JP2022012104A - Dc power converter and control method of the same - Google Patents

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Abstract

To suppress the imbalance of transmission power between legs in a DC power converter without increasing a DC component of a lateral current flowing between the legs.SOLUTION: In a DC power converter, multiple legs leg1, leg2 are connected in parallel. Within each leg leg1, leg2, multiple units 11 to 1 N are connected in multi-stage series. Each cell 2 has its own DC voltage 1 and cell 2. A phase shift angle δ between legs leg1, leg2 is controlled by a control unit of the DC power converter.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、複数のレグを有する直流電力変換装置のレグ間電力伝送に関する。 The present invention relates to power transmission between legs of a DC power converter having a plurality of legs.

図1に示すような直流電力変換装置が従来から知られている。図1に示す直流電力変換装置は、直流電圧1にセル2を接続したものを単位ユニット(以下、ユニットと称する)としている。また、このユニット11~1Nを複数個(N個)直列接続したものを単位レグ(以下、レグと称する)としている。第1レグleg1,第2レグleg2を直流電圧1側で2並列接続することで、直流負荷3に対して直流電力を供給する。このような直流電力変換装置において、位相シフトPWM制御を適用することがある。 A DC power conversion device as shown in FIG. 1 has been conventionally known. In the DC power conversion device shown in FIG. 1, a unit unit (hereinafter referred to as a unit) in which a cell 2 is connected to a DC voltage 1 is used. Further, a unit leg (hereinafter referred to as a leg) is a unit in which a plurality (N units) of the units 11 to 1N are connected in series. By connecting the first leg 1 and the second leg 2 in parallel on the DC voltage 1 side, DC power is supplied to the DC load 3. In such a DC power conversion device, phase shift PWM control may be applied.

ユニットの直列数をNとすると、図1(b)のフルブリッジ型電力変換装置を用いた構成では、レグ内ユニット間で三角波キャリアをπ/N[rad]ずつ位相シフトして運転する。また、レグの並列数が2であるため、レグ間で三角波キャリアをπ/2N[rad]だけ位相シフトして運転する。 Assuming that the number of units in series is N, in the configuration using the full bridge type power conversion device shown in FIG. 1 (b), the triangular wave carriers are phase-shifted by π / N [rad] between the units in the leg for operation. Further, since the number of parallel legs is 2, the triangular wave carrier is phase-shifted by π / 2N [rad] between the legs for operation.

この操作により、三角波キャリアを位相シフトしない場合に比べ、レグ電流のリプル周波数がN倍、出力コンデンサ4へ流入する電流リプル周波数は2N倍となる。この結果、出力コンデンサ4に流れる電流リプルが低減され、出力コンデンサ4の電圧リプルが低減される。 By this operation, the ripple frequency of the leg current is N times and the current ripple frequency flowing into the output capacitor 4 is 2N times as compared with the case where the triangular wave carrier is not phase-shifted. As a result, the current ripple flowing through the output capacitor 4 is reduced, and the voltage ripple of the output capacitor 4 is reduced.

図1(c)のハーフブリッジ型電力変換装置を用いた構成でも同様に、レグ内ユニット間で三角波キャリアを2π/N[rad]ずつ位相シフトして運転する。また、レグの並列数が2であるため、レグ間で三角波キャリアをπ/N[rad]だけ位相シフトして運転する。 Similarly, in the configuration using the half-bridge type power conversion device shown in FIG. 1 (c), the triangular wave carriers are phase-shifted by 2π / N [rad] between the units in the leg for operation. Further, since the number of parallel legs is 2, the triangular wave carriers are phase-shifted by π / N [rad] between the legs for operation.

図1中のレグ間での伝送電力にアンバランスが発生した場合を考える。一般に、レグ電流の直流成分をレグ間でばらつかせて直流の横流を積極的に流すことで、レグ間で直流電力の伝送を行い、伝送電力をレグ間でバランスさせる。また、発熱や損失の偏りなどが発生した場合でも、レグ間で直流電力の伝送を行う。 Consider the case where an imbalance occurs in the transmission power between the legs in FIG. 1. Generally, by distributing the DC component of the leg current between the legs and positively flowing a DC cross current, the DC power is transmitted between the legs and the transmission power is balanced between the legs. In addition, even if heat generation or loss bias occurs, DC power is transmitted between the legs.

