KR102318868B1 - 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법 - Google Patents

전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR102318868B1
KR102318868B1 KR1020197025259A KR20197025259A KR102318868B1 KR 102318868 B1 KR102318868 B1 KR 102318868B1 KR 1020197025259 A KR1020197025259 A KR 1020197025259A KR 20197025259 A KR20197025259 A KR 20197025259A KR 102318868 B1 KR102318868 B1 KR 102318868B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
phase
power
derived
waveform
output
Prior art date
Application number
KR1020197025259A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20190110125A (ko
Inventor
히로유키 도쿠사키
다카시 효도
사토시 오가사와라
와타루 고다카
Original Assignee
오므론 가부시키가이샤
국립대학법인 홋가이도 다이가쿠
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 오므론 가부시키가이샤, 국립대학법인 홋가이도 다이가쿠 filed Critical 오므론 가부시키가이샤
Publication of KR20190110125A publication Critical patent/KR20190110125A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102318868B1 publication Critical patent/KR102318868B1/ko

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/425—Arrangements for improving power factor of AC input using a single converter stage both for correction of AC input power factor and generation of a high frequency AC output voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/297—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal for conversion of frequency
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/38—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by combination of static with dynamic converters; by combination of dynamo-electric with other dynamic or static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/0048—Circuits or arrangements for reducing losses
    • H02M1/0054—Transistor switching losses
    • H02M1/0058—Transistor switching losses by employing soft switching techniques, i.e. commutation of transistors when applied voltage is zero or when current flow is zero
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/32—Means for protecting converters other than automatic disconnection
    • H02M1/34—Snubber circuits
    • H02M1/348—Passive dissipative snubbers
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00—Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42—Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208—Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4216—Arrangements for improving power factor of AC input operating from a three-phase input voltage
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M5/00—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases
    • H02M5/02—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc
    • H02M5/04—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters
    • H02M5/22—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M5/275—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M5/293—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only
    • H02M5/2932—Conversion of ac power input into ac power output, e.g. for change of voltage, for change of frequency, for change of number of phases without intermediate conversion into dc by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only with automatic control of output voltage, current or power
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B70/00—Technologies for an efficient end-user side electric power management and consumption
    • Y02B70/10—Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Ac-Ac Conversion (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

[과제] 스너버 소자를 포함하는 스위치 회로를 사용한 매트릭스 컨버터의 출력측에 공진 회로를 배치한 전력 변환 장치에 의해, 다상 교류 전원으로부터의 출력을 AC-AC 변환하는 전력 변환 장치를 제어하여, 전력 변환 장치에 입력되는 입력 전류의 왜곡의 억제, 전력 변환 장치로부터 출력하는 출력 전류의 맥동의 억제 등의 출력의 안정화가 가능한 전원 제어 장치, 전원 제어 시스템 및 전원 제어 방법을 제공한다.
[해결 수단] 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는, 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 가급적 제어 목표에 가깝게 하기 위해 전력 변환 장치를 제어한다.

