JP6334201B2 - 電力変換装置、及び電力変換装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は，電力変換装置および電力変換装置の制御方法に係り、特に、単位変換器を用いた電力変換に好適な電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

単位変換器を用いたいわゆるモジュラー・マルチレベル変換器（MMC）と呼ばれる電力変換装置は，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を使用するものであり，該スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力でき，直流送電システム（HVDC）や無効電力補償装置（STATCOM），モータドライブインバータなどへの応用が期待されている。

この電力変換装置は，直列(カスケード)接続された１つまたは複数の単位変換器で構成されたアームを例えばブリッジ状に接続して構成されている。各単位変換器は，例えばいわゆる双方向チョッパ回路であり，スイッチング素子と直流コンデンサを備えている。各単位変換器は，少なくとも２端子を介して外部と接続しており，該２端子間の電圧を，該単位変換器の有する直流コンデンサの電圧か，または零に制御できる。

直列(カスケード)接続された１つまたは複数の単位変換器はアームとして構成され、このアームの電圧を制御することで電力変換を行うのであるが、その中の１の単位変換器に異常が発生するとアーム全体に波及するので、冗長動作を確保するためには、欠陥のある単位変換器が端子間において永続的に短絡する機能を有することが望ましい。そのために、単位変換器の故障時に各アームの導通を確保するように、該単位変換器の出力端子間にサイリスタを設置して，該単位変換器が故障した時にサイリスタを点呼して導通を確保する技術が知られている。このような各単位変換器が故障した時に該単位変換器の出力を短絡する技術は、例えば、特表２００９−５０６７３６号公報に記載されている。

特表２００９−５０６７３６号公報

ここで，電源故障等により制御回路が機能しなくなったときは、スイッチング素子は導通/遮断状態に固定される。このときに、端子の電流の流れ方によっては、並列接続のダイオードを介してコンデンサに充電電圧が印加される。このような電流が流れ続けると，直流コンデンサの電圧は上昇し続ける。

特許文献１で開示される技術では，この故障時のコンデンサの充電について意識されておらず、単位変換器におけるコンデンサ電圧の上昇について対応できない。特に、電源故障等により制御回路が機能しなくなったときが問題であった。また、運転継続のためのサイリスタが必要であり，装置が大型化する。

本発明の目的は、装置が大型化せずに、単位変換器のデンデンサ上昇を抑制することが可能な電力変換装置および電力変換装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、１つまたは直列に接続された複数の単位変換器で構成された電力変換装置であって，前記単位変換器の少なくとも１は、端子と、コンデンサと、前記端子と前記前記コンデンサを導通及び遮断する直列接続された第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子の各々に並列に接続された第１及び第２のダイオードを有し、前記第１及び第２のスイッチング素子は所定以上の過電流が流れると短絡するものであって、前記コンデンサと前記第１のスイッチング素子のゲートを接続可能にすると共に前記コンデンサと前記第２のスイッチング素子のゲートを接続可能とする導通回路を有し、前記コンデンサが過電圧状態となった場合に前記第１及び第２のスイッチング素子に所定以上の過電流が流れるように前記導通回路を導通状態にするように構成した。

本発明によれば，小型・簡素化することができる。また，コンデンサの過電圧破壊や絶縁破壊を阻止することができる。

本発明の第１の実施例であるMMC単位変換器の全体図 単位変換器の主要部 プレスパック素子の構成例 本発明の第２の実施例であるMMC単位変換器の主要部 本発明の第２の実施例の変形例であるMMC単位変換器の主要部

以下，本発明の実施形態を図面とともに説明する。なお，実施例を説明する図では，同一の機能を有する物には同一の符号を付けた。以下の実施例ではスイッチング素子にIGBTを例にとって説明するが，IGBTをIGBT以外のMOSゲートデバイスに置換えても同様の効果を得ることができる。また，以下の実施例は本発明の一形態を示すものであり，本発明は要旨を逸脱しない限り，他の形態を含むものである。

