JP2019221007A

JP2019221007A - 電力変換装置

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Publication number: JP2019221007A
Application number: JP2018114117A
Authority: JP
Inventors: 丸山　宏二; Koji Maruyama; 宏二丸山
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-06-15
Filing date: 2018-06-15
Publication date: 2019-12-26
Anticipated expiration: 2038-06-15
Also published as: JP7135480B2

Abstract

【課題】直流コンデンサを有する電力変換装置において、直流コンデンサ部を初期充電するときの突入電流を、簡便な構成で抑制する電力変換装置を提供する。【解決手段】直流コンデンサ５と、スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されたスイッチ部が直列に接続され、前記直流コンデンサの正側端子に一端が接続され、負側端子に他端が接続される直列回路と、前記スイッチ部同士の接続点に一端が接続され、他端が変圧器を介して電力系統に接続される出力端子と、を含む電力変換部４と、前記スイッチング素子をオンまたはオフさせるためのゲート電圧を出力する駆動部と、前記スイッチング素子に前記ゲート電圧を出力させるためのオン指令またはオフ指令を前記駆動部に出力する制御部と、を備える。前記制御部は、前記直流コンデンサを電力系統の電力を用いて初期充電する際、前記駆動部にオフ指令を出力することを特徴とする電力変換装置。【選択図】図１

Description

本発明は、直流コンデンサを備える電力変換装置、特に電力系統に連系され、直流コンデンサを初期充電する電力変換装置に関する。

電力変換装置の一例として、無効電力補償装置がある。無効電力補償装置は、連系インピーダンスを介して電力系統と同位相で振幅制御された電圧を出力する装置であり、系統電圧の変動を抑制するために設置される。

図７に示す一般的な電力変換装置を含むインバータシステム１００は、遮断器２、変圧器３、電力変換部４、直流コンデンサ部５、スイッチ部６、充電回路部７、制御部８を備える。

電力変換部４は、変圧器３を介して電力系統１と接続されている。遮断器２は、変圧器３と電力系統１との間に介挿されている。また、スイッチ部６は変圧器３と電力変換部４との間に介挿されている。充電回路部７は、スイッチ部６に並列に接続されている。直流コンデンサ部５は、一端が電力変換部４のＰ端子（高電圧入力端子）に、他端がＮ端子（低電圧入力端子）に接続されている。充電回路７は、突入電流抑制抵抗部７ａとスイッチ部７ｂが直列に接続されている直列回路を含む。制御部８は、電力変換部４が直流電力を交流電力に変換するための制御を行い、さらにスイッチ部６及び充電回路部７のスイッチ部７ｂ、遮断器２のオンオフを制御するための指令を出力する。

＜初期充電動作＞
インバータシステム１００の起動前には、直流コンデンサ部５は、電力系統１の電力を用いて初期充電される。具体的には以下の通りである。インバータシステム１００は、はじめ電力系統から切り離されているため、スイッチ部６、スイッチ部７ｂ、遮断器２はオフ状態である。

まず、制御部８は、遮断器２をオンするための指令を出力し、次にスイッチ部７ｂをオンするための指令を出力する。遮断器２とスイッチ部７ｂがオン状態となると、電力系統１から遮断器２を介して変圧器３の２次側に交流電力が供給される。変圧器３は、電力系統１から供給された交流電力を昇圧または降圧して電力変換部４に供給する。電力変換部４は、変圧器によって昇圧または降圧された交流電力を直流電力に変換するとともに、直流コンデンサ部５に直流電力を供給する。

制御部８は、直流コンデンサの電圧を検出する図示しない電圧検出部、または直流コンデンサの電流を検出する図示しない電流検出部によって、直流コンデンサ部５の充電完了を検知する。制御部８は、充電完了を検知後、スイッチ部７ｂをオフする指令を出力する。

特開平９−１８５４２３号公報

従来技術において、電力系統から電力変換装置の直流コンデンサ部を充電する場合、過大な突入電流による装置の故障を防ぐため、前述のとおり突入電流抑制抵抗部と、通常運転時に突入電流抑制抵抗部を短絡するスイッチ部が必要となる。また、低圧電源から直流コンデンサを充電する方式もあるが、専用の充電回路を付加するため、装置の大型化、コスト増となる。

したがって、この発明の課題は、直流コンデンサを初期充電するときの突入電流を抑制する電力変換装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は以下の技術的特徴を有する。

