CN103081333B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种电力转换装置，该电力转换装置的电力转换器通过在各桥臂的阀器件彼此的连接点、与直流电源彼此的连接点之间，将交流开关接通或关断，从而能进行三电平运作或两电平运作，该交流开关将由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的2个阀器件串联连接从而构成，其中，该电力转换装置包括：比较电路（9），该比较电路（9）将输入到电力转换器的直流电流设为判断要素，并将其与切换基准值进行比较，在两者产生差异时、输出判断指令；判断电路（11），该判断电路（11）在输入有来自比较电路（9）的判断指令时，判断判断要素与切换基准值的大小，在判断要素为切换基准值以上时、输出两电平运作的切换指令；及切换电路（12），该切换电路（12）在输入有来自判断电路（11）的两电平运作的切换指令时，将交流开关关断，并将桥臂的阀器件依次接通，从而使电力转换器为两电平运作状态。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能发电系统、燃料电池发电系统、充电电池能量储蓄系统等中的、从直流电力输出交流电力的电力转换装置及从交流电力输出直流电力的电力转换装置。
背景技术
一般在太阳能发电系统中，利用电力转换装置将由太阳能电池发电得到的直流电力转换成交流电力，并连接到电力系统、配电系统，或提供给负载。由于太阳能电池的特性因日照、温度条件而发生变化，因此，通常为了得到最大电力而采用最大功率点跟踪控制（Maximum Power PointTracking）方式。例如如专利文献5所揭示的那样，将太阳能电池的电压及电流控制在随日照、温度条件而变化的最佳点。
另一方面，对于电力转换装置的电路形式，如专利文献1、3、4所示那样，通过采用以三电平逆变器为代表的多电平的转换电路，从而抑制输入、输出的高次谐波电流，并实现使设置于输入、输出的滤波器小型化、以及使装置的效率有所提高。
此外，在专利文献2中，记载有对三电平逆变器及两电平逆变器中的导通损耗和开关（SW）损耗进行的比较。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2002－218762
专利文献2：WO2010／013322A1
专利文献3：日本专利特开2002－247862
专利文献4：日本专利特开2006-304530
专利文献5：日本专利特开平8-137563号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
在上述专利文献1、3、4中，利用三电平逆变器（中性点钳位方式、AC开关方式）电路，实现了滤波器的小型化、总损耗的降低，但可推测其是以在直流电压一定、输出一定的条件下进行最佳设计为前提的，而对于直流电压可变、功率可变的情况并未特别提及，并且由于采用三电平逆变器（包含其他电平）结构从而使得使用元件数增加，导通损耗增大，而对于在SW损耗脉动的影响较小的低直流电压时（高输出时）所产生的缺点，并未示出对此的具体解决方法。
本发明的目的在于提供一种应用于直流电压可变、或交流输出可变及这两种情况的电力转换器，在该电力转换器中，即使该直流电压、交流输出发生变化，也能使损耗较小、效率有所提高。
解决技术问题所采用的技术方案
为了达到所述目的，与权利要求1对应的发明为一种电力转换装置，该电力转换装置包括：
串联连接的第1及第2直流电源；以及
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换为交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件（日文：バルブデバイス；英文：Valve Device）串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的2个阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，并且该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将与所述电力转换器中的损耗相关联的判断要素与切换基准值进行比较，在两者发生差异时，输出判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，判断所述判断要素与所述切换基准值的大小，并在所述判断要素为切换基准值以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
为了达到所述目的，与权利要求5对应的发明为一种电力转换装置，该电力转换装置包括：输入来自太阳能电池的直流能量且串联连接的第1及第2直流电源；
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换为交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的2个阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，并且该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将由日照量所产生的所述太阳能电池的直流电流与额定电流进行比较，在两者产生差异时、输出运作判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，在所述太阳能电池的直流电流为所述额定电流的50％以上时，输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
发明效果
