CN108323224B - 电力变换装置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

这种电力变换装置经由中间母线来执行DC/AC电力变换，且包含：提供在第一DC电源与所述中间母线之间的第一DC/DC转换器；提供在DC侧电容器与所述中间母线之间的第二DC/DC转换器；连接到所述中间母线的中间电容器；提供在所述中间母线与AC电网之间的DC/AC转换器；以及被配置成控制所述第一DC/DC转换器、所述第二DC/DC转换器和所述DC/AC转换器的控制单元，所述控制单元进行电流命令值设置以使得主要是所述第二DC/DC转换器供应流经所述中间母线的无功电流。

Description

电力变换装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及电力变换装置及其控制方法。
本申请要求2015年10月19日提交的日本专利申请号2015-205346的优先权，其全部内容通过引用的方式并入本文中。
背景技术
为了将DC电源的电压转换为单相AC电压，例如使用包含升压转换器(DC/DC转换器)和反相器电路的电力变换装置。在传统电力变换装置中，通过升压转换器将DC电源的电压升压至比AC侧的峰值电压高的特定电压，且其后通过反相器电路将所得电压转换为AC电压。在此情况下，升压转换器和反相器电路总是执行高速开关操作。因此，在每一开关元件中发生开关损耗，并且在电抗器中发生铁损。这些损耗成为阻碍转换效率提高的一个因素。
同时，提出以下控制：虽然DC电源的电压和AC侧的瞬时电压的绝对值总是相互比较，仅在需要升压操作的时段期间使升压转换器执行开关操作，并且仅在需要降压操作的时段期间使反相器电路执行开关操作(例如，参见专利文献1、2)。在此类控制下，将开关操作停止的时段提供给升压转换器和反相器电路。如果提供停止时段，那么开关损耗和电抗器铁损相应降低，从而导致转换效率的提高。
引文列表
[专利文献]
专利文献1：日本特开专利公开第2014-241714
专利文献2：日本特开专利公开第2014-241715
发明内容
本发明是一种经由中间母线来执行DC/AC电力变换的电力变换装置，所述电力变换装置包含：提供在第一DC电源或负载与中间母线之间的第一DC/DC转换器；提供在DC侧电容器与中间母线之间的第二DC/DC转换器；连接到中间母线的中间电容器；提供在中间母线与AC电网之间的DC/AC转换器；以及被配置成控制第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器和DC/AC转换器的控制单元，所述控制单元进行电流命令值设置以使得主要是第二DC/DC转换器供应流经中间母线的无功电流。
控制方法方面是用于电力变换装置的控制方法，所述电力变换装置包含：提供在第一DC电源或负载与中间母线之间的第一DC/DC转换器；提供在DC侧电容器与中间母线之间的第二DC/DC转换器；连接到中间母线的中间电容器；提供在中间母线与AC电网之间的DC/AC转换器；以及被配置成控制第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器和DC/AC转换器的控制单元，所述电力变换装置被配置成经由中间母线来执行DC/AC电力变换，所述控制方法由控制单元执行且包含：进行电流命令值设置以使得主要是第二DC/DC转换器供应流经中间母线的无功电流。
附图说明
图1是示出连接到光伏面板的电力变换装置的示意性配置的单线连接图。
图2是图1中示出的电力变换装置的电路图的示例。
图3是示出连接到光伏面板的电力变换装置的示意性配置的单线连接图。
图4是图3中示出的电力变换装置的电路图的示例。
图5是示出连接到蓄电池的电力变换装置的示意性配置的单线连接图。
图6是示出连接到光伏面板和蓄电池的电力变换装置的示意性配置的单线连接图。
图7是对应于图6的电力变换装置的电路图的示例。
图8是示出连接到光伏面板和蓄电池的电力变换装置的示意性配置的单线连接图。
图9是示出连接到光伏面板和蓄电池的电力变换装置的示意性配置的单线连接图。
图10是在验证示例1中(在电流平滑之前)在没有由光伏面板产生的电力的状态下(包含没有光伏面板连接的情况)对蓄电池进行充电的电力变换装置的波形图。
图11是在验证示例1中(在电流平滑之后)在没有由光伏面板产生的电力的状态下(包含没有光伏面板连接的情况)对蓄电池进行充电的电力变换装置的波形图。
图12是在验证示例2中(在电流平滑之前)在没有由光伏面板产生的电力的状态下(包含没有光伏面板连接的情况)对蓄电池进行放电的电力变换装置的波形图。
图13是在验证示例2中(在电流平滑之后)在没有由光伏面板产生的电力的状态下(包含没有光伏面板连接的情况)对蓄电池进行放电的电力变换装置的波形图。
图14是在验证示例3中(在电流平滑之前)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行充电的电力变换装置的波形图。
图15是在验证示例3中(在电流平滑之后)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行充电的电力变换装置的波形图。
图16是在验证示例4中(在电流平滑之前)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行充电的电力变换装置的波形图。
图17是在验证示例4中(在电流平滑之后)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行充电的电力变换装置的波形图。
图18是在验证示例5中(在电流平滑之前)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行放电的电力变换装置的波形图。
