专利名称：使用磁能再生开关的交流/直流电力转换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及使用磁能再生开关的交流/直流电力的可逆转换装置，该装置作为在车库中从充电电源主要对电动汽车和混合汽车等的二次电池充电的充电器，具有从交流电源正向转换为直流、从直流逆向转换为交流的功能。
背景技术：
当前，与运输相关的能源的大致一半利用石油维持着，电动汽车的普及使得利用取代石油的原子能、以及风能和太阳能等来自自然能源的碳酸气体排放较少的电力维持的比率增加，所以期待着该普及的推进。另外，依靠二次电池和发动机双方来行驶的混合汽车能够格外地抑制燃料消耗，所以也同样被期待着，而电气比率较大的电油混合车是以电能为主、以汽油发动机为辅来行驶的汽车，被认为是向完全电动汽车过渡而存在的车型。
电动汽车的充电使用来自电力系统的商用交流电源，而配电线路的基础设施已经完善到各个家庭中，所以无论在哪里都能够充电。在家庭车库中，主要在夜间对这些二次电池充电，尽管该充电器是每台的容量为几千瓦，但在电力集中于狭小地域时，有可能导致地域的电压和广域频率的波动，所以应该进行运转控制，以不产生这种问题。
对于电气热水器等不急需的负载，如果通过因特网实时地集中控制，则能够发挥与针对风能等的波动电力的缓冲用负载调整电源相同的作用，并实现电力稳定性，这种计划已由本申请人提出(日本特开2006-353079)。
另外，电动汽车、混合汽车等同于在各个家庭中配备了电力储存装置，所以如果根据需要进行从直流向交流的逆向转换，则能够成为针对各个家庭的需求负载的不间断电源(UPS)，并成为商用电力线路的停电对策。
虽然是如此被期待的电动汽车，但以往的电池充电器只能像二极管整流器和晶闸管整流器那样进行从交流向直流的正向转换，所以不能用于上述目的。图2是表示以往的PWM逆变器/转换器的结构的电路框图，如图2所示，关于交流/直流的可逆电力转换，使用电桥结构的逆变器1进行高于交流电源6的频率的快速导通/截止，产生方形波电压波形(被称为PWM脉宽调制)的虚拟交流电压，在该虚拟交流的相位迟于交流电源6时成为正向转换，在该虚拟交流的相位早于交流电源6时成为逆向转换，并通过交流电感器4与交流电源6连接。该情况时，由于PWM的频率是高频，所以优点是交流电感器4的值可以比较小。
PWM逆变器产生高频噪声，所以需要滤波器。并且，由于半导体开关的多次开闭损耗使得效率下降，用于消除半导体的发热的装置变大型。
在逆向转换时，直流电压需要在交流电压的输出的峰值以上，如果直流电压伴随二次电池2的放电而下降，则需要提高直流电压。图3是表示具有DC增频转换器的PWM逆变器/转换器的结构的电路框图，例如如图3所示，需要在二次电池2和电容器7之间设置利用DC增频转换器10进行电压调整等的装置。电压波动增大，锂二次电池在放电后电压下降至接近70％。
发明内容
本发明就是鉴于上述以往的交流/直流电力的可逆转换装置的问题而提出的，其目的在于，提供一种不需要由DC增频转换器进行电压调整的高效率的交流/直流电力转换装置。
本发明涉及具有从交流向直流的正向转换和从直流向交流的逆向转换的功能的交流/直流电力转换装置，本发明的上述目的是利用交流/直流电力转换装置实现的，该交流/直流电力转换装置的特征在于，该交流/直流电力转换装置具有磁能再生双向开关，其包括由4个逆向导通型半导体开关构成的电桥电路、连接在该电桥电路的直流端子之间并储存电流切断时的磁能的电容器7、和向各个所述逆向导通型半导体开关的栅极提供控制信号并进行各个所述逆向导通型半导体开关的导通/截止控制的控制装置；交流电感器4，其一端与交流电源6连接，另一端与所述电桥电路的交流端子连接；和直流电感器3，其一端与直流电源的二次电池2连接，另一端与所述电桥电路的直流端子连接， 所述电容器7的静电电容C和/或所述交流电感器4的L被设定成为，使根据所述C和所述L确定的谐振频率高于所述交流电源6的频率，所述控制装置控制所述控制信号，使所述逆向导通型半导体开关中、位于对角线上的开关对与所述交流电源6的电压同步地同时导通/截止，而且两组开关对不会同时导通，并且通过使所述控制信号的相位比所述交流电源的相位延迟来进行所述正向转换，通过使所述控制信号的相位比所述交流电源的相位提前来进行所述逆向转换。
