JP6662551B2

JP6662551B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6662551B2
Application number: JP2017065212A
Authority: JP
Inventors: 航平柏木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-03-29
Filing date: 2017-03-29
Publication date: 2020-03-11
Anticipated expiration: 2037-03-29
Also published as: JP2018170832A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流を直流に変換し、あるいは直流を交流に変換する電力変換装置がある。このような電力変換装置では、たとえば基幹系の電力網に用いるために大容量化が望まれている。

自己消弧形の半導体スイッチング素子を用いることによって小型化をはかりつつ、大容量化を実現することができる電力変換方式として、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、以下、ＭＭＣという。）の実用化が進められている。

ＭＭＣは、多数の直列接続された単位変換器を有する。単位変換器にはスイッチング素子によって充放電するコンデンサを含んでいる。ＭＭＣを含む電力変換器を、メンテナンス等のために停止させる場合には、作業の安全を保証するためにすべての単位変換器のコンデンサを十分放電させる必要がある。

単位変換器のコンデンサの放電作業に多大な時間を要していたのでは、メンテナンス等における停止期間が長大となり、稼働率が低下するおそれがある。

特表２００９−５０７４６２号公報

実施形態は、電力変換器の停止時に単位変換器のコンデンサを迅速に放電させる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、直列に接続され、スイッチングによりそれぞれのコンデンサを充放電する複数の単位変換器を含むレグを含む電力変換器と、前記レグの一端と接地との間に接続された第１断路器と、前記レグの他端と接地との間に接続された第２断路器と、前記第１断路器および前記第２断路器に遮断信号を供給する遮断信号生成部と、を備える。前記単位変換器のそれぞれは、第１抵抗器と、前記第１抵抗器に直列に接続された第２抵抗器と、を含む。前記コンデンサは、前記第１抵抗器および前記第２抵抗器の直列接続体に並列に接続される。前記電力変換器が停止した後に、前記遮断信号生成部は、前記遮断信号によって前記第１断路器および前記第２断路器を導通させる。

本実施形態では、電力変換器のレグの両端が、第１断路器および第２断路器によってそれぞれ接地に接続される。そのため、電力変換器の停止後に各単位変換器のコンデンサの電荷は、第１抵抗器または第２抵抗器のいずれか一方を介して接地に放電することができるので、放電時定数を小さくすることができ、放電時間を短縮することができる。

図１（ａ）は、実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。従来の電力変換装置の放電動作を説明するための等価回路図である。図３（ａ）は、２レベルフルブリッジインバータ回路における放電回路の例である。図３（ｂ）は、ＭＭＣに図３（ａ）の手法を適用した場合の簡素化された等価回路図である。実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡素化された等価回路図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１（ａ）は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。図１（ｂ）は、図１（ａ）の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図１（ａ）に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ａ〜２１ｃを介して、交流系統１に接続される。この例のように、電力変換装置１０は、変圧器２を介して交流系統１に接続されてもよい。たとえば、交流系統１は、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電源、負荷および交流送電線を備える構成とすることができる。電力変換装置１０は、直流系統３に接続される。直流系統３は、たとえば直流送電線等を含む。

電力変換装置１０は、交流系統１と直流系統３との間に接続されて、双方向の電力変換を行うことができる。

電力変換器２０は、三相交流の各相に対応した単位アーム２２を含む。単位アーム２２は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されレグ２６を形成する。

直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続される単位アーム２２には、変圧器２４が直列に接続されている。変圧器２４に代えてバッファリアクトルを接続してもよい。

単位アーム２２は、直列接続された単位変換器（以下、セルという。）３０を含む。セル３０は、単位アーム２２あたり１個以上あればよいが、以下では、Ｍ個直列接続されているものとする（Ｍは２以上の整数）。

図１（ｂ）に示すように、セル３０は、端子３１ａ，３１ｂを含む。セル３０は、端子３１ａ，３１ｂによって、他のセル３０等と接続される。セル３０は、スイッチング素子３２ａ，３２ｂと、ダイオード３３ａ，３３ｂと、抵抗器３４ａ，３４ｂと、コンデンサ３５と、を含む。

