JP6825627B2 - 電力変換装置及び電流歪の低減方法 - Google Patents
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Description
本出願は、2016年10月4日出願の日本出願第2016−196146号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。
一表現としての本開示は、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置であって、スイッチング素子によって構成される変換部と、前記変換部の交流側に接続された交流リアクトルと、前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記交流リアクトルに流す交流電流のフィードバック制御を行いつつ前記スイッチング素子のスイッチング制御を行い、前記交流電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、小電流値に対して高ゲイン、大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させる制御部と、を備えている電力変換装置である。
例えばフルブリッジインバータは、4個のスイッチング素子がブリッジ接続されて構成されている。直流電圧が印加される2線間にある1つのレグは、上アームのスイッチング素子と、下アームのスイッチング素子とが、互いに直列接続されている。従って、上アームのスイッチング素子と、下アームのスイッチング素子とが互いに同時にオンになると、上記2線間を短絡することになってしまう。そこで、上アームのスイッチング素子及び下アームのスイッチング素子は必ず交互にオンするよう制御し、しかも、同時にオン状態である瞬間ができないよう、上下のスイッチング素子がオン/オフを交代する時間帯に、上下のスイッチング素子が共にオフとなるデッドタイムを設ける。
本開示によれば、電力変換装置において、より確実性のある歪の低減を実現することができる。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
この場合、リアクトル固有の直流重畳特性を反映したゲイン特性とすることができる。すなわち、相対的に、交流リアクトルのインダクタンスが電流の増大により低下するとゲインも低下して、安定した制御を行うことができ、交流リアクトルのインダクタンスが電流の減少により上昇するとゲインも上昇して、フィードバック制御の追従性を高めることができる。
この場合、ゲインは、ゼロクロスで最高となり、ピーク値で最低となるように滑らかに変化する。
この場合、電流目標値に基づいてゲイン特性が得られるので、フィードバック制御の安定性を、より確実に得ることができる。
この場合、実際の検出値に即応したゲイン特性を得ることができる。
すなわち、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置であって、スイッチング素子によって構成される変換部と、前記変換部の交流側に接続された交流リアクトルと、前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、前記交流リアクトルに流す交流電流のフィードバック制御を行いつつ前記スイッチング素子のスイッチング制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記交流リアクトルにおける電流対インダクタンスの直流重畳特性に対応して、前記交流電流の1周期内で、前記交流電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、ゼロクロス及びその近傍の小電流値に対して高ゲイン、ピーク値及びその近傍の大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させる、電力変換装置である。
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置について、図面を参照して説明する。
図1は、第1例に係る電力変換装置の回路図である。図において、電力変換装置は、例えば太陽光発電パネルである直流電源2と交流電路3との間に設けられ、直流電源2の直流電圧が交流電路3の交流電圧のピーク値(波高値)より高い状態で、直流から交流へ電力変換を行うことができる。交流電路3には、電力変換装置1が設置されている需要家の負荷4L、及び、商用電力系統4Pが接続されている。
DCバス8に接続されたインバータ10は、フルブリッジ回路を構成するスイッチング素子Q3〜Q6を備えている。これらスイッチング素子Q3〜Q6は、例えば、MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)である。MOSFETの場合は、スイッチング素子Q3〜Q6がそれぞれ、ダイオード(ボディダイオード)d3〜d6を有している。各スイッチング素子Q3〜Q6は、制御部14により制御される。
図3は、第2例に係る電力変換装置の回路図である。図において、電力変換装置1は、例えば太陽光発電パネルである直流電源2と、交流電路3との間に設けられ、直流電源2の直流電圧が交流電路3の交流電圧のピーク値(波高値)より高い状態で、直流から交流へ電力変換を行うことができる。交流電路3には、電力変換装置1が設置されている需要家の負荷4Lが接続される。すなわち、これは、商用電力系統とは接続されずに、自立運転する電力変換装置1である。電力変換装置1内の回路構成は図1と同様である。
図4は、制御部14によって実行される、自立運転の場合のフィードバック制御の制御ブロック図である。
