JP2023001449A - 電力変換装置、電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置において、リプル電圧起因で発生する電力変換ユニット間の循環電流を低減可能な低損失な電力変換装置を提供する。【解決手段】絶縁型電力変換ユニット２０－ｋは、高周波トランス１５で絶縁された１次側電力変換器１１、１２と、２次側電力変換器１３とを備える。１次側電力変換器は、１次側交流入力端子２５、２６を有する。２次側電力変換器は、２次側正極端子２７と２次側負極端子２８の２つの端子で構成する２次側直流出力端子を有する。複数の絶縁型電力変換ユニットのうち、少なくとも１つの絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子は、少なくとも２つ以上の他の絶縁型電力変換ユニットの２次側負極端子と接続され、かつ、少なくとも１つ以上のさらに別の絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子と接続されている。【選択図】図２

Description

本発明は、電力変換装置の構成とその制御に係り、特に、複数の電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置に適用して有効な技術に関する。

近年の電力変換装置は、その主要部品であるパワー半導体モジュールの技術革新によって、より高速なスイッチング動作を実現し、このパワー半導体から発する損失を低減させている。これにより、特に冷却器を小型化することができ、その結果、電力変換装置を小型化可能である。また、パワー半導体の損失を低減することにより、電力変換装置の効率を向上することができる。

例えば、ＳｉＣやＧａＮ等のワイドバンドギャップデバイスは、電子飽和速度がＳｉに対し約２倍以上あることから、高速ＳＷ（Switching）動作によるＳＷ損失低減、さらに高周波インバータＳＷ動作が可能となる。

また、産業向け電力変換器では、システムの高効率化のため、システム電圧の高耐圧化が進んでいる。システム電圧を高耐圧化とすることで、同一電力における電流・導通損失を低減でき、システムを高効率化できる。但し、パワー半導体モジュールの耐圧には制限があることから、パワー半導体デバイスを含む複数の電力変換ユニットを直列接続し、電力変換器のシステム電圧を高耐圧化する電力変換器構成が提案されている。

本技術分野の背景技術として、例えば、特許文献１のような技術がある。特許文献１には「交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換回路を含む変換ユニットにおいて、複数の変換ユニットの交流出力と直流出力を直列接続し、高圧ＡＣ入力／高圧ＤＣ出力に対応した高圧変換器構成」が記載されている。高圧変換器部は三相ＵＶＷ入力に対応するため、３組で構成され、ＵＶＷそれぞれに対応した高圧変換器のＤＣ出力は並列接続された構成となる。

特許文献１では、上記のような高圧変換器構成（以下、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）とも呼ぶ）において、ＤＣ出力のリプル電圧を低減する手法として、ＭＭＣを構成する複数電力変換ユニットのキャリア信号位相を同期し、かつ各電力変換ユニットの位相がユニット毎に同位相とならないようにシフトさせる制御構成が提案されている。

特開２０２０－８０６２７号公報

ところで、高圧ＡＣ／ＤＣ変換器において、上記のようなＭＭＣ方式では入力端子と出力端子が絶縁されてないため、地絡時の故障拡大や、入出力間のノイズ伝搬等が課題となる。従って、より高信頼なシステムには入出力間が絶縁された高圧ＡＣ／ＤＣ変換器が必要である。

一方、絶縁型の高圧ＡＣ／ＤＣ変換器において、多重絶縁トランスを適用した高圧電力変換器では、多重トランス構造に起因して重量や体積が大型化する課題があった。これに対し、高周波絶縁トランスを適用したマルチステージ変換器（ＭＳＣ：Multi Stage Converter）は、絶縁トランスの小型化が可能となり省スペース化に有利となる。

ＭＳＣでは、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換回路を含む電力変換ユニットを複数台直列接続して高圧入力／出力に対応する。ＭＳＣの小型化にはＤＣリンクコンデンサの小型化が必要となるが、ＤＣリンクコンデンサの容量を削減すると、出力ＤＣのリプル電圧が増大する課題がある。

