CN110622408B - 电力转换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电力转换装置，针对其中三相电压型逆变器的转换效率低的问题，目的在于提供能够提高三相电压型逆变器的转换效率的电力转换装置。本发明的电力转换装置具备三相电压型逆变器、二相/三相转换部、三次谐波生成部、加法器、PWM控制部及三次谐波振幅决定部。三次谐波生成部生成正弦波状的三次谐波信号，该正弦波状的三次谐波信号与三相的电压指令信号同步且具有三相的电压指令信号的三倍的频率。而且，三次谐波生成部具备三次谐波振幅决定部，该三次谐波振幅决定部基于与二相的电压指令信号对应的电压振幅指令值及与对电力系统的输出请求对应的输出功率因数指令值，决定三相电压型逆变器的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅。

Description

电力转换装置
技术领域
本发明涉及一种电力转换装置。
背景技术
作为逆变器的控制方式，已知有PWM(Pulse Width Modulation)控制。在三相逆变器中，在U、V、W的各相生成正弦波的电压指令信号，将这些电压指令信号与作为三角波的载波信号进行比较，从而进行三相的PWM控制。
然而，在该正弦波－三角波比较方式的PWM控制中，为了正常地执行调制，需要各相的电压指令信号处于载波信号的振幅内，逆变器的输出电压的基波的振幅被限制为直流电压的√3/2以下。因此，存在直流电压的电压利用率低这一问题。
为了提高电压利用率，已知有对三相的电压指令信号重叠与之同步的三次谐波的方式(日本特开2009－124799号公报)。如图5所示，通过使基波的三倍的频率的三次谐波(51)重叠于各相的电压指令信号(50)而减小电压指令信号(52)的峰值，从而能够增大输出电压的基波成分的最大值而提高逆变器的电压利用率。这是利用了即使重叠第三次的高次谐波、线间输出也不包含该高次谐波这一点。另外，已知通过使三次谐波信号的振幅相对于电压指令信号为1/6左右，能够最大程度地提高电压利用率(图6)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2009－124799号公报
发明内容
发明将要解决的课题
因此，一般来说，为了提高电压利用率，将三次谐波的振幅相对于电压指令信号设定为1/6左右。然而，该设定并不一定使逆变器的转换效率达到最佳。根据本发明人的新的见解，三次谐波的振幅能够为了提高逆变器的转换效率而使用。参照图7、图8具体地进行说明。
图7是用于说明流经电压型逆变器的电流的路径的图。根据逆变器运转中的开关元件的ON/OFF，电流所流经的路径变化。电流的朝向为，在图7中将从逆变器流向负载侧的方向设为正。于是，则沿正方向流动的电流的路径为A及B，沿负方向流动的电流的路径为C及D。B及C是经过开关元件的路径，A及D是经过二极管的路径。
图8是用于说明开关元件(晶体管)中的损失的图。从OFF切换为ON时、从ON切换为OFF时花费一些时间。在该开关期间，电压以及电流并非完全是ON或OFF，因此会产生电力损失。另外，开关元件在ON的期间也并非完全导通，而是在集电极－发射极间产生下降电压，因此产生电力损失。这种电力损失在其他半导体元件(例如二极管)中也会产生，但其损失量不同。在图8中，(1)及(3)示出了开关引起的电力的损失期间，(2)示出了导通引起的电力的损失期间。电力损失除了影响转换效率之外，作为热能释放的热能越大，越需要大规模的冷却单元，因此最好较少。
如上述那样，若对三相的电压指令信号重叠三次谐波，则电压指令信号的波形变化(图5)，栅极脉冲的样态、即逆变器输出电压的ON/OFF比率变化。其结果，流经具有开关元件的路径以及具有二极管的路径的电流的时间比率也变化。由于有根据电流的路径而电力损失产生不同的情况(图7、图8)，因此有时最终逆变器的转换效率也产生不同。该电压指令信号的波形的变化程度也根据重叠的三次谐波的振幅而变化。本发明人着眼于这一点，为了使三相电压型逆变器的转换效率提高而使用了三次谐波的振幅。
