JP7810048B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

従来、電力変換装置の一つとして、ＳＳＴ（Solid State Transformer）が知られている。ＳＳＴは、高周波トランスを搭載した絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、そのＤＣ／ＤＣコンバータの一方の直流側に接続されたインバータとをそれぞれ有する複数のセルを備える（例えば、非特許文献１参照）。各セルの直流出力端は、直流バスに並列に接続されている。ＳＳＴは、各セルの交流出力端が直列に接続されることで、昇圧トランスレスで高圧系統に連系できる。

Voltage and Power Balance Control for a Cascaded H-Bridge Converter-Based Solid-State Transformer (IEEE Transactions on Power Electronics, Vol.28, No.4, pp.1523-1532)

ＳＳＴの従来の制御方法では、連系運転の場合、各セルのインバータは、インバータと絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとの間の直流電圧（セル直流中間電圧）を制御し、各セルの絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流出力の電圧（直流バス電圧）を制御する。一方、自立運転の場合、各セルのインバータは、各セルの交流出力端側の系統の電圧を制御し、各セルの絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、セル直流中間電圧を制御する。

このように、従来の制御方法は、インバータと絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータのそれぞれが制御対象とする電圧は、連系運転と自立運転とで切り替わる。そのため、制御の切り替わりの増加に伴って、制御ソフトウェアは肥大化し、その結果、例えば、制御装置のコストアップを招くおそれがある。

本開示は、制御ソフトウェアを簡素化可能な電力変換装置を提供する。

本開示の一態様では、
絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、直流リンクと、前記コンバータに前記直流リンクを介して接続されたインバータとをそれぞれ有し、前記インバータの交流出力端を介して直列に接続された複数の変換セルと、
前記複数の変換セルを制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記交流出力端を介して連系する系統の電圧が正常のとき、前記直流リンクに前記コンバータを介して接続された直流出力端が接続されるバスの直流電圧が所定の値になるように前記インバータを制御し、前記系統の電圧が正常のとき及び前記系統の電圧が異常のとき、前記直流リンクの直流電圧が所定の値になるように前記コンバータを制御する、電力変換装置が提供される。

本開示の一態様によれば、制御ソフトウェアを簡素化できる。

一実施形態の電力変換装置の構成例を示す図である。 一実施形態の電力変換装置の制御装置においてインバータ制御部とコンバータ制御部で共通の制御ブロックを例示する図である。 インバータ制御部の制御方式を例示する制御ブロック図である。 コンバータ制御部の第１制御方式を例示する制御ブロック図である。 コンバータ制御部の第２制御方式を例示する制御ブロック図である。

以下、実施形態について説明する。なお、"ＤＣ"，"ＡＣ"は、それぞれ、"Direct Current"，"Alternative Current"の略語である。

図１は、一実施形態の電力変換装置の構成例を示す図である。図１に示す電力変換装置１は、３直列の変換セルを相ごとに備えるＳＳＴである。図１は、ＳＳＴを、太陽光発電装置と蓄電池を併設するマルチソースの自家消費型再生可能エネルギーシステムに適用した場合を例示する。太陽光発電装置は、光エネルギーを電気エネルギーに変換する太陽電池を用いた太陽光発電（ＰＶ）を行う。

太陽光発電装置は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１を介して直流バス１３に接続される。蓄電池は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２を介して直流バス１３に接続される。直流バス１３は、電力変換装置１の直流出力端に接続される。電力変換装置１は、直流バス１３の直流を交流に変換して出力する。電力変換装置１の交流出力端は、電線１４を介して、系統１５に接続される。電線１４には、電線１４から電力供給を受ける不図示の重要負荷が接続されている。

この自家消費型システムのメリットとして、非常用電源としての機能がある。系統１５の正常時、ＰＶで発電した直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１及び直流バス１３を介して電力変換装置１に供給され、電力変換装置１により交流電力に変換されて、系統１５に出力される。一方、停電時などの系統１５の異常時は、系統１５が不図示のスイッチで切り離された後、蓄電池は、非常用電源として活用される。非常用電源として機能する蓄電池から出力される直流電力は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２及び直流バス１３を介して電力変換装置１に供給され、電力変換装置１により交流電力に変換されて、電線１４に接続される不図示の重要負荷に供給される。

電力変換装置１が系統１５に連系するときの運転モードを連系運転と呼び、電力変換装置１が非常電源として動作する運転モードを自立運転と呼ぶ。

図１に示す電力変換装置１は、直流バス１３側の直流を系統１５側の交流に、又は、系統１５側の交流を直流バス１３側の直流に双方向に変換するＳＳＴである。電力変換装置１は、Ｕ相の３つの変換セルＵ１，Ｕ２，Ｕ３と、Ｖ相の３つの変換セルＶ１，Ｖ２，Ｖ３と、Ｗ相の３つの変換セルＷ１，Ｗ２，Ｗ３と、これらの変換セルのそれぞれの電力変換動作を制御する制御装置２０６と、を備える。なお、各相の変換セルの個数は、３つに限られず、一つでも二つ以上の数でもよい。また、各相の変換セルは、同一構成であるので、代表して、Ｕ相の変換セルについて以下説明する。