Description

전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법
본 발명은, 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 복수의 스위치 회로에 의해, AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 장치, 그러한 전원 제어 장치를 구비하는 전력 변환 시스템, 및 그러한 전력 변환 시스템에서 실행되는 전원 제어 방법에 관한 것이다.
다상 교류 전원으로부터 입력을 받아, 매트릭스 컨버터에 의해, AC-AC 변환을 행하여 부하측에 출력하는 전력 변환 장치가 주목받고 있다. 매트릭스 컨버터는, 입력인 다상 교류 전원의 상마다 접속한 스위치 회로를 온/오프함으로써, 직류로 변환하지 않고, AC-AC 변환하고, 교류를 부하측에 출력한다. 매트릭스 컨버터는, 부하측에 출력하는 교류의 전압, 주파수 등에 따라, 쌍방향 스위치의 전환을 제어한다. 교류로부터 교류로 변환하는 매트릭스 컨버터는, 교류로부터 직류로 변환한 후, 다시 교류로 변환하는 인버터를 사용한 전력 변환에 비해 변환 손실이 작고, 또한, 인버터를 필요로 하지 않으므로 소형화가 용이하다는 이점이 있다.
본원 출원인은, 이러한 매트릭스 컨버터에 대해서, 출력측에 공진 회로를 배치함으로써, 전압과 전류 사이에 위상차를 발생시켜, 전압 또는 전류가 제로인 상태에서 스위칭을 행하는 소프트 스위칭 기술을 개시하고 있다(특허문헌 1 참조).
소프트 스위칭은, 전압이 인가되어서 전류가 흐르고 있는 상태에서 강제적으로 온/오프를 행함으로써 변환 처리를 하는 하드 스위칭과 비교하여, 스위칭 손실의 억제, 변환 효율의 저하의 억제, 반도체 디바이스에 걸리는 스트레스의 억제 등의 여러가지 효과를 예상할 수 있다.
일본 특허 공개 제2015-149857호 공보
본원 발명자 등은, 상술한 특허문헌 1에 개시한 기술을 더욱 개량하여, 전력 변환 장치에 입력되는 입력 전류의 왜곡의 억제, 전력 변환 장치로부터 출력하는 출력 전류의 맥동 억제 등의 출력의 안정화에 연결되는 제어를 과제로 하여 연구하였다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 이루어진 것이고, 스위칭 제어를 위한 연산을 다시 보고, 전력 변환 장치로부터의 출력을 안정화하는 것이 가능한 전원 제어 장치의 제공을 주된 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 전원 제어 장치를 사용한 전력 변환 시스템의 제공을 다른 목적으로 한다.
또한, 본 발명은, 본 발명에 따른 전력 변환 시스템에서 실시 가능한 전원 제어 방법의 제공을 다른 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 본원에 기재된 전원 제어 장치는, 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 각각 충방전 가능한 스너버 소자를 갖는 복수의 스위치 회로에 의해 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 장치이며, 상기 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 가급적 제어 목표에 가깝게 하기 위해 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭은, 상기 입력 전압 및 위상에 기초하여 도출되는 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거한 목표 출력 전압 파형으로부터 도출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원에 기재된 전원 제어 장치는, 다상 교류 전원의 상마다 접속되고, 각각 충방전 가능한 스너버 소자를 갖는 복수의 스위치 회로에 의해 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 장치이며, 상기 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 가급적 제어 목표에 가깝게 하기 위해 제어하는 제어 수단을 구비하고, 상기 순간 무효 전력은, 상기 입력 전압 및 위상으로부터 도출되는 목표 출력 전압 파형과 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형으로부터 도출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭은, 상기 입력 전압 및 위상 및 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율에 기초하여 계단상 파형을 도출하고, 도출한 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거하여 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 출력 전압의 진폭 및 위상 그리고 상기 공진 회로의 특성 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수에 기초하여 도출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 위상은, 상기 입력 전압 및 위상 그리고 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율에 기초하여 계단상 파형을 도출하고, 도출한 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거하여 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상 그리고 상기 공진 회로의 특성 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수에 기초하여 출력 전류의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 계단상 파형, 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수, 상기 스너버 소자의 충방전 조건, 도출한 출력 전류의 진폭, 그리고 목표 출력 전압 파형의 위상 및 출력 전류의 위상에 기초하여 도출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 위상은, 상기 계단상 파형, 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수 및 상기 스너버 소자의 충방전 조건인 정전 용량에 기초하여 도출한 제1 위상과, 목표 출력 전압 파형의 위상 및 출력 전류의 위상으로부터 도출한 제2 위상과의 위상차로부터 도출되고, 상기 제어 수단은, 상기 위상차를 0으로 하는 것을 제어 목표로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 순간 무효 전력은, 상기 입력 전압 및 위상 및 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율에 기초하여 계단상 파형을 도출하고, 도출한 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거하여 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상 그리고 상기 공진 회로의 특성 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수에 기초하여 출력 전류의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 위상 및 출력 전류의 위상, 출력 전류의 진폭, 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율, 그리고 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형에 기초하여 상기 전력 변환 장치에 입력되는 입력 전류를 도출하고, 도출한 입력 전력 그리고 상기 입력 전압 및 위상으로부터 도출되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형은 사인파인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율은, 재귀적 연산 또는 미리 설정되어 있는 설정값의 판독에 