JP6512710B2

JP6512710B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6512710B2
Application number: JP2016062150A
Authority: JP
Inventors: 宏信金
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2016-03-25
Filing date: 2016-03-25
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2036-03-25
Also published as: JP2017175861A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）が知られている。ＭＭＣは、直列に接続されたセル（単位変換器）で構成される電力変換装置である。セルは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子とコンデンサで構成されている。

例えば、ＭＭＣとしては、セルに異常が生じた場合、各アームで動作させるセルが同数になるようにセルを停止し、出力電圧のアンバランスを抑制することが開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１４−０４２３９６号公報

しかしながら、ＭＭＣは、階段状の電圧を出力するため、直列に接続される各セルから出力されるゲートパルス幅（時間幅）が異なる。従って、各セルの直流電圧の電圧変動を抑制するように各セルを制御しようとすると、制御が複雑になる。

そこで、本発明の目的は、直列に接続される単位変換器の直流電圧の電圧変動を抑制する電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、直列に接続される複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御する制御手段と、前記複数の単位変換器にそれぞれ設けられ、前記固定パルスパターンの長さが長い順に容量が大きい複数のコンデンサとを備える。

本発明によれば、直列に接続される単位変換器の直流電圧の電圧変動を抑制する電力変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係るＭＭＣの構成を示す構成図。実施形態に係るチョッパーセルの回路の構成を示す回路図。実施形態に係るアームの出力電圧を示す波形図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るＭＭＣ１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

ＭＭＣ１０は、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置である。ＭＭＣ１０は、三相交流の電力系統７ｕ，７ｖ，７ｗに三相交流電力を供給する。ＭＭＣ１０は、予め決められた電圧波形（固定パルス波形）の三相交流電力を出力する。

ＭＭＣ１０は、直流電源２、制御装置３、６つのアーム４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ、三相分のリアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗ、及び三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗを備える。

ＭＭＣ１０の電力変換回路は、Ｕ相の上（正極側）アーム４ｕｐ、Ｕ相の下（負極側）アーム４ｕｍ、Ｖ相の上アーム４ｖｐ、Ｖ相の下アーム４ｖｍ、Ｗ相の上アーム４ｗｐ、及びＷ相の下アーム４ｗｍで構成される。各アーム４ｕｐ〜４ｖｍは、３つのチョッパーセル（単位変換器）１ａ，１ｂ，１ｃが直列に接続（カスケード接続）された回路である。ここでは、チョッパーセル１ａ、チョッパーセル１ｂ及びチョッパーセル１ｃの順に正極側に接続されているものとするが、チョッパーセル１ａ〜１ｃは、どのような順番で接続されていてもよい。チョッパーセル１ａ〜１ｃは、最小単位の電力変換器である。各チョッパーセル１ａ，１ｂ，１ｃには、それぞれ容量（コンデンサ容量）の異なるコンデンサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃが設けられている。

直流電源２は、直流電力を６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成される電力変換回路に供給する。直流電源２は、直流電力を出力するものであれば、発電機、コンバータ、又は蓄電池等、なんでもよい。

制御装置３は、光ファイバケーブル等の伝送路を介して、各チョッパーセル１ａ〜１ｃにゲートパルス（ゲート信号）Ｐｇを出力して、各チョッパーセル１ａ〜１ｃを駆動し、ＭＭＣ１０の出力電力を制御する。制御装置３は、予め設定された固定パルスパターンに従ってゲートパルスＰｇを各チョッパーセル１ａ〜１ｃに出力する。即ち、制御装置３は、固定パルスパターン方式で、ＭＭＣ１０の出力電力を制御する。

