JP2021114854A - 電力変換装置および変電所用電源装置 - Google Patents

電力変換装置および変電所用電源装置 Download PDF

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Abstract

【課題】 電力変換装置および電源装置の小型化を実現する。【解決手段】 実施形態による電力変換装置は、第１直流電源１と第２直流電源２との間に電気的に接続される装置であって、第２直流電源２の正極端子と負極端子との間に、リアクトル８を介して、降圧出力端子が電気的に接続されたチョッパ回路と、第１直流電源１の正極端子と負極端子との間に第１直流主回路が電気的に接続された第１インバータＩＮＶ１と、チョッパ回路５の高圧回路側に第２直流主回路が電気的に接続された第２インバータＩＮＶ２と、第１インバータＩＮＶ１の交流端と第２インバータＩＮＶ２の交流端との間に電気的に接続された高周波絶縁変圧器１５と、を備えた高周波絶縁回路と、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、および、変電所用電源装置に関する。
直流電気鉄道の電力供給システムである直流き電システムは、負荷変動が激しく、き電線電圧変動が大きい特性になっている。また、直流き電システムでは、ダイオード整流器を用いて交流電力を直流電力に変換することが一般的に行われている。例えば、直流き電システムから交流電源系統へ電源回生を行うためには、回生インバータを設置しなければ実施することができず、回生車からの回生電流を吸収することができる十分な負荷が回生車周辺に存在しなければ、回生車は回生失効に陥ることになる。
上記電圧変動や回生失効に対応するため、蓄電手段を備えた直流き電システムを設置することが行われている。例えば高出力な電車を導入した場合には、架線電圧の低下時や、余剰の回生電力が発生するときのために、蓄電手段を含む電源装置を設置することが考えられる。このような場合に用いられる電源装置は、蓄電池電圧を任意の電圧に変換して出力するための変換器を有している。
特開２０１８−９８８３４号公報
例えば、き電回路と電池回路とを絶縁すると、蓄電池の対地絶縁耐圧を下げることができ、任意の電力を架線と蓄電池との間で充放電することができる。その一方、例えばＤＣ１５００Ｖき電の場合、架線電圧は９００Ｖ−１８００Ｖ程度の範囲で変動するのが一般的であり、電池電圧と架線電圧との差が大きいと、絶縁回路（例えば高周波トランス）に流れるピーク電流値が大きくなる。これは結果として、高周波絶縁変圧器の大型化や、電力変換装置に用いるパワー半導体素子の電流定格を増大させる必要性が生じ、装置の大型化や、高コスト化を招くことになる。
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、電力変換装置および電源装置の小型化を実現することを目的とする。
実施形態による電力変換装置は、第１直流電源と第２直流電源との間に電気的に接続される装置であって、前記第２直流電源の正極端子と負極端子との間に、リアクトルを介して、降圧出力端子が電気的に接続されたチョッパ回路と、前記第１直流電源の正極端子と負極端子との間に第１直流主回路が電気的に接続された第１インバータと、前記チョッパ回路の高圧回路側に第２直流主回路が電気的に接続された第２インバータと、前記第１インバータの交流端と前記第２インバータの交流端との間に電気的に接続された高周波絶縁変圧器と、を備えた高周波絶縁回路と、を備える。
図１は、第１実施形態の電力変換装置および電源装置の一構成例を概略的に示す図である。 図２は、第２実施形態の電力変換装置の電力変換ユニットの一構成例を概略的に示す図である。 図３は、第３実施形態の電力変換装置および電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
以下、実施形態の電力変換装置および変電所用電源装置について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は、第１実施形態の電力変換装置および電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電源装置は、例えば変電所に設置される装置であって、第１直流電源１と、抵抗器Ｒと、電力変換装置３と、を備え、第２直流電源２と電気的に接続されている。第２直流電源２は、直流き電回路を備えた直流電源であって、例えば架線である。第２直流電源２は、例えばＤＣ１５００Ｖき電である。
