CN113497562A - 功率转换装置及其控制方法 - Google Patents

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CN113497562A CN202110270579.3A CN202110270579A CN113497562A CN 113497562 A CN113497562 A CN 113497562A CN 202110270579 A CN202110270579 A CN 202110270579A CN 113497562 A CN113497562 A CN 113497562A
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Abstract

本发明提供一种功率转换装置，能以Y接线方式连接到电力系统，能补偿反相功率。功率转换装置将直流电转换为三相交流电，或将三相交流电转换为直流电，其包括：簇，该簇是针对各个相中的每一相由至少1个转换器单元构成的簇，所述转换器单元的直流侧的端子并联连接，所述转换器单元的交流侧的端子以星形接线方式连接到电力系统；以及相间功率控制部，该相间功率控制部根据所述电力系统侧的反相功率将各相的所述簇的直流电设为不均等。

Description

功率转换装置及其控制方法
技术领域
本发明涉及功率转换装置及其控制方法，更详细而言，涉及将所输入的直流电转换为三相的商用交流电并输出的功率转换装置及其控制方法。
背景技术
连接到高压和特高压的电力系统的设备中，电力系统的高电压(例如，3.3kV或6.6kV)被施加到半导体开关。高耐压的半导体开关成本较高、损耗也较大，因此，有时使用利用了低耐压的半导体开关的多单元功率转换装置。
多单元功率转换装置具备多个转换器单元，该转换器单元由使用了低耐压的半导体元件的转换电路(例如，单相双电平全桥逆变器等)所构成，通过将各个转换器单元的输出端子串联连接，从而能使用低耐压的半导体开关等元器件。因此，与由单个转换器单元、高耐压的半导体开关所构成的功率转换装置相比，能削减制造成本(例如，参照专利文献1)。
作为多单元功率转换装置的应用例，已知有太阳能发电装置的PCS(PowerConditioning System：功率调节系统)，其利用绝缘DC/DC转换器和单相逆变器构成转换单元，能使变压器大幅小型化、轻量化。PCS不仅能将从太阳能发电面板输出的直流电转换为商用交流电，也能与电力系统(高压或特高压)进行并网。在并网的情况下，即使发生瞬时电压下降，也有义务持续运转。然而，在因单相短路、两相短路等而导致电力系统的电压瞬时下降到不平衡的情况下，在瞬时电压下降的期间中，根据功率转换装置的输出电流，有时流过反相电力。例如，在电力系统变得不平衡的情况下，如果到系统的输出电流保持三相平衡，则各相的电力变得不平衡，因此，需要反相电力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6496608号公报
专利文献2：日本专利第5537235号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
图1中，示出在电力系统的电压为三相不平衡的状态下从功率转换装置流过三相平衡电流时的输出功率。作为一个示例，对在电力系统的电压为三相不平衡的状态(图1(a))下输出三相平衡的交流电流(图1(d))的情况进行说明。
将电力系统的电压的相旋转为正方向的电压分量(图1(b))设为：
[数学式1]
Figure BDA0002974198380000021
将相旋转为反方向的电压分量(图1(c))设为：
[数学式2]
Figure BDA0002974198380000022
前者是对象坐标上的正相电压，后者是反向电压。这里，设为对象坐标上没有零相电压。作为流过电力系统的三相平衡的交流电流(图1(d)，仅正相分量)，
[数学式3]
Figure BDA0002974198380000031
如上述数学式3那样。
输出到电力系统的电力的平衡部分即正相功率(图1(e))为正相电压与正向电流之积，与此相对，不平衡部分即反向功率(图1(f))为反相电压与正相电流之积(以及正相电压与反相电流之积)。该情况下，流入电力系统的电力成为在正向功率以外还包含反向功率的波形(图1(g))。
为了不使该反相功率产生，如果将三相电流设为不平衡以使得各相的输出功率变得平衡，则因电压下降和电压不平衡率而成为过电流，有可能对电力系统侧的设备带来影响。因此，若考虑过电流的问题，则优选为使三相平衡电流流过。
图2中，示出现有的多单元功率转换装置的简要的结构。多单元功率转换装置10中，对于U、V、W相中的每一相，具备由多个转换器单元构成的簇11U、11V、11W。各簇的输入端子并联连接，并连接到太阳能发电装置、蓄电池等直流电源。各簇的输出端子以Y接线(星形接线)方式连接到电力系统14。各个转换器单元中，绝缘DC/DC转换器即直流-直流转换器12、单相逆变器即直流-交流转换器13进行级联。各个转换器单元的输入端子并联连接，输出端子串联连接，并连接到电力系统14的1个相。
