CN107070279A - 电力转换系统及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力转换系统及其控制方法。该电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成。该功率调节器包括：第一DC/DC转换器，其被设置在DC电源电路和DC母线之间；以及逆变器，其被设置在DC母线和AC电路径之间并且被配置为以使逆变器和第一DC/DC转换器交替地具有AC半周期中的停止时段的方式来执行切换操作。DC电源电路包括：蓄电池；以及双向型的第二DC/DC转换器，其被设置在蓄电池和第一DC/DC转换器之间并且包括DC电抗器。电力转换系统包括控制单元，控制单元被配置为控制流过第二DC/DC转换器的DC电抗器的电流，使其具有恒定值。

Description

电力转换系统及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力转换系统及其控制方法。
本申请要求于2016年1月18日提交的日本专利申请No.2016-006999的优先权，该申请的全部内容将以引用方式并入本文中。
背景技术
例如，用于光伏发电的功率调节器(电力转换装置)进行操作，以将所产生的DC电力转换成AC电力并且执行与商业电力系统的系统互连。在传统的功率调节器转换操作中，所产生的电压被升压电路升压至比AC侧峰值电压高的特定电压，然后被逆变器转换成AC电压。在这种情况下，升压电路和逆变器一直执行高速切换操作。
同时，在这些功率调节器中，重要的是提高转换效率。因此，已经提出了以下控制(下文中，被称为最小开关切换方法)：一直将DC侧电压和AC侧瞬时电压的绝对值彼此进行比较，并且致使升压电路只在需要升压操作的时段期间执行切换操作，并且致使逆变器只在需要降压操作的时段期间执行切换操作(例如，参见专利文献1、2)。如果由于这种最小开关切换方法而向升压电路和逆变器提供停止切换操作的时段，则切换损耗等减少对应于停止时段的量，由此可提高转换效率。
近年来，已经提出了一种所谓的复合型功率调节器，该功率调节器使用两种类型的DC电源(即，太阳能电池和蓄电池)执行DC/AC电力转换(例如，参见专利文献3、4)。这种复合型功率调节器使来自一个或多个光伏面板的输出和来自蓄电池的输出能够被连接到一个功率调节器。在功率调节器中，必要地按照各电源来设置DC/DC转换器(斩波电路)和逆变器，由此可执行与商业电力系统的系统互连操作。
引用列表
[专利文献]
专利文献1：日本专利公开No.2014-241714
专利文献2：日本专利公开No.2014-241715
专利文献3：日本专利公开No.2015-142460
专利文献4：日本专利公开No.2015-192549
发明内容
本发明的一种表示是一种电力转换系统，所述电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，其中，所述功率调节器包括：第一DC/DC转换器，其被设置在所述DC电源电路和DC母线之间；以及逆变器，其被设置在所述DC母线和AC电路径之间并且被配置为以使所述逆变器和所述第一DC/DC转换器交替地具有AC半周期中的停止时段的方式来执行切换操作，并且所述DC电源电路包括：蓄电池；以及双向型的第二DC/DC转换器，其被设置在所述蓄电池和所述第一DC/DC转换器之间并且包括DC电抗器，所述电力转换系统包括控制单元，所述控制单元被配置为控制流过所述第二DC/DC转换器的所述DC电抗器的电流，使其具有恒定值。
本发明的另一个方面是一种电力转换系统的控制方法，主要通过所述电力转换系统执行所述控制方法，所述电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，所述功率调节器包括：第一DC/DC转换器，其被设置在所述DC电源电路和DC母线之间；以及逆变器，其被设置在所述DC母线和AC电路径之间，所述DC电源电路包括：蓄电池；以及双向型的第二DC/DC转换器，其被设置在所述蓄电池和所述第一DC/DC转换器之间并且包括DC电抗器，其中，所述第二DC/DC转换器将所述蓄电池上的电压升压至所述第一DC/DC转换器的低压侧的电压，或者在与其相反的方向上执行降压操作，所述第一DC/DC转换器和所述逆变器执行切换操作，以便交替地具有在AC半周期中的停止时段，以及控制流过所述第二DC/DC转换器的所述DC电抗器的电流，使其具有恒定值。
附图说明
[图1]图1是示出电力转换系统的示意性配置的示例的示图。
[图2]图2是示出电力转换系统的细节的电路图的示例，重点只放在图1中的蓄电池。
[图3]图3是示意性示出最小开关切换方法中的DC/DC转换器和逆变器的操作特征的波形图(水平描绘的)。
[图4]图4是示意性示出最小开关切换方法中的DC/DC转换器和逆变器的操作特征的波形图(垂直描绘的)。
[图5]图5是第二DC/DC转换器的高压侧的电压控制框图。
[图6]图6是第二DC/DC转换器中的DC电抗器的电流控制框图。
[图7]图7是便于比较的通过从图2中去除第二DC/DC转换器而得到的电路图。
[图8]图8是通过图7中的电路中的电流传感器检测的系统电流的波形图。
[图9]图9是通过图7中的电路中的电压传感器检测的系统电压的波形图。
[图10]图10是通过图7中的电路中的电流传感器检测的至蓄电池的充电电流的波形图。
[图11]图11是通过电压传感器检测的、DC/DC转换器和功率调节器之间的互连点处的电压的波形图。
[图12]图12是通过图2中的电路中的电流传感器检测的至蓄电池的充电电流的波形图。