電力変換装置３は、複数の電力変換ユニット４と、リアクトル６、８と、コンデンサ７と、制御回路ＣＴＲと、を備えている。
第１直流電源１は、例えば蓄電池を備えた直流電源である。なお、第１直流電源１は、交流電力を直流電力に変換して出力する電力変換器を備えていてもよい。
本実施形態では、第１直流電源１は、高電位側電源１Ｐと低電位側電源１Ｎとの間（中性点）において抵抗器Ｒを介して接地されている。これにより、第１直流電源１の蓄電池の対地電位を下げることができる。なお、第１直流電源１の蓄電池の絶縁耐圧が十分であるときには、中性点接地ではなく第１直流電源１の低電位側にて接地してもよく、絶縁回路（高周波絶縁変圧器１５）よりも第１直流電源１側にある回路を電気的に浮いた状態としてもよい。
図１に示す例では、電力変換装置３は３つの電力変換ユニット４を備えている。電力変換ユニット４のそれぞれは、チョッパ回路５と、共振型高周波絶縁回路とを備えている。共振型高周波絶縁回路は、コンデンサ１２、１３と、第１インバータＩＮＶ１と、共振コンデンサ１４と、高周波絶縁変圧器１５と、第２インバータＩＮＶ２と、を備えている。
第１インバータＩＮＶ１は、第１直流主回路間に電気的に接続された２つのレグを備えたフルブリッジ回路である。第１インバータＩＮＶ１の各レグは、上アームと下アームとを備えている。第１インバータＩＮＶ１の上アームと下アームとのそれぞれは、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ：Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子１０を備えている。ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子１０を用いることにより、第１インバータＩＮＶ１における導通損を抑制することが可能である。
コンデンサ１３は、第１インバータＩＮＶ１の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間に接続されている。
第２インバータＩＮＶ２は、第２直流主回路間に電気的に接続された２つのレグを備えたフルブリッジ回路である。第２インバータＩＮＶ２の各レグは、上アームと下アームとを備えている。第２インバータＩＮＶ２の上アームと下アームとのそれぞれは、ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子１１を備えている。ＩＧＢＴ等のパワー半導体素子１１を用いることにより、第２インバータＩＮＶ２における導通損を抑制することが可能である。
コンデンサ１２は、第２インバータＩＮＶ２の高電位側の直流端と低電位側の直流端との間に接続されている。
高周波絶縁変圧器１５は、第１インバータＩＮＶ１の交流端と第２インバータＩＮＶ２の交流端との間に接続されている。高周波絶縁変圧器１５は、例えば高周波トランス回路であって、第１インバータＩＮＶ１の２つのレグの交流端間に接続された第１巻線と、第２インバータＩＮＶ２の２つのレグの交流端間に接続された第２巻線と、を備えている。高周波絶縁変圧器１５の第１巻線の巻数と第２巻線の巻数とは、コンデンサ１２とコンデンサ１３との電圧の比および直流電源１の電圧に応じて設定される。
共振コンデンサ１４は、高周波絶縁変圧器１５の第２巻線と第２インバータＩＮＶ２の１つのレグの交流端との間を電気的に接続する交流ラインに介在している。共振コンデンサ１４は第１巻線と第１インバータＩＮＶ1の間の交流ラインに介在させてもよい。
チョッパ回路５は、その高圧回路側が第２インバータＩＮＶ２の第２直流主回路と電気的に接続されている。チョッパ回路５は、第２直流主回路間に直列に接続された２つのスイッチング素子９を備えたハーフブリッジ回路である。チョッパ回路５のスイッチング素子９には、例えば、ＳｉＣ（Silicon Carbide）−ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等のワイドバンドギャップ半導体を用いたスイッチング素子（ワイドバンドギャップ半導体素子）を適用することが望ましい。ワイドバンドギャップ半導体には、例えば、ＩＩＩ−Ｖ族半導体が含まれる。チョッパ回路５はハードスイッチングするため、前述のワイドバンドギャップ半導体を用いることにより、チョッパ回路５におけるスイッチング損失を低減することが可能である。
