JP7835267B2 - DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter and its control method - Google Patents
DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter and its control methodInfo
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Description
本発明は、直流電力をインバータにより交流電力に変換し、トランスを用いて絶縁し、別のインバータで直流に変換するデュアルアクティブブリッジ(DAB)方式の双方向絶縁型DC/DCコンバータの直列接続における電圧バランス制御に関する。 This invention relates to voltage balance control in a series connection of a dual active bridge (DAB) type bidirectional isolated DC/DC converter, which converts DC power to AC power using an inverter, isolates it using a transformer, and converts it back to DC using another inverter.
非特許文献1、特許文献1~3は補助コンバータを用いてコンデンサ電圧のバランスを制御する方式である。補助コンバータを用いることでいかなる条件においてもコンデンサ電圧の偏差を非常に小さく保つことができる。 Non-patent document 1 and patent documents 1-3 describe a method for controlling the balance of capacitor voltage using an auxiliary converter. By using an auxiliary converter, the deviation of the capacitor voltage can be kept very small under any conditions.
非特許文献1,特許文献1は補助コンバータとしてDAB方式のコンバータを、特許文献2はチョッパを、特許文献3は共振回路と倍電圧整流回路を用いている。特許文献3の補助コンバータは受動素子のみで構成されているため、別途制御手段を用いることなくコンデンサ電圧をバランスさせることができる。 Non-patent document 1 and patent document 1 use a DAB type converter as an auxiliary converter, patent document 2 uses a chopper, and patent document 3 uses a resonant circuit and a voltage doubler rectifier circuit. Since the auxiliary converter in patent document 3 is composed only of passive elements, the capacitor voltage can be balanced without the use of separate control means.
特許文献4は、DABユニットの一端にブリッジセルを接続し、ブリッジセルのカスケード接続構成を電源に接続した構成である。ブリッジセルのカスケード接続構成ではコンデンサ電圧のバランス制御方法が確立されていて、また、電源が交流でも対応できる。電源が直流のみの場合はブリッジセルをチョッパセルに置換することで半導体素子数を少なくすることができる。DABユニットのもう一端には切替機を接続し、負荷の台数や容量に応じて自由にDABユニットの並列台数を切り替えることができる。 Patent Document 4 describes a configuration in which a bridge cell is connected to one end of a DAB unit, and the cascaded bridge cell configuration is connected to a power supply. A method for balancing the capacitor voltage has been established for this cascaded bridge cell configuration, and it can also handle AC power supplies. If the power supply is DC only, the number of semiconductor elements can be reduced by replacing the bridge cell with a chopper cell. A switch is connected to the other end of the DAB unit, allowing the number of parallel DAB units to be freely switched according to the number and capacity of the load.
しかし、非特許文献1、特許文献1~3の構成では、追加した補助コンバータの分だけ部品点数・コスト・装置容積が増加してしまう。特許文献1ではM直列構成に対してM-1台の補助コンバータが必要となる。 However, in the configurations described in Non-Patent Document 1 and Patent Documents 1-3, the number of components, cost, and device volume increase due to the addition of auxiliary converters. Patent Document 1 requires M-1 auxiliary converters for an M-series configuration.
非特許文献1では入力3直列3並列・出力9直列の構成に対し2台の補助コンバータが必要となる。また、補助コンバータの容量設計も問題となる。 Non-patent document 1 describes a configuration with 3 series and 3 parallel inputs and 9 series outputs, requiring two auxiliary converters. Furthermore, the design of the auxiliary converter capacities also presents a problem.
例えば、非特許文献1では半導体損失のばらつきとリアクトルのばらつきを考慮した設計例が記載されている。しかし、これ以外の例えば直流コンデンサの経年劣化による漏れ電流増加には対応できず、バランス維持が不可能となる。余裕を持って容量を設計すると、コストや装置容積が増加してしまう。また、非特許文献1、特許文献1,2の構成では補助回路の制御手段が別途必要となり、検出器や制御基板の分だけコストが増加してしまう。 For example, Non-Patent Document 1 describes a design example that takes into account variations in semiconductor losses and reactors. However, it cannot accommodate other factors, such as the increase in leakage current due to the aging of DC capacitors, making it impossible to maintain balance. Designing the capacitance with a margin increases costs and device volume. Furthermore, the configurations in Non-Patent Document 1 and Patent Documents 1 and 2 require separate control means for auxiliary circuits, increasing costs due to the presence of detectors and control boards.
特許文献3の構成であれば制御手段が不要である。しかし、調整電圧の設計が困難である。調整電圧が過剰であれば、コンデンサ電圧がバランスされていても補助コンバータを介して上下のDABユニットを電流が循環し続け損失が増加してしまう。調整電圧が不足しているとコンデンサ電圧のバランスが大きく崩れてから電流が補助コンバータを流れ始め、コンデンサ電圧の偏差が拡大してしまう。 The configuration described in Patent Document 3 eliminates the need for control means. However, designing the adjustment voltage is difficult. If the adjustment voltage is excessive, even if the capacitor voltage is balanced, current will continue to circulate between the upper and lower DAB units via the auxiliary converter, increasing losses. If the adjustment voltage is insufficient, the capacitor voltage balance will be greatly disrupted before current begins to flow through the auxiliary converter, exacerbating the capacitor voltage deviation.
特許文献4では、一端に接続するブリッジセル・チョッパセルの分だけ部品点数・コスト・装置容積が増加してしまう。また、もう一端には切替機も必要となりこれも部品点数・コスト・装置容積増加の原因となる。特に切替機ではユニットM台・負荷M台に対してM×M個のスイッチが必要となり、部品点数が大幅に増加する。スイッチを機械接点にすれば寿命が問題となり、直流電流に対応した遮断器は大型・高コストである。半導体スイッチを用いる場合は電圧降下による損失増加が問題となる。 Patent Document 4 shows that the number of parts, cost, and device volume increase due to the bridge cell/chopper cell connected to one end. Furthermore, a switch is required at the other end, which also increases the number of parts, cost, and device volume. In particular, the switch requires M x M switches for M units and M loads, significantly increasing the number of parts. Using mechanical contacts for the switches presents lifespan issues, and circuit breakers designed for DC current are large and expensive. Using semiconductor switches presents problems with increased losses due to voltage drop.
DAB方式のコンバータは入力側と出力側が絶縁されているため、複数台を直並列に接続することができる。並列に接続して大電流の直流電力の変換と絶縁を行うほか、一端を直列に接続することで高圧の電力から低圧大電流の電力への双方向の変換も行うことができる。また、DABユニットを1台設計しそれを量産すれば、複数台を直並列に接続することで高圧・大電力の変換に対応することができる。 Because DAB converters have isolation between the input and output sides, multiple units can be connected in series and parallel. In addition to converting and isolating high-current DC power when connected in parallel, bidirectional conversion from high-voltage power to low-voltage, high-current power is possible by connecting one end in series. Furthermore, by designing and mass-producing a single DAB unit, multiple units can be connected in series and parallel to handle high-voltage and high-power conversion.
その際に問題となるのが、直列に接続した一端のコンデンサ電圧バランスである。電圧バランスが崩れると特定のDABユニットに電圧責務が集中し、ユニットの過熱やスイッチングサージによる素子の破壊・過電圧による部品の破壊といった問題が生じる。もう一端が並列接続であれば、並列側を経由して別ユニットへの直流コンデンサの電荷を移動でき、直列コンデンサ電圧バランスを維持できる。 The problem in this case is the voltage balance of the capacitor at one end of the series connection. If the voltage balance is disrupted, the voltage load concentrates on a specific DAB unit, leading to problems such as overheating of the unit, component failure due to switching surges, and component failure due to overvoltage. If the other end is connected in parallel, charge from the DC capacitor can be transferred to another unit via the parallel connection, maintaining the series capacitor voltage balance.
しかし、両端が直列接続の場合は電荷の移動が同一ユニット内に限られてしまい、バランス維持は困難である。 However, when both ends are connected in series, charge movement is limited to within the same unit, making it difficult to maintain balance.
以上示したようなことから、両端が直列接続されたDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータにおいて、コンデンサ電圧バランスを均等にすることが課題となる。 For the reasons described above, achieving equal capacitor voltage balance in a DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter with both ends connected in series becomes a challenge.
本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、1次側直流電源と、2次側直流電源と、前記1次側直流電源と前記2次側直流電源との間に接続された第1ユニット~第m(m:2以上の整数)ユニットと、を備えたDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータであって、前記1次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの1次側直流コンデンサと、前記2次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの2次側直流コンデンサと、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記1次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第1インバータと、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記2次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第2インバータと、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第1インバータの交流側にそれぞれ1次巻線が接続され、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第2インバータの交流側にそれぞれ2次巻線が接続された前記第1ユニット~前記第mユニットのトランスと、前記第1,第2インバータのゲート信号を生成する制御部と、を備え、前記制御部は、各ユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が等しくなるように各ユニットの前記第1インバータと前記第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御することを特徴とする。 The present invention was devised in view of the above-mentioned conventional problems, and one embodiment thereof is a DAB type bidirectional isolated DC/DC converter comprising a primary DC power supply, a secondary DC power supply, and a first unit to the mth unit (m: an integer of 2 or more) connected between the primary DC power supply and the secondary DC power supply, wherein the primary DC capacitors of the first unit to the mth unit are connected in series between the positive and negative terminals of the primary DC power supply, the secondary DC capacitors of the first unit to the mth unit are connected in series between the positive and negative terminals of the secondary DC power supply, and the first inverters of the first unit to the mth unit are connected to the primary DC capacitors of the first unit to the mth unit, respectively. The system comprises: a transformer; second inverters for the first to m units, each connected to the secondary DC capacitors of the first to m units; transformers for the first to m units, each having a primary winding connected to the AC side of the first inverter and a secondary winding connected to the AC side of the second inverter; and a control unit that generates gate signals for the first and second inverters. The control unit controls the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of each unit so that the DC capacitor voltages upstream of the power transmission of each unit are equal.
また、その一態様として、前記制御部は、第k(k=1~mの整数)ユニットの1次側直流コンデンサ電圧と第kユニットのアンバランス電圧指令値の和から1次側直流コンデンサ電圧平均値を減算し、第kユニットの1次側電圧偏差を算出する第1減算器と、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧と第kユニットの前記アンバランス電圧指令値の和から2次側直流コンデンサ電圧平均値を減算し、第kユニットの2次側電圧偏差を算出する第2減算器と、前記トランスの巻数比が1次巻線:2次巻線=1:nの時に、前記2次側電圧偏差に-1/nを乗算し、または、前記2次側電圧偏差に-1を乗算し、前記1次側電偏差にnを乗算する巻数比乗算器と、電力指令値が第1閾値よりも大きい場合は前記1次側電圧偏差を増幅し、前記電力指令値が第2閾値よりも小さい場合は前記2次側電圧偏差を増幅し、前記電力指令値が第2閾値以上第1閾値未満の場合は前記1次側電圧偏差または前記2次側電圧偏差のどちらか、あるいは両方の和を増幅し、あるいは0を第kユニットの位相として出力する第1アンプと、前記第kユニットの位相に位相指令値を加算して位相差指令値として出力する第2加算器とを備え、前記位相差指令値に基づいて第kユニットの前記第1インバータと前記第2インバータを制御することを特徴とする。 Furthermore, in one embodiment, the control unit includes a first subtractor that calculates the primary voltage deviation of the k-th unit by subtracting the average value of the primary DC capacitor voltage from the sum of the primary DC capacitor voltage of the k-th unit and the unbalanced voltage command value of the k-th unit; a second subtractor that calculates the secondary voltage deviation of the k-th unit by subtracting the average value of the secondary DC capacitor voltage from the sum of the secondary DC capacitor voltage of the k-th unit and the unbalanced voltage command value of the k-th unit; and, when the turns ratio of the transformer is primary winding:secondary winding = 1:n, multiplying the secondary voltage deviation by -1/n, or multiplying the secondary voltage deviation by -1, and then... The system comprises a turns ratio multiplier that multiplies the secondary voltage deviation by n, a first amplifier that amplifies the primary voltage deviation when the power command value is greater than a first threshold, amplifies the secondary voltage deviation when the power command value is less than a second threshold, and amplifies the sum of either the primary voltage deviation or the secondary voltage deviation, or both, or outputs 0 as the phase of the k-th unit when the power command value is greater than or equal to the second threshold and less than the first threshold, and a second adder that adds a phase command value to the phase of the k-th unit and outputs a phase difference command value, and controls the first and second inverters of the k-th unit based on the phase difference command value.
また、その一態様として、第kユニットの前記アンバランス電圧指令値を0とすることを特徴とする。 Furthermore, one embodiment of this configuration is characterized by setting the unbalanced voltage command value of the k-th unit to 0.
また、他の態様として、前記制御部は、第k(k=1~mの整数)ユニットの前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が他のユニットに比べて大きい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が小さくなるよう第kユニットの前記第1インバータと前記第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御し、第kユニットの前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が他のユニットに比べて小さい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が大きくなるよう第kユニットの前記第1インバータと前記第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御することを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit controls the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit so that the DC capacitor voltage upstream of the power transmission of the k-th unit decreases when the total energy stored in the primary and secondary DC capacitors of the k-th unit is larger than that of other units, and controls the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit so that the DC capacitor voltage upstream of the power transmission of the k-th unit increases when the total energy stored in the primary and secondary DC capacitors of the k-th unit is smaller than that of other units.
また、他の態様として、前記制御部は、第k(k=1~mの整数)ユニットの電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が他のユニットに比べて大きい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が小さくなるよう第kユニットの前記第1インバータと前記第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御し、第kユニットの電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が他のユニットに比べて小さい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が大きくなるよう第kユニットの前記第1インバータと前記第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御することを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit controls the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit so that when the DC capacitor voltage downstream of the k-th unit's power transmission is larger than that of other units, the DC capacitor voltage upstream of the k-th unit's power transmission is smaller, and when the DC capacitor voltage downstream of the k-th unit's power transmission is smaller than that of other units, the control unit controls the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit so that the DC capacitor voltage upstream of the k-th unit's power transmission is larger.
また、他の態様として、前記制御部は、第kユニットの前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値と、前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値の全ユニットの平均値と、の第1エネルギー偏差を算出する第7減算器と、前記第1エネルギー偏差を増幅し第kユニットの前記アンバランス電圧指令値として出力する第2アンプと、を備えたことを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit is characterized by comprising: a seventh subtractor that calculates a first energy deviation between the total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of the k-th unit and the average value of the total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of all units; and a second amplifier that amplifies the first energy deviation and outputs it as the unbalanced voltage command value of the k-th unit.
また、他の態様として、前記制御部は、前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit is characterized by reducing the operating power factor of a unit whose total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor is not the smallest among all units.
