JP6568788B2 - 変圧器及び電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、変圧器及び電力変換装置に関する。

半導体スイッチング素子で構成される電力変換装置は、電力系統等の負荷に対して無効電力補償装置や電動機負荷への電力供給など、幅広い用途で利用されている。電力変換装置を電力系統等の負荷に接続する場合に一般的に変圧器を介して接続することが多い。一方、電力変換装置は半導体スイッチング素子をオン・オフさせて動作するものであり一般的に高調波を発生させるので、例えば電力変換装置から電力系統への高調波電流の流出量を制限するため、高調波電流を吸収する高調波フィルタの設置が必要な場合がある。

電力変換装置に付随する高調波フィルタの接続として、変圧器は交流側巻線及び直流側巻線から構成されているところ、この交流側巻線及び直流側巻線に加え、変圧器に新たなフィルタ用巻線を設けて、このフィルタ用巻線 に高調波フィルタを接続するものが知られている。このような技術は、例えば、特開２００４−２８８８６２号公報に記載されている。

特開２００４−２８８８６２号公報

上記従来技術では、高調波フィルタを実現するために、高調波フィルタ用の巻線を変圧器に設けて高調波フィルタを接続しているが、しかしながら、この構成では、変圧器に余分な巻線が必要となり、変圧器自体の体積が大きくなるという問題があった。

本発明の目的は、上記問題点を解決することにあり、装置全体の大型化を抑えたまま高調波フィルタを接続することが可能な変圧器及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、変圧器を介して負荷と接続され、前記変圧器は、負荷側の一次巻線と、二次巻線の２つの巻線を少なくとも有しており、前記一次巻線と二次巻線のいずれかは中間部を有しており、変換動作に伴って発生する高調波を抑制するように前記中間部は高調波フィルタに接続されるように構成した。

あるいは、電力変換器が接続するものであって、前記電力変換器が接続する巻線と、電力負荷に接続する巻線をそれぞれ一つ以上有する変圧器であって、前記巻線のいずれかの中間部に外部と接続するための接続端子を有し、前記接続端子に高調波フィルタを接続するように構成した。

本発明によれば、高調波フィルタの接続が可能であり、且つ、装置全体の体積を小さくできる。

上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施形態の説明により明らかにされる。

本発明の第一の実施形態に係わる電力変換装置と電力系統の構成を示した図。 本発明の第一の実施形態に係わる電力変換器の構成を示した図。 本発明の第一の実施形態に係わる高調波フィルタの構成を示した図。 本発明の第一の実施形態に係わる変圧器の正相インピーダンスを示した図。 本発明の第二の実施形態に係わる電力変換装置と電力系統の構成を示した図。 本発明の第二の実施形態に係わる単位電力変換器の構成を示した図。 本発明の第三の実施形態に係わる電力変換装置と電力系統の構成を示した図。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

以下本発明の第一の実施例を図１乃至図４に沿って説明する。
図１は本発明を適用した電力変換装置の第一の実施例として、無効電力補償装置１の構成を示したものである。無効電力補償装置１は変圧器３で電力変換器４の出力電圧を昇圧した後、電力系統２に接続する。変圧器３は主に電力系統２と接続する一次巻線３１および電力変換器４と接続する二次巻線３２で構成される。変圧器３はこの他の構成要素として鉄心や絶縁物、また用途に応じて３次巻線等を持つ場合もあるが、図１中では省略してある。

