CN113228492A - 复合电力变换系统 - Google Patents

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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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Abstract

提供一种能够以简单的结构防止故障的扩大的复合电力变换系统。复合电力变换系统具备多个单位电力变换器。在多个单位电力变换器中，相互的直流正侧被连接。相互的直流负侧被连接。相互的直流中性点没有被短路。例如，相互的直流中性点没有被连接。因此，能够防止电力变换器的故障的扩大。

Description

复合电力变换系统
技术领域
本发明涉及复合(multiplex)电力变换系统。
背景技术
专利文献1公开了具备多台3电平电力变换器的复合电力变换系统。根据该复合电力变换系统能够实现预防直流平滑电容器的温度上升及实现直流母线的电位的稳定性。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平11－046481号公报
发明内容
发明要解决的课题
在专利文献1所记载的复合电力变换系统中，各个单位电力变换器的直流中性点通过母线被相互短路。在此情况下，在某个单位电力变换器中，如果在直流正侧与直流中性点之间或直流负侧与直流中性点之间发生短路故障，则在多个单位电力变换器之间经由母线流过短路电流。因此，故障有可能扩大到其他的健全的单位电力变换器。
本发明是为了解决上述课题而做出的。本发明的目的是提供一种能够以容易的结构防止故障的扩大的复合电力变换系统。
用来解决课题的手段
有关本发明的复合电力变换系统具备相互的直流正侧被连接、相互的直流负侧被连接、相互的直流中性点没有被短路的多个单位电力变换器。
发明效果
根据本发明，在多个单位电力变换器中，相互的直流中性点没有被短路。在此情况下，在相互的直流中性点之间不流过短路电流。因此，能够以简单的结构防止故障的扩大。
附图说明
图1是实施方式1的复合电力变换系统的结构图。
图2是实施方式1的复合电力变换系统的单位电力变换器的第1例的结构图。
图3是实施方式1的复合电力变换系统的单位电力变换器的第2例的结构图。
图4是用来说明实施方式1的复合电力变换系统的控制装置的动作的概要的流程图。
图5是实施方式1的复合电力变换系统的控制装置的硬件结构图。
图6是实施方式2的复合电力变换系统的结构图。
图7是实施方式2的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
图8是实施方式3的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
图9是实施方式4的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
图10是实施方式5的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
图11是实施方式6的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
图12是实施方式7的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
图13是实施方式8的复合电力变换系统的主要部分的结构图。
具体实施方式
按照附图对该具体实施方式进行说明。另外，在各图中，对于相同或对应的部分赋予相同的标号。将该部分的重复说明适当地简略化或省略。
实施方式1.
图1是实施方式1的复合电力变换系统的结构图。
