JP5677724B2 - 変換器回路の動作方法およびこの方法を実行するための装置 - Google Patents

変換器回路の動作方法およびこの方法を実行するための装置 Download PDF

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Description

本発明は電力電子装置の分野に関する。これは独立請求項の前置きによる変換器回路の動作方法及びこの方法を実行するための装置に基づいている。
通常の変換器回路は少なくとも2つの切換え電圧レベルを切換えるため、既知の方法で相互に接続されている多数の駆動可能な電力半導体スイッチを具備している。典型的に、このような変換器装置は特に3相設計であるAC電圧システムに接続されている。このような変換器回路はしばしば産業施設で使用されており、変換器回路が電力供給システムに結合されており、したがってさらに別の使用分野および可能な使用が考えられる。
変換器回路の動作では、システム電流のH番目の高調波成分をシステム電流設定点値に調節することにより制御信号を形成するための制御装置を有する装置が設けられ、その制御装置は制御信号から駆動信号を形成するための駆動回路を介して駆動可能な電力半導体スイッチへ接続され、H番目の高調波成分は変換器回路により発生され、通常はH=1、2、3…等である。Hの典型的な値はH=5、7、11、13である。駆動信号はそれ故電力半導体スイッチを駆動するために使用される。
変換器回路を動作するための前述の方法は、制御装置によってシステム電流のH番目の高調波成分をシステム電流設定点にするように調節することを可能にしている。しかしながら、AC電圧システムでは、システム電流中の高調波成分に加えて、高調波成分がシステム電圧で生じることが可能であるが、それは前述の既知の方法によっては調節されることはできず、それ故それを減少させることができない。
それ故、本発明の1目的は変換器回路の動作方法を特定することであり、それによって変換器回路に接続されたAC電圧システムのシステム電圧中の高調波成分を減少させることができる。本発明のさらに別の目的は特定の簡単な方法で実行することができる装置を特定することである。
これらの目的はそれぞれ請求項1と請求項10の特徴により解決される。本発明の有効な発展形態は従属請求項で与えられている。
変換器回路は多数の駆動可能な電力半導体スイッチを有する変換器装置を有し、3相のAC電圧システムに接続されている。変換器回路を動作する本発明による方法では、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号から形成された駆動信号により駆動され、制御信号はシステム電流のH番目の高調波成分をシステム電流設定点値へ調節することにより形成され、ここでH=1、2、3…である。本発明によれば、システム電流設定点値はシステム電圧のH番目の高調波成分をシステム電圧設定点値へ調節することにより形成され、システム電圧のH番目の高調波成分とシステム電圧設定点値からの制御差はH番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスにより加重されている。したがってシステム電圧の対応するH番目の高調波成分はシステム電流設定点値の形成に直接影響し、システム電圧のH番目の高調波成分は所望の程度まで有効に減少されることができる。システムインピーダンスは典型的に時間にわたって変化し、これは最終的に制御パスの変化に対応するので、調節に関係される制御装置はその制御装置のパラメータに関して毎回、変更されたシステムインピーダンスに一致されるかまたはリセットされる必要がある。しかしながら上記本発明によれば、システムインピーダンスは制御装置の入力に直接影響し、それ故調節に直接影響し、制御差がシステムインピーダンスにより加重されている結果として制御装置の制御装置パラメータのこのような一致またはリセットといった調節のために制御装置の再設計を行う必要はなくなる
変換器回路の動作方法を実行するための本発明による装置は、制御信号Sを発生するために使用される制御装置を有し、その制御装置は駆動信号を形成するための駆動回路を介して駆動可能な電力半導体スイッチに接続され、制御装置はシステム電流のH番目の高調波成分をシステム電流設定点値へ調節することにより制御信号を形成するための第1の制御装置を有し、ここでH=1、2、3…である。本発明によれば、制御装置はシステム電圧のH番目の高調波成分を予め決定可能なシステム電圧設定点値へ調節することによりシステム電流設定点値を形成するための第2の制御装置を有し、システム電圧のH番目の高調波成分とシステム電圧設定点値からの制御差はH番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスにより加重されている。回路に関係する複雑性は非常に低くされることができ、さらに少数のコンポーネントしか設計に必要とされないので、変換器回路の動作方法を実行するための本発明による装置はそれ故、非常に簡単で廉価に実現されることができる。本発明による方法はそれ故、この装置により特に簡単な方法で実行されることができる。
