JP6666636B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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、複数のセルが直列に接続されたＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている。セルは、複数のスイッチング素子及び直流コンデンサで構成される単位変換器である。

例えば、ＭＭＣとして、直流コンデンサに印加される電圧に基づいて、スイッチング素子の駆動回路に電源を供給する主回路給電方式が開示されている（特許文献１参照）。

特開２０１３−１２１２８２号公報

しかしながら、このような電力変換装置は、運転を単に停止させても、各チョッパセルの直流コンデンサは充電された状態である。また、直流コンデンサを早く放電するために放電抵抗や放電スイッチを設けると、電力変換装置の全体が大型化する。

そこで、本発明の目的は、運転を停止する際に、単位変換器の直流コンデンサの放電を早めることのでき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、複数の単位変換器で構成された電力変換装置であって、前記単位変換器は、正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子が直列に接続された少なくとも一組のスイッチング素子と、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子のそれぞれに並列に接続された抵抗と、前記一組のスイッチング素子と並列に接続されたコンデンサとを備え、前記電力変換装置を停止するために、前記単位変換器毎に、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子のうち、一方をオンし、もう一方をオフして、前記コンデンサから出力される放電エネルギーを前記抵抗により消費する放電制御手段を備える。前記放電制御手段は、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子のうち一方をオン及びオフを繰り返すスイッチング動作をさせて、前記放電エネルギーを前記抵抗により消費する。

本発明によれば、運転を停止する際に、単位変換器の直流コンデンサの放電を早めることのできる電力変換装置を提供することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。 第１の実施形態に係るハーフブリッジセルの構成を示す回路図。 第１の実施形態に係る制御装置による電力変換装置の停止時の動作の流れを示す流れ図。 本発明の第２の実施形態に係る制御装置による電力変換装置の停止時の動作の流れを示す流れ図。 本発明の第３の実施形態に係るフルブリッジセルの構成を示す回路図。 第３の実施形態に係る制御装置による電力変換装置の停止時の動作の流れを示す流れ図。 本発明の第４の実施形態に係る制御装置による電力変換装置の停止時の動作の流れを示す流れ図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置１０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。

電力変換装置１０は、制御装置１、電力変換回路２、直流電源３、及び、変圧器４を備える。

電力変換装置１０は、直流電源３から出力される直流電力を三相交流電力に変換し、変圧器４を介して、交流負荷に交流電力を供給する。例えば、交流負荷は、商用電源などの電力系統である。なお、直流電源３は、発電機、コンバータ、又は、蓄電池等、直流電力を出力するものであればよい。

なお、ここでは、電力変換装置１０を、単位変換器であるセルＣＬで構成されるＭＭＣ(modular multilevel converter)として説明するが、セルＣＬで構成されるのであれば、ＭＭＣに限らず、どのような構成でもよい。また、電力変換装置１０は、直流電源３として電力変換回路２を設け、２つの電力変換回路２の直流側同士を接続して、ＢＴＢ(back-to-back)方式の電力変換装置にしてもよい。

電力変換回路２は、６つのアーム２１ｕｐ，２１ｕｎ，２１ｖｐ，２１ｖｎ，２１ｗｐ，２１ｗｎ、及び、６つのバッファリアクトル２２ｕｐ，２２ｕｎ，２２ｖｐ，２２ｖｎ，２２ｗｐ，２２ｗｎを備える。

各アーム２１ｕｐ〜２１ｗｎは、複数のセルＣＬが直列に接続された構成である。Ｕ相上アーム２１ｕｐ及びＵ相下アーム２１ｕｎは、直列に接続され、電力変換回路２のＵ相を構成する。Ｖ相上アーム２１ｖｐ及びＶ相下アーム２１ｖｎは、直列に接続され、電力変換回路２のＶ相を構成する。Ｗ相上アーム２１ｗｐ及びＷ相下アーム２１ｗｎは、直列に接続され、電力変換回路２のＷ相を構成する。

