JP2019187005A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換器の停止時に単位変換器のコンデンサを迅速に放電させる電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１０は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動し、制御する制御回路と、前記スイッチング素子によって充放電されるコンデンサと、前記コンデンサから電力を供給され、前記制御回路に電力を供給する自給電源回路と、をそれぞれ含み、カスケードに接続された複数の単位変換器３０を含む電力変換器２０と、前記コンデンサに並列に接続され、前記電力変換器２０を停止した場合に回路を閉じて前記コンデンサを放電するスイッチと、前記スイッチに直列に接続された放電抵抗と、前記電力変換器２０を停止した状態が解除された場合に、前記スイッチを開放する駆動回路と、を含む放電回路と、を備える。【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。

交流を直流に変換し、あるいは直流を交流に変換する電力変換装置がある。このような電力変換装置は、たとえば基幹系の電力網に用いられることがあるため、大容量化が望まれている。

自己消弧形の半導体スイッチング素子を用いることによって小型化をはかりつつ、大容量化を実現することができる電力変換方式として、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、以下、ＭＭＣという）の実用化が進められている。

ＭＭＣは、多数の直列接続された単位変換器を有する。単位変換器にはスイッチング素子によって充放電するコンデンサを含んでいる。ＭＭＣを含む電力変換器を、メンテナンス等のために停止させる場合には、作業の安全を保証するためにすべての単位変換器のコンデンサを十分放電させる必要がある。

単位変換器のコンデンサの放電作業に多大な時間を要していたのでは、メンテナンス等における停止期間が長大となり、稼働率が低下するおそれがある。

特開２０１３−１２１２８２号公報

実施形態は、電力変換器の停止時に単位変換器のコンデンサを迅速に放電させる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、スイッチング素子と、前記スイッチング素子を駆動し、制御する制御回路と、前記スイッチング素子によって充放電されるコンデンサと、前記コンデンサから電力を供給され、前記制御回路に電力を供給する自給電源回路と、をそれぞれ含み、カスケードに接続された複数の単位変換器を含む電力変換器と、前記コンデンサに並列に接続され、前記電力変換器を停止した場合に回路を閉じて前記コンデンサを放電するスイッチと、前記スイッチに直列に接続された放電抵抗と、前記電力変換器を停止した状態が解除された場合に、前記スイッチを開放する駆動回路と、を含む放電回路と、を備える。

本実施形態では、前記電力変換器を停止した場合に回路を閉じて前記コンデンサを放電するスイッチと、前記電力変換器を停止した状態が解除された場合に、前記スイッチを開放する駆動回路と、を含む放電回路を備えるので、電力変換器の停止時に単位変換器のコンデンサを迅速に放電させることができる。

実施形態の電力変換装置を例示するブロック図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
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を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換器２０を備える。電力変換装置１０は、このほか図示しないが制御装置を備えており、電力変換器２０は、制御装置によって制御される。電力変換装置１０は、電力変換器２０に設けられた交流端子２１ａ〜２１ｃを介して、交流系統１に接続される。この例のように、電力変換装置１０は、変圧器２を介して交流系統１に接続されてもよい。たとえば、交流系統１は、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電源、負荷および交流送電線を備える構成とすることができる。電力変換装置１０は、直流系統３に接続される。直流系統３は、たとえば直流送電線等を含む。

電力変換装置１０は、交流系統１と直流系統３との間に接続されて、双方向の電力変換を行うことができる。電力変換装置１０は、双方向の電力変換を行う場合に限らず、交流から直流、または、直流から交流の一方向の電力変換を行う場合を含んでもよい。

電力変換器２０は、三相交流の各相に対応した単位アーム２２を含む。２つの単位アーム２２は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。単位アーム２２には、変圧器２４が直列に接続されている。変圧器２４に代えてバッファリアクトルを接続してもよい。

単位アーム２２は、直列接続された単位変換器（以下、セルともいう。）３０を含む。セル３０は、Ｍ個直列接続されている（Ｍは２以上の整数）。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）には、セル３０，１３０の構成例が示されている。図２（ａ）は、ハーフブリッジ形のセル３０の構成例であり、図２（ｂ）は、フルブリッジ形のセル１３０の構成例を示している。
図２（ａ）に示すように、セル３０は、端子３１ａ，３１ｂを含む。セル３０は、端子３１ａ，３１ｂによって、他のセル３０等と接続される。セル３０は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂと、ダイオード３３ａ，３３ｂと、抵抗３４と、コンデンサ３５と、を含む。

