JP2011223760A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】半導体電力変換装置を氷点下に下がるような寒冷地に設置すると、水冷の電力変換システムでは、冷却水が凍結して冷却水を流せなくなり、半導体を冷却できなくなる可能性がある。また、風冷の電力変換システムでも冷却フィンが結露して凍結するとそれが障害となり、風の流れが設計時の想定と変わってしまい、そのまま運転すると十分な冷却効果を得られない可能性がある。本発明は交流系統への影響を最小限にして冷却フィンに付着した凍結物を安全に溶解することを目的とする。
【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構成を有するカスケード変換器システムにおいて、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相をデルタ結線に接続されたカスケード変換器システムであり、かつ、デルタ結線されたカスケードアームに零相循環電流を通流することにより、接続された系統に影響を与えることなく、冷却フィンの水を溶かして冷却性能を回復できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換システムに関する。具体的には、変圧器を介して交流系統と連系する電力変換システムに関する。
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、カスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）を提案している。
ＣＭＣ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。ＣＭＣ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ＣＭＣ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。
ＣＭＣなどの半導体電力変換装置は半導体などに電流が通流すると該半導体が発熱する。通常は水冷や風冷の冷却フィンにＩＧＢＴを搭載して、該半導体から発生する熱を放散させる。
半導体電力変換装置を氷点下に下がるような寒冷地に設置すると、水冷の電力変換システムでは、冷却水が凍結して冷却水を流せなくなり、半導体を冷却できなくなる可能性がある。また、風冷の電力変換システムでも冷却フィンが結露して凍結するとそれが障害となり、風の流れが設計時の想定と変わってしまい、そのまま運転すると、十分な冷却効果を得られず、半導体が故障する可能性がある。
本発明は、交流系統への影響を最小限にして、冷却フィンに付着した凍結物を安全に溶解することを目的とする。
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構成を有するカスケード変換器システムにおいて、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相をデルタ結線に接続されたカスケード変換器システムであり、かつ、デルタ結線されたカスケードアームに零相循環電流を通流することにより、接続された系統に影響を与えることなく、冷却フィンの水を溶かすことができる。
氷点下以下に設置する電力変換器において、系統に影響を与えることなく、凍結した水を溶かし、設計通りの冷却性能を実現する電力変換器を実現できる。
本発明の電力変換システムの実施形態を示す回路図。 本発明の実施形態の一部を示す回路図。 本発明の実施形態の一部を示す回路図。 本発明の電力変換システムの実施形態を示す実装図。 本発明の電力変換システムの実施形態を示す実装図。
以下、本発明を実施例に基づいて説明する。
本発明を実施する第１の形態について説明する。
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、本発明の電力変換器システム１０１の構成を説明する。
本発明の電力変換器システム１０１は、電力変換器１０５，連系リアクトル２０１（２０１Ｕ〜２０１Ｗ），遮断機２０２等の開閉器で構成される。連系リアクトル２０１は連系インピーダンスとして機能し、連系トランスで代用しても良い。また、後述するアームリアクトル２９１ＵＶ，２９１ＶＷ，２９１ＷＵが零相インピーダンスのみではなく、正相インピーダンスと逆相インピーダンスをも有するときは、連系リアクトル２０１は省略してもよい。