Ｕ相のリアクトル５ｕは、Ｕ相の上アーム４ｕｐとＵ相の下アーム４ｕｍとの間に設けられる。Ｖ相のリアクトル５ｖは、Ｖ相の上アーム４ｖｐとＶ相の下アーム４ｖｍとの間に設けられる。Ｗ相のリアクトル５ｗは、Ｗ相の上アーム４ｗｐとＷ相の下アーム４ｗｍとの間に設けられる。各リアクトル５ｕ〜５ｗの中間点は、それぞれＭＭＣ１０の電力変換回路から出力される交流電力の各相の出力点となる。各リアクトル５ｕ〜５ｗの中間点は、それぞれ連系リアクトル６ｕ〜６ｗを介して、電力系統７ｕ〜７ｗの各相に接続される。各リアクトル５ｕ〜５ｗは、それぞれが設けられている相の上アーム４ｕｐ〜４ｗｐと下アーム４ｕｍ〜４ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制する。

連系リアクトル６ｕ〜６ｗは、それぞれの相の電力系統７ｕ〜７ｗとリアクトル５ｕ〜５ｗの中間点との間に設けられる。連系リアクトル６ｕ〜６ｗは、電力系統７ｕ〜７ｗと系統連系するために設けられるリアクトルである。なお、連系リアクトル６ｕ〜６ｗの代わりに連系変圧器を設けてもよい。

図２は、本実施形態に係るチョッパーセル１ａの回路の構成を示す回路図である。他のチョッパーセル１ｂ，１ｃも、回路の構成は同様である。

チョッパーセル１ａは、二重スターチョッパである。チョッパーセル１ａは、２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍ、２つの逆並列ダイオード１３ｐ，１３ｍ、及びコンデンサ１１ａにより構成された回路である。チョッパーセル１ａは、制御装置３から送信されるゲートパルスＰｇにより、２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍがスイッチングすることで駆動する。

２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍは、直列に接続されている。２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍには、それぞれ逆並列ダイオード１３ｐ，１３ｍが接続されている。コンデンサ１１ａは、２つの直列に接続されたスイッチング素子１２ｐ，１２ｍと並列に接続されている。２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍの接続点は、チョッパーセル１ａの正極端子となる。負極側のスイッチング素子１２ｍの負極側の端子（エミッタ）は、チョッパーセル１ａの負極端子となる。

次に、各チョッパーセル１ａ〜１ｃに設けるコンデンサ１１ａ〜１１ｃの容量の決定方法について説明する。

図３は、本実施形態に係るアーム４ｕｐの出力電圧を示す波形図である。図３は、アーム４ｕｐが正極の電圧を出力している時（２分の１周期）の波形である。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの出力電圧は、位相がずれる点以外は、全て同様の電圧波形である。従って、ここでは、代表して１つのアーム４ｕｐの出力電圧について説明する。また、アーム４ｕｐの出力電圧が負極の場合は、正極の出力電圧の極性を反対にしたものであるため、説明を省略する。

アーム４ｕｐの出力電圧は、アーム４ｕｐを構成する各チョッパーセル１ａ〜１ｃの出力電圧Ｖａ〜Ｖｃの総和である。

アーム４ｕｐの出力電圧の最大値（波高値）をＶｐとし、各チョッパーセル１ａ〜１ｃの出力電圧をそれぞれ電圧Ｖａ〜Ｖｃとする。

チョッパーセル１ａは、時刻ｔａからパルス幅（時間幅）Ｔａで、１／３Ｖｐ（Ｖｐの３分の１）の電圧Ｖａを出力する。チョッパーセル１ｂは、時刻ｔｂからパルス幅Ｔｂで、１／３Ｖｐの電圧Ｖｂを出力する。チョッパーセル１ｃは、時刻ｔｃからパルス幅Ｔｃで、１／３Ｖｐの電圧Ｖｃを出力する。ここでは、パルス幅Ｔａ、パルス幅Ｔｂ、パルス幅Ｔｃの順に長いものとする。

各コンデンサ１１ａ〜１１ｃは、パルス幅Ｔａ〜Ｔｃの長さが長い順（各チョッパーセル１ａ〜１ｃに流入又は流出する電流の大きさが大きい順）に大きい容量にする。従って、コンデンサ１１ａ、コンデンサ１１ｂ、コンデンサ１１ｃの順に、容量が大きくなる。各コンデンサ１１ａ〜１１ｃの容量の大きさは、各チョッパーセル１ａ〜１ｃの直流電圧（コンデンサ電圧）の変動が均一になるように決定する。