如图1所示，复合电力变换系统具备多个单位电力变换器1。例如，在多个单位电力变换器1的每一个中，直流侧与未图示的直流电源连接。例如，在多个单位电力变换器1的每一个中，未图示的交流侧与负载连接。
多个单位电力变换器1分别具备开关元件群2、正侧电容器3、负侧电容器4和多个电抗器5。
开关元件群2具备未图示的多个开关元件。
正侧电容器3连接在单位电力变换器1的直流正侧P与直流中性点M之间。负侧电容器4连接在单位电力变换器1的直流负侧N与直流中性点M之间。
多个电抗器5分别与交流侧的各相串联地连接。
在多个单位电力变换器1中，相互的直流正侧P被相互连接。相互的直流负侧N被相互连接。相互的直流中性点M不相互短路。例如，相互的直流中性点M不相互连接。
例如，正侧电压传感器6设于多个单位电力变换器1中的某1个单位电力变换器1。正侧电压传感器6在该单位电力变换器1中设置为，能够检测直流正侧P与直流中性点M的电位差。
多个负侧电压传感器7分别设在多个单位电力变换器1的每一个中。多个负侧电压传感器7分别在多个单位电力变换器1的每一个中设置为，能够检测直流负侧N与直流中性点M的电位差。
例如，控制装置8对于多个单位电力变换器1分别发送相同的栅极(gate)信号。例如，控制装置8对于多个单位电力变换器1分别发送由相同的电压指令值和不同的载波生成的栅极信号。
控制装置8基于正侧电压传感器6和多个负侧电压传感器7各自的检测结果，在多个单位电力变换器1的每一个中运算直流正侧P与直流中性点M的电位差的不均一量。控制装置8基于多个负侧电压传感器7各自的检测结果，在多个单位电力变换器1的每一个中运算直流负侧N与直流中性点M的电位差的不均一量。
例如，控制装置8在构成复合电力变换系统的n台单位电力变换器的每一个中检测直流负侧N与直流中性点M之间的电位差的不均一量。具体而言，例如控制装置8将n台中的第i个单位电力变换器的直流负侧N与直流中性点M之间的电位差设为vi，使用以下的(1)式运算各个单位电力变换器的直流负侧N与直流中性点M之间的电位差的不均一量。
[数式1]
Figure BDA0003128287550000031
控制装置8基于不均一量的运算结果，使多个单位电力变换器1的开关元件群2动作。
接着，使用图2说明单位电力变换器1的第1例。
图2是实施方式1的复合电力变换系统的单位电力变换器的第1例的结构图。
图2是使用自激式半导体元件和二极管的三相3电平电力变换器的一结构例。在该单位电力变换器1中，在直流端子间串联连接着2个直流电容器，具有作为其中间点的直流中性点。通过对单位电力变换器内的自激式半导体元件各自的栅极施加导通、关断信号，对应于这些信号，直流正侧P、直流中性点M、直流负侧N的某个电位被向各相交流端子输出。
接着，使用图3说明单位电力变换器1的第2例。
图3是实施方式1的复合电力变换系统的单位电力变换器的第2例的结构图。
图3是使用自激式半导体元件和二极管的三相3电平电力变换器的一结构例。在该单位电力变换器1中，也与图2所示的电力变换器同样，通过对单位电力变换器内的自激式半导体元件各自的栅极施加导通、关断信号，对应于这些信号，直流正侧P、直流中性点M、直流负侧N的某个电位向各相交流端子输出。
在实施方式1中，例如将各个单位电力变换器的电压vPM与电压vMN的差设为直流中性点M的电位。如果电压vPM与电压vMN一致，则直流中性点M的电位成为0。如果电压vPM和电压vMN成为不均一，则在直流正侧P、直流负侧N的一方的直流电容器或开关元件上被施加过大的电压，所以通常进行控制以使直流中性点M的电位接近于0，或将直流中性点M的电位的绝对值与阈值比较，在超过了阈值的情况下进行电力变换器的保护动作，防止过大的电压的施加。
