JP2015089235A

JP2015089235A - 電力変換装置

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Publication number: JP2015089235A
Application number: JP2013225883A
Authority: JP
Inventors: 山口　浩二; Koji Yamaguchi; 浩二山口; 隼一馬籠; Junichi Magome
Original assignee: IHI Corp
Current assignee: IHI Corp
Priority date: 2013-10-30
Filing date: 2013-10-30
Publication date: 2015-05-07

Abstract

【課題】最大電力を得る。【解決手段】駆動回路から双方向チョッパ回路に入力される電圧（入力電圧）を検出する入力用電圧センサと、双方向チョッパ回路から直流電源に出力される電流（出力電流）を検出する電流センサと、双方向チョッパ回路から直流電源に出力される電圧（出力電圧）を検出する電圧センサと、出力電流と出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、出力電力を確認しつつ、入力電圧を正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、入力電圧を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも上回っている場合には、入力電圧を前回と同じ方向に変化させるように双方向チョッパ回路を制御するチョッパ制御部を具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

スイッチトリラクタンス回転機は、ロータに永久磁石や巻線がなく、ロータとステータとの間に生じる磁気吸引力によって動作する構成となっている。スイッチトリラクタンス回転機は、原理的に振動、騒音等の課題があるが、構造が簡単で堅牢、高速回転にも耐えることができ、また、ネオジム磁石等の高価な永久磁石が不要であるため安価であるという特徴を有している。そのため、近年、低コストで信頼性に優れた回転機として、実用化に向けての研究開発が進められている。例えば、風力発電（下記特許文献１参照）には風車に接続された発電機が必要であるが、該発電機としてスイッチトリラクタンス回転機を使用する研究が進められている。

特開２０１０−２５０２８号公報

ところで、上記従来技術において、スイッチトリラクタンス回転機を発電機として使用する場合、スイッチトリラクタンス回転機に励磁電力を供給する必要があるが、直流電源から出力される直流電力を励磁電力に変換して、スイッチトリラクタンス回転機に供給する電力変換装置は、例えば、スイッチトリラクタンス回転機に励磁電流を供給する駆動回路と、直流電源から供給された直流電力を昇圧して駆動回路に供給する双方向チョッパ回路とを備える。このような構成では、電力の回収時、スイッチトリラクタンス回転機から、駆動回路及び双方向チョッパ回路を介して、直流電源に電力が供給されるが、駆動回路から双方向チョッパ回路に入力される入力電圧が、周囲環境、例えば、風力、温度などの環境が変化すると、最適な値とならないため、最大電力を回収することができないという問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、最大電力を得ることを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の解決手段として、直流電源から出力される直流電力を変圧する双方向チョッパ回路と、双方向チョッパ回路から出力される直流電力を励磁電力に変換し、発電機として機能するスイッチトリラクタンス回転機に供給する駆動回路とを具備する電力変換装置であって、前記駆動回路から前記双方向チョッパ回路に入力される電圧（入力電圧）を検出する入力用電圧センサと、前記双方向チョッパ回路から前記直流電源に出力される電流（出力電流）を検出する電流センサと、前記双方向チョッパ回路から前記直流電源に出力される電圧（出力電圧）を検出する電圧センサと、前記出力電流と前記出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、前記出力電力を確認しつつ、前記入力電圧を正または負方向に変化させ、算出した最新の前記出力電力が前回算出した前記出力電力よりも下回っている場合には、前記入力電圧を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の前記出力電力が前回算出した前記出力電力よりも上回っている場合には、前記入力電圧を前回と同じ方向に変化させるように前記双方向チョッパ回路を制御するチョッパ制御部を具備する、という手段を採用する。

