JP6432832B2 - Power converter - Google Patents
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Description
本発明は、電力変換装置に関し、より詳細には、少なくとも直流電圧を交流電圧に変換可能な電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly to a power conversion device capable of converting at least a DC voltage into an AC voltage.
従来、太陽電池等の直流電圧を交流電圧に変換する電力変換装置が提供されている(例えば特許文献1参照)。特許文献1に記載された電力変換装置は、太陽電池から入力される大きさの変化する入力電圧を所定の大きさに昇圧する2つの昇圧回路部と、2つの昇圧回路部からの入力電圧を商用交流電圧に変換するインバータ回路部とを備える。
Conventionally, a power conversion device that converts a DC voltage of a solar cell or the like into an AC voltage has been provided (see, for example, Patent Document 1). The power conversion device described in
各昇圧回路部は、スイッチ素子と、コンデンサとを有する。スイッチ素子は、一端がリアクトルを介して太陽電池の出力の一端に接続され、他端が太陽電池の出力の他端に接続される。また、コンデンサは、一端がダイオードを介してスイッチ素子の一端に接続され、他端が太陽電池の出力の他端に接続される。そして、各昇圧回路部は、スイッチ素子のスイッチング動作をPWM制御部により制御することで、スイッチング動作に応じた大きさの直流電圧をインバータ回路部に出力する。 Each booster circuit unit includes a switch element and a capacitor. One end of the switch element is connected to one end of the output of the solar cell through the reactor, and the other end is connected to the other end of the output of the solar cell. Further, one end of the capacitor is connected to one end of the switch element via a diode, and the other end is connected to the other end of the output of the solar cell. Each booster circuit unit outputs a DC voltage having a magnitude corresponding to the switching operation to the inverter circuit unit by controlling the switching operation of the switch element by the PWM control unit.
インバータ回路部は、4つのスイッチ素子からなるブリッジ回路と、ブリッジ回路の出力の両端に接続される2つのリアクトル及びコンデンサと、インバータ制御部とを有する。そして、インバータ回路部は、4つのスイッチ素子のスイッチング動作をインバータ制御部により制御することで、各昇圧回路部より出力される直流電圧を交流電圧に変換して負荷に出力する。 The inverter circuit unit includes a bridge circuit composed of four switch elements, two reactors and capacitors connected to both ends of the output of the bridge circuit, and an inverter control unit. The inverter circuit unit converts the DC voltage output from each booster circuit unit into an AC voltage and outputs it to the load by controlling the switching operation of the four switch elements by the inverter control unit.
上述の特許文献1に示した電力変換装置では、昇圧回路部がスイッチ素子及びコンデンサを有するチョッパ回路で構成されており、インバータ回路部への入力電流のリップルが大きくなる可能性があった。
In the power conversion device described in
本発明は上記問題点に鑑みてなされており、直流を交流に変換する回路への入力電流のリップルを低減させた電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a power conversion device in which a ripple of an input current to a circuit that converts direct current into alternating current is reduced.
本発明の電力変換装置は、少なくとも直流電圧を交流電圧に変換可能な電力変換装置であって、第1電力変換部と、第2電力変換部と、前記第1電力変換部及び前記第2電力変換部を制御する制御部とを備え、前記第1電力変換部は、直流電源と前記第2電力変換部との間において互いに並列に接続された少なくとも2つの変換回路を有し、前記直流電源より出力される直流電圧を所望の電圧値の直流電圧に昇圧して前記第2電力変換部に出力し、前記第2電力変換部は、前記第1電力変換部から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力し、前記第1電力変換部は、前記少なくとも2つの変換回路の出力電流を合成した電流を合成電流として前記第2電力変換部に出力し、前記制御部は、前記電力変換装置の寿命よりも前記電力変換装置の変換効率を優先する場合に比べて前記変換効率よりも前記寿命を優先する場合に前記第1電力変換部が出力するリップル電流を小さくするように、前記第1電力変換部を制御することを特徴とする。 The power conversion device of the present invention is a power conversion device capable of converting at least a DC voltage into an AC voltage, and includes a first power conversion unit, a second power conversion unit, the first power conversion unit, and the second power. A control unit that controls the conversion unit, wherein the first power conversion unit includes at least two conversion circuits connected in parallel to each other between a DC power source and the second power conversion unit, and the DC power source The DC voltage output from the first power converter is boosted to a DC voltage having a desired voltage value and output to the second power converter. The second power converter converts the DC voltage output from the first power converter into an AC The first power conversion unit outputs a current obtained by combining the output currents of the at least two conversion circuits to the second power conversion unit as a combined current, and the control unit outputs the power The power conversion device more than the life of the conversion device The first power conversion unit is controlled to reduce the ripple current output by the first power conversion unit when the life is prioritized over the conversion efficiency compared to the case where the conversion efficiency is prioritized. Features.
本発明の構成によれば、直流を交流に変換する回路への入力電流のリップルを低減させた電力変換装置を提供することができるという効果がある。 According to the configuration of the present invention, there is an effect that it is possible to provide a power conversion device in which a ripple of an input current to a circuit that converts direct current into alternating current is reduced.
