JP6490312B2 - 電力変換装置および直流送電システム - Google Patents
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Description
本実施の形態1では、本発明の電力変換装置の一実施形態として、三相電力系統と直流電力系統との間を連系する電力変換装置を例に挙げて説明する。本実施の形態に係る電力変換装置の定常状態の動作、すなわち、通常運転時の動作は、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する整流器動作である。従って、本実施の形態1に係る電力変換装置は、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する直流送電システムにおいて、インバータ端ではなく、整流器端に設置することが望ましい。
変換器セル1のうちの少なくとも1つは、半導体スイッチング素子11uと半導体スイッチング素子11uに逆並列接続されたダイオード12uとから構成される上アーム13uと、上アーム13uに直列接続され、半導体スイッチング素子11bと半導体スイッチング素子11bに逆並列接続されたダイオード12bとから構成される下アーム13bとを有している。
また、半導体スイッチング素子11uは、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、半導体スイッチング素子11bは、逆導通が可能な半導体スイッチング素子から構成されている。そうして、半導体スイッチング素子11bとダイオード12bとを同時に導通状態にする。
当該構成により、ダイオードに流れる電流が大きい側の下アーム13bにおいて、ダイオード12bに流れる電流を半導体スイッチング素子11bに分流できるため、ダイオード12bに発生する損失が低減される。それにより、冷却器の小型化が可能である。
本実施の形態では、実施の形態1と同様に、三相電力系統と直流電力系統との間を連系し、三相電力系統から直流電力系統へ電力を送電する整流器端に適用される電力変換装置について、変換器セルの回路構成が実施の形態1とは異なる例について説明する。
本実施の形態では、実施の形態1または実施の形態2で説明した電力変換装置を用いて構成される直流送電システムについて説明する。本実施の形態においては、交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する整流器端電力変換装置と、交流系統と直流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電するインバータ端電力変換装置から構成される2端子の直流送電システムの例について説明する。
上述した実施の形態1〜3では、電力系統および直流送電システムに適用される電力変換装置について述べた。本発明に係る電力変換装置は、電力系統および直流送電システム以外にも適用することが可能である。本実施の形態4では、その一例として、モータドライブシステムに適用される電力変換装置について説明を行う。
Claims (13)
- 交流と直流間で電力を授受する電力変換装置であって、
前記交流側に接続される交流端子と、
前記直流側に接続される直流端子と、
前記交流端子と前記直流端子との間に接続された複数の変換器セルと
を備え、
各前記変換器セルは、
第1の半導体スイッチング素子と前記第1の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第1のダイオードとから構成される第1のアームと、
前記第1のアームに直列接続され、第2の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第2のダイオードとから構成される第2のアームと
から構成されるレグを少なくとも1つ有し、
前記レグにおける一方向が正方向と定義され、前記レグにおける前記一方向と反対の方向が負方向と定義され、前記第1および第2のダイオードは、前記負方向に導通可能に構成され、
前記第1の半導体スイッチング素子は、前記正方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第2の半導体スイッチング素子は、前記正方向および前記負方向に導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、
複数の変換器セルは、定常状態で前記交流側から前記直流側に電力を送電する整流器動作を行うように制御され、
前記定常状態で前記第1のアームに流れる前記正方向の電流は、定常状態で前記第1のアームに流れる前記負方向の電流よりも大きく、
前記定常状態で前記第2のアームに流れる前記負方向の電流は、定常状態で前記第2のアームに流れる前記正方向の電流よりも大きく、
前記第2のダイオードが導通状態のときに前記第2の半導体スイッチング素子も同時に導通状態とする、
電力変換装置。 - 定常状態で前記第1のアームに流れる前記正方向の電流の最大値は、定常状態で前記第2のアームに流れる前記正方向の電流の最大値よりも大きく、
定常状態で前記第2のアームに流れる前記負方向の電流の最大値は、定常状態で前記第1のアームに流れる前記負方向の電流の最大値よりも大きい、
請求項1記載の電力変換装置。 - 前記変換器セルは、前記第1および第2のアームから構成されるレグと並列に接続されたエネルギー蓄積素子をさらに含み、
前記第1のアームの一端および前記第2のアームの一端がそれぞれ前記エネルギー蓄積素子に接続され、
前記第1のアームの他端と前記第2のアームとの第1の接続点が第1の出力端子に接続され、前記第2のアームの他端と前記エネルギー蓄積素子との第2の接続点が第2の出力端子に接続され、
前記第1の半導体スイッチング素子は、前記エネルギー蓄積素子から前記第1の接続点への方向にのみ導通可能に構成され、
前記第2の半導体スイッチング素子は、前記第1の接続点から前記第2の出力端子への方向に導通可能でかつ前記第2の接続点から前記第1の接続点への方向に導通可能に構成される、
請求項1または2記載の電力変換装置。 - 前記変換器セルは、前記変換器セルの電圧出力がオフの場合に、前記第2のダイオードが導通状態のときに前記第2の半導体スイッチング素子も同時に導通状態となる、
請求項1から3までのいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1のアームに入力する第1のゲート信号および前記第2のアームに入力する第2のゲート信号を生成するセル制御部をさらに備え、
前記セル制御部は、前記第1のアームに入力される前記第1のゲート信号を論理反転することにより前記第2のアームに入力される前記第2のゲート信号を生成する、
請求項4に記載の電力変換装置。 - 前記変換器セルは、
前記第1および第2のアームから構成されるレグを第1のレグとして有するとともに、
