JP4218705B2 - アクティブフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、外部回路の状況に応じた運転を可能とする周波数解析機能を有するアクティブフィルタに関するものである。

アクティブフィルタ（以下単にＡＦという）は、特許文献１や特許文献２などによって公知となっている。AFは図８に示すように、電力系統ＰＳに接続し、ＡＦの電力変換器２から高調波を出力することによって接続点ａより上位側に流出する負荷Ｌからの高調波成分を削減する装置である。

一般的なＡＦの制御系は図９に示すように構成されている。まず、補償点（接続点ａ）の負荷電流を検出し、座標変換系１１によりｄ，ｑ軸負荷電流に変換し、ハイパスフィルタ１３，１４によりｄ，ｑ軸負荷高調波電流成分を抽出すると共に、電力変換器２の出力電流を検出し、座標変換系２１によりｄ，ｑ軸変換器電流に変換する。

そして、ｄ軸、変換器電流とｄ軸負荷高調波電流との偏差を瞬時電流制御系２２でＰＩ演算してｄ軸電圧指令とすると共に、ｑ軸変換器電流とｑ軸負荷高調波電流との偏差を瞬時電流制御系２３でＰＩ演算してｑ軸電圧指令値とし、このｄ，ｑ軸電圧指令を座標変換系２４で３相電圧指令値に変換し、電圧制御系２５でＰＷＭのゲートパルスを作成して電力変換器２を制御し、ＡＦの電圧を制御する。

これによってＡＦは補償点の高調波電流を出力する電流源として振る舞うことになり、結果として接続点ａより上位側の系統ＰＳへ高調波電流成分が流れないようになる。

ＡＦを構成する半導体電力変換器は、高調波電流を出力する必要があるため、高速で正確な電流制御性能が要求される。
特開平１０−１４５９７２号公報 特開平１０−０８０１５０号公報

ところで、アクティブフィルタ（ＡＦ）を接続した場合、下記のような問題点が発生することがある。
１）電圧源負荷との共振
補償点よりも下流側に、進相コンデンサなどの電圧源のような負荷が存在すると、補償するための高調波電流の一部がその負荷に流れ込んでしまい、補償点の高調波電流が増加してしまう場合がある。

図１０のように、補償点よりも下流側に高調波負荷Ｌに加えて進相コンデンサＣが存在する場合、元から存在する補償点の高調波成分を補償しようとしてアクティブフィルタが高調波成分を出力すると、その電流の一部はインピーダンスの低い進相コンデンサＣに流れてしまう。

このとき、ＡＦ接続点からみたインダクタンス成分（ＡＦ連系Ｌ＋送電線Ｌ）と進相コンデンサＣによるＬＣ直列共振周波数と補償している高調波成分の周波数が近い場合は、共振回路のインピーダンスが低くなるために共振高調波電流が急速に増加してしまい、最終的には共振状態になる。この状態では、ＡＦは自分で共振させた共振高調波電流を補償しているだけであり、無駄な運転を行っていることになる。

一般に、系統に接続されている負荷で電圧源として振る舞う負荷は進相コンデンサがほとんどである。よって、共振電流はこれらの進相コンデンサに流れる可能性が高く、高調波耐量の低い進相コンデンサには異常騒音・発熱といった障害が発生する。
２）電流制御限界
ＡＦの電流制御系は理想状態であればどの周波数でも指令値通りの電流を出力できるが、実際には電流検出の遅れ、制御部分の遅れ、ＡＦを構成する半導体電力変換器のスイッチング周波数の限界などの影響があり、電流制御ゲインを無制限に高めることができない。このため、電流制御が可能な周波数には限界がある。

よって、ＡＦが効果を発揮する周波数は、電流制御系の周波数によって制限される。特に、半導体電力変換器のスイッチング周波数は、素子の能力や効率の点から低くせざるを得ないため、ＡＦの補償可能周波数はスイッチング周波数によって制限されることが多い。

この発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、外部回路の状況に応じた運転ができる周波数解析機能を有するアクティブフィルタを提供することにある。

（１）ＤＦＴ（離散フーリエ変換）を用いた系統インピーダンスボード線図作成機能
アクティブフィルタ（ＡＦ）の運転状況を簡略すると、図１に示すように変換器２と外部回路１で表すことができる。この外部回路は、変換器の連系リアクトルを始め、系統に接続されている全ての装置によって構成される。
ここで、変換器の出力電流と出力電圧を１周期分検出し、系統周波数を基本波として、その整数倍の周波数成分についてフーリエ変換を行う。その結果得られたＡＦ運転中の電圧，電流についての周波数解析結果を付き合わせると、外部回路１を変換器２から見た場合のインピーダンスボード線図が作成できる。

