JP2009106081A

JP2009106081A - 電力変換器

Info

Publication number: JP2009106081A
Application number: JP2007275707A
Authority: JP
Inventors: Yutaka Kawashima; 裕河島; Shiro Sugimoto; 志郎杉本
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2007-10-23
Publication date: 2009-05-14
Also published as: WO2009054348A1; US20100102762A1

Abstract

【課題】容易に双方向の電力変換システムを構成でき、電源回生を実現できる電力変換器を提供することを目的とする。
【解決手段】各相ごとに、単相インバータ４Ａ、４Ｂを備えたセルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４が直列接続され、さらにこれらが三相設けられ、電源から入力された電力を変換して出力する電力変換器において、各セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４と電源側との間、または、各セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４と出力側との間に、絶縁トランスを備えた。
【選択図】図２

Description

本発明は、マルチセルインバータ等の電力変換器に関する。

マルチセル型インバータは、セルインバータと呼ばれる低電圧単相インバータを多数直列接続し、さらに中性点を中心に、三相のスターの形に組み合わせ、その頂点間で、所定の高圧および大容量出力を直接得る直列多重型インバータである。
セルインバータの出力電圧は、汎用ＩＧＢＴ素子の耐圧より、４５０〜６５０Ｖ程度の低圧に選ばれ、一般に出力容量とは無関係に、出力電圧３．３ｋＶで９〜１２台、６．６ｋＶでは１８〜２４台のセルインバータの合計数となるが、数が多いことにより、一台当りの出力は、６６００Ｖの出力でも２８０〜３７０ｋＶＡと小さくなる。

マルチセルインバータは、各相において単相インバータを複数台直列接続し、更にこれを三相配置することにより、高電圧、大容量変換器を構成するものであり、素子数は多くなるが、素子単体の仕様に対し、出力トランス無しで高電圧、大容量の電力変換の実施ができることが特徴である。また、出力電圧の多レベル化、直列接続による等価スイッチングキャリア増により、セル毎のスイッチングキャリアを低減でき、低高調波、高効率の変換器が構築できることも特徴である。
特開２００７−３７２９０号公報

しかしながら、可変速仕様の電動機と組み合わせられるマルチセル電力変換装置では、電源入力側は、ダイオードを備えた整流器による三相整流を基本とした多相整流回路となっている。このため、電源回生を行うことができず、制動運転が実施できなかった。

また、整流器の代わりにスイッチング素子を使用してコンバータ運転を行うことで電源回生することも考えられるが、セル台数分の三相コンバータを構成する素子が必要で数が多くなり、複雑化および高コスト化を招くという問題があった。
さらにコンバータの出力側で出力が並列合成されることにより、各セルの直流中間電圧を均等に保つための各セル毎の電力バランス制御を行うことが困難で、セル毎にバランス用リアクトルの設置も必要となる。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、容易に双方向の電力変換システムを構成でき、電源回生を実現できる電力変換器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の電力変換器は、２組の単相インバータを備えたセルパワーモジュールがＮ台（Ｎは整数）直列接続されてなる相が三相設けられ、電源から入力された電力を変換して出力することを特徴とする。
このような電力変換器においては、電源側から入力された電力がセルパワーモジュールより電力変換されて出力側に設けられた電動機が駆動されるとともに、電動機で電力を発生したときには電力がセルパワーモジュールにより電力変換されて電源側に回生される。
本構成のように、電源側に対しても単相インバータを設けることにより、電源側から出力側だけでなく、出力側から電源側へと電力を送ることが可能となり、入出力の双方をマルチセル接続とした、双方向の電力変換が実現する。つまり電源回生を行うことが可能となり、これによって制動力を発揮することが可能となる。

