CN101584108B - 具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置及控制方法 - Google Patents

具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置及控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置及控制方法。在电力变换***中，在基于瞬时电压降低/停电而切换到自足式运行的切换操作期间，抑制了PCS交流电压中的变化。在通常的***电压稳定期间，将切换开关25切换到APR控制电路22的输出侧、将切换开关400切换到充放电运行PWM指令值准备部200的输出侧，该电力变换***以充放电运行方式运行。如果瞬时电压降低或停电发生，则将切换开关25切换到自足式运行切换前电流指令值准备部60的输出侧，并执行恒流放电运行，其中电源响应自足式运行切换前电流指令值准备部60的电流指令值进行预定时间期间的放电。因此，在预定时间经过之后，切换开关400被切换到自足式运行PWM指令值准备部30的输出侧，以执行自足式运行。此时，在电力变换***的PCS交流电压中的变化被抑制。

Description

具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置及控制方法
技术领域
本发明涉及具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置及控制方法，更具体地，涉及在瞬时电压降低或停电发生时将运行方式(模式)从***互连运行切换为自足式运行的交直流变换设备的控制装置及控制方法。 
背景技术
图2示出了其中装备了具有瞬时电压降低和停电对策功能的交直流变换装置的电力变换***的一个例子。在图2中，1表示由直流/交流(DC/AC)变换器组成的交直流变换装置。交直流变换装置1的直流侧与诸如硫化钠(NaS)电池、铅蓄电池、锂离子电池等和诸如电解电容、电双层电容等的电容器的电力存储部2连接。3表示互连变压器。交直流变换装置1通过该互连变压器3连接到电力***4和重要负荷(负载)5。6表示***电流通路中的高速开关，它连接到电力***4、互连变压器3及重要负荷5。应当注意到，电力变换***(以下称为PCS)10由交直流变换装置1、电力存储部2、互连变压器3及高速开关6构成。 
通常，电力从电力***4供给重要负荷5。然而，如果瞬时电压降低和停电发生了，则图2中的未示出的PCS的控制装置就打开高速开关6，从而通过交直流变换装置1和互连变压器3将存储在电力存储部2中的电力提供给重要负荷5。根据上述说明的方式，即便瞬时电压降低和停电发生了，切换控制也能维持对重要负荷5的电力供给。以下，将如上所述的这种装置称为“瞬时电压降低/停电补偿装置”。 
图3示出了在如上所述的“瞬时电压降低/停电补偿装置”的瞬 时电压降低/停电期间的切换控制的框图。 
在图3中，21表示偏差电路，它取充放电电力指令值和充放电电力测量值(即图2中的互连变压器3的初级(绕组)侧(***侧)的电力检测值)之间的偏差。22表示将偏差电路21的输出作为输入进行控制使其符合充放电电力指令值的APR控制电路。23表示另一偏差电路，它取图2的交直流电流变换装置1的输入和输出的交流检测值之间的偏差。24是ACR控制电路，它将偏离电路23的输出作为其输入来准备电流控制的PWM指令值。 
这些偏差电路21、23、APR控制电路22和ACR控制电路24构成充放电运行PWM指令值准备部20。 
31表示又一个偏差电路，它取PCS交流电压有效值指令值和PCS交流电压有效值测量值(即图2的互连变压器3的初级(绕组)侧(***侧))的电压检测值(与重要负荷5相同的***互连电压)之间的偏差。32表示AVR控制电路，它准备PWM指令值来执行符合控制以使PCS交流电压有效值与其指令值一致。 
