CN101128974A - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

在将太阳能电压升压后，进行交流转换，将交流电力提供给负载或系统的电力转换装置中，将太阳能电压(V_O)通过斩波器电路(3)进行升压形成的直流电压(V_3B)作为直流源的第1反相器(3B－INV)的交流侧两个端子的一个上串联连接第2反相器(1B－INV)，在另一个上串联连接第3反相器(2B－INV)。并且，控制为使第2、第3反相器(1B－INV、2B－INV)的输出电压相等，并通过第1、第2、第3反相器的产生电压的总和获得输出电压，直流电源(V_3B)的中间点电位与电力转换装置的输出电压的中间电位，即系统(5)的中点电位(接地电位)相等。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及一种将直流电力转换为交流电力的电力转换装置，特别是涉及一种用于将分散电源连接到系统的功率调节器等的电力转换装置。

背景技术

以往的功率调节器中，例如在太阳能功率调节器中所示，使用斩波器(chopper)从作为太阳能电池的分散电源进行升压，在其后级插入PWM控制的反相器(inverter)，产生输出的交流电压。

这种以往的功率调节器的基本动作如下所示。从太阳能电池输出的直流电力，驱动功率调节器内部控制电源，使内部电路能够动作。内部电路具有斩波器电路和反相器部，斩波器电路将太阳能电池的电压升压至连接到系统所必需的电压。反相器部由四个开关构成，为了形成与系统电压相位同步的输出电流，进行PWM切换。这样，通过输出时输出长条形的波形，改变输出的时间比率来控制输出的平均电压，通过在输出侧设置的平滑滤波器使输出的电压平均化，将交流电力向系统输出(例如，参照非专利文献1)。

非专利文献1：《太阳能功率调节器型KP40F的开发》OMRONTECHNICS Vol.42 No.2(通卷142号)2002年

在将太阳能电压连接于系统的功率调节器中，产生太阳能的太阳能板，对于接地有很大的浮游电容，在太阳能板的电位发生变动时，在该浮游电容中流动较大的充电电流。因此，以往的功率调节器中，为抑制太阳能板电位的变动，使反相器一定是在两极两个电平动作，通过改变正负电压的时间比率来控制输出的平均电压，进行输出。因此，就出现切换损失增加、功率调节器整体效率降低的问题。

发明内容

本发明是为解决以上问题而完成的，其目的在于在将来自太阳能等直流电源的电力转换为交流而向系统或负载输出的电力转换装置中，能够抑制直流电源侧的电位变动，并且提高转换效率。

根据本发明的电力转换装置，串联连接将直流电源的直流电力转换为交流电力的多个单相反相器的交流侧，通过从上述多个单相反相器中选择出的规定组合的各产生电压的总和来控制输出电压。上述多个单相反相器具备：输入上述直流电源中电压最大的第1直流电源的第1反相器；连接在该第1反相器的交流侧第1端子上的一个以上第2反相器；连接在该第1反相器的交流侧第2端子上的一个以上第3反相器。而且，上述第2反相器的总输出电压与上述第3反相器的总输出电压大致相等。

根据本发明的电力转换装置，由于连接在以电压最大的第1直流电源为输入的第1反相器的交流侧第1端子侧的反相器、连接在交流侧第2端子侧的反相器的总输出电压大致相等，因此能够使第1直流电源的中间点电位与电力转换装置输出电压的中间电位大致相等。因此能够获得一种电力转换装置，该电力转换装置能够抑制第1反相器的直流母线的电位变动而不增加损失，且其可靠性与效率高。

附图说明

图1是表示根据本发明实施方式1的功率调节器的示意构成图。

图2是表示根据本发明实施方式1的各单相反相器的输出电压波形的图。

图3是表示根据本发明实施方式4的功率调节器的示意构成图。

图4是根据本发明实施方式4的旁路电路的构成图。

图5是根据本发明实施方式4的旁路电路的别例的构成图。

图6是根据本发明实施方式4的旁路电路的第2别例的构成图。

(符号说明)

2 第2直流电源(太阳能)

3 作为升压电路的斩波器电路

4 DC/DC变换器

5 系统

6 旁路电路

7a 继电器

3B-INV 第1反相器

1B-INV 第2反相器

2B-INV 第3反相器

V_3B 第1直流电源

V_1B，V_2B 直流电源

Qx，Qy 短路用开关(半导体开关)

