JP5185563B2

JP5185563B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP5185563B2
Application number: JP2007115395A
Authority: JP
Inventors: 正樹山田; 修森; 明彦岩田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2007-04-25
Filing date: 2007-04-25
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2027-04-25
Also published as: JP2008278549A

Description

この発明は、商用系統に接続された電力変換装置の直流電圧制御に関するものである。

最近、コンデンサ等の直流エネルギー蓄積手段をエネルギー源とした電力変換装置において、出力電圧の異なる複数のインバータを直列に接続し、高精度の補償電力を出力できるようにしたものが開発されている。例えば、複数の単相インバータの出力を組み合わせることにより、正常時における系統電圧の変動を補償すると共に、系統が所定電圧以下に低下して直送スイッチが切り離された後でも、きめ細かい波形制御により負荷への安定した電圧供給を実現した無瞬断電源装置が例えば特許文献１により既に提案されている。

特許文献１によれば、系統に並列に挿入され、それぞれの交流側端子が互いに直列接続された複数の単相インバータユニットと、上記系統に直列に接続された単相インバータと、前記単相インバータユニット及び単相インバータのそれぞれの直流側端子に接続され、直流電源からの電力を制御してそれぞれのインバータに供給するＤＣ−ＤＣコンバータとを備え、上記単相インバータユニットと単相インバータとは、上記ＤＣ−ＤＣコンバータを介してエネルギーの送受が行われるように構成され、ＤＣ−ＤＣコンバータを使って、各インバータユニットの直流エネルギー蓄積手段の直流電圧を安定化させるようにしたものである。

特開２００６−１０９６２７号公報

ところが、このような電力変換装置においては、各インバータユニットの直流エネルギー蓄積手段の電圧の関係を保つためには、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作が必須となる。ところが、ＤＣ−ＤＣコンバータがない状態あるいは動作しなくなった状態では所定の電圧比を保つことができなくなるため、いずれかの素子に過大な電圧が掛かりこれを破壊に至らしめることがあった。この耐電圧オーバーの問題を回避するために、これまで予め素子の選定に際し本来の定格動作条件より大き目のスペックを有する素子を選定するといった非効率な方法しか講じられていなかった。この発明は、このようなオーバースペックの課題を解決するためになされたもので、ＤＣ−ＤＣコンバータがない状態あるいは動作しなくなった状態でも、簡単安価な手段で所定の電圧比を保つことができる電力変換装置を提供するものである。

この発明に係る電力変換装置は、互いに直列接続された複数のインバータユニットが交流電源に並列に接続され、各インバータユニットはそれぞれ逆並列にダイオードを接続した半導体素子のフルブリッジ構成からなると共に、それぞれその直流端子間にエネルギー蓄積手段が接続され、上記エネルギー蓄積手段のそれぞれに所定の上限しきい値を有する電圧監視手段を備えた電力変換装置において、上記エネルギー蓄積手段に蓄積される電圧の合計上限値が設定されており、上記電圧監視手段が上記エネルギー蓄積手段のいずれかの電圧が所定の上限しきい値に到達したことを検出することにより、上記インバータユニットの当該エネルギー蓄積手段の正側あるいは負側の半導体素子を同時に導通させて当該エネルギー蓄積手段のバイパス回路を形成させ、所定の上限しきい値に到達していないエネルギー蓄積手段を上記交流電源から充電することにより、上記エネルギー蓄積手段の電圧が上記合計上限値を超えない範囲で上記インバータユニットの導通制御を行うようにしたことを特徴とするものである。
また、この発明に係る電力変換装置は、互いに直列接続された複数のインバータユニットが交流電源に並列に接続され、各インバータユニットはそれぞれ逆並列にダイオードを接続した半導体素子のフルブリッジ構成からなると共に、それぞれその直流端子間にエネルギー蓄積手段が接続され、上記エネルギー蓄積手段のそれぞれに所定の下限しきい値を有する電圧監視手段を備えた電力変換装置において、上記エネルギー蓄積手段に蓄積される電圧の合計上限値が設定されており、上記電圧監視手段が上記エネルギー蓄積手段のいずれかの電圧が所定の下限しきい値に到達したことを検出することにより、上記インバータユニットの当該エネルギー蓄積手段の正側あるいは負側の半導体素子を同時に導通させて当該エネルギー蓄積手段のバイパス回路を形成させ、所定の下限しきい値に到達したエネルギー蓄積手段を上記交流電源から充電することにより、上記エネルギー蓄積手段の電圧が上記合計上限値を超えない範囲で上記インバータユニットの導通制御を行うようにしたことを特徴とするものである。

