JP7677128B2 - Control device and control method for bidirectional isolated DC-DC converter - Google Patents
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Description
本発明は、双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置に係り、入出力を絶縁しながら、双方向に電力伝送を行うDual Active Bridge(以下、DABと称する)コンバータにおいて、複数のDABコンバータを直並列接続する方式の制御に関する。 The present invention relates to a control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, and to the control of a method of connecting multiple DAB converters in series and parallel in a Dual Active Bridge (hereinafter referred to as DAB) converter that transmits power in both directions while isolating the input and output.
複数台のDABコンバータを直並列接続して制御する場合、直列接続側のコンデンサ電圧バランス制御が必要になる。電流制御や電圧制御、直流電圧の振動と別途リアクトルが接続された際の共振を抑制するためのダンピング制御を追加する場合もある。 When controlling multiple DAB converters in a series-parallel connection, capacitor voltage balance control on the series-connected side is required. In some cases, current control, voltage control, and damping control may be added to suppress DC voltage oscillations and resonance when a separate reactor is connected.
特許文献1では2台のDABの一方を直列、他方を並列接続し、位相差を制御して直列接続側のコンデンサ電圧バランス制御を実現している。
In
また、非特許文献1、2では、3台以上のDABを直並列接続した構成において、コンデンサ電圧バランス制御と出力電圧制御に関して検討している。
In addition,
複数台のDABコンバータを備えたDC-DCコンバータにおいて、各コンバータ内の半導体スイッチング素子のパルス幅を決定する従来の技術は公知であり、パルス幅指令値、位相指令値などから前記半導体スイッチング素子のゲート信号を生成する従来の技術は例えば特許文献2に記載されている。
In a DC-DC converter equipped with multiple DAB converters, conventional technology for determining the pulse width of the semiconductor switching elements in each converter is well known , and a conventional technology for generating gate signals for the semiconductor switching elements from a pulse width command value, a phase command value, etc. is described in, for example,
しかしながら特許文献1で検討されているコンデンサ電圧バランス制御は3台以上に適用できない。また、コンバータ台数が増加した場合、制御系をどのように変更するかが不明確である。
However, the capacitor voltage balance control discussed in
また、非特許文献1、2において、電流制御を適用する場合、単純に各DABコンバータに搭載されている電圧制御をそのまま電流制御に置換すると、電流検出値の急変時でも高応答の電流制御を行おうとするため、電流検出値の情報をDABコンバータ間で高速に通信する必要がある。電流制御の応答速度が低くてもよい適用先でも、電流リプルを低減する必要がある場合は高速通信あるいは大型のフィルタが必要となる。
In addition, in the
本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、複数台のコンバータ間の通信負荷軽減とコンバータの台数変更時における制御変更点の簡易化を実現する双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置および制御方法を提供することにある。 The present invention aims to solve the above problems, and its purpose is to provide a control device and control method for a bidirectional isolated DC-DC converter that reduces the communication load between multiple converters and simplifies control changes when changing the number of converters.
上記課題を解決するための請求項1に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置は、
絶縁型変圧器の1次巻線に交流側が接続された1次側単相インバータと、前記絶縁型変圧器の2次巻線に交流側が接続された2次側単相インバータと、前記1次側単相インバータの直流側の正、負極端間に接続された1次側コンデンサと、前記2次側単相インバータの直流側の正、負極端間に接続された2次側コンデンサとを備えたDAB(Dual Active Bridge)コンバータを複数台設け、
前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの正、負極端を、第1の直流電源の正、負極端間に直列接続し、前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの正、負極端を、第2の直流電源の正、負極端間に並列接続して構成した双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源又は第2の直流電源に流れる電流を、設定した電流指令値に追従させる位相差指令値を出力する電流制御部と、
前記1台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧、又は第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値と、n台目(nは2以上の正数)のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧とを入力とし、n台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧の偏差を低減する位相指令値を出力するコンデンサ電圧バランス制御部と、
前記複数台のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧、2次側コンデンサの電圧、絶縁型変圧器の1次巻線と2次巻線の巻き数比および電力指令値から決定した、複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲートパルス幅の指令値と、フィードバック制御により決定された位相指令値に基づいて、前記1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる位相差指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によって1台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成し、前記コンデンサ電圧バランス制御部からフィードバックされる位相指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によってn台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成することを特徴としている。
In order to solve the above problem, a control device for a bidirectional isolated DC-DC converter according to
A plurality of DAB (Dual Active Bridge) converters are provided, the DAB converters including a primary single-phase inverter having an AC side connected to a primary winding of an insulating transformer, a secondary single-phase inverter having an AC side connected to a secondary winding of the insulating transformer, a primary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the primary single-phase inverter, and a secondary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the secondary single-phase inverter,
A control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, the control device being configured by connecting the positive and negative terminals of each of the primary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in series between the positive and negative terminals of a first DC power source, and connecting the positive and negative terminals of each of the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in parallel between the positive and negative terminals of a second DC power source,
The control device includes:
a current control unit that outputs a phase difference command value that causes a current flowing through the first DC power supply or the second DC power supply to follow a set current command value;
a capacitor voltage balance control unit which receives as input the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter or an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power supply by the number of installed DAB converters and the voltage of the primary capacitor of an n-th DAB converter (n is a positive number of 2 or more), and outputs a phase command value for reducing the deviation of the voltage of the primary capacitor of the n-th DAB converter;
a gate signal generating unit that generates gate signals for the primary single-phase inverter and the secondary single-phase inverter based on command values for gate pulse widths of the primary single-phase inverter and the secondary single-phase inverter of the multiple DAB converters, which are determined from a voltage of a primary capacitor of the multiple DAB converters, a voltage of a secondary capacitor, a turn ratio between a primary winding and a secondary winding of an insulating transformer, and a power command value, and a phase command value determined by feedback control;
The gate signal generating unit generates a gate signal for a first DAB converter based on a phase difference command value and a gate pulse width command value fed back from the current control unit, and generates a gate signal for an n-th DAB converter based on a phase command value and a gate pulse width command value fed back from the capacitor voltage balance control unit.
