單元逆變器系統的製作方法

2023-10-07 01:47:49

專利名稱：單元逆變器系統的製作方法
技術領域：
本發明涉及利用多臺單元構成太陽電池或風力發電等功率變化的分散電源、並根 據發電功率對運轉的單元臺數進行變更的單元逆變器的控制技術。
背景技術：
圖6中表示將使用了現有技術的多臺逆變器單元並聯連接、使變換器容量增大的 單元逆變器系統的結構。系統結構如下將太陽電池等直流電源1作為輸入，將逆變器INVl 和逆變器INV2並聯連接，與系統的交流電源ACP連接，該逆變器INVl的輸出與包括交流 電抗器Ll和電容器ClO的交流濾波器、均衡用電抗器BL1、以及接觸器CNl連接，該逆變器 INV2的輸出與包括交流電抗器L2和電容器C20的交流濾波器、均衡用電抗器BL2、以及接 觸器CN2連接。各逆變器INV1、INV2包括對輸出電流進行檢測的電流檢測器CT1、CT2、以 及死區時間調整電路DTR1、DTR2，根據來自共用的控制裝置CONT的指令，對各逆變器的輸 出電流進行控制。在將這種單元逆變器與系統進行連結的情況下，使用逆變器、交流電抗器、以及濾 波用電容器減少逆變器輸出的高次諧波電流之後，與系統進行連結。而且，為了降低接觸器 的成本，在各單元設置接觸器的情況下，使用均衡用電抗器BL1、BL2以均衡該接觸器的電流。這種單元逆變器在專利文獻1所示的圖8中表示的電路結構中，根據圖9中表示 的原理，對各單元的電流進行平均運算，使用該電流和在連結點的電壓進行控制。將控制裝 置CONT輸出的PWM脈衝信號通過各單元的死區時間調整電路DTR1、DTR2提供給逆變器作 為柵極信號。另外，平均電流如專利文獻1所記載的那樣，能將各電流檢測器的輸出變換成 電壓，通過圖9所示的那樣的運算電路來求出。圖7表示死區時間調整電路DTRl、DTR2的結構。死區時間調整電路調整死區時間， 使得利用振幅運算電路ACl運算得到的各單元中的相應單元的電流振幅值、與利用運算電 路AC2運算得到的單元內平均電流的振幅值一致。利用振幅運算電路AC1、AC2對各單元輸 出的相應單元的電流和平均電流的振幅值進行運算，利用加法器ADl求出其偏差，並輸入 到調節器ACR。調節器ACR的輸出在輸入到使下限值作為0、上限值作為固定值的上下限限 幅器LMT後，與用於防止逆變器的上下橋臂(arm)短路的死區時間固定值利用加法器AD2 進行加法運算。將該加法運算值用作為輸入柵極信號及反轉後的柵極信號的接通延遲電路 DTK DT2的延遲時間。專利文獻1 日本專利特開2006-296110號公報

發明內容
在將單元逆變器使用於與太陽光、風力發電這樣的功率一直變化的發電源連接的 分散電源的情況下，該要變換的功率大多比裝置容量小。這種情況下，已知有能夠通過不使 所有單元動作而根據要變換的功率大小對運轉臺數進行變更、而提高從發電源到輸出交流為止的效率(參照日本專利特開昭61-135365號公報等)。這種情況下，為了防止接觸器的 壽命下降，而採用維持接通狀態、僅使逆變器的柵極信號成為鎖住狀態的方法。這裡，在將正在動作的單元的部分柵極信號停止的情況下，與該單元連接的均衡 用電抗器和濾波用電容器形成諧振電路，產生該諧振電路給系統帶來不利影響的問題。即 使在假設未使用接觸器、未設置均衡用電抗器的情況下，從各單元的連接點到濾波用電容 器為止的布線較長時，因其阻抗作為電感起作用，也會產生這種諧振電流。因此，本發明的目的在於構建一種單元逆變器控制系統，該控制系統在包括多臺 單元的單元逆變器中，不給系統帶來不利影響，根據要變換的功率大小來變更單元的運轉 臺數，從而提高裝置的部分負載效率。另外，所謂部分負載效率，是也考慮了低功率時的效 率後的效率，對於太陽光發電逆變器，能利用式(1)來求出。部分負載效率=0.03*η 5 % +0.06* η 10 % +0.13* η 20 % +0. ι* η 30 % +0.48* η 50 % +0. 2* η……(式1)ηx% 變換器輸出為額定的時的效率為了解決上述問題，在第1發明中，單元逆變器系統包括將直流電源的電壓變換 成交流電壓的多臺逆變器、與所述各逆變器的輸出連接的包括交流電抗器和電容器的交流 濾波器、以及根據要變換的功率大小選擇性地對部分單元逆變器進行起動和停止的單元， 在與電力系統連結的所述單元逆變器系統中，包括在使要停止的單元逆變器的半導體開關 元件的柵極信號關斷之前增加死區時間而減少輸出電流的裝置。在第2發明中，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有如下功能接收停 止信號，使得要停止的單元逆變器的輸出電流緩慢減少至預定值。在第3發明中，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有基於停止信號將死 區時間的生成電路中的單元逆變器輸出電流的平均值設定變更至預定值以下的部件，所述 死區時間由電流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂之間短路 的死區時間固定值之和決定，所述電流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器輸出電流 的平均值與相應單元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。