JP2014217199A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、燃料電池発電システム用のパワーコンディショナとして好適に利用できる電力変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device that can be suitably used as a power conditioner for a fuel cell power generation system.
燃料電池発電システムにおいて燃料電池が出力する直流電力を商用電力系統に系統連系する交流電力に変換して出力するパワーコンディショナに内蔵されるDC/DCコンバータとしては、絶縁型コンバータの中でも高効率な電流共振フルブリッジコンバータが採用されることが多い。 As a DC / DC converter built in a power conditioner that converts DC power output from a fuel cell into AC power linked to a commercial power system and outputs it in a fuel cell power generation system, it is one of the most efficient types of isolated converters. Current resonant full-bridge converters are often used.
この電流共振フルブリッジコンバータとしては、例えば下記の特許文献1に開示されたものがある。この従来のコンバータでは、共振コンデンサを高周波トランスと直列に接続し、高周波ブリッジインバータを構成するスイッチング素子を電流共振の共振周波数と一致する一定のスイッチング周波数で駆動することによってゼロ電流スイッチングを行い、これによりスイッチングロス及びノイズを低減して高効率化を図っている。 An example of the current resonance full bridge converter is disclosed in Patent Document 1 below. In this conventional converter, a resonant capacitor is connected in series with a high-frequency transformer, and zero current switching is performed by driving the switching elements constituting the high-frequency bridge inverter at a constant switching frequency that matches the resonance frequency of current resonance. As a result, switching loss and noise are reduced to achieve higher efficiency.
しかし、トランスの製造時のバラツキや、トランスや共振コンデンサの経年劣化や温度条件等により、トランスの漏れインダクタンスや共振コンデンサのキャパシタンスが設計値からずれることがあり、それにより共振周波数も設計値からずれてしまい、正確にゼロ電流スイッチングを行うことができなくなることがあり、その場合、スイッチングロスの増加による電力変換効率の低下やスイッチングノイズが発生してしまうという問題がある。 However, transformer leakage inductance and resonant capacitor capacitance may deviate from the design value due to variations in transformer manufacturing, aging of the transformer and resonant capacitor, temperature conditions, etc. As a result, zero current switching cannot be performed accurately. In this case, there is a problem in that power conversion efficiency is reduced due to an increase in switching loss and switching noise occurs.
上記特許文献1においても、段落番号0061に、回路素子の個体差により回路定数がばらついていると共振周波数もばらつく可能性があるため、昇圧回路のスイッチング周波数を予め固定的に決めてしまうのではなく、実際に系統連系インバータ装置を動作させた状態でスイッチング周波数が自動的に補正される構成を採用することが好ましいことが言及されている。また、段落番号0063〜0064には、スイッチング周波数を自動補正する構成の一例として、昇圧回路およびインバータ回路での電力の変換効率を算出する効率算出手段を昇圧制御部に設け、当該変換効率が最大となるように昇圧制御部にてスイッチング周波数を調節する構成が開示されている。具体的には、昇圧回路の入力電力検出手段と、インバータ回路の出力電力検出手段とを設け、効率算出手段は入力電力検出手段の検出電力に対する出力電力検出手段の検出電力の比率から変換効率を算出する。そして、昇圧制御部は、所定の範囲内で昇圧回路のスイッチング周波数を変化させ、効率算出手段で算出される変換効率が最大となる周波数を新たなスイッチング周波数に設定するようになっている。 Also in the above-mentioned Patent Document 1, in paragraph No. 0061, if the circuit constant varies due to individual differences of circuit elements, the resonance frequency may also vary. Therefore, the switching frequency of the booster circuit is not fixedly determined in advance. It is mentioned that it is preferable to adopt a configuration in which the switching frequency is automatically corrected in a state where the grid-connected inverter device is actually operated. Further, in paragraph numbers 0063 to 0064, as an example of a configuration for automatically correcting the switching frequency, the boost control unit is provided with efficiency calculating means for calculating the power conversion efficiency in the booster circuit and the inverter circuit, and the conversion efficiency is maximized. A configuration in which the switching frequency is adjusted by the boost control unit is disclosed. Specifically, the input power detection means of the booster circuit and the output power detection means of the inverter circuit are provided, and the efficiency calculation means calculates the conversion efficiency from the ratio of the detection power of the output power detection means to the detection power of the input power detection means. calculate. The step-up control unit changes the switching frequency of the step-up circuit within a predetermined range, and sets the frequency at which the conversion efficiency calculated by the efficiency calculating means is maximized as a new switching frequency.
しかし、系統連系インバータ装置の動作時においても家庭内負荷が変動し、これにより入出力電力が変動することがあるが、上記の変換効率測定時に入出力電力が変動すると最大変換効率となるスイッチング周波数を正確に把握することができず、これにより設定された新たなスイッチング周波数が共振周波数からずれてしまうことがあるという問題がある。かかる問題点については上記特許文献1には示唆されていない。 However, even when the grid-connected inverter device is operating, the household load may fluctuate, which may cause fluctuations in the input / output power. There is a problem in that the frequency cannot be accurately grasped, and a new switching frequency thus set may deviate from the resonance frequency. Such a problem is not suggested in Patent Document 1.
そこで、本発明は、共振周波数と一致するスイッチング周波数をより正確に測定して設定することのできる電力変換装置を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a power conversion device that can more accurately measure and set a switching frequency that matches a resonance frequency.
