JP2019054569A - Three-level power converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、3レベル電力変換器に係り、特に、固定パルスパターン適用時の中性点電位制御に関する。 The present invention relates to a three-level power converter, and more particularly to neutral point potential control when a fixed pulse pattern is applied.
固定パルスパターンは、インバータ等の電力変換器におけるゲート指令の生成方法の一つである。ここでの固定パルスパターンとは、ある電圧指令値の振幅に対して一定のパルスパターンを出力することと定義する。 The fixed pulse pattern is one method for generating a gate command in a power converter such as an inverter. The fixed pulse pattern here is defined as outputting a constant pulse pattern with respect to the amplitude of a certain voltage command value.
この方法は出力電圧指令値の特定の位相でパルス(電力変換器内にあるスイッチングデバイスをオンオフさせるゲート指令)を出力する方式であり、3レベル電力変換器の相電圧指令をパルスパターン化することで、高調波を低減できる。 This method is a method of outputting a pulse (a gate command for turning on and off a switching device in the power converter) at a specific phase of the output voltage command value, and pulse patterning the phase voltage command of the three-level power converter Thus, harmonics can be reduced.
パルス数とその位相の選択は、電力変換器の適用事例に応じて設計者が任意に設計できる。なお、より高調波を低減するためには、スイッチングデバイスのスイッチング回数(つまり、パルスパターンの切り替え回数)を増加させる必要がある。本明細書では図7に示す3レベル電力変換器を代表例として説明を行う。図7に示す3レベル電力変換器についての詳細は非特許文献1に開示されている。
The selection of the number of pulses and their phase can be arbitrarily designed by the designer according to the application example of the power converter. In order to further reduce the harmonics, it is necessary to increase the number of switching times of the switching device (that is, the number of times of switching the pulse pattern). In this specification, the three-level power converter shown in FIG. 7 will be described as a representative example. Details of the three-level power converter shown in FIG. 7 are disclosed in Non-Patent
図6に3レベル電力変換器に固定パルスパターンを適用した場合の出力電圧波形を示す。これは、図7に示す3レベル電力変換器において、NP端子を基準とした出力端子Uoの電圧である。 FIG. 6 shows an output voltage waveform when a fixed pulse pattern is applied to the three-level power converter. This is the voltage at the output terminal Uo with respect to the NP terminal in the three-level power converter shown in FIG.
図6のVP1、VN1は、図7に示すように、3レベル電力変換器の第1,第2直流コンデンサCdc1、Cdc2に印加される直流電圧値である。図6のθ1、θ2は固定パルスパターンの制御位相である。これらの制御位相θ1,θ2は、電圧指令値の振幅に応じて変動する。ここでパルス数は、出力周波数1周期あたり4個である。また、図6の出力電圧波形を生成するための第1〜第4スイッチングデバイスS1〜S4のゲート指令を表1に示す。 VP1 and VN1 in FIG. 6 are DC voltage values applied to the first and second DC capacitors Cdc1 and Cdc2 of the three-level power converter, as shown in FIG. In FIG. 6, θ1 and θ2 are control phases of the fixed pulse pattern. These control phases θ1 and θ2 vary according to the amplitude of the voltage command value. Here, the number of pulses is four per cycle of the output frequency. Table 1 shows gate commands of the first to fourth switching devices S1 to S4 for generating the output voltage waveform of FIG.
しかしながら、3レベル電力変換器では負荷などの条件、第1〜第4スイッチングデバイスS1〜S4や第1,第2直流コンデンサCdc1,Cdc2の特性のばらつきなどの外乱により中性点電位がアンバランス状態になること(つまり、図7の直流電圧値VP1と直流電圧値VN1が不平衡となること)がある。この中性点電位のアンバランス状態により第1〜第4スイッチングデバイスS1〜S4や第1,第2直流コンデンサCdc1,Cdc2に印加される電圧が過大になり、電力変換器に異常が生じてしまうおそれがある。 However, in the three-level power converter, the neutral point potential is in an unbalanced state due to disturbances such as the load and other conditions, variations in characteristics of the first to fourth switching devices S1 to S4 and the first and second DC capacitors Cdc1 and Cdc2. (That is, the DC voltage value VP1 and the DC voltage value VN1 in FIG. 7 may become unbalanced). Due to the unbalanced state of the neutral point potential, the voltage applied to the first to fourth switching devices S1 to S4 and the first and second DC capacitors Cdc1 and Cdc2 becomes excessive, and an abnormality occurs in the power converter. There is a fear.
また、固定パルスパターンは制御周期が基本波に依存するため外乱に弱く、中性点電位がアンバランス状態になると出力電圧に意図しない高調波が重畳してしまう。この中性点電位のアンバランス状態を解決するための手法が、特許文献1,2に開示されている。特許文献1,2では、電圧指令値に偶数次高調波や直流成分を加算している。例として、図8に電圧指令値に2次高調波を重畳した波形を示す。ここで、各電圧指令値は以下の通りである。
・電圧指令値1:電流制御部から出力された電圧指令値。
・電圧指令値2:電圧指令値1に2次高調波を加算した電圧指令値。
Further, the fixed pulse pattern is vulnerable to disturbance because the control cycle depends on the fundamental wave, and unintended harmonics are superimposed on the output voltage when the neutral point potential is in an unbalanced state. Methods for solving this unbalanced state of neutral point potentials are disclosed in
Voltage command value 1: Voltage command value output from the current control unit.
