JP2011019312A

JP2011019312A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2011019312A
Application number: JP2009161140A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Taniguchi; 雅弘谷口; Hiroaki Miyata; 博昭宮田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2009-07-07
Filing date: 2009-07-07
Publication date: 2011-01-27

Abstract

【課題】複数の直流電源に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ又は複数の交流負荷にそれぞれ接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータを備えた電力変換装置において、１つの地絡検出回路で地絡直流電源又は地絡交流負荷を特定する。
【解決手段】複数の直流電源１１１〜１１６と、直流開閉器１２１〜１２６に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３と、交流開閉器１５１〜１５３に接続されたＤＣ／ＡＣインバータ１４１〜１４３とを備えた電力変換装置１０２において、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３の２次側に共通に接続された地絡検出回路１７０と、地絡検出回路１７０による地絡検出時に直流開閉器１２１〜１２６及び交流開閉器１５１〜１５３を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた直流開閉器に接続された直流電源又は交流開閉器に接続された交流負荷を地絡直流電源又は地絡交流負荷と特定する開閉器制御部１７１により構成する。
【選択図】図７

Description

本発明は、電力変換装置に係り、具体的には複数の直流電源及び／又は複数の交流負荷を有する電力変換装置の地絡保護に関する。

複数の直流電源及び複数の交流負荷を有する電力変換装置を用いる例として大規模な太陽光発電システムがあり、電力変換装置により太陽電池の直流電力を交流電力に変換している。この電力変換装置の大容量化に伴い、高効率化、省スペース化や低コスト化が可能になる一方で、直流地絡の発生等による電力変換装置の停止は、電力系統への影響が大きくなることから、地絡保護の重要性が高まっている。

地絡保護に関し、特許文献１には、複数の直流電源がそれぞれ開閉器を介して複数のＤＣ／ＤＣコンバータに接続された電力変換装置において、複数の直流電源の２次側に１つの地絡検出回路を接続して地絡を検出する技術が記載されている。

特開２００５−３１２２８７号公報

しかし、特許文献１のように、複数の直流電源に対して１つの地絡検出回路しか有しない電力変換装置では、地絡した直流電源を特定できないため、地絡が発生すると健全な直流電源系統も含め電力変換装置全体を停止しなければならないという問題がある。

これに対して、複数の直流電源の２次側にそれぞれ地絡検出回路を設ければ、地絡した直流電源を特定することができる。しかし、この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力端と出力端が絶縁トランス等により絶縁されていない、あるいは、ＤＣ／ＤＣコンバータ同士の出力線が共通である電力変換装置では、健全な直流電源から共通の出力線を介して、地絡した直流電源の地絡点から健全な直流電源に設置した地絡検出回路にも地絡電流が流れるため、地絡した直流電源の特定ができない。

また、複数の直流電源の２次側にそれぞれ地絡検出回路を設けると、直流電源の数に応じた地絡検出回路が必要となる。これについては、複数の交流負荷がそれぞれ開閉器を介して接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータの２次側に地絡検出回路を備えた場合でも同様である。

本発明が解決しようとする課題は、複数の直流電源に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ又は複数の交流負荷にそれぞれ接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータを備えた電力変換装置において、１つの地絡検出回路で地絡直流電源又は地絡交流負荷を特定することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、開閉器がそれぞれ接続された複数の直流電源と、開閉器に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた電力変換装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に共通に接続された地絡検出回路と、該地絡検出回路による地絡検出時に開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた開閉器に接続された直流電源を地絡直流電源と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする。

本発明によれば、１つの地絡検出回路で地絡直流電源を特定できる。すなわち、直流電源の地絡が起きると、地絡直流電源から大地を通って地絡検出回路、開閉器を介して地絡直流電源に戻る地絡電流が流れる。地絡直流電源に接続された開閉器を開くと、地絡電流が流れなくなって地絡検出されなくなるから地絡直流電源を特定できる。これにより、その開閉器の開を維持して地絡直流電源を切り離すことができるので、電力変換装置を停止させることなく運転を継続することができる。

