JP2015056933A - Power conversion apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、充放電可能な蓄電手段と接続され、所定の充放電電力を確保することができる電力変換装置に関するものである。 The present invention relates to a power conversion device that is connected to chargeable / dischargeable power storage means and can secure predetermined charge / discharge power.
従来の電力変換装置として、蓄電手段の充電時には接続部電圧を高く設定し、蓄電手段の放電時には接続部電圧を低く設定することで、蓄電手段の充放電を行う電力変換装置が開示されている(例えば、特許文献1)。 As a conventional power conversion device, a power conversion device that charges and discharges power storage means by setting the connection voltage high when charging the power storage means and setting the connection voltage low when discharging the power storage means is disclosed. (For example, patent document 1).
また、汎用的に使用されている制御方法を蓄電手段の充放電を行う電力変換装置に適用して、降圧動作と昇圧動作を組み合わせ、電力変換装置の対角のスイッチング素子をスイッチングして昇降圧動作する制御方法(対角昇降圧制御)がある(例えば、非特許文献1)。 In addition, the control method used for general purpose is applied to the power conversion device that charges and discharges the power storage means, combines the step-down operation and the step-up operation, and switches the diagonal switching elements of the power conversion device to increase and decrease the voltage There is a control method (diagonal step-up / down control) that operates (for example, Non-Patent Document 1).
特許文献1の開示発明では、短絡状態を防止するため、スイッチング素子のON時間割合に上限が設けられており、直流母線電圧を切替えて降圧動作にて蓄電手段の充放電を行う場合、蓄電手段の電圧と直流母線電圧の差が小さいと、所定の電力が得られない問題があった。
また、汎用技術である対角昇降圧動作を用いると、蓄電手段の充放電において所定の電力が得られるが、降圧動作と昇圧動作を組み合わせた制御と比較して、蓄電手段の電流リップルが大きくなる問題があった。
In the disclosed invention of
In addition, when the diagonal buck-boost operation, which is a general-purpose technology, is used, a predetermined power can be obtained in charging / discharging the power storage device, but the current ripple of the power storage device is larger than in the control combining the step-down operation and the voltage boost operation. There was a problem.
この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、蓄電手段の充放電において所定の電力を維持しながら、蓄電手段の電圧と直流母線電圧の差が小さい場合でも、DC/DC変換回路の昇圧動作と降圧動作を切替えることができ、かつ蓄電手段の電流リップルを低減できる電力変換装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems. Even when the difference between the voltage of the power storage means and the DC bus voltage is small while maintaining a predetermined power during charging / discharging of the power storage means, the DC An object of the present invention is to provide a power conversion device that can switch between a step-up operation and a step-down operation of a DC / DC conversion circuit and that can reduce a current ripple of a storage means.
この発明に係る電力変換装置は、蓄電手段の出力である第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する双方向DC/DC変換回路と、第2の直流電圧を交流電圧に変換し負荷に供給するとともに外部電源の交流電圧を直流電圧に変換できるDC/AC変換回路と、双方向DC/DC変換回路を制御するDC/DC制御回路と、DC/AC変換回路を制御するDC/AC制御回路とを備え、蓄電手段の充放電情報と第1の直流電圧に基づき第2の直流電圧を制御するとともに、双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、中間放電動作、昇圧充電動作、降圧充電動作、および中間充電動作のいずれかの動作モードに切替えて蓄電手段から電力を放電し、あるいは蓄電手段へ電力を充電する構成としたものである。 The power conversion device according to the present invention includes a bidirectional DC / DC conversion circuit that converts the first DC voltage, which is the output of the storage means, into a second DC voltage, and a load that converts the second DC voltage into an AC voltage. DC / AC conversion circuit that can convert the AC voltage of the external power source into a DC voltage, a DC / DC control circuit that controls the bidirectional DC / DC conversion circuit, and a DC / AC that controls the DC / AC conversion circuit A control circuit, and controls the second DC voltage based on the charge / discharge information of the power storage means and the first DC voltage, and the bidirectional DC / DC conversion circuit is configured to perform a step-up discharge operation, a step-down discharge operation, an intermediate discharge operation, The operation mode is switched to any one of the step-up charging operation, the step-down charging operation, and the intermediate charging operation to discharge power from the power storage means, or to charge power to the power storage means.
この発明に係る電力変換装置は、上記のように構成されているため、蓄電手段の充放電において昇圧動作と降圧動作を双方に切替える場合でも、中間動作を用いることで所定の電力を維持しながら連続的に昇圧動作と降圧動作を切替えることができ、かつ電流リップルが小さくできる。 Since the power conversion device according to the present invention is configured as described above, even when switching between the step-up operation and the step-down operation in charge / discharge of the power storage means, while maintaining a predetermined power by using the intermediate operation, The step-up operation and step-down operation can be switched continuously, and the current ripple can be reduced.
実施の形態1.
実施の形態1は、蓄電池の出力である第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する双方向DC/DC変換回路と、第2の直流電圧を交流電圧に変換し負荷に供給するとともに連携した電力系統の交流電圧を直流電圧に変換できるDC/AC変換回路と、双方向DC/DC変換回路を制御するDC/DC制御回路と、DC/AC変換回路を制御するDC/AC制御回路とを備え、蓄電池の充放電情報と第1の直流電圧に基づきDC/AC変換回路が第2の直流電圧を制御するとともに、電力管理サーバからの電力指令に基づき双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、中間放電動作、昇圧充電動作、降圧充電動作、および中間充電動作のいずれかのモードに切替えて蓄電池から電力を放電し、あるいは蓄電池へ電力を充電する電力変換装置に関するものである。
In the first embodiment, a bidirectional DC / DC conversion circuit that converts a first DC voltage, which is an output of a storage battery, into a second DC voltage, and a second DC voltage that is converted into an AC voltage and supplied to a load. DC / AC conversion circuit capable of converting AC voltage of linked power system into DC voltage, DC / DC control circuit for controlling bidirectional DC / DC conversion circuit, and DC / AC control circuit for controlling DC / AC conversion circuit And the DC / AC conversion circuit controls the second DC voltage based on the charge / discharge information of the storage battery and the first DC voltage, and the bidirectional DC / DC conversion circuit based on the power command from the power management server. Switch to one of the following modes: step-up discharge operation, step-down discharge operation, intermediate discharge operation, step-up charge operation, step-down charge operation, and intermediate charge operation to discharge power from the storage battery or charge power to the storage battery It relates the force conversion apparatus.
以下、本願発明の実施の形態1に係る電力変換装置1の構成、動作について、電力変換装置を含むシステム構成図である図1、蓄電池の残容量に対する電圧特性図である図2、双方向DC/DC変換回路を中心としたブロック図である図3、蓄電池の充電動作の説明図である図4、双方向DC/DC変換回路の動作説明図である図5、DC/DC制御回路のブロック図である図6、双方向DC/DC変換回路を昇圧充電動作、中間充電動作、降圧充電動作させる場合のスイッチング信号波形である図7〜図9、双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、中間放電動作、降圧放電動作させる場合のスイッチング信号波形である図10〜図12、充電モード制御回路のブロック図である図13、充電時のスイッチング信号の生成フローチャートである図14、放電モード制御回路のブロック図である図15、放電時のスイッチング信号の生成フローチャートである図16、双方向DC/DC変換回路を対角昇降圧動作させる場合のスイッチング信号波形である図17、双方向DC/DC変換回路のリアクトル電流リップルの説明図である図18、直流母線電圧制御の説明図である図19、および蓄電池の充電時の直流母線電圧切替の説明図である図20に基づいて説明する。
Hereinafter, regarding the configuration and operation of the
図1は、本発明の実施の形態1の電力変換装置1を含む全体システムの構成を示す。システム全体は、電力変換装置1、蓄電池2、電力系統3、および負荷4を備える。蓄電池2は、蓄電池管理ユニット5を備える。
通常、電力系統3から負荷4に電力が供給され、電力変換装置1によって蓄電池2が充電される。万一、電力系統3が停止した場合、蓄電池2に充電された直流電力が電力変換装置1で交流電力に変換され、負荷4に供給される。
実施の形態1では、電力系統3が健全である通常運転時を想定している。
なお、蓄電池2が本発明の蓄電手段であり、電力系統3が本発明の外部電源である。
FIG. 1 shows a configuration of an entire system including a
Usually, power is supplied from the
In the first embodiment, it is assumed that the
In addition, the
次に、電力変換装置1の全体構成を図1に基づいて説明する。
電力変換装置1は、主要回路として、双方向DC/DC変換回路11、DC/DC制御回路12、DC/AC変換回路13、DC/AC制御回路14を備える。さらに、双方向DC/DC変換回路11およびDC/AC変換回路13を後に説明する電力指令に基づき制御するために必要な各部の電圧、電流を計測する電圧計15、17、19および電流計16、18、20を備える。図1において、双方向DC/DC変換回路11とDC/AC変換回路13の間の直流母線を直流母線バス21と記載する。
Next, the whole structure of the
The
次に電力変換装置1の各主要回路と電圧計、電流計の機能、動作を説明する。双方向DC/DC変換回路11は、蓄電池2の端子電圧である第1の直流電圧を第2の直流電圧である直流母線電圧に変換する。DC/DC制御回路12は、蓄電池2の蓄電池管理ユニット5からの信号および第1の直流電圧に関する電圧計15、電流計16と第2の直流電圧、すなわち、直流母線バス21に関する電圧計17、電流計18からの信号に基づき、双方向DC/DC変換回路11を制御(制御の説明は後述)する。
DC/AC変換回路13は、第2の直流電圧である直流母線電圧を交流電圧に変換し、電力系統3および負荷4に出力する。DC/AC制御回路14は、直流母線電圧に関する電圧計17、電流計18とDC/AC変換回路13の電力系統3、負荷4側の交流電圧に関する電圧計19、電流計20からの信号に基づき、DC/AC変換回路13を制御する。
また、DC/AC変換回路13は、交流電圧を直流電圧、すなわち第2の直流電圧に変換することもできる。
Next, functions and operations of each main circuit, voltmeter, and ammeter of the
The DC /
The DC /
次に、本発明の実施の形態1に用いる蓄電池2の残容量(STATE OF CHARGE)に対する蓄電池の電圧特性を図2で説明する。なお、図2は、蓄電池の残容量に対する蓄電池の電圧特性の一例である。
蓄電池の充電残量が増加すると蓄電池の電圧も増加し、蓄電池の充電残量が減少すると蓄電池の電圧も減少する。
Next, the voltage characteristic of the storage battery with respect to the remaining capacity (STATE OF CHARGE) of the
When the remaining charge of the storage battery increases, the voltage of the storage battery also increases, and when the remaining charge of the storage battery decreases, the voltage of the storage battery also decreases.
次に、双方向DC/DC変換回路11の具体的構成と動作原理について説明する。
図3は、双方向DC/DC変換回路11を中心としたブロック図であり、双方向DC/DC変換回路11の構成とDC/DC制御回路12との関係を示している。
双方向DC/DC変換回路11は、スイッチング素子31〜34、リアクトル35、およびコンデンサ36、37から構成される。
スイッチング素子31、32は蓄電池2と接続され、スイッチング素子33、34はDC/AC変換回路13に接続される。コンデンサ36は蓄電池2の出力電力を平滑化し、コンデンサ37はDC/AC変換回路13の出力電圧、電流を平滑化する。リアクトル35はスイッチング素子31、32の結合点とスイッチング素子33、34の結合点を接続し、電力変換時にエネルギーを蓄積する。
スイッチング素子31〜34は、DC/DC制御回路12からのスイッチング信号S1〜S4でスイッチング(ON/OFF)される。
Next, a specific configuration and operation principle of the bidirectional DC /
FIG. 3 is a block diagram centering on the bidirectional DC /
The bidirectional DC /
The switching
The switching
双方向DC/DC変換回路11の動作原理について説明する。
図1に図示していない外部の宅内電力管理サーバ(HOME ENERGY MANAGEMENT SYSTEM)(以下、HEMSと記載する)から、DC/DC制御回路12に蓄電池2の放電電力指令または充電電力指令が通知される。この放電電力指令または充電電力指令を以降、電力指令と記載する。DC/DC制御回路12は、HEMSからの電力指令に対して、蓄電池2が放電または充電可能かを確認する。HEMSからの電力指令に対して、蓄電池2が放電または充電可能である場合、DC/DC制御回路12はHEMSから通知される電力指令に一致するように、双方向DC/DC変換回路11を制御して蓄電池2の放電または充電を制御する。
なお、HEMSからの電力指令が、本発明の受信した電力指令である。
The operation principle of the bidirectional DC /
A discharge power command or a charge power command for the
The power command from HEMS is the received power command of the present invention.
