JP2021072698A - Ｎｐｃインバータの制御方法、および、電力変換システム - Google Patents

Abstract

【課題】ＮＰＣインバータについて、ＤＣリンク電圧を速やかにバランスさせる新たな方法を提供する。【解決手段】ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作を実行する。ＤＣリンクバランス動作において、フィードフォワード率の上限αを１より小さく設定して電圧指令値を設定し、正極側キャパシタ１１の電圧ＶDC-1と負極側キャパシタ１２の電圧ＶDC-2との差に基づいてＤＣリンクバランス制御のための付加電圧ｖDC-Balを設定し、電圧指令値に付加電圧ｖDC-Balを加えた電圧に従って、スイッチング素子群２１〜２４に供給するゲート信号を生成する。【選択図】図２

Description

本発明は、ＮＰＣ（Neutral Point Clamped）インバータについて、ＤＣ（Direct Current）リンク電圧のバランスをとるための技術に関する。

特許文献１では、３レベルインバータを用いた電力変換装置において、中性点電位変動抑制制御と通流バランス制御との相互干渉を防止して、中性点電位の変動を抑制しつつ、通流バランスを確保する技術が開示されている。

特開２０１８−５７１５７号公報

ＮＰＣインバータのＤＣリンクは、上側と下側に分けられる。通常動作では、上側と下側の平均電圧は同一であり、ＤＣリンク電圧の半分と等しくなければならない。実際には、回路パラメータのばらつき、不安定動作や不具合によって、ＤＣリンクの上側と下側の電圧に乖離が生じ、これはシステム全体の異常につながる。この現象は、インバータの動作中に起こりうるし、ＤＣリンク電圧が供給されているがインバータは動作していないストップモードでも起こりうる。

ＤＣリンク電圧の乖離があるレベルを超えると、コンデンサへの過電圧を避けるため、通常は、システム全体はトリップし、エラーモードに入り、ＤＣリンク電圧を下げるなどの処理を行う。さらに、ハードウェアの視点から見て、ＤＣリンクの各サイドに接続された回路要素のばらつきに起因して、ＤＣリンクの両側電圧はバランスがとれていない。したがって、ＮＰＣインバータが、ＤＣソースに接続されているが停止状態にあって起動コマンドを待っているとき、ＤＣリンクの両側の電圧は大きく乖離する可能性がある。この条件では、ＤＣリンク電圧を均等化して、通常動作に向けて準備する方法が必要になる。

ＮＰＣインバータに関して、従来から、ＤＣ電圧を均等化し、部分的なＤＣ電圧のドリフトを防止する方法がいくつか提案されてきた。この方法は大きく２つに分けられる。第１は、ＤＣ電圧を均等化するための専用の外部回路を利用する方法（ハードウェアによる方法）であり、第２は、インバータのスイッチング制御を改良する方法（ソフトウェアによる方法）である。第１の方法は、コストの増加や、電力の損失、サイズの増大、故障率の増加の問題をはらむ。第２の方法は、制御方法に基づくものであり、第１の方法での問題は解決できるが、制御方法を誤ると、ＤＣリンクの両側電圧のバランスを悪化させることになる。

ただし、インバータのスイッチング制御を改良する方法では、インバータが動作状態にあり、ＤＣリンクとインバータ端子との間の電流の流れが安定していることが必要である。加えて、電力伝送の方向が、その制御ループに含まれていなければならない。電力伝送がほぼゼロに近いとき、ＤＣリンクバランス制御は、相当の時間がかかってしまい、また、電力伝送の方向が不定なために実行不能になるおそれもある。また、主回路ブレーカが接続されておらず電力が伝送されていない起動時には、ＤＣリンクバランス制御は、失敗するか、あるいは相当長い時間を要するおそれがある。

本発明では、ＮＰＣインバータについて、ＤＣリンク電圧を速やかにバランスさせる新たな方法を提供することを目的とする。

本発明の第１態様は、互いの接続点を中性点とする正極側キャパシタおよび負極側キャパシタと、これに並列に接続されるスイッチング素子群とを備えるＮＰＣ（Neutral Point Clamped）インバータの制御方法であって、前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作を実行するものであり、前記ＤＣリンクバランス動作において、系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数である、フィードフォワード率の上限を１より小さく設定して、電圧指令値を設定し、前記正極側キャパシタの電圧と前記負極側キャパシタの電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧を設定し、前記電圧指令値に前記付加電圧を加えた電圧に従って、前記スイッチング素子群に供給するゲート信号を生成する。

