JP3779061B2

JP3779061B2 - アクティブフィルタ装置

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Publication number: JP3779061B2
Application number: JP09688798A
Authority: JP
Inventors: 恵益本
Original assignee: Shizuki Electric Co Inc
Current assignee: Shizuki Electric Co Inc
Priority date: 1998-03-24
Filing date: 1998-03-24
Publication date: 2006-05-24
Anticipated expiration: 2018-03-24
Also published as: JPH11275761A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力系統の電流波形から高調波成分を抽出すると共に、抽出した高調波成分と逆位相の高調波補償電流を上記交流電力系統に供給して交流電力系統の電流波形を補償するアクティブフィルタ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
産業用インバータ装置やサイリスタ装置等から発生する高調波が、変圧器、コンデンサ等の電力用機器や位相制御機器等に種々の影響を与え、これらの機器に種々の障害を及ぼし得ることが知られている。そのため上記サイリスタ装置等を負荷として電力を供給する交流電力系統においては、電圧形インバータを用いて高調波電流を補償するアクティブフィルタ装置が従来用いられている（例えば特開昭６０−２１３２２６号公報）。
【０００３】
図３は、従来のアクティブフィルタ装置を示す構成図である。このアクティブフィルタ装置は、スイッチング素子１５、１６を備えたインバータ部２０とコンデンサ１７とから成る主回路と、負荷電流波形に含まれる高調波成分を出力する高調波検出部２５と、上記インバータ部２０を制御するＰＷＭ変調器１３、１４とを備えて構成され、上記インバータ部２０の出力側は、リアクトル１９を介して電力系統ライン１に接続されている。また、この電力系統ライン１には負荷電流検出器（以下「ＣＴ」という。）２が設けられ、その出力が上記高調波検出部２５に入力される。一方、電流検出器１８によってインバータ部２０の出力電流、即ち高調波補償電流Ｉ_cが検出され、検出された高調波補償電流Ｉ_cは減算器１２に入力されるようになっている。
【０００４】
また、スイッチング素子１５、１６の両端に、高調波を補償するための電源としてコンデンサ１７が接続されている。高調波検出部２５は、負荷電流から基本波成分を抽出するバンドパスフィルタ（ＢＰＦ）３及び負荷電流から基本波成分を減算して高調波成分を出力する減算器４で構成される。制御部１１は、コンデンサ１７の電圧変動に応じて充放電指令信号を減算器１０に出力する。減算器１０は、高調波検出部２５から出力される高調波成分信号から制御部１１から出力される充放電指令信号を減算して高調波制御信号Ｉ_Hを減算器１２に出力する。
【０００５】
上記のようなアクティブフィルタ装置においては、電流検出器１８で検出された高調波補償電流Ｉ_Cの波形と高調波検出部２５から出力される高調波制御信号Ｉ_Hの波形とが等しくなるように、つまり減算器１２の出力がゼロとなるように、ＰＷＭ変調器１３、１４が動作する。そして高調波検出部２５は、ＣＴ２で検出した負荷電流波形に基づいてその高調波成分を出力するため、結局上記インバータ部２０からは、負荷電流波形に含まれる高調波成分と逆位相の電流が、高調波補償電流Ｉ_cとしてリアクトル１９を介して電力系統ライン１に流れることになる。これによって電力系統ライン１の高調波成分が相殺され、電源電流波形が補償されて正弦波となる。
【０００６】
