JP2008191780A - Conversion unit for power generated by natural energy - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電力の変換装置に関し、特に、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置に関する。 The present invention relates to a power conversion device, and more particularly, to a power conversion device generated by natural energy.
風力等、自然エネルギーによって発電を行なう発電装置が開発されている。たとえば、特許文献1−3には、風力によって発電を行なう発電装置が開示されている。すなわち、発電された交流電圧を整流回路によって整流して直流電圧に変換し、変換した直流電圧をインバータによって交流電圧に変換して負荷に供給する。このような構成により、自然エネルギーの変動によって負荷への供給電力が変動することを防ぐことができる。
ところで、特許文献1−3記載の発電装置等、風力によって発電を行なう発電装置では、風が弱くなると発電電力が低下する。このため、従来の発電装置はたとえば蓄電池を備え、発電装置の発電電力が不足すると蓄電池を放電させて電力の不足分を補う。 By the way, in the power generation device that generates power using wind power, such as the power generation device described in Patent Documents 1-3, the generated power decreases when the wind becomes weak. For this reason, the conventional power generation device includes, for example, a storage battery, and when the generated power of the power generation device is insufficient, the storage battery is discharged to compensate for the shortage of power.
しかしながら、特許文献1−2記載の発電装置では、発電電力が不足して発電装置の出力電圧が低下しすぎると発電装置から負荷へまったく電力が供給されなくなってしまう。 However, in the power generation device described in Patent Document 1-2, if the generated power is insufficient and the output voltage of the power generation device is too low, no power is supplied from the power generation device to the load.
また、特許文献3記載の発電装置では、風が弱くなっても発電電力を負荷へ供給し続けることが可能であるが、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成等が必要となるため、発電装置の構成が複雑化してしまう。
Further, in the power generation device described in
それゆえに、本発明の目的は、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することが可能な電力の変換装置を提供することである。 SUMMARY OF THE INVENTION Therefore, an object of the present invention is to provide a power converter that can effectively use natural energy by appropriately responding to fluctuations in wind power and the like with a simple configuration.
上記課題を解決するために、この発明のある局面に係わる電力の変換装置は、自然エネルギーによって回転する回転機を有し、回転機の回転に基づいて電力を発生する発電装置が外部に配置され、発電装置からの電力を変換して負荷に供給する、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置であって、発電装置から受けた交流電圧を第1の直流電圧に変換する整流回路と、整流回路から受けた第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、第3の直流電圧の出力および充電を行なう電池と、第2の直流電圧および第3の直流電圧を受けるための共通の入力端子を有し、入力端子において受けた直流電圧に基づいて負荷に供給すべき交流電圧を生成するインバータ回路と、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第1の所定電圧値以下となるように、直流電圧変換回路の変換する第2の直流電圧の電圧値を制御する制御回路とを備え、電池は、入力端子の電圧が第1の所定電圧値より小さい第2の所定電圧値未満の場合には第3の直流電圧を出力し、入力端子の電圧が第2の所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路の出力電流に基づいて充電を行なう。 In order to solve the above problems, a power converter according to an aspect of the present invention includes a rotating machine that rotates by natural energy, and a power generator that generates electric power based on the rotation of the rotating machine is disposed outside. A converter for power generated by natural energy, which converts power from the power generator and supplies it to a load, a rectifier circuit for converting an AC voltage received from the power generator into a first DC voltage, and rectification A DC voltage conversion circuit that converts the first DC voltage received from the circuit into a second DC voltage; a battery that outputs and charges the third DC voltage; and the second DC voltage and the third DC voltage. An inverter circuit that has a common input terminal for receiving and generates an AC voltage to be supplied to the load based on a DC voltage received at the input terminal, and an output current of the rectifier circuit is less than a predetermined value And a control circuit for controlling the voltage value of the second DC voltage converted by the DC voltage conversion circuit so that the voltage of the input terminal is equal to or lower than the first predetermined voltage value, and the battery has a voltage of the input terminal. Is less than the second predetermined voltage value smaller than the first predetermined voltage value, the third DC voltage is output, and when the input terminal voltage is greater than or equal to the second predetermined voltage value, the DC voltage conversion circuit Charging is performed based on the output current.
