特開 2015-163011 アクティブフィルタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】特開2015-163011(P2015-163011A)

(43)【公開日】2015年9月7日

(54)【発明の名称】アクティブフィルタ

(51)【国際特許分類】

   H02J 3/01 20060101AFI20150811BHJP

   H02M 1/42 20070101ALI20150811BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20150811BHJP

【ＦＩ】

   H02J3/01 B

   H02M1/42

   H02M7/12 P

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2014-38025(P2014-38025)

(22)【出願日】2014年2月28日

(71)【出願人】

【識別番号】390022460

【氏名又は名称】株式会社指月電機製作所

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(74)【代理人】

【識別番号】100100044

【弁理士】

【氏名又は名称】秋山 重夫

(72)【発明者】

【氏名】秋山 邦裕

(72)【発明者】

【氏名】岡田 宏

(72)【発明者】

【氏名】豊田 晃久

(72)【発明者】

【氏名】中嶋 康夫

(72)【発明者】

【氏名】藤田 英明

【テーマコード（参考）】

5G066

5H006

5H740

【Ｆターム（参考）】

5G066EA03

5H006AA02

5H006CA01

5H006CB08

5H006DA02

5H006DB01

5H006DC02

5H740AA01

5H740BA11

5H740BB02

5H740BB09

5H740BC01

5H740BC02

5H740JA01

5H740JB01

5H740NN03

(57)【要約】

【課題】直流コンデンサの２次の電圧脈動を抑制することにより、直流コンデンサの静電容量を低減し小型化を図ることができるアクティブフィルタを提供する。
【解決手段】
負荷１２に電力を供給する電源１１に接続され、負荷１２に供給される負荷電流ｉ_Ｌを検出し、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流ｉ_Ｌｈを打ち消す補償電流ｉ_Ｆを電源１１側に供給するアクティブフィルタにおいて、補償電流ｉ_Ｆの電流源としての直流コンデンサＣ_ｄと、３次の高調波電流補償に伴い直流コンデンサＣ_ｄに生じる２次の電圧脈動を抑制する逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１を電源系統に流すための制御部４とを具備している。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

負荷（１２）に電力を供給する電源（１１）に接続され、負荷（１２）に供給される負荷電流（ｉ_Ｌ）を検出し、負荷電流（ｉ_Ｌ）に含まれる高調波電流（ｉ_Ｌｈ）を打ち消す補償電流（ｉ_Ｆ）を電源（１１）側に供給するアクティブフィルタにおいて、上記補償電流（ｉ_Ｆ）の電流源としての直流コンデンサ（Ｃ_ｄ）と、３次の高調波電流補償に伴い上記直流コンデンサ（Ｃ_ｄ）に生じる２次の電圧脈動を抑制する逆相の基本波電流（^〜ｉ_Ｆ−１）を電源系統に流すための制御部（４）とを具備することを特徴とするアクティブフィルタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、負荷電流に含まれる高調波電流を低減するアクティブフィルタに関する。

【背景技術】

【0002】

図３及び図４にアクティブフィルタの基本的な構成を示す。アクティブフィルタ１は、電源１１から負荷１２に供給される負荷電流ｉ_Ｌを電流検出部２で検知し、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流ｉ_Ｌｈと逆位相となる補償電流ｉ_Ｆを供給することで、電源電流ｉ_Ｓにおける高調波含有率を低減するものである（例えば特許文献１参照）。

【0003】

図５は、従来のアクティブフィルタの制御方法を示すが、このアクティブフィルタでは、負荷電流ｉ_Ｌをα−β／ｄ−ｑ変換部３１によって有効電力成分ｉ_ｄ（１）と無効電力成分ｉ_ｑ（１）とに分離し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）３２によって基本波成分を抽出し、ｄ−ｑ／α−β変換部３３によってＬＰＦ出力から基本波電流ｉ_Ｌｆを演算、さらにこの基本波電流ｉ_Ｌｆと負荷電流ｉ_Ｌとを減算して高調波電流ｉ_Ｌｈを算出し、この高調波電流ｉ_Ｌｈに基づき補償電流指令値ｉ_Ｆ^＊を出力している。なお、図示はしていないが、アクティブフィルタには別途、出力電流制御部が設けられており、上記補償電流指令値ｉ_Ｌ^＊に基づく補償電流ｉ_Ｆを電源１１側に供給する。また、補償電流ｉ_Ｆの電流源として設けられる直流コンデンサＣ_ｄの電圧変動を許容範囲内に収めるために、ＬＰＦ出力の有効電力成分の値を調整するＶ_ｄ一定制御部を別途設けることが一般的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開平６−１１３４６０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ところで、第ｎ次の高調波電流をアクティブフィルタによって補償する（低減する）と、ｎ−１次の電圧脈動が生じる。

【0006】

負荷１２が三相ダイオード整流器である場合、電源電圧が三相平衡であれば、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流ｉ_Ｌｈは５次、７次成分が支配的であり、通常、４次以下の成分はほとんど含まれない。高調波電流ｉ_Ｌｈを補償することで生じる電圧脈動は、次数が高いほど小さくなる特性を持つことから、この場合の電圧脈動は小さなものに留まり、問題になることは少ない。

