JP7014567B2 - アクティブフィルタ、制御方法及びプログラム - Google Patents

Description

本発明は、アクティブフィルタ、制御方法及びプログラムに関する。

三相交流電源から供給される交流電力を直流電力に変換するコンバータでは、高調波を含む電流が流れることが知られている。この高調波を含む過電流は、電力を供給する三相交流電源側の系統電力を変動させる可能性がある。そのため、系統電力が変動しないように、コンバータに流れる電流の高調波を打ち消す電流を生成するアクティブフィルタと呼ばれる装置が用いられる場合がある。
特許文献１には、関連する技術として、交流電源において異常が発生した場合に、コンバータ回路とインバータ回路とを含み、モータの駆動を継続させるモータ駆動装置に提供する技術が記載されている。

特開２０１７－０２２９２０号公報

ところで、アクティブフィルタには、三相交流電源からコンバータへ流れる電流（以下、「コンバータ電流」と記載）の高調波を打ち消すために生成する電流（以下、「フィルタ電流」と記載）が大きい場合に、そのフィルタ電流の過電流によりアクティブフィルタに不具合が発生しないように、フィルタ電流の生成を停止させる保護機能を備えるものがある。負荷が重い場合には、コンバータから負荷へ流れる電流は大きくなる。そのため、三相交流電源からコンバータへ流れる電流が大きくなり、コンバータ電流に含まれる高調波も大きくなる場合がある。また、三相交流電源からコンバータに供給される交流電圧が正弦波から歪んでいる場合、三相交流電源とコンバータとの間の電位差は、三相交流電源を正弦波と想定した場合の電位差と異なる。そのため、コンバータ電流も想定した電流と大きく異なる場合がある。
上記のように、コンバータ電流が大きくなる場合、コンバータ電流の高調波が大きくなる。そのため、アクティブフィルタでは、高調波を打ち消すためのフィルタ電流が所定の電流の大きさを超えると保護機能が動作し、フィルタ電流の生成を停止させる。そして、アクティブフィルタでは、この停止によってファイル電流が減り、保護機能が解除されてフィルタ電流の生成が再開される。つまり、アクティブフィルタでは、生成されるフィルタ電流が再度所定の電流の大きさを超えると保護機能が動作し、フィルタ電流の生成は停止される。したがって、アクティブフィルタでは、例えば図７に示すような、フィルタ電流の生成とその生成の停止とが繰り返される。つまり、アクティブフィルタは、フィルタ電流が所定の電流を超える場合に、コンバータ電流の高調波を補償しないことになる。
そのため、アクティブフィルタが、三相交流電源からコンバータへ流れるコンバータ電流の高調波を継続的に補償することのできる技術が求められていた。

本発明は、上記の課題を解決することのできるアクティブフィルタ、制御方法及びプログラムを提供することを目的としている。

本発明の第１の態様によれば、アクティブフィルタは、三相交流電源から負荷へ流れる電流の高調波歪みを補償するアクティブフィルタであって、前記アクティブフィルタを過電流から保護する保護機能によって前記アクティブフィルタの動作が停止したときのフィルタ電流を記録する記録部と、前記フィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定する決定部と、フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるように前記高調波歪みの補償率を調整する調整部と、を備える。

本発明の第２の態様によれば、第１の態様におけるアクティブフィルタにおいて、前記調整部は、フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるまで、前記補償率から一定の率を減じることを繰り返すことによって、前記補償率を調整してもよい。

本発明の第３の態様によれば、制御方法は、三相交流電源から負荷へ流れる電流の高調波歪みを補償するアクティブフィルタによる制御方法であって、前記アクティブフィルタを過電流から保護する保護機能によって前記アクティブフィルタの動作が停止したときのフィルタ電流を記録することと、前記フィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定することと、フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるように前記高調波歪みの補償率を調整することと、を含む。

本発明の第４の態様によれば、プログラムは、三相交流電源から負荷へ流れる電流の高調波歪みを補償するアクティブフィルタのコンピュータに、前記アクティブフィルタを過電流から保護する保護機能によって前記アクティブフィルタの動作が停止したときのフィルタ電流を記録することと、前記フィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定することと、フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるように前記高調波歪みの補償率を調整することと、を実行させる。

本発明の実施形態によるアクティブフィルタによれば、三相交流電源からコンバータへ流れるコンバータ電流の高調波を継続的に補償することができる。

本発明の一実施形態による電力システムの構成を示す図である。 本発明の一実施形態による制御装置の構成を示す図である。 本発明の一実施形態による電力システムの処理フローを示す図である。 本発明の一実施形態におけるフィルタ電流を説明するための図である。 本発明の一実施形態による電力システムの処理を行った場合の波形例を示す図である。 少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。 課題を説明するための図である。

