JP2021010230A

JP2021010230A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2021010230A
Application number: JP2019122673A
Authority: JP
Inventors: 稔久田重田; Toshihisa Tashigeta; 丸山　宏二; Koji Maruyama; 宏二丸山; マハラクスマン; Maha Laksman
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-07-01
Filing date: 2019-07-01
Publication date: 2021-01-28

Abstract

【課題】短絡スイッチに給電するための絶縁回路を小型化し、給電効率が高く損失の少ない電力変換装置を提供する。【解決手段】複数の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン・オフさせて電力変換を行うコンバータセル１０を複数台備え、コンバータセル１０の交流出力端子を順次、直列に接続してその直列接続回路の両端を交流電源に接続してなる電力変換装置において、コンバータセル１０は、単相電力系統が一次側に接続された絶縁変圧器２０の二次側に接続された電源供給回路１３と、コンバータセル１０の交流出力端子間１５、１６に接続された短絡スイッチ１２と、電源供給回路１３から電源が供給され、かつ、コンバータセル１０の故障発生時に入力されるオン指令に従って短絡スイッチ１２をオンさせる駆動回路１４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、例えばモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）に適用される電力変換装置に関するものである。

モジュラーマルチレベル変換器（以下、ＭＭＣともいう）は、大容量・高圧用途に適した次世代トランスレス電力変換装置として注目されており、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や直流送電システム（ＨＶＤＣ）への適用が期待されている。

図８は、ＭＭＣの主回路構成図である。図示するように、直流コンデンサの両端に半導体スイッチング素子からなるフルブリッジ回路を接続して単位コンバータ１０１が構成され、この単位コンバータ１０１の出力側を複数（例えば三つ）直列に接続することにより一相分のユニットが構成される。同一構成のＵ相ユニット１００Ｕ、Ｖ相ユニット１００Ｖ、Ｗ相ユニット１００Ｗの各一端は、リアクトル及び電磁接触器等を介して三相電力系統２００の各相にそれぞれ接続されると共に、各ユニット１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗの他端は共通接続されて中性点Ｎを構成している。

このＭＭＣでは、各ユニット１００Ｕ，１００Ｖ，１００Ｗを構成する３つの単位コンバータ１０１の交流出力電圧Ｖ_１，Ｖ_２，Ｖ_３を加算して三相電力系統２００の各相にそれぞれ注入することにより、高圧系統の無効電力補償を行っている。
なお、ＭＭＣの構成は図８に示したＹ結線のほかΔ結線でも良い。Ｙ結線は拡張性や冗長性に富むという利点があり、また、Δ結線は、例えば特許文献１に記載されているように、Δ結線内を流れる循環電流を制御することによって逆相無効電力の調整も可能である。

次に、図９は、特許文献２に記載されたＹ結線方式のＭＭＣの回路図である。
図９において、ＡＣ／ＤＣ／ＡＣ変換を行う単位コンバータ１０２の出力側に電磁接触器１０３，１０４を設けた回路が三つ直列に接続され、Ｕ相ユニット１１０Ｕ、Ｖ相ユニット１１０Ｖ、Ｗ相ユニット１１０Ｗがそれぞれ構成されている。
各ユニット１１０Ｕ，１１０Ｖ，１１０Ｗの一端の出力端子は、例えば三相誘導電動機の各相巻線に接続され、他端は電磁接触器１０５を介して共通接続することにより中性点Ｎが構成される。また、各相の電磁接触器１０５の上記他端と中性点Ｎとの間には、電磁接触器１０６を介して予備単位コンバータ１２０が接続されている。
このＭＭＣでは、ある相の単位コンバータの故障時に電磁接触器１０４により当該コンバータの出力端子間を短絡し、その代わりに同一相の電磁接触器１０６をオンして予備単位コンバータ１２０を当該相に挿入することにより、運転を継続している。

また、図１０は、特許文献３に記載された電力変換装置の主要部の回路図であり、単位コンバータ内の半導体スイッチング素子の出力端子間を短絡するバイパス回路及びその駆動電源とを備えている。
図１０において、単位コンバータ１０７は、半導体スイッチング素子１０７ａ，１０７ｂの直列回路と、この直列回路に並列接続されたコンデンサ１０７ｃと、その両端に接続された自己給電回路１０７ｄと、スイッチング素子１０７ａ，１０７ｂのゲート駆動回路１０７ｅと、スイッチング素子１０７ｂの両端に接続されたバイパス回路（短絡スイッチ）１０７ｆとを備えている。バイパス回路１０７ｆには、低圧の送電側給電回路１０８から電磁誘導方式、電磁界共鳴方式、レーザ方式等により非接触給電される受電側給電回路１０９が接続され、バイパス回路１０７ｆは、受電側給電回路１０９からの供給電源により内部のスイッチをオンさせてスイッチング素子１０７ｂの両端を短絡させるように動作する。

