JP2012222854A - Power conversion system - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、例えば分散電源を商用電源系に連係するパワーコンディショナ等に用いられる電力変換装置に関し、特に複数のインバータを組み合せて、階調制御により所望の出力波形を得る電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device used for a power conditioner or the like that links a distributed power supply to a commercial power supply system, and more particularly to a power conversion device that obtains a desired output waveform by gradation control by combining a plurality of inverters. is there.
従来のパワーコンディショナでは、例えばソーラパワーコンディショナに示されるように、太陽電池である分散電源からの直流電圧をチョッパ回路により昇圧し、その後段にPWM制御のインバータを挿入して出力の交流電圧を発生している。この階調制御インバータで構成される従来のパワーコンディショナの回路構成を図6により説明する。
図6において、パワーコンディショナ100には、太陽電池である直流電源10の後段に、IGBT等のスイッチング素子11、リアクトル12及びダイオード13からなる昇圧回路としてのチョッパ回路14が設けられている。チョッパ回路14は、直流電源10で得られた直流電圧を昇圧し、平滑コンデンサ15及び16を充電する。平滑コンデンサ15及び16の充電電圧は、第1のインバータ17に対する直流電源となる。
In a conventional power conditioner, for example, as shown in a solar power conditioner, a DC voltage from a distributed power source that is a solar cell is boosted by a chopper circuit, and a PWM control inverter is inserted in the subsequent stage to output an AC voltage. Is occurring. A circuit configuration of a conventional power conditioner composed of the gradation control inverter will be described with reference to FIG.
In FIG. 6, the
第1のインバータ17と第2のインバータ18、第1のインバータ17と第3のインバータ19、また、第1のインバータ17と第4のインバータ20はそれぞれ直列に接続されている。そして、第2のインバータ18、第3のインバータ19、第4のインバータ20には、それぞれ平滑コンデンサ21、22、23が設けられている。また、第2のインバータ18、第3のインバータ19、第4のインバータ20のそれぞれの出力電圧から正弦波を形成するフィルタリアクトル24、25、26とフィルタコンデンサ27、28、29が設けられており、商用電源系である交流電源30に対し、図6のように接続されている。
The
なお、第1のインバータ17は、図6に示すように、スイッチング素子T1P〜T3P、T1N〜T3Nとそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されたフライホイールダイオードにより構成され、第2のインバータ18は、スイッチング素子T11P、T12P、T13N、T14Nとそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されたフライホイールダイオードにより構成され、第3のインバータ19は、スイッチング素子T21P、T22P、T23N、T24Nとそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されたフライホイールダイオードにより構成され、また、第4のインバータ20は、スイッチング素子T31P、T32P、T33N、T34Nとそれぞれのスイッチング素子に逆並列に接続されたフライホイールダイオードにより構成されている。
As shown in FIG. 6, the
次に、第2のインバータ18、第3のインバータ19、第4のインバータ20に接続される平滑コンデンサ21、22、23の起動時の充電方法について図7、図8を用いて説明する。
平滑コンデンサ21、22、23への充電は、第1のインバータ17のスイッチング素子T1P〜T3P、T1N〜T3Nをスイッチングすることで充電動作を行う。動作としては図7と図8の状態を交互に繰り返す。
Next, a charging method at the time of starting the
The
まず、平滑コンデンサ21の充電を行う場合は、図7に示すように、スイッチング素子T1P〜T3Pをオンすると共に、スイッチング素子T11P、T14Nをオンし、また、図8に示すように、スイッチング素子T1N〜T3Nをオンすると共に、スイッチング素子T13N、T12Pをオンして平滑コンデンサ21の充電を行う。図7及び図8中の太線矢印が平滑コンデンサ21への充電経路を示している。なお、平滑コンデンサ22、23に充電を行う場合も上記と同様であるので、該平滑コンデンサ22、23の充電動作については説明を省略する。
First, when charging the
なお、上記従来のパワーコンディショナ等に用いられる階調制御インバータ構成の電力変換装置が、例えば特許文献1により開示されており、階調制御インバータの動作については、これらを参照するとして詳細説明を省略する。 Note that a power conversion device having a gradation control inverter configuration used in the above conventional power conditioner or the like is disclosed in, for example, Patent Document 1, and the operation of the gradation control inverter will be described in detail with reference to these. Omitted.
