JPH08228469A - アクティブパワーフィルタ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 アナログ演算手段における加減乗除の四則演
算のみの簡単な構成により、低コストでかつ高速動作が
可能なアクティブパワーフィルタ制御装置を提供するこ
とを目的とする。 【構成】 交流電源３が供給される少なくとも１つ以上
の負荷回路１に並列にアクティブパワーフィルタ２が接
続される構成で、このアクティブパワーフィルタ２は、
スイッチデバイス１５で構成されるブリッジ１６の入力
側１７にリアクトル１８および出力側１９に静電容量２
０を配設した接続からなる整流器において、入力電圧、
入力電流、負荷電流、直流出力電圧の瞬時値と推定値の
少なくとも一方を検出して、それら検出値から演算信号
処理により演算されたデバイス導通期間で導通制御した
構成とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、低力率負荷や高調波を
発生する負荷等の入力電流高調波および無効電力を補償
するアクティブパワーフィルタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、家電機器を中心に広く使用されて
きている単相コンデンサ入力形整流器は、力率が低く、
交流側電流に高調波も多く含まれるため、送電設備等の
利用率の低下や電源電圧波形歪等の原因となっていた。

【０００３】そのため、対策の一つとして、近年、力率
の改善と交流側高調波電流の低減を図ったアクティブパ
ワーフィルタが注目されており盛んに研究されている。

【０００４】以下、アクティブパワーフィルタの動作原
理を図７および図８を参照しながら説明する。

【０００５】図７（ａ）に示す方形波（実線）を高調波
発生源の電源電流とすると、その基本波成分（同図波
線）を除いた図７（ｃ）に示す成分が高調波成分であ
り、これと逆相である図７（ｄ）に示す電流を外部より
供給すれば高調波成分は相殺され図７（ｂ）に示す基本
波成分となる。このような電流を発生する装置を図８に
示すように設置して、高調波を発生する負荷回路１０１
に流れる電流を補償する電流を流すアクティブパワーフ
ィルタ１０２を設置し、その設置点より電源１０３側の
電流を基本波成分のみの正弦波とする。

【０００６】次に、従来のアクティブフィルタの制御方
法を図９を参照しながら説明する。図に示すような構成
により電流検出手段１０４の出力に共振周波数となる商
用周波数５０／６０Ｈｚの並列共振回路１０５を用いて
基本波電流を除去し、抵抗１０６により電圧に変換し、
この検出された高調波電流（検出電圧）を増幅器１０７
で増幅して、Ａ／Ｄ変換器１０８でＡ／Ｄ変換され、マ
イクロプロセッサ１０９に入力する。そして、マイクロ
プロセッサ１０９で電流補償するパターンでスイッチデ
バイス１１０を駆動して、アクティブ動作をしていた。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】このような従来のアク
ティブパワーフィルタは、負荷の急激な変化に対する応
答性、高次高調波に対する効果減になるという問題があ
った。

【０００８】また、従来これらの応答性を解決するため
に用いられてきた電流の瞬時値予測制御による方法で
は、主にデジタル制御を適用した方法が提案されてい
た。この方法によると、デジタルシグナルプロセッサや
アナログデジタルコンバータなどの装置が必要となるた
め、アナログ制御に比べて、非常に高価であり、小型な
システムには不向きであった。また、高速動作にも限界
があり、スイッチング周波数を高めようとすると、それ
に伴い、より高価なデジタルシグナルプロセッサやアナ
ログデジタルコンバータなどが必要であった。また、電
源歪や周波数変動に対応できない等の問題があった。

【０００９】本発明は上記課題を解決するもので、簡単
な構成により低コストでかつ、高速動作が可能なアクテ
ィブパワーフィルタ制御装置を提供することを第１の目
的としている。

