JP6420453B2

JP6420453B2 - 電流制御装置

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Publication number: JP6420453B2
Application number: JP2017245171A
Authority: JP
Inventors: ピョングクチョ
Original assignee: LSIS Co Ltd
Current assignee: LS Electric Co Ltd
Priority date: 2017-03-28
Filing date: 2017-12-21
Publication date: 2018-11-07
Anticipated expiration: 2037-12-21
Also published as: US20180286619A1; CN108664064B; JP2018166396A; CN108664064A; KR20180109351A; EP3382878A1; US10847334B2

Description

本発明は、電流制御装置に関し、特に比例共鳴（proportional and resonant, PR）制御装置に関する。

一般に、電流制御のためのＰＲ制御装置は、単相又は三相システムの静止座標系において実現されて交流電流を制御するものであり、産業界で広く活用されている。

ＰＲ制御装置は、理論的に特定の周波数に対して無限大のゲインを有するので、閉ループ制御システムの伝達関数が遮断周波数である１次ローパスフィルタの特性に類似する。よって、遮断周波数を制御対象となる交流信号の周波数より十分に大きく設計することにより、定常誤差が除去される性能を実現することができる。

しかし、閉ループ制御システムの遮断周波数は、インバータのスイッチング周波数により制限されるので、無限に増加させることができない。従って、スイッチング周波数が低いインバータシステムにおいては、系統の高調波電流を補償する際に、高い周波数成分に対しては定常誤差が生じる。

よって、通常は制限された高調波電流に対してのみ補償できるようにＰＲ制御装置を構成するので、特定の周波数以上の成分は制御することができないという問題があった。

様々な実施形態は、インバータからプラントに供給される出力電流を電流指令に従って制御するための装置を提供する。

様々な実施形態によれば、前記装置は、前記電流指令と前記出力電流の電流誤差を決定する比較部と、前記電流誤差に前記電流指令の制御周波数を含むゲインを適用し、出力電圧を出力する伝達関数適用部と、前記出力電圧から前記出力電流を出力する演算部とを含む。

様々な実施形態によれば、前記装置が２次バンドパスフィルタのように動作するので、制御変数に関係なく制御周波数で定常誤差が除去されるという効果がある。従って、スイッチング周波数が低いインバータシステムにおいても、高調波電流制御性能を効果的に確保できるという効果がある。よって、インバータシステムにおいて高調波補償やデッドタイム補償などの高調波制御性能を向上させるという効果がある。

一般的なインバータシステムの構成図である。図１の電気的単相等価回路図である。様々な実施形態による電流制御装置の構成図である。様々な実施形態による電流制御装置の構成図である。第１実施形態による伝達関数適用部の詳細構成図である。第２実施形態による電流制御装置の構成図である。第１実施形態による電流制御装置の応答特性を説明するための図である。第２実施形態による電流制御装置の応答特性を説明するための図である。

以下、本発明の構成及び効果を十分に理解できるように、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。しかし、本発明は、以下に開示される実施形態に限定されるものではなく、様々な形態で実現することができ、様々な変更が可能である。また、本実施形態は、本発明を開示し、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に本発明を理解させるためのものにすぎない。説明の便宜上、添付図面においては構成要素の大きさを実際より拡大して示しており、各構成要素の比率が拡大又は縮小されていることもある。

ある構成要素が他の構成要素「上に」又は「に接して」配置されるという表現は、ある構成要素が他の構成要素上に当接しているか又は連結されている場合と、中間にさらに他の構成要素が存在する場合とを含む。それに対して、ある構成要素が他の構成要素「の直上に」又は「に直接接して」配置されるという表現は、中間にさらに他の構成要素が存在しないことを示す。構成要素間の関係を示す他の表現、例えば「〜間に」と「直接〜間に」なども同様に解釈できる。

「第１」、「第２」などの用語は様々な構成要素を説明するために用いられるが、前記構成要素は前記用語により限定されるものではない。前記用語は１つの構成要素を他の構成要素と区別する目的でのみ用いられる。例えば、本発明の権利範囲から外れない限り、「第１構成要素」は「第２構成要素」と命名してもよく、同様に、「第２構成要素」は「第１構成要素」と命名してもよい。

単数の表現は、特に断らない限り、複数の表現を含む。「含む」や「有する」などの用語は、明細書に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はそれらの組み合わせが存在することを指定しようとするもので、１つ又はそれ以上の他の特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品又はそれらの組み合わせを付加できるものと解釈できる。

