JP2015012726A

JP2015012726A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2015012726A
Application number: JP2013137228A
Authority: JP
Inventors: 卓郎新井; Takuro Arai; 仁士相沢; Hitoshi Aizawa
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba System Technology Corp
Priority date: 2013-06-28
Filing date: 2013-06-28
Publication date: 2015-01-19

Abstract

【課題】本発明の実施形態は、セル変換器を複数カスケード接続した電力変換器において、ゲートブロック時に発生する過電圧を抑制することを目的とする。【解決手段】本発明の実施形態における電力変換装置は、上側スイッチおよび下側スイッチが直列接続された回路を具備するセル変換器をＮ個カスケード接続して構成され、前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフすることにより電力変換を停止する。また、電力変換を停止する際に、カスケード接続されたＮ個の前記セル変換器のうち、事前に選択された０個〜Ｎ−１個の前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフする。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

モジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、セル変換器と呼ばれる単位変換器を複数カスケード接続した高耐圧の変換器である。ＭＭＣを構成するセル変換器は、例えばハーフブリッジインバータもしくはフルブリッジインバータのようにＩＧＢＴなどの自己消弧型のスイッチング素子とエネルギー蓄積素子であるコンデンサから構成される。このセル変換器を複数カスケード接続することで、セル変換器の耐圧以上の電圧を出力することができる。

さらに、セル変換器を複数カスケード接続したアーム変換器の接続を、スター結線、デルタ結線、スター結線したものを並列接続するなど、接続構成の違いにより、直流送電システム（ＨＶＤＣ）や周波数変換システム（ＦＣ）、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、モータドライブに適用が可能となる。

電力変換器を停止させる際のゲートブロック時において、アーム変換器が過大な電圧を出力する。これは、変換器が電力伝送を行っている際に、直流短絡事故または交流地絡事故等によって過電流やコンデンサ過電圧が生じ、変換器を保護する目的として緊急停止させる場合において発生する。通常、ゲートブロックではすべてのスイッチをオフ状態に移行する。

しかし、セル変換器を複数カスケード接続した変換器では、例えば、電流がセル変換器のP端子からN端子の方向に流れていると仮定すると、すべてのスイッチをオフするとセル変換器の出力端子にはコンデンサ電圧が印加される。さらに、アーム変換器内のすべてのセル変換器の出力端子にはコンデンサ電圧が印加されるため、アーム変換器の二つの端子間には（カスケード数）×（コンデンサ電圧）で計算される電圧が印加される。

したがって、変換器の絶縁耐量を増加させる必要が生じ、絶縁距離や碍子の個数が増大する。以上のことから、アーム変換器が過大な電圧を出力せず変換器を停止させることが求められる。

特開２０１３−１１５８３７号公報

本発明の実施形態は、セル変換器を複数カスケード接続した電力変換器において、ゲートブロック時に発生する過電圧を抑制することを目的とする。

本発明の実施形態における電力変換装置は、上側スイッチおよび下側スイッチが直列接続された回路を具備するセル変換器をＮ個カスケード接続して構成され、前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフすることにより電力変換を停止する。また、電力変換を停止する際に、カスケード接続されたＮ個の前記セル変換器のうち、事前に選択された０個〜Ｎ−１個の前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフする。

第１の実施形態のフルブリッジインバータ構成のセル変換器の構成を示す図。第１の実施形態のハーフブリッジインバータ構成のセル変換器の構成を示す図。第１の実施形態のＮ個のセル変換器をカスケード接続したアーム変換器の構成を示す図。第１の実施形態のアーム変換器をスター結線した電力変換装置の構成を示す図。第１の実施形態のアーム変換器をデルタ結線した電力変換装置の構成を示す図。第２の実施形態のアーム変換器をスター結線したものを2台並列接続した電力変換装置の構成を示す図。第１の実施形態の電力変換装置が動作した場合の電流および電圧の波形を示す図。第２の実施形態の電力変換装置が動作した場合の電流および電圧の波形を示す図。

以下、本発明に係る実施形態について、図面を参照して説明する。第１の実施形態の構成を、図１〜図５により説明する。

図１は、フルブリッジインバータ構成のセル変換器であり、図２は、ハーフブリッジインバータ構成のセル変換器である。ここでは、スイッチのスイッチング素子をＩＧＢＴとしているが、ＧＴＯ、ＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ、その他の自励式半導体スイッチにも適用可能である。また、セル変換器の直流コンデンサが電池などの直流電源にも適用可能である。

図３は、図１または図２のＮ個のセル変換器をカスケード接続したアーム変換器である。本実施形態では、各セル変換器の構成が図１のフルブリッジインバータである場合について説明する。

図４の電力変換装置は、３つのアーム変換器をスター結線した変換器であり、図５の電力変換器は、３つのアーム変換器をデルタ結線した変換器である。いずれも３つのアーム変換器と３つの限流装置（例えばリアクトル）から構成される。ここでの夫々の電力変換装置は３つの交流端子を有しており、３相電力系統などに接続される。

図１のセル変換器でのコンデンサ電圧をＶｃとすると、そのスイッチのオンオフ動作によって、出力端子の電圧をゼロまたはコンデンサ電圧Ｖｃまたは逆向きのコンデンサ電圧−Ｖｃに制御される。このオンオフ動作をすべてのセル変換器に対して適切に制御することで、３相電力系統などと有効・無効電力伝送を行う。

電力伝送を行っている際に、交流地絡事故等によって過電流やコンデンサ過電圧が生じ、変換器を保護する目的として緊急停止させる場合、すべてのセル変換器のスイッチをオフするのではなく、複数のセル変換器のうち、０〜Ｎ−１個のセル変換器のみを選択的にそのスイッチをオフする。