図4において、インバータ出力電圧目標値と、インバータ出力電圧検出値とは、加算部141において比較され、その差が電圧制御の補償部142を通った出力が交流リアクトル出力電流目標値となる。そして、交流リアクトル出力電流目標値と、交流リアクトル出力電流検出値とは、加算部143において比較され、その差が電流制御の補償部144を通った出力が交流リアクトル出力電流参照波となって三角波と比較され、インバータ10を駆動するPWMパルスが生成される。
次に、さらに複雑な制御の例について説明する。
図5は、第3例に係る電力変換装置の回路図の一例である。図において、電力変換装置1は、直流電源2と交流電路3との間に設けられ、直流電源2の直流電圧が交流電路3の交流電圧のピーク値(波高値)より低い状態で、直流から交流へ、又は必要によりその逆に、電力変換を行うことができる。交流電路3には、電力変換装置1が設置されている需要家の負荷4L、及び、商用電力系統4Pが接続されている。
次に、上記第3例に係る電力変換装置1において実行される最小スイッチング方式の動作について、その概要を説明する。
図6及び図7は、最小スイッチング変換方式における、DC/DCコンバータ6及びインバータ10の動作の特徴を簡略に示す波形図である。両図は同じ内容を示しているが、図6は特に、直流入力から交流出力までの振幅の関係が見やすいように表示し、図7は特に、制御のタイミングが見やすいように表示している。図6の上段及び図7の左欄はそれぞれ、比較のために、最小スイッチング変換方式ではない伝統的なスイッチング制御を表す波形図である。また、図6の下段及び図7の右欄はそれぞれ、最小スイッチング変換方式の動作を示す波形図である。
図8は、電力変換装置1が直流から交流への電力変換を行っている場合に、制御部14によって実行される、DC/DCコンバータ6及びインバータ10の制御処理を示すフローチャートである。
〈Pin〉=〈Iin×Vg〉 ・・・(1)
ここで、Iinは、電流センサ16によって検出されるDC/DCコンバータ電流検出値である。また、Vgは、電圧センサ15によって検出される直流入力電圧検出値である。
なお、式(1)以外の以下に示す制御に関する各式においては、電流検出値Iin、及び直流入力電圧検出値Vgは、平均化されていない瞬時値が用いられる。
〈Ia*〉=η〈Ig*×Vg〉/〈Va〉 ・・・(2)
ここで、ηは電力変換装置1の変換効率を表す定数である。Vaは、電圧センサ19によって検出される、系統電圧検出値である。
Ia*=(√2)×〈Ia*〉×sinωt ・・・(3)
このようにして、制御部14は、入力電力平均値〈Pin〉及び系統電圧検出値Vaに基づいて出力電流目標値Ia*を求める。
Iinv*=Ia* + s CaVa ・・・(4)
ここで、Caは、交流側コンデンサ13の静電容量、sはラプラス演算子である(以下同様。)。式(4)中の右辺第2項は、フィルタ回路11の交流側コンデンサ13に流れる電流を考慮して加算した値である。
Vinv*=Va+ZaIinv* ・・・(5)
ここで、Zaは、交流リアクトル12のインピーダンスである。
式(5)の右辺第2項は、交流リアクトル12の両端に発生する電圧を考慮して加算した値である。
直流電圧Vgfとは、Vgに直流リアクトル7のインピーダンスZによる電圧降下を考慮した電圧であり、DC/DCコンバータ電流検出値をIinとして、Vgf=Vg−ZIinである。従って、
Vo*=Max(Vg−ZIin,|Vinv*|) ・・・(6)
とすることができる。
Iin*={(Iinv*×Vinv*) +(s C Vo*)×Vo*}
/(Vg−ZIin) ・・・(7)
ここで、Cは、中間コンデンサ9の静電容量である。
Iin*=(Iinv*×Vinv*)/Vg ・・・(8)
この式(8)によって求まるIin*を、式(6)、(7)の右辺に含まれるIinとして用いることができる。
DC/DCコンバータ6は、このDC/DCコンバータ電流目標値Iin*によって、フィードバック制御される。
ステップS4のフィードバック制御は、インバータ電流目標値Iinv*と、インバータ電流検出値Iinvに基づいて行われる。
ステップS8のフィードバック制御は、DC/DCコンバータ電流目標値Iin*と、DC/DCコンバータ電流検出値Iinとに基づいて行われる。ここで、DC/DCコンバータ電流目標値Iin*は、インバータ電流目標値Iinv*に基づいている(式(7)、式(8))。
従って、どちらのフィードバック制御も、インバータ電流目標値Iinv*に基づいている。
以上のように、電力変換装置1の回路構成の第1例〜第3例を挙げたが、いずれも、交流リアクトル12の電流制御(インバータ電流制御)が基本になっている。電流制御は一般的なフィードバック制御と同様に、ゲイン(比例係数)を大きくすると目標値への追従性は良くなるが、発振するなどの、不安定動作に至りやすい。逆に、ゲインが小さいと、安定性は良くなるが目標値への追随性が低下する。目標値に対する追随性の低下は出力電流の波形の歪につながる。
G=L・f ・・・(9)
一方、ゼロクロス近傍を除く領域では、絶対値でのピーク値に近いほど、歪は少ない。
そこで、ゲインを出力電流の1周期内で変化させることが考えられる。
総合歪率:4.1%
3次高調波:3.1%
5次高調波:1.7%
7次高調波:1.1%
総合歪率:2.4%
3次高調波:1.3%
5次高調波:1.0%
7次高調波:0.67%
以上のように、このフィードバック制御の基本は、交流リアクトル12に流す交流電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、小電流値に対して高ゲイン、大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させることである。これにより、交流リアクトル12を通して流れる交流電流の波形のゼロクロス近傍(小電流値)では相対的に高ゲインでフィードバック制御の追従性を高めることができる。また、交流電流の波形のピーク値近傍(大電流値)では相対的に低ゲインでフィードバック制御の安定性を確保し、発振を防止することができる。このようにして、交流電流のゼロクロス近傍での波形の歪を確実に抑制することができる。
