JP6416436B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
高圧直流送電に用いる従来の電力変換装置である直流昇圧変換器は、1つの態様において、直流電力となる入力直流電力を受け付ける入力端子を有する。また、直流昇圧変換器は、絶縁型DC−DCコンバータを複数有し、複数ある絶縁型DC−DCコンバータの第1の端子各々が並列に入力端子と接続されるコンバータ部を有する。また、直流昇圧変換器は、複数ある絶縁型DC−DCコンバータの第2の端子各々と直列に接続され、コンバータ部により電圧が昇圧された直流電力である出力直流電力を出力する出力端子を有する。また、直流昇圧変換器は、入力直流電力の電圧が所定の電圧となるようにコンバータ部を制御するコンバータ部制御装置として、コンバータ部の複数ある絶縁型DC−DCコンバータ各々に設けられる第1のコンバータ部制御装置と、第2のコンバータ部制御装置とを有する(例えば、特許文献1参照)。
また、高圧直流送電に用いる従来の別例による電力変換装置では、複数のDC/DCコンバータを、入力側と出力側との双方において直列に接続して構成している(例えば、特許文献2参照)。
また、上記特許文献2記載の電力変換装置では、高圧の入力電力にも対応可能であるが、安定した入力電圧であることが必要である。このため、電圧変動を有する直流電力源から電力を入力すると、信頼性良く出力制御することが困難であった。
それぞれ正負両端子からなる第1直流端子と第2直流端子との間に、2以上であるM台のDC/DCコンバータを備えて、上記第1直流端子と上記第2直流端子との間で電力伝送を行う電力変換器と、上記電力変換器を制御する制御装置とを備える。上記電力変換器は、2つの上記DC/DCコンバータの間にそれぞれ接続されて該2つのDC/DCコンバータの電力をバランスさせる1以上のバランス回路をさらに備える。上記M台のDC/DCコンバータは、入出力の一方を第1側、他方を第2側とし、該各DC/DCコンバータの第1側端子が、上記第1直流端子の正負両端子間で電流が共通に流れるように接続され、該各DC/DCコンバータの第2側端子が、上記第2直流端子の正負両端子間で電流が共通に流れるように接続される。上記各バランス回路は、上記2つのDC/DCコンバータの該2組の第1側端子の間に接続されて、該2組の第1側端子の間で電力授受を行う。
以下、この発明の実施の形態1について説明する。
図1は、この発明の実施の形態1による電力変換装置100を備える送電システム1の一例を示す概略構成図である。図1に示すように、送電システム1は、洋上に設けられた風力発電システム200および電力変換装置100と、陸上に設けられた変電所300と、直流送電線としての直流送電ケーブル400とで構成されている。
風力発電システム200は、複数の発電装置としての発電機210a、210bと、各々の発電電力が入力され交流電力から直流電力に変換するパワーコンディショナ220a、220bと、パワーコンディショナ220a、220bが出力する直流電力を昇圧する昇圧用DC/DC変換器230a、230bとを備える。また、風力発電システム200では、各昇圧用DC/DC変換器230a、230bが出力する直流電力は1つに集電されて出力される。
なお、図1に示す例では、電力源が風力発電である場合を示したが、これに限定されるものではなく、発電量が変動する他の電力源、例えば、太陽光発電装置等の自然エネルギを利用した電源でも良い。
さらにまた、電力変換装置100を送電システム1に適用する場合を示したが、直流送電以外に、直流配電等に用いても良い。
図2に示すように、電力変換装置100は、それぞれ正負両端子である第1直流端子100Aと第2直流端子100Bとを備え、第1直流端子100Aと第2直流端子100Bとの間に複数台(M台)のDC/DCコンバータ10(10a〜10h)と、バランス回路としての補助コンバータ20(20a〜20g)とを備える。補助コンバータ20は、2つのDC/DCコンバータ10の間にそれぞれ接続される。
この場合、バランス回路として、隣接する2つのDC/DCコンバータ10の間にそれぞれ接続された補助コンバータ20を示すが、これに限らず、2つのDC/DCコンバータ10の間にそれぞれ接続されて、2つのDC/DCコンバータ10の電力をバランスさせるものであれば良い。
この実施の形態1では、第1直流端子100Aには、風力発電システム200からの直流電力が入力される。即ち、第1直流端子100Aが電力変換装置100の主回路(電力変換器)の入力端子となり、入力電圧Vinは第1直流端子100Aの電圧である。また、第2直流端子100Bが電力変換装置100の主回路の出力端子となり、出力電圧Voutは第2直流端子100Bの電圧である。電力変換装置100からの出力電力は直流送電ケーブル400(図示省略)を介して変電所300に出力される。
また、第2制御部120は、各DC/DCコンバータ10毎に設けられる。
図3に、DC/DCコンバータ10aの回路図の例を示す。なお、DC/DCコンバータ10としては、種々の種類が存在し、例えば、定格電圧、変換容量、動作周波数などによって適切なものが選択される。また、他のDC/DCコンバータ10b〜10hもDC/DCコンバータ10aと同様である。
この場合、各半導体スイッチング素子Q11〜Q24にスナバキャパシタCSが並列に接続される。スナバキャパシタCSと交流出力線のインダクタンスLSとの作用により、各半導体スイッチング素子Q11〜Q24のソフトスイッチングであるゼロ電圧スイッチングが可能となる。
この場合、各半導体スイッチング素子Q11〜Q24がソフトスイッチングすることで、スイッチング損失が低減可能となり、動作周波数を高め、単相変圧器4の小型化が可能となる。なお、ソフトスイッチングとは、共振現象の利用により、スイッチング過渡期間に半導体スイッチング素子に加わる電圧または電流を軽減し、スイッチング損失や電磁ノイズの低減を行う技術である。また、インダクタンスLSは単相変圧器4の漏れインダクタンスを利用してもよい。
