アクティブフィルタリングの原理

アクティブフィルタは電力システムにおける高調波除去に用いられます。無効電力素子 (コンデンサとインダクタ) を使用して高調波電流の経路を作るパッシブフィルタとは異なり、アクティブフィルタは、システム内に存在する高調波電流と大きさは等しくても位相が逆の電流を注入することによって機能します。

アクティブフィルタリングの原理は単相システムのシンプルな場合を考えることによって理解できます。非線形負荷が高調波電流を生成すると、この電流が電力システムの電圧波形を歪め、電力品質が低下します。このシステムに接続されたアクティブフィルタは負荷電流を測定し、高調波成分を計算し、高調波電流の正確な負の補償電流を生成します。この補償電流がシステムに注入されると、高調波電流が打ち消され、正弦波全電流が生成されます。

アクティブフィルタは主にIGBTやMOSFETといったパワーエレクトロニクスデバイスによって制御されます。これらのデバイスは高速でオン / オフを切り替え、フィルタは負荷電流の変化に迅速に応答し、効果的な高調波補償を維持することができます。

アクティブフィルタにはパッシブフィルタに比べていくつかの利点があります。それらは複数の高調波を同時に除去し、電力システムの周波数と高調波スペクトルの変化に適応できます。さらに、パッシブフィルタで発生する可能性のある電力システムの共振問題も発生しません。

アクティブフィルタの種類

高調波軽減のためのアクティブフィルタは、シャントアクティブフィルタ、直列アクティブフィルタ、ハイブリッドアクティブフィルタの3つのタイプに大別されます。

シャントアクティブフィルタ

シャントアクティブフィルタは負荷に並列に接続されます。これらのフィルタは負荷から高調波電流を推定し、高調波成分を打ち消す補償電流を生成します。シャントアクティブフィルタは電流高調波を緩和するのに特に効果的であり、不平衡負荷や反応負荷を補償することができます。これらは主に力率を改善し、負荷のバランスをとり、高調波を除去するために使用されます。シャントアクティブ電力フィルタのトポロジーを図4に示します。

図4 : シャントアクティブフィルタ

直列アクティブフィルタ

直列アクティブフィルタは、その名前が示すように、電力システムに直列に接続されます。それらは、システム内の高調波電圧を打ち消す電圧を注入することによって機能し、それによって負荷が正弦波電圧を確実に受けるようにします。電流高調波を主に扱うシャントアクティブフィルタとは異なり、直列アクティブフィルタは電圧高調波を効果的に軽減します。これらは一般的に電圧フリッカを抑制し、端子電圧を調整し、電源から負荷を分離するために使用されます。直列のアクティブ電力フィルタのトポロジーを図5に示します。

図5 : 直列アクティブフィルタ

ハイブリッドアクティブフィルタ

ハイブリッドアクティブフィルタはシャントフィルタと直列フィルタの組み合わせであり、通常はパッシブフィルタを組み込んでいます。この構成により、電流高調波と電圧高調波の両方を同時に軽減することができます。フィルタのアクティブ部品は高次の可変周波数高調波を処理し、パッシブ部品は固定周波数の低次高調波を処理します。ハイブリッドアクティブフィルタは、直列フィルタとシャントフィルタの両方の利点を活用しながら、不利な点を最小限に抑えます。ハイブリッドのアクティブ電力フィルタのトポロジーを図6に示します。

図6 : ハイブリッドアクティブフィルタ

アクティブフィルタの制御戦略

アクティブフィルタで採用されている最も一般的な制御方法は、同期リファレンスフレーム (SRF) 法と瞬時無効電力理論 (IRPT) です。これらの方法論は、複雑さ、計算速度、さまざまなシナリオへの適合性の点で異なります。

同期リファレンスフレーム方式

同期リファレンスフレーム (SRF) 方式は、dq0変換としても知られており、アクティブフィルタの制御方法として広く使われています。この手法の核となるコンセプトは、時間領域 (ABC) からの三相電圧と電流を同期dq0フレームに変換し、信号解析をより簡単にすることです。

同期フレームでは、電流と電圧はDC量として表され、高調波成分はAC信号として現れます。制御アルゴリズムは、信号のDC部分を除去することによって高調波成分を推定し、補償電流を生成してこれらの高調波を除去します。SRF法は,不平衡で可変な周波数条件でも高調波成分を抽出するのに非常に効果的です。

瞬時無効電力理論

瞬時無効電力理論 (IRPT) は、p-q理論としても知られており、アクティブフィルタで使われるもう一つの制御戦略ですこの方法では、有効 (p) と無効 (q) 電力をリアルタイムで計算し、これらの量を基準補償電流を決定するために使用します。

IRPTは瞬間補償用に設計されており、正弦波でない、不平衡で急速に変化する負荷に適しています。同期フレームへの変換を必要とするSRF法とは異なり、IRPTは時間領域内で直接動作します。この機能により、IRPTは計算効率の高い方法であり、特にリアルタイムアプリケーションで役に立ちます。

