JP5939607B2 - Power conversion system, computer and program - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換システム、電力変換システムの設計方法及びプログラムに関する。 The present invention relates to a power conversion system, a power conversion system design method, and a program.
電力変換装置の高密度化が進んでおり、特に１００Ｖ以下ではこうした高密度化された電力変換装置が多数開発されている。そして、高電圧（例えば数百Ｖ以上）の電力変換装置を構成する場合には、こうした１００Ｖ以下の電力変換装置を複数直列に組み合わせて構成することが提案されている。 The density of power converters is increasing, and many such power converters having a high density have been developed particularly at 100 V or less. And when comprising the power converter device of a high voltage (for example, several hundred V or more), it is proposed to comprise and combine such 100 V or less power converter devices in series.
図１１には、４８Ｖ／４８Ｖ（入力電圧／出力電圧）の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００を８台直列に組み合わせて構成した従来例に係る３８４Ｖ／３８４Ｖの直流電力変換システムの一例を示した。図１１に示される８台の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００はそれぞれ入力電圧（４８Ｖ）を出力電圧（４８Ｖ）に変換（制御）して出力する機能を有しており、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力端子を直列接続すると共に、その出力端子も直列接続して直流電力変換システムを構成している。
FIG. 11 shows an example of a 384V / 384V DC power conversion system according to a conventional example configured by combining eight 48V / 48V (input voltage / output voltage) isolated DC /
図１１の直流電力変換システムにおいて、実際には直列接続した各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置の入力電圧が均一化しない（バランスしない）ことにより、一部の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００に過電圧が生じ故障する可能性があった。そこで、図１２に示すように、直流電力変換システムに各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力電圧をバランスさせるための電圧バランス回路２０２を設けることが考えられている。なお、こうした電圧バランス回路２０２を設ける構成は下記の特許文献１にも開示されている。
In the DC power conversion system of FIG. 11, actually, the input voltage of each of the isolated DC / DC converters connected in series is not equalized (not balanced), so that some of the isolated DC /
しかしながら、電圧バランス回路は電力変換システムの出力には寄与しないため、電圧バランス回路を設けるとエネルギー的、空間的な損失が生じてしまう。 However, since the voltage balance circuit does not contribute to the output of the power conversion system, the provision of the voltage balance circuit causes energy and space loss.
本発明は上記課題に鑑みて為されたものであって、その目的の１つは、複数の電力変換装置を直列に組み合わせて構成した電力変換システムにおいて、各電力変換装置への入力電圧をバランスさせるための専用の電圧バランス回路を不要とした電力変換システムを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and one of its purposes is to balance the input voltage to each power conversion device in a power conversion system configured by combining a plurality of power conversion devices in series. An object of the present invention is to provide a power conversion system that eliminates the need for a dedicated voltage balance circuit.
また、本発明の他の目的の１つは、効率が高い電力変換システムを設計することができる電力変換システムの設計方法及びプログラムを提供することにある。 Another object of the present invention is to provide a power conversion system design method and program capable of designing a power conversion system with high efficiency.
上記目的を達成するために、本発明に係る電力変換システムは、第１乃至第Ｎ次（Ｎは２以上の整数）の電力変換ユニットを含む電力変換システムであって、前記第１次の電力変換ユニットは、直流電力が入力される入力端子と、前記入力された直流電力を、所定の直流電力に変換する変換回路と、前記変換回路により変換された前記所定の直流電力を出力する出力端子と、を含み、前記第ｉ（ｉは２以上Ｎ以下の任意の整数）次の電力変換ユニットはそれぞれ、複数の前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットを含み、前記複数の前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットの各入力端子を並列接続した場合には前記複数の前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットの各出力端子を直列接続し、前記複数の前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットの各入力端子を直列接続した場合には前記複数の前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットの各出力端子を並列接続し、前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットの各入力端子を並列接続した場合には前記第ｉ次の電力変換ユニットの各入力端子を直列接続し、前記第（ｉ−１）次の電力変換ユニットの各入力端子を直列接続した場合には前記第ｉ次の電力変換ユニットの各入力端子を並列接続したことを特徴とする。 In order to achieve the above object, a power conversion system according to the present invention is a power conversion system including first to N-th order (N is an integer of 2 or more) power conversion units, wherein the first-order power The conversion unit includes an input terminal to which DC power is input, a conversion circuit that converts the input DC power into predetermined DC power, and an output terminal that outputs the predetermined DC power converted by the conversion circuit And each of the i-th power conversion units (i is an arbitrary integer not less than 2 and not greater than N) includes a plurality of the (i-1) -th power conversion units, and the plurality of the first power conversion units. (I-1) When the input terminals of the next power conversion unit are connected in parallel, the output terminals of the plurality of (i-1) th power conversion units are connected in series, and the plurality of the first power conversion units are connected in series. (I-1) of the next power conversion unit When the input terminals are connected in series, the output terminals of the plurality of (i-1) th power conversion units are connected in parallel, and the input terminals of the (i-1) th power conversion units are connected to each other. When connected in parallel, each input terminal of the i-th power conversion unit is connected in series, and when each input terminal of the (i-1) -th power conversion unit is connected in series, the i-th power conversion unit. The input terminals of the power conversion unit are connected in parallel.