【００１０】第２の目的は、選択可能な電流検出手段を
減らして、より簡単な構成による低コストでかつ、高速
動作を可能とすることにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のアクティブパワ
ーフィルタ制御装置は、上記第１の目的を達成するため
に第１の手段は、交流が供給される少なくとも１つ以上
の負荷回路に並列にアクティブパワーフィルタが接続さ
れる構成であって、スイッチデバイスで構成される整流
回路の入力側にリアクトルおよび直流側に静電容量を配
設した接続からなる整流器において、入力交流電圧の瞬
時値を検出する入力交流電圧検出手段または、交流電流
の瞬時値を検出する入力電流検出手段または、前記負荷
回路を流れる電流の瞬時値を検出する負荷電流検出手段
または、直流出力電圧の瞬時値を検出する直流出力電圧
検出手段のうち少なくとも１つ以上から構成される瞬時
値検出手段と、入力交流電圧の推定値を検出する入力交
流電圧推定値検出手段または、入力電流の推定値を検出
する入力電流推定値検出手段または、前記負荷回路を流
れる電流の推定値を検出する負荷電流推定値検出手段ま
たは、直流出力電圧の推定値を検出する直流出力電圧推
定値検出手段のうち少なくとも１つ以上から構成される
推定値検出手段と、前記瞬時値検出手段もしくは推定値
検出手段のうち少なくとも１つ以上から構成される検出
手段と、適宜な周波数の基準信号を発生する信号発生手
段と、前記検出手段の出力を入力とし前記スイッチデバ
イスの導通期間を演算する演算手段と、或る一定時間を
設定する設定手段と、前記信号発生手段の出力の前記基
準信号の適宜なタイミング時点からの経過時間を計測す
る計測手段と、前記計測手段で計測された前記経過時間
が前記設定手段により設定された前記一定時間に到達し
たことを判断する判断手段と、前記演算手段で演算され
た導通期間で前記判断手段で判断される一定時間後に前
記スイッチデバイスを導通制御するゲート制御手段とを
有した構成とする。

【００１２】また、第２の目的を達成するための第２の
手段は、検出手段は、入力交流電圧の瞬時値を検出する
入力交流電圧検出手段または、交流電流の瞬時値を検出
する入力電流検出手段または、直流出力電圧の瞬時値を
検出する直流出力電圧検出手段とのうち少なくとも１つ
以上から構成される瞬時値検出手段と、入力交流電圧の
推定値を検出する入力交流電圧推定値検出手段または、
入力電流の推定値を検出する入力電流推定値検出手段ま
たは、直流出力電圧の推定値を検出する直流出力電圧推
定値検出手段とのうち少なくとも１つ以上から構成され
る推定値検出手段との中から少なくとも１つ以上から構
成する。

【００１３】

【作用】本発明は上記した第１の手段の構成により、検
出手段により検出された交流電圧、交流電流、負荷電
流、直流電圧の瞬時値と推定値の少なくとも一方をアナ
ログ演算を用いることでスイッチデバイスの導通期間を
アナログ回路で高速かつ簡単に実現することで、応答性
の向上を図ることができる。

【００１４】また、第２の手段の構成により、近似を用
いることにより、負荷電流検出を不要とした演算器で、
アナログ回路を、さらに高速かつ簡単に実現すること
で、応答性の向上を図ることができる。