国際公開第２０１２／０９９１７６（［００２５］〜［００３６］、図１等）特開２０１２−１４７６１３号公報（［００４４］〜［００５６］、図２〜図４Ｂ）特開２０１６−１３４９９６号公報（［００１７］〜［００２５］、図１〜図３等）

一般に、ＭＭＣ等の電力変換装置は例えば特高系統に接続されるため、図１０におけるバイパス回路１０７ｆは特高系統と同電位の部位に接続されている。従って、低圧の送電側給電回路１０８からバイパス回路１０７ｆに電源を供給するためには、低圧系統側と特高系統側との間の高い電位差を絶縁しなくてはならず、絶縁回路が大型化するという問題がある。
同時に、図１０の回路では送電側給電回路１０８と受電側給電回路１０９との間で非接触給電を行っているため、給電効率が低いという問題もある。

そこで、本発明の解決課題は、コンバータセルの出力端子間を短絡する短絡スイッチを駆動する回路の絶縁責務を軽減して回路全体の小型化を図ると共に、給電効率を高めて損失の低減を可能にした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、請求項１に係る発明は、複数の半導体スイッチング素子をオン・オフさせて電力変換を行うコンバータセルを複数台備え、前記コンバータセルの交流出力端子を順次、直列に接続してその直列回路の両端を交流電源に接続してなる電力変換装置において、
前記交流電源の電圧が一次側に印加される絶縁変圧器と、
前記コンバータセルの交流出力端子間に接続された短絡スイッチと、
前記絶縁変圧器の二次側から給電されて前記コンバータセルの故障発生時に前記短絡スイッチをオンさせる短絡スイッチ駆動手段と、
を備えたことを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載された電力変換装置において、一次側が前記交流電源に接続された単一の前記絶縁変圧器の二次側から、複数台の前記コンバータセル内の前記短絡スイッチ駆動手段にそれぞれ給電することを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１に記載された電力変換装置において、複数台の前記コンバータセルが前記絶縁変圧器をそれぞれ備え、これらの絶縁変圧器の一次側を直列に接続してその直列回路の両端を前記交流電源に接続すると共に、全ての前記絶縁変圧器の二次側を並列に接続したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置により一相分のユニットを構成し、三相分の前記ユニットを、前記交流電源としての三相電力系統に対してΔ結線またはＹ結線したことを特徴とする。

本発明によれば、短絡スイッチ駆動手段の絶縁責務を軽減して絶縁回路の小型化、低価格化を図ると共に、給電効率が高く損失の少ない電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の主要部の回路図である。本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。第１実施形態の動作を示すタイミングチャートである。第１実施形態の動作を示す電圧の波形図である。第１実施形態の適用例を示すＭＭＣの回路図である。第１実施形態の適用例を示すＭＭＣの回路図である。本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。ＭＭＣの主回路構成図である。特許文献２に記載されたＹ結線方式のＭＭＣの回路図である。特許文献３に記載された電力変換装置の主要部の回路図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置の主要部の回路図である。図１において、コンバータセル１０は、ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４からなるフルブリッジ回路と、その直流側に接続された直流コンデンサ１１と、上記フルブリッジ回路の交流出力端子１５，１６間に接続された半導体スイッチまたは機械的スイッチ等の短絡スイッチ１２と、交流電圧が入力される電源供給回路１３と、この電源供給回路１３により電源が供給されて外部の制御回路（図示せず）からのオン・オフ指令に応じて短絡スイッチ１２を開閉操作する駆動回路１４と、を備えている。
ここで、電源供給回路１３及び駆動回路１４は、請求項における短絡スイッチ駆動手段を構成している。
また、コンバータセル１０の外部には絶縁変圧器２０が設けられており、その一次側は単相電力系統４０に接続され、絶縁変圧器２０の二次側には前記電源供給回路１３が接続されている。

上記コンバータセル１０は同一構成のものを複数形成し、最上段のコンバータセル１０の交流出力端子１６を次段のコンバータセル１０の交流出力端子１５に接続すると共に、各コンバータセル１０の電源供給回路１３を絶縁変圧器２０の二次側にそれぞれ並列に接続し、最上段のコンバータセル１０の交流出力端子１５と最終段のコンバータセル１０の交流出力端子１６とを単相電力系統４０の両端に接続してＭＭＣが構成される。

