JP2011024392A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、双方向チョッパやフルブリッジなどの単位セルをカスケードに接続したカスケード変換器において、特定の単位セルの直流コンデンサのみ直流コンデンサを充電して、該単位セルのみ動作確認する。
【解決手段】双方向チョッパ回路などで構成された単位セルをカスケードに接続したカスケード変換器において、直流リンクに可変電源を接続し、かつ、初充電時に選択した単位セル以外の単位セルの下アームIGBTをオンする手段を備えたことを特徴とするものである。
【選択図】 図1

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に変圧器を介して交流系統と連系する電力変換装置に関する。
〔非特許文献1〕は、オン・オフ制御が可能なスイッチング素子(Insulated-gate bipolar transistor:IGBTなど)を使用し、該スイッチング素子の耐圧を超える高電圧を出力できる電力変換装置の一方式として、モジュラー・マルチレベル変換器(MMC)を提案している。
MMCは、直流コンデンサに接続された双方向チョッパ回路やフルブリッジ回路を単位セルとして、その入出力端子をカスケードに接続した変換器である。MMCは、単位セルのPWM制御用搬送波の位相を単位セル毎にずらすことにより、出力電圧高調波を抑制できるという特徴を持つ。前記MMCは無効電力出力装置や有効電力貯蔵装置等の系統連系電圧型変換器として使用できることが知られている。
該マルチレベル変換器を系統に接続したときに、各単位セルの直流コンデンサが充電されていないと、単位セルの双方向チョッパ回路やフルブリッジ回路を構成するダイオードを介して、該直流ンデンサに突入電流として過大な電流が流れこんでしまう。この対策として、〔非特許文献1〕では、該直流コンデンサを安全に充電する方式として、交流系統から抵抗を介して各直流コンデンサに充電する初充電方式が開示されている。
萩原誠・赤木泰文:「モジュラー・マルチレベル変換器(MMC)のPWM制御法と動作検証」、電気学会論文誌D、128巻7号、pp.957−965
電力系統など交流電圧源に接続する電圧型変換器は、該電圧型変換器を系統に連系する際に、該電力変換器の出力する交流電圧が交流電圧源の電圧と大きく異なると、該電圧型電力変換器に過電流が通流してしまう。したがって、電圧型電力変換器であるMMCを交流電圧源に接続する際は、各単位セルの直流コンデンサを充電するだけでなく、該MMCは系統電圧とほぼ等しい電圧を出力する必要がある。
該MMCは各単位セルの合成電圧を出力するので、MMCは系統に接続する前に、各単位セルの健全性、すなわち各単位セルが所定の電圧を出力できることを確認することが必要である。
前記各単位セルの健全性を確認するフェーズでは、安全確保のために、動作確認するセルの直流コンデンサのみに電圧を印加して、単位セルを一つ一つ順に動作確認をすることが好ましい。
しかし、〔非特許文献1〕に記載されている様に、系統から抵抗器を介して初充電を行うと、全ての単位セルの直流コンデンサに同時に初充電してしまい、任意のセルのみに初充電することが困難である。
本発明の目的は、双方向チョッパやフルブリッジなどの単位セルをカスケードに接続した電力変換装置において、特定のセルのみに初充電する機能を有する電力変換装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明は単位セルをカスケードに接続した構成を備えた電力変換装置において、該電力変換装置は、直流リンクに接続した可変電源を有し、かつ、初充電時に選択したセルの直流コンデンサのみに初充電する機能を備えたことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、前記可変電圧源が直流電圧源であることを特徴とするものである。
また、上記課題を解決するために、本発明は単位セルをカスケードに接続した構成を備えた変換器において、該電力変換装置は、交流系統との間に可変電圧変圧器を有し、かつ、初充電時に選択したセル以外のセルの半導体素子をオンする手段を備えたことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、該電力変換装置はモジュラー・マルチレベル・コンバータの構成を備えたことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、該電力変換装置の単位セルは双方向チョッパの構成を備えたことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、該電力変換装置の単位セルはフルブリッジ回路を備えたことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、該電力変換装置は三相交流系統と接続されることを特徴とするものである。
