JP5176710B2 - Neutral point clamp power converter and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、バッテリや発電機等を組み合わせた3値をもつ直流電源から任意の周波数へ電力変換をする中性点クランプ電力変換装置に関する。   The present invention relates to a neutral point clamp power converter for converting power from a DC power source having three values combining a battery, a generator and the like to an arbitrary frequency.

3値の電位を持つ直流電源から、3相交流へ変換する電力変換装置の回路構成は、中性点クランプ式電力変換装置(例えば、特許文献1の中性点固定型電力変換装置 図1)が一般的である。バッテリや燃料電池などを直流電源として、3相交流へ変換する電力変換装置としては、マトリクスコンバータを応用した回路構成(例えば、特許文献2 図1や特許文献3 図4)などがある。
中性点クランプ式電力変換装置は2つの直流電源を直列接続し、電源の高圧電位、低圧電位および、その接続点である中間電位をスイッチ素子により選択出力してPWM変調を行い3相交流へ電力変換している。中性点の電位を制御するために出力するベクトルを変えてPWMを行っている(特許文献4参照)
特許文献2の電力変換装置では、高圧の燃料電池と低圧のバッテリを使って、モータ駆動し、回生電力はバッテリへ充電し、チョッパ回路によって、燃料電池からバッテリへの充電ができるような回路構成になっている。
特許文献3の電力変換装置では、燃料電池とバッテリを切替えてモータ駆動し、モータの回生電力をバッテリに充電している。
マトリクスコンバータにはスイッチ素子の保護回路や複雑な保護動作が必須である(特許文献5 図8)。
特開2003−88128号公報(第8頁、図1) 特開2006−60912号公報(第15頁、図1) 特開2006−129644号公報(第12頁、図4) 特開2001−57784号公報 特開2000−139076号公報(第11頁、図8)
The circuit configuration of a power conversion device that converts a DC power supply having a three-value potential to a three-phase AC is a neutral point clamp type power conversion device (for example, a neutral point fixed power conversion device in Patent Document 1 FIG. 1). Is common. As a power conversion device that converts a battery, a fuel cell, or the like into a three-phase alternating current using a direct current power source, there is a circuit configuration using a matrix converter (for example, Patent Document 2 FIG. 1 and Patent Document 3 FIG. 4).
The neutral point clamp type power converter connects two DC power supplies in series, selects and outputs the high-voltage potential and low-voltage potential of the power supply, and the intermediate potential that is the connection point with a switch element, and performs PWM modulation to convert to three-phase AC Power conversion is in progress. PWM is performed by changing the output vector in order to control the potential at the neutral point (see Patent Document 4).
In the power conversion device of Patent Document 2, a circuit configuration is provided in which a motor is driven using a high-pressure fuel cell and a low-voltage battery, regenerative power is charged to the battery, and the fuel cell can be charged from the fuel cell by a chopper circuit. It has become.
In the power conversion device of Patent Document 3, the fuel cell and the battery are switched to drive the motor, and the regenerative power of the motor is charged to the battery.
The matrix converter requires a protection circuit for the switch element and a complicated protection operation (FIG. 8 of Patent Document 5).
Japanese Patent Laying-Open No. 2003-88128 (page 8, FIG. 1) Japanese Patent Laying-Open No. 2006-60912 (page 15, FIG. 1) Japanese Patent Laying-Open No. 2006-129644 (page 12, FIG. 4) JP 2001-57784 A JP 2000-139076 (page 11, FIG. 8)

従来のマトリクスコンバータを利用した電力変換装置は、双方向スイッチを用いて電流を切替える際には、複雑なスイッチングシーケンスが必要であるという問題がある。また、直流電源からの電力を切替えるのに、それぞれの直流電源に応じて電圧指令を補正するといった複雑な補正処理が必要であるといった問題があった。更に、マトリクスコンバータは、双方向スイッチを使用するので、負荷電流を完全に遮断してしまう場合があり、双方向スイッチに使用される半導体素子を保護するために、別途、負荷電流を還流させてサージ電圧を抑制するのためのスナバ回路が必要であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、空間ベクトルを利用し、PWM演算を簡単化するとともに、燃料電池からバッテリを充電することができ、追加のスナバ回路が不要な小形・低コストの中性点クランプ電力変換装置とその制御方法を提供することを目的とする。
A conventional power converter using a matrix converter has a problem that a complicated switching sequence is required when switching current using a bidirectional switch. In addition, there has been a problem in that in order to switch the power from the DC power source, a complicated correction process such as correcting the voltage command according to each DC power source is required. Furthermore, since the matrix converter uses a bidirectional switch, the load current may be completely cut off. In order to protect the semiconductor elements used in the bidirectional switch, the load current is separately circulated. There is a problem that a snubber circuit for suppressing the surge voltage is necessary.
The present invention has been made in view of such problems, and is a small-sized device that uses a space vector to simplify PWM calculation, can charge a battery from a fuel cell, and does not require an additional snubber circuit. The object is to provide a low-cost neutral point clamp power converter and its control method.

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項1記載の発明は、3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧の指令値を決定する出力電圧指令演算部と、前記3値の電位をもつ直流電源の3つの異なる電位差に基づき、当該3つの電位差のそれぞれに対応する長さの出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項2記載の発明は、請求項1記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記3値の電位をもつ直流電源は直流発電機およびバッテリで構成されることを特徴とするものである。
請求項3記載の発明は、請求項1または2記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記誘導性負荷は、電動機であることを特徴とするものである。
請求項4記載の発明は、請求項3記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とするものである。
請求項5記載の発明は、請求項3または4記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ充電することを特徴とするものである。
In order to solve the above problem, the present invention is configured as follows.
The invention according to claim 1 is directed to a DC power supply having a ternary potential and a neutral point clamp power converter for driving the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase alternating current. an output voltage command calculation unit for determining a-out based on the three different voltage of the DC power source having a potential of the three values, the voltage vector computation for computing an output voltage vector of a length corresponding to each of the three potential And an output time calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a predetermined period based on the vector component of the output voltage command and the output voltage vector.
According to a second aspect of the present invention, in the neutral point clamp power conversion device according to the first aspect, the DC power source having the three-value potential includes a DC generator and a battery.
The invention according to claim 3 is the neutral point clamp power converter according to claim 1 or 2, wherein the inductive load is an electric motor.
According to a fourth aspect of the present invention, in the neutral point clamp power conversion device according to the third aspect, the voltage vector calculation unit applies the DC generator power to the inductance of the motor while the motor is stopped. A voltage vector for charging current is generated, and then an operation for generating a voltage vector for discharging the current charged in the inductance to the battery is repeated to charge the battery from the DC generator. It is what.
According to a fifth aspect of the present invention, in the neutral point clamp power conversion device according to the third or fourth aspect, the DC power generation is performed while the electric motor is being rotationally driven and the output voltage vector is within an output time period of a zero vector. Generating a voltage vector for charging a current by applying the electric power of the machine to the inductance of the motor, and then repeating the operation of generating a voltage vector for discharging the current charged in the inductance to the battery. The battery is charged from a machine.

