JP4585774B2 - 電力変換装置および電源装置 - Google Patents
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Description
前記電力変換器が、各相の電力波形の位相差を電力波形の周期をn等分した値に総て一致させて、かつ各相の電力値を総て同一となるように制御する制御手段を備えていることを特徴とする電力変換装置を提供するものである。
前記平滑手段が、前記直流電源と前記電力変換器の間に直流電源と並列に接続された第1蓄電部と、一方の端子が第1蓄電部と並列に接続された双方向電力変換器と、該双方向電力変換器の他方の端子に接続された第2蓄電部と、前記第1蓄電部のリップルが小さくなるよう双方向電力変換器の電力潮流を制御する平滑制御手段とを備えること、
前記平滑制御手段は、前記第1蓄電部のリップルを検知し、検出リップルが小さくなるよう前記双方向電力変換器の電力潮流を制御すること、
前記平滑制御手段は、前記電力変換器の出力電圧および/または出力電流の低次高調波を検出し、前記低次高調波に応じて前記第1蓄電部のリップルが小さくなるよう前記双方向電力変換器を制御すること、
前記電力変換器が、各相の電圧間の位相および電流間の位相が90度異なる二相の交流を出力すること、
前記制御手段が、前記電力変換器の各相の出力電圧間の位相差と出力電流間の位相差を総て同一に制御すること、
前記電力変換器の出力各相が、前記電力変換器と同一相数のn相交流系統の各相に接続され、系統連系出力すること、
前記直流電源が、太陽電池または燃料電池であること、
前記直流電源が、太陽電池または燃料電池と、太陽電池または燃料電池からの直流出力を電圧変換して出力するDC/DCコンバータとからなること、
をその好ましい態様として含むものである。
三相のA相、B相、C相の電圧を検出する電圧検出手段と、
三相のうちA相を基準とし、B相の相電圧に応じてB相の線電流のB成分を増加/減少させ調整し、前記B相成分の調整分の逆符号の量をA相の線電流およびC相の線電流に分配して減少/増加させて調整し、
三相のうちA相を基準とし、C相の相電圧に応じてC相の線電流のC相成分を増加/減少させ調整し、前記C相成分の調整分の逆符号の量をA相の線電流およびB相の線電流に分配して減少/増加させて調整するとともに、
三相の瞬時電力の合計値をpsum(t)としたときに、
psum(t)=A相の相電圧・A相の線電流+B相の相電圧・B相の線電流
+C相の相電圧・C相の線電流
に対して、
d(psum)/dt≒0
を満たす制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置である。
isum(t)=第1相の線電流+第2相の線電流+第3相の線電流=0
を満たす制御手段を備えたことが好ましい。
va=Va・sin(θ)
vb=Vb・sin(θ+2π/3)
vc=Vc・sin(θ+4π/3)
を満たす場合に、A相を基準として、
k1b=Vb/Va
k1c=Vc/Va
とし、A相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを、
ia=Io・{sin(θ)+I12・sin(θ+2π/3)+I13・sin(θ+4π/3)}
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+I23・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{I32・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
を満たすように制御することが好ましい。
I12は、A相の電流iaのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I13は、A相の電流iaのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
(1−2・k2b)は、B相の電流ibのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I23は、B相の電流ibのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I32は、C相の電流icのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
(1−2・k2c)は、C相の電流icのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I12+I32=2・k2b、
I13+I23=2・k2c、
Ioは任意の数、
k2b=(Vb−Va)/(2・Vb+Va)=(k1b−1)/(2・k1b+1)、
k2c=(Vc−Va/(2・Vc+Va)=(k1c−1)/(2・k1c+1)、
である。
va=Va・sin(θ)
vb=Vb・sin(θ+2π/3)
vc=Vc・sin(θ+4π/3)
を満たす場合に、A相を基準として、
k1b=Vb/Va
k1c=Vc/Va
とし、A相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを
ia=Io・{sin(θ)+I12・sin(θ+2π/3)+I13・sin(θ+4π/3)}
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+I23・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{I32・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