３つの電力変換ユニット４のコンデンサ１３は、第１直流電源１の正極端子と負極端子との間に直列に接続されている。すなわち、最も高電位側の電力変換ユニット４の高電位側の第１直流主回路は、第１直流電源１の正極端子と電気的に接続されている。最も高電位側の電力変換ユニット４の低電位側の第１直流主回路は、次段の（低電位側に接続された）電力変換ユニット４の高電位側の第１直流主回路と電気的に接続されている。最も低電位側の電力変換ユニット４の高電位側の第１直流主回路は、前段の（高電位側に接続された）電力変換ユニット４の低電位側の第１直流主回路と電気的に接続されている。最も低電位側の電力変換ユニット４の低電位側の第１直流主回路は、第１直流電源１の負極端子と電気的に接続されている。
３つの電力変換ユニット４のチョッパ回路５は、降圧出力端子において互いに電気的に接続されている。すなわち、電力変換ユニット４の低電位側の第２直流主回路は、次段の（低電位側に接続された）電力変換ユニット４の２つのスイッチング素子９の間に電気的に接続されている。最も高電位側の電力変換ユニット４のチョッパ回路５の２つのスイッチング素子９間は、リアクトル８およびリアクトル６を介して第２直流電源２の正極端子と電気的に接続されている。最も低電位側の電力変換ユニット４の低電位側の第２直流主回路は、第２直流電源２の負極端子と電気的に接続されている。つまり、３つの電力変換ユニット５のチョッパ回路５側は、図１に示されるように、カスケード接続されている。
リアクトル６とリアクトル８とは、第２直流電源２の正極端子と、最も高電位側の電力変換ユニット４の２つのスイッチング素子９間との間において、直列に接続されている。
コンデンサ７は、第２直流電源２の正極端子と負極端子との間において、リアクトル６と直列に接続される。リアクトル６とコンデンサ７とは、ＬＣフィルタを構成し、第２直流電源２に対して高調波電流が流れることを抑制する。
制御回路ＣＴＲは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、プロセッサにより実行されるプログラムを記録可能なメモリと、を備えた演算回路である。
制御回路ＣＴＲは、チョッパ回路５の動作を制御してリアクトル８に流れる電流を制御し、コンデンサ７の電圧が所定の値となるように電圧制御を行う。なお、制御回路ＣＴＲは、必要に応じて、コンデンサ７の電圧を検出する電圧センサ、および、電力変換装置３に含まれる種々のセンサ（図示せず）により検出された値を取得し、演算に用いることが可能である。
次に、本実施形態の電源装置および電力変換装置の動作の一例について説明する。
例えば、第１直流電源１から第２直流電源２へ電力を供給する際には、第１インバータＩＮＶ１は、スイッチング動作を停止する。すなわち、第１インバータＩＮＶ１の４つのパワー半導体素子１１はオフされた状態となる。第２インバータＩＮＶ２は、高周波インバータとして高周波電流を出力する。
コンデンサ１２とコンデンサ１３との電圧は、高周波絶縁変圧器１５の第１巻線と第２巻線との巻数比によって決まる。ここで、コンデンサ１２の電圧を直列段数分（３つ分）加算した値は、第２直流電源２の電圧よりも大きくなるように設定される。
上記の状態において、制御回路ＣＴＲは、チョッパ回路５が降圧動作を行うように制御し、電力変換装置３から第２直流電源２に対して電流を出力させる。このとき、制御回路ＣＴＲは、複数のチョッパ回路５にインタリーブ動作をさせる。例えば図１に示す電力変換装置３では、３つのチョッパ回路５が直列に接続されているため、制御回路ＣＴＲは、３つのチョッパ回路５のスイッチング素子９に対して、位相を互いに１２０°ずらしたゲート信号を生成する。これにより、例えば１つの電力変換ユニット４におけるスイッチング周波数が１ｋＨｚであるとき、電力変換装置３全体におけるスイッチング周波数は３ｋＨｚと等価となる。その結果、電力変換装置３から出力される電流を高周波化することが可能であり、リアクトル８のインダクタンス値を抑制し、リアクトル８の大きさを小さくすることができる。
