JP2021125962A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】自給電源回路によって動作する電力変換器が故障した場合に、その電力変換器への電力の供給を維持することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、第１および第２スイッチング素子と、前記第１および前記第２スイッチング素子によって電気エネルギを蓄えるコンデンサと、前記電気エネルギによって動作する第１電源回路と、前記第１電源回路によって動作する第１駆動回路と、前記第１電源回路によって動作する第２駆動回路と、前記第１電源回路の動作が停止した場合に、前記第２駆動回路に電力を供給する第２電源回路と、をそれぞれ含み、冗長構成とされた複数の電力変換器を備える。前記第２電源回路の出力し得る電力は、前記第１電源回路の出力し得る電力よりも小さく、少なくとも前記第２駆動回路の動作を可能とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

電力系統や鉄道等の社会インフラ、工場設備等に設置される電力変換装置では、複数の電力変換器を多重化することによって、扱う電力の大容量化を図る場合がある。電力変換器の多重化とともに、複数の電力変換器を冗長構成とすることによって、電力システムの可用性を向上させることができる。

故障した電力変換器を電力変換装置の運転に影響を及ぼさないようにするために、故障した電力変換器を電力変換回路から迂回させたり、電力変換回路から切り離したりする必要がある。電力変換器が自給電源回路によって動作する構成では、自給電源回路の動作が停止した場合には、電力変換器の迂回等の状態を維持することが困難になる場合がある。

国際公開第２０１４／０９１８０１号

実施形態は、自給電源回路によって動作する電力変換器が故障した場合に、その電力変換器への電力の供給を維持することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のスイッチング動作によって他の回路から電気エネルギを蓄えるコンデンサと、前記電気エネルギによって動作する第１電源回路と、前記第１電源回路から供給される電力によって動作し、前記第１スイッチング素子を駆動する第１駆動回路と、前記第１電源回路から供給される電力によって動作し、前記第２スイッチング素子を駆動する第２駆動回路と、前記第１電源回路の動作が停止した場合に、前記第２駆動回路に電力を供給する第２電源回路と、をそれぞれ含み、冗長構成とされた複数の電力変換器を備える。前記第２電源回路の出力し得る電力は、前記第１電源回路の出力し得る電力よりも小さく設定され、少なくとも前記第２駆動回路の動作を可能とする電力である。

本実施形態では、自給電源回路によって動作する電力変換器が故障した場合に、その電力変換器への電力の供給を維持することができる電力変換装置が実現される。

実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。 図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

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。

図１は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、実施形態の電力変換装置は、電力変換器３０を含む。後述するように、電力変換装置は、複数の電力変換器３０を含んでいる。ここでは、複数の電力変換器３０それぞれの構成は、ここで説明する電力変換器３０と同一である。

電力変換器３０は、端子３０ａ，３０ｂを含む。電力変換器３０は、端子３０ａ，３０ｂを介して、他の回路に接続される。後述するように、電力変換器３０は、端子３０ａ，３０ｂを介して、他の電力変換器３０に接続される。複数の電力変換器３０は、たとえば直列に接続される。

電力変換器３０は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂと、ダイオード３２ａ，３２ｂと、コンデンサ３３と、自給電源回路３４と、ゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂと、制御回路３６と、光給電回路３７と、を含む。

スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、直列に接続されている。ダイオード３２ａは、スイッチング素子３１ａと逆並列に接続されている。ダイオード３２ｂは、スイッチング素子３１ｂと逆並列に接続されている。コンデンサ３３は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂの直列回路に並列に接続されている。

自給電源回路３４（第１電源回路）は、コンデンサ３３に並列に接続されている。自給電源回路３４は、コンデンサ３３に蓄えられた電力で動作する。自給電源回路３４は、コンデンサ３３に蓄えられた電力を、供給すべきブロックに応じた形式に変換して出力する。ここで、供給すべきブロックに応じた形式とは、そのブロックが動作するのに必要な電圧や電流をいい、所定の範囲の電圧値や電流値に設定されていることをいう。