[图13]图13是示出信息信号的发送和接收的示例的示图。
[图14A]图14A是示出DC/DC转换器的切换操作的示例的示图。
[图14B]图14B是示出DC/DC转换器的切换操作的另一个示例的示图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
对于复合型功率调节器，特别地，存在连接各种类型的蓄电池的实际上需要。然而，如果假定使用各种类型的蓄电池，则其端电压的范围广。另外，实际上，有时期望使用具有在假定范围之外的电压的蓄电池。目前，功率调节器不能充分适应于这些情形。
同时，在使用蓄电池作为DC电源的同时应用最小开关切换方法的情况下，流过蓄电池的充电/放电电流脉动。这是因为，由于DC母线电压不恒定而导致的无功电流优选地不可被与蓄电池并联连接的电解电容器吸收。虽然这没有立即造成问题，但将具有恒定电流和脉动电流的DC电流之间进行比较时，后一种情况下的蓄电池的内部电阻所造成的损耗较大。
考虑到以上问题，本公开的目的是在电力转换系统中增加各种类型的蓄电池的易变性并且减少蓄电池中的损耗。
[本公开的效果]
根据本公开，可以在电力转换系统中增加各种类型的蓄电池的易变性并且减少蓄电池中的损耗。
[实施例的概述]
本发明的实施例的概述包括至少以下。
(1)存在一种电力转换系统，该电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，其中，功率调节器包括：第一DC/DC转换器，其被设置在DC电源电路和DC母线之间；以及逆变器，其被设置在DC母线和AC电路径之间并且被配置为以使逆变器和第一DC/DC转换器交替地具有AC半周期中的停止时段的方式来执行切换操作，并且DC电源电路包括：蓄电池；以及双向型的第二DC/DC转换器，其被设置在蓄电池和第一DC/DC转换器之间并且包括DC电抗器，电力转换系统包括控制单元，控制单元被配置为控制流过第二DC/DC转换器的DC电抗器的电流，使其具有恒定值。
在如上所述配置的电力转换系统中，即使功率调节器和蓄电池之间存在大输入/输出电压差异，也可执行升压/降压操作，并且电压适用范围扩大。因此，可以经由第二DC/DC转换器将具有不同输出电压的各种类型的蓄电池连接到功率调节器。另外，在第一DC/DC转换器和逆变器交替地具有在AC半周期中的切换停止时段的最小开关切换方法中，具有脉动电流波形的电流尝试流向第一DC/DC转换器的低电压侧。然而，通过控制单元执行用于致使流过第二DC/DC转换器的DC电抗器的电流具有恒定值(通过例如用于致使第一DC/DC转换器的低压侧(第二DC/DC转换器的高压侧)的电压具有恒定值的控制)的控制，只有DC电流流过蓄电池而具有脉动电流波形的电流没有流过。结果，抑制由于蓄电池的内部电阻导致的损耗，蓄电池中的劣化被延迟，并且蓄电池的性能可完全得以发挥。
(2)在(1)所述的电力转换系统中，控制单元可确定通过将第二DC/DC转换器的高压侧的电压反馈控制的操作量与将高压侧的电压目标值除以其低压侧的电压检测值而得到的值相乘计算出的值在一定周期内求平均而得到的值作为充电/放电电流目标值，并且可控制第二DC/DC转换器的高压侧的电压，使其是恒定电压。
在这种情况下，可致使已经经受平均处理的平坦DC电流流向第二DC/DC转换器的低压侧。也就是说，第二DC/DC转换器可控制蓄电池的充电/放电电流，使其是没有脉动电流波形的恒定电流。
(3)在(2)所述的电力转换系统中，例如，可满足以下表达式：
其中，T是周期，
igdc_ref是充电/放电电流目标值，
ipwm_ref_pi_vdc是操作量，
vdc_ref是电压目标值，以及
vgdc是电压检测值。
通过此计算，可以控制蓄电池的充电/放电电流目标值，使其是不脉动的恒定电流。
(4)在(1)所述的电力转换系统中，控制单元可确定通过将基于第一DC/DC转换器的低压侧的电压反馈的补偿量在AC半周期内求平均而得到的值作为包括在第一DC/DC转换器中的DC电抗器的电流目标值，并且可控制第一DC/DC转换器的低压侧的电压，使其是恒定电压。
在这种情况下，可致使已经经受平均处理的平坦DC电流流向第一DC/DC转换器的低压侧。因此，可以控制第一DC/DC转换器的低压侧的控制电压，使其是恒定值。
(5)在(2)或(3)所述的电力转换系统中，功率调节器可以是也连接到一个或多个光伏面板的复合型功率调节器，并且第二DC/DC转换器可向高压侧输出与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压。
在第二DC/DC转换器将与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压输出到高压侧的情况下，功率调节器可优化最小开关切换方法中的操作。
(6)类似地，(4)所述的功率调节器可以是也连接到一个或多个光伏面板的复合型功率调节器，并且第一DC/DC转换器可向低压侧输出与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压。
(7)在(2)、(3)或(5)所述的电力转换系统中，当第二DC/DC转换器控制其高压侧的电压使其是恒定电压时，第二DC/DC转换器可执行用于从功率调节器接收用于实现恒定电压的电压目标值的通信。
