JP4448855B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、交流電力を直流電力に変換する電力変換器を複数台備えて並列運転する電力変換装置に関するものである。

従来の電力変換装置は、出力電圧の波形に応じた指令信号と搬送信号とを比較して得られるＰＷＭ信号に基づいて制御される複数の順電力変換器を備えて、該複数の順電力変換器の入力と出力を並列に接続して並列運転される。そして、上記順電力変換器の直流出力端に正極電流成分と負極電流成分との差を検出する直流差電流検出手段を備えて、検出された直流差電流成分を減少するように前記指令信号と前記搬送信号のいずれか一方を補正する。これにより複数の順電力変換器間で流れる循環電流を低減していた（例えば特許文献１参照）。

特開平６−１５３５１９号公報

従来の電力変換装置では、複数の順電力変換器の並列運転における出力アンバランスを補正するために、順電力変換器の直流出力における正極電流成分と負極電流成分との差を検出し、該差を小さくして循環電流を低減している。このため、上記正極電流成分と上記負極電流成分との同時点での差を検出する必要があり、電流検出器の配置が制約されるものであった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、複数の順電力変換器の並列運転において、直流出力の正極電流成分と負極電流成分との差を検出することなく上記複数の順電力変換器の出力アンバランスを補正することを可能にして、出力アンバランス検出のための電流検出器の配置の自由度を向上させることを目的とする。

この発明による電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する複数台の３相コンバータの入力および出力を並列接続して複数台の並列運転を行う。そして、上記複数台の３相コンバータはｄｑ軸上の電圧指令を用いて制御されるものであり、該各３相コンバータの出力直流電流を検出し、その差を小さくするようにｄ軸電圧補正値を演算し、上記各３相コンバータのｄ軸電圧指令に上記ｄ軸電圧補正値を加減算することで該ｄ軸電圧指令を補正するものである。

この発明による電力変換装置は、複数台の３相コンバータの各出力直流電流を検出し、その差を小さくするように上記各３相コンバータの交流側の電圧指令を補正する。このため、出力アンバランス検出のための電流検出器の配置の制約を低減させて該出力アンバランスを補正することが可能になり、設計上の自由度が向上し、並列運転が精度良くバランスした電力変換装置が得られる。

この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の各コンバータの詳細を示す回路図である。 この発明の実施の形態１による電力変換装置の制御回路の詳細を示す回路図である。

符号の説明

１，２ ３相コンバータ
９ ２相直流（ｄ、ｑ）電圧座標変換・位相検出器
１１ 入力電流座標変換器
２０，２１ 出力電圧座標変換器
２０ａ，２１ａ ３相電圧指令
２６，２７ 直流電流検出器
２６ａ，２７ａ 出力直流電流
２８ａ ｄ軸電圧補正値
２９ 加算器
３０ 減算器
vdr ｄ軸電圧指令
vqr ｑ軸電圧指令

実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す回路図である。図に示すように、電力変換装置は、２台の３相ＰＷＭコンバータ１、２（以下、単に３相コンバータ１、２と称す）による並列運転システムを構成する。各３相コンバータ１、２は、交流入力側にそれぞれ変圧器３、４を備えると共に、直流出力側にそれぞれコンデンサ５、６を備えて並列接続され、制御回路７にて生成されるＰＷＭ信号２５ａ、２３ａにより出力が互いにバランスするようにＰＷＭ制御される。また、８は入力交流電圧８ａを検出する電圧検出器、１０は入力交流電流１０ａを検出する電流検出器、１３は出力直流電圧１３ａを検出する電圧検出器、２６、２７は３相コンバータ１、２の出力直流電流２６ａ、２７ａを検出する直流電流検出器であり、入力交流電圧８ａ、入力交流電流１０ａ、出力直流電圧１３ａおよび３相コンバータ１、２の各出力直流電流２６ａ、２７ａは制御回路７に入力される。

各３相コンバータ１、２は、図２に示すように、ダイオードが逆並列に接続された複数の半導体スイッチング素子から成るフルブリッジ形の３相コンバータであり、直流電流検出器２６、２７は、各３相コンバータ１、２の直流出力における正極電流成分あるいは負極電流成分のいずれかを検出する。

図３は制御回路７の詳細を示す回路図であり、電力変換装置の制御について図３に基づいて以下に説明する。
２台の３相コンバータ１、２は、入力力率＝１となるように制御され、かつ出力直流電圧を一定に保つ制御を行なっている。
２相直流（ｄ、ｑ）電圧座標変換・位相検出器９は、電圧検出器８により検出された３相の入力交流電圧８ａを入力として、Ｕ相を基準とした位相を作成して出力すると共に、３相の入力交流電圧８ａをｄｑ軸上の入力電圧に変換する。電流座標変換器１１は、電流検出器１０により検出した３相の入力交流電流１０ａおよび２相直流（ｄ、ｑ）電圧座標変換・位相検出器９からの位相を入力として、該位相を基準にして３相の入力交流電流１０ａを２相直流（ｄ、ｑ）電流に座標変換し、ｄ軸電流id、ｑ軸電流iqを出力する。

また、入力力率を１に制御するためにはｄ軸電流を０に保てばよい。そこで、ｄ軸電流指令発生器１６からのｄ軸電流指令idrを０とする。また、ｄ軸電流を０に制御するため、出力直流電圧を一定に保つためにはｑ軸電流を制御する。
出力直流電圧指令発生器１２からの出力直流電圧指令と電圧検出器１３により検出された出力直流電圧１３ａとの差を入力として演算増幅器１４により比例積分制御（ＰＩ制御）した出力をｑ軸電流指令iqrとする。このｑ軸電流指令iqrと電流座標変換器１１からのｑ軸電流iqとの差を入力として演算増幅器１５により比例積分制御（ＰＩ制御）した出力を、２相直流（ｄ、ｑ）電圧座標変換・位相検出器９の出力であるｑ軸電圧vqから減算器１９にて減算し、ｑ軸電圧指令vqrとする。