【0007】

ところが、電源電圧の不均衡により負荷電流ｉ_Ｌに３次成分が発生すると、３次成分を補償する際に、直流コンデンサＣ_ｄに２次、４次といった低次の電圧脈動が生じる。上記の通り、電圧脈動は次数が高いほど小となる、換言すれば、次数が低いほど大となることから、特に２次の電圧脈動は５次、７次成分を補償した際に生じる電圧脈動よりも大となり、他の次数の電圧脈動のように無視することはできず、過電圧として直流コンデンサＣ_ｄに加わることとなっていた。

【0008】

なお、例えば直流コンデンサＣ_ｄの静電容量をある一定値以上とすれば、電圧脈動を低減することが可能であるが、この場合、近年の小型化への要望に応えることができない。

【0009】

そこで、本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、直流コンデンサの２次の電圧脈動を抑制することにより、直流コンデンサの静電容量を低減し小型化を図
ることができるアクティブフィルタの提供を目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0010】

上記課題を解決するため、本発明のアクティブフィルタ１は、負荷１２に電力を供給する電源１１に接続され、負荷１２に供給される負荷電流ｉ_Ｌを検出し、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流ｉ_Ｌｈを打ち消す補償電流ｉ_Ｆを電源１１側に供給するアクティブフィルタにおいて、上記補償電流ｉ_Ｆの電流源としての直流コンデンサＣ_ｄと、３次の高調波電流補償に伴い上記直流コンデンサＣ_ｄに生じる２次の電圧脈動を抑制する逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１を電源系統に流すための制御部４とを具備することを特徴としている。

【発明の効果】

【0011】

本発明のアクティブフィルタでは、負荷電流に含まれる高調波電流を打ち消す補償電流を電源側に供給する構成に加えて、３次の高調波電流補償に伴い直流コンデンサに生じる２次の電圧脈動を抑制する逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１を電源系統に流すための制御部を備えていることから、３次の高調波電流を補償した場合に生じる２次の直流コンデンサ電圧脈動を効果的に抑制することができる。そのため、直流コンデンサの静電容量を少なくすることが可能となり、結果、小型化を図ることが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】本発明の一実施形態に係るアクティブフィルタの制御方式を示すブロック図である。

【図2】２次の直流コンデンサ脈動を示すグラフであって、（ａ）が実施例を、（ｂ）が比較例を示す。

【図3】アクティブフィルタの基本的な設置状態を示すブロック図である。

【図4】負荷及びアクティブフィルタの基本的な構成を示す回路図である。

【図5】従来のアクティブフィルタの制御方法を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

次に、本発明のアクティブフィルタ１の一実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。この発明のアクティブフィルタ１は、従来のアクティブフィルタ同様、図３及び図４に示すように、負荷１２に電力を供給する電源１１に接続され、負荷１２に供給される負荷電流ｉ_Ｌを検出部（例えばＡＣＣＴ）２で検出し、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流ｉ_Ｌｈを打ち消す補償電流ｉ_Ｆを電源１１側に供給するものである。

【0014】

また、制御方法についても、負荷電流ｉ_Ｌをα−β／ｄ−ｑ変換部３１によって有効電力成分ｉ_ｄ（１）と無効電力成分ｉ_ｑ（１）とに分離し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）３２によって基本波成分を抽出し、ｄ−ｑ／α−β変換部３３によってＬＰＦ出力から基本波電流ｉ_Ｌｆを演算、この基本波電流ｉ_Ｌｆと負荷電流ｉ_Ｌとを減算して高調波電流ｉ_Ｌｈを算出し、この高調波電流ｉ_Ｌｈに基づいて電流指令値ｉ_Ｆ^＊を出力する点では、従来のアクティブフィルタと同様である。

【0015】

本発明のアクティブフィルタ１の特徴は、次の点にある。すなわち、負荷電流ｉ_Ｌに含まれる高調波電流ｉ_Ｌｈの逆位相電流を電源系統に流すための制御部（以下、第１制御部と称す）３に加えて、３次の高調波電流補償に伴い直流コンデンサに生じる２次の電圧脈動を抑制する逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１を電源系統に流すための制御部（以下、第２制御部と称す）４を具備している点にある。

【0016】

このような構成を採用することにより、高調波電流ｉ_Ｌｈの逆位相電流に加えて、逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１が出力されるため、３次の高調波電流ｉ_Ｌｈ３を補償した場合に生じる２次の電圧脈動を効果的に抑制することができる。

【0017】

以下、逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１によって２次の電圧脈動が抑制される仕組みについて詳細に説明する。

【0018】

第ｎ次の高調波電流を補償した場合に発生する直流コンデンサ電圧の脈動分ν_ｄｎは、電源電圧ν_Ｓを、線間電圧実効値Ｖ_Ｓ、周波数ｆ_Ｓ＝ω／２πの三相平衡正弦波とし、