在这种情况下，通过该通信，功率调节器可将高压侧的输出电压目标值通知给第二DC/DC转换器。例如，在与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压用于DC母线的电压的情况下，可以将输出电压目标值通知给第二DC/DC转换器。因此，第二DC/DC转换器可将与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压输出到高压侧。另外，结果，第一DC/DC转换器的切换停止时段增加，并且这样有助于优化最小开关切换方法中的操作。
(8)在(4)或(6)所述的电力转换系统中，当第一DC/DC转换器控制其低压侧的电压使其是恒定电压时，第一DC/DC转换器可执行用于将输出电力命令值发送到第二DC/DC转换器的通信。
在这种情况下，通过将输出电力命令值通知给第二DC/DC转换器，第二DC/DC转换器可基于输出电力命令值来控制充电/放电电流，使其是恒定电流。
(9)另一方面，方法方面是一种电力转换系统的控制方法。主要通过电力转换系统执行控制方法，并且电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，功率调节器包括：第一DC/DC转换器，其被设置在DC电源电路和DC母线之间；以及逆变器，其被设置在DC母线和AC电路径之间，DC电源电路包括：蓄电池；以及双向型的第二DC/DC转换器，其被设置在蓄电池和第一DC/DC转换器之间并且包括DC电抗器。
在该控制方法中，第二DC/DC转换器将蓄电池上的电压升压至第一DC/DC转换器的低压侧的电压，或者在与其相反的方向上执行降压操作，第一DC/DC转换器和逆变器执行切换操作，以便交替地具有在AC半周期中的停止时段，并且控制流过第二DC/DC转换器的DC电抗器的电流，使其具有恒定值。
在如上所述的电力转换系统的控制方法中，即使功率调节器和蓄电池之间存在输入/输出电压差异，第二DC/DC转换器可在其相应电压之间进行调节。因此，可以经由第二DC/DC转换器将具有不同输出电压的各种类型的蓄电池连接到功率调节器。另外，在第一DC/DC转换器和逆变器交替地具有AC半周期中的切换停止时段的最小开关切换方法中，具有脉动电流波形的电流尝试流向第一DC/DC转换器的低压侧。然而，通过执行用于致使流过第二DC/DC转换器的DC电抗器的电流具有恒定值(通过例如用于致使第一DC/DC转换器的低压侧(第二DC/DC转换器的高压侧)的电压具有恒定值的控制)的控制，只有DC电流流过蓄电池而具有脉动电流波形的电流没有流过。结果，抑制由于蓄电池的内部电阻导致的损耗，蓄电池中的劣化被延迟，并且蓄电池的性能可完全得以发挥。
(10)除了(1)之外，可如下地表示电力转换系统。也就是说，存在一种电力转换系统，该电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，其中，功率调节器包括：第一DC/DC转换器，其被设置在DC电源电路和DC母线之间；以及逆变器，其被设置在DC母线和AC电路径之间并且被配置为以使逆变器和第一DC/DC转换器交替地具有AC半周期中的停止时段的方式来执行切换操作，并且DC电源电路包括：蓄电池；以及双向型的第二DC/DC转换器，其被设置在蓄电池和第一DC/DC转换器之间并且包括DC电抗器，电力转换系统包括：电容器，其被设置在第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器之间；以及控制单元，其被配置为通过由电容器供应流过第一DC/DC转换器的脉动电流的脉冲分量，并且通过由第二DC/DC转换器供应脉动电流的DC分量，来控制流过第二DC/DC转换器的DC电抗器的电流，使其具有恒定值。
[实施例的细节]
下文中，将参照附图描述实施例的细节。
<第一实施例>
首先，将描述根据第一实施例的电力转换系统(包括其控制方法)。
<<电路配置>>
图1是示出电力转换系统100的示意性配置的示例的示图。电力转换系统100由复合型功率调节器1和与其连接的多个多种类型的DC电源组成，并且能够与商业电力系统3进行系统互连。顾客的负载4连接到商业电力系统3和功率调节器1之间的AC电路径5。在图1中，例如，三个光伏面板7A、7B、7C连接到复合型功率调节器1。数量“三个”仅仅是示例。蓄电池6经由双向DC/DC转换器8连接到功率调节器1。具体地，DC/DC转换器8的低压侧(图1中的左侧)连接到蓄电池6，并且其高压侧(图1中的右侧)连接到功率调节器1。
这里，作为数值的示例，商业电力系统3的电压是AC 202V，并且这种情况下的峰值(波峰值)是大约286V。已经从光伏面板7A、7B、7C输入到功率调节器1中的DC/DC转换器(未示出)并且具有经历MPPT(最大功率点跟踪)控制的电压是DC 250V。该电压在功率调节器1中变成DC母线电压。另一方面，蓄电池6的电压是DC39-53V。因此，蓄电池6的电压被DC/DC转换器8升压，进一步被功率调节器1中的DC/DC转换器11(图2)升压至DC 250V。
通过设置DC/DC转换器8而得到的基本效果是，即使在功率调节器1和蓄电池6之间存在大输入/输出电压差异，也可执行升压/降压操作，并且电压适用范围扩大。因此，可以经由DC/DC转换器8将具有不同输出电压的各种类型的蓄电池6连接到功率调节器1。
图2是示出电力转换系统100的细节的电路图的示例，重点只放在图1中的蓄电池6。功率调节器1和DC/DC转换器8设置在AC电路径5和蓄电池6之间。在AC电路径5上，设置用于AC电路径5的功率监视器30，但在图1中未示出。
实际上，蓄电池6被配置为不仅仅是电池，而是蓄能系统，并且具有监视蓄电池6本身的状态的监视功能和用于与外部交换信息的通信功能(随后将描述细节)。