好ましくは、直流電圧変換回路は、スイッチ素子を含み、整流回路から受けた第1の直流電圧をスイッチ素子でスイッチングすることにより第2の直流電圧に変換し、制御回路は、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第1の所定電圧値以下となるようにスイッチ素子のスイッチングを制御する。 Preferably, the DC voltage conversion circuit includes a switch element, and converts the first DC voltage received from the rectifier circuit into a second DC voltage by switching with the switch element, and the control circuit outputs the output current of the rectifier circuit. The switching of the switch element is controlled so that the voltage at the input terminal is equal to or lower than the first predetermined voltage value.
好ましくは、直流電圧変換回路は、整流回路から受けた第1の直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた第1の直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する降圧回路と、降圧回路から受けた直流電圧を昇圧して第2の直流電圧を生成する昇圧回路とを含む。 Preferably, when the first DC voltage received from the rectifier circuit is larger than the predetermined voltage value, the DC voltage conversion circuit steps down the first DC voltage received from the rectifier circuit and has a DC voltage equal to or lower than the predetermined voltage value. And a step-up circuit for stepping up a DC voltage received from the step-down circuit to generate a second DC voltage.
好ましくは、直流電圧変換回路は、第1端において第1の直流電圧を受けるコイルと、第1端がコイルの第1端に結合される第1のコンデンサと、第1端がコイルの第2端に結合されるスイッチ素子と、アノードがスイッチ素子の第1端に結合されるダイオードと、第1端がダイオードのカソードおよび入力端子に結合され、第2端がスイッチ素子の第2端に結合される第2のコンデンサと、第1端がスイッチ素子の第2端と第2のコンデンサの第2端とに結合され、第2端が第1のコンデンサの第2端に結合される電流検出抵抗とを含み、制御回路は、電流検出抵抗の第2端における電圧に基づいて整流回路の出力電流を検出し、整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ入力端子の電圧が第1の所定電圧値以下となるようにスイッチ素子のスイッチングを制御する。 Preferably, the DC voltage conversion circuit includes a coil that receives the first DC voltage at the first end, a first capacitor that has the first end coupled to the first end of the coil, and a second end that is the second end of the coil. A switch element coupled to the end, a diode having an anode coupled to the first end of the switch element, a first end coupled to the cathode and input terminal of the diode, and a second end coupled to the second end of the switch element A second capacitor coupled, a first end coupled to the second end of the switch element and a second end of the second capacitor, and a second end coupled to the second end of the first capacitor. The control circuit detects the output current of the rectifier circuit based on the voltage at the second end of the current detection resistor, and the voltage of the input terminal is set so that the output current of the rectifier circuit is less than a predetermined value. So that it is less than or equal to the first predetermined voltage value. It controls the switching of the pitch elements.
本発明によれば、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, natural energy can be effectively utilized by responding | corresponding appropriately to fluctuations, such as wind power, with a simple configuration.
以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。なお、図中同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.
図1は、本発明の実施の形態に係る電力変換システムの構成を示す回路図である。
図1を参照して、電力変換システム201は、電力変換装置101と、風力発電装置102とを備える。電力変換装置101は、整流回路1と、直流電圧変換回路2と、蓄電池3と、インバータ回路4と、ローパスフィルタ5と、直流電圧制御回路6と、インバータ制御回路7とを備える。直流電圧変換回路2は、降圧回路11と、昇圧回路12とを含む。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a power conversion system according to an embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 1, a
風力発電装置102は、自然エネルギーである風力によって回転する回転機を有し、回転機の回転に基づいて交流電力を発生し、発生した交流電圧を電力変換装置101へ出力する。
The
電力変換装置101は、風力発電装置102から受けた交流電圧を直流電圧に変換し、変換した直流電圧を所定周波数および所定振幅の交流電圧に変換して負荷103へ出力する。
The
より詳細には、整流回路1は、風力発電装置102から受けた交流電圧を直流電圧(第1の直流電圧)に変換する。