この発明によれば、それぞれ直列接続されたフルブリッジインバータの各直流エネルギー蓄積手段に接続されて電圧の関係を保つためのＤＣ−ＤＣコンバータが無い（あるいは動作しない）状態で、各インバータの動作によって直流電圧を所定の値に維持することができ、安定な電力変換装置の動作を可能とするものである。

実施の形態１．
この発明の実施の形態1について説明する。図１はこの発明の実施の形態1による電力変換装置の概略構成図を示している。図１において、交流電源１は複数のインバータユニット２（この場合２個）が直列接続されたものに並列に接続されている。各インバータユニット２はそれぞれ逆並列にダイオード９が接続されたＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等の自己消孤型の半導体素子３をフルブリッジに構成したものからなっている。また、直流エネルギー蓄積手段としてのコンデンサ４が各インバータユニット２の直流側端子に接続されている。７a、７bはそれぞれコンデンサ4aおよび4bの電圧を検出する電圧検出手段である。なお、直流エネルギー蓄積手段はコンデンサ以外の電圧源であってもよいことはもちろんである。

更に、直列接続されたインバータユニット２の片側には抵抗やリアクトル等の限流要素５を設けて、交流電源１からの突入電流を防止している。各コンデンサ４の両端にはＤＣ−ＤＣコンバータ６が接続され、これを通じて各コンデンサ４の電圧の関係を保っている。さらに、各コンデンサ４にはそれぞれ電圧検出手段７が接続され、検出されたコンデンサ電圧値は制御装置８に入力され、制御装置８では所定のしきい値による監視動作を行った後、インバータユニット２の各半導体素子のゲート駆動信号が出力される。

次にこの回路の動作について説明する。先ず、例えばＤＣ−ＤＣコンバータ６が停止している場合で、半導体スイッチ素子3a1〜3a4、 3b1〜3b4がすべてオフしている状態を想定する。交流電源１の出力極性がVac>0の時、各コンデンサ4aおよび4bは、交流電源１→半導体スイッチ3a1の逆並列ダイオード9a1→コンデンサ4a→半導体スイッチ3a4の逆並列ダイオード9a4→半導体スイッチ3b1の逆並列ダイオード9b1→コンデンサ4b→半導体スイッチ3b4の逆並列ダイオード9b4→限流要素5の経路で充電される。またVa<0の時には、各コンデンサ4aおよび4bは、交流電源１→限流要素5→半導体スイッチ3b3の逆並列ダイオード9b3→コンデンサ4b→半導体スイッチ3b2の逆並列ダイオード9b2→半導体スイッチ3a3の逆並列ダイオード9a3→コンデンサ4a→半導体スイッチ3a2の逆並列ダイオード9a2の経路で充電される。

各コンデンサ4aおよび4bの電圧V1、V2は、静電容量をそれぞれC1、C2とすると、各コンデンサは静電容量に逆比例した電圧比で充電される。その時、コンデンサ4aおよび4bに充電される電圧の最大値は、交流電源１の振幅をVac_0-pとすると、
Vac_0-p＝V1＋V2
V1：V2＝C2：C1
となる。よって、
V1＝Vac_0-p・C2／(C1＋C2)
となる。

