CN112236931B - 电力变换装置的缺相检测装置 - Google Patents

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Abstract

电力变换装置的缺相检测装置包括相位差异常检测部(22)、振幅差异常检测部(23)、缺相判定部(25)。相位差异常检测部(22)在流过电抗器(8)的电流和流过电容器(9)的电流的相位差的绝对值为相位阈值以下的情况下，输出相位差异常信号。振幅差异常检测部(23)在基于流过电抗器(8)的电流和流过电容器(9)的电流的振幅差的值的绝对值为振幅阈值以下的情况下，输出振幅差异常信号。缺相判定部(25)在输入了相位差异常信号以及振幅差异常信号双方的情况下，输出缺相信号。

Description

电力变换装置的缺相检测装置
技术领域
本发明涉及电力变换装置的缺相检测装置。
背景技术
专利文献1公开了将由太阳能电池发电的直流电力变换为交流电力并向电力系统供给的电力变换装置。该电力变换装置具备将直流电力变换为交流电力的逆变器(inverter)和降低逆变器的交流输出的纹波(ripple)的LC滤波器。该LC滤波器是由电抗器(L)和电容器(C)构成的低通滤波器。
关于逆变器的交流输出，至少一相是缺相状态(以下简称为“缺相”)的情况下，需要使逆变器停止。例如，专利文献2公开了缺相检测装置。根据该缺相检测装置，由输出电流检测电路检测逆变器的输出电流，在至少一相的电流为零的情况下，判断为缺相而使逆变器停止。
现有技术文献
专利文献
专利文献1日本特开2019-47664号公报
专利文献2日本特开2007-37215号公报
发明内容
发明所要解决的课题
对如专利文献1那样的在逆变器的交流输出侧连接有LC滤波器的电力变换装置中的缺相检测进行了研究。
图3是用于说明在未产生缺相的正常时流过电抗器(L)的电流IINV和流过电容器(C)的电流IC的图。实线31是表示电力变换装置以低输出运转的情况下的电流IINV的波形。实线32是表示电力变换装置以比实线31高的输出(例如额定输出)运转的情况下的电流IINV的波形。虚线33是表示电流IC的波形。电流IC的相位比电流IINV的相位提前90°。
如实线32所示，在电力变换装置以高输出运转时，流过电抗器(L)的电流与流过电容器(C)的电流相比非常大(|IINV|＞＞|IC|)。另一方面，在缺相时电流不向电力系统侧流动，流过电抗器(L)和电容器(C)的电流的振幅相等。着眼于这一点，可以考虑检测流过电抗器(L)的电流的振幅|IINV|与流过电容器(C)的电流的振幅|IC|的振幅差大致为零而判断为缺相。
然而，在仅使用电流的振幅的缺相检测中，在电力变换装置(PCS)为低输出的情况下(图3的实线31)有可能误检测缺相。这是因为根据传感器的检测误差、上位系统的集中式阻抗(％Z)等，存在满足|IINV|＝|IC|的运行点。例如，可能存在太阳能电池的发电电力因恶劣天气而小，使PCS以低输出运转的状态持续的情况。
本发明是为了解决所述课题而完成的。本发明的目的在于提供一种能够减少缺相的误检测的电力变换装置的缺相检测装置。
用于解决课题的手段
在第一实施方式中，电力变换装置的缺相检测装置具备第1电流检测部、第2电流检测部、相位差异常检测部、振幅差异常检测部、缺相判定部。电力变换装置具有与逆变器的交流输出端子连接的由电抗器和电容器构成的LC滤波器。第1电流检测部检测流过所述电抗器的电流。第2电流检测部检测流过所述电容器的电流。相位差异常检测部在流过所述电抗器的电流和流过所述电容器的电流的相位差的绝对值为相位阈值以下的情况下，输出相位差异常信号。振幅差异常检测部在基于流过所述电抗器的电流和流过所述电容器的电流的振幅差的值的绝对值为振幅阈值以下的情况下，输出振幅差异常信号。缺相判定部在输入了所述相位差异常信号以及所述振幅差异常信号双方的情况下，输出缺相信号。