このとき、スイッチをオフするセル変換器の数Ｎ’は、機器の絶縁耐量や接続されている交流系統の電圧値などによって決定されるが、例えば、アーム変換器の端子間電圧ＶａｒｍをＶ以下に抑制する場合、Ｖ＞Ｎ’×Ｖｃを満たすＮ’個のセル変換器のスイッチをオフすればよい。

また、残りのＮ−Ｎ’個のセル変換器は、上側スイッチａ、ｂをオンし下側スイッチａ、ｂをオフする。または、上側スイッチａ、ｂをオフし下側スイッチａ、ｂをオンすることにより出力端子を短絡状態とし、セル変換器はゼロ電圧を出力する。

その後、段階的に残りのＮ−Ｎ’個のセル変換器のスイッチをオフしていき、すべてのセル変換器のスイッチをオフしても過電圧が生じない状態になったら、残りのＮ−Ｎ’個のセル変換器のスイッチをすべてオフし、変換器を完全に停止させる。このときの波形を図７に示す。

本発明の第１の実施形態によれば、過電流やコンデンサ過電圧が生じ、変換器を保護する目的として緊急停止させる場合において、過電圧を生じることなく、変換器を停止させることができる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の構成を、図６により説明する。図６は本発明の実施形態に係る電力変換装置である。本実施形態は、各セル変換器の構成が図２のハーフブリッジインバータ（チョッパセル）である場合について説明する。図２では、スイッチング素子をＩＧＢＴとしているが、ＧＴＯ、ＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ、その他の自励式半導体スイッチにも適用可能である。また、セル変換器の直流コンデンサが電池などの直流電源にも適用可能である。また、セル変換器が図１のようなフルブリッジインバータにも適用可能である。

図６の電力変換装置は、アーム変換器をスター結線したものを2台並列接続した変換器であり、３つの交流端子を有しており、３相電力系統または３相モータなどに接続される。また、図６の電力変換装置は、２つの直流端子を有しており、インバータのＤＣリンクまたは直流送電系統などに接続される。

セル変換器は、その二つのスイッチのオンオフ動作によって、出力端子の電圧をゼロまたはコンデンサ電圧Ｖｃに制御される。

このオンオフ動作をすべてのセル変換器に対して適切に制御することで、３相電力系統または３相モータ、インバータのＤＣリンクまたは直流送電系統などと有効・無効電力伝送を行う。

電力伝送を行っている際に、直流短絡事故または交流地絡事故等によって過電流やコンデンサ過電圧が生じ、変換器を保護する目的として緊急停止させる場合、すべてのセル変換器のスイッチをオフするのではなく、複数のセル変換器のうち、０〜Ｎ−１個のセル変換器のみを選択的にそのスイッチをオフする。

このとき、スイッチをオフするセル変換器の数は、機器の絶縁耐量や接続されている交流系統の電圧値などによって決定されるが、例えば、アーム変換器の端子間電圧ＶａｒｍをＶ以下に抑制する場合、Ｖ＞Ｎ’×Ｖｃを満たすＮ’個のセル変換器のスイッチをオフすればよい。他にも、図６の回路の直流端子間電圧ＶｄｃをＶ以下に抑制する場合、６つのアーム変換器の６Ｎ個のセル変換器のうち、Ｖ＞Ｎ’÷３×Ｖｃを満たすＮ’個のセル変換器のスイッチをオフすればよい。

また、アーム変換器において残りのＮ−Ｎ’個のセル変換器または図６の変換器において残りの６Ｎ−Ｎ’個のセル変換器は、上側スイッチをオン、下側スイッチをオフすることにより出力端子を短絡状態とし、セル変換器はゼロ電圧を出力する。

運転状態や系統電圧によって決定される一定時間ののち、例えば１ｍｓ程度ののち、すべてのスイッチをオフしても過電圧が生じない状態になったら、残りのＮ−Ｎ’個または６Ｎ−Ｎ’個のセル変換器のスイッチをすべてオフし、変換器を完全に停止させる。このときの波形を図８に示す。

本発明の第２の実施形態によれば、第１の実施形態と同様の効果を得ることが出来る。

以上、本発明のいくつかの実施形態について説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことが出来る。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１−１〜１−６…スイッチ
２…コンデンサ
３…出力Ｐ端子
４…出力Ｎ端子
５−１〜５−Ｎ…セル変換器
６…アーム変換器
７…限流装置

Claims

上側スイッチおよび下側スイッチが直列接続された回路を具備するセル変換器をＮ個カスケード接続して構成され、前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフすることにより電力変換を停止する電力変換装置において、
電力変換を停止する際に、カスケード接続されたＮ個の前記セル変換器のうち、事前に選択された０個〜Ｎ−１個の前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフする電力変換装置。
前記セル変換器の夫々は、前記上側スイッチおよび前記下側スイッチに電圧を印加するコンデンサを備え、
前記コンデンサ電圧の合計値が、絶縁耐圧以下となるように選択された個数の前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチをオフする請求項１に記載の電力変換装置。
選択されなかった前記セル変換器は、当該セル変換器の出力端子が短絡状態となるように前記上側スイッチおよび前記下側スイッチを制御する請求項１または２に記載の電力変換装置。
選択された前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチがオフした後、選択されていない前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチを段階的にオフする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
選択された前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチがオフした後、選択されていない前記セル変換器における前記上側スイッチおよび前記下側スイッチを事前に設定された一定時間後にオフする請求項１乃至３の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記セル変換器をＮ個カスケード接続したアーム変換器をスター結線した請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記セル変換器をＮ個カスケード接続したアーム変換器をデルタ結線した請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。
前記セル変換器をＮ個カスケード接続したアーム変換器をスター結線したものを複数個並列に接続した請求項１乃至５の何れか１項に記載の電力変換装置。