JP6009651B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、セル変換器を複数カスケード接続させた電力変換装置に関するものであり、特にセル変換器の異常および直流短絡事故時にセル変換器をバイパスする技術に関するものである。

モジュラー・マルチレベルコンバータ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ)（以下、ＭＭＣと記載する）は、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子と直流コンデンサで構成されたセル変換器の出力端子を直列に接続することで、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる回路方式であり、直流送電システムや無効電力補償装置などへの応用が期待されている。

複数のセル変換器をカスケード（直列）接続して構成し、各セル変換器は２端子を介して外部と接続しており、２端子間の電圧を直流コンデンサの電圧か、または零に制御するＭＭＣの基本構成が開示されている（例えば、特許文献１）。
セル変換器が故障した時、ＭＭＣの運転を継続するために、セル変換器の出力を短絡するバイパス回路を設ける構成が開示されている（例えば、特許文献２）。バイパス回路は、セル変換器が故障した場合、セル変換器の出力を短絡するスイッチであり、バイパス回路によって異常セル変換器の出力は短絡されるため、セル変換器が故障してもシステムとして運転継続させることができる。
直流短絡事故発生時に、短絡循環電流から保護する半導体保護手段が、バイパス回路として開示されている（例えば、特許文献３）。バイパス回路は、直流短絡事故時に、スイッチング素子の逆並列に接続されたフリーホイールダイオードの代わりに短絡循環電流を流す半導体素子であり、短絡循環電流に対して十分な電流容量を有するものにすれば、セル変換器を短絡循環電流から保護することができる。

特開２０１１−１９３６１５号公報（段落［００４４］〜［００７１］、図１、２） 特表２０１０−５２４４２６号公報（段落［００２７］〜［００２９］、図２） 特表２０１０−５１２１３５号公報（段落［０００４］、［００２６］〜［００３５］、図１〜４）

特許文献２、３の開示発明では、セル変換器毎にバイパス回路が接続されている。バイパス回路はセル変換器故障発生時の短絡突入電流に耐え、運転継続を行う必要がある。また、直流短絡事故発生時には、短絡循環電流に耐えセル変換器を保護する必要がある。このため、バイパス回路は高い耐電流特性、優れた防爆耐量が必要となり、バイパス回路は非常にコストが高く、電力変換装置全体のコストアップとなる問題がある。

この発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであり、セル変換器故障時に運転継続が可能で、直流短絡事故発生時に短絡循環電流に耐えセル変換器を保護することが可能であり、大きなコストアップとならないバイパス回路を備えた電力変換装置を提供することを目的とする。

この発明に係る第１の電力変換装置は、スイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を複数台カスケード接続したセルブロックを備え、セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための２つの外部接続端子を備え、セルブロックは複数台カスケード接続され、バイパス回路をセルブロックの２つの外部接続端子に接続した構成としたものである。
この発明に係る第２の電力変換装置は、スイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を複数台カスケード接続したセルブロックを備え、セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための２つの外部接続端子を備え、セルブロックの２つの外部接続端子に接続されたバイパス回路を備え、バイパス回路が接続されたセルブロックを複数台カスケード接続した構成としたものである。

この発明に係る第１の電力変換装置は、上記のように構成されているため、低コストで簡素な構成のバイパス回路を備え、セル変換器が故障しても、運転継続させることが可能で、直流短絡事故発生時にセル変換器を保護することができる。
この発明に係る第２の電力変換装置は、上記のように構成されているため、低コストで簡素な構成のバイパス回路を備え、セル変換器が故障しても、運転継続させることが可能で、直流短絡事故発生時にセル変換器を保護することができる。

この発明の実施の形態１の電力変換装置に係る構成図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るバイパス回路の構成図である。 この発明の実施の形態１の電力変換装置に係るバイパス回路の動作説明図である。 この発明の実施の形態２の電力変換装置に係る構成図である。

