JP4757663B2

JP4757663B2 - 電圧形電流制御インバータ

Info

Publication number: JP4757663B2
Application number: JP2006061069A
Authority: JP
Inventors: 孝英小澤; 功塚越; 誠一石原
Original assignee: 株式会社荏原電産
Priority date: 2006-03-07
Filing date: 2006-03-07
Publication date: 2011-08-24
Anticipated expiration: 2026-03-07
Also published as: JP2007244066A

Description

本発明は、商用電力系統に接続され、系統負荷に電力を供給する系統連系発電システムなどにおいて、主に系統連系インバータとして用いられる電圧形電流制御インバータに係り、特にその電流制御についての技術に関する。

上記電圧形電流制御インバータにおいて、出力電圧波形に基本波の３倍周波数の電圧波形を重畳することで、インバータ入力電圧が低い状態でも、インバータ出力の相間電圧を正弦波で出力でき、電圧利用率を向上できることが知られている。この３倍周波数の電圧波形の重畳は、一般的な電圧制御インバータにおいては、電圧指令信号に直接３次高調波信号を重畳することで実現できる。また、電圧形電流制御インバータにおいては、所定周波数の正弦波目標信号と電流フィードバック信号との誤差信号を増幅した信号と３次高調波信号（目標信号の３倍周波数）とを同期して加算した信号を、パルス幅変調信号発生回路へ入力することで、出力電流を歪ますこと無く、インバータの３相各相出力へ３次高調波成分を重畳する方法が提案されている（例えば、特許文献１）。
特開平６−１３３５５８号公報

しかしながら、上記従来の技術では、３相分の誤差信号を増幅した信号の最大値、最小値、中間値を演算することにより３次高調波の信号を生成し、生成した３次高調波信号を誤差信号に同期して加算する方法が提案されているが、３次高調波信号を生成する方法が煩雑である。また、他の方法として、所定周波数の正弦波目標電流信号と電流フィードバック信号との誤差信号を増幅した信号と正弦波目標電流信号と同期した３次高調波信号（目標信号の３倍周波数）とを加算する方法も考えられるが、誤差演算器と増幅器に大きな遅れ要素があると効果的に３次高調波を重畳できない。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、フィードバック系演算器に遅れ要素を有していても、効果的に３次高調波を重畳することができる電圧形電流制御インバータを提供することを目的とする。

本発明の電圧形電流制御インバータは、商用電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、前記検出器で検出された前記電圧の周波数と同一周波数の電流指令波形を生成する電流指令波形生成器と、前記生成器から出力される電流目標値と、インバータの出力線から検出された電流フィードバック値との誤差を演算する遅れ要素をもつ誤差演算器と、前記電圧検出器で検出された前記電圧の周波数の３倍周波数の３次高調波信号を得る３次高調波波形生成器と、前記３次高調波波形生成器の出力を前記誤差演算器の遅れ時間分だけ、その位相を遅らす位相シフト器と、前記誤差演算器の出力と前記位相シフト器の出力とを加算する加算演算器とを備え、前記加算演算器の出力をパルス幅変調器に入力し、パルス幅変調信号を生成し、前記インバータを該パルス幅変調信号により動作させることを特徴とするものである。

本発明では、３次高調波を重畳する際に、フィードバック系の誤差演算器の遅れ要素を考慮して３次高調波を重畳するので、３次高調波信号と遅れ要素を持つ誤差演算器の出力信号の位相を一致させることが可能となり、効果的に３次高調波を重畳することができる。これにより、フィードバック系の誤差演算器に遅れ要素があっても、３次高調波を適正な位相に乗せられるので、インバータの直流入力電圧の高い電圧利用率を確保でき、インバータを効率的に利用することができる。

以下、本発明の実施形態について、添付図面を参照して説明する。なお、各図中、同一の作用または機能を有する部材または要素には、同一の符号を付して重複した説明を省略する。

図１は、本発明の一実施形態の電圧形電流制御インバータ用いた系統連系発電システムを示す。発電機１１の交流発電出力は、全波整流回路などのコンバータ１２により整流され、コンデンサ（直流電源）１３に貯留された直流電力がインバータ１５により系統連系可能な交流電力に変換され、商用電力系統１６に接続された負荷に供給される。電圧形電流制御インバータ１５は、直流電源１３の直流電力を、電流指令値の振幅を有する交流電流に変換し、指令値の交流電流を系統負荷に送出する装置であり、商用電力系統１６の系統電圧と同期を取り、交流電力を出力する。そして、指令値の交流電流を出力するように、実際のインバータ出力電流を検出し、誤差演算器を用いてフィードバック制御する。