上記目的を達成するために、本発明は、次の技術的手段を講じた。 In order to achieve the above object, the present invention takes the following technical means.
すなわち、本発明は、予め設定されたスイッチング周波数に基づいてスイッチング制御が行われる電流共振ブリッジコンバータと、所定条件を満たしたときに前記スイッチング周波数の再設定を行うスイッチング周波数設定手段と、入出力電力を制限する入出力電力抑制制御手段とを備える電力変換装置において、前記スイッチング周波数設定手段は、前記入出力電力抑制制御手段により入出力電力の制限が行われている状態が所定時間に亘って継続しているときに限り、前記スイッチング周波数の再設定を行うように構成されていることを特徴とするものである(請求項1)。 That is, the present invention includes a current resonance bridge converter that performs switching control based on a preset switching frequency, a switching frequency setting unit that resets the switching frequency when a predetermined condition is satisfied, and input / output power. In the power conversion apparatus including the input / output power suppression control means for limiting the input / output power, the switching frequency setting means continues the input / output power restriction by the input / output power suppression control means for a predetermined time. The switching frequency is reset only when the switching frequency is set (Claim 1).
かかる本発明の電力変換装置によれば、スイッチング周波数設定手段によって、電流共振ブリッジコンバータの現時点の電流共振周波数の実測値に基づくスイッチング周波数や、電力変換装置の入出力電力変換効率が最大となるスイッチング周波数に再設定することにより電流共振ブリッジコンバータにおけるスイッチングロスやノイズ発生を低減することができる。また、入出力電力抑制制御手段によって、入力電力を定格電力に制限したり、出力電力を定格出力に制限したり、燃料電池の制御部から送信される上限電流値を超えないように入力電流を制限するように入出力電力を制限することにより、燃料電池スタックの劣化防止や、電流共振ブリッジコンバータの構成部品の電気的破壊を防止できる。さらに、入出力電力の制限が行われている状態が所定時間に亘って継続しているときは、ある程度大きな電力負荷が継続的に使用されている状態であることが多く、その後も一定時間は電力負荷が使用され続けられることが期待されるので、かかる状態でスイッチング周波数の再設定を実行することにより、スイッチング周波数を現実の電流共振周波数に正確に合致させて、スイッチングロス及びノイズの一層の低減を図ることができる。 According to the power conversion device of the present invention, the switching frequency setting means switches the switching frequency based on the actual measurement value of the current resonance frequency of the current resonance bridge converter or the maximum input / output power conversion efficiency of the power conversion device. By resetting the frequency, switching loss and noise generation in the current resonance bridge converter can be reduced. The input / output power suppression control means limits the input power to the rated power, limits the output power to the rated output, and controls the input current so as not to exceed the upper limit current value transmitted from the control unit of the fuel cell. By limiting the input / output power to be limited, it is possible to prevent the deterioration of the fuel cell stack and the electrical breakdown of the components of the current resonance bridge converter. Furthermore, when the state where the input / output power is limited continues for a predetermined time, it is often the case that a certain amount of power load is continuously used, and after that the fixed time is Since it is expected that the power load will continue to be used, performing switching frequency resetting in such a condition will cause the switching frequency to exactly match the actual current resonance frequency, further reducing switching loss and noise. Reduction can be achieved.
また、本発明は、直流電源からの入力直流電力を昇圧する電流共振ブリッジコンバータと、該コンバータにより昇圧された直流電力を系統電力に系統連系する低周波交流電力に変換して系統に出力する低周波インバータと、前記電流共振ブリッジコンバータの入力側に設けられた入力電流センサ及び入力電圧センサと、前記低周波インバータの出力側に設けられた出力電流センサ及び出力電圧センサと、制御部とを備える電力変換装置であって、前記電流共振ブリッジコンバータは、入力直流電力をスイッチング素子のスイッチング動作により高周波交流電力に変換して出力するブリッジインバータと、該ブリッジインバータの出力側に一次側が接続されたトランスと、該トランスの一次側若しくは二次側に直列に接続された電流共振コンデンサと、前記トランスの二次側に接続された整流回路とを備え、前記制御部は、前記入力電流センサ、入力電圧センサ、出力電流センサ及び出力電圧センサのそれぞれの検出値に基づいて入出力電力変換効率を算出する効率算出手段と、スイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定手段と、該スイッチング周波数設定手段により設定されたスイッチング周波数に基づいて前記スイッチング素子の制御を行うコンバータ制御手段と、前記低周波インバータを制御するインバータ制御手段とを備え、前記コンバータ制御手段及び/又は前記インバータ制御手段は、前記入力電流センサが検出する入力電流、前記出力電流センサが検出する出力電流、前記入力電流センサが検出する入力電流と前記入力電圧センサが検出する入力電圧とに基づいて算出される入力電力、及び、前記出力電流センサが検出する出力電流と前記出力電圧センサが検出する出力電圧とに基づいて算出される出力電力の少なくともいずれか一つに基づいて入出力電力を制限する入出力電力抑制制御機能を備え、前記スイッチング周波数設定手段は、所定条件を満たしたときに、所定範囲内でスイッチング周波数を変化させて複数の周波数ポイントにおける前記効率算出手段の算出結果に基づいてスイッチング周波数を再設定する電力変換装置において、前記スイッチング周波数設定手段は、前記入出力電力抑制制御機能により入出力電力の制限が行われている状態が所定時間に亘って継続しているときに限り、前記スイッチング周波数の再設定を行うように構成されていることを特徴とするものである(請求項2)。 The present invention also provides a current resonance bridge converter that boosts input DC power from a DC power supply, and converts the DC power boosted by the converter into low-frequency AC power that is connected to the system power and outputs the power to the system. A low-frequency inverter, an input current sensor and an input voltage sensor provided on the input side of the current resonance bridge converter, an output current sensor and an output voltage sensor provided on the output side of the low-frequency inverter, and a control unit. The current resonance bridge converter includes a bridge inverter that converts input DC power into high-frequency AC power by a switching operation of a switching element and outputs the bridge inverter, and a primary side connected to the output side of the bridge inverter. A transformer and a current resonant capacitor connected in series to the primary side or secondary side of the transformer. And a rectifier circuit connected to the secondary side of the transformer, and