スイッチング素子３２ａ，３２ｂは、自己消弧型の半導体素子である。自己消弧型の半導体素子は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等である。スイッチング素子３２ａは、スイッチング素子３２ｂと直列に接続されている。

ダイオード３３ａ，３３ｂは、還流ダイオードである。ダイオード３３ａは、スイッチング素子３２ａに逆並列に接続されている。ダイオード３３ｂは、スイッチング素子３２ｂに逆並列に接続されている。逆並列に接続されているとは、スイッチング素子３２ａ，３２ｂのコレクタ端子にダイオード３３ａ，３３ｂのカソード端子が接続され、スイッチング素子３２ａ，３２ｂのエミッタ端子にダイオード３３ａ，３３ｂのアノード端子が接続されていることをいう。

抵抗３４は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂの直列回路に並列に接続されている。抵抗３４は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂにそれぞれ並列に接続されている抵抗器の抵抗値および自給電源回路３６の等価的な抵抗値等を含む合成の等価抵抗である。

コンデンサ３５は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂの直列回路および抵抗３４に並列に接続されている。

自給電源回路３６は、コンデンサ３５に接続されている。自給電源回路３６は、コンデンサ３５から電力を供給されて、制御回路３７のための電源を生成し、制御回路３７に電力を供給する。

制御回路３７は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂの制御端子に接続されている。制御回路３７は、図示しない制御装置からゲート信号を受信して、スイッチング素子３２ａ，３２ｂのための駆動波形を生成し、スイッチング素子３２ａ，３２ｂを駆動する。

スイッチング素子３２ａ，３２ｂ、ダイオード３３ａ，３３ｂ、抵抗３４、コンデンサ３５、自給電源回路３６および制御回路３７は、このセル３０の主回路をなしている。

後述する放電回路４０がセル３０に設けられていない場合には、電力変換装置１０がしゃ断状態となると、コンデンサ３５に蓄えられた電荷は、抵抗３４を介して放電する。抵抗３４は、電力変換装置１０の通常の動作の場合には、単位変換器３０の変換効率を低下させないように、可能な範囲で大きい値が設定される。そのため、しゃ断時のコンデンサ３５から抵抗３４を介しての放電は、長い時定数となる場合がある。したがって、電力変換装置１０のしゃ断から、メンテナンスのために作業員が触れられる電圧まで放電するのに長時間を要することがある。

放電回路４０は、コンデンサ３５および自給電源回路３６に接続されている。放電回路４０は、コンデンサ３５から電力の供給を受けて動作することができる。放電回路４０は、自給電源回路３６によって生成された電源の出力に応じて動作するようにしてもよい。

放電回路４０は、駆動回路４１と、スイッチ４２と、放電抵抗４３と、を含む。駆動回路４１は、コンデンサ３５および自給電源回路３６に接続されている。スイッチ４２および放電抵抗４３は、直列に接続されており、スイッチ４２および放電抵抗４３の直列回路は、コンデンサ３５に並列に接続されている。

駆動回路４１は、コンデンサ３５の両端の電圧が所定値以上の場合に、スイッチ４２を開放するための駆動信号を出力する。コンデンサ３５の両端の電圧が所定値よりも低い場合には、駆動信号を出力しない。スイッチ４２は、駆動信号がない場合には、回路を閉じた状態に保持される。したがって、スイッチ４２は、コンデンサ３５の両端の電圧が所定値以上の場合に回路を開いて、コンデンサ３５の放電を中止する。コンデンサ３５の両端の電圧が所定値よりも低い場合には、スイッチ４２は回路を閉じ、放電抵抗４３を介して、コンデンサ３５の電荷を放電する。駆動回路４１は、コンデンサ３５の両端電圧に代えて、自給電源回路３６が出力する電圧値を検出して、駆動信号を制御するようにしてもよい。