并且，本发明的上述目的可以按照下面所述有效地实现，在所述交流电感器4和所述交流电源6之间插入由所述控制装置控制开闭的交流开关5，所述控制装置在检测到所述交流电源6的停电或瞬间降低时，断开所述交流开关5来切断所述交流电源6，以产生替代所述交流电源的模拟同步信号，同时使所述控制信号的相位提前来切换为逆向转换，对来自所述二次电池2或其他直流电源的直流电力进行逆向转换，持续向交流负载提供交流电力。
另外，本发明的上述目的可以按照下面所述更有效地实现，在所述直流电感器3和所述二次电池2之间、或者在所述直流电感器3和所述电桥电路的直流端子之间插入直流开关，或者在所述控制装置设置进行与外部的通信的通信单元。
另外，本发明涉及使用所述交流/直流电力转换装置的二次电池的充电放电控制系统，本发明的上述目的是利用二次电池的充电放电控制系统实现的，该二次电池的充电放电控制系统的特征在于，与电力系统的交流电源和直流电源的二次电池连接的一个或多个所述交流/直流电力转换装置和外部集中控制据点9的服务器，通过因特网等通信线路8以能够互相通信的方式进行连接，所述服务器监视所述电力系统的电力的供求状态，同时监视所述二次电池的充电状态， 根据所述供求状态向所述控制装置发送正向转换或逆向转换的指令，并控制所述二次电池的充电放电，由此实现所述电力系统的电力稳定性。
图1是表示本发明的交流/直流电力转换装置的结构的电路框图。
图2是表示以往的PWM逆变器/转换器的结构的电路框图。
图3是表示具有DC增频转换器的PWM逆变器/转换器的结构的电路框图。
图4是表示交流电源电压与半导体开关栅极信号的相位关系的图。
图5是表示仿真结果1(直流电压140V的逆向转换逆变器运转、相位提前30度)的图。
图6是表示仿真结果2(直流电压100V的逆向转换逆变器运转、相位提前30度)的图。
图7是表示仿真结果3(直流电压140V的正向转换逆变器运转、相位提前30度)的图。
图8是表示仿真结果4(直流电压100V的正向转换逆变器运转、相位提前30度)的图。
图9是控制装置的功能框图。
图10是说明磁能再生开关的发展的图。
图11是说明从采用磁能再生开关的谐振器向直流交流逆向转换装置的发展的图。
具体实施例方式 本发明使用日本专利第3634982号公报公开的磁能再生开关1，针对处于其与交流电源6之间的交流电感器4和电容器7，通过使半导体开关对(SW1、SW3)和(SW2、SW4)交替地导通/截止，来使磁能在该交流电感器4与电容器7之间往返，由此使谐振振动连续进行。图10表示串联地使用磁能再生开关来驱动储存磁能的电感器的电路。
在图10中示出了已经公知的磁能再生开关(MERS)及其双对电路(Dual MERS)，但在该电路中电压源成为电流源，L成为C，串联成为并联。图11表示在电容器连接直流电流源并从直流输入电力的交流电力谐振电路、和在交流侧连接交流电源的方式。
经过这些磁能再生开关的发展，本发明如图1所示，从直流向交流电力的可逆转换采用最小的结构，而且1周期只进行1次导通/截止控制，由此降低开闭损耗，而且，将该电桥的直流电容器7与为了和交流电源6的耦合而设置的交流电感器4的谐振频率设定为接近交流电源6的频率，由此抑制伴随导通/截止形成的波形变形。另外，交流电感器4构成电源频率的串联滤波器，所以能够消除来自外部系统和交流负载等的高频噪声的进入。
并且，通过把根据电容器7和交流电感器4确定的谐振频率设定为高于交流电源频率，电容器7在每次放电后产生电压为零的期间，对于半导体开关而言实现理想的零电压/零电流的导通/截止，进一步实现低损耗。