功率调节器1包括以下，作为主电路元件：DC/DC转换器11；DC母线12，在其高电压侧；逆变器13，其连接到DC母线12；低压侧电容器14，其连接到DC/DC转换器11的低压侧；中间电容器15，其连接到DC母线12；AC电抗器16,；以及AC侧电容器17。DC/DC转换器8的高压侧连接到DC/DC转换器11的低压侧。逆变器13连接到DC/DC转换器11的高压侧。
DC/DC转换器11包括以下，作为组成斩波电路的电路元件：DC电抗器11L；高侧切换元件Q3和与其反并联连接的二极管d3；以及低侧切换元件Q4和与其反并联连接的二极管d4。
逆变器13由以全桥形式连接的切换元件Q5、Q6、Q7、Q8组成。二极管d5、d6、d7、d8分别与切换元件Q5、Q6、Q7、Q8反并联连接。
DC/DC转换器8和DC/DC转换器11中的每个可按双向方式使用，并且当蓄电池6放电时像升压斩波器一样操作，并且当蓄电池6充电时像降压斩波器一样操作。逆变器13能够不仅执行从DC到AC的转换，而且能够像双向DC/AC转换器一样操作，因此还能够在相反方向上执行从AC到DC的转换。
可使用例如在附图中示出的IGBT(绝缘栅双极性晶体管)或MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)作为切换元件Q3至Q8。
AC电抗器16和AC侧电容器17形成滤波器电路，以防止逆变器13中生成的高频分量漏到AC电路径5。
作为用于测量的电路元件，设置有：电压传感器18，其用于检测低压侧电容器14的两端之间的电压；电流传感器19，其用于检测流过DC电抗器11L的电流；电压传感器20，其用于检测DC母线12的电压，即，中间电容器15的两端之间的电压；电流传感器21，其用于检测流过AC电抗器16的电流；以及电压传感器22，其用于检测AC侧电容器17的两端之间的电压。检测到的来自各传感器的输出信号被发送到控制单元10。
控制单元10控制切换元件Q3、Q4、Q5至Q8的开(ON)和关(OFF)。
控制单元10包括例如计算机，并且通过计算机执行软件(计算机程序)来实现必要的控制功能。软件被存储在控制单元的存储装置(未示出)中。然而，还可以只用不包括计算机的硬件电路来配置控制单元80。
DC/DC转换器8包括以下，作为斩波器电路：DC电抗器8L；高侧切换元件Q1和与其反并联连接的二极管d1；以及低侧切换元件Q2和与其反并联连接的二极管d2。低压侧电容器81连接到DC/DC转换器8的低压侧，高压侧电容器82连接到其高压侧。例如，可使用IGBT或MOSFET作为切换元件Q1、Q2。
作为用于测量的电路元件，设置有：电压传感器83，其用于检测电容器81的两端之间的电压；电流传感器84，其用于检测流过DC电抗器8L的电流；以及电压传感器85，其用于检测高压侧电容器82的两端之间的电压。从各传感器检测到的输出信号被发送到控制单元80。
控制单元80控制切换元件Q1、Q2的开和关。
控制单元80包括例如计算机，并且通过计算机执行软件(计算机程序)来实现必要的控制功能。软件被存储在控制单元的存储装置(未示出)中。然而，还可以只用不包括计算机的硬件电路来配置控制单元80。
DC/DC转换器8和蓄电池6形成DC电源电路9。也就是说，通过将DC电源电路9和功率调节器1彼此连接来形成电力转换系统100。功率调节器1包括：第一DC/DC转换器11，其被设置在DC电源电路9和DC母线12之间；以及逆变器13，其被设置在DC母线12和AC电路径5之间并且以使逆变器13和第一DC/DC转换器11交替地具有在AC半周期中的停止时段的方式执行切换操作。
DC电源电路9的第二DC/DC转换器8设置在蓄电池6和第一DC/DC转换器11之间，并且是包括DC电抗器8L的双向转换器。
控制单元10和控制单元80具有通信功能。控制单元10可与功率监视器30和控制单元80执行必要的通信。控制单元80可与蓄电池6和控制单元10执行必要的通信。
<<对最小开关切换方法的说明>>
图3和图4是示意性示出最小开关切换方法中的DC/DC转换器11和逆变器13的操作特征的波形图。图3和图4示出相同内容，但特别地，图3是水平描绘的样式，使得可容易理解从DC输入到AC输出的幅值的关系，并且特别地，图4是垂直描绘的样式，使得可容易理解控制的时序。图3中的上部分和图4中的左列是示出便于比较的不基于最小开关切换方法的传统切换控制的波形图。图3中的下部分和图4中的右列是示出最小开关切换方法中的操作的波形图。
首先，在图3中的上部分(或图4中的左列)，在传统切换控制中，响应于输入的DC电压Vdc的DC/DC转换器的输出是具有比Vdc高的值并且以规则间隔布置的脉冲序列。该输出被中间电容器平滑，然后作为DC母线上的电压Vo出现。另一方面，逆变器在每半个周期将极性反转的同时在PWM(脉宽调制)控制下执行切换。结果，通过最终平滑，得到正弦AC电压Vac。
接下来，在图3中的下部分处进行的最小开关切换方法中，DC/DC转换器11和逆变器13按照具有AC波形的电压目标值Vac的瞬时值的绝对值和输入的DC电压Vdc之间的比较结果进行操作。也就是说，当电压目标值Vac的绝对值满足Vac<Vdc(或Vac≤Vdc)时，DC/DC转换器11停止(附图中的“ST”)，并且当电压目标值Vac的绝对值满足Vac≥Vdc(或Vac>Vdc)时，DC/DC转换器11执行升压操作(附图中的“OP”)。DC/DC转换器11的输出被中间电容器15平滑，然后作为DC母线12上的电压Vo出现，如图中所示。
这里，中间电容器15具有小电容(例如，微法拉级)。因此，AC波形的绝对值峰值周围的波形的部分保留它没有被平滑的样子。也就是说，中间电容器15具有这样的小电容，使得在平滑的作用达到通过DC/DC转换器11消除了高频切换的痕迹的这种程度的同时，不可平滑具有是商业频率两倍高的这样的频率的低频波。