Voltage command value 2: Voltage command value obtained by adding second harmonic to
図9は、特許文献2に記載されている制御ブロックである。上記の電圧指令値1は、図9のdq逆変換36の出力に相当する。上記の電圧指令値2は、図9の加算器20の出力に相当する。
FIG. 9 is a control block described in
しかし、一般的に固定パルスパターンは、上述のように高調波を抑制するように、および、偶数次高調波や直流成分ができる限り零になるように、パターンを設計する。固定パルスパターンを有する3レベル電力変換器に特許文献1,2の技術を適用しようとすると、偶数次高調波や直流成分を加算するために新しくパルスパターンを設計し直す必要がある。
However, in general, the fixed pulse pattern is designed so that harmonics are suppressed as described above, and even-order harmonics and DC components are as zero as possible. If the techniques of
さらに、加算する偶数次高調波や直流成分の振幅をある程度変更できるようにする必要があるため、制御位相θ1,θ2を以下のように設計する必要がある。
・出力電圧の基本波振幅が零から定格の範囲で偶数次高調波が零になるよう制御位相θ1、θ2を設計。
・出力電圧の基本波振幅が零から定格の範囲で偶数次高調波が定格の±1%になるようθ1、θ2を設計。
・出力電圧の基本波振幅が零から定格の範囲で偶数次高調波が定格の±2%になるようθ1、θ2を設計。
・出力電圧の基本波振幅が零から定格の範囲で偶数次高調波が定格の±4%になるようθ1、θ2を設計。
Furthermore, since it is necessary to be able to change the even-order harmonics to be added and the amplitude of the DC component to some extent, it is necessary to design the control phases θ1 and θ2 as follows.
・ Control phases θ1 and θ2 are designed so that the even harmonics become zero when the fundamental amplitude of the output voltage is in the range of zero to the rated value.
• Design θ1 and θ2 so that the even harmonics are within ± 1% of the rated voltage amplitude of the output voltage from zero to the rated range.
• Design θ1 and θ2 so that the even harmonics are within ± 2% of the rating when the fundamental amplitude of the output voltage is from zero to the rated range.
• Design θ1 and θ2 so that the even harmonics are within ± 4% of the rating when the fundamental amplitude of the output voltage is from zero to the rated range.
以上のように固定パルスパターンを複数設計する必要があり、設計の手間や、パルスパターンテーブルの規模が大幅に増加し、パルスパターンテーブルを搭載する電力変換器の制御装置が大型化、高コスト化する。 As described above, it is necessary to design multiple fixed pulse patterns, which greatly increases the design effort and the size of the pulse pattern table, increasing the size and cost of the power converter control device equipped with the pulse pattern table. To do.
よって、図7に示すような3レベル電力変換器では、固定パルスパターンの適用が非常に難しくなる問題があった。 Therefore, the three-level power converter as shown in FIG. 7 has a problem that it is very difficult to apply the fixed pulse pattern.
以上示したようなことから、固定パルスパターンを適用した3レベル電力変換器において、パルスパターンテーブルの規模を抑制しつつ、中性点電位のアンバランス状態を改善することが課題となる。 As described above, in the three-level power converter to which the fixed pulse pattern is applied, it becomes an issue to improve the neutral point potential unbalanced state while suppressing the scale of the pulse pattern table.
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直列接続した各相共通の第1,第2直流コンデンサを有する3相の3レベル電力変換器であって、出力電圧の位相と出力電流に基づいて電圧指令値を出力する電流制御部と、前記電圧指令値に基づいて、電圧振幅指令値と電圧位相指令値を出力する位相振幅演算部と、前記第2直流コンデンサの直流電圧値と前記第1直流コンデンサの直流電圧値との直流電圧偏差にゲインを乗算する第1乗算器と、前記出力電圧の位相と前記電圧位相指令値との位相偏差θ’が、π/6≦θ’<π/2,5π/6≦θ’<7π/6,3π/2≦θ’<11π/6のとき1を出力し、0≦θ’<π/6,π/2≦θ’<5π/6,7π/6≦θ’<3π/2,11π/6≦θ’<2πのとき−1を出力するスイッチと、前記第1乗算器の出力と前記スイッチの出力を乗算する第2乗算器と、前記第2乗算器の出力に1を加算し、補正直流電圧偏差を出力する加算器と、前記電圧振幅指令値に前記補正直流電圧偏差を乗算し、補正電圧指令値を出力する第3乗算器と、前記位相偏差θ’=0,π/2,π,3π/2の時の前記補正電圧指令値をU相の補正電圧指令値とし、前記位相偏差θ’=π/6,2π/3,7π/6,5π/3の時の前記補正電圧指令値をV相の補正電圧指令値とし、前記位相偏差θ’=π/3,5π/6,4π/3,11π/6の時の前記補正電圧指令値をW相の補正電圧指令値とし、前記U相,V相,W相の補正電圧指令値に応じたU相,V相,W相の固定パルスパターンを選択する固定パルスパターン選択部と、を備え、選択した前記U相,V相,W相の固定パルスパターンに基づいて、各スイッチングデバイスのゲート指令を生成することを特徴とする。 The present invention has been devised in view of the above-described conventional problems, and one aspect thereof is a three-phase three-level power converter having first and second DC capacitors common to each phase connected in series. A current control unit that outputs a voltage command value based on the phase and output current of the output voltage; a phase amplitude calculation unit that outputs a voltage amplitude command value and a voltage phase command value based on the voltage command value; A first multiplier for multiplying a DC voltage deviation between the DC voltage value of the two DC capacitors and the DC voltage value of the first DC capacitor by a gain; and a phase deviation θ ′ between the phase of the output voltage and the voltage phase command value Is 1 when π / 6 ≦ θ ′ <π / 2, 5π / 6 ≦ θ ′ <7π / 6, 3π / 2 ≦ θ ′ <11π / 6, and 0 ≦ θ ′ <π / 6, −1 is output when π / 2 ≦ θ ′ <5π / 6, 7π / 6 ≦ θ ′ <3π / 2, and 11π / 6 ≦ θ ′ <2π. A switch, a second multiplier that multiplies the output of the first multiplier and the output of the switch, an adder that adds 1 to the output of the second multiplier and outputs a corrected DC voltage deviation, and the voltage A third multiplier that multiplies the amplitude command value by the correction DC voltage deviation and outputs a correction voltage command value; and the correction voltage command when the phase deviation θ ′ = 0, π / 2, π, 3π / 2. The value is the U-phase correction voltage command value, and the correction voltage command value when the phase deviation θ ′ = π / 6, 2π / 3, 7π / 6, 5π / 3 is the V-phase correction voltage command value, The correction voltage command value when the phase deviation θ ′ = π / 3, 5π / 6, 4π / 3, and 11π / 6 is set as a W-phase correction voltage command value, and correction of the U-phase, V-phase, and W-phase is performed. A fixed pulse pattern selection unit that selects U-phase, V-phase, and W-phase fixed pulse patterns according to the voltage command value. The U-phase, V-phase, based on the fixed pulse pattern of W-phase, and generates a gate command for each switching device.
