JP2022070721A - 電力変換装置、電力変換制御方法及び電力変換制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】コンバータが出力する直流電圧の変動を抑制する。
【解決手段】交流電圧Vsを直流電圧Vdcに変換するコンバータ21と、直流電圧Vdcの変動を抑制するための平滑コンデンサ22,23,32,33と、平滑コンデンサ22,23,32,33に充電された直流電圧Vdcを交流電力に変換するインバータ31とを備える電力変換装置100であって、直流電圧Vdcを検出する直流電圧検出器25,26と、交流電源側電流I＿cを検出する電流検出器7と、直流電圧Vdcが直流電圧指令値Vrefと一致するようにコンバータ入力電流指令AVROUTを生成する直流電圧制御器52と、生成されたコンバータ入力電流指令AVROUTに交流電源側電流I＿cが一致するようにコンバータ交流電圧を制御するコンバータ出力電流制御器53と、コンバータ側パワー補償値をコンバータ入力電流指令AVROUTに加算する加算器56とを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、コンバータとインバータとを備える電力変換装置、特に、急激な負荷変化に伴うコンバータ直流電圧変動を抑制することのできる電力変換装置、電力変換制御方法及び電力変換制御プログラムに関する。

交流電源の電力を可変電圧可変周波数の電力に変換する電力変換装置が知られている。これらの電力変換装置の主回路は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、大容量平滑コンデンサを備える直流回路と、直流を交流に変換するインバ－タを備えて構成される。特に、平滑コンデンサは、電力変換装置全体に占める体積割合が大きく、この小型化が電力変換装置のコンパクト化に不可欠である。

平滑コンデンサの機能の１つは、コンバータとインバータとの電力授受の不一致による直流電圧変動を抑制することにある。したがって、別途、直流電圧変動を低減できればコンデンサ容量を低減することができ、コンパクト化が可能である。例えば、特許文献１，２には、以下の技術が開示されている。
（１）直流電圧を所定値に制御する直流電圧制御器の出力値に応じて、コンバータの出力電流を制御し、直流電圧を一定に制御する（特許文献１参照）。
（２）インバータ側の負荷（パワー）変化に応じた信号をコンバータへ伝達し、伝達された信号を使用してコンバータの電流を制御する（特許文献２参照）。

特開昭61－109491号公報 特開平3－245793号公報

特許文献２には、インバータ側の負荷（パワー）変化に応じた信号をコンバータに伝達し、伝達された信号を用いてコンバータの出力電流を制御する技術が開示されている。しかしながら、特許文献２に記載の技術では、コンバータとインバータとで電流指令を送受信するための伝達回路が必要となる。これらの伝達回路には、配線や信号の送受信回路が使用されるため、電力変換装置への部品追加が必要である。

特に、鉄鋼圧延プラントに適用される電力変換装置においては、１台のコンバータで複数台のインバータに直流電圧を印加する場合もある。この場合、コンバータとインバータとを接続するための伝達回路は、１台のコンバータに接続されているインバータの台数分必要となる。

また、伝達回路を使用することで電流指令信号の送受信時に伝送遅れが生じるため、コンバータが受信する電流指令信号は、インバータが送信する電流指令信号に対し遅れる。この場合には、コンバータは、遅れた受信信号を使用して電流を制御するため、コンバータとインバータとの電力授受の不一致が生じ、その結果、出力直流電圧が変動する。

本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、コンバータが出力する直流電圧の変動を抑制することができる電力変換装置、電力変換制御方法及び電力変換制御プログラムを提供することを目的とする。

本発明は、交流電圧（Ｖｓ）を直流電圧（Vdc）に変換するコンバータ（コンバータ電力変換部21）と、前記直流電圧の変動を抑制するための平滑コンデンサ（22,23,32,33）と、該平滑コンデンサに充電された前記直流電圧を交流電力に変換するインバータ（31）とを備える電力変換装置（100）であって、前記平滑コンデンサの電位差を検出する直流電圧検出器（25,26）と、前記コンバータの交流電源側電流（I＿c）を検出する電流検出器（7）と、前記直流電圧検出器（25,26）による直流電圧検出信号（Vdc）が前記コンバータの直流電圧指令値（Vref）と一致するようにコンバータ入力電流指令（AVROUT）を生成する直流電圧制御器（52）と、生成されたコンバータ入力電流指令（AVROUT）に前記コンバータの交流電源側電流（I＿c）が一致するようにコンバータが出力する直流電圧（Vdc）を制御するコンバータ出力電流制御器（電流制御器53）と、前記コンバータの交流電源側電流（I＿c）からコンバータ側直流パワー電流推定値（Idch_c）を演算するコンバータ側直流パワー電流演算部（73）と、前記コンバータの直流電圧検出信号（Vdc）から変動パワー電流推定値（ΔIdch）を演算する変動パワー電流演算部（74）と、前記コンバータ側直流パワー電流推定値（Idch_c）から前記変動パワー電流推定値（ΔIdch）を減算して得られるインバータ側直流パワー電流推定値（Idch＿ｉ）に、逆換算ゲイン（1/Kdc）を乗算しコンバータ側パワー補償値（POBSOUT）を生成するコンバータ側パワー補償換算部（75）と、前記コンバータ側パワー補償値（POBSOUT）を前記コンバータ入力電流指令（AVROUT）に加算する加算器(56)と、を備えることを特徴とする。なお、括弧内の符号や文字は、実施形態において付した符号等であって、本発明を限定するものではない。