次に、本発明の実施形態1に係る蓄電池2の充電動作の一例を図4に基づいて説明する。図4(a)は蓄電池2の電圧と直流母線電圧の関係を示す。図4(b)はパルス幅変調(PULSE WIDTH MODULATION)(以下、PWMと記載する)用のキャリア波とスイッチング信号のON時間割合(以下、デューティと記載する)を示す。図4(c)は双方向DC/DC変換回路11の降圧動作で充電を行う際のスイッチング信号を示す。この時、スイッチング信号S3でスイッチング素子33をスイッチングする。図4(d)は双方向DC/DC変換回路11のリアクトル電流の変化、図4(e)は蓄電池2の充電電力の変化を示している。
Next, an example of the charging operation of the
図4(d)のリアクトル電流の変化から、リアクトル電流は、スイッチング素子33がONで増加し、増加量は蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分とスイッチング素子33のON時間で決まることがわかる。また、一般的にリアクトル電流は、スイッチング素子33がOFFで減少し、減少量は直流母線電圧とスイッチング素子33のOFF時間で決まる。
From the change in the reactor current in FIG. 4D, it can be seen that the reactor current increases when the switching
図4では、蓄電池2を降圧動作で充電しており、蓄電池2の充電によって蓄電池2の電圧が増加している。蓄電池2の電圧が増加すると、蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が減少し、スイッチング素子33のON時間におけるリアクトル電流の増加量も減少する。リアクトル電流が減少すると蓄電池2の充電電力も低下するので、蓄電池2の充電電力をHEMSからの電力指令と一致させるために、スイッチング素子33のON時間割合を増加(デューティを増加と同等)させる。
このように、双方向DC/DC変換回路11のデューティ信号は、蓄電池2の充電電力がHEMSからの電力指令と一致するように調節される。
In FIG. 4, the
As described above, the duty signal of the bidirectional DC /
しかし、デューティ信号が上限に達すると、それ以上リアクトル電流を増加させることはできないため所定の電力を確保することができない。
また、降圧動作で蓄電池2の充電電力を維持できない蓄電池2の電圧と直流母線電圧において、昇圧動作を用いると、スイッチング素子がON時間、OFF時間でもリアクトル電流が増加するので、リアクトル電流の制御ができない。
However, when the duty signal reaches the upper limit, the reactor current cannot be increased any further, so that the predetermined power cannot be secured.
In addition, if the boosting operation is used in the voltage of the
次に、本発明の実施形態1に係る双方向DC/DC変換回路11の動作と蓄電池2の電圧および直流母線電圧の関係を図5に基づいて説明する。
図5(a)は蓄電池2の充電動作、図5(b)は蓄電池2の放電動作の説明である。
図5(a)において、横軸は蓄電池2の電圧、縦軸は直流母線電圧である。図4で説明したように、双方向DC/DC変換回路11は、降圧動作において蓄電池2の電圧と直流母線電圧の関係でデューティ信号が上限に達すると、HEMSからの電力指令と蓄電池2の充電電力を一致させることができなくなる。
Next, the relationship between the operation of the bidirectional DC /
FIG. 5A illustrates the charging operation of the
In FIG. 5A, the horizontal axis represents the voltage of the
このため、本実施の形態1では新たに中間動作を用いて双方向DC/DC変換回路11の制御を行う。中間動作は、降圧動作のスイッチング動作と昇圧動作のスイッチング動作を組み合わせたもので、降圧動作のスイッチング素子31または33のデューティが上限となった状態で、昇圧動作のスイッチング素子32または34のデューティを増加させる動作である。
このように双方向DC/DC変換回路11のスイッチングを行うことで、蓄電池2の充電によって、蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さくなり、デューティ信号が上限に達しても対応できる。すなわち、昇圧動作のスイッチング素子32または34のデューティを増加させることで、リアクトル電流の減少を防ぐことができる。
したがって、本発明の電力変換装置1では、蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さい場合でも、蓄電池2の充放電電力をHEMSからの電力指令に一致させることができる。
For this reason, in the first embodiment, the bidirectional DC /
By switching the bidirectional DC /
Therefore, in the
蓄電池2の充電動作について、図5(a)に基づいてさらに詳細に説明する。
双方向DC/DC変換回路11は、蓄電池2の電圧が直流母線電圧よりも高い場合、昇圧動作で充電を行う(図5(a)中に昇圧と記載)。蓄電池2の電圧が直流母線電圧より低く、HEMSから指示された電力を維持できない場合(蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さい場合)は、中間動作で充電を行う(図5(a)中に中間と記載)。蓄電池2の電圧が直流母線電圧より低く、HEMSから指示された電力を維持できる場合、降圧動作で充電を行う(図5(a)中に降圧と記載)。
The charging operation of the
When the voltage of the
蓄電池2の放電動作を図5(b)に示す。蓄電池2の放電動作は、図5(a)で説明した充電動作と対称となるため、説明は省略する。
The discharging operation of the
以上説明のように、本願発明の電力変換装置1は双方向DC/DC変換回路11に中間動作を用いることで、蓄電池2の電圧と直流母線電圧がどのような組み合わせであっても、HEMSからの電力指令と蓄電池2の充放電電力を一致させることができる。これにより、蓄電池2の電圧が変化しても、双方向DC/DC変換回路11が蓄電池2の充放電電力をHEMSからの電力指令と一致させることができる。
As described above, the
次に、DC/DC制御回路12の回路構成例を説明する。
図6は、本発明の実施形態1に係るDC/DC制御回路12の構成例のブロック図である。DC/DC制御回路12は、蓄電池制御回路40、充電モード制御回路41、放電モード制御回路42、および切替回路43から構成される。
蓄電池制御回路40は、蓄電池管理ユニット5との通信を行い、電圧計15、電流計16、電圧計17、電流計18からの電圧、電流信号の受信を行う。蓄電池制御回路40はさらに、充電モード制御回路41、放電モード制御回路42、および切替回路43との通信を行い、図示していないHEMSとの通信を行う。
以降の説明では、HEMSからの電力指令を蓄電池2の電圧を計測する電圧計15の出力で除算した値を蓄電池2の電流指令とする。
充電モード制御回路41、放電モード制御回路42は、蓄電池制御回路40からの蓄電池2の電流指令と、蓄電池2の電流を計測する電流計16の出力に基づき、双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作、中間動作、降圧動作の選択と、スイッチングを行うスイッチング素子のデューティを算出する。
Next, a circuit configuration example of the DC /
FIG. 6 is a block diagram of a configuration example of the DC /
The storage
In the following description, a value obtained by dividing the power command from the HEMS by the output of the
The charge
また、蓄電池制御回路40は、HEMSの電力指令から蓄電池2を充電モードで動作させるか、放電モードで動作させるかを判別し、充電モード制御回路41、放電モード制御回路42、切替回路43にこの信号を出力する。
判別の結果、蓄電池2を充電モードで動作させる場合は、充電モード制御回路41から出力されるデューティ信号を切替回路43が選択して、双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34に出力する。蓄電池2を放電モードで動作させる場合は、放電モード制御回路42から出力されるデューティ信号を切替回路43が選択して、双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34に出力する。
Further, the storage
As a result of the determination, when the
次に、本実施の形態1の電力変換装置1の具体的な動作について、図1、図3、図7〜図12に基づいて説明する。なお、実施の形態1では、電力系統3が健全であり、電力変換装置が電力系統3から正常に電力が供給されている場合(通常運転時)について説明する。
Next, a specific operation of the
まず、図3の双方向DC/DC変換回路11の制御方法について説明する。
図7は、双方向DC/DC変換回路11を昇圧動作で充電動作させる場合(以下、昇圧充電動作と記載する)のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。
昇圧充電動作は、蓄電池2の電圧に対して、直流母線電圧が低い場合に使用する制御方法である。双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34を図7に示すように、スイッチング素子31、34は常時OFF、スイッチング素子33は常時ON、スイッチング素子32はDC/DC制御回路12から出力されるデューティ信号(算出の説明は後述)でONする時間の割合が変わる。スイッチング素子32のデューティ信号は、HEMSからの電力指令と蓄電池2の充電電力が一致するように制御する。
First, a control method of the bidirectional DC /
FIG. 7 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The step-up charging operation is a control method used when the DC bus voltage is lower than the voltage of the
図8は、双方向DC/DC変換回路11を中間動作で充電動作させる場合(以下、中間充電動作と記載する)のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。
中間充電動作は、蓄電池2の電圧に対して、直流母線電圧が高く、降圧動作で充電動作させると、HEMSから指示された電力を維持できない場合に使用する制御方法である。双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34を図8に示すように、スイッチング素子31、34は常時OFF、スイッチング素子33はスイッチングのデューティの上限、スイッチング素子32はDC/DC制御回路12から出力されるデューティ信号でONする時間の割合が変わる。スイッチング素子32のデューティ信号は、HEMSからの電力指令と蓄電池2の充電電力が一致するように制御する。
FIG. 8 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The intermediate charging operation is a control method used when the DC bus voltage is higher than the voltage of the
図9は、双方向DC/DC変換回路11を降圧動作で充電動作させる場合(以下、降圧充電動作と記載する)のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。
降圧充電動作は、蓄電池2の電圧に対して、直流母線電圧が高い場合に使用する制御方法である。双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34を図9に示すように、スイッチング素子31、32、34は常時OFF、スイッチング素子33はDC/DC制御回路12から出力されるデューティ信号でONする時間の割合が変わる。スイッチング素子33のデューティ信号をHEMSからの電力指令と蓄電池2の充電電力が一致するように制御する。
FIG. 9 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The step-down charging operation is a control method used when the DC bus voltage is higher than the voltage of the
図10は、双方向DC/DC変換回路11を昇圧動作で放電動作させる場合(以下、昇圧放電動作と記載する)のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。
昇圧放電動作は、蓄電池2の電圧に対して、直流母線電圧が高い場合に使用する制御方法である。
双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34を図10に示すように、スイッチング素子32、33は常時OFF、スイッチング素子31は常時ON、スイッチング素子34はDC/DC制御回路12から出力されるデューティ信号でONする時間の割合が変わる。スイッチング素子34のデューティ信号をHEMSからの電力指令と蓄電池2の放電電力が一致するように制御する。
FIG. 10 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The step-up discharge operation is a control method used when the DC bus voltage is higher than the voltage of the
As shown in FIG. 10, the switching
図11は、双方向DC/DC変換回路11を中間動作で放電動作させる場合(以下、中間放電動作と記載する)のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。
中間放電動作は、蓄電池2の電圧に対して直流母線電圧が低く、降圧動作で放電動作させると、HEMSから指示された電力を維持できない場合に使用する制御方法である。双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34を図11に示すように、スイッチング素子32、33は常時OFF、スイッチング素子31はスイッチングのデューティの上限、スイッチング素子34はDC/DC制御回路12から出力されるデューティ信号でONする時間の割合が変わる。スイッチング素子34のデューティ信号をHEMSからの電力指令と蓄電池2の放電電力が一致するように制御する。
FIG. 11 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The intermediate discharge operation is a control method used when the DC bus voltage is lower than the voltage of the
図12は、示す双方向DC/DC変換回路11を降圧動作で放電動作させる場合(以下、降圧放電動作と記載する)のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。
降圧放電動作は、蓄電池2の電圧に対して、直流母線電圧が低い場合に使用する制御方法である。双方向DC/DC変換回路11のスイッチング素子31〜34を図12に示すように、スイッチング素子32、33、34は常時OFF、スイッチング素子31はDC/DC制御回路12から出力されるデューティ信号で変化する。スイッチング素子31のデューティをHEMSからの電力指令と蓄電池2の放電電力が一致するように制御する。
FIG. 12 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The step-down discharge operation is a control method used when the DC bus voltage is lower than the voltage of the
次に、充電モードにおけるスイッチング信号S1〜S4の生成を、充電モード制御回路41のブロック図である図13とスイッチング信号の生成フローチャートである図14に基づいて説明する。
Next, generation of the switching signals S1 to S4 in the charging mode will be described with reference to FIG. 13 which is a block diagram of the charging
まず、充電モード制御回路41の構成例を図13に基づいて説明する。
充電モード制御回路41は、減算器50、PI制御器51、動作選択回路52、デューティ信号生成回路53、キャリア波発生器54〜57、コンパレータ58〜61、遅延器62〜65、およびAND回路66〜69から構成される。
減算器50は、蓄電池制御回路40の出力(蓄電池2の電流指令Ibat*)と電流計16の出力(蓄電池2の電流Ibat)との差異を演算する。PI制御器51は減算器50の出力からデューティDONを生成する。
動作選択回路52は、デューティDONとスイッチング素子のデューティ上限(以下、Dmと適宜記載する)を比較し、降圧、中間、昇圧動作のいずれを選択するか決定し、デューティ信号生成回路53に出力する。デューティ信号生成回路53はPI制御器51からのデューティDONと動作選択回路52からの選択信号に基づき、降圧、中間、昇圧動作に対応するデューティ信号を生成する。
コンパレータ58〜61は、デューティ信号生成回路53からのデューティ信号とキャリア波発生器54〜57からのキャリア信号に基づきスイッチング信号を生成する。
遅延器62〜65は、コンパレータ58〜61からのスイッチング信号をデッドタイムtd時間遅らせる。AND回路66〜69は、コンパレータ58〜61からのスイッチング信号と遅延器62〜65からの信号を用いて、デッドタイムを挿入して、スイッチング信号S1〜S4を生成する。
First, a configuration example of the charging
The charging
The
The
The
The
通常運転での充電時の動作フローを図14に基づいて説明する。なお、以下の説明では、充電時の説明であることが明確な場合は「充電」を省略し、例えば、降圧充電動作を降圧動作と記載する。
充電時はHEMSからの電力指令に基づいて蓄電池2を充電する。
HEMSから充電の電力指令を受信すると蓄電池の充電モードが開始される。ステップ1(ST01)で蓄電池制御回路40が蓄電池管理ユニット5と通信を行い、蓄電池2が充電可能かどうかを確認する。蓄電池制御回路40は、通信の結果、蓄電池2が充電可能であれば、充電モード制御回路41と切替回路43に蓄電池2の充電を開始/継続指示を出力する。
蓄電池2が充電不可の場合(蓄電池2が満充電、蓄電池2のセル温度が所定の範囲外、蓄電池2が故障等)は、蓄電池制御回路40からHEMSに蓄電池2が充電不可であること、およびその理由を通知し、蓄電池2への充電を終了する。
なお、蓄電池2に関する情報(蓄電池2の満充電、過放電、セル温度が所定の範囲外、故障等)が、本発明の蓄電手段の充放電情報である。
The operation flow during charging in normal operation will be described with reference to FIG. In the following description, when it is clear that the description is at the time of charging, “charging” is omitted, and for example, the step-down charging operation is described as a step-down operation.
