JP3602352B2 - Method for suppressing harmonic inflow of PWM current-type power converter - Google Patents

Method for suppressing harmonic inflow of PWM current-type power converter Download PDF

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    • Y02E40/40Arrangements for reducing harmonics

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明はPWM電流型電力変換器の高調波流入抑制方法に関し、特に、電力貯蔵所など電力系統に連系したときに、高調波対策に取付けられたLCフィルタのキャパシタンスの電源側のリアクタンスが系統に存在する高調波の流入を抑制するような高調波流入抑制方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図3は従来のPWM電流型電力変換器の回路図である。このようなPWM電流型電力変換器は、たとえば電力貯蔵所などにおいて、レドックスフロー電池を直流電源として、正弦波の交流電力を得るために使用される。
【0003】
図3において、PWM電流型電力変換器は、PWMインバータであって、交流側が理想的には「電圧源」として電気回路が働き、直流側が「電流源」として電気回路が働くので、その名前が付けられている。
【0004】
交流電源ACはリアクトルLを介してスイッチング回路SWに与えられる。スイッチング回路SWはPWMパルスによってスイッチングする。スイッチング回路SWの出力側には直流側を電流源IとするためにリアクトルLが接続されている。また、交流側を電圧源とするために、コンデンサCが交流側に接続されている。
【0005】
図4および図5は図3に示したPWM電流型インバータの等価回路図である。図4(a)において、PWM電流型インバータは交流側が電圧源として、直流側が電流源として表わされている。そして、図4(b)に示すように、スイッチング回路SWの上側の素子がオンすると交流への電流イコール直流電流源の電流値(方向は右から左)となる。また、スイッチング回路SWの下側の素子がオンすると、交流への電流イコール直流電流源の電流値(方向は左から右)となる。
【0006】
しかし、スイッチング回路SWの上下素子がともにオフすると、電流源の電流の行き場所がなくなり、電圧が無限大となってスイッチング素子が破壊する。また、スイッチング回路SWの上下素子がともにオンすると、交流側の電圧によって転流し、交流側が開放され、直流側が短絡状態となる。このため、スイッチング回路SWの上下素子が同時にオフすることがないように制御される。
【0007】
このように、PWM電流型電力変換器では、PWM制御によって回路の状態が平均としては交流への電流が正弦波になるように制御される。このことから、PWM電流型インバータは交流側から電流源として見ることができる。つまり、基本波では、図5(a)に示すように正弦波の電流源,低次高調波に対しては図5(b)に示すようにオープン(高インピーダンス),キャリア周波数のノイズに対しては図5(c)に示すように電流源として振る舞う。
【0008】
図6はPWM電圧型電力変換器の回路図である。図6において、PWM電圧型電力変換器は、交流側が「電流源」として働き、直流側が「電圧源」として働く。実際には、交流側を電流源とするために、リアクトルLが交流電源ACに直列接続され、直流側を電圧源とするためにコンデンサCが直流電源DCに並列接続される。さらに、スイッチング回路SWにはフリーホイールダイオードFWDが並列接続される。
【0009】
図7および図8は図6に示したPWM電圧型電力変換器の等価回路図である。図7(a)において、PWM電圧型インバータは、交流側が電流源として、直流側が電圧源として表わされている。そして、図7(a)に示すように、スイッチング回路SWの上下素子がともにオフであれば、交流への電圧=0となる。図7(b)に示すように、上側の素子がオンすると、交流への電圧イコールプラスの直流電圧源の電圧値となり、下側の素子がオンすると交流の電圧イコールマイナスの直流電圧源の電圧値となる。上下の素子がともにオンすると、電圧源が短絡状態となり電流が無限大となり、スイッチング回路SWが焼損する。また、上下素子がともにオフになると、交流側の電流によりどちらかのフリーホイールダイオードに転流する。このため、PWM制御によって回路の状態は平均としては交流への電圧が正弦波となるように制御される。
【0010】
