JP2778976B2 - Harmonic suppression device using both AC filter and active filter for power - Google Patents
Harmonic suppression device using both AC filter and active filter for powerInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は、高調波発生負荷から発生する高調波電流が
電力系統に流出するのを抑制するための交流フィルタと
電力用アクティブフィルタを併用した高調波抑制装置に
関するものである。Description: BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a harmonic using both an AC filter and an active power filter for suppressing a harmonic current generated from a harmonic generation load from flowing out to a power system. It relates to a suppression device.
従来の技術 単一高調波に共振するコンデンサＣおよびリアクトル
Ｌの直列回路からなる同調フィルタBPF、抵抗Ｒおよび
リアクトルＬの並列回路とコンデンサＣとの直列回路な
どからなるハイパスフィルタHPFで構成される交流フィ
ルタACFと、高速スイッチング素子HSで構成される電力
用アクティブフィルタAFとを併用した高調波抑制装置に
は、第３図および第４図に示す回路方式がある。これら
は昭和63年８月電気学会産業応用部門全国大会論文集N
o.64、No.65に発表されている公知のものである。2. Description of the Related Art An alternating current composed of a tuning filter BPF composed of a series circuit of a capacitor C and a reactor L resonating at a single harmonic, and a high-pass filter HPF composed of a series circuit of a parallel circuit of a resistor R and a reactor L and a capacitor C, etc. Harmonic suppression devices using both the filter ACF and the power active filter AF constituted by the high-speed switching element HS include the circuit systems shown in FIGS. 3 and 4. These are the papers of the National Convention of the Institute of Electrical Engineers of Japan, August 1988.
o.64 and No.65.
第３図は電力系統と直列に電力用アクティブフィルタ
AFを接続した回路方式であり、第４図は交流フィルタAC
Fと直列に電力用アクティブフィルタAFを接続した回路
方式である。これらは、制御方式が同一であれば電力系
統で流出する高調波電流の抑制効果は全く同一になる。Fig. 3 shows an active power filter in series with the power system.
Fig. 4 shows an AC filter AC
This is a circuit system in which an active power filter AF is connected in series with F. These have exactly the same effect of suppressing the harmonic current flowing out of the power system if the control method is the same.
ここで、従来の高調波抑制装置は高調波検出回路（伝
達関数Ｇ）を用いて電力系統に含まれる高調波電流iSh
を検出し、これをゲインＫ倍し、かつ逆位相の補償電圧
Vc＊（＝KiSh）を電圧指令値として電力用アクティブフ
ィルタAFを制御しようとするものである。Here, the conventional harmonic suppression device uses a harmonic detection circuit (transfer function G) to generate a harmonic current i Sh included in the power system.
Is detected, multiplied by a gain K, and a compensation voltage having the opposite phase.
Vc * (= Ki Sh ) is used as a voltage command value to control the power active filter AF.
発明が解決しようとする問題点 しかし従来の高調波抑制装置では負荷の発生する高調
波電流が時々刻々変化している場合や、過渡時には補償
電圧Vc＊に過大の基本波電圧が発生する。Problems to be Solved by the Invention However, in the conventional harmonic suppression device, when the harmonic current generated by the load changes every moment, or during a transient period, an excessive fundamental wave voltage is generated in the compensation voltage Vc * .
このため電力用アクティブフィルタAFの容量増加は避
けられず、初期コストや運転コストに問題がある。For this reason, an increase in the capacity of the power active filter AF is inevitable, and there is a problem in initial cost and operation cost.