例えば上記特許文献１のように、複数の電力変換ユニットの絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換回路の駆動信号を同期し、直列接続される複数ユニットの駆動信号の位相が重ならないように制御することでリプル電圧の低減が可能である。但し、絶縁型ＤＣ／ＤＣ変換回路に駆動信号周波数可変型や駆動信号位相可変型の回路方式を適用したとき、各電力変換ユニットの駆動信号は非同期となるため、この手法が適用できない。

そこで、本発明の目的は、高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置において、リプル電圧起因で発生する電力変換ユニット間の循環電流を低減可能な低損失な電力変換装置及び電力変換装置の制御方法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、高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された複数の絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置であって、前記絶縁型電力変換ユニットは、前記高周波トランスで絶縁された１次側電力変換器と２次側電力変換器を備え、前記１次側電力変換器は、１次側交流入力端子を有し、前記２次側電力変換器は、２次側正極端子と２次側負極端子の２つの端子で構成された２次側直流出力端子を有し、前記複数の絶縁型電力変換ユニットのうち、少なくとも１つの絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子は、少なくとも２つ以上の他の絶縁型電力変換ユニットの２次側負極端子と接続され、かつ、少なくとも１つ以上のさらに別の絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子と接続されていることを特徴とする。

また、本発明は、高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された複数の絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置の制御方法であって、前記複数の絶縁型電力変換ユニットのうち、いずれかの絶縁型電力変換ユニットで過電流または過電圧の異常を検出した場合、当該異常が発生した絶縁型電力変換ユニットの１次側交流入力端子と並列に配置された冗長スイッチを短絡することで、前記異常が発生した絶縁型電力変換ユニットの１次側正極端子と１次側負極端子を短絡し、前記異常が発生した絶縁型電力変換ユニット以外の絶縁型電力変換ユニットで運転を継続することを特徴とする。

本発明によれば、高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置において、リプル電圧起因で発生する電力変換ユニット間の循環電流を低減可能な低損失な電力変換装置及び電力変換装置の制御方法を実現することができる。

これにより、電力変換装置の冷却器やコンデンサを小型化することができ、電力変換装置の小型軽量化と高効率化が図れる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の実施例１に係る電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。 図１の電力変換ユニットの等価回路図である。 本発明の実施例１に係る電力変換装置のシステム構成図である。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の動作波形の一例を示す図である。 本発明の実施例１に係る電力変換装置の３直３並列コンバータセルの結線図である。 従来の電力変換装置のリプル電圧と循環電流の一例を示す図である。 本発明の実施例１に係る電力変換装置のリプル電圧と循環電流の一例を示す図である。 本発明の実施例２に係る電力変換装置の概略構成を示す図である。 本発明の実施例３に係る電力変換装置の概略構成を示す図である。

以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。なお、各図面において同一の構成については同一の符号を付し、重複する部分についてはその詳細な説明は省略する。

図１から図７を参照して、本発明の実施例１に係る電力変換装置とその制御方法について説明する。図１は、本実施例の電力変換装置の概略構成を示すブロック図である。

本実施例の電力変換装置１は、図１に示すように、Ｎ台のコンバータセル（電力変換ユニット）２０－１～２０－Ｎを有している。そして、各々のコンバータセル２０－ｋ（但し、ｋは段数番号であり、１≦ｋ≦Ｎ）は、一対の１次側端子２５，２６と、一対の２次側端子２７，２８と、交直変換器１１と、交直変換器１２と、交直変換器１３と、交直変換器１２と交直変換器１３との間に接続される高周波トランス１５と、コンデンサ１７（第１のコンデンサ）と、コンデンサ１８（第２のコンデンサ）とを有している。

交直変換器１１は、１次側系統電圧である交流電圧を直流電圧に変換する第１の交直変換器（１次側変換器）である。交直変換器１２は、交直変換器１１（第１の交直変換器）により変換された直流電圧を交流電圧に変換する第２の交直変換器（１次側変換器）である。交直変換器１３は、交直変換器１２（第２の交直変換器）により変換された交流電圧を直流電圧に変換する第３の交直変換器（２次側変換器）である。

