JP6246114B2

JP6246114B2 - 変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置

Info

Publication number: JP6246114B2
Application number: JP2014253695A
Authority: JP
Inventors: 祐一橋本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2014-12-16
Filing date: 2014-12-16
Publication date: 2017-12-13
Anticipated expiration: 2034-12-16
Also published as: JP2016116350A

Description

この発明は、変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置に関し、特に変圧器の直流偏磁の低減を行う変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置に係わるものである。

従来の変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置では、直流偏磁（変圧器一次側に発生する微小な直流成分により直流磁束が発生し、変圧器鉄心の飽和によって過電流が引き起こされる現象）を低減させるため、変圧器一次電流からアナログまたはデジタルフィルタなどを介して、変圧器一次側に含まれる微小な直流成分を検出する方法が提案されている（特許文献１）。

また、変圧器一次電流の瞬時値を出力周期に同期して区分積分し、平坦化処理を行うことで変圧器の直流偏磁有無と方向を検出し、偏磁抑制のための補正量を演算していた。また、演算した補正量をインバータ駆動信号に注入し、変圧器の直流偏磁を低減させる方法が提案されている(特許文献２）。

特開平４−１２１０６２号公報（第３〜４頁、第１図）特開平１０−２２９６８２号公報（段落００１５〜００１９、図１〜５）

従来の変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置では変圧器一次側に流れる直流電流を、高精度の電流センサで計測し、電流センサの後段にアナログまたはデジタルフィルタなどを設置し、直流成分を検出し、検出した直流成分からインバータ駆動信号の補正を行い、直流偏磁を防止していた。しかし、数百Ａレベルの交流電流から数Ａレベルの直流電流を高精度で検出するために、高価な電流センサが必要であり、コスト面で問題があった。
この発明は、前記のような課題を解決するためになされたもので、安価な電流センサを用いて直流偏磁を低減する、変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置を得るものである。

この発明に係わる変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置は、変圧器、前記変圧器を介して交流系統に連系するインバータ、前記インバータから前記変圧器に出力される前記変圧器の一次電流を検出する電流センサ、前記電流センサの検出電流と、前記検出電流の０．５サイクルの奇数倍遅延させた遅延電流を加算し、直流励磁電流分を抽出する加算器、前記加算器で抽出した直流励磁電流分より前記変圧器の偏磁有無及び方向を検出し偏磁補正量を得る偏磁検出器、前記インバータのインバータ駆動信号から前記偏磁検出器の偏磁補正量を減算しインバータ駆動補正信号を得る減算器、前記インバータ駆動補正信号により前記インバータのゲート信号を得るゲート信号生成回路を備え、前記変圧器の直流偏磁を低減するようにしたものである。

この発明の変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置によれば、変圧器一次電流の検出電流と、その検出電流の０．５サイクルの奇数倍遅延された遅延電流を加算し、直流励磁電流分を抽出し、抽出した直流励磁電流分から変圧器の直流偏磁発生有無と方向を検出して、偏磁補正量を得るようにしたので、安価な電流センサを用いて直流偏磁を低減することができる。

この発明の実施の形態１における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態１における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置に含まれる励磁電流抽出ブロック及び偏磁有無・方向検出ブロックの内部構成を示す図である。この発明の実施の形態１において、各信号の推移を示す図である。（ａ）は正極偏磁発生中の各信号の推移を示す図であり、（ｂ）は負極偏磁発生中の各信号の推移を示す図である。この発明の実施の形態２における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態２における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置に含まれる励磁電流抽出ブロック及び偏磁有無・方向検出ブロックの内部構成を示す図である。この発明の実施の形態３における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置の構成を示す図である。この発明の実施の形態３における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置に含まれる励磁電流抽出ブロック及び偏磁有無・方向検出ブロックの内部構成を示す図である。

実施の形態１．
図１Ａにおいて、１はインバータ直流母線電圧平滑用のコンデンサ、２は三相インバータ（インバータ）、３は変圧器４の一次電流Ｉａ，Ｉｃ（検出電流）の検出を行う電流センサ、４は変圧器で、三相インバータ２は変圧器４を介して交流系統に連系している。

５は変圧器の一次電流Ｉａ，Ｉｃから直流励磁電流分Ｉｍａ，Ｉｍｂ，Ｉｍｃを抽出する励磁電流抽出ブロック、６は偏磁有無・方向検出ブロック、７は偏磁有無・方向検出ブロック６から出力される偏磁有無・方向信号２０（Ｘａ,Ｘｂ,Ｘｃ）をカウントするカウンタブロック、８はカウンタブロック７の出力信号を増幅し偏磁量を演算するゲインブロックである。偏磁有無・方向検出ブロック６とカウンタブロック７とゲインブロック８とにより偏磁検出器を構成する。

