JP5814056B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
例えば、太陽光発電機やガスエンジン発電機等の分散型電源からの直流電力を商用系統の交流電力に変換するパワーコンディショナ装置においては、分散型電源からの直流電力を昇圧する昇圧回路と、この昇圧回路で昇圧した直流電力を平滑化する電解コンデンサと、この電解コンデンサで平滑化した直流電力を商用系統の交流電力に変換するインバータ回路を備えている。
そして電解コンデンサは使用頻度や使用環境に応じて劣化することで容量抜けが生じ、パワーコンディショナ装置の大きな故障原因に繋がるため、この電解コンデンサの劣化(容量抜け)の有無を事前に認識することが知られている(特許文献2参照)。
電圧センサの異常などにより電解コンデンサの電圧値が正常に検出できない状態に陥るような故障などは検出できないという問題があった。
また、特許文献3は、入力電圧センサによって検出された入力電圧と、出力電圧センサによって検出された出力電圧との相違に基づいて異常を検出するもので、入力電圧センサ、出力電圧センサ及び電力変換回路のどの箇所に異常が発生したのか、特定が困難であり、また異常を検出する制御回路も複雑であった。
また、運転開始の初動動作時に異常を検出することにより、部品故障や装置破損の影響範囲を抑える効果がある。
以下、この発明の実施の形態1に係る電力変換装置を図1〜図5に基づいて説明する。なお、この実施形態では電力変換装置として、マルチレベルチョッパ回路を有する太陽光発電パワーコンディショナのDC/DC電力変換装置について説明するが、この発明はこれに限定されるものではない。
換するインバータと組み合わせて工場などの系統に接続される負荷30との間に接続されている。電力変換装置10はDC/DC電力変換部11とその制御回路12で構成され、DC/DC電力変換部11と制御回路12の間には、DC/DC電力変換部11内の後述するコンデンサに蓄電される電圧を検出する電圧センサ(図示省略)からの信号をそれぞれ入力する差動アンプ回路13a、13b、13cが接続されている。
1)入力電圧Vinの2倍より小さい直流の出力電圧Voutに変換する場合
まず、第1のスイッチング素子S1をON、第2のスイッチング素子S2をOFFにする。この時、入力電源20の入力電圧Vin(入力コンデンサCinは容量が大きいとして所定の時間内の動作では直流電源と見做してもよい)は、入力コンデンサCin→リアクトルL→第1のダイオードD1→中間コンデンサCf→第1のスイッチング素子S1→入力コンデンサCinという経路で通電し、入力コンデンサCinの直流電圧のエネルギーがリアクトルLと中間コンデンサCfに移行する。
次に、第1のスイッチング素子S1をOFF、第2のスイッチング素子S2をONにする。この時、中間コンデンサCfに蓄積されたエネルギーが、中間コンデンサCf→第2のダイオードD2→出力コンデンサCout→入力コンデンサCin→リアクトルL→第2のスイッチング素子S2→中間コンデンサCfという経路で通電し、出力コンデンサCoutに移行すると共に、リアクトルLにエネルギーを蓄積する。
この一連の動作の繰り返しにより、Vin≦Vout<2×Vinの範囲で、入力された電圧Vinを昇圧調整して、出力電圧Voutとして出力する。
まず、第1のスイッチング素子S1と第2のスイッチング素子S2を共にONにする。この時、入力電源20の入力電圧Vinは、入力コンデンサCin→リアクトルL→第2のスイッチング素子S2→第1のスイッチング素子S1→入力コンデンサCinという経
路で通電し、入力コンデンサCinの直流電圧のエネルギーがリアクトルLに移行する。
次に、第1のスイッチング素子S1をON、第2のスイッチング素子S2をOFFにする。この時、リアクトルLに蓄積されたエネルギーが、リアクトルL→第1のダイオードD1→中間コンデンサCf→第1のスイッチング素子S1→入力コンデンサCin→リアクトルLという経路で通電し、中間コンデンサCfに移行する。
この一連の動作の繰り返しにより、Vout>2×Vinの範囲で、入力された電圧Vinを昇圧調整して、出力電圧Voutとして出力する。
図2において、電圧センサ入力部41は、DC/DC電力変換部11の入力コンデンサCinと中間コンデンサCfと出力コンデンサCoutに蓄電される電圧を検出する電圧センサ(図示省略)からの信号を入力する。制御演算部42は、電圧センサ入力部41から入力される入力コンデンサCinの入力電圧Vinと出力コンデンサCoutの出力電圧Voutを比較して、比較結果を基に出力電圧Voutが所定値になるようスイッチング素子S1、S2のON、OFF時間のデューティ比を演算する。ゲートパルス出力部43は、制御演算部42からの信号により、スイッチング素子S1、S2のゲートに入力する信号パルスを生成する。
そこで、中間コンデンサCfの不足電圧を検出する手段として、制御回路12内に設定部44と、電力変換部11の運転状態に応じた信号を出力する状態信号出力部45と、不足電圧を検出する異常検出部46とを備えている。また異常検出部46が中間コンデンサCfの不足電圧を検出した場合にDC/DC電力変換部11の制御を停止する運転停止制御部47を備えている。
まず図3に示すように、電力変換装置10の運転開始後に、充電開始条件成立(ON)後、中間コンデンサCfの電圧Vcfが上昇し、検出開始電圧値V1を超えることで不足電圧検出のフラグが「有効」となった場合について説明する。
中間コンデンサCfに充電される電圧Vcfは、図3(b)のように順次上昇して行き、その電圧Vcfが電圧設定手段441で設定された図3(a)に示す検出開始電圧値V1を超えると、検出フラグ発生器465は不足電圧検出フラグを図3(d)に示すように「有効」とする。