また、直流キャパシタ6、7には電解コンデンサやフィルムコンデンサ等を用いる。直流キャパシタ6、7には高周波の電流が流れるが、フィルムコンデンサを用いる場合は、高周波の電流による劣化を抑制でき長寿命化が図れる。
つまり、電力変換装置100の第1直流端子100Aの正負両端子に電流Iinが流れている場合、各DC/DCコンバータ10a〜10hの第1側端子5Aに流れる電流はIinとなる。また、電力変換装置100の第2直流端子100Bの正負両端子に電流Ioutが流れている場合、各DC/DCコンバータ10a〜10hの第2側端子5Bに流れる電流はIoutとなる。
また、DC/DCコンバータ10aの第2側端子5Bの正側端子は第2直流端子100Bの正側端子に接続され、DC/DCコンバータ10aの第2側端子5Bの負側端子は、DC/DCコンバータ10bの第2側端子5Bの正側端子に接続される。同様に、DC/DCコンバータ10b〜10gの第2側端子5Bの負側端子は、DC/DCコンバータ10c〜10hの第2側端子5Bの正側端子に接続される。そして、DC/DCコンバータ10hの第2側端子5Bの負側端子は第2直流端子100Bの負側端子に接続される。
なお、上述したように、補助コンバータ20は、隣接するDC/DCコンバータ10間に限らず、2つのDC/DCコンバータ10の第1側端子5Aの間に接続すれば良い。M台のDC/DCコンバータ10c〜10hは、M−1台の補助コンバータ20を各DC/DCコンバータ10間に接続する事により、M−1台の補助コンバータ20を介してバランスさせることができる。
また、第3制御部130は、各補助コンバータ20毎に設けられる。例えば、補助コンバータ20aを制御する第3制御部130aは、補助コンバータ20a内の各半導体スイッチング素子Q11〜Q24へのゲート信号G20aを生成して各半導体スイッチング素子Q11〜Q24のスイッチングを制御する。
このため、第1直流端子100Aの電圧である入力電圧Vinは、各DC/DCコンバータ10(10a〜10h)の第1側端子5Aの電圧V1(V1a〜V1h)の和となる。また、第2直流端子100Bの電圧である出力電圧Voutは、各DC/DCコンバータ10(10a〜10h)の第2側端子5Bの電圧V2(V2a〜V2h)の和となる。これにより、電力変換装置100の入出力電圧は式(1)、式(2)で表すことができる。
Vin=V1a+V1b+・・・+V1h ・・・(1)
Vout=V2a+V2b+・・・+V2h ・・・(2)
図4は、電力変換装置100の制御装置の全体構成、即ち、主回路全体の制御のための第1制御部110と、各DC/DCコンバータ10を制御するための第2制御部120(120a〜120h)と、各補助コンバータ20を制御するための第3制御部130(130a〜130g)との全体構成を示すブロック図である。
図4に示すように、各第2制御部120(120a〜120h)は、入出力電圧V1(V1a〜V1h)、V2(V2a〜V2h)を検出する手段を有しており、検出された入出力電圧V1、V2は、第1制御部110に送信される。そして、第1制御部110は、各第3制御部130(130a〜130g)に、各補助コンバータ20のP端子25Aの電圧V1とN端子25Bの電圧V1とを送信する。
図5に、DC/DCコンバータ10aを制御する第2制御部120aを説明する制御ブロック図の例を示す。なお、第2制御部120b〜120hについても第2制御部120aと同様である。
位相差生成器122は、制御指令P10a*に基づいて、DC/DCコンバータ10a内のDC/AC変換器2とDC/AC変換器3とのスイッチング位相の差θ10aを出力する。なお、1次側のDC/AC変換器2内の半導体スイッチング素子Q11〜Q14のスイッチング位相に対して、2次側のDC/AC変換器3内の半導体スイッチング素子Q21〜Q24のスイッチング位相を所定の位相差θ[rad]だけ遅らせることで、出力電力が制御される。
PWM信号生成器123は、位相差θ10aに基づいて、DC/DCコンバータ10a内の各半導体スイッチング素子Q11〜Q24をスイッチング制御するPWM信号であるゲート信号G10aを生成して出力する。
図6に、補助コンバータ20aを制御する第3制御部130aを説明する制御ブロック図の例を示す。なお、第3制御部130b〜130gについても第3制御部130aと同様である。
ここで、P端子25AからN端子25Bへの電力伝送方向を正とする。
V1a>V1bであるとき、P端子25Aの電圧V1aを(V1a−(ΔV1ab/2))に近づけるように、正の電力指令131cを生成する。このときP端子25AからN端子25Bへ直流電力が送電され、P端子25Aの電圧V1aが徐々に低下し、N端子25Bの電圧V1bが徐々に上昇して、電圧V1aと電圧V1bとの電圧差ΔV1abが減少する。
位相差生成器132は、電力指令131cに基づいて、補助コンバータ20a内のDC/AC変換器2とDC/AC変換器3とのスイッチング位相の差θ20aを出力する。PWM信号生成器133は、位相差θ20aに基づいて、補助コンバータ20a内の各半導体スイッチング素子Q11〜Q24をスイッチング制御するPWM信号であるゲート信号G20aを生成して出力する。
各補助コンバータ20のP端子25A、N端子25Bは、2つのDC/DCコンバータ10の第1側端子5Aに接続され、これらの第1側端子5Aの2つの電圧は、補助コンバータ20により同等になるように制御される。これにより、M台の各DC/DCコンバータ10の第1側端子5Aの各電圧V1(V1a〜V1h)は、等しく制御される。
