JPH11299102A - アクティブフィルタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 外部回路の状況に応じた運転を可能にする。 【解決手段】 アクティブフィルタ（ＡＦ）の電力変換
器２の出力電流と出力電圧を１周期分検出し、系統周波
数を基本波としてその整数倍の周波数成分についてフー
リエ変換を行い、その結果得られた運転中の電圧と電流
について周波数解析結果をつき合わせ変換器２からみた
外部回路１のインピーダンスボード線図を作成し、系統
インピーダンスボード線図のゲインと位相の特性を連系
リアクトル単体の場合と比較して共振周波数を検出し、
ＬＣＲの直列回路をディジタル演算で模擬するバンドカ
ットフィルタを設け、共振周波数成分を共振検出可能に
任意の量カットする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、外部回路の状況
に応じた運転を可能とする周波数解析機能を有するアク
ティブフィルタに関するもである。

【０００２】

【従来の技術】アクティブフィルタ（以下単にＡＦとい
う）は、図８に示すように、電力系統ＰＳに接続し、Ａ
Ｆの電力変換器２から高調波を出力することによって接
続点ａより上位側に流出する負荷Ｌからの高調波成分を
削減する装置である。

【０００３】一般的なＡＦの制御系は図９に示すように
構成されている。まず、補償点（接続点の負荷電流を検
出し、座標変換系１１によりｄ，ｑ軸負荷電流に変換
し、ハイパスフィルタ１３，１４によりｄ，ｑ軸負荷高
調波電流成分を抽出すると共に、電力変換器２の出力電
流を検出し、座標変換系２１によりｄ，ｑ軸変換器電流
に変換する。

【０００４】そして、ｄ軸、変換器電流とｄ軸負荷高調
波電流との偏差を瞬時電流制御系２３でＰＩ演算してｄ
軸電圧指令とすると共に、ｑ軸変換器電流とｑ軸負荷高
調波電流との偏差を瞬時電流制御系２４でＰＩ演算して
ｑ軸電圧指令値とし、このｄ，ｑ軸電圧指令を座標変換
系２５で３相電圧指令値に変換し、電圧制御系２６でＰ
ＷＭのゲートパルスを作成して電力変換器２を制御し、
ＡＦの電圧を制御する。

【０００５】これによってＡＦは補償点の高調波電流を
出力する電流源として振る舞うことになり、結果として
接続点ａより上位側の系統ＰＳへ高調波電流成分が流れ
ないようになる。

【０００６】ＡＦを構成する半導体電力変換器は、高調
波電流を出力する必要があるため、高速で正確な電流制
御性能が要求される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところで、アクティブ
フィルタ（ＡＦ）を接続した場合、下記のような問題点
が発生することがある。

【０００８】１）電圧源負荷との共振 補償点よりも下流側に、進相コンデンサなどの電圧源の
ような負荷が存在すると、補償するための高調波電流の
一部がその負荷に流れ込んでしまい、補償点の高調波電
流が増加してしまう場合がある。

【０００９】図１０のように、補償点よりも下流側に高
調波負荷Ｌに加えて進相コンデンサＣが存在する場合、
元から存在する補償点の高調波成分を補償しようとして
アクティブフィルタが高調波成分を出力すると、その電
流の一部はインピーダンスの低い進相コンデンサＣに流
れてしまう。

【００１０】このとき、ＡＦ接続点からみたインダクタ
ンス成分（ＡＦ連系Ｌ＋送電線Ｌ）と進相コンデンサＣ
によるＬＣ直列共振周波数と補償している高調波成分の
周波数が近い場合は、共振回路のインピーダンスが低く
なるために共振高調波電流が急速に増加してしまい、最
終的には共振状態になる。この状態では、ＡＦは自分で
共振させた共振高調波電流を補償しているだけであり、
無駄な運転を行っていることになる。

【００１１】一般に、系統に接続されている負荷で電圧
源として振る舞う負荷は進相コンデンサがほとんどであ
る。よって、共振電流はこれらの進相コンデンサに流れ
る可能性が高く、高調波耐量の低い進相コンデンサには
異常騒音・発熱といった障害が発生する。