At the time of charging, the
When a charging power command is received from the HEMS, the storage battery charging mode is started. In step 1 (ST01), the storage
When the
Information relating to the storage battery 2 (full charge, overdischarge, cell temperature out of a predetermined range, failure, etc. of the storage battery 2) is the charge / discharge information of the power storage means of the present invention.
蓄電池2が充電可能な場合は、ステップ2(ST02)で蓄電池制御回路40から通知される蓄電池2の電流指令と電流計16の出力(蓄電池2の電流)を取得し、ステップ3(ST03)で減算器50によって減算する。減算器50の出力は、PI制御器51で処理され(ステップ4)、デューティDONを生成する。
ここで、蓄電池2の電流指令は、HEMSからの電力指令を蓄電池2の電圧を計測する電圧計15の出力で除算した値である。
PI制御器51の出力は、動作選択回路52とデューティ信号生成回路53に入力される。
When the
Here, the current command of the
The output of the
動作選択回路52では、デューティDONとスイッチング素子のデューティ上限Dmとを比較する(ステップ5)。デューティDONがDm以下の場合、動作選択回路52が降圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路53に出力する。
デューティ信号生成回路53は、PI制御器51からのデューティDONと動作選択回路52の出力信号から、双方向DC/DC変換回路11の降圧動作のデューティ信号を生成する。
The
The duty
デューティ信号生成回路53で生成されたデューティ信号は、キャリア波54〜57とコンパレータ58〜61で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器62〜65、AND回路66〜69によって、デッドタイムが挿入され、スイッチング信号S1〜S4が生成される(ステップ7)。
具体的には、S1、S2、S4が常時OFF、S3がデューティDONでスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S1〜S4は、切替回路43に出力される(ステップ10)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal for switching with S1, S2, and S4 being always OFF and S3 being a duty DON is generated. The generated switching signals S1 to S4 are output to the switching circuit 43 (step 10).
動作選択回路52で、デューティDONとDmを比較した(ステップ5)結果、デューティDONがDmより大きい場合は、デューティDONと1を比較する(ステップ6)。デューティDONが1より小さい場合、動作選択回路52は中間動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路53に出力する。
デューティ信号生成回路53は、PI制御器51からのデューティDONと動作選択回路52の出力信号から、双方向DC/DC変換回路11の中間動作のデューティ信号を生成する。
デューティ信号生成回路53で生成したデューティ信号は、キャリア波54〜57とコンパレータ58〜61で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器62〜65、AND回路66〜69によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S1〜S4を生成する(ステップ8)。
具体的には、S1、S4が常時OFF、S2が(DON−Dm)でスイッチング、S3がDmでスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S1〜S4は、切替回路43に出力される(ステップ10)。
When the
The duty
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal is generated in which S1 and S4 are always OFF, S2 is switched when (DON-Dm), and S3 is switched when Dm. The generated switching signals S1 to S4 are output to the switching circuit 43 (step 10).
動作選択回路52で、デューティDONと1を比較し(ステップ6)、デューティDONが1以上の場合、動作選択回路52が昇圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路53に出力する。
デューティ信号生成回路53は、PI制御器51からのデューティDONと動作選択回路52の出力信号から、双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作のデューティ信号を生成する。
The
The duty
デューティ信号生成回路53で生成したデューティ信号は、キャリア波54〜57とコンパレータ58〜61で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器62〜65、AND回路66〜69によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S1〜S4を生成する(ステップ9)。
具体的には、S1、S4が常時OFF、S2が(DON−1)でスイッチング、S3が常時ONするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S1〜S4は、切替回路43に出力される(ステップ10)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal is generated in which S1 and S4 are always OFF, S2 is switched when (DON-1), and S3 is always ON. The generated switching signals S1 to S4 are output to the switching circuit 43 (step 10).
スイッチング信号S1〜S4を切替回路43に出力後、蓄電池制御回路40が電圧計15、17、電流計16、18の出力が正常(電圧、電流が所定の範囲内)かどうかを判断する(ステップ11)。
正常でない場合は、蓄電池制御回路40がHEMSに充電モード停止、およびその理由を通知し、蓄電池充電モードを終了する(ステップ13)。
正常な場合は、蓄電池制御回路40はHEMSから充電停止指令が通知されたか確認する(ステップ12)。HEMSから充電モードの停止指令が通知された場合、蓄電池充電モードを終了し、HEMSに充電モードを停止したことを通知する(ステップ13)。
充電停止指令が通知されていなかった場合はステップ1(ST01)の処理に戻る。
After the switching signals S1 to S4 are output to the switching
If not normal, the storage
If it is normal, the storage
If the charge stop command has not been notified, the process returns to step 1 (ST01).
次に、放電モードにおけるスイッチング信号S1〜S4の生成を、放電モード制御回路42のブロック図である図15とスイッチング信号の生成フローチャートである図16に基づいて説明する。
Next, generation of the switching signals S1 to S4 in the discharge mode will be described with reference to FIG. 15 which is a block diagram of the discharge
放電モード制御回路42の構成例を図15に基づいて説明する。
放電モード制御回路42は、減算器70、PI制御器71、動作選択回路72、デューティ信号生成回路73、キャリア波発生器74〜77、コンパレータ78〜81、遅延器82〜85、およびAND回路86〜89から構成される。
放電モード制御回路42の各構成回路等の機能、動作は充電モード制御回路41と同じであるため、説明は省略する。
A configuration example of the discharge
The discharge
Since the functions and operations of the constituent circuits of the discharge
通常運転での放電時の動作フローを説明する。なお、以下の説明では、放電時の説明であることが明確な場合は「放電」を省略し、例えば、降圧放電動作を降圧動作と記載する。
放電時はHEMSからの電力指令に基づいて蓄電池2を放電する。
HEMSから放電の電力指令を受信すると蓄電池の放電モードが開始される。ステップ21(ST21)で蓄電池制御回路40が蓄電池管理ユニット5と通信を行い、蓄電池2が放電可能かを確認する。蓄電池制御回路40は、通信の結果で蓄電池2が放電可能であれば、放電モード制御回路42と切替回路43に蓄電池2の放電を開始/継続指示を出力する。
蓄電池2が放電不可の場合(蓄電池2が過放電、蓄電池2のセル温度が所定の範囲外、蓄電池2が故障等)は、蓄電池制御回路40からHEMSに蓄電池2が放電不可であること、およびその理由を通知し、蓄電池2の放電を終了する。
An operation flow at the time of discharging in normal operation will be described. In the following description, when it is clear that the description is at the time of discharge, “discharge” is omitted, and for example, the step-down discharge operation is described as a step-down operation.
At the time of discharging, the
When a discharge power command is received from the HEMS, the discharge mode of the storage battery is started. In step 21 (ST21), the storage
When the
蓄電池2が放電可能な場合は、ステップ22(ST22)で蓄電池制御回路40から通知される蓄電池2の電流指令と電流計16の出力(蓄電池2の電流)を取得する。
減算器70は蓄電池2の電流指令(Ibat*)から電流計16の出力(蓄電池2の電流Ibat)を減算する(ステップ23)。
減算器70の出力は、PI制御器71で処理され、デューティDONを生成する(ステップ24)。
ここで、蓄電池2の電流指令(Ibat*)は、HEMSからの電力指令を蓄電池2の電圧を計測する電圧計15の出力で除算した値である。
PI制御器71の出力は、動作選択回路72とデューティ信号生成回路73に入力される。
When the
The
The output of the
Here, the current command (Ibat *) of the
The output of the
動作選択回路72では、デューティDONとスイッチング素子のデューティ上限Dmとを比較する(ステップ25)。デューティDONがDm以下の場合、動作選択回路72が降圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路73に出力する。
デューティ信号生成回路73は、PI制御器71からのデューティDONと動作選択回路72の出力信号から、双方向DC/DC変換回路11の降圧動作のデューティ信号を生成する。デューティ信号生成回路73で生成されたデューティ信号は、キャリア波74〜77とコンパレータ78〜81で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器82〜85、AND回路86〜89によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S1〜S4を生成する(ステップ27)。
具体的には、S1がデューティDONでスイッチング、S2、S3、S4が常時OFFするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S1〜S4は、切替回路43に出力される(ステップ30)。
The
The duty
Specifically, a switching signal is generated in which S1 is switched with duty DON and S2, S3, and S4 are always OFF. The generated switching signals S1 to S4 are output to the switching circuit 43 (step 30).
動作選択回路72で、デューティDONとDmを比較した(ステップ25)結果、デューティDONがDmより大きい場合は、デューティDONと1を比較する(ステップ26)。デューティDONが1より小さい場合、動作選択回路72は中間動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路73に出力する。
デューティ信号生成回路73は、PI制御器71からのDONと動作選択回路72の信号から、双方向DC/DC変換回路11の中間動作のデューティ信号を生成する。
デューティ信号生成回路73で生成したデューティ信号は、キャリア波74〜77とコンパレータ78〜81で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器82〜85、AND回路86〜89によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S1〜S4を生成する(ステップ28)。
具体的には、S1がDmでスイッチング、S2、S3が常時OFF、S4が(DON−Dm)でスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S1〜S4は、切替回路43に出力される(ステップ30)。
When the
The duty
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal is generated that switches when S1 is Dm, S2 and S3 are always OFF, and S4 is (DON-Dm). The generated switching signals S1 to S4 are output to the switching circuit 43 (step 30).
動作選択回路72で、デューティDONと1を比較し(ステップ26)、デューティDONが1以上の場合、動作選択回路72が昇圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路73に通知する。
デューティ信号生成回路73は、PI制御器71からのデューティDONと動作選択回路72の信号から、双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作のデューティ信号を生成する。
デューティ信号生成回路73で生成したデューティ信号は、キャリア波74〜77とコンパレータ78〜81で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器82〜85、AND回路86〜89によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S1〜S4を生成する(ステップ29)。
具体的には、S1が常時ON、S2、S3が常時OFF、S4が(DON−1)でスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S1〜S4は、切替回路43に出力される(ステップ30)。
The
The duty
The duty signal generated by the duty
Specifically, it generates a switching signal that switches when S1 is always ON, S2 and S3 are always OFF, and S4 is (DON-1). The generated switching signals S1 to S4 are output to the switching circuit 43 (step 30).
スイッチング信号S1〜S4を切替回路43に出力後、蓄電池制御回路40が電圧計15、17、電流計16、18の出力が正常(電圧、電流が所定の範囲内)かを判断する(ステップ31)。
正常でない場合は、蓄電池制御回路40がHEMSに放電モード停止、およびその理由を通知し、蓄電池放電モードを終了する(ステップ33)。
正常な場合は、蓄電池制御回路40はHEMSから放電停止指令が通知されたか確認する(ステップ32)。HEMSから放電モードの停止指令が通知された場合、蓄電池放電モードを終了し、HEMSに放電モードを停止したことを通知する(ステップ33)。
放電停止指令が通知されていなかった場合はステップ21の処理に戻る。
After the switching signals S1 to S4 are output to the switching
If not normal, the storage
If it is normal, the storage
If the discharge stop command has not been notified, the process returns to step 21.