この場合において、地絡検出回路をＤＣ／ＤＣコンバータの２次側ではなく、開閉器の２次側を共通に接続した直流回路に接続することもできる。この場合でも、前述した経路で地絡電流が流れるので、１つの地絡検出回路で地絡直流電源を特定し、その開閉器の開を維持して地絡直流電源を切り離すことができる。なお、この場合、ＤＣ／ＤＣコンバータは絶縁型であってもよい。

さらに、上記電力変換装置のＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に直流電力を供給し、直流電源を直流負荷に替えた構成にすることもできる。

また、開閉器がそれぞれ接続された複数の交流負荷と、開閉器に接続されたＤＣ／ＡＣインバータとを備えた電力変換装置において、ＤＣ／ＡＣインバータの１次側に共通に接続された地絡検出回路と、該地絡検出回路による地絡検出時に開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた開閉器に接続された交流負荷を地絡交流負荷と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなるように構成することもできる。

これにより、前述した電力変換装置と同様の理由で、１つの地絡検出回路で地絡交流負荷を特定できる。すなわち、交流負荷で地絡が起きると、ＤＣ／ＡＣインバータの直流入力から開閉器、地絡交流負荷、大地を通り地絡検出回路を通って直流入力に戻る交流の地絡電流が流れる。地絡交流負荷に接続された開閉器を開くと、地絡電流が流れなくなって地絡検出されなくなるから地絡交流負荷を特定できる。これにより、その開閉器の開を維持して地絡交流負荷を切り離すことができるので、電力変換装置を停止させることなく運転を継続することができる。

さらに、上記電力変換装置の交流負荷を交流電源に替えた構成にすることもできる。

また、前述した電力変換装置の構成を組み合わせることで、１つの地絡検出回路により地絡直流電源又は地絡交流負荷を特定することができる。

本発明の電力変換装置は、例えば、直流電源を太陽電池、交流負荷を空調機系統とすることができ、公共施設等の大型の建物に好適である。

本発明によれば、複数の直流電源に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータ又は複数の交流負荷にそれぞれ接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータを備えた電力変換装置において、１つの地絡検出回路で地絡直流電源又は地絡交流負荷を特定することができる。

実施例１の電力変換装置の構成図である。直流電源地絡時の地絡電流の流れを示す図である。直流開閉器の開閉のタイミングチャートである。実施例２の電力変換装置の構成図である。交流負荷地絡時の地絡電流の流れを示す図である。交流開閉器の開閉のタイミングチャートである。実施例３の電力変換装置の構成図である。直流電源地絡時の直流開閉器、交流開閉器の開閉のタイミングチャートである。交流負荷地絡時の直流開閉器、交流開閉器の開閉のタイミングチャートである。実施例１の変形例の電力変換装置の構成図である。実施例２の変形例の電力変換装置の構成図である。実施例３の変形例の電力変換装置の構成図である。

以下、本発明の電力変換装置の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１に示すように、本実施例の電力変換装置１００は、直流開閉器１２１〜１２６がそれぞれ接続された複数の直流電源１１１〜１１６と、直流開閉器１２１〜１２６に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３と、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３の２次側に共通に接続されたＤＣ／ＡＣインバータ１４１と、ＤＣ／ＡＣインバータ１４１の２次側に接続された交流開閉器１５１とを備えて構成されている。電力変換装置１００の出力は、交流負荷１６０に接続されている。

複数の直流電源１１１〜１１６は、並列接続された複数（本実施例では２つ）の直流電源を１組としてそれぞれＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３に接続されている。また、直流電源部１１０は、複数の直流電源１１１〜１１６からなり、直流開閉器部１２０は、複数の直流開閉器１２１〜１２６からなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ部１３０は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３からなる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３は、複数の半導体スイッチング素子で構成されたチョッパ回路等からなり、ＤＣ／ＡＣインバータ１４１は、複数の半導体スイッチング素子で構成されたインバータ回路等からなっている。

ここで、本実施例の特徴となる構成は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３の２次側に共通に接続された地絡検出回路１７０と、地絡検出回路１７０による地絡検出時に直流開閉器１２１〜１２６を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた直流開閉器に接続された直流電源を地絡直流電源と特定してその直流開閉器の開を維持する開閉器制御部１７１とを備えていることである。

