JP5673267B2 - 電力用チョッパの制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ装置の直流部などの直流源と、電力用キャパシタとの間で直流電力を充放電制御する電力用チョッパに係り、特に電力用キャパシタの直流電力を昇圧して直流源に放電し、直流源の充電電圧を目標値に自動制御する電力用チョッパの制御装置に関する。

この種の電力用チョッパは、例えば、電動機を可変速駆動するインバータ装置の直流部と電力用キャパシタとの間で、電動機の力行／回生に応じて充放電電力を制御する装置として設備される。また、直流電気鉄道の変電所の直流電源に電力用チョッパを通して並列接続される電力貯蔵用電気二重層キャパシタの充放電制御装置として設備される。

図５は、インバータ装置と電力用チョッパの構成を示す。インバータ装置は、順変換器（整流器）１と平滑用コンデンサ２とインバータ（逆変換器）３で主回路を構成し、インバータ３の周波数・電圧制御によって負荷となる誘導機Ｍを可変速駆動する。電力用チョッパは、電力用チョッパ本体４と直流リアクトル５で昇圧チョッパ回路を構成し、直流リアクトル５には低圧側に電力用キャパシタ６を接続し、瞬時停電や急峻な負荷増などでインバータ直流部の電圧が低下したときにスイッチＳＷｄのオン・オフ制御で昇圧チョッパ動作し、電力用キャパシタ６から直流リアクトル５およびダイオードＤを通してインバータ直流部に放電することでインバータ直流部の電圧を設定した値に保持し、インバータの安定化制御を得る。

なお、誘導機Ｍの回生電力をインバータ直流部で吸収する場合、または商用電源側電力のピークカットや負荷平準化を図る場合には、電力用チョッパは充放電制御ができる二象限チョッパに構成し、インバータ直流部から電力用キャパシタ６への充電制御も可能とし、インバータ直流部の電圧を安定化するものがある。また、電力用キャパシタ６は、太陽電池などの外部直流電源によって充電される場合もある。

図５に示す電力用チョッパの制御回路は、電力用キャパシタ６からインバータ直流部への放電制御機能のみをもつ場合を示す。この制御回路は、インバータ直流部の電圧をメジャーループとしたＡＶＲ制御と、直流リアクトル５に流す電流をマイナーループとしたＡＣＲ制御を行なう。具体的には、インバータ直流部の電圧Ｖ１ｒｅｆを目標値とし、この電圧Ｖ１ｒｅｆとインバータ直流部の検出電圧Ｖ１との偏差により比例積分（ＰＩ）演算する電圧制御器（ＡＶＲ）１１と、この電圧制御器１１の出力を制限して放電電流指令ＩＬｒｅｆを得る装置電流制限用（過電流保護用や定電流制御用）リミッタ（ＬＩＭ）１２によって電圧自動制御系を構成する。電流制御系は、放電電流指令ＩＬｒｅｆと直流リアクトル５を通した電力用チョッパ本体４の放電電流検出値ＩＬとの偏差により比例積分（ＰＩ）演算する電流制御器（ＡＣＲ）１３と、この電流制御器１３の演算結果を導通率（ＯＮ／ＯＦＦ比）指令とするパルス幅変調器（ＰＷＭ）１４によって電力用チョッパ本体４の放電用スイッチＳＷｄのゲート信号Ｇｄを得る。

上記の電力用チョッパの制御回路は、インバータ直流部の電圧低下をＡＶＲ制御で補償するが、電力のピークカットや負荷平準化を図るものでは、制御の応答性や安定性を高めるため、負荷側で消費する電力エネルギーを充放電電圧検出値より算出し、その電力を授受するために直流リアクトル（５）に流す電流を求め、その電流値をＡＶＲ出力と合算させたものを電流指令とするものがある（例えば、特許文献１，２，３参照）。

他の制御方式としては、インバータ側の消費電流とインバータ直流部電圧から、必要な補償電力エネルギーを算出し、その電力エネルギーから必要な充放電電流を求めることで、電力用キャパシタ側の急激な充放電を避けてその寿命を延ばすものがある（例えば、特許文献４参照）。