請求項2に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置は、
絶縁型変圧器の1次巻線に交流側が接続された1次側単相インバータと、前記絶縁型変圧器の2次巻線に交流側が接続された2次側単相インバータと、前記1次側単相インバータの直流側の正、負極端間に接続された1次側コンデンサと、前記2次側単相インバータの直流側の正、負極端間に接続された2次側コンデンサとを備えたDAB(Dual Active Bridge)コンバータを複数台設け、
前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの正、負極端を、第1の直流電源の正、負極端間に直列接続し、前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの正、負極端を、第2の直流電源の正、負極端間に並列接続して構成した双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源又は第2の直流電源に流れる電流を、設定した電流指令値に追従させる位相差指令値を出力する電流制御部と、
前記1台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧、又は第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値と、n台目(nは2以上の正数)のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧とを入力とし、n台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧の偏差を低減する位相指令値を出力するコンデンサ電圧バランス制御部と、
前記1台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧、2次側コンデンサの電圧、絶縁型変圧器の1次巻線と2次巻線の巻き数比および電力指令値から、複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲートパルス幅の指令値と、位相差を計算する位相差・パルス幅計算部と、
前記位相差・パルス幅計算部で計算されたゲートパルス幅の指令値と、位相差・パルス幅計算部で計算された位相差からフィードバック制御により決定された位相指令値を減算した位相差指令値とに基づいて、前記複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる位相差指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によって1台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成し、前記コンデンサ電圧バランス制御部からフィードバックされる位相指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によってn台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成することを特徴としている。
The control device for a bidirectional isolated DC-DC converter according to
A plurality of DAB (Dual Active Bridge) converters are provided, the DAB converters including a primary single-phase inverter having an AC side connected to a primary winding of an insulating transformer, a secondary single-phase inverter having an AC side connected to a secondary winding of the insulating transformer, a primary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the primary single-phase inverter, and a secondary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the secondary single-phase inverter,
A control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, the control device being configured by connecting the positive and negative terminals of each of the primary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in series between the positive and negative terminals of a first DC power source, and connecting the positive and negative terminals of each of the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in parallel between the positive and negative terminals of a second DC power source,
The control device includes:
a current control unit that outputs a phase difference command value that causes a current flowing through the first DC power supply or the second DC power supply to follow a set current command value;
a capacitor voltage balance control unit which receives as input the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter or an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power supply by the number of installed DAB converters and the voltage of the primary capacitor of an n-th DAB converter (n is a positive number of 2 or more), and outputs a phase command value for reducing the deviation of the voltage of the primary capacitor of the n-th DAB converter;
a phase difference/pulse width calculation unit that calculates gate pulse width command values and phase differences of the primary single-phase inverter and the secondary single-phase inverter of the multiple DAB converters from the voltage of the primary capacitor, the voltage of the secondary capacitor, the turns ratio of the primary winding and the secondary winding of the insulating transformer of the first DAB converter, and a power command value;
a gate signal generating unit that generates gate signals for the primary side single-phase inverters and the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters based on a command value of the gate pulse width calculated by the phase difference/pulse width calculating unit and a phase difference command value obtained by subtracting a phase command value determined by feedback control from the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculating unit,
The gate signal generating unit generates a gate signal for a first DAB converter based on a phase difference command value that is the difference between the phase difference command value fed back from the current control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and a gate pulse width command value, and generates a gate signal for an n-th DAB converter based on a phase difference command value that is the difference between the phase difference command value fed back from the capacitor voltage balance control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and a gate pulse width command value.
請求項3に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置は、
絶縁型変圧器の1次巻線に交流側が接続された1次側単相インバータと、前記絶縁型変圧器の2次巻線に交流側が接続された2次側単相インバータと、前記1次側単相インバータの直流側の正、負極端間に接続された1次側コンデンサと、前記2次側単相インバータの直流側の正、負極端間に接続された2次側コンデンサとを備えたDAB(Dual Active Bridge)コンバータを複数台設け、
前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの正、負極端を、第1の直流電源の正、負極端間に直列接続し、前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの正、負極端を、第2の直流電源の正、負極端間に並列接続して構成した双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源又は第2の直流電源に流れる電流を、設定した電流指令値に追従させる位相差指令値を出力する電流制御部と、
前記1台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧、又は第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値と、n台目(nは2以上の正数)のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧とを入力とし、n台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧の偏差を低減する位相指令値を出力するコンデンサ電圧バランス制御部と、
前記第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値、前記第2の直流電源の電圧、絶縁型変圧器の1次巻線と2次巻線の巻き数比および電力指令値から、1台目のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲートパルス幅の指令値と、位相差を計算する位相差・パルス幅計算部と、
前記位相差・パルス幅計算部で計算されたゲートパルス幅の指令値と、位相差・パルス幅計算部で計算された位相差からフィードバック制御により決定された位相指令値を減算した位相差指令値とに基づいて、前記複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる1台目のDABコンバータの位相差指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と、前記ゲートパルス幅の指令値によって1台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成し、前記コンデンサ電圧バランス制御部からフィードバックされるn台目のDABコンバータの位相指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と、前記ゲートパルス幅の指令値によってn台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成することを特徴としている。
The control device for a bidirectional isolated DC-DC converter according to
A plurality of DAB (Dual Active Bridge) converters are provided, the DAB converters including a primary single-phase inverter having an AC side connected to a primary winding of an insulating transformer, a secondary single-phase inverter having an AC side connected to a secondary winding of the insulating transformer, a primary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the primary single-phase inverter, and a secondary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the secondary single-phase inverter,
A control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, the control device being configured by connecting the positive and negative terminals of each of the primary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in series between the positive and negative terminals of a first DC power source, and connecting the positive and negative terminals of each of the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in parallel between the positive and negative terminals of a second DC power source,
The control device includes:
a current control unit that outputs a phase difference command value that causes a current flowing through the first DC power supply or the second DC power supply to follow a set current command value;
a capacitor voltage balance control unit which receives as input the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter or an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power supply by the number of installed DAB converters and the voltage of the primary capacitor of an n-th DAB converter (n is a positive number of 2 or more), and outputs a phase command value for reducing the deviation of the voltage of the primary capacitor of the n-th DAB converter;
a phase difference/pulse width calculation unit that calculates a gate pulse width command value and a phase difference of a primary side single-phase inverter and a secondary side single-phase inverter of a first DAB converter from an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power source by the number of installed DAB converters, the voltage of the second DC power source, a turns ratio of a primary winding and a secondary winding of an insulating transformer, and a power command value;
a gate signal generating unit that generates gate signals for the primary side single-phase inverters and the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters based on a command value of the gate pulse width calculated by the phase difference/pulse width calculating unit and a phase difference command value obtained by subtracting a phase command value determined by feedback control from the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculating unit,
The gate signal generating unit generates a gate signal for the first DAB converter based on a phase difference command value which is the difference between the phase difference command value of the first DAB converter fed back from the current control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and the gate pulse width command value, and generates a gate signal for the nth DAB converter based on a phase difference command value which is the difference between the phase difference command value of the nth DAB converter fed back from the capacitor voltage balance control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and the gate pulse width command value.
