(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流を直流に変換するＰＷＭ変換器と、該ＰＷＭ変換器の交流側に設けられたスイッチングリップル抑制用リアクトルと、該スイッチングリップル抑制用リアクトルの交流電源側に設けられたリップル吸収フィルタと、前記ＰＷＭ変換器のスイッチングの制御を行う制御装置を備えた電圧形コンバータにおいて、前記制御装置は前記リップル吸収フィルタを構成するフィルタコンデンサの電圧を入力し基本波分を出力する手段と、該フィルタコンデンサの電圧と該フィルタコンデンサ電圧基本波分を入力しその補正有効電力と補正無効電力を出力する手段と、該補正有効電力を入力してその高調波分を補正有効電力高調波分として出力する手段と、該補正無効電力を入力してその高調波分を補正無効電力高調波分として出力する手段と、該補正有効電力高調波分を入力しゲイン倍した補正高調波有効電力指令を出力する手段と、該補正無効電力高調波分を入力しゲイン倍した補正高調波無効電力指令を出力する手段と、前記ＰＷＭ変換器の直流側の直流電圧一定制御を行う瞬時有効電力指令と前記補正高調波有効電力指令を加算して補正瞬時有効電力指令を出力する手段と、前記ＰＷＭ変換器の交流側の電圧と電流の位相差の一定制御を行う瞬時無効電力指令と前記補正高調波無効電力指令を加算して補正瞬時無効電力指令を出力する手段を備え、ＰＷＭ変換器の交流電力が前記補正瞬時有効電力指令と前記補正瞬時無効電力指令に追従するように前記ＰＷＭ変換器のスイッチングを制御する事を特徴とする電圧形コンバータのスイッチング制御装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、パルス幅制御により交流を直流に変換する電圧形コンバータのスイッチング制御装置に係わり、特に電圧形コンバータのＰＷＭ変換器より発生するスイッチング成分を除去するために交流側に接続したリップル吸収フィルタの共振を抑制するダンピング装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４，５は従来の電圧形コンバータの主回路構成および制御ブロック図である。
この種の電圧形コンバータについては、平成８年電気学会産業応用部門全国大会Ｎｏ．１４６「電圧形コンバータの瞬時ひずみ最小化制御」に詳細に記載されている通り公知である。
以下に図４，５により概略を説明する。
【０００３】
図４において、３１は系統電源、３２は系統インピーダンス、３５は交流電圧検出器、３６はＰＷＭ変換器電流検出器、３７はスイッチングリップル抑制用リアクトル、３８はＰＷＭ変換器、３９は直流コンデンサ、４０は直流電圧検出器、４１は負荷であり、交流電圧検出器３５、ＰＷＭ変換器電流検出器３６、スイッチングリップル抑制用リアクトル３７、ＰＷＭ変換器３８、直流コンデンサ３９、直流電圧検出器４０および図５に示す制御回路２により電圧形コンバータ１が形成される。
【０００４】
図５において、２１は直流制御器、２２はｔａｎ（φ＊）を求める手段、２３は掛算器、２４は交流制御演算手段、１は電圧形コンバータ、４１は負荷であり、直流制御器２１、ｔａｎ（φ＊）を求める手段２２、掛算器２３、交流制御演算手段２４により制御回路２が形成される。
【０００５】
図５の制御回路２は、直流電圧指令Ｖｄ＊と直流電圧検出器４０より検出した直流コンデンサ３９の直流電圧Ｖd を入力し、直流電圧Ｖd が直流電圧指令Ｖｄ＊に一致するように瞬時有効電力指令Ｐ＊を交流制御演算手段２４と掛算器２３に出力する。ｔａｎ（φ＊）を求める手段２２は、力率角指令φ＊を入力し正接角ｔａｎ（φ＊）を掛算器２３に出力する。掛算器２３は瞬時有効電力指令Ｐ＊とｔａｎ（φ＊）を入力し瞬時無効電力指令Ｑ＊を交流制御演算手段２４に出力する。