以上、本願発明の電力変換装置1の昇圧動作、中間動作、降圧動作を用いた蓄電池2の制御方法を説明した。汎用技術として対角昇降圧動作を用いる方法がある。
対角昇降圧動作を用いた場合、DC/DC制御回路12に対応する構成例として、図6の充電モード制御回路41と放電モード制御回路42、切替回路43を一つにまとめたものが考えられる。
図17は、図3に示す双方向DC/DC変換回路11を対角昇降圧動作で動作させる場合のスイッチング素子31〜34に供給する信号波形S1〜S4を示す。対角昇降圧動作では、スイッチング信号S1とS3が同じ信号であり、スイッチング信号S2とS4が同じ信号である。スイッチング信号S1(S3)がONの時にスイッチング信号S2(S4)がOFF、スイッチング信号S2(S4)がONの時にスイッチング信号S1(S3)がOFFとなるように信号が出力される。また、スイッチング素子の短絡を防止するため、スイッチング素子がONからOFFに戻るまでの間にデッドタイムがある。
対角昇降圧動作は動作モードが少なくなるが、リアクトル35の電流リップルが大きくなる問題がある。
In the above, the control method of the
When the diagonal step-up / step-down operation is used, a configuration example corresponding to the DC /
FIG. 17 shows signal waveforms S1 to S4 supplied to the
The diagonal buck-boost operation has a problem that the operation mode is reduced, but the current ripple of the
次に、本発明の実施形態1に係る双方向DC/DC変換回路11の制御方式によるリアクトル電流リップルの低減効果例を図18に基づいて説明する。
図18において、Vdcは直流母線電圧、ΔILはリアクトル電流リップルであり、蓄電池2の電圧を350V一定としている。
図18(a)は充電モード、図18(b)は放電モードの説明である。
図18から、充電モード、放電モードのいずれの場合も、対角昇降圧動作(○印)は、本願発明の昇圧動作(■印)、降圧動作(▲印)、および中間動作(●印)に比べてリアクトル電流リップルが大きいことがわかる。
Next, an example of the effect of reducing the reactor current ripple by the control method of the bidirectional DC /
In FIG. 18, Vdc is a DC bus voltage, ΔIL is a reactor current ripple, and the voltage of the
FIG. 18A illustrates the charging mode, and FIG. 18B illustrates the discharging mode.
From FIG. 18, in any of the charge mode and the discharge mode, the diagonal step-up / step-down operation (◯ mark) is the boost operation (■ mark), step-down operation (▲ mark), and intermediate operation (● mark) of the present invention. It can be seen that the reactor current ripple is large compared to.
双方向DC/DC変換回路11のリアクトル電流リップルが大きくなると、双方向DC/DC変換回路11に接続される蓄電池2の電流リップルも大きくなる。蓄電池2の電流リップルが大きくなると、蓄電池2の内部抵抗による損失が増加する。
また、蓄電池2の電流にリップルが生じると、蓄電池2の電流リップルと蓄電池2の内部抵抗により、蓄電池2の電圧が振動する。蓄電池2の電圧が上限電圧近くでは、この電圧振動により蓄電池2に入力される電圧が上限電圧を超えて過電圧となる可能性がある。過電圧となると、例えばリチュウムイオンを材料とする蓄電池2はリチュウムイオンの析出が生じて、蓄電池2の容量低下に繋がり、最悪の場合は発火する危険も考えられる。
When the reactor current ripple of the bidirectional DC /
Further, when a ripple occurs in the current of the
以上説明したように、本発明の電力変換装置1では、双方向DC/DC変換回路11に昇圧動作、中間動作、降圧動作を用いることで、汎用技術の対角昇降圧動作と比較して蓄電池2の電流リップルを低減することができる。このため、蓄電池2の損失を低減でき、蓄電池2の容量低下防止と発火の危険を防ぐことができる。
As described above, in the
本発明の電力変換装置1の双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作、中間動作、降圧動作について図18に基づいてさらに説明する。
昇圧動作や降圧動作では蓄電池2の電圧と直流母線電圧が近い電圧(蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分の絶対値が小さい電圧)になると、リアクトル電流リップルが小さくなる。特に蓄電池2の電圧と直流母線電圧が等しくなる350V付近の昇圧動作と降圧動作が最もリアクトル電流リップルが小さい。しかし、デッドタイムの影響で、蓄電池2の電圧と直流母線電圧が近い電圧では、降圧動作でHEMSからの電力指令と蓄電池2の充放電電力を一致させることができない。そのため、降圧動作において蓄電池2の電圧と直流母線電圧が近い電圧では中間動作を用いる。中間動作は、蓄電池2の電圧と直流母線電圧が近い電圧において、昇圧動作よりもリアクトル電流リップルが大きいため、リアクトル電流リップルを最も小さくできるのは、蓄電池2の電圧と直流母線電圧が近い電圧で昇圧動作を用いた場合である。
The step-up operation, intermediate operation, and step-down operation of the bidirectional DC /
In the step-up operation and step-down operation, when the voltage of the
しかし、常に昇圧動作で双方向DC/DC変換回路11を動作させると、電圧の低い蓄電池2や充電残量の少なくなった蓄電池2では、直流母線電圧がDC/AC変換回路13が交流電圧を維持できない電圧まで小さくなる場合がある。また、昇圧動作において、直流母線電圧が上限電圧を超える場合もある。その場合は昇圧動作を維持することができないので、中間動作または降圧動作を行う。図18から、中間動作とHEMSからの電力指令と蓄電池2の充放電電力を一致させることのできる降圧動作で蓄電池2の電圧と直流母線電圧が近い電圧(図18においては直流母線電圧が330V付近の降圧動作)では、中間動作と降圧動作のリアクトル電流リップルは、ほぼ等しくなる。また、中間動作は昇圧動作、降圧動作と異なり、2つのスイッチング素子のスイッチングを行う。そのため、スイッチングによる損失が昇圧動作、降圧動作より大きくなる。
However, when the bidirectional DC /
以上から、リアクトル電流リップルとスイッチングによる損失を考慮すると、昇圧動作を行えない場合、降圧動作のリアクトル電流リップルを小さく抑えるため、蓄電池2の電圧の変化に応じてリアクトル電流リップルが小さくなるように直流母線電圧を制御する。
From the above, in consideration of the reactor current ripple and the loss due to switching, when the boost operation cannot be performed, the direct current is reduced so that the reactor current ripple decreases according to the change in the voltage of the
次に、本発明の実施形態1に係る蓄電池2の電圧変化に応じた直流母線電圧制御の例を図19に基づいて説明する。図19(a)は充電モード、図19(b)は放電モードの説明である。
直流母線電圧は、DC/AC変換回路13の交流電圧を維持できる下限電圧以下、または直流母線電圧の上限電圧以上とならないように制御する必要がある。
Next, an example of DC bus voltage control according to the voltage change of the
The DC bus voltage needs to be controlled so as not to be lower than the lower limit voltage that can maintain the AC voltage of the DC /
図19(a)に示すように、蓄電池2を充電する場合は、蓄電池2の電圧が低い範囲で昇圧動作を行うと、直流母線電圧がDC/AC変換回路13の交流電圧を維持できる下限電圧以下になるため、双方向DC/DC変換回路11を降圧動作で制御する。この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVd高い電圧にDC/AC変換回路13が直流母線電圧を制御する。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVd高い電圧」が第2の直流電圧の制御目標電圧である。
ΔVdは降圧動作でHEMSから指示された充電電力が維持でき、デッドタイムと直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の電圧差分である。
蓄電池2の充電により、直流母線電圧を切替えて双方向DC/DC変換回路11を昇圧動作で制御しても、直流母線電圧がDC/AC変換回路13の交流電圧を維持できる下限電圧以下とならない電圧になると、双方向DC/DC変換回路11を昇圧動作で制御する。ここで、下限電圧以下とならない電圧とは、蓄電池の電圧−ΔVu≧DC/AC変換回路13の交流電圧を維持できる下限電圧である。
この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVu低い電圧にDC/AC変換回路13が直流母線電圧を制御する。ΔVuは昇圧動作でHEMSから指示された電力が維持でき、直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分電圧である。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVu低い電圧」が第2の直流電圧の制御目標電圧である。
As shown in FIG. 19A, when charging the
Here, the “voltage higher by ΔVd than the voltage of the
ΔVd is a voltage difference between the voltage of the
Even if the DC bus voltage is switched by charging the
As the DC bus voltage at this time, the DC /
Here, the “voltage lower than the voltage of the
また、図19(b)に示すように、蓄電池2を放電する場合は、蓄電池2の電圧が高い範囲で昇圧動作を行うと、直流母線電圧が上限電圧以上になるため、双方向DC/DC変換回路11を降圧動作で制御する。この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVd低い電圧にDC/AC変換回路13が直流母線電圧を制御する。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVd低い電圧」が第2の直流電圧の制御目標電圧である。
ΔVdは降圧動作でHEMSから指示された電力が維持でき、デッドタイムと直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の電圧差分である。
蓄電池2の放電により、直流母線電圧を切替えて双方向DC/DC変換回路11を昇圧動作で制御しても、直流母線電圧が上限電圧以上とならない電圧になると、直流母線電圧を切替えて双方向DC/DC変換回路11を昇圧動作で制御する。ここで、上限電圧以上とならない電圧とは、蓄電池の電圧+ΔVu≦直流母線電圧の上限である。
この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVu高い電圧にDC/AC変換回路13が直流母線電圧を制御する。ΔVuは昇圧動作でHEMSから指示された電力が維持でき、直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分電圧である。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVu高い電圧」が第2の直流電圧の制御目標電圧である。
このように蓄電池2の電圧に応じて直流母線電圧を切替えることで、リアクトル電流リップルを低減でき、蓄電池2の電流リップル低減の効果が得られる。
Further, as shown in FIG. 19B, when the
Here, “a voltage lower by ΔVd than the voltage of the
ΔVd is a voltage difference between the voltage of the
Even if the DC bus voltage is switched and the bidirectional DC /
As the DC bus voltage at this time, the DC /
Here, “a voltage higher by ΔVu than the voltage of the
By switching the DC bus voltage according to the voltage of the
次に、本発明の実施形態1に係る蓄電池2の充電において直流母線電圧を切替えた場合の蓄電池電圧と直流母線電圧の変化を図20に基づいて説明する。
図20(a)は、中間動作なしで降圧動作から昇圧動作に切替えた場合を示し、図20(b)は、中間動作を経由して降圧動作から昇圧動作に切替えた場合を示す。
Next, changes in the storage battery voltage and the DC bus voltage when the DC bus voltage is switched in the charging of the
20A shows a case where the step-down operation is switched to the step-up operation without an intermediate operation, and FIG. 20B shows a case where the step-down operation is switched to the step-up operation via the intermediate operation.
まず、図20(a)について説明する。
図20(a)は、蓄電池2の充電において双方向DC/DC変換回路11が昇圧動作と降圧動作で制御でき、直流母線電圧を切替えた場合の蓄電池2の充電電力を示した図である。直流母線電圧を切替える前の状態では、双方向DC/DC変換回路11が降圧動作で蓄電池2の充電電力をHEMSから指示された電力に維持しているが、直流母線電圧を切替えると、降圧動作のスイッチング素子のデューティが上限になり、蓄電池2の充電電力をHEMSから指示された電力を維持できなくなる。
直流母線電圧を切替える途中、直流母線電圧が蓄電池2の電圧より小さくなる付近で、双方向DC/DC変換回路11が降圧動作から昇圧動作に切替わる。直流母線電圧の切替えが終わると、双方向DC/DC変換回路11が昇圧動作で蓄電池2の充電電力をHEMSから指示された電力に維持している。
図20(a)のように、双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作と降圧動作を用いて直流母線電圧を切替えた場合、蓄電池2の出力電力をHEMSから指示された電力に維持できない状態が生じる。
First, FIG. 20A will be described.