本発明のこれらの目的及びさらに別の目的、効果、特徴は図面を伴った本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明から明白になるであろう。
変換器回路を動作するための本発明による方法を実行する本発明による装置の1実施形態を示す図。 本発明による制御装置の1実施形態を示す図。 システム電圧のH番目の高調波成分の絶対値の時間プロフィールを示す図。
図面で使用されている参照符合とそれらの意味が参照符合のリスト中にまとめて記載されている。原理的に、同一の部分には図面では同じ参照符合が設けられている。記載されている実施形態は本発明の主題の例示であり、限定ではない。
図1は変換器回路を動作するための本発明による方法を実行する本発明による装置の1実施形態を示している。図1に示されているように、変換器回路は多数の駆動可能な電力半導体スイッチを備え、3相のAC電圧システムに接続されている変換器2を有している。変換器回路は通常2以上のDC切換え電圧レベルを切換えるための任意の形態の変換器2(マルチレベル変換器回路)であることができることを述べておく。変換器回路を動作するための本発明による方法では、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号Sから形成される駆動信号Sにより駆動され、制御信号Sはシステム電流のH番目の高調波成分iNHをシステム電流設定点値iNHrefに調節することにより形成され、ここでH=1、2、3…である。本発明によれば、システム電流設定点値iNHrefはシステム電圧のH番目の高調波成分uNHを予め決定可能なシステム電圧設定点uNHrefへ調節することにより形成され、システム電圧のH番目の高調波成分uNHとシステム電圧設定点uNHrefからの制御差uNHdiffはH番目の高調波成分に関して決定されたシステムインピーダンスyNHにより加重されている。したがってシステム電圧の対応するH番目の高調波成分uNHはシステム電流設定点値iNHrefの形成に直接影響し、その結果システム電圧のH番目の高調波成分は所望の程度まで有効に減少されることができる。制御差がシステムインピーダンスにより加重されている結果として、システムインピーダンスyNHは制御装置の入力に直接影響し、それ故調節に直接影響するので、調節に関係する制御装置の制御装置パラメータの整合またはリセットと、さらに典型的に時間にわたって変化するシステムインピーダンスyNHによる制御装置の再設計は不要である利点がある。
システム電圧のH番目の高調波成分uNHの絶対値の時間プロフィールが図3に示されており、これは時間tにわたるH番目の高調波成分の減少を示している。
システムインピーダンスyNHは典型的にH番目の高調波成分に関して時間にわたって変化することができるので、システム電圧の変化の絶対値|ΔuNH|は好ましくはしきい値uNHTolに関して監視される。しきい値uNHTolが超過される度に、システムインピーダンスyNHは再決定される。システムインピーダンスyNHを決定するため、例えばH番目の高調波成分に関する現在のシステム電圧変化ΔuNHとH番目の高調波成分に関する現在のシステム電流変化ΔiNHが確かめられ、その後システムインピーダンスyNHは計算によりこの値から決定される。例えば測定のようなシステムインピーダンスyNHを決定する他の可能な方法も考えられることを述べておく。
好ましくはシステム電圧のH番目の高調波uNHはシステム電圧uNdとuNqのパーク-クラーク変換から形成され、uNdとuNqはシステム電圧のパーク-クラーク変換の対応する成分である。
パーク-クラーク変換は通常次式により規定される。
/x=(x+jx)ejωt
ここで/xは通常、複素変数であり、xは変数/xのパーク-クラーク変換のd成分であり、xは変数/xのパーク-クラーク変換のq成分である。複素変数/xの基本波だけではなく、生じる複素変数/xの全ての高調波がパーク-クラーク変換で変換される利点がある。それ故H番目の高調波成分も含まれ、簡単な濾波により抽出されることができる。
