CN105515170B - 电源装置和使用该电源装置的无停电电源系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种电源装置和使用该电源装置的无停电电源系统，从电池向负载进行电力供给的效率高。电源装置(1)具备：逆变器(2)，其交流侧与交流电源(6)连接，并且直流侧与链路电压(Vlink)连接；双向DC‑DC变换器(3)，其连接在链路电压(Vlink)和电池(4)之间，对电池(4)进行充放电。使对电池(4)进行放电时的链路电压(Vlink)比通过逆变器(2)被动地对交流电源(6)的最大电压进行整流时在直流侧出现的电压低。

Description

电源装置和使用该电源装置的无停电电源系统

技术领域

本发明涉及一种在直流和交流之间进行电力变换的电源装置。

背景技术

近年来，随着对维护地球环境的意识的提高，开发了具备电池、太阳能电池、燃料电池等直流电源的系统。在这些系统中，需要将直流电力变换为交流电力来提供给负载、商用电源的电源装置。另外，在即使商用电源停电也继续使用电池向负载供给电力的情况下，需要具备电池的无停电电源系统。

在专利文献1中，公开了具备逆变器(双向逆变器电路)、双向DC-DC变换器、以及电池的(升降压斩波电路)的无停电电源装置。该无停电电源装置在链路电压(双向逆变器电路和升降压斩波电路的连接点的电压)为预定值以上时对电池进行充电，在链路电压低于预定值时使电池放电。由此，其目的在于：在持续从逆变器向负载供给所用的电力的同时，限制从交流电源的输入。

在逆变器将从交流电源输入的电力输出为与直流侧即双向DC-DC变换器连接的链路电压的AC-DC动作时，需要将来自交流电源的输入电流控制为正弦波状从而提高功率因数。但是，如果链路电压比通过逆变器被动地对交流电源电压进行整流时出现的电压低，则难以将来自交流电源的输入电流控制为正弦波状，功率因数容易变低。因此，理想的是使链路电压比通过该逆变器被动地对交流电源电压进行整流时出现的电压高。

另一方面，一般对于逆变器，如果链路电压高，则开关损失容易变大。对于双向DC-DC变换器也同样，如果链路电压高，则开关损失容易变大。另外，在双向DC-DC变换器是具备变压器的绝缘型的情况下，如果在将从电池输入的电力输出为链路电压的放电时输出电压即链路电压高，则从电池输入电力向变压器输出电力的开关电路所具备的开关元件被施加的电压变高，有时必须使用耐压高的开关元件。对于开关元件，如果耐压高，则接通电阻变大，导通损失容易变大。另外，在电池电压低的情况下，在放电时双向DC-DC变换器的升压比变高，损失容易变大。

如此，目前存在以下的问题，如果为了将来自交流电源的输入功率因数维持得高而将链路电压设定得高，则逆变器、双向DC-DC变换器的损失都变大，效率容易降低。

专利文献1：日本特开2003-52134号公报

发明内容

本发明的目的在于，提供效率高的电源装置。

为了达到上述目的，本发明的特征在于，具备：逆变器，其交流端子之间与交流电源连接，并且直流端子之间与链路电压连接；双向DC-DC变换器，其连接在上述链路电压和电池之间，对上述电池进行充放电，对上述电池进行放电时的上述链路电压比通过上述逆变器被动地对上述交流电源的最大电压进行整流时在直流端子之间出现的电压低。

根据本发明，能够提供效率高的电源装置。

附图说明

图1是实施例1的电源装置1和采用该电源装置1的无停电电源系统100的电源系统的概要结构图。

图2是实施例2的电源装置1a和采用该电源装置1a的无停电电源系统100a的电路结构图。

图3是说明商用供电模式和电池供电模式下的链路电压Vlink的设定方法的图。

图4是实施例3的电源装置1b和采用该电源装置1b的无停电电源系统100b的电路结构图。

附图标记说明

1、1a、1b：电源装置；2、2a、2b：逆变器；3、3a、3b：双向DC-DC变换器；4、4a、4b：电池；5、5a、5b：继电器；6、6a、6b：交流电源；7、7a、7b：负载；8、8a、8b、9a、9b：开关电路；10：控制单元；11～13、21、22：逆变器的交流端子；14、15、24、25：逆变器的直流端子；100、100a、100b：无停电电源系统；Vlink：链路电压；C1～C8：电容器；L1～L6：电感器；Cr1、Cr2：共振电容器；Lr1、Lr2：共振电感器；T1、T2：变压器；N1～N4：线圈；Q1～Q6、H1～H4、S1～S4：开关元件；D1～D6、DH1～DH4、DS1～DS4：二极管；Nd1～Nd5：节点。

