JP2023135387A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチ素子の破壊やコンデンサの寿命低下を防ぐことができる信頼性にすぐれた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、三相交流電源の各電源ラインに接続され、それぞれが複数の単位変換器を直列接続してなるマルチレベル変換器と；制御手段と；を備える。制御手段は、前記負荷に流れる電流の高調波成分を検出し、その高調波成分を抑制するために前記各電源ラインに供給すべき補償電流を求め、その補償電流が得られるよう前記マルチレベル変換器の出力を制御するとともに、その補償電流のピーク値が閾値に収まるよう同補償電流を制御する。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続される電力変換装置に関する。

電気機器等の負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続され、負荷に流れる電流に含まれる高調波成分を抑制するための補償電流を生成し出力するアクティブフィルタ等の電力変換装置が知られている。

特許第５８７１８３２号公報

電力変換装置が生成する補償電流は実効値に対し２倍以上のピーク値を含み、そのピーク値は電源電圧の歪み等の影響を受けて顕著に増加する可能性がある。この増加に際しては、電力変換装置の各スイッチ素子に過大なサージ電圧が加わり、さらには電力変換装置の各コンデンサに流れる電流のリプル成分が悪化し、各スイッチ素子の破壊や各コンデンサの寿命低下を招く可能性がある。特にモジュラーマルチレベル変換器、いわゆるＭＭＣ、をアクティブフィルタに適用する場合、各相にスイッチ素子とコンデンサからなる単位変換器（セル）を複数個持つことから、電源電圧歪等で特定の相における電流ピーク値が上昇する割合が大きくなり、２レベル変換器と比してその悪影響が、顕著に現れる。

本発明の実施形態の目的は、スイッチ素子の破壊やコンデンサの寿命低下を防ぐことができる信頼性にすぐれた電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続されるものであって、前記各電源ラインに接続され、それぞれが複数の単位変換器を直列接続してなるマルチレベル変換器と；前記負荷に流れる電流の高調波成分を検出し、その高調波成分を抑制するために前記各電源ラインに供給すべき補償電流を求め、その補償電流が得られるよう前記マルチレベル変換器の出力を制御するとともに、その補償電流のピーク値が閾値に収まるよう同補償電流を制御する制御手段と；を備える。

一実施形態の構成を示すブロック図。 一実施形態における制御部の要部の構成を示すブロック図。 一実施形態の制御を説明するためのフローチャート。 一実施形態においてゲインＫが“１”の場合の電圧・電流の波形を示す図。 一実施形態においてゲインＫが“１”未満の場合の電圧・電流の波形を示す図。

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、三相交流電源（系統電源ともいう）１のＲ相，Ｓ相，Ｔ相電源ライン（第１，第２，第３電源ライン）Ｌｒ，Ｌｓ，Ｌｔに負荷である例えば空気調和機２が接続されている。空気調和機２は、ブリッジ接続した複数のダイオードにより電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔの電源電圧（系統電圧ともいう）Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔを整流する整流回路３、この整流回路３の出力電圧が直流リアクトル４を介して印加される直流コンデンサ５、この直流コンデンサ５の電圧を所定周波数の交流電圧に変換し出力するインバータ６、このインバータ６の出力により動作する圧縮機モータ７などを含む。

空気調和機２が接続されている電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに、本実施形態の電力変換装置１０が、空気調和機２とは並列の関係に接続されている。

電力変換装置１０は、バッファリアクトル１１ｒ，１１ｓ，１１ｔ、このバッファリアクトル１１ｒ，１１ｓ，１１ｔを介して電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに一端が接続され他端が相互接続（スター結線）されたクラスタ（第１，第２，第３クラスタ）１２ｒ，１２ｓ，１２ｔ、電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔにおけるバッファリアクトル１１ｒ，１１ｓ，１１ｔの接続位置より空気調和機２側の位置に配置され電源電圧Ｅｒ，Ｅｓおよび空気調和機２に流れる電流（負荷電流という）Ｉｒ，Ｉｓを検出する検出部（第１検出手段）１３、バッファリアクトル１１ｒ，１１ｓ，１１ｔを通して電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔとクラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔとの間に流れる電流（補償電流という；クラスタへの入力電流ともいう）Ｉrm，Ｉsmを検出する検出部（第２検出手段）１４、電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに接続され電源電圧Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの位相θを検出する検出部１５、これら検出部１３，１４，１５の検出結果に応じてクラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔを制御する制御部１６を含む。