直流コンデンサと、スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されたスイッチ部が直列に接続され、前記直流コンデンサの正側端子に一端が接続され、負側端子に他端が接続される直列回路と、前記スイッチ部同士の接続点に一端が接続され、電力系統に変圧器を介して他端が接続される出力端子と、を含む電力変換部と、前記スイッチング素子をオンまたはオフさせるためのゲート電圧を出力する駆動部と、前記スイッチング素子に前記ゲート電圧を出力させるためのオン指令またはオフ指令を前記駆動部に出力する制御部と、を備え、前記制御部は、
前記直流コンデンサを電力系統の電力を用いて初期充電する際、前記駆動部にオフ指令を出力することを特徴とする電力変換装置である。

上記のような構成とすることで、電力系統から変圧器と電力変換部を介して直流コンデンサの充電を行う際の突入電流の抑制を実現できる。

本発明の実施形態を説明するためのインバータ装置２００の概略構成である。本発明の実施形態を説明するための電力変換部４の回路構成である。本発明の第２の実施形態を説明するための電力変換部４の１相分の回路構成である。本発明の第２の実施形態を説明するためのスイッチング素子の特性例である。本発明の第３の実施形態を説明するための電力変換部４の１相分の回路構成である。本発明の第４の実施形態を説明するための電力変換部４の１相分の回路構成である。従来のインバータシステム１００の概略構成である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。

図１〜図６を参照して、本発明の実施形態によるゲート駆動装置の構成について説明する。図７に示した従来のインバータシステム１００と同様の機能、略相当する箇所は、同じ番号を付与し、説明を省略する。

＜第１の実施例＞
図１は、本発明の実施形態によるインバータシステム２００の概略構成を示している。図１に示す一般的な電力変換装置を含むインバータシステム２００は、遮断器２、変圧器３、電力変換部４、直流コンデンサ部５、制御部８を備える。

電力変換部４は、変圧器３を介して電力系統１と接続されている。遮断器２は、変圧器３と電力系統１との間に介挿されている。直流コンデンサ部５は、一端が電力変換部４のＰ端子（高電圧入力端子）に、他端がＮ端子（低電圧入力端子）に接続されている。制御部８は、電力変換部４が直流電力を交流電力に変換するための制御を行い、遮断器２のオンオフを制御するための指令を出力する。

図２は、図１に示した電力変換部４の回路構成である。電力変換部４は、スイッチング素子４１ａ〜４１ｆ（図２では、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅＳｅｍｉＣｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用している）と、スイッチング素子と逆並列に接続されたダイオード４２ａ〜４２ｆ、スイッチング素子４１ａ〜４１ｆのオンオフを制御するためのゲート電圧を供給する駆動部４３ａ〜４３ｆを備える。

本実施例では、ダイオード４２ａ〜４２ｆは、通電時の電圧、すなわちオン電圧Ｖｆが高い素子である。突入電流抑制抵抗部は一般的に数十ｏｈｍから数百ｏｈｍであるため、この値を考慮してＶｆを決定してもよい。また、ＭＯＳＦＥＴに含まれる寄生ダイオードであってもよい。また、スイッチング素子４１ａ〜４１ｆ、ダイオード４２ａ〜４２ｆはシリコンを基材とした半導体素子、またはＳｉＣ、ＧａＮ等を基材としたワイドバンドギャップ半導体素子であってもよい。

スイッチング素子４１ａ〜４１ｆは、それぞれ２素子が直列に接続され、上アームと下アームを構成し、Ｐ電源線とＮ電源線に接続されている。２素子の接続点からは出力電源線であるＵ電源線、Ｖ電源線、Ｗ電源線が接続されている。

＜初期充電＞
インバータシステム２００は、はじめ電力系統から切り離されているため、遮断器２はオフ状態である。

まず、制御部８は、遮断器２をオンするための指令を出力する。遮断器２がオン状態となると、電力系統１から遮断器２を介して変圧器３の２次側に交流電力が供給される。変圧器３は、電力系統１から供給された交流電力を昇圧または降圧して電力変換部４に供給する。電力変換部４は、変圧器によって昇圧または降圧された交流電力を直流電力に変換するとともに、直流コンデンサ部５に直流電力を供給する。

このとき、制御部８は、スイッチング素子４１ａ〜４１ｆのオフ指令を出力し、駆動部４３ａ〜４３ｆは、スイッチング素子４１ａ〜４１ｆを全てオフ状態に制御している。電力変換部４は電力系統１側からみるとダイオード４２ａ〜４２ｆによってフルブリッジ整流回路の構成となっている。このため、電力系統１から変圧器３、ダイオード４２ａ〜４２ｆを介して直流コンデンサ部５が充電される。

本実施形態において、ダイオード４２ａ〜４２ｆは、通電時の電圧、すなわちオン電圧Ｖｆが高い素子であるため、突入電流抑制抵抗部７ａがなくとも、ダイオード４２ａ〜４２ｆによって突入電流が抑制される。