となるように制御することも好ましい。
I12は、A相の電流iaのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I13は、A相の電流iaのうち、Cの電圧と同相成分の電流の大きさ、
(1−2・k2b)は、B相の電流ibのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I23は、B相の電流ibのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I32は、C相の電流icのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ
(1−2・k2c)は、C相の電流icのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I12+I32=2・k2b、
I13+I23=2・k2c、
Ioは任意の数、
k2b=(Vb−Va)/(3・Vb)=(k1b−1)/(3・k1b)、
k2c=(Vc−Va)/(3・Vc)=(k1c−1)/(3・k1c)、
である。
I12=I32=k2b
I13=I23=k2c
として、A相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを
ia=Io・{sin(θ)+k2b・sin(θ+2π/3)+k2c・sin(θ+4π/3)}
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+k2c・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{k2b・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
を満たすように制御することが好ましく、
さらに、
I12=2・k2b・{Vc/(Va+Vc)}、I32=2・k2b・{Va/(Va+Vc)}
I13=2・k2c・{Vb/(Va+Vb)}、I23=2・k2c・{Va/(Va+Vb)}
となるようA相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを制御することが好ましい。
図5は本発明の第1の具体的構成例を示す図である。
図6は本発明の第2の具体的構成例を示す図で、第1の具体的構成例を示す図5と多くは同様の構成で、同一符号のついているものは同じ部材を示す。本第2の具体的構成例は、DC/DCコンバータ21が太陽電池1と平滑コンデンサ12の間にある点が第1の具体的構成例とは異なる。202は電力変換装置である。
図7は本発明の第3の具体的構成例を示す図で、図5と同じ符号は同一の部材を示す。203は電力変換装置である。
ここでは、請求項14の発明に関わる第4の具体的構成例を示す。第1の具体的構成例を示す図5と同様の構成を採るが、制御手段19における電流制御方法、より具体的には電流指令値の生成に関する構成が異なる。
vb=Vo・sin(θ+2π/3)
vc=Vo・k1・sin(θ+4π/3)
ib=Io・{sin(θ+2π/3)+k2・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{(1−2・k2)・sin(θ+4π/3)}
pa=va・ia
pb=vb・ib
pc=vc・ic
であるから、三相の瞬時電力の合計値psumは以下の式で表される。
上式に各相電圧および各相線電流を代入すると、下式が導かれる。
psum=3/2・Vo・Io(一定値)
となり、出力電力の脈動は生じない。これにより、入力電力と出力電力の瞬時電力差はおよそゼロとなり、処理すべきエネルギーを極小化することにより、平滑コンデンサ12の静電容量を小容量化できる。
従来の3相の線電流は同じ大きさで同じ力率の電流を流す場合、出力電力リップル率を計算すると1.327%である。これに対して、本構成例に基づき、k1=117/115=1.01739、k2=0.00537、(1−2・k2)=0.98854に調整して制御する場合、出力電力リップル率は0.000%と計算される。このように、1相の相電圧が異なる場合において、基準の相と有効電力が同じとなる調整対象の相の電流を調整するとともに調整電流の逆符号の電流を基準の相と他の相の電流に無効電力が打ち消しあうように分配することで、瞬時出力電力の合計値psumの時間変動はよく抑制され、入力電力の脈動も抑制されることが分かる。上記の電流分配の際には、電流分配による電流分配先の有効電力の変動も考慮して電流調整を行う。これにより、処理すべきエネルギーを極小化することにより、平滑コンデンサ12の静電容量を小容量化できる。
vb=Vo・k1b・sin(θ+2π/3)
vc=Vo・k1c・sin(θ+4π/3)
k1c=(C相電圧振幅値)/(A相電圧振幅値Vo)
ここで、k2b=(k1b−1)/(2×k1b+1)、k2c=(k1c−1)/(2×k1c+1)なる係数k2b、k2cを用いて各相線電流の瞬時値ia、ib、icを以下のようにB相成分電流およびC相成分電流を調整して制御する。
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+k2c・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{k2b・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
ここでは、請求項17の発明に関わる第5の具体的構成例を示す。第5の具体的構成例と同様で、第1の具体的構成例を示す図5と同様の構成を採るが、制御手段19における電流制御方法、より具体的には電流指令値の生成に関する構成が異なる。
