JPWO2020070815A1 - Power conversion system - Google Patents
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Abstract
電力変換システム(50)は、電力変換装置(10)及び変圧器(1)を備える。電力変換装置(10)は、コンバータ(2a)、直流電圧を取得する電圧センサ(5)及び制御部(3)を備える。変圧器(1)は、一次巻線(1a)、二次巻線(1b)及び電圧センサ(6)が接続される三次巻線(1c)を備える。制御部(3)は、電圧センサ(6)の取得値から基準位相を演算する位相演算部(30)、直流電圧指令値と直流電圧との偏差に基づいて有効電流指令値を演算する有効電流指令値演算部(320)、変圧器(1)の結合インダクタンス(74)と変圧器(1)の受電電圧とによって決定される第1の係数を用いて有効電流指令値の二乗に比例した第1の無効電流指令値を演算する第1の無効電流指令値演算部(324)及び基準位相と有効電流指令値と第1の無効電流指令値とに基づいて交流電圧指令値を演算する電圧指令値演算部(34)を備える。The power conversion system (50) includes a power conversion device (10) and a transformer (1). The power conversion device (10) includes a converter (2a), a voltage sensor (5) for acquiring a DC voltage, and a control unit (3). The transformer (1) includes a primary winding (1a), a secondary winding (1b) and a tertiary winding (1c) to which the voltage sensor (6) is connected. The control unit (3) is a phase calculation unit (30) that calculates a reference phase from the acquired value of the voltage sensor (6), and an effective current that calculates an effective current command value based on the deviation between the DC voltage command value and the DC voltage. The first coefficient proportional to the square of the effective current command value is used by the first coefficient determined by the coupling inductance (74) of the command value calculation unit (320) and the transformer (1) and the received voltage of the transformer (1). The first invalid current command value calculation unit (324) that calculates the invalid current command value of 1, and the voltage command that calculates the AC voltage command value based on the reference phase, the effective current command value, and the first invalid current command value. A value calculation unit (34) is provided.
Description
本発明は、電気車に搭載され、交流電源から出力される交流電力を直流電力に変換する電力変換システムに関する。 The present invention relates to a power conversion system mounted on an electric vehicle and converting AC power output from an AC power source into DC power.
一般に電気車は、架線からの電力を集電装置で取り入れ、取り入れた電力を使用し、電力変換装置で電動機を駆動して走行する構成とされる。特に、交流電源から電力の供給を受ける電気車においては、架線電圧を降圧する変圧器と、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、直流電力を交流電力に変換するインバータとを経て、電気車を駆動する電動機に電力が供給される方式が主流である。以下、「電気車」と呼称する場合は、交流電源から電力の供給を受ける電気車のことを指すものとする。また、変圧器、コンバータ、インバータ、及び電動機を備える装置を「推進制御装置」と呼ぶ。 In general, an electric train is configured to take in electric power from an overhead wire with a current collector, use the taken-in electric power, and drive an electric motor with a power conversion device to run. In particular, in an electric vehicle that receives power from an AC power source, the electric vehicle passes through a transformer that steps down the overhead wire voltage, a converter that converts AC power into DC power, and an inverter that converts DC power into AC power. The mainstream method is to supply power to the electric motor that drives the transformer. Hereinafter, the term "electric vehicle" shall mean an electric vehicle that receives electric power from an AC power source. A device including a transformer, a converter, an inverter, and an electric motor is called a "propulsion control device".
電気車の変圧器には、架線へ接続される一次巻線と、コンバータへ接続される二次巻線と、その他の電気機器が接続される三次巻線とが具備される。これらの巻線のうち、二次巻線はコンバータと1対1に対応しており、二つ以上を備える場合が多い。また、一次巻線、二次巻線、三次巻線の順に巻数が少なくなる、言い換えると一次巻線、二次巻線、三次巻線の順に電圧が低くなるのが一般的である。なお、一次巻線は高圧巻線と呼ばれ、二次巻線及び三次巻線は低圧巻線と呼ばれる。 Transformers for electric trains include primary windings that are connected to overhead wires, secondary windings that are connected to converters, and tertiary windings that are connected to other electrical equipment. Of these windings, the secondary winding has a one-to-one correspondence with the converter and often includes two or more. Further, the number of turns decreases in the order of the primary winding, the secondary winding, and the tertiary winding, in other words, the voltage generally decreases in the order of the primary winding, the secondary winding, and the tertiary winding. The primary winding is called a high pressure winding, and the secondary winding and the tertiary winding are called a low pressure winding.
コンバータの制御には、架線電圧の情報が必要とされる。ここで、架線電圧を取得するための電圧センサは、変圧器の三次巻線へ設置されることがある。この構成の場合、電圧センサからの取得値は、変圧器の巻数比で換算されて、コンバータの制御に用いられる。電圧センサを三次巻線へ接続することで、より耐圧性能の低い電圧センサを用いることができる。このような電力変換システムの構成は、例えば下記特許文献1に開示されている。
Information on the overhead line voltage is required to control the converter. Here, a voltage sensor for acquiring the overhead wire voltage may be installed in the tertiary winding of the transformer. In the case of this configuration, the value acquired from the voltage sensor is converted by the turns ratio of the transformer and used for controlling the converter. By connecting the voltage sensor to the tertiary winding, a voltage sensor with lower withstand voltage performance can be used. The configuration of such a power conversion system is disclosed in, for example,
前述した電気車の変圧器においては、3つ以上の巻線が磁路を共有するので、全ての巻線間には、磁気的な結合が存在する。従って、ある巻線に流れる電流は、他の巻線に誘起される電圧に影響を与える。具体的に、二次巻線に接続されるコンバータが要求する電力の大小によって、三次巻線に接続された電圧センサの出力が変化する。その結果、真の架線電圧と、電圧センサの取得値から得られる架線電圧との間に差異が生じ、架線からみた推進制御装置の力率、即ち変圧器の一次側における力率がコンバータの制御器の指令値どおりに制御されないという課題が生じる。 In the transformer of the electric vehicle described above, since three or more windings share a magnetic path, there is a magnetic coupling between all the windings. Therefore, the current flowing in one winding affects the voltage induced in the other winding. Specifically, the output of the voltage sensor connected to the tertiary winding changes depending on the magnitude of the power required by the converter connected to the secondary winding. As a result, there is a difference between the true overhead line voltage and the overhead line voltage obtained from the acquired value of the voltage sensor, and the power factor of the propulsion control device as seen from the overhead line, that is, the power factor on the primary side of the transformer controls the converter. There arises a problem that it is not controlled according to the command value of the vessel.
特許文献1には、意図的に力率が1よりも小さくなるようにコンバータを動作させること、具体的には変圧器が受電する受電電圧の変動を抑制するように無効電流を流してコンバータを動作させる手法が開示されている。しかしながら、真の架線電圧と、電圧センサの取得値から得られる架線電圧との間の差異については、何ら考慮されておらず、実際の力率が、コンバータの制御器の指令値どおりに制御される保証はない。
In
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、変圧器の低圧巻線に電圧センサを設置して架線電圧を取得する場合においても、変圧器の一次側における力率を指令値どおりに制御することができる電力変換システムを得ることを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and even when a voltage sensor is installed on the low voltage winding of the transformer to acquire the overhead line voltage, the power factor on the primary side of the transformer is set according to the command value. The purpose is to obtain a power conversion system that can be controlled.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる電力変換システムは、電力変換装置と、変圧器とを備える。電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換するコンバータと、コンバータの直流側に生じる直流電圧を取得する第1の電圧センサと、コンバータの動作状態を制御する制御部とを備える。変圧器は、交流電源に接続される一次巻線と、電力変換装置と接続される二次巻線と、第2の電圧センサが接続される三次巻線とを備える。制御部は、第2の電圧センサの取得値から基準位相を演算する位相演算部を備える。また、制御部は、直流電圧指令値と第1の電圧センサによって取得された直流電圧との偏差に基づいて、有効電流指令値を演算する有効電流指令値演算部を備える。また、制御部は、変圧器の結合インダクタンスと変圧器の受電電圧とによって決定される第1の係数を比例係数とし、この比例係数を用いて有効電流指令値の二乗に比例した第1の無効電流指令値を演算する第1の無効電流指令値演算部を備える。また、制御部は、基準位相と、有効電流指令値と、第1の無効電流指令値とに基づいて、交流電圧指令値を演算する電圧指令値演算部を備える。 In order to solve the above-mentioned problems and achieve the object, the power conversion system according to the present invention includes a power conversion device and a transformer. The power conversion device includes a converter that converts AC power into DC power, a first voltage sensor that acquires a DC voltage generated on the DC side of the converter, and a control unit that controls the operating state of the converter. The transformer includes a primary winding connected to an AC power supply, a secondary winding connected to a power converter, and a tertiary winding to which a second voltage sensor is connected. The control unit includes a phase calculation unit that calculates a reference phase from the acquired value of the second voltage sensor. Further, the control unit includes an effective current command value calculation unit that calculates an effective current command value based on the deviation between the DC voltage command value and the DC voltage acquired by the first voltage sensor. Further, the control unit uses the first coefficient determined by the coupling inductance of the transformer and the received voltage of the transformer as a proportional coefficient, and uses this proportional coefficient as the first invalidity proportional to the square of the effective current command value. A first invalid current command value calculation unit for calculating a current command value is provided. Further, the control unit includes a voltage command value calculation unit that calculates an AC voltage command value based on a reference phase, an effective current command value, and a first reactive current command value.
本発明に係る電力変換システムによれば、変圧器の低圧巻線に電圧センサを設置して架線電圧を取得する場合においても、変圧器の一次側における力率を指令値どおりに制御できるという効果を奏する。 According to the power conversion system according to the present invention, even when a voltage sensor is installed on the low voltage winding of the transformer to acquire the overhead line voltage, the power factor on the primary side of the transformer can be controlled according to the command value. Play.
以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態に係る電力変換システムについて詳細に説明する。なお、以下の実施の形態により、本発明が限定されるものではない。 The power conversion system according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The present invention is not limited to the following embodiments.
実施の形態1.
