KR20180020959A - 변환 장치 및 그 제어 방법 - Google Patents

변환 장치 및 그 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20180020959A
KR20180020959A KR1020177033236A KR20177033236A KR20180020959A KR 20180020959 A KR20180020959 A KR 20180020959A KR 1020177033236 A KR1020177033236 A KR 1020177033236A KR 20177033236 A KR20177033236 A KR 20177033236A KR 20180020959 A KR20180020959 A KR 20180020959A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
voltage
reactor
converter
bus
command value
Prior art date
Application number
KR1020177033236A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102441724B1 (ko
Inventor
유스케 시미즈
데츠오 아키타
도시아키 오쿠무라
나오키 아야이
Original Assignee
스미토모덴키고교가부시키가이샤
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 스미토모덴키고교가부시키가이샤 filed Critical 스미토모덴키고교가부시키가이샤
Publication of KR20180020959A publication Critical patent/KR20180020959A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102441724B1 publication Critical patent/KR102441724B1/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
    • H02M1/14—Arrangements for reducing ripples from dc input or output
    • 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
    • H02M1/08—Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/46—Controlling of the sharing of output between the generators, converters, or transformers
    • H02J3/50—Controlling the sharing of the out-of-phase component
    • 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
    • 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
    • H02M1/0064—Magnetic structures combining different functions, e.g. storage, filtering or transformation
    • 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
    • H02M1/44—Circuits or arrangements for compensating for electromagnetic interference in converters or inverters
    • 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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 or current, e.g. switching regulators
    • 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/02—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac
    • H02M3/04—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/10—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M3/145—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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
    • H02M3/155—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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
    • H02M3/156—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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 or current, e.g. switching regulators
    • H02M3/158—Conversion of dc power input into dc power output without intermediate conversion into ac 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 or current, e.g. switching regulators including plural semiconductor devices as final control devices for a single load
    • 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
    • H02M3/325—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
    • H02M3/335—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac using devices of a triode or a 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/53—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal 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
    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal 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, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal 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, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration
    • 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/66—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal
    • H02M7/68—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters
    • H02M7/72—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • H02M7/79—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal 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
    • H02M7/797—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output with possibility of reversal 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
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J2300/00—Systems for supplying or distributing electric power characterised by decentralized, dispersed, or local generation
    • H02J2300/20—The dispersed energy generation being of renewable origin
    • H02J2300/22—The renewable source being solar energy
    • H02J2300/24—The renewable source being solar energy of photovoltaic origin
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02J—CIRCUIT ARRANGEMENTS OR SYSTEMS FOR SUPPLYING OR DISTRIBUTING ELECTRIC POWER; SYSTEMS FOR STORING ELECTRIC ENERGY
    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/38—Arrangements for parallely feeding a single network by two or more generators, converters or transformers
    • H02J3/381—Dispersed generators
    • 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
    • H02M1/0067—Converter structures employing plural converter units, other than for parallel operation of the units on a single load
    • H02M1/007—Plural converter units in cascade
    • H02M2001/0054—
    • H02M2001/0064—
    • 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
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • H02M7/42—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal
    • H02M7/44—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters
    • H02M7/48—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode
    • 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
    • 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
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy
    • Y02E10/56—Power conversion systems, e.g. maximum power point trackers

Abstract

비절연에서의 DC/AC의 변환 장치로서, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와, DC/AC 변환부와, DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부를 구비하고, 교류 전압을 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 필터 회로, 제2 콘덴서 및 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 2개의 변환부에 대한 제어의 듀티(duty)를 결정하고, DC/DC 변환부를 제어함으로써, 직류 전압을, 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하고, DC/AC 변환부를 제어함으로써, 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시킨다.

