JP2023084640A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電力変換装置に関する。 The present disclosure relates to power converters.
従来、電力変換装置の一つとして、SST(Solid State Transformer)が知られている。SSTは、高周波トランスを搭載した絶縁型双方向DC/DCコンバータと、そのDC/DCコンバータの一方の直流側に接続されたインバータとをそれぞれ有する複数のセルを備える(例えば、非特許文献1参照)。各セルの直流出力端は、直流バスに並列に接続されている。SSTは、各セルの交流出力端が直列に接続されることで、昇圧トランスレスで高圧系統に連系できる。
2. Description of the Related Art Conventionally, an SST (Solid State Transformer) is known as one of power converters. The SST includes a plurality of cells each having an isolated bidirectional DC/DC converter equipped with a high-frequency transformer and an inverter connected to one DC side of the DC/DC converter (see, for example, Non-Patent
SSTの従来の制御方法では、連系運転の場合、各セルのインバータは、インバータと絶縁型DC/DCコンバータとの間の直流電圧(セル直流中間電圧)を制御し、各セルの絶縁型DC/DCコンバータは、直流出力の電圧(直流バス電圧)を制御する。一方、自立運転の場合、各セルのインバータは、各セルの交流出力端側の系統の電圧を制御し、各セルの絶縁型DC/DCコンバータは、セル直流中間電圧を制御する。 In the conventional control method of SST, in the case of grid-connected operation, the inverter of each cell controls the DC voltage (cell DC intermediate voltage) between the inverter and the isolated DC/DC converter, and the isolated DC of each cell The /DC converter controls the voltage of the DC output (DC bus voltage). On the other hand, in the case of self-sustaining operation, the inverter of each cell controls the voltage of the system on the AC output terminal side of each cell, and the isolated DC/DC converter of each cell controls the cell DC intermediate voltage.
このように、従来の制御方法は、インバータと絶縁型DC/DCコンバータのそれぞれが制御対象とする電圧は、連系運転と自立運転とで切り替わる。そのため、制御の切り替わりの増加に伴って、制御ソフトウェアは肥大化し、その結果、例えば、制御装置のコストアップを招くおそれがある。 Thus, in the conventional control method, the voltages to be controlled by the inverter and the insulated DC/DC converter are switched between grid-connected operation and isolated operation. Therefore, with an increase in control switching, the control software becomes bloated, and as a result, for example, there is a risk of an increase in the cost of the control device.
本開示は、制御ソフトウェアを簡素化可能な電力変換装置を提供する。 The present disclosure provides a power converter capable of simplifying control software.
本開示の一態様では、
絶縁型双方向DC/DCコンバータと、直流リンクと、前記コンバータに前記直流リンクを介して接続されたインバータとをそれぞれ有し、前記インバータの交流出力端を介して直列に接続された複数の変換セルと、
前記複数の変換セルを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記交流出力端を介して連系する系統の電圧が正常のとき、前記直流リンクに前記コンバータを介して接続された直流出力端が接続されるバスの直流電圧が所定の値になるように前記インバータを制御し、前記系統の電圧が正常のとき及び前記系統の電圧が異常のとき、前記直流リンクの直流電圧が所定の値になるように前記コンバータを制御する、電力変換装置が提供される。
In one aspect of the present disclosure,
a plurality of converters each having an isolated bi-directional DC/DC converter, a DC link, and an inverter connected to said converter via said DC link, connected in series via AC outputs of said inverters; a cell;
a control device that controls the plurality of conversion cells,
When the voltage of the system interconnected via the AC output terminal is normal, the control device increases the DC voltage of the bus connected to the DC output terminal connected to the DC link via the converter to a predetermined value. and controlling the converter so that the DC voltage of the DC link becomes a predetermined value when the voltage of the system is normal and when the voltage of the system is abnormal. An apparatus is provided.
本開示の一態様によれば、制御ソフトウェアを簡素化できる。 According to one aspect of the present disclosure, control software can be simplified.
以下、実施形態について説明する。なお、"DC","AC"は、それぞれ、"Direct Current","Alternative Current"の略語である。 Embodiments will be described below. "DC" and "AC" are abbreviations of "Direct Current" and "Alternative Current", respectively.