【００１２】２）電流制御限界 ＡＦの電流制御系は理想状態であればどの周波数でも指
令値通りの電流を出力できるが、実際には電流検出の遅
れ、制御部分の遅れ、ＡＦを構成する半導体電力変換器
のスイッチング周波数の限界などの影響があり、電流制
御ゲインを無制限に高めることができない。このため、
電流制御が可能な周波数には限界がある。

【００１３】よって、ＡＦが効果を発揮する周波数は、
電流制御系の周波数によって制限される。特に、半導体
電力変換器のスイッチング周波数は、素子の能力や効率
の点から低くせざるを得ないため、ＡＦの補償可能周波
数はスイッチング周波数によって制限されることが多
い。

【００１４】この発明は、上記課題に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、外部回路の状況に
応じた運転ができる周波数解析機能を有するアクティブ
フィルタを提供することにある。

【００１５】

【課題を解決するための手段】（１）ＤＦＴ（離散フー
リエ変換）を用いた系統インピーダンスボード線図作成
機能 アクティブフィルタ（ＡＦ）の運転状況を簡略すると、
図１に示すように変換器２と外部回路１で表すことがで
きる。この外部回路は、変換器の連系リアクトルを始
め、系統に接続されている全ての装置によって構成され
る。

【００１６】ここで、変換器の出力電流と出力電圧を１
周期分検出し、系統周波数を基本波として、その整数倍
の周波数成分についてフーリエ変換を行う。その結果得
られたＡＦ運転中の電圧，電流についての周波数解析結
果を付き合わせると、外部回路１を変換器２から見た場
合のインピーダンスボード線図が作成できる。

【００１７】（２）ＦＦＴ（高速フーリエ変換）を用い
た系統インピーダンスボード線図作成機能 上記（１）のＤＦＴを用いた周波数解析の場合、変換す
るデータ列の個数には制限が無いため、サンプリング周
波数の制約もない。しかし、ＤＦＴは演算量が多く処理
に時間がかかる。

【００１８】データ列の個数が２のｎ乗個であれば、Ｆ
ＦＴを利用できる。よって、サンプリング周波数を系統
周波数に対して２のｎ乗倍に設定すれば、ＦＦＴが利用
できる。また４のｎ乗倍の場合は、ＦＦＴの基数を４に
することができ、さらなる高速化が可能である。８のｎ
乗倍であれば、基数を８にすることができる。よって、
サンプリング周波数を電源周波数の２ⁿ倍に設定してＦ
ＦＴが使えるようにする。

【００１９】外部回路を変換器から見た場合の系統イン
ピーダンスボード線図は、上記ＤＦＴを用いた場合と同
様、フーリエ変換を行い、その結果得られたＡＦ運転中
の電圧と電流について周波数解析結果を付き合わせて作
成する。

【００２０】（３）共振周波数検出機能 ＡＦの変換器が電圧形の場合は出力端に連系リアクトル
が接続されているため、上記（１）又は（２）で作成し
たＡＦの変換器から見た系統のインピーダンスボード線
図にはリアクタンス成分による特性がはっきりと現れ
る。この場合、図２のように周波数に比例してゲイン
（インピーダンスの絶対値）が大きくなり、位相遅れは
９０度でほぼ一定の値を取る。

【００２１】しかし、負荷に進相コンデンサがあるよう
な場合は、周波数によってはリアクタンスとキャパシタ
ンスにより共振が発生するため、その周波数ではゲイン
（インピーダンス）や位相遅れが小さくなり、図３のよ
うになる。

【００２２】よって、この共振周波数検出機能は上記ボ
ード線図を解析し、連系リアクトルだけの状態からどの
程度逸脱しているかを評価することで、共振している周
波数を求める。このときの判断材料としては図３に示す
ように、ゲイン（インピーダンス）の違いと位相の違い
がある。

