CN104242705B - 搭载蓄电装置的电力变换装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种搭载了蓄电装置的电力变换装置。抑制对逆变器电路以及DC‑DC变换电路进行连接的直流部的谐振动作、在DC‑DC变换电路的开关时产生的浪涌电压、相间的负载电流的不均衡，此外，实现逆变器电路以及DC‑DC变换电路的稳定控制。通过将构成电力变换装置的逆变器电路以及DC‑DC变换电路与公共化的直流输入侧的电容器一起在同一单元中构成，从而减小逆变器电路以及DC‑DC变换电路间的布线电感以及各相间的电路电感的偏差。

Description

搭载蓄电装置的电力变换装置

技术领域

本发明涉及搭载了蓄电装置的电力变换装置的系统构成，特别，涉及具备将直流变换为交流的逆变器装置、与该逆变器装置并联连接并将第1直流电压变换为第2直流电压的DC-DC变换装置、和蓄电装置的电力变换装置的构成方法。

背景技术

在工业界中广泛使用的逆变器装置中，通过使用了脉冲宽度调制(PWM)方式的可变电压可变频率(VVVF)控制来将直流电力变换为交流电力的方式被广泛利用。

例如，在铁道车辆的领域中，广泛采用再生制动控制，即，通过使用VVVF逆变器装置来驱动电动机从而使车辆加速，并且通过在制动时以电动机作为发电机进行动作从而将动能变换为电能并返回至架空电车线(以下，称为“架线”)。

此外，近年，应用蓄电装置而有效利用通过再生制动得到的再生电力，实现进一步节能化的技术被研究并实用化。

例如，在作为在先技术文献而刊载的专利文献1、2中，公开有以下技术：对逆变器装置的输入侧并联连接蓄电装置，通过对再生能量进行蓄电来有效利用，从而使车辆高效率运行。

作为现有技术，在先的专利文献1中记载的电力变换装置在图6中示出。

在图6中，1为直流电车线，2为集电装置，3为接触器，4为电抗器，5以及8为电容器，6为逆变器电路，7为电动机，9为DC-DC变换电路，11为蓄电装置，21为逆变器电路单元，22为DC-DC变换电路单元，31为电阻，32为开关元件。

这里，逆变器电路6以及DC-DC变换电路9一般由使用了功率用半导体元件的开关元件构成。在基于PWM方式的电力变换中，通过开关元件的开关动作将直流电力变换为交流电力，但是在该电力变换时，产生高次谐波失真，逆变器电路6导致的高次谐波失真被由电抗器4和电容器5构成的滤波器电路吸收，并且DC-DC变换电路9导致的高次谐波失真被由电抗器4和电容器8构成的滤波器电路吸收，通过这样的构成，防止高次谐波失真向直流电车线1流入。此外，电阻31和开关元件32构成用于使电容器的电荷放电的放电电路。

上述电力变换装置，在对车辆进行加速的动力运行时，从直流电车线1通过集电装置2来输入直流电力，在经由断路器3和电抗器4、电容器5向逆变器电路6提供电力后，通过由逆变器电路6将直流电力变换为三相交流电力来驱动电动机7，使车辆加速。

此外，在使车辆减速的再生制动时，通过与上述动力运行时相同的路径将由电动机产生的再生电力返回至直流电车线，由此上述再生电力作为同一线路上的其他车辆的动力运行电力来使用。另一方面，设为以下的装置构成：在前述的再生制动时，即使是在同一线路上进行动力运行的电车不足的状态下，通过由蓄电装置11吸收由电动机7产生的再生电力从而使再生制动连续动作，能够降低不能将再生电力全部返回的再生失效的次数，从而有效利用电力。在该情况下，再生电力由电动机7经由逆变器电路6和电容器5、电容器8、DC-DC变换电路9而在蓄电装置11中蓄积。这里，充电至蓄电装置11的电力由DC-DC变换电路9控制。

此外，在蓄电装置11中蓄积的电力通过与上述蓄电装置11的充电时相同的路径被放电，作为在动力运行时对车辆进行加速的电力来使用，并且在直流电车线1停电等没有受到电力供给的情况下，能够作为使车辆紧急行驶至车站的电力来使用。