这些偏差电路31和AVR控制电路32构成自足式运行PWM指令值准备部30和AVR控制电路32。 
40表示根据充放电运行/自足式运行而在充放电运行PWM指令值准备部20和自足式运行PWM指令值准备部30之间切换的切换开关。 
50表示基于根据切换开关40而转换的指令值的、为PWM控制信号即图2中所示的交直流变换装置1的门信号准备的PWM控制部。 
在图2和图3中，执行下述三种运行方式中的任一种：“充电运行”，在此期间将电力***的电力充到电力存储部2；“放电运行”，在此期间将电力存储部2的电力从电力存储部2放电；“备用运行”，在此期间既不充电也不放电。 
这里应当注意到，这些“充电运行”、“放电运行”和“备用运行”统称为“充放电运行方式”。在充放电运行方式期间，图3中的切换开关40被切换到充放电运行PWM指令值准备部20。控制装置 在接到从外部提供的充放电电力指令值时就执行使准备的充放电运行PWM指令值与电力指令值相符的控制(APR控制)。应当注意到，在“备用运行”期间，指令值可设为0。 
另外，在瞬时电压降低或停电发生的情况下，控制装置打开在图2中所示的高速开关6的通道，将图3中所示的切换开关40转换到自足式运行PWM指令值准备部30，即自足式运行(AVR控制)。自足式运行表示自足式运行将存储在电力存储部2中的电源放电以使PCS交流电压的有效值与指令值相符。该控制允许在即使发生瞬时电压降低和停电的情况下，也能维持对重要负荷5的电力供给。 
例如在非专利文献1中所描述的如图2中所示的PCS10，已经众所周知。 
非专利文献1：具有瞬时电压降低/停电对策的功能的NAS电池的PCS，2006年第3期第22～25页) 
发明内容
本发明要解决的任务 
有必要高速执行到“自足式运行”的切换，以便维持对图2和图3中所示的“瞬时电压降低/停电补偿装置”中的重要负荷5的稳定的电力供给。 
然而，在执行到“自足式运行”的切换时，如图4(a)和4(b)所示，由于充放电运行方式、重要负荷容量、AVR控制的响应特征及根据互连变压器3的漏感的感应电动势而产生初级(绕组)电压(以下称为瞬时互连变压器3的PCS交流电压)的变化。这个电压变化量因诸如在图5～图7所示的“充电运行”、“备用运行”、“放电运行”的充放电运行方式而有区别。在图5～图7中，与图2相同的部分以与图2相似的附图标记表示。电力存储部以附图标记2表示，未在图中示出。为了方便说明，在图5～图7中省略了电力存储部2，仅仅用漏感L来表示互连变压器3。 
接着，在下面将说明将方式从充放电运行方式中的任一种切换到 自足式运行时PCS交流电压的变化。 
如果瞬时电压降低/停电如图5和图6所示地在充电运行或备用运行期间发生，则打开高速开关6以将运行方式切换到自足式运行。在执行从充电运行到自足式运行的切换时，导致流经互连变压器3的电流从根据充电电力指令值的充电电流急剧地或突然改变为与重要负荷容量对应的放电电流。在备用运行时，执行从零电流到与重要负荷容量对应的放电电流的急剧改变。 
如上所述，如果流经互连变压器3的电流突然或急剧改变，就在充电方向即阻碍对重要负荷的电流供给的方向产生由互连变压器3的漏感所引起的感应电动势VTR。那时的PCS交流电压VPCS为VPCS＝VINV-VTR，从而比VINV小感应电动势VTR。这个电压降低量与流经互连变压器3的电流的时间微分量和漏感L的大小成比例。 
另一方面，如果瞬时电压降低/停电像图7中所示地在放电运行期间发生，就像充电运行或备用运行那样打开高速开关6以从放电运行切换到自足式运行。此时，导致流经互连变压器3的电流从根据放电电力指令值的充电电流急剧地改变为与重要负荷容量对应的放电电流。 
