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电力变换系统发明专利

更新时间:2024-11-01
电力变换系统发明专利 专利申请类型:发明专利;
源自:日本高价值专利检索信息库;

专利名称:电力变换系统

专利类型:发明专利

专利申请号:CN201980067416.6

专利申请(专利权)人:株式会社TMEIC
权利人地址:日本东京

专利发明(设计)人:深泽一诚

专利摘要:本发明目的是无需使用额定值较大的部件而能够在抑制涌流的同时进行直流电容器的初始充电。电力变换系统具备:电力变换器,与交流电源连接;直流电容器,与上述电力变换器的直流侧连接;第1交流开关,连接在上述电力变换器与上述交流电源之间;涌流抑制体,在上述电力变换器与上述交流电源之间,与上述第1交流开关并联地连接,由充电电阻或充电电抗器构成;第2交流开关,在上述电力变换器与上述交流电源之间,与上述第1交流开关并联且与上述涌流抑制体串联地连接;以及控制装置,将上述第1交流开关断开,将上述第2交流开关闭合,控制上述电力变换器以使得作用于上述直流电容器的电压成为预先设定的电压以上。

主权利要求:
1.一种电力变换系统,其特征在于,
具备:
电力变换器,与交流电源连接;
直流电容器,与上述电力变换器的直流侧连接;
第1交流开关,连接在上述电力变换器与上述交流电源之间;
涌流抑制体,在上述电力变换器与上述交流电源之间,与上述第1交流开关并联地连接,由充电电阻或充电电抗器构成;
第2交流开关,在上述电力变换器与上述交流电源之间,与上述第1交流开关并联且与上述涌流抑制体串联地连接;
交流电容器,在上述电力变换器的输出侧连接在比上述第1交流开关、上述涌流抑制体和上述第2交流开关更靠上述电力变换器侧;以及控制装置,将上述第1交流开关断开,使上述电力变换器成为停止状态,将上述第2交流开关闭合,然后,对上述电力变换器进行升压控制以使得作用于上述直流电容器的电压被充电至预先设定的电压以上,然后,控制上述电力变换器以使得作用于上述交流电容器的电压与上述交流电源的电压一致,然后,在将上述第1交流开关闭合的同时控制上述电力变换器使得输出电流为零,在上述电力变换器的直流侧经由直流开关连接着直流电源;
上述控制装置将上述直流开关断开,控制上述电力变换器以使得作用于上述直流电容器的电压与上述直流电源的电压一致,然后,将上述直流开关闭合,上述升压控制包含设定上述电力变换器的电压指令值的处理,上述电压指令值是对交流电源的电压乘以系数而得到的值,上述系数在上述直流电容器充电时,上述直流电容器的充电电力过大时或上述充电电阻的功耗过大时被调整。
2.如权利要求1所述的电力变换系统,其特征在于,上述电力变换器连接在作为上述直流电源的太阳能发电设备与上述交流电源之间;
上述控制装置在上述第1交流开关闭合的状态下,控制上述电力变换器以对交流侧的无功功率进行补偿。
3.如权利要求1所述的电力变换系统,其特征在于,上述电力变换器连接在作为上述直流电源的蓄电池与上述交流电源之间;
上述控制装置将上述直流开关断开,将上述第1交流开关断开,将上述第2交流开关闭合,控制上述电力变换器以使得作用于上述直流电容器的电压与上述蓄电池的充电电压一致,然后,将上述直流开关闭合。 说明书 : 电力变换系统技术领域[0001] 本发明涉及将交流电力向直流电力变换或将直流电力向交流电力变换、或对交流电源的无功功率进行补偿的电力变换系统。背景技术[0002] 专利文献1公开了电力变换系统。根据该电力变换系统,能够在抑制涌流(inrushcurrent)的同时进行直流电容器的初始充电。[0003] 现有技术文献[0004] 专利文献[0005] 专利文献1:日本特开2016-1956号公报发明内容[0006] 发明要解决的课题[0007] 但是,在专利文献1所记载的电力变换系统中,为了直流电容器的初始充电而需要充电电阻。此时,为了抑制涌流,需要额定值较大的充电电阻。[0008] 本发明是为了解决上述课题而做出的。本发明的目的是提供一种无需使用额定值较大的部件而能够在抑制涌流的同时进行直流电容器的初始充电的电力变换系统。[0009] 用来解决课题的手段[0010] 有关本发明的电力变换系统具备:电力变换器,与交流电源连接;直流电容器,与上述电力变换器的直流侧连接;第1交流开关,连接在上述电力变换器与上述交流电源之间;涌流抑制体,在上述电力变换器与上述交流电源之间,与上述第1交流开关并联地连接,由充电电阻或充电电抗器构成;第2交流开关,在上述电力变换器与上述交流电源之间,与上述第1交流开关并联且与上述涌流抑制体串联地连接;以及控制装置,将上述第1交流开关断开,将上述第2交流开关闭合,控制上述电力变换器以使得作用于上述直流电容器的电压成为预先设定的电压以上。[0011] 发明效果[0012] 根据本发明,因此无需使用额定值较大的部件而能够在抑制涌流的同时进行直流电容器的初始充电。