また、その一態様として、前記第1直流コンデンサの正極端と前記第2直流コンデンサの負極端との間に順次直列接続された各相の第1〜第4スイッチングデバイスと、前記第1,第2スイッチングデバイスの共通接続点と、前記第3,第4スイッチングデバイスの共通接続点と、の間に順次直列接続された各相の第1,第2ダイオードと、を備え、前記第1,第2ダイオードの共通接続点と、前記第1,第2直流コンデンサの中性点を接続し、前記第2,第3スイッチングデバイスの共通接続点を各相の出力端子としたことを特徴とする。 Also, as one aspect thereof, the first to fourth switching devices of the respective phases sequentially connected in series between the positive electrode end of the first DC capacitor and the negative electrode end of the second DC capacitor; Two first switching devices and first and second diodes of each phase sequentially connected in series between the common connection point of two switching devices and the common connection point of the third and fourth switching devices. A common connection point of two diodes and a neutral point of the first and second DC capacitors are connected, and a common connection point of the second and third switching devices is used as an output terminal of each phase.
また、他の態様として、前記第1直流コンデンサの正極端と前記第2直流コンデンサの負極端との間に順次直列接続された各相の第1,第2スイッチングデバイスと、前記第1,第2直流コンデンサの中性点と前記第1,第2スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された各相の第3,第4スイッチングデバイスと、を備え、前記第1,第2スイッチングデバイスの共通接続点を各相の出力端子とすることを特徴とする。 As another aspect, the first and second switching devices of the respective phases sequentially connected in series between the positive electrode end of the first DC capacitor and the negative electrode end of the second DC capacitor; A third and a fourth switching device of each phase sequentially connected in series between a neutral point of a two DC capacitor and a common connection point of the first and second switching devices, the first and second A common connection point of the switching devices is used as an output terminal of each phase.
また、その一態様として、出力端子にリアクトルを有するフィルタが接続されたことを特徴とする。 Further, as one aspect thereof, a filter having a reactor is connected to the output terminal.
また、一態様として、負荷として系統が連系されたことを特徴とする。 In one aspect, the system is connected as a load.
また、一態様として、負荷としてモータが接続されたことを特徴とする。 Moreover, as one aspect, a motor is connected as a load.
本発明によれば、固定パルスパターンを適用した3レベル電力変換器において、パルスパターンテーブルの規模を抑制しつつ、中性点電位のアンバランス状態を改善することが可能となる。 According to the present invention, in a three-level power converter to which a fixed pulse pattern is applied, it is possible to improve the neutral point potential unbalanced state while suppressing the scale of the pulse pattern table.
以下、本願発明における3レベル電力変換器の実施形態を図1〜図5,図7に基づいて詳述する。 Hereinafter, embodiments of the three-level power converter according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 5 and 7.
[実施形態]
本実施形態は、図7に示すような中性点を有する3レベル電力変換器の中性点電位制御を規模の小さいパルスパターンテーブルで行うものである。最初に図7に示す3レベル電力変換器について説明する。
[Embodiment]
In the present embodiment, neutral point potential control of a three-level power converter having a neutral point as shown in FIG. 7 is performed using a pulse pattern table with a small scale. First, the three-level power converter shown in FIG. 7 will be described.
第1直流コンデンサCdc1と第2直流コンデンサCdc2が直列接続される。第1,第2直流コンデンサCdc1,Cdc2の共通接続点を中性点NPとし、中性点NPを通過する電流を中性点電流INPとする。また、第1直流コンデンサCdc1の直流電圧値をVP1とし、第2直流コンデンサCdc2の直流電圧値をVN1とする。 A first DC capacitor Cdc1 and a second DC capacitor Cdc2 are connected in series. A common connection point of the first and second DC capacitors Cdc1 and Cdc2 is a neutral point NP, and a current passing through the neutral point NP is a neutral point current INP. The DC voltage value of the first DC capacitor Cdc1 is VP1, and the DC voltage value of the second DC capacitor Cdc2 is VN1.
第1直流コンデンサCdc1の正極端と第2直流コンデンサCdc2の負極端との間に各相(U相,V相,W相)の第1〜第4スイッチングデバイスS1〜S4が順次直列接続される。 The first to fourth switching devices S1 to S4 of each phase (U phase, V phase, W phase) are sequentially connected in series between the positive end of the first DC capacitor Cdc1 and the negative end of the second DC capacitor Cdc2. .
第1,第2スイッチングデバイスS1,S2の共通接続点と、第3,第4スイッチングデバイスS3,S4の共通接続点と、の間に各相の第1,第2ダイオードD1,D2が順次直列接続される。 Between the common connection point of the first and second switching devices S1 and S2 and the common connection point of the third and fourth switching devices S3 and S4, the first and second diodes D1 and D2 of each phase are sequentially connected in series. Connected.
第1,第2ダイオードD1,D2の共通接続点と、第1,第2直流コンデンサCdc1,Cdc2の中性点NPを接続する。第2,第3スイッチングデバイスS2,S3の共通接続点を各相の出力端子Uo,Vo,Woとする。 The common connection point of the first and second diodes D1 and D2 is connected to the neutral point NP of the first and second DC capacitors Cdc1 and Cdc2. Common connection points of the second and third switching devices S2 and S3 are output terminals Uo, Vo, and Wo of the respective phases.