また、乗算器３１は、ｑ軸電流指令iqrを入力として変圧器３、４のインダクタンス分による降下電圧を演算する。ｄ軸電流指令idr（＝０）と電流座標変換器１１からのｄ軸電流idとの差を入力として演算増幅器１７により比例積分制御（ＰＩ制御）した出力を、乗算器３１からの出力から減算器１８にて減算し、ｄ軸電圧指令vdrとする。

さらに、これらｄ軸電圧指令vdrとｑ軸電圧指令vqrとを３相電圧指令に変換して各３相コンバータ１、２を制御するものであるが、ここでは、直流電流検出器２６、２７により検出された３相コンバータ１、２の出力直流電流２６ａ、２７ａの差に基づいて電圧指令を補正する。
３相コンバータ１の出力直流電流２６ａから３相コンバータ２の出力直流電流２７ａを減算した直流電流差を入力として演算増幅器２８で比例積分制御（ＰＩ制御）してｄ軸電圧補正値２８ａを演算する。上述したように演算されたｄ軸電圧指令vdrに、加算器２９にてｄ軸電圧補正値２８ａを加算することで３相コンバータ２へのｄ軸電圧指令vdrを演算し、減算器３０にてｄ軸電圧補正値２８ａを減算することで３相コンバータ１へのｄ軸電圧指令vdrを演算する。また、ｑ軸電圧指令vqrは、補正せずに３相コンバータ１、２へのｑ軸電圧指令vqrとしてそのまま用いる。

座標変換器２０、２１は、各３相コンバータ２、１へのｄｑ軸電圧指令vdr、vqrを３相電圧指令２０ａ、２１ａに座標変換し、比較器２３、２５は、３相電圧指令２０ａ、２１ａと搬送波発生器２２、２４からの搬送波信号とを比較することによりＰＷＭ信号２３ａ、２５ａを生成する。このＰＷＭ信号２３ａにより３相コンバータ２の半導体スイッチング素子のオンオフ信号が作成され、ＰＷＭ信号２５ａにより３相コンバータ１の半導体スイッチング素子のオンオフ信号が作成されて、各３相コンバータ２、１が制御される。

並列運転される２台の３相コンバータ１、２は、半導体スイッチング素子のオンオフタイミングのずれなどにより出力直流電流にアンバランスが生じるものであるが、上記のように、出力直流電流の差を小さくするようにｄ軸電圧指令vdrを補正することで、入力電力を調整して出力直流電流を精度良くバランスさせることができる。
また、直流電流検出器２６、２７は、各３相コンバータ１、２の直流出力における正極電流成分あるいは負極電流成分のいずれかを検出すればよく、直流電流検出器２６、２７の配置の制約が従来のものより格段と低減し、設計上の自由度が向上する。

また、上記実施の形態では、出力直流電流２６ａ、２７ａの差を入力として比例積分制御（ＰＩ制御）してｄ軸電圧補正値２８ａを演算して、ｄ軸電圧補正値２８ａを減算することで３相コンバータ１のｄ軸電圧指令vdrを補正演算し、ｄ軸電圧補正値２８ａを加算することで３相コンバータ２のｄ軸電圧指令vdrを補正演算する。このため、容易で確実にｄ軸電圧指令vdrを補正して出力直流電流を精度良くバランスさせることができる。

なお、各出力直流電流２６ａ、２７ａの差を直接演算せず、各出力直流電流２６ａ、２７ａの平均値からの差を入力として比例積分制御（ＰＩ制御）して各３相コンバータ１、２のｄ軸電圧補正値を演算しても良く、該各ｄ軸電圧補正値をそれぞれ加算して各３相コンバータ１、２のｄ軸電圧指令vdrを補正演算する。これにより同様に出力直流電流を精度良くバランスさせることができる。この場合、３相コンバータを３台以上備えて並列運転するものでも同様に制御でき、３台以上の３相コンバータの各出力直流電流を精度良くバランスさせることができる。

ベクトル制御を利用した順電力変換器を複数台並列運転させる並列運転システムに広く適用できる。

Claims (3)

1. 交流電力を直流電力に変換する複数台の３相コンバータの入力および出力を並列接続して複数台の並列運転を行う電力変換装置において、
   上記複数台の３相コンバータはｄｑ軸上の電圧指令を用いて制御されるものであり、
   該各３相コンバータの出力直流電流を検出し、その差を小さくするようにｄ軸電圧補正値を演算し、上記各３相コンバータのｄ軸電圧指令に上記ｄ軸電圧補正値を加減算することで該ｄ軸電圧指令を補正することを特徴とする電力変換装置。
2. 上記各３相コンバータの各出力直流電流の値と該各出力直流電流の平均値との偏差により比例積分制御（ＰＩ制御）を行って上記各３相コンバータの上記ｄ軸電圧補正値を得ることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 上記複数台の３相コンバータを第１のコンバータおよび第２のコンバータの２台として該２台で並列運転を行い、上記第１のコンバータの出力直流電流から上記第２のコンバータの出力直流電流を減算し比例積分制御（ＰＩ制御）を行って上記ｄ軸電圧補正値を求め、該ｄ軸電圧補正値を減算することで上記第１のコンバータのｄ軸電圧指令を補正し、該ｄ軸電圧補正値を加算することで上記第２のコンバータのｄ軸電圧指令を補正することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。

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