JP2017175862A

JP2017175862A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2017175862A
Application number: JP2016062163A
Authority: JP
Inventors: 宏信金; Hironobu Kin
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2017-09-28

Abstract

【課題】直列に接続される単位変換器で構成され、電力変換における全体の損失を低減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】ＭＭＣ１０は、直列に接続される直流電圧が異なるチョッパーセル１ａ〜１ｃと、複数の単位変換器チョッパーセル１ａ〜１ｃのうち直流電圧が最大のチョッパーセル１ｃのスイッチング回数を最小に制御する制御装置３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、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）が知られている。ＭＭＣは、直列に接続されたセル（単位変換器）で構成される電力変換装置である。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。

例えば、ＭＭＣとしては、セルに異常が生じた場合、各アームで動作させるセルが同数になるようにセルを停止し、出力電圧のアンバランスを抑制することが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−０４２３９６号公報

しかしながら、ＭＭＣを構成する各セルのスイッチング損失がほぼ同じになるように、各セルのスイッチング回数をほぼ同じにするには、各セルの直流電圧が同じであるため、制御中に、スイッチングパターンをセル間で入れ替える必要がある。このような制御は、ＭＭＣの電力変換における全体の損失を大きくする。

そこで、本発明の目的は、直列に接続される単位変換器で構成され、電力変換における全体の損失を低減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、直列に接続される直流電圧が異なる複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器のうち直流電圧が最大の単位変換器のスイッチング回数を最小に制御する制御手段とを備える。

本発明によれば、直列に接続される単位変換器で構成され、電力変換における全体の損失を低減することのできる電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るＭＭＣの構成を示す構成図。本実施形態に係るチョッパーセルの回路の構成を示す回路図。本実施形態に係るチョッパーセルのパターン電圧を示す波形図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るＭＭＣ１０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。

ＭＭＣ１０は、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置である。ＭＭＣ１０は、三相交流の電力系統７ｕ，７ｖ，７ｗに三相交流電力を供給する。ＭＭＣ１０は、予め決められた電圧波形（固定パルス波形）の三相交流電力を出力する。

ＭＭＣ１０は、直流電源２、制御装置３、６つのアーム４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ、三相分のリアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗ、及び三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗを備える。

ＭＭＣ１０の電力変換回路は、Ｕ相の上（正極側）アーム４ｕｐ、Ｕ相の下（負極側）アーム４ｕｍ、Ｖ相の上アーム４ｖｐ、Ｖ相の下アーム４ｖｍ、Ｗ相の上アーム４ｗｐ、及びＷ相の下アーム４ｗｍで構成される。各アーム４ｕｐ〜４ｖｍは、３つのチョッパーセル（単位変換器）１ａ，１ｂ，１ｃが直列に接続（カスケード接続）された回路である。ここでは、チョッパーセル１ａ、チョッパーセル１ｂ及びチョッパーセル１ｃの順に正極側に接続されているものとするが、チョッパーセル１ａ〜１ｃは、どのような順番で接続されていてもよい。チョッパーセル１ａ〜１ｃは、最小単位の電力変換器である。各チョッパーセル１ａ〜１ｃの直流電圧（コンデンサ電圧、定格電圧）は、それぞれ異なる。

直流電源２は、直流電力を６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成される電力変換回路に供給する。直流電源２は、直流電力を出力するものであれば、発電機、コンバータ、又は蓄電池等、なんでもよい。

制御装置３は、光ファイバケーブル等の伝送路を介して、各チョッパーセル１ａ〜１ｃにゲートパルス（ゲート信号）Ｐｇを出力して、各チョッパーセル１ａ〜１ｃを駆動し、ＭＭＣ１０の出力電力を制御する。制御装置３は、予め設定された固定パルスパターンに従ってゲートパルスＰｇを各チョッパーセル１ａ〜１ｃに出力する。即ち、制御装置３は、固定パルスパターン方式で、ＭＭＣ１０の出力電力を制御する。

