JP6803638B2

JP6803638B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6803638B2
Application number: JP2017175741A
Authority: JP
Inventors: 大和三木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2017-09-13
Filing date: 2017-09-13
Publication date: 2020-12-23
Anticipated expiration: 2037-09-13
Also published as: JP2019054580A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

第１交流電力を直流電力に変換する第１変換器と、直流電力を第１交流電力と異なる第２交流電力に変換する第２変換器と、を備えた電力変換装置がある。こうした電力変換装置は、例えば、交流電力の周波数変換などに用いられている。各変換器は、スイッチング素子を有し、スイッチング素子のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う。

また、こうした電力変換装置において、第１変換器及び第２変換器をそれぞれ複数設けることが行われている。これにより、各変換器のスイッチング素子の高耐圧化を抑えつつ、大容量化に対応することができる。

各変換器の直流側は、一対の直流線路に対して、それぞれ並列に接続される。この際、複数の第１変換器の群が、各直流線路の一端側に接続され、複数の第２変換器の群が、各直流線路の他端側に接続される。

しかしながら、このように、複数の第１変換器の群と、複数の第２変換器の群と、に分けて各直流線路に接続すると、各群の間に大きな直流電流が流れるようになり、各直流線路の大容量化や、各直流線路における損失の増加を招いてしまう。

このため、電力変換装置では、交直変換を行う複数の第１変換器の群と複数の第２変換器の群とを設ける場合にも、一対の直流線路の大容量化や損失の増加を抑制できるようにすることが望まれる。

特開２００９−０７２０４２号公報

本発明の実施形態は、交直変換を行う複数の第１変換器の群と複数の第２変換器の群とを設ける場合にも、一対の直流線路の大容量化や損失の増加を抑制できる電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、第１交流電力から直流電力への変換、及び前記直流電力から前記第１交流電力への変換の少なくとも一方を行う複数の第１変換器と、前記直流電力から前記第１交流電力と異なる第２交流電力への変換、及び前記第２交流電力から前記直流電力への変換の少なくとも一方を、前記複数の第１変換器に合わせて行う複数の第２変換器と、前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器のそれぞれの直流側に設けられた第１直流線路と、前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器のそれぞれの直流側に設けられ、前記第１直流線路よりも低電位に設定される第２直流線路と、前記複数の第１変換器のそれぞれと前記第１直流線路とを接続する複数の第１配線と、前記複数の第１変換器のそれぞれと前記第２直流線路とを接続する複数の第２配線と、前記複数の第２変換器のそれぞれと前記第１直流線路とを接続する複数の第３配線と、前記複数の第２変換器のそれぞれと前記第２直流線路とを接続する複数の第４配線と、前記複数の第１変換器のそれぞれの直流側において、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられた複数の第１電荷蓄積素子と、前記複数の第２変換器のそれぞれの直流側において、前記第３配線と前記第４配線との間に設けられた複数の第２電荷蓄積素子と、前記第１直流線路に設けられた複数の第１抵抗器と、前記第２直流線路に設けられた複数の第２抵抗器と、を備え、前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器の直流側は、前記第１変換器と前記第２変換器とが交互に並ぶように、前記第１直流線路及び前記第２直流線路に接続され、前記複数の第１抵抗器は、交互に並ぶ前記複数の第１配線及び前記複数の第３配線のそれぞれの間に配置され、前記複数の第２抵抗器は、交互に並ぶ前記複数の第２配線及び前記複数の第４配線のそれぞれの間に配置され、前記複数の第１抵抗器及び前記複数の第２抵抗器は、前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器の直流側に発生する共振電流を抑制する電力変換装置が提供される。

交直変換を行う複数の第１変換器の群と複数の第２変換器の群とを設ける場合にも、一対の直流線路の大容量化や損失の増加を抑制できる電力変換装置が提供される。

実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。参考の電力変換装置を模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、複数の第１変換器２１と、複数の第２変換器２２と、第１直流線路３１と、第２直流線路３２と、複数の第１配線４１と、複数の第２配線４２と、複数の第３配線４３と、複数の第４配線４４と、複数の第１電荷蓄積素子５１と、複数の第２電荷蓄積素子５２と、を備える。

