JP2500926B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流巻線が直列接続さ
れた変圧器ユニットに接続された自励式電圧形変換器ユ
ニットの直流側における過電圧を防止した電力変換装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６は従来広く使われている交流連系用
インバータである。11，12は三相自励式電圧形インバー
タユニット（以下インバータユニットと記す）12，22は
系統連系用リアクトル、13，23は（絶縁）変圧器ユニッ
ト、14，24は該変圧器ユニットの直流巻線、15，25は同
じく交流巻線である。

【０００３】変圧器ユニット13と23の作流巻線15と25は
各相に対応して直列に接続されその出力は交流開閉器31
を経て交流系統32に接続される。一方直流側はインバー
タユニット11と21は共に共通の直流電源33を有し直流回
路にはコンデンサ34が接続される。変圧器ユニット13，
23の交流巻線15と25はいわゆる千鳥結線が為されてお
り、もしインバータ11と21が互いに30°の位相差を以て
運転されると、変圧器ユニット13，23の合成出力には12
ｐ±１次（ｐ＝１，２……）以外の高調波成分が含まれ
なくなることから、広く利用される結線方式である。

【０００４】ここで、インバータユニット11と21の代表
例を図７に示す。図において41〜46はＧＴＯ、47〜52は
ダイオードである。このインバータ回路は昨今極めて広
く利用されているので詳細は省略し、ここでは特にダイ
オード47〜52が存在することを指摘するに留める。

【０００５】さて、図６に戻って従来の系統連系インバ
ータは次のように始動されていた。インバータユニット
11，21は図示しない制御回路からの信号で運転を開始す
る。変圧器ユニット13，23の突入電流を避ける為インバ
ータユニット11，21の出力電圧は０から徐々に立ち上が
り、変圧器ユニット13，23の交流巻線15，25の合成電圧
の振幅と位相が系統32の電圧の振幅と位相に合致すると
交流開閉器31を閉じる（これを同期投入という。）。故
障もしくは停止時はインバータユニット11，21の運転を
止めると同時に交流開閉器31を開く。インバータユニッ
ト11，21の停止と交流開閉器31の開までの時間は高々0.
1secであり、後述するような不具合は発生しない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】自励式インバータの系
統連系は太陽光発電や燃料電池等のシステムで昨今行わ
れ始めたところである。自励式インバータの系統連系は
その交流系統が弱い場合は他励式インバータの系統連系
に比し安定性に秀れる。その理由は他励式インバータの
場合には、サイリスタの転流を交流系統の電圧に依存し
ている為、系統電圧のじょう乱でサイリスタの転流が行
われずいわゆる転流失敗が生ずる。これに対して自励式
インバータの場合はサイリスタの転流はインバータの内
部の回路で行われる為、系統電圧のじょう乱に対して、
直ちに転流失敗が生ずることはない。しかしながら、前
述の運転制御方式においては、例えば交流系統の瞬時的
な電圧変動が発生した際、交流過電流が生じインバータ
ユニット11，21の運転を一時中断し、電圧が復帰次第直
ちに運転を再開することに障害を伴った、その理由は交
流過電流で交流開閉器31をその都度開く必要があったこ
とによる。その結果、( イ）一度停止後に運転再開から
同期投入までに５秒程度要する。（ロ）高頻度で交流開
閉器31の開閉を行うことにより寿命が低下する等の問題
があった。

【０００７】而して、もし交流開閉器31を先に閉じ、次
いでインバータを運転する方法をとったとすれば上述の
過電流保護に対してはインバータの運転を止めるのみ、
即ち、ＧＴＯのゲートのオンオフ動作を止めるのみでよ
く交流開閉器31は開かないようにすればよい筈である。
しかしこれを実現するに当って二つの問題があることが
解った。一つは変圧器を系統に投入した過渡時に生ずる
直流過電圧、他の一つは定常時の直流過電圧である。