【００１５】

【実施例】

(実施例１）以下、本発明の第１実施例について図１を
参照しながら説明する。

【００１６】図に示すように、交流電源３が供給され、
双方向導通素子１１、インダクタンス１２、抵抗１３を
主回路構成とする負荷回路１に並列にアクティブパワー
フィルタ２が接続され、このアクティブパワーフィルタ
２は、スイッチデバイス１５ａ〜１５ｄで構成されるブ
リッジ１６と、入力側１７ａまたは１７ｂにリアクトル
１８および出力側１９に静電容量２０を配設した構成か
らなり、検出手段２１は入力交流電圧の瞬時値を検出す
る入力交流電圧検出手段２２と、交流電流の瞬時値を検
出する入力電流検出手段２３と、負荷回路１を流れる電
流の瞬時値を検出する負荷電流検出手段２４と、直流出
力電圧の瞬時値を検出する直流出力電圧検出手段２５と
のうち少なくとも１つ以上から構成される瞬時値検出手
段２６と、入力交流電圧の推定値を検出する入力交流電
圧推定値検出手段２７と、入力交流電流の推定値を検出
する入力電流推定値検出手段２８と、負荷回路１を流れ
る電流の推定値を検出する負荷電流推定値検出手段２９
と、直流出力電圧の推定値を検出する直流出力電圧推定
値検出手段３０とのうち少なくとも１つ以上から構成さ
れる推定値検出手段３１との中から少なくとも１つ以上
から構成される。信号発生手段３２は適宜な周波数の基
準信号を発生する。演算手段３３は検出手段２１の出力
を入力とし、スイッチデバイス１５ａ〜１５ｄの導通期
間をアナログ演算する。設定手段３４は或る一定時間を
設定する。計測手段３５は信号発生手段３２の出力の前
記基準信号の適宜なタイミング時点からの経過時間を計
測する。判断手段３６は計測手段３５で計測された経過
時間が設定手段３４により設定された一定時間に到達し
たことを判断する。ゲート制御手段３７は演算手段３３
で演算された導通期間で、判断手段３６で判断される一
定時間後にスイッチデバイス１５ａ〜１５ｄを導通制御
する構成としたものである。

【００１７】次に、本発明のアクティブパワーフィルタ
制御装置の演算手段３３で用いられる演算式について説
明する。

【００１８】図１において、回路方程式は、

【００１９】

【数１】

【００２０】

【数２】

【００２１】と書ける。ここで、ｖsは電源電圧、ｖBは
ブリッジ入力電圧、ｉcは補償電流、ｉsは電源電流、ｉ
Lは負荷電流である。インバータのスイッチング周期を
Ｔsとし、ｔ＝ｔkから始まる１スイッチング周期を考
え、（数１）をｔkからｔk＋Ｔsまで積分し、（数２）
を用いてｉcを消去すると、

【００２２】

【数３】

【００２３】となる。ここで、スイッチング周期を電源
周期に対して十分短くとれば、スイッチング周期内でｖ
sは、ほぼ一定であると考えられるのでｔk≦ｔ≦ｔk＋
Ｔsにおいて、ｖs（t）＝ｖs（tk）と仮定すれば、（数
３）の左辺第１項は次のように書ける。

【００２４】

【数４】

【００２５】また、ブリッジ電圧ｖBは、スイッチング
素子の接続状態より、

【００２６】

【数５】

【００２７】と表せる。ここで、ｖdはキャパシタ電圧
である。また、各スイッチング周期は、モードＩとモー
ドII、または、モードＩとモードIIIの組み合わせで構
成される。ｖdもスイッチング周期内で一定とすれば
（数３）の左辺第２項は、

【００２８】

【数６】

【００２９】と書ける。ただし、λは正、負または零の
値をとるものとする。λの符号について、モードIIに対
してλ＞０、モードIIIに対してλ＜０が対応し、λの
絶対値がその持続時間を表す。したがって、λは制御パ
ルス幅とみなすことができる。ここで、（数４）、（数
６）式を（数３）に代入すれば、ｋ番目のスイッチング
周期におけるパルス幅λkは次のようになる。

【００３０】

【数７】

【００３１】（数７）は、パルス幅λkと各諸量との関
係式であり、電源電流ｉsがスイッチング周期終点でｉs
（ｔk＋Ｔs）となるときのパルス幅λkを与える式と考
えることができる。ここで、ｉs^*（ｔk＋Ｔs）をｔ＝ｔ
k＋Ｔs時点での電源電流の目標値として、（数７）式の
ｉs（ｔk＋Ｔs）に代入し、さらに各諸量を与えれば、
スイッチング周期終点において電源電流ｉsが目標値ｉs
^*（ｔk＋Ｔs）となるようなパルス幅λkを得ることがで
きる。しかし、各諸量について、ｖs（ｔk）、ｉs（ｔ
k）およびｉL（ｔk）は実測可能な値であるが、ｉL（ｔ
k＋Ｔs）は未知である。また、ｉs^*（ｔk＋Ｔs）につい
て、電源側で力率（総合力率）を１に近づけるためには
ｔ＝ｔk＋Ｔs時点の電源電圧ｖs（ｔk＋Ｔs）と比例の
関係をもたなくてはならない。しかし、実際の電源電圧
は歪んでおり、厳密な意味では周期関数とはいえず、こ
れもｉL（ｔk＋Ｔs）同様未知である。そこで次のよう
な近似を施すこととする。