FIG. 20A is a diagram showing the charging power of the
In the middle of switching the DC bus voltage, the bidirectional DC /
As shown in FIG. 20A, when the DC bus voltage is switched using the step-up operation and the step-down operation of the bidirectional DC /
図20(b)は、蓄電池2の充電において双方向DC/DC変換回路11が昇圧動作、中間動作、降圧動作で動作でき、直流母線電圧を切替えた場合の蓄電池2の出力電力を示した図である。直流母線電圧を切替える前の状態では、蓄電池2の出力電力を双方向DC/DC変換回路11が降圧動作でHEMSから指示された電力に維持している。直流母線電圧を切替えると、降圧動作のスイッチング素子のデューティが上限になり、双方向DC/DC変換回路11の動作が中間動作に切替わる。
中間動作では、蓄電池2の出力電力をHEMSから指示された電力に維持できる。直流母線電圧を切替える途中、直流母線電圧が蓄電池2の電圧より小さくなる付近で、双方向DC/DC変換回路11が中間動作から昇圧動作に切替わる。直流母線電圧の切替えが終わると、双方向DC/DC変換回路11が昇圧動作で蓄電池2の出力電力をHEMSから指示された電力に維持している。
この実施例のように、双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作、中間動作、降圧動作を用いて直流母線電圧を切替えた場合、蓄電池2の出力電力を常にHEMSから指示された電力に維持できる。
FIG. 20B is a diagram showing the output power of the
In the intermediate operation, the output power of the
As in this embodiment, when the DC bus voltage is switched using the step-up operation, intermediate operation, and step-down operation of the bidirectional DC /
なお、DC/AC変換回路13は直流を交流に変換する、あるいは逆に交流を直流に変換する回路であり、DC/AC制御回路14によって制御される。DC/AC変換回路13の回路構成および制御方法は、一般的公知技術であるため、詳細説明は省略する。
The DC /
実施の形態1では、電力系統3に連携した電力変換装置について説明したが、これに限るものではなく、自然エネルギーを活用する太陽電池や風力発電等の分散電源とも連携させることができる。
また、蓄電池2が電気自動車内のバッテリであり、負荷4がスマートハウス内の電気機器であり、電力変換装置1をスマートハウスに備える構成として、本実施の形態1の発明を適用することができる。
Although
Moreover, the
本実施の形態1では、各種制御(蓄電池2の充放電や双方向DC/DC変換回路11の昇圧動作、中間動作、降圧動作の制御)をH/Wで実施するものとして説明したが、これに限るものではなく、全ての回路あるいは一部の回路については中央集積回路(CPU)によるS/W処理で実現してもよい。
また、蓄電池管理ユニット5を蓄電池2に内蔵する構成としたが、例えば電力変換装置1で蓄電池2の情報を管理するように構成することができる。
また、双方向DC/DC変換回路11の構成として非絶縁型のDC/DC変換回路を用いた場合について説明したが、絶縁トランスを用いる絶縁型の双方向DC/DC変換回路を用いることができる。
In the first embodiment, it has been described that various controls (charging / discharging of the
Further, although the storage
Although the case where a non-insulated DC / DC converter circuit is used as the configuration of the bidirectional DC /
本実施の形態1では、HEMSからの電力指令に基づいてデューティDONを生成する際、蓄電池2の電流をDC/DC制御回路12のフィードバックとして用いたが、例えば双方向DC/DC変換回路11のリアクトル電流または双方向DC/DC変換回路11から出力される電流を用いることができる。
In the first embodiment, when the duty DON is generated based on the power command from the HEMS, the current of the
また、本実施の形態1では、DC/DC制御回路12の制御回路として、図13、図15に示す回路構成を用いたが、例えば昇圧動作、中間動作、降圧動作の切替条件をデューティDONからではなく、蓄電池2の電圧と直流母線電圧から判定することもできる。
In the first embodiment, the circuit configuration shown in FIGS. 13 and 15 is used as the control circuit of the DC /
以上説明したように、実施の形態1の電力変換装置は、双方向DC/DC変換回路と、DC/AC変換回路と、DC/DC制御回路と、DC/AC制御回路とを備え、蓄電池の充放電情報と第1の直流電圧に基づきDC/AC変換回路が第2の直流電圧を制御するとともに、電力管理サーバからの電力指令に基づき双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、中間放電動作、昇圧充電動作、降圧充電動作、および中間充電動作のいずれかのモードに切替えて蓄電池から電力を放電し、あるいは蓄電池へ電力を充電するものである。このため、実施の形態1の電力変換装置は、蓄電池の充放電において昇圧動作と降圧動作を双方に切替える場合でも、中間動作を用いることで所定の電力を維持しながら連続的に昇圧動作と降圧動作を切替えることができ、かつ電流リップルが小さくできる。さらに、電流リップルを低減することで省エネルギーの効果がある。 As described above, the power conversion device according to the first embodiment includes the bidirectional DC / DC conversion circuit, the DC / AC conversion circuit, the DC / DC control circuit, and the DC / AC control circuit, and includes a storage battery. The DC / AC converter circuit controls the second DC voltage based on the charge / discharge information and the first DC voltage, and the bidirectional DC / DC converter circuit performs step-up discharge operation and step-down discharge based on the power command from the power management server. The operation is switched to any one of the operation, intermediate discharge operation, step-up charge operation, step-down charge operation, and intermediate charge operation to discharge power from the storage battery, or to charge power to the storage battery. For this reason, the power conversion device according to the first embodiment continuously increases and decreases the voltage while maintaining the predetermined power by using the intermediate operation even when switching between the voltage increase operation and the voltage decrease operation in charging and discharging of the storage battery. The operation can be switched and the current ripple can be reduced. Furthermore, there is an energy saving effect by reducing the current ripple.
実施の形態2.
実施の形態2の電力変換装置は、蓄電池の出力である第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する双方向DC/DC変換回路と、第2の直流電圧を交流電圧に変換し負荷に供給するDC/AC変換回路と、双方向DC/DC変換回路を制御するDC/DC制御回路と、DC/AC変換回路を制御するDC/AC制御回路とを備え、蓄電池の充放電情報と第1の直流電圧に基づき双方向DC/DC変換回路が第2の直流電圧を制御するとともに、第2の直流電圧から生成した電圧指令に基づき双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、および中間放電動作、のいずれかのモードに切替えて蓄電池から電力を放電し負荷に供給するものである。
The power conversion device according to the second embodiment includes a bidirectional DC / DC conversion circuit that converts a first DC voltage, which is an output of a storage battery, into a second DC voltage, and a load that converts the second DC voltage into an AC voltage. A DC / AC conversion circuit for supplying to the battery, a DC / DC control circuit for controlling the bidirectional DC / DC conversion circuit, and a DC / AC control circuit for controlling the DC / AC conversion circuit, The bidirectional DC / DC converter circuit controls the second DC voltage based on the first DC voltage, and the bidirectional DC / DC converter circuit performs step-up discharge operation and step-down operation based on the voltage command generated from the second DC voltage. The mode is switched to any one of a discharge operation and an intermediate discharge operation to discharge power from the storage battery and supply it to the load.
以下、実施の形態2の電力変換装置201の構成、動作について、電力変換装置を含むシステム構成図である図21、DC/DC制御回路のブロック図である図22、放電モード制御回路のブロック図である図23、放電時のスイッチング信号の生成フローチャートである図24、および蓄電池の放電での直流母線電圧切替の説明図である図25に基づいて実施の形態1との差異を中心に説明する。また、実施の形態1で説明した双方向DC/DC変換回路の動作説明図である図5および直流母線電圧制御の説明図である図19を適宜参照する。
なお、図21において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
Hereinafter, regarding the configuration and operation of the
In FIG. 21, the same or corresponding parts as in FIG.
図21は、本発明の実施の形態2の電力変換装置201を含む全体システムの構成を示す。システム全体は、実施の形態1と同じであり、電力変換装置201と蓄電池2と負荷4から構成される。
なお、実施の形態1は、電力系統3が健全で電力変換装置1が電力系統3と連携している場合を説明したが、実施の形態2は電力系統3と連携していない(以下、自立運転という)場合を想定している。すなわち、例えば電力系統3に故障が発生し、電力系統3からは電力が供給されず、電力変換装置201は蓄電池2の直流電力を交流電力に変換して負荷4に供給する。したがって、実施の形態2では、蓄電池2は放電動作のみとなる。
また、実施の形態1で説明したHEMSから電力指令は電力変換装置201に送信されないが、蓄電池2の放電を停止させる停止指令は、HEMSから送信される。
FIG. 21 shows a configuration of the entire system including the
In addition, although
Further, the power command is not transmitted from the HEMS described in the first embodiment to the
次に、電力変換装置201の全体構成を図21に基づいて説明する。
電力変換装置201は、主要回路として、双方向DC/DC変換回路211、DC/DC制御回路212、DC/AC変換回路213、DC/AC制御回路214を備える。
双方向DC/DC変換回路211およびDC/DC制御回路212を制御するために必要に各部の電圧、電流を計測する電圧計15、17、19および電流計16、18、20を備える。
Next, the whole structure of the
The
In order to control the bidirectional DC /
電力変換装置201の各主要回路と電圧計、電流計の機能、動作は、基本的に実施の形態1と同じであるため説明を省略する。
主要回路については、実施の形態1と区別するために、図21においてそれぞれ双方向DC/DC変換回路211、DC/DC制御回路212、DC/AC変換回路213、およびDC/AC制御回路214としている。
The functions and operations of each main circuit, voltmeter, and ammeter of the
The main circuits are shown as a bidirectional DC /
まず、電力変換装置が実施の形態1の通常運転中に、電力系統3が停電し、自立運転への移行について説明する。
具体的には、HEMSが電力系統3の停電を検出すると、HEMSからDC/DC制御回路12とDC/AC制御回路14に自立運転の制御に切替える指令を自動で送信する。HEMSから自立運転に切替える指令を受信したDC/DC制御回路12は、HEMSからの電力指令に応じた蓄電池2の充電または放電制御から、直流母線電圧を制御する方法(制御方法の説明は後述)に移行する。また、HEMSから自立運転に切替える指令を受信したDC/AC制御回路14は、負荷4に供給する交流電圧を制御する。
なお、以上の移行の説明では、通常運転中の動作として、DC/DC制御回路12、DC/AC制御回路14とした。
First, during the normal operation of the first embodiment of the power conversion device, the
Specifically, when the HEMS detects a power failure in the
In the above description of the transition, the DC /
次に、双方向DC/DC変換回路211の動作原理について説明する。
双方向DC/DC変換回路211は、直流母線電圧を所定の電圧に制御する。以下の説明では、蓄電池2の電圧に基づいて直流母線電圧から生成した所定の電圧を電圧指令とする。電圧指令は、蓄電池2の電圧、または蓄電池2の放電電力を電力変換装置201が効率よく利用できる電圧により決定される。本実施の形態2では、蓄電池2の電圧に基づいて電圧指令を決定する。
Next, the operation principle of the bidirectional DC /
The bidirectional DC /
実施の形態2においても、実施の形態1と同様に、降圧動作、昇圧動作、および中間動作で双方向DC/DC変換回路211の制御を行う。中間動作は、降圧動作のスイッチング動作と昇圧動作のスイッチング動作を組み合わせたもので、降圧動作のスイッチング素子31または33のデューティが上限となった状態で、昇圧動作のスイッチング素子32または34のデューティを増加させる動作である。
双方向DC/DC変換回路211のスイッチング素子のスイッチングを行うことで、蓄電池2の放電によって、蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さくなり、デューティ信号が上限に達しても対応できる。すなわち、昇圧動作のスイッチング素子32または34のデューティを増加させることで、リアクトル電流の減少を防ぐことができる。
Also in the second embodiment, as in the first embodiment, the bidirectional DC /
By switching the switching element of the bidirectional DC /
次に、図5(b)を参照し蓄電池2の放電動作について説明する。双方向DC/DC変換回路211には、直流母線電圧が蓄電池2の電圧よりも高い場合、昇圧動作で放電を行う(図5(b)中に昇圧と記載)。直流母線電圧が蓄電池2の電圧より低く、負荷4に供給する電力を維持できない場合(蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さい場合)、中間動作で放電を行う(図5(b)中に中間と記載)。直流母線電圧が蓄電池2の電圧より低く、負荷4に供給する電力を維持できる場合、降圧動作で放電を行う(図5(b)中に降圧と記載)。
したがって、双方向DC/DC変換回路211に中間動作を用いることで、蓄電池2の電圧と直流母線電圧がどのような組み合わせであっても、負荷4に供給する電力を維持することができる。
Next, the discharge operation of the
Therefore, by using the intermediate operation for the bidirectional DC /
次に、DC/DC制御回路212の回路構成例を説明する。
図22は、本発明の実施形態2に係るDC/DC制御回路212の構成例のブロック図である。DC/DC制御回路212は、蓄電池制御回路240および放電モード制御回路242から構成される。
蓄電池制御回路240は、蓄電池管理ユニット5との通信を行い、電圧計15、電流計16、電圧計17、電流計18からの電圧、電流信号の受信を行う。蓄電池制御回路240はさらに、放電モード制御回路242との通信を行い、図示していないHEMSとの通信を行う。
放電モード制御回路242は、蓄電池制御回路240からの蓄電池2の電圧に基づいた電圧指令(Vdc*)と、直流母線電圧を計測する電圧計18の出力(Vdc)と、蓄電池2の電流を計測する電流計16の出力(Ibat)とにより、双方向DC/DC変換回路211の昇圧動作、中間動作、降圧動作の選択とスイッチングを行うスイッチング素子のデューティを算出する。
Next, a circuit configuration example of the DC /
FIG. 22 is a block diagram of a configuration example of the DC /
The storage
The discharge
次に、放電モードにおけるスイッチング信号S11〜S14の生成を、放電モード制御回路242のブロック図である図23とスイッチング信号の生成フローチャートである図24に基づいて説明する。
Next, generation of the switching signals S11 to S14 in the discharge mode will be described with reference to FIG. 23 which is a block diagram of the discharge
まず、放電モード制御回路242の構成例を図23に基づいて説明する。
放電モード制御回路242は、減算器250、253、PI制御器251、254、リミッタ252、動作選択回路255、デューティ信号生成回路256、キャリア波発生器257〜260、コンパレータ261〜264、遅延器265〜268、およびAND回路269〜272から構成される。
実施の形態1の放電モード制御回路42と比較して、構成上の差異は減算器250、PI制御器251、リミッタ252とが追加されていることである。この構成上の差異と入力信号の差異について説明する。
減算器250は、蓄電池制御回路240の出力(直流母線電圧指令Vdc*)と電圧計17の出力(直流母線電圧Vdc)との差異を演算する。PI制御器251は減算器250の出力から蓄電池2の電流指令を生成する。リミッタ252は蓄電池2の過電流を防止するために電流指令を制限する。減算器253は、リミッタ252の出力と電流計16の出力(蓄電池の電流Ibat)との差異を演算する。PI制御器254は減算器253の出力からデューティDONを生成する。
PI制御器254でデューティDONを生成した以降の機能、動作は、実施の形態1の放電モード制御回路42と同じであるため、説明は省略する。
First, a configuration example of the discharge
The discharge
Compared to the discharge
The
Since functions and operations after the
自立運転での放電時の動作フローを説明する。
自立運転では、双方向DC/DC変換回路211が蓄電池2の電圧の変化に応じて蓄電池2を放電する。蓄電池放電モードが開始されると、ステップ101(ST101)で蓄電池制御回路240が蓄電池管理ユニット5と通信を行い、蓄電池2が放電可能かどうかを確認する。蓄電池制御回路240は、通信の結果で蓄電池2が放電可能であれば、放電モード制御回路242に蓄電池2の放電を開始/継続指示を出力する。
蓄電池2が放電不可の場合(蓄電池2が過放電、蓄電池2のセル温度が所定の範囲外、蓄電池2が故障等)は、蓄電池制御回路240からHEMSに蓄電池2が放電不可であること、およびその理由を通知し、蓄電池2の放電を終了する。
An operation flow at the time of discharging in the independent operation will be described.