ゲートドライブ回路３５ａ（第１駆動回路）は、スイッチング素子３１ａ（第１スイッチング素子）を駆動するように接続されている。ゲートドライブ回路３５ｂ（第２駆動回路）は、スイッチング素子３１ｂ（第２スイッチング素子）を駆動するように接続されている。ゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂの少なくともスイッチング素子３１ａ，３１ｂ側は、互いに絶縁されている。ゲートドライブ回路３５ａには、電源Ｖｃｃ１が自給電源回路３４から供給される。ゲートドライブ回路３５ｂには、電源Ｖｃｃ２が自給電源回路３４から供給される。電源Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２は、互いに絶縁されている。したがって、ゲートドライブ回路３５ａは、スイッチング素子３１ａのエミッタ端子を基準にゲートドライブ電圧を、スイッチング素子３１ａに供給することができる。

制御回路３６は、ゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂに接続されている。制御回路３６とゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂは、フォトカプラやパルストランス等によって接続されている。制御回路３６には、自給電源回路３４から電源Ｖｃｃ３が供給される。電源Ｖｃｃ３は、他の電源Ｖｃｃ１，Ｖｃｃ２と絶縁されている。制御回路３６は、電源Ｖｃｃ３の供給によって動作する。制御回路３６は、外部回路、たとえば制御装置や他の電力変換器３０に接続されており、外部回路と双方向にデータを伝送することができる。

光給電回路３７（第２電源回路）は、ゲートドライブ回路３５ｂに接続されている。ゲートドライブ回路３５ｂは、低電位側のスイッチング素子３１ｂを駆動するように設けられている。光給電回路３７は、制御装置等の外部回路から光エネルギの供給を受けて、供給された光エネルギを電気エネルギに変換する。光給電回路３７は、変換した電気エネルギをゲートドライブ回路３５ｂの電源として供給する。

制御回路３６は、自給電源回路３４やゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂ等に故障等の支障が生じた場合には、たとえば、自給電源回路３４の動作を停止させる。そのため、自給電源回路３４からゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂへの電力供給は停止される。また、自給電源回路３４から制御回路３６への電力供給も停止される。

後に詳述するように、光給電回路３７は、常時または自給電源回路３４による電力供給が停止された場合に、ゲートドライブ回路３５ｂに電力を供給する。ゲートドライブ回路３５ｂは、光給電回路３７の電力供給によって動作を継続することができる。この例では、制御回路３６は、動作を停止する前に、スイッチング素子３１ｂをオンするようにゲートドライブ回路３５ｂに信号を出力する。ゲートドライブ回路３５ｂは、自給電源回路３４が停止するまで、スイッチング素子３１ｂがオンし続けるように駆動信号を出力する。ゲートドライブ回路３５ｂは、自給電源回路３４が停止した後には、光給電回路３７からの電力供給を受けて、スイッチング素子３１ｂがオンし続けるように駆動信号を出力する。

スイッチング素子３１ｂは、ゲートドライブ回路３５ｂからの駆動信号によりオン状態を維持する。そのため、端子３０ａ，３０ｂ間は、ほぼ短絡状態が維持され、電力変換器３０は、他の回路から迂回（バイパス）される。

実施形態の電力変換装置の動作について詳細に説明する。
図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。
図２（ａ）は、電力変換器３０が通常の運転をしている場合の各ブロックへの電源供給の状況を示している。
また、図２（ｂ）は、電力変換器３０が故障等により運転を停止した場合の各ブロックへの電源供給の状況を示している。

図２（ａ）に示すように、電力変換器３０は、通常の運転状態においては、自給電源回路３４が動作して、ゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂおよび制御回路３６に電力を供給する（太実線）。これによって、ゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂおよび制御回路３６は正常に動作し、電力変換器３０は運転することができる。

光給電回路３７には、この図の破線で示すように、外部からのエネルギ供給はされなくてもよい。光給電回路３７には、常時エネルギ供給されるようにしてもよい。光給電回路３７に常時エネルギ供給がされている場合には、たとえば切替回路を用いて自給電源回路３４からゲートドライブ回路３５ｂへ、電力は供給される。電力供給の切替回路は、ダイオード等を介したワイヤードＯＲ等としたり、切替スイッチ等としたりすることができる。