バッファリアクトル２２ｕｐ〜２２ｗｎは、電力変換回路２に一定の直流電流を流すためのインピーダンスを有する。Ｕ相上バッファリアクトル２２ｕｐとＵ相下バッファリアクトル２２ｕｎは、直列に接続される。Ｕ相上バッファリアクトル２２ｕｐとＵ相下バッファリアクトル２２ｕｎとの接続点は、変圧器４のＵ相端子と接続される。Ｕ相上バッファリアクトル２２ｕｐの正極側には、Ｕ相上アーム２１ｕｐが接続される。Ｕ相下バッファリアクトル２２ｕｎの負極側には、Ｕ相下アーム２１ｕｎが接続される。Ｖ相バッファリアクトル２２ｖｐ，２２ｖｎ及びＷ相バッファリアクトル２２ｗｐ，２２ｗｎの構成についても、Ｕ相バッファリアクトル２２ｕｐ，２２ｕｎと同様に構成される。

図２は、本実施形態に係るハーフブリッジセルＣＬの構成を示す回路図である。

セルＣＬは、２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂ、２つの逆並列ダイオードＤＩａ，ＤＩｂ、２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂ、及び、コンデンサＣＰにより構成される。

スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂは、例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)又はＩＥＧＴ(injection enhanced gate transistor)などの半導体素子である。セルＣＬは、制御装置１から送信される制御信号Ｓｃに含まれるゲート信号により、２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂがスイッチング（駆動）する。分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂは、コンデンサＣＰの直流電圧（コンデンサ電圧）を分圧して、各スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂに印加するための抵抗である。

２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂは、直列に接続される。２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂには、逆並列ダイオードＤＩａ，ＤＩｂ及び分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂがそれぞれ接続される。コンデンサＣＰは、２つの直列に接続されたスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂと並列に接続される。セルＣＬの正極出力端子Ｔｐは、２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂの接続点である。セルＣＬの負極出力端子Ｔｎは、負極側に位置するスイッチング素子ＳＷｂの負極側の端子（エミッタ）である。

制御装置１は、電力変換装置１０の出力電流、各セルＣＬのコンデンサＣＰのコンデンサ電圧、及び、電力変換装置１０の入力電圧などが含まれる電気量データＤａに基づいて、ゲート信号等が含まれる制御信号Ｓｃを各セルＣＬに出力する。これにより、各セルＣＬのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂがスイッチング制御される。例えば、制御装置１は、電力変換装置１０の出力電力及び各セルＣＬのコンデンサ電圧を制御する。また、電力変換装置１０が電力系統と連系する場合、制御装置１は、電力変換装置１０の出力電圧を電力系統の系統電圧と同期させるように制御する。

図３は、本実施形態に係る制御装置１による電力変換装置１０の停止時の動作の流れを示す流れ図である。

制御装置１は、停止指令信号を受信すると、電力変換装置１０を停止させるための停止制御を開始する（ステップＳＴ１１）。停止指令信号は、例えば、制御装置１の上位制御系の装置から送信されたり、電力変換装置１０を手動で停止操作することで発生したりする。

停止制御が開始されると、制御装置１は、各セルＣＬにおいて、正極側スイッチング素子ＳＷａをオフし、負極側スイッチング素子ＳＷｂをオンする（ステップＳＴ１２）。この状態で、コンデンサＣＰが放電される。

コンデンサＣＰの放電が進むと、コンデンサ電圧が低下する。制御装置１は、各セルＣＬのコンデンサ電圧を検出して、所定の電圧値以下になった否かを監視する。所定の電圧値は、コンデンサＣＰの放電が完了したと判断できるまでコンデンサ電圧が下がったときの電圧値である。制御装置１は、各セルＣＬのコンデンサ電圧を監視することで、全てのセルＣＬのコンデンサＣＰの放電が完了したことを検出する（ステップＳＴ１３）。

全てのセルＣＬのコンデンサＣＰの放電が完了したことを検出すると、制御装置１は、各セルＣＬの全てのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂをオフするなど、電力変換装置１０を完全に停止させるための制御を行う（ステップＳＴ１４）。

図２を参照して、ハーフブリッジセルＣＬにおけるコンデンサＣＰの放電について説明する。

正極側スイッチング素子ＳＷａをオフし、負極側スイッチング素子ＳＷｂをオンすると、コンデンサＣＰから出力される放電電流Ｉｄｓは、正極側分圧抵抗Ｒａ、負極側スイッチング素子ＳＷｂ、及び、コンデンサＣＰで構成される閉回路をループして流れる。放電電流Ｉｄｓは、コンデンサＣＰが完全に放電されるまで流れ続ける。