図1は、実施の形態1に係る電力変換システム50を含む電気車駆動システム100の構成図である。図1において、電気車駆動システム100は、き電システム110と、図示しない電気車の推進制御に供される推進制御装置60と、を含む。き電システム110は、交流電源を構成する。き電システム110は、交流電力を発生する電源設備106と、交流電力を推進制御装置60に供給するための電力線108と、を含む。
FIG. 1 is a configuration diagram of an electric
推進制御装置60は、電力変換システム50と、負荷120とを含む。電力変換システム50は、き電システム110から受電した交流電力を直流電力へ変換して、負荷120へ供給する。電力変換システム50は、変圧器1と、電力変換装置10とを含む。変圧器1は、受電電圧を降圧して電力変換装置10へ供給する。
The
電力変換装置10は、コンバータ2aと、コンデンサ2bと、制御部3とを備える。コンバータ2aは、交流電力と直流電力とを相互に変換するパルス幅変調(Pulse Width Modulation:PWM)コンバータである。コンバータ2aは、変圧器1を介してき電システム110から供給される交流電力を直流電力に変換して負荷120へ供給する。コンデンサ2bは、コンバータ2aの出力を平滑する平滑コンデンサである。
The
コンバータ2aから見て、変圧器1の側を「交流側」と呼び、負荷120の側を「直流側」と呼ぶ。制御部3は、コンバータ2aをPWM制御するためのPWM信号を生成する。制御部3は、PWM信号によって、コンバータ2aの動作状態を制御する。具体的に、制御部3は、コンバータ2aの直流側の電圧を制御する。また、制御部3は、コンバータ2aの交流側に流出入する電流を制御する。以下、コンバータ2aの直流側の電圧を「コンバータ2aの直流電圧」、もしくは単に「直流電圧」と呼ぶ。また、コンバータ2aの交流側に流出入する電流を「コンバータ2aの交流電流」、もしくは単に「交流電流」と呼ぶ。また、コンバータ2aの交流側の電圧を「コンバータ2aの交流電圧」、もしくは単に「交流電圧」と呼ぶ。なお、PWM信号の生成手法については、多くの公知文献が存在しており、ここでの詳細な説明は省略する。
Seen from the
負荷120は、インバータ120aと、モータ120bとを備える。インバータ120aは、コンバータ2aから出力される直流電力を交流電力に変換する。モータ120bは、インバータ120aが変換した交流電力によって駆動される。モータ120bは、図示しない電気車に推進力を付与する。なお、1台のインバータ120aによって駆動されるモータ120bの個数は、複数であってもよい。
The
また、図1では、1台の電力変換装置10に接続される1台のインバータ120aを示しているが、1台の電力変換装置10が複数台のインバータ120aへ電力を供給する構成であってもよい。さらに、複数台の電力変換装置10が1台のインバータ120aへ電力を供給する構成であってもよい。なお、電力変換装置10が複数台の場合については、後述する。
Further, although FIG. 1 shows one
図2は、電力変換システム50の要部の構成例を示す模式図である。図2には、図1に示した変圧器1と、電力変換装置10とに加え、電流センサ4と、第1の電圧センサである電圧センサ5と、第2の電圧センサである電圧センサ6とが示されている。
FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration example of a main part of the
変圧器1は、図2に示されるように、一次巻線1a、二次巻線1b、及び三次巻線1cを有する。一次巻線1aは、電力線108へと接続され、二次巻線1bは、コンバータ2aへと接続され、三次巻線1cは、電圧センサ6へと接続されている。なお、簡単のため、図2では、電力変換装置10及び二次巻線1bの数は1として示しているが、電力変換装置10及び二次巻線1bの数は2以上でもよい。但し、電力変換装置10と二次巻線1bとは1対1の接続関係にあるものとする。
The
電流センサ4は、コンバータ2aの交流電流isの電流値を取得する。電圧センサ5は、コンバータ2aの直流電圧Edの電圧値を取得する。電圧センサ6は、三次巻線1cに誘起される電圧v^sの電圧値を取得する。電流センサ4及び電圧センサ5,6の各取得値は、制御部3に入力される。ここで、「v^s」という表記中の「v^」は、「v」の上部にハット記号「^」が配置された文字の代替表記である。本明細書では、イメージで挿入する場合を除き、当該代替表記を使用する。なお、電圧センサ6の取得値は、変圧器1における二次巻線1bと三次巻線1cの巻数比を用いて二次電圧の相当値に換算されているものとする。ここで言う二次電圧は、二次巻線1bに誘起される電圧である。巻数比は、電圧比でもある。以下、「v^s」を「センサ取得電圧」と呼ぶ。
The
次に、コンバータ2aの動作原理について、図3及び図4の図面を参照して説明する。図3は、図1及び図2に示されるコンバータの動作原理の説明に供する第1のベクトル図である。図4は、図1及び図2に示されるコンバータの動作原理の説明に供する第2のベクトル図である。なお、コンバータ2aの交流側から直流側へ正の電力が伝送される状態を「力行」と定義し、直流側から交流側へ正の電力が伝送される状態を「回生」と定義する。これらの定義に伴い、電流センサ4が取得するコンバータ2aの交流電流isは、コンバータ2aへ流入する向きを正とする。
Next, the operating principle of the
図3には、コンバータ2aが力率1で電力を消費しているときの、定常状態における電圧ベクトルと電流ベクトルとの関係が示されている。図3において、「is」はコンバータ2aの交流電流、「xl」は変圧器1の漏れリアクタンス、「vc」はコンバータ2aの交流電圧である。また、「vs」は変圧器1が電力線108から受電する受電電圧を変圧器1における一次巻線1aと二次巻線1bの巻数比を用いて二次電圧の相当値に換算した値である。「vs」を「二次換算電源電圧」と呼ぶ。
FIG. 3 shows the relationship between the voltage vector and the current vector in the steady state when the
なお、変圧器1において、実際には、漏れリアクタンスxlに加え、抵抗成分が存在する。抵抗成分と漏れリアクタンスxlとを合わせたものは、「漏れインピーダンス」と呼ばれる。漏れインピーダンスにおいて、抵抗成分はリアクタンス成分と比して十分に小さい。このため、以降の説明では、簡単化のため、抵抗成分は無視する。
In the
力率1の力行及び定常状態では、図3に示されるように、交流電流isと、二次換算電源電圧vsとは、同位相の関係となっている。変圧器1の漏れリアクタンスxlによる電圧降下は、「jxlis」と表すことができる。「j」は虚数単位であり、電圧降下jxlisは、交流電流is及び二次換算電源電圧vsよりも90度進んだ位相となる。ここで、二次換算電源電圧vsとコンバータ2aの交流電圧vcとの電圧差が漏れリアクタンスxlに印加されて交流電流isが生じるので、コンバータ2aの交流電圧vcと漏れリアクタンスxlにおける電圧降下jxlisをベクトル的に加算したものが、二次換算電源電圧vsと等しくなる。即ち、二次換算電源電圧vsと、交流電圧vcと、電圧降下jxlisとの間には、vs=vc+jxlisの関係がある。
In the
また、図4には、コンバータ2aが力率1で電力を回生しているときの、定常状態における電圧ベクトルと電流ベクトルとの関係が示されている。図4において、交流電流isと二次換算電源電圧vsとは、逆位相の関係となっている。ここで、変圧器1の漏れリアクタンスxlによる電圧降下jxlisは、交流電流isに対しては90度進んだ位相であるが、二次換算電源電圧vsに対しては90度遅れた位相である。vs=vc+jxlisの関係は図3のベクトル図と同様に成り立っており、交流電圧vcと漏れリアクタンスによる電圧降下jxlisとをベクトル的に加算したものが、二次換算電源電圧vsと等しくなっている。
Further, FIG. 4 shows the relationship between the voltage vector and the current vector in the steady state when the
即ち、図3及び図4のベクトル図は、交流電圧vcの振幅及び位相のうちの何れか一つ、もしくは両方を調整することで、交流電流isを任意の振幅及び位相に制御できることを示している。 That is, the vector diagrams of FIGS. 3 and 4 show that the AC current is can be controlled to an arbitrary amplitude and phase by adjusting either one or both of the amplitude and phase of the AC voltage vc. There is.