＜実施形態＞
以下、本発明の一実施形態による電力システムの構成について説明する。
本発明の一実施形態による電力システム１は、三相交流電源から制御対象設備のコンバータへ流れる電流（以下、「コンバータ電流」と記載）の歪みをアクティブフィルタが継続的に補償し、三相交流電源側の電力変動を抑制するシステムである。電力システム１は、図１に示すように、三相交流電源１０、制御対象設備２０（負荷の一例である）、アクティブフィルタ３０、電流センサ４０、５０を備える。

三相交流電源１０は、電力系統から供給される電力を用いて生成される１２０度ごと位相がずれた３つの相を有する電力を制御対象設備２０に供給する。
電流センサ４０、５０のそれぞれは、制御対象設備２０のコンバータ電流を検出するセンサである。電流センサ４０、５０は、３相のうちの２相に流れる電流を検出する。なお、残りの１相に流れる電流については、制御部３０２２が、３相に流れる電流の総和が０であることに基づいて、電流センサ４０、５０が検出した電流から算出する。

制御対象設備２０は、三相交流電源１０から供給される電力を用いて動作する設備である。制御対象設備２０は、例えば、空気調和機におけるモータを駆動するモータ駆動装置であり、図１に示すように、コンバータ２０１、平滑化コンデンサ２０２、インバータ２０３、モータ２０４を備える。

コンバータ２０１は、三相交流電源１０から供給される交流電力を整流し、直流電力に変換する。
平滑化コンデンサ２０２は、コンバータ２０１が生成した直流電力を安定した直流電圧にするためのコンデンサである。

インバータ２０３は、平滑化コンデンサ２０２に印加される直流電圧を、モータ２０４を所望の回転数で駆動するための交流電圧に変換する。
モータ２０４は、インバータ２０３による変換後の交流電圧に応じた回転数で回転する。

アクティブフィルタ３０は、図１に示すように、トランジスタ回路３０１、制御装置３０２、電流センサ３０３、３０４を備える。
トランジスタ回路３０１は、フィルタ電流を流す回路である。フィルタ電流とは、コンバータ２０１へ流れるコンバータ電流の高調波歪みを打ち消すために、三相交流電源１０とアクティブフィルタ３０との間に流す電流のことである。
制御装置３０２は、アクティブフィルタ３０において、過電流が流れないようにフィルタ電流を制御する装置である。制御装置３０２は、図２に示すように、保護部３０２１、制御部３０２２（記録部の一例）、決定部３０２３、調整部３０２４、記憶部３０２５を備える。

保護部３０２１は、フィルタ電流が所定の電流の大きさを超えた場合に、フィルタ電流の生成を停止させる。例えば、保護部３０２１は、フィルタ電流が所定の電流の大きさを超えた場合に、コンバータ電流の高調波歪みの補償率を０にする指令信号を調整部３０２４に送信する。

制御部３０２２は、コンバータ電流、フィルタ電流、補償率に基づいて、トランジスタ回路３０１を制御する。制御部３０２２は、保護機能によって自アクティブフィルタ３０が行う高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流を記憶部３０２５に書き込む。
また、制御部３０２２は、高調波歪みを補償する動作が停止したのちの次回動作時にコンバータ電流、フィルタ電流、保護開始電流、補償率に基づいて、トランジスタ回路３０１を制御することにより、フィルタ電流を制御する。
決定部３０２３は、高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定する。例えば、決定部３０２３は、高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流値から予め定めた一定の電流値（例えば１アンペア）を減じた電流値を保護開始電流と決定する。

調整部３０２４は、アクティブフィルタ３０が高調波歪みを補償する動作の停止状態からその補償を行う動作を再開し、補償する動作を行っている間（次回動作中）にフィルタ電流が保護開始電流を超えた場合に、そのフィルタ電流が保護開始電流以下になるように高調波歪みの補償率を調整する。例えば、調整部３０２４は、次回動作中にフィルタ電流が保護開始電流を超えた場合に、現在の補償率から一定の率を減じる。なお、調整部３０２４は、一定の率を減じた補償率についてのフィルタ電流が保護開始電流を超えた場合には、現在の補償率から更に一定の率を減じる。
記憶部３０２５は、自アクティブフィルタ３０が高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流を記憶する。