另一方面，至于逆变器13，按照电压目标值Vac的绝对值和DC电压Vdc之间的比较结果，当满足Vac<Vdc(或Vac≤Vdc)时，执行高频切换(附图中的“OP”)，并且当满足Vac≥Vdc(或Vac>Vdc)时，停止高频切换(附图中的“ST”)。当逆变器13停止高频切换时，逆变器13选择切换元件Q5、Q8导通而切换元件Q6、Q7截止的状态、或切换元件Q5、Q8截止而切换元件Q6、Q7导通的状态，由此只执行必要的极性反转。逆变器13的输出被AC电抗器16和AC侧电容器17平滑，由此得到所期望的AC输出。
这里，如图4中的右列中所示，DC/DC转换器11和逆变器13交替地执行高频切换。当DC/DC转换器11执行升压操作时，逆变器13停止高频切换并且只针对DC母线12的电压执行必要的极性反转。另一方面，当逆变器13执行高频切换操作时，DC/DC转换器11停止并且低压侧电容器14的两端之间的电压经由DC电抗器11L和二极管d3在DC母线12上出现。
如上所述，执行在最小开关切换方法中的通过DC/DC转换器11和逆变器13的最小开关切换方法操作。
<<对第二DC/DC转换器的控制>>
接下来，将描述对第二(外部)DC/DC转换器8的控制。
图5是DC/DC转换器8的高压侧的电压控制框图。执行控制的主单元是控制单元80。在图5中，使用由电压传感器85(图2)在高压侧检测到的电压检测值vdc作为控制量，控制单元80计算高压侧的电压目标值vdc_ref和控制量vdc之间的误差量dvdc。然后，控制单元80通过PI补偿器处理误差量dvdc，以计算操作量ipwm_ref_pi_vdc。
以下，示出用于计算DC电抗器8L的电流目标值igdc_ref的表示。
要注意，字符字体(正体/斜体类型)中的差异不具含义，并且相同字符代表相同量(下文中同样如此)。
在以上表示中，高压侧的电压控制框图中计算出的操作量ipwm_ref_pi_vdc在物理上意指输入到DC/DC转换器8的高压侧电容器82并且从其输出的电流。因此，在计算DC/DC转换器8中的DC电抗器8L的电流目标值时，将高压侧的电压目标值vdc_ref除以由电压传感器83(图2)检测到的蓄电池侧上的电压检测值vgdc，然后将操作量ipwm_ref_pi_vdc与通过除法而得到的值相乘，从而执行至DC电抗器8L的电流目标值的转换。然后，在比PWM周期长的特定周期T上对转换后的值求平均，由此得到DC电抗器8L的电流目标值igdc_ref。由于目的是去除AC分量，因此T被设置成AC周期(例如，1/60[s])或半个AC周期。
图6是DC/DC转换器8中的DC电抗器8L的电流控制框图。使用由电流传感器84检测到的DC电抗器8L的电流检测值igdc作为控制量，控制单元80计算DC电抗器8L的电流目标值igdc_ref和控制量之间的误差量digdc。然后，控制单元80通过PI补偿器来处理误差量digdc，将蓄电池侧的电压检测值vgdc与计算结果相加作为干扰补偿，并且还将计算结果除以高压侧的电压检测值vdc。因此，计算操作量th_sw。使用这个操作量，确定DC/DC转换器8的切换元件Q1、Q2的占空比。
DC/DC转换器8向高压侧输出与光伏面板7A、7B、7C的输出电压中的最高电压一致的电压。
在DC/DC转换器8向高压侧输出与光伏面板7A、7B、7C的输出电压中的最高电压一致的电压的情况下，DC/DC转换器11的切换停止时段增大。这样有助于通过功率调节器1中的最小开关切换方法来优化操作。
类似地，还可以的是，DC/DC转换器11向低压侧输出与光伏面板7A、7B、7C的输出电压中的最高电压一致的电压。
<<验证>>
将验证上述DC/DC转换器8的控制的结果。这里，大约1.5kW的功率从商业电力系统3充电至蓄电池6的情况被作为示例示出。
图7是便于比较的通过从图2中去除第二DC/DC转换器而得到的电路图。图8是通过图7中的电路中的电流传感器21检测的系统电流(具有50Hz的频率)的波形图。图9是通过图7中的电路中的电压传感器22检测的系统电压(具有50Hz的频率)的波形图。图10是通过图7中的电路中的电流传感器19检测的至蓄电池6的充电电流的波形图。通过最小开关切换方法，充电电流脉动并且具有29.6[A]的平均值和如从零起看到的68[A]的峰值，并且脉动周期是半个AC周期。
接下来，将描述图2中的电路中示出的电力转换系统100的波形图。
由电流传感器21检测的系统电流(具有50Hz的频率)的波形图和由电压传感器22检测的系统电压(具有50Hz的频率)的波形图分别与图8和图9中的那些相同。
图11是通过电压传感器18、85检测的、DC/DC转换器8和功率调节器1之间的互连点处的电压的波形图。在该波形图中，在垂直轴方向上扩展标度。平均值是200[V]并且峰-峰值是6[V]。
图12是通过图2中的电路中的电流传感器84检测的至蓄电池6的充电电流的波形图。如图12中所示，发现可将充电电流视为DC电流，但存在极其微小的变化。电流的平均值是30.2[A]并且峰-峰值是1.8[A]。
根据上述的验证结果，表明通过在蓄电池6和功率调节器1之间设置DC/DC转换器8并且执行预定控制，使至蓄电池6的充电电流变成DC电流。虽然这里已经描述了充电情况，但在将蓄电池6放电的情况下，放电电流以相同方式变成DC电流。
如果充电/放电电流变成DC电流，则相比于用具有相同平均值的脉动电流执行充电和放电的情况，由于蓄电池6的内电阻而导致的损耗减小了2/3。
<<通信>>