vb=Vo・k1b・sin(θ+2π/3)
vc=Vo・k1c・sin(θ+4π/3)
k1c=(C相電圧振幅値)/(A相電圧振幅値Vo)
・sin(θ+2π/3)+k2c・{k1b/(1+k1b)}・sin(θ+4π/3)]
ib=Io・[(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+k2c・{1/(1+k1b)}・sin(θ+4π/3)]
ic=Io・[k2b・{1/(1+k1c)}・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)]
ここでは、請求項15の発明に関わる第6の具体的構成例を示す。第4、第5の具体的構成例と同様で、第1の具体的構成例を示す図5と同様の構成を採るが、制御手段19における電流制御方法、より具体的には電流指令値の生成に関する構成が異なる。
vb=Vo・k1b・sin(θ+2π/3)
vc=Vo・k1c・sin(θ+4π/3)
k1c=(C相電圧振幅値)/(A相電圧振幅値Vo)
・sin(θ+2π/3)+k2c・{k1b/(1+k1b)}・sin(θ+4π/3)]
ib=Io・[(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+k2c・{1/(1+k1b)}・sin(θ+4π/3)]
ic=Io・[k2b・{1/(1+k1c)}・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)]
i1=I11・sin(θ)+I12・sin(θ+2π/3)+I13・sin(θ+4π/3)
i2=I21・sin(θ)+I22・sin(θ+2π/3)+I23・sin(θ+4π/3)
i3=I31・sin(θ)+I32・sin(θ+2π/3)+I33・sin(θ+4π/3)
で表される場合に、
I11+I21+I31=I12+I22+I32=I13+I23+I33=A
を満たすことを条件にするとよい。ただし、θ=2π・f・t(fは三相系統の周波数、tは時刻)、Aは任意の定数、I11は、A相の電流iaのうち、A相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I12は、A相の電流iaのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I13は、A相の電流iaのうち、Cの電圧と同相成分の電流の大きさ、I21は、B相の電流Ibのうち、A相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I22は、B相の電流ibのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I23は、B相の電流ibのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I31は、C相の電流icのうち、A相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I32は、C相の電流icのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、I33は、C相の電流icのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさである。
psumの変動成分=V・A・(ΔV)2・sin2θ/{3・(1+ΔV)}
となる。これより、この場合の電力リップル率は、
電力リップル率=2・(ΔV)2/{3・(1+ΔV)}
となるが、|ΔV|≦0.1であるので、電力リップル率は0.202%以下となり、瞬時電力の変動がよく抑制できることが式の上からも分かる。
2 平滑手段
3 電力変換器
3a 電力変換器
3b 電力変換器
3c 電力変換器
4 多相負荷
4a 多相負荷
4b 多相負荷
5 変換主回路(n相)
5a 変換主回路(n相)
5b 変換主回路(n相)
6a 変換主回路(単相)
6b 変換主回路(単相)
7a 単相負荷
7b 単相負荷
9 制御手段
9a 制御手段
9b 制御手段
11 太陽電池
12 平滑コンデンサ
13 スイッチング回路
13b スイッチング回路
14 三相系統
14b 三相系統
15 電流検出手段
16 連系リアクトル
16b 中性線リアクトル
17 開閉手段
18 電圧検出手段
19 制御手段
21 DC/DCコンバータ
22 平滑コンデンサ
23 コイル
24 スイッチング手段
25 ダイオード
33d 単相ブリッジ
33e 単相ブリッジ
34d 抵抗負荷
34e 抵抗負荷
39 制御手段
100 電源装置
101 電源装置
102 電源装置
103 電源装置
104 電源装置
105 電源装置
200 電力変換装置
201 電力変換装置
202 電力変換装置
203 電力変換装置
204 電力変換装置
205 電力変換装置
Claims (25)
- 直流電源に接続されるn相交流(nはn≧2となる整数)出力を有する電力変換器と、前記直流電源と前記電力変換器の間に設けられた平滑手段とを有する電力変換装置であって、
前記電力変換器が、各相の電力波形の位相差を電力波形の周期をn等分した値に総て一致させて、かつ各相の電力値を総て同一となるように制御する制御手段を備えていることを特徴とする電力変換装置。 - 前記制御手段が、各相の出力電圧を検出し、出力電圧に反比例した相電流となるよう制御することを特徴とすることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記平滑手段が、前記直流電源と前記電力変換器の間に直流電源と並列に接続された第1蓄電部と、一方の端子が第1蓄電部と並列に接続された双方向電力変換器と、該双方向電力変換器の他方の端子に接続された第2蓄電部と、
