JP2006158155A

JP2006158155A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2006158155A
Application number: JP2004348598A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Matsumoto; 康松本; Jiro Toyosaki; 次郎豊崎
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-12-01
Filing date: 2004-12-01
Publication date: 2006-06-15

Abstract

【課題】交流電流に直流分が重畳されたり交流電流の歪みを増大させることなく、停電を速やかに検知可能な電力変換装置を提供する。
【解決手段】交流電源７にリアクトル４を介して接続された電力変換回路１を備え、その制御手段１００が電力変換回路１の交流側電圧の周波数異常から停電を検知する停電検知手段２０を備えた電力変換装置に関する。制御手段１００は、力行運転、回生運転を判別するための直流電圧調節手段１１と、電力変換回路１の交流側電圧の位相を用いて正弦波形を発生させる基準正弦波形発生手段１４及び正弦波形の０°付近の変化率を急峻にした交流波形を発生する基準交流波形発生手段１３と、運転モードに応じて発生手段１３，１４の出力を切り替える切替手段１５と、発生手段１３，１４の出力を用いて電力変換回路１の電圧指令値を生成するための乗算手段１６、交流電流調節手段１７、減算手段１８、パルス幅変調手段１９を備える。
【選択図】図１

Description

この発明は、交流電源に接続され、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換装置に関し、詳しくは、交流電源の停電を検知するための交流側電圧の制御方法に特徴を有する電力変換装置に関するものである。

図６は、この種の電力変換装置の従来技術を示す構成図である。
図６に示す電力変換装置は、半導体スイッチング素子のオン・オフにより交流／直流変換を行う電力変換回路１と、その直流側に接続された平滑コンデンサ２と、電力変換回路１の交流側に接続されたリアクトル３と、交流電源７の電圧を検出する交流電圧検出器４と、交流電流を検出する交流電流検出器５と、平滑コンデンサ２の両端電圧を検出する直流電圧検出器６と、電力変換回路１を制御するための制御手段４００とを備えている。なお、８は直流電力が供給される負荷を示す。

また、上記制御手段４００は、直流電圧調節手段１１と、基準位相生成手段１２と、基準正弦波形発生手段１４と、乗算手段３０と、交流電流調節手段１７と、減算手段１８と、パルス幅変調手段１９と、停電検知手段２０とを備えている。

制御手段４００の動作は、以下の通りである。
まず、直流電圧調節手段１１には、直流電圧指令値ｖ_ｄ ^＊と直流電圧検出器６により検出した直流電圧検出値ｖ_ｄとが入力されており、検出値ｖ_ｄを指令値ｖ_ｄ ^＊に一致させるための比例積分制御演算処理によって交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊を算出する。
基準位相生成手段１２は、交流電圧検出器４により検出した交流電圧検出値ｖ_ｓを入力とし、その基準位相θを生成して出力する。
基準正弦波形発生手段１４は、基準位相生成手段１２から出力される基準位相θを入力とし、交流電圧検出値ｖ_ｓと同周期かつ同位相の基準正弦波sinθを出力する。
乗算手段３０は、直流電圧調節手段１１から出力される交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊と、基準正弦波形発生手段１４から出力される基準正弦波sinθとを乗じることにより、交流電流指令値ｉ_ｓ ^＊を算出する。

交流電流調節手段１７は、交流電流検出器５により検出した交流電流検出値ｉ_ｓを交流電流指令値ｉ_ｓ ^＊に一致させるための比例制御演算処理を行い、電圧操作量ｖ_ａ ^＊を算出する。
減算手段１８は、交流電圧検出値ｖ_ｓから電圧操作量ｖ_ａ ^＊を減じることにより、電力変換器電圧指令値ｖ_ｃ ^＊を算出する。
パルス幅変調手段１９は、電力変換器電圧指令値ｖ_ｃ ^＊に応じて、電力変換回路１内部の半導体スイッチング素子のオン・オフ信号を生成し、このオン・オフ信号を電力変換回路１に伝えている。
一方、停電検知手段２０は、交流電圧検出値ｖ_ｓを入力とし、交流電源７の電圧振幅の異常、周期数の異常により停電を検知して、パルス幅変調手段１９に運転停止指令を出力する。

