JP4743168B2

JP4743168B2 - 高調波電流補償装置

Info

Publication number: JP4743168B2
Application number: JP2007151275A
Authority: JP
Inventors: 正和宗島; 寛材津
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2011-08-10
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008306830A

Description

本発明は、系統電源に接続された負荷により発生する高調波電流を抽出して、系統の高調波成分を補償する高調波補償装置（アクティブフィルタ）、またはアクティブフィルタ機能を持つ並列型瞬低補償装置における高調波電流補償制御に係り、特にアクティブフィルタからＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する装置の電流制御に関するものである。

一般に、電力系統においては、系統電源に接続された負荷が発生する高調波電流を補償するアクティブフィルタや、アクティブフィルタ機能を併せ持つ並列型瞬低補償装置などが用いられている。

アクティブフィルタ機能を併せ持つ並列型瞬低補償装置の主回路構成例を図３に示す。平常時は、高速スイッチ１０を介して電力系統から負荷に電力を供給する。この状態では、インバータ等で構成される交直双方向変換装置２０は、アクティブフィルタ機能により負荷から発生する高調波電流を補償、電気二重層キャパシタ３０を浮動充電、または停止状態で待機する。また、交直双方向変換装置２０は、電力系統の停電時には、高速スイッチ１０が切り離されたとき、電気二重層キャパシタ３０に蓄積された直流電力を交流電力に変換し、負荷へ無瞬断で電力を供給する。交直双方向変換装置２０からはＡＣフィルタ４０を通して負荷に高調波補償電流を供給する。

次に、平常時のアクティブフィルタ機能の制御について記述する。図４に、アクティブフィルタ機能を有する並列型瞬低補償装置の制御装置の回路構成を示す。平常時において、負荷が発生する高調波電流を検出する検出手段と、高調波成分を抽出して系統の高調波成分を補償する電流を供給する自励式変換装置とを備える。

制御装置５０には、系統電圧Ｖｓ、系統電流Ｉｓ、負荷電流Ｉｌｏａｄ、負荷電圧Ｖｌｏａｄ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ０、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１の各検出器５１〜５６を持つ。検出した系統電圧Ｖｓは、ＰＬＬ回路５７により系統電源の位相θが検出され、正弦波発生器５８により位相θのｓｉｎθ成分及びｃｏｓθ成分を生成する。指令値作成ブロック５９では、検出した系統電圧Ｖｓ、系統電流Ｉｓ、負荷電流Ｉｌｏａｄ、負荷電圧Ｖｌｏａｄ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ０、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１から高調波補償電流の指令値を作成する。そして、パルス幅変調ブロック（ｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：ＰＷＭ）６０により高調波補償電流指令値をＰＷＭ変調し、交直双方向変換装置２０のＰＷＭインバータ制御で高調波補償電流出力を得る。このＰＷＭ制御出力から、ＡＣフィルタ３０でＰＷＭキャリア信号成分を除去する。

負荷が発生する高調波電流の補償を行う電流指令生成手段（指令値作成ブロック５９）としては、負荷電流検出型一括高調波検出による補償方法があり、その一例を図５のブロック図に示す。検出した負荷電流Ｉｌｏａｄに対して、検出した電源位相θのｓｉｎθ成分及びｃｏｓθ成分を使用して３φ／ｄｑ座標変換部６１でｄｑ軸への座標変換を行い、この変換したｄ軸、ｑ軸成分からローパスフィルタ６２，６３によって検出する基本波成分を引き算することで高調波成分のみを抽出し、さらにｄｑ／３φ座標変換部６４によって逆ｄｑ座標変換を行い、これに充電指令値を加算して高調波を補償する電流指令値Ｉｒｅｆ０を得る。そして、電流指令値Ｉｒｅｆ０がインバータ出力電流Ｉｉｎｖ０に一致するようにＡＣＲ（自動電流制御）６５で電流制御演算を行い、このＡＣＲ出力を振幅として、ＰＬＬにより得られる基準電圧指令値ｓｉｎθを基準位相とする高調波補償電流指令信号を得る。

ここで、インバータと負荷の間には、ＰＷＭ変調に用いるキャリア成分を除去するために、ＬＣＬ型やＬＣ型のＡＣフィルタ４０を介挿する。図６にＴ型のＬＣＬ構成のＡＣフィルタの例を示す。ＡＣフィルタを介挿する場合、ＡＣフィルタにおけるコンデンサＣｆに流れる電流の影響によって、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１を電流指令値Ｉｒｅｆ通りにすることができない。この結果、アクティブフィルタ機能による高調波補償を行う場合には、高調波補償率が低下してしまうという問題が生じる。

