JP6914132B2 - Ｐｗｍコンバータ制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、交流電力を直流電力に変換するＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ：パルス幅変調制御）コンバータに用いる制御装置に関し、特に、交流側の系統電源電圧に対して直流側の直流電圧（バス電圧）を制御する制御装置に関する。

従来、ＰＷＭコンバータは、半導体スイッチング素子を制御することにより、系統電源から入力された交流電力を、任意の直流電力に変換する電力変換器である。ＰＷＭコンバータは、モータを駆動するためのインバータの直流電源となったり、無停電電源装置または太陽光発電装置の構成要素の１つとなったりする等、幅広い分野で利用されている（例えば、特許文献１を参照）。

このＰＷＭコンバータを制御する制御装置（以下、「ＰＷＭコンバータ制御装置」という。）は、直流側のバス電圧を所定の設定電圧に一致させるための電圧指令を生成し、電圧指令をＰＷＭコンバータへ出力する。ＰＷＭコンバータは電圧指令を入力すると、電圧指令に従って、ＰＷＭコンバータに備えた半導体スイッチング素子のゲートがオン／オフする。そして、バス電圧は、所定の設定電圧に一致するようになる。

特開２０１０−１３０７４１号公報

従来のＰＷＭコンバータ制御装置においては、直流側のバス電圧を所定の設定電圧に一致させる制御を行う際に、交流側の系統電源電圧に対してバス電圧を昇圧していた。つまり、バス電圧が系統電源電圧よりも高いことを前提に、制御が行われる。

このため、例えばＰＷＭコンバータの直流側（出力側）に接続された負荷が高くなった場合、またはサージ電圧を抑える必要がある場合には、バス電圧が低下してしまい、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなる可能性がある。また、何らかの原因で系統電源電圧が上昇した場合も、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなる可能性がある。

バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合には、ＰＷＭコンバータ制御装置において、バス電圧を所定の設定電圧に一致させる制御を実現することができないという問題があった。

そこで、本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合も、バス電圧を所定の設定電圧に一致させる制御を実現可能なＰＷＭコンバータ制御装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、請求項１のＰＷＭコンバータ制御装置は、系統電源から供給された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータに対し、直流側のバス電圧が所定の設定電圧に一致するように制御するＰＷＭコンバータ制御装置において、前記ＰＷＭコンバータを制御するｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令に基づいて、前記系統電源側の系統電源電圧を端子電圧指令フィードバックとして生成する端子電圧指令算出部と、前記バス電圧として検出されたバス電圧フィードバックに所定のゲインを乗算して電源電圧指令を求め、当該電源電圧指令から前記端子電圧指令算出部により生成された前記端子電圧指令フィードバックを減算して端子電圧偏差を求め、当該端子電圧偏差が０となるようにｄ軸電流指令を求め、当該ｄ軸電流指令と前記系統電源側の３相電流から得られたｄ軸電流フィードバックとの間の偏差が０となるように、比例制御及び積分制御にて前記ｄ軸電圧指令を求めるｄ軸制御部と、所定のバス電圧指令と前記バス電圧フィードバックとの間のバス電圧偏差が０となるようにｑ軸電流指令を求め、当該ｑ軸電流指令と前記系統電源側の３相電流から得られたｑ軸電流フィードバックとの間の偏差が０となるように、比例制御及び積分制御にて電圧指令を求め、当該電圧指令に、前記ｄ軸電流指令に基づいて算出された補償電圧を加算し、前記ｑ軸電圧指令を求めるｑ軸制御部と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項２のＰＷＭコンバータ制御装置は、請求項１に記載のＰＷＭコンバータ制御装置において、前記ｄ軸制御部が、前記バス電圧フィードバックに前記所定のゲインを乗算し、前記電源電圧指令を求める第１の乗算器と、前記第１の乗算器により求めた前記電源電圧指令から前記端子電圧指令フィードバックを減算し、前記端子電圧偏差を求める第１の減算器と、前記第１の減算器により求めた前記端子電圧偏差が０となるように、電流指令を生成する端子電圧制御器と、前記端子電圧制御器により生成した前記電流指令に対し、０から所定のマイナスの値までの範囲で制限を加え、制限後の前記電流指令を前記ｄ軸電流指令として求める第１のリミッタと、前記第１のリミッタにより求めた前記ｄ軸電流指令から前記ｄ軸電流フィードバックを減算し、ｄ軸電流偏差を求める第２の減算器と、前記第２の減算器により求めた前記ｄ軸電流偏差が０となるように、前記比例制御及び前記積分制御にて前記ｄ軸電圧指令を求める電流制御器と、を備えたことを特徴とする。

また、請求項３のＰＷＭコンバータ制御装置は、請求項１または２に記載のＰＷＭコンバータ制御装置において、さらに、前記ｄ軸制御部及び前記ｑ軸制御部における前記積分制御のワインドアップを防止するための積分ゲインを求めるワインドアップ防止部を備え、前記ワインドアップ防止部が、前記バス電圧フィードバックに所定のバス電圧利用率を乗算し、乗算後のバス電圧フィードバックを求める第２の乗算器と、前記第２の乗算器により求めた前記乗算後のバス電圧フィードバックから、前記端子電圧指令算出部により生成された前記端子電圧指令フィードバックを減算し、電圧偏差を求める第３の減算器と、前記第３の減算器により求めた前記電圧偏差に対し、０から所定のマイナスの値までの範囲で制限を加え、制限後の電圧偏差を求める第２のリミッタと、前記第２のリミッタにより求めた前記制限後の電圧偏差がマイナスの場合、前記積分制御のワインドアップを防止するための積分ゲインを求める演算器と、を備えたことを特徴とする。

