CN101636896B - 三相电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

一种三相电力变换装置，其中：由以在太阳能电池(1)的输出端子之间连接的平滑电容器(3)作为直流部的三相逆变电路(4)、和与其各交流输出线分别串联连接的单相逆变器(5a)～(5c)构成逆变器部，连接到三相系统(2)。三相逆变电路(4)在针对系统电压半周期使脉冲宽度为半周期的基本电压脉冲内，输出极性相反的电压脉冲(10ua)，各单相逆变器(5a)～(5c)使半周期内的负担电力大致为零，且在产生极性相反的电压脉冲(10ua)的期间，进行从各相的目标输出电压减去共用电压(Vo)的修正。

Description

三相电力变换装置
技术领域
本发明涉及把直流电力变换成交流电力的电力变换装置，尤其涉及把太阳能电池等的分散电源连结到三相系统的三相电力变换装置。
背景技术
作为现有的三相电力变换装置，有以下所示的太阳能发电用电力变换装置，其中把来自太阳能电池的直流电力变换成三相输出的交流电力，与三相系统连结，向该系统输送交流电力。构成为，具有三组由两个开关元件串联连接而成的半桥逆变器(inverter)，该三组半桥逆变器输出以与直流输入部连接的电容器的中点为0的正或负的电压，通过进行PWM控制获得所希望的输出波形(参照例如专利文献1)。
<专利文献1>日本特开昭62-42213号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
在上述专利文献1所示的三相电力变换装置中，通过半桥逆变器的PWM控制，输出由电压比较大的矩形波电压产生的长方形的波形，所以产生大的切换损失(switching loss)，装置效率降低。另外，为了把从半桥逆变器输出的矩形波电压变得平滑，需要有大容量的滤波器，也存在装置结构大型化的问题。
本发明正是为了解决上述问题而提出的，其目的在于提供使装置结构小型且成本低，而且变换效率高的三相电力变换装置的结构。
(用来解决问题的手段)
根据本发明的第一三相电力变换装置是把直流电源连结到三相系统的三相电力变换装置，具有：在直流电源的正负端子之间连接的平滑电容器；把该平滑电容器的直流电力变换成三相交流电力的三相逆变电路；以及与该三相逆变电路的各相交流输出线分别串联连接的单相逆变器。上述三相逆变电路在针对系统电压半周期使脉冲宽度为半周期的基本电压脉冲内，以几个以下的脉冲数向预定的区域输出极性相反的电压脉冲。上述各单相逆变器以补偿上述系统的相电压与上述三相逆变电路的输出之差的方式，通过实施PWM控制来输出电压，且在上述三相逆变电路产生上述极性相反的电压脉冲的期间，从该PWM控制中的各相的目标输出电压减去共用电压进行修正。
另外，根据本发明的第二三相电力变换装置是把直流电源连结到三相系统的三相电力变换装置，具有：在直流电源的正负端子之间连接的平滑电容器；把该平滑电容器的直流电力变换成三相交流电力的三相逆变电路；以及与该三相逆变电路的各相交流输出线分别串联连接的单相逆变器。上述三相逆变电路在针对系统电压半周期使脉冲宽度为半周期的基本电压脉冲内，以几个以下的脉冲数向预定的区域输出极性相反的电压脉冲。上述各单相逆变器以补偿上述系统的相电压与上述三相逆变电路的输出之差的方式，通过实施PWM控制来输出电压。控制从上述三相逆变电路输出的上述极性相反的电压脉冲的脉冲宽度，以使得上述系统电压的半周期期间内的上述各单相逆变器的电力负担大致为零。
(发明的效果)
根据本发明的第一三相电力变换装置，不需要利用大电压的PWM控制，就能够降低切换损失，且还能够降低输出滤波器的容量。而且，即使三相逆变电路的输入直流电压高，通过输出上述极性相反的脉冲，也能够调整成使各单相逆变器的电力负担变小。另外，由于在三相逆变电路产生上述极性相反的电压脉冲的期间，各单相逆变器从PWM控制中的各相的目标输出电压减去共用电压进行修正，所以能够降低各单相逆变器所需的直流电压。由此，能够使装置结构小型且简单，促进低成本化和变换效率的提高。