More specifically, the rectifier circuit 1 converts the AC voltage received from the
直流電圧変換回路2は、直流電圧制御回路6から受けた制御信号に基づいて、整流回路1から受けた直流電圧を新たな直流電圧(第2の直流電圧)に変換する。より詳細には、降圧回路11は、整流回路1から受けた直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する。なお、降圧回路11は、整流回路1から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、整流回路から受けた直流電圧をそのまま出力してもよいし、ある程度降圧して出力してもよい。昇圧回路12は、降圧回路11から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、降圧回路11から受けた直流電圧を昇圧して所定電圧値以上の直流電圧を生成する。
The DC voltage conversion circuit 2 converts the DC voltage received from the rectifier circuit 1 into a new DC voltage (second DC voltage) based on the control signal received from the DC voltage control circuit 6. More specifically, when the DC voltage received from rectifier circuit 1 is greater than a predetermined voltage value, step-down
蓄電池3は、直流電圧(第3の直流電圧)をインバータ回路4へ出力する。また、蓄電池3は、直流電圧変換回路2から受けた直流電流に基づいて充電を行なう。
The
直流電圧制御回路6は、整流回路1の出力電流すなわち風力発電装置102の出力電流が所定値未満となるように、直流電圧変換回路2の変換する直流電圧の電圧値を制御する。
The DC voltage control circuit 6 controls the voltage value of the DC voltage converted by the DC voltage conversion circuit 2 so that the output current of the rectifier circuit 1, that is, the output current of the
インバータ回路4は、インバータ制御回路7から受けた制御信号に基づいて、直流電圧変換回路2から受けた直流電圧および蓄電池3から受けた直流電圧を負荷103に供給すべき交流電圧に変換する。
Based on the control signal received from inverter control circuit 7,
ローパスフィルタ5は、インバータ回路4から受けた交流電圧に含まれる高周波ノイズを除去する。ローパスフィルタ5を通過した交流電圧は負荷103へ出力される。
The
インバータ制御回路7は、ローパスフィルタ5を通過した交流電圧が所定周波数および所定振幅になるように制御信号を生成し、インバータ回路4へ出力する。
The inverter control circuit 7 generates a control signal so that the AC voltage that has passed through the low-
ここで、具体的に各電圧の数値例をあげると、整流回路1は、風力発電装置102から受けた45V〜225Vの三相交流電圧を変換して70V〜330Vの直流電圧を出力する。
Here, to give specific numerical examples of each voltage, the rectifier circuit 1 converts the three-phase AC voltage of 45V to 225V received from the
降圧回路11は、整流回路1から受けた直流電圧を降圧して25V〜150Vの直流電圧を出力する。
The step-down
昇圧回路12は、降圧回路11から受けた直流電圧を昇圧して205Vの直流電圧をインバータ回路4へ出力する。
インバータ回路4は、直流電圧変換回路2から受けた直流電圧および蓄電池3から受けた直流電圧から負荷103に供給すべき振幅100Vの交流電圧を生成する。
The
図2は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
図2を参照して、電力変換装置101は、整流回路1と、直流電圧変換回路2と、蓄電池3と、インバータ回路4と、ローパスフィルタ5と、直流電圧制御回路6と、インバータ制御回路7と、抵抗R2と、ダイオードD2とを備える。直流電圧変換回路2は、降圧回路11と、昇圧回路12とを含む。インバータ回路4は、NチャネルMOSトランジスタM11〜M14と、コイルL2と、トランスTR1と、コンデンサC3と、入力端子T1およびT2とを含む。直流電圧制御回路6は、発電電流監視回路21と、昇圧電圧監視回路22と、充電電流監視回路23と、PWM制御信号生成回路24とを含む。昇圧回路12は、コンデンサ(第1のコンデンサ)C1と、コンデンサ(第2のコンデンサ)C2と、コイルL1と、電流検出抵抗R1と、NチャネルMOSトランジスタ(スイッチ素子)M1と、ダイオードD1とを含む。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the power conversion device according to the embodiment of the present invention.
Referring to FIG. 2,
コイルL1は、第1端が降圧回路11の出力に結合される。コンデンサC1は、第1端がコイルL1の第1端に結合される。NチャネルMOSトランジスタM1は、ドレイン(第1端)がコイルL1の第2端に結合される。ダイオードD1は、アノードがNチャネルMOSトランジスタM1のドレインに結合される。コンデンサC2は、第1端がダイオードD1のカソードおよび入力端子T1に結合され、第2端がNチャネルMOSトランジスタM1のソースおよび入力端子T2に結合される。電流検出抵抗R1は、第1端がNチャネルMOSトランジスタM1のソースとコンデンサC2の第2端とに結合され、第2端がコンデンサC1の第2端に結合される。
Coil L1 has a first end coupled to the output of step-down
インバータ制御回路7は、ローパスフィルタ5を通過した交流電圧が所定周波数および所定振幅になるように制御信号CONT1〜CONT4を生成し、NチャネルMOSトランジスタM11〜M14へ出力する。
Inverter control circuit 7 generates control signals CONT1 to CONT4 such that the AC voltage that has passed through low-
NチャネルMOSトランジスタM11〜M14は、制御信号CONT1〜CONT4に基づいてそれぞれスイッチングを行ない、コンデンサC2の両端電圧である直流電圧を交流電圧に変換してトランスTR1の一次巻線に出力する。 N-channel MOS transistors M11 to M14 perform switching based on control signals CONT1 to CONT4, respectively, convert a DC voltage that is a voltage across capacitor C2 into an AC voltage, and output it to the primary winding of transformer TR1.