また、本発明に係る電力変換システムは、複数の電力変換ユニットを含む電力変換システムであって、前記複数の電力変換ユニットはそれぞれ、直流電力が入力される入力端子と、前記入力された直流電力を、所定の直流電力に変換する変換回路と、前記変換回路により変換された前記所定の直流電力を出力する出力端子と、をそれぞれ備える複数の電力変換装置を含み、前記電力変換ユニットごとに含まれる前記複数の電力変換装置の入力端子をそれぞれ直列接続すると共に、当該複数の電力変換装置の出力端子をそれぞれ並列接続し、前記複数の電力変換ユニットの入力端子をそれぞれ並列接続すると共に、前記複数の電力変換ユニットの出力端子をそれぞれ直列接続したことを特徴とする。 The power conversion system according to the present invention is a power conversion system including a plurality of power conversion units, and each of the plurality of power conversion units includes an input terminal to which DC power is input and the input DC power. Including a plurality of power conversion devices each including a conversion circuit that converts the power into predetermined DC power and an output terminal that outputs the predetermined DC power converted by the conversion circuit. The input terminals of the plurality of power conversion devices are connected in series, the output terminals of the plurality of power conversion devices are connected in parallel, the input terminals of the plurality of power conversion units are connected in parallel, and the plurality The output terminals of the power conversion unit are connected in series.
また、本発明の一態様では、前記電力変換装置は、絶縁型電力変換装置であることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the power conversion device is an insulated power conversion device.
また、本発明に係る電力変換システムの設計方法は、設計対象の電力変換システムの入力電圧と出力電圧を設定するステップと、前記入力電圧の因数により当該入力電圧を除した入力電圧の分割値と、前記出力電圧の因数により当該出力電圧を除した出力電圧の分割値とを算出する算出ステップと、前記入力電圧の分割値と、前記出力電圧の分割値との組み合わせに基づいて特定した電力変換装置の電力密度を、当該特定した電力変換装置について予め定められた特性データに基づいて演算する演算ステップと、前記入力電圧の因数と前記出力電圧の因数とを順次変化させて前記算出ステップと前記演算ステップとを繰り返し実行した後に、前記演算ステップにより演算された電力密度が最大となる入力電圧の分割値と出力電圧の分割値との組み合わせに対応した電力変換装置を決定する決定ステップと、を含むことを特徴とする。 The power conversion system design method according to the present invention includes a step of setting an input voltage and an output voltage of the power conversion system to be designed, and a divided value of the input voltage obtained by dividing the input voltage by a factor of the input voltage. A power conversion specified based on a combination of a calculation step of calculating a divided value of the output voltage obtained by dividing the output voltage by a factor of the output voltage, and a divided value of the input voltage and a divided value of the output voltage A calculation step for calculating the power density of the device based on predetermined characteristic data for the specified power conversion device, a factor of the input voltage and a factor of the output voltage are sequentially changed, and the calculation step and the After repeatedly executing the calculation step, the divided value of the input voltage and the divided value of the output voltage at which the power density calculated by the calculation step is maximized. A determination step of determining a power converter corresponding to the combined saw, characterized in that it comprises a.
また、本発明に係るプログラムは、設計対象の電力変換システムの入力電圧と出力電圧を設定するステップと、前記入力電圧の因数により当該入力電圧を除した入力電圧の分割値と、前記出力電圧の因数により当該出力電圧を除した出力電圧の分割値とを算出する算出ステップと、前記入力電圧の分割値と、前記出力電圧の分割値との組み合わせに基づいて特定した電力変換装置の電力密度を、当該特定した電力変換装置について予め定められた特性データに基づいて演算する演算ステップと、前記入力電圧の因数と前記出力電圧の因数とを順次変化させて前記算出ステップと前記演算ステップとを繰り返し実行した後に、前記演算ステップにより演算された電力密度が最大となる入力電圧の分割値と出力電圧の分割値との組み合わせに対応した電力変換装置を決定する決定ステップと、をコンピュータに実行させるためのプログラムである。 The program according to the present invention includes a step of setting an input voltage and an output voltage of a power conversion system to be designed, a divided value of the input voltage obtained by dividing the input voltage by a factor of the input voltage, and the output voltage The power density of the power conversion device specified based on the combination of the calculation step of calculating the divided value of the output voltage obtained by dividing the output voltage by a factor, and the divided value of the input voltage and the divided value of the output voltage. The calculation step for calculating the specified power conversion device based on predetermined characteristic data, the factor of the input voltage and the factor of the output voltage are sequentially changed, and the calculation step and the calculation step are repeated. After execution, it corresponds to the combination of the divided value of the input voltage and the divided value of the output voltage at which the power density calculated by the calculating step becomes the maximum A determination step of determining a power conversion apparatus, a program for causing a computer to execute the.
本発明の一態様によれば、複数の電力変換装置を直列に組み合わせて構成した電力変換システムにおいて、各電力変換装置への入力電圧をバランスさせるための専用の電圧バランス回路が不要となる。こうすることで、専用の電力バランス回路を設けた場合に比べて、効率の向上、小型化、部品点数の削減を実現できる。 According to one aspect of the present invention, in a power conversion system configured by combining a plurality of power converters in series, a dedicated voltage balance circuit for balancing the input voltages to each power converter is not required. By doing so, it is possible to realize an improvement in efficiency, a reduction in size, and a reduction in the number of parts compared to the case where a dedicated power balance circuit is provided.
