CN101964596A - 电力变换装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种电力变换装置，它是将双向斩波电路或全桥电路等的单位单元级联连接的级联变换器，仅对特定的单位单元的直流电容器充电而只对该单位单元进行动作确认。本发明的级联变换器是将由双向斩波电路等构成的单位单元级联连接的级联变换器，其特征在于：具有将可变电源与直流链路连接、而且将在初充电时选择的单位单元以外的单位单元的下桥臂IGBT接通的部件。

Description

电力变换装置
技术领域
本发明涉及电力变换装置，特别是通过变压器与交流系统相连的电力变换装置。
背景技术
在非专利文献1中，作为使用可以控制接通/断开的开关元件(Insulated-gate bipolar transistor：IGBT等)、且能够输出超过该开关元件的耐压的高电压的电力变换装置的一种方式，提出了模块化多电平变换器(MMC)。
MMC是以与直流电容器连接的双向斩波电路或全桥电路为单位单元并将其输入输出端子级联连接的变换器。MMC具有能够通过将单位单元的PWM控制用载波的相位按单位单元错开来抑制输出电压高次谐波的特征。已知上述MMC能够用作无功功率输出装置及有功功率存储装置等的系统连接电压型变换器。
将该多电平变换器与系统连接时，如果各单位单元的直流电容器没有被充电，则会通过构成单位单元的双向斩波电路或全桥电路的二极管向该直流电容器流入过大的电流作为冲击电流。作为该对策，在非专利文献1中，作为对该直流电容器进行安全充电的方式，公开了经由电阻从交流系统对各直流电容器进行充电的初充电方式。
<非专利文献1>萩原誠、赤木泰文：「モジュラ一·マルチレベル変換器(MMC)のPWM制御法と動作検証」電気学会論文誌D 128卷7号，pp.957-965
发明内容
(发明要解决的问题)
对于与电力系统等交流电压源连接的电压型变换器，在将该电压型变换器与系统连接时，如果该电力变换器输出的交流电压与交流电压源的电压有很大差异，则会在该电压型电力变换器中流过过电流。因此，电压型电力变换器即MMC与交流电压源连接时，不仅对各单位单元的直流电容器充电，而且还需要使该MMC输出与系统电压大致相等的电压。
由于该MMC输出各单位单元的合成电压，所以在将MMC与系统连接之前，需要确认各单位单元的健全性、即要确认各单位单元能够输出指定的电压。
在上述确认各单位单元的健全性的阶段，为了确保安全，优选只对要进行动作确认的单元的直流电容器施加电压而对单位单元逐个地依次进行动作确认。
但是，如果像非专利文献1所记载的那样从系统经由电阻器进行初充电，则会同时对所有的单位单元的直流电容器进行初充电，难以仅对任意的单元进行初充电。
本发明的目的在于，提供了一种将双向斩波电路或全桥电路等的单位单元级联连接而成的电力变换装置，该电力变换装置具有可以只对特定的单元进行初充电的功能。
(用来解决问题的手段)
为了解决上述问题，本发明提出一种具有将单位单元级联连接的结构的电力变换装置，其特征在于，该电力变换装置具有与直流链路连接的可变电源，而且，具有只对在初充电时选择的单元的直流电容器进行初充电的功能。
而且，本发明提出一种电力变换装置，其特征在于，上述可变电压源为直流电压源。
此外，为了解决上述问题，本发明提出一种具有将单位单元级联连接的结构的变换器，其特征在于，该电力变换装置在与交流系统之间具有可变电压变压器，而且，具有将在初充电时选择的单元以外的单元的半导体元件接通的部件。
而且，本发明提出一种电力变换装置，其特征在于，该电力变换装置具有模块化多电平转换器的结构。
而且，本发明提出一种电力变换装置，其特征在于，该电力变换装置的单位单元具有双向斩波电路的结构。
而且，本发明提出一种电力变换装置，其特征在于，该电力变换装置的单位单元具有全桥电路的结构。
而且，本发明提出一种电力变换装置，其特征在于，该电力变换装置是与三相交流系统连接的。
利用本发明的电力变换装置，只要具有将初充电时选择的单位单元以外的单位单元的双向斩波电路的下桥臂IGBT接通的部件，就能够通过将选择的单位单元以外的单位单元的下桥臂IGBT接通，利用下桥臂IGBT将流向各直流电容器的充电电流绕开，防止对没有被选择的单位单元的直流电容器充电。
此外，利用本发明的电力变换装置，通过调节与直流链路连接的直流可变电源的电压，并且将例如直流可变电压源的电压的最大值设定为单位单元的直流电容器的额定电压而进行初充电，就可以防止对该直流电容器施加过电压/过充电。
(发明的效果)
在本发明的电力变换装置中，可以只对特定的单位单元进行初充电，可以只对施加了电压的特定的单位单元进行动作试验，可以在系统连接前事先安全实现动作确认。
附图说明
图1是示出本发明的实施方式1的电路图。
图2是示出本发明的实施方式1的一部分的电路图。
图3是示出本发明的实施方式2的一部分的电路图。
图4是示出本发明的实施方式3的电路图。
(附图标记说明)
100三相电力系统