トランスTR1の二次巻線に誘起された交流電圧は、ローパスフィルタ5を通過して負荷103へ出力される。
The AC voltage induced in the secondary winding of the transformer TR1 passes through the low-
図3は、風力発電装置102の出力特性を示すグラフ図である。
図3を参照して、一般的に、風力発電装置は、ある値以上の電流を出力させると、出力電圧が急激に低下する。すなわち、一般的に、回転機を有する風力発電機は、たとえば風が弱まって発電電力が低下すると、発電電圧も低下する。また、一般的な電源装置、たとえばインバータ等の変換装置は常に負荷に必要な電力を供給するように動作するため、電源装置の入力電圧すなわち風力発電機の発電電圧が低下すると、さらに電源装置の入力電流すなわち風力発電機の出力電流が増加することになる。このため、風が弱まって発電電力および発電電圧が低下した状態において、図3に示すように風力発電機からある値以上の電流を流そうとすると、風力発電機の出力電流はさらに急激に低下してしまい、電力の供給ができなくなってしまう。
FIG. 3 is a graph showing the output characteristics of the
With reference to FIG. 3, in general, when a wind turbine generator outputs a current of a certain value or more, the output voltage rapidly decreases. That is, generally, in a wind power generator having a rotating machine, for example, when the wind weakens and the generated power decreases, the generated voltage also decreases. In addition, since a general power supply device, for example, a conversion device such as an inverter, always operates to supply necessary power to the load, when the input voltage of the power supply device, that is, the power generation voltage of the wind power generator decreases, the power supply device The input current, that is, the output current of the wind power generator will increase. For this reason, if the wind is weakened and the generated power and the generated voltage are reduced, as shown in FIG. 3, if an electric current of a certain value or more is caused to flow from the wind power generator, the output current of the wind power generator decreases more rapidly. As a result, power cannot be supplied.
そこで、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、直流電圧制御回路6は、整流回路1の出力電流すなわち風力発電装置102の出力電流が電流値IA未満となるように、直流電圧変換回路2の変換する直流電圧の電圧値を制御する。つまり、直流電圧制御回路6は、風力発電装置102の出力電流を制限することにより、過電流による整流回路1の出力電圧の低下を防ぐ。
Therefore, in the power converter according to the embodiment of the present invention, the DC voltage control circuit 6 includes a DC voltage converter circuit so that the output current of the rectifier circuit 1, that is, the output current of the
通常時、すなわち風力発電装置102の発電電力の方が負荷103の消費電力より大きい場合には、電流検出抵抗R1を通して流れる電流は、電流制限を行なうべき電流値IAより小さい。したがって、直流電圧制御回路6は電流制限を行なわない、つまり、入力端子T1およびT2間の電圧すなわちコンデンサC2の両端電圧を低下させない。
In normal times, that is, when the power generated by the
そして、直流電圧制御回路6は、入力端子T1およびT2間の電圧すなわちコンデンサC2の両端電圧を、蓄電池3が充電を行なう電圧になるように直流電圧変換回路2を制御する。たとえば、蓄電池3の公称電圧が180Vである場合、直流電圧制御回路6は、コンデンサC2の両端電圧が205Vになるように直流電圧変換回路2を制御する。より詳細には、昇圧電圧監視回路22は、コンデンサC2の両端電圧Vcを監視して、電圧Vcが205V以下であるか否かをPWM制御信号生成回路24へ通知する。PWM制御信号生成回路24は、コンデンサC2の両端電圧Vcが205Vより大きい場合には、NチャネルMOSトランジスタM1のゲートへ出力する制御信号CONT5のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるNチャネルMOSトランジスタM1のオン期間が短くなり、コンデンサC2の両端電圧Vcが小さくなる。一方、PWM制御信号生成回路24は、コンデンサC2の両端電圧Vcが205Vより小さい場合には、制御信号CONT5のデューティ比を大きくし、コンデンサC2の両端電圧Vcを大きくする。
Then, the DC voltage control circuit 6 controls the DC voltage conversion circuit 2 so that the voltage between the input terminals T1 and T2, that is, the voltage across the capacitor C2, becomes the voltage at which the
