CN103959633A

CN103959633A - 电力变换装置

Info

Publication number: CN103959633A
Application number: CN201280057663.6A
Authority: CN
Inventors: 中泽洋介; 村尾武; 爪长正宏
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2012-11-22
Publication date: 2014-07-30
Anticipated expiration: 2032-11-22
Also published as: JP2013115837A; EP2784925B1; EP2784925A4; BR112014012055A2; WO2013077421A1; KR101633049B1; EP2784925A1; JP5881386B2; US20140254226A1; KR20140078732A; CN103959633B; US9369065B2

Abstract

提供能够省略如缓冲电抗器那样的高成本、大型的电抗器，廉价且小型的电力变换装置。具有：通过开关对直流和交流进行变换的多个开关元件(21u、21x)；包括开关元件(21u、21x)和电容器(30)的单位单元(C)；以及至少包括一个单位单元(C)的单位桥臂(10P、10N)，变压器(40)的一次侧连接于一对单位桥臂(10P、10N)之间，以便通过漏电感成分来抑制短路电流。

Description

电力变换装置

技术领域

本发明的实施方式涉及在交流与直流之间相互变换电力的电力变换装置。

背景技术

在交流与直流之间相互进行电力的变换的电力变换装置使用于各种用途。例如，作为将电力系统的交流变换为直流的变换器、将直流变换为交流并用于马达驱动的逆变器，使用三相二电平的类型。所谓三相二电平，是通过进行六个开关的导通断开的二电平间的切换来进行直流与三相交流的变换的方法。

进行导通断开的切换即开关的开关元件使用半导体元件。一般而言，IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)作为开关元件而使用。三相二电平逆变器能够如上所述那样，以最小限六个构成该开关元件。

三相二电平逆变器的控制方法一般而言是PWM控制。PWM控制是通过控制脉冲宽度来控制所输出的交流电压的大小的方法。例如，在设所输入的直流电压为Vdc时，对于各相，以规定的定时进行+Vdc/2和－Vdc/2这二值的切换。由此，能够使来自三相二电平逆变器的输出波形成为模拟地生成的交流的波形。

但是，最近，与交流送电相比，电力损失较少的大规模的直流送电的必要性提高。例如，利用海底电缆的送电、50Hz－60Hz的变换、从远距离的大规模太阳光发电系统到消费地的长距离直流送电等受到关注。

这种直流送电的情况下，作为导通断开的对象的直流为300kV等的超高电压。另一方面，作为开关元件而使用的IGBT，额定为6500V左右。因此，通过采用将其串联连接多个而成的多级(多电平)逆变器，能够减小落到各个开关元件上的电压。

在先技术文献

非专利文献

专利文献1：日本特表2010－512134号公报

发明内容

发明所要解决的问题

在如上所述的电力变换装置中，作为相应于开关而切换电压的输出的有无的电压源，有时使用电容器。在该情况下，例如构成有在两个开关元件上并联地连接有直流电容器的单位单元。在这种单位单元中，在一方的开关元件导通时，输出直流电容器量的电压，另一方的开关元件导通时，为零电压。

作为各单位单元的构成要素的直流电容器，为了适当进行充放电而需要将电压值控制为一定。为此，在单位单元中，需要始终流动着使直流电源回流的回流电流。更具体而言，需要对各相设置用于充放电的短路路径。

但是，在三相用的电力变换装置中，将三相连接于同一直流电源。为此，在各相的直流电压合成值哪怕稍微不同时，在相间将流动过大的短路电流，可能对设备造成影响。即使各相的直流电压合成值的平均值一致，如果导通断开的定时或周期不同，也会产生同样的问题。

为了应对该情况，在各相中插入缓冲电抗器(buffer reactor)，来施加限制以避免短路电流过大。但是，使用该缓冲电抗器的结果是，招致装置整体的大型化、高成本化。

本发明的实施方式，目的在于能够省略如缓冲电抗器那样的高成本、大型的电抗器省略，提供廉价且小型的电力变换装置。

用于解决问题的手段

为了解决如上所述的课题，实施方式的电力变换装置的特征在于具有以下的构成。

(1)多个开关元件，通过开关对直流和交流进行变换；

(2)单位单元，包括所述开关元件和电容器；

(3)单位桥臂，至少包括一个所述单位单元；

(4)变压器，将一次绕阻连接于一对所述单位桥臂之间，以便通过漏电感成分来抑制短路电流。

附图说明

图1是对实施方式的电力变换装置的构成例进行表示的电路图。

图2是对图1的单位单元进行表示的电路图。

图3是对使用了电抗器的电力变换装置的构成例进行表示的电路图。

图4是对图1的一相进行简略地表示的电路图。

图5是对正侧的单位单元的电压波形(A)、负侧的单位单元的电压波形(B)进行表示的图。

图6是对正侧变压器一次绕阻的电压波形(A)、负侧变压器一次绕阻的电压波形(B)、变压器次级绕阻的电压波形(C)进行表示的图。

图7是对各相并联地连接了变压器次级绕阻的一例进行表示的电路图。

图8是对将各相的变压器的一次次级绕阻设为共用的铁心的一例进行表示的构成图。

图9是对使用了三相变压器的一例进行表示的构成图。

具体实施方式

[A.实施方式的构成]