前記第1蓄電部のリップルが小さくなるよう双方向電力変換器の電力潮流を制御する平滑制御手段とを備えることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記平滑制御手段は、前記第1蓄電部のリップルを検知し、検出リップルが小さくなるよう前記双方向電力変換器の電力潮流を制御することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記平滑制御手段は、前記電力変換器の出力電圧および/または出力電流の低次高調波を検出し、前記低次高調波に応じて前記第1蓄電部のリップルが小さくなるよう前記双方向電力変換器を制御することを特徴とする請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器が、各相の電圧間の位相および電流間の位相が90度異なる二相の交流を出力することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記制御手段が、前記電力変換器の各相の出力電圧間の位相差と出力電流間の位相差を総て同一に制御することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記電力変換器の出力各相が、前記電力変換器と同一相数のn相交流系統の各相に接続され、系統連系出力することを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源が、太陽電池または燃料電池であることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源が、太陽電池または燃料電池と、太陽電池または燃料電池からの直流出力を電圧変換して出力するDC/DCコンバータとからなることを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置。
- 直流電源と、該直流電源に接続された請求項1に記載の電力変換装置とを備えていることを特徴とする電源装置。
- 直流電源に接続され、A相、B相、C相の三相交流を出力する電力変換器と、前記直流電源と前記電力変換器の間に設けられた平滑手段と有する電力変換装置であって、
三相のA相、B相、C相の電圧を検出する電圧検出手段と、
三相のうちA相を基準とし、B相の相電圧に応じてB相の線電流のB相成分を増加/減少させ調整し、前記B相成分の調整分の逆符号の量をA相の線電流およびC相の線電流に分配して減少/増加させて調整し、
三相のうちA相を基準とし、C相の相電圧に応じてC相の線電流のC相成分を増加/減少させ調整し、前記C相成分の調整分の逆符号の量をA相の線電流およびB相の線電流に分配して減少/増加させて調整すると共に、
三相の瞬時の電力の合計値をpsum(t)としたときに、
psum(t)=A相の相電圧・A相の線電流+B相の相電圧・B相の線電流
+C相の相電圧・C相の線電流
に対して、
d(psum)/dt≒0
を満たす制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項12に記載の電力変換装置において、
三相の瞬時の線電流の合計値をisum(t)としたときに、
isum(t)=A相の線電流+B相の線電流+C相の線電流=0
を満たす制御手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項13に記載の電力変換装置において、θ=2π・f・t(fは三相系統の周波数、tは時刻)、VaをA相の振幅、VbをB相の振幅、VcをC相の振幅としたときに、A相の電圧va、B相の電圧vb、C相の電圧vcが
va=Va・sin(θ)
vb=Vb・sin(θ+2π/3)
vc=Vc・sin(θ+4π/3)
を満たす場合に、A相を基準として、
k1b=Vb/Va
k1c=Vc/Va
とし、A相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを、
ia=Io・{sin(θ)+I12・sin(θ+2π/3)+I13・sin(θ+4π/3)}
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+I23・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{I32・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
を満たすように制御することを特徴とする電力変換装置。
ただし、
I12は、A相の電流iaのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I13は、A相の電流iaのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
(1−2・k2b)は、B相の電流ibのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I23は、B相の電流ibのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I32は、C相の電流icのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
