CN102044986B - 单元逆变器系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种单元逆变器系统。在包括多台单元的单元逆变器中，不给系统带来不利影响，根据要变换的功率大小来变更单元的运转台数，从而提高装置的部分负载效率。在将多台逆变器单元并联连接、根据要变换的功率大小选择运转台数的单元逆变器系统中，当减少台数时，在减少成为对象的逆变器的电流之后，使逆变器的半导体开关元件的栅极信号关断。

Description

单元逆变器系统
技术领域
本发明涉及利用多台单元构成太阳电池或风力发电等功率变化的分散电源、并根据发电功率对运转的单元台数进行变更的单元逆变器的控制技术。
背景技术
图6中表示将使用了现有技术的多台逆变器单元并联连接、使变换器容量增大的单元逆变器系统的结构。系统结构如下：将太阳电池等直流电源1作为输入，将逆变器INV1和逆变器INV2并联连接，与系统的交流电源ACP连接，该逆变器INV1的输出与包括交流电抗器L1和电容器C10的交流滤波器、均衡用电抗器BL1、以及接触器CN1连接，该逆变器INV2的输出与包括交流电抗器L2和电容器C20的交流滤波器、均衡用电抗器BL2、以及接触器CN2连接。各逆变器INV1、INV2包括对输出电流进行检测的电流检测器CT1、CT2、以及死区时间调整电路DTR1、DTR2，根据来自共用的控制装置CONT的指令，对各逆变器的输出电流进行控制。
在将这种单元逆变器与系统进行连结的情况下，使用逆变器、交流电抗器、以及滤波用电容器减少逆变器输出的高次谐波电流之后，与系统进行连结。而且，为了降低接触器的成本，在各单元设置接触器的情况下，使用均衡用电抗器BL1、BL2以均衡该接触器的电流。
这种单元逆变器在专利文献1所示的图8中表示的电路结构中，根据图9中表示的原理，对各单元的电流进行平均运算，使用该电流和在连结点的电压进行控制。将控制装置CONT输出的PWM脉冲信号通过各单元的死区时间调整电路DTR1、DTR2提供给逆变器作为栅极信号。另外，平均电流如专利文献1所记载的那样，能将各电流检测器的输出变换成电压，通过图9所示的那样的运算电路来求出。
图7表示死区时间调整电路DTR1、DTR2的结构。死区时间调整电路调整死区时间，使得利用振幅运算电路AC1运算得到的各单元中的相应单元的电流振幅值、与利用运算电路AC2运算得到的单元内平均电流的振幅值一致。利用振幅运算电路AC1、AC2对各单元输出的相应单元的电流和平均电流的振幅值进行运算，利用加法器AD1求出其偏差，并输入到调节器ACR。调节器ACR的输出在输入到使下限值作为0、上限值作为固定值的上下限限幅器LMT后，与用于防止逆变器的上下桥臂(arm)短路的死区时间固定值利用加法器AD2进行加法运算。将该加法运算值用作为输入栅极信号及反转后的栅极信号的接通延迟电路DT1、DT2的延迟时间。
专利文献1：日本专利特开2006-296110号公报
发明内容
在将单元逆变器使用于与太阳光、风力发电这样的功率一直变化的发电源连接的分散电源的情况下，该要变换的功率大多比装置容量小。这种情况下，已知有能够通过不使所有单元动作而根据要变换的功率大小对运转台数进行变更、而提高从发电源到输出交流为止的效率(参照日本专利特开昭61-135365号公报等)。这种情况下，为了防止接触器的寿命下降，而采用维持接通状态、仅使逆变器的栅极信号成为锁住状态的方法。
这里，在将正在动作的单元的部分栅极信号停止的情况下，与该单元连接的均衡用电抗器和滤波用电容器形成谐振电路，产生该谐振电路给系统带来不利影响的问题。即使在假设未使用接触器、未设置均衡用电抗器的情况下，从各单元的连接点到滤波用电容器为止的布线较长时，因其阻抗作为电感起作用，也会产生这种谐振电流。
因此，本发明的目的在于构建一种单元逆变器控制系统，该控制系统在包括多台单元的单元逆变器中，不给系统带来不利影响，根据要变换的功率大小来变更单元的运转台数，从而提高装置的部分负载效率。另外，所谓部分负载效率，是也考虑了低功率时的效率后的效率，对于太阳光发电逆变器，能利用式(1)来求出。
部分负载效率＝0.03*η5％+0.06*η10％+0.13*η20％+0.1*η30％+0.48*η50％+0.2*η100％
……(式1)
ηX％：变换器输出为额定的X％时的效率