本発明の実施形態で用いられる用語は、特に断らない限り、本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者に一般的に理解される意味で解釈できる。

以下、添付図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明することにより、本発明について詳細に説明する。

図１は一般的なインバータシステムの構成図である。

図１を参照すると、インバータシステムは、インバータ１００とプラント１１０とを含む。インバータシステムにおいては、インバータ１００から電流が発生してプラント１１０に流入する。インバータ１００は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（insulated gate bipolar transistor, IGBT）や金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（metal oxide silicon field effect transistor, MOSFET）などの電力半導体スイッチで構成される。プラント１１０は、系統連系負荷１１１で構成されてもよく、電動機負荷１１２で構成されてもよい。

系統連系負荷１１１及び電動機負荷１１２は、どちらも電気的にインダクタンス成分、損失抵抗成分及び電圧成分の形態で構成されてもよい。すなわち、系統連系負荷１１１は、高調波フィルタインダクタンス、フィルタ損失抵抗及び系統電源の形態で構成され、電動機負荷１１２は、電動機巻線インダクタンス、電動機損失抵抗及び逆起電力の形態で構成される。

図２は図１の電気的単相等価回路図である。

図２を参照すると、インバータ１００から電圧

が発生することにより、出力電流

がプラント１１０に流れる。インダクタンス成分

、損失抵抗成分

及び電圧成分

がプラント１１０の等価回路として構成される。

図３及び図４は様々な実施形態による電流制御装置の構成図である。

図３を参照すると、電流制御装置は、第１比較部３０１、伝達関数適用部３０２、加算部３０３、第２比較部３０４及び演算部３０５を含む。

第１比較部３０１は、制御目標である電流指令

とプラント１１０に実際に供給される出力電流

の電流誤差

を出力する。伝達関数適用部３０２は、電流誤差

にフィードバック（feedback）成分の第１伝達関数を適用して出力電圧

を出力する。加算部３０３は、出力電圧

にフィードフォワード（feedforward）補償成分

を加算してプラント１１０に印加するインバータ電圧

を出力する。ここで、フィードフォワード補償成分

は、負荷の電圧から測定値を引いたものである。ただし、電動機負荷１１２の場合、測定せずに推定することもある。第２比較部３０４は、インバータ電圧

とプラント電圧

の電圧誤差を出力する。演算部３０５は、第２比較部３０４の出力にプラント１１０のインダクタンス成分

及びプラント１１０の損失抵抗成分

を周波数領域で示す第２伝達関数を適用し、プラント１１０に供給する出力電流

を出力する。

図３においてフィードフォワード補償成分

をプラント１１０の電圧成分

と同一に決定した場合、図３の電流制御装置は図４のように等価化することができる。すなわち、図３においてフィードフォワード補償成分

とプラント１１０の電圧成分

が除去された形態となり、それに基づいて電流指令とプラント１１０の電流の関係式を求めると、下記数式２の通りである。

数式２

図５は第１実施形態による伝達関数適用部の詳細構成図である。

図５を参照すると、第１実施形態による電流制御装置は、伝達関数適用部５０２を含む。ここで、電流制御装置は、遮断周波数

を有する１次ローパスフィルタのように動作する。伝達関数適用部５０２は、電流誤差

に遮断周波数

を含むゲインを適用する。伝達関数適用部５０２は、第１適用部５１０、第１演算部５２０、第２演算部５３０、第１積分部５４０、第２積分部５５０、第２適用部５６０及び第３演算部５７０を含む。

第１適用部５１０は、電流誤差

に第１ゲイン

を適用する。ここで、第１ゲイン

は、プラント１１０のインダクタンス成分

及び遮断周波数

によって決定される。第１演算部５２０は、電流誤差

に対して減算を行う。このとき、第１演算部５２０は、第２演算部５３０の出力を用いて、電流誤差

に対して減算を行う。第１積分部５４０は、第１演算部５２０の出力を積分する。第２積分部５５０は、第１積分部５４０の出力を積分する。第２演算部５３０は、電流指令の制御周波数