在多单元功率转换装置10输出反相功率的情况下，向各簇的输入功率均等地流入(例如，200kW)，与此相对，来自各簇的输出功率变得不平衡，因此(正相功率与反相功率之和)、各簇的输入输出功率的平均值产生不一致。由该输入输出功率的差分对各转换器单元的电容器进行充放电。若输入输出功率的差分的平均为0，则电容器电压成为包含因功率脉动而引起的纹波的恒定的值。然而，在输入输出功率的差分的平均不为0的情况下，即、输入功率平均值与输出功率平均值不一致的情况下，各簇中所包含的转换器单元的电容器电压持续上升或下降。
因此，已知如下情况：以Δ接线(delta接线)方式来将各簇的输出端子连接到电力系统，并利用循环电流来补偿反相功率(例如，参照专利文献2)。然而，Δ接线方式的情况下，电力系统14的线间电压(例如UV相间)被施加到串联连接的转换器单元，与此相对，Y接线方式下，电力系统14的相电压(例如U相)被施加到串联连接的转换器单元。因此，若将转换器单元的级数设为相同，则与Y接线方式相比，Δ接线方式的施加电压成为31/2倍，针对适用元件所要求的耐压变高，存在导致装置成本增加的问题。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明的目的在于提供一种功率转换装置及其控制方法，能以Y接线方式连接到电力系统，并能对反相功率进行补偿。
为了达到上述目的，本发明的一个实施方式是将直流电转换为三相交流电、或将三相交流电转换为直流电的功率转换装置，其特征在于，包括：簇，该簇是针对各个相的每一相由至少1个转换器单元构成的簇，所述转换器单元的直流侧的端子并联连接，所述转换器单元的交流侧的端子以星形接线方式连接到电力系统；以及相间功率控制部，该相间功率控制部根据所述电力系统侧的反相功率将各相的所述簇的直流电设为不均等。
发明效果
根据本发明，以Y接线方式连接到电力系统，并对针对各簇的直流侧的输入功率添加不平衡部分，由此，能补偿反相功率，而不引起各转换器单元的电容器电压的持续上升或减少，因此能保持功率转换装置的可靠性并降低成本。
附图说明
图1是示出在电力系统的电压为三相不平衡的状态下从功率转换装置流过三相平衡电流时的输出功率的图。
图2是示出现有的多单元功率转换装置的简要的结构的图。
图3是示出本发明的一个实施方式所涉及的多单元功率转换装置的图。
图4是示出本实施方式的多单元功率转换装置的控制系统的图。
图5是示出本实施方式的正相反相分离部的结构的图。
图6是示出实施方式1所涉及的相间功率控制部的结构的图。
图7是示出实施方式2所涉及的相间功率控制部的结构的图。
图8是示出实施方式3所涉及的相间功率控制部的结构的图。
图9是示出实施方式4所涉及的相间功率控制部的结构的图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(多单元功率转换装置)
图3中，示出本发明的一个实施方式所涉及的多单元功率转换装置。多单元功率转换装置20中，对于U、V、W相中的每一相，具备由多个转换器单元构成的簇21U、21V、21W。各簇的直流侧的输入端子并联连接，并连接到太阳能发电装置、蓄电池等直流电源。各簇的交流侧的输出端子以Y接线方式连接到电力系统24。各个转换器单元中，绝缘DC/DC转换器即直流-直流转换器22、单相逆变器即直流-交流转换器23进行级联。各个转换器单元的直流侧的输入端子并联连接，交流侧的输出端子串联连接，并连接到电力系统24的1个相。本实施方式中，以直流侧为输入、交流侧为输出来进行说明，但蓄电池也能连接到直流侧，也能将功率从交流侧的电力系统传输到直流侧。
直流-直流转换器22构成为包括：将直流电转换为高频的交流电的逆变器电路IN1；将该交流电输出转换成规定的交流电压的高频变压器T；以及由将转换得到的交流电转换为规定电压的直流电的晶体管所构成的转换器电路CN1。经由用于对该直流电输出进行滤波的电容器C1连接有直流-交流转换器23。直流-交流转换器23由逆变器电路IN2构成，该逆变器电路IN2由将直流电转换为交流电的晶体管桥所构成。
本实施方式中，在来自各簇的输出功率变得不平衡(正相功率与反相功率之和)的情况下，根据交流侧的反相功率来调整各簇的直流侧的输入功率的分配。输入功率的分配仅在簇间调整，针对相同簇中所包含的转换器单元的输入功率均等地进行分配。
这里，在下面示出电力系统的正相电压、反相电压、正相电流和反相电流。
[数学式4]
Figure BDA0002974198380000061
Figure BDA0002974198380000062
Figure BDA0002974198380000063
Figure BDA0002974198380000064
此时，各相的正相功率成为：
[数学式5]
