JP3879577B2

JP3879577B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP3879577B2
Application number: JP2002115229A
Authority: JP
Inventors: 博篠原
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2002-04-17
Filing date: 2002-04-17
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-04-17
Also published as: JP2003319639A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流と直流との間で、電力変換を行うようにした電力変換装置に関し、特に、その直流回路に流れる共振電流を抑制するようにした電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、交流−交流電力変換装置等においては、交流電力を直流電力に変換する電力変換器と、直流電力を交流電力に変換する電力変換器とを有し、一旦、入力された交流電力を直流電力に変換した後、これを再度交流電力に変換するようになっている。
【０００３】
図３は、その一例を示したものであって、交流の電力系統１の交流電力を、変圧器２を介して電力変換器３で直流電力に変換し、電力変換器６で再度交流電力に変換しこれを変圧器７を介して電力系統８に送電するようになっている。また、上述とは逆の動作を行うことによって、電力系統８の交流電力を電力系統１に送電することもできるようになっている。
【０００４】
図４は、電力変換器３及び６の一例を示す構成図である。これらは同一の構成を有するため、ここでは、電力変換器３について説明する。
電力変換器３は、図４に示すように、自己消孤型の半導体素子９ａ〜９ｆと、ダイオード１０ａ〜１０ｆと、コンデンサ３Ｃと、から構成され、２つずつ直列に接続された半導体素子９ａ〜９ｆがコンデンサ３Ｃの両端に並列に接続され、さらに、各半導体素子９ａ〜９ｆのそれぞれにダイオード１０ａ〜１０ｆが逆並列に接続されて、３相の電力変換器を構成している。そして、前記電力変換器３及び６の直流側にコンデンサ３Ｃ及び６Ｃが接続されるようになっている。
【０００５】
このように構成された電力変換器３、６において、前記半導体素子９ａ〜９ｆのスイッチング動作を制御することによって、交流電力を直流電力に変換したり、直流電力を交流電力に変換するようになっている。
ここで、電力変換器３及び電力変換器６の間には、図３に示すように、電力変換器３と電力変換器６とを接続するための配線、又はフィルタとしてのリアクトルが設けられている。このため、これら配線又はリアクトルのインダクタンスＬと、各電力変換器３、６を構成するコンデンサ３Ｃ、６Ｃとにより、次式（１）で表される共振周波数ｆを有する共振回路が形成されることになる。なお、式（１）中のＬは、インダクタンスＬの値、Ｃはコンデンサ３Ｃ又は６Ｃの容量である。
【０００６】
【数１】

この共振回路の共振周波数成分を有した電流が、各電力変換器３、６を流れると、これら電力変換器３、６のコンデンサ３Ｃ、６Ｃに過大な電流が流れることになり、コンデンサ等、機器の損傷を引き起こす要因となる場合がある。
【０００７】
これを回避するために、従来の交流−交流電力変換装置等においては、例えば図５に示すように、インダクタンスＬと直列に共振抑制抵抗Ｒを設けたり、或いは、図６に示すように、各電力変換器３、６のコンデンサ３Ｃ及び６Ｃと直列に共振抑制抵抗Ｒ１及びＲ２をそれぞれ接続するようにしている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述の図５に示すように、インダクタンスＬと直列に共振抑制抵抗Ｒを接続すると、この共振抑制抵抗Ｒを、電力変換器３又は６で変換された直流電流が流れることになる。この直流電流値は、電力変換装置の電流容量に等しいことから、共振抑制抵抗Ｒの許容電力値を、〔電力変換装置の電流容量〕²×〔共振抑制抵抗Ｒの抵抗値〕以上とする必要がある。このため、電力変換装置全体の大型化につながると共に、コスト高の要因にもなる、という問題がある。
【０００９】
また、図６に示すように、コンデンサ３Ｃ及び６Ｃと直列に共振抑制抵抗Ｒ１及びＲ２を接続した場合、共振抑制抵抗Ｒ１、Ｒ２のインダクタンス成分によって、コンデンサ３Ｃ及び６Ｃと、半導体素子９ａ〜９ｆとの配線インダクタンスが大きくなる。このため、半導体素子のターンオフ時の跳ね上がり電圧が高くなってしまうことから、電力変換装置としての所望の容量が得られなくなるため、スナバコンデンサを大きくする等といった対策を施す必要がある。このため、この場合も電力変換装置の大型化につながると共に、コスト高の要因にもなる、という問題がある。