つまりこのことから、PWM電圧型インバータは、交流側からは基本波では、図8(a)に示すように正弦波の電圧源として、低次高調波に対しては図8(b)に示すように短絡(低インピーダンス),キャリア周波数のノイズに対しては図8(c)に示すように電圧源として振る舞う。
【0011】
以上の説明の回路動作により、図3に示したPWM電流型インバータでは、原理的には、交流側にコンデンサCを並列接続し、直流側にリアクトルLを直列接続するのみでよいが、PWMのキャリア周波数付近でのノイズの流出を抑制するために、リアクトルLを交流電源ACに対して直列接続し、リアクトルLとコンデンサCとで交流LCフィルタを構成している。
【0012】
また、図6に示した電圧型インバータも同様にして、原理的には交流電源ACに対してリアクトルLを直列接続し、直流電源DCに対してコンデンサCを並列接続するのみでよいが、ノイズの流出を抑制するために、交流電源ACに対してコンデンサCを並列接続し、リアクトルLとコンデンサCとによって交流LCフィルタを構成している。
【0013】
ところで、図3に示したPWM電流型電力変換器の交流側のLCフィルタの共振周波数をどのように選定すべきであるかが問題となる。PWMのキャリア周波数のノイズの流出を抑制するためには、共振周波数f=1/(2π√(LC))がPWMのキャリア周波数fPWM より小さく選定される。すなわち、
PWM >1/(2π√(L)) …(1)
また、交流電源ACとの直列共振を回避するため、交流側周波数(たとえば50Hzまたは60Hz)fACより大きく選定される。すなわち、
PWM >1/(2π√(L))>fAC …(2)
ところで、PWMのキャリア周波数は、電力変換機能とパワーデバイスによって異なるが、たとえばGTO(ゲートターンオフサイリスタ)が使用されるならば、数100Hzに選ばれ、インシュレーテッドゲーテッドバイポーラトランジスタ(IGBT)が使用されるならば数kHzに選ばれ、MOSFETが使用されるならば数100kHzに選ばれる。交流側周波数は50Hzまたは60Hzであるので、電流型PWM電力変換器の交流LCフィルタの共振周波数は図9に示すようにそれらの中間に選ばれる。図9は、交流側から見たLCフィルタの周波数特性であり、|Z|はLCフィルタの合成インピーダンスである。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、近年のパワーエレクトロニクス機器の普及により、電力系統の電圧波形歪みが大きくなり、正弦波から離れてしまうことが多くなってきた。電力系統の電圧波形には、具体的に5次高調波,7次高調波,11次高調波,13次高調波…のように奇数倍であり、3の倍数でない次数の高調波が大きく、ひどいときには数パーセント以上含まれるようになっている現状である。これは、特に5次,7次高調波が著しい。
【0015】
先のPWM電流型インバータの低次高調波の動作等価回路で示したように、PWM電流型インバータは「高インピーダンス」として働くが、実際のインピーダンスではPWMのキャリア周波数のノイズの流出を抑制するために、LCフィルタが交流側に付加されており、その共振周波数はfACとfPWM の中間に選定されているため、結局LCフィルタの電力系統の波形歪みの5次,7次…の高調波に対する合成インピーダンスが図10に示すように比較的低くなり、電力系統からの高調波電流の流入を招くことが避けられない。
【0016】
具体的には、コンデンサCは電力変換器の定格出力を1パワーユニット(PU)とすると、PWMノイズを十分吸収する必要性から、(fAC/fPWM ×1)(PU)より十分大きい容量をもつコンデンサである必要がある。たとえばfAC=60Hz,fPWM =3kHzとすると、1×60/3000=0.02PUより十分に大きい容量が必要であり、たとえば0.1PUくらいの容量が選ばれる。
【0017】
また、リアクトルLには、交流電源(=電力系統)と電力変換器とを接続する連系トランスの漏れリアクタンス分がACリアクトルを設置しなくとも必ず存在し、5%〜15%PUの値になるので、たとえば10%PUの値とする。
【0018】
以上により、LCフィルタの第n次高調波に対する合成インピーダンスは、
J・(0.1n−10/n)より、nに5,7,11…の値を代入すればわかるが、LCフィルタの直列共振周波数と、系統の電圧歪みの高調波の周波数とは比較的近くなってしまう。
【0019】
以上のように、PWM電流型インバータは、電力系統の高調波電流の流入を招きやすい。電力系統の電圧歪みによっては「高調波抑制対策技術指針」JEAG9702−1995に示された管理値よりも大きな高調波電流の流入を招いてしまう結果となっていた。
【0020】