ここで、電圧V1は上記式から明らかなようにC1の耐電圧とは無関係に静電容量比によって決定されてしまい、あらかじめ定められた定格電圧を超えてしまう場合がある。従ってこの発明の実施の形態１によれば、このような耐電圧オーバーの問題を解消するために、あらかじめV1に上限値を設け、上限値以上の電圧となったときV2が所定値に達していないときはこれを上昇させるように制御し、V2が所定値に達しているときはこれ以上いずれの電圧も上昇しないようにするものである。なお、上記しきい値および充電電圧の最大値の設定は通常、制御装置８内にて行われ、電圧検出装置と制御装置とで電圧監視装置を構成している。

図２は実施の形態１による電力変換装置におけるコンデンサ４の電圧の変化を示す波形図である。図においてV1は電圧検出手段7aによるコンデンサ4aの充電電圧を、V2は電圧検出手段7bによるコンデンサ4bの充電電圧を示している。以下この波形図を参照して、図１の回路動作を説明する。図２においてt＝t1時において、V1はその電圧上限値に達しており、Ｖ２はまだこれより低い電圧である。

ここで、フルブリッジインバータのコンデンサ4aの正側あるいは負側の半導体素子3a1と3a3（または3a2と3a4）を導通（オン）させると、電流経路は交流電源1の出力Vac>0の時、交流電源１→半導体スイッチ3a1の逆並列ダイオード9a1（または半導体スイッチ3a2）→半導体スイッチ3a3（または半導体スイッチ3a4の逆並列ダイオード9a4）→半導体スイッチ3b1の逆並列ダイオード9b1→コンデンサ4b→半導体スイッチ3b4の逆並列ダイオード9b4→限流要素5となる。またVa<0の時には、交流電源１→限流要素5→半導体スイッチ3b3の逆並列ダイオード9b3→コンデンサ4b→半導体スイッチ3b2の逆並列ダイオード9b2→半導体スイッチ3a3の逆並列ダイオード9a3（または半導体スイッチ3a4）→半導体スイッチ3a1（または半導体スイッチ3a2の逆並列ダイオード9a2）の経路で充電される。

すなわち、上記電圧監視手段により上記エネルギー蓄積手段の電圧がこの上限しきい値に到達したことを検出することにより上記インバータユニットの当該エネルギー蓄積手段の正側あるいは負側の半導体素子を同時に導通させて、当該エネルギー蓄積手段のバイパス回路を形成するようにしたものである。従って、コンデンサ4bに全電圧がかかるようになり、図２のように電圧V1はこれ以上上昇せずV2のみが上昇する。上昇によって、t＝t2で電圧V2が別に定めたV2の上限値以上となった時、上記半導体素子3a1と3a3（または3a2と3a4）をオフする。すると、V1+V2> Vac_0-pとなっていればそれ以上交流電源１から充電されることはなくなり、各コンデンサ電圧はそれ以上上昇することはない。

一方、上記半導体素子3a1と3a3（または3a2と3a4）をオフした時、V1+V2< Vac_0-pとなっていれば、引き続き充電が継続される。この時、V2は上限値以上となっているため、今度は別のフルブリッジインバータのコンデンサ4bの正側あるいは負側の半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）をオンする。すると電流経路は、交流電源1の出力Vac>0の時、交流電源１→半導体スイッチ3a1の逆並列ダイオード9a1→コンデンサ4a→半導体スイッチ3a4の逆並列ダイオード9a4→半導体スイッチ3b1の逆並列ダイオード9b1（または半導体スイッチ3b2）→半導体スイッチ3b3(または半導体スイッチ3b4の逆並列ダイオード9b4)→限流要素5となる。

