平成 15 年電気学会全国大会

4-087

直接有効・無効電力制御形 NPC コンバータの実験検証
佐藤明＊

野口季彦 (長岡技術科学大学)

Experimental Verification of Direct-Power Controlled Neutral-Point-Clamped Converter
Akira Sato, and Toshihiko Noguchi ( Nagaoka University of Technology )1.はじめにVrms ，ω

筆者らは直接有効・無効電力制御法を用いた NPC コンバータ[1]のシステム構成を検討し，シミュレーションにより[2]-[4]

その妥当性を検討してきた

iava

ibvb。

POL

Sa N

C1+ Vc1

PO

Sb N

ic Lvc

本稿では直接有効・無効電力制御形 NPC コンバータの基

L

本的な制御特性を実験により検証したので報告する。

++ Vc2 +Sc N

2.制御原理Sa<2.1>システム構成

C2PO

NPC コンバータを示す。有効電力指令値 P*は，直流バス電vαvβ iα

圧 Vdc とその指令値 Vdc*の偏差を PI 制御器に入力して得られた I*と，Vdc の積により得られる。また，無効電力指令値***

P and Q Calculation

SbiβP- V *+ dc

vn- +Q は外部より直接与える。P と P，Q と Q の誤差ΔP，ΔQ-+を Fig. 2 に示す多段ヒステリシスコンパレータに入力し量PII*

ΔP ΔQ- +Q

Sc

Switching Table
θnSvnSpSq

3φ−2φ 3φ−2φFig. 1 に直接有効・無効電力制御形

Vdc

Vc2

P*
Q*

Vc1
Fig. 1. Block diagram of direct power controlled
neutral-point-clamped converter.

子化する。この量子化信号 Sp，Sq により瞬時電力の増減を決定する。電源電圧位相を Fig. 3 に示すように 30 [deg]ごとにθ1〜θ12 と量子化し，空間的に 12 分割して検出する。また，中性点電位を制御するために，正側コンデンサ電圧 Vc130 [deg]Sp , S qと負側コンデンサ Vc2 の誤差も Svn と量子化する。これらのθ 1232量子化信号 Sp，Sq，θn および Svn をスイッチングテーブルにΔPΔQ

1-1入力し，その組み合わせに応じて瞬時的なスイッチングモードを直接決定する。

-2-3スイッチングテーブル構成法として，(1)，(2)を用いて 1つの領域における各スイッチングパターンの有効・無効電aθ2vsθ3ZY

θ 11X θ4

θ 10

θ5cFig. 2. Multi-level
hysteresis comparator.

力の傾き dP/dt，dQ/dt を算出し，操作量に適したスイッチα (Re)θ1θ9θ8θ7θ6β (Im)bFig. 3. Power-source-voltage
vector quantization.

ングパターンを選定する。このように得られたスイッチン
グテーブルを Table 1 に示す。

Table 1 Switching table.


SSdP
3
= K a  Kb (Sa − b − c ) −K c (Sb − S c )
dt
222



(1)

 3
SS 
dQ
= −K a K b (S b − S c ) + K c ( S a − b − c )dt
22 
 2(2)∵ Ka＝VrmsVdc/L，Kb＝ω tsinω t-cosω t，Kc=ω tcosω t+sinω t<2.2>ベクトル選択法

1 つの領域においても有効電力を増加させ，無効電力を減少させるの傾きの異なる 3 つの2003/3/17 〜 19仙台S p S q S vn θ 1 θ 2 θ 3 θ 4 θ 5 θ 6 θ 7 θ 8 θ 9 θ 10 θ 11 θ 12OOP POP POP POO POO PPO PPO OPO OPO OPP OPP OOP
1 -1 1-1 NNO ONO ONO ONN ONN OON OON NON NON NOO NOO NNO
2 -2 ±1 ONP ONP PNO PNO PON PON OPN OPN NPO NPO NOP NOP
3 -3 ±1 NNP PNP PNP PNN PNN PPN PPN NPN NPN NPP NPP NNP
3 3 ±1 PPP PPP OOO OOO NNN NNN PPP PPP OOO OOO NNN NNNPOP POO POO PPO PPO OPO OPO OPP OPP OOP OOP POP-1 -1 1-1 ONO ONN ONN OON OON NON NON NOO NOO NNO NNO ONO-2 -2 ±1 PNO PNO PON PON OPN OPN NPO NPO NOP NOP ONP ONP-3 -3 ±1 PNP PNN PNN PPN PPN NPN NPN NPP NPP NNP NNP PNPPOO PPO PPO OPO OPO OPP OPP OOP OOP POP POP POO-1 1 1-1 ONN OON OON NON NON NOO NOO NNO NNO ONO ONO ONN-2 2 ±1 PON PON OPN OPN NPO NPO NOP NOP ONP ONP PNO PNO-3 3 ±1 PNN PPN PPN NPN NPN NPP NPP NNP NNP PNP PNP PNN- 132 （第 4 分冊）©2003 IEE Japan平成 15 年電気学会全国大会