【０００８】まず、過渡時の直流過電圧について述べ
る。図６において15と25の巻線が直列になっているた
め、交流開閉器31が閉となった瞬間、二つの13，23には
交流電圧が等分に印加されず正弦波とはかなりかけ離れ
た高いピークを持った交流が現われる。これは二つの変
圧器の初期磁化状態が等しくないことと、千鳥結線によ
って12ｐ±１（ｐ＝１，２……）以外の高調波に対して
高いインピーダンスを呈する結果、正弦波電圧を誘起さ
せるに必要な高調波励磁電流分が流せないことの二つの
原因による。即ち、鉄心の励磁特性が完全に直線性では
なく、ヒステリシスを持つ非線形な曲線であるため、正
弦波電圧を作るための励磁電流には高調波が含まれねば
ならないのに、その高調波が流せないような制約がある
と、誘起電圧は正弦波とならない。

【０００９】実験によれば、変圧器ユニット13，23の直
流巻線14，24に誘起する電圧の波高値は、過渡時には正
弦波の実効値の約 2.9倍現われた。従って、コンデンサ
の直流電圧はこの値を超える値まで充電された。

【００１０】第２の不具合は、定常時の直流過電圧であ
る。上述のように誘起電圧は単なる正弦波ではなく、高
調波を含むものになり、実験では正弦波の実効値の約
2.4倍の波高値が現われこの値を超える値にコンデンサ
の直流電圧が充電された。図８は前述の実験による実測
波形を示したものである。

【００１１】以上の説明では、11，21はインバータとし
たが、単に直流から交流への変換にとどまらず無効電力
調整装置、或いは力率調整可能な整流器にも利用可能な
ので、以下一般性を持つ自励式電圧形変換器と称し、ま
た全体のシステムを電力変換装置と記す。

【００１２】本発明の目的は、複数の自励式電圧形変換
器ユニットと、これに対応して設けられた変圧器ユニッ
トを含む電力変換装置において、該変圧器ユニットの交
流巻線が直列に接続されている場合変圧器ユニットを交
流系統へ接続するときに発生する直流過電圧を抑制する
効果的な手段を備えた電力変換装置を提供することにあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係る電力変換装置では、直流回路に設けら
れたコンデンサと、前記直流回路に接続される複数個の
自励式電圧形変換器と、該変換器の交流出力端に直接又
はリアクトルを介してそれぞれ直流巻線側が接続される
複数個の変圧器と、該変圧器の交流巻線側と直列接続し
て交流開閉器を介して電力系統へ接続して成る電力変換
装置において、前記交流開閉器の閉路に先立って前記コ
ンデンサを充電する予備充電回路と、抵抗器としゃ断装
置との直列回路からなり前記直流回路に設けられる該直
流回路の過電圧を抑制する直流過電圧抑制装置とを具備
し、前記変圧器の定格使用状態における磁束密度を飽和
磁束密度の２分の１以下に選び、前記しゃ断装置は前記
交流開閉器の閉路時点或いはそれ以前に投入され、前記
自励式電圧形変換器の運転と連動して前記しゃ断装置を
開路することを特徴とする。

【００１４】

【作用】予備充電回路により、直流回路に設けられたコ
ンデンサを充電し、変圧器の定格使用状態における磁束
密度を鉄心の飽和磁束密度の１／２以下に設定すること
により交流開閉器を投入したときの変圧器の突入電流を
抑え、直流過電圧抑制装置を設けることにより、定常時
の電圧波形をより正弦波に近づけ直流回路の過電圧を抑
制する。

【００１５】

【実施例】以下本発明の一実施例を図６と同一部に同一
符号を付して示す図１を参照して説明する。図において
100 は直流電圧抑制装置で、101 の抵抗器と102 のしゃ
断装置から成る。200 は限流装置で201 の抵抗又はリア
クトルの限流素子と202 の開閉器から成る。11と21は自
励式電圧形変換器ユニットである。

