JP2017163642A - 電力変換装置の並列冗長システム - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置の並列冗長システムにおいて、他号機の短絡故障に起因する自号機の故障を抑制して負荷への給電を継続し、システムの信頼性を向上させる。【解決手段】インバータ４の出力側に設けられた出力フィルタ回路５に、複数リアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂを並列接続する。また、複数のリアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂのうち１つのリアクトルＬ３ａに半導体スイッチ１１を直列接続する。そして、通常時は半導体スイッチ１１を投入状態とし、インバータ４のスイッチングデバイスの短絡故障時に、半導体スイッチ１１を開放状態とする。半導体スイッチ１１開放後、スイッチングデバイスが短絡故障した電力変換装置の解列用スイッチ１０を開放する。【選択図】図１

Description

本発明は、 電力変換装置の並列冗長システムに係り、特に、他号機の短絡故障に起因する自号機の故障を抑制する技術に関する。

図５に常時インバータ給電方式の無停電電源装置ＵＰＳのシステム構成図を示す。常時インバータ給電方式の無停電電源装置ＵＰＳは、交流電源１から入力フィルタ回路２，整流器３，インバータ４，出力フィルタ回路５を通して負荷６に電力を供給する。停電時には、バッテリ７からＤＣ−ＤＣコンバータ８とインバータ４，出力フィルタ回路５を通して負荷６に電力を供給し、常に負荷６へ電力を供給する構成となっている。

システムの信頼性向上のために、図６に示すように無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２を２台以上用いた並列冗長システムを適用することがある。この並列冗長システムでは、１台の無停電電源装置（例えば、ＵＰＳ１）が故障停止した場合でも、もう１台の無停電電源装置（例えば、ＵＰＳ２）を通して負荷６へ給電することができる。並列冗長システムの先行技術としては、特許文献１が開示されている。

特開平５−３４４７３８号公報

しかしながら、 この並列冗長システムは、無停電電源装置ＵＰＳ１のインバータ４のスイッチングデバイスが何らかの原因により破損して短絡した場合、無停電電源装置ＵＰＳ１のインバータ４内で短絡ループが発生してしまう。そして、図７に示すように、健全機である無停電電源装置ＵＰＳ２のＤＣリンクコンデンサ９から故障個所へ短絡電流が図７に示す矢印の経路で流れてしまい、健全機である無停電電源装置ＵＰＳ２も過電流により装置が停止してしまう。その結果、無停電電源装置ＵＰＳ１と無停電電源装置ＵＰＳ２が共に停止して、負荷６へ給電できなくなる。

これを防ぐためには、短絡状態になった故障機である無停電電源装置ＵＰＳ１をシステムから解列する必要がある。この解列は、通常、図７に示す位置に電磁接触器や開閉器などのスイッチ（以下、解列用スイッチと称する）１０を接続し、解列用スイッチ１０を開にすることによって行う。

無停電電源装置ＵＰＳの並列冗長システムでは、通常、各号機の無停電電源装置の出力電流を監視しており、無停電電源装置ＵＰＳ２が出力側で過電流を検出した場合、解列用スイッチ１０を開にして無停電電源装置ＵＰＳ２をシステムから解列する。

しかしながら、解列用スイッチ１０に用いられる電磁接触器や開閉器は開閉に所定の時間遅れ（数ｍｓ程度）を要するため、故障機をシステムから解列することが遅くなる。そのため、故障機の解列前に健全機である無停電電源装置ＵＰＳ２の過電流が無停電電源装置ＵＰＳ２内のスイッチングデバイスなどの部品を保護するための過電流故障停止レベルまで上昇してしまう。その結果、無停電電源装置ＵＰＳ２も故障停止してしまい、結局、無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２が共に停止して負荷６へ給電できなくなるという問題があった。

無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２ の並列冗長システムにおいて、無停電電源装置ＵＰＳ１のインバータ４のスイッチングデバイス短絡故障時に、無停電電源装置ＵＰＳ２に過電流が発生する動作原理を図８で説明する。なお、図８では、解列用スイッチ１０と出力フィルタ回路５のコンデンサＣ２は省略している。

