JP6641806B2

JP6641806B2 - 蓄電池用ｐｃｓの制御装置

Info

Publication number: JP6641806B2
Application number: JP2015175374A
Authority: JP
Inventors: 材津　寛; 寛材津
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2015-09-07
Filing date: 2015-09-07
Publication date: 2020-02-05
Anticipated expiration: 2035-09-07
Also published as: JP2017055469A

Description

本発明は、蓄電池用ＰＣＳの制御装置に係わり、特に蓄電電圧の使用範囲が大きいときの直流電圧一定制御の安定化を図った制御装置に関するものである。

図４は、インバータ（ＡＣ／ＤＣ）とチョッパ（ＤＣ／ＤＣ）で構成される蓄電池用ＰＣＳ（Ｐower Conversion System）と、チョッパ制御部の構成図を示したものである。１は系統電源で、この系統電源１には交流遮断器２、連係変圧器３及び交流フィルタ４を介してインバータ５が接続されている。また、インバータ５と共にＰＣＳを構成するチョッパ６には、直流フィルタ７、直流遮断器８を介して蓄電池９が接続されている。

１０はチョッパ制御部で、直流電圧指令Ｖrと検出された直流電圧（平滑コンデンサの端子電圧）Ｖdcの差分を減算部１１で求め、その差分をＰＩ演算部１２に入力して直流電圧一定制御用の制御値を生成する。減算部１３では、ＰＩ演算部１２からの制御値と検出されたチョッパ電流Ｉcとの差分を演算してＰＩ演算部１４に出力し、ＰＩ演算部１４では差分に対応した制御指令を生成する。ＰＷＭ制御部１５は、制御指令に基づいてチョッパ６のスイッチング素子の制御信号を生成する。これにより、チョッパ６は直流回路に接続された直流平滑コンデンサＣの電圧を一定に保つための制御を行うと共に、インバータ５では、図示省略されているが交流側に設置された検出器により検出された電圧・電流から出力電力を算出し、この出力電力が指令値どおりになるよう制御される。

特開平１０−３２７５７６（特に、段落［０００３］）

図４で示す蓄電池用ＰＣＳでは、蓄電池９の使用電圧範囲が大きいと電池電圧によって直流電圧一定制御が不安定になる虞がある。例えば、電池電圧範囲が２００Ｖ〜６００Ｖの場合、直流電圧一定制御のためのゲインを電池電圧範囲の平均値である４００Ｖと最適に調整しても、電池電圧２００Ｖではゲインが小さくなって制御応答が遅くなり、電池電圧６００Ｖではゲインが大きく過制御となって不安定となる。特許文献１にも同様な課題について開示されており、入力電圧領域として低めの領域で適宜に制御系を設定すると、高めの領域では過大ゲインとなって不安定状態となることが開示されている。

電池電圧範囲２００Ｖ〜６００Ｖの例では、４００Ｖの制御ゲインを基準にすると、２００Ｖ時の制御ゲインは０．５倍、６００Ｖ時の制御ゲインでは１．５倍になる。一般に、制御ゲインはある程度裕度を持って設計するため、電池電圧がある程度変動しても安定に動作するが、電池電圧の使用範囲が大きくなる最適なゲイン範囲を設定するのが困難となっている。

本発明が目的とするところは、電池電圧範囲が大きい場合でも安定応答のできる蓄電池用ＰＣＳの制御装置を提供することにある。

本発明は、系統電源と蓄電池との間に、インバータ、直流平滑コンデンサ及びチョッパを有するＰＣＳを接続し、チョッパ制御部で直流電圧指令と検出された直流電圧の差分を第１のＰＩ演算部に入力して差分に基づいたインバータとチョッパ間の直流電圧を一定に保つ制御値を生成し、生成された制御値と検出されたチョッパ電流との差分を第２のＰＩ演算部に出力して差分に対応した制御指令を生成するものにおいて、
前記チョッパ制御部にゲート幅補正部を設け、
ゲート幅補正部に前記直流電圧指令と前記蓄電池の電池電圧検出を入力して前記チョッパのゲート信号幅を補正する補正量を演算し、求まった補正量を前記第２のＰＩ演算部による制御指令に加算してＰＷＭ制御部に出力するよう構成したことを特徴としたものである。