根据本发明的第二三相电力变换装置，不需要利用大电压的PWM控制，就能够降低切换损失，且还能够降低输出滤波器的容量。而且，即使三相逆变电路的输入直流电压高，通过输出上述极性相反的脉冲，也能够调整成使各单相逆变器的电力负担变小。另外，由于控制上述极性相反的电压脉冲的脉冲宽度，以使得系统电压的半周期期间内的各单相逆变器的电力负担大致为零，所以无须为了各单相逆变器的直流电力而从外部进行电力授受。由此，能够使装置结构小型且简单，促进低成本化和变换效率的提高。
附图说明
图1是示出根据本发明的实施方式1的三相电力变换装置的结构的电路图。
图2是说明根据本发明的实施方式1的逆变器部的基本控制的电压波形图。
图3是示出根据本发明的实施方式1的逆变器部的基本控制中的太阳能电池的电压与单相逆变器的负担电力的关系的图。
图4是说明根据本发明的实施方式1的逆变器部的控制中的第一调整的电压波形图。
图5是说明根据本发明的实施方式1的逆变器部的控制中的第二调整的电压波形图。
图6是说明根据本发明的实施方式1的逆变器部的控制中的第二调整的电压波形图。
图7是说明根据本发明的实施方式1的逆变器部的控制中的第二调整的电压波形图。
图8是示出根据本发明的实施方式1的太阳能电池的电压与单相逆变器的负担电力的关系的图。
图9是示出根据本发明的实施方式1的三相电力变换装置的三相绝缘变压器的连线结构的图。
具体实施方式
(实施方式1)
下面，用附图说明根据本发明的实施方式1的三相电力变换装置。图1(a)是示出根据本发明的实施方式1的三相电力变换装置的结构的电路图，图1(b)是图1(a)的部分放大图。
如图1(a)所示，三相电力变换装置把来自作为直流电源的太阳能电池1的直流电力变换成交流电力，通过三相绝缘变压器(transformer)8向三相系统2(以下简称为系统2)输出。此时，系统2的Y形连线的线间电压为200V，需要使三相绝缘变压器8的输入线间电压也为200V。三相电力变换装置具有逆变器部，该逆变器部由用三组半桥逆变器4a～4c构成的三相逆变电路4和与该三组半桥逆变器4a～4c的各交流输出线分别串联连接的单相逆变器5a～5c构成，每组半桥逆变器4a～4c由两个串联的开关元件构成。
另外，在输出由太阳能电池1的电池板产生的电压的正负端子之间连接两个串联的平滑电容器3(3a、3b)，三相逆变电路4把平滑电容器3的直流电力变换成三相交流电力。在单相逆变器5a～5c的输出侧具有由电抗器(reactor)6和电容器7构成的滤波电路，单相逆变器5a～5c的输出端通过滤波电路与三相绝缘变压器8的一次侧各相连接。另外，9是太阳能电池1的电池板与接地之间的杂散电容。
如图1(b)所示，单相逆变器5a～5c用由四个开关元件构成的全桥逆变器构成，在直流输入侧具有保持电压的电容器50。各相的单相逆变器5a～5c的输出电压与各相的半桥逆变器4a～4c的输出电压重叠，从逆变器部输出将半桥逆变器4a～4c的输出电压与单相逆变器5a～5c的输出电压相加得到的合计电压。另外，单相逆变器5a～5c的电容器50的电压设定成比半桥逆变器4a～4c的直流部的电压即太阳能电池1的输出电压小。
以下，说明由三相逆变电路4和单相逆变器5a～5c构成的逆变器部的动作。
首先，基于图2的动作电压波形说明逆变器部的基本控制。三相逆变电路4的各半桥逆变器4a～4c以平滑电容器3的中间点为零电位，每半周期用一个脉冲输出两极电压。把该使脉冲宽度为半周期的两极电压脉冲称为基本电压脉冲。由于系统2的线间电压为200V，需要使三相绝缘变压器8的输入线间电压也为200V，所以从逆变器部输出的相电压为
Figure G200880005791XD00051
的电压。即，以补偿该输出电压与半桥逆变器4a～4c的输出电压之差的方式，单相逆变器5a～5c通过高频PWM控制来输出电压。
