JP2019187128A - Electric power conversion system - Google Patents
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Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments described herein relate generally to a power conversion apparatus.
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、多数の回路方式が提案されている。マルチレベル出力の電力変換器では、交流の電圧波形の高調波成分を低減できるので、高調波フィルタの簡素化、削減を可能にして小型化をはかることができる。たとえば、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。 A number of circuit systems have been proposed as power conversion systems capable of realizing a large capacity while achieving miniaturization by using a self-extinguishing semiconductor switching element. In the multi-level output power converter, since the harmonic component of the AC voltage waveform can be reduced, the harmonic filter can be simplified and reduced, and the size can be reduced. For example, a modular multilevel converter (hereinafter referred to as MMC) has been put into practical use.
MMCは、単位変換器が多数設けられており、MMC自体の性能を向上させるためには、各単位変換器の性能をなるべく合わせる必要がある。単位変換器を構成する部品には、ばらつきがあり、部品固有のばらつきを制限することは費用対効果等を考慮すると現実的でない場合も多い。 The MMC is provided with a large number of unit converters, and in order to improve the performance of the MMC itself, it is necessary to match the performance of each unit converter as much as possible. There are variations in the parts constituting the unit converter, and it is often impractical to limit the variations inherent in the components in view of cost effectiveness.
実施形態は、特性を調整して変換器の性能を向上させることができる電力変換装置を提供する。 Embodiments provide a power conversion device that can adjust the characteristics to improve the performance of the converter.
実施形態に係る電力変換装置は、スイッチング素子と、コンデンサと、前記スイッチング素子およびコンデンサを電気的に接続して主電流を流す配線部材と、をそれぞれ含む複数の主回路を含む電力変換器を備える。前記配線部材は、導電体の板状体である第1導電板および第2導電板と、絶縁体の板状体であり、前記第1導電板と前記第2導電板との間で前記第1導電板および前記第2導電板を電気的に絶縁する絶縁板と、を含む。前記第1導電板、前記第2導電板および前記絶縁板の形状は、前記主電流のそれぞれが所望の波形となるように設定されている。 A power conversion device according to an embodiment includes a power converter including a plurality of main circuits each including a switching element, a capacitor, and a wiring member that electrically connects the switching element and the capacitor to flow a main current. . The wiring member is a first conductive plate and a second conductive plate, which are plate members of a conductor, and a plate member of an insulator, and the first conductive plate and the second conductive plate between the first conductive plate and the second conductive plate. And an insulating plate for electrically insulating the first conductive plate and the second conductive plate. The shapes of the first conductive plate, the second conductive plate, and the insulating plate are set so that each of the main currents has a desired waveform.
本実施形態では、第1導電板、第2導電板および絶縁板の形状が各主回路に流れる主電流を所望の波形となるように設定された配線部材を備えるので、特性の調整がされた変換器の性能が向上される。 In the present embodiment, since the first conductive plate, the second conductive plate, and the insulating plate are provided with the wiring member in which the main current flowing through each main circuit is set to have a desired waveform, the characteristics are adjusted. The performance of the transducer is improved.
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。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
In the present specification and drawings, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.
図1は、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。電力変換器20は、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。)である。電力変換器20は、交流端子21a〜21cを介して、交流の電力系統1に接続される。この例のように、電力変換器20は、変圧器2を介して電力系統1に接続されてもよい。たとえば、電力系統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、直流端子21d,21eを介して、直流回路3に接続される。直流回路3は、たとえば直流送電線等を含む。以下では、電力変換器20は、三相の電力系統1に連系されるものとする。
FIG. 1 is a block diagram illustrating a power conversion apparatus according to the embodiment.
As shown in FIG. 1, the
電力変換器20は、三相交流の各相に対応したアーム22を含む。アーム22は、直流端子21d,21e間で直列に接続されている。
The
直流端子21d,21e間で直列に接続されるアーム22には、バッファリアクトル24がそれぞれ直列に接続されている。バッファリアクトル24は、上下のアーム22間に瞬時的な短絡電流が流れることを防止する。
A
バッファリアクトル24のタップは、交流端子21a〜21cにそれぞれ接続されている。
The taps of the
アーム22は、カスケードに接続された単位変換器30を含む。
The
図2は、単位変換器の構成例を示す模式的な回路図である。
図2に示すように、単位変換器30は、端子31a,31bを含む。単位変換器30は、スイッチング素子32aと、ダイオード32bと、コンデンサ32cと、を含む。2つのスイッチング素子32aは、直列に接続されている。2つのダイオード32bは、2つのスイッチング素子32aにそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ32cは、スイッチング素子32aの直列回路に並列に接続されている。
FIG. 2 is a schematic circuit diagram illustrating a configuration example of the unit converter.