各第１変換器２１は、第１交流電力系統２ａに接続されている。各第２変換器２２は、第２交流電力系統２ｂに接続されている。各第１変換器２１は、第１交流電力系統２ａから供給された第１交流電力を直流電力に変換する。各第２変換器２２は、各第１変換器２１が変換した直流電力を第１交流電力と異なる第２交流電力に変換し、第２交流電力を第２交流電力系統２ｂに供給する。また、これとは反対に、各第２変換器２２が、第２交流電力系統２ｂから供給された第２交流電力を直流電力に変換し、各第１変換器２１が、直流電力を第１交流電力に変換し、第１交流電力を第１交流電力系統２ａに供給することもできる。

このように、各第１変換器２１及び各第２変換器２２は、第１交流電力から第２交流電力への変換、及び第２交流電力から第１交流電力への変換を行う。電力変換装置１０は、例えば、周波数変換に用いられる。例えば、各第１変換器２１は、５０Ｈｚの第１交流電力と直流電力との交直変換を行い、各第２変換器２２は、直流電力と６０Ｈｚの第２交流電力との交直変換を行う。

各第１変換器２１及び各第２変換器２２は、交流から直流及び直流から交流の双方向の変換を行うものに限ることなく、いずれか一方の変換のみを行うものでもよい。このように、各第１変換器２１は、第１交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から第１交流電力への変換の少なくとも一方を行う。各第２変換器２２は、直流電力から第２交流電力への変換、及び第２交流電力から直流電力への変換の少なくとも一方を、各第１変換器２１に合わせて行う。各第１変換器２１が交流から直流への変換のみを行う場合、各第２変換器２２は直流から交流への変換のみを行う。反対に各第１変換器２１が直流から交流への変換のみを行う場合、各第２変換器２２は交流から直流への変換のみを行う。

各第１変換器２１は、第１直流端子２１ａと、第２直流端子２１ｂと、交流端子２１ｃと、を有する。第２直流端子２１ｂの電位は、第１直流端子２１ａの電位よりも低い。各第１変換器２１に入力される直流電力又は各変換器２１から出力される直流電力に対し、第１直流端子２１ａは、高電位側の端子であり、第２直流端子２１ｂは、低電位側の端子である。同様に、各第２変換器２２は、第１直流端子２２ａと、第２直流端子２２ｂと、交流端子２２ｃと、を有する。

各第１変換器２１は、交流端子２１ｃを介して第１交流電力系統２ａと接続される。各第２変換器２２は、交流端子２２ｃを介して第２交流電力系統２ｂと接続される。

第１直流線路３１は、各第１変換器２１及び各第２変換器２２のそれぞれの直流側に設けられる。第２直流線路３２は、各第１変換器２１及び各第２変換器２２のそれぞれの直流側に設けられ、第１直流線路３１よりも低電位に設定される。

各第１配線４１は、各第１変換器２１のそれぞれと第１直流線路３１とを接続する。各第２配線４２は、各第１変換器２１のそれぞれと第２直流線路３２とを接続する。各第３配線４３は、各第２変換器２２のそれぞれと第１直流線路３１とを接続する。各第４配線４４は、各第２変換器２２のそれぞれと第２直流線路３２とを接続する。

より詳しくは、各第１配線４１は、各第１変換器２１のそれぞれの第１直流端子２１ａと第１直流線路３１とを接続する。各第２配線４２は、各第１変換器２１のそれぞれの第２直流端子２１ｂと第２直流線路３２とを接続する。各第３配線４３は、各第２変換器２２のそれぞれの第１直流端子２２ａと第１直流線路３１とを接続する。各第４配線４４は、各第２変換器２２のそれぞれの第２直流端子２２ｂと第２直流線路３２とを接続する。

各直流線路３１、３２及び各配線４１〜４４には、例えば、平行平板状のブスバーが用いられる。

各第１電荷蓄積素子５１は、各第１変換器２１のそれぞれの直流側において、第１配線４１と第２配線４２との間に設けられている。換言すれば、各第１電荷蓄積素子５１は、各第１変換器２１のそれぞれの第１直流端子２１ａと第２直流端子２１ｂとの間に設けられている。