図２は無効電力補償装置１を構成する電力変換器４の詳細な構成を示した図である。電力変換器４は半導体スイッチング素子４１P、４１N、４２P、４２N、４３P、４３Nおよび直流コンデンサ４４で構成する。半導体スイッチング素子４１P、４１N、４２P、４２N、４３P、４３NはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)およびIGBTと並列接続したダイオードで構成する。電力変換器４は構成要素であるIGBTのオン・オフ状態を切り替えて制御することで、出力する電圧あるいは電力を制御することが可能である。具体的には、無効電力補償装置１を動作させるために、半導体スイッチング素子４１P、４１N、４２P、４２N、４３P、４３Nをオン・オフさせて、無効電力補償装置として、遅れ無効電力や進み無効電力を出力する。すなわち、系統２の電圧と無効電力補償装置１の出力電圧との電圧差で連系リアクトルに流れる無効電力を調整して連続的に出力を可変する。なお電力変換器４を構成するゲートドライバや制御電源等の構成要素については、図２では省略してある。なお図２では電力変換器４として所謂２レベル変換器を用いて説明したが、本実施例の効果は異なる構成を持つ電力変換器でも実現可能である。例えばIGBTを利用した３レベル変換器、単位変換器をカスケード接続したモジュラー・マルチレベル変換器やサイリスタを用いた他励式変換器であっても本実施例の効果は実現可能である。

図１に図示するように電力変換器４は変圧器３を構成する巻線３２に接続する。通常変圧器３の巻線は電位差が異なる部分との絶縁を実現するため、絶縁物である油等の中に配置される。ただし巻線が外部と接続する部分はブッシングや碍子等の接続端子を介して絶縁物の外側に引き出される。変圧器３は接続端子３３において電力変換器４と接続する。同様に変圧器３は接続端子３５において電力系統２と接続する。

前述したように電力変換器４は構成要素である半導体素子のオン・オフ状態を切替えることでおよそ目的とした電圧波形を出力する。例えば本実施例では電力変換器４は電力系統２の交流電圧と同一周期の擬似交流電圧を出力する。例えば系統１が５０Hz或いは６０Hzの周波数であれば該周波数相当の同一周期の擬似交流電圧を出力する。しかしながら電力変換器４の出力する擬似交流電圧は純粋な正弦波とは異なり、電力系統２の交流電圧周期とは異なる周期の電圧成分、所謂高調波電圧を持つ。一般的に、この高調波電圧は数百kHzから１０００kHzの周波数成分を持つ。この高調波電圧、あるいは高調波電圧により発生する高調波電流が電力系統２に流出した場合、電力系統２に接続した機器の誤作動やフリッカと呼ばれる系統電圧の変動現象、あるいは電力系統２内に並列接続したコンデンサの異常加熱等を引き起こす虞がある。このため系統に連系する電力変換器４が出力する高調波電流の大きさは、規格等により定められた値以下に抑制する必要がある。

高調波フィルタ５は前述した高調波電流が電力系統２に過大に流出することを抑制するために無効電力補償装置１に構成要素として組み込まれる。図３は高調波フィルタ５の構成を図示したものである。高調波フィルタ５はコンデンサ５１およびコンデンサ５１と直列接続する抵抗器５２とリアクトル５３の並列接続体で構成する。高調波フィルタ５は電力変換器４が発生する高調波電流を吸収し、電力系統２に流出する高調波電流を低減する性能を持つ。なお図３は高調波フィルタ５の一例を示したものであり、本実施例の効果は異なる構成を持つ高調波フィルタ５でも実現可能である。