【００２３】＜ゲインでの判断＞連系リアクトルだけの
状態であれば、ゲインは周波数に対して比例して増加す
る。しかし、共振が生じている場合はその共振周波数の
周辺で、連系リアクトルだけの場合よりもゲインが低下
する。よって、ゲインのグラフにおいて、連系リアクト
ルだけの場合の直線よりも下に大きく逸脱している場合
に、その周波数が共振周波数であると判断できる。逸脱
の度合は周辺の状況に応じて調整する。

【００２４】＜位相での判断＞連系リアクトルだけの状
態であれば、電圧に対する電流の位相遅れは周波数によ
らず９０度で一定となる。しかし、共振が生じている場
合はその共振周波数の周辺で、連系リアクトルだけの場
合よりも位相遅れが小さくなる。よって、位相のグラフ
において、９０度よりも遅れが小さくなる方に逸脱して
いる場合に、その周波数が共振周波数であると判断でき
る。逸脱の度合は周辺の状況に応じて調整する。

【００２５】（４）バンドカットフィルタを利用した共
振電流除去機能 上記（３）の共振周波数検出機能を利用して共振してい
る周波数が判明した場合は、その周波数を出力しないよ
うにする必要がある。そこで、補償すべき負荷電流を検
出したのち、共振周波数の成分をカットするバンドカッ
トフィルタを通してやれば、ＡＦが共振周波数成分を出
力しなくなるために共振が治まる。

【００２６】バンドカットフィルタは、図４のように、
フィルタ入力を電圧と見なして加えた、仮想的な直列共
振回路に流れる電流をディジタル演算で求め、演算の結
果得られた出力電流（共振周波数が流れる）をＲ倍し、
その値を元の電圧から引き（この段階でバンドパスから
バンドカットフィルタになる）、その残りをフィルタ出
力とすれば実現できる。

【００２７】直列共振回路は共振周波数周辺の成分だけ
が流れるバンドパスフィルタ的な特性があるため、これ
を逆にすればバンドカットフィルタ的になる。ＬとＣの
値を調整すればカット周波数を、Ｒの値を調整すればＱ
を変更することが可能である。

【００２８】共振周波数が判明した場合には、その周波
数をカットし、小さいＱの値を持つフィルタを構成し、
補償すべき負荷電流にかける。そして、共振電流が大き
い場合はＱを大きくし、小さい場合はＱを小さくするこ
とによって、共振電流を上記（３）によって検出できる
範囲でなるべく小さい値に調整する。

【００２９】系統状況が全く変化しない場合は、検出で
きなくなるまで共振電流を削減してやれば良いが、実際
には系統状況は時間と共に変化することが多い。この場
合、共振電流を完全にカットしてしまうと、系統の状況
変化による共振周波数が変化した場合に、当初の共振周
波数の補償が再開されなくなる。よって、検出できる範
囲で、測定用としてなるべく小さい共振電流を出力す
る。

【００３０】Ｑが十分小さくなったにも関わらず共振電
流が検出できなくなった場合は、系統状況変化によって
共振が解消されたことになる。この場合は、フィルタリ
ングを解除する。

【００３１】（５）ＤＦＴを用いた補償すべき負荷電流
の周波数解析機能 検出した負荷電流を回転座標系に変換せずにそのまま１
周期分検出し、系統周波数を基本波として、その整数倍
の周波数成分についてフーリエ変換を行う。その後、基
本波成分に相当する周波数成分を除去することによっ
て、補償すべき負荷電流成分を周波数領域上で得る。

【００３２】（６）ＦＦＴを用いた補償すべき負荷電流
の周波数解析機能 上記（５）のＤＦＴを用いた場合と同様に解析するが、
サンプリング周波数を上記（２）のように設定すること
によって、ＦＦＴを利用できるようにし、演算時間を短
縮する。

【００３３】（７）上記（５）あるいは（６）を利用し
た共振電流除去機能 上記（４）では、仮想的な直列共振回路を用いて特定の
周波数成分を取り除いているが、上記（５）あるいは
（６）は利用すると、周波数領域で補償電流を取り扱う
ことができる。その場合、特定の周波数に特定のゲイン
をかけることが可能となる。