また、他の態様として、前記制御部は、電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit is characterized by reducing the operating power factor of a unit whose DC capacitor voltage downstream of the power transmission is not the minimum among all units.
また、他の態様として、前記制御部は、第kユニットの前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値と、全ユニットのうち前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値の最小値と、の偏差である第2エネルギー偏差を算出する第9減算器と、前記第2エネルギー偏差を増幅する第3アンプと、第kユニットの1次側パルス幅指令値と第kユニットの2次側パルス幅指令値のうち小さい方に前記第3アンプの出力を加算する第7加算器と、前記第7加算器の出力を上限値、下限値内に制限する第1リミッタと、前記第1リミッタの入力値と出力値の差分を算出する第10減算器と、第kユニットの前記1次側パルス幅指令値と第kユニットの前記2次側パルス幅指令値のうち大きい方から、前記第1リミッタの入力値と出力値の差分を減算する第11減算器と、前記第11減算器の出力を上限値、下限値内に制限する第2リミッタと、第kユニットの前記1次側パルス幅指令値が第kユニットの前記2次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第2リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第1リミッタの出力を出力する第4スイッチと、第kユニットの前記1次側パルス幅指令値が第kユニットの前記2次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第1リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第2リミッタの出力を出力する第5スイッチと、前記トランスの巻数比が1次巻線:2次巻線=1:nの時に、第kユニットの1次側交流電流検出値を1/n倍し、または、第kユニットの2次側交流電流検出値をn倍する第1乗算器と、前記第4スイッチの出力に、第kユニットの1次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を加算して第kユニットの1次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第3加算器と、前記第4スイッチの出力から、第kユニットの1次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を減算して第kユニットの1次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第5減算器と、前記第5スイッチの出力に、第kユニットの2次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を加算して第kユニットの2次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第4加算器と、前記第5スイッチの出力から、第kユニットの2次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を減算して第kユニットの2次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第6減算器と、を備えたことを特徴とする。 In another embodiment, the control unit includes a ninth subtractor that calculates a second energy deviation, which is the difference between the total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of the k-th unit and the minimum total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of all units; a third amplifier that amplifies the second energy deviation; a seventh adder that adds the output of the third amplifier to the smaller of the primary pulse width command value of the k-th unit and the secondary pulse width command value of the k-th unit; and a control unit that limits the output of the seventh adder to an upper limit and a lower limit. A first limiter, a tenth subtractor that calculates the difference between the input and output values of the first limiter, an eleventh subtractor that subtracts the difference between the input and output values of the first limiter from the larger of the primary pulse width command value of the kth unit and the secondary pulse width command value of the kth unit, a second limiter that limits the output of the eleventh subtractor to an upper and lower limit, a fourth switch that outputs the output of the second limiter if the primary pulse width command value of the kth unit is greater than the secondary pulse width command value of the kth unit, and outputs the output of the first limiter otherwise, and the kth unit A fifth switch that outputs the output of the first limiter if the primary pulse width command value is greater than the secondary pulse width command value of the kth unit, and outputs the output of the second limiter otherwise; a first multiplier that multiplies the primary AC current detection value of the kth unit by 1/n or the secondary AC current detection value of the kth unit by n when the turns ratio of the transformer is primary winding:secondary winding = 1:n; a third adder that adds the amplified DC component of the primary AC current detection value of the kth unit to the output of the fourth switch and outputs it as the primary positive pulse width command value of the kth unit; and the fourth switch The system is characterized by comprising: a fifth subtractor that subtracts the amplified DC component of the primary AC current detection value of the k-th unit from the output of the switch and outputs it as the negative pulse width command value for the primary side of the k-th unit; a fourth adder that adds the amplified DC component of the secondary AC current detection value of the k-th unit from the output of the fifth switch and outputs it as the positive pulse width command value for the secondary side of the k-th unit; and a sixth subtractor that subtracts the amplified DC component of the secondary AC current detection value of the k-th unit from the output of the fifth switch and outputs it as the negative pulse width command value for the secondary side of the k-th unit.
また、他の態様として、前記制御部は、前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分を大きくすることを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit is characterized by increasing the DC component of the current output by a unit whose total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor is not the smallest among all units.
また、他の態様として、前記制御部は、電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分を大きくすることを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, the control unit is characterized by increasing the DC component of the current output by units other than those with the minimum DC capacitor voltage downstream of the power transmission.
また、他の態様として、第kユニットの前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値と、全ユニットのうち前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値の最小値と、の偏差である第2エネルギー偏差を算出する第9減算器と、前記第2エネルギー偏差を増幅する第3アンプと、第kユニットの1次側パルス幅指令値と第kユニットの2次側パルス幅指令値のうち小さい方に前記第3アンプの出力を加算する第7加算器と、前記第7加算器の出力を上限値、下限値内に制限する第1リミッタと、前記第1リミッタの入力値と出力値の差分を算出する第10減算器と、第kユニットの前記1次側パルス幅指令値と第kユニットの前記2次側パルス幅指令値のうち大きい方から、前記第1リミッタの入力値と出力値の差分を減算する第11減算器と、前記第11減算器の出力を上限値、下限値内に制限する第2リミッタと、前記第2リミッタの入力値と出力値の差分を算出する第12減算器と、第kユニットの前記1次側パルス幅指令値が第kユニットの前記2次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第2リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第1リミッタの出力を出力する第4スイッチと、第kユニットの前記1次側パルス幅指令値が第kユニットの前記2次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第1リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第2リミッタの出力を出力する第5スイッチと、前記トランスの巻数比が1次巻線:2次巻線=1:nの時に、第kユニットの1次側交流電流検出値を1/n倍し、または、第kユニットの2次側交流電流検出値をn倍する第1乗算器と、前記第2リミッタの入力値と出力値の差分から、第kユニットの1次側交流電流検出値の直流成分を減算する第3減算器と、前記第2リミッタの入力値と出力値の差分の符号を反転した値から、第kユニットの2次側交流電流検出値の直流成分を減算する第4減算器と、前記第4スイッチの出力に、前記第3減算器の出力を増幅した値を加算して第kユニットの1次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第3加算器と、前記第4スイッチの出力から、前記第3減算器の出力を増幅した値を減算して第kユニットの1次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第5減算器と、前記第5スイッチの出力に、前記第4減算器の出力を増幅した値を加算して第kユニットの2次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第4加算器と、前記第5スイッチの出力から、前記第4減算器の出力を増幅した値を減算して第kユニットの2次側マイナス側パルス幅指令値として出力する第6減算器と、を備えたことを特徴とする。 Furthermore, in another embodiment, a ninth subtractor calculates a second energy deviation, which is the difference between the total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of the k-th unit and the minimum total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of all units; a third amplifier amplifies the second energy deviation; a seventh adder adds the output of the third amplifier to the smaller of the primary pulse width command value of the k-th unit and the secondary pulse width command value of the k-th unit; a first limiter limits the output of the seventh adder to an upper and lower limit; and a third amplifier calculates the difference between the input value and the output value of the first limiter. A 10th subtractor, an 11th subtractor that subtracts the difference between the input and output values of the first limiter from the larger of the primary pulse width command value of the kth unit and the secondary pulse width command value of the kth unit, a second limiter that limits the output of the 11th subtractor to an upper limit and a lower limit, a 12th subtractor that calculates the difference between the input and output values of the second limiter, a fourth switch that outputs the output of the second limiter if the primary pulse width command value of the kth unit is larger than the secondary pulse width command value of the kth unit, and outputs the output of the first limiter otherwise, and the primary pulse width command value of the kth unit is larger than the secondary pulse width command value of the kth unit A fifth switch that outputs the output of the first limiter if the pulse width is greater than the pulse width command value, and outputs the output of the second limiter otherwise; a first multiplier that multiplies the primary AC current detection value of the kth unit by 1/n or the secondary AC current detection value of the kth unit by n when the turns ratio of the transformer is primary winding:secondary winding = 1:n; a third subtractor that subtracts the DC component of the primary AC current detection value of the kth unit from the difference between the input and output values of the second limiter; a fourth subtractor that subtracts the DC component of the secondary AC current detection value of the kth unit from the value obtained by inverting the sign of the difference between the input and output values of the second limiter; and the output of the fourth switch, The device is characterized by comprising: a third adder that adds the amplified output of the third subtractor to the output of the k-th unit as the positive pulse width command value on the primary side; a fifth subtractor that subtracts the amplified output of the third subtractor from the output of the fourth switch to the negative pulse width command value on the primary side of the k-th unit; a fourth adder that adds the amplified output of the fourth subtractor to the output of the fifth switch to the positive pulse width command value on the secondary side of the k-th unit; and a sixth subtractor that subtracts the amplified output of the fourth subtractor from the output of the fifth switch to the negative pulse width command value on the secondary side of the k-th unit.
本発明によれば、両端が直列接続されたDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータにおいて、コンデンサ電圧バランスを均等にすることが可能となる。 According to the present invention, in a DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter with both ends connected in series, it becomes possible to equalize the capacitor voltage balance.
以下、本願発明におけるDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータの実施形態1~4を図1~図10に基づいて詳述する。 The following describes in detail, with reference to Figures 1 to 10, embodiments 1 to 4 of the DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter according to the present invention.
[実施形態1]
本発明は図1の回路に適用することを前提とする。左側を1次側、右側を2次側としてm台のDABユニットを両側とも直列接続した構成である。1次側直流電源DC1と2次側直流電源DC2の間には第1~第mユニットが接続される。
[Embodiment 1]
This invention is intended to be applied to the circuit shown in Figure 1. The configuration consists of m-series DAB units connected in series on both sides, with the left side being the primary and the right side being the secondary. The first to m-th units are connected between the primary DC power supply DC1 and the secondary DC power supply DC2.
1次側直流電源DC1の両端間には、第1~第mユニットの1次側直流コンデンサC1が直列接続される。各ユニットの1次側直流コンデンサC1の両端間には、それぞれ第1,第2スイッチング素子S1,S2が直列接続される。また、各ユニットの1次側直流コンデンサC1の両端間には、第3,第4スイッチング素子S3,S4が直列接続される。第1~第4スイッチング素子S1~S4を第1インバータとする。 The primary DC capacitors C1 of the first to m units are connected in series between the ends of the primary DC power supply DC1. The first and second switching elements S1 and S2 are connected in series between the ends of the primary DC capacitor C1 of each unit, respectively. Furthermore, the third and fourth switching elements S3 and S4 are connected in series between the ends of the primary DC capacitor C1 of each unit. The first to fourth switching elements S1 to S4 constitute the first inverter.
2次側直流電源DC2の両端間には、第1~第mユニットの2次側直流コンデンサC2が直列接続される。各ユニットの2次側直流コンデンサC2の両端間には、それぞれ第5,第6スイッチング素子S5,S6が直列接続される。また、各ユニットの2次側直流コンデンサC2の両端間には、第7,第8スイッチング素子S7,S8が直列接続される。第5~第8スイッチング素子S5~S8を第2インバータとする。 The secondary DC capacitors C2 of the first to m units are connected in series between the two ends of the secondary DC power supply DC2. The fifth and sixth switching elements S5 and S6 are connected in series between the two ends of the secondary DC capacitor C2 of each unit, respectively. Furthermore, the seventh and eighth switching elements S7 and S8 are connected in series between the two ends of the secondary DC capacitor C2 of each unit. The fifth to eighth switching elements S5 to S8 constitute the second inverter.
なお、図1では、第1~第8スイッチング素子にコンデンサが並列接続されているが、このコンデンサは省略することも可能である。 Note that in Figure 1, capacitors are connected in parallel to the first to eighth switching elements, but these capacitors can be omitted.
第1,第2スイッチング素子S1,S2の接続点にはリアクトルL1の一端が接続される。第3,第4スイッチング素子S3,S4の接続点にはリアクトルL2の一端が接続される。第5,第6スイッチング素子S5,S6の接続点にはリアクトルL3の一端が接続される。第7,第8スイッチング素子S7,S8の接続点にはリアクトルL4の一端が接続される。 One end of reactor L1 is connected to the connection point of the first and second switching elements S1 and S2. One end of reactor L2 is connected to the connection point of the third and fourth switching elements S3 and S4. One end of reactor L3 is connected to the connection point of the fifth and sixth switching elements S5 and S6. One end of reactor L4 is connected to the connection point of the seventh and eighth switching elements S7 and S8.
リアクトルL1の他端とリアクトルL2の他端との間にはトランスTrの1次巻線が接続される。リアクトルL3の他端とリアクトルL4の他端との間にはトランスTrの2次巻線が接続される。第1インバータ、第2インバータ、トランスTrで1つのユニットとする。本実施形態1では、第1~第m(m:2以上の整数)ユニットを備えるものとする。 The primary winding of the transformer Tr is connected between the other end of reactor L1 and the other end of reactor L2. The secondary winding of the transformer Tr is connected between the other end of reactor L3 and the other end of reactor L4. The first inverter, the second inverter, and the transformer Tr form one unit. In this embodiment 1, the system comprises the first to m (m: an integer of 2 or more) units.
図1では、第1インバータ,第2インバータとトランスTrと間に直列にリアクトルL1~L4を接続しているが、リアクトルL1~L4の代わりにトランスTrの漏れインダクタンスとしてもよい。また、リアクトルL1~L4とトランスTrの漏れインダクタンスの両方としてもよい。 In Figure 1, reactors L1 to L4 are connected in series between the first inverter, the second inverter, and the transformer Tr. However, the leakage inductance of the transformer Tr may be used instead of reactors L1 to L4. Alternatively, both reactors L1 to L4 and the leakage inductance of the transformer Tr may be used.
なお、1次側直流電源DC1の電圧をVdc1,2次側直流電源DC2の電圧をVdc2,第1~第mユニットの1次側直流コンデンサC1の1次側直流コンデンサ電圧をVdc11~Vdc1m,第1~第mユニットの2次側直流コンデンサC2の2次側直流コンデンサ電圧をVdc21~Vdc2m,第kユニットの1次側交流電圧をV1k、第kユニットの2次側交流電圧をV2k、第kユニットの1次側交流電流をi1k、第kユニットの2次側交流電流をi2kとする。ここで、k=1~mの整数とする。 Furthermore, let Vdc1 be the voltage of the primary DC power supply DC1, Vdc2 be the voltage of the secondary DC power supply DC2, Vdc11 to Vdc1m be the primary DC capacitor voltages of the primary DC capacitor C1 of the 1st to mth units, Vdc21 to Vdc2m be the secondary DC capacitor voltages of the secondary DC capacitor C2 of the 1st to mth units, V1k be the primary AC voltage of the kth unit, V2k be the secondary AC voltage of the kth unit, i1k be the primary AC current of the kth unit, and i2k be the secondary AC current of the kth unit. Here, k is an integer from 1 to m.