101电力变换器系统
102连接变压器
102C可变电压变压器
105电力变换器
113Up，113Vp，113Wp，113Un，113Vn，113Wn级联桥臂
120单位单元
121C 双向斩波电路
121F全桥电路
201Up，201Vp，201Wp，201Un，201Vn，201Wn电抗桥臂
202遮断器
250可变直流电压源
251接触器
252初充电电路
400P，400N，400L，400R单位单元输出端子
402P，402N，IGBT并列体
406直流电容器
411，411L，411R IGBT引脚
451 IGBT
452二极管
600U级联桥臂113Up的高压侧端子
600V级联桥臂113Vp的高压侧端子
600W级联桥臂113Wp的高压侧端子
602U级联桥臂113Up的低压侧端子
602V级联桥臂113Vp的低压侧端子
602W级联桥臂113Wp的低压侧端子
603U级联桥臂113Un的高压侧端子
603V级联桥臂113Vn的高压侧端子
603W级联桥臂113Wn的高压侧端子
604U级联桥臂113Un的低压侧端子
604V级联桥臂113Vn的低压侧端子
604W级联桥臂113Wn的低压侧端子
650U，650V，650W电力变换器105的U相输入输出端子
具体实施方式
(实施例1)
下面，详细说明本发明的实施方式1。
在实施例1中，以MMC(模块化多电平变换器)为例，说明本发明的实施方式。
图1是示出本发明的实施方式1的电路图。首先，利用图1说明本发明的电力变换系统101的结构。
本发明的电力变换器101由6个级联桥臂113(113Up～113Wn)、电抗桥臂201(201Up～201Wn)、连接变压器102、遮断器202、单元初充电电路252构成。
单位单元120是由如图2所示的双向斩波电路120C构成。双向斩波电路120C具有：由半导体元件的IGBT的并列体402P和IGBT的并列体402N构成的IGBT引脚411、以及与该IGBT引脚411连接的直流电容器406。
IGBT并列体402P、402N分别由IGBT451和与该IGBT451逆并联连接的二极管452构成。该IGBT并列体402N的阳极和阴极分别用作各单位单元120的输出端子400P和输出端子400N。除了级联桥臂113(113Up、113Un、113Vp、113Vn、113Wp、113Wn)的两端的端子(600U～W，602U～W，603U～W，604U～W)、即用作级联桥臂113的输出端子的各单位单元的输出端子400P、400N以外，各单位单元120的输出端子400N与其它单位单元的输出端子400P连接，各单位单元的输出端子400P与其它单位单元的输出端子400N连接。
U相的级联桥臂113Up、113Un分别与电抗桥臂201Up、201Un连接。同样，V相、W相的级联桥臂113Vp、113Vn、113Wp、113Wn也分别与电抗桥臂201Vp、201Vn、201Wp、201Wn连接。高压侧的各级联桥臂113Up、Vp、Wp的另一端子(600U～W)分别与各级联桥臂113Up、113Vp、113Wp的该另一端子(600U～W)电连接，并且，与初充电电路252的高压侧端子连接。上述连接点称为600P。低压侧的各级联桥臂113Un、113Vn、113Wn的另一端子(604U～W)分别与各级联桥臂113Un、113Vn、113Wn的该另一端子电连接，并且与初充电电路252的低压侧端子连接。上述连接点称为600N。该初充电电路252由可变电压源250及接触器251构成。
此外，电抗桥臂201Up与201Un的中点650U、电抗桥臂201Vp与201Vn的中点650V、电抗桥臂201Wp与201Wn的中点650W分别经由三相变压器102、接触器202与三相系统100连接。下面说明电力变换系统101的工作。
首先说明构成电力变换系统101的电力变换器105的各相输出电压。但是，除非另有说明，以电力变换系统101的N侧端子600N为基准电压。各桥臂的中点650U～650W，即电抗桥臂201Up与201Un，电抗桥臂201Vp与201Vn，电抗桥臂201Wp与201Wn的各连接点相当于各相桥臂的输入输出端子，将该电位定义为电力变换器105的各相输出电压。
此外，将高压侧的级联桥臂113Up～113Wp的低压侧的输入输出端子602U～602W的电位定义为内侧级联桥臂电压V113Up、V113Vp、V113Wp。同样，将低压侧的级联桥臂113Un～113Wn的高压侧的输入输出端子603U～603W的电位定义为内侧级联桥臂电压V113Un、V113Vn、V113Wn。
将高压侧的各级联桥臂113Up、113Vp、113Wp的高压侧的输入输出端子全部与相同的电位600P连接，将低压侧的各级联桥臂113Un、113Vn、113Wn的低压侧端子全部与600N连接，将电力变换器105的P端子600P的电位定义为PN电压。
下面说明本发明的电力变换系统101的通常动作。