通过在蓄电池6和功率调节器1之间设置DC/DC转换器8，可以致使用于DC/DC转换器8的控制单元80调解通信。例如，如果DC/DC转换器8被提供有用于与蓄电池6通信的各种类型的通信接口功能，则例如即使使用取决于蓄电池制造商而具有各种通信规范的蓄电池6，也可执行与DC/DC转换器8的通信。从功率调节器1的角度来看，只要允许与DC/DC转换器8通信，不必考虑蓄电池6的通信规范，并且在实际使用时非常方便。
图13是示出信息信号的发送和接收的示例的示图。在DC/DC转换器8和蓄电池6之间发送和接收信号S1、S2。在功率调节器1和DC/DC转换器8之间发送和接收信号S3、S4。在功率监视器30和功率调节器1之间发送和接收信号S5、S6。
信号内容的示例如下。PCS、PV和DC/DC分别是关于功率调节器、光伏面板和DC/DC转换器8的缩写。
S1：操作开始命令，操作停止命令
S2：蓄电池两端之间的电压、电池电压、系统操作信息、电流、SOC(充电状态)
S3：DC/DC操作命令、PCS操作条件
S4：DC/DC操作模式、对PCS的请求的状态、蓄电池操作信息
S5：PCS操作命令、蓄电池操作命令、蓄电池充电/放电目标值、PCS输出电力最大值、误差消除标志
S6：PCS操作内容、蓄电池操作内容、PCS输出电力、各PV生成的电力、蓄电池充电/放电电力、蓄电池量(SOC)、PCS状态、蓄电池状态、日志代码
<<第一实施例的概述>>
在以上的电力转换系统100中，即使功率调节器1和蓄电池6之间存在大输入/输出电压差异，也可执行升压/降压操作，并且除此之外，电压适用范围扩大。因此，可以将具有不同输出电压的各种类型的蓄电池连接到功率调节器1。另外，在第一DC/DC转换器11和逆变器13交替地具有在AC半周期中的切换停止时段的最小开关切换方法中，具有脉动电流波形的电流尝试流向第一DC/DC转换器11的低压侧。然而，通过执行用于致使流过第二DC/DC转换器8的DC电抗器8L的电流具有恒定值的控制(换句话讲，用于致使DC/DC转换器8的高压侧的电压具有恒定值的控制)，只有DC电流流过蓄电池6而具有脉动电流波形的电流没有流过。结果，抑制了由于蓄电池6的内电阻导致的损耗，蓄电池6中的劣化被延迟，并且蓄电池的性能可完全得以发挥。
另外，当第二DC/DC转换器8控制器其高电压侧的电压使其是恒定电压时，第二DC/DC转换器8执行用于从功率调节器1接收用于实现恒定电压的电压目标值的通信。通过该通信，功率调节器1可将高压侧的输出电压目标值通知给第二DC/DC转换器8。例如，在使用与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压作为DC母线12的电压的情况下，可以将输出电压目标值通知给第二DC/DC转换器8。因此，第二DC/DC转换器8可向高压侧输出与光伏面板的输出电压中的最高电压一致的电压。另外，结果，第一DC/DC转换器11的切换停止时段增大，并且这有助于优化最小开关切换方法中的操作。
<第二实施例>
接下来，将描述根据第二实施例的电力转换系统(包括其控制方法)。电路配置和最小切换转换与第一实施例中相同。
在第二实施例中，以“依赖”方式原样执行第一实施例中的第二DC/DC转换器8的恒定电流控制，并且初步地通过功率调节器1中的DC/DC转换器11执行用于控制DC/DC转换器11的低压侧的电压使其是恒定电压的恒定电压控制。
<<第一DC/DC转换器的控制>>
首先，如下定义关于电路的各种量。要注意，以下的词语“蓄电池部分…”意指将经由DC/DC转换器8连接到蓄电池6的DC/DC转换器11的低压侧端。
Idc：DC电抗器11L的电流检测值
I*dc：DC电抗器11L的电流目标值
Vdc：蓄电池部分输入电压检测值(来自电压传感器18的检测值)
V*dc：蓄电池部分输入电压目标值
Cdc：电容器14和82的组合电容
Vac：AC系统电压检测值(来自电压传感器22的检测值)
I*ac：AC输出电流目标值
Cac：AC侧电容器17的电容
I*inv：AV电抗器16的当前目标值
V*inv：逆变器13的AC侧的电压目标值
Rinv：逆变器13的电阻分量(主要地，AC电抗器16的电阻分量)
Linv：AC电抗器16的电感
Co：中间电容器15的电容
Vo：中间电容器15的电压检测值(来自电压传感器20的检测值)
V*o：中间电容器15的电压目标值
Rdc：DC/DC转换器11的电阻分量(主要地，DC电抗器11L的电阻分量)
Ldc：DC电抗器11L的电感
首先，可使用组合电容Cdc和蓄电池部分输入电压检测值Vdc将DC电抗器11L的电流检测值Idc写为表达式(1)。
通过以电压反馈样式重写以上表达式，使用f作为控制频率，得到以下的表达式(2)。
通过在AC半周期上对以上表达式求平均，得到以下表达式(3)。
因此，通过AC半周期中的反馈控制得到DC电抗器电流的DC分量。这里，T是AC半周期，并且Kdc是补偿系数。
可通过将(逆变器13的DC侧功率)+(中间电容器15的充电/放电功率)除以切换元件Q4的集电极和发射极之间的电压(这适用于IGBT的情况；在MOSFET的情况下，使用漏极和源极之间的电压)来计算DC电抗器11L的电流目标值。可通过考虑由于DC电抗器11L的电阻分量和电感Ldc导致的压降，用蓄电池部分输入电压检测值Vdc来计算切换元件Q4的集电极和发射极之间的电压。也就是说，通过以下表达式(4)表表示DC电抗器11L的电流目标值。
通过在AC半周期内对以上表达式求平均，得到以下的表达式(5)。