また、商用電源系と連係する蓄電装置において、初期充電回路を簡易化することを目的として、平滑用の主コンデンサを初期充電する初期充電回路を、正弦波コンバータの直流側に接続し、かつ商用電源系の複数相または複数の線間電圧に対し共用する技術が特許文献2により提案されている。 In addition, in a power storage device linked to a commercial power supply system, an initial charging circuit for initially charging a smoothing main capacitor is connected to the DC side of the sine wave converter for the purpose of simplifying the initial charging circuit and Patent Document 2 proposes a technique for sharing a plurality of phases or a plurality of line voltages of a power supply system.
上記階調制御インバータにより構成される従来のパワーコンディショナにおいては、上述のように、平滑コンデンサ21の充電を行う際の電流経路として、フィルタコンデンサ27、28、29が必要で、このフィルタコンデンサ27、28、29を介して平滑コンデンサ15と平滑コンデンサ16の中点に接続する経路が必要であった。
In the conventional power conditioner constituted by the gradation control inverter, as described above, the
また、太陽電池である直流電源10から電力を供給するため、直流電源10の出力が小さいとパワーコンディショナの起動に時間がかかっていた。
In addition, since power is supplied from the
この発明は、上記の問題点に鑑みてなされたもので、商用電源系にインバータを接続し、交流電力により平滑コンデンサの初期充電を行う電力変換装置を提供するものである。 The present invention has been made in view of the above-described problems, and provides a power converter that connects an inverter to a commercial power supply system and performs initial charging of a smoothing capacitor with AC power.
この発明に係る電力変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換する単相インバータを複数直列接続し、上記複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御し、交流電源に接続される電力変換装置において、上記複数直列接続された単相インバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、上記単相インバータと上記交流電源との間に接続される第1の開閉手段と、上記第1の開閉手段に並列接続される限流抵抗と第2の開閉手段との直列接続体と、を備え、上記交流電源から上記直列接続体を介して上記平滑コンデンサへの初期充電を行うものである。 A power converter according to the present invention includes a plurality of single-phase inverters that are connected in series to convert DC power of a DC power source into AC power, and a sum of each generated voltage by a predetermined combination selected from the plurality of single-phase inverters. In the power converter connected to the AC power supply, the output voltage is gradation controlled by the smoothing capacitor for smoothing the output voltage of the plurality of single-phase inverters connected in series, and between the single-phase inverter and the AC power supply. A first connection means connected to the first opening and closing means, and a series connection body of a current limiting resistor and a second opening and closing means connected in parallel to the first opening and closing means, and the series connection body from the AC power supply In this way, the smoothing capacitor is initially charged.
この発明に係る電力変換装置によれば、商用電源系にインバータを接続し、交流電力により平滑コンデンサの初期充電を行うことにより、直流電力で充電を行う場合に必要であったフィルタコンデンサを省略することができる。 According to the power conversion device of the present invention, an inverter is connected to the commercial power supply system, and the smoothing capacitor is initially charged with AC power, thereby omitting the filter capacitor that is necessary when charging with DC power. be able to.
以下、添付の図面を参照して、この発明に係る電力変換装置について好適な実施の形態を説明する。なお、この実施の形態により発明が限定されるものではなく、諸種の設計的変更を含むものである。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of a power conversion device according to the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Note that the present invention is not limited to this embodiment, and includes various design changes.
実施の形態1.
図1は、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置を用いたパワーコンディショナを説明する回路構成図である。図1において、符号200は実施の形態1に係る電力変換装置を用いたパワーコンディショナを示している。パワーコンディショナ200に用いられる電力変換装置は、第2のインバータ18、第3のインバータ19、第4のインバータ20のそれぞれの出力電圧から正弦波を形成するフィルタリアクトル24、25、26と、商用電源系である交流電源30の間に、第1の開閉手段であるスイッチ31〜33をそれぞれ接続すると共に、該スイッチ31〜33のそれぞれと並列に、電流制限抵抗34〜36と第2の開閉手段であるスイッチ37〜39の直列接続体で構成される充電回路40〜42を接続したものである。なお、その他の構成については図1の従来装置と同様であり、同一符号を付すことにより説明を省略する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 is a circuit configuration diagram illustrating a power conditioner using the power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 1, the code |
実施の形態1に係る電力変換装置は上記のように構成されており、次にその動作について説明する。
第2のインバータ18、第3のインバータ19、第4のインバータ20のそれぞれの平滑コンデンサ21、22、23の初期充電時は、スイッチ31〜33をオフし、限流抵抗34〜36側のスイッチ37〜39をオンする。これにより、限流抵抗34〜36によって電流を制限しながら平滑コンデンサ21〜23が充電される。
The power conversion device according to Embodiment 1 is configured as described above, and the operation thereof will be described next.