また、本実施形態の電力変換ユニット４は共振型高周波絶縁回路であるため、例えば従来のデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）回路と比較すると、高周波絶縁変圧器１５に流れるピーク電流値の増大がなくなる。このため、高周波絶縁変圧器１５の電流定格が増大することを抑制するとともに、第１インバータＩＮＶ１および第２インバータＩＮＶ２のパワー半導体素子１０、１１のピーク電流を抑制し、電源装置および電力変換装置を小型にすることが可能となる。
なお、第２直流電源２から第１電源２へ電力を供給する際には、上記動作とは逆に、第２インバータＩＮＶ２はスイッチング動作を停止し、第１インバータＩＮＶ１は高周波インバータとして動作して高周波電流を出力する。制御回路ＣＴＲは、上記状態において、リアクトル８に任意の電流が通流するように、チョッパ回路５のスイッチング素子９のゲート信号を生成する。
上記のように、本実施形態によれば、電力変換装置および電源装置の小型化を実現することができる。
次に、第２実施形態の電力変換装置および電源装置について図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の説明において、上述の第１実施形態の電力変換装置および電源装置と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
図２は、第２実施形態の電力変換装置の電力変換ユニットの一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置は、電力変換ユニット４の第１インバータＩＮＶ１および第２インバータＩＮＶ２の構成が上述の第１実施形態と異なっている。
第１インバータＩＮＶ１は、上アームと下アームとのそれぞれにパワー半導体素子１０を備えたレグ（第１レグ）と、上アームと下アームとのそれぞれに共振コンデンサ２１を備えたレグ（第２レグ）と、により構成されている。
第２インバータＩＮＶ２は、上アームと下アームとのそれぞれにパワー半導体素子１１を備えたレグ（第１レグ）と、上アームと下アームとのそれぞれに共振コンデンサ２２を備えたレグ（第２レグ）と、により構成されている。
本実施形態の電力変換装置では、第１インバータＩＮＶ１と第２インバータＩＮＶ２とが共振コンデンサ２１、２２を備える構成であるため、上述の第１実施形態の電力変換ユニット４における共振コンデンサ１４は省略されている。
本実施形態の電力変換装置の電力変換ユニット４は、上記構成以外は上述の第１実施形態と同様である。また、本実施形態の電力変換装置および電源装置の動作は、上述の第１実施形態と同様である。
すなわち、本実施形態の電力変換装置および電源装置によれば、高周波絶縁変圧器１５の電流定格が増大することを抑制するとともに、第１インバータＩＮＶ１および第２インバータＩＮＶ２のパワー半導体素子１０、１１のピーク電流を抑制することができる。このことにより、本実施形態によれば、電力変換装置および電源装置の小型化を実現することができる。
次に、第３実施形態の電力変換装置および電源装置について図面を参照して詳細に説明する。
図３は、第３実施形態の電力変換装置および電源装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電源装置は、第１直流電源１と、抵抗器Ｒと、電力変換装置３と、を備え、第２直流電源２と電気的に接続されている。第２直流電源２は、直流き電回路を備えた直流電源であって、例えば架線である。第２直流電源２は、例えばＤＣ３０００Ｖき電である。
本実施形態の電力変換装置３は、チョッパ回路５と共振型高周波絶縁回路とを含む電力変換ユニット４を複数備えている。複数の第１インバータＩＮＶ１の第１直流主回路の少なくとも一部は、第１直流電源１に対して並列に接続されている。複数のチョッパ回路５の降圧出力端子は、第２直流電源２の正極端子と負極端子との間において直列に接続されている。
図３に示す例では、電力変換装置３は、第１変換部３１と、第２変換部３２と、コンデンサ７と、リアクトル６、８と、を備えている。