問題点を解決するための手段 本発明は上述したような点に鑑みなされたものであ
る。すなわち、電力系統に接続した高調波発生負荷から
電力系統に流出する高調波電流を抑制する交流フィルタ
と電力用アクティブフィルタを併用した高調波抑制装置
において、負荷電流に含まれる高調波電流を検出する高
調波検出回路と、交流フィルタ電流に含まれる高調波電
流を検出する高調波検出回路とを用いて検出した高調波
電流を加算してゲインＫ倍し、かつ逆位相の補償電圧を （イ）電力系統と直列に接続した電力用アクティブフィ
ルタによって発生 または （ロ）交流フィルタと直列に接続した電力用アクティブ
フィルタによって発生 させ、流出する高調波電流の抑制に用いる電力用アクテ
ィブフィルタがＹ結線する第１のMOSFETと第２のMOSFET
とスイッチングリップル除去用のリアクトルおよびコン
デンサとからなることを特徴とする高調波抑制装置であ
る。Means for Solving the Problems The present invention has been made in view of the above points. That is, in a harmonic suppression device using both an AC filter and an active power filter for suppressing a harmonic current flowing out of a harmonic generation load connected to the power system into the power system, the harmonic current included in the load current is detected. A harmonic current detected by using a harmonic detection circuit and a harmonic detection circuit that detects a harmonic current included in the AC filter current is added, multiplied by a gain K, and a compensation voltage of the opposite phase is added. Generated by an active power filter connected in series with the power system or (b) Generated by an active power filter connected in series with the AC filter, and the Y-connection of the active power filter used to suppress the outgoing harmonic current 1st MOSFET and 2nd MOSFET
And a reactor for removing switching ripples and a capacitor.
作用 第２図において、負荷電流iLに含まれる高調波電流i
Lhを検出する高調波検出回路の伝達関数をGLとし、交流
フィルタに流れる電流iFの高調波電流iFhを検出する高
調波検出回路の伝達関数をGFとする。本発明の高調波抑
制装置では、電力用アクティブフィルタAFが出力する補
償電圧の指令値Vc＊は次式で与えられる。Operation In FIG. 2, the harmonic current i included in the load current i L
The transfer function of the harmonics detection circuit for detecting the Lh and G L, the transfer function of the harmonics detection circuit for detecting a harmonic current i Fh of the current i F flowing through the AC filter and G F. In the harmonic suppression device of the present invention, the command value Vc * of the compensation voltage output from the power active filter AF is given by the following equation.
Vc＊＝Ｋ（GLiL＋GFiF） ……（１） （１）式において、システムの安定性にはGFのみが関
係し、GLには関係しないことや過渡特性にはGFよりもGL
が関係することに着目し、GLとGFを適切に設計すること
によって過渡特性を大幅に改善できる。なお、従来の高
調波抑制装置（昭和63年電気学会産業応用部門全国大会
論文集No.64）はGL＝GF＝Ｇであり、本発明の特別の場
合と考えることができる。Vc * = In K (G L i L + G F i F) ...... (1) (1) wherein only G F is the stability of the system is concerned, it and transient characteristics not related to G L is G L over G F
There Noting that concerned, it can be greatly improved transient characteristics by appropriately designing the G L and G F. The conventional harmonic suppression device (No. 64, National Institute of Electrical and Electronics Engineers, Japan, 1988) is G L = G F = G, and can be considered as a special case of the present invention.
