補償電流検 出特性 が アクテ ィブ フィル タの 性 能 に及 ぼす影響
* * * 吾 二
倍 英
部 田
堀 山 ● * * * 弘 男 純
勝 峰
山
泉 辻 小
I nf lue n c eo ft heCo mpe ns a t i onCur r e n tDe t e c t i o n Cha ra c t e r is t i cont heAc t i v eFi l t e rPe r f o m a n c e
b y
Ka t s u h i r oI ZUMI * , S h i n g oHORI BE* * , Mi n e oTS UJ I * Ei j i YAMADA * , J u nOYAMA*
Thi spa p e rpr e s e nt sa n i nf l ue n c eoft hec ompe ns a t i onc ur r e ntde t e c t i onc ha r a c t e r is t i cont hea c t i vef i l t e rp er f or m‑
a
nc e･ Ana c t i ve別t e ri sc omp os e dofI GBTi n v e r t e ra ndDSPc ont r o l l e r ,a ndal oa di st hec on de ns e rl nputt ypet hr e e ‑ pha s edi oder e c t i f i e r .I nt hee xpe r ime nt ,t hec ut of ff r e que nc yoft henl t e rf orde t e c t l ngt hec ompe ns a t i onc ur r e nti s c ha nge d,a ndt hei nf lue nc eoft hec ompe ns a t i one f fe c ti si n v e s t l ga t e d.Ev e ni ft hef i l t e rf orde t e c t ingt hec ompe ns a t i on c u汀e nti nt hi ss ys t e mdoe snotbeus e d, t h ehi ghe rhm oni c sa r ede c r e a s e d.
1 まえがき
電力用半導体素子の高電圧 ･大電流化 による電力変 換器容量の大容量化 ･高効率化が可能 とな り,パ ワー エ レク トロニ クス技術 に目覚 しい進歩がみ られる.そ のため,半導体電力変換装置の使用台数 ･総容量 は増 加 の一途 をた どっている. コンピュー タを使用 した高 度 な各種制御機器,情報機器 ,FA ･OA 機器 の普及 に み られるように,電力用半導体応用機器が電力系統 , 産業界,家庭 を問わず広範囲 にわたって使用 されてい る. しか し,家電製品や OA 機器の電源部 には コンデ ンサ入力形 ダイオー ド整流 回路が採用 されているため, 商用 ラインに高調波電流 を発生 させ る結果 となってい る. こうして発生す る高調波電流 は,電力用 コンデ ン サや リアク トルな どの加熱 ･焼損や異常音 の発生 な ど の高調波障害 を引 き起 こす原 因 となっている
1ト 4)高調波障害の抑制対策 としては,従来 LC フィル タ
が用い られていたが,系統 インピー ダンスの影響 によ り抑制効果が変化す る とい う欠点があったため,電力 用 アクテ ィブフィル タの研究 ･開発が行 われ,実用化 に至 っている.電力用 アクテ ィブフ ィル タには並列形 と直列形がある.現在,並列形 ア クテ ィブフィルタが 特定需要家の高調波発生源 の近傍 に多数設置 されてい る.
アクテ ィブフ ィル タの開発項 目は, インバー タ容量 の低減,高調波検 出方式 など多岐 にわたってお り, さ らには,アクテ ィブフ ィルタの多機能化の研究 もな さ れてい る5 ) .並列形 ア クテ ィブ フ ィル タにお ける高調 波検 出方式 には特定高調波の補償 に適 してい る負荷電 流検 出方式 ,特定高調波の一括補償 に適 している電源 電流検 出方式 ,不特定高調波の一括補償 に適 している 電圧検 出方式がある.ア クテ ィブフ ィル タの多機能化 には異 なる主回路構成の組合せ ( 直列形 と並列形 の組
平成 1 2 年 4 月 21 日受理
*電気電子工学科 ( De pt . ofEl e c t r iC a la ndEl e c t r oni cEngi ne e r in g)
**大学 院修士課程電気情報工学専攻 ( Gr a d ua t eSt ude n t , °e pt . ofEl e c t r i c a lEngi ne e r i nga ndComput e rSc i e n c e)
1 66 泉 勝 弘 ･堀 部 信吾 ･辻
合せ ,電流形 と電圧形の組合せ ) と既存 の機器 ･機 能 との組 合 せ ( UPSとの組 合 せ,太 陽光 発 電 との 組 合 せ,電力貯蔵 システム との組合せ)の 2 つ に大別す る こ とがで きる.直列形 と並 列形 を組み合 わせ る と,直 列形 ア クテ ィブ フィル タに よって不平衡電圧 を補償 し, 並列形 アクテ ィブ フ ィル タに よって負荷 か ら発生す る 高調波電流 を補償す る ことがで きる.太 陽光発 電や電 池等 を使用 した電力貯蔵設備 では,電力系統 と連系 し て運転 され る こ とか ら電力変換装置 に対 しては発生高 調波電流の抑 制,無効電力 の制御 等が要求 されてい る.