請求項6記載の発明は、請求項1または2記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記誘導性負荷は交流系統電源であることを特徴とするものである。
請求項7記載の発明は、請求項6記載の中性点クランプ電力変換装置において、出力に誘導性フィルタリアクトルを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタリアクトルのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ充電することを特徴とするものである。
請求項8記載の発明は、3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、前記3値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、前記誘導性負荷は、電動機であり、前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、の和は零であることを特徴とするものである。
請求項9記載の発明は、3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、前記3値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、前記誘導性負荷は、電動機であり、前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とするものである。
請求項10記載の発明は、3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、前記3値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、前記誘導性負荷は系統交流電源であり、出力に誘導性フィルタを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、の和は零であることを特徴とするものである。
請求項11記載の発明は、3値の電位をもつ直流電源と、前記直流電源が直流発電機およびバッテリで構成され、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置の制御方法において、出力3相電圧またはベクトルの電圧指令を演算するステップと、電圧指令のa,bベクトル方向の成分と電圧指令の存在する領域を演算するステップと、外部から入力されるバッテリを充電するか否かの指令に基づいて、出力する電圧ベクトルを選択し、スイッチング回数が少なくなるよう決定するステップと、電圧ベクトルの出力時間を演算するステップと、出力電圧ベクトルの順序と時間に基づいて電力変換部のスイッチをオンオフ駆動させるステップと、を備えることを特徴とするものである。
The invention according to claim 6 is the neutral point clamp power converter according to claim 1 or 2, wherein the inductive load is an AC system power supply.
According to a seventh aspect of the present invention, in the neutral point clamp power converter according to the sixth aspect of the present invention, an inductive filter reactor is provided at an output, and the DC generator is within the period of an output time when the output voltage vector is a zero vector. Is applied to the inductance of the inductive filter reactor to generate a voltage vector for charging a current, and then an operation for generating a voltage vector for discharging the current charged to the inductance to the battery is repeated. The battery is charged from a DC generator.
According to an eighth aspect of the present invention, there is provided a DC power source having a ternary potential, and a neutral point clamp power converter that converts the ternary potential into a three-phase alternating current to drive an inductive load. An output voltage command calculation unit, a voltage vector calculation unit for calculating an output voltage vector based on a potential difference between the three-valued DC power supply, a vector component of the output voltage command and the output voltage vector And an output time calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a certain period, wherein the inductive load is a motor, and the voltage vector calculation unit is configured to generate the DC power generation while the motor is stopped. A power vector is applied to the inductance of the motor to generate a voltage vector that charges the current, and then the current charged to the inductance is distributed to the battery. The operation of generating a voltage vector for charging is repeated, the electric charge is charged from the DC generator to the battery, and the product of the voltage vector and the output time for charging current to the inductance, and the product of the voltage vector and the output time for discharging The sum of, is zero.
The invention according to claim 9 determines an output voltage command in a DC power source having a ternary potential and a neutral point clamp power converter that drives the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase AC. An output voltage command calculation unit, a voltage vector calculation unit for calculating an output voltage vector based on a potential difference between the three-valued DC power supply, a vector component of the output voltage command and the output voltage vector An output time calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a certain period, and the inductive load is an electric motor, and the output voltage vector is an output of a zero vector during rotational driving of the electric motor. Within a period of time, the DC generator power is applied to the motor inductance to generate a voltage vector that charges the current, and then the inductance is charged. The operation of generating a voltage vector for discharging the current to the battery is repeated, the electric charge is charged from the DC generator to the battery, the product of the voltage vector and the output time for charging the inductance, and the voltage vector for discharging And the product of the output times is zero.
According to a tenth aspect of the present invention , an output voltage command is determined in a DC power source having a ternary potential and a neutral point clamp power converter that drives the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase AC. An output voltage command calculation unit, a voltage vector calculation unit for calculating an output voltage vector based on a potential difference between the three-valued DC power supply, a vector component of the output voltage command and the output voltage vector An output voltage calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a certain period, the inductive load is a system AC power source, an output includes an inductive filter, and the output voltage vector is a zero vector. Within the output time period, the DC generator power is applied to the inductance of the inductive filter to generate a voltage vector that charges the current, and then the inductor Repeating the operation of generating a voltage vector for discharging the current charged to the battery to the battery, charging the battery from the DC generator to the battery, and multiplying the inductance by the voltage vector and the output time; The sum of the product of the voltage vector to be discharged and the output time is zero.
According to the eleventh aspect of the present invention, a DC power source having a ternary potential and the DC power source are constituted by a DC generator and a battery, and the ternary potential is converted into a three-phase AC to drive an inductive load. In the control method of the sex point clamp power converter, a step of calculating a voltage command of an output three-phase voltage or a vector, a step of calculating a component in the a and b vector directions of the voltage command and a region where the voltage command exists, Selecting a voltage vector to be output based on a command to determine whether or not to charge the battery input, determining to reduce the number of switching times, calculating an output time of the voltage vector, and an output voltage vector And a step of driving the switch of the power conversion unit on and off based on the order and time.

請求項1、2、3に記載の発明によると、電圧指令のベクトル成分を利用しPWMするので、直流電圧の変動が大きい場合でもPWMの発生回路を簡単にした中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項4に記載の発明によると、発電機からバッテリへ充電する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項5に記載の発明によると負荷運転中にも発電機からバッテリへ充電する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項6、7に記載の発明によると、系統連系した状態で発電機からバッテリへ充電する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項8〜10に記載の発明によると、発電機からバッテリに充電しても零ベクトルを生成する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項1に記載の発明によると、電圧指令のベクトル成分を利用しPWMするので、直流電圧の変動が大きい場合でもPWMの発生回路を簡単にした中性点クランプ電力変換装置の制御方法を提供することができる。
本発明によると、保護回路や複雑な保護動作がないので装置の小形化・低コスト化ができる。
According to the first, second, and third aspects of the invention, since the PWM is performed using the vector component of the voltage command, the neutral point clamp power conversion device that simplifies the PWM generation circuit even when the fluctuation of the DC voltage is large. Can be provided.
According to invention of Claim 4, the neutral point clamp power converter device which charges a battery from a generator can be provided.
According to the fifth aspect of the present invention, it is possible to provide a neutral point clamp power converter that charges a battery from a generator even during load operation.
According to invention of Claim 6, 7, the neutral point clamp electric power converter which charges a battery from a generator in the state of grid connection can be provided.
According to invention of Claims 8-10 , even if it charges a battery from a generator, the neutral point clamp power converter device which produces | generates a zero vector can be provided.
According to the invention of claim 1 1, since the PWM using a vector component of the voltage command, a control method of a neutral point clamped electric power conversion apparatus to simplify the generation circuit of the PWM even if fluctuation of the DC voltage is greater Can be provided.
According to the present invention, since there is no protection circuit or complicated protection operation, the apparatus can be reduced in size and cost.

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1は、本発明の電力変換装置の概略構成図である。図において、1はバッテリ、2は燃料電池、3は中性点クランプインバータ主回路、4は制御装置、5は負荷である。また、41は出力電圧指令演算部、42は電圧ベクトル演算部、43は電圧ベクトル出力時間演算部、44はPWM出力部である。回路構成上バッテリ1の電圧V1と燃料電池2の電圧V2との関係は常にV1>V2でなければならない。以下の実施例では直流発電機として燃料電池2を用いて説明するが,本発明は燃料電池に限定するものではなく,風力発電装置や太陽光発電装置などの直流出力を利用してもよい。本発明は主回路の構成をマトリクスコンバータではなく、中性点クランプインバータの構成とすることで、小容量の場合には、中性点クランプインバータのスイッチ素子と並列に接続される環流ダイオードを利用することによって、別途スナバ回路を必要としない。しかし、電力変換装置の出力容量が大きくなるに伴って、装置が大形化し配線長が長くなる場合には、別途スナバ装置が必要となるが、一般的なRCDスナバ回路などを、中性点クランプインバータ主回路の個々のスイッチ素子に適用できるので、適用できないマトリクスコンバータよりも低コスト化が可能である。   FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a power converter according to the present invention. In the figure, 1 is a battery, 2 is a fuel cell, 3 is a neutral point clamp inverter main circuit, 4 is a control device, and 5 is a load. Reference numeral 41 denotes an output voltage command calculation unit, 42 denotes a voltage vector calculation unit, 43 denotes a voltage vector output time calculation unit, and 44 denotes a PWM output unit. In terms of circuit configuration, the relationship between the voltage V1 of the battery 1 and the voltage V2 of the fuel cell 2 must always be V1> V2. In the following embodiments, description will be made using the fuel cell 2 as a DC generator. However, the present invention is not limited to the fuel cell, and a DC output of a wind power generator or a solar power generator may be used. In the present invention, the configuration of the main circuit is not a matrix converter but a neutral point clamp inverter, and in the case of a small capacity, a freewheeling diode connected in parallel with the switch element of the neutral point clamp inverter is used. By doing so, a separate snubber circuit is not required. However, if the device becomes larger and the wiring length becomes longer as the output capacity of the power converter becomes larger, a separate snubber device is required. Since it can be applied to individual switch elements of the clamp inverter main circuit, the cost can be reduced as compared with a matrix converter that cannot be applied.

