JP2019054581A

JP2019054581A - 電力変換装置

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Publication number: JP2019054581A
Application number: JP2017175742A
Authority: JP
Inventors: 大和三木; Yamato Miki
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2019-04-04
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP6788940B2

Abstract

【課題】損失を抑えつつ、並列に接続された複数の変換器における電流の不平衡を抑制できる電力変換装置を提供する。【解決手段】スイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う複数の変換器と、複数の変換器の直流側に設けられた第１共通線と、複数の変換器の直流側に設けられ、第１共通線よりも低電位に設定される第２共通線と、複数の変換器のそれぞれと第１共通線とを接続する複数の第１配線と、複数の変換器のそれぞれと第２共通線とを接続する複数の第２配線と、複数の変換器のそれぞれの直流側において、第１配線と第２配線との間に設けられた複数の電荷蓄積素子と、複数の第１配線のそれぞれの間に配置されるように第１共通線に設けられた複数の第１抵抗器と、を備えた電力変換装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

複数の変換器を並列に接続した並列多重型の電力変換装置がある。各変換器は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う。各変換器の直流側には、電荷蓄積素子（直流コンデンサ）が設けられる。各電荷蓄積素子は、それぞれ並列に接続される。

並列多重型の電力変換装置では、交流電力の１つの線路に対して複数の変換器を並列に接続することにより、スイッチング素子の高耐圧化を抑えつつ、大容量化に対応することができる。

一方、複数の変換器を並列に接続した場合には、各変換器におけるスイッチング素子のスイッチングのタイミングが問題となる。各変換器においては、スイッチング素子の個体差、配線抵抗、及び配線インダクタンスなどの影響により、スイッチング素子のスイッチングのタイミングにバラツキが生じてしまう。このタイミングの差が比較的大きくなると、並列に接続された各変換器において、電流の不平衡が生じてしまう。例えば、タイミングの速い変換器に過渡的に大きな電流が流れたり、タイミングの速い変換器からタイミングの遅い変換器に電流が流れたりし、スイッチング素子を破損させてしまう可能性がある。

スイッチングのタイミングのずれにより発生する過渡的な大電流を抑制するために、交流出力側にリアクトルを挿入することが一般的である。しかしながら、スイッチング毎に並列間の不平衡電流は拡大していく。これに対して、交流出力側に抵抗器を設置することでスイッチングのタイミングずれで発生した不平衡電流を減衰させ、不平衡電流の拡大を抑制する方法が挙げられる。しかしながら、この場合には、抵抗器に比較的大きな交流電流が流れ、抵抗損失が大きくなってしまう。このため、並列多重型の電力変換装置では、損失を抑えつつ、並列に接続された複数の変換器における電流の不平衡を抑制できるようにすることが望まれる。

特開２００５−１０２４４４号公報

本発明の実施形態は、損失を抑えつつ、並列に接続された複数の変換器における電流の不平衡を抑制できる電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う複数の変換器と、前記複数の変換器の直流側に設けられた第１共通線と、前記複数の変換器の直流側に設けられ、前記第１共通線よりも低電位に設定される第２共通線と、前記複数の変換器のそれぞれと前記第１共通線とを接続する複数の第１配線と、前記複数の変換器のそれぞれと前記第２共通線とを接続する複数の第２配線と、前記複数の変換器のそれぞれの直流側において、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられた複数の電荷蓄積素子と、前記複数の第１配線のそれぞれの間に配置されるように前記第１共通線に設けられた複数の第１抵抗器と、を備えた電力変換装置が提供される。

損失を抑えつつ、並列に接続された複数の変換器における電流の不平衡を抑制できる電力変換装置が提供される。

実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、複数の変換器２０と、第１共通線３１と、第２共通線３２と、複数の第１配線４１と、複数の第２配線４２と、電荷蓄積素子５０と、複数の第１抵抗器５１と、複数の第２抵抗器５２と、を備える。

また、電力変換装置１０は、第１交流端子６０ｕと、第２交流端子６０ｖと、第３交流端子６０ｗと、蓄電部６２と、を有する。電力変換装置１０は、例えば、各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗを介して交流電力系統に接続される。この例において、交流電力系統の交流電力は、三相交流電力である。各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗは、交流電力系統の各相の線路のそれぞれに接続される。

各変換器２０は、インダクタ６４を介して各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗのいずれかと接続されている。各変換器２０は、各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗから供給された交流電力を直流電力に変換する。蓄電部６２は、各変換器２０の直流側に設けられている。蓄電部６２は、各変換器２０によって変換された直流電力を貯蔵する。蓄電部６２には、例えば、電荷蓄積素子や二次電池などが用いられる。各変換器２０は、蓄電部６２に貯蔵された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を交流電力系統に供給する。