在另一实施方式中，电力变换装置的缺相检测装置具备第1电流检测部、第2电流检测部、相位差异常检测部、振幅差异常检测部、缺相判定部。电力变换装置具有：逆变器，具有多个交流输出端子；以及多个LC滤波器，分别与所述多个交流输出端子连接，由电抗器和电容器构成。第1电流检测部检测流过所述多个LC滤波器各自的所述电抗器的电流。第2电流检测部检测流过所述多个LC滤波器各自的所述电容器的电流。相位差异常检测部在流过与所述多个交流输出端子中的一个交流输出端子连接的所述电抗器的电流和流过与所述一个交流输出端子连接的所述电容器的电流的相位差的绝对值为相位阈值以下的情况下，输出相位差异常信号。振幅差异常检测部在基于流过与所述一个交流输出端子连接的所述电抗器的电流和流过与所述一个交流输出端子连接的所述电容器的电流的振幅差的值的绝对值为振幅阈值以下的情况下，输出振幅差异常信号。缺相判定部在输入了所述相位差异常信号以及所述振幅差异常信号双方的情况下，输出缺相信号。
发明效果
根据本发明，通过将电流的振幅和相位这两者用于缺相检测的判定条件，能够提高缺相的检测精度。其结果，能够降低缺相的误检测，能够应用于要求严格的检测精度的认证试验。
附图说明
图1是用于说明本发明的实施方式1中的电力变换装置的图。
图2是表示本发明的实施方式1中的控制器的缺相检测部的电路结构图。
图3是用于说明在未产生缺相的正常时流过电抗器(L)的电流IINV和流过电容器(C)的电流IC的图。
图4是用于对在缺相状态下流过电抗器(L)的电流IINV和流过电容器(C)的电流IC进行说明的图。
具体实施方式
根据附图对用于实施本发明的方式进行说明。另外，在各图中，对相同或相当的部分标注相同的附图标记。适当地简化或省略该部分的重复说明。
实施方式1
(电力变换装置)
图1是用于说明本发明的实施方式1中的电力变换装置的图。
电力变换装置1与直流电源2和电力系统3连接。直流电源2例如是具备太阳能面板的太阳能发电装置、蓄电池等。
电力变换装置1将从直流电源2供给的直流电力变换为交流电力，并向电力系统3供给。
电力变换装置1具备平滑电容器4、逆变器5、滤波器6、控制器20。
平滑电容器4连接在直流电源2的正极侧与负极侧之间，是用于使端子间电压的变动平滑化的电容器。
逆变器5将来自直流电源2的直流电力变换为交流电力并向电力系统3输出。逆变器5可以是单相，也可以是多相。作为一个例子，在以下的说明中，说明逆变器5是三相电压型逆变器。
三相电压型逆变器具有将3个支路(U相支路、V相支路、W相支路)并联连接的电路。各支路由2个将开关元件和续流二极管反向并联连接的臂电路(arm)串联连接而构成。各支路在直流电源2的正极侧与负极侧之间并联连接。
逆变器5具备3个交流输出端子7(U相交流输出端子7u、V相交流输出端子7v、W相交流输出端子7w)。U相交流输出端子7u与U相支路的中间点连接。V相交流输出端子7v与V相支路的中间点连接。W相交流输出端子7w与W相支路的中间点连接。
滤波器6设置在逆变器5与电力系统3之间。滤波器6组合3个LC滤波器(6u、6v、6w)而构成。3个LC滤波器(6u、6v、6w)分别与3个交流输出端子(7u、7v、7w)连接。
各LC滤波器(6u、6v、6w)由电抗器8以及电容器9构成。电抗器8u和电容器9u设置在U相交流输出端子7u和电力系统3之间。电抗器8v和电容器9v设置在V相交流输出端子7v与电力系统3之间。电抗器8w以及电容器9w设置在W相交流输出端子7w与电力系统3之间。
各LC滤波器(6u、6v、6w)是低通滤波器。各LC滤波器(6u、6v、6w)通过电抗器和电容器带来的滤波效果，降低因逆变器5的各开关元件的开关而产生的纹波。
(缺相检测装置)
缺相检测装置由第1电流检测部10、第2电流检测部11以及控制器20构成。
第1电流检测部10具备U相第1电流检测器10u、V相第1电流检测器10v、W相第1电流检测器10w。第1电流检测部10检测流过3个LC滤波器(6u、6v、6w)各自的电抗器(8u、8v、8w)的电流(IINV_U、IINV_V、IINV_W)。