図3は、本発明の中性点クランプインバータが出力できる27の電圧ベクトルを空間ベクトル図に示した例である。各ベクトルは長さと位相によってa,b,ap,an,bp,bn,cm,Op,Om,Onの10種のベクトルに分類される。また、各ベクトルとインバータ出力電圧との対応をU,V,W相の順でPNNなどのように図3に示している。図1の構成ではインバータが出力できる電圧の最大値はバッテリ1の電圧V1であり、この電圧を出力するベクトルはaベクトル及びbベクトルであり、これらのベクトルの長さはV1に一致する。   FIG. 3 is an example showing 27 voltage vectors that can be output by the neutral clamp inverter of the present invention in a space vector diagram. Each vector is classified into 10 types of vectors of a, b, ap, an, bp, bn, cm, Op, Om, and On according to length and phase. Further, the correspondence between each vector and the inverter output voltage is shown in FIG. 3 as PNN in the order of U, V, and W phases. In the configuration of FIG. 1, the maximum value of the voltage that can be output by the inverter is the voltage V1 of the battery 1, the vectors that output this voltage are the a vector and the b vector, and the lengths of these vectors coincide with V1.

an,bnベクトルの長さは、それらのスイッチ状態(MNNなど)から燃料電池2の電圧V2である。ap,bpベクトルの長さは、それらのスイッチ状態(PMMなど)から、バッテリ1の電圧V1と燃料電池2の電圧V2の差分(V1−V2)である。cmベクトルはapベクトルとbnベクトルの合成と等しく、その長さは、PPP,PNN,PMNの点で作られ三角形を考えると余弦定理から、√[V1^2+(V1−V2)^2−2×V1×(V1−V2)cos60°]=√(V1^2−V1×V2+V2^2)である。Op,Om,Onベクトルは零ベクトルと呼ばれ、それらの長さは零である。cmベクトルはバッテリ1の電圧V1と燃料電池の電圧V2によって角度が変化し、近接するaベクトルからのなす角θmは、正弦定理から|bn|/sinθm=|cm|/sin60°よって(1)式で表される
θm=asin[sin60°×V2/√(V1^2−V1×V2+V2^2)]・・・(1)
The lengths of the an and bn vectors are the voltage V2 of the fuel cell 2 from their switch state (MNN or the like). The lengths of the ap and bp vectors are the difference (V1−V2) between the voltage V1 of the battery 1 and the voltage V2 of the fuel cell 2 from the switch state (such as PMM). The cm vector is equal to the composition of the ap vector and the bn vector, and its length is formed by the points of PPP, PNN, and PMN. From the cosine theorem, considering the triangle, √ [V1 ^ 2 + (V1-V2) ^ 2-2 × V1 × (V1−V2) cos 60 °] = √ (V1 ^ 2−V1 × V2 + V2 ^ 2). The Op, Om, On vectors are called zero vectors, and their length is zero. The angle of the cm vector varies depending on the voltage V1 of the battery 1 and the voltage V2 of the fuel cell, and the angle θm formed from the adjacent a vector is expressed by | bn | / sinθm = | cm | / sin60 ° from the sine theorem (1) [Theta] m = asin [sin 60 [deg.] * V2 / [square root] (V1 ^ 2-V1 * V2 + V2 ^ 2)] (1)

本発明図1の制御回路はインバータが出力すべき3相の電圧指令を発生し、電圧指令が持つaおよびbベクトル方向の成分を演算する。電圧指令が(θ,k)の成分で示されるベクトルの場合は図4のようにaベクトル成分Va,bベクトル成分Vbを演算する。電圧指令ベクトルと近接のaベクトルとのなす角がθ’であると場合は、(2)式で表される。
|Va|=k×2×sin(60°−θ’)/√3
|Vb|=k×2×sin(θ’)/√3 ・・・(2)
電圧指令が3相交流電圧の場合は、図5のように、インバータ出力電圧の最大値V1の0.5倍となる振幅を持つ三角波(PWM搬送波)との対比をイメージし、相電圧の最大値と中間値の差分を|Va|、中間値と最低値との差分を|Vb|として演算してもよい。また、この場合の指令が図3の領域の何処に存在するかの判定は、電圧指令の大小と相との対応によって決定される。U相電圧指令をVu、V相電圧指令をVv,W相電圧指令をVwとすると、
A領域:Vu>Vv>Vw
B領域:Vv>Vu>Vw
C領域:Vv>Vw>Vu
D領域:Vw>Vv>Vu
E領域:Vw>Vu>Vv
F領域:Vu>Vw>Vv
である。
The control circuit of FIG. 1 of the present invention generates a three-phase voltage command to be output by the inverter, and calculates the components of the voltage command in the a and b vector directions. When the voltage command is a vector indicated by a component (θ, k), the a vector component Va and the b vector component Vb are calculated as shown in FIG. When the angle between the voltage command vector and the adjacent a vector is θ ′, it is expressed by equation (2).
| Va | = k × 2 × sin (60 ° −θ ′) / √3
| Vb | = k × 2 × sin (θ ′) / √3 (2)
When the voltage command is a three-phase AC voltage, as shown in FIG. 5, the image is compared with a triangular wave (PWM carrier wave) having an amplitude 0.5 times the maximum value V1 of the inverter output voltage, and the maximum phase voltage The difference between the intermediate value and the intermediate value may be calculated as | Va |, and the difference between the intermediate value and the lowest value may be calculated as | Vb |. Further, the determination of where the command in this case exists in the region of FIG. 3 is determined by the correspondence between the magnitude of the voltage command and the phase. When the U-phase voltage command is Vu, the V-phase voltage command is Vv, and the W-phase voltage command is Vw,
A area: Vu>Vv> Vw
B region: Vv>Vu> Vw
C region: Vv>Vw> Vu
D region: Vw>Vv> Vu
E region: Vw>Vu> Vv
F region: Vu>Vw> Vv
It is.

制御回路4は電圧指令のaおよびbベクトル成分と27個の電圧ベクトルのaおよびbベクトル成分が一致するよう電圧ベクトルを選択・時分割出力することでPWMを行う。
最も簡単なPWM変調は、電圧指令のベクトルに近接するaおよびbベクトルと零ベクトルを使ってPWMを行う。この場合はPWM周期をTc、aベクトルの出力時間をTaとbベクトルの出力時間をTb、零ベクトルの出力時間をToとすると、(3)式のように表される。
Ta=Tc×|Va|/V1
Tb=Tc×|Vb|/V1 ・・・(3)
To=Tc−Ta−Tb
図1の構成ではaベクトル、bベクトルのみを使う場合はバッテリから負荷へ電力が供給される。零ベクトルはOp,Om,Onのいずれを利用しても良いが、出力するa,bベクトルから最低のスイッチング回数で移行できる零ベクトルを利用するとスイッチング損失が低減できる。
The control circuit 4 performs PWM by selecting and time-division-outputting the voltage vector so that the a and b vector components of the voltage command coincide with the a and b vector components of the 27 voltage vectors.
In the simplest PWM modulation, PWM is performed using a and b vectors and a zero vector close to a voltage command vector. In this case, if the PWM cycle is Tc, the a vector output time is Ta and b vector output time is Tb, and the zero vector output time is To, then it is expressed as in equation (3).
Ta = Tc × | Va | / V1
Tb = Tc × | Vb | / V1 (3)
To = Tc-Ta-Tb
In the configuration of FIG. 1, when only the a vector and the b vector are used, power is supplied from the battery to the load. As the zero vector, any of Op, Om, and On may be used. However, if a zero vector that can be shifted from the a and b vectors to be output with the minimum number of switching times is used, the switching loss can be reduced.