を用いて、第２積分部５５０の出力に対して乗算を行う。第２適用部５６０は、第１積分部５４０の出力に第２ゲイン

を適用する。ここで、第２ゲイン

は、プラント１１０の損失抵抗成分

及び遮断周波数

によって決定される。第３演算部５７０は、第２適用部５６０の出力を用いて、第１適用部５１０の出力に対して減算を行う。

第１実施形態によれば、伝達関数適用部５０２は、電流誤差

に下記数式３の第１伝達関数Ｃ（ｓ）を適用して出力電圧

を出力する。下記数式３において、第１伝達関数Ｃ（ｓ）の最初の項が第１ゲインであり、第１伝達関数Ｃ（ｓ）の２番目の項が第２ゲインである。下記数式３を上記数式２に代入すると、下記数式４が得られる。ここで、

の値が

より十分に大きいと

、下記数式４は下記数式５に簡略化される。下記数式５は、遮断周波数

を有する１次ローパスフィルタの特性を示す。下記数式５によれば、電流制御装置は、遮断周波数

を有する１次ローパスフィルタのように動作する。

数式３

数式４

数式５

よって、電流指令の大きさがＡである場合（すなわち、

）、上記数式５に基づいて制御される出力電流を時間領域で表すと、下記数式６の通りである。下記数式６において、ｉ（ｔ）の右辺の最初の項は時間が十分に経過すると除去され、ｉ（ｔ）の右辺の２番目の項が定常値を決定する。第１実施形態によれば、定常値は、

の条件を満たす場合、電流指令の大きさ

と同一になる。すなわち、電流制御装置は、遮断周波数

を制御周波数

より十分に大きく設計した場合、正常に動作する。例えば、系統連系インバータが系統電源の高調波の影響を除去するために３００Ｈｚ又は４２０Ｈｚの成分を制御する場合、遮断周波数

が数ｋＨｚに設定されなければならない。

数式６

しかし、遮断周波数

は一般的にインバータ１００のスイッチング周波数より小さい値に制限されるので、５ｋＨｚ又はそれ以下のスイッチング周波数で動作するシステムでは高調波制御性能に多くの制限がある。

図６は第２実施形態による電流制御装置の構成図である。

図６を参照すると、第２実施形態による電流制御装置６００は、比較部６０１、伝達関数適用部６０２及び演算部６０３を含む。比較部６０１は、電流指令

とプラント１１０に供給される出力電流

の電流誤差

を出力する。伝達関数適用部６０２は、電流誤差

にフィードバック成分の第１伝達関数を適用して出力電圧

を出力する。演算部６０３は、出力電圧

に第２伝達関数を適用して出力電流

を出力する。ここで、第２伝達関数は、プラント１１０のインダクタンス成分

及びプラント１１０の損失抵抗成分

に基づいて決定される。

ここで、電流制御装置６００は、電流指令の制御周波数

を中心周波数とする２次バンドパスフィルタのように動作し、変数ｋがバンドパスフィルタの品質係数を示す。第２実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、電流誤差

に変数ｋと電流指令の制御周波数を含むゲインを適用する。伝達関数適用部６０２は、第１適用部６１０、第１演算部６２０、第２演算部６３０、第１積分部６４０、第２積分部６５０、第２適用部６６０、第３演算部６７０、第３適用部６８０及び第４演算部６９０を含む。

第１適用部６１０は、電流誤差

に第１ゲイン

を適用する。ここで、第１ゲイン

は、変数ｋ、プラント１１０のインダクタンス成分

及び電流指令の制御周波数

によって決定される。第１演算部６２０は、電流誤差

に対して減算を行う。このとき、第１演算部６２０は、第２演算部６３０の出力を用いて、電流誤差

に対して減算を行う。第１積分部６４０は、第１演算部６２０の出力を積分する。第２積分部６５０は、第１積分部６４０の出力を積分する。第２演算部６３０は、電流指令の制御周波数

を用いて、第２積分部６５０の出力に対して乗算を行う。第２適用部６６０は、第１積分部６４０の出力に第２ゲイン

を適用する。ここで、第２ゲイン

は、変数ｋ、プラント１１０の損失抵抗成分

及び電流指令の制御周波数

によって決定される。第３演算部６７０は、第２適用部６６０の出力を用いて、第１適用部６１０の出力に対して減算を行う。第３適用部６８０は、第２演算部６３０の出力に第３ゲイン

を適用する。ここで、第３ゲイン

は、変数ｋ、プラント１１０のインダクタンス成分

及び電流指令の制御周波数

によって決定される。第４演算部６９０は、第３適用部６８０の出力を用いて、第３演算部６７０の出力に対して減算を行う。こうすることにより、第４演算部６９０から出力電圧