電力変換器１０５は３個のカスケードアーム１１３（１１３ＵＶ，１１３ＶＷ，１１３ＷＵ）とアームリアクトル２９１ＵＶ，２９１ＶＷ，２９１ＷＵで構成される。
また、図２も本発明の実施形態を表した回路図である。
カスケードアーム１１３は、単位セル１２０がカスケードに接続された構造であり、該単位セル１２０は、図３のようなフルブリッジ１２０Ｆで構成される。該単位セル１２０は図２のようなチョッパ回路１２０Ｃで構成されてもよいが、フルブリッジ回路の方が制御の自由度が高いので、以下、単位セル１２０がフルブリッジ回路構成の電力変換システムを例にとり、説明する。
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、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の接続部に入出力端子４００（４００Ｌ，４００Ｒ）を設け、原則、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。
より、詳細に記載すると、カスケードアーム１１３（１１３Ｕ，１１３Ｖ，１１３Ｗ）の両端の端子（６０２Ｕ〜Ｗ，６０３Ｕ〜Ｗ）以外の各単位セル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。
各カスケードアーム１１３（１１３Ｕ，１１３Ｖ，１１３Ｗ）の一方の端子は他のカスケードアーム１１３に接続され、もう一方の端子はアームリアクトル２９１ＵＶ，２９１ＶＷ，２９１ＷＵに接続される。
該電力変換器１０５は、遮断機２０２などを介して三相電力系統１００と接続される。
次に、本発明の電力変換器システム１０１の動作について説明する。
なお各カスケードアーム１１３（１１３ＵＶ，１１３ＶＷ，１１３ＷＵ）の端子間の電圧を内側カスケード電圧Ｖ１１３（Ｖ１１３Ｕ，Ｖ１１３Ｖ，Ｖ１１３Ｗ）と定義する。
本電力変換器システム１０１と三相電力系統１００間の融通電力は、該電力変換器システム１０１の内側カスケード電圧Ｖ１１３（Ｖ１１３Ｕ，Ｖ１１３Ｖ，Ｖ１１３Ｗ）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。
一方、内側カスケード電圧Ｖ１１３は次のように制御できる。
内側カスケード電圧Ｖ１１３（Ｖ１１３Ｕ，Ｖ１１３Ｖ，Ｖ１１３Ｗ）は、各カスケードアーム１１３Ｕ，１１３Ｖ，１１３Ｗを構成する各単位セル１２０の出力電圧の合成電圧である。したがって、内側カスケード電圧Ｖ１１３Ｕ，Ｖ１１３Ｖ，Ｖ１１３Ｗは各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。
単位セル１２０の出力電圧は各ＩＧＢＴレッグ４１１をＰＷＭ制御することにより制御するので、各単位セルの直流コンデンサ４０６を所定の電圧に制御する必要がある。
次に、単位セルの各ＩＧＢＴ並列体４０２Ｐ，４０２Ｎの冷却について説明する。各ＩＧＢＴ並列体は４０２Ｐ，４０２Ｎは図４や図５に示すような冷却フィン７１（７１Ｆ，７１Ｗ）に搭載される。図５は水冷フィン７１Ｗの一例である。銅やアルミなどの高熱伝導性物質のブロック内に水路が形成され、該水路に冷却水９９１を通流することによりＩＧＢＴ並列体４０２Ｐ，４０２Ｎなどの半導体から発生する熱が冷却水９９１に移動して、運搬除去されることにより該半導体を冷却する。この水路の一部が凍結して凍結体９９９が形成されると冷却水が流れなくなる。凍結体９９９が存在する箇所については、半導体から発生した熱が凍結体９９９に吸収されるので冷却できるが、他の部分は水が通流しないので、半導体で発生した熱を処理できず、ＩＧＢＴ並列体４０２Ｐや４０２Ｎが故障する可能性がある。
図４は風冷冷却フィンの一例を示す。風冷冷却フィン７１Ｆ内を風９９０が通ることにより、ＩＧＢＴ並列体４０２Ｐ，４０２Ｎなどの半導体から発生する熱が風に移動して運搬除去されることにより該半導体を冷却する。冷却フィン７１Ｆの一部に結露，凍結して凍結体９９９が形成されると風路が変わり、凍結体９９９の裏には風が通らず、半導体で発生した熱を処理できず、ＩＧＢＴ並列体４０２Ｐや４０２Ｎが故障する可能性がある。