图19是在验证示例5中(在电流平滑之后)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行放电的电力变换装置的波形图。
图20是在验证示例6中(在电流平滑之前)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行放电的电力变换装置的波形图。
图21是在验证示例6中(在电流平滑之后)在存在由光伏面板产生的电力的状态下对蓄电池进行放电的电力变换装置的波形图。
图22是在验证示例7(在电流平滑之后)中在图21的条件下的AC电流Ia、光伏面板的输出电流Ip和蓄电池的输出电流Ib的波形图。
具体实施方式
[本公开要解决的问题]
在上述专利文献1或2的电力变换装置中，不仅有功电流而且无功电流都流经升压转换器。无功电流的振幅等于有功电流的振幅，且无功电流的频率是AC侧基波的两倍(频率：50Hz或60Hz)。因此，与只有有功电流流经升压转换器的传统电力变换装置相比，流经升压转换器的电流的峰值加倍，并且其有效值也变为(1.51/2)倍。因此，作为升压转换器，需要使用可以抵抗此类电流的升压转换器。因此，升压转换器的尺寸增加。
另外，为了防止无功电流流经DC电源，必须在DC电源与升压转换器之间提供大容量电容器，以吸收无功电流。例如，在DC电源是光伏面板的情况下，面板的输出阻抗较大。因此，即使通过相当小容量的电容器，也几乎可以吸收无功电流。
然而，在DC电源是蓄电池的情况下，输出阻抗与光伏面板的情况相比较小。在此情况下，不可能仅通过电容器来吸收无功电流。因此，无功电流流经蓄电池，使得发生在蓄电池与电力变换装置之间以及在蓄电池内部的电路径中的损耗增加。此类损耗成为阻碍转换效率提高的一个因素。
鉴于上述问题，本公开的目的是提供一种电力变换装置及其控制方法，从而进一步实现紧致化且进一步提高转换效率。
[本公开的效应]
本公开的电力变换装置及其控制方法可以实现转换效率的进一步提高和进一步的紧致化。
[实施例的概要]
本发明的实施例的概要至少包含以下内容。
(1)这是一种经由中间母线来执行DC/AC电力变换的电力变换装置，所述电力变换装置包含：提供在第一DC电源或负载与中间母线之间的第一DC/DC转换器；提供在DC侧电容器与中间母线之间的第二DC/DC转换器；连接到中间母线的中间电容器；提供在中间母线与AC电网之间的DC/AC转换器；以及被配置成控制第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器和DC/AC转换器的控制单元，所述控制单元进行电流命令值设置以使得主要是第二DC/DC转换器供应流经中间母线的无功电流。
在此类电力变换装置中，主要由第二DC/DC转换器承担无功电流，且因此，相反，第一DC/DC转换器的无功电流减少，主要使有功电流流经第一DC/DC转换器。因此，第一DC/DC转换器的电流峰值降低，转换效率提高，且可以实现进一步的紧致化。
(2)在(1)的电力变换装置中，例如，控制单元执行控制而使得通过第一DC/DC转换器的电力和通过第二DC/DC转换器的电力的总和与用于中间电容器的无功功率和DC/AC转换器的AC侧产生的电力的总和一致。
在此情况下，如从中间母线所见的DC侧的电力与包含中间电容器的AC侧的电力一致。换句话说，DC侧的电力永远不会超过AC侧的电力。因此，第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器执行包含停止时段的最少必要开关操作，且DC/AC转换器执行包含停止时段的最少必要开关操作。
(3)在(2)的电力变换装置中，包含AC电抗器并且在相对于AC电抗器的AC侧包含AC侧电容器的滤波器电路可以提供在DC/AC转换器的AC侧上，滤波器电路连接到AC电网，且控制单元可以执行控制，使得AC电网的电力和AC侧电容器的电力的总和与在AC电抗器和DC/AC转换器之间传送的电力一致。
在此情况下，即使在考虑滤波器电路的情况下，仍然可以使电力彼此一致。换句话说，控制单元考虑滤波器电路的影响来执行控制。
(4)在(1)到(3)中的任何一者的电力变换装置中，DC侧电容器可以是闭合DC侧的终端电路的元件。
第二DC/DC转换器在此情况下无需供应有功电流，但它存在仅用于供应无功电流。因此，获得了用于防止第一DC/DC转换器承载无功电流的合适的电路配置。
(5)在(1)到(3)中的任何一者的电力变换装置中，第二DC电源可以并联连接到DC侧电容器的两端。
第二DC/DC转换器在此情况下可以不仅供应无功电流而且供应有功电流。
(6)在(5)的电力变换装置中，可以在DC侧电容器与第二DC电源之间提供可由控制单元控制断开和闭合的开关。
在此情况下，当开关断开时，第二DC/DC转换器可以仅用于供应无功电流，且当开关闭合时，第二DC/DC转换器可以不仅供应无功电流而且供应有功电流。
(7)在(1)到(6)中的任何一者的电力变换装置中，例如，控制单元设置电流命令值而使得，流经第一DC/DC转换器的无功电流变为零，且第二DC/DC转换器供应全部的无功电流。
在此情况下，第一DC/DC转换器的电流峰值被最大限度地降低，转换效率提高，且可以实现紧致化。
(8)在(1)到(6)中的任何一者的电力变换装置中，例如，控制单元通过电流命令值设置来控制第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器的无功电流，使得流经第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器的电流峰值最小化。
在此情况下，两个DC/DC转换器的电流容量可以最小化。