本発明の実施形態に係る電力変換装置10について、図1〜図9を参照しながら具体的に説明する。ただし、以下に説明する構成は、本発明の一例に過ぎず、本発明は下記の実施形態に限定されない。したがって、この実施形態以外であっても、本発明に係る技術思想を逸脱しない範囲であれば、設計等に応じて種々の変更が可能である。
A
本実施形態の電力変換装置10は、例えば直流電源1より出力される直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換機能を有し、図1に示すように、第1電力変換部2と、第2電力変換部3と、制御部5と、開閉器6A,6B(図2参照)とを備える。
The
第1電力変換部2は、直流電源1と第2電力変換部3との間において互いに並列に接続された少なくとも2つの変換回路21,…,2n(n=2,3,…)を有する。また、第2電力変換部3は、連系ブレーカを介して交流電源4と電気的に接続されている。
The first
図2は本実施形態に係る電力変換装置10の一例を示す概略回路図であり、以下では、第1電力変換部2が2つの変換回路21,22を有する場合について説明する。
FIG. 2 is a schematic circuit diagram illustrating an example of the
直流電源1は、例えば太陽電池や燃料電池からなる電源ユニット11と、蓄電池からなる電源ユニット12とを有する。電源ユニット11は、電力変換装置10に備わっている一対の入力端子111,112と電気的に接続される。また、電源ユニット12は、電力変換装置10に備わっている一対の入力端子113,114と電気的に接続される。
The
ここで、一対の入力端子111,112と第1電力変換部2との間には、一対の接点61を有する開閉器6Aが挿入されており、開閉器6Aの一対の接点61を閉じることで電源ユニット11から第1電力変換部2へ直流電圧が入力される。また、一対の入力端子113,114と第1電力変換部2との間には、一対の接点62を有する開閉器6Bが挿入されており、開閉器6Bの一対の接点62を閉じることで電源ユニット12から第1電力変換部2へ直流電圧が入力される。
Here, a
なお、本実施形態では、電源ユニット11,12の両方から同時に直流電圧が入力されるのではなく、制御部5より出力される切替信号によって開閉器6A又は6Bに切り替えることで、電源ユニット11又は12の一方から直流電圧が入力される。
In the present embodiment, a DC voltage is not simultaneously input from both of the
第1電力変換部2は、図2に示すように、2つの変換回路21,22と、第1電力変換部2の入力端間に接続されるコンデンサC1と、第1電力変換部2の出力端間に接続されるコンデンサC2と、電圧計測部200とを有する。
As shown in FIG. 2, the first
変換回路21は、例えば直流電源1より出力される直流電圧を昇圧し又は降圧する昇降圧チョッパ回路であり、2つのスイッチング素子Q1,Q2と、リアクトルL1と、電流計測部211(計測部)とを具備する。
The
スイッチング素子Q1,Q2は、例えばNPN型のバイポーラトランジスタであって、スイッチング素子Q1のエミッタとスイッチング素子Q2のコレクタとを接続することで直列に接続される。また、スイッチング素子Q1,Q2の接続点にはリアクトルL1の一端が接続され、リアクトルL1の他端は電流計測部211を介してコンデンサC1の一端に接続される。
The switching elements Q1, Q2 are, for example, NPN bipolar transistors, and are connected in series by connecting the emitter of the switching element Q1 and the collector of the switching element Q2. In addition, one end of the reactor L1 is connected to the connection point of the switching elements Q1 and Q2, and the other end of the reactor L1 is connected to one end of the capacitor C1 via the
さらに、スイッチング素子Q2のエミッタにはコンデンサC1の他端が接続される。また、スイッチング素子Q1のコレクタとスイッチング素子Q2のエミッタとの間には、コンデンサC2が接続され、さらに電圧計測部200が接続される。つまり、本実施形態では、電圧計測部200により第1電力変換部2の出力電圧を計測する。
Furthermore, the other end of the capacitor C1 is connected to the emitter of the switching element Q2. Further, a capacitor C2 is connected between the collector of the switching element Q1 and the emitter of the switching element Q2, and a
ここで、電流計測部211は、例えばシャント抵抗やカレントトランス(CT)などで構成され、リアクトルL1に流れる電流を検出して制御部5に出力する。
Here, the
変換回路22は、変換回路21と同様に昇降圧チョッパ回路であり、2つのスイッチング素子Q3,Q4と、リアクトルL2と、電流計測部221(計測部)とを具備する。
The
スイッチング素子Q3,Q4は、スイッチング素子Q1,Q2と同様にNPN型のバイポーラトランジスタであって、スイッチング素子Q3のエミッタとスイッチング素子Q4のコレクタとを接続することで直列に接続される。また、スイッチング素子Q3,Q4の接続点にはリアクトルL2の一端が接続され、リアクトルL2の他端は電流計測部221を介してコンデンサC1の一端に接続される。