具体实施方式

实施方式1

下面结合附图说明根据本发明实施方式1的电力转换装置(以下称为功率调节器)。

图1是表示根据本发明实施方式1的功率调节器的示意构成图。如图1所示，串联连接多个(此时为三个)单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV的交流侧，构成作为单相多重转换器的反相器单元1。各单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV是由反向并联连接二极管的多个IGBT等的自消弧型半导体切换元件所构成，在以第1直流电源V_3B为输入的单相反相器(第1反相器)3B-INV的交流侧两个端子的一个上连接单相反相器(第2反相器)1B-INV，在另一个上连接单相反相器(第3反相器)2B-INV。此外，作为使第1反相器3B-INV的交流侧两个端子间短路的短路用开关，反向并联连接二极管的两个IGBT等自消弧型半导体切换元件Qx、Qy并联连接在第1反相器3B-INV上。

此外，在作为第2直流电源的根据太阳能的直流电源2的后级，设置了由IGBT等的切换元件(以下称之为开关)3a、电抗器3b以及二极管3c构成的作为升压电路的斩波器电路3。斩波器电路3将利用直流电源2获得的直流电压V_O升压，获得成为第1直流电源V_3B的充电到平滑电容器的电压(电位V_C)。

各单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV将各直流电源V_2B、V_3B、V_1B的直流电力转换为交流电力而输出，各自的输入的直流电源部分利用双向DC/DC变换器4连接。方便起见，各直流电源V_2B、V_3B、V_1B的电压，记做V_2B、V_3B、V_1B。

构成第1反相器3B-INV的输入的直流电源V_3B的电压，比构成其他单相反相器2B-INV、1B-INV的输入的直流电源V_2B、V_1B的电压大，为了成为规定的电压比，V_2B、V_3B、V_1B用DC/DC变频器4来控制。在此假设，V_1B＝V_2B≥(2/9)·V_3B。也就是说，第2、第3反相器1B-INV、2B-INV的直流电源V_1B、V_2B的电压相等，且两者共计大于或等于(4/9)·V_3B。

这些单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV作为输出可产生正负以及零电压，反相器单元1通过等级控制来输出作为组合了这些产生电压的总和的电压V_A。该输出电压V_A通过由电抗器6a及电容器6b形成的平滑滤波器6进行平滑处理，将交流电压V_out提供给系统5。另外，系统5通过柱状变压器使中点R接地。

各单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV的输出电压波形如图2所示。如图所示，第2反相器1B-INV的输出和第3反相器2B-INV的输出相等，第2、第3反相器1B-INV、2B-INV，为了补足目标输出电压与第1反相器3B-INV输出电压之间的差分，通过PWM控制进行输出。实际上，控制为使电流流入系统5，在输出的电抗器6a较小的情况下，使反相器单元1的输出电压V_A平均化的电压与系统电压之间的差变小，也可认为两者大致相等。

通过各单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV的上述动作，在第1反相器3B-INV的切换元件Q31、Q32接通的期间以及切换元件Q33、Q34接通的期间，即第1反相器3B-INV输出正负任何一个电压的期间，第1反相器3B-INV的直流电源V_3B的中间点X与功率调节器的输出电压V_out的中间电位相等。由于输出电压V_out与系统电压大致相等，因此上述期间内，直流电源V_3B的中间点X与系统5的中间电位(中点R的电位)即接地电位相等。

第1反相器3B-INV的输出电压为0的期间内，使第1反相器3B-INV的交流侧两个端子之间短路的半导体开关Qx、Qy接通，形成导通状态，并且使第1反相器3B-INV内的所有半导体开关Q31～Q34处于关断状态。假设使半导体开关Q31～Q34的某一个接通而处于导通时，直流电源V_3B的电位随着系统电压的变动而变动，但是如上所述通过使所有的半导体开关Q31～Q34处于关断状态，切断直流电源V_3B与系统5(交流输出用电力线)，直流电源V_3B的电位不受系统电压变动引起的影响。由此，直流电源V_3B的中间点X的电位能够保持到此为止的电位，即接地电位。

这样，直流电源V_3B的中间点X的电位总是为接地电位，直流电源V_3B的正极、负极侧各相对于接地电位能够维持一定的直流电位。

如上所述，产生太阳能的太阳能板(直流电源2)相对于接地具有大的浮游电容，当太阳能板2的电位变动时，在该浮游电容中流动大的充电电流，由于将太阳能电压V_O升压而生成的直流电源V_3B的中间点电位能够固定在接地电位上，因此能够抑制太阳能板2的电位变动，也能抑制在浮游电容中流动的电流。

