TWI698080B - 電力轉換裝置及其控制方法 - Google Patents

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Abstract

一種經由中間匯流排而進行直流/交流之電力轉換的電力轉換裝置，其具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在直流電源和中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制第一DC/DC轉換器、第二DC/DC轉換器及DC/AC轉換器，控制部係進行電流指令值的設定，以使第二DC/DC轉換器主要供給流至中間匯流排之無效電流。

Description

電力轉換裝置及其控制方法
本發明係關於電力轉換裝置及其控制方法。
本申請根據2015年10月19日申請的日本出願第2015-205346號主張優先權，援用記載於上述日本申請的所有記載內容。
為了將直流電源之電壓轉換成單相交流電壓，例如使用包含升壓電路(DC/DC轉換器)及反向器電路的電力轉換裝置。在傳統的電力轉換裝置中，以升壓電路將直流電源之電壓升壓至較交流側之峰值電壓高之一定電壓為止之後，以反向器電路將該電壓轉換成交流電壓。在此情況下，升壓電路及反向器電路隨時進行高速的開關動作。因此，在各開關元件中，產生開關損失，在電抗器產生鐵損耗。該些損失成為妨礙轉換效率提升之主要原因。
另外，提案有如下述般之控制：隨時比較直流電源之電壓和交流側瞬間電壓之絕對值，針對升壓電路僅在需要升壓之期間，執行開關動作，針對反向器電路僅在需要降壓之期間執行開關動作(例如，參照專利文獻1、 2)。若藉由如此之控制時，在升壓電路及反向器電路產生開關動作之休止期間。若產生休止期間時，其部分由於抑制開關損失或電抗器之鐵損耗，故有助於提升轉換效率。
[先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本特開2014-241714號公報
[專利文獻2]日本特開2014-241715號公報
[發明之概要]
本發明係一種電力轉換裝置，其係經由中間匯流排而進行直流/交流之電力轉換的電力轉換裝置，其具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在第一直流電源或負載和上述中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，上述控制部係進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器主要供給流至上述中間匯流排之無效電流。
從控制方法之觀點來看，為一種電力轉換裝置之控制方法，該電力轉換裝置具備：第一DC/DC轉換 器，其係被設置在第一直流電源或負載和中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，且該電力轉換裝置係經由上述中間匯流排進行直流/交流的電力轉換，該電力轉換裝置之控制方法係由上述控制部實行：進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器主要供給流至上述中間匯流排之無效電流。
在上述專利文獻1或2之電力轉換裝置中，在升壓電路不僅流通有效電流也流通無效電流。無效電流之振幅與有效電流之振幅相等，無效電流之頻率為交流側之基本波(頻率50Hz或60Hz)之兩倍。因此，比與在升壓電路僅流通有效電流之傳統的電力轉換裝置相比時，流通升壓電路之電流的峰值為兩倍，有效值也成為(1.51/2)倍。因此，作為升壓電路，必須使用也能耐如此之電流。其結果，升壓電路變大。
再者，為了不使無效電流流至直流電源，必須在直流電源和升壓電路之間，設置大容量之電容器，吸 收無效電流。例如，直流電源為太陽光發電面板之情況下，該面板之輸出阻抗大。因此，即使為容量比較小的電容器也可以大概吸收無效電流。
然而，直流電源為蓄電池之情況下，輸出阻抗比太陽光發電面板小。在如此之情況下，僅在電容器無法吸收無效電流。因此，無效電流流至蓄電池，在蓄電池和電力轉換裝置之間的電路，及蓄電池內部產生之損失增大。如此之損失成為妨礙轉換效率提升之主要原因。
本發明係鑒於如此之課題，以提供更小型，而且轉換效率高之電力轉換裝置及其控制方法為目的。
作為本發明之實施型態之要旨，至少包含以下內容。
(1)為一種電力轉換裝置，此為經由中間匯流排而進行直流/交流之電力轉換的電力轉換裝置，其具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在第一直流電源或負載和上述中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其 係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，上述控制部係進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器主要供給流至上述中間匯流排之無效電流。
在如此之電力轉換裝置中，由於第二DC/DC轉換器主要接受無效電流，故第一DC/DC轉換器相反地可以降低無效電流而主要流通有效電流。依此，可以抑制第一DC/DC轉換器之電流之峰值，提高轉換效率，實現更小型化。
(2)再者，在(1)之電力轉換裝置中，例如上述控制部係進行控制以使通過上述第一DC/DC轉換器之電力及通過上述第二DC/DC轉換器之電力的合計之電力，與上述中間電容器所涉及之無效電力及出現在上述DC/AC轉換器之交流側之電力的合計電力一致。
