JP6589679B2 - 電力変換装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
また、これからのパワーコンディショナに求められる重要性能の1つとして、変換効率の向上がある。
ところが、この場合には、DC/DCコンバータによる昇圧のための変換と、インバータによる交流への変換が常に行われるため、電力の変換効率を高めることが困難である。
本開示は、直流電力を単相3線式の交流電力に変換する電力変換装置であって、交流電圧のピーク値より電圧が低い直流電源に接続されるDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータの出力端に並列に接続された中間コンデンサと、前記中間コンデンサの両端に接続され、電圧出力型で、第1レグ、第2レグ及び中性レグを有するインバータと、前記インバータの各レグの出力線から出力される電力と前記中間コンデンサを流れる電流による無効電力とを合わせた電力を、前記DC/DCコンバータが出力するように制御する制御部と、を備えている。
前記インバータの各レグの出力線から出力される電力を求めるとともに、前記DC/DCコンバータの電圧降下を考慮した直流電源電圧を求め、前記インバータの各レグの出力線から出力される電力と前記中間コンデンサを流れる電流による無効電力とを合わせた電力が、前記直流電源電圧と電流指令値との積となるように、前記DC/DCコンバータの前記電流指令値を制御する、電力変換装置の制御方法である。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
こうして、変圧器を用いることなく、必要な交流電圧のピーク値よりも電圧が低い直流電源から単相3線式交流電力を出力し、かつ、その変換効率を改善することができる。
単相3線の負荷が、中性線から見て均衡がとれている場合には、中性レグから出力する電流は0を指令値として制御することができる。また、単相3線の負荷が、中性線から見て不均衡である場合には、中性レグから出力する電流は、0以外の値を指令値として制御することで第1線、第2線に絶対値の相異なる電流を流すことができ、不均衡な負荷にも電力変換装置から無駄なく電力を供給することができる。
この場合、各センサの検出信号に基づいてインバータの出力及びDC/DCコンバータの出力を、各指令値に合わせる制御をすることができる。
この場合、単相3線式の第1線−中性線間で消費される電力と、第2線−中性線間で消費される電力とが互いに不均等となる負荷接続状態であっても、
(a)直流電源が供給可能な電力が負荷消費よりも大きく、直流電源の電力を売電できる場合には、第1の有効電力及び第2の有効電力は、一方の大きさが0で他方が逆潮流方向とするか、又は、双方が逆潮流方向とすることができる。
(b)直流電源が供給可能な電力は負荷消費以上であるが、直流電源の電力を売電できないことになっている場合には、第1の有効電力及び第2の有効電力は共に0とすることができる。
(c)直流電源が供給可能な電力が負荷消費より小さい場合には、第1の有効電力及び第2の有効電力は、一方の大きさが0で、他方が買電方向とするか、又は、双方が買電方向とすることができる。
従って、上記の何れの場合にも、単価の異なる買電と売電とが同時に行われる状態を回避し、直流電源のその時点での電力供給能力を最大限に有効活用しつつ、電力変換装置から負荷及び商用電力系統に電力を供給することができる。
前記インバータの各レグの出力線から出力される電力を求めるとともに、前記DC/DCコンバータの電圧降下を考慮した直流電源電圧を求め、前記インバータの各レグの出力線から出力される電力と前記中間コンデンサを流れる電流による無効電力とを合わせた電力が、前記直流電源電圧と電流指令値との積となるように、前記DC/DCコンバータの前記電流指令値を制御する、電力変換装置の制御方法である。
こうして、変圧器を用いることなく、必要な交流電圧のピーク値よりも電圧が低い直流電源から単相3線式交流電力を出力し、かつ、その変換効率を改善することができる。
以下、実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。
《電力変換システムの回路構成例》
