JP2014039418A - 電圧源アクティブフィルタ - Google Patents

Abstract

【課題】歪波電圧源の波形改善のため直列インバータで歪波補償電圧を発生させる際、直列インバータの直流側のコンデンサ電圧を一定に保ちながら、歪波補償電圧を発生するときの歪波成分の検出ゲインや波形補償電源による非線形動作の影響を受けないようにする。
【解決手段】歪波電圧源１と負荷４との間にインバータ回路２及び受動フィルタ回路３を接続して、該歪波電圧源１の高調波成分電圧を相殺する補償電圧を前記インバータ回路２の交流側で発生させる電圧源アクティブフィルタであって、歪波電圧源１に直列インバータを接続して、出力電圧波形に歪波成分が現れないように負荷端子電圧に含まれる歪波成分を検出して歪波補償信号を得ると共に直列インバータの直流電圧が所定の基準値と一致するように負荷端子電圧の基本波成分に比例した直流電圧制御信号を付加した信号量で直列インバータをＰＷＭ制御する電圧源アクティブフィルタの制御手法である。
【選択図】図４

Description

本発明は、電源系統電圧やインバータ電圧源等における電圧源の波形歪を除く歪波補償電圧を重畳することにより、出力電圧の波形改善を行うことが可能な電圧源アクティブフィルタに関する。

近年のパワーエレクトロニクス機器の総容量の増大に伴い、高調波負荷電流も増大している。この結果として、電源電圧波形のひずみが増大しており、この電源に接続される機器に障害を起こすことが懸念されている。このような高調波を含む電源系統の高調波障害防止対策として、この電源系統にアクティブフィルタを設置して、電源系統の電流又は電圧の信号を検出し、得られた信号から高調波成分を抽出し、その高調波電流成分を打消すように補償電流を流し、電源系統の高調波補償を行うことが知られている。具体的には、図１０に示すように、負荷端子間に高調波電流源を発生することができるインバータを出力端に並列に接続し、直列線路インダクタンス部での歪波電圧源に含まれる歪波成分を相殺する歪波補償電圧を発生させることで、負荷４側の負荷端子電圧を波形改善する。

このように、歪波負荷電流波形の歪波成分電流を打ち消す電流源を負荷端に並列に接続することにより、電源系統電流の波形改善を行うと共に、負荷端子電圧の波形改善が可能な電流源アクティブフィルタは知られている。

しかしながら、この波形改善手法では、並列インバータの動作電圧を交流電源電圧の最大値以上に設定することが必要となる。さらに、適切な大きさの歪波補償電圧を、線路インダクタンス部で発生させる必要もある。このため、波形補償する電圧が大きければ、線路インダクタンスが小さいときは大きな電流を流す必要が生じ、逆に線路インダクタンスが大きければ電圧変動率が大きくなるといった問題があった。

一方で、独立電源として直流電圧源からインバータにより交流出力を得る交流電源として、インバータに対して正弦波ＰＷＭ制御をかけることにより、直接的に波形改善出力を得る方法が、容量の大きな交流安定化電源等で一般的に用いられている。しかしながらこの方法では、高い直流電源電圧でのスイッチング動作を要するため、回路損失に加えて周辺機器へのノイズの発生源となることが懸念されていた。

これに対して、インバータ電圧源等における電圧源の波形歪を低減する手法として、図１１に示すように、主インバータでスイッチング回数が限定された方形波電圧を発生させ、さらに小容量の波形改善用インバータを直列に接続することにより、直列インバータ部で波形改善を行う手法も提案されている。

その一方で本願発明者は、図１２に示すように、歪波電圧源１の歪波成分を検出し、ＰＷＭ制御により直列インバータ回路２で歪波補償電圧を発生させる手法を提案した（ＰＣＴ／ＪＰ２０１２／０５５５４８）。しかしながらこれらの方法では、歪波成分の検出量と制御量とのミスマッチや、直列インバータ回路のスイッチング素子の電圧降下や休止期間等による影響を受けることが懸念されていた。