the control unit inputs and outputs based on detection values of the input current sensor, the input voltage sensor, the output current sensor, and the output voltage sensor. Efficiency calculating means for calculating power conversion efficiency; switching frequency setting means for setting a switching frequency; converter control means for controlling the switching element based on the switching frequency set by the switching frequency setting means; Inverter control means for controlling a frequency inverter, wherein the converter control means and / or the inverter control means includes: an input current detected by the input current sensor; an output current detected by the output current sensor; and the input current sensor The input current to be detected and the input voltage to be detected by the input voltage sensor And input / output power based on at least one of the output power calculated based on the input power calculated based on the output current detected by the output current sensor and the output voltage detected by the output voltage sensor. The switching frequency setting means changes the switching frequency within a predetermined range when the predetermined condition is satisfied, and the calculation result of the efficiency calculation means at a plurality of frequency points is provided. In the power converter that resets the switching frequency based on the switching frequency setting means, when the input / output power restriction is performed by the input / output power suppression control function for a predetermined time The switching frequency is reset only in the above-described manner. Claim 2).
かかる本発明の電力変換装置によれば、上記した請求項1に係る電力変換装置の作用効果に加え、系統に接続された電力負荷の消費電力が入出力電力抑制制御機能による制限出力電力(例えば電力変換装置の定格入出力電力や燃料電池の出力許容電流値に応じた電力変換装置の出力電力など)を超えた場合は、入出力電力抑制制御機能によって電力変換装置の入出力電力が所定電力に制限され、不足分は系統電力で賄われる。かかる状態で上記のスイッチング周波数の再設定が行われるようにすることにより、電力負荷の消費電力が多少変動しても変動分は系統電力の消費量の増減として吸収され、電力変換装置の入出力電力は所定電力で安定動作するため、より正確に電力変換効率が最大となる周波数ポイントを探索することが可能となる。 According to the power conversion device of the present invention, in addition to the operation and effect of the power conversion device according to claim 1, the power consumption of the power load connected to the system is limited output power (for example, by the input / output power suppression control function) If the input / output power of the power converter exceeds the rated input / output power of the power converter or the output power of the power converter according to the allowable output current value of the fuel cell) The shortage will be covered by grid power. By resetting the switching frequency in such a state, even if the power consumption of the power load fluctuates somewhat, the fluctuation is absorbed as an increase / decrease in the power consumption of the system power, and the input / output of the power conversion device Since the power stably operates at a predetermined power, it is possible to search for a frequency point at which the power conversion efficiency is maximized more accurately.
さらに、前記スイッチング周波数設定手段は、スイッチング周波数を所定範囲内で変化させている途中で前記入出力電力抑制制御機能による入出力電力の制限が行われない状態となったときは前記スイッチング周波数の再設定を中止することが好ましい(請求項3)。これによれば、最適周波数の探索中に電力負荷の消費電力が大きく減少するなどして入出力電力の制限が行われなくなった場合に、スイッチング周波数の再設定を中止して、前回設定されたスイッチング周波数を維持することで、共振周波数から大きく外れた値がスイッチング周波数設定手段によって設定されてしまうことを防止できる。 Further, the switching frequency setting means resets the switching frequency when the input / output power is not limited by the input / output power suppression control function while changing the switching frequency within a predetermined range. It is preferable to cancel the setting (claim 3). According to this, when the power consumption of the power load is greatly reduced during the search for the optimal frequency, and the input / output power is no longer restricted, the resetting of the switching frequency is stopped and the previous setting was made. By maintaining the switching frequency, a value greatly deviating from the resonance frequency can be prevented from being set by the switching frequency setting means.
上記本発明の電力変換装置において、前記スイッチング周波数設定手段は、前回の再設定から所定期間経過するまでは前記スイッチング周波数の再設定を行わないように構成されていることが好ましい(請求項4)。スイッチング周波数の再設定のためにスイッチング周波数を所定範囲内で変動させている間は変換効率の低下並びにノイズの発生を誘発してしまうが、上記構成によれば、頻繁にスイッチング周波数の再設定が行われることを回避して、例えば昇圧トランスや電流共振コンデンサの経年劣化に対応するために前回の再設定から30日以上経過した後の入出力電力が安定したときにスイッチング周波数の再設定を行うように構成できる。 In the power conversion device of the present invention, it is preferable that the switching frequency setting means is configured not to reset the switching frequency until a predetermined period has elapsed since the previous resetting. . While the switching frequency is fluctuated within a predetermined range for resetting the switching frequency, the conversion efficiency is reduced and noise is generated. According to the above configuration, the switching frequency is frequently reset. To avoid this, for example, to cope with aging degradation of the step-up transformer and current resonance capacitor, the switching frequency is reset when the input / output power is stable after 30 days or more after the previous resetting. It can be configured as follows.
