JP2016096682A

JP2016096682A - 電力変換装置の並列運転時の横流防止装置とその制御方法

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Publication number: JP2016096682A
Application number: JP2014232279A
Authority: JP
Inventors: 信貴毛塚; Nobutaka Kezuka
Original assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Meidensha Corp; Meidensha Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2014-11-17
Filing date: 2014-11-17
Publication date: 2016-05-26
Anticipated expiration: 2034-11-17
Also published as: JP6358052B2

Abstract

【課題】電力変換装置の並列運転時に、横流防止制御手段を設けると、出力電圧指令の実効値を減少させる虞を有する。【解決手段】電流制御部とＰＷＭ制御部との間に横流補償リミット演算部を設けると共に、横流制御部とＰＷＭ制御部との間に横流補償リミット処理部を設ける。横流補償リミット演算部では、電圧指令と三角波のキャリアの上限値、およびキャリアの下限値との差分をそれぞれ算出して横流補償リミット処理部に出力する。横流補償リミット処理部では、横流制御部からの横流補償値を入力し、キャリアの上限値を横流補償リミットの上限値とし、キャリアの下限値を横流補償リミットの下限値として出力するよう構成したものである。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置の並列運転時の横流防止装置とその制御方法に関するものである。

パワー半導体素子をスイッチング素子とする電力変換装置を大容量化する手段として複数台の電力変換装置を並列運転する方法がある。一般に、電力変換装置の並列運転には、出力電流を低下させる要因の一つとして電力変換装置間を流れる横流がある。電力変換装置の並列運転では、出力を単に並列接続するだけでは各装置の出力電流に不平衡が生じ、装置間に横流と呼ばれる循環電流が発生する。横流発生の原因としては、配線インピーダンスの差、スイッチング素子のストレージタイムの差などが考えられる。

横流の発生は、並列接続した電力変換装置の出力電流に不平衡が生じるため、電力変換装置の発生する損失にも不平衡が生じる。これは、一方側の電力変換装置のスイッチング素子などの部品の温度上昇へとつながり、好ましくない。よって、一般にはこの横流を抑制するために補償回路を設けて電力変換装置の運転を行っている。また、電力変換装置のＰＷＭ変調にはキャリア比較方式が採用されている。

図４は特許文献１に記載された並列接続した電力変換装置において、横流補償とデッドタイム補償を付加した構成図を示したものである。インバータ１，２の電源は直流電源ＰＮであり、これを並列に接続する。インバータ１，２の出力は相間リアクトルＬ_-mutで接続し、その中間タップから負荷に接続する。インバータ１，２の各出力電流をＩ1，Ｉ2とし、負荷に供給される出力電流はＩ0である。ここで、電流制御に使用する検出電流をＩdetとする。また、横流ＩcはＩ1，Ｉ2の偏差で表される。（１）および（２）式でＩ1，Ｉ2，Ｉ0，Ｉdet，Ｉcの関係を示す。
Ｉ0＝Ｉ1＋Ｉ2
＝Ｉdet …… （１）
Ｉc＝Ｉ1−Ｉ2 …… （２）
検出電流Ｉdetは電流指令Ｉcmdに追従するよう電流制御部３で電流制御し、電圧指令Ｖcmdを生成する。電圧指令Ｖcmdと後述のデッドタイム補償量Ｖdtcを加算して、デッドタイム補償後の電圧指令Ｖcmd’を生成する。さらにＶcmd’と横流補償分の電圧指令Ｖcccを加算してインバータ１の電圧指令Ｖcmd１’を出力する。同様に、電圧指令Ｖcmd’と横流補償分の電圧指令Ｖcccを減算してインバータ２の電圧指令Ｖcmd2’を出力する。

ＰＷＭ制御部４Ａ，４Ｂで電圧指令Ｖcmd１’，Ｖcmd2’とキャリア生成部５からの三角波のキャリアＣarrierを比較し、ゲート指令Ｇate1，2を生成する。ゲート指令Ｇate1，2は、デッドタイム生成部９，１０によってデッドタイムが付加される。インバータ１，２の相電圧Ｖ１，Ｖ２は相電圧検出部７によって検出し、絶縁された検出相電圧Ｖce1，Ｖce2を出力する。デッドタイム補償部６は、ゲート指令Ｇate1，2と検出相電圧Ｖce1とＶce2とのオンタイム及びオフタイムの誤差を検出して補償を行い、デッドタイム補償量Ｖdtcを出力する。インバータは２台であるので検出する誤差も２種類存在する。このため、デッドタイム補償に使用する値は２つのインバータ検出誤差の平均をとる。