複数の変換セルＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、それぞれ、直流バス１３側の直流を系統１５側の交流に、又は、系統１５側の交流を直流バス１３側の直流に双方向に変換するセル変換器である。複数の変換セルＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、それぞれ、直流出力端ｒ，ｓ、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ２００、直流リンク３００、インバータ４００及び交流出力端ｐ，ｑを有する。以下、絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを、単に、コンバータとも称する。

直流出力端ｒ，ｓは、例えば、コンバータ２００の一方の直流出力側（直流バス１３側）に接続される出力端子である。高電位側の直流出力端ｒは、直流バス１３の高電位側の第１バスＰに接続され、低電位側の直流出力端ｓは、直流バス１３の低電位側の第２バスＮに接続される。直流端子ｒ、ｓは、後述の１次側回路２１０ａの直流出力端に接続される。

交流出力端ｐ，ｑは、例えば、コンバータ２００の他方の直流出力側（系統１５側）に接続される出力端子である。

複数の変換セルＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、交流出力端ｐ，ｑをそれぞれ有し、交流出力端ｐ，ｑを介して直列に接続される。複数の変換セルＵ１，Ｕ２，Ｕ３は、それぞれ、自身の第１交流出力端ｐが自身に隣接する一方の変換セルの第２交流出力端ｑに接続され、自身の第２交流出力端ｑが自身に隣接する他方の変換セルの第１交流出力端ｐに接続される。交流出力端ｐ，ｑを介して直列に接続される複数の変換セルのうち、最も高電位側に位置する変換セル（この例では、変換セルＵ１）の第１交流出力端ｐは、Ｕ相の電線１４に接続される。一方、交流出力端ｐ，ｑを介して直列に接続される複数のセルのうち、最も低電位側の変換セル（この例では、変換セルＵ３）の第２交流出力端ｑは、中性点１６に接続される。

コンバータ２００は、複数の変換セルＵ１，Ｕ２，Ｕ３で共通の直流バス１３から入力される直流電圧を昇圧又は降圧して、所定の直流電圧を直流リンク３００に出力する。または、コンバータ２００は、直流リンク３００から入力される直流電圧を昇圧又は降圧して、所定の直流電圧を直流バス１３に出力する。コンバータ２００は、例えば、トランス２０２と、１次側回路２１０ａと、２次側回路２１０ｂとを備える。１次側回路２１０ａと２次側回路２１０ｂとは、トランス２０２によって磁気的に結合する。

例えば、コンバータ２００は、トランス２０２の１次側に設けられた１次側フルブリッジ回路とトランス２０２の２次側に設けられた２次側フルブリッジ回路とを有するＤＡＢ（Dual Active Bridge）コンバータである。ＤＡＢコンバータは、トランス２０２の漏れインダクタンス又はトランス２０２に直列に接続された外付けリアクトルに電圧が印加されることで、１次側と２次側との間で電力を伝送する。伝送される電力は、１次側のインバータ回路（１次側フルブリッジ回路）の２つの中間接続点から出力される出力電圧Ｖ_１と、２次側のインバータ回路（２次側フルブリッジ回路）の２つの中間接続点から出力される出力電圧Ｖ_２との位相差によって制御される。

トランス２０２は、１次側コイルと２次側コイルとを有し、１次側コイルと２次側コイルとが磁気的に結合する変圧器である。１次側回路２１０ａは、１次側フルブリッジ回路及び１次側駆動回路を有する。２次側回路２１０ｂは、２次側フルブリッジ回路及び２次側駆動回路を有する。

１次側フルブリッジ回路は、１次側第１上アームと１次側第１下アームとが直列に接続される１次側第１ハーフブリッジ回路と、１次側第２上アームと１次側第２下アームとが直列に接続される１次側第２ハーフブリッジ回路とを有する。トランス２０２の１次側コイルは、１次側第１上アームと１次側第１下アームとの中間接続点と１次側第２上アームと１次側第２下アームとの中間接続点との間に接続される。

２次側フルブリッジ回路は、２次側第１上アームと２次側第１下アームとが直列に接続される２次側第１ハーフブリッジ回路と、２次側第２上アームと２次側第２下アームとが直列に接続される２次側第２ハーフブリッジ回路とを有する。トランス２０２の２次側コイルは、２次側第１上アームと２次側第１下アームとの中間接続点と２次側第２上アームと２次側第２下アームとの中間接続点との間に接続される。