具体实施方式

以下，参照附图详细说明本发明的实施方式。

实施例1

图1是本发明的电源装置1和采用该电源装置1的无停电电源系统100的电源系统的概要结构图。电源装置1具备继电器5、逆变器2、双向DC-DC变换器3。无停电电源系统100具备电源装置1和电池4。

逆变器2的交流侧经由继电器5与交流电源6连接，并且与负载7连接。逆变器2的直流侧与直流的链路电压Vlink连接。双向DC-DC变换器3被连接在链路电压Vlink和电池4之间，进行电池4的充放电。

该电源装置1在平常时将继电器5接通，从交流电源6向负载7供给电力，并且逆变器2输入交流电源6的电力而输出链路电压Vlink，双向DC-DC变换器3输入链路电压Vlink来对电池4进行充电。

在交流电源6停电时断开继电器5，双向DC-DC变换器3对电池4进行放电从而输出链路电压Vlink，逆变器2输入链路电压Vlink来向负载7供给交流电力。由此，在交流电源6停电时也继续向负载7供给电力。

在此，在逆变器2输入交流电源6的电力而输出链路电压Vlink的AC-DC动作时，需要将来自交流电源6的输入电流控制为正弦波状从而提高功率因数。但是，如果这时的链路电压Vlink比通过逆变器2被动地对交流电源6的电压进行整流时出现的电压低，则难以将来自交流电源6的输入电流控制为正弦波状，功率因数容易变低。因此，理想的是使链路电压Vlink比通过该逆变器2被动地对交流电源6的电压进行整流时出现的电压高。

另一方面，一般对于逆变器2，如果链路电压Vlink高，则开关损失容易变大。对于双向DC-DC变换器3也同样，如果链路电压Vlink高，则开关损失容易变大。另外，在双向DC-DC变换器3是具备变压器的绝缘型的情况下，如果在将从电池4输入的电力输出为链路电压Vlink的放电时，输出电压即链路电压Vlink高，则从电池4输入电力向变压器输出电力的开关电路所具备的开关元件被施加的电压变高，有时必须使用耐压高的开关元件。对于开关元件，如果耐压高，则接通电阻变大，导通损失容易变大。另外，在电池4的电压低的情况下，在放电时双向DC-DC变换器3的升压比变高，损失容易变大。

如此，如果为了将来自交流电源6的输入功率因数维持得高而将链路电压Vlink设定得高，则逆变器2、双向DC-DC变换器3的损失都变大，效率容易变低。

因此，在本发明的电源装置1中，使对电池4进行放电时的链路电压Vlink低于通过逆变器2被动地对交流电源6的最大电压进行整流时出现的电压。由此，逆变器2、双向DC-DC变换器3都降低了损失从而提高了效率。

这时，使链路电压Vlink高于通过逆变器2被动地对交流电源6的标称电压(额定电压)进行整流时出现的电压。因此，能够从逆变器2失真少地向负载7供给相当于交流电源6的标称电压(额定电压)的电压。当然，在链路电压Vlink比通过逆变器2被动地对交流电源6的标称电压(额定电压)进行整流时出现的电压低的情况下，从逆变器2向负载7供给的电压波形容易失真。

另外，使对电池4进行充电时的链路电压Vlink比通过逆变器2被动地对交流电源6的最大电压进行整流时出现的电压高。因此，在交流电源6的电压为最大的情况下，也能够将输入功率因数维持得高。

实施例2

图2是本发明的电源装置1a和采用该电源装置1a的无停电电源系统100a的电路结构图。该电源装置1a具备继电器5a、交流侧经由该继电器5a与交流电源6a连接并且直流侧与链路电压Vlink连接的逆变器2a、连接在链路电压Vlink和电池4a之间的双向DC-DC变换器3a、控制它们的控制单元10。