本发明是为了解决上述那样的课题而完成的，目的在于提供能够提高三相电压型逆变器的转换效率的电力转换装置。
用于解决课题的手段
本发明的实施方式的电力转换装置具备三相电压型逆变器、二相/三相转换部、三次谐波生成部、加法器、PWM控制部、三次谐波振幅决定部。三相电压型逆变器例如具有以并联的方式连接三个支线而成的电路，每个支线中以串联方式连接两个以反并联的方式连接开关元件和回流二极管而成的臂，该三相电压型逆变器将来自直流电源的直流电压转换为三相交流电压而向电力系统输出。三相压型逆变器并不限定于该构成，只要从直流转换为三相交流，例如也可以是中性点钳位方式三电平逆变器、中性点开关方式三电平逆变器。二相/三相转换部将二相的电压指令信号转换为正弦波状的三相的电压指令信号。三次谐波生成部生成正弦波状的三次谐波信号，该正弦波状的三次谐波信号与三相的电压指令信号同步且具有三相的电压指令信号的三倍的频率。加法器输出在三相的电压指令信号中重叠三次谐波信号而成的三相的调制波信号。PWM控制部通过比较三相的调制波信号与三角波状的载波信号，生成驱动各个开关元件的栅极信号。而且，三次谐波生成部具备三次谐波振幅决定部，该三次谐波振幅决定部基于与二相的电压指令信号对应的电压振幅指令值以及与对电力系统的输出请求对应的输出功率因数指令值，决定三相电压型逆变器的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅。
如上述那样，根据三次谐波信号的振幅不同，栅极信号的ON/OFF比率会变化，因此流经开关元件以及回流二极管的电流的时间比率也变化。根据电流的路径不同，电力损失产生不同(图7、图8)，最终逆变器的转换效率也产生不同。在本实施方式中，以使三相电压型逆变器的电力损失为最小的方式决定三次谐波信号的振幅。因此，根据本实施方式的电力转换装置1，能够提高三相电压型逆变器的转换效率。
优选的是，二相的电压指令信号包含d轴电压指令信号和q轴电压指令信号。电压振幅指令值是d轴电压指令信号的值的平方与q轴电压指令信号的值的平方之和的平方根。
优选的是，三次谐波振幅决定部具有确定了电压振幅指令值、输出功率因数指令值、以及三相电压型逆变器的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅这三者的关系的表。三次谐波振幅决定部根据该表来决定与电压振幅指令值与输出功率因数指令值的组合对应的三次谐波信号的振幅。
优选的是，三次谐波振幅决定部基于以电压振幅指令值以及输出功率因数指令值为自变量的函数，决定三次谐波信号的振幅。通过使用函数，与使用表的情况相比，能够减少存储器使用量。
发明效果
根据本发明的实施方式的电力转换装置，能够提高三相电压型逆变器的转换效率。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1的电力转换装置的系统构成的图。
图2是表示本发明的实施方式1的控制装置的构成的框图。
图3是用于说明本发明的实施方式1中的三次谐波信号Vh的振幅的决定方法的图。
图4是用于说明本发明的实施方式2中的三次谐波信号Vh的振幅的决定方法的图。
图5是表示使三次谐波重叠于电压指令信号的例子的图。
图6是表示将三次谐波信号的振幅相对于电压指令信号决定为1/6的例子的图。
图7是用于说明流经电压型逆变器的电流的路径的图。
图8是用于说明开关元件(晶体管)中的损失的图。
图9是表示电力转换装置所具有的控制装置的硬件构成例的概念图。
具体实施方式
以下，参照附图详细地说明本发明的实施方式。另外，对各图中共同的要素标注相同的附图标记而省略重复的说明。
实施方式1.