如图2(a)所示，在太阳能电池1的电压为260V的条件下，三相逆变电路4的各半桥逆变器4a～4c以平滑电容器3的中间点为零电位，每半周期输出±130V的基本电压脉冲。在半周期中，单相逆变器5a～5c在相位靠近0和180度的区域产生与逆变器部的输出电压极性相反的电压，在相位靠近90度的区域输出与逆变器部的输出电压极性相同的电压。在进行使输出电流的相位与输出电压的相位一致的控制(以功率因数1运转)时，在相位靠近0和180度的区域单相逆变器5a～5c进行对电容器50充电的动作，相反，在相位靠近90度的区域单相逆变器5a～5c从电容器50放电。在半桥逆变器4a～4c的直流电压(太阳能电池1的电压)为260V时，在半周期内单相逆变器5a～5c的充电与放电相抵销，电容器50的电压不变化。即，单相逆变器5a～5c的电力供需(电力负担)大致为零，供需平衡。
图2(b)表示太阳能电池1的电压增加而成为400V的条件，三相逆变电路4的各半桥逆变器4a～4c以平滑电容器3的中间点为零电位，每半周期输出±200V的基本电压脉冲。此时，在半周期的整个区域上，单相逆变器5a～5c产生与逆变器部的输出电压极性相反的电压，在以功率因数1运转时，单相逆变器5a～5c总是进行对电容器50充电的动作。
这样，如果假定即使太阳能电池1的电压变化也进行把单相逆变器5a～5c的利用高频PWM控制得到的输出电压组合到从三相逆变电路4每半周期输出的两极的基本电压脉冲上的基本控制，则相对太阳能电池1的电压的单相逆变器5a～5c的半周期期间的负担电力成为图3所示的特性。如图所示，太阳能电池1的电压为260V时(图中A点)，单相逆变器5a～5c的负担电力大致为零，但如果太阳能电池1的电压增加则变成负。太阳能电池1的电压容易变化到两倍左右，电压为400V时，相对于三相逆变电路4处理的电力，单相逆变器5a～5c的负担电力成为-60％，为了与单相逆变器5a～5c的各电容器50进行电力授受，需要有大型且复杂的直流电源电路。
在本实施方式中，把在上述基本控制中单相逆变器5a～5c的负担电力成为零以下的区域(参照图3)作为三相电力变换装置的运转范围，把逆变器部控制成在该运转范围内单相逆变器5a～5c的负担电力大致为零。
在此，对上述基本控制进行两阶段的调整，第一调整是，在每半周期输出的上述基本电压脉冲内的电流的最大值附近，三相逆变电路4输出极性相反的电压脉冲。后面将基于图4描述该第一调整的细节。而第二调整进行单相逆变器5a～5c的输出修正，后面将基于图5～图7描述该第二调整的细节。
以下，说明逆变器部的控制中的第一调整。
图4示出三相逆变电路4的各半桥逆变器4a～4c和各单相逆变器5a～5c的输出电压波形。此时，针对各相的单相逆变器5a～5c的输出，示出的是用后述第二调整实施输出修正的前一阶段即修正前的输出。如图所示，在每半周期输出的基本电压脉冲内的电流的最大值附近，各相的半桥逆变器4a～4c输出极性相反的电压脉冲。10ua、10ub是U相半桥逆变器4a的正极、负极的各基本电压脉冲内的极性相反的电压脉冲，同样地，10va、10vb是V相半桥逆变器4b的正极、负极的各基本电压脉冲内的极性相反的电压脉冲，10wa、10wb是W相半桥逆变器4c的正极、负极的各基本电压脉冲内的极性相反的电压脉冲。如果逆变器部的电流与相电压的相位相同，则在各相电压的峰值附近输出极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb。
各相的单相逆变器5a～5c以补偿逆变器部的目标相电压与半桥逆变器4a～4c的输出电压之差的方式，通过实施高频PWM控制来输出电压。因此，在各相的半桥逆变器4a～4c输出极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的期间，各相的单相逆变器5a～5c输出凸出的脉冲电压。利用该凸出的脉冲电压，单相逆变器5a～5c能够进行电容器50的放电动作，能够调整负担电力。
