CN101978570A - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

使用连接在逆变器的直流电路上的直流电力辅助装置，将电力储存量保持在充电容量的50％左右，并且监视某个时间带，在进行充电或放电的情况下，不能进行作为电力辅助的削峰量的控制，另外不能实现基于用途的负载固有的充放电个别控制。在直流电力辅助装置的斩波器控制部的设定部中决定充电开始电压、充电停止电压、无控制电压范围、放电停止电压、以及放电开始电压的各设定值。各设定值是根据逆变器的直流检测电压的检测值来选择的，并作为充电目标值、放电目标值分别输出到充电控制部和放电控制部。另外，构成为设置负载补偿增益部，该负载补偿增益部运算与端子电压放电阈值和检测出的蓄电设备的端子电压之间的偏差信号相应的增益补偿信号，通过该增益补偿信号使设在逆变器的控制电路中的驱动转矩限制的限制值可变以调整电流指令。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及一种电力变换装置，特别是涉及具有升降压斩波器(chopper)和蓄电设备的直流电力辅助装置。
背景技术
电力变换装置被用作连接在交流电力系统与负载之间以辅助负载电力的装置。该电力变换装置由直流电力辅助装置和逆变器装置的组合构成，其中，该直流电力辅助装置由升降压斩波器和双电层电容器(electric double layer capacitor)等蓄电设备构成。这里所说的辅助包含电力的削峰(peak cut)、负载平衡、电力储存、以及瞬时电压下降的补偿，专利文献1等为公知知识。
专利文献1构成设置有瞬间启动型电力缓冲器和持续运行型电力缓冲器，其中，该瞬间启动型电力缓冲器经过双向DC/DC转换器而连接到逆变器装置的直流电路，该持续运行型电力缓冲器经过第二双向DC/DC转换器与该瞬间启动型电力缓冲器并联连接。而且，记载了如下技术：通过使瞬间启动型电力缓冲器与负载的急剧变化对应，而避免了持续运行型电力缓冲器的急剧充放电，从而延长寿命。
专利文献1：日本特开2007-60796
发明内容
如图5中所示，上述的专利文献1将电力储存量保持在充电容量的50％左右，并且监视某个时间带，进行充电或放电中的任意一种动作，从而具有负载平衡化和无停电电源装置的功能。但是，在该方式中，不能进行作为电力辅助的削峰量的控制，另外不能实现适应用途的负载固有的充放电的个别控制。特别是，在将电力变换装置与商用电力系统并用来向负载提供电力的系统中，在进行设置既不充电也不放电的宽度的控制的情况下，能够有效地利用整体系统的能量，在这种情况下，能够期待直流电力辅助装置中所使用的蓄电设备等的寿命延长。
本发明的目的在于，提供一种能够高效地实施电力辅助的电力变换装置。
本发明提供一种电力变换装置，在交流电力系统中连接用于负载控制的逆变器，在该逆变器的直流电路上连接具有斩波器和蓄电设备的直流电力辅助装置来进行电力辅助，该电力变换装置的特征在于，具备：
设定部，用于对所述蓄电设备的充放电控制；
充电控制部，根据由该设定部所设定的充电目标值来执行充电控制；
放电控制部，根据由设定部所设定的放电目标值来执行放电控制；以及
瞬时低压高速补偿部，推定与所述逆变器的直流检测电压相对应的电力，将该推定值除以直流检测电压后的值输出到放电控制部，
所述设定部具有充电开始电压、充电停止电压、无控制电压范围、放电停止电压、以及放电开始电压的各设定值，且各设定值是根据所述逆变器的直流检测电压的检测值来选择的，并作为充电目标值、放电目标值而分别输出到充电控制部和放电控制部。
另外，本发明的充电控制部和放电控制部的特征在于，具备：电压控制部，各自地输入充电目标值或放电目标值和逆变器的直流检测电压之间的偏差信号，分别运算充电指令值、放电指令值；电流控制部，各自地输入从各电压控制部输出的充电指令值、放电指令值与所述蓄电设备的检测电流之间的偏差，进行电流运算；以及PWM控制部，分别各自地输入来自各电流控制部的充电指令值、放电指令值，各自地生成所述斩波器的充电用开关元件和放电用开关元件的门信号。