在作为在先技术文献而刊载的专利文献2中，如图7所示，对DC-DC变换电路9与逆变器电路6连接的一侧的直流输入部没有并联连接电容器(相当于图6所示的电容器8)，而是构成为共用与逆变器电路6的输入部并联连接的电容器5。在本构成中，如后所述，存在由于逆变器电路6和DC-DC变换电路9之间的布线电感23的影响，从而DC-DC变换电路9的开关元件10的浪涌电压过大这样的课题。

此外，在作为在先技术文献而刊载的专利文献3中，与专利文献2相同地，共用逆变器电路和DC-DC变换电路的电容器，但是为了防止开关元件的浪涌电压与电源电压重叠，需要进行母线的分割。此外，由于在相间在直至电源电极的取出位置为止的距离中存在差别，所以在相间，电路的电感不同，存在涉及到对开关时的浪涌电压有影响、相间的电流不均衡的课题。

专利文献1：JP特开2012-186947号公报

专利文献2：JP特开2009-89503号公报

专利文献3：JP特开2008-199788号公报

在作为这些在先技术文献而刊载的专利文献所示的电路中，如以下所示，存在较大的三个课题。

第一个是，由于逆变器电路和DC-DC变换电路之间的连接是单元间的连接，所以一般使用电线。由此，在专利文献1所示的构成中，在对逆变器电路和DC-DC变换电路进行连接的电线的布线电感、和与DC-DC变换电路并联连接的电容器之间有可能会引起谐振现象。特别，铁道车辆用中使用的电容器的电容为数千μF的级别，如果将逆变器电路和DC-DC变换电路之间由电线连接，则由该电容器的静电电容以及布线(电线)的电感决定的谐振频率接近于逆变器和DC-DC变换电路的开关动作频率，存在对逆变器电路和DC-DC变换电路进行连接的直流部的电流、电压发生谐振的情况。如果产生该谐振动作，则存在在直流阶段成为过电流/过电压的可能性、以及在逆变器电路或DC-DC变换电路的输出侧成为过电流的可能性。

另一方面，如专利文献2所示，如果在DC-DC变换电路与逆变器电路连接的一侧的直流部中，设为不具有在最近并联连接的电容器的构成，则在DC-DC变换电路的开关时产生的浪涌电压由于布线电感的影响会变得过大，DC-DC变换电路的开关元件可能会被破坏。由此，在通过不同的单元由电线对逆变器电路和DC-DC变换电路进行连接的情况下，难以去掉与DC-DC变换电路并联连接的电容器。

此外，如果设为专利文献3所示这样的对母线进行了分割的构成，则由于从母线至电容器的布线长的影响而布线电感增加，在该文献所示这样的开关元件的配置构成中，在相间在直至电源电极的取出位置为止的距离中存在差别，所以在相间，电路的电感不同，与相间的开关时的浪涌电压和负载电流的不均衡有关。

第二个，电力变换装置内的电容器，其容积和重量较大，由于车辆地板下面的装配的制约等，台数等过度增加而大型化是不优选的。此外，开关元件为了冷却其开关动作导致的发热而安装在冷却器上，但是对安装逆变器用的开关元件的冷却器、以及安装DC-DC变换电路冷却器进行分割后作为2单元的冷却器采用会导致设备的大型化而不优选。由此，优选台数少且能够公共化的部分进行公共化。

第三个，从控制动作的方面来看，在逆变器电路以及DC-DC变换电路中分别设置电容器来检测其电压进行控制动作的情况下，在各个电容器的电压值中产生差。此外，在分别设置传感器的情况下，由于传感器的检测误差的影响而在检测的电压值中产生差分。并且，此外，即使在逆变器电路以及DC-DC变换电路中具有公共的电容器来检测其电压并进行控制动作的情况下，如果逆变器电路和DC-DC变换电路的布线变长，则每一个中检测的电容器的电压中会产生差分。由于这样的电容器电压的差分，存在在控制动作中出现问题的情况。

例如，在专利文献1和专利文献2的构成中，如果设为在逆变器电路的各相和DC-DC变换电路的相之间能够对开关信号的相以及主电路各相的输出布线进行切换，则在逆变器电路的一相发生了故障等时将DC-DC变换电路的相作为逆变器的一相来代用，能够具有冗余性而使车辆能够继续行驶。其中，在该情况下，由于先前所示的电容器电压的差分，逆变器的输出控制电压在相间变得不均衡而成为感应障碍的要因，在逆变器负载为电动机的情况下，成为转矩变动的要因。此外，在使用在外部设置供电设备对蓄电装置进行充电的方式的情况下，有时充电效率降低从而稳定的控制变得困难。

