CN115023892A - 电力转换系统 - Google Patents

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Abstract

提供一种电力转换系统，其能够抑制用于将故障单元旁路的短路开关的故障，提高系统的可靠性和冗余性。电力转换系统(100)是将使用半导体开关元件而形成的多个电力转换器单元(10)串联连接而成，其具备：开关元件(201、211)，其设置在电力转换器单元(10)的输入端子和/或输出端子，将该电力转换器单元(10)旁路；以及过电压抑制元件(202、212)，其与开关元件(201、211)并联连接，通过被施加预定电压而切换导电状态。

Description

电力转换系统
技术领域
本发明涉及电力转换系统。
背景技术
近年来，大多使用将交流转换为直流或将直流转换为交流的电力转换装置。这种电力转换装置也应用于高电压领域。在该情况下，例如使用包含半导体开关元件(Insulated-gate bipolar transistor绝缘栅双极晶体管：IGBT等)的单相电力转换器，将该单相电力转换器串联连接多个。如果是这样的结构，则能够输出开关元件耐压以上的电压。期待应用于直流输电系统(HVDC)、无功功率补偿装置(STATCOM)、电动机驱动逆变器等。
作为将多个单相电力转换器单元串联连接而构成的电力转换系统的例子，已知将多个单相逆变器装置(以下，称为单元逆变器装置)串联连接来形成1相的逆变器装置组，将其例如组合为3相来形成3相的逆变器系统的电力转换系统(参照专利文献1)。
在这样的串联多重转换器系统中，在1个单元逆变器装置成为异常时，不仅无法向负载供给正常的电力，还可能对其他健全的单相电力转换器的正常动作造成影响。在1个单元逆变器装置发生了故障(异常)的情况下，为了不停止所有的单元逆变器装置而继续运转，已知以下结构，具备：在单相电力转换器单元的输出线中插入的输出切断开关；以及包含该切断开关在内将各单相电力转换器的输出进行旁路的旁路电路中的旁路开关(参照专利文献2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开平10-75580号公报
专利文献2：日本特开2000-245168号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在这样的以往的串联转换器系统中，没有考虑在电力转换器单元故障时用于将故障单元旁路的短路开关的故障。若短路开关发生故障，则无法使故障单元无效化，必须使整个电力转换系统停止。
本发明是鉴于这样的情况而作出的，其目的在于提供一种电力转换系统，能够抑制用于将故障单元旁路的短路开关的故障，提高系统的可靠性和冗余性。
用于解决课题的手段
为了解决上述课题，本发明的电力转换系统是将多个电力转换器单元串联连接而成的电力转换系统，其特征在于，具备：短路开关，其设置在所述电力转换器单元的输入侧和/或输出侧，将该电力转换器单元旁路；以及过电压抑制元件，其与所述短路开关并联连接，通过被施加预定电压而切换导电状态。
关于本发明的其他方式，在后述的实施方式中进行说明。
发明效果
根据本发明，能够抑制用于将故障单元旁路的短路开关的故障，提高系统的可靠性以及冗余性。
附图说明
图1表示本发明实施方式的电力转换系统的整体结构。
图2表示本发明实施方式的与电力转换系统的电力转换器单元的输入端子连接的短路开关单元的结构。
图3表示本发明实施方式的与电力转换系统的电力转换器单元的输出端子连接的短路开关单元的结构。
图4表示本发明实施方式的与电力转换系统的电力转换器单元的输入端子连接的短路开关单元的其他结构。
图5表示本发明实施方式的与电力转换系统的电力转换器单元的输出端子连接的短路开关单元的其他结构。
图6表示本发明实施方式的与电力转换系统的电力转换器单元的输入端子连接的短路开关单元的其他结构。
图7表示本发明实施方式的与电力转换系统的电力转换器单元的输出端子连接的短路开关单元的其他结构。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
(实施方式)
图1表示本发明实施方式的电力转换系统的整体结构。本实施方式是应用于使用了多个高频AC链路转换器的多重电力转换装置的例子。
[电力转换系统的结构]
电力转换系统100将使用半导体开关元件形成的多个单相电力转换器单元10(以下，称为电力转换器单元10)串联连接而构成。
