JP6461424B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
[電力変換装置の概略構成]
図1は、第1の実施形態による電力変換装置の概略構成図である。電力変換装置1は、交流回路2と直流回路4との間に接続され、両回路間で電力変換を行う。図1に示すように、電力変換装置1は、主回路であるレグ回路12u,12v,12w(総称する場合または不特定のものを示す場合、レグ回路12と記載する)と、これらのレグ回路12を制御する制御装置5とを含む。制御装置5はマイクロプロセッサを含むマイクロコンピュータまたはFPGA(Field Programmable Gate Array)などによって構成された専用回路によって実現される。
図2は、第1の実施形態において図1の各アーム回路の構成例を示す回路図である。図2では、各アーム回路のリアクトル7aまたは7bは図示していない(あるいは、図1のセル群8aまたは8bを図示していると考えてもよい)。正側アーム回路6aの場合、図2の高電位側端子15pは図1の正側直流端子Npに対応し、図2の低電位側端子15nは交流端子NuまたはNvまたはNwに対応する。負側アーム回路6bの場合、図2の高電位側端子15pは図1の交流端子NuまたはNvまたはNwに対応し、図2の低電位側端子15nは負側直流端子Nnに対応する。
図3は、図2の各セルブロックに含まれる変換器セルの構成例を示す回路図である。図3(a)はハーフブリッジ型の変換器セル21Hの構成を示し、図3(b)はフルブリッジ型の変換器セル21Fの構成を示す。図3(c)は、図3(a)のハーフブリッジ型の変換器セル21Hと図3(b)のフルブリッジ型の変換器セル21Fとを混合した機能を有する混合型(混合ブリッジ型とも称する)の変換器セル21HYBの構成の一例を示す。本実施形態では、混合型の変換器セル21HYBは、フルブリッジ型の変換器セル21Fに代えて用いることができる。
図4は、図2のバイパス回路の構成例を示す回路図である。図4(a)を参照して、バイパス回路30は、互いに直列接続された複数のダイオード素子32を含む。各ダイオード素子32のカソードは高電位側に設けられ、各ダイオード素子32のアノードは低電位側に設けられる。すなわち、低電位側の外部接続ノード40nから高電位側の外部接続ノード40pの方向(すなわち、負側直流端子Nnから正側直流端子Npの方向)が、各ダイオード素子32の順方向となる。
以下、直流回路の短絡故障時の電流経路について、図5〜図8を参照してさらに詳しく説明する。
図8は、図1の制御装置の制御動作を概略的に示すフローチャートである。以下、図2および図8を参照して、これまでの説明を総括しながら、図1の制御装置5の制御動作について説明する。
以上のとおり、第1の実施形態の電力変換装置1によれば、各アーム回路6は、1つまたはカスケード接続された複数のセルブロック20を含むように構成される。さらに、各セルブロック20ごとにバイパス回路30を設けるとともに、各セルブロック20ごとにフルブリッジ型または混合型の変換器セル21F,21HYBが含まれるようにアーム回路6が構成される。
第2の実施形態では、バイパス回路30の構成の変更例について図9および図10を参照して説明する。
図9は、第2の実施形態の電力変換装置において各バイパス回路の構成を示す回路図である。図9のバイパス回路30は、各ダイオード素子32と直列接続された放電ギャップ34をさらに含む点で図4(a)のバイパス回路30と異なる。図9において、放電ギャップ34と各ダイオード素子32の配列順はどのような配列順であっても構わない。
図10は、図9のバイパス回路の変形例を示す回路図である。図10(a)のバイパス回路30は、各ダイオード素子32としてアバランシェダイオードを用いるともに、放電ギャップ34と並列に接続された抵抗素子35を含む点で図9のバイパス回路30と異なる。
[電力変換装置の起動時の問題点]
第3の実施形態は、第2の実施形態の電力変換装置1における起動時の問題点の改良を目的としている。
(1) フルブリッジ型の変換器セル21Fの半導体スイッチング素子駆動用の電源回路をできるだけ低電圧で動作可能なもの(「低電圧回路」と称する)にする。
第4の実施形態では、直流回路4の事故時にセルブロック20からバイパス回路30への短絡電流の完全な転流を、フルブリッジ型の変換器セル21Fを用いずに実現する手段について説明する。
Claims (16)
- 交流回路と直流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記交流回路に接続された交流接続部と前記直流回路に接続された正側直流端子との間に設けられた第1のアーム回路と、
前記交流接続部と前記直流回路に接続された負側直流端子との間に設けられた第2のアーム回路とを備え、
前記第1および第2のアーム回路の各々は、
1つまたはカスケード接続された複数のセルブロックと、
前記1つまたは複数のセルブロックとそれぞれ並列に接続された1つまたは複数のバイパス回路とを備え、
前記1つまたは複数のセルブロックの各々は、
他のセルブロックと接続するための高電位側の第1の接続ノードおよび低電位側の第2の接続ノードと、
前記第1および第2の接続ノード間にカスケード接続され、各々がエネルギー蓄積器を含む複数の変換器セルとを含み、
前記複数の変換器セルは、
フルブリッジ型または混合型の構成を有する少なくとも1つの第1の変換器セルと、
ハーフブリッジ型の構成を有する少なくとも1つの第2の変換器セルとを含む、電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、
前記負側直流端子から前記正側直流端子の方向が順方向となるように互いに直列接続された複数のダイオード素子を含む、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記複数のダイオード素子と直列に接続された2端子素子をさらに含み、
