JP-2026076577-A - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法

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Abstract

【課題】出力対象の伝達特性に起因する追従制御の誤差を抑制することが可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供する。【解決手段】この電力変換装置１００は、入力された電力を変換して出力する電力変換部１０と、電力変換部１０による電力の変換の制御を行う制御部１１とを備える。制御部１１は、指令値生成部２０と、位相補正部４０と、追従信号出力部５０とを含む。位相補正部４０は、出力電流Ｉａと、交流系統２５０のモデルに基づいて生成された伝達関数とのうちの少なくとも一方に基づいて算出した位相補正量δに基づいて指令値Ｉ＊の位相を補正する。【選択図】図１

Inventors

丹下吉雄
小藤健太郎

Assignees

富士電機株式会社

Dates

Publication Date: 20260512
Application Date: 20241024

Claims (10)

入力された電力を変換して出力対象に出力する電力変換部と、前記電力変換部による電力の変換の制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、外部に出力される出力電流の指令値を生成する指令値生成部と、前記指令値生成部により生成された前記指令値の位相を補正する位相補正部と、前記位相補正部により位相を補正された前記指令値である補正指令値に追従するように、前記出力電流を制御するための信号を出力する追従信号出力部と、を含み、前記位相補正部は、前記出力電流と、前記出力対象のモデルに基づいて生成された伝達関数とのうちの少なくとも一方に基づいて算出した位相補正量に基づいて前記指令値の位相を補正する、電力変換装置。
前記出力対象は、電力系統を含み、前記指令値生成部は、前記電力系統における電圧と、前記出力電流とに基づいて前記指令値を生成する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記位相補正部は、前記出力電流の前記指令値に対する遅れに基づいて前記位相補正量を算出する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記位相補正部は、所定の周期ごとに前記位相補正量を更新するように構成されている、請求項３に記載の電力変換装置。
前記位相補正部は、前記出力電流と前記指令値とに基づいて前記位相補正量の正弦および余弦を算出することによって前記指令値の位相を補正する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記伝達関数は、一巡伝達関数を含み、前記位相補正部は、前記一巡伝達関数における動作周波数に対応する位相の初期位相に対するずれ量に基づいて前記位相補正量を算出する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記位相補正部は、前記位相補正量の分だけ前記指令値の位相を進めるように補正する、請求項１に記載の電力変換装置。
前記追従信号出力部は、前記補正指令値と前記出力電流とのｄ軸およびｑ軸上における偏差を抑制するための制御を行うＤＣ型ＡＣＲを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
前記追従信号出力部は、前記補正指令値と前記出力電流とのＵＶＷ軸上における偏差を抑制するための制御を行うＡＣ型ＡＣＲを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
入力された電力を変換して出力対象に出力する電力変換装置の制御方法であって、外部に出力される出力電流の指令値を生成する指令値生成ステップと、前記指令値の位相を前記出力電流と、前記出力対象のモデルに基づいて生成された伝達関数とのうちの少なくとも一方に基づいて算出した位相補正量に基づいて補正する位相補正ステップと、位相補正ステップにおいて位相を補正された前記指令値である補正指令値に追従するように、前記出力電流を制御するための信号を出力する追従信号出力ステップと、を備える、電力変換装置の制御方法。