次に、図1及び図2に示される制御部3の基本的な構成及び動作について、図5及び図6の図面を参照して説明する。図5は、図1及び図2に示される制御部3の基本構成例を示すブロック図である。図6は、図5に示される制御部が動作するときの電流指令値に関するベクトル図である。
Next, the basic configuration and operation of the
図5に示される制御部3は、位相演算部30と、電流指令値演算部32と、電圧指令値演算部34と、スイッチング指令生成部36とを備える。以下、各部の動作について説明する。
The
位相演算部30は、センサ取得電圧v^sに基づいて電圧位相θを生成する。電圧位相θは、後述する瞬時電流指令値is*を生成する際の基準位相となる。以下、この電圧位相を「基準位相」と呼ぶ。基準位相θは、電圧指令値演算部34に入力される。なお、位相演算部30の構成については、公知である種々の方式が提案されており、ここでの詳細な説明は省略する。
The
電流指令値演算部32は、直流電圧指令値Ed*と、電圧センサ5から取得した直流電圧Edと、力率角指令値φとに基づき、有効電流指令値Ipと、無効電流指令値Iqとを演算する構成部である。具体的に、電流指令値演算部32は、図5に示されるように、減算器321と、電圧制御部322と、正接値演算部336と、乗算器323とを備える。直流電圧指令値Ed*は、直流電圧Edを所望の値に制御するための指令値である。
The current command
減算器321は、直流電圧指令値Ed*と、直流電圧Edとの偏差である直流電圧偏差を演算する。電圧制御部322は、減算器321の出力に基づいて有効電流指令値Ipを演算する。有効電流指令値Ipは、電圧指令値演算部34及び乗算器323に入力される。減算器321及び電圧制御部322は、有効電流指令値演算部を構成する。
The
また、正接値演算部336は、力率角指令値φの正接値すなわちタンジェントを演算する。乗算器323は、有効電流指令値Ipと、正接値演算部336の出力とを乗算する。乗算器323の出力は、無効電流指令値Iqとして電圧指令値演算部34に入力される。正接値演算部336及び乗算器323は、無効電流指令値演算部を構成する。
Further, the tangent
なお、電圧制御部322には、比例積分(Proportional Integral:PI)補償器が用いられることが多い。また、力率角指令値φが与えられたとき、所望の力率を達成する有効電流指令値Ipと無効電流指令値Iqとの関係は次式となる。
A proportional integral (PI) compensator is often used for the
従って、図5の電流指令値演算部32では、有効電流指令値Ipに力率角指令値φの正接値であるtanφを乗じたものを、無効電流指令値Iqとしている。図5の場合、力率角指令値φが正のときは、無効電流指令値Iqも正となり、Iqは進み無効電流を表す。力率角指令値φが負のときは、無効電流指令値Iqも負となり、Iqは遅れ無効電流を表す。このようにして無効電流指令値Iqを決定すると、交流電力の力率が所望の値に追従するように、後述する瞬時電流指令値is*が演算される。一方で、無効電力量を所望の値に追従させたい場合には、力率角指令値φを用いずに、別の手段によって直接無効電流指令値Iqを演算することも可能である。
Therefore, in the current command
次に、電圧指令値演算部34について説明する。電圧指令値演算部34は、有効電流指令値Ipと、無効電流指令値Iqと、基準位相θに基づき、瞬時電流指令値is*を演算する構成部である。また、電圧指令値演算部34は、瞬時電流指令値is*と、電流センサ4から取得した交流電流isとに基づき、コンバータ2aが交流側に出力すべき電圧の指令値である交流電圧指令値vc*を演算する構成部である。具体的に、電圧指令値演算部34は、図5に示されるように、正弦値演算部341と、余弦値演算部342と、乗算器343,344と、加算器345と、減算器346と、電流制御部347とを備える。
Next, the voltage command value calculation unit 34 will be described. The voltage command value calculation unit 34 is a component that calculates the instantaneous current command value is * based on the active current command value Ip, the reactive current command value Iq, and the reference phase θ. Further, the voltage command value calculation unit 34 is an AC voltage command value which is a command value of the voltage to be output to the AC side by the
正弦値演算部341は基準位相θの正弦値を演算し、余弦値演算部342は基準位相θの余弦値を演算する。乗算器343は、電流指令値演算部32の出力である有効電流指令値Ipと、正弦値演算部341の出力である基準位相θの正弦値とを乗算する。乗算器344は、電流指令値演算部32の出力である無効電流指令値Iqと、余弦値演算部342の出力である基準位相θの余弦値とを乗算する。加算器345は、乗算器343の出力であるIpsinθと、乗算器344の出力であるIqcosθとを加算する。加算器345の出力は、瞬時電流指令値is*である。瞬時電流指令値is*は、コンバータ2aの交流側に流すべき電流の指令値である。
The sine
ここで、有効電流指令値Ip及び無効電流指令値Iqは共に直流量であるのに対し、瞬時電流指令値is*は交流量である。また、図5の構成では、有効電流指令値Ipと基準位相θの正弦値であるsinθとの積をセンサ取得電圧v^sと同位相の交流量とし、無効電流指令値Iqと基準位相θの余弦値であるcosθとの積をセンサ取得電圧v^sに対して90度の位相差をもった交流量としている。即ち、図5の構成では、基準位相θは、センサ取得電圧v^sの正弦値を基準としている。従って、センサ取得電圧v^sと瞬時電流指令値is*とは、図6のベクトル図に示す関係となる。 Here, the active current command value Ip and the reactive current command value Iq are both DC quantities, whereas the instantaneous current command value is * is an AC quantity. Further, in the configuration of FIG. 5, the product of the effective current command value Ip and the sin θ which is the sine value of the reference phase θ is set as the AC amount having the same phase as the sensor acquisition voltage v ^ s, and the invalid current command value Iq and the reference phase θ The product of cos θ, which is the cosine value of, is the amount of alternating current having a phase difference of 90 degrees with respect to the sensor acquisition voltage v ^ s. That is, in the configuration of FIG. 5, the reference phase θ is based on the sine value of the sensor acquisition voltage v ^ s. Therefore, the sensor acquisition voltage v ^ s and the instantaneous current command value is * have the relationship shown in the vector diagram of FIG.
瞬時電流指令値is*は、減算器346に入力される。減算器346は、瞬時電流指令値is*と交流電流isとの偏差を演算する。交流電流isは、電流センサ4によって取得された、コンバータ2aの交流電流である。電流制御部347は、瞬時電流指令値is*と交流電流isとの偏差を増幅し、増幅した信号を交流電圧指令値vc*としてスイッチング指令生成部36に出力する。なお、電流制御部347には、比例(Proportional:P)補償器、又はPI補償器が用いられることが多い。
The instantaneous current command value is * is input to the
スイッチング指令生成部36は、交流電圧指令値vc*に基づいてスイッチング指令sw*を生成する。スイッチング指令sw*は、コンバータ2aをPWM制御するためのPWM信号である。なお、スイッチング指令sw*の生成手法は公知の手法に拠るものとし、ここでの詳細な説明は省略する。
The switching command generation unit 36 generates a switching command sw * based on the AC voltage command value vc *. The switching command sw * is a PWM signal for PWM control of the
なお、図5に示される電圧指令値演算部34は、図7に示される電圧指令値演算部35のように置き替えられる場合もある。図7は、図1及び図2に示される制御部3の図5とは異なる基本構成例を示すブロック図である。なお、図7では、図5と同一又は同等の構成部には、同一の符号を付して示している。
The voltage command value calculation unit 34 shown in FIG. 5 may be replaced like the voltage command
図5の構成では、電流指令値が交流量に変換されるのに対し、図7の構成では、実電流が直流量に変換されるという差異がある。具体的に、電圧指令値演算部35は、図7に示されるように、回転座標変換部351と、減算器352,353と、電流制御部354,355と、静止座標変換部356とを備える。なお、図7に示される電圧指令値演算部35は、図5に示される電圧指令値演算部34と同様に、有効電流指令値Ipと、無効電流指令値Iqと、基準位相θと、電流センサ4から取得した交流電流isとに基づいて、コンバータ2aが交流側に出力すべき電圧である交流電圧指令値vc*を演算する構成である。
In the configuration of FIG. 5, the current command value is converted into an alternating current amount, whereas in the configuration of FIG. 7, the actual current is converted into a direct current amount. Specifically, as shown in FIG. 7, the voltage command
回転座標変換部351は、基準位相θを用いて、交流電流isを回転座標上の値に変換して、センサ取得電圧v^sと同相成分である実有効電流Ip'と、センサ取得電圧v^sに対して90度の位相差をもつ成分である実無効電流Iq'とを演算する。
The rotational coordinate
減算器352は、電流指令値演算部32の出力である有効電流指令値Ipと、回転座標変換部351の出力である実有効電流Ip'との偏差を演算する。また、減算器353は、電流指令値演算部32の出力である無効電流指令値Iqと、回転座標変換部351の出力である実無効電流Iq'との偏差を演算する。
The
電流制御部354は、有効電流指令値Ipと実有効電流Ip'との偏差を増幅し、増幅した信号をp軸電圧指令値vp*として静止座標変換部356に出力する。また、電流制御部355は、無効電流指令値Iqと実無効電流Iq'との偏差を増幅し、増幅した信号をq軸電圧指令値vq*として静止座標変換部356に出力する。
The
静止座標変換部356は、基準位相θを用いて、p軸電圧指令値vp*及びq軸電圧指令値vq*を静止座標上の値に変換し、その変換値を交流電圧指令値vc*としてスイッチング指令生成部36に出力する。
The static coordinate
なお、交流電力が単相の場合、電圧及び電流の瞬時空間ベクトルが定義できないので、回転座標と静止座標との間の相互変換のためには、追加の演算処理が必要となる。具体的に、交流電流isを回転座標変換するときは、予め交流電流isの90度進相成分であるjisを演算しておき、交流電流isとjisとに対して回転座標変換を行う。ここでの変換行列をCとおくと、変換行列Cは次式で表される。 When the AC power is single-phase, the instantaneous space vectors of voltage and current cannot be defined, so additional arithmetic processing is required for mutual conversion between the rotating coordinates and the stationary coordinates. Specifically, when the AC current is is converted into a rotating coordinate, jis, which is a 90-degree phase-advancing component of the AC current is, is calculated in advance, and the rotating coordinate conversion is performed on the AC current is and jis. If the transformation matrix here is C, the transformation matrix C is expressed by the following equation.
なお、基準位相θの定義の仕方によって、上記(2)式は、異なる変換行列になる点に注意が必要である。 It should be noted that the above equation (2) has a different transformation matrix depending on how the reference phase θ is defined.
また、上記(2)式の変換行列Cを用いると、上述した実有効電流Ip'及び実無効電流Iq'は、次式で表される。 Further, using the transformation matrix C of the above equation (2), the above-mentioned actual active current Ip'and actual reactive current Iq' are expressed by the following equations.
また、交流電圧指令値vc*は、上記(2)式の変換行列Cを用いて、次式で表される。 Further, the AC voltage command value vc * is expressed by the following equation using the conversion matrix C of the above equation (2).
次に、変圧器1による制御への影響について、図8から図10の図面を参照して説明する。図8は、図1及び図2に示される変圧器を理想変圧器と結合インダクタンスとを用いて表した等価回路を示す図である。図9は、図5又は図7の制御部において生じ得る瞬時電流指令値is*と二次換算電源電圧vsとの間の位相差の説明に供するベクトル図である。図10は、図9に示される位相差が生じるときのセンサ取得電圧v^s、二次換算電源電圧vs及び交流電流isの時間波形を示す図である。
Next, the influence of the
図8では、変圧器1を、理想変圧器70と、結合インダクタンス74とで表している。結合インダクタンス74は、変圧器1の、高圧巻線と低圧巻線との間の漏れインダクタンス、及び低圧巻線同士の磁気結合を表している。漏れインダクタンスは、漏れリアクタンスとも称される。
In FIG. 8, the
図8において、「v1」は一次電圧、「v2」は二次電圧、「v3」は三次電圧、「i1」は一次電流、「i2」は二次電流、「i3」は三次電流を表している。即ち、一次電圧v1は一次巻線に印加される電圧、一次電流i1は一次巻線に流れる電流である。また、二次電圧v2は二次巻線に誘起される電圧、二次電流i2は二次巻線に流れる電流であり、三次電圧v3は三次巻線に誘起される電圧、三次電流i3は三次巻線に流れる電流である。なお、説明の便宜上、一次巻線を「高圧巻線」と称し、二次巻線と三次巻線とをまとめて「低圧巻線」と称する場合がある。また、「n2」は一次巻線に対する二次巻線の巻数比、「n3」は一次巻線に対する三次巻線の巻数比を表している。なお、図示のように一次巻線の巻数を「1」で表せば、巻数比n2及び巻数比n3は、0以上1未満の実数値である。 In FIG. 8, “v1” is the primary voltage, “v2” is the secondary voltage, “v3” is the tertiary voltage, “i1” is the primary current, “i2” is the secondary current, and “i3” is the tertiary current. There is. That is, the primary voltage v1 is the voltage applied to the primary winding, and the primary current i1 is the current flowing through the primary winding. Further, the secondary voltage v2 is the voltage induced in the secondary winding, the secondary current i2 is the current flowing in the secondary winding, the tertiary voltage v3 is the voltage induced in the tertiary winding, and the tertiary current i3 is the tertiary current. The current flowing through the winding. For convenience of explanation, the primary winding may be referred to as a "high pressure winding", and the secondary winding and the tertiary winding may be collectively referred to as a "low pressure winding". Further, "n2" represents the turns ratio of the secondary winding to the primary winding, and "n3" represents the turns ratio of the tertiary winding to the primary winding. If the number of turns of the primary winding is represented by "1" as shown in the figure, the number of turns ratio n2 and the number of turns ratio n3 are real values of 0 or more and less than 1.