【００１６】この電力変換装置を運転するに先だって、
しゃ断装置102 と開閉器202 を閉じる。なお、通常直流
回路は事前に所定レベルまでコンデンサ34を予備充電し
た後、交流開閉器31を投入するが、限流装置200 がコン
デンサ34の充電電流を抑制する効果もあるので、必ずし
も予備充電は必要としない。変圧器ユニット13，23の突
入電流は限流装置200 によって抑えられ、変圧器ユニッ
ト13，23は飽和しないのでコンデンサ34は所定値より高
い値に充電されない。充電は図７に示すダイオード47〜
52を介して行われることは言うまでもない。

【００１７】充電電流がほぼ０になると交流側から見た
変圧器ユニット13，23インピーダンスは励磁インピーダ
ンス相当になり、限流素子201 の電圧降下は著しく小さ
くなる、従って次いで交流開閉器31を投入したときは、
変圧器ユニット13，23の過渡電圧は無視できる。続く定
常状態において、直流巻線14，24に発生する高調波につ
いては、自励式電圧形変換器ユニット11，21の上アーム
のダイオード47，49，51→抵抗器101 →しゃ断装置102
→自励式電圧形変換器ユニット11，21の下アームのダイ
オード48，50，52を介して電流が流れる経路が形成され
る結果、高調波電圧は非常に少なくなり正弦波に近づ
く。抵抗器101 の大きさは実験によれば変圧器ユニット
の13，23の全体の励磁容量の１／５程度でよいから、励
磁容量が仮に２％とすれば 0.4％程度の容量の抵抗を直
流回路に挿入すればよい。しかしながら、運転中の効率
を下げる要因であるため、高効率が要求される場合に
は、停止／運転に連動して抵抗器を入り／切りすること
が望ましい。その場合しゃ断装置102 はＧＴＯのような
半導体スイッチング素子が最適である。

【００１８】図１で変圧器直流巻線14，24をΔ結線にし
た方が第３次とその倍調波に対してインピーダンスが小
となり抵抗器101 の容量は小となり望ましい。Ｙ結線の
場合は抵抗器101 の容量は変圧器励磁容量の１／２程度
になる。

【００１９】図２は本発明の他の実施例を示す図であっ
て、図１との相違は、変圧器ユニット13，23の突入電流
を抑えるための限流装置200 を使わない代わりに変圧器
の定格使用状態における磁束密度を鉄心の飽和磁束密度
の１／２以下に選定することによって突入電流を抑制し
たものである。しかしながらコンデンサ34を所定値に予
備充電する回路は必要である。図中300 が予備充電回路
である。

【００２０】予備充電回路300 の例は図３に示すように
開閉器301 、抵抗器302 、変圧器303 、整流器304 及び
ヒューズ305 から成る。

【００２１】開閉器301 を閉路するとコンデンサ34は、
抵抗器302 →変圧器303 →整流器304 →ヒューズ305 の
経路で充電される。抵抗器302 によりコンデンサ34の充
電電流の大きさは制限される。このような予備充電回路
300 によるコンデンサを予め充電しておけば、交流開閉
器31の投入時に変圧器ユニット13と23の交流、直流巻線
共大きな電流は流れない。抵抗器101 としゃ断装置102
は定常状態の過電圧防止として有用で交流開閉器31の投
入と連動してしゃ断装置102 も閉路される。自励式電圧
形変換器ユニット11，21が運転後、しゃ断装置102 は開
路される。開閉器301 は交流開閉器31の投入後開路する
のがよい。但し、直流電源がサイリスタ整流器のように
ソフトスタート起動可能なものであれば、予備充電回路
を使用せず、直流電源にその機能を持たせることが可能
である。

【００２２】図４は直流回路に設ける直流過電圧抑制装
置100 の別の実施例であり、111 ，1112 は抵抗器、11
3 はしゃ断装置、114 はコンデンサである。

