JP6122584B2 - 高効率のａｃ／ａｃ電力変換装置とそのための方法 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、概して電力変換装置に関し、具体的には、直流電流（ＤＣ）リンク又は蓄積装置を必要としない交流電流（ＡＣ）からＡＣへの電力変換装置に関する。

風車及びフライホイールは、それぞれ、可変周波数、可変電圧、ＡＣ電力を出力する再生可能なエネルギー装置の一種である。したがって、電力変換装置を使用して、可変周波数、可変電圧、及びＡＣ電力を、それぞれ固定周波数、固定電圧、及びＡＣ電力に変換することができる。

風車の電力システムは、軽負荷で、又はその定格電力容量の一部で、長時間をかけて動作する。これらの可変周波数装置は、通常、入力コンバータと出力コンバータとの間に電力を分配するために、一時的に電力を蓄積する手段として、ＤＣ電圧又は電流リンクを利用する。このように、従来の電力変換装置は、生成されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換し、次いで必要なＡＣ電力に変換する。残念なことに、この方法による変換の歩留まりは低い。標準的な従来技術による電力変換装置は、常時又はほぼ常時、全出力で最も効率的に動作するように設計されている。したがって、風車によって駆動される発電機が、低風速、低負荷の条件で動作するとき、標準的な電力変換装置では不十分である。

したがって、上述の問題を克服するシステムと方法を提供することが望まれている。

ＡＣ／ＡＣ電力変換装置は、ＡＣ信号を受信する整流器を有することができる。整流器にはＨ−ブリッジが連結される。整流器及びＨ−ブリッジには、Ｈ−ブリッジへの整流化されたＤＣ入力を変調するためのパルスを生成するように構成されたプロセッサが連結される。濾波器がＨ−ブリッジに連結されて、Ｈ−ブリッジの出力を所望の周波数を有するＡＣ電圧に変調する。この場合の濾波器の出力はプロセッサに連結される。本発明の別の態様では、整流器及びＨ−ブリッジにＤＣフィルタが連結される。本発明の別の態様では、Ｈ−ブリッジ及び整流器に高周波変成器が連結される。本発明の別の態様では、Ｈ−ブリッジ及びプロセッサにＨ−ブリッジドライバが連結される。本発明の別の態様では、整流器及びプロセッサに第１の降圧変圧器が連結される。本発明の別の態様では、濾波器及びプロセッサに第２の降圧変圧器が連結される。本発明の別の態様では、プロセッサに参照波信号が連結される。

ＡＣ／ＡＣ電力変換装置は、ＡＣ信号を受信する整流器を有することができる。整流器にはＨ−ブリッジが連結される。整流器及びＨ−ブリッジにはＤＣフィルタが連結される。整流器及びＨ−ブリッジには、Ｈ−ブリッジへの整流化されたＤＣ入力を変調するためのパルスを生成するように構成されたプロセッサが連結される。Ｈ−ブリッジ及びプロセッサにはＨ−ブリッジドライバが連結される。正弦波フィルタがＨ−ブリッジに連結されて、Ｈ−ブリッジの出力を、所望の周波数を有するＡＣ電圧に変調する。この場合の正弦波フィルタの出力はプロセッサに連結される。

ＡＣ電力の変換方法は、入力ＡＣ信号を受信すること、入力ＡＣ信号を全波整流化信号に変換すること、全波整流化信号を変調するためのパルスを生成すること、変調された全波整流化信号をＨ−ブリッジに送信すること、Ｈ−ブリッジの出力信号を、所望の周波数を有するＡＣ電圧信号にフィルタリングすることを含むことができる。本発明の別の態様では、この方法は、前記所望の周波数まで、Ｈ−ブリッジの出力信号の周波数を下げることをさらに含むことができる。本発明の別の態様では、この方法は、全波整流化信号の電圧を下げることにより、プロセッサユニットの搬送波基準信号を形成することをさらに含むことができる。本発明の別の態様では、この方法は、所望の周波数を有するＡＣ電圧信号とプロセッサユニットとの間に制御ループを形成することをさらに含むことができる。本発明の別の態様では、入力ＡＣ信号を受信するステップは、発電装置からＡＣ信号を受信することをさらに含むことができる。本発明の別の態様では、入力ＡＣ信号を受信するステップは、発電装置から、可変周波数のＡＣ信号を受信することをさらに含むことができる。