以上説明したように、本発明の請求項1に係る電力変換装置によれば、スイッチング周波数設定手段によって、電流共振ブリッジコンバータの現時点の電流共振周波数の実測値に基づくスイッチング周波数や、電力変換装置の入出力電力変換効率が最大となるスイッチング周波数に再設定することにより電流共振ブリッジコンバータにおけるスイッチングロスやノイズ発生を低減することができる。また、入出力電力抑制制御手段によって、入力電力を定格電力に制限したり、出力電力を定格出力に制限したり、燃料電池の制御部から送信される上限電流値を超えないように入力電流を制限するように入出力電力を制限することにより、燃料電池スタックの劣化防止や、電流共振ブリッジコンバータの構成部品の電気的破壊を防止できる。さらに、入出力電力の制限が行われている状態が所定時間に亘って継続しているときは、ある程度大きな電力負荷が継続的に使用されている状態であることが多く、その後も一定時間は電力負荷が使用され続けられることが期待されるので、かかる状態でスイッチング周波数の再設定を実行することにより、スイッチング周波数を現実の電流共振周波数に正確に合致させて、スイッチングロス及びノイズの一層の低減を図ることができる。 As described above, according to the power conversion device of the first aspect of the present invention, the switching frequency setting means allows the switching frequency based on the actual measurement value of the current resonance frequency of the current resonance bridge converter, By resetting the switching frequency at which the input / output power conversion efficiency is maximized, switching loss and noise generation in the current resonance bridge converter can be reduced. The input / output power suppression control means limits the input power to the rated power, limits the output power to the rated output, and controls the input current so as not to exceed the upper limit current value transmitted from the control unit of the fuel cell. By limiting the input / output power to be limited, it is possible to prevent the deterioration of the fuel cell stack and the electrical breakdown of the components of the current resonance bridge converter. Furthermore, when the state where the input / output power is limited continues for a predetermined time, it is often the case that a certain amount of power load is continuously used, and after that the fixed time is Since it is expected that the power load will continue to be used, performing switching frequency resetting in such a condition will cause the switching frequency to exactly match the actual current resonance frequency, further reducing switching loss and noise. Reduction can be achieved.
また、本発明の請求項2に係る電力変換装置によれば、系統に接続された電力負荷の消費電力が入出力電力抑制制御機能による制限出力電力(例えば電力変換装置の定格入出力電力や燃料電池の出力許容電流値に応じた電力変換装置の出力電力など)を超えた場合は、入出力電力抑制制御機能によって電力変換装置の入出力電力が所定電力に制限され、不足分は系統電力で賄われる。かかる状態で上記のスイッチング周波数の再設定が行われるようにすることにより、電力負荷の消費電力が多少変動しても変動分は系統電力の消費量の増減として吸収され、電力変換装置の入出力電力は所定電力で安定動作するため、より正確に電力変換効率が最大となる周波数ポイントを探索することが可能となる。
In the power conversion device according to
また、本発明の請求項3に係る電力変換装置によれば、最適周波数の探索中に電力負荷の消費電力が大きく減少するなどして入出力電力の制限が行われなくなった場合に、スイッチング周波数の再設定を中止して、前回設定されたスイッチング周波数を維持することで、共振周波数から大きく外れた値がスイッチング周波数設定手段によって設定されてしまうことを防止できる。 According to the power conversion device of the third aspect of the present invention, when the input / output power is not limited due to the power consumption of the power load being greatly reduced during the search for the optimum frequency, the switching frequency is reduced. By canceling the resetting and maintaining the previously set switching frequency, a value greatly deviating from the resonance frequency can be prevented from being set by the switching frequency setting means.
また、本発明の請求項4に係る電力変換装置によれば、スイッチング周波数の再設定のためにスイッチング周波数を所定範囲内で変動させている間は変換効率の低下並びにノイズの発生を誘発してしまうが、上記構成によれば、頻繁にスイッチング周波数の再設定が行われることを回避して、例えば昇圧トランスや電流共振コンデンサの経年劣化に対応するために前回の再設定から30日以上経過した後の入出力電力が安定したときにスイッチング周波数の再設定を行うように構成できる。 Further, according to the power conversion device of claim 4 of the present invention, while changing the switching frequency within a predetermined range for resetting the switching frequency, the conversion efficiency is reduced and the generation of noise is induced. However, according to the above configuration, more than 30 days have passed since the previous resetting in order to avoid frequent resetting of the switching frequency, for example, to cope with aging degradation of the step-up transformer and the current resonance capacitor. It can be configured to reset the switching frequency when the input / output power later becomes stable.
以下、本発明の好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.
