JP7291592B2

JP7291592B2 - コンバータ装置及びその出力制御方法

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Publication number: JP7291592B2
Application number: JP2019181429A
Authority: JP
Inventors: 輝人石橋; 裕樹木村; 利晴狩野
Original assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Texeng Co Ltd
Priority date: 2019-10-01
Filing date: 2019-10-01
Publication date: 2023-06-15
Anticipated expiration: 2039-10-01
Also published as: JP2021058042A

Description

本発明は、並列接続された複数の双方向コンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータ）を有するコンバータ装置及びその出力制御方法に関する。

例えば、負荷装置の最大電力に対応するため、複数のコンバータ（ＤＣ／ＤＣコンバータ）を並列に接続する場合がある。この場合、負荷装置に供給される電流（電力）を複数のコンバータ間で平均的に分担することが、電力供給を効率良く行う上で重要である。
従来から知られる最も簡単な電流の分担制御としては、負荷電流の増加に対して出力電圧を低下させる制御であるドループ制御（垂下制御）がある。この制御により、負荷電流の増加等に伴って１つのコンバータの出力電圧が低下すると、別のコンバータの出力電圧が相対的に高くなり、当該コンバータから負荷電流が供給されるので、複数のコンバータ間で電流を分担させることができ、効率の良い電力供給が可能になる（例えば、特許文献１参照）。

特開平８－２８９４６８号公報

しかしながら、コンバータを構成する電気部品の特性は個々にバラツキを有しているため、各コンバータの出力電圧のドループ特性を同一にするのは難しかった。このため、各コンバータから負荷装置への出力電流（出力電力）がバラツキ、電力供給を効率良く行うことができなかった。また、双方向型のコンバータを並列接続した場合、無負荷時にも関わらず、相互に電流の流れ出しや流れ込みが発生し、待機電力が多くなっていた。
なお、通信を用いて各コンバータのドループ特性のバラツキを補正することも考えられるが、この場合、新たな外部機器が必要となって装置構成が複雑になり、また、並列接続するコンバータの台数が通信可能な台数に制限されるという問題がある。更に、ある１つのコンバータの出力電圧に、他のコンバータの出力電圧が合うように補正することも考えられるが、この場合、補正するためのシーケンスが新たに必要になり、シーケンスが複雑になるという問題もある。

本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、並列接続された複数の双方向コンバータの電流バランスをとることが可能なコンバータ装置及びその出力制御方法を提供することを目的とする。

前記目的に沿う本発明に係るコンバータ装置は、入力電源と負荷装置との間に並列接続され、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを有し、出力電圧指令に基づいて前記各双方向コンバータのフィードバック制御を行うコンバータ装置において、
前記各双方向コンバータの制御手段には、前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する制御部が設けられている。

ここで、本発明に係るコンバータ装置において、前記出力電圧の補正には、前記ドループ制御時のドループ率Ｋと、前記双方向コンバータの無負荷時に流れる出力電流Ｉｏｕｔ、入力電流Ｉｉｎ、出力電力Ｗｏｕｔ、又は、入力電力Ｗｉｎとの積を用いることができる。

また、本発明に係るコンバータ装置において、前記双方向コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータであるのがよい。

前記目的に沿う本発明に係るコンバータ装置の出力制御方法は、入力電源と負荷装置との間に並列接続され、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを有し、出力電圧指令に基づいて前記各双方向コンバータのフィードバック制御を行うコンバータ装置の出力制御方法において、
前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する。

本発明に係るコンバータ装置の出力制御方法において、前記出力電圧の補正に、前記ドループ制御時のドループ率Ｋと、前記各双方向コンバータの無負荷時に流れる出力電流Ｉｏｕｔ、入力電流Ｉｉｎ、出力電力Ｗｏｕｔ、又は、入力電力Ｗｉｎとの積を用いることができる。

本発明に係るコンバータ装置の出力制御方法において、前記双方向コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータであるのがよい。

本発明に係るコンバータ装置及びその出力制御方法は、並列接続された複数の双方向コンバータをドループ制御するに際し、双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正するので、例えば、新たな外部機器やシーケンス等を用いることなく、簡単な構成で、並列接続された複数の双方向コンバータの電流バランスをとること（それぞれの出力電流（出力電力）を揃えること）が可能になる。

（Ａ）～（Ｄ）は本発明の一実施の形態に係るコンバータ装置の出力制御方法の説明図である。同コンバータ装置の出力制御回路の説明図である。同コンバータ装置を構成するＤＣ／ＤＣコンバータの説明図である。同コンバータ装置を構成する制御回路のプログラム処理の説明図である。同コンバータ装置の出力制御方法のフロー図である。出力電圧と検出したフィードバック電圧ＶＦＢとの関係を示すグラフである。