実施例 本発明の実施例を第１図および第２図に基づいて説明
する。交流フィルタACFは通常の交流フィルタと同様に
高調波発生源HG（第１図では20kVAの３相サイリスタ整
流回路SD）の近傍に設置されている。0.5kVAの電力用ア
クティブフィルタAF（主回路は３相電圧形PWM変換器）
が３台の単相変圧器（巻数比1:20）を介して電力系統と
直列に接続されている。進相容量10kVAの交流フィルタA
CFは５次共振フィルタRF5、７次共振フィルタRF7とハイ
パスフィルタHPFから構成されている。３相電圧形PWM変
換器の出力側（交流側）に接続されているLr、CrはMOSF
ETのオン、オフに起因するスイッチングリップルを除去
するためのリアクトル、コンデンサである。第１図の電
力用アクティブフィルタAFはサイリスタ整流回路SDが発
生する高調波を直接補償するのではなく、交流フィルタ
ACFの補償特性を改善し、交流フィルタACFの問題点であ
る反共振や上位系統からの高調波電流の流入を抑制する
ものである。すなわち、電力用アクティブフィルタAFの
出力電圧を上記（１）式で制御すれば、電力用アクティ
ブフィルタAFは基本波に対しては零インピーダンスとし
て、高調波に対しては純抵抗として動作する。Embodiment An embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 1 and FIG. The AC filter ACF is installed in the vicinity of a harmonic generation source HG (three-phase thyristor rectifier circuit SD of 20 kVA in FIG. 1), similarly to a normal AC filter. 0.5kVA power active filter AF (main circuit is 3-phase voltage type PWM converter)
Are connected in series with the power system via three single-phase transformers (turn ratio 1:20). AC filter A with advanced phase capacity of 10 kVA
CF includes a fifth-order resonance filter RF5, a seventh-order resonance filter RF7, and a high-pass filter HPF. L r and C r connected to the output side (AC side) of the three-phase voltage type PWM converter are MOSF
Reactor and capacitor for removing switching ripple caused by turning on and off ET. The active power filter AF in FIG. 1 does not directly compensate for the harmonics generated by the thyristor rectifier circuit SD, but uses an AC filter.
It improves the compensation characteristics of the ACF and suppresses the antiresonance and the inflow of harmonic current from the upper system, which are the problems of the AC filter ACF. That is, if the output voltage of the power active filter AF is controlled by the above equation (1), the power active filter AF operates as a zero impedance for a fundamental wave and operates as a pure resistance for a harmonic.
したがって、第１図に示すようにサイリスタ整流回路
SDの容量20kVAに対して電力用アクティブフィルタAFの
容量は0.5kVAで済む。Therefore, as shown in FIG.
The capacity of the power active filter AF is only 0.5 kVA for the SD capacity of 20 kVA.
次に制御回路について説明する。 Next, the control circuit will be described.
第２図に示した制御回路の高調波検出回路には種々の
回路構成が考えられる。例えば、オペアンプを用いたノ
ッチフィルタによる方法や高速フーリェ変換による方法
などがあるが、ここでは電気学会論文誌Ｂ（昭和58年７
月号）に発表されている「瞬時無効電力の一般化理論」
を応用した回路構成について説明する。Various circuit configurations are conceivable for the harmonic detection circuit of the control circuit shown in FIG. For example, there are a method using a notch filter using an operational amplifier and a method using a fast Fourier transform.
Monthly issue) "Generalized theory of instantaneous reactive power"
A circuit configuration to which is applied will be described.
まず交流フィルタACFのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の端子電圧V
FU、VFV、VFW、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の負荷電流iLU、iLV、
iLWを（２）、（３）式により３相から２相に変換す
る。First, the U-phase, V-phase, and W-phase terminal voltages V of the AC filter ACF
FU , VFV , VFW , U-phase, V-phase, W-phase load currents iLU , iLV ,
i LW is converted from three phases to two phases according to the equations (2) and (3).
次に負荷の瞬時有効電力pL、負荷の瞬時無効電力qLを
次式で演算する。 Next, the instantaneous active power p L of the load and the instantaneous reactive power q L of the load are calculated by the following equations.
ここで制御用ハイパスフィルタ（伝達関数GL）を用い
てpL、qLから高調波成分pLh、qLhを抽出する。すなわ
ち、 pLh＝GLpL、qLh＝GLqL ……（５） そして上記（２）〜（４）式の逆演算を行うことによ
って負荷電流iLU、iLV、iLWに含まれる高調波電流
iLUh、iLVh、iLWhが求められる。 Here, harmonic components p Lh and q Lh are extracted from p L and q L using a control high-pass filter (transfer function G L ). That is, p Lh = GL P L , q Lh = GL Q L (5) Then, by performing the inverse operation of the above equations (2) to (4), the load currents i LU , i LV , and i LW are obtained. Included harmonic current
i LUh , i LVh and i LWh are required.