実施の形態１．
実施の形態１は、カスケード接続された複数台のスイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を１台のセルブロックとし、セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための２つの外部接続端子を備え、外部接続端子にバイパス回路を接続する構成とした電力変換装置に関するものである。

以下、本願発明の実施の形態１に係る電力変換装置１の構成、動作について、電力変換装置の構成図である図１、バイパス回路の構成図である図２、およびバイパス回路の動作説明図である図３に基づいて説明する。

図１は、本発明の実施の形態１の電力変換装置１の構成を示す。
まず電力変換装置１の全体構成を説明する。図１において、電力変換装置１はカスケード接続された３台の同じ構成のセルブロック３０ａ、３０ｂ、３０ｃ（総称する場合は、セルブロック３０と記載する）から構成され、各セルブロックはカスケード接続された２台の同じ構成のセル変換器１０ａ、１０ｂ（総称する場合は、セル変換器１０と記載する）から構成される。各セルブロック３０ａ、３０ｂ、３０ｃの外部接続端子には、バイパス回路２０が接続されている。

次にセル変換器１０の内部構成を説明する。セル変換器１０ａの主回路は、第１のスイッチング素子１１ａ、第２のスイッチング素子１１ｂとコンデンサ１３から構成されたチョッパ回路である。第１のスイッチング素子１１ａには、逆並列に第１のフリーホイールダイオード１２ａが接続され、第２のスイッチング素子１１ｂに逆並列に第２のフリーホイールダイオード１２ｂが接続されている。
なお、本発明におけるスイッチング素子は、第１のスイッチング素子１１ａおよび第２のスイッチング素子１１ｂである。
以下、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂを総称する場合は、スイッチング素子１１と記載する。第１のフリーホイールダイオード１２ａと第２のフリーホイールダイオード１２ｂを総称する場合は、フリーホイールダイオード１２と記載する。

セル変換器１０ａにおいて、直列接続された第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂとの接続点と、第２のスイッチング素子１１ｂとコンデンサ１３との接続点が他のセル変換器とカスケード接続するための２つの出力端子Ｘ１１ａ、Ｘ１２ａとなる。
なお、セル変換器１０ｂでは、他のセル変換器とカスケード接続するための２つの出力端子はＸ１１ｂ、Ｘ１２ｂとしている。

ゲート駆動回路１４は、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂのゲート端子に各々接続されており、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂをオン・オフする信号を出力する。ゲート駆動回路１４の駆動電力は後述する自己給電回路１５から供給される。すなわち、スイッチング素子１１を制御する駆動電力は、自己給電回路１５から供給される。

自己給電回路１５は、コンデンサ１３に電流が流れることで電圧が上昇して蓄積された高電圧をコンデンサ１３の両端から取り込む。自己給電回路１５内部の直流−直流電圧変換回路（図示せず）は、ゲート駆動回路１４を駆動させるのに適した電圧値に変換する。自己給電回路１５は、その出力を第１の給電線１６でゲート駆動回路１４に供給する。

セルブロック３０ａは、カスケード接続された２台のセル変換器１０ａと１０ｂにより構成され、他のセルブロックをカスケード接続するための外部接続端子としてＸ３１ａとＸ３２ａを備える。また、セルブロック３０ｂ、３０ｃは、それぞれ外部接続端子としてＸ３１ｂ、Ｘ３２ｂおよびＸ３１ｃ、Ｘ３２ｃ（図示せず）を備える。なお、セルブロックの外部接続端子を総称する場合は、外部接続端子Ｘ３１、Ｘ３２と記載する。
セル変換器１０ａの出力端子Ｘ１２ａとセル変換器１０ｂの出力端子Ｘ１１ｂとは電力線を用いて接続されている。セルブロック３０ａの外部接続端子Ｘ３１ａは、セル変換器１０ａの出力端子Ｘ１１ａと電力線を用いて接続されている。また、セルブロック３０ａの外部接続端子Ｘ３２ａは、セル変換器１０ｂの出力端子Ｘ１２ｂと電力線を用いて接続されている。
セルブロック３０ａの外部接続端子Ｘ３１ａは、セルブロック３０ｂの外部接続端子Ｘ３２ｂと電力線を用いて接続され、セルブロック３０ａの外部接続端子Ｘ３２ａは、セルブロック３０ｃの外部接続端子Ｘ３１ｃと電力線を用いて接続されている。