(9)在(1)到(6)中的任何一者的电力变换装置中，例如，控制单元通过电流命令值设置来控制第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器的无功电流，使得流经第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器的电流的均方值最小化。
在此情况下，两个DC/DC转换器的电阻损耗可以最小化。
(10)在(4)的电力变换装置中，例如，控制单元通过电流命令值设置来控制第二DC/DC转换器的无功电流，使得DC侧电容器的两端之间的电压与第一DC电源或负载的电压一致。
在此情况下，可以使未连接有DC电源或负载的第二DC/DC转换器在与第一DC/DC转换器相同的时序执行开关操作。因此，第二DC/DC转换器的开关操作时段可以最小化。
(11)在(1)到(10)的电力变换装置中，用于供应无功电流的电流命令值设置用以对在表示流经中间母线的电流的数学表达式中所包含的取决于时间的项的一部分或全部进行分配。
通过电流命令值设置，有可能自由地确定第一DC/DC转换器和第二DC/DC转换器如何承担无功电流。
一种控制方法方面是用于电力变换装置的控制方法，所述电力变换装置包含：提供在第一DC电源或负载与中间母线之间的第一DC/DC转换器；提供在DC侧电容器与中间母线之间的第二DC/DC转换器；连接到中间母线的中间电容器；提供在中间母线与AC电网之间的DC/AC转换器；以及被配置成控制第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器和DC/AC转换器的控制单元，所述电力变换装置被配置成经由中间母线来执行DC/AC电力变换，所述控制方法由控制单元执行且包含：进行电流命令值设置以使得主要是第二DC/DC转换器供应流经中间母线的无功电流。
在用于电力变换装置的此类控制方法中，主要由第二DC/DC转换器承担无功电流，且因此，相反，第一DC/DC转换器的无功电流减少，且主要使有功电流流经第一DC/DC转换器。因此，第一DC/DC转换器的电流峰值降低，转换效率提高，且可以实现进一步的紧致化。
[实施例的细节]
在下文中，将参考附图来描述的实施例的细节。
首先，将描述作为使用最少开关转换方法的电力变换装置的前提的基础配置。
<<作为前提的基础配置>>
图1是示出连接到光伏面板3P的电力变换装置50的示意性配置的单线连接图。在图1中，电力变换装置50执行DC至AC电力变换，并且包含作为升压转换器的DC/DC转换器1以及作为经由中间母线(DC母线)6连接到其的反相器电路的DC/AC转换器8。经由DC侧电容器4将DC/DC转换器1提供在作为DC电源的光伏面板3P与中间母线6之间。中间电容器7连接到中间母线6。经由AC侧电容器9将DC/AC转换器8提供在中间母线6与AC电网之间。
电力变换装置50根据最少开关转换方法执行控制，其中，虽然从光伏面板3P采用的电压和AC侧的瞬时电压的绝对值总是相互比较，DC/DC转换器1仅在需要升压操作的时段期间使DC/DC转换器1执行开关操作，且仅在需要降压操作的时段期间使DC/AC转换器8执行开关操作。在此类控制下，将开关操作停止的时段提供给DC/DC转换器1和DC/AC转换器8中的每一者。如果提供停止时段，那么开关损耗和电抗器铁损相应降低，从而提高转换效率。
通过执行上述最少开关转换方法，如图中左侧的波形示意性示出的含有无功电流的脉动电流流经DC/DC转换器1。如图中右边的波形所示，从电力变换装置50输出到AC电网的电流具有与商用电网同步的正弦波形。
图2是图1中示出的电力变换装置50的电路图的示例。对应于图1中那些的部分通过相同的参考字符来表示。在图2中，电力变换装置50包含滤波器电路14、控制单元20和稍后描述的测量传感器，以及上文所描述的DC侧电容器4、DC/DC转换器1、中间电容器7和DC/AC转换器8。
DC/DC转换器1是包含DC电抗器11和一对开关元件Q11、Q12的升压斩波器(降压也是可能的)。例如，使用IGBT(绝缘栅双极晶体管)作为开关元件Q11、Q12。二极管d11、d12分别与开关元件Q11、Q12在极性相反的方向上并联连接。应注意，除上述以外，可以使用FET(场效应晶体管)作为开关元件Q11、Q12。
DC/AC转换器8包含形成全桥的四个开关元件Q81、Q82、Q83、Q84。
滤波器电路14包括AC电抗器13和AC侧电容器9，且防止含在DC/AC转换器8的AC输出中的高频分量泄露到AC电网17。AC电网17包含AC负载15和商业电网16。
作为上述传感器，提供有：用于检测DC侧电容器4的两端之间的电压(Vg)的电压传感器31；用于检测流经DC/DC转换器1的电流(Iin)的电流传感器33；用于检测中间电容器7的两端之间的电压的电压传感器35，即中间母线6的两条线之间的电压(Vo)；用于检测在DC/AC转换器8的AC侧上流动的电流(Iinv)的电流传感器36；以及用于检测AC侧电容器9的两端之间的电压的电压传感器37。来自所有传感器的测量输出信号被发送到控制单元20。控制单元20执行用于DC/DC转换器1和DC/AC转换器8的开关控制。
控制单元20例如包含CPU，且通过计算机来执行软件(计算机程序)，从而实现必要的控制功能。所述软件存储在控制单元20的存储装置(未图示)中。应注意，控制单元20可以由仅使用不包含CPU的硬件的电路来配置。
<<第一示例>>
接着，将描述根据本发明的实施例的电力变换装置50。
图3是示出连接到光伏面板3P的电力变换装置50的示意性配置的单线连接图。与图1中的那些部分相同的部分用相同的参考字符来表示且省略其描述。与图1的区别在于两个系统提供在中间母线6的DC侧上。
在图3中,与第一DC/DC转换器1分开，第二DC/DC转换器2提供在DC侧电容器5与中间母线6之间。DC电源未连接到第二DC/DC转换器2。