例如，当进行从以小于重要负荷容量的放电电力指令值的放电运行到自足式运行的切换时，交直流变换装置1的放电电力增加。因此，以与充电运行相同的方式，在充电方向产生因互连变压器3的漏感L而导致的感应电动势VTR。那时的PCS交流电压VPCS为VPCS＝VINV-VTR，从而降低到比VINV低感应电动势VTR的值。这个电压降低量与流经互连变压器3的电流的时间微分量和漏感L的大小成比例。 
另一方面，在进行从以大于重要负荷容量的放电电力指令值的放电运行到自足式运行的切换期间，对交直流变换装置1的放电电力降低，使得在放电方向上产生因互连变压器3的漏感L而导致的感应电动势VTR。那时的PCS交流电压VPCS为VPCS＝VINV+VTR，是以比VINV高感应电动势VTR的值。这个电压改变量与引起流入互连变压器3的电流的时间微分量和漏感L的大小成比例。 
另外，当打开高速开关6使运行方式切换为自足式运行时，打开时的截止电流使高速开关6的上位侧(朝向***)两端的电压上升。为此，需要诸如缓冲电路或放电器装置(arrester device)的新电路来抑制上述的电压上升。 
鉴于上述几点，本发明的目的在于为具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***提供能够在因瞬时电压降低或因停电而切换为自足式运行的操作期间抑制PCS交流电压的变化的控制装置及控制方法。 
解决任务的方案 
为解决上述任务的、在本发明中说明的用于具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置，包括：高速开关，其***到连接在电力***和重要负荷之间的电通路；互连变压器，其初级绕组侧被连接到在高速开关和重要负荷之间的共用连接点；交直流变换装置，其交流侧被连接到互连变压器的次级绕组侧，其直流侧被连接到电力存储部，配置为在交流和直流之间进行电力切换；控制装置，在从***互连运行切换到自足式运行期间执行恒流放电运行，其中电力存储部的电力以预定的恒流放电预定的时间段以抑制在通过交直流变换装置将运行方式改变为自足式运行期间因互连变压器的漏感而产生的感应电动势，其中***互连运行执行以下中的任一种运行：将电力***的电力通过交直流变换装置充电到电力存储部的充电运行、将电力***的电力供给重要负荷而交直流变换装置处于备用状态的备用运行和通过交直流变换装置放电的电力***的电力和将电力存储部的电力提供给重要负荷的放电运行，其中在自足式运行中，当瞬时电压降低或停电发生时，打开高速开关以使电力***与重要负荷隔离，并且电力存储部的电力通过交直流变换装置放电提供给重要负荷。 
在本发明中说明的用于具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制方法，该电力变换***包括：高速开关，其***到连接在电力***和重要负荷之间的电通路； 
互连变压器，其初级绕组侧被连接到在高速开关和重要负荷之间 的共用连接点； 
交直流变换装置，其交流侧被连接到互连变压器的次级绕组侧，其直流侧被连接到电力存储部，配置为在交流和直流之间进行电力切换；和 
其中该方法包括在***互连运行切换到自足式运行期间执行恒流放电运行，其中电力存储部的电力以预定的恒流放电预定的时间段以抑制在通过交直流变换装置将运行方式改变为自足式运行期间因互连变压器的漏感而产生的感应电动势，其中***互连运行执行以下中的任一种运行：执行将电力***的电力通过交直流变换装置充电到电力存储部的充电运行、将电力***的电力供给重要负荷而交直流变换装置处于备用状态的备用运行或将通过交直流变换装置放电的电力***的电力和电力存储部的电力提供给重要负荷的放电运行，其中在自足式运行中，当瞬时电压降低或停电发生时，打开高速开关以使电力***与重要负荷隔离、电力存储部的电力通过交直流变换装置放电提供给重要负荷。 
在上述结构中，控制装置在开关从***互连运行切换到自足式运行期间执行恒流放电运行，即执行通过交直流变换装置从电力存储部的预定时间段的预定的恒流放电。 