図1は、一実施形態の電力変換装置の構成例を示す図である。図1に示す電力変換装置1は、3直列の変換セルを相ごとに備えるSSTである。図1は、SSTを、太陽光発電装置と蓄電池を併設するマルチソースの自家消費型再生可能エネルギーシステムに適用した場合を例示する。太陽光発電装置は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を用いた太陽光発電(PV)を行う。
FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a power converter according to one embodiment. A
太陽光発電装置は、DC/DCコンバータ11を介して直流バス13に接続される。蓄電池は、DC/DCコンバータ12を介して直流バス13に接続される。直流バス13は、電力変換装置1の直流出力端に接続される。電力変換装置1は、直流バス13の直流を交流に変換して出力する。電力変換装置1の交流出力端は、電線14を介して、系統15に接続される。電線14には、電線14から電力供給を受ける不図示の重要負荷が接続されている。
The photovoltaic power generation device is connected to a
この自家消費型システムのメリットとして、非常用電源としての機能がある。系統15の正常時、PVで発電した直流電力は、DC/DCコンバータ11及び直流バス13を介して電力変換装置1に供給され、電力変換装置1により交流電力に変換されて、系統15に出力される。一方、停電時などの系統15の異常時は、系統15が不図示のスイッチで切り離された後、蓄電池は、非常用電源として活用される。非常用電源として機能する蓄電池から出力される直流電力は、DC/DCコンバータ12及び直流バス13を介して電力変換装置1に供給され、電力変換装置1により交流電力に変換されて、電線14に接続される不図示の重要負荷に供給される。
As an advantage of this self-consumption type system, there is a function as an emergency power supply. When the
電力変換装置1が系統15に連系するときの運転モードを連系運転と呼び、電力変換装置1が非常電源として動作する運転モードを自立運転と呼ぶ。
An operation mode in which the
図1に示す電力変換装置1は、直流バス13側の直流を系統15側の交流に、又は、系統15側の交流を直流バス13側の直流に双方向に変換するSSTである。電力変換装置1は、U相の3つの変換セルU1,U2,U3と、V相の3つの変換セルV1,V2,V3と、W相の3つの変換セルW1,W2,W3と、これらの変換セルのそれぞれの電力変換動作を制御する制御装置206と、を備える。なお、各相の変換セルの個数は、3つに限られず、一つでも二つ以上の数でもよい。また、各相の変換セルは、同一構成であるので、代表して、U相の変換セルについて以下説明する。
The
複数の変換セルU1,U2,U3は、それぞれ、直流バス13側の直流を系統15側の交流に、又は、系統15側の交流を直流バス13側の直流に双方向に変換するセル変換器である。複数の変換セルU1,U2,U3は、それぞれ、直流出力端r,s、絶縁型双方向DC/DCコンバータ200、直流リンク300、インバータ400及び交流出力端p,qを有する。以下、絶縁型双方向DC/DCコンバータを、単に、コンバータとも称する。
Each of the plurality of conversion cells U1, U2, and U3 is a cell converter that bi-directionally converts direct current on the
直流出力端r,sは、例えば、コンバータ200の一方の直流出力側(直流バス13側)に接続される出力端子である。高電位側の直流出力端rは、直流バス13の高電位側の第1バスPに接続され、低電位側の直流出力端sは、直流バス13の低電位側の第2バスNに接続される。直流端子r、sは、後述の1次側回路210aの直流出力端に接続される。
The DC output terminals r and s are, for example, output terminals connected to one DC output side (the
交流出力端p,qは、例えば、コンバータ200の他方の直流出力側(系統15側)に接続される出力端子である。
AC output terminals p and q are, for example, output terminals connected to the other DC output side (
複数の変換セルU1,U2,U3は、交流出力端p,qをそれぞれ有し、交流出力端p,qを介して直列に接続される。複数の変換セルU1,U2,U3は、それぞれ、自身の第1交流出力端pが自身に隣接する一方の変換セルの第2交流出力端qに接続され、自身の第2交流出力端qが自身に隣接する他方の変換セルの第1交流出力端pに接続される。交流出力端p,qを介して直列に接続される複数の変換セルのうち、最も高電位側に位置する変換セル(この例では、変換セルU1)の第1交流出力端pは、U相の電線14に接続される。一方、交流出力端p,qを介して直列に接続される複数のセルのうち、最も低電位側の変換セル(この例では、変換セルU3)の第2交流出力端qは、中性点16に接続される。
A plurality of conversion cells U1, U2, U3 have AC output ends p, q, respectively, and are connected in series via the AC output ends p, q. Each of the plurality of conversion cells U1, U2, and U3 has its own first AC output terminal p connected to the second AC output terminal q of one adjacent conversion cell, and its own second AC output terminal q is connected to It is connected to the first AC output terminal p of the other adjacent conversion cell. Among the plurality of conversion cells connected in series via AC output terminals p and q, the conversion cell located on the highest potential side (conversion cell U1 in this example) has a first AC output terminal p of the U phase. is connected to the
