JP2017022863A - 電力変換装置及びその保守方法 - Google Patents

Abstract

【課題】圧接型半導体素子を利用した複数の単位電力変換器（あるいはセル）をカスケード状に接続して構成するモジュラー・マルチレベレル電力変換装置において、メンテナンスが容易な構造を実現する。【解決手段】単位電力変換器の構成要素である圧接型半導体素子と、直流コンデンサ、コントローラ、冷却フィン等を同一の独立した支持構造物に固定し、さらに支持構造物は圧接型半導体素子の圧力印加方向に垂直な軸上に開口部を持ち、前記電力変換器を圧接型半導体素子の圧力印加方向に垂直な方向に複数配置し、さらに隣り合った前記電力変換器は前記開口部を通るように配置される絶縁物を介して隣り合った前記電力変換器と接し、前記複数配置した前記電力変換器のうち両端にある前記電力変換器を構成する圧接型半導体素子に圧縮力を加えるスタック構成支持具によって構成する。【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置及びその保守方法に関し、特に、複数の単位変換器を電気的に接続して構成するに好適な電力変換装置及びその保守方法に関する。

近年では交流と直流を互いに変換する電力変換装置が注目されている。この電力変換装置のなかで、電力系統等を扱う高電圧の分野において直流と交流を互いに変換する技術として単位変換器を直列に接続して構成する電力変換装置が知られている。この技術では、単位変換器の各々が電力変換機能を持つので、その直列した出力として正弦波に近いマルチレベル波形が得られ、また構成するスイッチング素子の耐圧以上の高電圧を出力できる点で好ましく用いられている。

ここで、単位変換器を構成するスイッチング素子としていわゆる圧接型半導体素子を用いたものが知られている。圧接型半導体素子を積層させ、その積層した圧接型半導体素子を両端から圧接して利用するものである。このようなものはスタックと呼ばれる。電力系統等の高電圧の分野においては、電力変換装置として多数のスイッチング素子が必要となるところ、いくつかのスイッチング素子をスタックとして一纏めで扱えるので、電力変換装置を構成するのが比較的に容易になる。このような技術は、例えば、米国2011/0038193号公報に記載されている。

米国2011/0038193号公報

上記の従来技術では、スタックを単位変換器の一部として用いることが示されているものの、そのスタック間の接続に関しては、２つのスタックを単に縦方向に並べ、一方のスタックの端のスイッチング素子と、縦方向に並んだ他のスタックの端のスイッチング素子を接続したにすぎない。すなわち、上記の従来技術では、メンテナンスの容易性については考慮されておらず、単位変換器を用いた電力変換装置においては一般的に構成部品数が多いところ、これら構成要素の故障時に故障部位を構成要素を交換する場合に、メンテナンスに要する時間が大幅にかかっているとの問題が生じていた。

本発明の目的は、故障時等に、メンテナンスを容易にすることが可能な電力変換装置及びその保守方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、複数の単位電力変換器を電気的に直列接続して構成するものであって、前記単位電力変換器は、直流コンデンサと、圧接型半導体素子と、前記直流コンデンサと前記圧接型半導体素子を電気的に接続する第１の接続部材と、他の単位電力変換器と電気的に接続するための第２の接続部材と、開口部を一部に持つ支持構造物を有し、複数の前記単位電力変換器の両端から圧接力が加えられて、隣り合う前記単位電力変換器が前記開口部を貫通するように配置される絶縁物を介して相互に押圧されて、スタックとして構成可能であって、前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材は前記支持構造物に機械的に固定されて、前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材は前記支持構造物に固定された状態で移動可能に構成した。

あるいは、複数の単位電力変換器を電気的に直列接続して構成し、前記単位電力変換器は、直流コンデンサと、圧接型半導体素子と、前記直流コンデンサと前記圧接型半導体素子を電気的に接続する第１の接続部材と、他の単位電力変換器と電気的に接続するための第２の接続部材と、開口部を一部に持つ支持構造物を有し、複数の前記単位電力変換器の両端から圧接力が加えられて、隣り合う前記単位電力変換器が前記開口部を貫通するように配置される絶縁物を介して相互に押圧されてスタックとして構成可能な装置の保守であって、前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材は前記支持構造物に機械的に固定し、前記単位電力変換器の故障時に、前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材とを前記支持構造物に固定した状態で移動して保守するように構成した。