また、図１２に示す態様で直列インバータ回路２を主回路に接続することで、主回路電流がインバータに流れる構成となるため、直列インバータ回路２で基本的には電力授受を生じさせないような波形制御方法が必要となり、回路の複雑化を招いていた。

特許第３９６３５４９号公報

本発明は、従来のこのような問題点に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的は、歪波電圧源の波形改善のために直列インバータで歪波補償電圧を発生する際、直列インバータの直流側のコンデンサ電圧を一定に保ちながら、歪波補償電圧を発生するときの歪波成分の検出ゲインや波形補償電源による非線形動作の影響を受けないようにした波形改善を実現可能な電圧源アクティブフィルタを提供することにある。

また本発明の他の目的は、上記の交流電源電圧波形の歪波成分に対する線路インダクタンスでの電圧降下による波形補償の課題を克服できるだけでなく、上述した独立電源としてのインバータの出力波形改善における歪波電圧源から歪波補償成分を検出制御することによる課題を克服することができる電圧源アクティブフィルタを提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の側面に係る電圧源アクティブフィルタによれば、歪波電圧源１と負荷４との間にインバータ回路２及び受動フィルタ回路３を接続して、該歪波電圧源１の高調波成分電圧を相殺する補償電圧を前記インバータ回路２の交流側で発生させる電圧源アクティブフィルタであって、前記歪波電圧源１に接続される、スイッチング回路と直流コンデンサとを備えるインバータ回路２と、前記歪波電圧源１の歪波電圧成分を相殺する補償電圧を、ＰＷＭ制御により前記インバータ回路２の交流側で発生させるための制御手段５と、前記制御手段５により演算された、前記歪波電圧源１の歪波電圧成分を相殺する補償電圧を、前記インバータ回路２の出力に重畳するための受動フィルタ回路３とを備えており、前記制御手段５でもって、補償電圧を発生して重畳した出力に、前記受動フィルタ回路３を介して歪波低次の歪波成分を除去した交流出力電圧を、負荷４に出力するよう制御することができる。

また、第２の側面に係る電圧源アクティブフィルタによれば、前記インバータ回路２の直流側電圧を検出して、所定の基準値と一致するように波形制御基本波成分電圧を歪波補償電圧の発生信号に加えることにより、前記インバータ回路２のＰＷＭ制御信号を発生させるよう構成できる。

さらに、第３の側面に係る電圧源アクティブフィルタによれば、前記制御手段５が、歪波補償電圧を重畳した出力電圧に残存する歪波成分を抑制するようにＰＷＭ制御することができる。上記のように歪波補償電圧を発生するインバータ回路の制御方法を選択することで、歪波成分を抑制できる。

さらにまた、第４の側面に係る電圧源アクティブフィルタによれば、歪波電圧源１を方形波インバータ出力とすることができる。上記構成により、主電源容量に比べて小容量のインバータ回路で低波形歪の交流出力を得ることが可能となる。

本発明の実施の形態１に係る電圧源アクティブフィルタの基本構成を示す回路図である。 電圧形アクティブフィルタの基本構成を示す回路図である。 電圧形アクティブフィルタの主回路を示す回路図である。 本発明の実施例１に係る出力電圧検出制御方式電圧源アクティブフィルタを示す回路図である。 歪波補償電圧重畳方式のアクティブフィルタの動作原理波形を示すグラフである。 本発明の実施例１における線形負荷接続時のシミュレーション動作波形を示すグラフである。 本発明の実施例１における整流負荷接続時のシミュレーション動作波形を示すグラフである。 本発明の実施例２における線形負荷接続時のシミュレーション動作波形を示すグラフである。 電流形アクティブフィルタの基本構成を示す回路図である。 線路インダクタンスでの電圧降下方式電圧波形補償法を示す回路図である。 方形波インバータ出力を歪波電圧源とする交流電源を示す回路図である。 歪波電圧源の歪波成分検出方式電圧源アクティブフィルタを示す回路図である。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。ただし、以下に示す実施の形態は、本発明の技術思想を具体化するための電圧源アクティブフィルタを例示するものであって、本発明は電圧源アクティブフィルタを以下のものに特定しない。なお、特許請求の範囲に示される部材を、実施の形態の部材に特定するものでは決してない。特に実施の形態に記載されている構成部材の寸法、材質、形状、その相対的配置等は特に特定的な記載がない限りは、本発明の範囲をそれのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例にすぎない。なお、各図面が示す部材の大きさや位置関係等は、説明を明確にするため誇張していることがある。さらに以下の説明において、同一の名称、符号については同一もしくは同質の部材を示しており、詳細説明を適宜省略する。さらに、本発明を構成する各要素は、複数の要素を同一の部材で構成して一の部材で複数の要素を兼用する態様としてもよいし、逆に一の部材の機能を複数の部材で分担して実現することもできる。また、一部の実施の形態、実施例において説明された内容は、他の実施例、実施形態等に利用可能なものもある。

