CompensationPerfomanceofActiveFilterSystemwithLCHmonicFilter LC

LC フ ィル タ併 用 ア クテ ィブ フ ィル タの補償 特性

* * * 吾 二

信 英

部 田

堀 山

* * * 弘 男 純

勝 峰

山

泉 辻 小

Co mpe ns a t i o nPe r f o m a n c eo fAc t i v eFi l t e rSys t e m wi t hLCHm o ni cFi l t e r

by

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 erpr e s e nt sac omp ens a t i onpe r f or ma nc eofa c t i v ef i l t e rs ys t e m wi t hLCha r moni cf i l t e r . Thee xpe r ime nt a l s ys t e m i sc ompos e dofDSPc on t r ol l e r ,I GBTi n ve r t e r ,t hr e e ‑ pha s eLCf i l t e ra ndac o nde ns e rI n putt yPet hr e e ‑ pha s edi ‑ odebr idger e c t i f l e r ･ I nt hee xpe r ime nt ,V a lue soft her e a c t orf orLCf l l t e ra r ef ix e d,a ndc onde ns e r soft he s ea rea d j us t e d.

Thec o mp ens a t i one f f e c to fLCf i l t e ra nda na c t i v ef i l t e rwi t hLCf i l t e ra rec onf i r me dbyt hee xp er ime nt

1 まえがき

近年 の電力用半導体 の進歩 に よって,パ ワーエ レク トロニ クス機器 の大容量化,高効率化が可能 とな り, 各種 産業及 び家電 ･汎用 品分野 に多種多様 な電力変換 装置が普及 した. しか し,電力用半導体 が適用 された 機器 に制御性 や利便性 を与 えた反面 ,パ ワーエ レク ト ロニ クス機器の発 生す る高調波電流が送配電系統へ流 出 している. これ らの高調波電流 は,電力用 コンデ ン サや リアク トル な どに加熱焼損 や異常音 を発生 させ, 高調波障害 を引 き起 こ している

ト

この系統 に流 出す る高調波 の発生量 を抑制す るため に,高調波発生源 の近傍 に LCフ ィル タや電力用 ア ク テ ィブ フ ィル タを設置す る方法 が あ る4 ) .その他 に, 高調波発生源であ る機器 の主 回路構成 や制御法 を改善 す る方法 もあ る.

これ までの送配電系統 の高調波対 策 は LCフ ィル タ の設置 が主流 であ った.LCフ ィル タは リア ク トル と コンデ ンサ を組 み合 わせ た構成 で,商用周波数の波形 ひず み を改善 す る方法 であ る. しか し ,LC フ ィル タ は,系統 イ ンピー ダンスの影響 を受 け,系統 との間に

反共振 が存在 し,上位系統 か らの高調波電流が流入す るな どの短所が ある.近年 ,高調波電流抑制 のため に 多 く利用 されている電力用 ア クテ ィブフ ィル タは,装 置容量 が補償対象の 1 0% 程度ですみ,多数の高調波発 生源 を一括 して補償す るこ とがで きる. しか し,パ ワ ーエ レク トロニ クス技術 の進歩 につれ, ア クテ ィブ フ ィル タに大容量 で高速電流応答 が求め られてい る. し か し, ア クテ ィブフ ィル タは効率 ,価格 に問題 があ り 大容量化 は困難 で あ った. この ため,LC フ ィル タ と ア クテ ィブフ ィル タ両者 の問題 となる部分 を解決す る 手段 と して,LC フ ィル タとア クテ ィブ フ ィル タを併 用す る方式があ る. これに よ り,両者 の間で高調波電 流 の補償 を分担 し, インバ ー タの装置容量の低 減や性 能の補完がで きる.

本論文 では,高調波発生源 として, コ ンデ ンサ入力 形 三相 ダイオー ドブ リッジ整流 回路 を用 いる.実験 で は,LC フ ィル タの リア ク トクル を固定 しコ ンデ ンサ の容量 を変化 させ るこ とに よ り,最適 な値 を求め, こ の補償効果 を検証す る. また,三相電圧形 pwM イ ン バ ー タを主回路 とす るアクテ ィブ フ ィル タを系統 と並

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 cEng in e e r ing)

**大学 院修士 課程電気情 報工学専 攻 ( Gr a dua t eSt ud e nt , De pt . ofEl e c t r iC a lEngi ne e r inga ndComput e rSc i e nc e)

1 7 2 泉 勝弘 ･堀部 信吾 ･辻

列 に接 続 し ,LCフィル タ と併 用 した場 合 の補償効 果 について も実験 によ り検証す る.

