JP2014121200A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】DC−DC変換装置の制御装置として、第一のフィルタコンデンサ電圧および直流電源の電圧を検出し、該フィルタコンデンサ電圧から直流電源電圧を減算する減算器と、該減算器の演算結果に対して直流成分を遮断すると共に交流成分の位相をシフトしてダンピング制御量を出力するハイパスフィルタとを備え、該ダンピング制御量をDC−DC変換装置の電圧指令に加算することにより、DC−DC変換装置の入力側LCフィルタに発生する電気振動を抑制する。
【選択図】図1
Description
電力変換装置は、集電装置1、車輪2、電圧センサ3、6、10、電流センサ4、8、フィルタリアクトル5aおよびフィルタコンデンサ5bにより構成される一次側LCフィルタ5、DC−DC変換装置7、フィルタリアクトル9aおよびフィルタコンデンサ9bにより構成される二次側LCフィルタ9および負荷11より構成される。
電圧制御部(AVR)102は、電圧センサ10より検出する出力電圧Vdを一定に制御するためのブロックであり、出力電圧指令Vd*と出力電圧Vdの差をとり、その電圧偏差を基に、PI制御部102bにてAVR制御量Id*を算出する。なお、PI制御部102bは、PI制御系により構成された制御ブロックである。
反対に、出力電流指令Id**に対して、出力電流Idの値が高い場合、DC−DC電圧指令Vpを降下させる必要がある。
以上が、DC−DC変換装置の定電圧制御の概要である。
まずは、LCフィルタ回路の共振現象に伴い発生する電気振動の発生原理について述べる。
架線電圧Esとフィルタコンデンサ電圧Ecfが一致すると共に、架線電流IsとDC−DC変換装置7が入力する電流も一致するため、一次側LCフィルタ5に電気振動が発生することはなく、電力変換装置は安定的に動作する。
図2は、架線電圧Esが外乱により低下した場合において、架線電流Isおよびフィルタコンデンサ電圧Ecfの挙動を、簡略化して示した図である。説明を容易にするために、フィルタリアクトル5aで発生する損失を零とし、またフィルタコンデンサ5bからDC−DC変換装置7に向けて放電される電流は、常に一定であると仮定している。
架線電流Isは、フィルタコンデンサ電圧Ecfが、架線電圧Esよりも大きい状態では減少を続け、逆に、フィルタコンデンサ電圧Ecfが架線電圧Esよりも小さい状態では増加する、という動作を繰り返し、すなわち交流成分を持つことになる。
以上から、一次側LCフィルタ5の電圧および電流は、架線電圧の変動により振動が持続し、安定しないことが分かる。
しかしながら、DC−DC変換装置7は、負性抵抗として作用するため、電気振動抑制制御がない場合には、電気振動を増幅させるように動作する。
そのため、LCフィルタの負荷が負性抵抗である場合には、共振に伴う電気振動を助長するように動作するため、制御系が不安定となる。このことから、ダンピング制御による電気振動の抑制が不可欠であることが分かる。
図3に示す回路は、入力側からみるとフィルタリアクトル5aにフィルタコンデンサ5bと負性抵抗Rinによる並列回路が直列につながった構成になっていることから、入力電圧Esからフィルタコンデンサ電圧Ecfまでの閉ループ伝達関数G(s)は、以下の(6)式のように表される。
なお、(10)式の関係から、直流入力電流ΔIdcとフィルタコンデンサ電圧ΔEcfを同位相にすることで、制御系を安定化できることが分かる。
直流入力電流ΔIdcに対する出力電流の交流成分ΔIdは、通流率γを用いて、以下の(11)式の関係になる。
また、出力電圧Vdの変動電圧を示す(4s)と(5s)を比較すると、本実施例1を適用した場合(5s)に、この変動電圧が半分に抑えられることが分かる。
以上の結果から、本実施例1による制御を適用することで、応答速度が向上していることが確認できる。また、出力電圧Vdの跳ね上がりも抑制できていることが確認できる。
図1と同一の機能を持つものに対しては、同一の符号を割り当てている。
電力変換装置は、集電装置1、車輪2、電圧センサ3、6、電流センサ4、8、フィルタリアクトル5aおよびフィルタコンデンサ5bにより構成される一次側LCフィルタ5、DC−DC変換装置7、フィルタリアクトル9aおよびフィルタコンデンサ9bにより構成される二次側LCフィルタ9および負荷11より構成される。
2 車輪
3、6、10 電圧センサ
4、8 電流センサ
5 一次側LCフィルタ
5a 一次側フィルタリアクトル
5b 一次側フィルタコンデンサ
7 DC−DC変換装置
9 二次側LCフィルタ
9a 二次側フィルタリアクトル
9b 二次側フィルタコンデンサ
11 負荷
100 制御装置
101、107 内部変数
102 電圧制御部
102a 減算器
102b PI制御部
103 ダンピング制御部
103a 減算器
103b 一次ハイパスフィルタ
104 加算器
105 電流制御部
105a 減算器
105b PI制御部
106 PWM制御部
Claims (6)
- 直流電源と、半導体素子により構成されるDC−DC変換回路と、該DC−DC変換回路の入力側に接続された第一のリアクトルと第一のキャパシタから構成される第一のLCフィルタにより構成される電力変換装置において、
前記第一のキャパシタより検出する第一の電圧検出値と前記直流電源より検出する第二の電圧検出値に基づき、前記第一のLCフィルタより生じる電気振動を抑制する電気振動抑制指令を生成することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置において、
前記電気振動抑制指令を、前記第一の電圧検出値より前記第二の電圧検出値を減算した演算結果を用いて生成することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項2に記載の電力変換装置において、
前記電気振動抑制指令を、前記減算による演算結果をハイパスフィルタを通すことで生成することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1ないし請求項3に記載のいずれかの電力変換装置において、
前記DC−DC変換回路の出力側回路より検出する第三の電圧検出値により前記DC−DC変換回路の出力電圧を安定化するための電圧指令を出力する電圧制御部を備え、
該電圧指令に前記電気振動抑制指令を加算することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1ないし請求項3に記載のいずれかの電力変換装置において、
前記DC−DC変換回路の出力側に第二のリアクトルと第二のキャパシタから構成される第二のLCフィルタが接続され、
該第二のキャパシタより検出する第四の電圧検出値により前記DC−DC変換回路の出力電流を安定化するための電流指令を出力する電圧制御部と、
該電流指令に前記電気振動抑制指令を加算した信号と前記第二のリアクトルより検出する第一の電流検出値とから前記DC−DC変換器の出力電流を安定化するための電圧指令を出力する電流制御部と
を備えること特徴とする電力変換装置。 - 請求項1ないし請求項3に記載のいずれかの電力変換装置において、
前記DC−DC変換回路の出力側に第二のリアクトルと第二のキャパシタから構成される第二のLCフィルタが接続され、
前記DC−DC変換回路の出力電流を定電流制御するための電流指令に前記電気振動抑制指令を加算する加算器と、
該加算器の出力信号と前記第二のリアクトルより検出する第一の電流検出値とから前記定電流制御のための電圧指令を出力する電流制御部と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
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