Description

변환 장치 및 그 제어 방법
본 발명은, 트랜스를 사용하지 않는 비절연 방식으로 직류를 교류로 변환하는, 자립형 전원 장치에서의 변환 장치 및 그 제어 방법에 관한 것이다.
예컨대, 태양 전지 모듈의 출력을 상용 계통에 연계하기 위한 변환 장치(파워 컨디셔너)는, DC/DC 컨버터와, 인버터를 갖고 있다. 태양 전지 모듈의 출력은 DC/DC 컨버터로 승압되고, 평활 콘덴서가 접속된 DC 버스에 소정의 전압이 공급된다. 이 DC 버스의 전압에 기초하여, 인버터에 의해 교류 전압ㆍ전류가 출력된다(예컨대 특허문헌 1 참조).
한편, DC/DC 컨버터와, 인버터를 탑재하는 변환 장치로서, 전단의 DC/DC 컨버터로 맥류 파형의 전압을 생성하고, 이것을 후단의 인버터로 맥류 1주기마다 극성 반전시켜 교류 전압의 파형을 생성하는 기술도 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 2 참조).
또한, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 컨버터 및 교류 리액터를 포함하는 극성 전환용 인버터로 이루어진 계통 연계 인버터 장치에 있어서, 교류측의 전류 왜곡을 저감하기 위해, 직류 리액터의 전류 지령치를 연산함에 있어서, 피드 포워드적으로 중간단 콘덴서 전류를 보상하는 기술도 제안되어 있다(예컨대 특허문헌 3 참조).
일본 특허 공개 제2009-247184호 공보(도 1) 일본 특허 제5134263호 공보(도 2, 도 3) 일본 특허 공개 제2002-369544호 공보(단락[0015], [0032])
특허문헌 1에 기재된 변환 장치에서는, DC/DC 컨버터 및 인버터가 함께 항상 고주파로 스위칭을 행하고 있다. 따라서, 스위칭 손실 및 리액터의 손실이, 동작 기간의 전기간에 걸쳐 발생하고 있다. 그 때문에, 변환 효율이 충분히 높다고는 할 수 없다.
또한, 특허문헌 2에 기재된 변환 장치에서는, 후단의 인버터는 극성 반전만을 행하고 있고, 그 반전 횟수는 교류측의 상용 주파수의 2배이다. 따라서, 인버터를 고주파로 스위칭하는 특허문헌 1과 같은 변환 장치와 비교하면, 스위칭 손실이나 교류 리액터의 손실이 저감된다.
그러나, 특허문헌 2의 변환 장치에서는, 맥류 파형의 영점이, 미분 불가능한 특이점이 된다. 그 때문에, 생성된 교류 파형의 제로 크로스 부근은, 매끄럽지 않고, 파형의 왜곡이 생기는 경우가 있다.
한편, 특허문헌 3에 기재된 계통 연계 인버터에서는, 직류 리액터 전류 지령치의 연산에서, 유효 전력 성분을 (계통 전압×직류 리액터 전류 지령치)로 하고 있고, 교류 리액터의 임피던스에 의한 전압 강하는 고려되지 않았다. 또한, 무효 전력 성분을 (계통 전압×중간단 콘덴서 전류)로 하고 있다. 여기서, 중간단 콘덴서 전류의 연산에는 교류 리액터의 인덕턴스에 의한 전압 강하가 고려되었지만, 중간단 콘덴서 전류와 곱하는 전압은 계통 전압으로 하고 있고, 여기에는 교류 리액터의 임피던스에 의한 전압 강하가 고려되지 않았다. 이러한 것에 의해, 출력 전압의 위상이, 이상적인 출력 전압에 대하여 지연되고, 출력 전류에 왜곡이 생긴다. 특허문헌 3에서는 이 왜곡을 경감하기 위해, 중간단 콘덴서 전류 지령치의 진폭을 조정함으로써, 출력 전류를 정현파에 근접시켜 가는 피드백을 행하고 있다.
그런데, 이 제어 방법에서는, 중간단 콘덴서 전류의 진폭의 피드백 제어와, DC/DC 컨버터의 피드백 제어의 상호 간섭을 피하기 위한 제약이 가해진다. 특허문헌 3에는, 히스테리시스 컴퍼레이터로 직류 리액터 전류 제어를 행하는 것이 개시되어 있지만, 이 때 DC/DC 컨버터의 제어 주기는 스위칭 주기이다. 직류 콘덴서 전류의 진폭의 피드백 제어의 주기는, DC/DC 컨버터의 제어와의 간섭을 피하기 위해, 스위칭 주기보다 충분히 길게 할 필요가 있고, 그 때문에, 직류 콘덴서 전류 진폭의 피드백의 응답은 지연된다. 즉, 특허문헌 3과 같이, 출력 전류 파형을 저왜곡의 정현파로 조정하기 위해 피드백 제어를 이용하는 방법에서는, 교류 리액터 전류 지령치가 변화했을 때에 왜곡파가 흐른다.
이러한 종래의 문제점을 감안하여, 본 발명은, 직류로부터 교류로의 변환 장치에 있어서, 고주파에서의 스위칭에 따르는 손실을 억제하고, 또한, 교류 파형의 매끄러움을 실현하는 것을 목적으로 한다. 나아가, 교류 리액터 전류 지령치가 변화했을 때의 왜곡을 적게 하는 것도 목적으로 한다.
본 발명은, 직류 전원으로부터 입력되는 직류 전압을 비절연에서 교류 전압으로 변환하여 부하에 급전하는 변환 장치로서, 상기 부하와 접속되고, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와, 상기 필터 회로와 DC 버스 사이에 설치된 DC/AC 변환부와, 상기 DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와, 상기 DC 버스와 상기 직류 전원 사이에 설치되고, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부와, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부를 제어하는 제어부를 구비하고, 상기 제어부는, 상기 교류 전압을 상기 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 상기 필터 회로, 상기 제2 콘덴서 및 상기 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부에 대한 제어의 듀티(duty)를 결정하고, 상기 DC/DC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압을, 상기 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 상기 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하고, 상기 DC/AC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 상기 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시키는 변환 장치이다.
또한, 방법으로서의 본 발명은, 직류 전원으로부터 입력되는 직류 전압을 비절연에서 교류 전압으로 변환하여 부하에 급전하는 변환 장치의 제어 방법으로서, 상기 변환 장치는, 상기 부하와 접속되고, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와, 상기 필터 회로와 DC 버스 사이에 설치된 DC/AC 변환부와, 상기 DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와, 상기 DC 버스와 상기 직류 전원 사이에 설치되고, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부와, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부를 제어하는 제어부를 구비한 것이며, 상기 제어부에 의해 실행되는 변환 장치의 제어 방법은,
