JP2020184811A - 電力変換装置および異常検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単相３レベル変換器に用いる直流電圧センサの異常を、そのための追加機器を設けることなく検出可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置は、単相３レベル変換器１０１０と、単相３レベル変換器１０１０を構成する正側および負側の直流電圧回路それぞれの直流電圧を検出する直流電圧センサ１００５と、単相３レベル変換器１０１０からの出力交流電圧を検出する交流電圧センサ６００２と、直流電圧センサ１００５が検出する直流電圧に基づいて単相３レベル変換器１０１０に対する出力電圧指令値を計算する出力電圧指令計算部６００３と、交流電圧センサ６００２が検出する出力交流電圧と出力電圧指令値とを比較して直流電圧センサの異常を判定する電圧比較部６００４と、を備える。【選択図】図６

Description

本発明は、単相３レベル変換器を用いた電力変換装置および異常検出方法に関する。

単相３レベル変換器は、内部に２相分の半導体スイッチング素子で構成されるアセンブリを備え、該アセンブリ内の半導体スイッチング素子のＰＷＭ制御により、交流出力端子に出力する交流電圧を制御する。これにより、所望の交流電力が、負荷もしくは交流系統（電力系統）との間で出し入れされる。

３レベルの変換器（例えば、インバータ）は、直流部に２つの直流電圧回路による電位を有する。該２つの直流電圧回路として、コンデンサに代表される電力貯蔵回路を２つ備え、該２つの直流電圧回路の電圧バランスを出力交流電圧の指令値により補正する。

電圧バランス制御は、例えば直流バイアス重畳方式などにより実現できる。仮に、直流電圧センサが異常値を示して、検出値が実際の直流電圧回路の出力電圧と異なると、３レベルインバータは所望の交流電圧を出力できなくなる。これにより、検出値と実際の出力電圧との乖離が過大となると、半導体スイッチング素子の過電圧保護が正規に実施できず、素子故障を起こす恐れもある。そのため、直流電圧センサの異常をいち早く検出する必要がある。

特許文献１には、ダイオード整流回路の出力側に直流電圧センサを冗長に設置し、変換器の出力電圧制御に利用していた直流電圧センサが異常値を示した時には、別のセンサの値を用いて制御する方法が示されている。

特開２０１４−５４０８９号公報

特許文献１に記載されている技術では、直流電圧センサを必要以上に設置するため、設備の大きさと共にコストが増大する。
本発明は、上記の課題を解決することも含めて、単相３レベル変換器において常に監視する交流出力の情報に基づき、単相３レベル変換器に設ける直流電圧センサの異常を検出するものである。

上記課題を解決するために、本発明に係る電力変換装置は、単相３レベル変換器と、単相３レベル変換器を構成する正側および負側の直流電圧回路それぞれの直流電圧を検出する直流電圧センサと、単相３レベル変換器からの出力交流電圧を検出する交流電圧センサと、直流電圧センサが検出する直流電圧に基づいて単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値を計算する出力電圧指令計算部と、交流電圧センサが検出する出力交流電圧と出力電圧指令値とを比較して直流電圧センサの異常を判定する電圧比較部とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、単相３レベル変換器に用いる直流電圧センサの異常を、そのための追加機器を設けることなしに検出することを可能にする。

本発明を適用する電力変換装置の構成の一例を示す図である。 半導体スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによる交流電圧の出力パターンを示す図である。 単相３レベル変換器から出力される交流線間電圧の波形を示す図である。 直流電圧センサの正常時と異常時における検出値と電圧真値との比較を示す図である。 直流電圧センサの異常の有無による出力交流電圧の違いを示す図である。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。 出力電圧指令計算部を構成する制御ブロックを示す図である。 図７に示す電力制御ブロックの構成の一例を示す図である。 変換器出力電圧を算出するためのベクトル関係を示す図である。

以下に、まず、単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値と実際の出力交流電圧との比較により直流電圧センサの異常を検出できる原理を説明する。その後、本発明に係る電力変換装置の実施例を説明する。ここにおいて、直流電圧センサの異常とは、当該センサの経年劣化等によって検出誤差が増大し異常値を提示するような状態を意味し、物理的な破損等により電圧検出不能のような故障状態を意味するものではない。