In the self-sustained operation, the bidirectional DC /
When the
蓄電池2が放電可能な場合は、ステップ102(ST102)で蓄電池制御回路240から通知される電圧指令と電圧計17の出力(直流母線電圧)を取得し、ステップ103(ST103)で減算器250によって減算する。PI制御器251は減算器250の出力を処理し、蓄電池2の電流指令(Ibat*)を生成する(ステップ104)。
ここで、電圧指令は、蓄電池2の電圧に基づいて決定される(説明は後述する)。
If the
Here, the voltage command is determined based on the voltage of the storage battery 2 (the description will be described later).
PI制御器251の出力である蓄電池2の電流指令(Ibat*)はリミッタ252に入力される。リミッタ252では、蓄電池2の過電流を防止するため、蓄電池2の放電可能な最大電流で蓄電池の電流指令(PI制御器251の出力)が制限される(ステップ105)。
リミッタ252で処理された電流指令(Ibat*)と電流計16の出力(蓄電池2の電流)を取得する(ステップ106)。
減算器253はリミッタ252から出力される蓄電池2の電流指令(Ibat*)から電流計16の出力(蓄電池2の電流Ibat)を減算する(ステップ107)。PI制御器254は減算器253の出力を処理し、デューティDONを生成する(ステップ108)。
PI制御器254の出力は、動作選択回路255とデューティ信号生成回路256に入力される。
The current command (Ibat *) of the
The current command (Ibat *) processed by the limiter 252 and the output of the ammeter 16 (current of the storage battery 2) are acquired (step 106).
The
The output of the
動作選択回路255では、デューティDONとスイッチング素子のデューティの上限Dmとを比較する(ステップ109)。デューティDONがDm以下の場合、動作選択回路255が降圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路256に通知する。
デューティ信号生成回路256は、PI制御器254からのデューティDONと動作選択回路255の信号から、双方向DC/DC変換回路211の降圧動作のデューティ信号を生成する。
The
The duty
デューティ信号生成回路256で生成したデューティ信号は、キャリア波257〜260とコンパレータ261〜264で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器265〜268、AND回路269〜272によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S11〜S14を生成する(ステップ111)。具体的には、S11がデューティDONでスイッチング、S12、S13、S14が常時OFFするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S11〜S14は、双方向DC/DC変換回路211に出力される(ステップ114)。
The duty signal generated by the duty
動作選択回路255で、デューティDONとDmを比較した(ステップ109)結果、デューティDONがDmより大きい場合は、デューティDONと1を比較する(ステップ110)。DONが1より小さい場合、動作選択回路255が中間動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路256に通知する。
デューティ信号生成回路256は、PI制御器254からのデューティDONと動作選択回路255の信号から、双方向DC/DC変換回路211の中間動作のデューティ信号を生成する。
When the
The duty
デューティ信号生成回路256で生成したデューティ信号は、キャリア波257〜260とコンパレータ261〜264で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器265〜268、AND回路269〜272によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S11〜S14を生成する(ステップ112)。
具体的には、S11がDmでスイッチング、S12、S13が常時OFF、S14が(DON−Dm)でスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S11〜S14は、双方向DC/DC変換回路211に出力される(ステップ114)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal is generated in which S11 is switched by Dm, S12 and S13 are always OFF, and S14 is switched by (DON-Dm). The generated switching signals S11 to S14 are output to the bidirectional DC / DC conversion circuit 211 (step 114).
動作選択回路255で、デューティDONと1を比較し(ステップ110)、デューティDONが1以上の場合、動作選択回路255が昇圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路256に通知する。デューティ信号生成回路256は、PI制御器254からのデューティDONと動作選択回路255の信号から、双方向DC/DC変換回路211の昇圧動作のデューティ信号を生成する。
The
デューティ信号生成回路256で生成したデューティ信号は、キャリア波257〜260とコンパレータ261〜264で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器265〜268、AND回路269〜272によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S11〜S14を生成する(ステップ113)。
具体的には、S11が常時ON、S12、S13が常時OFF、S14が(DON−1)でスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S11〜S14は、双方向DC/DC変換回路211に出力される(ステップ114)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal that switches when S11 is always ON, S12 and S13 are always OFF, and S14 is (DON-1) is generated. The generated switching signals S11 to S14 are output to the bidirectional DC / DC conversion circuit 211 (step 114).
スイッチング信号S11〜S14を双方向DC/DC変換回路11に出力後、蓄電池制御回路240が電圧計15、17、電流計16、18の出力が正常(電圧、電流が所定の範囲内)かを判断する(ステップ115)。正常でない場合は、蓄電池制御回路240がHEMSに放電モード停止、およびその理由を通知し、蓄電池放電モードを終了する(ステップ117)。正常な場合は、蓄電池制御回路240はHEMSから放電モードの停止指令が通知されたか確認する(ステップ116)。HEMSから放電モードの停止指令が通知された場合、蓄電池放電モードを終了し、HEMSに放電モードを停止したことを通知する(ステップ117)。放電停止指令が通知されていなかった場合はステップ101(ST101)の処理に戻る。
After the switching signals S11 to S14 are output to the bidirectional DC /
次に、実施の形態2における自立運転における放電モードでの電圧指令の生成について図19を参照して説明する。
本発明の実施の形態2においては、実施の形態1で述べたように蓄電池2の電圧に基づいて直流母線電圧を切替える方法を用いる。
具体的には、実施の形態1の図19(b)に示した直流母線電圧と同様となる電圧指令を蓄電池2の電圧に基づいて生成する。
実施の形態2での蓄電池2の放電は、実施の形態1で説明したと同様に、蓄電池2の電圧が高い範囲では、双方向DC/DC変換回路211を降圧動作で制御する。この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVd低い電圧に双方向DC/DC変換回路211が直流母線電圧を制御する。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVd低い電圧」が第2の直流電圧の制御目標電圧(電圧指令)である。
ΔVdは降圧動作で負荷4への電力供給を維持でき、デッドタイムと直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の電圧差分である。
Next, generation of a voltage command in the discharge mode in the self-sustaining operation in
In the second embodiment of the present invention, as described in the first embodiment, the method of switching the DC bus voltage based on the voltage of the
Specifically, a voltage command similar to the DC bus voltage shown in FIG. 19B of the first embodiment is generated based on the voltage of the
As in the case of the first embodiment, the discharge of the
Here, the “voltage lower by ΔVd than the voltage of the
ΔVd is a voltage difference between the voltage of the
蓄電池2の放電により、直流母線電圧がDC/AC変換回路213の交流電圧を維持できる下限電圧以下となると、直流母線電圧を切替えて双方向DC/DC変換回路211を昇圧動作で制御する。
この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVu高い電圧に双方向DC/DC変換回路211が直流母線電圧を制御する。ΔVuは昇圧動作で負荷4への電力供給を維持でき、直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分電圧である。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVu高い電圧」が第2の直流電圧の制御目標電圧(電圧指令)である。
このように蓄電池2の電圧に基づいて直流母線電圧を切替えることで、リアクトル電流リップルを低減でき、蓄電池2の電流リップル低減の効果が得られる。
When the DC bus voltage becomes equal to or lower than the lower limit voltage at which the AC voltage of the DC /
As the DC bus voltage at this time, the bidirectional DC /
Here, the “voltage higher by ΔVu than the voltage of the
Thus, by switching the DC bus voltage based on the voltage of the
次に、本発明の実施形態2に係る蓄電池2の放電において直流母線電圧を切替えた場合の蓄電池電圧と直流母線電圧の変化を図25に基づいて説明する。
DC/AC変換回路213が交流電圧を十分に維持するために必要な直流母線電圧以下に直流母線電圧が低下すると、双方向DC/DC変換回路211が直流母線電圧を切替える。
図25(a)、(b)は、双方向DC/DC変換回路211が昇圧動作と降圧動作で動作でき、直流母線電圧を切替えた場合を示した図である。図25(c)は、中間動作を経由して降圧動作から昇圧動作に切替えた場合を示す。
Next, changes in the storage battery voltage and the DC bus voltage when the DC bus voltage is switched in the discharge of the
When the DC bus voltage drops below the DC bus voltage necessary for the DC /
FIGS. 25A and 25B are diagrams showing a case where the bidirectional DC /
図25(a)は、蓄電池2の電圧が直流母線電圧より大きくなった場合に、降圧動作から昇圧動作に切替える場合の蓄電池2の放電電力を示した図である。この場合、スイッチングのデューティの上限のため、降圧動作で蓄電池2の放電電力に上限がある。この制限により、負荷4の消費電力と直流母線電圧を切替える電力を蓄電池2が出力することができないため、直流母線電圧の切替えができない。このため、本来切替わる直流母線電圧が一定となる。
FIG. 25A is a diagram showing the discharge power of the
図25(b)は、蓄電池2の電圧が直流母線電圧を切替える電圧より小さくなった場合に、降圧動作から昇圧動作に強制的に切替える場合の例を示す。図25(b)では、降圧動作から昇圧動作に切替わり、直流母線電圧の切替えができる。しかし、蓄電池2の出力電力が過剰に増加する。直流母線電圧を切替える電圧では、本来、蓄電池2の電圧と直流母線電圧が昇圧動作の電圧関係にないため、昇圧動作では蓄電池2の出力電力を制御できない。このため、蓄電池2の放電電力が過剰に増加する。
FIG. 25 (b) shows an example of a case where the step-down operation is forcibly switched to the step-up operation when the voltage of the
図25(c)は、放電において双方向DC/DC変換回路211が昇圧動作、中間動作、降圧動作で動作でき、直流母線電圧を切替えた場合の蓄電池2の出力電力を示した図である。直流母線電圧を切替える前の状態では、双方向DC/DC変換回路211が降圧動作で蓄電池2の出力電力を所定の電力に維持している。直流母線電圧を切替えて、降圧動作のスイッチング素子のデューティが上限になると中間動作に切替わり、蓄電池2の放電電力は過剰に増加させることなく、ある範囲に維持している。直流母線電圧の切替えが終わると、双方向DC/DC変換回路211が昇圧動作で蓄電池2の放電電力を所定に値に維持している。
この例のように、双方向DC/DC変換回路211の昇圧動作、中間動作、降圧動作を用いて直流母線電圧を切替えた場合、蓄電池2の出力電力を過剰に増加させることなく、直流母線電圧を切替えることができる。
FIG. 25 (c) is a diagram illustrating the output power of the
As in this example, when the DC bus voltage is switched using the step-up operation, intermediate operation, and step-down operation of the bidirectional DC /
蓄電池2が電気自動車内のバッテリであり、負荷4がハウス内の電気機器であり、電力変換装置201をスマートハウスに備える構成として、本実施の形態2の発明を適用することができる。
As the configuration in which the
本実施の形態2では、各種制御(蓄電池2の放電や双方向DC/DC変換回路211の昇圧動作、中間動作、降圧動作の制御)をH/Wで実施するものとして説明したが、これに限るものではなく、全ての回路あるいは一部の回路については中央集積回路(CPU)によるS/W処理で実現してもよい。
また、蓄電池管理ユニット5を蓄電池2に内蔵する構成としたが、例えば電力変換装置201で蓄電池2の情報を管理するように構成することができる。
In the second embodiment, it has been described that various controls (control of the discharge of the
Further, although the storage
以上説明したように、実施の形態2の電力変換装置201は、双方向DC/DC変換回路と、DC/AC変換回路と、DC/DC制御回路と、DC/AC制御回路とを備え、蓄電池の充放電情報と第1の直流電圧に基づき双方向DC/DC変換回路が第2の直流電圧を制御するとともに、第2の直流電圧から生成した電圧指令に基づき双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、および中間放電動作、のいずれかのモードに切替えて蓄電池から電力を放電するものである。このため、実施の形態2の電力変換装置は、蓄電池の放電において昇圧動作と降圧動作を双方に切替える場合でも、中間動作を用いることで所定の電力を維持しながら連続的に昇圧動作と降圧動作を切替えることができ、かつ電流リップルが小さくできる。さらに、電流リップルを低減することで省エネルギーの効果がある。
As described above, the
実施の形態3.