使直流电源2从电容器7的两端通过直流电感器3进行耦合，由此在以交流电源频率的2倍频率振动的电容器7的平均电压高于直流电压时进行正向转换，相反在低于直流电压时进行逆向转换。通过进行使半导体开关的栅极信号的相位相对于交流电源6的相位提前或延迟的控制，能够增减振动的电容器7的电压。
在本发明中，不进行以往利用可逆逆变器进行的PWM控制，也不存在伴随该控制的噪声，所以不需要高次谐波滤波器。
控制装置不仅进行这些电源的运转，还设置进行与外部的通信的通信单元(未图示)，并具有以下功能，通过因特网等通信线路8向外部集中控制据点9(利用服务器构成)发送数据、并接收指令，按照来自外部的指令改变充电电力，结果，能够有助于地域的电力的稳定性。
(实施例1) 图1示出了实施例，使逆向导通型半导体开关形成为电桥结构，在直流端子连接储存磁能的电容器7。该电容器7与以往的单相逆变器不同，容量较小，只储存磁能，所以在各个半个周期中以电压达到峰值电压和零电压的方式进行充电放电。
为了进行选择，使充电放电的电流波形接近交流电源6的角频率ω0，静电电容C与交流电感器L的关系式如下所述。
LC＝ω0-2 ……(1) 另外，通过使C的值略小于式(1)，在半个周期的放电之后，产生零电压的期间，能够容易进行半导体开关的开闭。单相逆变器的电压源电容器7与以往的PWM转换器不同，其容量大幅减小，这是本发明的特征。
由于电容器7的电压振动，为了进行与直流电路的耦合，设置从振动频率方面观察时充分平滑的直流电感器3。振动频率是ω0的2倍，电压约是交流电压的平均值。
因此，直流电源2的电压即使小于以往的PWM逆变器的电压源，也能够进行逆向转换。
在直流电源2可以连接各种电池和引擎发电机的直流输出、燃料电池等单体或组合体，还可以连接直流负载，但此处假设为能够进行充电及放电的锂离子二次电池来进行说明。
通过交流电感器4连接交流电源6。为了整形电流波形，需要较大的电抗器。在本实施例中，选择电抗器电压为50％～100％。如果该电感器通过变压器连接交流系统，则可以利用变压器的泄露，所以增加新的损耗的情况比较少。
交流电感器4通过交流负载和交流开关5连接交流电源6。交流开关5在上游的交流电力出现停电等异常时，即使从交流电源6切断，也能够使交流负载持续运转。
并且，在二次电池2不需要充电放电的情况下，利用直流开关11将直流电感器3切断，使磁能再生开关作为独立的谐振电压源进行运转，以能够从系统接收相对于交流电源6的相位提前或延迟的无效电力。
控制装置具有检测交流电源6的电压相位的功能、和向4个半导体开关(SW1～SW4)发送必要的栅极信号的功能。向位于对角线上的成对的半导体(SW1-SW3、SW2-SW4)同时发送信号，但不同时向上下关系的半导体发送导通信号。这是因为电容器电压将短路。如果在导通期间停止成对的开关的一方的栅极，则电容器的放电充电停止，能够进行电压波形的整形。如果以使栅极信号的相位比交流电压的相位延迟的方式进行控制，则成为将电力从交流转换为直流的正向转换模式，而如果以使栅极信号的相位比交流电压的相位提前的方式进行控制，则成为逆向转换模式。正向转换/逆向转换能够连续地进行从相位的提前向延迟的控制。图4表示交流电源电压和栅极信号的关系。
控制装置的功能如图9所示，通过因特网等通信线路8与外部集中控制据点9的服务器相协作，能够动态地进行充电电力的增减。其效果已在专利文献1中以电气热水器为例进行了说明，但在像自然能源例如风能发电和太阳能发电那样以几十秒的周期按时间变化的发电装置中，本发明的充电电源(二次电池)也成为其缓冲的变动负载。这是因为二次电池的充电电力即使随时间变化也没有问题，而只关注最后被充电的储存能量。
该情况时，电网或电力经营商能够减轻用于维持因发电电力形成的系统频率的运转、即LFC控制。例如，在电油混合汽车普及数量较多时，利用本发明的交流/直流电力转换装置在车库中充电时通过因特网进行集中控制，由此有助于夜间的电力系统的稳定，不需要LFC控制用的发电设备、及故障时的备用发电设备，进而也能够期待着成为太阳能发电、风能发电的变动缓冲。