特開2019-68559号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2019-68559 特許第6552774号Patent No. 6552774

図1に示す直流電力変換装置の構成では、直流電流を用いてレグ間伝送電力のアンバランスを抑制している。この方法の場合、出力コンデンサ4とレグ間に接続されている直流リアクトルL1~L4に流れる直流電流も増大し、磁気飽和による異常発熱や電流リプル増大などの影響が考えられる。 In the configuration of the DC power conversion device shown in FIG. 1, the imbalance of the transmission power between legs is suppressed by using the DC current. In the case of this method, the DC current flowing through the DC reactors L1 to L4 connected between the output capacitor 4 and the leg also increases, which may be affected by abnormal heat generation due to magnetic saturation and an increase in current ripple.

以上示したようなことから、直流電力変換装置において、レグ間で流れる横流の直流成分を増大させることなく、レグ間伝送電力のアンバランスを抑制することが課題となる。 From the above, it is an issue in the DC power conversion device to suppress the imbalance of the transmission power between the legs without increasing the DC component of the cross flow flowing between the legs.

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、並列接続された複数のレグと、それぞれ直流電圧とセルとを有し、各レグ内に多段直列接続された複数のユニットと、を備えた直流電力変換装置であって、前記レグ間の位相シフト角を制御する制御部を備えたことを特徴とする。 The present invention has been devised in view of the above-mentioned conventional problems, and one aspect thereof has a plurality of legs connected in parallel, a DC voltage and a cell, respectively, and is connected in series in multiple stages in each leg. It is a DC power conversion device including a plurality of units, and is characterized by including a control unit for controlling a phase shift angle between the legs.

また、その一態様として、前記複数のレグは、第1レグと第2レグの2つであることを特徴とする。 Further, as one aspect thereof, the plurality of legs are characterized by having two legs, a first leg and a second leg.

また、その一態様として、前記セルはフルブリッジ型電力変換装置であり、前記制御部は、前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力指令値と前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力検出値との偏差を算出する減算器と、前記偏差に-1を乗算する乗算器と、-1を乗算した前記偏差に基づいてPI制御を行うPI制御部と、前記PI制御部の出力にπ/4を加算して前記第1レグに対する前記第2レグの位相遅れ角指令値を出力する加算器と、を備えたことを特徴とする。 Further, as one aspect thereof, the cell is a full bridge type power conversion device, and the control unit is a transmission power command value from the first leg to the second leg and from the first leg to the second leg. A subtractor that calculates the deviation from the transmission power detection value of the above, a multiplier that multiplies the deviation by -1, a PI control unit that performs PI control based on the deviation multiplied by -1, and the PI control unit. It is characterized by including an adder that adds π / 4 to the output of the first leg and outputs the phase delay angle command value of the second leg with respect to the first leg.

また、他の態様として、前記セルはハーフブリッジ型電力変換装置であり、前記制御部は、前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力指令値と前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力検出値との偏差を算出する減算器と、前記偏差に-1を乗算する乗算器と、-1を乗算した前記偏差に基づいてPI制御を行うPI制御部と、前記PI制御部の出力にπ/2を加算して前記第1レグに対する前記第2レグの位相遅れ角指令値を出力する加算器と、を備えたことを特徴とする。 Further, as another aspect, the cell is a half-bridge type power conversion device, and the control unit is a transmission power command value from the first leg to the second leg and from the first leg to the second leg. A subtractor that calculates the deviation from the transmission power detection value of, a multiplier that multiplies the deviation by -1, a PI control unit that performs PI control based on the deviation multiplied by -1, and the PI control unit. It is characterized by including an adder that adds π / 2 to the output of the first leg and outputs the phase delay angle command value of the second leg with respect to the first leg.

本発明によれば、直流電力変換装置において、レグ間で流れる横流の直流成分を増大させることなく、レグ間伝送電力のアンバランスを抑制することが可能となる。 According to the present invention, in the DC power conversion device, it is possible to suppress the imbalance of the transmission power between the legs without increasing the DC component of the cross current flowing between the legs.

直流電力変換装置の回路構成例を示す図。The figure which shows the circuit composition example of the DC power conversion apparatus. セルにフルブリッジ型電力変換装置を適用した場合のレグ間の位相シフト角δの変更によるレグ間電力伝送の変化例を示す図。The figure which shows the change example of the power transmission between legs by the change of the phase shift angle δ between legs when the full bridge type power conversion apparatus is applied to a cell. 第1レグ平均出力電力と位相シフト角の関係例を示す図。The figure which shows the relationship example of the 1st leg average output power and a phase shift angle. 実施形態1における位相シフト角δの制御ブロック図。The control block diagram of the phase shift angle δ in Embodiment 1. FIG. セルにハーフブリッジ型電力変換装置を適用した場合のレグ間の位相シフト角δの変更によるレグ間電力伝送の変化例を示す図。The figure which shows the change example of the power transmission between legs by the change of the phase shift angle δ between legs when a half-bridge type power conversion apparatus is applied to a cell. 第1レグ平均出力電力と位相シフト角の関係例を示す図。The figure which shows the relationship example of the 1st leg average output power and a phase shift angle. 実施形態2における位相シフト角δの制御ブロック図。The control block diagram of the phase shift angle δ in Embodiment 2. FIG.