本発明では、第２の解決手段として、直流電源から出力される直流電力を変圧する双方向チョッパ回路と、双方向チョッパ回路から出力される直流電力を励磁電力に変換し、発電機として機能するスイッチトリラクタンス回転機に供給する駆動回路とを具備する電力変換装置であって、前記駆動回路から前記双方向チョッパ回路に入力される電圧（入力電圧）を検出する入力用電圧センサと、前記駆動回路から双方向チョッパ回路に入力される電流（入力電流）を検出する入力用電流センサと、前記入力電流と前記入力電圧とを乗算して入力電力を算出し、前記入力電力を確認しつつ、前記入力電圧を正または負方向に変化させ、算出した最新の前記入力電力が前回算出した前記入力電力よりも下回っている場合には、前記入力電圧を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の前記入力電力が前回算出した前記入力電力よりも上回っている場合には、前記入力電圧を前回と同じ方向に変化させるように前記双方向チョッパ回路を制御するチョッパ制御部を具備する、という手段を採用する。

本発明では、第３の解決手段として、上記第１または第２の解決手段において、前記チョッパ制御部は、変化させる入力電圧の初期値を、外部の上位制御装置から入力される制御指令及び前記スイッチトリラクタンス回転機の角速度の少なくとも一方に基づいて決定する、という手段を採用する。

本発明では、第４の解決手段として、上記第１〜第３のいずれか１つの解決手段において、前記チョッパ制御部は、上限値及び下限値の間で前記入力電圧を変化させる、という手段を採用する。

本発明によれば、出力電力または入力電力を算出し、出力電力または入力電力を確認しつつ、入力電圧を正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力または入力電力が前回算出した出力電力または入力電力よりも下回っている場合には、入力電圧を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力あるいは入力電力が前回算出した出力電力あるいは入力電力よりも上回っている場合には、入力電圧を前回と同じ方向に変化させるように双方向チョッパ回路を制御することによって、駆動回路から双方向チョッパ回路に入力される入力電圧が、最適な値となって、最大電力を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の機能ブロック図である。本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の機能ブロック図である。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の動作を示すフローチャートである。本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の動作の変形例を示すフローチャートである。

〔第1実施形態〕
初めに第１実施形態について説明する。本第１実施形態に係る電力変換装置は、直流電源Ｅによって出力される電力を変換してスイッチトリラクタンス回転機Ｇに供給するものである。このような電力変換装置は、図１に示すように、双方向チョッパ回路１、駆動回路２、回転位置センサ３、入力用電圧センサ４、出力用電流センサ５、出力用電圧センサ６及びチョッパ制御部７から構成されている。

上記スイッチトリラクタンス回転機Ｇは、例えば、回転軸に風車が接続されて、風力発電における発電機として使用されるものである。スイッチトリラクタンス回転機Ｇを発電機として使用して電力を得るためには、風車によって回転するスイッチトリラクタンス回転機Ｇに電力変換装置から励磁電力を供給する必要がある。スイッチトリラクタンス回転機Ｇでは、ロータが、磁化されたステータに引き付けられる吸引力に逆らって、風車から得られる機械的な力によって回転することで発電する。また、上記直流電源Ｅは、例えば、１つあるいは複数の電池セルが直列接続されたバッテリである。

双方向チョッパ回路１は、例えばＤＣ／ＤＣコンバータであり、チョッパ制御部７から供給されるチョッパ制御信号に基づいてスイッチングすることにより、直流電源Ｅから供給される直流電力を昇圧あるいは駆動回路２から供給される電力を降圧する。

駆動回路２は、図示しないインバータ制御部から供給されるＰＷＭ信号に基づいてスイッチングすることにより、直流電源Ｅから供給される直流電力をＵ相、Ｖ相及びＷ相からなる３相の励磁電力に変換して、スイッチトリラクタンス回転機Ｇに供給する。

回転位置センサ３は、スイッチトリラクタンス回転機Ｇの回転子の回転位置を検出し、当該回転位置を示す回転位置検出信号をチョッパ制御部７に出力する。
入力用電圧センサ４は、駆動回路２と双方向チョッパ回路１との間に設けられ、駆動回路２から双方向チョッパ回路１に入力される入力電圧Ｖｎを検出する。

出力用電流センサ５は、直流電源Ｅと双方向チョッパ回路１との間に設けられ、直流電源Ｅへの出力電流Ｉｐを検出して、チョッパ制御部７に出力する。
出力用電圧センサ６は、直流電源Ｅと双方向チョッパ回路１との間に設けられ、直流電源Ｅへの出力電圧Ｖｐを検出して、チョッパ制御部７に出力する。

