电力转换系统

技术领域

本发明涉及电力转换系统。

背景技术

以往，例如如在日本特开昭57－193977号公报中记载的那样，已知有构建为如果二次电池的输出电压下降则将逆变器的运转停止的电力转换装置。在有关上述公报的电力转换装置中，如果二次电池的输出电压下降而达到逆变器停止水平，则对于栅极信号形成电路施加停止指令。与此对应，栅极信号形成电路将逆变器的运转停止并将开闭器打开，防止二次电池的过放电。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开昭57－193977号公报

发明内容

发明要解决的课题

在上述以往的技术中，如果二次电池(即蓄电池)的输出电压达到逆变器停止水平，则逆变器电路的运转停止。这样的动作也成为防止蓄电池的过放电的对策。

尽管存在这样的对策，仍存在发生蓄电池的过放电的情况。发生过放电的情况的一例，是在没有使用蓄电池的状态下将蓄电池保管一定期间以上那样的情况。特别是，如果将蓄电池在放电到SOC下限附近的状态下保管，则因自然放电等而蓄电池的能量下降，由此蓄电池有可能成为过放电状态。

通常，电力转换装置构建为，能够实施用来将蓄电池充电的充电运转模式。但是，在蓄电池达到了过放电状态的情况下，蓄电池的直流电压不足为原因，电力转换装置的输出电流波形受到不良影响。

因为上述的理由，在以往的技术中，当蓄电池处于过放电状态时，通常电力转换装置停止。为了在这样的电力转换装置的停止状态下将过放电状态的蓄电池充电，进行将各个蓄电池单独地充电的作业。

这样的单独充电作业有需要作业时间及劳力的问题。特别是，在具有某种程度的大的蓄电池容量的电力转换系统中，有这样的作业时间及工作量变得显著的问题。

本发明是为了解决上述那样的问题而提出的，目的是提供一种进行改良以便能够减少将过放电状态的蓄电池充电时的工作量的电力转换系统。

用来解决课题的手段

有关本发明的电力转换系统具备：电力转换电路，直流侧与蓄电池连接，交流侧经由互连电感与交流电源连接；电力转换控制电路，具备对上述电力转换电路进行控制以将电力从上述互连电感侧经由上述电力转换电路向上述蓄电池提供的充电控制模式；以及指令值生成部，构建为生成用来使上述充电控制模式执行的指令值。

上述电力转换控制电路具备的上述充电控制模式是以向上述互连电感施加互连电感电压的方式控制上述电力转换电路的输出电压的模式，上述互联电感电压由上述交流电源的电源电压向量和具有比上述电源电压向量滞后的相位且具有基于上述指令值的大小及相位的电压指令值向量决定的；上述指令值生成部为了上述蓄电池的电压不低于预先设定的过放电阈值的情况下的上述充电控制模式的运转而生成第一指令值，为了上述蓄电池的电压低于上述过放电阈值的情况下的上述充电控制模式的运转而生成第二指令值；上述第一指令值是用来使与具有第一大小及第一滞后相位的第一电压指令值向量对应的输出电压向上述电力转换电路输出的指令值；上述第二指令值是用来使与具有小于上述第一大小的第二大小的第二电压指令值向量对应的输出电压向上述电力转换电路输出的指令值。

另外，互连电感包括电抗器或变压器。

发明效果

根据本发明，在蓄电池的过放电时，也能够按照用来实现第二电压指令值向量的第二指令值制作适度的充电电流。由于将第二电压指令值向量设定为比第一电压指令值向量短，所以能够减小逆变器电压振幅。由此，一边抑制由蓄电池的电压不足导致的逆变器过调制的产生，一边使电力转换电路运转，从而将蓄电池充电。由于在蓄电池的过放电时也能够通过电力转换电路将蓄电池充电，所以可以不依赖于将蓄电池单独地手动充电的作业等。结果，能够减少对过放电状态的蓄电池进行充电时的工作量。