本発明の実施の形態に係る電圧源アクティブフィルタの基本構成を図１に示す。この電圧源アクティブフィルタは、図２に示すように、歪波電圧源１に直列にインバータ回路２を接続しており、歪波電圧源１に含まれる歪波電圧が相殺できる歪波補償電圧源をＰＷＭ制御により直列インバータ回路２で発生させる。これにより、低波形歪の交流出力電圧を得ることができる。

従来より、図９に示すような、負荷電流に含まれる高調波電流が電源系統に流れることを抑制する電流源アクティブフィルタについては実用化されている。しかしながら、図２に示すような、電圧源の波形歪波成分を相殺する電圧源アクティブフィルタについては、具体的な波形補償制御システムの構成例が見られない。

これに対して本実施の形態１に係る電圧源アクティブフィルタの主回路は、図３に示すように、直列インバータ回路２の直流側端子にはコンデンサ２−１のみを接続し、交流側端子を歪波電圧源１と直列に接続して構成している。この電圧源アクティブフィルタは、歪波電圧源１の歪波成分のみを発生するため、波形改善を主電源容量に比べて遙かに小容量装置で実現することができる。

電圧源アクティブフィルタは、直列インバータ回路２の直流動作電圧が一定に制御されている条件下で、最終制御目標である負荷端子電圧に高調波成分が含まないようなＰＷＭ制御信号を発生する。

このため、歪波電圧源の歪波成分を検出して波形補償制御をかける手法と比べて、直列インバータ回路２や受動フィルタ回路３でのスイッチング素子の電圧降下や休止期間等の影響等も含めた波形歪補償をすることができ、より正確な波形歪補償が可能となる。

また、歪波電圧源に含まれる歪波成分の検出量に基づく従来の方法であれば、直列インバータ回路での歪波補償電圧の大きさが検出ゲインの誤差があったとき、差分の歪は成分が残存することとなるところ、上記の方法によれば出力電圧の歪波成分が生じなくなるように直列インバータ回路をＰＷＭ制御するため、検出誤差による制御誤差への影響を本質的に小さく抑えることができる。

次に、直列インバータ回路２の直流動作電圧は主回路電流が流れるために、波形補償制御信号に基本波成分が含まれていると、電流との位相関係によっては直流側コンデンサへの有効電力の授受が行われ、直流電圧が変動する。

なお実回路例においては、直列インバータ回路での回路損失が生じるので、その損失分に見合った有効電力に比例した基本波有効成分電流を主回路から供給することが必要となる。

このことを実現するためには、直列インバータ回路２の直流端子電圧を検出し、所定の基準値ト一致するような基本波有効成分信号を歪波補償波形制御信号に付加する。これにより、直列インバータ回路２の直流動作電圧を一定に保つことができる。

この電圧源アクティブフィルタは、歪波電圧源として方形波インバータや歪波成分が含まれる商用交流電圧源に対しても適用できる。このため、小容量の直列インバータと小さな受動フィルタ回路でも電圧源アクティブフィルタを構成可能となり、インバータによる交流電源システムの小型化や、商用電源電圧波形の小型波形改善装置として適用できる等の効果が期待できる

