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公開番号2021058042
公報種別公開特許公報(A)
公開日20210408
出願番号2019181429
出願日20191001
発明の名称コンバータ装置及びその出力制御方法
出願人日鉄テックスエンジ株式会社
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20210312BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】簡単な構成で、並列接続された複数の双方向コンバータの電流バランスをとることが可能なコンバータ装置及びその出力制御方法を提供する。
【解決手段】入力電源11と負荷装置12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13、13aを有し、出力電圧指令に基づいて各双方向コンバータ13、13aのフィードバック制御を行うコンバータ装置10及びその出力制御方法であり、双方向コンバータ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。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項1】
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。
続きを表示(約 670 文字)【請求項2】
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3】
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。
【請求項4】
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5】
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6】
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。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、並列接続された複数の双方向コンバータ(DC/DCコンバータ又はAC/DCコンバータ)を有するコンバータ装置及びその出力制御方法に関する。
続きを表示(約 7,500 文字)【背景技術】
【0002】
例えば、負荷装置の最大電力に対応するため、複数のコンバータ(DC/DCコンバータ)を並列に接続する場合がある。この場合、負荷装置に供給される電流(電力)を複数のコンバータ間で平均的に分担することが、電力供給を効率良く行う上で重要である。
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)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
特開平8−289468号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしながら、コンバータを構成する電気部品の特性は個々にバラツキを有しているため、各コンバータの出力電圧のドループ特性を同一にするのは難しかった。このため、各コンバータから負荷装置への出力電流(出力電力)がバラツキ、電力供給を効率良く行うことができなかった。また、双方向型のコンバータを並列接続した場合、無負荷時にも関わらず、相互に電流の流れ出しや流れ込みが発生し、待機電力が多くなっていた。
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。
【0005】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたもので、簡単な構成で、並列接続された複数の双方向コンバータの電流バランスをとることが可能なコンバータ装置及びその出力制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
前記目的に沿う本発明に係るコンバータ装置は、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。
【0007】
ここで、本発明に係る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ができる。
【0008】
また、本発明に係る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コンバータであるのがよい。
【0009】
前記目的に沿う本発明に係るコンバータ装置の出力制御方法は、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。
【0010】
本発明に係る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ができる。
【0011】
本発明に係る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コンバータであるのがよい。
【発明の効果】
【0012】
本発明に係るコンバータ装置及びその出力制御方法は、並列接続された複数の双方向コンバータをドループ制御するに際し、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ので、例えば、新たな外部機器やシーケンス等を用いることなく、簡単な構成で、並列接続された複数の双方向コンバータの電流バランスをとること(それぞれの出力電流(出力電力)を揃えること)が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0013】
(A)〜(D)は本発明の一実施の形態に係るコンバータ装置の出力制御方法の説明図である。
同コンバータ装置の出力制御回路の説明図である。
同コンバータ装置を構成するDC/DCコンバータの説明図である。
同コンバータ装置を構成する制御回路のプログラム処理の説明図である。
同コンバータ装置の出力制御方法のフロー図である。
出力電圧と検出したフィードバック電圧VFBとの関係を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0014】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
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。
【0015】
図2に示すように、AC/DCコンバータ14とDC/DCコンバータ15はそれぞれ直列に接続され、この直列に接続されたAC/DCコンバータ14とDC/DCコンバータ15が並列に接続されている。なお、複数の負荷装置12はそれぞれ、充放電用の電池16の他、独立したDC/DCコンバータ17を有している。
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。
【0016】
図3は、コンバータ15(コンバータ13、13a)にドループ特性を与えるドループ制御機能を有する制御手段(コンバータ)20の説明図である。
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。
【0017】
これによって、コンバータ15の出力に、PWM制御によって図1(A)に示すドループ特性を与えている。このとき、制御回路25は並列に接続される複数のコンバータ13、13aに対して、他のコンバータ13、13aの特性を考慮しながら略同時に設定を行うようにしている。
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。
【0018】
続いて、図5及び必要に応じて図1(A)〜(D)を参照しながら、コンバータ装置10の動作(出力制御方法)、作用について説明する。
(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。
【0019】
(2)ステップ2(ST2)
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)。
【0020】
(3)ステップ3(ST3)
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。
【0021】
(4)ステップ4(ST4)
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。
【0022】
この図1(A)に示す各コンバータ13、13aの出力電圧Voutは、以下のように算出できる。
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=V

+b1 ・・・(3)
VFB2=V

+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。
【0023】
フィードバック制御では、電圧指令値とフィードバック電圧VFBが等しくなるように動作するので、各コンバータ13、13aでは、式(1)と式(5)から式(7)が、式(2)と式(6)から式(8)が、それぞれ成り立つ。
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。
【0024】
前記したように、各コンバータ13、13aを並列接続すると、無負荷にも関わらず、検出される出力電圧のバラツキb1、b2のバラツキにより電流が流れる場合がある。この場合、各コンバータ13、13aで電流の検出を行っているため、動作点を検出することが可能であるので、これを利用して、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ための補正値offsetを取得する。前記したように、ドループ率Kは抵抗値そのものとなるため、抵抗値の電位差が0Vとなるように出力電圧Voutを補正すれば、流れる電流値は0Aとなる。この抵抗にかかる電位差はK×iとなるため、これを補正値offsetとする。
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。
【0025】
(5)ステップ5(ST5)
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)。
【0026】
(6)ステップ6(ST6)
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。
【0027】
なお、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バラツキb1、b2が「0」の場合(無負荷時に電流が流れない場合)は、上記した制御(補正)を行う必要はない。
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。
【0028】
以上、本発明を、実施の形態を参照して説明してきたが、本発明は何ら上記した実施の形態に記載の構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載されている事項の範囲内で考えられるその他の実施の形態や変形例も含むものである。例えば、前記したそれぞれの実施の形態や変形例の一部又は全部を組合せて本発明のコンバータ装置及びその出力制御方法を構成する場合も本発明の権利範囲に含まれる。
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。
【0029】
また、前記実施の形態においては、入力電源と負荷装置との間に並列接続する双方向コンバータの台数を2台とした場合について説明したが、負荷装置の最大電力に応じて3台以上の複数台とすることもできる。なお、台数の上限は特に限定されるものではなく、負荷装置の最大電力に応じて、例えば、数百台(200台)程度でもよいが、現状は50台(更には20台)程度である。
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)
【符号の説明】
【0030】
10:コンバータ装置、11:入力電源、12:負荷装置、13、13a:双方向コンバータ、14:AC/DCコンバータ、15:DC/DCコンバータ、16:電池、17:DC/DCコンバータ、20:制御手段、21、22:スイッチング素子、23:リアクトル、24:コンデンサ、25:制御回路(制御部)

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