それゆえに、この発明の主たる目的は、交流側にLCフィルタを挿入し、共振周波数を適切に選ぶことによって、高調波の流入を抑制できるようなPWM電流型電力変換器の高調波流入抑制方法を提供することである。
【0021】
【課題を解決するための手段】
請求項1に係る発明は、交流側が電圧源として働き、直流側が電流源として働くPWM電流型電力変換器において、交流側の線間に少なくとも1つの直列LCフィルタを挿入し、交流側からPWM電流型電力変換器のLCフィルタを見たときのフィルタの直列共振周波数を2つ以上存在させ、交流側の電圧歪みの大きい高調波の次数の周波数が2つの直列共振周波数の間に存在するように選ばれる。
【0022】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の一実施形態の回路図である。図1において、電流型PWM電力変換器の交流電源AC側の線間にリアクトルLとコンデンサCとからなる直列LCフィルタが少なくとも1つ以上設けられる。それ以外の構成は図3と同じである。
【0023】
図2はこの発明の一実施形態における合成インピーダンスに対する周波数特性を示す図である。図2において、図1に示したフィルタは図2に示すようにその合成インピーダンスが変化する。図2から明らかなように、1/(2π√(L))<f<1/(π√(L))の領域では、フィルタの合成インピーダンスを高く保つことができる。この状態は、リアクトルLとコンデンサCからなる直列LCフィルタと、リアクトルLとコンデンサCとからなるLCフィルタが並列共振している(反共振している)状態であり、電力変換器が高調波電流を流出している場合には、高周波対策として絶対避けなければならないとされているが、PWM電流型電力変換器では、低次の高調波電流は先の誘導で流入であること示すことができたので、常識には反するが、反共振(=並列共振)によって5次,7次といった低次の高調波電圧に対してのフィルタの合成インピーダンスを高くすることができ、流入の抑制を達成できる。
【0024】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【0025】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、PWM電流型電力変換器の交流側の線間に少なくとも1つの直列LCフィルタを挿入し、交流側からLCフィルタを見たときのフィルタの直列共振周波数を2つ以上存在させ、交流側の電圧歪みの大きい高調波の次数の周波数を2つの直列共振周波数の間に存在させることによって、フィルタの合成インピーダンスを高くすることができ、高調波電圧の流入を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施形態を示す電気回路図である。
【図2】この発明の一実施形態における合成インピーダンスにおける周波数特性を示す図である。
【図3】従来のPWM電流型電力変換器の回路図である。
【図4】図3に示したPWM電流型インバータの等価回路図である。
【図5】図3に示したPWM電流型電力変換器の基本波と低次高調波とキャリア周波数に対する等価回路図である。
【図6】PWM電圧型電力変換器の回路図である。
【図7】図6に示したPWM電圧型電力変換器の等価回路図である。
【図8】基本波と低次高調波とキャリア周波数におけるPWM電圧型インバータの等価回路図である。
【図9】交流側から見たLCフィルタのインピーダンス対周波数特性を示す図である。
【図10】5次,7次…の高調波に対する合成インピーダンスと周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
AC 交流電源
SW スイッチング回路
,L,Lリアクトル
,C コンデンサ
電流源
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for suppressing harmonic inflow of a PWM current type power converter, and in particular, when connected to an electric power system such as a power storage, the reactance on the power supply side of the capacitance of an LC filter attached for harmonic measures is reduced. The present invention relates to a harmonic inflow suppression method for suppressing the inflow of harmonics existing in the above.