【００１０】
図７は、電力変換装置３、６の１相分の構成を示したものである。図７において、半導体素子例えば９ａ及び９ｄと並列に、ターンオフ時の跳ね上がり電圧を抑制するために、直列に接続された抵抗Ｒc 及びコンデンサＣc からなるスナバ回路Ｓａ及びＳｄが接続されている。実際には、電力変換器３、６の各半導体素子９ａ〜９ｆ毎に、スナバ回路Ｓが接続されている。
【００１１】
このようにスナバ回路Ｓが接続された、半導体素子のターンオフ時の跳ね上がり電圧は、一般に、次式（２）で算出することができる。
なお、式（２）中の、跳ね上がり電圧Ｖcep 、Ｉはターンオフ電流、Ｃｃはスナバ回路Ｓを構成するコンデンサＣc の容量、Ｅｄは電力変換器３、６を構成するコンデンサ３Ｃ又は６Ｃの両端の直流電圧、Ｌ１は電力変換器３、６内の配線のインダクタンス成分Ｌ１である。
【００１２】
【数２】

前記式（２）から、インダクタンスＬ１が大きくなると、跳ね上がり電圧Ｖcep が大きくなることがわかる。
そこで、この発明は、上記従来の未解決の問題に着目してなされたものであり、電力変換装置の大型化を伴うことなく、且つ低コストで、電力変換装置の直流回路に流れる共振電流を抑制することの可能な電力変換装置を提供することを目的としている。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係る電力変換装置は、複数のスイッチング素子と平滑コンデンサとを備え、前記スイッチング素子をスイッチング動作させて直流回路と交流回路との間で電力変換を行うようにした電力変換装置において、前記直流回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、前記直流回路に一次側が接続された変成器と、当該変成器の二次側に接続される交流電流源及び直流電流源と、を備え、前記交流電流源は前記電流検出手段で検出した検出電流の交流成分を打ち消し得る交流電流を出力し、前記直流電流源は前記電流検出手段で検出した検出電流の直流成分に応じた前記変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流を出力することを特徴としている。
【００１６】
この請求項１に係る発明では、直流回路及び交流回路間で電力変換を行う電力変換装置において、前記直流回路を流れる電流が電流検出手段で検出され、また、直流回路には、変成器つまりトランスの一次側が接続されている。そして、この変成器の二次側は、交流電流源と直流電流源とに接続され、交流電流源では、電流検出手段で検出された電流の交流成分を打ち消し得る交流電流を出力し、直流電流源では、電流検出手段で検出された電流の直流成分に応じて変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流を出力する。
【００１７】
ここで、直流回路を流れる電流の交流成分は、平滑コンデンサと配線のリアクトル等との共振による共振電流であるとみなすことができるから、直流回路を流れる電流の交流成分を打ち消し得る交流電流を、交流電流源によって直流回路に供給することによって、共振電流が相殺され、すなわち抑制されることになる。また、直流回路には電力変換装置で変換される直流電流、或いは変換された直流電流が流れることになるが、この直流回路を流れる電流の直流成分に応じた、変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流を、直流電流源によって前記直流回路に供給することによって、変成器の鉄心が飽和状態となることが回避される。
【００１８】
さらに、請求項２に係る電力変換装置は、前記変成器は、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変成器であって、前記交流電流源は前記二次側の一方の巻線に接続され、前記直流電流源は前記二次側の他方の巻線に接続されることを特徴としている。
この請求項２に係る発明は、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変成器の一次側が直流回路に接続され、二次側の一方に直流電流源、他方に交流電流源が接続されている。したがって、直流回路を流れる共振電流量が、直流電流量に比較して小さい場合等であっても、直流電流源側の変成比をより大きくすることによって、直流電流源及び交流電流源の容量を同等とすることが可能となる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を説明する。
まず、第１の実施の形態を説明する。