制御部１１は、高調波補償電流Ｉ_cを流す電源を確保するため、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cを一定とすべく充放電指令信号を減算器１０に供給する。即ち、絶縁増幅器２１から出力されるコンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cに対応した電圧と基準電圧発生器２２からの基準電圧Ｖ_rとの差に比例した信号を減算器２３から出力し、掛算器２４で、減算器２３からの出力信号と相電圧検出器（ＰＴ）５の出力電圧とを掛算する。掛算器２４は、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cが基準電圧Ｖ_rより大のときはＰＴ５の出力電圧位相を反転して出力し、Ｖ_c＜Ｖ_rのときは同相で出力する。図３の回路では、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cが変動すると減算器２３の出力が現れ、掛算器２４から充放電指令信号が出力され、これに対応してＩ_H＝Ｉ_CとなるようＰＷＭ変調器１３、１４が動作し、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cが一定に保持される。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記アクティブフィルタ装置では、基準電圧Ｖ_rは固定であるため、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cが一定にされ、母線電圧が一定になる。このため、例えば、電力系統ライン１に接続されている負荷の大多数が停止して電源容量に余裕が生じるなどして、系統電圧が増加した場合には、系統電圧と母線電圧との差が一定にならない。従って、アクティブフィルタ装置の高調波の補償率が低下してしまい補償率が一定にならない欠点があった。
【０００８】
この発明は上記従来の欠点を解決するためになされたものであって、その目的は、コンデンサの両端電圧と系統電圧とに所定の電圧差をもたせることにより、高調波の補償率を一定にすることができるアクティブフィルタ装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで請求項１のアクティブフィルタ装置は、交流電力系統１に接続され、その電流波形に含まれる高調波成分を抽出して出力する高調波検出手段２５と、インバータ部２０を制御することによって上記高調波成分信号とは逆位相の高調波補償電流Ｉ_cを作成して上記交流電流系統１に供給すると共に、上記高調波補償電流Ｉ_cの電源としてのコンデンサ１７を備える高調波補償手段２９と、上記コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cが基準電圧Ｖ_Rとなるように、上記コンデンサ１７の充放電を制御する充放電指令信号を作成する充放電制御手段３０と、上記高調波成分信号から上記充放電指令信号を減算して上記高調波補償手段２９を制御する高調波制御信号Ｉ_Hを作成する制御信号作成手段１０とを備えるアクティブフィルタ装置において、上記充放電制御手段３０は、上記交流電力系統１の系統電圧と上記両端電圧Ｖ_cとの電圧差が一定となるようにすべく上記充放電指令信号を作成することを特徴としている。
【００１０】
上記請求項１のアクティブフィルタ装置では、交流電力系統１の系統電圧が変動しても、系統電圧とコンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cとの間には常に一定の電圧差Ｖ_aが確保される。従って、例えば系統電圧が増加すると、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_c、即ち高調波補償電流の電源電圧も増加するので、上記交流電力系統１に対する電流供給能力は低下せず、十分な高調波補償電流を供給することができる。これによって、上記交流電力系統１に対する高調波の補償率は、系統電圧の変動にかかわらず、常に一定になり、良好な高調波補償を実現することができる。
【００１１】
また請求項２のアクティブフィルタ装置は、上記充放電制御手段３０は、上記交流電力系統１の系統電圧の変動量に基づいて上記基準電圧Ｖ_Rを補正して出力する基準電圧作成手段３２と、上記コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cを検出する検出手段３１と、上記基準電圧作成手段３２の出力電圧から上記検出手段３１の検出電圧を減算する減算手段３３と、上記交流電力系統１の系統電圧信号と上記減算手段３３の出力信号とを乗算して充放電指令信号を作成する乗算手段３４とを備えることを特徴としている。
【００１２】
上記請求項２のアクティブフィルタ装置では、上記コンデンサ１７の基準電圧Ｖ_Rを上記系統電圧の変動量に基づいて補正し、補正後の基準電圧Ｖ_Rと検出した両端電圧Ｖ_cとの差を求め、求めた差に対応した充放電指令信号が作成される。これによって、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cは系統電圧の変動に対応して増減すると共に、系統電圧との間に常に一定の電圧差を確保することができる。