本発明によれば、コンバータが出力する直流電圧の変動を抑制することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 本発明の第１実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。 本発明の第1比較例である電力変換装置の全体構成図である。 本発明の第２比較例である電力変換装置の全体構成図である。 本発明の第２実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。 本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 本発明の第３実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。 コンバータを起動する際の直流電圧波形の時間経過を示す図である。 本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。 本発明の第４実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施形態について説明する。以下の実施形態は、本願発明の内容の具体例を示すものであり、本願発明がこれらの実施例に限定されるものではなく、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更及び修正が可能である。

図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。

電力変換装置１００は、電圧Ｖｓの交流電源１からの交流電力（三相交流電力）を直流電力に変換するコンバータユニット２と、コンバータユニット２が出力する直流電力を所望の交流電力に変換するインバータユニット３と、インバータユニット３が出力する交流電力で駆動される電動機４と、コンバータユニット２を制御するコンバータ制御装置５ａと、インバータユニット３を制御するインバータ制御装置６とを備える。

コンバータユニット２は、いわゆる３レベルコンバータであり、交流電源１からの交流電力を、正の電位（第１電位）レベルと、中性点（零）電位（第２電位）レベルと、負の電位（第３電位）レベルとの直流電力に変換する。インバータユニット３は、いわゆる３レベルインバータであり、正の電位（第１電位）レベルと、中性点（零）電位（第２電位）レベルと、負の電位（第３電位）レベルとの直流電力を、電動機４に供給する交流電力に変換する。コンバータユニット２と、インバータユニット３との正の電位レベルは、Ｐ配線４０で接続され、中性点電位レベルは、Ｃ配線４１で接続され、負の電位レベルは、Ｎ配線４２で接続されている。

コンバータユニット２は、コンバータ電力変換部２１と、直流電圧の変動を抑制するためのコンバータＰ側平滑コンデンサ２２及びコンバータＮ側平滑コンデンサ２３の直列回路と、コンバータＰ側平滑コンデンサ２２の端子間電圧を測定するためのコンバータＰ側直流電圧検出器２５と、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３の端子間電圧を測定するためのコンバータＮ側直流電圧検出器２６とを備える。コンバータＰ側平滑コンデンサ２２とコンバータＮ側平滑コンデンサ２３とは、同一容量であるが必ずしも同一容量でなくても構わない。

コンバータ電力変換部２１は、各相毎に、４つのＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であるトランジスタＴ１，Ｔ２，Ｔ３，Ｔ４と、４つの転流ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４と、２つのダイオードＤ５，Ｄ６とを備えて構成される。交流電源１の各相は、トランジスタＴ２のエミッタとトランジスタＴ３のコレクタとに接続されている。トランジスタＴ２のコレクタとトランジスタＴ１のエミッタとダイオードＤ５のカソードとが接続されており、トランジスタＴ３のエミッタとトランジスタＴ４のコレクタとダイオードＤ６のアノードとが接続されている。トランジスタＴ１のコレクタと、ダイオードＤ５のアノード及びダイオードＤ６のカソードの接続点との間に直流電圧が発生し、トランジスタＴ４のエミッタと、ダイオードＤ５のアノード及びダイオードＤ６のカソードの接続点との間に直流電圧が発生する。

コンバータＰ側平滑コンデンサ２２は、トランジスタＴ１のコレクタと、ダイオードＤ５のアノード及びダイオードＤ６のカソードの接続点との間に接続される。コンバータＮ側平滑コンデンサ２３は、トランジスタＴ４のエミッタと、ダイオードＤ５のアノード及びダイオードＤ６のカソードの接続点との間に接続される。コンバータＰ側直流電圧検出器２５は、コンバータＰ側平滑コンデンサ２２の端子間電圧を測定する。コンバータＮ側直流電圧検出器２６は、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３の端子間電圧を測定する。ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃは、コンバータＰ側平滑コンデンサ２２の端子間電圧と、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３の端子間電圧との和の信号である。

インバータユニット３は、コンバータユニット２と同様に、インバータ電力変換部３１と、インバータＰ側平滑コンデンサ３２と、インバータＮ側平滑コンデンサ３３とを備える。ここで、インバータＰ側平滑コンデンサ３２は、コンバータＰ側平滑コンデンサ２２と並列接続されており、インバータＮ側平滑コンデンサ３３は、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３と並列接続されている。

コンバータ制御装置５ａは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）及び記憶部（不図示）から構成され、記憶部に格納されたプログラムを実行することにより、以下の機能を実現する。コンバータ制御装置５ａは、変換される直流電力が所望の値となるようにコンバータ電力変換部２１を制御する。インバータ制御装置６は、電動機４の出力トルクや速度が所望の特性を満たすようにインバータ電力変換部３１を制御する。

ここで、本実施形態における電力変換装置の動作には力行と回生との２つのモードがある。力行モードとは、例えばモータを加速し、または負荷が加わる動作モードであり、電動機４で必要とする力行電力を直流回路の平滑コンデンサから引き出すようにインバータ制御装置６が動作する。このとき、直流電圧が低下するのでコンバータ制御装置５ａは直流電圧を一定に保つように交流電源１から交流電力を直流回路側に取り込むように動作する。一方、回生モードとは、例えばモータを減速し、または負荷が逆にかかる動作モードであり、電動機４で発生する回生電力を直流回路の平滑コンデンサに戻すようにインバータ制御装置６が動作する。このとき、直流電圧が上昇するのでコンバータ制御装置５ａは直流電圧を一定に保つように直流回路から交流電源１に電力を戻すように動作する。