比較のため、２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂをオフした場合について考える。この場合、放電電流Ｉｄｓは、２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂ及びコンデンサＣＰで構成される閉回路を流れる。即ち、放電電流Ｉｄｓは、２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂを流れる。これに対して、本実施形態では、放電電流Ｉｄｓは、１つの分圧抵抗Ｒａにしか流れない。したがって、本実施形態の方が放電電流Ｉｄｓが大きくなり、２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂをオフした場合と比較して、コンデンサＣＰが早く放電される。

なお、正極側スイッチング素子ＳＷａをオンし、負極側スイッチング素子ＳＷｂをオフして、コンデンサＣＰを放電させてもよい。この場合でも、１つの分圧抵抗Ｒｂにしか放電電流Ｉｄｓが流れないため、２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂをオフした場合と比較して、コンデンサＣＰを早く放電できる。但し、この場合は、コンデンサ電圧がそのままセルＣＬの出力電圧となる。これに対して、負極側スイッチング素子ＳＷｂをオンすれば、セルＣＬの出力端子Ｔｐ，Ｔｎ間が短絡されるため、セルＣＬから電圧は出力されない。したがって、正極側スイッチング素子ＳＷａのみをオンする場合、セルＣＬから電圧が出力されてもよい状態で行う必要がある。例えば、コンデンサＣＰの放電中に交流負荷に電圧が出力されないように、電力変換回路２の出力側に設けられた遮断器を開放する。

次に、分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂの抵抗値について説明する。

２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂの抵抗値は、基本的に同じであるが、異ならせてもよい。負極側スイッチング素子ＳＷｂのみをオンする場合、オンしない正極側スイッチング素子ＳＷａと並列に接続された分圧抵抗Ｒａの抵抗値を、オンする負極側スイッチング素子ＳＷｂと並列に接続された分圧抵抗Ｒｂの抵抗値よりも小さくしてもよい。

２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂの合計の抵抗値が同じであれば、通常時の損失は同じである。このため、２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂの抵抗値を変える場合は、２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂが同じ場合と同じ合計の抵抗値にし、正極側分圧抵抗Ｒａの抵抗値を負極側分圧抵抗Ｒｂの抵抗値よりも小さくする。これにより、２つの分圧抵抗Ｒａ，Ｒｂの抵抗値が同じ場合と比較して、通常時の損失を変えずに、セルＣＬの放電を早めることができる。但し、正極側分圧抵抗Ｒａの抵抗値を小さくすると、放電電流Ｉｄｓが増えるため、セルＣＬの回路構成などから求まる熱耐量などを考慮して、正極側分圧抵抗Ｒａの抵抗値を決定する必要がある。

また、正極側スイッチング素子ＳＷａのみをオンする場合は、負極側分圧抵抗Ｒｂの抵抗値を正極側分圧抵抗Ｒａの抵抗値よりも小さくすることで、同様の作用効果が得られる。

本実施形態によれば、電力変換装置１０を停止させる際に、各ハーフブリッジセルＣＬの２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂのうち、１つをオフしたまま、もう１つをオンして、コンデンサＣＰを放電させることで、コンデンサＣＰが完全に放電されるまでの時間を短くすることができる。

また、負極側スイッチング素子ＳＷｂのみをオンして、コンデンサＣＰを放電させることで、コンデンサＣＰが放電している間も、セルＣＬからの出力電圧を止めることができる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る制御装置１による電力変換装置１０の停止時の動作の流れを示す流れ図である。

図４に示す動作の流れは、図３に示す第１の実施形態に係る動作の流れにおいて、ステップＳＴ１２をステップＳＴ１２Ａに代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

次に、電力変換装置１０の停止時の動作について、第１の実施形態に係る動作と異なる部分を主に説明する。

停止制御が開始されると、制御装置１は、各セルＣＬにおいて、正極側スイッチング素子ＳＷａをオフし、負極側スイッチング素子ＳＷｂをオン及びオフを繰り返すスイッチング動作をさせる（ステップＳＴ１２Ａ）。例えば、制御装置１は、負極側スイッチング素子ＳＷｂのスイッチングを、オン継続時間がオフ継続時間と同じかそれ以上になるようにする。このようにして、コンデンサＣＰが放電される。