図1は、単相3線式の商用電力系統4に連系する電力変換装置(パワーコンディショナ)2の詳細な回路図の一例である。電力変換装置2は、主回路の電力変換部2Aと、制御部2Cとを備えている。制御部2Cは例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータが実行することで、必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部2Cの記憶装置(図示せず。)に格納される。但し、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部を構成することも可能ではある。
また、制御部2Cは、各センサ(201〜207,31〜34)の検出出力に基づいて半導体スイッチQL,QH,Q1〜Q6を制御する。
次に、制御部2Cが主体となって実行する系統連系制御の演算手順について説明する。ここで、電流の符号は直流電源1から商用電力系統4に向かう方向を正とする。電圧の基準は、直流入力電圧Vg及びDCリンク電圧(DCバス2Bの2線間電圧)VoについてはDCバス2Bの負極側、交流出力電圧は中性線(o線)とする。
Ia_o *(t)=−Ia_u *(t)−Ia_v *(t) ・・・(1)
Iinv_u *(t)=KuIa_u *(t)+
Ca_u(dVa_u(t)/dt) ・・・(2)
Iinv_v *(t)=KvIa_v *(t)+
Ca_v(dVa_v(t)/dt) ・・・(3)
Iinv_o *(t)=−Iinv_u *(t)−Iinv_v *(t) ・・・(4)
式(2),(3),(4)により、交流側コンデンサ27,28に流れる無効電流を考慮して各交流リアクトル24〜26に流れるべき電流を指令値に設定した制御を行うことができ、また、これに基づいて、DC/DCコンバータ20の出力を制御することができる。式(4)は、中性レグL3から出力する電流が、0及び0以外の値を含む指令値に制御されることを示している。例えば、単相3線の負荷が、中性線(o線)から見て均衡がとれている場合には、Iinv_u *(t)とIinv_v *(t)とは互いに絶対値が同じで符号が逆になるので、電流指令値Iinv_o *(t)=0として制御することができる。また、単相3線の負荷が、中性線から見て不均衡である場合には、中性レグL3から出力する電流は、0以外の値を指令値として制御することで第1線、第2線に絶対値の相異なる電流を流すことができ、不均衡な負荷にも電力変換装置から無駄なく電力を供給することができる。
Vinv_u ref(t)=Va_u(t)+
Kinv_u(t)(Iinv_u *(t)−Iinv_u(t)) ・・・(5)
同様にv線、o線についても、それぞれ以下の式(6)、式(7)に従ってフィードバック制御を行いVinv_v ref(t)、Vinv_o ref(t)を得ることができる。
Vinv_v ref(t)=Va_v(t)+
Kinv_v(t)(Iinv_v *(t)−Iinv_v(t)) ・・・(6)
Vinv_o ref(t)=Kinv_o(t)(Iinv_o *(t)−Iinv_o(t))
・・・(7)
Vinv_o ref(t)=
Kinv_o(t)(Iinv_o *(t)+Iinv_u(t)+Iinv_v(t))
・・・(8)
また、o線は独立にフィードバック制御は行わず、u線及びv線のフィードバック制御の結果を用いるときには以下の式(9)により、参照値Vinv_o ref(t)を得ることができる。
Vinv_o ref(t)=−Vinv_u ref(t)−Vinv_v ref(t) ・・・(9)
Vinv ref(t)=Vinv_u ref(t)−Vinv_v ref(t) ・・・(10)
この場合には、式(10)によりVinv_u ref(t)、Vinv_v ref(t)から参照値Vinv ref(t)を定義し、図3のコンパレータでゲート駆動信号を生成することができる。
{(Rinv_uIinv_u *(t)+Linv_u(dIinv_u *(t)/dt)}
・・・(11)
Vinv_v *(t)=Va_v(t)+
{(Rinv_vIinv_v *(t)+Linv_v(dIinv_v *(t)/dt)}
・・・(12)
Vinv_o *(t)=
{(Rinv_oIinv_o *(t)+Linv_o(dIinv_o *(t)/dt)}
・・・(13)
Vinv *(t)=Vinv_u *(t)−Vinv_v *(t) ・・・(14)
また、次に、以下の式(15)から式(17a,17b)までを用いて、DC/DCコンバータ20の電流指令値Iin *(t)を求める。
ここで、Iin *(t)は、直流リアクトル22の電流指令値、Coは、中間コンデンサ23の容量である。また、分母のVin *(t)は、DC/DCコンバータ20の電圧降下を考慮した直流電源電圧であり、以下の式(16)によって表される。