特開２００８−７９４３９号公報 特開２００５−２８５３７９号公報 特開２００７−２６７５８２号公報 特開２００９−２３２５２６号公報

図５に示す電力用チョッパの制御回路は、インバータの直流部の電圧制御（ＡＶＲ）と直流リアクトルの電流制御（ＡＣＲ）を行なうものであり、それらの制御ゲインを高くするほど、インバータ直流部の電圧指令値への追従制御は速くなる。しかし、インバータ側の消費電力が分からない状況で制御ゲインを高く設定すると、商用電源の瞬時停電状態でチョッパ装置からインバータ直流部への供給電流が増大した場合など、直流リアクトルにエネルギーを溜める期間が長くなるにつれて、インバータ直流部の電圧低下を助長し、直流リアクトルに流す電流で過剰なオーバーシュートを起し、電力用チョッパの主回路素子を電圧破損させるおそれがある。

この点、特許文献１〜４ではインバータ側の消費電力エネルギーを基にした電力補償制御を含めることで、直流リアクトルに過剰なオーバーシュートが発生するのを抑制しようとする。

しかし、特許文献１〜４等では、直流リアクトルに流れる電流検出によって補償電力エネルギーに相当する電力量を算出するため、検出遅れを伴い、結果的にインバータ直流部の電圧制御精度を低下させ、直流リアクトルに発生するオーバーシュートの抑制性能を高めるのが難しくなる。

本発明の目的は、電力用キャパシタからインバータ直流部などの直流源への放電制御に、電圧制御精度を低下させることなく、かつ直流リアクトルに発生するオーバーシュートを抑制できる電力用チョッパの制御装置を提供することにある。

本発明は、前記の課題を解決するため、直流源の電圧検出値と電力用チョッパの直流リアクトルの電流検出値から、直流源側の消費電流を推定し、この消費電流の推定値を電流制御系の電流指令値に直流源電圧補償電流として加算する消費電流制御手段を設けたものであり、以下の構成を特徴とする。

上記の消費電流制御手段としては、インバータ直流部などの直流源から負荷側に流れる消費電流に含まれる過渡的な消費電流を瞬時電流（Ｉ＿ｃａｐ）として推定、および消費電流に含まれる連続的な消費電流を電力用チョッパから直流源側に放電する平均電流（Ｉ＿ｋｅｅｐ）として求め、これら瞬時電流（Ｉ＿ｃａｐ）と平均電流（Ｉ＿ｋｅｅｐ）の加算値を直流源の消費電流の推定値（Ｉ＿ｃｏｎ）として電力用チョッパの電流指令値（Ｉ＿ｕｐ）に加算する構成とする。さらに、直流源の電圧Ｖ１とキャパシタの電圧Ｖ２から求める比率（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１を基にした電流補償値で電流制御系の積分項の値を補償するようにしたものである。

（１）電力用キャパシタの直流電力を昇圧して直流源に放電し、直流源の充電電圧を目標値に自動制御する電圧制御系と、この電圧制御系から得る放電電流指令値に従って該電力用キャパシタの放電電流を自動制御する放電電流制御系を備えた電力用チョッパの制御装置において、
前記直流源の電圧検出値と前記電力用チョッパの直流リアクトルの電流検出値から、前記直流源側の消費電流を推定し、この消費電流の推定値を前記電流制御系の電流指令値に直流源電圧補償電流として加算する消費電流制御手段を備えたことを特徴とする。

（２）前記消費電流制御手段は、
前記直流源から負荷側に流れる消費電流に含まれる過渡的な消費電流を瞬時電流（Ｉ＿ｃａｐ）として推定する手段と、
前記消費電流に含まれる連続的な消費電流を前記電力用チョッパから前記直流源側に放電する平均電流（Ｉ＿ｋｅｅｐ）として求める手段と、
前記瞬時電流（Ｉ＿ｃａｐ）と平均電流（Ｉ＿ｋｅｅｐ）の加算値を前記直流源の消費電流の推定値（Ｉ＿ｃｏｎ）として前記電力用チョッパの電流指令値（Ｉ＿ｕｐ）に加算して電流制御系の電流指令値とする手段を備えたことを特徴とする。

（３）前記直流源の電圧Ｖ１と前記電力用キャパシタの電圧Ｖ２から求める比率（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１を基にした電流補償値で前記電流制御系の積分項の値を補償する電力エネルギー補償部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、直流源の電圧検出値と電力用チョッパの直流リアクトルの電流検出値から、直流源側の消費電流を推定し、この消費電流の推定値を電流制御系の電流指令値に直流源電圧補償電流として加算するようにしたため、直流源の消費電流から電圧制御に必要な補償電流を速く推定でき、インバータ直流部の電圧制御精度を低下させることなく、かつ直流リアクトルに発生するオーバーシュートの抑制性能を高めることができる。

