JP6689636B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置に関する。
一般に、電力系統から供給される交流電力を加速器の電磁石などの負荷に供給する電力に変換する電力変換装置が知られている。
例えば、ダイオード整流器と電力変換器を用いて、時間的に変化する電流基準値に対して高精度な追従特性を持つ電力変換装置が開示されている(特許文献1参照)。
また、順変換器の出力を平滑化する第1の直流フィルタの直流出力をチョッピングするチョッパ変換器に、このチョッパ変換器の出力を平滑化して負荷に供給する第2の直流フィルタの出力リプルを最小にする通流率に従ったチョッピング制御信号を出力し、変調波信号に基づいて、順変換器の電圧指令値を補正することが開示されている(特許文献2参照)。
特開2008−187795号公報 特開2000−59990号公報
しかしながら、加速器の電磁石電源のように、数秒周期で大幅に変動させるパターン電流を負荷に供給する電力変換装置の場合、出力電流の変動に合わせて入力側の電力系統からの受電電力も変動する。受電電力の変動は、系統周波数の変動などの悪影響を及ぼす。また、一般に、商用系統の契約電力は受電電力の最大値で決まるため、受電電力が変動すると、実際に使用する電力量と比較して電気料金が割高になる。
そこで、本発明の目的は、予め決められたパターンで変動するパターン電流を出力する電力変換装置において、入力される電力の変動を抑制する電力変換装置を提供することにある。
本発明の観点に従った電力変換装置は、交流電力を直流電力に変換する交直変換手段と、前記交直変換手段により変換された直流電力を、負荷に供給する電力に変換する負荷電力変換手段と、前記負荷電力変換手段から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御する負荷電力変換制御手段と、前記電流パターンに基づいて前記負荷のインダクタンスを用いて求められた電圧パターンで変動するように、前記交直変換手段から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換手段に入力される交流電力の変動を抑制するように制御する交直変換制御手段とを備える。
本発明によれば、予め決められたパターンで変動するパターン電流を出力する電力変換装置において、入力される電力の変動を抑制する電力変換装置を提供することができる。
本発明の第1の実施形態に係る電源装置の構成を示す構成図。 第1の実施形態に係る制御装置の構成を示す構成図。 第1の実施形態に係る交直変換器制御部の構成を示す構成図。 第1の実施形態に係る直流電圧制御部の構成を示す構成図。 第1の実施形態に係るチョッパ回路制御部の構成を示す構成図。 第1の実施形態に係る電源装置から出力される負荷電流及び負荷電圧を示す波形図。 第1の実施形態に係る電源装置の直流電圧を示す波形図。 本発明の第2の実施形態に係る電源装置の構成を示す構成図。 第2の実施形態に係る交直変換器制御部の構成を示す構成図。 第2の実施形態に係る有効電力制御部の構成を示す構成図。 各実施形態の交直変換器の変形例の構成を示す回路図。
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電源装置1の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
電源装置1は、電力系統7(例えば、商用電源)から供給される三相交流電力により、負荷である電磁石(コイル)8に予め決められたパターン(電流パターン)の電流(パターン電流)を出力する電力変換装置である。パターン電流は、数秒周期で大幅(10〜100%)に変動する正極の電流(直流電流)である。
電源装置1は、制御装置2、変圧器3、交直変換器4、コンデンサバンク5、チョッパ回路6、系統電圧検出器11、変換器入力電流検出器12、直流電圧検出器13、及び負荷電流検出器14を備える。
変圧器3は、電力系統7と交直変換器4との間に接続されている。変圧器3は、電力系統7から供給される三相交流電力を交直変換器4に入力する電圧に変圧する。
交直変換器4の直流側は、チョッパ回路6と直流リンクで接続されている。交直変換器4は、制御装置2から出力されるゲート信号Gt1により駆動(電力変換動作)する。交直変換器4は、電力系統7から変圧器3を介して供給された三相交流電力を直流電力に変換する電力変換回路を備える。交直変換器4は、変換した直流電力をチョッパ回路6に出力する。交直変換器4は、直流電圧が制御可能な電力変換器である。交直変換器4は、制御装置2によりPWM(pulse width modulation)制御される。
コンデンサバンク5は、直流リンクに設けられている。コンデンサバンク5は、交直変換器4から出力される直流電圧を平滑化する役割と、電磁石8の力行時に必要となるエネルギーを蓄電する役割を持つ。コンデンサバンク5は、電磁石8から直流リンクに回生されるエネルギーにより蓄電する。なお、コンデンサバンク5は、1つの大容量のコンデンサでもよいし、複数のコンデンサで構成されていてもよい。また、複数のコンデンサで構成されている場合、直流電圧を平滑化するためのコンデンサと蓄電するためのコンデンサに分けてもよい。