＜系统构成＞
图1是表示本发明的实施方式1的电力转换装置1的系统构成的图。
电力转换装置1连接于直流电源2以及电力系统3。直流电源2例如是具备太阳能板的太阳能发电装置、蓄电池等。在电力系统3经由输电线连接有发电站、工厂。电力转换装置1在向电力系统3输电时，需要遵守当前所要求的功率因数。
电力转换装置1具备平滑电容器4、三相电压型逆变器5、电抗器6、电容器7、控制装置10。
平滑电容器4是连接于直流电源2的正极侧与负极侧之间、用于使端子间电压VH的变动平滑化的电容器。
三相电压型逆变器5将来自直流电源2的直流电压转换为三相交流电压而向电力系统3输出。
三相电压型逆变器5具有将三个支线(U相支线、V相支线、W相支线)以并联的方式连接的电路。各支线是串联连接两个将开关元件与回流二极管以反并联的方式连接的臂而构成的。各支线以并联的方式连接于直流电源2的正极侧与负极侧之间。
具体而言，U相支线包含开关元件Qu1以及开关元件Qu2。开关元件Qu1以及开关元件Qu2从直流电源2的正极侧依次以串联的方式连接。开关元件Qu1与开关元件Qu2的中间点电连接于电力系统3的U相的端子。另外，开关元件Qu1与回流二极管Du1以反并联的方式连接。开关元件Qu2与回流二极管Du2以反并联的方式连接。
V相支线包含开关元件Qv1以及开关元件Qv2。开关元件Qv1以及开关元件Qv2从直流电源2的正极侧依次以串联的方式连接。开关元件Qv1与开关元件Qv2的中间点电连接于电力系统3的V相的端子。另外，开关元件Qv1与回流二极管Dv1以反并联的方式连接。开关元件Qv2与回流二极管Dv2以反并联的方式连接。
W相支线包含开关元件Qw1以及开关元件Qw2。开关元件Qw1以及开关元件Qw2从直流电源2的正极侧依次以串联的方式连接。开关元件Qw1与开关元件Qw2的中间点电连接于电力系统3的W相的端子。另外，开关元件Qw1与回流二极管Dw1以反并联的方式连接。开关元件Qw2与回流二极管Dw2以反并联的方式连接。
另外，在本实施方式中各开关元件Qu1～Qw2采用了IGBT。但是，开关元件并不限定于此，也可以是MOSFET、双极性晶体管等。
电抗器6是设于三相电压型逆变器5的各支线的中间点与电力系统3之间的平滑要素。电容器7与电抗器6一起构成了减少波动的滤波电路。
控制装置10基于输入信号，生成驱动各开关元件Qu1～Qw2的栅极信号。通过栅极信号控制三相电压型逆变器5的动作。输入信号包含端子间电压VH、由电流计8检测的逆变器的输出电流、由电压计9检测的线间电压、电力指令P。电力指令P是从电力转换装置1的外部输入的与对电力系统3的输出请求对应的指令。
这里，一边参照图2，一边对控制装置10的构成进行说明。图2是表示本发明的实施方式1的控制装置10的构成的框图。
如图2所示，控制装置10具备二相/三相转换部11、三次谐波生成部12、加法器13(U相加法器13u、V相加法器13v、W相加法器13w)、PWM控制部14。
二相/三相转换部11将二相的电压指令信号(d轴电压指令信号Vd、q轴电压指令信号Vq)转换为正弦波状的三相的电压指令信号(U相电压指令信号Vu、V相电压指令信号Vv、W相电压指令信号Vw)。三相的电压指令信号被输出到加法器13。具体而言，U相电压指令信号Vu向U相加法器13u输出。V相电压指令信号Vv向V相加法器13v输出。W相电压指令信号Vw向W相加法器13w输出。另外，向二相/三相转换部11输入的d轴电压指令信号Vd及q轴电压指令信号Vq基于从电力转换装置1的外部输入的电力指令P(有效电力指令与无效电力指令)而运算。
三次谐波生成部12生成与三相的电压指令信号同步且为三相的电压指令信号的三倍的频率的正弦波状的三次谐波信号Vh。本实施方式的发明的主要特征在于三次谐波信号Vh的振幅的决定方法，关于这一点将在之后进行叙述。
加法器13输出向三相的电压指令信号将三次谐波信号Vh以相同相位进行重叠而成的三相的调制波信号。具体而言，U相加法器13u向从二相/三相转换部11输出的U相电压指令信号Vu加上三次谐波生成部12生成的三次谐波信号Vh而输出U相调制波信号Vmu。V相加法器13v向从二相/三相转换部11输出的V相电压指令信号Vv加上三次谐波生成部12生成的三次谐波信号Vh而输出V相调制波信号Vmv。W相加法器13w向从二相/三相转换部11输出的W相电压指令信号Vw加上三次谐波生成部12生成的三次谐波信号Vh而输出W相调制波信号Vmw。U相调制波信号Vmu、V相调制波信号Vmv、W相调制波信号Vmw被输入至PWM控制部14。
