CN113287255B - 电力变换系统 - Google Patents
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Abstract
电力变换系统是并联连接有多个电力变换装置的电力变换系统。多个电力变换装置分别具备：电力变换电路，将直流变换为交流；以及交流滤波电路，与电力变换电路的输出侧连接。交流滤波电路是第一滤波电抗器和交流滤波电容器以L型连接的LC低通滤波器。交流滤波电路还包括与交流滤波电容器串联连接的第二滤波电抗器、以及与交流滤波电容器及第二滤波电抗器一起构成串联电路的电阻。
Description
技术领域
本发明涉及电力变换系统。
背景技术
以往，如在日本特开2014－183601号公报中记载那样，已知有并联连接有多个电力变换装置的电力变换系统。参照该公报的例如图2，多个电力变换装置分别具备电力变换电路和连接在电力变换电路的输出侧的交流滤波电路。交流滤波电路包括交流滤波电抗器和交流滤波电容器。
公知的LC低通滤波器具有包括L型、T型和Π(派)型的各种各样的电路型式。关于这一点，在上述公报的0017段落中，记载了高频电压成分除去用的交流滤波器也可以是T型滤波器。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2014－183601号公报
发明内容
发明要解决的课题
交流滤波电路要求使基波电流通过的通过性能和用来将纹波电流(ripplecurrent)等的高频成分过滤的衰减性能这两方面的性能。理想地，有想要用尽可能小型的电路部件实现这些性能的要求。另一方面，在并联连接有多个电力变换装置的电力变换系统中，有应进一步考虑的事项。在并联连接有多个电力变换装置的情况下，有可能在一个电力变换装置与其他电力变换装置之间产生起因于交流滤波电路元件的谐振的电流。以下，将这种起因于谐振的电流也称作“谐振电流”。
从抑制上述的谐振电流的观点来说，优选的是如T型LC低通滤波器那样，在交流滤波电容器的后段设置交流滤波电抗器。这是因为，该后段的交流滤波电抗器作为所谓的阻尼元件发挥作用。但是，设在交流滤波电容器的后段的交流滤波电抗器由于需要流过基波电流，所以要求是具有一定的大小的部件。结果，在T型LC低通滤波器中，有难以使交流滤波电路小型化的问题。
本发明的目的是提供一种能够兼顾交流滤波电路的小型化和谐振电流的抑制的电力变换系统。
用来解决课题的手段
有关本发明的电力变换系统，是并联连接有多个电力变换装置的电力变换系统，上述多个电力变换装置分别具备：电力变换电路，将直流变换为交流；以及交流滤波电路，与上述电力变换电路的输出侧连接；上述交流滤波电路是第一滤波电抗器和交流滤波电容器以L型连接的LC低通滤波器；上述交流滤波电路还包括与上述交流滤波电容器串联连接的第二滤波电抗器、以及与上述交流滤波电容器及上述第二滤波电抗器一起构成串联电路的电阻。
发明效果
根据有关本发明的电力变换系统，对于L型LC低通滤波器的交流滤波电容器串联连接第二滤波电抗器。由于在第二滤波电抗器中不流过基波电流，所以即使是小型的电抗器也能够满足要求性能。因而，能够在满足交流滤波电路的要求性能的同时使其构成部件小型化。进而，设在交流滤波电路中的电阻作为阻尼元件发挥作用。由此，能够兼顾交流滤波电路的小型化和谐振电流的抑制。
附图说明
图1是有关实施方式的电力变换系统的系统结构图。
图2是用来说明有关实施方式的电力变换系统的交流滤波电路的图。
图3是用来说明有关实施方式的电力变换系统的交流滤波电路具有的频率特性的曲线图。
图4是有关比较例的电力变换系统的系统结构图。