チョッパ回路6の出力側(交直変換器4と反対側)には、電磁石8が接続されている。チョッパ回路6は、制御装置2から出力されるゲート信号Gt2により駆動(チョッピング)する。チョッパ回路6は、駆動することにより、予め決められたパターン電流を出力するように、交直変換器4から供給された直流電力を電磁石8に供給する電力に変換する。
系統電圧検出器11は、変圧器3よりも電力系統7側に設けられている。系統電圧検出器11は、電力系統7の系統電圧Vsを検出して、検出信号として制御装置2に出力する。
変換器入力電流検出器12は、変圧器3と交直変換器4の間に設けられている。変換器入力電流検出器12は、交直変換器4に入力される変換器入力電流Iiを検出して、検出信号として制御装置2に出力する。
直流電圧検出器13は、直流リンクに設けられている。直流電圧検出器13は、直流リンクに印加される直流電圧Vdを検出して、検出信号として制御装置2に出力する。
負荷電流検出器14は、チョッパ回路6の出力側に設けられている。負荷電流検出器14は、チョッパ回路6から出力されて電磁石8に流れる負荷電流Imを検出して、検出信号として制御装置2に出力する。負荷電流検出器14は、例えばホールCT(current transformer)である。
制御装置2は、系統電圧検出器11により検出された系統電圧Vs、変換器入力電流検出器12により検出された変換器入力電流Ii、直流電圧検出器13により検出された直流電圧Vd、及び負荷電流検出器14により検出された負荷電流Imが入力される。制御装置2は、各検出器11〜14により検出された情報に基づいて、交直変換器4及びチョッパ回路6を制御する。
図2は、本実施形態に係る制御装置2の構成を示す構成図である。
制御装置2は、交直変換器制御部21及びチョッパ回路制御部22を備える。
交直変換器制御部21は、予め設定された直流電圧パターン指令値Vcr、系統電圧Vs、変換器入力電流Ii、及び直流電圧Vdに基づいて、ゲート信号Gt1を生成する。ゲート信号Gt1は、交直変換器4を構成する各スイッチング素子をスイッチングする信号である。交直変換器制御部21は、生成したゲート信号Gt1を交直変換器4に出力することにより、交直変換器4を制御する。
チョッパ回路制御部22は、予め設定されたパターン電流指令値Ipr及び負荷電流Imに基づいて、ゲート信号Gt2を生成する。ゲート信号Gt2は、チョッパ回路6を構成する各スイッチング素子をスイッチングする信号である。チョッパ回路制御部22は、生成したゲート信号Gt2をチョッパ回路6に出力することにより、チョッパ回路6を制御する。
図3は、本実施形態に係る交直変換器制御部21の構成を示す構成図である。
交直変換器制御部21は、直流電圧制御部211、変換器入力電流制御部212、加算器213、及びPWM制御部214を備える。
直流電圧制御部211には、直流電圧検出器13により検出された直流電圧Vd及び予め設定された直流電圧パターン指令値Vcrが入力される。直流電圧制御部211は、直流電圧Vdが直流電圧パターン指令値Vcrに追従するように、変換器入力電流指令値Iirを演算する。直流電圧制御部211は、演算した変換器入力電流指令値Iirを変換器入力電流制御部212に出力する。
直流電圧パターン指令値Vcrは、予め決められたパターン(電圧パターン)で直流リンクに印加される直流電圧Vdが変動するように決定された指令値である。直流電圧パターン指令値Vcrは、電力系統7から交直変換器4の交流側に入力される入力電力(受電電力)が平準化されるように決定される。直流電圧パターン指令値Vcrは、次式により求まる。
Figure 0006689636
ここで、‘V0’はコンデンサバンク5の初期電圧、‘Im’は負荷電流、‘L’は電磁石8のインダクタンス、‘C’はコンデンサバンク5のコンデンサ容量をそれぞれ表している。
変換器入力電流制御部212には、直流電圧制御部211により演算された変換器入力電流指令値Iir及び変換器入力電流検出器12により検出された変換器入力電流Iiが入力される。変換器入力電流制御部212は、変換器入力電流Ii及び変換器入力電流指令値Iirに基づいて、系統電圧補正量Vscを演算する。変換器入力電流制御部212は、PI(比例積分)制御により、変換器入力電流Iiが変換器入力電流指令値Iirに追従するように系統電圧補正量Vscを演算する。変換器入力電流制御部212は、演算した系統電圧補正量Vscを加算器213に出力する。
加算器213には、変換器入力電流制御部212により演算された系統電圧補正量Vsc及び系統電圧検出器11により検出された系統電圧Vsが入力される。加算器213は、系統電圧Vsに系統電圧補正量Vscを加算する。加算器213は、演算結果をPWM制御部214に出力する。