交直変換器１１、交直変換器１２、交直変換器１３には、それぞれパワー半導体デバイスが用いられる。

コンデンサ１７は、交直変換器１１と交直変換器１２との間に接続され、コンデンサ１８は、交直変換器１３と２次側端子２７，２８との間に接続されている。

そして、コンバータセル２０－１～２０－Ｎの各１次側端子２５，２６は、順次互いに直列に接続され、これら直列回路に、１次側電源系統３１が接続されている。また、コンバータセル２０－１～２０－Ｎの各２次側端子２７，２８は、順次互いに直列に接続され、これら直列回路に、２次側電源系統３２とＤＣ負荷系統３４，３６が接続されている。各コンバータセル２０－１～２０－Ｎは、１次側端子２５，２６と２次側端子２７，２８との間で双方向または一方向に電力を伝送する。

１次側電源系統３１は、誘導性のインピーダンス、またはフィルタリアクトルを内包するものとする。また、１次側電源系統３１、２次側電源系統３２としては、例えば商用電源系統や太陽光発電システム、モータ等、様々な発電設備や受電設備を採用することができる。

１次側電源系統３１の電圧を１次側系統電圧ＶＳ１とし、２次側電源系統３２の電圧を２次側系統電圧ＶＳ２とする。１次側系統電圧ＶＳ１，２次側系統電圧ＶＳ２は、振幅及び周波数が相互に独立しており、電力変換装置１は、１次側電源系統３１と２次側電源系統３２との間で双方向または一方向に電力を伝送する。

図１に示すように、１次側電源系統３１の一対の端子のうち、一方を１次側基準端子３３と呼び、他方を単に端子３５と呼ぶ。同様に、２次側電源系統３２の一対の端子のうち、一方を２次側基準端子３４と呼び、他方を単に端子３６と呼ぶ。１次側基準端子３３は、１次側基準電位が現れる端子であり、２次側基準端子３４は、２次側基準電位が現れる端子である。１次側基準電位及び２次側基準電位は、例えば接地電位である。基準電位は必ずしも接地電位でなくてもよい。

そして、１次側基準端子３３は、コンバータセル２０－１の１次側端子２５に接続され、端子３５は、コンバータセル２０－Ｎの２次側端子２６に接続される。また、２次側基準端子３４は、コンバータセル２０－Ｎの２次側端子２８に接続され、端子３６は、コンバータセル２０－１の２次側端子２７に接続される。

図２は、図１のコンバータセル（電力変換ユニット）２０－ｋの等価回路図である。

交直変換器１１～１３は、各々Ｈブリッジ状に接続された４個のスイッチング素子と、これらスイッチング素子に逆並列に接続された還流ダイオード（ＦＷＤ：Free Wheeling Diode）とを有している（共に符号なし）。

なお、本実施例において、これらスイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。

コンデンサ１７の両端の間に現れる電圧を１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１（１次側直流電圧）と呼ぶ。また、１次側端子２５，２６の間に現れる電圧を１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_Ｕ１ｋと呼ぶ。そして、交直変換器１１は、１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_Ｕ１ｋと、１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。

高周波トランス１５は、１次巻線１５ａと、２次巻線１５ｂとを有し、１次巻線１５ａと２次巻線１５ｂとの間で、所定の周波数で電力を伝送する。交直変換器１２及び１３が高周波トランス１５との間で入出力する電流は、高周波である。ここで、高周波とは、例えば１００Ｈｚ以上の周波数であるが、１ｋＨｚ以上の周波数を採用することが好ましく、１０ｋＨｚ以上の周波数を採用することがより好ましい。交直変換器１２は、１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１と、１次巻線１５ａに現れる電圧とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。