また、直流源の消費電流を過渡的な電流と平均電流から求めることができ、演算手段としてはデジタル微分演算と係数演算とローパスフィルタ処理などで済み、演算の簡略化が可能となる。

また、電流制御系の積分項にも電流補償値を導入することで、チョッパ制御開始からの動き出しを速くすることができ、インバータ直流部の電圧低下を効果的に減らすことができる。

実施形態１のインバータ装置と電力用チョッパの構成図。 チョッパの放電電流Ｉ１と直流リアクトルの電流ＩＬの波形図。 チョッパのＯＮ／ＯＦＦ期間における電流変化分ΔＩＬの波形図。 実施形態２の電力エネルギー補償部の回路図。 インバータ装置と電力用チョッパの構成図。

（実施形態１）
図１は、本実施形態におけるインバータ装置と電力用チョッパの構成を示し、同図が図５と異なる部分はインバータ消費電流制御部（波線ブロック部分）を設けた点にある。

インバータ消費電流制御部は、インバータ直流部の電圧検出値Ｖ１ｄｅｔと直流リアクトル５の電流検出値ＩＬｄｅｔから、インバータ直流部側の消費電流を推定し、この消費電流の推定値を電流制御器（ＡＣＲ）の電流指令値に直流部電圧補償電流として加算することで、インバータ直流部の電圧制御精度を低下させることなく、かつ直流リアクトル５の電流オーバーシュートを抑制するものである。

図１において、インバータ消費電流制御部は、平滑コンデンサ２からインバータ３側に流れる過渡的な消費電流推定値を瞬時電流Ｉ＿ｃａｐとして求める。この演算のためのデジタル微分演算は、インバータ直流部の電圧検出値Ｖ１ｄｅｔの現在のサンプル値と、遅延回路（Ｚ^-X）２１で遅延させたＸサンプルだけ前のサンプル値との差を求め、これを係数器２２によって定数Ｃ（サンプリング周波数で決まる定数）に相当する係数を乗じてレベル調整し、リミッタ２３で最大値を制限し、ローパスフィルタ２４で移動平均値としての瞬時電流Ｉ＿ｃａｐを求める。なお、遅延回路２１の遅延期間になるＸサンプルの値は要求される応答速度によって適宜決定される。

このデジタル微分演算で求める瞬時電流Ｉ＿ｃａｐの性状を説明する。インバータ直流部の電圧低下はインバータ３側の消費電流Ｉの発生が原因となる。順変換器１からインバータ直流部への充電電流がその応答遅れで零に維持され、かつインバータ直流部の電圧を一定に制御される場合には、インバータ３側の消費電流Ｉと電力用チョッパ本体４からインバータ直流部の平滑コンデンサ２に流れ込む電流Ｉ１が一致することになる。

この事象を利用し、上記のデジタル微分演算は、インバータ直流部の電圧低下からインバータ側が必要としている消費電流Ｉのうちの瞬時電流Ｉ＿ｃａｐを推定する。平滑コンデンサ２からインバータ３側に流れる瞬時電流Ｉ＿ｃａｐは、平滑コンデンサ２の容量Ｃ１と電圧Ｖ１の変化率（ｄＶ１／ｄｔ）から以下の式で求められる。

Ｉ＿ｃａｐ＝Ｃ１×（ｄＶ１／ｄｔ） …（１）
次に、上記の瞬時電流Ｉ＿ｃａｐは、インバータ３側の過渡的な消費電流に相当し、インバータ３の連続動作で必要な消費電流Ｉが求められるものではない。そのため、インバータ消費電流制御部は、係数器２５とローパスフィルタ２６によってインバータの消費電流Ｉに含まれる平均電流Ｉ＿ｋｅｅｐを求める平均電流演算部を備える。この平均電流演算部は、直流リアクトル５に流れる電流検出値ＩＬｄｅｔ（平均電流）を利用し、チョッパ本体４のスイッチＳＷｄのゲート信号ＧｄがＯＦＦの期間だけダイオードＤを通してインバータ直流部側に放電するときに、平滑コンデンサ２に供給する平均電流Ｉ＿ｋｅｅｐとして、下記の式から求める。この場合のチョッパの放電電流Ｉ１と直流リアクトルの電流ＩＬの波形を図２に示す。