附图说明

图1是表示有关实施方式的电力转换系统的示意性的结构图。

图2是有关实施方式的电力转换系统具备的电力转换电路的示意性的电路图。

图3是表示向有关实施方式的电力转换系统的电力转换电路给出的控制信号的一例的图。

图4是用来说明由有关实施方式的电力转换系统充放电的蓄电池的过放电状态的图。

图5是用来说明逆变器过调制的问题的图。

图6是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的简单的模型图。

图7是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的简单的模型图。

图8是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的电压向量图。

图9是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的电压向量图。

图10是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的电压向量图。

图11是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的电压向量图。

图12是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的电压向量图。

图13是表示由有关实施方式的电力转换系统执行的控制例程的一例的流程图。

图14是用来说明有关实施方式的电力转换系统的动作的电压向量图。

图15是用来说明有关实施方式的变形例的电力转换系统的动作的电压向量图。

图16是用来说明有关实施方式的变形例的电力转换系统的动作的电压向量图。

图17是用来说明有关实施方式的变形例的电力转换系统的动作的电压向量图。

图18是用来说明有关实施方式的变形例的电力转换系统的动作的电压向量图。

图19是用来说明有关实施方式的变形例的电力转换系统的动作的电压向量图。

图20是用来说明有关实施方式的其他变形例的电力转换系统的动作的电压向量图。

图21是表示有关实施方式的变形例的电力转换系统的示意性的结构图。

具体实施方式

[实施方式的系统结构]

图1是表示有关实施方式的电力转换系统1的示意性的结构图。电力转换系统1与交流电源100连接。实施方式的交流电源100是输出三相交流的电力系统。

电力转换系统1具备蓄电池2、电力转换装置3、多个电流互感器5、多个仪器用互感器7、作为互连电感的多个互连电抗器6和指令值生成部10。电力转换装置3具备电力转换电路3a和电力转换控制电路4。

蓄电池2具备蓄电池主体和管理该蓄电池主体的状态的电池管理单元(BMU)。在蓄电池主体可以应用铅蓄电池、锂离子蓄电池或钠硫电池等各种方式的蓄电池。在实施方式中，设想了蓄电池主体的容量某种程度上较大的情况。例如也可以将单位蓄电池连接多个而构成一个蓄电池主体，大容量蓄电池采取这样的形态的情况较多。

电力转换电路3a的直流侧与蓄电池2连接。图2是有关实施方式的电力转换系统1具备的电力转换电路3a的示意性的电路图。实施方式的电力转换电路3a是一电平的电压型三相逆变器电路。但是，本发明并不限于此，也可以是单相或二相的逆变器电路，也可以是包括二电平或三电平等的多电平逆变器电路。

电力转换控制电路4具备功率计算部4a、有功功率减法部4b、无功功率减法部4c、有功功率控制部4d1、无功功率控制部4d2、逆变器电压指令运算部4e和选通脉冲生成部4f。

功率计算部4a基于多个仪器用互感器7的测量值及多个电流互感器5的测量值，计算有功功率测量值和无功功率测量值。电力转换控制电路4从指令值生成部10接收指令值PQ

有功功率减法部4b计算来自功率计算部4a的有功功率测量值P与有功功率指令值P

有功功率控制部4d1对有功功率减法部4b的输出值实施公知的反馈控制。无功功率控制部4d2对无功功率减法部4c的输出值实施公知的反馈控制。各个反馈控制可以使用PI控制、P控制和PID控制中的任意一个。

逆变器电压指令运算部4e基于来自有功功率控制部4d1的有功功率指令值和无功功率控制部4d2的无功功率指令值生成三相的量的电压指令值。选通脉冲生成部4f基于来自逆变器电压指令运算部4e的三相的量的电压指令值生成针对电力转换电路3a的开关元件的栅极驱动用PWM信号。

电力转换控制电路4具备充电控制模式和放电控制模式。电力转换控制电路4可以按照来自指令值生成部10的指令值PQ

充电控制模式是对电力转换电路3a进行控制以从互连电抗器6侧经由电力转换电路3a向蓄电池2提供电力的模式。放电控制模式是对电力转换电路3a进行控制以将蓄电池2的电力从蓄电池2经由电力转换电路3a向互连电抗器6侧释放的模式。各模式的详细情况在后面说明。

多个电流互感器5分别设置在电力转换电路3a的三相输出侧配线。多个电流互感器5测量三相(即U相、V相、W相)各自的电流。多个仪器用互感器7分别设置在电力转换电路3a的三相输出侧配线。多个仪器用互感器7测量三相间的电压。

多个互连电抗器6介于电力转换电路3a的各个三相交流侧与交流电源100之间。

指令值生成部10构建为，生成指令值PQ

在实施方式中，至少对指令值生成部10发送表示蓄电池2的电压V

图3是表示向有关实施方式的电力转换系统1的电力转换电路3a给出的控制信号的一例的图。如图2所示，实施方式的电力转换电路3a是二电平的电压型三相逆变器电路。在图3中图示了载波三角波。基于U相～W相各自的电压指令值波形和该载波三角波，生成未图示的脉冲宽度调制信号(PWM信号)。该PWM信号为栅极驱动信号。从选通脉冲生成部4f向6个开关元件分别输入栅极驱动信号。其结果，如图3所示，生成U相、V相和W相的三相交流波形。