次に、バイパス回路２０の機能、動作について説明する。
バイパス回路２０は、セルブロック３０ａの外部接続端子Ｘ３１ａとＸ３２ａの間に接続される。
セルブロック３０ａ〜３０ｃの何れかの故障発生時には、異常セルブロック内のバイパス回路２０が速やかに閉路動作を行う。このため、異常セルブロックの外部接続端子Ｘ３１ａとＸ３２ａの間が短絡され、異常セルブロックをバイパスすることができる。

直流短絡事故発生時には、全てのセルブロック内のバイパス回路２０が速やかに閉路動作を行うことで、全てのセルブロックの外部接続端子Ｘ３１とＸ３２の間が短絡され、短絡循環電流が全てのセルブロックをバイパスすることが可能となる。

バイパス回路２０に駆動電力が必要な場合、セル変換器１０ａまたは１０ｂの自己給電回路１５から供給する。図１ではセル変換器１０ｂの自己給電回路１５から供給する構成としている。

バイパス回路２０は、セルブロック３０の外部接続端子Ｘ３１とＸ３２の間、すなわちカスケード接続されたセル変換器１０ａの出力端子Ｘ１１ａとセル変換器１０ｂの出力端子Ｘ１２ｂの間に接続される。このため、セル変換器１０ａの出力端子Ｘ１１ａとＸ１２ａの間、およびセル変換器１０ｂの出力端子Ｘ１１ｂとＸ１２ｂの間にそれぞれ接続する場合よりも２倍の耐電圧が必要である。しかし、バイパス回路の台数が半分となりコスト、サイズ的に有利である。

次に、バイパス回路２０の具体的な回路について説明する。図２はバイパス回路の具体的回路を示す図である。
セルブロック３０ａ〜３０ｃの何れかのセル変換器１０ａ、１０ｂの故障発生時には、双方向に通流可能な図２（ａ）の真空スイッチ２１や、図２（ｂ）の双方向のスイッチング素子２２ａ、２２ｂを用いて速やかに閉路動作を行う。
直流短絡事故発生時には、第２のスイッチング素子１１ｂに対して逆方向に通流可能な図２（ｃ）のダイオード２３や、図２（ｄ）のスイッチング素子２４を用いて速やかに閉路動作を行う。また、図２（ｅ）のようにダイオード２３ａ〜２３ｎを複数個直列接続してもよい。
なお、バイパス回路２０の耐圧能力を超える最大両端電圧になる複数台のセル変換器１０でセルブロック３０を構成したい場合には、バイパス回路２０を直列に接続した複数のバイパス回路を一つのバイパス回路として外部接続端子Ｘ３１ａとＸ３２ａの間に接続しても良い。例えば、図２（ａ）〜図２（ｅ）で示したバイパス回路２０を複数個直列に接続してバイパス回路全体の耐圧能力を高くすることで、セルブロック内のセル変換器の台数を追加することができる。

次に、図２の主要なバイパス回路のバイパス動作を、図３に基づいて説明する。
図３（ａ）と（ｂ）は、セル変換器が故障した場合に、第２のスイッチング素子１１ｂをバイパスさせる回路であり、双方向に電流が流れる必要がある。セル変換器を正常品に交換するまでバイパス動作させる。
図３（ｃ）と（ｄ）は、直流短絡事故発生時（１秒以内の短時間）に第２のスイッチング素子１１ｂのフリーホイールダイオード１２ｂの責務を軽減するバイパス回路である。直流短絡事故発生時に、第２のスイッチング素子１１ｂのフリーホイールダイオード１２ｂのみに短絡循環電流が流れると、フリーホイールダイオード部が破損してしまう。このため、バイパス回路を投入してバイパス回路にも電流を流すことで、フリーホイールダイオード１２ｂの責務を軽減する。

