JP6471470B2 - 電力変換装置の初期充電方法および初期充電装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数個のインバータセルを直列接続して構成した電力変換装置の初期充電方法および初期充電装置に関する。

図４は、複数個のインバータセルを直列接続して構成した電力変換装置の初期充電装置の従来例を示す。図４に示された電力変換装置２は、△結線された３つの相アームからなる３相電力変換装置である。各相アームは、それぞれ３個の直列接続されたインバータセル４ａ，４ｂ，４ｃ；４ｄ，４ｅ，４ｆ；４ｇ，４ｈ，４ｉで構成されており、各相アームにはそれぞれ１つのリアクトル３ａ，３ｂ，３ｃが直列に挿入接続されている。電力変換装置２は遮断器５を介して３相電力系統１に接続されている。

電力変換装置２の個々のインバータセル４ａ〜４ｉは、図５に示すインバータセル４のように、例えばＩＧＢＴやＧＴＯなどの半導体スイッチ８ａ〜８ｄの単相フルブリッジ回路からなり、各半導体スイッチ８ａ〜８ｄは逆並列ダイオード９ａ〜９ｄを有し、インバータセル４の直流端子間には直流コンデンサ７が接続されている。従って、インバータセル４は、いわゆる電圧形インバータとして構成されおり、特に好ましくはＰＷＭ電圧形インバータであるとよい。インバータセル同士の直列接続は、インバータセル４の交流端子を介して行われる。

電力変換装置２は、インバータセル４ａ〜４ｉからそれぞれ出力電圧を出力し、その出力を加算することで、１つのインバータセルよりも高調波歪が少なく、高電圧出力が得られる電力変換装置であり、一般に、ＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と呼ばれる回路方式である。図４の例では３直列としているが、直列数を増やしていくことで、さらに低歪化、高電圧化が達成される。

電力変換装置２を起動する際に、インバータセル４ａ〜４ｉのコンデンサ７が充電されていない状態で遮断器５を閉じると、電力系統１から過大な突入電流が流れ、機器の損傷を引き起こす可能性がある。このために電力変換装置２の起動時は、各インバータセル４ａ〜４ｉのコンデンサ７を予め充電してから遮断器５を閉じる必要がある。そこで、従来技術では、電力変換装置２の各相出力端子に遮断器１０を介して接続可能な可変電源６を設け、インバータセル４ａ〜４ｉを起動するときには、先ず可変電源６の電圧をほぼ零にした状態で遮断器１０を閉じてから、可変電源６の電圧を徐々に増大してゆくことで、インバータセル４ａ〜４ｉのダイオード９ａ〜９ｄを介してコンデンサ７の充電を行う。このように電力変換装置２の交流出力側に可変電源を投入して、各インバータセル４ａ〜４ｉのコンデンサ４の初期充電を行うことは公知である（例えば、特許文献１参照）。

上述の従来技術において、充電器の可変電源６を投入する遮断器１０に印加される電圧は、充電中は電力系統１の電圧より低い電圧であるが、運転中は電力系統１と同等の電圧、つまり３３ｋＶや６６ｋＶといった高電圧であることから、高電圧用の遮断器１０が必要となる。しかも可変電源６が３台必要となることから、コスト高、大型化の要因となる。

特開２０１１−２２３７３５号明細書

従って、本発明の課題は、小型で安価な充電器を用いて、電力変換装置の始動時に起こり得る直流コンデンサへの突入電流を抑制することを可能にする電力変換装置の初期充電方法および初期充電装置を提供することにある。

上記課題は、方法発明に関しては、それぞれ直流側に直流コンデンサを接続され、交流出力側を互いに直列接続されている複数個のインバータセルから構成された電力変換装置の初期充電方法において、予め定めた１つのインバータセルの直流側に充電器を接続して、このインバータセルの直流コンデンサを充電した後、順次、他のインバータセルの中から１つのインバータセルのみを選択して当該インバータセルの半導体スイッチを全てオフ状態とすると同時に、残りのインバータセルの半導体スイッチを出力側短絡状態に制御することにより、充電器が接続されたインバータセルの出力電圧を用いて他のインバータセルの直流コンデンサを充電することによって解決される。