상기 교류 전압을 상기 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 상기 필터 회로, 상기 제2 콘덴서 및 상기 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부에 대한 제어의 듀티를 결정하는 연산 공정과, 상기 DC/DC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압을, 상기 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 상기 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하는 제1 변환 공정과, 상기 DC/AC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 상기 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시키는 제2 변환 공정을 갖고 있다.
본 발명의 변환 장치 및 그 제어 방법에 의하면, 고주파에서의 스위칭에 따르는 손실을 억제하고, 또한, 교류 파형의 매끄러움을 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시형태에 관한 변환 장치를 구비한 자립형의 전원 장치의 일례를 나타내는 단선 접속도이다.
도 2는 변환 장치의 상세한 회로도의 일례이다.
도 3은 출력 전압 지령치에 기초하여 교류 리액터 전류 지령치를 구하는 제어 블럭도이다.
도 4는 출력 전압 지령치에 기초하여 DC 버스 전압 지령치를 구하는 제어 블럭도이다.
도 5는 DC/AC 변환부의 참조파 임계치를 구하는 교류 리액터 전류 제어의 제어 블럭도이다.
도 6은 직류 리액터 전류 지령치를 구하는 제어 블럭도이다.
도 7은 DC/DC 변환부의 참조파 임계치를 구하는 직류 리액터 전류 제어의 제어 블럭도이다.
도 8은 무부하시의 주요한 파형을 나타내는 도면이다.
도 9는 교류 부하로서 저항 부하 20 Ω(소비 전력 500 W)을 접속한 경우의 주요한 파형을 나타내는 도면이다.
[실시형태의 요지]
본 발명의 실시형태의 요지로는, 적어도 이하의 것이 포함된다.
(1) 이것은, 직류 전원으로부터 입력되는 직류 전압을 비절연에서 교류 전압으로 변환하여 부하에 급전하는 변환 장치로서, 상기 부하와 접속되고, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와, 상기 필터 회로와 DC 버스 사이에 설치된 DC/AC 변환부와, 상기 DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와, 상기 DC 버스와 상기 직류 전원 사이에 설치되고, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부와, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부를 제어하는 제어부를 구비하고 있다. 그리고, 상기 제어부는, 상기 교류 전압을 상기 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 상기 필터 회로, 상기 제2 콘덴서 및 상기 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부에 대한 제어의 듀티를 결정하고, 상기 DC/DC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압을, 상기 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 상기 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하고, 상기 DC/AC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 상기 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시킨다.
상기와 같이 구성된 변환 장치에서는, DC/DC 변환부에 의해, 직류 전압이, 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환된다. 또한, DC/AC 변환부에 의해, 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 교류 전압의 절대치의 파형이 생성되고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시켜 원하는 교류 전압이 생성된다.
이와 같이 하여, 고주파에서의 스위칭에 따르는 손실을 억제하고, 또한, 교류 파형의 매끄러움을 실현하는 변환 장치를 제공할 수 있다. 또한, 예컨대 교류 리액터를 포함하는 필터 회로의 전기적인 영향을 가미하여 각 변환부의 듀티를 결정함으로써, 교류 리액터 전류 지령치가 변화했을 때에 생기는 왜곡을 억제할 수 있다.
(2) 또한, (1)의 변환 장치에 있어서, 예컨대 상기 전기적인 영향이란, 상기 교류 리액터 및 상기 직류 리액터의 각각에 의한 전압 변화, 및 상기 제1 콘덴서 및 상기 제2 콘덴서를 각각 흐르는 무효 전류이다.
이 경우, 출력 전압 지령치에 리액터의 전압 변화 및 콘덴서의 무효 전류를 고려하여, 적절한 제어를 행할 수 있다.
(3) 또한, (1)의 변환 장치에 있어서, 상기 제어부는, 적어도,
상기 출력 전압 지령치에 기초하여, 상기 제1 콘덴서에 흐르는 전류를 고려하여 교류 리액터 전류 지령치를 구하는 연산과, 상기 출력 전압 지령치에 기초하여, 상기 교류 리액터에 의한 전압 변화 및 상기 직류 리액터에 의한 전압 변화를 고려하여 상기 DC 버스 전압 지령치를 구하는 연산과, 상기 교류 리액터 전류 지령치에 기초하여, 상기 DC/AC 변환부의 참조파 임계치를 구하는 연산과, 상기 제2 콘덴서에 흐르는 전류에 의한 무효 전력 및 상기 DC/AC 변환부의 전력에 기초하여 직류 리액터 전류 지령치를 구하는 연산과, 상기 직류 리액터 전류 지령치에 기초하여 상기 DC/DC 변환부의 참조파 임계치를 구하는 연산을 실행하는 것이다.
이러한 연산을 행함으로써, 출력 전압 지령치에 각 리액터의 전압 변화 및 각 콘덴서의 무효 전류를 고려하여, 적절한 제어를 행할 수 있다.
