JP2016082751A - 変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の直流電源の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する変換装置であって、交流リアクトル22及び第1のコンデンサ23を含むフィルタ回路21と、フィルタ回路21を介して負荷と接続されるDC/ACインバータ11と、複数の直流電源の各々とDC/ACインバータ11との間に設けられるDC/DCコンバータ10,41と、DC/ACインバータ11とDC/DCコンバータ10,41との間に設けられる第2のコンデンサ19と、交流電力の電圧、交流リアクトル22を流れる電流及びインピーダンスによる電圧変化、第1のコンデンサ23及び第2のコンデンサ19をそれぞれ流れる無効電流、並びに、各直流電力の電圧に基づいて、DC/DCコンバータ10,41の各電流目標値を、交流電力の電流と同期するように設定する制御部12とを備えている。
【選択図】図2
Description
一方、太陽光発電等の直流電源から得られる直流電力を交流電力に変換して交流電力系統との系統連系を行うことにも、変換装置(パワーコンディショナ)が用いられる(例えば特許文献2参照。)。
ところが、例えば直流電源として太陽光発電パネルを用いる場合、複数の太陽光発電パネルを接続してなる太陽電池アレイを、変換装置に対して複数個並列に接続する場合がある(例えば、特許文献3参照。)。その場合、各太陽電池アレイで最適動作点が異なることがあるため、太陽電池アレイごとにDC/DCコンバータが用意される。これにより、各DC/DCコンバータによって、対応する太陽電池アレイの動作点を最適に制御することができる。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
また、複数のDC/DCコンバータの各電流目標値を、交流電力の電圧、交流リアクトルを流れる電流とインピーダンスによる電圧変化、第1及び第2のコンデンサを流れる無効電流、及び各直流電力の電圧に基づいて、交流電力の電流と同期するように設定することによって、当該変換装置は、交流電力の電圧、周波数、及び出力電流が変化しても常に交流電圧と同期した(あるいは交流電圧に対して任意の位相角に制御された)歪みのない電流を出力することができる。
この場合、各太陽電池アレイの発電状況及び各蓄電池の充電状態に応じて適切に電流目標値を定めることができる。
Vinv*= Va+ZaIinv*
に設定し、前記電圧VDC.i、及び、前記DC/ACインバータの交流出力電圧目標値Vinv*の絶対値のいずれか大きい方を、前記DC/DCコンバータの出力電圧目標値Vo*に設定し、前記第2コンデンサの静電容量をCとするとき、前記DC/DCコンバータの電流目標値Iin.i*を、
Iin.i*=[Ia.i*×Vinv*+Ki{(sCaVa)Vinv*+(s CVo*)×Vo*}]/VDC.i (KiはΣKi=1を満たす任意の定数の組。)
に設定する、ことができる。
この場合、直流リアクトルの電流とインピーダンスによる電圧降下も考慮しているため、各DC/DCコンバータを流れる電流が変化したときも常に正確な制御を行うことができる。
この場合、前記交流電力の電圧は交流電源の電圧となるが、各DC/DCコンバータの電流目標値を、交流電力の電流と同期するように設定する制御部を備えているため、いわゆる系統連系運転を行うことができる。
この場合、交流電源から当該直流電源への入力電流目標値はIa.i*は直流側から見て交流電源の電圧と位相が反転した電流となるが、(3)に記載された各計算式がそのまま成立する。すなわち、(1)から(6)の変換装置は、直流電源の直流電力を交流電力に変換するだけでなく、交流電源の交流電力を直流に変換する双方向の変換器として利用することができる。複数の直流電源のうち、いずれかを直流電力の発生源とし、残りを、直流電力を吸収する直流負荷として動作させることもできる。
(1)から(6)に記載された変換装置は高周波スイッチングの回数を低減することによって半導体素子のスイッチング損失と直流及び交流リアクトルの鉄損を低減することができるが、半導体素子の導通損失を低減することはできない。この点、半導体素子としてSiC素子を用いれば導通損失を低減することができるため、(1)から(6)に記載された変換装置と組み合わせると、両者の相乗効果により高い変換効率を得ることができる。
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
まず、系統連系機能を備えた、直流から交流への変換装置(以下、単にインバータ装置という。)について詳細に説明する。
〔1 全体構成について〕
図1は、一実施形態に係るインバータ装置を備えたシステムの一例を示すブロック図である。図中、インバータ装置1の入力端には、直流電源としての第1太陽電池アレイ2及び第2太陽電池アレイ40が接続され、出力端には、交流の商用電力系統3(交流系統)が接続されている。
このシステムは、第1太陽電池アレイ2(以下、単に第1アレイ2ともいう)及び第2太陽電池アレイ40(以下、単に第2アレイ40ともいう)が発電する直流電力を交流電力に変換し、商用電力系統3に出力する連系運転を行う。