第3および第4のアームから構成されるレグを第2のレグとして有し、
前記第3のアームは、第3の半導体スイッチング素子と前記第3の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第3のダイオードとから構成され、
前記第4のアームは、前記第3のアームに直列接続され、第4の半導体スイッチング素子と前記第4の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第4のダイオードとから構成され、
前記変換器セルは、
前記第1のレグと並列でかつ前記第2のレグと並列に接続されたエネルギー蓄電素子をさらに含み、
前記第1のアームと前記第2のアームとの接続点が第3の出力端子に接続され、前記第3のアームと前記第4のアームとの接続点が第4の出力端子に接続され、
前記第3および第4の半導体スイッチング素子の各々は、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成される、請求項1または2記載の電力変換装置。 - 交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する1以上の第1の電力変換装置と、直流系統と交流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電する1以上の第2の電力変換装置とから構成される直流送電システムであって、
前記第1の電力変換装置は、
第1の交流系統に接続される第1の交流端子と、
第1の直流系統に接続される第1の直流端子と、
前記第1の交流端子と前記第1の直流端子との間に接続された複数の第1の変換器セルと
を備え、
各前記第1の変換器セルは、
第1の半導体スイッチング素子と前記第1の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第1のダイオードとから構成される第1のアームと、
前記第1のアームに直列接続され、第2の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第2のダイオードとから構成される第2のアームと
から構成されるレグを少なくとも1つ有し、
前記レグにおける一方向が正方向と定義され、前記レグにおける前記一方向と反対の方向が負方向と定義され、前記第1および第2のダイオードは、前記負方向に導通可能に構成され、
前記第1の半導体スイッチング素子は、前記正方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第2の半導体スイッチング素子は、前記正方向および前記負方向に導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、
定常状態で前記第1のアームに流れる前記正方向の電流は、定常状態で前記第1のアームに流れる前記負方向の電流よりも大きく、
定常状態で前記第2のアームに流れる前記負方向の電流は、定常状態で前記第2のアームに流れる前記正方向の電流よりも大きく、
前記第2のダイオードが導通状態のときに前記第2の半導体スイッチング素子も同時に導通状態とする、
直流送電システム。 - 定常状態で前記第1のアームに流れる前記正方向の電流の最大値は、定常状態で前記第2のアームに流れる前記正方向の電流の最大値よりも大きく、
定常状態で前記第2のアームに流れる前記負方向の電流の最大値は、定常状態で前記第1のアームに流れる前記負方向の電流の最大値よりも大きい、
請求項7記載の直流送電システム。 - 前記第1の変換器セルは、前記第1の変換器セルの電圧出力がオフの場合に、前記第2のダイオードが導通状態のときに前記第2の半導体スイッチング素子も同時に導通状態となる、
請求項7または8に記載の直流送電システム。 - 前記第1の電力変換装置は、
前記第1のアームに入力する第1のゲート信号および前記第2のアームに入力する第2のゲート信号を生成するセル制御部をさらに備え、
前記セル制御部は、前記第1のアームに入力される前記第1のゲート信号を論理反転することにより前記第2のアームに入力される前記第2のゲート信号を生成する、
請求項9に記載の直流送電システム。 - 前記第1の変換器セルは、チョッパ回路またはフルブリッジ回路から構成される、
請求項7から10までのいずれか1項に記載の直流送電システム。 - 交流系統と直流系統とを連系して交流系統から直流系統へ電力を送電する1以上の第1の電力変換装置と、直流系統と交流系統とを連系して直流系統から交流系統へ電力を送電する1以上の第2の電力変換装置とから構成される直流送電システムであって、
前記第1の電力変換装置は、
第1の交流系統に接続される第1の交流端子と、
第1の直流系統に接続される第1の直流端子と、
前記第1の交流端子と前記第1の直流端子との間に接続された複数の第1の変換器セルと
を備え、
各前記第1の変換器セルは、
第1の半導体スイッチング素子と前記第1の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第1のダイオードとから構成される第1のアームと、
前記第1のアームに直列接続され、第2の半導体スイッチング素子と前記第2の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第2のダイオードとから構成される第2のアームと
から構成されるレグを少なくとも1つ有し、
前記第1の半導体スイッチング素子は、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成され、前記第2の半導体スイッチング素子は、逆導通が可能な半導体スイッチング素子から構成され、
前記第2の電力変換装置は、
前記第1の直流系統を介して前記第1の電力変換装置の前記第1の直流端子に接続される第2の直流端子と、
第2の交流系統に接続される第2の交流端子と、前記第2の直流端子と前記第2の交流端子との間に接続された複数の第2の変換器セルと
を備え、
各前記第2の変換器セルは、
第3の半導体スイッチング素子と前記第3の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第3のダイオードとから構成される第3のアームと、
前記第3のアームに直列接続され、第4の半導体スイッチング素子と前記第4の半導体スイッチング素子に逆並列接続された第4のダイオードとから構成される第4のアームと
から構成されるレグを少なくとも1つ有し、
前記第3の半導体スイッチング素子及び前記第4の半導体スイッチング素子は、単方向のみ導通可能な半導体スイッチング素子から構成されている、
直流送電システム。 - 請求項1から6までのいずれか1項に記載の電力変換装置と、
前記電力変換装置に接続され、モータを駆動するインバータと
を備えた、モータドライブシステム。
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