PWM制御部214は、加算器213による演算結果に基づいて、交直変換器4を制御するためのゲート信号Gt1を生成する。PWM制御部214は、生成したゲート信号Gt1を交直変換器4に出力する。
図4は、本実施形態に係る直流電圧制御部211の構成を示す構成図である。
直流電圧制御部211は、減算器2111及びPI制御器2112を備える。
減算器2111には、直流電圧パターン指令値Vcr及び直流電圧Vdが入力される。減算器2111は、直流電圧パターン指令値Vcrから直流電圧Vdを減算して、これらの偏差を求める。減算器2111は、演算した偏差をPI制御器2112に出力する。
PI制御器2112は、PI制御により、減算器2111により演算された偏差をゼロにするように、変換器入力電流指令値Iirを演算する。PI制御器2112は、演算した変換器入力電流指令値Iirを変換器入力電流制御部212に出力する。
図5は、本実施形態に係るチョッパ回路制御部22の構成を示す構成図である。
チョッパ回路制御部22は、パターン電流制御部221及びチョッパ制御部222を備える。
パターン電流制御部221には、負荷電流検出器14により検出された負荷電流Im及び予め設定されたパターン電流指令値Iprが入力される。電磁石8に流す電流パターンは予め決められており、パターン電流指令値Iprは、この予め決められた電流パターンに従って設定される。パターン電流制御部221は、負荷電流Imがパターン電流指令値Iprに追従するように、チョッパ回路6の出力電流操作値Ecを演算する。パターン電流制御部221は、例えばPI制御により、出力電流操作値Ecを演算する。パターン電流制御部221は、演算した出力電流操作値Ecをチョッパ制御部222に出力する。
チョッパ制御部222は、パターン電流制御部221により演算された出力電流操作値Ecに基づいて、チョッパ回路6を制御するためのゲート信号Gt2を生成する。チョッパ制御部222は、生成したゲート信号Gt2をチョッパ回路6に出力する。
図6は、本実施形態に係る電源装置1から出力される負荷電流Im及び負荷電圧Vmを示す波形図である。図7は、本実施形態に係る電源装置1の直流電圧Vd(直流リンク電圧)を示す波形図である。図7は、図6に示す負荷電流Im及び負荷電圧Vmに対応する直流電圧Vdを示しており、図6及び図7の時間軸(横軸)は同じ時刻を示している。
図6に示すように、電磁石8に流す負荷電流(パターン電流)Imが決まると、負荷電圧(電源装置1の出力電圧)Vmも決まる。また、負荷電流Imが決定すると、式(1)を用いて、図7に示すように、電力系統7からの受電電力を平準化するように決定される直流電圧Vd(即ち、直流電圧パターン指令値Vcr)の電圧パターンも求まる。
本実施形態によれば、電磁石8に流す負荷電流Imに応じて、電力系統7からの入力電力(受電電力)を抑制するように、予め決められた直流電圧パターン指令値Vcrに従って、電源装置1の直流電圧Vdを制御することで、受電電力を平準化することができる。これにより、受電電力の変動による電力系統7への悪影響を抑制することができる。また、契約電力が最大電力の最大値で決定する場合、直流電圧Vdを制御しない場合と比較して電気料金を安くすることができる。
また、直流リンクに大容量のコンデンサバンク5を設け、電磁石8から回生されるエネルギーにより、電磁石8の力行時に必要となるエネルギーをコンデンサバンク5に蓄えることで、電源装置1のエネルギー効率を向上させることができる。
(第2の実施形態)
図8は、本発明の第2の実施形態に係る電源装置1Aの構成を示す構成図である。
電源装置1Aは、図1に示す第1の実施形態に係る電源装置1において、制御装置2を制御装置2Aに代え、変換器入力電流検出器12を系統電流検出器15に代えたものである。以降では、第1の実施形態と異なる部分について主に説明する。
系統電流検出器15は、変圧器3よりも電力系統7側に設けられている。系統電流検出器15は、電力系統7から変圧器3に流れ込む系統電流Isを検出して、検出信号として制御装置2Aに出力する。
図9は、本実施形態に係る交直変換器制御部21Aの構成を示す構成図である。
制御装置2Aは、図2に示す第1の実施形態に係る交直変換器制御部21を図9に示す交直変換器制御部21Aに代えたものである。交直変換器制御部21Aは、図3に示す直流電圧制御部211を有効電力制御部215に代えたものである。
有効電力制御部215には、系統電流検出器15により検出された系統電流Is、系統電圧検出器11により検出された系統電圧Vs、直流電圧検出器13により検出された直流電圧Vd、予め設定された有効電力指令値Prefが入力される。有効電力指令値Prefは一定値である。有効電力制御部215は、系統電流Is、系統電圧Vs、直流電圧Vd、及び有効電力指令値Prefに基づいて、変換器入力電流指令値Iirを演算する。有効電力制御部215は、演算した変換器入力電流指令値Iirを変換器入力電流制御部212に出力する。変換器入力電流指令値Iirが変換器入力電流制御部212に入力された後の交直変換器制御部21Aの制御処理は、第1の実施形態に係る交直変換器制御部21と同様である。