第1昇圧回路10と、第2昇圧回路41とは、インバータ回路11に対して並列に接続されている。
第1アレイ2が接続されている第1昇圧回路10は、直流リアクトル15と、ダイオード16と、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等からなるスイッチング素子Qb1とを備えており、昇圧チョッパ回路を構成している。
第1昇圧回路10の入力側には、第1電圧センサ17、第1電流センサ18、及び平滑化のためのコンデンサ26が設けられている。第1電圧センサ17は、第1アレイ2が出力し、第1昇圧回路10に入力される直流電力の第1直流入力電圧検出値Vg.1(直流入力電圧値)を検出し、制御部12に出力する。第1電流センサ18は、直流リアクトル15に流れる電流である第1昇圧回路電流検出値Iin.1を検出し、制御部12に出力する。
また、第2昇圧回路41の入力側には、第2電圧センサ44、第2電流センサ45、及び平滑化のためのコンデンサ46が設けられている。第2電圧センサ44は、第2アレイ40が出力し、第2昇圧回路41に入力される直流電力の第2直流入力電圧検出値Vg2を検出し、制御部12に出力する。第2電流センサ45は、直流リアクトル42に流れる電流である第2昇圧回路電流検出値Iin.2を検出し、制御部12に出力する。
インバータ回路11は、FET(Field Effect Transistor)からなるスイッチング素子Q1〜Q4を備えている。これらスイッチング素子Q1〜Q4は、フルブリッジ回路を構成している。
各スイッチング素子Q1〜Q4は、制御部12に接続されており、制御部12により制御可能とされている。制御部12は、各スイッチング素子Q1〜Q4の動作をPWM制御する。これにより、インバータ回路11は、両昇圧回路10,41から与えられる電力を交流電力に変換する。
フィルタ回路21は、2つの交流リアクトル22と、コンデンサ23とを備えて構成されている。フィルタ回路21は、インバータ回路11から出力される交流電力に含まれる高周波成分を除去する機能を有している。フィルタ回路21により高周波成分が除去された交流電力は、商用電力系統3に与えられる。
制御部12は、これら系統電圧検出値Va及びインバータ電流検出値Iinvと、上述の直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2、昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2に基づいて、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11を制御する。
図3は、制御部12のブロック図である。制御部12は、図3に示すように、制御処理部30と、第1昇圧回路制御部32と、インバータ回路制御部33と、平均化処理部34と、第2昇圧回路制御部35とを機能的に有している。
制御部12の各機能は、その一部又は全部がハードウェア回路によって構成されてもよいし、その一部又は全部が、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータによって実行させることで実現されていてもよい。制御部12の機能を実現するソフトウェア(コンピュータプログラム)は、コンピュータの記憶装置(図示省略)に格納される。
第2昇圧回路制御部35は、制御処理部30から与えられる目標値と検出値に基づいて、第2昇圧回路41のスイッチング素子Qb2を制御し、前記目標値に応じた電流の電力を第2昇圧回路41に出力させる。
また、インバータ回路制御部33は、制御処理部30から与えられる目標値と検出値に基づいて、インバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4を制御し、前記目標値に応じた電流の電力をインバータ回路11に出力させる。
制御処理部30は、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2から、第1昇圧回路10の第1入力電力Pin.1及びその平均値〈Pin.1〉、並びに、第2昇圧回路41の第2入力電力Pin.2及びその平均値〈Pin.2〉を演算する。
制御処理部30は、第1入力電力平均値〈Pin.1〉に基づいて、第1昇圧回路10の第1直流入力電流目標値Ig.1*(後に説明する)を設定し、第1アレイ2についてMPPT制御を行うとともに、第1昇圧回路10及びインバータ回路11それぞれをフィードバック制御する機能を有している。
また、制御処理部30は、第2入力電力平均値〈Pin.2〉に基づいて、第2昇圧回路41の直流入力電流目標値Ig.2*(後に説明する)を設定し、第2アレイ40についてMPPT制御を行うとともに、第1昇圧回路10をフィードバック制御する機能も有している。
第1昇圧回路電流検出値Iin.1は、後述するように、目標値に基づいて系統電圧と同期した波形として現れている。
また、第1直流入力電流検出値Ig.1は、コンデンサ26よりも入力側で検出される電流値である。
よって、第1直流入力電圧検出値Vg.1に生じる周期的な変動は、インバータ装置1が出力する交流電力の1/2周期となっている。つまり、商用電力系統3の1/2周期となっている。