図２（ｂ）に示すように、フルブリッジ構成のセル１３０は、主回路の部分がハーフブリッジ構成のセル３０と相違し、他の部分については同一である。
フルブリッジ構成のセル１３０は、４つのスイッチング素子３２ａ〜３２ｄと、４つのダイオード３３ａ〜３３ｄと、を含む。スイッチング素子３２ａ，３２ｂは直列に接続されており、スイッチング素子３２ｃ，３２ｄも直列に接続されている。スイッチング素子の２つの直列回路は、抵抗３４およびコンデンサ３５に並列に接続されている。ダイオード３３ａ〜３３ｄは、スイッチング素子３２ａ〜３２ｄにそれぞれ逆並列に接続されている。直列に接続されたスイッチング素子の接続ノードは、端子３１ａ，３１ｂにそれぞれ接続されている。

セル１３０の他の構成要素については、セル３０と同じであり詳細な説明を省略する。セル１３０は、フルブリッジ構成のため、正負の出力電圧を出力することができる。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図３（ａ）および図３（ｂ）は、放電回路の具体的構成例を示している。図３（ａ）に示すように、放電回路１４０ａは、駆動回路１４１ａと、スイッチ１４２ａと、放電抵抗４３と、を含む。スイッチ１４２ａは半導体スイッチ素子である。半導体スイッチ素子は、たとえば、ｎ形のＪ−ＦＥＴ（Junction Field Effect Transistor）である。この半導体スイッチ素子は、ノーマリオン形である。

駆動回路１４１ａは、コンデンサ３５の両端の電圧値が所定値以上の場合には、スイッチ１４２ａのゲートソース端子間にマイナス電圧を与える。Ｊ−ＦＥＴであるスイッチ１４２ａは、一定以下のマイナス電圧をゲートソース端子間に与えるとオフする特性を有するため、スイッチ１４２ａは、オフ状態が維持される。したがって、コンデンサ３５の電荷は放電されず、セル３０は通常の動作を継続することができる。

コンデンサ３５の両端の電圧値が所定値よりも低い場合には、駆動回路１４１ａは、駆動信号を出力しない（出力端子は、たとえばプルダウンされており、０Ｖを出力する）。スイッチ１４２ａのゲート端子は、ソース端子とほぼ同じ電位となり、スイッチ１４２ａは、オンすることができ、オン状態が維持される。スイッチ１４２ａは、放電抵抗４３を介して、コンデンサ３５の電荷を放電することができる。スイッチ１４２ａは、ノーマリオン形のスイッチ素子のため、ゲートソース端子間電圧が０Ｖまでオン状態を維持することができるので、コンデンサ３５の電荷を迅速に放電させることが可能である。

図２（ｂ）に示すように、放電回路１４０ｂは、駆動回路１４１ｂと、スイッチ１４２ｂと、放電抵抗４３と、を含む。スイッチ１４２ｂは、電磁リレーである。スイッチ１４２ｂでは、電磁リレーを駆動するコイルが非通電時に接点が接続され、通電時に接点が切断される。つまり、スイッチ１４２ｂは、ブレーク接点を有する電磁リレーである。

駆動回路１４１ｂは、コンデンサ３５の両端の電圧値が所定値以上の場合には、電磁リレーのコイルを駆動する駆動信号を出力する。そのため、コイルが励磁されて、電磁リレーの接点を引き離して（ブレーク）、回路が開放される。したがって、コンデンサ３５の電荷は放電されず、セル３０は通常の動作を継続することができる。

駆動回路１４１ｂは、コンデンサ３５の両端の電圧値が所定値よりも低い場合には、電磁リレーのコイルを駆動しない。そのため、コイルが励磁されず、電磁リレーの接点は接続され（メーク）、回路が閉じられる。したがって、スイッチ１４２ｂは、放電抵抗４３を介して、コンデンサ３５の電荷を放電させることができる。スイッチ１４２ｂは、ブレーク接点を有する電磁リレーのため、コイルが励磁されていない状態では、接点がメークされており、放電経路の導通状態を維持することができるので、コンデンサ３５の電荷を迅速に放電させることが可能である。なお、上述では、駆動回路１４１ａ，１４１ｂは、コンデンサ３５の両端の電圧を検出して、駆動信号を生成するものであるが、駆動回路は、自給電源回路３６が生成する電源の電圧を検出して、駆動信号を生成するようにしてもよい。

