JP5521703B2

JP5521703B2 - 並列運転用電力変換装置の制御方法、並列運転用電力変換装置、及び並列運転電力変換システム

Info

Publication number: JP5521703B2
Application number: JP2010077721A
Authority: JP
Inventors: 健次木下; 昌文市原; 哲平良; 勉山本; 謙信大橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-30
Filing date: 2010-03-30
Publication date: 2014-06-18
Anticipated expiration: 2030-03-30
Also published as: JP2011211841A

Description

本発明は、他の電力変換装置と並列接続される並列運転用電力変換装置とその制御方法、及び並列接続された複数の電力変換装置からなる並列運転電力変換システムに関する。

従来、半導体スイッチング素子を用いてパルス幅変調（以降、「ＰＷＭ」と呼ぶ。）制御を行う複数の電力変換装置を互いに並列に接続し、同一の三相電圧指令に基づきこれらを並列運転する並列運転電力変換システムがある。かかる並列運転電力変換システムでは、各電力変換装置の半導体スイッチング素子のスイッチング速度に相異が生ずる場合がある。また、図５に示すように、各電力変換装置の半導体スイッチング素子を制御する信号に時間的な相異が生ずる場合がある。図５（a）、図５（b）は、それぞれ並列接続された第１の電力変換装置と第２の電力変換装置のＲ相電圧指令、キャリア波形、Ｒ相上アームゲート信号、及びＲ相下アームゲート信号のグラフである。第１の電力変換装置と第２の電力変換装置とでは、Ｒ相電圧指令及びキャリア波形に相異が生じていることにより、半導体スイッチング素子を制御するＲ相上アームゲート信号及びＲ相下アームゲート信号に時間ｔの相異が生じている。

このように、各電力変換装置の半導体スイッチング素子のスイッチング速度や制御信号の相異に起因して、各電力変換装置間に循環電流が流れ、並列運転電力変換システムの消費電力が増大するとともに、並列運転電力変換システムの制御性能が低下するという問題がある。

かかる問題を解決することを目的として、従来、三相のうち一相を固定相とし、残りの二相をＰＷＭ制御によりスイッチングして固定相を基準とした線間電圧を制御しつつ、二相の相電流を制御するものであって、固定相を順次切り替えて制御する技術がある（例えば特許文献１）。

また、従来、逆変換器の漏洩電流を検出する漏洩電流検出器を設けるとともに、漏洩電流レベルに基づき、２アーム制御又は３アーム制御を選択する技術がある（例えば特許文献２）。

特開２００４−３６４３５１号公報（例えば、段落００３３、図１）特開平２−１３６０７２号公報（例えば、第４頁右下欄、図１）

しかしながら、特許文献１に開示された技術では、各インバータに同一インピーダンスのＬＣフィルタを接続することにより、固定相で発生する循環電流を低減しているため、システムが大型化及び高コスト化するという問題があった。

また、特許文献２に開示された技術では、インバータの出力漏洩電流を検出する漏洩電流検出器を設けているため、システムが大型化及び高コスト化するという問題があった。また、漏洩電流検出器が検出する漏洩電流レベルに基づき、２アーム制御又は３アーム制御に選択するため、制御が複雑になるという問題があった。

本発明における並列運転用電力変換装置の制御方法は、三相電圧指令により外部の電力変換装置と並列運転される並列運転用電力変換装置の制御方法において、三相のうち一相にてスイッチング動作を固定するとともに他の二相にてＰＷＭ制御を行う第１の２アーム制御ステップと、前記第１の２アーム制御ステップの後に、三相にてＰＷＭ制御を所定時間行う３アーム制御ステップと、前記３アーム制御ステップの後に、前記第１の２アーム制御ステップにてスイッチング動作を固定した相とは異なる相のスイッチング動作を固定するとともに他の２相にてＰＷＭ制御を行う第２の２アーム制御ステップと、を備え、２アーム制御における隣り合う２アーム制御区間を不連続としたことを特徴とする。