图4是图3中示出的电力变换装置50的电路图的示例。对应于图2和图3中那些的部分通过相同的参考字符来表示。在图4中，第二DC/DC转换器2是包含DC电抗器12和一对开关元件Q21、Q22的升压斩波器(降压也是可能的)。例如，使用IGBT作为开关元件Q21、Q22。二极管d21、d22分别与开关元件Q21、Q22在极性相反的方向上并联连接。应注意，除上述以外，可以使用FET作为开关元件Q21、Q22。DC侧电容器5的两端之间的电压通过电压传感器32来检测，且测量信号被发送到控制单元20。流经DC/DC转换器2的电流通过电流传感器34来检测，且测量信号被发送到控制单元20。
如果从图4中电电力角度来表达上述最少开关转换方法，那么控制单元20执行控制而使得通过第一DC/DC转换器1的电力和通过第二DC/DC转换器2的电力的总和与用于中间电容器7的无功电力和DC/AC转换器8的AC侧产生的电力的总和一致。
也就是说，在此情况下，如从中间母线6所见的DC侧的电力与包含中间电容器7的AC侧的电力一致。换句话说，DC侧的电力永远不会超过AC侧的电力。因此，第一DC/DC转换器1和第二DC/DC转换器2执行包含停止时段的最少必要开关操作，且DC/AC转换器8执行包含停止时段的最少必要开关操作。
另外，控制单元20执行控制而使得传送到AC电网17的电力和AC侧电容器9的电力的总和与在AC电抗器13和DC/AC转换器8之间传送的电力一致。因此，即使在考虑滤波器电路14的情况下，仍然可以使电力彼此一致。换句话说，控制单元20考虑滤波器电路14的影响来执行控制。
在图3和图4中，DC侧电容器5充当闭合DC侧上的终端电路的元件。在流经中间母线6的电流中，第一DC/DC转换器1供应有功电流，且第二DC/DC转换器2供应无功电流。第二DC/DC转换器2在此情况下无需供应有功电流，但它存在仅用于供应无功电流。此类配置是用于防止第一DC/DC转换器承载无功电流的合适的电路配置。在无功电流未流经的第一DC/DC转换器1中，与无功电流流过其的情况相比，转换效率可得以提高。另外，流经第一DC/DC转换器1的电流的峰值和有效值降低，借此可以实现较小尺寸的配置。
应注意，在图4中，光伏面板3P可以用蓄电池3B来替换。蓄电池3B在放电时充当DC电源，且在充电时充当负载。
<<控制理论>>
电力变换装置50通过控制单元20根据最少开关转换方法来执行控制。此处，将描述最少开关转换方法的理论。首先，将如下定义包含上述值的多个值。
Va：通过电压传感器37检测的AC电网电压
I* a：用于流到AC电网17的AC电流的命令值
Iinv：通过电流传感器36检测的AC电流
Ca：AC侧电容器9的电容
I* inv：用于从DC/AC转换器8流到AC电抗器13的电流的命令值
V* inv：用于DC/AC转换器8的AC侧的电压命令值
R* inv：DC/AC转换器8的电阻分量
Linv：AC电抗器13的电感
I* in：用于流到DC/DC转换器1(2)的DC电抗器11(12)的电流的命令值
Iin：通过电流传感器33(34)检测的DC电流
Co：中间电容器7的电容
V* o：用于中间电容器7的两端之间产生的电压的命令值
Vo：通过电压传感器35检测的中间电压
Vg：通过电压传感器31检测的DC电压
R* in：DC/DC转换器1(2)的电阻分量
Linv：DC电抗器11(12)的电感
在上述多个值当中，在以下表达式中将随着时间t变化的值表示为时间的函数。应注意，在下文中，字符字体(直立/斜体)的差别没有意义，并且相同的字符表示相同的值(以下同样适用)。
首先，用于DC/AC转换器8的电流命令值I* inv如下表示。
Figure BDA0001625077070000131
用于DC/AC转换器8的电压命令值V* inv如下表示。
Figure BDA0001625077070000132
用于DC/DC转换器1(2)的电流命令值I* in如下表示。
Figure BDA0001625077070000133
DC/DC转换器1(2)中的DC电源电压的电压降和流经中间电容器7的无功电流较小。因此，通过忽略这些，获得以下表达式(4)。
Figure BDA0001625077070000134
接着，如果I* inv和V* inv是彼此完全同步的正弦波，那么获得以下表达式(5)。此处，当AC电网的频率是f时，ω是2πf。
Figure BDA0001625077070000141
在表达式(5)中，没有时间(t)的I* inv和V* inv表示正弦波的振幅。表达式(5)可以进一步变形为以下表达式(6)。
Figure BDA0001625077070000142
表达式(6)中的第一项是不依赖于时间的常数值，并且是有功电流。也就是说，表示有功电流I* in_a的表达式(7)如下。
Figure BDA0001625077070000143
此处，符号“<>”指示括号中的值的平均值。另外，I* inv_i的下标表示例如作为I* inv_1的DC/DC转换器1的电流命令值和作为I* inv_2的DC/DC转换器2的电流命令值。
如表达式(7)所示出，有功电流等于使I* inv和V* inv的有效值除以DC输入电压Vg而获得的值，且在存在多个DC/DC转换器的情况下，可以使用用于相应转换器的电流I* inv_i的线性组合来表示有功电流。
另一方面，表达式(6)中的第二项是具有AC频率的两倍的频率的无功电流。也就是说，表示无功电流I* in_r(t)的表达式(8)如下。
Figure BDA0001625077070000144
无功电流的有效值是表达式(8)的均方的平方根(rms)，且用以下表达式(9)来表示。
Figure BDA0001625077070000151
这是有功电流的(1/√2)倍。
电流的有效值由以下表达式(10)表示。
Figure BDA0001625077070000152