DC/DCコンバータ10では、第2制御部120が、電圧V2の指令電圧V2*と電力指令値P10*とに基づいて、DC/DCコンバータ10を出力制御する。電力指令値P10*は、電力変換装置100全体の入力電圧Vinを目標電圧Vin*に制御する電力指令P*をDC/DCコンバータ10の台数Mで除して算出したものである。このため、各DC/DCコンバータ10は、各電圧V2を指令電圧V2*に制御すると共に、電力変換装置100全体の入力電圧Vinを目標電圧Vin*に制御するように動作する。
各DC/DCコンバータ10は同等の構成であり、その動作により決定される電圧V1は、理想的には、入力電圧Vinの目標電圧Vin*をDC/DCコンバータ10の台数Mで除した値(Vin*/M)になる。しかしながら、実際には構成する部品のばらつきや検出器の検出誤差等の要因によって誤差が発生するため、各電圧V1の総和である入力電圧Vinは目標電圧Vin*に制御できるが、各電圧V1にはばらつきが発生する。
そして、各補助コンバータ20の動作により、各電圧V1のばらつきは解消され、各電圧V1は同等に制御される。
電力変換装置100は、複数台のDC/DCコンバータ10を有して、各入力端子(第1側端子5A)が、電力変換装置100の入力端子(第1直流端子100A)の正負両端子間で共通の電流が流れるように接続され、各出力端子(第2側端子5B)が、電力変換装置100の出力端子(第2直流端子100B)の正負両端子間で共通の電流が流れるように接続されるように接続したため、DC/DCコンバータ10の1台当りの電圧責務を低減することができる。このため、入力電圧Vinが、電力変換装置100内の半導体スイッチング素子等の素子の耐圧以上の高電圧となる用途に適用可能となる。各DC/DCコンバータ10は、通常、入力電圧をさらに昇圧して出力し、さらに高電圧の直流電力を出力することが可能になる。
また、発電電力を集電した集電電力を高電圧化できるため、高効率にかつ長距離の集電が可能となる。そして、電力変換装置100では入力された高電圧の直流電力をさらに昇圧して送電することにより、送電システム1は、高効率にかつ長距離の送電が可能となる。
この実施の形態では、2つのDC/DCコンバータ10の間で入力側に、それぞれ補助コンバータ20を備える。
各DC/DCコンバータ10は、出力電圧Vout側の各電圧V2を指令電圧V2*に制御し、入力電圧Vinは目標電圧Vin*に制御し、入力電圧Vin側の各電圧V1は自動的に決定されるように動作する。このように、各DC/DCコンバータ10の動作により、各電圧V2は同等に制御され、入力電圧Vinは目標電圧Vin*に制御される。そして、各補助コンバータ20の動作により入力電圧Vin内の各電圧V1のばらつきは解消され、各電圧V1が同等に制御される。
さらに、各DC/DCコンバータ10は、入出力の一方の電圧V2のみを指令電圧V2*に制御し、各補助コンバータ20は、入出力の一方である高電圧側の電圧のみを指令電圧に制御するため、DC/DCコンバータ10、補助コンバータ20は、それぞれ簡易な構成にでき、小型化、低コスト化がさらに図れる。
また、電力変換装置100の入力電圧Vinと出力電圧Voutとは、第1制御部110にて算出されるものを示したが、第1制御部110が、入力電圧Vinと出力電圧Voutとを検出する手段を備えても良い。
次に、この発明の実施の形態2について説明する。
上記実施の形態1では、各補助コンバータ20を電力変換装置100の入力電圧側に設けたが、この実施の形態では出力電圧側に設けるものを示す。図1で説明した送電システム1の構成は、上記実施の形態1と同様である。
図7は、この実施の形態2による電力変換装置101の構成を示す図である。
図7に示すように、電力変換装置101は、それぞれ正負両端子である第1直流端子101Bと第2直流端子101Aとを備える。この実施の形態2では、第2直流端子101Aに、風力発電システム200からの直流電力が入力される。即ち、第2直流端子101Aが電力変換装置101の主回路(電力変換器)の入力端子となり、入力電圧Vinは第2直流端子101Aの電圧である。また、第1直流端子101Bが電力変換装置101の主回路の出力端子となり、出力電圧Voutは第1直流端子101Bの電圧である。
また、電力変換装置101は、主回路の各DC/DCコンバータ10および補助コンバータ20を出力制御する制御装置を備える。この制御装置は、主回路全体の制御のための第1制御部110aと、各DC/DCコンバータ10を制御するための第2制御部120(120a〜120h)と、各補助コンバータ20を制御するための第3制御部130(130a〜130g)とを備える。
また、第2制御部120は、各DC/DCコンバータ10毎に設けられる。
そして、各補助コンバータ20は、異なる電圧の直流電力間の変換を行うもので、2つのDC/DCコンバータ10の該2組の第1側端子5Aの間に接続されて、該2組の第1側端子5Aの間で電力授受を行う。
また、第3制御部130は、各補助コンバータ20毎に設けられる。
このため、第2直流端子101Aの電圧である入力電圧Vinは、各DC/DCコンバータ10(10a〜10h)の第2側端子5Bの電圧V2(V2a〜V2h)の和となる。また、第1直流端子101Bの電圧である出力電圧Voutは、各DC/DCコンバータ10(10a〜10h)の第1側端子5Aの電圧V1(V1a〜V1h)の和となる。これにより、電力変換装置101の入出力電圧は式(3)、式(4)で表すことができる。
Vin=V2a+V2b+・・・+V2h ・・・(3)
Vout=V1a+V1b+・・・+V1h ・・・(4)
図8は、電力変換装置101の制御装置の全体構成、即ち、主回路全体の制御のための第1制御部110aと、各DC/DCコンバータ10を制御するための第2制御部120(120a〜120h)と、各補助コンバータ20を制御するための第3制御部130(130a〜130g)との全体構成を示すブロック図である。
図8に示すように、各第2制御部120(120a〜120h)は、入出力電圧V2(V2a〜V2h)、V1(V1a〜V1h)を検出する手段を有しており、検出された入出力電圧V2、V1は、第1制御部110aに送信される。そして、第1制御部110aは、各第3制御部130(130a〜130g)に、各補助コンバータ20のP端子25Aの電圧V1とN端子25Bの電圧V1とを送信する。