本発明における並列運転用電力変換装置は、三相電圧指令により外部の電力変換装置と並列運転される並列運転用電力変換装置において、複数のスイッチング素子と、三相のうち一相にてスイッチング動作を固定するとともに他の二相にてＰＷＭ制御を行う第１の２アーム制御ステップ、前記第１の２アーム制御ステップの後に、三相にてＰＷＭ制御を所定時間行う３アーム制御ステップ、及び前記３アーム制御ステップの後に、前記第１の２アーム制御ステップにてスイッチング動作を固定した相とは異なる相のスイッチング動作を固定するとともに他の２相にてＰＷＭ制御を行う第２の２アーム制御ステップ、を有するプログラムを実行する制御部と、を備え、２アーム制御における隣り合う２アーム制御区間を不連続としたことを特徴とする。

本発明における並列運転用電力変換システムは、三相交流電源と、前記三相交流電源に並列接続される複数のリアクトルと、前記三相交流電源に前記リアクトルを介して並列接続される複数の請求項４記載の並列運転用電力変換装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明における並列運転用電力変換システムは、三相交流電動機と、前記三相交流電動機に並列接続される複数の請求項４記載の並列運転用電力変換装置と、を備えたことを特徴とする。

本発明によれば、特別な装置を用いることなく、各電力変換装置間を流れる循環電流を低減することができる。

実施の形態１における並列運転電力変換システムの構成図である。実施の形態１における並列運転用コンバータ装置における各相の電圧指令と出力電圧を示すグラフである。実施の形態１の効果を説明するためのグラフである。実施の形態２における並列運転電力変換システムの構成図である。従来の並列運転電力変換システムにおいて、各電力変換装置の半導体スイッチング素子を制御する信号に時間的な相異が生ずる場合を説明するためのグラフである。

１、２４半導体スイッチング素子
３a〜３n コンバータ装置
５a〜５n リアクトル
６三相交流電源
２６a〜２６n インバータ装置
２７三相直流電源
２８三相交流電動機

実施の形態１.
図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態１について説明する。

図１は、実施の形態１における並列運転電力変換システムの構成図である。図１において、６は三相交流電源であり、各相電圧をＶ_Ｒ、Ｖ_Ｓ、Ｖ_Ｔとする。並列運転用電力変換装置であるコンバータ装置３a〜３nは、三相交流電源６にリアクトル５a〜５nを介して並列に接続されている。各コンバータ装置３a〜３nは、複数の半導体スイッチング素子１と各半導体スイッチング素子１に逆接続された複数のダイオード２とを有し、各半導体スイッチング素子１がＯＮとＯＦＦの切替を行うことにより、各相電圧Ｖ_Ｒ、Ｖ_Ｓ、Ｖ_Ｔを制御する。また、各コンバータ装置３a〜３nは、直流母線８を共用している。７は直流母線８から電力の提供を受ける負荷であり、４は負荷７と並列に接続されたコンデンサである。さらに、各コンバータ装置３a〜３nは、図示されていない制御部及び記憶部を備える。そして、以降に説明する各コンバータ装置３a〜３nの動作は、並列運転時に制御部が記憶部に格納されたプログラムを実行することにより実現される。

つぎに、図２を参照して、実施の形態１における並列運転用コンバータ装置の制御方法を説明する。図２は、実施の形態１における並列運転用コンバータ装置における各相の電圧指令と出力電圧を示すグラフである。便宜のため、Ｒ相電圧指令のグラフを太線で示している。各相の電圧指令のグラフは、各コンバータ装置３a〜３nに対して出力される、三相交流電源６の１周期分の電圧指令に相当するものである。そして、この１周期を区間（１）〜（１８）に分割した場合に、各区間における各相の電圧指令は、以下の表１に示すとおりであるものとする。

表１において、Ｖ_dcは、直流母線８間の電圧（以降、「直流母線電圧」と呼ぶ。）であり、一般的に、三相交流電源６の三相を全波整流した電圧として、以下の式（１）に基づき求められる。なお、式（１）において、Ｅは三相交流電源６側の線間電圧実効値である。

また、表１において、「＋側連続」とは、上アームスイッチング素子をＯＮで固定し、かつ下アームスイッチング素子をＯＦＦで固定するという指令を意味する。一方、「−側連続」とは、上アームスイッチング素子をＯＦＦで固定し、かつ下アームスイッチング素子をＯＮで固定するという指令を意味する。