以下、本願発明における直流電力変換装置の実施形態1,2を図1~図7に基づいて詳述する。 Hereinafter, embodiments 1 and 2 of the DC power conversion device according to the present invention will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 7.

本明細書では、図1に示す回路構成の直流電力変換装置を例として説明する。図1に示すように、直流電力変換装置は並列接続された複数のレグを備える。図1において、複数のレグは2つの第1レグleg1と第2レグleg2である。第1レグleg1は、多段直列接続された第1ユニット11~第Nユニットを備える。第2レグleg2も同様に、N個のユニットが多段直列接続される。 In this specification, the DC power conversion device having the circuit configuration shown in FIG. 1 will be described as an example. As shown in FIG. 1, the DC power converter comprises a plurality of legs connected in parallel. In FIG. 1, the plurality of legs are two first leg legs 1 and a second leg leg 2. The first leg 1 includes first units 11 to N units connected in series in multiple stages. Similarly, in the second leg 2, N units are connected in series in multiple stages.

各ユニットは、直流電圧1と、直流電圧1に接続されたセル2とを有する。直流電圧1は、例えば、直流電源に入力コンデンサを接続したものが挙げられる。直流電圧1に接続されていない側のセル端子が多段直列接続される。 Each unit has a DC voltage 1 and a cell 2 connected to the DC voltage 1. The DC voltage 1 may be, for example, one in which an input capacitor is connected to a DC power supply. The cell terminals on the side not connected to the DC voltage 1 are connected in series in multiple stages.

次に、セル2について説明する。セルには、図1(b)のフルブリッジ型電力変換装置を適用した構成と、図1(c)のハーフブリッジ型電力変換装置を適用した構成がある。 Next, cell 2 will be described. The cell has a configuration to which the full-bridge type power conversion device of FIG. 1 (b) is applied and a configuration to which the half-bridge type power conversion device of FIG. 1 (c) is applied.

図1(b)のフルブリッジ型電力変換装置を適用したセルは、直流電圧1の一方の端子と他方の端子との間に第1,第2半導体スイッチング素子S1,S2が直列接続される。また、直流電圧1の一方の端子と他方の端子との間に第3,第4半導体スイッチング素子S3,S4が直列接続される。第1,第2半導体スイッチング素子S1,S2の接続点が一方のセル端子となり、第3,第4半導体スイッチング素子S3,S4の接続点が他方のセル端子となる。 In the cell to which the full bridge type power conversion device of FIG. 1B is applied, the first and second semiconductor switching elements S1 and S2 are connected in series between one terminal of the DC voltage 1 and the other terminal. Further, the third and fourth semiconductor switching elements S3 and S4 are connected in series between one terminal of the DC voltage 1 and the other terminal. The connection points of the first and second semiconductor switching elements S1 and S2 are one cell terminal, and the connection points of the third and fourth semiconductor switching elements S3 and S4 are the other cell terminals.

図1(c)のハーフブリッジ型電力変換装置を適用したセルは、直流電圧1の一方の端子と他方の端子との間に第1,第2半導体スイッチング素子S1,S2が直列接続される。第1,第2半導体スイッチング素子S1,S2の接続点が一方のセル端子となり、直流電圧1と第2半導体スイッチング素子S2の接続点が他方のセル端子となる。 In the cell to which the half-bridge type power conversion device of FIG. 1C is applied, the first and second semiconductor switching elements S1 and S2 are connected in series between one terminal of the DC voltage 1 and the other terminal. The connection points of the first and second semiconductor switching elements S1 and S2 are one cell terminal, and the connection points of the DC voltage 1 and the second semiconductor switching element S2 are the other cell terminals.

第1ユニット11の一方のセル端子は直流リアクトルL1の一端に接続され、第1ユニット11の他方のセル端子は第2ユニット12の一方のセル端子に接続される。第2ユニット12から第Nユニット1Nまでも同様にセル端子で接続される。第Nユニット1Nの他方のセル端子は直流リアクトルL2の一端に接続される。 One cell terminal of the first unit 11 is connected to one end of the DC reactor L1, and the other cell terminal of the first unit 11 is connected to one cell terminal of the second unit 12. The second unit 12 to the Nth unit 1N are also connected by cell terminals in the same manner. The other cell terminal of the Nth unit 1N is connected to one end of the DC reactor L2.