本発明の電力変換装置によれば、初充電時に選択した単位セル以外の単位セルの双方向チョッパ回路の下アームIGBTをオンする手段を有していれば、選択した単位セル以外の単位セルの下アームIGBTをオンすることにより、各直流コンデンサへの充電電流を下アームのIGBTによりバイパスされ、選択されていない単位セルの直流コンデンサへの充電を防止できる。
また、本発明の電力変換装置によれば、直流リンクに接続した直流可変電源の電圧を調節しながら、例えば、直流可変電圧源の電圧の最大値を単位セルの直流コンデンサの定格電圧に設定して、初充電を行うことにより、該直流コンデンサへの過電圧印加・過充電を防止できる。
本発明の電力変換装置においては、特定の単位セルのみに初充電することが可能になり、電圧を印加した特定の単位セルのみの動作試験が可能になり、系統連系前に事前に安全に動作確認を実現できる。
本発明の第1の実施形態を示す回路図。 本発明の第1の実施形態の一部を示す回路図。 本発明の第2の実施形態の一部を示す回路図。 本発明の第3の実施形態を示す回路図。
〔実施例1〕
本発明を実施する第1の形態について説明する。
実施例1では、MMC(モジュラー・マルチレベル・コンバータ)を例として、本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1の実施形態を表した回路図である。まず、図1を用いて、本発明の電力変換システム101の構成を説明する。
本発明の電力変換器101は、6個のカスケードアーム113(113Up〜113Wn),アームリアクトル201(201Up〜201Wn)と連系トランス102,遮断器202,セル初充電回路252で構成される。
単位セル120は、図2のような双方向チョッパ120Cで構成される。双方向チョッパ120Cは、半導体素子のIGBT並列体402PとIGBT並列体402Nで構成されるIGBTレッグ411と、該IGBTレッグ411に接続された直流コンデンサ406を備えている。
IGBT並列体402P,402Nはそれぞれ、IGBT451と該IGBT451に逆並列に接続されたダイオード452から構成される。該IGBT並列体402Nのアノードとカソードはそれぞれ、各単位セル120の出力端子400Pと出力端子400Nとして機能する。カスケードアーム113(113Up,113Un,113Vp,113Vn,113Wp,113Wn)113の両端の端子(600U〜W,602U〜W,603U〜W,604U〜W)、すなわちカスケードアーム113の出力端子として機能する各単位セルの出力端子400P,400Nを除き、各単位セル120の出力端子400Nは他の単位セルの出力端子400Pに、各単位セルの出力端子400Pは他の単位セルの出力端子400Nに接続される。
U相のカスケードアーム113Up,113Unはそれぞれ、アームリアルトル201Up,201Unと接続される。同様に、V相,W相のカスケードアーム、113Vp,113Vn,113Wp,113Wnもそれぞれアームリアクトル201Vp,201Vn,201Wp,201Wnに接続される。高圧側の各カスケードアーム113Up,Vp,Wpの他方の端子(600U〜W)は、それぞれ各カスケードアーム113Up,113Vp,113Wpの該他方の端子(600U〜W)にそれぞれ電気的に接続されるとともに、初充電回路252の高圧側端子に接続される。前記接続点のことを600Pと呼ぶ。低圧側の各カスケードアーム113Un,113Vn,113Wnの他方の端子(604U〜W)は、それぞれ各カスケードアーム113Un,113Vn,113Wnの該他方の端子にそれぞれ電気的に接続されるともに、初充電回路252の低圧側端子に接続される。前記接続点を600Nと呼ぶ。なお、該初充電回路252は、可変電圧源250とコンタクタ251で構成される。
また、アームリアクトル201Upと201Unの中点650U、アームリアクトル201Vpと201Vnの中点650V、アームリアクトル201Wpと201Wnの中点650Wはそれぞれ、3相トランス102とコンタクタ202を介して三相系統100に接続される。次に、本発明の電力変換システム101の動作について説明する。
