JP7291592B2 - コンバータ装置及びその出力制御方法 - Google Patents
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Description
従来から知られる最も簡単な電流の分担制御としては、負荷電流の増加に対して出力電圧を低下させる制御であるドループ制御(垂下制御)がある。この制御により、負荷電流の増加等に伴って1つのコンバータの出力電圧が低下すると、別のコンバータの出力電圧が相対的に高くなり、当該コンバータから負荷電流が供給されるので、複数のコンバータ間で電流を分担させることができ、効率の良い電力供給が可能になる(例えば、特許文献1参照)。
なお、通信を用いて各コンバータのドループ特性のバラツキを補正することも考えられるが、この場合、新たな外部機器が必要となって装置構成が複雑になり、また、並列接続するコンバータの台数が通信可能な台数に制限されるという問題がある。更に、ある1つのコンバータの出力電圧に、他のコンバータの出力電圧が合うように補正することも考えられるが、この場合、補正するためのシーケンスが新たに必要になり、シーケンスが複雑になるという問題もある。
前記各双方向コンバータの制御手段には、前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する制御部が設けられている。
前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する。
図1(A)~(D)、図2に示すように、本発明の一実施の形態に係るコンバータ装置10は、入力電源(AC電源)11と負荷装置(例えば、電池群)12との間に並列接続された複数(ここでは2台)の双方向型コンバータ(以下、単にコンバータとも記載)13、13aを有している。なお、図1(A)~(D)では、並列接続した2台の双方向コンバータ13、13aを、「コンバータ1」と「コンバータ2」として図示している。
以下、詳しく説明する。
この場合、前記した各双方向コンバータ13、13aをドループ特性を有するDC/DCコンバータ15に適用する。また、図2の破線で囲まれたDC/DCコンバータ15を省略して、各コンバータ13、13aをドループ特性を有するAC/DCコンバータ14に適用することもできる。
図3では、双方向AC/DCコンバータ14(AC/DC変換回路)を介して変換された直流が、制御手段20の入力側(I)に加えられている。制御手段20は、回路に直列及び並列に接続されたスイッチング素子21(Q1)、22(Q2)、回路に直列に接続されたリアクトル23(L1)、並びに、回路に並列に接続されたコンデンサ24(C1)を有し、更に制御手段20の出力側(II)の電圧(出力電圧)及び出力電流を入力する制御回路(制御部の一例)25を有している。
なお、制御回路25は、内部にCPU及び必要なAD変換回路、メモリーを有し、入力されたプログラムによって制御される。また、制御回路25では、図4に示すように、入力した出力電圧と出力電流を用いてフィードバック制御を行うためのプログラム処理も行われる。
(1)ステップ1(ST1)
制御回路25からの指令等により、各コンバータ13、13aを起動させる。
このとき、後述する補正値offset1、2(即ち、各双方向コンバータ13、13aで検出したフィードバック電圧VFBに加算する補正電圧)は「0」である。
各コンバータ13、13aの出力電圧を立上げる。
ここでは、それぞれのコンバータ13、13aの制御回路25に、予め共通に設定した出力基準電圧Vrefを入力する。この出力基準電圧Vrefは負荷装置12が必要とする電圧値であり、制御回路25に記憶させる。
このとき、負荷装置12は稼動していない状態であるため、各コンバータ13、13aは無負荷の状態である(各コンバータ13、13aと負荷装置12を遮断状態にすることもできる)。
以下の式(1)、式(2)の出力電圧指令V1、V2に基づいて、各コンバータ13、13aは定電圧制御を行う(出力電圧安定)。この電圧制御はドループ制御である。
V1=Vref-K×i1 ・・・(1)
V2=Vref-K×i2 ・・・(2)
ここで、Kはドループ率であり傾き(マイナス)を表し、PWM制御(ドループ制御)を行う際に設定される擬似抵抗(仮想抵抗:例えば、10mΩ~5Ω程度)に相当する。これにより、各コンバータ13、13aの出力電圧のドループ特性となる。
各コンバータ13、13aは並列接続されているので、無負荷にも関わらず、例えば、コンバータ13、13aの品質のバラツキ等により出力電流i2、i1が流れる(各コンバータ13、13aが電流を出力する)ことがある。具体的には、図1(A)に示すように、コンバータ13(コンバータ1、以下同じ)はP点の位置で、コンバータ13a(コンバータ2、以下同じ)はQ点の位置で動作する場合がある。このP点とQ点は同一電圧であるが、図1(A)、(B)に示す出力電流i2(マイナス成分)、i1(プラス成分)が循環電流となって流れる。
まず、図6に、出力電圧と検出したフィードバック電圧VFBとの関係を示す。
各コンバータ13、13aの検出回路のバラツキ(品質のバラツキ)から、同じ出力電圧Voutでも、コンバータ13、13aで検出するフィードバック電圧VFBに誤差が生じる。この検出したフィードバック電圧VFBは、以下の式(3)、式(4)となる。
VFB1=V0+b1 ・・・(3)
VFB2=V0+b2 ・・・(4)