例えば、DC/DCコンバータ10aを制御する第2制御部120aについて、以下に説明する。図5にて示した上記実施の形態1と同様に、第2制御部120aでは、指令電圧V2*と電圧V2aとの偏差ΔV2aが減算器121aにて演算される。制御器121bは、偏差ΔV2aが0に近づくように、例えば比例制御により第1制御指令値121cを演算する。この第1制御指令値121cに、第1制御部110aからの電力指令値P10*が加算されて、DC/DCコンバータ10aを出力制御する制御指令P10a*が生成される。
位相差生成器122は、制御指令P10a*に基づいて、DC/DCコンバータ10a内のDC/AC変換器2とDC/AC変換器3とのスイッチング位相の差θ10aを出力する。そして、PWM信号生成器123は、位相差θ10aに基づいて、DC/DCコンバータ10a内の各半導体スイッチング素子Q11〜Q24をスイッチング制御するPWM信号であるゲート信号G10aを生成して出力する。
第3制御部130は上記実施の形態1と同様であり、各補助コンバータ20は、各々P端子25Aの電圧V1とN端子25Bの電圧V1とを比較して、高電圧側から低電圧側に向かって電力授受して2つの直流電圧が同等となるように出力制御される。
即ち、DC/DCコンバータ10では、第2制御部120が、電圧V2の指令電圧V2*と電力指令値P10*とに基づいて、DC/DCコンバータ10を出力制御する。電力指令値P10*は、電力変換装置101全体の入力電圧Vinを目標電圧Vin*に制御する電力指令P*をDC/DCコンバータ10の台数Mで除して算出したものである。このため、各DC/DCコンバータ10は、各電圧V2を指令電圧V2*に制御すると共に、電力変換装置101全体の入力電圧Vinを目標電圧Vin*に制御するように動作する。
各DC/DCコンバータ10は同等の構成であり、その動作により決定される電圧V1は、理想的には、出力電圧VoutをDC/DCコンバータ10の台数Mで除した値(Vout/M)になる。しかしながら、実際には構成する部品のばらつきや検出器の検出誤差等の要因によって誤差が発生するため、各電圧V1にはばらつきが発生する。
そして、各補助コンバータ20の動作により、各電圧V1のばらつきは解消され、各電圧V1は同等に制御される。
また、2つのDC/DCコンバータ10の間で出力側に、それぞれ補助コンバータ20を備えて、各DC/DCコンバータ10の入出力電圧の双方を制御可能にした。このため、上記実施の形態1と同様に、電力変換装置101は、電圧変動を有する電力源からの高圧直流電力を入力可能として信頼性良く出力制御できると共に、各DC/DCコンバータ10は、入力電圧V1、出力電圧V2および電力負担をそれぞれ等しくすることができる。このため、部品のばらつきや検出器の検出誤差等の誤差を考慮したマージンを低減でき、電力変換装置101の小型化、低コスト化が図れる。
さらに、各DC/DCコンバータ10は、入出力の一方の電圧V2のみを指令電圧V2*に制御し、各補助コンバータ20は、入出力の一方である高電圧側の電圧のみを指令電圧に制御するため、DC/DCコンバータ10、補助コンバータ20は、それぞれ簡易な構成にでき、小型化、低コスト化がさらに図れる。
次に、この発明の実施の形態3について説明する。
この実施の形態3では、上記実施の形態1で示した各DC/DCコンバータ10が、複数(N台)のコンバータセル30(30a〜30x)を接続して構成されたものを示す。この場合も、電力変換装置100の制御装置は、主回路全体の制御のための第1制御部110と、各DC/DCコンバータ10を制御するための第2制御部120(120a〜120h)と、各補助コンバータ20を制御するための第3制御部130(130a〜130g)とを備える。そして、各第2制御部120は、DC/DCコンバータ10のための制御部と各コンバータセル30を制御するためのセル制御部140とを備える。
なお、DC/DCコンバータ10と第2制御部120以外の構成は上記実施の形態1と同様である。
図9に示すように、DC/DCコンバータ10aは、第1側端子5Aと第2側端子5Bとの間に複数のコンバータセル30(30a〜30x)を備える。
図10は、コンバータセル30aの回路図の例を示し、図11は、DC/DCコンバータ10aを制御する第2制御部120aを示す。
DC/DCコンバータ10aを制御する第2制御部120aは、この場合、DC/DCコンバータ10aの回路全体の制御のための制御部120aaと、各コンバータセル30(30a〜30x)を制御するためのセル制御部140(140a〜140x)とで構成される。
DC/DCコンバータ10a内の複数台のコンバータセル30(30a〜30x)は、1次側の各直流端子15AがDC/DCコンバータ10aの第1側端子5Aに並列接続され、2次側の各直流端子15Bが、DC/DCコンバータ10aの第2側端子5Bの両極間で共通の電流が流れるように接続される。即ち、DC/DCコンバータ10aを構成する複数台のコンバータセル30は、入力側が並列接続され、出力側が共通の電流が流れるように接続される。
図10に示すように、1次側のDC/AC変換器12は、直流端子15Aの両極間に接続された直流キャパシタ6aと、それぞれ正極側と負極側の半導体素子としての半導体スイッチング素子Q11a〜Q14aを直列接続してなる2つのスイッチングレグから成る第1フルブリッジ回路とから成る。2次側のDC/AC変換器13は、直流端子15Bの両極間に接続された直流キャパシタ7aと、それぞれ正極側と負極側の半導体素子としての半導体スイッチング素子Q21a〜Q24aを直列接続してなる2つのスイッチングレグから成る第2フルブリッジ回路とから成る。DC/AC変換器12の各スイッチングレグの中間接続点と、DC/AC変換器13の各スイッチングレグの中間接続点との間に、変圧器としての単相変圧器14が接続されている。なお、絶縁が不要の場合は、単相変圧器14の代わりにインダクタンスLSのみを接続しても良い。
