特許 7271480 電力変換装置および電力変換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-04-28

(45)【発行日】2023-05-11

(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20230501BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 E

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2020132129

(22)【出願日】2020-08-04

(65)【公開番号】P2022029030

(43)【公開日】2022-02-17

【審査請求日】2022-08-09

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】小野里 航平

【審査官】川口 貴裕

(56)【参考文献】

【文献】特開２００９－１３１１３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００７－２０９１６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１５－１５４６８０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

指令位相に応じた交流電圧を出力する電力変換器と、
前記電力変換器の出力位相を周期的に検出する位相検出装置に接続され、前記位相検出装置によって検出された検出位相に基づいて前記指令位相を周期的に演算する制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記電力変換器の出力周波数と前記指令位相の前回値とを用いて前記出力位相の推定値である推定位相を算出し、
前記検出位相が前記推定位相に第１値を加えた第１位相よりも進んでいる場合、前記第１位相を前記指令位相の今回値に設定する、電力変換装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記検出位相が前記推定位相から第２値を減じた第２位相よりも遅れている場合、前記第２位相を前記指令位相の今回値に設定する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御装置は、前記検出位相が前記第１位相と前記第２位相との間の範囲に含まれる場合、前記推定位相を前記指令位相の今回値に設定する、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記検出位相が前記第１位相と前記第２位相との間の範囲に含まれる場合、前記検出位相を前記指令位相の今回値に設定する、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項5】

請求項１～４のいずれか１項に記載の電力変換器、制御装置および位相検出装置と、
前記電力変換器の出力周波数を検出する周波数検出装置とを備える、電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置および電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許第６３９２７０８号公報には、制御指令に応じた交流電圧を出力する電力変換器と、電力変換器の出力電圧の位相を検出する位相検出装置と、位相検出装置によって検出された検出位相に基づいて制御指令を生成して電力変換器に送信する制御装置とを備える電力変換システムが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】特許第６３９２７０８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許第６３９２７０８号公報に開示された電力変換システムにおいて、制御装置の演算周期と位相検出装置の検出周期とが異なる場合、制御装置が認識する検出位相が急変してしまい、その影響で電力変換器の出力電圧波形が乱れて制御不安定となることが懸念される。また、ノイズの影響によって制御装置が認識する検出位相が急変した場合にも、同様に制御不安定となることが懸念される。

【0005】

本開示は、上述の課題を解決するためになされたものであって、その目的は、制御装置が認識する検出位相が急変したとしても、電力変換器の出力電圧が制御不安定となることを抑制することである。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示による電力変換装置は、指令位相に応じた交流電圧を出力する電力変換器と、電力変換器の出力位相を周期的に検出する位相検出装置に接続され、位相検出装置によって検出された検出位相に基づいて指令位相を周期的に演算する制御装置とを備える。制御装置は、電力変換器の出力周波数と指令位相の前回値とを用いて出力位相の推定値である推定位相を算出し、検出位相が推定位相に第１値を加えた第１位相よりも進んでいる場合、第１位相を指令位相の今回値に設定する。

【0007】

本開示による電力変換システムは、上記の電力変換器、制御装置および位相検出装置と、電力変換器の出力周波数を検出する周波数検出装置とを備える。

【発明の効果】

【0008】

本開示による電力変換装置および電力変換システムにおいては、制御装置が認識する検出位相が急変したとしても、電力変換器の出力電圧が制御不安定となることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】電力変換システムの構成を示す回路ブロック図である。

【図2】比較例による指令位相の変化の様子を示す図である。

【図3】指令位相の設定手法を示す図（その１）である。

【図4】指令位相の設定手法を示す図（その２）である。

【図5】指令位相の設定手法を示す図（その３）である。

【図6】指令位相の変化の様子を示す図である。

【図7】制御装置の処理手順の一例を示すフローチャート（その１）である。

【図8】指令位相の設定手法を示す図（その４）である。

【図9】制御装置の処理手順の一例を示すフローチャート（その２）である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。以下では、複数の実施の形態について説明するが、各実施の形態で説明された構成を適宜組合わせることは出願当初から予定されている。なお、図中同一又は相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。

【0011】

［実施の形態１］
＜全体構成＞
図１は、本実施の形態による電力変換システム１の構成を示す回路ブロック図である。電力変換システム１は、電力変換装置１０と、位相検出装置４０と、周波数検出装置５０とを備える。電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置３０とを備える。制御装置３０は、位相推定部３１と、指令位相生成部３２と、指令出力部３３とを備える。