第2レグleg2も同様に接続され、直流リアクトルL3,L4の一端に接続される。直流リアクトルL1~L4の他端には、出力コンデンサ4を介して直流負荷3が接続される。 The second leg 2 is also connected in the same manner, and is connected to one end of the DC reactors L3 and L4. A DC load 3 is connected to the other ends of the DC reactors L1 to L4 via an output capacitor 4.

実施形態1ではセル2として図1(b)のフルブリッジ型電力変換装置を適用した構成を対象とし、実施形態2ではセル2として図1(c)のハーフブリッジ型電力変換装置を適用した構成を対象とする。 In the first embodiment, the configuration in which the full-bridge type power conversion device of FIG. 1 (b) is applied as the cell 2 is targeted, and in the second embodiment, the half-bridge type power conversion device of FIG. 1 (c) is applied as the cell 2. Is targeted.

本願発明では、レグ間位相シフト角を制御することにより、キャリア周波数の整数倍周波数の横流を制御して直流の横流を流すことなく、レグ間での直流電力伝送を行う。そのため以降では、第2レグleg2の電圧V2の出力波形は、第1レグleg1の電圧V1の出力波形をレグ間位相シフト角分だけ時間遅延させた波形とする。 In the present invention, by controlling the phase shift angle between the legs, the cross current of an integral multiple of the carrier frequency is controlled, and the DC power is transmitted between the legs without flowing the DC cross current. Therefore, thereafter, the output waveform of the voltage V2 of the second leg 2 is a waveform obtained by delaying the output waveform of the voltage V1 of the first leg 1 by the phase shift angle between the legs.

また、簡単のため、以降ではレグを構成するユニットの直列接続数は2とする。 Further, for the sake of simplicity, the number of units connected in series in the leg will be set to 2 from now on.

[実施形態1]
本実施形態1ではセル2に、フルブリッジ型電力変換装置を適用した場合を説明する。
[Embodiment 1]
In the first embodiment, a case where a full bridge type power conversion device is applied to the cell 2 will be described.

三角波キャリアの角周波数をω[rad/s]、三角波キャリアのレグ内ユニット間位相シフト角をπ/2[rad]とする。セル2にフルブリッジ型電力変換装置を適用する場合、第1レグleg1のユニット出力電圧Vunit11,Vunit12は、三角波キャリア周波数の2倍周波数を基本波とする矩形波状となる。そのため、ユニット出力電圧Vunit11,Vunit12は(1)式,(2)式で表される。ただし、anはフーリエ係数であり、直流負荷電圧はVoutである。 The angular frequency of the triangular wave carrier is ω [rad / s], and the phase shift angle between the units in the leg of the triangular wave carrier is π / 2 [rad]. When a full-bridge type power conversion device is applied to the cell 2, the unit output voltages Vunit11 and Vunit12 of the first leg 1 have a rectangular wave shape having a frequency twice the triangular wave carrier frequency as a fundamental wave. Therefore, the unit output voltages Vunit11 and Vunit12 are represented by the equations (1) and (2). However, an is a Fourier coefficient and the DC load voltage is Vout.

Figure 2022012104000002
Figure 2022012104000002

Figure 2022012104000003
Figure 2022012104000003

したがって、ユニット電流の和である第1レグleg1の電圧V1は、(3)式となる。 Therefore, the voltage V1 of the first leg 1, which is the sum of the unit currents, is given by the equation (3).

Figure 2022012104000004
Figure 2022012104000004

第2レグleg2の電圧V2は、第1レグleg1の電圧V1を位相シフトによる遅延時間分だけずらした波形となる。位相シフト角をδとすると遅延時間はδ/ωとなり、第2レグleg2の電圧V2は(4)式となる。 The voltage V2 of the second leg 2 has a waveform obtained by shifting the voltage V1 of the first leg 1 by the delay time due to the phase shift. When the phase shift angle is δ, the delay time is δ / ω, and the voltage V2 of the second leg 2 is given by the equation (4).

Figure 2022012104000005
Figure 2022012104000005

レグ間で循環する横流Icirは、上記レグ電圧の差V1-V2が直流リアクトルLに印加されることで流れる。したがって、横流Icirは(3)式で表される。ただし、kは係数である。 The cross current Icil circulating between the legs flows when the difference V1-V2 of the leg voltage is applied to the DC reactor L. Therefore, the cross current Icil is expressed by the equation (3). However, k is a coefficient.

Figure 2022012104000006
Figure 2022012104000006

横流Icirによる第1レグleg1の第1ユニット11の出力電力P11は(6)式となる。 The output power P 11 of the first unit 11 of the first leg 1 by the cross current Icil is given by the equation (6).