この瞬時有効電力指令Ｐ＊により直流電圧Ｖｄが制御され、瞬時無効電力指令Ｑ＊により力率角φが制御される。
【０００６】
交流制御演算手段２４は電源電圧ＶｆおよびＰＷＭ変換器電流Ｉｃを入力し、瞬時有効電力Ｐおよび無効電力Ｑが指令通りになるように、しかも瞬時ひずみ（ＴＨＤ）が最小となるように、ＰＷＭ変換器３８のゲート信号Ｇの発生すなわちスイッチングベクトルの選択を行なう。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図４に示すような電圧形コンバータ１ではＰＷＭ変換器３８のスイッチングに伴なうリップル電流により電源電圧Ｖｆにリップル電圧が発生するという不具合があった。
そのために、このリップル電流を吸収するために、図２に示す如きリップル吸収フィルタ４３、すなわちフィルタコンデンサ４４、又はフィルタリアクトル３３およびコンデンサ３４を接続するが、この場合には同一系統に接続される他の非線形負荷４２の高調波電流、又はＰＷＭ変換器電流Ｉｃに含まれる高調波分により、系統インピーダンス３２、フィルタリアクトル３３およびフィルタコンデンサ３４による共振現象が発生し、電源電圧Ｖｆが大きく変動しリップル吸収フィルタに過大な電流が流れてしまう。
【０００８】
しかして本発明の目的とするところは、ＰＷＭ変換器３８によるリップル電流を吸収するリップル吸収フィルタ４３を接続した図２の如き電圧形コンバータ１において、フィルタコンデンサ３４と他のリアクトル要素との共振現象を抑制する制御装置を提供する事にある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
交流を直流に変換するＰＷＭ変換器と、該ＰＷＭ変換器の交流側に設けられたスイッチングリップル抑制用リアクトルと、該スイッチングリップル抑制用リアクトルの交流電源側に設けられたリップル吸収フィルタと、前記ＰＷＭ変換器のスイッチングの制御を行う制御装置を備えた電圧形コンバータにおいて、前記制御装置は前記リップル吸収フィルタを構成するフィルタコンデンサの電圧を入力し基本波分を出力する手段と、該フィルタコンデンサの電圧と該フィルタコンデンサ電圧基本波分を入力しその補正有効電力と補正無効電力を出力する手段と、該補正有効電力を入力してその高調波分を補正有効電力高調波分として出力する手段と、該補正無効電力を入力してその高調波分を補正無効電力高調波分として出力する手段と、該補正有効電力高調波分を入力しゲイン倍した補正高調波有効電力指令を出力する手段と、該補正無効電力高調波分を入力しゲイン倍した補正高調波無効電力指令を出力する手段と、前記ＰＷＭ変換器の直流側の直流電圧一定制御を行う瞬時有効電力指令と前記補正高調波有効電力指令を加算して補正瞬時有効電力指令を出力する手段と、前記ＰＷＭ変換器の交流側の電圧と電流の位相差の一定制御を行う瞬時無効電力指令と前記補正高調波無効電力指令を加算して補正瞬時無効電力指令を出力する手段を備え、ＰＷＭ変換器の交流電力が前記補正瞬時有効電力指令と前記補正瞬時無効電力指令に追従するように前記ＰＷＭ変換器のスイッチングを制御する事を特徴とする電圧形コンバータのスイッチング制御装置である。
【００１０】
本説明は前述したような点に鑑みなされたものであって、つぎの如くに構成したものである。すなわち、スイッチングリップル抑制用リアクトル３７の電源側に接続されたフィルタコンデンサ３４の電源電圧Ｖｆを検出して、その基本波分Ｖｆ１と電源電圧Ｖｆを用いて演算した補正有効電力Ｐ１の高調波分Ｐ１ｈのゲイン倍値Ｐｈ＊を瞬時有効電力指令Ｐ＊に加算、かつ電源電圧の基本波分Ｖｆ１と電源電圧Ｖｆを用いて演算した補正無効電力Ｑ１の高調波分Ｑ１ｈのゲイン倍値Ｑｈ＊を瞬時無効電力指令Ｑ＊に加算する事により、フィルタコンデンサ３４に並列にダンピング抵抗を接続したと同じ効果を持たせ、共振現象を抑制するものである。