上記の特徴、機能、及び利点は、本発明の種々の実施形態において単独で達成することができるか、または他の実施形態において組み合わせることができる。

本発明の実施形態は、後述の詳細な説明及び添付図面によりさらによく理解することができるであろう。
図１は、高効率のＡＣ／ＡＣ電力変換システムの概略ブロック図である。 図２は、図１のシステムの電力変換出力を示している。 図３は、図１において使用されるプロセッサの動作を示すフロー図である。 図４は、図３において使用されるパルス密度変調器（ＰＤＭ）制御信号生成器の概略ブロック図である。 図５Ａは、ダイレクトで効率の高いＡＣ／ＡＣ電力変換を達成するための過渡状態のＰＷＭスキームを示し、図５Ｂは、ダイレクトで効率の高いＡＣ／ＡＣ電力変換を達成するための定常状態のＰＷＭスキームを示している。

図１は、ＡＣ／ＡＣ電力変換システム１０（以下システム１０という）を示している。システム１０は、ＤＣリンク又は蓄積装置なしで直接ＡＣ／ＡＣ電力変換を行う、高性能な変換を提供する。システム１０は、可変周波数、可変電圧、及びＡＣ電力を、それぞれ固定周波数、固定電圧、及びＡＣ電力に変換することができる。

システム１０は、信号線１１を介してＡＣ入力（ＡＣ−Ｉｎ）を受け取ることができる。ＡＣ入力ＡＣ−Ｉｎは、可変周波数、可変電圧、またはＡＣ信号とすることができる。ＡＣ入力ＡＣ−Ｉｎは、風車、フライホイールなどによって生成される信号でよい。上記は一例であり、限定的なものではない。定常状態では、ＡＣ入力ＡＣ−Ｉｎは入力電力整流器１２（以下整流器１２という）に送られる。整流器１２を使用して、ＡＣ入力ＡＣ−Ｉｎを、出力において一定である一方の極性を有する全波整流化済み信号に変換することができる。これは、ＡＣ入力ＡＣ−Ｉｎの周波数成分を抽出してプロセッサ１６によって処理するために行われる。図１に示す実施形態では、プロセッサ１６は、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）である。しかしながら、これは限定的なものではない。

整流器１２からの整流化された信号は、プロセッサ１６と適応しないピーク電圧を有している場合がある。したがって、整流化された信号の電圧レベルをプロセッサ１６に適応するレベルまで下げるために、降圧変圧器１８Ａが使用される。

プロセッサ１６は、Ｈ−ブリッジコンポーネント２０への、整流器１２からの整流化信号、またはＤＣフィルタ２２からの一定のＤＣ電圧ＤＣを変調するパルスを生成するために使用される。デバイスドライバ１４は、プロセッサ１６がＨ−ブリッジコンポーネントと相互作用することを可能するために使用される。デバイス１４は、ドライバ回路などとすることができる。

図１に示すように、整流化されたＤＣ信号ＤＣは、ＤＣフィルタ２２にも送られる。整流化された信号ＤＣは一定の信号ではありえない。すなわち、ＤＣフィルタ２２を使用して、整流化済みのＤＣ信号ＤＣをＨ−ブリッジコンポーネント２０に平滑化することができる。Ｈ−ブリッジコンポーネント２０は、出力ＡＣ−Ｏｕｔにいずれの方向にも電圧を印加することを可能にする。

Ｈ−ブリッジコンポーネント２０の出力信号は変圧器２４に送られる。変圧器２４は、Ｈ−ブリッジコンポーネント２０の出力のピーク電圧を所望のレベルに降圧又は昇圧するために使用される。変圧器２４の出力は、フィルタ２６を通過することができる。フィルタ２６は、出力ＡＣ−ＯｕｔにおいてクリーンなＡＣ信号を生成するために使用される（図２参照）。図２は、信号線１１への特定の入力信号ＡＣ−Ｉｎに関する、システム１０からの出力信号ＡＣ−Ｏｕｔを示している。フィルタ２６を使用して、変調された電圧を、所望の周波数のＡＣ電圧信号に平均化することができる。図１の実施形態では、フィルタ２６は、例えば、６０Ｈｚの正弦波フィルタである。フィルタ２６は、変調された電圧を、例えば、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおいて６０ＨｚのＡＣ電圧信号に平均化する低域通過フィルタである。フィルタ２６は、出力における過渡状態及び雑音を除去するために使用することもできる。フィルタ２６により、負荷が変動する状態においてシステム１０が確実に安定する。