Ｕ相のリアクトル５ｕは、Ｕ相の上アーム４ｕｐとＵ相の下アーム４ｕｍとの間に設けられる。Ｖ相のリアクトル５ｖは、Ｖ相の上アーム４ｖｐとＶ相の下アーム４ｖｍとの間に設けられる。Ｗ相のリアクトル５ｗは、Ｗ相の上アーム４ｗｐとＷ相の下アーム４ｗｍとの間に設けられる。各リアクトル５ｕ〜５ｗの中間点は、それぞれＭＭＣ１０の電力変換回路から出力される交流電力の各相の出力点となる。各リアクトル５ｕ〜５ｗの中間点は、それぞれ連系リアクトル６ｕ〜６ｗを介して、電力系統７ｕ〜７ｗの各相に接続される。各リアクトル５ｕ〜５ｗは、それぞれが設けられている相の上アーム４ｕｐ〜４ｗｐと下アーム４ｕｍ〜４ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制する。

連系リアクトル６ｕ〜６ｗは、それぞれの相の電力系統７ｕ〜７ｗとリアクトル５ｕ〜５ｗの中間点との間に設けられる。連系リアクトル６ｕ〜６ｗは、電力系統７ｕ〜７ｗと系統連系するために設けられるリアクトルである。なお、連系リアクトル６ｕ〜６ｗの代わりに連系変圧器を設けてもよい。

図２は、本実施形態に係るチョッパーセル１ａの回路の構成を示す回路図である。他のチョッパーセル１ｂ，１ｃについても、直流電圧が異なる点以外は、回路の構成は同様である。

チョッパーセル１ａは、二重スターチョッパである。チョッパーセル１ａは、２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍ、２つの逆並列ダイオード１３ｐ，１３ｍ、及びコンデンサ１１ａにより構成された回路である。チョッパーセル１ａは、制御装置３から送信されるゲートパルスＰｇにより、２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍがスイッチングすることで駆動する。

２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍは、直列に接続されている。２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍには、それぞれ逆並列ダイオード１３ｐ，１３ｍが接続されている。コンデンサ１１ａは、２つの直列に接続されたスイッチング素子１２ｐ，１２ｍと並列に接続されている。２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍの接続点は、チョッパーセル１ａの正極端子となる。負極側のスイッチング素子１２ｍの負極側の端子（エミッタ）は、チョッパーセル１ａの負極端子となる。

図３は、本実施形態に係るチョッパーセル１ａ〜１ｃのパターン電圧Ｐａ〜Ｐｃを示す波形図である。縦軸が電圧を示し、横軸が位相を示している。チョッパーセル１ａ〜１ｃから出力されるパターン電圧Ｐａ〜Ｐｃの総和が、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍから出力され、負荷に供給される正弦波電圧に近似する電圧となる。ここでは、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの出力電圧の２分の１周期の正極電圧について説明する。図３では、位相が９０度のときに、正弦波の交流電圧の波高値に相当するように波形を図示している。負極電圧については、正極電圧の極性を反転させたものであるため、説明を省略する。また、パターン電圧Ｐａ〜Ｐｃは、チョッパーセル１ａ〜１ｃの出力電圧を制御する固定パルスパターン（電圧指令値）と同じ波形が理想的に出力されたものとして説明する。

チョッパーセル１ａは、１つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち直流電圧Ｖａが最も低い単位変換器である。チョッパーセル１ａは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうちパルス数（例えば、出力電圧の１周期におけるパルス数）が最も多いパターン電圧Ｐａを出力する。図３では、パルス数は７つである。従って、チョッパーセル１ａは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち最もスイッチング回数（例えば、出力電圧の１周期におけるスイッチング回数）が多い。チョッパーセル１ａは、ＰＷＭ(pulse width modulation)（パルス幅変調）制御により、パターン電圧Ｐａを出力する。

チョッパーセル１ｂは、１つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち直流電圧Ｖｂが２番目に低い単位変換器である。チョッパーセル１ｂは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち２番目にパルス数の多いパターン電圧Ｐｂを出力する。図３では、パルス数は３つである。従って、チョッパーセル１ｂは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち２番目にスイッチング回数が多い。チョッパーセル１ｂは、ＰＷＭ制御により、パターン電圧Ｐｂを出力する。

チョッパーセル１ｃは、１つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち直流電圧Ｖｃが最も高い単位変換器である。チョッパーセル１ｃは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち最もパルス数の少ないパターン電圧Ｐｂを出力する。図３では、パルス数は１つである。従って、チョッパーセル１ｃは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃのうち最もスイッチング回数が少ない。チョッパーセル１ｃは、正弦波の正極電圧又は負極電圧の半周期に相当する電圧を１パルスで出力させる１パルス制御又はＰＷＭ制御により、パターン電圧Ｐｃを出力する。