本実施形態によれば、電力変換装置１０を停止させる際に、各ハーフブリッジセルＣＬにおいて、正極側スイッチング素子ＳＷａをオフしたまま、負極側スイッチング素子ＳＷｂをスイッチング動作させることで、放電電流Ｉｄｓを増加させるとともに、スイッチング損失により放電エネルギーを消費することができる。したがって、第１の実施形態よりも、コンデンサＣＰが完全に放電されるまでの時間を短くすることができる。

また、負極側スイッチング素子ＳＷｂをオフしたまま、正極側スイッチング素子ＳＷａをスイッチング動作させても、同様の作用効果を得ることができる。

（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係るフルブリッジセルＣＬａの構成を示す回路図である。本実施形態に係る電力変換装置１０は、図１に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１０において、図２に示すハーフブリッジセルＣＬをフルブリッジセルＣＬａに代えたものである。その他の点については、第１の実施形態と同様である。

フルブリッジセルＣＬａは、図２に示すハーフブリッジセルＣＬに、２つのスイッチング素子ＳＷｃ，ＳＷｄ、２つの逆並列ダイオードＤＩｃ，ＤＩｄ、及び、２つの分圧抵抗Ｒｃ，Ｒｄを加えたものである。スイッチング素子ＳＷｃ，ＳＷｄは、スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂと同様の半導体素子である。

２つのスイッチング素子ＳＷｃ，ＳＷｄは、直列に接続される。２つのスイッチング素子ＳＷｃ，ＳＷｄには、逆並列ダイオードＤＩｃ，ＤＩｄ及び分圧抵抗Ｒｃ，Ｒｄがそれぞれ接続される。直列に接続されたスイッチング素子ＳＷｃ，ＳＷｄは、もう一方の組の直列に接続されたスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂ及びコンデンサＣＰと並列に接続される。セルＣＬａの正極出力端子Ｔｐは、一方の組の２つのスイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｂの接続点である。セルＣＬａの負極出力端子Ｔｎは、もう一方の組の２つのスイッチング素子ＳＷｃ，ＳＷｄの接続点である。

図６は、本実施形態に係る制御装置１による電力変換装置１０の停止時の動作の流れを示す流れ図である。図６に示す動作の流れは、ハーフブリッジセルＣＬの代わりにフルブリッジセルＣＬａを制御する点以外は、第１の実施形態に係る図３に示す動作の流れと同様であるため、異なる点について主に説明する。

制御装置１は、停止指令信号を受信すると、電力変換装置１０を停止させるための停止制御を開始する（ステップＳＴ２１）。

停止制御が開始されると、制御装置１は、各セルＣＬａにおいて、正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃをオフし、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄをオンする（ステップＳＴ２２）。この状態で、コンデンサＣＰが放電される。なお、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄをオフし、正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃをオンして、コンデンサＣＰを放電させてもよい。

制御装置１は、第１の実施形態と同様に、各セルＣＬａのコンデンサ電圧を監視することで、全てのセルＣＬａのコンデンサＣＰの放電が完了したことを検出する（ステップＳＴ２３）。

全てのセルＣＬａのコンデンサＣＰの放電が完了したことを検出すると、制御装置１は、各セルＣＬａの全てのスイッチング素子ＳＷａ〜ＳＷｄをオフするなど、電力変換装置１０を完全に停止させるための制御を行う（ステップＳＴ２４）。

図５を参照して、フルブリッジセルＣＬａにおけるコンデンサＣＰの放電について説明する。

２つの正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃをオフし、２つの負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄをオンすると、コンデンサＣＰから出力される放電電流Ｉｄｓは、２つの閉回路に分岐して、それぞれの閉回路をループして流れる。一方の閉回路は、正極側分圧抵抗Ｒａ、負極側スイッチング素子ＳＷｂ、及び、コンデンサＣＰで構成される。もう一方の閉回路は、正極側分圧抵抗Ｒｃ、負極側スイッチング素子ＳＷｄ、及び、コンデンサＣＰで構成される。

比較のため、全てのスイッチング素子ＳＷａ〜ＳＷｄをオフした場合について考える。この場合、放電電流Ｉｄｓは、２つの閉回路にそれぞれ含まれる２つの分圧抵抗Ｒａ〜Ｒｄを流れる。これに対して、本実施形態では、放電電流Ｉｄｓは、２つの閉回路にそれぞれ含まれる１つの分圧抵抗Ｒａにしか流れない。したがって、全てのスイッチング素子ＳＷａ〜ＳＷｄをオフした場合と比較して、本実施形態の方が放電電流Ｉｄｓが大きいため、コンデンサＣＰが早く放電される。

