CN103392291B - 功率转换装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种适用于与系统母线（7）互连的分散型电源系统（10）中的逆变器（1），对系统母线（7）的系统电压（Vr）进行测定，并基于测得的系统电压（Vr）来对系统母线（7）的电压下降进行检测，在检测到电压下降的情况下，使载波的频率增大，并生成用于对逆变器（1）的输出电流（Iiv）进行控制的信号波，将载波与信号波进行比较，并生成栅极信号（Gt），基于所生成的栅极信号（Gt）并通过PWM控制来进行功率转换。
Description
技术领域
本发明涉及一种适用于与交流电力系统互连的电源系统中的功率转换装置。
背景技术
一般而言，在与交流电力系统互连的电源系统中使用功率转换装置。功率转换装置将直流电转换为与交流电力系统同步的交流电，并提供给交流电力系统。此外，功率转换装置的交流输出侧设有用于保护功率转换装置的过电流继电器。
然而，这样使用的过电流继电器存在如下所述的不必要的动作。即，若交流电力系统由于事故等而导致系统电压下降，则从功率转换装置输出的交流电流的脉动振幅增大。由此，尽管基波分量的电流的瞬时值未超过使过电流继电器进行动作的规定值，但可能由于电流的脉动振幅的瞬时值超过了规定值，从而导致过电流继电器进行动作。在此情况下，过电流继电器将进行不必要的动作。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：美国专利第6921985号说明书
发明内容
本发明的目的在于，提供一种适用于与交流电力系统互连的电源系统，并能防止设置于交流输出侧的过电流继电器进行不必要的动作的功率转换装置。
基于本发明的观点的功率转换装置适用于与交流电力系统互连的电源系统，并包括：逆变器电路，该逆变器电路由将直流电转换为交流电的开关元件构成；系统电压测定单元，该系统电压测定单元对所述交流电力系统的系统电压进行测定；电压下降检测单元，该电压下降检测单元基于由所述系统电压测定单元所测得的系统电压，对所述交流电力系统的电压的下降进行检测；载波发生单元，该载波发生单元产生载波；载波频率调制单元，该载波频率调制单元在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，使由所述载波发生单元产生的载波的频率变高；信号波生成单元，该信号波生成单元生成用于对从所述逆变器电路输出的交流电进行控制的信号波；栅极信号生成单元，该栅极信号生成单元将由所述载波发生单元产生的所述载波与由所述信号波生成单元生成的所述信号波进行比较，并生成用于驱动所述开关元件的栅极信号；以及电力转换控制单元，该功率转换控制单元基于由所述栅极信号生成单元生成的所述栅极信号，并通过脉宽调制对所述逆变器电路进行功率转换控制。
附图说明
图1是表示应用了本发明的实施方式1所涉及的逆变器的控制装置的分散型电源系统的结构的结构图。
图2是表示应用了本发明的实施方式2所涉及的逆变器的控制装置的分散型电源系统的结构的结构图。
图3是表示应用了本发明的实施方式3所涉及的风力发电系统的功率调节器的分散型电源系统的结构的结构图。
图4是表示应用了本发明的实施方式4所涉及的风力发电系统的功率调节器的分散型电源系统的结构的结构图。
具体实施方式
以下，参照附图，对本发明的实施方式进行说明。
(实施方式1)
图1是表示应用了本发明的实施方式1所涉及的逆变器1的控制装置2的分散型电源系统10的结构的结构图。另外，对图中的相同部分标注相同标号并省略其详细说明，主要针对不同部分进行说明。之后的实施方式中也同样省略重复说明。
分散型电源系统10包括：逆变器1、控制装置2、直流电源3、平滑电容器4、交流滤波器5、互连变压器6、交流电流检测器71、过电流继电器72、交流电压检测器73、以及直流电压检测器74。分散型电源系统10是与具备系统母线7及交流电源8的交流电力系统互连的电源系统。
直流电源3向逆变器1提供直流电。直流电源3只要是能向逆变器1提供直流电即可。直流电源3例如为充电电池、太阳能电池、或燃料电池等。另外，直流电源3也可以是将交流电转换为直流电、并提供给逆变器1的整流器等。