如上所述，在本实施方式中，由于将功率调节器构成为串联连接利用斩波器电路3将太阳能电压V_O升压的直流电压V_3B作为直流源的单相反相器(第1反相器)3B-INV、其他单相反相器2B-INV、1B-INV的交流侧，通过各反相器的产生电压的总和获得输出电压，因此可以输出比斩波器电路3中升压后的直流电压V_3B更高的电压，提高了功率调节器的效率。并且，由于第1反相器3B-INV的交流侧两个端子的一个上连接了第2反相器1B-INV，另一个上连接了第3反相器2B-INV，控制为使第2、第3反相器1B-INV、2B-INV的输出相等，因此能够使直流电源V_3B的中间点电位与功率调节器的输出电压V_out的中间电位相等。也就是说，提供给使中点接地的系统5时，能够将直流电源V_3B的中间点电位作为接地电位，能够抑制太阳能板2的电位变动。

由于利用DC/DC变换器4连接各直流电源V_2B、V_3B、V_1B并控制各电压，因此各单相反相器能产生预期的输出电压，高效切实地实现上述效果。

此外，由于具备使第1反相器3B-INV的交流侧两个端子之间短路的半导体开关Qx、Qy，在第1反相器3B-INV的输出电压为0的期间内，使半导体开关Qx、Qy接通，对第1反相器3B-INV进行旁路，因此能够抑制第1反相器3B-INV的直流电源V_3B的电位变动。并且，在该期间内，通过使第1反相器3B-INV内的所有半导体开关Q31～Q34处于关断状态，切断直流电源V_3B与系统5，能够将直流电源V_3B的中间点电位总是为接地电位，能够可靠抑制太阳能板2的电位变动。

另外，该情况下示出了功率调节器将输出电力提供给系统5的情况，当提供给负载时，也能够使直流电源V_3B的中间点电位与功率调节器的输出电压V_out的中间电位相等，也可抑制第1反相器3B-INV的反相器的直流母线的电位变动。

并且，在本实施方式中，示出了夹着第1反相器3B-INV连接在两侧的第2、第3反相器1B-INV、2B-INV通过PWM控制而高精度控制电压波形的情况，但也可以是例如使V_1B＝V_2B＝(2/9)·V_3B而不进行PWM控制。

此外，假定了各直流电源V_1B、V_2B的电压相等，但如果第2、第3反相器1B-INV、2B-INV的输出相等，则也可以使直流电源V_1B、V_2B的电压不同。并且，夹着第1反相器3B-INV连接在两侧的第2、第3反相器分别可以是多个，只要各输出电压的总和在两侧相等即可。

实施方式2

上述实施方式1中，设置了使第1反相器3B-INV的交流侧两个端子之间短路的半导体开关Qx、Qy，但也可以不具备该半导体开关Qx、Qy。

在该情况下，各单相反相器2B-INV、3B-INV、1B-INV的输出电压波形与图2所示相同，第2反相器1B-INV的输出与第3反相器2B-INV的输出相等，第2、第3反相器1B-INV、2B-INV为补足目标输出电压与第1反相器3B-INV输出电压之间的差分而进行输出。因此，第1反相器3B-INV输出正负任何一个电压的期间内，第1反相器3B-INV的直流电源V_3B的中间点X与功率调节器的输出电压V_out的中间电位相等。

并且，第1反相器3B-INV的输出电压为0的期间内，进行切换，以便交替进行第1反相器3B-INV内的半导体开关Q31、Q33的同时导通与半导体开关Q32、Q34的同时导通。由此，第1反相器3B-INV的直流电源V_3B的中间点X，平均来讲与功率调节器的输出电压V_out的中间电位相等。

因此，第1反相器3B-INV的输出电压在正负、0的任何一个期间内，直流电源V_3B的中间点X都与功率调节器的输出电压V_out的中间电位相等，与系统5的中间电位(中点R的电位)即接地电位相等。因此，与上述实施方式1相同，可抑制太阳能板2的电位变动，抑制在浮游电容中流动的电流。