在此情況下，從中間匯流排觀看之直流側之電力和包含中間電容器之交流側之電力互相一致。換言之，直流側之電力不會成為超過交流側之電力的過剩電力。因此，第一DC/DC轉換器及第二DC/DC轉換器進行包含休止期間之最小限的開關動作，DC/AC轉換器進行包含休止期間之最小限的開關動作。
(3)再者，在(2)之電力轉換裝置中，即使在上述DC/AC轉換器之交流側，設置包含交流電抗器，以及更在交流側的交流側電容器之濾波器電路，該濾波器電路與交流系統連接，上述控制部係進行控制，以使合計上述 交流系統之電力和上述交流側電容器之電力的電力，與在上述交流電抗器和上述DC/AC轉換器之間被收授之電力一致亦可。
在此情況下，先考慮濾波器電路，可以使電力一致。換言之，控制部進行考慮到濾波器電路之影響的控制。
(4)再者，在(1)~(3)中之任一電力轉換裝置中，即使上述直流側電容器係關閉直流側之終端電路的元件亦可。
此情況的第二DC/DC轉換器無須流通有效電流，僅為了供給無效電流而存在。因此，成為適合於不使第一DC/DC轉換器負擔無效電流的電路構成。
(5)再者，在(1)~(3)中之任一電力轉換裝置中，即使相對於上述直流側電容器之兩端，以並聯之方式連接第二直流電源亦可。
此時之第二DC/DC轉換器不僅流通無效電流也可以流通有效電流。
(6)再者，在(5)之電力轉換裝置中，即使上述直流側電容器和上述第二直流電源之間設置有藉由上述控制部能夠開關之開關亦可。
在此情況下，當開啟開關時，第二DC/DC轉換器可以不僅使用於流通無效電流，當關閉開關時，不僅無效電流，也可以流通有效電流。
(7)在(1)~(6)中之任一的電力轉換裝置中，例如上述控制部係設定電流指令值，以使在上述第一DC/DC 轉換器流通之無效電流成為0，上述第二DC/DC轉換器供給所有的無效電流。
在此情況下，可以最抑制第一DC/DC轉換器之電流之峰值，提高轉換效率，實現小型化。
(8)再者，在(1)~(6)中之任一的電力轉換裝置中，例如上述控制部係藉由電流指令值之設定控制上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之無效電流，以使分別流通於上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之電流的均方值成為最小。
在此情況下，可以使兩個DC/DC轉換器之電流容量成為最小化。
(9)再者，在(1)~(6)中之任一的電力轉換裝置中，例如上述控制部係藉由電流指令值之設定控制上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之無效電流，以使分別流通於上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之電流的均方值成為最小。
在此情況下，可以使兩個DC/DC轉換器之電阻損失成為最小化。
(10)再者，在(4)之電力轉換裝置中，例如上述控制部係藉由電流指令值之設定控制上述第二DC/DC轉換器之無效電流，以使上述直流側電容器之兩端電壓與上述第一直流電源或負載之電壓一致。
此時，可以使無連接直流電源或負載之第二DC/DC轉換器在與第一DC/DC轉換器相同之時序進行開關動 作。因此，可以使第二DC/DC轉換器之開關動作期間成為最短。
(11)再者，在(1)~(10)之電力轉換裝置中，供給無效電流之電流指令值之設定係在以數學公式表示流至上述中間匯流排之電流的情況下，分配依存於時間之項的一部分或全部。
藉由如此地設定電流指令值，可以自由地設置由於第一DC/DC轉換器及第二DC/DC轉換器所致的無效電流之負擔。
(12)從控制方法之觀點來看，為一種電力轉換裝置之控制方法，其係針對電力轉換裝置，以控制部實行，而該電力轉換裝置具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在第一直流電源或負載和中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，經由上述中間匯流排進行直流/交流的電力轉換，該電力轉換裝置之控制方法係進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器主要供給流至上述中間匯流排之無效電流。
在如此之電力轉換裝置之控制方法時，由於第二DC/DC轉換器主要接受無效電流，故第一DC/DC轉換器相反地可以降低無效電流而主要流通有效電流。依 此，可以抑制第一DC/DC轉換器之電流之峰值，提高轉換效率，實現更小型化。
若藉由本發明之電力轉換裝置及其控制方法時，可以進一步提高轉換效率，實行更小型化。
1、2:DC/DC轉換器
3B:蓄電池
3P:太陽光發電面板
4、5:直流側電容器
6:中間匯流排
7:中間電容器
8:DC/AC轉換器
9:交流側電容器
11、12:直流電抗器
13:交流電抗器
14:濾波電路
15:交流負載
16:商用電力系統
17:交流系統
20:控制部
21、22:開關
31、32:電壓感測器
33、34:電流感測器
35:電壓感測器
36:電流感測器
37:電壓感測器
50:電力轉換裝置
Q11、Q12、Q21、Q22、Q81、Q82、Q83、Q84:開關元件
d11、d12、d21、d22:二極體
圖1為表示被連接於太陽光發電面板之電力轉換裝置之概略構成的單線連接圖。
圖2為圖1之電力轉換裝置之電路圖之一例。
圖3為表示被連接於太陽光發電面板之電力轉換裝置之概略構成的單線連接圖。
圖4為圖3之電力轉換裝置之電路圖之一例。
圖5為表示被連接於蓄電池之電力轉換裝置之概略構成的單線連接圖。