ここで、自給電源回路３４は、コンデンサ３３から電力の供給を受けて動作する。コンデンサ３３は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂがスイッチングすることによって、端子３０ａ，３０ｂを介して、外部の回路から電力の供給を受ける。

図２（ｂ）に示すように、故障状態では、自給電源回路３４は、ゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂおよび制御回路３６への電力供給を停止する。電力供給の停止された経路を、図では破線で示している。

光給電回路３７へ光電力を供給する制御装置等は、故障等を生じた電力変換器３０の制御回路３６から、故障等を生じた旨の信号を受信することによって、光エネルギの供給を開始する。

光給電回路３７は、供給された光エネルギを電気エネルギに変換して、ゲートドライブ回路３５ｂに供給する。光給電回路３７からの電力供給により、ゲートドライブ回路３５ｂは動作の継続が可能になり、この例では、スイッチング素子３１ｂのオン状態を維持することができる。

なお、スイッチング素子３１ｂの状態をどのように維持するかについては、回路形式等にしたがい、適切に決定される。たとえば、スイッチング素子３１ｂのオン状態を維持する場合に限らず、オフ状態を維持したりするようにしてもよい。また、故障時等の電力変換器３０の状態をどのように維持するかについても上述の場合に限らない。たとえば、回路形式等に応じて、高電位側のスイッチング素子３１ａのオン状態またはオフ状態を維持するようにしてもよいし、自給電源回路３４の停止後にコンデンサ３３を適切な時定数で放電するようにゲートドライブ回路３５ａ，３５ｂを動作させるようにしてもよい。高電位側のスイッチング素子３１ａの駆動のためには、光給電回路は、高電位側のゲートドライブ回路３５ａに電力を供給するように設けられる。

図３は、実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図４（ａ）および図４（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図３には、より具体的な電力変換装置１０の構成例が示されている。
図４（ａ）および図４（ｂ）には、電力変換装置１０の電力変換器３０の構成例が示されている。
図３に示すように、電力変換装置１０は、電力変換部２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換部２０は、端子２１ａ〜２１ｃを含む。電力変換部２０は、端子２１ａ〜２１ｃを介して、交流回路１に接続される。この例のように、電力変換部２０は、変圧器２を介して、交流回路１に接続されてもよい。交流回路１は、たとえば、交流電源や交流負荷、送電線等を含むことができる。交流回路１は、たとえば、三相交流の電力系統である。

電力変換部２０は、端子２１ｄ，２１ｅを含む。電力変換部２０は、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、たとえば直流電源や直流負荷、直流送電線等を含むことができる。直流回路３は、たとえば、直流の電力系統である。

実施形態の電力変換装置１０は、交流回路１と直流回路３との間に接続されて、交流−直流間を双方向、あるいはいずれか一方向に電力変換する。

電力変換部２０は、複数の電力変換器３０を含む。複数の電力変換器３０は、直列に接続されている。たとえば、電力変換器は、ｎ台直列に接続されてアーム２２を構成している。アーム２２は、リアクトル２４を介して直列に接続されている。アーム２２およびリアクトルの直列回路をレグという。この例では、レグは、三相交流の各相に対応するように３つ設けられている。３つのレグは、端子２１ｄ，２１ｅ間に並列に接続されている。

制御装置５０は、電力変換部２０に接続されている。制御装置５０および電力変換部２０は、光ファイバーケーブルによって接続されている。この光ファイバーケーブルは、制御装置５０から電力変換部２０内の各電力変換器３０に光エネルギを供給するために設けられている。図示しないが、制御装置５０と各電力変換器３０との間には、各電力変換器３０を運転するための制御信号等を含む制御データを伝送するための光ファイバーケーブルも設けられている。