[1.整体构成]

参照图1以及图2对本实施方式的构成进行说明。本实施方式是连接于三相的交流系统与直流系统之间并进行交流与直流的变换的电力变换装置。该电力变换装置在各三相具有正侧和负侧的相桥臂即单位桥臂10P、10N。该单位桥臂10P、10N经由变压器40P、40N连接于交流系统。

[2.单位桥臂]

正侧的单位桥臂10P、及负侧的单位桥臂10N是将N个单位单元C串联连接后的桥臂。单位单元C是后述的斩波桥单位变换器。另外，图1是N＝2的例子，但只要N≥1即可。

[3.单位单元]

如图2所示，作为单位单元C的斩波桥单位变换器是将铁心(leg)20和电容器30并联地连接的变换器。在铁心20上，串联地连接有具有自我消弧能力的两个开关元件21U、21X。作为该开关元件21U、21X，例如使用IGBT。在各开关元件21U、21X上，反并联地连接有二极管22U、22X。该二极管22U、22X是反馈二极管。

[4.变压器]

变压器40P、40N是一次次级绕阻间的线圈比1：1的绝缘用的单相变压器。变压器40P、40N按各相并分正侧和负侧而设置。另外，变压器40P、40N的一次次级绕阻中的正侧以黑点表示。

[5.各部的连接关系]

正侧的各相的单位桥臂10P的一端分别连接于直流电源的正侧。各相的单位桥臂10P的另一端分别连接于正侧的变压器40P的一次绕阻的正侧。

负侧的各相的单位桥臂10N的一端分别连接于直流电源的负侧。各相的单位桥臂10N的另一端分别连接于负侧的变压器40P的一次绕阻的正侧。

各相中的正侧的变压器40P的一次绕阻的负侧与负侧的变压器40N的一次绕阻的负侧互相连接。此外，正侧的变压器40P的一次绕阻的负侧与负侧的变压器40N的一次绕阻的负侧在U相、V相、W相这三相间也互相连接。

各相中的正侧的变压器40P的次级绕阻与负侧的变压器40N的次级绕阻串联地连接。负侧的变压器40N的次级绕阻的负侧在U相、V相、W相这三相间互相短路连接。正侧的变压器40P的次级绕阻的正侧作为U相、V相、W相的连接端与交流侧连接。

[B.实施方式的作用]

[1.漏电感的利用]

在实际的变压器中，必然存在由磁漏引起的漏磁通。该漏磁通对变压作用没帮助，作为一次侧以及二次侧的线圈的漏电感而起作用。

在本实施方式中，如后所述流动直流循环电流时，作为绝缘变压器的变压器40P、40N的一次侧的线圈成为直流循环电流的路径。为此，通过变压器40P、40N的一次绕阻的漏电感成分，与电抗器同样地，抑制直流循环电流的剧增。

例如，如图3所示，在设置电抗器L并为了对系统的输出和绝缘而使用了绝缘变压器T的情况下，无法利用绝缘变压器T的线圈部分作为电抗器。在本实施方式中，通过采用如上所述的接线构造，能够使变压器40P、40N的一次侧的漏电感成分作为电抗器发挥功能。

[2.高次谐波的抑制]

此外，在半导体元件的开关中，产生失真波。并且，该失真波中包括的高次谐波成分对设备造成影响。为了应对该情况，例如考虑插入滤波器，该滤波器吸收所产生的高次谐波。该滤波器一般而言，能够以对高次谐波成分进行抑制的电抗器、电容器构成。

但是，为了将流出到电力系统的高次谐波成分减轻到不对其他的设备带来影响的电平，需要较大的容量的滤波器。为此，招致滤波器所必需的电抗器、电容器大型化、成本提高、重量增加。

在本实施方式中，构成串联地多级地连接有单位单元C的多级变换装置。由此，能够使输出波形更接近正弦波，能够抑制高次谐波。

[3.交流电压输出动作]

使用图4至图6对本实施方式的交流波形的输出动作进行说明。另外，在图4中，为了简化说明，在正侧和负侧各设一个单位单元C。首先，如图4所示，将直流电源的中性点作为接地点并设为电压基准。

并且，

Vu…从接地点观察的交流输出点的电压

Vdc…直流电源的正负各自的电压

Vc…单位单元C的电容器30的电压

VuP…与正侧电源侧连接的单位单元C的输出电压

VuN…与负侧电源侧连接的单位单元C的输出电压

VuRef…设为由上位的系统运算的想输出的交流电压指令。

于是，正侧的单位单元C的输出电压VuP如以下。

(数式1)