このような電力変換器において、各セルパワーモジュールと電源との間、または、各セルパワーモジュールと出力側との間に、絶縁トランスを備えるのが好ましい。
絶縁トランスを備える構成とすることにより、電源回生時等におけるセル間の干渉（回り込み）を防止することができる。また、高調波を低減することが可能となる。さらに、絶縁トランスの１次・２次の巻線比を異ならせることにより、変換器の電圧を最適値に設定できる。絶縁トランスは、各セルパワーモジュール毎に設けても良いし、例えば五脚鉄心の三相トランスを用い、セルパワーモジュールの全体に対して一括して設けてもよい。

絶縁トランスは、各セルパワーモジュールと電源との間、または、各セルパワーモジュールと出力側との間に設けるが、このうち、各セルパワーモジュールと電源との間に設けるのが好ましい。電源側に絶縁トランスを設けることで、雷のサージ等、設置の環境からの影響を抑制できる。

また、セルパワーモジュールの単相インバータの直流部にエネルギー貯蔵体を備え、電源としての発電機から入力された電力が、セルパワーモジュールにより電力変換され、エネルギー貯蔵体により電力が充放電されることにより、発電機の出力変動が平滑化されるようにしてもよい。

このような電力変換器は、電動機側の単相インバータにおいて、電動機の要求する電力供給または電源側へ電力回生を実施し、電源側の単相インバータにおいて、セルパワーモジュールに供給される直流電圧を目標値に保つよう調整する制御を行う制御部をさらに備えるのが好ましい。

本発明の電力変換器によれば、電源側と出力側とで２組の単相インバータを設けることにより、電源側から出力側だけでなく、出力側から電源側へと電力を送ることが可能となり、入出力の双方をマルチセル接続とした、双方向の電力変換が実現する。これにより電源回生を行うことが可能となり、制動力を発揮することが可能となる。
また、絶縁トランスを備えたことにより、セル間の干渉（回り込み）を防止することができ、電源側に対しても単相インバータを設けることが可能となる。したがって、これにより双方向マルチセルの電力変換器を容易に実現することができる。

次に、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態における電力変換器の全体構成を示すブロック図であり、図２は同電力変換器の一つのセル部分の接続を模式的に示したブロック図である。
図１に示したように、本実施形態の電力変換器１は、１２セル構成の例であり、位相差が１２０度となるＵ相、Ｖ相、Ｗ相をＹ結線で接続したもので、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれが、直列に接続された複数台（本実施の形態では例えば４台）のセルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４によって構成される。すなわち、セルパワーモジュールＵ１，Ｖ１，Ｗ１それぞれが中性点で接続され、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４、Ｖ１〜Ｖ４、Ｗ１〜Ｗ４が、それぞれが直列に接続され、セルパワーモジュールＵ４，Ｖ４，Ｗ４が電動機側に接続される。
さらに、各セル毎に単相の絶縁トランス３が設けられ、絶縁トランス３の出口側で各セルが直列接続されてマルチセル構造とし、連系リアクトル２を介して電源に接続される。

セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４はそれぞれ、図２のように、出力側に単相インバータ４Ａを備え、電源側に単相インバータ４Ｂを備える。さらに、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４のそれぞれには、絶縁と電圧調整を兼ねた絶縁トランス３が設けられていることにより、電動機側と電源側双方をマルチセル構成とする双方向電力変換器を構成する。

出力側の単相インバータ４Ａは、電源側にコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔｂ１と、電源側にエミッタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔａ２，Ｔｂ２と、電源側にカソードが接続されたダイオードＤａ１、Ｄｂ１と、電源側にアノードが接続されたダイオードＤａ２、Ｄｂ２と、を備える。そして、この単相インバータ４Ａにおいて、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１のエミッタ及びＩＧＢＴ素子Ｔａ２のコレクタとダイオードＤａ１のアノード及びダイオードＤａ２のカソードが接続されて一方の出力端子Ｏ１となるとともに、ＩＧＢＴ素子Ｔｂ１のエミッタ及びＩＧＢＴ素子Ｔｂ２のコレクタとダイオードＤｂ１のアノード及びダイオードＤｂ２のカソードが接続されて他方の出力端子Ｏ２となる。