这里，表示了两个三相3电平电力变换器的例子，但结构并不限定于它们两个。此外，这里作为例子而表示三相电力变换器的例子，但相数并不限定于三相，几相都是同样的。此外，这里作为例子而表示了3电平电力变换器的例子，但电平数并不限定于3，是3电平以上的几电平的电力变换器都是同样的。
接着，使用图4说明控制装置8的动作的概要。
图4是用来说明实施方式1的复合电力变换系统的控制装置的动作的概要的流程图。
在步骤S1中，控制装置8运算各个单位电力变换器的直流负侧N与直流中性点M之间的电位差的不均一量，判定该运算值是否比预先设定的阈值大。
在步骤S1中，在各个单位电力变换器的直流负侧N与直流中性点M之间的电位差的不均一量不比预先设定的阈值大的情况下，控制装置8进行步骤S2的动作。在步骤S2中，控制装置8基于多个正侧电压传感器6和多个负侧电压传感器7各自的检测值，发送对于多个开关元件群2的栅极信号。然后，控制装置8进行步骤S1的动作。
在步骤S1中，在各个单位电力变换器的直流负侧N与直流中性点M之间的电位差的不均一量比预先设定的阈值大的情况下，控制装置8进行步骤S3的动作。在步骤S3中，控制装置8发送将多个开关元件群2设为关断的栅极信号。然后，控制装置8结束动作。
根据以上说明的实施方式1，在多个单位电力变换器1中，相互的直流中性点M不被短路。在此情况下，在单位电力变换器1将直流中性点M的电位向交流端子输出的期间中，在经过多个单位电力变换器1的交流侧和直流侧的电流环(loop)中包含直流电容器。在将相互的直流中性点M用母线短路的情况下，在该环中，将直流电容器用母线旁路，在电流环中不包含直流电容器。因而，与将相互的直流中性点M短路的情况相比，相互的直流中性点M不短路对于循环电流的阻抗较大。因此，循环电流被抑制。结果，在电气零件的选择中，应考虑的循环电流的叠加量减小，通过减小电气零件的额定值，能够降低复合电力变换系统的成本。
此外，即使在某个单位电力变换器1的直流正侧P与直流中性点M之间发生短路故障，在各个单位电力变换器1的直流中性点M之间也不流过短路电流。因此，在将相互的直流中性点M连接的情况下，不再需要为了防止因单位电力变换器1的短路故障引起的向其他单位电力变换器1的故障的扩大而插入的熔断器。结果，与熔断器相应的成本能够降低。
接着，使用图5说明控制装置8的例子。
图5是实施方式1的复合电力变换系统的控制装置的硬件结构图。
控制装置8的各功能可以由处理电路实现。例如，处理电路具备至少1个处理器9a和至少1个存储器9b。例如，处理电路具备至少1个专用的硬件10。
在处理电路具备至少1个处理器9a和至少1个存储器9b的情况下，控制装置8的各功能由软件、固件或软件与固件的组合实现。软件及固件的至少一方被作为程序记述。软件及固件的至少一方被保存到至少1个存储器9b中。至少1个处理器9a通过将存储在至少1个存储器9b中的程序读出并执行，实现控制装置8的各功能。至少1个处理器9a也被称作中央处理装置、处理装置、运算装置、微处理器、微型计算机、DSP。例如，至少1个存储器9b是RAM、ROM、闪存存储器、EPROM、EEPROM等的、非易失性或易失性的半导体存储器、磁盘、软盘、光盘、CD、MD、DVD等。
在处理电路具备至少1个专用的硬件10的情况下，处理电路例如由单一电路、复合电路、程序化的处理器、并行程序化的处理器、ASIC、FPGA或它们的组合实现。例如，控制装置8的各功能分别由处理电路实现。例如，控制装置8的各功能一起由处理电路实现。
关于控制装置8的各功能，也可以将一部分用专用的硬件10实现，将其他部分用软件或固件实现。例如也可以是，关于发送栅极信号的功能，由作为专用的硬件10的处理电路实现，关于发送栅极信号的功能以外的功能，通过至少1个处理器9a将保存在至少1个存储器9b中的程序读出并执行来实现。
这样，处理电路由硬件10、软件、固件或它们的组合实现控制装置8的各功能。
实施方式2.
