(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流側電圧を第１、第２のコンデンサにより１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして運転する場合の中性点電位制御方法であって、
前記分圧電圧と等しい電圧の外部直流電源を出力周波数の３倍の成分について高インピーダンスとなるリアクトルを介して前記中性点に接続し、出力周波数の３倍のリプル成分を除いた中性点電位変動分だけを外部直流電源で補償して中性点電位を安定化させることを特徴とした中性点電位制御方法。
【請求項２】
直流側電圧を第１、第２のコンデンサにより１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして使用し、且つこのアクティブフィルタは高調波補償のための有効電流指令値と無効電流指令値を電流制御系に導入して運転する場合の中性点電位制御方法であって、
前記アクティブフィルタ動作時の高調波補償のための無効電流指令値に、静止形無効電流補償装置動作のための無効電流指令値を加算して若干の無効電力を入出力させると共に、基本波指令値に無効電力補償動作を対象とした６次高周波を重畳し、中性点電位を安定化させることを特徴とする中性点電位制御方法。
【請求項３】
直流側電圧を第１、第２のコンデンサにより１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして使用し、且つこのアクティブフィルタの動作時には相電圧指令値をＰＷＭ回路に導入して運転する場合の中性点電位制御方法であって、
前記直流側にエネルギー蓄積要素を設置し、アクティブフィルタ動作時の相電圧指令値に加えて中性点電位変動量に応じた有効電力を入出力し、中性点電位を安定化させることを特徴とした中性点電位制御方法。
【請求項４】
直流側電圧を第１、第２のコンデンサにより１／２に分圧し、この分圧点を中性点とする中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして運転する場合の中性点電位制御方法であって、
直流側を共通に接続した複数台の中性点インバータにより有効電力ループを構成するように制御し、アクティブフィルタ動作に加えて中性点電位変動量に応じた有効電力を入出力し、中性点電位を安定化させることを特徴とした中性点電位制御方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、三角波比較ＰＷＭ制御を行う中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして動作させる場合の中性点電位制御方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
中性点クランプ形インバータ（ＮＰＣインバータ）は、図９に主回路図を示すように、直流側の電圧ＶdcをコンデンサＣ1，Ｃ2によって分圧し、分圧したことによってできる中性点電位Ｖn（１／２Ｖdc）をインバータ出力として利用できるようにスイッチング素子（トランジスタやＧＴＯ，ＴＧＢＴなどの自己消弧能力を有する素子）を配置する。
【０００３】
このインバータは、主回路のスイッチング素子には理論的には直流電源電圧の半分の電圧しかかからないため、一般の電圧形インバータと比較した場合、同じ素子を用いれば出力電圧が２倍のインバータを構成でき、同じ出力容量ならば素子の耐圧が半分で済む利点がある。
【０００４】
出力スイッチングモードとしては、図１０に太線で導通ルートを示すように、１相当たり３種類があり、グラント電位Ｇndと電源電位Ｖdc及び１／２Ｖdc電位の３種類の電位を出力できる。一般のインバータと比較すると、１／２Ｖdc電位を出力できる点が優れており、高調波成分を低減した出力電圧を得ることができる。
【０００５】
ＮＰＣインバータは、中性点には電源が接続されているわけではないため、中性点に電流が流れ込むとその電位が上昇し、電流が流れ出すと電位が下降する。中性点電流は、通常は基本波の３倍の周期で変動しているが、直流分は０である。
【０００６】
しかし、何らかの要因で直流分が含まれると、中性点電位が偏る。このようなＮＰＣインバータ１を図１２に示すように、アクティブフィルタとして運転した場合も同様に中性点電位Ｖnが偏る。
【０００７】
ＮＰＣインバータの中性点を安定する方法として、図１１に示すように、インバータの各運転状態における基本波力率別に中性点電流の直流分が最も大きくなる６次高調波の位相データと、該基本波力率別に６次高調波の重畳量と中性点電流が線形関係になる振幅範囲データとを持つテーブル１０１と、基本波指令値に対して前記位相データに従って位相制御され、前記中性点電位の偏差に応じて振幅制御されかつ前記振幅範囲データにより振幅制限して６次高調波を発生する発信器１０４とを設け、基本波指令値に位相及び振幅を制御した６次高調波指令値を重畳した電圧指令値で制御するようにしたものがある（特願平７−９１２１３号）。