チョッパ制御部７は、双方向チョッパ回路１のスイッチングを制御するものであり、図１に示すように、速度演算部７ａ、最大電力追従演算部７ｂ及びチョッパ制御信号発生部７ｃから構成されている。
速度演算部７ａは、回転位置センサ３から入力される回転位置検出信号を微分処理することにより、スイッチトリラクタンス回転機Ｇの回転状態値として角速度を算出し、算出した角速度を最大電力追従演算部７ｂに出力する。

最大電力追従演算部７ｂは、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）、速度演算部７ａから入力される角速度、入力用電圧センサ４によって検出された入力電圧Ｖｎ、出力用電流センサ５によって検出された出力電流Ｉｐ及び出力用電圧センサ６によって検出された出力電圧Ｖｐに基づいて電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力が最大となる入力電圧Ｖｎの電圧目標値Ｖrefを算出し、該電圧目標値Ｖrefをチョッパ制御信号発生部７ｃに出力する。

チョッパ制御信号発生部７ｃは、入力電圧Ｖｎが最大電力追従演算部７ｂから入力される電圧目標値Ｖrefとなるように、双方向チョッパ回路１の各スイッチング素子のスイッチングのデューティ値を算出し、該デューティ値に基づいて双方向チョッパ回路１をスイッチング動作させるためのチョッパ制御信号を生成して双方向チョッパ回路１に出力する。

次に、このように構成された本電力変換装置の動作について図２を参照して説明する。
本電力変換装置は、直流電源Ｅへの出力電力が最大となるように追従制御するものであり、以下の特徴的な処理を実行する。まず、電力変換装置において、チョッパ制御部７の最大電力追従演算部７ｂは、増減フラグＦに初期値（例えば「１」）を設定する（ステップＳ１）。

続いて、最大電力追従演算部７ｂは、上記増減フラグＦを用いて電圧目標値Ｖrefを算出する（ステップＳ２）。具体的には、最大電力追従演算部７ｂは、増減フラグＦと微小電圧ΔＶとを乗算し、この乗算結果を入力電圧Ｖｎの電圧目標値の現在値Ｖ０に加算することで、新たな電圧目標値Ｖrefを算出する。上記電圧目標値Ｖrefの違いによって電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力は増減する。なお、微小電圧ΔＶは、予め設定された固定値である。

また、最大電力追従演算部７ｂは、電圧目標値の初期値、つまり、初回の電圧目標値の現在値Ｖ０について、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部７ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方に基づいて決定する。例えば、最大電力追従演算部７ｂは、上位制御装置から入力される制御指令（例えば電力目標値）及び速度演算部７ａから入力されるスイッチトリラクタンス回転機Ｇの角速度の少なくとも一方と、電圧目標値の初期値とが対応付けられたテーブルを予め記憶し、このテーブルに基づいて電圧目標値の初期値を決定する。

続いて、最大電力追従演算部７ｂは、出力用電流センサ５から入力される出力電流Ｉｐと出力用電圧センサ６から入力される出力電圧Ｖｐとを乗算して、出力電力Ｐを算出し（ステップＳ３）、算出した最新の出力電力Ｐと前回算出した出力電力Ｐ０とを比較する（ステップＳ４）。最大電力追従演算部７ｂは、算出した最新の出力電力が前回算出した出力電力よりも下回っている場合には、増減フラグＦに「−１」を乗算し、この乗算結果を新たな増減フラグＦとして設定し（ステップＳ５）、最新の出力電力Ｐを前回算出した出力電力Ｐ０に設定すると共に、最新の電圧目標値Ｖrefを現在値Ｖ０に設定して（ステップＳ６）、再びステップＳ２の処理を実行する。一方、最大電力追従演算部７ｂは、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、上記ステップＳ５の処理を実行せずに、上記ステップＳ６の処理を実行して、再びステップＳ２の処理を実行する。

つまり、最大電力追従演算部７ｂは、上記ステップＳ１〜Ｓ６の処理を実行することによって、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとを乗算して出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、入力電圧Ｖｎを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回と同じ方向に変化させるように双方向チョッパ回路１を制御する。