以上のように制御手段４００を動作させることで、交流側力率１を保ちながら、直流電圧検出値ｖ_ｄを直流電圧指令値ｖ_ｄ ^＊に一致させる制御が実行される。

さて、上記の制御手段４００では、交流電圧検出値ｖ_ｓから電圧操作量ｖ_ａ ^＊を減算する処理により、電力変換器電圧指令値ｖ_ｃ ^＊を算出している。そのため、本装置側から交流電源７側に電力を回生しているときに停電が発生した場合、本装置は電源給電時と同じ交流電圧を誘起することになる。このとき、本装置の回生電力と全く同じ電力を消費する負荷が交流電源側にあって需給電力のバランスが保たれている場合には、交流電圧検出値ｖ_ｓの電圧値や周波数に変化が起きないこととなり、前記停電検知手段２０が停電を検知できずに電力変換回路１が運転を継続して交流電圧を誘起し続けるという問題があった。

上記問題を解決する手段として、例えば、後述する特許文献１に記載された従来技術が知られている。図７は、この特許文献１に図１として記載された装置構成と実質的に同一の概要図である。
特許文献１に記載された従来技術では、図７の制御手段５００において、基準正弦波形発生手段１４の前段に、周波数検出手段４１と、第１，第２の位相関数発生手段４２，４３と、切替手段４４と、加算手段４５とを備え、電力変換回路１の力行時と回生時とで交流電流指令値ｉ_ｓ ^＊の周波数を変えている。なお、図７において、図６と同一の構成要素には同一の番号を付してある。

この従来技術の動作は、以下の通りである。
周波数検出手段４１は、交流電圧検出値ｖ_ｓの周波数ｆを検出する。
第１の位相関数発生手段４２は、前記周波数ｆに応じて、図８に示す力行時補正位相Δθ_ｐを出力し、第２の位相関数発生手段４３は、前記周波数ｆに応じて、図９に示す回生時補正位相Δθ_ｂを出力する。
切替手段４４は、交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊が正、すなわち力行時には第１の位相関数発生手段４２側を選択して補正位相Δθ_ｐを出力し、交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊が負、すなわち回生時には第２の位相関数発生手段４３側を選択して補正位相Δθ_ｂを出力する。
加算手段４５は、基準位相θと、切替手段４４の出力である補正位相Δθ（Δθ_ｐまたはΔθ_ｂ）とを加算し、その出力を基準正弦波形発生手段１４に出力する。
以後の動作は図６と同様である。

特許文献１に記載された従来技術では、以上のように制御手段５００を動作させることにより、力行モードと回生モードで発生する無効電力に差を生じさせ、これにより停電時に交流電圧検出値ｖ_ｓの周波数変動が起きるようにして問題解決を図っている。

特開平１０−２４８１０２号公報（段落［００１１］〜［００１４］、図１等）

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、交流電流指令値ｉ_ｓ ^＊の周波数が電源電圧の周波数と異なり、図１０や図１１に示す波形となる。そのため、交流電流に直流分が重畳されてトランスの偏磁等が発生しやすくなり、また、電流歪みが大きくなるという問題があった。
そこで本発明の解決課題は、交流電流に直流分が重畳されたり電流歪みを増大させることなく、停電を速やかに検知できるようにした電力変換装置を提供することにある。

上記問題を解決するため、請求項１に記載した発明は、交流電源にリアクトルを介して接続され、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換回路を備え、この電力変換回路の制御手段が、前記電力変換回路の交流側電圧の周波数異常を検出して交流電源の停電を検知する停電検知手段を備えてなる電力変換装置において、
前記制御手段は、
前記電力変換回路の力行運転、回生運転を判別する運転モード判別手段と、
前記電力変換回路の交流側電圧の位相に基づいて正弦波形を発生させる第１の波形発生手段、及び、正弦波形の０°付近の変化率を急峻にした交流波形を発生する第２の波形発生手段と、
前記運転モード判別手段による判別結果に応じて第１，第２の波形発生手段の出力を切り替える切替手段と、
この切替手段を介した第１または第２の波形発生手段の出力を用いて前記電力変換回路の電圧指令値を生成する手段と、を備えたものである。

請求項２に記載した発明は、請求項１において、
前記運転モード判別手段により回生運転と判別した時に、前記切替手段が第２の波形発生手段に切り替えて前記交流波形を出力するものである。