这是有功电流的(3/2)1/2倍。
根据以上分析，如果用于供应无功电流的DC/DC转换器2的电流命令值被设置为表达式(8)以向中间母线6供应无功电流，那么DC/DC转换器1可以仅供应其电流指令值设置为表达式(7)的有功电流。因此，与图1中的配置相比，DC/DC转换器1的电流的峰值减半。此外，由于低频脉动电流不再流经DC/DC转换器1，所以DC侧电容器4的电容可以减小。
迄今为止的描述是基于表达式(4)进行的，其中为了简化目的，省略了DC/DC转换器1、2中的电压降和中间电容器7中的无功电流。在实践中，希望基于表达式(3)执行控制而没有此类省略。因此，表达式(3)可以用适用于如图3和图4所示并联提供多个DC/DC转换器1、2的情况的表达式(11)来替换。
Figure BDA0001625077070000153
在表达式(11)中，与中间母线6的DC侧上的相应系统相关联，下标“i”是i＝1,2或者n可以等于或大于3，且在此情况下，i＝1到n。用于DC/AC转换器8的电流命令值I* inv通过被除而变为I* inv_i，从而对应于多个DC/DC转换器。同样地，中间电容器7的电容通过被除而变为Co_i，从而对应于多个DC/DC转换器。
接着，将描述用于确定用于DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的电流命令值的程序。首先，如以下表达式(12)所示，通过表达式(11)计算的用于DC/DC转换器1的电流命令值I* in1在AC部件的周期T(来自DC/AC转换器8的AC输出的半个周期)内求平均值，从而获得其有功电流分量I* in1_a。
Figure BDA0001625077070000161
接着，通过以下表达式(13)来计算无功电流分量。
Figure BDA0001625077070000162
用于DC/DC转换器1的电流命令值I* inm1(其中无功电流分量减小)可以通过以下表达式(14)来计算，其中u设置作为0到1的值。
Figure BDA0001625077070000163
当u的值为1时，I* inm1变为等于I* in1_a，且无功电流分量从DC/DC转换器1的电流命令值中完全消除，从而仅剩下有功电流。
另一方面，如以下表达式(15)所示，通过将u·I* in1_r加到由表达式(11)计算出的I* in2中，从而获得DC/DC转换器2承担无功电流的电流指令值I* inm2。
Figure BDA0001625077070000164
当DC电源未连接到DC/DC转换器2时，I* in2变为0。此外，当u的值是1时，I* inm2变为I* in1_r，使得仅DC/DC转换器1供应无功电流分量。考虑到电力变换装置50的尺寸、成本、转换效率及其类似者来确定u的值。另外，u的值可以取决于操作条件来改变。
在任何情况下，通过表达式(14)、(15)，主要是DC/DC转换器2供应流经中间母线6的无功电流。
也就是说，在此类电力变换装置50中，主要由DC/DC转换器承担无功电流，且因此，相反，DC/DC转换器1可以主要供应有功电流而无功电流减小。因此，DC/DC转换器1的电流峰值降低，转换效率提高，且可以实现进一步的紧致化。
另外，如果使DC/DC转换器2承担全部的无功电流，那么仅有功电流流经DC/DC转换器1。因此，DC/DC转换器1的峰值最大限度地降低，转换效率提高，且可以实现紧致化。
另外，还可能控制流经DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的无功电流，使得流经DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的电流峰值被最小化。在此情况下，相应转换器的开关元件Q11、Q12、Q21、Q22和DC电抗器11、12的电流容量可以最小化，借此可以使电力变换装置50缩小尺寸。
另外，还可能控制流经DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的无功电流，使得流经DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的电流的均方值被最小化。在此情况下，在DC/DC转换器1和DC/DC转换器2中发生的电阻损耗可以最小化，借此可以提高电力变换装置50的效率。
控制单元20优选控制DC/DC转换器2的无功电流，使得DC侧电容器5的两端之间的电压与DC电源的电压(即，DC侧电容器4的电压)一致。
在此情况下，可以使未连接有DC电源的DC/DC转换器2在与DC/DC转换器1相同的时序执行开关操作。因此，DC/DC转换器2的开关操作时段可以最小化。
<<第二示例>>
图5是示出连接到蓄电池3B的电力变换装置50的示意性配置的单线连接图。与图3的区别在于，代替光伏面板，蓄电池3B连接到DC/DC转换器1。
在此情况下，控制流经DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的无功电流，使得流经DC/DC转换器1的无功电流变为零。因此，可以防止无功电流流经蓄电池3B。
<<第三示例>>
图6是示出连接到光伏面板3P和蓄电池3B的电力变换装置50的示意性配置的单线连接图。与图3的区别在于，在与光伏面板3P分离的系统中，蓄电池3B连接到DC/DC转换器2且提供了开关21、22。开关21提供在光伏面板3P与DC/DC转换器1之间。开关22提供在蓄电池3B与DC/DC转换器2之间。
图7是对应于图6的电力变换装置50的电路图的示例。与图4的区别在于，提供了开关21、22且蓄电池3B连接到DC/DC转换器2。开关21、22可以通过控制单元20来断开或闭合。作为开关21、22，例如可以使用继电器触点。
