CN102804581A - 电力转换装置 - Google Patents

Abstract

本发明的不间断电源装置具备从整流器（6）与逆变器（8）之间的电源节点（N1）的电压去除逆变器（8）的输出电压（VAC2）的频率的2倍频率的波纹电压来产生直流电压（VDC）的滤波器（13）。该滤波器（13）包含从电源节点（N1）的电压提取波纹电压的提取部（13a）；以及从电源节点（N1）的电压中减去由提取部（13a）提取的波纹电压来产生直流电压的减法部（13b）。

Description

电力转换装置

技术领域

本发明涉及一种电力转换装置，特别是涉及一种具备整流器和逆变器的电力转换装置。

背景技术

以往，广泛使用不间断电源装置作为用于对计算机系统等重要负载稳定地提供交流电的电源装置。例如像日本专利特开平7－298516号公报（专利文献1）所示出的那样，不间断电源装置通常具备将交流市电转换为直流电的整流器和将直流电转换为交流电并提供给负载的逆变器。提供交流市电的正常的时候，在整流器产生的直流电在提供给逆变器的同时还贮藏在电池中。在停止提供交流市电的停电的时候，停止运行整流器，从电池向逆变器提供直流电。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开平7－298516号公报

发明内容

本发明要解决的问题

在这种不间断电源装置中，设有使整流器与逆变器之间的电源节点的电压平滑的电容器。将电容器的电容值设定为足够大的值，使得逆变器向负载提供交流电时在电源节点不产生波纹电压。

但是，电容器的电容值变大的话电容器的价格也会变高。为了降低装置的成本，需要将电容器的电容值减小到不会对装置的寿命和负载带来不良影响的程度。

另外，为了力图提高效率，存在有具备控制部的不间断电源装置，该控制部对整流器进行控制使得整流器的输入电压与输入电流的相位一致。在这种装置中，一旦由于减小电容器的电容值而在电源节点产生波纹电压，输入电路的波形的失真变大，降低了效率。虽然作为改善这种现象的方法考虑设置对电源节点和控制部之间的波纹电压进行去除的低阶滤波器，但是该方法使得控制部的响应性变差，降低了效率。

所以，本发明的主要目的是提供一种低成本高效率的电力转换装置。

解决问题的方法

本发明所涉及的电力转换装置具备：整流器，该整流器将第1交流电转换为直流电；逆变器，该逆变器将直流电转换为第2交流电；电容器，该电容器使整流器与逆变器之间的电源节点的电压平滑；滤波器，该滤波器从电源节点的电压去除预定频率的波纹电压来产生直流电压；以及控制部，该控制部对整流器进行控制使得直流电压与目标电压一致。滤波器包含：提取部，该提取部从电源节点的电压提取波纹电压；以及减法部，该减法部从电源节点的电压中减去由提取部提取的波纹电压来产生直流电压。

优选为，提取部包含：坐标转换部，该坐标转换部将电源节点的电压的坐标从静止坐标转换为以预定频率进行旋转的旋转坐标；低阶滤波器，该低阶滤波器在旋转坐标上从电源节点的电压去除交流分量；以及坐标逆转换部，该坐标逆转换部将低阶滤波器的输出电压的坐标从旋转坐标逆转换为静止坐标来产生波纹电压。

更优选为，预定频率是逆变器的输出电压的频率的2倍的频率。

更优选为，电源节点的电压还包含逆变器的开关频率的交流分量，滤波器从电源节点的电压去除波纹电压和逆变器的开关频率的交流分量来产生直流电压。

更优选为，控制部对整流器进行控制使得整流器的输入电压与输入电流的相位一致且直流电压与目标电压一致。

更优选为，第1交流电由交流市电电源提供。在由交流市电电源提供第1交流电的正常的时候，直流电在提供给逆变器的同时还提供给蓄电装置。在停止由交流市电电源提供第1交流电的停电的时候，停止运行整流器且从蓄电装置向逆变器提供直流电。

发明的效果

本发明所涉及的电力转换装置从整流器和逆变器之间的电源节点的电压提取预定频率的波纹电压，从电源节点的电压中减去提取的波纹电压来产生直流电压，对整流器进行控制使得该直流电压与目标电压一致。因而，即使是在电源节点产生了波纹电压的情况下，也由于能去除波纹电压的影响，因此可以力图减小电容器的电容值而降低成本。另外，由于只从电源节点的电压去除预定频率的波纹电压，因此也不会使得控制部的响应性变差而降低了效率。