本実施例の特徴的な構成は図１に示したように変圧器３が高調波フィルタ５を接続するための接続端子３４を持つ点である。接続端子３４は変圧器３の内部で二次巻線３２の中間部３４ａに接続する。中間部３４ａは巻線３４の巻線部の中間にあって、一方の巻線端部との間に実質的なインピーダンスを形成し、他方の巻線端部との間に実質的なインピーダンスを形成するように設けられている。図４は本実施例の効果を説明するために、変圧器３の正相インピーダンスを表したものである。なお変圧器３の巻線等が持つ抵抗成分はインダクタンス成分に比べて小さいため、インダクタンス成分のみ図示してある。正相インピーダンスは一次巻線３１の正相インピーダンス３１１、二次巻線の正相インピーダンス、および励磁インダクタンス３１０で表される。なお二次巻線の正相インピーダンスは、説明のため電力変換器４が接続する接続点３２を起点にそれぞれ３１２１および３１２２に分けて表記した（インピーダンス３１２１とインピーダンス３１２２は中間部３４ａによって分けられる）。通常励磁インダクタンス３１０は他のインダクタンス成分に比べて非常に大きく、接続端子３３から流入する電力変換器４の高調波電流の内、励磁インダクタンス３１０に流入する成分はほとんど無い。このため電力変換器４から流入する高調波電流成分は、接続端子３４に接続する高調波フィルタ５のインピーダンスと一次巻線のインピーダンス３１１と二次巻線のインピーダンスの一部３１２１の合成値との比に応じて分流する。本実施例では高調波フィルタ５は吸収すべき高調波成分が持つ周波数において、インピーダンス値が小さくなるように設計する。このため大部分の高調波電流は高調波フィルタ５に流入するため、電力系統２に流出する高調波電流を低減することが可能となる。

本実施例で開示された技術によると、変圧器３に余分な巻線を設けることなく高調波フィルタ５を接続する事が可能となり、変圧器３の小型化および低コスト化が実現可能である。

なお本実施例では変圧器３の巻線構造として一次側がデルタ結線、二次側がスター結線の例を示した。しかしながら本実施例の効果は変圧器３の結線構造に制限されることなく、例えば電力変換器４が接続する二次巻線の構造がスター結線や千鳥結線であっても、二次巻線の途中に高調波フィルタを接続することで、本実施例の効果が得られる。また、本実施例では二次巻線に中間部を設けた構成としたが、一次巻線に中間部を設けるように応用できる。また本実施例では適用先として無効電力補償装置を例に説明したが、変圧器を介して系統に接続する電力変換装置であれば、他の適用を目的とした電力変換装置であっても本実施例の効果は実現可能である。例えば直流送電向けの交直変換器や、負荷に給電するための系統連系変換器、あるいは変換器を介して系統に接続する太陽光発電や風力発電システム等の発電システム用途の電力変換装置であっても、本実施例で説明した技術は適用可能である。また、系統以外の負荷に接続することも想定できる。

以下本発明の第二の実施例を図５を用いて説明する。なお図中で実施例１と同じ符号を持つ構成要素は、実施例１の構成要素と同一であるため、説明は省略する。

本実施例の電力変換装置である無効電力補償装置６が変圧器７を介して電力系統２に接続する構成は実施例１と同様である。本実施例では無効電力補償装置６を構成する電力変換器８として、単位電力変換器８１を直列に接続して構成する所謂モジュラー・マルチレベル変換器を利用する。

図６は単位電力変換器８１の回路構成を描いたものである。図６が示すように単位電力変換器８１はフル・ブリッジと呼ばれる回路構成で構成する。つまり２つの半導体スイッチング素子８１１Pおよび８１１Nが直列に接続され一つのレグを構成し、さらに半導体スイッチング素子８1２Pおよび８１２Nが直列に接続してもう一つのレグを構成する。両方のレグの両端には、直流電圧をほぼ一定に保つための直流コンデンサ８１０が接続する。半導体スイッチング素子８１１P、８１１N、８１２P、８１２NはIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)と逆接続したダイオードで構成する。なお本実施例ではＩＧＢＴを用いて説明するが、IGBTの代わりに自励式半導体素子であるＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）等、異なる種類のパワー半導体素子を利用しても本実施例の効果は実現可能である。単位電力変換器８１はその構成する半導体スイッチング素子８１１P、８１１N、８１２P、８１２Nのオン・オフ状態と出力電流の向きによりその出力電圧が決まる。つまり単位電力変換器８１は直流コンデンサ８１０の電圧と概略同じ電圧、あるいは直流コンデンサ８１０の電圧と逆極性かつ概略同振幅の電圧、あるいは零電圧が出力可能である。