圖6為表示被連接於太陽光發電面板及蓄電池之電力轉換裝置之概略構成的單線連接圖。
圖7為與圖6對應之電力轉換裝置之電路圖之一例。
圖8為表示被連接於太陽光發電面板及蓄電池之電力轉換裝置之概略構成的單線連接圖。
圖9為表示被連接於太陽光發電面板及蓄電池之電力轉換裝置之概略構成的單線連接圖。
圖10為作為驗證例1(電流平滑化前)，其係針對在太陽光發電面板無發電之狀態下(包含無連接太陽光發電面板之情況)，進行蓄電池之充電的電力轉換裝置之波形圖。
圖11為作為驗證例1(電流平滑化後)，其係針對在太陽光發電面板無發電之狀態下(包含無連接太陽光發電面板之情況)，進行蓄電池之充電的電力轉換裝置之波形圖。
圖12為作為驗證例2(電流平滑化前)，其係針對在太陽光發電面板無發電之狀態下(包含無連接太陽光發電面板之情況)，進行蓄電池之放電的電力轉換裝置之波形圖。
圖13為作為驗證例2(電流平滑化後)，其係針對在太陽光發電面板無發電之狀態下(包含無連接太陽光發電面板之情況)，進行蓄電池之放電的電力轉換裝置之波形圖。
圖14為作為驗證例3(電流平滑化前)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之充電的電力轉換裝置之波形圖。
圖15為作為驗證例3(電流平滑化後)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之充電的電力轉換裝置之波形圖。
圖16為作為驗證例4(電流平滑化前)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之充電的電力轉換裝置之波形圖。
圖17為作為驗證例4(電流平滑化後)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之充電的電力轉換裝置之波形圖。
圖18為作為驗證例5(電流平滑化前)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之放電的電力轉換裝置之波形圖。
圖19為作為驗證例5(電流平滑化後)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之放電的電力轉換裝置之波形圖。
圖20為作為驗證例6(電流平滑化前)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之放電的電力轉換裝置之波形圖。
圖21為作為驗證例6(電流平滑化後)，其係針對在太陽光發電面板有發電之狀態下，進行蓄電池之放電的電力轉換裝置之波形圖。
圖22為作為驗證例7(電流平滑化後)，圖21之條件中的交流電流Ia、太陽光發電面板之輸出電流Ip及蓄電池之輸出電流Ib之波形圖。
以下，針對實施型態之詳細參照圖面予以說明。
首先，從使用最小開關方式之電力轉換裝置為前提的基本構成來進行說明。
(成為前提的基本構成)
圖1為表示被連接於太陽光發電面板3P之電力轉換 裝置50之概略構成的單線連接圖。在圖中，該電力轉換裝置50係進行從直流朝交流的電力轉換，具備作為升壓電路的DC/DC轉換器1，及經中間匯流排(DC匯流排)6與DC/DC轉換器1連接的作為反向器電路的DC/AC轉換器8。DC/DC轉換器1係經直流側電容器4被設置在作為直流電源之太陽光發電面板3P和中間匯流排6之間。中間匯流排6連接有中間電容器7。DC/AC轉換器8係經交流側電容器9被設置在中間匯流排6和交流系統之間。
該電力轉換裝置50係進行如下述般之最小開關方式的控制：將從太陽光發電面板3P被引出之電壓和交流側之瞬間電壓之絕對值隨時進行比較，僅在針對DC/DC轉換器1需要升壓之期間進行開關動作，僅在針對DC/AC轉換器8需要降壓之期間進行開關動作。若藉由如此之控制時，可以在DC/DC轉換器1及DC/AC轉換器8分別產生開關動作之休止期間。若產生休止期間時，其部分由於抑制開關損失或電抗器之鐵損耗，故有助於提升轉換效率。
另外，藉由進行上述最小開關方式，在DC/DC轉換器1中流通包含在圖中之左側波形簡略表示之包含無效電流的脈動電流。從電力轉換裝置50被輸出至交流系統之電流係在圖中之右側波形所示的與商用電力系統同步之正弦波形的電流。
圖2為圖1之電力轉換裝置50之電路圖之一例。對與圖1對應之部分賦予相同符號。在圖中，電力轉 換裝置50除上述直流側電容器4、DC/DC轉換器1、中間電容器7、DC/AC轉換器8之外，具備濾波器電路14及控制部20還有測量用之後述感測器類。
DC/DC轉換器1為具備直流電抗器11，和一對開關元件Q11、Q12之升壓(也可降壓)的截波器。作為開關元件Q11、Q12例如使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)。開關元件Q11、Q12分別以並聯逆極性之方式連接有二極體d11、d12。另外，作為開關元件Q11、Q12，除此之外，也可以使用FET(Field Effect Transistor)。
DC/AC轉換器8具備構成全橋之四個開關元件Q81、Q82、Q83、Q84。
濾波電路14系藉由交流電抗器13和交流側電容器9構成，防止DC/AC轉換器8之交流輸出所含之高頻成分漏出至交流系統17。交流系統17包含交流負載15和商用電力系統16。
作為上述感測器類，設置有檢測出直流側電容器4之兩端電壓(Vg)的電壓感測器31，和檢測出流至DC/DC轉換器1之電流(Iin)之電流感測器33，和檢測出中間電容器7之兩端電壓即是中間匯流排6之二線間電壓(Vo)之電壓感測器35，和檢測出流至DC/AC轉換器8之交流側之電流(Iinv)的電流感測器36，和檢測出交流側電容器9之兩端電壓的電壓感測器37。所有的感測器之測量輸出訊號被送至控制部20。控制部20進行DC/DC轉換 器1及DC/AC轉換器8之開關控制。