また、本発明の一態様によれば、電力変換システムに要求される入力電圧と出力電圧とを複数個の組み合わせにより構成可能な電力変換装置のうち電力密度または変換効率が高い電力変換装置を選択することにより、高電力密度または高変換効率の電力変換システムを設計できる。 Moreover, according to one aspect of the present invention, a power conversion device having a high power density or high conversion efficiency is selected from power conversion devices that can be configured by combining a plurality of input voltages and output voltages required for a power conversion system. By doing so, a power conversion system having a high power density or high conversion efficiency can be designed.
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態（以下、実施形態という）を、図面に従って説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments (hereinafter referred to as embodiments) for carrying out the invention will be described with reference to the drawings.
図１には、第１の実施形態に係る直流電力変換システム１０を備えた高電圧直流給電システム１の構成図を示した。図１に示されるように、高電圧直流給電システム１は、１又は複数の電源ユニット２０が並列に接続されて構成される。
In FIG. 1, the block diagram of the high voltage DC
電源ユニット２０は、ＡＣ／ＤＣ変換器３０、コンデンサ４０、及びＤＣ／ＤＣ変換器として機能する本実施形態に係る直流電力変換システム１０を含む。ＡＣ／ＤＣ変換器３０は、交流電源４から入力される交流電力（例えば２００Ｖ）を所定電圧（例えば３８４Ｖ）の直流電力に変換して直流電力変換システム１０に出力する。直流電力変換システム１０は、ＡＣ／ＤＣ変換器３０から入力された直流電力を所定電圧（例えば３８４Ｖ）に変換（制御）して出力する。そして、電源ユニット２０から出力された直流電力は、配電盤６を介して複数の負荷８に供給される。図１には、配電盤６を１つ、負荷８を複数示したが、配電盤６や負荷８の数は図１に示されている態様に限定されるものではない。以下、直流電力変換システム１０の詳細について説明する。
The
図２には、本実施形態に係る直流電力変換システム１０の構成図を示した。図２に示されるように、直流電力変換システム１０は、複数（ｎ台）の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００を含み構成されている。
FIG. 2 shows a configuration diagram of the DC
絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００は、第１の電圧（Ｖ１：ＡＣ／ＤＣ変換器３０からの入力電圧であり、例えば３８４Ｖ）の直流電力を第２の電圧（Ｖ２：例えば４８Ｖ）の直流電力に変換して出力する機能を有する。そして、本実施形態に係る直流電力変換システム１０では、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の入力端子を並列接続すると共に、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の出力端子を直列接続している。ここで直流電力変換システム１０に要求される出力電圧を３８４Ｖ（Ｖout）とすると、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の接続台数は８台（ｎ＝Ｖout／Ｖ２）となる。
The insulated DC /
次に、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の詳細について説明する。
Next, details of the insulation type DC /
図３には、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の構成図を示した。図３に示されるように、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００は、複数（ｍ台）の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００から構成されている。
FIG. 3 shows a configuration diagram of the insulation type DC /
絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００は、直流電力の入力を受け付ける入力端子、所定の入力電圧（Ｖ３：例えば４８Ｖ）の直流電力を所定の出力電圧（Ｖ２：絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の出力電圧に等しく、例えば４８Ｖ）の直流電力に変換する変換回路、及び変換回路により変換された直流電力を出力する出力端子を有する。そして、本実施形態に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００では、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力端子を直列接続すると共に、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の出力端子を並列接続している。ここで絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の入力電圧を３８４Ｖ（Ｖin）とすると、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の接続台数は８台（ｍ＝Ｖin／Ｖ３）となる。
The insulation type DC /
以上の構成に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００においては、各絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力電圧Ｖ３は、それぞれの絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の有する出力インピーダンスに比例して電圧Ｖ１を分圧する。ある特定の絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の出力電流が増加すると、それに対応する絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力電圧Ｖ３が減少し、その影響により他の絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力電圧Ｖ３が上昇し出力電流が増加する、という動作を繰り返すため、入力電圧Ｖ３は自動的にバランスすることとなる。また、過負荷が生じる状況においては上記の動作に絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の有する垂下特性が加わるが、垂下特性も出力電流が増加するに従い入力電圧Ｖ３を減少させる動作であることから、絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００のそれぞれの入力電圧Ｖ３は同様に自動的にバランスすることとなる。
In the insulation type DC /