また、この電圧源アクティブフィルタは小型化が可能である上、任意の歪波電圧源に接続するだけで波形補償効果が得られる。さらに直流動作電圧も低いので、スイッチングノイズの影響も低く抑えることができ、幅広い分野で適用することが期待できる。
（実施例１）

本発明の実施例１に係る電圧源アクティブフィルタの主回路構成と制御システムを図４に、歪波補償電圧重畳方式のアクティブフィルタの動作原理波形を図５に、それぞれ示す。歪波交流電源１は、商用電源のような交流電圧源波形や方形波インバータ等任意の歪波電圧源の波形改善に適用することができる。そして直列インバータ回路２はスイッチング素子に逆並列にダイオードが接続されたスイッチ回路をフルブリッジ接続し、その直流側端子間にはコンデンサ２−１のみを接続して構成し、その交流側を歪波電圧源１に直列に接続した後、スイッチング調波成分を取り除くための受動フィルタ回路３を介して負荷４に導くことにより、歪波成分が除去された交流出力電圧を得ることができる。

この波形制御を行うための制御手段５には、負荷端子電圧に含まれる歪波成分を検出して歪波補償信号ｅ_ｓｇを制御ブロック５−１で生成すると共に、直列インバータ回路２の直流電圧が基準値Ｅ_ｃｒと一致するようにＰＩ制御器を介して負荷端子電圧の基本波成分に比例した直流電圧制御信号ｅ_δを制御ブロック５−２で得て、それらの制御信号を基に制御ブロック５−３でＰＷＭ制御信号を発生する３つの制御ブロックから構成される。

制御ブロック５−１において、出力電圧を検出し、バンドパスフィルタ回路の出力と入力信号の差分により歪波成分ｅ_ｓｈを検出して歪波補償信号ｅ_ｓｇを得ている。

ここで、出力電圧の波形歪み成分ｅ_ｏｈは次式で表現できる。

よって、波形歪み成分ｅ_ｏｈを十分な低減できるｋ値に設定する必要がある。なお、直流動作電圧の基準値Ｅ_ｃｒはＥ_ｃｄはｅ_ｓの変動幅以上に設定する必要がある。

制御ブロック５−２において、直列インバータ回路２のコンデンサ端子電圧Ｅ_ｃｄが所定の基準値Ｅ_ｃｒと一致するようにＰＩ調節器を介して得られる量と、出力電圧に対する前記バンドパスフィルタの出力との乗算により、コンデンサ電圧を一定に保つに必要な制御電圧ｅ_δを得ている。

制御ブロック５−３では、歪波補償信号ｅ_ｓｇと直流電圧制御信号ｅ_δの和を三角波ｅ_ｔとの比較により、ＰＷＭ制御信号を得て、直列インバータ回路２をスイッチング制御して、電圧源アクティブフィルタ動作を行わせている。

直列インバータ回路２の出力ｅ_ｏにはＰＷＭ制御による高周波スイッチング信号が含まれるが、Ｌ−Ｃフィルタ回路３を通すことにより、低波形歪の交流出力電圧ｅ_ｏｆを得ることができる。なお、フィルタ回路３におけるコンデンサに直列に接続された抵抗は、振動現象を抑制するために設けたもので、高周波電流のみ流れるので回路損失も少ない。

図４は、電圧形アクティブフィルタとして、任意の歪は電圧源として、図１１の構成により、歪波電源１が１２０°通電の方形波の場合の動作波形を示している。歪波電源電圧ｅ_ｓに対して、ＰＷＭ制御補償電圧ｅ_ｘを重畳することにより、正弦波出力電圧波形ｅ_ｏを得る事ができることを示す原理波形である。

以下、本発明の図４に示す電圧源アクティブフィルタの実施例を説明する。

図６は、歪波電圧源１として振幅１００Ｖ，１２０°通電方形波電源に対して、表１に示す回路条件の下でコンデンサ電圧を５０Ｖで動作させ、線形負荷（Ｒ−Ｌ）に対してのシミュレーション解析結果である。