【００１３】
さらに請求項３のアクティブフィルタ装置は、上記基準電圧作成手段３２は、上記交流電力系統１の系統電圧を直流電圧に変換する変換回路３６と、上記系統電圧と上記両端電圧Ｖ_cとの間に確保すべき電圧差に相当する定電圧Ｖ_aを発生する定電圧発生器３５と、上記変換回路３６の出力電圧と上記定電圧発生器３５の定電圧Ｖ_aとを加算して基準電圧Ｖ_Rを作成する加算器３７とを備えることを特徴としている。
【００１４】
上記請求項３のアクティブフィルタ装置では、上記コンデンサ１７の基準電圧Ｖ_Rは、上記交流電力系統１の系統電圧に、当該系統電圧と上記コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cとの間に確保すべき電圧差に相当する電圧Ｖ_aを加えて作成される。従って、上記系統電圧の増減に対応して基準電圧Ｖ_Rも増減することになる。
【００１５】
請求項４のアクティブフィルタ装置は、上記変換回路３６は、上記交流電力系統１の系統電圧の絶対値レベルを検出して出力する絶対値検出回路３８と、上記絶対値検出回路３８からの出力信号を平均化して直流電圧を出力する平均化回路３９とを備えることを特徴としている。
【００１６】
請求項５のアクティブフィルタ装置は、上記絶対値検出回路３８は、全波整流回路であることを特徴としている。
【００１７】
上記請求項４又は請求項５のアクティブフィルタ装置では、その実施が容易である。
【００１８】
請求項６のアクティブフィルタ装置は、交流電力系統１に接続され、その電流波形に含まれる高調波成分を抽出すると共に、インバータ部２０を制御して上記高調波成分信号と逆位相の高調波補償電流Ｉ_cを作成し、これを上記交流電力系統１に供給して電流波形を補償するよう構成されたアクティブフィルタ装置において、上記高調波補償電流Ｉ_cの電源としてのコンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cを検出する検出手段３１と、上記交流電力系統１の系統電圧を検出し、この検出電圧に、上記系統電圧と上記両端電圧Ｖ_cとの間に確保すべき電圧差に相当する電圧Ｖ_aを加算して上記コンデンサ１７の基準電圧Ｖ_Rを出力する基準電圧作成手段３２と、上記基準電圧作成手段３２の出力電圧から上記検出手段３１の検出電圧を減算する減算手段３３と、この減算手段３３の出力信号と上記交流電力系統１の系統電圧信号とを乗算して上記コンデンサ１７の充放電を制御する充放電指令信号を出力する乗算手段３４と、この乗算手段３４から出力される充放電指令信号を上記高調波成分信号から減算して上記インバータ部２０を制御する高調波制御信号Ｉ_Hを出力する制御信号作成手段１０とを備えることを特徴としている。
【００１９】
上記請求項６のアクティブフィルタ装置では、交流電力系統１の系統電圧が変動しても、系統電圧とコンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cとの間には常に一定の電圧差Ｖ_aが確保される。従って、例えば系統電圧が増加すると、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_c、即ち高調波補償電流の電源電圧も増加するので、上記交流電力系統１に対する電流供給能力は低下せず、十分な高調波補償電流を供給することができる。これによって、上記交流電力系統１に対する高調波の補償率は、系統電圧の変動にかかわらず、常に一定になり、良好な高調波補償を実現することができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
次にこの発明のアクティブフィルタ装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の一実施の形態であるアクティブフィルタ装置の一実施の形態を示す構成図である。尚、本実施の形態のアクティブフィルタ装置の基本的な構成は、図３に示した従来の構成と類似しているため、同一の構成には同一の参照符号を付して詳細な説明は省略する。
【００２２】
アクティブフィルタ装置は、概略的に、高調波検出手段である高調波検出部２５と、高調波補償手段である高調波補償部２９と、充放電制御手段である制御部３０と、制御信号作成手段である減算器１０とを備えて構成される。