交流电源6a是单相三线式，能够供给100V的2个系统、200V的一个系统。此外，广泛地使用85V～132V左右的电压作为100V系统的电压，使用170V～265V左右的电压作为200V系统的电压。

逆变器2a在连接于直流端子14～15之间的直流的链路电压Vlink和连接于交流端子11～13之间的交流线之间收发电力。在直流端子14～15之间经由双向DC-DC变换器3a连接有电池4a。在交流端子11～13之间，经由继电器5a连接有交流电源6a，并且连接有负载7a。

该逆变器2a具备：通过节点Nd1将开关元件Q1、Q2串联连接的第一开关支路、通过节点Nd2将开关元件Q3、Q4串联连接的第二开关支路、通过节点Nd3将电容器C1、C2串联连接的第一电容器支路、通过节点Nd4将电容器C3、C4串联连接的第二电容器支路、通过节点Nd5将开关元件Q5、Q6串联连接的第三开关支路。将这些第一～第三开关支路、第一电容器支路并联连接。在第二电容器支路的一端(电容器C3)和节点Nd1之间连接有电感器L1，在第二电容器支路的另一端(电容器C4)和节点Nd2之间连接有电感器L2，在节点Nd3和节点Nd5之间连接有电感器L3。将节点Nd3和节点Nd4连接。

在开关元件Q1～Q6上分别逆并联连接有二极管D1～D6。在此，在使用MOSFET作为开关元件Q1～Q6的情况下，可以利用MOSFET的寄生二极管作为二极管D1～D6。

将第一电容器支路的两端之间作为直流端子14～15之间，与链路电压Vlink连接。此外，在本实施例中，在第一电容器支路的两端之间连接有链路电压Vlink，但在电容器C1的两端之间或电容器C2的两端之间也可以连接链路电压Vlink。

将电感器L1和电容器C3的连接点作为交流端子11，将电感器L2和电容器C4的连接点作为交流端子12，将电容器C3、C4的连接点作为交流端子13。将交流端子11～13之间即电容器C3的两端之间作为a相，将交流端子13～12之间即电容器C4的两端之间作为b相，将交流端子11～12之间即第二电容器支路的两端之间作为ab相。另外，将交流端子11相对于交流端子13的电压定义为a相电压Va，将交流端子13相对于交流端子12的电压定义为b相电压Vb，将交流端子11相对于交流端子12的电压定义为ab相电压Vab。

电容器C1、C2对直流端子14～15之间的电压进行分压，在Nd3生成直流端子14～15之间的电压的中间的电压。开关元件Q5、Q6、电感器L3通过控制开关元件Q5、Q6，来使电容器C1、C2的电压分担平衡。

在将输入到交流端子11～13之间的交流电源6a的电力变换为直流而输出链路电压Vlink的情况下，控制开关元件Q1、Q2而在电感器L1中流过电流，控制开关元件Q3、Q4而在电感器L2中流过电流，将从交流电源6a输入的电流控制为正弦波状，从而使功率因数变高。

在将输入到直流端子14～15之间的链路电压Vlink变换为交流而提供给负载7a的DC-AC动作时，控制开关元件Q1、Q2而生成a相电压Va，控制开关元件Q3、Q4而生成b相电压Vb。

双向DC-DC变换器3a具备电容器C7、C8、开关电路8a、9a、使线圈N1、N2磁耦合的变压器T1、电感器L4(平滑电感器)，在连接于电容器C7的两端之间的链路电压Vlink和连接于电容器C8的两端之间的电池4a之间收发电力。

开关电路8a对开关元件H1～H4进行全桥连接。将串联连接开关元件H1、H2的第十一开关支路、串联连接开关元件H3、H4的第十二开关支路并联连接，在第十一开关支路的两端之间(直流端子之间)连接电容器C7，在开关元件H1、H2的连接点和开关元件H3、H4的连接点之间(交流端子之间)连接有线圈N1。

开关电路9a对开关元件S1～S4进行全桥连接。将串联连接开关元件S1、S2的第十三开关支路、串联连接开关元件S3、S4的第十四开关支路并联连接，在第十三开关支路的两端之间(直流端子之间)串联连接电感器L4、电容器C8，在开关元件S1、S2的连接点和开关元件S3、S4的连接点之间(交流端子之间)连接有线圈N2。