請求項３に記載した発明は、請求項１または２において、
前記運転モード判別手段により力行運転と判別した時に、前記切替手段が第１の波形発生手段に切り替えて前記正弦波形を出力するものである。

請求項４に記載した発明は、請求項２において、
前記切替手段を介して出力される第２の波形発生手段からの前記交流波形により、前記電力変換回路の電流指令値の０°付近の変化率を急峻にし、この電流指令値に基づいて前記電力変換回路の電圧指令値の０°付近の変化率を急峻にするものである。

請求項１，２，４に記載した発明によれば、交流電流に直流分を重畳させることなく、電力変換回路から交流電源側に電力を回生している際に停電が発生した場合に、電力変換回路の交流電源側に誘起される電圧の周波数を電源健全時の周波数よりも低くして周波数異常状態を作り出し、停電検知手段の動作によって速やかに停電を検知することが可能である。
また、請求項３に記載した発明によれば、交流電源から電力変換回路に電力を供給している際には、交流電流歪みを増大させないようにすることができる。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の第１実施形態を示す構成図であり、１００は電力変換回路１の制御手段である。図１に示す電力変換装置の主回路及び制御手段１００において、図６，図７と同一の構成要素には同一の番号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。

すなわち、図１の制御手段１００は、交流電圧検出値ｖ_ｓの基準位相生成手段１２と、この生成手段１２からの基準位相θが入力される基準正弦波形発生手段（第１の波形発生手段）１４及び基準交流波形発生手段（第２の波形発生手段）１３と、これらの発生手段１３，１４の出力信号を交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊に応じて切り替えて出力する切替手段１５と、交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊と切替手段１５の出力とを乗算する乗算手段１６とを備え、この乗算手段１６から出力される交流電流指令値ｉ_ｓ ^＊が交流電流調節手段１７に入力されている。なお、直流電圧調節手段１１、乗算手段１６、交流電流調節手段１７、減算手段１８、パルス幅変調手段１９、停電検知手段２０等の接続構成及び動作は、図６，図７と同様である。

上記構成において、第１の波形発生手段としての基準正弦波形発生手段１４は、従来と同様に交流電圧検出値ｖ_ｓと同周期かつ同位相の基準正弦波sinθを出力する。
一方、第２の波形発生手段としての基準交流波形発生手段１３は、交流電圧検出値ｖ_ｓの基準位相θに応じて、図２に示すように０°付近の傾きを急峻にした正弦波状の基準交流波形を出力する。なお、この基準交流波形の正負期間は等しいものとする。
切替手段１５は、交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊の正負に応じて、交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊が正、すなわち力行モードでは基準正弦波形発生手段１４側を選択し、前記基準正弦波sinθを出力する。また、交流電流振幅指令値Ｉ_ｓ ^＊が負、すなわち回生モードでは基準交流波形発生手段１３側を選択し、前述した図２の基準交流波形を出力する。
なお、直流電圧調節手段１１及び切替手段１５は、請求項における運転モード判別手段を構成している。

ここで、停電時の交流電圧検出値ｖ_ｓは、電力変換回路１の出力によって誘起される。電力変換回路１の出力電圧の０°付近での傾きを急峻にすると、誘起される電圧の０°付近の傾きは、リアクトル３の作用によって出力電圧よりも緩やかになる。その結果、図３に示すように、停電発生時における交流電圧検出値ｖ_ｓ（誘起電圧）の周波数は、電源電圧健全時（給電時）の周波数よりも低くなり、交流電圧検出値ｖ_ｓの周波数異常状態を作り出すことができる。

第１実施形態では、電力変換回路１の直流側から交流電源７側への電力回生時に、基準交流波形発生手段１３による基準交流波形を切替手段１５を介して乗算手段１６に出力し、この基準交流波形に従って交流電流指令値ｉ_ｓ ^＊の０°付近での傾きを急峻にすることで、出力電圧の０°付近での傾きを急峻にさせている。
よって、従来のように交流電流に直流分を重畳させることなく、また、交流電流の歪みを０°付近のごく一部に抑えながら、回生時に停電が発生した場合にも停電検知手段２０により停電を速やかに検知することができ、停止指令をパルス幅変調手段１９に送って電力変換回路１の運転を停止させることができる。