因为中间电容器15的充电/放电功率和由于DC电抗器11L导致的压降在AC半周期内求平均时变成零，因此以上表达式可被写为表达式(6)。要注意，符号“<>”指示平均值。
使用输出电流目标值I*ac和AC侧电容器Cac的充电/放电电流，通过表达式(7)来表示AC电抗器16的电流目标值I*inv。
通过计算AC周期中的有效值，AC侧电容器17的充电/放电电流变成零，因此得到以下表达式(8)。
通过考虑由于AC电抗器16的电阻分量和电感分量导致的压降，用AC系统电压检测值Vac，将逆变器13的电压目标值V*inv表示为以下表达式(9)。
通过计算AC周期中的有效值，由于AC电抗器16中的压降变成零，并且通过将表达式(8)代入以上表达式，得到以下表达式(10)。
通过将表达式(8)和表达式(10)代入表达式(6)，得到以下表达式(11)。
通过求解以上表达式中的<I* ac>rms，得到以下表达式(12)，并且通过使用从表达式(3)计算出的值作为I* dc_r，得到AC输出电流的有效值。
如果确定<I* ac>rms和<Vac>rms的值，则可以通过PLL(锁相环)生成与AC电压同步的I* ac和V* ac，并且通过将这些代入表达式(7)，得到逆变器13的电流目标值I* inv。另外，从表达式(9)得到V* inv，并且从表达式(4)得到DC电抗器电流目标值I* dc。
通过以上计算，变得可以取决于功率调节器1的DC/DC转换器11中的低压侧的恒压控制，通过最小开关切换方法来执行功率调节器1的系统互连操作。
因此，得到与上述图12中相同的结果作为蓄电池6的充电/放电电流的波形图。
图14A和图14B是示出DC/DC转换器11的切换操作的两个示例的示图。
虽然中间电容器15的电压目标值Vdc *被设置成恒压，但在光伏发电期间产生的电压的最大电压值是Vpv-max的情况下，如果满足Vdc *<Vpv-max，则中间电容器15的电压Vo的最小电压变成Vpv-max。因此，DC/DC转换器11一直执行升压操作或降压操作，并且不可实现最小切换转换，从而导致转换效率降低(图14A)。因此，通过将Vdc *设置成Vpv-max，不执行DC/DC转换器11的不必要升压操作，从而导致转换效率提高(图14B)。
<<第二实施例的概述>>
如上所述，在第二实施例中，通过将基于第一DC/DC转换器11的低压侧的电压反馈的补偿量在AC半周期上求平均而得到的值被确定为第一DC/DC转换器11的DC电抗器11L的电流目标值，由此可控制第一DC/DC转换器11的低压侧的电压，使其是恒定电压。
通过执行用于致使第一DC/DC转换器11的低压侧的电压具有恒定值的恒压控制，第二DC/DC转换器8初步地通过第一DC/DC转换器11执行恒流控制，使得可致使流过第二DC/DC转换器8的电流具有恒定值。
因此，在蓄电池6中，只有DC电流流过而具有脉动电流波形的电流没有流过。结果，抑制了由于蓄电池6的内电阻导致的损耗，蓄电池6中的劣化被延迟，并且蓄电池6的性能可完全得以发挥。
另外，当第一DC/DC转换器11控制其低压侧的电压使其是恒定电压时，第一DC/DC转换器11可执行用于将输出电力命令值发送到第二DC/DC转换器8的通信。在这种情况下，通过将输出电力命令值通知给第二DC/DC转换器8，第二DC/DC转换器8可基于输出电力命令值来控制充电/放电电流，使其是恒定电流。
<补充注释>
要注意，本文中公开的实施例在所有方面都仅仅是例示性的，不应该被认为是限制性的。本发明的范围由权利要求书的范围限定，并且旨在包括与权利要求书的范围和该范围内的所有修改形式等同的含义。
无须说，包括说明书和附图中公开的所有组件的电力转换系统也被包括在本发明中。
参考符号列表
1 功率调节器
3 商业电力系统
4 负载
5 AC电路径
6 蓄电池
7A、7B、7C 光伏面板
8 DC/DC转换器
8L DC电抗器
9 DC电源电路
10 控制单元
11 DC/DC转换器
11L DC电抗器
12 DC母线
13 逆变器
14 低压侧电容器
15 中间电容器
16 AC电抗器
17 AC侧电容器
18、20、22 电压传感器
19、21 电流传感器
30 功率监视器
80 控制单元
81 低压侧电容器
82 高压侧电容器
83、85 电压传感器
84 电流传感器
100 电力转换系统
d1至d8 二极管
Q1至Q8 切换元件

Claims (10)

1.一种电力转换系统，所述电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，其中，
所述功率调节器包括：
第一DC/DC转换器，所述第一DC/DC转换器被设置在所述DC电源电路和DC母线之间；以及
逆变器，所述逆变器被设置在所述DC母线和AC电路径之间，并且被配置为以使所述逆变器和所述第一DC/DC转换器在AC半周期中交替地具有停止时段的方式来执行切换操作，并且
所述DC电源电路包括：
蓄电池；以及
双向型的第二DC/DC转换器，所述第二DC/DC转换器被设置在所述蓄电池和所述第一DC/DC转换器之间，并且包括DC电抗器，
所述电力转换系统包括控制单元，所述控制单元被配置为将流过所述第二DC/DC转换器的所述DC电抗器的电流控制为具有恒定值。
2.根据权利要求1所述的电力转换系统，其中，
所述控制单元，将通过在一定周期内对按照下述方式计算出的值求平均而得到的值，确定作为充电/放电电流目标值，所述方式是指：
将所述第二DC/DC转换器的高压侧的电压反馈控制的操作量与通过将所述高压侧的电压目标值除以所述第二DC/DC转换器的低压侧的电压检测值而得到的值相乘，并且
所述控制单元将所述第二DC/DC转换器的所述高压侧的电压控制为恒定电压。