図１を参照して，本実施例の全体構成を説明する。

電力変換装置８０１は，変圧器１０５，レグ８０２ｕ，ｖ，ｗを備えている。

Ｕ相について説明すると，レグ８０２ｕは，アーム８０３ｕｐ（単位変換器１を直列に接続。他のアームも同様。），２つのリアクトルＬＢ８０４，アーム８０３ｕｎの直列回路であり，２つのリアクトル８０４の接続点をＵ’点を変圧器１０５を介して交流電力系統１０１に接続する。

同様に，レグ８０２ｖは，アーム８０３ｖｐ，２つのリアクトルＬＢ８０４，アーム８０３ｖｎの直列回路であり，２つのリアクトル８０４の接続点をＶ’点 を変圧器１０５を介して交流電力系統１０１に接続する。

また，レグ８０２ｗは，アーム８０３ｗｐ，２つのリアクトルＬＢ８０４，アーム８０３ｗｎの直列回路であり，２つのリアクトルＬＢ８０３の接続点をＷ’点 を変圧器１０５を介して交流電力系統１０１に接続する。

また，レグ８０２ｕ，ｖ，ｗを，Ｐ点とＮ点で並列接続する。

直流端子Ｐ点とＮ点の間には，直流装置８０６が接続されている。直流装置８０６は，例えば直流負荷，直流電源，他の交直変換装置等である。例えば，直流送電線を介して他の交直変換装置を接続すれば，電力変換装置８０１と直流装置８０６はＨＶＤＣシステムを構成する。

中央制御手段８１０は、各単位変換器１からコンデンサ電圧VCuk、VCvk、VCwk（入力信号112）を通信で入手して、これに基づいて演算を行い、各単位変換器１に対して電圧指令guk、gvk、gwk(出力信号111)を通信で供給する。

このように各単位変換器１の出力を制御することでレグ８０２ｕ，ｖ，ｗの出力電圧を制御し、その結果、交流系統１０１の電力に直流に電力変換して（あるいはその逆に）直流端子Ｐ点、Ｎ点を介して直流送電（受電）を行う。

図２に単位変換器１の構成図を示す（U相を例として説明する。他の相も同様であるので説明は省略する）。単位変換器制御回路１５は、いわゆるPWM(Pulse-Width Modulation)制御を行う。すなわち、単位変換器制御回路１５は、電源１７から電力の供給を受けて、中央制御手段８１０から受けた電圧指令guk（V相；gvk、W相；gwk）を搬送波（単位変換器制御回路１５内部で生成）と比較してパルスを生成してゲートドライバ１６に供給する。PWM制御している場合，単位変換器１毎の搬送波の位相を適切にシフトすることによって出力電圧波形をマルチレベル波形にできる。これによって，２レベル変換器に比較して高調波成分を低減できる。

単位変換器１は，スイッチング素子である上アームのプレスパック素子１１ａ−２、下アームのプレスパック素子１１ｂ−２，上アームの還流ダイード１１ａ−１、下アームの還流ダイオード１１ｂ−１，直流コンデンサ１２を有する，いわゆる双方向チョッパ構成の主回路であり，単位変換器制御回路１５，ゲートドライバ１６，電源１７により構成されている。単位変換器１の出力端子は２つあるが，高電位側の出力端子を２００Ｐ，低電位側の出力端子を２００Ｎとする。

上アームのプレスパック素子１１ａ−２がオン状態であり、下アームのプレスパック素子１１ｂ−２がオフ状態である場合、単位変換器１のアーム電流に関わらず、出力電圧は、概ねコンデンサ電圧ＶＣｖｋと等しくなる。

ただし、アーム電流が正の場合(端子200Ｎから端子200P方向を正とする)は、コンデンサ１２に蓄積されたエネルギーが放電される。また、アーム電流が負の場合は、コンデンサ１２にエネルギーが蓄積(充電)される。

上アームのプレスパック素子１１ａ−２がオフ状態であり、下アームのプレスパック素子１１ｂ−２がオン状態である場合、アーム電流関わらず、出力電圧ＶＣｖｋは、概ね零と等しくなる。この場合、コンデンサ１２のエネルギーは変化しない。

