(57)【要約】【課題】この発明は、電力系統や負荷に接続され、制御によって交流電圧を制御できる電力変換器に係り、特に電圧指令と出力電圧の誤差を少なく制御する。【解決手段】奇数次の補償電圧を個別に演算し、ゲイン、位相を個別に調整することにより、電流が０近辺の理論的に補償し難い電圧歪みを効果的に抑制することが可能である。【選択図】      図１
2007089330.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力系統または負荷に、直接または変圧器、リアクトルの少なくともいずれか一方を介して交流出力電圧を印加する電力変換器と、
前記電力変換器の交流出力電圧を制御する制御手段と、
前記電力変換器に与える交流電圧指令を作成する電圧指令作成手段と、
前記電力変換器の出力電流が０クロスするタイミングを予測する０クロス予測手段と、
前記電力変換器に与える交流電圧指令と前記電力変換器の出力電圧の電圧差を予測し、前記出力電流の予測０クロスタイミングに基づいて前記電圧差を補正するための補償電圧を発生する補償電圧作成手段と、
前記電圧指令作成手段からの電圧指令と、前記補償電圧作成手段からの補償電圧とに基づいて、前記制御手段に指令を与える手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記補償電圧作成手段からの補償電圧は、交流電圧の基本波を含む奇数次高調波であることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記補償電圧作成手段からの補償電圧は、交流電圧の基本波を含む低次の奇数次高調波であることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記補償電圧作成手段からの補償電圧は、交流電圧の基本波を含む奇数次高調波であり、各次の補償電圧は各次独立に振幅、位相を調整できる調整手段を持つことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記変圧器は、その励磁電流特性を前記負荷が軽負荷で負荷電流が０近辺であっても前記制御手段にて観測できる程度の大きさとしたことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記変圧器は、前記負荷の力率変化範囲に対して前記電力変換器の出力電流が０とならないような励磁電流を流すことを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
電力系統または負荷に、直接または変圧器、リアクトルの少なくともいずれか一方を介して交流出力電圧を印加する電力変換器と、
前記電力変換器の交流出力電圧を制御する制御手段と、
前記電力変換器に与える交流電圧指令を作成する電圧指令作成手段と、
前記電力変換器の出力電流が０クロスするタイミングを予測する０クロス予測手段と、
前記電力変換器に与える交流電圧指令と前記電力変換器の出力電圧の電圧差を予測し、前記出力電流の予測０クロスタイミングに基づいて前記電圧差を補正するための補償電圧を発生するものであって、位相補正部とゲイン調整部を備えた補償電圧作成手段と、
前記電圧指令作成手段からの電圧指令と、前記補償電圧作成手段からの補償電圧とに基づいて、前記制御手段に指令を与える手段と、
前記電力変換器の出力電圧を周波数解析を行う周波数解析手段を具備した電力変換装置
において、
前記周波数解析手段で解析した結果の各次数成分における位相誤差及び振幅誤差が小さくなるように、前記位相補正部による位相補正及び前記ゲイン調整部によるゲイン調整を行うようにしたことを特徴とする電力変換装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力系統や負荷に接続され、制御によって交流電圧を制御できる電力変換装置に係り、特に電圧指令と出力電圧の誤差が少ない電力変換装置及びその調整方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流を交流に変換する電力変換器例えばインバータ２は、図２に示すように半導体素子とダイオードを逆並列接続した素子２１、２２、２３、２４をブリッジ接続し、異なるアーム中点間に負荷３を接続したものである。
【０００３】
このような構成のインバータ２において、例えば同一アームにスイッング素子ＴｒＰ、ＴｒＮを直列に接続し、交互にスイッチングすることで擬似的に交流を発生する。このため、後述するようにスイッチング素子ＴｒＰ、ＴｒＮ間の短絡を防止するため、オンタイミングが重ならないように同時にオフする期間(図３の短絡防止時間)が設けられる。その期間中、インバータ２の出力電圧は流れる電流の方向によって決まるため、電圧指令と出力電圧の誤差が大きくなる。その誤差を補償するために、従来から方形波状の補償電圧を電流の極性に従って正負に変更して電圧指令に加算する方法が取られている。