この具体例の電力変換装置１０は、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、ＭＭＣ）の電力変換部２０を含んでいる。ＭＭＣ方式の電力変換装置１０では、各電力変換器３０がたとえばアーム２２単位で冗長構成をなしており、いずれかの電力変換器３０が故障し、停止した場合には、高電位側のスイッチング素子３１ａをオフし、低電位側のスイッチング素子３１ｂをオンする。このような動作をバイパス動作という。

ＭＭＣでは、故障が生じた電力変換器３０をバイパスすることによって、アーム２２からその電力変換器３０を除外して、アーム２２全体の動作を継続することによって、電力変換装置１０の運転を継続することができる。

ここで、電力変換器３０の故障のうち、たとえば、自給電源回路３４が故障し、所望の電源出力がされない場合には、低電位側のスイッチング素子３１ｂをオン状態に維持するためにゲートドライブ回路３５ｂに光給電回路３７から電力を供給する。これによって、電力変換装置１０の運転は継続される。

図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、電力変換器３０の主回路は、ハーフブリッジ形式（図４（ａ））でもよいし、フルブリッジ形式（図４（ｂ））であってもよい。フルブリッジ形式の場合には、スイッチング素子３１ｃ，３１ｄの直列回路が追加される。ダイオード３２ｃは、スイッチング素子３１ｃに逆並列に接続され、ダイオード３２ｄは、スイッチング素子３１ｄに逆並列に接続される。スイッチング素子３１ｃ，３１ｄの直列回路は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂの直列回路に並列に接続される。

なお、フルブリッジ回路の場合には、スイッチング素子３１ｃ，３１ｄを駆動するために、ゲート駆動回路が追加される。自給電源回路３４も各ゲート駆動回路に電源を供給する（Ｖｃｃ１〜Ｖｃｃ５）。ただし、スイッチング素子３１ｂ，３１ｄを駆動するゲート駆動回路の電源は、必ずしも絶縁されている必要はない。

この例では、ハーフブリッジ形式およびフルブリッジ形式の両方の場合に、抵抗器３８がコンデンサ３３に並列に接続されている。この抵抗器３８は、電力変換器３０が遮断時等にコンデンサ３３の電荷の放電を促進するために設けられている。

バイパス動作では、ハーフブリッジ形式の場合には、ゲートドライブ回路３５ｂは、低電位側のスイッチング素子３１ｂをオン状態に維持するが、フルブリッジ形式の場合には、２つの低電位側のスイッチング素子３１ｂ，３１ｄのオン状態を維持する。いずれの場合であっても、電力変換器３０の故障時には、２つのゲートドライブ回路は、光給電回路３７から電力の供給を受けて動作する。

実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
上述したように、実施形態の電力変換装置１０では、光給電回路３７を介して、故障した電力変換器３０に電力供給することができるので、故障した電力変換器３０を電力変換装置１０の運転から除外するための電力供給を継続することができる。

特許文献１等に示されているように、ＭＭＣでは、故障した電力変換器のバイパス動作を維持するために、隣接する電力変換器の自給電源回路を用いる。故障時に隣接する自給電源回路を利用するために、絶縁回路を別途設けたり、複雑な配線構造を設けたりする必要がある。そのため、電力変換器の回路規模が増大する傾向にある。また、このような冗長構成を有する自給電源回路の方式では、故障した電力変換器のすべてのブロックに電力を供給するため、電力容量を大きくする必要があり、装置の小型化を妨げ、コストの増大を招くおそれがある。

実施形態の電力変換装置１０では、電力変換器３０は、自給電源回路３４とは別の電源系統である光給電回路３７を有している。光給電回路３７には、制御装置５０から光エネルギが伝送され、光給電回路３７は、光エネルギを電気エネルギに変換して、電力変換器３０内に電力供給する。そのため、電力変換器３０間の複雑な絶縁や配線等を行う必要がなく、簡便に電力供給が可能になる。