このような本実施形態によれば、出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、入力電圧Ｖｎを正または負方向に変化させ、算出した最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも下回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の出力電力Ｐが前回算出した出力電力Ｐ０よりも上回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回と同じ方向に変化させるように双方向チョッパ回路１を制御することによって、駆動回路２から双方向チョッパ回路１に入力される入力電圧Ｖｎが、最適な値となって、最大電力を得ることができる。

〔第２実施形態〕
次に、第２実施形態に係る電力変換装置について説明する。
本第２実施形態に係る電力変換装置は、以下の点において、上記第１実施形態と相違する。つまり、本実施形態に係る電力変換装置は、図３に示すように、出力用電流センサ５及び出力用電圧センサ６に代わって、入力用電流センサ１１を有する点において、上記第１実施形態と相違する。これ以外の構成要素については第１実施形態と同様である。よって、第２実施形態において第１実施形態と同様の構成要素については説明を省略する。

入力用電流センサ１１は、駆動回路２と双方向チョッパ回路１との間に設けられ、駆動回路２から双方向チョッパ回路１に入力される入力電流Ｉｎを検出する。

次に、このように構成された本第２実施形態の動作について図４を参照して説明する。
本電力変換装置は、直流電源Ｅへの出力電力が最大となるように追従制御するものであり、以下の特徴的な処理を実行する。まず、電力変換装置において、チョッパ制御部７の最大電力追従演算部７ｂは、増減フラグＦに初期値（例えば「１」）を設定する（ステップＳ１１）。

続いて、最大電力追従演算部７ｂは、上記増減フラグＦを用いて電圧目標値Ｖrefを算出する（ステップＳ１２）。具体的には、最大電力追従演算部７ｂは、増減フラグＦと微小電圧ΔＶとを乗算し、この乗算結果を入力電圧Ｖｎの電圧目標値の現在値Ｖ０に加算することで、新たな電圧目標値Ｖrefを算出する。上記電圧目標値Ｖrefの違いによって電力変換装置から直流電源Ｅに出力される電力は増減する。なお、微小電圧ΔＶは、予め設定された固定値である。

続いて、最大電力追従演算部７ｂは、入力用電流センサ１１から入力される入力電流Ｉｎと入力用電圧センサ４から入力される入力電圧Ｖｎとを乗算して、入力電力Ｐｎを算出し（ステップＳ１３）、算出した最新の入力電力Ｐｎと前回算出した入力電力Ｐｎ０とを比較する（ステップＳ１４）。最大電力追従演算部７ｂは、算出した最新の入力電力Ｐｎが前回算出した入力電力Ｐｎ０よりも下回っている場合には、増減フラグＦに「−１」を乗算し、この乗算結果を新たな増減フラグＦとして設定し（ステップＳ１５）、最新の入力電力Ｐｎを前回算出した入力電力Ｐｎ０に設定すると共に、最新の電圧目標値Ｖrefを現在値Ｖ０に設定して（ステップＳ１６）、再びステップＳ２の処理を実行する。一方、最大電力追従演算部７ｂは、算出した最新の入力電力Ｐｎが前回算出した入力電力Ｐｎ０よりも上回っている場合には、上記ステップＳ１５の処理を実行せずに、上記ステップＳ１６の処理を実行して、再びステップＳ１２の処理を実行する。

つまり、最大電力追従演算部７ｂは、上記ステップＳ１１〜Ｓ１６の処理を実行することによって、入力電流Ｉｎと入力電圧Ｖｎとを乗算して入力電力Ｐｎを算出し、入力電力Ｐｎを確認しつつ、入力電圧Ｖｎを正または負方向に変化させ、算出した最新の入力電力Ｐｎが前回算出した入力電力Ｐｎ０よりも下回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の入力電力Ｐｎが前回算出した入力電力Ｐｎ０よりも上回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回と同じ方向に変化させるように双方向チョッパ回路１を制御する。

