JP6485251B2 - 変換装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
しかしながら、特許文献2の変換装置では、脈流波形の零点が、微分不可能な特異点となる。そのため、生成された交流波形のゼロクロス付近は、滑らかさを欠き、波形の歪が生じる場合がある。
前記交流電圧を前記負荷に供給するための出力電圧指令値に、前記フィルタ回路、前記第2のコンデンサ及び前記直流リアクトルの電気的な影響を加味して、前記DC/AC変換部及び前記DC/DC変換部に対する制御のデューティを決定する演算工程と、前記DC/DC変換部を制御することにより、前記直流電圧を、前記交流電圧の絶対値に相当する脈流波形の期間及び脈流最小値としての前記直流電圧の期間を交互に有するDCバス電圧波形に変換する第1変換工程と、前記DC/AC変換部を制御することにより、前記直流電圧の期間で降圧して当該期間に対応する前記交流電圧の絶対値の波形に変換するとともに、脈流1周期ごとに極性を反転させる第2変換工程と、を有している。
本発明の実施形態の要旨としては、少なくとも以下のものが含まれる。
このようにして、高周波でのスイッチングに伴う損失を抑制し、かつ、交流波形の滑らかさを実現する変換装置を提供することができる。また、例えば、交流リアクトルを含むフィルタ回路の電気的な影響を加味して各変換部のデューティを決定することで、交流リアクトル電流指令値が変化したときに生じる歪を抑制することができる。
この場合、出力電圧指令値にリアクトルの電圧変化及びコンデンサの無効電流を考慮して、適切な制御を行うことができる。
前記出力電圧指令値に基づいて、前記第1コンデンサに流れる電流を考慮して交流リアクトル電流指令値を求める演算と、前記出力電圧指令値に基づいて、前記交流リアクトルによる電圧変化及び前記直流リアクトルによる電圧変化を考慮して前記DCバス電圧指令値を求める演算と、前記交流リアクトル電流指令値に基づいて、前記DC/AC変換部の参照波閾値を求める演算と、前記第2コンデンサに流れる電流による無効電力及び前記DC/AC変換部の電力に基づいて直流リアクトル電流指令値を求める演算と、前記直流リアクトル電流指令値に基づいて前記DC/DC変換部の参照波閾値を求める演算と、を実行するものである。
このような演算を行うことにより、出力電圧指令値に各リアクトルの電圧変化及び各コンデンサの無効電流を考慮して、適切な制御を行うことができる。
前記交流電圧を前記負荷に供給するための出力電圧指令値に、前記フィルタ回路、前記第2のコンデンサ及び前記直流リアクトルの電気的な影響を加味して、前記DC/AC変換部及び前記DC/DC変換部に対する制御のデューティを決定する演算工程と、前記DC/DC変換部を制御することにより、前記直流電圧を、前記交流電圧の絶対値に相当する脈流波形の期間及び脈流最小値としての前記直流電圧の期間を交互に有するDCバス電圧波形に変換する第1変換工程と、前記DC/AC変換部を制御することにより、前記直流電圧の期間で降圧して当該期間に対応する前記交流電圧の絶対値の波形に変換するとともに、脈流1周期ごとに極性を反転させる第2変換工程と、を有している。
このようにして、高周波でのスイッチングに伴う損失を抑制し、かつ、交流波形の滑らかさを実現することができる。また、例えば、交流リアクトルを含むフィルタ回路の電気的な影響を加味して各変換部のデューティを決定することで、交流リアクトル電流指令値が変化したときに生じる歪を抑制することができる。
<電源装置>
以下、実施形態の詳細について、図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施形態に係る変換装置を備えた自立型の電源装置100の一例を示す単線接続図である。図において、変換装置1の一端には蓄電池2が接続され、他端には交流負荷3が接続されている。この電源装置100は、蓄電池2を放電させて、その直流電力を変換装置1により交流電力に変換し、交流負荷3に給電する。
蓄電池2の電圧は例えば約48V、交流負荷3の電圧は例えば約100Vである。但し、電圧値は、これらに限定されるものではない。