逆变器1是经PWM（脉宽调制，PulseWidthModulation）控制的逆变器。逆变器1将由直流电源3提供的直流电转换为与交流电源8同步的交流电。逆变器1经由互连变压器6将交流电提供给与交流电源8相连的系统母线7。逆变器1中，电力转换电路（逆变电路）由开关元件构成。利用由控制装置2输出的选通信号Gt来对开关元件进行驱动。由此，逆变器1进行电力转换。
平滑电容器4设置于逆变器1的直流侧。平滑电容器4对由太阳能电池3提供给逆变器1的直流电进行平滑。
交流滤波器5具备电抗器51及电容器52。交流滤波器5去除从逆变器1输出的噪声。
交流电流检测器71是用于对逆变器1的输出电流Iiv进行测定的检测器。交流电流检测器71将检测到的输出电流Iiv作为检测信号输出至控制装置2及过电流继电器72。
若由交流电流检测器71测得的输出电流Iiv的瞬时值超过预先设定的规定值，则过电流继电器72进行保护动作。
交流电压检测器73是用于对系统母线7的系统电压Vr进行测定的检测器。交流电压检测器73将检测到的系统电压Vr作为检测信号输出至控制装置2。
直流电压检测器74是用于对施加在逆变器1的直流侧的直流电压Vdc进行测定的检测器。直流电压检测器74将检测到的直流电压Vdc作为检测信号输出至控制装置2。
直流电流检测器75是用于对输入至逆变器1的直流侧的直流电流Idc进行测定的检测器。直流电流检测器75将检测到的直流电流Idc作为检测信号输出至控制装置2。
控制装置2包括：功率指令运算部21、电流控制部22、栅极信号生成部23、载波发生部24、电压下降检测部25。
功率指令运算部21基于由直流电压检测器74所检测到的直流电压Vdc、及由直流电流检测器75所检测到的直流电流Idc，对功率指令值Pr进行计算。功率指令值Pr是对逆变器1的输出功率的指令值。功率指令运算部21将计算出的功率指令值Pr输出至电流控制部22。
电流控制部22中输入有：由功率指令运算部21计算出的功率指令值Pr、由交流电流检测器71所检测到的输出电流Iiv、及由交流电压检测器73所检测到的系统电压Vr。电流控制部22是用于对输出电流Iiv进行控制的运算处理部，以使得逆变器1的输出功率根据功率指令值Pr来变化。电流控制部22基于功率指令值Pr、输出电流Iiv、及系统电压Vr，对电压指令值Vivr进行计算。电压指令值Vivr是对逆变器1的输出电压的指令值。电流控制部22将计算出的电压指令值Vivr作为信号波输出至栅极信号生成部23。信号波为正弦波。
电压下降检测部25中输入有由交流电压检测器73所检测到的系统电压Vr。电压下降检测部25基于系统电压Vr，将检测信号Sd输出至载波发生部24。当系统电压Vr在规定的基准电压以上时（通常时），电压下降检测部25将检测信号Sd设为“0”。当系统电压Vr小于规定的基准电压时（系统电压Vr降低时），电压下降检测部25将检测信号Sd设为“1”。
来自电压下降检测部25的检测信号Sd被输入至载波发生部24。载波发生部24中预先设定有两个不同的频率。在检测信号Sd为“0”时（通常时），选择两个频率中较低的频率。在检测信号Sd为“1”时（系统电压降低时），选择两个频率中较高的频率。载波发生部24以根据检测信号Sd选出的频率来产生作为载波的三角波。载波发生部24将产生的载波输出至栅极信号生成部23。
接着，对系统电压Vr降低时使用的载波的频率的确定方法进行说明。
叠加在逆变器1的输出电流Iiv中的电流脉动基于下式产生。
di/dt=ΔV/L…式（1）
上式中，左边为逆变器1的输出电流Iiv的变化率。L是逆变器1和系统母线7之间的电抗器分量。ΔV是系统电压Vr的电压下降量。
对载波的频率进行设定，以对基于上式预测到的电流脉动进行抑制。
栅极信号生成部23中输入有：由电流控制部22计算出的电压指令值Vivr及由载波发生部24产生的载波。栅极信号生成部23将作为信号波的正弦波与作为载波的三角波进行比较，并产生脉冲波。栅极信号生成部23将产生的脉冲波作为栅极信号Gt输出至逆变器1。栅极信号Gt对逆变器1的开关元件进行驱动。由此，对逆变器1的输出电压进行控制。