図2~4に本実施形態1における図1の回路構成の第kユニットの制御部のブロック図を示す。制御部は第1,第2インバータのゲート信号を生成する。図2は第kユニットの位相差指令値(θk)演算部のブロック図である。 Figures 2-4 show block diagrams of the control unit of the k-th unit in the circuit configuration of Figure 1 in this embodiment 1. The control unit generates the gate signals for the first and second inverters. Figure 2 is a block diagram of the phase difference command value (θk) calculation unit of the k-th unit.
第1ローパスフィルタLPF1は、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kから基本波の2倍の周波数のリプルやノイズなどを除去する。 The first low-pass filter (LPF1) removes ripple and noise at twice the frequency of the fundamental wave from the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit.
1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgは1次側直流コンデンサ電圧Vdc11~Vdc1mの合計または1次側直流電圧Vdc1のどちらかをユニットの台数mで割った値である。 The average primary DC capacitor voltage Vdc1avg is the sum of the primary DC capacitor voltages Vdc11 to Vdc1m or the primary DC voltage Vdc1 divided by the number of units m.
第1減算器1は、第1ローパスフィルタLPF1を適用した第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kと第kユニットのアンバランス電圧指令値Vdck*の和から1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgを減算し、第kユニットの1次側電圧偏差を求める。本実施形態1では、Vdck*=0である。 The first subtractor 1 subtracts the average primary DC capacitor voltage Vdc1avg from the sum of the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit to which the first low-pass filter LPF1 is applied and the unbalanced voltage command value Vdck* of the k-th unit, thereby determining the primary voltage deviation of the k-th unit. In this embodiment 1, Vdck* = 0.
第2ローパスフィルタLPF2は、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kから基本波の2倍の周波数のリプルやノイズなどを除去する。2次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc2avgは2次側直流コンデンサ電圧Vdc21~Vdc2mの合計または2次側直流電圧Vdc2のどちらかをユニットの台数mで割った値である。 The second low-pass filter (LPF2) removes ripple and noise at twice the frequency of the fundamental wave from the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit. The average value of the secondary DC capacitor voltage, Vdc2avg, is the sum of the secondary DC capacitor voltages Vdc21 to Vdc2m or the secondary DC voltage Vdc2 divided by the number of units (m).
第2減算器2は、第2ローパスフィルタLPF2を適用した第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kと第kユニットのアンバランス電圧指令値Vdck*の和から2次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc2avgを減算し、第kユニットの2次側電圧偏差を求める。 The second subtractor 2 subtracts the average value of the secondary DC capacitor voltage Vdc2avg from the sum of the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit (to which the second low-pass filter LPF2 is applied) and the unbalanced voltage command value Vdck* of the k-th unit, thereby determining the secondary voltage deviation of the k-th unit.
図2のP*は、1次側と2次側間で伝送される電力指令値である。電力指令値P*がプラスならば電力は1次側から2次側に伝送され、マイナスならば電力は2次側から1次側に伝送される。電力指令値P*は外部から与えられる他、1次側直流電圧Vdc1または2次側直流電圧Vdc2どちらかの電圧制御や電流制御によって得られる場合もある。 In Figure 2, P* represents the power command value transmitted between the primary and secondary sides. If the power command value P* is positive, power is transmitted from the primary to the secondary side; if it is negative, power is transmitted from the secondary to the primary side. The power command value P* can be supplied externally, or it may be obtained through voltage control or current control of either the primary DC voltage Vdc1 or the secondary DC voltage Vdc2.
第1比較器3は、電力指令値P*がプラスであるか否かを判断する。巻数比演算器4は、第2減算器2の出力(2次側電圧偏差)にトランスTrの巻数比の逆数に-1を乗算した値を乗算する。また、巻数比演算器4は、第2減算器2の出力(2次側電圧偏差)に-1を乗算し、第1減算器1の出力(1次側電圧偏差)にトランスTrの巻数比nを乗算してもよい。ここで、トランスTrの巻数比は1次側:2次側=1:nとする。 The first comparator 3 determines whether the power command value P* is positive or negative. The turns ratio calculator 4 multiplies the output of the second subtractor 2 (secondary voltage deviation) by a value obtained by multiplying the reciprocal of the transformer Tr's turns ratio by -1. Alternatively, the turns ratio calculator 4 may multiply the output of the second subtractor 2 (secondary voltage deviation) by -1 and then multiply the output of the first subtractor 1 (primary voltage deviation) by the transformer Tr's turns ratio n. Here, the turns ratio of the transformer Tr is assumed to be primary:secondary = 1:n.
第1スイッチSW1は、電力指令値P*がプラスならば第kユニットの1次側電圧偏差を、電力指令値P*が零またはマイナスならば巻数比演算器4の出力を出力する。 The first switch SW1 outputs the primary voltage deviation of the k-th unit if the power command value P* is positive, and the output of the turns ratio calculator 4 if the power command value P* is zero or negative.
第1スイッチSW1の頻繁な切り替わりを防ぐため、電力指令値P*が零付近ならば直前のスイッチの状態を維持させヒステリシス特性を持たせてもよい。また、電力指令値P*が零ならば、第kユニットの1次側電圧偏差と第kユニットの2次側電圧偏差の平均値を出力してもよい。 To prevent frequent switching of the first switch SW1, if the power command value P* is near zero, the state of the switch from the previous switch may be maintained to provide a hysteresis characteristic. Alternatively, if the power command value P* is zero, the average value of the primary voltage deviation and the secondary voltage deviation of the k-th unit may be output.
第1アンプ5は、第1スイッチSW1の出力を増幅し第kユニットの位相θkbを出力する。今回は例として以下の2つを併用する。 The first amplifier 5 amplifies the output of the first switch SW1 and outputs the phase θkb of the k-th unit. In this example, the following two components are used in combination.
比例アンプP1は、第1スイッチSW1の出力に比例した値を出力する。ゲイン付き一次遅れフィルタ5aは、第1スイッチSW1の出力の低周波数成分を増幅する。 The proportional amplifier P1 outputs a value proportional to the output of the first switch SW1. The gain-controlled first-order lag filter 5a amplifies the low-frequency components of the output of the first switch SW1.
第1加算器6は、以上2つのアンプ出力を加算して位相θkbを出力する。第2加算器7は、位相θkbに別途与えられる位相指令値θ*を加算し、第kユニットの位相差指令値θkを出力する。 The first adder 6 adds the two amplifier outputs and outputs a phase θkb. The second adder 7 adds a separately provided phase command value θ* to the phase θkb and outputs the phase difference command value θk for the k-th unit.
位相指令値θ*は直流側の電流や電圧のフィードバック制御によって与えられる場合もある。電力指令値P*と第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1k,第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kから計算により求める場合もある。 The phase command value θ* may be provided by feedback control of the DC current and voltage. Alternatively, it may be calculated from the power command value P*, the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit, and the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit.
ここでは、位相θkb,位相指令値θ*,第kユニットの位相差指令値θkはプラスの時に第kユニットの1次側交流電圧V1kの位相が第kユニットの2次側交流電圧V2kに対して進みとなり、電力は1次側から2次側に伝送されるものとする
図3にパルス幅指令値(W1kp,W1km,W2kp,W2km)演算部のブロック図を示す。
Here, when the phase θkb, phase command value θ*, and phase difference command value θk of the k-th unit are positive, the phase of the primary AC voltage V1k of the k-th unit leads the secondary AC voltage V2k of the k-th unit, and power is transmitted from the primary side to the secondary side. Figure 3 shows a block diagram of the pulse width command value (W1kp, W1km, W2kp, W2km) calculation unit.
第3ローパスフィルタLPF3は、第kユニットの1次側交流電流検出値i1kの直流成分を抽出する。 The third low-pass filter (LPF3) extracts the DC component of the primary AC current detection value i1k of the k-th unit.
第1乗算器8は、第kユニットの2次側交流電流検出値i2kに巻数比nを乗算する。第4ローパスフィルタLPF4は、第1乗算器8の出力(n×i2k)から直流成分を抽出する。 The first multiplier 8 multiplies the detected AC current value i2k of the k-th unit by the turns ratio n. The fourth low-pass filter LPF 4 extracts the DC component from the output of the first multiplier 8 (n × i2k).
なお、図3では、第kユニットの2次側交流電流検出値i2kにトランスTrの巻数比nを乗算したが、第kユニットの1次側交流電流検出値i1kに巻数比nの逆数(1/n)を乗算してもよい。ここで、トランスTrの巻数比は1次側:2次側=1:nとする。 In Figure 3, the detected secondary AC current value i2k of the k-th unit was multiplied by the turns ratio n of the transformer Tr. However, the detected primary AC current value i1k of the k-th unit may also be multiplied by the reciprocal of the turns ratio n (1/n). Here, the turns ratio of the transformer Tr is assumed to be primary:secondary = 1:n.
第3減算器9は、直流成分指令値から第3ローパスフィルタLPF3の出力を減算し偏差を求める。第4減算器10は、直流成分指令値から第4ローパスフィルタLPF4の出力を減算し偏差を求める。実施形態1,2,3では、直流成分指令値は零である。 The third subtractor 9 subtracts the output of the third low-pass filter LPF3 from the DC component command value to determine the deviation. The fourth subtractor 10 subtracts the output of the fourth low-pass filter LPF4 from the DC component command value to determine the deviation. In embodiments 1, 2, and 3, the DC component command value is zero.
PIアンプ11は、第3減算器9で求めた偏差を増幅する。PIアンプ12は、第4減算器10で求めた偏差を増幅する。 The PI amplifier 11 amplifies the deviation obtained by the third subtractor 9. The PI amplifier 12 amplifies the deviation obtained by the fourth subtractor 10.
第3加算器13は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1kと、第kユニットの1次側交流電流検出値i1kを入力としたPIアンプ11の出力を加算し、第kユニットの1次側のプラス側パルス幅指令値W1kpを出力する。 The third adder 13 adds the output of the PI amplifier 11, which takes the primary side pulse width command value W1k of the k-th unit and the primary side AC current detection value i1k of the k-th unit as inputs, and outputs the primary side positive pulse width command value W1kp of the k-th unit.
第5減算器14は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1kから、第kユニットの1次側交流電流検出値i1kを入力としたPIアンプ11の出力を減算し、第kユニットの1次側のマイナス側パルス幅指令値W1kmを出力する。 The fifth subtractor 14 subtracts the output of the PI amplifier 11 (which takes the primary AC current detection value i1k of the k-th unit as input) from the primary pulse width command value W1k of the k-th unit, and outputs the negative pulse width command value W1km of the k-th unit's primary side.
第4加算器15は、第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kと、第kユニットの2次側交流電流検出値i2kを入力としたPIアンプ12の出力を加算し、第kユニットの2次側のプラス側パルス幅指令値W2kpを出力する。 The fourth adder 15 adds the output of the PI amplifier 12, which takes the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit and the secondary AC current detection value i2k of the k-th unit as inputs, and outputs the secondary positive pulse width command value W2kp of the k-th unit.
第6減算器16は、第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kから、第kユニットの2次側交流電流検出値i2kを入力としたPIアンプ12の出力を減算し、第kユニットの2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmを出力する。 The sixth subtractor 16 subtracts the output of the PI amplifier 12 (which takes the secondary AC current detection value i2k of the k-th unit as input) from the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit, and outputs the negative pulse width command value W2km of the k-th unit's secondary side.
図4にゲート信号生成部のブロック図を示す。 Figure 4 shows a block diagram of the gate signal generation unit.
第2乗算器17は、第kユニットの位相差指令値θkを0.5倍する。第3乗算器18は、第2乗算器17の出力(0.5θk)に-1を乗算して符号を反転させる。 The second multiplier 17 multiplies the phase difference command value θk of the k-th unit by 0.5. The third multiplier 18 multiplies the output of the second multiplier 17 (0.5θk) by -1 to invert its sign.
ゲート生成器19は、第2乗算器17の出力(0.5θk)と、前述した第kユニットの1次側のプラス側パルス幅指令値W1kp、第kユニットの1次側のマイナス側パルス幅指令値W1kmを入力し、デッドタイムを付加してゲート信号T1k1,T1k2,T1k3,T1k4を出力する。ゲート信号T1k1が第1スイッチング素子S1を、ゲート信号T1k2は第2スイッチング素子S2を、ゲート信号T1k3は第3スイッチング素子S3を、ゲート信号T1k4は第4スイッチング素子S4を制御する。 The gate generator 19 receives the output of the second multiplier 17 (0.5θk), the positive pulse width command value W1kp on the primary side of the k-th unit, and the negative pulse width command value W1km on the primary side of the k-th unit, adds a dead time, and outputs gate signals T1k1, T1k2, T1k3, and T1k4. Gate signal T1k1 controls the first switching element S1, gate signal T1k2 controls the second switching element S2, gate signal T1k3 controls the third switching element S3, and gate signal T1k4 controls the fourth switching element S4.
ゲート生成器20は、第3乗算器18の出力(-0.5θk)と、第kユニットの2次側のプラス側パルス幅指令値W2kp、第kユニットの2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmを入力し、デッドタイムを付加してゲート信号T2k1,T2k2,T2k3,T2k4を出力する。ゲート信号T2k1が第5スイッチング素子S5を、ゲート信号T2k2は第6スイッチング素子S6を、ゲート信号T2k3は第7スイッチング素子S7を、ゲート信号T2k4は第8スイッチング素子S8を制御する。 The gate generator 20 receives the output of the third multiplier 18 (-0.5θk), the positive pulse width command value W2kp on the secondary side of the k-th unit, and the negative pulse width command value W2km on the secondary side of the k-th unit, adds a dead time, and outputs gate signals T2k1, T2k2, T2k3, and T2k4. Gate signal T2k1 controls the fifth switching element S5, gate signal T2k2 controls the sixth switching element S6, gate signal T2k3 controls the seventh switching element S7, and gate signal T2k4 controls the eighth switching element S8.
図5に第kユニットの1次側交流電圧V1kと第kユニットの2次側交流電圧V2kとゲート信号T2k1,T2k2,T2k3,T2k4の例を示す。この例では第kユニットの位相差指令値θkはプラスであり、第kユニットの1次側交流電圧V1kの位相が第kユニットの2次側交流電圧V2kに対して進み、電力は1次側から2次側に伝送される。 Figure 5 shows an example of the primary AC voltage V1k, secondary AC voltage V2k, and gate signals T2k1, T2k2, T2k3, and T2k4 of the k-th unit. In this example, the phase difference command value θk of the k-th unit is positive, the phase of the primary AC voltage V1k of the k-th unit leads the secondary AC voltage V2k of the k-th unit, and power is transmitted from the primary side to the secondary side.