無停電電源装置 ＵＰＳ１および無停電電源装置ＵＰＳ２のＵ相のスイッチングデバイスＳＵ１，ＳＵ２，Ｙ相のスイッチングデバイスＳＹ１，ＳＹ２，Ｚ相のスイッチングデバイスＳＺ１，ＳＺ２のオン動作中に、無停電電源装置ＵＰＳ１のＸ相のスイッチングデバイスＳＸ１が短絡したとする。その場合、図８の太線（短絡ループ１）と破線（短絡ループ２）に示す２種類の短絡ループが発生して、無停電電源装置ＵＰＳ２にも過電流が発生する。図８には示していないが、無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２のＹ相のスイッチングデバイスＳＹ１，ＳＹ２にもＺ相スイッチングデバイスＳＺ１，ＳＺ２と同様に短絡ループ１による過電流が流れる。

また、短絡ループ１の短絡電流は、出力フィルタ回路５のリアクトルＬ３のインダクタンス値に依存する。無停電電源装置ＵＰＳ２のインバータ４の直流電圧をＶｄｃ２，短絡ループ１の短絡電流をＩ，出力フィルタ回路５のリアクトルＬ３のインダクタンス値（１相あたり）をＬ，時間をｔとすると、直流電圧Ｖｄｃ２は以下の（１）式となる。

また、特許文献１は、各スイッチングデバイスと直列にヒューズを接続し、あるスイッチングデバイスの短絡故障発生時にそのアームの健全なスイッチングデバイスをオンオフ動作させてヒューズを強制的に溶断させ、短絡故障が発生したインバータ４を短時間で解列させている。しかし、この技術は多数のヒューズが必要であり、インバータ４の小型化とコストの面での問題がある、
以上示したようなことから、電力変換装置の並列冗長システムにおいて、他号機の短絡故障に起因する自号機の故障を抑制して負荷への給電を継続し、システムの信頼性を向上させることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、各相の上下アームそれぞれに設けられたスイッチングデバイスを有し、直流電力を交流電力に変換するインバータと、前記インバータの出力側に設けられ、複数並列接続されたリアクトルと、前記複数のリアクトルのうち１つのリアクトルに直列接続された半導体スイッチと、を有する出力フィルタ回路と、前記出力フィルタ回路と負荷との間に介挿された解列用スイッチと、を有する電力変換装置が２つ以上並列接続された電力変換装置の並列冗長システムであって、通常時は前記半導体スイッチを投入状態とし、前記インバータの前記スイッチングデバイスの短絡故障時に、前記半導体スイッチを開放状態とし、前記半導体スイッチ開放後に、前記スイッチングデバイスが短絡故障した電力変換装置の前記解列用スイッチを開放することを特徴とする。

また、その一態様として、前記スイッチングデバイスが短絡故障した電力変換装置の前記解列用スイッチの開放後に、前記半導体スイッチを投入することを特徴とする。

また、その一態様として、前記インバータの各相の上下アームそれぞれに電流検出器を設け、前記各電流検出器が検出した電流に基づいて前記スイッチングデバイスの短絡故障を検出することを特徴とする。

また、その一態様として、前記並列接続されたリアクトルは２つであり、前記各リアクトルのインダクタンス値が等しいことを特徴とする。

また、その一態様として、前記電力変換装置は、無停電電源装置であることを特徴とする。

本発明によれば、電力変換装置の並列冗長システムにおいて、他号機の短絡故障に起因する自号機の故障を抑制して負荷への給電を継続し、システムの信頼性を向上させることが可能となる。

実施形態における電力変換装置の並列冗長システムを示すブロック図。 実施形態における電流検出器の接続箇所を示す図。 通常運転時におけるインバータの動作例を示す図。 半導体スイッチの動作例を示す図。 従来の無停電電源装置の一例を示すブロック図。 無停電電源装置の並列冗長システムを示すブロック図。 並列冗長システムの故障例を示す図。 並列冗長システムの短絡ループを示す図。