が出力される。

第２実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、電流誤差

に下記数式１の第１伝達関数Ｃ（ｓ）を適用して出力電圧

を出力する。下記数式１において、第１伝達関数Ｃ（ｓ）の最初の項が第１ゲインであり、第１伝達関数Ｃ（ｓ）の２番目の項が第２ゲインであり、第１伝達関数Ｃ（ｓ）の３番目の項が第３ゲインである。下記数式１を上記数式２に代入すると、下記数式７が得られる。下記数式７は、電流指令の制御周波数

を中心周波数とする２次バンドパスフィルタの特性を示し、変数ｋがバンドパスフィルタの品質係数を示す。下記数式７によれば、電流制御装置６００は、電流指令の制御周波数を中心周波数とする２次バンドパスフィルタのように動作する。

数式１

数式７

よって、電流指令の大きさがＡである場合（すなわち、

）、上記数式７に基づいて制御される出力電流を時間領域で表すと、下記数式８の通りである。下記数式８において、ｉ（ｔ）の右辺の最初の項は時間が十分に経過すると除去され、ｉ（ｔ）の右辺の２番目の項が定常値を決定する。第２実施形態によれば、定常値は、可変要素の影響を受けず、常に電流指令の大きさと同一である。つまり、第１実施形態によれば、

の条件を満たす場合に定常値が電流指令の大きさ

と同一になるのに対し、第２実施形態によれば、無条件に定常値が電流指令の大きさと同一である。

数式８

図７Ａは第１実施形態による電流制御装置の応答特性を説明するための図であり、図７Ｂは第２実施形態による電流制御装置の応答特性を説明するための図である。

図７Ａは上記数式５のボード線図であり、矢印は遮断周波数

が減少する方向を示す。図７Ａを参照すると、第１実施形態による電流制御装置においては、１次ローパスフィルタの特性により、遮断周波数

を十分に大きく設計することができない。よって、遮断周波数

が減少するほど（すなわち、矢印方向に行くほど）制御可能な高調波領域が減少する。

図７Ｂは上記数式７のボード線図であり、矢印は変数ｋが減少する方向を示す。図７Ｂを参照すると、第２実施形態による電流制御装置においては、２次バンドパスフィルタの特性により、変数ｋに関係なく制御周波数

でゲインが１となり、定常性能が改善される。

第２実施形態によれば、電流制御装置が２次バンドパスフィルタのように動作するので、制御変数に関係なく制御周波数で定常誤差が除去される。従って、スイッチング周波数が低いインバータシステムにおいても、高調波電流制御性能を効果的に確保することができる。よって、インバータシステムにおいて高調波補償やデッドタイム補償などの高調波制御性能を向上させることができる。

様々な実施形態によれば、インバータ１００からプラント１１０に供給される出力電流を電流指令に従って制御するための装置６００及び方法が提供される。

様々な実施形態によれば、電流制御装置６００は、電流指令と出力電流の電流誤差を決定する比較部６０１と、電流誤差に電流指令の制御周波数を含むゲインを適用し、出力電圧を出力する伝達関数適用部６０２と、出力電圧から出力電流を出力する演算部６０３とを含む。

様々な実施形態によれば、電流制御装置６００は、制御周波数を中心周波数とする２次バンドパスフィルタのように動作し、定常で電流指令の大きさと同一に出力電流を出力する。

様々な実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、電流誤差にバンドパスフィルタの品質係数を示す変数、制御周波数、プラント１１０のインダクタンス成分及びプラント１１０の損失抵抗成分に基づいて決定される第１伝達関数を適用し、出力電圧を出力する。

様々な実施形態によれば、第１伝達関数は、下記数式１により決定される。

数式１

ここで、ｋは前記変数であり、

は前記制御周波数であり、

は前記インダクタンス成分であり、

は前記損失抵抗成分である。

様々な実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、電流誤差に変数、制御周波数及びプラント１１０のインダクタンス成分によって決定される第１ゲインを適用する第１適用部６１０を含む。

様々な実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、電流誤差に対して減算を行う第１演算部６２０と、第１演算部６２０の出力を積分する第１積分部６４０と、第１積分部６４０の出力に変数、制御周波数及びプラント１１０の損失抵抗成分によって決定される第２ゲインを適用する第２適用部６６０とをさらに含む。

様々な実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、第１積分部６４０の出力を積分する第２積分部６５０と、制御周波数を用いて第２積分部６５０の出力に対して乗算を行う第２演算部６３０と、第２演算部６３０の出力に変数、制御周波数及びプラント１１０のインダクタンス成分によって決定される第３ゲインを適用する第３適用部６８０とをさらに含む。