また、コンデンサ１８の両端の間に現れる電圧を２次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ２（２次側直流電圧）と呼ぶ。交直変換器１３は、２次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ２と、２次巻線１５ｂに現れる電圧とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。また、２次側端子２７，２８の間に現れる電圧を２次側ＤＣ端子間電圧Ｖ_ｕ２ｋと呼ぶ。

図１において、１次側系統電圧ＶＳ１の振幅値をＶ_ｍａｘとし、各コンバータセル２０－ｋの１次側ＤＣリンク電圧Ｖ_ｄｃ１が振幅値Ｖ_ｍａｘの１／Ｎであると仮定すると、図２に示した１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ_Ｕ１ｋは、±Ｖ_ｍａｘ／Ｎまたは０のいずれかの電圧となる。２次側も同様であるので説明を省略する。

また、図２において、交直変換器１１と、コンデンサ１７と、交直変換器１２を含む電力変換器部を１次側電力変換ユニット１０１とし、交直変換器１３と、コンデンサ１８で構成される電力変換器部を２次側電力変換ユニット１０２とする。

図３は、図１の電力変換装置１を用いた三相交流システムのシステム構成図である。電力変換装置１は、図１及び図２に示した各コンバータセル２０－１～２０－Ｎによって構成される。

図３において、１次側三相電源系統のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の端子をＵ_１，Ｖ_１，Ｗ_１とし、中性点をＮ_１とし、２次側ＤＣ出力端子をＰ_２、Ｎ_２とする。図３に示した三相交流システムでは、中性点Ｎ_１が１次側の基準端子になる。１次側の端子Ｕ_１と中性点Ｎ_１との間には、コンバータセル２０－１～２０－Ｎの１次側端子２５，２６（図１及び図２参照）が順次直列に接続されている。また、２次側の端子Ｎ_２と端子Ｐ_２との間には、２次側端子２７，２８が順次直列に接続されている。

Ｖ相、Ｗ相については図示を省略するが、Ｕ相と同様に電力変換装置１が接続されている。

図４は、１次側系統電圧ＶＳ１及び２次側系統電圧ＶＳ２の波形図の例である。図３のように各コンバータセルの入出力を直列接続し、直列接続されたコンバータセルを制御することで、ＡＣ入力、ＤＣ出力に対応している。

図５は、三相ＡＣ入力／ＤＣ出力変換器を構成する３直３並列コンバータセルの結線図である。コンバータセルの１次側の結線については図３と同様である。

各コンバータセルの２次側出力は、Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相で１段ずつＰＮ出力端子を並列接続し、三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３を形成し、各三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３は直列接続される。

図６及び図７を用いて、本実施例による効果を以下で説明する。図６は、従来の一般的な三相ＡＣ入力／ＤＣ出力変換器におけるリプル電圧起因のコンデンサ循環電流Ｌ_ＡＣを示す図である。図７は、本実施例（図５）の三相ＡＣ入力／ＤＣ出力変換器におけるリプル電圧起因のコンデンサ循環電流Ｌ_ＡＣを示す図である。

図６に示すように、従来の三相ＡＣ入力／ＤＣ出力変換器では、絶縁型の直交－交直変換回路１２、１５、１３において、変換回路の駆動周波数や駆動信号の位相で電圧の昇圧降圧比を制御する方式を適用したとき、セル内のパワー半導体デバイスや高周波トランスの特性ばらつきに起因して、駆動周波数や位相が異なる。

この時、２次側出力には各駆動信号周波数や位相に同期したリプル電圧が発生する。図６に示すように、２次側を直列にした場合、リプル電圧は各段で重畳され、仮にリプル電圧周波数・位相が直列接続するコンバータセル間で重なったとき、振幅が増大される。

さらに、図６の構成のように、Ｕ相のコンバータセルを直列接続し、またＶ相のコンバータセルを直列接続し、直列接続されたＵ相セル群とＶ相セル群の２次側ＰＮ出力は各１点で結線される構成では、Ｕ相セル群とＶ相セル群のリプル電圧差が増大する条件が存在し、この時、Ｕ相セル群の２次側コンデンサとＶ相セル群の２次側コンデンサ間にリプル電圧差に比例した循環電流が発生し、コンデンサの発熱が増大する。