スイッチング素子３２ａ，３２ｂは、自己消弧型の半導体素子である。自己消弧型の半導体素子は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等である。スイッチング素子３２ａは、スイッチング素子３２ｂと直列に接続されている。

ダイオード３３ａ，３３ｂは、還流ダイオードである。ダイオード３３ａは、スイッチング素子３２ａに逆並列に接続されている。ダイオード３３ｂは、スイッチング素子３２ｂに逆並列に接続されている。逆並列に接続されているとは、スイッチング素子３２ａ，３２ｂのコレクタ端子にダイオード３３ａ，３３ｂのカソード端子が接続され、スイッチング素子３２ａ，３２ｂのエミッタ端子にダイオード３３ａ，３３ｂのアノード端子が接続されていることをいう。

抵抗器３４ａは、並列接続されたスイッチング素子３２ａおよびダイオード３３ａに並列に接続されている。抵抗器３４ｂは、並列接続されたスイッチング素子３２ｂおよびダイオード３３ｂに並列に接続されている。抵抗器３４ａ，３４ｂは、変換装置が停止している場合の電圧バランスを補償するために設けられている。抵抗器３４ａ，３４ｂの抵抗値は、電圧バランスの観点からは、同一であることが好ましい。しかし、抵抗器３４ａの抵抗値は、放電時の時定数を小さくして放電時間を短縮する観点から、抵抗器３４ｂの抵抗値よりも小さく設定してもよい。

コンデンサ３５は、直列に接続された２個のスイッチング素子３２ａに並列に接続される。つまり、コンデンサ３５は、直列に接続された抵抗器３４ａ，３４ｂに直列に接続されている。

なお、図示しないが、各セル３０は、コンデンサ３５の両端のセル電圧Ｖｃｅｌｌを検出する電圧検出器を有しており、電圧検出器によって検出されたセル電圧Ｖｃｅｌｌは制御装置５０に供給される。

断路器１２ａは、高電位側の直流端子２１ｄと接地５との間に接続されている。断路器１２ｂは、低電位側の直流端子２１ｅと接地５との間に接続されている。断路器１２ａ，１２ｂは、遮断信号ＳＤによって開閉される。断路器１２ａ，１２ｂは、遮断信号ＳＤによって、ほぼ同時に回路を閉じ、ほぼ同時に回路を開く。

制御装置５０は、遮断信号生成部５２を含む。遮断信号生成部５２は、たとえば制御装置５０に供給されるシステム停止信号にもとづいて遮断信号ＳＤを生成する。たとえばシステム停止信号は、メンテナンスの場合に、電力変換器２０の動作を停止させるために制御装置５０に入力される。制御装置５０は、システム停止信号が供給されると、所定のシーケンスにしたがって電力変換器２０の動作を停止する。生成された遮断信号ＳＤは、断路器１２ａ，１２ｂに供給される。

遮断信号生成部５２からアクティブな遮断信号ＳＤが断路器１２ａ，１２ｂに供給された場合には、断路器１２ａ，１２ｂは回路を閉じる。後に詳述するが、セル３０のコンデンサ３５に蓄積されていた電荷は、断路器１２ａ，１２ｂを介して放電される。断路器１２ａ，１２ｂを介した放電経路に直列に挿入される抵抗値が小さいので、自然放電する場合よりも速く放電することができる。

制御装置５０は、セル電圧Ｖｃｅｌｌや交流電流、直流電圧を検出して、これらにもとづいてゲート信号を生成し、電力変換器２０に供給する。電力変換器２０の各セル３０のスイッチング素子３２ａ，３２ｂは、供給されたゲート信号にしたがって、スイッチング動作する。