例如，在U相半桥逆变器4a输出正极的基本电压脉冲的半周期中，在半桥逆变器4a产生极性相反的电压脉冲10ua的期间，U相单相逆变器5a输出作为上述凸出的脉冲电压的正电压，在除此以外的期间输出负电压。即，如果控制极性相反的电压脉冲10ua的脉冲宽度，就能调整单相逆变器5a的电力供需。
在此，控制极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的脉冲宽度，以使得电容器50的充放电被平衡，单相逆变器5a～5c的负担电力大致为零。由此，无须从外部进行电力授受，就能保持电容器50的电压。作为具体的控制，在相电流与相电压的相位相同的条件下，如果极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的脉冲宽度变窄，则抑制电容器50的电压下降，如果变宽，则抑制电容器50的电压增加。由于在相电流的最大值附近产生极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb，所以如果改变该脉冲宽度则单相逆变器5a～5c的负担电力的变化量也增大，能够良好地控制该负担电力。
另外，在图2所示的上述基本控制中，单相逆变器5a～5c的负担电力大致为零时，例如太阳能电池1的电压为260V时，不需要极性相反的电压脉冲，即脉冲宽度为0即可。
以下，说明逆变器部的控制中的第二调整。
如上所述，通过上述第一调整，在各相的半桥逆变器4a～4c产生极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的期间，各相的单相逆变器5a～5c输出凸出的脉冲电压。第二调整是用来降低这样的凸出的电压脉冲的电压水平的输出修正，在产生极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的期间，各单相逆变器5a～5c从PWM控制中的各相的目标输出电压减去共用电压进行修正。
图5示出在产生U相的极性相反的电压脉冲10ua的期间的各单相逆变器5a～5c的输出修正的状态。此时的修正前输出是在图4中用11表示的部分。在太阳能电池1的电压为400V、系统2的线间电压为200V时，逆变器部应输出的相电压为
Figure G200880005791XD00081
相电压的最大值成为163V。在产生U相的极性相反的电压脉冲10ua的期间，由于U相半桥逆变器4a输出-200V，所以在修正前的阶段U相单相逆变器5a应输出的电压为363V。如图5所示，通过对各相的单相逆变器5a～5c的输出进行减去预定的电压大小的修正，能够大幅减小产生极性相反的电压脉冲10ua的期间的U相单相逆变器5a的输出电压。另外，此时，V相、W相的单相逆变器5b、5c的输出电压的极性从正变成负。这样的输出修正中，从各相的单相逆变器5a～5c的目标输出电压减去预定的共用电压Vo进行修正，以抑制产生极性相反的电压脉冲10ua的期间的各相的单相逆变器5a～5c的输出电压的大小。
另外，由于从三相的单相逆变器5a～5c的各目标输出电压分别减去相同的共用电压Vo，所以逆变器部输出的线间电压保持在预定的值(200V)，向系统2供给的线间电压也保持在预定的值。此时，逆变器部的三相交流输出的中性点的电位是变化的，但由于通过三相绝缘变压器8向系统2供给逆变器部的输出，所以不会对系统2带来不良影响。
从各相的单相逆变器5a～5c的目标输出电压减去的共用电压Vo，例如，如下所述地求出。
计算产生极性相反的电压脉冲10ua的期间的各单相逆变器5a～5c的三个修正前目标输出电压中的最大电压、最小电压这两个电压的平均电压，作为共用电压Vo。例如，在U相单相逆变器5a的修正前目标输出电压为350V、V相单相逆变器5b的修正前目标输出电压为100V、W相单相逆变器5c的修正前目标输出电压为150V时，共用电压Vo＝225V，U相单相逆变器5a的修正后目标输出电压为125V、V相单相逆变器5b的修正后目标输出电压为-125V、W相单相逆变器5c的修正后目标输出电压为-75V。由此，能够有效地抑制各单相逆变器5a～5c的输出电压的大小，能够降低各单相逆变器5a～5c所需的直流电压。