これにより、平均化処理部34は、商用電力系統3の1/2周期で周期的に変動する、第1直流入力電圧検出値Vg.1の平均値を、できるだけサンプリングの期間を短くしつつ、精度よく求めることができる。
なお、サンプリングの時間間隔Δtは、例えば、商用電力系統3の周期の1/100〜1/1000、或いは、20マイクロ秒〜200マイクロ秒等に設定することができる。
また、ここでは、期間Lを商用電力系統3の周期長さの1/2の長さに設定したが、期間Lは、少なくとも、商用電力系統3の1/2周期に設定すれば、第1直流入力電圧検出値Vg.1の平均値を精度よく求めることができる。第1直流入力電圧検出値Vg.1は、上述のように、第1昇圧回路10、及びインバータ回路11の動作によって、商用電力系統3の周期長さの1/2の長さで周期的に変動するからである。
よって、期間Lをより長く設定する必要がある場合、商用電力系統3の1/2周期の3倍や4倍といったように、期間Lを商用電力系統3の1/2周期の整数倍に設定すればよい。これによって、周期単位で電圧変動を把握できる。
よって、平均化処理部34は、図5に示した第1直流入力電圧検出値Vg.1と同様の方法によって、第1昇圧回路電流検出値Iin.1の平均値も求める。
よって、平均化処理部34は、図5に示した第1直流入力電圧検出値Vg.1と同様の方法によって、第2直流入力電圧検出値Vg.2、及び第2昇圧回路電流検出値Iin.2それぞれの平均値も求める。
この点、本実施形態では、商用電力系統3の周期長さの1/2の長さに設定された期間Lの間に、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2のそれぞれについて、交流系統の1/2周期よりも十分に短い時間間隔Δtで複数回サンプリングし、その結果から直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2の平均値及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2の平均値を求めたので、直流電流の電圧及び電流が周期的に変動したとしても、直流入力電圧検出値Vg.1,Vg.2及び昇圧回路電流検出値Iin.1,Iin.2を精度よく求めることができる。
制御処理部30は、求めた目標値を第1昇圧回路制御部32、第2昇圧回路制御部35、及びインバータ回路制御部33に与え、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11それぞれをフィードバック制御する機能を有している。
制御処理部30は、インバータ回路11の制御を行うための機能部として、第1演算部51、第1加算器52、補償器53、及び第2加算器54を有している。
また、制御処理部30は、両昇圧回路10,41の制御を行うための機能部として、第2演算部61、第3加算器62、補償器63、第4加算器64、第5加算器72、補償器73、及び第6加算器74を有している。
以下、図7に従って、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11の制御処理を説明する。
入力電力平均値〈Pin.i〉=〈Iin.i×Vg.i〉 ・・・(1)
本実施形態では、制御処理部30は、入力電力平均値〈Pin.1〉,〈Pin.2〉を求め、直流入力電流目標値Ig.1*,Ig.2*を設定する。
また、式(1)以外の以下に示す制御に関する各式においては、昇圧回路電流検出値Iin.i、及び直流入力電圧検出値Vg.iは、平均化されていない瞬時値が用いられる。
つまり、昇圧回路電流検出値Iin.iの平均値、及び直流入力電圧検出値Vg.iの平均値は、入力電力平均値〈Pin.i〉を求めるために用いられる。
また、「〈 〉」は、括弧内の値の平均値又は実効値を示している。以下同じである。
第1演算部51には、直流入力電流目標値Ig.i*の他、直流入力電圧検出値Vg.i、系統電圧検出値Vaも与えられる。
各直流電源からの出力電流目標値の実効値〈Ia.i*〉=
〈Ig.i*×Vg.i〉×ηi/〈Va〉・・・(2)
ここで、第1演算部51は、各出力電流目標値Ia.i*を系統電圧検出値Vaと同位相の正弦波として求める。
各出力電流目標値Ia.i*=(√2)×〈Ia.i*〉×sinωt ・・・(3)
インバータ電流目標値Iinv*=ΣIa.i*+s CaVa ・・・(4)
上記式(4)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Iinv*=ΣIa.i* + Ca×(d Va/dt) ・・・(4a)
となる。
式(4),(4a)中、右辺第2項は、フィルタ回路21のコンデンサ23に流れる電流を考慮して加算した値である。
なお、出力電流目標値Ia*は、上記式(3)に示すように、系統電圧検出値Vaと同位相の正弦波として求められる。つまり、制御処理部30は、インバータ装置1が出力する交流電力の電流位相が系統電圧(系統電圧検出値Va)と同位相となるようにインバータ回路11を制御する。
インバータ回路11は、このインバータ電流目標値Iinv*によって、フィードバック制御される。