图5是用来说明有关比较例的交流滤波电路具有的频率特性的曲线图。
图6是用来说明有关比较例的交流滤波电路具有的频率特性的曲线图。
具体实施方式
图1是有关实施方式的电力变换系统1的系统结构图。如图1所示，电力变换系统1是并联连接有多个电力变换装置4的系统并网(grid interconnection)式系统。多个电力变换装置4各自的输出侧经由并联合流点P合流。在并联合流点P与电力系统2之间有上位变压器3。
多个电力变换装置4分别具备将直流变换为交流的电力变换电路4a和连接在电力变换电路4a的输出侧的交流滤波电路4b。有关实施方式的电力变换电路4a作为一例是电压控制型三相逆变器电路。
在多个电力变换装置4各自的输入侧设有分布式电源5。分布式电源5是直流电源。电力变换装置4将来自分布式电源5的直流电力变换为交流电力，将该交流电力向电力系统2侧输出。
作为分布式电源5，可以适当使用下述的各种电源。例如，分布式电源5既可以是发电设备，也可以是电池设备。例如，电池设备也可以是包括能够控制充电及放电的二次电池(即蓄电池)的蓄电池设备。例如，电池设备也可以是通过电化学反应从燃料的化学能量产生电力的燃料电池设备。例如，发电设备也可以是所谓可再生能源发电设备。可再生能源发电设备也可以是太阳能发电设备。或者，可再生能源发电设备也可以是包括风力发电机和将该风力发电机的输出变换为直流电力的变换器装置的风力发电设备。
电力变换系统1中包括的多个分布式电源5也可以是相互同种类的电源。或者，多个分布式电源5也可以是相互不同种类的电源。即，也可以是，一部分的分布式电源5是上述的各种电源中的第一种电源，其余的分布式电源5是上述的各种电源中的第二种电源。
交流滤波电路4b具备第一滤波电抗器L1、交流滤波电容器C1、第二滤波电抗器L2和电阻R。交流滤波电路4b是第一滤波电抗器L1和交流滤波电容器C1以L型连接的LC低通滤波器。第二滤波电抗器L2与交流滤波电容器C1串联连接。电阻R和交流滤波电容器C1及第二滤波电抗器L2一起构成串联电路。
具体而言，第一滤波电抗器L1的一端与电力变换电路4a的输出侧连接。第一滤波电抗器L1的另一端与电阻R的一端连接。第二滤波电抗器L2的一端与电阻R的另一端连接。第二滤波电抗器L2的另一端与交流滤波电容器C1的一端连接。通过将电阻R、第二滤波电抗器L2和交流滤波电容器C1依次串联连接，构成RLC串联电路。
在实施方式中，在并联合流点P与交流滤波电路4b之间没有设置并网电抗器或并网变压器等。这是因为，在实施方式中，由于电阻R作为阻尼电阻R发挥功能，所以也可以将并网电抗器等的阻尼元件部件省略。结果，能够削减部件个数。
如实施方式那样并联连接有多个电力变换装置4的电力变换系统1有在将各个电力变换装置4抑制为小容量或中容量的同时能够处置大电力的优点。有时尽管将小容量或中容量的电力变换装置4并联连接的个数增加、与配置一个或少量大容量的电力变换装置4的情况相比也能得到成本优势等。
在图1中，作为在电力变换系统1中流动的电流，图示了基波电流I1、纹波电流I2和谐振电流I3。基波电流I1是从电力变换电路4a输出的交流的主电流。纹波电流I2是伴随着电力变换电路4a的开关(switching)而发生的高频电流。在并联连接有多个电力变换装置的情况下，有可能在一个电力变换装置与其他电力变换装置之间发生起因于交流滤波电路元件的谐振的电流。为了方便，将起因于该谐振的电流记作谐振电流I3。