インバータ１５は、電力スイッチング素子をパルス幅変調信号に従ってオン／オフ制御することにより直流電力を交流電力に変換する電力変換装置であり、入力直流電圧がパルス幅変調され、出力される。このため、系統電圧を検出する系統電圧検出器１８、系統への送出電流を検出する電流検出器１９、系統リアクトル２０、コンデンサ２１などからなる高周波成分を除去するフィルタ回路などのインバータ装置としての基本的な構成を備えている。

そして、このインバータ１５は、各相毎に基本周波数の波形に３次高調波の波形を重畳して出力する下記構成の制御装置を備えている。すなわち、系統電圧から基本波周波数の波形を検出する周波数検出器（位相検出器）２３と、電流指令値と上記周波数検出器２３で検出された基本波周波数の波形とから基本波の電流指令波形信号を形成する電流指令波形生成器２４と、上記電流指令波形信号（目標値）と上記電流検出器１９によりインバータの出力線から検出された電流信号（フィードバック値）との誤差を求める遅れ要素をもつ誤差演算器（ＰＩＤ演算器）２５と、上記電圧検出器１８で検出された商用系統電圧の３倍周波数の３次高調波波形信号を形成する３次高調波波形生成器２６と、上記３次高調波波形生成器の出力を上記誤差演算器（ＰＩＤ演算器）２５の遅れ時間分の位相を遅らせる位相シフト器２７と、上記誤差演算器２５の出力と上記位相シフト器２７の出力とを加算演算する加算器２８とを備え、加算器２８の出力をパルス幅変調器２９へ入力して、パルス幅変調信号を生成し、インバータ１５をパルス幅変調制御する。

上記制御装置によれば、電流指令波形生成器２４により電流指令値に従った系統電圧周波数の電流指令波形（目標値）が形成される。そして、インバータ１５の出力線から検出された実際電流波形（フィードバック値）との誤差を求める演算が誤差演算器２５で行われ、誤差がゼロとなる（フィードバック値が目標値に一致する）ように、誤差演算器２５から基本周波数の電流指令波形信号が出力される。そして、この基本周波数の電流指令波形信号に、商用系統電圧の３倍周波数の３次高調波波形信号が位相シフト器２７により誤差演算器２５の遅れ時間分だけ位相を遅らせて、加算器２８により重畳される。これにより、誤差演算器２５が遅れ時間を有していても、３次高調波信号と遅れ要素を持つ誤差演算器の基本波信号の位相を一致させることが可能となり、効果的に３次高調波を重畳することができる。

従って、各相毎の出力電流は、基本波に３次高調波が位相を合わせて正確に重畳したものとなり、インバータにおける入力直流電圧の電圧利用率が高められ、インバータを効率的に作動させることができる。そして、重畳された３次高調波成分は線間電圧においてキャンセルされるので、商用交流電力系統１６側には基本波周波数成分のみが出力される。

なお、電圧形電流制御インバータの位相シフト器２７における位相シフト量の設定は、以下のいずれかの方法による。
（ａ）誤差演算器２５の出力位相遅れを予測して所定の値（時間または遅れ時間に略等しい位相角）を設定する。
（ｂ）誤差演算器２５の出力位相を実際に検出し、誤差演算器２５の出力と同期するように位相シフト量を設定する。

次に、上記制御装置の具体的な構成例を図２に示す。この実施形態においては、誤差演算器２５および加算器２８を、演算増幅器を用いたアナログ回路で構成している。そして、誤差演算器２５においては、抵抗（Ｒ）とキャパシタ（Ｃ）とで構成される積分回路を含むため、出力位相遅れが生じることは上述したとおりである。ここで、端子Ａは電流指令波形生成器２４に接続され、電流指令値に従った系統電圧周波数の電流指令波形（目標値）が入力される。端子Ｂは電流検出器１９に接続され、インバータ１５の出力線から検出された実際電流波形（フィードバック値）が入力され、誤差演算器２５で誤差演算（ＰＩＤ演算）が行われる。３次高調波波形生成器２６と、位相シフト器２７は、メモリに蓄積されたプログラムによりマイクロプロセッサでデジタル演算処理により実現され、所定量の出力位相遅れの３次高調波アナログ波形が加算器２８に入力され、上記誤差演算器２５の出力と加算され、３次高調波を重畳した電流指令波形が端子Ｃよりパルス幅変調器（三角波比較回路）２９に出力される。