本发明可提供一种应用于直流电压可变、或交流输出可变及这两种情况的电力转换装置，在该电力转换装置中，通过选择最佳的运作方式（两电平/三电平），从而即使该直流电压、交流输出发生变化，也能使损耗较小、使效率有所提高。
附图说明
图1是表示本发明的电力转换装置的主电路的简图。
图2是用于说明图1的PWM切换电路的第1例的图。
图3是用于说明图2的动作的图。
图4是用于说明图2的判断电路的第1例的流程图。
图5A是用于说明图2的比较电路的第1例的图。
图5B是用于说明图2的比较电路的第2例的图。
图5C是用于说明图2的比较电路的第3例的图。
图6是用于说明图2的判断电路的第2例的流程图。
图7是用于说明图2的判断电路的第3例的流程图。
图8A是用于说明图1的PWM切换电路的第2例的图。
图8B是用于说明图1的PWM切换电路的第3例的图。
图9A是用于说明图1的中性点AC开关的第2例的图。
图9B是用于说明图1的中性点AC开关的第3例的图。
图9C是用于说明图1的中性点AC开关的第4例的图。
具体实施方式
图1是本发明的电力转换装置的主电路图，该主电路图构成为：利用电力转换器例如三相逆变器2将直流电源例如太阳能电池1的直流电力、转换成交流电力，并利用变压器3对该转换出的交流电力进行升压、并经由电容器4、电抗器5、开关6提供给交流电力系统7。
逆变器2将6个由半导体元件例如IGBT元件及与其反向并联连接的二极管组成的阀器件SW进行桥式连接，并利用SW1－SW4、SW5－SW8、SW9－SW12分别构成三相的桥臂，在作为其输入侧的太阳能电池1一侧，并联连接有将电容器Vd/2、Vd/2串联连接的回路，并且与电容器的中点及各桥臂的器件连接点相连的例如由IGBT元件及与其反向并联连接的二极管组成的阀器件SW由6个串联连接的阀器件群SW2－SW3、SW6－SW7、SW10－SW11构成。利用该阀器件群来实现中性点AC开关方式。
在该图1中，例如若将阀器件SW2及SW3、SW6及SW7、SW10及SW11关断（OFF），则等同于一般的两电平逆变器，此外，通过将SW1～SW4、SW5～SW8、SW9～SW12任意开关，从而可以作为三电平逆变器进行动作。
本发明将后述的比较电路9、判断电路11、PWM切换电路12重新组合到上述结构中。
作为比较电路9的第1例，利用直流电流检测器10对作为判断要素的从太阳能电池1流动到逆变器2的直流电流进行检测，将该检测电流获取到比较电路9的一个输入端子中，并将其与输入到另一输入端子的切换基准值进行比较。
此处，切换基准值可通过预先将过去的数据获取到数据库等中、使某些要素固定并改变其他要素来求出，或者利用计算结果或仿真等来求出。
判断电路11将比较电路9的比较结果输入，作为第1例，如图4所示那样进行S1的判断，即判断与电力转换器的损耗相关联的判断要素例如由直流电流检测器10检测出的直流电流是否为切换基准值以上（直流电流是否小于切换基准值），在判断为直流电流在切换基准值以上的情况下，在S2中设成两电平运作，而在判断为直流电流小于切换基准值的情况下，在S3中设定成三电平运作。
作为第1例，如图2所示那样，PWM切换电路12由2个比较器13、14、3端子输入的逻辑与电路15、及反相器16、17组成，对比较器13、14的正侧的输入端子输入正弦波（信号波），对比较器13、14的负侧的输入端子输入载波（调制波），分别经由反相器16、17将逻辑与电路15的2个输入端子与比较器13、14的输出端子相连，对逻辑与电路15的1个输入端子输入切换信号，将来自逻辑与电路15的输出端子的信号提供给阀器件SW2及SW3，将比较器13的输出提供给阀器件SW1，将比较器14的输出提供给阀器件SW4。
图3表示图2的切换信号和图2的输出信号。
如上所述的PWM切换电路12用于主电路的其中1个桥臂（1相），用于主电路的其他2个桥臂（2相）的PWM切换电路也采用同样的结构。
对以上所述的实施方式的作用效果进行说明。利用电流检测器10检测出作为太阳能电池1的输出电流的直流电流，该检测电流被输入到比较电路9，在比较电路9中与基准值进行比较，若两者有差异，则在判断电路11中，判断图4的S1所示的判断要素与切换基准值的大小，以图5A的交点为界判断进行两电平运作还是三电平运作。该判断电路11的判断结果被输入到PWM切换电路12，此处，对阀器件SW1～12提供图3所示的接通“1”、关断“0”，在构成中性点AC开关的阀器件群SW2－SW3、SW6－SW7、SW10－SW11接通时，进行三电平运作，在阀器件群SW2－SW3、SW6－SW7、SW10－SW11关断时，进行两电平运作。
其结果是，由于在直流电流为切换基准值以下时、进行三电平运作，而在直流电流超过切换基准值时、进行两电平运作，因此，选择三电平运作及两电平运作中转换效率较高的一方、进行电力转换。
此处，对两电平运作及三电平运作中的电力转换器的损耗、具体而言对导通损耗和开关损耗（SW损耗）进行说明。导通损耗是在电力转换器中将阀器件接通（导通）期间产生的损耗，其依赖于同一阀器件的通电电流（直流电流）的大小。将两电平运作与三电平运作相比，对于导通损耗，在1个桥臂中的阀器件数量较少的两电平运作较为有利。
开关损耗（SW损耗）是在电力转换器中将阀器件接通（turn on）时及关断（turn off）时产生的损耗，对于同一阀器件而言依赖于所施加的电压（直流电压）的大小。将两电平运作与三电平运作相比，对于开关损耗，各阀器件的开关次数较少的三电平运作较为有利。
根据以上所述的实施方式，可提供一种应用于直流电压可变、或交流输出可变及这两种情况的电力转换器，在该电力转换器中，即使该直流电压、交流输出发生变化，通过选择最佳的运作方式（两电平/三电平），也能使损耗较小、效率提高。