セル変換器の故障および直流短絡事故発生は、電力変換装置１の各部の電圧、電流を計測、監視することで検出することができる。セル変換器の故障および直流短絡事故の発生を検出した場合は、事故、故障の種類および状況に応じて、適切なバックアップ回路を選択し、対応のセルブロックをバイパスすることで、電力変換装置１の運転継続、またはセル変換器を保護することができる。

実施の形態１では、セルブロック内のセル変換器は２台で構成する例を説明したが、バイパス回路の耐圧能力が許容できる最大両端電圧になる複数台のセル変換器で、セルブロックを構成しても良い。そうすることで更にコスト、サイズ的に有利となる。
また、バイパス回路の耐圧能力を超える最大両端電圧になる複数台のセル変換器でセルブロックを構成したい場合には、直列に接続した複数のバイパス回路を一つのバイパス回路とすることで対応できる。

以上説明したように、実施の形態１の電力変換装置は、カスケード接続された複数台のスイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を１台のセルブロックとし、セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための２つの外部接続端子を備え、外部接続端子にバイパス回路を接続する構成としている。このため、実施の形態１の電力変換装置は、低コストで簡素な構成のバイパス回路を備え、セル変換器が故障しても、運転継続させることができ、直流短絡事故発生時にセル変換器を保護することが可能で、装置を小型化できる。

実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置は、ブロック手段とゲート駆動回路の駆動電力を複数のセル変換器の自己給電回路から供給する構成としたものである。

以下、実施の形態２の電力変換装置１００の構成、動作について、電力変換装置１００の構成図である図４に基づいて、実施の形態１の電力変換装置１との差異を中心に説明する。
なお、図４において、図１と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。

実施の形態２の電力変換装置１００の全体構成は、実施の形態１の電力変換装置１と同じである。電力変換装置１００は３台のカスケード接続されたセルブロック３０ａ、３０ｂ、３０ｃから構成される。各セルブロックは２台のカスケード接続されたセル変換器１０ａ、１０ｂから構成される。また、各セルブロック３０ａ、３０ｂ、３０ｃの外部接続端子には、バイパス回路２０が接続されている。

次にセル変換器１０の内部構成を説明する。図４において、第１のスイッチング素子１１ａ、第２のスイッチング素子１１ｂ、第１のフリーホイールダイオード１２ａ、第２のフリーホイールダイオード１２ｂ、コンデンサ１３、第１の給電線１６およびバイパス回路２０は実施の形態１と同じである。

ゲート駆動回路１４は、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂのゲート端子に各々接続されており、第１のスイッチング素子１１ａと第２のスイッチング素子１１ｂをオン・オフする信号を出力する。
ゲート駆動回路１４の駆動電力は、セルブロック３０ａ内部のセル変換器１０ａとセル変換器１０ｂの両方の自己給電回路１５から供給されている。
なお、図４の▼の箇所は、例えば、ダイオードを使用して突き合わせて、電流の逆流を防止している。

自己給電回路１５は、コンデンサ１３に電流が流れることで電圧が上昇して蓄積された高電圧をコンデンサ１３の両端から取り込む。自己給電回路１５内部の直流−直流電圧変換回路（図示せず）は、ゲート駆動回路１４を駆動させるのに適した電圧値に変換する。自己給電回路１５は、その第１の出力を第１の給電線１６で、自らのセル変換器のゲート駆動回路１４に供給する。また自己給電回路１５は、第２の出力を第２の給電線１７で同じセルブロック内の他のセル変換器のゲート駆動回路１４に供給する。