請求項4に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置は、請求項1から3のいずれか1項において、
前記第1の直流電源と前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの直流側との間であって、第1の直流電源に対して直列に接続されるか、又は前記第2の直流電源と前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの直流側との間であって、第2の直流電源に対して直列に接続されたインダクタと、
前記インダクタに流れる電流に基づくか、又はインダクタが第2の直流電源に対して直列に接続されている場合は1台目のDABコンバータの2次側コンデンサの電圧に、インダクタが第1の直流電源に対して直列に接続されている場合は、第1の直流電源の電圧、又は1台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧に基づいて、ダンピング制御を行ってインダクタおよびコンデンサによって発生する共振を抑制する位相差を出力するダンピング制御部とを備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる位相差指令値に代えて、前記電流制御部より出力される位相差指令値から前記ダンピング制御部より出力される位相差を減算してフィードバックされる位相指令値を用いてゲート信号を生成することを特徴としている。
The control device for a bidirectional isolated DC-DC converter according to claim 4 includes any one of
an inductor connected in series to the first DC power source between the first DC power source and the DC side of each of the primary single-phase inverters of the plurality of DAB converters, or connected in series to the second DC power source between the second DC power source and the DC side of each of the secondary single-phase inverters of the plurality of DAB converters;
a damping control section that performs damping control based on a current flowing through the inductor, or based on a voltage of a secondary capacitor of the first DAB converter when the inductor is connected in series to a second DC power source, and based on a voltage of the first DC power source or a voltage of a primary capacitor of the first DAB converter when the inductor is connected in series to a first DC power source, and outputs a phase difference that suppresses resonance generated by the inductor and the capacitor;
The gate signal generating unit generates a gate signal by using a phase command value that is fed back by subtracting the phase difference output by the damping control unit from the phase difference command value output by the current control unit, instead of the phase difference command value fed back from the current control unit.
請求項5に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御方法は、
請求項1から4のいずれか1項に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置の各部の動作を実行するステップを備えたことを特徴としている。
A control method for a bidirectional isolated DC-DC converter according to claim 5,
The present invention is characterized by comprising a step of executing the operation of each part of the control device for a bidirectional isolated DC-DC converter according to any one of
(1)請求項1~5に記載の発明によれば、複数台のDABコンバータで制御を分割しているため、各DABコンバータ間で必要な通信負荷が削減される。また、DABコンバータの設置台数変更時の変更点が少なく、設計時間の短縮が可能である。
(2)請求項2に記載の発明によれば、位相差・パルス幅計算部を設けたので、電力制御の応答性が向上する。
(3)請求項3に記載の発明によれば、位相差、パルス幅の計算に第1の直流電源電圧の平均値(入力電圧平均値)を用いているので、コンデンサ電圧のアンバランス率に関係なく全DABコンバータの制御系で同じ位相差、パルス幅を使用することができ、これによってコンデンサ電圧の変動によるコンデンサ電圧バランス制御部への外乱が低減され、応答性が改善される。
(4)請求項4に記載の発明によれば、ダンピング制御部を設けたので、インダクタと1次側コンデンサ又は2次側コンデンサによるLC共振を抑制することができる。
(1) According to the invention described in
(2) According to the invention as recited in
(3) According to the invention described in
(4) According to the invention as recited in claim 4, a damping control section is provided, so that LC resonance caused by the inductor and the primary side capacitor or the secondary side capacitor can be suppressed.
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図1は本実施形態例による双方向絶縁型DC-DCコンバータの構成を示している。 The following describes an embodiment of the present invention with reference to the drawings, but the present invention is not limited to the following embodiment. Figure 1 shows the configuration of a bidirectional isolated DC-DC converter according to this embodiment.
2次側にインダクタ(L)を接続した構成を示す図1(a)において、1は半導体スイッチング素子S11,S21,S31,S41をブリッジ接続した1次側単相インバータであり、2は半導体スイッチング素子S51,S61,S71,S81をブリッジ接続した2次側単相インバータである。 In FIG. 1(a), which shows a configuration in which an inductor (L) is connected to the secondary side, 1 is a primary side single-phase inverter in which semiconductor switching elements S11, S21, S31, and S41 are bridge-connected, and 2 is a secondary side single-phase inverter in which semiconductor switching elements S51, S61, S71, and S81 are bridge-connected.
半導体スイッチング素子S11およびS21の共通接続点は、リアクトルL1および絶縁型変圧器3の1次巻線31を介して半導体スイッチング素子S31およびS41の共通接続点に接続されている。
The common connection point of the semiconductor switching elements S11 and S21 is connected to the common connection point of the semiconductor switching elements S31 and S41 via a reactor L1 and a primary winding 31 of an insulating
半導体スイッチング素子S51およびS61の共通接続点は、リアクトルL2および絶縁型変圧器3の2次巻線32を介して半導体スイッチング素子S71およびS81の共通接続点に接続されている。
The common connection point of the semiconductor switching elements S51 and S61 is connected to the common connection point of the semiconductor switching elements S71 and S81 via a reactor L2 and a secondary winding 32 of an insulating
絶縁型変圧器3の1次巻線31と2次巻線32は互いに絶縁され、その巻き数比はN1:N2である。
The primary winding 31 and the secondary winding 32 of the
前記半導体スイッチング素子S11,S21,S31,S41,S51,S61,S71,S81は、例えばIGBTで構成され、後述する制御装置のゲート信号生成部で生成されたゲート信号によりスイッチング制御がなされる。 The semiconductor switching elements S11, S21, S31, S41, S51, S61, S71, and S81 are composed of, for example, IGBTs, and switching control is performed by a gate signal generated by a gate signal generating unit of the control device described later.
Vacp1は半導体スイッチング素子S11およびS21の共通接続点の電圧、Vacs1は半導体スイッチング素子S51およびS61の共通接続点の電圧を各々示している。 V acp1 indicates the voltage at the common connection point of semiconductor switching elements S11 and S21, and V acs1 indicates the voltage at the common connection point of semiconductor switching elements S51 and S61.
1次側単相インバータ1の直流側の正、負極端間には1次側コンデンサCinが接続され、2次側単相インバータ2の直流側の正、負極端間には2次側コンデンサCoutが接続されている。
A primary side capacitor Cin is connected between the positive and negative terminals on the DC side of the primary side single-
Vin1は1次側コンデンサCinの電圧、Voutは2次側コンデンサCoutの電圧を各々示している。 Vin1 indicates the voltage of the primary side capacitor Cin , and Vout indicates the voltage of the secondary side capacitor Cout .