（２）ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用いた系統インピーダンスボード線図作成機能
上記（１）のＤＦＴを用いた周波数解析の場合、変換するデータ列の個数には制限が無いため、サンプリング周波数の制約もない。しかし、ＤＦＴは演算量が多く処理に時間がかかる。
データ列の個数が２のｎ乗個であれば、ＦＦＴを利用できる。よって、サンプリング周波数を系統周波数に対して２のｎ乗倍に設定すれば、ＦＦＴが利用できる。また４のｎ乗倍の場合は、ＦＦＴの基数を４にすることができ、さらなる高速化が可能である。８のｎ乗倍であれば、基数を８にすることができる。よって、サンプリング周波数を電源周波数の２ⁿ倍に設定してＦＦＴが使えるようにする。

外部回路を変換器から見た場合の系統インピーダンスボード線図は、上記ＤＦＴを用いた場合と同様、フーリエ変換を行い、その結果得られたＡＦ運転中の電圧と電流について周波数解析結果を付き合わせて作成する。

（３）共振周波数検出機能
ＡＦの変換器が電圧形の場合は出力端に連系リアクトルが接続されているため、上記（１）又は（２）で作成したＡＦの変換器から見た系統のインピーダンスボード線図にはリアクタンス成分による特性がはっきりと現れる。この場合、図２のように周波数に比例してゲイン（インピーダンスの絶対値）が大きくなり、位相遅れは９０度でほぼ一定の値を取る。

しかし、負荷に進相コンデンサがあるような場合は、周波数によってはリアクタンスとキャパシタンスにより共振が発生するため、その周波数ではゲイン（インピーダンス）や位相遅れが小さくなり、図３のようになる。

よって、この共振周波数検出機能は上記ボード線図を解析し、連系リアクトルだけの状態からどの程度逸脱しているかを評価することで、共振している周波数を求める。このときの判断材料としては図３に示すように、ゲイン（インピーダンス）の違いと位相の違いがある。

＜ゲインでの判断＞
連系リアクトルだけの状態であれば、ゲインは周波数に対して比例して増加する。しかし、共振が生じている場合はその共振周波数の周辺で、連系リアクトルだけの場合よりもゲインが低下する。よって、ゲインのグラフにおいて、連系リアクトルだけの場合の直線よりも下に大きく逸脱している場合に、その周波数が共振周波数であると判断できる。逸脱の度合は周辺の状況に応じて調整する。

＜位相での判断＞
連系リアクトルだけの状態であれば、電圧に対する電流の位相遅れは周波数によらず９０度で一定となる。しかし、共振が生じている場合はその共振周波数の周辺で、連系リアクトルだけの場合よりも位相遅れが小さくなる。よって、位相のグラフにおいて、９０度よりも遅れが小さくなる方に逸脱している場合に、その周波数が共振周波数であると判断できる。逸脱の度合は周辺の状況に応じて調整する。

（４）バンドカットフィルタを利用した共振電流除去機能
上記（３）の共振周波数検出機能を利用して共振している周波数が判明した場合は、その周波数を出力しないようにする必要がある。そこで、補償すべき負荷電流を検出したのち、共振周波数の成分をカットするバンドカットフィルタを通してやれば、ＡＦが共振周波数成分を出力しなくなるために共振が治まる。

バンドカットフィルタは、図４のように、フィルタ入力を電圧と見なして加えた、仮想的な直列共振回路に流れる電流をディジタル演算で求め、演算の結果得られた出力電流（共振周波数が流れる）をＲ倍し、その値を元の電圧から引き（この段階でバンドパスからバンドカットフィルタになる）、その残りをフィルタ出力とすれば実現できる。

直列共振回路は共振周波数周辺の成分だけが流れるバンドパスフィルタ的な特性があるため、これを逆にすればバンドカットフィルタ的になる。ＬとＣの値を調整すればカット周波数を、Ｒの値を調整すればＱを変更することが可能である。

共振周波数が判明した場合には、その周波数をカットし、小さいＱの値を持つフィルタを構成し、補償すべき負荷電流にかける。そして、共振電流が大きい場合はＱを大きくし、小さい場合はＱを小さくすることによって、共振電流を上記（３）によって検出できる範囲でなるべく小さい値に調整する。

系統状況が全く変化しない場合は、検出できなくなるまで共振電流を削減してやれば良いが、実際には系統状況は時間と共に変化することが多い。この場合、共振電流を完全にカットしてしまうと、系統の状況変化による共振周波数が変化した場合に、当初の共振周波数の補償が再開されなくなる。よって、検出できる範囲で、測定用としてなるべく小さい共振電流を出力する。