図1は本発明の一実施形態に係る電力変換装置としてのパワーコンディショナ1を用いた燃料電池発電システムの概略構成を示しており、該燃料電池発電システムは、電力源となる燃料電池2と、該燃料電池2が出力する直流電力を商用系統電力に系統連系する低周波交流電力に変換して系統3に出力するパワーコンディショナ1とから主構成されている。
FIG. 1 shows a schematic configuration of a fuel cell power generation system using a power conditioner 1 as a power converter according to an embodiment of the present invention. The fuel cell power generation system includes a
燃料電池2としては、固体酸化物形燃料電池(SOFC)や固体高分子形燃料電池(PEFC)などの従来公知の適宜の方式のものを採用できる。
As the
パワーコンディショナ1は、燃料電池2が出力する直流電圧を商用系統電力に系統連系させるために必要な電圧に昇圧する昇圧回路を構成する電流共振フルブリッジコンバータ4と、該コンバータ4が出力する直流電力を低周波の商用系統電力に系統連系する交流電力に変換してフィルタ回路21を介して系統3に出力する低周波インバータ5と、これらコンバータ4及びインバータ5を構成するスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部6と、コンバータ4の入力側に設けられた入力電力検出手段としての入力電圧センサ7及び入力電流センサ8と、コンバータ4の出力側に設けられた出力電力検出手段としての出力電圧センサ9及び出力電流センサ10とを備えている。なお、本実施形態では、出力電圧センサ9及び出力電流センサ10は、コンバータ4の出力側であって且つインバータ5の出力側に設けている。
The power conditioner 1 includes a current resonance full-bridge converter 4 that constitutes a boosting circuit that boosts a DC voltage output from the
電流共振フルブリッジコンバータ4は、燃料電池2からの入力直流電力をMOSFETやIGBT等のスイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング動作により高周波交流電力に変換する高周波フルブリッジインバータ11と、該フルブリッジインバータ11の出力側に一次側が接続された昇圧用高周波トランス12と、該トランス12の一次側に直列に接続されたフィルムコンデンサからなる電流共振コンデンサ13と、トランス12の二次側に接続されたダイオードブリッジからなる整流回路14と、該整流回路14の出力側に設けられた平滑コンデンサ15(DCリンクコンデンサ)と、フルブリッジインバータ11の入力側に設けられた平滑コンデンサ16とを備えている。なお、電流共振コンデンサ13はトランス12の二次側に設けることもできる。
The current resonance full-bridge converter 4 includes a high-frequency full-
本実施形態のフルブリッジインバータ11は4つのスイッチング素子Q1〜Q4をフルブリッジ接続してなり、スイッチング素子Q1及びQ4の組とスイッチング素子Q2及びQ3の組とを制御部6によって交互に高周波スイッチングすることにより入力直流電力を高周波交流電力に変換してトランス12の一次側へ出力する。各スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数は、電流共振コンデンサ13、トランス12及び平滑コンデンサ15の定数によって定まる電流共振周波数に一致するように予め設定される。本実施形態では、設計値としてのスイッチング周波数は60kHzとされている。
The full-
制御部6は、マイコンによって主構成されており、上記出力電力検出手段が検出する出力電圧値及び出力電流値と上記入力電力検出手段が検出する入力電圧値及び入力電流値とに基づいて入出力電力変換効率を算出する効率算出手段17と、スイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定手段18と、該スイッチング周波数設定手段18により設定されたスイッチング周波数に基づいてフルブリッジインバータ11を構成するスイッチング素子Q1〜Q4の駆動制御を行うコンバータ制御手段19と、上記低周波インバータ5を構成するブリッジ回路のスイッチング素子(図示せず)の駆動制御を行うインバータ制御手段20とを備えている。各手段は、マイコンによって実行されるプログラムによって実現されていてもよいし、マイコンとは別途設けられた専用回路やドライバICなどによって実現されていてもよい。
The
効率算出手段17は、入力電圧センサ7が検出する入力電圧と入力電流センサ8が検出する入力電流との積として入力電力値を算出するとともに、出力電圧センサ9が検出する出力電圧と出力電流センサ10が検出する出力電流とに基づいて、交流の出力電力の有効電力成分を出力電力値として算出するように構成できる。そして、算出された入力電力値に対する出力電力値の比率を電力変換効率としてリアルタイムで算出するように構成されている。
The efficiency calculating means 17 calculates the input power value as the product of the input voltage detected by the input voltage sensor 7 and the input current detected by the input current sensor 8, and the output voltage and output current sensor detected by the
上記コンバータ制御手段19及びインバータ制御手段20によるスイッチング制御の態様は従来公知のものとすることができるが、特に本実施形態では、コンバータ制御手段19は、スイッチング周波数設定手段18の記憶手段に記憶されたスイッチング周波数を参照して、該周波数に基づく駆動パルスを各スイッチング素子Q1〜Q4に出力する。なお、設定されたスイッチング周波数に基づく制御が行われればよく、駆動パルスの周波数が設定されたスイッチング周波数に厳密に合致している必要はなく、従来周知のようにデッドタイム制御が行われていてもよく、また、位相シフトPWM制御が行われるものであってよい。さらに、PWM制御によりコンバータ4において入出力電力抑制制御を行うものであってもよい。
The mode of switching control by the
また、インバータ制御手段20も、従来周知のように上記入力電力検出手段が検出する入力電力や出力電力検出手段が検出する出力電力に基づき、有効電力制御や無効電力制御が行われるものであってよく、特に本実施形態では、パワーコンディショナ1の入力電流値の上限が所定電流値となるように入出力電力抑制制御を行うように構成されている。すなわち、燃料電池モジュールとしてSOFCセルスタックを採用する場合には、発電出力が定格出力付近で一定に保たれた状態で運転されるのが一般的であり、このような状態下においてはSOFC内部の熱的バランスが保たれ、SOFCの反応温度も一定温度に維持されるため発電効率が最適となる。したがって、燃料電池2の制御部は、燃料電池2の起動時には指令電流値として最小値(例えば1A)を設定するとともに、指令電流上限値として定格出力に対応する電流値(例えば7A)を設定した上で、定格出力が得られるまで、すなわち発電電力の電流が指令電流上限値となるまで徐々に指令電流値を増加させていき、その後は指令電流値を指令電流上限値付近で一定に保つよう構成されている。そして、パワーコンディショナ1が過度な電力要求をしないように燃料電池2の制御部からパワーコンディショナ1の制御部6に対して現在の指令電流値を常時出力させ、インバータ制御手段20が、当該指令電流値に基づき、該指令電流値に近づき且つ指令電流値を超えないようにパワーコンディショナ1の入力電流値の上限(例えば6.9A)を設定して、入力電流センサ8の検出値に基づくフィードバック制御によりインバータ制御手段20が低周波インバータ5を制御する。而して、本実施形態では、インバータ制御手段20によって入出力電力抑制制御手段が構成されており、このようにインバータ5によって出力制御を行うことにより、設定されたスイッチング周波数で電流共振フルブリッジコンバータ4をスイッチング動作させることができ、ゼロ電流スイッチングによるスイッチングロス及びノイズの低減が図られる。