前記1次側単相インバータ1、1次側コンデンサCin、絶縁型変圧器3、2次側単相インバータ2、2次側コンデンサCoutによって1台目のDABコンバータ101が構成され、このDABコンバータ101と同様に構成したn台のDABコンバータ101~10nが設けられている。
The first DAB converter 10-1 is constituted by the primary side single-
11は第1の直流電源であり、その正、負極端間にはn台のDABコンバータ101~10nの各1次側単相インバータ1の正、負極端が順次直列に接続されている。
12は、第2の直流電源であり、その正、負極端間にはn台のDABコンバータ101~10nの各2次側単相インバータ2の正、負極端が並列に接続されている。
1台目のDABコンバータ101の2次側単相インバータ2の正極端と第2の直流電源12の正極との間にはインダクタ22(L)が接続されている。尚、第2の直流電源12には例えば図示省略の負荷が接続されている。
An inductor 22 (L) is connected between the positive terminal of the secondary-side single-
Vccは第1の直流電源11の電圧、Vloadは第2の直流電源12の電圧を各々示している。
Vcc indicates the voltage of the first
1次側にインダクタ(L)を接続した構成を示す図1(b)では、図1(a)のインダクタ22に代えて、1台目のDABコンバータ101の1次側単相インバータ1の正極端と第1の直流電源11の正極との間にインダクタ21(L)が接続されており、その他の部分は図1(a)と同様に構成されている。
FIG. 1(b) shows a configuration in which an inductor (L) is connected to the primary side. Instead of the
尚、前記インダクタ21、22を接続しない構成であっても良い。
In addition, the
以下の明細書では、DABコンバータ(101~10n)の1台をセルと称することもある。また、図1(a),(b)の各部の電流、電圧は、図示省略の電流検出器、電圧検出器により各々検出されるものである。 In the following specification, each of the DAB converters (10 1 to 10 n ) may be referred to as a cell. The current and voltage of each part in Figures 1(a) and 1(b) are detected by current detectors and voltage detectors, respectively, not shown.
図2に、本実施形態例の制御装置におけるパルス幅制御方式の動作波形を示す。各DABコンバータ(101~10n)内のインバータ1、2の、上アーム側半導体スイッチング素子2つ(1次側を例にするとS11、S31)または下アーム側半導体スイッチング素子2つ(同じく1次側を例にするとS21、S41)を同時にON(図示パルス幅W11,W21)して出力電圧が零となる期間を設定している。このパルス幅制御を用いて1次側と2次側の直流電圧の差が大きい場合でもソフトスイッチング範囲を拡大する手法が検討されている。本実施形態例の制御は、方形波、片側もしくは両側パルス幅制御時に適用できる。
Figure 2 shows the operating waveforms of the pulse width control method in the control device of this embodiment. Two upper arm semiconductor switching elements (S11, S31 for the primary side) or two lower arm semiconductor switching elements (S21, S41 for the primary side) of the
本実施形態例の制御はDABコンバータ毎に制御系を分割しており、制御応答性および過渡動作時における効率の観点から以下に示す3つの実施例がある。 In this embodiment, the control system is divided for each DAB converter, and there are three examples shown below from the standpoint of control responsiveness and efficiency during transient operation.
実施例1における制御装置は、図3および図6の制御ブロックを備えている。図3において、30は、n台のDABコンバータ101~10nの1次側単相インバータ1および2次側単相インバータ2のゲートパルス幅の指令値W1(n),W2(n)(図2の動作波形で示した、各インバータの上アーム側半導体スイッチング素子または下アーム側半導体スイッチング素子を同時にONするパルス幅W11,W21)と、後述のフィードバック制御により決定された位相指令値θFB(n)に基づいて各DABコンバータ101~10nの1次側単相インバータ1および2次側単相インバータ2のゲート信号(S1(n),S2(n),S3(n),S4(n),S5(n),S6(n),S7(n),S8(n)を生成するゲート信号生成部である。
The control device in the first embodiment includes the control blocks shown in Fig. 3 and Fig. 6. In Fig. 3, 30 denotes a gate signal generating unit that generates gate signals ( S1 (n), S2(n), S3( n ) , S4(n), S5(n), S6(n), S7(n) , S8(n)) of the primary single-
前記パルス幅指令値W1(n),W2(n)は、各DABコンバータのnセル目の入力電圧(1次側コンデンサCinの電圧Vin(n))、出力電圧(2次側コンデンサCoutの電圧)Vout、絶縁型変圧器3の巻き数比N1/N2および電力指令値P*から、公知の技術に基づく方法によって決定する。
The pulse width command values W1 (n) and W2 (n) are determined by a method based on known technology from the input voltage (voltage Vin (n) of primary capacitor Cin ), output voltage Vout (voltage of secondary capacitor Cout ) of the nth cell of each DAB converter, turns ratio N1 / N2 of insulating
前記フィードバック制御により決定される位相指令値θFB(n)は、図6の制御ブロックにより生成される。図6(a)はインダクタ22を2次側に接続した図1(a)の装置に適用され、図6(b)はインダクタ21を1次側に接続した図1(b)の装置に適用される。
The phase command value θ FB(n) determined by the feedback control is generated by the control block in Fig. 6. Fig. 6(a) is applied to the device in Fig. 1(a) in which the
図6(a)において61は、インダクタ22に流れる電流(2次側直流電流))Iloadの検出値と、設定した電流指令値Iload
*を入力とし、その差分に対してPI制御を行うことで前記検出値を電流指令値に追従させる位相差指令値θacrを出力する電流制御部である。
In FIG. 6( a ),
62は、1台目のDABコンバータ101の2次側コンデンサCoutの電圧Voutを入力とし、インダクタ(22)と2次側コンデンサCoutによって発生する共振を抑制する位相差θdump1を出力するダンピング制御部である。
尚、ダンピング制御部62の入力としては、インダクタ22に流れる電流(2次側直流電流)Iloadを用いても良い。
Incidentally, the current (secondary side DC current) I load flowing through the
ダンピング制御部62および後述のダンピング制御部66は、例えば非特許文献4の図2に記載のダンピング回路が用いられる。
The damping
63は、電流制御部61の出力(位相差指令値θacr)からダンピング制御部62の出力(位相差θdump1)を減算して1セル目用の位相指令値θFB1を出力する減算器である。
尚、インダクタ22が無く共振の恐れがない場合や共振を許容できる場合はダンピング制御部62を省略してもよい。