以上の動作により、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００には電圧バランス回路を別途設ける必要がない。そして、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００の入力電圧は共通であり電圧バランス回路は不要であるから、直流電力変換システム１０には電圧バランス回路を設ける必要がない。このように、本発明によれば、電力バランス回路を設けることなく、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の単体出力の総和（例えば絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の単体出力を３００Ｗとしたときに、６４台の総和である約２０ｋＷ）を出力する直流電力変換システム１０を実現できる。
With the above operation, it is not necessary to separately provide a voltage balance circuit in the isolated DC /
なお、第１の実施形態においては、絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００が第１次の電力変換ユニット、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００が第１次の電力変換ユニットの入力端子を直列接続、出力端子を並列接続して構成された第２次の電力変換ユニット、直流電力変換システム１０が第２次の電力変換ユニットの入力端子を並列接続、出力端子を直列接続して構成された第３次の電力変換ユニットとなる。
In the first embodiment, the isolated DC /
以上の直流電力変換システム１０によれば、電力バランス回路を設けた場合の電力損失がないため、電力バランス回路を設けた場合に比べて効率を向上できる。
According to the DC
以上の直流電力変換システム１０によれば、電力バランス回路を設けるスペースがないため、電力バランス回路を設けた場合に比べて小型化が可能である。
According to the DC
以上の直流電力変換システム１０によれば、電力バランス回路を設ける必要がないため、電力バランス回路を設けた場合に比べて部品点数を削減することができ、よりコストを抑えることができる。
According to the DC
なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではない。例えば、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１００、ＡＣ／ＤＣ変換器３０における入力電圧や出力電圧の組み合わせは任意であり、上記の実施形態に限定されない。具体例として、図４には、４８Ｖ（入力）／４８Ｖ（出力）の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００で構成した、３８４Ｖ（入力）／９６Ｖ（出力）の直流電力変換システム１５の一例を示した。
In addition, this invention is not limited to said embodiment. For example, the combination of the input voltage and the output voltage in the isolated DC /
また、本実施形態では、４８Ｖ／４８Ｖの絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００を用いた例を説明したが、電圧レベルや変圧比は任意であり、最大効率（または密度）を有する絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００を複数組み合わせることで、任意の効率（又は密度）の電力変換システムを構成することができる。
In this embodiment, an example using the 48V / 48V isolated DC /
次に、他の実施形態について説明する。図５には、第２の実施形態に係る直流電力変換システム１１の構成図を示した。図５に示されるように、直流電力変換システム１１は、複数（ｎ台）の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１を含み構成されている。なお、直流電力変換システム１１も直流電力変換システム１０と入力電圧及び出力電圧の設定は同じであることとする。
Next, another embodiment will be described. FIG. 5 shows a configuration diagram of the DC
絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１は、第１の電圧（Ｖ４：ＡＣ／ＤＣ変換器３０からの入力電圧をｎ台で分圧した電圧値であり、例えば３８４／８＝４８Ｖ）の直流電力を第２の電圧（Ｖ５：例えば３８４Ｖ）の直流電力に変換して出力する機能を有する。そして、本実施形態に係る直流電力変換システム１０では、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１の入力端子を直列接続すると共に、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１の出力端子を並列接続している。
The isolated DC /
図６には、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１の構成図を示した。図６に示されるように、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１は、複数（ｍ台）の絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００から構成されている。
FIG. 6 shows a configuration diagram of the insulation type DC /
絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００は、直流電力の入力を受け付ける入力端子、所定の入力電圧（Ｖ４：例えば４８Ｖ）の直流電力を所定の出力電圧（Ｖ６：例えば４８Ｖ）の直流電力に変換する変換回路、及び変換回路により変換された直流電力を出力する出力端子を有する。そして、本実施形態に係る絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１では、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の入力端子を並列接続すると共に、各絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の出力端子を直列接続している。ここで絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１の出力電圧を３８４Ｖ（Ｖout）とすると、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置２００の接続台数は８台（ｍ＝Ｖout／Ｖ６）となる。
The insulation type DC /
なお、第２の実施形態においては、絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置２００が第１次の電力変換ユニット、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット１０１が第１次の電力変換ユニットの入力端子を並列接続、出力端子を直列接続して構成された第２次の電力変換ユニット、直流電力変換システム１０が第２次の電力変換ユニットの入力端子を直列接続、出力端子を並列接続して構成された第３次の電力変換ユニットとなっている。
In the second embodiment, the isolated DC /
次に、図７には、第３の実施形態に係る直流電力変換システム１２の構成図を示した。図７に示される直流電力変換システム１２は、第１〜６次の電力変換ユニットから構成されており、第１次の電力変換ユニット２５０Ａ（基本素子）に入力電圧が４８Ｖ、出力電圧が１２Ｖの絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置を用いた場合の一構成例である。なお、直流電力変換システム１２も直流電力変換システム１０と入力電圧及び出力電圧の設定は同じであることとする。
Next, FIG. 7 shows a configuration diagram of the DC