Ｉ＿ｋｅｅｐ＝ＩＬ×ＤＵＴＹｏｆｆ …（２）
ただし、ＤＵＴＹｏｆｆは、電力用チョッパ本体４のゲートＯＦＦ期間とゲート周期（ゲートＯＦＦ期間＋ゲートＯＮ期間）の割合であり、遅延回路２７で検出するＤＵＴＹｏｎから（１−ＤＵＴＹｏｎ）として求められ、係数器２５の係数Ｋ２として調整する。

次に、インバータ消費電流制御部は、上記の瞬時電流Ｉ＿ｃａｐと平均電流Ｉ＿ｋｅｅｐの加算値をインバータの消費電流Ｉの推定値Ｉ＿ｃｏｎとして下記の演算で求める。

Ｉ＿ｃｏｎ＝Ｉ＿ｃａｐ＋Ｉ＿ｋｅｅｐ …（３）
また、インバータ消費電流制御部は、インバータの直流部を昇圧するために電圧制御器（ＡＶＲ）１１の出力からリミッタ２８を介して求める電流指令値Ｉ＿ｕｐに消費電流推定値Ｉ＿ｃｏｎを直流源電圧補償電流として加算し、これに係数器２９で電流指令変換ゲインＫ１を乗じたものを電流指令値とすることで、インバータの直流部の電圧を電圧指令値Ｖ１ｒｅｆに自動制御する。

Ｉ＿ｒｅｆ＝Ｉ＿ｃｏｎ＋Ｉｕｐ …（４）
したがって、本実施形態では、インバータ３の直流部電圧と直流リアクトル５の電流制御に、インバータ直流部に換算した消費電流Ｉの補償電流Ｉ＿ｃｏｎとして取り入れる。この補償電流Ｉ＿ｃｏｎは、瞬時電流Ｉ＿ｃａｐと平均電流Ｉ＿ｋｅｅｐの加算値から求めるため、直流リアクトルに流れる電流検出のみによって補償電力を算出する従来方式に比べて、検出遅れが小さくなり、かつインバータ側の消費電流Ｉに対応させた補償電流となるため、インバータ直流部の電圧制御精度を低下させることなく、かつ直流リアクトルに発生するオーバーシュートの抑制性能を高めることができる。

また、特許文献４では電力エネルギー換算での電流推定は演算が複雑であるのに対し、本実施形態では演算手段としてはデジタル微分演算と係数演算とローパスフィルタ処理で済み、演算の簡略化が可能となる。

（実施形態２）
本実施形態は、特許文献４に記載のＡＶＲ積分項に電流推定値を入力する手法に対し、動作開始時にＡＣＲ積分項の値を電流補償値で補償する電力エネルギー補償方式を提案するものである。

ＡＣＲ積分項の電流補償値は、インバータ直流部の電圧Ｖ１と電力用キャパシタ６の電圧Ｖ２より、電力用チョッパ本体４のスイッチＳＷｄのスイッチング周期１回分の電流から算出する。電力エネルギー補償部は、スイッチＳＷｄのゲートＯＮ期間に直流リアクトル５によって溜められた電力エネルギーを、これと同じ分だけゲートＯＦＦ期間に吐き出すことができる積分項の電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮとして求める。

この電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮの値は、ＡＣＲ制御電流を連続と断続にする境となる。制御電流に速い応答を求める場合、ＡＣＲ制御電流の積分項の値を電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮで調整することで、ＡＣＲ制御電流を連続にすることができる。このとき、ＡＣＲ制御電流に速い応答を求めるために、電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮを大きくすればよいというわけではなく、チョッパ装置からエネルギーを供給する必要がない場合に直ちに電流を断続にすることができる値が理想となる。そのため、電流を連続と断続にできる電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮが最適値となる。この理由を以下に説明する。