传统上，在进行从***互连运行到自足式运行的瞬时切换的情况下，根据互连变压器的漏感的感应的电动势产生，因而PCS交流电压的变化发生。 
然而，根据本发明的结构，恒流放电运行执行预定的时间段使得在从***互连运行切换到自足式运行期间流经互连的电流变化率(di/dt)可以很小。因此，根据互连变压器的漏感的泄漏电阻导致的感应电动势能够被抑制。稳定的电力供给被继续而不给负荷带来坏影响。 
另外，如上所述，由于抑制了在PCS交流电压中的变化，在高速开关打开而执行切换到自足式运行时在高速开关的电力***侧的电压上升能够被抑制。这样，常规上需要的缓冲电路或放电器装置不再必要，这样，能够实现整个***的空间节约和成本节省。 
在本发明的具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制装置中，在恒流放电运行期间的预定的恒流放电电流等于重要负荷电流。 
在本发明的具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制方法中，恒流放电运行执行时的预定的恒流放电电流等于重要负荷电流。 
在上述结构中，恒流放电运行期间的放电电流等于重要负荷电流，高速开关打开时在高速开关的电力***侧的电压上升几乎不发生。这样，能够进一步减小在切换到自足式运行期间的PCS交流电压中的变化。 
发明效果 
1)根据发明，在从***互连运行切换到自足式运行期间执行恒流放电，使得流经互连变压器的电流变化率(di/dt)能减小。互连变压器的漏感所引起的感应电动势能够被抑制。这样，通过在切换到自足式运行期间抑制PCS交流电压的变化，继续稳定的电力供给而不给重要负荷带来坏影响。 
另外，如上所述，PCS交流电压中的变化被抑制，能够防止起因于PCS交流电压的电压降低的高速开关的电流增加，因此，能够抑制在切换到自足式运行时打开高速开关时产生的高速开关的电力***侧的电压上升。这样，常规必需的用于抑制高速开关电压上升的缓冲电路和放电器装置不再必要，从而能够获得***整体的空间节约和成本节省。 
(2)另外，根据本发明，在恒流放电运行期间的恒流放电电流等于重要负荷电流。因此，能够将流经高速开关的电流抑制到零或显著地抑制至很大的程度。这样，在高速开关的电力***侧的电压上升几乎不会发生。因此，能够更显著地减少在切换到自足式运行期间的PCS交流电压中的变化。 
具体实施方式
图1是根据本发明的优选实施例的一个例子的控制框图。 
图2是示出了传统的电力变换***的结构图。 
图3是图2的***的控制框图。 
图4(a)和4(b)是示出了在传统的电力变换***中从充放电运行方式切换到自足式运行方式期间在重要负荷电压中的变化的电压波形图。 
图5(a)和5(b)是示出了在传统的电力变换***中从充电运行切换到自足式运行期间的电力和电压的模式的说明图。 
图6(a)和6(b)是示出了在传统的电力变换***中从备用运行切换到自足式运行期间的电力和电压的模式的说明图。 
图7(a)和7(b)是示出了在传统的电力变换***中从放电运行切换到自足式运行期间的电力和电压的模式的说明图。 
下面，参照附图说明本发明的优选实施例以更好地理解本发明。然而，本发明并不限于该优选的实施例。如上所述，在自足式运行的切换操作期间的PCS交流电压变化根据充放电运行方式而不同。在充电运行和备用运行期间，互连变压器3的初级(侧)电压降低。另一方面，互连变压器3的上述初级(侧)电压在充电运行或备用运行期间降低。另一方面，即使是在放电运行期间，当放电容量比重要负荷容量小时，初级(侧)电压也降低。然而，当放电容量比重要负荷容量大时，其初级(侧)电压上升。 
在充放电运行方式期间发生瞬时电压降低/停电。在切换到“自足式运行”之前，执行一瞬时间间隔(例如约1.0毫秒左右)的“恒流放电运行”。之后，执行“自足式运行”以便能够抑制在初级电压中的变化。这是根据本发明的原理。 