本実施形態1では、ある程度の電力伝送が行われている条件下でのコンデンサ電圧のバランス制御を示す。図6,図7を用いてバランス制御の方針を説明する。 This embodiment 1 demonstrates capacitor voltage balance control under conditions where a certain amount of power transmission is occurring. The balance control strategy will be explained using Figures 6 and 7.
図6は、図1から1次側のみを抽出したものである。電力は1次側から2次側に伝送され、各ユニットの伝送電力は等しいとする。第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kは1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgよりも過剰であり、第mユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1mが1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgよりも不足している場合を考える。 Figure 6 shows only the primary side extracted from Figure 1. Power is transmitted from the primary side to the secondary side, and the transmitted power to each unit is assumed to be equal. Consider the case where the primary side DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit is excessive compared to the average primary side DC capacitor voltage Vdc1avg, and the primary side DC capacitor voltage Vdc1m of the m-th unit is insufficient compared to the average primary side DC capacitor voltage Vdc1avg.
DABユニットは直列接続であるため、各ユニットを流れる直流電流は一定である。第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kは他のユニットの1次側直流コンデンサ電圧よりも大きいため、第kユニットが入力する電力も増加する。しかし、第kユニットが2次側に伝送する電力は他のユニットと等しいため、入力電力は過剰となり1次側直流コンデンサC1に充電され、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kはさらに増加してしまう。 Since the DAB units are connected in series, the DC current flowing through each unit is constant. Because the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit is greater than that of the other units, the power input to the k-th unit also increases. However, since the power transmitted to the secondary side by the k-th unit is equal to that of the other units, the input power becomes excessive and charges the primary DC capacitor C1, further increasing the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit.
第mユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1mは他のユニットの1次側直流コンデンサ電圧よりも小さく、第mユニットが入力する電力は減少する。他のユニットと等しい電力を伝送するには第mユニットの1次側直流コンデンサC1を放電することになり、第mユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1mはさらに減少してしまう。 The primary DC capacitor voltage Vdc1m of unit m is lower than that of the other units, resulting in a decrease in the power input to unit m. To transmit the same power as the other units, the primary DC capacitor C1 of unit m must be discharged, further decreasing the primary DC capacitor voltage Vdc1m of unit m.
以上より、電力が1次側から2次側に伝送される場合、1次側直流コンデンサC1の電圧バランスは不安定であり、制御を必要とする。 Therefore, when power is transmitted from the primary side to the secondary side, the voltage balance of the primary side DC capacitor C1 is unstable and requires control.
一方、図7に示すように電力が2次側から1次側に伝送される場合を考える。図7は図1から1次側のみを抽出したものである。第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kは他のユニットの1次側直流コンデンサ電圧よりも大きく、第kユニットが出力する電力も増加する。しかし、第kユニットが2次側から受け取る電力は他のユニットに等しいため、出力電力に対して入力電力は不足しその分は第kユニットの1次側直流コンデンサC1の放電によって補われる。そのため第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kは減少する。 On the other hand, consider the case where power is transmitted from the secondary side to the primary side, as shown in Figure 7. Figure 7 is an extraction of only the primary side from Figure 1. The primary side DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit is greater than the primary side DC capacitor voltages of the other units, and the power output by the k-th unit also increases. However, since the power received by the k-th unit from the secondary side is equal to that of the other units, the input power is insufficient relative to the output power, and this difference is compensated for by the discharge of the primary side DC capacitor C1 of the k-th unit. Therefore, the primary side DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit decreases.
第mユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1mは他のユニットの1次側直流コンデンサ電圧よりも小さく、第mユニットが出力する電力も減少する。第mユニットが2次側から受け取る電力は他のユニットに等しいため、第mユニットが2次側から受け取る電力は出力に対して過剰となり、過剰分は第mユニットの1次側直流コンデンサC1に充電され第mユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1mは増加する。 The primary DC capacitor voltage Vdc1m of the m-th unit is smaller than the primary DC capacitor voltages of the other units, and the power output of the m-th unit also decreases. Since the power received by the m-th unit from the secondary side is equal to that of the other units, the power received by the m-th unit from the secondary side becomes excessive relative to its output. This excess power charges the primary DC capacitor C1 of the m-th unit, increasing the primary DC capacitor voltage Vdc1m of the m-th unit.
以上より、電力が2次側から1次側に伝送される場合、1次側直流コンデンサC1の電圧バランスは安定であり、ある程度の偏差は生じるが制御不要で自発的にバランスする。このバランス効果は伝送電力が大きくなるほど高くなるが、伝送電力が小さければバランスしにくくなり偏差が大きくなる。伝送電力が零であればバランス効果もなくなり不安定になる。 Therefore, when power is transmitted from the secondary side to the primary side, the voltage balance of the primary side DC capacitor C1 is stable. While some deviation occurs, it balances spontaneously without the need for control. This balancing effect increases with increasing transmitted power, but becomes more difficult to balance and the deviation increases when the transmitted power is small. If the transmitted power is zero, the balancing effect disappears, resulting in instability.
本実施形態1では、電力指令値P*がプラスで電力が1次側から2次側に伝送される場合には1次側直流コンデンサ電圧をバランスさせる。図2に示すように、電力指令値P*がプラスの場合第1スイッチSW1は上側に切り替わり、第1アンプ5には第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kと1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgとの偏差が入力される。 In this embodiment 1, when the power command value P* is positive and power is transmitted from the primary side to the secondary side, the primary side DC capacitor voltage is balanced. As shown in Figure 2, when the power command value P* is positive, the first switch SW1 is switched to the upper position, and the deviation between the primary side DC capacitor voltage Vdc1k and the average primary side DC capacitor voltage Vdc1avg of the k-th unit is input to the first amplifier 5.
第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kが過剰ならば偏差はプラスであり、第1アンプ5で増幅された位相θkbもプラスとなる。その結果、第kユニットの1次側交流電圧V1kの位相は第kユニットの2次側交流電圧V2kに対して進み、その位相差は他のユニットよりも大きくなる。第kユニットでは他のユニットよりも大きな電力が1次側から2次側に伝送され、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kが減少し偏差が小さくなる。 If the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit is excessive, the deviation will be positive, and the phase θkb amplified by the first amplifier 5 will also be positive. As a result, the phase of the primary AC voltage V1k of the k-th unit leads the secondary AC voltage V2k of the k-th unit, and the phase difference becomes larger than that of the other units. A larger power is transmitted from the primary to the secondary side of the k-th unit than in the other units, causing the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit to decrease and the deviation to shrink.
第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kが不足していれば偏差はマイナスとなる。第kユニットが1次側から2次側に伝達する電力は他のユニットよりも小さくなり、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kが増加する。 If the primary DC capacitor voltage Vdc1k of unit k is insufficient, the deviation will be negative. The power transmitted from the primary to the secondary side by unit k will be less than that of the other units, and the primary DC capacitor voltage Vdc1k of unit k will increase.
以上の動作により1次側コンデンサ電圧がバランスする。一方で、1次側コンデンサ電圧のバランスに必要な電荷は2次側コンデンサから供給するため2次側のコンデンサ電圧バランスは悪化する。 The above operation balances the primary capacitor voltage. However, since the charge necessary to balance the primary capacitor voltage is supplied from the secondary capacitor, the secondary capacitor voltage balance deteriorates.
しかし、前述したように2次側のコンデンサ電圧バランスは安定である。そのためある程度の偏差は生じるが、2次側コンデンサ電圧はユニットから伝送される電力と出力される電力の均衡がとれるところに収束する。 However, as mentioned earlier, the secondary capacitor voltage balance is stable. Therefore, although some deviation occurs, the secondary capacitor voltage converges to the point where the power transmitted from the unit and the output power are balanced.
電力指令値P*が零またはマイナスで電力が2次側から1次側に伝送される場合には2次側のコンデンサ電圧をバランスさせる。電力指令値P*がマイナスの場合は第1スイッチSW1は下側に切り替わり、第1アンプ5には第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kと2次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc2avgとの偏差が入力される。 When the power command value P* is zero or negative and power is transmitted from the secondary side to the primary side, the secondary side capacitor voltage is balanced. If the power command value P* is negative, the first switch SW1 is switched to the lower position, and the deviation between the secondary side DC capacitor voltage Vdc2k and the average secondary side DC capacitor voltage Vdc2avg of the k-th unit is input to the first amplifier 5.
第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kが過剰ならば偏差はマイナスになり第1アンプ5で増幅された位相θkbもマイナスとなる。第kユニットの1次側交流電圧V1kの位相は第kユニットの2次側交流電圧V2kに対して遅れ、位相差は他のユニットよりも大きくなる。第kユニットでは他のユニットよりも大きな電力が2次側から1次側に伝送され、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kが減少する。 If the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of unit k is excessive, the deviation becomes negative, and the phase θkb amplified by the first amplifier 5 also becomes negative. The phase of the primary AC voltage V1k of unit k lags behind the secondary AC voltage V2k of unit k, and the phase difference is larger than in the other units. In unit k, more power is transmitted from the secondary to the primary than in the other units, and the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of unit k decreases.
第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kが不足していれば偏差はプラスとなる。第kユニットが1次側から2次側に伝送する電力は他のユニットよりも小さくなり、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kが増加する。 If the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of unit k is insufficient, the deviation will be positive. The power transmitted from the primary to the secondary side by unit k will be less than that of the other units, and the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of unit k will increase.
1次側直流コンデンサC1の電圧バランスは制御を行わないが自発的に安定となる。 The voltage balance of the primary DC capacitor C1 stabilizes spontaneously without any control.
図2の第1アンプ5には積分器を使用していない。この理由を説明する。積分器は直流のゲインが無限となり、直流の偏差を零にして制御対象であるコンデンサ電圧を指令値に等しくするという特徴がある。 The first amplifier 5 in Figure 2 does not use an integrator. The reason for this is explained below. An integrator has the characteristic of making the DC gain infinite, eliminating the DC deviation, and making the controlled capacitor voltage equal to the command value.
しかし、今回の制御対象である図1では、ユニットコンデンサ電圧の合計(1次側ではVdc1)は接続された電圧源や別途用意する直流電流一定制御など外部の要因によって決定する。そのためm-1台のユニットコンデンサ電圧が決定すれば、残り1台のコンデンサ電圧は必然的に決定される。制御対象の自由度はm-1であるが、これにm個の制御器で制御を行うと自由度が不足し制御が不安定になる。 However, in Figure 1, the system being controlled, the sum of the unit capacitor voltages (Vdc1 on the primary side) is determined by external factors such as the connected voltage source and a separately prepared constant DC current control. Therefore, once the voltage of m-1 unit capacitors is determined, the voltage of the remaining capacitor is inevitably determined. While the degree of freedom of the controlled system is m-1, controlling it with m controllers results in insufficient degrees of freedom and unstable control.
特に検出器に誤差がある場合には、あるユニットの積分アンプが誤差も含めた偏差を零にしようと出力を増加し、それが他のユニットの偏差を増加させることになりそのユニットの積分アンプが出力を増加、とアンプ出力が際限なく増加してしまう恐れがある。 In particular, if there is an error in the detector, the integrating amplifier of one unit may increase its output in an attempt to eliminate the deviation including the error, which in turn increases the deviation of other units, causing their integrating amplifiers to increase their output as well. This can lead to an unlimited increase in amplifier output.
その対策として、直流のゲインを有限に抑えわずかではあるが残った偏差を許容するように比例アンプP1とゲイン付き一次遅れフィルタ5aで制御を行う。他の対策としては、m-1台のユニットで図2のアンプをPIアンプに置換したバランス制御を行い、残りのユニット(例えば第1ユニット)では図2のバランス制御を行わず位相θ1bを零で固定してもよい。 As a countermeasure, the DC gain is kept finite, and the remaining small deviation is tolerated by controlling it with a proportional amplifier P1 and a gain-equipped first-order lag filter 5a. Alternatively, a balanced control method could be implemented in one of the m-1 units, replacing the amplifier in Figure 2 with a PI amplifier, while the remaining units (e.g., the first unit) could not perform the balanced control shown in Figure 2 and could instead fix the phase θ1b to zero.
図2では電力指令値P*が零の場合は2次側直流コンデンサ電圧をバランスさせるが、1次側直流コンデンサ電圧をバランスさせてもよい。無負荷での待機状態など電力指令値P*が零に近く頻繁に符号が変わる場合には、位相θkbの急変の頻発を防ぐために第1スイッチSW1の切り替わりにヒステリシス特性を持たせてもよい。 In Figure 2, when the power command value P* is zero, the secondary DC capacitor voltage is balanced; however, the primary DC capacitor voltage may also be balanced. In situations such as standby mode under no load, where the power command value P* is close to zero and its sign frequently changes, a hysteresis characteristic may be introduced into the switching of the first switch SW1 to prevent frequent abrupt changes in phase θkb.
本実施形態1では、各ユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が等しくなるように各ユニットの第1インバータと第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御する。 In this embodiment 1, the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of each unit is controlled so that the DC capacitor voltages upstream of the power transmission of each unit are equal.
1次側電圧偏差と2次側電圧偏差の平均値を第1アンプ5に入力して制御を行ってもよい。すなわち、第1アンプ5は、電力指令値P*が第1閾値よりも大きい場合は1次側電圧偏差を増幅し、電力指令値P*が第2閾値よりも小さい場合は2次側電圧偏差を増幅し、電力指令値P*が第2閾値以上第1閾値未満の場合は1次側電圧偏差または2次側電圧偏差のどちらか、あるいは両方(平均値)の和を増幅し、あるいは0を第kユニットの位相θkbとして出力する。 The average value of the primary and secondary voltage deviations may also be input to the first amplifier 5 for control. That is, the first amplifier 5 amplifies the primary voltage deviation when the power command value P* is greater than the first threshold, amplifies the secondary voltage deviation when the power command value P* is less than the second threshold, and amplifies either the primary or secondary voltage deviation, or both (average values), or outputs 0 as the phase θkb of the k-th unit when the power command value P* is greater than or equal to the second threshold but less than the first threshold.
ただし、本実施形態1単独では電力指令値P*=0においてコンデンサ電圧をバランスすることができない。この問題には、後述する実施形態3と組み合わせる必要がある。 However, this embodiment 1 alone cannot balance the capacitor voltage at a power command value P* = 0. This problem requires combination with embodiment 3, which will be described later.
本実施形態1は、伝送される電力の絶対値が十分大きければ制御を行わない側のコンデンサ電圧のバランス偏差を十分小さく保つことができる。しかし、負荷が軽くなり伝送電力の絶対値が小さくなると偏差が大きくなってしまうという問題がある。 In this embodiment 1, if the absolute value of the transmitted power is sufficiently large, the balance deviation of the capacitor voltage on the non-controlled side can be kept sufficiently small. However, there is a problem that the deviation becomes larger when the load is lighter and the absolute value of the transmitted power decreases.