コンバータ200は、複数の変換セルU1,U2,U3で共通の直流バス13から入力される直流電圧を昇圧又は降圧して、所定の直流電圧を直流リンク300に出力する。または、コンバータ200は、直流リンク300から入力される直流電圧を昇圧又は降圧して、所定の直流電圧を直流バス13に出力する。コンバータ200は、例えば、トランス202と、1次側回路210aと、2次側回路210bとを備える。1次側回路210aと2次側回路210bとは、トランス202によって磁気的に結合する。
Converter 200 steps up or steps down a DC voltage input from
例えば、コンバータ200は、トランス202の1次側に設けられた1次側フルブリッジ回路とトランス202の2次側に設けられた2次側フルブリッジ回路とを有するDAB(Dual Active Bridge)コンバータである。DABコンバータは、トランス202の漏れインダクタンス又はトランス202に直列に接続された外付けリアクトルに電圧が印加されることで、1次側と2次側との間で電力を伝送する。伝送される電力は、1次側のインバータ回路(1次側フルブリッジ回路)の2つの中間接続点から出力される出力電圧V1と、2次側のインバータ回路(2次側フルブリッジ回路)の2つの中間接続点から出力される出力電圧V2との位相差によって制御される。
For example, the
トランス202は、1次側コイルと2次側コイルとを有し、1次側コイルと2次側コイルとが磁気的に結合する変圧器である。1次側回路210aは、1次側フルブリッジ回路及び1次側駆動回路を有する。2次側回路210bは、2次側フルブリッジ回路及び2次側駆動回路を有する。
The
1次側フルブリッジ回路は、1次側第1上アームと1次側第1下アームとが直列に接続される1次側第1ハーフブリッジ回路と、1次側第2上アームと1次側第2下アームとが直列に接続される1次側第2ハーフブリッジ回路とを有する。トランス202の1次側コイルは、1次側第1上アームと1次側第1下アームとの中間接続点と1次側第2上アームと1次側第2下アームとの中間接続点との間に接続される。
The primary side full bridge circuit includes a primary side first half bridge circuit in which a primary side first upper arm and a primary side first lower arm are connected in series; and a primary side second half bridge circuit connected in series with the side second lower arm. The primary side coil of the
2次側フルブリッジ回路は、2次側第1上アームと2次側第1下アームとが直列に接続される2次側第1ハーフブリッジ回路と、2次側第2上アームと2次側第2下アームとが直列に接続される2次側第2ハーフブリッジ回路とを有する。トランス202の2次側コイルは、2次側第1上アームと2次側第1下アームとの中間接続点と2次側第2上アームと2次側第2下アームとの中間接続点との間に接続される。
The secondary side full bridge circuit includes a secondary side first half bridge circuit in which a secondary side first upper arm and a secondary side first lower arm are connected in series; and a secondary side second half bridge circuit connected in series with the side second lower arm. The secondary coil of the
1次側第1上アーム、1次側第1下アーム、1次側第2上アーム及び1次側第2下アーム等の複数の1次側スイッチ素子は、1次側駆動回路によって駆動される。2次側第1上アーム、2次側第1下アーム、2次側第2上アーム及び2次側第2下アーム等の複数の2次側スイッチ素子は、2次側駆動回路によって駆動される。 A plurality of primary side switch elements such as a primary side first upper arm, a primary side first lower arm, a primary side second upper arm, and a primary side second lower arm are driven by a primary side drive circuit. be. A plurality of secondary side switch elements such as a secondary side first upper arm, a secondary side first lower arm, a secondary side upper arm, and a secondary side lower arm are driven by a secondary side drive circuit. be.
1次側スイッチ素子及び2次側スイッチ素子の具体例として、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの半導体スイッチング素子が挙げられる。 Specific examples of the primary side switch element and the secondary side switch element include semiconductor switching elements such as MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistors) and IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors).