附图说明

图1是示出根据本发明的一个实施方式的不间断电源装置的主要部分的电路框图。

图2是在图1所示出的电源节点产生的波纹电压的波形图。

图3是示出图1所示出的2f去除滤波器的结构的框图。

图4是示出实施方式的比较例的电路框图。

具体实施方式

本实施方式的不间断电源装置如图1所示出的那样，具备：输入端子T1、电池端子T2、输出端子T3、断路器1,10、电感器2,4、电容器3,7、电流传感器5,9、整流器6、逆变器8、以及整流器控制部11。

输入端子T1从交流市电电源31接收交流电压VAC1。电池端子T2与电池32的正极连接。电池32的负极与基准电压线连接。输出端子T3与例如计算机这样的重要的负载33连接。

此外，本申请发明与整流器6的控制相关，因此为了力图使图以及说明更为简单，没有图示出与逆变器8的控制相关联的结构。另外，交流市电电源31输出3相交流电压，但是为了力图使图以及说明更为简单，只对1相的结构和动作进行说明。另外，逆变器8可以只输出1相交流电压，也可以输出3相交流电压。

断路器1的一个端子与输入端子T1连接，其另一个端子通过电感器2,4与整流器6的输入节点连接。断路器1在不间断电源装置使用的时候合闸，在装置维护等的时候分闸。

电容器3的一个端子与电感器2,4之间的节点连接，其另一个端子与基准电压线连接。电感器2,4及电容器3构成输入滤波器（低通滤波器），该输入滤波器使来自交流市电电源31的交流电压VAC1通过整流器6且除去在整流器6产生的开关频率（例如10kHz）的噪声。由此，防止了在整流器6产生的开关频率的噪声流到交流市电电源31侧对其他的电气设备产生不良影响。

电流传感器5设在电感器4和整流器6之间，对整流器6的输入电流IR进行检测，将示出检测结果的信号提供给整流器控制部11。整流器6由来自整流器控制部11的PWM（Pulse Width Modulation：脉宽调制）信号来控制，将来自交流市电电源的交流电转换为直流电提供给逆变器8。众所周知，整流器6包含多个IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极型晶体管）。

电容器7连接在电源节点N1和基准电压线之间，使电源节点N1的电压V1平滑，该电源节点N1位于整流器6和逆变器8之间。逆变器8由来自逆变器控制部（未图示）的PWM信号来控制，将来自整流器6或电池32的直流电转换为市电频率的交流电，通过输出端子T3将该交流电提供给负载33。众所周知，逆变器8包含多个IGBT。负载33由从逆变器8提供的交流电来驱动。

另外，电源节点N1与整流器控制部11连接且通过断路器10与电池端子T2连接。断路器10在不间断电源装置使用的时候合闸，在装置维护等的时候分闸。

电池32在由交流市电电源31提供交流电的正常的时候，贮藏从整流器6通过断路器10提供的直流电。另外，电池32在停止由交流市电电源31提供交流电的停电的时候，通过断路器10向逆变器8提供直流电。由此，即使是在停电的时候，只要是在电池32还有电的期间，就能向负载33提供交流电。

电流传感器9设在电源节点N1和断路器10之间，对从电源节点N1流入电池32的电流IB进行检测，将示出检测结果的信号提供给整流器控制部11。

整流器控制部11对输入端子T1的交流电压VAC1和电源节点N1的电压V1进行检测。另外，整流器控制部11对整流器6进行控制使得电源节点N1的电压V1与目标电压（例如400V）一致且整流器6的输入电流IR的波形成为正弦波且整流器6的输入电压VAC1与输入电流IR的相位一致。一旦整流器6的输入电压VAC1与输入电流IR的相位一致，功率因数成为1.0，提高了效率。另外，整流器控制部11对整流器6进行控制使得从电源节点N1流向电池32的电流IB与目标电流（例如10A）一致。

在这种不间断电源装置中，通常将电容器7的电容值设定为足够大的值，使得电源节点N1的电压V1成为恒定的直流电压。但是，为了力图降低装置的成本，也存在将电容器7的电容值设定为不会对电容器7的寿命和负载33带来不良影响的程度的很小的值的情况。

在这种情况下，一旦逆变器8向负载33提供交流电，如图2所示出的那样，产生波纹电压Vrp，该波纹电压Vrp具有从逆变器8输出的交流电压VAC2的频率f（例如50Hz）的2倍频率2f（这种情况下是100Hz）。波纹电压Vrp呈正弦波状变化，其振幅电压成为例如15V。波纹电压Vrp与直流电压VDC（例如400V）叠加。此外，在电源节点N1还产生逆变器8的开关频率（例如10kHz）的噪声。