电力转换系统100具备输入侧的短路开关单元20，该输入侧的短路开关单元20设置在电力转换器单元10的输入端子(输入侧)，具有将电力转换器单元10旁路的开关元件201。并且，电力转换系统100具备输出侧的短路开关单元21，该输出侧的短路开关单元21设置在电力转换器单元10的输出端子(输出侧)，具有将电力转换器单元10旁路的开关元件211。
多个电力转换器单元10和短路开关单元20、21构成单相的电力转换器组301、302、303。3台单相的电力转换器组301、302、303将3相(U、V、W相)AC电源30转换为DC(直流电)。
多个电力转换器单元10中的各电力转换器单元10的结构相同。另外，在电力转换器单元10的输入端子以及输出端子设置的各短路开关单元20、21的结构相同。
<电力转换器单元10>
以图1的单相的电力转换器组301为例对电力转换器单元10进行说明。在此，电力转换器单元10是高频链路转换器的单元。
电力转换器单元10具备将AC(交流电)转换为DC(直流电)的AC/DC转换器101、将DC转换为高频的AC的高频DC/AC逆变器102、将高频AC转换为DC的高频AC/DC转换器103、绝缘变压器(高频变压器)104、平滑电容器105、106。
高频DC/AC逆变器102与高频AC/DC转换器103经由绝缘变压器104连接。高频AC例如使用kHz级的载波频率。
AC/DC转换器101、高频DC/AC逆变器102以及高频AC/DC转换器103是使用IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅双极晶体管)作为半导体开关元件的全桥的逆变器、转换器。对于该半导体开关元件，例如有时也使用功率MOSFET(Power Metal-Oxide-semisor Field-Effect Transistor：功率金属氧化物半导体场效应晶体管)。
在本实施方式中，作为电力转换器单元10的一例，以高频AC链路转换器为例进行了说明，但电力转换器单元10可以是任意的。另外，在图1中，也可以改变转换器或逆变器单体或它们的组合。
图2表示与电力转换器单元10的输入端子(输入侧)连接的短路开关单元20的结构。
图2所示的短路开关单元20具备开关元件201(短路开关)、以及与开关元件201并联连接的过电压抑制元件202。在图1的例子中，短路开关单元20与3相AC电源30的交流端子连接。
<开关元件201>
图2所示的开关元件201(短路开关)是半导体开关元件，例如应用以相反极性连接的晶闸管51、52(短路开关)。开关元件201通过将2个晶闸管51、52以相反极性连接而能够双向通电。
开关元件201在电力转换器单元10内的输入电路侧(AC/DC转换器101侧)的故障时成为导通状态而将电力转换器单元10旁路。
优选对开关元件201使用半导体开关元件，但也可以使用空气继电器、真空开关等机械触点方式的开关。
对于开关元件201、211(后述)，例如能够由通过电磁线圈驱动的机械式的继电器开关、晶闸管、MOSFET等固体开关构成。
通过将半导体开关元件用于短路开关，能够以毫秒级使电路短路，在单相电力转换器单元内部的元件发生故障时，能够在短时间内将流过元件的故障电流旁路，防止元件的损坏故障。能够将故障波及抑制在最小限度，并且能够提高可靠性。
<过电压抑制元件202>
图2所示的过电压抑制元件202与开关元件201并联连接，根据电压切换导电状态。
过电压抑制元件202是在被施加了高电压的情况下成为低电阻的非线性电阻元件。对于非线性电阻元件，例如应用利用了放电的气体放电管53、使用了氧化锌(ZnO)等非线性电阻的可变电阻(后述)。气体放电管53在被施加了瞬间产生的浪涌电压的情况下，仅使浪涌电压通过到接地侧。
本实施方式的气体放电管53设置在短路开关单元20，用于保护电力转换系统100的内部故障。即，与用于保护电子设备的电源和通信线免受感应雷涌的影响的气体放电管的用途不同。
开关元件201的非导通状态的耐电压比电力转换器单元10的稳定时运转电压或构成该电力转换器单元10的半导体开关元件的非导通状态的耐电压高，并且，过电压抑制元件202的动作电压处于开关元件201的耐电压与构成电力转换器单元10的半导体开关元件的耐电压之间。
开关元件201的非导通状态的耐电压为电力转换器单元10的稳定时运转电压或构成该电力转换器单元10的半导体开关元件的非导通状态的耐电压的2倍以上。