図1に本実施形態における3レベル電力変換器の制御ブロックを示す。まず、電流制御部7において、3相の電流検出値Iinvと出力電圧の位相θに基づいて、電圧指令値Vd*,Vq*を算出する。dq変換部1は、位相θに基づいて、3相の電流検出値Iinvを2相の回転座標上におけるd軸電流検出値Idとq軸電流検出値Iqに変換する。減算器2a,2bは、d軸電流指令値Id*およびq軸電流指令値Iq*とdq変換したd軸電流検出値Idおよびq軸電流検出値Iqとの偏差を演算する。PI制御器PIは、比例制御と積分制御により前記偏差を増幅し、2相の回転座標上における電圧指令値Vd*,Vq*を得る。
FIG. 1 shows a control block of the three-level power converter in this embodiment. First, the current control unit 7 calculates the voltage command values Vd * and Vq * based on the three-phase current detection value Iinv and the output voltage phase θ. Based on the phase θ, the
位相振幅演算器3は、2相の回転座標上における電圧指令値Vd*,Vq*から、電圧振幅指令値V*および電圧位相指令値φ*を以下の(1)式で求める。
The
減算器4は、位相θと電圧位相指令値φ*との位相偏差θ’=θ−φ*を求める。減算器5は、直流電圧値VN1から直流電圧値VP1を減算し、直流電圧偏差ΔVdcを算出する。
The
補正直流電圧偏差演算部6は、直流電圧偏差ΔVdcの大きさと位相偏差θ’に応じて直流電圧偏差ΔVdcを増減する。演算した結果を補正直流電圧偏差ΔVdc’とする。
The corrected DC
補正直流電圧偏差演算部6では、乗算器8において、任意に設定することのできる乗算ゲインG(G>0)を直流電圧偏差ΔVdcに乗算する。スイッチSW1は位相偏差θ’が、π/6≦θ’<π/2,5π/6≦θ’<7π/6,3π/2≦θ’<11π/6のとき1を出力し、0≦θ’<π/6,π/2≦θ’<5π/6,7π/6≦θ’<3π/2,11π/6≦θ’<2πのとき−1を出力する。
In the corrected DC voltage
乗算器9は、スイッチSW1の出力と乗算器8の出力GΔVdcとを乗算する。加算器10は、乗算器9の出力に1を加算する。加算器10の出力が補正直流電圧偏差ΔVdc’となる。
乗算器11は、位相振幅演算器3から出力された電圧振幅指令値V*と補正直流電圧偏差演算部6から出力された補正直流電圧偏差ΔVdc’を乗算し、補正電圧指令値V*’を出力する。
The
固定パルスパターン選択部12は、位相偏差θ’=0,π/2,π,3π/2でU相の固定パルスパターンを選択し、位相偏差θ’=π/6,2π/3,7π/6,5π/3でV相の固定パルスパターンを選択し、位相偏差θ’=π/3,5π/6,4π/3,11π/6でW相の固定パルスパターンを選択する。
The fixed pulse
これらの位相偏差θ’のタイミングが、補正電圧指令値V*’=V*×ΔVdc’をラッチして、後述のU相,V相,W相の補正電圧指令値Vu*’、Vv*’、Vw*’を生成するタイミングとなる。 The timing of these phase deviations θ ′ latches the correction voltage command value V * ′ = V * × ΔVdc ′ and corrects the U-phase, V-phase, and W-phase correction voltage command values Vu * ′ and Vv * ′ described later. , Vw * ′ is generated.
図2(a)にU相の固定パルスパターン選択部12を示す。U相の固定パルスパターン選択部12は、補正電圧指令値V*’と位相偏差θ’を入力する。4つの比較器13a〜13dは、それぞれ位相偏差θ’が0,π/2,π,3π/2に等しいときに1を出力する。論理和部14は、4つの比較器13a〜13dの出力を入力し、いずれかが1の時に1を出力する。
FIG. 2A shows the U-phase fixed pulse
ホールド器holdは、論理和部14の出力が1となるタイミング(位相偏差θ’が0,π/2,π,3π/2のいずれかに等しいタイミング)で補正電圧指令値V*’をホールドし、U相の補正電圧指令値Vu*’として出力する。
The hold device hold holds the correction voltage command value V * ′ at the timing when the output of the
パルスパターンテーブル15は、U相の補正電圧指令値Vu*’と位相偏差θ’を入力し、振幅(U相の補正電圧指令値)Vu*’に対応した位相偏差θ’におけるゲート指令を出力する。パルスパターンテーブル15の出力はU相のスイッチングデバイスのゲート指令となる。 The pulse pattern table 15 inputs the U-phase correction voltage command value Vu * ′ and the phase deviation θ ′, and outputs a gate command at the phase deviation θ ′ corresponding to the amplitude (U-phase correction voltage command value) Vu * ′. To do. The output of the pulse pattern table 15 is a gate command for the U-phase switching device.
図2(b)にV相の固定パルスパターン選択部12を示す。V相の固定パルスパターン選択部12は、減算器16において、位相偏差θ’から2π/3を減算し、比較器13a〜13dとパルスパターンテーブル15に入力する点がU相とは異なる。
FIG. 2B shows the V-phase fixed pulse
補正電圧指令値V*’がホールドされるタイミングは、位相偏差θ’−2π/3=0,π/2,π,3π/2となる。すなわち、位相偏差θ’=π/6,2π/3,7π/6,5π/3で補正電圧指令値V*’をホールドし、V相の補正電圧指令値Vv*’として出力する。V相のパルスパターンテーブル15から出力されるゲート指令は、U相のものに比べて位相2π/3遅れる。 The timing at which the corrected voltage command value V * ′ is held is the phase deviation θ′−2π / 3 = 0, π / 2, π, 3π / 2. That is, the correction voltage command value V * ′ is held at the phase deviation θ ′ = π / 6, 2π / 3, 7π / 6, 5π / 3, and is output as the V-phase correction voltage command value Vv * ′. The gate command output from the V-phase pulse pattern table 15 is delayed by 2π / 3 in phase as compared to the U-phase.
図2(c)にW相の固定パルスパターン選択部12を示す。W相の固定パルスパターン選択部12は、加算器17において、位相偏差θ’に2π/3を加算し、比較器13a〜13dとパルスパターンテーブル15に入力する点がU相とは異なる。
FIG. 2C shows the W-phase fixed pulse
補正電圧指令値V*’がホールドされるタイミングは、位相偏差θ’+2π/3=0,π/2,π,3π/2となる。すなわち、位相偏差θ’=π/3,5π/6,4π/3,11π/6で補正電圧指令値V*’をホールドし、W相の補正電圧指令値Vw*’として出力する。W相のパルスパターンテーブル15から出力されるゲート指令は、U相のものに比べて位相2π/3進む。 The timing at which the corrected voltage command value V * ′ is held is the phase deviation θ ′ + 2π / 3 = 0, π / 2, π, 3π / 2. That is, the correction voltage command value V * ′ is held at the phase deviation θ ′ = π / 3, 5π / 6, 4π / 3, 11π / 6, and is output as the W-phase correction voltage command value Vw * ′. The gate command output from the W-phase pulse pattern table 15 advances in phase by 2π / 3 as compared with that in the U-phase.