发明内容

为了解决上述课题，本发明是一种电力变换装置，具备：第1电力变换部，其将第1直流电力变换为交流电力；交流负载，其与第1电力变换部的交流侧连接；第2电力变换部，其将第1直流电力变换为电压电平与该第1直流电力的电压电平不同的第2直流电力；第1电容器，其被公共连接在第1电力变换部以及第2电力变换部接收第1直流电力的一侧；蓄电部，其对由第2电力变换部变换的第2直流电力进行蓄积；第1电抗器，其设置在第2电力变换部和蓄电部之间；和第2电容器，其与蓄电部并联连接；在同一单元内一体构成地集中第1电力变换部、第2电力变换部以及第1电容器，并减小第1电力变换部和第2电力变换部之间的布线电感。

此外，为了减小布线电感，通过母线构成而在同一单元内编入第1电力变换部、第2电力变换部、以及第1电容器，并通过母线按照最短路径来连接第1电容器和第1以及第2电力变换部，正极电源用母线以及负极电源用母线优选在确保绝缘的基础上按照均一距离重合。

进一步地，可以在第1电抗器和蓄电部之间设置断路器，将蓄电部以及断路器的串联电路与第2电容器并联连接，将第1电阻与第2电容器并联连接，经由第2电力变换部以及第1电阻来进行第1电容器的放电。

此外，也可以构成为，将与第1电容器并联连接的由开关部以及电阻的串联电路构成的放电电路设置在上述同一单元内。

进一步地，可以在第1电力变换部的交流侧，设置用于对交流负载以及外部供电设备进行切换连接的切换器，在通过该切换器的切换而在第1电力变换部的交流侧连接外部供电设备的情况下，经由第1电力变换部以及第2电力变换部对蓄电部充电从该外部供电设备供电的电力。

发明效果

根据本发明，能够防止将逆变器电路和DC-DC变换电路并联连接的直流部的谐振现象。

此外，通过减小逆变器电路以及DC-DC变换电路的布线电感的构成，能够抑制开关元件的动作时的浪涌电压并降低相间不均衡。

并且，此外，通过电容器的台数削减、冷却器的小型化，能够完成系统整体的装置小型化，并较为经济。进一步地，通过电容器的公共化，在故障时的紧急运转中也能够防止逆变器的控制电压的相间不均衡，成为具有可靠性的系统。

附图说明

图1是表示本发明的实施例1涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

图2是表示本发明的图1所示的一体单元的机器构成例的图。

图3是表示本发明的实施例2涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

图4是表示本发明的实施例3涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

图5是表示本发明的实施例4涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

图6是表示现有的电力变换装置的主电路构成例的图。

图7是表示现有的电力变换装置的另外的主电路构成例的图。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施方式。

(实施例1)

图1是表示本发明的实施例1涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

在图1的电力变换装置中，1为直流电车线，2为集电装置，3为接触器，4为电抗器，20为逆变器电路6和DC-DC变换电路9的一体单元，7为电动机，11为蓄电装置，12为与蓄电装置11并联连接的电容器，13为电抗器。在逆变器电路6和DC-DC变换电路9的一体单元20内(图中，由点线框包围的部分)，5为电容器，10a、10b为用于进行DC-DC变换的开关元件。此外，将逆变器电路6以及DC-DC变换电路9的布线中包含的电感表示为布线电感23。31为电阻，32为开关元件，构成用于使电容器5以及电容器12的电荷放电的放电电路。

作为图1的动作例，首先，说明通过再生制动使车辆减速的情况。

通过再生制动从电动机7产生的再生电力经由逆变器电路6和电容器5、电抗器4、接触器3从集电装置2输出至直流电车线1。但是，例如，在变电所不能吸收该再生电力的情况下或在同一轨道上不存在动力运行车辆从而不能消耗该再生电力的情况下等，该再生电力从逆变器电路6以及电容器5经由DC-DC变换电路9、电抗器13、电容器12被充电至蓄电装置11。

另一方面，在车辆进行加速动作的动力运行时，从直流电车线1经由集电装置2、接触器3、电抗器4，向电容器5以及逆变器电路6提供动力运行电力，驱动电动机7。此外，与此同时，也从蓄电装置11对动力运行电力进行放电，经由电容器12、电抗器13、DC-DC变换电路9将该动力运行电力提供给电容器5以及逆变器电路6。