(4) 한편 이것은, 직류 전원으로부터 입력되는 직류 전압을 비절연에서 교류 전압으로 변환하여 부하에 급전하는 변환 장치의 제어 방법으로서, 상기 변환 장치는, 상기 부하와 접속되고, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와, 상기 필터 회로와 DC 버스 사이에 설치된 DC/AC 변환부와, 상기 DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와, 상기 DC 버스와 상기 직류 전원 사이에 설치되고, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부와, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부를 제어하는 제어부를 구비한 것이다. 그리고, 상기 제어부에 의해 실행되는 변환 장치의 제어 방법은,
상기 교류 전압을 상기 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 상기 필터 회로, 상기 제2 콘덴서 및 상기 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부에 대한 제어의 듀티를 결정하는 연산 공정과, 상기 DC/DC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압을, 상기 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 상기 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하는 제1 변환 공정과, 상기 DC/AC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 상기 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시키는 제2 변환 공정을 갖고 있다.
상기와 같은 변환 장치의 제어 방법에 의하면, DC/DC 변환부에 의해, 직류 전압이, 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환된다. 또한, DC/AC 변환부에 의해, 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 교류 전압의 절대치의 파형이 생성되고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시켜 원하는 교류 전압이 생성된다.
이와 같이 하여, 고주파에서의 스위칭에 따르는 손실을 억제하고, 또한, 교류 파형의 매끄러움을 실현할 수 있다. 또한, 예컨대 교류 리액터를 포함하는 필터 회로의 전기적인 영향을 가미하여 각 변환부의 듀티를 결정함으로써, 교류 리액터 전류 지령치가 변화했을 때에 생기는 왜곡을 억제할 수 있다.
[실시형태의 상세]
<전원 장치>
이하, 실시형태의 상세에 관해, 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일실시형태에 관한 변환 장치를 구비한 자립형의 전원 장치(100)의 일례를 나타내는 단선 접속도이다. 도면에 있어서, 변환 장치(1)의 일단에는 축전지(2)가 접속되고, 타단에는 교류 부하(3)가 접속되어 있다. 이 전원 장치(100)는, 축전지(2)를 방전시켜, 그 직류 전력을 변환 장치(1)에 의해 교류 전력으로 변환하고, 교류 부하(3)에 급전한다.
축전지(2)의 전압은 예컨대 약 48 V, 교류 부하(3)의 전압은 예컨대 약 100 V이다. 단, 전압치는 이들에 한정되는 것이 아니다.
변환 장치(1)는, 주요한 구성 요소로서, 축전지(2)측에 설치된 DC/DC 변환부(10)와, 교류 부하(3)측에 설치된 DC/AC 변환부(11)와, 이들 2개의 변환부의 동작을 제어하는 제어부(12)를 구비하고 있다.
제어부(12)는 예컨대, 컴퓨터를 포함하고, 소프트웨어(컴퓨터 프로그램)를 컴퓨터가 실행함으로써, 2개의 변환부(10, 11)에 대하여 필요한 제어 기능을 실현한다. 소프트웨어는, 제어부(12)의 기억 장치(도시하지 않음)에 저장된다. 단, 컴퓨터를 포함하지 않는 하드웨어만의 회로로 제어부(12)를 구성하는 것도 가능하기는 하다.
<변환 장치>
《회로 구성》
도 2는, 변환 장치(1)의 상세한 회로도의 일례이다.
도면에 있어서, DC/DC 변환부(10)의 저전위측(도면의 좌측)에는, 전압 센서(14), 전류 센서(17) 및 평활용의 콘덴서(15)가 설치되어 있다. 전압 센서(14)는 축전지(2)와 병렬 접속되고, 축전지(2)의 양단 전압을 검출한다. 검출된 전압의 정보는 제어부(12)에 제공된다. 전류 센서(17)는 DC/DC 변환부(10)에 흐르는 전류를 검출한다. 검출된 전류의 정보는 제어부(12)에 제공된다.
DC/DC 변환부(10)는, 직류 리액터(16)와, 스위칭 소자(Q1)와, 스위칭 소자(Q2)를 구비하고, 직류 쵸퍼 회로를 구성하고 있다. 스위칭 소자(Q1, Q2)로는 예컨대, MOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor)를 사용할 수 있다. MOSFET의 스위칭 소자(Q1, Q2)는 각각, 다이오드(보디 다이오드)(d1, d2)를 갖고 있다. 각 스위칭 소자(Q1, Q2)는 제어부(12)에 의해 제어된다.
DC/AC 변환부(11)와 DC/DC 변환부(10)를 연결하는 DC 버스(18)에는 평활용의 콘덴서(19)가 접속되어 있다. 이 콘덴서(19)는 소용량(μF 레벨)이며, 고주파(예컨대 20 kHz)로 스위칭된 전압에 대하여 평활 작용을 발휘하지만, 상용 주파수의 2배 정도의 주파수(100 Hz 또는 120 Hz)에 의해 변화하는 전압에 대해서는 평활 작용을 발휘하지 않는다.
DC/AC 변환부(11)는, 풀브릿지 회로를 구성하는 스위칭 소자(Q3∼Q6)를 구비하고 있다. 이들 스위칭 소자(Q3∼Q6)는, 예컨대 MOSFET이다. MOSFET의 경우는, 스위칭 소자(Q3∼Q6)가 각각 다이오드(보디 다이오드)(d3∼d6)를 갖고 있다. 각 스위칭 소자(Q3∼Q6)는 제어부(12)에 의해 제어된다.
DC/AC 변환부(11)와 교류 부하(3) 사이에는 필터 회로(21)가 설치되어 있다. 필터 회로(21)는, 교류 리액터(22)와, 교류 리액터(22)보다 교류 부하측(도면의 우측)에 설치된 평활용의 콘덴서(23)를 구비하고 있다. 필터 회로(21)는, DC/AC 변환부(11)에서 발생하는 고주파 노이즈가 교류 부하(3)측으로 누출되지 않도록 통과를 저지하고 있다. 또한, 교류 리액터(22)에 흐르는 전류를 검출하는 전류 센서(24)가 설치되어 있다. 전류 센서(24)에 의해 검출된 전류의 정보는 제어부(12)에 제공된다.
또한, 콘덴서(23) 및 교류 부하(3)와 병렬로 전압 센서(25)가 설치되어 있다. 한편, 전류 센서(26)는, 교류 부하(3)와 변환 장치(1)를 접속하는 전기 회로에 설치되어 있다. 전압 센서(25)에 의해 검출된 전압의 정보 및 전류 센서(26)에 의해 검출된 전류의 정보는, 각각 제어부(12)에 제공된다.
《동작의 개요》
상기와 같이 구성된 변환 장치(1)는, 축전지(2)의 방전 전력에 의해 교류 부하(3)에 전력을 공급한다. 교류 1/2 사이클의 사이에, DC/AC 변환부(11) 및 DC/DC 변환부(10)가 교대로 스위칭 동작한다.