燃料電池2から負荷へ電力を供給する場合は、電圧指令のベクトルに近接するanおよびbnベクトルと零ベクトルを使ってPWMを行う。この場合はPWM周期をTc、anベクトルの出力時間をTanとbベクトルの出力時間をTbn、零ベクトルの出力時間をToとすると、(4)式のように表される。
Tan=Tc×|Va|/V2、Tbn=Tc×|Vb|/V2、To
=Tc−Tan−Tbn ・・・(4)
以上のように。本発明の電力変換装置では、電圧指令のベクトル成分と電圧指令に近接するベクトルを利用し出力時間の演算を行うことで簡単にPWMができる。
When power is supplied from the fuel cell 2 to the load, PWM is performed using an and bn vectors and a zero vector close to the voltage command vector. In this case, when the PWM cycle is Tc, the output time of the an vector is Tan and the output time of the b vector is Tbn, and the output time of the zero vector is To,
Tan = Tc × | Va | / V2, Tbn = Tc × | Vb | / V2, To
= Tc-Tan-Tbn (4)
As above. In the power converter of the present invention, PWM can be easily performed by calculating the output time using the vector component of the voltage command and the vector close to the voltage command.

燃料電池2からバッテリ1へ充電を行うには、まず負荷のモータが停止している状態とすると、例えばan(MNN)ベクトルを出力し、燃料電池2からモータのインダクタンスへエネルギーを印加して電流をチャージ、次に、すべてのスイッチ素子をオフにして、スイッチ素子と逆並列に接続されている環流ダイオードの整流動作によってモータのインダクタンスにチャージされた電流(エネルギー=インダクタンス*電流/2)をバッテリにディスチャージして充電する。この動作はV1>V2の場合、昇圧チョッパと同じ動作であり、モータのインダクタンスに電流を流し(モータインダクタンスにエネルギーを印加し)、次にオフ動作を行い整流によってバッテリを充電する。モータインダクタンスにエネルギーを印加する際のベクトルはanまたはbnベクトルを利用することで燃料電池2からモータへのエネルギーが移動する。充電電流の制御は、an(MNN)ベクトルの出力時間を調整することで可能であり、これも昇圧チョッパの動作と同等である。 In order to charge the battery 1 from the fuel cell 2, first, assuming that the motor of the load is stopped, for example, an an (MNN) vector is output, and energy is applied from the fuel cell 2 to the motor inductance to generate a current. the charge, then, all of the switch elements turn off, the current charged in the inductance of the motor by rectifying operation of the circulating diode that is connected to the switch element and the antiparallel (energy = inductance * current 2/2) Discharge and charge the battery. This operation is the same as that of the step-up chopper when V1> V2, and a current is supplied to the motor inductance (energy is applied to the motor inductance), and then an off operation is performed to charge the battery by rectification. As the vector for applying energy to the motor inductance, the energy from the fuel cell 2 to the motor moves by using the an or bn vector. The charging current can be controlled by adjusting the output time of the an (MNN) vector, which is also equivalent to the operation of the boost chopper.

次に、モータ回転状態では、例えば電圧指令ベクトルがA領域にあり、燃料電池2から負荷へ電力を供給しているとすると、モータはA領域のan(MNN)、bn(MMN)ベクトルおよび零ベクトルによって、PWM駆動されている。この時、an(MNN)の出力時間がTan、bn(MMN)ベクトルの出力時間がTbn、零ベクトルの時間をToとすると、ToをV1,V2の値に基づいて分割し、Tanを(5)式のように補正する
Tan’=Tan+To×V1/(V1+V2) ・・・(5)
更に、an(MNN)と逆向きのb(NPP)ベクトルの出力時間をTbxとするとtbxは(6)式のようになる。
Tbx=To×V2/(V1+V2) ・・・(6)
PWM周期中に零ベクトルを出力せずにan(MNN)ベクトルの出力時間を増加させ、b(NPP)ベクトルを出力する。この動作により、モータにan(MNN)ベクトルの出力増加分To×V1/(V1+V2)の電圧が印加され、モータへエネルギーが蓄えられる。そのエネルギーをb(NPP)ベクトルを出力することによって、バッテリへ充電できる。モータへ印加される電圧の平均値は、an(MNN)ベクトルの増加分V2×To×V1/(V1+V2)、b(NPP)ベクトルによる逆電圧−V1×To×V2/(V1+V2)なので、その和は零となり、負荷モータに印加される平均電圧は変化しない。
このようにすることでモータを通常に駆動しつつ燃料電池からバッテリに充電することができる。この例はanベクトルを増加させ逆向きのbベクトルを出力する例を示したが、bnベクトルを増加させ、bnベクトルと逆向きのaベクトルを出力するようにしても良く、更にan,bnベクトル両方を増加させ、逆向きのa,bベクトルを出力するようにしても良い。
Next, in the motor rotation state, for example, assuming that the voltage command vector is in the A region and power is being supplied from the fuel cell 2 to the load, the motor has an an (MNN), bn (MMN) vector and zero in the A region. PWM driving is performed by a vector. At this time, if the output time of an (MNN) is Tan, the output time of the bn (MMN) vector is Tbn, and the time of the zero vector is To, To is divided based on the values of V1 and V2, and Tan is (5 ) Tan '= Tan + To × V1 / (V1 + V2) (5)
Further, if the output time of the b (NPP) vector opposite to an (MNN) is Tbx, tbx is expressed by the following equation (6).
Tbx = To × V2 / (V1 + V2) (6)
The output time of the an (MNN) vector is increased without outputting the zero vector during the PWM period, and the b (NPP) vector is output. By this operation, a voltage of an output increase To × V1 / (V1 + V2) of the an (MNN) vector is applied to the motor, and energy is stored in the motor. The energy can be charged to the battery by outputting a b (NPP) vector. The average value of the voltage applied to the motor is the increment of the an (MNN) vector V2 × To × V1 / (V1 + V2), the reverse voltage of the b (NPP) vector −V1 × To × V2 / (V1 + V2). The sum is zero and the average voltage applied to the load motor does not change.
In this way, the battery can be charged from the fuel cell while the motor is normally driven. In this example, the an vector is increased and the reverse b vector is output. However, the bn vector may be increased to output the a vector opposite to the bn vector, and the an and bn vectors may be output. Both may be increased to output opposite a and b vectors.

充電電流を減少させる場合は、0<α<1として(7)(8)式のように出力するベクトルの時間を減少させ、時間の減少分を零ベクトルを出力しその出力時間To’を(9)式のように補正する。
Tan’=Tan+α×To×V2/(V1+V2) ・・・(7)
Tbx =α×To×V1/(V1+V2) ・・・(8)
To’=(1−α)×To ・・・(9)
このようにαを用いて制御することで、充電電流の制御も可能となる。
When reducing the charging current, the time of the vector to be output is reduced as shown in Equations (7) and (8) by setting 0 <α <1, and the zero vector is output as the reduced time and the output time To ′ is set as ( 9) Correct as shown in the equation.
Tan ′ = Tan + α × To × V2 / (V1 + V2) (7)
Tbx = α × To × V1 / (V1 + V2) (8)
To ′ = (1−α) × To (9)
Thus, by controlling using α, the charging current can also be controlled.