The switching elements Q3 and Q4 are NPN type bipolar transistors like the switching elements Q1 and Q2, and are connected in series by connecting the emitter of the switching element Q3 and the collector of the switching element Q4. Further, one end of the reactor L2 is connected to the connection point of the switching elements Q3, Q4, and the other end of the reactor L2 is connected to one end of the capacitor C1 via the
さらに、スイッチング素子Q4のエミッタにはコンデンサC1の他端が接続される。また、スイッチング素子Q3のコレクタとスイッチング素子Q4のエミッタとの間には、コンデンサC2が接続され、さらに電圧計測部200が接続される。
Further, the other end of the capacitor C1 is connected to the emitter of the switching element Q4. Further, a capacitor C2 is connected between the collector of the switching element Q3 and the emitter of the switching element Q4, and the
なお、電流計測部221は、電流計測部211と同様にシャント抵抗やカレントトランス(CT)などで構成され、リアクトルL2に流れる電流を検出して制御部5に出力する。
The
変換回路21では、直流電源1より出力される直流電圧の電圧値が目標電圧より低いときはスイッチング素子Q2を制御することで昇圧し、直流電源1より出力される直流電圧の電圧値が目標電圧より高いときはスイッチング素子Q1を制御することで降圧する。変換回路22では、直流電源1より出力される直流電圧の電圧値が目標電圧より低いときはスイッチング素子Q4を制御することで昇圧し、直流電源1より出力される直流電圧の電圧値が目標電圧より高いときはスイッチング素子Q3を制御することで降圧する。
In the
第2電力変換部3は、NPN型のバイポーラトランジスタからなる4つのスイッチング素子Q5〜Q8で構成される所謂フルブリッジ型のインバータ回路である。スイッチング素子Q5,Q6は、スイッチング素子Q5のエミッタとスイッチング素子Q6のコレクタとを接続することで直列に接続される。また、スイッチング素子Q7,Q8は、スイッチング素子Q7のエミッタとスイッチング素子Q8のコレクタとを接続することで直列に接続される。
The second
そして、直列に接続されたスイッチング素子Q5,Q6と、同じく直列に接続されたスイッチング素子Q7,Q8とが並列に接続され、ブリッジ回路を形成する。 The switching elements Q5 and Q6 connected in series and the switching elements Q7 and Q8 connected in series are connected in parallel to form a bridge circuit.
スイッチング素子Q5,Q6の接続点にはリアクトルL3の一端が接続され、リアクトルL3の他端は出力端子115に接続される。また、スイッチング素子Q7,Q8の接続点にはリアクトルL4の一端が接続され、リアクトルL4の他端は出力端子116に接続される。さらに、出力端子115,116間には、コンデンサC3が接続される。
One end of reactor L3 is connected to the connection point of switching elements Q5 and Q6, and the other end of reactor L3 is connected to
制御部5は、例えばマイクロコンピュータからなり、変換回路21のスイッチング素子Q1,Q2、変換回路22のスイッチング素子Q3,Q4、及び第2電力変換部3のスイッチング素子Q5〜Q8に対して各別に制御信号を出力する。これにより、各スイッチング素子のオン/オフが制御される。また、制御部5には、電流計測部211,221の計測結果、及び電圧計測部200の計測結果がそれぞれ入力される。
The
図3は制御部5の要部を示すブロック図である。制御部5は、2つのコンパレータ52,53と、コンパレータ52,53に対して搬送波W1,W2を出力する搬送波生成部51とを、予め記憶させてあるプログラムを実行することにより実現する。
FIG. 3 is a block diagram showing a main part of the
制御部5は、電圧計測部200より第1電力変換部2の出力電圧V2を取得した後、予め設定した目標電圧V1と上記出力電圧V2との差分ΔVを算出する。そして、制御部5は、上記差分ΔVに基づいて搬送波生成部51より出力される搬送波W1,W2の基準値K1を算出し、各コンパレータ52,53の一方の入力端子に出力する。
After obtaining the output voltage V2 of the first
コンパレータ52は、他方の入力端子に入力される搬送波生成部51からの搬送波W1と上記基準値K1とを比較し、比較結果に応じた制御信号Sig1をスイッチング素子Q1又はQ2に出力する。また、コンパレータ53は、他方の入力端子に入力される搬送波生成部51からの搬送波W2と上記基準値K1とを比較し、比較結果に応じた制御信号Sig2をスイッチング素子Q3又はQ4に出力する。
The
図4は制御部5の別の要部を示すブロック図である。本実施形態では、制御部5の搬送波生成部51より出力される搬送波W1,W2と基準値K1との比較結果である制御信号Sig1,Sig2により変換回路21,22のスイッチング素子Q1〜Q4のオン/オフが制御される。これにより、変換回路21より電流I1が出力され、変換回路22より電流I2が出力される。
FIG. 4 is a block diagram showing another main part of the
図5Aは、搬送波生成部51よりコンパレータ52,53に出力される搬送波W1,W2の波形図である。本実施形態では、コンパレータ52に出力される搬送波W1(図5A中の実線a1)に対して、コンパレータ53に出力される搬送波W2(図5A中の実線a2)の位相を180°ずらしている。