９はインバータ駆動信号１０（Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ）から偏磁補正量３４（Ｘａ２,Ｘｂ２,Ｘｃ２）を減算することによりインバータ駆動補正信号を得る減算ブロック（減算器）、１１はインバータ駆動補正信号から三相インバータ２を駆動するゲート信号３１を生成するゲート信号生成回路である。

図１Ｂにおいて、１２は変圧器一次電流の２相分Ｉａ(ｔ),Ｉｃ(ｔ)から残りの1相の電流Ｉｂ(ｔ)を演算する演算ブロック、１３は変圧器の一次電流Ｉａ(ｔ),Ｉｂ(ｔ),Ｉｃ(ｔ)をＴｄ（一次電流（励磁電流波形）の０．５サイクルの奇数倍）時間遅延させるための時間遅れブロック、１４は変圧器の一次電流Ｉａ（ｔ）,Ｉｂ(ｔ),Ｉｃ(ｔ)と、前記変圧器一次電流をＴｄ時間遅延ささせたＩａ(ｔ-Ｔｄ),Ｉｂ(ｔ-Ｔｄ),Ｉｃ(ｔ-Ｔｄ)とから直流励磁電流分Ｉｍａを算出する加算ブロック（加算器）である。

１５は直流励磁電流分Ｉｍａ,Ｉｍｂ,Ｉｍｃが上限値（Upper Limit）を超過した場合に+１（定常時０）を出力する比較器、１６は前記直流励磁電流分が下限値（Lower Limit)を下回った場合に-１（定常時０）を出力する比較器、１７は比較器１５(ＵＬ)の出力０，＋１をラッチするラッチ回路、１８は比較器１６（ＬＬ）出力０，−１をラッチするラッチ回路、１９はラッチ回路１７及び１８の出力を加算し、偏磁有無と偏磁方向の情報を出力（０:偏磁なし，−１:負極側に偏磁，＋１:正極側に偏磁）する加算器である。

２０はカウンタブロック7に出力する偏磁有無・方向信号（Ｘａ,Ｘｂ,Ｘｃ）であり、この信号に変圧器４の偏磁有無及び方向の情報が含まれる。なお、１７，１８のラッチ回路は1サイクル周期でリセットされる。

次に実施の形態１における動作について図１Ａ，図１Ｂ，図２を用いて説明する。励磁電流抽出ブロック５にて、リアルタイムの変圧器の一次電流Ｉａ（ｔ）と時間遅れブロック１３にてＴｄ時間遅延させた信号Ｉａ（ｔ−Ｔｄ）（遅延電流）を加算することで、直流励磁電流分３３（Ｉｍａ）を抽出する。

偏磁が発生すると、直流励磁電流分が片側のみ過大となる特性を利用し、偏磁有無・方向検出ブロック６にて、直流励磁電流分Ｉｍａを比較器１５(ＵＬ)，比較器１６（ＬＬ）に入力し、上限値又は下限値に対する逸脱有無を判定する。逸脱有無の判定は、偏磁発生有無の判定と同義である。比較器１５(ＵＬ)は正極側の偏磁有無検出用であり、偏磁発生時には＋１を出力する。同様に、比較器１６（ＬＬ）は負極側の偏磁有無検出用であり、偏磁発生時には−１を出力する。

また、比較器１５(ＵＬ)及び比較器１６（ＬＬ）の後段にラッチ回路１７及び１８を設け、偏磁発生の信号＋１又は−１をラッチし、1サイクル毎にラッチ回路１７及び１８の信号を加算器１９にて加算することで偏磁有無・方向信号２０(Ｘａ,Ｘｂ,Ｘｃ)(０:偏磁なし、−１：負極側に偏磁発生、＋１：正極側に偏磁発生）を出力する。また、1サイクル周期でラッチ回路のラッチ情報をクリア(０化)する。

また、後段のカウンタブロック７にて、偏磁有無・方向信号２０を１サイクル毎にカウントアップ（積算）し、カウントアップ信号３２（Ｘａ１，Ｘｂ１，Ｘｃ１）をゲインブロック８にて偏磁補正量３４（Ｘａ２,Ｘｂ２,Ｘｃ２）に変換する。減算ブロック９において、インバータ駆動信号１０（Ｍａ，Ｍｂ，Ｍｃ）から偏磁補正量３４（Ｘａ２,Ｘｂ２,Ｘｃ２）を減算することで、偏磁を低減しつつインバータを駆動するインバータ駆動補正信号３０を生成し、生成したインバータ駆動補正信号３０を基にゲート信号生成回路１１にてゲート信号３１を生成し、三相インバータ２を駆動する。これにより、正極側および負極側で偏磁が発生した場合に、偏磁補正量３４が生成され、最終的に変圧器４に直流偏磁が発生していない状態とすることができる。