ここで、図8の等価回路においては、次式及び次々式の回路方程式が成立する。 Here, in the equivalent circuit of FIG. 8, the circuit equations of the following equation and the following equation are established.
上記(6)式における右辺の係数行列を「リアクタンス行列」と呼ぶ。リアクタンス行列は、結合インダクタンス74をインピーダンスで表現したパラメタである。リアクタンス行列の対角項は、低圧巻線の自己インダクタンスに由来する項であり、非対角項は、低圧巻線同士の相互インダクタンスに由来する項である。また、リアクタンス行列は、対称行列である。上記(6)式の第2行を展開すると、次式が得られる。
The coefficient matrix on the right side in the above equation (6) is called a "reactance matrix". The reactance matrix is a parameter in which the
上記(7)式によれば、三次電圧v3は低圧巻線の電流によって変化することが分かる。 According to the above equation (7), it can be seen that the tertiary voltage v3 changes depending on the current of the low voltage winding.
また、上記(7)式を変形すると次式が得られる。 Further, by modifying the above equation (7), the following equation can be obtained.
ここで、図2の構成において、三次巻線1cの負荷は、電圧センサ6のみであり、電圧センサ6に流れる電流は小さいので、三次電流i3=0とする。なお、電気車の場合、三次巻線1cに補助電源装置などの別の負荷が接続される場合もあるが、二次巻線のコンバータに比べると電力容量が小さいことが殆どである。このため、三次電流i3を無視して、三次電流i3=0とすることは、無理のない妥当な仮定である。
Here, in the configuration of FIG. 2, the load of the tertiary winding 1c is only the
また、上記(8)式の左辺は、一次電圧v1を二次換算した値であり、この値を上記で定義した二次換算電源電圧vsとする。更に、右辺第1項は、電圧センサ6の取得値を二次換算した値であり、センサ取得電圧v^sに等しい。そして、変圧器1の二次電流i2はコンバータ2aの交流電流isに等しく、交流電流isは瞬時電流指令値is*に制御されるので、i2=is*とおく。更に、右辺第2項の比例係数をxm=(n2/n3)x32とすると、次式が得られる。
Further, the left side of the above equation (8) is a value obtained by secondary conversion of the primary voltage v1, and this value is defined as the secondary conversion power supply voltage vs. defined above. Further, the first term on the right side is a value obtained by quadratic conversion of the acquired value of the
制御目標が力率1で、無効電流指令値Iqがゼロであると仮定すると、上記(9)式の関係は、図9のベクトル図で表せる。図9において、瞬時電流指令値is*は、センサ取得電圧v^sと同位相となっている。また、センサ取得電圧v^sと二次換算電源電圧vsとの間には、相差角δが存在する。従って、瞬時電流指令値is*と二次換算電源電圧vsとの間にも相差角δに相当する位相差が生じる。 Assuming that the control target has a power factor of 1 and the reactive current command value Iq is zero, the relationship of the above equation (9) can be represented by the vector diagram of FIG. In FIG. 9, the instantaneous current command value is * is in phase with the sensor acquisition voltage v ^ s. Further, there is a phase difference angle δ between the sensor acquisition voltage v ^ s and the secondary conversion power supply voltage vs. Therefore, a phase difference corresponding to the phase difference angle δ also occurs between the instantaneous current command value is * and the secondary conversion power supply voltage vs.
このとき、センサ取得電圧v^s、二次換算電源電圧vs及び交流電流isの時間波形は、図10のようになる。図10では、センサ取得電圧v^s及び交流電流isを実線で示し、二次換算電源電圧vsを破線で示している。図10に示されるように、センサ取得電圧v^sと二次換算電源電圧vsとの間には、相差角δに相当する位相差が生じている。また、交流電流isは、瞬時電流指令値is*に追従するよう制御される結果、センサ取得電圧v^sと同位相となっている。従って、二次換算電源電圧vsと交流電流isとの間にも、相差角δに相当する位相差が生じている。このことは、制御目標が力率1であっても、変圧器1の一次側でみた力率は1となっていないことを意味している。
At this time, the time waveforms of the sensor acquisition voltage v ^ s, the secondary conversion power supply voltage vs, and the AC current is are as shown in FIG. In FIG. 10, the sensor acquisition voltage v ^ s and the alternating current is are shown by solid lines, and the secondary conversion power supply voltage vs. is shown by broken lines. As shown in FIG. 10, there is a phase difference corresponding to the phase difference angle δ between the sensor acquisition voltage v ^ s and the secondary conversion power supply voltage vs. Further, the alternating current is is controlled to follow the instantaneous current command value is *, and as a result, has the same phase as the sensor acquisition voltage v ^ s. Therefore, a phase difference corresponding to the phase difference angle δ is also generated between the secondary conversion power supply voltage vs. the alternating current is. This means that even if the control target has a power factor of 1, the power factor seen on the primary side of the
前述の通り、図5又は図7に示される基本構成では、センサ取得電圧v^sが二次換算電源電圧vsと異なる位相となり得る。その結果、変圧器1の一次側でみた交流電力の力率又は無効電力量が、制御部3で指示した通りにならないという課題が生じ得る。そこで、以下では、瞬時電流指令値is*を補正することで本課題を解決する実施の形態1の制御手法について説明する。
As described above, in the basic configuration shown in FIG. 5 or 7, the sensor acquisition voltage v ^ s may have a phase different from that of the secondary conversion power supply voltage vs. As a result, there may be a problem that the power factor of the AC power or the amount of ineffective power seen on the primary side of the
図11は、実施の形態1における制御手法の説明に供する第1のベクトル図である。まず、図11に示されるように、センサ取得電圧v^sと同位相の軸をp軸、p軸に対して90度進んだ位相にある軸をq軸と定義する。次に、瞬時電流指令値is*が二次換算電源電圧vsと同位相にあると仮定し、当該瞬時電流指令値is*を、p軸成分ipとq軸成分iq1'とに分解する。ここで、p軸成分ipの振幅は、図5又は図7に示される制御部3の構成において、電流指令値演算部32から出力される有効電流指令値Ipに相当する。また、q軸成分iq1'の振幅については、新たに第1の無効電流指令補正値Iq1'と定義する。図11のベクトル図を幾何的に解くと、有効電流指令値Ipと第1の無効電流指令補正値Iq1'との関係は次式で表される。
FIG. 11 is a first vector diagram provided for explaining the control method according to the first embodiment. First, as shown in FIG. 11, an axis having the same phase as the sensor acquisition voltage v ^ s is defined as the p-axis, and an axis having a phase advanced by 90 degrees with respect to the p-axis is defined as the q-axis. Next, assuming that the instantaneous current command value is * is in phase with the secondary conversion power supply voltage vs., the instantaneous current command value is * is decomposed into a p-axis component ip and a q-axis component iq1'. Here, the amplitude of the p-axis component ip corresponds to the effective current command value Ip output from the current command
ここで、k=xm/|vs|とおくと、上記(10)式は次式で表される。 Here, if k = xm / | vs |, the above equation (10) is expressed by the following equation.
このとき、センサ取得電圧v^s、二次換算電源電圧vs及び交流電流isの時間波形は図12のようになる。図12は、実施の形態1における制御手法を用いたときのセンサ取得電圧v^s、二次換算電源電圧vs及び交流電流isの時間波形を示す図である。 At this time, the time waveforms of the sensor acquisition voltage v ^ s, the secondary conversion power supply voltage vs, and the AC current is are as shown in FIG. FIG. 12 is a diagram showing time waveforms of the sensor acquisition voltage v ^ s, the secondary conversion power supply voltage vs, and the alternating current is when the control method according to the first embodiment is used.
図12によれば、センサ取得電圧v^sと二次換算電源電圧vsとの間には、相差角δに相当する位相差が生じている。しかしながら、図11に示されるように、瞬時電流指令値is*が二次換算電源電圧vsと同位相であるため、図12においては、交流電流isは二次換算電源電圧vsと同位相に制御されている。図10の波形と比較すると、二次換算電源電圧vsと交流電流isとの間にあった位相差が解消されている。従って、変圧器1の一次側で見た力率は1となっていることを意味している。
According to FIG. 12, there is a phase difference corresponding to the phase difference angle δ between the sensor acquisition voltage v ^ s and the secondary conversion power supply voltage vs. However, as shown in FIG. 11, since the instantaneous current command value is * is in phase with the secondary conversion power supply voltage vs., in FIG. 12, the alternating current is controlled to be in phase with the secondary conversion power supply voltage vs. Has been done. Compared with the waveform of FIG. 10, the phase difference between the secondary conversion power supply voltage vs. the alternating current is is eliminated. Therefore, it means that the power factor seen on the primary side of the
図13は、実施の形態1における制御手法の説明に供する第2のベクトル図である。図13は、力率1の回生運転である場合について、図11と同様のベクトル図を描いたものである。力率1の回生運転の場合、瞬時電流指令値is*が二次換算電源電圧vsと逆位相になり、第1の無効電流指令補正値Iq1'が有効電流指令値Ipに対して90度の遅れ位相となる。一方、有効電流指令値Ipと第1の無効電流指令補正値Iq1'との関係は、図11の場合と同じであり、上記(11)式の関係を満足する。 FIG. 13 is a second vector diagram provided for explaining the control method according to the first embodiment. FIG. 13 is a vector diagram similar to that of FIG. 11 in the case of regenerative operation having a power factor of 1. In the case of regenerative operation with a power factor of 1, the instantaneous current command value is * is in the opposite phase to the secondary conversion power supply voltage vs. the first reactive current command correction value Iq1'is 90 degrees with respect to the active current command value Ip. It becomes a lag phase. On the other hand, the relationship between the active current command value Ip and the first reactive current command correction value Iq1'is the same as in the case of FIG. 11, and satisfies the relationship of the above equation (11).
なお、上記(11)式を満足するIq1'の符号は、k>0のときIpの符号によらず正である。言い換えると、xm>0のときは、力行又は回生によらず、第1の無効電流指令補正値Iq1'の値は正である。逆に、xm<0のときは、力行又は回生によらず、第1の無効電流指令補正値Iq1'の値は負である。 The sign of Iq1'satisfying the above equation (11) is positive regardless of the sign of Ip when k> 0. In other words, when xm> 0, the value of the first reactive current command correction value Iq1'is positive regardless of power running or regeneration. On the contrary, when xm <0, the value of the first reactive current command correction value Iq1'is negative regardless of power running or regeneration.