以上のように、本発明によれば、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合も、バス電圧を所定の設定電圧に一致させる制御を実現することが可能となる。

本発明の実施形態によるＰＷＭコンバータ制御装置を含む制御システムの構成例を示す全体図である。 ＰＷＭコンバータ制御装置の構成例を示すブロック図である。 ｄ軸制御部の構成例を示すブロック図である。 ｑ軸制御部の構成例を示すブロック図である。 ワインドアップ防止部の構成例を示すブロック図である。 マイナスの値のｄ軸電流により端子電圧が低下することを説明する図である。 計算機シミュレーション結果を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を用いて詳細に説明する。
〔制御システム〕
図１は、本発明の実施形態によるＰＷＭコンバータ制御装置を含む制御システムの構成例を示す全体図である。この制御システムは、ＰＷＭコンバータ制御装置１、ＰＷＭコンバータ２、系統電源３、リアクタ４、電流検出器５、電圧検出器６及び平滑用コンデンサ７を備えて構成される。

ＰＷＭコンバータ制御装置１は、電流検出器５からＲ相電流フィードバックＩ_R、Ｓ相電流フィードバックＩ_S及びＴ相電流フィードバックＩ_Tを入力すると共に、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力する。

ＰＷＭコンバータ制御装置１は、バス電圧フィードバックｅ_busから得られる直流側のバス電圧と、後述する端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*に相当する交流側の系統電源電圧との間の偏差が０となるように、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*を生成する。そして、ＰＷＭコンバータ制御装置１は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*からｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を生成する。

ＰＷＭコンバータ制御装置１は、所定のバス電圧指令ｅ_bus ^*とバス電圧フィードバックｅ_busとの間の偏差が０となるように、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*を生成し、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*からｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を生成する。

ＰＷＭコンバータ制御装置１は、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を、Ｒ相電圧指令Ｖ_R ^*、Ｓ相電圧指令Ｖ_S ^*及びＴ相電圧指令Ｖ_T ^*に変換する。そして、ＰＷＭコンバータ制御装置１は、Ｒ相電圧指令Ｖ_R ^*、Ｓ相電圧指令Ｖ_S ^*及びＴ相電圧指令Ｖ_T ^*をＰＷＭコンバータ２へ出力する。

リアクタ４は、系統電源３からＰＷＭコンバータ２へ供給される交流電力のエネルギー制御用のインダクタンス機器であり、電流変化を抑制するために用いられる。

電流検出器５は、系統電源３からＰＷＭコンバータ２へ供給される交流電力の電流値を検出する。電流検出器５は、検出した電流値を、Ｒ相電流フィードバックＩ_R、Ｓ相電流フィードバックＩ_S及びＴ相電流フィードバックＩ_TとしてＰＷＭコンバータ制御装置１へ出力する。

ＰＷＭコンバータ２は、系統電源３からリアクタ４を介して供給される交流電力を入力する。また、ＰＷＭコンバータ２は、ＰＷＭコンバータ制御装置１から、Ｒ相電圧指令Ｖ_R ^*、Ｓ相電圧指令Ｖ_S ^*及びＴ相電圧指令Ｖ_T ^*を入力する。

ＰＷＭコンバータ２は、Ｒ相電圧指令Ｖ_R ^*、Ｓ相電圧指令Ｖ_S ^*及びＴ相電圧指令Ｖ_T ^*に基づいて、系統電源３からの交流電力を直流電力に変換する。そして、ＰＷＭコンバータ２は、直流電力を、平滑用コンデンサ７を介して図示しない負荷へ出力する。

電圧検出器６は、ＰＷＭコンバータ２と図示しない負荷との間の直流バスの電圧を検出し、この直流電圧をバス電圧フィードバックｅ_busとしてＰＷＭコンバータ制御装置１へ出力する。

平滑用コンデンサ７は、ＰＷＭコンバータ２と図示しない負荷との間の直流バスに挿入されている。平滑用コンデンサ７は、ＰＷＭコンバータ２から図示しない負荷へ供給される直流電力の電圧を平滑化する。

〔ＰＷＭコンバータ制御装置１〕
次に、図１に示したＰＷＭコンバータ制御装置１について詳細に説明する。図２は、ＰＷＭコンバータ制御装置１の構成例を示すブロック図である。このＰＷＭコンバータ制御装置１は、端子電圧指令算出部１０、ｄ軸制御部１１、ｑ軸制御部１２、ワインドアップ防止部１３及び座標変換部１４，１５を備えている。

端子電圧指令算出部１０は、ｄ軸制御部１１により生成されたｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を入力すると共に、ｑ軸制御部１２により生成されたｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を入力する。そして、端子電圧指令算出部１０は、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令ｖ_q ^*に基づいて、以下の式にて、端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を算出する。
〔数１〕
ｖ₁ ^*＝√（ｖ_d ^*２＋ｖ_q ^*２） ・・・（１）

端子電圧指令算出部１０は、端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*をｄ軸制御部１１及びワインドアップ防止部１３に出力する。端子電圧指令算出部１０により算出される端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*は、系統電源３の交流電圧に対応する直流電圧、すなわち系統電源電圧に相当する。

ｄ軸制御部１１は、端子電圧指令算出部１０から端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を入力すると共に、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力する。また、ｄ軸制御部１１は、ワインドアップ防止部１３により算出された可変積分ゲインＫ_iを入力すると共に、ｑ軸制御部１２により生成されたｑ軸電流指令ｉ_q ^*を入力する。さらに、ｄ軸制御部１１は、座標変換部１５により変換されたｄ軸電流フィードバックｉ_dを入力する。