VuP＝Vdc－VuRef

将该VuP的电压波形示于图5(A)。此外，将正侧的变压器40P的一次绕阻的电压VtrP1的波形示于图6(A)。

此时，输出电压Vu如以下所述输出。

(数式2)

Vu＝Vdc－VuP＝Vdc－(Vdc－VuRef)＝VuRef

另一方面，负侧的单位单元C的输出电压VuN如下。

(数式3)

VuN＝Vdc－VuRef

将该VuN的电压波形示于图5(B)。此外，将正侧的变压器40N中的一次绕阻的电压VtrN1的波形示于图6(B)。

此时，输出电压Vu如以下所述输出。

(数式4)

Vu＝－Vdc+VuN＝－Vdc+(Vdc―VuRef)＝－VuRef

变压器40P的一次绕阻、次级绕阻为减极性，变压器40N的一次绕阻、次级绕阻为加极性，所以如图6(C)所示，输出在二次侧合成的电压Vtr2。

[4.直流充放电动作]

在将交流负载电流设为Iu时，该Iu分别在正侧的单位单元C和负侧的单位单元C流动。此时，正侧的单位单元C的电容器30通过以下面的式子表示的电力PowerP进行充放电。

(数式5)

PowerP＝VuP×Iu＝(Vdc－VuRef)×Iu

在对VuRef和Iu为同位相，即以电力因数1进行动作的情况下进行计算时，交流1周期内的PowerP的平均值为负。即，在进行如上所述的输出电压控制时，正侧的单位单元C的电容器电压平均值无法保持一定，无法继续运转。

同样地，负侧的单位单元C的电容器电压也是，电力因数1时的PowerN在交流1周期内的平均值为正，无法将电容器电压平均值保持为一定，无法继续运转。

为了应对该情况，在从直流电源的正侧到正侧的单位单元C、正侧的变压器40P、负侧的变压器40N、负侧的单位单元C、直流电源的负侧等路径中，以直流的方式流动着充放电电流。由此，使电容器电压的平均值一定。

具体而言，通过以下的式子，运算出将电容器电压的平均值控制为一定所用的修正值ΔVfcControl。并且，通过该修正值ΔVfcControl，修正输出正侧以及负侧的单位单元输出电压VuP、VuN。

(数式6)

ΔVfcControl＝G(s)×(VCref－VCu__AVE)

VCref…单位单元C的电容器电压指令值(预先设定的值)

VCu＿AVE…U相正负全单位单元的电容器电压平均值

G(s)…控制增益；s是拉普拉斯运算子；比例积分控制适合

[C.实施方式的效果]

根据如以上的本实施方式，能够利用变压器40P、40N的一次侧的漏电感来抑制直流循环电流的剧增，将单位单元C的电容器电压的平均值控制为一定。因此，能够在不设置如缓冲电抗器那样的大型且高成本的装置的情况下构成小型且低成本的电力变换装置。

该构造在构成为多级变换装置的情况下，尤其有效。即，开关元件21U、21X与电抗器等相比，所需空间较小，但在多级连接的情况下，数目越增加则所需空间扩大。但是，在本实施方式中，能够节约电抗器量的空间，所以即使所连接的开关元件21U、21X的数目增大，也能够防止大型化。

[D.其他的实施方式]

本发明的实施方式不限定于上述的方式。

(1)例如，也可以如图7所示，在上述的实施方式的各相中，将变压器40P、40N的次级绕阻互相并联地连接。串联地连接还是并联地连接，根据所连接的直流系统、交流系统、负载等来适当选择。

(2)此外，在上述的实施方式中，通过一对变压器40P、40N来构成各相。但是，也能够采用如图8所示那样，使两个变压器40P、40N的铁心M共用化的构成。

即，在图8中，针对各相，一次绕阻和次级绕阻卷绕于共用的铁心M。一次绕阻在正侧和负侧设置两个。一方的一次绕阻的端部与各相中的单位桥臂10P的一方的端部连接。另一方的一次绕阻的端部与各相中的单位桥臂10N的一方的端部连接。两个一次绕阻的中性点互相连接。

此外，各相中的次级绕阻的负侧在三相间互相连接。各相中的次级绕阻的正侧作为U相、V相、W相的连接端而与交流侧连接。

通过采用该构成，如图中以Icharge所示，流动着短路电流，由此成为电容器的直流充放电电流。由该直流充放电电流产生的直流磁通相互抵消。为此，能够减小饱和磁通密度，能够实现铁心M的进一步小型化。另外，图中的IuP和IuN是正侧和负侧的输入电流，IuP+IuN是输出电流。