また、電源側の単相インバータ４Ｂも同様に構成されており、同一の構成については同一の符号を付して説明を省略する。単相インバータ４Ｂは、単相インバータ４Ａと異なり、ＩＧＢＴ素子Ｔａ１のエミッタ及びＩＧＢＴ素子Ｔａ２のコレクタとダイオードＤａ１のアノード及びダイオードＤａ２のカソードの間、並びに、ＩＧＢＴ素子Ｔｂ１のエミッタ及びＩＧＢＴ素子Ｔｂ２のコレクタとダイオードＤｂ１のアノード及びダイオードＤｂ２のカソードの間に、図１に示したように、絶縁トランス３が接続される。

このように構成された本実施形態の電力変換器１においては、その全体を制御する制御装置２０からの指令に基づいて、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４のそれぞれに設けられたセルコントローラ３０が単相インバータ４Ａ、４Ｂの作動を制御する。
すなわち、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４において、制御装置２０は、セルコントローラ３０によって電動機７側の単相インバータ４ＡのＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２それぞれのゲートに与える駆動信号を制御することによって、単相交流の電力を出力し、電動機制御（加速、減速、一定速等）を行うための電力供給または電源側への電力回生を実施する。
また、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４において、制御装置２０は、セルコントローラ３０によって、電源側の単相インバータ４Ｂの集合体を制御することで、電動機制御に対応した電力制御を実施する。具体的には、電動機７の加速・一定速時には電源から電力を取り出し、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４に供給される直流電圧を目標値に保つよう調整しながら電力供給を実施し、電動機７の減速時には、電動機７側から戻ってくる減速電力を電源側に戻す制御を実施する。
制御装置２０においては、電力変換器１の電源側において、電源側の電力制御や過電流・過負荷保護のために、三相交流の電圧・電流を検出するとともに、電力変換器１の電動機７側において、過電流・過負荷保護のために電流を検出している。

ここで、制御装置２０における制御内容を説明する。制御装置２０は、設定目標値（直流電圧指令）と、検出したセルパワーモジュールの直流電圧（各セルの平均値）とから、電源側の交流電流の指令値を決定する。ここで、電力変換器１の電源側において検出した三相交流の電圧・電流に基づき、過電流・過負荷が生じないよう、電源側の交流電流の指令値を決定する。決定した電源側の交流電流の指令値に基づき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に電圧指令を出力する。この電圧指令により、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４において、セルコントローラ３０が電源側の単相インバータ４ＢのＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２を駆動する。
また、制御装置２０は、上位制御装置からの指令（周波数指令）を受けると、電動機７の加減速を設定する。このとき、指定された目標周波数とするために必要な周波数の変化量が、予め定められた範囲内となるように制約する。これは、急峻な周波数変化を生じさせると、過電流等の発生の要因となるからである。これにより、電動機７の加減速が設定されることで周波数が決定され、予め設定された周波数と電圧との相関から電圧も決定される（いわゆるＶ／ｆ制御）。これに基づき、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の各相に電圧指令を出力する。この電圧指令により、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４において、セルコントローラ３０が電動機７側の単相インバータ４ＡのＩＧＢＴ素子Ｔａ１，Ｔａ２，Ｔｂ１，Ｔｂ２を駆動する。

上記したような制御装置２０の制御による作用を図３を用いて説明する。
電力変換器１において、図３（ａ）に示すように、電源側の電力Ｐ１と電動機７側の電力Ｐ２とがバランスした状態から、図３（ｂ）に示すように、電動機７側の負荷が増加した場合、Ｐ１＜Ｐ２となり、これにより各セルにおける直流電圧が減少する。
すると、図３（ｃ）に示すように、制御装置２０においては、各セルにおける直流電圧を目標値に保とうとし、電源側の電力Ｐ１を増加させる制御を行う。これによりＰ１＞Ｐ２となり、図３（ｄ）に示すように、各セルにおける直流電圧が目標値まで増加し、電源側の電力Ｐ１と電動機７側の電力Ｐ２とがバランスした状態となる。