１次側第１上アーム、１次側第１下アーム、１次側第２上アーム及び１次側第２下アーム等の複数の１次側スイッチ素子は、１次側駆動回路によって駆動される。２次側第１上アーム、２次側第１下アーム、２次側第２上アーム及び２次側第２下アーム等の複数の２次側スイッチ素子は、２次側駆動回路によって駆動される。

１次側スイッチ素子及び２次側スイッチ素子の具体例として、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子が挙げられる。

直流リンク３００は、２次側回路２１０ｂの直流出力端に接続される。直流リンク３００は、直流コンデンサ３０１を有する。

インバータ４００は、コンバータ２００に直流リンク３００を介して接続された回路である。インバータ４００は、直流リンク３００の直流を交流に変換して交流出力端ｐ，ｑに出力し、又は、交流出力端ｐ，ｑから入力される交流を直流に変換して直流リンク３００に出力する。

制御装置２０６は、各相の複数の変換セルを制御する。制御装置２０６は、例えば、メモリとプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））を有し、制御装置２０６の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。制御装置２０６の各機能は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）又はＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）によって実現されてもよい。

図２は、一実施形態の電力変換装置の制御装置においてインバータ制御部とコンバータ制御部で共通の制御ブロックを例示する図である。図３は、インバータ制御部の制御方式を例示する制御ブロック図である。図４は、コンバータ制御部の第１制御方式を例示する制御ブロック図である。制御装置２０６は、インバータ４００を制御するインバータ制御部と、コンバータ２００を制御するコンバータ制御部とを有する。

各相のインバータ制御及びコンバータ制御は、同一の制御方法であるので、代表して、変換セルＵ１のインバータ４００及びコンバータ２００の制御方法について、以下説明する。

図２において、インバータ制御部は、Ｕ相の系統電圧ＶｕとＷ相の系統電圧Ｖｗを検出し、それらの検出値をＤＱ変換器ＶＤによりＤＱ変換し、ｄ軸系統電圧検出値Ｖｄ及びｑ軸系統電圧検出値Ｖｑを生成する。

次に、図３に示すインバータ制御について説明する。インバータ制御は、連系運転と自立運転でその制御内容が異なり、インバータ制御部は、連系運転又は自立運転を切り替える指令情報に従って制御方式を切り替える。

まず、連系運転時のインバータ制御について説明する。連系運転では、インバータ制御部は、直流バス１３の直流電圧（直流バス電圧）が所定の値になるようにインバータ４００を制御する。インバータ制御部は、直流バス１３の電圧指令と直流バス１３の電圧検出値Ｖｂｕｓとの差分をＰＩ調節器によりＰＩ調節演算して、二相のｄｑ軸電流成分Ｉｄ，Ｉｑを生成する。インバータ制御部は、二相のｄｑ軸電流成分Ｉｄ，ＩｑをＤＱ逆変換器ＶＤ^－１によりＤＱ逆変換し、Ｕ相の出力電流指令Ｉｕｒｅｆを生成する。ＤＱ逆変換器は、二つの入力に対して二相三相変換を行う演算器である。

インバータ制御部は、Ｕ相の出力電流指令ＩｕｒｅｆとＵ相の出力電流検出値Ｉｕとの差分を比例制御器Ｐにより比例制御した結果に、系統電圧Ｖｕの検出値を加算して、Ｕ相の出力電圧指令Ｖｕｒｅｆを生成する。インバータ制御部は、Ｕ相の出力電圧指令Ｖｕｒｅｆをゲート指令演算することで、インバータ４００を駆動するゲート信号を生成して、インバータ４００を動かす。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１１は、ＰＶの出力電圧を制御し、ＤＣ／ＤＣコンバータ１２は、蓄電池の出力電圧を制御する。

次に、自立運転時のインバータ制御について説明する。自立運転では、インバータ制御部は、Ｕ相の系統電圧が所定の値になるようにインバータ４００を制御する。インバータ制御部は、Ｕ相の系統電圧指令に、ｄ軸系統電圧指令とｄ軸系統電圧検出値Ｖｄとの差分をＰＩ調節演算した結果を加算して第１の値を算出する。インバータ制御部は、ｑ軸系統電圧指令（＝０）とｑ軸系統電圧検出値Ｖｑとの差分をＰＩ調節演算して第２の値を算出する。インバータ制御部は、第１の値及び第２の値をＤＱ逆変換して、Ｕ相の出力電圧指令Ｖｕｒｅｆを生成する。インバータ制御部は、Ｕ相の出力電圧指令Ｖｕｒｅｆをゲート指令に変換する演算をすることで、インバータ４００を駆動するためのゲート指令を生成して、インバータ４００を動かす。