2 LC フ ィル タ併 用 ア クテ ィブフ ィル タ 2.1 LC フ ィル タの構成

図 1に LCフ ィル タ と負 荷 回路 を示 し,図 2 に LC フ ィル タの構 成 を示す.LCフ ィル タは,同園 の よ う に電源 に対 してデル タ結線 と し, 5 次 , 7 次 の同調 フ ィル タ と 1 1 次 以降のハ イパ ス フィル タで構成す る. こ れ は負荷 回路 か ら発生す る高調波電流 は 5 次が最 も多

く,次 に 7 次 ,1 1 次 の順 になってい るか らであ る. こ のハ イパ ス フ ィル タの並列抵抗 は高す ぎる とただの 1 1 次 の同調 フ ィル タになって しまい,低す ぎる とコ ンデ

ンサのみ と同 じになる.

図 3 は アクテ ィブフ ィル タを考慮 した等価 回路 であ る.同図で,負荷 回路 は高調波 の電流源 と し ,Z は整

Fi g. 2 LCf i l t e rf ort hec omp ens a t i on.

‑ I ‑ I ‑ ? ; = ‑ ̲ ‑ ̲ ≡

Fi g . 3 Equi v a le n tc i r c ui tofAFwi t hLCf il t e r .

峰男 ･山田 英二 ･小 山 純

流 器 リア ク トル ,Zs は系 統 イ ン ピー ダ ンス ,ZA は ア クテ ィブ フ ィル タであ る. Z F 5 ,Z f 7 ,Z J bをそ れ ぞ れ フ ィル タの各 イ ンピー ダンス とお くと,

Z/ 5‑ 去 .j wLb･ n

zf 7‑去 +, ' wL7 ･ r 7

品

‑去 十 悪 霊 豊

Zs‑j wL ^{e+ YT s} ZA‑1 ' wLA+r A

ここで,LC フ ィル タの合成 イ ンピー ダンス を

Z f ‑ Z / 5 Zr 7 ZJ h Z f 5 Z F 7 +Z n Z J h + ZJ b Zf 5 とすれ ば,

ZF ZA A

I ･ =Z, Z^I/ z T z T+ zz,I L

( 1 )

( 2)

( 3 ) ( 4) ( 5)

( 6)

( 7)

とな る. h は 1 1 次 で あ るか ら,LC フ ィル タの 共振 条 件

√ 訂己 ‑1/( na b)

ここで ,n‑5 ,7, ･ 1 1,仙 ‑2 7 T f o( 系統 の周波数) とフ ィル タの特性 イ ンピー ダンス

Z. ‑ 〜 / 7 万百

よ り, フ ィル タの L,Cは次式 となる.

L‑ 2L/( n仙 )

C ･ ‑1 / ( n 肋2 L)

( 8)

2.2 併用系の構成

図 4 にLC フ ィル タ併用 アクテ ィブ フ ィル タの制御 系 を示す.同図の LCフ ィル タは図 2 の構 成 で あ り, ア クテ ィブ フィル タと共 に負荷 ( 高調波発生源) に並 列接続 してい る. アクテ ィブフ ィル タの出力電流 は, イ ンバ ー タの 出力 電 圧 v u , vv ,

と電 源 電 圧 の差 が イ ンバ ー タリア ク トル に印加 され る こ とに よ り流 れ る.

このため, コンデ ンサ電圧

d

と負荷 電流 I L , ,I L w を検

出 し,補償電 流 I v , I wの指令値 を求 めて, イ ンバ ー タ

の出力電圧 を決定 してい る. また,電源位相 との同期

を とるた め に,電 源 電圧 か らデ ィジ タル PLLに よ り

電源位相角 βを求めている.本制御系 では この βを用

い て,補償 電流 ,負荷 電流 を三相 量 か ら dq 二相 量 に

変換 してい る

7

.従 来 の ア クテ ィブ フ ィル タで は負

荷電流 をフ ィル タに通す ことに よって補償 すべ き電流

を求 めてい るが ) ,本 システムで は この フ ィル タを用

い ない構成 に している. この ため, コ ンデ ンサ電圧 を

一定 に保 つ ため の PI 制御 の操 作 量 を,二相 変換 した

負荷電流 と加算 す るこ とで,補償電流検 出 と同等 の機

能 を果 している. この加算値 の イ ンバ ー タ出力電流指

令値 とインバ ー タ電流 か らpI 制御演算 に よ りイ ンバ ー タ電圧指令値 を求 め,pwM パ ター ンを I GBTに与 えることによってアクテ ィブフィル タの制御 を行 って い る.