ここで、本実施例の動作について、図２の地絡電流１７３の流れを参照して説明する。なお、地絡検出回路１７０は図２に示す抵抗１７２、図示しないダイオード等で構成され、抵抗１７２に地絡電流１７３が流れることにより、地絡を検出するようになっている。なお、図３では省略しているが、地絡点１７４と地絡検出回路１７０の間には直流開閉器とＤＣ／ＤＣコンバータが接続されている。

１つの直流電源のＰ極側で地絡が発生すると、図２（ａ）に示すように、Ｐ極側から地絡点１７４、大地を通り、地絡検出回路１７０を通って直流電源のＮ極側に戻る地絡電流１７３が流れる。また、１つの直流電源のＮ極側で地絡が発生すると、図２（ｂ）に示すように、地絡点１７４から大地を通り、地絡検出回路１７０を通って直流電源のＰ極側を通る地絡電流１７３が流れる。

制御部１７１は地絡を検出すると、直流開閉器１２１〜１２６を順次開閉する。直流開閉器１２１〜１２６は、地絡検出回路１７０と直流電源１１１〜１１６の間にあるので、開いたときに地絡電流１７３が流れない直流開閉器が接続された直流電源を地絡直流電源として特定する。

図３に、地絡検出時の直流開閉器１２１〜１２６の開閉のタイミングを示す。本実施例では、直流開閉器１２１〜１２６の順で開閉を行う。直流開閉器１２４を開いたときに地絡電流１７３がなくなることから、直流開閉器１２４に接続された直流電源１１４を地絡直流電源として特定し、直流開閉器１２４の開を維持して地絡直流電源１１４を切り離す。以降の直流開閉器１２５，１２６の開閉は行わない。地絡検出から地絡切り離しまでは数秒間で、この程度であれば地絡電流１７３が流れても大きな影響はない。

以上説明したように、本実施例によれば、１つの地絡検出回路１７０により地絡直流電源を特定し、その直流開閉器の開を維持して地絡直流電源を切り離すことができるので、電力変換装置１００を停止させることなく運転を継続することができる。

実施例２の構成について、図４を参照して説明する。図４に示すように、本実施例の電力変換装置１０１は、交流開閉器１５１〜１５３がそれぞれ接続された複数の交流負荷１６０〜１６２と、交流開閉器１５１〜１５３にそれぞれ接続された複数のＤＣ／ＡＣインバータ１４１〜１４３とを備えている。電力変換装置１０１の入力は、直流入力である。交流開閉器部１５０は複数の交流開閉器１５１〜１５３からなり、インバータ部１４０は複数のＤＣ／ＡＣインバータ１４１〜１４３からなる。

本実施例の特徴となる構成は、ＤＣ／ＡＣインバータ１４１〜１４３の１次側に共通に接続された地絡検出回路１７０と、地絡検出回路１７０による地絡検出時に交流開閉器１５１〜１５３を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた交流開閉器に接続された交流負荷を地絡交流負荷と特定してその交流開閉器の開を維持する開閉器制御部１７１とを備えていることである。

本実施例の動作について、図５の交流の地絡電流１７５の流れを参照して説明する。なお、地絡検出回路１７０と開閉器制御部１７１の構成、動作は実施例１と同様であり、図５では省略しているが、地絡検出回路１７０の紙面右側にはＤＣ／ＡＣインバータと交流開閉器が接続されている。

１つの交流負荷で地絡が発生すると、ＤＣ／ＡＣインバータ、開閉器、地絡点から大地を通り、地絡検出回路１７０を通って直流入力のＮ極側又はＰ極側を流れる図５に示すような交流の地絡電流１７５が流れる。

制御部１７１は地絡を検出すると、交流開閉器１５１〜１５３を順次開閉する。交流開閉器１５１〜１５３は、地絡検出回路１７０と交流負荷１６０〜１６２の間にあるので、開いたときに地絡電流１７５が流れない交流開閉器が接続された交流負荷を地絡した交流負荷として特定する。

