JPH11299102A - アクティブフィルタ - Google Patents
アクティブフィルタInfo
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- JPH11299102A JPH11299102A JP10106823A JP10682398A JPH11299102A JP H11299102 A JPH11299102 A JP H11299102A JP 10106823 A JP10106823 A JP 10106823A JP 10682398 A JP10682398 A JP 10682398A JP H11299102 A JPH11299102 A JP H11299102A
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- Y02E40/20—Active power filtering [APF]
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- Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)
- Measurement Of Current Or Voltage (AREA)
- Power Conversion In General (AREA)
Abstract
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
のものと組み合わせることが可能である。
(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。
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。
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。
流を補償するAFの運転が可能となる。
ので、下記の効果を奏する。
の状況に応じたものとなる。
不要な電流を出力しなくなる。
電流による異常騒音・発熱といった障害が発生しない。
となるため電流制御能力(周波数帯域)が向上する。
グラフ。
る回路図。
フロー図。
図。
明図。
Claims (9)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。
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