【００２３】
高調波補償部２９は、減算器１２、ＰＷＭ変調器１３、１４、スイッチング素子１５、１６、コンデンサ１７、電流検出器１８、リアクトル１９、インバータ部２０を備えて構成される。そして、減算器１０から与えられる高調波制御信号Ｉ_Hに基づいて、インバータ部２０を制御することによって高調波検出部２５で抽出された高調波成分信号とは逆位相の高調波補償電流Ｉ_cを作成して電力系統ライン１に供給する。これによって、電流系統ライン１の高調波成分が相殺され、電源電流波形が補償されて正弦波となる。
【００２４】
ここで、高調波検出部２５による高調波成分信号の抽出方法、高調波補償部２９による高調波補償電流Ｉ_cの作成方法、減算器１０による高調波制御信号Ｉ_Hの作成方法は、図３を参照して説明した従来の技術と同じであるので、説明を省略し、本実施の形態の特徴点である制御部３０について詳細に説明する。尚、高調波検出部２５は、ＢＰＦ３と減算器４に代えて、負荷電流から高調波成分を導出する演算回路（デジタル回路又はアナログ回路）で構成してもよい。
【００２５】
制御部３０は、コンデンサ１７の両端電圧Ｖ_cを増幅する絶縁増幅器３１と、コンデンサ１７に設定すべき基準電圧Ｖ_Rを発生する基準電圧発生器３２と、絶縁増幅器３１の出力を基準電圧発生器３２の出力から減算する減算器３３と、ＰＴ５の出力電圧と減算器３３の出力とを掛算する掛算器３４とを備える。
【００２６】
基準電圧発生器３２は、電力系統ライン１の系統電圧の変動量に基づいて基準電圧Ｖ_Rを補正して出力するものであり、母線（コンデンサ１７）と電力系統ライン１との間に確保すべき電圧差に相当する電圧Ｖ_aを発生する定電圧発生器３５と、加算器３７と、ＰＴ５が出力する交流電圧を直流電圧に変換する変換回路３６とを備える。即ち、変換回路３６は、ＰＴ５の出力電圧を平滑化するものであり、絶対値検出回路３８と平均化回路３９を備える。絶対値検出回路３８は、電力系統ライン１の系統電圧の絶対値レベルを検出して出力するものであり、全波整流回路でもよい。平均化回路３９は、絶対値検出回路３８の出力を平均化して出力し、加算器３７は上記電圧Ｖ_aに上記平均化出力を加算した直流電圧を出力する。変換回路３６の出力電圧は系統電圧に対応した電圧であり、系統電圧の変動は変換回路３６の出力電圧に現れるので、基準電圧Ｖ_Rにも系統電圧の変動が現れる。
【００２７】
減算器３３は、絶縁増幅器３１と基準電圧発生器３２の両出力電圧の差を出力する。掛算器３４は、ＰＴ５の出力電圧（系統電圧の有効成分）と減算器３３の出力とで掛算を行い、出力を充放電指令信号として減算器１０に供給する。
【００２８】
即ち、掛算器３４は、系統電圧の有効成分（正弦波）の振幅をコンデンサ１７の電圧Ｖ_cと基準電圧Ｖ_Rとの差に対応した大きさ（極性も含めて）にするもので、この掛算器３４の出力を充放電指令信号とする。
【００２９】
これによって、絶縁増幅器３１の出力電圧が基準電圧発生器３２の出力電圧Ｖ_Rと等しくなるように制御されるので、コンデンサ１７の電圧は系統電圧の変化に対応して増減し、かつ母線電圧と系統電圧との間に常に所定の電圧差Ｖ_aをもたすことができる。
【００３０】
アクティブフィルタ装置では、コンデンサ１７の電圧（例えば３００Ｖ）を系統電圧（例えば２００Ｖ）より高く設定することにより、電源側に高調波を補償するための補償電流を供給することができる。しかしながら、系統電圧がより高くなると、従来の場合では、コンデンサ１７の電圧と系統電圧との差が小さくなり、十分な補償電流が供給できなくなり、図２に実線Ｌ２で示すように、高調波の補償率が低下する。これに対し、本発明では、系統電圧の増加に対応して、コンデンサ１７の電圧が増加するので、図２に実線Ｌ１で示すように、高調波の補償率は低下せず、一定になる。
【００３１】
尚、補償率は、補償率＝（Ｉ_LH−Ｉ_SH）／Ｉ_LHのように定義される。ただし、Ｉ_LHは負荷電流に含まれる高調波電流、Ｉ_SHは電源側に含まれる高調波電流である。
【００３２】
【発明の効果】
以上のように請求項１又は請求項６のアクティブフィルタ装置によれば、交流電力系統の系統電圧が変動しても、系統電圧とコンデンサの両端電圧との間には常に一定の電圧差が確保されるので、上記交流電力系統に対する電流供給能力は低下せず、十分な高調波補償電流を供給することができる。これによって、上記交流電力系統に対する高調波の補償率は、系統電圧の変動にかかわらず常に一定になり、良好な高調波補償を実現することができる。
【００３３】