図６に、地絡検出時の交流開閉器１５１〜１５３の、開閉のタイミングを示す。本実施例では、交流開閉器１５１〜１５３の順で開閉を行い、交流開閉器１５３を開いたときに地絡電流１７５がなくなることから、交流開閉器１５３に接続された交流負荷１６２を地絡した交流負荷として特定し、交流開閉器１５３の開を維持して地絡点１７４を切り離す。地絡検出から地絡切り離しまでは数秒間で、この程度であれば地絡電流１７５が流れても大きな影響はない。

以上説明したように、本実施例によれば、１つの地絡検出回路１７０により地絡交流負荷を特定し、その交流開閉器の開を維持して地絡交流負荷を切り離すことができるので、電力変換装置１０１を停止させることなく運転を継続することができる。

実施例３の構成について、図７を参照して説明する。図７に示すように、本実施例の電力変換装置１０２は、実施例１の実施例２の電力変換装置を組み合わせたものである。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１３１〜１３３の２次側にＤＣ／ＡＣインバータ１４１〜１４３を共通に接続している。

地絡検出回路１７０と開閉器制御部１７１の構成、動作は実施例１，２と同様であり、開閉器制御部１７１は、地絡検出回路１７０による地絡検出時に直流開閉器１２１〜１２６及び交流開閉器１５１〜１５３を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた直流開閉器に接続された直流電源を地絡直流電源、または、地絡が解消した際に開けた交流開閉器に接続された交流負荷を地絡交流負荷と特定してその開閉器の開を維持するように構成されている。

図８に直流電源１１４が地絡したとき、図９に交流負荷１６２が地絡したときの直流開閉器１２１〜１２６、交流開閉器１５１〜１５３の開閉のタイミングを示す。本実施例では、直流開閉器１２１〜１２６、交流開閉器１５１〜１５３の順で開閉を行う。

図８では、直流開閉器１２４を開いたときに地絡電流１７３がなくなることから、直流開閉器１２４に接続された直流電源１１４を地絡直流電源として特定し、直流開閉器１２４の開を維持して直流電源１１４を切り離す。

図９では、交流開閉器１５３を開いたときに地絡電流１７５がなくなることから、交流開閉器１５３に接続された交流負荷１６２を地絡交流負荷として特定し、交流開閉器１５３の開を維持して交流負荷１６２を切り離す。

以上説明したように、本実施例によれば、電力変換装置１００，１０１の構成を組み合わせることで、１つの地絡検出回路１７０により地絡直流電源又は地絡交流負荷を特定し、その直流開閉器又は交流開閉器の開を維持して地絡直流電源又は地絡交流負荷を切り離すことができるので、電力変換装置１０２を停止させることなく運転を継続することができる。

以上、実施例１乃至３について説明したが、本発明は、これらに限らず適宜構成を変更して適用することができる。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータは１つのみでもよく、接続される直流電源は３つ以上であってもよい。

また、１つの直流電源と直流開閉器とが接続されたＤＣ／ＤＣコンバータを複数備えた電力変換装置を構成してもよい。また、１つのＤＣ／ＡＣインバータに交流開閉器と交流負荷とを複数接続してもよい。

また、実施例１の場合、地絡検出回路を直流開閉器の２次側でＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に設けてもよく、実施例２の場合、地絡検出回路をＤＣ／ＡＣインバータの２次側で交流開閉器の１次側に設けてもよい。実施例３の場合、地絡検出回路を実施例１，２の場合の位置にそれぞれ設けることもできる。

本発明は、直流電源として太陽電池、交流負荷として空調機を適用した公共施設、ドーム等の大型の建物に好適である。すなわち、太陽電池パネルを屋根に多数配置し、その電力により建物内の空調機を運転する。太陽電池パネルは屋外であることから、電力変換装置内よりも太陽電池のほうが地絡の可能性があり、また、交流負荷が空調機であれば、太陽電池切り離しによる電力低下が起きても大きな問題とはならないため、本発明が効果を奏する。