そこで、下記の特許文献１ではＡＣフィルタを考慮した電流指令値Ｉｒｅｆ１を作成する。この制御方法は、インバータと負荷の間にＡＣフィルタを設置する場合に生じるＡＣフィルタの負荷側のインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値の電流誤差を、ＡＣフィルタの回路定数から予め算出しておいたＡＣフィルタの影響を除去する伝達関数を用いて補償を行う。ＡＣフィルタ回路定数は、Ｌ１：ＡＣフィルタの負荷側インダクタンス［Ｈ］、Ｌ２：ＡＣフィルタの入力側インダクタンス［Ｈ］、Ｃｆ：ＡＣフィルタのコンデンサ容量［Ｆ］、Ｒｆ：ＡＣフィルタの抵抗値［Ω］とする。

図７に特許文献１における指令値作成ブロック図を示す。負荷電圧検出値Ｖｌｏａｄと電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、ＡＣフィルタの影響を除去する伝達関数Ｇ（ｓ）を持つ演算要素６６、及び伝達関数Ｈ（ｓ）をもつ演算要素６７を乗じてそれぞれを加算し、これを電流指令値Ｉｒｅｆ１として、ＡＣＲ制御を行い、基準電圧指令値を加算することで、指令値を作成する。

さらに、特許文献１では、電流制御が理想的であると仮定して、ＡＣフィルタの負荷側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ１、及びＡＣフィルタのインバータ（入力）側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ０と、ＡＣフィルタのインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２を用いて、フィードフォワードで電圧降下分の補償を行う方法も提案している。この指令値作成ブロック図を図８に示す。ＡＣフィルタ負荷側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ１に伝達関数ｓＬ１をもつ演算要素６８を乗じ、インバータ側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ０には伝達関数ｓＬ２をもつ演算要素６９を乗じてフィードフォワードで、電流指令値Ｉｒｅｆ０に加算し、指令値を作成する。
特開２００４−２５４４２９

特許文献１では、インバータと負荷の間にＡＣフィルタを介挿する場合、コンデンサＣｆに流れる電流の影響によって生じるＡＣフィルタ負荷側のインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値の電流誤差を、ＡＣフィルタの回路定数から予め算出しておいた伝達関数を用いて補償を行う。この方式では、ＡＣフィルタのコンデンサＣｆに流れる電流分を補償している。

また、特許文献１では、ＡＣフィルタの負荷側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ０、及びＡＣフィルタのインバータ側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ１と、ＡＣフィルタのインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２を用いて、フィードフォワードで電圧降下分を補償する。この方式は、電流制御が理想的な条件のときに成立するが、実際には演算無駄時間等の影響を受けるため、理想的な制御は難しくなる。

そのため、インバータ（入力）側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ０と電流指令値Ｉｒｅｆ０を用いてＡＣＲを行い、負荷側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ１とインバータ（入力）側のインバータ電流検出値Ｉｉｎｖ０を用いてフィードフォワードによるＬｌ、Ｌ２の電圧降下補償を行うと、制御系が不安定になるという問題がある。

本発明の目的は、アクティブフィルタからＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する高調波電流補償装置において、ＡＣフィルタの介挿による電流誤差を補償でき、かつ安定な制御系を実現し、より高精度な電流制御ができる高調波電流補償装置を提供することにある。

本発明は、インバータと負荷の間にＡＣフィルタを介挿した装置において、ＡＣフィルタの入力側の電流指令値（Ｉｒｅｆ０）の入力に対し、ＡＣフィルタの回路定数から予め求めた伝達関数Ｈ（ｓ）を有して演算処理した出力と、ＡＣフィルタの出力側の電圧（Ｖｌｏａｄ）の入力に対し、ＡＣフィルタの回路定数から予め求めた伝達関数Ｇ（ｓ）を有して演算処理した出力とを加算して高調波補償電流指令値（Ｉｒｅｆ１）とすることでＡＣフィルタの介挿による電流誤差を補償する。そして、電流指令値（Ｉｒｅｆ０）の入力に対し、伝達関数ｓＬ１を有して演算処理した出力と、電流指令値（Ｉｒｅｆ１）の入力に対し、伝達関数ｓＬ２を有して演算処理した出力とを加算し、アクティブフィルタの基準電圧指令値に加算して電圧降下を補償することで、安定な制御系を実現し、より高精度な電流制御ができるようにしたもので、以下の構成を特徴とする。