The inverter control means 20 also performs active power control and reactive power control based on the input power detected by the input power detection means and the output power detected by the output power detection means as conventionally known. In particular, in this embodiment, the input / output power suppression control is performed so that the upper limit of the input current value of the power conditioner 1 becomes a predetermined current value. That is, when the SOFC cell stack is adopted as the fuel cell module, the fuel cell module is generally operated in a state where the power generation output is kept constant near the rated output. Since the thermal balance is maintained and the reaction temperature of the SOFC is maintained at a constant temperature, the power generation efficiency is optimal. Therefore, the control unit of the
スイッチング周波数を設定するスイッチング周波数設定手段18は、スイッチング周波数を記憶する記憶手段と、該記憶手段に記憶されるスイッチング周波数を書き換える更新プログラムとによって構成されている。この更新プログラムは、所定のスイッチング周波数再設定条件を満たしたときに実行され、設計時の電流共振ブリッジコンバータ4における電流共振周波数を含む所定の周波数範囲内でスイッチング周波数を徐々に変化させながら、複数の周波数ポイントにおいて効率算出手段により電力変換効率をそれぞれ測定し、全周波数範囲内を走査した後に電力変換効率が最大となる周波数をスイッチング周波数として記憶手段に再設定するように構成されている。 The switching frequency setting means 18 for setting the switching frequency includes a storage means for storing the switching frequency and an update program for rewriting the switching frequency stored in the storage means. The update program is executed when a predetermined switching frequency resetting condition is satisfied, and the update program is gradually changed within a predetermined frequency range including the current resonance frequency in the current resonance bridge converter 4 at the time of design. The power conversion efficiency is measured by the efficiency calculation means at each frequency point, and the frequency at which the power conversion efficiency becomes maximum after scanning the entire frequency range is reset as the switching frequency in the storage means.
かかるスイッチング周波数設定手段18によるスイッチング周波数の再設定の制御フローの一例を図2に示す。本実施例では、まず、ステップS1では、スイッチング周波数の再設定条件として、入力電力が700W近傍である状態が1分間継続しているか否かを判定する。これは、燃料電池の出力電圧がほぼ100Vであって、定格出力に対応する電流値が7Aであることに対応して、燃料電池が定格出力状態であり且つインバータ制御手段20によって入力電流がそれ以上上昇しないように制限されている状態であることを間接的に判定するための条件である。なお、入力電力が700W近傍であることを判定するのに代えて、スイッチング周波数設定手段18は、インバータ制御手段20が制御に用いている各種制御値を参照して、現在インバータ制御手段20が出力電力の制限を行っている状態であるか否かを直接判定することもできる。また、1分間継続しているか否かの判定は、例えば1秒毎乃至数秒毎に瞬間入力電力を測定して、60秒間間欠的に測定した瞬間入力電力がいずれも700W近傍であれば条件成立とすることができる。また、700W近傍とは、10%程度のマージンを包含する。 An example of the control flow for resetting the switching frequency by the switching frequency setting means 18 is shown in FIG. In this embodiment, first, in step S1, it is determined whether or not the state where the input power is in the vicinity of 700 W continues for one minute as the switching frequency resetting condition. This corresponds to the fact that the output voltage of the fuel cell is approximately 100 V and the current value corresponding to the rated output is 7 A, so that the fuel cell is in the rated output state and the input current is reduced by the inverter control means 20. This is a condition for indirectly determining that the state is restricted so as not to rise. Instead of determining that the input power is in the vicinity of 700 W, the switching frequency setting means 18 refers to various control values used by the inverter control means 20 for control, and the current inverter control means 20 outputs It is also possible to directly determine whether or not the power is limited. Whether or not it continues for 1 minute is determined, for example, by measuring the instantaneous input power every second to several seconds, and if the instantaneous input power measured intermittently for 60 seconds is near 700 W, the condition is met It can be. The vicinity of 700 W includes a margin of about 10%.