返回到图6，在光伏面板3P正产生电力且蓄电池3B未在操作中的情况下，开关21闭合且开关22断开。在此情况下，DC/DC转换器2可以用于供应无功电流。通过使无功电流流经DC/DC转换器2而不使无功电流流到蓄电池3B，流经DC/DC转换器1、2的电流峰值或这些电流的均方值可以最小化。
<<第四示例>>
图8是示出连接到光伏面板3P和蓄电池3B的电力变换装置50的示意性配置的单线连接图。与图6的区别在于，开关21、22的断开/闭合状态是相反的。在光伏面板3P未正在产生电力的情况下，例如在晚上和蓄电池3B正在充电或放电期间，开关21断开且开关22闭合，如图中所示。因此，防止太阳能电池通过DC侧电容器4的电压通电，且同时使无功电流流经DC/DC转换器1，借此可以防止无功电流流经DC/DC转换器2和蓄电池3B。
<<第五示例>>
图9是示出连接到光伏面板3P和蓄电池3B的电力变换装置50的示意性配置的单线连接图。与图6和图8的区别在于，开关21、22两者是闭合的。在光伏面板3P正在产生电力且蓄电池3B正在充电或放电的情况下，开关21、22两者是闭合的，如图中所示。接着，控制DC/DC转换器1的无功电流，使得流经DC/DC转换器2的无功电流变为零。因此，可以防止无功电流流经蓄电池3B。
应注意，在光伏面板3P正产生电力且蓄电池3B正充电的情况下，流经DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的无功电流彼此抵消，使得流经相应转换器1、2的电流的峰值减小。因此，当光伏面板3P正产生电力时，如果仅对蓄电池3B执行充电而未执行放电，那么DC/DC转换器1和DC/DC转换器2的电流容量可以减小。因此，电力变换装置50的尺寸和重量可以减小。
应注意，第一至第五示例可以至少部份地可选地彼此组合。另外，DC侧的系统的数目并不限于两个，而可以是三个或三个以上。
<<关于第三至第五示例>>
如第三至第五示例中所示，当开关22断开时，DC/DC转换器2可以仅用于供应无功电流，且当开关22闭合时，DC/DC转换器2可以不仅供应无功电流而且供应有功电流。
同样对于DC/DC转换器1，类似地，当开关21断开时，DC/DC转换器1可以仅用于供应无功电流，且当开关21闭合时，DC/DC转换器1可以不仅供应无功电流而且供应有功电流。
<<双向属性>>
在上述示例中，已将电力变换装置50描述为用于执行DC至AC电力变换的装置。然而，基于相同的控制理论，通过考虑电流方向适当地改变正负号，反向电力变换也适用。
<<验证>>
接着，将在各种条件下验证电力变换装置50的操作(图6、图8或图9)，其中光伏面板3P和蓄电池3B连接在DC侧的两个系统中。
在图10至图21中的每一者中，从顶部开始的第一至第五阶段的波形表示以下内容。
<第一阶段>已通过低通滤波器的AC电流命令值I* a[A]、AC电流Ia[A]、Ia[A]
<第二阶段>在连接有光伏面板3P的侧上的用于DC电抗器11的电流命令值I* in1[A]、DC电流Iin1[A]
<第三阶段>在连接有蓄电池3B的侧上的用于DC电抗器11的电流命令值I* in2[A]、DC电流Iin2[A]
<第四阶段>用于中间母线6的电压命令值V* o[V]、中间电压Vo[V]、用于光伏面板3P的DC电压Vg[V]
<第五阶段>在上部、中间和下部波形当中，上部波形是开关元件Q81、Q84的门脉冲，中间波形是DC/DC转换器1的开关元件Q11(低侧)的门脉冲，且下部波形是DC/DC转换器2的开关元件Q21(低侧)的门脉冲。
(验证示例1：所产生的电力0kW、充电电力2kW、所接收的电力2kW)
图10和图11是在没有由光伏面板3P产生的电力的状态下(包含光伏面板3P不连接的情况)对蓄电池3B进行充电的电力变换装置50的波形图。也就是说，所产生的电力是0kW。另外，此处，充电电力是2kW，来自AC电网17的所接收的电力是2kW，且蓄电池3B的电压是200V。图10示出未执行与无功电流相关的上述控制的情况，且图11示出执行所述控制的情况。
如果原本流经DC/DC转换器2的无功电流被没有接收到来自光伏面板3P的输出的DC/DC转换器1承载，那么DC/DC转换器2的电流被平滑(图11中第三阶段的平坦线)。此时，如果执行控制使得DC/DC转换器1的DC侧电容器4的电压保持与蓄电池3B相同的200V，那么DC/DC转换器2的开关时段几乎不变，且DC/AC转换器2在DC/AC转换器8执行开关的时段期间停止开关的条件保持不变。DC/DC转换器1的开关也在与DC/DC转换器2相同的时段期间执行，且在DC/AC转换器8操作的时段期间停止。
在电流平滑之前(图10)和电流平滑之后(图11)的AC电流Ia和总谐波失真((THD))如下。
在电流平滑之前(图10)Ia：9.53Arms、THD：6.0％
在电流平滑之后(图11)Ia：9.46Arms、THD：5.2％
应注意，THD是根据已经通过截止频率为5kHz的低通滤波器的波形计算的，从而消除15kHz或更高的开关频率的波动。
(验证示例2：所产生的电力0kW、放电电力2kW、逆流电力2kW)
图12和图13是在没有由光伏面板3P产生的电力的状态下(包含光伏面板3P不连接的情况)对蓄电池3B进行放电的电力变换装置50的波形图。蓄电池3B的电压是200V，且放电电力是2kW。图12示出未执行与无功电流相关的控制的情况，且图13示出执行所述控制的情况。
在电流平滑之前(图12)和电流平滑之后(图13)的AC电流Ia和总谐波失真THD如下。
在电流平滑之前(图12)Ia：9.75Arms、THD：9.4％
在电流平滑之后(图13)Ia：9.49Arms、THD：4.0％