第1加算器52は、インバータ電流目標値Iinv*と、現状のインバータ電流検出値Iinvとの差分を演算し、その演算結果を補償器53に与える。
インバータ回路11が出力した電圧は、交流リアクトル22に与えられ、新たなインバータ電流検出値Iinvとしてフィードバックされる。そして、第1加算器52によってインバータ電流目標値Iinv*とインバータ電流検出値Iinvとの間の差分が再度演算され、上記同様、この差分に基づいてインバータ回路11が制御される。
第2演算部61は、下記式(5)に基づいて、インバータ出力電圧目標値Vinv*を演算する(ステップS5)。
インバータ出力電圧目標値Vinv*=Va+ZaIinv* ・・・(5)
式(5)中、右辺第2項は、交流リアクトル22の両端に発生する電圧を考慮して加算した値である。
Vo*=Max(Vg−ZIin.i*,Vinv*の絶対値)・・・(6)
とすることができる。
Vg=Max(Vg.i) ・・・(7)
昇圧回路電流目標値Iin.i*= [Ia.i*×Vinv*+Ki{(sCaVa)Vinv*+(sCoVo*)×Vo*}]/(Vg.i−ZIin.i) ・・・(8)
ただし、Kiは以下の条件を満たす任意の定数
Σ Ki=1
i
上記式(8)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Iin.i*= [Ia.i*×Vinv*+Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*+(Co×dVo*/dt)×Vo*}]/(Vg.i−ZIin.i)
・・・(8a)
となる。
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*+Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*+Ico×Vo*}]/(Vg.i−ZIin.i)
・・・(8b)
となる。
Iin.i*=[Ia.i*×Vinv*+Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*+(C×dVo*/dt)×Vo*}+PLOSS.i]/(Vg.i−ZIin.i)
・・・(8c)
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*+Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*+Ico×Vo*}+PLOSS.i]/(Vg.i−ZIin.i)
・・・(8d)
となる。
この場合、インバータ回路11の電力目標値に加えて、無効電力及び電力損失PLOSS.iを考慮することにより、より厳密にIin.i*の値を求めることができる。
第1昇圧回路10は、この昇圧回路電流目標値Iin.1*によって、フィードバック制御される。
第3加算器62は、昇圧回路電流目標値Iin.1*と、現状の第1昇圧回路電流検出値Iin.1との差分を演算し、その演算結果を補償器63に与える。
第1昇圧回路10が出力した電力は、直流リアクトル15に与えられ、新たな第1昇圧回路電流検出値Iin.1としてフィードバックされる。そして、第3加算器62によって昇圧回路電流目標値Iin.1*と第1昇圧回路電流検出値Iin.1との間の差分が再度演算され、上記同様、この差分に基づいて第1昇圧回路10が制御される。
第2昇圧回路41は、この昇圧回路電流目標値Iin.2*によって、フィードバック制御される。
第5加算器72は、昇圧回路電流目標値Iin.2*と、現状の第2昇圧回路電流検出値Iin.2との差分を演算し、その演算結果を補償器73に与える。
インバータ装置1は、図7のフローチャートに従った制御によって、図8に示すインバータ出力電圧目標値Vinv*を電圧目標値として電力を出力する。
よって、インバータ装置1は、図9に示すインバータ出力電圧目標値Vinv*の波形に従った電圧の電力を出力する。
インバータ出力電圧目標値Vinv*の位相を商用電力系統3の電圧位相に対して進相させる角度は、数度であればよく、後述するように、商用電力系統3の電圧波形との間で差分を求めたときに得られる電圧波形が、商用電力系統3の電圧波形に対して90度進んだ位相となる範囲で設定される。例えば、0度より大きくかつ10度より小さい値の範囲で設定される。
本実施形態において、第2昇圧回路41に接続されている第2アレイ40は、上述したように、第1アレイ2が出力する電力の電圧よりも小さい電圧で電力を出力する構成とされている。
すなわち、第1アレイ2による第1直流入力電圧検出値Vg.1と、第2アレイ40による第2直流入力電圧検出値Vg.2とが比較され、より高い電圧である第1直流入力電圧検出値Vg.1が選択される(上記式(7))。
次いで、選択された第1直流入力電圧検出値Vg.1と、インバータ出力電圧目標値Vinv*の絶対値とを比較してより高い方の値を採用することで、昇圧回路電圧目標値Vo*を求めるように構成されている。