上アームのプレスパック素子１１ａ−２、および下アームのプレスパック素子１１ｂ−２が両方ともオフ状態である場合、アーム電流が正の時は、出力電圧は、概ね零と等しくなる。また、アーム電流が負の時は、出力電圧は概ねコンデンサ電圧VCＶkと等しくなる。この時、コンデンサ１２にエネルギーが蓄積(充電)される。

プレスパック１１ａ−２のコレクタと，プレスパック１１ａ−２，１１ｂ−２のゲート２１ａ，２１ｂの間には，過電圧検出回路５０を接続する。過電圧検出回路５０は，過電圧検出素子５１ａと抵抗器５２ａからなる直列体がプレスパック１１ａ−２のゲート２１ａに接続し，且つ過電圧検出素子５１ｂと抵抗器５２ｂからなる直列体がプレスパック１１ｂ−２のゲート２１ｂに接続した構成となる。また，プレスパック１１ａ−２のゲート２１ａとエミッタ（ゲート帰線２２ａ）の間には，ゲート電圧クランプ回路６０ａが接続され，プレスパック１１ｂ−２のゲート２１ｂとエミッタ（ゲート帰線２２ｂ）の間には，ゲート電圧クランプ回路６０ｂが接続される。

図３はプレスパック素子（１１ａ−２、１１ｂ−２）の構成を示す。２極のプレスパック素子の電極導体７７７に，プレスパック素子の半導体６６６が挟まれた構成になっており，プレスパック素子の電極導体７７７どうしが何らかの機構で互いに引き寄せ合う方向の応力が印加されていることを特徴とする。プレスパック素子の電極導体７７７を外部機構で押してもよいし，プレスパック素子の電極導体７７７の内側から引き合う形の応力を加えてもよい。プレスパック素子の電極導体７７７どうしが互いに引き寄せ合っていて，且つ故障時に発生する熱や短絡後に電流が導通することによって発生する熱を吸収する熱容量もしくは冷却系があれば，プレスパック素子の半導体６６６が故障した場合，プレスパック素子の半導体６６６は短絡となり，大電流を通流できる。すなわち、プレスパック素子の半導体６６６に所定以上の過電流（短絡閾電流値）が流れると、プレスパック素子の半導体６６６はその後は、どうようなゲート信号が入力するかを問わず、ＯＮ（短絡）状態を維持する。

プレスパック素子１１ａ−２及び１１ｂ−２は，十分な冷却能力を持つか，十分な冷却能力を持つ冷却系から熱を引くことができることを前提として説明する。

次に，メカニズムと効果を説明する。ゲートドライバ１６は，単位変換器制御回路１５から伝達された信号に基づき，プレスパック素子１１ａ−２及び１１ｂ−２を交互にオンオフ制御する。この制御により，出力端子２００Ｐに出力される電圧は，プレスパック素子１１ａ−２がオン，プレスパック素子１１ｂ−２がオフの時に直流コンデンサ１２の電圧を出力し，プレスパック素子１１ａ−２がオフ，プレスパック素子１１ｂ−２がオンの時に零を出力する。このように，通常の運転動作時は上アームと下アームのプレスパック素子が同時にオンはしない。

ここで，電源１７の故障により単位変換器制御回路１５の電源が喪失した場合を想定する。また，ゲートドライバ１６は単位変換器制御回路１５からの信号が伝達されない場合にオフを出力する，いわゆるノーマリーオフで構成された回路であると想定する。電源の喪失により，ゲートドライバ１６からプレスパック素子１１ａ−２及びプレスパック素子１１ｂ−２に伝達される信号は，どちらもオフとなる。出力端子２００Ｐから出力端子２００Ｎに向かって電流が流れている時は，プレスパック素子１１ａ−２のダイオード１１ａ−１を通り，直流コンデンサ１２を通るため，直流コンデンサ１２の電圧が上昇する。
また，出力端子２００Ｎから出力端子２００Ｐに向かって電流が流れている時は，プレスパック素子１１ｂ−２のダイオード１１ｂ−１を通るため，直流コンデンサ１２の電圧は変化しない。このように，電源が喪失した状態で交流電流が流れると，直流コンデンサ１２の電圧を放電する経路がなくなるため，直流コンデンサ１２の電圧は上昇し続ける。