图3表示与电力转换器单元10的输出端子(输出侧)连接的短路开关单元21的结构。
图3所示的短路开关单元21具备开关元件211(短路开关)以及与开关元件211并联连接的过电压抑制元件212。在图1的例子中，短路开关单元21与直流端子连接。
<开关元件211>
图2所示的开关元件211(短路开关)是半导体开关元件，例如应用1个晶闸管元件51。开关元件211在如短路开关单元21那样应用于直流端子时，设为1个晶闸管元件的单极性。但是，也可以使用图2的开关元件201来作为短路开关单元21的开关元件211。
开关元件211在电力转换器单元10内的输出电路侧(高频AC/DC转换器103侧)的故障时成为导通状态而将电力转换器单元10旁路。
优选对开关元件211应用半导体开关元件，但也可以使用空气继电器、真空开关等机械触点方式的开关。
<过电压抑制元件212>
图2所示的过电压抑制元件212与开关元件211并联连接，根据电压切换导电状态。
过电压抑制元件212是在被施加了高电压的情况下，成为低电阻的非线性电阻元件，作为该非线性电阻元件，应用利用了放电的气体放电管53(过电压抑制元件)、使用了氧化锌(ZnO)等非线性电阻的可变电阻54(后述)(过电压抑制元件)。
开关元件211的非导通状态的耐电压比电力转换器单元10的稳定时运转电压或构成该电力转换器单元10的半导体开关元件的非导通状态的耐电压高，过电压抑制元件212的动作电压处于开关元件211的耐电压与构成电力转换器单元10的半导体开关元件的耐电压之间。
开关元件211的非导通状态的耐电压为电力转换器单元10的稳定时运转电压或构成该电力转换器单元10的半导体开关元件的非导通状态的耐电压的2倍以上。
<短路开关单元20和短路开关单元21>
与电力转换器单元10的输入端子连接的短路开关单元20和与电力转换器单元10的输出端子连接的短路开关单元21的结构及规格可以相同，也可以不同。另外，短路开关单元20的开关元件201和短路开关单元21的开关元件211的规格不需要相同。同样地，短路开关单元20的过电压抑制元件202与短路开关单元21的过电压抑制元件212的规格不需要相同。
<短路开关单元的其他结构例>
图4表示与电力转换器单元10的输入端子(输入侧)连接的短路开关单元20A的其他结构。
图4所示的短路开关单元20A具备开关元件201和与开关元件201并联连接的过电压抑制元件202A。
过电压抑制元件202A是在被施加了高电压的情况下成为低电阻的非线性电阻元件，例如应用使用了氧化锌(ZnO)等非线性电阻的可变电阻54。或者，过电压抑制元件202A应用动作时间快的金属氧化物可变电阻(MOV：Metal Oxide Varistor)54A(过电压抑制元件)。在需要保护外部的雷击脉冲的急剧的浪涌电压时，优选设置动作时间快的MOV54A。
图5表示与电力转换器单元10的输出端子(输出侧)连接的短路开关单元的其他结构。
图5所示的短路开关单元21A具备开关元件211和与开关元件211并联连接的过电压抑制元件212A。
过电压抑制元件212A例如是使用了氧化锌(ZnO)等非线性电阻的可变电阻54、动作时间快的金属氧化物可变电阻54A。
如上所述，对于与开关元件201、211、202A、212A并联连接的过电压抑制元件202、212，应用利用了放电的气体放电管53、使用了非线性电阻的可变电阻54、金属氧化物可变电阻54A。
过电压抑制元件202、212、202A、212A只要是在被施加了高电压的情况下成为低电阻的非线性电阻元件即可，并不限于可变电阻54、气体放电管53等。但是，在构成逆变器或转换器的开关元件等的内部损坏时，在短路故障转移到电弧放电后，在已消弧的情况下产生衰减性的高频电压。因此，优选过电压抑制元件202、212为耐通过电流为I2t电容量大的气体放电管53。
以下，对如上述那样构成的电力转换系统100的动作进行说明。
电力转换系统100在1个电力转换器单元10的单相电力转换器发生了故障时，通过短路开关单元20的开关元件201将该电力转换器单元10从系统断开，并且通过短路开关单元21的开关元件211将该电力转换器单元10的输出旁路。由此，从系统中除去故障所涉及的单相电力转换器，能够直接继续运转。结果，通过剩余的健全的电力转换器单元10的串联输出，继续向负载供给电力，电力供给的可靠性提高。