第１の実施形態と同様に、全ての分圧抵抗Ｒａ〜Ｒｄの抵抗値は、同じでもよいし、正極側分圧抵抗Ｒａ，Ｒｃと負極側分圧抵抗Ｒｂ，Ｒｄで異ならせてもよい。

例えば、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄのみをオンする場合、オンしない正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃと並列に接続された分圧抵抗Ｒａ，Ｒｃの抵抗値を、オンする負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄと並列に接続された分圧抵抗Ｒｂ，Ｒｄの抵抗値よりも小さくしてもよい。同様に、正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃのみをオンする場合、負極側分圧抵抗Ｒｂ，Ｒｄを正極側分圧抵抗Ｒａ，Ｒｃの抵抗値よりも小さくしてもよい。これにより、全ての分圧抵抗Ｒａ〜Ｒｄの抵抗値が同じ場合よりもコンデンサＣＰが早く放電される。

本実施形態によれば、電力変換装置１０を停止させる際に、各フルブリッジセルＣＬａの正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃ及び負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄのうち、一方をオフしたまま、もう一方をオンして、コンデンサＣＰを放電させることで、コンデンサＣＰが完全に放電されるまでの時間を短くすることができる。

（第４の実施形態）
図７は、本発明の第４の実施形態に係る制御装置１による電力変換装置１０の停止時の動作の流れを示す流れ図である。

図７に示す動作の流れは、図６に示す第３の実施形態に係る動作の流れにおいて、ステップＳＴ２２をステップＳＴ２２Ａに代えたものである。その他の点は、第３の実施形態と同様である。

次に、電力変換装置１０の停止時の動作について、第３の実施形態に係る動作と異なる部分を主に説明する。

停止制御が開始されると、制御装置１は、各セルＣＬａにおいて、正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃをオフし、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄをそれぞれオン及びオフを繰り返すスイッチング動作をさせる（ステップＳＴ２２Ａ）。例えば、制御装置１は、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄのスイッチングを、オン継続時間がオフ継続時間と同じかそれ以上になるようにする。このようにして、コンデンサＣＰが放電される。

本実施形態によれば、電力変換装置１０を停止させる際に、各フルブリッジセルＣＬａにおいて、正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃをオフしたまま、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄをスイッチング動作させることで、放電電流Ｉｄｓを増加させるとともに、スイッチング損失により放電エネルギーを消費することができる。したがって、第３の実施形態よりも、コンデンサＣＰが完全に放電されるまでの時間を短くすることができる。

また、負極側スイッチング素子ＳＷｂ，ＳＷｄをオフしたまま、正極側スイッチング素子ＳＷａ，ＳＷｃをスイッチング動作させても、同様の作用効果を得ることができる。

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。

ＣＬ…セル、ＣＰ…コンデンサ、ＤＩａ，ＤＩｂ…逆並列ダイオード、Ｒａ，Ｒｂ…分圧抵抗、ＳＷａ，ＳＷｂ…スイッチング素子、Ｔｎ，Ｔｐ…出力端子。

Claims (4)

1. 複数の単位変換器で構成された電力変換装置であって、
   前記単位変換器は、
   正極側スイッチング素子及び負極側スイッチング素子が直列に接続された少なくとも一組のスイッチング素子と、
   前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子のそれぞれに並列に接続された抵抗と、
   前記一組のスイッチング素子と並列に接続されたコンデンサとを備え、
   前記電力変換装置を停止するために、前記単位変換器毎に、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子のうち、一方をオンし、もう一方をオフして、前記コンデンサから出力される放電エネルギーを前記抵抗により消費する放電制御手段を備え、
   前記放電制御手段は、前記正極側スイッチング素子及び前記負極側スイッチング素子のうち一方をオン及びオフを繰り返すスイッチング動作をさせて、前記放電エネルギーを前記抵抗により消費すること
   を特徴とする電力変換装置。
2. 前記単位変換器は、フルブリッジセルであること
   を特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記単位変換器は、ハーフブリッジセルであること
   を特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記放電制御手段は、前記正極側スイッチング素子をオフし、前記負極側スイッチング素子をスイッチング動作して、前記放電エネルギーを前記抵抗により消費すること
   を特徴とする請求項３記載の電力変換装置。

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