ｄ軸制御部１１は、バス電圧フィードバックｅ_busから得られるバス電圧と、端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*に相当する系統電源電圧との間の偏差が０となるように、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*を生成する。バス電圧が系統電源電圧よりも低い場合、マイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*が生成される。そして、ｄ軸制御部１１は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*をｑ軸制御部１２に出力する。

ｄ軸制御部１１は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*とｄ軸電流フィードバックｉ_dとの間の偏差が０となるように、可変積分ゲインＫ_iを用いてｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を生成する。バス電圧が系統電源電圧よりも低い場合、以前（バス電圧が系統電源電圧と同等のとき）よりも小さい値のｄ軸電圧指令ｖ_d ^*が生成される。そして、ｄ軸制御部１１は、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を座標変換部１４及び端子電圧指令算出部１０に出力する。

ｑ軸制御部１２は、所定のバス電圧指令ｅ_bus ^*を入力すると共に、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力する。また、ｑ軸制御部１２は、ワインドアップ防止部１３により算出された可変積分ゲインＫ_iを入力すると共に、ｄ軸制御部１１からｄ軸電流指令ｉ_d ^*を入力する。さらに、ｑ軸制御部１２は、座標変換部１５により変換されたｑ軸電流フィードバックｉ_qを入力する。

ｑ軸制御部１２は、バス電圧指令ｅ_bus ^*とバス電圧フィードバックｅ_busとの間の偏差が０となるように、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*を生成し、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*をｄ軸制御部１１に出力する。ｑ軸制御部１２は、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*とｑ軸電流フィードバックｉ_qとの間の偏差が０となるように、可変積分ゲインＫ_iを用いて電圧指令を生成する。ｑ軸制御部１２は、電圧指令に、ｄ軸からｑ軸への電圧干渉を補償するｑ軸補償電圧等を加算してｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を生成する。バス電圧が系統電源電圧よりも低い場合、以前よりも小さい値のｑ軸電圧指令ｖ_q ^*が生成される。そして、ｑ軸制御部１２は、ｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を座標変換部１４及び端子電圧指令算出部１０に出力する。

ワインドアップ防止部１３は、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力すると共に、端子電圧指令算出部１０から端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を入力する。ワインドアップ防止部１３は、バス電圧フィードバックｅ_bus及び端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*に基づいて、ｄ軸制御部１１及びｑ軸制御部１２の電流制御における積分制御のワインドアップを防止するための可変積分ゲインＫ_iを算出する。そして、ワインドアップ防止部１３は、可変積分ゲインＫ_iをｄ軸制御部１１及びｑ軸制御部１２に出力する。

座標変換部１４は、ｄ軸制御部１１からｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を入力すると共に、ｑ軸制御部１２からｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を入力する。座標変換部１４は、図示しない電気角に基づいて、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令ｖ_q ^*をＲ相電圧指令Ｖ_R ^*、Ｓ相電圧指令Ｖ_S ^*及びＴ相電圧指令Ｖ_T ^*に座標変換する。そして、座標変換部１４は、Ｒ相電圧指令Ｖ_R ^*、Ｓ相電圧指令Ｖ_S ^*及びＴ相電圧指令Ｖ_T ^*をＰＷＭコンバータ２へ出力する。

座標変換部１５は、電流検出器５からＲ相電流フィードバックＩ_R、Ｓ相電流フィードバックＩ_S及びＴ相電流フィードバックＩ_Tを入力する。座標変換部１５は、図示しない電気角に基づいて、Ｒ相電流フィードバックＩ_R、Ｓ相電流フィードバックＩ_S及びＴ相電流フィードバックＩ_Tをｄ軸電流フィードバックｉ_d及びｑ軸電流フィードバックｉ_qに座標変換する。そして、座標変換部１５は、ｄ軸電流フィードバックｉ_dをｄ軸制御部１１に出力し、ｑ軸電流フィードバックｉ_qをｑ軸制御部１２に出力する。

〔ｄ軸制御部１１〕
次に、図２に示したｄ軸制御部１１について詳細に説明する。図３は、ｄ軸制御部１１の構成例を示すブロック図である。このｄ軸制御部１１は、乗算器２０，２７、リミッタ２１，２４、減算器２２，２５，２８、端子電圧制御器２３及び電流制御器２６を備えている。

乗算器２０は、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力し、予め設定されたゲインγにバス電圧フィードバックｅ_busを乗算し、乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busをリミッタ２１に出力する。

リミッタ２１は、乗算器２０から乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busを入力し、乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busに対し、予め設定された上限値から下限値までの範囲で制限を加える。そして、リミッタ２１は、リミッタ後（制限後）のバス電圧フィードバックｅ_busを電源電圧指令ｅ₁ ^*として減算器２２に出力する。この電源電圧指令ｅ₁ ^*は、ＰＷＭコンバータ制御装置１の直流側のバス電圧に相当する。

具体的には、リミッタ２１は、入力した乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busが上限値以上の場合、上限値を電源電圧指令ｅ₁ ^*に設定し、上限値の電源電圧指令ｅ₁ ^*を出力する。また、リミッタ２１は、入力した乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busが上限値よりも小さく、かつ下限値よりも大きい場合、入力した乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busを電源電圧指令ｅ₁ ^*としてそのまま出力する。

さらに、リミッタ２１は、入力した乗算後のバス電圧フィードバックｅ_busが下限値以下の場合、下限値を電源電圧指令ｅ₁ ^*に設定し、下限値の電源電圧指令ｅ₁ ^*を出力する。