図７（Ａ）には、第２次の電力変換ユニット２５０Ｂの構成例を示した。図７（Ａ）に示されるように、第２次の電力変換ユニット２５０Ｂは、第１次の電力変換ユニット２５０Ａを４つ含み、第１次の電力変換ユニット２５０Ａの入力端子を並列接続し、出力端子を直列接続して構成される。第２次の電力変換ユニット２５０Ｂの入力電圧は４８Ｖ、出力電圧は４８Ｖとなる。
FIG. 7A shows a configuration example of the second
図７（Ｂ）には、第３次の電力変換ユニット２５０Ｃの構成例を示した。図７（Ｂ）に示されるように、第３次の電力変換ユニット２５０Ｃは、第２次の電力変換ユニット２５０Ｂを４つ含み、第２次の電力変換ユニット２５０Ｂの入力端子を直列接続し、出力端子を並列接続して構成される。第３次の電力変換ユニット２５０Ｃの入力電圧は１９２Ｖ、出力電圧は４８Ｖとなる。
FIG. 7B shows a configuration example of the third
図７（Ｃ）には、第４次の電力変換ユニット２５０Ｄの構成例を示した。図７（Ｃ）に示されるように、第４次の電力変換ユニット２５０Ｄは、第３次の電力変換ユニット２５０Ｃを４つ含み、第４次の電力変換ユニット２５０Ｄの入力端子を並列接続し、出力端子を直列接続して構成される。第４次の電力変換ユニット２５０Ｄの入力電圧は１９２Ｖ、出力電圧は１９２Ｖとなる。
FIG. 7C shows a configuration example of the fourth
図７（Ｄ）には、第５次の電力変換ユニット２５０Ｅの構成例を示した。図７（Ｄ）に示されるように、第５次の電力変換ユニット２５０Ｅは、第４次の電力変換ユニット２５０Ｄを２つ含み、第４次の電力変換ユニット２５０Ｄの入力端子を直列接続し、出力端子を並列接続して構成される。第５次の電力変換ユニット２５０Ｅの入力電圧は３８４Ｖ、出力電圧は１９２Ｖとなる。
FIG. 7D shows a configuration example of the fifth
図７（Ｅ）には、第６次の電力変換ユニット２５０Ｆ（直流電力変換システム１２）の構成例を示した。図７（Ｅ）に示されるように、第６次の電力変換ユニット２５０Ｆは、第５次の電力変換ユニット２５０Ｅを２つ含み、第５次の電力変換ユニット２５０Ｅの入力端子を並列接続し、出力端子を直列接続して構成される。第６次の電力変換ユニット２５０Ｆの入力電圧は３８４Ｖ、出力電圧は３８４Ｖとなる。
FIG. 7E shows a configuration example of the sixth
本発明は以上の実施形態に限定されない。例えば、入力電圧Ｖin、出力電圧Ｖoutの電力変換ユニットを、入力電圧Ｖａ、出力電圧Ｖｂの絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置（第１次の電力変換ユニット）を用いて構成する場合に、Ｖin／Ｖａ＝Ａ、Ｖout／Ｖｂ＝Ｂを算出し、Ａ＝α１α２・・・αｎ（α１〜αｎはＡを因数分解したもの）、Ｂ＝β１β２・・・βｍ（β１〜βｍはＢを因数分解したものであり、ｎとｍの差は１以下である）を求め、第２次以降の電力変換ユニットを例えば以下のように構成することとしてよい。 The present invention is not limited to the above embodiment. For example, when the power conversion unit of the input voltage Vin and the output voltage Vout is configured using an insulating DC / DC converter (first power conversion unit) of the input voltage Va and the output voltage Vb, Vin / Va = A, Vout / Vb = B is calculated, A = α1α2... Αn (α1 to αn is a factorized A), B = β1β2... Βm (β1 to βm is a factorized B) And the difference between n and m is 1 or less), and the second and subsequent power conversion units may be configured as follows, for example.
まず、ｎ≧ｍである場合には、第２次の電力変換ユニットは、第１次の電力変換ユニットをα１（Ａの１番目の因数）個含み、第１次の電力変換ユニットの入力端子を直列接続、出力端子を並列接続して構成することとしてよい。そして、第３次の電力変換ユニットは、第２次の電力変換ユニットをβ１（Ｂの１番目の因数）個含み、第２次の電力変換ユニットの入力端子を並列接続、出力端子を直列接続して構成することとしてよい。さらに、第４次の電力変換ユニットは、第３次の電力変換ユニットをα２（Ａの２番目の因数）個含み、第３次の電力変換ユニットの入力端子を直列接続、出力端子を並列接続して構成することとしてよい。以上の規則で、第２ｉ（ｉ＝１〜ｎ）次の電力ユニットを第２ｉ−１次の電力ユニットをαｉ個用いて、その入力端子を直列接続するとともに出力端子を並列接続して構成し、第２ｊ＋１（ｊ＝１〜ｍ）次の電力ユニットを第２ｊ次の電力ユニットをβｊ個用いて、その入力端子を並列接続するとともに出力端子を直列接続して構成することにより、高効率の小型の絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置を用いて所望の入力電圧及び出力電圧の大型の電力変換システムを実現することができる。 First, when n ≧ m, the secondary power conversion unit includes α1 (first factor of A) primary power conversion units, and the input terminal of the primary power conversion unit May be connected in series and output terminals connected in parallel. The third power conversion unit includes β1 (first factor of B) second power conversion units, the input terminals of the second power conversion units are connected in parallel, and the output terminals are connected in series. It may be configured as follows. Further, the fourth power conversion unit includes α2 (second factor of A) third power conversion units, the input terminals of the third power conversion units are connected in series, and the output terminals are connected in parallel. It may be configured as follows. According to the above rules, the second i (i = 1 to n) -th power units are used by using α i second-i power units and the input terminals are connected in series and the output terminals are connected in parallel. By using βj second j + 1 power units (j = 1 to m) and connecting the input terminals in parallel and connecting the output terminals in series, high efficiency is achieved. A large-sized power conversion system having a desired input voltage and output voltage can be realized using a small insulated DC / DC converter.