このように、各変換器２０は、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換を行う。これにより、電力変換装置１０は、例えば、交流電力系統の変動を抑制する。なお、各変換器２０は、双方の変換を行うものに限ることなく、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の一方のみを行うものでもよい。

各変換器２０は、第１直流端子２０ａと、第２直流端子２０ｂと、交流端子２０ｃと、を有する。第２直流端子２０ｂの電位は、第１直流端子２０ａの電位よりも低い。各変換器２０に入力される直流電力又は各変換器２０から出力される直流電力に対し、第１直流端子２０ａは、高電位側の端子であり、第２直流端子２０ｂは、低電位側の端子である。

各変換器２０は、交流端子２０ｃを介してインダクタ６４及び各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗのいずれかと接続される。

複数の変換器２０は、複数の第１変換器２１と、複数の第２変換器２２と、複数の第３変換器２３と、を有する。各第１変換器２１は、第１交流端子６０ｕに接続されている。各第２変換器２２は、第２交流端子６０ｖに接続されている。各第３変換器２３は、第３交流端子６０ｗに接続されている。

第１共通線３１は、各変換器２０の直流側に設けられる。第２共通線３２は、各変換器２０の直流側に設けられ、第１共通線３１よりも低電位に設定される。

各第１配線４１は、各変換器２０のそれぞれと第１共通線３１とを接続する。各第２配線４２は、各変換器２０のそれぞれと第２共通線３２とを接続する。より詳しくは、各第１配線４１は、各変換器２０のそれぞれの第１直流端子２０ａと第１共通線３１とを接続する。各第２配線４２は、各変換器２０のそれぞれの第２直流端子２０ｂと第２共通線３２とを接続する。

この例において、各変換器２０の直流側は、第１変換器２１、第２変換器２２、第３変換器２３の順に繰り返し並ぶように、第１共通線３１及び第２共通線３２に接続されている。

また、この例では、蓄電部６２の一端が、配線４３を介して第１共通線３１に接続され、蓄電部６２の他端が、配線４４を介して第２共通線３２に接続されている。各共通線３１、３２及び各配線４１〜４４は、例えば、平行平板状のブスバーである。

各電荷蓄積素子５０は、各変換器２０のそれぞれの直流側において、第１配線４１と第２配線４２との間に設けられている。換言すれば、各電荷蓄積素子５０は、各変換器２０のそれぞれの第１直流端子２０ａと第２直流端子２０ｂとの間に設けられている。

このように、電力変換装置１０は、各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗに対して複数の変換器２０を並列に接続するとともに、複数の変換器２０の直流側を並列に接続した並列多重型の電力変換装置がある。こうした並列多重型の電力変換装置では、並列に接続する変換器２０の数を増やすことにより、比較的容易に大容量化に対応することができる。この例では、各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗのそれぞれに対して、２つの変換器２０を並列に接続している。各変換器２０の並列接続数は、２つに限ることなく、３つ以上でもよい。各変換器２０の並列接続数は、任意の数でよい。

各第１抵抗器５１は、各第１配線４１のそれぞれの間に配置されるように、第１共通線３１に設けられている。各第１抵抗器５１は、第１共通線３１に直列接続されて設けられている。また、この例では、第１配線４１と配線４３との間にも、第１抵抗器５１が設けられている。

各第２抵抗器５２は、各第２配線４２のそれぞれの間に配置されるように、第２共通線３２に設けられている。各第２抵抗器５２は、第２共通線３２に直列接続されて設けられている。また、この例では、第２配線４２と配線４４との間にも、第２抵抗器５２が設けられている。

各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２には、例えば、内部に冷却水を流すための流路が設けられた水冷式の抵抗器が用いられる。各第１抵抗器５１の抵抗値及び各第２抵抗器５２の抵抗値は、例えば、数ｍΩ（１ｍΩ以上１０ｍΩ以下）である。各第１抵抗器５１の抵抗値は、各第１抵抗器５１のそれぞれにおいて実質的に同じでもよいし、異なってもよい。各第２抵抗器５２の抵抗値は、各第２抵抗器５２のそれぞれにおいて実質的に同じでもよいし、異なってもよい。

図２は、実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、変換器２０は、直列に接続された２つのスイッチング素子１０１、１０２と、２つのスイッチング素子１０１、１０２のそれぞれに逆並列に接続された２つの整流素子１１１、１１２と、を有する。スイッチング素子１０１、１０２には、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体が用いられる。整流素子１１１、１１２は、いわゆる還流ダイオードである。