逆に、交流電流が、電流センサによる検出値である場合には、実際の検出値に即応したゲイン特性を得ることができる。
なお、第1例〜第3例の電力変換装置1は、例示に過ぎない。相対的に、小電流値に対して高ゲイン、大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させることは、交流リアクトルを介して出力する変換部を有する各種の電力変換装置に適用することができる。
2 直流電源
3 交流電路
4L 負荷
4P 商用電力系統
5 直流側コンデンサ
6 DC/DCコンバータ
7 直流リアクトル
8 DCバス
9 中間コンデンサ
10 インバータ
11 フィルタ回路
12 交流リアクトル
13 交流側コンデンサ
14 制御部
15 電圧センサ
16 電流センサ
17 電圧センサ
18 電流センサ
19 電圧センサ
141 加算部
142 補償部
143 加算部
144 補償部
d1〜d6 ダイオード
Q1〜Q6 スイッチング素子
Claims (7)
- 直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
スイッチング素子によって構成される変換部と、
前記変換部の交流側に接続された交流リアクトルと、
前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記交流リアクトルに流す交流電流のフィードバック制御を行いつつ前記スイッチング素子のスイッチング制御を行い、前記交流電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、小電流値に対して高ゲイン、大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させる制御部と、を備え、
前記ゲイン特性は、前記交流リアクトルにおける電流対インダクタンスの直流重畳特性に対応したものである電力変換装置。 - 前記ゲイン特性は、前記交流リアクトルに流れる交流電流の位相に関して、ゼロクロスで最高ゲイン、ゼロクロスから離れてピーク値に近いほどゲインが滑らかに低下し、ピーク値で最低ゲインとなるものである請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記交流電流とは、前記制御部における演算上の電流目標値である請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記交流電流とは、前記電流センサによる検出値である請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
- 直流電源と交流電路との間に設けられ、前記直流電源の直流電圧が前記交流電路の交流電圧のピーク値より低い状態で直流/交流の電力変換を行う、請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の電力変換装置であって、
前記直流電源とDCバスとの間に設けられたDC/DCコンバータと、
前記DCバスに接続され、前記DCバスの電圧に含まれる前記交流電圧の周波数の2倍の脈動を平滑しない程度の小容量の中間コンデンサと、
前記DCバスに接続されたインバータと、
前記インバータと前記交流電路との間に設けられ、前記交流リアクトル及び交流側コンデンサを含むフィルタ回路と、を備え、
前記DC/DCコンバータ及び前記インバータが、前記変換部を構成し、
前記制御部は、前記直流電圧から前記交流電圧を生成するにあたって、交流1サイクル内で、前記DC/DCコンバータにより前記直流電圧を昇圧し、前記インバータは極性の非反転通過及び反転通過のいずれか一方を行う時期、及び、前記DC/DCコンバータを停止して、前記インバータにより降圧並びに、極性の非反転通過及び反転通過のいずれか一方を行う時期が、交互に出現するよう制御する、電力変換装置。 - スイッチング素子によって構成される変換部、及び、前記変換部の交流側に接続された交流リアクトルを備え、直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置において、前記交流リアクトルに流れる電流について制御部によって実行される電流歪の低減方法であって、
前記交流リアクトルに流す交流電流のフィードバック制御を行いつつ前記スイッチング素子のスイッチング制御を行い、前記交流電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、小電流値に対して高ゲイン、大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させ、前記ゲイン特性は、前記交流リアクトルにおける電流対インダクタンスの直流重畳特性に対応したものである、
電流歪の低減方法。 - 直流と交流との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
スイッチング素子によって構成される変換部と、
前記変換部の交流側に接続された交流リアクトルと、
前記交流リアクトルに流れる電流を検出する電流センサと、
前記交流リアクトルに流す交流電流のフィードバック制御を行いつつ前記スイッチング素子のスイッチング制御を行う制御部と、を備え、
前記制御部は、前記交流リアクトルにおける電流対インダクタンスの直流重畳特性に対応して、前記交流電流の1周期内で、前記交流電流の瞬時値に対するゲイン特性が、相対的に、ゼロクロス及びその近傍の小電流値に対して高ゲイン、ピーク値及びその近傍の大電流値に対して低ゲインの関係となるようにフィードバックゲインを変化させる、電力変換装置。
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