制御部12は例えば、コンピュータを含み、ソフトウェア(コンピュータプログラム)をコンピュータが実行することで、2つの変換部(10,11)に対して必要な制御機能を実現する。ソフトウェアは、制御部12の記憶装置(図示せず。)に格納される。但し、コンピュータを含まないハードウェアのみの回路で制御部12を構成することも可能ではある。
《回路構成》
図2は、変換装置1の詳細な回路図の一例である。
図において、DC/DC変換部10の低電位側(図の左側)には、電圧センサ14、電流センサ17、及び、平滑用のコンデンサ15が設けられている。電圧センサ14は蓄電池2と並列接続され、蓄電池2の両端電圧を検出する。検出された電圧の情報は、制御部12に提供される。電流センサ17は、DC/DC変換部10に流れる電流を検出する。検出された電流の情報は、制御部12に提供される。
上記のように構成された変換装置1は、蓄電池2の放電電力により、交流負荷3に電力を供給する。交流1/2サイクルの間に、DC/AC変換部11及びDC/DC変換部10が交代でスイッチング動作する。
具体的には、交流1/2サイクルの間に、直流電圧に対してDC/DC変換部10が昇圧を行い、DC/AC変換部11は周期的な極性反転のみを行う期間と、DC/DC変換部10は入力をそのまま通過させて出力し、DC/AC変換部11が降圧のインバータ機能及び極性反転を行う期間と、がある。
以下、制御部12による制御(制御部12が実行する制御方法)として、制御部12が例えばプログラムの実行により実現する演算処理機能について具体的に説明する。但し、これは一例であり、以下の処理に限定される訳ではない。
図3は、出力電圧指令値に基づいて交流リアクトル電流指令値Igaci*を求める制御ブロック図である。簡略に述べると、これは、出力電圧指令値に基づいて、コンデンサ23に流れる電流を考慮して交流リアクトル電流指令値を求める演算である。
図において、出力電圧指令値をSinwave(正弦波)=Vsin(ωt)とし、出力電圧検出値VgacoにローパスフィルタをかけたものをVgaco_lpfとする。ローパスフィルタをかける理由は、出力電圧が何らかの要因により振動すると出力電圧検出値も当然振動し、その振動成分が制御を不安定にさせることから、出力電圧検出値をある程度なまらせるためである。ローパスフィルタのカットオフ周波数は例えば1kHzである。
図4は、出力電圧指令値に基づいてDCバス電圧指令値Vomax*を求める制御ブロック図である。簡略に述べると、これは、出力電圧指令値に基づいて、交流リアクトル22による電圧変化及び直流リアクトル16による電圧変化を考慮してDCバス電圧指令値を求める演算である。
図の左下の点線で囲む部分は、交流リアクトル22のインダクタンスL_ACによる電圧変化を求めるブロックである。ここで、交流リアクトル22のインダクタンスL_ACによる電圧変化として、
V_acl=(Igaci*−Igaci*0)×L_ACL×F_SW
を求める。その電圧変化に対して、後に述べる直流リアクトル16の電流制御における制御を安定化させるためにV_aclの制御周期ごとの値を数周期分移動平均し、V_acl_movingaveを求める。
Igdc*_approx=Igaci*×Vgaco*/Vgdc
となる。そして、図4の右側の点線で囲む部分に示すように、直流リアクトルのインダクタンスL_DCLによる電圧変化として、
V_dcl=(Igdc*_approx−Igdc*_approx0)×L_DCL×F_SW
を求め、その移動平均値V_dcl_movingaveを求める。
なお、直流リアクトル16の抵抗成分R_DCLによる電圧降下を考慮する場合はVgdc−V_dcl_movingaveの部分が、Vgdc−V_dcl_movingave−Igdc*approx×R_DCLとなる。
ここで、DC/DC変換部10とDC/AC変換部11のスイッチング切り替えフラグsw_flagを以下のように考える。
Vgdc−V_dcl_movingave>Vomax*ならば、
sw_flag=1 (DC/AC変換部11の降圧スイッチング動作)
Vgdc−V_dcl_movingave≦Vomax*ならば、
sw_flag=0 (DC/DC変換部10の昇圧スイッチング動作)
図5は、DC/AC変換部11の参照波閾値th_invを求める、交流リアクトル電流制御の制御ブロック図である。簡略に述べると、これは、交流リアクトル電流指令値に基づいて、DC/AC変換部11の参照波閾値(制御のデューティ)を求める演算である。