As shown in FIG. 2, the
コンデンサ32cは、配線部材40によって、スイッチング素子32aおよびダイオード32bに電気的に接続されている。配線部材40には、単位変換器30の主電流が流れる。配線部材40は、後に詳述するが、その長さや幅、絶縁物を介して重ね合わせた場合の距離、重ね合わせの寸法に応じてインダクタンスが決定される。スイッチング素子32aは、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)等の自己消弧型の半導体スイッチである。スイッチング素子32aは、駆動信号によって駆動されて、コンデンサ32cを充放電する。そのため、スイッチング電流(主電流)の波形は、配線部材40のインダクタンス値によって、変化する。スイッチング電流が変化することによって、たとえば単位変換器30の変換効率が変化し、電力変換装置全体の変換効率に影響がおよぶ。実施形態の電力変換装置10では、配線部材40のインダクタンス値を調整することによって、スイッチング電流の波形を適正化し、単位変換器30の変換効率を適切な値に設定することができる。
The
図3(a)は、単位変換器の一部を例示する平面図である。図3(b)は、単位変換器の一部を例示する底面図である。図3(c)は、図3(a)のAA’線における断面図である。
図3(a)〜図3(c)に示すように、配線部材40は、導電板42a,42bと、絶縁板43と、を含む。導電板42a,42bは、銅合金等の金属等の良導電性の材料で形成されている。絶縁板43は、絶縁性の材料で形成されており、導電板42a,42bの間に設けられ、導電板42a,42bを電気的に絶縁する。後に詳述するように、絶縁板43は、導電板42a,42bの離間距離を設定するためにも設けられている。導電板42a,絶縁板43および導電板42bは、積層され、一体化された配線部材40を構成する。
FIG. 3A is a plan view illustrating a part of the unit converter. FIG. 3B is a bottom view illustrating a part of the unit converter. FIG.3 (c) is sectional drawing in the AA 'line of Fig.3 (a).
As shown in FIGS. 3A to 3C, the
導電板(第1、第2導電板)42a,42bは、電流が流入し、流出し得る2つの端部を有する。導電板42a,42bの一方の端部には、接続部44a,44bがそれぞれ設けられ、他方の端部には、接続部45a,45bがそれぞれ設けられている。導電板42aは、接続部44a,45aによって、外部回路と電気的に接続される。導電板42bは、接続部44b,45bによって、外部回路と電気的に接続される。
The conductive plates (first and second conductive plates) 42a and 42b have two end portions through which current can flow in and out.
具体的には、コンデンサ32cの高電位側の端子は、接続部44aによって、導電板42aに接続される。導電板42aは、接続部45aによって、スイッチング素子32aのコレクタ端子に接続される。コンデンサ32cの低電位側の端子は、接続部44bによって、導電板42bに接続される。導電板42bは、接続部45bによって、スイッチング素子32aのエミッタ端子に接続される。
Specifically, the high potential side terminal of the
導電板42a,42bは、ほぼ同一形状の導体の板であり、導電板42a,42bの形状に制限はないが、たとえばほぼ方形である。接続部44a,44bは、導電板42a,42bの一方の端部から電流が流れる方向に沿って延伸して設けられている。接続部45a,45bは、導電板42a,42bの接続部44a,44bが設けられた端部が設けられた辺に対向する他方の辺である端部に設けられている。この例では、接続部44a,45aは、接続部44a,45aが設けられている導電板42aのそれぞれの縁の中央からそれぞれの縁に沿って一方向にオフセットした位置に設けられている。接続部44b,45bも、接続部44b,45bが設けられているそれぞれの縁の中央からそれぞれの縁に沿って、接続部44a,45aとは反対側にオフセットした位置に設けられている。接続部の位置は、配線部材40によって接続する回路要素の配置等によって適切な位置に任意に設定することができる。この例の場合には、導電板42aおよび接続部44a,45aと導電板42bおよび接続部44b,45bは、中心線に対して線対象な形状を有する。
The