[0002]
[Prior art]
FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional PWM current type power converter. Such a PWM current-type power converter is used, for example, in a power storage or the like to obtain a sine wave AC power using a redox flow battery as a DC power supply.
[0003]
In FIG. 3, the PWM current type power converter is a PWM inverter, and the electric circuit works as a “voltage source” on the AC side ideally and the electric circuit works as the “current source” on the DC side. It is attached.
[0004]
AC power source AC is supplied to the switching circuit SW through the reactor L f. The switching circuit SW switches according to the PWM pulse. The output side of the switching circuit SW is a reactor L d is connected to a current source I G the DC side. In order to use the AC side as a voltage source, a capacitor Cf is connected to the AC side.
[0005]
4 and 5 are equivalent circuit diagrams of the PWM current type inverter shown in FIG. In FIG. 4A, in the PWM current type inverter, the AC side is represented as a voltage source and the DC side is represented as a current source. Then, as shown in FIG. 4 (b), when the upper element of the switching circuit SW is turned on, the current becomes equal to the alternating current (the direction is from right to left). When the lower element of the switching circuit SW is turned on, the current value of the DC current source is equal to AC (the direction is from left to right).
[0006]
However, when both the upper and lower elements of the switching circuit SW are turned off, there is no place for the current of the current source to go, the voltage becomes infinite, and the switching element is destroyed. When both the upper and lower elements of the switching circuit SW are turned on, commutation occurs due to the voltage on the AC side, the AC side is opened, and the DC side is short-circuited. Therefore, control is performed so that the upper and lower elements of the switching circuit SW are not turned off at the same time.
[0007]
Thus, in the PWM current type power converter, the state of the circuit is controlled by the PWM control so that the current to the alternating current becomes a sine wave on average. From this, the PWM current-type inverter can be viewed as a current source from the AC side. In other words, the fundamental wave has a sine wave current source as shown in FIG. 5 (a), and has an open (high impedance) as shown in FIG. As a result, it behaves as a current source as shown in FIG.
[0008]
FIG. 6 is a circuit diagram of the PWM voltage type power converter. 6, in the PWM voltage type power converter, the AC side works as a “current source” and the DC side works as a “voltage source”. In practice, in order to the AC side current source, reactor L f is serially connected to the AC power source AC, capacitor C d is connected in parallel to the DC power source to a voltage source DC side. Further, a freewheel diode FWD is connected in parallel to the switching circuit SW.
[0009]
7 and 8 are equivalent circuit diagrams of the PWM voltage type power converter shown in FIG. In FIG. 7A, in the PWM voltage type inverter, the AC side is represented as a current source, and the DC side is represented as a voltage source. Then, as shown in FIG. 7A, if both the upper and lower elements of the switching circuit SW are off, the AC voltage becomes zero. As shown in FIG. 7 (b), when the upper element is turned on, the voltage value of the DC voltage source is equal to the voltage of AC plus, and when the lower element is turned on, the voltage of the AC voltage is equal to minus the voltage of the DC voltage source. Value. When both the upper and lower elements are turned on, the voltage source is short-circuited, the current becomes infinite, and the switching circuit SW burns. When both the upper and lower elements are turned off, the current on the AC side commutates to one of the freewheeling diodes. For this reason, the state of the circuit is controlled by the PWM control so that the voltage to the alternating current becomes a sine wave on average.
[0010]
That is, from this, the PWM voltage-type inverter uses a sine wave voltage source as shown in FIG. 8A for the fundamental wave from the AC side, and shows a low-order harmonic wave as shown in FIG. 8B for the fundamental wave. As shown in FIG. 8C, it acts as a voltage source against short-circuit (low impedance) and noise at the carrier frequency.
[0011]
The circuit operation in the above description, the PWM current-type inverter shown in FIG. 3, in principle, a capacitor C f connected in parallel to the AC side, or is only connected in series reactor L d to the DC side, in order to suppress the outflow of noise in the vicinity PWM carrier frequency, connected in series the reactors L f to the AC power source AC, constitute an AC LC filter and reactor L d and a capacitor C f.