次に、スイッチング周波数を、設計値としての60kHzを包含して±5kHzの範囲で変更させるために、ステップS2においてまず最小値の55kHzに変更する。なお、この周波数の可変範囲はシステム毎に種々であって、各システム毎に可変範囲も設計することができる。スイッチング周波数の変更によってコンバータ制御手段19によるスイッチング素子Q1〜Q4の駆動パルスに即座に応答して、各スイッチング素子Q1〜Q4のスイッチング周波数が55kHzとなる。かかるスイッチング周波数の変更によって一時的に入出力電力が不安定な状態となるため、ステップS3において所定のインターバルを設けており、例えば1秒間待機する。 Next, in order to change the switching frequency within a range of ± 5 kHz including 60 kHz as a design value, first, the switching frequency is changed to the minimum value of 55 kHz. Note that the variable range of the frequency is different for each system, and the variable range can be designed for each system. The switching frequency of the switching elements Q1 to Q4 becomes 55 kHz in response to the drive pulses of the switching elements Q1 to Q4 by the converter control means 19 by changing the switching frequency. Since the input / output power is temporarily unstable due to such a change in the switching frequency, a predetermined interval is provided in step S3, and the apparatus waits for 1 second, for example.
次に、ステップS4において、再度入力電力が700W近傍のままであるかを判定する。これは、図2の制御フローの実行中に電力負荷の消費電力が大きく減少するなどにより入力電力が大きく減少して、入出力電力抑制制御が行われない状態となると、電力負荷の動作状態によって入出力電力が大きく変動して、最大変換効率となる周波数ポイントを正確に測定できなくなるためである。ここで入力電力が700Wから大きく減少したことを検出すると、ここまでの再設定制御を一旦中断してステップS1に戻り、再度700W近傍で1分間継続している状態となることを待機する。 Next, in step S4, it is determined again whether the input power remains in the vicinity of 700W. This is because, when the input power is greatly reduced due to a large decrease in power consumption of the power load during the execution of the control flow of FIG. This is because the input / output power fluctuates greatly and the frequency point at which the maximum conversion efficiency is achieved cannot be measured accurately. Here, when it is detected that the input power has greatly decreased from 700 W, the reset control so far is temporarily interrupted, and the process returns to step S1 and waits for another one minute in the vicinity of 700 W.
次に、ステップS5において、現時点の周波数ポイントにおける電力変換効率を、効率算出手段17によって算出して、所定の記憶手段に記憶しておく。なお、電力変換効率は、所定時間(例えば10秒間)の平均値として算出することが好ましい。
Next, in step S5, the power conversion efficiency at the current frequency point is calculated by the
次にスイッチング周波数を1kHz増加させ(ステップS6)、以上のステップS3〜ステップS6をスイッチング周波数が最大の65kHzとなるまで繰り返す。これにより、各周波数ポイント毎の電力変換効率が記憶手段に記憶された状態となるため、ステップS8において測定されたすべての電力変換効率を比較して、最大の電力変換効率に対応する周波数を中間最大効率周波数として設定する。 Next, the switching frequency is increased by 1 kHz (step S6), and the above steps S3 to S6 are repeated until the switching frequency reaches a maximum of 65 kHz. As a result, since the power conversion efficiency for each frequency point is stored in the storage means, all the power conversion efficiencies measured in step S8 are compared, and the frequency corresponding to the maximum power conversion efficiency is intermediate. Set as maximum efficiency frequency.
次に、より高い精度で最適なスイッチング周波数を探索するために、ステップS9では、スイッチング周波数を中間最大効率周波数−0.5kHzに設定して、上記ステップS3〜ステップS7と同様であるが周波数増分を0.1kHzとして中間最大効率周波数+0.5kHzまで繰り返す(ステップS10〜ステップS14)。 Next, in order to search for the optimum switching frequency with higher accuracy, in step S9, the switching frequency is set to the intermediate maximum efficiency frequency −0.5 kHz, and the same as step S3 to step S7, but the frequency increment. Is set to 0.1 kHz and is repeated until the intermediate maximum efficiency frequency +0.5 kHz (steps S10 to S14).
その後、測定した全ての電力変換効率を比較し(ステップS15)、最大の電力変換効率に対応する周波数をスイッチング周波数として再設定する(ステップS16)。 Thereafter, all the measured power conversion efficiencies are compared (step S15), and the frequency corresponding to the maximum power conversion efficiency is reset as the switching frequency (step S16).
この再設定が行われた後は、30日間を経過するまで待機し(ステップS17)、30日間を経過すればステップS1に戻る。 After this resetting is performed, it waits until 30 days have passed (step S17), and when 30 days have passed, it returns to step S1.