Fi g . 4 Co nt r ols ys t e mo fAFwi t hLCf i l t e r .

Bu sl n t e r f ac e[ .二 田 院

TM芸 E l 2 b i t 8 c c, h 2Z

D/ ACowe r t e r I ｢ ロ ∃亘 二 ]

1 2 b i L 8 c h APCo n v e r t e r

l P WM

Ge n e r a t o r ^#

/ ′ 二 二

Fi g. 5 Expe r ime n t a ls ys t e mofAFwi t hLCf il t e r .

Ta bl e1 Ci r c ui tc ons t a nt s . Suppl yv ol t a ge 1 00V Li ner e a c t or 0.1 mH I n v e r t , e rr e a c t or 1. O mH Re c t i f i e rr e a c t or 1. OmH

Ta bl e2 LCf i l t e rp

a m e t e rbyc a l c ul a t i o n.

5t h 7t h l l t h Re a c t o r [ mH] 1 5. 91 5 l l. 36 8 7. 2 34

Ta bl e3 Re a c t orv a l u e sofLCf i l t e r .

UV VW WU

5t h 【 mH】 1 5. 93 0 1 5. 890 1 5. 91 5 7t h 【 mH】 l l. 343 l l. 409 l l. 39 8

3 実験 3.1 実験装置

図 5に実験装置 を示す. この システ ムで は LEM モ ジュールによ り,負荷電流,ア クテ ィブ フィル タ電流, コンデ ンサ電圧 を検 出 している.電源の位相情報 は線 間電圧 を トランスによ り絶縁 して検 出 している. これ らの信号 は A m)コンバ ー タによ りDSP( TMS32 0C32) に取込 まれ る. さらに, これは内部状態量 を出力す る D/ A コンバ ー タお よび pwM 発生回路 を持 ってい る.

また,制御 は DSPボー ドで行 う.パ ソコ ンは DSPボ ー ドへ の制御 プ ロ グラムの ダウ ンロー ド ,DSPの コ ン トロール,制御指令 の入力,制御 ゲ インの変更,状 態表 示等 を担 当す る.DSPは制御 用 周辺 回路 の初期 化,パ ソコンとの通信 ,制御演算, インバー タの制御 を担 当す る.本 システムの PWM 発生 はデ ィジ タル回 路 による三角波比較形 である. この回路定数 を表 1に 示す.

負荷 としての三相整流 回路 の直流側 には2 20 V,1 0 0 W の電球 を 20 個使 用 してい る. この負 荷 に交流線 間 電圧 1 00V を印加 した とき,交流側 電流 の基本波実効 値 は5. 7 4A となるか ら,三相整流 回路 の基本波等価 イ ンピー ダンスは1 0.1 r ユとなる.LC フ ィル タが系統 に 接続 され た とき,LC フ ィル タの特性 イ ンピー ダ ンス が負荷の等価 インピー ダンス よ り低 い と基本波無効分

‑ の影響が大 きくなって しまう. このため,両者 は同 じ値 くらいが 良い と思 われ る

. これ に よ り,三相 デ ル タ結線 の LCフ ィル タの特性 イ ンピー ダンス を 300 と した. この LCフ ィル タ値 は表 2 にな り ,R

‑3 30 と した.

3.2 実験結果

LC フ ィル タの リア ク トルには フェライ トコア を用 いている. フェライ トコアは高周波用 に優 れ,高透磁 率,低損失ではあるが,温度 によ り特性が変わ りやす く,飽和磁束密度が低いため,磁路 に 4mのギ ャップ を入れてい る. この値 を表 3 に示 し,計算値 にか な り 近い もの となっている.