Description

この発明は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関し、特に、指令値の位相を補正する電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。従来、指令値の位相を補正する電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。上記特許文献１には、電力系統に接続され、電力系統の無効電力および高調波電力などを補償する制御を行う電力変換装置が開示されている。この電力変換装置は、電力系統の電圧の検出位相を、検出器の検出時間の遅れと、制御部内の制御演算時間の遅れとに基づいて事前に設定された位相補正量により補正している。上記特許文献１では、補正された位相を電力変換装置の出力電流指令値を生成する際の基準位相として用いることにより、検出器の検出時間の遅れ、および、制御部内の制御演算時間の遅れによる追従制御の誤差を抑制している。特開２００８－２３４２９８号公報本発明の第１実施形態による電力変換装置の構成を示したブロック図である。本発明の第１実施形態による出力電流の指令値に対する遅れを説明するための図である。本発明の第１実施形態による追従信号出力部の内部構成を説明するためのブロック図である。本発明の第１実施形態による電力変換装置の制御方法の制御処理を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態による電力変換装置の構成を示したブロック図である。本発明の第２実施形態による出力電流と指令値とに基づいて位相補正量の正弦および余弦を算出する方法を説明するための図である。本発明の第３実施形態による電力変換装置の構成を示したブロック図である。本発明の第３実施形態による一巡伝達関数に基づいて位相補正量を算出する方法を説明するためのボード線図（（ａ）：ゲイン特性、（ｂ）：位相特性）である。本発明の第４実施形態による電力変換装置の構成を示したブロック図である。本発明の第４実施形態による追従信号出力部の内部構成を説明するためのブロック図である。以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。 [第１実施形態] 図１～図３を参照して、第１実施形態による電力変換装置１００の構成について説明する。（電力変換装置の構成）図１に示すように、電力変換装置１００は、直流電源２００から入力される直流電力を交流電力に変換してリアクトル２１０、リアクトル２２０、コンデンサ２３０および抵抗２４０などを介して交流系統２５０に電力を供給（送電）するように構成されている。直流電源２００は、たとえば、蓄電池および太陽電池などである。なお、交流系統２５０は、特許請求の範囲の「出力対象」および「電力系統」の一例である。図１に示すように、電力変換装置１００は、電力変換部１０と、制御部１１とを備える。電力変換部１０は、入力された直流電力を交流電力に変換して出力対象である交流系統２５０に出力するように構成されている。電力変換部１０は、ゲート回路１０ａを含む。ゲート回路１０ａは、たとえば、スイッチング素子（不図示）を含む。そして、電力変換部１０は、ゲート回路１０ａに含まれるスイッチング素子のスイッチング動作が制御部１１により制御されることによって、電力変換部１０から出力される交流電力を制御するように構成されている。具体的には、スイッチング素子のゲート端子（不図示）に入力されるゲート信号Ｆが制御部１１に制御されることによって、電力変換部１０から出力される交流電力が制御される。電力変換部１０から出力される交流電力を制御することによって、交流系統２５０における電流、電圧および力率などを制御することが可能となる。制御部１１は、電力変換部１０による電力の変換の制御を行うように構成されている。制御部１１は、機能的な構成として、指令値生成部２０と、位相検出部３０と、位相補正部４０と、追従信号出力部５０とを含む。制御部１１において、指令値生成部２０、位相検出部３０、位相補正部４０および追従信号出力部５０は、ソフトウェアの構成によって各々の機能が実現されるように構成されていてもよいし、演算処理を行うハードウェアによる回路構成によって各々の機能が実現されるように構成されていてもよい。また、制御部１１は、ソフトウェアとハードウェアとの組み合わせによって各々の機能が実現されるように構成されていてもよい。指令値生成部２０は、交流系統２５０における系統電圧Ｖａと、電力変換装置１００から出力される出力電流Ｉａとに基づいて外部に出力される出力電流の指令値Ｉ＊を生成するように構成されている。具体的には、指令値生成部２０は、系統電圧Ｖａと出力電流Ｉａとに基づいて算出される交流系統２５０における有効電力および無効電力の各々を、所望の値に制御するための指令値として指令値Ｉ＊を生成するように構成されている。なお、電力変換装置１００から出力される出力電流Ｉａは、電流センサからなる検出器２６０により検出されて、制御部１１（電力変換装置１００）に出力されている。系統電圧Ｖａは、電圧センサからなる検出器２７０により検出されて、制御部１１（電力変換装置１００）に出力されている。指令値Ｉ＊は、ｄ軸成分であるＩｄ＊、および、ｑ軸成分であるＩｑ＊を含む。指令値Ｉ＊は、電力変換部１０から出力される出力電流の指令値である。なお、系統電圧Ｖａは、特許請求の範囲の「電力系統における電圧」の一例である。位相検出部３０は、電圧から位相を検出するように構成されている。具体的には、位相検出部３０は、系統電圧Ｖａから座標変換時の基準となる基準位相θ１を検出している。そして、位相検出部３０は、検出した基準位相θ１を後述する位相補正部４０に出力している。位相検出部３０は、たとえば、ＰＬＬ（ＰｈａｓｅＬｏｃｋｅｄＬｏｏｐ）などの位相検出器である。