在第4發明中，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有基於停止信號將死 區時間的生成電路中的單元逆變器輸出電流的平均值緩慢地設定變更至預定值以下的部 件，所述死區時間由電流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂之 間短路的死區時間固定值之和決定，所述電流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器輸 出電流平均值與相應單元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。在第5發明中，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有基於停止信號將死 區時間的生成電路中的電流調節器的輸出切換至所述電流調節器的輸出的上限值的部件， 所述死區時間由所述電流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂 之間短路的死區時間固定值之和決定，所述電流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器 輸出電流的平均值與相應單元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。在第6發明中，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有切換部件，該切換 部件將電路切換至基於停止信號使死區時間的生成電路中的電流調節器的輸出緩慢地變 換為所述電流調節器的輸出的上限值的電路，所述死區時間由所述電流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂之間短路的死區時間固定值之和決定，所述電 流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器輸出電流的平均值與相應單元逆變器輸出電 流實際值的偏差為零。在第7發明中，作為所述各單元逆變器輸出電流平均值和所述相應單元逆變器輸 出電流實際值，是使用各自的振幅值。在本發明中，在要變換的功率變化的單元逆變器中，當減少臺數時，將要停止的逆 變器的輸出電流減少至預定值以下之後，使逆變器電路的半導體元件的柵極信號關斷。其 結果是，能抑制急劇的功率變化、諧振電流等對系統的不利影響，同時使需要的最低限度的 單元動作，能提高部分負載效率。


圖1是表示本發明的第1實施例的電路框圖。圖2是表示本發明的第2實施例的電路框圖。圖3是表示本發明的第3實施例的電路框圖。圖4是表示本發明的第4實施例的電路框圖。圖5是表示本發明的第5實施例的電路框圖。圖6表示單元逆變器系統結構圖。圖7表示現有的死區時間控制電路框圖。圖8是現有的單元逆變器系統的電流控制系統圖。圖9是計算平均電流的原理圖。標號說明1 直流電源INVU INV2 逆變器L1、L2 交流電抗器BLU BL2 均衡電抗器C1、C2、C10、C20 電容器D1、D2 二極體CNU CN2 接觸器CTU CT2 電流檢測器CONT 控制裝置DTRU DTR2 死區時間調整電路VD 電壓檢測器ACU AC2 振幅運算電路ADU AD2 加法器LMT 限幅器ACR 電流調節器NOT 逆變器運算元件DTl DT3 接通延遲電路Amp 放大器
R、R1、R2 電阻Sl S6 開關SDC 電壓軟下降電路SUC 電壓軟上升電路REl RE3 整流電路OSC 正弦波振蕩器
具體實施例方式本發明的重點在於，在將多臺逆變器單元並聯連接、根據要變換的功率大小選擇 運轉臺數的單元逆變器系統中，當減少臺數時，在減少成為對象的逆變器的電流之後，使逆 變器的半導體開關元件的柵極信號關斷。〔實施例1〕圖1表示本發明的第1實施例。本實施例是利用電流振幅值作為正常運轉時各單 元逆變器輸出電流的平均值及本號碼設備的單元逆變器輸出電流實際值的示例。死區時間 調整電路調整死區時間，使得利用振幅運算電路ACl運算得到的各單元的相應單元的電流 振幅值、與利用運算電路AC2運算得到的單元內平均電流的振幅值一致。利用振幅運算電路ACl、AC2對各單元輸出的相應單元的電流和平均電流的振幅 值進行運算，利用加法器ADl求出其偏差，並輸入到調節器ACR。調節器ACR的輸出在輸入 到使下限值作為0、上限值作為固定值的上下限限幅器LMT後，與用於防止逆變器的上下橋 臂短路的死區時間固定值利用加法器AD2進行加法運算。