控制部20例如包含CPU，藉由電腦實行軟體(電腦程式)，實現所需之控制功能。軟體被存儲在控制部20之記憶裝置(無圖示)。但是，也能夠以僅有不包含CPU之硬體的電路構成控制部20。
(第1例)
接著，針對本發明之一實施型態有關之電力轉換裝置50予以說明。
圖3為表示被連接於太陽光發電面板3P之電力轉換裝置50之概略構成的單線連接圖。對與圖1相同部分賦予相同符號省略說明。與圖1不同係直流側從中間匯流排6被設置二系統。
在圖3中，與第一DC/DC轉換器1不同在直流側電容器5和中間匯流排6之間設置有第二DC/DC轉換器2。第二DC/DC轉換器2無連接直流電源。
圖4為圖3之電力轉換裝置50之電路圖之一例。對與圖2、圖3對應之部分賦予相同符號。在圖4中，第二DC/DC轉換器2為具備直流電抗器12，和一對開關元件Q21、Q22之升壓(也可降壓)的截波器。作為開關元件Q21、Q22例如使用IGBT。開關元件Q21、Q22分別以並聯逆極性之方式連接有二極體d21、d22。另外，作為開關元件Q21、Q22，除此之外，也可以使用FET。直流側電容器5之兩端電壓藉由電壓感測器32被 檢測出，測量訊號被送至控制部20。流至DC/DC轉換器2之電流藉由電流感測器34被檢測出，測量訊號被送至控制部20。
若以電力之觀點在圖4表現上述最小開關方式之控制時，控制部20進行控制以使通過第一DC/DC轉換器1之電力及通過第二DC/DC轉換器2之電力之合計的電力，與中間電容器7所涉及之無效電力出現在DC/AC轉換器8之交流側之電力之合計的電力一致。
即是，在此情況下，從中間匯流排6觀看之直流側之電力和包含中間電容器7之交流側之電力互相一致。換言之，直流側之電力不會成為超過交流側之電力的過剩電力。因此，第一DC/DC轉換器1及第二DC/DC轉換器2進行包含休止期間之最小限的開關動作，DC/AC轉換器8進行包含休止期間之最小限的開關動作。
再者，控制部20係進行控制以使被交接至交流系統17之電力和交流側電容器9之電力合計的電力，與在交流電抗器13和DC/AC轉換器8之間被交接之電力一致。依此，先考慮濾波器電路14，可以使電力一致。換言之，控制部20進行考慮到濾波器電路14之影響的控制。
在圖3、圖4中，直流側電容器5成為關閉直流側之終端電路的元件。流至中間匯流排6之電流中，第一DC/DC轉換器1流通有效電流，第二DC/DC轉換器2流通無效電流。此情況的第二DC/DC轉換器2無須流通 有效電流，僅為了供給無效電流而存在。如此之構成係適合於不使第一DC/DC轉換器1負擔無效電流的電路構成。不流通無效電流之第一DC/DC轉換器1比起流通無效電流之情況，可以提高轉換效率。再者，可以抑制流至第一DC/DC轉換器1之電流的峰值或有效值，構成更小型化。
另外，在圖4中，太陽光發電面板3P也可以置換成蓄電池3B。蓄電池3B於放電之時為直流電源，於充電時成為負載。
(控制邏輯)
上述電力轉換裝置50藉由控制部20進行最小開關方式之控制。在此，針對最小開關方式之邏輯進行說明。首先，將諸量包含已經出現者定義成下述般。
Va：藉由電壓感測器37被檢測出之交流系統電壓
I* a：欲朝交流系統17流通之交流電流指令值
Iinv：藉由電流感測器36被檢測出之交流電流
Ca：交流側電容器9之電容
I* inv：欲從DC/AC轉換器8流至交流電抗器13之電流指令值
V* inv：在DC/AC轉換器8之交流側的電壓指令值
R* inv：DC/AC轉換器8之電阻成分
Linv：交流電抗器13之電感
I* in：欲流至DC/DC轉換器1(2)之直流電抗器11(12)之電流指令值
Iin：藉由電流感測器33(34)被檢測出的直流電流
Co：中間電容器7之電容
V* o：應出現在中間電容器7之兩端的電壓指令值
VO：藉由電壓感測器35被檢測出之中間電壓
Vg：藉由電壓感測器31被檢測出之直流電壓
R* in：DC/DC轉換器1(2)之電阻成分
Linv：直流電抗器11(12)之電感
在上述諸量中，藉由時間t變化之量在以下之式子中以時間函數來表示。另外，在以下中之文字格式不同(立體/斜體字)並無意義，相同文字表示相同量(以下一樣)。
首先，針對DC/AC轉換器8之電流指令值I* inv
Figure 105122753-A0305-02-0019-1
針對DC/AC轉換器8之電流指令值V* inv
Figure 105122753-A0305-02-0019-3
針對DC/DC轉換器1(2)之電流指令值I* in
Figure 105122753-A0305-02-0019-4
再者，由於在DC/DC轉換器1(2)中之直流電源電壓之電壓下降和流通中間電容器7之無效電流小，故當省略此時，可取得以下之式子(4)
Figure 105122753-A0305-02-0020-5
接著，當I* inv和V* inv為互相完成同步之正弦波時，可取得以下之式子(5)。ω為將交流系統之頻率設為f之情況下的2πf。
Figure 105122753-A0305-02-0020-6
在式子(5)所含的不賦予時間(t)之I* inv和V* inv表示正弦波之振幅。式子(5)進一步可以變形成以下之式子(6)。
Figure 105122753-A0305-02-0020-7
式子(6)之第一項為不依存於時間之一定值，此為有效電流。即是，表示有效電流I* in_a之式子(7)成為下述般。
Figure 105122753-A0305-02-0020-8
在此，記號〈 〉表示括弧內之值的平均值。再者，I* inv_i的下標字表示與DC/DC轉換器1對應之電流指令值成為I* inv_1，與DC/DC轉換器2對應之電流指令值成為 I* inv_2。