【００３２】ｉs^*（ｔk＋Ｔs）について、スイッチング
周期を電源周期に対して十分短くとれば、

【００３３】

【数８】

【００３４】と表せる。ここで、αは電流の振幅調整用
の係数である。一方、ｉL（ｔk＋Ｔs）は、ｔ＝ｔkより
τだけ過去の電流値ｉL（ｔk−τ）（但しτ＞０）を用
いて直線補外により、

【００３５】

【数９】

【００３６】として推定することができる。ここで、
（数８），（数９）式の近似を（数７）式に代入する
と、

【００３７】

【数１０】

【００３８】となる。またここで、負荷電流が急峻な変
化をしないと想定される場合は、近似的にｉL（ｔk＋Ｔ
s）＝ｉL（ｔk）として、

【００３９】

【数１１】

【００４０】と書き換えられる。（数１０）式または
（数１１）式をスイッチング周期の始点にて計算するこ
とにより、そのスイッチング周期内で発生すべきパルス
幅が予測決定される。以降、（数１０），（数１１）式
をそれぞれ制御則Ｉ，制御則IIと呼ぶ。

【００４１】このように演算手段３３は、交流側電圧を
ｖs、交流側電流をｉs、直流電圧をｖoとすれば、スイ
ッチデバイスに加えられる制御パルス幅λは（数１０）
または（数１１）より決定される。ここで、Ｔsは、ス
イッチデバイスを制御する周期であり、信号発生手段３
２で発生される基準信号により与えられる。

【００４２】上記構成において、図２に示すように各ス
イッチデバイス１５ａ〜１５ｄを周期ＴsでＳ１〜Ｓ４
のタイミングでスイッチング動作をさせた時、入力電流
検出手段２３で検出される交流電流はｉsに示すような
鋸波状の波形となる。

【００４３】次に、電源電圧ｖsの任意の時点ｔkにおけ
る周期Ｔｓ内の動作を図３を参照しながら説明する。そ
の時点ｔkにおいて、検出手段２１が入力交流電圧検出
手段２２と入力電流検出手段２３と負荷電流検出手段２
４と直流出力電圧検出手段２５で構成される瞬時値検出
手段２６で構成された時、検出された交流電圧ｖs、交
流電流ｉs、負荷電流ｉL、直流電圧ｖoの４つの瞬時値
が検出される。それを次に演算手段３３の入力とする
と、演算手段３３では演算式の（数１０）または（数１
１）で示される加減乗除の四則演算よりスイッチデバイ
ス１５ａ〜１５ｄに加える制御パルス幅λが決定され
る。（数１０）の括弧内の第４項を与えるτには、τ＝
Ｔs／２を用いている。その（数１０）で示される加減
乗除の四則演算には、一般的に広く用いられているクワ
ッドオペアンプによるアナログの加減乗除の演算器を用
いて簡単な構成となっている。そして、信号発生手段３
２の基準信号の発生周期Ｔs毎に、設定手段３４におい
てあらかじめ設定しておいた（Ｔk−τ）／２時間経過
を判断手段３６で判断した後の時点において、演算手段
３３にて演算された導通時間λでスイッチデバイス１５
ａ〜１５ｄをゲート制御手段３７より導通制御する。上
記構成により、アナログ演算器による加減乗除の四則演
算のみの簡単な構成で、かつ高速動作のアクティブパワ
ーフィルタを実現することができる。