制御処理部30は、第1直流入力電圧検出値Vg.1と、インバータ出力電圧目標値Vinv*の絶対値とを比較してより高い方の値を採用するので、昇圧回路電圧目標値Vo*は、インバータ出力電圧目標値Vinv*の絶対値の内、第1直流入力電圧検出値Vg.1以上の部分については、インバータ出力電圧目標値Vinv*に倣い、第1直流入力電圧検出値Vg.1以下の部分については、第1直流入力電圧検出値Vg.1に倣うような波形となる。
従って、昇圧回路電圧目標値Vo*は、図に示すように、最低電圧値が第1直流入力電圧検出値Vg.1であるので、第2直流入力電圧検出値Vg.2よりもその電圧は常に大きくなり、第1直流入力電圧検出値Vg.1を下回ることを防止できる。
つまり、第2昇圧回路41は、昇圧回路電圧目標値Vo*に従った電圧の電力を出力するために常に昇圧を行う。
図10中、上段のグラフは、インバータ出力電圧目標値Vinv*と系統電圧検出値Vaとの関係を示したグラフ、中段のグラフは、直流入力電圧値Vg.1,Vg.2と、昇圧回路電圧目標値Vo*との関係を示したグラフ、下段のグラフは、昇圧回路電流目標値Iin.1*,Iin.2*を示したグラフである。
第1昇圧回路制御部32(図3)は、第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1を制御する。また、インバータ回路制御部33は、インバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4を制御する。
第1昇圧回路制御部32及びインバータ回路制御部33は、上記駆動波形に基づいて各スイッチング素子を制御することで、インバータ出力電圧目標値Vinv*の波形に近似した電圧波形の交流電力を第1昇圧回路10及びインバータ回路11に出力させる。
第1昇圧回路制御部32が生成する昇圧回路用搬送波は、極小値が「0」である三角波であり、振幅A1が制御処理部30から与えられる昇圧回路電圧目標値Vo*とされている。
また、昇圧回路用搬送波の周波数は、制御処理部30による制御命令によって、所定のディーティ比となるように、昇圧回路制御部32によって設定される。
この駆動波形は、スイッチング素子Qb1のスイッチング動作を示しており、スイッチング素子Qb1に与えることで、当該駆動波形に従ったスイッチング動作を実行させることができる。駆動波形は、電圧が0ボルトでスイッチング素子のスイッチをオフ、電圧がプラス電圧でスイッチング素子のスイッチをオンとする制御命令を構成している。
また、各パルス幅は、三角波である第1昇圧回路用搬送波の切片によって定まる。よって、電圧が高い部分ほどパルス幅が大きくなっている。
また、周波数は、制御処理部30による制御命令等によって、所定のデューティ比となるように、インバータ回路制御部33によって設定される。
インバータ回路制御部33は、インバータ回路用参照波Vinv#の電圧が−Vg.1〜+Vg.1の範囲W2でスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。よって、それ以外の範囲では、スイッチング動作を停止させるようにスイッチング素子Q1を制御する。
インバータ回路制御部33は、スイッチング素子Q3については、図中破線で示しているインバータ回路用参照波Vinv#の反転波と、搬送波とを比較して駆動波形を生成する。
この場合も、インバータ回路制御部33は、インバータ回路用参照波Vinv#(の反転波)の電圧が、−Vg.1〜+Vg.1の範囲W2でスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。よって、それ以外の範囲では、スイッチング動作を停止させるようにスイッチング素子Q3を制御する。
よって、インバータ回路11は、第1昇圧回路10がスイッチング動作を停止している間、スイッチング動作を行い、インバータ出力電圧目標値Vinv*に近似する交流電圧を出力する。
一方、インバータ出力電圧目標値Vinv*の電圧が概ね−Vg.1〜+Vg.1の期間W2以外の期間では、インバータ回路制御部33は、インバータ回路11のスイッチング動作を停止させる。この間、インバータ回路11には、第1昇圧回路10により昇圧された電力が与えられる。よって、スイッチング動作を停止しているインバータ回路11は、第1昇圧回路10から与えられる電力を降圧することなく出力する。
さらに、第1昇圧回路10及びインバータ回路11は、共に制御部12が設定したインバータ電流目標値Iinv*に基づいてインバータ出力電圧目標値Vinv*を演算するため、交互に切り替わるように出力される昇圧回路の電力と、インバータ回路の電力との間で、ずれや歪が生じるのを抑制することができる。
この場合、第1昇圧回路10が出力する電力と、インバータ回路11が出力する電力とが重畳する部分を積極的に設けることで、第1昇圧回路10と、インバータ回路11とが切り替わる部分における電流波形を滑らかに繋げることができる。
ここで、第1直流入力電圧検出値Vg.1よりもわずかに低い電圧値とは、第1昇圧回路10が出力する電流波形とインバータ回路11が出力する電流波形とを滑らかに繋げ得るために設定される電圧値であって、両電流波形を滑らかに繋げるのに必要なだけ第1昇圧回路10の出力と、インバータ回路11の出力とが重畳するように第1直流入力電圧検出値Vg.1よりも低く設定された電圧値をいう。