図において、交流リアクトル電流指令値Igaci*と交流リアクトル電流検出値Igaciとの差分をPI補償器にかけて得たVgac_piに出力電圧指令値Sinwaveを足す。この加算値をDCバス電圧指令値Vomax*で割ることで、DC/AC変換部11の参照波閾値th_invを決定する。
図6は、直流リアクトル電流指令値Igdc*を求める制御ブロック図である。簡略に述べると、これは、コンデンサ19に流れる電流による無効電力及びDC/AC変換部11の電力に基づいて直流リアクトル電流指令値を求める演算である。
図の点線で囲む部分は、DCバス18のコンデンサ19に流れる電流を求める制御ブロックである。ここで、DCバス18のコンデンサ19に流れる電流I_dcbusは、
I_dcbus=(Vomax*−Vomax*0)×C_DCBUS×F_SW
となる。
P_dcbus=I_dcbus×Vomax*
となる。出力電力指令値P_acは、
P_ac=Igaci*×Vgaco*
である。P_dcbusとP_acを足したものを(Vgdc−V_dcl_movingave)で割り、直流リアクトル電流指令値Igdc*を算出する。
図7は、DC/DC変換部10の参照波閾値th_cnvを求める、直流リアクトル電流制御の制御ブロック図である。簡略に述べると、これは、直流リアクトル電流指令値に基づいてDC/DC変換部10の参照波閾値(制御のデューティ)を求める演算である。
図において、直流リアクトル電流指令値Igdc*と直流リアクトル電流検出値Igdcとの差分をPI補償器にかけ、直流電源電圧検出値Vgdcを足し、DCバス電圧指令値Vomax*で割ることで、DC/DC変換部10の参照波閾値th_cnvを決定する。
動作条件は、
直流電源電圧:52V
スイッチング周波数:20kHz
出力電圧指令値:101V
である。
図8は、無負荷時の主要な波形を示す図である。各波形の名称は、
(a)DCバス電圧、
(b)出力電圧、
(c)DC/AC変換部11におけるスイッチング素子Q3,Q6のゲート電圧、
(d)DC/AC変換部11におけるスイッチング素子Q4,Q5のゲート電圧、
(e)DC/DC変換部10におけるスイッチング素子Q2のゲート電圧、
である。
(b)に示すように、出力電圧は滑らかな正弦波状となっている。
DC/AC変換部11のスイッチング(高周波でのスイッチング)は、出力電圧が直流電源電圧以下の期間で行われ、その他の期間ではゲート電圧がオンまたはオフとなっていてスイッチングが行われていない。
スイッチング停止期間があることから全体としてのスイッチング損失が少なく、交流リアクトル22及び直流リアクトル16における鉄損も少ない。出力電圧実効値は101.9V、出力電圧歪率は、許容範囲内の3.5%である。
(b)に示すように、出力電圧は滑らかな正弦波状となっている。また、無負荷時と同様に、DC/DC変換部10及びDC/AC変換部11のそれぞれに、スイッチング停止期間がある。出力電圧実効値は101.3V、出力電圧歪率は、許容範囲内の3.3%である。
以上の制御の具体例に示したように、制御部は、以下の動作(工程)を実行している。すなわち、
(a)交流電圧を負荷に供給するための出力電圧指令値(Sinwave)に、フィルタ回路21、コンデンサ19及び直流リアクトル16の電気的な影響を加味して、DC/AC変換部11及びDC/DC変換部10に対する制御のデューティを決定すること(演算工程)、
(b)DC/DC変換部10を制御することにより、直流電圧を、交流電圧の絶対値に相当する脈流波形の期間及び脈流最小値としての直流電圧の期間を交互に有するDCバス電圧波形に変換すること(第1変換工程)、及び
(c)DC/AC変換部11を制御することにより、直流電圧の期間で降圧して当該期間に対応する交流電圧の絶対値の波形に変換するとともに、脈流1周期ごとに極性を反転させること(第2変換工程)、である。
なお、今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。
2 蓄電池
3 交流負荷
10 DC/DC変換部
11 DC/AC変換部
12 制御部
14 電圧センサ
15 コンデンサ
16 直流リアクトル
17 電流センサ
18 DCバス
19 コンデンサ
21 フィルタ回路
22 交流リアクトル