本発明のゲート幅補正部による補正量は、前記蓄電池を充電動作する時のチョッパを降圧チョッパ動作とし、放電時には昇圧チョッパ動作とするときの基本式で、
降圧チョッパ時の電池電圧検出Ｅ2＝Ｅ1×ｔon／Ｔ（ただし、Ｅ1は平滑コンデンサ電圧、Ｔはスイッチング周期、ｔonはスイッチング素子のオン期間）
昇圧チョッパ時の直流電圧Ｅ2＝Ｅ1×Ｔ／ｔoff （ただし、Ｅ1は電池電圧、Ｔはスイッチング周期、ｔoffはスイッチング素子のオフ期間）
より、
ｔon＝電池電圧検出Ｖb／直流電圧Ｖdc×スイッチング周期Ｔ
ｔoff＝直流電圧Ｖdc／電池電圧検出Ｖb×スイッチング周期Ｔ
で演算し、演算値に所定のゲインを乗算して補正量とすることを特徴としたものである。

また、本発明はチョッパ制御部にゲイン演算部を設け、
ゲイン演算部に前記蓄電池の電池電圧検出値を入力して電池電圧に対応したゲインを算出し、算出されたゲインにより前記第１のＰＩ演算部の比例ゲインと積分ゲインを可変するよう構成したことを特徴としたものである。

以上のとおり、本発明によれば、蓄電池用ＰＣＳの制御装置において、蓄電池電圧の使用範囲が大きい場合でも、直流電圧一定制御の安定化が可能となるものである。

本発明の実施形態を示す構成図。チョッパの動作説明図で、（ａ）はチョッパの回路図、（ｂ）は充電動作時、（ｃ）放電動作図。本発明の他の実施形態を示す構成図。蓄電池用ＰＣＳの制御装置の構成図。

図１は本発明の第１の実施例を示したもので、図４と同一若しくは相当する部分に同一符号を付してその説明を省略する。すなわち、本発明はチョッパ制御部１０にゲート幅補正部１６を設けたものである。ゲート幅補正部１６は、直流電圧指令Ｖrと電池電圧検出Ｖbを入力してチョッパのゲート幅を下記式（１）、（２）で演算し、算出値に所定の比例ゲイン（ここでは、比例ゲイン１とする）を乗算した値を補正量として加算部１７に出力し、ＰＩ演算部１４で演算された制御指令に加算して補正された制御指令としてＰＷＭ制御部１５に出力される。他は図４と同様である。

図２で示すように、蓄電池９を充電動作するときチョッパ６は降圧チョッパ動作をし、放電時には昇圧チョッパ動作をする。
降圧チョッパの基本式より、Ｅ2＝Ｅ1×ｔon／Ｔ …… （１）
昇圧チョッパの基本式より、Ｅ2＝Ｅ1×Ｔ／ｔoff …… （２）
ただし、Ｔ；スイッチング周期（固定）
ここで、式（１）、（２）より、
ｔon＝電池電圧検出Ｖb／直流電圧Ｖdc×スイッチング周期Ｔ
ｔoff＝直流電圧Ｖdc／電池電圧検出Ｖb×スイッチング周期Ｔ
で計算できる。式（１）、（２）では、直流電圧（平滑コンデンサの端子電圧）Ｖdcは略一定値であるので、ｔon（ｔoff）≒∝電池電圧が成り立つことから、ゲート幅補正部１６では電池電圧検出Ｖbを用いている。

図２は式（１）、（２）に基づくチョッパ６の動作説明図で、図２（ａ）で示すように、蓄電池９の電圧範囲を２００Ｖ〜６００Ｖ、直流平滑コンデンサＣの両端電圧（インバータの直流電圧）を７００Ｖとした例である。チョッパ６による蓄電池９への充電時には、図２（ｂ）で示すようにスイッチング素子ＳＷ１を降圧チョッパ動作して蓄電池をＥ2に充電する。また、放電時には、図２（ｃ）で示すようにスイッチング素子ＳＷ２を昇圧チョッパ動作して直流平滑コンデンサＣの両端電圧をＥ2にする。

したがって、第１の実施例によれば、蓄電電圧検出Ｖbに応じてフィードフォワード的にゲート幅が計算できるため、ＰＩ演算部１４で演算された制御指令が直流電圧一定制御としての制御指令が小さくても、最終的な制御指令にはゲート幅補正部１６からの蓄電電圧に対応した安定的な補正量が加算されることで、応答性・安定性の優れたチョッパ電圧一定制御が可能となるものである。

図３は第２の実施例を示したもので、図１で示す第１の実施例にゲイン演算部１８を追加したものである。ゲイン演算部１８には、電池電圧検出Ｖbを入力して蓄電電圧検出Ｖbに対応したゲインを算出し、ＰＩ演算部１２で演算される直流電圧一定のゲインを可変するものである。