この場合、各半導体スイッチング素子Q11a〜Q24aにスナバキャパシタCSが並列に接続される。スナバキャパシタCSと交流出力線のインダクタンスLSとの作用により、各半導体スイッチング素子Q11a〜Q24aのソフトスイッチングであるゼロ電圧スイッチングが可能となる。
この場合、各半導体スイッチング素子Q11a〜Q24aがソフトスイッチングすることで、スイッチング損失が低減可能となり、動作周波数を高め、単相変圧器14の小型化が可能となる。
なお、複数台のコンバータセル30から成るDC/DCコンバータ10aは、通常動作として1次側電圧V1aを昇圧して2次側電圧V21aを出力するが、各コンバータセル30は昇圧動作に限るものではない。
また、直流キャパシタ6a、7aには電解コンデンサやフィルムコンデンサ等を用いる。直流キャパシタ6a、7aには高周波の電流が流れるが、フィルムコンデンサを用いる場合は、高周波の電流による劣化を抑制でき長寿命化が図れる。
このため、DC/DCコンバータ10aの第2側端子5Bの電圧V2aは、各コンバータセル30(30a〜30x)の出力側の直流端子15Bの電圧V21(V21a〜V21x)の和となる。これにより、DC/DCコンバータ10aの出力電圧である第2側端子5Bの電圧V2aは、式(5)で表すことができる。
V2a=V21a+V21b+・・・+V21x ・・・(5)
図11に示すように、制御部120aaは、DC/DCコンバータ10aの入出力電圧V1a、V2aを検出して、図示しない第1制御部110に送信する。なお、電圧V2aの検出は、後述するように算出によるものである。また、各セル制御部140は、各コンバータセル30の出力電圧となる直流端子15Bの電圧V21(V21a〜V21x)を検出する手段を有し、検出した電圧V21を制御部120aaに送信する。
平均値算出部126には、電圧V2aと制御指令P10a*とが入力され、コンバータセル30a〜30xの台数Nで除算する。これにより、各コンバータセル30の直流端子15Bの電圧V21に対するB電圧である指令電圧V21*(=(V2a/N))と、各コンバータセル30の制御に用いる第2制御指令値としての電力指令値P30*(=(P10a*/N))とを生成する。そして、制御部120aaは、各コンバータセル30のセル制御部140に、指令電圧V21*と電力指令値P30*とをそれぞれ送信する。
図12は、電力変換装置100の制御装置の全体構成、即ち、主回路全体の制御のための第1制御部110と、各DC/DCコンバータ10を制御するための第2制御部120(120a〜120h)と、各補助コンバータ20を制御するための第3制御部130(130a〜130g)との全体構成を示すブロック図である。各第2制御部120は、各DC/DCコンバータ10の回路全体を制御する制御部120aaと、各DC/DCコンバータ10内のN台のコンバータセル30を制御するためのセル制御部140(140a〜140x)とを備える。
なお、図14は、図11内の制御部120aaを詳細に示すものである。
Vin算出部111では、上記式(1)を用いて入力電圧Vinを算出し、Vout算出部112では、上記式(2)を用いて出力電圧Voutを算出する。Vin制御部113では、与えられた目標電圧Vin*と入力電圧Vinとの偏差ΔVinが、減算器113aにて演算される。制御器113bは、偏差ΔVinが0に近づくように、比例積分制御により第1指令としての電力指令P*を生成する。
図12、図14に示すように、制御部120aaでは、第1制御部110からの指令電圧V2*と電圧V2aとが入力され、各セル制御部140(140a〜140x)から、各コンバータセル30の電圧V21(V21a〜V21x)を受信する。また、DC/DCコンバータ10aの入出力電圧V1a、V2aを、第1制御部110に送信する。
V2制御部121では、第1制御部110からの指令電圧V2*と電圧V2aとの偏差ΔV2aが、減算器121aにて演算される。制御器121bは、偏差ΔV2aが0に近づくように、比例制御により第1制御指令値121cを生成する。この第1制御指令値121cに、第1制御部110からの電力指令値P10*が加算されて、DC/DCコンバータ10aを出力制御する制御指令P10a*が生成される。
平均値算出部126には、電圧V2aと制御指令P10a*とが入力され、コンバータセル30a〜30xの台数Nで除算する。これにより、各コンバータセル30の直流端子15Bの電圧V21に対する指令電圧V21*(=(V2a/N))と、各コンバータセル30の制御に用いる電力指令値P30*(=(P10a*/N))とを生成する。生成された指令電圧V21*と電力指令値P30*とは、信号分配器127により、各セル制御部140(140a〜140x)に送信される。
図12、図15に示すように、セル制御部140aは、制御部120aaからの指令電圧V21*と電力指令値P30*とが入力される。また、コンバータセル30aの出力電圧となる直流端子15Bの電圧V21aを検出し、検出した電圧V21aを制御部120aaに送信する。
位相差生成器142は、制御指令P30a*に基づいて、コンバータセル30a内のDC/AC変換器12とDC/AC変換器13とのスイッチング位相の差θ30aを出力する。PWM信号生成器143は、位相差θ30aに基づいて、コンバータセル30a内の各半導体スイッチング素子Q11a〜Q24aをスイッチング制御するPWM信号であるゲート信号G30aを生成して出力する。
図12、図16に示すように、第3制御部130aは、補助コンバータ20aのP端子25Aの電圧V1aとN端子25Bの電圧V1bとを、第1制御部110から受信する。