本电力变换系统101与系统间的互换功率可以通过以系统电压为基准调节该电力变换系统的各相输出电压的振幅与相位来控制。
构成本发明的电力变换系统101的电力变换器105的各相输出电压约等于相的各内侧级联电压的平均值。例如，在U相中为内侧级联电压V113Up与V113Un的平均值，在V相中为内侧级联电压V113Vp与V113Vn的平均值，在W相中为内侧级联电压V113Wp与V113Wn的平均值。因此，电力变换器105的各相输出电压能够通过内侧级联电压控制。
此外，内侧级联电压能够通过下面的方式控制。
施加在电力变换系统101的P侧的各级联桥臂113Up、113Vp、113Wp两端的输入输出端子间(600U和602U之间，600V和602V之间，600W和602W之间)的电压为构成各级联桥臂113Up、113Vp、113Wp的各单位单元120的输出电压的合成电压。同样，施加在电力变换系统101的N侧的各级联桥臂113Un、113Vn、113Wn两端的电压(603U和604U之间、603V和604V之间、603W和604W之间)也为构成各级联桥臂113Un、113Vn、113Wn的各单位单元120的输出电压的合成电压。因此，下侧级联桥臂的内侧级联电压113Un、113Vn、113Wn能够通过各下侧级联桥臂的各单位单元120的输出电压控制。另一方面，P侧的内侧级联电压113Up、113Vp、113Wp也是能够以电力变换系统101的P端子电压600P为基准，通过构成各P侧级联桥臂的各单位单元120的输出电压来控制。
因此，通过控制各单位单元120的输出电压，能够控制系统100与本变换系统101之间的互换功率量。由于单位单元120的输出电压是通过对IGBT引脚411进行PWM控制来调节的，所以需要将各单位单元的直流电容器406充电至指定电压。
下面说明该电力变换系统101运行前的顺序。
首先，只断开一个单位单元120的IGBT并列体402N的IGBT 451，将其它单位单元120的IGBT并列体402N的IGBT 451全部接通。
接着，接通初充电电路252的接触器251。即使该初充电电路252的可变电压源250的电压缓慢地上升，接通了IGBT并列体402N的IGBT的单位单元120的输出端子因接通了的IGBT451而短路，而不对该单位单元的直流电容器406充电。另一方面，在将IGBT并列体402N的IGBT 451断开了的单位单元120中，能够经由IGBT并列体406P的二极管452对直流电容器406充电，使该直流电容器406的电压升高。能够使该直流电容器406的电压上升至可变电压源250输出的最大电压。即通过调节可变电压源的输出电压，可以使该直流电容器的电压上升至指定电压。这样，通过只断开特定的单位单元120的IGBT并列体402N的IGBT451而将其它的单位单元120的IGBT并列体402N的IGBT451全部接通，能够只对一个单位单元120的直流电容器406进行初充电。
接着，验证该已对直流电容器406进行了充电的单位单元120。
通过PWM控制切换该已对直流电容器406进行了充电的单位单元的各IGBT并列体402P、402N。通过确认该单位单元120的输入输出端子输出指定的电压，确认该单位单元120的健全性。然后，降低初充电电路252的可变直流电压源250的电压，打开接触器251，断开该已对直流电容器406进行了充电的单位单元120的IGBT并列体406P的IGBT。通过上述一系列的动作，完成了一个单位单元的动作验证。
接着，只断开与该已对直流电容器406进行了充电的单位单元120不同的一个单位单元120的IGBT并列体406N的IGBT451。在这样的状态下，接通初充电电路252的接触器251，将可变直流电压源250的电压缓慢地升高，对该单位单元120的直流电容器406进行充电，确认该单元的动作。反复这样的步骤，逐个地确认单位单元120的动作。
确认所有的单位单元120的动作后，确认变换系统101能够输出与系统电压相同的电压，并与系统100连接。由于在确认单位单元120的健全性之后与系统100连接，所以能够事先发现制作不良等，而实现防止与系统连接时发生事故。
(实施例2)
实施例1的特征在于，电力变换器101中的单位单元120由斩波电路120C构成，与此相对，实施例2的特征在于，其单位单元120由全桥电路120F构成。
首先，说明实施例2的电力变换器101的结构。如上所述，由于只有单位单元120的结构与实施例1不同，所以只说明单位单元120的结构。
图3示出实施例2中构成单位单元120的全桥电路120F的结构。该全桥电路120F具有将IGBT引脚411(411L、411R)双并联后与直流电容器406连接的结构。各IGBT引脚411与实施例1相同，具有将IGBT并列体402(402P、402N)串联连接的结构。在IGBT并列体402P与IGBT并列体402N的连接部设置输入输出端子400(400L、400R)，将各单位单元的输入输出端子400彼此级联连接。