図2は、本発明の第2の実施例の電力変換装置の概略構成図である。図において、1はバッテリ、2は燃料電池、3は中性点クランプインバータ主回路、4は制御装置、5は負荷となっている。回路構成上、燃料電池2の電圧V1とバッテリ1の電圧V2との関係は常にV1>V2でなければならない。制御回路4はPWMを実施例1の電力変換装置と同様におこなうが、ベクトルの対応が以下のように異なってくる。   FIG. 2 is a schematic configuration diagram of the power conversion device according to the second embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a battery, 2 is a fuel cell, 3 is a neutral clamp inverter main circuit, 4 is a control device, and 5 is a load. In terms of circuit configuration, the relationship between the voltage V1 of the fuel cell 2 and the voltage V2 of the battery 1 must always be V1> V2. The control circuit 4 performs PWM in the same manner as the power conversion device of the first embodiment, but the vector correspondence is different as follows.

燃料電池から負荷へ電力を供給する場合には、電圧指令のベクトルに近接するaおよびbベクトルと零ベクトルを使ってPWMを行う。この場合はPWM周期をTc、aベクトルの出力時間をTaとbベクトルの出力時間をTb、零ベクトルの出力時間をToとすると、(10)式のようになる。
Ta=Tc×|Va|/V1、Tb=Tc×|Vb|/V1、To=Tc−Ta−Tb
・・・(10)
零ベクトルはOp,Om,Onのいずれを利用しても良いが、出力するa,bベクトルから最低のスイッチング回数で移行できる零ベクトルを利用するとスイッチング損失が低減できる。
When power is supplied from the fuel cell to the load, PWM is performed using the a and b vectors and the zero vector close to the voltage command vector. In this case, assuming that the PWM cycle is Tc, the output time of the a vector is Ta and the output time of the b vector is Tb, and the output time of the zero vector is To, Equation (10) is obtained.
Ta = Tc × | Va | / V1, Tb = Tc × | Vb | / V1, To = Tc−Ta−Tb
... (10)
As the zero vector, any of Op, Om, and On may be used. However, if a zero vector that can be shifted from the a and b vectors to be output with the minimum number of switching times is used, the switching loss can be reduced.

バッテリから負荷へ電力を供給する場合は、電圧指令のベクトルに近接するanおよびbnベクトルと零ベクトルを使ってPWMを行う。この場合はPWM周期をTc、anベクトルの出力時間をTanとbnベクトルの出力時間をTbn、零ベクトルの出力時間をToとすると、(11)式になる。
Tan=Tc×|Va|/V2
Tbn=Tc×|Vb|/V2 ・・・(11)
To=Tc−Tan−Tbn
以上のように。本発明の電力変換装置では、電圧指令のベクトル成分と電圧指令に近接するベクトルを利用し出力時間の演算を行うことで簡単にPWMができる。
When power is supplied from the battery to the load, PWM is performed using the an and bn vectors close to the voltage command vector and the zero vector. In this case, when the PWM cycle is Tc, the output time of the an vector is Tan and the output time of the bn vector is Tbn, and the output time of the zero vector is To, the equation (11) is obtained.
Tan = Tc × | Va | / V2
Tbn = Tc × | Vb | / V2 (11)
To = Tc-Tan-Tbn
As above. In the power converter of the present invention, PWM can be easily performed by calculating the output time using the vector component of the voltage command and the vector close to the voltage command.

燃料電池2からバッテリ1へ充電を行うには、まず負荷のモータが停止している状態とすると、例えばa(PNN)ベクトルを出力し、燃料電池2からモータのインダクタンスへエネルギーを印加し、次に、bn(NMM)ベクトルを出力し、モータに蓄えられたエネルギーをバッテリに充電する。この動作はV1>V2の場合、降圧チョッパと同じ動作であり、モータインダクタンスに電流を流し(モータインダクタンスにエネルギーを印加し)、次にバッテリへの電流経路を作ってバッテリを充電する。モータインダクタンスにエネルギーを印加する際のベクトルはaまたはbベクトルを利用することで燃料電池2からモータへのエネルギーが移動する。充電電流の制御は、a(PNN)ベクトルの出力時間を調整することで可能であり、これも降圧チョッパの動作と同等である。
この動作の場合、bn(NMM)ベクトルを出力するので、充電電流が少ない場合、バッテリからモータへのエネルギーが環流電流として戻る場合がある。これを防ぐには、例えばbn(NMM)ベクトルではなく、U相のスイッチ素子はすべてオフ、V相,W相をMへ接続することで、U相の環流ダイオードの整流動作により、バッテリからモータへの電流を阻止できる。
In order to charge the battery 1 from the fuel cell 2, first, assuming that the motor of the load is stopped, for example, an a (PNN) vector is output, energy is applied from the fuel cell 2 to the inductance of the motor, and then In addition, the bn (NMM) vector is output to charge the battery with the energy stored in the motor. This operation is the same as that of the step-down chopper when V1> V2, and a current is supplied to the motor inductance (energy is applied to the motor inductance), and then a current path to the battery is created to charge the battery. As the vector for applying energy to the motor inductance, the energy from the fuel cell 2 to the motor moves by using the a or b vector. The charge current can be controlled by adjusting the output time of the a (PNN) vector, which is also equivalent to the operation of the step-down chopper.
In this operation, since the bn (NMM) vector is output, when the charging current is small, the energy from the battery to the motor may return as the reflux current. To prevent this, for example, not the bn (NMM) vector, but all the U-phase switch elements are turned off, and the V-phase and W-phase are connected to M. Can block the current to.

次に、モータ回転状態では、例えば電圧指令ベクトルがA領域にあり、燃料電池2から負荷へ電力を供給しているとすると、モータはA領域のa(PNN)、b(PPN)ベクトルおよび零ベクトルによって、PWM駆動されている。この時、a(PNN)の出力時間がTa、b(PPN)ベクトルの出力時間がTb、零ベクトルの時間をToとすると。ToをV1、V2の値に基づいて分割し、Taを(12)式のように補正する。
Ta’=Ta+To×V2/(V1+V2) ・・・(12)
更に、a(PNN)と逆向きのbn(NMM)ベクトルの出力時間をTbnxとすると(13)式になる。
Tbnx=To×V1/(V1+V2) ・・・(13)
PWM周期中に零ベクトルを出力せずにaベクトルの出力時間を増加させ、bn(NMM)ベクトルを出力する。この動作により、モータにa(PNN)ベクトルの出力増加分To×V2/(V1+V2)の電圧が印加され、モータへエネルギーが蓄えられる。そのエネルギーをbn(NMM)ベクトルを出力することによって、バッテリへ充電できる。
Next, in the motor rotation state, for example, assuming that the voltage command vector is in the A region and power is being supplied from the fuel cell 2 to the load, the motor has the a (PNN) and b (PPN) vectors in the A region and zero. PWM driving is performed by a vector. At this time, the output time of a (PNN) is Ta, the output time of b (PPN) vector is Tb, and the time of zero vector is To. To is divided based on the values of V1 and V2, and Ta is corrected as shown in equation (12).
Ta ′ = Ta + To × V2 / (V1 + V2) (12)
Furthermore, when the output time of the bn (NMM) vector opposite to a (PNN) is Tbnx, the equation (13) is obtained.
Tbnx = To × V1 / (V1 + V2) (13)
The output time of the a vector is increased without outputting the zero vector during the PWM period, and the bn (NMM) vector is output. By this operation, a voltage of the output increase To × V2 / (V1 + V2) of the a (PNN) vector is applied to the motor, and energy is stored in the motor. By outputting a bn (NMM) vector of the energy, the battery can be charged.