第１直流電源１は、例えば蓄電池を備えた直流電源である。なお、第１直流電源１は、交流電力を直流電力に変換して出力する電力変換器であってもよい。
本実施形態では、第１直流電源１は、高電位側電源１Ｐと低電位側電源１Ｎとの間（中性点）において抵抗器Ｒを介して接地されている。これにより、第１直流電源１の蓄電池の対地電位を下げることができる。なお、第１直流電源１の蓄電池の絶縁耐圧が十分であるときには、中性点接地ではなく第１直流電源１の低電位側にて接地してもよく、第１直流電源１側の回路を絶縁し、電気的に浮いた状態としてもよい。
第１変換部３１と第２変換部３２とのそれぞれは、３つの電力変換ユニット４を備えている。第１変換部３１と第２変換部３２とは、第１直流電源１に対して並列に接続され、第２直流電源２の正極端子と負極端子との間において直列に接続されている。
第１変換部３１と第２変換部３２とのそれぞれにおいて、３つの電力変換ユニット４のコンデンサ１３は、第１直流電源１の正極端子と負極端子との間に直列に接続されている。すなわち、最も高電位側の電力変換ユニット４の高電位側の第１直流主回路は、第１直流電源１の正極端子と電気的に接続されている。最も高電位側の電力変換ユニット４の低電位側の第１直流主回路は、次段の（低電位側に接続された）電力変換ユニット４の高電位側の第１直流主回路と電気的に接続されている。最も低電位側の電力変換ユニット４の高電位側の第１直流主回路は、前段の（高電位側に接続された）電力変換ユニット４の低電位側の第１直流主回路と電気的に接続されている。最も低電位側の電力変換ユニット４の低電位側の第１直流主回路は、第１直流電源１の負極端子と電気的に接続されている。
第１変換部３１の３つの電力変換ユニット４のチョッパ回路５の降圧出力端子と、第２変換部３２の３つの電力変換ユニット４のチョッパ回路５の降圧出力端子とは、第２直流電源２の正極端子と負極端子との間において直列に接続されている。すなわち、電力変換ユニット４の低電位側の第２直流主回路は、次段の（低電位側に接続された）電力変換ユニット４の２つのスイッチング素子９の間に電気的に接続されている。最も高電位側の電力変換ユニット４のチョッパ回路５の２つのスイッチング素子９間は、リアクトル８およびリアクトル６を介して第２直流電源２の正極端子と電気的に接続されている。最も低電位側の電力変換ユニット４の低電位側の第２直流主回路は、第２直流電源２の負極端子と電気的に接続されている。
リアクトル６とリアクトル８とは、第２直流電源２の正極端子と、最も高電位側の電力変換ユニット４の２つのスイッチング素子９間との間において、直列に接続されている。
コンデンサ７は、第２直流電源２の正極端子と負極端子との間において、リアクトル６と直列に接続される。リアクトル６とコンデンサ７とは、ＬＣフィルタを構成し、第２直流電源２に対して高調波電流が流れることを抑制する。
制御回路ＣＴＲは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、プロセッサにより実行されるプログラムを記録可能なメモリと、を備えた演算回路である。
制御回路ＣＴＲは、チョッパ回路５の動作を制御してリアクトル８に流れる電流を制御し、コンデンサ７の電圧が所定の値となるように電圧制御を行う。
本実施形態の電力変換装置および電源装置の動作は、上述の第１実施形態と同様である。すなわち、本実施形態の電力変換装置および電源装置によれば、高周波絶縁変圧器１５の電流定格が増大することを抑制するとともに、第１インバータＩＮＶ１および第２インバータＩＮＶ２のパワー半導体素子１０、１１のピーク電流を抑制することができる。このことにより、本実施形態によれば、電力変換装置および電源装置の小型化を実現することができる。
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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。
例えば上述の複数の実施形態において、複数のコンデンサ１３が第１直流電源１の正極端子と負極端子との間において直列に接続されていたが、複数のコンデンサ１３は第１直流電源１に並列に接続されてもよい。その場合であっても上述の実施形態と同様の効果を得ることができる。