以上示したように、本実施形態1によれば、ある程度伝送電力が大きな条件では1次側・2次側両方の直流コンデンサ電圧のバランスを保つことができる。 As described above, according to this embodiment 1, under conditions where the transmitted power is relatively large, it is possible to maintain a balance between the DC capacitor voltages on both the primary and secondary sides.
また、特定のユニットへの電圧責務集中を防ぎ、過電圧による過熱や部品の破損、サージによるスイッチング素子の破損を防ぐことができる。 Furthermore, it prevents voltage overload on specific units, thus preventing overheating and component damage due to overvoltage, and damage to switching elements due to surges.
また、部品の耐圧を高くする必要がなくなりコストを下げることができる。また、従来技術に比べて補助回路が不要のため、コスト低減の他に装置を小型化できる。 Furthermore, the need for high voltage resistance in components is eliminated, reducing costs. Also, because auxiliary circuits are unnecessary compared to conventional technology, not only are costs reduced, but the device can be miniaturized.
[実施形態2]
図8に、本実施形態2における第kユニットのアンバランス電圧指令値(Vdck*)演算部のブロック図を示す。
[Embodiment 2]
Figure 8 shows a block diagram of the unbalanced voltage command value (Vdck*) calculation unit of the k-th unit in this second embodiment.
第5ローパスフィルタLPF5は、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kの基本波の2倍の周波数のリプルやノイズなどを除去して直流成分を抽出する。第6ローパスフィルタLPF6は、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kの直流成分を抽出する。 The fifth low-pass filter (LPF5) removes ripple and noise at twice the frequency of the fundamental wave of the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit, extracting the DC component. The sixth low-pass filter (LPF6) extracts the DC component of the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit.
第4乗算器21は、第5ローパスフィルタLPF5を適用した第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kの自乗を求める。第5乗算器22は、第6ローパスフィルタLPF6を適用した第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kの自乗を求める。 The fourth multiplier 21 calculates the square of the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit to which the fifth low-pass filter LPF5 is applied. The fifth multiplier 22 calculates the square of the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit to which the sixth low-pass filter LPF6 is applied.
第6乗算器23は、第4乗算器21の出力に、1次側コンデンサ容量C1を2で割った値を乗算する。第7乗算器24は、第5乗算器22の出力に、2次側コンデンサ容量C2を2で割った値を乗算する。 The sixth multiplier 23 multiplies the output of the fourth multiplier 21 by the value obtained by dividing the primary capacitor capacitance C1 by 2. The seventh multiplier 24 multiplies the output of the fifth multiplier 22 by the value obtained by dividing the secondary capacitor capacitance C2 by 2.
第5加算器25は、第6,第7乗算器23,24の出力を加算し、第kユニットの両側に接続された1次側直流コンデンサC1と2次側直流コンデンサC2に蓄積されたエネルギー合計値Ekを求める。 The fifth adder 25 adds the outputs of the sixth and seventh multipliers 23 and 24 to obtain the total energy value Ek stored in the primary DC capacitor C1 and secondary DC capacitor C2 connected to both sides of the k-th unit.
第7減算器26は、エネルギー合計値Ekと、全ユニットの1次側直流コンデンサC1と2次側直流コンデンサC2に蓄積されたエネルギー合計値の平均値Eavgと、の偏差である第1エネルギー偏差を求める。 The seventh subtractor 26 calculates the first energy deviation, which is the difference between the total energy value Ek and the average value Eavg of the total energy values stored in the primary DC capacitor C1 and secondary DC capacitor C2 of all units.
第2アンプ27は、第7減算器26の出力にゲインG2をかけて増幅する。ゲインG2は固定値とするほか、図8に示したように、ゲイン調整器28において、電力指令値P*が零付近の時は小さくするなど、電力指令値P*に基づいて値を変化させてもよい。第2アンプ27の出力がアンバランス電圧指令値Vdck*となる。 The second amplifier 27 amplifies the output of the seventh subtractor 26 by applying a gain G2. The gain G2 can be a fixed value, or, as shown in Figure 8, it may be changed based on the power command value P* in the gain adjuster 28, for example, by reducing it when the power command value P* is near zero. The output of the second amplifier 27 becomes the unbalanced voltage command value Vdck*.
本実施形態2では、実施形態1の問題点の1つである軽負荷時の偏差を小さくする方法を説明する。 This second embodiment describes a method for reducing the deviation under light load conditions, which is one of the problems in the first embodiment.
本実施形態2では、まず第kユニットの1次側直流コンデンサC1と2次側直流コンデンサC2に蓄積されたエネルギー合計値Ekを求める。次に、同様に求めた各ユニットのエネルギー合計値の平均値Eavgとエネルギー合計値Ekとの偏差を計算する。これをゲインG2で増幅し、得られた値を第kユニットのアンバランス電圧指令値Vdck*とする。 In this second embodiment, first, the total energy value Ek stored in the primary DC capacitor C1 and secondary DC capacitor C2 of the k-th unit is determined. Next, the deviation between the average value Eavg of the total energy values of each unit (determined similarly) and the total energy value Ek is calculated. This is amplified by the gain G2, and the resulting value is taken as the unbalanced voltage command value Vdck* of the k-th unit.
本実施形態2の動作を説明する。例としてP*>0で1次側直流コンデンサ電圧が制御対象とする。このとき、Vdc11~Vdc1mは実施形態1の制御によりほぼ等しい値となるため、1次側直流コンデンサの蓄積エネルギーはほぼ等しくなる。 The operation of this second embodiment will now be explained. As an example, the primary DC capacitor voltage is controlled when P* > 0. In this case, since Vdc11 to Vdc1m become approximately equal due to the control in the first embodiment, the stored energy of the primary DC capacitor becomes approximately equal.
エネルギー合計値Ekには、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kの大きさが反映される。第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kが2次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc2avgよりも大きい場合、エネルギー合計値Ekもエネルギー合計値の平均値Eavgより大きくなり、アンバランス電圧指令値Vdck*はプラスとなる。 The total energy value Ek reflects the magnitude of the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit. If the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit is greater than the average secondary DC capacitor voltage Vdc2avg, then the total energy value Ek will also be greater than the average total energy value Eavg, and the unbalanced voltage command value Vdck* will be positive.
このアンバランス電圧指令値Vdck*が図2の第1,第2減算器1,2に入力される。第1減算器1は、第1ローパスフィルタLPF1を適用した第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kと第kユニットのアンバランス電圧指令値Vdck*の和から1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgを減算し、第kユニットの1次側電圧偏差を求める。 This unbalanced voltage command value Vdck* is input to the first and second subtractors 1 and 2 in Figure 2. The first subtractor 1 subtracts the average primary DC capacitor voltage Vdc1avg from the sum of the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit (to which the first low-pass filter LPF1 is applied) and the unbalanced voltage command value Vdck* of the k-th unit, thereby obtaining the primary voltage deviation of the k-th unit.
第2減算器2は、第2ローパスフィルタLPF2を適用した第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kと第kユニットのアンバランス電圧指令値Vdck*の和から2次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc2avgを減算し、第kユニットの2次側電圧偏差を求める。 The second subtractor 2 subtracts the average value of the secondary DC capacitor voltage Vdc2avg from the sum of the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit (to which the second low-pass filter LPF2 is applied) and the unbalanced voltage command value Vdck* of the k-th unit, thereby determining the secondary voltage deviation of the k-th unit.
その結果、バランス制御の指令値(Vdc1avg-Vdck*)は小さくなり第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kも減少する。各ユニットを流れる直流電流は一定であるため、第kユニットが1次側直流電圧Vdc1から受け取る電力は減少する。第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kは制御対象であるため、受け取る電力の減少は第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kの大きさに反映され、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kは減少し2次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc2avgに近づけることができる。 As a result, the command value for balance control (Vdc1avg - Vdck*) decreases, and the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit also decreases. Since the DC current flowing through each unit is constant, the power received by the k-th unit from the primary DC voltage Vdc1 decreases. Because the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit is the control target, the decrease in received power is reflected in the magnitude of the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit. Therefore, the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit decreases and can be brought closer to the average value of the secondary DC capacitor voltage Vdc2avg.
P*<0で2次側コンデンサ電圧が実施形態1の制御対象の場合、エネルギー合計値Ekには第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kの大きさが反映される。第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kが1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgよりも小さい場合、エネルギー合計値Ekもエネルギー合計値の平均値Eavgより小さくなり、アンバランス電圧指令値Vdck*はマイナスとなる。 When P* < 0 and the secondary capacitor voltage is the control target of Embodiment 1, the total energy value Ek reflects the magnitude of the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit. If the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit is smaller than the average primary DC capacitor voltage Vdc1avg, the total energy value Ek will also be smaller than the average total energy value Eavg, and the unbalanced voltage command value Vdck* will be negative.
このアンバランス電圧指令値Vdck*が図2の第1,第2減算器1,2に入力され、前述のように演算が行われる。その結果、バランス制御の指令値(Vdc2avg-Vdck*)は大きくなり第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kも増加する。第kユニットが2次側直流電圧Vdc2から受け取る電力は増加し、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kを増加させ1次側直流コンデンサ電圧平均値Vdc1avgに近づけることができる。 This unbalanced voltage command value Vdck* is input to the first and second subtractors 1 and 2 in Figure 2, and the calculation is performed as described above. As a result, the balance control command value (Vdc2avg - Vdck*) increases, and the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit also increases. The power received by the k-th unit from the secondary DC voltage Vdc2 increases, increasing the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit and bringing it closer to the average value of the primary DC capacitor voltage Vdc1avg.
本実施形態2では、P*>0における1次側およびP*<0における2次側、すなわち電力伝送の上流側のコンデンサ電圧バランス偏差を意図的に少しだけ発生させる。これにより、P*>0における2次側およびP*<0における1次側、すなわち下流側のコンデンサ電圧バランス偏差を改善することができる。 In this second embodiment, a small amount of capacitor voltage balance deviation is intentionally introduced on the primary side when P* > 0 and on the secondary side when P* < 0, i.e., on the upstream side of power transmission. This improves the capacitor voltage balance deviation on the secondary side when P* > 0 and on the primary side when P* < 0, i.e., on the downstream side.
本実施形態2では、第k(k=1~mの整数)ユニットの1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値Ekが他のユニットに比べて大きい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が小さくなるよう第kユニットの第1インバータと第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御し、第kユニットの1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値Ekが他のユニットに比べて小さい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が大きくなるよう第kユニットの第1インバータと第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御する。 In this second embodiment, when the total energy value Ek stored in the primary and secondary DC capacitors of the k-th unit (an integer from k to m) is larger than that of other units, the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit is controlled so that the DC capacitor voltage upstream of the power transmission of the k-th unit becomes smaller. Conversely, when the total energy value Ek stored in the primary and secondary DC capacitors of the k-th unit is smaller than that of other units, the phase difference between the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit is controlled so that the DC capacitor voltage upstream of the power transmission of the k-th unit becomes larger.
本実施形態2では、第2アンプ27の入力が電力伝送の下流側コンデンサ電圧ではなくユニットの1次側直流コンデンサC1と2次側直流コンデンサC2に蓄積されたエネルギー合計値としている。その理由を説明する。P*>0の場合、第2アンプ27の入力をVdc2k-Vdc2avgとすることも考えられる。 In this second embodiment, the input to the second amplifier 27 is not the downstream capacitor voltage of power transmission, but the total energy stored in the primary DC capacitor C1 and secondary DC capacitor C2 of the unit. The reason for this is explained below. When P* > 0, it is also conceivable to set the input to the second amplifier 27 to Vdc2k - Vdc2avg.
しかし、例えば第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kが大きい場合、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kを小さくすることで第kユニットの2次側直流コンデンサC2が受け取る電力を減少させる。しかし、第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kを下げるには第kユニットの1次側直流コンデンサC1を放電することになる。放電された電荷はDABコンバータを経由して第kユニットの2次側直流コンデンサC2に移動するため、第kユニットの2次側直流コンデンサ電圧Vdc2kはさらに増加してしまう。 However, if, for example, the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit is large, reducing the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit will decrease the power received by the secondary DC capacitor C2 of the k-th unit. However, lowering the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit requires discharging the primary DC capacitor C1 of the k-th unit. Since the discharged charge moves to the secondary DC capacitor C2 of the k-th unit via the DAB converter, the secondary DC capacitor voltage Vdc2k of the k-th unit will increase further.
すると、前述の動作により第kユニットの1次側直流コンデンサ電圧Vdc1kをさらに小さくしようとしてしまう。そのため、制御系が不安定になりやすくなり、ゲインG2には大きな値を設定できず効果は非常に小さくなってしまう。 Consequently, the aforementioned operation attempts to further reduce the primary DC capacitor voltage Vdc1k of the k-th unit. This makes the control system prone to instability, preventing a large value from being set for the gain G2, resulting in a very small effect.
一方、1次側直流コンデンサC1と2次側直流コンデンサC2に蓄積されたエネルギー合計値Ekならばコンデンサ電圧とは異なり電荷を移動しても一定であるため、制御系は安定しやすく高いゲインを設定でき十分な効果を得ることができる。 On the other hand, the total energy value Ek stored in the primary DC capacitor C1 and the secondary DC capacitor C2 remains constant even as charge moves, unlike the capacitor voltage. Therefore, the control system is more stable, allowing for a high gain to be set and sufficient effectiveness to be obtained.
前述したように、第2アンプ27の入力をエネルギー合計値Ekとした方が望ましいが、第2アンプ27の入力を下流側の直流コンデンサ電圧としてもよい。この場合、第kユニットの電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が他のユニットに比べて大きい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が小さくなるよう第kユニットの第1インバータ、第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御し、第kユニットの電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が他のユニットに比べて小さい場合に第kユニットの電力伝送の上流側の直流コンデンサ電圧が大きくなるよう第kユニットの第1インバータ、第2インバータが出力する交流電圧の位相差を制御する。 As mentioned above, it is preferable to set the input of the second amplifier 27 to the total energy value Ek, but the input of the second amplifier 27 may also be the downstream DC capacitor voltage. In this case, if the DC capacitor voltage downstream of the k-th unit's power transmission is larger than that of other units, the phase difference of the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit is controlled so that the DC capacitor voltage upstream of the k-th unit's power transmission becomes smaller. Conversely, if the DC capacitor voltage downstream of the k-th unit's power transmission is smaller than that of other units, the phase difference of the AC voltages output by the first and second inverters of the k-th unit is controlled so that the DC capacitor voltage upstream of the k-th unit's power transmission becomes larger.