続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
図１（Ａ）～（Ｄ）、図２に示すように、本発明の一実施の形態に係るコンバータ装置１０は、入力電源（ＡＣ電源）１１と負荷装置（例えば、電池群）１２との間に並列接続された複数（ここでは２台）の双方向型コンバータ（以下、単にコンバータとも記載）１３、１３ａを有している。なお、図１（Ａ）～（Ｄ）では、並列接続した２台の双方向コンバータ１３、１３ａを、「コンバータ１」と「コンバータ２」として図示している。
以下、詳しく説明する。

図２に示すように、ＡＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５はそれぞれ直列に接続され、この直列に接続されたＡＣ／ＤＣコンバータ１４とＤＣ／ＤＣコンバータ１５が並列に接続されている。なお、複数の負荷装置１２はそれぞれ、充放電用の電池１６の他、独立したＤＣ／ＤＣコンバータ１７を有している。
この場合、前記した各双方向コンバータ１３、１３ａをドループ特性を有するＤＣ／ＤＣコンバータ１５に適用する。また、図２の破線で囲まれたＤＣ／ＤＣコンバータ１５を省略して、各コンバータ１３、１３ａをドループ特性を有するＡＣ／ＤＣコンバータ１４に適用することもできる。

図３は、コンバータ１５（コンバータ１３、１３ａ）にドループ特性を与えるドループ制御機能を有する制御手段（コンバータ）２０の説明図である。
図３では、双方向ＡＣ／ＤＣコンバータ１４（ＡＣ／ＤＣ変換回路）を介して変換された直流が、制御手段２０の入力側（Ｉ）に加えられている。制御手段２０は、回路に直列及び並列に接続されたスイッチング素子２１（Ｑ１）、２２（Ｑ２）、回路に直列に接続されたリアクトル２３（Ｌ１）、並びに、回路に並列に接続されたコンデンサ２４（Ｃ１）を有し、更に制御手段２０の出力側（ＩＩ）の電圧（出力電圧）及び出力電流を入力する制御回路（制御部の一例）２５を有している。

これによって、コンバータ１５の出力に、ＰＷＭ制御によって図１（Ａ）に示すドループ特性を与えている。このとき、制御回路２５は並列に接続される複数のコンバータ１３、１３ａに対して、他のコンバータ１３、１３ａの特性を考慮しながら略同時に設定を行うようにしている。
なお、制御回路２５は、内部にＣＰＵ及び必要なＡＤ変換回路、メモリーを有し、入力されたプログラムによって制御される。また、制御回路２５では、図４に示すように、入力した出力電圧と出力電流を用いてフィードバック制御を行うためのプログラム処理も行われる。

続いて、図５及び必要に応じて図１（Ａ）～（Ｄ）を参照しながら、コンバータ装置１０の動作（出力制御方法）、作用について説明する。
（１）ステップ１（ＳＴ１）
制御回路２５からの指令等により、各コンバータ１３、１３ａを起動させる。
このとき、後述する補正値ｏｆｆｓｅｔ１、２（即ち、各双方向コンバータ１３、１３ａで検出したフィードバック電圧ＶＦＢに加算する補正電圧）は「０」である。

（２）ステップ２（ＳＴ２）
各コンバータ１３、１３ａの出力電圧を立上げる。
ここでは、それぞれのコンバータ１３、１３ａの制御回路２５に、予め共通に設定した出力基準電圧Ｖｒｅｆを入力する。この出力基準電圧Ｖｒｅｆは負荷装置１２が必要とする電圧値であり、制御回路２５に記憶させる。
このとき、負荷装置１２は稼動していない状態であるため、各コンバータ１３、１３ａは無負荷の状態である（各コンバータ１３、１３ａと負荷装置１２を遮断状態にすることもできる）。

（３）ステップ３（ＳＴ３）
以下の式（１）、式（２）の出力電圧指令Ｖ１、Ｖ２に基づいて、各コンバータ１３、１３ａは定電圧制御を行う（出力電圧安定）。この電圧制御はドループ制御である。
Ｖ１＝Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ１・・・（１）
Ｖ２＝Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ２・・・（２）
ここで、Ｋはドループ率であり傾き（マイナス）を表し、ＰＷＭ制御（ドループ制御）を行う際に設定される擬似抵抗（仮想抵抗：例えば、１０ｍΩ～５Ω程度）に相当する。これにより、各コンバータ１３、１３ａの出力電圧のドループ特性となる。

