JP2017131063A

JP2017131063A - 電力変換装置

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Publication number: JP2017131063A
Application number: JP2016009998A
Authority: JP
Inventors: 健司小方; Kenji Ogata; 倫宏澤野; Michihiro Sawano
Original assignee: Yanmar Co Ltd
Current assignee: Yanmar Co Ltd
Priority date: 2016-01-21
Filing date: 2016-01-21
Publication date: 2017-07-27
Anticipated expiration: 2036-01-21
Also published as: JP6484570B2

Abstract

【課題】直流地絡を検出する検出回路自体の異常を検出する機能を付加することで、直流地絡検出回路の状態を常に監視し、断線等の異常が発生した場合には、スイッチング動作を直ちに停止する。
【解決手段】入力電力を整流する整流器１２と、整流器１２の出力側に接続された直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子１５と、整流器１２とスイッチング素子１５との間に設けられた零相変流器１３を有する地絡検出回路２２と、スイッチング素子１５を制御する制御部２３と、制御部２３からの断線検知用信号Ｓ１に基づいて零相変流器１３に微弱電流を供給する微弱電流供給回路２４と、を備え、制御部２３は、微弱電流によって零相変流器１３に発生する微小電流を地絡検出回路２２を通じて検出することで、地絡検出回路２２が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かを確認する。
【選択図】図１

Description

本発明は、整流器とスイッチング素子との間に設けられた零相変流器を有する地絡検出回路と、スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた電力変換装置に係り、より詳細には、地絡検出回路が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かを確認する手段を備えた電力変換装置に関する。

従来、電源側である例えば太陽光発電や風力発電等で発電した直流電力を交流電力に変換して電力会社の送電線に接続するための電力変換装置が提供されている。

図３は、このような電力変換装置１００の電気的構成の一例を示すブロック図である。

この電力変換装置１００は、電源側である入力端子部１１に接続された入力電力を整流する整流器１２と、整流器１２の後段側に接続された電力を平滑化する電解コンデンサ１４と、電解コンデンサ１４の後段側に接続された各種スイッチング素子により直流電力を３相の交流電力に変換するインテリジェントパワーモジュール（以下、単にスイッチング素子ともいう。）１５と、スイッチング素子１５の後段側に接続されたＬＣ回路を構成するリアクトル１６及びコンデンサ１７と、ＬＣ回路の後段側に接続された各相の電流を検出するシャント抵抗１８と、シャント抵抗１８の後段側に接続されたノイズフィルタ１９と、ノイズフィルタ１９の後段側に並列に接続された系統側電磁開閉器（系統側リレー回路）２０ａ及び自立側電磁開閉器（自立側リレー回路）２０ｂと、系統側電磁開閉器２０ａの後段側に接続されて電力会社の送電線に接続される系統側出力端子部２１ａと、自立側電磁開閉器２０ｂの後段側に接続された自立側出力端子部２１ｂと、スイッチング素子１５を制御する各種コントローラＡ〜Ｃと、を備えて構成されている。なお、図中の記号ＣＴで示すブロックは、必要に応じて挿入されている変流器である。

上記構成において、整流器１２とスイッチング素子１５との間の直流ラインには、貫通型の電流センサである零相変流器１３が設けられており、零相変流器１３の二次側の出力がコントローラＢの直流地絡検出回路２２に入力され、直流地絡検出回路２２からコントローラＡのＣＰＵ２３に対して、直流地絡の検出値が入力される構成となっている。

零相変流器１３は、電力変換装置１００が正常に動作している場合にはほとんど電流が流れない状態となるセンサである。従って、電力変換装置１００が正常に動作している場合には、直流地絡検出回路２２は基本的に何も検出せず、ＣＰＵ２３への信号入力も無い状態が続くことになる。

一方、直流地絡が発生すると、整流器１２とスイッチング素子１５との間の直流ラインのバランスが崩れることから直流ラインの周囲に磁界が発生して、零相変流器１３に電流が流れることになる。その電流値を直流地絡検出回路２２で検出すると、コントローラＢからコントローラＡのＣＰＵ２３に対して直流地絡の電流値が入力される。ＣＰＵ２３は、この電流値が判定値を超えたときに、コントローラＣを介してスイッチング素子１５のスイッチング制御を停止するようになっている。