出力電圧ひずみをできる限り抑えた単一の固定パルスパターンだけを使用し、出力電圧に2次高調波を重畳し、微量の2次高調波電流を流すことによって中性点電位制御を行う。 Neutral point potential control is performed by using only a single fixed pulse pattern that suppresses output voltage distortion as much as possible, superimposing the second harmonic on the output voltage, and flowing a small amount of second harmonic current.
本実施形態は、U相,V相,W相それぞれについて電圧指令値の1/4周期ごとに、電圧振幅指令値V*に、補正直流電圧偏差演算部6で得た補正直流電圧偏差ΔVdc’を乗算することで2次高調波成分を含む補正電圧指令値V*’を生成する。
In the present embodiment, the corrected DC voltage deviation ΔVdc ′ obtained by the corrected DC voltage
例えば、図3のような電圧振幅指令値V*,電圧位相指令値φ*(遅れをプラス)を考える。また、直流電圧値VP1>VN1を仮定し、直流電圧偏差ΔVdcをマイナスとする。 For example, consider the voltage amplitude command value V * and the voltage phase command value φ * (plus the delay) as shown in FIG. Further, it is assumed that the DC voltage value VP1> VN1 and the DC voltage deviation ΔVdc is negative.
補正直流電圧偏差ΔVdc’は、図3に示すように、スイッチSW1により位相偏差θ’=π/6,π/2,5π/6,7π/6,3π/2,11π/6のタイミング(位相θ=π/6+φ*,π/2+φ*,5π/6+φ*,7π/6+φ*,3π/2+φ*,11π/6+φ*のタイミング)で切り替わる矩形波になる。 As shown in FIG. 3, the corrected DC voltage deviation ΔVdc ′ is generated by the switch SW1 at a timing (phase) of phase deviation θ ′ = π / 6, π / 2, 5π / 6, 7π / 6, 3π / 2, 11π / 6. θ = π / 6 + φ *, π / 2 + φ *, 5π / 6 + φ *, 7π / 6 + φ *, 3π / 2 + φ *, 11π / 6 + φ *.
そして、U相については、固定パルスパターン選択部12において、位相偏差θ’=0,π/2,π,3π/2のタイミング(位相θ=φ*,π/2+φ*,π+φ*,3π/2+φ*のタイミング)で補正電圧指令値V*’=V*×ΔVdc’を入力し、そのときの値をラッチする。そのラッチした値をU相の補正電圧指令値Vu*’とする。そして、U相の補正電圧指令値Vu*’に応じた固定パルスパターンが選択され、U相のスイッチングデバイスのゲート指令として出力される。
For the U phase, in the fixed pulse
図3に示すVuのパルス状の波形は実際に出力されるU相の出力電圧の波形を示し、図3のVuの正弦波状の波形は実際に出力されるU相の出力電圧の波形よりスイッチング周波数成分を除去した波形である。U相の出力電圧Vuの正弦波状の波形の振幅は、前述のU相の補正電圧指令値Vu*’の値と対応する。 The pulse waveform of Vu shown in FIG. 3 shows the waveform of the output voltage of the U phase that is actually output, and the sine waveform of Vu in FIG. 3 switches from the waveform of the output voltage of the U phase that is actually output. It is a waveform from which frequency components have been removed. The amplitude of the sinusoidal waveform of the U-phase output voltage Vu corresponds to the value of the aforementioned U-phase correction voltage command value Vu * ′.
V相,W相の出力電圧Vv,Vwについても、固定パルスパターン選択部12で処理されるタイミングが2π/3ずれるだけで、図3に示すようにU相の出力電圧Vuと同じ波形が得られる。V相の補正電圧指令値Vv*’は、位相偏差θ’=π/6,2π/3,7π/6,5π/3のタイミングで補正電圧指令値V*’=V*×ΔVdc’をラッチすることで得られる。
For the V-phase and W-phase output voltages Vv and Vw, the same waveform as that of the U-phase output voltage Vu is obtained as shown in FIG. 3 just by shifting the timing processed by the fixed
W相の補正電圧指令値Vw*’は、位相偏差θ’=π/3,5π/6,4π/3,11π/6のタイミングで補正電圧指令値V*’=V*×ΔVdc’をラッチすることで得られる。 W-phase correction voltage command value Vw * ′ latches correction voltage command value V * ′ = V * × ΔVdc ′ at the timing of phase deviation θ ′ = π / 3, 5π / 6, 4π / 3, 11π / 6. It is obtained by doing.
図4に、U相の出力電圧Vuを誘導性負荷に印加した時の電流波形を示す。説明を簡単にするため、この波形は出力がU相のみで構成される主回路をモデルとしている。図4は、U相の出力電圧VuとU相の出力電流IinvUと、U相の出力電流IinvUに含まれる基本波IinvU1と、2次高調波IinvU2と、4次高調波IinvU4と、を示している。 FIG. 4 shows a current waveform when the U-phase output voltage Vu is applied to the inductive load. In order to simplify the explanation, this waveform is modeled on a main circuit whose output is composed only of the U phase. FIG. 4 shows the U-phase output voltage Vu, the U-phase output current IinvU, the fundamental wave IinvU1 included in the U-phase output current IinvU, the second harmonic IinvU2, and the fourth harmonic IinvU4. Yes.
負荷を誘導性とした理由を以下に示す。
・電力変換器の出力端には高調波やノイズ流出を防ぐためのフィルタリアクトルが接続される場合が多いため。
・一般的な系統連系インバータならば、接続先のインピーダンスが小さく寄生インピーダンスもインダクタンス成分が中心であるため、負荷がリアクトルと見なせるため。
・一般的なモータ駆動インバータならば、負荷(モータ)をリアクトルと抵抗で置き換えられるため。
The reason why the load is inductive is shown below.