图6、图7是说明各单相逆变器5a～5c的输出修正的状态的各部分的电压波形。可以看出，如图6所示，相对于基本频率的周期，共用电压Vo是具有1/3周期的脉冲输出。此时的共用电压Vo是产生极性相反的电压脉冲10ua的期间的单相逆变器5a～5c的输出的最大电压V-max与最小电压V-min的平均电压。如图7所示，可知修正后的各单相逆变器5a～5c的输出与原来的最大电压V-max的电压水平12相比大幅度下降。
另外，由于共用电压Vo不含有基本频率分量，所以在相电流为基本频率时，不会由于减去共用电压Vo而在各单相逆变器5a～5c的负担电力中产生变化。
如上所述，在本实施方式中，三相逆变电路4在针对系统电压半周期使脉冲宽度为半周期的基本电压脉冲内，输出一个极性相反的电压脉冲，各单相逆变器5a～5c在进行了抑制输出电压的修正之后把利用PWM控制输出的电压与三相逆变电路4的输出重叠。因此，不需要进行利用大电压的PWM控制，就能够降低切换损失，且还能够降低输出滤波器的容量。
另外，能够抑制各单相逆变器5a～5c的输出电压的增大，且能够调整各单相逆变器5a～5c的供需电力而使负担电力大致为零，即，使电力供需平衡。图8是示出相对太阳能电池1的电压的单相逆变器5a～5c的半周期期间的负担电力的图，可以看出在宽的电压范围内负担电力为零。由此，在单相逆变器5a～5c的直流部中无须从外部进行电力授受，而且能够大幅度降低单相逆变器5a～5c应输出的最大电压，所以能降低各单相逆变器5a～5c所需的直流电压。
因此，能够使装置结构小型且简单，促进低成本化和变换效率的提高。
另外，上述共用电压Vo的确定方法不限于上述例子，以下示出其它例子。
确定为了使产生极性相反的电压脉冲的期间的各单相逆变器5a～5c的三个修正前目标输出电压中的最大电压落在预先设定的允许电压范围内而减去的电压，作为共用电压Vo。例如，单相逆变器5a～5c可输出的电压为150V，U相单相逆变器5a的修正前目标输出电压为350V、V相单相逆变器5b的修正前目标输出电压为100V、W相单相逆变器5c的修正前目标输出电压为150V。为了使最大电压即U相单相逆变器5a的修正前目标输出电压350V成为150V，共用电压Vo＝200V，U相单相逆变器5a的修正后目标输出电压为150V、V相单相逆变器5b的修正后目标输出电压为-100V、W相单相逆变器5c的修正后目标输出电压为-50V。由此，能够可靠地抑制各单相逆变器5a～5c的输出电压的大小以落在允许电压范围内，能够降低各单相逆变器5a～5c所需的直流电压。
另外，在上述实施方式中，在相电流的最大值附近产生一次各相的极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb，但也可以是每1/4周期产生一次等的、在半周期内产生多个极性相反的电压脉冲。如果极性相反的电压脉冲的脉冲数变多，则会看到因切换损失增加、高次谐波的产生导致的波形精度劣化，所以希望尽可能少，为几个以下。
另外，在上述实施方式中，控制极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的脉冲宽度，以使各单相逆变器5a～5c的负担电力大致为零，但也可以允许各单相逆变器5a～5c的负担电力落在预定范围内。此时，在各单相逆变器5a～5c的电容器50与外部的直流电源之间通过双向DC/DC转换器进行电力授受，保持电容器50的电压。作为外部的直流电源也可以是作为三相逆变电路4的直流部的平滑电容器3。