FIG. 5A is a waveform diagram of carrier waves W1 and W2 output from the carrier
これにより、変換回路21より出力される電流は図6A中の実線a3のように変化し、変換回路22より出力される電流は図6A中の実線a4のように変化する。その結果、第1電力変換部2より出力される電流、すなわち変換回路21より出力される電流と変換回路22より出力される電流とを合わせた合成電流は、図6B中の実線a5のように変化する。なお、図5Bは、搬送波生成部51から3つの変換回路にそれぞれ出力される搬送波の波形図であるが、詳細な説明については後述する。
Thereby, the current output from the
また、本実施形態では、制御部5が、上記合成電流のリップル(脈動)の振幅h1が予め設定した規定値以下に収まるように、変換回路21のスイッチング素子Q1,Q2及び変換回路22のスイッチング素子Q3,Q4のオン/オフを制御する。
Further, in the present embodiment, the
よって、本実施形態によれば、従来の電力変換装置に比べて第2電力変換部3への入力電流(合成電流)のリップルを低減することができる。また、少なくとも2つの変換回路21,…,2nを互いに並列に接続させる構造であることから、各変換回路21,…,2nに流れる電流量を抑えることができる。
Therefore, according to this embodiment, the ripple of the input current (synthetic current) to the
表1は、第1電力変換部2を構成する変換回路の数、第1電力変換部2の変換効率及びリップル電流の関係を示す表である。なお、表1中の設計指標とは、変換回路の変換効率又は変換回路に用いられるコンデンサの寿命の何れを優先するかを表わす指標である。
Table 1 is a table showing the relationship between the number of conversion circuits constituting the first
ここで、少なくとも2つの変換回路の動作を少しずつずらして並行処理を行うインターリーブ制御では、変換回路の数が増えるほどリップル電流が小さくなり、コンデンサC1,C2の負担が小さくなるため、コンデンサC1,C2の寿命を延ばすことができる。一方、インターリーブ制御を行う変換回路の数が増えるほど回路損失が大きくなり、変換効率は低下する。 Here, in the interleave control in which the operations of at least two conversion circuits are shifted little by little to perform parallel processing, the ripple current decreases as the number of conversion circuits increases, and the burden on the capacitors C1 and C2 decreases. The lifetime of C2 can be extended. On the other hand, as the number of conversion circuits performing interleave control increases, circuit loss increases and conversion efficiency decreases.
ケース1では変換回路が1つであるため、回路損失は小さく、変換効率は高くなるが、インターリーブ制御を行っていないため、リップル電流は大きく、コンデンサC1,C2の寿命は短くなる。
In
ケース2では変換回路が4つであるため、回路損失は大きく、変換効率は低くなるが、インターリーブ制御を行っているため、リップル電流は小さく、コンデンサC1,C2の寿命は長くなる。
In
ケース3では変換回路が4つであるため、回路損失は大きく、変換効率は低くなるが、インターリーブ制御を行っており且つ出力電力がケース2の半分の2kWであるため、リップル電流はケース2より小さく、コンデンサC1,C2の寿命はケース2より長くなる。
In
ケース4では変換回路が2つであるため、回路損失は大きく、効率は低くなるが、インターリーブ制御を行っているため、リップル電流は小さく、コンデンサC1,C2の寿命は長くなる。
In
ケース2,4の結果から、第1電力変換部2から第2電力変換部3への出力電力(合成電流)の増加に伴って、インターリーブ制御を行う変換回路の数を増加させるようにするのが好ましい。これにより、第2電力変換部3への入力電流のリップルを低減しつつ、変換回路の数を増加させない場合に比べて変換効率の低下を抑えることができる。
From the results of
ところで、上述のインターリーブ制御では、変換回路21への制御信号Sig1の生成に用いられる搬送波W1に対して、変換回路22への制御信号Sig2の生成に用いられる搬送波W2の位相を180°ずらしただけである。そのため、変換回路21,22を構成する回路部品(スイッチング素子やリアクトルなど)の品質誤差により、変換回路21より出力される電流I1の電流量と変換回路22より出力される電流I2の電流量との間にずれが生じる場合がある(図7A参照)。
By the way, in the above-described interleave control, the phase of the carrier wave W2 used to generate the control signal Sig2 to the
なお、図7A中の破線a6は電流I1、図7A中の破線a7は電流I2をそれぞれ示している。また、図7A中の実線a8は電流I1の平均値、図7A中の実線a9は電流I2の平均値をそれぞれ示している。 A broken line a6 in FIG. 7A indicates the current I1, and a broken line a7 in FIG. 7A indicates the current I2. Further, a solid line a8 in FIG. 7A represents an average value of the current I1, and a solid line a9 in FIG. 7A represents an average value of the current I2.