このような本実施形態によれば、入力電力Ｐｎを算出し、入力電力Ｐｎを確認しつつ、入力電圧Ｖｎを正または負方向に変化させ、算出した最新の入力電力Ｐｎが前回算出した入力電力Ｐｎ０よりも下回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の入力電力Ｐｎが前回算出した入力電力Ｐｎ０よりも上回っている場合には、入力電圧Ｖｎを前回と同じ方向に変化させるように双方向チョッパ回路１を制御することによって、駆動回路２から双方向チョッパ回路１に入力される入力電圧Ｖｎが、最適な値となって、最大電力を得ることができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることなく、例えば以下のような変形が考えられる。
（１）本発明では、上限値及び下限値の間で入力電圧Ｖｎを変化させるようにしてもよい。つまり、本発明では、電圧目標値Ｖrefを上限値及び下限値の間で制御するようにしてもよい。

（２）本発明では、図５に示すように、ステップＳ４１（つまり、図２におけるステップＳ３）から順番に処理を実行するようにしてもよい。なお、図５では、第１実施形態と同様、出力電流Ｉｐと出力電圧Ｖｐとを乗算して出力電力Ｐを算出し、出力電力Ｐを確認しつつ、入力電圧Ｖｎを正または負方向に変化させているが、第２実施形態のように、入力電流Ｉｎと入力電圧Ｖｎとを乗算して入力電力Ｐｎを算出し、入力電力Ｐｎを確認しつつ、入力電圧Ｖｎを正または負方向に変化させるようにしてもよい。

１双方向チョッパ回路
２駆動回路
３回転位置センサ
４入力用電圧センサ
５出力用電流センサ
６出力用電圧センサ
７チョッパ制御部
７ａ速度演算部
７ｂ最大電力追従演算部
７ｃチョッパ制御信号発生部
１１入力用電流センサ

Claims

直流電源から出力される直流電力を変圧する双方向チョッパ回路と、双方向チョッパ回路から出力される直流電力を励磁電力に変換し、発電機として機能するスイッチトリラクタンス回転機に供給する駆動回路とを具備する電力変換装置であって、
前記駆動回路から前記双方向チョッパ回路に入力される電圧（入力電圧）を検出する入力用電圧センサと、
前記双方向チョッパ回路から前記直流電源に出力される電流（出力電流）を検出する電流センサと、
前記双方向チョッパ回路から前記直流電源に出力される電圧（出力電圧）を検出する電圧センサと、
前記出力電流と前記出力電圧とを乗算して出力電力を算出し、前記出力電力を確認しつつ、前記入力電圧を正または負方向に変化させ、算出した最新の前記出力電力が前回算出した前記出力電力よりも下回っている場合には、前記入力電圧を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の前記出力電力が前回算出した前記出力電力よりも上回っている場合には、前記入力電圧を前回と同じ方向に変化させるように前記双方向チョッパ回路を制御するチョッパ制御部を具備することを特徴とする電力変換装置。
直流電源から出力される直流電力を変圧する双方向チョッパ回路と、双方向チョッパ回路から出力される直流電力を励磁電力に変換し、発電機として機能するスイッチトリラクタンス回転機に供給する駆動回路とを具備する電力変換装置であって、
前記駆動回路から前記双方向チョッパ回路に入力される電圧（入力電圧）を検出する入力用電圧センサと、
前記駆動回路から双方向チョッパ回路に入力される電流（入力電流）を検出する入力用電流センサと、
前記入力電流と前記入力電圧とを乗算して入力電力を算出し、前記入力電力を確認しつつ、前記入力電圧を正または負方向に変化させ、算出した最新の前記入力電力が前回算出した前記入力電力よりも下回っている場合には、前記入力電圧を前回の変化と変化させる方向を切り替えて変化させ、最新の前記入力電力が前回算出した前記入力電力よりも上回っている場合には、前記入力電圧を前回と同じ方向に変化させるように前記双方向チョッパ回路を制御するチョッパ制御部を具備することを特徴とする電力変換装置。
前記チョッパ制御部は、変化させる入力電圧の初期値を、外部の上位制御装置から入力される制御指令及び前記スイッチトリラクタンス回転機の角速度の少なくとも一方に基づいて決定することを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記チョッパ制御部は、上限値及び下限値の間で前記入力電圧を変化させることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の電力変換装置。