应用于本发明的瞬时低压高速补偿部的特征在于，通过设置在所述逆变器的直流电路中的电容器的容量、和所输入的直流检测电压的取样值，根据放电能量的变化量来算出电力的变化量，通过将算出的电力变化量除以直流检测电压来生成放电电流指令。
另外，本发明的特征在于，该电力变换装置构成为设有：负载补偿增益部，该负载补偿增益部运算与所述蓄电设备中所设定的端子电压放电阈值和所检测出的蓄电设备的端子电压之间的偏差信号相应的增益补偿信号；以及驱动转矩限制部，设在所述逆变器的控制部所具有的电流控制部的输出侧，其中，该驱动转矩限制部的限制值根据所述负载补偿增益部所输出的增益补偿信号而可变。
如上所述，根据本发明，能够个别地设定充电、放电控制，能够设定符合设备的直流电压。由此，能够维持为确保电机等的最大电压所需的最低限度的直流电压，降低构成逆变器或斩波器的开关元件的开关损耗。另外，通过在设定中设置无控制范围，也可以不进行多余的电力辅助，能够高效地运用整体系统，实现辅助装置的寿命延长。
具体实施方式
图3表示应用本发明的电力变换装置的结构图。1是逆变器，其由顺变换部2、对DC/AC的双向电力进行变换的双向电力变换部3以及平滑用的电容器4等构成。5是商用或者私人发电站的交流电力系统，6是负载，其是电机M和连接该电机M的发电机G的例子。8是直流电力辅助装置，其连接在逆变器1的直流电路的正负极之间。直流电力辅助装置8由斩波器部CH、以及蓄电设备C构成，其中，该斩波器部CH包含双向的DC/DC转换器Con、电流检测部Di、以及电抗器L。在此，蓄电设备C使用双电层电容器。
图1表示本发明的直流电力辅助装置的控制电路，该控制电路应用于图3的电力辅助装置8的控制中。
9是设定部，其根据检测出的逆变器1的直流电压VDC的检测值，选择并输出充电开始电压、充电目标电压、充电停止电压、无控制电压范围、放电停止电压、放电目标电压、以及放电开始电压的各设定值。关于充电控制、放电控制、无控制，通过顺序控制由比较器来进行状态迁移，而不是通过互锁而进行同时控制。在设定部9中附加斜线的部分是充电控制保持期间和放电控制保持期间，在各期间内分别设定充电目标值VDCH＊和放电目标值VDCL＊，并作为指令值来输出。
10是充电控制部，该充电控制部10由以下部分构成：减法运算部11，运算由设定部9所输出的设定值VDCH＊和直流电压VDC的检测值之差；电压控制部12，生成基于差信号的充电指令ichg＊；减法运算部13，运算充电指令ichg＊和由电流检测部Di检测到的双电层电容器C的电容电流ic之差；电流控制部14，根据由该减法运算部13所算出的差信号来进行电流控制；以及PWM控制部15，根据电流控制部14的输出来执行PWM控制。
20是放电控制部，该放电控制部20由以下部分构成：减法运算部21，运算由设定部9所输出的设定值VDCL＊和直流电压VDC的检测值之差；电压控制部22，生成基于算出的差信号的放电指令idchg＊；减法运算部23，运算由该电压控制部22所生成的放电指令idchg＊和由电流检测部Di检测到的双电层电容器C的电容电流ic之差；电流控制部24，根据由该减法运算部23算出的差信号来进行电流控制；以及PWM控制部25，根据电流控制部24的输出来执行PWM控制。30是对电力系统的瞬时电压下降进行补偿的瞬时低压高速补偿部，其具有输入直流电压VDC来推定电力的电力推定部31和除法运算部32，将根据直流电压而推定的电力推定值与直流电压VDC的除法的除法运算结果，输出到电压控制部22中。
在如以上那样地构成的电力辅助装置8的控制电路中，当负载6为再生状态，且逆变器1的直流电压VDC上升到充电开始电压以上时，锁定充电控制，并执行充电控制直到该直流电压VDC变成充电停止电压以下为止。该充电控制是在充电控制保持期间进行，通过以直流电压VDC成为充电目标值VDCH＊的方式进行控制，从而控制为即使在再生负载增加的情况下直流电压VDC也不会超过充电目标值VDCH＊。