本発明による方法に関して、システム電圧値uNdおよびuNqのパーク-クラーク変換は有効に、システム電圧uNαおよびuNβの空間ベクトル変換により形成され、即ちシステム電圧uNa、uNb、uNcは空間ベクトル変換により変換される。
空間ベクトル変換は次式のように規定される。
/x=xα+jxβ
ここで/xは通常、複素変数であり、xα変数/xの空間ベクトル変換のα成分であり、xβは変数/xの空間ベクトル変換のβ成分である。
好ましくはシステム電流のH番目の高調波成分iNHはシステム電流iNdおよびiNqのパーク-クラーク変換から形成され、iNdとiNqはシステム電流のパーク-クラーク変換の対応する成分である。さらに、システム電流iNdとiNqのパーク-クラーク変換はシステム電流iNαとiNβの空間ベクトル変換から形成され、即ちシステム電流iNaとiNbとiNcは空間ベクトル変換により変換される。
既に述べたようにシステム電圧のH番目の高調波成分uNHを予め決定可能なシステム電圧設定点値uNHrefに調節することは、簡単さを特徴とする比例/積分特性にしたがって行われることが好ましい。しかしながら代わりに、システム電圧のH番目の高調波成分uNHを予め決定可能なシステム電圧設定点uNHrefに調節することが反復的に速示(dead-beat)特性にしたがって行われることも考えられる。反復による速示特性にしたがった調節では、次式が形成に使用されることが好ましい。
NHref=iNHref,old+(uNH−uNHref)・yNH・k
システム電流設定点値iNHrefは各反復ステップで再形成され、iNHref,oldは先行する反復ステップのシステム電流設定点値であり、kは補正係数であり、これは有効に0.1から1の程度の大きさであるように選択される。しかしながら任意の他の制御特性も考えられることを述べておく。
既に述べたように、図1は変換器回路を動作するための本発明による方法を実行する本発明による装置の1実施形態を示している。図1に示されているように、制御信号Sを発生するために使用される制御装置4は駆動信号Sを形成するため駆動回路3を介して変換器2の駆動可能な電力半導体スイッチに接続されている。図2は、システム電流のH番目の高調波成分iNHをシステム電流設定点値iNHrefに調節することにより制御信号Sを形成するための第1の制御装置5を有する本発明による制御装置4の1実施形態を示しており、ここでH=1、2、3…である。本発明によれば、制御装置4は、システム電圧のH番目の高調波成分uNHを予め決定可能なシステム電圧設定点uNHrefへ調節することによりシステム電流設定点値iNHrefを形成する第2の制御装置6を有し、システム電圧のH番目の高調波成分uNHとシステム電圧設定点uNHrefからの制御差uNHdiffはH番目の高調波成分に関して決定されるシステムインピーダンスyNHにより加重されている。
システム電圧のH番目の高調波成分uNHを予め決定可能なシステム電圧設定点値uNHrefへ調節する第2の制御装置6は図2に示されるように制御装置11を具備し、この制御装置11は例えば(既に前述した)対応する特性を有する比例/積分制御装置の形態であるかまたは(既に前述した)対応する特徴を有する速示制御装置の形態であることができる。しかしながら、その対応する制御特性を有する任意の他の制御装置も考えられることができる。
図2によれば、制御装置4はシステム電圧UNα、UNβの空間ベクトル変換からシステム電圧UNd、UNqのパーク-クラーク変換を形成し、システム電圧UNd、UNqのパーク-クラーク変換からシステム電圧のH番目の高調波成分UNHを形成するための第1の計算装置7を付加的に有する。
さらに、図2によれば、制御装置4はシステム電圧UNα、UNβの空間ベクトル変換を形成するための第2の計算装置8を有する。さらに制御装置4はシステム電流iNd、iNqの空間ベクトル変換からシステム電流iNd、iNqのパーク-クラーク変換を形成し、システム電流iNd、iNqのパーク-クラーク変換からシステム電流のH番目の高調波成分iNHを形成するための第3の計算装置9を具備している。制御装置4はさらにシステム電流iNα、iNβの空間ベクトル変換を形成するための第4の計算装置10を有している。
詳細に前述した方法と、この方法を実行するための関連装置はシステム電圧のH番目の高調波成分UNHを減少させる。言うまでもなく、例えばシステム電圧の複数の高調波成分を減少させるために、対応する方法ステップを有する前述の方法は各これらの各高調波成分に対して別々に実行される。方法を実行するための装置に関しては、高調波成分を減少するために、前述したように関連される装置がこれらの各高調波成分で必要とされる。