第2电流检测部11具备U相第2电流检测器11u、V相第2电流检测器11v、W相第2电流检测器11w。第2电流检测部11检测流过3个LC滤波器(6u、6v、6w)各自的电容器(9u、9v、9w)的电流(IC_U、IC_V、IC_W)。
控制器20接收包含与从电力变换装置1的外部输入的向电力系统3的输出供给相应的电力指令、逆变器5的输出电流等的输入信号。控制器20基于输入信号，生成驱动逆变器5的各开关元件的门(gate)信号。通过门信号对逆变器5的输出电力进行PWM(PulseWidth Modulation：脉冲宽度调制)控制。
并且，控制器20具备缺相检测部21。参照图2的电路结构图，对缺相检测部21进行说明。
缺相检测部21接收在由第1电流检测部10检测出的电抗器(8u、8v、8w)中流动的电流(IINV_U、IINV_V、IINV_W)。缺相检测部21接收流过由第2电流检测部11检测出的电容器(9u、9v、9w)的电流(IC_U、IC_V、IC_W)。
缺相检测部21具备相位差异常检测部22、振幅差异常检测部23、检测开始判定部24、缺相判定部25。
相位差异常检测部22输入分别流过电抗器(8u、8v、8w)的电流的相位(∠INV_U、∠INV_V、∠INV_W)和分别流过电容器(9u、9v、9w)的电流的相位(∠C_U、∠C_V、∠C_W)，输出相位差信号(相位差正常信号或相位差异常信号)。
具体地进行说明。相位差异常检测部22包含OR电路221、3个比较器(222u、222v、222w)、3个绝对值电路(223u、223v、223w)、3个减法器(224u、224v、224w)。
OR电路221与3个比较器(222u、222v、222w)连接。比较器222u与绝对值电路223u连接。绝对值电路223u与减法器224u连接。比较器222v与绝对值电路223v连接。绝对值电路223v与减法器224v连接。比较器222w与绝对值电路223w连接。绝对值电路223w与减法器224w连接。
接着，对由相位差异常检测部22进行的各相的异常检测处理进行说明。
首先，对U相进行说明。减法器224u输出相位∠INV_U与相位∠C_U的相位差。绝对值电路223u输出该相位差的绝对值。比较器222u基于该相位差的绝对值与相位阈值Tp的比较结果输出相位差信号。具体而言，比较器222u在该相位差的绝对值大于相位阈值Tp的情况下，输出相位差正常信号。比较器222u在该相位差的绝对值为相位阈值Tp以下的情况下，输出相位差异常信号。优选的是，相位阈值Tp为0°以上且10°以下。
参照图3和图4说明一例。图4是用于说明在缺相状态下流过电抗器(L)的电流IINV和流过电容器(C)的电流IC的图。实线41是表示在缺相状态下流过电抗器(L)的电流IINV的波形。虚线42是表示在缺相状态下流过电容器(C)的电流IC的波形。在缺相状态下，电流不向电力系统3侧流动。因此，流过电抗器(L)以及电容器(C)的电流的波形成为相同振幅、相同相位。相位差异常检测部22在流过电抗器(L)和电容器(C)的电流的波形为相同相位的情况下，输出相位差异常信号。
例如，将相位阈值Tp设为10°。在未产生缺相的正常时，流过电抗器的电流的相位与流过电容器的电流的相位的相位差为90°(图3的实线32和虚线33)。此时，相位差的绝对值大于相位阈值Tp，比较器222u输出0(相位差正常信号)。另一方面，在缺相时，如上所述，流过电抗器的电流的相位与流过电容器的电流的相位的相位差大致为零(图4)。此时，相位差的绝对值为相位阈值Tp以下，比较器222u输出1(相位差异常信号)。
接着，对V相进行说明。减法器224v输出相位∠INV_V与相位∠C_V的相位差。绝对值电路223v输出该相位差的绝对值。比较器222v基于该相位差的绝对值与相位阈值Tp的比较结果输出相位差信号。具体而言，比较器222v在该相位差的绝对值大于相位阈值Tp的情况下，输出相位差正常信号。比较器222v在该相位差的绝对值为相位阈值Tp以下的情况下，输出相位差异常信号。