このとき、直流電圧変換回路2は、蓄電池3を充電しながらインバータ回路4に電力を供給している。すなわち、直流電圧変換回路2の出力電流が、蓄電池3およびインバータ回路4へ流れる。
At this time, the DC voltage conversion circuit 2 supplies power to the
ここで、蓄電池3の充電時は、直流電圧変換回路2からの直流電流がダイオードD2を流れずに抵抗R2を流れる。充電電流監視回路23は、抵抗R2の両端電圧を監視する。充電電流監視回路23は、抵抗R2の両端電圧が所定電圧より大きい場合には、過充電であると判断してPWM制御信号生成回路24へ通知する。PWM制御信号生成回路24は、充電電流監視回路23から過充電である旨の通知を受けた場合には、昇圧電圧監視回路22の監視結果に関わらず、制御信号CONT5のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるNチャネルMOSトランジスタM1のオン期間が短くなり、コンデンサC2の両端電圧Vcが小さくなり、直流電圧変換回路2から蓄電池3への直流電流が小さくなり、過電流が解消する。
Here, when the
一方、電力不足時、すなわち風力発電装置102の発電電力が低下して負荷103の消費電力より小さくなることにより風力発電装置102の発電電圧が低下した場合、あるいは負荷103の消費電力が増加することによりインバータ回路4への供給電力が増加した場合には、電流検出抵抗R1を通して流れる電流が増加し、電流制限を行なうべき電流値IAより大きくなる。
On the other hand, when power generation is insufficient, that is, when the power generation voltage of the
電流検出抵抗R1を通して流れる電流が電流値IAより大きくなると、直流電圧制御回路6は電流制限を行なう。すなわち、直流電圧制御回路6は、コンデンサC2の両端電圧が小さくなるように直流電圧変換回路2を制御する。 When the current flowing through the current detection resistor R1 becomes larger than the current value IA, the DC voltage control circuit 6 performs current limitation. That is, the DC voltage control circuit 6 controls the DC voltage conversion circuit 2 so that the voltage across the capacitor C2 becomes small.
そして、コンデンサC2の両端電圧が低下してたとえば180V未満となると、蓄電池3は放電し、負荷103に供給すべき電力に対する発電電力の不足分をインバータ回路4に供給する。
When the voltage at both ends of the capacitor C <b> 2 decreases to, for example, less than 180 V, the
ここで、コンデンサC2の両端電圧をVcとし、インバータ回路4の入力電流をIinvとし、昇圧回路12が降圧回路11から受ける直流電圧をViとし、昇圧回路12が降圧回路11から受ける直流電流をIiとし、蓄電池3の放電電流をIbとすると、以下の式が成立する。
Here, the voltage across the capacitor C2 is Vc, the input current of the
Vc×Iinv=Vi×Ii+Vc×Ib・・・(1)
すなわち、発電電力の低下により直流電圧Viが低下する、あるいは負荷103の消費電力の増大によりインバータ回路4への供給電力が増加すると、電流検出抵抗R1を通して流れる電流すなわち風力発電装置102の出力電流が大きくなる。ここで、電流検出抵抗R1のインバータ回路4側の端子は零電位である。このため、電流検出抵抗R1の降圧回路11側の端子電圧は負電圧となる。発電電流監視回路21は、電流検出抵抗R1の降圧回路11側の端子電圧が小さくなり、電流値IAに対応する電圧値以下になると、降圧回路11の出力電流すなわち整流回路1の出力電流が電流値IA以上になったと認識してPWM制御信号生成回路24へ通知する。
Vc × Iinv = Vi × Ii + Vc × Ib (1)
That is, when the DC voltage Vi decreases due to a decrease in generated power or when the power supplied to the
PWM制御信号生成回路24は、発電電流監視回路21から通知を受けて、制御信号CONT5のデューティ比を小さくする。そうすると、所定期間におけるNチャネルMOSトランジスタM1のオン期間が短くなり、コンデンサC2の両端電圧Vcが小さくなる。
The PWM control
また、蓄電池3は、コンデンサC2の両端電圧Vcが小さくなることから、式(1)を満たすように放電電流Ibを大きくする。そうすると、電流検出抵抗R1を通して流れる電流が電流値IA未満となる。つまり、蓄電池3は、発電電力の不足分を補う。
Further, the
図4は、風力発電装置102の発電電圧および発電電流と電力変換装置101の出力電圧および出力電流とを測定した結果を示す図である。図4は、負荷103の負荷抵抗(消費電力)が400Wである場合を示している。ここで、風力発電装置102の出力電圧(発電電圧)は三相交流電圧であり、周波数は約400Hzである。ただし、風力発電装置102の出力電圧の周波数は、風力発電装置102の発電電圧値に応じて変動する。また、電力変換装置101の出力電圧は周波数が60Hzの単相交流電圧である。
FIG. 4 is a diagram showing the results of measuring the generated voltage and generated current of the
図4を参照して、たとえば風力発電装置102の発電電圧が90Vであり、発電電流が2.86Aの場合には、発電電力は90×2.86×√3≒445[W]となる。この場合、直流電圧変換回路2は、蓄電池3を充電しながらインバータ回路4に電力を供給する。風力発電装置102の発電電圧が105V〜225Vの場合も発電電力が400Wを超えるため、90Vの場合と同様となる。
Referring to FIG. 4, for example, when the generated voltage of
また、風力発電装置102の発電電圧が75Vであり、発電電流が2.62Aの場合には、発電電力は75×2.62×√3≒340[W]となる。この場合、負荷103の消費電力に対して風力発電装置102の発電電力が不足するが、蓄電池3が放電することにより、風力発電装置102の発電電力の不足分を補う。風力発電装置102の発電電圧が0V〜60Vの場合も発電電力が400W未満となるため、75Vの場合と同様となる。