如式子(7)所示般，有效電流等於I* inv及V* inv之有效值除以直流輸入電壓Vg，DC/DC轉換器具有複數之情況下，可以以來自各轉換器之電流I* inv_i之線性結合來表示。
另外，式子(6)之第二項為交流頻率之兩倍頻率的無效電流。即是，表示無效電流I* in_r(t)之式子(8)成為下述般。
Figure 105122753-A0305-02-0021-9
再者，無效電流之有效值為式子(8)之均方的平方根(rms)，藉由以下之式子(9)表示。
Figure 105122753-A0305-02-0021-10
此為有效電流之(1/√2)倍。
再者，電流之有效值藉由以下之式子(10)表示。
Figure 105122753-A0305-02-0021-11
即是，此為有效電流之(3/2)1/2倍。
藉由上述之解析，若將無效電流供給用之DC/DC轉換器2之電流指令值設定成式子(8)，且將無效電流供給至中間匯流排6時，DC/DC轉換器1設定成式子 (7)之電流指令值，可以僅流通有效電流。依此，比起圖1之構成，DC/DC轉換器1之電流之峰值成為一半。而且，由於DC/DC轉換器1不會流通低頻脈動電流，故可以縮小直流側電容器4之電容。
至此為了簡化說明，根據省略DC/DC轉換器1、2中之電壓下降和在中間電容器7之無效電流的式子(4)進行了說明。實際上，以進行根據不進行該省略的式子(3)之控制為佳。於是，可以將式子(3)如圖3、圖4般，使用置換成與並聯設置複數DC/DC轉換器1、2之情況對應的以下之式子(11)。
Figure 105122753-A0305-02-0022-12
在式子(11)中，下標之「i」即使從中間匯流排6與直流側之系統對應，為i=1、2，或3以上之數n亦可，在此情況下，成為i=1~n。DC/AC轉換器8之電流指令值I* inv係以與複數DC/DC轉換器對應之方式進行分割而成為I* inv_i。同樣中間電容器7之電容係以與複數DC/DC轉換器對應之方式進行分割而成為Co_i。
接著，針對決定DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之電流指令值之程序進行說明。首先，如以下之式子(12)所示般，以交流成分之周期T(DC/AC轉換器8輸出之交流周期之1/2)使在式子(11)中所求出之DC/DC轉換 器1之電流指令值I* in1平均化，求出其有效電流成分I* in1_a。
Figure 105122753-A0305-02-0023-13
接著，藉由以下之式子(13)求出無效電流成分。
Figure 105122753-A0305-02-0023-14
降低無效電流成分之DC/DC轉換器1之電流指令值I* inm1可以將u視為0~1之範圍內之數，藉由以下之式子(14)求出。
Figure 105122753-A0305-02-0023-15
U之值為1之時，I* inm1與I* in1_a相等，無效電流成分完全從DC/DC轉換器1之電流指令值完全被除去，僅成為有效電流。
另外，使負擔無效電流之DC/DC轉換器2之電流指令值I* inm2如下述式子(15)所示般，藉由在式子(11)中所取得之I* in2加上u．I* in1_r而取得。
Figure 105122753-A0305-02-0023-17
於DC/DC轉換器2無連接直流電源之時，I* in2成為0。而且，於u之值為1之時，I* inm2成為 I* in1_r，僅在DC/DC轉換器1，供給無效電流成分。u之值係考慮電力轉換裝置50之尺寸、成本、轉換效率等而決定。再者，即使藉由運轉條件亦可以改變。
無論哪一個，皆藉由式子(14)、(15)，成為DC/DC轉換器2主要供給流至中間匯流排6之無效電流。
即是，在如此之電力轉換裝置50中，由於DC/DC轉換器2主要接受無效電流，故DC/DC轉換器1相反地可以降低無效電流而主要流通有效電流。依此，可以抑制DC/DC轉換器1之電流之峰值，提高轉換效率，實現更小型化。
再者，若使DC/DC轉換器2負擔所有無效電流時，由於DC/DC轉換器1僅流通有效電流，故可以最抑制DC/DC轉換器1之峰值，且提高轉換效率，實現小型化。
再者，亦可以以流至DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之電流之峰值成為最小之方式，控制流至DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之無效電流。在此情況下，由於可以使各轉換器之開關元件Q11、Q12、Q21、Q22或直流電抗器11、12之電流容量成為最小，故可以使電力轉換裝置50成為小型化。
再者，亦可以以流至DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之電流之均方值成為最小之方式，控制流至DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之無效電流。在此情況下，由於可以使在DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器 2產生之電阻損失成為最小，故可以使電力轉換裝置50成為高效率化。
另外，控制部20係以控制DC/DC轉換器2之無效電流以使直流側電容器5之兩端電壓與直流電源之電壓即是直流側電容器4之電壓一致為佳。
在此情況下，可以在與DC/DC轉換器1相同之時序下使無連接直流電源之DC/DC轉換器2進行開關動作。因此，可以使DC/DC轉換器2之開關動作期間成為最短。