この構成によると、ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作が行われる。このＤＣリンクバランス動作において、系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数である、フィードフォワード率の上限を１より小さく設定して、電圧指令値が設定される。そして、正極側キャパシタの電圧と負極側キャパシタの電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧が設定され、電圧指令値に付加電圧を加えた電圧に従って、スイッチング素子群に供給するゲート信号が生成される。フィードフォワード率の上限を１より小さく設定することによって、ＰＷＭデューティがオーバーモジュレーションにならない状態で、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧をより大きな値に設定できるので、ＤＣリンク電圧のアンバランスがいかなるレベルであっても、短時間でこれを解消することができる。したがって、ＤＣリンク電圧のバランスを速やかにとることができ、通常動作を開始する前に、バランスがとれた状態を確実に準備することができる。

また、本態様のＮＰＣインバータの制御方法は、前記ＤＣリンクバランス動作において、前記フィードフォワード率を、前記上限まで徐々に上げていき、前記ＤＣリンクバランス動作の実行後に、前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系動作を行い、前記フィードフォワード率を前記上限から徐々に上げていく、としてもよい。

これにより、ＮＰＣインバータを、ＤＣリンクバランス動作から通常動作に、スムーズに移行させることができる。

また、本態様のＮＰＣインバータの制御方法は、前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の後に、前記フィードフォワード率を１またはそれに近い値にして、前記正極側キャパシタの電圧と前記負極側キャパシタの電圧との電圧ずれを求め、現在の実行サイクルにおける前記電圧ずれを、過去の実行サイクルにおける電圧ずれと比較し、この比較結果に従って、ＤＣリンクバランス制御における付加電圧の正負の極性を定める、としてもよい。

これにより、正極側キャパシタの電圧と負極側キャパシタの電圧との電圧ずれが、過去のサイクルと比較され、この比較結果に従って、ＤＣリンクバランス制御における付加電圧の正負の極性が定められる。これにより、例えば負荷が極めて小さい場合であっても、ＤＣリンク電圧のバランスを適切にとることができる。

本発明の第２態様は、電力変換システムであって、互いの接続点を中性点とする正極側キャパシタおよび負極側キャパシタと、これに並列に接続されるスイッチング素子群とを備えるＮＰＣ（Neutral Point Clamped）インバータと、前記スイッチング素子群に供給するゲート信号を生成する制御部とを備え、前記制御部は、前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作を実行するものであり、前記ＤＣリンクバランス動作において、系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数である、フィードフォワード率の上限を１より小さく設定して、電圧指令値を設定し、前記正極側キャパシタの電圧と前記負極側キャパシタの電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧を設定し、前記電圧指令値に前記付加電圧を加えた電圧に従って、前記スイッチング素子群に供給するゲート信号を生成する。

この構成によると、制御部は、ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作を行う。このＤＣリンクバランス動作において、系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数である、フィードフォワード率の上限を１より小さく設定して、電圧指令値が設定される。そして、正極側キャパシタの電圧と負極側キャパシタの電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧が設定され、電圧指令値に付加電圧を加えた電圧に従って、スイッチング素子群に供給するゲート信号が生成される。フィードフォワード率の上限を１より小さく設定することによって、ＰＷＭデューティがオーバーモジュレーションにならない状態で、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧を、より大きな値に設定することができるので、ＤＣリンク電圧のアンバランスがいかなるレベルであっても、短時間でこれを解消することができる。したがって、ＤＣリンク電圧のバランスを速やかにとることができ、通常動作を開始する前に、バランスがとれた状態を確実に準備することができる。

本発明によると、ＮＰＣインバータについて、ＤＣリンク電圧を速やかにバランスさせることができる。

実施形態に係る３レベルＮＰＣインバータを含む電力変換システムの構成例 実施形態における制御部の機能構成例 通常動作におけるＤＣリンクバランス動作を示す図 通常動作におけるＤＣリンクバランス動作を示す図 実施形態に係るＤＣリンクバランス動作における、フィードフォワード率およびＤＣリンク電圧の変化を示すグラフ 実施形態におけるＤＣリンクバランス動作を示す図 系統または負荷との連系前後における電圧変化を示すグラフであり、（ａ）は本実施形態を適用した場合、（ｂ）は従来の場合 変形例に係る制御装置の機能構成例 変形例に係る制御フローの例