구체적으로는, 교류 1/2 사이클의 사이에, 직류 전압에 대하여 DC/DC 변환부(10)가 승압을 행하여, DC/AC 변환부(11)는 주기적인 극성 반전만을 행하는 기간과, DC/DC 변환부(10)는 입력을 그대로 통과시켜 출력하여, DC/AC 변환부(11)가 강압의 인버터 기능 및 극성 반전을 행하는 기간이 있다.
도 2에 있어서, 전술한 바와 같이, 콘덴서(19)의 용량 C_DCBUS는, DC 버스(18)의 전압을 충분히 평활화하지 않을 정도의 것으로서 예컨대 수십 μF 정도로 한다. 이 경우, 왜곡률이 작은 정현파를 출력할 수 있다. 또한, DC/DC 변환부(10) 및 DC/AC 변환부(11) 각각에 스위칭 정지 기간이 있기 때문에, 종래의 파워 컨디셔너 등의 변환 장치(예컨대 특허문헌 1)와 비교하여, 스위칭 손실이 적고, 리액터의 철손도 적어지고, 장치의 변환 효율이 향상된다. 또한, 이러한 변환 장치(1)는, 이미 알려져 있는 비절연형 변환 장치의 회로를 그대로 이용하여, 부품을 추가하지 않고 변환 효율을 향상시킬 수 있다.
《제어의 구체예》
이하, 제어부(12)에 의한 제어(제어부(12)가 실행하는 제어 방법)로서, 제어부(12)가 예컨대 프로그램의 실행에 의해 실현하는 연산 처리 기능에 관해 구체적으로 설명한다. 단, 이것은 일례이며, 이하의 처리에 한정되는 것은 아니다.
(교류 리액터 전류 지령치)
도 3은, 출력 전압 지령치에 기초하여 교류 리액터 전류 지령치 Igaci*를 구하는 제어 블럭도이다. 간략히 설명하면, 이것은, 출력 전압 지령치에 기초하여, 콘덴서(23)에 흐르는 전류를 고려하여 교류 리액터 전류 지령치를 구하는 연산이다.
도면에 있어서, 출력 전압 지령치를 Sinwave(정현파)=Vsin(ωt)로 하고, 출력 전압 검출치 Vgaco에 로우패스 필터링을 한 것을 Vgaco_lpf로 한다. 로우패스 필터링을 하는 이유는, 출력 전압이 어떠한 요인에 의해 진동하면 출력 전압 검출치도 당연히 진동하고, 그 진동 성분이 제어를 불안정하게 하기 때문에, 출력 전압 검출치를 어느 정도 저감시키기 위해서이다. 로우패스 필터의 컷오프 주파수는 예컨대 1 kHz이다.
다음으로, 출력 전압 지령치 Sinwave와 출력 전압 검출치 Vgaco_lpf의 차분을 PI 보상기에 입력하여 Igac_pi를 산출한다. 그리고 출력 전류 검출치 Igaco에 예컨대 컷오프 주파수 60 Hz의 로우패스 필터링을 한 것을 Igaco_lpf로 한다. 그리고, Igac_pi에 Igaco_lpf를 더하여, 교류 리액터 전류 지령치 Igaci*를 산출한다. 출력 전류 검출치에 로우패스 필터링을 한 것은 Vgaco_lpf의 경우의 이유와 동일하다.
(DC 버스 전압 지령치)
도 4는, 출력 전압 지령치에 기초하여 DC 버스 전압 지령치 Vomax*를 구하는 제어 블럭도이다. 간략히 설명하면, 이것은, 출력 전압 지령치에 기초하여, 교류 리액터(22)에 의한 전압 변화 및 직류 리액터(16)에 의한 전압 변화를 고려하여 DC 버스 전압 지령치를 구하는 연산이다.
도면의 좌측 아래의 점선으로 둘러싼 부분은, 교류 리액터(22)의 인덕턴스 L_AC에 의한 전압 변화를 구하는 블록이다. 여기서, 교류 리액터(22)의 인덕턴스 L_AC에 의한 전압 변화로서,
V_acl=(Igaci*-Igaci*0)×L_ACL×F_SW를 구한다. 그 전압 변화에 대하여, 이후에 설명하는 직류 리액터(16)의 전류 제어에서의 제어를 안정화시키기 위해 V_acl의 제어 주기마다의 값을 여러 주기분 이동 평균하여, V_acl_movingave를 구한다.
그리고, 출력 전압 지령치 Sinwave와 V_acl_movingave를 모두 더해서, DC/AC 변환부 전압 지령치 Vgaco*를 산출한다. 또, 여기서는, 교류 리액터(22)의 저항 성분 R_ACL에 의한 전압 강하를 고려하지 않지만, 고려하는 경우는, Vgaco*을 산출할 때에 Igaci×R_ACL을 더하면 된다.
다음으로 중간 콘덴서의 충방전 전력을 고려하지 않은 근사를 한 직류 리액터 전류 지령치의 근사치 Igdc*_approx를 구한다. 직류 전원 전압 검출치를 Vgdc로서,
Igdc*_approx=Igaci*×Vgaco*/Vgdc
가 된다. 그리고, 도 4의 우측의 점선으로 둘러싼 부분에 나타낸 바와 같이, 직류 리액터의 인덕턴스 L_DCL에 의한 전압 변화로서,
V_dcl=(Igdc*_approx-Igdc*_approx0)×L_DCL×F_SW
를 구하고, 그 이동 평균치 V_dcl_movingave를 구한다.
그리고, 직류 전원 전압 검출치 Vgdc로부터 V_dcl_movingave를 뺀 (Vgdc-V_dcl_movingave)와, DC/AC 변환부 전압 지령치 Vgaco*의 절대치 |Vgaco*|와 비교하여, 값이 큰 쪽을 DC 버스 전압 지령치 Vomax*로 한다(도 4의 우측 위).
또, 직류 리액터(16)의 저항 성분 R_DCL에 의한 전압 강하를 고려하는 경우는 Vgdc-V_dcl_movingave의 부분이 Vgdc-V_dcl_movingave-Igdc*approx×R_DCL이 된다.
(전환 플래그)
여기서, DC/DC 변환부(10)와 DC/AC 변환부(11)의 스위칭 전환 플래그 sw_flag를 이하와 같이 생각한다.
Vgdc-V_dcl_movingave>Vomax*이면,
sw_flag=1 (DC/AC 변환부(11)의 강압 스위칭 동작)
Vgdc-V_dcl_movingave≤Vomax*이면,
sw_flag=0 (DC/DC 변환부(10)의 승압 스위칭 동작)
이와 같이 sw_flag를 정하고, 이것을, 이후에 설명하는 교류 리액터 전류 제어 및 직류 리액터 전류 제어에 있어서 이용한다. sw_flag=1일 때에는 DC/AC 변환부(11)만이 스위칭 동작(고주파 스위칭 동작)하는 기간이고, sw_flag=0일 때에는 DC/DC 변환부(10)만이 스위칭 동작하는 기간이다.
(교류 리액터 전류 제어)
도 5는, DC/AC 변환부(11)의 참조파 임계치 th_inv를 구하는 교류 리액터 전류 제어의 제어 블럭도이다. 간략히 설명하면, 이것은, 교류 리액터 전류 지령치에 기초하여, DC/AC 변환부(11)의 참조파 임계치(제어의 듀티)를 구하는 연산이다.
도면에 있어서, 교류 리액터 전류 지령치 Igaci*와 교류 리액터 전류 검출치 Igaci의 차분을 PI 보상기에 입력하여 얻은 Vgac_pi에 출력 전압 지령치 Sinwave를 더한다. 이 가산치를 DC 버스 전압 지령치 Vomax*로 나눔으로써 DC/AC 변환부(11)의 참조파 임계치 th_inv를 결정한다.
(직류 리액터 전류 지령치)