このような直流地絡の検出回路を備えた電力変換装置として、例えば特許文献１には、直流入力端子と交流出力端子の間にインバータ主回路及びＡＣリレーを介在させ、インバータ主回路へ流れ込む電流をＤＣ電流センサによって検出し、主制御回路は、ＡＣリレーを開いた状態でインバータ主回路を動作させ、この期間にＤＣ電流センサによって電流が検出されるかどうかにより、インバータ主回路の故障を自己診断し、故障のないときに限りＡＣリレーを閉じて、連系運転を開始する構成の系統連系電源システム（電力変換装置）が開示されている。

特開平６−１１７０６６号公報

このように、従来の電力変換装置は、直流地絡を検出する検出回路を備えている。しかし、直流地絡を検出するための零相変流器１３は、電力変換装置が正常に動作している場合にはほとんど電流が流れない状態となるセンサであるため、直流地絡検出回路２２は基本的に何も検出せず、ＣＰＵ２３への信号入力も無い状態が続くことになる。

この状態は、直流地絡検出回路２２の信号系統で断線等が生じた場合でも同じ状態となるため、この状態で電力変換装置に直流地絡が発生した場合には、直流地絡検出回路２２によって直流地絡を検出できず、電力変換装置を停止することができないといった問題が発生することになる。しかし、直流地絡検出回路の断線等の異常を検出する機能（いわゆる安全機能）を備えた電力変換装置は、現在のところ提案されていない。

本発明はかかる実情に鑑みて創案されたものであり、その目的は、直流地絡を検出する検出回路自体の異常を検出する機能を付加することで、直流地絡検出回路の状態を常に監視し、断線等の異常が発生した場合には、動作を直ちに停止することのできる電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、入力電力を整流する整流器と、前記整流器の出力側に接続された直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、前記整流器と前記スイッチング素子との間に設けられた零相変流器を有する地絡検出回路と、前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた電力変換装置であって、前記制御部からの断線検知用信号に基づいて前記零相変流器に微弱電流を供給する微弱電流供給回路を備え、前記制御部は、前記微弱電流によって前記零相変流器に発生する微小電流を前記地絡検出回路を通じて検出することで、前記地絡検出回路が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かを確認することを特徴としている。

この構成によれば、微弱電流供給回路から零相変流器に微弱電流を供給することで、地絡検出回路は、微弱電流によって零相変流器に発生する微小電流を常に検出し、この微小電流の電流値を制御部に入力する。従って、制御部は、電力変換装置が動作中、常に、この微小電流の電流値を監視することで、地絡検出回路が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かを確認できるので、地絡検出回路が直流地絡を検出不可能な状態にあると判断した場合には、直ちに電力変換装置を停止することが可能となる。

また、本発明の電力変換装置によれば、前記制御部は、前記スイッチング素子に出力するスイッチング信号と同期したゲートブロック信号を前記微弱電流供給回路に出力し、前記微弱電流供給回路は、前記ゲートブロック信号を受信している場合にのみ、前記断線検知用信号に基づいて前記零相変流器に微弱電流を供給する構成としてもよい。

この構成によれば、無駄な電力消費を抑えることができる。

また、本発明の電力変換装置によれば、前記断線検知用信号は、方形波または正弦波の交流信号とすることができる。すなわち、地絡検出回路が検出可能な交流信号であれば、どのような波形の信号であってもよい。

また、本発明の電力変換装置によれば、前記微小電流の電流値は、地絡を検出したときの電流値より低い電流値に設定されている。これにより、微小電流を地絡と誤って検出することを防止することができる。

また、本発明の電力変換装置によれば、前記制御部は、前記地絡検出回路から入力される前記微小電流の電流値が検出できなくなると、前記地絡検出回路が直流地絡を検出可能な状態に無いと判断して前記スイッチング素子の制御を停止する構成としている。

この構成によれば、地絡検出回路等の断線等による異常が生じた状態で、地絡が発生した場合にそのまま動作を継続してしまうといった不測の事態を回避することができる。

本発明の電力変換装置によれば、電力変換装置の動作中に微小電流の電流値を常に監視することで、地絡検出回路等が正常に動作しているか否か、すなわち断線の有無等の異常を常に監視することができる。従って、地絡検出回路等に断線等の異常が発生した場合には、電力変換装置の動作を直ちに停止することができる。