【００３４】よって、検出できる範囲で共振周波数の成
分に１未満のゲインをかけてやれば、共振電流除去が可
能である。なお、上記（４）におけるＱの調整と同様、
かけるゲインは共振電流が検出できる範囲でなるべく小
さく設定する。

【００３５】上記（５）あるいは（６）による検出結果
が十分小さくなったら、共振が解消されたと判断し、ゲ
イン操作を解除する。

【００３６】（８）負荷電流変化周期の検出機能 通常、図５のように各周期毎の電力系統の負荷電流の波
形の変化は少ない。このため、過去の波形と近い波形が
未来に検出されるとみなすことができる。しかし、場合
によっては波形変化の周期が系統１周期分ではなく、系
統２周期分以上の長さになることも考えられる。この時
に、波形変化周期を検出することを考える。

【００３７】上記（５）あるいは（６）を利用した負荷
電流の周波数解析結果を数周期バッファに格納し、各次
数についての違いを調べる。ｎを１以上の整数として、
各ｎ周期過去のデータと現在のデータを比較し、その違
いを振幅の大きい次数を中心に振幅と位相の変化の絶対
値を合計していく。適当な範囲のｎについてこの処理を
行うと、現在の波形パターンに最も近い波形を持つｎを
決定することができる。

【００３８】図６のように波形変化の周期が系統３周期
分であれば、ｎ＝１、ｎ＝２の場合の違いは大きいが、
ｎ＝３の場合は小さくなるため、波形変化の周期を検出
することができる。

【００３９】周波数解析機能を利用した負荷電流決定に
おいては、必ず１周期分の遅れが生じるため、通常は１
周期過去の負荷電流波形を元に補償を行う。負荷電流波
形が１周期毎に変化し、負荷電流波形周期が電源周期の
２周期分になるような場合は、１周期過去の電流波形を
元に補償していると誤差が大きくなる。

【００４０】そこで、この機能を用いて負荷電流波形の
周期を求め、負荷電流波形周期が２周期分の場合は２周
期過去の波形解析データを、３周期ならば３周期過去の
波形解析データを利用すれば、適切な補償が可能とな
る。

【００４１】この発明は、上記（１）〜（８）の機能
（要素技術）をＡＦに組み合わせて外部回路の状況に応
じたＡＦの運転を可能とするものである。

【００４２】

【発明の実施の形態】実施の形態１ アクティブフィルタ（ＡＦ）に〔課題を解決するための
手段〕の（１）（又は（２））と（３）および（４）に
記載した、ＤＦＴ（又はＦＦＴ）を用いた系統インピー
ダンスボード線図作成機能とこのボード線図を解析して
共振周波数を検出する共振周波数検出機能およびバンド
カットフィルタを利用した共振電流除去機能を設ける。

【００４３】このＡＦを動作させた状態で上記系統イン
ピーダンスボード線図作成機能を実行してインピーダン
スボード線図を作成し、このボード線図を上記共振周波
数検出機能により解析して共振している周波数を求め
る。

【００４４】そしてＡＦの制御系で検出した補償すべき
負荷電流を上記バンドカットフィルタに通して負荷電流
から共振周波数成分をカットして共振周波数が出力しな
いようにＡＦを制御する。上記により電流系統のＡＦ接
続点下流に進相コンデンサなどの電流源が存在しても無
駄な共振電流を出力することのないＡＦの運転が可能と
なる。

【００４５】実施の形態２ ＡＦに〔課題を解決するための手段〕の（１）と（５）
（又は（２）と（６））のＤＦＴ（又はＦＦＴ）を用い
た系統インピーダンスボード線図作成機能とＤＦＴ（又
はＦＦＴ）を用いた補償すべき負荷電流の周波数解析機
能を設ける。

【００４６】このＡＦを動作させた状態で上記系統イン
ピーダンスボード作成機能を実行してインピーダンスボ
ード線図を作成し、上記負荷電流の周波数解析機能を実
行する。