在该图1的电路中，通过采用一体单元20(图中，由点线框包围的部分)来构成包含电容器5在内的逆变器电路6和DC-DC变换电路9，能够缩短逆变器电路6和DC-DC变换电路9之间的布线，也能够减小逆变器电路6和DC-DC变换电路9之间的布线中包含的布线电感23。针对一体单元20，图2示出用于减小该布线电感23的机器构成例。

图2是将由DC-DC变换电路9和逆变器电路6代表的电力变换装置集中一体构成从而进行同一单元化的机器构成例。101为电力变换装置的电容器，102为安装了开关元件的基板，103以及104表示母线。这里，图2的电容器101相当于图1的电容器5，安装在图2的基板102上的开关元件相当于构成图1的DC-DC变换电路9的开关元件10a、10b和构成逆变器电路6的开关元件。图2中示出通过母线将这些进行布线连接而构成为一体单元20的构成例。

如图2所示，设为在最近配置电容器101和安装了开关元件的基板102的构成，采用最短路径通过母线连接，进一步地，在确保绝缘的基础上将电源的正极用的母线103以及负极用的母线104重合来构成。由此，能够将图1中的包含布线电感23的开关电路的电感减小至与逆变器电路相同的值的程度。

由此，与采用各个单元编入并由电线连接逆变器电路6以及DC-DC变换电路9的情况相比，能够将逆变器电路6以及DC-DC变换电路9间的布线电感23以及包含开关元件的电路的电感降低至数十～数百分之一。因此，能够将电容器5以及布线电感23所产生的谐振频率设定为远远高于逆变器电路6以及DC-DC变换电路9的动作频率的频率。

由此，在先前说明的再生制动时和动力运行动作时进行开关动作的逆变器电路6以及DC-DC变换电路9中，相对于这些开关动作频率，电路的谐振频率充分高，能够防止将逆变器电路6以及DC-DC变换电路9连接起来的直流部的电流和电压的谐振。

进一步地，通过减小电路的电感，也能够抑制DC-DC变换电路9的开关元件10a、10b进行开关时产生的浪涌电压，具有浪涌电压向电源电路的重叠也变少的效果。

此外，通过减小逆变器电路6和DC-DC变换电路9之间的布线电感23，能够使电容器共用化。通过基于该电容器的共用化所引起的台数削减、冷却器的小型化，从而实现系统整体的装置小型化且较为经济。

并且，此外，通过电容器的公共化，以及将电容器的电压传感器设为公共并在控制中使用，例如，在逆变器一相发生了故障的情况下，能够使DC-DC变换电路的相作为逆变器的一相份来进行动作。并且，在该情况下，输出控制电压值也被公共化，能够防止逆变器的控制电压的相间不均衡。

(实施例2)

图3是表示本发明的实施例2涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

在图3的电力变换装置中，以下说明与图1的实施例1中所示的构成不同的部分。

图3中，在将电容器12与蓄电装置11连接的一侧，与该蓄电装置11串联地设置断路器14，并且与电容器12并联地设置电阻15，这一点不同。进一步地，省略了图1所示的由电阻31以及开关元件32构成的放电电路。

该电路构成，在想要使一体单元20内的电容器5放电的情况下，在打开断路器14后，使DC-DC变换电路9中的上臂侧的开关元件10a接通。由此，由从电容器5通过DC-DC变换电路9中的上臂开关元件10a、电抗器13、电阻15的路径，来构成通过电容器5的闭合电路，能够作为电容器5的放电电路来使用。

通过该电路构成，与图1所示的在包含电容器5的逆变器电路6和DC-DC变换电路9的一体单元20的外部的正极和负极间设置电阻31以及开关元件32来构成放电电路的情况相比，能够省略一个该放电用的开关元件，能够使装置小型化。

(实施例3)

图4是表示本发明的实施例3涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

在图4的电力变换装置中，以下说明与图1的实施例1所示的构成不同的部分。

相对于图1所示的电路构成，本构成在包含电容器5的逆变器电路6和DC-DC变换电路9的一体单元20之内，与电容器5并联地设置电阻31以及开关元件32的串联电路。

电阻31以及开关元件32的串联电路是用于进行电容器5以及电容器12的放电的放电电路。通过将该放电电路安装在包含电容器5的逆变器6和DC-DC变换电路9的一体单元20中，从而降低直至该放电电路为止的布线电感。由此，能够瞬间进行电容器5以及电容器12的放电，在由于电容器的过电压保护等而想要瞬间放电的情况下，能够更早地进行放电动作。