また、ｍ≧ｎである場合には、第２次の電力変換ユニットは、第１次の電力変換ユニットをβ１（Ｂの１番目の因数）個含み、第１次の電力変換ユニットの入力端子を並列接続、出力端子を直列接続して構成することとしてよい。そして、第３次の電力変換ユニットは、第２次の電力変換ユニットをα１（Ａの１番目の因数）個含み、第２次の電力変換ユニットの入力端子を直列接続、出力端子を並列接続して構成することとしてよい。さらに、第４次の電力変換ユニットは、第３次の電力変換ユニットをβ２（Ｂの２番目の因数）個含み、第３次の電力変換ユニットの入力端子を並列接続、出力端子を直列接続して構成することとしてよい。以上の規則で、第２ｊ（ｊ＝１〜ｍ）次の電力ユニットを第２ｊ−１次の電力ユニットをβｊ個用いて、その入力端子を並列接続するとともに出力端子を直列接続して構成し、第２ｉ＋１（ｉ＝１〜ｎ）次の電力ユニットを第２ｉ次の電力ユニットをαｉ個用いて、その入力端子を直列接続するとともに出力端子を並列接続して構成することにより、高効率の小型の絶縁形ＤＣ／ＤＣ変換装置を用いて所望の入力電圧及び出力電圧の大型の電力変換システムを実現することができる。なお、ｎ＝ｍである場合には、上述した規則のうちいずれを用いてもよい。 When m ≧ n, the secondary power conversion unit includes β1 (first factor of B) primary power conversion units, and the input terminal of the primary power conversion unit May be connected in parallel and output terminals connected in series. The third power conversion unit includes α1 (first factor of A) second power conversion units, the input terminals of the second power conversion units are connected in series, and the output terminals are connected in parallel. It may be configured as follows. Further, the fourth power conversion unit includes β2 (second factor of B) third power conversion units, the input terminals of the third power conversion unit are connected in parallel, and the output terminals are connected in series. It may be configured as follows. Using the above rules, the 2j-th (j = 1 to m) -th order power units are βj-th 2j-1th order power units, their input terminals are connected in parallel and the output terminals are connected in series. By using the αi i-th power units of the 2i + 1 (i = 1 to n) -th power units, the input terminals thereof are connected in series and the output terminals are connected in parallel, thereby achieving high efficiency. A large-sized power conversion system having a desired input voltage and output voltage can be realized using a small insulated DC / DC converter. When n = m, any of the rules described above may be used.
次に、本実施形態に係る直流電力変換システムを設計する方法及び当該方法を実装したプログラムを実行するコンピュータについて説明する。 Next, a method for designing a DC power conversion system according to the present embodiment and a computer that executes a program that implements the method will be described.
図８には、プログラムを実行するコンピュータ３００のハードウェア構成図を示した。図８に示されるように、コンピュータ３００は、制御部３０２、記憶部３０４、表示制御部３０６、入力受付部３０８を備え、各部はバス３１０を介して相互にデータ通信可能に接続される。
FIG. 8 shows a hardware configuration diagram of a
制御部３０２は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を含み、記憶部３０４に記憶されたプログラムに基づいて、各種の演算処理を実行するとともにコンピュータ３００の各部を制御する。
The
記憶部３０４は、コンピュータ３００のオペレーティングシステム等の制御プログラムや本実施形態に係る設計アプリケーションプログラムやデータを記憶するほか、制御部３０２のワークメモリとしても用いられる。プログラムは、光ディスク、磁気ディスク、磁気テープ、光磁気ディスク、フラッシュメモリ等の情報記憶媒体に格納された状態でコンピュータ３００に供給されてもよいし、インターネット等のデータ通信手段を介してコンピュータ３００に供給されてもよい。
The
表示制御部３０６は、コンピュータ３００に内蔵、又は外部接続された液晶ディスプレイ等の表示手段と接続し、表示手段にコンピュータ３００における情報処理の結果（画面）を表示させる。
The
入力受付部３０８は、キーボード、マウス、タッチパネル等の入力手段と接続し、入力手段からユーザの情報入力を受け付ける。
The
図９には、記憶部３０４に記憶される電力変換装置のデータ（電力変換装置データ）の一例を示した。図９に示される電力変換装置データには、電力変換装置の識別情報（デバイスＩＤ）、入力電圧、出力電圧、定格出力電力、変換効率、デバイス体積、ヒートシンク体積の情報がそれぞれ関連付けて記憶される。なお、ヒートシンク体積は、定格出力と変換効率から計算される発熱量に基づいて演算した値を用いることとしてよい。
FIG. 9 shows an example of power converter data (power converter data) stored in the
図１０には、コンピュータ３００により行われる、直流電力変換システムの構成を決定する処理のフローチャートを示した。
FIG. 10 shows a flowchart of processing for determining the configuration of the DC power conversion system performed by the
図１０に示されるように、コンピュータ３００は、ユーザから受け付けたデータに基づいて、設計対象の直流電力変換システムの入力電圧Ｖin及び出力電圧Ｖoutを設定する（Ｓ１００１）。
As shown in FIG. 10, the
まず、コンピュータ３００は、記憶部３０４に記憶される電力変換装置データを参照して、入力電圧Ｖin及び出力電圧Ｖoutを満足する電力変換装置の電力密度を算出する（Ｓ１００２）。ここで、電力密度は、定格出力電力／（デバイス体積＋ヒートシンク体積）により算出することとしてよい。
First, the
次に、コンピュータ３００は、入力電圧Ｖinの因数（Ｘ１〜Ｘｎ）を求める（Ｓ１００３）。ここで、Ｘ１＜Ｘ２＜・・・＜Ｘｎとし、Ｘ１〜ＸｎはＶin／Ｘｎが閾値（例えば電力変換装置の最小の入力電圧）以上であるという条件を満たすように決定することとしてよい。
Next, the
さらにコンピュータ３００は、出力電圧の因数（Ｙ１〜Ｙｍ）を求める（Ｓ１００４）。ここで、Ｙ１＜Ｙ２＜・・・＜Ｙｍとし、Ｙ１〜ＹｍはＶin／Ｙｍが閾値（例えば電力変換装置の最小の出力電圧）以上であるという条件を満たすように決定することとしてよい。
Further, the
コンピュータ３００は、ｉに初期値として１を設定し（Ｓ１００５）、ｊに初期値として１を設定し（Ｓ１００６）、記憶部３０４に記憶される電力変換装置データを参照して、Ｖin／Ｘｉを入力電圧、Ｖout／Ｙｊを出力電圧とした電力変換装置の電力密度を算出する（Ｓ１００７）。ｊがｍに達していない場合には（Ｓ１００８：Ｎ）、ｊをインクリメントして（Ｓ１００９）、Ｓ１００７に戻り、ｊがｍに達した場合には（Ｓ１００８：Ｙ）、ｉがｎに達したか否かを判定する（Ｓ１０１０）。ここで、ｉがｎに達していない場合には（Ｓ１０１０：Ｎ）、ｉをインクリメントして（Ｓ１０１１）、Ｓ１００７に戻り、ｉがｎに達した場合には（Ｓ１０１０：Ｙ）、Ｓ１００２及びＳ１００７で算出された電力密度のうち最大の電力密度を抽出する（Ｓ１０１２）。
The
コンピュータ３００は、Ｓ１０１２で抽出された電力密度に対応する電力変換装置を特定し（Ｓ１０１３）、当該特定された電力変換装置を第１次の電力変換ユニットとして直流電力変換システムの構成を決定し（Ｓ１０１４）、処理を終了する。