一方、図７に示すように、本実施例（図５）の構成では、各コンバータセルの２次側出力は、Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相で１段ずつＰＮ出力端子を並列接続し、三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３を形成し、各三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３は直列接続される。

この時、Ｕ相セルとＶ相セル間に発生する最大リプル電圧差は、従来（図６）の構成に対して１／Ｎ（Ｎは２次側の直列段数）となる。よって、本実施例（図５）の構成では、２次側出力が並列接続されるコンバータセル間のリプル電圧差起因の循環電流を低減でき、２次側コンデンサの不要電流及び発熱を低減することで、電力変換装置の小型軽量化と高効率化が可能となる。

以上説明したように、本実施例の電力変換装置は、高周波トランス１５により１次側と２次側が絶縁された複数の絶縁型電力変換ユニット（コンバータセル２０－１～２０－Ｎ）を多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置であって、絶縁型電力変換ユニット（コンバータセル２０－１～２０－Ｎ）は、高周波トランス１５で絶縁された１次側電力変換器（１次側電力変換ユニット１０１）と２次側電力変換器（２次側電力変換ユニット１０２）を備えており、１次側電力変換器（１次側電力変換ユニット１０１）は、１次側交流入力端子（１次側端子２５，２６）を有し、２次側電力変換器（２次側電力変換ユニット１０２）は、２次側正極端子（２次側端子２７）と２次側負極端子（２次側端子２８）の２つの端子で構成された２次側直流出力端子（２次側端子２７，２８）を有し、複数の絶縁型電力変換ユニット（コンバータセル２０－１～２０－Ｎ）のうち、少なくとも１つの絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ２）の２次側正極端子は、少なくとも２つ以上の他の絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ１，２０－Ｖ１）の２次側負極端子と接続され、かつ、少なくとも１つ以上のさらに別の絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｖ２）の２次側正極端子と接続されている。

また、１次側交流入力端子（１次側端子２５，２６）は、１次側正極端子（１次側端子２５）と１次側負極端子（１次側端子２６）の２つの端子で構成された単相交流入力端子であり、少なくとも１つの絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ２）の１次側正極端子は、他の絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ１）の１次側負極端子に接続されている。

また、複数の絶縁型電力変換ユニットは、少なくとも４つ以上の絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ１，２０－Ｕ２，２０－Ｖ１，２０－Ｖ２）で構成され、２次側直流出力端子の２次側正極端子（２次側端子２７）が並列接続される２つの絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ１，２０－Ｖ１）の１次側交流入力端子（１次側端子２５）には、異なる位相の交流信号（Ｕ_１，Ｖ_１）が入力される。

また、１次側電力変換器（１次側電力変換ユニット１０１）は、１次側交直変換回路（１次側変換器１１）と１次側直交変換回路（１次側変換器１２）を備え、２次側電力変換器（２次側電力変換ユニット１０２）は、２次側交直変換回路（２次側変換器１３）を備えている。

また、１次側直交変換回路（１次側変換器１２）を形成するパワー半導体デバイスの駆動信号の周波数または位相が、２次側直流出力の電圧によって変わる。

また、２次側交直変換回路（２次側変換器１３）は、フルブリッジコンバータで構成されている。

本実施例の電力変換装置によれば、高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置において、リプル電圧起因で発生する電力変換ユニット間の循環電流を低減可能な低損失な電力変換装置及び電力変換装置の制御方法を実現することができる。