実施の形態3の電力変換装置は、蓄電池の出力である第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する双方向DC/DC変換回路と、第2の直流電圧を交流電圧に変換し負荷に供給するとともに連携した分散電源の交流電圧を直流電圧に変換できるDC/AC変換回路と、双方向DC/DC変換回路を制御するDC/DC制御回路と、DC/AC変換回路を制御するDC/AC制御回路とを備え、蓄電池の充放電情報と第1の直流電圧に基づき双方向DC/DC変換回路が第2の直流電圧を制御するとともに、第2の直流電圧から生成した電圧指令に基づき双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、中間放電動作、昇圧充電動作、降圧充電動作、および中間充電動作のいずれかのモードに切替えて蓄電池から電力を放電し、あるいは蓄電池へ電力を充電するものである。
The power converter of
以下、実施の形態3の電力変換装置301の構成、動作について、電力変換装置を含むシステム構成図である図26、DC/DC制御回路のブロック図である図27、充電モード制御回路のブロック図である図28、および充電時のスイッチング信号の生成フローチャートである図29に基づいて実施の形態1、2との差異を中心に説明する。また、実施の形態1で説明した双方向DC/DC変換回路の動作説明図である図5および直流母線電圧制御の説明図である図19を適宜参照する。
なお、図26において、図1、図21と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
Hereinafter, regarding the configuration and operation of the
In FIG. 26, the same or corresponding parts as those in FIGS. 1 and 21 are denoted by the same reference numerals.
図26は、本発明の実施の形態3の電力変換装置301を含む全体システムの構成を示す。システム全体は、基本的に実施の形態1、2と同じであり、電力変換装置301と蓄電池2、分散電源6と負荷4から構成される。
FIG. 26 shows a configuration of the entire system including the
実施の形態1は、電力系統3が健全で電力変換装置1が電力系統3と連携している場合(通常運転)であり、実施の形態2は電力系統3に例えば故障が発生し、電力系統3からは電力が供給されない場合(自立運転)場合を想定していた。
実施の形態3は、電力系統3とは連携していないが、太陽光発電や風力発電等の分散電源と連携している場合を想定している。
The first embodiment is a case where the
Although
分散電源と連携している場合は、分散電源から電力が供給されるため、分散電源が供給する電力が負荷4への供給および蓄電池2の充電に使用される。しかし、分散電源は時間的変動が激しい(例えば、太陽光発電は夜間発電できない)ため、実施の形態1で説明した通常運転を行うことは問題がある。電力変換装置301は、基本的に自立運転での動作となるが、分散電源6からの電力供給があるため、実施の形態2のように蓄電池2は放電動作のみではなく、充電動作も行われる。
自立運転での蓄電池2の放電は実施の形態2で説明しているため、実施の形態3では、蓄電池2の充電を中心に説明する。
なお、分散電源6が本発明の外部電源である。
When cooperating with the distributed power source, power is supplied from the distributed power source, so that the power supplied by the distributed power source is used to supply the
Since the discharge of the
The distributed
次に、電力変換装置301の全体構成を図26に基づいて説明する。
電力変換装置301は、主要回路として、双方向DC/DC変換回路311、DC/DC制御回路312、DC/AC変換回路313、DC/AC制御回路314を備える。
双方向DC/DC変換回路311およびDC/DC制御回路312を制御するために必要な各部の電圧、電流を計測する電圧計15、17、19および電流計16、18、20を備える。
Next, the whole structure of the
The
電力変換装置301の各主要回路と電圧計、電流計の機能、動作は、基本的に実施の形態1、2と同じであるため説明を省略する。
主要回路については、実施の形態1、2と区別するために、図26においてそれぞれ双方向DC/DC変換回路311、DC/DC制御回路312、DC/AC変換回路313、およびDC/AC制御回路314としている。
The functions and operations of the main circuits, the voltmeter, and the ammeter of the
In order to distinguish the main circuit from the first and second embodiments, the bidirectional DC /
実施の形態3では分散電源6と連携しており、蓄電池2は充電と放電の両方の運転が行われる。自立運転ではあるが、分散電源6の発電状況によって、実施の形態2とは異なり、蓄電池2は充電での運転がある点が異なる。すなわち、分散電源6の発電電力が負荷4の消費電力より大きくなれば、余剰電力を蓄電池2に充電する。また、分散電源6の発電電力が負荷4の消費電力より小さくなれば、不足電力を蓄電池2から放電して、負荷4に供給する。
分散電源6の発電電力が負荷4に対して余剰しているのか不足しているのかは、負荷4と分散電源6とDC/AC変換回路313が接続する部分の電圧(電圧計19で計測される電圧)で判断することができる。一般的に、複数の電源が連携する場合において、その内一つの電源の放電電力を増加させるには、放電電力を増加させる電源の出力電圧を大きくする必要がある。また、その内一つの電源の充電電力を増加させるには、充電電力を増加させる電源の出力電圧を小さくする必要がある。
実施の形態3においては、分散電源6の発電電力が負荷4の消費電力より大きい場合は、電圧計19で計測される電圧が上昇する。また、分散電源6の発電電力が負荷4の消費電力より小さい場合は、電圧計19で計測される電圧が低下する。
そのため、DC/AC変換回路313は電圧計19で計測される電圧を規格される電圧に維持するように制御する。分散電源6の出力電力が増加して電圧計19で計測される電圧が増加すると、DC/AC変換回路313は電圧計19で計測される電圧を規格される電圧に維持するために充電動作を行う。分散電源6の出力電力が低下して電圧計19で計測される電圧が低下すると、DC/AC変換回路313は電圧計19で計測される電圧を規格される電圧に維持するために放電動作を行う。
この動作は負荷4の変動においても同様である。このように、DC/AC変換回路313は、電圧計19で計測される電圧を規格される電圧に維持するように制御することで、分散電源6の発電電力および負荷4の消費電力が最適となるように動作できる。
In
Whether the generated power of the distributed
In the third embodiment, when the generated power of the distributed
Therefore, the DC /
This operation is the same when the
次に、双方向DC/DC変換回路311の動作原理について説明する。
双方向DC/DC変換回路311は、直流母線電圧を所定の電圧に制御する。実施の形態2と同様、蓄電池2の電圧に基づいた直流母線電圧から生成した所定の電圧を電圧指令とする。電圧指令は、蓄電池2の電圧、または蓄電池2の充電電力および放電電力を電力変換装置301が効率よく利用できる電圧により決定される。実施の形態2と同様に、蓄電池2の電圧に基づいて電圧指令を決定する。
Next, the operation principle of the bidirectional DC /
The bidirectional DC /
実施の形態3においても、実施の形態2と同様に、降圧動作、昇圧動作、および中間動作で双方向DC/DC変換回路311の制御を行う。中間動作は、降圧動作のスイッチング動作と昇圧動作のスイッチング動作を組み合わせたもので、降圧動作のスイッチング素子31または33のデューティが上限となった状態で、昇圧動作のスイッチング素子32または34のデューティを増加させる動作である。
双方向DC/DC変換回路311のスイッチング素子のスイッチングを行うことで、蓄電池2の充電あるいは放電によって、蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さくなり、デューティ信号が上限に達しても対応できる。すなわち、昇圧動作のスイッチング素子32または34のデューティを増加させることで、リアクトル電流の減少を防ぐことができる。
In the third embodiment, as in the second embodiment, the bidirectional DC /
By switching the switching element of the bidirectional DC /
次に、図5(a)を参照して蓄電池2の充電動作について説明する。双方向DC/DC変換回路311は、蓄電池2の電圧が直流母線電圧よりも高い場合、昇圧動作で充電を行う(図5(a)中に昇圧と記載)。蓄電池2の電圧が直流母線電圧より低く、所定の充電電力を維持できない場合(蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分が小さい場合)、中間動作で充電を行う(図5(a)中に中間と記載)。蓄電池2の電圧が直流母線電圧より低く、充電電力を維持できる場合、降圧動作で充電を行う(図5(a)中に降圧と記載)。
したがって、双方向DC/DC変換回路211に中間動作を用いることで、蓄電池2の電圧と直流母線電圧がどのような組み合わせであっても、蓄電池2を充電する電力を維持することができる。
Next, the charging operation of the
Therefore, by using the intermediate operation for the bidirectional DC /
次に、DC/DC制御回路312の回路構成例を説明する。
図27は、本発明の実施形態3に係るDC/DC制御回路312の構成例のブロック図である。DC/DC制御回路312は、蓄電池制御回路340、充電モード制御回路341、放電モード制御回路342、および切替回路343から構成される。
蓄電池制御回路340は、蓄電池管理ユニット5との通信を行い、電圧計15、電流計16、電圧計17、電流計18からの電圧、電流信号の受信を行う。蓄電池制御回路340はさらに、充電モード制御回路341、放電モード制御回路342、および切替回路343との通信を行う。
充電モード制御回路341は、蓄電池制御回路340からの蓄電池2の電流指令と、蓄電池2の電圧に基づいた電圧指令(Vdc*)と直流母線電圧を計測する電圧計18の出力(Vdc)と蓄電池2の電流を計測する電流計16の出力(Ibat)とに基づき、双方向DC/DC変換回路311の昇圧動作、中間動作、降圧動作の選択と、スイッチングを行うスイッチング素子のデューティを算出する。
なお、放電モード制御回路342は、実施の形態2の放電モード制御回路242と機能、動作は同じである。
Next, a circuit configuration example of the DC /
FIG. 27 is a block diagram of a configuration example of the DC /
The storage
The charge
The discharge
次に、充電モードにおけるスイッチング信号S11〜S14の生成を、充電モード制御回路341のブロック図である図28とスイッチング信号の生成フローチャートである図29に基づいて説明する。
Next, generation of the switching signals S11 to S14 in the charging mode will be described with reference to FIG. 28 which is a block diagram of the charging
まず、充電モード制御回路341の構成例を図28に基づいて説明する。
充電モード制御回路341は、減算器350、353、PI制御器351、354、リミッタ352、動作選択回路355、デューティ信号生成回路356、キャリア波発生器357〜360、コンパレータ361〜364、遅延器365〜368、およびAND回路369〜372から構成される。
実施の形態1の充電モード制御回路41と比較して、構成上の差異は減算器350、PI制御器351、リミッタ352とが追加されていることである。この構成上の差異と入力信号の差異ついて説明する。
減算器350は、蓄電池制御回路340の出力(直流母線電圧指令Vdc*)と電圧計17の出力(直流母線電圧Vdc)との差異を演算する。PI制御器351は減算器350の出力から蓄電池2の電流指令を生成する。リミッタ352は蓄電池2の過電流を防止するために電流指令を制限する。減算器353は、リミッタ352の出力と電流計16の出力(蓄電池の電流Ibat)との差異を演算する。PI制御器354は減算器353の出力からデューティDONを生成する。
PI制御器354でデューティDONを生成した以降の機能、動作は、実施の形態1の充電モード制御回路41と同じであるため、説明は省略する。
First, a configuration example of the charging
The charging
Compared to the charging
The subtractor 350 calculates the difference between the output of the storage battery control circuit 340 (DC bus voltage command Vdc *) and the output of the voltmeter 17 (DC bus voltage Vdc). The PI controller 351 generates a current command for the
Since the function and operation after the
自立運転での充電時の動作フローを説明する。
自立運転では、双方向DC/DC変換回路311が直流母線電圧の変化に応じて蓄電池2を充電する。蓄電池充電モードが開始されると、ステップ201(ST201)で蓄電池制御回路340が蓄電池管理ユニット5と通信を行い、蓄電池2が充電可能かどうかを確認する。蓄電池制御回路340は、通信の結果、蓄電池2が充電可能であれば、充電モード制御回路341に蓄電池2の充電を開始/継続指示を出力する。
蓄電池2が充電不可の場合(蓄電池2が満充電、蓄電池2のセル温度が所定の範囲外、蓄電池2が故障等)は、蓄電池制御回路340からHEMSに蓄電池2が充電不可であること、およびその理由を通知し、蓄電池2の充電を終了する。
An operation flow at the time of charging in the independent operation will be described.
In the self-sustained operation, the bidirectional DC /
When the
蓄電池2が充電可能な場合は、ステップ202(ST202)で蓄電池制御回路340から通知される電圧指令と電圧計17の出力(直流母線電圧)を取得し、ステップ203(ST203)で減算器350によって減算する。減算器350の出力は、PI制御器351で処理され、デューティDONを生成する。
ここで、電圧指令は、蓄電池2の電圧に基づいて決定される(説明は後述する)。
If the
Here, the voltage command is determined based on the voltage of the storage battery 2 (the description will be described later).
PI制御器351の出力は、蓄電池2の電流指令としてリミッタ352に入力される。リミッタ352では、蓄電池2の過電流を防止するため、蓄電池2の充電可能な最大電流で蓄電池の電流指令(PI制御器351の出力)が制限される(ステップ205)。
減算器353はリミッタ352から出力される蓄電池2の電流指令から電流計16の出力(蓄電池2の電流)を減算する(ステップ208)。減算器353の出力は、PI制御器354で処理され、デューティDONを生成する。
PI制御器354の出力は、動作選択回路355とデューティ信号生成回路356に入力される。
The output of the PI controller 351 is input to the
The subtractor 353 subtracts the output of the ammeter 16 (current of the storage battery 2) from the current command of the
The output of the
動作選択回路355では、デューティDONとスイッチング素子のデューティの上限Dmとを比較する(ステップ209)。デューティDONがDm以下の場合、動作選択回路355が降圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路356に出力する。
デューティ信号生成回路356は、PI制御器354からのデューティDONと動作選択回路355の信号から、双方向DC/DC変換回路311の降圧動作のデューティ信号を生成する。
The
The duty
デューティ信号生成回路356で生成したデューティ信号は、キャリア波357〜360とコンパレータ361〜364で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器365〜368、AND回路369〜372によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S11〜S14を生成する(ステップ211)。
具体的には、S11、S12、S14が常時OFF、S13がデューティDONでスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S11〜S14は、切替回路343に出力される(ステップ214)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal for switching with S11, S12, and S14 being always OFF and S13 being a duty DON is generated. The generated switching signals S11 to S14 are output to the switching circuit 343 (step 214).