フィードバックループは、出力ＡＣ−ＯｕｔにおけるＡＣ電圧信号を制御するために必要である。このように、出力ＡＣ−ＯｕｔにおけるＡＣ電圧信号は、プロセッサ１６に返送される。出力ＡＣ−ＯｕｔにおけるＡＣ電圧信号は、プロセッサ１６に適応しないピーク電圧を有しうるので、プロセッサ１６と適応するレベルまで電圧レベルを下げるために、高圧変圧器２８を使用することができる。

基準正弦波発生器３０は、出力をプロセッサ１６に送る。プロセッサ１６は、出力ＡＣ−ＯｕｔにおけるＡＣ電圧信号の周波数を、基準正弦波発生器３０の出力と比較する。次いで、プロセッサ１６は、整流化済みＤＣ入力をＨ−ブリッジコンポーネント２０に変調するために使用されるパルス信号を調整し、すなわち出力ＡＣ−ＯｕｔにおけるＡＣ電圧信号の周波数を調整する。

プロセッサ１６を使用して、変動する周波数におけるＡＣ−Ｉｎ信号の、出力ＡＣ−ＯｕｔにおけるＡＣ電圧信号を安定化させることができる。プロセッサ１６は、過渡入力（ＴＳ）と、定常状態の低周波数（すなわち１ＫＨｚ未満）入力（ＳＳ）とでは、異なって動作する。

ＴＳにおけるＡＣ変換は、ＡＣ−Ｉｎ信号の過渡状態または最初の数サイクルを、所望の周波数（例えば、図１の実施形態では６０Ｈｚ）のＡＣ電圧信号に変換するために使用される。ＡＣ−Ｉｎ信号は、降圧信号変圧器１８Ｂに送られて、信号をプロセッサ１６に結合する。プロセッサ１６は、信号をサンプリングし、その周期的サイクルを決定する。周波数が１ＫＨｚ以上である場合、プロセッサ１６は、搬送波発生に使用される制御信号を得る。プロセッサ１６は、整流器１２からの整流化信号又は全波サイクルの密度を得て、所望の出力正弦波電圧を生成する。プロセッサ１６は、出力ＡＣ−ＯｕｔにおいてＡＣ電圧信号からのフィードバックを利用し、全波サイクルの密度を加算又は減算する。さらに、プロセッサ１６は、フィルタ２６に対し、ＡＣ／ＡＣ出力トポロジーを選択するための制御信号を送信する。

低周波のＡＣ変換では、ＡＣ−Ｉｎ信号は、＋／−電圧Ｖを有する全波整流化信号とすることができる。フィルタ２２は、Ｈ−ブリッジコンポーネント２０の入力において一定のＤＣ電圧ＤＣを生成するために使用される。整流器１２の出力は、降圧信号変圧器１８に接続されて、信号をプロセッサ１６に供給する。プロセッサ１６は、信号をサンプリングし、その周波数を決定する。周波数が１ＫＨｚ未満である場合、又は整流器が＋Ｖｄｃ（ＳＳ）を生成している場合、プロセッサ１６は搬送波を発生させるための方形波信号を得ることができる。さらに、プロセッサ１６は、フィルタ２６に対し、入力ピーク信号の減衰を補償するＡＣ／ＡＣ出力トポロジーを選択するための制御信号を送信する。

次に図３を参照して、プロセッサ１６の動作を説明する。上部Ａは、ＴＳにおけるＡＣ変換プロセスの間の動作を示している。下部Ｂは、ＳＳにおけるＡＣ変換プロセスの間の動作を示している。

周波数修飾子３２は、降圧信号変圧器１８からの信号３３の周波数を決定するために使用される。降圧信号変圧器１８からの信号の周波数が１ＫＨｚを上回る場合、信号は昇圧トポロジー３４に送られる。昇圧トポロジー３４は、Ｈ−ブリッジの出力における信号の電圧レベルを、所望の用途に合わせて上昇させるために使用される。次いで、信号はパルス密度変調器（ＰＤＭ）の発生器３６に送られる。