附图说明[0013] 图1是应用实施方式1的电力变换系统的系统的结构图。[0014] 图2是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的充电开始模式的图。[0015] 图3是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的升压充电模式的图。[0016] 图4是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的交流电压同步模式的图。[0017] 图5是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的待机模式的图。[0018] 图6是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的SVC运转模式的图。[0019] 图7是用来说明实施方式1的电力变换系统的直流电容器的充电电力的图。[0020] 图8是用来说明实施方式1的电力变换系统的升压充电模式中的控制的图。[0021] 图9是用来说明实施方式1的电力变换系统的交流电压同步模式中的控制的图。[0022] 图10是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的动作的概要的流程图。[0023] 图11是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的硬件结构图。具体实施方式[0024] 按照附图对该具体实施方式进行说明。另外,在各图中,对于相同或对应的部分赋予相同的标号。该部分的重复说明适当地简略化或省略。[0025] 实施方式1.[0026] 图1是应用实施方式1的电力变换系统的系统的结构图。[0027] 在图1的上段,直流电源1是太阳能发电设备。交流电源2为三相,应用于电力公司等。变压器3连接在直流电源1与交流电源2之间。[0028] 电力变换系统具备电力变换器4、直流电容器5、直流开关6、交流电抗器7、第1交流开关8、充电电阻9、第2交流开关10、交流电容器11和控制装置12。[0029] 电力变换器4连接在直流电源1与变压器3之间。直流电容器5连接在直流电源1与电力变换器4之间。直流开关6连接在直流电源1与电力变换器4之间。[0030] 交流电抗器7连接在电力变换器4与变压器3之间。第1交流开关8连接在交流电抗器7与变压器3之间。充电电阻9在交流电抗器7与变压器3之间与第1交流开关8并联地连接。第2交流开关10在交流电抗器7与变压器3之间与第1交流开关8并联且与充电电阻9串联地连接。交流电容器11在电力变换器4的输出侧连接在比第1交流开关8、充电电阻9和第2交流开关10更靠交流电抗器7侧。[0031] 第1交流开关8、充电电阻9、第2交流开关10是图1的下段的(a)、(b)、(c)的哪个形态都可以。[0032] 控制装置12设置为,能够对电力变换器4、直流开关6、第1交流开关8和第2交流开关10进行控制。[0033] 接着,使用图2至图6,说明由控制装置12进行的一系列的控制。[0034] 图2是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的充电开始模式的图。图3是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的升压充电模式的图。图4是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的交流电压同步模式的图。图5是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的待机模式的图。图6是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的SVC运转模式的图。[0035] SVC(StaticVarCompensator:静止无功补偿器)运转模式,是进行无功功率补偿的运转模式。[0036] 如图2所示,在交流电压同步模式下,控制装置12设为直流开关6断开、第1交流开关8断开、电力变换器4停止的状态,将第2交流开关10闭合。此时,直流电容器5的静电电容Cdc经由充电电阻9被充电。在变压器3及交流电源2的阻抗能够忽视的情况下,直流电压Vi达到大约由以下的式(1)表示的值。[0037] [数式1][0038][0039] 其中,在式(1)中,ω是与交流电源2的频率对应的角速度。Rprc是充电电阻9的电阻值。Cpi是交流电容器11的静电电容。Vs是交流电源2的额定电压。[0040] 然后,如图3所示,在升压充电模式下,控制装置12对电力变换器4进行控制而升压,进行充电直到直流电压V1成为以下的式(2)的值以上的预先设定的值。