將該加法運算值用作為輸入柵極 信號及反轉後的柵極信號的接通延遲電路DT1、DT2的延遲時間。若輸入單元停止信號，則使得與振幅運算電路AC2的輸出連接的開關S3斷開。其 結果是，電流調節器ACR的輸出變成飽和狀態，被限制在限幅器LMT的上限值。利用加法器 AD2對該上限值和用於防止上下橋臂短路的死區時間固定值進行加法運算，將該加法運算 值作為接通延遲電路DT1、DT2的延遲時間，由此增加死區時間，作為結果，輸出電流減少。 這裡，限幅器LMT的上限值設定為用於將電流值限制在預定值以下的值。輸出電流減少至預定值以下之後，從單元停止信號輸入時刻起的接通延遲電路 DT3的時間後，使斷開逆變器開關元件的上下橋臂信號的開關S1、S2斷開。通過這種動作， 在使單元斷開的情況下，在減少輸出電流之後，使逆變器的開關元件斷開，能抑制急劇的功 率變化，同時使需要的最低限度的單元動作，能提高部分負載效率。〔實施例2〕圖2表示本發明的第2實施例。與第1實施例的區別在於，在與平均電流的振幅 運算電路AC2的輸出連接的開關S3的輸出連接有包括電阻R1、二極體D1、電容器Cl等的 電壓軟下降電路SDC。若利用輸入單元停止信號而使開關S3斷開，則對應於電壓軟下降電路SDC的電壓 下降，電流調節器ACR的輸出向限幅器LMT的上限值緩緩上升。其結果是，與第1實施例相 比，由於死區時間更緩慢地增加，能使逆變器的輸出電流緩慢減少，能使對系統的功率變化 率更小，因此能更有效地抑制功率變化、諧振電流等對系統的不利影響。另外，電壓軟下降 電路SDC由於只要是使電壓緩緩下降的結構即可，因此並不限於本示例。
〔實施例3〕圖3表示本發明的第3實施例。死區時間調整電路調整死區時間，使得利用振幅 運算電路ACl運算得到的各單元的相應單元的電流振幅值、與利用運算電路AC2運算得到 的單元內平均電流的振幅值一致。利用振幅運算電路ACl、AC2對各單元輸出的相應單元的電流的振幅值和平均電 流的振幅值進行運算，利用加法器ADl求出其偏差，並輸入到調節器ACR。調節器ACR的輸 出在輸入到使下限值作為0、上限值作為固定值的上下限限幅器LMT後，與用於防止逆變器 的上下橋臂短路的死區時間固定值利用加法器AD2進行加法運算。將該加法運算值用作為 輸入柵極信號及反轉後的柵極信號的接通延遲電路DT1、DT2的延遲時間。若輸入單元停止 信號，則將與上下限限幅器LMT的輸出連接的開關S4切換至限幅器LMT的上限值一側。其結果是，利用加法器AD2對該上限值和用於防止上下橋臂短路的死區時間固定 值進行加法運算，將該加法運算值用作為接通延遲電路DTI、DT2的延遲時間，由此增加死 區時間，作為結果，輸出電流減少。這裡，限幅器LMT的上限值設定為用於將電流值限制在 預定值以下的值。輸出電流減少至預定值以下之後，從單元信號輸入時刻起的接通延遲電 路DT3的時間後，使斷開逆變器開關元件的上下橋臂信號的開關Si、S2斷開。通過這種動作，在使單元斷開的情況下，在使輸出電流減少之後，使逆變器的半導 體開關元件斷開，能抑制急劇的功率變化，同時使需要的最低限度的單元動作，能提高部分 負載效率。〔實施例4〕圖4表示本發明的第4實施例。與第3實施例的區別在於，將第3實施例中的與 上下限限幅器LMT的輸出連接的開關S4替換成包括常開觸點(NO觸點)和常閉觸點(NC 觸點)的開關S5，將限幅器LMT的上限值電壓通過常開觸點(NO觸點)和包括電阻R2、二 極管D2、電容器C2等的電壓軟上升電路SUC與加法器AD2連接。若利用輸入單元停止信號而使開關S5接通，則電流調節器的輸出開路，加法器 AD2的輸入對應於電壓軟上升電路SUC的電壓上升，向限幅器LMT的上限值緩緩上升。其結 果是，與第3實施例相比，死區時間更緩慢地增加，能使逆變器的輸出電流緩慢減少。其結 果是，由於能使得對系統的功率變化率更小，因此能更有效地抑制功率變化、諧振電流等對 系統的不利影響。另外，電壓軟上升電路SUC由於只要是使電壓緩緩上升的結構即可，因此 並不限於本示例。〔實施例5〕圖5表示本發明的第5實施例。與第1 第4實施例的區別在於，輸入到加法器 ADl的輸入量不同。正常動作時，在第1 第4實施例中，是輸入相應單元的電流的振幅值 和平均電流的振幅值，但在本實施例中，輸入利用整流電路REl對相應單元的電流進行整 流後的整流波形和利用整流電路RE2對平均電流進行整流後的整流波形。正常動作與第 1 第4實施例相同。當輸入單元停止信號時，將開關S6切換到利用整流電路RE3對與振幅緩慢變小的 系統電壓同步的正弦波振蕩器OSC的輸出進行整流後的電壓側。其結果是，電流調節器ACR 的輸出緩緩變成飽和狀態，被鉗位於限幅器LMT的上限值，成為與第2實施例相同的動作。此外，在沒有振蕩器OSC及整流電路RE3的狀態下，當輸入單元停止信號時，只要7使開關S6開路，就成為與第1實施例相同的動作。而且，只要從圖5去除正弦波振蕩器0SC、整流電路RE3、以及開關6，將整流電路 RE2的輸出直接輸入到加法器AD1，就成為與實施例3相同的動作。而且，只要從圖5去除正弦波振蕩器0SC、整流電路RE3、以及開關S6，將整流電路 RE2的輸出直接輸入到加法器AD1，在這樣的結構中，對加法器AD2的輸入部與圖4相同，連 接開關S5及電壓軟上升電路SUC，其動作就與實施例4相同。另外，在上述實施例中，雖然示出了使用觸點作為開關的示例，但利用半導體開 關、邏輯運算元件也可以實現。此外，雖然示出了使用電流振幅值作為正常運轉時各單元逆 變器的輸出電流的平均值及相應單元逆變器的輸出電流實際值的示例，但利用瞬時值也同 樣能實現。工業上的實用性本發明可適用於通過控制臺數來使變換功率增減的不間斷供電電源裝置(UPS)等。