減算器２２は、リミッタ２１からバス電圧である電源電圧指令ｅ₁ ^*を入力すると共に、端子電圧指令算出部１０から端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を入力する。この端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*は、ＰＷＭコンバータ制御装置１の交流側の系統電源電圧に相当する。そして、減算器２２は、バス電圧である電源電圧指令ｅ₁ ^*から系統電源電圧である端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を減算して端子電圧偏差を求め、端子電圧偏差を端子電圧制御器２３に出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、電源電圧指令ｅ₁ ^*が端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*よりも小さくなるから、減算器２２から出力される端子電圧偏差は、マイナスの値となる。

端子電圧制御器２３は、減算器２２から端子電圧偏差を入力し、端子電圧偏差が０となるように、ＰＩ制御（比例制御及び積分制御）により端子電流指令を生成し、端子電流指令をリミッタ２４に出力する。

リミッタ２４は、端子電圧制御器２３から端子電流指令を入力し、端子電流指令に対し、予め設定された上限値（０）から下限値（−１．５）までの範囲で制限を加える。そして、リミッタ２４は、０またはマイナスの値の端子電流指令をｄ軸電流指令ｉ_d ^*として、減算器２５及びｑ軸制御部１２に出力する。

具体的には、リミッタ２４は、入力した端子電流指令が上限値（０）以上の場合、上限値（０）をｄ軸電流指令ｉ_d ^*に設定し、０の値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*を出力する。また、リミッタ２４は、入力した端子電流指令が上限値（０）よりも小さく、かつ下限値（−１．５）よりも大きい場合、入力した端子電流指令をｄ軸電流指令ｉ_d ^*としてそのまま出力する。

さらに、リミッタ２４は、入力した端子電流指令が下限値（−１．５）以下の場合、下限値（−１．５）をｄ軸電流指令ｉ_d ^*に設定し、−１．５の値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*を出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、リミッタ２４にはマイナスの値の端子電圧偏差が入力されるから、リミッタ２４から出力されるｄ軸電流指令ｉ_d ^*も、マイナスの値となる。これに対し、バス電圧が系統電源電圧以上となった場合、リミッタ２４には０またはプラスの値の端子電圧偏差が入力されるから、リミッタ２４から出力されるｄ軸電流指令ｉ_d ^*は、０の値となる。

減算器２５は、リミッタ２４から、０から−１．５までの範囲のｄ軸電流指令ｉ_d ^*を入力すると共に、座標変換部１５からｄ軸電流フィードバックｉ_dを入力する。そして、減算器２５は、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*からｄ軸電流フィードバックｉ_dを減算し、ｄ軸電流偏差を求め、ｄ軸電流偏差を電流制御器２６に出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、減算器２５にはマイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*が入力されるから、減算器２５から出力されるｄ軸電流偏差は、マイナスの値となる。

電流制御器２６は、減算器２５からｄ軸電流偏差を入力すると共に、ワインドアップ防止部１３から可変積分ゲインＫ_iを入力する。そして、電流制御器２６は、ｄ軸電流偏差が０となるように、予め設定された比例ゲイン及び入力した可変積分ゲインＫ_iによるＰＩ制御により電圧指令を生成し、電圧指令を減算器２８に出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、電流制御器２６にはマイナスの値のｄ軸電流偏差が入力され、電流制御器２６から出力される電圧指令は、以前よりも小さくなる。

乗算器２７は、ｑ軸からｄ軸への電圧干渉を補償するために、ｄ軸補償電圧を生成する。具体的には、乗算器２７は、ｑ軸制御部１２からｑ軸電流指令ｉ_q ^*を入力し、予め設定されたｑ軸リアクタンス補償Ｘ_q ^{^}にｑ軸電流指令ｉ_q ^*を乗算し、ｄ軸補償電圧を求め、ｄ軸補償電圧を減算器２８に出力する。

減算器２８は、電流制御器２６から電圧指令を入力すると共に、乗算器２７からｄ軸補償電圧を入力する。そして、減算器２８は、電圧指令からｄ軸補償電圧を減算し、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を求め、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を座標変換部１４及び端子電圧指令算出部１０に出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、減算器２８には電流制御器２６から以前よりも小さい値の電圧指令が入力され、減算器２８から出力されるｄ軸電圧指令ｖ_d ^*も、以前よりも小さい値となる。この場合、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*はマイナスの値であるから、系統電源３には、マイナスの値の電流（−ｉ_d）が流れる。

このように、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、ｄ軸制御部１１から以前よりも小さい値のｄ軸電圧指令ｖ_d ^*が出力される。これにより、系統電源電圧を下げることができる。端子電圧指令算出部１０により前記式（１）を用いて算出される端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*が小さくなり、減算器２２において、系統電源電圧である端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*が、バス電圧である電源電圧指令ｅ₁ ^*に近くなる。

図６は、マイナスの値のｄ軸電流（−ｉ_d）により端子電圧ｖ₁が低下することを説明する図である。より詳細には、マイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*により、系統電源３にマイナスの値の電流（−ｉ_d）が流れ、結果として、系統電源３側の端子電圧ｖ₁である系統電源電圧が低下することを示している。

系統電源３にｑ軸電流（ｉ_q）が流れており、系統電源電圧を電源電圧フィードバックｅ₁とする。ｑ軸電流（ｉ_q）によるｄ軸電圧αの位相は、ｑ軸電流（ｉ_q）に対して９０°進む。