但是，考虑构成短路开关单元20、21的开关元件201、211在切断故障电流时的浪涌电压下因过电流而损坏的情况。即，从小型、轻量、高速短路动作的要求发出，对于开关元件201、211使用晶闸管51、52等半导体开关元件。半导体开关元件以预定的动作电压进行动作，不会在超过耐电压的环境下使用。
本发明的发明人从电力转换系统的运转持续性的观点出发，对于开关元件201、211的损坏也进行了考察。发现了在构成电力转换器单元10的逆变器或转换器的开关元件等损坏的情况下，在短路故障转移到电弧放电后，在已消弧的情况下产生衰减性的高频电压。这样的高频电压有可能使短路开关单元20、21的开关元件201、211损坏。如果在切断故障电流时的浪涌电压下由于过电流使开关元件201、211损坏，则会妨碍开关元件201将故障所涉及的电力转换器单元从系统断开的功能、开关元件211将故障所涉及的电力转换器单元10的输出旁路的功能。
因此，在电力转换系统100中，与短路开关单元20、21的开关元件201、211并联地设置了根据对开关元件201、211施加的电压而切换导电状态的过电压抑制元件202、212。开关元件201例如是晶闸管51、52(参照图2)，开关元件202是晶闸管51(参照图3)。另外，过电压抑制元件202、212是气体放电管53(参照图2和图3)。
使开关元件201、211的耐压电压为动作电压的2倍以上，使气体放电管53(过电压抑制元件)的动作电压(切换导电状态的电压)为开关元件201、211的动作电压的1～2倍的动作电压。另外，考虑到在短路故障转移到电弧放电后，在已消弧的情况下产生衰减性的高频电压，优选气体放电管53为耐通过电流为I2t电容量大的气体放电管53。
如以上说明的那样，本实施方式的电力转换系统100(参照图1)将使用半导体开关元件而形成的多个电力转换器单元10(参照图1)串联连接而构成，其具备：开关元件201、211(短路开关)(参照图1)，其设置在电力转换器单元10的输入端子和/或输出端子，将该电力转换器单元10旁路；以及过电压抑制元件202、212，其与开关元件201、211并联连接，通过被施加预定电压而切换导电状态。
根据该结构，在1个电力转换器发生了故障时，通过开关元件201、211将电力转换器单元10旁路，能够继续进行电力转换系统100的运转。
在电力转换器发生故障时，有时会过渡性地产生过电压。过电压抑制元件202、212通过被施加预定电压而切换导电状态，从而能够防止对开关元件201、211施加耐电压以上的电压，从而能够提高开关元件201、211的可靠性。
另外，对于过电压抑制元件202、212，通过施加预定电压而切换导电状态，因此不需要导入新的控制单元，能够实现低成本化。
这样，在将多个电力转换器单元10串联连接而成的电力转换系统100中，即使几个电力转换器单元10发生了故障，也能够通过开关元件201、211(短路开关)将故障电力转换器单元旁路，从而能够继续向负载供给电力。另外，即使在电力转换器单元的故障时发生了过电压的情况下，也能够可靠地防止短路开关的故障，从而能够提高系统的可靠性以及冗余性。
在此，构成为电力转换器单元10的运转电压的最大值Vc、开关元件201、211(短路开关)的耐电压Vs、过电压抑制元件的动作电压Va满足下述式(1)的关系。
Vc<Va<Vs……(1)
通过构成为满足上述式(1)的关系，在短路开关为非导通状态下，能够可靠地防止短路开关的绝缘损坏故障。结果，能够进一步提高可靠性。
并且，在电力转换器单元10的半导体开关元件发生了短路故障时，存在由于平滑电容器105、106(参照图1)和电路的电抗分量(参照图1的高频变压器104)而流过高频电流的情况。例如，当在故障元件中产生了电弧，电弧瞬时消弧的情况下，产生平滑电容器105、106的电压的2倍的高频瞬态电压。通过使短路开关的耐电压Vs为运转电压的最大值Vc的2倍，即使存在过电压抑制元件202、212(参照图1)的动作延迟、不动作故障，也能够防止短路开关的绝缘损坏引起的故障，能够构成高可靠性的系统。
[变形例]
图6表示与电力转换器单元10的输入端子连接的短路开关单元的其他结构。
图6所示的短路开关单元20B具备开关元件201(短路开关)以及与开关元件201并联连接的过电压抑制元件202B。
过电压抑制元件202B具备并联连接的气体放电管53(第一过电压抑制元件)以及MOV54A(第二过电压抑制元件)。过电压抑制元件202B将利用了放电的气体放电管53与动作时间快的MOV54并联连接。即，短路开关单元20B将特性不同的气体放电管53和MOV54并联连接。