位相補正部４０は、指令値生成部２０により生成された指令値Ｉ＊の位相を補正して、補正指令値Ｉ＊＊として出力するように構成されている。なお、指令値Ｉ＊＊は、ＵＶＷ軸の各々の成分であるＩU ＊＊、ＩV ＊＊およびＩW ＊＊を含む。位相補正部４０は、基準位相補正部４１と、座標変換部４２とを含む。基準位相補正部４１は、位相検出部３０から出力された基準位相θ１を位相補正量δ分だけ進めるように補正して補正位相θ２を出力する。基準位相θ１を位相補正量δ分だけ進める演算処理は下記の式（１）により行われている。すなわち、基準位相補正部４１は、基準位相θ１に位相補正量δを加算することにより補正位相θ２を算出している。なお、基準位相補正部４１は、図２に示すように、制御量である出力電流Ｉａの指令値Ｉ＊に対する遅れτを検出し、検出した遅れτを位相に換算することにより位相補正量δを算出している。ここで、遅れτは、リアクトル２１０、リアクトル２２０、コンデンサ２３０、抵抗２４０、交流系統２５０および電力変換装置１００のインピーダンス特性に加えて、センサ、Ａ／Ｄ変換器、演算装置、メモリおよびゲート回路等の遅れなどに起因して生じている。このように、遅れτが生じる要因は複合的であり、適切な値を事前に定数として設定しておくことは難しい。なお、遅れτを検出する際の指令値Ｉ＊は、図示しない座標変換部によりｄ軸およびｑ軸からＵＶＷ軸に変換されている。遅れτを位相に換算して位相補正量δを算出する演算処理は下記の式（２）により行われている。ここで、ｆ１は、交流系統２５０における周波数（系統周波数）である。なお、遅れτは、特許請求の範囲の「出力電流の指令値に対する遅れ」の一例である。なお、第１実施形態では、基準位相補正部４１（位相補正部４０）は、所定の制御周期ごとに位相補正量δを算出して、位相補正量δを更新するように構成されている。座標変換部４２は、入力された電圧または電流の座標をｄ軸およびｑ軸からＵＶＷ軸に座標変換するように構成されている。具体的には、図１における座標変換部４２は、指令値Ｉ＊を、補正位相θ２を用いてｄ軸およびｑ軸からＵＶＷ軸に座標変換して補正指令値Ｉ＊＊を出力する演算処理を行うように構成されている。座標変換部４２による演算処理は、下記の式（３）により行われている。なお、ＵＶＷ軸はａｂｃ軸とも呼ばれている。追従信号出力部５０は、位相補正部４０により位相を補正された補正指令値Ｉ＊＊に追従するように、出力電流Ｉａを制御するためのゲート信号Ｆを出力するように構成されている。図３に示すように、追従信号出力部５０は、電流制御部５１と、追従信号変換部５２とを含む。なお、ゲート信号Ｆは、特許請求の範囲の「出力電流を制御するための信号」の一例である。図３に示すように、電流制御部５１は、ＵＶＷ軸上において電流の指令値と制御量の偏差を抑制する制御を行い、電圧を出力するＡＣＲ（ＡｕｔｏＣｕｒｒｅｎｔＲｅｇｕｌａｔｏｒ）として機能するように構成されている。なお、周波数が一定である場合、ＵＶＷ軸上では電流は交流となる。つまり、電流制御部５１は、補正指令値Ｉ＊＊と出力電流ＩａとのＵＶＷ軸上における偏差を抑制するための制御を行うＡＣ型ＡＣＲである。電流制御部５１は、ＵＶＷ軸上において補正指令値Ｉ＊＊と出力電流Ｉａとの偏差Ｄ１を抑制するための制御を行い、追従電圧Ｖ１を出力している。補正指令値Ｉ＊＊と出力電流Ｉａとの偏差Ｄ１を抑制するための制御とは、たとえば、偏差に対して比例制御（Ｐ制御）と積分制御（Ｉ制御）とを行うＰＩ制御、および、偏差に対して比例制御（Ｐ制御）と共振制御（Ｒ制御）とを行うＰＲ制御などである。追従信号出力部５０は、電流制御部５１から出力された追従電圧Ｖ１と、系統電圧Ｖａとを加算して指令電圧Ｖｂとして追従信号変換部５２に入力するように構成されている。追従信号変換部５２は、入力された電圧をＰＷＭ（パルス幅変調：ＰｕｌｓｅＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御によりゲート回路１０ａ（図１参照）を動作させるためのゲート信号Ｆに変換するように構成されている。具体的には、図１および図３に示すように、追従信号変換部５２は、指令電圧Ｖｂを所定のキャリア周波数に応じて矩形状のパルス信号（ＰＷＭ波）に変換して、変換されたパルス信号をゲート信号Ｆとして電力変換部１０のゲート回路１０ａに対して出力している。ゲート回路１０ａは、入力されたゲート信号Ｆに応じてスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作を行うように構成されている。（電力変換装置の制御方法）次に、図４を参照して、第１実施形態の電力変換装置１００の制御方法の制御処理について説明する。なお、図４におけるステップＳ１～ステップＳ３の制御処理は、制御部１１により実行される。また、ステップＳ１～ステップＳ３の制御処理は、所定の制御周期ごとに繰り返して実行される。図４に示すように、ステップＳ１において、指令値Ｉ＊が生成される。具体的には、第１実施形態では、指令値生成部２０により交流系統２５０における系統電圧Ｖａと、電力変換装置１００から出力される出力電流Ｉａとに基づいて外部に出力される出力電流の指令値Ｉ＊が生成される。なお、ステップＳ１は、特許請求の範囲の「指令値生成ステップ」の一例である。第１実施形態では、ステップＳ１において、外部に出力される出力電流Ｉａの指令値Ｉ＊が生成される。次に、ステップＳ２において、指令値Ｉ＊の位相が補正される。具体的には、第１実施形態では、位相補正部４０により、指令値生成部２０により生成された指令値Ｉ＊の位相を位相補正量δ分だけ進めるように補正される。位相補正部４０は、位相補正量δを、制御量である出力電流Ｉａの指令値Ｉ＊に対する遅れτを検出し、検出した遅れτを位相に換算することにより算出している。なお、ステップＳ２は、特許請求の範囲の「