・ The output end of the power converter is often connected with a filter reactor to prevent harmonics and noise outflow.
・ In the case of a general grid-connected inverter, since the impedance at the connection destination is small and the parasitic impedance is centered on the inductance component, the load can be regarded as a reactor.
・ In the case of a general motor drive inverter, the load (motor) can be replaced with a reactor and a resistor.
U相の出力電流IinvUは、U相の出力電圧Vuの積分結果にほぼ比例し、U相の出力電圧Vuの零付近(位相偏差θ’=π/2、および、θ’=3π/2)において、プラス側の振幅(i1)が小さくなりマイナス側の振幅(i2)が大きいひずんだ波形となる。U相の出力電圧Vuが零付近(θ’=π/2、および、θ=3π/2の時)ならば、3レベル電力変換器の中アームのスイッチングデバイス(図7では第2,第3スイッチングデバイスS2,S3)がONする期間の割合が最も多くなり、U相の出力電流IinvUのほぼ全てが中性点NPを通過する。 The U-phase output current IinvU is substantially proportional to the integration result of the U-phase output voltage Vu, and is near zero of the U-phase output voltage Vu (phase deviation θ ′ = π / 2 and θ ′ = 3π / 2). , The positive amplitude (i1) decreases and the negative amplitude (i2) increases. If the U-phase output voltage Vu is close to zero (when θ ′ = π / 2 and θ = 3π / 2), the switching devices (in FIG. The ratio of the period during which the switching devices S2, S3) are ON is the largest, and almost all of the U-phase output current IinvU passes through the neutral point NP.
位相偏差θ’=π/2では、出力電流Iinv1がプラスなので中性点NPから電流が流れ出し(図7の矢印の向きに中性点電流INPが流れ)、第1直流コンデンサCdc1が充電、第2直流コンデンサCdc2が放電される。 At the phase deviation θ ′ = π / 2, since the output current Iinv1 is positive, the current flows out from the neutral point NP (the neutral point current INP flows in the direction of the arrow in FIG. 7), and the first DC capacitor Cdc1 is charged, 2 DC capacitor Cdc2 is discharged.
位相偏差θ’=3π/2では、U相の出力電流IinvUがマイナスなので中性点NPに電流が流れ込み(図7の矢印とは逆向きに中性点電流INPが流れ)、第1直流コンデンサCdc1が放電、第2直流コンデンサCdc2が充電される。U相の出力電流IinvUの振幅の絶対値は、位相偏差θ’=π/2における値(i1)よりもθ’=3π/2における値(i2)のほうが大きいため、θ’=3π/2における第1直流コンデンサCdc1放電・第2直流コンデンサCdc2充電による直流電圧変動量がθ’=π/2における第1直流コンデンサCdc1充電・第2直流コンデンサCdc2放電による直流電圧変動よりも上回る。 When the phase deviation θ ′ = 3π / 2, since the U-phase output current IinvU is negative, the current flows into the neutral point NP (the neutral point current INP flows in the direction opposite to the arrow in FIG. 7), and the first DC capacitor Cdc1 is discharged, and the second DC capacitor Cdc2 is charged. Since the absolute value of the amplitude of the U-phase output current IinvU is larger at the value (i2) at θ ′ = 3π / 2 than at the value (i1) at the phase deviation θ ′ = π / 2, θ ′ = 3π / 2. The DC voltage fluctuation amount due to the first DC capacitor Cdc1 discharge and the second DC capacitor Cdc2 charge at is higher than the DC voltage fluctuation due to the first DC capacitor Cdc1 charge and the second DC capacitor Cdc2 discharge at θ ′ = π / 2.
よって、図4の1周期(θ=0〜2π)では、直流電圧値VP1を小さく、直流電圧値VN1を大きくすることができ、中性点電位のアンバランス状態(VP1>VN1)を改善することができる。図4は、出力がU相のみのモデルの波形だが、図7に示す3相出力の主回路構成でもこの効果は得られる。 Therefore, in one cycle (θ = 0 to 2π) in FIG. 4, the DC voltage value VP1 can be decreased and the DC voltage value VN1 can be increased, and the neutral point potential unbalanced state (VP1> VN1) is improved. be able to. FIG. 4 shows the waveform of the model with only the U phase output, but this effect can be obtained even with the main circuit configuration of the three phase output shown in FIG.
以下、図4に示すU相の出力電流IinvUに含まれる基本波IinvU1と高調波電流について説明する。 Hereinafter, the fundamental wave IinvU1 and the harmonic current included in the U-phase output current IinvU shown in FIG. 4 will be described.
ここで、補正電圧指令値V*’を以下の(2)式とする。 Here, the correction voltage command value V * ′ is expressed by the following equation (2).
(2)式の第一項は基本波成分、第二項は歪み成分を示す。以下の(3)式に示すように、歪み成分をフーリエ級数展開する。 The first term of equation (2) represents the fundamental wave component, and the second term represents the distortion component. As shown in the following equation (3), the distortion component is expanded in the Fourier series.
U相の出力電流IinvUの正の電流ピークをi1、負の電流ピークを−i2とする。U相の出力電流IinvUの直流成分は零である。6次以降の波形は省略している。図4から以下のことが分かる。
・基本波IinvU1は位相偏差θ’=π/2においてプラス、位相偏差θ’=3π/2においてマイナスとなる。ただし、位相偏差θ’=π/2における基本波IinvU1の絶対値と位相偏差θ’=3π/2における基本波IinvU1の絶対値はともにV1/ωLで等しい。
・2次高調波IinvU2は位相偏差θ’=π/2および位相偏差θ’=3π/2において、マイナスとなる。ただし、位相偏差θ’=π/2における2次高調波IinvU2の値と位相偏差θ’=3π/2における2次高調波IinvU2の値はともに−4d/3πωLで等しい。
・4次高調波IinvU4は位相偏差θ’=π/2および位相偏差θ’=3π/2において、プラスとなる。ただし、位相偏差θ’=π/2における4次高調波IinvU4の値と位相偏差θ’=3π/2における4次高調波IiuvU4の値はともに4d/15πωLで等しい。
The positive current peak of the U-phase output current IinvU is i1, and the negative current peak is -i2. The DC component of the U-phase output current IinvU is zero. The sixth and subsequent waveforms are omitted. The following can be seen from FIG.