過電圧検出素子５１ｂは，直流コンデンサ１２の電圧が印加されるため，出力端子２００Ｐから出力端子２００Ｎに向かって電流が流れ，直流コンデンサ１２の電圧が上昇を続けると，いずれ閾値電圧に到達し短絡する。過電圧検出素子５１ｂが短絡すると，抵抗器５２ｂとゲート電圧クランプ回路６０ｂで分圧された電圧がゲート２１ｂに印加され，プレスパック素子１１ｂ−２がオンとなる。この時，出力端子２００Ｐから出力端子２００Ｎに向かって流れる電流はプレスパック素子１１ｂ−２に流れるため，直流コンデンサ１２の電圧はプレスパック素子１１ａ−２に印加される。過電圧検出素子５１ａは，プレスパック素子１１ａ−２の電圧が印加されるため短絡状態となり，抵抗器５２ａとゲート電圧クランプ回路６０ａで分圧された電圧がゲート２１ａに印加され，プレスパック素子１１ａ−２がオンとなる。プレスパック素子１１ａ−２と１１ｂ−２は両方がオンとなり，直流コンデンサ１２が短絡状態となるため，短絡電流が流れる。短絡電流によりプレスパック素子１１ａ−２とプレスパック素子１１ｂ−２は故障し，短絡状態となることで，出力端子２００Ｐと出力端子２００Ｎは電流の通電が可能となり，変換器の運転が継続される。

図４に第２の実施例を示す。過電圧検出素子５１は，直流コンデンサ１２の電圧が印加され，直流コンデンサ１２の電圧が閾値電圧に到達すると短絡する。過電圧検出回路５０に印加される直流コンデンサ１２の電圧は，おおよそ抵抗器５３と抵抗器５４により分圧される。実施例１と同様に，抵抗器５２ｂとゲート電圧クランプ回路６０ｂで分圧された電圧がゲート２１ｂに印加されることで，プレスパック素子１１ｂ−２がオンになると同時に，プレスパック素子１１ａ−２がオンとなる。即ち，プレスパック素子１１ａ−２と１１ｂ−２は両方がオンとなり，直流コンデンサ１２が短絡状態となり，プレスパック素子が短絡故障することで変換器の運転が継続される。また，プレスパック素子１１ｂ−２がオンするまでの間，逆流防止のためのダイオード５５が設けられている。

図５に，第２の実施例の変形例の１つを示す。本実施例は，過電圧検出後のプレスパック素子短絡を高速化するものである。

本実施例は，直流コンデンサ１２に通常動作時の電圧が印加されている状態で，スピードアップコンデンサ１０３をあらかじめ充電している。直流コンデンサ１２が過電圧となり，過電圧検出素子５１ｃが短絡すると，スピードアップコンデンサ１０３の電圧が第二の過電圧検出素子５１ｄに印加されると共に，第二の過電圧検出素子５１ｄが短絡するように抵抗器５３，抵抗器５４，抵抗器１００，抵抗器１０１を構成する。スピードアップコンデンサ１０３の電荷は，ダイオード１０２を介して放電されるため，第２の実施例よりも高速にプレスパック素子のゲートをオンにすることができる。

以上のように，過電圧によるMMC単位変換器の絶縁破壊や直流コンデンサの故障を回避し，電力変換装置の確実な運転継続を可能とする。

１ 単位変換器
１１ａ−２ プレスパック素子
１１ｂ−２ プレスパック素子
１２ 直流コンデンサ
１５ 単位変換器制御回路
１６ ゲートドライバ
１７ 電源
２００Ｐ 出力端子
２００Ｎ 出力端子
２１ａ ゲート
２１ｂ ゲート
２２ａ ゲート帰線
２２ｂ ゲート帰線
５０ 過電圧検出回路
５１ 過電圧検出素子
５１ａ 過電圧検出素子
５１ｂ 過電圧検出素子
５１ｃ 過電圧検出素子
５１ｄ 過電圧検出素子
５２ａ 抵抗器
５２ｂ 抵抗器
５３ 抵抗器
５４ 抵抗器
５５ ダイオード
６０ａ ゲート電圧クランプ回路
６０ｂ ゲート電圧クランプ回路
１００ 抵抗器
１０１ 抵抗器
１０２ ダイオード
１０３ スピードアップコンデンサ
６６６ 半導体
７７７ 電極導体