電力変換装置１００は、コンバータユニット２の入力交流電流（交流電源側電流）を検出する電流検出器７と、電動機４に直結され、電動機４の速度を検出する速度検出器８と、インバータユニット３の出力交流電流（電動機側交流電流）を検出する電流検出器９とをさらに備える。なお、インバータ制御装置６が回生制御するときには、電流検出器７は、コンバータユニット２の出力電流を検出することになる。

電流検出器７により検出されたコンバータ入力電流Ｉ＿ｃと、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃとは、コンバータ制御装置５ａに入力される。コンバータ制御装置５ａは、入力された検出値に基づいて、各種演算処理を行い、コンバータ電力変換部２１を制御する制御信号を出力する。

速度検出器８、電流検出器９により検出された検出値の信号（出力信号）は、インバータ制御装置６に入力される。インバータ制御装置６は、入力された検出値に基づいて、各種演算処理を行い、インバータ電力変換部３１を制御する制御信号を出力する。

コンバータ制御装置５ａは、直流電圧指令発生器５１と、直流電圧制御器５２と、電流制御器５３と、パルス生成器５４と、パワーオブザーバ部５５ａと、加算部５６とを備える。

直流電圧指令発生器５１は、コンバータユニット２から出力させる直流電圧の電圧値を示すコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆを直流電圧制御器５２に出力する。

直流電圧制御器５２は、直流電圧指令発生器５１から入力されるコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆと、コンバータＰ側直流電圧検出器２５及びコンバータＮ側直流電圧検出器２６から入力されるＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃとに基づいて、コンバータ入力電流指令値ＡＶＲＯＵＴを演算して、加算部５６に出力する。具体的には、直流電圧制御器５２は、コンバータＰ側直流電圧検出器２５及びコンバータＮ側直流電圧検出器２６のそれぞれから入力される直流電圧の検出値の合計値（ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃ）がコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆと一致するようにコンバータ入力電流指令値ＡＶＲＯＵＴを演算する。

加算部５６は、コンバータ入力電流指令値ＡＶＲＯＵＴと、パワーオブザーバ部５５ａが出力する演算値とを加算し、加算結果であるコンバータ出力電流指令値Ｉ＿ｃｒｅｆを電流制御器５３に出力する。

電流制御器５３は、コンバータ電力変換部２１の交流電源側電流（＝電流検出器７が検出するコンバータ入力電流Ｉ＿ｃ）が、加算部５６から入力されるコンバータ入力電流指令値ＡＶＲＯＵＴと一致するようにコンバータ電圧指令値を演算してパルス生成器５４に出力する。

パルス生成器５４は、コンバータ電力変換部２１によるコンバータ出力電圧の値が、電流制御器５３から入力されるコンバータ出力電圧指令値に一致するように、コンバータ電力変換部２１の各スイッチング素子をオン・オフ制御するためのパルス信号を演算して、パルス信号をコンバータ電力変換部２１に出力する。

インバータ制御装置６は、速度指令発生器６１と、速度制御器６２と、電流制御器６３と、パルス生成器６４とを備える。

速度指令発生器６１は、電動機４を動作させる速度を示す速度指令値を速度制御器６２に出力する。速度制御器６２は、速度検出器８から入力される速度検出値が、速度指令発生器６１から入力される速度指令値と一致するようにインバータ出力電流指令値を演算し、インバータ出力電流指令値を電流制御器６３に出力する。

電流制御器６３は、電流検出器９から入力されるインバータ出力電流検出値が、速度制御器６２から入力されるインバータ出力電流指令値と一致するようにインバータ電圧指令値を演算してパルス生成器６４に出力する。

パルス生成器６４は、インバータ電力変換部３１によるインバータ出力電圧の値が、電流制御器６３から入力されるインバータ出力電圧指令値に一致するように、インバータ電力変換部３１の各スイッチング素子をオン・オフ制御するためのパルス信号を演算して、パルス信号をインバータ電力変換部３１に出力する。

次に、電力変換装置１００におけるパワーオブザーバに係る構成について説明する。電力変換装置１００のコンバータ制御装置５ａは、パワーオブザーバ部５５ａを備え、演算結果を加算部５６に出力する。

パワーオブザーバ部５５ａは、コンバータＰ側直流電圧検出器２５及びコンバータＮ側直流電圧検出器２６から入力されるＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃと電流検出器７から出力されるコンバータ入力電流検出値に基づいて、コンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを出力する。加算部５６は、直流電圧制御器５２より出力されたコンバータ入力電流指令値にパワーオブザーバ部５５ａにて算出したコンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを加算する。

図２は、本発明の第１実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。
コンバータ制御装置５ａ（図１）は、前記したように、直流電圧指令発生器５１と、直流電圧制御器５２と、加算部５６と、電流制御器５３（図１）と、パルス生成器５４（図１）と、パワーオブザーバ部５５ａとを備える。

電流制御器５３、パルス生成器５４及びコンバータ電力変換部２１は、コンバータ出力電流部７０で表現される。電流制御器５３によってコンバータ入力電流指令値Ｉ＿ｃｒｅｆとコンバータ電源側電流（＝コンバータ入力電流Ｉ＿ｃ）とが一致するようにマイナーループで制御されたとき、コンバータ入力電流Ｉ＿ｃは、コンバータ入力電流指令値Ｉ＿ｃｒｅｆに対して、一次遅れの伝達関数で追従する。つまり、コンバータ出力電流部７０は、コンバータ電流制御器応答時定数Ｔｃｃの一次遅れの伝達関数で表現される。