도 6은, 직류 리액터 전류 지령치 Igdc*를 구하는 제어 블럭도이다. 간략히 설명하면, 이것은, 콘덴서(19)에 흐르는 전류에 의한 무효 전력 및 DC/AC 변환부(11)의 전력에 기초하여 직류 리액터 전류 지령치를 구하는 연산이다.
도면의 점선으로 둘러싼 부분은, DC 버스(18)의 콘덴서(19)에 흐르는 전류를 구하는 제어 블록이다. 여기서, DC 버스(18)의 콘덴서(19)에 흐르는 전류 I_dcbus는,
I_dcbus=(Vomax*-Vomax*0)×C_DCBUS×F_SW
가 된다.
DC 버스(18)의 콘덴서(19)에 흐르는 무효 전력 P_dcbus는,
P_dcbus=I_dcbus×Vomax*
이 된다. 출력 전력 지령치 P_ac는,
P_ac=Igaci*×Vgaco*
이다. P_dcbus와 P_ac를 더한 것을 (Vgdc-V_dcl_movingave)로 나누어, 직류 리액터 전류 지령치 Igdc*를 산출한다.
(직류 리액터 전류 제어)
도 7은, DC/DC 변환부(10)의 참조파 임계치 th_cnv를 구하는 직류 리액터 전류 제어의 제어 블럭도이다. 간략히 설명하면, 이것은, 직류 리액터 전류 지령치에 기초하여 DC/DC 변환부(10)의 참조파 임계치(제어의 듀티)를 구하는 연산이다.
도면에 있어서, 직류 리액터 전류 지령치 Igdc*와 직류 리액터 전류 검출치 Igdc의 차분을 PI 보상기에 입력하고, 직류 전원 전압 검출치 Vgdc를 더하고, DC 버스 전압 지령치 Vomax*로 나눔으로써 DC/DC 변환부(10)의 참조파 임계치 th_cnv를 결정한다.
이상의 제어 방법을 이용했을 때의 실회로에서의 동작 결과를 이하에 나타낸다.
동작 조건은,
직류 전원 전압 : 52 V
스위칭 주파수 : 20 kHz
출력 전압 지령치 : 101 V
이다.
(오실로스코프에 의한 파형도)
도 8은, 무부하시의 주요 파형을 나타내는 도면이다. 각 파형의 명칭은,
(a) DC 버스 전압,
(b) 출력 전압,
(c) DC/AC 변환부(11)에서의 스위칭 소자(Q3, Q6)의 게이트 전압,
(d) DC/AC 변환부(11)에서의 스위칭 소자(Q4, Q5)의 게이트 전압,
(e) DC/DC 변환부(10)에서의 스위칭 소자(Q2)의 게이트 전압,
이다.
(a)에 나타낸 바와 같이, DC 버스 전압 파형은, 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치(0이 아님)로서의 직류 전압의 기간을 교대로 갖는다. 맥류 파형의 기간은, (e)에 나타낸 바와 같이, DC/DC 변환부(10)에 의한 승압이 행해지고 있다. 그리고, (c), (d)에 나타내는 DC/AC 변환부(11)의 스위칭에 의해, DC 버스 전압 파형의 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 교류 전압의 절대치의 파형으로의 변환이 행해진다. 또한, DC/AC 변환부(11)에 의해, 맥류 1주기마다 극성을 반전시킨다.
(b)에 나타낸 바와 같이, 출력 전압은 매끄러운 정현파상으로 되어 있다.
DC/AC 변환부(11)의 스위칭(고주파에서의 스위칭)은, 출력 전압이 직류 전원 전압 이하인 기간에 행해지고, 그 밖의 기간에는 게이트 전압이 온 또는 오프로 되어 있어 스위칭이 행해지지 않았다.
DC/DC 변환부(10)의 스위칭은 출력 전압이 직류 전원 전압 이상인 기간에 행해지고, 그 밖의 기간에는 행해지지 않았다. DC/AC 변환부(11) 및 DC/DC 변환부(10)의 스위칭 기간은 겹치지 않는다(단, 약간 겹쳐도 문제는 없다).
스위칭 정지 기간이 있기 때문에 전체적으로 스위칭 손실이 적고, 교류 리액터(22) 및 직류 리액터(16)에서의 철손도 적다. 출력 전압 실효치는 101.9 V, 출력 전압 왜곡률은 허용 범위 내인 3.5%이다.
도 9는, 교류 부하(3)로서 저항 부하 20 Ω(소비 전력 500 W)을 접속한 경우의 주요 파형을 나타내는 도면이다. 각 파형의 명칭은 도 8과 동일하다.
(b)에 나타낸 바와 같이, 출력 전압은 매끄러운 정현파상으로 되어 있다. 또한, 무부하시와 마찬가지로, DC/DC 변환부(10) 및 DC/AC 변환부(11)의 각각에 스위칭 정지 기간이 있다. 출력 전압 실효치는 101.3 V, 출력 전압 왜곡률은 허용 범위 내인 3.3%이다.
《제어의 정리》
이상의 제어의 구체예에 나타낸 바와 같이, 제어부는 이하의 동작(공정)을 실행하고 있다. 즉,
(a) 교류 전압을 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치(Sinwave)에, 필터 회로(21), 콘덴서(19) 및 직류 리액터(16)의 전기적인 영향을 가미하여, DC/AC 변환부(11) 및 DC/DC 변환부(10)에 대한 제어의 듀티를 결정하는 것(연산 공정),
(b) DC/DC 변환부(10)를 제어함으로써, 직류 전압을, 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하는 것(제1 변환 공정), 및
(c) DC/AC 변환부(11)를 제어함으로써, 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시키는 것(제2 변환 공정)이다.
이러한 동작(공정)을 실행하는 변환 장치 및 그 제어 방법에서는, DC/DC 변환부(10)에 의해, 직류 전압이, 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환된다. 또한, DC/AC 변환부(11)에 의해, 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 교류 전압의 절대치의 파형이 생성되고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시켜 원하는 교류 전압이 생성된다. 이와 같이 하여, 고주파에서의 스위칭에 따르는 손실을 억제하고, 또한, 교류 파형의 매끄러움을 실현하는 변환 장치(1)를 제공할 수 있다. 또한, 예컨대, 교류 리액터(22)를 포함하는 필터 회로(21)의 전기적인 영향을 가미하여 각 변환부(10, 11)의 듀티를 결정함으로써, 교류 리액터 전류 지령치가 변화했을 때에 생기는 왜곡을 억제할 수 있다.
《기타》
이번에 개시된 실시형태는 모든 점에서 예시이며 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 특허청구범위에 의해 제시되며, 특허청구범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 변환 장치 2 : 축전지
3 : 교류 부하 10 : DC/DC 변환부
11 : DC/AC 변환부 12 : 제어부
14 : 전압 센서 15 : 콘덴서
16 : 직류 리액터 17 : 전류 센서
18 : DC 버스 19 : 콘덴서
21 : 필터 회로 22 : 교류 리액터
23 : 콘덴서 24 : 전류 센서
25 : 전압 센서 26 : 전류 센서
100 : 전원 장치 d1∼d6 : 다이오드
Q1∼Q6 : 스위칭 소자