During initial charging of the
従来装置ではスイッチング素子T1P〜T3P、T1N〜T3Nをスイッチングさせて平滑コンデンサ21〜23を充電していたが、実施の形態1によれば、スイッチング素子T1P〜T3P、T1N〜T3Nの制御は不要であり、全ての素子はオフ状態のままであるため複雑な制御は不要となる。
In the conventional device, the switching capacitors T1P to T3P and T1N to T3N are switched to charge the
その際の充電電流の経路は図2、図3にそれぞれ太線矢印で示すように、それぞれのスイッチング素子のフライホイールダイオードを経路として商用電源系である交流電源30から流れ込んできて、平滑コンデンサ21〜23を順次充電して行く。そして、第2〜第4のインバータ18〜20の平滑コンデンサ21〜23の電圧が所望の電圧まで充電されたら、スイッチ37〜39をオフし、スイッチ31〜33をオンすることで、限流抵抗34〜36側には電流を流さないようにしてパワーコンディショナ200は通常動作に移行する。なお、図2、図3は第2のインバータ18の平滑コンデンサ21の充電動作について図示している。
The charging current path at that time flows from the
以上のように、実施の形態1に係る電力変換装置によれば、商用電源系である交流電源30からインバータ18〜20の平滑コンデンサ21〜23の充電用電力を得ることで、太陽電池である直流電源10から電力が供給されていない場合での充電が可能となる。その為、従来装置では太陽電池である直流電源10から電力が供給されて始めて平滑コンデンサ21〜23の充電を行い、その後でパワーコンディショナが電力変換動作を開始していたが、実施の形態1では平滑コンデンサ21〜23の充電が完了した状態で待機することが可能となり、太陽電池である直流電源10から十分な電力が供給されると即時に電力変換動作を開始することが可能となる。
As mentioned above, according to the power converter device which concerns on Embodiment 1, it is a solar cell by obtaining the electric power for charge of the smoothing capacitors 21-23 of the inverters 18-20 from the alternating
実施の形態2.
次に、実施の形態2に係る電力変換装置について説明する。図4は、実施の形態2に係る電力変換装置を用いたパワーコンディショナを説明する図である。実施の形態2に係るパワーコンディショナ300は、実施の形態1のスイッチ31〜33と充電回路40〜42を、シリコンカーバイドMOSFETで構成される双方向スイッチ素子M1、M2にしたものである。また、図4は、第2のインバータ18の平滑コンデンサ21の充電回路を図示している。なお、その他の構成は実施の形態1と同様であり、図示説明を省略する。
Embodiment 2. FIG.
Next, a power converter according to Embodiment 2 will be described. FIG. 4 is a diagram illustrating a power conditioner using the power conversion device according to the second embodiment. In the
実施の形態2に係る電力変換装置によれば、スイッチ31〜33と充電回路40〜42を、シリコンカーバイドMOSFETで構成される双方向スイッチ素子M1、M2としたので、装置の小型化、限流抵抗34〜36の省略が可能である。具体的にはスイッチ素子M1、M2のゲート・ソース間電圧によってその等価抵抗値を調整する。MOSFETは、ドレイン・ソース間電圧を一定とすると、ゲート・ソース間電圧に応じてドレイン電流を変えることができる。一般的なエンハンスメントタイプのMOSFETでは、ゲート・ソース間電圧を低くするとドレイン電流は小さくなり、ゲート・ソース間電圧を高くするとドレイン電流は大きくなる。ドレイン・ソース間電圧は一定であるから、ゲート・ソース間電圧を低くすると等価抵抗は大きくなり、ゲート・ソース間電圧を高くすると等価抵抗は小さくなる。
In the power conversion device according to the second embodiment, the
図5は、シリコンカーバイドMOSFETを等価抵抗として動作させる場合の説明図を示している。階調制御インバータの平滑コンデンサ21〜23の初期充電時には、MOSFETのゲート・ソース間電圧を低くすることで等価抵抗を大きくし、充電電流を限流する。平滑コンデンサ21〜23の充電が完了した後にゲート・ソース間電圧を高くすることで等価抵抗を小さくして電力を送電する。
FIG. 5 shows an explanatory diagram when the silicon carbide MOSFET is operated as an equivalent resistance. During the initial charging of the smoothing
以上のように、実施の形態2に係る電力変換装置によれば、シリコンカーバイドMOSFETをスイッチ素子M1、M2として用いることにより、限流抵抗34〜36とスイッチ37〜39、通常動作時に用いるスイッチ31〜33を不要とし、ゲート・ソース間電圧を変えるだけで同等の機能が実現でき装置の大幅な小型化が可能である。
As described above, according to the power conversion device according to the second embodiment, by using silicon carbide MOSFETs as the switch elements M1 and M2, the current limiting
また、この回路はシリコンカーバイドMOSFETの等価抵抗が従来のMOSFETに比べて1/10以下と非常に小さい特性により可能となる。なぜならば、電力を送電する際には大きな電流を流すことになるため、従来のMOSFETでは素子損失が非常に大きくなってしまい、パワーコンディショナの効率を大きく落としてしまうからである。 In addition, this circuit is made possible by the characteristic that the equivalent resistance of the silicon carbide MOSFET is as small as 1/10 or less than that of the conventional MOSFET. This is because a large current flows when power is transmitted, so that the element loss is very large in the conventional MOSFET, and the efficiency of the power conditioner is greatly reduced.