即，在减法运算部11中运算所设定的充电目标值VDCH＊和所检测出的直流电压VDC之差，差信号输入到电压控制部12中。电压控制部12是具有限制功能的控制器，输出基于差信号的充电指令ichg＊，直到到达限制值为止。在减法运算部13中运算充电指令ichg＊和电容电流ic之差，将差信号输入到电流控制部14中来运算用于充电控制的电流控制信号，并输出到PWM控制部15中。在PWM控制部15中，根据所输入的信号来执行PWM控制，生成信号Gchg＊，该信号Gchg＊成为对斩波器部CH的开关元件Gc的门信号，成为用于充电的通断信号。
当负载6的再生状态消失，而直流电压VDC下降，并且变为充电停止电压以下时，充电控制停止。
接着，当负载6成为动力运行状态，且直流电压VDC下降并且变为放电开始电压以下时，锁定放电控制，以使直流电压VDC成为放电目标值的方式进行放电控制，直到成为放电停止电压以上为止。放电控制由放电控制部20来执行。
首先，在减法运算部21中运算所设定的放电目标值VDCL＊和所检测出的直流电压VDC之差，差信号输入到电压控制部22中。电压控制部22是具有限制功能的控制器，输出基于差信号的放电指令idchg＊，直到到达限制值为止。在减法运算部13中运算放电指令idchg＊和电容电流ic之差，将差信号输入到电流控制部24中来运算用于充电控制的电流控制信号，并输出到PWM控制部25中。在PWM控制部25中，根据所输入的信号来执行PWM控制，生成信号Gdchg＊，该信号Gdchg＊成为对斩波器部CH的开关元件Gd的门信号，执行用于放电的通断控制，直到成为放电停止电压为止。
另一方面，在由于负载的动力运行状态而产生了瞬时电压下降的情况下也进行与所述放电控制相同的控制，但是为了高速地执行瞬时电压下降现象而设有瞬时低压高速补偿部30。瞬时低压高速补偿部30根据放电能量来推定放电所需的电力并输出放电电流指令。因此，电力推定部31预先存储连接在逆变器的直流电路上的电容器容量CI，并且以Δt的时间间隔对直流电压VDC进行取样。将该直流电压VDC的前一次取样值设为V12、本次的取样值设为V22，来执行如下运算。
ΔW＝1/2(CI)(V12-V22)[J]
ΔP＝ΔW/Δt[W]
求出的电力变化量ΔP输入到除法运算部32中，并执行如下运算来求出放电电流指令idchgi＊。
idchgi＊＝ΔP/VDC
放电电流指令idchgi＊经过电压控制部22、电流控制部24输入到PWM控制部25中，执行与瞬时电压下降相对应的补偿控制。
此外，在直流电压VDC处于充电/放电区域的无控制范围内的情况下，切断充电/放电的各门指令，例如只继续商用电力系统的运转。
图2表示添加了电力储存量的转矩辅助的控制电路。
图3中所示的负载6是由逆变器1经过电机M来控制发电机M的速度的例子，将发电机G设为机械动力。图2是用于进行该机械动力的转矩辅助的控制电路。81是放电阈值设定部，其设定双电层电容器C的端子电压放电阈值Vedchg＊。82是双电层电容器C的端子电压检测部，检测电压Ve在减法运算部83中被从端子电压放电阈值Vedchg＊中减去，该差信号输入到具有限制功能的负载补偿增益部84中来得到增益补偿信号。这些81～84设在直流电力辅助8的控制部内。
40表示用于进行转矩辅助的逆变器控制部的一部分，41是q轴的电流指令设定部，42是q轴电流检测部，在减法运算部43中算出设定值Iq＊和检测出的电流值Iq两者之间的差分，在电流控制部44中算出基于该差信号的q轴的电流指令。45是驱动转矩限制部，其限制值根据来自负载补偿增益部84的增益补偿信号而可变。46是PWM控制部，根据所输入的信号来生成PWM信号，输出构成逆变器的开关元件的门信号。