なお、カウンタ462をタイマに代えた場合は、中間コンデンサCfの電圧Vcfが不足電圧判定値V2以下となる時間が、整定時間(一例として3ms)以上継続した場合に、第2の判定部464は中間コンデンサCfの不足電圧と判定し、電力変換装置10の制御を停止する。
図4に示すように、電力変換装置10の運転開始後に、充電可能となった(ON)後、中間コンデンサCfの電圧Vcfが所定値まで上昇しないで不足電圧検出のフラグがまだ「無効」の場合について説明する。
中間コンデンサCfに充電される電圧Vcfは、図4(b)のように微かに上昇して行くが、タイマ461による時間計測が時間設定手段443で設定された判定時間T1以上経過しても、中間コンデンサCfの電圧Vcfが、電圧設定手段441で設定された図4(a)に示す検出開始電圧値V1以上に上昇しない場合、第1の判定部463は中間コンデンサCfの不足電圧と判定する。そして第1の判定部463は運転停止制御部47にエラー信号を送り、電力変換装置10の制御を停止する。
まずステップS1は、電力変換装置10が運転中かどうか判断する。ステップS1において電力変換装置10が運転中の場合(YES)はステップS2に進み、電力変換装置10が運転中でない場合(NO)はステップS3に進む。ステップS3では中間コンデンサCfの不足電圧の検出を「無効」とする。
ステップS6において、中間コンデンサCfの電圧Vcfが不足電圧判定値V2以下になったかどうか判断する。ステップS6において、中間コンデンサCfの電圧Vcfが不足電圧判定値V2以下になった場合(YES)はステップS7に進み、中間コンデンサCfの電圧Vcfが不足電圧判定値V2以下でない場合(NO)はステップS8に進む。
一方、ステップS8は、不足電圧判定値V2以下となる時間が整定時間以上継続するか
を検出するカウンタ462をクリア(Cnt=0)し、カウンタ462によるカウントは行わない。
ステップS10においては、中間コンデンサCfの電圧Vcfが不足電圧になったと検出し、ステップS11に進むと同時に、電力変換装置10の制御を停止してエンドとなる。なおステップS11の動作については後述する。
次に、不足電圧検出のフラグが「無効」(Vcf<V1)の場合における不足電圧検出方法を図5のプログラムフローチャートで説明する。
一方、ステップS14は、判定時間T1を監視するタイマ461をクリア(Timer=0)し、タイマ461による時間計測は行わない。
ステップS16では、タイマ461による計測時間Timerが判定時間T1を超えていたため、中間コンデンサCfの電圧Vcfが不足電圧になったと検出し、ステップS17に進むと同時に、電力変換装置10の制御を停止してエンドとなる。
また、この発明は、その発明の範囲内において、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
12:制御回路
20:入力電源 30:負荷
41:電圧センサ入力部 42:制御演算部
43:ゲートパルス出力部 44:設定部
45:状態信号出力部 46:異常検出部
47:運転停止制御部
441:電圧設定手段 442:判定値設定手段
443:時間設定手段
451:運転状態部 452:充電開始部
461:タイマ 462:カウンタ
463:第1の判定部 464:第2の判定部
465:検出フラグ発生器
Cin,Cf,Cout:コンデンサ L:リアクトル
D1,D2:ダイオード S1,S2:スイッチング素子
Claims (3)
- 入力電源からの直流電圧を昇圧し、所定の直流電圧に制御して負荷に出力するDC/DC電力変換部を有し、前記DC/DC電力変換部のスイッチングにより充放電動作を行い、入力コンデンサに蓄積された直流電圧のエネルギーを出力コンデンサに移行させるため、一旦エネルギーを蓄積している中間コンデンサの電圧を電圧センサで検出するようにした電力変換装置において、前記中間コンデンサに蓄電される電圧の不足電圧を検出するための検出開始電圧値を設定する電圧設定手段と所定の判定時間を設定する時間設定手段とを有した設定部、前記DC/DC電力変換部の運転開始後に前記中間コンデンサの充電が可能となった時点から時間計測するタイマを有し、このタイマで計測された時間が前記時間設定手段で設定された所定の判定時間以上経過しても、前記中間コンデンサに蓄電される電圧が前記電圧設定手段で設定された検出開始電圧値以上に上昇しない場合に、前記中間コンデンサの不足電圧として検出する異常検出部を備え、前記異常検出部が前記中間コンデンサの不足電圧を検出した場合に前記DC/DC電力変換部の制御を停止するようにした電力変換装置。
- 前記設定部に前記電圧設定手段で設定した検出開始電圧値よりも小さい値の不足電圧判定値を設定する判定値設定手段を設け、前記異常検出部は、前記中間コンデンサに蓄電された電圧が前記検出開始電圧値以上に上昇した後、前記判定値設定手段で設定された不足電圧判定値以下になった時間が所定時間継続した場合に、前記中間コンデンサの不足電圧として検出するようにした請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記中間コンデンサに蓄電される電圧が、前記電圧設定手段で設定された検出開始電圧値未満の時は不足電圧検出を無効とし、前記電圧設定手段で設定された検出開始電圧値以上に上昇した時に不足電圧検出を有効とする検出フラグを発生する検出フラグ発生器を設け、前記検出フラグが無効中に前記中間コンデンサの充電が可能となった時点から前記タイマが時間計測するようにした請求項1に記載の電力変換装置。
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