The
なお、Ｓ１０１３における構成の決定処理では、Ｓ１０１１で抽出された最大の電力密度に対応する因数Ｘ及び因数Ｙに基づき、例えば、Ｘ個の第１次の電力変換ユニットの入力端子を直列接続するとともに出力端子を並列接続して第２次の電力変換ユニットを構成し、Ｙ個の第２次の電力変換ユニットの入力端子を並列接続するとともに出力端子を直列接続して、直流電力変換システムを構成することとしてよい。 In the configuration determination process in S1013, for example, the input terminals of X primary power conversion units are connected in series based on the factor X and the factor Y corresponding to the maximum power density extracted in S1011. A DC power conversion system is configured by connecting the output terminals in parallel to form a secondary power conversion unit, connecting the input terminals of the Y secondary power conversion units in parallel and connecting the output terminals in series. It is good to do.
以上説明した直流電力変換システムの設計方法によれば、ユーザの所望する入力電圧及び出力電圧の直流電力変換システムを、限られた種類の電力変換装置の組み合わせにより実現することができる。このように直流電力変換システムを電力変換装置の組み合わせにより設計することで、直流電力変換システムを要求される仕様に合わせて個別に設計する場合に比べて、設計や生産に係る負荷やコストを小さくすることができる。 According to the DC power conversion system design method described above, a DC power conversion system having an input voltage and an output voltage desired by a user can be realized by a combination of limited types of power conversion devices. By designing a DC power conversion system with a combination of power conversion devices in this way, the load and cost associated with design and production can be reduced compared to the case where the DC power conversion system is individually designed to meet the required specifications. can do.
また、上記の実施形態では、電力密度が最大の電力変換装置を用いて電力変換ユニットを構成する例を示したが、変換効率が最大の電力変換装置を用いて電力変換ユニットを構成することとしてもよい。 In the above embodiment, an example is shown in which the power conversion unit is configured using the power conversion device having the maximum power density. However, the power conversion unit is configured using the power conversion device having the maximum conversion efficiency. Also good.
１ 高電圧直流給電システム、４ 交流電源、６ 配電盤、８ 負荷、１０，１１，１２，１５ 直流電力変換システム、２０ 電源ユニット、３０ ＡＣ／ＤＣ変換器、４０ コンデンサ、１００，１０１ 絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換ユニット、２００ 絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換装置、２０２ 電圧バランス回路、２５０Ａ 第１次の電力変換ユニット、２５０Ｂ 第２次の電力変換ユニット、２５０Ｃ 第３次の電力変換ユニット、２５０Ｄ 第４次の電力変換ユニット、２５０Ｅ 第５次の電力変換ユニット、２５０Ｆ 第６次の電力変換ユニット、３００ コンピュータ、３０２ 制御部、３０４ 記憶部、３０６ 表示制御部、３０８ 入力受付部、３１０ バス。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
第１次の前記電力変換ユニットは、
直流電力が入力される入力端子と、
前記入力された直流電力を、所定の直流電力に変換する変換回路と、
前記変換回路により変換された前記所定の直流電力を出力する出力端子と、を含み、
第ｉ（ｉは２以上Ｎ以下の任意の整数）次の前記電力変換ユニットはそれぞれ、
複数の第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットを含み、
前記複数の第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットの各入力端子を並列接続した場合には前記複数の第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットの各出力端子を直列接続し、前記複数の第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットの各入力端子を直列接続した場合には前記複数の第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットの各出力端子を並列接続し、
第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットの各入力端子を並列接続した場合には第ｉ次の前記電力変換ユニットの各入力端子を直列接続し、第（ｉ−１）次の前記電力変換ユニットの各入力端子を直列接続した場合には第ｉ次の前記電力変換ユニットの各入力端子を並列接続した
ことを特徴とする電力変換システム。 A power conversion system including power conversion units of first to Nth order (N is an integer of 2 or more),
The first power conversion unit includes:
An input terminal to which DC power is input;
A conversion circuit for converting the input DC power into predetermined DC power;
An output terminal for outputting the predetermined DC power converted by the conversion circuit,
Each of the i-th power conversion units (i is an arbitrary integer of 2 or more and N or less)
A plurality of (i-1) th power conversion units,
When the input terminals of the plurality of (i-1) th power conversion units are connected in parallel, the output terminals of the plurality of (i-1) th power conversion units are connected in series, When the input terminals of the plurality of (i-1) th power conversion units are connected in series, the output terminals of the plurality of (i-1) th power conversion units are connected in parallel;
When the input terminals of the (i-1) th power conversion unit are connected in parallel, the input terminals of the ith power conversion unit are connected in series, and the (i-1) th power When the input terminals of the conversion unit are connected in series, the input terminals of the i-th power conversion unit are connected in parallel.