图6是实施方式2的复合电力变换系统的结构图。图7是实施方式2的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式1的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
如图6所示，在实施方式2的复合电力变换系统中，与实施方式1的复合电力变换系统同样，相互的直流中性点M不被短路。
但是，如图7所示，实施方式2的复合电力变换系统具备分压电路。分压电路具备多个单位电阻11和电位检测点12。
多个单位电阻11各自的一端与多个直流中性点M的各自连接，各个单位电阻11的没有与直流中性点M连接的一端彼此被相互连接。多个单位电阻11各自的额定值是在单位电力变换器1的直流侧短路时不烧毁的电阻值及额定值。单位电力变换器1的直流侧短路时，在单位电阻11中能量从逆变器的直流侧或交流侧或直流电容器流入。该能量通过直流侧及交流侧的熔断器、断路器等的保护、直流电容器的静电能量而被限制。因而，选择单位电阻11以使得在其可考虑的流入能量的范围内不会被烧毁。
由上述的直流侧的短路施加的电压，是直流负侧N与直流中性点M之间的电压、直流正侧与直流中性点M之间的电压中的某个电压。
电位检测点12与多个单位电阻11串联地连接。
正侧电压传感器6检测多个单位电力变换器1的直流正侧P与电位检测点12之间的电位差。
负侧电压传感器7检测多个单位电力变换器1的直流负侧N与电位检测点12之间的电位差。
根据以上说明的实施方式2，在2个电压传感器中，检测直流正侧P与电位检测点12之间的电位差以及直流负侧N与电位检测点12之间的电位差。此时，如果多个单位电阻11的电阻值是相同的值，则在正侧电压传感器6中能够检测出多个单位电力变换器1的直流正侧P与直流中性点M之间的电压vPM的平均值，在负侧电压传感器7中能够检测出多个单位电力变换器1的直流中性点M与直流负侧N之间的电压vMN的平均值。因此，能够检测出各个单位电力变换器1的直流中性点M的电位的平均值。因此，在检测直流中性点M的电位的平均值的情况下，能够减少电压传感器的数量。
另外，单位电阻11的电阻值并不需要一定相同。在电阻值不相等的情况下，在电位检测点12呈现与各个电阻值对应的加权平均值，能够检测到该值。
实施方式3.
图8是实施方式3的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式2的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
如图8所示，实施方式3的复合电力变换系统具备多个单位电压传感器13。单位电压传感器13的数量比单位电力变换器1的数量少1个。
在图8中，最上方的单位电压传感器13检测作用于最上方的单位电阻11的电压vM1M。上起第2个单位电压传感器13检测作用于上起第2个单位电阻11的电压vM2M。上起第3个单位电压传感器13检测作用于上起第3个单位电阻11的电压vM3M。
控制装置8基于最上方的单位电压传感器13的检测值，掌握作用于最上方的单位电阻11的电压vM1M。控制装置8基于第2个单位电压传感器13的检测值，掌握作用于上起第2个单位电阻11的电压vM2M。控制装置8基于第3个单位电压传感器13的检测值，掌握作用于上起第3个单位电阻11的电压vM3M。
控制装置8使用以下的(2)式，掌握作用于最下方的电阻的电压vM4M。
[数式2]
vM4M＝-vM1M-vM2M-vM3M (2)
另外，在本实施方式中，单位电压传感器13的数量比单位电力变换器的数量少1个，没有由单位电压传感器13检测到的单位电阻11的两端电压根据数式2来掌握，但也可以是单位电压传感器13的数量与单位电力变换器的数量相同，由全部单位电压传感器13检测单位电阻11各自的两端电压。
根据以上说明的实施方式3，能够掌握作用于多个单位电阻11的各自的电压的不均一量，掌握各个单位电力变换器1的直流中性点M的电位的不均一量。因而，能够检测通过单位电力变换器1的故障而发生的直流中性点M的电位的不均一、并确定发生了故障的单位电力变换器1。结果，通过检测故障并进行单位电力变换器1的保护动作，能够防止故障向其他的健全部分扩大。
例如，作为保护动作，也可以对构成单位电力变换器的至少1台的全部开关元件群的栅极给出关断信号，使开关停止。此外，例如在有3台以上的单位电力变换器1的情况下，设置设在直流正侧和直流负侧中的至少一方的开关，将与故障的单位电力变换器对应的开关切离。
另外，在不使用单位电阻11而检测多个单位电力变换器1的直流中性点M的电位的情况下，例如设置检测各个单位电力变换器1的直流中性点M与直流负侧N之间的电压的传感器，但与该情况相比，施加在单位电压传感器13上的电压通常较小。因此，可以使用额定值较小的单位电压传感器13。在发生了单位电力变换器1的故障的情况下，例如在直流正侧P与直流中性点M之间发生了短路的情况下，有可能被施加相对于单位电压传感器13的额定值过大的电压，但通过在单位电压传感器13与检测点之间串联地设置电压限制电阻，在单位电压传感器13上并联地设置电压限制元件、例如齐纳二极管或变阻器，能够防止在单位电压传感器13上施加过大的电压。
此外，为了检测施加在单位电阻11上的电压，也有使用检测流到单位电阻11中的电流的单位电流传感器的方法。在此情况下，单位电流传感器的额定值较小就可以。
实施方式4.