根据本实施方式，若互连的电力系统的系统电压下降，则以频率较高的载波来生成栅极信号Gt。由此，能使从逆变器1输出的电流的脉动振幅较小。
此外，由于仅在系统电压Vr降低时将载波设为较高的频率，因此与始终使用频率较高的载波的情况相比，能降低逆变器1的开关元件的故障率。
(实施方式2)
图2是表示应用了本发明的实施方式2所涉及的逆变器1的控制装置2A的分散型电源系统10A的结构的结构图。
分散型电源系统10A在图1所示的实施方式1所涉及的分散型电源系统10中、以控制装置2A代替控制装置2。其它结构与实施方式1所涉及的分散型电源系统10相同。
控制装置2A在实施方式1所涉及的控制装置2中、以载波发生部24A代替载波发生部24，并以电压下降量计算部26及载波频率调制部27代替电压下降检测部25。其它与实施方式1所涉及的控制装置2相同。
电压下降量计算部26中输入有由交流电压检测器73所检测到的系统电压Vr。若系统电压Vr小于规定的基准电压（系统电压降低时），电压下降量计算部26对从额定电压中减去系统电压Vr后得到的电压下降量ΔV进行计算。电压下降量计算部26将计算出的电压下降量ΔV输出至载波频率调制部27。
载波频率调制部27中输入有由电压下降量计算部26计算出的电压下降量ΔV。载波频率调制部27基于电压下降量ΔV对频率指令值fr进行计算。电压下降量ΔV越大，所计算出的频率指令值fr也越高。载波频率调制部27将计算出的频率指令值fr输出至载波发生部24。
用于基于电压下降量ΔV来对频率指令值fr进行计算的运算式与实施方式1相同地导出。
载波发生部24A对载波的频率进行调制，以使载波变为由载波频率调制部27计算出的频率指令值fr。载波发生部24A以调制成频率指令值fr的频率来产生载波。载波发生部24A将产生的载波输出至栅极信号生成部23。其它与实施方式1所涉及的载波发生部24相同。
根据本实施方式，通过根据电压下降量ΔV来对载波的频率进行调制，从而能产生不使过电流继电器72进行动作的最低限度的频率的载波。由此，由于不会使频率变得不必要地高，因此与实施方式1相比，能进一步降低逆变器1的开关元件的故障率。
(实施方式3)
图3是表示应用了本发明的实施方式3所涉及的风力发电系统的功率调节器20的分散型电源系统10B的结构的结构图。
分散型电源系统10B在图1所示的实施方式1所涉及的分散型电源系统10中、以控制装置2B代替控制装置2、并以风力发电机11及整流器12代替直流电源3，还添加了交流电流检测器76。功率调节器20包括：逆变器1、整流器12、控制装置2B、平滑电容器4、交流滤波器5。其它结构与实施方式1所涉及的分散型电源系统10相同。
风力发电机11是利用风力来产生交流电的发电机。风力发电机11将产生的交流电提供给功率调节器20。
功率调节器20是将从风力发电机11提供的交流电转换为与系统电压Vr同步的交流电的功率转换装置。功率调节器20经由互连变压器6将转换后的交流电提供给系统母线7。
整流器12的直流侧通过直流链路13与逆变器1的直流侧相连。即，整流器12及逆变器1构成BTB（backtoback：背靠背）转换器。整流器12的交流侧与风力发电机11相连接。整流器12将由风力发电机11所产生的交流电转换为直流电，并提供给逆变器1。
整流器12是经PWM控制的逆变器。整流器12中，功率转换电路由开关元件构成。利用由控制装置2B的整流器控制部31输出的栅极信号Gt来对开关元件进行驱动。由此，整流器12进行功率转换。
控制装置2B在实施方式1所涉及的控制装置2中、设置整流器控制部31来代替功率指令运算部21。逆变器控制部32由电流控制部22、栅极信号生成部23、载波发生部24、以及电压下降检测部25构成。其它与实施方式1所涉及的控制装置2相同。
交流电流检测部76是用于测定从风力发电机11输入至整流器12中的交流电流Ig的检测器。交流电流检测器76将检测到的交流电流Ig作为检测信号输出至整流器控制部31。