図２は、従来の電力変換装置の放電動作を説明するための等価回路図である。
図２に示すように、従来の電力変換装置では、各セル３０のコンデンサ３５に充電された電荷は、電力変換器の動作を停止させた後に自然放電によって放電される。電荷は、コンデンサ３５から、直列に接続された抵抗器３４ａ，３４ｂを介して放電される。

抵抗器３４ａ，３４ｂの抵抗値をいずれもＲ［Ω］とし、コンデンサ３５の静電容量値をＣ［Ｆ］とすると、コンデンサ３５の放電に関する時定数τは、τ＝２×Ｒ×Ｃ［ｓｅｃ］となる。

抵抗器３４ａ，３４ｂは、変換装置が停止している場合のスイッチング素子およびダイオードのリーク電流による電圧アンバランスを補償するために設けられている。これらの抵抗器３４ａ，３４ｂの抵抗値が低い場合には、抵抗器３４ａ，３４ｂの抵抗値に応じた損失が発生し、電力変換器の電力変換効率が低下するので好ましくない。したがって、これらの抵抗値は支障のない範囲で大きな値に設定される。

一方で、これらの抵抗値を大きい値に設定した場合には、電力変換器の動作停止後のコンデンサ３５の放電に長大な時間を要し、メンテナンス等で電力変換器を停止させる期間を必要以上に長く設定する必要がある。

図３（ａ）は、２レベルフルブリッジインバータ回路における放電回路の例である。
図３（ａ）に示すように、メンテナンス等のために、インバータ回路１２０の直流端子１２１ａ，１２１ｂ間の電位差を安全なレベルまで引き下げるには、直流端子１２１ａ，１２１ｂ間に接続されているコンデンサ１２２の両端に接続された放電回路１２３によって放電する。放電回路１２３は、たとえば放電抵抗１２４および断路器１２５の直列回路である。断路器１２５を閉じると、放電抵抗１２４を介して、コンデンサ１２２の電荷を放電する。断路器１２５は、通常の運転時には、開いているので、放電抵抗１２４による効率低下を考慮する必要はない。放電抵抗の抵抗値は、放電時間を考慮して任意に設定することができる。

図３（ｂ）は、ＭＭＣに図３（ａ）の手法を適用した場合の簡素化された等価回路図である。
図３（ｂ）に示すように、ＭＭＣ２２０の各セル２３０のコンデンサ２３５の両端に放電回路２４０を接続し、メンテナンス等のたびに放電回路２４０の断路器２４１を閉じるようにすれば、放電抵抗２４２の抵抗値Ｒ’を任意に設定することができる。しかしながら、ＭＭＣ２２０では、各セル２３０のコンデンサ２３５に蓄えられた電力を主回路電源として用いる方式を適用する場合が多いので、メンテナンス等によってＭＭＣ２２０自体が停止する場合には、放電回路２４０を動作させるための電源を供給することができない。したがって、各セル２３０に放電回路２４０を設けた場合には、放電回路２４０用の電源を別に用意することが必要となり、現実的でない場合が多い。また、ＭＭＣ２２０が有するセル２３０の数は、非常に多くなる場合があるので、セル２３０ごとに放電回路２４０を設けるには、外部電源供給のための配線等を含めて多くのスペースが必要となり、小型化の要請に反することになる。

そこで、本実施形態の電力変換装置１０では、正負の直流端子２１ｄ，２１ｅと接地５との間に断路器１２ａ，１２ｂをそれぞれ設けている。制御装置５０から供給される遮断信号ＳＤによって断路器１２ａ，１２ｂを閉じることができる。

図４は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するための簡素化された等価回路図である。
図４に示すように、電力変換装置１０は、直列に接続されたセル３０ａ，…，３０ｘを含んでおり、各セル３０ａ，…，３０ｘは、抵抗器３４ａ，３４ｂと、コンデンサ３５と、をそれぞれ含む。

