JP7127672B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents
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Description
図1に示す電力変換装置1は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行う装置である。例えば電力変換装置1は、電源91から供給された一次側電力を二次側電力に変換して電動機92に供給する。また、電力変換装置1は、電動機92が発生した二次側電力(回生電力)を一次側電力に変換して電源91に供給する。
マトリクスコンバータ回路10は、複数のスイッチング素子を有し、直流化する過程を経ることなく、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行う。例えばマトリクスコンバータ回路10は、一次側のパワーライン11R,11S,11Tと、二次側のパワーライン12U,12V,12Wと、9組の双方向スイッチ2RU,2SU,2TU,2RV,2SV,2TV,2RW,2SW,2TWとを有する。パワーライン11RはR相の送電ラインであり、パワーライン11SはS相の送電ラインであり、パワーライン11TはT相の送電ラインである。パワーライン12UはU相の送電ラインであり、パワーライン12VはV相の送電ラインであり、パワーライン12WはW相の送電ラインである。
制御回路100は、一次側電力と二次側電力との間の電力変換を行うようにマトリクスコンバータ回路10を制御する。マトリクスコンバータ回路10において、二次側位相と一次側位相とが揃った状態が維持されると、マトリクスコンバータ回路10のいずれかのスイッチング素子に電流が集中し、当該スイッチング素子における発熱が大きくなる。また、二次側周波数が一次側周波数に近付くにつれてこの現象が二次側周波数と一次側周波数の差の周波数で繰り返し生じる。
第1モード制御部114は、モード切替部116により第1モード制御が選択されている場合に、上位コントローラ200から指令周波数を取得し、二次側周波数を指令周波数に追従させるようにマトリクスコンバータ回路10を制御する。一例として、図4に示すように、第1モード制御部114は、電圧指令生成部121と、振幅指令値算出部122と、位相指令値算出部123とを有し、これらによる一連の制御サイクルを繰り返す。
第2モード制御部115は、モード切替部116により第2モード制御が選択されている場合に、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差が60°の奇数倍±30°の値となるように二次側電圧の目標位相を生成し、目標位相と二次側電圧の位相との偏差を縮小するようにマトリクスコンバータ回路10を制御する。例えば第2モード制御部115は、上記偏差に基づいて位相指令値を生成し、振幅指令値に対応する振幅と、位相指令値に対応する位相とを有する二次側電圧を出力するようにマトリクスコンバータ回路10を制御する。第2モード制御部115は、振幅指令値を、一次側電圧の振幅と異なる値としてもよい。
劣化検出部117は、二次側電流とキャリア周波数とに基づいて平均昇温値(平均昇温レベル)を推定することと、一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて電流の集中係数を算出することと、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定することと、局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出することと、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知することと、を実行する。
ΔT=A・I2+(B+C・fc+D)・I・・・(1)
ΔT:平均昇温値
I:二次側電流の振幅
fc:キャリア周波数
A,B,C,D:係数
図9は、制御回路100のハードウェア構成を例示するブロック図である。図9に示すように、制御回路100は、プロセッサ191と、メモリ192と、ストレージ193と、通信ポート194と、入出力ポート195と、スイッチ制御回路196とを有する。プロセッサ191は、複数のプロセッシングデバイスを含んでいてもよく、メモリ192は複数のメモリデバイスを含んでいてもよく、ストレージ193は複数のストレージデバイスを含んでいてもよい。
続いて、電力変換方法の一例として、制御回路100が実行するマトリクスコンバータ回路10の制御手順を例示する。この制御手順は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路10により、マトリクスコンバータ回路10の二次側周波数を指令周波数に追従させる第1モード制御と、マトリクスコンバータ回路10により、マトリクスコンバータ回路10の二次側位相と一次側位相との差を60°の奇数倍±30°に維持する第2モード制御と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路10の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第1モード制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第2モード制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路10の制御モードを切り替えるモード切替と、を含む。この制御手順は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路10の二次側電流に基づいて平均昇温値(平均昇温レベル)を推定することと、マトリクスコンバータ回路10の一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出することと、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定することと、局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出することと、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知することと、を更に含んでいてもよい。
図10に示すように、制御回路100は、ステップS01,S02,S03,S04,S05,S06を順に実行する。ステップS01では、モード切替部116が、第1モード制御部114に第1モード指令を出力する。これに応じ、第1モード制御部114が第1モード制御手順を開始する。ステップS02では、指令周波数と一次側周波数との差が第1閾値を下回るのを、モード切替部116が待機する。ステップS03では、モード切替部116が、第2モード制御部115に第2モード指令を出力する。これに応じ、第2モード制御部115が第2モード制御手順を開始する。ステップS04では、指令周波数と一次側周波数との差が第2閾値を超えるのを、モード切替部116が待機する。