第3制御部130aは、上記実施の形態1と同様に動作する。即ち、第3制御部130aでは、P端子25Aの電圧V1aとN端子25Bの電圧V1bとの電圧差ΔV1abが減算器131aにて演算される。V1制御器131bは、電圧差ΔV1abの1/2倍を補償して電圧差ΔV1abが0に近づくように、比例積分制御により、補助コンバータ20aを出力制御する電力指令(制御指令)131cを生成する。この場合も、P端子25Aの電圧V1aとN端子25Bの電圧V1bとを比較し、高電圧側の端子の電圧が、電圧差ΔV1abの1/2だけ電圧低下するように指令電圧を生成し、高電圧側から低電圧側に向かって電力授受され、2つの直流電圧が同等となるように制御される。
即ち、絶縁型でDC/DC変換を行うコンバータセル30では、出力電力を制御する位相差θを生成し、1次側回路と2次側回路との間で、位相差θ[rad]だけ位相をずらしてスイッチングを実施することで送電電力Pを制御することができる。
P=(V1a・V21a/ωLS)・(θ−θ2/π)
・・・(6)
ここで、ωはスイッチング周波数fswに2πを乗じた値である。
V1a=V21a=Vdc
とすると、上記式(6)は以下の式(7)に変換できる。
P=(Vdc2/ωLS)・(θ−θ2/π) ・・・(7)
θ=π/2−√(π2/4−(πP/Vdc2)・ωLS)
・・・(8)
W=(1/2)Cdc(V21*±ΔV21a)2
=(1/2)Cdc(V21*2+ΔV21a2)
±Cdc・V21*・ΔV21a
・・・(9)
ここで、Cdcは、直流キャパシタ7aの静電容量である。
W≒(1/2)Cdc・V21*2±Cdc・V21*・ΔV21
・・・(10)
従って、コンバータセル30aの出力電圧V21aの制御を行うには、静電エネルギWの変動量Δwを補償する電力Paだけ、コンバータセル30aの送電電力から増減させればよい。変動量Δwを補償する電力Paは、以下の式(11)で求められる。
Pa=(d/dt)・Δw
=Cdc・V21*・(d/dt)・ΔV21a
・・・(11)
Pa≒(Vdc2/ωLS)・θa ・・・(12)
θa≒(ωLS/Vdc2)・Pa ・・・(13)
送電電力Paを制御するための位相差θaを求める際、式(13)を用いる事で、上記式(8)に比べて簡易に位相差を得ることができる。
また、補助コンバータ20は、2つのDC/DCコンバータ10の入力電圧の差電圧の1/2に相当する電力を送電するのみで良い。DC/DCコンバータ10の入力電圧は、該DC/DCコンバータ10内のコンバータセル30の入力電圧と同じであるため、補助コンバータ20は、コンバータセル30よりも電力容量を小さくできる。
ここで、電力変換装置100の入力電圧Vinは、送電システム1の電圧であるため、高精度に制御する必要がある。この場合、Vin制御部113は、比例積分制御器(制御器113b)で構成したため、高精度に制御できる。
DC/DCコンバータ10の出力電圧V2は、平均値を指令電圧V2*として制御される。比例制御を用いて演算した第1制御指令値121cは、平均値に対する変動分のみを補償する。同様に、比例制御を用いて演算した第3制御指令値141cは、コンバータセル30の出力電圧の平均値に対する変動分のみを補償する。
全コンバータセル30の出力電力を加算すると、平均値に対する変動分のみを補償する為の電力は打ち消し合い、最終的に電力変換装置100の入力電圧Vinを制御するための電力が残って出力される。このように、電力変換装置100の入力電圧Vinの制御と、各DC/DCコンバータ10および各コンバータセル30の出力電圧制御は干渉せずに行うことが可能となる。
上記各実施の形態1〜3で用いたDC/DCコンバータ10、補助コンバータ20、コンバータセル30は、2つのスイッチングレグから成るフルブリッジ回路を変圧器の両側にそれぞれ備えた構成であったが、三相ブリッジ回路を備えた構成でも良い。
この実施の形態4による電力変換装置では、上記実施の形態3で示したコンバータセルを、3つのスイッチングレグから成る三相ブリッジ回路を変圧器の両側にそれぞれ備えた構成にした。その他の構成は上記実施の形態3と同様である。
図17は、この実施の形態4によるコンバータセル40の回路図である。
各コンバータセル40は、A端子としての1次側の直流端子15Aと、B端子としての2次側の直流端子15Bとの間に、1次側のDC/AC変換器22と、2次側のDC/AC変換器23と、変圧器としての三相変圧器24とを備える。また、セル制御部140は、各コンバータセル40毎に設けられる。
この場合、各半導体スイッチング素子Q11a〜Q26aにスナバキャパシタCSが並列に接続される。スナバキャパシタCSと交流出力線のインダクタンスLSとの作用により、各半導体スイッチング素子Q11a〜Q26aのソフトスイッチングであるゼロ電圧スイッチングが可能となる。
この場合、各半導体スイッチング素子Q11a〜Q26aがソフトスイッチングすることで、スイッチング損失が低減可能となり、動作周波数を高め、三相変圧器24の小型化が可能となる。
なお、三相変圧器24は、三相の1台の変圧器に限らず、単相変圧器を3台用いてもよい。上記実施の形態3と同様に、三相変圧器24の漏れインダクタンスLSを図示しているが、必ずしも三相変圧器24の漏れインダクタンスである必要はなく、追加のインダクタンスを使用してもよい。なお、絶縁が不要の場合は、三相変圧器24の代わりにインダクタンスLSのみを接続しても良い。
なお、複数台のコンバータセル40から成るDC/DCコンバータ10は、通常動作として1次側電圧V1aを昇圧して2次側電圧V2aを出力するが、各コンバータセル40は昇圧動作に限るものではない。
即ち、絶縁型でDC/DC変換を行うコンバータセル40では、出力電力を制御する位相差θを生成し、1次側回路と2次側回路との間で、位相差θ[rad]だけ位相をずらしてスイッチングを実施することで送電電力Pを制御することができる。
P=(V1a・V21a/ωLS)
・[(2/3)・θ−θ2/(2π)]