図２は、第１実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。
すなわち、前記コンバータセル１０を二つ設け（各コンバータセルを１０ａ，１０ｂとする）、一方のコンバータセル１０ａの交流出力端子１６ａを他方のコンバータセル１０ｂの交流出力端子１５ｂに接続すると共に、一方のコンバータセル１０ａの交流出力端子１５ａと他方のコンバータセル１０ｂの交流出力端子１６ｂとを絶縁変圧器２０の一次側に接続し、絶縁変圧器２０の二次側に各コンバータセル１０ａ，１０ｂの電源供給回路１３ａ，１３ｂを並列に接続することにより、ＭＭＣが構成される。図２において、１１ａ，１１ｂは直流コンデンサ、１２ａ，１２ｂは短絡スイッチ、１４ａ，１４ｂは短絡スイッチ１２ａ，１２ｂの駆動回路である。
上記の電源供給回路１３ａ，１３ｂ及び駆動回路１４ａ，１４ｂは、請求項における短絡スイッチ駆動手段を構成している。
なお、各コンバータセル１０ａ，１０ｂは、半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_４，Ｑ_５〜Ｑ_８をＰＷＭ（パルス幅変調）制御してＤＣ／ＡＣ変換を行う。

次に、図３，図４を参照しつつ本実施形態の動作を説明する。
まず、図３は、図２における各部の動作を示すタイミングチャートである。
図３において、期間Ｔ_ＡはＭＭＣが単相電力系統４０から受電しておらず、コンバータセル１０ａ，１０ｂは運転を停止していて短絡スイッチ１２ａ，１２ｂの駆動電源電圧は０［Ｖ］であって何れもオフ状態である。時刻ｔ_１にＭＭＣが受電を開始すると、絶縁変圧器２０の一次側に系統電圧が印加され、電源供給回路１３ａ，１３ｂは絶縁変圧器２０の二次側の誘起電圧を用いて短絡スイッチ１２ａ，１２ｂの駆動電源電圧を生成する。なお、ＭＭＣが受電を開始して直流コンデンサ１１ａ，１１ｂが充電される期間は、後述する図４（ａ）に期間ｔとして示すように出力端子１５ａ，１６ｂ間の電圧が直流電圧となる。

図３の時刻ｔ_１から期間Ｔ_Ｂを経過した時刻ｔ_２にコンバータセル１０ａ，１０ｂが運転を開始し、半導体スイッチング素子Ｑ_１〜Ｑ_８のオン・オフ動作によりＤＣ／ＡＣ変換を行う。そして、時刻ｔ_２から期間Ｔ_Ｃを経過した時刻ｔ_３に、例えば一方のコンバータセル１０ａ内の何れかの半導体スイッチング素子に故障が発生すると、外部の制御回路から駆動回路１４ａに対して短絡スイッチ１２ａのオン指令が入力される。ここで、半導体スイッチング素子の故障は、例えば半導体スイッチング素子の過電流に基づいて検出可能である。
なお、コンバータセル１０ａ内の健全な半導体スイッチング素子は、必要に応じてオフさせれば良い。

オン指令が入力された駆動回路１４ａは時刻ｔ_３で短絡スイッチ１２ａをオンさせ、出力端子１５ａ，１６ａ間を短絡する。
このため、コンバータセル１０ａの交流出力側は短絡状態となり、時刻ｔ_３以後の区間Ｔ_Ｄではコンバータセル１０ａの運転が停止されると共に、オン状態の短絡スイッチ１２ａを介して直列接続された他方のコンバータセル１０ｂの運転により、単相電力系統４０との間で交流電力を継続的に授受する。

図４（ａ）は、コンバータセル１０ａ，１０ｂが停止していて正常である場合の各部の電圧波形であり、図３の期間Ｔ_Ｂに相当する。
また、図４（ｂ）は、コンバータセル１０ａ，１０ｂが運転されていて正常である場合の各部の電圧波形であり、図３の期間Ｔ_Ｃに相当する。この場合、コンバータセル１０ａ，１０ｂを位相シフトＰＷＭ制御することにより、図示するように、両セル１０ａ，１０ｂの直列回路の出力端子１５ａ，１６ｂ間の電圧波形及び絶縁変圧器２０の二次側電圧波形は３レベルのＰＷＭ波形となる。
更に、図４（ｃ）は、一方のコンバータセル１０ａが故障して短絡スイッチ１２ａがオンされ、他方のコンバータセル１０ｂが運転を継続している状態であり、図３の期間Ｔ_Ｄに相当する。この場合には、コンバータセル１０ｂの運転により、出力端子１５ａ，１６ｂ間の電圧波形及び絶縁変圧器２０の二次側電圧波形は２レベルのＰＷＭ波形となる。

この実施形態に係るＭＭＣは、コンバータセル１０ａ，１０ｂにより一相分のコンバータユニットを形成し、図５に示すように同一構成のＵ相ユニット３０Ｕ、Ｖ相ユニット３０Ｖ、Ｗ相ユニット３０Ｗを三相電力系統５０に対してΔ結線するか、あるいは図６に示すようにＹ結線して使用することできる。