【0012】

電力変換器２０は、制御装置３０からの制御信号（指令位相）に応じた交流電圧を出力する。具体的には、電力変換器２０は、制御装置３０からの制御信号によって制御され、商用交流電源２から供給される交流を用いて、制御対象３が利用可能な電圧の交流を発生して、制御対象３に出力する。なお、制御対象３は、たとえば交流モータなどである。

【0013】

周波数検出装置５０は、電力変換器２０から制御対象３に出力される交流電圧の周波数（以下「出力周波数」ともいう）を検出する。周波数検出装置５０によって検出された出力周波数は、制御装置３０の位相推定部３１に出力される。

【0014】

位相検出装置４０は、電力変換器２０から制御対象３に出力される交流電圧の位相（以下「出力位相」ともいう）を予め定められた検出周期で周期的に検出する。位相検出装置４０によって検出された出力位相（以下「検出θ」ともいう）は、制御装置３０の指令位相生成部３２に出力される。

【0015】

制御装置３０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリおよび入出力バッファ（いずれも図示せず）を含んで構成される。制御装置３０は、電力変換器２０を制御するための指令位相（以下「指令θ」ともいう）を、予め定められた演算周期で周期的に演算する。以下では、制御装置３０が現在の演算サイクルで演算する指令θを「指令θの今回値」とも記載し、現在の演算サイクルよりも１演算周期前の演算タイミングで演算された指令θを「指令θの前回値」とも記載する。

【0016】

上述のように、制御装置３０は、位相推定部３１と、指令位相生成部３２と、指令出力部３３とを備える。

【0017】

位相推定部３１は、周波数検出装置５０から入力される出力周波数と、指令θの前回値とを用いて、出力位相の推定値（以下「推定θ」ともいう）を算出する。たとえば、位相推定部３１は、出力周波数と制御装置３０の演算周期とから１演算周期分の出力電圧の位相変化量Δθを算出し、指令θの前回値に位相変化量Δθを加えた値を、推定θとして算出する。

【0018】

指令位相生成部３２は、位相推定部３１によって推定された推定θと、位相検出装置４０から入力される検出θとを用いて指令θの今回値を生成し、指令出力部３３に出力する。なお、指令θの今回値は、メモリに記憶され、次回の演算サイクルにおいて指令θの前回値として用いられる。

【0019】

指令出力部３３は、指令位相生成部３２が生成した指令θを制御信号として電力変換器２０に出力する。これにより、電力変換器２０は、指令θに応じた交流電圧を制御対象３に出力する。

【0020】

＜指令θの設定＞
上記のような構成において、仮に制御装置３０が位相検出装置４０からの検出θをそのまま指令θに設定してしまうと、制御装置３０の演算周期と位相検出装置４０の検出周期との違い、あるいは、ノイズの影響によって、制御装置３０が演算する指令θが急変し、電力変換器２０の出力電圧波形が乱れて制御不安定となることが懸念される。

【0021】

図２は、制御装置３０が位相検出装置４０からの検出θをそのまま指令θに設定する場合（本開示に対する比較例）の指令θの変化の様子を示す図である。図２において、横軸は時間が示され、縦軸は位相θが示される。なお、図２には、制御装置３０の演算周期が位相検出装置４０の検出周期よりも長い場合が例示されている。

【0022】

位相検出装置４０は出力位相を予め定められた検出周期で周期的に検出するため、検出θは、出力電圧の実位相に対してステップ的に追従していく。同様に、制御装置３０は指令θを予め定められた演算周期で周期的に算出するため、指令θもステップ的に変化する。

【0023】

この際、図２に示すように、制御装置３０の演算周期が位相検出装置４０の検出周期よりも長い場合には、１回の指令θの変化量が検出θの２回分（位相検出装置４０の２検出周期分）の変化量となり、指令θが急変するタイミングが生じ得る。指令θが急変すると、予期せぬ出力で制御不安定となることが懸念される。

【0024】

そこで、本実施の形態による制御装置３０は、検出θをそのまま指令θに設定するのではなく、出力周波数と指令θの前回値とから推定θを算出し、指令θの今回値が推定θから乖離しすぎないように指令θの今回値を設定する。以下、図３～図７を用いて本実施の形態による指令θの設定手法について詳しく説明する。