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ベクトルが存在する。この 3 つのベクトルにおいて，Fig. 3

Table 2 Behaviour of neutral-point potential.の X を小ベクトル，Y を中ベクトル，Z を大ベクトルとすベクトル 中性点電位変動
Z
変化なしる。これらのうち 1 つのベクトルを選択するために，多段ヒステリシスコンパレータを用いてΔP ，ΔQ の大きさか位相によるYらベクトルの選択を行う。Sp，Sq が±3 では大ベクトルを，X±2 では中ベクトルを，±1 では小ベクトルを選択する。

XP

上昇

XN

下降
1050500-50-5<2.3>中性点電位変動補償法

Table 2 はベクトル X，Y，Z における中性点電位 vn の挙動を示している。ここで，ベクトル XP，XN は NPC コンバータが出力可能な最小電圧ベVoltage [V]100

先的に選択する。

-100Time 5[ms/div]

クトルのうち正側または負側コンデンサを充電するベクト

1 か -1の時，中性点電位 vn が上昇するモードであれば XN を，下降するモ

300
Voltage [V]

この選択法として，Sp，Sq がともにードであれば XP を選択する。このような小ベクトルの選

150
0-150-300

択により，中性点電位の変動を抑制することができる。

Time 5[ms/div](b) PWM waveform.
Fig. 4. Experimental results of proposed method.

3.実験結果100る。
Fig. 4 に一例として無効電力指令値 0 [var]，負荷 434 [W]

50における電源電圧，電流およびコンバータ出力線間電圧波形を示す。無効電力は 0 [var]に制御され，結果的に電源電

Voltage [V]

実験条件は電源電圧 100 [V]，直流バス電圧 180 [V]であ0-50-100

流は電源電圧と同相になっている。総合入力力率は 98.4

Time 5[ms/div](a) Without compensation.

[%]であった。Fig. 5(a)に中性点電位変動補償法の適用前，100点電位はアンバランスとなっていることがわかる。しかし，適用後の中性点電位の不平衡は良好に抑制されていることがわかる。Fig. 6 に総合入力力率を Fig. 7 に総合効率を示す。

500-50-100

力率は最大で 99 [%]，効率は最大で 94 [%]となった。

Time 5[ms/div]

基本的な制御特性を実験検証した。今後は電源電圧 200[V]における制御特性を実験検証するとともに，PWM 波形をはじめ各種制御特性の改善について検討していく。
参考文献[1] A. Nabae, I. Takahashi, and H. Akagi “A New Neutral Point Clamped
PWM Inverter.” IEEE Trans. Ind. App., vol. 17, no. 5, 1981.
[2] T. Noguchi, H. Tomiki, S. Kondo, and I. Takahashi “Direct Power
Control of PWM Converter Without Power-Source-Voltage Sensors.”
IEEE Trans. Ind. App., vol. 34, no. 3, 1998.
[3] 佐藤・野口：「中性点クランプ形コンバータの直接電力制御法」
電気関係学会北陸支部連合大会，A-36，2002[4] 佐藤・野口：「直接電力制御方式中性点クランプ形コンバータの中性点電位変動補償法」電気学会東京支部新潟支所研究発表会，
Ⅳ-8，2002- 133 （第 4 分冊）

100959085
80
0250

500
Load [W]7501000

Fig. 6. Total power factor.
100
Efficiency [%]本稿では直接有効・無効電力制御形 NPC コンバータのTotal power factor [%](b) With compensation.
Fig. 5. Experimental results of neutral point potential.

4.まとめ

仙台

Voltage [V](b)に補償法適用後の中性点電位波形を示す。適用前の中性

2003/3/17 〜 19-10(a) va, ia waveforms.

ルである。したがって，中性点電位を制御可能なスイッチ
ングモードはベクトル XP，XN を出力する場合のみである。

Current [A]

また，Sp が 1，Sq が 2 となった場合，大きいベクトルを優95908580
0250500
Load [W]7501000

Fig. 7. Efficiency.

©2003 IEE Japan