(第2例)
圖5為表示被連接於蓄電池3B之電力轉換裝置50之概略構成的單線連接圖。與圖3不同的係以蓄電池3B取代太陽光發電面板而被連接於DC/DC轉換器1之點。
在此情況下，以流至DC/DC轉換器1之無效電流成為0之方式，控制流至DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之無效電流。藉此，可以防止無效電流流至蓄電池3B。
(第3例)
圖6為表示被連接於太陽光發電面板3P及蓄電池3B之電力轉換裝置50之概略構成的單線連接圖。與圖3不同的係蓄電池3B以與太陽光發電面板3P不同的系統連接於DC/DC轉換器2之點，及設置有開關21、22之點。開關21被設置在太陽光發電面板3P和DC/DC轉換器1之 間。開關22被設置在蓄電池3B和DC/DC轉換器2之間。
圖7為與圖6對應之電力轉換裝置50之電路圖的一例。與圖4不同的係設置有上述開關21、22之點，及DC/DC轉換器2連接有蓄電池3B之點。開關21、22可以藉由控制部20成為開路或閉路之狀態。作為開關21、22，可以使用例如中繼接點。
返回圖6，當太陽光發電面板3P發電，並且蓄電池3B不運轉之時，成為開關21閉路，使開關22開路之狀態。在此情況下，DC/DC轉換器2可以當作無效電流供給用使用。藉由不使無效電流流至蓄電池3B而使無效電流流至DC/DC轉換器，可以使流至DC/DC轉換器1、2之電流的峰值或電流之均方成為最小。
(第4例)
圖8為表示被連接於太陽光發電面板3P及蓄電池3B之電力轉換裝置50之概略構成的單線連接圖。與圖6不同的係開關21、22之開關狀態成為相反之點。太陽光發電面板3P例如在夜間不發電，於充電或放電蓄電池3B之時，如此地成為使開關21開路，使閉路22閉路之狀態。依此，藉由直流側電容器4之電壓，阻止太陽電池成為導通狀態，同時藉由無效電流流至DC/DC轉換器1，可以防止無效電流流至DC/DC轉換器2及蓄電池3B。
(第5例)
圖9為表示被連接於太陽光發電面板3P及蓄電池3B之電力轉換裝置50之概略構成的單線連接圖。與圖6、圖8不同的係開關21、22皆為閉路之狀態之點。太陽光發電面板3P發電，於蓄電池3B充電或放電之時，如此地成為開關21、22皆閉路之狀態。而且，控制DC/DC轉換器1之無效電流以使流至DC/DC轉換器2之無效電流成為0。如此一來，可以防止無效電流流至蓄電池3B。
另外，太陽光發電面板3P發電，當蓄電池3B充電之時，由於流至DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之無效電流被抵銷，故流至各轉換器1、2之電流之峰值被降低。依此，當太陽光發電面板3P發電時，蓄電池3B不進行放電，若僅進行充電時，可以降低DC/DC轉換器1及DC/DC轉換器2之電流容量。因此，可以使電力轉換裝置50小型輕量化。
另外，針對上述第1例~第5例，即使將其至少一部分互相任意組合亦可。再者，直流側之系統之數量不限定於2，亦可設為3以上。
(針對第3例~第5例)
如第3例~第5例所示般，DC/DC轉換器2當開啟開關22時，可以僅用於流通無效電流，當關閉開關22時，不僅無效電流，也可以流通有效電流。
即使針對DC/DC轉換器1也同樣，當開啟開關21 時，可以僅用於流通無效電流，當關閉開關21時，不僅無效電流也可以流通有效電流。
(雙方向性)
另外，上述各例之電力轉換裝置50雖然以進行從直流朝向交流的電力轉換之裝置進行說明，但是朝相反方向之電力轉換也根據同樣之控制邏輯，可以藉由考慮電流之方向性而改變適當符號加以適用。
(驗證)
接著，針對直流側之二系統連接太陽光發電面板3P及蓄電池3B之電力轉換裝置50(圖6、圖8或圖9)，驗證在各種條件下的動作。
在圖10~圖21之各圖中，從上以順序第1~5段為止之波形表示下述。
(第1段)交流電流指令值I* a[A]、交流電流Ia[A]、通過低通濾波器之Ia[A]
(第2段)連接有太陽光發電面板3P之側的直流電抗器11之電流指令值I* in1[A]、直流電流Iin1[A]
(第3段)連接有蓄電池3B之側的直流電抗器11之電流指令值I* in2[A]、直流電流Iin2[A]
(第4段)中間匯流排6之電壓指令值V* o[V]、中間電壓Vo[V]、太陽光發電面板3P之直流電壓Vg[V]
(第5段)上/中/下之中，上為開關元件Q81、Q84之 閘脈衝、中為DC/DC轉換器1之開關元件Q11(低側)之閘脈衝，下為DC/DC轉換器2之開關元件Q21(低側)之閘脈衝
(驗證例1：發電電力0kW，充電電力2kW，受電電力2kW)
圖10及圖11為針對在太陽光發電面板3P無發電之狀態下(包含無連接太陽光發電面板3P之情況)，進行蓄電池3B之充電的電力轉換裝置50之波形圖。即是，發電電力為0kW。再者，在此，充電電力設為2kW，來自交流系統17之受電電力設為2kW，蓄電池3B之電壓設為200V。圖10表示不進行與無效電流有關之上述控制之情況，圖11表示進行控制之情況。
當使不接受太陽光發電面板3P之輸出的DC/DC轉換器1負擔應流至DC/DC轉換器2之無效電流時，DC/DC轉換器2之電流被平滑化(圖11之第3段之平坦的線)。此時，當DC/DC轉換器1之直流側電容器4之電壓與蓄電池3B相同，控制成維持200V時，DC/DC轉換器2之開關期間幾乎不變，DC/AC轉換器8在進行開關之期間，保持停止之狀態。DC/DC轉換器1之開關也在與DC/DC轉換器2相同的期間進行，在DC/AC轉換器8動作之期間停止。
另外，在電流平滑化前(圖10)和電流平滑化後(圖11)中，交流電流Ia及綜合變形率THD(Total Harmonic Distortion)如下述般。