의해 얻어지는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 전원 제어 장치에 있어서, 상기 제어 수단은, 상기 순간 무효 전력을 0으로 하는 것을 제어 목표로 하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원에 기재된 전력 변환 시스템은, 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 각각 충방전 가능한 스너버 소자를 포함하는 복수의 스위치 회로에 의해, 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치와, 상기 전원 제어 장치를 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원에 기재된 전원 제어 방법은, 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 복수의 스위치 회로에 의해 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 방법이며, 상기 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 가급적 제어 목표에 가깝게 하기 위해 제어하는 것이고, 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭은, 상기 입력 전압 및 위상에 기초하여 도출되는 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거한 목표 출력 전압 파형으로부터 도출되고 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 본원에 기재된 전원 제어 방법은, 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 복수의 스위치 회로에 의해 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 방법이며, 상기 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 가급적 제어 목표에 가깝게 하기 위해 제어하는 것이고, 상기 순간 무효 전력은, 상기 입력 전압 및 위상으로부터 도출되는 목표 출력 전압 파형과 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형으로부터 도출되고 있는 것을 특징으로 한다.
본원에 기재된 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법은, 전력 변환 장치로부터의 출력을 안정화하는 것이 가능하다.
본 발명은, 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 공진 회로의 특성에 기초하여 적합한 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 도출하고, 도출한 결과를 제어 목표에 가깝게 하기 위해 전력 변환 장치를 제어한다. 이에 의해, 본 발명은 전력 변환 장치의 안정화, 예를 들어 전력 변환 장치에 입력되는 입력 전류의 왜곡의 억제, 전력 변환 장치로부터 출력하는 출력 전류의 맥동의 억제 등의 안정화에 연결시키는 것이 가능한 등, 우수한 효과를 발휘한다.
도 1은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템의 회로 구성의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.
도 2는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템에 있어서, 삼상 교류 전원의 전압 파형 및 스위칭 소자의 제어 패턴을 도시하는 설명도이다.
도 3은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템에 있어서, 전력 변환 장치의 출력 전압 및 출력 전류의 관계를 경시적으로 나타내는 그래프이다.
도 4a는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템에 있어서의 전력 변환 장치가 구비하는 스위칭 소자의 동작 상황을 경시적으로 나타내는 타임 차트이다.
도 4b는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템에 있어서의 전력 변환 장치가 구비하는 스위칭 소자의 동작 상황을 경시적으로 나타내는 타임 차트이다.
도 5는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템에 있어서의 전력 변환 장치가 구비하는 스위칭 소자 및 출력 전압 및 출력 전류의 상황을 경시적으로 나타내는 그래프이다.
도 6은, 본원에 기재된 전원 제어 장치의 처리를 개념적으로 도시하는 블록도이다.
도 7은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템이 구비하는 전력 변환 장치로부터의 출력 파형을 개략적으로 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템에 있어서, 전원 제어 장치에 입력되는 입력 전류의 실험 파형의 일례를 나타내는 그래프이다.
이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하면서 설명한다. 또한, 이하의 실시 형태는, 본 발명을 구현화한 일례이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
<전력 변환 시스템>
도 1은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템의 회로 구성의 일례를 나타내는 개략 구성도이다. 도 1에 예시하는 전력 변환 시스템(1)은, 삼상 교류 전원 등의 다상 교류 전원(10)으로부터 입력된 교류 전력을 AC-AC 변환한다. 도 1에 도시하는 전력 변환 시스템(1)에서는, 변환된 교류 전력을, 예를 들어 차량에 탑재된 이차 전지 등의 전력 부하(2)로의 충전용으로 출력하는 형태를 예시하고 있다. 전력 변환 시스템(1)으로부터 출력된 교류 전력은, 트랜스 T를 통해 비접촉 상태에서 차량측으로 출력되고, 차량측의 AC-DC 변환 장치에 의해 변환된 직류 전력으로서 전력 부하(2)로 공급된다. 또한, AC-DC 변환 장치는, 차량에 탑재되어 있어도, 차량 외에 배치되어 있어도 된다.
전력 변환 시스템(1)은, 복수의 스위치 회로를 갖는 매트릭스 컨버터(110) 및 LLC 회로 등의 공진 회로(111)를 갖는 전력 변환 장치(11), 그리고 전력 변환 장치(11)를 제어하는 전원 제어 장치(12)를 구비하고 있다.
도 1에 예시하는 매트릭스 컨버터(110)는, 6조의 스위치 회로를 갖고 있고, 각 조의 스위치 회로는, 쌍방향 스위치로서 기능한다. 입력되는 삼상 교류 전원(10)의 각 상(R상, S상, T상)에는, 각각 스위치 회로로서, 2개의 쌍방향 스위치가 병렬로 접속되어 있다. 각 쌍방향 스위치는, 2개의 스위칭 소자와, 2개의 다이오드와, 스너버 소자로서 기능하는 1개의 콘덴서(스너버 콘덴서)를 각각 구비하고 있다. 이하에서는, 스위칭 소자 S1, S2를 구비하는 스위치 회로를 예시하여 설명하지만, 스위칭 소자 S3 내지 S12를 구비하는 다른 스위치 회로에 대해서도 마찬가지이다.
스위칭 소자 S1, S2는, 역도통하지 않는 구조를 갖는 반도체 스위치이고, 절연 게이트형 바이폴라·트랜지스터(IGBT), MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) 등의 소자가 사용된다. 스위치 회로는, 2개의 스위칭 소자 S1, S2를 역병렬 접속하고 있기 때문에, 쌍방향 스위치로서 기능한다.
스너버 소자로서 기능하는 콘덴서 C1은, 역병렬 접속된 스위칭 소자 S1, S2의 콜렉터-이미터 사이에 접속되어 있다.
또한, 스위칭 소자 S1, S2의 콜렉터-베이스 사이에는, 다이오드 D1, D2(도 4a, 도 4b 등 참조)가 접속되어 있다.
스위칭 소자 S3 내지 S12를 구비하는 다른 스위치 회로도 마찬가지로, 콘덴서 C2 내지 C6 및 다이오드(도 4a, 도 4b에서, D3 내지 D6을 도시)를 구비하고 있다.