图4表示通过图2中所示的控制电路来进行转矩辅助的状态，纵轴是双电层电容器的端子电压(电力储存量)，横轴是时间。双电层电容器的端子电压放电阈值Vedchg＊设定为电力储存量的某个值。线a、b是进行转矩辅助控制时的双电层电容器的端子电压和转矩，线c、d是不进行转矩辅助时的端子电压和转矩，在不进行转矩辅助的情况下在时刻t1成为放电界限。根据图4中可明确，根据图2中所示的控制电路，在电力储存量充足的情况下，驱动转矩限制部45处于开放方向，对作为负载的发电机G的机械动力辅助大的转矩。
另外，随着检测电压Ve接近电压放电阈值Vedchg＊，执行逐渐缩小驱动转矩限制部45的限制来降低辅助量的控制。
如上所述，根据本发明能够个别地设定充电/放电控制，能够设定符合设备的直流电压。由此，能够维持确保电机等的最大电压所需的最低限度的直流电压，能够降低构成逆变器、斩波器的开关元件的开关损耗。另外，通过在设定中设置无控制范围，也可以不进行多余的电力辅助，能够高效地运用整体系统，实现辅助装置的寿命延长。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式的直流电力辅助装置的控制电路图。
图2是本发明的转矩辅助的控制电路图。
图3是电力变换装置的概略结构图。
图4是转矩辅助的状态图。
图5是负载平衡化的控制说明图。
附图标记说明
1：逆变器；6：负载；8：直流电力辅助装置；9：设定部；10：充电控制部；20：放电控制部；12、22：电压控制部；14、24、44：电流控制部；15、25、46：PWM控制部；40：逆变器控制部；45：驱动转矩限制部；84：负载补偿增益部。

Claims (4)

1.一种电力变换装置，在交流电力系统中连接负载控制用的逆变器，在该逆变器的直流电路上连接具有斩波器和蓄电设备的直流电力辅助装置，进行电力辅助，该电力变换装置的特征在于，
具备：设定部，用于对所述蓄电设备的充放电控制；充电控制部，根据由该设定部所设定的充电目标值来执行充电控制；放电控制部，根据由设定部所设定的放电目标值来执行放电控制；以及瞬时低压高速补偿部，推定与所述逆变器的直流检测电压相对应的电力，将该推定值除以直流检测电压的值输出到放电控制部中，
所述设定部具有充电开始电压、充电停止电压、无控制电压范围、放电停止电压、以及放电开始电压的各设定值，且各设定值是根据所述逆变器的直流检测电压的检测值来选择的，并作为充电目标值、放电目标值分别输出到充电控制部和放电控制部中。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，
所述充电控制部和放电控制部具备：
电压控制部，各自地输入充电目标值、放电目标值和逆变器的直流检测电压之间的偏差信号，分别运算充电指令值、放电指令值；
电流控制部，各自地输入从各电压控制部输出的充电指令值、放电指令值和所述蓄电设备的检测电流之间的偏差，进行电流运算；以及
PWM控制部，分别各自地输入来自各电流控制部的充电指令值、放电指令值，各自地生成所述斩波器的充电用开关元件和放电用开关元件的门信号。
3.根据权利要求1或者2所述的电力变换装置，其特征在于，
瞬时低压高速补偿部通过设在所述逆变器的直流电路中的电容器的容量、和所输入的直流检测电压的取样值，根据放电能量的变化量而算出电力的变化量，通过将算出的电力变化量除以直流检测电压来生成放电电流指令。
4.根据权利要求1乃至3中任意一项所述的电力变换装置，其特征在于，该电力变换装置构成为设有：
负载补偿增益部，运算基于所述蓄电设备的所设定的端子电压放电阈值和检测出的蓄电设备的端子电压之间的偏差信号的增益补偿信号；以及
驱动转矩限制部，设在所述逆变器的控制部所具有的电流控制部的输出侧，
其中，该驱动转矩限制部的限制值根据所述负载补偿增益部所输出的增益补偿信号而可变。
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