为了解决上述问题，在第1发明中，单元逆变器系统包括将直流电源的电压变换成交流电压的多台逆变器、与所述各逆变器的输出连接的包括交流电抗器和电容器的交流滤波器、以及根据要变换的功率大小选择性地对部分单元逆变器进行起动和停止的单元，在与电力系统连结的所述单元逆变器系统中，包括在使要停止的单元逆变器的半导体开关元件的栅极信号关断之前增加死区时间而减少输出电流的装置。
在第2发明中，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有如下功能：接收停止信号，使得要停止的单元逆变器的输出电流缓慢减少至预定值。
在第3发明中，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有基于停止信号将死区时间的生成电路中的单元逆变器输出电流的平均值设定变更至预定值以下的部件，所述死区时间由电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
在第4发明中，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有基于停止信号将死区时间的生成电路中的单元逆变器输出电流的平均值缓慢地设定变更至预定值以下的部件，所述死区时间由电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
在第5发明中，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有基于停止信号将死区时间的生成电路中的电流调节器的输出切换至所述电流调节器的输出的上限值的部件，所述死区时间由所述电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
在第6发明中，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有切换部件，该切换部件将电路切换至基于停止信号使死区时间的生成电路中的电流调节器的输出缓慢地变换为所述电流调节器的输出的上限值的电路，所述死区时间由所述电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
在第7发明中，作为所述各单元逆变器输出电流平均值和所述相应单元逆变器输出电流实际值，是使用各自的振幅值。
在本发明中，在要变换的功率变化的单元逆变器中，当减少台数时，将要停止的逆变器的输出电流减少至预定值以下之后，使逆变器电路的半导体元件的栅极信号关断。其结果是，能抑制急剧的功率变化、谐振电流等对系统的不利影响，同时使需要的最低限度的单元动作，能提高部分负载效率。
附图说明
图1是表示本发明的第1实施例的电路框图。
图2是表示本发明的第2实施例的电路框图。
图3是表示本发明的第3实施例的电路框图。
图4是表示本发明的第4实施例的电路框图。
图5是表示本发明的第5实施例的电路框图。
图6表示单元逆变器系统结构图。
图7表示现有的死区时间控制电路框图。
图8是现有的单元逆变器系统的电流控制系统图。
图9是计算平均电流的原理图。
标号说明
1    直流电源
INV1、INV2    逆变器
L1、L2    交流电抗器
BL1、BL2    均衡电抗器
C1、C2、C10、C20    电容器
D1、D2    二极管
CN1、CN2    接触器
CT1、CT2    电流检测器
CONT    控制装置
DTR1、DTR2    死区时间调整电路
VD    电压检测器
AC1、AC2    振幅运算电路
AD1、AD2    加法器
LMT    限幅器
ACR    电流调节器
NOT    逆变器运算元件
DT1～DT3    接通延迟电路
Amp    放大器
R、R1、R2    电阻
S1～S6    开关
SDC    电压软下降电路
SUC    电压软上升电路
RE1～RE3    整流电路
OSC    正弦波振荡器
具体实施方式
本发明的重点在于，在将多台逆变器单元并联连接、根据要变换的功率大小选择运转台数的单元逆变器系统中，当减少台数时，在减少成为对象的逆变器的电流之后，使逆变器的半导体开关元件的栅极信号关断。
〔实施例1〕
图1表示本发明的第1实施例。本实施例是利用电流振幅值作为正常运转时各单元逆变器输出电流的平均值及本号码设备的单元逆变器输出电流实际值的示例。死区时间调整电路调整死区时间，使得利用振幅运算电路AC1运算得到的各单元的相应单元的电流振幅值、与利用运算电路AC2运算得到的单元内平均电流的振幅值一致。