PWM控制部14通过比较加法器13输出的三相的调制波信号(U相调制波信号Vmu、V相调制波信号Vmv、W相调制波信号Vmw)与三角波状的载波信号，生成驱动各个开关元件(Qu1～Qw2)的栅极信号。
具体而言，PWM控制部14对于U相，生成栅极信号，使得对U相调制波信号Vmu与具有规定的载波频率f的载波信号C(三角波形)进行大小比较，在三角波形更小时上臂的开关元件Qu1为ON，在三角波形更大时下臂的开关元件Qu2为ON。关于V相、W相也相同。
＜三次谐波信号Vh的振幅的决定方法＞
参照图3，对本发明的实施方式1中的三次谐波信号Vh的振幅的决定方法进行说明。
本发明的实施方式1的三次谐波生成部12具备三次谐波振幅决定部15a。三次谐波振幅决定部15a基于与二相的电压指令信号对应的电压振幅指令值以及与对电力系统3的输出请求对应的输出功率因数指令值，决定三相电压型逆变器5的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅。另外，输出功率因数指令值(功率因数cosθ)基于对电力系统3的当前的输出请求即电力指令P(有效电力指令与无效电力指令)而运算。
具体而言，首先，三次谐波振幅决定部15a输入上述的d轴电压指令信号Vd、q轴电压指令信号Vq、输出功率因数指令值。三次谐波振幅决定部15a计算d轴电压指令信号Vd的值的平方与q轴电压指令信号Vq的值的平方之和的平方根即电压振幅指令值。
三次谐波振幅决定部15a预先存储有确定了电压振幅指令值、输出功率因数指令值、以及三相电压型逆变器5的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅这三者的关系的表。在该表中，为了使在各条件下转换效率达到最高，预先基于模拟分析、实际运转数据而设定了三次谐波信号的振幅。
三次谐波振幅决定部15a从该表中取得与电压振幅指令值和输出功率因数指令值的组合对应的三次谐波信号的振幅，将其乘以与输出电压同步的单位三次谐波，从而决定三次谐波信号Vh。
如此决定了振幅的三次谐波信号Vh被输入到图2的加法器13。加法器13输出在三相的电压指令信号中重叠了三次谐波信号Vh的三相的调制波信号。然后，PWM控制部14基于三相的调制波信号，生成驱动各个开关元件(Qu1～Qw2)的栅极信号。
根据三次谐波信号Vh的振幅，栅极信号的ON/OFF比率变化，因此流经开关元件以及回流二极管的电流的时间比率也变化。根据电流的路径，电力损失产生不同(图7、图8)，最终逆变器的转换效率也产生不同。在本实施方式中，以使三相电压型逆变器5的电力损失为最小的方式决定三次谐波信号Vh的振幅。因此，根据本实施方式的电力转换装置1，能够提高三相电压型逆变器5的转换效率。
＜控制装置10的硬件构成例＞
图9是表示上述电力转换装置1所具有的控制装置10的硬件构成例的概念图。图2内的各部表示功能的一部分，各功能由处理电路实现。作为一方式，处理电路具备至少一个处理器91和至少一个存储器92。作为其他方式，处理电路具备至少一个专用的硬件93。
在处理电路具备处理器91和存储器92的情况下，各功能由软件、固件、或者软件与固件的组合实现。软件以及固件的至少一方被记述为程序。软件以及固件的至少一方储存于存储器92。处理器91读出存储于存储器92的程序并执行，从而实现各功能。
在处理电路具备专用的硬件93的情况下，处理电路例如是单一电路、复合电路、程序化后的处理器、或者它们的组合。各功能由处理电路实现。
实施方式2.
接下来，参照图4对本发明的实施方式2进行说明。本实施方式的系统能够通过在图1、图2所示的构成中应用图4所示的构成而实现。
在上述实施方式1中，三次谐波振幅决定部15a预先准备了确定电压振幅指令值、输出功率因数指令值、以及三相电压型逆变器5的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅这三者的关系的表，使用该表，决定了三次谐波信号的振幅。然而，为了预先准备这种表，需要相当大的存储器容量，因此期望即使在存储器容量少的情况下也能够决定三次谐波信号的振幅。
＜三次谐波信号Vh的振幅的决定方法＞
图4是用于说明本发明的实施方式2中的三次谐波信号Vh的振幅的决定方法的图。
本发明的实施方式2的三次谐波生成部12具备三次谐波振幅决定部15b。三次谐波振幅决定部15b基于与二相的电压指令信号对应的电压振幅指令值以及与对电力系统3的输出请求对应的输出功率因数指令值，决定三相电压型逆变器5的电力损失为最小的三次谐波信号的振幅。另外，输出功率因数指令值(功率因数cosθ)基于对电力系统3的当前的输出请求即电力指令P(有效电力指令和无效电力指令)而被运算。