【０００８】
現在のところ、ＮＰＣインバータをアクティブフィルタとして動作させたという事例はないようである。類似した適用例として無効電力補償装置があるが、この場合は上記６次高調波重畳法によって中性点電位を制御することが可能である（以下これを「無効電力補償動作を想定した６次高調波重畳法」という）。また、有効電力をやりとりするような力率が高い運転を行う場合は直流重畳法によって中性点電位を制御することが可能である。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
実際にＮＰＣインバータをアクティブフィルタ動作を行わせたところ、中性点電位は大きく崩れることは無かったが、ある程度の範囲内を変動することがわかった。この状態で、無効電力補償動作を想定した６次高調波重畳法を適用しても制御効果は殆ど無かった。
【００１０】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、中性点電位を安定させることができる中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして運転する場合の中性電位制御方法を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明の中性点電位制御方法は、中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして運転する場合、分圧電圧と等しい電圧の外部直流電源を出力周波数の３倍の成分について高インピーダンスとなるリアクトルを介して前記中性点に接続し、出力周波数の３倍のリプル成分を除いた中性点電位変動分だけを外部直流電源で補償する。
【００１２】
または、アクティブフィルタの動作に加えて無効電流指令を加算して若干の無効電力を入出力させると共に、基本波指令値に無効電力補償動作を対象とした６次高周波を重畳する。
【００１３】
または、前記直流側にエネルギー蓄積要素を設置し、アクティブフィルタ動作に加えて中性点電位変動量に応じた有効電力を入出力させる。
【００１４】
または、直流側を共通に接続した複数台の中性点インバータにより有効電力ループを構成するように制御し、アクティブフィルタ動作に加えて中性点電位変動量に応じた有効電力を入出力する。
【００１５】
または、アクティブフィルタの相電圧指令値に同位相の３次高調波を基本波成分と重畳成分を合成した変調率のピーク値が増加しない範囲で重畳する。
【００１６】
または、相電圧指令値に出力相電圧基本波成分の６次高調波成分を運転モードに適した位相で重畳する。
【００１７】
【発明の実施の形態】
実施の形態１
図１にアクティブフィルタの直流電源回路を示す。同図において、１はアクティブフィルタとして運転される中性点クランプ形（ＮＰＣ）インバータ、Ｃ1，Ｃ2はＮＰＣインバータの直流側に接続された直流電源用直列コンデンサ、Ｅは電圧が１／２Ｖdcの外部直流電源、Ｌはリアクトルである。
【００１８】
外部直流電源ＥをリアクトルＬを介してコンデンサＣ2と並列に接続することにより、出力の３倍の周波数で変動する成分は制御しないようにする。外部直流電源Ｅの容量はアクティブフィルタ動作時の中性点電位の変動は非常に小さいため、小容量のものでよい。
【００１９】
このアクティブフィルタを連系運転する場合、直流電圧Ｖdcは従来の変換器と同様の制御方法により一定に保たれる。リアクトルＬを用いない場合は外部直流電源Ｅにより中性点電位Ｖnを本来の値に完全に固定できるが、外部直流電源Ｅが出力周波数の３倍のリップル成分も補償する必要が生じる。よって、リアクトルＬによりリップル成分は外部直流電源Ｅで補償させないようにする。
【００２０】
リアクトルＬの値は、出力周波数の３倍の成分については高インピーダンス、数１０周期以上の低周波成分については低インピーダンスになるように決定する。出力周波数がｆ（Ｈｚ）、外部直流電源Ｅを接続しないときの中性点電位Ｖnの振動による交流成分がＶnac（Ｖ）、リアクトルＬの値がＬ（Ｈ）とすると（１）式のリップル電流ｉLが流れる。
【００２１】
【数１】
0003541544.tif 000002
【００２２】
このリップル電流ｉLが十分小さくなるようにリアクトルＬの値を決める。このようにして、リップル成分を除いた数１０周期に亘る直流的な中性点電位変動分だけを外部直流電源Ｅで補償することが可能となり、中性点電位Ｖnが安定する。
【００２３】
実施の形態２
図２にＮＰＣインバータを用いたアクティブフィルタの高調波電流指令系を示す。同図において、２はＮＰＣインバータをアクティブフィルタ運転するための電流制御系で、高調波補償のための有効分電流指令と無効分電流指令が入力する。３はこの高調波補償のための無効分電流指令に無効電力補償動作のための無効分電流指令を加算する加算器である。
【００２４】