接着，对W相进行说明。减法器224w输出相位∠INV_W与相位∠C_W的相位差。绝对值电路223w输出该相位差的绝对值。比较器222w基于该相位差的绝对值与相位阈值Tp的比较结果输出相位差信号。具体而言，比较器222w在该相位差的绝对值大于相位阈值Tp的情况下，输出相位差正常信号。比较器222w在该相位差的绝对值为相位阈值Tp以下的情况下，输出相位差异常信号。
OR电路221在从所有的比较器(222u、222v、222w)输入相位差正常信号的情况下，输出相位差正常信号。另一方面，在从至少1个比较器(222u、222v、222w)输入相位差异常信号的情况下，输出相位差异常信号。即，OR电路221关于U相、V相、W相中的至少1个，在流过电抗器的电流与流过电容器的电流的相位差的绝对值为相位阈值Tp以下的情况下，输出相位差异常信号。
振幅差异常检测部23输入分别流过电抗器(8u、8v、8w)的电流的有效值(|IINV_U|/√2、|IINV_V|/√2、|IINV_W|/√2)和分别流过电容器(9u、9v、9w)的电流的有效值(|IC_U|/√2、|IC_V|/√2、|IC_W|/√2)，输出振幅差信号(振幅差正常信号或振幅差异常信号)。另外，电流的有效值是前1周期量的电流波形中的电流的绝对值的平均值。
具体地进行说明。振幅差异常检测部23包括OR电路231、3个比较器(232u、232v、232w)、3个绝对值电路(233u、233v、233w)、3个减法器(234u、234v、234w)。
OR电路231与3个比较器(232u、232v、232w)连接。比较器232u与绝对值电路233u连接。绝对值电路233u与减法器234u连接。比较器232v与绝对值电路233v连接。绝对值电路233v与减法器234v连接。比较器232w与绝对值电路233w连接。绝对值电路233w与减法器234w连接。
接着，对由振幅差异常检测部23进行的各相的异常检测处理进行说明。
首先，对U相进行说明。减法器234u输出电流有效值|IINV_U|/√2与电流有效值|IC_U|/√2之间的电流有效值差(基于振幅差的值)。绝对值电路233u输出该电流有效值差的绝对值。比较器232u基于该电流有效值差的绝对值与振幅阈值Ta的比较结果输出振幅差信号。具体而言，比较器232u在该电流有效值差的绝对值大于振幅阈值Ta的情况下，输出振幅差正常信号。比较器232u在该电流有效值差的绝对值为振幅阈值Ta以下的情况下，输出振幅差异常信号。优选振幅阈值Ta为额定电流的振幅的10％以下。
参照图3和图4说明一例。在缺相状态下，电流不向电力系统3侧流动。因此，流过电抗器(L)和电容器(C)的电流的波形具有相同幅度和相同相位(图4的实线41和虚线42)。振幅差异常检测部23在电抗器(L)以及电容器(C)中流过的电流的波形为相同振幅的情况下，输出振幅差异常信号。
例如，将振幅阈值Ta设为50安培。在未产生缺相的正常时，流过电抗器的电流的有效值与流过电容器的电流的有效值的电流有效值差为几百安培(图3的实线32和虚线33)。此时，电流有效值差的绝对值大于振幅阈值Ta，比较器232u输出0(振幅差正常信号)。另一方面，在缺相时，如上述那样流过电抗器的电流的有效值与流过电容器的电流的有效值的电流有效值差大致为零(图4)。此时，电流有效值差的绝对值为振幅阈值Ta以下，比较器232u输出1(振幅差异常信号)。
接着，对V相进行说明。减法器234v输出电流有效值|IINV_V|/√2与电流有效值|IC_V|/√2之间的电流有效值差(基于振幅差的值)。绝对值电路233v输出该电流有效值差的绝对值。比较器232v基于该电流有效值差的绝对值与振幅阈值Ta的比较结果输出振幅差信号。具体而言，比较器232v在该电流有效值差的绝对值大于振幅阈值Ta的情况下，输出振幅差正常信号。比较器232v在该电流有效值差的绝对值为振幅阈值Ta以下的情况下，输出振幅差异常信号。