[0041] [数式2][0042][0043] 然后,如图4所示,在交流电压同步模式下,控制装置12对电力变换器4进行控制而向交流侧供给无功功率,使作用于交流电容器11的电压vcpi与交流电源2的当前时刻的电压vs一致后,控制装置12就将第1交流开关8闭合。[0044] 然后,如图5所示,在待机模式下,控制装置12进行控制以使电力变换器4的输出电流成为零。[0045] 然后,如图6所示,在SVC运转模式下,控制装置12对电力变换器4进行控制,对交流侧的无功功率进行补偿。[0046] 接着,使用图7说明升压充电模式下的直流电容器5的充电电力。[0047] 图7是用来说明实施方式1的电力变换系统的直流电容器的充电电力的图。[0048] 在图7中,瞬时有功功率p2由以下的式(3)表示。[0049] [数式3][0050][0051] 其中,在式(3)中,iR是流到充电电阻9中的电流矢量。[0052] 在被固定于交流电源2的当前时刻的电压矢量vs的dq坐标上,交流电源2的当前时刻的电压vs由以下的式(4)表示。[0053] [数式4][0054][0055] 在被固定于交流电源2的当前时刻的电压矢量vs的dq坐标上,作用于交流电容器11的电压vcpi由以下的式(5)表示。[0056] [数式5][0057][0058] 在被固定于交流电源2的当前时刻的电压矢量vs的dq坐标上,瞬时有功功率p2由以下的式(6)表示。[0059] [数式6][0060][0061] 因而,当交流电源2的当前时刻的电压矢量vs满足以下的式(7)时,瞬时有功功率p2成为以下的式(8)表示的最大值。[0062] [数式7][0063][0064] [数式8][0065][0066] 在三相平衡的情况下,瞬时有功功率p1与瞬时有功功率p2相同。因此,直流电容器5的充电电力可以通过对作用于交流电容器11的电压矢量vcpi进行操作而进行控制。[0067] 此外,充电电阻9的功耗由以下的式(9)给出。[0068] [数式9][0069][0070] 瞬时有功功率p2关于vsd是对称的。当0[0071] 因此,在直流电容器5的充电中,优选的是在vsd/2[0072] 接着,使用图8说明升压充电模式中的控制。[0073] 图8是用来说明实施方式1的电力变换系统的升压充电模式中的控制的图。[0074] 相对于交流电源2的频率f的交流电抗器7的阻抗Lsi在许多情况下,相比交流电容器11的静电电容Cpi和充电电阻9的电阻值Rprc的合成阻抗足够小。因而,如果流到充电电阻9中的电流ii不怎么大,则作用于交流电容器11的电压vcpi与电力变换器4的输出电压vi一致。此时,控制装置12将电力变换器4的电压指令值vi*设定为由以下的式(10)表示的值。[0075] [数式10][0076][0077] 其中,k在0以上且1以下的范围中调整。当k为1时,直流电容器5大致以理论上的最大电力被充电。当k为0时,直流电容器5不被充电。[0078] 在通常的充电时,直流电容器5将k设为1,进行直流电容器5的充电。在充电电力过大的情况或充电电阻9的功耗过大的情况下,适当调整k,进行直流电容器5的充电。[0079] 接着,使用图9说明交流电压同步模式中的控制。[0080] 图9是用来说明实施方式1的电力变换系统的交流电压同步模式中的控制的图。[0081] 在式(10)中k为0时,以下的式(11)成立。[0082] [数式11][0083] vi*=vs≈vcpi(11)[0084] 此时,电力变换器4为了使作用于交流电容器11的电压vcpi与交流电源2的当前时刻的电压vs一致而仅供给无功功率。理论上,由于不需要有功功率,所以直流电压不下降。[0085] 当作用于交流电容器11的电压vcpi与交流电源2的当前时刻的电压vs一致时若将第1交流开关8闭合,则不产生涌流,SVC运转的准备完成。[0086] 接着,使用图10说明控制装置12的动作的概要。[0087] 图10是用来说明实施方式1的电力变换系统的控制装置的动作的概要的流程图。[0088] 在步骤S1中,控制装置12将第2交流开关10闭合。然后,控制装置12进行步骤S2的动作。在步骤S2中,控制装置12对电力变换器4进行控制,以使作用于直流电容器5的电压成为预先设定的值以上。然后,控制装置12进行步骤S3的动作。在步骤S3中,控制装置12对电力变换器4进行控制,以使作用于交流电容器11的电压与交流电源2的电压一致。然后,控制装置12进行步骤S4的动作。在步骤S4中,控制装置12在将第1交流开关8闭合的同时对电力变换器4进行控制,以使输出电流为零。然后,控制装置12进行步骤S5的动作。在步骤S5中,控制装置12对电力变换器4进行控制,以对交流侧的无功功率进行补偿。[0089] 根据以上说明的实施方式1,控制装置12在设为直流开关6断开、第1交流开关8断开、第2交流开关10闭合、电力变换器4停止的状态后,对上述电力变换器4进行控制,以使作用于直流电容器5的电压成为预先设定的电压以上。因此,能够不使用额定值较大的部件,在抑制涌流的同时进行直流电容器5的初始充电。