ところで、(11)式は平方根の計算や除算を含むため、演算負荷が軽いとは言えない。そこで、(11)式の簡単化を試みる。ベース容量をSb、ベース電圧を|vs|、ベースインピーダンスをZb、単位法で表したxm及びIpを、それぞれ%x、%iとおくと、Ip=(Sb/|vs|)×%i、xm=Zb×%x=(|vs|2/Sb)×%xの関係が成り立つ。これらの関係を、上記(11)式の分母に代入すると、次式が得られる。By the way, since the equation (11) includes the calculation and division of the square root, it cannot be said that the calculation load is light. Therefore, we try to simplify equation (11). If the base capacitance is Sb, the base voltage is | vs |, the base impedance is Zb, and xm and Ip expressed in the unit method are% x and% i, respectively, Ip = (Sb / | vs |) x% i, The relationship of xm = Zb ×% x = (| vs | 2 / Sb) ×% x holds. By substituting these relationships into the denominator of the above equation (11), the following equation is obtained.
上記(6)式の右辺において、リアクタンス行列の対角項は、ベース容量に対して数%〜数十%である。更に、リアクタンス行列の非対角項は、対角項よりさらに小さいのが一般的である。従って、上記(12)式においては、(%x)2≪1とみなせるので、Iq1'≒kIp2と近似することができる。よって、次式の通り、近似後の第1の無効電流指令補正値Iq1'を、新たに第1の無効電流指令値Iq1と定義する。On the right side of the above equation (6), the diagonal term of the reactance matrix is several% to several tens of% with respect to the base capacitance. Further, the off-diagonal terms of the reactance matrix are generally smaller than the diagonal terms. Therefore, in the above equation (12), since it can be regarded as (% x) 2 << 1, it can be approximated as Iq1'≈kIp 2. Therefore, as shown in the following equation, the first reactive current command correction value Iq1'after approximation is newly defined as the first reactive current command value Iq1.
以上より、電圧指令値演算部34は、第1の無効電流指令値Iq1に基づき交流電圧指令値vc*を演算すればよいこととなる。これにより、極めて単純な演算で、変圧器1の一次側でみた交流電力の力率を1に制御するという目的が達成される。この機能を達成する電流指令値演算部の構成は、例えば図14のようになる。図14は、実施の形態1における電流指令値演算部の構成例を示すブロック図である。なお、図14において、図5又は図7と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。
From the above, the voltage command value calculation unit 34 may calculate the AC voltage command value vc * based on the first reactive current command value Iq1. As a result, the purpose of controlling the power factor of the AC power seen on the primary side of the
図14に示される電流指令値演算部32Aは、図5又は図7に示される電流指令値演算部32において、正接値演算部336及び乗算器323に代えて、第1の無効電流指令値演算部324を備える。図14において、減算器321及び電圧制御部322は、有効電流指令値演算部320を構成する。第1の無効電流指令値演算部324には、有効電流指令値演算部320によって演算される有効電流指令値Ipと、第1の係数である係数kとが入力される。ここで、係数kは、前述の通り、k=xm/|vs|で表される。また、比例係数xmは、変圧器1の結合インダクタンス74に由来する係数である。そして、二次換算電源電圧|vs|は、変圧器1の受電電圧によって決まる値である。従って、係数kは、変圧器1の結合インダクタンス74と、変圧器1の受電電圧とによって定めることができる。
In the current command
第1の無効電流指令値演算部324は、係数kを比例係数とし、有効電流指令値Ipの二乗に比例する第1の無効電流指令値Iq1を演算する。電流指令値演算部32Aによって演算された有効電流指令値Ip及び第1の無効電流指令値Iq1は、図5又は図7に示される電圧指令値演算部34又は35に入力される。以後、有効電流指令値Ip及び第1の無効電流指令値Iq1に基づいて交流電圧指令値vc*が演算され、また、交流電圧指令値vc*に基づいてスイッチング指令sw*が生成され、コンバータ2aの動作状態が制御される。
The first invalid current command
以上説明したように、実施の形態1によれば、制御部に具備される電流指令値演算部は、変圧器の結合インダクタンスと変圧器の受電電圧とによって決定される係数kを比例係数として、有効電流指令値の二乗に比例した第1の無効電流指令値を演算し、有効電流指令値と共に電圧指令値演算部に出力する。そして、電圧指令値演算部は、第2の電圧センサの取得値から演算された基準位相と、有効電流指令値と、第1の無効電流指令値とに基づいて交流電圧指令値を演算する。これにより、変圧器の三次巻線に第2の電圧センサを設置して架線電圧を取得する場合においても、変圧器の一次側における力率を指令値どおりに制御することができる。 As described above, according to the first embodiment, the current command value calculation unit provided in the control unit uses a coefficient k determined by the coupling inductance of the transformer and the received voltage of the transformer as a proportional coefficient. The first reactive current command value proportional to the square of the effective current command value is calculated and output to the voltage command value calculation unit together with the effective current command value. Then, the voltage command value calculation unit calculates the AC voltage command value based on the reference phase calculated from the acquired value of the second voltage sensor, the effective current command value, and the first reactive current command value. As a result, even when a second voltage sensor is installed on the tertiary winding of the transformer to acquire the overhead line voltage, the power factor on the primary side of the transformer can be controlled according to the command value.
次に、実施の形態1の制御部3における演算機能を実現するためのハードウェア構成について、図15及び図16の図面を参照して説明する。図15は、実施の形態1の制御部における演算機能を実現するハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図16は、実施の形態1の制御部における演算機能を実現するハードウェア構成の他の例を示すブロック図である。
Next, the hardware configuration for realizing the calculation function in the
実施の形態1の制御部3における演算機能の一部又は全部をソフトウェアで実現する場合には、図15に示されるように、演算を行うプロセッサ300、プロセッサ300によって読みとられるプログラムが保存されるメモリ302、及び信号の入出力を行うインタフェース304を含む構成とすることができる。
When a part or all of the arithmetic functions in the
プロセッサ300は、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、CPU(Central Processing Unit)、又はDSP(Digital Signal Processor)といった演算手段であってもよい。また、メモリ302には、RAM(Random Access Memory)、ROM(Read Only Memory)、フラッシュメモリ、EPROM(Erasable Programmable ROM)、EEPROM(登録商標)(Electrically EPROM)といった不揮発性又は揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、DVD(Digital Versatile Disc)を例示することができる。
The processor 300 may be a computing means such as an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, a CPU (Central Processing Unit), or a DSP (Digital Signal Processor). Further, the
メモリ302には、制御部3における演算機能の全部又は一部を実行するプログラムが格納されている。プロセッサ300は、インタフェース304を介して必要な情報を授受し、メモリ302に格納されたプログラムをプロセッサ300が実行することにより、コンバータ2aに対するPWM制御を行うことができる。
The
また、図15に示すプロセッサ300及びメモリ302は、図16のように処理回路303に置き換えてもよい。処理回路303は、単一回路、複合回路、ASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field−Programmable Gate Array)、又は、これらを組み合わせたものが該当する。
Further, the processor 300 and the
以上、実施の形態1の制御部3における演算機能を実現するためのハードウェア構成について説明した。ここで、上述したプロセッサ300及びメモリ302、又は処理回路303の演算能力に余裕がある場合、図14に示される電流指令値演算部32Aの構成を、図17のように変更してもよい。図17は、実施の形態1における電流指令値演算部の図14とは異なる構成例を示すブロック図である。なお、図17において、図14と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。
The hardware configuration for realizing the arithmetic function in the
図17に示される電流指令値演算部32Bは、図14の構成において、第1の補正演算部325を更に備える。第1の補正演算部325には、有効電流指令値演算部320によって演算される有効電流指令値Ipと、係数kと、第1の無効電流指令値演算部324によって演算される第1の無効電流指令値Iq1とが入力される。
The current command value calculation unit 32B shown in FIG. 17 further includes a first
ここで、上記(11)式は、新たに定義した上記(13)式で表される第1の無効電流指令値Iq1を用いると、次式のように表することができる。 Here, the above equation (11) can be expressed as the following equation by using the first reactive current command value Iq1 represented by the newly defined equation (13).
図17における第1の補正演算部325は、上記(14)式に示される演算を実行する演算部である。具体的に、第1の補正演算部325は、第1の無効電流指令値演算部324から出力される第1の無効電流指令値Iq1と、比例係数である係数kとに基づいて、第1の無効電流指令値Iq1の補正値である第1の無効電流指令補正値Iq1'を演算する。そして、電流指令値演算部32Bは、第1の無効電流指令補正値Iq1'を第1の無効電流指令値として電圧指令値演算部34に出力する。
The first
電流指令値演算部32Bによって演算された有効電流指令値Ip及び第1の無効電流指令補正値Iq1'は、図5又は図7に示される電圧指令値演算部34又は35に入力される。以後、有効電流指令値Ip及び第1の無効電流指令補正値Iq1'に基づいて交流電圧指令値vc*が演算され、また、交流電圧指令値vc*に基づいてスイッチング指令sw*が生成され、コンバータ2aの動作状態が制御される。
The effective current command value Ip and the first reactive current command correction value Iq1'calculated by the current command value calculation unit 32B are input to the voltage command
電流指令値演算部32Bによれば、電流指令値演算部32Aを用いた場合に比して、力率を指令値通りに制御する際の精度をより高めることができる。
According to the current command value calculation unit 32B, the accuracy when controlling the power factor according to the command value can be further improved as compared with the case where the current command
実施の形態2.
実施の形態1では、制御目標が力率1であるときに、電流指令値演算部が出力すべき無効電流の大きさを明らかにした。一方、軽負荷時のコンバータの動作を安定化する目的の場合、又は交流電源と協調し電源電圧を安定化する目的などの場合、力率を1以外の値に制御したり、無効電力をあえて発生させたりするケースがある。そういった場合にも、力率又は無効電力量を制御部で意図したとおりに制御するために、電流指令値演算部がどのように無効電流を演算すればよいかについて説明する。Embodiment 2.
In the first embodiment, when the control target has a power factor of 1, the magnitude of the reactive current to be output by the current command value calculation unit is clarified. On the other hand, for the purpose of stabilizing the operation of the converter under light load, or for the purpose of stabilizing the power supply voltage in cooperation with the AC power supply, the power factor is controlled to a value other than 1, or the ineffective power is intentionally added. There are cases where it occurs. Even in such a case, how the current command value calculation unit should calculate the reactive current in order to control the power factor or the reactive energy amount as intended by the control unit will be described.