純粋なアクティブフィルタ動作を行っている場合は、前記「無効電力補償動作を想定した６次高調波重畳法」（Ａ手法）は効果があまりない。逆に、ある程度無効電力を出力してやれば、上記Ａ手法が適用できることがわかった。よって、図２のように、指令値としてアクティブフィルタ＋無効電力補償を行うように指令を与えてやれば、前記Ａ手法によって中性点電位を制御できる。
【００２５】
図２からわかるように、一般的なアクティブフィルタ動作を行う制御系に無効電力補償を行う制御系をつけ加えることは容易であるため現実的である。また、一般的な電力系統は遅れ負荷が多いため、補償動作として進み補償を行えば、電力系統の力率改善効果も期待できる。
【００２６】
無効電力補償動作を付加すると出力電流に基本波成分が含まれるため、前記従来の技術における中性点クランプ形インバータの中性点電位制御法による中性点電位制御（図１１）が可能となる。
【００２７】
実施の形態３
図３にＮＰＣインバータを用いたアクティブフィルタの相電圧指令系を示す。同図において、５は中性点電位変動量を増幅し、有効電力指令を出力するアンプ、６はこの有効電力指令を制限するリミッタ、７はこのリミッタからの有効電力指令の符号をアクティブフィルタが有効電力を吸収している場合、信号の符号を反転させる符号反転回路、８U，８V，８Wはそれぞれアクティブフィルタ動作のＵ，Ｖ，Ｗ相電圧指令値に回路７からの有効電力指令を加算する加算器である。
【００２８】
ＮＰＣインバータでは、出力相電圧指令値に直流分を重畳すると、中性点電位に流れる電流に直流成分が含まれるようになる。この直流成分はほぼ運転力率に比例し、力率が高い程大きくなる。直流成分の重畳量とそれによる中性点電流成分を求めると図４のようになる。また、直流分を重畳する符号を変化させることによって中性点電流直流成分の符号を制御することができ、中性点電位を制御することができる。直流重畳による中性点電流直流分の変化を表１に示す。
【００２９】
【表１】
0003541544.tif 000003
【００３０】
しかして図３のように、アクティブフィルタ動作に加えて、有効電力を入出力するように制御を行ってやると、この直流電圧重畳法による中性点電位制御が行えるようになる。よって、アクティブフィルタの直流側に大容量コンデンサ、２次電池などのエネルギーの入出力が可能な装置を用意して、この装置に対して上記直流電圧重畳法による中性点電位制御を行えば、中性電位を安定化することができる。
【００３１】
実施の形態４
図５にＮＰＣインバータを用いたアクティブフィルタの並列運転回路を示す。同図において、ＡＦ１，ＡＦ２は系統に対し並列に接続された複数のアクティブフィルタで、それぞれ、ＮＰＣインバータ１，速系リアクトルＬ，直流電源用コンデンサＣ1，Ｃ2で構成され、直流電源側は共通に接続されている。
【００３２】
このように、アクティブフィルタＡＦ１，ＡＦ２を設置すると、複数のＮＰＣインバータの間でエネルギーをやりとりすることができる。よって、あるＮＰＣインバータにはエネルギー吸収動作，別のＮＰＣインバータにはエネルギー供給動作を行わせることによってエネルギー入出力動作を複数台のＮＰＣインバータ間で行わせることができる。このようにしてエネルギーの入出力を行っている状態であれば、アクティブフィルタ動作を行いながら前記直流重畳法による中性点電位制御が行えるようになる。この場合、実施の形態３の例とは異なり、直流側にエネルギー入出力が可能な装置を増設する必要がない。
【００３３】
実施の形態５
図６にＮＰＣインバータを用いたアクティブフィルタの相電圧指令系を示す。同図において、１１は出力電圧基本波位相により制御され基本波と同相の３次高調波電圧を出力する３次高調波発振器、１２U，１２V，１２WはそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相電圧指令値に３次高調波発振器１１からの３次高調波電圧を加算する加算器である。
【００３４】
アクティブフィルタ動作中の出力電圧は、主に系統電圧を出力しているために基本波成分がかなりの割合を占める。この基本波成分の３倍の周波数を持つ３次高調波電圧を図６のように相電圧指令値に同相で重畳すると、重畳成分は３次高調波であるため線間電圧としては出力されない。よって、重畳成分は出力電圧には影響しない。重畳量は、基本波成分と重畳成分を合成した変調率のピーク値が増加しない範囲で重畳する。
【００３５】
このように３次高調波電圧を重畳すると、出力電圧は変化しないものの動作変調率が低下し、中性点電位の電圧を出力するスイッチングモードが選択される割合が増加する。実際に、アクティブフィルタの動作時の自然な中性点電位復帰能力（通常のアクティブフィルタ動作中であっても中性点電位は本来の正常な値（直流側電圧の半分）に戻ろうとする力がわずかであるが働く）が高くなった。
【００３６】
この方法では、重畳位相差を運転モードに関係なく一定としておくことができるため、特に制御などを行う必要がない。このため、制御系の構成を殆ど変化させる必要がない利点がある。
【００３７】
実施の形態６