Figure 2022012104000007
Figure 2022012104000007

ここで、三角関数の直交性から、同一周波数成分同士の積以外は平均電力が0となるため、第1ユニット11の平均出力電力P11 ̄は(7)式に変形できる。 Here, since the average power is 0 except for the product of the same frequency components due to the orthogonality of the trigonometric function, the average output power P 11  ̄ of the first unit 11 can be transformed into the equation (7).

Figure 2022012104000008
Figure 2022012104000008

さらに、平均出力電力P11 ̄は交流成分を削除して(8)式のように変形できる。 Further, the average output power P 11  ̄ can be transformed as in Eq. (8) by removing the AC component.

Figure 2022012104000009
Figure 2022012104000009

同様に、横流Icirによる第1レグleg1の第2ユニット12の平均出力電力P12 ̄は(9)式となる。 Similarly, the average output power P 12  ̄ of the second unit 12 of the first leg 1 by the cross current Icil is given by the equation (9).

Figure 2022012104000010
Figure 2022012104000010

さらに、平均出力電力P12 ̄は交流成分を削除して(10)式のように変形できる。 Further, the average output power P12  ̄ can be transformed as in Eq. (10) by removing the AC component.

Figure 2022012104000011
Figure 2022012104000011

横流Icirによる第2レグleg2の第1ユニット21の平均出力電力P21 ̄は(11)式となる。 The average output power P 21  ̄ of the first unit 21 of the second leg 2 by the cross current Icil is given by the equation (11).

Figure 2022012104000012
Figure 2022012104000012

さらに、平均出力電力P21 ̄は交流成分を削除して(12)式のように変形できる。 Further, the average output power P21  ̄ can be transformed as in Eq. ( 12) by removing the AC component.

Figure 2022012104000013
Figure 2022012104000013

横流Icirによる第2レグleg2の第2ユニット22の平均出力電力P22 ̄は(13)式となる。 The average output power P 22  ̄ of the second unit 22 of the second leg 2 by the cross current Icir is given by the equation (13).

Figure 2022012104000014
Figure 2022012104000014

さらに、平均出力電力P22 ̄は交流成分を削除して(14)式のように変形できる。 Further, the average output power P 22  ̄ can be transformed as in Eq. (14) by removing the AC component.

Figure 2022012104000015
Figure 2022012104000015

以上から、レグ内のユニット間では平均出力電力が一致しており、レグ間では符号反転の関係となっている。すなわち、レグ間の位相シフト角δを制御することでレグ間での電力伝送が可能である。レグ間位相シフトによるレグ平均出力電力の変化例を、図2に示す。 From the above, the average output powers of the units in the legs are the same, and the sign is inverted between the legs. That is, power transmission between legs is possible by controlling the phase shift angle δ between the legs. FIG. 2 shows an example of a change in the average output power of the legs due to a phase shift between the legs.

通常時の位相シフト角δ=π/4の場合、上記平均出力電力は0となり、横流による直流電力伝送は発生しない。ここで、レグ間の位相シフト角δをδ=π/4からずらす場合を考える。各平均出力電力の式に現れる級数部について、n=2の項が支配的となるため、(15)式のように近似できる。 When the normal phase shift angle δ = π / 4, the average output power becomes 0, and DC power transmission due to cross current does not occur. Here, consider a case where the phase shift angle δ between the legs is shifted from δ = π / 4. Since the term of n = 2 is dominant for the series part appearing in the equation of each average output power, it can be approximated as in equation (15).

Figure 2022012104000016
Figure 2022012104000016

また、レグ間の位相シフト角δと平均出力電力の関係の例を図3に示す。図3に示すように、位相シフト角δ=π/4付近では、位相シフト角δを大きくすると第1レグleg1の平均出力電力が単調減少する。したがって、図4のような制御部を用いることで、レグ間での伝送電力を制御することができる。 Further, FIG. 3 shows an example of the relationship between the phase shift angle δ between the legs and the average output power. As shown in FIG. 3, in the vicinity of the phase shift angle δ = π / 4, when the phase shift angle δ is increased, the average output power of the first leg 1 decreases monotonically. Therefore, by using the control unit as shown in FIG. 4, the transmission power between the legs can be controlled.