交流フィルタACFに流れる電流iFU、iFV、iFWに対して
も上記（２）〜（６）式と同様の演算を行い、高調波電
流iFUh、iFVh、iFVhを求めることができる。ここで、上
記（５）式に対応した交流フィルタの瞬時有効電力pF、
交流フィルタの瞬時無効電力qFから高調波成分を抽出す
る制御用ハイパスフィルタの伝達関数をGFとする。 The same calculation as the above equations (2) to (6) is performed on the currents i FU , i FV , i FW flowing through the AC filter ACF, and the harmonic currents i FUh , i FVh , i FVh can be obtained. . Here, the instantaneous active power p F of the AC filter corresponding to the above equation (5),
The transfer function of the control high-pass filter for extracting a harmonic component from the instantaneous reactive power q F of AC filter and G F.
最後に負荷電流と交流フィルタ電流の高調波電流を各
相ごとに加算し、増幅回路でゲインＫを乗じて電力用ア
クティブフィルタAFの電圧指令VCU ＊、VCV ＊、VCW ＊が
作られる。Finally, adding the higher harmonic current of the load current and the AC filter current for each phase, the gain K obtained by multiplying the voltage command V CU active filter AF power *, V CV *, the V CW * made by the amplifier circuit .
これらの電圧指令値と三角波キャリアを比較して３相
電圧形PWM変換器のオン、オフ信号が作られ、電力用ア
クティブフィルタAFは電圧指令値と相似でかつ逆位相の
補償電圧を出力する。 The voltage command value is compared with the triangular wave carrier to generate an on / off signal for the three-phase voltage-type PWM converter, and the power active filter AF outputs a compensation voltage similar to the voltage command value and in opposite phase.
第５図は負荷電流iLに含まれる高調波電流が時々刻々
変化している場合の抑制効果を示したものである。ここ
で、電源周波数は50Hzで、上記（５）式のGLとこれと対
応するGFは GL:2次バターワース形ハイパスフィルタ（カットオフ
周波数35Hz） GF:1次ハイパスフィルタ（カットオフ周波数20Hz） とした。第６図は従来の高調波抑制装置における抑制効
果を示したもので、第５図と第６図の電力用アクティブ
フィルタAFの補償電圧VCの波形を比較することにより、
本発明の高調波抑制装置が優れた過渡特性を有している
ことがわかる。FIG. 5 shows the suppression effect when the harmonic current included in the load current i L changes every moment. Here, the power supply frequency is 50 Hz, the G F corresponding above (5) and formula G L and this G L: 2-order Butterworth-type high-pass filter (cut-off frequency 35 Hz) G F: 1-order high-pass filter (cut-off (Frequency 20 Hz). But Figure 6 is showing the inhibitory effect of the conventional harmonic suppression device, by comparing FIG. 5 and the waveform of the compensation voltage V C of the power active filter AF of Figure 6,
It can be seen that the harmonic suppression device of the present invention has excellent transient characteristics.
発明の効果 本発明の交流フィルタとアクティブフィルタを併用し
た高調波抑制装置は、負荷電流の高調波を検出する高調
波検出回路と交流フィルタ電流の高調波を検出する高調
波検出回路を有し、これらを適切に設計することによっ
て安定で、かつ過渡特性が優れているという効果があ
り、工業的ならびに実用的価値が大である。The harmonic suppression device using the AC filter and the active filter of the present invention has a harmonic detection circuit that detects a harmonic of the load current and a harmonic detection circuit that detects a harmonic of the AC filter current. Appropriately designing these has the effect of being stable and having excellent transient characteristics, and has great industrial and practical value.