コンバータ側直流パワー電流換算部７１は、コンバータ電流部７０より出力されたコンバータ入力電流Ｉ＿ｃにコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃを乗算することにより、コンバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｃを得る。つまり、コンバータ電力変換部２１の交流電源側電流（コンバータ入力電流Ｉ＿ｃ）と出力直流電流（コンバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｃ）との比は、一定である。

減算器７８及び直流電圧部７２は、４つのコンデンサ（インバータＰ側平滑コンデンサ３２、コンバータＰ側平滑コンデンサ２２、インバータＮ側平滑コンデンサ３３、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３）の電圧電流関係を表現したものである。つまり、容量Cは、４つのコンデンサの全体の容量を示す。減算器７８は、コンバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｃからインバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉを減算することで、変動パワー電流ΔＩｄｃを演算するものである。直流電圧部７２は、４つのコンデンサを伝達関数で示したものであり、変動パワー電流ΔＩｄｃによりＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃが変動することを示している。

なお、インバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉは、インバータ側のモータ負荷外乱等に応じてインバータ側に生じる直流パワー電流を模擬している。

ここで、コンバータ出力電流部７０は、（１）式で表現され、コンバータ側直流パワー電流換算部７１は、（２）式で表現され、直流電圧部７２は、（３）式で表現される。
Ｉ__ｃ＝Ｉ__ｃｒｅｆ×１／(１＋Ｔｃｃ・Ｓ) ・・（１）
Ｉｄｃ_ｃ＝Ｉ__ｃ×Ｋｄｃ ・・・・・・・・（２）
Ｖｄｃ＝ΔＩｄｃ×１／（Ｃ・Ｓ） ・・・・・・・（３）

但し、Ｔｃｃは、コンバータ電流制御器応答時定数であり、Ｋｄｃは、コンバータ側直流パワー電流換算ゲインであり、Ｃは、平滑コンデンサ静電容量である。

図２において、パワーオブザーバ部５５ａは、コンバータ側直流パワー電流演算部７３と、変動パワー電流演算部７４と、コンバータ側パワー補償換算部７５と、減算器７９とを備える。

コンバータ側直流パワー電流演算部７３は、コンバータ出力電流部７０から出力されるコンバータ入力電流Ｉ＿ｃからコンバータ側直流パワー電流推定値Ｉｄｃｈ＿ｃを演算する。変動パワー電流演算部７４は、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃをもとに変動パワー電流推定値ΔＩｄｃｈを演算する。

減算器７９は、コンバータ側直流パワー電流演算部７３が演算したコンバータ側からの直流パワー電流推定値から前記変動パワー電流演算部７４が演算した変動パワー電流推定値を減算し、インバータ側直流パワー電流推定値Ｉｄｃｈ＿ｉを出力する。

また、コンバータ側パワー補償換算部７５は、インバータ側直流パワー電流推定値Ｉｄｃｈ＿ｉにコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃの逆換算ゲインを乗算し、コンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを出力する。

なお、コンバータ側直流パワー演算部７３は、（４）式で表現され、変動パワー電流演算部７４は、（５）式で表現され、コンバータ側パワー補償換算部７５は、（６）式で表現される。
Ｉｄｃｈ_ｃ＝Ｉ__ｃ×Ｋｄｃ ・・・・・・・・・（４）
ΔＩｄｃｈ＝Ｖｄｃ×Ｃ・Ｓ ・・・・・・・・・・（５）
ＰＯＢＳＯＵＴ＝１／Ｋｄｃ×Ｉｄｃｈ_ｉ ・・・（６）

以上説明したように、本実施形態のパワーオブザーバ部５５ａは、インバータ側のパワー変化をコンバータ側の入力電流（コンバータ入力電流Ｉ＿ｃ）と、直流電圧（ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃ）とで推定することができる。

（第1比較例）
図３は、本発明の第１比較例である電力変換装置の全体構成図である。
電力変換装置１０１は、電力変換装置１００（図１）と同様に、コンバータユニット２と、インバータユニット３と、電動機４とを備える。しかしながら、電力変換装置１０１は、コンバータ制御装置５（５ｅ）と、インバータ制御装置６Ｂとが電力変換装置１００と異なる。インバータ制御装置６Ｂは、モータの電流検出値と電圧検出値よりインバータ側直流パワー電流値を算出し、コンバータ側のパワー補償値に換算した値を出力する負荷補償演算部６５を備えている。

負荷補償演算部６５より算出したコンバータ側のパワー補償値は、配線や信号の送受信回路で構成される伝達回路を使用してコンバータ制御装置５ｅに伝達し、コンバータ制御装置５ｅ内の加算部５６で直流電圧制御器５２から出力されるコンバータ入力電流指令値ＡＶＲＯＵＴにコンバータ側のパワー補償値を加算することで、コンバータとインバータ間の電力授受の不一致による直流電圧の変動を抑制している。そのため、電力変換装置１０２では、コンバータとインバータとの間で信号を送受信する伝達回路（負荷補償演算部６５及び伝送線路６６）が必要である。

これに対して、第１実施形態の電力変換装置１００（図１，２）であれば、コンバータ制御装置５ａ内で、インバータ側直流パワー電流値を推定演算するため、コンバータとインバータとの間で信号を送受信する必要がなく、電力変換装置１０１では、必須であった伝達回路が不要になる。