本実施の形態における制御方法は、２アーム制御を行う前と２アーム制御を行った後において、３アーム制御を行うものである。図２の例では、区間（２）、（５）、（８）、（１１）、（１４）、及び（１７）が、２アーム制御を行う区間Ｔ_２に相当する。２アーム制御区間Ｔ_２は、１／６周期毎に設けられている。また、区間（１）、（３）〜（４）、（６）〜（７）、（９）〜（１０）、（１２）〜（１３）、（１５）〜（１６）、及び（１８）が、３アーム制御を行う区間Ｔ_３に相当する。３アーム制御区間Ｔ_３は、２アーム制御区間Ｔ_２の前と後に設けられている。また、各３アーム制御区間Ｔ_３の時間長さは、コンバータ装置３a〜３nの制御周期の１周期分に設定されている。

２アーム制御では、Ｒ、Ｓ、Ｔの三相のうちいずれか一相において、上アームスイッチング素子をＯＮ又はＯＦＦに固定するとともに、下アームスイッチング素子を上アームスイッチング素子とは逆論理（ＯＦＦ又はＯＮ）に固定する。以降、このような相を「固定相」と呼ぶ。固定相は、各２アーム制御区間Ｔ_２毎に、Ｓ相、Ｒ相、Ｔ相の順に切り替わる。ここで、固定相に切り替わる相は、３アーム制御から２アーム制御へ切り替わる直前（すなわち３アーム制御区間Ｔ_３の終端）において、三相のうち極性（正又は負）が他の二相と異なる相である。そして、この相の極性は、２アーム制御を行う直前から２アーム制御を行った直後まで不変にする。一方、固定相以外の二相においては、通常のＰＷＭ制御によるスイッチング動作を行う。このとき、三相の電圧指令の総和が一定となるとように、かつ、固定相の電圧指令の絶対値が直流母線電圧Ｖ_dcの絶対値と等しくなるように、各相の電圧指令を制御する。

３アーム制御では、Ｒ、Ｓ、Ｔの三相において、通常のＰＷＭ制御によるスイッチング動作を行う。このとき、三相の電圧指令の総和が一定となるように、各相の電圧指令を制御する。

以降、図２の太線により示すＲ相電圧指令について、区間（２）〜（５）まで説明する。２アーム制御区間Ｔ_２である区間（２）では、Ｓ相が固定相であるため、Ｓ相の電圧指令の絶対値が直流母線電圧Ｖ_dcの絶対値と等しくなるように、三相の電圧指令が制御される。さらに区間（２）では、三相の電圧指令の総和が一定となるとように、三相の電圧指令が制御される。

次に、３アーム制御区間Ｔ_３である区間（３）〜（４）では、三相の電圧指令の総和が一定となるように、各相の電圧指令が制御される。このとき、区間（３）〜（４）でのＲ相の電圧指令の絶対値は、区間（２）でのＲ相の電圧指令の絶対値と比べて大きい。

区間（４）の終端において、Ｓ相とＴ相の極性は負であり、Ｒ相の極性は正である。従って、このときＲ相の極性が他の二相の極性と異なるため、区間（５）ではＲ相が固定相となる。区間（５）では、Ｒ相の電圧指令の絶対値が直流母線電圧Ｖ_dcの絶対値と等しくなるように、各相の電圧指令が制御される。また、区間（５）でのＲ相の電圧指令の極性は、正に固定される。さらに区間（５）では、三相の電圧指令の総和が一定となるとように、三相の電圧指令が制御される。ここで、区間（５）でのＲ相の電圧指令の絶対値は、区間（３）〜（４）でのＲ相の電圧指令の絶対値と比べて大きい。

図３は、実施の形態１の効果を説明するためのグラフである。なお、便宜のため、２つのコンバータ装置３a及び３bのみが並列接続されているものとして説明する。図３（a）は従来における並列運転用コンバータ装置の制御方法を用いた場合のグラフであり、図３（b）は実施の形態１における並列運転用コンバータ装置の制御方法を用いた場合のグラフである。図３（a）と図３（b）のグラフは、区間（２）〜（８）までにおける、コンバータ装置３a及び３bのＲ相平均出力電圧と、直流母線８を介してコンバータ装置３a及び３bを流れる循環電流とを示している。