また、横流制御部８ではＰＩ制御によって横流補償値Ｔcccが算出され、それに基づいて横流制御部８は横流補償分の電圧指令Ｖcccを出力する。デッドタイム生成部９，１０は、それぞれゲート指令Ｇate1，2を入力とし、予め定められたデッドタイム時間Ｔdを有したスイッチング指令Ｇ1_-Ｕ，Ｇ1_-Ｌ，Ｇ2_-Ｕ，Ｇ2_-Ｌを出力する。各スイッチング指令によりインバータ１及びインバータ２内のスイッチング素子をオン・オフさせることによってインバータを動作させる。

特開２０１２−２４４６７４

特許文献１では、図４のように構成することによってデッドタイム補償後の遅延時間及び横流補償による遅延時間を無くすことが出来る効果を有するが、次のような課題を有している。

横流補償の補償量自体には過補償とならないよう制限を加える必要がある。図４で言えば横流制御部８の出力、すなわち、横流補償分の横流補償値Ｖcccにリミットを設けることになる。しかし、補償量のみを考慮してリミットを設けると、出力電圧指令Ｖcmd’の実効値を減少させる虞を有する。

図５に、図４における電圧指令と横流補償量、キャリア比較との関係を示す。図４においてインバータ１と２の各電圧指令Ｖcmd1’，Ｖcmd2’、デッドタイム補償後の電圧指令Ｖcmd’は（３）式で表される。
Ｖcmd1’＝Ｖcmd’＋Ｖccc
Ｖcmd2’＝Ｖcmd’−Ｖccc …… （３）
（３）式よりＶcmd’をＶcmd1’、Ｖcmd2’で表すと（４）式となる。
Ｖcmd’＝１／２×（Ｖcmd1’＋Ｖcmd2’） …… （４）
各電圧指令は図５（ａ）に示す。（４）式よりＶcmd’はインバータ１，２の電圧指令の平均値となっていることが分かる。

ここで、デッドタイム補償後の電圧指令Ｖcmd’がキャリアの下限、上限（以下、キャリア頂点と呼ぶ）付近にあるときを考える。電圧指令Ｖcmd’がキャリア頂点付近にあるときに横流補償量が重畳されると、インバータの電圧指令
Ｖcmd1’もしくはＶcmd2’が図５（ａ）に示すようにキャリア頂点より大きくなってしまうことがある。図５（ａ）ではＶcmd1’がキャリア頂点より大きくなっており、この状態ではキャリア比較が出来なくなる。

電圧指令がキャリア頂点より大きくなった区間は、電圧指令がキャリア頂点でリミットされたことと等価になる。キャリアの下限を０、上限を１とするキャリア頂点を超えたときの電圧指令Ｖcmd1’、Ｖcmd2’は、（５）、（６）式で表せる。
Ｖcmdi’（i＝1,2）＞１のとき、
Ｖcmdi＝１ …… （５）
Ｖcmdi’（i＝1,2）＜０のとき、
Ｖcmdi＝０ …… （６）
次に、（５）、（６）式の状態のときのＶcmd’を考える。キャリア頂点でリミットされた値をＶcmd1”とするとＶcmd1’が（５）式の状態となったときには（７）式で表せる。
Ｖcmd1’＞１
Ｖcmd1”＝Ｖcmd’＋Ｖccc−（Ｖcmd1’−１）
＝１
Ｖcmd2’＝Ｖcmd’−Ｖccc …… （７）
各電圧は図５（ｂ）に示される。

Ｖcmd1”とＶcmd2’との平均値をＶcmd”とする。（７）式のとき、Ｖcmd”は（８）式となる。
Ｖcmd”＝１／２×（（Ｖcmd1”＋Ｖcmd2’）
＝１／２×｛Ｖcmd’＋Ｖccc−（Ｖcmd1’−１）＋Ｖcmd’−Ｖccc｝
＝１／２×｛２Ｖcmd’−（Ｖcmd1’−１）｝
＝１／２×（１＋Ｖcmd’−Ｖccc） …… （８）
各電圧は図５（ｃ）に示される。

インバータ出力電圧を所望の値に制御することを考えると、横流補償後もＶcmd”＝Ｖcmd’となることが望ましい。しかし、電圧指令がリミットされた場合、（８）式および（７）式より、Ｖcmd’−Ｖcmd”＝１／２×（Ｖcmd’＋Ｖccc−１）＝１／２×（Ｖcmd1’−１）だけ本来与えたい電圧指令Ｖcmd”がＶcmd’と比較して減少してしまうことになる。この原因は出力電圧指令が大きくなっても補償量Ｖcccを減少させないためである。補償量が重畳されることにより一方のインバータの電圧指令が電圧飽和しても、他方のインバータの電圧指令には補償量がそのまま重畳されるため、２つのインバータの出力電圧指令の大きさの平均値が本来与えたい値より減少してしまう。これにより、インバータの出力電圧が低下し、インバータ負荷へ印加する電圧が低下する。