随着今后电力市场化的推进，例如由风能经营商通过该外部集中控制据点9实时地进行与电力的产生量相同的消耗，能够实现电力系统只为通过的、电力的直接买卖。
外部集中控制据点9收集多个交流/直流电力转换装置的数据，根据电力系统的数据等，向各个交流/直流电力转换装置发送最佳的运转控制数据。
[实施例的仿真] 表示仿真的分析结果。电路常数如下所述。
1.逆向导通型半导体开关S1、S2、S3、S4(在P-MOSFET中损耗被忽视) 2.直流电源(二次电池)100V、或140V 3.直流电感器120mH 4.交流电感器30mH 6.交流电源50Hz、峰值141V 7.电压源电容器150μF 图4表示栅极信号的电压相位的关系、前进角为60度时的情况。
图5表示在从直流向交流的逆向转换时，140V、逆向转换前进角为30度时的情况。
图6表示在从直流向交流的逆向转换时，100V、逆向转换前进角为30度时的情况。
图7表示在从交流向直流的正向转换时，140V、逆向转换延迟角为30度时的情况。
图8表示在从交流向直流的逆向转换时，100V、逆向转换延迟角为30度时的情况。
表1表示基于相位控制的电力控制。
表1直流电压140V时、基于相位控制的电力 在直流的电压下降为交流的实效值、平均值时也能够进行逆向转换。以往PWM电压需要交流电压的峰值电压，如果比较低，将成为延迟电力因数，所以如图3所示，利用DC增频转换器10升压的示例居多。根据本发明，利用直流电感器3的升压效应，即使在直流电压减少到70％左右时也能够进行逆向转换。
关于停电时控制，本发明的特征是只根据栅极控制信号的相位控制即可从正向转换切换为逆向转换，所以在交流电源6停电或瞬间降低时，马上停止充电，利用交流开关5切断交流电源6，从直流电源2对电力进行逆向转换，使交流负载能够持续运转，为此需要交流开关5的控制装置。
通过栅极控制信号的相位控制，能够控制从交流向直流的正向转换、以及与其相反的逆向转换，所以能够具有以下功能，利用因特网等的通信功能接收外部的综合式外部集中控制据点9的指令，有助于电力系统或微电网的电力稳定性。
在本发明涉及的交流/直流电力转换装置中，需要比以往的PWM转换器大的交流电感器4，结果，原则上在1周期1脉冲的导通/截止中电流波形的高次谐波非常小。虽然略微残留了低次谐波的变形，但通过将其三相化即可消除。通过减少导通/截止次数，实现开闭损耗的大幅降低。
与以往的PWM转换器相比，DC链路部的电容器的尺寸、容量从十分之一降低为二十分之一。如果使用本发明这样的磁能再生开关的原理，则DC链路电容器7可以是只储存磁能的容量，与PWM转换器相比，能够实现小型化。
由于设定为根据电容器静电电容C和交流电感器L确定的谐振频率高于交流电源频率，所以半导体开关能够在电容器电压为零电压时截止，而且电流不会因为电感器的存在而急速上升，即对于半导体开关而言实现理想的零电压零电流的开闭。
产业上的可利用性 如果把本发明的交流/直流电力转换装置应用于今后有望普及的电动汽车、电油混合汽车的充电系统，则能够实现正向转换/逆向转换的双向充电放电，虽然认为对于今后基于原子能化的发展的电力系统而言，夜间的频率调整能力不足，但能够辅助过去的可变速扬水发电。
另外，伴随电力市场化的推进，根据电力市场进行风能发电经营商的售电交易，根据风能发电量的变化而实时地变化着供电，由此不会给电力系统施加负担，如果能够支付送电线路、配电线路的借电供电费用即委托输送费，将能够实现电动汽车的充电完全依赖于风能的系统。电动汽车能够完全利用可再生的能源而运行。实现促进自然能源的导入的商务模式。或者，可以说只在原子能发电成为主流的时间即夜间充电的电动汽车，能够利用确实不排放二氧化碳气体的能源而运行。