次に、この制御装置における３次高調波の位相シフトについて、図３を参照して説明する。まず、系統電圧波形であるＵ相電圧波形（ａ）の立ち上がりゼロクロスから次の立ち上がりゼロクロスまでの時間Ｔ１を、マイクロプロセッサ内部のタイマ１にて計測する（ｂ）。次に、電流指令波形生成器２４の出力位相は、上述の立ち上がりのタイミングから計測した時間の例えば１／３６０の時間（電気角１°に相当する時間）を設定したタイマ２（ｃ）のタイプアップを利用して、作成することができる。具体的には、インターバルタイマ機能をもつタイマ２に、タイマ１で計測した時間の１／３６０の時間を設定する。このタイマ２のタイムアップ（インターバル時間）ごとに発生する割り込みにて、出力に使用する３６０個に分割されたサイン波形テーブルデータ参照用ポインタをインクリメントする。また、立ち上がりゼロクロス発生時にこのサイン波形テーブルデータ参照用ポインタをゼロにリセット（ゼロクロス点の開始点をセット）する。これにより、図３（ｄ）に示す電流指令波形を作成することができる。

ここで、上述の電流指令波形の３倍周波数波形を出力する場合には、３倍周波数用のサイン波形テーブルデータを用意しておき、タイマ２（ｅ）のタイムアップごとに３倍周波数サイン波形テーブルデータ参照用ポインタをインクリメントすることで、電流指令波形と同期した３倍周波数波形（ｆ）の出力を行うことができる。さらに、電流指令波形に対し、３倍周波数波形の位相を遅らせるには、立ち上がりゼロクロス発生時にこのサイン波形テーブルデータ参照用ポインタをゼロにリセットする際に、３倍周波数参照用テーブルの参照用ポインタを任意の値（位相シフト量Ｔ３）にセットすることで、電流指令値に対して、３倍周波数の位相を、任意の値だけ変化させることができる。図示の実施例の場合は、立ち上がりゼロクロスのタイミングで、時間Ｔ２を３個分遅らせることで、電流指令波形に対して、３°遅らせている。上述の説明は、１周期を３６０分割した際の説明であり、１周期の分割数は任意の値で構わない。この位相シフトした３倍周波数波形（ｆ）に誤差増幅器の基本波出力波形（ｇ）を加算器２８で加算すると、正確に位相を合わせた台形状の加算器出力波形（ｈ）が得られる。

上述の実施例は、マイクロプロセッサを使用しなくても、ハードウェアでも実施可能であるが、マイクロプロセッサで構成をした方が、構成が簡単になり位相シフト量を変更する場合の変更も容易となり、コスト的にも安価に構成できる。

上記実施形態では、誤差演算器２５および加算器２８をハードウェアで構成する例について説明したが、マイクロプロセッサとメモリを用いソフトウェアで構成するようにしてもよい。

これまで本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されず、その技術的思想の範囲内において種々異なる形態にて実施されてよいことは勿論である。

本発明の一実施形態の電圧形電流制御インバータを示すブロック図である。上記インバータの制御装置の構成例を示す回路図である。上記インバータの動作例を示す波形図である。

符号の説明

１１発電機
１２コンバータ
１３直流電源
１５電圧形電流制御インバータ
１６商用交流電力系統
１８電圧検出器
１９電流検出器
２０リアクトル
２１コンデンサ
２３周波数検出器
２４電流指令波形生成器
２５誤差演算器（ＰＩＤ演算器）
２６３次高調波波形生成器
２７位相シフト器
２８加算器
２９パルス幅変調器

Claims

商用電力系統の電圧を検出する電圧検出器と、
前記検出器で検出された前記電圧の周波数と同一周波数の電流指令波形を生成する電流指令波形生成器と、
前記生成器から出力される電流目標値と、インバータの出力線から検出された電流フィードバック値との誤差を演算する遅れ要素をもつ誤差演算器と、
前記電圧検出器で検出された前記電圧の周波数の３倍周波数の３次高調波信号を得る３次高調波波形生成器と、
前記３次高調波波形生成器の出力を前記誤差演算器の遅れ時間分だけ、その位相を遅らす位相シフト器と、
前記誤差演算器の出力と前記位相シフト器の出力とを加算する加算演算器とを備え、前記加算演算器の出力をパルス幅変調器に入力し、パルス幅変調信号を生成し、前記インバータを該パルス幅変調信号により動作させることを特徴とする電圧形電流制御インバータ。
前記電流指令波形生成器と３次高調波波形生成器と位相シフト器とを、マイクロプロセッサとメモリによるソフトウェアで構成したことを特徴とする請求項１記載の電圧形電流制御インバータ。