이들 6조의 스위치 회로를 갖는 매트릭스 컨버터(110)는, 삼상 교류 전원(10)의 상마다 접속되어, 각 스위칭 소자 S1, S2, …, S11, S12의 온/오프 전환에 의해, 삼상 교류 전원(10) 중 어느 2상의 상간 전압을 출력한다. 또한, R상, S상 및 T상으로 이루어지는 삼상 교류 전원(10)으로부터의 출력은, 스위칭 소자 S1 내지 S6을 사용하여 형성되는 U상측 및 스위칭 소자 S7 내지 S12를 사용하여 형성되는 V상측에 전류의 방향에 따라서 분기한다. 각 스위칭 소자 S1, S2, …, S11, S12의 온/오프 전환은, 전원 제어 장치(12)에 의해 제어된다.
공진 회로(111)는, 콘덴서 C111과, 코일 L111을 직렬로 접속하고, 또한 전력 부하(2)에 비접촉에서 접속하는 트랜스T의 1차측 코일 Lt1이 접속된 LLC회로이다. 공진 회로(111)의 공진 주파수는, 전력 변환 장치(11)로부터 출력하는 교류 전압의 주파수에 기초하여 결정되고 있다. 또한, 1차측 코일 Lt1과 함께 트랜스 T를 구성하는 2차측 코일 Lt2에는, AC-DC 변환 장치를 통해 전력 부하(2)가 접속되어 있다.
전원 제어 장치(12)는, 입력 전압 검출부(120), 연산부(121) 및 펄스 출력부(122), 그 밖에도 출력 전압 검출부(123) 등의 각종 구성을 구비하고 있다.
입력 전압 검출부(120)는, 삼상 교류 전원(10)으로부터 입력을 받는 각 상의 전압을 각각 검출하는 회로이다. 도 1에 예시하는 전력 변환 시스템(1)에서는, 각 상 R, S, T의 전압 er, es, et를 각각 검출하고, 연산부(121)에 입력 전압 E, 그리고 위상 θr, θs, θt로서 출력한다.
연산부(121)는, 입력 전압 검출부(120)가 검출한 입력 전압 및 입력 전압 위상의 초기값 입력에 기초하여, 전력 변환 장치(11)의 변환 대상으로 되는 각 상의 위상차 및 위상차에 기초하는 주파수를 도출한다. 그리고, 연산부(121)는, 도출한 위상차 및 주파수가 되도록 매트릭스 컨버터(110)를 제어하기 위해 펄스 출력부(122)에 위상차 및 주파수에 기초하는 출력값을 출력한다.
펄스 출력부(122)는, 연산부(121)로부터 출력된 출력값에 기초하여, 매트릭스 컨버터(110)의 각 스위칭 소자 S1, S2, …, S11, S12를 제어하기 위해, PWM 펄스 신호를 생성하고, 생성한 PWM 펄스 신호를 매트릭스 컨버터(110)로 출력한다.
연산부(121)에 의한 연산 및 연산 결과에 기초하는 각 스위칭 소자 S1, S2, …, S11, S12의 제어 상세에 대해서는 후술한다.
이러한 전원 제어 장치(12)는, 연산부(121)에 의해, 장치 전체가 제어되어 동작한다. 또한, 연산부(121)는, VLSI, LSI 등의 논리 회로를 사용한 하드웨어로서 실현해도 되고, 플래시 메모리 등의 기록 회로 및 기록 회로에 기록된 컴퓨터 프로그램을 실행하는 CPU 등의 제어 회로로서 실현해도 되고, 또한 이들을 적절히 조합하여 실현해도 된다. 즉, 전원 제어 장치(12)는, 논리 회로가 탑재된 제어 기판, 본원에 기재된 전원 제어 방법을 실현하는 전원 제어 프로그램이 기록되고, 그 전원 제어 프로그램을 실행하는 컴퓨터 등의 양태로 구성된다.
<제어 방법>
도 2는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)에 있어서, 삼상 교류 전원(10)의 전압 파형 및 스위칭 소자의 제어 패턴을 도시하는 설명도이다. 도 2의 (a)는, 횡축에 시간을 취하고, 종축에 입력 전압 Vin의 전압값을 취하여, 삼상 교류 전원(10)으로부터 출력된 각 상의 전압값의 경시 변화를 나타내고 있다. 각 상의 전압 파형 er, es, et는, 위상이 2/3π(120°)씩 어긋나 있다. 전원 제어 장치(12)는, 각 상의 전압 대소 관계로 분류한 6패턴의 구간(도 2에 도시하는 A 내지 F의 구간)마다, 그 구간에 따른 제어 패턴으로 전력 변환 회로의 6조의 스위치 회로의 상태(스위칭 소자 S1 내지 S12의 온/오프 상태)를 제어한다.
도 2의 (b)는, 횡축에 개념적인 시간을 취하여, 스위칭 소자 S1 내지 S12의 제어 패턴 및 출력 전압 Vout의 전압값의 경시 변화를 나타내고 있다. 또한, 횡축은, 설명의 편의상, 개념적인 시간으로서, 시각 T1 내지 T6 내지 다음 주기의 각 구간을 등분하여 나타내고 있지만, 각 구간의 시간 간격은 반드시 일정하지 않다. 또한, 도 2의 (b)에 나타내는 제어 패턴은, 도 2의 (a)에 나타낸 구간 D에 있어서의 스위칭 소자 S1 내지 S12의 제어 패턴을 나타내고 있다. 또한, 도 2에 있어서, 스위칭 소자 S1 내지 S12의 경시 변화 중 온으로 되는 구간을 사선으로 나타내고 있다.
전원 제어 장치(12)는, 스위칭 소자 S1 내지 S12의 온/오프 전환을 반복하여 행함으로써, 전력 변환 장치(11)로부터 출력되는 상간 전압이 도 2에 도시한 바와 같이 주기적으로 변화한다.
도 3은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)에 있어서, 전력 변환 장치(11)의 출력 전압 및 출력 전류의 관계를 경시적으로 나타내는 그래프이다. 도 3은, 횡축에 시간을 취하고, 좌측에 나타내는 종축에 출력 전압 Vout를 취하고, 우측에 나타내는 종축에 출력 전류 Iout를 취하여, 출력 전압 Vout 및 출력 전류 Iout의 경시 변화를 나타내고 있다. 또한, 출력 전류 Iout는, 도 1을 예시하여 설명한 전력 변환 장치(11)에 있어서, 스위칭 소자 S1 내지 S6을 사용하여 형성되는 스위치 회로로부터 전력 부하(2)측으로 출력되는 U상의 전류를 나타내고 있다. 도 3에 도시한 바와 같이, 출력 전압 Vout는 계단상의 파형을 나타내는 계단상 파로서 출력된다. 계단상 파로서 출력되는 출력 전압 Vout는, 시각 T1에서 반전되고, 시각 T2에서, 최후의 상승이 일어나 최대로 된다. 또한, 출력 전압 Vout는, 시각 T3 내지 T5 사이에서 단계적으로 내려가, 시각 T4에서 반전되고, 시각 T5에서 최소로 된다(소위, 하강의 최후로 된다). 또한, 전력 변환 장치(11)는, 공진 회로(111)를 구비하고 있기 때문에, 출력 전류 Iout의 위상은, 출력 전압 Vout의 위상보다, 위상 θ에 상당하는 시간 분의 지연이 발생한다. 또한, 본원에서는, 부로부터 정으로의 반전이 발생하는 시각 T1을 기준으로 위상을 정의한다.
도 4a 및 도 4b는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)에 있어서의 전력 변환 장치(11)가 구비하는 스위칭 소자 S1 내지 S6의 동작 상황을 경시적으로 나타내는 타임 차트이다. 또한, 도 5는, 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)에 있어서의 전력 변환 장치(11)가 구비하는 스위칭 소자 S1 내지 S4 그리고 출력 전압 및 출력 전류의 상황을 경시적으로 나타내는 그래프이다. 도 4a 및 도 4b 그리고 도 5는, 도 2 및 도 3에 예시한 R상으로부터 S상으로 전환되는 시각 T5 이후의 제어의 상황을 t1 내지 t4의 구간에 세분화하여 나타내고 있다. 또한, 도 4a 및 도 4b는, 도 4a의 (a), 도 4a의 (b), 도 4a의 (c), 도 4b의 (a), 도 4b의 (b)가 순서대로 스위칭 소자의 전환이 행하여진다. 도 5에 도시하는 Vcr은, 스위칭 소자 S1, S2의 콜렉터-이미터 사이에 접속된 콘덴서 C1의 양단 전압이고, Vcs는, 스위칭 소자 S3, S4의 콜렉터-이미터 사이에 접속된 콘덴서 C2의 양단 전압이다. 또한, Ir은 R상을 흐르는 전류이며, Is는, S상을 흐르는 전류이다. 또한, 실제로는, R상 및 S상을 흐르는 전류는, 스위칭 상태가 변화되지 않는 상태에 있어서도 일정하지 않고 변동하지만, 도 5에서는, 이해를 용이하게 하기 위해서, 전류가 흐르고 있고, 또한 스위칭이 변화하지 않는 상태에서는 일정한 것으로서 개념적인 도시로 하고 있다.
먼저, 전원 제어 장치(12)는, 도 2 및 도 3에 도시한 시각 T5가 된 직후의 t1에 있어서, 스위칭 소자 S4를 오프 상태로부터 온 상태로 전환한다(도 4a의 (a)→도 4a의 (b)). 이 스위칭 소자 S4의 상태 전환 시에는, 전류가 S상을 흐르지 않고 있으므로(Is=0), t1에 있어서의 스위칭 소자 S4의 상태 전환이 제로 전류 시퀀스(ZCS)로 행하여진다. 즉, t1에 있어서의 스위칭 소자 S4의 상태 전환은, 소프트 스위칭으로 행하여진다.