上述では、セル３０ごとに設けられた放電回路４０によって、セル３０のコンデンサ３５の電荷を放電することとした。抵抗３４は、上述したとおり、スイッチング素子ごとに並列に接続された抵抗器を含んでいるので、この抵抗器によって複数のセル３０のコンデンサ３５の放電パスが形成される。そのため、複数のセル３０をまとめて、放電回路によって電荷を放電するようにしてもよい。

実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
実施形態の電力変換装置１０は、電力変換装置１０のしゃ断時に、カスケード接続されたセル３０ごとにコンデンサ３５の電荷を放電する放電回路４０を備えている。そのため、多数のセル３０のすべてのコンデンサ３５を短時間に確実に放電させることができ、電力変換装置１０のメンテナンス等において、作業者は安全に作業を行うことができる。

この放電回路４０は、コンデンサ３５および自給電源回路３６によって駆動される駆動回路４１を含んでいる。この駆動回路４１は、自給電源回路３６が出力する電源の電圧値や、コンデンサ３５両端の電圧値が所定値以上の場合に、コンデンサ３５に並列に設けられたスイッチ４２をしゃ断する。また、駆動回路４１は、自給電源回路３６が出力する電源の電圧値やコンデンサ３５の両端の電圧値が所定値よりも低い場合には、スイッチ４２を確実に導通させることができる。

そのため、電力変換装置１０がしゃ断状態となり、各セル３０のコンデンサ３５の両端の電圧が低下したときに、スイッチ４２が導通して、コンデンサ３５の電荷の放電を促進することができる。

一方、電力変換装置１０が動作状態の場合には、各セル３０のコンデンサ３５の両端の電圧を所定値以上であり、スイッチ４２がしゃ断されるので、セル３０の動作に影響することがない。

したがって、実施形態の電力変換装置１０では、電力変換装置１０がしゃ断状態となった場合に、コンデンサ３５の放電動作が保証される。

電力変換装置１０は、ＭＭＣであり、セル３０が各単位アーム２２に数１０〜１００台を超える場合もある。実施形態では、放電回路４０は簡易な構成であり、セル３０ごとに放電回路４０を実装する場合でも、容易に実現することができる。

また、実施形態では、放電回路４０自らがコンデンサ３５の放電と放電停止とを判断することができるので、コンデンサの放電のための新たなプログラム等を作成し、実装する必要がない。

以上説明した実施形態によれば、電力変換器の停止時にセルのコンデンサを迅速に放電させる電力変換装置を実現することができる。

以上、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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流系統、２ 変圧器、３ 直流系統、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２１ａ〜２１ｃ 交流端子、２１ｄ，２１ｅ 直流端子、２２ 単位アーム、２４ 変圧器、３０ 単位変換器（セル）、３２ａ，３２ｂ，３２ｃ，３２ｄ スイッチング素子、３３ａ，３３ｂ，３３ｃ，３３ｄ ダイオード、３４ 抵抗、３５ コンデンサ、３６ 自給電源回路、３７ 制御回路、４０ 放電回路、４１，１４１ａ，１４１ｂ 駆動回路、４２，１４２ａ，１４２ｂ スイッチ、４３ 放電抵抗

Claims (4)

1. スイッチング素子と、
   前記スイッチング素子を駆動し、制御する制御回路と、
   前記スイッチング素子によって充放電されるコンデンサと、
   前記コンデンサから電力を供給され、前記制御回路に電力を供給する自給電源回路と、
   をそれぞれ含み、カスケードに接続された複数の単位変換器を含む電力変換器と、
   前記コンデンサに並列に接続され、前記電力変換器を停止した場合に回路を閉じて前記コンデンサを放電するスイッチと、
   前記スイッチに直列に接続された放電抵抗と、
   前記電力変換器を停止した状態が解除された場合に、前記スイッチを開放する駆動回路と、
   を含む放電回路と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記放電回路は、前記複数の単位変換器ごとに設けられ、前記自給電源回路から電力供給されて動作する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記スイッチは、常時メークし、前記駆動回路からの駆動信号によってブレークする電磁リレーである請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記スイッチは、前記駆動回路からの駆動信号がない場合にオン状態が維持され、前記駆動信号によってオフする半導体スイッチ素子である請求項１または２に記載の電力変換装置。

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