次に、図４は本発明の第２実施形態を示す構成図である。
この実施形態が第１実施形態と相違する点は、制御手段２００において、交流電圧検出値ｖ_ｓの振幅を演算する交流電圧振幅演算手段２１を設け、この演算手段２１から出力される振幅値Ｖ_ｓを乗算手段２２により切替手段１５の出力に乗算して減算手段１８に入力した点にある。

この実施形態では、電力変換器電圧指令値ｖ_ｃ ^＊を算出するために、切替手段１５の出力である力行時の基準正弦波形または回生時の基準交流波形と振幅値Ｖ_ｓとの乗算結果から電圧操作量ｖ_ａ ^＊を減じるようにしたものであり、その他の構成、動作は第１実施形態と同様である。
本実施形態においては、力行モード、回生モードに応じた交流電圧指令値を乗算手段２２により生成し、この指令値から電圧操作量ｖ_ａ ^＊を減じて電力変換器電圧指令値ｖ_ｃ ^＊を算出することができる。

図５は、本発明の第３実施形態を示す構成図である。
この実施形態が第２実施形態と相違する点は、制御手段３００において、図４の振幅値Ｖ_ｓの代わりに基準交流電圧振幅値Ｖ_０を用いている点であり、その他の構成、動作は第２実施形態と同様である。
本実施形態によれば、図４における交流電圧振幅演算手段２１が不要になり、制御手段３００の構成を簡略化できる利点がある。

本発明の第１実施形態を示す構成図である。第１実施形態における基準交流波形発生手段の出力波形を示す図である。第１実施形態における停電時の交流電圧波形を示す図である。本発明の第２実施形態を示す構成図である。本発明の第３実施形態を示す構成図である。従来技術を示す電力変換装置の構成図である。特許文献１に記載された従来技術の構成を示す概要図である。図７における第１の位相関数発生手段の動作説明図である。図７における第２の位相関数発生手段の動作説明図である。特許文献１の従来技術における交流電流指令値の波形図である。特許文献１の従来技術における交流電流指令値の波形図である。

符号の説明

１：電力変換回路
２：平滑コンデンサ
３：リアクトル
４：交流電圧検出器
５：交流電流検出器
６：直流電圧検出器
７：交流電源
８：負荷
１１：直流電圧調節手段
１２：基準位相生成手段
１３：基準交流波形発生手段
１４：基準正弦波形発生手段
１５：切替手段
１６，２２：乗算手段
１７：交流電流調節手段
１８：減算手段
１９：パルス幅変調手段
２０：停電検知手段
２１：交流電圧振幅演算手段
１００，２００，３００：制御手段

Claims

交流電源にリアクトルを介して接続され、交流電力を直流電力に変換して負荷に供給する電力変換回路を備え、この電力変換回路の制御手段が、前記電力変換回路の交流側電圧の周波数異常を検出して交流電源の停電を検知する停電検知手段を備えてなる電力変換装置において、
前記制御手段は、
前記電力変換回路の力行運転、回生運転を判別する運転モード判別手段と、
前記電力変換回路の交流側電圧の位相に基づいて正弦波形を発生させる第１の波形発生手段、及び、正弦波形の０°付近の変化率を急峻にした交流波形を発生する第２の波形発生手段と、
前記運転モード判別手段による判別結果に応じて第１，第２の波形発生手段の出力を切り替える切替手段と、
この切替手段を介した第１または第２の波形発生手段の出力を用いて前記電力変換回路の電圧指令値を生成する手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記運転モード判別手段により回生運転と判別した時に、前記切替手段が第２の波形発生手段に切り替えて前記交流波形を出力することを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載した電力変換装置において、
前記運転モード判別手段により力行運転と判別した時に、前記切替手段が第１の波形発生手段に切り替えて前記正弦波形を出力することを特徴とする電力変換装置。
請求項２に記載した電力変換装置において、
前記切替手段を介して出力される第２の波形発生手段からの前記交流波形により、前記電力変換回路の電流指令値の０°付近の変化率を急峻にし、この電流指令値に基づいて前記電力変換回路の電圧指令値の０°付近の変化率を急峻にすることを特徴とする電力変換装置。