ここで、b1とb2は、検出回路のバラツキである(即ち、出力基準電圧Vrefからのドループ制御時における出力電圧のズレ量である)。
上記した式(3)、式(4)に補正値を加えたプログラムを入れると、式(5)、式(6)となる(図4参照)。
VFB1=Vout+b1+offset1 ・・・(5)
VFB2=Vout+b2+offset2 ・・・(6)
ここで、offset1、2は補正値(即ち、各双方向コンバータ13、13aで検出したフィードバック電圧VFBに加算する補正電圧)、Voutは出力電圧である。
Vref-K×i1=Vout+b1+offset1 ・・・(7)
Vref-K×i2=Vout+b2+offset2 ・・・(8)
従って、各コンバータ13、13aの出力電圧Voutはそれぞれ、式(9)、式(10)となる。
Vout=Vref-K×i1-b1-offset1 ・・・(9)
Vout=Vref-K×i2-b2-offset2 ・・・(10)
各コンバータ13、13aの起動時には、offset1とoffset2の各値を「0」で動作させるため、式(9)、式(10)をグラフにすると、図1(A)で示される。
offset1=K×i1 ・・・(11)
offset2=K×i2 ・・・(12)
なお、i2はマイナス成分なので、offset2の絶対値はマイナスとなる。
このように、出力電圧Voutの補正には、ドループ率Kと双方向コンバータ13、13aの無負荷時に流れる出力電流Ioutとの積を使用できるが、この出力電流Ioutの代わりに、入力電流Iin、出力電力Wout、又は、入力電力Winを用いることもできる。
各コンバータ13、13aが、上記したステップ4での補正値の取得を終えるまでの待機時間を設ける(例えば、数m秒~数秒程度)。
上記した式(11)、式(12)で算出される補正値offset1、2をそれぞれ、各双方向コンバータ13、13aで検出したフィードバック電圧VFBに加算して、各コンバータ13、13aの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する。
これにより、図1(C)のグラフのように、各コンバータ13、13aの平均電圧(即ち、Vref-(b1+b2)/2)にそれぞれの動作点が移動し、図1(C)、(D)に示すように、出力電流が略0Aとなる。
以上の方法により、各コンバータ13、13aの出力電流(出力電力)を揃える補正が終了した後は、負荷装置12を稼動させて(各コンバータ13、13aに負荷をかけて)負荷装置12への電力供給を行う。なお、この補正は、各コンバータ13、13aを起動させるごとに行うことが好ましい。
これにより、並列接続された2台のコンバータ13、13aの電流バランスをとることができるので、各コンバータ13、13aから負荷装置12へバランスよく電力供給がなされ、電力供給を効率良く行うことができる。
例えば、本発明のコンバータ装置及びその出力制御方法は、充放電検査設備等に適用できるが、入力電源と負荷装置との間に、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを並列接続する構成であれば、特に限定されるものではない。
この場合、フィードバック制御におけるn(ただし、n=3、4、5、・・・)台のコンバータの出力電圧Voutと補正値offset(n)は、それぞれ以下の式で示される。
Vout=Vref-K×i(n)-b(n)-offset(n)
offset(n)=K×i(n)
Claims (6)
- 入力電源と負荷装置との間に並列接続され、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを有し、出力電圧指令に基づいて前記各双方向コンバータのフィードバック制御を行うコンバータ装置において、
前記各双方向コンバータの制御手段には、前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正する制御部が設けられていることを特徴とするコンバータ装置。 - 請求項1記載のコンバータ装置において、前記出力電圧の補正には、前記ドループ制御時のドループ率Kと、前記双方向コンバータの無負荷時に流れる出力電流Iout、入力電流Iin、出力電力Wout、又は、入力電力Winとの積を用いることを特徴とするコンバータ装置。
- 請求項1又は2記載のコンバータ装置において、前記双方向コンバータは、DC/DCコンバータ又はAC/DCコンバータであることを特徴とするコンバータ装置。
- 入力電源と負荷装置との間に並列接続され、それぞれドループ制御を行う複数の双方向コンバータを有し、出力電圧指令に基づいて前記各双方向コンバータのフィードバック制御を行うコンバータ装置の出力制御方法において、
前記双方向コンバータの無負荷時に電流が流れないように出力電圧を補正することを特徴とするコンバータ装置の出力制御方法。 - 請求項4記載のコンバータ装置の出力制御方法において、前記出力電圧の補正に、前記ドループ制御時のドループ率Kと、前記各双方向コンバータの無負荷時に流れる出力電流Iout、入力電流Iin、出力電力Wout、又は、入力電力Winとの積を用いることを特徴とするコンバータ装置の出力制御方法。
- 請求項4又は5記載のコンバータ装置の出力制御方法において、前記双方向コンバータは、DC/DCコンバータ又はAC/DCコンバータであることを特徴とするコンバータ装置の出力制御方法。
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