また、第１実施形態の電力変換装置１００であれば、電力変換器を構成するコンバータの直流電圧制御器の制御応答遅れおよびコンバータとインバータ間の信号の伝送遅れ等が存在する場合において、インバータ側の急激な負荷変化、例えば交流電動機の速度や負荷の急激な変化に対しても、コンバータの直流電圧の変動を抑制することができる。

（第２比較例）
図４は、本発明の第２比較例である電力変換装置の全体構成図であり、１台のコンバータで複数台のインバータに直流電力を供給する設備を示す図である。

電力変換装置１０２は、１台のコンバータユニット２で複数台のインバータユニット３ａ，３ｂ，３ｃに直流電力を供給している。電力変換装置１０２では、各々のインバータ制御装置６ａ，６ｂ，６ｃが、各々のインバータが制御する電動機４ａ，４ｂ，４ｃの駆動状態に応じて、インバータ側直流パワー電流値を算出し、コンバータ側のパワー補償値に換算した値を、各々のインバータ側から伝達回路を使用してコンバータ制御装置５ｆに伝達している。

この場合は、コンバータに接続されているインバータの台数分の伝達回路が必要となり、インバータの接続台数が多い設備では、伝達回路を実装することが困難となる。

これに対して、本発明の第１実施形態のコンバータ制御装置５ａを用いれば、その内部で、コンバータに接続されている全てのインバータ側直流パワー電流値の合算値を推定演算する。このため、電力変換装置１０２（図４）においても、伝達回路を不要にすることができる。

以上述べたように、本発明の第１実施形態では、コンバータ制御装置５ａ内の信号のみからインバータ側直流パワー電流推定値Ｉｄｃｈ＿ｉを推定演算し、コンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴに変換後、直流電圧制御器５２の出力に加算することで、インバータとコンバータ間の伝達回路が無い場合でも、直流電圧の変動を抑制することができる。

（第２実施形態）
第２実施形態では、前記第１実施形態に対して、パワーオブザーバ部を変更し、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃに含まれるノイズ信号の影響を除去する。

図５は、本発明の第２実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。
パワーオブザーバ部５５ｂは、パワーオブザーバ部５５ａ（図２）に対して、フィルタ・パワー補償ゲイン調整部７６を付加したものである。フィルタ・パワー補償ゲイン調整部７６は、インバータ側直流パワー電流推定値Ｉｄｃｈ＿ｉにフィルタ処理と補償量とを調整する処理を施し、インバータ側直流パワー電流調整値Ｉｄｃｆｉｌ＿ｉを演算する。そして、コンバータ側パワー補償換算部７５がインバータ側直流パワー電流調整値Ｉｄｃｆｉｌ＿ｉを入力し、コンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃの逆換算ゲインを乗算し、コンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを出力する。

なお、フィルタ・パワー補償ゲイン調整部７６の関数は（７）式で示される。
Ｉｄｃｆｉｌ_ｉ＝Ｉｄｃｈ_ｉ×Ｋｂ／（1＋Ｔｂ・Ｓ) ・・・（７）

但し、Ｋｂは、パワー補償ゲインであり、Ｔｂは、フィルタ時定数である。

変動パワー電流演算部７４は、微分演算を行っているため、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃにノイズ信号が重畳されていた場合、ノイズ信号を増幅させる可能性がある。増幅したノイズ信号が印加された補償信号をもとにコンバータを駆動すると直流電圧が変動し故障検出の原因となり、最悪の場合、電力変換装置を破損させる原因となる。

また、加算部５６は、コンバータ入力電流指令値ＡＶＲＯＵＴとコンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴとを加算することで、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃの変動を抑制している。しかしながら、直流電圧制御器５２とパワーオブザーバ部５５ａの制御応答が異なるため、安定性と応答性の関係により、直流電圧制御器５２の出力とパワーオブザーバ部５５ａの出力との配分比によっては、制御が不安定となる虞がある。

そこで、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃにノイズ信号が含まれる場合を考慮し、減算器７９と、コンバータ側パワー補償換算部７５との間にフィルタ・パワー補償ゲイン調整部７６を追加した。フィルタ・パワー補償ゲイン調整部７６は、ノイズを除去するためのフィルタ（１／（１＋Ｔｂ・Ｓ））と、直流電圧制御器５２の出力とパワーオブザーバ部５５ｂの出力の分担を調整するパワー補償ゲインＫｂとの積構成され、Ｉｄｃｈ＿ｉを入力し、Ｉｄｃｆｉｌ_ｉを演算して出力するを演算する。

以上説明したように、第２実施形態では、インバータ側直流パワー電流推定値にフィルタ処理と、パワー補償ゲインＫｂを設け補償量を調整する処理を施し、インバータ側直流パワー電流調整値Ｉｄｃｆｉｌ＿ｉを演算する、フィルタ・パワー補償ゲイン調整部７６を付加することにより、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃに含まれるノイズ信号の影響を除去することで、過剰な補償信号が直流電圧制御器５２の出力に加算されることを防止できる。

また、個別に設計された直流電圧制御器５２とパワーオブザーバ部５５の制御応答に対して、パワー補償ゲインＫｂを調整することにより、直流電圧制御器５２の出力とパワーオブザーバ部５５の出力の配分比を最適な設定にすることができる。これにより、全体の制御特性を、安定性と応答性において最適にすることができる。

（第３実施形態）
第３実施形態では、平滑コンデンサへの初期充電を適切に行う技術について説明する。

図６は、本発明の第３実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。
電力変換装置１０３は、電力変換装置１００（図１）に、充電電源８０、充電回路８１及び切替信号発生部５７を付加したものである。