電源ラインＬｒに接続されたクラスタ１２ｒは、それぞれが複数レベル（マルチレベル）の直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数の単位変換器（セル）２０ｒを直列接続（カスケード接続）してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、各単位変換器２０ｒの出力電圧（セル出力電圧）を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Ｖrmを生成し出力する。

この電力変換装置１０は、相ごとに複数の単位変換器を備えたクラスタを有するモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）となっている。各相の単位変換器の数は３個が一般的であるが、５個やそれ以上でも良い。

各単位変換器２０ｒは、一対の出力端子、それぞれ寄生ダイオードＤを有するスイッチ素子２１，２２，２３，２４、これらスイッチ素子２１～２４を介して上記出力端子に接続されたコンデンサ（直流コンデンサ）２５、このコンデンサ２５の電圧（コンデンサ電圧）Ｖｃを検出して制御部１６に知らせる電圧検出部２６などを含み、スイッチ素子２１～２４のオン，オフ（開閉）による複数の通電路の選択的な形成により複数レベル（正レベル・零レベル・負レベル）の直流電圧を生成し出力する。スイッチ素子２１～２４は、半導体スイッチ素子であり例えばMOSFETやIGBTが用いられる。

電源ラインＬｓに接続されたクラスタ１２ｓ及び電源ラインＬｔに接続されたクラスタ１２ｔも電源ラインＬｒに接続されたクラスタ１２ｒと同様の構成を備えている。電源ラインＬｓに接続されたクラスタ１２ｓは、各単位変換器２０ｓの出力電圧（セル出力電圧）を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Ｖsmを生成し出力する。

電源ラインＬｔに接続されたクラスタ１２ｔは、各単位変換器２０ｔの出力電圧（セル出力電圧）を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Ｖtmを生成し出力する。
すべての単位変換器２０ｒ～２０ｔの構成は、同一である。

これらクラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔにより、マルチレベル変換器１２が構成されている。

制御部１６は、検出部１３で検出される負荷電流Ｉｒ，Ｉｓの値を取込むとともに、その負荷電流Ｉｒ，Ｉｓの値から負荷電流Ｉｔの値を算出し取込む。制御部１６は、検出部１４で検出される補償電流Ｉrm，Ｉsmの値を取込むとともに、その補償電流Ｉrm，Ｉsmの値から補償電流Ｉtmの値を算出し取込む。

そして、制御部１６は、三相交流電源１に流れる電源電流（系統電流ともいう）Ｉrmain，Ｉsmain，Ｉtmainをできるだけ電源電圧Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔと同期した正弦波に近づけるために、負荷電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔの高調波成分を検出し、その高調波成分を抑制するために電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに供給すべき補償電流（負荷電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔに足し合わせるべき補償電流）Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmを算出し、その補償電流Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmを得るのに必要なマルチレベル変換器の出力電圧（交流電圧）Ｖｒm，Ｖｓm，Ｖｔmを算出し、その出力電圧Ｖｒm，Ｖｓm，Ｖｔmが得られるようにマルチレベル変換器１２における各単位変換器２０ｒ～２０ｔのスイッチングを制御する。マルチレベル変換器１２から電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔに交流電圧Ｖｒm，Ｖｓm，Ｖｔmが供給されることにより、負荷電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔに含まれる高調波成分を抑制することができる。

とくに、制御部１６は、補償電流Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmのピーク値Ｉampが閾値(所定の上限値)Ｉｓに収まるよう、補償電流Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmの値を制御（フィードバック制御）する。この制御を実行する具体的な手段として、制御部１６は、図２に示す高調波検出部３０、ゲイン乗算部４０、電流制御部５０、ゲイン制御部６０、コンデンサ電圧制御部７０を含む。
高調波検出部３０は、負荷電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔを検出部１５で検出される電源電圧Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの位相θに基づいて回転座標変換することにより負荷電流Ｉｒ，Ｉｓ，Ｉｔに対応する回転座標軸上のｄ軸電流Ｉｄ_drを求める回転座標変換部３１、この回転座標変換部３１で得られるｄ軸電流Ｉｄ_drの低周波成分を抽出するローパスフィルタ（LPF）３２、このローパスフィルタ３２の出力を回転座標変換部３１で得られるｄ軸電流Ｉｄ_drから減算することによりｄ軸電流Ｉｄ_drの高調波成分Ｉｄhを抽出（検出）する減算部３３、補償電流Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmを検出部１５で検出される電源電圧Ｅｒ，Ｅｓ，Ｅｔの位相θに基づいて回転座標変換することにより補償電流Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmに対応する回転座標軸上のｑ軸電流Ｉｑ_drを求める回転座標変換部３４、この回転座標変換部３４で得られるｑ軸電流Ｉｑ_drの低周波成分を抽出するローパスフィルタ（LPF）３５、このローパスフィルタ３５の出力を回転座標変換部３４で得られるｑ軸電流Ｉｑ_drから減算することによりｑ軸電流Ｉｑ_drの高調波成分Ｉｑhを抽出（検出）する減算部３６を含む。