【００１１】
以下に、本発明の作用を図３の高調波のみに着目し、振動現象を把握するために簡略化した交流側高調波等価回路に基づき説明する。
図３において、Ｃはフィルタコンデンサ３４を、Ｌは系統インピーダンス３２とフィルタリアクトル３３の値を合計したものを表し、さらにＶｆがフィルタコンデンサ電圧を、Ｉｆがフィルタコンデンサ電流を、ＩｃがＰＷＭ変換器電流を、Ｉιが他の非線形負荷電流を、ｓがラプラス演算子を表し高調波のみに着目すると（１）式が成り立つ。
（１）式は分母にダンピング要素がないために、フィルタコンデンサ電流Ｉf が振動的となる事を表している。
【００１２】
【数１】
0003868105.tif 000002
【００１３】
以下、添字１で基本波分を、添字ｈで高調波分を表す。
Ｐ，Ｑ変換行列[Ｃ]を（２）式とすると電力Ｐ，Ｑは（３）式のようになる。（３）式において、電圧を基本波分と高調波分に分けて演算すると（４）式のようになる。（４）式において高調波分のみを取り出し、Ｖｒｈ２＋Ｖｓｈ２＋Ｖｔｈ２項は無視すると、２（Ｖｒ１Ｖｒｈ＋Ｖｓ１Ｖｓｈ＋Ｖｔ１Ｖｔｈ）項、つまりＶｆ１Ｖｆｈ項のみとなる。
又、電力を考えるためにフィルタコンデンサ電圧ＶｆとＰＷＭ変換器電流Ｉｃとの積をとると、（５）式が成立する。
【００１４】
【数２】
0003868105.tif 000003
【００１５】
（４），（５）式において基本波のみの項はそれぞれ（６），（７）式となり、（６）式と（７）式の３相分は等しい。
ここで、（５）式において、高調波分のみを取り出し、同一印加電圧において周波数が高くなるとコンデンサに流れる電流は増える事を考慮すると、ＶｆｈＩｃ１とＶｆｈＩｃｈの項は無視でき、Ｖｆ１Ｉｃｈの項のみとすると有効電力高調波分Ｐｈに関して（８）式が成立する。
【００１６】
【数３】
0003868105.tif 000004
【００１７】
ここで、基本波分のみの定電力制御に、Ｋをゲイン定数とした−ＫＰｈ制御を追加すると、ＰＷＭ変換器電流Ｉｃの高調波分Ｉｃｈは（９）式の如くなり、高調波分のみを考慮した（１）式に代入すると（１０）式となる。
【００１８】
【数４】
0003868105.tif 000005
【００１９】
この（１０）式にはダンピング要素ＫＬＳが存在するために、ＰＷＭ変換器電流Ｉｃに含まれる高調波分、および他の非線形負荷４２によるフィルタコンデンサ２４の振動を抑制する事ができる。
【００２０】
Ｐ，Ｑ変換行列[Ｃ]を（１１）式とすると電力Ｐ′，Ｑ′は（１２）式のようになる。Ｖｒ，Ｖｓ，ＶｔをＶｒ，Ｖｓ，ＶｔでＰ，Ｑ変換するとＰのみとなるがＶｒ１，Ｖｓ１，Ｖｔ１でＰ，Ｑ変換すると、Ｐ，Ｑの成分が現れる。
従って、Ｖｒ１，Ｖｓ１，Ｖｔ１でＰ，Ｑ変換したもの、すなわちＰ′，Ｑ′でのダンピングはＶｒ，Ｖｓ，ＶｔでＰ，Ｑ変換したもの、すなわちＰでのダンピングと同一となる。
従って（９）式、（１０）式はＶｒ１，Ｖｓ１，Ｖｔ１でのＰ，Ｑ変換したものについても、Ｐ′，Ｑ′のダンピング制御すれば同一となることを表している。
【００２１】
【数５】
0003868105.tif 000006
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるＰＷＭコンバータのスイッチング制御装置を、図２に示す主回路構成を有するＰＷＭコンバータ１に適用した実施例を図面を参照して説明する。