図１は、本発明を適用する電力変換装置の構成の一例を示す図である。
電力変換装置１０００は、有効電力と無効電力とを交流系統１００１に出力する装置である。電力変換装置１０００は、交流電圧検出器１００２、連系変圧器１００３、電流検出器１００４、直流電圧センサ１００５、制御装置１００６、半導体スイッチング素子１００７、正極側コンデンサ１００８、負極側コンデンサ１００９およびＵ相変換部１０１１（二点鎖線の枠）とＶ相変換部１０１２（一点鎖線の枠）とから成る単相３レベル変換器１０１０（実線の枠）から構成される。Ｕ相変換部１０１１およびＶ相変換部１０１２それぞれは、交流電圧を出力する。

単相３レベル変換器１０１０を構成する２つの直流電圧回路と交流系統との接続パターンを、半導体スイッチング素子１００７のＯＮ／ＯＦＦの組み合わせにより切り替え、Ｕ相およびＶ相がそれぞれ交流系統１００１に３種類の出力レベルが異なる電圧を出力する。

図２は、半導体スイッチング素子１００７のＯＮ／ＯＦＦの切り替えによる交流電圧の出力パターンを示す図である。
図２の（ａ）は、図１に示すＵ相１０１０またはＶ相１０１１と、コンデンサ１００８および１００９を抜き出した図である。回路上に示されたＰ、ＣおよびＮは電位を表し、電位Ｃを０電位とした場合、電位Ｐはコンデンサ１００８の電圧と等しくなり、電位Ｎはコンデンサ１００９の電圧と等しくなる。図２（ａ）〜（ｃ）で、点線により示す経路が通電経路である。

図２に示すように、半導体スイッチング素子１００７に対して、（ａ）では電位Ｐが、（ｂ）では電位Ｃが、（ｃ）では電位Ｎが、それぞれ接続されることになる。半導体スイッチング素子１００７に接続される電位により、Ｕ相またはＶ相から出力される電圧が異なり、全３種の出力電圧をとることがわかる。

これら３種類の出力電圧を、Ｕ相またはＶ相でｄｕｔｙ比制御することにより、Ｕ−Ｖ相間で、図３に示すような交流線間電圧を出力する。図３は、単相３レベル変換器から出力される交流線間電圧の波形を示す図で、横軸は時間、縦軸は相間電圧である。図示のとおり、相間電圧は、半導体スイッチング素子１００７の導通状態により、３つの直流回路電位を持つ相電圧の差分で決まる５つの電位レベルの矩形波電圧であることがわかる。

次に、直流電圧センサ１００５が異常を示した時の直流電圧の動きについて、直流電圧センサ１００５の異常有無での比較により説明する。なお、以下では付番の記載を省略する。

最初に、直流電圧の真値と直流電圧センサによる検出値との関係を示す。その後、単相３レベル変換器を構成する２つの直流電圧回路の電圧動作を、単相３レベル変換器の制御に基づいて、直流電圧センサの正常時および異常時で説明する。

直流電圧回路内に直流電圧センサが設置される回路において、直流電圧センサの検出値は、直流電圧の実際の値（以下、「真値」という）に定数である電圧センサ検出ゲインを乗算した積となる。

ここで、直流電圧センサの真値と検出値との関係を、式（１）に示す。式（１）に記載の、Ｅ_ＴＣＰはＰ側直流電圧の真値、Ｅ_ＦＢＣＰはＰ側直流電圧センサの検出値、Ｇ_ＣＰはＰ側直流電圧センサの検出ゲインの値、である。直流電圧センサの正常時には、電圧真値と電圧検出値とは等しいため、Ｇ_ＣＰは１となる。一方、異常時には、Ｇ_ＣＰは１以外の値となる。すなわち、検出値と真値との間に誤差が生じることに相当する。なお、Ｐ側を示す時は添え字の末尾にはＰを、Ｎ側を示す時には添え字の末尾にＮを、それぞれ付与する。
Ｅ_ＦＢＣＰ＝Ｅ_ＴＣＰ×Ｇ_ＣＰ ・・・ （１）

単相３レベル変換器では、直流電圧バランス制御により２つの直流電圧を等しく保つ制御が実行される。しかし、半導体スイッチング素子の損失ばらつきや直流回路コンデンサ容量のアンバランスにより、２つの直流電圧回路の電圧に差が生じることがある。そのため、単相３レベル変換器は、直流電圧センサの検出値が真値と等しいとして、２つの直流電圧回路の電圧を等しく保つ制御が必要となる。