In addition, if there is no
64は、1セル目のDABコンバータ101の1次側コンデンサCinの電圧Vin1とnセル目のDABコンバータ10nの1次側コンデンサCinの電圧Vin(n)を入力とし、両者の差分を制御器により増幅し、nセル目のコンデンサ電圧の偏差を低減する位相指令値θFB(n)(=位相差θbal(n))を出力するコンデンサ電圧バランス制御部である。
尚、前記1セル目の1次側コンデンサCinの電圧Vin1に代えて、第1の直流電源11の電圧Vccをセル数(DABコンバータの設置台数)で割った平均電圧値(Vcc/Ncell)を入力としてもよい。
In addition, instead of the voltage Vin1 of the primary side capacitor Cin of the first cell, an average voltage value ( Vcc / Ncell ) obtained by dividing the voltage Vcc of the first
図6(b)において65は、インダクタ21に流れる電流(1次側直流電流))Iinの検出値と、設定した電流指令値Iin
*を入力とし、その差分に対してPI制御を行うことで前記検出値を電流指令値に追従させる位相差指令値θacrを出力する電流制御部である。
In FIG. 6(b),
66は、1台目のDABコンバータ101の1次側コンデンサCinの電圧Vin1を入力とし、インダクタ(21)と1次側コンデンサCinによって発生する共振を抑制する位相差θdump1を出力するダンピング制御部である。
尚、ダンピング制御部66の入力としては、インダクタ21に流れる電流(1次側直流電流)Iinや第1の直流電源11の電圧(入力電圧)Vccのどちらか一方又は両方を用いても良い。
As an input to the damping
67は、電流制御部65の出力(位相差指令値θacr)からダンピング制御部66の出力(位相差θdump1)を減算して1セル目用の位相指令値θFB1を出力する減算器である。
尚、インダクタ21が無く共振の恐れがない場合や共振を許容できる場合はダンピング制御部66を省略してもよい。
In addition, if there is no
64は、図6(a)のコンデンサ電圧バランス制御部64と同一に構成されたコンデンサ電圧バランス制御部である。
64 is a capacitor voltage balance control unit configured in the same manner as the capacitor voltage
前記減算器63、67の減算出力θFB1(位相指令値)およびコンデンサ電圧バランス制御部64の出力θFB(n)(位相指令値)は、フィードバック制御により決定された位相指令値(θFB(n))としてゲート信号生成部30に入力される。
The subtraction outputs θ FB1 (phase command value) of the
1セル目(DABコンバータ101)の制御では、入力電力もしくは出力電力の制御である電流制御部(本実施形態例では電源電圧を一定とみなしているため)61,65の出力と、LC共振を抑制するダンピング制御部62,66の出力とを適用する。
In controlling the first cell (DAB converter 10 1 ), the outputs of
すなわちゲート信号生成部30は、電流制御部61又は65より出力される位相差指令値θacrからダンピング制御部62、66より出力される位相差θdump1を、減算器63又は67で減算してフィードバックされる位相指令値θFB1と、ゲートパルス幅の指令値W1(n),W2(n)によって1セル目のDABコンバータ101用のゲート信号を生成する。
That is, the gate
2セル目以降(DABコンバータ102以降)の制御では各セルのコンデンサ電圧のバランス制御を適用する。すなわちゲート信号生成部30は、コンデンサ電圧バランス制御部64からフィードバックされる位相指令値θFB(n)と、ゲートパルス幅の指令値W1(n),W2(n)によってnセル目のDABコンバータ10n用のゲート信号を生成する。
In the control of the second cell and thereafter (DAB converter 102 and thereafter), the balance control of the capacitor voltage of each cell is applied. That is, the gate
上記のように各セルで制御を分割することで、所望の制御を実現するためにセル間で必要な通信は入力電圧値およびコンデンサ電圧の検出値のみでよい。電流制御を行うのは1台目のセルのみなので、電流検出値の情報の各セル間での高速通信が不要である。また、入力が容量性の場合、入力電圧値は高速に変化しないため、セル間の通信負荷を削減できる。 By dividing the control among the cells as described above, the only communication required between cells to achieve the desired control is the input voltage value and the detected capacitor voltage value. Because only the first cell performs current control, high-speed communication of current detection value information between each cell is not required. Also, when the input is capacitive, the input voltage value does not change rapidly, reducing the communication load between cells.
また、セルの設置台数に関わらず本発明を適用することができ、セル数変更時の制御の変更点が少なく、設計時間の短縮が可能である。さらに本発明は、並列側の電力制御に限らず、直列側の電力制御でも適用可能である。 In addition, the present invention can be applied regardless of the number of installed cells, and there are few changes to the control when changing the number of cells, making it possible to shorten the design time. Furthermore, the present invention is not limited to parallel side power control, but can also be applied to series side power control.
以上のように実施例1によれば、セル間で通信する信号は、大きく変動しない入出力電圧およびコンデンサ電圧であるため、通信負荷を削減できる。したがって、通信負荷が多いときに適用が困難な光ケーブルや無線通信で制御系を構築でき、省配線化を実現できる。 As described above, according to the first embodiment, the signals communicated between cells are input/output voltages and capacitor voltages that do not fluctuate significantly, so the communication load can be reduced. Therefore, the control system can be constructed using optical cables or wireless communication, which is difficult to apply when the communication load is high, and wiring can be reduced.
実施例2における制御装置は、図4および図6の制御ブロックを備えている。実施例2では、電力制御の応答性向上のために、パルス幅と位相差の指令値を事前に計算する点に特徴がある。 The control device in the second embodiment includes the control blocks shown in Figs. 4 and 6. The second embodiment is characterized in that it calculates the command values for the pulse width and phase difference in advance to improve the responsiveness of the power control.