図18は、実施の形態2における制御手法の説明に供する第1のベクトル図である。まず、図18に示されるように、センサ取得電圧v^sと同位相の軸をp軸、p軸に対して90度進んだ位相にある軸をq軸と定義する。次に、瞬時電流指令値is*が二次換算電源電圧vsに対して力率角指令値φだけ進んだ位相にあると仮定し、当該瞬時電流指令値is*をp軸成分ipとq軸成分iq3とに分解する。p軸成分ipの振幅は、制御部3の有効電流指令値Ipに相当する。また、q軸成分iq3の振幅をIq3とおく。また、二次換算電源電圧vsとセンサ取得電圧v^sとのなす角度である相差角をδとする。このとき、q軸成分iq3の振幅は、次式で表される。
FIG. 18 is a first vector diagram provided for explaining the control method according to the second embodiment. First, as shown in FIG. 18, an axis having the same phase as the sensor acquisition voltage v ^ s is defined as the p-axis, and an axis having a phase advanced by 90 degrees with respect to the p-axis is defined as the q-axis. Next, assuming that the instantaneous current command value is * is in a phase advanced by the power factor angle command value φ with respect to the secondary conversion power supply voltage vs., the instantaneous current command value is * is the p-axis component ip and the q-axis. It decomposes into the component iq3. The amplitude of the p-axis component ip corresponds to the effective current command value Ip of the
なお、上記(15)式では、実施の形態1と同様に、k=xm/|vs|とおいている。また、実施の形態1では、上記(11)式から(13)式を導出する際に、単位法で表した「xm」を「%x」と定義し、(%x)2≪1の近似を用いた。この近似は、δ≒0と近似するのと本質的に同じ意味をもつ。従って、瞬時電流指令値is*と有効電流指令値Ipとの関係は、次式で表される。In the above equation (15), k = xm / | vs | is set as in the first embodiment. Further, in the first embodiment, when deriving the equation (13) from the above equation (11), "xm" expressed by the unit method is defined as "% x", and (% x) 2 << 1 is approximated. Was used. This approximation has essentially the same meaning as approximating δ≈0. Therefore, the relationship between the instantaneous current command value is * and the effective current command value Ip is expressed by the following equation.
そして、上記(15)式に上記(16)式を代入すると、次式が得られる。 Then, by substituting the above equation (16) into the above equation (15), the following equation is obtained.
ここで、所望の無効電流を第2の無効電流指令値Iq2と定義する。また、交流電流isは瞬時電流指令値is*と一致するように制御される。このため、瞬時電流指令値is*のうち、二次換算電源電圧vsと直交する成分が、第2の無効電流指令値Iq2と一致すればよいことになる。 Here, the desired reactive current is defined as the second reactive current command value Iq2. Further, the alternating current is is controlled so as to match the instantaneous current command value is *. Therefore, the component of the instantaneous current command value is * that is orthogonal to the secondary conversion power supply voltage vs. is sufficient to match the second reactive current command value Iq2.
また、瞬時電流指令値is*のうち、二次換算電源電圧vsと同相の成分は実際の有効電流の大きさに相当するが、δ≒0と近似するとき、当該同相成分は、有効電流指令値Ipと等しいとみなせる。このとき、tanφ=Iq2/Ip、1/cos2φ=1+(Iq2/Ip)2とおける。従って、上記(17)式は、次式のように変形できる。Further, of the instantaneous current command value is *, the component having the same phase as the secondary conversion power supply voltage vs. corresponds to the magnitude of the actual effective current, but when δ ≈ 0, the component having the same phase is the effective current command. Can be considered equal to the value Ip. At this time, tan φ = Iq2 / Ip and 1 / cos 2 φ = 1 + (Iq2 / Ip) 2 . Therefore, the above equation (17) can be modified as the following equation.
上記(18)式の右辺第2項は、実施の形態1で説明した第1の無効電流指令値Iq1に等しい。更に、上記(18)式の右辺第3項を第2の無効電流指令補正値Iq2'と定義すると、上記(18)式は、次式で表すことができる。 The second term on the right side of the above equation (18) is equal to the first reactive current command value Iq1 described in the first embodiment. Further, if the third term on the right side of the above equation (18) is defined as the second reactive current command correction value Iq2', the above equation (18) can be expressed by the following equation.
従って、上記(19)式で演算される無効電流指令値Iq3に基づき、電圧指令演算部が交流電圧指令を演算すれば、相差角δが存在する条件下であっても、所望の無効電流を達成することができる。この機能を達成する電流指令値演算部の構成は、例えば図19のようになる。図19は、実施の形態2における電流指令値演算部の構成例を示すブロック図である。なお、図19において、図14と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 Therefore, if the voltage command calculation unit calculates the AC voltage command based on the reactive current command value Iq3 calculated by the above equation (19), the desired reactive current can be obtained even under the condition that the phase difference angle δ exists. Can be achieved. The configuration of the current command value calculation unit that achieves this function is as shown in FIG. 19, for example. FIG. 19 is a block diagram showing a configuration example of the current command value calculation unit according to the second embodiment. In FIG. 19, the same or equivalent components as those in FIG. 14 are indicated by the same reference numerals and symbols.
図19に示される電流指令値演算部32Cは、図14の構成において、第2の無効電流指令値演算部326と、第2の補正演算部327とを更に備える。図19において、第2の無効電流指令値演算部326は、軽負荷時のコンバータの動作を安定化し、或いは交流電源と協調し電源電圧を安定化するといった目的で第2の無効電流指令値Iq2を演算する。第2の補正演算部327は、第2の無効電流指令値Iq2と、比例係数である係数kとに基づいて、第2の無効電流指令値Iq2の二乗に比例する第2の無効電流指令補正値Iq2’を演算する。そして、第2の無効電流指令値Iq2と、第2の無効電流指令補正値Iq2’とは加算器328で加算される。更に加算器329で第1の無効電流指令値Iq1と加算され、加算後の出力が無効電流指令値Iq3として電圧指令値演算部34に出力される。
The current command
なお、図19では、第2の無効電流指令値Iq2と、第2の無効電流指令補正値Iq2’との加算値を、更に加算器329で第1の無効電流指令値Iq1と加算して電圧指令値演算部34に出力している。この構成に代え、それぞれの出力を個別に電圧指令値演算部34に出力してもよい。この場合、第2の無効電流指令値Iq2と、第2の無効電流指令補正値Iq2’との加算値と、第1の無効電流指令値Iq1とが電圧指令値演算部34の内部で加算されて無効電流指令値となることは言うまでもない。
In FIG. 19, the sum of the second reactive current command value Iq2 and the second reactive current command correction value Iq2'is further added to the first reactive current command value Iq1 by the
図20は、実施の形態2における電流指令値演算部の図19とは異なる構成例を示すブロック図である。図20において、図17と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。図20に示される電流指令値演算部32Dは、実施の形態1と同様に、制御部3の演算能力に余裕がある場合の構成例である。図20の構成は、上記(19)式における第1の無効電流指令値Iq1の代わりに、上記(14)式で示される第1の無効電流指令補正値Iq1'を用いる構成である。図20の構成とすることにより、無効電流を所望の値に制御する際の精度をより高めることができる。
FIG. 20 is a block diagram showing a configuration example different from that of FIG. 19 of the current command value calculation unit according to the second embodiment. In FIG. 20, the same or equivalent components as those in FIG. 17 are indicated by the same reference numerals and symbols. The current command
なお、力率、有効電流及び無効電流の3変数の自由度は2であり、何れかの2変数を決めると、残りの1変数は自動的に決まる。有効電流は、直流電圧を一定に制御するための操作量であるから、残りの自由度は、無効電流か力率かの何れか一方である。従って、第2の無効電流指令値演算部が、図示しない力率又は力率角の指令値と、有効電流指令値Ipとに基づいて、第2の無効電流指令値Iq2を演算する構成であってもよい。 The degree of freedom of the three variables of power factor, active current, and reactive current is 2, and when any two variables are determined, the remaining one variable is automatically determined. Since the active current is an operation amount for controlling the DC voltage to be constant, the remaining degrees of freedom are either reactive current or power factor. Therefore, the second invalid current command value calculation unit calculates the second invalid current command value Iq2 based on the command value of the power factor or power factor angle (not shown) and the effective current command value Ip. You may.
以上説明したように、実施の形態2によれば、制御部に具備される電流指令値演算部は、第2の無効電流指令値を演算すると共に、前述した係数kを比例係数として、第2の無効電流指令値の二乗に比例した第2の無効電流指令補正値を演算する。また、電流指令値演算部は、実施の形態1で説明した第1の無効電流指令値と共に、第2の無効電流指令値と、第2の無効電流指令補正値とを電圧指令値演算部に出力する。そして、電圧指令値演算部は、第2の電圧センサの取得値から演算された基準位相と、有効電流指令値と、第1の無効電流指令値と、第2の無効電流指令値と、第2の無効電流指令補正値とに基づいて交流電圧指令値を演算する。これにより、実施の形態1の効果を具備すると共に、相差角が存在する条件下であっても、所望の無効電流を達成することができ、また、力率又は無効電力量を制御部で意図したとおりに制御することができる。 As described above, according to the second embodiment, the current command value calculation unit provided in the control unit calculates the second invalid current command value and uses the above-mentioned coefficient k as a proportional coefficient to obtain the second invalid current command value. The second invalid current command correction value proportional to the square of the invalid current command value of is calculated. Further, the current command value calculation unit inputs the second reactive current command value and the second reactive current command correction value to the voltage command value calculation unit together with the first reactive current command value described in the first embodiment. Output. Then, the voltage command value calculation unit has the reference phase calculated from the acquired value of the second voltage sensor, the active current command value, the first reactive current command value, the second reactive current command value, and the second. The AC voltage command value is calculated based on the reactive current command correction value of 2. As a result, the effect of the first embodiment can be obtained, a desired reactive current can be achieved even under the condition where a phase difference angle exists, and the power factor or the amount of reactive power is intended by the control unit. It can be controlled as it is.
実施の形態3.
実施の形態3では、電力変換装置の個数が複数台の場合について説明する。なお、前述したように、電力変換装置と変圧器の二次巻線とは1対1の接続関係にあるので、例えば電力変換装置の個数が2台の場合には、変圧器の二次巻線も2つ備えられている。
In the third embodiment, a case where the number of power conversion devices is a plurality of units will be described. As described above, since the power converter and the secondary winding of the transformer have a one-to-one connection relationship, for example, when the number of power converters is two, the secondary winding of the transformer There are also two lines.