【００４４】本発明の第１の実施例のアクティブパワー
フィルタによる実験結果として入力交流電圧、入力交流
電流波形、負荷電流波形、補償電流波形を図４に示す。
電源電流がほぼ電源電圧と相似形の電流に制御されてい
ることがわかる。この時の総合歪率は１１％、総合力率
０．９９である。

【００４５】なお、本実施例では、瞬時値検出手段２６
のみを演算手段３３の入力とした構成例であったが、演
算式の各パラメータを与えるため、入力交流電圧、入力
電流、負荷電流、直流出力電圧を進み位相を持った推定
値検出手段３１で構成される検出手段２１で検出し、こ
の値を演算手段３３に入力として導通時間λを演算して
上記動作を実施しても同じ性能が得られる。さらには、
この検出手段２１構成の組み合わせとしては、例えば入
力交流電圧検出手段２２と負荷電流検出手段２４と直流
出力電圧検出手段２５の３個を瞬時値検出手段２６と
し、入力電流推定値検出手段２８の１個を推定値検出手
段３１とした構成、あるいは入力電流検出手段２３と負
荷電流検出手段２４の２個を瞬時値検出手段２６とし、
入力交流電圧検出手段２２と直流出力電圧検出手段２５
を推定値検出手段３１で結果４個検出手段２１構成など
も考えられるが、上記（数１０）の演算式パラメータを
与えるものであれば同じ結果になることは当然である。
また、以下の実施例でも同様のことが言えることは言う
までもない。

【００４６】（実施例２）以下、本発明の第２実施例に
ついて図５を参照しながら説明する。なお、第１実施例
と同一部分については、同一符号を付して詳細な説明は
省略する。

【００４７】図に示すように、検出手段２１は、入力交
流電圧の瞬時値を検出する入力交流電圧検出手段２２
と、入力電流の瞬時値を検出する入力電流検出手段２３
と、直流出力電圧の瞬時値を検出する直流出力電圧検出
手段２５とのうち少なくとも１つ以上から構成される瞬
時値検出手段２６と、入力交流電圧の推定値を検出する
入力交流電圧推定値検出手段２７と、入力電流の推定値
を検出する入力電流推定値検出手段２８と、直流出力電
圧の推定値を検出する直流出力電圧推定値検出手段３０
とのうち少なくとも１つ以上から構成される推定値検出
手段３１との中から少なくとも１つ以上から構成したも
のである。

【００４８】基本的には実施例１の構成と同様である
が、本実施例では、負荷電流ｉLを与える（数１０）の
第４項を、負荷電流が急峻に変化しない条件下のもと消
去して求めた（数１１）に示すようなアナログ四則演算
式を演算手段３３で実施することができる。

【００４９】本発明の第２の実施例のアクティブパワー
フィルタによる実験結果として入力交流電圧、入力交流
電流波形、負荷電流波形、補償電流波形を図６に示す。
電源電流がほぼ電源電圧とほぼ相似形の電流に制御され
ていることがわかる。

【００５０】なお、本発明は、上述の実施例に限らず、
単相および多相の整流器に適用できることは言うまでも
ない。

【００５１】

【発明の効果】以上の実施例から明らかなように、本発
明によれば、演算手段における加減乗除の四則演算のみ
の簡単な構成かつ、アナログ回路により高速化すること
ができる。

【００５２】また、近似を用いることにより、負荷電流
検知不要による、より簡単な構成で、かつ高速に、交流
電圧に交流電流を追従させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例のアクティブパワーフィル
タ制御装置の構成を示すブロック図

【図２】同アクティブパワーフィルタ制御装置のタイミ
ングチャート

【図３】同アクティブパワーフィルタ制御装置のｔk時
点における動作図

【図４】同アクティブパワーフィルタ制御装置の入力交
流電圧波形、入力交流電流波形、負荷電流波形、補償電
流波形を示す波形図

【図５】同第２実施例のアクティブパワーフィルタ制御
装置の構成を示すブロック図

【図６】同アクティブパワーフィルタ制御装置の入力交
流電圧波形、入力交流電流波形、負荷電流波形、補償電
流波形を示す波形図

【図７】ａ 従来のアクティブフィルタによる高調波低
減の原理図 ｂ 従来のアクティブフィルタによる高調波低減の原理
図 ｃ 従来のアクティブフィルタによる高調波低減の原理
図 ｄ 従来のアクティブフィルタによる高調波低減の原理
図