【００４７】制御系の出力電圧指令値に対する実際の出
力電流のボード線図が分かっていれば、ＡＦの変換器に
出力させた電流をボード線図によって電圧に逆変換して
やることによって必要な電圧指令値を求めることができ
る。この場合、各部分の遅れ等があらかじめボード線図
に含まれているため、遅れに影響されない電流制御が可
能となる。

【００４８】周波数領域で求めた補償電流についても、
検出遅れに相当する分、各次数の成分の位相を進めてお
けば、補償電流の検出部分の遅れも影響しなくなる。

【００４９】このようにしてＡＦを構成すると制御系は
図７のようになる。この制御系は、過去のデータから推
定した補償電流を、過去の変換器出力ボード線図から推
定した電流指令値→電圧指令値変換によって電圧指令値
に変換するため、基本的にフィードフォワード制御系と
なる。なお、基本波成分については、従来と同じ方式で
制御を行う。高調波補償の制御部分では基本波成分を取
り扱わないので、両者の制御は干渉しない。

【００５０】この場合、補償対象電流の検出から実際に
補償するまでの遅れが系統電源周期となり、比較的長い
時間になる。しかし、補償対象電流は時間領域では系統
電源周波数よりも高い周波数で変化するが、周波数領域
ではゆっくりとした変化をすることが多い。よって、実
用上はほとんど問題がない。

【００５１】なお、このような制御を行うと、１周期毎
に波形が変化するような負荷に対しては全く補償が行え
ない。このような場合は、〔課題を解決するため手段〕
の（８）の負荷電流変化周期の検出機能によつて系統１
周期単位の負荷変動を検出し、２周期以上過去に検出し
た負荷電流を補償電流として出力してやれば良い。

【００５２】なお、電流形変換器を用いてＡＦを構成し
ている場合は、電圧と電流の関係が逆になるだけであ
り、本機能の適用は可能である。

【００５３】また、実施の形態３のものは実施の形態２
のものと組み合わせることが可能である。

【００５４】実施の形態３ ＡＦに〔課題を解決するための手段〕の（１）（又は
（２））と（３）および（７）のＤＦＴ（又はＦＦＴ）
を用いた系統インピーダンスボード線図作成機能，共振
周波数検出機能および共振電流除去機能を設ける。

【００５５】上記ボード線図作成機能と共振周波数検出
機能により上記実施の形態１同様に、インピーダンスボ
ード線図および共振している周波数を求める。

【００５６】そして上記（７）の共振電流除去機能によ
り上記で求めた共振している周波数成分に１未満のゲイ
ンをかけて、共振電流を除去する。

【００５７】上記により共振周波数成分以外の高調波電
流を補償するＡＦの運転が可能となる。

【００５８】

【発明の効果】この発明は上述のとおり構成されている
ので、下記の効果を奏する。

【００５９】（１）アクティブフィルタの運転外部回路
の状況に応じたものとなる。

【００６０】（２）アクティブフィルタが共振電流など
不要な電流を出力しなくなる。

【００６１】（３）そのため進相コンデンサなどに共振
電流による異常騒音・発熱といった障害が発生しない。

【００６２】（４）フィードフォワード電流制御が可能
となるため電流制御能力（周波数帯域）が向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】系統インピーダンスボード線図作成説明図。