本発明による方法の全てのステップは、ソフトウェアとして実行されることができ、前記ソフトウェアはその後、例えば特にデジタル信号プロセッサによりコンピュータシステムにロードされ、前記コンピュータシステムで実行されることができる。さらに、詳細に説明した本発明の装置はコンピュータシステムにおいて、特にデジタル信号プロセッサにおいて構成されることもできる。
全体的に、特に図1および2で示されている本発明による装置は、回路の複雑性が非常に低く維持され、少数のコンポーネントしか設計に必要とされないので、非常に簡単で価格が効率的に実現されることができる。本発明による方法はそれ故、この装置を使用して特に簡単な方法で実行されることができる。
以下に、本出願時の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
[1] 複数の駆動可能な電力半導体スイッチを備えた変換器(2)と、3相のAC電圧システム(1)を有し、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号(S )から形成される駆動信号(S )により駆動され、制御信号(S )はシステム電流のH番目(H=1、2、3…である)の高調波成分(i NH )をシステム電流設定点値(i NHref )に調節することにより形成される変換器回路の動作方法において、
システム電流設定点値(i NHref )はシステム電圧のH番目の高調波成分(u NH )を予め決定可能なシステム電圧設定点値(u NHref )へ調節することにより形成され、システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )とシステム電圧設定点(u NHref )からの制御差(u NHdiff )はH番目の高調波成分に関して決定されたシステムインピーダンス(y NH )によって加重されることを特徴とする方法。
[2] H番目の高調波成分に関して、しきい値(u NHTol )方向へのシステム電圧の変化の絶対値(|Δu NH |)が監視され、
しきい値(u NHTol )が超過される度に、システムインピーダンス(y NH )が決定されることを特徴とする前記[1]記載の方法。
[3] システムインピーダンス(y NH )はH番目の高調波成分に関するシステム電圧の変化(Δu NH )とシステムの電流変化(Δi NH )から決定されることを特徴とする前記[1]記載の方法。
[4] システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )はシステム電圧(u Nd )と(u Nq )のパーク-クラーク変換から形成されることを特徴とする前記[1]乃至[3]のいずれか1項記載の方法。
[5] システム電圧値(u Nd 、u Nq )のパーク-クラーク変換はシステム電圧(u Nα 、u Nβ )の空間ベクトル変換から形成されることを特徴とする前記[4]記載の方法。
[6] システム電流のH番目の高調波成分(i NH )はシステム電流(i Nd 、i Nq )のパーク-クラーク変換から形成されることを特徴とする前記[1]乃至[5]のいずれか1項記載の方法。
[7] システム電流(i Nd 、i Nq )のパーク-クラーク変換はシステム電流(i Nα 、i Nβ )の空間ベクトル変換から形成されることを特徴とする前記[6]記載の方法。
[8] システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )の予め決定可能なシステム電圧設定点値(u NHref )への調節は、比例/積分特性にしたがって行われることを特徴とする前記[1]乃至[7]のいずれか1項記載の方法。
[9] システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )の予め決定可能なシステム電圧設定点値(u NHref )への調節することは、反復的に速示特性にしたがって行われることを特徴とする前記[1]乃至[7]のいずれか1項記載の方法。
[10] 複数の駆動可能な電力半導体スイッチを有する変換器(1)を備え、3相のAC電圧システムに接続されている変換器回路を動作する方法を実行する装置において、
制御信号(S )を発生するために使用される制御装置(4)は駆動信号(S )を形成するための駆動回路(3)を介して駆動可能な電力半導体スイッチに接続されており、制御装置(4)はシステム電流のH番目の高調波成分(i NH )をシステム電流設定点値(i NHref )に調節することにより制御信号(S )を形成する第1の制御装置(5)を有しており、ここでH=1、2、3…であり、