本方法不仅对图5(a)和5(b)中的“充电运行”有效，也对图6(a)至图7(b)的“备用运行”或“放电运行”有效。 
图1是示出了本发明的优选实施例的控制装置的控制框图。图1 中与图3相同的附图标记表示相似的部分，这里省略其说明。 
图3的不同于图1的部分包括提供：自足式运行切换前电流指令值准备部60；另一切换开关25，配置为响应在APR控制电路22的输出(充放电电力控制)和自足式运行切换前电流指令值准备部60的输出(自足式运行切换电压降低抑制控制＝根据本发明的恒流放电运行)之间的瞬时电压降低/停电检测信号执行切换控制，***在充放电运行PWM指令值准备部200的APR控制电路22和偏差电路23之间；另一切换开关400，响应在充放电运行PWM指令值准备部200的输出和自足式运行PWM指令值准备部30的输出之间的充放电运行/自足式运行转换指令，执行切换控制。 
在如上述方式构成的装置中，当***电压通常稳定时，切换开关25切换到APR控制电路22的输出侧，切换开关400持续地放在充放电运行PWM指令值准备部200的输出侧。此时，在充放电运行方式中的运行状态(根据本发明的***互连运行)发生。 
应该指出，如果瞬时电压降低或停电发生，则将切换开关25切换到自足式运行切换前电流指令值准备部60的输出侧，它继续被放在充放电运行前PWM指令值准备部200的输出侧，以便响应自足式运行切换前电流指令值准备部60的电流指令值进行放电控制(恒流放电运行)，该恒流放电运行持续任意的设定时间。然后，在设定时间过后，切换开关400切换到自足式运行PWM指令值准备部30的输出侧来执行到“自足式运行”的切换。 
上述“自足式运行切换前电流指令值”例如设定为下面的值中的任一：与重要负荷电流相等的值；装置额定电流，因为这个方式的时间间隔例如是短到1.0毫秒左右，即使重要负荷容量等于或小于装置额定，也不影响电力***4或重要负荷5；交直流变换装置1的PWM调制率最大值(因为这个方式的时间间隔例如是短到1.0毫秒左右，不对电力***4和重要负荷5带来影响)。 
在这三种电流中，如果执行具有只与上述重要负荷电流相同的电流的放电，就可以将导致流经高速开关的电流抑制到零或显著地抑制 至很大的程度。PCS交流电压中的变化变为最小。然而，为了简化控制，上述“装置额定电流值”和“交直流变换装置的PWM调制率最大值”中的任意一个可以用作固定值。 
在上述的方式中，恒流放电运行进行预定的时间段。为降低流经互连变压器的电流变化率(di/dt)，能抑制由于互连变压器的漏感而引起的感应电动势。当预定时间过后运行方式切换到自足式运行时，能够抑制参考图5～图7说明的感应电动势(VTR)，能够抑制PCS交流电压变化。 
恒流放电运行的持续时间取决于自足式运行的切换时间被缩短到什么程度或者电压变化被抑制什么程度。通常，电压变化值可设定为从0.1毫秒到1.0毫秒。 
另外，根据上述优选实施例，能够抑制互连变压器3的主电压(重要负荷电压)的变化。能够防止PCS交流电压的电压降低所引起的高速开关的电流增加。能够防止PCS交流电压的电压降低所引起的在高速开关的上位侧中的电压增加。因此，当运行方式从充放电运行方式切换为瞬时电压降低/停电时在打开高速开关时发生的在高速开关的上位侧(***侧)的电压上升。因此，传统上需要的、用于抑制高速开关的诸如缓冲电路、放电器装置的装置不再必要。这些能有助于空间节省和成本节省。 
应当注意到，本发明不仅适用于重要负荷5，还能适用于与电力***连接的另外的重要负荷。 
在电力变换***中，在基于瞬时电压降低/停电而切换到自足式运行的切换操作期间，抑制了PCS交流电压中的变化。在通常的***电压稳定期间，将切换开关25切换到APR控制电路22的输出侧、将切换开关400切换到充放电运行PWM指令值准备部200的输出侧，该电力变换***以充放电运行方式运行。如果瞬时电压降低或停电发生，则将切换开关25切换到自足式运行切换前电流指令值准备部60的输出侧，并执行恒流放电运行，其中电源响应自足式运行切换前电流指令值准备部60的电流指令值进行预定时间期间的放电。因此，在 预定时间经过之后，切换开关400被切换到自足式运行PWM指令值准备部30的输出侧，以执行自足式运行。此时，在电力变换***的PCS交流电压中的变化被抑制。 