しかしながら、p-q理論はソース電圧が正弦波でバランスがとれていると仮定していることに注意することが重要です。この仮定が成り立たない場合、補償のパフォーマンスは低下する可能性があります。

SRFとIRPTはアクティブフィルタを制御する強力なツールです。これらの方法論の選択は、負荷の性質、調和スペクトル、利用可能な計算リソースなどの電力システムの特定要件に依存します。

アクティブフィルタの設計上の考慮事項

アクティブフィルタの定格とサイズ

アクティブフィルタの定格とサイズは設計プロセスにおいて重要な考慮事項であり、これらは主に電力システムに存在する負荷と高調波スペクトルの性質に基づいて決定されます。アクティブフィルタの定格は通常、フィルタが処理できる最大見かけ電力を定義するVA (ボルトアンペア) 容量で表されます。

アクティブフィルタのサイズを決定する際には、基本周波数電流とフィルタが除去すると予想される高調波電流を考慮することが不可欠です。負荷の高調波スペクトル解析は、通常、さなまざまな周波数における高調波電流レベルを評価するために行われます。アクティブフィルタは、ピーク高調波電流を処理するために適切なサイズにし、すべての動作条件下で効果的な高調波補償を保証する必要があります。

パワーエレクトロニクスコンバータとの統合

アクティブフィルタでは、パワーエレクトロニクスコンバータがフィルタと電力システムを連携する中心的な部品として機能します。アクティブフィルタとパワーエレクトロニクスコンバータの統合には、いくつかの重要な考慮事項が必要です。

第一に、パワーエレクトロニックコンバータトポロジーの選択はアクティブフィルタの性能に影響を与えます。一般的に使用されるトポロジーには、電圧源コンバータ (VSC) と電流源コンバータ (CSC) があり、それぞれに利点と特定のアプリケーションがあります。例えば、VSCは負荷電流に関係なく必要な補償電流を生成する能力を与えられたシャントアクティブフィルタに有利です。

第二に、パワーエレクトロニクスコンバータの制御方式はアクティブフィルタ設計の重要な側面です。制御方式は、フィルタ制御アルゴリズムからの補償コマンドにコンバータがどのように応答するかを決定します。一般的な制御戦略にはヒステリシス制御、PI制御、およびスライディングモード制御があり、それぞれに異なるパフォーマンス特性と実装の複雑さがあります。

最後に、パワーエレクトロニクスコンバータの設計では、システムの定格電力、動作電圧と周波数、および熱管理要件を考慮する必要があります。これらの要因は、パワーエレクトロニクスデバイス (IGBT、MOSFET、ダイオードなど) およびコンバータ設計で使用される他の部品 (インダクタ、コンデンサ、ヒートシンクなど) の仕様を定義します。

電力品質と高調波に関する基準と規制

IEEE519規格

IEEE519は広く受け入れられている規格であり、電力系統における高調波電流および電圧歪みの限界を定義しています。この規格は、顧客 (電力消費者) と公益事業者 (電力供給者) に適用されます。この規格は、バス電圧に基づいてシステムを分類し、それに応じて高調波歪み制限を規定しています。高調波限界は、個々の高調波と全高調波歪み (THD) に対して与えられ、全ての高調波周波数の累積的な影響を測定します。

IEEE519規格への準拠は、アクティブフィルタの設計において最も重要です。フィルタは、すべての動作条件下でIEEE519で規定された限度内のレベルに高調波歪みを制限する必要があります。そのためには、高調波レベルを予測し、フィルタのサイズを適切に決定する設計段階での詳細な高調波研究が必要です。

IEC61000規格

国際電気標準会議によって設定されたIEC61000規格は、高調波と次数間高調波を含む電力システムにおける電磁両立性 (EMC) の制限とガイドラインを定義しています。この規格では、それぞれ特定の高調波制限を持つさまざまな機器クラスが定められています。これは、高調波を含む電磁妨害を評価、緩和、および制限するための包括的なガイドを提供します。

アクティブフィルタの状態では、IEC61000規格は、これらのシステムが様々な電磁妨害の下でどのように動作するべきか、および管理できる高調波のレベルを規定しています。アクティブフィルタを設計し実装する際に考慮すべき重要な規格です。

電力会社要件とコンプライアンス

上記の国際規格に加えて、電力会社はしばしば電力品質と高調波レベルに関する独自の要件を設定し、これらは通常、電力システムの特定の特性と運用要件に基づいています。これらは、主にネットワークの安定性と信頼性を確保するために、IEEE519およびIEC61000規格で規定されているものよりも厳しくなる可能性があります。

電力会社は顧客がこれらの要件を遵守することを要求しており、遵守しない場合には罰則が課される可能性があります。したがって、アクティブフィルタの設計は国際規格と電力会社によって設定された特定の要件を満たさなければなりません。

要約すると、規格と規制は、高調波除去のためのアクティブフィルタの設計と運用に不可欠です。これらは許容可能な高調波レベルを定義するための共通基盤を確立し、接続されたすべてのデバイスが互いの動作に干渉することなく動作することを確実にする役割を果たします。