次に、図４に示すコンバータ制御について説明する。コンバータ制御は、インバータ制御とは異なり、連系運転と自立運転でその制御内容が共通である。

コンバータ制御部は、連系運転でも自立運転でも、直流リンク３００の直流電圧（直流中間電圧Ｅｄｃ）が所定の値になるようにコンバータ２００を制御する。コンバータ制御部は、直流中間電圧Ｅｄｃの指令と直流中間電圧Ｅｄｃの検出値ＥｄｃＵ１との偏差をＰＩ調節器によりＰＩ調節演算して、コンバータ２００の直流電流Ｉｄｃの指令を生成する。コンバータ制御部は、この直流電流指令と直流電流Ｉｄｃの検出値ＩｄｃＵ１との差分をＰＩ調節器によりＰＩ調節演算して、コンバータ２００の１次側（直流バス側）と２次側（ＡＣ側）の出力電圧の位相差を導出する。コンバータ制御部は、この位相差をゲート指令に変換する演算をすることで、コンバータ２００を駆動するためのゲート指令を生成して、コンバータ２００を動かす。

このように、制御装置２０６は、交流出力端ｐ，ｑを介して連系する系統１５の電圧が正常のとき、直流リンク３００にコンバータ２００を介して接続された直流出力端ｒ，ｓが接続される直流バス１３の直流電圧（直流バス電圧Ｖｂｕｓ）が所定の値になるようにインバータ４００を制御する。そして、制御装置２０６は、系統１５の電圧が正常のとき及び系統１５の電圧が異常のとき、直流リンク３００の直流電圧（直流中間電圧Ｅｄｃ）が所定の値になるようにコンバータ２００を制御する。

このように、本実施形態では、コンバータ２００の制御対象の電圧が連系運転と自立運転とで共通のため、制御ソフトウェアを簡素化できる。

図５は、コンバータ制御部の第２制御方式を例示する図である。図５に示す第２制御方式は、図４に示す第１制御方式に、直流中間電圧のフィードフォワード制御を追加した制御方式である。このフィードフォワード制御部は、インバータ４００の出力電圧指令Ｖｕｒｅｆと出力電流指令Ｉｕｒｅｆとを乗算して、変換セルＵ１の交流出力電力を算出し、この交流出力電力の算出値を直流中間電圧ＥｄｃＵ１で除算して、コンバータ２００の直流電流を算出し、この直流電流の算出値をコンバータ２００の直流電流指令に加算する。

このように、制御装置２０６は、インバータ４００の交流出力端ｐ，ｑの電圧情報と電流情報に基づいて、直流中間電圧Ｅｄｃの変動分を補償して直流中間電圧Ｅｄｃが抑制されるようにコンバータ２００を制御する。これによって、直流中間電圧Ｅｄｃの制御応答を高めることができる。また、直流中間電圧Ｅｄｃの変動を抑制することで、直流コンデンサ３０１の静電容量を低減できる。静電容量の低減により、直流コンデンサ３０１を小型化でき、ひいては、電力変換装置１を小型化できる。

以上、実施形態を説明したが、本開示の技術は上記の実施形態に限定されない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が可能である。

１ 電力変換装置
１１，１２ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１３ 直流バス
１４ 電線
１５ 系統
２００ 絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータ
２０２ トランス
２０６ 制御装置
３００ 直流リンク
４００ インバータ
ｐ，ｑ 交流出力端
ｒ，ｓ 直流出力端
Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３，Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３，Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３ 変換セル

Claims (3)

1. 絶縁型双方向ＤＣ／ＤＣコンバータと、直流リンクと、前記コンバータに前記直流リンクを介して接続されたインバータとをそれぞれ有し、前記インバータの交流出力端を介して直列に接続された複数の変換セルと、
   前記複数の変換セルを制御する制御装置と、を備え、
   前記制御装置は、前記交流出力端を介して連系する系統の電圧が正常のとき、前記直流リンクに前記コンバータを介して接続された直流出力端が接続されるバスの直流電圧が所定の値になるように前記インバータを制御し、前記系統の電圧が正常のとき及び前記系統の電圧が異常のとき、前記直流リンクの直流電圧が所定の値になるように前記コンバータを制御する、電力変換装置。
2. 前記制御装置は、前記系統の電圧が異常のとき、前記交流出力端に電線を介して接続される前記系統は切り離され、前記電線の電圧が所定の値になるように前記インバータを制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、前記インバータの交流出力端の電圧情報と電流情報に基づいて、前記直流リンクの直流電圧の変動分を補償して前記直流リンクの直流電圧が抑制されるように前記コンバータを制御する、請求項１又は２に記載の電力変換装置。