図７にＮＰＣインバータを用いたアクティブフィルタの相電圧指令系を示す。同図において、１５は適当な位相差を出力する重畳位相差テーブル、１６は中性点電位制御量とテーブル１５からの位相差に基づいて６次高調波を出力する６次高調波発振器、１７U，１７V，１７WはそれぞれＵ，Ｖ，Ｗ相電圧指令値に発振器１６からの６次高調波を加算する加算器である。
【００３８】
図７のように相電圧指令値に６次高調波を適当な位相差で重畳すると、無効電力補償動作中の場合は、位相差が０度などの時に中性点電位を制御する力がピークとなる。一方、アクティブフィルタ動作中は適切な位相差が無効電力補償動作の場合と異なり、前記Ａ手法を行っているだけで中性点電位制御の効果は小さい。
【００３９】
しかし、６次高調波の位相差を適切に設定してやれば、アクティブフィルタ動作中の中性点電位を制御する能力を生じる。適切な位相差は補償している高調波次数やその大きさ、基本波との位相差などによって変化する。
【００４０】
テーブル１５は図８のような構成になっており、入力パラメータとしてアクティブフィルタが出力するすべての次数の高調波（基本波を含む）の位相差と振幅を運転状況として与え、その運転状況に適した６次高調波重畳位相差を出力する。テーブルの個々の要素には、その要素（重畳位相差）を利用すべき運転状況が１つ対応している。
【００４１】
テーブル１５の作成に際しては、まず、出力電流データをフーリエ変換器１４でフーリエ変換し、出力電流高調波の各次数において、振幅を出力の−１００％から＋１００％まで、基本波との位相差を０度から３６０度まで、それぞれ独立に少しずつ変化させることによって、様々な運転状況を想定する。その後、その状況で最も重畳効果が現れる６次高調波重畳位相差をシミュレーションによって求め、対応するテーブルに重畳位相差を書き込む。これを想定されるすべての運転状況について行うことによってテーブルを作成する。
【００４２】
実際にアクティブフィルタ動作を行う場合は、アクティブフィルタで補償することが想定される高調波（一般的には５次，７次，１１次，１３次程度まで）電流を対象とし、それぞれの振幅，位相差をパラメータとする。例えば５，７，１１，１３次を対象とするならば、８入力のテーブルとなる。
【００４３】
このようなテーブルを作成し、実際の運転の際にはインバータが出力している出力電流を周波数解析し、各高調波成分の振幅と基本波に対する位相差を求めることによって変換器の運転状況を定量的に検出し、その運転状況をテーブルに入力することによって最適な６次高調波重畳位相差を求める。重畳量については、中性点電流直流成分とほぼ比例関係にあるので、中性点電位の変動に応じた値を指定する。なお、６次高調波も３次高調波同様、出力線間電圧には現れないため、出力電流には影響しない。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、中性点クランプ形インバータをアクティブフィルタとして動作させた場合の中性点の電位を安定化させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１にかかる外部電源による中性点電位制御回路図。
【図２】実施の形態２にかかる無効分電流付加による中性点電位制御の電流指令回路図。
【図３】実施の形態３にかかる直流重畳による中性点電位制御の相電圧指令回路図。
【図４】直流成分の重畳とそれによる中性点電流直流成分を示すグラフ。
【図５】実施の形態４にかかる並列運転による中性点電位制御の説明図。
【図６】実施の形態５にかかる３次高調波重畳による中性点制御の相電圧指令回路図。
【図７】実施の形態６にかかる６次高調波重畳による中性点制御の相電圧指令回路図。
【図８】重畳位相差テーブルの説明図。
【図９】中性点クランプ形インバータの構成図。
【図１０】中性点クランプ形インバータのスイッチングモード説明図。
【図１１】中性点クランプ形インバータの中性点電位制御ブロック図。
【図１２】中性点クランプ形インバータによるアクティブフィルタの構成図。
【符号の説明】
１…中性点クランプ形（ＮＰＣ）インバータ
２…電流制御系
５…アンプ
６…リミッタ
７…有効電力を吸収している場合信号の符号を反転させる符号反転回路
１１…３次高調波発振器
１５…重畳位相差テーブル
１６…６次高調波発振器
１０１…６次高調波の位相データと振幅範囲を持つテーブル
１０２…アンプ
１０３…リミッタ
１０４…６次高調波発振器
ＡＦ１，ＡＦ２…アクティブフィルタ
【図１】
0003541544.tif 000004
【図２】
0003541544.tif 000005
【図３】
0003541544.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0003541544.tif 000011
【図９】
0003541544.tif 000012
【図１０】
0003541544.tif 000013
【図１１】
0003541544.tif 000014
【図１２】
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