图2是用来说明有关实施方式的电力变换系统1的交流滤波电路4b的图。图2是用来说明三相交流系统中的交流滤波电路4b的结构的图。在实施方式中，由于电力变换电路4a是三相逆变器电路，所以在UVW三相联结线的各自中设有交流滤波电路4b。但是，在作为变形例，电力变换电路4a是单相或二相逆变器电路等的情况下，图2的三相联结线被削减为一相或二相。在此情况下，只要对应于被削减的联结线的数量将交流滤波电路4b也省略即可。
根据上述电力变换系统1，在L型LC低通滤波器的交流滤波电容器C1上串联连接第二滤波电抗器L2。由于在第二滤波电抗器L2中不流过基波电流I1，所以即使是小型的电抗器也能够满足要求性能。因而，在充分确保将纹波电流I2滤波的要求性能的同时，能够使用来构成交流滤波电路4b的电感部件及电容部件小型化。另一方面，由于设在交流滤波电路4b中的电阻R作为阻尼元件发挥作用，所以即使是L型LC低通滤波器，也能够抑制多个电力变换装置4之间的谐振电流I3。因而，能够兼顾交流滤波电路4b的小型化和谐振电流I3的抑制。通过使用小型的电路部件，还能够节约成本。
图3是用来说明有关实施方式的电力变换系统1的交流滤波电路4b具有的频率特性的曲线图。在图3的频率特性曲线图中，图示了交流滤波电路4b的增益特性A1。增益特性A1包括低频侧部分pa1、极大值pa2、中间部分pa3、极小值pa4、拐点pa5和高频侧部分pa6。
低频侧部分pa1设在低频侧，是对应于频率的增大而增益平缓地下降的部分。极大值pa2存在于比低频侧部分pa1靠高频侧，是向曲线图上方尖锐的部分。中间部分pa3是在极大值pa2的高频侧对应于频率增大而增益急剧地下降的部分。极小值pa4是中间部分pa3的下端。拐点pa5是从极小值pa4急剧地上升而其变化率从正变为负的点。高频侧部分pa6是在比拐点pa5靠高频侧对应于频率增大而增益平缓地下降的部分。
在图3中，记载有与极大值pa2对应的第一频率f1以及与极小值pa4对应的第二频率f2。第二频率f2通过由第二滤波电抗器L2和交流滤波电容器C1构成的LC串联电路的谐振频率fo决定。谐振频率fo基于第二滤波电抗器L2的电感值和交流滤波电容器C1的电容值决定。
谐振频率fo优选的是与电力变换电路4a中的载波频率fc相等。载波频率fc是根据电力变换电路4a的开关控制参数而决定的频率。通过使谐振频率fo与载波频率fc一致，在使用低电感及低电容的部件的L型的LC低通滤波器中，能够确保与T型的LC低通交流滤波电路同等的增益。
一边参照图4～图6的比较例一边对实施方式的效果进行说明。图4是有关比较例的电力变换系统1的系统结构图。图5及图6是用来说明有关比较例的交流滤波电路40b具有的频率特性的曲线图。在图5及图6中图示了交流滤波电路40b的增益特性B1，也图示了其极大值pb1。
在图4所示的比较例中，交流滤波电路40b是T型LC低通滤波器。T型LC低通滤波器换言之也可以是电抗器和电容器以LCL的顺序连接的LCL低通滤波器。
有关比较例的交流滤波电路40b具有下述这样的缺点。电力变换电路4a的基波电流I1及伴随着电力变换电路4a的开关的纹波电流I2通过第一滤波电抗器L11。因此，第一滤波电抗器L11的体积成为大型。
仅电力变换电路4a的基波电流I1通过第二滤波电抗器L12。虽然第二滤波电抗器L12的铁芯的体积比第一滤波电抗器L11的铁芯的体积小，但第二滤波电抗器L12的绕线需要与第一滤波电抗器L11的绕线对应的截面积。
交流滤波电容器C0将伴随着电力变换电路4a的开关的纹波电流I2的量吸收。因此，作为电容值，以电力变换装置4的电容为基数需要几个百分点。进而，从控制的观点来说，还有因为需要在电力变换电路4a的交流输出端将交流滤波电容器电容的量补偿，所以成为输出多余的无功功率的缺点。