实施方式3

下面，以下示出在电路结构与上述实施方式1的图1中所示相同的功率调节器中，提高了斩波器电路3效率的实施方式。

200V的交流输出所需要的最大输出电压为约282V，反相器单元1的输出电压V_A最大可输出至V_1B+V_2B+V_3B。因此，如果V_1B+V_2B+V_3B为约282V以上，则功率调节器可进行200V的交流输出。V_1B+V_2B+V_3B比利用斩波器电路3升压后的电压V_3B要大，例如V_1B、V_2B、V_3B的关系为2∶2∶9时，成为V_3B的13/9倍。也就是说，当V_3B为约195V以上时，V_1B+V_2B+V_3B为282V以上，这成为交流输出的条件。

在太阳能电压V_O为195V以上时，即使不进行利用斩波器电路3的升压动作，V_3B也成为约195V以上，能够得到规定的交流输出。因此，在本实施方式中，对于利用直流电源2获得的直流电压(太阳能电压)V_O，一直到规定的电压V_m1(195V)为止，接通和关断IGBT开关3a，升压为该电压V_m1，如果超出规定的电压V_m1，就会停止IGBT开关3a并停止斩波器电路3a的升压动作。

太阳能电压V_O的增加的同时，升压率降低，斩波器电路3的效率提高，若停止IGBT开关3a则大幅降低损失，仅有二极管3c的导通损失。并且，伴随着太阳能电压V_O的增加，电流也会降低，二极管3c中的导通损失也会降低。

在本实施方式中，太阳能电压V_O超出规定的电压V_m1(195V)时，停止IGBT开关3a并停止升压动作，因此如上所述，得到能大幅度地减少升压带来的损失，且转换效率高的功率调节器。

实施方式4

图3是表示根据本发明实施方式4的功率调节器的示意构成图。根据本实施方式的功率调节器，在上述实施方式1的图1所示的功率调节器上，配备对斩波器电路3进行旁路的旁路电路7。

如图3所示，斩波器电路3将从直流电源2获得的直流电压V_O升压，获得向成为第1直流电源的平滑电容器4充电的电压V_C。此外，由于升压停止时对斩波器电路3进行旁路，因此例如由继电器7a构成的旁路电路7并联连接在斩波器电路3上。

在斩波器电路3中，与上述实施方式3同样，对于在成为输入的直流电源2中获得的直流电压(太阳能电压)V_O，一直到规定的电压V_m1(195V)为止，接通和关断IGBT开关3a，升压为该电压V_m1。此期间，旁路电路7的继电器7a是开放着的。并且超出规定的电压V_m1时，就会停止IGBT开关3a。此时，旁路电路7的继电器7a关闭，电流流向旁路电路7一侧，对斩波器电路3的电抗器3b及二极管3c进行旁路。

太阳能电压V_O在规定的电压V_m1以下的范围时，斩波器电路3为了使输出电压V_3B成为一定电压V_m1，而进行升压，因此太阳能电压V_O增加的同时，升压率降低，斩波器电路3的效率提高。太阳能电压V_O超出规定的电压V_m1时，停止升压动作，关闭旁路电路7的继电器7a，电流流向旁路电路7一侧，所以几乎没有损失。因此，太阳能电压V_O以电压V_m1为界，斩波器电路的效率急剧提高。

另外，停止升压动作的规定电压V_m1在约195V以上即可，在电压更低的情况下，更能够降低斩波器电路3的损失。并且，停止升压动作后，不但会大幅降低因IGBT开关3a的停止所带来的损失，而且由于对斩波器电路3内的电抗器3b及二极管3c进行了旁路，因此也能消除电抗器3b及二极管3c的导通损失，斩波器电路3中几乎没有损失。这样便能获得转换效率高的功率调节器。

以下对于上述实施方式4中的旁路电路7，根据图4～图6进行详细说明。

旁路电路7由继电器7a构成，对斩波器电路3内串联连接的电抗器3b及二极管3c的任何一个、或者两个进行旁路。

图4表示如上述实施方式4的图3所示，利用继电器7a将电抗器3b及二极管3c进行旁路的旁路电路7。图5表示根据别例的旁路电路7，利用继电器7a只对二极管3c进行旁路。图6表示根据第2别例的旁路电路7，利用继电器7a只对电抗器3b进行旁路。