まず、電力変換システム101を構成する電力変換器105の各相の出力電圧について説明する。但し、特に断らない限り、電力変換システム101のN側端子600Nを基準電位とする。また、各レッグの中点650U〜650W、すなわちリアクトル201Upと202Un、リアクトル201Vpと201Vn、リアクトル201Wpと201Wnの各接続点は各相のレッグの入出力端子に相当し、その電位を電力変換器105の各相出力電圧と定義する。
また、高圧側のカスケードアーム113Up〜113Wpの低圧側の入出力端子602U〜602Wの電位を内側カスケードアーム電圧V113Up,V113Vp,V113Wpと定義する。同様に低圧側のカスケードアーム113Un〜113Wnの高圧側の入出力端子603U〜603Wの電位を内側カスケードアーム電圧V113Un,V113Vn,V113Wnと定義する。
高圧側の各カスケードアーム113Up,113Vp,113Wpの高圧側入出力端子はいずれも同じ電位の600Pと接続され、低圧側の各カスケードアーム113Un,113Vn,113Wnの低圧側端子はいずれも600Nと接続されているが、電力変換器105のP端子600Pの電位をPN電圧と定義する。
本発明の電力変換システム101の通常動作を説明する。
本電力変換システム101と系統間の融通電力は、該電力変換変換システムの各相出力電圧の振幅と位相を系統電圧を基準に調整することにより制御できる。
本発明の電力変換システム101を構成する電力変換器105の各相出力電圧は、大略相の各内側カスケード電圧の平均となる。例えば、U相では内側カスケード電圧V113UpとV113Unの平均値、V相では内側カスケード電圧V113VpとV113Vnの平均値、W相では内側カスケード電圧V113WpとV113Wnの平均値である。したがって、電力変換器105の各相出力電圧は、内側カスケード電圧により制御できる。
一方、内側カスケード電圧は次のように制御できる。
電力変換システム101のP側の各カスケードアーム113Up,113Vp,113Wpの両端の入出力端子間(600Uと602U間、600Vと602V間、600Wと602W間)に印加される電圧は、各カスケードアーム113Up,113Vp,113Wpを構成する各単位セル120の出力電圧の合成電圧である。同様に、電力変換システム101のN側の各カスケードアーム113Un,113Vn,113Wnの両端の電圧(603Uと604U間、603Vと604V間、603Wと604W間)に印加も、各カスケードアーム113Un,113Vn,113Wnを構成する各単位セル120の出力電圧の合成電圧となる。したがって、下側カスケードアームの内側カスケード電圧113Un,113Vn,113Wnは各下カスケードアームの各単位セル120の出力電圧により制御できる。一方、P側の内側カスケード電圧113Up,113Vp,113Wpも電力変換システム101のP端子電圧600Pを基準に各P側カスケードアーム構成す各単位セル120の出力電圧により制御できる。
したがって、各単位セル120の出力電圧を制御することにより、系統100と本変換システム101の間の電力融通量を制御できる。単位セル120の出力電圧はIGBTレッグ411をPWM制御することにより調整するので、各単位セルの直流コンデンサ406を所定の電圧まで充電する必要がある。
次に、該電力変換システム101の運転前のシーケンスについて説明する。
まず、一つの単位セル120のIGBT並列体402NのIGBT451のみをオフして、他の単位セル120のIGBT並列体402NのIGBT451は全てオンする。
次に、初充電回路252のコンタクタ251をオンする。該初充電回路252の可変電圧源250の電圧を徐々に高くしても、IGBT並列体402NのIGBTをオンした単位セル120の出力端子は、オンしたIGBT451により短絡され、該単位セルの直流コンデンサ406は充電されない。一方、IGBT並列体402NのIGBT451をオフした単位セル120では、IGBT並列体406Pのダイオード452を経由して直流コンデンサ406が充電され、該直流コンデンサ406の電圧を昇圧できる。可変電圧源250の出力する最大電圧まで、該直流コンデンサ406の電圧を昇圧できる。すなわち、可変電圧源の出力電圧を調整することにより、該直流コンデンサの電圧を所定の電圧まで昇圧する。このように特定の単位セル120のIGBT並列体402NのIGBT451のみをオフ、他の単位セル120のIGBT並列体402NのIGBT451を全てオフとすることにより、一つの単位セル120の直流コンデンサ406のみを初充電できる。