接着，对W相进行说明。减法器234w输出电流有效值|IINV_W|/√2与电流有效值|IC_W|/√2之间的电流有效值差(基于振幅差的值)。绝对值电路233w输出该电流有效值差的绝对值。比较器232w基于该电流有效值差的绝对值与振幅阈值Ta的比较结果输出振幅差信号。具体而言，比较器232w在该电流有效值差的绝对值大于振幅阈值Ta的情况下，输出振幅差正常信号。比较器232w在该电流有效值差的绝对值为振幅阈值Ta以下的情况下，输出振幅差异常信号。
OR电路231在从所有的比较器(232u、232v、232w)输入振幅差正常信号的情况下，输出振幅差正常信号。另一方面，在从至少1个比较器(232u、232v、232w)输入振幅差异常信号的情况下，输出振幅差异常信号。即，OR电路231关于U相、V相、W相中的至少1个，在基于流过电抗器的电流与流过电容器的电流的振幅差的值的绝对值为振幅阈值Ta以下的情况下，输出振幅差异常信号。
检测开始判定部24输入分别流过电抗器(8u、8v、8w)的电流的有效值(|IINV_U|/√2、|IINV_V|/√2、|IINV_W|/√2)(基于振幅的值)，输出检测开始信号。
具体地进行说明。检测开始判定部24包括比较器242、最大值检测器243。比较器242与最大值检测器243连接。
接着，对由检测开始判定部24进行的异常检测开始处理进行说明。最大值检测器243检测分别流过电抗器(8u、8v、8w)的电流的有效值中的最大值。
比较器242在该最大值大于第二振幅阈值Ts的情况下，即在存在规定的输出的情况下，输出检测开始信号。优选地，第二振幅阈值Ts大于振幅阈值Ta。
即，检测开始判定部24在基于流过多个LC滤波器(6u、6v、6w)各自的电抗器(8u、8v、8w)的电流中的最大振幅的值大于第二振幅阈值Ts的情况下，输出检测开始信号。
根据检测开始判定部24，在电力变换装置1上升时等，经过了逆变器电流的振幅与电容器电流的振幅为相同程度的期间运转稳定之后，能够开始相位差异常检测部22以及振幅差异常检测部23中的异常检测处理。
缺相判定部25在输入了从检测开始判定部24输出的检测开始信号、从相位差异常检测部22输出的相位差异常信号、以及从振幅差异常检测部23输出的振幅差异常信号的情况下，输出缺相信号。即，在输出检测开始信号的状态下，并且如图4所示，在电抗器(L)以及电容器(C)中流过的电流的波形成为相同振幅、相同相位的情况下，输出缺相信号。
控制器20的警报发送部(省略图示)输入缺相信号。在输入了缺相信号的情况下，警报发送部为了将发生了缺相这一情况传达给操作员，使用画面对话框、声音、灯等发出警报。
根据以上说明的电力变换装置的缺相检测装置，对于LC滤波器的电抗器以及电容器中流过的电流，通过将电流的振幅以及相位双方用于缺相检测的判定条件，能够提高缺相的检测精度。其结果，能够降低缺相的误检测，能够应用于要求严格的检测精度的认证试验。
(变形例)
然而，上述的实施方式1的缺相检测装置具备检测开始判定部24，但也可以构成为不具有检测开始判定部24。在该情况下，缺相判定部25在输出了相位差异常信号以及振幅差异常信号双方的情况下，输出缺相信号。
另外，上述的实施方式1的缺相检测装置在振幅差异常检测部23中使用了“电流有效值”，但也可以取而代之使用“电流的振幅”。在该情况下，“基于振幅差的值”是在电抗器中流动的电流的振幅与在电容器中流动的电流的振幅之差。
另外，上述的实施方式1的缺相检测装置在检测开始判定部24中使用“电流有效值”，但也可以取而代之使用“电流的振幅”。在该情况下，“基于振幅的值”是流过电抗器的电流的振幅。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明并不限定于上述的实施方式，能够在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变形来实施。
标号说明
1 电力变换装置
2 直流电源
3 电力系统
4 平滑电容器
5 逆变器
6 滤波器