図21は、実施の形態3における電力変換システムの要部の構成例を示すブロック図である。図21では、電力変換装置の個数が複数台の一例として、2台の電力変換装置10a,10bが、開閉器12を介して変圧器1Aの二次巻線1bに接続される構成が示されている。なお、開閉器12の役割については後述する。
FIG. 21 is a block diagram showing a configuration example of a main part of the power conversion system according to the third embodiment. FIG. 21 shows a configuration in which two
電気車では、図1に示されるように、コンバータ2aの直流側には、インバータ120aを含む負荷120が接続されている。インバータ120aは、電気車に駆動力を付与するためにモータ120bを駆動する。そして、電気車全体として必要な駆動力を複数のインバータ120aで分担するとき、或いはインバータ120aの一台あたりの電力容量が大きいときなどには、図21のように複数台の電力変換装置10a,10bが変圧器1Aの二次巻線1bに接続される構成となる。機器の電力容量が同一であれば同じ装置が流用できるので、多くの場合、各電力変換装置の定格電力は等しい。また、図21のように複数台の電力変換装置10a,10bに対して、1つの変圧器1Aを経由して電力を供給する構成とすると、電力変換装置と変圧器とを1対1で搭載するよりも、変圧器全体のボリュームを小さくすることができる。
In an electric vehicle, as shown in FIG. 1, a
図22は、図21に示される変圧器を理想変圧器と結合インダクタンスとを用いて表した等価回路を示す図である。図22では、図21に示される変圧器1Aを、理想変圧器72と、結合インダクタンス76とで表している。
FIG. 22 is a diagram showing an equivalent circuit in which the transformer shown in FIG. 21 is represented by using an ideal transformer and a coupling inductance. In FIG. 22, the
図22において、「v1」は一次電圧、「v2a」は1群二次電圧、「v2b」は2群二次電圧、「v3」は三次電圧、「i1」は一次電流、「i2a」は1群二次電流、「i2b」は2群二次電流、「i3」は三次電流を表している。なお、その他の記号の意味は、図8のものと同じである。 In FIG. 22, “v1” is the primary voltage, “v2a” is the first group secondary voltage, “v2b” is the second group secondary voltage, “v3” is the tertiary voltage, “i1” is the primary current, and “i2a” is 1. The group secondary current, "i2b" represents the second group secondary current, and "i3" represents the tertiary current. The meanings of the other symbols are the same as those in FIG.
ここで、図22の等価回路においては、次式及び次々式の回路方程式が成立する。 Here, in the equivalent circuit of FIG. 22, the circuit equations of the following equation and the following equation are established.
図8の等価回路による回路方程式と比較すると、二次巻線の数が増えている分、リアクタンス行列の次数は1増えて3となっている。上記(21)式の第3行を展開すると、次式が得られる。 Compared with the circuit equation by the equivalent circuit of FIG. 8, the order of the reactance matrix is increased by 1 to 3 as the number of secondary windings is increased. By expanding the third line of the above equation (21), the following equation is obtained.
前述の通り、図5又は図7に示される基本構成では、基準位相θを基準として有効電流及び無効電流がそれぞれ制御される。ところが、上記(22)式の右辺第2項に示される通り、電圧センサ6が取得する三次電圧v3は、一次電圧v1に対して異なる位相となり得る。その結果、変圧器1Aの一次側でみた交流電力の力率又は無効電力量が、制御部3で指示した通りにならないという課題が生じ得る。そこで、以下では、瞬時電流指令値is*を補正することで本課題を解決する実施の形態3の手法について説明する。
As described above, in the basic configuration shown in FIG. 5 or 7, the active current and the reactive current are controlled with reference to the reference phase θ, respectively. However, as shown in the second term on the right side of the above equation (22), the tertiary voltage v3 acquired by the
まず、上記(22)式を、次式のように変形する。 First, the above equation (22) is modified as the following equation.
ここで、図21の構成において、三次巻線1cの負荷は電圧センサ6のみであるから、三次電流i3=0とする。なお、電気車の場合、三次巻線1cに補助電源装置などの別の負荷が接続される場合もあるが、二次巻線のコンバータに比べると電力容量が小さいことが殆どである。このため、三次電流i3を無視して、三次電流i3=0とすることは、無理のない妥当な仮定である。
Here, in the configuration of FIG. 21, since the load of the tertiary winding 1c is only the
また、上記(23)式の左辺は、一次電圧v1を二次換算した値であり、二次換算電源電圧vsに等しい。更に、右辺第1項は、電圧センサ6の取得値を二次換算した値であり、センサ取得電圧v^sに等しい。そして、前述の通り各コンバータは同じ定格電力であることが一般的であるため、変圧器1Aにおける1群二次電流i2aと2群二次電流i2bとは等しいと仮定する。また、変圧器1Aの各二次電流は、各コンバータの交流電流isに等しく、交流電流isは瞬時電流指令値is*に制御されるので、i2a=i2b=is*とおく。更に、右辺第2項の比例係数をxm’=(n2/n3)(x3a+x3b)とすると、次式が得られる。
Further, the left side of the above equation (23) is a value obtained by secondary conversion of the primary voltage v1 and is equal to the secondary conversion power supply voltage vs. Further, the first term on the right side is a value obtained by quadratic conversion of the acquired value of the
上記(24)式と、上記(9)式とを比較すると、上記(24)式は右辺第2項の比例係数が「xm」から「xm’」に変わっただけである。従って、k=xm’/|vs|とおくと、電流指令値演算部が出力すべき無効電流指令値Iqは、下記の何れかとなる。 Comparing the above equation (24) with the above equation (9), in the above equation (24), the proportional coefficient of the second term on the right side is only changed from "xm" to "xm'". Therefore, if k = xm'/ | vs |, the reactive current command value Iq to be output by the current command value calculation unit is any of the following.
次に、図21に示される開閉器12の役割について説明する。図21に示されように構成された電気車の電力変換システムは、特定の条件下では、開閉器12を開放して、1つ以上の電力変換装置10を停止する場合がある。ここで、特定の条件とは、例えば電力変換装置の動作に不具合が生じたときが挙げられる。また、電力効率の点で有利となるので、必要とされる推進力が小さいときに、小数の電力変換装置だけを動作させる場合もある。
Next, the role of the
例として、図21及び図22の構成において、第2群の電力変換装置10bが停止し、開閉器12によって切り離された場合を考える。このとき、i2b=0であるから、上記(23)式は、次式で表される。
As an example, consider the case where the
また、実施の形態1のときと同様に、i3=0,i2a=is*,xm”=(n2/n3)x3a、k”=xm”/|vs|とおく。このとき、電流指令値演算部が出力すべき無効電流指令値Iqは、下記の何れかとなる。 Further, as in the case of the first embodiment, i3 = 0, i2a = is *, xm "= (n2 / n3) x3a, k" = xm "/ | vs |. At this time, the current command value calculation is performed. The reactive current command value Iq to be output by the unit is one of the following.
上記(28)式、及び(29)式は、上記(13)式、及び(14)式と比較して、係数kがk”に変化しただけである。即ち、電力変換装置の稼動又は停止の状態が変化したとき、電流指令値演算部は、実施の形態1と同様に(13)式、又は(14)式に従って無効電流を演算し、係数kだけを変更すればよいことが分かる。 In the above equations (28) and (29), the coefficient k is only changed to "k" as compared with the above equations (13) and (14), that is, the operation or stop of the power conversion device. When the state of is changed, the current command value calculation unit calculates the invalid current according to the equation (13) or the equation (14) as in the first embodiment, and it can be seen that only the coefficient k needs to be changed.
一例として、リアクタンス行列が上記(21)式のように定義されるとき、第1群の電力変換装置10a、及び第2群の電力変換装置10bの稼動又は停止の状態に応じた係数kは、次表のように表すことができる。
As an example, when the reactance matrix is defined as in the above equation (21), the coefficient k according to the operating or stopped state of the
また、上記のような機能を達成する電流指令値演算部の構成は、例えば図23のようになる。図23は、実施の形態3における電流指令値演算部の構成例を示すブロック図である。なお、図23において、図14と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 Further, the configuration of the current command value calculation unit that achieves the above functions is as shown in FIG. 23, for example. FIG. 23 is a block diagram showing a configuration example of the current command value calculation unit according to the third embodiment. In FIG. 23, the same or equivalent components as those in FIG. 14 are indicated by the same reference numerals and symbols.
図23に示される電流指令値演算部32Eは、図14の構成において、係数演算部330を更に備える。また、係数演算部330は、第1定数選択器3301と、除算器3302とを備える。
The current command
図23において、第1定数選択器3301には電力変換装置の稼動状態情報が入力される。そして、第1定数選択器3301では、電力変換装置の稼動状態に応じて、予め保持しておいたリストの中から、第1定数xmが選択される。そして、除算器3302では、第1定数xmが二次換算電源電圧vsの振幅の定格値で除算される。除算器3302の出力は、係数kとして第1の無効電流指令値演算部324に出力される。除算器3302を省略する代わりに、第1定数xmを予め二次換算電源電圧vsの振幅の定格値で除算したものを、リストに保持する構成としてもよい。以後の動作は、前述したとおりである。
In FIG. 23, the operating state information of the power conversion device is input to the first
なお、係数演算部330は、第1の無効電流指令値演算部324の構成要素であってもよい。また、係数演算部330は、図示しない上位の制御系に含まれる構成でもよく、電力変換装置の稼動状態に応じて決定された係数kが、電流指令値演算部へと入力される構成としてもよい。
The
また、上記では、電力変換装置の稼動又は停止の状態に応じて、第1の無効電流指令値演算部324で用いる係数kを切り替える手法を、実施の形態1に適用した例で説明したが、同様の手法が実施の形態2にも適用できることは言うまでもない。
Further, in the above description, the method of switching the coefficient k used in the first reactive current command
以上説明したように、実施の形態3によれば、制御部は、複数の電力変換装置の稼動又は停止の状態に応じて第1の係数を変更する。これにより、第2の電圧センサが取得する三次電圧が一次電圧に対して異なる位相となった場合でも、変圧器の一次側でみた交流電力の力率又は無効電力量を制御部で指示した通りに制御することができる。 As described above, according to the third embodiment, the control unit changes the first coefficient according to the operating or stopped state of the plurality of power conversion devices. As a result, even if the tertiary voltage acquired by the second voltage sensor has a different phase with respect to the primary voltage, the power factor of the AC power or the amount of reactive power seen on the primary side of the transformer is as instructed by the control unit. Can be controlled to.
実施の形態4.