（１）系統電源に接続された負荷により発生する高調波電流を抽出し、この高調波電流をアクティブフィルタの高調波補償電流指令値にし、アクティブフィルタからＴ型のＬＣＬ構成のＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する高調波電流補償装置において、
ＡＣフィルタの入力側の電流指令値（Ｉｒｅｆ０）の入力に対し、ＡＣフィルタの回路定数から予め求めた下記の伝達関数Ｈ（ｓ）を有して演算処理した出力と、ＡＣフィルタの出力側の電圧（Ｖｌｏａｄ）の入力に対し、ＡＣフィルタの回路定数から予め求めた下記の伝達関数Ｇ（ｓ）を有して演算処理した出力とを加算して前記高調波補償電流指令値（Ｉｒｅｆ１）とする電流誤差補償手段と、

ただし、Ｌ１：ＡＣフィルタの負荷側インダクタンス、Ｌ２：ＡＣフィルタの入力側インダクタンス、Ｃｆ：ＡＣフィルタのコンデンサ容量、Ｒｆ：ＡＣフィルタの抵抗値
前記電流指令値（Ｉｒｅｆ０）の入力に対し、伝達関数ｓＬ１を有して演算処理した出力と、前記電流指令値（Ｉｒｅｆ１）の入力に対し、伝達関数ｓＬ２を有して演算処理した出力とを加算し、アクティブフィルタの基準電圧指令値に加算する電圧降下補償手段と、
を備えたことを特徴とする。

以上のとおり、本発明によれば、ＡＣフィルタ回路定数から予め算出した伝達関数から、無限インパルス応答フィルタを作成し、負荷電圧Ｖｌｏａｄと電流指令値Ｉｒｅｆ０に対して、それぞれの伝達関数から作成したＩＩＲフィルタでフィルタ処理を施すことでＡＣフィルタの介挿による電流誤差を補償し、電流指令値Ｉｒｅｆ０とＩＩＲフィルタ処理を施した電流指令値Ｉｒｅｆ１を用いてフィードフォワードでＡＣフィルタのインダクタンス成分Ｌ１，Ｌ２分による電圧降下補償を行うことで、安定な制御系を実現し、より高精度な電流制御を行うことができる。

（実施形態１）
図１は、本発明の実施形態を示す高調波電流補償指令値作成ブロック図であり、ＡＣフィルタをＬＣＬ構成とする高調波電流補償装置に適用する場合である。図１中、６１〜６７は図７のブロックと同様の構成とし、この構成に６８，６９の演算ブロックを追加したものである。以下、演算ブロック６６〜６９の構成と電流補償制御を説明する。

図６に示すＬＣＬ構成のＡＣフィルタの回路定数Ｌ１、Ｌ２、Ｃｆ、Ｒｆと、負荷電流Ｉｌｏａｄ、負荷電圧Ｖｌｏａｄ、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ０、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１による回路方程式は、（１）式のように表せる。ｓはラプラス演算子である。

ここで、Ｉｉｎｖ１、及びＩｉｎｖ０の係数を（２）式のようにおく。

（１）式、（２）式から、負荷電圧Ｖｌｏａｄは（３）式のように表せる。

（３）式をＩｉｎｖ１について解くと、（４）式のように表せる。

（４）式より、ＡＣフィルタの影響により、負荷側における電流Ｉｉｎｖ１とインバータ側の電流Ｉｉｎｖ０が異なる。負荷側における電流Ｉｉｎｖ０が電流指令値Ｉｒｅｆ０になるように、ｌｉｎｖ０を以下の（５）式のように定める。

次に、（４）式に（５）式を代入すると、（６）式のようになり、インバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値Ｉｒｅｆ０を一致させることができる。

電流制御が理想的に行われる場合、電流指令値とｌｉｎｖ０は一致するから、入力フィルタを考慮した電流指令値Ｉｒｅｆ１は以下の（７）式のようにおけばよい。

したがって、演算ブロック６６、及び６７の伝達関数Ｇ（ｓ）、及び伝達関数Ｈ（ｓ）は、以下の（８）式、（９）式に示すものとすることで、負荷側のインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値の電流誤差を補償することができる。

次に、ＡＣフィルタのインダクタンス値Ｌ１，Ｌ２分の電圧降下補償を行うために、以下の回路方程式を立てる。

（１０）式、（１１）式から、Ｖｌｏａｄは以下のように表せる。

ここで、ＡＣフィルタを考慮した電流指令値Ｉｒｅｆ１とインバータ側のインバータ電流Ｉｉｎｖ０と近似し、電流指令値Ｉｒｅｆ０は負荷側のインバータ電流Ｉｉｎｖ１と近似することから、（１２）式は以下のように表せる。