【００２３】図１の限流素子201 が限流リアクトルで構
成されている場合変圧器ユニット13，23及び限流リアク
トルのインダクタンスとコンデンサ34のキャパシタンス
により緩やかな周期の振動が生ずる。これを抑制するた
めには抵抗器を用いる場合よりも図４に示すように抵抗
器とコンデンサの組み合わせが有効である。コンデンサ
114 の大きさはコンデンサ34と同程度かそれよりも大き
くなる。抵抗器111 の抵抗値はしゃ断装置113 の許す限
り小さな値とする。

【００２４】図５は直流過電圧抑制装置の別の例を示す
図で、121 は電圧検出器、122 はレベル設定器、123 は
ヒステリシスコンパレータ、124 は制御装置である。ヒ
ステリシスコンパレータ123 は直流電圧の検出値がレベ
ル設定器122 の値を越えると「１」の出力を発生した制
御装置124 を経てしゃ断装置102 を閉路する。直流電圧
がある限度以下に達するヒステリシスコンパレータ123
の出力は「０」となり、しゃ断装置102 を開路する。12
5 は運転中「１」の信号で運転中しゃ断装置102 の閉路
を禁止するインターロックに用いる。

【００２５】図９は本発明の更に他の実施例を示す図
で、図１との相違は限流装置200 が交流開閉器31と直列
的に入っている点のみである。即ち、変圧器ユニット1
3，23は交流開閉器31を閉じることにより限流素子201
を介して励磁されることになり過渡電圧は抑制される。
次いで開閉器202 を閉じることによって定常状態に移行
する。それ以外は図１と同様である。

【００２６】本発明の実施例として図１、図２ではいず
れもインバータユニットは２台、変圧器ユニットは２台
のものを示しているが特定高調波を除去する変圧器ユニ
ットの接続としては変圧器ユニット23の交流巻線25をΔ
結線にした例が文献にある。例えば関長隆、倉田衛、竹
内南、編「ターンオフサイリスタ」昭和58年４月20日、
電気書院発行第172 頁にあるような結線に対しても同様
に適用できる。

【００２７】又インバータユニット、変圧器ユニットを
３組使用し20°の位相差を互いに持たせて、18ｐ±１
（ｐ＝１，２……）以外の高調波を除去する方式等他の
結線に対しても本発明は適用できる。

【００２８】図１、図２においてリアクトル12，22はイ
ンバータユニット11，21と変圧器ユニット13，23の中間
にあるが、交流開閉器31と変圧器ユニット13，23の中間
にあっても、本発明は適用できる。即ち、リアクトル1
2，22は変圧器ユニット13，23に対し限流作用は為すも
のの通常リアクトル12，22は高々20％程度であり、限流
を目的とする場合に必要となる50％程度の値に対して少
なすぎるからである。

【００２９】ここで言う直流電源はサイリスタ整流器、
燃料電池、太陽電池等、非可逆の電源を言い蓄電池は含
まない。

【００３０】但し、直流送電システムのように交流−直
流−交流の変換を行うシステムに図１に示す回路を２組
直流部を共通にして使用する図10のような応用も考えら
れる。図中401 と402 は異なる系統、403 と404 は図１
で説明した電力変換装置で、直流部が共通となってい
る。図10の直流送電システムは両端の一方の交流開閉器
を投入する際に本発明を適用できる。

【００３１】尚、従来直流回路に抵抗器を挿入すること
は次のような場合に行われていた。

【００３２】（イ）直流回路のコンデンサの放電用
（ロ）モータ駆動用インバータにおいて、モータからの
回生エネルギーの消費用 まず（イ）については放電を目的としており通常高抵抗
で運転中も入りのままである。もし停止時に短時間で放
電させる要求がある場合抵抗値は低く、又停止時にのみ
使用する点では本発明と類似な点があるが、この場合抵
抗値はコンデンサの容量と必要な放電時間で決まり、か
つ短時間でよい、一方本発明の場合は前述の通り変圧器
13，23の励磁容量で抵抗値は決まりかつ印加される時間
は抵抗値とは無関係である。