이어서, 전원 제어 장치(12)는, t2에 있어서, 스위칭 소자 S2를 온 상태로부터 오프 상태로 전환한다(도 4a의 (b)→도 4a의 (c)). 이 스위칭 소자 S2의 상태 전환 시에는, 콘덴서 C1의 양단 전압이 0V이므로, t2에 있어서의 스위칭 소자 S2의 상태 전환이 제로 전압 시퀀스(ZVS)로 행하여진다. 즉, t2에 있어서의 스위칭 소자 S2의 상태 전환은, 소프트 스위칭으로 행하여진다. 또한, 스위칭 소자 S2를 오프 상태로 함으로써, 콘덴서 C1의 충전이 개시되어, S상의 전류 Is가 흐르기 시작한다. 또한, 스위칭 소자 S2를 전환한 t2의 직후는, 충전이 개시되는 콘덴서 C1에서 접속됨으로써, 일시적으로 양쪽에 전류가 흐르게 된다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이, t2의 직후는 콘덴서 C1의 충전 및 콘덴서 C2의 방전이 완료될 때까지, R상의 전류 Ir과 S상의 전류 Is로 전류가 나뉘게 된다.
전원 제어 장치(12)는, t3에 있어서, 스위칭 소자 S3을 오프 상태로부터 온 상태로 전환한다(도 4a의 (c)→도 4b의 (a)). 이 스위칭 소자 S3의 상태 전환 시에는, 콘덴서 C2의 양단 전압이 0V이므로, t3에 있어서의 스위칭 소자 S3의 상태 전환이 제로 전압 시퀀스(ZVS)로 행하여진다. 즉, t3에 있어서의 스위칭 소자 S3의 상태 전환은, 소프트 스위칭으로 행하여진다.
또한, 콘덴서 C1 내지 C6의 용량은, 공진 회로(111)의 공진 주파수 및 전력 부하(2)의 크기에 기초하여, t1 내지 t3까지 사이에 방전을 완료하고, t2 내지 t3까지 사이에 충전을 완료하는 크기로 설정되어 있다.
전원 제어 장치(12)는, t4에 있어서, 스위칭 소자 S1을 온 상태로부터 오프 상태로 전환한다(도 4b의 (a)→도 4b의 (b)). 이 스위칭 소자 S1의 상태 전환 시에는, 전류가 R상을 흐르지 않고 있으므로(Ir=0), t4에 있어서의 스위칭 소자 S4의 상태 전환이 제로 전류 시퀀스(ZCS)로 행하여진다. 즉, t4에 있어서의 스위칭 소자 S1의 상태 전환은, 소프트 스위칭으로 행하여진다.
이와 같이, 전력 변환 장치(11)의 전류 동작에 관한 스위칭 소자 S1 내지 S12의 상태 전환이, 모두 소프트 스위칭으로 행하여지고, 하드 스위칭으로 행하여지는 일은 없다. 이러한 전력 변환 장치(11)로서는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2015-149857호 공보에서 상세하게 설명한 기술을 적용하는 것이 가능하다.
<제어 및 각종 연산>
이어서, 본원에 기재된 전원 제어 시스템에 있어서, 소프트 스위칭을 실행하고, 전력 변환 장치(11)에 입력되는 입력 전류의 왜곡의 억제, 전력 변환 장치(11)로부터 출력하는 출력 전류의 맥동의 억제 등의 안정화를 실현하고, 또한 입력의 역률을 향상시키기 위한 제어 및 그를 위한 각종 연산에 대하여 설명한다.
입력 전류의 왜곡의 억제는, 전력 변환 장치(11)로부터 출력하는 출력 전류가 사인파라고 가정한 목표 출력 전류 파형에 기초하는 제어에 의해 실현한다. 또한, 출력 전류의 맥동의 억제는, 전력 변환 장치(11)로부터 출력하는 출력 전압의 목표를, 계단상 파형인 출력 전압 파형을 푸리에 급수 전개하고, 고차 성분을 제거하여 얻어진 출력 전압의 기본파 파형(목표 출력 전압 파형)으로 한 제어에 의해 실현한다.
도 6은, 본원에 기재된 전원 제어 장치(12)의 처리를 개념적으로 도시하는 블록도이다. 도 6은, 상술한 목표 출력 전류 파형 및 목표 출력 전압 파형으로 제어하기 위한 연산을 블록도로서 나타내고 있다. 전원 제어 장치(12)는, 초기 설정 또는 연산으로 얻어진 시간 비율 ζ, 입력 전압 검출부(120)의 검출에서 얻어진 입력 전압 E 및 위상 θ, 연산으로 얻어진 출력 주파수 f에 기초하여 각종 연산을 실시한다. 시간 비율 ζ는, 매트릭스 컨버터(110)가 갖는 각 스위칭 소자의 온/오프의 전환 시간 비율(스위칭 시 비율)이고, 스위칭 소자의 온/오프의 전환 비율 및 전환의 시기를 나타내고 있다. 또한, 시간 비율 ζ는, 점근적으로 수렴하는 풀이로서 재귀적 알고리즘에 의한 연산으로 도출되지만, 미리 설정한 초기 설정값을 사용하는 것도 가능하다. 출력 주파수 f는, 전원 제어 장치(12)로부터의 출력 주파수이고, 점근적으로 수렴하는 풀이로서 재귀적 알고리즘에 의한 연산으로 도출된다.
연산부(121)는, 검출에 의해 얻어진 입력 전압 E 및 위상 θ와, 재귀적인 연산 또는 미리 설정되어 있는 초기 설정값의 판독에 의해 얻어진 시간 비율 ζ와, 각 스위칭 소자의 제어 수순으로 되는 스위칭 패턴에 기초하여, 전력 변환 장치(11)로부터 계단상 파로서 출력하는 출력 전압의 파형, 즉, 출력 전압 파형을 제작한다. 또한, 스위칭 패턴은, 미리 초기값으로서 설정되어 있어도 되고, 또한, 연산에 의해 초기값 및 그 밖의 조건으로부터 도출한 연산 결과를 사용하게 해도 된다.
연산부(121)는, 계단상 파형으로서 제작한 출력 전압 파형을 푸리에 급수 전개하고, 고차 성분을 제거하여 출력 전압의 기본파 파형(목표 출력 전압 파형)을 도출한다. 또한, 연산부(121)는, 목표 출력 전압 파형에 기초하는 기본파의 진폭 I1 및 위상 φ1, 공진 회로(111)의 특성(V=Z(ω)·I), 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수 f로부터 출력 전류의 진폭 I를 도출한다.
또한, 연산부(121)는, 계단상 파형으로서 제작한 출력 전압 파형, 출력 전류의 진폭 I, 스너버 소자의 충방전 조건 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수 f에 기초하여, 최적인 전류 위상 φiopt(제1 위상)를 도출한다. 또한, 연산부(121)는, 출력 전압의 기본파로서 도출된 목표 출력 전압 파형의 위상 φ1 및 출력 전류의 위상 φiout의 합으로서 구해지는 매트릭스 컨버터(110)에 대한 출력 전류의 위상 φi(제2 위상)와, 최적인 전류 위상 φiopt의 위상차(φi-φiopt)를 도출한다.
스너버 소자의 충방전 조건에 대하여 설명한다. 도 7은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)이 구비하는 전력 변환 장치(11)로부터의 출력 파형을 개략적으로 나타내는 그래프이다. 도 7은, 횡축에 시간을 취하고, 종축에 출력값을 취하여, 출력 전압 및 출력 전류의 파형 변화를 나타내고 있다. 도 7 중, 계단상 파는, 전력 변환 장치(11)로부터 출력되는 출력 전압 Vout의 파형을 나타내고 있고, 사인파는, 전력 변환 장치(11)로부터 출력되는 U상으로부터 V상으로의 출력 전류 iuv의 파형을 나타내고 있다. 스너버 소자로서 사용되는 스너버 콘덴서는, 전류 시에 충방전을 행함으로써, 스위치 회로의 양단의 급격한 전압 변화를 억제하고 있다. 따라서, 스너버 소자가 완전히 방전할 때까지, 스위치 회로를 흐르는 출력 전류 iuv의 방향(극성)이 변화하지 않도록 제어할 필요가 있다. 즉, 도 7에서는, 출력 전류 iuv가 부로부터 정이 될 때까지, 즉, 시각 tr로부터 시각 ti에 도달할 때까지로 방전을 완료해야 한다. 구체적으로는, 하기 식 (1)로 나타내는 것처럼, 스너버 소자의 정전 용량 C의 2배 및 출력 전압의 변화 분 ΔV의 곱이, 시각 tr로부터 시각 ti까지의 출력 전류의 적분값의 절댓값보다 작다는 것이 스너버 소자의 충방전 조건으로 된다.
Figure 112019088491701-pct00001
도 6으로 되돌아가, 연산부(121)는, 재귀적인 연산 또는 초기 설정값의 판독에 의해 얻어진 시간 비율 ζ, 그리고 출력 전류의 위상 φi 및 출력 전류의 진폭 I에 기초하여, 전력 변환 장치(11)에 입력되는 입력 전류 Iin을 도출한다. 출력 전류의 위상 φi 및 출력 전류의 진폭 I는, 전술한 바와 같이 푸리에 급수 전개를 사용하여 도출한 출력 전압의 기본파의 파형(목표 출력 전압 파형)에 기초하고 있다. 또한, 연산부(121)는, 검출한 입력 전압 E 및 위상 θ, 그리고 도출한 입력 전류 Iin으로부터, 순간 전력의 벡터 이론에 기초하여, 순간 무효 전력 q를 도출한다.