図１は、第１の実施の形態における電力変換装置を適用した交流−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。なお、前記図３に示す従来の交流−交流電力変換装置と同一部には同一符号を付与し、その詳細な説明は省略する。
【００２０】
この第１の実施の形態における交流−交流電力変換装置は、交流の電力系統１の交流電力を、変圧器２を介して電力変換器３で一旦直流電力に変換した後、電力変換器６で再度交流電力に変換し、これを変圧器７を介して電力系統８に送電するようになっている。また、これと逆の動作を行うことによって、電力系統８の交流電力を電力系統１に送電することもできる。
【００２１】
なお、図中のＬは、電力変換器３及び電力変換器６とを接続するための配線である直流母線Ｍのインダクタンスを表す。
前記電力変換器３、６は、前記図４と同様に、半導体素子９ａ〜９ｆ、ダイオード１０ａ〜１０ｆ及びコンデンサ３Ｃ、６Ｃから構成されている。
ここで、半導体素子９ａ〜９ｆがスイッチング素子に対応し、コンデンサ３Ｃ、６Ｃが平滑コンデンサに対応し、前記電力変換器３及び６のコンデンサ３Ｃ及び６Ｃ、電力変換器３及び６を接続するための直流母線Ｍとで構成される回路が直流回路に対応している。
【００２２】
前記電力変換器３と電力変換器６とを接続するための直流母線Ｍには、この直流母線Ｍを流れる電流を検出するための電流検出器２１（電流検出手段）が接続され、さらに、変成器２２の一次側が電流検出器２１と直列に介挿されている。そして、前記変成器２２の二次側には、直流電流源２３及び交流電流源２４が並列に接続されている。
【００２３】
なお、ここでは、交流電圧の昇圧又は降圧を目的としたトランスを変圧器、回路間の結合を目的としたトランスを変成器としている。
前記電流検出器２１で検出された直流母線Ｍを流れる電流は、フィルタ回路２５で、直流電流成分と交流電流成分、すなわち共振電流成分とに分離演算される。
【００２４】
このフィルタ回路２５で分離演算された直流電流成分は、電流指令値として直流電流源２３に入力され、直流電流源２３では、この電流指令値に応じて、変成器２２の直流磁束を打ち消し得る直流電流を出力する。つまり、直流母線Ｍには、電力変換器３又は電力変換器６で直流に変換した電流が流れることから、変成器２２に直流電流が流れることによって変成器２２の鉄心が飽和することを防止するために、直流電流源２３から、前記直流電流成分に応じて直流電流を出力するようになっている。
【００２５】
一方、前記フィルタ回路２５で分離演算された交流電流成分は、交流指令値として、前記交流電流源２４に入力され、交流電流源２４では、この交流指令値に応じて、前記交流電流成分を打ち消し得る交流電流を出力する。なお、この交流電流源２４は、前記変成器２２の変成比を大きくすることによって、小容量の電流源で実現することができる。
【００２６】
このような構成とすることによって、直流母線ＭのインダクタンスＬとコンデンサ３Ｃ、６Ｃとで構成される共振回路の共振周波数成分を有した電流が流れたとしても、直流母線Ｍを流れる電流が電流検出器２１で検出され、フィルタ回路２５で、直流電流成分と交流電流成分とに分離するための分離演算が行われ、交流電流源２４によって交流電流成分を打ち消し得る交流電流が出力されると共に、直流電流源２３によって変成器２２の直流磁束を打ち消し得る直流電流が出力されるから、直流母線Ｍを流れる交流電流成分は相殺されて抑制されるためコンデンサ３Ｃ又は６Ｃに過大な電流が流れることはなく、また、変成器２２の鉄心が飽和することもない。
【００２７】
したがって、小型且つ安価な構成で、直流母線に流れる共振電流を抑制することができる。
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。
この第２の実施の形態は、上記第１の実施の形態における交流−交流変換装置において、変成器２２に変えて、３巻線の変成器３０を設けている。そして、この変成器３０の一次側は上記第１の実施の形態と同様に直流母線Ｍに介挿されている。また、二次側の二つの巻線の一方に直流電流源２３が接続され、二次側の巻線の他方に交流電流源２４が接続されている。
【００２８】
そして、上記第１の実施の形態と同様に、直流母線Ｍに流れる電流を電流検出器２１で検出し、これをフィルタ回路２５において直流電流成分及び交流電流成分に分離演算する。前記直流電流源２３は、フィルタ回路２５で分離演算された直流電流成分を電流指令として、変成器３０の直流磁束を打ち消し得る電流を出力し、これによって、変成器３０の鉄心が飽和することを防止している。一方、交流電流源２４は、フィルタ回路２５で分離演算された交流電流成分を電流指令として、この交流電流成分、すなわち、共振電流分を打ち消し得る電流を出力する。
【００２９】