【図２】通常のインピーダンス特性を示すグラフ。

【図３】共振している場合のインピーダンス特性を示す
グラフ。

【図４】バンドカットフィルタを構成するために模擬す
る回路図。

【図５】負荷高調波電流波形の特性を示すグラフ。

【図６】負荷高調波電流周期の検出説明図。

【図７】ティードフォワードアクティブフィルタの制御
フロー図。

【図８】アクティブフィルタの構成図。

【図９】アクティブフィルタの制御系を示すブロック
図。

【図１０】アクティブフィルタが共振を起こすケース説
明図。

【符号の説明】

ＡＦ…アクティブフィルタ １…外部回路 ２…ＡＦの電力変換器 ３…ＡＦの制御装置 ＰＳ…電力系統。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出した負荷電流から補償すべき負荷電
   流成分を演算し、電力変換器を制御して高調波電流を連
   系リアクトルを介して出力し、電力系統に流れる高調波
   電流を補償するアクティブフィルタにおいて、 前記電力変換器の出力電流と出力電圧を１周期分検出
   し、系統周波数を基本波として、その整数倍の周波数成
   分についてフーリエ変換を行い、その結果得られた運転
   中の電圧と電流について周波数解析結果をつき合わせ
   て、電力変換器から見た外部回路のインピーダンスボー
   ド線図を作成する系統インピーダンス線図作成機能と、 前記系統インピーダンスボード線図のゲインと位相の特
   性を連系リアクトル単体の場合と比較して共振周波数を
   検出する共振周波数検出機能とを設けたことを特徴とし
   たアクティブフィルタ。
2. 【請求項２】 検出した負荷電流から補償すべき負荷電
   流成分を演算し、電力変換器を制御して高調波電流を連
   系リアクトルを介して出力し、電力系統に流れる高調波
   電流を補償するアクティブフィルタにおいて、 ＬＣＲの直列回路をデジタル演算で模擬するバンドカッ
   トフィルタを設け、任意の周波数成分を任意の量だけカ
   ットすることを特徴とするアクティブフィルタ。
3. 【請求項３】 請求項１において、 前記負荷電流を１周期分検出し、系統周波数を基本波と
   してその整数倍の周波数成分についてフーリエ変換し、
   基本波成分に相当する周波数成分を除去し、前記共振周
   波数成分を減少させ、補償すべき負荷電流成分を周波数
   領域上で得る周波数解析機能を設けたことを特徴とする
   アクティブフィルタ。
4. 【請求項４】 請求項３において、 前記電力変換器の出力電流と出力電圧を１周期分検出
   し、系統周波数を基本波として、その整数倍の周波数成
   分についてフーリエ変換を行い、その結果得られた運転
   中の電圧と電流について周波数解析結果につき合わせて
   電力変換器から見た外部回路のインピーダンスボード線
   図を作成する系統インピーダンス線図作成機能と、 前記系統インピーダンス線図のゲインと位相の特性が連
   系リアクトル単体の場合と比較して共振周波数を検出す
   る共振周波数検出機能と、 前記補償すべき負荷電流成分における共振周波数成分に
   １未満のゲインを掛ける共振電流除去機能とを設け、 共振電流検出を可能とすると共に共振電流成分を任意に
   除去できるようにしたことを特徴とするアクティブフィ
   ルタ。
5. 【請求項５】 請求項４において、 ＬＣＲの直列回路をデジタル演算等で模擬するバンドカ
   ットフィルタを設け、 前記検出した共振周波数成分を任意の量だけカットする
   ことを特徴とするアクティブフィルタ。
6. 【請求項６】 請求項３または４において、 前記負荷電流の周波数解析結果を数周期分格納し、適切
   な周期、過去の結果をとりだし、検出遅れ分に相当する
   分、各次数成分の位相を進めるバッファを設け、 フィードフォワード制御することを特徴としたアクティ
   ブフィルタ。
7. 【請求項７】 請求項１または３ないし６のいずれか１
   つにおいて、 系統インピーダンスボード線図から出力電流→電圧指令
   値のゲインを求め、電流指令値にこのゲインを乗ずるこ
   とによって電圧指令値を得ることによってフィードフォ
   ワード電流制御を行うことを特徴とするアクティブフィ
   ルタ。
8. 【請求項８】 請求項１または３ないし７のいずれか１
   つにおいて、 前記フーリエ変換が離散フーリエ変換であることを特徴
   とするアクティブフィルタ。
9. 【請求項９】 請求項１また３ないし７のいずれか１つ
   において、 前記フーリエ変換が高速フーリエ変換であることを特徴
   とするアクティブフィルタ。