接下来，说明本发明的实施方式2。在上述实施方式中，作为图4的判断要素，使用由直流电流检测器10检测出的直流电流，但在实施方式2中，如图5B所示、使用直流功率来取而代之，该直流功率基于由直流电压检测器（未图示）检测出的直流电压和由图1的直流电流检测器10检测出的直流电流而求出。
说明本发明的实施方式3。在上述实施方式中，作为图4的判断要素，使用由直流电流检测器10检测出的直流电流，但在实施方式3的情况下，如图5C所示、利用由直流电压检测器（未图示）检测出的直流电压来取而代之。
进一步说明本发明的实施方式4。在上述实施方式中，作为图4的判断要素，使用由直流电流检测器10检测出的直流电流，但在实施方式4的情况下，利用交流功率来取而代之。在该情况下，利用电流检测器（未图示）检测出逆变器的交流电流，利用电压检测器（未图示）检测出电容器4的交流电压，利用电流检测器（未图示）等检测出输入到电力系统7的电流，并基于这些检测值，通过运算来求出交流功率，从逆变器的输入侧直流功率减去该交流功率后得到损耗，利用与该损耗相当的值作为判断要素。在这些情况下，与上述实施方式相同，判断电路11以图4那样的流程图来进行处理。
图5B是表示两电平运作状态和三电平运作状态下的直流功率与总损耗的关系的图，图5C是表示两电平运作状态和三电平运作状态下的直流电压与总损耗的关系的图。
此外，说明本发明的实施方式5。在上述实施方式中，作为图4的判断要素，使用由直流电流检测器10检测出的直流电流，但在实施方式5中，取而代之，使用上述直流电流作为判断要素1，并使用上述直流电压作为判断要素2，判断电路11进行图6的流程图那样的处理。在图6的S1中，在判断要素1＞切换基准值时、前进至S4，在S4中判断要素2＞切换基准值时进行两电平运作（S2），在S4中并非判断要素2＞切换基准值时、进行三电平运作（S3）。在S1中，在并非判断要素1＞切换基准值时、前进至S5，在S5中判断要素2＞切换基准值时、进行两电平运作（S6），在S5中并非判断要素2＞切换基准值时、进行三电平运作（S7）。另外，在S1中记载有“或者判断要素1＜切换基准值”是指，满足该条件时前进至S5，且在不满足该条件时前进至S4。在S4中记载有“或者判断要素2＜切换基准值”是指，满足该条件时前进至S3，且在不满足该条件时前进至S2。在S5中记载有“或者判断要素2＜切换基准值”是指，在满足该条件时前进至S7，且在不满足该条件时前进至S6。
此外，作为判断要素1、判断要素2，可以选择直流电流、直流电压、直流功率、交流功率中的任意2种。
接下来，对于本发明的实施方式6，参照图7的判断电路11中的流程图来进行说明。图7是图1所示的太阳能电池系统中的电力转换器（功率调节器）的情况下的图。S11判断由日照量所产生的太阳能电池1的直流电流是否为额定电流的50％以上。在S11中进行如下判断：在判断为直流电流为额定电流的50％以上的情况下、进行两电平运作，而在判断为直流电流小于额定电流的50％的情况下、进行三电平运作。
在此情况下，计算阀器件的通电损耗及开关损耗，以进行两电平运作和三电平运作的切换。此外，也可以与此不同，在判断为电力转换器（功率调节器）的输入功率为例如额定的50％以上的情况下、进行两电平运作，而在判断为输入功率小于例如额定的50％的情况下、进行三电平运作。
图8A、图8B表示与图2不同的PWM切换电路，其中，图8A是表示两电平PWM开关电路的示例，由比较器19和反相器20组成。图8B是表示三电平PWM开关电路的示例，由比较器13、14、反相器16、17、及逻辑与电路18组成。它们的功能与图2相同。
对于构成上述中性点AC开关的阀器件群，举出IGBT元件的共发射极方式的示例来进行了说明，但也可以像以下那样。图9A是将2个IGBT元件Q3x、Q4x的集电极彼此连接的共集电极方式，将二极管D3x、D4x与IGBT元件Q3x、Q4x反向并联连接，可将连接Q3x的发射极与D3x的阳极的端子N1连接到例如图1的中性点，并将连接Q4x的发射极与D4x的阳极的端子N2连接到例如图1的Sw1与Sw4的连接点。
图9B采用将2个IGBT元件Q3x、Q4x的发射极及集电极彼此连接的反向阻断方式，并且采用在IGBT元件Q3x、Q4x的发射极及集电极的连接点连接二极管D3x、D4x的变形反向阻断方式，并且可将连接Q3x的发射极与D3x的阳极的端子N1连接到例如图1的中性点，并将连接Q4x的发射极与D4x的阳极的端子N2连接到例如图1的Sw1与Sw4的连接点。
图9C利用2个IGBT元件Q5x、Q6x，可将连接Q5x的集电极与Q6x的发射极的端子N1连接到例如图1的中性点，并将连接Q5x的发射极与Q6x的集电极的端子N2连接到例如图1的Sw1与Sw4的连接点。
在上述实施方式中，作为电力转换器、举出逆变器的情况作为示例，但并不局限于此，在将整流器作为电力转换器的情况下、也可同样实施。
标号说明
1…太阳能电池，2…三相逆变器，3…变压器，4…电容器，5…电抗器，6…开关，7…交流电力系统，9…比较电路，10…直流电流检测器，11…判断电路，12…PWM切换电路，13…比较器，14…比较器，15…逻辑与电路，16、17…反相器，18…逻辑与电路，19…比较器，20…反相器。

Claims (6)

1.一种电力转换装置，包括：
串联连接的第1及第2直流电源；及
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换成交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将2个由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，
其特征在于，该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将与所述电力转换器中的损耗相关联的判断要素与切换基准值进行比较，在两者产生差异时、输出判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，判断所述判断要素与所述切换基准值的大小，并在所述判断要素为切换基准值以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