様々な実施形態によれば、第１演算部６２０は、第２積分部６５０の出力を用いて電流誤差に対して減算を行う。

様々な実施形態によれば、伝達関数適用部６０２は、第２適用部６６０の出力を用いて第１適用部６１０の出力に対して減算を行う第３演算部６７０と、第３適用部６８０の出力を用いて第３演算部６７０の出力に対して減算を行い、出力電圧を出力する第４演算部６９０とをさらに含む。

様々な実施形態によれば、演算部６０３は、出力電圧にプラント１１０のインダクタンス成分及びプラント１１０の損失抵抗成分に基づいて決定される第２伝達関数を適用し、出力電流を出力する。

様々な実施形態によれば、電流制御装置６００の動作方法は、電流指令と出力電流の電流誤差を決定する動作と、電流誤差に電流指令の制御周波数を含むゲインを適用し、出力電圧を出力する動作と、出力電圧から出力電流を出力する動作とを含む。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これらは例示的なものであり、当該技術分野における通常の知識を有する者であればこれらから様々な変形及び均等な実施形態が可能であることを理解するであろう。よって、本発明の権利範囲は添付の特許請求の範囲により定められるべきである。

１００インバータ
１１０プラント
６００電流制御装置
６０１比較部
６０２伝達関数適用部
６０３演算部
６１０第１適用部
６２０第１演算部
６３０第２演算部
６４０第１積分部
６５０第２積分部
６６０第２適用部
６７０第３演算部
６８０第３適用部
６９０第４演算部

Claims

インバータからプラントに供給される出力電流を電流指令に従って制御するための装置において、
前記電流指令と前記出力電流の電流誤差を決定する比較部と、
前記電流誤差に前記電流指令の制御周波数を含むゲインを適用し、出力電圧を出力する伝達関数適用部と、
前記出力電圧から前記出力電流を出力する演算部と、を含む、電流制御装置。
前記制御周波数を中心周波数とする２次バンドパスフィルタのように動作し、定常で前記電流指令の大きさと同一に前記出力電流を出力する、請求項１に記載の電流制御装置。
前記伝達関数適用部は、前記電流誤差に前記バンドパスフィルタの品質係数を示す変数、前記制御周波数、前記プラントのインダクタンス成分及び前記プラントの損失抵抗成分に基づいて決定される第１伝達関数を適用し、前記出力電圧を出力する、請求項２に記載の電流制御装置。
前記第１伝達関数は、下記数式１により決定される、請求項３に記載の電流制御装置。

ここで、ｋは前記変数であり、

は前記制御周波数であり、

は前記インダクタンス成分であり、

は前記損失抵抗成分である。
前記伝達関数適用部は、
前記電流誤差に前記変数、前記制御周波数及び前記プラントのインダクタンス成分によって決定される第１ゲインを適用する第１適用部を含む、請求項３又は４に記載の電流制御装置。
前記伝達関数適用部は、
前記電流誤差に対して減算を行う第１演算部と、
前記第１演算部の出力を積分する第１積分部と、
前記第１積分部の出力に前記変数、前記制御周波数及び前記プラントの損失抵抗成分によって決定される第２ゲインを適用する第２適用部と、をさらに含む、請求項５に記載の電流制御装置。
前記伝達関数適用部は、
前記第１積分部の出力を積分する第２積分部と、
前記制御周波数を用いて前記第２積分部の出力に対して乗算を行う第２演算部と、
前記第２演算部の出力に前記変数、前記制御周波数及び前記プラントのインダクタンス成分によって決定される第３ゲインを適用する第３適用部と、をさらに含む、請求項６に記載の電流制御装置。
前記第１演算部は、前記第２積分部の出力を用いて前記電流誤差に対して減算を行う、請求項７に記載の電流制御装置。
前記伝達関数適用部は、
前記第２適用部の出力を用いて前記第１適用部の出力に対して減算を行う第３演算部と、
前記第３適用部の出力を用いて前記第３演算部の出力に対して減算を行い、前記出力電圧を出力する第４演算部と、をさらに含む、請求項７又は８に記載の電流制御装置。
前記演算部は、前記出力電圧に前記プラントのインダクタンス成分及び前記プラントの損失抵抗成分に基づいて決定される第２伝達関数を適用し、前記出力電流を出力する、請求項１〜９のいずれか一項に記載の電流制御装置。