上記課題は、装置発明に関しては、それぞれ直流側に直流コンデンサを接続され、交流出力側を互いに直列接続されている複数個のインバータセルから構成された電力変換装置の初期充電装置において、予め定めた１つのインバータセルの直流側にスイッチ手段を介して接続した充電器と、接続された充電器によりこのインバータセルの直流コンデンサを充電した後、順次、他のインバータセルの中から１つのインバータセルのみを選択して当該インバータセルの半導体スイッチを全てオフ状態とすると同時に、残りのインバータセルの半導体スイッチを出力側短絡状態に制御することにより、充電器を接続されたインバータセルの出力電圧を用いて他のインバータセルの直流コンデンサを充電する初期充電用の制御手段とを有することによって解決される。

本発明によれば、充電器を接続された１つのインバータセル（以下、これを特定インバータという）の直流コンデンサを先ず充電してから、この特定インバータセルの出力電圧を用いて、順次、他のインバータセルの直流コンデンサを１つずつ充電していくことによって、特定インバータセルは、その都度１つのインバータセルの直流コンデンサしか充電しないので、他のインバータセルと全く同じように、起動後の通常運転を行うに足る容量を持てばよく、特別な容量増大は不要である。しかも、本発明によれば、特定インバータセルの初期充電動作およびその後の出力電圧発生動作と、他のインバータセルの中から順次１つ選ばれるインバータセルの全オフ状態による初期充電動作と、残りのインバータセルの出力短絡状態によるバイパス動作とによって、充電器は、特定インバータのコンデンサを充電する期間も、特定インバータを介して他のインバータセルのコンデンサを順次充電していく期間も、常に１つのインバータセルのコンデンサしか充電しないので、小型で安価な充電器を用いることができる。

図１は本発明による電力変換装置の初期充電装置の実施例を示す回路図である。 図２は図１の実施例における充電器の構成例を示す回路図である。 図３は図１の実施例を、特に電力変換装置のインバータセルについて、より詳しく示す回路図である。 図４は電力変換装置の初期充電装置の従来の構成例を示す回路図である。 図５は電力変換装置のインバータセルの構成例を示す回路図である。

図１は本発明による電力変換装置の初期充電装置の実施例を示す。電力系統１に遮断器５を介して電力変換装置２が接続され、電力変換装置３の△結線された各相アームが、リアクトル３ａ〜３ｃと、３直列のインバータセル４ａ〜４ｉとで構成されている点は、図４に示した従来例と同じ構成である。また、各インバータセル４ａ〜４ｉが、半導体スイッチ８ａ〜８ｄと逆並列ダイオード９ａ〜９ｄとからなる単相フルブリッジ回路と、このブリッジ回路の直流端子間に接続された直流コンデンサ７とから構成されている点も、そして各相アームにおいて３個のインバータセルがそれらの交流出力端子を介して直列接続されている点も、図４および図５に示した従来例と同じ構成である（図３参照）。

図１に示す本発明による初期充電装置では、図４の従来例とは違って、電力変換装置２を構成する３×３＝９個のインバータセル４ａ〜４ｉのうち予め定めた１つのインバータセル（特定インバータセル）の直流側に充電器１１が接続されている。図示の例では、インバータセル４ａが特定インバータセルである。充電器１１は、例えば図２示されているように遮断器１２、抵抗１３、変圧器１４およびダイオード１５ａ〜１５ｆよりなる整流器から構成されている。充電器１１は遮断器１２によって充電用の３相交流電源１６に接続可能である。ダイオード整流器１５ａ〜１５ｆの直流出力端子が特定インバータセル４ａの直流側に接続されている。即ち、図３から明らかのように、充電器１１によって特定インバータセル４ａの直流側に接続されたコンデンサ７を充電することができる。抵抗１３は充電電流を制限するのに役立ち、変圧器１４は絶縁と昇圧のために役立つ。

電力変換装置２は、通常運転用の図示していない公知の制御手段のほかに、起動時の初期充電のために本発明に従って次の方法ステップを実行する図示していない制御手段を有する。
（１）遮断器１２を閉じて充電器１１を投入することにより特定インバータセル４ａのコ ンデンサ７を充電する。
（２）特定インバータセル４ａを除く他のインバータセル４ｂ〜４ｉの中から、まだ充電 を行っていない１つのインバータセル（例えば４ｄ）を、次に充電を行うべきイン バータセルとして選択する。
（３）選択したインバータセル（例えば４ｄ）の半導体スイッチを全てオフ状態にすると 共に、残りの全てインバータセル（例えば４ｂ〜４ｃ，４ｅ〜４ｆ）の半導体スイ ッチの上アーム８a，８ｃ（または下アーム８ｂ，８ｄ）をオンにして、出力側短 絡状態となるように制御する。
（４）特定インバータセル４ａが徐々に増大する出力電圧Ｖｃｅｌｌを出力するように半 導体スイッチをオンオフ制御することにより、選択したインバータセル（例えば４ ｄ）のコンデンサ７を徐々に充電する。
（５）他のインバータセル４ｂ〜４ｉの全てについて充電過程が終了したならば、次のス テップ（６）に移行する。そうでないならばステップ（２）に戻って繰り返し動作 を行う。
（６）遮断器１２を開いて充電器１１を開放して初期充電過程を終了する。