電流平滑化前(圖10)Ia：9.53Arms、THD：6.0%
電流平滑化後(圖11)Ia：9.46Arms、THD：5.2%
但是，THD因去除開關周期15kHz以上之漣波，故從使通過斷路頻率5kHz之低通濾波器的波形求出。
(驗證例2：發電電力0kW，放電電力2kW，逆潮電力2kW)
圖12及圖13為針對在太陽光發電面板3P無發電之狀態下(包含無連接太陽光發電面板3P之情況)，進行蓄電池3B之放電的電力轉換裝置50之波形圖。蓄電池3B之電壓設為200V，放電電力設為2kW。圖12表示不進行與無效電流有關之控制之情況，圖13表示進行控制之情況。
另外，在電流平滑化前(圖12)和電流平滑化後(圖13)中，交流電流Ia及綜合變形率THD如下述般。
電流平滑化前(圖12)Ia：9.75Arms、THD：9.4%
電流平滑化後(圖13)Ia：9.49Arms、THD：4.0%
此時，使DC/DC轉換器1負擔無效電流，DC/DC轉換器1之直流側電容器4之電壓與蓄電池3B相同進行維持200V。在此情況下，也藉由平滑化，使得DC/DC轉換器2之開關期間幾乎不變化，在DC/AC轉換器8進行開關之期間保持停止之狀態。DC/DC轉換器1之開關也在與DC/DC轉換器2相同的期間進行，在DC/AC 轉換器8動作之期間停止。在平滑化之前，雖然在緊接著從DC/AC轉換器8之開關期間移行至DC/DC轉換器1、2之開關期間之後，由於在交流電流產生驟降，故綜合變形率9.4%大，但是藉由平滑化，交流電流之驟降被解消，綜合變形率下降至4.0%。
(驗證例3：發電電力6kW，充電電力2kW，逆潮電力4kW)
圖14及圖15係在太陽光發電面板3P有發電之狀態下，針對進行蓄電池3B之充電的電力轉換裝置50的波形圖。蓄電池3B之電壓設為較太陽光發電面板3P之最佳動作電壓低的200V。再者，發電電力設為6kW，充電電力設為2kW，逆潮電力設為4kW。圖14表示不進行與無效電流有關之控制之情況，圖15表示進行控制之情況。
另外，在電流平滑化前(圖14)和電流平滑化後(圖15)中，交流電流Ia及綜合變形率THD如下述般。
電流平滑化前(圖14)Ia：19.7Arms、THD：3.2%
電流平滑化後(圖15)Ia：19.2Arms、THD：4.0%
在此情況下，DC/DC轉換器2係若將輸出電壓提升至與DC/DC轉換器1之輸出相同的電壓時，由不流通電流，故隨時進行開關。電流平滑化後，DC/DC轉換器2之電流大概被平滑化，DC/DC轉換器1之脈動電流之振幅變小。也在電流平滑後，DC/DC轉換器1之開關期間不與DC/AC轉換器8之開關期間重疊，互相分離，開關 次數不增加。
(驗證例4：發電電力6kW，充電電力2kW，逆潮電力4kW)
圖16及圖17係在太陽光發電面板3P有發電之狀態下，針對進行蓄電池3B之充電的電力轉換裝置50的波形圖。但是，蓄電池3B之電壓設為較太陽光發電面板3P之最佳動作電壓高的275V。再者，發電電力設為6kW，充電電力設為2kW，逆潮電力設為4kW。圖16表示不進行與無效電流有關之控制之情況，圖17表示進行控制之情況。在此情況下，DC/DC轉換器1之一方隨時進行開關。可知即使蓄電池3B之電壓較太陽光發電面板3P高時，也能夠電流平滑化。
另外，在電流平滑化前(圖16)和電流平滑化後(圖17)中，交流電流Ia及綜合變形率THD如下述般。
電流平滑化前(圖16)Ia：19.8Arms、THD：2.8%
電流平滑化後(圖17)Ia：20.0Arms、THD：3.2%
(驗證例5：發電電力4kW，放電電力2kW，逆潮電力6kW)
圖18及圖19係在太陽光發電面板3P有發電之狀態下，針對進行蓄電池3B之放電的電力轉換裝置50的波形圖。蓄電池3B之電壓設為200V。再者，發電電力設為4kW，放電電力設為2kW，逆潮電力設為6kW。圖18表 示不進行與無效電流有關之控制之情況，圖19表示進行控制之情況。即使在此情況下，DC/DC轉換器2之電流平滑化也無問題地被進行。在DC/DC轉換器1具有開關停止期間，也在平滑後，維持著DC/DC轉換器1和DC/AC轉換器8交互進行開關之原本的動作。
另外，在電流平滑化前(圖18)和電流平滑化後(圖19)中，交流電流Ia及綜合變形率THD如下述般。
電流平滑化前(圖18)Ia：29.3Arms、THD：1.7%
電流平滑化後(圖19)Ia：29.7Arms、THD：2.7%
(驗證例6：發電電力4kW，放電電力2kW，逆潮電力6kW)
圖20及圖21係在太陽光發電面板3P有發電之狀態下，針對進行蓄電池3B之放電的電力轉換裝置50的波形圖。蓄電池3B之電壓設為275V。再者，發電電力設為4kW，放電電力設為2kW，逆潮電力設為6kW。圖20表示不進行與無效電流有關之控制之情況，圖21表示進行控制之情況。即使在此情況下，DC/DC轉換器2之電流平滑化也無問題地被進行。在DC/DC轉換器2具有開關停止期間，也在平滑後，維持著DC/DC轉換器2和DC/AC轉換器8交互進行開關之原本的動作。
另外，在電流平滑化前(圖20)和電流平滑化後(圖21)中，交流電流Ia及綜合變形率THD如下述般。
電流平滑化前(圖20)Ia：29.6Arms、THD：1.9%
電流平滑化後(圖21)Ia：29.4Arms、THD：1.9%
(驗證例7：發電電力4kW，放電電力2kW，逆潮電力6kW)
圖22之上段‧中段‧下段分別為圖21之條件下的交流電流Ia、太陽光發電面板3P之輸出電流Ip及蓄電池3B之輸出電流Ib的波形圖。
可知流至連接太陽光發電面板3P之DC/DC轉換器1的電流雖然包含無效電流，但是藉由直流側電容器4被平滑化，輸出電流Ip大概成為一定值。另外，在此情況下，電流平滑化後為Ia：29.4Arms、THD：1.9%。