Vin *(t)=Vg−{RinIin *(t)+Lin(dIin *(t)/dt)}
・・・(16)
ここで、Vgは、直流電源1の電圧検出値である。Rinは、DC/DCコンバータ20の抵抗値、Linは、直流リアクトル22のインダクタンスである。
|Vinv *(t)|<Vin *(t)のとき、Vo *(t)=Vin *(t)
・・・(17a)
|Vinv *(t)|≧Vin *(t)のとき、Vo *(t)=|Vinv *(t)|
・・・(17b)
ここで、Vo *(t)は、DCリンク電圧の指令値である。
Vin ref(t)=Vg(t)−Kin(t)(Iin *(t)−Iin(t))
・・・(18)
なお、Kin(t)は、フィードバック制御の補償関数である。
図5は、上記要領の演算手順によって制御した電力変換装置の動作波形を示す図である。直流電源1としては、電圧が200Vの蓄電池を接続しており、交流側は電圧実効値が202V/101Vの単相3線式商用電力系統に連系している。交流出力電流の指令値は、u線が実効値30A、v線はu線と逆位相で実効値10Aとした。従って、式(1)からo線の電流はu線と逆位相であり、実効値20Aである。
Vo(t)はVin *(t)、Vinv *(t)の絶対値のいずれか大きい方となっており、この実施形態の場合には約190Vから約290Vの範囲で変化する波形となっている。平均電圧は約230Vで、従来方式の場合の330Vと比べると約30%も低い電圧となっている。
このように、u線とv線の電流が異なる場合にも、実効値は指令値どおりそれぞれ30A、10A、20Aとなっており、また、波形の歪みも実用上問題ない程度に抑えることができている。
上記の式(15)は、右辺の分母を両辺に乗じると、
Iin *(t)Vin *(t)=Iinv_u *(t)Vinv_u *(t)+Iinv_v *(t)Vinv_v *(t)+Iinv_o *(t)Vinv_o *(t)+Co(dVo *(t)/dt)Vo *(t) ・・・(15’)
となる。すなわち、上記のような制御は、制御部2Cが、インバータ29の各レグ(u,v,o)が出力する電力である{Iinv_u *(t)Vinv_u *(t)+Iinv_v *(t)Vinv_v *(t)+Iinv_o *(t)Vinv_o *(t)}と、中間コンデンサ23を流れる電流による無効電力{Co(dVo *(t)/dt)Vo *(t)}とを合わせた電力を、DC/DCコンバータ20が、Iin *(t)Vin *(t)として出力するように制御している、と言える。
こうして、変圧器を用いることなく、必要な交流電圧のピーク値よりも電圧が低い直流電源から単相3線式交流電力を出力し、かつ、その変換効率を改善することができる。
以上の説明では、電力変換装置2の交流出力側を単相3線式の配電系統に連系している場合を示したが、系統連系はされておらず負荷だけが接続されている自立運転の場合にも、この電力変換装置2を用いることができる。この場合は、式(2)、式(3)を、それぞれ、以下の式(19)及び式(20)に置き換えて、u相及びv相の電圧をそれぞれフィードバック制御することにより、交流リアクトル電流指令値Iinv_u *(t)、Iinv_v *(t)を決定し、それ以降は系統連系の場合と同様に式(4)から式(18)に示した演算手順を実施すれば、電力変換装置の自立運転を行うことができる。
・・・(19)
Iinv_v *(t)=Ia_v(t)+Ka_v(t)(Va_v *(t)−Va_v(t))
・・・(20)
図7は、単相3線式の商用電力系統4に連系する電力変換装置(パワーコンディショナ)2の詳細な回路図の一例である。図1との違いは、負荷(Ruv,Ruo,Rvo)と商用電力系統4との間に電力計測部3を設けた点である。電力計測部3には、商用電力系統4と負荷Ruv,Ru,Rvとの間の、u線及びv線にそれぞれ流れる電流を検出する電流センサ31及び32と、これらの電流センサ31,32と同じ場所にあって、u線−o線間の電圧(u相電圧)を検出する電圧センサ33と、v線−o線間の電圧(v相電圧)を検出する電圧センサ34とが設けられている。電流センサ31,32及び電圧センサ33,34の検出出力は、電力変換装置2の制御部2Cに送られる。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 電力変換装置
2A 電力変換部
2B DCバス
2C 制御部
3 電力計測部
4 商用電力系統
4u 相電源
4v 相電源
20 DC/DCコンバータ
21 直流側コンデンサ
22 直流リアクトル
23 中間コンデンサ
24〜26 交流リアクトル