이상과 같이, 연산부(121)는, 전력 변환 장치(11)의 출력 전류의 진폭 I, 위상차(φi -φiopt) 및 순시 무효 전력 q를 도출한다. 도출되는 위상차(φi-φiopt)는, 출력 전류의 위상 φi(제2 위상)와, 최적인 전류 위상 φiopt(제1 위상)의 위상차(φi-φiopt)이고, 위상차(φi-φiopt)를 0으로 하는 것이 매트릭스 컨버터(110)에 대한 제어의 목표가 된다. 또한, 위상차(φi-φiopt)는, 0으로 하는 것이 바람직하지만, 0의 근방값이어도 되고, 즉, 위상차(φi-φiopt)가 가급적 0으로 되도록 제어하면 된다. 또한, 도출되는 순시 무효 전력 q에 대해서는, q=0으로 하는 것이 매트릭스 컨버터(110)의 제어 목표가 된다. 또한, 순간 무효 전력=0으로 하는 것이 바람직하지만, 0의 근방값, 즉, 가급적 0으로 되도록 제어하면 된다. 순간 무효 전력 q를 가급적 0으로 함으로써, 입력의 역률을 최고로, 즉, 가급적 1이 되도록 제어하게 된다. 도출된 출력 전류의 진폭 I, 위상차(φi-φiopt) 및 순시 무효 전력 q는, 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ의 도출에 사용되는 변수로 된다.
그리고, 연산부(121)는, 도출한 출력 전류의 진폭 I, 위상차(φi -φiopt) 및 순시 무효 전력 q에 기초하여, 이들의 변수가 가급적 목표값으로 되도록 제어하기 위해 출력 주파수 f 및 시간 비율(스위칭시 비율) ζ를 도출한다. 출력 전류의 진폭 I, 위상차(φi -φiopt) 및 순시 무효 전력 q에 기초하는 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ의 도출은, 도 6을 사용하여 예시한 바와 같이, 재귀적 알고리즘에 의한 연산을 반복하여 실행함으로써 점근적으로 수렴하는 풀이로서 도출한다. 재귀적인 연산의 결과, 예를 들어 입력 전압 위상 θ의 초기값과 최종값의 차가 소정값 이하로 될 때까지 수렴한 경우에, 연산부(121)는, 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ를 재귀적으로 연산하는 도출 처리를 종료한다. 또한, 시간 비율 ζ에 대해서는, 미리 설정되어 있는 설정값을 판독하게 해도 된다. 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ를 도출한 연산부(121)는, 도출한 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ로 되도록 매트릭스 컨버터(110)의 각 스위치 회로를 제어하기 위해, 펄스 출력부(122)로 출력값을 출력한다.
펄스 출력부(122)는, 연산부(121)로부터 출력된 출력값에 기초하여 전력 변환 장치(11)의 매트릭스 컨버터(110)를 제어한다. 또한 제어 목표로 되는 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ의 도출 시에, 순간 무효 전력 q가 가급적 0으로 되도록 연산이 행하여진다. 즉, 역률이 가급적 1로 되는 제어 목표에 기초하여 전력 변환 장치(11)의 매트릭스 컨버터(110)는 제어된다.
이상과 같이, 연산부(121)는, 입력 전압 E 및 위상 θ 등의 각종 정보에 기초하여, 전력 변환 장치(11)의 출력 전류의 진폭 I, 위상차(φi -φiopt) 및 순시 무효 전력 q를 도출하고, 도출 결과를 가급적 제어 목표에 접근하도록 제어하기 위해, 전력 변환 장치(11)의 매트릭스 컨버터(110)를 제어한다. 그리고, 매트릭스 컨버터(110)의 동작을 제어함으로써, 전력 변환 장치(11)는, 소프트 스위칭을 실현하고, 입력의 역률을 1 또는 가급적 1에 가깝게 하여, 전력 변환 장치(11)에 입력되는 입력 전류의 왜곡의 억제, 전력 변환 장치(11)로부터 출력하는 출력 전류의 맥동의 억제 등의 안정화를 실현한다.
<실험 결과>
다음으로 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)에 있어서, 전원 제어 장치(12)에 의해 제어되는 전력 변환 장치(11)의 출력을 실험한 결과에 대하여 설명한다. 도 8은, 본원에 기재된 전력 변환 시스템(1)에 있어서, 전원 제어 장치(12)에 입력되는 입력 전류의 실험 파형의 일례를 나타내는 그래프이다. 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는, 횡축에 시간을 취하고, 종축에 전류값을 취하여, 삼상 교류의 각 상의 입력 전류의 경시 변화를 나타내고 있다. 또한, 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)는, 도시의 사정상, 전류의 진폭의 상하한을 추출하고, 외형으로서 나타내고 있다. 도 8의 (a)는, 도 6을 사용하여 설명한 전력 변환 장치(11)로부터 출력되는 출력 전류를 사인파라고 가정한 목표 출력 전류 파형에 기초하여 제어한 결과를 나타내고 있다. 도 8의 (b)는, 비교용의 실험이고, 출력 전류를 방형파라고 가정한 목표 출력 전류 파형에 기초하여 제어한 결과를 나타내고 있다. 도 8의 (a) 및 도 8의 (b)를 비교하면 명백한 바와 같이, 출력 전류를 사인파라고 가정함으로써, 입력 전류의 왜곡이 억제되고 있다.
또한, 다른 실험에서는, 주파수를 일정하게 한 종래의 소프트 스위칭에 의한 제어와 비교하여, 전체 고조파 왜곡의 억제 등의 안정화에 관한 효과가 얻어지는 것도 판명되었다.
본 발명은, 이상 설명한 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 다른 다양한 형태로 실시하는 것이 가능하다. 그 때문에, 상술한 실시 형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 한정적으로 해석하면 안된다. 본 발명의 범위는 청구범위에 의해 나타내는 것으로서, 명세서 본문에는, 하등 구속되지 않는다. 또한, 청구범위의 균등 범위에 속하는 변형이나 변경은, 모두 본 발명의 범위 내의 것이다.
예를 들어, 상기 실시 형태에서는, 전력 변환 시스템(1)으로부터 출력하는 교류 전력을 직류로 변환하는 형태를 예시했지만, 직류로 변환하는 일 없이, 교류 전력으로서 사용하게 해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 출력 전압 파형으로부터 푸리에 급수 전개에 기초하여 도출한 기본파의 파형을 사용하는 형태를 나타냈지만, 이러한 기본파에 한하지 않고, 사다리꼴파 등의 다른 교류 파형이어도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 출력 전류의 진폭이 제어 목표에 접근하도록 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ를 도출하는 형태를 나타냈지만, 연산 방법을 적절히 수정함으로써, 출력 전압의 진폭을 출력 전류의 진폭에 대체하여 사용하는 것도 가능하다. 따라서, 본 발명은, 출력 전류의 진폭에 대체한 출력 전압의 진폭이 제어 목표에 접근하도록 출력 주파수 f 및 시간 비율 ζ를 도출하도록 해도 된다.
또한, 상기 실시 형태에서는, 전원 제어 장치(12)에서 각종 연산을 실행하는 형태를 나타냈지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 미리 각종 연산을 실행해 두고, 실행한 결과에 기초해서 제작된 제어 테이블을 전원 제어 장치(12)에 기록해 두고, 전원 제어 장치(12)가, 얻어진 입력 전압 등의 정보로부터 제어 테이블을 참조하여, 제어 방법을 결정하도록 해도 된다.
또한, 전력 변환 장치(11)의 매트릭스 컨버터(110)에 사용되는 스위치 회로는, 쌍방향 스위치라면, 다른 회로 구성이어도 된다. 예를 들어, 환류 다이오드로서 기능하는 다이오드가 역병렬 접속된 2개의 스위칭 소자를 역방향으로 직렬 접속하고, 직렬 접속된 스위칭 소자와 병렬로 스너버 콘덴서를 접속한 회로 구성의 쌍방향 스위치를 사용하는 것도 가능하다.
1: 전력 변환 시스템
10: 다층 교류 전원(삼상 교류 전원)
11: 전력 변환 장치
110: 매트릭스 컨버터
111: 공진 회로(LLC 회로)
C1 내지 C6: 스너버 콘덴서(스너버 소자)
S1 내지 S12: 스위칭 소자
12: 전원 제어 장치
120: 입력 전압 검출부
121: 연산부
122: 펄스 출력부
123: 출력 전압 검출부
2: 전력 부하