直流電圧バランス制御により、直流電圧センサの正常時には、２つの直流電圧回路の電圧は等しくなるが、直流電圧センサの異常時には、２つの直流電圧回路の電圧検出値は等しくなるが、真値においては差が生じることになる。

図４は、直流電圧センサの正常時と異常時における検出値と電圧真値との比較を示す図である。
直流電圧センサの正常時には、直流電圧センサの検出値＝直流電圧（コンデンサ電圧）の真値、であるので、検出値が等しくなるよう制御すると真値も等しくなる。一方、２つの直流電圧センサの内１つが異常となって検出ゲイン（Ｇ_ＣＰ）が１以外の値となると、直流電圧バランス制御により直流電圧の検出値を等しくするためのコンデンサ充電電流が流れることで、結果として２つのコンデンサ電圧の真値に差が生じる。

次に、２つの直流電圧回路の電圧が等しくない場合における交流系統への出力電圧について、交流系統への出力交流電圧と単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値とを比較することで、直流電圧センサの異常を判定できる理由を説明する。

図５は、直流電圧センサの異常の有無による出力交流電圧の違いを示す図である。図５の表示形態は、図２と同様で、電位については、Ｐ＝Ｅ_ＴＣＰ、Ｃ＝０、Ｎ＝−Ｅ_ＴＣＮ、としている。直流電圧センサに異常ありの場合には、２つの直流電圧が等しくないため、出力交流電圧が正の時と負の時でその絶対値に違いが生じる。そのため、直流電圧センサが異常を示すと、交流系統の出力交流電圧が所望の値とならない。そこで、単相３レベル変換器が出力する交流電圧値が単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値と異なる場合、直流電圧センサの異常と判定することができる。

以下に、本発明の実施例１として、本発明に係る直流電圧センサの異常を診断するための実施形態の一例を示す。
図６は、本発明の実施例１に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。図６では、直流電圧センサの異常を診断するための機能に必要な最低限の機能ブロックを示す。

本実施例１は、図１に示す単相３レベル変換器１０１０、直流電圧センサ１００５、交流電圧センサ６００２に対して、制御演算を実行するＣＰＵを含む電力制御用処理装置６００１を追加する構成となる。

直流電圧センサ１００５の異常を診断する機能は、電力制御用処理装置６００１内に実装されることになる。電力制御用処理装置６００１が実装する機能ブロックは、出力電圧指令計算部６００３、交流電圧検出部６００５および電圧比較部６００４から構成される。

出力電圧指令計算部６００３は、単相３レベル変換器１０１０から交流系統に出力する電力値が所望の値となるように、直流電圧センサ１００５が検出した直流電圧検出値に基づいて、単相３レベル変換器１０００に対する電圧指令値を計算する。

図７は、出力電圧指令計算部６００３を構成する制御ブロックを示す図である。
有効電力の指令値Ｐ_ｒｅｆと現在の有効電力検出値Ｐ_ｆｂとの偏差が有効電力制御ブロックＡＰＲに入力され、出力電流有効成分の指令値ｉ_ｄｒｅｆが演算される。また、無効電力の指令値Ｑ_ｒｅｆと現在の無効電力検出値Ｑ_ｆｂとの偏差が無効電力制御ブロックＡＱＲに入力され、出力電流無効成分の指令値ｉ_ｑｒｅｆが演算される。

電力制御ブロックＡＣＲは、有効電力制御ブロックＡＰＲおよび無効電力制御ブロックＡＱＲでそれぞれ演算した指令値ｉ_ｄｒｅｆおよびｉ_ｑｒｅｆを出力するために必要な電圧指令値Ｖ_１を演算する。

図８は、図７に示す電力制御ブロックＡＣＲの構成の一例を示す図である。
出力電流有効成分の指令値ｉ_ｄｒｅｆに系統電圧位相θの余弦成分（ｃｏｓθ）を掛け算し、また、出力電流無効成分の指令値ｉ_ｑｒｅｆに系統電圧位相θの正弦成分（ｓｉｎθ）を掛け算し、両者の和から現時点における出力電流指令値Ｉ_ｒｅｆを演算する。ここにおいて、系統電圧位相θは、例えばＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）により検出する。