・・・(14)
ここで、ωはスイッチング周波数fswに2πを乗じた値である。
V1a=V21a=Vdc
とすると、上記式(14)は以下の式(15)に変換できる。
P=(Vdc2/ωLS)・[(2/3)・θ−θ2/(2π)]
・・・(15)
θ=2π/3−√(4π2/9−(2πP/Vdc2)・ωLS)
・・・(16)
Pa≒(2/3)・(Vdc2/ωLS)・θa ・・・(17)
θa≒(3/2)・(ωLS/Vdc2)・Pa ・・・(18)
送電電力Paを制御するための位相差θaは、式(18)を用いて求めることができ、上記式(16)に比べて簡易に位相差を得ることができる。
また、コンバータセル40は、三相ブリッジ回路を用いる為、直流キャパシタ6a、7aに流れるリプル電流を減少させることができ、電力変換装置100の小型化が可能になる。
Claims (19)
- それぞれ正負両端子からなる第1直流端子と第2直流端子との間に、2以上であるM台のDC/DCコンバータを備えて、上記第1直流端子と上記第2直流端子との間で電力伝送を行う電力変換器と、上記電力変換器を制御する制御装置とを備えた電力変換装置において、
上記電力変換器は、2つの上記DC/DCコンバータの間にそれぞれ接続されて該2つのDC/DCコンバータの電力をバランスさせる1以上のバランス回路をさらに備え、
上記M台のDC/DCコンバータは、入出力の一方を第1側、他方を第2側とし、該各DC/DCコンバータの第1側端子が、上記第1直流端子の正負両端子間で電流が共通に流れるように接続され、該各DC/DCコンバータの第2側端子が、上記第2直流端子の正負両端子間で電流が共通に流れるように接続され、
上記各バランス回路は、上記2つのDC/DCコンバータの該2組の第1側端子の間に接続されて、該2組の第1側端子の間で電力授受を行う、
電力変換装置。 - 上記電力変換器は、上記バランス回路をM−1台備え、該バランス回路は、DC/DC変換を行う補助コンバータである、
請求項1に記載の電力変換装置。 - 上記制御装置は、上記第1、第2直流端子の内、入力端子の電圧が目標電圧に近づくように第1指令を生成すると共に、上記各DC/DCコンバータの上記第2側端子の指令電圧を、上記第2直流端子の電圧から算出する第1制御部と、上記第1指令と上記指令電圧とに基づいて、上記各DC/DCコンバータの上記第2側端子の電圧が上記指令電圧に近づくように上記各DC/DCコンバータを出力制御する第2制御部と、上記各バランス回路の入出力電圧を制御する第3制御部とを備え、上記各DC/DCコンバータおよび上記各バランス回路を出力制御する、
請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。 - 上記第3制御部は、上記2つのDC/DCコンバータの上記2組の第1側端子の直流電圧を同等にするように、上記各バランス回路を出力制御する、
請求項3に記載の電力変換装置。 - 上記第3制御部は、上記各バランス回路の入出力電圧となる上記2組の第1側端子の直流電圧の高電圧側から低電圧側へ電力授受されるように、上記各バランス回路を出力制御する、
請求項4に記載の電力変換装置。 - 上記各DC/DCコンバータの上記第2側端子の上記指令電圧は、上記第2直流端子の電圧を上記DC/DCコンバータの台数Mで除算して求める、
請求項3から請求項5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記第2制御部は、上記各DC/DCコンバータの上記第2側端子の電圧が上記指令電圧に近づくように第1制御指令値を演算し、上記第1制御部にて生成された上記第1指令を上記DC/DCコンバータの個数Mで除算して求めた値を上記第1制御指令値に加算することにより、上記各DC/DCコンバータを出力制御する制御指令を演算する、
請求項6に記載の電力変換装置。 - 上記電力変換器は、上記第1直流端子に入力される直流電圧を昇圧して上記第2直流端子に出力するもので、上記各DC/DCコンバータは、上記第1側を入力側、上記第2側を出力側として動作し、上記各バランス回路は、上記DC/DCコンバータの入力側に配設される、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記電力変換器は、上記第2直流端子に入力される直流電圧を昇圧して上記第1直流端子に出力するもので、上記各DC/DCコンバータは、上記第2側を入力側、上記第1側を出力側として動作し、上記各バランス回路は、上記DC/DCコンバータの出力側に配設される、
請求項1から請求項7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記各DC/DCコンバータは、
上記第1側端子の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる2つのスイッチングレグから成る第1フルブリッジ回路と、
上記第2側端子の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる2つのスイッチングレグから成る第2フルブリッジ回路と、
上記第1フルブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点と上記第2フルブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点との間に接続された変圧器とを備え、
上記第1、第2フルブリッジ回路内の上記半導体素子は、スナバキャパシタが並列接続される半導体スイッチング素子である、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記各DC/DCコンバータは複数台のコンバータセルを備え、該各コンバータセルが、それぞれ上記第1フルブリッジ回路と上記第2フルブリッジ回路と上記変圧器とを備え、