图4是用来说明由有关实施方式的电力转换系统1充放电的蓄电池2的过放电状态的图。蓄电池2的剩余容量通常用SOC(State of charge，充电状态)表示。

在图4中，将与SOC是0％的状态相对应的蓄电池电压记作“下限电压设定值V

蓄电池2的物理的极限范围是从零伏特到物理上限电压值为止的范围。但是，将SOC的范围设定为比蓄电池2的物理极限范围窄某种程度的范围，以便能够将蓄电池2以高的可靠性使用。应避免蓄电池2的剩余容量成为比SOC＝0％低的状态。

但是，例如因为长期保管等，可能发生蓄电池2的剩余容量成为比0％低的不适当的情形。例如蓄电池2的剩余容量成为比SOC＝0％低的状态，是蓄电池2的电压低于下限电压设定值V

图5是用来说明逆变器过调制的问题的图。将正常的逆变器电压Va与过调制逆变器电压Vb进行比较而图示。产生过调制逆变器电压Vb的原因之一是在蓄电池2的电压V

更具体地讲，在上述的过放电状态中，是蓄电池2的电压低于下限电压设定值V

在过放电状态下产生的低的电压V

[实施方式的装置的动作]

图6及图7是用来说明有关实施方式的电力转换系统1的动作的简单的模型图。如在图6中示意地表示的那样，实施方式的电力转换系统1是电力转换电路3a从蓄电池2生成三相交流电力的系统。如果将蓄电池2和电力转换电路3a用三相交流电压源101模拟，则图6的系统可以如图7那样模拟。

在图7中，三相交流电压源101和交流电源100经由互连电抗器6互连。假设图7的示意图中的三相交流电压源101输出与电压指令值向量V

图8～图12是用来说明有关实施方式的电力转换系统1的动作的电压向量图。在图8～图11中，表示电力转换系统1的动作中的代表性的四种向量图。

在图8中，表示了蓄电池2的放电控制模式的一例。使三相交流电压源101产生相对于电源电压向量V

在图9中表示蓄电池2的充电控制模式的一例。使三相交流电压源101产生相对于电源电压向量V

在实施方式中，将图9所示的电压指令值向量V

图10是赋予了超前无功功率的电压指令值向量的一例。图10的例子换言之是具有C性的电压指令值向量的一例。如果使电压指令值向量V

图11是赋予了延迟无功功率的电压指令值向量的一例。图11的例子换言之是具有L性的电压指令值向量的一例。如果使电压指令值向量V

有关实施方式的电力转换控制电路4具备的“充电控制模式”是对电力转换电路3a的输出电压进行控制，以将由电源电压向量V

为了抑制在图5中示出的逆变器过调制的问题，通过减小电压指令值向量V

在实施方式中，预先设想一个第二电压指令值向量V

根据实施方式，在蓄电池2的过放电时，也按照用来实现第二电压指令值向量V

在蓄电池2的过放电时，也能够由电力转换电路3a将蓄电池2充电，所以可以不依赖于蓄电池2的单独手动充电的作业等。其结果，能够减少对过放电状态的蓄电池进行充电时的工作量。

将第二电压指令值向量V

此外，将第二电压指令值向量V

对于第二电压指令值向量V

图13～图17是用来说明有关实施方式的电力转换系统1的动作的电压向量图。在图13～图17中图示了第二电压指令值向量V

在图13中，图示了电源电压向量V

第二电压指令值向量V

第一假想圆S1是以第一电抗器电压向量V

指令值生成部10如图13～图16所示，以使第二电压指令值向量V

如果比较图13～图15的向量图中的向量长度，则有在图14中有功功率成分向量P

在图13～图16中，第二电压指令值向量V

此外，在图13～图16中，第二电压指令值向量V

另外，在图13～图16中，第二电压指令值向量V

在图16中图示了假想圆弧部L

其中，设为第一基准交点Ax1包含在假想圆弧部L

指令值生成部10可以以使第二电压指令值向量V

在图16中，将规定区域R

图13～图16所示的第三基准交点Ax3是第一电压指令值向量V

[实施方式的具体的控制的例子]

图18是表示由有关实施方式的电力转换系统1执行的控制例程的一例的流程图。图18的例程是有选择地使用正常工作时充电控制模式和过放电时的充电控制模式的例程的一例。图18的例程通过指令值生成部10与电力转换控制电路4的协同动作而实施。图18的例程以预先设定的规定周期反复执行。