次に、該直流コンデンサ406を充電した単位セル120の検証を行う。
該直流コンデンサ406を充電した単位セルの各IGBT並列体402P,402NをPWM制御でスイッチングする。該単位セル120の入出力端子が所定の電圧を出力することを確認して、該単位セル120の健全性を確認する。その後、初充電回路252の可変直流電圧源250の電圧を下げ、コンタクタ251を開き、該直流コンデンサ406を充電した単位セル120のIGBT並列体406PのIGBTはオフにする。この一連の動作により、一つの単位セルの動作検証が完了する。
次に、該直流コンデンサ406を充電した単位セル120と異なる一つの単位セル120のIGBT並列体406NのIGBT451のみをオフにする。このような状態で初充電回路252のコンタクタ251をオンにして、可変直流電圧源250の電圧を徐々に昇圧して、該単位セル120の直流コンデンサ406を充電して、該セルの動作確認を行う。この繰り返しで、一つ,一つの単位セル120の動作を確認する。
全ての単位セル120の動作を確認後、変換システム101が系統電圧と同じ電圧を出力できることを確認して、系統100と連系する。単位セル120の健全性を確認してから、系統100と接続するので、製作不良などを事前に発見して、系統連系時の事故を防止することが実現できる。
〔実施例2〕
第1の実施例の電力変換器101は単位セル120がチョッパ120Cで構成されていたのに対し、第2の実施例は単位セル120がフルブリッジ120Fで構成されていることを特徴とする。
まず、第2の実施例の電力変換器101の構成を説明する。前述のように、第1の実施例とは単位セル120の構成のみが異なるので、単位セル120の構成のみ説明する。
図3は第2の実施例の単位セル120を構成するフルブリッジ回路120Fの構成を示す。該フルブリッジ回路120FはIGBTレッグ411(411L,411R)を2並列にして、直流コンデンサ406と接続した構成である。各IGBTレッグ411は、第1の実施例と同様にIGBT並列体402(402P,402N)を直列に接続した構成である。IGBT並列体402PとIGBT並列体402Nとの接続部に入出力端子400(400L,400R)を設け、各単位セルの入出力端子400同士がカスケード接続される。
次に本実施例の電力変換システム101の動作について説明する。本実施例は単位セルを構成するフルブリッジ回路の入出力端子に正負の電圧を出力できることを除けば、第1の実施例と基本的に同等であるので、特定の単位セル120の直流コンデンサ406のみを充電する際の各単位セル120の動作のみを説明する。
第2の実施例の電力変換システム101では、直流コンデンサ406を充電したい単位セル120のみ、該単位セル120を構成するIGBT451を全てゲートブロックする。
一方、他の各単位セル120では、該各単位セルを構成する二つのIGBT並列体402Pをいずれもオン、もしくは、該単位セルを構成する二つのIGBT並列体402NのIGBTをいずれもオンして、該単位セル120の入出力端子400Lと400Rを短絡する。
すべてのIGBT451をゲートブロックした単位セル120以外の各単位セル120では、各単位セル120の入出力端子400L,400Rが短絡されているので、初充電回路252のコンタクタ251をオンして、該初充電回路252の可変電圧源250の電圧を徐々に高くすると、全てのIGBT451をゲートブロックした単位セル120の直流コンデンサ406のみを充電できる。
なお、定常時は、第1の実施例と同様に、単位セル120を構成する各フルブリッジ回路120Fの各IGBTレッグ411は、いわゆるPWM制御により制御する。フルブリッジを構成するIGBTレッグ411LとIGBTレッグ411Rはそれぞれ、正負反転した電圧指令値を与えてPWM変調する。フルブリッジ回路120Fの入出力端子すなわち、単位セル120の入出力端子間400L,400R間には前記電圧指令値の差電圧相当のパルス電圧が出力される。単セルの出力電圧はIGBTレッグ411LとIGBTレッグ411Rの差電圧であるので、第1の実施例では単位セル120は零もしくは正電圧しか出力できなかったのに対して、正負両極性の電圧を出力できるというメリットがある。また、実施例1よりも単位セル120の出力する高調波電圧成分を抑制することが実現できる。