ＰＤＭの発生器３６は、Ｈ−ブリッジ２０への整流化ＤＣ信号を変調するパルスを生成することにより、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおいて所望のＡＣ電圧信号を発生させるために使用することができる。ＰＤＭの発生器３６は、ＤＳＰプロセッサを利用して入力の周期的サイクルを予測することにより、Ｈ−ブリッジのＡＣインターフェースを通過する入力のクロッキングを生成することができる。制御クロックの出力は、各入力サイクルと連続的に同期される。ＰＤＭ発生器３６のＤＳＰは、適応的ＰＤＭアルゴリズムを使用することにより、基準正弦波に予測される振幅、位相、及び周波数に基づいて制御クロックのパルス周波数を調整することができる。ＰＤＭ発生器３６は、出力ＡＣ−Ｏｕｔからのフィードバックを有し、全波サイクルの密度を加算又は減算することができる。

降圧信号変圧器１８からの信号の入力周波数が１ＫＨｚ未満である場合、搬送波生成のために方形波信号が生成される。図３では、二極半波ユニット４０からの信号が方形波発生器４２に送られる。方形波発生器４２の出力は、積分器搬送波発生器４４に連結される。積分器搬送波発生器４４は、パルス幅搬送波変調器とすることができる。高周波入力信号ＡＣ−Ｉｎ（すなわち、１ＫＨｚを上回る）では、統合された信号は、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおいて所望のＡＣ電圧信号を発生させるＡＣサイクルの数を制御するための連続パルスとすることができる。低周波入力信号ＡＣ−Ｉｎでは、統合された信号は、ＤＣ整流器の出力を変調して出力ＡＣ−Ｏｕｔに所望のＡＣ電圧信号を発生させるために使用される連続ランプ信号とすることができる。積分器搬送波発生器４４の出力は、コンパレータ４６に送られる。積分器搬送波発生器４４からの信号は、コンパレータ４６が出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号を制御するための基準として使用される。

コンパレータ４６へ戻るフィードバックループを形成することができる。降圧変圧器２８の出力は、同期装置４８に送られる。同期装置４８は、高圧変圧器２８の出力と、例えば６０Ｈｚの正弦波基準信号とを同期させるために使用される。例えば６０Ｈｚの正弦波基準信号と出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号との間に差異を発生させるために、誤差増幅器５０が使用される。変調された正弦波基準信号発生器５２を使用して、変調された６０Ｈｚの基準信号、例えば、コンパレータ４６に送信される信号を発生させることができる。このように、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号の振幅が小さい場合、発生する誤差は正で、基準以上になるまで出力ピークを増加させることができる。出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号の振幅が大きい場合、発生する誤差は負で、例えば６０Ｈｚの基準以下になるまで出力ＡＣ−ｏｕｔにおける信号の振幅を小さくすることができる。このように、システム１０は、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号を、例えば６０Ｈｚの基準信号に等しく安定させることができる。

ここで図４を参照する。図４は、ＰＤＭ制御信号発生器３６のブロック図を例示している。誤差増幅器５０の出力は、例えば６０Ｈｚの基準源と、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号との間の誤差とすることができる。誤差増幅器５０の出力は、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける信号を調整するために、較正装置５２に送られる。ＰＤＭクロック発生器５４を使用して、Ｈ−ブリッジ２０を通過する周期的入力電圧の時刻を記録することにより、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおいて所望の信号を発生させることができる。クロックの逆を使用して、ＳＳで整流化されたＤＣ電圧を生成することができる。整流化されたＤＣ電圧が定常状態に達したら、システム１０は、動作モードをＴＳからＳＳモードへ移行させる。

システム１０は、ＤＣリンク又は蓄積装置なしで直接ＡＣ／ＡＣ電力変換を行う、高性能な変換を提供する。システム１０は、ＤＣリンクのエネルギ蓄積コンポーネントを持たない個別の変換システムを導く直接ＡＣ／ＡＣ電力変換の原理を提供する。このような直接ＡＣ／ＡＣ変換は、パルス密度変調を使用するスキームにより達成される。

ここで図５を参照する。図５に示すように、二つの変調スキームが利用される。高速変調では、ヌル後の最初の数ミリ秒の間、搬送波信号は、入力信号ＡＣ−Ｉｎの周期的サイクリングから得られる。入力周期的サイクルを、出力ＡＣ−Ｏｕｔにおける所望の周波数（例えば、図５に示される６０Ｈｚ）に変換するために必要なエネルギーを供給するため、各サイクルは、プロセッサ１６（図１）によりサンプリングされる。これは、高速変調により、ＤＣフィルタ２２のＲＣ時定数の効果をヌルにするために必要である。図５に示すように、変調信号は、例えば６０Ｈｚのａｃ出力を予測するために、入力信号ＡＣ−Ｉｎ及び連続するパルスと同期される。このような変調スキームの効率は、入力周波数に応じたものとなり、周波数が高いほどＡＣ／ＡＣ変換の効率は高い。また、変調された信号のヌルサイクルを使用して、ＡＣ入力サイクルの残りの時刻を整流器１２（図１）に登録することができる。