Figure BDA0002974198380000071
Figure BDA0002974198380000072
Figure BDA0002974198380000073
各相的反相功率成为如下所示那样。
[数学式6]
Figure BDA0002974198380000074
Figure BDA0002974198380000075
例如，若设为：
[数学式7]
正相电压振幅
Figure BDA0002974198380000076
(线间电压换算
Figure BDA0002974198380000077
)
逆相电压振幅
Figure BDA0002974198380000078
正相电流振幅
Figure BDA0002974198380000079
逆相电流振幅IN0＝0[A]
则各相的正相功率与反相功率成为如下那样。
[数学式8]
Figure BDA0002974198380000081
Figure BDA0002974198380000082
Figure BDA0002974198380000083
Figure BDA0002974198380000084
Figure BDA0002974198380000085
Figure BDA0002974198380000086
如图3所示，对向各簇的直流侧的输入功率添加不平衡部分，由此，各簇的输入功率的平均值与输出功率的平均值相一致，能够对反相功率进行补偿。此外，各簇的输入功率的平均值与输出功率的平均值相一致，因此，各簇中所包含的转换器单元的电容器电压被保持为恒定。
图4中，示出本实施方式的多单元功率转换装置的控制系统。为了调整各簇的输入功率的分配，多单元功率转换装置20包括相间功率控制部31和正相反相分离部32。正相反相分离部32根据系统电压与系统电流的测定结果，将式(1)所示的正相电压、反相电压、正相电流、反相电流分离。相间功率控制部31根据正相反相分离部32的输出求出各簇的反相功率(式(3))，并根据反相功率和直流总线电压来求出各簇的电流校正值。来自控制部33的电流指令被均等地送出到各簇，对其添加来自相间功率控制部31的电流校正值，以调整针对各簇的输入功率。
图5中，示出本实施方式的正相反相分离部的结构。将测定出的系统电压与系统电流分别从abc相转换到dq轴，将正相部分与反相部分分离，并计算正相电压、反相电压、正相电流和反相电流。
(实施方式1)
图6中，示出实施方式1所涉及的相间功率控制部的结构。相间功率控制部31将正相反相分离部32的输出即正相电流与反相电压相乘，将反相电流与正相电压相乘，并将2个相乘结果相加，以对U、V、W相中的每一相计算式(3)的反相功率PUN、PVN、PWN。将该反相功率除以直流侧的端子间电压即直流总线电压的测定结果，来计算提供给各簇21U、21V、21W的电流指令的电流校正值。电流校正值相当于施加到图3所示的输入功率的不平衡部分。
来自多单元功率转换装置的控制部33的电流指令被均等地分配到各簇。对提供给该各簇的电流指令分别添加电流校正值，由此来对各簇的输入功率添加与反相功率相对应的不平衡部分。
(实施方式2)
图7中，示出实施方式2所涉及的相间功率控制部的结构。式(1)中的反相功率都包含振动分量(30kW×cos2ωt)，因此，在振动分量去除部34中，也能将利用下式
[数学式9]
Figure BDA0002974198380000091
所求出的振动分量从添加到各簇的电流校正值中减去。
(实施方式3)
图8中，示出实施方式3所涉及的相间功率控制部的结构。实施方式1和实施方式2中，对针对直流-直流转换器22的电流指令添加校正值，对输入功率添加不平衡部分，由此来补偿反相功率。实施方式3中，在针对直流-交流转换器23的反馈控制中，对提供给各簇21U、21V、21W的电压指令添加校正值。
控制部41测定直流-交流转换器23的各转换器单元的滤波电容器C1的端子间电压，并基于所有单元的电容器电压的平均值来计算电压指令。电压指令被均等地分配给各簇，并对该电压指令分别添加电流校正值来调整各簇的输入功率。另外，也能基于各簇(各相)的电容器电压的平均值、即相平均值来计算相电压指令，并进行级间平衡控制，以计算针对各簇的单元电压指令。此时，分别对每个簇的单元电压指令中的每个添加上述电流校正值。
此外，实施方式3中，在相间平衡控制部42中，进行使相平均值接近所有单元平均值的相间平衡控制。相间平衡控制是用于校正各簇、各转换器中的电容的偏差、检测误差、伴随开关的电容器电压的变动的控制。
另一方面，相间功率控制部31所进行的控制是前馈控制，并根据直流-交流转换器23要输出的反相功率从直流-直流转换器22提供相当于反相功率的量的功率。按每个簇来看，由直流-直流转换器22提供的平均功率与由直流-交流转换器23提供的平均功率一致，电容器电压变为恒定，因此，能分别控制相间功率控制和相间平衡控制。
(实施方式4)