在此情况下，导致DC/DC转换器1承担无功电流，且控制DC/DC转换器1的DC侧电容器4的电压以保持与蓄电池3B的电压相同的200V。同样在此情况下，DC/DC转换器2的开关时段几乎不会由于平滑而变化，且DC/AC转换器2在DC/AC转换器8执行开关的时段期间停止开关的条件保持不变。DC/DC转换器1的开关也在与DC/DC转换器2相同的时段期间执行，且在DC/AC转换器8操作的时段期间停止。在平滑之前的阶段，在从DC/AC转换器8的开关时段转变到DC/DC转换器1、2的开关时段之后立即在AC电流上发生下降，且因此总谐波失真高达9.4％。另一方面，通过平滑，消除了AC电流的下降，且总谐波失真减小至4.0％。
(验证示例3：所产生的电力6kW、充电电力2kW、逆流电力4kW)
图14和图15是在存在由光伏面板3P产生的电力的状态下对蓄电池3B进行充电的电力变换装置50的波形图。蓄电池3B的电压是200V，这低于光伏面板3P的最佳操作电压。另外，所产生的电力是6kW，充电电力是2kW，且逆流电力是4kW。图14示出未执行与无功电流相关的控制的情况，且图15示出执行所述控制的情况。
在电流平滑之前(图14)和电流平滑之后(图15)的AC电流Ia和总谐波失真THD如下。
在电流平滑之前(图14)Ia：19.7Arms、THD：3.2％
在电流平滑之后(图15)Ia：19.2Arms、THD：4.0％
在此情况下，电流未流经DC/DC转换器2，除非其电压上升至与DC/DC转换器1的输出相同的电压，且因此DC/DC转换器2总是执行开关。在电流平滑之后，DC/DC转换器2的电流几乎平滑，且DC/DC转换器1的脉动电流的振幅也减小。甚至在电流平滑之后，DC/DC转换器1的开关时段与DC/AC转换器8的开关时段分离而不重叠，并且其开关次数没有增加。
(验证示例4：所产生的电力6kW、充电电力2kW、逆流电力4kW)
图16和图17是在存在由光伏面板3P产生的电力的状态下对蓄电池3B进行充电的电力变换装置50的波形图。应注意，蓄电池3B的电压是275V，这高于光伏面板3P的最佳操作电压。另外，所产生的电力是6kW，充电电力是2kW，且逆流电力是4kW。图16示出未执行与无功电流相关的控制的情况，且图17示出执行所述控制的情况。在此情况下，DC/DC转换器1总是执行开关。发现即使当蓄电池3B的电压高于光伏面板3P的电压时也可能执行电流平滑。
在电流平滑之前(图16)和电流平滑之后(图17)的AC电流Ia和总谐波失真THD如下。
在电流平滑之前(图16)Ia：19.8Arms、THD：2.8％
在电流平滑之后(图17)Ia：20.0Arms、THD：3.2％
(验证示例5：所产生的电力4kW、放电电力2kW、逆流电力6kW)
图18和图19是在存在由光伏面板3P产生的电力的状态下对蓄电池3B进行放电的电力变换装置50的波形图。蓄电池3B的电压是200V。另外，所产生的电力是4kW，放电电力是2kW，且逆流电力是6kW。图18示出未执行与无功电流相关的控制的情况，且图19示出执行所述控制的情况。同样在此情况下，没有任何问题地执行DC/DC转换器2的电流平滑。DC/DC转换器1具有开关停止时段，且甚至在平滑之后，维持DC/DC转换器1和DC/AC转换器8交替地执行开关的原始操作。
在电流平滑之前(图18)和电流平滑之后(图19)的AC电流Ia和总谐波失真THD如下。
在电流平滑之前(图18)Ia：29.3Arms、THD：1.7％
在电流平滑之后(图19)Ia：29.7Arms、THD：2.7％
(验证示例6：所产生的电力4kW、放电电力2kW、逆流电力6kW)
图20和图21是在存在由光伏面板3P产生的电力的状态下对蓄电池3B进行放电的电力变换装置50的波形图。蓄电池3B的电压是275V。另外，所产生的电力是4kW，放电电力是2kW，且逆流电力是6kW。图20示出未执行与无功电流相关的控制的情况，且图21示出执行所述控制的情况。同样在此情况下，没有任何问题地执行DC/DC转换器2的电流平滑。DC/DC转换器2具有开关停止时段，且甚至在平滑之后，维持DC/DC转换器2和DC/AC转换器8交替地执行开关的原始操作。
在电流平滑之前(图20)和电流平滑之后(图21)的AC电流Ia和总谐波失真THD如下。
在电流平滑之前(图20)Ia：29.6Arms、THD：1.9％
在电流平滑之后(图21)Ia：29.4Arms、THD：1.9％
(验证示例7：所产生的电力4kW、放电电力2kW、逆流电力6kW)
图22中的上部阶段、中间阶段和下部阶段分别示出在图21中的条件下的AC电流Ia、光伏面板3P的输出电流Ip和蓄电池3B的输出电流Ib的波形图。
流经连接有光伏面板3P的DC/DC转换器1的电流含有无功电流，但发现，通过由DC侧电容器4进行的平滑，输出电流Ip几乎变为常数值。在此情况下，在电流平滑之后的Ia和THD的值如下。
Ia：29.4Arms、THD：1.9％
<<补充>>
应注意，本文所公开的实施例在所有方面仅仅是说明性的，且不应被辨识为是限制性的。本发明的范围通过权利要求的范围来限定，且意图包含与权利要求的范围等效的含义以及所述范围内的所有修改。
<<附加说明>>
以上描述包含在下文附加说明中的特征。也就是说，电力变换装置也可以如下表示。
一种经由中间母线来执行DC/AC电力变换的电力变换装置，所述电力变换装置包含：
第一DC/DC转换器，所述第一DC/DC转换器提供在第一DC电源或负载与中间母线之间；
第二DC/DC转换器，所述第二DC/DC转换器提供在DC侧电容器与中间母线之间；
中间电容器，所述中间电容器连接到所述中间母线；
DC/AC转换器，所述DC/AC转换器提供在所述中间母线与AC电网之间；以及
控制单元，所述控制单元被配置成控制第一DC/DC转换器、第二DC/DC转换器和DC/AC转换器，所述控制单元进行电流命令值设置以使得第一DC/DC转换器最多供应流经中间母线的电流的有功电流，且第二DC/DC转换器最多供应流经中间母线的电流的无功电流。