(補述)
另外，此次所揭示之實施型態所有的點皆為例示，並非用以限制者。本發明的範圍藉由申請專利範圍表示，其意在包括與申請專利範圍等效的含義和範圍內的所有變更。
(附記)
在以上之說明包含以下附記之特徵。即是，該電力轉換裝置也可以如下述般表現。
一種電力轉換裝置，其係經由中間匯流排而進行直流/交流之電力轉換的電力轉換裝置，具備： 第一DC/DC轉換器，其係被設置第一直流電源或負載和上述中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，上述控制部係針對流至上述中間匯流排之電流中的有效電流，當作上述第一DC/DC轉換器最多供給之電流指令值的設定，並且針對無效電流，當作上述第二DC/DC轉換器最多供給的電流指令值的設定。
1、2:DC/DC轉換器
3P:太陽光發電面板
4、5:直流側電容器
6:中間匯流排
7:中間電容器
8:DC/AC轉換器
9:交流側電容器
50:電力轉換裝置

Claims (13)

  1. 一種電力轉換裝置，其係經由中間匯流排而進行直流/交流之電力轉換的電力轉換裝置，具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在第一直流電源或負載和上述中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，上述控制部係進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器主要供給流至上述中間匯流排之無效電流。
  2. 如請求項1所記載之電力轉換裝置，其中上述控制部係進行控制以使通過上述第一DC/DC轉換器之電力及通過上述第二DC/DC轉換器之電力的合計之電力，與上述中間電容器所涉及之無效電力及出現在上述DC/AC轉換器之交流側之電力的合計電力一致。
  3. 如請求項2所記載之電力轉換裝置，其中在上述DC/AC轉換器之交流側，設置包含交流電抗器，以及更在交流側的交流側電容器之濾波器電路，該濾波器電路與交流系統連接，上述控制部係進行控制，以使合計上述交流系統之電 力和上述交流側電容器之電力的電力，與在上述交流電抗器和上述DC/AC轉換器之間被收授之電力一致。
  4. 如請求項1至3中之任一項所記載之電力轉換裝置，其中上述直流側電容器係關閉直流側之終端電路的元件。
  5. 如請求項1至3中之任一項所記載之電力轉換裝置，其中相對於上述直流側電容器之兩端，以並聯之方式連接第二直流電源。
  6. 如請求項5所記載之電力轉換裝置，其中上述直流側電容器和上述第二直流電源之間設置有藉由上述控制部能夠開關之開關。
  7. 如請求項1至3中之任一項所記載之電力轉換裝置，其中上述控制部係設定電流指令值，以使在上述第一DC/DC轉換器流通之無效電流成為0，上述第二DC/DC轉換器供給所有的無效電流。
  8. 如請求項1至3中之任一項所記載之電力轉換裝置，其中上述控制部係藉由電流指令值之設定控制上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之無效電流，以使分別流通於上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之電流的峰值成為最小。
  9. 如請求項1至3中之任一項所記載之電力轉換裝 置，其中上述控制部係藉由電流指令值之設定控制上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之無效電流，以使分別流通於上述第一DC/DC轉換器及上述第二DC/DC轉換器之電流的均方值成為最小。
  10. 如請求項4所記載之電力轉換裝置，其中上述控制部係藉由電流指令值之設定控制上述第二DC/DC轉換器之無效電流，以使上述直流側電容器之兩端電壓與上述第一直流電源或負載之電壓一致。
  11. 如請求項1至3中之任一項所記載之電力轉換裝置，其中供給無效電流之電流指令值之設定係在以數學公式表示流至上述中間匯流排之電流的情況下，分配依存於時間之項的一部分或全部。
  12. 一種電力轉換裝置之控制方法，該電力轉換裝置具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在第一直流電源或負載和中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，且該電力轉換裝置係經由上述中間匯流排進行直流/交流的電力轉換， 該電力轉換裝置之控制方法係由上述控制部實行：進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器主要供給流至上述中間匯流排之無效電流。
  13. 一種電力轉換裝置，係經由中間匯流排而進行直流/交流之電力轉換的電力轉換裝置，具備：第一DC/DC轉換器，其係被設置在第一直流電源或負載和上述中間匯流排之間；第二DC/DC轉換器，其係被設置在直流側電容器和上述中間匯流排之間；中間電容器，其係被連接於上述中間匯流排；DC/AC轉換器，其係被設置在上述中間匯流排和交流系統之間；及控制部，其係控制上述第一DC/DC轉換器、上述第二DC/DC轉換器及上述DC/AC轉換器，上述控制部係進行電流指令值的設定，以使上述第一DC/DC轉換器供給最多流至上述中間匯流排之電流之中的有效電流，並且進行電流指令值的設定，以使上述第二DC/DC轉換器供給最多流至上述中間匯流排之電流之中的無效電流。
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