三相交流電源１０は、第１出力端子、第２出力端子、第３出力端子を備える。コンバータ２０１は、第１入力端子、第２入力端子、第３入力端子、第１出力端子、第２出力端子を備える。平滑化コンデンサ２０２は、第１端子、第２端子を備える。インバータ２０３は、第１入力端子、第２入力端子、第１出力端子、第２出力端子、第３出力端子を備える。モータ２０４は、第１端子、第２端子、第３端子を備える。トランジスタ回路３０１は、第１端子、第２端子、第３端子、第４端子を備える。制御装置３０２は、第１入力端子、第２入力端子、第３入力端子、第４入力端子、第５入力端子、第６入力端子、出力端子を備える。電流センサ３０３、３０４、４０、５０のそれぞれは、第１端子、第２端子を備える。
電流センサ３０３、３０４のそれぞれは、制御対象設備２０に入力される電流を検出する。

三相交流電源１０の第１出力端子は、制御装置３０２の第２入力端子、電流センサ３０３の第１端子、電流センサ４０の第１端子のそれぞれに接続される。三相交流電源１０の第２出力端子は、コンバータ２０１の第２入力端子、トランジスタ回路３０１の第２入力端子のそれぞれに接続される。三相交流電源１０の第３出力端子は、制御装置３０２の第１入力端子、電流センサ３０４の第１端子、電流センサ５０の第１端子のそれぞれに接続される。

電流センサ４０の第２端子は、コンバータ２０１の第１入力端子、制御装置３０２の第３入力端子のそれぞれに接続される。コンバータ２０１の第３入力端子は、制御装置３０２の第４入力端子、電流センサ５０の第２端子のそれぞれに接続される。コンバータ２０１の第１出力端子は、平滑化コンデンサ２０２の第１端子、インバータ２０３の第１入力端子のそれぞれに接続される。コンバータ２０１の第２出力端子は、平滑化コンデンサ２０２の第２端子、インバータ２０３の第２入力端子のそれぞれに接続される。
インバータ２０３の第１出力端子は、モータ２０４の第１端子に接続される。インバータ２０３の第２出力端子は、モータ２０４の第２端子に接続される。インバータ２０３の第３出力端子は、モータ２０４の第３端子に接続される。

トランジスタ回路３０１の第１端子は、制御装置３０２の第５入力端子、電流センサ３０３の第２端子のそれぞれに接続される。トランジスタ回路３０１の第３端子は、制御装置３０２の第６入力端子、電流センサ３０４の第２端子のそれぞれに接続される。トランジスタ回路３０１の第４端子は、制御装置３０２の出力端子に接続される。

次に、本発明の一実施形態による電力システム１の処理について図３を用いて説明する。なお、ここでは、三相交流電源１０が制御対象設備２０に供給する電圧が歪んでおり、アクティブフィルタ３０において、フィルタ電流が所定の電流の大きさを超えるものとして、特に制御装置３０２の処理を詳細に説明する。また、高調波歪みの補償率の初期値は１００％であるものとする。

三相交流電源１０は、制御対象設備２０に電力を供給する。
制御部３０２２は、コンバータ電流、フィルタ電流、補償率に基づいて、トランジスタ回路３０１に制御電圧を供給し、トランジスタ回路３０１に流れる電流を制御することにより、フィルタ電流を制御する（ステップＳ１）。具体的には、例えば、コンバータ電流が図４において破線で示される電流である場合、制御部３０２２は、コンバータ電流とフィルタ電流との総和が図４において実線で示される正弦波となるように、フィルタ電流の制御を行う。なお、制御部３０２２は、図５の（ａ）の部分に示すように、補償率が１００％になるまで、フィルタ電流を徐々に増加させる制御を行う。

保護部３０２１は、フィルタ電流の大きさと所定の電流の大きさ（例えば図５における第１しきい値）とを比較する。保護部３０２１は、フィルタ電流の大きさが所定の電流の大きさを超えたか否かを判定する（ステップＳ２）。

保護部３０２１がフィルタ電流の大きさが所定の電流の大きさを超えていないと判定した場合（ステップＳ２においてＮＯ）、制御部３０２２は、補償率が１００％であるか否かを判定する（ステップＳ３）。

制御部３０２２は、補償率が１００％ではないと判定した場合（ステップＳ３においてＮＯ）、ステップＳ１の処理に戻す。
制御部３０２２は、補償率が１００％であると判定した場合（ステップＳ３においてＹＥＳ）、ステップＳ３の処理を再度行う。