電力変換器８の出力電圧は直列接続した単位電力変換器８１の出力電圧の和に等しい。個々の単位電力変換器８１を構成するスイッチング素子８１１P、８１１N、８１２P、８１２Nのオン・オフ状態を適切に選ぶことで、電力変換器８は正弦波に近いマルチレベル波形の電圧を出力することが可能である。このため電力変換器８は構成するスイッチング素子８１１P、８１１N、８１２P、８１２Nの耐圧以上の高電圧を出力できる。

本実施例の電力変換器８は、単位電力変換器８１の直列接続が構成する３つの複合体がスター結線の接続を構成する。このため電力変換器８は三相出力端子８２に加えて中性点出力端子８３も持つ。三相出力端子８２は変圧器７の二次巻線の三相出力端子７３に接続し、また中性点出力８３は変圧器７の二次側中性点の出力端子７６に接続する。

本実施例の変圧器７が高調波フィルタ９を接続するための接続端子７４を備える点は第一の実施例と同じである。ただし本実施例の高調波フィルタ９は接続端子７４および変圧器二次巻線の中性点出力端子７６の間に接続する。本実施例の構成により、中性点出力端子８３を持つ電力変換器８であっても、高調波フィルタ９の接続が容易に実現できる。

本実施例で開示された技術により、変圧器３に余分な巻線を設けることなく高調波フィルタ５を接続する事が可能となり、変圧器３の小型化および低コスト化が実現可能である。

なお本実施励では電力変換器４としてフル・ブリッジの単位電力変換器８１で構成するモジュラー・マルチレベル変換器を例に示したが、ハーフ・ブリッジの構成を持つ単位電力変換器８１で構成するモジュラー・マルチレベル変換器、あるいはフル・ブリッジの単位電力変換器８１とハーフ・ブリッジの単位電力変換器８１の混合で構成するモジュラー・マルチレベル変換器であても本実施例の効果が実現可能である。更に電力変換器４はモジュラー・マルチレベル変換器に限定されることは無く、中性点を外部に引き出す構造の電力変換器であれば適用可能である。たとえば中性点が外部に引き出された３レベル変換器であっても本実施例の効果は実現可能である。

また本実施例では適用先として無効電力補償装置を例に説明したが、実施例１と同様に変圧器を介して系統に接続する電力変換装置であれば他の適用を目的とした電力変換装置であっても本実施例の効果は実現可能である。例えば直流送電向けの交直変換器や、負荷に給電するための系統連系変換器、あるいは変換器を介して系統に接続する太陽光発電や風力発電システム等の発電システム用途の電力変換装置であっても、本実施例で説明した技術は適用可能である。

以下本発明の第三の実施例を図７に沿って説明する。なお図中で実施例１と同じ符号を持つ構成要素は、実施例１の構成要素と同一であるため、説明は省略する。本実施例においても電力変換器４が変圧器１１に接続し、さらに変圧器１1が電力系統２に接続する点は、実施例１と同様である。また本実施例においても高調波フィルタ１１４が変圧器１１に接続する点は同じである。なお高調波フィルタ１１４の代表的な回路構成としては、実施例１の図３に示した高調波フィルタ５の回路構成と同一であるため、説明は省略する。

変圧器を構成する巻線等の主回路構成部品の電気的な絶縁を確保するため、主回路構成部品を絶縁油を満たした油タンク内に収納する構造が広く利用されている。絶縁油は変圧器の絶縁を実現するのみでなく、巻線や鉄心などの主回路構成部品の冷却にも利用される。本実施例においても変圧器１１６の一次巻線１１１および二次巻線１１２は変圧器１１のタンク１１６の中に収納され、またタンク１１６内は絶縁油で満たされる。

本実施例の特徴的な構成として、変圧器の二次巻線１１２に接続する高調波フィルタ１１４が、変圧器１１と同一のタンク１１６に収納される。高調波フィルタ１１４は一次巻線１１１および二次巻線１１２と同一の絶縁油に覆われる。この構成により、高調波フィルタ１１４と変圧器１１をより密に設置可能になり、変圧器と高調波フィルタを含めた装置全体の体積を縮小できる利点がある。また高調波フィルタ１１４も絶縁油を介して冷却が可能となり、高調波フィルタに必要であった冷却システムを削除できることが可能となり、結果的に変圧器と高調波フィルタを含めた装置全体の体積を縮小できる。