電力制御ブロックＡＣＲは、出力電流指令値Ｉ_ｒｅｆと現在の出力交流電流検出値Ｉ_ｆｂとの差分が０となるように、フィードバック制御を実行する。要するに、有効電力制御ブロックＡＰＲおよび無効電力制御ブロックＡＱＲによる制御系は、有効電力についての指令値Ｐｒｅｆと検出値Ｐｆｂとの差分、無効電力についての指令値Ｑｒｅｆと検出値Ｑｆｂとの差分、が０となるように制御することになる。

交流電圧検出部６００５は、交流電圧センサ６００２を用いて単相３レベル変換器１０１０の交流出力電圧を検出する。本実施例１では、交流側の出力電圧を検出する交流電圧センサ６００２を用いて、実際の交流出力電圧を算出しているが、この手法に限定されるものではない。

別の手法、すなわち実施例１の変形例として、単相３レベル変換器の出力電流から単相３レベル変換器の変換器出力電圧を算出し、算出した変換器出力電圧と単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値との差を比較することにより、直流電圧センサの異常を検出するようにしてもよい。

図９は、変換器出力電圧を算出するためのベクトル関係を示す図である。電流検出器１００４（図１）が検出した変換器出力電流Ｉａ、交流電圧検出器１００２（図１）が検出した交流系統電圧Ｖａｃ、変換器出力電流Ｉａと交流系統電圧ＶａｃからＰＬＬにより算出した両者の位相差（系統電圧位相）θおよび連系変圧器１００３のインピーダンスＺｔを用いて、それらのベクトル関係から変換器出力電圧Ｖｃを算出する。図９に示す単位系は、全てｐｕ単位である。

交流系統電圧Ｖａｃのベクトルから変換器出力電圧Ｖｃのベクトルへ向かうベクトルに相当する電圧差は、連係変圧器１００３のインピーダンスＺｔと変換器出力電流Ｉａとによる電圧降下分である。ここで、連系変圧器１００３は、リアクトル成分のみとみなせるので、変換器出力電圧Ｖｃと交流系統電圧Ｖａｃとの差は、変換器出力電流Ｉａに対して９０ｄｅｇ進む。すなわち、電圧降下分の値は、変換器出力電流Ｉａの振幅×連系変圧器１００３のインピーダンスＺｔ、となる。そのため、変換器出力電圧Ｖｃは、交流系統電圧Ｖａｃ、変換器出力電流Ｉａ、交流電圧と電流の位相差（系統電圧位相）θおよび連系変圧器１００３のインピーダンスＺｔから、余弦定理を用いて以下の(２)式により算出できる。
Ｖｃ＝｛Ｖａｃ^２＋（Ｉａ×Ｚｔ）^２−２＊Ｖａｃ＊（Ｉａ×Ｚｔ）＊ｃｏｓ(９０−θ)｝^１／２ ・・・ （２）

電圧比較部６００４は、出力電圧指令計算部６００３からの出力電圧指令値の振幅と交流電圧検出部６００５からの交流出力電圧の振幅を比較し、両者の差分が予め設定した閾値以上の差である時に、直流電圧センサ１００５が故障したと判定する。

直流電圧センサ故障アラーム６００６は、電圧比較部６００４が判定した直流電圧センサ１００５の故障をユーザーに対して警報として出力する。

以上のとおり、本実施例１においては、直流電圧センサを冗長に設置することなく、直流電圧センサの異常を検出することができる。

本発明の実施例２として、交流電圧センサの異常を検出するための実施形態の一例を示す。また、先の実施例１と本実施例２とから、直流電圧センサの異常と交流電圧センサの異常との判別が可能となる。

交流系統の出力電圧が単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値と差があるケースとしては、２つの直流電圧回路の各直流電圧に差がある場合だけではなく、交流系統の交流電圧センサが異常となっている場合も想定される。この２つのケースを区別するには、単相３レベル変換器に対して流入あるいは流出する無効電力を無効電力分の指令値と比較すればよい。