したがって、この場合も、上記第１の実施の形態と同等の作用効果を得ることができる。また、この第２の実施の形態においては、変成器３０の二次側の二つの巻線のそれぞれに直流電流源２３及び交流電流源２４を接続しているから、直流電流源２３及び交流電流源２４の出力に対する変成比を個別に設定することができる。
【００３０】
ここで、直流母線Ｍに流れる共振電流が、直流母線Ｍに流れる直流電流に対して数％〜数１０％である場合には、比較的大きな容量の直流電流源２３を用いる必要がある。しかしながら、３巻線の変成器３０を用いているため、直流電流源側の変成比と交流電流源側の変成比とをそれぞれ独立に設定することができるから、直流電流源側の変成比をより大きくすることによって、大きな容量の直流電流源２３を設ける必要はなく、直流電流源２３と交流電流源２４との容量を同等とすることができ、電流源が大型化することを防止することができる。
【００３１】
また、上記各実施の形態においては、交流−交流電力変換装置に適用した場合について説明したが、これに限るものではなく、直流回路にコンデンサを含む装置であれば適用することができ、インダクタンス成分とコンデンサとで発生する共振電流を抑制することができる。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の請求項１に係る電力変換装置によれば、直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換装置において、前記直流回路を流れる電流を電流検出手段で検出し、この検出された電流の交流成分を打ち消し得る交流電流と、検出された電流の直流成分に応じた変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流とを、変成器を介して直流回路に供給するようにしたから、直流回路を流れる電流の交流成分、すなわち、平滑コンデンサと配線のリアクトル等との共振による共振電流を抑制することができると共に、変成器の鉄心の飽和を防止することができ、小型且つ安価な構成で共振電流を抑制することができる。
【００３４】
また、請求項２に係る電力変換装置によれば、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変成器を用い、二次側の一方に直流電流源、他方に交流電流源を接続するようにしたから、直流回路を流れる共振電流量が、直流電流量に比較して小さい場合等であっても、直流電流源側の変成比をより大きくすることによって、同等の容量を有する直流電流源及び交流電流源を適用することができ、電力変換装置の大型化を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を適用した交流−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。
【図２】第２の実施の形態を適用した交流−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。
【図３】従来の交流−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。
【図４】図３の交流−交流電力変換装置を構成する電力変換器の一例を示す回路図である。
【図５】共振電流の抑制対策が施された、従来の交流−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。
【図６】共振電流の抑制対策が施された、従来の交流−交流電力変換装置の一例を示す回路図である。
【図７】跳ね上がり電圧を説明するための、電力変換器の一部を示す回路図である。
【符号の説明】
１、８電力系統
２、７変圧器
３、６電力変換器
３Ｃ、６Ｃコンデンサ
２１電流検出器
２２、３０変成器
２３直流電流源
２４交流電流源
２５フィルタ回路

Claims

複数のスイッチング素子と平滑コンデンサとを備え、前記スイッチング素子をスイッチング動作させて直流回路と交流回路との間で電力変換を行うようにした電力変換装置において、
前記直流回路を流れる電流を検出する電流検出手段と、
前記直流回路に一次側が接続された変成器と、
当該変成器の二次側に接続される交流電流源及び直流電流源と、を備え、
前記交流電流源は前記電流検出手段で検出した検出電流の交流成分を打ち消し得る交流電流を出力し、前記直流電流源は前記電流検出手段で検出した検出電流の直流成分に応じた前記変成器の直流磁束を打ち消し得る直流電流を出力することを特徴とする電力変換装置。
前記変成器は、二次側に二つの巻線を有する３巻線の変成器であって、
前記交流電流源は前記二次側の一方の巻線に接続され、前記直流電流源は前記二次側の他方の巻線に接続されることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。