2.一种电力转换装置，包括：
串联连接的第1及第2直流电源；及
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换成交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将2个由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，
其特征在于，该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将输入到所述电力转换器的直流电流设为判断要素，并将其与切换基准值进行比较，在两者产生差异时、输出判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，判断所述判断要素与所述切换基准值的大小，并在所述判断要素为切换基准值以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
3.一种电力转换装置，包括：
串联连接的第1及第2直流电源；及
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换成交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将2个由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，
其特征在于，该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将施加于所述电力转换器的直流电压设为判断要素，并将其与切换基准值进行比较，在两者产生差异时、输出判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，判断所述判断要素与所述切换基准值的大小，并在所述判断要素为切换基准值以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
4.一种电力转换装置，包括：
串联连接的第1及第2直流电源；及
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换成交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将2个由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，
其特征在于，该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将提供给所述电力转换器的直流电源的直流功率设为判断要素，并将其与切换基准值进行比较，在两者产生差异时、输出判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，判断所述判断要素与所述切换基准值的大小，并在所述判断要素为切换基准值以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
5.一种电力转换装置，包括：
输入来自太阳能电池的直流能量、且串联连接的第1及第2直流电源；
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换成交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将2个由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，
其特征在于，该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将由日照量所产生的所述太阳能电池的直流电流与额定电流进行比较，在两者产生差异时、输出运作判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，在所述太阳能电池的直流电流为所述额定电流的50％以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
6.一种电力转换装置，包括：
输入来自太阳能电池的直流能量、且串联连接的第1及第2直流电源；
电力转换器，该电力转换器将所述各直流电源的直流电力转换成交流电力，并将其提供给交流电力系统，
所述电力转换器至少将2个由半导体元件组成的阀器件串联连接来构成1个桥臂，并至少并联连接这样的3个桥臂，在各桥臂的所述阀器件彼此的连接点与所述直流电源彼此的连接点之间分别连接有交流开关，该交流开关至少将2个由半导体元件及与半导体元件反向并联连接的二极管组成的阀器件串联连接从而构成，通过将所述各交流开关接通或关断，从而能使所述电力转换器进行三电平运作或两电平运作，
其特征在于，该电力转换装置包括：
比较电路，该比较电路将由日照量所产生的所述太阳能电池的直流功率与额定直流功率进行比较，在两者产生差异时、输出运作判断指令；
判断电路，该判断电路在输入有来自所述比较电路的判断指令时，在所述太阳能电池的直流功率为所述额定直流功率的50％以上时、输出两电平运作的切换指令；及
切换电路，该切换电路在输入有来自所述判断电路的两电平运作的切换指令时，将所述交流开关关断，并将所述桥臂的阀器件依次接通，从而使所述电力转换器为两电平运作状态。
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