【0025】

図３は、検出θが推定θよりも大幅に進んでいる場合の指令θの設定手法を示す図である。制御装置３０（位相推定部３１）は、指令θの前回値に１演算周期分の位相変化量Δθを加えた値を、推定θとして算出する。

【0026】

そして、検出θが推定θよりも大幅に進んでいる場合、具体的には、推定θに第１値αを加えた第１位相（＝推定θ＋α）よりも検出θが進んでいる場合、制御装置３０（指令位相生成部３２）は、第１位相（＝推定θ＋α）を指令θの今回値に設定する。これにより、検出θをそのまま指令θの今回値に設定する場合に比べて、１回の指令θの変化量（指令θの今回値と前回値との差分）を低減することができるため、指令θを滑らかに変化させることができる。また、推定θよりも検出θに近い第１位相（＝推定θ＋α）を指令θに設定するため、推定θをそのまま指令θの今回値に設定する場合に比べて、指令θの今回値を適切に検出θに近づけることができる。その結果、指令θを滑らかかつ適切に検出θに追従させることができる。

【0027】

図４は、検出θが推定θよりも大幅に遅れている場合の指令θの設定手法を示す図である。検出θが推定θよりも大幅に遅れている場合、具体的には、図４に示すように、推定θから第１値αと同じ大きさの第２値αを減じた第２位相（＝推定θ－α）よりも検出θが遅れている場合、制御装置３０（指令位相生成部３２）は、第２位相（＝推定θ－α）を指令θの今回値に設定する。これにより、検出θをそのまま指令θの今回値に設定する場合に比べて、１回の指令θの変化量（指令θの今回値と前回値との差分）を低減することができるため、指令θを滑らかに変化させることができる。また、推定θよりも検出θに近い第２位相（＝推定θ－α）を指令θに設定するため、推定θをそのまま指令θの今回値に設定する場合に比べて、指令θの今回値を適切に検出θに近づけることができる。その結果、指令θを滑らかかつ適切に検出θに追従させることができる。

【0028】

図５は、検出θが推定θに近い場合の指令θの設定手法を示す図である。検出θが推定θに近い場合、具体的には、図５に示すように、検出θが第１位相（＝推定θ＋α）と第２位相（＝推定θ－α）との間の範囲に含まれる場合、推定θを指令θの今回値に設定する。このように、検出θが推定θに近い場合には、推定θを指令θの今回値に設定することによって、指令θの今回値を検出θに追従させることができる。また、検出θそのものではなく推定θを指令θの今回値に設定しているため、検出θに微小な検出誤差あるいは変動がある場合であっても、指令θを滑らかに変化させることができる。

【0029】

以上のような指令θの設定によって、本実施の形態においては、指令θを滑らかかつ適切に検出θに追従させることができる。そのため、電力変換器２０の出力電圧波形が滑らかになり制御不安定となることが抑制される。

【0030】

なお、本実施の形態においては第１位相の設定に用いられる第１値αと第２位相の設定に用いられる第２値αとを同じ大きさとしているが、第１値αの大きさと第２値αの大きさとが異なってもよい。いずれの場合であっても、第１値αの大きさおよび第２値αの大きさは、実験等によって予め決められて制御部３０内のメモリに記憶されている。

【0031】

図６は、本実施の形態による制御装置３０によって設定される指令θの変化の様子を示す図である。なお、図６においても、上述の図２と同様、横軸は時間が示され、縦軸は位相θが示され、制御装置３０の演算周期が位相検出装置４０の検出周期よりも長い場合が例示されている。

【0032】

本実施の形態においては、検出θが推定θに第１値αを加えた第１位相（＝推定θ＋α）よりも進んでいる場合には、第１位相（＝推定θ＋α）が指令θに設定される。そのため、検出θをそのまま指令θに設定する場合に比べて、指令θの急変が抑制され、指令θを滑らかに変化させることができる。また、推定θよりも検出θに近い第１位相（＝推定θ＋α）を指令θに設定するため、指令θの検出θに適切に近づけることができる。

【0033】

図７は、制御装置３０が指令θを設定する際に行なう処理手順の一例を示すフローチャートである。このフローチャートは、制御装置３０の演算周期毎に繰り返し実行される。

【0034】

制御装置３０は、周波数検出装置５０からの出力周波数と、指令θの前回値とを用いて、推定θを算出する（ステップＳ１０）。上述したように、制御装置３０は、たとえば、出力周波数と制御装置３０の演算周期とから１演算周期分の位相変化量Δθを算出し、指令θの前回値に位相変化量Δθを加えた値を、推定θとして算出する。