動作選択回路355で、デューティDONとDmを比較した(ステップ209)結果、デューティDONがDmより大きい場合は、デューティDONと1を比較する(ステップ210)。デューティDONが1より小さい場合、動作選択回路355が中間動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路356に出力する。
デューティ信号生成回路356は、PI制御器354からのデューティDONと動作選択回路355の信号から、双方向DC/DC変換回路311の中間動作のデューティ信号を生成する。
When the
The duty
デューティ信号生成回路356で生成したデューティ信号は、キャリア波357〜360とコンパレータ361〜364で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器365〜368、AND回路369〜372によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S11〜S14を生成する(ステップ212)。
具体的には、S11、S14が常時OFF、S12が(DON−Dm)でスイッチング、S13がDmでスイッチングするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S11〜S14は、切替回路343に出力される(ステップ214)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal is generated in which S11 and S14 are always OFF, S12 is switched by (DON-Dm), and S13 is switched by Dm. The generated switching signals S11 to S14 are output to the switching circuit 343 (step 214).
動作選択回路355で、デューティDONと1を比較し(ステップ210)、デューティDONが1より大きい場合、動作選択回路355が昇圧動作を選択し、選択した動作をデューティ信号生成回路356に通知する。デューティ信号生成回路356は、PI制御器354からのデューティDONと動作選択回路355の信号から、双方向DC/DC変換回路311の昇圧動作のデューティ信号を生成する。
The
デューティ信号生成回路356で生成したデューティ信号は、キャリア波357〜360とコンパレータ361〜364で比較され、デッドタイムを含まないスイッチング信号に変換される。その後、遅延器365〜368、AND回路369〜372によって、デッドタイムを挿入し、スイッチング信号S11〜S14を生成する(ステップ214)。
具体的には、S11、S14が常時OFF、S12が(DON−1)でスイッチング、S13が常時ONするスイッチング信号を生成する。生成されたスイッチング信号S11〜S14は、切替回路343に出力される(ステップ214)。
The duty signal generated by the duty
Specifically, a switching signal is generated in which S11 and S14 are always OFF, S12 is switched when (DON-1), and S13 is always ON. The generated switching signals S11 to S14 are output to the switching circuit 343 (step 214).
スイッチング信号S11〜S14を双方向DC/DC変換回路311に出力後、蓄電池制御回路340が電圧計15、17、電流計16、18の出力が正常(電圧、電流が所定の範囲内)かを判断する(ステップ215)。正常でない場合は、蓄電池制御回路340がHEMSに充電モード停止、およびその理由を通知し、蓄電池充電モードを終了する(ステップ216)。正常な場合は、蓄電池制御回路340はHEMSから充電モードの停止指令が通知されたか確認する(ステップ216)。HEMSから充電モードの停止指令が通知された場合、蓄電池充電モードを終了し、HEMSに充電モードを停止したことを通知する(ステップ217)。充電停止指令が通知されていなかった場合はステップ201(ST201)の処理に戻る。
After the switching signals S11 to S14 are output to the bidirectional DC /
次に、実施の形態3における自立運転における充電モードでの電圧指令の生成について図19を参照して説明する。
本発明の実施の形態2と同様に、自立運転では蓄電池2の電圧に基づいて直流母線電圧を切替える方法を用いる。
具体的には、実施の形態1の図19(a)に示した直流母線電圧と同様となる電圧指令を蓄電池2の電圧に基づいて生成する。
実施の形態3における蓄電池2の充電は、蓄電池2の電圧が低い範囲では、双方向DC/DC変換回路311を降圧動作で制御する。この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVd高い電圧に双方向DC/DC変換回路211が直流母線電圧を制御する。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVd高い電圧」が、第2の直流電圧の制御目標電圧(電圧指令)である。
ΔVdは降圧動作で蓄電池2への充電を維持でき、デッドタイムと直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の電圧差分である。
Next, generation of a voltage command in the charging mode in the self-sustaining operation in
Similar to the second embodiment of the present invention, the self-sustained operation uses a method of switching the DC bus voltage based on the voltage of the
Specifically, a voltage command similar to the DC bus voltage shown in FIG. 19A of the first embodiment is generated based on the voltage of the
In the charging of the
Here, the “voltage higher by ΔVd than the voltage of the
ΔVd is a voltage difference between the voltage of the
蓄電池2の充電により、直流母線電圧がDC/AC変換回路213の交流電圧を維持できる下限電圧以下とならない電圧になると、直流母線電圧を切替えて双方向DC/DC変換回路311を昇圧動作で制御する。
この時の直流母線電圧としては、蓄電池2の電圧よりもΔVu低い電圧に双方向DC/DC変換回路311が直流母線電圧を制御する。ΔVuは昇圧動作で負荷4への電力供給を維持でき、直流母線電圧の電圧振動を考慮した蓄電池2の電圧と直流母線電圧の差分電圧である。
なお、ここで「蓄電池2の電圧よりもΔVu低い電圧」が、第2の直流電圧の制御目標電圧(電圧指令)である。
このように蓄電池2の電圧に応じて直流母線電圧を切替えることで、リアクトル電流リップルを低減でき、蓄電池2の電流リップル低減の効果が得られる。
When the
As the DC bus voltage at this time, the bidirectional DC /
Here, the “voltage lower than the voltage of the
By switching the DC bus voltage according to the voltage of the
蓄電池2が電気自動車内のバッテリであり、負荷4がスマートハウス内の電気機器であり、電力変換装置301をスマートハウスに備える構成として、本実施の形態3の発明を適用することができる。
The invention of the third embodiment can be applied as a configuration in which the
本実施の形態3では、各種制御(蓄電池2の放電や双方向DC/DC変換回路311の昇圧動作、中間動作、降圧動作の制御)をH/Wで実施するものとして説明したが、これに限るものではなく、全ての回路あるいは一部の回路を中央集積回路(CPU)によるS/W処理で実現してもよい。
また、蓄電池管理ユニット5を蓄電池2に内蔵する構成としたが、例えば電力変換装置301で蓄電池2の情報を管理するように構成することができる。
In the third embodiment, it has been described that various controls (control of the discharge of the
Further, although the storage
以上説明したように、実施の形態3の電力変換装置301は、蓄電池の出力である第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する双方向DC/DC変換回路と、第2の直流電圧を交流電圧に変換し負荷に供給するとともに連携した分散電源の交流電圧を直流電圧に変換できるDC/AC変換回路と、DC/DC制御回路と、DC/AC制御回路とを備え、蓄電池の充放電情報と第1の直流電圧に基づき双方向DC/DC変換回路が第2の直流電圧を制御するとともに、第2の直流電圧から生成した電圧指令に基づき双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、中間放電動作、昇圧充電動作、降圧充電動作、および中間充電動作のいずれかのモードに切替えて蓄電池から電力を放電し、あるいは蓄電池へ電力を充電するものである。このため、実施の形態3の電力変換装置は、蓄電池の充放電において昇圧動作と降圧動作を双方に切替える場合でも、中間動作を用いることで所定の電力を維持しながら連続的に昇圧動作と降圧動作を切替えることができ、かつ電流リップルが小さくできる。さらに、電流リップルを低減することで省エネルギーの効果がある。
As described above, the
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。 Note that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and the embodiments can be modified or omitted as appropriate.
1,201,301 電力変換装置、2 蓄電池、3 電力系統、4 負荷、
5 蓄電池管理ユニット、6 分散電源、
11,211,311 双方向DC/DC変換回路、
12,212,312 DC/DC制御回路、15,17,19 電圧計、
16,18,20 電流計、13,213,313 DC/AC変換回路、
14,214,314 DC/AC制御回路、21 直流母線バス、
31,32,33,34 スイッチング素子、35 リアクトル、
36,37 コンデンサ、40,240,340 蓄電池制御回路、
41,341 充電モード制御回路、42,242,342 放電モード制御回路、
43,343 切替回路、50,70,250,253,350,353 減算器、
51,71,251,254,351,354 PI制御器、
52,72,255,355 動作選択回路、
53,73,256,356 デューティ信号生成回路、
54,55,56,57,74,75,76,77,257,258,259,260,357,358,359,360 キャリア波、
58,59,60,61,78,79,80,81,261,262,263,264,361,362,363,364 コンパレータ、
62,63,64,65,82,83,84,85,265,266,267,268,365,366,367,368 遅延器、
66,67,68,69,86,87,88,89,269,270,271,272,369,370,371,372 AND回路、
252,352 リミッタ。
1,201,301 power converter, 2 storage battery, 3 power system, 4 load,
5 Storage battery management unit, 6 Distributed power supply,
11, 211, 311 bidirectional DC / DC conversion circuit,
12, 212, 312 DC / DC control circuit, 15, 17, 19 Voltmeter,
16, 18, 20 Ammeter, 13, 213, 313 DC / AC conversion circuit,
14, 214, 314 DC / AC control circuit, 21 DC bus bus,
31, 32, 33, 34 switching element, 35 reactor,
36,37 capacitor, 40,240,340 storage battery control circuit,
41,341 charge mode control circuit, 42,242,342 discharge mode control circuit,
43,343 switching circuit, 50,70,250,253,350,353 subtractor,
51, 71, 251, 254, 351, 354 PI controller,
52, 72, 255, 355 operation selection circuit,
53, 73, 256, 356 duty signal generation circuit,
54, 55, 56, 57, 74, 75, 76, 77, 257, 258, 259, 260, 357, 358, 359, 360 carrier wave,
58, 59, 60, 61, 78, 79, 80, 81, 261, 262, 263, 264, 361, 362, 363, 364 comparator,
62, 63, 64, 65, 82, 83, 84, 85, 265, 266, 267, 268, 365, 366, 367, 368 delay device,
66, 67, 68, 69, 86, 87, 88, 89, 269, 270, 271, 272, 369, 370, 371, 372 AND circuit,
252,352 Limiter.
Claims (4)
前記第2の直流電圧を交流電圧に変換し負荷に供給するとともに外部電源の交流電圧を直流電圧に変換できるDC/AC変換回路と、
前記双方向DC/DC変換回路を制御するDC/DC制御回路と、
前記DC/AC変換回路を制御するDC/AC制御回路とを備え、
前記蓄電手段の充放電情報と前記第1の直流電圧に基づき前記第2の直流電圧を制御するとともに、前記双方向DC/DC変換回路を昇圧放電動作、降圧放電動作、中間放電動作、昇圧充電動作、降圧充電動作、および中間充電動作のいずれかの動作モードに切替えて前記蓄電手段から電力を放電し、あるいは前記蓄電手段へ電力を充電する電力変換装置。 A bidirectional DC / DC conversion circuit for converting the first DC voltage, which is the output of the power storage means, into a second DC voltage;
A DC / AC conversion circuit capable of converting the second DC voltage into an AC voltage and supplying the load to the load and converting the AC voltage of the external power source into a DC voltage;
A DC / DC control circuit for controlling the bidirectional DC / DC conversion circuit;
A DC / AC control circuit for controlling the DC / AC conversion circuit,
The second DC voltage is controlled based on the charge / discharge information of the power storage means and the first DC voltage, and the bidirectional DC / DC conversion circuit is configured to perform a boost discharge operation, a step-down discharge operation, an intermediate discharge operation, and a boost charge. A power conversion device that switches to an operation mode of any one of an operation, a step-down charging operation, and an intermediate charging operation to discharge power from the power storage means or charge power to the power storage means.
受信した電力指令に基づき前記双方向DC/DC変換回路のスイッチング素子のデューティを算出し、前記算出したデューティに基づき前記双方向DC/DC変換回路の前記動作モードを切替える請求項1に記載の電力変換装置。 At the time of cooperation with the power system as the external power source, the DC / AC conversion circuit controls the second DC voltage based on the charge / discharge information of the power storage means and the first DC voltage,
The power according to claim 1, wherein a duty of a switching element of the bidirectional DC / DC conversion circuit is calculated based on the received power command, and the operation mode of the bidirectional DC / DC conversion circuit is switched based on the calculated duty. Conversion device.
前記第2の直流電圧から生成した電圧指令に基づき前記双方向DC/DC変換回路のスイッチング素子のデューティを算出し、前記算出したデューティから前記双方向DC/DC変換回路の動作モードを切替える請求項1に記載の電力変換装置。 During the self-sustained operation without cooperation with the power system as the external power source, the bidirectional DC / DC conversion circuit controls the second DC voltage based on the charge / discharge information of the power storage means and the first DC voltage. With
The duty of the switching element of the bidirectional DC / DC conversion circuit is calculated based on a voltage command generated from the second DC voltage, and the operation mode of the bidirectional DC / DC conversion circuit is switched based on the calculated duty. The power converter according to 1.
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