When the generated voltage of the
したがって、電力変換装置101は、0V〜225Vの広範囲の発電電圧において安定して振幅約100Vの交流電圧を生成することができる。
Therefore, the
ここで、一般的な電力変換装置の動作可能範囲は、定格入力電圧の±10%の範囲である。たとえば、一般的な電力変換装置の定格入力電圧が150Vである場合、所望の出力である振幅100Vの交流電圧を生成できるのは発電電圧が135V〜165Vの範囲にある場合のみである。一方、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、風力発電装置102の発電電圧が45V〜225Vの範囲において1.52A以上の発電電流が風力発電装置102から電力変換装置101へ供給されている。すなわち、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、広範囲の発電電圧において自然エネルギーを有効利用することができる。
Here, the operable range of a general power converter is a range of ± 10% of the rated input voltage. For example, when the rated input voltage of a general power conversion device is 150V, an AC voltage with a desired output of 100V can be generated only when the generated voltage is in the range of 135V to 165V. On the other hand, in the power conversion device according to the embodiment of the present invention, a power generation current of 1.52 A or more is supplied from the wind
ところで、特許文献1−2記載の発電装置では、発電電力が不足して発電装置の出力電圧が低下しすぎると発電装置から負荷へまったく電力が供給されなくなってしまう。また、特許文献3記載の発電装置では、風が弱くなっても発電電力を負荷へ供給し続けることが可能であるが、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成等が必要となるため、発電装置の構成が複雑化してしまう。
By the way, in the power generation device described in Patent Document 1-2, if the generated power is insufficient and the output voltage of the power generation device is too low, no power is supplied from the power generation device to the load. Further, in the power generation device described in
しかしながら、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、直流電圧制御回路6は、風力発電装置102の出力電流が所定値未満となるように、かつインバータ回路4の入力電圧すなわち入力端子T1およびT2間の電圧が第1の所定電圧値となるように、直流電圧変換回路2の変換する直流電圧の電圧値を制御する。蓄電池3は、インバータ回路4の入力電圧が第1の所定電圧値より小さい第2の所定電圧値未満の場合には直流電圧を出力し、インバータ回路4の入力電圧が第2の所定電圧値以上の場合には直流電圧変換回路2の出力電流に基づいて充電を行なう。
However, in the power conversion device according to the embodiment of the present invention, the DC voltage control circuit 6 is configured so that the output current of the
このような構成により、風力発電装置の発電電力が低下して風力発電装置の発電電力が不足しても、あるいは負荷の消費電力が増加して風力発電装置の発電電力が不足しても、インバータ回路を介して負荷に発電電力を供給し続けることができるとともに、発電機の同期動作および非同期動作を切り替える構成を備えない簡易な構成とすることができる。したがって、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、簡易な構成で風力等の変動に適切に対応して自然エネルギーを有効利用することができる。 With such a configuration, even if the generated power of the wind turbine generator is reduced and the generated power of the wind turbine generator is insufficient, or even if the power consumption of the load is increased and the generated power of the wind turbine generator is insufficient, the inverter While being able to continue supplying generated electric power to a load via a circuit, it can be set as the simple structure which does not have the structure which switches the synchronous operation | movement and asynchronous operation | movement of a generator. Therefore, in the power conversion device according to the embodiment of the present invention, natural energy can be effectively used by appropriately responding to fluctuations in wind power or the like with a simple configuration.