配線部材40は、導電板42a,42bの形状、導電板42a,42bの離間距離、および導電板42a,42bのそれぞれに流れる電流の方向によって、インダクタンス値が決定される。導電板42a,42bの電流が流れる方向に沿う長さ(以下、単に長さという。)が長いほど、導電板42a,42bの自己インダクタンスは大きくなる。導電板42a,42bの電流が流れる方向に直交する方向の長さ(以下、幅という。)が長いほど導電板42a,42bの自己インダクタンスは小さくなる。
The
絶縁板43の厚さによって、導電板42a,42b間の離間距離を設定することができ、絶縁板43が厚いほど、導電板42a,42b間の離間距離を長くすることができる。導電板42a,42b間の相互インダクタンスは、導電板42a,42bに流れる電流の方向および導電板24a,42b間の離間距離によって相違する。導電板42a,42bに流れる電流の方向が同じ場合には、電流によって発生する磁界を弱め合うので、導電板42a,42b間の離間距離が短いほどインダクタンス値は小さくなる。導電板42a,42bに流れる電流の方向が異なる場合には、電流によって発生する磁界を強め合うので、導電板42a,42b間の離間距離が短いほどインダクタンス値は大きくなる。以下では、導電板42a,42bに流れる電流の方向が異なる場合について具体的な例を説明するが、導電板42a,42bに流れる電流の方向が同じ場合については、上述のようにして適用することが可能である。
The distance between the
配線部材40のインダクタンス値は、導電板42a,42bの自己インダクタンスおよび相互インダクタンスの大きさによって、決定される。
The inductance value of the
図4(a)〜図4(d)は、図3(a)のAA’線における断面に対応する図であり、単位変換器の一部の変形を例示する断面図である。
図4(a)は、比較対象として再掲した図であり、図3(c)と同じ図である。絶縁板43は、厚さt0を有する。上述したように、配線部材では、絶縁部材の厚さを変更することによって、2つの導電板の間の離間距離を調整することができる。図4(b)に示すように、配線部材140は、配線部材40の場合と異なる厚さを有する絶縁部材143を含む。絶縁部材143は、厚さt1を有する。t1>t0の場合には、導電板42a,42b間の離間距離は長くなるので、導電板42a,42b間の磁界の強め合いは減少するので、配線部材140の全体のインダクタンスは、配線部材40の場合よりも小さくなる。
4A to 4D are views corresponding to the cross section taken along the line AA ′ of FIG. 3A, and are cross-sectional views illustrating a modification of the unit converter.
FIG. 4A is a diagram reprinted as a comparison target, and is the same diagram as FIG. The insulating
図4(c)に示すように、配線部材240は、図4(a)の配線部材40の場合と異なる導電板242a,242bを含む。導電板242a,242bの幅W2は、配線部材40の導電板42a,42bの幅W0よりも広く設定されている。そのため、導電板242a,242bの自己インダクタンスが小さくなるので、配線部材240の全体のインダクタンスは、図4(a)の場合にくらべて小さくなる。
As shown in FIG. 4C, the
図4(d)に示すように、配線部材340は、図4(a)の配線部材40の場合とは導電板42a,42bの重なり合う長さL3が異なる。配線部材340では、導電板42a,42bが絶縁板43を介して重畳する長さL3は、導電板の幅W0よりも短い。したがって、磁界の強め合いは減少するので、配線部材340全体のインダクタンスは、図4(a)の場合よりも減少する。
As shown in FIG. 4D, the
図5は、図3(a)に対応する平面図であり、単位変換器の一部の変形例を例示する図である。
図5の左の図は、比較対象として再掲した図3(a)と同じ図である。図5の右の図に示すように、配線部材440は、図3(a)の配線部材40の場合の長さL0とは異なる長さL4を有する導電板442aを含む。なお、図示しないが、導電板42bの位置には、導電板442aと同じ寸法の電動板が絶縁板443を介して設けられている。導電板442aの長さL4は、この例では、図3(a)の場合の長さL0にくらべて、短く設定されている。そのため、導電板442aの自己インダクタンスは、図3(a)の場合にくらべて、小さくなり、配線部材440全体のインダクタンスを小さくすることができる。
FIG. 5 is a plan view corresponding to FIG. 3A and illustrates a modification of a part of the unit converter.