また、電力変換器１において、図３（ａ）に示すように、電源側の電力Ｐ１と電動機７側の電力Ｐ２とがバランスした状態から、図３（ｅ）に示すように、電動機７側の負荷が増加した場合、Ｐ１＞Ｐ２となり、これにより各セルにおける直流電圧が増加する。
すると、図３（ｆ）に示すように、制御装置２０においては、各セルにおける直流電圧を目標値に保とうとし、電源側の電力Ｐ１を減少させる制御を行う。これによりＰ１＜Ｐ２となり、図３（ｇ）に示すように、各セルにおける直流電圧が目標値まで減少し、電源側の電力Ｐ１と電動機７側の電力Ｐ２とがバランスした状態となる。

電力変換器１において、図３（ａ）に示すように、電源側の電力Ｐ１と電動機７側の電力Ｐ２とがバランスした状態から、図３（ｈ）に示すように、電動機７側から電源回生が行われた場合は、Ｐ１＞Ｐ２（このときの電力Ｐ２は負：回生方向）となり、これにより各セルにおける直流電圧が増加する。
すると、図３（ｉ）に示すように、制御装置２０においては、電源側の単相インバータ４Ｂにおいて電力Ｐ１を減少させ、Ｐ１＜Ｐ２として、電源回生を行う。そして、図３（ｊ）に示すように、電源側の電力Ｐ１と電動機７側の電力Ｐ２とがバランスした状態となる。

このようにして、電動機７側の単相インバータ４Ａにおいては、電動機７の要求する電力供給や電力回生を実施する。一方、電源側の単相インバータ４Ｂにおいては、各セルにおける直流電圧を目標値に保つ制御を実施する。

このように、本実施形態に係る電力変換器１においては、電動機７側の単相インバータ４Ａに加え、電源側に単相インバータ４Ｂを備えることで、電源側から出力側だけでなく、出力側から電源側へと電力を送ることが可能となり、入出力の双方をマルチセル接続とした、双方向の電力変換が実現する。これにより電源回生を行うことが可能となり、制動力を発揮することが可能となる。
また、セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ２，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４のそれぞれにおいて、絶縁トランス３を備えることにより、インバータ同士の干渉を防止するとともに、直流中間回路の短絡を防止することができる。これにより、前記したような、入出力側ともにマルチセル接続とした双方向の電力変換器１を構成することができる。

また、絶縁トランス３の設置に関し、１次・２次の巻線数比を変えることにより、変換器の電圧を系統側電圧と無関係で最適値に設定でき、系統側から見るとスター巻線となることにより、低抵抗の接地回路を容易に設けることができる。

次に、本発明の第２実施形態について図４を用いて説明する。
図４は本実施形態における電力変換器の全体構成を示すブロック図であり、本実施形態は、発電機（風車等）５の出力を系統側に与えるものであって、発電機５の出力とマルチセル構成（各セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ２、Ｖ１〜Ｖ２，Ｗ１〜Ｗ２の単相インバータ４Ａ、４Ｂの集合体）とを接続する。
各セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ２、Ｖ１〜Ｖ２，Ｗ１〜Ｗ２の構成は上記第１実施形態のセルと略同一であり、詳細な説明を省略するが、各セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ２、Ｖ１〜Ｖ２，Ｗ１〜Ｗ２の単相インバータ４Ａ、４Ｂの直流部に、超電導コイル等のエネルギー貯蔵体１０が接続されている点が異なる。エネルギー貯蔵体１０に対しては、複数のＩＧＢＴ及びダイオードが組み合わせられている。発電機５側にコレクタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｃ１と、発電機５側にエミッタが接続されたＩＧＢＴ素子Ｔｄ２と、発電機５側にカソードが接続されたダイオードＤｃ１、Ｄｄ１と、発電機５側にアノードが接続されたダイオードＤｃ２、Ｄｄ２と、を備え、ＩＧＢＴ素子Ｔｃ１のエミッタ、ダイオードＤｃ１のアノード及びダイオードＤｃ２のカソードが、エネルギー貯蔵体１０の一端側に接続され、ＩＧＢＴ素子Ｔｄ２のコレクタ、ダイオードＤｄ１のアノード及びダイオードＤｄ２のカソードが接続されてエネルギー貯蔵体１０の他端側に接続される。
また、系統側のアイソレーション、電圧整合を考慮し、系統側に対して絶縁と電圧調整を兼ねた絶縁トランス３を介している。