またVa<0の時には、交流電源１→限流要素5→半導体スイッチ3b3の逆並列ダイオード9b3(または半導体スイッチ3b4）→半導体スイッチ3b1(または半導体スイッチ3b2の逆並列ダイオード9b2)→半導体スイッチ3a3の逆並列ダイオード9a3→コンデンサ4a→半導体スイッチ3a2の逆並列ダイオード9a2の経路で充電される。すると、コンデンサ4aに全電圧がかかるようになり、図３のようにコンデンサ4aのみが充電され電圧V1が上昇する。その後、コンデンサ4aがV1の上限値以上となった時、上記の動作を繰り返す。
このように電力変換装置を動作させる事によって、直列接続された複数のインバータのエネルギー蓄積手段の直流電圧を所定の電圧以下に維持することができる。
以上のように実施の形態１によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくても、各インバータの動作によって直流電圧を所定の値に維持することができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では電圧上限値を上回らないように、インバータの状態を変更したが、実施の形態２においては、図4のように設定電圧の下限値を下回らないようにインバータを制御するようにしたものである。
この例では、初期状態としてV1+V2> Vac_0-pとし、インバータを構成する半導体スイッチ3a1〜3a4および3b1〜3b4は全てオフしているとする。この時、t＝t1で電圧V1がV1電圧下限値以下となった場合、半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）をオンする。

そこで、V1<Vac_0-p であれば、Vac>0の時、前述と同様にコンデンサ4aは、交流電源１→半導体スイッチ3a1の逆並列ダイオード9a1→コンデンサ4a→半導体スイッチ3a4の逆並列ダイオード9a4→半導体スイッチ3b1の逆並列ダイオード9b1（または半導体スイッチ3b2）→半導体スイッチ3b3(または半導体スイッチ3b4の逆並列ダイオード9b4)→限流要素5の経路で、またVa<0の時には、交流電源１→限流要素5→半導体スイッチ3b3の逆並列ダイオード9b3(または半導体スイッチ3b4）→半導体スイッチ3b1(または半導体スイッチ3b2の逆並列ダイオード9b2)→半導体スイッチ3a3の逆並列ダイオード9a3→コンデンサ4a→半導体スイッチ3a2の逆並列ダイオード9a2の経路で充電される。すると、コンデンサ4aに全電圧がかかるようになり、図４のようにコンデンサ4aのみが充電され電圧V1が上昇する。

次にコンデンサ4bの電圧V2が低下しt＝t2でV2電圧下限値以下となった時、半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）をオフし、半導体素子3a1と3a3（または3a2と3a4）をオンする。この時、V2<Vac_0-pであれば同様の動作でコンデンサ4bは充電され、電圧V2は上昇する。その後、t＝t3で再度電圧V1がV1電圧下限値以下となった場合、半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）をオンし、この動作を繰り返す。
このように電力変換装置を動作させることによって、直列接続された複数のインバータのエネルギー蓄積手段の直流電圧を所定の電圧以上に維持することができる。

実施の形態３．
図５はこの発明の実施の形態３による電力変換装置の概略構成図を示している。図５において、図１の回路構成と異なるところは電圧検出手段７としてコンデンサ4aの電圧V1のみを検出し、V1の検出しきい値信号のみで制御するようにした点である。上記実施の形態１及び２では、電圧はV1及びV2の両方のアナログ値を制御装置８でモニタしていたが、実施の形態３では図６のように上限値または下限値はしきい値のみを検出してインバータ状態を変化させている。

図7はこの発明の実施の形態３によるしきい値検出回路の具体例を示しており、図において、10aは上限値検出コンパレータ、10bは下限値検出コンパレータ、11はセットリセットフリップフロップである。コンデンサ電圧V1は上限値検出コンパレータ10aおよび下限値検出コンパレータ10bに入力され、それぞれ設定上限値および下限値と比較される。それぞれのコンパレータ10a、10bの出力はセットリセットフリップフロップ11に入力される。例えば設定下限値以下となった場合、セットリセットフリップフロップ11のセット側端子Ｓに「H」信号が入力され、半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）をオンする。一方、設定上限値以上となった場合、セットリセットフリップフロップ11のリセット側端子Ｒに「H」信号が入力され、半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）をオフする。