例えば、電池電圧範囲が２００Ｖ〜６００Ｖの場合で、２００Ｖ時のＰＩ演算部１２の比例ゲインＫpをＫp_-200V、積分ゲインＫiをＫi_-200Vとすると、
Ｋp＝Ｋp_-200V×２００Ｖ／電池電圧検出Ｖb …… （３）
Ｋi＝Ｋi_-200V×２００Ｖ／電池電圧検出Ｖb …… （４）
となる。

ゲイン演算部１８により算出された各ゲインは電池電圧に対応するものであり、算出された各ゲインはＰＩ演算部１２に入力される。ＰＩ演算部１２では、電池電圧に対応する演算されたゲインに基づいて自身の比例ゲインＫpと積分ゲインＫiをそれぞれ可変する。したがって、ＰＩ演算部１２によって演算される直流電圧一定制御用の制御値は、電池電圧に対応したものとなる。

ＰＩ演算部１２の出力は減算部１３に入力されチョッパ電流Ｉcとの差分を演算し、ＰＩ演算部１４に出力する。ＰＩ演算部１４では差分に対応した制御指令を生成して加算部１７に出力し、ゲート幅補正部１６による補正量を加算して補正された制御指令としてＰＷＭ制御部１５に出力される。

この実施例によれば、電池電圧検出値から直流電圧一定制御の制御ゲインを電池電圧に応じて可変する機能を持たせたことで、電池電圧に応じた最適な直流電圧一定制御の制御ゲインの使用が可能となる。これにより、電池電圧範囲２００Ｖ〜６００Ｖの例で、４００Ｖの制御ゲイン時には、直流電圧一定制御ゲインは、２００Ｖ／４００Ｖ＝０．５倍となり、６００Ｖの制御ゲイン時には、直流電圧一定制御ゲインは、２００Ｖ／６００Ｖ＝０．３倍となり、６００Ｖの場合でも過制御の回避が可能となるものである。

１… 系統電源
５… インバータ
６… チョッパ
１０… チョッパ制御部
１１，１３… 減算部
１２、１４… ＰＩ演算部
１５… ＰＷＭ制御部
１６… ゲート幅補正部
１７… 加算部
１８… ゲイン演算部

Claims

系統電源と蓄電池との間にインバータ、直流平滑コンデンサ及びチョッパを有する蓄電池用ＰＣＳ（Power Conversion System）の制御装置であって、
前記蓄電池用ＰＣＳの直流電圧指令と直流電圧検出値との差分に基づき前記インバータと前記チョッパとの間の直流電圧を一定に保つ制御値を生成する第１のＰＩ演算部と、
前記制御値と前記チョッパの電流検出値との差分に対応した制御指令を生成する第２のＰＩ演算部と、
前記直流電圧指令と前記蓄電池の電池電圧検出値とに基づき前記チョッパのゲート信号幅を補正する補正量を算出し、この補正量を加算した前記制御指令を当該チョッパのＰＷＭ制御部に出力するゲート幅補正部と
を備え、
前記補正量は、前記蓄電池の充電時に前記チョッパを以下の式（１）に基づき降圧動作させる一方で当該蓄電池の放電時に以下の式（２）に基づき昇圧動作させて得られた演算値に所定のゲインを乗算して算出されたこと
Ｅ2＝Ｅ1×ｔon／Ｔ ……（１）
ｔon＝Ｖb／Ｖdc×Ｔ
式（１）において、
Ｅ2：降圧チョッパ時の前記蓄電池の電池電圧検出値
Ｅ1：直流平滑コンデンサ電圧
Ｔ：スイッチング周期（以下、式（２）において、同様）
Ｖdc：直流電圧検出値（以下、式（２）において、同様）
Ｖb：前記蓄電池の電池電圧検出値（以下、式（２）において、同様）
Ｅ2＝Ｅ1×Ｔ／ｔoff ……（２）
ｔoff＝Ｖdc／Ｖb×Ｔ
式（２）において、
Ｅ2：昇圧チョッパ時の直流平滑コンデンサ電圧
Ｅ1：前記蓄電池の電池電圧検出値
を特徴とした蓄電池用ＰＣＳの制御装置。
前記蓄電池の電池電圧検出値に基づき前記第１のＰＩ演算部における標準電圧に対する比例ゲイン及び積分ゲインを可変するゲイン演算部をさらに備えたことを特徴とした請求項１に記載の蓄電池用ＰＣＳの制御装置。