実施の形態２．
図３Ａはこの発明の実施の形態２における変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置の構成を示す図である。図３Ｂは励磁電流抽出ブロック及び偏磁有無・方向検出ブロックの内部構成を示す図である。実施の形態１では、偏磁補正量３４を一定レベルで増減させるため、偏磁異常を検出してから直流偏磁が低減するまで時間が掛かる場合があり、偏磁耐量が低く偏磁を高速に低減する必要がある変圧器には適用が難しい場合がある。

そこで、図３Ａ及び図３Ｂに示すように、偏磁有無・方向検出ブロック６Ａに、直流励磁電流分Ｉｍａの最大値を検出するブロックつまり絶対値演算ブロック２２及び最大値演算ブロック２３を追加し、偏磁の度合いを偏磁度合い信号２１(Ｘａｇ,Ｘｂｇ,Ｘｃｇ）という形で演算する。また、偏磁度合い信号２１をゲイン可変器８Ａ（増幅度が変化する）に入力し、偏磁の度合いに応じてゲイン値を変化させる処理とする。これにより、偏磁異常の度合いが大きい場合には、偏磁補正量３４の増減値を大きくすることができるため、偏磁耐量が低く偏磁を高速に低減させる必要がある変圧器に適用することができる。

実施の形態３．
実施の形態１及び２では、偏磁異常を検出及び低減する処理について述べたが、正極方向及び負極方向共に生じる両極性の磁気飽和の検出には対応していない。そこで、実施の形態１の構成に加えて、図４Ａ、図４Ｂに示すように、偏磁有無・方向検出ブロック６Ｂに絶対値演算ブロック２４及び加算器２５を追加し、ラッチ回路１７から得られる正極偏磁検出出力と、ラッチ回路１８から絶対値演算ブロック２４を経由して得られる負極偏磁検出出力の絶対値から、加算器２５により偏磁有無・磁気飽和検出用信号２６（Ａｓａｔ,Ｂｓａｔ,Ｃｓａｔ）を生成する。

偏磁有無・磁気飽和検出用信号２６（Ａｓａｔ）は、偏磁なしの場合に０、偏磁発生中には＋１、磁気飽和発生中には＋２に変化する。これにより、偏磁有無・方向の検出に加えて、両極性の磁気飽和発生状況のモニタリング及び磁気飽和異常の検出も可能となり、装置の保護機能を充実させることができる。

なお、この発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

１コンデンサ２三相インバータ３電流センサ
４変圧器５励磁電流抽出ブロック
Ｉａ，Ｉｃ一次電流６偏磁有無・方向検出ブロック
７カウンタブロック８ゲインブロック８Ａゲイン可変器
９減算ブロック１０インバータ駆動信号
１１ゲート信号生成回路１２演算ブロック１３時間遅れブロック
１４加算ブロック１５比較器１６比較器
１７ラッチ回路１８ラッチ回路１９加算器
２０偏磁有無・方向信号２１偏磁度合い信号
２２絶対値演算ブロック２３最大値演算ブロック
２４絶対値演算ブロック２５加算器
２６偏磁有無・磁気飽和検出用信号３０インバータ駆動補正信号
３１ゲート信号３２カウントアップ信号
３３直流励磁電流分３４偏磁補正量

Claims

変圧器、前記変圧器を介して交流系統に連系するインバータ、前記インバータから前記変圧器に出力される前記変圧器の一次電流を検出する電流センサ、前記電流センサの検出電流と、前記検出電流の０．５サイクルの奇数倍遅延させた遅延電流を加算し、直流励磁電流分を抽出する加算器、前記加算器で抽出した直流励磁電流分より前記変圧器の偏磁有無及び方向を検出し偏磁補正量を得る偏磁検出器、前記インバータのインバータ駆動信号から前記偏磁検出器の偏磁補正量を減算しインバータ駆動補正信号を得る減算器、前記インバータ駆動補正信号により前記インバータのゲート信号を得るゲート信号生成回路を備え、前記変圧器の直流偏磁を低減するようにした変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置。
前記偏磁検出器は、前記加算器で抽出した直流励磁電流分より前記変圧器の偏磁有無及び方向を検出して得た出力をカウンタで積算して前記偏磁補正量を得る請求項１記載の変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置。
前記加算器より抽出した直流励磁電流分に応じて増幅度が変化するゲイン可変器を設け、前記ゲイン可変器により前記偏磁検出器で得た偏磁補正量を増幅し、前記インバータ駆動信号から増幅した前記偏磁補正量を減算して前記インバータ駆動補正信号を得るようにした請求項１又は請求項２記載の変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置。
変圧器の偏磁有無及び方向を検出し偏磁補正量を得る前記偏磁検出器にあって、偏磁有で正方向及び負方向両方が同時に発生したことを検出する偏磁検出器を設けた請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の変圧器を介して交流系統に連系するインバータ制御装置。