3.根据权利要求2所述的电力转换系统，其中，
满足下面的表达式：
<mrow> <mi>i</mi> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mi>c</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> <mo>=</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>T</mi> </mfrac> <msubsup> <mo>&amp;Integral;</mo> <mi>t</mi> <mrow> <mi>t</mi> <mo>+</mo> <mi>T</mi> </mrow> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mi>p</mi> <mi>w</mi> <mi>m</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> <mo>_</mo> <mi>p</mi> <mi>i</mi> <mo>_</mo> <mi>v</mi> <mi>d</mi> <mi>c</mi> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>v</mi> <mi>d</mi> <mi>c</mi> <mo>_</mo> <mi>r</mi> <mi>e</mi> <mi>f</mi> </mrow> <mrow> <mi>v</mi> <mi>g</mi> <mi>d</mi> <mi>c</mi> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mi>d</mi> <mi>t</mi> </mrow>
其中，T是所述周期，
igdc_ref是所述充电/放电电流目标值，
ipwm_ref_pi_vdc是所述操作量，
vdc_ref是所述电压目标值，以及
vgdc是所述电压检测值。
4.根据权利要求1所述的电力转换系统，其中，
所述控制单元，将通过在AC半周期上对基于所述第一DC/DC转换器的低压侧的电压反馈的补偿量求平均而得到的值，确定作为在所述第一DC/DC转换器中包含的DC电抗器的电流目标值，并且
所述控制单元将所述第一DC/DC转换器的所述低压侧的电压控制为恒定电压。
5.根据权利要求2或3所述的电力转换系统，其中，
所述功率调节器是还被连接到一个或多个光伏面板的复合型功率调节器，以及
所述第二DC/DC转换器将与所述光伏面板的输出电压中的最高的输出电压一致的电压输出到所述高压侧。
6.根据权利要求4所述的电力转换系统，其中，
所述功率调节器是还被连接到一个或多个光伏面板的复合型功率调节器，以及
所述第一DC/DC转换器将与所述光伏面板的输出电压中的最高的输出电压一致的电压输出到所述低压侧。
7.根据权利要求2、3或5所述的电力转换系统，其中，
当所述第二DC/DC转换器将其高压侧的电压控制为恒定电压时，所述第二DC/DC转换器执行用于从所述功率调节器接收用于实现所述恒定电压的电压目标值的通信。
8.根据权利要求4或6所述的电力转换系统，其中，
当所述第一DC/DC转换器将其低压侧的电压控制为恒定电压时，所述第一DC/DC转换器执行用于将输出电力命令值发送到所述第二DC/DC转换器的通信。
9.一种电力转换系统的控制方法，所述控制方法主要通过所述电力转换系统来被执行，所述电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，
所述功率调节器包括：
第一DC/DC转换器，所述第一DC/DC转换器被设置在所述DC电源电路和DC母线之间；以及
逆变器，所述逆变器被设置在所述DC母线和AC电路径之间，
所述DC电源电路包括：
蓄电池；以及
双向型的第二DC/DC转换器，所述第二DC/DC转换器被设置在所述蓄电池和所述第一DC/DC转换器之间，并且包括DC电抗器，
其中，
所述第二DC/DC转换器将所述蓄电池的电压升压至所述第一DC/DC转换器的低压侧的电压，或者在与其相反的方向上执行降压操作，
所述第一DC/DC转换器和所述逆变器执行切换操作，以便在AC半周期中交替地具有停止时段，以及
将流过所述第二DC/DC转换器的所述DC电抗器的电流控制为具有恒定值。
10.一种电力转换系统，所述电力转换系统由彼此连接的DC电源电路和功率调节器组成，其中，
所述功率调节器包括：
第一DC/DC转换器，所述第一DC/DC转换器被设置在所述DC电源电路和DC母线之间；以及
逆变器，所述逆变器被设置在所述DC母线和AC电路径之间，并且被配置为以使所述逆变器和所述第一DC/DC转换器在AC半周期中交替地具有停止时段的方式来执行切换操作，以及
所述DC电源电路包括：
蓄电池；以及
双向型的第二DC/DC转换器，所述第二DC/DC转换器被设置在所述蓄电池和所述第一DC/DC转换器之间，并且包括DC电抗器，
所述电力转换系统包括：
电容器，所述电容器被设置在所述第一DC/DC转换器和所述第二DC/DC转换器之间；以及
控制单元，所述控制单元被配置为，通过由所述电容器供应流过所述第一DC/DC转换器的脉动电流的脉冲分量、以及通过由所述第二DC/DC转换器供应该脉动电流的DC分量，来将流过所述第二DC/DC转换器的所述DC电抗器的电流控制为具有恒定值。
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