27,28 交流側コンデンサ
29 インバータ
31,32 電流センサ
33,34 電圧センサ
201,203,206,207 電圧センサ
202,204,205 電流センサ
dL,dH ダイオード
d1〜d6 ダイオード
L1 第1レグ
L2 第2レグ
L3 中性レグ
P1 第1接続点
P2 第2接続点
P3 第3接続点
QL,QH 半導体スイッチ
Q1〜Q6 半導体スイッチ
Ruo,Rvo,Ruv 負荷
Claims (5)
- 直流電力を単相3線式の交流電力に変換する電力変換装置であって、
交流電圧のピーク値より電圧が低い直流電源に接続されるDC/DCコンバータと、
前記DC/DCコンバータの出力端に並列に接続された中間コンデンサと、
前記中間コンデンサの両端に接続され、電圧出力型で、第1レグ、第2レグ及び中性レグを有するインバータと、
前記インバータの各レグの出力線から出力される電力と前記中間コンデンサを流れる電流による無効電力とを合わせた電力を、前記DC/DCコンバータが出力するように制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記中性レグから出力する電流を、0及び0以外の値を含む指令値に制御する電力変換装置。 - 前記制御部は、単相3線の負荷が中性線から見て不均衡である場合に、前記中性レグから出力する電流の前記指令値を、0以外の値として制御する請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記第1レグを構成する上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチの相互接続点である第1接続点と、前記単相3線式の第1線との間に設けられた第1の交流リアクトルと、
前記第2レグを構成する上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチの相互接続点である第2接続点と、前記単相3線式の第2線との間に設けられた第2の交流リアクトルと、
前記中性レグを構成する上アームの半導体スイッチ及び下アームの半導体スイッチの相互接続点である第3接続点と、前記単相3線式の中性線との間に設けられた第3の交流リアクトルと、
前記第1線と、前記中性線との間に設けられた第1のコンデンサと、
前記第2線と、前記中性線との間に設けられた第2のコンデンサと、
前記直流電源の電圧を検出する直流電圧センサと、
前記DC/DCコンバータに含まれる直流リアクトルに流れる電流を検出する直流電流センサと、
前記第1の交流リアクトルに流れる電流を検出する第1の電流センサと、
前記第2の交流リアクトルに流れる電流を検出する第2の電流センサと、
前記第1のコンデンサの両端の電圧を検出する第1の電圧センサと、
前記第2のコンデンサの両端の電圧を検出する第2の電圧センサと、を備えている請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記単相3線式の交流電路に接続された負荷と商用電力系統との間で、前記第1線に流れる電流によって生じる第1の有効電力、及び、前記第2線に流れる電流によって生じる第2の有効電力について、それぞれの検出信号を受け取って、
前記制御部は、前記第1の有効電力と前記第2の有効電力の少なくとも一方の大きさが0であるか、双方の向きが一致している状態を維持するように前記第1線及び前記第2線にそれぞれ流れる電流を制御する機能を有する、請求項3に記載の電力変換装置。 - 交流電圧のピーク値より電圧が低い直流電源に接続されるDC/DCコンバータと、前記DC/DCコンバータの出力端に並列に接続された中間コンデンサと、前記中間コンデンサの両端に接続され、電圧出力型で、第1レグ、第2レグ及び中性レグを有するインバータと、を備え、直流電力を単相3線式の交流電力に変換する電力変換装置において、その制御部によって実行される電力変換装置の制御方法であって、
前記インバータの各レグの出力線から出力される電力を求めるとともに、前記DC/DCコンバータの電圧降下を考慮した直流電源電圧を求め、
前記インバータの各レグの出力線から出力される電力と前記中間コンデンサを流れる電流による無効電力とを合わせた電力が、前記直流電源電圧と電流指令値との積となるように、前記DC/DCコンバータの前記電流指令値を制御するとともに、前記中性レグから出力する電流を、0及び0以外の値を含む指令値に制御する、電力変換装置の制御方法。
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