相对于此，在有关实施方式的交流滤波电路4b中，选定第二滤波电抗器L2及交流滤波电容器C1，以使谐振频率fo成为与电力变换电路4a的载波频率fc对应的值。
若将图3的实施方式的曲线图与图5的比较例曲线图比较，则在相同的载波频率fc下增益为相同的值(即-35dB)，能得到同等的滤波性能。为了实现有关图5的比较例曲线图的频率特性，与构成实施方式的交流滤波电路4b的部件的电感值及电容值相比，需要增大构成交流滤波电路40b的部件的电感值及电容值。
具体而言，实现图5的特性的比较例的第一滤波电抗器L11的电感值相比实施方式的第一滤波电抗器L1大到1.33倍左右。进而，实现图5的特性的比较例的交流滤波电容器C0的电容值相比实施方式的交流滤波电容器C1大到6倍左右。结果，在有关比较例的交流滤波电路40b中，有与有关实施方式的交流滤波电路4b相比构成部件大型化的问题。
关于这一点，根据实施方式，即使使交流滤波电路4b的电感值及电容值相比比较例变小，也能够得到同等的滤波性能(即-35dB)。即，根据实施方式，能够将第一滤波电抗器L1的电感值减小到第一滤波电抗器L11的约1.33分之1。
此外，代替比较例中没有第二滤波电抗器L12，在实施方式中作为谐振用电抗器而需要第二滤波电抗器L2。但是，通过第二滤波电抗器L2的电流仅是纹波电流I2。由于纹波电流I2与基波电流I1相比充分小，所以有第二滤波电抗器L2的体积为小型就足够的优点。
此外，根据实施方式，能够将交流滤波电容器C1的电容值减小至交流滤波电容器C0的约6分之1。因而，作为交流滤波电容器C1可以使用小型电容器。通过如上述那样使用小型电路部件，可以期待因用品体积的减小带来的成本节约效果，并且还可以期待因能够削减电路部件的个数带来的成本节约效果。
如以上说明那样，根据对L型LC低通滤波器加上第二滤波电抗器L2的交流滤波电路4b的结构，与作为T型LC低通滤波器的比较例的交流滤波电路40b相比，能够使用低电感部件及低电容部件形成同等的滤波性能。
但是，有关实施方式的交流滤波电路4b不具有在比较例的T型LC低通滤波器中包含的后段的第二滤波电抗器L12。结果，不能如比较例的交流滤波电路40b那样，使后段的第二滤波电抗器L12作为阻尼元件发挥作用。但是，在实施方式中，通过对交流滤波电路4b追加的电阻R作为阻尼元件发挥作用，能够抑制在多个电力变换装置4的输出侧流动的谐振电流I3。
作为阻尼元件的电阻R由于是用于减小并联间往来的谐振电流I3，所以也可以不使用大型的电阻部件。因而，能够兼顾交流滤波电路4b的小型化和谐振电流I3的抑制。此外，作为控制，由于能够减小交流滤波电容器C1的电容，所以有也能够减小补偿用无功功率的优点。
另外，图6是关于比较例的第二频率特性曲线图。图6表示将第一滤波电抗器L11和第一滤波电抗器L1设为相同的电感值、将交流滤波电容器C0和交流滤波电容器C1设为相同的电容值的情况下的频率特性。若将图6的比较例曲线图与图3的实施方式的曲线图比较，则在图6的比较例曲线图中由于载波频率fc下的增益为-5dB附近，所以与图3的实施方式的曲线图相比，滤波性能变差。
对实施方式的变形例进行说明。也可以提供载波频率fc与谐振频率fo不完全一致的变形例。如使用图3和图5说明那样，根据实施方式，能够将第一滤波电抗器L1的电感值减小至比较例的1.33分之1，能够将交流滤波电容器C1的电容值减小至比较例的6分之1。只要是关于电感值和电容值的至少一方能得到削减效果的范围，也可以在载波频率fc与谐振频率fo之间有偏差。只要谐振频率fo位于载波频率fc的某种程度附近即可。