また、スイッチ素子の熱的な責務も非常に厳しくなるので素子の冷却機構も必要になってしまうため、従来のMOSFETでは実現が難しかった。一般的なシリコンMOSFETはチャネル温度150℃程度まで対応可能であるが、シリコンカーバイドMOSFETでは、さらに高いチャネル温度が許容されるため、実施の形態2に係る電力変換装置の用途では利点が大きい。つまり、許容されるチャネル温度が高くなれば冷却系を簡素化できるため、冷却フィンの小型化やファンの省略が可能になるため、パワーコンディショナの変換効率の向上が見込まれ、シリコンカーバイドMOSFETをスイッチ素子として用いることは非常に有効である。 In addition, since the thermal duty of the switch element becomes very strict, a cooling mechanism for the element is also required, which is difficult to realize with a conventional MOSFET. A general silicon MOSFET can cope with a channel temperature of up to about 150 ° C. However, since a silicon carbide MOSFET allows a higher channel temperature, there is a great advantage in the use of the power conversion device according to the second embodiment. In other words, since the cooling system can be simplified if the allowable channel temperature becomes high, the cooling fins can be downsized and the fan can be omitted, so that the conversion efficiency of the power conditioner is expected to be improved. Use as a switch element is very effective.
10 直流電源
11 スイッチング素子
12 リアクトル
13 ダイオード
14 チョッパ回路
15、16 平滑コンデンサ
17、18、19、20 インバータ
21、22、23 平滑コンデンサ
24、25、26 フィルタリアクトル
27、28、29 フィルタコンデンサ
30 交流電源
31、32、33、37、38、39 スイッチ
34、35、36 限流抵抗
40、41、42 充電回路
100、200、300 パワーコンディショナ
M1、M2 双方向スイッチ素子
DESCRIPTION OF
Claims (2)
上記複数直列接続された単相インバータの出力電圧を平滑する平滑コンデンサと、
上記単相インバータと上記交流電源との間に接続される第1の開閉手段と、
上記第1の開閉手段に並列接続される限流抵抗と第2の開閉手段との直列接続体と、
を備え、
上記交流電源から上記直列接続体を介して上記平滑コンデンサへの初期充電を行うことを特徴とする電力変換装置。 A plurality of single-phase inverters that convert DC power of a DC power source into AC power are connected in series, and the output voltage is gradation controlled by the sum of each generated voltage by a predetermined combination selected from the plurality of single-phase inverters, In the power converter connected to the AC power supply,
A smoothing capacitor for smoothing the output voltage of the plurality of single-phase inverters connected in series;
A first switching means connected between the single-phase inverter and the AC power source;
A series connection body of a current limiting resistor and a second switching means connected in parallel to the first switching means;
With
A power conversion device, wherein the smoothing capacitor is initially charged from the AC power source through the series connection body.
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JP2016226272A (en) * | 2015-05-27 | 2016-12-28 | ▲陽▼光▲電▼源股▲分▼有限公司Sungrow Power Supply Co., Ltd. | Pre-charge circuit and photovoltaic inverter |
WO2023281668A1 (en) * | 2021-07-07 | 2023-01-12 | 三菱電機株式会社 | Power conversion device, aircraft, and power conversion method |
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