またこのとき、図8A中の実線a10に示す搬送波W1がコンパレータ52に出力され、図8A中の破線a11に示す搬送波W2がコンパレータ53に出力される。その結果、図8A中の制御信号Sig1がコンパレータ52から変換回路21に出力され、図8A中の制御信号Sig2がコンパレータ53から変換回路22に出力される。
At this time, a carrier wave W1 indicated by a solid line a10 in FIG. 8A is output to the
上述のように、変換回路21より出力される電流I1の電流量と変換回路22より出力される電流I2の電流量との間にずれがあると、第2電力変換部3に入力される合成電流のリップルの振幅が大きくなる。その結果、コンデンサC1,C2にかかる負担が大きくなることで、コンデンサC1,C2の寿命が短くなる可能性がある。
As described above, when there is a difference between the current amount of the current I1 output from the
そこで、本実施形態では、変換回路21より出力される電流I1の電流量と変換回路22より出力される電流I2の電流量とが等しくなるように、搬送波生成部51より出力される搬送波W1,W2を制御している。
Therefore, in the present embodiment, the carrier waves W1 and W1 output from the carrier
本実施形態では、図4に示すように、制御部5は、変換回路21より出力される電流I1の電流量と変換回路22より出力される電流I2の電流量との差分ΔIを算出し、この差分ΔIに基づいて搬送波W2のオフセット量を求める。
In the present embodiment, as shown in FIG. 4, the
具体的には、図8Bに示すように、制御部5は、コンパレータ52に対して出力する搬送波W1(図8B中の実線a10)はそのままで、コンパレータ53に対して出力する搬送波W2(図8B中の破線a11)をd1だけオフセットさせている。その結果、変換回路21に対して出力される制御信号Sig1はそのままで、変換回路22に対して出力される制御信号Sig2はデューティ比が大きくなる。
Specifically, as illustrated in FIG. 8B, the
これにより、図7Bに示すように、変換回路21より出力される電流I1の電流量と変換回路22より出力される電流I2の電流量とが等しくなり、合成電流のリップルの振幅を低減することができる。その結果、コンデンサC1,C2のかかる負担が小さくなることで、コンデンサC1,C2の寿命を長くすることができる。また、上述のように、変換回路21,22より出力される電流I1,I2の均等制御を行うことで第1電力変換部2の出力電圧が平滑化され、出力電流の高調波歪みを低減することができる。
Thereby, as shown in FIG. 7B, the current amount of the current I1 output from the
ここで、変換回路21に流れる電流I1の電流量と変換回路22に流れる電流I2の電流量とが等しくない場合、上述のように、流れる電流が最も大きい変換回路21を基準回路とし、変換回路22に流れる電流I2の電流量を電流I1に近づけるのが好ましい。この場合、制御部5は、変換回路22に流れる電流I2の電流量が、変換回路21に流れる電流I1を上限とする規定の範囲内に収まるように、変換回路21,22を制御するのが好ましい。
Here, when the current amount of the current I1 flowing through the
また、基準回路である変換回路21が故障した場合には、制御部5は、残りの変換回路に対して出力する制御信号の位相差を、同時に動作させる変換回路の数に応じて変更するのが好ましい。例えば、第1電力変換部2が3つの変換回路21,22,23で構成されている場合において、変換回路21が故障したとする。この場合、残りの変換回路22,23でインターリーブ制御を行うことになる。
When the
3つの変換回路21,22,23でインターリーブ制御を行う場合には、図5Bに示すように、搬送波生成部51より出力される搬送波の位相を120°ずらしている。この状態から変換回路21が故障すると、残りの2つの変換回路22,23によりインターリーブ制御を行うことになる。このとき、搬送波生成部51より出力される搬送波は、図5Aに示すように、位相を180°ずらした搬送波となる。
When the interleave control is performed by the three
つまり、本実施形態では、基準回路である変換回路21が故障すると、その後にインターリーブ制御を行う変換回路22,23の数に応じて搬送波の位相差が120°から180°に変更される。これにより、第2電力変換部3への入力電流のリップルが大きくなるのを抑えることができるので、容量の小さいコンデンサC1,C2を使用することができ、変換回路21,22,23の小型化が図れる。
That is, in this embodiment, when the
またこのとき、残りの変換回路22,23の中で流れる電流が大きい方の変換回路を新たな基準回路とするのが好ましく、これにより直流から交流への電力変換を継続して行うことができる。
At this time, it is preferable that the conversion circuit having the larger current flowing in the remaining
さらに、制御部5は、第1電力変換部2より出力される合成電流の上限値(電流上限値)を決定し、上記合成電流が設定した上限値以下に収まるように、第1電力変換部2を制御するが好ましい。合成電流の上限値が設定されていない場合には、直流電源1の動作電圧が大きく引き下げられ、動作が不安定になる可能性がある。これに対して、合成電流の上限値を設定した場合には、直流電源1の動作電圧が大きく引き下げられることがなく、動作が不安定になりにくいという利点がある。
Furthermore, the
図9は本実施形態に係る電力変換装置10の別の例を示す概略ブロック図である。
FIG. 9 is a schematic block diagram illustrating another example of the
電力変換装置10は、第1電力変換部201(2)と、第2電力変換部3と、制御部5と、少なくとも1つの第3電力変換部202,…,20k(k=2,3,…)とを備える。また、直流電源1は、複数の電源ユニット101,…,10m(m=2,3,…)を有する。
The
そして、本実施形態では、複数の電源ユニット101,…,10mが、一対一に対応して第1電力変換部201及び少なくとも1つの第3電力変換部202,…,20kに電気的に接続されている。従って、各電源ユニット101,…,10mから出力される直流電圧の大きさが異なる場合でも動作が不安定になりにくいという利点がある。
In the present embodiment, the plurality of
また、第1電力変換部2及び第3電力変換部202,…,20kの数を、制御部5の記憶部54に予め登録しておくのが好ましい。そして、制御部5は、記憶部54に登録した第1電力変換部2及び第3電力変換部202,…,20kの数と現在動作中の電力変換部の数とを比較することで、故障した電力変換部の数を知ることができる。
Moreover, it is preferable that the numbers of the first
なお、本実施形態では、変換回路21,22の入力端間に1つのコンデンサC1を接続したが、例えば変換回路21の入力端間及び変換回路22の入力端間にそれぞれコンデンサを接続してもよい。この場合、各コンデンサに流れる電流を低減できることから、容量の小さいコンデンサを用いることができ、コストダウンを図ることができる。
In this embodiment, one capacitor C1 is connected between the input terminals of the
また、本実施形態では、第1電力変換部2を構成する変換回路が2つの場合を例に説明したが、変換回路の数は少なくとも2つであればよく、3つ以上であってもよい。さらに、本実施形態では、直流電圧を交流電圧に変換する直流−交流変換機能のみを有する電力変換装置10について説明したが、交流電圧を直流電圧に変換する交流−直流変換機能を有する電力変換装置10であってもよい。つまり、双方向の変換機能を有する電力変換装置10であってもよい。
Further, in the present embodiment, the case where there are two conversion circuits configuring the first