在开关元件H1～H4、S1～S4分别逆并联连接有二极管DH1～DH4、DS1～DS4。在此，在使用MOSFET作为开关元件H1～H4、S1～S4的情况下，可以利用MOSFET的寄生二极管作为二极管DH1～DH4、DS1～DS4。

在从链路电压Vlink向电池4a进行电力供给的充电动作时，使开关元件H1～H4进行开关动作，向线圈N1施加电压。线圈N2产生的电压通过开关电路9a被整流，将通过电感器L4和电容器C8平滑后的电流提供给电池4a。

在从电池4a向链路电压Vlink供给电力的放电动作时，使开关元件S1～S4进行开关动作，在线圈N2中流过积蓄在电感器L4中的电流。在线圈N1感应的电流通过开关电路8a被整流，将通电容器C7平滑后的电压提供给链路电压Vlink。

本实施例的电源装置1a与电池4a配合，构成即使作为商用电力系统的交流电源6a停电也进行后备供电使得向负载7a的电力供给不会中断的无停电电源系统100a。在没有发生停电等平常时，使继电器5a为接通状态，在向负载7a供给交流电源6a的电力，并且对电池4a进行充电的商用供电模式下进行动作。在停电等系统异常时，断开继电器5a，在从电池4a向负载7a进行电力供给来进行后备供电的电池供电模式下进行动作。

以下，使用图3说明商用供电模式和电池供电模式下的链路电压Vlink的设定方法。在图3中，Vnom是交流电源6a的ab相电压的标称电压(额定电压)(有效值)，例如是200V，Vmax是交流电源6a的ab相电压的最大电压(有效值)，例如是220V，Vab_nom是标称电压时的ab相电压的波形，Vab_max是最大电压时的ab相电压的波形，Vm_nom是标称电压时的ab相电压的振幅(峰值)，例如是283V(＝√2×Vnom)，Vm_max是最大电压时的ab相电压的振幅(峰值)，例如是311V(＝√2×Vmax)，Vlink_charge是对电池4a进行充电时(商用供电模式时)的链路电压，Vlink_discharge是对电池4a进行放电时(电池供电模式时)的链路电压。此外，在此将交流电源6a的ab相电压的最大电压Vmax设为标称电压Vnom的1.1倍，但例如也可以是1.15倍等其他值，也可以确定为电源装置1a、无停电电源系统100a的规格。

在商用供电模式时，逆变器2a进行AC-DC动作而输出链路电压Vlink，双向DC-DC变换器3a输入链路电压Vlink而进行充电动作。在此，通过逆变器2a的二极管D1～D4被动地对交流电源6a的最大电压Vmax进行整流时在直流端子14～15之间出现的电压大致等于这时输入到交流端子11～12之间的ab相电压的振幅Vm_max。在a相电压Va和b相电压Vb的振幅不同的情况下，通过逆变器2a的二极管D1～D4被动地对其进行整流时在直流端子14～15之间出现的电压为a相电压Va和b相电压Vb中的振幅大的一方的2倍左右。

在此，在逆变器2a的AC-DC动作时，需要将来自交流电源6a的输入电流控制为正弦波状而提高功率因数。但是，如果这时的链路电压Vlink比通过逆变器2a的二极管D1～D4被动地对交流电源6a的电压进行整流时出现的电压低，则在交流电源6a的电压瞬时值高于链路电压Vlink的定时，难以控制来自交流电源6a的输入电流值，因此难以将输入电流控制为正弦波状，功率因数容易变低。

因此，将商用供电模式时的链路电压Vlink_charge设定得比交流电源6a的最大电压时的振幅Vm_max高。由此，在交流电源6a的电压最大的情况下，也容易将输入电流控制为正弦波状而提高功率因数。