また本実施例では適用先として無効電力補償装置を例に説明したが、実施例１と同様に変圧器を介して系統に接続する電力変換装置であれば他の適用を目的とした電力変換装置であっても本実施例の効果は実現可能である。例えば直流送電向けの交直変換器や、負荷に給電するための系統連系変換器、あるいは変換器を介して系統に接続する太陽光発電や風力発電システム等の発電システム用途の電力変換装置であっても、本実施例で説明した技術は適用可能である。

１・・・電力変換装置、 ２・・・電力系統、３・・・変圧器、 ３１・・・一次巻線、 ３１０・・・励磁インダクタンス、 ３１１・・・一次巻線正相インピーダンス 、 ３１２１、３１２２・・・二次巻線正相インピーダンス、 ・・・ 、 ３２・・・二次巻線 、 ３３、３４、３５・・・接続端子、 ４・・・電力変換器、 ４１P、４１N、４２P、４２N、４３P、４３N・・・半導体スイッチング素子、 ４１P1・・・IGBT、 ４1P2・・・ダイオード、 ４４・・・直流コンデンサ、 ５・・・高調波フィルタ、 ５１・・・コンデンサ、 ５２・・・抵抗器、 ５３・・・リアクトル、 ６・・・電力変換装置、 ７・・・変圧器、 ７１・・・一次巻線、 ７２・・・二次巻線、 ７３、７４、７５・・・接続端子、 ７６・・・中性点接続端子、 ８・・・電力変換器、 ８１・・・単位電力変換器、 ８１０・・・直流コンデンサ、 ８１１P、８１１N、８１２P、８１２N・・・半導体スイッチング素子、 ８２・・・三相出力端子、 ８３・・・中性点出力端子、 ９・・・高調波フィルタ、 １０・・・電力変換装置、 １１・・・電力変換器、 １１・・・電力変換装置、 １１１・・・一次巻線、 １１２・・・二次巻線、 １１３、１１５・・・接続端子、１１４・・・高調波フィルタ、 １１６・・・変圧器タンク

Claims (5)

1. 変圧器を介して負荷と接続される電力変換装置であって、前記変圧器は、負荷側の一次巻線と、二次巻線の２つの巻線を少なくとも有しており、前記一次巻線と二次巻線のいずれかは中間部を有しており、変換動作に伴って発生する高調波を抑制するように前記中間部は高調波フィルタに接続され、前記負荷は電力系統であり、中間部を有する巻線は二次巻線であり、電力変換機能を持つセルとして単位セルを有し、前記単位セルを直列に接続してレグを構成し、前記レグを複数有し、前記高調波フィルタの一端は、前記レグの並列接続端に接続され、前記高調波フィルタの他端は、前記中間部に接続されることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１において、前記中間部を挟んで巻線の一方側と他方側は巻線で構成されるインピーダンスを有することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２において、前記変換動作は無効電力補償動作であることを特徴とする電力変換装置。
4. 変圧器を介して負荷と接続される電力変換装置であって、前記変圧器は、負荷側の一次巻線と、二次巻線の２つの巻線を少なくとも有しており、前記一次巻線と二次巻線のいずれかは中間部を有しており、変換動作に伴って発生する高調波を抑制するように前記中間部は高調波フィルタに接続され、前記二次巻線はスター結線を構成し、前記高調波フィルタは前記二次巻線のスター結線の中性点にも接続することを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１又は請求項４のいすれかにおいて、前記高調波フィルタが前記変圧器と同一の筐体に収納され、前記変圧器巻線と前記高調波フィルタが同一の絶縁媒体に覆われることを特徴とする前記電力変換装置。

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