[0012]
In the same manner the voltage-type inverter shown in FIG. 6, in principle, a reactor L f are connected in series to the AC power source AC, may but only connected in parallel a capacitor C d with respect to the DC power source , in order to suppress the outflow of noise, connected in parallel with capacitor C f to the AC power source AC, constitute an AC LC filter by the reactor L f and capacitor C f.
[0013]
However, how to select the resonance frequency of the LC filter on the AC side of the PWM current-type power converter shown in FIG. 3 becomes a problem. In order to suppress outflow of noise at the carrier frequency of PWM, the resonance frequency f = 1 / (2π√ (LC)) is selected to be smaller than the carrier frequency f PWM of PWM . That is,
f PWM > 1 / (2π√ (L f C f )) (1)
Further, in order to avoid a series resonance with the AC power source AC, it is selected AC side frequency (e.g. 50Hz or 60Hz) greater than f AC. That is,
f PWM > 1 / (2π√ (L f C f ))> f AC (2)
By the way, the carrier frequency of the PWM varies depending on the power conversion function and the power device. For example, if a GTO (gate turn-off thyristor) is used, it is selected to be several hundred Hz, and an insulated gated bipolar transistor (IGBT) is used. If the MOSFET is used, it is selected to be several hundred kHz. Since the AC side frequency is 50 Hz or 60 Hz, the resonance frequency of the AC LC filter of the current-type PWM power converter is selected between those as shown in FIG. FIG. 9 shows the frequency characteristics of the LC filter as viewed from the AC side, and | Z | is the combined impedance of the LC filter.
[0014]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, with the spread of power electronics equipment in recent years, the voltage waveform distortion of a power system has increased, and the power system has often been separated from a sine wave. Specifically, the voltage waveform of the power system has odd harmonics such as the fifth harmonic, the seventh harmonic, the eleventh harmonic, the thirteenth harmonic, and so on. In the worst case, it is more than a few percent. This is particularly noticeable in the fifth and seventh harmonics.
[0015]
As shown in the operation equivalent circuit of the lower harmonics of the PWM current-type inverter, the PWM current-type inverter acts as “high impedance”, but in actual impedance, it suppresses the outflow of noise at the PWM carrier frequency. Since an LC filter is added to the AC side and its resonance frequency is selected between f AC and f PWM , the fifth, seventh,... Harmonics of the waveform distortion of the power system of the LC filter are eventually obtained. As shown in FIG. 10, the combined impedance becomes relatively low, and it is inevitable that harmonic current flows from the power system.
[0016]
Specifically, when the capacitor C f to the rated output of the power converter and 1 power unit (PU), the need to sufficiently absorb the PWM noise, (f AC / f PWM × 1) (PU) sufficiently larger than the capacity It must be a capacitor with For example, if f AC = 60 Hz and f PWM = 3 kHz, a capacity sufficiently larger than 1 × 60/3000 = 0.02 PU is required. For example, a capacity of about 0.1 PU is selected.
[0017]
In addition, the reactor L f, AC power (= power system) and the leakage reactance of the interconnection transformer component for connecting the power converter is always present without installing an AC reactor, the value of 5% to 15% PU Therefore, for example, a value of 10% PU is set.
[0018]
As described above, the combined impedance of the LC filter with respect to the n-th harmonic is
From J · (0.1n−10 / n), it can be understood by substituting the values of 5, 7, 11,... Into n. Compare the series resonance frequency of the LC filter with the frequency of the harmonic of the voltage distortion of the system. It will be close to the target.
[0019]
As described above, the PWM current-type inverter is likely to cause inflow of harmonic current in the power system. Depending on the voltage distortion of the power system, a higher harmonic current than the control value indicated in “Technical Guideline for Harmonic Suppression Measures” JEAG9702-1995 was caused.
[0020]
Therefore, a main object of the present invention is to provide a method for suppressing harmonic inflow of a PWM current type power converter that can suppress inflow of harmonics by inserting an LC filter on the AC side and appropriately selecting a resonance frequency. To provide.