また、本実施形態では、変換回路21,…,2nを昇降圧チョッパ回路で構成したが、接続される直流電源1によって昇圧チョッパ回路で構成してもよいし、降圧チョッパ回路で構成してもよい。
Further, in the present embodiment, the
以上説明したように、本実施形態の電力変換装置10は、少なくとも直流電圧を交流電圧に変換可能であり、第1電力変換部2と、第2電力変換部3と、第1電力変換部2及び第2電力変換部3を制御する制御部5とを備える。第1電力変換部2は、直流電源1と第2電力変換部3との間において互いに並列に接続された少なくとも2つの変換回路21,…,2n(n=1,2,…)を有し、直流電源1の直流電圧を所望の電圧値の直流電圧に変換して第2電力変換部3に出力する。第2電力変換部3は、第1電力変換部2から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力する。第1電力変換部2は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの出力電流を合成した電流を合成電流として第2電力変換部3に出力する。制御部5は、上記合成電流のリップルの振幅が規定値以下に収まるように、第1電力変換部2を制御する。
As described above, the
上記構成によれば、従来の電力変換装置に比べて第2電力変換部3への入力電流のリップルを低減することができる。すなわち、直流を交流に変換する回路への入力電流のリップルを低減させた電力変換装置10を提供することができる。また、少なくとも2つの変換回路21,…,2nを互いに並列に接続させる構造であることから、各変換回路21,…,2nに流れる電流量を抑えることができる。
According to the said structure, the ripple of the input current to the
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、上記合成電流の増加に伴って、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作させる変換回路の数を増加させるのが好ましい。
Further, like the
上記構成によれば、上記合成電流の増加に伴って動作させる変換回路の数を増加させており、これにより第2電力変換部3への入力電流のリップルを低減しつつ、変換回路の数を増加させない場合に比べて変換効率の低下を抑えることができる。
According to the above configuration, the number of conversion circuits to be operated is increased as the combined current increases, thereby reducing the ripple of the input current to the second
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々のスイッチング素子Q1,Q2,…を制御することで、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々の出力電圧を調節するのが好ましい。この場合、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作させる変換回路の数に応じて位相角をずらした少なくとも2つの搬送波W1,W2の各々と基準値K1とを比較するのが好ましい。そして、制御部5は、少なくとも2つの搬送波W1,W2の各々と基準値K1との比較結果に基づく少なくとも2つの制御信号Sig1,Sig2を、少なくとも2つの変換回路21,…,2nにそれぞれ出力するのが好ましい。
Further, like the
上記構成によれば、少なくとも2つの変換回路21,…,2nへの搬送波W1,W2の位相角をずらすことで、第2電力変換部3への入力電流のリップルを低減することができる。それに伴って、各変換回路21,…,2nを構成する回路部品として容量の小さい回路部品を使用することができ、各変換回路21,…,2nの小型が図れる。
According to the above configuration, the ripple of the input current to the second
また、本実施形態の電力変換装置10のように、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々は、自己に流れる単位時間当たりの電流量を計測する電流計測部211,221(計測部)を有するのが好ましい。この場合、制御部5は、電流計測部211,221の計測結果に基づいて少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作中の変換回路に流れる電流量が等しくなるように、第1電力変換部2を制御するのが好ましい。
Further, like the
上記構成によれば、動作中の変換回路に流れる電流を等しくすることで第1電力変換部2の出力電圧が平滑化され、出力電流の高調波歪みを低減することができる。
According to the above-described configuration, the output voltage of the first
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々のスイッチング素子Q1,Q2,…を制御することで、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々の出力電圧を調節するのが好ましい。この場合、制御部5は、電流計測部211,221の計測結果に基づいて少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作中の変換回路に流れる電流量が等しいか否かを判別するのが好ましい。そして、制御部5は、上記電流量が等しくないと判断すると、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作中の変換回路に出力する制御信号のデューティ比を調節するのが好ましい。
Further, like the
上記構成によれば、動作中の変換回路に流れる電流量を等しくすることができ、その結果、第1電力変換部2の出力電圧が平滑化され、出力電流の高調波歪みを低減することができる。
According to the above configuration, the amount of current flowing through the operating conversion circuit can be made equal, and as a result, the output voltage of the first
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、電流計測部211,221の計測結果に基づいて少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作中の変換回路に流れる電流量が等しいか否かを判別するのが好ましい。この場合、制御部5は、上記電流量が等しくないと判断すると、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち流れる電流量が最も大きい変換回路を基準回路とするのが好ましい。そして、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち上記基準回路を除く動作中の変換回路に流れる電流量が上記基準回路に流れる電流量を上限とする規定の範囲内に収まるように、第1電力変換部2を制御するのが好ましい。
Moreover, like the
上記構成によれば、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち上記基準回路を除く動作中の変換回路に流れる電流量を、上記基準回路に流れる電流量を上限とする規定の範囲内に収めることで、第1電力変換部2の出力電圧が平滑化される。これにより、出力電流の高調波歪みを低減することができる。
According to the above configuration, the amount of current flowing through the converter circuit in operation excluding the reference circuit among the at least two