此外，这种按各相的变压器也能够看作将两个单相变压器结合的结构，也能够看作具有两个一次绕阻的单一的变压器。此外，如上所述，关于各相的次级绕阻，也能够采用将两个并联地连接的构成。

(3)并且，在上述的实施方式中，三相个别地分别设置有变压器40P、40N。但是，也能够如图9所示，通过三相变压器的线圈构成来实现实施方式。例如，将三相三脚变压器的各脚中的线圈构成设为如下所述那样。

即，图9所示的三相变压器在各相具有两个一次绕阻。三相变压器的一方的一次绕阻的端部Up、Vp、Wp与各相中的单位桥臂10P的端部连接。三相变压器的另一方的一次绕阻的端部Un、Vn、Wn与各相中的单位桥臂10N的端部连接。三相变压器的各相中的两个一次绕阻的中性点互相连接。

三相变压器的次级绕阻的负侧在三相间互相连接。三相变压器的各相中的次级绕阻的正侧的端部Us、Vs、Ws作为U相、V相、W相的连接端而与交流侧连接。

通过采用该构成，与上述同样地，能够获得各相的直流磁通相互抵消的效果。此外，通过三相三脚变压器等来构成，所以能够达成进一步的小型化。此外，如上所述，关于各相的次级绕阻，也能够采用将两个并联地连接的构成。

(4)另外，上述的实施方式能够通过同样的构成进行从直流到交流、从交流到直流的变换。即，本实施方式的电力变换装置能够构成为逆变器，也能够构成为变换器。此外，可以将电力变换装置的交流系统侧设为Δ接线，也可以设为设置了中性点的三相Y接线。

(5)对本发明的几个实施方式进行了说明，但上述实施方式是作为例子来提示的，意图不在于限定发明的范围。这些实施方式能够以其他各种方式实施，在不脱离发明的主旨的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式及其变形包括于发明的范围及主旨，同样地包括于权利要求书所记载的发明及其等同的范围。

符号说明

10P、10N…单位桥臂

20…铁心

21U、21X…开关元件

30…电容器

40P、40N…变压器

C…单位单元

M…铁心

T…绝缘变压器

Claims

1.一种电力变换装置，其特征在于，具有：

多个开关元件，通过开关对直流和交流进行变换；

单位单元，包括所述开关元件和电容器；

单位桥臂，至少包括一个所述单位单元；以及

变压器，将一次绕阻连接于一对所述单位桥臂之间，以便通过漏电感成分来抑制短路电流。

2.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

所述单位单元中的所述开关元件串联地连接有多个，

所述单位单元中的所述电容器与所述开关元件并联地连接，

所述单位桥臂中的所述单位单元连接有一个或串联地连接有多个，

所述一对单位桥臂对应于三相而设置，

所述变压器是针对各相分别设有两个的单相变压器，

各相中的一方的单位桥臂的端部与一方的单相变压器的一次绕阻的正侧连接，

各相中的另一方的单位桥臂的端部与另一方的单相变压器的一次绕阻的正侧连接，

各相中的两个单相变压器的一次绕阻的负侧彼此互相连接，

各相中的两个单相变压器的一次绕阻的负侧在三相间也互相连接，

各相中的两个单相变压器的次级绕阻彼此互相连接，

各相中的所述两个单相变压器的次级绕阻的负侧在三相间也互相连接。

3.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，

各相中的两个单相变压器的次级绕阻彼此互相串联地连接。

4.如权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，

各相中的两个单相变压器的次级绕阻彼此互相并联地连接。

5.如权利要求2～4中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

各相中的所述两个单相变压器，铁心是共用的。

6.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

所述单位单元中的所述开关元件串联地连接有多个，

所述单位单元中的所述电容器与所述开关元件并联地连接，

所述一对单位桥臂对应于三相而设置，

所述变压器，一次绕阻和次级绕阻按各相卷绕于共用的铁心，

各相中的一次绕阻设置有两个，

各相中的一方的单位桥臂的端部与所述变压器的一方的一次绕阻连接，

各相中的另一方的单位桥臂的端部与所述变压器的另一方的一次绕阻连接，

各相中的所述变压器的两个一次绕阻的中性点互相连接，

各相中的所述变压器的次级绕阻的负侧在三相间互相连接。

7.如权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

所述单位单元中的所述开关元件串联地连接有多个，

所述单位单元中的所述电容器与所述开关元件并联地连接，

所述一对单位桥臂对应于三相而设置，

所述变压器是在各相具有两个一次绕阻的三相变压器，

各相中的一方的单位桥臂的端部与所述三相变压器的一方的一次绕阻连接，

各相中的另一方的单位桥臂的端部与所述三相变压器的另一方的一次绕阻连接，

各相中的所述三相变压器的两个一次绕阻的中性点互相连接，

各相中的所述三相变压器的次级绕阻的负侧在三相间互相连接。