図13において、最上段から順に、インバータ回路の参照波Vinv#及び搬送波、スイッチング素子Q1の駆動波形、第1昇圧回路の参照波Vbc1#及び搬送波、スイッチング素子Qbの駆動波形、及びインバータ装置1が出力する交流電力の電流波形の目標値及び実測値を示すグラフを表している。これら各グラフの横軸は、時間を示しており、互いに一致するように示している。
また、第1昇圧回路10のスイッチング素子Qb1のスイッチング動作の期間と、インバータ回路11のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング動作の期間とは、互いに交互に切り替わるように制御されていることが判る。
第2昇圧回路制御部35(図3)は、第2昇圧回路41のスイッチング素子Qb2を制御する。
第2昇圧回路制御部35、及びインバータ回路制御部33は、上記駆動波形に基づいて各スイッチング素子を制御することで、インバータ出力電圧目標値Vinv*の波形に近似した電圧波形の交流電力をインバータ回路11に出力させる。
なお、本実施形態では、第2直流入力電圧検出値Vg.2が、150ボルトであるとする。
第2昇圧回路電圧参照値Vbc2#は、上述のように、全域に亘って第2昇圧回路用搬送波に交差している。よって、第2昇圧回路制御部35は、全域に亘ってスイッチング素子Qb2によるスイッチング動作が行われるように駆動波形を生成する。
本実施形態の両昇圧回路10,41及びインバータ回路11は、制御部12による制御によって、インバータ出力電圧目標値Vinv*に近似した電圧波形の交流電力を、その後段に接続されたフィルタ回路21に出力する。インバータ装置1は、フィルタ回路21を介して商用電力系統3に交流電力を出力する。
従って、両昇圧回路10,41及びインバータ回路11が出力する交流電圧も、商用電力系統3の電圧位相に対して数度進相した電圧位相とされる。
図に示すように、交流リアクトル22の両端が互いに数度電圧位相がずれた電圧がかかると、交流リアクトル22の両端電圧は、交流リアクトル22の両端にかかる互いに数度電圧位相がずれた電圧同士の差分となる。
交流リアクトル22の電流位相は、その電圧位相に対して90度遅延する。よって、図に示すように、交流リアクトル22を通して出力される交流電力の電流位相は、商用電力系統3の電流位相に対して同期することとなる。
よって、インバータ装置1が出力する交流電力の電流波形は、商用電力系統3の電圧位相と一致したものとなる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態では、第1アレイ2及び第2アレイ40の二つの太陽電池アレイをインバータ回路11に対して並列に接続した場合を例示したが、例えば、より多数の太陽電池アレイ及び太陽電池アレイが接続される昇圧回路を接続してもよい。この場合、接続した多数の太陽電池アレイの内、出力電力の電圧値の最も高い太陽電池アレイを、上記実施形態の第1アレイ2とし、他のアレイを上記実施形態の第2アレイ40とすることができる。
この場合においても、電圧値の最も高い太陽電池アレイにおける最適動作点の電圧値を第1入力電圧設定値Vset1とし、他の太陽電池アレイから出力される電力の最低電圧値が第1入力電圧設定値Vset1とほぼ一致するように他の太陽電池アレイを制御する。
この場合、搬送波の振幅として昇圧回路電圧検出値Voを用いることができる。これによって、系統電圧又は直流電源の出力電圧が変動したときにも、より歪みの少ない交流電流を出力することができる。
なお、上記実施形態における各シミュレーションについては、実機を用いた検証によっても同様の結果が得られることが確認されている。
〔全体構成〕
次に、交流から直流への電力変換を行う変換装置1Rの一実施形態について説明する。
図16は、このような変換装置1Rを備えた蓄電システムの一例を示すブロック図である。図中、変換装置1Rの2系統の出力端にはそれぞれ、蓄電池81,82が接続され、入力端には商用電力系統3(交流系統)が接続されている。この蓄電システムは、商用電力系統3から提供される電力を、交流から直流に変換して、蓄電池81,82に蓄えることができる。
なお、変換装置1Rがインバータ装置として動作する場合は、スイッチング素子Qa1,Qa2は、常時オフの状態となるか又は、それぞれスイッチング素子Qb1,Qb2と交互にオン動作するように、制御部12により制御される。また、第1降圧回路10d,第2降圧回路41dはそれぞれ昇圧回路になり、AC/DCコンバータ11uはインバータ回路となる。
図18は、変換装置1Rの動作を概念的に示した電圧波形の図である。
(a)は、AC/DCコンバータ11uへの交流入力電圧目標値Vinv*の絶対値の一例を示す。これは、概ね、商用交流の全波整流波形である。二点鎖線は、充電のための直流電圧Vg(式(7)と同様)を示す。(b)に示すように、直流電圧Vgの方が交流入力電圧目標値Vinv*の絶対値より高い区間(t0〜t1,t2〜t3,t4〜)では、AC/DCコンバータ11uがスイッチング動作し、交流リアクトル22との協働により昇圧動作する。
同様に、交流入力電圧目標値Vinv*の絶対値が直流電圧Vgより高い期間のみ第1降圧回路10d,第2降圧回路41dが動作し、その他の期間では第1降圧回路10d,第2降圧回路41dの少なくとも一方のスイッチングを停止させることで、第1降圧回路10d,第2降圧回路41dのスイッチング損失を低減することができる。