スイッチング素子１０１の一方の主端子（例えばコレクタ）は、第１直流端子２０ａに接続されている。スイッチング素子１０１の他方の主端子（例えばエミッタ）は、スイッチング素子１０２の一方の主端子と電気的に接続されている。スイッチング素子１０２の他方の主端子は、第２直流端子２０ｂに接続されている。スイッチング素子１０１、１０２の接続点は、交流端子２０ｃに接続されている。

このように、変換器２０は、２つのスイッチング素子１０１、１０２の両端を、各直流端子２０ａ、２０ｂに接続し、２つのスイッチング素子１０１、１０２の接続点を交流端子２０ｃに接続したハーフブリッジ回路である。換言すれば、変換器２０は、双方向チョッパ回路である。これにより、各変換器２０のスイッチング素子１０１、１０２のスイッチングにより、前述のように、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換を行うことができる。

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、各変換器２０の直流側に各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２を設けている。これにより、例えば、並列に接続された各変換器２１、２２、２３などにおいて、各スイッチング素子１０１、１０２のスイッチングのタイミングに差が生じ、不平衡電流が発生した場合に、不平衡電流の減衰を早めることでスイッチング毎に発生する不平衡電流の拡大を抑制できる。従って、並列に接続された各変換器２１、２２、２３などにおいて、各スイッチング素子１０１、１０２のスイッチングのタイミングに差が生じた場合などにも、電流の不平衡電流の拡大を抑制することができる。

例えば、インダクタ６４と直列に接続するなど、各変換器２０の交流側に抵抗器を設けることも提案されている。しかしながら、交流側に抵抗器を設けた場合には、比較的大きな交流電流が抵抗器に流れてしまうため、抵抗損失が大きくなってしまう。

これに対して、各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２を直流側に設けた場合には、不平衡の電流分だけが各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２に流れるだけであるので、交流側に抵抗器を設ける場合と比べて損失を抑制することができる。従って、損失を抑えつつ、並列に接続された複数の変換器２０における電流の不平衡を抑制することができる。

また、損失の抑制にともなって、各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２の容量を小さくすることもできる。例えば、各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２に水冷式の抵抗器を用いた場合などにも、各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２の大型化を抑制することができる。従って、電力変換装置１０の小型化を図ることもできる。

また、各変換器２０の直流側には、各電荷蓄積素子５０や配線インダクタンスなどの影響により、共振電流が発生する。この際、上記のように、各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２を直流側に設けることにより、直流側に発生する共振電流を抑制することもできる。

さらに、電力変換装置１０では、各変換器２０の直流側が、第１変換器２１、第２変換器２２、第３変換器２３の順に繰り返し並ぶように、第１共通線３１及び第２共通線３２に接続されている。これにより、並列に接続された各変換器２０の間に設けられる抵抗器の数を増やすことができる。例えば、並列に接続された各第１変換器２１の間に、各第２変換器２２及び各第３変換器２３の各抵抗器５１、５２も設けることができる。これにより、電流の不平衡をより適切に抑制することができる。

図３は、実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は、省略する。
図３に表したように、この例の電力変換装置１０ａでは、第３交流端子６０ｗ及び複数の第３変換器２３が省略されている。この例において、交流電力系統の交流電力は、単相交流電力である。各交流端子６０ｕ、６０ｖは、交流電力系統の単相交流電力の一対の線路のそれぞれに接続される。

そして、電力変換装置１０ａでは、各変換器２０の直流側が、第１変換器２１と第２変換器２２とが交互に並ぶように、第１共通線３１及び第２共通線３２に接続されている。

このように、電力変換装置１０ａの変換する交流電力は、単相交流電力でもよい。そして、単相交流電力を変換する場合には、第１変換器２１と第２変換器２２とが交互に並ぶように、各変換器２０の直流側を第１共通線３１及び第２共通線３２に接続する。これにより、並列に接続された各変換器２０の間に設けられる抵抗器の数を増やすことができ、電流の不平衡をより適切に抑制することができる。

図４は、実施形態に係る電力変換装置の変形例を模式的に表すブロック図である。
図４に表したように、電力変換装置１０ｂでは、各変換器２０が、第１直流端子２０ａと、第２直流端子２０ｂと、第１交流端子２０ｃと、第２交流端子２０ｄと、第３交流端子２０ｅと、を有する。

第１交流端子２０ｃは、インダクタ６４ｕを介して第１交流端子６０ｕに接続されている。第２交流端子２０ｄは、インダクタ６４ｖを介して第２交流端子６０ｖに接続されている。第３交流端子２０ｅは、インダクタ６４ｗを介して第１交流端子６０ｗに接続されている。このように、各変換器２０のそれぞれを、各交流端子６０ｕ、６０ｖ、６０ｗのそれぞれに接続してもよい。