整流器控制部11由DSP（Digital Signal Processor：数字信号处理器）12和FPGA（Field Programmable Gate Array：现场可编程门阵列）18构成。DSP12包含：2f去除滤波器13、滤波器14、电池充电电流控制部15、直流电压控制部16、以及输入电流指令产生部17。FPGA18包含输入电流控制部19。

2f去除滤波器13包含：从电源节点N1的电压V1提取波纹电压Vrf的提取部13a；以及从电源节点N1的电压V1中减去波纹电压Vrf来产生直流电压VDC的减法器13b。

另外，提取部13a如图3所示出的那样，包含：信号产生部20、坐标转换部21、滤波器部22、以及坐标逆转换部23。信号产生部20产生余弦波信号 $\mathrm{\φS}(=\sqrt{2}\sin 2\mathrm{\ωt})$ 和正弦波信号 $\mathrm{\φC}(=\sqrt{2}\cos 2\mathrm{\ωt}).$ 信号φS，φC分别具有逆变器8的输出电压VAC2的频率f的2倍频率2f。

坐标转换部21将电源节点N1的电压V1的坐标从静止坐标转换为以逆变器8的输出电压的频率f的2倍频率进行旋转的旋转坐标。即，坐标转换部包含：将电源节点N1的电压V1乘以余弦波信号φS产生电压VS1的乘法器21a；以及将电源节点N1的电压V1乘以正弦波信号φC产生电压VC1的乘法器21b。电源节点N1的电压V1在旋转坐标上以乘法器21a，21b的输出电压VS1，VC1来表示。

滤波器22包含：从乘法器21a的输出电压VS1去除交流分量的低阶滤波器22a；以及从乘法器21b的输出电压VC1去除交流分量的低阶滤波器22b。由此，去除了逆变器8的输出电压的频率f的2倍频率2f之外的频率的交流分量。在电源节点N1产生的波纹电压Vr在旋转坐标上以低阶滤波器22a，22b的输出电压VS1，VC1来表示。

坐标逆转换部23将低阶滤波器22a，22b的输出电压VS2，VC2的坐标从旋转坐标逆转换为静止坐标来产生波纹电压Vrp。即坐标逆转换部23包含：将低阶滤波器22a的输出电压VS2乘以余弦波信号φS产生电压VS3的乘法器23a；将低阶滤波器22b的输出电压VS2乘以余弦波信号φC产生电压VC3的乘法器23b；以及将乘法器23a，23b的输出电压VS3，VC3相加来产生波纹电压Vrp的加法器23c。

将波纹电压Vrp提供给图1中的减法器13b。减法器13b从电源节点N1的电压V1中减去波纹电压Vrf来产生直流电压VDC。滤波器14是当逆变器8动作时对在电源节点N1产生的逆变器8的开关频率的噪声等进行去除的高通滤波器。

电池充电电流控制部15基于电流传感器9的输出信号输出电流控制信号，使得从电源节点N1流向电池32的电流IB与电池电流基准值一致。直流电压控制部16接收电池充电电流控制部15的输出信号和由滤波器14去除了噪声的直流电压VDC，输出电压控制信号，使得直流电压VDC与直流电压基准值（目标电压）一致。

输入电流指令产生部17接收来自交流市电电源31的交流电压VAC1、电源节点N1的电压V1、以及直流电压控制部16的输出信号。输入电流指令产生部17将直流电压控制部16的输出信号与逆变器有效分量电流前馈相加，再乘以电源节点N1的电压V1的一个周期的移动平均值，来产生直流电流指令值。加上逆变器电流前馈是为了对整流器6的输入电流IR的相位延迟进行补偿。

另外，输入电流指令产生部17对交流输入电压VAC1的有效值进行运算，将直流电流指令值除以其有效值来产生输入电流有效值指令。再有，输入电流指令产生部17对输入电流有效值指令实施UVW－DQ转换来产生直流的输入电流有效值指令，基于其直流的输入电流有效值指令和交流输入电压VAC1来产生交流的输入电流指令。该交流的输入电流指令呈正弦波状变化，具有与交流输入电压VAC1相同的相位。将输入电流指令用输入电流指令产生部17的电流指令限幅器限制为低于预定的上限值的电平后提供给输入电流控制部19。

输入电流控制部19接收电流传感器5的输出信号和来自输入电流指令产生部17的输入电流指令来产生电流指令信号，使得整流器6的输入电流IR与输入电流指令一致。再有，输入电流控制部19为了对整流器6的输入电流IR的相位延迟进行补偿，基于交流输入电压VAC1对电流指令信号进行修正，将修正后的电流指令信号转换为PWM信号后提供给整流器6。整流器6按照来自输入电流控制部19的PWM信号将来自交流市电电源31的交流电转换为直流电。由此，整流器6的输入电流IR呈正弦波状变化，整流器6的输入电压VAC1与输入电流IR的相位一致。