以下、本願発明における電力変換装置の並列冗長システムの実施形態を図１〜図４に基づいて詳述する。

［実施形態］
まず、図１に基づいて、本実施形態における電力変換装置の並列冗長システムの構成を説明する。

図１に示すように、本実施形態の電力変換装置の並列冗長システムは、負荷６に対して、２つの交流電源１と、２つの無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２が並列に接続されている。

無停電電源装置ＵＰＳ１は、入力フィルタ回路２と、整流器３と、インバータ４と、出力フィルタ回路５と、解列用スイッチ１０と、整流器３とインバータ４との間の直流リンク部に接続されたＤＣリンクコンデンサ９と、を備えている。

入力フィルタ回路２は、直列接続されたリアクトルＬ１，Ｌ２と、リアクトルＬ１，Ｌ２との間に接続されたコンデンサＣ１と、を備える。

出力フィルタ回路５は、インバータ４と解列用スイッチ１０との間に複数並列接続されたリアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂと、リアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂと解列用スイッチ１０との間に接続されたコンデンサＣ２と、リアクトルＬ３ａに直列接続された半導体スイッチ１１と、を備えている。入力フィルタ回路２と出力フィルタ回路５は交流電源１や負荷６に流れる高調波電流を抑制する。

インバータ４は、各相の上下アームそれぞれにＩＧＢＴなどのスイッチングデバイスを有し、このスイッチングデバイスのオンオフ動作によって、直流電力を交流電力に変換する。

無停電電源装置ＵＰＳ２も無停電電源装置ＵＰＳ１と同様に構成されている。

本実施形態では、（１）短絡発生の検出、（２）短絡発生時の過電流の抑制により、他号機の短絡故障に起因する自号機の故障を抑制する。以下、（１）短絡発生の検出、短絡発生時の過電流の抑制について説明する。
（１）短絡発生の検出
並列冗長システム運用時に、他号機の短絡故障に起因する自号機の故障を防ぐためには、短絡故障した電力変換装置の異常検出を早くする必要がある。そこで、図２に示すように各無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２のインバータ４の上下アームそれぞれに電流検出器（例えば、ホールＣＴ）ＨＣＴを接続する。図２ではＵ相Ｘ相のアームのみ示しているが、インバータ４が３相の場合、３相各々の上下アームに電流検出器ＨＣＴを接続する。

これにより、出力側で過電流を検出するより早くスイッチングデバイスの短絡故障発生を検出することができる。

各アームに設けた電流検出器ＨＣＴによって短絡の発生を検出する方法は、２種類ある。

第１の方法は、同一アーム（ＵＸ相またはＶＹ相またはＸＺ相）の上側の電流検出器ＨＣＴの電流検出値と下側の電流検出器ＨＣＴの電流検出値がともに基準値以上になった時に短絡発生と判定する方法である。

無停電電源装置ＵＰＳの通常運転時は、上アーム側のスイッチングデバイスがオンしているとき下アーム側のスイッチングデバイスはオフしている。したがって、同一アームの上側の電流検出器ＨＣＴと下側の電流検出器ＨＣＴに同時に電流が流れることはない。

したがって、図８に示す短絡ループ１，２のように、上下アームのいずれかのスイッチングデバイスに短絡故障が発生し、そのアームが短絡状態となって上下アームの電流検出器ＨＣＴに同時に電流が流れる状態は、短絡が発生している状態であると判定できる。

第２の方法は、異なるアームの電流検出器ＨＣＴの電流検出値の極性より判定する方法である。

無停電電源装置ＵＰＳに適用する電圧形インバータの通常運転時では、各相の上下アームのスイッチングデバイスの一方をオン動作、他方のスイッチングデバイスをオフ動作させる。例えば、Ｕ相のスイッチングデバイスＳＵ１がオンのとき、Ｘ相のスイッチングデバイスＳＸ１はオフとなる。