直流リンク300は、2次側回路210bの直流出力端に接続される。直流リンク300は、直流コンデンサ301を有する。
DC link 300 is connected to the DC output end of secondary circuit 210b. DC link 300 has a
インバータ400は、コンバータ200に直流リンク300を介して接続された回路である。インバータ400は、直流リンク300の直流を交流に変換して交流出力端p,qに出力し、又は、交流出力端p,qから入力される交流を直流に変換して直流リンク300に出力する。
制御装置206は、各相の複数の変換セルを制御する。制御装置206は、例えば、メモリとプロセッサ(例えば、CPU(Central Processing Unit))を有し、制御装置206の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。制御装置206の各機能は、FPGA(Field Programmable Gate Array)又はASIC(Application Specific Integrated Circuit)によって実現されてもよい。
図2は、一実施形態の電力変換装置の制御装置においてインバータ制御部とコンバータ制御部で共通の制御ブロックを例示する図である。図3は、インバータ制御部の制御方式を例示する制御ブロック図である。図4は、コンバータ制御部の第1制御方式を例示する制御ブロック図である。制御装置206は、インバータ400を制御するインバータ制御部と、コンバータ200を制御するコンバータ制御部とを有する。
FIG. 2 is a diagram illustrating control blocks common to the inverter control unit and the converter control unit in the control device for the power converter according to one embodiment. FIG. 3 is a control block diagram illustrating the control method of the inverter control unit. FIG. 4 is a control block diagram illustrating a first control method of the converter control section.
各相のインバータ制御及びコンバータ制御は、同一の制御方法であるので、代表して、変換セルU1のインバータ400及びコンバータ200の制御方法について、以下説明する。
Since inverter control and converter control for each phase are the same control method, the control method for
図2において、インバータ制御部は、U相の系統電圧VuとW相の系統電圧Vwを検出し、それらの検出値をDQ変換器VDによりDQ変換し、d軸系統電圧検出値Vd及びq軸系統電圧検出値Vqを生成する。 In FIG. 2, the inverter control unit detects a U-phase system voltage Vu and a W-phase system voltage Vw, DQ-converts the detected values by a DQ converter VD, and converts the d-axis system voltage detection value Vd and the q-axis A system voltage detection value Vq is generated.
次に、図3に示すインバータ制御について説明する。インバータ制御は、連系運転と自立運転でその制御内容が異なり、インバータ制御部は、連系運転又は自立運転を切り替える指令情報に従って制御方式を切り替える。 Next, the inverter control shown in FIG. 3 will be described. Inverter control differs between grid-connected operation and self-sustained operation, and the inverter control unit switches the control method according to command information for switching between grid-connected operation and self-sustained operation.
まず、連系運転時のインバータ制御について説明する。連系運転では、インバータ制御部は、直流バス13の直流電圧(直流バス電圧)が所定の値になるようにインバータ400を制御する。インバータ制御部は、直流バス13の電圧指令と直流バス13の電圧検出値Vbusとの差分をPI調節器によりPI調節演算して、二相のdq軸電流成分Id,Iqを生成する。インバータ制御部は、二相のdq軸電流成分Id,IqをDQ逆変換器VD-1によりDQ逆変換し、U相の出力電流指令Iurefを生成する。DQ逆変換器は、二つの入力に対して二相三相変換を行う演算器である。
First, inverter control during grid-connected operation will be described. In the grid-connected operation, the inverter control unit controls the
インバータ制御部は、U相の出力電流指令IurefとU相の出力電流検出値Iuとの差分を比例制御器Pにより比例制御した結果に、系統電圧Vuの検出値を加算して、U相の出力電圧指令Vurefを生成する。インバータ制御部は、U相の出力電圧指令Vurefをゲート指令演算することで、インバータ400を駆動するゲート信号を生成して、インバータ400を動かす。なお、DC/DCコンバータ11は、PVの出力電圧を制御し、DC/DCコンバータ12は、蓄電池の出力電圧を制御する。
The inverter control unit adds the detected value of the system voltage Vu to the result of proportionally controlling the difference between the U-phase output current command Iuref and the U-phase output current detection value Iu by the proportional controller P, Generate an output voltage command Vuref. The inverter control unit generates a gate signal for driving the
次に、自立運転時のインバータ制御について説明する。自立運転では、インバータ制御部は、U相の系統電圧が所定の値になるようにインバータ400を制御する。インバータ制御部は、U相の系統電圧指令に、d軸系統電圧指令とd軸系統電圧検出値Vdとの差分をPI調節演算した結果を加算して第1の値を算出する。インバータ制御部は、q軸系統電圧指令(=0)とq軸系統電圧検出値Vqとの差分をPI調節演算して第2の値を算出する。インバータ制御部は、第1の値及び第2の値をDQ逆変換して、U相の出力電圧指令Vurefを生成する。インバータ制御部は、U相の出力電圧指令Vurefをゲート指令に変換する演算をすることで、インバータ400を駆動するためのゲート指令を生成して、インバータ400を動かす。
Next, inverter control during self-sustained operation will be described. In the self-sustained operation, the inverter control unit controls the
次に、図4に示すコンバータ制御について説明する。コンバータ制御は、インバータ制御とは異なり、連系運転と自立運転でその制御内容が共通である。 Next, converter control shown in FIG. 4 will be described. Unlike inverter control, converter control has the same control contents for grid-connected operation and isolated operation.