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用範囲あるいはその用途を制限することを意図するものではない。

＜システム構成例＞
図１は実施形態に係る３レベルＮＰＣ（Neutral Point Clamped）インバータを含む電力変換システムの構成例を示す図である。図１の電力変換システムでは、ＤＣソース１から出力された直流電力は、ＮＰＣインバータ３によって交流電力に変換され、系統または負荷２に出力される。

ＮＰＣインバータ３は、正極側キャパシタ１１、負極側キャパシタ１２、および、直列接続されたスイッチング素子２１〜２４を含むスイッチング素子群を備える。正極側キャパシタ１１と負極側キャパシタ１２との接続点がＮＰＣインバータ３の中性点となる。スイッチング素子２１〜２４は、正極側キャパシタ１１および負極側キャパシタ１２に並列に接続されている。図１では図示していない制御部から、スイッチング素子２１〜２４のオン／オフを制御するゲート信号Ｓ１〜Ｓ４が供給される。ＤＣソース１の出力を受けるＤＣリンクの電圧ＶDCは、図面における上側と下側に分割される（ＶDC-1，ＶDC-2）。正極側キャパシタ１１の電圧がＶDC-1、負極側キャパシタ１２の電圧がＶDC-2となる。ＮＰＣインバータ３のＡＣ出力側に、ローパスフィルタ１５が設けられている。ブレーカ１７は、ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との接続／非接続を切り替える。また、インバータ電流ｉinv、インバータ電圧ｖinverter、系統電圧ｖgrid等が図示していないセンサによって検出され、制御部に供給される。

＜制御部の機能構成＞
図２は制御部の機能構成例を示す図である。制御部は、系統電圧ｖgridや系統電流ｉgrid等に基づいて電圧指令値ＶDCを求め、この電圧指令値ＶDCに従って、スイッチング素子２１〜２４のゲート信号となるＰＷＭ信号を生成する。図２に示すように、制御部は、フィードフォワード補償ブロック３０と、ＤＣリンクバランス制御ブロック４０とを備える。本実施形態では、ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との連系の前に、フィードフォワード補償ブロック３０およびＤＣリンクバランス制御ブロック４０を用いて、ＤＣリンクバランス動作を実行する。ＤＣリンクバランス動作では、正極側キャパシタ１１の電圧ＶDC-1と負極側キャパシタ１２の電圧ＶDC-2との乖離を解消し、バランスをとる。

図３および図４は通常動作におけるＤＣリンクバランス動作を示す図である。通常動作において、制御部は、プラス側で変化する三角波およびマイナス側で変化する三角波である２つの搬送波と、電圧指令値とを比較し、この比較結果の大小関係に基づいて、スイッチング素子をオン／オフするためのゲート信号Ｓ１〜Ｓ４を生成する。図３（ａ）および図４（ａ）において、太破線のサインカーブはレベルシフト前の元の電圧指令値を示し、太実線のサインカーブはＤＣリンクバランスのためにレベルシフトした電圧指令値を示す。

図３（ａ）に示す、電圧指令値が正である半周期においては、制御部は、Ｓ２はＯＮ、Ｓ４はＯＦＦとし、Ｓ１にＰＷＭ信号を与え、Ｓ３に反転ＰＷＭ信号を与える。この場合、図３（ｂ），（ｃ）に太線で示すように電流が流れる。すなわち、正極側キャパシタ１１から放電がなされる。一方、図４（ａ）に示す、電圧指令値が負である半周期においては、制御部は、Ｓ１はＯＦＦ、Ｓ３はＯＮとし、Ｓ４にＰＷＭ信号を与え、Ｓ２に反転ＰＷＭ信号を与える。この場合、図４（ｂ），（ｃ）に太線で示すように電流が流れる。すなわち、負極側キャパシタ１２から放電がなされる。

ここで、ＤＣリンクバランスのために、電圧ｖDC-Balを電圧指令値に付加する。図３および図４の例では、正の電圧ｖDC-Balが電圧指令値に付加されている。これにより、正極側キャパシタ１１の放電量を増やすことができる。