【数1】

と仮定し、アクティブフィルタ１の各相の補償電流ｉ_Ｆを、

【数2】

と仮定した場合、式３で表される（ただし、Ｉ_Ｆｎは補償電流の第ｎ次成分の実効値、ωは電源の角速度、Ｃ_ｄは直流コンデンサの静電容量、Ｖ_ｄは直流コンデンサ電圧の平均値、φ_Ｆｎは位相である）。

【数3】

【0019】

そして、式３によれば、２次の電圧脈動はｎ＝３、すなわち、３次の高周波電流を補償した場合に生じる（式４参照）。また、ｎ＝−１、すなわち、負荷電流_ｉＬの逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１を補償した場合にも生じる（式５参照）。

【数4】

【数5】

【0020】

ここで、３次の高調波電流による２次の電圧脈動を打ち消すためには、式６に示すように、補償電流のｎ＝−１の成分の振幅を等しく、位相を逆にすればよい。

【数6】

【0021】

なお、補償電流のｎ＝３の成分は、式７により負荷電流ｉ_Ｌのｎ＝３の成分によって演算される。

【数7】

【0022】

そこで、３次の高調波電流ｉ_Ｌｈ３を抽出すべく、本発明のアクティブフィルタ１においては、図１に示すように、第２制御部４において、第１制御部３が対象とする角速度ωに対して角速度３ωを対象に、負荷電流ｉ_Ｌをα−β／ｄ−ｑ変換部４１によって有効電力成分ｉ_ｄ（３）と無効電力成分ｉ_ｑ（３）とに分離し、ＬＰＦ（ローパスフィルタ）４２によって３次の高調波電流成分を抽出し、ｄ−ｑ／α−β変換部４３によってＬＰＦ出力から３次の高調波電流ｉ_Ｌｈ３を演算している。そして、ｄ−ｑ／α−β変換部４３から出力される３次の高調波電流ｉ_Ｌｈ３に基づき、３次の高調波電流補償に伴い直流コンデンサＣ_ｄに生じる２次の電圧脈動を式４を用いて算出するとともに、式６から、補償された際、式４で算出された２次の電圧脈動に相当する振幅で且つ逆位相となる２次の電圧脈動を生じる逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１（式４で算出された２次の電圧脈動の抑制に必要なｎ＝−１の成分）を算出する（式８参照）。なお、式を用いての演算は演算部４４にて行われる。

【数8】

【0023】

そして、式９に示すように、高調波電流の逆位相電流である−ｉ_Ｌｈに、さらに第２制御部４からの逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１を加え、これに基づき補償電流指令ｉ_Ｆ^＊を出力する。従って、この補償電流指令ｉ_Ｆ^＊に基づき、図示しない出力電流制御部から電源１１側に補償電流ｉ_Ｆを供給すれば、逆相の基本波電流^〜ｉ_Ｆ−１が図示しない出力電流制御部から電源１１側に供給され、これにより生じる２次の直流コンデンサ電圧脈動によって、３次の高調波電流を補償することで生じる２次の直流コンデンサ電圧脈動が打ち消され、結果、抑制されるのである。

【数9】

【0024】

次に、図２に基づいて実験結果を示す。実験は、図４の回路において、負荷電流ｉ_Ｌとしてｎ＝３の高調波電流ｉ_Ｌｈ３のみを流し、図１に示す制御方法（実施例）と図５に示す制御方法（比較例）とで、直流コンデンサ電圧の脈動の大きさを比較した。

【0025】

図２（ａ）（ｂ）からわかるように、比較例（図２（ｂ）参照）の場合、およそ５０ボルト程度の脈動が見られる。これに対して、実施例（図２（ａ）参照）の場合、脈動はほとんど見受けられず、２次の直流コンデンサ電圧脈動を効果的に抑制していることが分かる。なお、実施例の場合、電源系統には逆相電流が流出するが、基本波であるため高調波補償特性に影響を与えることはない。

【0026】

このように、本発明のアクティブフィルタ１においては、３次の高調波電流ｉ_Ｌｈ３を補償した場合に生じる２次の電圧脈動を効果的に抑制することができ、結果、直流コンデンサＣ_ｄの静電容量の低減を図ることができ、装置の小型化を図ることも可能となる。

【0027】

以上に、本発明の具体的な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々変更して実施することが可能である。例えば、上記実施例においては、式４により算出された３次の高調波電流補償に伴う２次の電圧脈動の振幅と、逆相の基本波電流補償に伴う２次の電圧脈動の振幅とを等しくしていたが、必ずしもそうする必要は無く、電源系統への逆相電流の流出を抑えるために、あえて逆相の基本波電流の出力を弱める等の調整を行っても良い。

【符号の説明】

【0028】

１・・アクティブフィルタ、４・・第２制御部、１１・・電源、１２・・負荷、Ｃｄ・・直流コンデンサ、ｉ_Ｆ・・補償電流、^〜ｉ_Ｆ−１・・逆相の基本波電流、ｉ_Ｌ・・負荷電流、ｉ_Ｌｈ・・負荷電流の高調波電流、ｉ_Ｌｈ３・・負荷電流の３次の高調波電流

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】