記第1の補正有効電流基準となるようにフィードバック制御して第1の有効電圧基準を出力する第1の有効電流制御手段と、
    前記第2の3レベルコンバータの入力電流の有効分が前記第2の補正有効電流基準となるようにフィードバック制御して第2の有効電圧基準を出力する第2の有効電流制御手段と、
    前記第1の3レベルコンバータの入力電流の無効分が所定の無効電流基準となるようにフィードバック制御して第1の無効電圧基準を出力する第1の無効電流制御手段と、
    前記第2の3レベルコンバータの入力電流の無効分が所定の無効電流基準となるようにフィードバック制御して第2の無効電圧基準を出力する第2の無効電流制御手段と、
    前記第1の有効電圧基準と前記第1の無効電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第1の3レベルコンバータのゲート信号を生成する第1のPWM制御手段と、
    前記第2の有効電圧基準と前記第2の無効電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第2の3レベルコンバータのゲート信号を生成する第2のPWM制御手段と、
    前記正側及び負側の直流コンデンサに印加される電圧の差分をゼロとするように前記第1及び第2のPWM制御手段を制御する中性点電位変動抑制手段と
    を有する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。
  3. 前記コンバータ制御手段は、
    前記直流リンクの電圧が所定の電圧基準となるようにフィードバック制御して第1及び第2共通の有効電流基準を出力する電圧制御手段と、
    前記第1の3レベルコンバータの入力電流の有効分が前記有効電流基準となるようにフィードバック制御して第1の有効電圧基準を出力する第1の有効電流制御手段と、
    前記第2の3レベルコンバータの入力電流の有効分が前記有効電流基準となるようにフィードバック制御して第2の有効電圧基準を出力する第2の有効電流制御手段と、
    前記第1の有効電圧基準に循環電流基準に見合う電圧基準を加算して第1の補正有効電圧基準とし、前記第2の有効電圧基準から前記循環電流基準に見合う電圧基準を減算して第2の補正有効電圧基準とする循環電流補正手段と、
    前記第1の3レベルコンバータの入力電流の無効分が所定の無効電流基準となるようにフィードバック制御して第1の無効電圧基準を出力する第1の無効電流制御手段と、
    前記第2の3レベルコンバータの入力電流の無効分が所定の無効電流基準となるようにフィードバック制御して第2の無効電圧基準を出力する第2の無効電流制御手段と、
    前記第1の補正有効電圧基準と前記第1の無効電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第1の3レベルコンバータのゲート信号を生成する第1のPWM制御手段と、
    前記第2の補正有効電圧基準と前記第2の無効電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第2の3レベルコンバータのゲート信号を生成する第2のPWM制御手段と、
    前記正側及び負側の直流コンデンサに印加される電圧の差分をゼロとするように前記第1及び第2のPWM制御手段を制御する中性点電位変動抑制手段と
    を有する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。
  4. 交流電源系統に並列に接続され、各々正側及び負側の直流コンデンサで分圧された3レベルの直流電圧を出力する第1及び第2の3レベルコンバータと、
    前記各々の3レベルの直流電圧を交流に変換し、結合リアクトルを介して交流電動機を駆動する第1及び第2の3レベルインバータと、
    前記第1及び第2の3レベルコンバータを制御するコンバータ制御手段と
    前記第1及び第2の3レベルインバータを制御するインバータ制御手段と
    を具備し、
    前記コンバータ制御手段は、
    前記第1及び第2の3レベルコンバータの入力電流の無効分が夫々所定の無効電流基準となるように制御する第1及び第2の無効電流制御手段と、
    前記正側及び負側の直流コンデンサに印加される電圧の差分をゼロとするように第1及び第2のPWM制御手段を制御する第1及び第2の中性点電位変動抑制手段と
    を有し、
    前記インバータ制御手段は、
    前記第1の3レベルインバータから前記結合リアクトルを介して前記第2の3レベルインバータに所定の循環トルク電流を流すトルク電流制御手段と
    を有することを特徴とする3レベル電力変換装置。
  5. 前記インバータ制御手段は、
    前記交流電動機の速度が所定の速度基準となるようにフィードバック制御してトルク電流基準を出力する速度制御手段と、
    前記トルク電流基準に循環電流基準を加算して第1の補正トルク電流基準とし、前記トルク電流基準から前記循環電流基準を減算して第2の補正トルク電流基準とする循環電流補正手段と、
    前記第1の3レベルインバータの出力トルク電流が前記第1の補正トルク電流基準となるようにフィードバック制御して第1のトルク電圧基準を出力する第1のトルク電流制御手段と、
    前記第2の3レベルインバータの出力トルク電流が前記第2の補正トルク電流基準となるようにフィードバック制御して第2のトルク電圧基準を出力する第2のトルク電流制御手段と、
    前記第1の3レベルインバータの出力励磁電流が所定の値となるようにフィードバック制御して第1の励磁電圧基準を出力する第1の励磁電流制御手段と、
    前記第2の3レベルインバータの出力励磁電流が所定の値となるようにフィードバック制御して第2の励磁電圧基準を出力する第2の励磁電流制御手段と、
    前記第1のトルク電圧基準と前記第1の励磁電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第1の3レベルインバータのゲート信号を生成する第1のPWM制御手段と、
    前記第2のトルク電圧基準と前記第2の励磁電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第2の3レベルインバータのゲート信号を生成する第2のPWM制御手段と
    を有することを特徴とする請求項4に記載の3レベル電力変換装置。
  6. 前記インバータ制御手段は、
    前記交流電動機の速度が所定の速度基準となるようにフィードバック制御して第1、第2共通のトルク電流基準を出力する速度制御手段と、
    前記第1の3レベルインバータの出力トルク電流が前記第1のトルク電流基準となるようにフィードバック制御して第1のトルク電圧基準を出力する第1のトルク電流制御手段と、
    前記第2の3レベルインバータの出力トルク電流が前記第2のトルク電流基準となるようにフィードバック制御して第2のトルク電圧基準を出力する第2のトルク電流制御手段と、
    前記第1のトルク電流基準に循環電流基準に見合う電圧基準を加算して第1の補正トルク電圧基準とし、前記第2のトルク電流基準から前記循環電流基準に見合う電圧基準を減算して第2の補正トルク電圧基準とする循環電流補正手段と、
    前記第1の3レベルコンバータの出力励磁電流が所定の値となるようにフィードバック制御して第1の励磁電圧基準を出力する第1の励磁電流制御手段と、
    前記第2の3レベルコンバータの出力励磁電流が所定の値となるようにフィードバック制御して第2の励磁電圧基準を出力する第2の励磁電流制御手段と、
    前記第1の補正トルク電圧基準と前記第1の励磁電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第1の3レベルインバータのゲート信号を生成する第1のPWM制御手段と、
    前記第2の補正トルク電圧基準と前記第2の励磁電圧基準を3相変換した3相電圧基準をPWM制御して前記第2の3レベルインバータのゲート信号を生成する第2のPWM制御手段と
    を有することを特徴とする請求項4に記載の3レベル電力変換装置。
  7. 前記循環電流基準は、
    前記無効電流基準が増加したときに増加させるようにしたことを特徴とする請求項1乃至請求項6の何れか1項に記載の3レベル電力変換装置。
  8. 前記循環電流基準は、
    前記交流電動機を運転しない状態で、前記交流電源系統に与える無効電力が所定の値となるように制御するためのものであることを特徴とする請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の3レベル電力変換装置。
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