図１は本発明のＰＷＭコンバータの制御装置の制御回路の一実施例を示すブロック図であり、図中、３は電源電圧基本波分出力手段としての電源電圧基本波分検出回路、４は補正有効電力及び補正無効電力出力手段としての補正電力演算回路、５は補正有効電力高調波分出力手段としての補正有効電力高調波分検出回路、６は補正高調波有効電力指令出力手段としての第１のゲインＫ倍器、７は補正瞬時有効電力指令出力手段としての第１の減算器、８は補正無効電力高調波分出力手段としての補正無効電力高調波分検出回路、９は補正高調波無効電力指令出力手段としての第２のゲインＫ倍器、１０は補正瞬時無効電力指令出力手段としての第２の減算器であり、図５と同一符号は同一要素を示している。
【００２３】
電源電圧基本波分検出回路３は電源電圧検出回路２５より検出したフィルタコンデンサ２４に加わる電圧Ｖｆを入力して、その電圧の基本波分を検出し出力する。電力演算回路４は（１１），（１２）式に基づき、電源電圧Ｖｆと電源電圧基本波分Ｖｆ1を入力して補正有効電力Ｐ１と補正無効電力Ｑ１を出力する。有効電力高調波分検出回路５は補正有効電力Ｐ１を入力して補正有効電力高調波分Ｐ１ｈを出力する。補正無効電力高調波分検出回路８は補正無効電力Ｑ１を入力して補正無効電力高調波分Ｑ１ｈを出力する。
【００２４】
加算器７は補正高調波有効電力指令Ｐｈ＊と瞬時有効電力指令Ｐ＊を加算して、
補正瞬時有効電力指令Ｐ２＊を制御演算手段１４に出力する。
加算器１０は補正高調波無効電力指令Ｑｈ＊と瞬時有効電力指令Ｑ＊を加算して、補正瞬時無効電力指令Ｑ２＊を制御演算手段１４に出力する。
このように制御する事により（８）〜（１０）式で説明した如く、フィルタコンデンサ電流Ｉｆの振動を抑制する事ができる。
【００２５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、リップル吸収フィルタのフィルタコンデンサ電圧Ｖｆを検出して、その基本波分Ｖｆ１とフィルタコンデンサ電圧Ｖｆにより演算された電力の制御により、フィルタコンデンサの振動を抑制する事ができる電圧形コンバータのスイッチング制御装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は本発明の一実施例を示すブロック図である。
【図２】図２は本発明を適用する電圧形コンバータの主回路構成図である。
【図３】図３は本発明の原理を説明するための簡易交流系統図である。
【図４】図４は従来の電圧形コンバータの主回路構成図である。
【図５】図５は従来の電圧形コンバータの制御回路を示すブロック図である。
【符号の説明】
１      電圧形コンバータ
２      制御回路
３      電源電圧基本波分検出回路
４      電力演算回路
５      有効電力高調波分検出回路
６      第１のゲインＫ倍器
７      第１の減算器
８      無効電力高調波分検出回路
９      第２のゲインＫ倍器
１０      第２の減算器
２１      直流制御器
２２      ｔａｎ（φ＊）を求める手段
２３      掛算器
２４      交流制御演算手段
３１      系統電源
３２      系統インピーダンス
３３      フィルタリアクトル
３４      フィルタコンデンサ
３５      交流電圧検出器
３６      ＰＷＭ変換器電流検出器
３７      スイッチングリップル抑制用リアクトル
３８      ＰＷＭ変換器
３９      直流コンデンサ
３０      直流電圧検出回路
４１      負荷
４２      他の非線形負荷
４３      リップル吸収フィルタ
9
【図１】
0003868105.tif 000007
【図２】
0003868105.tif 000008
【図３】
0003868105.tif 000009
【図４】
0003868105.tif 000010
【図５】
0003868105.tif 000011