上記各DC/DCコンバータ内の上記複数台のコンバータセルは、上記各第1フルブリッジ回路の直流端子が上記DC/DCコンバータの上記第1側端子に並列接続され、上記各第2フルブリッジ回路の直流端子が、当該DC/DCコンバータの上記第2側端子の両極間で電流が共通に流れるように接続される、
請求項10に記載の電力変換装置。 - 上記各DC/DCコンバータは、
上記第1側端子の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる3つのスイッチングレグから成る第1三相ブリッジ回路と、
上記第2側端子の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる3つのスイッチングレグから成る第2三相ブリッジ回路と、
上記第1三相ブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点と上記第2三相ブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点との間に接続された変圧器と、
を備え、上記第1、第2三相ブリッジ回路内の上記半導体素子は、スナバキャパシタが並列接続される半導体スイッチング素子である、
請求項1から請求項9のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記各DC/DCコンバータは複数台のコンバータセルを備え、該各コンバータセルが、それぞれ上記第1三相ブリッジ回路と上記第2三相ブリッジ回路と上記変圧器とを備え、
上記各DC/DCコンバータ内の上記複数台のコンバータセルは、上記各第1三相ブリッジ回路の直流端子が上記DC/DCコンバータの上記第1側端子に並列接続され、上記各第2三相ブリッジ回路の直流端子が、当該DC/DCコンバータの上記第2側端子の両極間で電流が共通に流れるように接続される、
請求項12に記載の電力変換装置。 - 上記各バランス回路は、
上記2組の第1側端子の内、1方の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる2つのスイッチングレグから成る第3フルブリッジ回路と、
上記2組の第1側端子の内、他方の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる2つのスイッチングレグから成る第4フルブリッジ回路と、
上記第3フルブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点と上記第4フルブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点との間に接続された変圧器とを備え、
上記第3、第4フルブリッジ回路内の上記半導体素子は、スナバキャパシタが並列接続される半導体スイッチング素子である、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記各バランス回路は、
上記2組の第1側端子の内、1方の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる3つのスイッチングレグから成る第3三相ブリッジ回路と、
上記2組の第1側端子の内、他方の両極間に接続され、それぞれ正極側と負極側の半導体素子を直列接続してなる3つのスイッチングレグから成る第4三相ブリッジ回路と、
上記第3三相ブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点と上記第4三相ブリッジ回路の上記各スイッチングレグの中間接続点との間に接続された変圧器とを備え、
上記第3、第4三相ブリッジ回路内の上記半導体素子は、スナバキャパシタが並列接続される半導体スイッチング素子である、
請求項1から請求項13のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 上記各DC/DCコンバータは、それぞれDC/DC変換を行うN台のコンバータセルを、一方側の直流端子であるA端子を該DC/DCコンバータの上記第1側端子に並列接続し、他方側の直流端子であるB端子を該DC/DCコンバータの上記第2側端子の両極間で電流が共通に流れるように接続して備え、
上記第2制御部は、上記各コンバータセルの上記B端子の電圧が指令電圧であるB電圧に近づくように上記各コンバータセルを出力制御するセル制御部を備え、上記各DC/DCコンバータの上記第2側端子の電圧、および上記各DC/DCコンバータの上記制御指令をそれぞれ上記各コンバータセルの台数Nで除算して上記B電圧および第2制御指令値を演算し、
上記セル制御部は、上記各コンバータセルの上記B端子の電圧が上記B電圧に近づくように第3制御指令値を演算し、該第3制御指令値に上記第2制御指令値を加算することにより、上記各コンバータセルを出力制御する制御指令を演算する、
請求項7に記載の電力変換装置。 - 上記第1制御部は、上記入力端子の電圧を制御する上記第1指令の演算に比例積分制御を用い、上記第2制御部は、上記各DC/DCコンバータの出力制御のための上記第1制御指令値および上記第3制御指令値の演算に比例制御を用い、上記第3制御部は、上記各バランス回路の出力制御のための演算に比例積分制御を用いる、
請求項16に記載の電力変換装置。 - 上記半導体スイッチング素子は、珪素よりバンドギャップが広いワイドバンドギャップ半導体による、
請求項10から請求項15のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 複数の発電装置からの発電電力を集電した直流電力が入力され、該直流電力を昇圧して直流送電線に出力する、
請求項1から請求項18のいずれか1項に記載の電力変換装置。
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