本実施形態2では負荷があれば効果を得られるが、無負荷では電力伝送の上流側のコンデンサ電圧を変更しても受け取る電力が零で差が生じないため、効果が得られない。そのため、電力指令値P*が零付近の場合はゲインG2を零にして不要な偏差を発生させないようにしてもよい。 In this second embodiment, an effect can be obtained when there is a load, but in the absence of a load, changing the capacitor voltage on the upstream side of power transmission does not produce any difference because the received power is zero, and therefore no effect is obtained. For this reason, when the power command value P* is near zero, the gain G2 may be set to zero to prevent the generation of unnecessary deviations.
本実施形態2は、実施形態1と組み合わせることで伝送される電力の絶対値が小さくてもコンデンサ電圧のバランス偏差を十分小さく保つことができる。しかし、無負荷の場合では制御手段を喪失し偏差が大きくなってしまうという問題がある。 This second embodiment, when combined with the first embodiment, can maintain a sufficiently small balance deviation in the capacitor voltage even when the absolute value of the transmitted power is small. However, it has the problem that in the no-load state, the control means is lost and the deviation becomes large.
実施形態1と実施形態2を併用することにより、伝送電力が小さな条件においても1次側・2次側両方の直流コンデンサの電圧バランスを保つことができる。 By using both Embodiment 1 and Embodiment 2 in combination, it is possible to maintain the voltage balance of both the primary and secondary DC capacitors even under conditions of low transmission power.
実施形態1に比べると、バランスを均等にできた側は少しだけバランスが悪化してしまうが、実施形態1では偏差が生じてしまった側の電圧バランスを改善することができる。 Compared to Embodiment 1, the side where the balance was evenly distributed becomes slightly less balanced, but the voltage balance on the side where a deviation occurred in Embodiment 1 can be improved.
これにより、部品の耐圧を実施形態1よりも小さくできる。実施形態3を単独で、または実施形態1と併用した場合と比較して、伝送電力が小さな条件での損失を低くすることができる。 This allows the voltage rating of the components to be lower than in Embodiment 1. Compared to Embodiment 3 alone or in combination with Embodiment 1, losses under conditions of low transmission power can be reduced.
[実施形態3]
図9に本実施形態3のパルス幅指令値(W1kp,W1km,W2kp,W2km)演算部のブロック図を示す。図9は図3に対して以下の点が異なる。
[Embodiment 3]
Figure 9 shows a block diagram of the pulse width command value (W1kp, W1km, W2kp, W2km) calculation unit of this third embodiment. Figure 9 differs from Figure 3 in the following respects.
本実施形態3では、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1k,第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kは以下のように求めることを想定している。 In this third embodiment, the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit are assumed to be determined as follows.
1次側直流電圧Vdc1と巻線比を考慮した2次側直流電圧Vdc2/nを比較し、電圧が小さい方のパルス幅指令値は、例えば0.7~1程度の1に近い固定値とする。または、電力指令値P*が零に近いときは小さく、電力指令値P*が零から離れるほど大きくなる上限を0.7~1程度とした可変値としてもよい。 The primary DC voltage Vdc1 and the secondary DC voltage Vdc2/n (considering the winding ratio) are compared, and the pulse width command value of the voltage with the smaller voltage is set to a fixed value close to 1, for example, between 0.7 and 1. Alternatively, it may be set to a variable value with an upper limit of approximately 0.7 to 1, which is small when the power command value P* is close to zero and increases as the power command value P* moves away from zero.
また、電圧が大きい方のパルス幅指令値は以下の(1)式のW1とする。なお、(1)式のW2は電圧が小さい方のパルス幅指令値である。また、(1)式のθは、電力指令値P*と、2次側直流電圧Vdc2と2次側直流電流Idc2の積をローパスフィルタでノイズを除去した値と、の偏差をPIアンプで増幅した値である。 Furthermore, the pulse width command value for the higher voltage is W1 in equation (1) below. Note that W2 in equation (1) is the pulse width command value for the lower voltage. Also, θ in equation (1) is the value obtained by amplifying the difference between the power command value P* and the value obtained by removing noise from the product of the secondary DC voltage Vdc2 and the secondary DC current Idc2 using a low-pass filter, using a PI amplifier.
第8減算器29は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1kから第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kを減算する。第2比較器30は、第8減算器29の出力を入力し、W1k>W2kかどうかを判定する。第2比較器30は、後述するスイッチの頻繁な切り替わりを避けるためヒステリシス特性を持たせてもよい。 The eighth subtractor 29 subtracts the secondary pulse width command value W2k of the kth unit from the primary pulse width command value W1k of the kth unit. The second comparator 30 receives the output of the eighth subtractor 29 and determines whether W1k > W2k. The second comparator 30 may have hysteresis characteristics to avoid frequent switching of the switches described later.
第2スイッチSW2は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1k,第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kを入力し、W1k>W2kならW2k、W1k≦W2kならW1k、すなわちW1kとW2kのうち小さい方を出力する。第3スイッチSW3は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1k,第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kを入力し、W1k>W2kならW1k、W1k≦W2kならW2k、すなわちW1kとW2kのうち大きい方を出力する。 The second switch SW2 receives the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit as inputs. If W1k > W2k, it outputs W2k; if W1k ≤ W2k, it outputs W1k; that is, the smaller of W1k and W2k. The third switch SW3 receives the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit as inputs. If W1k > W2k, it outputs W1k; if W1k ≤ W2k, it outputs W2k; that is, the larger of W1k and W2k.
第9減算器31は、第kユニットの1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値Ekと、各ユニットの1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値のうち全ユニット中の最小値Eminと、の偏差である第2エネルギー偏差を求める。 The ninth subtractor 31 calculates the second energy deviation, which is the difference between the total energy value Ek stored in the primary and secondary DC capacitors of the k-th unit and the minimum value Emin among all units' total energy values stored in the primary and secondary DC capacitors of each unit.
第2エネルギー偏差を増幅する第3アンプ32は、今回は例として以下の2つを併用する。比例アンプP2は、第9減算器31で求めた第2エネルギー偏差に比例した値を出力する。ゲイン付き一次遅れフィルタ32aは、第9減算器31で求めた第2エネルギー偏差の低周波数成分を増幅する。第6加算器33は、比例アンプP2の出力とゲイン付き一次遅れフィルタ32aの出力を加算する。 The third amplifier 32, which amplifies the second energy deviation, uses the following two components in this example: The proportional amplifier P2 outputs a value proportional to the second energy deviation obtained by the ninth subtractor 31. The gain-controlled first-order lag filter 32a amplifies the low-frequency components of the second energy deviation obtained by the ninth subtractor 31. The sixth adder 33 adds the output of the proportional amplifier P2 and the output of the gain-controlled first-order lag filter 32a.
第7加算器34は、第3アンプ32の出力と第2スイッチSW2の出力を加算する。第1リミッタ35は第7加算器34の出力を制限する。第1リミッタ35の上限は通常1,下限は0.2など零よりも大きな値である。上限は1より少し小さな値としてもよい。 The seventh adder 34 adds the output of the third amplifier 32 and the output of the second switch SW2. The first limiter 35 limits the output of the seventh adder 34. The upper limit of the first limiter 35 is usually 1, and the lower limit is a value greater than zero, such as 0.2. The upper limit may also be a value slightly less than 1.
第10減算器36は、第1リミッタ35の入力と出力の差分を求め、第1リミッタ35を超過した値を出力する。第11減算器37は、第3スイッチSW3の出力から第10減算器36の出力を減算する。第2リミッタ38は、第11減算器37の出力を制限する。第2リミッタ38の上限・下限の設定は、第1リミッタ35と同様である。 The tenth subtractor 36 calculates the difference between the input and output of the first limiter 35 and outputs the value exceeding the limiter 35. The eleventh subtractor 37 subtracts the output of the tenth subtractor 36 from the output of the third switch SW3. The second limiter 38 limits the output of the eleventh subtractor 37. The upper and lower limits of the second limiter 38 are set in the same way as those of the first limiter 35.
第4スイッチSW4は、第1リミッタ35,第2リミッタ38両方の出力を入力し、W1k>W2kならば第2リミッタ38の出力を出力し、それ以外ならば第1リミッタ35の出力を出力する。 The fourth switch SW4 receives the outputs of both the first limiter 35 and the second limiter 38. If W1k > W2k, it outputs the output of the second limiter 38; otherwise, it outputs the output of the first limiter 35.
第4スイッチSW4の出力する値は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1kと第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kの大小関係に依存せず、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1kにアンプ出力が加算された値である。 The output value of the fourth switch SW4 is independent of the relative magnitudes of the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit; it is the value obtained by adding the amplifier output to the primary pulse width command value W1k of the k-th unit.
第5スイッチSW5は、第1リミッタ35,第2リミッタ38両方の出力を入力し、W1k>W2kならば第1リミッタ35の出力を出力し、それ以外ならば第2リミッタ38の出力を出力する。 The fifth switch SW5 receives the outputs of both the first limiter 35 and the second limiter 38. If W1k > W2k, it outputs the output of the first limiter 35; otherwise, it outputs the output of the second limiter 38.
第5スイッチSW5の出力する値は、第kユニットの1次側パルス幅指令値W1kと第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kの大小関係に依存せず、第kユニットの2次側パルス幅指令値W2kからアンプ出力が減算された値である。 The output value of the fifth switch SW5 is independent of the relative magnitudes of the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit, and is the value obtained by subtracting the amplifier output from the secondary pulse width command value W2k of the k-th unit.
第3加算器13は、第4スイッチSW4の出力に第kユニットの1次側交流電流検出値i1kの直流成分をPIアンプ11で増幅した値を加算し、1次側のプラス側パルス幅指令値W1kpとして出力する。第5減算器14は、第4スイッチSW4の出力から第kユニットの1次側交流電流検出値i1kの直流成分をPIアンプ11で増幅した値を減算し、1次側のマイナス側パルス幅指令値W1kmとして出力する。 The third adder 13 adds the DC component of the primary AC current detection value i1k of the k-th unit, amplified by the PI amplifier 11, to the output of the fourth switch SW4, and outputs it as the primary positive pulse width command value W1kp. The fifth subtractor 14 subtracts the DC component of the primary AC current detection value i1k of the k-th unit, amplified by the PI amplifier 11, from the output of the fourth switch SW4, and outputs it as the primary negative pulse width command value W1km.
第4加算器15は、第5スイッチSW5の出力に第kユニットの2次側交流電流検出値i2kの直流成分をPIアンプ12で増幅した値を加算し、2次側のプラス側パルス幅指令値W2kpとして出力する。第6減算器16は、第5スイッチSW5の出力から第kユニットの2次側交流電流検出値i2kの直流成分をPIアンプ12で増幅した値を減算し、2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmとして出力する。 The fourth adder 15 adds the value obtained by amplified by the PI amplifier 12 of the DC component of the k-th unit's secondary AC current detection value i2k to the output of the fifth switch SW5, and outputs it as the secondary positive pulse width command value W2kp. The sixth subtractor 16 subtracts the value obtained by amplified by the PI amplifier 12 of the DC component of the k-th unit's secondary AC current detection value i2k from the output of the fifth switch SW5, and outputs it as the secondary negative pulse width command value W2km.
本実施形態3では、これまでの実施形態1,2の問題点であった無負荷時のコンデンサ電圧のバランス偏差を小さくする方法を説明する。 This third embodiment describes a method for reducing the balance deviation of the capacitor voltage under no-load conditions, which was a problem in the previous embodiments 1 and 2.
本実施形態3の動作を説明する。まず、実施形態2と同様に第kユニットの1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値Ekを計算し入力する。また、各ユニットの1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値のうち全ユニット中の最小値Eminを求め、第kユニットのエネルギー合計値Ekとの偏差である第2エネルギー偏差を第3アンプ32に入力する。 The operation of this third embodiment will now be described. First, similar to the second embodiment, the total energy value Ek stored in the primary and secondary DC capacitors of the k-th unit is calculated and input. Furthermore, the minimum value Emin among all units, based on the total energy values stored in the primary and secondary DC capacitors of each unit, is calculated, and the second energy deviation, which is the deviation from the total energy value Ek of the k-th unit, is input to the third amplifier 32.
第3アンプ32の出力に基づいて第kユニットの1次側交流電圧V1k,第kユニットの2次側交流電圧V2kのパルス幅を操作する。操作は、まずパルス幅の狭い方を広げ、リミッタを超過したらパルス幅の広い方を狭くする。 The pulse widths of the primary AC voltage V1k and the secondary AC voltage V2k of the k-th unit are controlled based on the output of the third amplifier 32. The control involves first widening the narrower pulse width, and then narrowing the wider pulse width once the limiter is exceeded.
2次側直流電圧Vdc2が小さく2次側パルス幅指令値W2k=0.7~1、1次側直流電圧Vdc1が大きく1次側パルス幅指令値W1k=(1)式とし、かつ第kユニットの直流コンデンサ蓄積エネルギー合計値Ekが最小ではない場合を例に本実施形態3の動作を説明する。このとき、第kユニットの2次側インバータ出力電圧のパルス幅は広く設定され交流側は力率1で動作する。1次側インバータ出力電圧はパルス幅が狭く設定されトランスやリアクトルに供給する無効電力をすべて分担する。 The operation of this embodiment 3 will be explained using the example where the secondary DC voltage Vdc2 is small, the secondary pulse width command value W2k = 0.7 to 1, the primary DC voltage Vdc1 is large, the primary pulse width command value W1k = (1), and the total stored energy value Ek of the k-th unit's DC capacitor is not the minimum. In this case, the pulse width of the secondary inverter output voltage of the k-th unit is set wide, and the AC side operates with a power factor of 1. The primary inverter output voltage is set with a narrow pulse width, sharing all the reactive power supplied to the transformer and reactor.
これにより1次側交流電流検出値i1k,2次側交流電流検出値i2kを小さくして銅損や導通損を低減する。ここで、パルス幅の狭い第kユニットの1次側インバータ出力電圧のパルス幅を広げることで、交流側に供給される無効電力は過剰になり、第kユニットの2次側インバータは進み力率で運転する。 This reduces the primary AC current detection value i1k and the secondary AC current detection value i2k, thereby reducing copper losses and conduction losses. Here, by widening the pulse width of the primary inverter output voltage of the k-th unit, which has a narrow pulse width, the reactive power supplied to the AC side becomes excessive, and the secondary inverter of the k-th unit operates with a leading power factor.
不要な無効電力のやりとりが発生することにより1次側交流電流検出値i1k,2次側交流電流検出値i2kの振幅が増加し銅損や導通損も増加、コンデンサ電圧の放電を促す。 Unnecessary reactive power exchange increases the amplitude of the primary AC current detection value i1k and the secondary AC current detection value i2k, increasing copper losses and conduction losses, and promoting capacitor voltage discharge.