本発明の実施の形態に係る電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。電力変換装置による直流地絡検出回路の監視動作及び直流地絡の検出動作の処理手順を示すフローチャートである。従来の電力変換装置の電気的構成の一例を示すブロック図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置の電気的構成を示すブロック図である。

本実施形態の電力変換装置１も、その基本構成は図３に示す従来の電力変換装置１００の構成と同じであり、入力端子部１１、整流器１２、電解コンデンサ１４、スイッチング素子１５、整流器１２とスイッチング素子１５との間の直流ラインに設けられた貫通型の電流センサである零相変流器１３、ＬＣ回路を構成するリアクトル１６及びコンデンサ１７、シャント抵抗１８、ノイズフィルタ１９、系統側電磁開閉器２０ａ及び自立側電磁開閉器２０ｂ、系統側出力端子部２１ａ及び自立側出力端子部２１ｂ、スイッチング素子１５を制御する各種コントローラＡ〜Ｃ、を備えて構成されている。

そして、零相変流器１３の二次側の出力がコントローラＢの直流地絡検出回路２２に入力され、直流地絡検出回路２２からコントローラＡのＣＰＵ２３に対して、直流地絡の検出値（電流値）が入力される構成となっている。

上記構成により、電力変換装置１が動作中に直流地絡が発生すると、整流器１２とスイッチング素子１５との間の直流ラインのバランスが崩れることから、直流ラインの周囲に磁界が発生し、零相変流器１３に電流が流れる。その電流を直流地絡検出回路２２で検出すると、直流地絡検出回路２２からコントローラＡのＣＰＵ２３に対して直流地絡の検出値（電流値）が入力される。ＣＰＵ２３は、この電流値が判定値を超えたときに、コントローラＣを介してスイッチング素子１５のスイッチング制御を直ちに停止して、電力変換装置１を緊急停止する構成とされている。

この場合、上記従来技術でも説明したように、零相変流器１３は、電力変換装置１が正常に動作している場合にはほとんど電流を検出しないセンサである。そのため、電力変換装置１が動作中、直流地絡検出回路２２が正常に機能しているかどうか（すなわち、直流地絡を検出可能な状態にあるかどうか）を確認する方法がなかった。

そこで、本実施形態の電力変換装置１は、電力変換装置１が動作中、直流地絡検出回路２２が正常に機能しているかどうか（すなわち、直流地絡を検出可能な状態にあるかどうか）を確認する手段を付加したものである。

具体的には、本実施形態の電力変換装置１は、上記構成に加え、コントローラＡに、ＣＰＵ２３からの断線検知用信号Ｓ１に基づいて零相変流器１３に微弱電流を供給する微弱電流供給回路２４を設けている。すなわち、零相変流器１３に補助巻線を巻き付けて、微弱電流供給回路２４からこの補助巻線に微弱電流を常時供給する構成としている。

ここで、断線検知用信号Ｓ１は、方形波または正弦波の一定周波数の交流信号である。ただし、直流地絡検出回路２２が検出可能な交流信号であれば、どのような交流波形の信号であってもよい。

一方、ＣＰＵ３は、微弱電流によって零相変流器１３に発生する微小電流を直流地絡検出回路２２を通じて検出することで、直流地絡検出回路２２が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かを確認する構成としている。

この場合、微弱電流によって零相変流器１３に発生する微小電流の電流値は、直流地絡を検出するための判定値より低い電流値となるように、微弱電流の電流値が設定されている。これにより、微弱電流によって零相変流器１３に発生する微小電流を、直流地絡により発生した電流値であると誤って検出することを防止することができる。

従って、ＣＰＵ２３は、直流地絡検出回路２２を通じて微小電流の電流値を常時監視することで、直流地絡検出回路２２が正常に機能しているかどうか（すなわち、直流地絡を検出可能な状態にあるかどうか）を確認することが可能となる。

また、本実施形態の電力変換装置１では、ＣＰＵ２３は、スイッチング素子１５に出力するスイッチング信号と同期したゲートブロック信号Ｓ２を微弱電流供給回路２４に出力する構成としている。このゲートブロック信号Ｓ２は、電力変換装置１の動作中において常時出力される一定電圧（例えば、５Ｖ等）の信号である。