具体的には、単位電力変換器の構成要素である圧接型半導体素子と、直流コンデンサ、コントローラ、冷却フィン等を同一の独立した支持構造物に固定し、さらに支持構造物は圧接型半導体素子の圧力印加方向に垂直な軸上に開口部を持ち、前記電力変換器を圧接型半導体素子の圧力印加方向に垂直な方向に複数配置し、さらに隣り合った前記電力変換器は前記開口部を通るように配置される絶縁物を介して隣り合った前記電力変換器と接し、前記複数配置した前記電力変換器のうち両端にある前記電力変換器を構成する圧接型半導体素子に圧縮力を加えるスタック構成支持具によって構成する。

本発明によれば、単位電力変換器が容易に交換可能となる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第一の実施形態に係わるスタックの側面からの切断図を示した図。 本発明の第一の実施形態に係わる直流送電変電所の構成図。 本発明の第一の実施形態に係わる単位電力変換器の回路図。 本発明の第一の実施形態に係わるスタックの全様を示す概略側面図。 本発明の第一の実施形態に係わるスタックにおいて、単位電力変換器を取り出す際の構成を示した図。 本発明の第二の実施形態に係わるスタックの全様を示す概略側面図。 本発明の第二の実施形態に係わるスタックの側面からの切断図を示した図。 本発明の第三の実施形態に係わる無効電力補償装置の構成図。 本発明の第三の実施形態に係わる単位電力変換器の回路図。 本発明の第三の実施形態に係わるスタックの全様を示す概略側面図。 本発明の第三の実施形態に係わるスタックの側面からの切断図を示した図。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下本発明の一実施例を図１乃至図５に沿って説明する。
図２は本発明を適用した直流送電変電所の構成図を示したものである。直流送電変電所１００は変圧器１０２を介して電力系統１０１に接続する。本実施例の直流送電変電所１０２は、MMCの回路トポロジーを適用した電力変換装置１０３で構成する。電力変換装置１０３は単位電力変換器１０８を直列に接続して構成したアーム１０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７Wで構成する。アーム１０６Uとアーム１０７Uの間には、リアクトル１０４Uおよび１０５Uが直列に接続され、電力変換装置１０３のU相を構成する。同様にアーム１０６V、１０７Vおよび１０６W、１０７Wの間にそれぞれリアクトル１０４V、１０５Vおよびリアクトル１０４W、１０５Wを接続することで、電力変換装置１０３のV相、W相を構成する。また各アーム１０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７Wは複数の単位電力変換器１０８のセットである複数のスタック１０９で構成する。

この電力変換装置１０３の一端は変圧器１０２に３相交流として接続する。また電力変換装置１０３のもう一方の端は、正極１１０Pおよび負極１０２Nを構成する。正極１１０Pおよび負極１０２Nは直流の負荷、あるいは別の直流変電所の直流部、あるいは直流の発電システムに接続する。図２に示した構成により直流送電変電所１００は交流の電力系統１０１と正極１１０Pおよび負極１０２Nで構成する直流の電力系統間で電力を授受する。また図示していないが、直流送電変電所１００はコントローラや遮断機、補助電源等もその構成要素に含む。

このような構成においては、電力変換装置１０３の動作においては、電力変換装置１０３と三相の電力系統１０１間の電力変換は、アーム（１０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７W）電圧の振幅と位相を調整することによりなされる。すなわち、各アーム電圧は、各アーム（１０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７W）を構成する各単位セル１０８の出力電圧の合成電圧であるので、各アームを構成する各単位セル１０８の出力電圧を制御することにより、リアクトル１０４Uとアーム１０６U、リアクトル１０５Uとアーム１０７U、リアクトル１０４Vとアーム１０６V、リアクトル１０５Vとアーム１０７V、リアクトル１０４Wとアーム１０６W、リアクトル１０５Wとアーム１０７Wの各々において、三相電力系統１０１のU相、V相、W相と、正極１１０Pと負極１１０Nの間で交流・直流変換を行う。本実施例では、三相電力と直流電力との間の変換を例に挙げて説明するが、必ずしもこのような用途に限定されるものではなく、他の電力変換技術に応用できる。