图7表示与电力转换器单元10的输出端子连接的短路开关单元的其他结构。
图7所示的短路开关单元21B具备开关元件211(短路开关)以及与开关元件211并联连接的过电压抑制元件212B。
过电压抑制元件212B具备并联连接的气体放电管53(第一过电压抑制元件)以及MOV54A(第二过电压抑制元件)。过电压抑制元件212B将利用了放电的气体放电管53与动作时间快的MOV54并联连接。
这样，短路开关单元20B、21B将切换导电状态的动作时间不同的气体放电管53和MOV54A与开关元件201、211并联连接，由此能够迅速且可靠地抑制切断故障电流时的浪涌电压引起的开关元件201、211的故障。即，首先，通过动作时间快的MOV54A迅速地抑制向开关元件201、211施加浪涌电压(确保响应性)，接着，通过耐通过电流为I2t电容量大的气体放电管53来抑制由过电流引起的故障(确保抑制效果)。
由此，即使在电力转换器单元10的故障时产生了过电压的情况下，也能够更可靠地防止短路开关的故障，能够进一步提高系统的可靠性以及冗余性。
也可以代替MOV54A或者作为追加，对开关元件201、211并联地附加气体放电管53(参照图2以及图3)。
本发明并不限于上述的实施方式例，在不脱离保护范围所记载的本发明的主旨的范围内，包括其他的变形例、应用例。
例如，可以是将上述短路开关设置在电力转换器单元的输入端子或输出端子中的任意一方的方式。另外，能够将某实施方式例的一部分结构置换为其他实施方式例的结构，另外，也能够对某实施方式例的结构添加其他实施方式例的结构。另外，对于各实施方式例的一部分结构，能够进行其他结构的追加、删除、置换。
另外，控制线、信息线表示在说明上需要的控制线、信息线，在产品上不一定表示全部的控制线、信息线。实际上可以认为几乎全部的结构相互连接。
附图标记的说明
10电力转换器单元
20，20A，20B短路开关单元(输入侧)
21、21A、21B短路开关单元(输出侧)
30 3相AC电源
51，52晶闸管(半导体开关元件，短路开关)
53气体放电管(过电压抑制元件(第一过电压抑制元件))
54可变电阻(过电压抑制元件)
54A金属氧化物可变电阻(过电压抑制元件(第二过电压抑制元件))
100电力转换系统
101AC/DC转换器
102高频DC/AC逆变器
103高频AC/DC转换器
104绝缘变压器(高频变压器)
105，106平滑电容器
201，211开关元件(短路开关)
202，212过电压抑制元件
301，302，303单相的电力转换器组。

Claims (6)

1.一种电力转换系统，其是将多个电力转换器单元串联连接而设置的电力转换系统，其特征在于，具备：
短路开关，其设置在所述电力转换器单元的输入侧和/或输出侧，将该电力转换器单元旁路；以及
过电压抑制元件，其与所述短路开关并联连接，通过被施加预定电压而切换导电状态。
2.根据权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于，
所述短路开关是半导体开关元件。
3.根据权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于，
所述过电压抑制元件为利用了气体放电的气体放电管、使用了非线性电阻的可变电阻以及金属氧化物可变电阻中的至少任意1个以上。
4.根据权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于，
所述过电压抑制元件具备以第一动作时间切换导电状态的第一过电压抑制元件和以第二动作时间切换导电状态的第二过电压抑制元件，
所述第一过电压抑制元件以及所述第二过电压抑制元件与所述短路开关并联连接。
5.根据权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于，
所述短路开关的非导通状态的耐电压高于所述电力转换器单元的稳定时运转电压或构成该电力转换器单元的半导体开关元件的非导通状态的耐电压，
所述过电压抑制元件的动作电压处于所述短路开关的耐电压与构成所述电力转换器单元的所述半导体开关元件的耐电压之间。
6.根据权利要求1所述的电力转换系统，其特征在于，
所述短路开关的非导通状态的耐电压为所述电力转换器单元的稳定时运转电压或构成该电力转换器单元的半导体开关元件的非导通状态的耐电压的2倍以上。
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