【００３３】（ロ）については運転時抵抗器が必要なの
に対し、本発明では停止時に使用するものである。この
ように、類似回路でありながら使用目的、使用条件は明
確に異なるものである。

【００３４】更には、自励式電圧形変換器を用いた系統
連系用電力変換システムにおいて、変圧器を系統から初
期充電する例は次の文献に記されている他は見当らな
い。 文献名 IEEE Transactions on Power Appratus and Systems, V
ol.PAS-98, No.4, July ／Aug, 1979, "Progress in Se
lf-commutated Inverters for Fuel Cells andBatterie
s" G.A.Phillips, J.W.Walton, F.J.Kornbrust （ＵＴＣ） 本文献のFigure１に１ＭＷのパワーコンディショナシス
テムの図が示されているが三つの単位インバータの出力
は１つの変圧器に接続されているため、交流開閉器投入
時にユニット変圧期間の電圧分担が不平衡になる現象は
発生しない、又本図に示されているプレロードと称され
ている抵抗器と、サイリスタスイッチは燃料電池の保護
のために設けられたもので、その容量は燃料電池の発電
出力の１／４から１／２（15秒定格）を要すると述べら
れており、本発明と目的及び作用を異にする。

【００３５】

【発明の効果】以上説明のように本発明によれば、変圧
器ユニットを系統に並入する際に直流巻線側に生ずる過
大電圧を防止して巻線の保護と、直流過電圧防止を図る
と共に、系統並入後の定常状態において直流巻線側に生
ずる高調波を抑え直流過電圧防止を図ることができる。

【００３６】それによって、高い直流電圧に耐えるよう
に自励式電圧形変換器ユニットや直流回路のコンデンサ
を設計する必要がなくなり、コストの適正化と、信頼性
向上に役立つ。又説明は省略したが、変圧器ユニットの
励磁インピーダンスの不平衡により、変圧器ユニット間
の電圧分担が悪くなりいずれか高い方の電圧でコンデン
サが充電される問題も、抵抗器の挿入で変圧器の励磁イ
ンピーダンスのばらつきの許容値が増し、変圧器の製造
が容易となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す構成図。

【図２】本発明の他の実施例を示す構成図。

【図３】図２の予備充電回路の一例を示す回路図。

【図４】図１、図２の直流過電圧抑制装置のそれぞれ異
なる構成図。

【図５】図１、図２の直流過電圧抑制装置のそれぞれ異
なる構成図。

【図６】従来装置の構成図。

【図７】自励式電圧形変換器ユニットの具体的一例を示
す回路図。

【図８】従来装置における変圧器ユニットの直流巻線電
圧波形の一例を示す図。

【図９】本発明の更に他の実施例を示す構成図。

【図１０】本発明が適用されるシステムの一例を示す構
成図。

【符号の説明】

11，21…自励式電圧形変換器ユニット、12，22…リアク
トル、 13，23…変圧器ユニット、31…交流
開閉器、 32…系統、34…コンデンサ、
100 …直流過電流抑制装置、200 …限
流装置、 300 …予備充電装置。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流回路に設けられたコンデンサと、前
   記直流回路に接続される複数個の自励式電圧形変換器
   と、該変換器の交流出力端に直接又はリアクトルを介し
   てそれぞれ直流巻線側が接続される複数個の変圧器と、
   該変圧器の交流巻線側と直列接続して交流開閉器を介し
   て電力系統へ接続して成る電力変換装置において、前記
   交流開閉器の閉路に先立って前記コンデンサを充電する
   予備充電回路と、抵抗器としゃ断装置との直列回路から
   なり前記直流回路に設けられる該直流回路の過電圧を抑
   制する直流過電圧抑制装置とを具備し、前記変圧器の定
   格使用状態における磁束密度を飽和磁束密度の２分の１
   以下に選び、前記しゃ断装置は前記交流開閉器の閉路時
   点或いはそれ以前に投入され、前記自励式電圧形変換器
   の運転と連動して前記しゃ断装置を開路することを特徴
   とする電力変換装置。