Claims (10)

1. １つまたは直列に接続された複数の単位変換器で構成された電力変換装置であって，
   前記単位変換器の少なくとも１は、端子と、コンデンサと、前記端子と前記コンデンサを導通及び遮断する直列接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子の各々に並列に接続された第１のダイオード及び第２のダイオードと、を有し、
   前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子は所定以上の過電流が流れると短絡するものであって、
   前記コンデンサと前記第１のスイッチング素子のゲートを接続可能にすると共に前記コンデンサと前記第２のスイッチング素子のゲートを接続可能とする導通回路を有し、
   前記コンデンサが過電圧状態となった場合に前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子に所定以上の過電流が流れるように前記導通回路を導通状態にすることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、
   過電圧検出回路を有し、
   前記第１のスイッチング素子のコレクタと，前記第１のスイッチング素子のゲート及び前記第２のスイッチング素子のゲートを，前記過電圧検出回路を介して接続し，
   前記第１のスイッチング素子及び前記第２のスイッチング素子におけるゲートとエミッタをゲート電圧クランプ回路を介して接続したことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２において，
   前記過電圧検出回路は，前記第１のスイッチング素子のゲート及び前記第２のスイッチング素子のゲートそれぞれに接続される１つないしは複数の電圧検出素子と抵抗を有し，
   前記電圧検出素子と前記抵抗は直列に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項２において，
   前記過電圧検出回路は，１つないしは複数の電圧検出素子を有し，
   前記電圧検出素子の低圧側は並列に接続された少なくとも２つの抵抗とゲート電圧クランプ回路を有し，
   前記抵抗の１つは前記第２のスイッチング素子のゲートに接続され，
   もう一方の前記抵抗は，前記第１のスイッチング素子のゲートにカソードを接続したダイオードのアノードと接続され，
   前記ゲート電圧クランプ回路は前記第２のスイッチング素子のエミッタに接続されることを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項３において，
   前記過電圧検出回路は，ツェナーダイオードまたはブレークオーバーダイオードまたはブレークオーバーサイリスタであり，
   前記電圧検出素子のカソードが高電位側，アノードが低電位側に接続されていることを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項４において，
   前記ゲート電圧クランプ回路が抵抗で構成されたことを特徴とする電力変換装置。
7. 請求項４において，
   前記ゲート電圧クランプ回路がツェナーダイオードであり，
   前記ツェナーダイオードのアノードが前記第２のスイッチング素子のエミッタに接続されることを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項２において，
   前記ゲート電圧クランプ回路が抵抗あるいはバリスタ素子で構成されたことを特徴とする電力変換装置。
9. 請求項２において，
   前記ゲート電圧クランプ回路が２個のツェナーダイオードを直列接続した構成であり，
   前記ツェナーダイオードの一方は，アノードがゲートに接続され，
   もう一方の前記ツェナーダイオードのアノードがゲートに接続され，
   前記ツェナーダイオードのカソード同士が接続されたことを特徴とする電力変換装置。
10. １つまたは直列に接続された複数の単位変換器で構成され，
    前記単位変換器の少なくとも１は、端子と、コンデンサと、前記端子と前記コンデンサを導通及び遮断する直列接続された第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子の各々に並列に接続された第１のダイオード及び第２のダイオードを有する電力変換装置の制御方法であって、
    前記第１のダイオード及び第２のスイッチング素子を動作させて電力変換し、
    前記コンデンサと前記第１のスイッチング素子のゲートを接続可能にすると共に前記コンデンサと前記第２のスイッチング素子のゲートを接続可能とする導通回路を、前記コンデンサが過電圧状態となった場合に動作させ、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子に所定以上の過電流を流して前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子を短絡させる電力変換装置の制御方法。