微弱電流供給回路２４は、断線検知用信号Ｓ１とゲートブロック信号Ｓ２の２つの信号が入力されていることを条件として、零相変流器１３への微弱電流の供給を開始し、直流地絡検出回路２２の監視動作を開始する。すなわち、微弱電流供給回路２４は、ゲートブロック信号Ｓ２を受信している場合にのみ、断線検知用信号Ｓ１に基づいて零相変流器１３に微弱電流を供給し、ゲートブロック信号Ｓ２が入力されていない場合には、ＣＰＵ２３からの断線検知用信号Ｓ１を受け付けず、零相変流器１３に微弱電流を供給しない構成とされている。この構成によれば、電力変換装置１の動作中にのみ直流地絡検出回路２２の監視を行うので無駄な電力消費を抑えることができる。

次に、上記構成の電力変換装置１による直流地絡検出回路２２の監視動作及び直流地絡の検出動作について説明する。

上記したように、本実施形態の電力変換装置１では、電力変換装置１の動作中、零相変流器１３に微小電流を常時供給する構成としている。そのため、ＣＰＵ２３には、電力変換装置１が正常に動作している場合にも、直流地絡検出回路２２を通じて微小電流の電流値が常に入力されることになる。そのため、ＣＰＵ２３では、この微小電流の電流値と、直流地絡により発生する電流値とを区別して判別する必要がある。

そこで、本実施形態では、直流地絡検出回路２２から入力される電流値に２つの閾値を設定し、それぞれの閾値との比較によって、直流地絡検出回路２２の異常であるのか、直流地絡が発生しているのかを判断する構成としている。

具体的には、微小電流より若干低い電流値を第１の閾値Ｉａとして設定し、微小電流より若干高く、かつ、直流地絡により生じる電流値より低い値の電流値を第２の閾値Ｉｂとして設定（Ｉａ＜Ｉｂ）する。

ＣＰＵ２３では、これらの閾値Ｉａ，Ｉｂに基づき、図２に示すフローチャートに従って以下のように動作制御を行う。

電力変換装置１の動作中において、ＣＰＵ２３は、直流地絡検出回路２２から入力される電流値を常に監視する。すなわち、入力電流値と第１の閾値Ｉａとを比較して（ステップＳ１）、入力電流値が第１の閾値Ｉａ以下になっているか否かを確認する。この場合、電力変換装置１が正常に動作し、かつ、直流地絡検出回路２２も正常に動作している場合の入力電流値は微小電流の電流値であり、第１の閾値Ｉａよりも高い電流値である。従って、この場合には、ステップＳ１でＮｏと判断され、ステップＳ２へと処理を進める。

次のステップＳ２では、ＣＰＵ２３は、入力電流値と第２の閾値Ｉｂとを比較し、入力電流値が第２の閾値Ｉｂを超えているか否かを確認する。この場合、入力電流値は微小電流の電流値であり、第２の閾値Ｉｂより低いので、ステップＳ２においてＮｏと判断され、ステップＳ１に戻ることになる。

すなわち、直流地絡検出回路２２から入力される入力電流値が第１の閾値Ｉａと第２の閾値Ｉｂとの間にある場合には、そのまま動作を継続する。つまり、電力変換装置１が正常に動作し、直流地絡検出回路２２も正常に動作している場合には、電力変換装置１の動作をそのまま継続することになる。

一方、このような電力変換装置１の動作中において、零相変流器１３から直流地絡検出回路２２を経てコントローラＡのＣＰＵ２３に至る系に断線等の異常が発生した場合には、零相変流器１３に微弱電流を供給していても、ＣＰＵ２３にはこの微弱電流により発生した微小電流の電流値が入力されないことになる。また、ＣＰＵ２３から微弱電流供給回路２４を経て零相変流器１３に至る系に断線等の異常が発生した場合には、そもそも零相変流器１３に微弱電流が供給されないので、この場合もＣＰＵ２３には微弱電流により発生するはずの微小電流の電流値が入力されないことになる。