上記変換装置1Rの制御は、図2のインバータ装置1による系統連系の制御を逆方向に見た類似の制御として考えることができる。これは、インバータ装置1と同じ系統連系をさせ得る変換装置1Rを用いて、逆方向の動作においても変換装置1Rの効率を高めることに好適な制御である。
Ia.i*:商用電力系統3からの入力電流目標値
Iin.i:降圧回路電流検出値
Iin.i*:降圧回路電流目標値
Iinv*:AC/DCコンバータ11uへの交流入力電流目標値
Ig.i*:蓄電池81,82への直流入力電流目標値
Ic:コンデンサ19に流れる電流
Ica:コンデンサ23に流れる電流
Vg.i:蓄電池電圧値
Vinv*:AC/DCコンバータ11uへの交流入力電圧目標値
Vo*:第1降圧回路10d,第2降圧回路41dへの入力電圧目標値
Pin.i:蓄電池81,82への入力電力
PLOSS:変換装置1Rの電力損失
ηi:変換効率
式(1)と対応する蓄電池81,82への入力電力平均値〈Pin.i〉は、
〈Pin.i〉=〈Iin.i×Vg.i〉 ・・・(R1)
である。
式(2)に対応する商用電力系統3から各蓄電池への入力電流目標値の実効値〈Ia.i*〉は、
〈Ia.i*〉=〈Ig.i*×Vg.i〉/(〈Va〉×ηi)・・・(R2)
である。
式(3)に対応する入力電流目標値Ia*は、
Ia.i*=(√2)×〈Ia.i*〉×sinωt ・・・(R3)
である。
Iinv*=ΣIa.i* − s CaVa ・・・(R4)
である。
上記式(R4)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Iinv*=ΣIa.i* − Ca×(d Va/dt) ・・・(R4a)
となる。
Vinv*=Va−Za Iinv* ・・・(R5)
である。
上記式(R5)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Vinv*=Va − Za× (d Iinv*/dt) ・・・(R5a)
となる。
Vo*=Max(Vg+Z Iin.i*,Vinv*の絶対値)・・・(R6)
とすることができる。
Vg=Max(Vg.i) ・・・(R7)
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*
−Ki{(sCaVa)Vinv*+(sCoVo*)×Vo*}]
/(Vg.i+ZIin.i) ・・・(R8)
である。
上記式(R8)は、時間tでの微分を用いた表現とすれば、
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*
−Ki{(Ca×dVa/dt)×Vinv*
+(Co×dVo*/dt)×Vo*}]
/(Vg.i+ZIin.i) ・・・(R8a)
となる。また、コンデンサ19に流れる電流を検出してこれをIcoとすれば、
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*
−Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*+Ico×Vo*}]
/(Vg.i+ZIin.i) ・・・(R8b)
となる。
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*
−Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*
+(C×dVo*/dt)×Vo*}−PLOSS.i]
/(Vg.i+ZIin.i) ・・・(R8c)
Iin.i*=
[Ia.i*×Vinv*
−Ki{(Ca×dVa/dt)Vinv*+Ico×Vo*}−PLOSS.i]
/(Vg.i+ZIin.i) ・・・(R8d)
となる。
この場合、インバータ回路11の電力目標値に加えて、無効電力及び電力損失PLOSSを考慮することにより、より厳密にIin.i*の値を求めることができる。
次に、複合的な電力変換を行う変換装置1Rの一例について説明する。
図19は、このような変換装置1Rを備えた蓄電システムの一例を示すブロック図である。図において、図16との違いは、直流電源の1系統が太陽電池アレイ2になっている点と、昇圧回路としてのDC/DCコンバータ10が設けられている点とである。
次に、複合的な電力変換を行う変換装置1Rの他の例について説明する。
図20は、このような変換装置1Rを備えた蓄電システムの一例を示すブロック図である。図において、図16との違いは、直流電源の1系統が太陽電池アレイ2になっている点と、昇圧回路としてのDC/DCコンバータ10が設けられている点(図19と同様)と、インバータとして動作するAC/DCコンバータ11が存在する点とである。
なお、図2,図17の回路構成において、DC/DCコンバータ10,10d,41,41dに含まれる半導体スイッチング素子の少なくとも1つ、及び、DC/ACインバータ11(又はAC/DCコンバータ11u)に含まれる半導体スイッチング素子に、SiC素子を用いることが望ましい。