23 コンデンサ
24 電流センサ
25 電圧センサ
26 電流センサ
100 電源装置
d1〜d6 ダイオード
Q1〜Q6 スイッチング素子
Claims (4)
- 直流電源から入力される直流電圧を非絶縁で交流電圧に変換して負荷に給電する変換装置であって、
前記負荷と接続され、交流リアクトル及び第1のコンデンサを含むフィルタ回路と、
前記フィルタ回路とDCバスとの間に設けられたDC/AC変換部と、
前記DCバスに接続された第2のコンデンサと、
前記DCバスと前記直流電源との間に設けられ、直流リアクトルを含むDC/DC変換部と、
前記DC/AC変換部及び前記DC/DC変換部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記交流電圧を前記負荷に供給するための出力電圧指令値に、出力電圧検出値をローパスフィルタ処理した値及び出力電流検出値をローパスフィルタ処理した値を取り込んで交流リアクトル電流指令値を求め、当該出力電圧指令値及び当該交流リアクトル電流指令値に基づいて、前記フィルタ回路、前記第2のコンデンサ及び前記直流リアクトルの電気的な影響を加味して、前記DC/AC変換部及び前記DC/DC変換部に対する制御のデューティを決定し、前記DC/DC変換部を制御することにより、前記直流電圧を、前記交流電圧の絶対値に相当する脈流波形の期間及び脈流最小値としての前記直流電圧の期間を交互に有するDCバス電圧波形に変換し、前記DC/AC変換部を制御することにより、前記直流電圧の期間で降圧して当該期間に対応する前記交流電圧の絶対値の波形に変換するとともに、脈流1周期ごとに極性を反転させる、変換装置。 - 前記電気的な影響とは、前記交流リアクトル及び前記直流リアクトルのそれぞれによる電圧変化、並びに、前記第1のコンデンサ及び前記第2のコンデンサをそれぞれ流れる無効電流である請求項1に記載の変換装置。
- 前記制御部は、少なくとも、
前記出力電圧指令値に基づいて、前記出力電流検出値を考慮して交流リアクトル電流指令値を求める演算と、
前記出力電圧指令値に基づいて、前記交流リアクトルによる電圧変化及び前記直流リアクトルによる電圧変化を考慮して前記DCバスの電圧指令値を求める演算と、
前記交流リアクトル電流指令値に基づいて、前記DC/AC変換部の参照波閾値を求める演算と、
前記第2のコンデンサに流れる電流による無効電力及び前記DC/AC変換部の電力に基づいて直流リアクトル電流指令値を求める演算と、
前記直流リアクトル電流指令値に基づいて前記DC/DC変換部の参照波閾値を求める演算と、
を実行する請求項1に記載の変換装置。 - 直流電源から入力される直流電圧を非絶縁で交流電圧に変換して負荷に給電する変換装置の制御方法であって、前記変換装置は、前記負荷と接続され、交流リアクトル及び第1のコンデンサを含むフィルタ回路と、前記フィルタ回路とDCバスとの間に設けられたDC/AC変換部と、前記DCバスに接続された第2のコンデンサと、前記DCバスと前記直流電源との間に設けられ、直流リアクトルを含むDC/DC変換部と、前記DC/AC変換部及び前記DC/DC変換部を制御する制御部と、を備えたものであり、
前記制御部によって実行される変換装置の制御方法は、
前記交流電圧を前記負荷に供給するための出力電圧指令値に、出力電圧検出値をローパスフィルタ処理した値及び出力電流検出値をローパスフィルタ処理した値を取り込んで交流リアクトル電流指令値を求め、当該出力電圧指令値及び当該交流リアクトル電流指令値に基づいて、前記フィルタ回路、前記第2のコンデンサ及び前記直流リアクトルの電気的な影響を加味して、前記DC/AC変換部及び前記DC/DC変換部に対する制御のデューティを決定する演算工程と、
前記DC/DC変換部を制御することにより、前記直流電圧を、前記交流電圧の絶対値に相当する脈流波形の期間及び脈流最小値としての前記直流電圧の期間を交互に有するDCバス電圧波形に変換する第1変換工程と、
前記DC/AC変換部を制御することにより、前記直流電圧の期間で降圧して当該期間に対応する前記交流電圧の絶対値の波形に変換するとともに、脈流1周期ごとに極性を反転させる第2変換工程と、
を有している、変換装置の制御方法。
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