通过调节第二滤波电抗器L2的电感值和交流滤波电容器C1的电容值，能够调节频率轴上的载波频率fc和谐振频率fo的偏差。
关于电阻R也能够进行各种各样的变形。电阻R可以使用公知的各种各样的电阻部件。电阻R也可以是能够流过大电流的大电流用电阻，但设置所需以上的大型的电阻并不是优选的。作为一例，在纹波电流I2的大小与基波电流I1的大小相比是10分之1以下的情况下，电阻R只要具有能承受流过基波电流I1的10分之1以下的电流的程度的耐电流标准即可。电阻R优选的是构成为，抑制流过纹波电流I2时的发热。例如，电阻R优选的是构成为具有抑制与电流对应的发热量的构造。电阻R也可以是设置有散热机构或冷却机构的电阻部件。
电阻R也可以如图2所例示那样通过将多个电阻部件并联连接而构成。但是，作为变形例，也可以仅由一个电阻部件构成电阻R。或者，也可以通过将多个电阻部件串联连接或串并联连接来构成电阻R。
电阻R也可以是无感电阻器。所谓的无感电阻器，是寄生电感被大幅地抑制的电阻器。无感电阻器以被称作“无感卷绕”的卷绕方式构成。“无感卷绕”是将两根电阻线以卷绕方向相反的方式卷绕的构造。如果匝数相同、流过的电流也相同，则产生的磁场是大小相同且朝向相反。结果，通过将磁场抵消而能够减小电感。
作为无感电阻器的一例，也可以使用例如在日本特开2010－109256号公报等中记载的公知的电阻。无感电阻器构成为，在通电时不出现感应成分(不具有电感)。作为这种无感电阻器，有绕线型和固体型。绕线型的无感电阻器也可以构成为，通过将“一个绕线的卷绕方式”和“邻接的绕线的卷绕方式”设为相互不同，使得由上述一个绕线和邻接的绕线产生的磁场(磁通量)相互抵消。绕线型的无感电阻器也可以构成为，通过将“一个区间的绕线的卷绕方式”和“邻接的区间的绕线的卷绕方式”设为相互不同，使得由一个区间的绕线和邻接的区间的绕线产生的磁场(磁通量)相互抵消。通过这样的卷绕方式，能够减小感应成分，使实际上的电感成为变为很小。此外，固体型的无感电阻器构成为，将作为电阻体的碳覆膜及金属膜等的固体自身的形状构成为圆筒或宽度较宽的薄型。由此，能够减小感应成分。
作为无感电阻器的另一例，也可以使用在日本特开2001－143915号公报等中记载的公知的电阻。无感型电阻器也可以形成为，将电阻绕线折回卷绕、或在绝缘物平板上使电阻覆膜成为锯齿形。另一方面，作为固定电阻器，绕线型、碳覆膜型，金属覆膜型、固态型及芯片型等已被实用化。由于只要是与通常的电阻器相比电感量足够小就被称作无感型电阻器而使用，所以也可以将通常不形成线圈状的电路的固态型及芯片型作为无感型电阻器。
作为无感电阻器的又一例，也可以使用在日本实公平6－32642号公报等中记载的公知的电阻。作为圆棒型的无感电阻器，也可以使用金属电阻及陶瓷电阻等。此外作为平型的无感电阻器，也可以使用金属薄膜电阻及艾尔顿—佩里绕组(Ayrton-Perry winding)电阻等。
电阻R也可以是板状电阻体。作为板状电阻体，也可以使用在日本特开2010－287842号公报等中记载的公知的板状电阻体。也可以使用将具有在两端设有电极部的板状电阻部的电阻体、将该电阻体绝缘的绝缘板及散热板层叠而成的大功率无感电阻器。绝缘板也可以是层叠于电阻体的电阻部的两表面上的一对陶瓷基板。
不限于上述情况，也可以使用多种多样的大电流用电阻器作为电阻R。
例如，也可以使用在日本特开2017－162948号公报等中记载的公知的电阻。在电源电路及电力变换电路等的高电压大电流领域，也可以使用水泥电阻器或珐琅电阻器。水泥电阻器也可以是将绕线型或氧化金属覆膜的电阻单元装入到陶瓷制的壳体中、用硅类的树脂(水泥)封固的结构。珐琅电阻器或者也可以是在由磁器构成的筒管上卷绕电阻线并用珐琅覆盖的结构。