保護部３０２１は、フィルタ電流の大きさが所定の電流の大きさを超えたと判定した場合（ステップＳ２においてＹＥＳ）、フィルタ電流の生成を停止させる停止指令信号を制御部３０２２に送信する。

制御部３０２２は、停止指令信号を保護部３０２１から受ける。制御部３０２２は、停止指令信号を受けると、トランジスタ回路３０１に制御電圧を供給することを停止する。すなわち、制御部３０２２は、フィルタ電流の生成を停止する（ステップＳ４）。また、制御部３０２２は、停止指令信号を受けたとき（すなわち高調波歪みを補償する動作が停止したとき）のフィルタ電流値を記憶部３０２５に書き込む（ステップＳ５）。また、制御部３０２２は、停止指令信号を受けたときのフィルタ電流値を決定部３０２３に出力する。

決定部３０２３は、制御部３０２２から高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流の値を受ける。決定部３０２３は、高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定する（ステップＳ６）。例えば、決定部３０２３は、高調波歪みを補償する動作が停止したときのフィルタ電流値から予め定めた一定の電流値（例えば１アンペア）を減じた電流値を保護開始電流と決定する。このステップＳ５の処理で決定部３０２３が決定した保護開始電流は、例えば図５において破線によって示されるフィルタ電流値を示すしきい値であり、第１しきい値よりも小さい値を示すしきい値である。
決定部３０２３は、決定した保護開始電流の値を制御部３０２２に出力する。

制御部３０２２は、高調波歪みを補償する動作が停止したのちに再度動作しているときのコンバータ電流、フィルタ電流、保護開始電流、補償率に基づいて、トランジスタ回路３０１を制御することにより、フィルタ電流を制御する（ステップＳ７）。
具体的には、制御部３０２２は、ステップＳ１の処理と同様に、コンバータ電流が図４において破線で示される電流である場合、コンバータ電流とフィルタ電流との総和が図４において実線で示される正弦波となるように、フィルタ電流の制御を行う。なお、このとき、制御部３０２２は、図５の（ｂ）の部分に示すように、フィルタ電流が保護開始電流を超えるまで、フィルタ電流を徐々に増加させる制御を行う。

制御部３０２２は、フィルタ電流の大きさと保護開始電流の大きさ（例えば図５における保護開始電流）とを比較する。保護部３０２１は、フィルタ電流の大きさが保護開始電流の大きさを超えたか否かを判定する（ステップＳ８）。
制御部３０２２は、フィルタ電流の大きさが保護開始電流の大きさを超えていないと判定した場合（ステップＳ８においてＮＯ）、補償率が１００％であるか否かを判定する（ステップＳ９）。

制御部３０２２は、補償率が１００％ではないと判定した場合（ステップＳ９においてＮＯ）、ステップＳ７の処理に戻す。
制御部３０２２は、補償率が１００％であると判定した場合（ステップＳ９においてＹＥＳ）、ステップＳ９の処理を再度行う。

制御部３０２２は、フィルタ電流の大きさが保護開始電流の大きさを超えていると判定した場合（ステップＳ８においてＹＥＳ）、現在の補償率から一定の率を減じる（ステップＳ１０）。制御部３０２２は、ステップＳ７の処理に戻す。

以上、本発明の一実施形態による電力システム１について説明した。
電力システム１において、制御部３０２２は、保護機能によってアクティブフィルタ３０の動作が停止したときのフィルタ電流を記憶部３０２５に記録する。決定部３０２３は、アクティブフィルタ３０の動作が停止したときのフィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定する。調整部３０２４は、次回動作中にフィルタ電流が保護開始電流を超えた場合に、フィルタ電流が保護開始電流以下になるように高調波歪みの補償率を調整する。
このようにすれば、フィルタ電流を保護機能が動作する電流未満に抑えることができる。その結果、アクティブフィルタ３０は、三相交流電源１０から制御対象設備２０のコンバータ２０１へ流れるコンバータ電流の高調波を抑制することができ、アクティブフィルタ３０が備える保護機能を動作させることなく継続的にコンバータ電流の高調波歪みを補償することができる。

なお、本発明の実施形態において、制御部３０２２は、高調波歪みを補償する動作が停止したのちの次回動作時にコンバータ電流、フィルタ電流、保護開始電流、補償率に加えて、アクティブフィルタ３０における電圧、及び、三相交流電源１０とアクティブフィルタ３０との接続点における電圧に基づいて、トランジスタ回路３０１を制御することにより、フィルタ電流を制御するものであってもよい。