電力変換器２０が所定のシーケンスにしたがって停止した後、アクティブな遮断信号ＳＤによって、断路器１２ａ，１２ｂが回路を閉じる。図４に示された矢印のように、接地５、断路器１２ｂ、低電位側の直流端子２１ｅ、セル３０ｘのコンデンサ３５、抵抗器３４ａ、セル３０ａのコンデンサ３５、抵抗器３４ａ、高電位側の断路器１２ａ、接地５の経路で、各コンデンサ３５の電荷が放電される。

上述のような放電経路では、電荷は、直列に接続された一方の抵抗器３４ａのみを通るので、時定数τは、Ｒ［Ω］×Ｃ［Ｆ］となる。つまり、本実施形態の電力変換装置１０では、図２において説明した場合の時定数の１／２の時定数とすることができる。

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置では、直流端子２１ｄ，２１ｅと接地５との間に断路器１２ａ，１２ｂをそれぞれ備えている。断路器１２ａ，１２ｂは、遮断信号生成部５２によって生成された遮断信号にしたがって回路を閉じることができる。断路器１２ａ，１２ｂよって生成された閉回路には、１つの抵抗器３４ａおよびコンデンサ３５であるため、コンデンサ３５に蓄えられた電荷の放電に関する時定数は、１つの抵抗器３４ａの抵抗値によって決定される。したがって、断路器のための特別な電源を用意することなく、放電時間の短縮を実現することができる。

多くの場合には、直流端子２１ｄ，２１ｅと接地５との間には、メンテナンス時の放電用に断路器が設けられている。本実施形態の電力変換装置１０では、遮断信号生成部５２によって遮断信号を生成し、生成された遮断信号にしたがい、断路器１２ａ，１２ｂの開閉を制御すればよいので、新規の設備（断路器）の設置を行う必要がないとの利点も有する。

制御装置５０は、たとえばＣＰＵ等にロードされたプログラム等による制御が行われる場合があり、遮断信号生成部５２による遮断信号の生成は、このようなプログラムによって容易に行うことができる。なお、遮断信号生成部５２は、制御装置５０の内部に設けられる場合に限らず、他の装置、たとえば上位の主幹制御装置等の内部に設けられたり、遮断信号生成装置のような単独の装置として設けられたりしてもよい。

以上説明した実施形態によれば、電力変換器の停止時にセルのコンデンサを迅速に放電させる電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１交流系統、２変圧器、３直流系統、５接地、１０電力変換装置、１２ａ，１２ｂ断路器、２０電力変換器、２１ａ〜２１ｃ交流端子、２１ｄ，２１ｅ直流端子、２２単位アーム、２４変圧器、２６レグ、３０単位変換器（セル）、３２ａ，３２ｂスイッチング素子、３３ａ，３３ｂダイオード、３４ａ，３４ｂ抵抗器、３５コンデンサ、５０制御装置、５２遮断信号生成部

Claims

直列に接続され、スイッチングによりそれぞれのコンデンサを充放電する複数の単位変換器を含むレグを含む電力変換器と、
前記レグの一端と接地との間に接続された第１断路器と、
前記レグの他端と接地との間に接続された第２断路器と、
前記第１断路器および前記第２断路器に遮断信号を供給する遮断信号生成部と、
を備え、
前記単位変換器のそれぞれは、第１抵抗器と、前記第１抵抗器に直列に接続された第２抵抗器と、を含み、
前記コンデンサは、前記第１抵抗器および前記第２抵抗器の直列接続体に並列に接続され、
前記電力変換器が停止した後に、前記遮断信号生成部は、前記遮断信号によって前記第１断路器および前記第２断路器を導通させる電力変換装置。
前記単位変換器は、ハーフブリッジ構成であり、
前記第１抵抗器に並列に接続された第１スイッチング素子と、
前記第２抵抗器に並列に接続されるとともに前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、
を含む請求項１記載の電力変換装置。
前記第１抵抗器の抵抗値は、前記第２抵抗器の抵抗値に等しい請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記第１抵抗器または前記第２抵抗器のうち、前記第１断路器および前記第２断路器が閉じて放電経路となる一方の抵抗値は、他方の抵抗値よりも小さい請求項１または２に記載の電力変換装置。