ｄ軸電圧αは、ｑ軸リアクタンスＸ_qにｑ軸電流（ｉ_q）を乗算して得られる（Ｘ_q×ｉ_q）。つまり、ｄ軸電圧αは、図３に示した乗算器２７においてｑ軸リアクタンス補償Ｘ_q ^{^}にｑ軸電流指令ｉ_q ^*を乗算して得られるｄ軸補償電圧に相当する。このときの端子電圧ｖ₁-1は、図６に示すとおりである。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなると、マイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*が生成され、系統電源３にマイナスの値の電流（−ｉ_d）が流れる。そうすると、マイナスの値の電流（−ｉ_d）によるｑ軸電圧βに位相は、マイナスの値の電流（−ｉ_d）に対して９０°進む。

ｑ軸電圧βは、ｄ軸リアクタンスＸ_dにｄ軸電流（−ｉ_d）を乗算して得られる（−Ｘ_d×ｉ_d）。つまり、ｑ軸電圧βは、後述する図４に示す乗算器３５において、ｄ軸リアクタンス補償Ｘ_d ^{^}にｄ軸電流指令ｉ_d ^*を乗算して得られるｑ軸補償電圧に相当する。このときの端子電圧ｖ₁-2は、図６に示すとおりである。

このように、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなると、マイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*が生成され、マイナスの値のｄ軸電流（−ｉ_d）が流れる。そして、以前よりも小さい値のｄ軸電圧指令ｖ_d ^*が生成され、また、以前よりも小さい値のｑ軸電圧指令ｖ_q ^*が生成される。このとき、図６に示すように、端子電圧ｖ₁-1は端子電圧ｖ₁-2に変化し、端子電圧ｖ₁-2は端子電圧ｖ₁-1よりも小さくなる。

端子電圧ｖ₁は端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*に対応しているから、端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*も小さくなる。そして、図３に示したｄ軸制御部１１の減算器２２において、系統電源電圧である端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*が、バス電圧である電源電圧指令ｅ₁ ^*に近くなり、端子電圧偏差が０となるようにフィードバック制御が行われる。

〔ｑ軸制御部１２〕
次に、図２に示したｑ軸制御部１２について詳細に説明する。図４は、ｑ軸制御部１２の構成例を示すブロック図である。このｑ軸制御部１２は、減算器３０，３３、バス電圧制御器３１、演算器３２、電流制御器３４、乗算器３５及び加算器３６を備えている。

減算器３０は、所定のバス電圧指令ｅ_bus ^*を入力すると共に、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力する。そして、減算器３０は、バス電圧指令ｅ_bus ^*からバス電圧フィードバックｅ_busを減算し、バス電圧偏差を求め、バス電圧偏差をバス電圧制御器３１に出力する。

バス電圧制御器３１は、減算器３０からバス電圧偏差を入力し、バス電圧偏差が０となるように、ＰＩ制御によりバス電流指令を生成し、バス電流指令を演算器３２に出力する。

演算器３２は、バス電圧制御器３１からバス電流指令を入力し、バス電圧フィードバックｅ_busを、後述する所定の電源電圧フィードフォワード補償ｅ₁ ^{^}で除算する。そして、演算器３２は、除算結果にバス電流指令を乗算し、乗算結果をｑ軸電流指令ｉ_q ^*として生成する。演算器３２は、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*を減算器３３及びｄ軸制御部１１に出力する。

これにより、バス電圧及び系統電源電圧が高速に変動した場合であっても、これを吸収するｑ軸電流指令ｉ_q ^*を生成することができ、安定したｑ軸制御を実現し、後段の電流制御器３４の負荷を低減することができる。

減算器３３は、演算器３２からｑ軸電流指令ｉ_q ^*を入力すると共に、座標変換部１５からｑ軸電流フィードバックｉ_qを入力する。そして、減算器３３は、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*からｑ軸電流フィードバックｉ_qを減算し、ｑ軸電流偏差を求め、ｑ軸電流偏差を電流制御器３４に出力する。

電流制御器３４は、減算器３３からｑ軸電流偏差を入力すると共に、ワインドアップ防止部１３から可変積分ゲインＫ_iを入力する。そして、電流制御器３４は、ｑ軸電流偏差が０となるように、予め設定された比例ゲイン及び入力した可変積分ゲインＫ_iによるＰＩ制御により電圧指令を生成し、電圧指令を加算器３６に出力する。

乗算器３５は、ｄ軸からｑ軸への電圧干渉を補償するために、ｑ軸補償電圧を生成する。具体的には、乗算器３５は、ｄ軸制御部１１からｄ軸電流指令ｉ_d ^*を入力し、予め設定されたｄ軸リアクタンス補償Ｘ_d ^{^}にｄ軸電流指令ｉ_d ^*を乗算し、ｑ軸補償電圧を求め、ｑ軸補償電圧を加算器３６に出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、乗算器３５にはｄ軸制御部１１からマイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*が入力されるから、乗算器３５から出力されるｑ軸補償電圧は、マイナスの値となる。

加算器３６は、電流制御器３４から電圧指令を入力すると共に、乗算器３５からｑ軸補償電圧を入力し、さらに、所定の電源電圧フィードフォワード補償ｅ₁ ^{^}を入力する。所定の電源電圧フィードフォワード補償ｅ₁ ^{^}は、図示しない演算部により、電源電圧の推定値として算出される。

加算器３６は、電圧指令にｑ軸補償電圧を加算し、さらに電源電圧フィードフォワード補償ｅ₁ ^{^}を加算し、ｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を求める。加算器３６は、ｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を座標変換部１４及び端子電圧指令算出部１０に出力する。