ゲイン乗算部４０は、高調波検出部３０で検出される高調波成分Ｉｄh，Ｉｑhに所定のゲインＫをそれぞれ乗算し、その乗算結果を補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refとして出力する。電流制御部５０は、ゲイン乗算部４０で得られる補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refに追従する補償電流Ｉｒm，Ｉｓm，Ｉｔmをマルチレベル変換器１２で生じさせるために必要なクラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔの出力電圧（交流電圧）Ｖｒm，Ｖｓm，Ｖｔmを算出し、その出力電圧Ｖｒm，Ｖｓm，Ｖｔmが得られるようにクラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔ内の単位変換器２０ｒ～２０ｔのスイッチ素子２１～２４のオン，オフ動作をパルス幅変調制御（PWM制御）する。

ゲイン制御部６０は、上記位相θに基づく所定周期（＝電源電圧周期Ｔの1/6）ごとに、ゲイン乗算部４０で得られる補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refのピーク値Ｉampを下式の演算により求め、求めたピーク値Ｉampと予め定めている閾値Ｉｓとを比較し、その比較結果に応じてゲイン乗算部４０のゲインＫを可変設定する。具体的には、ピーク値Ｉampが閾値Ｉｓ以下の場合、ゲインＫを“１”に設定する（Ｋ＝“１”）。ピーク値Ｉampが閾値Ｉｓより大きい場合、閾値Ｉｓとピーク値Ｉampとの比（＝Ｉｓ／Ｉamp）をゲインＫ（＝“１”未満）として設定する。

コンデンサ電圧制御部７０は、クラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔの各コンデンサ２５のコンデンサ電圧Ｖｃを監視し、これらコンデンサ電圧Ｖｃに対する所定の調整用値を高調波検出部３０に対して出力する。この調整用値が高調波検出部３０の減算部３３に加算される。

ゲイン制御部６０が実行するゲイン制御を図３のフローチャートを参照しながら説明する。
ゲイン制御部６０は、検出部１５で検出される位相θに基づいて電源電圧周期Ｔの開始からの時間経過ｔをカウントし(S1)、かつ補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refのピーク値Ｉampを算出する（S2）。カウント値ｔが電源電圧周期Ｔの1/6に達しないとき（S3のNO）、ゲイン制御部６０は、今回算出のピーク値Ｉampと内部メモリに記憶している前回算出のピーク値Ｉampとを比較する（S4）。今回算出のピーク値Ｉampが前回算出のピーク値Ｉampより大きい場合（S4のYES）、ゲイン制御部６０は、今回算出のピーク値Ｉampを最新のピーク値Ｉampとして内部メモリに更新記憶し（S5）、上記S1からの処理を繰返す。今回算出のピーク値Ｉampが前回算出のピーク値Ｉampと同じまたはそれより小さい場合（S4のNO）、ゲイン制御部６０は、S5の更新記憶を実行せず、上記S1からの処理を繰返す。

カウント値ｔが電源電圧周期Ｔの1/6に達したとき（S3のYES）、ゲイン制御部６０は、今回算出のピーク値Ｉampと閾値Ｉｓとを比較する（S6）。ピーク値Ｉampが閾値Ｉｓ以下の場合（S6のNO）、ゲイン制御部６０は、ゲインＫを“１”に設定する（S7）。今回算出のピーク値Ｉampが閾値Ｉｓより大きい場合（S6のYES）、ゲイン制御部６０は、閾値とピーク値Ｉampとの比（＝Ｉｓ／Ｉamp）をゲインＫ（＝“１”未満）として設定する（S8）。

続いて、ゲイン制御部６０は、カウント値ｔをクリアし（S9）、かつ内部メモリのピーク値Ｉampをクリアし（S10）、上記S1からの処理に戻る。

ゲインＫが“１”の場合の電源電圧Ｅｒ・負荷電流Ｉｒ・補償電流Ｉrm・電源電流Ｉrmainの波形をピーク値Ｉampと共に図４に示している。ゲインＫが“１”未満の場合の電源電圧Ｅｒ・負荷電流Ｉｒ・補償電流Ｉrm・電源電流Ｉrmainの波形をピーク値Ｉampと共に図５に示している。