次に図３を用いて、本実施例の単位電力変換器１０８ついて説明する。図３は図２中の単位電力変換器１０８の回路構成を示したものである。図３が示すように単位電力変換器１０８はハーフ・ブリッジと呼ばれる回路構成で構成する。つまり２つの半導体スイッチング素子２０１Pおよび２０１Nが直列に接続され、その両端に直流電圧をほぼ一定に保つための直流コンデンサ２００が接続する。半導体スイッチング素子２０１Pおよび２０１Nは圧接型半導体素子で構成され、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と逆並列接続したダイオードで構成する。なお本実施例では圧接型ＩＧＢＴを用いて説明するが、圧接型IGBTの代わりに自励式半導体素子である圧接型ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）等、異なる種類の圧接型パワー半導体素子を利用しても本実施例の効果は実現可能である。

半導体スイッチング素子２０１Pのエミッタ端子（図中の“E”）からは、もう一つの端子２０２Pが引き出され、同様に直流コンデンサ２００の負極端子に接続されたもう一つの端子２０２Nが外部に引き出される。この端子２０２Pと端子２０２Nは隣接する単位電力変換器の端子とそれぞれ接続することで、MMCにおける単位電力変換器１０８の直列接続を構成する。

半導体スイッチング素子２０１Pと半導体スイッチング素子２０２Nのスイッチング状態と、単位変換器１０８の出力電圧の関係を説明する。半導体スイッチング素子２０１Pをオン、半導体スイッチング素子２０２Nをオフに制御した場合、単位変換器１０８の出力電圧をコンデンサ７００の電圧と概ね等しくすることができる。また、半導体スイッチング素子２０１Pをオフ、半導体スイッチング素子２０２Nをオンに制御した場合、単位変換器１０８の出力電圧を概ね零にできる。なお、半導体スイッチング素子２０１Pと半導体スイッチング素子２０２Nを共にオンに制御した場合、コンデンサ７００を短絡してしまうため、このような動作を禁止する。

半導体スイッチング素子２０１Pと半導体スイッチング素子２０２Nに共にオフに制御した場合、単位変換器１０８の出力電圧は電流の極性に依存する。電流が正の場合、単位変換器１０８の出力電圧は概ね零となる。また、電流が負の場合、単位変換器１０８の出力電圧は概ねコンデンサ７００の電圧に等しくなる。

次に図４と図１を用いて本実施例の特徴である電力変換装置１０３の主回路の構造について説明する。図４は本実施例のスタック１０９の全様を示す概略側面図である。スタック１０９は単位電力変換器１０８を垂直方向に積み重ねて実現する。本実施例では単位電力変換器１０８を構成する構成要素が支持構造物３０４の上に配置される。本実施例では支持構造物３０４として板材を利用している。単位電力変換器１０８の構成要素としては、直流コンデンサ２００や、半導体スイッチング素子２０１P、２０１N、単位電力変換器出力バスバ２０２P、２０２N、直流コンデンサ接続バスバ２０３P、２０３N、ゲートドライバ３０６などが含まれる。なお図示していないが、単位電力変換器１０８の構成要素として前述した要素を支持する構造物や、冷却フィン３０５に冷却媒体を循環させるための配管なども含まれる。各単位電力変換器１０８の支持構造物３０４は、スタック支持部材３００によって固定される。

冷却フィン３０５は半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nをそれぞれ両側から挟み込むように配置される。冷却フィン３０５は銅などの電気的導体で構成されており、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nを通流する電流の経路になるとともに、内部に循環させる冷却媒体によって、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが発生する熱を外部に送り出す役割を持つ。このため電気的また熱的な接触抵抗を低減するため、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nと冷却フィン３０５は圧接力を加えて強く接触させる必要がある。

本実施例のスタック１０９は圧接力印加機構３０１および皿バネ３０２を用いて、垂直方向に配置された複数の単位電力変換器１０８に対して一括で垂直方向に圧接力を与える。この際、隣接するセル間の電気的な絶縁を確保するため、隣り合う単位電力変換器１０８は絶縁碍子３０３を介して接触し、お互いに反発する方向に力を与える。

なお本実施例では図４に示すように４つの単位電力変換器１０８が一つのスタック１０９を構成する例を示したが、スタック１０９を構成する単位電力変換器１０８の数は２つ以上であれば本実施例の効果が実現可能である。