[0090] 此外,控制装置12对电力变换器4进行控制,以使作用于交流电容器11的电压与交流电源2的电压一致。然后,控制装置12将第1交流开关8闭合。因此,能够抑制在交流电容器11中流过涌流。[0091] 另外,在对电力变换器4进行控制,以使作用于直流电容器5的电压与直流电源1的电压一致后,如果将直流开关6闭合,则能够在将直流开关6闭合时抑制在直流电容器5中流过涌流。[0092] 此外,控制装置12在直流开关6断开、第1交流开关8闭合的状态下,对电力变换器4进行控制,以对交流侧的无功功率进行补偿。因此,能够在抑制直流电容器5的初始充电时的涌流的基础上对交流侧的无功功率进行补偿。[0093] 另外,作为直流电源1也可以使用蓄电池。在此情况下,在接着待机模式或交流电压同步模式后而对电力变换器4进行控制、以使作用于直流电容器5的电压与蓄电池的充电电压一致后,将直流开关6闭合就可以。在此情况下,也能够抑制在将直流开关6闭合时在直流电容器5中流过涌流。[0094] 此外,作为涌流抑制体,也可以代替充电电阻9而使用充电电抗器。在此情况下,也能够不使用额定值较大的部件,而在抑制涌流的同时进行直流电容器5的初始充电。[0095] 此外,充电开始模式在原理上并不需要。因此,也可以在将第2交流开关10闭合的同时转移到升压充电模式。在此情况下,能够抑制充电电阻9的功耗。[0096] 此外,只要在交流电压同步模式下能够容许向交流电容器11的涌流,则也可以在交流电容器11与交流电源2的电压一致之前将开关8接通就可以。[0097] 此外,也可以不经由待机模式而从交流电压同步模式转移到SVC运转模式。[0098] 此外,也可以设为保持将直流开关6接通不变。此外,也可以不具备直流开关6,而将直流电源与电力变换器的直流侧直接连接。[0099] 此外,也可以不具备直流开关6,而将直流电源和电力变换器的直流侧经由二极管等的防逆流半导体元件连接。[0100] 此外,即使没有交流电容器11,也能够应用本发明。[0101] 此外,也可以是,交流电源2是单相电源,电力变换器4是单相电力变换器。在此情况下,在升压充电模式下,当单相电源的当前时刻的电压vs满足以下的式(12)时,瞬时有功功率p2为由以下的式(13)表示的最大值。[0102] [数式12][0103][0104] [数式13][0105][0106] 接着,使用图11说明控制装置12的例子。[0107] 图11是实施方式1的电力变换系统的控制装置的硬件结构图。[0108] 控制装置12的各功能可以由处理电路实现。例如,处理电路具备至少1个处理器100a和至少1个存储器100b。例如,处理电路具备至少1个专用的硬件200。[0109] 在处理电路具备至少1个处理器100a和至少1个存储器100b的情况下,控制装置12的各功能由软件、固件、或软件与固件的组合实现。软件及固件的至少一方被作为程序记述。软件及固件的至少一方被保存在至少1个存储器100b中。通过至少1个处理器100a将存储在至少1个存储器100b中的程序读出并执行,实现控制装置12的各功能。至少1个处理器100a也称作中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、DSP。例如,至少1个存储器100b例如是RAM、ROM、闪存存储器、EPROM、EEPROM等的非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、CD、MD、DVD等。[0110] 在处理电路具备至少1个专用的硬件200的情况下,处理电路例如由单一电路、复合电路、程序化的处理器、并行程序化的处理器、ASIC、FPGA或它们的组合实现。例如,控制装置12的各功能分别由处理电路实现。例如,控制装置12的各功能一起由处理电路实现。[0111] 关于控制装置12的各功能,也可以将一部分用专用的硬件200实现,将其他部由软件或固件实现。例如也可以是,关于对电力变换器4进行控制的功能,由作为专用的硬件200的处理电路实现,关于对电力变换器4进行控制以外的功能,通过至少1个处理器100a将保存在至少1个存储器100b中的程序读出并执行来实现。[0112] 这样,处理电路由硬件200、软件、固件或它们的组合实现控制装置12的各功能。[0113] 产业上的可利用性[0114] 如以上这样,有关本发明的电力变换系统能够用于抑制涌流的系统。[0115] 标号说明[0116] 1直流电源;2交流电源;3变压器;4电力变换器;5直流电容器;6直流开关;7交流电抗器;8第1交流开关;9充电电阻;10第2交流开关;11交流电容器;12控制装置;100a处理器;100b存储器;200硬件。

专利地区:日本

专利申请日期:2019-07-16

专利公开日期:2024-08-30

专利公告号:CN112840550B


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