上述の変換装置1は、高周波スイッチングの回数を低減することによって半導体素子のスイッチング損失と直流リアクトル15,42及び交流リアクトル22の鉄損を低減することができるが、半導体素子の導通損失まで低減することはできない。この点、半導体素子としてSiC素子を用いれば導通損失を低減することができるため、上述のように制御される変換装置1にSiC素子を用いることで、両者の相乗効果により、高い変換効率を得ることができる。
1R 変換装置
2 第1太陽電池アレイ/第1アレイ
3 商用電力系統
10 第1昇圧回路(DC/DCコンバータ)
10d 第1降圧回路(DC/DCコンバータ)
11 インバータ回路
11u AC/DCコンバータ
12 制御部
15 直流リアクトル
16 ダイオード
17 第1電圧センサ
18 第1電流センサ
19 コンデンサ
21 フィルタ回路
22 交流リアクトル
23 コンデンサ
24 第3電流センサ
25 第3電圧センサ
26 コンデンサ
30 制御処理部
32 第1昇圧回路制御部
33 インバータ回路制御部
34 平均化処理部
35 第2昇圧回路制御部
40 第2太陽電池アレイ/第2アレイ
41 第2昇圧回路(DC/DCコンバータ)
41d 第2降圧回路(DC/DCコンバータ)
42 直流リアクトル
43 ダイオード
44 第2電圧センサ
45 第2電流センサ
46 コンデンサ
51 第1演算部
52 第1加算器
53 補償器
54 第2加算器
61 第2演算部
62 第3加算器
63 補償器
64 第4加算器
72 第5加算器
73 補償器
74 第6加算器
81,82 蓄電池
P 回路接続点
Qb1,Qb2,Qa1,Qa2 スイッチング素子
Q1〜Q4 スイッチング素子
Claims (7)
- 複数の直流電源の直流電力を交流電力に変換して負荷に供給する変換装置であって、
前記負荷と接続され、交流リアクトル及び第1のコンデンサを含むフィルタ回路と、
前記フィルタ回路を介して前記負荷と接続されるDC/ACインバータと、
前記複数の直流電源の各々と前記DC/ACインバータとの間に設けられる、全体として複数のDC/DCコンバータと、
前記DC/ACインバータと前記複数のDC/DCコンバータとの間に設けられる第2のコンデンサと、
前記交流電力の電圧、前記交流リアクトルを流れる電流及びインピーダンスによる電圧変化、前記第1のコンデンサ及び前記第2のコンデンサをそれぞれ流れる無効電流、並びに、前記各直流電力の電圧に基づいて、前記複数のDC/DCコンバータの各電流目標値を、前記交流電力の電流と同期するように設定する制御部と、
を備えている変換装置。 - 前記複数の直流電源には太陽電池アレイ及び蓄電池の少なくとも一方が含まれており、
前記制御部は、前記電流目標値に基づいて、各DC/DCコンバータに配分すべき電流目標値を設定して、直流電源が太陽電池アレイである場合にはその出力を行わせ、直流電源が蓄電池の場合には充電又は放電を行わせる請求項1に記載の変換装置。 - 前記制御部は、
前記複数の直流電源に対応する数字をi(=1,2,・・・)、前記各直流電源から前記負荷への出力電流目標値をIa.i*、前記第1コンデンサの静電容量をCa、前記交流電力の電圧値をVa、前記複数の直流電源のそれぞれに基づく電圧をVDC.i、ラプラス演算子をsとするとき、前記フィルタ回路と前記DC/ACインバータとの回路接続点での前記DC/ACインバータの交流出力電流目標値Iinv*をIa.i*の合計と前記第1コンデンサに流れる無効電流を合わせた値に設定し、さらに、前記交流リアクトルのインピーダンスをZaとするとき、前記回路接続点での前記DC/ACインバータの交流出力電圧目標値Vinv*を、
Vinv*= Va+ZaIinv*
に設定し、前記電圧VDC.i、及び、前記DC/ACインバータの交流出力電圧目標値Vinv*の絶対値のいずれか大きい方を、前記DC/DCコンバータの出力電圧目標値Vo*に設定し、前記第2コンデンサの静電容量をCとするとき、前記DC/DCコンバータの電流目標値Iin.i*を、
Iin.i*=[Ia.i*×Vinv*+Ki{(sCaVa)Vinv*+(s CVo*)×Vo*}]/VDC.i (KiはΣKi=1を満たす任意の定数の組。)
に設定する、請求項1又は請求項2に記載の変換装置。 - 前記複数のDC/DCコンバータはそれぞれ直流リアクトルを含み、
各直流リアクトルを流れる電流とインピーダンスによって起こる電圧変化を前記各直流電源の電圧Vg.iから差し引いた電圧を、前記各直流電力の電圧又は電圧VDC.iとする請求項1〜請求項3のいずれか1項に記載の変換装置。 - 前記負荷を交流電源とする請求項1〜請求項4のいずれか1項に記載の変換装置。
- 前記交流電源から、前記複数の直流電源の少なくとも1つに電力を供給する請求項5に記載の変換装置。
- 前記複数のDC/DCコンバータ及び前記DC/ACインバータに含まれる半導体スイッチング素子の少なくとも1つにSiC素子を用いる請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載の変換装置。
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