前記2端子素子は放電ギャップである、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記複数のダイオード素子と直列に接続された2端子素子をさらに含み、
前記2端子素子は、閾値以上の電圧が印加されると電流が流れて端子間電圧が低下する非線形の電流電圧特性を有する、請求項2に記載の電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記放電ギャップと並列に接続された非線形素子をさらに含み、
前記非線形素子は、閾値電圧以上の電圧が印加されると電流が流れる非線形の電流電圧特性を有し、前記閾値電圧は前記放電ギャップの放電開始電圧よりも小さい、請求項3に記載の電力変換装置。 - 前記複数のダイオード素子の各々は、アバランシェダイオードであり、
前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記2端子素子と並列に接続された第1の抵抗素子をさらに含む、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、
前記2端子素子と並列に接続された第1の抵抗素子と、
前記複数のダイオード素子とそれぞれ並列に接続された複数の第2の抵抗素子とをさらに含む、請求項3〜5のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のセルブロックの各々は、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルにそれぞれ対応して設けられた少なくとも1つの起動回路をさらに含み、
前記起動回路は、対応する前記第1の変換器セルに設けられた前記エネルギー蓄積器の充電電圧によって起動する低電圧回路であり、起動後にフルブリッジまたは混合型ブリッジを構成するいずれか1つの半導体スイッチング素子をオン状態に制御する、請求項3〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記エネルギー蓄積器はコンデンサであり、
各前記第1の変換器セルに設けられた前記コンデンサの容量は、各前記第2の変換器セルに設けられた前記コンデンサの容量よりも大きい、請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記エネルギー蓄積器は正側端子および負側端子を含み、
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積器の充電電圧が規定電圧に到達したら、対応する前記第1の変換器セルのブリッジを構成する4個のアームのうち、前記エネルギー蓄積器の同一端子に接続された2個のアーム上にそれぞれ設けられた2個の半導体スイッチング素子をオン状態にする、請求項8に記載の電力変換装置。 - 前記エネルギー蓄積器は正側端子および負側端子を含み、
前記1つまたは複数のセルブロックの各々は、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルにそれぞれ対応して設けられた少なくとも1つの起動回路をさらに含み、
前記起動回路は、対応する前記第1の変換器セルに設けられた前記エネルギー蓄積器の充電電圧によって起動する低電圧回路であり、
前記起動回路は、起動後に、フルブリッジまたは混合型ブリッジを構成するいずれか1つの半導体スイッチング素子をオン状態に制御する第1の制御状態と、フルブリッジまたは混合型ブリッジを構成する4個のアームのうち前記エネルギー蓄積器の同一端子に接続された2個のアーム上にそれぞれ設けられた2個の半導体スイッチング素子をオン状態に制御する第2の制御状態とを、それぞれ一定時間ずつ交互に繰り返す、請求項3〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記複数のダイオード素子および前記2端子素子と直列に接続されたノーマリーオープンのスイッチをさらに含む、請求項3〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記2端子素子と並列に接続されたノーマリークローズのスイッチをさらに含む、請求項3〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記少なくとも1つの第1の変換器セルの各々は、フルブリッジまたは混合型ブリッジを構成するいずれか1つの半導体スイッチング素子と並列に接続されたノーマリークローズのスイッチを含む、請求項3〜7のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、前記2端子素子と並列に接続された抵抗素子をさらに含む、請求項3または4に記載の電力変換装置。
- 交流回路と直流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記交流回路に接続された交流接続部と前記直流回路に接続された正側直流端子との間に設けられた第1のアーム回路と、
前記交流接続部と前記直流回路に接続された負側直流端子との間に設けられた第2のアーム回路とを備え、
前記第1および第2のアーム回路の各々は、
1つまたはカスケード接続された複数のセルブロックと、
前記1つまたは複数のセルブロックとそれぞれ並列に接続された1つまたは複数のバイパス回路とを備え、
前記1つまたは複数のセルブロックの各々は、
他のセルブロックと接続するための高電位側の第1の接続ノードおよび低電位側の第2の接続ノードと、
前記第1および第2の接続ノード間にカスケード接続され、各々がエネルギー蓄積器を含む複数のハーフブリッジ型の変換器セルと、
前記第1および第2の接続ノード間に、前記複数のハーフブリッジ型の変換器セルと直列に接続されたスイッチとを含み、
前記1つまたは複数のバイパス回路の各々は、対応するセルブロックの前記第1および第2の接続ノード間に、前記複数のハーフブリッジ型の変換器セルおよび前記スイッチの直列接続体と並列に接続される、電力変換装置。
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