此外，继电器7a上并联连接自消弧型的半导体开关7b。继电器7a一般在零电流时开放或低电压时开放，因此难以切断直流电流，通过这样并联具备半导体开关7b就能容易地切断。这时，开放继电器7a的同时使半导体开关7b接通，暂时将电流移到半导体开关7b。这样，切断流过继电器7a的电流，之后再关断半导体开关7b。

在任何一个情况下，如果太阳能电压V_O超出规定的电压V_m1，就会停止IGBT开关3a，停止升压动作，关闭旁路电路7的继电器7a，电流流过旁路电路7一侧。

图4的情况下，由于对斩波器电路3内的电抗器3b及二极管3c进行了旁路，因此能够消除电抗器3b及二极管3c的导通损失，提高了功率调节器整体的效率。

图5的情况下，由于仅对斩波器电路3内的二极管3c进行了旁路，因此能够消除二极管3c的导通损失，提高了功率调节器整体的效率。这时，由于没有对电抗器3b进行旁路，因此可将电抗器3b作为滤波器使用。

图4、图5中，由于对二极管3c进行了旁路，因此当直流电源V_3B大于太阳能电压V_O时，有可能会导致电流的逆流，或者甚至对直流电源2即太阳能板施加逆电压，从而导致太阳能板的损伤。因此构成为，检测出流过继电器7a的电流，当该电流成为一定值以下时，开放继电器7a，切换到经由电抗器3b及二极管3c的电流路径。这样，通过开放继电器7a而使二极管3c的功能有效，具备逆流防止及太阳能板的逆电压保护功能。

另外，开放继电器7a时，即使因检测迟缓等而导致逆电流已产生，也能通过暂时将电流移到半导体开关7a来进行可靠切断。

图6的情况下，由于仅对斩波器电路3内的电抗器3b进行了旁路，因此能够消除电抗器3b的导通损失，提高了功率调节器整体的效率。并且由于没有对二极管3c进行旁路，因此利用二极管3c可防止逆流并能进行太阳能板的逆电压保护，容易提高其可靠性。这时，即使不设置半导体开关7b，继电器7a也可进行切断，但是通过设置半导体开关7b，在二极管3c的异常等的情况下也能进行切断。

可广泛应用于将太阳能等分散电源的直流电压升压到必要的电压后，转换为交流并连接到系统中的无停电电源装置，或将转换后的交流电力提供给负载的反相器装置。

Claims (9)

1.一种电力转换装置，串联连接将直流电源的直流电力转换为交流电力的多个单相反相器的交流侧，利用根据从上述多个单相反相器中选择的规定组合的各产生电压的总和来控制输出电压，

所述电力转换装置的特征在于：

上述多个单相反相器包括：将上述直流电源中电压最大的第1直流电源作为输入的第1反相器；连接在该第1反相器的交流侧第1端子上的一个以上的第2反相器；连接在该第1反相器的交流侧第2端子上的一个以上的第3反相器，

上述第2反相器的总输出电压与上述第3反相器的总输出电压大致相等。

2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

将使上述第1反相器的交流侧两个端子之间短路的短路开关并联连接在该第1反相器上，当上述第1反相器的产生电压为0时，导通上述短路开关，对上述第1反相器进行旁路。

3.根据权利要求2所述的电力转换装置，其特征在于：

当上述第1反相器的产生电压为0时，导通上述短路开关，并且控制上述第1反相器的切换状态，以便切断上述第1直流电源与该电力转换装置的交流输出用电力线。

4.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

成为上述第2、第3各反相器的输入的各直流电源和上述第1直流电源，经由DC/DC变换器进行连接。

5.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：

上述第1直流电源经由升压电路从第2直流电源生成。

6.根据权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于：

当上述第2直流电源的电压超出规定的电压时，停止上述升压电路内开关的接通和关断动作，从而停止升压动作。

7.根据权利要求6所述的电力转换装置，其特征在于：

具备对上述升压电路进行旁路的旁路电路，

当上述第2直流电源的电压超出规定的电压时，停止上述升压电路内开关的接通和关断动作，从而停止升压动作，并且利用上述旁路电路对该升压电路进行旁路。

8.根据权利要求7所述的电力转换装置，其特征在于：

上述旁路电路由继电器构成。

9.根据权利要求5所述的电力转换装置，其特征在于：

输出规定的交流电压、交流电流并提供给负载，或者将该规定的交流输出并联连接到系统，且将上述第2电源连接到该系统。

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