整流器控制部31中输入有：由交流电流检测器76所检测到的交流电流Ig、由直流电压检测器74所检测到的直流电压Vdc、及由直流电流检测器75所检测到的直流电流Idc。
整流器控制部31基于由交流电流检测器76所检测到的交流电流Ig、由直流电压检测器74所检测到的直流电压Vdc、及由直流电流检测器75所检测到的直流电流Idc，来生成用于对整流器12进行控制的栅极信号Gtc。整流器控制部31输出所生成的栅极信号Gtc，并对整流器12的开关元件进行驱动。由此，对整流器12的输出功率进行控制。
整流器控制部31对用于控制逆变器1的功率指令值Pr进行计算。整流器控制部31将计算出的功率指令值Pr输出至电流控制部22。
根据本实施方式，在风力发电系统的功率调节器20中能获得与实施方式1相同的作用效果。
(实施方式4)
图4是表示应用了本发明的实施方式4所涉及的风力发电系统的功率调节器20C的分散型电源系统10C的结构的结构图。
分散型电源系统10C在图3所示的实施方式3所涉及的分散型电源系统10B中、以功率调节器20C代替功率调节器20。其它结构与实施方式3所涉及的分散型电源系统10B相同。
功率调节器20C在实施方式3所涉及的功率调节器20的控制装置2B中、以实施方式2所涉及的载波发生部24A代替载波发生部24，并以实施方式2所涉及的电压下降量计算部26及实施方式2所涉及的载波频率调制部27代替电压下降检测部25。其它结构与实施方式3所涉及的功率调节器20B相同。
根据本实施方式，在风力发电系统的功率调节器20C中能获得与实施方式2相同的作用效果。
另外，在实施方式2及实施方式4中，虽然将载波的频率调制成基于电压下降量ΔV计算出的频率指令值fr，但也可以从预先设定的多个频率中进行选择。通过选出与电压下降量ΔV相对应的频率，从而能获得与各实施方式相同的作用效果。
另外，在实施方式3及实施方式4中，虽然对利用了风力发电机11的结构进行了说明，但并不限于此。只要是产生交流电的发电机即可，例如也可以是利用风力以外的能量的发电机（例如，水力发电机）。
并且，在各实施方式中，载波的频率及求得该载波的频率的算式也可以并非基于上述式(1)。例如，也可以通过经验规律或技术知识等来求得载波的频率。
此外，在各实施方式中，分散型电源系统10与交流电力系统之间也可以不设置互连变压器6。在此情况下，由交流电压检测器73所检测到的电压与由交流电流检测器71所检测到的电流是相同测定位置上的电学物理量。
另外，本发明并不局限于上述实施方式本身，在实施阶段能够在不脱离其要点的范围内对构成要素进行变形以使其具体化。此外，通过将上述实施方式中所公开的多个构成要素进行适当组合，从而能够形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的所有构成要素中删除几个构成要素。另外，也可以将不同的实施方式中的结构要素进行适当组合。
工业上的实用性
根据本发明，能够提供一种适用于与交流电力系统互连的电源系统，并能防止设置于交流输出侧的过电流继电器进行不必要的动作的功率转换装置。
Claims (11)
1.一种功率转换装置，适用于与交流电力系统互连的电源系统，包括：
逆变器电路，该逆变器电路由将直流电转换为交流电的开关元件构成；
系统电压测定单元，该系统电压测定单元对所述交流电力系统的系统电压进行测定；
电压下降检测单元，该电压下降检测单元基于由所述系统电压测定单元所测得的系统电压，对所述交流电力系统的电压的下降进行检测；
载波生成单元，该载波生成单元产生载波；
载波频率调制单元，该载波频率调制单元在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，使由所述载波生成单元产生的载波的频率变高，以防止从所述逆变器电路输出的电流的脉动超过设置在所述逆变器电路的输出侧的过电流继电器的规定值；
信号波生成单元，该信号波生成单元生成用于对从所述逆变器电路输出的交流电进行控制的信号波；
栅极信号生成单元，该栅极信号生成单元将由所述载波生成单元产生的所述载波、与由所述信号波生成单元生成的所述信号波进行比较，并生成用于驱动所述开关元件的栅极信号；以及