また、実施例１の変形例として、図１０のような電力変換装置１０３を構成することができる。すなわち、電力変換装置１００の直流電源１１１〜１１６を直流負荷部１９０の直流負荷１９１〜１９６に、交流負荷１６０を交流電源１８０に替えたものである。電力変換装置１０３でも、直流開閉器１２１〜１２６を順次開閉することにより、地絡直流負荷を特定することができる。

また、実施例２の変形例として、図１１のような電力変換装置１０４を構成することができる。すなわち、電力変換装置１０１の交流負荷１６０〜１６２を交流電源１８０〜１８２に替えたものである。電力変換装置１０４でも、交流開閉器１５１〜１５３を順次開閉することにより、地絡交流電源を特定することができる。

また、実施例３の変形例として、図１２のような電力変換装置１０５を構成することができる。すなわち、電力変換装置１０２の直流電源１１１〜１１６を直流負荷１９１〜１９６に、交流負荷１６０〜１６２を交流電源１８０〜１８２に替えたものである。電力変換装置１０５でも、直流開閉器１２１〜１２６及び交流開閉器１５１〜１５３を順次開閉することにより、地絡直流負荷又は地絡交流電源を特定することができる。この変形例において、交流電源として風力発電装置を、直流負荷として、ＬＥＤ等を適用することができる。

１００，１０１，１０２電力変換装置
１１１〜１１６直流電源
１２１〜１２６直流開閉器
１３１〜１３３ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４１〜１４３ＤＣ／ＡＣインバータ
１５１〜１５３交流開閉器
１６０〜１６２交流負荷
１７０地絡検出回路
１７１開閉器制御部
１８０交流電源
１９１〜１９６直流負荷

Claims

開閉器がそれぞれ接続された複数の直流電源と、前記開閉器に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた開閉器に接続された直流電源を地絡直流電源と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
開閉器がそれぞれ接続された複数の直流負荷と、前記開閉器に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの１次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた開閉器に接続された直流負荷を地絡直流負荷と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
開閉器がそれぞれ接続された複数の交流負荷と、前記開閉器に接続されたＤＣ／ＡＣインバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＡＣインバータの１次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた開閉器に接続された交流負荷を地絡交流負荷と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
開閉器がそれぞれ接続された複数の交流電源と、前記開閉器に接続されたＤＣ／ＡＣインバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＡＣインバータの２次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた開閉器に接続された交流電源を地絡交流電源と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
直流開閉器がそれぞれ接続された複数の直流電源と、前記直流開閉器に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、交流開閉器がそれぞれ接続された複数の交流負荷と、１次側が前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に接続され、２次側が前記交流開閉器に接続されたＤＣ／ＡＣインバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記直流開閉器及び前記交流開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた直流開閉器に接続された直流電源又は交流開閉器に接続された交流負荷を地絡直流電源又は地絡交流負荷と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
交流開閉器がそれぞれ接続された複数の交流電源と、前記交流開閉器に接続されたＤＣ／ＡＣインバータと、直流開閉器がそれぞれ接続された複数の直流負荷と、１次側が前記ＤＣ／ＡＣインバータの２次側に接続され、２次側が前記直流開閉器に接続されたＤＣ／ＤＣコンバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記直流開閉器及び前記交流開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた直流開閉器に接続された直流電源又は交流開閉器に接続された交流負荷を地絡直流電源又は地絡交流負荷と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。
直流開閉器がそれぞれ接続された複数の太陽電池と、前記直流開閉器に接続された非絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータと、交流開閉器がそれぞれ接続された複数の空調機系統と、１次側が前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に接続され、２次側が前記交流開閉器に接続されたＤＣ／ＡＣインバータとを備えた電力変換装置において、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータの２次側に共通に接続された地絡検出回路と、
該地絡検出回路による地絡検出時に前記直流開閉器及び前記交流開閉器を順次開閉し、地絡が解消した際に開けた直流開閉器に接続された太陽電池又は交流開閉器に接続された空調機系統を地絡した太陽電池又は空調機系統と特定して当該開閉器の開を維持する開閉器制御部とを備えてなることを特徴とする電力変換装置。