The fundamental wave IinvU1 is positive when the phase deviation θ ′ = π / 2, and negative when the phase deviation θ ′ = 3π / 2. However, the absolute value of the fundamental wave IinvU1 at the phase deviation θ ′ = π / 2 and the absolute value of the fundamental wave IinvU1 at the phase deviation θ ′ = 3π / 2 are both equal to V1 / ωL.
The second harmonic IinvU2 becomes negative when the phase deviation θ ′ = π / 2 and the phase deviation θ ′ = 3π / 2. However, the value of the second harmonic IinvU2 at the phase deviation θ ′ = π / 2 and the value of the second harmonic IinvU2 at the phase deviation θ ′ = 3π / 2 are both equal to −4d / 3πωL.
The fourth harmonic IinvU4 is positive when the phase deviation θ ′ = π / 2 and the phase deviation θ ′ = 3π / 2. However, the value of the fourth harmonic IinvU4 at the phase deviation θ ′ = π / 2 and the value of the fourth harmonic IiuvU4 at the phase deviation θ ′ = 3π / 2 are both equal to 4d / 15πωL.
6次以降も位相偏差θ’=π/2および位相偏差θ’=3π/2においてプラスとマイナスの値を取るが、歪み成分は2次にかかる係数(4d/3πωL)が最も大きく、2次の歪み成分(高調波電流)が出力電流に与える影響も大きい。したがって、i1−i2≒−2×4d/3πωL、つまりi1<i2となり、1周期では中性点電流INPはマイナスとなる。 The sixth and subsequent orders also take positive and negative values in the phase deviation θ ′ = π / 2 and the phase deviation θ ′ = 3π / 2, but the distortion component has the largest second-order coefficient (4d / 3πωL). The distortion component (harmonic current) has a great influence on the output current. Therefore, i1−i2≈−2 × 4d / 3πωL, that is, i1 <i2, and the neutral point current INP is negative in one cycle.
図4では、位相θ=πにおいて直流電圧偏差ΔVdc=VN1−VP1の絶対値は増加している。しかし、位相θ=2π(図4の右端)においては、位相θ=0(図4の左端)と比べて直流電圧偏差ΔVdc=VN1−VP1の絶対値は低減している。 In FIG. 4, the absolute value of the DC voltage deviation ΔVdc = VN1−VP1 increases at the phase θ = π. However, in the phase θ = 2π (the right end in FIG. 4), the absolute value of the DC voltage deviation ΔVdc = VN1−VP1 is reduced as compared to the phase θ = 0 (the left end in FIG. 4).
この制御を数周期繰り返すことによって、1周期毎に下アームの直流電圧値VN1は増加し、上アームの直流電圧値VP1は減少していくため、直流電圧偏差ΔVdc=VN1−VP1は零に収縮していき、中性点電位のアンバランス状態が改善される。 By repeating this control for several cycles, the DC voltage value VN1 of the lower arm increases and the DC voltage value VP1 of the upper arm decreases every cycle, so that the DC voltage deviation ΔVdc = VN1−VP1 contracts to zero. As a result, the unbalanced state of the neutral point potential is improved.
なお、本実施形態は、中性点をもつ3レベル電力変換器であれば、図7の構成以外に対しても適用できる。他例として、図5にT型3レベルインバータ(1相分)の回路図を示す。以下、図5に示すT型3レベルインバータについて説明する。 The present embodiment can be applied to configurations other than the configuration of FIG. 7 as long as it is a three-level power converter having a neutral point. As another example, FIG. 5 shows a circuit diagram of a T-type three-level inverter (for one phase). Hereinafter, the T-type three-level inverter shown in FIG. 5 will be described.
第1直流コンデンサCdc1と第2直流コンデンサCdc2が直列接続される。第1直流コンデンサCdc1と第2直流コンデンサCdc2の共通接続点を中性点NPとする。第1直流コンデンサCdc1の正極端と第2直流コンデンサCdc2の負極端との間に各相の第1,第2スイッチングデバイスS1,S2が順次直列接続される。 A first DC capacitor Cdc1 and a second DC capacitor Cdc2 are connected in series. A common connection point of the first DC capacitor Cdc1 and the second DC capacitor Cdc2 is defined as a neutral point NP. The first and second switching devices S1, S2 of each phase are sequentially connected in series between the positive terminal of the first DC capacitor Cdc1 and the negative terminal of the second DC capacitor Cdc2.
中性点NPと第1,第2スイッチングデバイスS1,S2の共通接続点との間に各相の第3,第4スイッチングデバイスS3,S4が順次直列接続される。第1,第2スイッチングデバイスS1,S2の共通接続点を出力端子とする。 The third and fourth switching devices S3 and S4 of each phase are sequentially connected in series between the neutral point NP and the common connection point of the first and second switching devices S1 and S2. A common connection point of the first and second switching devices S1 and S2 is an output terminal.
以上示したように、本実施形態によれば、固定パルスパターン方式を適用した3レベル電力変換器において、パルスパターンテーブルの規模を抑制しつつ、2次高調波電流を用いて中性点電位のアンバランス状態を改善することができる。 As described above, according to the present embodiment, in the three-level power converter to which the fixed pulse pattern method is applied, the neutral point potential is reduced using the second harmonic current while suppressing the scale of the pulse pattern table. Unbalanced state can be improved.
また、固定パルスパターンを用いるため、電圧指令値とキャリア三角波との比較によるゲート指令作成方法よりも、高調波電圧・電流を低減した3レベル電力変換器を実現できる。 In addition, since a fixed pulse pattern is used, a three-level power converter with reduced harmonic voltage and current can be realized as compared with a gate command generation method based on a comparison between a voltage command value and a carrier triangular wave.
さらに、パルスパターンテーブルの規模を抑制できるため、3レベル電力変換器の制御装置の低コスト化、小型化を図ることが可能となる。 Furthermore, since the scale of the pulse pattern table can be suppressed, the cost and size of the control device for the three-level power converter can be reduced.