（４）ステップ４（ＳＴ４）
各コンバータ１３、１３ａは並列接続されているので、無負荷にも関わらず、例えば、コンバータ１３、１３ａの品質のバラツキ等により出力電流ｉ２、ｉ１が流れる（各コンバータ１３、１３ａが電流を出力する）ことがある。具体的には、図１（Ａ）に示すように、コンバータ１３（コンバータ１、以下同じ）はＰ点の位置で、コンバータ１３ａ（コンバータ２、以下同じ）はＱ点の位置で動作する場合がある。このＰ点とＱ点は同一電圧であるが、図１（Ａ）、（Ｂ）に示す出力電流ｉ２（マイナス成分）、ｉ１（プラス成分）が循環電流となって流れる。

この図１（Ａ）に示す各コンバータ１３、１３ａの出力電圧Ｖｏｕｔは、以下のように算出できる。
まず、図６に、出力電圧と検出したフィードバック電圧ＶＦＢとの関係を示す。
各コンバータ１３、１３ａの検出回路のバラツキ（品質のバラツキ）から、同じ出力電圧Ｖｏｕｔでも、コンバータ１３、１３ａで検出するフィードバック電圧ＶＦＢに誤差が生じる。この検出したフィードバック電圧ＶＦＢは、以下の式（３）、式（４）となる。
ＶＦＢ１＝Ｖ_０＋ｂ１・・・（３）
ＶＦＢ２＝Ｖ_０＋ｂ２・・・（４）
ここで、ｂ１とｂ２は、検出回路のバラツキである（即ち、出力基準電圧Ｖｒｅｆからのドループ制御時における出力電圧のズレ量である）。
上記した式（３）、式（４）に補正値を加えたプログラムを入れると、式（５）、式（６）となる（図４参照）。
ＶＦＢ１＝Ｖｏｕｔ＋ｂ１＋ｏｆｆｓｅｔ１・・・（５）
ＶＦＢ２＝Ｖｏｕｔ＋ｂ２＋ｏｆｆｓｅｔ２・・・（６）
ここで、ｏｆｆｓｅｔ１、２は補正値（即ち、各双方向コンバータ１３、１３ａで検出したフィードバック電圧ＶＦＢに加算する補正電圧）、Ｖｏｕｔは出力電圧である。

フィードバック制御では、電圧指令値とフィードバック電圧ＶＦＢが等しくなるように動作するので、各コンバータ１３、１３ａでは、式（１）と式（５）から式（７）が、式（２）と式（６）から式（８）が、それぞれ成り立つ。
Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ１＝Ｖｏｕｔ＋ｂ１＋ｏｆｆｓｅｔ１・・・（７）
Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ２＝Ｖｏｕｔ＋ｂ２＋ｏｆｆｓｅｔ２・・・（８）
従って、各コンバータ１３、１３ａの出力電圧Ｖｏｕｔはそれぞれ、式（９）、式（１０）となる。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ１－ｂ１－ｏｆｆｓｅｔ１・・・（９）
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ２－ｂ２－ｏｆｆｓｅｔ２・・・（１０）
各コンバータ１３、１３ａの起動時には、ｏｆｆｓｅｔ１とｏｆｆｓｅｔ２の各値を「０」で動作させるため、式（９）、式（１０）をグラフにすると、図１（Ａ）で示される。

前記したように、各コンバータ１３、１３ａを並列接続すると、無負荷にも関わらず、検出される出力電圧のバラツキｂ１、ｂ２のバラツキにより電流が流れる場合がある。この場合、各コンバータ１３、１３ａで電流の検出を行っているため、動作点を検出することが可能であるので、これを利用して、各コンバータ１３、１３ａの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正するための補正値ｏｆｆｓｅｔを取得する。前記したように、ドループ率Ｋは抵抗値そのものとなるため、抵抗値の電位差が０Ｖとなるように出力電圧Ｖｏｕｔを補正すれば、流れる電流値は０Ａとなる。この抵抗にかかる電位差はＫ×ｉとなるため、これを補正値ｏｆｆｓｅｔとする。
ｏｆｆｓｅｔ１＝Ｋ×ｉ１・・・（１１）
ｏｆｆｓｅｔ２＝Ｋ×ｉ２・・・（１２）
なお、ｉ２はマイナス成分なので、ｏｆｆｓｅｔ２の絶対値はマイナスとなる。
このように、出力電圧Ｖｏｕｔの補正には、ドループ率Ｋと双方向コンバータ１３、１３ａの無負荷時に流れる出力電流Ｉｏｕｔとの積を使用できるが、この出力電流Ｉｏｕｔの代わりに、入力電流Ｉｉｎ、出力電力Ｗｏｕｔ、又は、入力電力Ｗｉｎを用いることもできる。