バイパス回路２０は、駆動電力が必要な場合、セル変換器１０ａと１０ｂの両方の自己給電回路１５から駆動電力の供給を受ける。
第２の給電線１７は、電力の授受をするセル変換器同士の電位差以上の絶縁耐量を持つ絶縁入出力回路１８を経由することで、他のセル変換器のゲート駆動回路１４への供給が可能になる。
絶縁入出力回路１８としては、例えば、直流／交流変換器、絶縁トランスおよび交流／直流変換器とを組み合わせた回路を使用することができる。

実施の形態２の電力変換装置１００は、セルブロック３０ａ内の何れかのセル変換器１０ａ、１０ｂの自己給電回路１５が故障した場合、他方のセル変換器の自己給電回路１５が正常動作していれば、セルブロック３０ａのバイパス回路２０を動作させることができる。セル変換器１０のゲート駆動回路１４の駆動電力の信頼性も向上させることができるため、電力変換装置１００はより安定的にシステムの運転を継続することができる。

以上説明したように、実施の形態２の電力変換装置１００は、さらにブロック手段とゲート駆動回路の駆動電力を複数のセル変換器の自己給電回路から供給する構成としたものである。このため、実施の形態１の効果に加えて、バイパス回路およびセル変換器のゲート駆動回路の駆動電力の信頼性を向上させ、より安定的にシステムの運転を継続することができる。

実施の形態１および２においては、スイッチング素子やフリーホイールダイオードが珪素によって形成されたものを示したが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドがある。
ワイドバンドギャップ半導体を使用すると、半導体素子の高耐圧化が可能なため、システム全体におけるセル変換器の直列台数を低減できる。また、バイパス回路の双方向スイッチング素子や逆方向ダイオードや逆方向スイッチング素子に使用することで、バイパス回路の高耐圧化に伴いセルブロックを構成するセル変換器の直列台数を増やすことが出来るのでセルブロック台数を低減つまりバイパス回路の台数を更に低減できる。さらには、半導体スイッチングの高速化が可能なため、高調波成分がより小さい入力電流や出力電圧を得ることが可能である。

なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

この発明は、セル変換器で構成した電力変換装置に関するものであり、直流送電システムや無効電力補償装置などへ広く応用できる。

Claims (16)

1. スイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を複数台カスケード接続したセルブロックを備え、
   前記セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための２つの外部接続端子を備え、
   前記セルブロックは複数台カスケード接続され、
   バイパス回路を前記セルブロックの前記２つの外部接続端子に接続した電力変換装置。
2. 前記セルブロックの前記セル変換器の台数に応じて、複数台の前記バイパス回路をカスケード接続し、前記複数台のバイパス回路を前記セルブロックの前記２つの外部接続端子に接続した請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記バイパス回路の駆動電力と、前記セル変換器の前記スイッチング素子を制御する駆動電力は、前記セルブロックの複数台の前記セル変換器の自己給電回路から供給される請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記バイパス回路は真空スイッチである請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記バイパス回路は双方向のスイッチング素子である請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のダイオードである請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
7. 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のスイッチング素子である請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
8. 前記バイパス回路は真空スイッチである請求項３に記載の電力変換装置。
9. 前記バイパス回路は双方向のスイッチング素子である請求項３に記載の電力変換装置。
10. 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のダイオードである請求項３に記載の電力変換装置。
11. 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のスイッチング素子である請求項３に記載の電力変換装置。
12. 前記セル変換器の前記スイッチング素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
13. 前記バイパス回路の前記スイッチング素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項５、請求項７、請求項９、請求項１１のいずれか1項に記載の電力変換装置。
14. 前記バイパス回路の前記ダイオードは、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項６または請求項１０に記載の電力変換装置。
15. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項１２から請求項１４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
16. スイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を複数台カスケード接続したセルブロックを備え、
    前記セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための２つの外部接続端子を備え、
    前記セルブロックの前記２つの外部接続端子に接続されたバイパス回路を備え、
    前記バイパス回路が接続された前記セルブロックを複数台カスケード接続した電力変換装置。

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