附图标记列表
1、2 DC/DC转换器
3B 蓄电池
3P 光伏面板
4、5 DC侧电容器
6 中间母线
7 中间电容器
8 DC/AC转换器
9 AC侧电容器
11、12 DC电抗器
13 AC电抗器
14 滤波器电路
15 AC负载
16 商业电网
17 AC电网
20 控制单元
21、22 开关
31、32 电压传感器
33、34 电流传感器
35 电压传感器
36 电流传感器
37 电压传感器
50 电力变换装置
Q11、Q12、Q21、Q22、Q81、Q82、Q83、Q84 开关元件
d11、d12、d21、d22 二极管

Claims (13)

1.一种经由中间母线来执行DC/AC电力变换的电力变换装置，所述电力变换装置包括：
第一DC/DC转换器，其被提供在第一DC电源与所述中间母线之间，或被提供在负载与所述中间母线之间；
第二DC/DC转换器，其被提供在DC侧电容器与所述中间母线之间；
中间电容器，其被连接到所述中间母线；
DC/AC转换器，其被提供在所述中间母线与AC电网之间；以及
控制单元，其被配置成控制所述第一DC/DC转换器、所述第二DC/DC转换器和所述DC/AC转换器，所述控制单元进行电流命令值设置以使得主要是所述第二DC/DC转换器来供应流经所述中间母线的无功电流。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其中
所述控制单元执行控制以使得：通过所述第一DC/DC转换器的电力和通过所述第二DC/DC转换器的电力的总和与用于所述中间电容器的无功功率和在所述DC/AC转换器的AC侧上引起的电力的总和一致。
3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其中
在所述DC/AC转换器的AC侧上提供有滤波器电路，所述滤波器电路包含AC电抗器和AC侧电容器，所述AC侧电容器相对于所述AC电抗器而被设置在所述AC侧上，所述滤波器电路被连接到所述AC电网，并且
所述控制单元执行控制以使得所述AC电网的电力和所述AC侧电容器的电力的总和与在所述AC电抗器和所述DC/AC转换器之间传送的电力一致。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力变换装置，其中
所述DC侧电容器是将在DC侧上的终端电路闭合的元件。
5.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力变换装置，其中
第二DC电源被并联连接到所述DC侧电容器的两端。
6.根据权利要求5所述的电力变换装置，其中
能够被电气地断开和闭合的开关被提供在所述DC侧电容器与所述第二DC电源之间。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力变换装置，其中
所述控制单元将电流命令值设置为以使得：流经所述第一DC/DC转换器的无功电流变为零，并且所述第二DC/DC转换器供应全部的无功电流。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力变换装置，其中
所述控制单元通过电流命令值设置来控制所述第一DC/DC转换器和所述第二DC/DC转换器的无功电流，以使得流经所述第一DC/DC转换器和所述第二DC/DC转换器的电流的峰值被最小化。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力变换装置，其中
所述控制单元通过电流命令值设置来控制所述第一DC/DC转换器和所述第二DC/DC转换器的无功电流，以使得流经所述第一DC/DC转换器和所述第二DC/DC转换器的电流的均方值被最小化。
10.根据权利要求4所述的电力变换装置，其中
所述控制单元通过电流命令值设置来控制所述第二DC/DC转换器的无功电流，以使得所述DC侧电容器的两端之间的电压与所述第一DC电源或所述负载的电压一致。
11.根据权利要求1至3中的任一项所述的电力变换装置，其中
用于供应无功电流的所述电流命令值设置用以对在表示流经所述中间母线的电流的数学表达式中所包含的取决于时间的项中的一部分或全部进行分配。
12.一种用于电力变换装置的控制方法，所述电力变换装置包含：
第一DC/DC转换器，其被提供在第一DC电源与中间母线之间或在负载与所述中间母线之间；
第二DC/DC转换器，其被提供在DC侧电容器与所述中间母线之间；
中间电容器，其被连接到所述中间母线；
DC/AC转换器，其被提供在所述中间母线与AC电网之间；以及
控制单元，其被配置成控制所述第一DC/DC转换器、所述第二DC/DC转换器和所述DC/AC转换器，
所述电力变换装置被配置成经由所述中间母线来执行DC/AC电力变换，
所述控制方法由所述控制单元执行且包括：
进行电流命令值设置以使得主要是所述第二DC/DC转换器来供应流经所述中间母线的无功电流。
13.一种经由中间母线来执行DC/AC电力变换的电力变换装置，所述电力变换装置包括：
第一DC/DC转换器，其被提供在第一DC电源与所述中间母线之间或在负载与所述中间母线之间；
第二DC/DC转换器，其被提供在DC侧电容器与所述中间母线之间；
中间电容器，其被连接到所述中间母线；
DC/AC转换器，其被提供在所述中间母线与AC电网之间；以及
控制单元，其被配置成控制所述第一DC/DC转换器、所述第二DC/DC转换器和所述DC/AC转换器，
所述控制单元进行电流命令值设置以使得：
所述第一DC/DC转换器最多地供应流经所述中间母线的电流的有功电流，并且
所述第二DC/DC转换器最多地供应流经所述中间母线的所述电流的无功电流。
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