図4において41は、複数台のDABコンバータ101~10nの入力電圧(1次側コンデンサCinの電圧)Vin(n)、出力電圧(2次側コンデンサCoutの電圧)Vout、電力指令値P*および絶縁型変圧器3の巻き数比N1/N2から、パルス幅の指令値W1(n),W2(n)(図2の動作波形で示した、各インバータの上アーム側半導体スイッチング素子または下アーム側半導体スイッチング素子を同時にONするパルス幅W11,W21)と、位相差θFF(n)を計算する位相差・パルス幅計算部である。
In Figure 4,
位相差・パルス幅計算部41は、各DABコンバータのnセル目の入力電圧(1次側コンデンサC
in
の電圧V
in(n)
)、出力電圧(2次側コンデンサC
out
の電圧)V
out
、絶縁型変圧器3の巻き数比N
1
/N
2
および電力指令値P
*
から公知の技術を利用して計算を行う。
The phase difference/pulse
42は、位相差・パルス幅計算部41で計算された位相差θFF(n)から、図6の各制御部のフィードバック制御により決定された位相指令値θFB(n)を減算して位相差指令値θ(n)を出力する減算器である。
このように減算器42において、フィードバック制御の位相指令値θFBと位相差・パルス幅計算部41で計算された位相差θFFの差分をとることで、回路定数のずれや検出誤差などによる伝送電力と電力指令値P*との誤差が補正される。
In this manner, in the
43は、位相差・パルス幅計算部41で計算されたパルス幅W1(n),W2(n)と、減算器42から出力される位相指令値θ(n)に基づいて各DABコンバータ101~10nの1次側単相インバータ1および2次側単相インバータ2のゲート信号(S1(n),S2(n),S3(n),S4(n),S5(n),S6(n),S7(n),S8(n)を生成するゲート信号生成部である。
図6の前記減算器63、67の減算出力θFB1(位相指令値)およびコンデンサ電圧バランス制御部64の出力θFB(n)(位相指令値)は、フィードバック制御により決定された位相指令値(θFB(n))として図4の減算器42に入力され、位相差θFF(n)との偏差がとられる。
The subtraction output θ FB1 (phase command value) of the
1セル目(DABコンバータ101)の制御では、実施例1の場合と同様に電流制御部61,65の出力とダンピング制御部62,66の出力を適用する。
In the control of the first cell (DAB converter 10 1 ), the outputs of the
すなわちゲート信号生成部43は、減算器63又は67の出力がフィードバックされる位相指令値θFB1と位相差・パルス幅計算部41で計算された位相差θFF(n)との偏差を減算器42でとった位相指令値θ(n)と、ゲートパルス幅の指令値W1(n),W2(n)によって1セル目のDABコンバータ101用のゲート信号を生成する。
That is, the gate
2セル目以降(DABコンバータ102以降)の制御では各セルのコンデンサ電圧のバランス制御を適用する。すなわちゲート信号生成部43は、コンデンサ電圧バランス制御部64からフィードバックされる位相指令値θFB(n)と位相差・パルス幅計算部41で計算された位相差θFF(n)との偏差を減算器42でとった位相指令値θ(n)と、ゲートパルス幅の指令値W1(n),W2(n)によってnセル目のDABコンバータ10n用のゲート信号を生成する。
In the control of the second cell and thereafter (DAB converter 102 and thereafter), the balance control of the capacitor voltage of each cell is applied. That is, the gate
以上のように位相差・パルス幅計算部41においてフィードフォワード的にパルス幅および位相差を計算することで電力制御の応答性を向上できる。しかし、セルの損失、デッドタイムやゲートドライバの遅延などによって、計算値通りにパルス幅や位相差が出力されず、電力が指令値に対して偏差が発生するため、検出値と指令値との差分に対してのみフィードバック制御を行う(電流制御部61,65)。そのため、フィードバック制御の応答を高速化する必要がない。
As described above, the responsiveness of power control can be improved by calculating the pulse width and phase difference in a feedforward manner in the phase difference/pulse
尚、前述の偏差は過渡条件のときのみに発生するため、電力制御の精度への影響度は低い。 Furthermore, since the aforementioned deviation occurs only under transient conditions, its impact on the accuracy of power control is low.
以上のように実施例2によれば、位相差・パルス幅計算部を追加したので、電力制御の応答性が向上できる。さらに、コンデンサ電圧のアンバランス率に合わせて(コンデンサ電圧バランス制御部64の出力に応じて)各セルのパルス幅を変化させるため、コンデンサ電圧バランス制御の過渡状態における電力変換効率が向上できる。 As described above, according to the second embodiment, the phase difference and pulse width calculation unit is added, so that the responsiveness of the power control can be improved. Furthermore, since the pulse width of each cell is changed according to the imbalance rate of the capacitor voltage (according to the output of the capacitor voltage balance control unit 64), the power conversion efficiency in the transient state of the capacitor voltage balance control can be improved.
実施例3における制御装置は、図5および図6の制御ブロックを備えている。実施例3では、実施例2における位相差・パルス幅計算部41の入力パラメータの一部を変更して1セル目のパルス幅指令および位相差θFFを計算し、その1セル目のパルス幅指令および位相差θFFを2セル目以降のDABコンバータの制御に使用する。
The control device in the third embodiment includes the control blocks in Fig. 5 and Fig. 6. In the third embodiment, some of the input parameters of the phase difference/pulse
1セル目の制御ブロックを示す図5(a)において、51は、前記第1の直流電源11の電圧VccをDABコンバータの設置台数Ncellで割った平均電圧値Vcc/Ncell(入力電圧平均値)、第2の直流電源12の電圧Vload、電力指令値P*および絶縁型変圧器3の1次巻線と2次巻線の巻き数比N1/N2を入力とし、1セル目のDABコンバータ101のインバータ1、2のパルス幅W11,W21と位相差θFF1を計算する位相差・パルス幅計算部である。
In Figure 5 (a) showing the control block of the first cell, 51 is a phase difference/pulse width calculation unit that receives as input the average voltage value Vcc / Ncell (average input voltage value) obtained by dividing the voltage Vcc of the first
52は、位相差・パルス幅計算部51で計算された位相差θFF1から、図6の各制御部のフィードバック制御により決定された位相指令値θFB1を減算して位相差指令値θ1を出力する減算器である。
A
53は、位相差・パルス幅計算部51で計算されたパルス幅W11,W21と、減算器52から出力される位相指令値θ1に基づいて1セル目のDABコンバータ101の1次側単相インバータ1および2次側単相インバータ2のゲート信号(S11,S21,S31,S41,S51,S61,S71,S81)を生成するゲート信号生成部である。
2セル目以降のDABコンバータの制御ブロックを示す図5(b)において、54は、図5(a)の位相差・パルス幅計算部51で計算された1セル目の位相差θFF1から図6の各制御部のフィードバック制御により決定された2セル目以降の位相指令値θFB(n)を減算して2セル目以降の位相差指令値θ(n)を出力する減算器である。
In FIG. 5(b) showing the control block of the DAB converter for the second cell onward,
図5(b)のゲート信号生成部53は、位相差・パルス幅計算部51で計算された1セル目のパルス幅W11,W21と、減算器54の出力である位相差指令値θ(n)に基づいて、2セル目以降のDABコンバータ102~10nの1次側単相インバータ1および2次側単相インバータ2のゲート信号(S1(n),S2(n),S3(n),S4(n),S5(n),S6(n),S7(n),S8(n)を生成する。
The gate
図6のコンデンサ電圧バランス制御部64の過渡動作中はコンデンサ電圧の偏差があるため、パルス幅と位相差が変化する。パルス幅の変化はコンデンサ電圧バランス制御およびダンピング制御の外乱になるため、コンデンサ電圧が大きく変動する場合、コンデンサ電圧バランス制御とダンピング制御の応答性が悪化する。
During the transient operation of the capacitor voltage
この問題を解決するために本実施例3では位相差、パルス幅の計算には入力電圧平均値(Vcc/Ncell)を入力とし、コンデンサ電圧のアンバランス率に関係なく全セルの制御系で同じ位相差、パルス幅(θFF1,W11,W21)を使用する。これにより、コンデンサ電圧の変動によるコンデンサ電圧バランス制御部64とダンピング制御部62,66への外乱が低減できるため、応答性を改善できる。
To solve this problem, in this
このように電圧バランス制御の応答性が向上するため、入力コンデンサ容量を小さくでき、装置の小型化が可能である。 In this way, the responsiveness of the voltage balance control is improved, allowing the input capacitor capacity to be reduced, making it possible to miniaturize the device.