利用振幅运算电路AC1、AC2对各单元输出的相应单元的电流和平均电流的振幅值进行运算，利用加法器AD1求出其偏差，并输入到调节器ACR。调节器ACR的输出在输入到使下限值作为0、上限值作为固定值的上下限限幅器LMT后，与用于防止逆变器的上下桥臂短路的死区时间固定值利用加法器AD2进行加法运算。将该加法运算值用作为输入栅极信号及反转后的栅极信号的接通延迟电路DT1、DT2的延迟时间。
若输入单元停止信号，则使得与振幅运算电路AC2的输出连接的开关S3断开。其结果是，电流调节器ACR的输出变成饱和状态，被限制在限幅器LMT的上限值。利用加法器AD2对该上限值和用于防止上下桥臂短路的死区时间固定值进行加法运算，将该加法运算值作为接通延迟电路DT1、DT2的延迟时间，由此增加死区时间，作为结果，输出电流减少。这里，限幅器LMT的上限值设定为用于将电流值限制在预定值以下的值。
输出电流减少至预定值以下之后，从单元停止信号输入时刻起的接通延迟电路DT3的时间后，使断开逆变器开关元件的上下桥臂信号的开关S1、S2断开。通过这种动作，在使单元断开的情况下，在减少输出电流之后，使逆变器的开关元件断开，能抑制急剧的功率变化，同时使需要的最低限度的单元动作，能提高部分负载效率。
〔实施例2〕
图2表示本发明的第2实施例。与第1实施例的区别在于，在与平均电流的振幅运算电路AC2的输出连接的开关S3的输出连接有包括电阻R1、二极管D1、电容器C1等的电压软下降电路SDC。
若利用输入单元停止信号而使开关S3断开，则对应于电压软下降电路SDC的电压下降，电流调节器ACR的输出向限幅器LMT的上限值缓缓上升。其结果是，与第1实施例相比，由于死区时间更缓慢地增加，能使逆变器的输出电流缓慢减少，能使对系统的功率变化率更小，因此能更有效地抑制功率变化、谐振电流等对系统的不利影响。另外，电压软下降电路SDC由于只要是使电压缓缓下降的结构即可，因此并不限于本示例。
〔实施例3〕
图3表示本发明的第3实施例。死区时间调整电路调整死区时间，使得利用振幅运算电路AC1运算得到的各单元的相应单元的电流振幅值、与利用运算电路AC2运算得到的单元内平均电流的振幅值一致。
利用振幅运算电路AC1、AC2对各单元输出的相应单元的电流的振幅值和平均电流的振幅值进行运算，利用加法器AD1求出其偏差，并输入到调节器ACR。调节器ACR的输出在输入到使下限值作为0、上限值作为固定值的上下限限幅器LMT后，与用于防止逆变器的上下桥臂短路的死区时间固定值利用加法器AD2进行加法运算。将该加法运算值用作为输入栅极信号及反转后的栅极信号的接通延迟电路DT1、DT2的延迟时间。若输入单元停止信号，则将与上下限限幅器LMT的输出连接的开关S4切换至限幅器LMT的上限值一侧。
其结果是，利用加法器AD2对该上限值和用于防止上下桥臂短路的死区时间固定值进行加法运算，将该加法运算值用作为接通延迟电路DT1、DT2的延迟时间，由此增加死区时间，作为结果，输出电流减少。这里，限幅器LMT的上限值设定为用于将电流值限制在预定值以下的值。输出电流减少至预定值以下之后，从单元信号输入时刻起的接通延迟电路DT3的时间后，使断开逆变器开关元件的上下桥臂信号的开关S1、S2断开。
通过这种动作，在使单元断开的情况下，在使输出电流减少之后，使逆变器的半导体开关元件断开，能抑制急剧的功率变化，同时使需要的最低限度的单元动作，能提高部分负载效率。
〔实施例4〕
图4表示本发明的第4实施例。与第3实施例的区别在于，将第3实施例中的与上下限限幅器LMT的输出连接的开关S4替换成包括常开触点(NO触点)和常闭触点(NC触点)的开关S5，将限幅器LMT的上限值电压通过常开触点(NO触点)和包括电阻R2、二极管D2、电容器C2等的电压软上升电路SUC与加法器AD2连接。
若利用输入单元停止信号而使开关S5接通，则电流调节器的输出开路，加法器AD2的输入对应于电压软上升电路SUC的电压上升，向限幅器LMT的上限值缓缓上升。其结果是，与第3实施例相比，死区时间更缓慢地增加，能使逆变器的输出电流缓慢减少。其结果是，由于能使得对系统的功率变化率更小，因此能更有效地抑制功率变化、谐振电流等对系统的不利影响。另外，电压软上升电路SUC由于只要是使电压缓缓上升的结构即可，因此并不限于本示例。
〔实施例5〕