下面说明本实施例的电力变换系统101的动作。由于本实施例除了能够对构成单位单元的全桥电路的输入输出端子输出正负电压以外，与实施例1基本相同，所以只说明对特定的单位单元120的直流电容器406充电时的各单位单元120的动作。
在实施例2的电力变换系统101中，只对于要对直流电容器406进行充电的单位单元120，将构成该单位单元120的IGBT451全部栅极阻断(gate block)。
另一方面，在其它的各单位单元120中，将构成该各单位单元的两个IGBT并列体402P全部接通，或者将构成该各单位单元的两个IGBT并列体402N的IGBT全部接通，使该单位单元120的输入输出端子400L和400R之间形成短路。
在除了将全部IGBT451栅极阻断了的单位单元120以外的各单位单元120中，由于各单位单元120的输入输出端子400L、400R处于短路状态，所以将初充电电路252的接触器251接通，使该初充电电路252的可变电压源250的电压缓慢地升高，则能够只对将全部IGBT451栅极阻断了的单位单元120的直流电容器406进行充电。
另外，通常情况下，与实施例1相同，通过所谓的PWM控制来控制构成单位单元120的各全桥电路120F的各IGBT引脚411。构成全桥电路的IGBT引脚411L与IGBT引脚411R分别赋予正负反转的电压指令值而进行PWM调制。向全桥电路120F的输入输出端子，即单位单元120的输入输出端子400L、400R之间输出与上述电压指令值的差电压相当的脉冲电压。由于单位单元的输出电压为IGBT引脚411L与IGBT引脚411R的差电压，所以与实施例1中单位单元120只能够输出零或正电压相比，本具体实施例的优势在于能够输出正负两极性的电压。而且，与实施例1相比，还能够实现抑制单位单元120输出的高次谐波电压成分。
(实施例3)
实施例3的特征在于，具有从交流系统100进行初充电的功能。图4示出本实施例的变换器的结构。图1的结构的电力变换系统101具有初充电电路252，与此相对，本实施例的变换器101的特征在于，具有可变电压变压器102C，代替初充电电路252。
单位单元120的动作与实施例1、2相同，但是在实施例1、2中，对任意的单位单元120进行初充电时，在打开了接触器202的状态下，关闭初充电接触器251，一边调整可变直流电压源，一边对任意的单位单元120的直流电容器406进行初充电，与此相对，在本实施例中，关闭接触器202，一边调整可变电压变压器120C的输出电压，一边对单位单元120的直流电容器406进行初充电。
由此可见，在本实施例中，通过一边调节交流侧电压一边进行初充电，不会对任意单位单元120的直流电容器406过充电，而且能够使初充电达到指定的电压值。
产业上的可利用性
本发明可用于无功功率补偿装置(STATCOM)、Back-to-Back系统(频率变换装置等)、直流送电系统(HVDC)、电机驱动器等。

Claims (11)

1.一种电力变换装置，具有将单位单元级联连接的结构，其特征在于：
该电力变换装置具有与直流链路连接的可变电压源，而且，具有仅对在初充电时选择的单元的直流电容器进行初充电的功能。
2.如权利要求1所述的电力转换装置，其特征在于：
上述可变电压源为直流电压源。
3.一种电力变换装置，具有将单位单元级联连接的结构，其特征在于：
该电力变换装置在与交流系统之间具有可变电压变压器，而且，具有在该单位单元的直流电容器的初充电前接通在初充电时选择的单元以外的单元的半导体元件的部件。
4.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置具有模块化多电平变换器的结构。
5.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置的单位单元具有双向斩波电路的结构。
6.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置的单位单元具有全桥电路。
7.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置是与三相交流系统连接的。
8.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置具有模块化多电平变换器的结构。
9.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置的单位单元具有双向斩波电路的结构。
10.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置的单位单元具有全桥电路。
11.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于：该电力变换装置是与三相交流系统连接的。
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