接着，在电池供电模式时，双向DC-DC变换器3a进行放电动作而输出链路电压Vlink，逆变器2a进行DC-AC动作而输入链路电压Vlink向负载7a供给交流电力。在使本实施例的双向DC-DC变换器3a进行放电动作的情况下，如上述那样使开关元件S1～S4进行开关动作，在线圈N2中流过积蓄在电感器L4中的电流。这时，如果与线圈N1、N2串联地存在变压器T1的漏感、配线电感等电感成分，则在开关元件S1～S4断开时容易产生浪涌电压。因此，在放电动作时施加到开关元件S1～S4的电压容易变得比充电动作时高。如果施加到开关元件S1～S4的电压高，则开关损失变大，当然有时必须使用耐压高的开关元件。对于开关元件，如果耐压高则接通电阻变大，导通损失增加而容易造成效率的降低。另外，在电池4a的电压低的情况下，双向DC-DC变换器3a的升压比变高，损失还是容易变大。

此外，如果减小变压器T1的匝数比(N2/N1)，则能够降低向开关元件S1～S4施加的电压，但有时在充电动作时无法得到足够的输出电压。

因此，将电池供电模式时的链路电压Vlink_discharge设定得比交流电源6a的最大电压时的振幅Vm_max低。由此，与将链路电压设定得比交流电源6a的最大电压时的振幅Vm_max高的情况相比，线圈N1、N2的电压变低，将施加到开关元件S1～S4的电压抑制得低。另外，也将逆变器2a的开关元件Q1～Q6的开关损失抑制得小。

将该电池供电模式时的链路电压Vlink_discharge设定得比标称(额定)电压时的振幅Vm_nom高。因此，在逆变器2a向负载7a输出相当于交流电源6a的标称电压(额定电压)的电压的基础上，将输出电压波形的失真抑制得小。此外，如果链路电压比逆变器2a向负载7a输出的电压振幅Vm_nom低，则输出电压波形容易失真。以上以从逆变器2a向负载7a输出标称电压(额定电压)为前提进行了说明，但在变更逆变器2a的输出电压的情况下，也变更链路电压使得链路电压不会比希望的输出电压振幅低即可。

如此，在本实施例中，将电池供电模式即对电池4a进行放电时的链路电压Vlink_discharge设定为与通过逆变器2a的二极管D1～D4被动地对交流电源6a的最大电压Vmax进行了整流时在直流端子14～15之间出现的电压大致相等，并且比交流电源6a的最大电压时的振幅Vm_max低。由此，能够将开关元件S1～S4的耐压抑制得低，另外抑制开关元件Q1～Q6、S1～S4的开关损失，高效地从电池4a向负载7a进行电力供给。

另外，在本实施例中，按照ab相电压的标称电压(额定电压)时的振幅Vm_nom<对电池4a进行放电时的链路电压Vlink_discharge<ab相电压的最大电压时的振幅Vm_max<对电池4a进行充电时的链路电压Vlink_charge的顺序来提高电压。由此，即使在交流电源6a的电压为最大的情况下，也容易将对电池4a进行充电时的输入电流控制为正弦波状而提高功率因数。另外，将对电池4a进行放电而进行后备供电时的负载7a的电压波形的失真抑制得小。

实施例3

图4是本发明的电源装置1b和采用该电源装置1b的无停电电源系统100b的电路结构图。该电源装置1b具备继电器5b、交流侧经由该继电器5b与交流电源6b连接并且直流侧与链路电压Vlink连接的逆变器2b、连接在链路电压Vlink和电池4b之间的双向DC-DC变换器3b。交流电源6b是单相2线式。

逆变器2b在连接于直流端子24～25之间的直流的链路电压Vlink和连接于交流端子21～22之间的交流线之间收发电力。在直流端子24～25之间经由双向DC-DC变换器3b连接有电池4b。在交流端子21～22之间，经由继电器5b连接有交流电源6b，并且连接有负载7b。

该逆变器2b具备通过节点Nd1将开关元件Q1、Q2串联连接的第一开关支路、通过节点Nd2将开关元件Q3、Q4串联连接的第二开关支路、与这些第一、第二开关支路并联连接的电容器C5、串联连接在节点Nd1～Nd2之间的电感器L5、L6和电容器C6。将电容器C5的两端之间作为直流端子24～25之间，与链路电压Vlink连接。此外，将电容器C6的两端之间作为交流端子21～22之间。