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々のスイッチング素子Q1,Q2,…を制御することで、少なくとも2つの変換回路21,…,2nの各々の出力電圧を調節するのが好ましい。この場合、制御部5は、上記基準回路が故障すると、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち上記基準回路を除く変換回路に対して出力する制御信号の位相差を変更するのが好ましい。このとき、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作させる変換回路の数に応じて上記制御信号の上記位相差を変更するのが好ましい。
Further, like the
上記構成によれば、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち上記基準回路を除く変換回路に出力する制御信号の位相差を、動作させる変換回路の数に応じて変更することで、第2電力変換部3への入力電流のリップルが大きくなるのを抑えることができる。その結果、各変換回路21,…,2nを構成する回路部品として容量の小さい回路部品を使用することができ、各変換回路21,…,2nの小型化が図れる。
According to the above configuration, the phase difference of the control signal output to the conversion circuit excluding the reference circuit among the at least two
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、上記基準回路が故障すると、上記基準回路を除いた少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち流れる電流量が最も大きい変換回路を新たな基準回路とするのが好ましい。
Further, like the
上記構成によれば、上記基準回路が故障した場合でも、上記基準回路を除いた少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち流れる電流が最も大きい変換回路を新たな基準回路とし、直流から交流への電力変換を継続して行うことができる。
According to the above configuration, even if the reference circuit fails, the conversion circuit having the largest flowing current among the at least two
また、本実施形態の電力変換装置10のように、制御部5は、少なくとも2つの変換回路21,…,2nのうち動作中の変換回路の数に応じて電流上限値を決定するのが好ましい。この場合、制御部5は、上記合成電流が上記電流上限値以下に収まるように第1電力変換部2を制御するのが好ましい。
Moreover, like the
上記電流上限値が設定されていない場合には、直流電源1の動作電圧が大きく引き下げられ、動作が不安定になる可能性がある。これに対して、上記電流上限値を設定した場合には、直流電源1の動作電圧が大きく引き下げられることがなく、動作が不安定になりにくい。
When the current upper limit value is not set, the operating voltage of the
また、上述した電力変換装置10は、第1電力変換部201(2)と同じ構成を有する少なくとも1つの第3電力変換部202,…,20k(k=2,3,…)(2)をさらに備えるのが好ましい。この場合、直流電源1は、複数の電源ユニット101,…,10m(m=2,3,…)を有するのが好ましい。そして、第1電力変換部201及び少なくとも1つの第3電力変換部202,…,20kには、複数の電源ユニット101,…,10mが一対一に対応して電気的に接続されるのが好ましい。
In addition, the above-described
上記構成によれば、電源ユニット101,…,10m毎に第1電力変換部201及び第3電力変換部202,…,20kを設けることで、各電源ユニット101,…,10mから出力される直流電圧の大きさが異なる場合でも動作が不安定になりにくい。
According to the above configuration, the first
また、本実施形態の電力変換装置10のように、第1電力変換部201及び少なくとも1つの第3電力変換部202,…,20kの数が予め登録される記憶部54をさらに備えているのが好ましい。
Moreover, the
上記構成によれば、制御部5は、記憶部54に登録した第1電力変換部2及び第3電力変換部202,…,20kの数と現在動作中の電力変換部の数とを比較することで、故障した電力変換部の数を知ることができる。
According to the above configuration, the
1 直流電源
2,201 第1電力変換部
3 第2電力変換部
5 制御部
10 電力変換装置
21,…,2n 変換回路
54 記憶部
101,…,10m 電源ユニット
202,…,2k 第3電力変換部
211,221 電流計測部(計測部)
Q1,Q2,… スイッチング素子
DESCRIPTION OF
Q1, Q2, ... Switching element
Claims (11)
第1電力変換部と、第2電力変換部と、前記第1電力変換部及び前記第2電力変換部を制御する制御部とを備え、
前記第1電力変換部は、直流電源と前記第2電力変換部との間において互いに並列に接続された少なくとも2つの変換回路を有し、前記直流電源より出力される直流電圧を所望の電圧値の直流電圧に昇圧して前記第2電力変換部に出力し、
前記第2電力変換部は、前記第1電力変換部から出力された直流電圧を交流電圧に変換して出力し、
前記第1電力変換部は、前記少なくとも2つの変換回路の出力電流を合成した電流を合成電流として前記第2電力変換部に出力し、
前記制御部は、前記電力変換装置の寿命よりも前記電力変換装置の変換効率を優先する場合に比べて前記変換効率よりも前記寿命を優先する場合に前記第1電力変換部が出力するリップル電流を小さくするように、前記第1電力変換部を制御することを特徴とする電力変換装置。 A power conversion device capable of converting at least a DC voltage into an AC voltage,
A first power converter, a second power converter, and a controller that controls the first power converter and the second power converter;
The first power conversion unit includes at least two conversion circuits connected in parallel with each other between a DC power supply and the second power conversion unit, and converts the DC voltage output from the DC power supply to a desired voltage value. Is boosted to a direct current voltage and output to the second power converter,
The second power conversion unit converts the DC voltage output from the first power conversion unit into an AC voltage and outputs the AC voltage,
The first power conversion unit outputs a combined current of the output currents of the at least two conversion circuits to the second power conversion unit as a combined current,
The control unit outputs a ripple current output by the first power conversion unit when the life is prioritized over the conversion efficiency compared to when the conversion efficiency of the power conversion device is prioritized over the life of the power conversion device. The power converter is configured to control the first power converter so as to reduce the power consumption.