1…1次側単相インバータ
2…2次側単相インバータ
3…絶縁型変圧器
101~10n…DABコンバータ
11…第1の直流電源
12…第2の直流電源
21,22…インダクタ
30,43,53…ゲート信号生成部
41,51…位相差・パルス幅計算部
42,52,54,63,67…減算器
61,65…電流制御部
62,66…ダンピング制御部
64…コンデンサ電圧バランス制御部
REFERENCE SIGNS
Claims (5)
前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの正、負極端を、第1の直流電源の正、負極端間に直列接続し、前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの正、負極端を、第2の直流電源の正、負極端間に並列接続して構成した双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源又は第2の直流電源に流れる電流を、設定した電流指令値に追従させる、1次側単相インバータの電圧と2次側単相インバータの電圧との位相差の位相差指令値を出力する電流制御部と、
1台目の前記DABコンバータの1次側コンデンサの電圧、又は第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値と、n台目(nは2以上の正数)のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧とを入力とし、n台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧の偏差を低減する位相指令値を出力するコンデンサ電圧バランス制御部と、
前記複数台のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧、2次側コンデンサの電圧、絶縁型変圧器の1次巻線と2次巻線の巻き数比および電力指令値から決定した、複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲートパルス幅の指令値と、前記電流制御部での前記電流指令値と電流検出値との差に基づくフィードバック制御により決定される位相差指令値から算出された位相指令値に基づいて、前記1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる位相差指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によって1台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成し、前記コンデンサ電圧バランス制御部からフィードバックされる位相指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によってn台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成することを特徴とする双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置。 A plurality of DAB (Dual Active Bridge) converters are provided, the DAB converters including a primary single-phase inverter having an AC side connected to a primary winding of an insulating transformer, a secondary single-phase inverter having an AC side connected to a secondary winding of the insulating transformer, a primary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the primary single-phase inverter, and a secondary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the secondary single-phase inverter,
A control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, the control device being configured by connecting the positive and negative terminals of each of the primary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in series between the positive and negative terminals of a first DC power source, and connecting the positive and negative terminals of each of the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in parallel between the positive and negative terminals of a second DC power source,
The control device includes:
a current control unit that outputs a phase difference command value of a phase difference between a voltage of a primary side single-phase inverter and a voltage of a secondary side single-phase inverter, the phase difference command value being used to make a current flowing through the first DC power source or the second DC power source follow a set current command value;
a capacitor voltage balance control unit which receives as input the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter or an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power source by the number of installed DAB converters, and the voltage of the primary capacitor of an n-th DAB converter (n is a positive number of 2 or more), and outputs a phase command value for reducing the deviation of the voltage of the primary capacitor of the n-th DAB converter;
a gate signal generating unit that generates gate signals for the primary single-phase inverter and the secondary single-phase inverter based on a command value for gate pulse widths of the primary single-phase inverter and the secondary single-phase inverter of the multiple DAB converters, the command values being determined from a voltage of a primary capacitor of the multiple DAB converters, a voltage of a secondary capacitor, a turns ratio between a primary winding and a secondary winding of an insulating transformer, and a power command value, and a phase command value calculated from a phase difference command value determined by feedback control based on a difference between the current command value and a current detection value in the current control unit,
The control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, characterized in that the gate signal generating unit generates a gate signal for a first DAB converter based on a phase difference command value and a gate pulse width command value fed back from the current control unit, and generates a gate signal for an n-th DAB converter based on a phase command value and a gate pulse width command value fed back from the capacitor voltage balance control unit.
前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの正、負極端を、第1の直流電源の正、負極端間に直列接続し、前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの正、負極端を、第2の直流電源の正、負極端間に並列接続して構成した双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源又は第2の直流電源に流れる電流を、設定した電流指令値に追従させる、1次側単相インバータの電圧と2次側単相インバータの電圧との位相差の位相差指令値を出力する電流制御部と、
1台目の前記DABコンバータの1次側コンデンサの電圧、又は第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値と、n台目(nは2以上の正数)のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧とを入力とし、n台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧の偏差を低減する位相指令値を出力するコンデンサ電圧バランス制御部と、
1台目の前記DABコンバータの1次側コンデンサの電圧、2次側コンデンサの電圧、絶縁型変圧器の1次巻線と2次巻線の巻き数比および電力指令値から、複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲートパルス幅の指令値と、位相差を計算する位相差・パルス幅計算部と、
前記位相差・パルス幅計算部で計算されたゲートパルス幅の指令値と、位相差・パルス幅計算部で計算された位相差から、前記電流制御部での前記電流指令値と電流検出値との差に基づくフィードバック制御により決定された位相指令値を減算した位相差指令値とに基づいて、前記複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる位相差指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によって1台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成し、前記コンデンサ電圧バランス制御部からフィードバックされる位相指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と前記ゲートパルス幅の指令値によってn台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成することを特徴とする双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置。 A plurality of DAB (Dual Active Bridge) converters are provided, the DAB converters including a primary single-phase inverter having an AC side connected to a primary winding of an insulating transformer, a secondary single-phase inverter having an AC side connected to a secondary winding of the insulating transformer, a primary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the primary single-phase inverter, and a secondary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the secondary single-phase inverter,
A control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, the control device being configured by connecting the positive and negative terminals of each of the primary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in series between the positive and negative terminals of a first DC power source, and connecting the positive and negative terminals of each of the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in parallel between the positive and negative terminals of a second DC power source,
The control device includes:
a current control unit that outputs a phase difference command value of a phase difference between a voltage of a primary side single-phase inverter and a voltage of a secondary side single-phase inverter, the phase difference command value being used to make a current flowing through the first DC power source or the second DC power source follow a set current command value;
a capacitor voltage balance control unit which receives as input the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter or an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power source by the number of installed DAB converters, and the voltage of the primary capacitor of an n-th DAB converter (n is a positive number of 2 or more), and outputs a phase command value for reducing the deviation of the voltage of the primary capacitor of the n-th DAB converter;
a phase difference/pulse width calculation unit that calculates gate pulse width command values and phase differences of the primary single-phase inverter and the secondary single-phase inverter of the multiple DAB converters from the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter, the voltage of the secondary capacitor, the turns ratio of the primary winding and the secondary winding of the insulating transformer, and a power command value;
a gate signal generating unit that generates gate signals for a primary side single-phase inverter and a secondary side single-phase inverter of the plurality of DAB converters based on a command value of a gate pulse width calculated by the phase difference/pulse width calculating unit and a phase difference command value obtained by subtracting a phase command value determined by feedback control based on a difference between the current command value and a current detection value in the current control unit from the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculating unit,
The control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, characterized in that the gate signal generating unit generates a gate signal for a first DAB converter based on a phase difference command value that is the difference between the phase difference command value fed back from the current control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and a command value for the gate pulse width, and generates a gate signal for an n-th DAB converter based on a phase difference command value that is the difference between the phase difference command value fed back from the capacitor voltage balance control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and a command value for the gate pulse width.