在图18的流程图中，首先，判定蓄电池2的电压V

在步骤S100中判定为电压V

在步骤S101中发出了充电指令的情况下，虽然蓄电池2并未过放电但发出充电指令。所以，实施通常充电控制模式(步骤S102)。通常充电控制模式是蓄电池2的电压V

指令值生成部10生成用于通常充电控制模式的第一指令值PQ

在通常充电控制模式开始后，如果将预先设定的规定充电结束条件成立看作充电完成，则通常充电控制模式结束(步骤S102a)。然后，此次的例程结束。

在步骤S100中判定为电压V

图18中的具体的控制作为优选的控制而包括步骤S103。步骤S103是指令值生成部10以使电力转换电路3a向电力转换电路3a与交流电源100的互连点输出的无功功率不超过无功功率上限值的方式生成无功功率指令值Q

在步骤S103中，首先取得当前的无功功率上限值Qlmt。无功功率上限值Qlmt是设定电力转换系统1向电力转换系统1与交流电源100的并网点输出的无功功率的上限的值。无功功率上限值Qlmt既可以根据当前的电力转换系统1及交流电源100的运转状态等取得，也可以以系统信息等的形态从上位监视装置或电力业者取得。

该无功功率上限值Qlmt与在现时刻电力转换系统1输出的无功功率测量值Q的差是“Q可增加量”。“Q可增加量”是在现时刻电力转换系统1能够增加的无功功率的大小。

接着，执行决定有功功率指令值P

能够根据这些多个观点考虑第二电压指令值向量V

接着，指令值生成部10将用于过放电时的充电控制模式的第二指令值PQ

接着，基于第二指令值PQ

然后，如果将预先设定的规定充电结束条件成立看作充电完成，则过放电时的充电控制模式结束(步骤S108)。规定充电结束条件例如也可以将成为V

另外，作为图18的流程图的变形例，在不进行与Q可增加量对应的第二电压指令值向量V

图19是用来说明有关实施方式的变形例的电力转换系统1的动作的电压向量图。在图19中图示了假想四边形SSQ。假想四边形SSQ的第一长边是电源电压向量V

图20是用来说明有关实施方式的其他变形例的电力转换系统1的动作的电压向量图。假想四边形SSQ的第一短边SSQ与合成了电源电压向量V

另外，也可以提供终点来到假想四边形SSQ的外侧那样的第二电压指令值向量V

图21是表示有关实施方式的变形例的电力转换系统1的示意性的结构图。也可以代替指令值生成部10而设置在电力转换控制电路4的内部设置的指令值生成块210。指令值生成块210构建为，执行与上述的指令值生成部10同样的功能、控制动作及控制例程。

另外，既存在以将从SOC＝0％到SOC＝100％为止的范围完全使用的方式使用蓄电池2的情况，也存在不是那样的情况。例如，也存在将SOC＝10％等设定为SOC下限值，SOC＝90％等设定为SOC上限值，在从该SOC下限值到SOC上限值为止的范围内使用蓄电池2的情况。如果为蓄电池2设定SOC下限值，则应该避免蓄电池2的剩余容量比该SOC下限值低的状态。

在考虑了与SOC下限值的关系的情况下，基于上述实施方式，提供下述的至少两个实施例。

作为第一实施例，即使设定了SOC下限值，也可以应用上述的实施方式的内容(图13的流程图)，在此情况下，用于步骤S100的处理的过放电阈值V

另一方面，作为第二实施例，可以基于与SOC下限值(例如SOC10％)对应的蓄电池2的电压，设定用于上述的步骤S100的处理的过放电阈值V

在实施方式中，作为一例，作为“互连电感”而使用电抗器6。互连电感是设置在并网点处的电感器。作为变形例，在电力转换系统1中，也可以代替电抗器6而设置互连变压器。在此情况下，只要在将上述实施方式的“电抗器电流”与“电抗器电压”改称作互连变压器的各相的电流及电压后实施上述实施方式的结构及控制内容即可。上述实施方式的“电抗器电流”、“电抗器电压”、“电抗器电流向量”和“电抗器电压向量”可以分别称作上位概念的“互连电感电流”、“互连电感电压”、“互连电感电流向量”和“互连电感电压向量”。

标号说明

1电力转换系统；2蓄电池；3电力转换电路；4电力转换控制电路；4a功率计算部；4b有功功率减法部；4c无功功率减法部；4d1有功功率控制部；4d2无功功率控制部；4e逆变器电压指令运算部；4f选通脉冲生成部；5电流互感器；6电抗器(互连电感)；7仪器用互感器；10指令值生成部(MSC)；100交流电源；101三相交流电压源；210指令值生成块；Ax1第一基准交点；Ax2第二基准交点；Ax3第三基准交点；I