JP2015115977A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変換器のゲート電源が消失しても、運転を継続することのできる電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】直列に接続されたスイッチング素子１１，１２と、端子Ｔ１，Ｔ２間に設けられたスイッチング素子１２に、異常時にゲート信号を与えるための直流電源３と、異常が検出された場合、直流電源３によりスイッチング素子１２をオンするスイッチ制御部５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、電力変換装置として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている。ＭＭＣは、複数のチョッパーセル（単位変換器）で構成された電力変換装置である。チョッパーセルは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子とコンデンサで構成されている。

一方、各サブシステムの接続端子に対して電気的に並列に保護構成要素が接続され、故障時に冗長的に更に続けて動作することができる分散配置されたエネルギー蓄積器を有する電力変換回路について開示されている（特許文献１参照）。また、各サブモジュールにサブモジュールの短絡のための真空スイッチ管が付設されている装置について開示されている（特許文献２参照）。さらに、多レベル変換器の変換セルを短絡するためのブリッジングユニットについて開示されている（特許文献３参照）。

特表２００９−５０６７３６号公報 特表２０１０−５２４４２６号公報 特開２０１１−２０５８８７号公報

しかしながら、ＭＭＣを構成する変換器に異常が生じ、ゲート電源が消失すると、スイッチング素子をオンできなくなるため、コンデンサの直流電圧が制御できなくなる。直流電圧が制御できなくなると、電流方向で決定される電圧が変換器から出力されるため、ＭＭＣの出力電圧の制御性が低下する。この場合、ＭＭＣの運転が継続できなくなる恐れがある。

そこで、本発明の目的は、変換器のゲート電源が消失しても、運転を継続することのできる電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、直列に接続された複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子のうち端子間に設けられた端子間スイッチング素子に、異常時にゲート信号を与えるための直流電源と、異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により異常が検出された場合、前記直流電源により前記端子間スイッチング素子をオンする操作手段とを備える。

本発明によれば、変換器のゲート電源が消失しても、運転を継続することのできる電力変換装置を提供することにある。

本発明の第１の実施形態に係る単位変換器の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る変換器の構成を示す構成図。 本発明の第３の実施形態に係る変換器の構成を示す構成図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る単位変換器１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

単位変換器１は、ＭＭＣ（電力変換装置）を構成する最小単位の電力変換器（チョッパーセル）である。複数の単位変換器１が直列に接続（カスケード接続）されることで、ＭＭＣが構成される。単位変換器１は、直流コンデンサ２、直流電源３、スイッチ４、スイッチ制御部５、２つのスイッチング素子１１，１２、２つのダイオード１３，１４、及び２つのゲート駆動回路１５，１６を備える。

上側（正極側）のスイッチング素子１１と下側（負極側）のスイッチング素子１２は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子１１，１２の接続点は、単位変換器１の１つの端子Ｔ１となる。下側のスイッチング素子１２の負極側（エミッタ側）は、単位変換器１のもう１つの端子Ｔ２となる。スイッチング素子１１，１２は、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)である。スイッチング素子１１，１２が駆動（スイッチング）することにより、電力変換が行われる。

２つのダイオード１３，１４は、それぞれ２つのスイッチング素子１１，１２に逆並列に接続されている。直流コンデンサ２は、直列に接続された２つのスイッチング素子１１，１２と並列に接続されている。

２つのゲート駆動回路１５，１６は、２つのスイッチング素子１１，１２にそれぞれ対応して設けられている。ゲート駆動回路１５，１６は、それぞれゲート電圧（ゲート信号）を出力することによりスイッチング素子１１，１２を駆動する。ゲート電圧は、ゲート電源から出力される。ゲート電源は、主回路から供給する主回路給電方式でもよいし、絶縁変圧器を介して低圧の電源から供給する方式でもよい。下側のスイッチング素子１２に設けられているゲート駆動回路１６は、入力されるゲート信号をスイッチ制御部５に出力する。その他に、ゲート駆動回路１５，１６は、それぞれスイッチング素子１１，１２の状態を監視し、異常を検出した場合は、異常検出信号をスイッチ制御部５に出力してもよい。

直流電源３は、単位変換器１の２つの端子Ｔ１，Ｔ２間に設けられたスイッチング素子１２に設けられている。図１では、直流電源３は、下側のスイッチング素子１２のゲート端子とエミッタ端子との間にスイッチ４を介して接続されている。直流電源３は、ゲート電源の喪失時に、スイッチング素子１２のゲート端子にターンオンするためのゲート電圧を印加する。ここでは、直流電源３は、二次電池としているが、コンデンサでもよいし、二次電池以外の電池でもよい。

スイッチ制御部５は、下側のスイッチング素子１２に設けられているゲート駆動回路１６とデータを送受信する伝送路で接続されている。スイッチ制御部５は、ゲート駆動回路１６から受信するデータに基づいて、スイッチ４の操作を制御する。なお、スイッチ制御部５は、スイッチ４を制御するために、ゲート駆動回路１６以外から情報を受信してもよい。例えば、スイッチ制御部５は、直流電源３の充電状態（SOC, State of Charge）を監視するための情報、又は、直流コンデンサ２の電圧を監視するための情報を受信してもよい。スイッチ制御部５は、これらの情報に基づいて、単位変換器１の異常などを検出して、スイッチ４を操作する。スイッチ制御部５が異常を検出した場合、スイッチ４をオンにする。ここでは、主にゲート電源が喪失した場合の異常を想定しているが、スイッチ制御部５は、これ以外のどのような異常でスイッチ４をオンにしてもよい。