本実施形態によれば、ＭＭＣ１０のチョッパーセル１ａ〜１ｃに設けられたコンデンサ１１ａ〜１１ｃの容量を、パルス幅Ｔａ〜Ｔｃの長さが長い順又は各チョッパーセル１ａ〜１ｃに流入又は流出する電流の大きさが大きい順に従って大きくすることで、各チョッパーセル１ａ〜１ｃの直流電圧の変動を抑制することができる。例えば、固定パルスパターン方式のゲートパルス制御をするＭＭＣ１０において、低周波スイッチングのチョッパーセルの直流電圧変動を抑制することができる。

なお、本実施形態では、アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、３つのチョッパーセル１ａ〜１ｃで構成されているものとして説明したが、アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、２つ以上であれば、いくつのチョッパーセルで構成されていてもよい。また、チョッパーセルの冗長性を確保するために、１周期の間に電圧を出力しないチョッパーセルがあってもよい。

本実施形態では、１つのアーム４ｕｐを構成するチョッパーセル１ａ〜１ｃの出力電圧（固定パルスパターン）の大きさ（高さ）を全て同じにし、出力電圧のパルス幅を全て異なるものとしたが、各チョッパーセル１ａ〜１ｃ出力電圧の大きさが異なっていてもよいし、出力電圧のパルス幅が同じチョッパーセルがあってもよい。このような場合でも、各チョッパーセルに流入又は流出する電流の大きさに応じてコンデンサの容量を決定することで、各チョッパーセルの直流電圧の変動を抑制することができる。また、チョッパーセル１ａ〜１ｃの出力電圧は、１パルスでなくてもよい。このような場合でも、１周期においてチョッパーセルに流入又は流出する電流の大きさに応じてコンデンサの容量を決定することで、実施形態と同様の構成にすることができる。

本実施形態では、チョッパーセル１ａ〜１ｃが全て正常の場合について説明したが、チョッパーセル１ａ〜１ｃのいずれか１つでも異常になった場合は、本実施形態のように構成されていなくてもよい。例えば、１つのチョッパーセルが異常になった場合、残りの正常なチョッパーセルで、アームの電圧を出力する必要がある。このような場合は、正常な各チョッパーセルに設けられたコンデンサの容量と、パルス幅の長さ、又は各チョッパーセルに流入若しくは流出する電流の大きさが対応していなくてもよい。但し、このような異常時でも、正常な各チョッパーセルに設けられたコンデンサの容量と、パルス幅の長さ、又は各チョッパーセルに流入若しくは流出する電流の大きさが対応するように、制御装置３がゲートパルスＰｇを出力して、各チョッパーセルの出力電圧を制御することで、各チョッパーセルの直流電圧変動をある程度抑制することができる。

本実施形態では、単位変換器を二重スターチョッパで説明したが、これに限らない。直列に接続されることにより、ＭＭＣのような電力変換装置を構成するものであれば、どのような単位変換器でもよい。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ａ，１ｂ，１ｃ…チョッパーセル、２…直流電源、３…制御装置、４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ…アーム、５ｕ，５ｖ，５ｗ…リアクトル、６ｕ，６ｖ，６ｗ…連系リアクトル、７ｕ，７ｖ，７ｗ…電力系統、１０…ＭＭＣ、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ…コンデンサ。

Claims

直列に接続される複数の単位変換器と、
前記複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御する制御手段と、
前記複数の単位変換器にそれぞれ設けられ、前記固定パルスパターンの長さが長い順に容量が大きい複数のコンデンサと
を備えることを特徴とする電力変換装置。
電力変換装置を構成する直列に接続される複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御し、
複数のコンデンサを前記複数の単位変換器に、前記固定パルスパターンの長さが長い順に容量が大きくなるようにそれぞれ設けること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。