第kユニットの1次側インバータ出力電圧のパルス幅を1まで広げてもコンデンサ電圧の放電が不十分な場合、第kユニットの2次側インバータ出力電圧のパルス幅を狭くする。これにより交流側に供給される無効電力をさらに大きくし、コンデンサ電圧をさらに小さくすることができる。 If the capacitor voltage discharge is insufficient even when the pulse width of the primary inverter output voltage of the k-th unit is widened to 1, the pulse width of the secondary inverter output voltage of the k-th unit is narrowed. This further increases the reactive power supplied to the AC side and further decreases the capacitor voltage.
コンデンサ蓄積エネルギーが最小のユニットはパルス幅の変更が行われず、2次側パルス幅指令値W2k=0.7~1、1次側パルス幅指令値W1k=(1)式と同じ動作になり、損失を小さくしてコンデンサの放電を抑制する。以上の動作によりコンデンサ電圧のバランスを改善する。 The unit with the smallest capacitor stored energy does not undergo pulse width modification, resulting in the same operation as the secondary pulse width command value W2k = 0.7 to 1 and the primary pulse width command value W1k = (1), thereby reducing losses and suppressing capacitor discharge. This operation improves the balance of the capacitor voltage.
本実施形態3では、1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値Ekが最小以外のユニットで、当該ユニットの出力する無効電力が大きくなるように(運転力率を低下させるように)1次側パルス幅指令値W1kと2次側パルス幅指令値W2kのうち小さい方のパルス幅を広げ、または、大きい方のパルス幅を狭め、または両方行って、1次側パルス幅指令値W1kと2次側パルス幅指令値W2kを補正し、1次側のプラス側パルス幅指令値W1kp、1次側のマイナス側パルス幅指令値W1km、2次側のプラス側パルス幅指令値W2kp、2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmとして出力する。 In this third embodiment, for units where the total energy value Ek stored in the primary and secondary DC capacitors is not the minimum, the pulse width of the smaller of the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k is widened, or the pulse width of the larger of the two is narrowed, or both are done, in order to increase the reactive power output by the unit (to lower the operating power factor). The primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k are then corrected, and output as the primary positive pulse width command value W1kp, the primary negative pulse width command value W1km, the secondary positive pulse width command value W2kp, and the secondary negative pulse width command value W2km.
また、第kユニットの電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が最小以外のユニットで、当該ユニットの出力する無効電力が大きくなるように(運転力率を低下させるように)1次側パルス幅指令値W1kと2次側パルス幅指令値W2kのうち小さい方のパルス幅を広げ、または、大きい方のパルス幅を狭め、または両方行って、1次側パルス幅指令値W1kと2次側パルス幅指令値W2kを補正し、1次側のプラス側パルス幅指令値W1kp、1次側のマイナス側パルス幅指令値W1km、2次側のプラス側パルス幅指令値W2kp、2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmとして出力してもよい。 Furthermore, for units other than the minimum DC capacitor voltage downstream of the k-th unit's power transmission, the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k may be corrected by widening the smaller pulse width of the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k, or by narrowing the larger pulse width, or both, in order to increase the reactive power output by the unit (to lower the operating power factor). The output values may then be W1kp for the positive primary pulse width command value W1kp, W1km for the negative primary pulse width command value W2kp, and W2km for the negative secondary pulse width command value W2kp.
本実施形態3では、パルス幅に第1,第2リミッタ35,38を設定している。第1,第2リミッタ35,38の上限は通常1であるが、0.7~0.95程度に設定してもよい。第1,第2リミッタ35,38の下限を0に設定すると交流側電圧が出力されず電力伝送ができなくなり制御不能に陥る。そのため例えば0.2程度など0より大きな値に設定する。 In this embodiment 3, the pulse width is set to the first and second limiters 35 and 38. The upper limit of the first and second limiters 35 and 38 is usually 1, but it may be set to approximately 0.7 to 0.95. Setting the lower limit of the first and second limiters 35 and 38 to 0 will result in no AC voltage output, making power transmission impossible and leading to loss of control. Therefore, it should be set to a value greater than 0, such as approximately 0.2.
本実施形態3ではパルス幅の操作として狭い方を広げることを優先しているが、逆に広い方を狭くすることを優先してもよい。また、両方を均等に操作してもよい。 In this third embodiment, priority is given to widening the narrower pulse width, but the opposite approach may be taken: prioritizing narrowing the wider pulse width. Alternatively, both pulse widths may be controlled equally.
本実施形態3の第3アンプ32のゲインP2,ゲインG2は一定としている。しかし、実施形態1,2により負荷がある状態ならば実施形態3を適用しなくてもコンデンサ電圧をバランスさせることができる。そのため、電力指令値P*が0でなければゲインを0に切り替えてもよく、損失を抑えることができる。電力指令値P*の絶対値が0.1以上などある程度大きな条件でゲインを0に設定してもよく、軽負荷でも意図的に損失を発生させることで効率は少し低下してしまうがコンデンサ電圧バランスの偏差を小さくすることもできる。ゲインの切り替えにはヒステリシス特性を持たせてもよく、電力指令値P*の絶対値に基づきゲインを変化させてもよい。 In this embodiment 3, the gains P2 and G2 of the third amplifier 32 are kept constant. However, as in embodiments 1 and 2, the capacitor voltage can be balanced even without applying embodiment 3 if there is a load. Therefore, the gain may be switched to 0 if the power command value P* is not 0, thereby reducing losses. The gain may also be set to 0 under conditions where the absolute value of the power command value P* is 0.1 or greater, and even under light loads, intentionally generating losses can reduce the efficiency slightly, but also reduce the deviation in the capacitor voltage balance. The gain switching may have hysteresis characteristics, and the gain may be changed based on the absolute value of the power command value P*.
実施形態3では意図的に損失を発生させるため、当然ユニットの熱責務が増加する。しかし、実施形態3の適用は無負荷あるいは軽負荷を想定し、このときの損失としては銅損・導通損・スイッチング損は非常に小さく鉄損を始めとする無負荷損が大半を占め、無負荷損が最大のユニットに合わせて他のユニットの損失を揃えているに過ぎず、損失の増加は小さい。 In Embodiment 3, losses are intentionally generated, naturally increasing the thermal load of the unit. However, Embodiment 3 assumes no load or light load conditions. In this case, copper loss, conduction loss, and switching loss are very small, with no-load losses, primarily iron loss, accounting for the majority. The losses of other units are simply adjusted to match the unit with the largest no-load loss, resulting in a small increase in overall losses.
例えば、トランスTrの鉄心にひびが入り該当箇所の磁束密度が増加しヒステリシス損が増加した、積層鋼板の絶縁が衝撃で破損し渦電流損が増加した、経年劣化でコンデンサの漏れ電流が増加した、などの異常による極端な損失増加が発生しない限り、冷却機構の大型化は不要である。 For example, unless extreme losses increase due to abnormalities such as a crack in the transformer core leading to increased magnetic flux density and hysteresis loss, damage to the insulation of laminated steel plates due to impact leading to increased eddy current loss, or increased leakage current in capacitors due to aging, there is no need to enlarge the cooling mechanism.
本実施形態3によれば、伝送電力が零の条件においても1次側・2次側両方の直流コンデンサの電圧バランスを保ち運転を継続することができる。無負荷で待機する状況が頻発する用途においてもこの構成のコンバータを適用することができる。 According to this embodiment 3, even under conditions where the transmitted power is zero, the voltage balance of both the primary and secondary DC capacitors can be maintained, allowing operation to continue. This converter configuration can also be applied to applications where standby situations with no load frequently occur.
実施形態1や実施形態2と併用することで、伝送電力がある条件において損失は増加してしまうが直流コンデンサの電圧バランスの偏差をより小さくできる。 By using this method in combination with Embodiments 1 and 2, the voltage balance deviation of the DC capacitor can be reduced, although the power loss increases under certain conditions.
また、ある程度伝送電力が大きな条件では本実施形態3の制御ゲインを小さくすることで本実施形態3を無効化し、効率低下を防ぐことができる。また、後述する実施形態4とは異なり直流側に発生するリプルは基本波周波数の2倍となるので、小さなフィルタで除去できる。 Furthermore, under conditions where the transmission power is relatively large, the control gain of this embodiment 3 can be reduced to disable it and prevent efficiency degradation. Also, unlike embodiment 4 described later, the ripple generated on the DC side is twice the fundamental frequency, so it can be removed with a small filter.
[実施形態4]
図10に本実施形態4のパルス幅指令値(W1kp,W1km,W2kp,W2km)演算部のブロック図を示す。図10は図9に対して以下の点が異なる。
[Embodiment 4]
Figure 10 shows a block diagram of the pulse width command value (W1kp, W1km, W2kp, W2km) calculation unit of this embodiment 4. Figure 10 differs from Figure 9 in the following respects.
本実施形態4では、第12減算器39を追加している。第12減算器39は、第2リミッタ38の入力と出力の差分を求め、第2リミッタ38を超過した値を出力する。 In this fourth embodiment, a twelfth subtractor 39 is added. The twelfth subtractor 39 calculates the difference between the input and output of the second limiter 38 and outputs the value exceeding the second limiter 38.
この第12減算器39の出力は、第kユニットの1次側交流電流の直流成分指令値とし、第3減算器9で用いる。また、第12減算器39の出力の符号を反転した信号は、第kユニットの2次側交流電流の直流成分指令値とし、第4減算器10で用いる。 The output of the 12th subtractor 39 is used as the DC component command value of the primary AC current of the k-th unit and is used by the 3rd subtractor 9. Furthermore, the signal obtained by inverting the sign of the output of the 12th subtractor 39 is used as the DC component command value of the secondary AC current of the k-th unit and is used by the 4th subtractor 10.
第3減算器9は第12減算器39の出力から第3ローパスフィルタLPF3の出力を減算する。第4減算器10は第12減算器39の出力の符号を反転した値から第4ローパスフィルタLPF4の出力を減算する。 The third subtractor 9 subtracts the output of the third low-pass filter LPF3 from the output of the twelfth subtractor 39. The fourth subtractor 10 subtracts the output of the fourth low-pass filter LPF4 from the value obtained by inverting the sign of the output of the twelfth subtractor 39.
実施形態3は、パルス幅を変化させることで損失を意図的に増加させ無負荷時のコンデンサ電圧のバランス偏差を小さくする。しかし、変化させることのできるパルス幅に制限があり、上記のようなこれを上回るコンデンサ電圧バランス外乱が発生した場合には対処できない。 Embodiment 3 intentionally increases losses by changing the pulse width to reduce the balance deviation of the capacitor voltage under no load. However, there is a limit to the pulse width that can be changed, and it cannot deal with capacitor voltage balance disturbances that exceed this limit, as described above.
本実施形態4は、無負荷においてより大きなバランス外乱が発生した場合でもコンデンサ電圧のバランス偏差を小さくする方法を説明する。 This fourth embodiment describes a method for reducing the balance deviation of the capacitor voltage even when a larger balance disturbance occurs under no-load conditions.
実施形態3では、狭い方のパルス幅を広げる操作を行うが、操作量がリミッタを超過した分については広い方のパルス幅を狭くする操作を行い、ここでもリミッタを超過したらその分は操作を行わない。 In Embodiment 3, the operation to widen the narrower pulse width is performed. However, if the amount of manipulation exceeds the limiter, the operation to narrow the wider pulse width is performed. If this also exceeds the limiter, no operation is performed for that amount.
本実施形態4では、広い方のパルス幅を狭くする操作についてもリミッタを超過した分を検出し、超過分を第kユニットの1次側交流電流検出値i1k,第kユニットの2次側交流電流検出値i2kの直流成分の指令値とした。 In this embodiment 4, the operation to narrow the wider pulse width also detects the portion exceeding the limiter, and the excess portion is used as the command value for the DC component of the primary AC current detection value i1k and the secondary AC current detection value i2k of the k-th unit.
第kユニットの1次側交流電流検出値i1k,第kユニットの2次側交流電流検出値i2kに直流成分を重畳することでより大きな損失を発生させコンデンサを放電することができる。 By superimposing a DC component onto the primary AC current detection value i1k and the secondary AC current detection value i2k of the k-th unit, a larger loss can be generated, allowing the capacitor to discharge.
与える直流成分指令値は、第kユニットの1次側交流電流検出値i1kと第kユニットの2次側交流電流検出値i2kで逆向きに設定した。本実施形態4では、第1乗算器8は、1次側交流電流検出値i1kを1/n倍、または、2次側交流電流検出値i2kをn倍する。これにより高周波トランス内部の鉄心で1次側・2次側両方の電流により発生する磁束の直流成分が互いに打ち消し合うため、鉄心の磁気飽和を防ぐことができる。 The DC component command values to be applied were set in opposite directions for the primary AC current detection value i1k and the secondary AC current detection value i2k of the k-th unit. In this embodiment 4, the first multiplier 8 multiplies the primary AC current detection value i1k by 1/n, or the secondary AC current detection value i2k by n. This causes the DC components of the magnetic flux generated by both the primary and secondary currents in the iron core inside the high-frequency transformer to cancel each other out, thus preventing magnetic saturation of the iron core.
本実施形態4では、1次側直流コンデンサと2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値Ekが全ユニット中最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分が大きくなるように1次側パルス幅指令値W1kと2次側パルス幅指令値W2kを補正し、1次側のプラス側パルス幅指令値W1kp、1次側のマイナス側パルス幅指令値W1km、2次側のプラス側パルス幅指令値W2kp、2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmとして出力する。 In this embodiment 4, for units other than the one with the smallest total energy Ek stored in the primary and secondary DC capacitors, the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k are corrected so that the DC component of the current output by that unit increases. The output values are then set as follows: primary positive pulse width command value W1kp, primary negative pulse width command value W1km, secondary positive pulse width command value W2kp, and secondary negative pulse width command value W2km.
また、電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分が大きくなるように1次側パルス幅指令値W1kと2次側パルス幅指令値W2kを補正し、1次側のプラス側パルス幅指令値W1kp、1次側のマイナス側パルス幅指令値W1km、2次側のプラス側パルス幅指令値W2kp、2次側のマイナス側パルス幅指令値W2kmとして出力してもよい。 Furthermore, for units other than the minimum DC capacitor voltage downstream of power transmission, the primary pulse width command value W1k and the secondary pulse width command value W2k may be corrected so that the DC component of the current output by the unit increases, and the output values may be W1kp for the positive primary pulse width command value, W1km for the negative primary pulse width command value, W2kp for the positive secondary pulse width command value, and W2km for the negative secondary pulse width command value.