例如，也可以使用在日本特开2002－175901号公报等中记载的公知的电阻。在安装有逆变器或IGBT元件等的功率模块等的电力变换机中，为了精度良好地检测几A～400A左右的大电流而使用0.1mΩ～100mΩ左右的高精度的电气用电阻器。电力变换机因为是大电流，所以由电阻器产生的功率也较大，需要散热。作为该散热的机构，也可以使用将电阻用合金板和散热用金属板隔着树脂绝缘层层叠多个的构造的电阻器。在电阻用合金中，为了精度良好地检测电流，也可以使用电阻率较大的铜锰类合金、铜锰镍类合金或铜镍类合金。作为这样的铜锰镍类合金，例如也可以是铜锰镍合金(Manganin)。此外，作为铜镍类合金，除了康铜(constantan)等以外也可以是还含有少量的Mn、Fe、Si的材料。
电阻R的电阻值例如也可以是10mΩ以下。电阻R的电阻值例如也可以是1mΩ～20mΩ，也可以是1mΩ～15mΩ，也可以是1mΩ～10mΩ。或者，电阻R的电阻值也可以是5mΩ～20mΩ，也可以是10mΩ～20mΩ，也可以是15mΩ～20mΩ。或者，电阻R的电阻值也可以是5mΩ～15mΩ，也可以是5mΩ～10mΩ。
标号说明
1电力变换系统；2电力系统；3上位变压器；4电力变换装置；4a电力变换电路；4b交流滤波电路；5分布式电源；40b交流滤波电路；A1增益特性；C0、C1交流滤波电容器；fc载波频率；fo谐振频率；I1基波电流；I2纹波电流；I3谐振电流；L1、L11第一滤波电抗器；L12、L2第二滤波电抗器；P并联合流点；R电阻(阻尼电阻)。
Claims (6)
1.一种电力变换系统，并联连接有多个电力变换装置，其特征在于，
上述多个电力变换装置分别具备：
电力变换电路，将直流变换为交流；以及
交流滤波电路，与上述电力变换电路的输出侧连接；
上述交流滤波电路是由第一滤波电抗器和串联电路构成的LC低通滤波器，上述第一滤波电抗器的第一端与上述电力变换电路的输出侧连接且第二端与电力系统连接，上述串联电路是交流滤波电容器与第二滤波电抗器和电阻串联连接而成的，上述串联电路的一端连接至上述第一滤波电抗器的上述第二端从而构成上述LC低通滤波器，上述电阻是无感电阻器，并且抑制流过纹波电流时的发热，其中上述纹波电流是伴随着上述电力变换电路的开关而发生的高频电流。
2.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于，
由上述第二滤波电抗器和上述交流滤波电容器构成的LC串联电路的谐振频率与上述电力变换电路的载波频率相等。
3.如权利要求1或2所述的电力变换系统，其特征在于，
上述电阻通过将多个电阻部件并联连接而构成。
4.如权利要求1或2所述的电力变换系统，其特征在于，
上述电阻是由具有在两端设有电极部的板状电阻部的电阻体、将该电阻体绝缘的绝缘板、及散热板层叠而成的大功率无感电阻器。
5.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于，
上述多个电力变换装置通过并联合流点与上述电力系统并联连接；
上述交流滤波电路和上述并联合流点不经由并网电抗器或者并网变压器而连接。
6.如权利要求1所述的电力变换系统，其特征在于，
上述交流滤波电路具备包含低频部分、高频部分、上述低频部分和上述高频部分之间的中间部分的增益特性；
上述增益特性在上述低频部分和上述中间部分之间具备极大值，并且在上述中间部分和上述高频部分之间具备极小值。
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