発電機側マルチセル（各セルの単相インバータ４Ｂ集合体）は、発電機出力電圧・周波数が変動しても出力可能範囲の電力を取り出し系統側マルチセル（各セルパワーモジュールＵ１〜Ｕ２、Ｖ１〜Ｖ２，Ｗ１〜Ｗ２における単相インバータ４Ａの集合体）に電力を供給する。系統側マルチセルは、系統周波数（５０／６０Ｈｚ）に対応して、系統に電力を供給する。
各単相インバータ直流部のエネルギー貯蔵体１０は発電機側出力変動の平滑化用に電力の充放電を実施する。

本構成により、発電機側出力周波数・電圧変動に対して、系統へは一定周波数・電圧出力が可能となる。また、変換器内にエネルギー貯蔵部１０を設置することにより、発電機出力変動に対して、系統への出力変動を抑えることが可能となる。

なお、上記第２実施形態において、エネルギー貯蔵体１０は必須の構成ではなく、これを省略した構成とすることも可能である。

なお、上記各実施形態において、絶縁トランス３は電源系統側と発電機５（または電動機７）とのどちらの側に設けても良いが、電源系統側に設けることにより、接地条件からの影響を抑制できる。
また、絶縁トランス３を複数設ける代わりに五脚鉄心の三相トランスを適用しても良い。これにより、絶縁トランス３を数多く用いなくてよく、省スペース・小型化となる。
また、上記各絶縁トランス３のリアクトル効果を用いることで、連系リアクトル２を省略してもよい。

本発明に係る電力変換器の第１実施形態を示した回路構成図である。同電力変換器の一つのセルを示した図である。同電力変換器を作動させたときの状態変化を示す図である。本発明に係る電力変換器の第２実施形態を示した回路構成図である。

符号の説明

１…電力変換器、３…絶縁トランス、４Ａ、４Ｂ…単相インバータ、７…電動機、１０…エネルギー貯蔵体、２０…制御装置、３０…セルコントローラ、Ｕ１〜Ｕ４，Ｖ１〜Ｖ４，Ｗ１〜Ｗ４…セルパワーモジュール

Claims

２組の単相インバータを備えたセルパワーモジュールがＮ台（Ｎは整数）直列接続されてなる相が三相設けられ、電源から入力された電力を変換して出力することを特徴とする電力変換器。
各前記セルパワーモジュールと前記電源との間、または、各前記セルパワーモジュールと出力側との間に、絶縁トランスを備えたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
前記絶縁トランスは、各前記セルパワーモジュールと前記電源との間に設けられていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換器。
前記電源側から入力された電力が前記セルパワーモジュールにより電力変換されて前記出力側に設けられた電動機が駆動されるとともに、前記電動機で電力を発生したときには前記電力が前記セルパワーモジュールにより電力変換されて前記電源側に回生されることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の電力変換器。
前記セルパワーモジュールの前記単相インバータの直流部にエネルギー貯蔵体を備え、
前記電源としての発電機から入力された電力が、前記セルパワーモジュールにより電力変換され、前記エネルギー貯蔵体により電力が充放電されることにより、前記発電機の出力変動が平滑化されることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の電力変換器。
前記電動機側の前記単相インバータにおいて、前記電動機の要求する電力供給または前記電源側へ電力回生を実施し、
前記電源側の前記単相インバータにおいて、前記セルパワーモジュールに供給される直流電圧を目標値に保つよう調整する制御を行う制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の電力変換器。