充電電源８０及び充電回路８１は、コンバータユニット２と、インバータユニット３との動作を開始する前において、コンバータＰ側平滑コンデンサ２２と、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３と、インバータＰ側平滑コンデンサ３２と、インバータＮ側平滑コンデンサ３３とを充電する（初充電する）。

切替信号発生部５７は、コンバータの駆動状況により（ａ）初充電時の起動タイマ、（ｂ）通常停止指令、（ｃ）故障停止指令の信号のいずれかを出力する。切替信号発生部５７は、起動タイマの信号を出力するタイマ部５７ａを有している。

図７は、本発明の第３実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。
パワーオブザーバ部５５ｃは、パワーオブザーバ部５５ａ（図２）に、切替信号発生部５７より出力される（ａ）初充電時の起動タイマ、（ｂ）通常停止指令、（ｃ）故障停止指令の信号を基に、コンバータ側パワー補償信号の出力を切り替える選択部７７を付加したものである。

前記したように、パワーオブザーバ部５５ａは、コンバータ制御器内部で、コンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを、直流電圧制御器５２より出力されるコンバータ出力電流指令値ＡＶＲＯＵＴに加算することにより、制御する電動機４の速度指令の急激な変化や負荷変動に対しても、コンバータの直流電圧の変動を抑制し、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃをコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆに一致させることを可能としている。

但し、パワーオブザーバ部５５ａは、直流電圧検出値を使用して補正信号であるコンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを計算しているため、インバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉの変動以外の要因でＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃが変動した場合でも、インバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉが変動したと誤認識し、誤った補正を行うことになる。誤った補正信号をもとにコンバータを駆動すると、直流電圧が変動し故障検出の原因となり、最悪の場合、電力変換装置を破損させる原因となる。

そこで、パワーオブザーバ部５５ｃは、インバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉの変動以外の要因で、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃの値が変動している場合は、パワーオブザーバによる誤った補正を行わないために、コンバータユニット２の駆動状態により、パワーオブザーバで演算されるコンバータ側パワー補償信号を直流電圧制御器が出力するコンバータ出力電流指令に加算しないようにしている。

図８は、コンバータを起動する際の直流電圧波形の時間経過を示す図である。
縦軸は、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃの電圧［Ｖ］であり、横軸は、時間［ｔ］である。τ１は、充電開始から充電完了までの時間であり、τ２は、充電完了から直流電圧がコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆに一致するまでの時間である。コンバータを起動する場合、予めコンバータ及びインバータに接続されているコンバータＰ側平滑コンデンサ２２、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３、インバータＰ側平滑コンデンサ３２、インバータＮ側平滑コンデンサ３３を充電する必要がある。

コンバータＰ側平滑コンデンサ２２、コンバータＮ側平滑コンデンサ２３、インバータＰ側平滑コンデンサ３２、インバータＮ側平滑コンデンサ３３を充電するため、電力変換装置１０３は、充電電源８０及び充電回路８１を備える。また、充電完了からコンバータを起動させ、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃがコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆに一致するまでに時間を要する。図８のτ１及びτ２の区間は、ＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃがコンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆに一致していないため、インバータ側の直流パワー電流の変動と異なる要因により直流電圧が変動している。

したがって、本実施形態では、充電開始から直流電圧が指令値に一致するまでの区間（τ１＋τ２）と、コンバータ直流電圧指令値Ｖｒｅｆと一致してからあらかじめ設定した無駄時間τ３とを合計したパワーオブザーバ起動待機時間ＴＳをカウントする起動タイマ部５７ａと、起動タイマ部５７ａのカウント完了前はゼロを出力し、カウント完了後にコンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴを出力するよう切り替える選択部７７を具備する。これにより、コンバータ起動時にパワーオブザーバ部５５ｃからの誤った補償信号が直流電圧制御器５２の出力に加算されることを防止できる。

また、電力変換装置１０３のメンテナンスを実行するときなどは、通常停止指令をコンバータユニット２に送信し、コンバータユニット２を停止させる必要がある。また、電力変換装置１０１や設備等に故障・異常が発生した場合、安全確保のためコンバータユニット２を直ちに緊急停止させる必要がある。

コンバータユニット２を停止させる際、コンバータ制御器は停止指令を受信すると、パルス生成器５４より出力するパルス信号を停止する。その結果、直流電圧制御が停止するため、直流電圧が変動する。

前記したように、パワーオブザーバ部５５ｃは、直流電圧検出値を使用して補正信号であるインバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉを推定しているため、コンバータ停止によりＰＮ直流電圧信号Ｖｄｃの値が変動した場合でも、インバータ側直流パワー電流Ｉｄｃ＿ｉが変動したと誤認識し、誤った補正を行うことになる。

したがって、本実施形態では、切替信号発生部５７より通常停止指令および故障停止指令を選択部７７で受信した場合、選択部７７で出力スイッチを切り替えて、コンバータ側パワー補償信号ＰＯＢＳＯＵＴをゼロとすることで、コンバータ停止時に、パワーオブザーバ部５５ｃからの誤った補償信号が直流電圧制御器５２の出力に加算されることを防止できる。

（第４実施形態）
第４実施形態では、交流電源１で発生する瞬低に対処する技術について説明する。

図９は、本発明の第４実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。
電力変換装置１０４は、前記第１実施形態の電力変換装置１００（図１）に対して、交流電源１の電圧Ｖｓを降圧し、同期電源信号を生成する同期電源トランス１１と、該同期電源信号より交流電源１の瞬時電圧低下量を演算する瞬低量演算部５８を付加した構成である。