定常状態での変調（図５Ｂ）では、数ミリ秒後にＶｄｃが安定したとき、従来のＰＷＭスキームが実施される。ＰＷＭスキームは、電圧ＤＣリンクを利用してＡＣ出力を変換することができる。この方法を使用して、ＤＣ電圧変換の形態で入力エネルギーを蓄積することにより、電力効率を最大化することができる。

本発明の実施形態を、種々の特定の実施形態の観点から説明したが、当業者であれば、請求項に記載の理念及び範囲内において、本発明の実施形態を修正して実施可能であることを理解するであろう。

Claims (13)

1. ＡＣ信号源を受ける整流器と、
   前記整流器に連結されたＨ−ブリッジと、
   前記ＡＣ信号源、前記整流器及び前記Ｈ−ブリッジに連結されたプロセッサであって、
   前記ＡＣ信号源をサンプリングして前記ＡＣ信号源の周期的サイクルを決定し、
   前記ＡＣ信号源が所定の周波数を上回るとき、前記Ｈ−ブリッジへの整流化されたＤＣ入力を変調するためのパルスを生成し、前記ＡＣ信号源が前記所定の周波数を下回るか定常状態のとき、方形波を生成するように構成されたプロセッサと、
   前記Ｈ−ブリッジに連結されて、前記Ｈ−ブリッジの出力を、所望の周波数を有するＡＣ電圧に変調する濾波器であって、出力が前記プロセッサに連結されている濾波器と
   を備えたＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
2. 前記整流器及び前記Ｈ−ブリッジに連結されたＤＣフィルタをさらに備えている、請求項１に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
3. 前記Ｈ−ブリッジ及び前記濾波器に連結された高周波変成器をさらに備えている、請求項１又は２に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
4. 前記Ｈ−ブリッジ及び前記プロセッサに連結されたＨ−ブリッジドライバをさらに備えている、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
5. 前記整流器及び前記プロセッサに連結された第１の降圧変圧器をさらに備えている、請求項１ないし４のいずれか一項に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
6. 前記濾波器及び前記プロセッサに連結された第２の降圧変圧器をさらに備えている、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
7. 前記プロセッサに連結された基準波信号をさらに備えている、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
8. 前記濾波器が６０Ｈｚの正弦波フィルタである、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のＡＣ／ＡＣ電力変換装置。
9. ＡＣ電力の変換方法であって、
   入力ＡＣ信号を受け取ることと、
   前記入力ＡＣ信号を、当該入力ＡＣ信号をサンプリングするプロセッサに送信し、前記入力ＡＣ信号の周期的サイクルを決定することと、
   入力ＡＣ信号を全波整流化信号に変換することと、
   前記入力ＡＣ信号が所定の周波数を上回るとき、前記全波整流化信号を変調するパルスを生成し、前記入力ＡＣ信号が前記所定の周波数を下回るか定常状態のとき、方形波を生成することと、
   変調された前記全波整流化信号をＨ−ブリッジに送ることと、
   変調された前記全波整流化信号をＤＣフィルタに送ることと、
   前記Ｈ−ブリッジの出力信号を、所望の周波数のＡＣ電圧信号にフィルタリングすることと
   を含む方法。
10. 前記所望の周波数まで前記Ｈ−ブリッジの出力信号の周波数を下げることをさらに含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記全波整流化信号の電圧を下げて、プロセッサユニット用の搬送波基準信号を形成することと、前記所望の周波数のＡＣ電圧信号と前記プロセッサユニットとの間に制御ループを形成することとをさらに含む、請求項９又は１０に記載の方法。
12. 前記入力ＡＣ信号を受け取ることが、電力発生装置から前記ＡＣ信号を受け取ることをさらに含む、請求項９ないし１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記入力ＡＣ信号を受け取ることが、電力発生装置から、可変周波数の前記ＡＣ信号を受け取ることをさらに含む、請求項１０ないし１２のいずれか一項に記載の方法。

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