図4に示すように、制御部は、減算器5と、乗算器6と、PI制御部7と、加算器8と、を備える。減算器5は第1レグleg1→第2レグleg2の伝送電力指令値から第1レグleg1→第2レグleg2の伝送電力検出値を減算して偏差を算出する。乗算器6は、この偏差に-1を乗算する。PI制御部7は、-1を乗算した偏差に基づいてPI制御を行う。加算器8は、PI制御部7の出力にπ/4を加算する。加算器8の出力が第1レグleg1に対する第2レグleg2の位相遅れ角指令値δ[rad]となる。 As shown in FIG. 4, the control unit includes a subtractor 5, a multiplier 6, a PI control unit 7, and an adder 8. The subtractor 5 calculates the deviation by subtracting the transmission power detection value of the first leg 1 → the second leg 2 from the transmission power command value of the first leg 1 → the second leg 2. The multiplier 6 multiplies this deviation by -1. The PI control unit 7 performs PI control based on the deviation multiplied by -1. The adder 8 adds π / 4 to the output of the PI control unit 7. The output of the adder 8 becomes the phase delay angle command value δ [rad] of the second leg 2 with respect to the first leg leg 1.

以上示したように、本実施形態1によれば、レグ間で流れる横流の直流成分を増大させることなく、レグ間での直流電力伝送を行う。その結果、横流の直流成分が増大した場合に生じる恐れのある、直流リアクトルの磁気飽和による異常発熱や電流リプル増大を抑制することが可能となる。 As shown above, according to the first embodiment, DC power transmission between legs is performed without increasing the DC component of the cross current flowing between the legs. As a result, it is possible to suppress abnormal heat generation and an increase in current ripple due to magnetic saturation of the DC reactor, which may occur when the DC component of the cross current increases.

[実施形態2]
本実施形態2では、セルにハーフブリッジ型電力変換装置を適用した場合を説明する。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a case where a half-bridge type power conversion device is applied to the cell will be described.

三角波キャリアの角周波数をω[rad/s]、三角波キャリアのレグ内ユニット間位相シフト角をπ[rad]とする。ハーフブリッジ型電力変換装置を適用する場合、第1レグleg1のユニット出力電圧Vunit11,Vunit12は、三角波キャリア周波数を基本波とする矩形波状となる。そのため、ユニット出力電圧Vunit11,Vunit12は(16)式,(17)式で表される。ただし、anはフーリエ係数であり、直流負荷電圧はVoutである。 The angular frequency of the triangular wave carrier is ω [rad / s], and the phase shift angle between the units in the leg of the triangular wave carrier is π [rad]. When a half-bridge type power conversion device is applied, the unit output voltages Vunit11 and Vunit12 of the first leg 1 have a rectangular wave shape having a triangular carrier frequency as a fundamental wave. Therefore, the unit output voltages Vunit11 and Vunit12 are represented by the equations (16) and (17). However, an is a Fourier coefficient and the DC load voltage is Vout.

Figure 2022012104000017
Figure 2022012104000017

Figure 2022012104000018
Figure 2022012104000018

したがって、ユニット電流の和である第1レグleg1の電圧V1は、(18)式となる。 Therefore, the voltage V1 of the first leg 1, which is the sum of the unit currents, is given by the equation (18).

Figure 2022012104000019
Figure 2022012104000019

第2レグleg2の電圧V2は、第1レグleg1の電圧V1を位相シフトによる遅延時間分だけずらした波形となる。位相シフト角をδとすると遅延時間はδ/ωとなり、第2レグleg2の電圧V2は(19)式となる。 The voltage V2 of the second leg 2 has a waveform obtained by shifting the voltage V1 of the first leg 1 by the delay time due to the phase shift. When the phase shift angle is δ, the delay time is δ / ω, and the voltage V2 of the second leg 2 is given by the equation (19).

Figure 2022012104000020
Figure 2022012104000020

レグ間で循環する横流Icirは、上記レグ電圧の差V1-V2が直流リアクトルLに印加されることで流れる。したがって、横流Icirは(20)式で表される。ただし、kは係数である。 The cross current Icil circulating between the legs flows when the difference V1-V2 of the leg voltage is applied to the DC reactor L. Therefore, the cross current Icil is expressed by the equation (20). However, k is a coefficient.

Figure 2022012104000021
Figure 2022012104000021

横流Icirによる第1レグLeg1の第1ユニット11の出力電力P11は(21)式となる。 The output power P 11 of the first unit 11 of the first leg Leg 1 by the cross current Icil is given by the equation (21).

Figure 2022012104000022
Figure 2022012104000022

ここで、三角関数の直交性から、同一周波数成分同士の積以外は平均電力が0となるため、第1ユニット11の平均出力電力P11 ̄は(22)式に変形できる。 Here, since the average power is 0 except for the product of the same frequency components due to the orthogonality of the trigonometric function, the average output power P 11  ̄ of the first unit 11 can be transformed into the equation (22).