複数の前記電力変換ユニットはそれぞれ、
直流電力が入力される入力端子と、
前記入力された直流電力を、所定の直流電力に変換する変換回路と、
前記変換回路により変換された前記所定の直流電力を出力する出力端子と、をそれぞれ備える複数の電力変換装置を含み、
前記電力変換ユニットごとに含まれる複数の前記電力変換装置の入力端子をそれぞれ直列接続すると共に、当該複数の前記電力変換装置の出力端子をそれぞれ並列接続し、
複数の前記電力変換ユニットの入力端子をそれぞれ並列接続すると共に、複数の前記電力変換ユニットの出力端子をそれぞれ直列接続した
ことを特徴とする電力変換システム。 A power conversion system including a plurality of power conversion units,
Each of the plurality of power conversion units is
An input terminal to which DC power is input;
A conversion circuit for converting the input DC power into predetermined DC power;
A plurality of power conversion devices each including an output terminal that outputs the predetermined DC power converted by the conversion circuit;
The input terminals of the plurality of power conversion devices included in each power conversion unit are connected in series, and the output terminals of the plurality of power conversion devices are connected in parallel.
A power conversion system, wherein input terminals of the plurality of power conversion units are connected in parallel, and output terminals of the plurality of power conversion units are connected in series.
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換システム。 The power conversion system according to claim 2, wherein the power conversion device is an insulated power conversion device.
前記入力電圧の因数により当該入力電圧を除した入力電圧の分割値と、前記出力電圧の因数により当該出力電圧を除した出力電圧の分割値とを算出する算出ステップと、
前記入力電圧の分割値と、前記出力電圧の分割値との組み合わせに基づいて特定した電力変換装置の電力密度を、当該特定した電力変換装置について予め定められた特性データに基づいて演算する演算ステップと、
前記入力電圧の因数と前記出力電圧の因数とを順次変化させて前記算出ステップと前記演算ステップとを繰り返し実行した後に、前記演算ステップにより演算された電力密度又は変換効率が最大となる入力電圧の分割値と出力電圧の分割値との組み合わせに対応した電力変換装置を決定する決定ステップと、
を実行する、コンピュータ。 Setting the input voltage and output voltage of the power conversion system to be designed;
A calculation step of calculating a divided value of the input voltage divided by the factor of the input voltage and a divided value of the output voltage divided by the factor of the output voltage;
An operation step of calculating the power density of the power converter specified based on the combination of the divided value of the input voltage and the divided value of the output voltage based on characteristic data predetermined for the specified power converter. When,
After repeatedly executing the calculation step and the calculation step by sequentially changing the factor of the input voltage and the factor of the output voltage, the power density or conversion efficiency calculated by the calculation step is maximized. A determination step of determining a power converter corresponding to a combination of the divided value and the divided value of the output voltage;
Run the computer.
前記入力電圧の因数により当該入力電圧を除した入力電圧の分割値と、前記出力電圧の因数により当該出力電圧を除した出力電圧の分割値とを算出する算出ステップと、
前記入力電圧の分割値と、前記出力電圧の分割値との組み合わせに基づいて特定した電力変換装置の電力密度を、当該特定した電力変換装置について予め定められた特性データに基づいて演算する演算ステップと、
前記入力電圧の因数と前記出力電圧の因数とを順次変化させて前記算出ステップと前記演算ステップとを繰り返し実行した後に、前記演算ステップにより演算された電力密度又は変換効率が最大となる入力電圧の分割値と出力電圧の分割値との組み合わせに対応した電力変換装置を決定する決定ステップと、
をコンピュータに実行させるためのプログラム。 Setting the input voltage and output voltage of the power conversion system to be designed;
A calculation step of calculating a divided value of the input voltage divided by the factor of the input voltage and a divided value of the output voltage divided by the factor of the output voltage;
An operation step of calculating the power density of the power converter specified based on the combination of the divided value of the input voltage and the divided value of the output voltage based on characteristic data predetermined for the specified power converter. When,
After repeatedly executing the calculation step and the calculation step by sequentially changing the factor of the input voltage and the factor of the output voltage, the power density or conversion efficiency calculated by the calculation step is maximized. A determination step of determining a power converter corresponding to a combination of the divided value and the divided value of the output voltage;
A program that causes a computer to execute.
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