前記複数台のDABコンバータの各1次側単相インバータの正、負極端を、第1の直流電源の正、負極端間に直列接続し、前記複数台のDABコンバータの各2次側単相インバータの正、負極端を、第2の直流電源の正、負極端間に並列接続して構成した双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置において、
前記制御装置は、
前記第1の直流電源又は第2の直流電源に流れる電流を、設定した電流指令値に追従させる、1次側単相インバータの電圧と2次側単相インバータの電圧との位相差の位相差指令値を出力する電流制御部と、
1台目の前記DABコンバータの1次側コンデンサの電圧、又は第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値と、n台目(nは2以上の正数)のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧とを入力とし、n台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧の偏差を低減する位相指令値を出力するコンデンサ電圧バランス制御部と、
前記第1の直流電源の電圧をDABコンバータの設置台数で割った平均電圧値、前記第2の直流電源の電圧、絶縁型変圧器の1次巻線と2次巻線の巻き数比および電力指令値から、1台目のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲートパルス幅の指令値と、位相差を計算する位相差・パルス幅計算部と、
前記位相差・パルス幅計算部で計算されたゲートパルス幅の指令値と、位相差・パルス幅計算部で計算された位相差から、前記電流制御部での前記電流指令値と電流検出値との差に基づくフィードバック制御により決定された位相指令値を減算した位相差指令値とに基づいて、前記複数台のDABコンバータの1次側単相インバータおよび2次側単相インバータのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる1台目のDABコンバータの位相差指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と、前記ゲートパルス幅の指令値によって1台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成し、前記コンデンサ電圧バランス制御部からフィードバックされるn台目のDABコンバータの位相指令値と前記位相差・パルス幅計算部で計算された位相差の差分である位相差指令値と、前記ゲートパルス幅の指令値によってn台目のDABコンバータ用のゲート信号を生成することを特徴とする双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置。 A plurality of DAB (Dual Active Bridge) converters are provided, the DAB converters including a primary single-phase inverter having an AC side connected to a primary winding of an insulating transformer, a secondary single-phase inverter having an AC side connected to a secondary winding of the insulating transformer, a primary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the primary single-phase inverter, and a secondary capacitor connected between positive and negative terminals of a DC side of the secondary single-phase inverter,
A control device for a bidirectional isolated DC-DC converter, the control device being configured by connecting the positive and negative terminals of each of the primary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in series between the positive and negative terminals of a first DC power source, and connecting the positive and negative terminals of each of the secondary side single-phase inverters of the plurality of DAB converters in parallel between the positive and negative terminals of a second DC power source,
The control device includes:
a current control unit that outputs a phase difference command value of a phase difference between a voltage of a primary side single-phase inverter and a voltage of a secondary side single-phase inverter, the phase difference command value being used to make a current flowing through the first DC power source or the second DC power source follow a set current command value;
a capacitor voltage balance control unit which receives as input the voltage of the primary capacitor of the first DAB converter or an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power source by the number of installed DAB converters, and the voltage of the primary capacitor of an n-th DAB converter (n is a positive number of 2 or more), and outputs a phase command value for reducing the deviation of the voltage of the primary capacitor of the n-th DAB converter;
a phase difference/pulse width calculation unit that calculates a gate pulse width command value and a phase difference of a primary side single-phase inverter and a secondary side single-phase inverter of a first DAB converter from an average voltage value obtained by dividing the voltage of the first DC power source by the number of installed DAB converters, the voltage of the second DC power source, a turns ratio of a primary winding and a secondary winding of an insulating transformer, and a power command value;
a gate signal generating unit that generates gate signals for a primary side single-phase inverter and a secondary side single-phase inverter of the plurality of DAB converters based on a command value of a gate pulse width calculated by the phase difference/pulse width calculating unit and a phase difference command value obtained by subtracting a phase command value determined by feedback control based on a difference between the current command value and a current detection value in the current control unit from the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculating unit,
The gate signal generating unit generates a gate signal for the first DAB converter based on a phase difference command value, which is the difference between the phase difference command value of the first DAB converter fed back from the current control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and a gate pulse width command value, and generates a gate signal for the nth DAB converter based on a phase difference command value, which is the difference between the phase difference command value of the nth DAB converter fed back from the capacitor voltage balance control unit and the phase difference calculated by the phase difference/pulse width calculation unit, and a gate pulse width command value.
前記インダクタに流れる電流に基づくか、又はインダクタが第2の直流電源に対して直列に接続されている場合は1台目のDABコンバータの2次側コンデンサの電圧に、インダクタが第1の直流電源に対して直列に接続されている場合は、第1の直流電源の電圧、又は1台目のDABコンバータの1次側コンデンサの電圧に基づいて、ダンピング制御を行ってインダクタおよびコンデンサによって発生する共振を抑制する位相差を出力するダンピング制御部とを備え、
前記ゲート信号生成部は、前記電流制御部からフィードバックされる位相差指令値に代えて、前記電流制御部より出力される位相差指令値から前記ダンピング制御部より出力される位相差を減算してフィードバックされる位相指令値を用いてゲート信号を生成することを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載の双方向絶縁型DC-DCコンバータの制御装置。 an inductor connected in series to the first DC power source between the first DC power source and the DC side of each of the primary single-phase inverters of the plurality of DAB converters, or connected in series to the second DC power source between the second DC power source and the DC side of each of the secondary single-phase inverters of the plurality of DAB converters;
a damping control section that performs damping control based on a current flowing through the inductor, or based on a voltage of a secondary capacitor of the first DAB converter when the inductor is connected in series to a second DC power source, and based on a voltage of the first DC power source or a voltage of a primary capacitor of the first DAB converter when the inductor is connected in series to a first DC power source, and outputs a phase difference that suppresses resonance generated by the inductor and the capacitor;
4. The control device for a bidirectional isolated DC-DC converter according to claim 1, wherein the gate signal generation unit generates a gate signal by using a phase command value that is fed back by subtracting the phase difference output by the damping control unit from the phase difference command value output by the current control unit, instead of the phase difference command value fed back from the current control unit.
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Zhen Zhang,ISOP DAB Application to the Test of Batteries,2021 IEEE 4th International Conference on Renewable Energy and Power Engineering,米国,IEEE,2021年10月09日,43-47,Https://ieeexplore.ieee.org/document/9617068 |
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