実施の形態1から3の電流指令値演算部において、係数kはリアクタンス行列の非対角項と、二次換算電源電圧vsの振幅とに基づいて決定していた。これらの要素のうち、リアクタンス行列の非対角項に由来する部分については、電力変換装置の稼動状態に応じて可変とするのが望ましいことは、実施の形態3で説明した。一方、二次換算電源電圧vsの振幅についても、負荷の状態又は時刻によって変動することが考えられる。図11、図13及び図18のベクトル図において、リアクタンスxmにおける電圧降下は、二次換算電源電圧vsと、センサ取得電圧v^sに比べて小さい。このため、センサ取得電圧v^sの振幅を、二次換算電源電圧vsの振幅として扱って差し支えない。従って、センサ取得電圧v^sの振幅を演算し、その値に応じて電流指令値演算部で用いる係数kを調整することで、より正確に、変圧器1Aの一次側でみた力率を制御部3で指示したとおりに制御することができる。
In the current command value calculation unit of the first to third embodiments, the coefficient k is determined based on the off-diagonal term of the reactance matrix and the amplitude of the quadratic conversion power supply voltage vs. It has been described in the third embodiment that it is desirable that the portion of these elements derived from the off-diagonal terms of the reactance matrix is variable according to the operating state of the power conversion device. On the other hand, the amplitude of the secondary conversion power supply voltage vs. also may fluctuate depending on the load state or time. In the vector diagrams of FIGS. 11, 13 and 18, the voltage drop at the reactance xm is smaller than the secondary conversion power supply voltage vs. the sensor acquisition voltage v ^ s. Therefore, the amplitude of the sensor acquisition voltage v ^ s may be treated as the amplitude of the secondary conversion power supply voltage vs. Therefore, by calculating the amplitude of the sensor acquisition voltage v ^ s and adjusting the coefficient k used in the current command value calculation unit according to the value, the power factor seen on the primary side of the
上記のような機能を達成する電流指令値演算部の構成は、例えば図24のようになる。図24は、実施の形態4における電流指令値演算部の構成例を示すブロック図である。なお、図24において、図23と同一又は同等の構成部には、同一の符号及び記号で示している。 The configuration of the current command value calculation unit that achieves the above functions is as shown in FIG. 24, for example. FIG. 24 is a block diagram showing a configuration example of the current command value calculation unit according to the fourth embodiment. In FIG. 24, the same or equivalent components as those in FIG. 23 are indicated by the same reference numerals and symbols.
図24に示される電流指令値演算部32Fは、図23の構成において、係数演算部330A内に振幅演算部3303を更に備える。振幅演算部3303は、センサ取得電圧v^sの振幅を演算する。交流信号から振幅を演算する手法については、公知の手法を用いるものとし、ここでの説明は省略する。そして、第1定数xmを、振幅演算部3303の出力で除したものを係数kとし、第1の無効電流指令値演算部324に出力する。即ち、実施の形態4では、振幅演算部3303の出力に逆比例するように係数kの値が変更されることになる。
The current command
なお、図23と同様に、係数演算部330Aは、第1の無効電流指令値演算部324の構成要素であってもよいし、図示しない上位の制御系に含まれるものであってもよい。また、上記では、センサ取得電圧v^sの振幅に応じて電流指令値演算部で用いる係数kの値を変更する手法を、実施の形態3に適用した例で説明したが、同様の手法が実施の形態1及び実施の形態2にも適用できることは言うまでもない。
As in FIG. 23, the coefficient calculation unit 330A may be a component of the first reactive current command
以上説明したように、実施の形態4によれば、第1の電圧センサの出力の振幅に比例する信号を演算し、その演算出力に逆比例するように第1の係数の値を変更する。これにより、実施の形態3の効果を具備すると共に、二次換算電源電圧の振幅が負荷の状態又は時刻によって変動する場合であっても、より正確に、変圧器の一次側でみた力率を制御部で指示したとおりに制御することができる。 As described above, according to the fourth embodiment, a signal proportional to the amplitude of the output of the first voltage sensor is calculated, and the value of the first coefficient is changed so as to be inversely proportional to the calculated output. As a result, the power factor seen on the primary side of the transformer can be more accurately obtained while having the effect of the third embodiment and even when the amplitude of the secondary conversion power supply voltage fluctuates depending on the load state or time. It can be controlled as instructed by the control unit.
なお、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。 The configuration shown in the above-described embodiment shows an example of the content of the present invention, can be combined with another known technique, and is configured without departing from the gist of the present invention. It is also possible to omit or change a part of.
1,1A 変圧器、1a 一次巻線、1b 二次巻線、1c 三次巻線、2a コンバータ、2b コンデンサ、3 制御部、4 電流センサ、5,6 電圧センサ、10,10a,10b 電力変換装置、12 開閉器、30 位相演算部、32,32A,32B,32C,32D,32E,32F 電流指令値演算部、34,35 電圧指令値演算部、36 スイッチング指令生成部、50 電力変換システム、60 推進制御装置、70,72 理想変圧器、74,76 結合インダクタンス、100 電気車駆動システム、106 電源設備、108 電力線、110 き電システム、120 負荷、120a インバータ、120b モータ、300 プロセッサ、302 メモリ、303 処理回路、304 インタフェース、320 有効電流指令値演算部、321,346,352,353 減算器、322 電圧制御部、323,343,344 乗算器、324 第1の無効電流指令値演算部、325 第1の補正演算部、326 第2の無効電流指令値演算部、327 第2の補正演算部、328,329,345 加算器、330,330A 係数演算部、336 正接値演算部、341 正弦値演算部、342 余弦値演算部、347,354,355 電流制御部、351 回転座標変換部、356 静止座標変換部、3301 第1定数選択器、3302 除算器、3303 振幅演算部。 1,1A transformer, 1a primary winding, 1b secondary winding, 1c tertiary winding, 2a converter, 2b capacitor, 3 control unit, 4 current sensor, 5,6 voltage sensor, 10,10a, 10b power converter , 12 switch, 30 phase calculation unit, 32, 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, 32F current command value calculation unit, 34, 35 voltage command value calculation unit, 36 switching command generation unit, 50 power conversion system, 60 Propulsion controller, 70,72 ideal transformer, 74,76 coupling inductance, 100 electric vehicle drive system, 106 power supply equipment, 108 power lines, 110 voltage system, 120 load, 120a inverter, 120b motor, 300 processor, 302 memory, 303 processing circuit, 304 interface, 320 effective current command value calculation unit, 321, 346,352,353 subtractor, 322 voltage control unit, 323,343,344 adder, 324 first invalid current command value calculation unit, 325 1st correction calculation unit, 326 2nd invalid current command value calculation unit, 327 2nd correction calculation unit, 328, 329, 345 adder, 330, 330A coefficient calculation unit, 336 positive contact value calculation unit, 341 sinusoidal value Calculation unit, 342 Cosine value calculation unit, 347,354,355 Current control unit, 351 Rotational coordinate conversion unit, 356 Static coordinate conversion unit, 3301 First constant selector, 3302 Divider, 3303 Fluctuation calculation unit.
Claims (6)
前記制御部は、
前記第2の電圧センサの取得値から基準位相を演算する位相演算部と、
直流電圧指令値と、前記第1の電圧センサによって取得された前記直流電圧との偏差に基づいて、有効電流指令値を演算する有効電流指令値演算部と、
前記変圧器の結合インダクタンスと前記変圧器の受電電圧とによって決定される第1の係数を比例係数とし、前記比例係数を用いて前記有効電流指令値の二乗に比例した第1の無効電流指令値を演算する第1の無効電流指令値演算部と、
前記基準位相と、前記有効電流指令値と、前記第1の無効電流指令値とに基づいて、交流電圧指令値を演算する電圧指令値演算部と、
を備えたことを特徴とする電力変換システム。At least one power conversion including a converter that converts AC power into DC power, a first voltage sensor that acquires a DC voltage generated on the DC side of the converter, and a control unit that controls the operating state of the converter. A primary winding connected to the device and an AC power supply, at least one secondary winding each connected to each of the power converters on a one-to-one basis, and a tertiary winding to which a second voltage sensor is connected. A power conversion system with a transformer, with a wire,
The control unit
A phase calculation unit that calculates a reference phase from the acquired value of the second voltage sensor, and
An effective current command value calculation unit that calculates an effective current command value based on the deviation between the DC voltage command value and the DC voltage acquired by the first voltage sensor.
The first coefficient determined by the coupling inductance of the transformer and the received voltage of the transformer is used as a proportional coefficient, and the first invalid current command value proportional to the square of the active current command value is used using the proportional coefficient. The first invalid current command value calculation unit that calculates
A voltage command value calculation unit that calculates an AC voltage command value based on the reference phase, the active current command value, and the first reactive current command value.
A power conversion system characterized by being equipped with.
前記有効電流指令値Ipと、前記第1の無効電流指令値Iq1と、前記第1の係数kとに基づき、以下の(1)式を用いて第1の無効電流指令補正値Iq1'を演算する第1の補正演算部を備え、
前記第1の無効電流指令補正値を前記第1の無効電流指令値として前記電圧指令値演算部に出力する
ことを特徴とする請求項1に記載の電力変換システム。
Based on the active current command value Ip, the first reactive current command value Iq1, and the first coefficient k, the first reactive current command correction value Iq1'is calculated using the following equation (1). Equipped with a first correction calculation unit
The power conversion system according to claim 1, wherein the first reactive current command correction value is output to the voltage command value calculation unit as the first reactive current command value.
第2の無効電流指令値を演算する第2の無効電流指令演算部と、
前記第1の係数を比例係数とし、前記比例係数を用いて前記第2の無効電流指令値の二乗に比例した第2の無効電流指令補正値を演算する第2の補正値演算部と、
を備え、
前記第2の無効電流指令値と、前記第2の無効電流指令補正値とを、前記第1の無効電流指令値に加算して前記電圧指令値演算部に出力する
ことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換システム。The control unit
A second reactive current command calculation unit that calculates a second reactive current command value, and
A second correction value calculation unit that uses the first coefficient as a proportional coefficient and calculates a second invalid current command correction value proportional to the square of the second invalid current command value using the proportional coefficient.
With
The claim is characterized in that the second reactive current command value and the second reactive current command correction value are added to the first reactive current command value and output to the voltage command value calculation unit. The power conversion system according to 1 or 2.
前記制御部は、複数の前記電力変換装置の稼動又は停止の状態に応じて、前記第1の係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の電力変換システム。The number of the power converter and the secondary winding is plural, and there are a plurality of them.
The power according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit changes the value of the first coefficient according to the operating or stopped state of the plurality of power conversion devices. Conversion system.
前記第2の電圧センサの出力の振幅に比例する信号を演算する振幅演算部を備え、
前記振幅演算部の出力に逆比例するように前記第1の係数の値を変更する
ことを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の電力変換システム。The control unit
It is provided with an amplitude calculation unit that calculates a signal proportional to the amplitude of the output of the second voltage sensor.
The power conversion system according to any one of claims 1 to 5, wherein the value of the first coefficient is changed so as to be inversely proportional to the output of the amplitude calculation unit.
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