制御部８は、直流コンデンサの電圧を検出する図示しない電圧検出部、または直流コンデンサの電流を検出する図示しない電流検出部によって、直流コンデンサ部５の充電完了を検知する。

＜第２の実施例＞
図３は、本発明の第２の実施形態を説明するための電力変換部４の１相分の回路構成を示している。

第１の実施例の電力変換部４の構成に加えて、電力変換部４は、電流検出部２０、判定部２１を備える。

電流検出部２０は、スイッチング素子４１のドレイン端子側に接続されている。判定部２１は、電流検出部２０からの電流値を受信し、電流値が所定の値を超えたとき、駆動部４３にスイッチング素子４１をオンさせるための指令（第１のオン指令）を出力する。電流は、ダイオード４２の順方向に通電する向きを正であるものとする。駆動部４３は、判別部２１から第１のオン指令が入力されると、スイッチング素子４１をオン制御するための第１のゲート電圧を出力する。本実施例において、電流検出部２０は、スイッチング素子４１のドレイン端子側に接続されているが、ソース端子側に接続されていてもよい。

電流検出部２０は、スイッチング素子４１とダイオード４２に通電する電流の総和を検出している。ダイオード４２に通電する電流値は、例えば図示しないスイッチング素子４１の電流センスの値を電流検出部２０の検出値から差し引いた値を用いてもよい。または、電流検出部２０の検出値に対してスイッチング素子４１とダイオード４２の電流分担を予め取得したデータベースを使用してもよい。データベースは、判定部２１の図示しない記憶部に保存され、判定部２１は、受信した電流値に応じてスイッチング素子４１に通電する電流値を算出する。

なお、判定部２１が第１のオン指令を出力するための所定の値は、ダイオード４２の通電時の温度等を考慮して決定してもよい。また、ダイオード４２が寄生ダイオードであって、スイッチング素子４１がワイドバンドギャップ半導体素子であるとき、寄生ダイオードの劣化が生じる場合があるため、寄生ダイオードの劣化を考慮して所定の値を決定してもよい。加えて、判定部２１は、電流検出部２０の電流の極性に応じて、スイッチング素子４１に対して第１のオン指令を出力してもよい。

駆動部４３は、通常のインバータ動作におけるゲート電圧Ｖ_ＧＳよりも低い電圧（第１のゲート電圧）でスイッチング素子４１をオンしてもよい。図４は、スイッチング素子の特性例を示している。図４（ａ）は、図４（ｂ）に示したスイッチング素子の電流電圧特性である。スイッチング素子に与えるゲート電圧Ｖ_ＧＳの値によって、同じ電流を流したときのオン電圧が変化することがわかる。なお、通常のインバータ動作におけるゲート電圧Ｖ_ＧＳは、例えば１５〜２０Ｖ程度である。

Ｖ_ＧＳを低い値でスイッチング素子４１をオンすることで、電流がスイッチング素子４１とダイオード４２に分流するため、ダイオード４２の温度上昇を抑制することができる。

このような構成とすることで、突入電流を抑制するとともに、ダイオード４２の温度上昇を抑制することができる。

また、スイッチング素子４１をオンした後、電流検出部２０で検出した電流値が、再度所定の値を超える場合は、判別部２１はＶ_ＧＳの値をそれまでスイッチング素子４１に与えていた電圧値よりも大きな電圧値（第２のゲート電圧）となるように駆動部４３に第２のオン指令を出力する。Ｖ_ＧＳの値は、第２のオン指令出力後でも電流値が所定の値を超える場合は、再度変更してもよい。

また、電流値が所定の値を下回ったとき、または電流がゼロ近傍となったときは、判別部２１は、スイッチング素子４１への第１および第２のオン指令の出力を停止する。

駆動部４３は、第１のオン指令と第２のオン指令がハイレベルまたはローレベルであるかに応じたゲート電圧を出力してもよい。例えば、駆動部４３は、受信した第１のオン指令がローレベルあり、第２のオン指令がローレベルである場合は、ゲート電圧を出力しない。第１のオン指令がハイレベルあり、第２のオン指令がローレベルである場合は、駆動部４３は第１のゲート電圧を出力し、第１のオン指令がハイレベルあり、第２のオン指令がハイレベルである場合は、駆動部４３は第２のゲート電圧を出力する。

このような構成とすることで、突入電流を抑制するとともに、電流がスイッチング素子４１とダイオード４２に分流するため、ダイオード４２の温度上昇を抑制することができる。