具体而言，首先，三次谐波振幅决定部15b输入上述的d轴电压指令信号Vd、q轴电压指令信号Vq、输出功率因数指令值。三次谐波振幅决定部15b计算d轴电压指令信号Vd的值的平方与q轴电压指令信号Vq的值的平方之和的平方根即电压振幅指令值。
三次谐波振幅决定部15b基于以电压振幅指令值(X)以及输出功率因数指令值(Y)为自变量的函数f(X、Y)取得三次谐波信号的振幅，将其乘以与输出电压同步的单位三次谐波，从而决定三次谐波信号Vh。该函数基于模拟分析、实际运转数据而被设定。另外，也可以是根据多个测定值推断出的近似函数。
这里，函数f(X，Y)只要针对三相电压型逆变器5的实际运转区域确定就足矣。例如如果三相电压型逆变器5在电压振幅指令值为1.0～0.8、输出功率因数指令值为1.0～0.8的范围内运转，则只要准备好关于该运转区域内的函数就足矣。另外，也可以是根据运转区域而切换函数和表的构成。
如此决定了振幅的三次谐波信号Vh被输入到图2的加法器13。加法器13输出在三相的电压指令信号中重叠了三次谐波信号Vh后的三相的调制波信号。然后，PWM控制部14基于三相的调制波信号，生成驱动各个开关元件(Qu1～Qw2)的栅极信号。
根据本实施方式，关于三相电压型逆变器5的至少一部分的运转范围，通过使用函数，能够减少存储器使用量。
以上，虽然说明了本发明的实施方式，但本发明并不限定于上述的实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种变形来实施。
附图标记说明
1 电力转换装置
2 直流电源
3 电力系统
4 平滑电容器
5 三相电压型逆变器
6 电抗器
7 电容器
8 电流计
9 电压计
10 控制装置
11 二相/三相转换部
12 三次谐波生成部
13 加法器
13u U相加法器
13v V相加法器
13w W相加法器
14 PWM控制部
15a 三次谐波振幅决定部
15b 三次谐波振幅决定部
91 处理器
92 存储器
93 硬件
VH 端子间电压
P 电力指令
Du1、Du2、Dv1、Dv2、Dw1、Dw2 回流二极管
Qu1、Qu2、Qv1、Qv2、Qw1、Qw2 开关元件
Vd d轴电压指令信号
Vq q轴电压指令信号
Vu U相电压指令信号
Vv V相电压指令信号
Vw W相电压指令信号
Vmu U相调制波信号
Vmv V相调制波信号
Vmw W相调制波信号
Vh 三次谐波信号

Claims (4)

1.一种电力转换装置，其特征在于，具备：
三相电压型逆变器，具有以并联的方式连接三个支线而成的电路，每个支线中以串联方式连接两个以反并联的方式连接开关元件和回流二极管而成的臂，该三相电压型逆变器将来自直流电源的直流电压转换为三相交流电压而向电力系统输出；
二相/三相转换部，将二相的电压指令信号转换为正弦波状的三相的电压指令信号；
三次谐波生成部，生成正弦波状的三次谐波信号，该正弦波状的三次谐波信号与所述三相的电压指令信号同步且具有所述三相的电压指令信号的三倍的频率；
加法器，输出在所述三相的电压指令信号中重叠所述三次谐波信号而成的三相的调制波信号；以及
PWM控制部，通过比较所述三相的调制波信号与三角波状的载波信号，生成驱动各个所述开关元件的栅极信号，
所述三次谐波生成部具备三次谐波振幅决定部，该三次谐波振幅决定部基于与所述二相的电压指令信号对应的电压振幅指令值以及与对所述电力系统的输出请求对应的输出功率因数指令值，决定所述三相电压型逆变器的电力损失为最小的所述三次谐波信号的振幅。
2.根据权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于，
所述二相的电压指令信号包含d轴电压指令信号和q轴电压指令信号，
所述电压振幅指令值是所述d轴电压指令信号的值的平方与所述q轴电压指令信号的值的平方之和的平方根。
3.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述三次谐波振幅决定部根据确定了所述电压振幅指令值、所述输出功率因数指令值、以及所述三相电压型逆变器的电力损失为最小的所述三次谐波信号的振幅这三者的关系的表，决定与所述电压振幅指令值和所述输出功率因数指令值的组合对应的所述三次谐波信号的振幅。
4.根据权利要求1或2所述的电力转换装置，其特征在于，
所述三次谐波振幅决定部基于以所述电压振幅指令值以及所述输出功率因数指令值为自变量的函数，决定所述三次谐波信号的振幅。
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