The left figure of FIG. 5 is the same figure as FIG. 3 (a) reproduced as a comparison object. As shown in the right diagram of FIG. 5, the
本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
上述したとおり、実施形態の電力変換装置は、配線部材40を備えており、配線部材40では、導電板の長さや幅を異ならせ、あるいは、導電板の離間距離を異ならせることによって、配線部材のインダクタンスを調整することができる。配線部材40は、単位変換器30のコンデンサ32cとスイッチング素子32aとの接続に用いられるので、配線部材40のインダクタンス値を調整することによって、コンデンサへの充放電電流の波形を調整し、単位変換器30の変換効率を適切な値に調整することができる。
The effect of the power converter of this embodiment is demonstrated.
As described above, the power conversion device according to the embodiment includes the
MMCのような多数の単位変換器30を含む電力変換器では、電力変換器の変換効率やノイズ放射等の諸特性を目標値や、仕様値等の適切な値を達成するためには、各単位変換器30の変換効率やノイズ放射等の諸特性を最適な値にそろえる必要がある。スイッチング素子32aの駆動条件を調整することによって、ある程度の性能調整は可能であるが、主電流が流れる配線に起因する寄生的な回路パラメータの特性を調整することができれば、より適切な性能を実現することができる。本実施形態では、上述のように、配線部材のインダクタンス値を調整することができるので、より簡便に適切な値を設定することが可能になる。
In a power converter including a large number of
導電板の寸法や、絶縁板の厚さ等をさまざま変えた配線部材をあらかじめ複数種類準備しておくことも可能である。単位変換器30ごとにより特性測定し、適切なパラメータを有する配線部材を選択することによって、単位変換器30の特性を単位変換器30ごとに最適に調整することができ、電力変換装置全体の性能を適切な値に調整することができる。
It is also possible to prepare in advance a plurality of types of wiring members in which the dimensions of the conductive plate, the thickness of the insulating plate, and the like are variously changed. By measuring the characteristics for each
以上説明した実施形態によれば、設置スペースを小さくしつつ、変換器の構造を簡素化した他励式電力変換装置を実現することができる。 According to the embodiment described above, it is possible to realize a separately excited power conversion device that simplifies the structure of the converter while reducing the installation space.
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。 As mentioned above, although several embodiment of this invention was described, these embodiment is shown as an example and is not intending limiting the range of invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the scope of the invention described in the claims and the equivalents thereof. Further, the above-described embodiments can be implemented in combination with each other.
1 交流系統、2 変圧器、3 直流系統、20 電力変換器、22 単位アーム、24 変圧器、30 単位変換器、32a スイッチング素子、32b ダイオード、32c コンデンサ、40,140,240,340,440 配線部材、42a,42b,242a,242b,442a 導電板、43,143,443 絶縁板 1 AC system, 2 transformer, 3 DC system, 20 power converter, 22 unit arm, 24 transformer, 30 unit converter, 32a switching element, 32b diode, 32c capacitor, 40, 140, 240, 340, 440 wiring Member, 42a, 42b, 242a, 242b, 442a Conductive plate, 43, 143, 443 Insulating plate
Claims (6)
前記配線部材は、
導電体の板状体である第1導電板および第2導電板と、
絶縁体の板状体であり、前記第1導電板と前記第2導電板との間で前記第1導電板および前記第2導電板を電気的に絶縁する絶縁板と、
を含み、
前記第1導電板、前記第2導電板および前記絶縁板の形状は、前記主電流のそれぞれが所望の波形となるように設定された電力変換装置。 A power converter including a plurality of main circuits each including a switching element, a capacitor, and a wiring member that electrically connects the switching element and the capacitor to flow a main current;
The wiring member is
A first conductive plate and a second conductive plate which are plate-like bodies of a conductor;
An insulating plate, and an insulating plate that electrically insulates the first conductive plate and the second conductive plate between the first conductive plate and the second conductive plate;
Including
The shape of the said 1st conductive plate, the said 2nd conductive plate, and the said insulating plate is a power converter device set so that each of the said main current may become a desired waveform.
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