这样，本实施例的逆变器2b成为单相2线式的全桥逆变器，与实施例2的逆变器2a相比，能够减少部件数量。

双向DC-DC变换器3b具备电容器C7、C8、开关电路8b、9b、使线圈N3、N4磁耦合的变压器T2、共振电感器Lr1、Lr2、共振电容器Cr1、Cr2，在连接于电容器C7的两端之间的链路电压Vlink和连接于电容器C8的两端之间的电池4b之间收发电力。

开关电路8b、9b的结构与实施例2的开关电路8a、8b相比，其不同点在于，削减了电感器L4，与线圈N3串联地插入共振电感器Lr1和共振电容器Cr1，与线圈N4串联地插入共振电感器Lr2和共振电容器Cr2。

这样，本实施例的双向DC-DC变换器3b成为共振型变换器，与实施例2的双向DC-DC变换器3a相比，能够在电池4b的电压高的情况下也高效地进行充放电。

在本实施例中，也能够与实施例2同样地得到本发明的效果。

Claims (11)

1.一种电源装置，其特征在于，具备：

逆变器，其交流端子间与交流电源连接，并且直流端子间与链路电压连接；

双向DC-DC变换器，其连接在上述链路电压和电池之间，并且对该电池进行充放电，

对上述电池进行放电时的上述链路电压比通过上述逆变器被动地对上述交流电源的最大电压进行整流时在上述直流端子间出现的电压低。

2.根据权利要求1所述的电源装置，其特征在于，

具备插入到上述交流电源和上述逆变器之间的继电器，

并且具备：

在上述逆变器的交流端子间连接负载，接通上述继电器从上述交流电源向上述负载供给电力，并且对上述电池进行充电的商用供电模式；以及

断开上述继电器对上述电池进行放电，从而从上述电池向上述负载供给电力的电池供电模式。

3.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，

上述双向DC-DC变换器是具有使上述链路电压与上述电池电气绝缘的功能的绝缘型。

4.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，

对上述电池进行放电时的上述链路电压比通过上述逆变器被动地对上述交流电源的标称电压进行整流时出现的电压高。

5.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，

上述逆变器具备：

第一开关支路，其将第一开关元件和第二开关元件串联连接；

第二开关支路，其将第三开关元件和第四开关元件串联连接，并且与上述第一开关支路并联连接；

第一电容器支路，其将第一电容器和第二电容器串联连接，并且与上述第一开关支路并联连接；

第二电容器支路，其将第三电容器和第四电容器串联连接，并且将该第三电容器和该第四电容器的连接点与上述第一电容器和上述第二电容器的连接点连接；

第一电感器，其连接在上述第一开关元件和上述第二开关元件的连接点与上述第二电容器支路的一端之间；

第二电感器，其连接在上述第三开关元件和第四开关元件的连接点与上述第二电容器支路的另一端之间，

在上述第一电容器或上述第二电容器或上述第一电容器支路上并联连接上述链路电压，将上述第三电容器的两端之间、或上述第四电容器的两端之间、或上述第三电容器与上述第四电容器的两端之间作为上述逆变器的交流端子间。

6.根据权利要求5所述的电源装置，其特征在于，

上述逆变器具备：

第三开关支路，其将第五开关元件和第六开关元件串联连接，并且与上述第一开关支路并联连接；

第三电感器，其连接在上述第五开关元件和第六开关元件的连接点与上述第一电容器和第二电容器的连接点之间。

7.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，

上述双向DC-DC变换器具备：

第一开关电路，其在自身的直流端子间连接上述链路电压，并且在自身的交流端子间连接初级线圈；

第二开关电路，其在自身的直流端子间连接上述电池，并且在自身的交流端子间连接次级线圈；

变压器，其使上述初级线圈和上述次级线圈磁耦合。

8.根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于，

上述双向DC-DC变换器具备与上述初级线圈串联连接的共振电容器和共振电感器和/或与上述次级线圈串联连接的共振电容器和共振电感器。

9.根据权利要求7所述的电源装置，其特征在于，

上述双向DC-DC变换器在上述第二开关电路的直流端间和上述电池之间具备平滑电感器。

10.根据权利要求1或2所述的电源装置，其特征在于，

上述交流电源的最大电压为上述交流电源的标称电压的1.1倍。

11.一种无停电电源系统，其特征在于，

具备权利要求1～10中的任意一项所述的电源装置和上述电池。