【0035】

次いで、制御装置３０は、位相検出装置４０から入力される検出θが、第１位相（推定θ＋α）よりも進んでいるか否かを判定する（ステップＳ１２）。検出θが第１位相よりも進んでいる場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、制御装置３０は、第１位相（推定θ＋α）を指令θの今回値に設定する（ステップＳ１４）。

【0036】

検出θが第１位相よりも進んでいない場合（ステップＳ１２においてＮＯ）、制御装置３０は、検出θが第２位相（推定θ－α）よりも遅れているか否かを判定する（ステップＳ１６）。検出θが第２位相よりも遅れている場合（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、制御装置３０は、第２位相（推定θ－α）を指令θの今回値に設定する（ステップＳ１８）。

【0037】

検出θが第１位相と第２位相との間に含まれる場合（ステップＳ１２においてＮＯ、かつステップＳ１６においてＮＯ）、制御装置３０は、推定θを指令θの今回値に設定する（ステップＳ２０）。

【0038】

以上のように、本実施の形態による電力変換装置１０は、指令θに応じた交流電圧を出力する電力変換器２０と、電力変換器２０の出力位相を周期的に検出する位相検出装置４０に接続され、位相検出装置４０によって検出された検出θに基づいて指令θを周期的に演算する制御装置３０とを備える。制御装置３０は、電力変換器２０の出力周波数と指令θの前回値とを用いて出力位相の推定値である推定θを算出し、検出θが推定θに第１値αを加えた第１位相よりも進んでいる場合、第１位相（＝推定θ＋α）を指令θの今回値に設定する。これにより、制御装置３０の演算周期と位相検出装置４０の検出周期との違い、あるいは、ノイズの影響によって、制御装置３０が認識する検出θが急変したとしても、演算する指令θが急変することを抑制しつつ、指令θを適切に検出θに近づけることができる。その結果、指令θを滑らかかつ適切に検出θに追従させることができるため、電力変換器２０の出力電圧が制御不安定となることを抑制することができる。

【0039】

［変形例］
上述の実施の形態においては、検出θが第１位相（＝推定θ＋α）と第２位相（＝推定θ－α）との間の範囲に含まれる場合、「推定θ」を指令θの今回値に設定した。

【0040】

これに対して、本変形例においては、検出θが第１位相（＝推定θ＋α）と第２位相（＝推定θ－α）との間の範囲に含まれる場合、「推定θ」ではなく「検出θ」を指令θの今回値に設定する。本変形例のその他の構成および処理は、上述の実施の形態と同じであるため、ここでの詳細な説明は繰返さない。

【0041】

図８は、本変形例による、検出θが推定θに近い場合の指令θの設定手法を示す図である。検出θが推定θに近い場合、具体的には、図８に示すように、検出θが第１位相（＝推定θ＋α）と第２位相（＝推定θ－α）との間の範囲に含まれる場合、「検出θ」を指令θの今回値に設定する。これにより、推定θを指令θの今回値に設定する場合に比べて、指令θを検出θにより適切に追従させることができる。

【0042】

図９は、本変形例による制御装置３０が指令θを設定する際に行なう処理手順の一例を示すフローチャートである。図９に示すフローチャートは、上述の図７に示すフローチャートのＳ２０をＳ２０Ａに変更したものである。図９のその他のステップ（図７に示したステップと同じ番号を付しているステップ）については、既に説明したためここでの詳細な説明は繰返さない。

【0043】

検出θが第１位相と第２位相との間に含まれる場合（ステップＳ１２においてＮＯ、かつステップＳ１６においてＮＯ）、制御装置３０は、検出θを指令θの今回値に設定する（ステップＳ２０Ａ）。

【0044】

以上のように変形しても、上述の実施の形態と同様に、指令θを滑らかかつ適切に検出θに追従させることができるため、電力変換器２０の出力電圧が制御不安定となることを抑制することができる。さらに、本変形例においては、検出θが推定θに近い場合において「検出θ」を指令θの今回値に設定するため、上述の実施の形態に比べて、指令θを検出θにより適切に追従させることができる。

【0045】

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。本開示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。

【符号の説明】

【0046】

１ 電力変換システム、２ 商用交流電源、３ 制御対象、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、３０ 制御装置、３１ 位相推定部、３２ 指令位相生成部、３３ 指令出力部、４０ 位相検出装置、５０ 周波数検出装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】