マルチレベル変換器１２で生成される補償電流Ｉrm，Ｉsm，Itmは実効値に対し２倍以上のピーク値を含み、そのピーク値は電源電圧の歪み等の影響を受けて顕著に増加する可能性がある。この増加に際しては、マルチレベル変換器１２のスイッチ素子２１～２４に過大なサージ電圧が加わり、さらにはマルチレベル変換器１２の各コンデンサ２５に流入する電流のリプル成分が悪化し、各スイッチ素子２１～２４の破壊や各コンデンサ２５の寿命低下を招く可能性がある。

そこで、補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refのピーク値Ｉampが閾値Ｉｓを超えた場合に、ゲインＫを通常の“１”未満の値とすることで、補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refのピーク値Ｉampを閾値Ｉｓ以下に抑制することができる。これにより、各スイッチ素子２１～２４の破壊や各コンデンサ２５の寿命低下を防ぐことができる。

とくに、閾値Ｉｓとピーク値Ｉampとの比（＝Ｉｓ／Ｉamp）をゲインＫとして選定するので、補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refに対する過剰な抑制を生じることなく、補償電流指令値Ｉｄ_ref，Ｉｑ_refを適切な状態に設定することができる。

負荷がダイオードブリッジの整流回路３を備える空気調和機２の場合、マルチレベル変換器１２で生成される補償電流Ｉrm，Ｉsm，Itmには電源電圧周期の1/6ごとにピーク値が現れる。この電源電圧周期の1/6ごとに補償電流指令値Ｉd_ref，Ｉq_refのピーク値Ｉampを算出してゲインＫを可変設定するので、ピーク値Ｉampを応答遅れなく適切に抑制することができる。

上記実施形態では、クラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔのそれぞれの他端を相互接続（スター結線）する構成の電力変換装置について説明したが、クラスタ１２ｒ，１２ｓ，１２ｔを電源ラインＬｒ，Ｌｓ，Ｌｔの相互間に接続するいわゆるデルタ結線の電力変換装置においても同様に実施可能である。

その他、上記実施形態および変形例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態および変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態および変形例は、発明の範囲は要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…三相交流電源、Ｌｒ，Ｌｓ，Ｌｔ…電源ライン、３…空気調和機（負荷）、１０…電力変換装置、１２…マルチレベル変換器、１２ｒ，１２ｓ，１２ｔ…クラスタ、１６…制御部、２０ｒ，２０ｓ，２０ｔ…単位変換器、２１～２４…スイッチ素子、２５…コンデンサ

Claims (3)

1. 負荷が接続される三相交流電源の各電源ラインにその負荷とは並列の関係に接続される電力変換装置であって、
   前記各電源ラインに接続され、それぞれが複数の単位変換器を直列接続してなるマルチレベル変換器と、
   前記負荷に流れる電流の高調波成分を検出し、その高調波成分を抑制するために前記各電源ラインに供給すべき補償電流を求め、その補償電流が得られるよう前記マルチレベル変換器の出力を制御するとともに、その補償電流のピーク値が閾値に収まるよう同補償電流を制御する制御手段と、
   を備える電力変換装置。
2. 前記負荷に流れる負荷電流を検出する第１検出手段と、
   前記各電源ラインと前記マルチレベル変換器との間に流れる補償電流を検出する第２検出手段と、
   をさらに備え、
   前記制御手段は、
   前記第１電流検出手段で検出される負荷電流の高調波成分を検出する高調波検出部と、
   前記高調波検出部で検出される高調波成分に所定のゲインをそれぞれ乗算し、その乗算結果を補償電流指令値として出力するゲイン乗算部と、
   前記ゲイン乗算部で得られる補償電流指令値に追従する補償電流を前記マルチレベル変換器で生じさせるために必要な同マルチレベル変換器の出力電圧を算出し、その出力電圧が得られるように前記マルチレベル変換器のスイッチングを制御する電流制御部と、
   前記三相交流電源の電源電圧周期の1/6ごとに、前記ゲイン乗算部で得られる補償電流指令値のピーク値を算出し、算出したピーク値と前記閾値との比較結果に応じて前記ゲイン制御部の前記ゲインを可変設定するゲイン制御部と、
   を含む、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記ゲイン制御部は、前記算出したピーク値が前記閾値以下の場合は前記ゲインを“１”に設定し、前記算出したピーク値が前記閾値より大きい場合は前記閾値と前記求めたピーク値との比を前記ゲインとして設定する、
   請求項２に記載の電力変換装置。

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