いま、図６の電圧波形において、t＝t1で半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）がオンされると、前述と同様にコンデンサ4aのみが充電され電圧V1が上昇する。また、電圧V1がt＝t2で半導体素子3b1と3b3（または3b2と3b4）がオフされ、半導体素子3a1と3a3（または3a2と3a4）がオンされると、前述と同様に今度はコンデンサ4bのみが充電され電圧V2が上昇し、反対に電圧V1が下降することとなる。
このように電圧の監視手段を、上限値検出コンパレータ、下限値検出コンパレータ、及びセットリセットフリップフロップのみで構成することにより、エネルギー蓄積手段の電圧がしきい値を超えたかどうかの検出信号のみを監視することにより電力変換装置を制御することができるため、監視手段を簡単なデジタル回路で構成して制御を簡素化することができる。

本発明の実施の形態１による電力変換装置を示す構成図である。本発明の実施の形態１による電力変換装置の電圧を示す図である。本発明の実施の形態１による電力変換装置の電圧を示す図である。本発明の実施の形態２による電力変換装置の電圧を示す図である。本発明の実施の形態３による電力変換装置を示す構成図である。本発明の実施の形態３による電力変換装置の電圧を示す図である。本発明の実施の形態４によるしきい値検出回路を示す図である。

符号の説明

１交流電源、２インバータユニット、３半導体スイッチ、
４直流エネルギー蓄積手段、５限流要素、
６ＤＣ−ＤＣコンバータ、７電圧検出手段、８制御装置、
９逆並列ダイオード、１０上下限値検出コンパレータ、
１１セットリセットフリップフロップ。

Claims

互いに直列接続された複数のインバータユニットが交流電源に並列に接続され、各インバータユニットはそれぞれ逆並列にダイオードを接続した半導体素子のフルブリッジ構成からなると共に、それぞれその直流端子間にエネルギー蓄積手段が接続され、上記エネルギー蓄積手段のそれぞれに所定の上限しきい値を有する電圧監視手段を備えた電力変換装置において、上記エネルギー蓄積手段に蓄積される電圧の合計上限値が設定されており、上記電圧監視手段が上記エネルギー蓄積手段の電圧のいずれかが所定の上限しきい値に到達したことを検出することにより、上記インバータユニットの当該エネルギー蓄積手段の正側あるいは負側の半導体素子を同時に導通させて当該エネルギー蓄積手段のバイパス回路を形成させ、所定の上限しきい値に到達していないエネルギー蓄積手段を上記交流電源から充電することにより、上記エネルギー蓄積手段の電圧が上記合計上限値を超えない範囲で上記インバータユニットの導通制御を行うようにしたことを特徴とする電力変換装置。
互いに直列接続された複数のインバータユニットが交流電源に並列に接続され、各インバータユニットはそれぞれ逆並列にダイオードを接続した半導体素子のフルブリッジ構成からなると共に、それぞれその直流端子間にエネルギー蓄積手段が接続され、上記エネルギー蓄積手段のそれぞれに所定の下限しきい値を有する電圧監視手段を備えた電力変換装置において、上記エネルギー蓄積手段に蓄積される電圧の合計上限値が設定されており、上記電圧監視手段が上記エネルギー蓄積手段のいずれかの電圧が所定の下限しきい値に到達したことを検出することにより、所定の下限しきい値に到達したエネルギー蓄積手段以外の上記インバータユニットのエネルギー蓄積手段の正側あるいは負側の半導体素子を同時に導通させて当該エネルギー蓄積手段のバイパス回路を形成させ、所定の下限しきい値に到達したエネルギー蓄積手段を上記交流電源から充電することにより、上記エネルギー蓄積手段の電圧が上記合計上限値を超えない範囲で上記インバータユニットの導通制御を行うようにしたことを特徴とする電力変換装置。
上記交流電源とインバータユニットの間に限流要素を設置して直流エネルギー蓄積手段の充放電電流の突入電流を回避するようにしたことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電力変換装置。
上記電圧監視手段を上記エネルギー蓄積手段の電圧上限値及び電圧下限値を検出するコンパレータと上記コンパレータの出力で動作するフリップフロップとで構成したことを特徴とする請求項１あるいは２に記載の電力変換装置。