这些商务模式的实现将由外部的综合式外部集中控制据点9承担很大的作用。外部的综合式外部集中控制据点9不仅进行电力系统的频率控制，也掌握与分散于地域中的全部交流/直流电力转换装置(充电器)连接的交流电压和相位，所以通过控制交流/直流电力转换装置来进行充电放电，以缓冲地域的电压波动，外部的综合式外部集中控制据点9有可能承担地域的电力系统、分散微电网的电力稳定装置、电力储存装置的作用。
根据碳酸气体排放权交易等今后的政策和经济模式，运行方法有各种方法，但成为其核心的将是本发明的正逆双向的交流/直流电力转换装置。
权利要求
1.一种交流/直流电力转换装置，其具有从交流向直流的正向转换和从直流向交流的逆向转换的功能，该交流/直流电力转换装置的特征在于，
该交流/直流电力转换装置具有
磁能再生双向开关，其包括由4个逆向导通型半导体开关构成的电桥电路、连接在该电桥电路的直流端子之间并储存电流切断时的磁能的电容器(7)、和向各个所述逆向导通型半导体开关的栅极提供控制信号并进行各个所述逆向导通型半导体开关的导通/截止控制的控制装置；
交流电感器(4)，其一端与交流电源(6)连接，另一端与所述电桥电路的交流端子连接；和
直流电感器(3)，其一端与直流电源的二次电池(2)连接，另一端与所述电桥电路的直流端子连接，并且，
所述电容器(7)的静电电容C和/或所述交流电感器(4)的L被设定成为，使根据所述C和所述L确定的谐振频率高于所述交流电源(6)的频率，
所述控制装置控制所述控制信号，使所述逆向导通型半导体开关中、位于对角线上的开关对与所述交流电源(6)的电压同步地同时导通/截止，而且两组开关对不同时导通，并且通过使所述控制信号的相位比所述交流电源的相位延迟来进行所述正向转换，通过使所述控制信号的相位比所述交流电源的相位提前来进行所述逆向转换。
2.根据权利要求1所述的交流/直流电力转换装置，其特征在于，在所述交流电感器(4)和所述交流电源(6)之间插入由所述控制装置控制开闭的交流开关(5)，
在检测到所述交流电源(6)的停电或瞬间降低时，所述控制装置断开所述交流开关(5)来切断所述交流电源(6)，以产生替代所述交流电源的模拟同步信号，同时使所述控制信号的相位提前来切换为逆向转换，对来自所述二次电池(2)或其他直流电源的直流电力进行逆向转换，持续向交流负载提供交流电力。
3.根据权利要求1或2所述的交流/直流电力转换装置，其特征在于，在所述直流电感器(3)和所述二次电池(2)之间、或者在所述直流电感器(3)和所述电桥电路的直流端子之间插入直流开关。
4.根据权利要求1～3中的任一项所述的交流/直流电力转换装置，其特征在于，所述控制装置具有进行与外部的通信的通信单元。
5.一种二次电池的充电放电控制系统，其特征在于，
与电力系统的交流电源和直流电源的二次电池连接的一个或多个权利要求4所述的交流/直流电力转换装置、和外部集中控制据点(9)的服务器通过因特网等通信线路以能够互相通信的方式进行连接，
所述服务器监视所述电力系统的电力的供求状态，同时监视所述二次电池的充电状态，
根据所述供求状态向所述控制装置发送正向转换或逆向转换的指令，并控制所述二次电池的充电放电，由此实现所述电力系统的电力稳定性。
全文摘要
本发明提供使用磁能再生开关的交流/直流电力转换装置，其从交流电源对二次电池充电、并从二次电池逆向转换为交流电压，在单相电桥结构的4个逆向导通型半导体开关的直流端子连接电容器(C)，通过直流电感器连接二次电池，通过交流电感器(L)与交流电源侧耦合而与电源电压相位同步，从而使对置的成对半导体开关交替地导通/截止，在连接频率低于LC的谐振频率的交流电源时，开关能够以零电压零电流进行导通/截止，只通过开关的栅极相位的控制即可实现交流和直流的可逆的电力转换。
文档编号H02M1/00GK101611536SQ200880004088
公开日2009年12月23日 申请日期2008年1月25日 优先权日2007年2月6日
发明者嶋田隆一, 臼木一浩 申请人:国立大学法人东京工业大学