さらに、インバータ４が負荷６へ給電する場合、上アームのスイッチングデバイスのオン動作と下アームのスイッチングデバイスのオン動作の組み合わせが必要となる。例えば、上アームのＵ相のスイッチングデバイスＳＵ１がオンのとき、下アームのＹ相のスイッチングデバイスＳＹ１とＺ相のスイッチングデバイスＳＺ１がオンとなる。

図３に、通常運転時のインバータ４の動作例を示す。

図３において、オン動作中のＵ相Ｙ相Ｚ相のスイッチングデバイスＳＵ１，ＳＹ１，ＳＺ１に流れる電流Ｉｕ，Ｉｙ，Ｉｚは、三相回路の原理より、Ｉｕ＝Ｉｙ＋Ｉｚとなる。さらに、スイッチングデバイスのエミッタ方向に流れる電流を正極とすると、スイッチングデバイスＳＵ１，ＳＹ１，ＳＺ１に流れる電流Ｉｕ，Ｉｙ，Ｉｚはすべて同極性の電流となる。

したがって、無停電電源装置ＵＰＳの通常運転時は、下アームのスイッチングデバイスのグループ（Ｘ相のスイッチングデバイスＳＸ１，Ｙ相のスイッチングデバイスＳＹ１，Ｚ相のスイッチングデバイスＳＺ１）で同時に互いに逆の極性の電流が流れることはない。同様に、上アームのスイッチングデバイスのグループ（Ｕ相のスイッチングデバイスＳＵ１，Ｖ相のスイッチングデバイスＳＶ１，Ｗ相のスイッチングデバイスＳＷ１）で同時に互いに逆の極性の電流が流れることもない。無停電電源装置ＵＰＳ２の動作も同様である。

一方、短絡が発生した図８の短絡ループ１では、無停電電源装置ＵＰＳ１のＸ相のスイッチングデバイスＳＸ１とＷ相のスイッチングデバイスＳＷ１は極性が互いに逆の電流が流れている。

したがって、下アーム同士（または、上アーム同士）の電流検出器ＨＣＴで基準値以上の逆極性の電流を同時に検出した場合に、スイッチングデバイスの短絡故障が発生していると判定できる。なお、短絡検出の方法は、これらの方法に限らなくとも、他の方法を用いてもよい。

（２）短絡発生時の過電流の抑制
１台の無停電電源装置ＵＰＳのインバータ４のスイッチングデバイスの短絡発生時に、もう１台の無停電電源装置ＵＰＳの過電流故障停止を抑制するために、前記スイッチングデバイスの短絡検出直後に、一時的に出力フィルタ回路５のインピーダンス値を増加させる。

図２に示すように、出力フィルタ回路５内において、２つのリアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂを並列に接続し、さらに、一方のリアクトルＬ３ａには半導体スイッチ（例えば、ＩＧＢＴなど）１１を直列接続する。この半導体スイッチ１１の開閉により出力フィルタ回路５のインピーダンス値（リアクトルのインダクタンス値Ｌ）を変化させる。なお、リアクトルＬ３ａとリアクトルＬ３ｂのインダクタンス値Ｌは同値とする。

図４に示すように、通常時は半導体スイッチ１１を投入状態とする。一方の無停電電源装置（例えば、ＵＰＳ１）のインバータ４のスイッチングデバイスに短絡異常が起こった場合、両方の無停電電源装置ＵＰＳ１，ＵＰＳ２の半導体スイッチ１１を開放することにより、出力フィルタ回路５を通常時の２倍のインピーダンス値とすることができる。

したがって、半導体スイッチ１１の開放後は図８の短絡ループ１におけるリアクトルＬ３のインダクタンス値Ｌが２倍になる。よって、（１）式のインダクタンス値Ｌが２倍となるため、ΔＩ／Δｔは半導体スイッチ１１開放前の１／２となる。

この動作によって、無停電電源装置ＵＰＳ１のスイッチングデバイスに短絡故障が発生した場合でも健全機である無停電電源装置ＵＰＳ２に流れる過電流の上昇を抑制することができる。