前記制御装置(4)は、システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )を予め決定可能なシステム電圧設定点(u NHref )へ調節することによりシステム電流設定点値(i NHref )を形成する第2の制御装置(6)を有し、システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )とシステム電圧設定点値(u NHref )からの制御差(u NHdiff )はH番目の高調波成分に関して決定されたシステムインピーダンス(y NH )により加重されていることを特徴とする装置。
[11] 前記制御装置(4)はシステム電圧(U Nα 、U Nβ )の空間ベクトル変換からシステム電圧(U Nd 、U Nq )のパーク-クラーク変換を形成し、システム電圧(U Nd 、U Nq )のパーク-クラーク変換からシステム電圧のH番目の高調波成分(U NH )を形成するための第1の計算装置(7)を有していることを特徴とする前記[10]記載の装置。
[12] 前記制御装置(4)は、システム電圧(U Nα 、U Nβ )の空間ベクトル変換を形成するための第2の計算装置(8)を有している前記[11]記載の装置。
[13] 前記制御装置(4)はシステム電流(i Nd 、i Nq )の空間ベクトル変換からシステム電流(i Nd 、i Nq )のパーク-クラーク変換を形成し、システム電流(i Nd 、i Nq )のパーク-クラーク変換からシステム電流のH番目の高調波成分(i NH )を形成するための第3の計算装置(9)を具備していることを特徴とする前記[10]乃至[12]のいずれか1項記載の装置。
[14] 前記制御装置(4)はさらにシステム電流(i Nα 、i Nβ )の空間ベクトル変換を形成するための第4の計算装置(10)を有していることを特徴とする前記[13]記載の装置。
[15] システム電圧のH番目の高調波成分(u NH )を予め決定可能なシステム電圧設定点値(u NHref )へ調節するための第2の制御装置(6)は別の1つの制御装置(11)を具備していることを特徴とする前記[10]乃至[14]のいずれか1項記載の装置。
符合の説明
1…AC電圧システム、2…変換器装置、3…駆動回路、4…制御装置、5…第1の制御装置、6…第2の制御装置、7…第1の計算装置、8…第2の計算装置、9…第3の計算装置、10…第4の計算装置、11…制御装置。

Claims (15)

  1. 複数の駆動可能な電力半導体スイッチを備えた変換器(2)と、3相のAC電圧システム(1)を有し、駆動可能な電力半導体スイッチは制御信号(S)から形成される駆動信号(S)により駆動され、制御信号(S)はAC電圧システム電流のH番目(H=1、2、3…である)の高調波成分(iNH)をAC電圧システム電流設定点値(iNHref)に調節することにより形成される変換器回路の動作方法において、
    AC電圧システム電流設定点値(iNHref)はAC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH)を予め決定可能なAC電圧システム電圧設定点値(uNHref)へ調節することにより形成される際にAC電圧システム電流設定点値(i NHref )は、AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH)とAC電圧システム電圧設定点(uNHref)からの制御差(uNHdiffH番目の高調波成分(u NH に関して決定されたAC電圧システムインピーダンス(yNH)によって加重されて形成されることを特徴とする方法。
  2. H番目の高調波成分に関して、しきい値(uNHTol)方向へのAC電圧システム電圧の変化の絶対値(|ΔuNH|)が監視され、
    しきい値(uNHTol)が超過される度に、AC電圧システムインピーダンス(yNH)が決定されることを特徴とする請求項1記載の方法。
  3. AC電圧システムインピーダンス(yNH)はH番目の高調波成分に関するAC電圧システム電圧の変化(ΔuNH)とAC電圧システム電流変化(ΔiNH)から決定されることを特徴とする請求項記載の方法。
  4. AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH)はAC電圧システム電圧(uNd Nq)のパーク-クラーク変換から形成されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項記載の方法。