6u、6v、6w LC滤波器
7 交流输出端子
7u U相交流输出端子
7v V相交流输出端子
7w W相交流输出端子
8u、8v、8w 电抗器
9u、9v、9w 电容
10 第1电流检测部
10u U相第1电流检测器
10v V相第1电流检测器
10w W相第1电流检测器
11 第2电流检测部
11u U相第2电流检测器
11v V相第2电流检测器
11w W相第2电流检测器
20 控制器
21 缺相检测部
22 相位差异常检测部
23 振幅差异常检测部
24 检测开始判定部
25 缺相判定部
221 OR电路
222u、222v、222w 比较器
223u、223v、223w 绝对值电路
224u、224v、224w 减法器
231 OR电路
232u、232v、232w 比较器
233u、233v、233w 绝对值电路
234u、234v、234w 减法器
242 比较器
243 最大值检测器
Tp 相位阈值
Ta 振幅阈值
Ts 第2振幅阈值

Claims (7)

1.一种电力变换装置的缺相检测装置，该电力变换装置具有与逆变器的交流输出端子连接的由电抗器和电容器构成的LC滤波器，其特征在于，该电力变换装置的缺相检测装置具备：
第1电流检测部，检测流过所述电抗器的电流；
第2电流检测部，检测流过所述电容器的电流；
相位差异常检测部，在流过所述电抗器的电流和流过所述电容器的电流的相位差的绝对值为相位阈值以下的情况下，输出相位差异常信号；
振幅差异常检测部，在基于流过所述电抗器的电流和流过所述电容器的电流的振幅差的值的绝对值为振幅阈值以下的情况下，输出振幅差异常信号；以及
缺相判定部，在输入了所述相位差异常信号和所述振幅差异常信号双方的情况下，输出缺相信号。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置的缺相检测装置，其特征在于，
具备：
检测开始判定部，在基于流过所述电抗器的电流的振幅的值大于第2振幅阈值的情况下，输出检测开始信号，
所述缺相判定部在输入了所述检测开始信号、所述相位差异常信号和所述振幅差异常信号的情况下，输出缺相信号。
3.一种电力变换装置的缺相检测装置，该电力变换装置具有：
具有多个交流输出端子的逆变器；和
分别与所述多个交流输出端子连接的、由电抗器和电容器构成的多个LC滤波器，
其特征在于，该电力变换装置的缺相检测装置具备：
第1电流检测部，检测流过所述多个LC滤波器各自的所述电抗器的电流；
第2电流检测部，检测流过所述多个LC滤波器各自的所述电容器的电流；
相位差异常检测部，在流过与所述多个交流输出端子中的一个交流输出端子连接的所述电抗器的电流和流过与所述一个交流输出端子连接的所述电容器的电流的相位差的绝对值为相位阈值以下的情况下，输出相位差异常信号；
振幅差异常检测部，在基于流过与所述一个交流输出端子连接的所述电抗器的电流和流过与所述一个交流输出端子连接的所述电容器的电流的振幅差的值的绝对值为振幅阈值以下的情况下，输出振幅差异常信号；以及
缺相判定部，在输入了所述相位差异常信号和所述振幅差异常信号双方的情况下，输出缺相信号。
4.根据权利要求3所述的电力变换装置的缺相检测装置，其特征在于，
具备：
检测开始判定部，在基于流过所述多个LC滤波器各自的所述电抗器的电流中的最大振幅的值大于第2振幅阈值的情况下，输出检测开始信号，
所述缺相判定部在输入了所述检测开始信号、所述相位差异常信号和所述振幅差异常信号的情况下，输出缺相信号。
5.根据权利要求4所述的电力变换装置的缺相检测装置，其特征在于
所述第2振幅阈值比所述振幅阈值大。
6.根据权利要求3至5中任一项所述的电力变换装置的缺相检测装置，其特征在于，
所述相位阈值为0°以上10°以下。
7.根据权利要求3至6中任一项所述的电力变换装置的缺相检测装置，其特征在于，所述振幅阈值为额定电流的振幅的10％以下。
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