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 Although the present invention has been described in detail only for the specific examples described above, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. Such variations and modifications are naturally within the scope of the claims.
1…dq変換部
2a,2b…減算器
3…位相振幅演算器
4…減算器
5…減算器
6…補正直流電圧偏差演算部
7…電流制御部
8…第1乗算器
9…第2乗算器
10…加算器
11…第3乗算器
12…固定パルスパターン選択部
13a〜13d…比較器
14…論理和部
15…パルスパターンテーブル
16…減算器
17…加算器
SW…スイッチ
hold…ホールド器
Cdc1,Cdc2…第1,第2直流コンデンサ
DESCRIPTION OF
Claims (6)
出力電圧の位相と出力電流に基づいて電圧指令値を出力する電流制御部と、
前記電圧指令値に基づいて、電圧振幅指令値と電圧位相指令値を出力する位相振幅演算部と、
前記第2直流コンデンサの直流電圧値と前記第1直流コンデンサの直流電圧値との直流電圧偏差にゲインを乗算する第1乗算器と、
前記出力電圧の位相と前記電圧位相指令値との位相偏差θ’が、π/6≦θ’<π/2,5π/6≦θ’<7π/6,3π/2≦θ’<11π/6のとき1を出力し、0≦θ’<π/6,π/2≦θ’<5π/6,7π/6≦θ’<3π/2,11π/6≦θ’<2πのとき−1を出力するスイッチと、
前記第1乗算器の出力と前記スイッチの出力を乗算する第2乗算器と、
前記第2乗算器の出力に1を加算し、補正直流電圧偏差を出力する加算器と、
前記電圧振幅指令値に前記補正直流電圧偏差を乗算し、補正電圧指令値を出力する第3乗算器と、
前記位相偏差θ’=0,π/2,π,3π/2の時の前記補正電圧指令値をU相の補正電圧指令値とし、前記位相偏差θ’=π/6,2π/3,7π/6,5π/3の時の前記補正電圧指令値をV相の補正電圧指令値とし、前記位相偏差θ’=π/3,5π/6,4π/3,11π/6の時の前記補正電圧指令値をW相の補正電圧指令値とし、前記U相,V相,W相の補正電圧指令値に応じたU相,V相,W相の固定パルスパターンを選択する固定パルスパターン選択部と、
を備え、選択した前記U相,V相,W相の固定パルスパターンに基づいて、各スイッチングデバイスのゲート指令を生成することを特徴とする3レベル電力変換器。 A three-phase three-level power converter having first and second DC capacitors common to each phase connected in series,
A current control unit that outputs a voltage command value based on the phase of the output voltage and the output current;
Based on the voltage command value, a phase amplitude calculation unit that outputs a voltage amplitude command value and a voltage phase command value;
A first multiplier for multiplying a DC voltage deviation between a DC voltage value of the second DC capacitor and a DC voltage value of the first DC capacitor by a gain;
The phase deviation θ ′ between the phase of the output voltage and the voltage phase command value is π / 6 ≦ θ ′ <π / 2, 5π / 6 ≦ θ ′ <7π / 6, 3π / 2 ≦ θ ′ <11π / 1 is output when 6 and 0 ≦ θ ′ <π / 6, π / 2 ≦ θ ′ <5π / 6, 7π / 6 ≦ θ ′ <3π / 2, 11π / 6 ≦ θ ′ <2π− A switch that outputs 1,
A second multiplier for multiplying the output of the first multiplier and the output of the switch;
An adder that adds 1 to the output of the second multiplier and outputs a corrected DC voltage deviation;
A third multiplier for multiplying the voltage amplitude command value by the corrected DC voltage deviation and outputting a corrected voltage command value;
The correction voltage command value when the phase deviation θ ′ = 0, π / 2, π, 3π / 2 is set as a U-phase correction voltage command value, and the phase deviation θ ′ = π / 6, 2π / 3, 7π. The correction voltage command value at / 6, 5π / 3 is set as a V-phase correction voltage command value, and the correction at the phase deviation θ ′ = π / 3, 5π / 6, 4π / 3, 11π / 6. A fixed pulse pattern selection unit that uses a voltage command value as a W-phase correction voltage command value and selects U-phase, V-phase, and W-phase fixed pulse patterns according to the U-phase, V-phase, and W-phase correction voltage command values. When,
And a gate command for each switching device is generated based on the selected U-phase, V-phase, and W-phase fixed pulse patterns.
前記第1,第2スイッチングデバイスの共通接続点と、前記第3,第4スイッチングデバイスの共通接続点と、の間に順次直列接続された各相の第1,第2ダイオードと、
を備え、前記第1,第2ダイオードの共通接続点と、前記第1,第2直流コンデンサの中性点を接続し、前記第2,第3スイッチングデバイスの共通接続点を各相の出力端子としたことを特徴とする請求項1記載の3レベル電力変換器。 First to fourth switching devices of respective phases sequentially connected in series between a positive electrode end of the first DC capacitor and a negative electrode end of the second DC capacitor;
First and second diodes of respective phases sequentially connected in series between the common connection point of the first and second switching devices and the common connection point of the third and fourth switching devices;
A common connection point of the first and second diodes and a neutral point of the first and second DC capacitors, and a common connection point of the second and third switching devices as an output terminal of each phase The three-level power converter according to claim 1, wherein
前記第1,第2直流コンデンサの中性点と前記第1,第2スイッチングデバイスの共通接続点との間に順次直列接続された各相の第3,第4スイッチングデバイスと、
を備え、前記第1,第2スイッチングデバイスの共通接続点を各相の出力端子とすることを特徴とする請求項1記載の3レベル電力変換器。 First and second switching devices of respective phases sequentially connected in series between a positive electrode end of the first DC capacitor and a negative electrode end of the second DC capacitor;
Third and fourth switching devices of respective phases sequentially connected in series between a neutral point of the first and second DC capacitors and a common connection point of the first and second switching devices;
The three-level power converter according to claim 1, wherein a common connection point of the first and second switching devices is used as an output terminal of each phase.
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