また、上述の複数の実施形態では、電力変換装置３は複数の電力変換ユニット４を備えていたが、電力変換装置３は少なくとも一つの電力変換ユニット４を備えていればよい。電力変換装置３に搭載される電力変換ユニット４の数は、チョッパ回路５のスイッチング素子９のスイッチング周波数とスイッチング損失とに応じて調整することができる。
１…第１直流電源、１Ｎ…低電位側電源、１Ｐ…高電位側電源、２…第２直流電源、３…電力変換装置、４…電力変換ユニット、５…チョッパ回路、６…リアクトル、７…コンデンサ、８…リアクトル、９…スイッチング素子、１０…パワー半導体素子、１１…パワー半導体素子、１２…コンデンサ、１３…コンデンサ、１４…共振コンデンサ、１５…高周波絶縁変圧器、２１…共振コンデンサ、２２…共振コンデンサ、ＩＮＶ１…第１インバータ、ＩＮＶ２…第２インバータ

Claims (9)

  1. 第１直流電源と第２直流電源との間に電気的に接続される装置であって、
    前記第２直流電源の正極端子と負極端子との間に、リアクトルを介して、降圧出力端子が電気的に接続されたチョッパ回路と、
    前記第１直流電源の正極端子と負極端子との間に第１直流主回路が電気的に接続された第１インバータと、前記チョッパ回路の高圧回路側に第２直流主回路が電気的に接続された第２インバータと、前記第１インバータの交流端と前記第２インバータの交流端との間に電気的に接続された高周波絶縁変圧器と、を備えた高周波絶縁回路と、
    を備えた電力変換装置。
  2. 前記第１インバータと前記第２インバータとはフルブリッジ回路であって、
    前記高周波絶縁変圧器は、前記第１インバータの交流端間に電気的に接続された第１巻線と、前記第２インバータの交流端間に電気的に接続された第２巻線と、を備えたトランス回路であって、
    前記第２インバータの交流端の一つと前記第２巻線との間に接続された交流ラインもしくは、前記第１インバータの交流端の一つと前記第１巻線の間に接続された交流ラインに介在する共振コンデンサを更に備えた請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記第１インバータと前記第２インバータとは、上アームと下アームとのそれぞれにスイッチング素子を備えた第１レグと、前記第１レグと並列に接続され、上アームと下アームとのそれぞれに共振コンデンサを備えた第２レグと、を備える請求項１記載の電力変換装置。
  4. 前記チョッパ回路は、ハーフブリッジ回路である請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換装置。
  5. 前記チョッパ回路は、上アームと下アームとのそれぞれにワイドバンドギャップ半導体素子を備えている請求項４記載の電力変換装置。
  6. 前記チョッパ回路と前記高周波絶縁回路とを含む電力変換ユニットを複数備え、
    複数の前記第１インバータの前記第１直流主回路は、前記第１直流電源の正極端子と負極端子との間において直列に接続され、
    複数の前記チョッパ回路はカスケード接続され、前記第２直流電源の正極端子と負極端子との間に接続されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電力変換装置。
  7. 前記チョッパ回路と前記高周波絶縁回路とを含む電力変換ユニットを複数備え、
    複数の前記第１インバータの前記第１直流主回路の少なくとも一部は、前記第１直流電源に対して並列に接続され、
    複数の前記チョッパ回路はカスケード接続され、前記第２直流電源の正極端子と負極端子との間に接続されている、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の電力変換装置。
  8. 複数の前記電力変換ユニットの動作を制御する制御回路を更に備え、
    前記制御回路は、複数の前記チョッパ回路を、複数の電力変換ユニット間でインタリーブ動作をさせる請求項６又は請求項７記載の電力変換装置。
  9. 請求項１乃至請求項８のいずれか１項記載の電力変換装置と、
    前記第１直流電源と、を備え、
    前記第１直流電源は蓄電池を備えている変電所用電源装置。
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