また, これ は本来 の電力変換機 能 に付属 させ て他 の負 荷機器 の高調波補償 も可能あ る
5).本論文で は,負荷 と して コ ンデ ンサ入力形三相 ダイ オー ド整流 回路 を, アクテ ィブ フ ィル タの主 回路 には 三相電圧形 pwM イ ンバ ー タを用 いる. この ア クテ ィ ブ フィル タが補償 電流 を負荷へ注入す る こ とに よって 系統へ流 出す る高調波電流 を抑 制す る. この制御演算 は三相 二相変換 を用 いて行 い, この ときに必 要 となる 電源位 相角 の検 出 はデ ィジ タル P LL に よって行 う.
ア クテ ィブ フ ィル タの高調波検 出 には負荷電流検 出方 式 を用 い,補償電流検 出 フ ィル タ と して Ⅰ I Rバ タワー ス形ハ イパ ス フ ィル タを用 いる.補償 電流制御 は,PI 制御 を用 いて行 っている.補償電流検 出 フ ィル タの遮 断周波数の変化 に よるアクテ ィブ フ ィル タの補償効 果 を実験 によ り検証す る. この とき,遮 断周波数 を検 出 フ ィル タ無 しに相 当す る 0Hz まで変化 させ る.
巴 L sRS l L + L J u rRr
⊂ ゝ ノ 上 しRvu CLRL
甲 宍e垂 vo K p 7 g
缶 こ 二 二 v V :J V
3 0 / 2 0 3 4 / 2 0
i L d l L qi d l q 匝 こ̲ 5] C Fl n e r
十 1 / V 血
F 【■ aU n E霊 , 2 0 / 3 4
Vd * , Vq *Vu * , VP, Vw p ' Fi g. 1 Cont mls ys t e mo fa c t i v e丘l t e r ･
2 ア クテ ィブフ ィル タ 2.1 電流制御 系
図 1に三相電圧形 pwM インバ ー タを用 い た ア クテ ィブ フ ィル タの主 回路構成 を示 す. アクテ ィブ フィル タで は電源電流 i 皿 ,i s v ,i s wを力率 1の正弦波 にす る よ うにイ ンバ ー タを制御す る.
峰男 ･山田 英二 ･小 山 純
電源 と負荷 は 3 本 の電線 に よ り接続 されてお り,そ の中点 よ り電圧 を測定 した とす る と三相 の電圧 お よび 電流 の総和 はそ れ ぞれ零 に な る. これか ら,電 圧 ( e) , 電流 ( i ) 等 の変 数 を代 表 と して f と し,三相 量 か らd‑ q 軸量へ の変換 を次式 に よ り行 う.
l f ; ] ‑r i
s i ne s i n( 0 ‑ か) s i n ( 0 4一3 t<
cose cos( O ‑ i 打 ) cos( 0‑ 言方)
圧上 竹 圧 し
( 1) 電圧形 pwM イ ンバ ー タの出力電圧 , イ ンバ ー タ出 力 電 流 を図 1の よ うに し,電 源 電 圧 をeとす れ ば次 式が成 り立 つ.
仇 払 ‰ ･ん･.a .. a & 払 & ( 2)
( 1) 式 よ り電源電圧 は d軸方向で大 きさが電源線 間電圧 の実効値 E に等 しいベ ク トル とな るの で,次 式 が得
られ る.