これにより、電力変換装置の冷却器やコンデンサを小型化することができ、電力変換装置の小型軽量化と高効率化が図れる。

図８を参照して、本発明の実施例２に係る電力変換装置について説明する。図８は、本実施例の電力変換装置の概略構成を示す図である。

本実施例の電力変換装置では、図８に示すように、２次側ＤＣ出力をマルチポート構成としている。１次側三相電源系統のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の端子をＵ_１，Ｖ_１，Ｗ_１とし、中性点をＮ_１とし、２次側ＤＣ出力端子はＰｕ／Ｎｕと、Ｐｖ／Ｎｖと、Ｐｗ／ＮｗとＰ_２２／Ｎ_２２を備える。この時、複数のコンバータセルを直列接続して構成された２次側出力端子Ｐ_２２／Ｎ_２２は、他の２次側出力端子Ｐｕ／Ｎｕ、Ｐｖ／Ｎｖ、Ｐｗ／Ｎｗよりも高い電圧を出力可能とする。

図８に示す本実施例の三相交流システムでは、中性点Ｎ_１が１次側の基準端子になる。１次側の端子Ｕ_１と中性点Ｎ_１との間には、コンバータセル２０－Ｕ１～２０－Ｕ３の１次側端子２５，２６（図１及び図２参照）が順次直列に接続されている。Ｖ相、Ｗ相の１次側入力端子も同様の構成である。

ここで、２次側出力Ｐ_２２／Ｎ_２２は、Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相で１段ずつＰＮ出力端子を並列接続し、三相ユニット５０＿２，５０＿３を形成し、各三相ユニット５０＿２，５０＿３は直列接続することで構成される。

本実施例によれば、絶縁型のコンバータセルユニットを直並列した構成で、マルチポート出力を構成でき、複数の負荷やバッテリとの同時動作が可能となる。さらにコンバータセルを直列接続した高圧ポートＰ_２２／Ｎ_２２を設けることで、低圧負荷から高圧負荷まで同時に対応できる。また、高圧ポートＰ_２２／Ｎ_２２においては、Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相で１段ずつＰＮ出力端子を並列接続し、三相ユニット５０＿２，５０＿３を形成し、各三相ユニット５０＿２，５０＿３を直列接続する構成により、リプル電圧差起因の循環電流を低減でき、２次側コンデンサの不要電流及び発熱を低減することで、電力変換装置の小型軽量化と高効率化が可能となる。

以上説明したように、本実施例の電力変換装置は、少なくとも２つ以上の２次側直流出力端子（Ｐ_Ｕ／Ｎ_Ｕ，Ｐ_Ｖ／Ｎ_Ｖ，Ｐ_Ｗ／Ｎ_Ｗ，Ｐ_２２／Ｎ_２２）を備えており、２つ以上の２次側直流出力端子のうちの少なくとも２つの直流出力端子（Ｐ_Ｕ／Ｎ_Ｕ，Ｐ_２２／Ｎ_２２）に対し異なる電圧の直流信号が入出力される。

図９を参照して、本発明の実施例３に係る電力変換装置について説明する。図９は、本実施例の電力変換装置の概略構成を示す図である。

本実施例の電力変換装置では、図９に示すように、ユニット冗長を可能とし、信頼性を向上している。１次側三相電源系統のＵ相，Ｖ相，Ｗ相の端子をＵ_１，Ｖ_１，Ｗ_１とし、中性点をＮ_１とし、２次側ＤＣ出力端子はＰ_２／Ｎ_２を備える。

図９に示す本実施例の三相交流システムでは、中性点Ｎ_１が１次側の基準端子になる。１次側の端子Ｕ_１と中性点Ｎ_１との間には、コンバータセル２０－Ｕ１～２０－Ｕ３の１次側端子２５，２６（図１及び図２参照）が順次直列に接続されている。Ｖ相、Ｗ相の１次側入力端子も同様の構成である。

コンバータセル２０－Ｕ１～２０－Ｕ３の１次側端子２５，２６（図１及び図２参照）には、１次側端子２５，２６を短絡する冗長スイッチＳＵ１，ＳＵ２，ＳＵ３を備える。コンバータセル２０－Ｖ１～２０－Ｖ３も同様に、冗長スイッチＳＶ１，ＳＶ２，ＳＶ３を備える。また、コンバータセル２０－Ｗ１～２０－Ｗ３も同様に、冗長スイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３を備える。