图9中，示出实施方式4所涉及的相间功率控制部的结构。实施方式3中，控制部41测定直流-交流转换器23的各转换器单元的滤波电容器C1的端子间电压，进行反馈控制，送出针对各簇的单元电压指令，并在相间平衡控制部42中，进行使相平均值接近所有单元平均值的相间平衡控制。
实施方式4中，使用该相间平衡控制，对各簇的输入功率添加与反相功率相对应的不平衡部分。即，对提供给各簇的电流指令分别添加电流校正值，以抑制伴随着反相功率的滤波电容器C1的变动。相间平衡控制部51中，根据滤波电容器C1的端子间电压的相平均值和所有单元平均值来计算电流校正值，由此来使由直流-直流转换器22提供的平均功率与由直流-交流转换器23提供的平均功率相一致。由此，能补偿反相功率，而不引起各转换器单元的电容器电压的持续上升或减少。
相间平衡控制部51根据伴随着反相功率的电容器电压变动来间接地求出分配给各相的功率，因此，能兼顾相间功率控制部31所进行的控制。然而，由于基于PI控制，因此有可能无法追踪系统电压的瞬时电压下降等外部干扰的瞬间变化，但能应对稳定的变动。
根据本实施方式，针对U、V、W相中的每一相，具备由至少1个转换器单元构成的簇，在并联连接有转换器单元的直流侧的端子的功率转换装置中，能以Y接线方式将转换器单元的交流侧的端子连接到电力系统，能维持滤波电容器的端子间电压并输出反相功率，因此，能保持功率转换装置的可靠性并降低成本。
(其它实施方式)
实施方式1～3中，作为直流-直流转换器22，以DAB(Dual Active Bridge：双有源桥)转换器为例进行了说明，但是也可以应用LLC转换器。
本实施方式中，对适用于PCS那样的、将所输入的直流电转换为交流电并输出的功率转换装置进行了说明。显然能进行双向功率转换，因此，例如，也能适用于提供从高压的系统交流电源(6600V)提供给通信设备室内的通信设备的直流电(-48V)的功率转换装置。
标号说明
10、20 多单元功率转换装置
11U、11V、11W、21U、21V、21W 簇
12、22 直流-直流转换器
13、23 直流-交流转换器
14、24 电力系统
31 相间功率控制部
32 正相反相分离部
33、41 控制部
34 振动分量去除部
42、51 相间平衡控制部
CN1、CN2 转换器电路
IN1、IN2 逆变器电路
C1、C2、C3 电容器Ca
T 高频变压器。

Claims (7)

1.一种功率转换装置，
该功率转换装置将直流电转换为三相交流电或将三相交流电转换为直流电，所述功率转换装置的特征在于，包括：
簇，该簇是针对各个相中的每一相由至少1个转换器单元构成的簇，所述转换器单元的直流侧的端子并联连接，所述转换器单元的交流侧的端子以星形接线方式连接到电力系统；以及
相间功率控制部，该相间功率控制部根据所述电力系统侧的反相功率将各相的所述簇的直流电设为不均等。
2.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
包括正相反相分离部，该正相反相分离部测定所述电力系统的系统电压和系统电流，并计算正相电压、反相电压、正相电流和反相电流，
所述相间功率控制部根据所述正相电压、所述反相电压、所述正相电流和所述反相电流来计算所述反相功率，将所述反相功率除以直流侧的端子间电压来计算电流校正值并添加到针对各相的所述簇的电流指令。
3.如权利要求2所述的功率转换装置，其特征在于，
还包括振动分量去除部，该振动分量去除部将所述反相功率的振动分量从所述电流校正值中减去。
4.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，还包括：
对所述转换器单元的直流电压的进行测定的单元；以及
相间平衡控制部，该相间平衡控制部进行使所述簇内的所述转换器单元的直流电压的相平均值接近所有所述转换器单元的直流电压的所有单元平均值的控制。
5.如权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，
还包括对所述转换器单元的直流电压进行测定的单元，
所述相间功率控制部根据所测定出的直流电压来计算电流校正值并添加到针对各相的所述簇的电流指令。
6.一种功率转换装置的控制方法，
该功率转换装置将直流电转换为三相交流电或将三相交流电转换为直流电，并包含簇，该簇针对各个相中的每一相包含至少1个转换器单元，所述转换器单元的直流侧的端子并联连接，所述转换器单元的交流侧的端子以星形接线方式连接到电力系统，所述功率转换装置的控制方法的特征在于，包括：
测定所述电力系统的系统电压和系统电流并计算反相功率的步骤；
根据所述反相功率来计算相当于各相的所述簇的直流电的不均等部分的电流校正值的步骤；以及
对针对各相的所述簇的电流指令添加所述电流校正值的步骤。
7.如权利要求6所述的功率转换装置的控制方法，其特征在于，
还包括将所述反相功率的振动分量从所述电流校正值中减去的振动分量去除步骤。
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