本実施例の単位電力変換器１０８の特徴的な構造について、図１を用いて説明する。スタック１０８を構成する複数の冷却フィン３０５と複数の半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nはおよそ同一軸上に配置される。図１は、本実施例の単位電力変換器１０８を冷却フィン３０５と半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが配置された軸を含む側面で切断した際の断面図である。単位電力変換器１０８の構成要素を支える支持構造物３０４は、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nの積層方向に開口部４００を持つ。隣り合う単位電力変換器１０８間の半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nは開口部４００を通るように配置される絶縁碍子３０３を介して、隣り合うセルから圧縮方向の力を受ける。つまり、開口部４００を貫通する絶縁碍子３０３の上面は、上部に配置された単位電力変換器１０８の出力バスバ２０２Nと接し、また絶縁碍子３０３の下面は下部に配置された単位電力変換器１０８の出力バスバ２０２Pと接する。前述したようにスタック１０９を構成する両端の絶縁碍子３０３は圧接力印加機構３０１によって、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nの積層方向に圧縮するように力を加えられる。この構成により、単位電力変換器１０８を構成する半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５およびバスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nの各面が強く接触し、電気的また熱伝導の観点で十分な接触を得ることができる。

なおスタック１０９を構成する半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nは、電力変換装置１０３の運転状態により発熱量が変化する。このため運転状態によって半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび接触する冷却フィン３０５やバスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nの温度も変化する。またスタック１０９を構成する全ての要素は、その周囲の気温変化等の環境の変化により、その温度が変化する。この温度変化はその構成要素の体積を変化させ、結果的に単位電力変換器１０８の積層方向(垂直方向)の長さに変化を与える。

特に本実施例のスタック１０９はＭＭＣを構成する単位電力変換器１０８を内部に複数積層させて構成するため、通常のスタックに比べて積層方向に長く、熱膨張による長さの変化が大きくなる。スタック１０９を支持するスタック支持部材３００と、圧接力印加機構３０１により圧接された半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５やバスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nで構成する部分の長さが変化した場合であっても、バスバ２０３Nが支持構造物３０４に接触すること無く、適切な範囲の圧接力を半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nに与える必要がある。

スタック１０９は温度変化による伸びの違いを吸収するため、バスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nは積層方向の変位をある程度許容するような機械的な柔軟性を持つ可とう導体で構成する。バスバ２０３P、２０３Nは支持構造物３０４に固定されたコンデンサ２００と接続することで、機械的に固定される。またバスバ２０２P、２０２Nは支持構造物３０４に固定された絶縁物４０１に機械的に固定される。なお本実施例は図１に示すようにバスバ２０３Ｎとバスバ２０２Ｎが同一構造をなすが、必ずしも同一構造をなす必要はなく、別々の可とう導体で構成しても良い。これら、バスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nは半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５を挟むように構成することで、これら半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５を機械的に支持する。この可とう導体のバスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nにより、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５は積層方向に柔軟性をもって機械的に固定され、温度変化による積層方向の変位があった場合であっても、適切な圧接力を与えることが可能となる。

次に本実施例を用いた電力変換装置１０３のメンテナンス方法について、図５を用いて説明する。電力変換装置１０３は定期的な構成部品の交換、あるいは故障した構成部品の交換等のメンテナンスが必要になる。本実施例を適用した電力変換装置１０３では、メンテナンスが必要な箇所を単位電力変換器１０８ごと交換する。具体的にはメンテナンスの第一のステップとしてメンテナンス対象箇所の単位電力変換器１０８を接続するバスバ３０７を外す。次に図５に示すようにメンテナンスのための交換冶具５００および交換冶具５０１を用いて、メンテナンス対象となる単位電力変換器１０８の上方向および下方向に隣接する単位電力変換器１０８を構成する半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nあるいは冷却フィン３０５あるいはバスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nをそれぞれ上下方向に固定する。この際、皿バネ３０２のある側においては、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nあるいは冷却フィン３０５あるいはバスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nを電力変換装置１０３の運用時より若干皿バネ３０２が縮む方向に固定し、メンテナンス対象となる単位電力変換器１０８の半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５、バスバ２０２P、２０２N、２０３P、２０３Nに圧接力が印加されない状態にする。この状態においてメンテナンス対象となる単位電力変換器１０８に接する上下の絶縁碍子３０３を外し、さらに支持構造物３０４をスタック支持部材に固定している場合は、その固定材も外すことで、メンテナンス対象となる単位電力変換器１０８を移動可能な状態なする。最後に図５に示すように単位電力変換器１０８を直流コンデンサ１０８から半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが配置されている方向に、支持構造物３０４ごと移動させることで、スタック１０９から抜き出す。