（１３）式におけるｓＬ１・Ｉｒｅｆ０とｓＬ２・Ｉｒｅｆ１の項を、伝達関数ｓＬ１とｓＬ２をもつ演算ブロック６８，６９によって求め、これらをフィードフォワードで基準電圧指令値に加算する。基準電圧指令値は系統電圧に同期した定格電圧に相当する正弦波もしくは、正規化した系統電圧を用いる。

本実施形態によれば、インバータと負荷の間にＡＣフィルタを介挿した装置において、ＡＣフィルタの影響を除去する伝達関数を用いてＡＣフィルタの負荷側のインバータ出力電流Ｉｉｎｖ１と電流指令値の電流誤差を補償し、インバータ電流検出値Ｉｉｎｖ０、Ｉｉｎｖ１に代えて電流指令値Ｉｒｅｆ０、Ｉｒｅｆ１を用いてフィードフォワードでＡＣフィルタのインダクタンス成分の電圧降下補償を行うことで、安定な制御系を実現し、より高精度な電流制御を行うことができる。また、三相上で行うことで、ｄｑ軸上の非干渉項も補償できる。

（実施形態２）
図２は、本発明の実施形態を示す高調波電流補償指令値作成ブロック図であり、ＡＣフィルタをＬＣ構成とする高調波電流補償装置に適用する場合である。同図では、図５と異なる部分は、演算ブロック７０を設けた点にある。

ＡＣフィルタがＬＣ構成の場合、ＡＣフィルタを考慮した電流指令値を作成するために解く前記の回路方程式（１）式が成立しないため、ＡＣフィルタの入力側の電流指令値Ｉｒｅｆ０のみを用いて、以下の式のように、ＡＣフィルタの入力側インダクタンスＬ２分による電圧降下補償を行う。

ＡＣフィルタがＬＣ構成の場合は、（１４）式におけるｓＬ２・Ｉｒｅｆ０の項をフィードフォワードで基準電圧指令値に加算する演算ブロック７０を設ける。基準電圧指令値は系統電圧に同期した定格電圧に相当する正弦波もしくは、正規化した系統電圧を用いる、
本実施形態によれば、インバータと負荷間におけるＡＣフィルタがＬＣ構成の場合において、インバータ電流検出値ではなく、電流指令値を用いてフィードフォワードでＡＣフィルタのインダクタンス成分の電圧降下補償を行うことで、安定な制御系を実現し、より高精度な電流制御を行うことが可能になる。

本発明の実施形態１を示す高調波電流補償指令値作成ブロック図。本発明の実施形態２を示す高調波電流補償指令値作成ブロック図。並列型瞬低補償装置の主回路構成例。並列型瞬低補償装置の制御装置の回路構成図。従来の指令値作成ブロック図。ＡＣフィルタの一例。従来の指令値作成ブロック図。従来の指令値作成ブロック図。

符号の説明

１０高速スイッチ
２０交直双方向変換装置
３０電気二重層キャパシタ
４０ＡＣフィルタ
５０制御装置
６１、６４座標変換部
６２，６３ローパスフィルタ
６５自動電流制御部（ＡＣＲ）
６６、６７、６８、６９伝達関数ブロック

Claims

系統電源に接続された負荷により発生する高調波電流を抽出し、この高調波電流をアクティブフィルタの高調波補償電流指令値にし、アクティブフィルタからＴ型のＬＣＬ構成のＡＣフィルタを介して高調波補償電流を出力する高調波電流補償装置において、
ＡＣフィルタの入力側の電流指令値（Ｉｒｅｆ０）の入力に対し、ＡＣフィルタの回路定数から予め求めた下記の伝達関数Ｈ（ｓ）を有して演算処理した出力と、ＡＣフィルタの出力側の電圧（Ｖｌｏａｄ）の入力に対し、ＡＣフィルタの回路定数から予め求めた下記の伝達関数Ｇ（ｓ）を有して演算処理した出力とを加算して前記高調波補償電流指令値（Ｉｒｅｆ１）とする電流誤差補償手段と、

ただし、Ｌ１：ＡＣフィルタの負荷側インダクタンス、Ｌ２：ＡＣフィルタの入力側インダクタンス、Ｃｆ：ＡＣフィルタのコンデンサ容量、Ｒｆ：ＡＣフィルタの抵抗値
前記電流指令値（Ｉｒｅｆ０）の入力に対し、伝達関数ｓＬ１を有して演算処理した出力と、前記電流指令値（Ｉｒｅｆ１）の入力に対し、伝達関数ｓＬ２を有して演算処理した出力とを加算し、アクティブフィルタの基準電圧指令値に加算する電圧降下補償手段と、
を備えたことを特徴とする高調波電流補償装置。