図３はチョッパのＯＮ／ＯＦＦ期間における電流変化分ΔＩＬの波形を示す。電流ＩＬが線形であると仮定し、Ｌを直流リアクトル５のリアクタンス、Ｔをチョッパ動作でのスイッチング周期とすると、
ゲートＯＮ期間では電流変化分ΔＩＬは、
ΔＩＬ＝Ｖ２／（Ｌ＊ＤＵＴＹ＿ＯＮ＊Ｔ） …（５）
ゲートＯＦＦ期間では電流変化分ΔＩＬは、
ΔＩＬ＝（Ｖ１≡Ｖ２）／（Ｌ＊ＤＵＴＹ＿ＯＦＦ＊Ｔ） …（６）
上記の（５）、（６）式より、
（Ｖ１≡Ｖ２）：Ｖ２＝ＤＵＴＹ＿ＯＮ：ＤＵＴＹ＿ＯＦＦ …（７）
上記関係より、
電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮ＝（Ｖ１≡Ｖ２）／Ｖ１ …（８）
この電流補償方式を取り入れることで、チョッパ制御の動き出し時に電流制御の応答速度を改善する。

図４は本実施形態による電力エネルギー補償部の回路を示す。電流制御器（ＡＣＲ）１３は、電圧制御器（ＡＶＲ）１１とリミッタ（ＬＩＭ）１２を通した電流指令ＩＬｒｅｆと直流リアクトル５の検出電流ＩＬとの偏差から、比例積分（ＰＩ）演算によって導通率指令を得る。なお、Ｋｐは比例項の比例定数、Ｋｉは積分項の積分定数である。

ここで、電流制御器（ＡＣＲ）１３のＡＣＲ積分項にも動作開始時に電流補償値を導入する手段として、キャパシタ電圧比率演算部１５を設け、この演算部１５は、上記の（８）式に従って、コンデンサ２の電圧Ｖ１とキャパシタ６の電圧Ｖ２から電圧比率（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１を求め、この電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮを積分項の遅延回路（Ｚ^-1）の出力に乗じて電流補償値を調整する。この電流補償は、例えば、制御開始時に１回だけ行う。また、電流補償は電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮを積分項の遅延回路（Ｚ^-1）の出力に乗じるのに代えて、電流補償比率ＤＵＴＹ＿ＯＮに応じた値を遅延回路（Ｚ^-1）の出力に加算する構成とすることができる。

したがって、本実施形態によれば、ＡＣＲ制御器の積分項にも電流補償値を導入することで、チョッパ制御開始からの動き出しを速くすることができ、インバータ直流部の電圧低下を効果的に減らすことができる。

１ 変換器（整流器）
２ 平滑用コンデンサ
３ インバータ（逆変換器）
４ 電力用チョッパ本体
５ 直流リアクトル
６ 電力用キャパシタ
１１ 電圧制御器（ＡＶＲ）
１２ リミッタ（ＬＩＭ）
１３ 電流制御器（ＡＣＲ）
１４ パルス幅変調器（ＰＷＭ）
１５ キャパシタ電圧比率演算部

Claims (3)

1. 電力用キャパシタの直流電力を昇圧して直流源に放電し、直流源の充電電圧を目標値に自動制御する電圧制御系と、この電圧制御系から得る放電電流指令値に従って該電力用キャパシタの放電電流を自動制御する放電電流制御系を備えた電力用チョッパの制御装置において、
   前記直流源の電圧検出値と前記電力用チョッパの直流リアクトルの電流検出値から、前記直流源側の消費電流を推定し、この消費電流の推定値を前記電流制御系の電流指令値に直流源電圧補償電流として加算する消費電流制御手段を備えたことを特徴とする電力用チョッパの制御装置。
2. 前記消費電流制御手段は、
   前記直流源から負荷側に流れる消費電流に含まれる過渡的な消費電流を瞬時電流（Ｉ＿ｃａｐ）として推定する手段と、
   前記消費電流に含まれる連続的な消費電流を前記電力用チョッパから前記直流源側に放電する平均電流（Ｉ＿ｋｅｅｐ）として求める手段と、
   前記瞬時電流（Ｉ＿ｃａｐ）と平均電流（Ｉ＿ｋｅｅｐ）の加算値を前記直流源の消費電流の推定値（Ｉ＿ｃｏｎ）として前記電力用チョッパの電流指令値（Ｉ＿ｕｐ）に加算して電流制御系の電流指令値とする手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力用チョッパの制御装置。
3. 前記直流源の電圧Ｖ１と前記電力用キャパシタの電圧Ｖ２から求める比率（Ｖ１−Ｖ２）／Ｖ１を基にした電流補償値で前記電流制御系の積分項の値を補償する電力エネルギー補償部を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の電力用チョッパの制御装置。

Images