従って、遮断器１２、抵抗１３、変圧器１４、ダイオード整流器１５ａ〜１５ｂからなる充電器１１に接続されたインバータセル（特定インバータセル）４ａでは、遮断器１２による充電器１１の投入によって、この特定インバータセルに属するコンデンサ７が、充電器１１を介して交流電源１６から充電される。充電後、特定インバータセル４ａは、他の各インバータセル４ｂ〜４ｉのコンデンサの充電過程ごとに、徐々に増大する出力電圧Ｖｃｅｌｌを出力するという可変電圧充電動作を繰り返すことにより、他のインバータセル４ｂ〜４ｉのコンデンサ７を１つずつ順次充電する。他のインバータセル４ｂ〜４ｉの全てコンデンサ７の充電が完了したとき、特定インバータセル４ａの充電動作を終了させ、遮断器１２を開いて充電器１１を開放する。これによって遮断器５の投入が許可され、遮断器５によって電力変換装置２が電力系統１に投入される。このとき、電力変換装置２では全てインバータセル４ａ〜４ｉのコンデンサ７が充電されているので、過大な突入電流は発生しない。

特定インバータセル４ａを除く他のインバータセル４ｂ〜４ｉの中から、その都度まだ充電されていない１つのンバータセル、例えばインバータセル４ｄを、その都度１つの充電すべきインバータセルとして選択することにより、選択したインバータセル４ｄと、残りのインバータセル４ｂ〜４ｃ，４ｅ〜４ｉとを区別して制御する。即ち、選択したインバータセル４ｄの半導体スイッチ８ａ〜８ｄは全て制御しない状態とする、即ち、いわば「全オフ状態に制御する」のに対して、残りのインバータセル４ｂ〜４ｃ，４ｅ〜４ｉの半導体スイッチチ８ａ〜８ｄは、出力側が短絡された状態になるように制御する。従って、特定インバータセルの出力電圧Ｖｃｅｌｌによって流される電流は、全オフ状態にある選択インバータセル４ｄではコンデンサ７を経由する充電電流となり、出力側短絡状態にある残りのインバータセル４ｂ〜４ｃ，４ｅ〜４ｉではコンデンサ７を経由しないバイパス電流となる。かくして、特定インバータセル４ａの出力電圧Ｖｃｅｌｌによって充電されるインバータセルは、その都度選択された１つのインバータセル４ｄのみである。

インバータセルの出力短絡状態は、特定インバータセル４ａの出力電圧Ｖｃｅｌの極性に応じてインバータセル内の半導体スイッチ４ａ〜４ｄを次のように制御することによって行うことができる。例えば、図３を参照して、例えばインバータセル４ｇについて説明する。特定インバータセル４ａの出力電圧Ｖｃｅｌｌの極性が、矢印で示すように、インバータセル４ｇに上側の配線から入って下側の配線に抜け出る電流方向に相当する場合には、ダイオード９ａを経て半導体スイッチ８ｃを通るバイパス路が形成されるように半導体スイッチ８ｃをオンに制御する。この代わりに、半導体スイッチ８ｂを通ってダイオード９ｄを経るバイパス路が形成されるように半導体スイッチ８ｂをオンに制御してもよい。逆に、特定インバータセル４ａの出力電圧Ｖｃｅｌの極性が、電流がインバータセル４ｇに下側の配線から入って上側の配線に抜け出る電流方向に相当する場合には、ダイオード９ｃを経て半導体スイッチ８ａを通るバイパス路が形成されるように半導体スイッチ８ｃをオンに制御する。この代わりに、半導体スイッチ８ｂを通ってダイオード９ｄを経るバイパス路が形成されるように半導体スイッチ８ｂをオン制御してもよい。