第１図は本発明の交流フィルタと電力用アクティブフィ
ルタを併用した高調波抑制装置の実施例の回路図、第２
図は本発明にかかる制御回路の一例の説明図、第３図お
よび第４図は従来の交流フィルタと電力用アクティブフ
ィルタを併用した高調波抑制装置の回路図で、第３図は
電力系統と直列に電力用アクティブフィルタを接続した
場合、第４図は交流フィルタと直列に電力用アクティブ
フィルタを接続した場合、第５図は本発明の制御方式に
おける高調波抑制効果を示す波形図、第６図は従来の制
御方式における高調波抑制効果を示す波形図である。 VS:電源電圧、LS:経路インピーダンス、AF:電力用アク
ティブフィルタ、MT:整合変圧器、Lr:スイッチングリッ
プル除去用リアクトル、Cr:スイッチングリップル除去
用コンデンサ、ACF:交流フィルタ、C:コンデンサ、L:リ
アクトル、R:抵抗、BPF:同調フィルタ、RF5:5次共振フ
ィルタ、RF7:7次共振フィルタ、HPF:ハイパスフィル
タ、HG:高調波発生源、SD:サイリスタ整流回路、iS、i
SU、iSV、iSW:電源電流、VF、VFU、VFV、VFW:交流フィ
ルタ端子電圧、iL、iLU、iLV、iLW:負荷電流、VC ＊：電
力用アクティブフィルタの補償電圧、iF:交流フィルタ
電流、HS:高速スイッチング素子、iLh:負荷電流iLに含
まれる高調波電流、iFh:交流フィルタ電流iFに含まれる
高調波電流FIG. 1 is a circuit diagram of an embodiment of a harmonic suppression device using both an AC filter and an active power filter according to the present invention.
FIG. 1 is an explanatory view of an example of a control circuit according to the present invention, and FIGS. 3 and 4 are circuit diagrams of a conventional harmonic suppression device using both an AC filter and an active power filter. FIG. FIG. 4 shows a case where a power active filter is connected in series, FIG. 4 shows a case where a power active filter is connected in series with an AC filter, FIG. 5 is a waveform diagram showing a harmonic suppression effect in the control method of the present invention, and FIG. FIG. 2 is a waveform diagram showing a harmonic suppression effect in the conventional control method. V S: the power supply voltage, L S: route Impedance, AF: active filter power, MT: matching transformer, L r: switching ripple rejection reactors, C r: switching ripple rejection capacitors, ACF: AC filter, C: Capacitor, L: reactor, R: resistance, BPF: tuning filter, RF5: 5th-order resonance filter, RF7: 7th-order resonance filter, HPF: high-pass filter, HG: harmonic generation source, SD: thyristor rectifier circuit, i S , i
SU, i SV, i SW: supply current, V F, V FU, V FV, V FW: AC filter terminal voltage, i L, i LU, i LV, i LW: load current, V C *: Active power Filter compensation voltage, i F : AC filter current, HS: High-speed switching element, i Lh : Harmonic current included in load current i L , i Fh : Harmonic current included in AC filter current i F
Claims (1)
力系統に流出する高調波電流を抑制する交流フィルタと
電力用アクティブフィルタを併用した高調波抑制装置に
おいて、負荷電流に含まれる高調波電流を検出する高調
波検出回路と、交流フィルタ電流に含まれる高調波電流
を検出する高調波検出回路とを用いて検出した高調波電
流を加算してゲインＫ倍し、かつ逆位相の補償電圧を （イ）電力系統と直列に接続した電力用アクティブフィ
ルタによって発生 または、 （ロ）交流フィルタと直列に接続した電力用アクティブ
フィルタによって発生させ、流出する高調波電流の抑制
に用いる電力用アクティブフィルタがＹ結線する第１の
MOSFETと第２のMOSFETとスイッチングリップル除去用の
リアクトルおよびコンデンサとからなることを特徴とす
る高調波抑制装置。1. A harmonic suppression device using an AC filter and an active power filter for suppressing a harmonic current flowing out of a harmonic generation load connected to a power system into a power system. And a harmonic current detected using a harmonic detection circuit for detecting a harmonic current included in the AC filter current, and multiplying the gain by K, and compensating for the opposite phase compensation voltage. (B) Generated by a power active filter connected in series with the power system or (b) Generated by a power active filter connected in series with the AC filter and used to control the outgoing harmonic current. The first Y connection
A harmonic suppression device comprising a MOSFET, a second MOSFET, a reactor for removing switching ripples, and a capacitor.
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