上記は単位電力変換器１０８の取り外し方法を説明した。メンテナンス後の単位電力変換器１０８をスタックに復旧させる手順は、取り外しの手順を逆に辿ればよいので、詳細な説明は省略する。

本実施例の構成により、単位電力変換器１０８の構成要素が支持構造物３０４上にまとめて支持されるので、スタック１０９よりメンテナンス対象の単位電力変換器１０８を容易に取り外し、また取り付けが可能となる。

また本実施例の構成を持つスタック１０９は、単位電力変換器１０８を抜き出す方向にのみメンテナンスのスペースが必要となる。このため、スタック１０９の直流コンデンサ２００側、あるいは側面からのメンテナンスのためのスペースが不要となり、電力変換装置１０３を高密度に実装することが可能となる。

また本実施例では支持構造物３０４として板材を利用している。板材を利用すること構造が単純になり、製造が簡易にできる利点がある。また板材の利用により支持構造物３０４の重量も低減され、スタック支持部材３００の構造も簡易になる利点がある。

さらに本実施例を適用したスタック１０９は、スタック１０９の側面のうち半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが配置される方向に外部と接続するための出力バスバ２０２P、２０２Nがまとまって配置される。このため、単位電力変換器出力バスバ２０２P、２０２Nとセル間接続バスバ３０７の接続作業が容易になり、製造およびメンテナンスの時間が短縮できる利点も持つ。

本実施例では各アーム１０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７Wの電流経路に対して半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが並列接続しない構成について示した。しかしながら２つ以上半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nを電気的に並列接続して各アーム１０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７Wを構成した電力変換装置であっても、本実施例の効果を実現できる。

また本実施例では、本実施例を図２に示したMMC回路構成を持つ電力変換装置１０８に適用する例を説明した。しかしながら本実施例は圧接型半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nを利用するMMCであれば、別の回路構成のMMCであっても適用が可能である。
例えば周波数変換装置や直流電力を介して駆動するドライブ装置等、MMC回路構成を持つ直流と交流間の電力を変換する電力変換装置であれば本実施例は適用できる。

また本実施例ではスタック１０９を構成するために、単位電力変換器１０８を垂直方向に積み上げた構成を示したが、本実施例の効果は単位電力変換器１０８の配置方向が垂直方向にのみ限定されない。例えば単位電力変換器１０８を水平方向に複数配置しスタック１０９を構成した場合であっても本実施例の効果が得られる。

以下本発明の第二の実施例を図６と図７に沿って説明する。尚、図６及び図７において、図１〜図５と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。第１の実施例では、単位電力変換器１０８の構成要素を機械的に固定する支持構造物３０４として板材を利用したが、第２の実施例では、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nをおよそ覆うような支持構造物３０８を採用する点が第１の実施例と比較した場合の変更点である。

図６は第二の実施例のスタック１０９の全様を示す概略側面図である。スタック１０９は実施例１と同様に単位電力変換器１０８を垂直方向に積み重ねて実現する。単位電力変換器１０８の構成要素は、支持構造物３０８に機械的に固定されるが、支持構造物３０８の一部は半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nをおよそ覆う構造にする。この支持構造物３０８の構造を図７を用いてより詳細に説明する。

図７は、本実施例の単位電力変換器１０８を冷却フィン３０５と半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが配置された軸を含む側面で切断した際の断面図である。実施例１の支持構造物とは異なり、本実施例の支持構造物３０８は半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nをおよそ覆うようにその一部を構成する。さらに支持構造物３０８は冷却フィン３０５と半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nが配置された軸上において、上部および下部に開口部４００を備え、この開口部４００を貫通するように絶縁碍子３０３を配置する。絶縁碍子３０３を介して隣り合う単位電力変換器１０８は、半導体スイッチング素子２０１P、２０１Nおよび冷却フィン３０５に圧接力を加えることが可能となる。