图9是实施方式4的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式2的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
如图9所示，多个单位电阻11被划分为多个电阻群。在多个电阻群中，多个单位电阻11相互被并联连接。
多个合并电阻14分别与多个电阻群的每一个对应而设置。多个合并电阻14分别与多个电阻群的每一个串联地连接。多个合并电阻14与电位检测点12串联地连接。
合并电压传感器15检测因单位电力变换器1的直流中性点M的电位的不均一而产生的电压。如果全部单位电力变换器1的直流中性点M的电位一致，则在图9所示的单位电阻11、合并电阻14的哪个上都没有被施加电压，所以在合并电压传感器15中检测到的电压是0。假如在多个单位电力变换器1中的一个中在直流中性点M的电位发生不均一，则通过由此产生的电位差，在单位电阻11、15中流过电流。此时，在合并电压传感器15的两端发生不是0的电压，能够检测到该情况。
根据以上说明的实施方式4，合并电压传感器15检测通过单位电力变换器1的直流中性点M的电位的不均一而产生的电压。因而，能够检测通过单位电力变换器1的故障产生的直流中性点M的电位的不均一。结果，通过检测故障而进行单位电力变换器1的保护动作，能够防止故障向其他健全部分扩大。虽然不能确定发生了故障的单位电力变换器1，但能够减少电压传感器的数量。
实施方式5.
图10是实施方式5的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式4的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
如图10所示，多个电阻群中的一方不夹着合并电阻14而与电位检测点12连接。多个电阻群中的一方不与电位检测点12连接。
根据以上说明的实施方式5，能够不需要合并电阻14而检测单位电力变换器1的故障。
实施方式6.
图11是实施方式6的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式4的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
图11表示有5个单位电力变换器1的情况。在此情况下，多个单位电阻11的数量是5个。
此时，多个电阻群中的一方具备2个单位电阻11。多个电阻群中的另一方具备其余的3个单位电阻11。
根据以上说明的实施方式6，与实施方式4同样，能够检测单位电力变换器1的故障。
实施方式7.
图12是实施方式7的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式2的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
如图12所示，多个单位电力变换器1各自的输出侧与多重绕线变压器16连接。
根据以上说明的实施方式7，在多个单位电力变换器1中，相互的直流中性点M不被短路。因此，与实施方式1同样，循环电流被抑制。结果，在电气零件的选择中，应考虑的循环电流的叠加量减少，通过减小电气零件的额定值，能够降低复合电力变换系统的成本。
此外，即使在某个单位电力变换器1的直流正侧P与直流中性点M之间发生短路故障，在各个单位电力变换器1的直流中性点M之间也不流过短路电流。因此，与实施方式1同样，在将相互的直流中性点M连接的情况下，不再需要为了防止由单位电力变换器1的短路故障造成的故障向其他单位电力变换器的扩大而插入的熔断器。结果，能够降低与熔断器相应的成本。
实施方式7的复合电力变换系统例如虽然没有图示，但具备与实施方式2的分压电路同等的分压电路。
根据以上说明的实施方式7，与实施方式2同样，与实施方式1相比能够减少电压传感器的数量。
实施方式8.