図11に示すように、制御回路100は、ステップS11~S16を順に実行する。ステップS11では、第1モード制御部114が、モード切替部116からの上記第1モード指令の出力を待機する。ステップS12では、電圧指令生成部121が、指令周波数ω*に基づいて、二次側電圧に対する電圧指令ベクトルを算出する。ステップS13では、振幅指令値算出部122が、電圧指令ベクトルの大きさを振幅指令値として算出する。ステップS14では、位相指令値算出部123が、固定座標系に対する回転座標系の回転角度と、回転座標系における電圧指令ベクトルの位相角度とに基づいて、位相指令値を算出する。ステップS15では、振幅指令値算出部122が振幅指令値を電力変換制御部112に出力し、位相指令値算出部123が位相指令値を電力変換制御部112に出力する。電力変換制御部112は、二次側電圧の振幅に対応する振幅と、位相指令値に対応する位相とを有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路10を制御する。
図12に示すように、制御回路100は、まずステップS21,S22,S23,S24を実行する。ステップS21では、第2モード制御部115が、モード切替部116からの第2モード指令の出力を待機する。ステップS22では、補償値算出部135が、遅れ補償値における一次側周波数の重みを徐々に大きくし、指令周波数の重みを徐々に小さくすることを開始する。ステップS23では、第2モード制御部115が、二次側電流の位相と、一次側電圧の位相との差を60°の奇数倍±30°に維持する位相追従制御を実行する。ステップS23の具体的内容については後述する。ステップS24では、モード切替部116から上記第1モード制御への移行準備指令が出力されているか否かを、第2モード制御部115が確認する。
図14に示すように、制御回路100は、まずステップS41,S42,S43,S44,S45,S46,S47を実行する。ステップS41では、平均昇温推定部151が、二次側電流と、キャリア周波数とに基づいて平均昇温値を推定する。ステップS42では、係数算出部152が、一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出する。ステップS43では、局所昇温推定部153が、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定する。ステップS44では、劣化進行度算出部155が、局所昇温レベルと、上記劣化プロファイルとに基づいて劣化進行度を算出する。
以上に説明したように、電力変換装置1は、マトリクスコンバータ回路10と、マトリクスコンバータ回路10の二次側電流と、キャリア周波数と、マトリクスコンバータ回路10の一次側周波数と二次側周波数との差とに基づいて劣化レベルを算出する劣化レベル算出部154と、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知する報知部158と、を備える。
Claims (10)
- 一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路と、
前記マトリクスコンバータ回路の二次側電流と、キャリア周波数と、前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数と二次側周波数との差とに基づいて劣化レベルを算出する劣化レベル算出部と、
前記劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知する報知部と、を備える電力変換装置。 - 前記マトリクスコンバータ回路の二次側電流とキャリア周波数とに基づいて平均昇温レベルを推定する平均昇温推定部と、
前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出する係数算出部と、
前記平均昇温レベルと前記集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定する局所昇温推定部と、を更に備え、
前記劣化レベル算出部は、前記局所昇温レベルに基づいて前記劣化レベルを算出する、請求項1記載の電力変換装置。 - 前記劣化レベル算出部は、前記局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、前記劣化進行度を積算することとを繰り返して前記劣化レベルを算出する、請求項2記載の電力変換装置。
- 前記劣化レベル算出部は、前記局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、前記一次側周波数と前記二次側周波数との差に基づいて昇温頻度を算出することと、前記劣化進行度を前記昇温頻度にて積算することとを繰り返して前記劣化レベルを算出する、請求項3記載の電力変換装置。
- 前記一次側周波数と前記二次側周波数との差の絶対値が小さくなるにつれて集中係数が大きくなるように、前記差の絶対値と前記集中係数との関係を表す係数プロファイルを記憶するプロファイル記憶部を更に備え、
前記係数算出部は、前記一次側周波数と前記二次側周波数との差の絶対値と、前記係数プロファイルとに基づいて前記集中係数を算出する、請求項2~4のいずれか一項記載の電力変換装置。 - 前記一次側周波数と前記二次側周波数との差が所定レベルを下回るのに応じて、前記マトリクスコンバータ回路におけるスイッチング状態を、第1状態から、前記第1状態よりもスイッチングロスが小さい第2状態に移行させる状態移行部を更に備え、
前記係数算出部は、前記状態移行部が前記第1状態を前記第2状態に移行させるのに応じて集中係数を小さくする、請求項2~5のいずれか一項記載の電力変換装置。 - 前記第1状態は、前記マトリクスコンバータ回路の一次側と二次側との間の接続状態を切り替えるスイッチングが行われる状態であり、
前記第2状態は、前記第1状態に比較して前記マトリクスコンバータ回路の接続状態の切り替え頻度が低いスイッチングが行われる状態である、請求項6記載の電力変換装置。 - 前記第1状態は、前記マトリクスコンバータ回路の二次側位相と一次側位相との差が無制限に変化する状態であり、
前記第2状態は、前記二次側位相と前記一次側位相との差が60°の奇数倍±30°に保たれる状態である、請求項6記載の電力変換装置。 - 前記マトリクスコンバータ回路により、前記二次側周波数を指令周波数に追従させる周波数制御部と、
前記マトリクスコンバータ回路により、前記二次側位相と、前記一次側位相との差を60°の奇数倍±30°に保つ位相追従制御部とを更に備え、
前記状態移行部は、前記周波数制御部による制御を前記位相追従制御部による制御に移行させることで、前記第1状態を前記第2状態に移行させる、請求項8記載の電力変換装置。 - 一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路の二次側電流と、キャリア周波数と、前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数と二次側周波数との差とに基づいて劣化レベルを算出することと、
前記劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知することと、を含む電力変換方法。
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