次に、図７は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置の全体構成図である。
この実施形態は、図２に示したコンバータセル１０ａ，１０ｂに対応させて絶縁変圧器２０ａ，２０ｂをそれぞれ設けることにより、絶縁変圧器２０ａ，２０ｂを内蔵したコンバータセル１０ａ’，１０ｂ’を構成し、絶縁変圧器２０ａ，２０ｂの一次側を直列に接続してその直列回路の両端を単相電力系統４０に接続すると共に、絶縁変圧器２０ａ，２０ｂの二次側を並列に接続した例である。

本実施形態においても、コンバータセル１０ａ’，１０ｂ’の運転中に例えばコンバータセル１０ａ’内の何れかの半導体スイッチング素子が故障すると、外部の制御回路から駆動回路１４ａに入力されたオン指令により短絡スイッチ１２ａがオンし、出力端子１５ａ，１６ａ間を短絡する。
この間、オン状態の短絡スイッチ１２ａを介して直列接続された他方のコンバータセル１０ｂ’が運転を継続することにより、ＭＭＣとして単相電力系統４０との間で交流電力を授受することが可能である。

この実施形態においては、絶縁変圧器２０ａ，２０ｂを筐体に内蔵したコンバータセル１０ａ’，１０ｂ’をそれぞれ１個の電力変換器として構成することができる。このため、コンバータセル１０ａ’，１０ｂ’の保管や設置、接続作業に当たって取り扱いが容易になるという利点がある。
また、コンバータセル１０ａ’，１０ｂ’の直列回路を一相分のユニットとし、三相分のユニットを三相電力系統５０にΔ結線またはＹ結線して使用可能であることは言うまでもない。

なお、各実施形態において、駆動回路１４，１４ａ，１４ｂはＭＭＣが受電していれば短絡スイッチ１２，１２ａ，１２ｂのオン・オフ操作が可能であるが、短絡スイッチ１２，１２ａ，１２ｂとしては、一旦オンした後はコンバータセルの故障原因が除去されるまでオン状態を維持可能なスイッチ（例えば、機械的なラッチ機構を備えたスイッチ）を用いることが望ましい。

以上のように、各実施形態では、コンバータセル内の交流出力端子間に接続された短絡スイッチの駆動電源を、特許文献３のように低圧系統からではなく、電力系統側の高圧の主回路から絶縁変圧器及び電源供給回路を介して供給している。
このため、電力系統側とコンバータセル内の交流出力端子側との間の電位差が小さくなり、短絡スイッチ駆動手段（電源供給回路及び駆動回路）における絶縁責務が軽減される結果、絶縁回路を小型化、低価格化することができる。また、特許文献３に記載されているような非接触給電方式と比べて効率が高く、低損失な電力変換装置を実現することが可能である。

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ａ’，１０ｂ’：コンバータセル
１１，１１ａ，１１ｂ：直流コンデンサ
１２，１２ａ，１２ｂ：短絡スイッチ
１３，１３ａ，１３ｂ：電源供給回路
１４，１４ａ，１４ｂ：駆動回路
１５，１５ａ，１５ｂ，１６，１６ａ，１６ｂ：出力端子
２０，２０ａ，２０ｂ：絶縁変圧器
３０Ｕ：Ｕ相ユニット
３０Ｖ：Ｖ相ユニット
３０Ｗ：Ｗ相ユニット
４０：単相電力系統
５０：三相電力系統
Ｑ_１〜Ｑ_８：半導体スイッチング素子

Claims

複数の半導体スイッチング素子をオン・オフさせて電力変換を行うコンバータセルを複数台備え、前記コンバータセルの交流出力端子を順次、直列に接続してその直列回路の両端を交流電源に接続してなる電力変換装置において、
前記交流電源の電圧が一次側に印加される絶縁変圧器と、
前記コンバータセルの交流出力端子間に接続された短絡スイッチと、
前記絶縁変圧器の二次側から給電されて前記コンバータセルの故障発生時に前記短絡スイッチをオンさせる短絡スイッチ駆動手段と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置において、
一次側が前記交流電源に接続された単一の前記絶縁変圧器の二次側から、複数台の前記コンバータセル内の前記短絡スイッチ駆動手段にそれぞれ給電することを特徴とする電力変換装置。
請求項１に記載された電力変換装置において、
複数台の前記コンバータセルが前記絶縁変圧器をそれぞれ備え、これらの絶縁変圧器の一次側を直列に接続してその直列回路の両端を前記交流電源に接続すると共に、全ての前記絶縁変圧器の二次側を並列に接続したことを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した電力変換装置により一相分のユニットを構成し、三相分の前記ユニットを、前記交流電源としての三相電力系統に対してΔ結線またはＹ結線したことを特徴とする電力変換装置。