振幅１００Ｖの１２０°幅の方形波電圧源ｅ_ｓに対して振幅５０ＷのＰＷＭ制御された歪波補償電圧ｅ_ｘが重畳されることにより、ＰＷＭスイッチング幅が主電源電圧の半分の電圧でＰＷＭ制御された波形が重畳された出力電圧ｅ_ｏとなり、受動フィルタ回路３を通した波形ｅ_ｏｆは波形歪のない正弦波電圧波形となり、アクティブフィルタ動作が確認できる。

なお、直列インバータ回路２のコンデンサ電圧Ｅ_ｃｄは基準値Ｅ_ｃｒと同じ５０Ｖ一定に制御できていることが分かる。

次に、図７は制御出力電圧にコンデンサインプット形整流回路が接続されたときの動作波形であり、パルス上の電流が流れる非線形負荷に対しても線形負荷と同様に出力電圧波形ｅｏｆは波形歪のない正弦波電圧波形となり、アクティブフィルタ動作が確認できる。

図８は、歪波電圧源１として振幅１３０Ｖで振幅制限された交流電圧源に対して、表２に示す回路条件の下で、コンデンサ電圧２５Ｖで働かせ、線形負荷（Ｒ−Ｌ）を接続したときのシミュレーション解析結果である。

直列インバータ回路２は、歪波電圧源の基本波成分との差分を発生することのできる直流電圧で動作する。このことから、本実施例のような歪波交流電圧に対しては２５Ｖ程度の低い直流動作電圧で十分波形補償できることを上記の結果は示している。

本発明に係る電圧源アクティブフィルタは、電源系統に接続して、歪波電圧や歪波電流源に対して波形歪を補償するアクティブフィルタとして好適に利用できる。

１…歪波電圧源
２…直列インバータ回路
２−１…コンデンサ
３…受動フィルタ回路
４…交流負荷
５…制御手段
５−１…歪波補償信号発生制御ブロック
５−２…直流電圧一定制御ブロック
５−３…ＰＷＭ制御信号発生制御ブロック

Claims (4)

1. 歪波電圧源(1)と負荷(4)との間にインバータ回路(2)及び受動フィルタ回路(3)を接続して、該歪波電圧源(1)の高調波成分電圧を相殺する補償電圧を前記インバータ回路(2)の交流側で発生させる電圧源アクティブフィルタであって、
   前記歪波電圧源(1)に接続される、スイッチング回路と直流コンデンサとを備える前記インバータ回路(2)と、
   前記歪波電圧源(1)の歪波電圧成分を相殺する補償電圧を、ＰＷＭ制御により前記インバータ回路(2)の交流側で発生させるための制御手段(5)と、
   前記制御手段(5)により演算された、前記歪波電圧源(1)の歪波電圧成分を相殺する補償電圧を、前記インバータ回路(2)の出力に重畳するための前記受動フィルタ回路(3)と
   を備えており、
   前記制御手段(5)でもって、補償電圧を発生して重畳した出力に、前記受動フィルタ回路(3)を介して歪波低次の歪波成分を除去した交流出力電圧を、負荷(4)に出力するよう制御することを特徴とする電圧源アクティブフィルタ。
2. 請求項１に記載の電圧源アクティブフィルタであって、
   前記インバータ回路(2)の直流側電圧を検出して、所定の基準値と一致するように波形制御基本波成分電圧を歪波補償電圧の発生信号に加えることにより、前記インバータ回路(2)のＰＷＭ制御信号を発生させるよう構成してなることを特徴とする電圧源アクティブフィルタ。
3. 請求項１又は２に記載の電圧源アクティブフィルタであって、
   前記制御手段(5)が、歪波補償電圧を重畳した出力電圧に残存する歪波成分を抑制するようにＰＷＭ制御することを特徴とする電圧源アクティブフィルタ。
4. 請求項１から３のいずれか一に記載の電圧源アクティブフィルタであって、
   歪波電圧源(1)が方形波インバータ出力であることを特徴とする電圧源アクティブフィルタ。

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