  5. AC電圧システム電圧(Nd、uNq)のパーク-クラーク変換はAC電圧システム電圧(uNα、uNβ)の空間ベクトル変換から形成されることを特徴とする請求項4記載の方法。
  6. AC電圧システム電流のH番目の高調波成分(iNH)はAC電圧システム電流(iNd、iNq)のパーク-クラーク変換から形成されることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の方法。
  7. AC電圧システム電流(iNd、iNq)のパーク-クラーク変換はAC電圧システム電流(iNα、iNβ)の空間ベクトル変換から形成されることを特徴とする請求項6記載の方法。
  8. AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH予め決定可能なAC電圧システム電圧設定点値(uNHrefへ調することは、比例/積分特性にしたがって行われることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の方法。
  9. AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH予め決定可能なAC電圧システム電圧設定点値(uNHrefへ調節することは、反復的に速示特性にしたがって行われることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項記載の方法。
  10. 複数の駆動可能な電力半導体スイッチを有する変換器()を備え、3相のAC電圧システムに接続されている変換器回路を動作する方法を実行する装置において、
    制御信号(S)を発生するために使用される制御装置(4)は駆動信号(S)を形成するための駆動回路(3)を介して駆動可能な電力半導体スイッチに接続されており、制御装置(4)はAC電圧システム電流のH番目の高調波成分(iNH)をAC電圧システム電流設定点値(iNHref)に調節することにより制御信号(S)を形成する第1の制御装置(5)を有しており、ここでH=1、2、3…であり、
    前記制御装置(4)は、AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH)を予め決定可能なAC電圧システム電圧設定点(uNHref)へ調節することによりAC電圧システム電流設定点値(iNHref)を形成する第2の制御装置(6)を有し、AC電圧システム電流設定点値(i NHref )は、AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH)とAC電圧システム電圧設定点値(uNHref)からの制御差(uNHdiffH番目の高調波成分(u NH に関して決定されたAC電圧システムインピーダンス(yNH)により加重されて形成されることを特徴とする装置。
  11. 前記制御装置(4)はAC電圧システム電圧(UNα、UNβ)の空間ベクトル変換からAC電圧システム電圧(UNd、UNq)のパーク-クラーク変換を形成し、AC電圧システム電圧(UNd、UNq)のパーク-クラーク変換からAC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(UNH)を形成するための第1の計算装置(7)を有していることを特徴とする請求項10記載の装置。
  12. 前記制御装置(4)は、AC電圧システム電圧(UNα、UNβ)の空間ベクトル変換を形成するための第2の計算装置(8)を有している請求項11記載の装置。
  13. 前記制御装置(4)はAC電圧システム電流(iα 、iβ )の空間ベクトル変換からAC電圧システム電流(iNd、iNq)のパーク-クラーク変換を形成し、AC電圧システム電流(iNd、iNq)のパーク-クラーク変換からAC電圧システム電流のH番目の高調波成分(iNH)を形成するための第3の計算装置(9)を具備していることを特徴とする請求項10乃至12のいずれか1項記載の装置。
  14. 前記制御装置(4)はAC電圧システム電流(iNα、iNβ)の空間ベクトル変換を形成するための第4の計算装置(10)を有していることを特徴とする請求項13記載の装置。
  15. AC電圧システム電圧のH番目の高調波成分(uNH)を予め決定可能なAC電圧システム電圧設定点値(uNHref)へ調節するための第2の制御装置(6)は別の1つの制御装置(11)を具備していることを特徴とする請求項10乃至14のいずれか1項記載の装置。
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