図５は本実施形態のＤＣリンクバランス動作における、フィードフォワード率およびＤＣリンク電圧の変化を示すグラフである。ここで、「フィードフォワード率」とは、系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数のことをいう。図５に示すように、本実施形態では、系統または負荷２との連系の前に実行するＤＣリンクバランス動作において、フィードフォワード率の上限をα（αは１より小さい）に設定する。αは、例えば０．２、あるいは、０．５である。そして、αを上限としてフィードフォワード率を徐々に上げていく。そして、ＤＣリンクバランス動作により、正極側キャパシタ１１の電圧ＶDC-1と負極側キャパシタ１２の電圧ＶDC-2との乖離が解消され、ＤＣリンクのバランスが取れた後、ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との連系動作を行い、フィーフォワード率を徐々に上げていく。系統または負荷２との連系の前に、フィードフォワード率の上限をαに制限することによって、ＤＣリンクのバランスが速やかに取れる。

図６は本実施形態におけるＤＣリンクバランス動作を示す図である。本実施形態では、フィードフォワード率に上限α（＜１）をおくことによって、レベルシフト前の電圧指令値の振幅が小さくなる。このため、ＤＣリンクバランスのために付加する電圧ｖDC-Balを、より大きな値に設定することができる。図６の例では、フィードフォワード率の上限αが０．５程度に設定されているため、ＤＣリンクバランスのために大きな電圧ｖDC-Balを付加することができる。これによって、周期全体において、正極側キャパシタ１１から放電させることができるので、ＤＣリンクのバランスを速やかに取ることができる。

図７は系統または負荷２との連系前後における、ＤＣリンク電圧およびインバータ電圧の変化を示すグラフであり、（ａ）は本実施形態を適用した場合、（ｂ）は従来の場合である。図７（ａ）では、系統または負荷２との連系前のフィードフォワード率の上限αを０．２（２０％）としている。図７（ａ）を図７（ｂ）と対比すると分かるように、本実施形態を適用することによって、ＤＣリンク電圧ＶDC-1，ＶDC-2の乖離が速やかに解消されている。すなわち、本実施形態に係るＤＣリンクバランス動作を実行することによって、短時間で、ＤＣリンク電圧のバランスをとることができる。

以上のように本実施形態によると、ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作が行われる。このＤＣリンクバランス動作において、系統または負荷電圧のフィードフォワード率の上限αを１より小さく設定して、電圧指令値が設定される。そして、正極側キャパシタ１１の電圧と負極側キャパシタ１２の電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧ｖDC-Balが設定され、電圧指令値に付加電圧ｖDC-Balを加えた電圧に従って、スイッチング素子群２１〜２４に供給するゲート信号Ｓ１〜Ｓ４が生成される。これにより、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧ｖDC-Balを、より大きな値に設定することができるので、短時間で、ＤＣリンク電圧のバランスをとることができる。

また、ＤＣリンクバランス動作において、フィードフォワード率を上限αまで徐々に上げていき、ＤＣリンクバランス動作の実行後に、ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との連系動作を行い、フィードフォワード率を上限αから徐々に上げていく。これにより、ＮＰＣインバータ３を、ＤＣリンクバランス動作から通常動作にスムーズに移行させることができる。

＜変形例…連系後のバランス制御＞
上述の実施形態では、系統または負荷２との連系の前に、ＤＣリンク電圧のバランスを速やかにとることができた。さらに、系統または負荷２と連携した状態でも、バランス制御ブロック４０を用いて、フィードフォワード率を１またはそれに近い値にして付加電圧を調整することによって、バランス制御を行うことが可能である。ただし、図２のバランス制御ブロック４０に示すように、バランス制御の方向、すなわち、バランス制御における付加電圧の正負の極性は、ＤＣリンクとＡＣフィルタとの間を流れる電力Ｐoutの正負（Sign(Pout)）によって決められていた。この場合、例えば負荷２が非常に小さく、無視できるほどの小さな電力が伝送されている場合には、その電力の正負を判定することは困難である。このため、バランス制御の方向を誤ってしまい、ＤＣリンクのバランスを適切にとれない可能性がある。

この問題を解決するために、本変形例では、電力の正負を用いないで、新たなアルゴリズムを用いて、ＤＣバランス制御における付加電圧の正負の極性を定める。本変形例に係る方法は、例えば、ＮＰＣインバータ３と系統または負荷２との連系の後に、フィードフォワード率を１またはそれに近い値にして、実行される。

図８は変形例に係る制御装置の機能構成例を示す図である。図8の機能構成は、図２のＤＣリンクバランス制御ブロック４０とは異なる構成のＤＣリンクバランス制御ブロック４０Ａを備えている。図９は変形例に係るアルゴリズムの一例を示すフローチャートである。このアルゴリズムは、最初のＤＣリンクバランス動作によってＤＣリンク電圧が適切に収束した後に、実行される。