故障した電力変換器３０の電力変換装置１０の運転からの除外においては、局所的な電力供給でよいため、供給する電力を小さくすることができる。上述のようなＭＭＣのバイパス動作のためには、電力変換器３０内の複数のブロックのうち、低電位側のゲートドライブ回路３５ｂに電力を供給できればよい。さらに、ゲートドライブ回路３５ｂは、スイッチング素子３１ｂのオン状態を維持できればよく、スイッチング素子３１ｂがＩＧＢＴ等の絶縁ゲート型の素子であれば、オン状態維持のための駆動電力は、十分に小さくすることができる。

光給電回路３７は、常時動作状態にしてもよいが、電力変換装置１０内の電力変換器３０の台数が多い場合等には、故障時のみに、故障した電力変換器３０のみに光エネルギを伝送するようにしてもよい。このようにすることによって、通常運転時の電力消費を抑制することができる。

なお、上述では、光給電回路３７によって、制御装置５０から各電力変換器３０へ電力を供給する例について説明したが、制御装置と電力変換器との間を絶縁する必要のない場合等には、光給電回路によらず、小容量の電源回路を各電力変換器に持たせてもよい。また、小容量の電源回路を各電力変換器に持たせることに代えて、制御装置から電力線を介して、各電力変換器に小容量の電力を供給するようにしてもよい。

電力変換部内の複数の電力変換器は、ＭＭＣのように直列に接続される場合に限らず、並列に接続されたり、直列および並列の組み合せであってもよい。供給する電力や供給方式等は、回路構成に応じて適切に選定される。

上述では、ゲートドライブ回路は、電力変換器内の制御回路からのゲート信号にしたがって動作するものとして説明した。電力変換器は、このような制御回路を内蔵せずに、制御装置によって生成されたゲート信号を直接ゲートドライブ回路に供給するようなシステムであってもよい。また、電力変換器内において、制御回路の機能をゲートドライブ回路と一体で実現されるようにしてももちろんよい。

以上説明した実施形態によれば、冗長構成され、自給電源回路によって動作する電力変換器のうち故障した電力変換器への電力の供給を維持することができる電力変換装置を実現することができる。

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、相互に組み合せて実施することができる。

１ 交流回路、２ 変圧器、３ 直流回路、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換部、２２ アーム、２４ リアクトル、３０ 電力変換器、３１ａ，３１ｂ スイッチング素子、３３ コンデンサ、３４ 自給電源回路、３５ａ，３５ｂ ゲートドライブ回路、３６ 制御回路、３７ 光給電回路、５０ 制御装置

Claims (5)

1. 第１スイッチング素子および第２スイッチング素子と、
   前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子のスイッチング動作によって他の回路から電気エネルギを蓄えるコンデンサと、
   前記電気エネルギによって動作する第１電源回路と、
   前記第１電源回路から供給される電力によって動作し、前記第１スイッチング素子を駆動する第１駆動回路と、
   前記第１電源回路から供給される電力によって動作し、前記第２スイッチング素子を駆動する第２駆動回路と、
   前記第１電源回路の動作が停止した場合に、前記第２駆動回路に電力を供給する第２電源回路と、
   をそれぞれ含み、冗長構成とされた複数の電力変換器
   を備え、
   前記第２電源回路の出力し得る電力は、前記第１電源回路の出力し得る電力よりも小さく設定され、少なくとも前記第２駆動回路の動作を可能とする電力である電力変換装置。
2. 前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、直列に接続され、
   前記複数の電力変換器のそれぞれは、前記第２スイッチング素子の主端子を介して直列に接続され、
   前記第２電源回路が前記第２駆動回路に電力を供給する場合には、前記第２駆動回路は、前記第２スイッチング素子をオン状態に維持する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記複数の電力変換器に接続され、前記複数の電力変換器を制御する制御装置
   をさらに備え、
   前記第２電源回路は、前記制御装置から供給されるエネルギにもとづいて動作する請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御装置は、前記第２電源回路に光エネルギを供給し、
   前記第２電源回路は、前記光エネルギを電気エネルギに変換して、前記第２電源回路に供給する請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記第２電源回路は、前記第１電源回路の停止後に起動して前記第２駆動回路に電力の供給を開始する請求項１〜４のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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