【０００４】
また特許文献１に開示されているように、補償タイミングのずれによる影響を軽減する目的で、方形波状の補償電圧を構成する複数の高調波次数成分のうち、特定次数成分の補償電圧を算出して制御する方法も提案されている。
【特許文献１】特開２００４−８０９５４号公報（第一１０頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来の電力変換器の制御装置は以上のように構成されており、短絡防止時間の影響が電流の正負に対応した方形波であることを仮定して補償電圧を演算している。しかしながら、電力変換器の電流が正から負、負から正に切り替わる瞬間は瞬時ではなく、負荷のインピーダンスと電力変換器のスイッチング周波数によっては、素子に流れる電流が正負を往復したりして、電流が正であるか負であるか不確定な期間があり、補償電圧を方形波と仮定して補償電圧を作成すると過補償になったり、不足補償になる可能性があった。
【０００６】
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、電力変換器の電圧指令及び出力電圧の誤差をなるべく低減することができる電力変換装置を提供することを目的とする。  
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記目的を達成するため、請求項１に対応する発明は、電力系統または負荷に、直接または変圧器、リアクトルの少なくともいずれか一方を介して交流出力電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器の交流出力電圧を制御する制御手段と、前記電力変換器に与える交流電圧指令を作成する電圧指令作成手段と、前記電力変換器の出力電流が０クロスするタイミングを予測する０クロス予測手段と、前記電力変換器に与える交流電圧指令と前記電力変換器の出力電圧の電圧差を予測し、前記出力電流の予測０クロスタイミングに基づいて前記電圧差を補正するための補償電圧を発生する補償電圧作成手段と、前記電圧指令作成手段からの電圧指令と、前記補償電圧作成手段からの補償電圧とに基づいて、前記制御手段に指令を与える手段とを備えた電力変換装置である。
【０００８】
前記目的を達成するため、請求項２に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記補償電圧作成手段からの補償電圧は、交流電圧の基本波を含む奇数次高調波である請求項１記載の電力変換装置である。
【０００９】
前記目的を達成するため、請求項３に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記補償電圧作成手段からの補償電圧は、交流電圧の基本波を含む低次の奇数次高調波である請求項２記載の電力変換装置である。
【００１０】
前記目的を達成するため、請求項４に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記補償電圧作成手段からの補償電圧は、交流電圧の基本波を含む奇数次高調波であり、各次の補償電圧は各次独立に振幅、位相を調整できる調整手段を持つ請求項１記載の電力変換装置である。
【００１１】
前記目的を達成するため、請求項５に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記変圧器は、その励磁電流特性を前記負荷が軽負荷で負荷電流が０近辺であっても前記制御手段にて観測できる程度の大きさとした請求項１記載の電力変換装置である。
【００１２】
前記目的を達成するため、請求項６に対応する発明は、次のようにしたものである。すなわち、前記変圧器は、前記負荷の力率変化範囲に対して前記電力変換器の出力電流が０とならないような励磁電流を流す請求項５記載の電力変換装置である。
【００１３】
前記目的を達成するため、請求項７に対応する発明は、電力系統または負荷に、直接または変圧器、リアクトルの少なくともいずれか一方を介して交流出力電圧を印加する電力変換器と、前記電力変換器の交流出力電圧を制御する制御手段と、前記電力変換器に与える交流電圧指令を作成する電圧指令作成手段と、前記電力変換器の出力電流が０クロスするタイミングを予測する０クロス予測手段と、前記電力変換器に与える交流電圧指令と前記電力変換器の出力電圧の電圧差を予測し、前記出力電流の予測０クロスタイミングに基づいて前記電圧差を補正するための補償電圧を発生するものであって、位相補正部とゲイン調整部を備えた補償電圧作成手段と、前記電圧指令作成手段からの電圧指令と、前記補償電圧作成手段からの補償電圧とに基づいて、前記制御手段に指令を与える手段と、前記電力変換器の出力電圧を周波数解析を行う周波数解析手段を具備した電力変換装置において、前記周波数解析手段で解析した結果の各次数成分における位相誤差及び振幅誤差が小さくなるように、前記位相補正部による位相補正及び前記ゲイン調整部によるゲイン調整を行うようにした電力変換装置の調整方法である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、電力変換器の電圧指令及び出力電圧の誤差をなるべく低減することができる電力変換装置及びその調整方法を提供することができる。  