同期電源トランス１１は、交流電源１に接続され、コンバータに供給される交流電圧をコンバータ制御部で処理できる電圧に降圧し、同期電源信号を生成する。瞬低量演算部５８は、同期電源トランス１１にて生成された同期電源信号より、交流電源１の電圧変動量を算出する。

図１０は、本発明の第４実施形態に係るコンバータユニット及び制御回路をブロック図で表現した図である。
パワーオブザーバ部５５ｅは、パワーオブザーバ部５５ａ（図２）において、瞬低量演算部５８より出力される電圧変動量の信号が入力され、前記コンバータ側直流パワー電流演算部７３及びコンバータ側パワー補償換算部７５に使用しているコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＡ）を可変する。

ここで、コンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃＡは、（８）式で示される。
ＫｄｃＡ＝（√３×Ｖｓ）／Ｖｄｃ ・・・・（８）

但し、Ｖｓは、交流電源１の電圧であり、Ｖｄｃは、コンバータユニット２が出力する直流電圧である。

交流電源１の電圧Ｖｓは、通常一定の電圧でコンバータユニット２に供給されている。また、コンバータユニット２が出力する直流電圧Ｖｄｃは、コンバータ制御器により一定の値となるように制御されている。よって、コンバータ側直流パワー電流換算部７１のコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＢ）、コンバータ側直流パワー電流演算部７３、及びコンバータ側パワー補償換算部７５に使用しているコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＡ）は、通常であれは交流電源１の電圧Ｖｓ及びコンバータユニット２が出力する直流電圧Ｖｄｃは、一定の固定値となる。

但し、交流電源１の電圧Ｖｓは、落雷などの自然的要因や、過剰負荷や電源供給力不足などの人為的要因により、交流電源の電圧が瞬間的に変動・低下する場合がある。

交流電源１の電圧Ｖｓが瞬間的に変動・低下すると、（８）式によりコンバータ側直流パワー電流換算部７１に使用しているコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＢ）が、交流電源１の電圧の変動・低下に応じて変化する。

前述したように、コンバータ側直流パワー電流演算部７３及びコンバータ側パワー補償換算部７５に使用しているコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＡ）を固定値にした場合、交流電源１の電圧が変動したとき、コンバータ側直流パワー電流換算部７１のコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＢ）と不一致となり、誤った補正を行うことになる。誤った補正信号をもとにコンバータを駆動すると直流電圧が変動し故障検出の原因となり、最悪の場合、電力変換装置を破損させる原因となる。

そこで、本実施形態では、瞬低量演算部５８より出力される瞬低量を基に、コンバータ側直流パワー電流演算部７３及びコンバータ側パワー補償換算部７５に使用しているコンバータ側直流パワー電流換算ゲイン設定値Ｋｄｃ（ＫｄｃＡ）を可変するようにした。

以上説明したように、本実施形態では、瞬低量演算部５８より出力される瞬低量を基に、コンバータ側直流パワー電流演算部７３及びコンバータ側パワー補償換算部７５に使用しているコンバータ側直流パワー電流換算ゲイン設定値Ｋｄｃ（ＫｄｃＡ）を可変することで、交流電源１の電圧が変動した場合でも、コンバータ側直流パワー電流換算部７１のコンバータ側直流パワー電流換算ゲインＫｄｃ（ＫｄｃＢ）と一致させることにより、正確な補償信号を直流電圧制御器の出力に加算することができる。

なお、前記各実施形態では、３レベル装置を用いて説明したが、本発明は２レベル装置においても適用可能である。

１ 交流電源
２ コンバータユニット
３ インバータユニット
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 電動機
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ コンバータ制御装置
６，６ａ，６ｂ，６ｃ インバータ制御装置
７，９ 電流検出器
２１ コンバータ電力変換部（コンバータ）
２２ コンバータＰ側平滑コンデンサ
２３ コンバータＮ側平滑コンデンサ
２５ コンバータＰ側直流電圧検出器
２６ コンバータＮ側直流電圧検出器
３１ インバータ電力変換部（コンバータ）
３２ インバータＰ側平滑コンデンサ
３３ インバータＮ側平滑コンデンサ
５５ パワーオブザーバ部
５１ 直流電圧指令発生器
５２ 直流電圧制御器
５３，６３ 電流制御器
５４，６４ パルス生成器
５５ａ，５５ｂ，５５ｃ，５５ｄ，５５ｅ パワーオブザーバ部
５６ 加算部
５７ 切替信号発生部
５７ａ 起動タイマ部
５８ 瞬低量演算部
６６ 伝達線
７０ コンバータ電流部
７２ 直流電圧部
７３ コンバータ側直流パワー電流演算部
７４ 変動パワー電流演算部
７５ コンバータ側パワー補償換算部
７６ フィルタ・パワー補償ゲイン調整部
７７ 選択部
８０ 充電電源
８１ 充電回路
１００、１０１，１０２、１０３，１０４ 電力変換装置
Ｉ＿ｃｒｅｆ コンバータ入力電流指令値
Ｉ＿ｃ コンバータ入力電流（交流電源側電流）
Ｉｄｃ＿ｃ コンバータ側直流パワー電流
Ｉｄｃ＿ｉ インバータ側直流パワー電流
Ｖｄｃ ＰＮ直流電圧信号（直流電圧）
Ｉｄｃｈ＿ｃ コンバータ側直流パワー電流推定値
Ｉｄｃｈ＿ｉ インバータ側直流パワー電流推定値
ＰＯＢＳＯＵＴ コンバータ側パワー補償信号
ＡＶＲＯＵＴ コンバータ入力電流指令値