[0021]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 is a PWM current type power converter in which the AC side functions as a voltage source and the DC side functions as a current source. In the PWM current type power converter, at least one series LC filter is inserted between the lines on the AC side, and the PWM current is supplied from the AC side. There are two or more series resonance frequencies of the filter when looking at the LC filter of the power converter, so that the frequency of the order of the harmonic having a large voltage distortion on the AC side exists between the two series resonance frequencies. To be elected.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIG. 1 is a circuit diagram of one embodiment of the present invention. In Figure 1, a series LC filter consisting of reactor L 1 and capacitor C 1 Tokyo between lines of the AC power supply AC side current type PWM power converter is provided at least one. Other configurations are the same as those in FIG.
[0023]
FIG. 2 is a diagram showing a frequency characteristic with respect to a combined impedance in one embodiment of the present invention. 2, filter shown in FIG. 1 is the total impedance is changed as shown in FIG. As apparent from FIG. 2, 1 / (2π√ (L 1 C 1)) < In the region f <1 / (2 π√ ( L f C f)), it can be kept high combined impedance of the filter . This state is a series LC filter consisting of reactor L 1 and capacitor C 1 Tokyo, LC filter consisting of a reactor L f and capacitor C f is (are anti-resonance) is a parallel resonance state and the power conversion If the current is flowing out of the harmonic current, it must be avoided as a measure against high frequency. However, in the PWM current type power converter, the lower harmonic current flows in by the previous induction. since it could be shown that, although contrary to common sense, the fifth order by the anti-resonance (= parallel resonance), it is possible to increase the combined impedance of the filter against the low order harmonic voltage such seventh order, Inflow suppression can be achieved.
[0024]
The embodiments disclosed this time are to be considered in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
[0025]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, at least one series LC filter is inserted between the lines on the AC side of the PWM current type power converter, and the series resonance frequency of the filter when the LC filter is viewed from the AC side is reduced. By providing two or more, and having a frequency of the order of a harmonic having a large voltage distortion on the AC side between the two series resonance frequencies, the combined impedance of the filter can be increased, and the inflow of the harmonic voltage can be reduced. Can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an electric circuit diagram showing an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a diagram illustrating a frequency characteristic of a combined impedance according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional PWM current type power converter.
4 is an equivalent circuit diagram of the PWM current type inverter shown in FIG.
FIG. 5 is an equivalent circuit diagram of the PWM current-type power converter shown in FIG. 3 with respect to a fundamental wave, lower harmonics, and a carrier frequency.
FIG. 6 is a circuit diagram of a PWM voltage type power converter.
FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the PWM voltage type power converter shown in FIG.
FIG. 8 is an equivalent circuit diagram of a PWM voltage type inverter at a fundamental wave, a lower harmonic, and a carrier frequency.
FIG. 9 is a diagram illustrating impedance versus frequency characteristics of the LC filter as viewed from the AC side.
FIG. 10 is a diagram showing a combined impedance and frequency characteristics for fifth, seventh,...
[Explanation of symbols]
AC AC power supply SW Switching circuits L 1 , L f , L d reactor C 1 , C f capacitor IG current source

Claims (1)

交流側が電圧源として働き、直流側が電流源として働くPWM電流型電力変換器において、
前記交流側の線間に少なくとも1つの直列LCフィルタを挿入し、前記交流側から前記PWM電流型電力変換器のLCフィルタを見たときのフィルタの直列共振周波数を2つ以上存在させ、
前記交流側の電圧歪みの大きい高調波の次数の周波数が前記2つの直列共振周波数の間に存在するようにしたことを特徴とする、PWM電流型電力変換器の高調波流入抑制方法。
In a PWM current-type power converter in which the AC side works as a voltage source and the DC side works as a current source,
At least one series LC filter is inserted between the lines on the AC side, and two or more series resonance frequencies of the filter when the LC filter of the PWM current type power converter is viewed from the AC side are present;
A harmonic inflow suppression method for a PWM current-type power converter, wherein a frequency of a harmonic having a large voltage distortion on the AC side is present between the two series resonance frequencies.
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