モータへ印加される電圧の平均値は、a(PNN)ベクトルの増加分V1×To×V2/(V1+V2)、bn(NMM)ベクトルによる逆電圧−V2×To×V1/(V1+V2)なので、その和は零となり、負荷モータに印加される平均電圧は変化しない。このようにすることでモータを通常に駆動しつつ燃料電池からバッテリに充電することができる。この例はaベクトルを増加させ逆向きのbnベクトルを出力する例を示したが、bベクトルを増加させ、bベクトルと逆向きのanベクトルを出力するようにしても良く、更にa,bベクトル両方を増加させ、逆向きのan,bnベクトルを出力するようにしても良い。   The average value of the voltage applied to the motor is the increment of the a (PNN) vector V1 × To × V2 / (V1 + V2), and the reverse voltage of the bn (NMM) vector −V2 × To × V1 / (V1 + V2). The sum is zero and the average voltage applied to the load motor does not change. In this way, the battery can be charged from the fuel cell while the motor is normally driven. In this example, the a vector is increased and the reverse bn vector is output. However, the b vector may be increased and an an vector opposite to the b vector may be output. Both may be increased and an an and bn vector in the opposite direction may be output.

充電電流を減少させる場合は、0<α<1として(14)、(15)式のようにする。
Ta’=Ta+α×To×V2/(V1+V2) ・・・(14)
Tbnx=α×To×V1/(V1+V2) ・・・(15)
出力するベクトルの時間を減少させ、時間の減少分を零ベクトルの出力時間To’を(16)式のように補正する。
To’=(1−α)×To ・・・(16)
このようにαを用いて制御することで、充電電流の制御も可能となる。
When reducing the charging current, 0 <α <1 and the equations (14) and (15) are used.
Ta ′ = Ta + α × To × V2 / (V1 + V2) (14)
Tbnx = α × To × V1 / (V1 + V2) (15)
The time of the vector to be output is reduced, and the reduced time is corrected as shown in the equation (16) for the zero vector output time To ′.
To ′ = (1−α) × To (16)
Thus, by controlling using α, the charging current can also be controlled.

図6は、本発明の第3の実施例の電力変換装置の概略構成図である。図において、1はバッテリ、2は燃料電池、3は中性点クランプインバータ主回路、4は制御装置、5は負荷である。制御回路4はモータ駆動および中性点クランプインバータが出力するap,an,bp,bn電圧ベクトルの選択によってバッテリの充電制御を行う。図8はap,an,bp,bnベクトルが出力された際に、負荷電流方向とバッテリの充電電流の対応例を示す図である。   FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a power conversion device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a battery, 2 is a fuel cell, 3 is a neutral point clamp inverter main circuit, 4 is a control device, and 5 is a load. The control circuit 4 controls charging of the battery by selecting the ap, an, bp, and bn voltage vectors output from the motor drive and neutral point clamp inverter. FIG. 8 is a diagram illustrating a correspondence example between the load current direction and the charging current of the battery when the ap, an, bp, and bn vectors are output.

燃料電池から負荷へ電力を供給する場合には、電圧指令のベクトルに近接するanおよびbnベクトルと零ベクトルを使ってPWMを行う。この場合はPWM周期をTc、anベクトルの出力時間をTanとbnベクトルの出力時間をTbn、零ベクトルの出力時間をToとすると、(17)式になる。
Tan=Tc×|Va|/V4
Tbn=Tc×|Vb|/V4 ・・・(17)
To=Tc−Tan−Tbn
となる。零ベクトルはOp,Om,Onのいずれを利用しても良いが、出力するan,bnベクトルから最低のスイッチング回数で移行できる零ベクトルを利用するとスイッチング損失が低減できる。
When power is supplied from the fuel cell to the load, PWM is performed using the an and bn vectors and the zero vector close to the voltage command vector. In this case, when the PWM cycle is Tc, the output time of the an vector is Tan and the output time of the bn vector is Tbn, and the output time of the zero vector is To, the equation (17) is obtained.
Tan = Tc × | Va | / V4
Tbn = Tc × | Vb | / V4 (17)
To = Tc-Tan-Tbn
It becomes. As the zero vector, any of Op, Om, and On may be used, but switching loss can be reduced by using a zero vector that can be shifted from the output an and bn vectors with the minimum number of switching times.

バッテリから負荷へ電力を供給する場合は、電圧指令のベクトルに近接するapおよびbpベクトルと零ベクトルを使ってPWMを行う。この場合はPWM周期をTc、apベクトルの出力時間をTapとbpベクトルの出力時間をTbp、零ベクトルの出力時間をToとすると、(18)式になる。
Tap=Tc×|Va|/V3
Tbp=Tc×|Vb|/V3 ・・・(18)
To=Tc−Tap−Tbp
以上のように、本発明の電力変換装置では、電圧指令のベクトル成分と電圧指令に近接するベクトルを利用し出力時間の演算を行い、ベクトルの選択によって簡単に燃料電池駆動とバッテリ駆動を切替えることができる。
When power is supplied from the battery to the load, PWM is performed using ap and bp vectors and zero vectors that are close to the voltage command vector. In this case, when the PWM cycle is Tc, the ap vector output time is Tap, the bp vector output time is Tbp, and the zero vector output time is To, the equation (18) is obtained.
Tap = Tc × | Va | / V3
Tbp = Tc × | Vb | / V3 (18)
To = Tc-Tap-Tbp
As described above, in the power conversion device of the present invention, the output time is calculated using the vector component of the voltage command and the vector close to the voltage command, and the fuel cell drive and the battery drive are easily switched by selecting the vector. Can do.

燃料電池2からバッテリ1へ充電を行うには、まず負荷のモータが停止している状態とすると、例えばan(MNN)ベクトルを出力し、図8an(MNN)の電流を流し燃料電池2からモータのインダクタンスへエネルギーを印加し、次に、bp(MPP)ベクトルを出力し、モータに蓄えられたエネルギーを図8bp(MPP)のようにバッテリに充電する。この動作はフライバックコンバータと同じ動作であり、モータインダクタンスに電流を流し(モータインダクタンスにエネルギーを印加し)、次にバッテリへの電流経路を作ってバッテリを充電する。モータインダクタンスにエネルギーを印加する際のベクトルはanまたはbnベクトルを利用することで燃料電池2からモータへのエネルギーが移動する。   In order to charge the battery 1 from the fuel cell 2, first, assuming that the motor of the load is stopped, for example, an an (MNN) vector is output and the current of FIG. Next, energy is applied to the inductance, and a bp (MPP) vector is output, and the battery stores the energy stored in the motor as shown in FIG. 8 bp (MPP). This operation is the same operation as that of the flyback converter, in which a current is supplied to the motor inductance (energy is applied to the motor inductance), and then a current path to the battery is created to charge the battery. As the vector for applying energy to the motor inductance, the energy from the fuel cell 2 to the motor moves by using the an or bn vector.

燃料電池からモータへ電流を流す場合はベクトルを利用するが、モータからバッテリへ電流を流す場合は、中性点Mに接続するスイッチのみオンとし、N側のスイッチをオフとして環流ダイオードの整流動作によってバッテリへの電流経路を作ってもよい。この動作は充電電流が少ない際に、バッテリからモータへの環流電流の発生を抑制できる利点がある。   A vector is used when current flows from the fuel cell to the motor. However, when current flows from the motor to the battery, only the switch connected to the neutral point M is turned on, and the switch on the N side is turned off to rectify the freewheeling diode. May create a current path to the battery. This operation has an advantage that generation of a circulating current from the battery to the motor can be suppressed when the charging current is small.