以上のように、本発明によれば、充電器１１を接続された１つのインバータセル（特定インバータセル）４ａの直流コンデンサ７を先ず充電してから、この特定インバータセル４ａの出力電圧Ｖｃｅｌｌを用いて、順次、他のインバータセル４ｂ〜４ｉの直流コンデンサ７を１つずつ充電していくことによって、特定インバータセル４ａは、その都度において１つのインバータセルの直流コンデンサしか充電しないので、他のインバータセルと全く同じように、起動後の通常運転を行うに足る容量を持てばよく、特別な容量増大は不要である。

しかも、本発明によれば、特定インバータセル４ａの初期充電動作およびその後の出力電圧発生動作と、他のインバータセルの中から順次１つ選ばれるインバータセル（例えば４ｄ）の全オフ状態でのコンデンサ充電動作と、残りのインバータセル（例えば４ｂ〜４ｃ，４ｅ〜４ｉ）の出力短絡状態でのバイパス動作とによって、充電器１１は、特定インバータ４ａのコンデンサ７を充電する期間も、特定インバータ４ａを介して他のインバータセル４ｂ〜４ｉのコンデンサ７を順次充電していく期間も、常に１つのインバータセルのコンデンサ７しか充電しないので、小型で安価な充電器を用いることができる。

１：電力系統
２：電力変換器
３ａ〜３ｃ：リアクトル
４ａ〜４ｉ：インバータセル
５：遮断器
７：直流コンデンサ
８ａ〜８ｄ：半導体スイッチ
９ａ〜９ｄ：ダイオード
１１：充電器
１２：遮断器
１３：抵抗
１４：変圧器
１５ａ〜１５ｂ：ダイオード整流器
１６：充電用交流電源

Claims (5)

1. Δ結線された３つの相アームからなり、各相アームは、それぞれ直流側に直流コンデンサが接続され、交流側が互いに直列接続されている複数個のインバータセルと、複数個のインバータセルに直列接続された１つのリアクトルから構成された電力変換装置の初期充電方法において、
   予め定めた１つのインバータセルの直流側に充電器を接続して、このインバータセルの直流コンデンサを充電した後、順次、他のインバータセルの中から１つのインバータセルのみを選択して当該インバータセルの半導体スイッチを全オフ状態とすると同時に、残りのインバータセルの半導体スイッチを出力側短絡状態に制御することにより、充電器が接続されたインバータセルの出力電圧を用いて他のインバータセルの直流コンデンサを充電することを特徴とする電力変換装置の初期充電方法。
2. （１）充電器の投入により充電器を接続したインバータセル（特定インバータセル）のコンデンサを充電するステップ、
   （２）特定インバータセルを除く他のインバータセルの中から、まだ充電を行っていないインバータセルの１つを、次に充電を行うべきインバータセルとして選択するステップ、
   （３）選択したインバータセルの半導体スイッチを全てオフ状態にし、残りの全てインバータセルの半導体スイッチを出力側短絡状態に制御するステップ、
   （４）特定インバータセルの半導体スイッチを、特定インバータセルが徐々に立ち上がる出力電圧を出力するように制御することにより、選択したインバータセルの直流コンデンサを充電するステップ、
   （５）他のインバータセルの全てについて充電過程が終了したならば、次のステップ（６）に移し、そうでないならばステップ（２）に戻すステップ、
   （６）充電器を開放して電力変換装置の初期充電過程を終了するステップ、
   を有する請求項１に記載の電力変換装置の初期充電方法。
3. 充電器が遮断器と抵抗と変圧器とダイオード整流器とから構成され、交流電源によって給電可能であることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置の初期充電方法。
4. Δ結線された３つの相アームからなり、各相アームは、それぞれ直流側に直流コンデンサが接続され、交流側が互いに直列接続されている複数個のインバータセルと、複数個のインバータセルに直列接続された１つのリアクトルから構成された電力変換装置の初期充電装置において、
   予め定めた１つのインバータセルの直流側にスイッチ手段を介して接続した充電器と、
   接続された充電器によりこのインバータセルの直流コンデンサを充電した後、順次、他のインバータセルの中から１つのインバータセルのみを選択して当該インバータセルの半導体スイッチを全オフ状態とすると共に、残りのインバータセルの半導体スイッチを出力側短絡状態に制御することにより、充電器を接続されたインバータセルの出力電圧を用いて他のインバータセルの直流コンデンサを充電する初期充電用の制御手段とを有することを特徴とする電力変換装置の初期充電装置。
5. 充電器が遮断器と抵抗と変圧器とダイオード整流器とから構成され、交流電源によって給電可能であることを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置の初期充電装置。
   

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