交流電圧センサが異常となっている場合、無効電力制御ブロックＡＱＲに対して用いる交流電圧センサの検出値は、出力交流電圧の真値と異なる値となる。一方で、無効電力は、交流電圧の振幅に依存するため、交流電圧の真値と交流電圧センサの検出値とに差が生じると、無効電力分の指令値どおりの無効電力を出力することにはならない。そこで、交流電圧センサが検出する出力交流電圧に基づいて無効電力の出力を計算し、無効電力分の指令値と比較することで、交流電圧センサの異常を検出することができる。
また、本実施例２と先の実施例１とを組み合わせることにより、交流電圧センサの異常か直流電圧センサの異常かを判別することができる。

１０００：電力変換装置
１００１：交流系統
１００２：交流電圧検出器
１００３：連系変圧器
１００４：電流検出器
１００５：直流電圧センサ
１００６：制御装置
１００７：半導体スイッチング素子
１００８、１００９：コンデンサ
１０１０：単相３レベル変換器
１０１１：Ｕ相
１０１２：Ｖ相
６００１：電力制御用処理装置
６００２：交流電圧センサ
６００３：出力電圧指令計算部
６００４：電圧比較部
６００５：交流電圧検出部
６００６：直流電圧センサ故障アラーム

Claims (6)

1. 単相３レベル変換器と、
   前記単相３レベル変換器を構成する正側および負側の直流電圧回路それぞれの直流電圧を検出する直流電圧センサと、
   前記単相３レベル変換器からの出力交流電圧を検出する交流電圧センサと、
   前記直流電圧センサが検出する前記直流電圧に基づいて前記単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値を計算する出力電圧指令計算部と、
   前記交流電圧センサが検出する前記出力交流電圧と前記出力電圧指令値とを比較して前記直流電圧センサの異常を判定する電圧比較部と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１に記載の電力変換装置であって、
   前記交流電圧センサが検出する前記出力交流電圧に基づいて算出した前記単相３レベル変換器が出力する無効電力と当該単相３レベル変換器に対する無効電力指令値とを比較して、前記交流電圧センサの異常を判定する比較判定部を
   更に備えることを特徴とする電力変換装置。
3. 単相３レベル変換器と、
   前記単相３レベル変換器からの出力電力を受け取る交流系統との間に接続される連系変圧器と、
   前記単相３レベル変換器を構成する正側および負側の直流電圧回路それぞれの直流電圧を検出する直流電圧センサと、
   前記直流電圧センサが検出する前記直流電圧に基づいて前記単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値を計算する出力電圧指令計算部と、
   前記交流系統の電流および電圧並びに前記連系変圧器のインピーダンスに基づいて前記単相３レベル変換器が出力する実際の出力交流電圧を算出し、当該出力交流電圧と前記出力電圧指令値とを比較して前記直流電圧センサの異常を判定する電圧比較部と
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
4. 直流電圧センサを用いて単相３レベル変換器を構成する正側および負側の直流電圧回路それぞれの直流電圧を検出する第１のステップと、
   交流電圧センサを用いて前記単相３レベル変換器からの出力交流電圧を検出する第２のステップと、
   前記直流電圧センサが検出する前記直流電圧に基づいて前記単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値を計算する第３のステップと、
   前記交流電圧センサが検出する前記出力交流電圧と前記出力電圧指令値とを比較して前記直流電圧センサの異常を判定する第４のステップと
   を有する異常検出方法。
5. 請求項４に記載の異常検出方法であって、
   前記交流電圧センサが検出する前記出力交流電圧に基づいて前記単相３レベル変換器が出力する無効電力を算出し、算出した当該無効電力と当該単相３レベル変換器に対する無効電力指令値とを比較して前記交流電圧センサの異常を判定する第５のステップ
   を更に有する異常検出方法。
6. 直流電圧センサを用いて単相３レベル変換器を構成する正側および負側の直流電圧回路それぞれの直流電圧を検出する第１のステップと、
   前記直流電圧センサが検出する前記直流電圧に基づいて前記単相３レベル変換器に対する出力電圧指令値を計算する第２のステップと、
   前記単相３レベル変換器と当該単相３レベル変換器からの出力電力を受け取る交流系統との間に接続される連系変圧器のインピーダンスおよび当該交流系統の電流並びに電圧に基づいて当該単相３レベル変換器が出力する実際の出力交流電圧を算出する第３のステップと、
   前記出力交流電圧と前記出力電圧指令値とを比較して前記直流電圧センサの異常を判定する第４のステップと
   を有する異常検出方法。

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