従って、これらの場合には、ＣＰＵ２３は、ステップＳ１において入力電流値が第１の閾値Ｉａ以下であると判断（Ｙｅｓと判断）し、ステップＳ３へと処理を進める。すなわち、零相変流器１３から直流地絡検出回路２２を経てコントローラＡのＣＰＵ２３に至る系、または、ＣＰＵ２３から微弱電流供給回路２４を経て零相変流器１３に至る系に断線等の異常が発生したと判断する。別言すれば、直流地絡検出回路２２が直流地絡の発生を検出できない状態であると判断する。そして、ステップＳ５へと処理を進めて、電力変換装置１の動作を緊急停止（すなわち、スイッチング素子１５のスイッチング制御を停止）する。

一方、電力変換装置１の動作中において、直流地絡が発生した場合には、整流器１２とスイッチング素子１５との間の直流ラインのバランスが崩れ、直流ラインの周囲に磁界が発生して、零相変流器１３に大きな電流が流れることになる。この電流値は、第２の閾値Ｉｂより高いので、ＣＰＵ２３では、ステップＳ２での判断がＹｅｓとなり、ステップＳ４へと処理を進める。すなわち、この場合には電力変換装置１に直流地絡が発生していると判断する。そして、ステップＳ５へと処理を進めて、電力変換装置１の動作を緊急停止（すなわち、スイッチング素子１５のスイッチング制御を停止）する。

このように、本発明によれば、微弱電流供給回路２４から零相変流器１３に微弱電流を常に供給することで、直流地絡検出回路２２は、微弱電流によって零相変流器１３に発生する微小電流を常に検出し、この微小電流の電流値をＣＰＵ２３に入力する構成としている。従って、ＣＰＵ２３は、電力変換装置１が動作中、常に、この微小電流の電流値を監視することで、直流地絡検出回路２２が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かをリアルタイムで確認できるので、直流地絡検出回路２２が直流地絡を検出不可能な状態にあると判断した場合には、直ちに電力変換装置１を停止することが可能となっている。

本発明は、その精神または主要な特徴から逸脱することなく、他のいろいろな形で実施することができる。そのため、上述の実施の形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈してはならない。本発明の範囲は請求の範囲に示すものであって、明細書本文には、なんら拘束されない。さらに、請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内のものである。

１電力変換装置
１１入力端子部
１２整流器
１３零相変流器
１４電解コンデンサ
１５インテリジェントパワーモジュール（スイッチング素子）
１６リアクトル
１７コンデンサ
１８シャント抵抗
１９ノイズフィルタ
２０ａ系統側電磁開閉器
２０ｂ自立側電磁開閉器
２１ａ系統側出力端子部
２１ｂ自立側出力端子部
２２直流地絡検出回路（地絡検出回路）
２３ＣＰＵ（制御部）
２４微弱電流供給回路

Claims

入力電力を整流する整流器と、前記整流器の出力側に接続された直流電力を交流電力に変換するスイッチング素子と、前記整流器と前記スイッチング素子との間に設けられた零相変流器を有する地絡検出回路と、前記スイッチング素子を制御する制御部と、を備えた電力変換装置であって、
前記制御部からの断線検知用信号に基づいて前記零相変流器に微弱電流を供給する微弱電流供給回路を備え、
前記制御部は、前記微弱電流によって前記零相変流器に発生する微小電流を前記地絡検出回路を通じて検出することで、前記地絡検出回路が直流地絡を検出可能な状態にあるか否かを確認することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載の電力変換装置であって、
前記制御部は、前記スイッチング素子に出力するスイッチング信号と同期したゲートブロック信号を前記微弱電流供給回路に出力し、
前記微弱電流供給回路は、前記ゲートブロック信号を受信している場合にのみ、前記断線検知用信号に基づいて前記零相変流器に微弱電流を供給することを特徴とする電力変換装置。
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置であって、
前記断線検知用信号は、方形波または正弦波の交流信号であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１から請求項３までのいずれか一つに記載の電力変換装置であって、
前記微小電流の電流値は、地絡を検知したときの電流値より低い電流値であることを特徴とする電力変換装置。
請求項１から請求項４までのいずれか一つに記載の電力変換装置であって、
前記制御部は、前記地絡検出回路から入力される前記微小電流の電流値が検出できなくなると、前記地絡検出回路が直流地絡を検出可能な状態に無いと判断して前記スイッチング素子の制御を停止することを特徴とする電力変換装置。