[三･:
] ･
I[ v d v
7 ]( 3) 有効 電 流 の指 令 値 i ,は,直流 電圧 の誤 差 に PI 演 算 を 施す こ とに よって次式か ら得 られ る.
i , ‑Ky " ‑ k･去 /( vi一帖) d t) ( 4)
したが って,補償電流検 出 フ ィル タの出力 を i ,とす る と, イ ンバ ー タ出力 指令 電流 i 'は次 式 で与 え られ る.
i ･ 淵‑ [ ね こ ふ ] ( 5)
電圧指令値 は次式 で与 え られ,電圧指令値 に相 当 した PWM パ ター ンを与 え る こ とに よって電流 制御 が実現
され る.
V ･ ‑ K" i ･ ‑i ･ 去 / ( i ･ ‑ i ) d t ) ( 6)
2.2 補償電流検 出 フ ィル タ
アクテ ィブ フ ィル タの補償電流検 出 に Ⅰ I Rバ タワー ス形ハ イパ ス フィル タを用 いる. このデ ィジタル フィ ル タは次 式 で与 え られ る遮 断周 波 数fA の アナ ロ グ フ ィル タを双 1 次 Z変換す るこ とに よって得 られ る
6).Ni 2 S2
G( S ) ‑I l I
〉､ 〉 ′ k l = l l S
2+ 2 c o s(
OA)仙 S+W孟 ここで,
e
h ‑讐 宗 打 (
A ‑1, 2 , ･ ･ ･
,N
/ 2)仙
‑ 2 打 f ^
( 7)
双 1次 Z変換 には,
S ‑
岩話 こ ( 8)
を用 い る. この I I Rフ ィル タの伝 達 関数 H( I) は次 式 の ように表す ことがで きる.
H ( I) ‑
節̲ '
ab u " Z Z I: ̲ 'a ei‑ J 2 2 ( 9) この とき,アナ ログフ ィル タの遮断周波数 とデ ィジタ ルフ ィル タの遮断周波数 には次式の関係がある
6'.wD ‑ 羊 t a n ‑
1竿 吐 o )
この ように,あるフィル タの伝達関数 はい くつかの 2 次 フィル タ形式の積 で表 され, この方法で実現 された フ ィル タの構成 を縦続 (カスケー ド)形構 成 とい う
6'.図 2に双 1次 Z変換 された Ⅰ I Rフ ィル タの縦続形構成 を示す.
2.3 電圧制御 P lゲ イン
pI ゲ イ ンの初期値 の設計 には ジー グラ ･ニ コル ス 法 を用 い る
7). これ には限界感度法 とステ ップ応答法 があるが,いずれの方法 も応答波形 の減衰比 に着 目 し, これ を 1 / 4 になる ようにチ ューニ ングす る もので あ る.
ジー グラ ･ニ コルスのステ ップ応答法 は,制御対象 を 1 次遅 れ とむだ時 間で近似 し,それか ら pI ゲ イ ンを 求め る ものである.
図 3 に電圧制御 回路 を示す.q軸電圧 は 0なので, インバ ー タの損失 をない もの と仮定す る とエ ネルギー 授受の関係 よ り
普 ‑意 R了荒 師
が成 り立つ.上式の 1 次遅れ とむだ時間 を用いて, ジ ー グラ ･ニ コルス法 に よ りpI ゲ イ ンの初期値 を求 め, 実験 によ り最適 な値 を決定す る.
2.4 電流制御ゲ イン
図 4 に電流制御 回路 を示す.電流制御 ループの伝達 関数 は次式で与 え られる.
Fi g. 2 n‑ t hI I Rnl t e r .
Fi g . 3 Ⅵ) 1 t a gec ont r o l ･
L 下 ｢ C
Fi g . 4 Cu汀e ntC Ont r Ol ･
B u sl n t e r f a c e Co Ho mp s u t t e r 短 DSP
TMS 3 2 0 C3 2 1 2 b 托8 c h D/ ACo n v e r t ○ r
1 2 b i t 8 c h
APCo n v e r t e r 絹
l P WM
Ge n e r a t o r
奇 l # L j J ≡ テ Pa r a J l e l Po r t
C( ∫)
Fi g. 5 Ac t i v ef i l t e rs ys t e ml
1 e ZT,S