權利要求
1.一種單元逆變器系統，所述單元逆變器系統包括將直流電源的電壓變換成交流電壓 的多臺逆變器、與所述各逆變器的輸出連接的包括交流電抗器和電容器的交流濾波器、以 及根據要變換的功率大小選擇性地對部分單元逆變器進行起動和停止的單元，並與電力系 統連結，其特徵在於，所述單元逆變器系統包括在使要停止的單元逆變器的半導體開關元件的柵極信號關 斷之前增加死區時間而減少輸出電流的裝置。
2.如權利要求1所述的單元逆變器系統，其特徵在於，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有如下功能接收停止信號，使得要停止 的單元逆變器的輸出電流緩慢減少至預定值。
3.如權利要求1或2所述的單元逆變器系統，其特徵在於，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有基於停止信號將死區時間的生成電路 中的單元逆變器輸出電流的平均值設定變更至預定值以下的部件，所述死區時間由電流調 節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂之間短路的死區時間固定值 之和決定，所述電流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器輸出電流的平均值與相應單 元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。
4.如權利要求1或2所述的單元逆變器系統，其特徵在於，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有基於停止信號將死區時間的生成電路 中的單元逆變器輸出電流平均值緩慢地設定變更至預定值以下的部件，所述死區時間由電 流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂之間短路的死區時間固 定值之和決定，所述電流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器輸出電流的平均值與相 應單元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。
5.如權利要求1或2所述的單元逆變器系統，其特徵在於，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有基於停止信號將死區時間的生成電路 中的電流調節器的輸出切換至所述電流調節器的輸出的上限值的部件，所述死區時間由所 述電流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的半導體元件的上下橋臂之間短路的死區時 間固定值之和決定，所述電流調節器使正常運轉時的所述各單元逆變器輸出電流的平均值 與相應單元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。
6.如權利要求1或2所述的單元逆變器系統，其特徵在於，增加所述死區時間而減少輸出電流的裝置具有切換部件，該切換部件將電路切換至基 於停止信號使死區時間的生成電路中的電流調節器的輸出緩慢地變換為所述電流調節器 的輸出的上限值的電路，所述死區時間由所述電流調節器的輸出與用於防止單元逆變器的 半導體元件的上下橋臂之間短路的死區時間固定值之和決定，所述電流調節器使正常運轉 時的所述各單元逆變器輸出電流的平均值與相應單元逆變器輸出電流實際值的偏差為零。
7.如權利要求3至6的任一項所述的單元逆變器系統，其特徵在於，作為所述各單元逆變器輸出電流平均值和所述相應單元逆變器輸出電流實際值，是使 用各自的振幅值。
全文摘要
本發明提供一種單元逆變器系統。在包括多臺單元的單元逆變器中，不給系統帶來不利影響，根據要變換的功率大小來變更單元的運轉臺數，從而提高裝置的部分負載效率。在將多臺逆變器單元並聯連接、根據要變換的功率大小選擇運轉臺數的單元逆變器系統中，當減少臺數時，在減少成為對象的逆變器的電流之後，使逆變器的半導體開關元件的柵極信號關斷。
文檔編號H02M1/36GK102044986SQ20101029001
公開日2011年5月4日 申請日期2010年9月17日 優先權日2009年10月15日
發明者藤井幹介 申請人:富士電機控股株式會社