次に、モータ回転状態では、例えば電圧指令ベクトルがA領域にあり、燃料電池2から負荷へ電力を供給しているとすると、モータはA領域のan(MNN)、bn(MMN)ベクトルおよび零ベクトルによって、PWM駆動されている。この時、an(MNN)の出力時間がTan、bn(MMN)ベクトルの出力時間がTbn、零ベクトルの時間をToとすると。ToをV3,V4の値に基づいて分割し、(19)式のようにTanを補正する
Ta’=Ta+To×V3/(V3+V4) ・・・(19)
更に、an(MNN)と逆向きのbp(MPP)ベクトルの出力時間をTbpxとすると(20)式になる。
Tbpx=To×V4/(V3+V4) ・・・(20)
PWM周期中に零ベクトルを出力せずにanベクトルの出力時間を増加させ、bp(MPP)ベクトルを出力する。この動作により、モータにan(MNN)ベクトルの出力増加分To×V3/(V3+V4)の電圧が印加され、モータへエネルギーが蓄えられる。そのエネルギーをbp(MPP)ベクトルを出力することによって、バッテリへ充電できる。
モータへ印加される電圧の平均値は、ap(MNN)ベクトルの増加分V4×To×V3/(V3+V4)、bp(MPP)ベクトルによる逆電圧−V3×To×V4/(V3+V4)なので、その和は零となり、負荷モータに印加される平均電圧は変化しない。このようにすることでモータを通常に駆動しつつ燃料電池からバッテリに充電することができる。この例はanベクトルを増加させ逆向きのbpベクトルを出力する例を示したが、bnベクトルを増加させ、bnベクトルと逆向きのapベクトルを出力するようにしても良く、更にan,bnベクトル両方を増加させ、逆向きのap,bpベクトルを出力するようにしても良い。
Next, in the motor rotation state, for example, assuming that the voltage command vector is in the A region and power is being supplied from the fuel cell 2 to the load, the motor has an an (MNN), bn (MMN) vector and zero in the A region. PWM driving is performed by a vector. At this time, the output time of an (MNN) is Tan, the output time of the bn (MMN) vector is Tbn, and the time of the zero vector is To. To is divided based on the values of V3 and V4, and Tan is corrected as shown in equation (19) Ta ′ = Ta + To × V3 / (V3 + V4) (19)
Furthermore, when the output time of the bp (MPP) vector opposite to an (MNN) is Tbpx, the equation (20) is obtained.
Tbpx = To × V4 / (V3 + V4) (20)
The output time of the an vector is increased without outputting the zero vector during the PWM period, and the bp (MPP) vector is output. By this operation, a voltage of an output increase To × V3 / (V3 + V4) of the an (MNN) vector is applied to the motor, and energy is stored in the motor. The energy can be charged into the battery by outputting a bp (MPP) vector.
The average value of the voltage applied to the motor is the increment of ap (MNN) vector V4 × To × V3 / (V3 + V4), and the reverse voltage by bp (MPP) vector −V3 × To × V4 / (V3 + V4). The sum is zero and the average voltage applied to the load motor does not change. In this way, the battery can be charged from the fuel cell while the motor is normally driven. In this example, the an vector is increased and a reverse bp vector is output. However, the bn vector may be increased to output an ap vector opposite to the bn vector, and the an and bn vectors. Both may be increased, and the ap and bp vectors in the reverse direction may be output.

充電電流を減少させる場合は、0<α<1として(21)式のようにする。
Ta’=Ta+α×To×V2/(V1+V2)
Tbnx=α×To×V1/(V1+V2) ・・・(21)
出力するベクトルの時間を減少させ、時間の減少分を零ベクトルの出力時間To’を(22)式のように補正する。
To’=(1−α)×To ・・・(22)
このようにαを用いて制御することで、充電電流の制御も可能となる。
When reducing the charging current, 0 <α <1 and the equation (21) is used.
Ta ′ = Ta + α × To × V2 / (V1 + V2)
Tbnx = α × To × V1 / (V1 + V2) (21)
The time of the vector to be output is reduced, and the time decrease is corrected as shown in the equation (22) for the zero vector output time To ′.
To ′ = (1−α) × To (22)
Thus, by controlling using α, the charging current can also be controlled.

図7は、本発明の第3の実施例の電力変換装置の概略構成図である。図において、1はバッテリ、2は燃料電池、3は中性点クランプインバータ主回路、4は制御装置、5は負荷となっている。これは図6の燃料電池とバッテリの位置が逆になっている回路であり、この回路構成でも、実施例3の動作例と同様に導出できる。   FIG. 7 is a schematic configuration diagram of a power conversion device according to a third embodiment of the present invention. In the figure, 1 is a battery, 2 is a fuel cell, 3 is a neutral clamp inverter main circuit, 4 is a control device, and 5 is a load. This is a circuit in which the positions of the fuel cell and the battery in FIG. 6 are reversed, and this circuit configuration can be derived in the same manner as the operation example of the third embodiment.

以上の説明では負荷にモータを用いて説明したが、図9の例のように電力変換装置に出力に誘導性の3相フィルタを備え系統連系する構成としてもよい。この場合、バッテリへの充電は、 3相フィルタリアクトルのインダクタンスに一旦エネルギーを蓄えて、バッテリへ電流を流すことで行い、電力変換装置の動作はモータ駆動と同等である。しかし、系統と連系している場合、系統に直流成分を流せないのでモータ停止状態と同等の動作はできない。   In the above description, the motor is used as the load. However, as in the example of FIG. 9, the power converter may be provided with an inductive three-phase filter at the output and connected to the system. In this case, the battery is charged by temporarily storing energy in the inductance of the three-phase filter reactor and flowing the current to the battery, and the operation of the power converter is equivalent to motor driving. However, when connected to the system, a direct current component cannot be passed through the system, so that an operation equivalent to the motor stop state cannot be performed.

図10に本発明の電力変換装置の動作フローを示す。
ステップST1で出力すべき3相電圧またはベクトルの電圧指令を演算して発生し、ステップST2で電圧指令のa,bベクトル方向の成分と電圧指令の存在する領域を演算する。次に、ステップST3で外部から入力されるバッテリを充電するか否かの指令に基づいて、電力変換装置が出力する電圧ベクトルを選択し、その出力順序をなるべくスイッチング回数が少なくなるよう決定する。次に、ステップST4で出力する電圧ベクトルの出力時間を演算する。(αを用いる場合はそれに応じて補正も行う)次に、ステップ5で出力する電圧ベクトルの順序と時間に基づいて電力変換装置のスイッチをオンオフ駆動させる。
FIG. 10 shows an operation flow of the power converter of the present invention.
In step ST1, a three-phase voltage or vector voltage command to be output is calculated and generated. In step ST2, a component in the a and b vector directions of the voltage command and a region where the voltage command exists are calculated. Next, in step ST3, a voltage vector output from the power converter is selected based on an instruction whether or not to charge the battery input from the outside, and the output order is determined so that the number of times of switching is reduced as much as possible. Next, the output time of the voltage vector output in step ST4 is calculated. (If α is used, correction is also performed accordingly.) Next, the switch of the power converter is driven on and off based on the order and time of the voltage vectors output in step 5.

本発明はベクトルの選択によってバッテリを充電することできるので、電気自動車や直流発電機とバッテリを併用する系統連系装置という用途にも適用できる。   Since this invention can charge a battery by selection of a vector, it can be applied also to the use of the grid connection apparatus which uses an electric vehicle or a DC generator and a battery together.