图5表示本发明的第5实施例。与第1～第4实施例的区别在于，输入到加法器AD1的输入量不同。正常动作时，在第1～第4实施例中，是输入相应单元的电流的振幅值和平均电流的振幅值，但在本实施例中，输入利用整流电路RE1对相应单元的电流进行整流后的整流波形和利用整流电路RE2对平均电流进行整流后的整流波形。正常动作与第1～第4实施例相同。
当输入单元停止信号时，将开关S6切换到利用整流电路RE3对与振幅缓慢变小的系统电压同步的正弦波振荡器OSC的输出进行整流后的电压侧。其结果是，电流调节器ACR的输出缓缓变成饱和状态，被钳位于限幅器LMT的上限值，成为与第2实施例相同的动作。
此外，在没有振荡器OSC及整流电路RE3的状态下，当输入单元停止信号时，只要使开关S6开路，就成为与第1实施例相同的动作。
而且，只要从图5去除正弦波振荡器OSC、整流电路RE3、以及开关6，将整流电路RE2的输出直接输入到加法器AD1，就成为与实施例3相同的动作。
而且，只要从图5去除正弦波振荡器OSC、整流电路RE3、以及开关S6，将整流电路RE2的输出直接输入到加法器AD1，在这样的结构中，对加法器AD2的输入部与图4相同，连接开关S5及电压软上升电路SUC，其动作就与实施例4相同。
另外，在上述实施例中，虽然示出了使用触点作为开关的示例，但利用半导体开关、逻辑运算元件也可以实现。此外，虽然示出了使用电流振幅值作为正常运转时各单元逆变器的输出电流的平均值及相应单元逆变器的输出电流实际值的示例，但利用瞬时值也同样能实现。
工业上的实用性
本发明可适用于通过控制台数来使变换功率增减的不间断供电电源装置(UPS)等。

Claims (7)

1.一种单元逆变器系统，所述单元逆变器系统包括将直流电源的电压变换成交流电压的多台单元逆变器、与所述各单元逆变器的输出连接的包括交流电抗器和电容器的交流滤波器、以及根据要变换的功率大小选择性地对部分单元逆变器进行起动和停止的单元，并且所述单元逆变器系统与电力系统连结，其特征在于，所述单元逆变器系统包括在使要停止的单元逆变器的半导体开关元件的栅极信号关断之前，增加所述要停止的单元逆变器的半导体开关元件的死区时间而减少输出电流的装置。
2.如权利要求1所述的单元逆变器系统，其特征在于，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有如下功能：接收停止信号，使得要停止的单元逆变器的输出电流缓慢减少至预定值。
3.如权利要求1或2所述的单元逆变器系统，其特征在于，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有基于停止信号将死区时间的生成电路中的单元逆变器输出电流的平均值设定变更至预定值以下的部件，所述死区时间由电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
4.如权利要求1或2所述的单元逆变器系统，其特征在于，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有基于停止信号将死区时间的生成电路中的单元逆变器输出电流平均值缓慢地设定变更至预定值以下的部件，所述死区时间由电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
5.如权利要求1或2所述的单元逆变器系统，其特征在于，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有基于停止信号将死区时间的生成电路中的电流调节器的输出切换至所述电流调节器的输出的上限值的部件，所述死区时间由所述电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
6.如权利要求1或2所述的单元逆变器系统，其特征在于，增加所述死区时间而减少输出电流的装置具有切换部件，该切换部件基于停止信号将死区时间的生成电路中的电流调节器的输出切换为所述电流调节器的输出的上限值，所述死区时间由所述电流调节器的输出与用于防止单元逆变器的半导体元件的上下桥臂之间短路的死区时间固定值之和决定，所述电流调节器使正常运转时的所述各单元逆变器输出电流的平均值与相应单元逆变器输出电流实际值的偏差为零。
7.如权利要求3所述的单元逆变器系统，其特征在于，作为所述各单元逆变器输出电流平均值和所述相应单元逆变器输出电流实际值，是使用各自的振幅值。
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