また、本発明の実施の形態に係る電力変換装置では、降圧回路11は、整流回路1から受けた直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、整流回路から受けた直流電圧を降圧して所定電圧値以下の直流電圧を生成する。昇圧回路12は、降圧回路11から受けた直流電圧が所定電圧値以下である場合には、降圧回路11から受けた直流電圧を昇圧して所定電圧値以上の直流電圧を生成する。このような構成により、前述のように一般的な電力変換装置と比べてより広範囲の発電電圧において安定して所定の交流電圧を生成することができる。本発明は、発電電力が気象条件等によって大きく変動する風力等、自然エネルギーによって発電された電力を変換する場合に特に有効である。
In the power conversion device according to the embodiment of the present invention, when the DC voltage received from the rectifier circuit 1 is greater than a predetermined voltage value, the step-
なお、本発明の実施の形態に係る電力変換装置は蓄電池3を備える構成であるとしたが、これに限定するものではない。蓄電池に限らず、充放電可能な電池として用いることが可能なデバイスであればよい。たとえば、電力変換装置が蓄電池の代わりに大容量のコンデンサ等の素子を備える構成であってもよい。
In addition, although the power converter device which concerns on embodiment of this invention was set as the structure provided with the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1 整流回路、2 直流電圧変換回路、3 蓄電池、4 インバータ回路、5 ローパスフィルタ、6 直流電圧制御回路、7 インバータ制御回路、11 降圧回路、12 昇圧回路、21 発電電流監視回路、22 昇圧電圧監視回路、23 充電電流監視回路、24 PWM制御信号生成回路、101 電力変換装置、102 風力発電装置、103 、201 電力変換システム、C1 コンデンサ(第1のコンデンサ)、C2 コンデンサ(第2のコンデンサ)、C3 コンデンサ、L1,L2 コイル、R1,R2 抵抗、D1,D2 ダイオード、T1,T2 入力端子、M1 NチャネルMOSトランジスタ(スイッチ素子)、M11〜M14 NチャネルMOSトランジスタ、TR1 トランス。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Rectification circuit, 2 DC voltage conversion circuit, 3 Storage battery, 4 Inverter circuit, 5 Low pass filter, 6 DC voltage control circuit, 7 Inverter control circuit, 11 Buck circuit, 12 Boost circuit, 21 Power generation current monitoring circuit, 22 Boost voltage monitoring Circuit, 23 charging current monitoring circuit, 24 PWM control signal generation circuit, 101 power converter, 102 wind power generator, 103, 201 power conversion system, C1 capacitor (first capacitor), C2 capacitor (second capacitor), C3 capacitor, L1, L2 coil, R1, R2 resistor, D1, D2 diode, T1, T2 input terminal, M1 N channel MOS transistor (switch element), M11 to M14 N channel MOS transistor, TR1 transformer.