スイッチ４は、直流電源３と直列に接続されている。スイッチ４は、ブレーク接点（ノーマリーオン、ｂ接点）のスイッチである。スイッチ４は、スイッチ制御部５からの制御指令により操作される。ゲート電源が確立されていないとき、又は、直流電源３がゲート電源としてスイッチング素子１２をターンオンできるまで十分に充電されていないときは、スイッチ４は、オンされている。ゲート電源が確立されており、直流電源３が十分に充電されていないときは、ゲート電源により、直流電源３が充電される。直流電源３が充電されると、スイッチ４は、オフされる。また、ゲート電源の喪失などの異常が生じたときは、スイッチ４がオンされることにより、スイッチング素子１２をターンオンするためのゲート電圧が直流電源３からスイッチング素子１２のゲート端子に印加される。

次に、単位変換器１の動作について説明する。

スイッチ４はブレーク接点であるため、単位変換器１の起動直後は、オンされている。このとき、ゲート電源により直流電源３が充電される。直流電源３の充電が完了し、単位変換器１に異常が生じていなければ、スイッチ制御部５は、スイッチ４をオフする。このように、正常時は、スイッチ４をオフした状態で、単位変換器１が動作する。

単位変換器１にゲート電源が喪失するような異常が生じると、スイッチ制御部５は、この異常を検出して、スイッチ４をオンにする。スイッチ４がオンされると、直流電源３からスイッチング素子１２にゲート電圧が印加される。これにより、スイッチング素子１２が強制的にターンオンされる。スイッチング素子１２がオンすることで、単位変換器１の端子Ｔ１，Ｔ２間が短絡される。端子Ｔ１，Ｔ２間が短絡された単位変換器１は、ＭＭＣの変換器電流が通過するのみとなる。これにより、異常が生じた単位変換器１が実質的に除外され、残りの単位変換器１で構成されるＭＭＣにより運転が継続される。

本実施形態によれば、異常が生じた場合、端子Ｔ１，Ｔ２間に設けられたスイッチング素子１２をターンオンすることで、単位変換器１の端子Ｔ１，Ｔ２間を短絡することができる。これにより、異常が生じた単位変換器１を除外して他の単位変換器１で構成されるＭＭＣ（電力変換装置）で運転を継続することができる。

また、ゲート電源が喪失しているような異常でも、通常のゲート電源とは別に直流電源３を設けているため、スイッチング素子１２をターンオンして、単位変換器１の端子Ｔ１，Ｔ２間を短絡することができる。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る変換器１Ａの構成を示す構成図である。

変換器１Ａは、２つの単位変換器（チョッパーセル）１Ａａ，１Ａｂで１つのサブモジュールとして構成した電力変換装置である。複数の変換器１Ａが直列に接続（カスケード接続）されることで、ＭＭＣが構成される。

上側（正極側）の単位変換器１Ａａは、図１に示す第１の実施形態に係る単位変換器１と同様の構成である。具体的には、単位変換器１Ａａにおける、直流コンデンサ２ａ、直流電源３ａ、スイッチ４ａ、スイッチ制御部５ａ、２つのスイッチング素子１１ａ，１２ａ、２つのダイオード１３ａ，１４ａ、及び２つのゲート駆動回路１５ａ，１６ａは、それぞれ、第１の実施形態に係る単位変換器１における、直流コンデンサ２、直流電源３、スイッチ４、スイッチ制御部５、２つのスイッチング素子１１，１２、２つのダイオード１３，１４、及び２つのゲート駆動回路１５，１６に相当する。

下側（負極側）の単位変換器１Ａｂは、図１に示す第１の実施形態に係る単位変換器１において、直流電源３、スイッチ４、及びスイッチ制御部５を上側のスイッチング素子１１の代わりに下側のスイッチング素子１２に設けたような構成である。具体的には、単位変換器１Ａｂにおける、直流コンデンサ２ｂ、直流電源３ｂ、スイッチ４ｂ、スイッチ制御部５ｂ、２つのスイッチング素子１１ｂ，１２ｂ、２つのダイオード１３ｂ，１４ｂ、及び２つのゲート駆動回路１５ｂ，１６ｂは、それぞれ、第１の実施形態に係る単位変換器１における、直流コンデンサ２、直流電源３、スイッチ４、スイッチ制御部５、２つのスイッチング素子１１，１２、２つのダイオード１３，１４、及び２つのゲート駆動回路１５，１６に相当する。