(实施例4)

图5是表示本发明的实施例4涉及的电力变换装置的主电路的构成例的图。

在图5的电力变换装置中，以下说明与图1的实施例1所示的构成不同的部分。

相对于图1所示的电路构成，本构成在逆变器电路6的三相交流输出侧设置切换器41，将该切换器41的输出侧与电动机7或外部供电接线部42连接。该外部供电接线部42是接受来自车站内、车辆基地等所具备的外部供电设备43的电力的部分。

在该构成中，在从外部对蓄电装置11进行充电的情况下，将切换器41切换为与外部供电设备43连接的一侧，从外部供电设备43供电的电力通过外部供电接线部42后而由逆变器电路6接收电力。逆变器电路6将所接收的三相交流电力变换为直流电力，对电容器5进行充电。在使逆变器电路6动作而对电容器5进行了充电的状态下，如果使DC-DC变换电路9动作，则能够对蓄电装置11进行充电。

此时，如图5所示的构成，将包含电容器5的逆变器电路6和DC-DC变换电路9作为一体单元20，缩短逆变器电路6以及DC-DC变换电路9的连接部分的布线从而减小电感。这样，通过公共地处理将逆变器电路6以及DC-DC变换电路9连接起来的电容器5，能够将为了逆变器电路6进行电容器5的充电控制而探测的电容器5的电压值、和为了DC-DC变换电路9对蓄电装置11进行充电控制而探测的电容器5的电压值设为相同。

由此，能够减小从外部供电设备43向蓄电装置11的充电控制所造成的损失，此外，通过减小控制误差能够稳定地进行充电控制。

符号说明：

1...直流电车线

2...集电装置

3...接触器

4，13...电抗器

5，8，12，101...电容器

6...逆变器电路

7...电动机

9...DC-DC变换电路

10a，10b，32...开关元件

11...蓄电装置

14...断路器

15，31...电阻

20...包含电容器的逆变器电路和DC-DC变换电路的一体单元

21...逆变器电路单元

22...DC-DC变换电路单元

23...布线电感

41...切换器

42...外部供电接线部

43...外部供电设备

102...安装了开关元件的基板

103，104...母线

Claims (5)

1.一种电力变换装置，具备：

第1电力变换部，其将第1直流电力变换为交流电力；

交流负载，其与上述第1电力变换部的交流侧连接；

第2电力变换部，其将上述第1直流电力变换为电压电平与该第1直流电力的电压电平不同的第2直流电力；

第1电容器，其被公共连接在上述第1电力变换部以及上述第2电力变换部接收上述第1直流电力的一侧；

蓄电部，其对由上述第2电力变换部变换的上述第2直流电力进行蓄积；

第1电抗器，其设置在上述第2电力变换部和上述蓄电部之间；和

第2电容器，其与上述蓄电部并联连接，

在同一单元内集中上述第1电力变换部、上述第2电力变换部以及上述第1电容器，并减小上述第1电力变换部和上述第2电力变换部之间的布线电感，

在上述第1电抗器和上述蓄电部之间设置断路器，将该蓄电部以及该断路器的串联电路与上述第2电容器并联连接，

进而将第1电阻与上述第2电容器并联连接，

经由上述第2电力变换部以及上述第1电阻来进行上述第1电容器的放电。

2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，

通过母线连接，在上述同一单元内集中上述第1电力变换部、上述第2电力变换部以及上述第1电容器。

3.根据权利要求2所述的电力变换装置，其特征在于，

通过上述母线连接，以最短路径来连接上述第1电力变换部、上述第2电力变换部以及上述第1电容器，

在确保绝缘的基础上，以均一距离重合地构成正极电源用母线以及负极电源用母线。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

通过检测上述第1电容器的电压，使上述第1电力变换装置的电压检测以及上述第2电力变换装置的电压检测公共化。

5.根据权利要求1～3中任一项所述的电力变换装置，其特征在于，

在上述第1电力变换部的交流侧，设置用于对上述交流负载以及外部供电设备进行切换连接的切换器，

在通过上述切换器的切换而在上述第1电力变换部的交流侧连接上述外部供电设备的情况下，经由上述第1电力变换部以及上述第2电力变换部对上述蓄电部充电从上述外部供电设备供电的电力。