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の第１の実施の形態を説明するためのブロック図であり、これは直流電源１の直流電力を、電力変換器例えばインバータ２により交流電力に変換して負荷３に供給できるように、以下のように構成されている。
【００１７】
交流電圧指令Ｖ＊を作成する電圧指令作成手段例えば電圧指令発生器(電圧指令演算器)６と、電力変換器２の出力電流ｉを電流検出器５により検出し、この検出電流ｉが０クロスするタイミングを予測する０クロスタイミング予測手段例えば０クロスタイミング予測器９と、電圧指令発生回路６からの電圧指令と電力変換器２の発生電圧の電圧差を予測し、電力変換器２の出力電流の予測０クロスタイミングに基づいて補償電圧を発生する補償電圧作成手段例えば補償電圧作成回路８と、補償電圧作成回路８からの補償電圧と電圧指令発生回路６からの電圧指令を演算手段例えば加算器７により加算して、電力変換器２を制御する制御手段例えばＰＷＭ制御器(ＰＷＭ制御回路)４を備えている。
【００１８】
次に、以上のように構成された電力変換装置の動作について、図３及び図４を参照して説明する。電力変換器２は直流電源１の電圧をＰＷＭ制御器４の指令によって交流に変換し、負荷３に電力を供給する。負荷３へどういった電圧を出力するかは電圧指令演算器６が演算する。仮に補正電圧演算器８の出力が０であれば、ＰＷＭ制御器４の入力は電圧指令演算器６の出力となり、電圧指令とほぼ同じ電圧が出力される。その動作は図２、図３によって説明できる。
【００１９】
図３は従来、すなわち図１の電圧指令発生器６と、加算器７と、補正電圧演算器８並びに電流検出器５と、０クロス予測器９がない場合であって、インバータ２のＰＷＭ波形の瞬時波形を示している。図３(a)はＰＷＭ制御器４の機能を説明するための図で、ＰＷＭ三角波と電圧指令発生器６からの電圧指令Ｖ＊を入力し両波形が交差する点間において、図３(b)に示すＰＷＭ電圧指令がインバータ２に出力される。通常図３(ｃ)、(d)に示すようにスイッチング素子ＴｒＰ、ＴｒＮ間の短絡を防止するため、オンタイミングが重ならないように同時にオフする期間、つまり図３の短絡防止時間が設けられる。図３(ｅ)、(ｆ)は、インバータ２の出力電流の方向によって、インバータ２の出力電圧が不足したり、過剰になったりすることを示している。具体的には、図３(ｅ)は、電流正の場合のインバータ２の出力電圧が不足している状態を示し、図３(ｆ)は、電流負の場合のインバータ２の出力電圧が過剰となっている状態と示している。
【００２０】
図４は、交流１周期に渡って示したもので、(ａ)交流電圧指令Ｖ＊及びインバータ２の出力電流ｉは交流であるので、半周期毎に正、負を繰り返す。それに合わせて、前述したようにインバータ２の出力電圧が不足したり、過剰になったりするので、図４(ｂ)に示すように出力電圧誤差が矩形波状に現れる。理想的には、図４(ｃ)に示すようにこの出力電圧誤差を補償するように正負逆の矩形波の補正電圧を電圧指令Ｖ＊加えればよい。しかしながら、この電流が正負に切り替わる時点がいろいろ不確定の要素がある。矩形波状の電圧補正波形はフーリエ展開の理論により、奇数次の高調波の和となる。このうち、次数の低い成分だけを加えると、図４(ｄ)に示すように各次補正電圧の合計のような波形となる。
【００２１】
図３は図２のインバータ２の動作を説明するためのもので、電圧指令Ｖ＊はＰＷＭ制御回路４の入力である。電圧指令はＰＷＭ制御回路中のＰＷＭ三角波と比較され、ＰＷＭ電圧指令が作成される。この電圧どおりの電圧が電力変換器から出力されればよいが、実際の電力変換器は図２のようにＴｒＰとＴｒＮのスイ．ツチが直列に接続されており、同時にＯＮして短絡しないように、短絡防止時間を設けてＴｒＰ、ＴｒＮそれぞれのスイッチング指令を作成している。即ち、図３(ｃ)、(ｄ)に示すように、ＴｒＰスイッチング指令、ＴｒＮスイッチング指令はオンするタイミングを短絡防止時間だけ遅らせる。このため、図２の出力電圧は電流が正の半周期は図３(ｅ)、(ｆ)に示すように出力電圧が不足し、電流が負の半周期は出力電圧が過剰になる。
【００２２】
この不足、過剰電圧は、電流の方向によって決まるため、近似的には方形波で近似されて一般に補償制御としてよく使用されている。しかし、電流が０近辺ではＰＷＭ電圧に応じて出力電流は正と負を往復したりする場合がある。また、スイッチング素子の挙動は理想スイッチとは異なるため、電流が０近辺でも補償電圧を方形波で近似することは無理がある。
【００２３】