＜第３の実施例＞
図５は、本実施形態の第３の実施例を示している。電流検出部２０は、出力線に接続されており、検出した値は、上下アームの判定部４３に出力される。

電流検出部２０で検出した電流の極性が、図中矢印の向きであれば、上アームに電流が通電しているということであり、判定部２１ａは、駆動部４３ａに第１のオン指令を出力する。一方、検出した電流の極性が、図中矢印と逆向きであれば、下アームに電流が通電しているということであるため、判定部２１ｂは、駆動部４３ｂに第１のオン指令を出力する。

なお、第３の実施例においても、検出した電流値が所定の値を超えないように、Ｖ_ＧＳを同様に調整する。

＜第４の実施例＞
図６は、本実施形態の第４の実施例を示している。電力変換部４は、電流検出部２０に替えて、電圧検出部２４、判定部２３を含む。電圧検出部２４は、スイッチング素子４１のドレインとソース間に接続され、Ｖ_ＤＳを検出する。判定部２３は、検出されたＶ_ＤＳを受信し、Ｖ_ＤＳの極性に基づいて、スイッチング素子４１をオンさせるためのオン指令を駆動部４３に出力する。
なお、第４の実施例においても、検出した電流が所定の値を超えないように、Ｖ_ＧＳを同様に調整する。

以上、本発明を実施形態に沿って説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施形態に、変更または改良を加えることが可能であることは当業者には明らかである。

１電力系統
２遮断器
３変圧器
４電力変換部
５直流コンデンサ部
６スイッチ部
７充電回路
７ａ突入電流抑制抵抗部
７ｂスイッチ部
８制御部
４１スイッチング素子
４２ダイオード
４３駆動部
２０電流検出部
２１判別部
２３判別部
２４電圧検出部

Claims

直流コンデンサと、
スイッチング素子にダイオードが逆並列に接続されたスイッチ部が直列に接続され、前記直流コンデンサの正側端子に一端が接続され、負側端子に他端が接続される直列回路と、
前記スイッチ部同士の接続点に一端が接続され、他端が変圧器を介して電力系統に接続される出力端子と、
を含む電力変換部と、
前記スイッチング素子をオンまたはオフさせるためのゲート電圧を出力する駆動部と、
前記スイッチング素子に前記ゲート電圧を出力させるためのオン指令またはオフ指令を前記駆動部に出力する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記直流コンデンサを電力系統の電力を用いて初期充電する際、前記駆動部にオフ指令を出力すること
を特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記スイッチ部に通電する電流を検出する電流検出部と、
前記初期充電の際、
検出した前記電流値に基づいて、前記駆動部に第１のオン指令を出力する判定部と、
を更に備えること
を特徴とする電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記スイッチ部に通電する電流を検出する電流検出部と、
前記初期充電の際、
検出した前記電流値の極性に基づいて、前記駆動部に第１のオン指令を出力する判定部と、
を更に備えること
を特徴とする電力変換装置。
前記判定部は、
前記初期充電の際、
前記電流値が所定の値を超えたことに応じて、前記駆動部に第１のオン指令を出力すること
を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記判定部は、
前記初期充電の際、
前記電流値の極性に加えて、前記電流値が所定の値を超えたことに基づいて、前記駆動部に第１のオン指令を出力すること
を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記判定部は、
前記初期充電の際、
前記駆動部に第１のオン指令を出力した後、さらに前記電流値が前記所定の値を超える場合には、前記駆動部に第２のオン指令を出力すること
を特徴とする請求項２または４に記載の電力変換装置。
請求項１記載の電力変換装置であって、
前記スイッチ部の電圧を検出する電圧検出部と、
前記初期充電の際、
検出した前記電圧値に基づいて、前記駆動部に第１のオン指令を出力する判定部と、
を更に備えること
を特徴とする電力変換装置。
前記ダイオードは、
前記スイッチング素子に含まれる寄生ダイオードであること
を特徴とする請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記ダイオードは、
オン電圧が所定値よりも高いこと
を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記駆動部は、
前記第１のオン指令を受信した場合、第１のゲート電圧を前記スイッチング素子に出力し、前記第２のオン指令を受信した場合第２のゲート電圧を前記スイッチング素子に出力すること
を特徴とする請求項２から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記スイッチ部は、
ワイドバンドギャップ半導体素子を含むこと、
を特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記請求項１から１０に記載の電力変換装置は、
前記電力系統と電力変換器装置の間に介挿される遮断器と、
前記遮断器と電力変換装置との間に介挿される変圧器と、
をさらに備え、
前記制御部は、遮断器をオンオフするための制御をすること
を特徴とするインバータシステム。