従来における制御方法を用いた場合、図３（a）に示すように、３アーム制御区間Ｔ_３を設けず、連続して２アーム制御区間Ｔ_２を設けている。区間（２）〜（３）、区間（４）〜（６）、及び区間（７）〜（８）は、それぞれ固定相をＳ相、Ｒ相、及びＴ相とする２アーム制御区間Ｔ_２に相当する。コンバータ装置３aのＲ相平均出力電圧は、Ｒ相電圧指令どおりである。一方、コンバータ装置３bのＲ相平均出力電圧は、区間（４）にて、Ｓ相からＲ相への固定相の切替が遅延している。ここで、区間（４）での固定相の切替時における、Ｒ相平均出力電圧の変化量Ｄ_１は大きい。これにより、区間（４）でのコンバータ装置３a及び３bのＲ相平均出力電圧の相異が大きくなり、各コンバータ装置間に流れる循環電流が大きくなる。

実施の形態１における制御方法を用いた場合、図３（b）に示すように、コンバータ装置３aのＲ相平均出力電圧は、Ｒ相電圧指令どおりである。一方、コンバータ装置３bのＲ相平均出力電圧は、区間（５）にて、３アーム制御から２アーム制御への切替が遅延している。ここで、３アーム制御区間Ｔ_３でのＲ相平均出力電圧の絶対値は、Ｒ相が固定相でない２アーム制御区間Ｔ_２でのＲ相平均出力電圧の絶対値より大きく、かつ、Ｒ相が固定相である２アーム制御区間Ｔ_２でのＲ相平均出力電圧の絶対値より小さい。言い換えれば、区間（３）〜（４）でのＲ相平均出力電圧の絶対値は、区間（２）でのＲ相平均出力電圧の絶対値より大きく、かつ、区間（５）でのＲ相平均出力電圧の絶対値より小さい。したがって、３アーム制御から２アーム制御への切替時におけるＲ相平均出力電圧の変化量Ｄ_２は、固定相の切替時におけるＲ相平均出力電圧の変化量Ｄ_１と比べて、小さくなる。これにより、コンバータ装置３a及び３bのＲ相平均出力電圧の相異が、図３（a）の場合と比べて小さくなり、各コンバータ装置間に流れる循環電流が小さくなる。

なお、以上の説明では３アーム制御から２アーム制御への切替時に各コンバータ装置間でＲ相平均出力電圧の相異が発生した場合を例に説明したが、２アーム制御から３アーム制御への切替時に各コンバータ装置間でＲ相平均出力電圧の相異が発生した場合も、同様に循環電流が小さくなる。

また、実施の形態１では、２アーム制御区間Ｔ_２を三相交流電源６の周期の１／６毎に設けたが、これに限られない。すなわち、２アーム制御区間Ｔ_２は、三相交流電源６の周期の１／３ｎ（ｎは自然数）毎に設ければよい。

また、実施の形態１では、各３アーム制御区間Ｔ_３の時間長さをコンバータ装置の制御周期の１周期分に設定したが、これに限られない。すなわち、各３アーム制御区間Ｔ_３の時間長さは、各コンバータ装置間で三相の出力電圧の相異が発生すると予測される時間長さであればよい。

実施の形態１によれば、特別な装置を用いることなく、互いに並列接続された複数のコンバータ装置間に流れる循環電流を低減することができる。これにより、消費電力を低減するとともに、システムの制御性能を向上することができる。また、システムを大型化及び低コスト化することができる。

実施の形態２.
図４を参照して、本発明の実施の形態２について説明する。なお、実施の形態１と同様の部分の説明は省略する。

実施の形態１における並列運転電力変換システムは、複数のコンバータ装置を三相交流電源に並列に接続したものであった。一方、実施の形態２における並列運転電力変換システムは、複数のインバータ装置を三相交流電動機に並列に接続したものである。