本発明の第1実施例を示す電力変換装置の構成図The block diagram of the power converter device which shows 1st Example of this invention 本発明の第2実施例を示す電力変換装置の構成図The block diagram of the power converter device which shows 2nd Example of this invention 本発明の中性点クランプインバータが出力できる空間ベクトル図Space vector diagram that the neutral point clamp inverter of the present invention can output 電圧指令ベクトルと出力電圧ベクトルとの関係を示す図Diagram showing the relationship between voltage command vector and output voltage vector 3相の電圧指令と搬送波とおよびベクトル成分の関係を示す図The figure which shows the relationship between the voltage command of three phases, a carrier wave, and a vector component 本発明の第3実施例を示す電力変換装置の構成図The block diagram of the power converter device which shows 3rd Example of this invention 本発明の第4実施例を示す電力変換装置の構成図The block diagram of the power converter device which shows 4th Example of this invention ap,an,bp,bnベクトルの出力状態と直流電源の電流の関係を示す図The figure which shows the relationship between the output state of an ap, an, bp, bn vector, and the electric current of DC power supply 本発明を系統連系へ適用する場合の構成図Configuration diagram when the present invention is applied to grid interconnection 本発明の処理のステップを示すフロー図Flow diagram showing processing steps of the present invention

符号の説明Explanation of symbols

1 バッテリ
2 燃料電池
3 中性点クランプインバータ主回路
4 制御装置
41 出力電圧指令演算部
42 電圧ベクトル演算部
43 出力時間演算部
44 PWM出力部
5 負荷(モータ)
6 3相フィルタリアクトル
7 交流系統電源
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Battery 2 Fuel cell 3 Neutral point clamp inverter main circuit 4 Control apparatus 41 Output voltage command calculating part 42 Voltage vector calculating part 43 Output time calculating part 44 PWM output part 5 Load (motor)
6 Three-phase filter reactor 7 AC system power supply

Claims (11)

3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
前記3値の電位をもつ直流電源の3つの異なる電位差に基づき、当該3つの電位差のそれぞれに対応する長さの出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、
を備えることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
In a DC power source having a ternary potential, and a neutral point clamp power converter for driving the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase alternating current,
An output voltage command calculation unit for determining an output voltage command;
A voltage vector calculator for calculating an output voltage vector of a length corresponding to each of the three different potential differences based-out to, the three voltage of the DC power source having a potential of the ternary,
An output time calculation unit for determining an output voltage vector and an output time during a fixed period based on the vector component of the output voltage command and the output voltage vector;
A neutral point clamp power conversion device comprising:
前記3値の電位をもつ直流電源は直流発電機およびバッテリで構成されることを特徴とする請求項1記載の中性点クランプ電力変換装置。   2. The neutral point clamp power converter according to claim 1, wherein the DC power source having the three-value potential includes a DC generator and a battery. 前記誘導性負荷は、電動機であることを特徴とする請求項1または2に記載の中性点クランプ電力変換装置。   The neutral point clamp power converter according to claim 1, wherein the inductive load is an electric motor. 前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とする請求項3記載の中性点クランプ電力変換装置。   The voltage vector calculation unit generates a voltage vector that charges the current by applying electric power of the DC generator to the inductance of the motor while the motor is stopped, and then calculates the current charged in the inductance. 4. The neutral point clamp power converter according to claim 3, wherein the operation of generating a voltage vector for discharging to the battery is repeated to charge the battery from the DC generator. 前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とする請求項3または4に記載の中性点クランプ電力変換装置。   During rotation driving of the motor, the output voltage vector generates a voltage vector that charges the current by applying the power of the DC generator to the inductance of the motor within the period of the output time of the zero vector, 5. The neutral according to claim 3, wherein an operation of generating a voltage vector for discharging the current charged in the inductance to the battery is repeated to charge the battery from the DC generator to the battery. Point clamp power converter. 前記誘導性負荷は系統交流電源であることを特徴とする請求項1または2に記載の中性点クランプ電力変換装置。   The neutral point clamp power converter according to claim 1 or 2, wherein the inductive load is a system AC power supply. 出力に誘導性フィルタを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とする請求項6記載の中性点クランプ電力変換装置。   An inductive filter is provided at the output, and the output voltage vector generates a voltage vector that charges the current by applying the DC generator power to the inductance of the inductive filter within the period of the zero vector output time, 7. The neutral point according to claim 6, wherein the operation of generating a voltage vector for discharging the current charged in the inductance to the battery is repeated to charge the battery from the DC generator to the battery. Clamp power converter. 3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
前記3値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、
前記誘導性負荷は、電動機であり、
前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、
前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
In a DC power source having a ternary potential, and a neutral point clamp power converter for driving the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase alternating current,
An output voltage command calculation unit for determining an output voltage command;
A voltage vector calculation unit for calculating an output voltage vector based on a potential difference of a DC power supply having the three-value potential;
An output time calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a fixed period based on the vector component of the output voltage command and the output voltage vector; and
The inductive load is an electric motor;
The voltage vector calculation unit generates a voltage vector that charges the current by applying electric power of the DC generator to the inductance of the motor while the motor is stopped, and then calculates the current charged in the inductance. Repeating the operation of generating a voltage vector for discharging to the battery, charging the battery from the DC generator,
And the product of the voltage vector output time for charging current to the inductance, the neutral-point-clamped electric power conversion apparatus you wherein the sum is zero the product of the output time and the voltage vector to be discharged.
3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
前記3値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、
前記誘導性負荷は、電動機であり、
前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、
前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
In a DC power source having a ternary potential, and a neutral point clamp power converter for driving the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase alternating current,
An output voltage command calculation unit for determining an output voltage command;
A voltage vector calculation unit for calculating an output voltage vector based on a potential difference of a DC power supply having the three-value potential;
An output time calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a fixed period based on the vector component of the output voltage command and the output voltage vector; and
The inductive load is an electric motor;
During rotation driving of the motor, the output voltage vector generates a voltage vector that charges the current by applying the power of the DC generator to the inductance of the motor within the period of the output time of the zero vector, , Repeating the operation of generating a voltage vector for discharging the current charged in the inductance to the battery, and charging the battery from the DC generator,
And the product of the voltage vector output time for charging current to the inductance, the neutral-point-clamped electric power conversion apparatus you wherein the sum is zero the product of the output time and the voltage vector to be discharged.
3値の電位をもつ直流電源と、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
前記3値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、
前記誘導性負荷は系統交流電源であり、
出力に誘導性フィルタを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、
前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
In a DC power source having a ternary potential, and a neutral point clamp power converter for driving the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase alternating current,
An output voltage command calculation unit for determining an output voltage command;
A voltage vector calculation unit for calculating an output voltage vector based on a potential difference of a DC power supply having the three-value potential;
An output time calculation unit that determines an output voltage vector and an output time during a fixed period based on the vector component of the output voltage command and the output voltage vector; and
The inductive load is a system AC power source,
An inductive filter is provided at the output, and the output voltage vector generates a voltage vector that charges the current by applying the DC generator power to the inductance of the inductive filter within the period of the zero vector output time, Next, the operation of generating a voltage vector for discharging the current charged in the inductance to the battery is repeated, and the electric charge is charged from the DC generator to the battery,
And the product of the voltage vector output time for charging current to the inductance, the neutral-point-clamped electric power conversion apparatus you wherein the sum is zero the product of the output time and the voltage vector to be discharged.
3値の電位をもつ直流電源と、前記直流電源が直流発電機およびバッテリで構成され、前記3値の電位を3相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置の制御方法において、
出力3相電圧またはベクトルの電圧指令を演算するステップと、
電圧指令のa,bベクトル方向の成分と電圧指令の存在する領域を演算するステップと、
外部から入力されるバッテリを充電するか否かの指令に基づいて、出力する電圧ベクトルを選択し、スイッチング回数が少なくなるよう決定するステップと、
電圧ベクトルの出力時間を演算するステップと、
出力電圧ベクトルの順序と時間に基づいて電力変換部のスイッチをオンオフ駆動させるステップと、
を備えることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置の制御方法。
Control of a DC power source having a ternary potential, and a neutral point clamp power converter that drives the inductive load by converting the ternary potential into a three-phase AC by the DC power source being constituted by a DC generator and a battery. In the method
Calculating an output three-phase voltage or vector voltage command;
Calculating a component of the voltage command in the a and b vector directions and a region where the voltage command exists;
Selecting a voltage vector to be output based on a command whether or not to charge a battery input from the outside, and determining to reduce the number of times of switching;
Calculating the output time of the voltage vector;
A step of driving the switch of the power conversion unit on and off based on the order and time of the output voltage vector; and
The control method of the neutral point clamp power converter device characterized by providing.
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