図１の電力変換システムのような、カスケード型の電力変換器をデルタ結線に、零相電流のみを通流させる機能を付加させると、理想的には三相電力系統１００へ電流を通流することなく、零相循環電流のみを適度な大きさに調整しながら、ＩＧＢＴ並列体４０２Ｐや４０２Ｎを適度に発熱させて、凍結体９９９を溶かすことができる。凍結体９９９が溶解すれば、冷却フィン７１は冷却性能を回復できる。零相電流を通流させるためには、各内側カスケード電圧Ｖ１１３Ｕ，Ｖ１１３Ｖ，Ｖ１１３Ｗは同じ電圧を出力し、電力変換器１０５は零相電圧を出力する。三相電力系統１００と電力変換器１０５の間には零相パスがないので、三相電力系統１００に電流は流れない。すなわち、三相電力系統１００に電流を流すことなく、ＩＧＢＴ並列体４０２Ｐ，４０２Ｎなどが故障しないように、零相電流を適度な大きさに調整して、凍結体９９９を溶解することができる。但し、現実には零相電流通流によって発生した損失を補償するエネルギーを三相電力系統１００から供給するためにごくわずかな電流を通流する必要がある。
また、図１の電力変換システムのようなカスケード型のデルタ結線電力変換システムに、零相電流のみを通流させる機能を付加させると、系統から供給される電力を最小にして、定格電流もしくは過負荷電流相当の零相電流を通流させて、ＩＧＢＴ４５１などの発熱試験に用いることもできる。この場合、三相電力系統１００から供給される電力は、大略零相循環電流通流によって発生する損失分を補償する電力でよい。本電力変換システムを検査する機関に、高出力電源がなくても定格電流を通流する試験を実施できる。
７１Ｆ 風冷冷却フィン
７１Ｗ 水冷冷却フィン
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
２０１ 連系リアクトル
２０２ 遮断機
２５０ 可変直流電圧源
２５１ コンタクタ
２５２ 初充電回路
２９１ＵＶ，２９１ＶＷ，２９１ＷＵ アームリアクトル
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
９９０ 風
９９１ 冷却水
９９９ 凍結体

Claims (6)

  1. 単位セルをカスケードに接続した構成を有する電力変換システムにおいて、該電力変換システムはデルタ結線に接続された電力変換システムであって、該電力変換システムは、零相循環電流のみを通流する機能を有することを特徴とした電力変換システム。
  2. 単位セルをカスケードに接続した構成を有する電力変換システムにおいて、該電力変換システムはデルタ結線に接続された電力変換システムであって、該電力変換システムは交流系統などの３相交流電圧源に接続されており、且つ、該電力変換システムは、該交流電圧源から供給される電流よりも大きな零相循環電流を通流する機能を有す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有する電力変換システムにおいて、該電力変換システムはデルタ結線に接続された電力変換システムであって、該電力変換システムは交流系統などの３相交流電圧源に接続されており、且つ、該電力変換システムは、該交流電圧源からは零相電流に必要な電力の供給のみで、零相循環電流を通流する機能を有することを特徴とした電力変換システム。
  4. 単位セルをカスケードに接続した構成を有する電力変換システムの運用方法において、該電力変換システムはデルタ結線に接続された電力変換システムであって、該電力変換システムは交流系統などの３相交流電圧源に接続されており、大略零相循環電流のみを通流させることを特徴とする電力変換システムの運用方法。
  5. 単位セルをカスケードに接続した構成を有する電力変換システムの運用方法において、該電力変換システムはデルタ結線に接続された電力変換システムであって、該電力変換システムは交流系統などの３相交流電圧源に接続されており、大略零相循環電流のみを通流して、単位セルを構成するＩＧＢＴの発熱試験をすることを特徴とする電力変換システムの運用方法。
  6. 単位セルをカスケードに接続した構成を有する電力変換システムの運用方法において、該電力変換システムはデルタ結線に接続された電力変換システムであって、該電力変換システムは交流系統などの３相交流電圧源に接続されており、大略零相循環電流のみを通流して、冷却フィンの凍結部を溶解することを特徴とする電力変換システムの運用方法。
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