以上説明した本実施形態に係るパワーコンディショナ1によれば、燃料電池2の定格出力電流を超えないようにインバータ5の入出力電力制御を行う構成において、燃料電池2が定格出力状態であるときにインバータ制御手段20によって入出力電力抑制制御を行わせることにより、コンバータ制御手段19による電流共振フルブリッジコンバータ4のスイッチング周波数を固定とすることができ、また、スイッチング周波数設定手段によって最適なスイッチング周波数に設定することによって、コンバータ4の高周波スイッチングにおけるスイッチングロス並びにノイズを低減できる。さらに、スイッチング周波数設定手段によるスイッチング周波数の再設定の実行タイミングを、燃料電池2が定格出力状態で安定している状態のときとすることで、周波数を変更しながら測定される電力変換効率の測定精度を担保することができ、より正確に最適なスイッチング周波数に設定できる。
According to the power conditioner 1 according to the present embodiment described above, when the
本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、適宜設計変更できる。例えば、太陽電池用のパワーコンディショナに本願発明を適用することも可能である。また、本発明の電力変換装置は、低周波インバータを具備しないDC/DCコンバータとしても実現可能であり、この場合、入出力電力抑制制御手段は、電流共振ブリッジコンバータの出力側に設けた別の出力抑制回路によって構成することもできるし、電流共振ブリッジコンバータの制御手段において該コンバータの出力電力を抑制するようにスイッチング素子Q1〜Q4の駆動パルス幅をPWM制御するものであってもよい。このような場合でも、駆動パルス周波数(スイッチング周波数)を最適値に設定しておくことで、比較的良好な効率が得られるとともにノイズの発生を可及的に抑えることが可能である。また、本発明の電流共振ブリッジコンバータは、上記実施形態の電流共振フルブリッジコンバータ4に代えて、電流共振ハーフブリッジコンバータにより構成することもできる。 The present invention is not limited to the above-described embodiment, and the design can be changed as appropriate. For example, the present invention can be applied to a power conditioner for a solar cell. Further, the power conversion device of the present invention can be realized as a DC / DC converter that does not include a low-frequency inverter. In this case, the input / output power suppression control means is provided on the output side of the current resonance bridge converter. An output suppression circuit may be used, or the control means of the current resonance bridge converter may perform PWM control of the drive pulse width of the switching elements Q1 to Q4 so as to suppress the output power of the converter. Even in such a case, by setting the driving pulse frequency (switching frequency) to an optimum value, it is possible to obtain a relatively good efficiency and to suppress the generation of noise as much as possible. In addition, the current resonance bridge converter of the present invention can be configured by a current resonance half bridge converter instead of the current resonance full bridge converter 4 of the above embodiment.
1 パワーコンディショナ(電力変換装置)
2 燃料電池(直流電源)
3 系統
4 電流共振フルブリッジコンバータ(電流共振ブリッジコンバータ)
5 低周波インバータ
6 制御部
7 入力電圧センサ
8 入力電流センサ
9 出力電圧センサ
10 出力電流センサ
11 フルブリッジインバータ(ブリッジインバータ)
12 トランス
13 電流共振コンデンサ
14 整流回路
17 効率算出手段
18 スイッチング周波数設定手段
19 コンバータ制御手段
20 インバータ制御手段(入出力電力抑制制御手段)
1 Power conditioner (power converter)
2 Fuel cell (DC power supply)
3 systems 4 Current resonance full bridge converter (Current resonance bridge converter)
5
12
Claims (4)
前記スイッチング周波数設定手段は、前記入出力電力抑制制御手段により入出力電力の制限が行われている状態が所定時間に亘って継続しているときに限り、前記スイッチング周波数の再設定を行うように構成されていることを特徴とする電力変換装置。 A current resonance bridge converter in which switching control is performed based on a preset switching frequency, switching frequency setting means for resetting the switching frequency when a predetermined condition is satisfied, and input / output power for limiting input / output power In a power converter comprising a suppression control means,
The switching frequency setting means resets the switching frequency only when the state where the input / output power restriction is performed by the input / output power suppression control means continues for a predetermined time. It is comprised, The power converter device characterized by the above-mentioned.
前記スイッチング周波数設定手段は、前記入出力電力抑制制御機能により入出力電力の制限が行われている状態が所定時間に亘って継続しているときに限り、前記スイッチング周波数の再設定を行うように構成されていることを特徴とする電力変換装置。 A current resonance bridge converter that boosts input DC power from a DC power source, a low-frequency inverter that converts DC power boosted by the converter into low-frequency AC power that is connected to the system power and outputs the power to the system, and An electric power conversion device including an input current sensor and an input voltage sensor provided on an input side of a current resonance bridge converter, an output current sensor and an output voltage sensor provided on an output side of the low frequency inverter, and a control unit. The current resonance bridge converter includes a bridge inverter that converts input DC power into high-frequency AC power by a switching operation of a switching element, outputs a transformer, a transformer having a primary side connected to the output side of the bridge inverter, A current resonant capacitor connected in series to the primary side or the secondary side; A rectifier circuit connected to the secondary side of the power supply, and the control unit converts the input / output power conversion efficiency based on the detected values of the input current sensor, the input voltage sensor, the output current sensor, and the output voltage sensor. Efficiency calculating means for calculating, switching frequency setting means for setting the switching frequency, converter control means for controlling the switching element based on the switching frequency set by the switching frequency setting means, and controlling the low frequency inverter The inverter control means, and the converter control means and / or the inverter control means includes an input current detected by the input current sensor, an output current detected by the output current sensor, and an input current detected by the input current sensor. And the input voltage detected by the input voltage sensor. Input / output for limiting input / output power based on at least one of input power and output power detected by the output current sensor and output voltage detected by the output voltage sensor A power suppression control function, wherein the switching frequency setting means changes the switching frequency within a predetermined range when a predetermined condition is satisfied, and sets the switching frequency based on the calculation results of the efficiency calculation means at a plurality of frequency points. In the power converter to be reset,
The switching frequency setting means resets the switching frequency only when the state in which the input / output power restriction is performed by the input / output power suppression control function continues for a predetermined time. It is comprised, The power converter device characterized by the above-mentioned.
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