功率转换控制单元，该功率转换控制单元基于由所述栅极信号生成单元生成的所述栅极信号并通过脉宽调制对所述逆变器电路进行功率转换控制。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，所述载波频率调制单元从设定的多个频率中选出较高的频率。
3.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，所述载波频率调制单元根据电压下降量来确定频率。
4.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，
包括向所述逆变器电路提供直流电的直流电源。
5.如权利要求1至3的任一项所述的功率转换装置，其特征在于，包括：
提供交流电的交流电源；以及
整流器电路，该整流器电路为了向所述逆变器电路提供直流电，而将由所述交流电源提供的交流电转换为直流电。
6.一种功率转换装置的控制装置，适用于与交流电力系统互连的电源系统，并对具备逆变器电路的功率转换装置进行控制，所述逆变器电路由将直流电转换为交流电的开关元件构成，所述功率转换装置的控制装置包括：
系统电压测定单元，该系统电压测定单元对所述交流电力系统的系统电压进行测定；
电压下降检测单元，该电压下降检测单元基于由所述系统电压测定单元所测得的系统电压，对所述交流电力系统的电压的下降进行检测；
载波生成单元，该载波生成单元产生载波；
载波频率调制单元，该载波频率调制单元在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，使由所述载波生成单元产生的载波的频率变高，以防止从所述逆变器电路输出的电流的脉动超过设置在所述逆变器电路的输出侧的过电流继电器的规定值；
信号波生成单元，该信号波生成单元生成用于对从所述逆变器电路输出的交流电进行控制的信号波；
栅极信号生成单元，该栅极信号生成单元将由所述载波生成单元产生的所述载波、与由所述信号波生成单元生成的所述信号波进行比较，并生成用于驱动所述开关元件的栅极信号；以及
控制单元，该控制单元基于由所述栅极信号生成单元生成的所述栅极信号并通过脉宽调制对所述逆变器电路进行控制。
7.如权利要求6所述的功率转换装置的控制装置，其特征在于，
在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，所述载波频率调制单元从设定的多个频率中选出较高的频率。
8.如权利要求6所述的功率转换装置的控制装置，其特征在于，
在由所述电压下降检测单元检测到电压下降时，所述载波频率调制单元根据电压下降量来确定频率。
9.一种功率转换装置的控制方法，适用于与交流电力系统互连的电源系统，并对具备逆变器电路的功率转换装置进行控制，所述逆变器电路由将直流电转换为交流电的开关元件构成，所述功率转换装置的控制方法具备如下步骤：
对所述交流电力系统的系统电压进行测定；
基于测得的系统电压，对所述交流电力系统的电压的下降进行检测；
产生载波；
当检测到电压下降时，使所述载波的频率变高，以防止从所述逆变器电路输出的电流的脉动超过设置在所述逆变器电路的输出侧的过电流继电器的规定值；
生成用于对从所述逆变器电路输出的交流电进行控制的信号波；
将产生的所述载波与生成的所述信号波进行比较，并生成用于驱动所述开关元件的栅极信号；
基于生成的所述栅极信号并通过脉宽调制对所述逆变器电路进行控制。
10.如权利要求9所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
在检测到电压下降时，所述载波的频率是从设定的多个频率中选出的较高的频率。
11.如权利要求9所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
在检测到电压下降时，所述载波的频率是根据电压下降量来确定得到的频率。
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