さらに、図８の短絡ループ１の電流が無停電電源装置ＵＰＳ２の過電流故障停止レベルに到達する前に無停電電源装置ＵＰＳ１の解列用スイッチ１０が開放され、故障機がシステムから解列される。リアクトルＬ３ａ，Ｌ３ｂのインダクタンス値Ｌと解列用スイッチ１０の動作遅れ時間と過電流故障停止レベルを適正値に設定・設計することにより、健全機である無停電電源装置ＵＰＳ２が過電流故障停止レベルに到達する前に、故障機である無停電電源装置ＵＰＳ１の解列用スイッチ１０を開放できる。

さらに、無停電電源装置ＵＰＳ１の解列用スイッチ１０の開放後に無停電電源装置ＵＰＳ２の半導体スイッチ１１を投入して、無停電電源装置ＵＰＳ２の出力フィルタ回路５のインピーダンス値を通常値に戻す。

故障機である無停電電源装置ＵＰＳ１をシステムから解列した後には、図８に示す短絡ループ１がなくなり、無停電電源装置ＵＰＳ２には過電流が流れなくなる。そのため、無停電電源装置ＵＰＳ２は過電流故障停止しなくなり、無停電電源装置ＵＰＳ２から負荷６への給電を継続することができる。

本発明によれば、各スイッチングデバイスに電流検出器ＨＣＴを取り付けて各スイッチングデバイスに流れる電流を検出することで、スイッチングデバイスの短絡故障を早く検出できる。さらに、出力フィルタ回路５のインピーダンスを増加させることで過電流上昇を抑制することができるため、他号機の短絡故障による自号機の故障抑制が可能となり、負荷６への給電継続が可能となる。これにより、電力変換装置の並列冗長システムの信頼性が向上する。

さらに、特許文献１と比較してもヒューズが不要であるため、システムの小型化とコストの面で有利である。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、本実施形態では、 電力変換装置として無停電電源装置を適用しているが、出力フィルタ回路５を有する電力変換装置であれば良い。また、本実施形態ではインバータ４に三相インバータを適用しているが、単相インバータでも適用可能である。

１…交流電源
２…入力フィルタ回路
３…整流器
４…インバータ
５…出力フィルタ回路
６…負荷
７…バッテリ
８…ＤＣ−ＤＣコンバータ
９…ＤＣリンクコンデンサ
１０…解列用スイッチ
１１…半導体スイッチ
ＨＣＴ…電流検出器

Claims (5)

1. 各相の上下アームそれぞれに設けられたスイッチングデバイスを有し、直流電力を交流電力に変換するインバータと、
   前記インバータの出力側に設けられ、複数並列接続されたリアクトルと、前記複数のリアクトルのうち１つのリアクトルに直列接続された半導体スイッチと、を有する出力フィルタ回路と、
   前記出力フィルタ回路と負荷との間に介挿された解列用スイッチと、
   を有する電力変換装置が２つ以上並列接続された電力変換装置の並列冗長システムであって、
   通常時は前記半導体スイッチを投入状態とし、
   前記インバータの前記スイッチングデバイスの短絡故障時に、前記半導体スイッチを開放状態とし、
   前記半導体スイッチ開放後に、前記スイッチングデバイスが短絡故障した電力変換装置の前記解列用スイッチを開放することを特徴とする電力変換装置の並列冗長システム。
2. 前記スイッチングデバイスが短絡故障した電力変換装置の前記解列用スイッチの開放後に、前記半導体スイッチを投入することを特徴とする請求項１記載の電力変換装置の並列冗長システム。
3. 前記インバータの各相の上下アームそれぞれに電流検出器を設け、
   前記各電流検出器が検出した電流に基づいて前記スイッチングデバイスの短絡故障を検出することを特徴とする請求項１または２記載の電力変換装置の並列冗長システム。
4. 前記並列接続されたリアクトルは２つであり、前記各リアクトルのインダクタンス値が等しいことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載の電力変換装置の並列冗長システム。
5. 前記電力変換装置は、無停電電源装置であることを特徴とする請求項１〜４のうち何れか１項に記載の電力変換装置の並列冗長システム。

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