Figure 2022012104000023
Figure 2022012104000023

さらに、平均出力電力P11 ̄は交流成分を削除して(23)式のように変形できる。 Further, the average output power P 11  ̄ can be transformed as in Eq. (23) by removing the AC component.

Figure 2022012104000024
Figure 2022012104000024

同様に、横流Icirによる第1レグleg1の第2ユニット12の平均出力電力P12 ̄は(24)式となる。 Similarly, the average output power P 12  ̄ of the second unit 12 of the first leg 1 by the cross current Icil is given by the equation (24).

Figure 2022012104000025
Figure 2022012104000025

さらに、平均出力電力P12 ̄は交流成分を削除して(25)式のように変形できる。 Further, the average output power P12  ̄ can be transformed as in Eq. (25) by removing the AC component.

Figure 2022012104000026
Figure 2022012104000026

横流Icirによる第2レグleg2の第1ユニット21の平均出力電力P21 ̄は(26)式となる。 The average output power P 21  ̄ of the first unit 21 of the second leg 2 by the cross current Icil is given by the equation (26).

Figure 2022012104000027
Figure 2022012104000027

さらに、平均出力電力P21 ̄は交流成分を削除して(27)式のように変形できる。 Further, the average output power P21  ̄ can be transformed as in Eq. ( 27) by removing the AC component.

Figure 2022012104000028
Figure 2022012104000028

横流Icirによる第2レグLeg2の第2ユニット22の平均出力電力P22 ̄は(28)式となる。 The average output power P 22  ̄ of the second unit 22 of the second leg 2 by the cross current Icil is given by the equation (28).

Figure 2022012104000029
Figure 2022012104000029

さらに、平均出力電力P22 ̄は交流成分を削除して(29)式のように変形できる。 Further, the average output power P 22  ̄ can be transformed as in Eq. (29) by removing the AC component.

Figure 2022012104000030
Figure 2022012104000030

以上から、レグ内のユニット間では平均出力電力が一致しており、レグ間では符号反転の関係となっている。すなわち、レグ間の位相シフト角δを制御することでレグ間での電力伝送が可能である。レグ間位相シフトによるレグ平均出力電力の変化例を、図5に示す。 From the above, the average output powers of the units in the legs are the same, and the sign is inverted between the legs. That is, power transmission between legs is possible by controlling the phase shift angle δ between the legs. FIG. 5 shows an example of a change in the average output power of the legs due to a phase shift between the legs.

通常時の位相シフト角δ=π/2の場合、上記平均出力電力は0となり、横流による直流電力伝送は発生しない。ここで、レグ間の位相シフト角δをδ=π/2からずらす場合を考える。各平均出力電力の式に現れる級数部について、n=2の項が支配的となるため、(30)式のように近似できる。 When the normal phase shift angle δ = π / 2, the average output power becomes 0, and DC power transmission due to cross current does not occur. Here, consider a case where the phase shift angle δ between the legs is shifted from δ = π / 2. Since the term of n = 2 is dominant for the series part appearing in the equation of each average output power, it can be approximated as in equation (30).

Figure 2022012104000031
Figure 2022012104000031

また、レグ間の位相シフト角δと平均出力電力の関係の例を図6に示す。図6に示すように、位相シフト角δ=π/2付近では、位相シフト角δを大きくすると第1レグleg1の平均出力電力が単調減少する。したがって、図7のような制御部を用いることで、レグ間での伝送電力を制御することができる。 Further, FIG. 6 shows an example of the relationship between the phase shift angle δ between the legs and the average output power. As shown in FIG. 6, in the vicinity of the phase shift angle δ = π / 2, when the phase shift angle δ is increased, the average output power of the first leg 1 decreases monotonically. Therefore, by using the control unit as shown in FIG. 7, the transmission power between the legs can be controlled.

図7の制御部は、減算器5と、乗算器6と、PI制御部7と、加算器9と、を備える。減算器5、乗算器6、PI制御部7は図4と同様である。加算器9は、PI制御部7の出力にπ/2を加算する。加算器9の出力が第1レグleg1に対する第2レグleg2の位相遅れ角指令値δ[rad]となる。 The control unit of FIG. 7 includes a subtractor 5, a multiplier 6, a PI control unit 7, and an adder 9. The subtractor 5, the multiplier 6, and the PI control unit 7 are the same as those in FIG. The adder 9 adds π / 2 to the output of the PI control unit 7. The output of the adder 9 becomes the phase delay angle command value δ [rad] of the second leg 2 with respect to the first leg leg 1.