Claims (7)

1. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧の変動を抑制するための平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに充電された前記直流電圧を交流電力に変換するインバータとを備える電力変換装置であって、
   前記平滑コンデンサの電位差を検出する直流電圧検出器と、
   前記コンバータの交流電源側電流を検出する電流検出器と、
   前記直流電圧検出器による直流電圧検出信号が前記コンバータの直流電圧指令値と一致するようにコンバータ出力電流指令を生成する直流電圧制御器と、
   生成されたコンバータ出力電流指令に前記コンバータの交流電源側電流が一致するようにコンバータが出力する直流電圧を制御するコンバータ出力電流制御器と、
   前記コンバータの交流電源側電流からコンバータ側直流パワー電流推定値を演算するコンバータ側直流パワー電流演算部と、
   前記コンバータの直流電圧検出信号から変動パワー電流推定値を演算する変動パワー電流演算部と、
   前記コンバータ側直流パワー電流推定値から前記変動パワー電流推定値を減算して得られるインバータ側直流パワー電流推定値に、逆換算ゲインを乗算しコンバータ側パワー補償値を生成するコンバータ側パワー補償換算部と、
   前記コンバータ側パワー補償値を前記コンバータ出力電流指令に加算する加算器と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 前記インバータ側直流パワー電流推定値にフィルタ時定数と補償量とを調整する処理を行い、この処理結果を用いて、前記コンバータ側パワー補償換算部の処理を行わせるフィルタ・パワー補償ゲイン調整部をさらに備えることを特徴とする
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記コンバータ側パワー補償換算部の出力値を選択する選択部を備え、
   前記選択部は、前記平滑コンデンサの充電開始から充電完了までの時間と、充電完了から前記直流電圧検出信号が前記直流電圧指令値に一致するまでの時間と、前記直流電圧指令値に一致してからあらかじめ設定した無駄時間を加算した起動時間をカウントする起動タイマ部を有し、
   前記起動タイマ部がカウント完了前は、前記選択部は前記コンバータ側パワー補償換算部の出力をゼロに切り替え、前記起動タイマ部がカウント完了後に前記選択部は前記コンバータ側パワー補償換算部の演算結果を出力するように切り替えることを特徴とする
   請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記選択部は、停止信号によりコンバータ側パワー補償算部の出力をゼロに切り替えることを特徴とする
   請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記交流電圧の低下量を検出する瞬低量演算部を備え、
   前記コンバータ側直流パワー電流演算部と前記コンバータ側パワー補償換算部のゲインを、前記瞬低量演算部より検出した前記交流電圧の変動・低下量に応じて、低減もしくは増幅することを特徴とする
   請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の電力変換装置。
6. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧の変動を抑制するための平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに充電された前記直流電圧を交流電力に変換するインバータと、前記平滑コンデンサの電位差を検出する直流電圧検出器と、前記コンバータの交流電源側電流を検出する電流検出器とを備える電力変換装置の制御装置が実行する電力変換制御方法であって、
   前記直流電圧検出器による直流電圧検出信号が前記コンバータの直流電圧指令値と一致するようにコンバータ出力電流指令を生成する直流電圧制御器と、
   生成されたコンバータ出力電流指令に前記コンバータの交流電源側電流が一致するようにコンバータが出力する直流電圧を制御するコンバータ出力電流制御器と、
   前記コンバータの交流電源側電流からコンバータ側直流パワー電流推定値を演算するコンバータ側直流パワー電流演算部と、
   前記コンバータの直流電圧検出信号から変動パワー電流推定値を演算する変動パワー電流演算部と、
   前記コンバータ側直流パワー電流推定値から前記変動パワー電流推定値を減算して得られるインバータ側直流パワー電流推定値に、逆換算ゲインを乗算しコンバータ側パワー補償値を生成するコンバータ側パワー補償換算部と、
   前記コンバータ側パワー補償値を前記コンバータ出力電流指令に加算する加算器との機能を実現することを特徴とする電力変換制御方法。
7. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、前記直流電圧の変動を抑制するための平滑コンデンサと、該平滑コンデンサに充電された前記直流電圧を交流電力に変換するインバータと、前記平滑コンデンサの電位差を検出する直流電圧検出器と、前記コンバータの交流電源側電流を検出する電流検出器とを備える電力変換装置の制御装置に実行させる電力変換制御プログラムであって、
   前記直流電圧検出器による直流電圧検出信号が前記コンバータの直流電圧指令値と一致するようにコンバータ出力電流指令を生成する直流電圧制御器と、
   生成されたコンバータ出力電流指令に前記コンバータの交流電源側電流が一致するようにコンバータが出力する直流電圧を制御するコンバータ出力電流制御器と、
   前記コンバータの交流電源側電流からコンバータ側直流パワー電流推定値を演算するコンバータ側直流パワー電流演算部と、
   前記コンバータの直流電圧検出信号から変動パワー電流推定値を演算する変動パワー電流演算部と、
   前記コンバータ側直流パワー電流推定値から前記変動パワー電流推定値を減算して得られるインバータ側直流パワー電流推定値に、逆換算ゲインを乗算しコンバータ側パワー補償値を生成するコンバータ側パワー補償換算部と、
   前記コンバータ側パワー補償値を前記コンバータ出力電流指令に加算する加算器との機能を実現させることを特徴とする電力変換制御プログラム。

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