第二の実施例においては、第一の実施例の効果加えて更に次の効果を持つ。つまり第二の実施例においては単位電力変換器１０８を構成する半導体スイッチング素子２０１P、２０１N、冷却フィン３０５、単位電力変換器出力バスバ２０２P、２０２Nおよび直流コンデンサ接続バスバ２０３P、２０３Nなどの直流コンデンサ２００の電圧が印加される部分は、支持構造物３０８と絶縁支持構造物４０１により開口部４００を除きおよそ密閉された構造となる。直流コンデンサ２００の電圧が印加される部分は、その電気的絶縁特性を保つため、可能な限り塵埃を取り除くことが好ましい。本実施例の構造では電圧印加部はおよそ密閉されており、塵埃の入る可能性が少なく、電気的絶縁を保つことが容易となる。

以下本発明の第三の実施例を図８乃至図１１に沿って説明する。尚、図８乃至図１１において、図１〜図７と同一符号は同一部品を示すので、再度の説明は省略する。第一および第二の実施例では、単位電力変換器１０８は図３に示すハーフ・ブリッジの構成であったが、第三の実施例では単位電力変換器６０４がフル・ブリッジの構成を持つ点が、第一および第二の実施例と比較した場合の変更点である。
図８は本実施例を適用した無効電力補償装置６００の構成図を示したものである。無効電力補償装置６００は変圧器１０２を介して電力系統１０１に接続する。本実施例の直流送電無効電力補償装置６００は、MMCの回路トポロジーを適用した電力変換装置６０１で構成する。電力変換装置６０１は単位電力変換器６０４を直列に接続して構成したレグ６０２U、６０２V、６０２Wを持つ。またレグ６０２U、６０２V、６０２Wは複数の単位電力変換器６０４のセットである複数のスタック６０３で構成する。なお図８中には描いていないが、無効電力補償装置６００はコントローラや遮断機、補助電源等もその構成要素に含む。

図９は無効電力補償装置６００を構成する単位電力変換器６０４の電気回路構成を描いたものである。図９が示すように単位電力変換器６０４はフル・ブリッジと呼ばれる回路構成で構成する。つまり２つの半導体スイッチング素子７０１Pおよび７０１Nが直列に接続され一つのレグを構成し、さらに半導体スイッチング素子７０２Pおよび７０２Nが直列に接続してもう一つのレグを構成する。両方のレグの両端には、直流電圧をほぼ一定に保つための直流コンデンサ７００が接続する。また両方のレグの中間部に、それぞれ隣り合う単位電力変換器６０４に接続するためのバスバ７０３A、７０３Bを接続する。

半導体スイッチング素子７０１P、７０１N、 ７０２P、７０２Nは圧接型半導体素子で構成され、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と逆接続したダイオードで構成する。なお本実施例では圧接型ＩＧＢＴを用いて説明するが、圧接型IGBTの代わりに自励式半導体素子である圧接型ＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）等、異なる種類の圧接型パワー半導体素子を利用しても本実施例の効果は実現可能である。

図１０は本実施例のスタック６０３の全様を示す概略側面図である。スタック６０３は単位電力変換器６０４を垂直方向に積み重ねて実現する。本実施例では単位電力変換器６０４を構成する構成要素が支持構造物３０４の上に配置される点は、他の実施例と同一である。またスタック６０３が圧接力印加機構３０１および皿バネ３０２を用いて、垂直方向に配置された複数の単位電力変換器６０４に対して一括で垂直方向に圧接力を与える点も、他の実施例と同一である。

図１１は、本実施例の単位電力変換器６０４を冷却フィン３０５と半導体スイッチング素子７０１P、７０１N、７０２P、７０２Nが配置された軸を含む側面で切断した際の断面図である。実施例１、実施例２と異なり、本実施例の単位電力変換器６０４はフル・ブリッジを構成する。つまり単位電力変換器６０４を構成するコンデンサ７００は中心部に正極端子（図中の“P”）および両端に負極端子（図中の“N”）を持つ。単位電力変換器６０４内は４つの半導体スイッチング素子７０１P、７０１N、７０２P、７０２Nがおよそ同一軸上に配置され、さらに７０１P、７０１Nに対して７０２P、７０２Nがエミッタ（図中の“E”）とコレクタ(図中の“C”)の端子の向きをそれぞれ逆方向に接続することで、フル・ブリッジ回路を構成する。