図４は、実施の形態２における並列運転電力変換システムの構成図である。図４において、２８は三相交流電動機であり、三相交流電動機２８に対する各相の出力電圧をＶ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗとする。並列運転用電力変換装置であるインバータ装置２６a〜２６nは、三相交流電動機２８に並列に接続されている。各インバータ装置２６a〜２６nは、複数の半導体スイッチング素子２４と各半導体スイッチング素子２４に逆接続された複数のダイオード２５とを有し、各半導体スイッチング素子２４がＯＮとＯＦＦの切替を行うことにより、各相電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗを制御する。また、各インバータ装置２６a〜２６nは、直流電源２７を共用している。さらに、インバータ装置２６a〜２６nは、図示されていない制御部及び記憶部を備える。そして、以降に説明する各インバータ装置２６a〜２６nの動作は、並列運転時に制御部が記憶部に格納されたプログラムを実行することにより実現される。

実施の形態２における並列運転用インバータ装置の制御方法は、実施の形態１における並列運転用コンバータ装置の制御方法と同様、２アーム制御を行う前と２アーム制御を行った後において、３アーム制御を行うものである。ただし、この制御方法は、実施の形態１における三相交流電源６の各相電圧Ｖ_Ｒ、Ｖ_Ｓ、Ｖ_Ｔを、それぞれ三相交流電動機２８に対する各相の出力電圧Ｖ_Ｕ、Ｖ_Ｖ、Ｖ_Ｗに置き換えたものに相当する。

実施の形態２によれば、互いに並列接続された複数のインバータ装置間に流れる循環電流を低減することができる。これにより、消費電力を低減するとともに、システムを構成する各機器の制御性能を向上することができる。また、システムを大型化及び低コスト化することができる。

Claims

三相電圧指令により外部の電力変換装置と並列運転される並列運転用電力変換装置の制御方法において、
三相のうち一相にてスイッチング動作を固定するとともに他の二相にてＰＷＭ制御を行う第１の２アーム制御ステップと、
前記第１の２アーム制御ステップの後に、三相にてＰＷＭ制御を所定時間行う３アーム制御ステップと、
前記３アーム制御ステップの後に、前記第１の２アーム制御ステップにてスイッチング動作を固定した相とは異なる相のスイッチング動作を固定するとともに他の２相にてＰＷＭ制御を行う第２の２アーム制御ステップと、
を備え、
２アーム制御における隣り合う２アーム制御区間を不連続とした
ことを特徴とする並列運転用電力変換装置の制御方法。
前記第１の２アーム制御ステップ又は前記第２の２アーム制御ステップにてスイッチング動作が固定される相の電圧指令の極性は、前記各２アーム制御ステップにおける２アーム制御区間において不変であるとともに、
前記３アーム制御ステップでの前記相の電圧指令の絶対値は、前記３アーム制御ステップの直前における前記相の電圧指令の絶対値と前記３アーム制御ステップの直後における前記相の電圧指令の絶対値との間である
ことを特徴とする請求項１記載の並列運転用電力変換装置の制御方法。
前記所定時間は、前記外部の電力変換装置の三相出力電圧と前記並列運転用電力変換装置の三相出力電圧との間に生ずると予測される時間的相異に基づき設定される
ことを特徴とする請求項１記載の並列運転用電力変換装置の制御方法。
三相電圧指令により外部の電力変換装置と並列運転される並列運転用電力変換装置において、
複数のスイッチング素子と、
三相のうち一相にてスイッチング動作を固定するとともに他の二相にてＰＷＭ制御を行う第１の２アーム制御ステップ、
前記第１の２アーム制御ステップの後に、三相にてＰＷＭ制御を所定時間行う３アーム制御ステップ、及び
前記３アーム制御ステップの後に、前記第１の２アーム制御ステップにてスイッチング動作を固定した相とは異なる相のスイッチング動作を固定するとともに他の２相にてＰＷＭ制御を行う第２の２アーム制御ステップ、
を有するプログラムを実行する制御部と、
を備え、
２アーム制御における隣り合う２アーム制御区間を不連続とした
ことを特徴とする並列運転用電力変換装置。
三相交流電源と、
前記三相交流電源に並列接続される複数のリアクトルと、
前記三相交流電源に前記リアクトルを介して並列接続される複数の請求項４記載の並列運転用電力変換装置と、
を備えたことを特徴とする並列運転用電力変換システム。
三相交流電動機と、
前記三相交流電動機に並列接続される複数の請求項４記載の並列運転用電力変換装置と、
を備えたことを特徴とする並列運転用電力変換システム。