図10は、有効電力制御部215の構成を示す構成図である。
有効電力制御部215は、有効電力演算部2151、減算器2152、PI制御器2153、減算器2154、及びPI制御器2155を備える。
有効電力演算部2151には、系統電流Is及び系統電圧Vsが入力される。有効電力演算部2151は、系統電流Is及び系統電圧Vsに基づいて、電力系統7から受電する有効電力Psを演算する。有効電力演算部2151は、演算した有効電力Psを減算器2152に出力する。
減算器2152には、有効電力指令値Pref及び有効電力Psが入力される。減算器2152は、有効電力指令値Prefから有効電力Psを減算して、これらの偏差を求める。減算器2152は、演算した偏差をPI制御器2153に出力する。
有効電力指令値Prefは、次式により求まる。
Figure 0006689636
ここで、‘r’は電磁石8の巻線抵抗と配線抵抗との和、‘Im’は負荷電流、‘T’は負荷電流のパターン運転周期をそれぞれ表している。
PI制御器2153は、PI制御により、減算器2152により演算された偏差をゼロにするように、有効電力指令値Prefの補正量を演算する。PI制御器2153は、演算した補正量Vdrを減算器2154に出力する。
減算器2154には、PI制御器2153の出力Vdr及び直流電圧Vdが入力される。減算器2154は、PI制御器2153の出力Vdrから直流電圧Vdを減算して、これらの偏差を求める。減算器2154は、演算した偏差をPI制御器2155に出力する。
PI制御器2155は、PI制御により、減算器2154により演算された偏差をゼロにするように、変換器入力電流指令値Iirを演算する。PI制御器2155は、演算した変換器入力電流指令値Iirを変換器入力電流制御部212に出力する。
本実施形態によれば、電力系統7の有効電力Psを、負荷電流Imに基づいて予め決められた有効電力指令値Prefになるように、電源装置1の直流電圧Vdを制御することで、第1の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
なお、各実施形態では、交直変換器4をPWMインバータにした構成で説明したが、直流電圧を制御可能な電力変換器であれば、どのような構成でもよい。次に、各実施形態の交直変換器4の変形例として、図11に示す電力変換器4Bの回路構成について説明する。
電力変換器4Bは、ダイオード整流器41と昇圧チョッパ42とを接続した構成である。ダイオード整流器41は、複数のダイオードD1で構成された回路により、三相交流電力を直流電力に変換する。昇圧チョッパ42は、ダイオード整流器41から供給された直流電力の電圧を、直流リンクに供給する電圧に昇圧する。昇圧チョッパ42は、スイッチング素子S2、リアクトルL2、コンデンサC2、及びダイオードD2により構成される。スイッチング素子S2が駆動することにより、コンデンサC2に印加される直流電圧が制御される。コンデンサC2に印加される直流電圧が電力変換器4Bの出力電圧となる。
各実施形態において、負荷を電磁石(コイル)8として説明したが、これに限らない。予め決められたパターンで変動する電流が流される負荷であれば、どのような負荷でもよい。
第1の実施形態において、直流電圧パターン指令値Vcrを式(1)により求めたが、必ずしも式(1)を用いる必要はない。例えば、式(1)を修正したり、他のパラメータを加えたりして、式(1)と異なる計算式で求めてもよいし、式(1)とは関係なく、経験的又は実験的に求めてもよい。即ち、電力系統7からの受電電力が電磁石8に流すパターン電流に応じて変動するのを抑制するように、直流電圧パターン指令値Vcrを決定するのであれば、どのように求めてもよい。同様に、第2の実施形態において、有効電力指令値Prefを求める場合についても、必ずしも式(2)を用いる必要はない。即ち、電力系統7から受電する有効電力が電磁石8に流すパターン電流に応じて変動するのを抑制するように、有効電力指令値Prefを決定するのであれば、どのように求めてもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
1…電源装置、2…制御装置、3…変圧器、4…交直変換器、5…コンデンサバンク、6…チョッパ回路、7…電力系統、8…電磁石、11…系統電圧検出器、12…変換器入力電流検出器、13…直流電圧検出器、14…負荷電流検出器。

Claims (7)

  1. 交流電力を直流電力に変換する交直変換手段と、
    前記交直変換手段により変換された直流電力を、負荷に供給する電力に変換する負荷電力変換手段と、
    前記負荷電力変換手段から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御する負荷電力変換制御手段と、
    前記電流パターンに基づいて前記負荷のインダクタンスを用いて求められた電圧パターンで変動するように、前記交直変換手段から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換手段に入力される交流電力の変動を抑制するように制御する交直変換制御手段と