(1−2・k2c)は、C相の電流icのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I12+I32=2・k2b、
I13+I23=2・k2c、
Ioは任意の数、
k2b=(Vb−Va)/(2・Vb+Va)=(k1b−1)/(2・k1b+1)、
k2c=(Vc−Va)/(2・Vc+Va)=(k1c−1)/(2・k1c+1)、
である。 - 請求項13記載の電力変換装置において、θ=2π・f・t(fは三相系統の周波数、tは時刻)、VaをA相の振幅、VbをB相の振幅、VcをC相の振幅としたときに、A相の電圧va、B相の電圧vb、C相の電圧vcが
va=Va・sin(θ)
vb=Vb・sin(θ+2π/3)
vc=Vc・sin(θ+4π/3)
を満たす場合に、A相を基準として、
k1b=Vb/Va
k1c=Vc/Va
とし、A相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを
ia=Io・{sin(θ)+I12・sin(θ+2π/3)+I13・sin(θ+4π/3)}
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+I23・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{I32・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
となるように制御することを特徴とする電力変換装置。
ただし、
I12は、A相の電流iaのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I13は、A相の電流iaのうち、Cの電圧と同相成分の電流の大きさ、
(1−2・k2b)は、B相の電流ibのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I23は、B相の電流ibのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I32は、C相の電流icのうち、B相の電圧と同相成分の電流の大きさ
(1−2・k2c)は、C相の電流icのうち、C相の電圧と同相成分の電流の大きさ、
I12+I32=2・k2b、
I13+I23=2・k2c、
Ioは任意の数、
k2b=(Vb−Va)/(3・Vb)=(k1b−1)/(3・k1b)、
k2c=(Vc−Va)/(3・Vc)=(k1c−1)/(3・k1c)、
である。 - 請求項14乃至15のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
I12=I32=k2b
I13=I23=k2c
として、A相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを
ia=Io・{sin(θ)+k2b・sin(θ+2π/3)+k2c・sin(θ+4π/3)}
ib=Io・{(1−2・k2b)・sin(θ+2π/3)+k2c・sin(θ+4π/3)}
ic=Io・{k2b・sin(θ+2π/3)+(1−2・k2c)・sin(θ+4π/3)}
を満たすように制御することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項14乃至15のいずれか1項に記載の電力変換装置において、
I12=2・k2b・{Vc/(Va+Vc)}、I32=2・K2b・{Va/(Va+Vc)}
I13=2・k2c・{Vb/(Va+Vb)}、I23=2・K2c・{Va/(Va+Vb)}
となるようA相の電流ia、B相の電流ib、C相の電流icを制御することを特徴とする電力変換装置。 - 請求項12に記載の電力変換装置において、更に各相電流を同じ位相で進相または遅相に電流制御することを特徴とする電力変換装置。
- 請求項12に記載の電力変換装置において、基準とするA相として、三相のうち相電圧の大きさが2番目のものを選択することを特徴とする電力変換装置。
- 前記平滑手段が、前記直流電源と前記電力変換器の間に直流電源と並列に接続された第1蓄電部と、一方の端子が第1蓄電部と並列に接続された双方向電力変換器と、該双方向電力変換器の他方の端子に接続された第2蓄電部と、前記第1蓄電部のリップルが小さくなるよう双方向電力変換器の電力潮流を制御する平滑制御手段とを備えることを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
- 前記平滑制御手段は、前記第1蓄電部のリップルを検知し、検出リップルが小さくなるよう前記双方向電力変換器の電力潮流を制御することを特徴とする請求項20に記載の電力変換装置。
- 前記平滑制御手段は、前記電力変換器の出力電圧および/または出力電流の低次高調波を検出し、前記低次高調波に応じて前記第1蓄電部のリップルが小さくなるよう前記双方向電力変換器を制御することを特徴とする請求項20に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源が、太陽電池または燃料電池であることを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
- 前記直流電源が、太陽電池または燃料電池と、太陽電池または燃料電池からの直流出力を電圧変換して出力するDC/DCコンバータとからなることを特徴とする請求項12に記載の電力変換装置。
- 直流電源と、該直流電源に接続された請求項12に記載の電力変換装置とを備えていることを特徴とする電源装置。
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