图13是实施方式8的复合电力变换系统的主要部分的结构图。另外，对与实施方式1的部分相同或对应部分赋予相同的标号。将该部分的说明省略。
如图13所示，实施方式8的单位电力变换器1是5电平电力变换器。5电平电力变换器例如具有串联连接的4个直流电容器，是具备一相或多相的在这些直流电容器的电极中选择最高电位极P、最低电位极N和处于它们中间的电位的3个电极的共计5个电极中的某一个并输出的交流端子的电力变换器。在图13中，使用开闭器的附图标记表示将直流侧的电极的电位向交流侧输出的功能，但在许多情况下构成为，通过自激式半导体元件与二极管的组合来起到同样的功能。此外，图13是单位电力变换器1具备一相的交流端子的情况下的一例。
此时，在多个单位电力变换器1中，多个直流中性点M分别从多个电容器的最高电位及最低电位以外的点中选择。多个直流中性点M没有被相互短路。
根据以上说明的实施方式8，与实施方式1同样，能够以简单的结构防止故障的扩大。此外，能够检测单位电力变换器1的故障。
另外，在多个单位电力变换器1中，在需要检测多个直流中性点的全部的电位差的情况下，只要经由电阻将对应的直流中性点连接、检测多个连接点各自的电位差就可以。
另外，在实施方式1至实施方式8的单位电力变换器1中，单位电力变换器1将直流电力变换为交流电力，或将交流电力变换为直流电力，或将无效电力补偿。不论怎样，都能够以简单的结构防止故障的扩大。此外，能够检测单位电力变换器1的故障。
另外，在多个单位电力变换器1的每一个中，也可以设置设在直流正侧P、直流负侧N和直流中性点M中的至少2个处的多个开关。在此情况下，只要基于多个正侧电压传感器6的检测值，在故障的单位电力变换器1中将多个开关切离就可以。结果，能够将没有故障的单位电力变换器1保留而维持复合电力变换系统的运转。
产业上的可利用性
如以上这样，有关本发明的复合电力变换系统能够用于以简单的结构防止电力变换器的故障的扩大的系统。
标号说明
1单位电力变换器；2开关元件群；3正侧电容器；4负侧电容器；5电抗器；6正侧电压传感器；7负侧电压传感器；8控制装置；9a处理器；9b存储器；10硬件；11单位电阻；12电位检测点；13单位电压传感器；14合并电阻；15合并电压传感器；16多重绕线变压器。

Claims (7)

1.一种复合电力变换系统，其特征在于，
具备相互的直流正侧被连接、相互的直流负侧被连接、相互的直流中性点没有被短路的多个单位电力变换器。
2.如权利要求1所述的复合电力变换系统，其特征在于，
具备：
多个单位电阻，一端与上述多个单位电力变换器的直流中性点分别连接；
电位检测点，连接着上述多个单位电阻的单位电力变换器的未与直流中性点连接的一端；以及
检测上述电位检测点与直流正侧之间的电压或上述电位检测点与直流负侧之间的电压的机构。
3.如权利要求2所述的复合电力变换系统，其特征在于，
具备：
多个单位电阻，与上述多个单位电力变换器的直流中性点分别串联连接；以及
电压检测机构，检测作用于上述多个单位电阻中的至少一个单位电阻的电压。
4.如权利要求1所述的复合电力变换系统，其特征在于，
具备：
多个单位电阻，与上述多个单位电力变换器的直流中性点分别连接，
上述多个单位电阻被分为2个以上的多个组，
上述多个组分别具备将属于该各个组的单位电阻的未与单位电力变换器的直流中性点连接的一端彼此相互连接的电位检测点；以及
电压检测机构，检测上述多个组分别具有的电位检测点之间的电压。
5.如权利要求3或4所述的复合电力变换系统，其特征在于，
具备基于由上述电压检测机构检测到的电压进行保护动作的控制装置。
6.如权利要求5所述的复合电力变换系统，其特征在于，
上述控制装置基于由上述电压检测机构得到的电压检测值，向构成单位电力变换器的至少1台的全部开关元件群的栅极提供关闭信号。
7.如权利要求5所述的复合电力变换系统，其特征在于，
在上述多个单位电力变换器的每一个中，具备设在直流侧和交流侧中的至少一侧的开关；
上述控制装置基于由上述电压检测机构得到的电压检测值，将与发生了故障的单位电力变换器对应的开关切离。
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