Claims (12)

  1. 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 각각 충방전 가능한 스너버 소자를 갖는 복수의 스위치 회로에 의해 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하여, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 장치이며,
    상기 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 각각의 제어 목표에 접근하도록 제어하는 제어 수단을 구비하고,
    상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭은, 상기 입력 전압 및 위상에 기초하여 도출되는 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거한 목표 출력 전압 파형으로부터 도출되는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  2. 제1항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 순시 무효 전력은, 상기 입력 전압 및 위상으로부터 도출되는 목표 출력 전압 파형과 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형으로부터 도출되는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭은,
    상기 입력 전압 및 위상 및 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율에 기초하여 계단상 파형을 도출하고, 도출한 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거하여 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상 그리고 상기 공진 회로의 특성 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수에 기초하여 도출되는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 위상은,
    상기 입력 전압 및 위상 그리고 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율에 기초하여 계단상 파형을 도출하고, 도출한 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거하여 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상 그리고 상기 공진 회로의 특성 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수에 기초하여 출력 전류의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 계단상 파형, 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수, 상기 스너버 소자의 충방전 조건, 도출한 출력 전류의 진폭, 그리고 목표 출력 전압 파형의 위상 및 출력 전류의 위상에 기초하여 도출되는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  5. 제4항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 위상은,
    상기 계단상 파형, 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수 및 상기 스너버 소자의 충방전 조건인 정전 용량에 기초하여 도출한 제1 위상과, 목표 출력 전압 파형의 위상 및 출력 전류의 위상으로부터 도출한 제2 위상의 위상차로부터 도출되고,
    상기 제어 수단은, 상기 위상차를 0으로 하는 것을 제어 목표로 하는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 순시 무효 전력은,
    상기 입력 전압 및 위상 그리고 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율에 기초하여 계단상 파형을 도출하고, 도출한 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거하여 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 진폭 및 위상 그리고 상기 공진 회로의 특성 및 재귀적으로 얻어지는 출력 주파수에 기초하여 출력 전류의 진폭 및 위상을 도출하고, 도출한 목표 출력 전압 파형의 위상 및 출력 전류의 위상, 출력 전류의 진폭, 상기 스위치 회로의 전환 시간 비율, 그리고 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형에 기초하여 상기 전력 변환 장치에 입력되는 입력 전류를 도출하고, 도출한 입력 전류 그리고 상기 입력 전압 및 위상으로부터 도출되는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  7. 제6항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형은 사인파인
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  8. 제1항 또는 제2항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 스위치 회로의 전환 시간 비율은, 재귀적 연산 또는 미리 설정되어 있는 설정값의 판독에 의해 얻어지는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  9. 제1항 또는 제2항에 기재된 전원 제어 장치이며,
    상기 제어 수단은, 상기 순시 무효 전력을 0으로 하는 것을 제어 목표로 하는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 장치.
  10. 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 각각 충방전 가능한 스너버 소자를 포함하는 복수의 스위치 회로에 의해, 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치와,
    상기 전력 변환 장치를 제어하는 제1항 또는 제2항에 기재된 전원 제어 장치
    를 구비하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 시스템.
  11. 다상 교류 전원의 상마다 접속되어, 복수의 스위치 회로에 의해 상기 다상 교류 전원으로부터의 입력을 AC-AC 변환하고, 공진 회로를 통하여 출력하는 전력 변환 장치를 제어하는 전원 제어 방법이며,
    상기 전력 변환 장치에 입력되는 다상 교류의 입력 전압 및 위상, 그리고 상기 공진 회로의 특성에 기초하여 도출되는 상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭, 출력 전류의 위상 및 순시 무효 전력을 각각의 제어 목표에 접근하도록 제어하는 것이고,
    상기 전력 변환 장치의 출력 전류의 진폭은, 상기 입력 전압 및 위상에 기초하여 도출되는 계단상 파형으로부터 고차 성분을 제거한 목표 출력 전압 파형으로부터 도출되고 있는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 방법.
  12. 제11항에 기재된 전원 제어 방법이며,
    상기 순시 무효 전력은, 상기 입력 전압 및 위상으로부터 도출되는 목표 출력 전압 파형과 주기적으로 변화하는 목표 출력 전류 파형으로부터 도출되고 있는
    것을 특징으로 하는 전원 제어 방법.
KR1020197025259A 2017-03-02 2017-11-21 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법 KR102318868B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2017039783A JP6952284B2 (ja) 2017-03-02 2017-03-02 電源制御装置、電力変換システム及び電源制御方法
JPJP-P-2017-039783 2017-03-02
PCT/JP2017/041753 WO2018159027A1 (ja) 2017-03-02 2017-11-21 電源制御装置、電力変換システム及び電源制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20190110125A KR20190110125A (ko) 2019-09-27
KR102318868B1 true KR102318868B1 (ko) 2021-10-28