Claims (4)

  1. 직류 전원으로부터 입력되는 직류 전압을 비절연에서 교류 전압으로 변환하여 부하에 급전하는 변환 장치로서,
    상기 부하와 접속되고, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와,
    상기 필터 회로와 DC 버스 사이에 설치된 DC/AC 변환부와,
    상기 DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와,
    상기 DC 버스와 상기 직류 전원 사이에 설치되고, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부와,
    상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부를 제어하는 제어부
    를 포함하고,
    상기 제어부는, 상기 교류 전압을 상기 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 상기 필터 회로, 상기 제2 콘덴서 및 상기 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부에 대한 제어의 듀티(duty)를 결정하고, 상기 DC/DC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압을, 상기 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 상기 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하고, 상기 DC/AC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 상기 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시키는 것인, 변환 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 전기적인 영향은, 상기 교류 리액터 및 상기 직류 리액터의 각각에 의한 전압 변화, 및 상기 제1 콘덴서 및 상기 제2 콘덴서를 각각 흐르는 무효 전류인 것인, 변환 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제어부는, 적어도,
    상기 출력 전압 지령치에 기초하여, 상기 제1 콘덴서에 흐르는 전류를 고려하여 교류 리액터 전류 지령치를 구하는 연산과,
    상기 출력 전압 지령치에 기초하여, 상기 교류 리액터에 의한 전압 변화 및 상기 직류 리액터에 의한 전압 변화를 고려하여 상기 DC 버스 전압 지령치를 구하는 연산과,
    상기 교류 리액터 전류 지령치에 기초하여, 상기 DC/AC 변환부의 참조파 임계치를 구하는 연산과,
    상기 제2 콘덴서에 흐르는 전류에 의한 무효 전력 및 상기 DC/AC 변환부의 전력에 기초하여 직류 리액터 전류 지령치를 구하는 연산과,
    상기 직류 리액터 전류 지령치에 기초하여 상기 DC/DC 변환부의 참조파 임계치를 구하는 연산
    을 실행하는 것인, 변환 장치.
  4. 직류 전원으로부터 입력되는 직류 전압을 비절연에서 교류 전압으로 변환하여 부하에 급전하는 변환 장치의 제어 방법으로서,
    상기 변환 장치는, 상기 부하와 접속되고, 교류 리액터 및 제1 콘덴서를 포함하는 필터 회로와, 상기 필터 회로와 DC 버스 사이에 설치된 DC/AC 변환부와, 상기 DC 버스에 접속된 제2 콘덴서와, 상기 DC 버스와 상기 직류 전원 사이에 설치되고, 직류 리액터를 포함하는 DC/DC 변환부와, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부를 제어하는 제어부를 포함하며,
    상기 제어부에 의해 실행되는 변환 장치의 제어 방법은,
    상기 교류 전압을 상기 부하에 공급하기 위한 출력 전압 지령치에, 상기 필터 회로, 상기 제2 콘덴서 및 상기 직류 리액터의 전기적인 영향을 가미하여, 상기 DC/AC 변환부 및 상기 DC/DC 변환부에 대한 제어의 듀티를 결정하는 연산 공정과,
    상기 DC/DC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압을, 상기 교류 전압의 절대치에 해당하는 맥류 파형의 기간 및 맥류 최소치로서의 상기 직류 전압의 기간을 교대로 갖는 DC 버스 전압 파형으로 변환하는 제1 변환 공정과,
    상기 DC/AC 변환부를 제어함으로써, 상기 직류 전압의 기간에 강압하여 그 기간에 대응하는 상기 교류 전압의 절대치의 파형으로 변환하고, 맥류 1주기마다 극성을 반전시키는 제2 변환 공정
    을 포함하는 것인, 변환 장치의 제어 방법.
KR1020177033236A 2015-06-29 2016-04-04 변환 장치 및 그 제어 방법 KR102441724B1 (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2015129781A JP6485251B2 (ja) 2015-06-29 2015-06-29 変換装置及びその制御方法
JPJP-P-2015-129781 2015-06-29
PCT/JP2016/061032 WO2017002419A1 (ja) 2015-06-29 2016-04-04 変換装置及びその制御方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20180020959A true KR20180020959A (ko) 2018-02-28
KR102441724B1 KR102441724B1 (ko) 2022-09-08