（５）ステップ５（ＳＴ５）
各コンバータ１３、１３ａが、上記したステップ４での補正値の取得を終えるまでの待機時間を設ける（例えば、数ｍ秒～数秒程度）。

（６）ステップ６（ＳＴ６）
上記した式（１１）、式（１２）で算出される補正値ｏｆｆｓｅｔ１、２をそれぞれ、各双方向コンバータ１３、１３ａで検出したフィードバック電圧ＶＦＢに加算して、各コンバータ１３、１３ａの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する。
これにより、図１（Ｃ）のグラフのように、各コンバータ１３、１３ａの平均電圧（即ち、Ｖｒｅｆ－（ｂ１＋ｂ２）／２）にそれぞれの動作点が移動し、図１（Ｃ）、（Ｄ）に示すように、出力電流が略０Ａとなる。

なお、出力基準電圧Ｖｒｅｆからのドループ制御時における出力電圧のバラツキｂ１、ｂ２が「０」の場合（無負荷時に電流が流れない場合）は、上記した制御（補正）を行う必要はない。
以上の方法により、各コンバータ１３、１３ａの出力電流（出力電力）を揃える補正が終了した後は、負荷装置１２を稼動させて（各コンバータ１３、１３ａに負荷をかけて）負荷装置１２への電力供給を行う。なお、この補正は、各コンバータ１３、１３ａを起動させるごとに行うことが好ましい。
これにより、並列接続された２台のコンバータ１３、１３ａの電流バランスをとることができるので、各コンバータ１３、１３ａから負荷装置１２へバランスよく電力供給がなされ、電力供給を効率良く行うことができる。

以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明のコンバータ装置及びその出力制御方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
例えば、本発明のコンバータ装置及びその出力制御方法は、充放電検査設備等に適用できるが、入力電源と負荷装置との間に、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを並列接続する構成であれば、特に限定されるものではない。

また、前記実施の形態においては、入力電源と負荷装置との間に並列接続する双方向コンバータの台数を２台とした場合について説明したが、負荷装置の最大電力に応じて３台以上の複数台とすることもできる。なお、台数の上限は特に限定されるものではなく、負荷装置の最大電力に応じて、例えば、数百台（２００台）程度でもよいが、現状は５０台（更には２０台）程度である。
この場合、フィードバック制御におけるｎ（ただし、ｎ＝３、４、５、・・・）台のコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔと補正値ｏｆｆｓｅｔ（ｎ）は、それぞれ以下の式で示される。
Ｖｏｕｔ＝Ｖｒｅｆ－Ｋ×ｉ（ｎ）－ｂ（ｎ）－ｏｆｆｓｅｔ（ｎ）
ｏｆｆｓｅｔ（ｎ）＝Ｋ×ｉ（ｎ）

１０：コンバータ装置、１１：入力電源、１２：負荷装置、１３、１３ａ：双方向コンバータ、１４：ＡＣ／ＤＣコンバータ、１５：ＤＣ／ＤＣコンバータ、１６：電池、１７：ＤＣ／ＤＣコンバータ、２０：制御手段、２１、２２：スイッチング素子、２３：リアクトル、２４：コンデンサ、２５：制御回路（制御部）

Claims

入力電源と負荷装置との間に並列接続され、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを有し、出力電圧指令に基づいて前記各双方向コンバータのフィードバック制御を行うコンバータ装置において、
前記各双方向コンバータの制御手段には、前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する制御部が設けられていることを特徴とするコンバータ装置。
請求項１記載のコンバータ装置において、前記出力電圧の補正には、前記ドループ制御時のドループ率Ｋと、前記双方向コンバータの無負荷時に流れる出力電流Ｉｏｕｔ、入力電流Ｉｉｎ、出力電力Ｗｏｕｔ、又は、入力電力Ｗｉｎとの積を用いることを特徴とするコンバータ装置。
請求項１又は２記載のコンバータ装置において、前記双方向コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とするコンバータ装置。
入力電源と負荷装置との間に並列接続され、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを有し、出力電圧指令に基づいて前記各双方向コンバータのフィードバック制御を行うコンバータ装置の出力制御方法において、
前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正することを特徴とするコンバータ装置の出力制御方法。
請求項４記載のコンバータ装置の出力制御方法において、前記出力電圧の補正に、前記ドループ制御時のドループ率Ｋと、前記各双方向コンバータの無負荷時に流れる出力電流Ｉｏｕｔ、入力電流Ｉｉｎ、出力電力Ｗｏｕｔ、又は、入力電力Ｗｉｎとの積を用いることを特徴とするコンバータ装置の出力制御方法。
請求項４又は５記載のコンバータ装置の出力制御方法において、前記双方向コンバータは、ＤＣ／ＤＣコンバータ又はＡＣ／ＤＣコンバータであることを特徴とするコンバータ装置の出力制御方法。