上側の単位変換器１Ａａの直列に接続されたスイッチング素子１１ａ，１２ａの下側に、下側の単位変換器１Ａｂの直列に接続されたスイッチング素子１１ｂ，１２ｂの上側が接続されている。上側の単位変換器１Ａａの２つのスイッチング素子１１ａ，１２ａの接続点と下側の単位変換器１Ａｂの２つのスイッチング素子１１ｂ，１２ｂの接続点が、変換器１Ａの２つの端子Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａとなる。

変換器１Ａにゲート電源が喪失するような異常が発生すると、２つの単位変換器１Ａａ，１Ａｂのスイッチ制御部５ａ，５ｂは、それぞれスイッチ４ａ，４ｂをオンする。スイッチ４ａ，４ｂがオンされると、変換器１Ａの２つの端子Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａ間にある２つのスイッチング素子１２ａ，１１ｂは、それぞれ２つの直流電源３ａ，３ｂから出力されるゲート電圧によりオンされる。これにより、変換器１Ａの２つの端子Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａ間は短絡される。なお、２つのスイッチ制御部５ａ，５ｂは、互いに検出された故障を共有して把握できるようになっていて、２つのスイッチ４ａ，４ｂが共にオンになるように連係されていてもよい。その他の点は、変換器１Ａの２つの単位変換器１Ａａ，１Ａｂは、第１の実施形態に係る単位変換器１と同様に動作する。

本実施形態によれば、サブモジュールとして構成された変換器１Ａにおいて、第１の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る変換器１Ｂの構成を示す構成図である。

変換器１Ｂを構成する２つの単位変換器１Ｂａ，１Ｂｂは、それぞれ図２に示す第２の実施形態に係る２つの単位変換器１Ａａ，１Ａｂに相当する。変換器１Ｂは、第２の実施形態に係る２つの直流電源３ａ，３ｂを１つの直流電源３Ｂにし、１つの直流電源３Ｂをそれぞれ２つのスイッチ４Ｂａ，４Ｂｂを介して、変換器１Ｂの２つの端子Ｔ１Ａ，Ｔ２Ａ間にある２つのスイッチング素子１２ａ，１１ｂに接続した構成である。直流電源３Ｂは、２つの単位変換器１Ｂａ，１Ｂｂのどちらに設けられていてもよいし、２つの単位変換器１Ｂａ，１Ｂｂの外部に設けられていてもよい。その他の点は、第２の実施形態と同様である。

本実施形態によれば、第２の実施形態に係る作用効果に加え、２つの直流電源３ａ，３ｂを１つの直流電源３Ｂにすることで、第２の実施形態よりも小型化して、製造コストを低減することができる。

なお、各実施形態において、変換器１〜１Ｂは、説明した回路構成に限らず、実施してもよい。例えば、単位変換器に３以上のスイッチング素子が直列に接続された回路でもよいし、直流コンデンサがいくつ設けられていてもよい。サブモジュールとして構成する場合は、単位変換器をいくつ接続してもよい。任意の変換器において、変換器の２つの端子間にあるスイッチング素子に異常時にターンオンするための直流電源を設けて、異常時に直流電源によりゲート信号をスイッチング素子に与えるようにすることで、異常が生じた変換器の２つの端子間を短絡することができる。これにより、変換器で構成される電力変換装置は、異常が生じた変換器を除外して運転を継続することができる。従って、各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…単位変換器、２…直流コンデンサ、３…直流電源、４…スイッチ、５…スイッチ制御部、１１，１２…スイッチング素子、１３，１４…ダイオード、１５，１６…ゲート駆動回路、Ｔ１，Ｔ２…端子

Claims (7)

1. 直列に接続された複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子のうち端子間に設けられた端子間スイッチング素子に、異常時にゲート信号を与えるための直流電源と、
   異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段により異常が検出された場合、前記直流電源により前記端子間スイッチング素子をオンする操作手段と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 複数の変換器が直列に接続された電力変換装置であって、
   前記変換器は、
   直列に接続された複数のスイッチング素子と、
   前記複数のスイッチング素子のうち端子間に設けられた端子間スイッチング素子に、異常時にゲート信号を与えるための直流電源と、
   異常を検出する異常検出手段と、
   前記異常検出手段により異常が検出された場合、前記直流電源により前記端子間スイッチング素子をオンする操作手段とを備えること
   を特徴とする電力変換装置。
3. 前記異常検出手段は、前記複数のスイッチング素子を駆動するためのゲート電源が喪失したことを異常として検出すること
   を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記直流電源と前記端子間スイッチング素子とを接続する電気経路を接続及び切り離しをするスイッチを備え、
   前記操作手段は、前記スイッチを操作すること
   を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記スイッチは、異常時にオンされるブレーク接点であること
   を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 異常を検出し、
   異常を検出した場合、異常時にゲート信号を与えるための直流電源により直列に接続された複数のスイッチング素子のうち端子間に設けられたスイッチング素子をオンすること
   を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
7. 複数の変換器が直列に接続された電力変換装置の制御方法であって、
   前記変換器は、
   異常を検出し、
   異常を検出した場合、異常時にゲート信号を与えるための直流電源により直列に接続された複数のスイッチング素子のうち端子間に設けられたスイッチング素子をオンすることを含むこと
   を特徴とする電力変換装置の制御方法。

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