LCフ ィル タの補償効果 を実験 に よ り検討す るため

1 7 4 泉 勝弘 ･堀部 信吾 ･辻

に C 5 とC7 以外 を前 記 の値 に保 ち,c S は1 6. 0 0岬 か ら 1 7. 7 0岬 ま で0. 05 pF 刻 み で 変 化 させ,C7 は11. 40I I F か ら 1 2. 60P まで0. 05 pF 刻 み で変化 させ て実験 を行 った. この結果 を図 6 か ら図 9に示 す.同図 は LCフ ィル タのみの 5 次, 7 次 ,1 1 次,1 3 次の電流 スペ ク ト ルである.同様 に図 1 0に LCフィル タのみの総合 ひず み率 を示す.

ll 1 6

Fi g. 6 5t hor de rha m oni cw it hLCnl t e r ･

ll 1 6

Fi g. 7 7山or d e rha m oni cwi 血LC丘l t e r ･

ll 1 6

Fi g. 8 llt hor de rha r moni cwi t h LCf i l t e r ･

峰男 ･山田 英二 ･小山 純

ll 1 6

Fi g. 9 1 3t ho r de rha rmoni cwi t hLCf i l t e r .

ll 1 6

Fi g. 1 0 To t a lha m o ni cdi s t or t i onwi t hLCf i l t e r ･ 図 6, 7 よ りC7 ‑ l l. 7 pFの ときよ く補償 されてい るが,非常 にシャープであ り,温度 によるコンデ ンサ 値等の変化 を考慮す る と, この点 に合わせ るのは困難 である.同様 に図 8 ではあ ま り変化がみ られず,図 9 で は C7 ‑ l l. 7 岬 の とき悪化 してい る.図1 0 で は C5 ‑ 1 6. 5 5 pF,C7 ‑ l l. 7 pF の ときが もっ とも総合 ひずみ率 が改善 されていることがわかる.

LCフ ィル タ併用 ア クテ ィブフ ィル タの実験結果 を 図1 1か ら図1 4 に示す.同図 もLC フィル タのみ と同様 に 5 次 と 7 次の コンデ ンサの値 を変化 させた ときの 5 吹 , 7 次,1 1 次,1 3 次の電流 スペ ク トル を示す. この

ときのアクテ ィブフィル タの電流制御 と電圧制御 のゲ イ ンを表 3 に示す.同様 に図1 5 に総合 ひずみ率 を示す.

図1 1よ り5次 の高調波 は C5 が小 さ くなれ ば よ く補 償 され てい て,約1 6. 5 岬 で最 少 にな ってい る.C7 の 影響 はほ とん ど見 られない.

図1 2 よ り 7 次 の高 調波 は C

が小 さ くなれ ば よ く補 償 され てい て,約1 1 . 6岬 で最 少 にな ってい る.C 5 の 影響 はほ とん ど見 られない.

図1 3 よ り 1 1 次 の 高 調 波 は C5 ‑1 7. 0‑1 7. 2 岬 ,C

‑

Ta bl e3 Cont r olga l nS .

Pr opor t i ona l Ⅰ nt e gr a lt i me ga i n c o ns t a nt Cur r e ntc ont r ol 9.1 0. ( X) 1

ll 1 6

Fi g. ll 5t ho r de rha rmon i cwi t hLCf i l t e ra ndAF.

ll 1 6

Fi g･ 1 2 7t ho r de rha rmoni cwi t hLCf i l t e ra r L dA F･

R 25

40

甜 13

N l

ll 1 6

Fi g. 1 3 1 1t hor de rha r moni cw it hLCf i l t e ra ndA F.

ll 1 6

Fi g. 1 4 13 t hor de rha rmon i cwi t hLCf i l t e ra ndAF .

l l 1 6

Fi g. 1 5 Tot a lha r mo ni cdi s t or t i onwi t hLCf i l t e ra ndA F.

1 2.1 5‑1 2. 叫 Fの とき補償効果が よい ことがわか る.

図1 4 よ り ､ 1 3 次の高調波 は左右 にい くほ ど低下 してい る.

図1 5 よ り総合 ひずみ率 は C5 ‑1 6. 90L I F,C7 ‑l l. 60pF で最少 になってい る.

図1 6 は LC フ ィル タ併用 ア クテ ィブ フ ィル タの実験 で もっ とも総合 ひず み率 が小 さか った C5 ‑1 6. 9 0pF , C7 ‑l l. 60pFときの波形 であ る.同図上 か ら電源位相 角 O ,LC フ ィル タを含 む負 荷電 流 i L u ,補 償 電 流 i 〟 , 電源電流 i ｡ 〟であ る.同図 よ りLC フ ィル タのみの電流 波形 よ り,電源電流波形 が正弦波 となってお り, ア ク テ ィブ フ ィル タに よ り補償 されてい る ことがわか る.

図1 7 は図1 6 の電流 スペ ク トルであ る.同図( a) は負荷 電流 スペ ク トルであ り ,( b) は電源電流 スペ ク トルであ

る.同図か ら 5次 , 7次 ,11次 が補償 されてい る.