ここで、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合、加算器３６にはマイナスの値のｑ軸補償電圧が入力され、加算器３６から出力されるｑ軸電圧指令ｖ_q ^*は、以前よりも小さくなる。

また、バス電圧が系統電源電圧よりも低い場合、すなわちバス電圧フィードバックｅ_busが電源電圧フィードバックｅ₁よりも小さい場合、以下の式が成立する。
〔数２〕
ｉ_d＝（ｅ₁／Ｘ_d）（１−ｅ_bus／ｅ₁）≦ｅ₁／Ｘ_d ・・・（２）
前記式（２）は、ｄ軸リアクタンスＸ_dが大きい場合、ｄ軸電流フィードバックｉ_dが小さくなることを示している。

したがって、大きい値のｄ軸リアクタンスＸ_dを有する系統電源３を用いることにより、小さい値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*にて制御を行うことができる。この場合、系統電源３に流れるマイナスの値の電流（−ｉ_d）を小さくすることができる。

〔ワインドアップ防止部１３〕
次に、図２に示したワインドアップ防止部１３について詳細に説明する。図５は、ワインドアップ防止部１３の構成例を示すブロック図である。このワインドアップ防止部１３は、乗算器４０、減算器４１、リミッタ４２及び演算器４３を備えている。

乗算器４０は、電圧検出器６からバス電圧フィードバックｅ_busを入力し、予め設定されたバス電圧利用率ηにバス電圧フィードバックｅ_busを乗算し、乗算結果を減算器４１に出力する。

減算器４１は、乗算器４０から乗算結果（バス電圧利用率ηが乗算されたバス電圧フィードバックｅ_bus）を入力すると共に、端子電圧指令算出部１０から端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を入力する。そして、減算器４１は、バス電圧利用率ηが乗算されたバス電圧フィードバックｅ_busから端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を減算し、電圧偏差を求める。減算器４１は、電圧偏差をリミッタ４２に出力する。

リミッタ４２は、減算器４１から電圧偏差を入力し、電圧偏差に対し、上限値（０）から下限値（−１）までの範囲で制限を加え、リミッタ後（制限後）の電圧偏差εを演算器４３に出力する。

具体的には、リミッタ４２は、入力した電圧偏差が０以上である場合、電圧偏差ε＝０を出力する。入力した電圧偏差が０以上である場合とは、バス電圧利用率ηが乗算されたバス電圧フィードバックｅ_busが端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*以上である（ｅ_bus×η≧ｖ₁ ^*）ことを示している。

また、リミッタ４２は、入力した電圧偏差が０よりも小さく、かつ−１よりも大きい場合、入力した電圧偏差を電圧偏差εとしてそのまま出力する。また、リミッタ４２は、入力した電圧偏差が−１以下の場合、電圧偏差ε＝−１を出力する。入力した電圧偏差が０よりも小さい場合とは、バス電圧利用率ηが乗算されたバス電圧フィードバックｅ_busが端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*よりも小さい（ｅ_bus×η＜ｖ₁ ^*）ことを示している。

演算器４３は、リミッタ４２から電圧偏差εを入力し、積分ゲイン設定Ｋ_i ^*及びパラメータＰ₀を用いて、以下の式にて演算を行い、可変積分ゲインＫ_iを求める。
〔数３〕
Ｋ_i＝Ｋ_i ^*／（１＋Ｐ₀×ε^２） ・・・（３）

演算器４３は、可変積分ゲインＫ_iをｄ軸制御部１１及びｑ軸制御部１２に出力する。積分ゲイン設定Ｋ_i ^*は、ｄ軸制御部１１の電流制御器２６及びｑ軸制御部１２の電流制御器３４にて使用する積分ゲインの基準値であり、予め設定される。パラメータＰ₀も予め設定される。

ここで、制御状況等によっては、バス電圧フィードバックｅ_busと端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*との間の関係がｅ_bus＜ｖ₁ ^*となり、バス電圧フィードバックｅ_busが飽和してしまうことがある。バス電圧フィードバックｅ_busが飽和するときは、ｄ軸制御部１１の電流制御器２６及びｑ軸制御部１２の電流制御器３４による積分制御がワインドアップの状態となる。

このような状態に近くなると、減算器４１により算出される電圧偏差は、０よりも小さくなり、リミッタ４２により出力される電圧偏差εも０よりも小さくなる。この場合、演算器４３により演算される可変積分ゲインＫ_iは、基準値である積分ゲイン設定Ｋ_i ^*よりも小さい値となり、０に近くなる（実質的に０となる）。

このように、ワインドアップ防止部１３は、通常の状態において、基準値である積分ゲイン設定Ｋ_i ^*を可変積分ゲインＫ_iとして、ｄ軸制御部１１及びｑ軸制御部１２に出力する。これにより、ｄ軸制御部１１の電流制御器２６及びｑ軸制御部１２の電流制御器３４にて、基準値である積分ゲイン設定Ｋ_i ^*を用いたＰＩ制御が行われる。

一方、ワインドアップ防止部１３は、バス電圧フィードバックｅ_busが飽和しそうな状態において、可変積分ゲインＫ_i＝０をｄ軸制御部１１及びｑ軸制御部１２に出力する。これにより、ｄ軸制御部１１の電流制御器２６及びｑ軸制御部１２の電流制御器３４にて、可変積分ゲインＫ_i＝０のＰ制御が行われるから、積分機能を停止することができ、比例機能にて制御が行われる。その結果、電流制御器２６，３４の出力を維持することができる。つまり、バス電圧フィードバックｅ_busが飽和しそうな状態において、電流制御器２６，３４による積分制御がワインドアップの状態となることを防止することができる。