另外，在上述实施方式中，进行了修正各单相逆变器5a～5c的目标输出电压的第二调整，但也可以进行省略了第二调整的控制。此时，不能降低各单相逆变器5a～5c所需的直流电压，但通过产生极性相反的电压脉冲10ua、10ub、10va、10vb、10wa、10wb的第一调整，能够调整各单相逆变器5a～5c的供需电力使负担电力大致为零。
另外，上述实施方式中的用来把逆变器部的三相交流输出与系统2连接的三相绝缘变压器8也可以是图9(a)～图9(d)所示的任一种连线结构。尤其是，如果使一次侧为Δ形连线，则二次侧的绕组中产生的电压的高次谐波少，波形精度良好。
产生上的可利用性
能够在把分散电源连结到三相系统的功率调节器(conditioner)等的系统连结装置中使用。

Claims (12)

1.一种三相电力变换装置，把直流电源连结到三相系统，该三相电力变换装置的特征在于：
具有：在上述直流电源的正负端子之间连接的平滑电容器；把该平滑电容器的直流电力变换成三相交流电力的三相逆变电路；以及与该三相逆变电路的各相交流输出线分别串联连接的单相逆变器，
上述三相逆变电路在频率与系统电压相同的基本电压脉冲的各脉冲内，以几个以下的脉冲数向预定的区域输出极性相反的电压脉冲，
上述各单相逆变器以补偿上述系统的相电压与上述三相逆变电路的输出之差的方式，通过实施PWM控制来输出电压，且在上述三相逆变电路产生上述极性相反的电压脉冲的期间，从该PWM控制中的各相的目标输出电压减去共用电压来进行修正。
2.如权利要求1所述的三相电力变换装置，其特征在于：
在上述三个相的单相逆变器与上述三相系统之间设置三相绝缘变压器。
3.如权利要求1或2所述的三相电力变换装置，其特征在于：
控制从上述三相逆变电路输出的上述极性相反的电压脉冲的脉冲宽度，以使得上述系统电压的半周期期间内的上述各单相逆变器的电力负担大致为零。
4.如权利要求1或2所述的三相电力变换装置，其特征在于：
上述三相逆变电路输出的上述极性相反的电压脉冲是：相对于上述系统电压半周期，在相电流的最大值附近产生一个的脉冲。
5.如权利要求4所述的三相电力变换装置，其特征在于：
在产生上述极性相反的电压脉冲的期间减去的上述共用电压的整体波形是根据上述系统电压的1/3周期的脉冲输出形状。
6.如权利要求1或2所述的三相电力变换装置，其特征在于：
在产生上述极性相反的电压脉冲的期间减去的上述共用电压是该期间中上述各单相逆变器的目标输出电压的最大电压与最小电压的平均值。
7.如权利要求1或2所述的三相电力变换装置，其特征在于：
在产生上述极性相反的电压脉冲的期间减去的上述共用电压被确定成：使得该期间中上述各单相逆变器的目标输出电压的最大电压落在预定的允许范围内。
8.如权利要求2所述的三相电力变换装置，其特征在于：
上述三相绝缘变压器的一次侧为△形连线。
9.如权利要求1或2所述的三相电力变换装置，其特征在于：
上述直流电源是太阳能电池。
10.一种三相电力变换装置，把直流电源连结到三相系统，该三相电力变换装置的特征在于：
具有：在上述直流电源的正负端子之间连接的平滑电容器；把该平滑电容器的直流电力变换成三相交流电力的三相逆变电路；以及与该三相逆变电路的各相交流输出线分别串联连接的单相逆变器，
上述三相逆变电路在频率与系统电压相同的基本电压脉冲的各脉冲内，以几个以下的脉冲数向预定的区域输出极性相反的电压脉冲，
上述各单相逆变器以补偿上述系统的相电压与上述三相逆变电路的输出之差的方式，通过实施PWM控制来输出电压，且
控制从上述三相逆变电路输出的上述极性相反的电压脉冲的脉冲宽度，以使得上述系统电压的半周期期间内的上述各单相逆变器的电力负担大致为零。
11.如权利要求10所述的三相电力变换装置，其特征在于：
上述三相逆变电路输出的上述极性相反的电压脉冲是：相对于上述系统电压半周期，在相电流的最大值附近产生一个的脉冲。
12.如权利要求10或11所述的三相电力变换装置，其特征在于：
上述直流电源是太阳能电池。
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