Ｑが十分小さくなったにも関わらず共振電流が検出できなくなった場合は、系統状況変化によって共振が解消されたことになる。この場合は、フィルタリングを解除する。

（５）ＤＦＴを用いた補償すべき負荷電流の周波数解析機能
検出した負荷電流を回転座標系に変換せずにそのまま１周期分検出し、系統周波数を基本波として、その整数倍の周波数成分についてフーリエ変換を行う。その後、基本波成分に相当する周波数成分を除去することによって、補償すべき負荷電流成分を周波数領域上で得る。

（６）ＦＦＴを用いた補償すべき負荷電流の周波数解析機能
上記（５）のＤＦＴを用いた場合と同様に解析するが、サンプリング周波数を上記（２）のように設定することによって、ＦＦＴを利用できるようにし、演算時間を短縮する。

（７）上記（５）あるいは（６）を利用した共振電流除去機能
上記（４）では、仮想的な直列共振回路を用いて特定の周波数成分を取り除いているが、上記（５）あるいは（６）は利用すると、周波数領域で補償電流を取り扱うことができる。その場合、特定の周波数に特定のゲインをかけることが可能となる。

よって、検出できる範囲で共振周波数の成分に１未満のゲインをかけてやれば、共振電流除去が可能である。なお、上記（４）におけるＱの調整と同様、かけるゲインは共振電流が検出できる範囲でなるべく小さく設定する。

上記（５）あるいは（６）による検出結果が十分小さくなったら、共振が解消されたと判断し、ゲイン操作を解除する。

（８）負荷電流変化周期の検出機能
通常、図５のように各周期毎の電力系統の負荷電流の波形の変化は少ない。このため、過去の波形と近い波形が未来に検出されるとみなすことができる。しかし、場合によっては波形変化の周期が系統１周期分ではなく、系統２周期分以上の長さになることも考えられる。この時に、波形変化周期を検出することを考える。

上記（５）あるいは（６）を利用した負荷電流の周波数解析結果を数周期バッファに格納し、各次数についての違いを調べる。ｎを１以上の整数として、各ｎ周期過去のデータと現在のデータを比較し、その違いを振幅の大きい次数を中心に振幅と位相の変化の絶対値を合計していく。適当な範囲のｎについてこの処理を行うと、現在の波形パターンに最も近い波形を持つｎを決定することができる。

図６のように波形変化の周期が系統３周期分であれば、ｎ＝１、ｎ＝２の場合の違いは大きいが、ｎ＝３の場合は小さくなるため、波形変化の周期を検出することができる。

周波数解析機能を利用した負荷電流決定においては、必ず１周期分の遅れが生じるため、通常は１周期過去の負荷電流波形を元に補償を行う。負荷電流波形が１周期毎に変化し、負荷電流波形周期が電源周期の２周期分になるような場合は、１周期過去の電流波形を元に補償していると誤差が大きくなる。

そこで、この機能を用いて負荷電流波形の周期を求め、負荷電流波形周期が２周期分の場合は２周期過去の波形解析データを、３周期ならば３周期過去の波形解析データを利用すれば、適切な補償が可能となる。

この発明は、上記（１）〜（８）の機能（要素技術）をＡＦに組み合わせて外部回路の状況に応じたＡＦの運転を可能とするものである。

この発明は上述のとおり構成されているので、下記の効果を奏する。
（１）アクティブフィルタの運転外部回路の状況に応じたものとなる。
（２）アクティブフィルタが共振電流など不要な電流を出力しなくなる。
（３）そのため進相コンデンサなどに共振電流による異常騒音・発熱といった障害が発生しない。
（４）フィードフォワード電流制御が可能となるため電流制御能力（周波数帯域）が向上する。

実施の形態１
アクティブフィルタ（ＡＦ）に〔課題を解決するための手段〕の（１）（又は（２））と（３）および（４）に記載した、ＤＦＴ（又はＦＦＴ）を用いた系統インピーダンスボード線図作成機能とこのボード線図を解析して共振周波数を検出する共振周波数検出機能およびバンドカットフィルタを利用した共振電流除去機能を設ける。

このＡＦを動作させた状態で上記系統インピーダンスボード線図作成機能を実行してインピーダンスボード線図を作成し、このボード線図を上記共振周波数検出機能により解析して共振している周波数を求める。

そしてＡＦの制御系で検出した補償すべき負荷電流を上記バンドカットフィルタに通して負荷電流から共振周波数成分をカットして共振周波数が出力しないようにＡＦを制御する。上記により電流系統のＡＦ接続点下流に進相コンデンサなどの電流源が存在しても無駄な共振電流を出力することのないＡＦの運転が可能となる。

実施の形態２
ＡＦに〔課題を解決するための手段〕の（１）と（５）（又は（２）と（６））のＤＦＴ（又はＦＦＴ）を用いた系統インピーダンスボード線図作成機能とＤＦＴ（又はＦＦＴ）を用いた補償すべき負荷電流の周波数解析機能を設ける。
このＡＦを動作させた状態で上記系統インピーダンスボード作成機能を実行してインピーダンスボード線図を作成し、上記負荷電流の周波数解析機能を実行する。