Claims (4)
前記発電装置から受けた交流電圧を第1の直流電圧に変換する整流回路と、
前記整流回路から受けた第1の直流電圧を第2の直流電圧に変換する直流電圧変換回路と、
第3の直流電圧の出力および充電を行なう電池と、
前記第2の直流電圧および前記第3の直流電圧を受けるための共通の入力端子を有し、前記入力端子において受けた直流電圧に基づいて前記負荷に供給すべき交流電圧を生成するインバータ回路と、
前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第1の所定電圧値以下となるように、前記直流電圧変換回路の変換する前記第2の直流電圧の電圧値を制御する制御回路とを備え、
前記電池は、前記入力端子の電圧が前記第1の所定電圧値より小さい第2の所定電圧値未満の場合には前記第3の直流電圧を出力し、前記入力端子の電圧が前記第2の所定電圧値以上の場合には前記直流電圧変換回路の出力電流に基づいて充電を行なう、自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。 A generator that has a rotating machine that rotates by natural energy and that generates electric power based on the rotation of the rotating machine is arranged outside, and converts the electric power from the generator and supplies it to a load. A converted power converter,
A rectifier circuit that converts an AC voltage received from the power generation device into a first DC voltage;
A DC voltage conversion circuit for converting the first DC voltage received from the rectifier circuit into a second DC voltage;
A battery for outputting and charging a third DC voltage;
An inverter circuit having a common input terminal for receiving the second DC voltage and the third DC voltage, and generating an AC voltage to be supplied to the load based on the DC voltage received at the input terminal; ,
As the output current of the rectifier circuit is less than the predetermined value, and such that the voltage of the input terminal is equal to or less than the first predetermined voltage value, the voltage of the second DC voltage to be converted of the DC voltage converter A control circuit for controlling the value,
The battery outputs the third DC voltage when the voltage at the input terminal is less than a second predetermined voltage value that is smaller than the first predetermined voltage value, and the voltage at the input terminal is the second voltage. A converter for electric power generated by natural energy, which is charged based on an output current of the DC voltage conversion circuit when the voltage is equal to or higher than a predetermined voltage value.
前記制御回路は、前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第1の所定電圧値以下となるように前記スイッチ素子のスイッチングを制御する請求項1記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。 The DC voltage conversion circuit includes a switch element, and converts the first DC voltage received from the rectifier circuit into the second DC voltage by switching the switch element.
The control circuit controls switching of the switch element so that an output current of the rectifier circuit is less than a predetermined value and a voltage of the input terminal is equal to or lower than a first predetermined voltage value. Conversion device for power generated by natural energy.
前記整流回路から受けた前記第1の直流電圧が所定電圧値より大きい場合には、前記整流回路から受けた前記第1の直流電圧を降圧して前記所定電圧値以下の直流電圧を生成する降圧回路と、
前記降圧回路から受けた直流電圧を昇圧して前記第2の直流電圧を生成する昇圧回路とを含む請求項1記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。 The DC voltage conversion circuit is:
When the first DC voltage received from the rectifier circuit is greater than a predetermined voltage value, the first DC voltage received from the rectifier circuit is stepped down to generate a DC voltage equal to or lower than the predetermined voltage value. Circuit,
The converter for the electric power generated by natural energy according to claim 1, further comprising: a booster circuit that boosts a DC voltage received from the step-down circuit to generate the second DC voltage.
第1端において前記第1の直流電圧を受けるコイルと、
第1端が前記コイルの第1端に結合される第1のコンデンサと、
第1端が前記コイルの第2端に結合されるスイッチ素子と、
アノードが前記スイッチ素子の第1端に結合されるダイオードと、
第1端が前記ダイオードのカソードおよび前記入力端子に結合され、第2端が前記スイッチ素子の第2端に結合される第2のコンデンサと、
第1端が前記スイッチ素子の第2端と前記第2のコンデンサの第2端とに結合され、第2端が前記第1のコンデンサの第2端に結合される電流検出抵抗とを含み、
前記制御回路は、前記電流検出抵抗の第2端における電圧に基づいて前記整流回路の出力電流を検出し、前記整流回路の出力電流が所定値未満となるように、かつ前記入力端子の電圧が第1の所定電圧値以下となるように前記スイッチ素子のスイッチングを制御する請求項1記載の自然エネルギーによって発電された電力の変換装置。 The DC voltage conversion circuit is:
A coil that receives the first DC voltage at a first end;
A first capacitor having a first end coupled to the first end of the coil;
A switching element having a first end coupled to a second end of the coil;
A diode having an anode coupled to the first end of the switch element;
A second capacitor having a first end coupled to the cathode of the diode and the input terminal and a second end coupled to a second end of the switch element;
A first end coupled to a second end of the switch element and a second end of the second capacitor, and a second end coupled to a second end of the first capacitor;
The control circuit detects the output current of the rectifier circuit based on the voltage at the second end of the current detection resistor, and the voltage of the input terminal is set so that the output current of the rectifier circuit is less than a predetermined value. The converter of the electric power generated with the natural energy of Claim 1 which controls switching of the said switch element so that it may become below 1st predetermined voltage value.
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