1 7 6

B)旦 et○≦ 5 0 tbO 50 50 5 0Lr) 5 0 LJ)0 LhO 55 0 5050 5 ‑1 11 ■11 1 1 l1 11 1 一1 1

泉 勝弘 ･堀部 信吾 ･辻

0 0. 005 0 . 0 1 0. 01 5 0. 02 0. 025 0. 03 Tl sec]

F i g . 16 Exper iment a lwavef or mswi t h LC nl t era n d

active 丘Iter.

1

仰 ■ ● l ︻p 7 M Jr Ⅶ 甜 E i 掛 l l ■ l

b p] p r 0

1 0 0 0

0 200 400 600 f 【 H≠ 】 ( b) s our c e.

Fi g. 1 7 Po we rs pe c t r a .

800 1 000

峰男 ･山田 英二 ･小 山 純

4 あとが 善

本論文 で は,LC フ ィル タのみ と LCフ ィル タ併 用 アクテ ィブフィル タの補償効果 を実験 によ り検証 した.

この とき,実験装置 の関係 で,Lを固定 し ,Cを変化 させ て実験 を行 った.LCフ ィル タのみで は,共振 に よる最少点が存在す るが,その ときの コンデ ンサ値 は 計算値 とは異 なった値 であった. また,その点 は非常 に シャープであ り,調整す るのが困難 であ る.LCフ ィル タ併用 アクテ ィブフィル タでは,最少点の近傍が フラ ッ トであ り,有効 に補償が可能である.実験波形 か ら ,LCフ ィル タのみ に比較 して電源電流 が正弦波 に近 くなっている. これによ り,本 システムの補償効 果 を示 した.

参考文献

1)D. An dr e ws ,M. T.Bi s hop,a ndJ . F.Wi t t e," Ha r moni c Me a s ur e me nt s , Ana l ys i s ,a ndPowe rFa c t o rCo r r e c t i oni n aMode m St e elMa nuf a c t ur ingFa c i l i t y" ,I EEETr a ms .I n °.

Appl i c a t ･ , v ol ･ I A‑ 32,no l 3, ppl 61 7‑ 62 4,Ma y1 996.' 2)J . W.Gr a ya ndF.J .Ha y doc k," I nd us t r ia lPowe rQua l‑

1 t y Cons i de r a t ionsW h e n I ns t a ll i n g Ad j us t a b) e Sp ee d Dr i v eSys t e ms " ,I EEETr a ms .I nd.Appl i c a t . ,γ ol .I A‑ 32 , no . 3, pp. 6 46‑ 652, Ma y1 996.

3)T.S.Ke ya ndJ . L a i ," Cos t sa ndBe ne f l t SOfHa r moni c Cur r e ntRe duc t i onf orSwi t c h‑ ModePo we rSuppl i e si na Comme r c i a l O f r l C eBui l di ng" , I EEETr a ns .I nd. Appl i c a t . , v ol . I A‑ 32,no. 5, pp. 1 01 7‑ 1 025,Se p t . 1 996.

4) アクテ ィブフィル タ機能 を有する高性能電力変換 システム調査専 門委貞会 : ｢アクテ ィブフィル タ機 能 を有 す る電力変換 回路 とシステム｣,電気 学 会技 術報告 第6 43 号, ( 1 997)

5 )水木 : ｢ 最近の ア クテ ィブ フ ィル タ技術｣,平 成 8 年電気学会全国大会,S.1 4‑ 3

6 )川端 ･中村 ･萩原 ･水木 : ｢アクテ ィブフィル タ 制御方式 の検討 と高調波抑制検 証｣,平 成 7 年電気 学会産業応用部門全国大会,1 89

7 )石川 : ｢ 交直変換 回路 とアクテ ィブフィル タ｣平 成1 2 年電気学会全 国大会,4‑ S20‑ 3

8 )大野 ･鳥 井 ･植 田 : ｢ 移動平均 HPFを用 い た ア クテ ィブ フ ィル タの電流検 出方式 と特性｣,平 成1 2 年電気学会全 国大会,4‑ 1 04

9 )宮崎 ･泉 ･辻 ･山田 ･小 山 ･永尾 : ｢アクテ ィブ

フ ィル タ併用 の ための LCフ ィル タの検 討｣,平成

9 年度電気 関係学会九州支部連合大会,1 02 0