コンバータ制御部は、連系運転でも自立運転でも、直流リンク300の直流電圧(直流中間電圧Edc)が所定の値になるようにコンバータ200を制御する。コンバータ制御部は、直流中間電圧Edcの指令と直流中間電圧Edcの検出値EdcU1との偏差をPI調節器によりPI調節演算して、コンバータ200の直流電流Idcの指令を生成する。コンバータ制御部は、この直流電流指令と直流電流Idcの検出値IdcU1との差分をPI調節器によりPI調節演算して、コンバータ200の1次側(直流バス側)と2次側(AC側)の出力電圧の位相差を導出する。コンバータ制御部は、この位相差をゲート指令に変換する演算をすることで、コンバータ200を駆動するためのゲート指令を生成して、コンバータ200を動かす。
The converter control unit controls
このように、制御装置206は、交流出力端p,qを介して連系する系統15の電圧が正常のとき、直流リンク300にコンバータ200を介して接続された直流出力端r,sが接続される直流バス13の直流電圧(直流バス電圧Vbus)が所定の値になるようにインバータ400を制御する。そして、制御装置206は、系統15の電圧が正常のとき及び系統15の電圧が異常のとき、直流リンク300の直流電圧(直流中間電圧Edc)が所定の値になるようにコンバータ200を制御する。
In this way, when the voltage of the
このように、本実施形態では、コンバータ200の制御対象の電圧が連系運転と自立運転とで共通のため、制御ソフトウェアを簡素化できる。
As described above, in the present embodiment, since the voltage to be controlled by the
図5は、コンバータ制御部の第2制御方式を例示する図である。図5に示す第2制御方式は、図4に示す第1制御方式に、直流中間電圧のフィードフォワード制御を追加した制御方式である。このフィードフォワード制御部は、インバータ400の出力電圧指令Vurefと出力電流指令Iurefとを乗算して、変換セルU1の交流出力電力を算出し、この交流出力電力の算出値を直流中間電圧EdcU1で除算して、コンバータ200の直流電流を算出し、この直流電流の算出値をコンバータ200の直流電流指令に加算する。
FIG. 5 is a diagram illustrating a second control method of the converter control section. The second control method shown in FIG. 5 is a control method in which feedforward control of the DC intermediate voltage is added to the first control method shown in FIG. This feedforward control unit multiplies the output voltage command Vuref and the output current command Iuref of the
このように、制御装置206は、インバータ400の交流出力端p,qの電圧情報と電流情報に基づいて、直流中間電圧Edcの変動分を補償して直流中間電圧Edcが抑制されるようにコンバータ200を制御する。これによって、直流中間電圧Edcの制御応答を高めることができる。また、直流中間電圧Edcの変動を抑制することで、直流コンデンサ301の静電容量を低減できる。静電容量の低減により、直流コンデンサ301を小型化でき、ひいては、電力変換装置1を小型化できる。
In this way, based on the voltage information and current information of the AC output terminals p and q of the
以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。 Although the embodiments have been described above, the technology of the present disclosure is not limited to the above embodiments. Various modifications and improvements such as combination or replacement with part or all of other embodiments are possible.
1 電力変換装置
11,12 DC/DCコンバータ
13 直流バス
14 電線
15 系統
200 絶縁型双方向DC/DCコンバータ
202 トランス
206 制御装置
300 直流リンク
400 インバータ
p,q 交流出力端
r,s 直流出力端
U1,U2,U3,V1,V2,V3,W1,W2,W3 変換セル
1
Claims (3)
前記複数の変換セルを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記交流出力端を介して連系する系統の電圧が正常のとき、前記直流リンクに前記コンバータを介して接続された直流出力端が接続されるバスの直流電圧が所定の値になるように前記インバータを制御し、前記系統の電圧が正常のとき及び前記系統の電圧が異常のとき、前記直流リンクの直流電圧が所定の値になるように前記コンバータを制御する、電力変換装置。 a plurality of converters each having an isolated bi-directional DC/DC converter, a DC link, and an inverter connected to said converter via said DC link, connected in series via AC outputs of said inverters; a cell;
a control device that controls the plurality of conversion cells,
When the voltage of the system interconnected via the AC output terminal is normal, the control device increases the DC voltage of the bus connected to the DC output terminal connected to the DC link via the converter to a predetermined value. and controlling the converter so that the DC voltage of the DC link becomes a predetermined value when the voltage of the system is normal and when the voltage of the system is abnormal. Device.
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