前記制御部は、前記少なくとも2つの変換回路のうち動作させる変換回路の数に応じて位相角をずらした少なくとも2つの搬送波の各々と基準値との比較結果に基づく少なくとも2つの制御信号を、前記少なくとも2つの変換回路にそれぞれ出力することを特徴とする請求項1又は2記載の電力変換装置。 The control unit adjusts the output voltage of each of the at least two conversion circuits by controlling each switching element of the at least two conversion circuits,
The control unit outputs at least two control signals based on a comparison result between each of at least two carrier waves shifted in phase angle according to the number of conversion circuits to be operated among the at least two conversion circuits and a reference value. The power converter according to claim 1, wherein the power converter is configured to output to at least two converter circuits.
前記制御部は、前記計測部の計測結果に基づいて前記少なくとも2つの変換回路のうち動作中の変換回路に流れる電流量が等しくなるように、前記第1電力変換部を制御することを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の電力変換装置。 Each of the at least two conversion circuits has a measurement unit that measures the amount of current per unit time flowing through the conversion circuit,
The control unit controls the first power conversion unit based on a measurement result of the measurement unit so that the amount of current flowing through an operating conversion circuit among the at least two conversion circuits becomes equal. The power converter device according to any one of claims 1 to 3.
前記制御部は、前記計測部の計測結果に基づいて前記少なくとも2つの変換回路のうち動作中の変換回路に流れる電流量が等しくないと判断すると、前記少なくとも2つの変換回路のうち動作中の変換回路に出力する制御信号のデューティ比を調節することを特徴とする請求項4記載の電力変換装置。 The control unit adjusts the output voltage of each of the at least two conversion circuits by controlling each switching element of the at least two conversion circuits,
When the control unit determines that the amount of current flowing in the operating conversion circuit among the at least two conversion circuits is not equal based on the measurement result of the measurement unit, the conversion in operation of the at least two conversion circuits The power conversion apparatus according to claim 4, wherein the duty ratio of the control signal output to the circuit is adjusted.
前記制御部は、前記少なくとも2つの変換回路のうち前記基準回路を除く動作中の変換回路に流れる電流量が前記基準回路に流れる電流量を上限とする規定の範囲内に収まるように、前記第1電力変換部を制御することを特徴とする請求項4又は5記載の電力変換装置。 When the control unit determines that the amount of current flowing in the operating conversion circuit among the at least two conversion circuits is not equal based on the measurement result of the measurement unit, the amount of current flowing in the at least two conversion circuits is The largest conversion circuit is the reference circuit,
The control unit is configured so that an amount of current flowing through an operating conversion circuit excluding the reference circuit out of the at least two conversion circuits falls within a predetermined range with an upper limit of the amount of current flowing through the reference circuit. The power converter according to claim 4 or 5, wherein one power converter is controlled.
前記制御部は、前記基準回路が故障すると、前記少なくとも2つの変換回路のうち前記基準回路を除く変換回路に対して出力する制御信号の位相差を、前記少なくとも2つの変換回路のうち動作させる変換回路の数に応じて変更することを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。 The control unit adjusts the output voltage of each of the at least two conversion circuits by controlling each switching element of the at least two conversion circuits,
The control unit converts a phase difference of a control signal output to a conversion circuit other than the reference circuit among the at least two conversion circuits when the reference circuit fails, and operates the phase difference of the at least two conversion circuits. The power conversion device according to claim 6, wherein the power conversion device is changed according to the number of circuits.
前記直流電源は、複数の電源ユニットを有し、
前記第1電力変換部及び前記少なくとも1つの第3電力変換部には、前記複数の電源ユニットが一対一に対応して電気的に接続されていることを特徴とする請求項1〜9の何れか1項に記載の電力変換装置。 And further comprising at least one third power conversion unit having the same configuration as the first power conversion unit,
The DC power supply has a plurality of power supply units,
The plurality of power supply units are electrically connected to the first power conversion unit and the at least one third power conversion unit in a one-to-one correspondence. The power converter device of Claim 1.
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