図５は、実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。
電力変換装置１０ｂにおいて、各変換器２０は、６つのスイッチング素子１０１〜１０６と、６つの整流素子１１１〜１１６と、を有する。各変換器２０は、６つのスイッチング素子１０１〜１０６をフルブリッジ接続した３レグのフルブリッジ回路である。

直列に接続されたスイッチング素子１０１、１０２の一端は、第１直流端子２０ａと電気的に接続されている。スイッチング素子１０１、１０２の他端は、第２直流端子２０ｂと電気的に接続されている。そして、スイッチング素子１０１とスイッチング素子１０２との接続点は、第１交流端子２０ｃと電気的に接続されている。

直列に接続されたスイッチング素子１０３、１０４の一端は、第１直流端子２０ａと電気的に接続されている。スイッチング素子１０３、１０４の他端は、第２直流端子２０ｂと電気的に接続されている。そして、スイッチング素子１０３とスイッチング素子１０４との接続点は、第２交流端子２０ｄと電気的に接続されている。

直列に接続されたスイッチング素子１０５、１０６の一端は、第１直流端子２０ａと電気的に接続されている。スイッチング素子１０５、１０６の他端は、第２直流端子２０ｂと電気的に接続されている。そして、スイッチング素子１０５とスイッチング素子１０６との接続点は、第３交流端子２０ｅと電気的に接続されている。

各整流素子１１１〜１１６は、各スイッチング素子１０１〜１０６に逆並列に接続されている。

このように構成された電力変換装置１０ｂにおいても、各第１抵抗器５１及び各第２抵抗器５２を直流側に設けることにより、上記実施形態と同様に、損失を抑えつつ、並列に接続された複数の変換器２０における電流の不平衡を抑制することができる。

また、電力変換装置１０ｂでは、交流電力系統の交流電力が、三相交流電力の場合を例示している。交流電力系統の交流電力が単相交流電力の場合に、各変換器２０のそれぞれを、各交流端子６０ｕ、６０ｖのそれぞれに接続する場合には、各変換器２０を２レグのフルブリッジ回路とすればよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０ａ、１０ｂ…電力変換装置、２０〜２３…変換器、３１…第１共通線、３２…第２共通線、４１…第１配線、４２…第２配線、４３、４４…配線、５０…電荷蓄積素子、５１…第１抵抗器、５２…第２抵抗器、６０ｕ…第１交流端子、６０ｖ…第２交流端子、６０ｗ…第３交流端子、６２…蓄電部、６４…インダクタ、１０１〜１０６…スイッチング素子、１１１〜１１６…整流素子

Claims

スイッチング素子を有し、前記スイッチング素子のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う複数の変換器と、
前記複数の変換器の直流側に設けられた第１共通線と、
前記複数の変換器の直流側に設けられ、前記第１共通線よりも低電位に設定される第２共通線と、
前記複数の変換器のそれぞれと前記第１共通線とを接続する複数の第１配線と、
前記複数の変換器のそれぞれと前記第２共通線とを接続する複数の第２配線と、
前記複数の変換器のそれぞれの直流側において、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられた複数の電荷蓄積素子と、
前記複数の第１配線のそれぞれの間に配置されるように前記第１共通線に設けられた複数の第１抵抗器と、
を備えた電力変換装置。
前記複数の第２配線のそれぞれの間に配置されるように前記第２共通線に設けられた複数の第２抵抗器を、さらに備えた請求項１記載の電力変換装置。
前記交流電力は、三相交流電力であり、
第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子と、をさらに備え、
前記複数の変換器は、
前記第１交流端子に接続された複数の第１変換器と、
前記第２交流端子に接続された複数の第２変換器と、
前記第３交流端子に接続された複数の第３変換器と、
を有し、
前記複数の変換器の直流側は、前記第１変換器、前記第２変換器、前記第３変換器の順に繰り返し並ぶように、前記第１共通線及び前記第２共通線に接続されている請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記交流電力は、単相交流電力であり、
第１交流端子と、第２交流端子と、をさらに備え、
前記複数の変換器は、
前記第１交流端子に接続された複数の第１変換器と、
前記第２交流端子に接続された複数の第２変換器と、
を有し、
前記複数の変換器の直流側は、前記第１変換器と前記第２変換器とが交互に並ぶように、前記第１共通線及び前記第２共通線に接続されている請求項１又は２に記載の電力変換装置。