本発明は上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは横流制御に伴う出力電圧の低下を抑制した電力変換装置の並列運転時の横流防止装置とその制御方法を提供することにある。

本発明は、2台の電力変換装置の出力側を並列接続し、各電力変換装置のＰＷＭ制御部は、電流制御部からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量Ｖdtcの和による電圧指令Ｖcmd’と、横流制御部からの横流補償値Ｖcccと、三角波のキャリアに基づいて各電力変換装置のゲート指令を生成するものにおいて、
前記電流制御部とＰＷＭ制御部との間に横流補償リミット演算部を設け、
前記横流制御部とＰＷＭ制御部との間に横流補償リミット処理部を設け、
前記横流補償リミット演算部に、前記電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量Ｖdtcの和による電圧指令Ｖcmd’を入力し、キャリアの上限値と前記Ｖcmd’との差分、およびキャリアの下限値と電圧指令Ｖcmd’との差分をそれぞれ算出して前記横流補償リミット処理部に出力し、
前記横流補償リミット処理部は、前記横流制御部からの横流補償値Ｖcccを入力し、前記キャリアの上限値を横流補償リミットの上限値とし、前記キャリアの下限値を横流補償リミットの下限値とするリミット処理を行い、リミット処理後の横流補償値を前記電圧指令Ｖcmd’に重畳して各電力変換装置のＰＷＭ制御部へ入力するよう構成したことを特徴としたものである。

また、本発明は、２台の電力変換装置の出力側を並列接続し、各電力変換装置のＰＷＭ制御部は、電流制御部からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量の和による電圧指令Ｖcmd’に、横流制御部からの横流補償値Ｔcccを重畳して得られた出力電圧指令と、三角波のキャリアに基づいて各電力変換装置のゲート指令を生成する電力変換装置の並列運転時の制御方法において、
前記電流制御部からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量の和による電圧指令Ｖcmd’を横流補償リミット処理部に入力し、電圧指令Ｖcmd’とキャリアの上限値、およびキャリアの下限値との差分をそれぞれ算出して横流補償リミット処理部に入力すると共に、
横流補償リミット処理部は、前記横流制御部からの横流補償値Ｖcccを入力して前記キャリアの上限値、およびキャリアの下限値によってリミット処理を行い、リミット処理後の横流補償値を前記電圧指令Ｖcmd’に重畳して各電力変換装置のＰＷＭ制御部へ入力することを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、並列接続した電力変換装置で横流制御をするものにおいて、出力電圧指令の大きさの平均値を本来与えたい値と同じ値にすることが可能となり、横流補償制御に伴う出力電圧低下の現象は抑制されるものである。

本発明の実施形態を示す電力変換装置の並列運転装置の構成図。本発明による横流補償リミット演算部と横流補償リミット処理部の構成図。電圧指令と横流補償キャリア比較の説明図。従来の電力変換装置の並列運転装置の構成図。従来の電圧指令と横流補償キャリア比較の説明図。

図１は本発明の実施例を示したもので、図４との同一部分に同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、本発明は図４で示す回路に横流補償リミット演算部２０と横流補償リミット処理部３０を設けたものである。その具体的な回路を図２で示す。横流補償リミット演算部２０には、電流制御部３からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償部６からの補償量Ｖdtcの和である電圧指令Ｖcmd’が入力される。横流補償リミット演算部２０は、入力された電圧指令Ｖcmd’をそのまま出力すると共に、減算部２１，２２にも出力する。

減算部２１では、入力された電圧指令Ｖcmd’とキャリア上限値との差分を求め、その差分を上限リミット値として横流補償リミット処理部３０に出力する。また、減算部２２では電圧指令Ｖcmd’とキャリア下限値との差分が求められ、その差分は下限リミット値として横流補償リミット処理部３０に出力する。横流補償リミット処理部３０には横流制御部８からの横流補償値Ｖcccが入力されており、この横流補償値Ｖcccの上限及び下限を横流補償リミット演算部２０からのリミット値により制限される。