このように、ワインドアップ防止部１３は、バス電圧フィードバックｅ_busにバス電圧利用率ηを乗算した結果が端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*以上の場合に（ｅ_bus×η≧ｖ₁ ^*）、基準値である積分ゲイン設定Ｋ_i ^*を可変積分ゲインＫ_iとする。また、ワインドアップ防止部１３は、バス電圧フィードバックｅ_busにバス電圧利用率ηを乗算した結果が端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*よりも小さい場合に（ｅ_bus×η＜ｖ₁ ^*）、基準値である積分ゲイン設定Ｋ_i ^*よりも小さくなるように、可変積分ゲインＫ_iを算出する。これにより、電流制御器２６，３４による積分制御がワインドアップの状態となることを防止することができる。

〔シミュレーション結果〕
次に、図２に示したＰＷＭコンバータ制御装置１によるシミュレーション結果について説明する。図７は、計算機シミュレーション結果を示す図である。この計算機シミュレーション結果は、系統電源３の電圧を２００Ｖｒｍｓとして、計算機を用いて得られたものである。

図７において、グラフの上から、バス電圧フィードバックｅ_bus、ｑ軸電流フィードバックｉ_q、ｄ軸電流フィードバックｉ_d及び端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*の特性を示しており、横軸は時間である。

系統電源３の電圧が２００Ｖｒｍｓであるから、系統電源電圧は２００×√２≒２８０Ｖである。したがって、バス電圧フィードバックｅ_busが７５０Ｖの場合、バス電圧は系統電源電圧よりも高く、バス電圧フィードバックｅ_busが３０Ｖの場合、バス電圧は系統電源電圧よりも低い。

図７を参照して、バス電圧フィードバックｅ_busが低下し、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなると、ｑ軸電流フィードバックｉ_q、ｄ軸電流フィードバックｉ_d及び端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*も小さくなることがわかる。ｑ軸電流フィードバックｉ_q及びｄ軸電流フィードバックｉ_dは、マイナスの値となっている。

そして、バス電圧が系統電源電圧よりも高くなり、元の状態に戻ると、ｑ軸電流フィードバックｉ_q、ｄ軸電流フィードバックｉ_d及び端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*も元の値に戻ることがわかる。

これは、図３に示したｄ軸制御部１１の減算器２２において、端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*が電源電圧指令ｅ₁ ^*に近くなり、端子電圧偏差が０となるようにフィードバック制御が行われていることを示している。

以上のように、本発明の実施形態のＰＷＭコンバータ制御装置１によれば、ｄ軸制御部１１は、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなると、電源電圧指令ｅ₁ ^*から端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*を減算してマイナスの端子電圧偏差を生成する。そして、ｄ軸制御部１１は、端子電圧偏差が０となるようにマイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*を生成し、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*とｄ軸電流フィードバックｉ_dとの間の偏差が０となるようにｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を生成する。これにより、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*を下げることができる。

ｑ軸制御部１２は、バス電圧指令ｅ_bus ^*とバス電圧フィードバックｅ_busとの間のバス電圧偏差が０となるようにｑ軸電流指令ｉ_q ^*を生成し、ｑ軸電流指令ｉ_q ^*とｑ軸電流フィードバックｉ_qとの間の電流偏差が０となるように電圧指令を生成する。そして、ｑ軸制御部１２は、電圧指令に、ｄ軸電流指令ｉ_d ^*が反映されたｑ軸補償電圧等を加算してｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を生成する。バス電圧が系統電源電圧よりも低くなり、マイナスの値のｄ軸電流指令ｉ_d ^*が生成されると、ｑ軸補償電圧はマイナスの値となる。これにより、ｑ軸電圧指令ｖ_q ^*を下げることができる。

したがって、ｄ軸電圧指令ｖ_d ^*及びｑ軸電圧指令ｖ_q ^*が下がると、端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*も小さくなり、系統電源電圧である端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*が、バス電圧である電源電圧指令ｅ₁ ^*に近くなる。つまり、ｄ軸制御部１１において、端子電圧偏差が０となるようにフィードバック制御が行われ、また、ｑ軸制御部１２において、バス電圧偏差が０となるようにフィードバック制御が行われる。

したがって、何らかの原因で、バス電圧が低下したり系統電源電圧が上昇したりして、バス電圧が系統電源電圧よりも低くなった場合であっても、バス電圧を所定の設定電圧に一致させる制御を実現することが可能となる。つまり、制御対象のバス電圧の可変範囲を広くすることができる。

また、ワインドアップ防止部１３は、バス電圧フィードバックｅ_busにバス電圧利用率ηを乗算した結果が端子電圧指令フィードバックｖ₁ ^*よりも小さい場合に（ｅ_bus×η＜ｖ₁ ^*）、実質的に可変積分ゲインＫ_i＝０を算出する。そして、ｄ軸制御部１１及びｑ軸制御部１２は、電流制御において積分機能を停止し、比例機能によりｄ軸電圧指令ｖ_d ^*及びｑ軸電流指令ｉ_q ^*を算出する。これにより、積分制御がワインドアップの状態となることを防止することができる。