Family

ID=57608082

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020177033236A KR102441724B1 (ko) 2015-06-29 2016-04-04 변환 장치 및 그 제어 방법

Country Status (7)

Country Link
US (1) US10348190B2 (ko)
EP (1) EP3316471B1 (ko)
JP (1) JP6485251B2 (ko)
KR (1) KR102441724B1 (ko)
CN (1) CN107710588B (ko)
TW (1) TW201711367A (ko)
WO (1) WO2017002419A1 (ko)

Families Citing this family (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102016215147A1 (de) * 2016-08-15 2018-02-15 Robert Bosch Gmbh Gleichspannungs-Konverter und Verfahren zur Regelung eines Gleichspannungs-Konverters
DE102017212462A1 (de) 2017-07-20 2019-01-24 Siemens Aktiengesellschaft Galvanisch gekoppelter elektrischer Wandler
CN111316558B (zh) * 2017-11-14 2023-04-11 三菱电机株式会社 电力变换装置
JP7204489B2 (ja) * 2019-01-07 2023-01-16 株式会社Soken Ｄｃ・ａｃ変換装置の制御装置
CN110712538A (zh) * 2019-09-20 2020-01-21 中国第一汽车股份有限公司 一种电动汽车交流放电模块及控制方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5134263B2 (ko) 1972-03-28 1976-09-25
JP2000152661A (ja) * 1998-11-10 2000-05-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 系統連系インバータ装置
JP2002369544A (ja) 2001-06-13 2002-12-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 系統連系インバータ
JP2009247184A (ja) 2008-03-31 2009-10-22 Mitsubishi Electric Corp 太陽光発電システムおよびその起動方法
WO2013069326A1 (ja) * 2011-11-07 2013-05-16 三菱電機株式会社 電力変換装置
WO2014199796A1 (ja) * 2013-06-11 2014-12-18 住友電気工業株式会社 インバータ装置

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2005218157A (ja) * 2004-01-27 2005-08-11 Meiji Univ Ｄｃ／ｄｃコンバータ及びｄｃ／ｄｃコンバータの制御方法
JP5134263B2 (ja) * 2007-03-01 2013-01-30 本田技研工業株式会社 電力変換装置
CN102142693A (zh) * 2011-03-10 2011-08-03 西安交通大学 基于fpga的太阳能光伏并网逆变控制系统
CN104205597B (zh) * 2012-05-18 2017-10-20 富士电机株式会社 功率转换装置
CN103199724B (zh) * 2013-04-24 2015-10-28 常熟开关制造有限公司(原常熟开关厂） 一种两级式光伏逆变器
JP6086085B2 (ja) * 2014-03-18 2017-03-01 株式会社安川電機 電力変換装置、発電システム、電力変換装置の制御装置および電力変換装置の制御方法
JP6295782B2 (ja) * 2014-03-31 2018-03-20 株式会社安川電機 電力変換装置、発電システム、制御装置および電力変換方法
CN106716807A (zh) * 2014-09-30 2017-05-24 大金工业株式会社 电力转换装置
JP6414491B2 (ja) * 2015-03-06 2018-10-31 住友電気工業株式会社 変換装置

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5134263B2 (ko) 1972-03-28 1976-09-25
JP2000152661A (ja) * 1998-11-10 2000-05-30 Matsushita Electric Ind Co Ltd 系統連系インバータ装置
JP2002369544A (ja) 2001-06-13 2002-12-20 Matsushita Electric Ind Co Ltd 系統連系インバータ
JP2009247184A (ja) 2008-03-31 2009-10-22 Mitsubishi Electric Corp 太陽光発電システムおよびその起動方法
WO2013069326A1 (ja) * 2011-11-07 2013-05-16 三菱電機株式会社 電力変換装置
WO2014199796A1 (ja) * 2013-06-11 2014-12-18 住友電気工業株式会社 インバータ装置

Also Published As

Publication number Publication date
WO2017002419A1 (ja) 2017-01-05
CN107710588A (zh) 2018-02-16
KR102441724B1 (ko) 2022-09-08
US20180166979A1 (en) 2018-06-14
US10348190B2 (en) 2019-07-09
TW201711367A (zh) 2017-03-16
EP3316471A1 (en) 2018-05-02
EP3316471B1 (en) 2020-07-22
JP2017017799A (ja) 2017-01-19
EP3316471A4 (en) 2019-03-27
JP6485251B2 (ja) 2019-03-20
CN107710588B (zh) 2020-01-14

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5920520B1 (ja) 充放電回路、充放電回路の制御方法、充放電回路の制御装置、及び直接形電力変換器
US10622914B2 (en) Multi-stage DC-AC inverter
KR102441724B1 (ko) 변환 장치 및 그 제어 방법
EP2528221A2 (en) Multi-phase active rectifier
KR102441722B1 (ko) 변환 장치
JP2017093090A (ja) 力率改善装置、双方向ａｃ／ｄｃ変換装置及びコンピュータプログラム
JP6750508B2 (ja) 電力変換装置及びその高調波抑制方法
JP6396135B2 (ja) 電力変換装置
KR102318118B1 (ko) 전원 제어 장치, 전력 변환 시스템 및 전원 제어 방법
JP3050314B1 (ja) 電力変換装置
WO2021090522A1 (ja) 電力変換装置およびプレス装置
JP3541887B2 (ja) 電力変換装置
JP6874773B2 (ja) 電力変換装置及びその制御方法
JP4517762B2 (ja) スイッチング制御方法、整流装置及び駆動システム
JP6098629B2 (ja) 電力変換装置
JP5369758B2 (ja) 電力変換装置
JP2017184450A (ja) 電力変換装置並びに蓄電池の充電制御方法及び放電制御方法
JP2017034805A (ja) 電力変換装置
JP4292367B2 (ja) 電力変換装置
JP2005333737A (ja) 電力変換装置
JP2004120852A (ja) 電力変換装置
JP2013046542A (ja) 電力変換装置

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
GRNT Written decision to grant