また請求項２〜請求項５のアクティブフィルタ装置によれば、その実施が容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態であるアクティブフィルタ装置を示す構成図である。
【図２】アクティブフィルタ装置における系統電圧と補償率との関係を示すグラフである。
【図３】従来のアクティブフィルタ装置を示す構成図である。
【符号の説明】
１電力系統ライン
１０減算器
１７コンデンサ
２０インバータ部
２５高調波検出部
２９高調波補償部
３０制御部
３１絶縁増幅器
３２基準電圧発生器
３３減算器
３４掛算器
３５定電圧発生器
３６変換回路
３７加算器
３８絶対値検出回路
３９平均化回路
Ｉ_H 高調波制御信号
Ｉ_c 高調波補償電流
Ｖ_c 両端電圧
Ｖ_R 基準電圧

Claims

交流電力系統（１）に接続され、その電流波形に含まれる高調波成分を抽出して出力する高調波検出手段（２５）と、インバータ部（２０）を制御することによって上記高調波成分信号とは逆位相の高調波補償電流（Ｉ_c）を作成して上記交流電流系統（１）に供給すると共に、上記高調波補償電流（Ｉ_c）の電源としてのコンデンサ（１７）を備える高調波補償手段（２９）と、上記コンデンサ（１７）の両端電圧（Ｖ_c）が基準電圧（Ｖ_R）となるように、上記コンデンサ（１７）の充放電を制御する充放電指令信号を作成する充放電制御手段（３０）と、上記高調波成分信号から上記充放電指令信号を減算して上記高調波補償手段（２９）を制御する高調波制御信号（Ｉ_H）を作成する制御信号作成手段（１０）とを備えるアクティブフィルタ装置において、上記充放電制御手段（３０）は、上記交流電力系統（１）の系統電圧と上記両端電圧（Ｖ_c）との電圧差が一定となるようにすべく上記充放電指令信号を作成することを特徴とするアクティブフィルタ装置。
上記充放電制御手段（３０）は、上記交流電力系統（１）の系統電圧の変動量に基づいて上記基準電圧（Ｖ_R）を補正して出力する基準電圧作成手段（３２）と、上記コンデンサ（１７）の両端電圧（Ｖ_c）を検出する検出手段（３１）と、上記基準電圧作成手段（３２）の出力電圧から上記検出手段（３１）の検出電圧を減算する減算手段（３３）と、上記交流電力系統（１）の系統電圧信号と上記減算手段（３３）の出力信号とを乗算して充放電指令信号を作成する乗算手段（３４）とを備えることを特徴とする請求項１のアクティブフィルタ装置。
上記基準電圧作成手段（３２）は、上記交流電力系統（１）の系統電圧を直流電圧に変換する変換回路（３６）と、上記系統電圧と上記両端電圧（Ｖ_c）との間に確保すべき電圧差に相当する定電圧（Ｖ_a）を発生する定電圧発生器（３５）と、上記変換回路（３６）の出力電圧と上記定電圧発生器（３５）の定電圧（Ｖ_a）とを加算して基準電圧（Ｖ_R）を作成する加算器（３７）とを備えることを特徴とする請求項２のアクティブフィルタ装置。
上記変換回路（３６）は、上記交流電力系統（１）の系統電圧の絶対値レベルを検出して出力する絶対値検出回路（３８）と、上記絶対値検出回路（３８）からの出力信号を平均化して直流電圧を出力する平均化回路（３９）とを備えることを特徴とする請求項３のアクティブフィルタ装置。
上記絶対値検出回路（３８）は、全波整流回路であることを特徴とする請求項４のアクティブフィルタ装置。
交流電力系統（１）に接続され、その電流波形に含まれる高調波成分を抽出すると共に、インバータ部（２０）を制御して上記高調波成分信号と逆位相の高調波補償電流（Ｉ_c）を作成し、これを上記交流電力系統（１）に供給して電流波形を補償するよう構成されたアクティブフィルタ装置において、上記高調波補償電流（Ｉ_c）の電源としてのコンデンサ（１７）の両端電圧（Ｖ_c）を検出する検出手段（３１）と、上記交流電力系統（１）の系統電圧を検出し、この検出電圧に、上記系統電圧と上記両端電圧（Ｖ_c）との間に確保すべき電圧差に相当する電圧（Ｖ_a）を加算して上記コンデンサ（１７）の基準電圧（Ｖ_R）を出力する基準電圧作成手段（３２）と、上記基準電圧作成手段（３２）の出力電圧から上記検出手段（３１）の検出電圧を減算する減算手段（３３）と、この減算手段（３３）の出力信号と上記交流電力系統（１）の系統電圧信号とを乗算して上記コンデンサ（１７）の充放電を制御する充放電指令信号を出力する乗算手段（３４）と、この乗算手段（３４）から出力される充放電指令信号を上記高調波成分信号から減算して上記インバータ部（２０）を制御する高調波制御信号（Ｉ_H）を出力する制御信号作成手段（１０）とを備えることを特徴とするアクティブフィルタ装置。