图4是示出成为该实施方式的比较例的不间断电源装置的结构的电路框图，是与图1进行对比的图。该比较例与实施方式的不同点在于没有设置2f去除滤波器13这一点。滤波器14是对逆变器8的开关频率这样的高频噪声进行去除的高通滤波器。因而，波纹电压Vrp这样的低频的电压变动通过滤波器14传输到了直流电压控制部16。

波纹电压Vrp由直流电压控制部16进行放大，与输入电流有效值指令叠加。一旦对包含100Hz（频率2f）的波纹电压Vrp的输入电流有效值指令进行DQ－UVW转换来产生交流的输入电流指令，在输入电流指令上叠加150Hz的波纹（频率3f）。该波纹使输入电流IR的波形失真。输入电流IR的失真率的规定值总体上在3％以下，但是比较例中的输入电流IR的失真率的实测值总体上变差，达到了5％。

以低阶滤波器（大约5rad/s）构成滤波器14的话，虽然能以滤波器14去除波纹电压Vrp，但是这种情况下，无法满足直流电压控制部16的响应性（在比例控制下大约100rad/s，在积分控制下大约20rad/s）。

对此，在本申请发明增加了只去除波纹电压Vrp的2f去除滤波器13，因此能不使直流电压控制部16的响应性变差，降低输入电流的失真率。在本申请发明中，输入电流IR的失真率的实测值总体上在2.0％以下。另外，由于可以使用电容值小的电容器7，因此能力图降低装置的价格。

应认为本次揭示的实施方式中所有部分都是例示而非限制。本发明的范围并非上述说明而由权利要求所示出，意思是包含了与权利要求的意思和范围相同的所有的变形。

标号说明

1，10        断路器

2，4         电感器

3，7         电容器

5,9          电流传感器

6            整流器

8            逆变器

11           整流器控制部

13           2f去除滤波器

13a          提取部

13b          减法器

14           滤波器

15           电池充电电流控制部

16           直流电压控制部

17           输入电流指令产生部

19           输入电流控制部

20           信号产生部

21           坐标转换部

21a，21b，23a，23b        乘法器

22           滤波器部

22a，22b     低阶滤波器

23           坐标逆转换部

23c          加法器

31        交流市电电源

32        电池

33        负载

N1        电源节点

T1        输入端子

T2        电池端子

T3        输出端子

Claims (6)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：

整流器（6），该整流器将第1交流电转换为直流电；

逆变器（8），该逆变器将所述直流电转换为第2交流电；

电容器（7），该电容器使所述整流器（6）与所述逆变器（8）之间的电源节点（N1）的电压平滑；

滤波器（13,14），该滤波器从所述电源节点（N1）的电压去除预定频率的波纹电压来产生直流电压；以及

控制部（11），该控制部对所述整流器（6）进行控制使得所述直流电压与目标电压一致，

所述滤波器（13,14）包含：

提取部（13a），该提取部从所述电源节点（N1）的电压提取所述波纹电压；以及

减法部（13b），该减法部从所述电源节点（N1）的电压中减去由所述提取部（13a）提取的所述波纹电压来产生所述直流电压。

2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述提取部（13a）包含：

坐标转换部（21），该坐标转换部将所述电源节点（N1）的电压的坐标从静止坐标转换为以所述预定频率进行旋转的旋转坐标；

低阶滤波器（22a，22b），该低阶滤波器在所述旋转坐标上从所述电源节点（N1）的电压去除交流分量；以及

坐标逆转换部（23），该坐标逆转换部将所述低阶滤波器（22a，22b）的输出电压的坐标从所述旋转坐标逆转换为所述静止坐标来产生所述波纹电压。

3.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述预定频率是所述逆变器（8）的输出电压的频率的2倍的频率。

4.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述电源节点（N1）的电压还包含所述逆变器（8）的开关频率的交流分量，

所述滤波器（13,14）从所述电源节点（N1）的电压去除所述波纹电压和所述逆变器（8）的开关频率的交流分量来产生所述直流电压。

5.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述控制部（11）对所述整流器（6）进行控制使得所述整流器（6）的输入电压与输入电流的相位一致且所述直流电压与所述目标电压一致。

6.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，

所述第1交流电由交流市电电源提供。

在由所述交流市电电源（31）提供所述第1交流电的正常的时候，所述直流电在提供给所述逆变器（6）的同时还提供给蓄电装置（32），

在停止由所述交流市电电源（31）提供所述第1交流电的停电的时候，停止运行所述整流器（6）且从所述蓄电装置（32）向所述逆变器（6）提供直流电。

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