図９のアルゴリズムでは、正極側キャパシタ１１の電圧ＶDC-1と負極側キャパシタ１２の電圧ＶDC-2との差の絶対値を、電圧ずれ（"Voltage Mismatch"）として定義している。そして、各実行サイクルにおける電圧ずれを過去のサイクルにおける電圧ずれと比較し、その比較結果によって、バランス制御方向を反転させたり維持したりする。すなわち、現在の電圧ずれが過去の電圧ずれに所定値（Delta_V）を加えた値よりも大きい場合は（ステップＳ１１でＹＥＳ）、バランス制御方向を反転させる（ステップＳ１２）。そして電圧ずれの値を更新する（Ｓ１３）。一方、現在の電圧ずれが過去の電圧ずれよりも小さい場合は（ステップＳ１４でＹＥＳ）、現在のバランス制御方向を維持する（ステップＳ１５）。そして電圧ずれの値を更新する（Ｓ１６）。

この変形例によると、電力の正負を用いないで、正極側キャパシタ１１の電圧ＶDC-1と負極側キャパシタ１２の電圧ＶDC-2との電圧ずれを過去のサイクルと比較することによって、バランス制御における付加電圧の正負の極性を定める。これにより、例えば負荷が極めて小さい場合であっても、ＤＣリンク電圧のバランスを適切にとることができる。

本発明は、ＮＰＣインバータを備えた電力変換システムを安定動作させるのに極めて有用である。

２ 系統または負荷
３ ＮＰＣインバータ
１１ 正極側キャパシタ
１２ 負極側キャパシタ
２１〜２４ スイッチング素子

Claims (4)

1. 互いの接続点を中性点とする正極側キャパシタおよび負極側キャパシタと、これに並列に接続されるスイッチング素子群とを備えるＮＰＣ（Neutral Point Clamped）インバータの制御方法であって、
   前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作を実行するものであり、
   前記ＤＣリンクバランス動作において、
   系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数である、フィードフォワード率の上限を１より小さく設定して、電圧指令値を設定し、
   前記正極側キャパシタの電圧と前記負極側キャパシタの電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧を設定し、
   前記電圧指令値に前記付加電圧を加えた電圧に従って、前記スイッチング素子群に供給するゲート信号を生成する
   ことを特徴とするＮＰＣインバータの制御方法。
2. 請求項１記載のＮＰＣインバータの制御方法において、
   前記ＤＣリンクバランス動作において、前記フィードフォワード率を、前記上限まで徐々に上げていき、
   前記ＤＣリンクバランス動作の実行後に、前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系動作を行い、前記フィードフォワード率を前記上限から徐々に上げていく
   ことを特徴とするＮＰＣインバータの制御方法。
3. 請求項１記載のＮＰＣインバータの制御方法において、
   前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の後に、前記フィードフォワード率を１またはそれに近い値にして、前記正極側キャパシタの電圧と前記負極側キャパシタの電圧との電圧ずれを求め、
   現在の実行サイクルにおける前記電圧ずれを、過去の実行サイクルにおける電圧ずれと比較し、この比較結果に従って、ＤＣリンクバランス制御における付加電圧の正負の極性を定める
   ことを特徴とするＮＰＣインバータの制御方法。
4. 互いの接続点を中性点とする正極側キャパシタおよび負極側キャパシタと、これに並列に接続されるスイッチング素子群とを備えるＮＰＣ（Neutral Point Clamped）インバータと、
   前記スイッチング素子群に供給するゲート信号を生成する制御部とを備え、
   前記制御部は、
   前記ＮＰＣインバータと系統または負荷との連系の前に、ＤＣリンクバランス動作を実行するものであり、
   前記ＤＣリンクバランス動作において、
   系統電圧のフィードフォワードの比例制御係数、または、内部生成した定格電圧の正弦波の比例制御係数である、フィードフォワード率の上限を１より小さく設定して、電圧指令値を設定し、
   前記正極側キャパシタの電圧と前記負極側キャパシタの電圧との差に基づいて、ＤＣリンクバランス制御のための付加電圧を設定し、
   前記電圧指令値に前記付加電圧を加えた電圧に従って、前記スイッチング素子群に供給するゲート信号を生成する
   ことを特徴とする電力変換システム。

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