Family

ID=63369892

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020197025259A KR102318868B1 (ko) 2017-03-02 2017-11-21 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법

Country Status (6)

Country Link
US (1) US10848072B2 (ko)
EP (1) EP3591828B1 (ko)
JP (1) JP6952284B2 (ko)
KR (1) KR102318868B1 (ko)
CN (1) CN110366813B (ko)
WO (1) WO2018159027A1 (ko)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7249236B2 (ja) * 2019-08-02 2023-03-30 株式会社東芝 電子回路および無線電力伝送装置
TWI802370B (zh) * 2022-04-13 2023-05-11 東元電機股份有限公司 矩陣轉換器之相位切換控制方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015149857A (ja) * 2014-02-07 2015-08-20 国立大学法人北海道大学 電力変換装置
JP2016019294A (ja) * 2014-07-04 2016-02-01 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法

Family Cites Families (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5483435A (en) * 1989-05-15 1996-01-09 Kabushiki Kaisha Toshiba Power generation system having induction generator and controlled bridge rectifier
EP1306964A1 (en) * 2001-10-29 2003-05-02 Phase Motion Control S.r.l. Control method for an AC-AC matrix converter
JP4059098B2 (ja) * 2003-02-18 2008-03-12 富士電機ホールディングス株式会社 交流−交流電力変換器のバックアップ装置
JP4423949B2 (ja) * 2003-12-03 2010-03-03 富士電機ホールディングス株式会社 交流交流直接変換装置の制御装置
JP4479292B2 (ja) * 2004-03-19 2010-06-09 富士電機ホールディングス株式会社 交流交流電力変換器の制御装置
JP5586872B2 (ja) 2009-05-07 2014-09-10 電気興業株式会社 三相単相直接電力変換器回路
JP6186357B2 (ja) * 2012-07-30 2017-08-23 東洋電機製造株式会社 電力変換器
JP5963197B2 (ja) * 2012-08-27 2016-08-03 東洋電機製造株式会社 交流交流双方向電力変換器
JP5712987B2 (ja) * 2012-09-27 2015-05-07 ダイキン工業株式会社 電力変換装置の制御方法
JP5888318B2 (ja) * 2013-12-26 2016-03-22 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ、風力発電システム、および、マトリクスコンバータの制御方法
WO2017056298A1 (ja) * 2015-10-01 2017-04-06 三菱電機株式会社 電力変換装置及びこれを用いた空気調和装置

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2015149857A (ja) * 2014-02-07 2015-08-20 国立大学法人北海道大学 電力変換装置
JP2016019294A (ja) * 2014-07-04 2016-02-01 株式会社安川電機 マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法

Also Published As

Publication number Publication date
US10848072B2 (en) 2020-11-24
CN110366813A (zh) 2019-10-22
EP3591828B1 (en) 2021-09-29
JP6952284B2 (ja) 2021-10-20
JP2018148645A (ja) 2018-09-20
CN110366813B (zh) 2021-10-29
US20200235674A1 (en) 2020-07-23
EP3591828A4 (en) 2020-07-08
WO2018159027A1 (ja) 2018-09-07
EP3591828A1 (en) 2020-01-08
KR20190110125A (ko) 2019-09-27

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Gurpinar et al. Performance analysis of SiC MOSFET based 3-level ANPC grid-connected inverter with novel modulation scheme
US10601303B2 (en) Control method and device for circuit with a bridge arm of a switch
KR102387744B1 (ko) Ac-ac 컨버터 회로
Babaei et al. New 8-level basic structure for cascaded multilevel inverters with reduced number of switches and DC voltage sources
KR102318868B1 (ko) 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법
Gulbudak et al. Model predictive control of dual-output nine-switch inverter with output filter
Wang et al. Design and implementation of interleaved Vienna rectifier with greater than 99% efficiency
KR102318118B1 (ko) 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법
Le et al. Inductance-independent nonlinearity compensation for single-phase grid-tied inverter operating in both continuous and discontinuous current mode
Zahira et al. SPWM technique for reducing harmonics in three-phase non-linear load
CN110447163B (zh) 电力变换装置
JP2019058019A (ja) 電力変換装置
Wang et al. Design process of optimal dead-time for SiC MOSFET-based three-phase six-switch rectifier
KR101842705B1 (ko) 삼각파 비교 pwm 방식을 적용한 비엔나 정류기의 스위칭 펄스 발생 장치 및 방법
Narimani et al. A comparative study of three-level DC-DC converters
Tayebi et al. Effects of circuit nonlinearities on dynamic dead time optimization for a three-phase microinverter
JP2015035869A (ja) マルチレベル電力変換装置およびマルチレベル電力変換装置の制御方法
De et al. An improved zero voltage switching SVPWM for three phase inverter
Balikci et al. Design and pspice analysis of a grid connected multilevel converter with reduced number of switches
Guo et al. Linearized Minimum Current Stress Modulation Scheme of Single-Phase Bidirectional DAB AC-DC Converters
Kanai et al. Modeling and analysis of AC-DC converter PID controller optimized with pattern search algorithm
JP6552388B2 (ja) 電流形電力変換装置の制御装置及び制御方法
Chen et al. High power density and high efficiency inverter with ripple decoupler circuit
von Zimmermann et al. P+ resonant control of a Z-source inverter for mains voltage drop compensation
Ekinoğlu Modeling and analysis of a three phase dual active bridge isolated bidirectional DC-DC converter

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right