前述した（５）式のように、電圧指令がキャリアの上限値を超すと電圧指令はキャリアの上限値でリミットされることになる。このことから、電圧指令に横流補償を加えることができる電圧の余裕度は、キャリアの上限値から電圧指令の大きさを引いた値となる。式で示すと（９）式となる。
Upper ｌimit＝carry top−Ｖcmd’ …… （９）
ここで、Upper ｌimit≧０
横流補償リミット演算部２０では、キャリアの上限値からデッドタイム補償後の電圧指令を引くことにより横流補償リミットの上限値Upper ｌimitを求める。同様に、キャリアの上限値からデッドタイム補償後の電圧指令を引くことにより横流補償リミットの下限値Ｌower ｌimitを求める。
電圧指令に横流補償量を重畳してもキャリアの上限値を超えないように横流補償量を（９）式のようにリミットしているので、各インバータの出力電圧指令は（１０）式で示せる。ここで、キャリアの頂点は０．１とする。
Ｖcmd1’＝Ｖcmd’＋Ｖccc
＝Ｖcmd’＋Upper ｌimit
＝Ｖcmd’＋carry top−Ｖcmd’
＝carry top
＝１
Ｖcmd2’＝Ｖcmd’−Ｖccc
＝Ｖcmd’−Upper ｌimit
＝Ｖcmd’−（carry top−Ｖcmd’）
＝２Ｖcmd’−carry top …… （１０）
（１０）式のとき、Ｖcmd”は（１１）式となる。
Ｖcmd”＝１／２×（Ｖcmd1’＋Ｖcmd2’）
＝１／２×（carry top＋２Ｖcmd’−carry top）
＝１／２×（２Ｖcmd’）
＝Ｖcmd’ …… （１１）
（９）式より求めた横流補償リミット量を、横流補償リミット処理部３０でのリミット値として設定することにより、横流補償値を重畳しても電圧指令の大きさＶcmd”を本来与えたい値Ｖcmd’にすることが（１１）式により確認できる。図３に電圧指令と横流補償キャリアとの比較関係を示す。
なお、本実施例の適用により、適用しない場合と比べて横流が流れやすくなるケースも考えられる。しかし、その場合でも流れる横流が許容値以内（すなわち、２つのインバータの出力電流の不平衡率が許容値以内）であれば問題はない。
また、インバータの相数は、三相以外の単相や他の相数でも可能である。

以上本発明によれば、並列接続をしたインバータにおいて、横流制御をしつつ出力電圧指令の大きさの平均値を本来与えたい値と同じ値にすることが可能となる。したがって、横流補償制御に伴う出力電圧低下の現象は抑制されるものである。

１、２… インバータ
３… 電流制御部
４（４Ａ，４Ｂ）… ＰＷＭ制御部
５… キャリア生成部
６… デッドタイム補償部
７… 相電圧検出部
８… 横流補償部
９、１０… デッドタイム生成部
２０… 横流補償リミット演算部
３０… 横流補償リミット処理部

Claims

2台の電力変換装置の出力側を並列接続し、各電力変換装置のＰＷＭ制御部は、電流制御部からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量Ｖdtcの和による電圧指令Ｖcmd’と、横流制御部からの横流補償値Ｖcccと、三角波のキャリアに基づいて各電力変換装置のゲート指令を生成するものにおいて、
前記電流制御部とＰＷＭ制御部との間に横流補償リミット演算部を設け、
前記横流制御部とＰＷＭ制御部との間に横流補償リミット処理部を設け、
前記横流補償リミット演算部に、前記電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量Ｖdtcの和による電圧指令Ｖcmd’を入力し、キャリアの上限値と前記Ｖcmd’との差分、およびキャリアの下限値と電圧指令Ｖcmd’との差分をそれぞれ算出して前記横流補償リミット処理部に出力し、
前記横流補償リミット処理部は、前記横流制御部からの横流補償値Ｖcccを入力し、前記キャリアの上限値を横流補償リミットの上限値とし、前記キャリアの下限値を横流補償リミットの下限値とするリミット処理を行い、リミット処理後の横流補償値を前記電圧指令Ｖcmd’に重畳して各電力変換装置のＰＷＭ制御部へ入力するよう構成したことを特徴とした電力変換装置の並列運転時の横流防止装置。
２台の電力変換装置の出力側を並列接続し、各電力変換装置のＰＷＭ制御部は、電流制御部からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量の和による電圧指令Ｖcmd’に、横流制御部からの横流補償値Ｔcccを重畳して得られた出力電圧指令と、三角波のキャリアに基づいて各電力変換装置のゲート指令を生成する電力変換装置の並列運転時の制御方法において、
前記電流制御部からの電圧指令Ｖcmdとデッドタイム補償後の補償量の和による電圧指令Ｖcmd’を横流補償リミット処理部に入力し、電圧指令Ｖcmd’とキャリアの上限値、およびキャリアの下限値との差分をそれぞれ算出して横流補償リミット処理部に入力すると共に、
横流補償リミット処理部は、前記横流制御部からの横流補償値Ｖcccを入力して前記キャリアの上限値、およびキャリアの下限値によってリミット処理を行い、リミット処理後の横流補償値を前記電圧指令Ｖcmd’に重畳して各電力変換装置のＰＷＭ制御部へ入力することを特徴とした電力変換装置の並列運転時の横流防止制御方法。