本実施形態4では、損失を発生させる手段として交流側の無効電力増加の優先度を高く、交流電流への直流重畳の優先度を低くした。この理由を説明する。無効電力を増加すると、直流側には基本波周波数の2倍のリプルが発生する。直流重畳の場合は基本波周波数に等しい周波数のリプルが発生する。リプル周波数が低いと、同じコンデンサ容量でも電圧リプルの振幅が大きくなる、除去に大型のフィルタが必要になる、といった問題が生じる。そのため、発生するリプル周波数の高い手段を優先した。 In this embodiment 4, the priority for increasing reactive power on the AC side as a means of generating loss was given higher, while the priority for DC superposition on the AC current was given lower. The reason for this is explained below. Increasing reactive power generates a ripple on the DC side at twice the fundamental frequency. In the case of DC superposition, a ripple with a frequency equal to the fundamental frequency is generated. Low ripple frequencies lead to problems such as a larger voltage ripple amplitude even with the same capacitor capacitance, and the need for a larger filter to remove it. Therefore, the means that generate high ripple frequencies were prioritized.
本実施形態4の適用が必要なほど大きなバランス外乱としては、トランスやコンデンサの異常の他、ユニット内への異物混入による放電、ユニットの絶縁破壊などが考えられる。そこで、第kユニットの1次側交流電流検出値i1k,第kユニットの2次側交流電流検出値i2kの直流成分指令値を積算してその値をメンテナンスなどで定期的に確認、積算値の大きなユニットが存在すれば他のユニットに劣化や異常が発生したと考え、最も積算値の小さなユニットを交換し故障を未然に防ぐといった運用を行うことも考えられる。 Significant balance disturbances requiring the application of this embodiment 4 include abnormalities in transformers and capacitors, discharge due to foreign matter contamination within the unit, and insulation breakdown of the unit. Therefore, it is conceivable to periodically check the DC component command values of the primary AC current detection value i1k and the secondary AC current detection value i2k of the k-th unit during maintenance. If a unit with a large accumulated value is found, it can be assumed that deterioration or abnormality has occurred in other units, and the unit with the smallest accumulated value can be replaced to prevent failure.
本実施形態4によれば、伝送電力が零の条件においてより大きなバランス外乱が発生した場合でも1次側・2次側両方の直流コンデンサの電圧バランスを保ち運転を継続することができる。 According to this embodiment 4, even when a larger balance disturbance occurs under the condition of zero transmission power, the voltage balance of both the primary and secondary DC capacitors can be maintained, allowing operation to continue.
また、直流側には基本波周波数に等しい周波数のリプルが発生してしまうが、これを最小限に抑えることができる。 Furthermore, while ripple with a frequency equal to the fundamental frequency occurs on the DC side, this can be minimized.
なお、本発明は非特許文献1に示されているような複数台のDAB方式コンバータの一端がすべて直列接続され、もう一端が直列・並列接続を組み合わせた構成にも適用することができる。この場合、複数台のDAB方式コンバータのうち一端が直列に、もう一端が並列に接続した単位ユニットが複数直列接続されていると見なし、単位ユニット内部の直列コンデンサ電圧バランス制御は既存の制御法を適用する。各単位ユニットのコンデンサ電圧のバランス制御は本発明を適用する。 Furthermore, the present invention can also be applied to a configuration where, as shown in Non-Patent Document 1, one end of multiple DAB converters is connected in series, and the other end is a combination of series and parallel connections. In this case, multiple unit units, each with one end connected in series and the other end in parallel, are considered to be connected in series, and existing control methods are applied to balance the series capacitor voltages within each unit unit. The present invention is applied to balance the capacitor voltages of each unit unit.
以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。 Although the present invention has been described in detail only with respect to the specific examples provided, it will be obvious to those skilled in the art that a wide variety of modifications and alterations are possible within the scope of the technical concept of the present invention, and it is natural that such modifications and alterations fall within the scope of the claims.
DC1,DC2…1次側直流電源,2次側直流電源
C1,C2…1次側直流コンデンサ,2次側直流コンデンサ
L1~L4…リアクトル
Tr…トランス
LPF1~LPF4…第1~第4ローパスフィルタ
1,2…第1,第2減算器
3…第1比較器
4…巻数比演算器
SW1~SW5…第1~第5スイッチ
5…第1アンプ
6,7…第1,第2加算器
DC1, DC2… Primary DC power supply, Secondary DC power supply C1, C2… Primary DC capacitor, Secondary DC capacitor L1-L4… Reactor Tr… Transformer LPF1-LPF4… First to fourth low-pass filters 1, 2… First and second subtractors 3… First comparator 4… Turns ratio calculator SW1-SW5… First to fifth switches 5… First amplifier 6, 7… First and second adders
Claims (7)
前記1次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの1次側直流コンデンサと、
前記2次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの2次側直流コンデンサと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記1次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第1インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記2次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第2インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第1インバータの交流側にそれぞれ1次巻線が接続され、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第2インバータの交流側にそれぞれ2次巻線が接続された前記第1ユニット~前記第mユニットのトランスと、
前記第1,第2インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータ。 A DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter comprising a primary DC power supply, a secondary DC power supply, and first to m (m: an integer of 2 or more) units connected between the primary DC power supply and the secondary DC power supply,
The primary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the primary DC power supply,
The secondary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the secondary DC power supply,
The first inverters of the first unit to the m unit are connected to the primary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The second inverters of the first unit to the m unit are connected to the secondary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The transformers of the first unit to the m unit are configured such that the primary windings of the first inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit, and the secondary windings of the second inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit,
A control unit that generates gate signals for the first and second inverters,
Equipped with,
The control unit,
A DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter characterized in that the operating power factor of a unit is reduced in any unit other than the unit with the smallest total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor.
前記1次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの1次側直流コンデンサと、
前記2次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの2次側直流コンデンサと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記1次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第1インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記2次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第2インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第1インバータの交流側にそれぞれ1次巻線が接続され、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第2インバータの交流側にそれぞれ2次巻線が接続された前記第1ユニット~前記第mユニットのトランスと、
前記第1,第2インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータ。 A DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter comprising a primary DC power supply, a secondary DC power supply, and first to m (m: an integer of 2 or more) units connected between the primary DC power supply and the secondary DC power supply,
The primary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the primary DC power supply,
The secondary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the secondary DC power supply,
The first inverters of the first unit to the m unit are connected to the primary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The second inverters of the first unit to the m unit are connected to the secondary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The transformers of the first unit to the m unit are configured such that the primary windings of the first inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit, and the secondary windings of the second inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit,
A control unit that generates gate signals for the first and second inverters,
Equipped with,
The control unit,
A DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter characterized by reducing the operating power factor of a unit in which the DC capacitor voltage on the downstream side of power transmission is not the minimum of all units.
第kユニットの前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値と、全ユニットのうち前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値の最小値と、の偏差である第2エネルギー偏差を算出する第9減算器と、
前記第2エネルギー偏差を増幅する第3アンプと、
第kユニットの1次側パルス幅指令値と第kユニットの2次側パルス幅指令値のうち小さい方に前記第3アンプの出力を加算する第7加算器と、
前記第7加算器の出力を上限値、下限値内に制限する第1リミッタと、
前記第1リミッタの入力値と出力値の差分を算出する第10減算器と、
第kユニットの前記1次側パルス幅指令値と第kユニットの前記2次側パルス幅指令値のうち大きい方から、前記第1リミッタの入力値と出力値の差分を減算する第11減算器と、
前記第11減算器の出力を上限値、下限値内に制限する第2リミッタと、
第kユニットの前記1次側パルス幅指令値が第kユニットの前記2次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第2リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第1リミッタの出力を出力する第4スイッチと、
第kユニットの前記1次側パルス幅指令値が第kユニットの前記2次側パルス幅指令値よりも大きい場合、前記第1リミッタの出力を出力し、それ以外の場合前記第2リミッタの出力を出力する第5スイッチと、
前記トランスの巻数比が1次巻線:2次巻線=1:nの時に、第kユニットの1次側交流電流検出値を1/n倍し、または、第kユニットの2次側交流電流検出値をn倍する第1乗算器と、
前記第4スイッチの出力に、第kユニットの1次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を加算して第kユニットの1次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第3加算器と、
前記第4スイッチの出力から、第kユニットの1次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を減算して第kユニットの1次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第5減算器と、
前記第5スイッチの出力に、第kユニットの2次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を加算して第kユニットの2次側のプラス側パルス幅指令値として出力する第4加算器と、
前記第5スイッチの出力から、第kユニットの2次側交流電流検出値の直流成分を増幅した値を減算して第kユニットの2次側のマイナス側パルス幅指令値として出力する第6減算器と、
を備えたことを特徴とする請求項1記載のDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータ。 The control unit,
A ninth subtractor calculates a second energy deviation, which is the difference between the total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of the k-th unit and the minimum total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor of all units.
A third amplifier that amplifies the second energy deviation,
A seventh adder adds the output of the third amplifier to the smaller of the primary pulse width command value of the kth unit and the secondary pulse width command value of the kth unit.
A first limiter that limits the output of the seventh adder to within an upper and lower limit,
A tenth subtractor calculates the difference between the input value and the output value of the first limiter,
An eleventh subtractor subtracts the difference between the input value and output value of the first limiter from the larger of the primary pulse width command value of the kth unit and the secondary pulse width command value of the kth unit,
A second limiter that limits the output of the 11th subtractor to within an upper and lower limit,
A fourth switch that outputs the output of the second limiter if the primary pulse width command value of the k-th unit is greater than the secondary pulse width command value of the k-th unit, and outputs the output of the first limiter otherwise,
A fifth switch outputs the output of the first limiter when the primary pulse width command value of the k-th unit is greater than the secondary pulse width command value of the k-th unit, and outputs the output of the second limiter otherwise.
When the turns ratio of the transformer is primary winding:secondary winding = 1:n, a first multiplier multiplies the primary AC current detection value of the kth unit by 1/n, or multiplies the secondary AC current detection value of the kth unit by n.
A third adder adds the amplified DC component of the AC current detection value on the primary side of the k-th unit to the output of the fourth switch and outputs it as the positive pulse width command value on the primary side of the k-th unit.
A fifth subtractor subtracts the amplified DC component of the AC current detection value on the primary side of the k-th unit from the output of the fourth switch and outputs it as the negative pulse width command value on the primary side of the k-th unit.
A fourth adder adds the amplified DC component of the detected AC current value on the secondary side of the k-th unit to the output of the fifth switch and outputs it as the positive pulse width command value on the secondary side of the k-th unit.
A sixth subtractor subtracts the amplified DC component of the detected AC current on the secondary side of the k-th unit from the output of the fifth switch and outputs it as the negative pulse width command value on the secondary side of the k-th unit.
The DAB type bidirectional isolated DC/DC converter according to claim 1, characterized by comprising the above.
前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分を大きくすることを特徴とする請求項1記載のDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータ。 The control unit,
The DAB type bidirectional isolated DC/DC converter according to claim 1, characterized in that, for units other than the one with the smallest total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor, the DC component of the current output by that unit is increased.
電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットが出力する電流の直流成分を大きくすることを特徴とする請求項2記載のDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータ。 The control unit,
The DAB type bidirectional isolated DC/DC converter according to claim 2, characterized in that the DC component of the current output by a unit is increased in units other than the unit with the smallest DC capacitor voltage downstream of the power transmission.
2次側直流電源と、
前記1次側直流電源と前記2次側直流電源との間に接続された第1ユニット~第m(m:2以上の整数)ユニットと、
前記1次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの1次側直流コンデンサと、
前記2次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの2次側直流コンデンサと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記1次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第1インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記2次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第2インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第1インバータの交流側にそれぞれ1次巻線が接続され、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第2インバータの交流側にそれぞれ2次巻線が接続された前記第1ユニット~前記第mユニットのトランスと、
前記第1,第2インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備えたDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータの制御方法であって、
前記制御部は、
前記1次側直流コンデンサと前記2次側直流コンデンサに蓄積されたエネルギー合計値が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータの制御方法。 Primary DC power supply,
Secondary DC power supply and
A first unit to the mth (m: an integer of 2 or more) unit connected between the primary DC power supply and the secondary DC power supply,
The primary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the primary DC power supply,
The secondary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the secondary DC power supply,
The first inverters of the first unit to the m unit are connected to the primary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The second inverters of the first unit to the m unit are connected to the secondary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The transformers of the first unit to the m unit are configured such that the primary windings of the first inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit, and the secondary windings of the second inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit,
A control unit that generates gate signals for the first and second inverters,
A control method for a DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter, comprising:
The control unit,
A control method for a DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter, characterized in that the operating power factor of a unit is reduced for any unit other than the unit with the smallest total energy stored in the primary DC capacitor and the secondary DC capacitor.
2次側直流電源と、
前記1次側直流電源と前記2次側直流電源との間に接続された第1ユニット~第m(m:2以上の整数)ユニットと、
前記1次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの1次側直流コンデンサと、
前記2次側直流電源の正極と負極との間に直列接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの2次側直流コンデンサと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記1次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第1インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記2次側直流コンデンサにそれぞれ接続された前記第1ユニット~前記第mユニットの第2インバータと、
前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第1インバータの交流側にそれぞれ1次巻線が接続され、前記第1ユニット~前記第mユニットの前記第2インバータの交流側にそれぞれ2次巻線が接続された前記第1ユニット~前記第mユニットのトランスと、
前記第1,第2インバータのゲート信号を生成する制御部と、
を備えたDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータの制御方法であって、
前記制御部は、
電力伝送の下流側の直流コンデンサ電圧が全ユニットのうち最小以外のユニットで、当該ユニットの運転力率を低下させることを特徴とするDAB方式双方向絶縁型DC/DCコンバータの制御方法。 Primary DC power supply,
Secondary DC power supply and
A first unit to the mth (m: an integer of 2 or more) unit connected between the primary DC power supply and the secondary DC power supply,
The primary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the primary DC power supply,
The secondary DC capacitors of the first unit to the m unit are connected in series between the positive and negative terminals of the secondary DC power supply,
The first inverters of the first unit to the m unit are connected to the primary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The second inverters of the first unit to the m unit are connected to the secondary DC capacitors of the first unit to the m unit, respectively.
The transformers of the first unit to the m unit are configured such that the primary windings of the first inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit, and the secondary windings of the second inverters of the first unit to the m unit are connected to the AC side of each unit,
A control unit that generates gate signals for the first and second inverters,
A control method for a DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter, comprising:
The control unit,
A control method for a DAB-type bidirectional isolated DC/DC converter, characterized in that the operating power factor of a unit is reduced in any unit other than the unit with the lowest DC capacitor voltage downstream of the power transmission.
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| Xin Zhang,Hybrid Input-Series-Output-Series Modular DC-DC Converter Constituted by Resonant and Nonresonant Du,IEEE Transactions on Industrial Electronics,米国,IEEE,2021年02月02日,Vol. 69, No. 1,1062-1069,https://ieeexplore.ieee.org/document/9345514 |
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