以上示したように、本実施形態2によれば、レグ間で流れる横流の直流成分を増大させることなく、レグ間での直流電力伝送を行う。その結果、横流の直流成分が増大した場合に生じる恐れのある直流リアクトルL1~L4の磁気飽和による異常発熱や電流リプル増大を抑制することが可能となる。 As shown above, according to the second embodiment, DC power transmission between legs is performed without increasing the DC component of the cross current flowing between the legs. As a result, it is possible to suppress abnormal heat generation and an increase in current ripple due to magnetic saturation of the DC reactors L1 to L4, which may occur when the DC component of the cross current increases.

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 Although the above description has been made in detail only for the specific examples described in the present invention, it is obvious to those skilled in the art that various modifications and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. It goes without saying that such modifications and modifications fall within the scope of the claims.

1…直流電圧
2…セル
3…直流負荷
4…出力コンデンサ
5…減算器
6…乗算器
7…PI制御部
8,9…加算器
11~1N…,21~2N…第1~第Nユニット
leg1,leg2…第1,第2レグ
L1~L4…直流リアクトル
S1~S4…第1~第4半導体スイッチング素子
1 ... DC voltage 2 ... Cell 3 ... DC load 4 ... Output capacitor 5 ... Subtractor 6 ... Multiplier 7 ... PI control unit 8, 9 ... Adder 11 to 1N ..., 21 to 2N ... 1st to Nth unit leg1 , Leg2 ... 1st and 2nd legs L1 to L4 ... DC reactor S1 to S4 ... 1st to 4th semiconductor switching elements

Claims (5)

並列接続された複数のレグと、
それぞれ直流電圧とセルとを有し、各レグ内に多段直列接続された複数のユニットと、
を備えた直流電力変換装置であって、
前記レグ間の位相シフト角を制御する制御部を備えたことを特徴とする直流電力変換装置。
With multiple legs connected in parallel,
Multiple units each having a DC voltage and a cell and connected in series in multiple stages within each leg,
It is a DC power converter equipped with
A DC power conversion device including a control unit that controls a phase shift angle between the legs.
前記複数のレグは、第1レグと第2レグの2つであることを特徴とする請求項1記載の直流電力変換装置。 The DC power conversion device according to claim 1, wherein the plurality of legs are two, a first leg and a second leg. 前記セルはフルブリッジ型電力変換装置であり、
前記制御部は、
前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力指令値と前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力検出値との偏差を算出する減算器と、
前記偏差に-1を乗算する乗算器と、
-1を乗算した前記偏差に基づいてPI制御を行うPI制御部と、
前記PI制御部の出力にπ/4を加算して前記第1レグに対する前記第2レグの位相遅れ角指令値を出力する加算器と、
を備えたことを特徴とする請求項2記載の直流電力変換装置。
The cell is a full-bridge type power converter.
The control unit
A subtractor that calculates the deviation between the transmission power command value from the first leg to the second leg and the transmission power detection value from the first leg to the second leg.
A multiplier that multiplies the deviation by -1 and
A PI control unit that performs PI control based on the deviation multiplied by -1
An adder that adds π / 4 to the output of the PI control unit and outputs the phase delay angle command value of the second leg with respect to the first leg.
2. The DC power conversion device according to claim 2, wherein the DC power conversion device is provided.
前記セルはハーフブリッジ型電力変換装置であり、
前記制御部は、
前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力指令値と前記第1レグから前記第2レグへの伝送電力検出値との偏差を算出する減算器と、
前記偏差に-1を乗算する乗算器と、
-1を乗算した前記偏差に基づいてPI制御を行うPI制御部と、
前記PI制御部の出力にπ/2を加算して前記第1レグに対する前記第2レグの位相遅れ角指令値を出力する加算器と、
を備えたことを特徴とする請求項2記載の直流電力変換装置。
The cell is a half-bridge type power converter.
The control unit
A subtractor that calculates the deviation between the transmission power command value from the first leg to the second leg and the transmission power detection value from the first leg to the second leg.
A multiplier that multiplies the deviation by -1 and
A PI control unit that performs PI control based on the deviation multiplied by -1
An adder that adds π / 2 to the output of the PI control unit and outputs the phase delay angle command value of the second leg with respect to the first leg.
2. The DC power conversion device according to claim 2, wherein the DC power conversion device is provided.
並列接続された複数のレグと、
それぞれ直流電圧とセルとを有し、各レグ内に多段直列接続された複数のユニットと、
を備えた直流電力変換装置の制御方法であって、
制御部において、前記レグ間の位相シフト角を制御することを特徴とする直流電力変換装置の制御方法。
With multiple legs connected in parallel,
Multiple units each having a DC voltage and a cell and connected in series in multiple stages within each leg,
It is a control method of a DC power converter equipped with
A control method for a DC power conversion device, which comprises controlling a phase shift angle between the legs in a control unit.
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