なお、本発明の実施形態における処理は、適切な処理が行われる範囲において、処理の順番が入れ替わってもよい。

本発明の実施形態について説明したが、上述の電力システム１、制御対象設備２０、アクティブフィルタ３０、その他の制御装置は内部に、コンピュータシステムを有していてもよい。そして、上述した処理の過程は、プログラムの形式でコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記憶されており、このプログラムをコンピュータが読み出して実行することによって、上記処理が行われる。コンピュータの具体例を以下に示す。
図６は、少なくとも１つの実施形態に係るコンピュータの構成を示す概略ブロック図である。
コンピュータ５は、図６に示すように、ＣＰＵ６、メインメモリ７、ストレージ８、インターフェース９を備える。
例えば、上述の電力システム１、制御対象設備２０、アクティブフィルタ３０、その他の制御装置のそれぞれは、コンピュータ５に実装される。そして、上述した各処理部の動作は、プログラムの形式でストレージ８に記憶されている。ＣＰＵ６は、プログラムをストレージ８から読み出してメインメモリ７に展開し、当該プログラムに従って上記処理を実行する。また、ＣＰＵ６は、プログラムに従って、上述した各記憶部に対応する記憶領域をメインメモリ７に確保する。

ストレージ８の例としては、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）、ＳＳＤ（Ｓｏｌｉｄ Ｓｔａｔｅ Ｄｒｉｖｅ）、磁気ディスク、光磁気ディスク、ＣＤ－ＲＯＭ（Ｃｏｍｐａｃｔ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＤＶＤ－ＲＯＭ（Ｄｉｇｉｔａｌ Ｖｅｒｓａｔｉｌｅ Ｄｉｓｃ Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、半導体メモリ等が挙げられる。ストレージ８は、コンピュータ５のバスに直接接続された内部メディアであってもよいし、インターフェース９または通信回線を介してコンピュータ５に接続される外部メディアであってもよい。また、このプログラムが通信回線によってコンピュータ５に配信される場合、配信を受けたコンピュータ５が当該プログラムをメインメモリ７に展開し、上記処理を実行してもよい。少なくとも１つの実施形態において、ストレージ８は、一時的でない有形の記憶媒体である。

また、上記プログラムは、前述した機能の一部を実現してもよい。さらに、上記プログラムは、前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるファイル、いわゆる差分ファイル（差分プログラム）であってもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例であり、発明の範囲を限定しない。これらの実施形態は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の追加、省略、置き換え、変更を行ってよい。

１・・・電力システム
１０・・・三相交流電源
２０・・・制御対象設備
３０・・・アクティブフィルタ
４０、５０、３０３、３０４・・・電流センサ
２０１・・・コンバータ
２０２・・・平滑化コンデンサ
２０３・・・インバータ
２０４・・・モータ
３０１・・・トランジスタ回路
３０２・・・制御装置
３０２１・・・保護部
３０２２・・・制御部
３０２３・・・決定部
３０２４・・・調整部
３０２５・・・記憶部

Claims (4)

1. 三相交流電源から負荷へ流れる電流の高調波歪みを補償するアクティブフィルタであって、
   前記アクティブフィルタを過電流から保護する保護機能によって前記アクティブフィルタの動作が停止したときのフィルタ電流を記録する記録部と、
   前記フィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定する決定部と、
   フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるように前記高調波歪みの補償率を調整する調整部と、
   を備えるアクティブフィルタ。
2. 前記調整部は、
   フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるまで、前記補償率から一定の率を減じることを繰り返すことによって、前記補償率を調整する、
   請求項１に記載のアクティブフィルタ。
3. 三相交流電源から負荷へ流れる電流の高調波歪みを補償するアクティブフィルタによる制御方法であって、
   前記アクティブフィルタを過電流から保護する保護機能によって前記アクティブフィルタの動作が停止したときのフィルタ電流を記録することと、
   前記フィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定することと、
   フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるように前記高調波歪みの補償率を調整することと、
   を含む制御方法。
4. 三相交流電源から負荷へ流れる電流の高調波歪みを補償するアクティブフィルタのコンピュータに、
   前記アクティブフィルタを過電流から保護する保護機能によって前記アクティブフィルタの動作が停止したときのフィルタ電流を記録することと、
   前記フィルタ電流に基づいて保護開始電流を決定することと、
   フィルタ電流が前記保護開始電流を超えた場合に、前記フィルタ電流が前記保護開始電流以下になるように前記高調波歪みの補償率を調整することと、
   を実行させるプログラム。

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