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
  2. 交流電力を直流電力に変換する交直変換手段と、
    前記交直変換手段により変換された直流電力を、負荷に供給する電力に変換する負荷電力変換手段と、
    前記負荷電力変換手段から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御する負荷電力変換制御手段と、
    前記交直変換手段に入力される有効電力を前記電流パターンに基づいて予め決められた有効電力指令値に従うように、前記交直変換手段から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換手段に入力される交流電力の変動を抑制するように制御する交直変換制御手段と
    を備えることを特徴とする電力変換装置。
  3. 前記交直変換手段の直流側に設けられ、前記負荷から回生されるエネルギーにより蓄電するコンデンサ
    を備えることを特徴とする請求項1又は請求項2に記載の電力変換装置。
  4. 交流電力を直流電力に変換する交直変換回路を備え、前記交直変換回路により変換した直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換装置の制御装置であって、
    前記交直変換回路により変換された直流電力を、負荷に供給する電力に変換する負荷電力変換手段と、
    前記負荷電力変換手段から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御する負荷電力変換制御手段と、
    前記電流パターンに基づいて前記負荷のインダクタンスを用いて求められた電圧パターンで変動するように、前記交直変換回路から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換回路に入力される交流電力の変動を抑制するように制御する交直変換制御手段と
    を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  5. 交流電力を直流電力に変換する交直変換回路を備え、前記交直変換回路により変換した直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換装置の制御装置であって、
    前記交直変換回路により変換された直流電力を、負荷に供給する電力に変換する負荷電力変換手段と、
    前記負荷電力変換手段から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御する負荷電力変換制御手段と、
    前記交直変換回路に入力される有効電力を前記電流パターンに基づいて予め決められた有効電力指令値に従うように、前記交直変換回路から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換回路に入力される交流電力の変動を抑制するように制御する交直変換制御手段と
    を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
  6. 交流電力を直流電力に変換する交直変換回路を備え、前記交直変換回路により変換した直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、
    前記電力変換装置から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御し、
    前記電流パターンに基づいて前記負荷のインダクタンスを用いて求められた電圧パターンで変動するように、前記交直変換回路から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換回路に入力される交流電力の変動を抑制するように制御すること
    を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
  7. 交流電力を直流電力に変換する交直変換回路を備え、前記交直変換回路により変換した直流電力を負荷に供給する電力に変換する電力変換装置の制御方法であって、
    前記電力変換装置から出力される電流を、予め決められた電流パターンで変動するパターン電流に制御し、
    前記交直変換回路に入力される有効電力を前記電流パターンに基づいて予め決められた有効電力指令値に従うように、前記交直変換回路から出力される直流電圧を制御することで、前記交直変換回路に入力される交流電力の変動を抑制するように制御すること
    を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
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