各コンバータセルの２次側出力は、Ｕ相／Ｖ相／Ｗ相で１段ずつＰＮ出力端子を並列接続し、三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３を形成し、各三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３は直列接続される。

三相ユニット５０＿１，５０＿２，５０＿３の各ＰＮ出力には、ＰＮ間を短絡する冗長スイッチＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３を備える。

図９に示す電力変換装置において、定常運転時には各冗長スイッチはオープンの状態である。

例えば、コンバータセル２０－Ｕ１で過電流や過電圧の異常を検出し、継続動作不可との判定に至ったとき、冗長スイッチＳＵ１，ＳＶ１，ＳＷ１，Ｓ２１は短絡となり、他の冗長スイッチＳＵ２，ＳＵ３，ＳＶ２，ＳＶ３，ＳＷ２，ＳＷ３，Ｓ２２，Ｓ２３はオープンのまま運転を継続する。この時、コンバータセル２０－Ｕ１，２０－Ｖ１，２０－Ｗ１は交直変換動作を停止し、他のコンバータセル２０－Ｕ２，２０－Ｖ２，２０－Ｗ２，２０－Ｕ３，２０－Ｖ３，２０－Ｗ３は交直変換動作を継続するように制御される。

本実施例によれば、絶縁型のコンバータセルユニットを直並列した構成で、ある１つのユニットが過電流や過電圧の異常を検出し、継続動作不可との判定に至ったときでも、健全な他のユニットで継続運転が可能となる。

また、２次側出力の冗長スイッチは、各三相ユニット毎に設ける構成により、各コンバータセルの１次側／２次側の両方に冗長スイッチを設ける構成と比較して、冗長スイッチの数を削減できる。

以上説明したように、本実施例の電力変換装置は、絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｕ１，２０－Ｕ２，２０－Ｕ３）の１次側交流入力端子（１次側端子２５，２６）と並列に、１次側正極端子（１次側端子２５）と１次側負極端子（１次側端子２６）の２つの端子の短絡と解放を切り替える冗長スイッチＳＵ１～ＳＵ３と、２次側直流出力端子（２次側端子２７，２８）が並列接続された少なくとも２つ以上の絶縁型電力変換ユニット（２０－Ｗ１，２０－Ｗ２，２０－Ｗ３）の２次側直流出力端子（２次側端子２７，２８）と並列に、２次側正極端子（２次側端子２７）と２次側負極端子（２次側端子２８）の２つの端子の短絡と解放を切り替える冗長スイッチＳ２１～Ｓ２３を備えている。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

１…電力変換装置
１１…パワー半導体デバイス（第１の交直変換器，１次側変換器）
１２…パワー半導体デバイス（第２の交直変換器，１次側変換器）
１３…パワー半導体デバイス（第３の交直変換器，２次側変換器）
１５…高周波トランス
１５ａ…１次巻線
１５ｂ…２次巻線
１７，１８，Ｃ１８…コンデンサ
２０，２０－１～２０－Ｎ…コンバータセル（電力変換ユニット）
２５，２６…１次側端子
２７，２８…２次側端子
３１…１次側電源系統
３２…２次側電源系統
３３…１次側基準端子
３４…２次側基準端子（ＤＣ負荷系統）
３５…端子
３６…端子（ＤＣ負荷系統）
５０＿１，５０＿２，５０＿３…三相ユニット
１０１…１次側電力変換ユニット
１０２…２次側電力変換ユニット
ＶＳ１…１次側系統電圧
ＶＳ２…２次側系統電圧
Ｖ_ｄｃ１…１次側ＤＣリンク電圧（１次側直流電圧）
Ｖ_ｄｃ２…２次側ＤＣリンク電圧（２次側直流電圧）
Ｖ_Ｕ１ｋ…１次側ＡＣ端子間電圧
Ｖ_Ｕ２ｋ…２次側ＡＣ端子間電圧
Ｌ_ＡＣ…コンデンサ循環電流
ＳＵ１～ＳＵ３，ＳＶ１～ＳＶ３，ＳＷ１～ＳＷ３，Ｓ２１～Ｓ２３…冗長スイッチ