本実施形態によれば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍにおいて、直流電圧が最大のチョッパーセル１ｃのスイッチング回数が最小となるように制御することで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍのスイッチング損失を低減することができる。また、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍにおいて、直流電圧Ｖａ〜Ｖｃが高い順に、チョッパーセル１ａ〜１ｃのスイッチング回数が少なくなるように制御することで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍのスイッチング損失を更に低減することができる。

また、直流電圧が低いチョッパーセルは、スイッチング素子などの半導体素子を小さい定格の素子にすることで、製造コストの低減をすることができる。

なお、実施形態では、アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃで構成されているものとして説明したが、アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、２つ以上であれば、いくつのチョッパーセルで構成されていてもよい。また、チョッパーセルの冗長性を確保するために、アーム４ｕｐ〜４ｗｍの出力電圧の１周期の間に電圧を出力しない（駆動しない）チョッパーセルがあってもよい。

実施形態では、単位変換器を二重スターチョッパで説明したが、これに限らない。直列に接続されることにより、ＭＭＣのような電力変換装置を構成するものであれば、どのような単位変換器でもよい。

実施形態において、各チョッパーセル１ａ〜１ｃの直流電圧は、一定に制御されていてもよいし、可変に制御されていてもよい。また、異常になったチョッパーセルの代替にするために、正常のチョッパーセルの直流電圧を異常のチョッパーセルの直流電圧に変更するように制御してもよい。各チョッパーセル１ａ〜１ｃの直流電圧を可変にする場合は、制御装置３が直流電圧指令値に応じて各チョッパーセル１ａ〜１ｃを制御する制御信号を各チョッパーセル１ａ〜１ｃに出力してもよいし、各チョッパーセル１ａ〜１ｃの制御部（駆動回路等）が制御装置３から受信した直流電圧指令値に基づいて、各チョッパーセル１ａ〜１ｃを制御してもよい。

実施形態では、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍにおいて、直流電圧Ｖａ〜Ｖｃが高い順に、チョッパーセル１ａ〜１ｃのスイッチング回数が少なくなるように制御する構成について説明したが、このような構成に限らない。直流電圧が最大のチョッパーセル１ｃのスイッチング回数が各アーム４ｕｐ〜４ｗｍにおいて最小となるように構成されていれば、スイッチング損失を低減する作用効果を得ることができる。従って、直流電圧Ｖｂが２番目に高いチョッパーセル１ｂのスイッチング回数が、直流電圧Ｖａが最小のチョッパーセル１ａスイッチング回数よりも大きくてもよい。

本実施形態では、チョッパーセル１ａ〜１ｃが全て正常の場合について説明したが、チョッパーセル１ａ〜１ｃのいずれか１つでも異常になった場合は、本実施形態のように構成されていなくてもよい。例えば、１つのチョッパーセルが異常になった場合、残りの正常なチョッパーセルで、アームの電圧を出力する必要がある。このような場合は、正常な各チョッパーセルの直流電圧とスイッチング回数が実施形態のように対応していなくてもよい。但し、このような異常時でも、正常な各チョッパーセルの直流電圧とスイッチング回数を実施形態のように対応させるように制御することで、異常時でも、ＭＭＣ１０の装置全体の損失を低減することができる。

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。

１ａ，１ｂ，１ｃ…チョッパーセル、２…直流電源、３…制御装置、４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ…アーム、５ｕ，５ｖ，５ｗ…リアクトル、６ｕ，６ｖ，６ｗ…連系リアクトル、７ｕ，７ｖ，７ｗ…電力系統、１０…ＭＭＣ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…コンデンサ。

Claims

直列に接続される直流電圧が異なる複数の単位変換器と、
前記複数の単位変換器のうち直流電圧が最大の単位変換器のスイッチング回数を最小に制御する制御手段と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記制御手段は、前記複数の単位変換器を直流電圧が高い順にスイッチング回数が少ない制御をすること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記制御手段は、前記複数の単位変換器のうち直流電圧が最大の単位変換器の出力電圧の半周期を１パルスで制御すること
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。
直列に接続される直流電圧が異なる複数の単位変換器のうち直流電圧が最大の単位変換器のスイッチング回数を最小に制御する制御手段
を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
直列に接続される直流電圧が異なる複数の単位変換器のうち直流電圧が最大の単位変換器のスイッチング回数を最小に制御すること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。