制御系の出力電圧指令値に対する実際の出力電流のボード線図が分かっていれば、ＡＦの変換器に出力させた電流をボード線図によって電圧に逆変換してやることによって必要な電圧指令値を求めることができる。この場合、各部分の遅れ等があらかじめボード線図に含まれているため、遅れに影響されない電流制御が可能となる。

周波数領域で求めた補償電流についても、検出遅れに相当する分、各次数の成分の位相を進めておけば、補償電流の検出部分の遅れも影響しなくなる。

このようにしてＡＦを構成すると制御系は図７のようになる。この制御系は、過去のデータから推定した補償電流を、過去の変換器出力ボード線図から推定した電流指令値→電圧指令値変換によって電圧指令値に変換するため、基本的にフィードフォワード制御系となる。なお、基本波成分については、従来と同じ方式で制御を行う。高調波補償の制御部分では基本波成分を取り扱わないので、両者の制御は干渉しない。

この場合、補償対象電流の検出から実際に補償するまでの遅れが系統電源周期となり、比較的長い時間になる。しかし、補償対象電流は時間領域では系統電源周波数よりも高い周波数で変化するが、周波数領域ではゆっくりとした変化をすることが多い。よって、実用上はほとんど問題がない。

なお、このような制御を行うと、１周期毎に波形が変化するような負荷に対しては全く補償が行えない。このような場合は、〔課題を解決するため手段〕の（８）の負荷電流変化周期の検出機能によって系統１周期単位の負荷変動を検出し、２周期以上過去に検出した負荷電流を補償電流として出力してやれば良い。

なお、電流形変換器を用いてＡＦを構成している場合は、電圧と電流の関係が逆になるだけであり、本機能の適用は可能である。

また、実施の形態３のものは実施の形態２のものと組み合わせることが可能である。

実施の形態３
ＡＦに〔課題を解決するための手段〕の（１）（又は（２））と（３）および（７）のＤＦＴ（又はＦＦＴ）を用いた系統インピーダンスボード線図作成機能，共振周波数検出機能および共振電流除去機能を設ける。

上記ボード線図作成機能と共振周波数検出機能により上記実施の形態１同様に、インピーダンスボード線図および共振している周波数を求める。

そして上記（７）の共振電流除去機能により上記で求めた共振している周波数成分に１未満のゲインをかけて、共振電流を除去する。

上記により共振周波数成分以外の高調波電流を補償するＡＦの運転が可能となる。

系統インピーダンスボード線図作成説明図。 通常のインピーダンス特性を示すグラフ。 共振している場合のインピーダンス特性を示すグラフ。 バンドカットフィルタを構成するために模擬する回路図。 負荷高調波電流波形の特性を示すグラフ。 負荷高調波電流周期の検出説明図。 ティードフォワードアクティブフィルタの制御フロー図。 アクティブフィルタの構成図。 アクティブフィルタの制御系を示すブロック図。 アクティブフィルタが共振を起こすケース説明図。

符号の説明

ＡＦ…アクティブフィルタ
１…外部回路
２…ＡＦの電力変換器
３…ＡＦの制御装置
ＰＳ…電力系統。

Claims (3)

1. 検出した負荷電流から補償すべき負荷電流成分を演算し、電力変換器を制御して連系リアクトルを介して高調波電流を出力し、電力系統に流れる高調波電流を補償するための変換器を有するアクティブフィルタにおいて、
   任意の周波数成分を任意の量だけカットするためにリアクトルＬ、コンデンサＣ、及び抵抗Ｒからなる直列回路をディジタル演算で模擬するバンドカットフィルタを設け、このバンドカットフィルタへの入力を電圧とみなし、そのときのディジタル演算結果から得られた出力電流と前記抵抗Ｒの値を乗算し、その値を元の電圧から引いた残りをフィルタ出力とすることを特徴としたアクティブフィルタ。
2. 前記変換器の出力電流と出力電圧を１周期分検出し、系統周波数を基本成分として、その整数倍の周波数成分についてフーリェ変換を行い、その結果得られた運転中の電圧と電流について周波数解析結果をつき合わせ、変換器から見た外部回路のインピーダンスボード線図を作成する系統インピーダンス線図作成機能と、インピーダンスボード線図を解析して共振周波数を検出する共振周波数検出機能と、前記バンドカットフィルタを利用した共振電流除去機能とで構成したことを特徴とした請求項１記載のアクティブフィルタ。
3. 前記共振周波数検出機能は、インピーダンスボード線図の解析時に共振周波数のゲインもしくは位相で検出することを特徴とした請求項２記載のアクティブフィルタ。

Images