【図８】同アクティブフィルタの接続図

【図９】同アクティブフィルタの構成を示すブロック図

【符号の説明】

１ 負荷回路 ２ アクティブパワーフィルタ １５ａ スイッチデバイス １５ｂ スイッチデバイス １５ｃ スイッチデバイス １５ｄ スイッチデバイス １７ａ 入力側 １７ｂ 入力側 １８ リアクトル ２０ 静電容量 ２１ 検出手段 ２２ 入力交流電圧検出手段 ２３ 入力電流検出手段 ２４ 負荷電流検出手段 ２５ 直流出力電圧検出手段 ２６ 瞬時値検出手段 ２７ 入力交流電圧推定値検出手段 ２８ 入力電流推定値検出手段 ２９ 負荷電流推定値検出手段 ３０ 直流出力電圧推定値検出手段 ３１ 推定値検出手段 ３２ 信号発生手段 ３３ 演算手段 ３４ 設定手段 ３５ 計測手段 ３６ 判断手段 ３７ ゲート制御手段

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 持田 則仁 大阪府大阪市城東区今福西６丁目２番61号 松下精工株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】交流が供給される少なくとも１つ以上の負
   荷回路に並列にアクティブパワーフィルタが接続される
   構成であって、スイッチデバイスで構成される整流回路
   の入力側にリアクトルおよび直流側に静電容量を配設し
   た接続からなる整流器において、入力交流電圧の瞬時値
   を検出する入力交流電圧検出手段または、交流電流の瞬
   時値を検出する入力電流検出手段または、前記負荷回路
   を流れる電流の瞬時値を検出する負荷電流検出手段また
   は、直流出力電圧の瞬時値を検出する直流出力電圧検出
   手段のうち少なくとも１つ以上から構成される瞬時値検
   出手段と、入力交流電圧の推定値を検出する入力交流電
   圧推定値検出手段または、入力電流の推定値を検出する
   入力電流推定値検出手段または、前記負荷回路を流れる
   電流の推定値を検出する負荷電流推定値検出手段また
   は、直流出力電圧の推定値を検出する直流出力電圧推定
   値検出手段のうち少なくとも１つ以上から構成される推
   定値検出手段と、前記瞬時値検出手段もしくは推定値検
   出手段のうち少なくとも１つ以上から構成される検出手
   段と、適宜な周波数の基準信号を発生する信号発生手段
   と、前記検出手段の出力を入力とし前記スイッチデバイ
   スの導通期間を演算する演算手段と、或る一定時間を設
   定する設定手段と、前記信号発生手段の出力の前記基準
   信号の適宜なタイミング時点からの経過時間を計測する
   計測手段と、前記計測手段で計測された前記経過時間が
   前記設定手段により設定された前記一定時間に到達した
   ことを判断する判断手段と、前記演算手段で演算された
   導通期間で前記判断手段で判断される一定時間後に前記
   スイッチデバイスを導通制御するゲート制御手段とを有
   したアクティブパワーフィルタ制御装置。
2. 【請求項２】検出手段は、入力交流電圧の瞬時値を検出
   する入力交流電圧検出手段または、交流電流の瞬時値を
   検出する入力電流検出手段または、直流出力電圧の瞬時
   値を検出する直流出力電圧検出手段とのうち少なくとも
   １つ以上から構成される瞬時値検出手段と、入力交流電
   圧の推定値を検出する入力交流電圧推定値検出手段また
   は、入力電流の推定値を検出する入力電流推定値検出手
   段または、直流出力電圧の推定値を検出する直流出力電
   圧推定値検出手段とのうち少なくとも１つ以上から構成
   される推定値検出手段との中から少なくとも１つ以上か
   ら構成する請求項１記載のアクティブパワーフィルタ制
   御装置。