この他の構成については、実施例１と同様であるので、説明は省略する。また本実施例に示す構成により、実施例１と同じ効果が得られる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１００・・・直流送電変電所、 １０１・・・電力系統、 １０２・・・変圧器、 １０３・・・電力変換装置、 １０４U、１０４V、１０４W、１０５U、１０５V、１０５W・・・リアクトル、 １０６U、１０６V、１０６W、１０７U、１０７V、１０７W・・・アーム、 １０８・・・単位電力変換器、 １０９・・・スタック、 １１０P・・・直流部正極端子、 １１０N・・・直流部負極端子、 ２００・・・直流コンデンサ、 ２０１P、２０１N・・・半導体スイッチング素子、 ２０２P、２０２N・・・単位電力変換器出力バスバ、 ２０３P、２０３N・・・直流コンデンサ接続バスバ、 ３００・・・スタック支持部材、 ３０１・・・圧接力印加機構、 ３０２・・・皿バネ
３０３・・・絶縁碍子、 ３０４・・・支持構造物、 ３０５・・・冷却フィン、 ３０６・・・ゲートドライバ、 ３０７・・・セル間接続バスバ、 ３０８・・・支持構造物、 ４００・・・開口部、 ４０１・・・絶縁支持構造物、 ５００、５０１・・・交換治具、 ６００・・・無効電力補償装置、 ６０１・・・電力変換装置、 ６０２U、 ６０２V、 ６０２W・・・レグ、 ６０３・・・スタック、 ６０４・・・単位電力変換器、 ７００・・・直流コンデンサ、 ７０１P、７０１N、７０２P、７０２N・・・半導体スイッチング素子、 ７０３A、７０３B・・・単位電力変換器出力バスバ、 ７０４P、７０４N・・・直流コンデンサ接続バスバ

Claims (9)

1. 複数の単位電力変換器を電気的に直列接続して構成する電力変換装置であって、前記単位電力変換器は、直流コンデンサと、圧接型半導体素子と、前記直流コンデンサと前記圧接型半導体素子を電気的に接続する第１の接続部材と、他の単位電力変換器と電気的に接続するための第２の接続部材と、開口部を一部に持つ支持構造物を有し、
   複数の前記単位電力変換器の両端から圧接力が加えられて、隣り合う前記単位電力変換器が前記開口部を貫通するように配置される絶縁物を介して相互に押圧されて、スタックとして構成可能であって、
   前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材は前記支持構造物に機械的に固定されて、前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材は前記支持構造物に固定された状態で移動可能に構成されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記単位電力変換器は、冷却フィンと、絶縁物を有しており、前記冷却フィンと、前記絶縁物と、前記絶縁物は、同一軸線上に配置されることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置において、他の単位電力変換器と電気的に接続するための第３の続部材を有することを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１に記載の電力変換装置において、
   前記第１の接続部材および前記第２の接続部材は機械的な柔軟性を持つ導体であって、
   前記第１の接続部材および前記第２の接続部材は前記直流コンデンサあるいは絶縁物を介して、あるいは直接に前記支持構造物に機械的に固定されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記第２の接続部材は、前記コンデンサが配置された側とおおよそ反対側に配置することを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の電力変換装置において、前記支持構造物は板状の構造材であることを特徴とする力変換装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の電力変換装置において、
   前記支持構造物は少なくとも前記圧接型半導体素子をおおよそ覆う構造材であることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電力変換装置において、前記圧接型半導体素子は、圧接型ＩＧＢＴあるいは圧接型ＧＴＯを構成要素として持つことを特徴とする電力変換装置。
9. 複数の単位電力変換器を電気的に直列接続して構成し、前記単位電力変換器は、直流コンデンサと、圧接型半導体素子と、前記直流コンデンサと前記圧接型半導体素子を電気的に接続する第１の接続部材と、他の単位電力変換器と電気的に接続するための第２の接続部材と、開口部を一部に持つ支持構造物を有し、複数の前記単位電力変換器の両端から圧接力が加えられて、隣り合う前記単位電力変換器が前記開口部を貫通するように配置される絶縁物を介して相互に押圧されてスタックとして構成可能な電力変換装置の保守方法であって、
   前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材は前記支持構造物に機械的に固定し、前記単位電力変換器の故障時に、前記直流コンデンサと、前記圧接型半導体素子と、前記第１の接続部材とを前記支持構造物に固定した状態で移動して保守する電力変換装置の保守方法。

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