〔実施例3〕
第3の実施例は、交流系統100から初充電する機能を有することを特徴とする。本実施例の変換器の構成を図4に示す。図1の構成の電力変換システム101は初充電回路252を有していたのに対し、本実施例の変換器101は初充電回路252のかわりに、可変電圧変圧器102Cを有することを特徴とする。
単位セル120の動作は実施例1,2と同じであるが、任意の単位セル120に初充電する際に実施例1,2では、コンタクタ202を開いた状態で、初充電コンタクタ251を閉じて、可変直流電圧源250の電圧を調整しながら、任意の単位セル120の直流コンデンサ406に初充電したのに対し、本実施例では、コンタクタ202を閉じて、可変電圧変圧器120Cの出力電圧を調整しながら、単位セル120の直流コンデンサ406に初充電する。
これにより、本実施では交流側の電圧を調整しながら初充電することにより、任意の単位セル120の直流コンデンサ406を過充電することなく、所定の電圧値に初充電することが可能になる。
本発明は、無効電力補償装置(STATCOM)やBack−to−Backシステム(周波数変換装置など),直流送電システム(HVDC),モータドライブなどに用いることが可能である。
100 三相電力系統
101 電力変換器システム
102 連系変圧器
102C 可変電圧変圧器
105 電力変換器
113Up,113Vp,113Wp,113Un,113Vn,113Wn カスケードレッグ
120 単位セル
121C 双方向チョッパ
121F フルブリッジ回路
201Up,201Vp,201Wp,201Un,201Vn,201Wn アームリアクトル
202 遮断機
250 可変直流電圧源
251 コンタクタ
252 初充電回路
400P,400N,400L,400R 単位セル出力端子
402P,402N IGBT並列体
406 直流コンデンサ
411,411L,411R IGBTレッグ
451 IGBT
452 ダイオード
600U カスケードレッグ113Upの高圧側端子
600V カスケードレッグ113Vpの高圧側端子
600W カスケードレッグ113Wpの高圧側端子
602U カスケードレッグ113Upの低圧側端子
602V カスケードレッグ113Vpの低圧側端子
602W カスケードレッグ113Wpの低圧側端子
603U カスケードレッグ113Unの高圧側端子
603V カスケードレッグ113Vnの高圧側端子
603W カスケードレッグ113Wnの高圧側端子
604U カスケードレッグ113Unの低圧側端子
604V カスケードレッグ113Vnの低圧側端子
604W カスケードレッグ113Wnの低圧側端子
650U,650V,650W 電力変換器105のU相入出力端子

Claims (7)

  1. 単位セルをカスケードに接続した構成を備えた電力変換装置において、
    該電力変換装置は、直流リンクに接続した可変電源を有し、かつ、初充電時に選択したセルの直流コンデンサのみに初充電する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項1の電力変換装置において、
    前記可変電圧源が直流電圧源であることを特徴とした電力変換システム。
  3. 単位セルをカスケードに接続した構成を備えた変換器において、
    該電力変換装置は、交流系統との間に可変電圧変圧器を有し、かつ、初充電時に選択したセル以外のセルの半導体素子を、該単位セルの直流コンデンサの初充電前にオンする手段を備えたことを特徴とする電力変換システム。
  4. 請求項1乃至3のうちの1つの電力変換装置において、
    該電力変換装置はモジュラー・マルチレベル・コンバータの構成を備えたことを特徴とした電力変換装置。
  5. 請求項1乃至4のうちの1つの電力変換装置において、
    該電力変換装置の単位セルは双方向チョッパの構成を備えたことを特徴とした電力変換装置。
  6. 請求項1乃至4のうちの1つの電力変換装置において、
    該電力変換装置の単位セルはフルブリッジ回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項1乃至6のうちの1つの電力変換装置において、
    該電力変換装置は三相交流系統と接続されることを特徴とする電力変換装置。
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