電圧指令と出力電圧の誤差は基本波を含む奇数調波であるため、補償電圧を方形波と考えず、奇数調波の集合であると考え、補償電圧発生器内ではそれぞれの奇数調波を発生させ、ゲインをかけた上で加算して補償電圧とする。奇数調波はほぼ矩形波であるため、それぞれの調波の位相は原点から開始されるが、不確定な誤差を補償するための位相補正要素も付加される。この補償電圧の電圧指令との同期のために、電圧指令発生器６からの位相と電流の０クロスタイミングを利用する。こうすることにより、この発明の第１の実施形態によれば、電流が０近辺でも精度の良いＰＷＭ制御が可能である。
【００２４】
なお、補償する高調波の次数は負荷の要求に応じて実用上問題のない次数だけ補償して良い。また、３相平衡回路では３の倍数次は補償制御しなくてもキャンセルされて負荷に影響を及ぼさないため、３の倍数次の補償を止めることができる。こうすることにより、制御回路の構成を簡略化できる。
【００２５】
図５は、本発明の第２の実施形態を説明するためのブロック図であり、これは図１の実施形態は、負荷電流が０であると電流の正負がなくなるため制御不可能であるので、このような場合に対処できるようにしたものである。図５に示すように、インバータ２の出力側に変圧器１１を設置したる場合である。このようにすることにより、変圧器１１の励磁電流特性を負荷３が軽負荷で負荷電流が０近辺であってもインバータ２の出力電流は変圧器１１の励磁電流であるため、補償制御が可能となる。
【００２６】
さらに、図５は負荷３の力率の変化範囲に対してインバータ２の出力電流が０にならないような励磁電流を流すように変圧器１１を作成することで、負荷３の変化範囲全てで補償制御が可能となる。
【００２７】
図６は、本発明の第３の実施形態を説明するためのブロック図であり、この場合には前述の実施形態と異なる点は、インバータ２の出力電圧の周波数を解析するための周波数解析手段例えばＦＦＴ計測器１０を設けたものである。なお、図６の補正電圧演算器８は、図１と同様に構成されている。
【００２８】
このような構成において、前述の補正電圧演算器８を実際に調整する場合以下のようにおこなう。すなわち、図６に示すように、ＦＦＴ計測器１０により、インバータ２の出力電圧を計測して、電圧指令の基本波と計測された電圧ＦＦＴ結果の基本波において、位相誤差が補償電圧の基本波と一致するように位相補正部８１の例えば位相補正△φ１を決める。更に、振幅が一致するようにゲイン調整部８３の例えば基本波補償電圧のゲインＫ１を調整する。次に、奇数高調波電圧の検出位相と補償電圧の位相が一致するように位相補正△φ３、△φ５、△φ７、△φ９、△φ１１を調整する。その後、振幅が十分に小さくなるように、３次以上の高調波の調整ゲインＫ３、Ｋ５、Ｋ７、……をそれぞれ調整する。    こうすることによって、一見複雑に見える調整要素を、次数毎に調整可能で、理論的に演算するのが難しく、スイッチング素子の特性に依存する電圧歪みを効果的に抑制することが可能である。  
以上述べた電力変換装置の調整方法の実施形態は、例えばＦＦＴ計測器１０で解析した結果の各次数成分における位相誤差及び振幅誤差が小さくなるように、位相補正部８１による位相補正及びゲイン調整部８３によるゲイン調整を行うことができればいかなる方法であってもよい。
【００２９】
(変形例)
本発明は、前述した実施形態に限定されず種々変形して実施できる。例えば、図１及び図６の実施形態では、電力変換器例えばインバータ２の出力を直接負荷に供給するようにした例であるが、電力変換器例えばインバータ２の出力を変圧器、リアクトルの少なくともいずれか一方を介して負荷３に供給したり、或いは電力変換器例えばインバータ２の出力を電力系統に、直接または変圧器、リアクトルの少なくともいずれか一方を介して供給するようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の電力変換装置の第１の実施形態を示すブロック図。
【図２】図１の電力変換器の主回路を図。
【図３】図１のＰＷＭ制御器と電力変換器の動作を説明するタイミングチャート。
【図４】図１の電圧指令発生器と電力変換器と補正電圧演算器の動作を説明するためのタイミングチャート。
【図５】本発明の電力変換装置の第２の実施形態を示すブロック図。
【図６】本発明の電力変換装置の第３の実施形態を示すブロック図。
【符号の説明】
【００３１】
ＴｒＰ、ＴｒＮ…スイッング素子、１…直流電源、２…電力変換器例えばインバータ、３…負荷、４…ＰＷＭ制御器、５…電流検出器、６…電圧指令発生器、６…電圧指令演算器、７…加算器、８…補正電圧演算器、９…クロスタイミング予測器、１０…ＦＦＴ計測器、１１…変圧器、８１…位相補正部、８３…ゲイン調整器、８４…加算器。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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