符号的说明 
1...交直变换装置 
2...电力存储部 
3...互连变压器 
4...电力*** 
5...重要负荷 
6...高速开关 
10...PCS(电力变换***) 
21，23，31...偏差电路 
22...APR控制电路 
24...ACR控制电路 
25，400...切换开关 
30...自足式运行PWM指令值准备部 
32...AVR控制电路 
50...PWM控制部 
[0080] 60...自足式运行切换前电流指令值准备部 
200...充放电运行PWM指令值准备部 

Claims (4)

1.一种用于具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制设备，包括：
高速开关，其***到连接在电力***和重要负荷之间的电通路；
互连变压器，其初级绕组侧被连接到在高速开关和重要负荷之间的共用连接点；
交直流变换装置，其交流侧被连接到互连变压器的次级绕组侧，其直流侧被连接到电力存储部，配置为在交流和直流之间进行电力切换；和
控制装置，在从***互连运行切换到自足式运行期间执行恒流放电运行，其中电力存储部的电力以预定的恒流放电预定的时间段以抑制在通过交直流变换装置将运行方式改变为自足式运行期间因互连变压器的漏感而产生的感应电动势，其中***互连运行执行以下中的任一种运行：执行将电力***的电力通过交直流变换装置充电到电力存储部的充电运行、将电力***的电力供给重要负荷而交直流变换装置处于备用状态的备用运行和将通过交直流变换装置放电的电力***的电力和电力存储部的电力提供给重要负荷的放电运行，其中在自足式运行中，当瞬时电压降低或停电发生时，打开高速开关以使电力***与重要负荷隔离、电力存储部的电力通过交直流变换装置放电提供给重要负荷。
2.如权利要求1所述的用于具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制设备，其特征在于，在恒流放电运行期间的预定的恒流放电电流等于重要负荷电流。
3.一种用于具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制方法，该电力变换***包括：高速开关，其***到连接在电力***和重要负荷之间的电通路；
互连变压器，其初级绕组侧被连接到在高速开关和重要负荷之间的共用连接点；
交直流变换装置，其交流侧被连接到互连变压器的次级绕组侧，其直流侧被连接到电力存储部，配置为在交流和直流之间进行电力切换；
其特征在于，该方法包括在从***互连运行切换到自足式运行期间执行恒流放电运行，其中电力存储部的电力以预定的恒流放电预定的时间段以抑制在通过交直流变换装置将运行方式改变为自足式运行期间因互连变压器的漏感而产生的感应电动势，其中***互连运行执行以下中的任一种运行：执行将电力***的电力通过交直流变换装置充电到电力存储部的充电运行、将电力***的电力供给重要负荷而交直流变换装置处于备用状态的备用运行和将通过交直流变换装置放电的电力***的电力和电力存储部的电力提供给重要负荷的放电运行，其中在自足式运行中，当瞬时电压降低或停电发生时，打开高速开关以使电力***与重要负荷隔离、电力存储部的电力通过交直流变换装置放电提供给重要负荷。
4.如权利要求3中所述的用于具有瞬时电压降低/停电对策功能的电力变换***的控制方法，其特征在于，恒流放电运行执行时的预定的恒流放电电流等于重要负荷电流。
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