Claims (11)

1. 高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された複数の絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置であって、
   前記絶縁型電力変換ユニットは、前記高周波トランスで絶縁された１次側電力変換器と２次側電力変換器を備え、
   前記１次側電力変換器は、１次側交流入力端子を有し、
   前記２次側電力変換器は、２次側正極端子と２次側負極端子の２つの端子で構成された２次側直流出力端子を有し、
   前記複数の絶縁型電力変換ユニットのうち、少なくとも１つの絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子は、少なくとも２つ以上の他の絶縁型電力変換ユニットの２次側負極端子と接続され、かつ、少なくとも１つ以上のさらに別の絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子と接続されてい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１次側交流入力端子は、１次側正極端子と１次側負極端子の２つの端子で構成された単相交流入力端子であり、
   前記少なくとも１つの絶縁型電力変換ユニットの１次側正極端子は、前記他の絶縁型電力変換ユニットの１次側負極端子に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２に記載の電力変換装置であって、
   前記複数の絶縁型電力変換ユニットは、少なくとも４つ以上の絶縁型電力変換ユニットで構成され、
   前記２次側直流出力端子の２次側正極端子が並列接続される２つの絶縁型電力変換ユニットの１次側交流入力端子には、異なる位相の交流信号が入力されることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記電力変換装置は、少なくとも２つ以上の２次側直流出力端子を備え、
   前記２つ以上の２次側直流出力端子のうちの少なくとも２つの直流出力端子に対し異なる電圧の直流信号が入出力されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記絶縁型電力変換ユニットの１次側交流入力端子と並列に、１次側正極端子と１次側負極端子の２つの端子の短絡と解放を切り替えるスイッチと、
   前記２次側直流出力端子が並列接続された少なくとも２つ以上の絶縁型電力変換ユニットの２次側直流出力端子と並列に、２次側正極端子と２次側負極端子の２つの端子の短絡と解放を切り替えるスイッチと、を備えることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項３に記載の電力変換装置であって、
   前記１次側電力変換器は、１次側交直変換回路と１次側直交変換回路を備え、
   前記２次側電力変換器は、２次側交直変換回路を備えることを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
   前記１次側直交変換回路を形成するパワー半導体デバイスの駆動信号の周波数が、２次側直流出力の電圧によって変わることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
   前記１次側直交変換回路を形成するパワー半導体デバイスの駆動信号の位相が、２次側直流出力の電圧によって変わることを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項６に記載の電力変換装置であって、
   前記２次側交直変換回路は、フルブリッジコンバータで構成されていることを特徴とする電力変換装置。
10. 高周波トランスにより１次側と２次側が絶縁された複数の絶縁型電力変換ユニットを多直列接続して構成するマルチステージ型の電力変換装置の制御方法であって、
    前記複数の絶縁型電力変換ユニットのうち、いずれかの絶縁型電力変換ユニットで過電流または過電圧の異常を検出した場合、当該異常が発生した絶縁型電力変換ユニットの１次側交流入力端子と並列に配置された冗長スイッチを短絡することで、前記異常が発生した絶縁型電力変換ユニットの１次側正極端子と１次側負極端子を短絡し、
    前記異常が発生した絶縁型電力変換ユニット以外の絶縁型電力変換ユニットで運転を継続することを特徴とする電力変換装置の制御方法。
11. 請求項１０に記載の電力変換装置の制御方法であって、
    前記複数の絶縁型電力変換ユニットのうち、いずれかの絶縁型電力変換ユニットで過電流または過電圧の異常を検出した場合、当該異常が発生した絶縁型電力変換ユニットの２次側直流出力端子と並列に配置された冗長スイッチを短絡することで、前記異常が発生した絶縁型電力変換ユニットの２次側正極端子と２次側負極端子を短絡することを特徴とする電力変換装置の制御方法。

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