１ ＰＷＭコンバータ制御装置
２ ＰＷＭコンバータ
３ 系統電源
４ リアクタ
５ 電流検出器
６ 電圧検出器
７ 平滑用コンデンサ
１０ 端子電圧指令算出部
１１ ｄ軸制御部
１２ ｑ軸制御部
１３ ワインドアップ防止部
１４，１５ 座標変換部
２０ 乗算器
２１，２４，４２ リミッタ
２２，２５，２８，３０，３３，４１ 減算器
２３ 端子電圧制御器
２６，３４ 電流制御器
２７，３５，４０ 乗算器
３１ バス電圧制御器
３２，４３ 演算器
３６ 加算器
ｅ_bus バス電圧フィードバック
ｅ_bus ^* バス電圧指令
ｖ₁ ^* 端子電圧指令フィードバック
Ｋ_i 可変積分ゲイン
Ｉ_R Ｒ相電流フィードバック
Ｉ_S Ｓ相電流フィードバック
Ｉ_T Ｔ相電流フィードバック
ｉ_d ｄ軸電流フィードバック
ｉ_q ｑ軸電流フィードバック
ｉ_d ^* ｄ軸電流指令
ｉ_q ^* ｑ軸電流指令
ｖ_d ^* ｄ軸電圧指令
ｖ_q ^* ｑ軸電圧指令
Ｖ_R ^* Ｒ相電圧指令
Ｖ_S ^* Ｓ相電圧指令
Ｖ_T ^* Ｔ相電圧指令
ｅ₁ ^{^} 電源電圧フィードフォワード補償
ｅ₁ 電源電圧フィードバック
ｅ₁ ^* 電源電圧指令
Ｘ_d ^{^} ｄ軸リアクタンス補償
Ｘ_q ^{^} ｑ軸リアクタンス補償
Ｘ_d ｄ軸リアクタンス
Ｘ_q ｑ軸リアクタンス
α ｉ_qにより位相が９０°進むｄ軸電圧
β −ｉ_dにより位相が９０°進むｑ軸電圧
ｖ₁-1，ｖ₁-2 端子電圧

Claims (3)

1. 系統電源から供給された交流電力を直流電力に変換するＰＷＭコンバータに対し、直流側のバス電圧が所定の設定電圧に一致するように制御するＰＷＭコンバータ制御装置において、
   前記ＰＷＭコンバータを制御するｄ軸電圧指令及びｑ軸電圧指令に基づいて、前記系統電源側の系統電源電圧を端子電圧指令フィードバックとして生成する端子電圧指令算出部と、
   前記バス電圧として検出されたバス電圧フィードバックに所定のゲインを乗算して電源電圧指令を求め、当該電源電圧指令から前記端子電圧指令算出部により生成された前記端子電圧指令フィードバックを減算して端子電圧偏差を求め、当該端子電圧偏差が０となるようにｄ軸電流指令を求め、当該ｄ軸電流指令と前記系統電源側の３相電流から得られたｄ軸電流フィードバックとの間の偏差が０となるように、比例制御及び積分制御にて前記ｄ軸電圧指令を求めるｄ軸制御部と、
   所定のバス電圧指令と前記バス電圧フィードバックとの間のバス電圧偏差が０となるようにｑ軸電流指令を求め、当該ｑ軸電流指令と前記系統電源側の３相電流から得られたｑ軸電流フィードバックとの間の偏差が０となるように、比例制御及び積分制御にて電圧指令を求め、当該電圧指令に、前記ｄ軸電流指令に基づいて算出された補償電圧を加算し、前記ｑ軸電圧指令を求めるｑ軸制御部と、
   を備えたことを特徴とするＰＷＭコンバータ制御装置。
2. 請求項１に記載のＰＷＭコンバータ制御装置において、
   前記ｄ軸制御部は、
   前記バス電圧フィードバックに前記所定のゲインを乗算し、前記電源電圧指令を求める第１の乗算器と、
   前記第１の乗算器により求めた前記電源電圧指令から前記端子電圧指令フィードバックを減算し、前記端子電圧偏差を求める第１の減算器と、
   前記第１の減算器により求めた前記端子電圧偏差が０となるように、電流指令を生成する端子電圧制御器と、
   前記端子電圧制御器により生成した前記電流指令に対し、０から所定のマイナスの値までの範囲で制限を加え、制限後の前記電流指令を前記ｄ軸電流指令として求める第１のリミッタと、
   前記第１のリミッタにより求めた前記ｄ軸電流指令から前記ｄ軸電流フィードバックを減算し、ｄ軸電流偏差を求める第２の減算器と、
   前記第２の減算器により求めた前記ｄ軸電流偏差が０となるように、前記比例制御及び前記積分制御にて前記ｄ軸電圧指令を求める電流制御器と、
   を備えたことを特徴とするＰＷＭコンバータ制御装置。
3. 請求項１または２に記載のＰＷＭコンバータ制御装置において、
   さらに、前記ｄ軸制御部及び前記ｑ軸制御部における前記積分制御のワインドアップを防止するための積分ゲインを求めるワインドアップ防止部を備え、
   前記ワインドアップ防止部は、
   前記バス電圧フィードバックに所定のバス電圧利用率を乗算し、乗算後のバス電圧フィードバックを求める第２の乗算器と、
   前記第２の乗算器により求めた前記乗算後のバス電圧フィードバックから、前記端子電圧指令算出部により生成された前記端子電圧指令フィードバックを減算し、電圧偏差を求める第３の減算器と、
   前記第３の減算器により求めた前記電圧偏差に対し、０から所定のマイナスの値までの範囲で制限を加え、制限後の電圧偏差を求める第２のリミッタと、
   前記第２のリミッタにより求めた前記制限後の電圧偏差がマイナスの場合、前記積分制御のワインドアップを防止するための積分ゲインを求める演算器と、
   を備えたことを特徴とするＰＷＭコンバータ制御装置。

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