各第２電荷蓄積素子５２は、各第２変換器２２のそれぞれの直流側において、第３配線４３と第４配線４４との間に設けられている。換言すれば、各第２電荷蓄積素子５２は、各第２変換器２２のそれぞれの第１直流端子２２ａと第２直流端子２２ｂとの間に設けられている。

このように、電力変換装置１０は、各交流電力系統２ａ、２ｂに対して複数の変換器２１、２２を並列に接続するとともに、複数の変換器２１、２２の直流側を並列に接続した並列多重型の電力変換装置がある。こうした並列多重型の電力変換装置では、並列に接続する変換器２１、２２の数を増やすことにより、比較的容易に大容量化に対応することができる。この例では、各交流電力系統２ａ、２ｂのそれぞれに対して、３つの変換器２１、２２を並列に接続している。各変換器２１、２２の並列接続数は、３つに限ることなく、２つでもよいし、４つ以上でもよい。各変換器２１、２２の並列接続数は、任意の数でよい。

電力変換装置１０では、複数の第１変換器２１及び複数の第２変換器２２の直流側が、第１変換器２１と第２変換器２２とが交互に並ぶように、第１直流線路３１及び第２直流線路３２に接続されている。

また、電力変換装置１０は、複数の第１抵抗器６１と、複数の第２抵抗器６２と、をさらに有する。各第１抵抗器６１は、交互に並ぶ複数の第１配線４１及び複数の第３配線４３のそれぞれの間に配置されるように第１直流線路３１に設けられている。各第２抵抗器６２は、交互に並ぶ複数の第２配線４２及び複数の第４配線４４のそれぞれの間に配置されるように第２直流線路３２に設けられている。

各第１抵抗器６１及び各第２抵抗器６２には、例えば、内部に冷却水を流すための流路が設けられた水冷式の抵抗器が用いられる。各第１抵抗器６１の抵抗値及び各第２抵抗器６２の抵抗値は、例えば、数ｍΩ（１ｍΩ以上１０ｍΩ以下）である。各第１抵抗器６１の抵抗値は、各第１抵抗器６１のそれぞれにおいて実質的に同じでもよいし、異なってもよい。各第２抵抗器６２の抵抗値は、各第２抵抗器６２のそれぞれにおいて実質的に同じでもよいし、異なってもよい。

また、例えば、第１直流線路３１及び第２直流線路３２のみで十分な電流容量などを確保できる場合には、第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２は、省略してもよい。第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。また、例えば、第１抵抗器６１及び第２抵抗器６２の一方のみを設ける構成としてもよい。

図２は、実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、各第１変換器２１は、６つのスイッチング素子１０１〜１０６と、６つの整流素子１１１〜１１６と、を有する。

この例において、第１交流電力系統２ａの第１交流電力は、三相交流電力である。各第１変換器２１は、第１交流端子ＡＣ１、第２交流端子ＡＣ２、及び第３交流端子ＡＣ３の３つの交流端子２１ｃを有している。各交流端子ＡＣ１〜ＡＣ３は、第１交流電力系統２ａの各相の線路のそれぞれに接続される。

直列に接続されたスイッチング素子１０１、１０２の一端は、第１直流端子２１ａと電気的に接続されている。スイッチング素子１０１、１０２の他端は、第２直流端子２１ｂと電気的に接続されている。そして、スイッチング素子１０１とスイッチング素子１０２との接続点は、第１交流端子ＡＣ１と電気的に接続されている。

直列に接続されたスイッチング素子１０３、１０４の一端は、第１直流端子２１ａと電気的に接続されている。スイッチング素子１０３、１０４の他端は、第２直流端子２１ｂと電気的に接続されている。そして、スイッチング素子１０３とスイッチング素子１０４との接続点は、第２交流端子ＡＣ２と電気的に接続されている。

直列に接続されたスイッチング素子１０５、１０６の一端は、第１直流端子２１ａと電気的に接続されている。スイッチング素子１０５、１０６の他端は、第２直流端子２１ｂと電気的に接続されている。そして、スイッチング素子１０５とスイッチング素子１０６との接続点は、第３交流端子ＡＣ３と電気的に接続されている。

各整流素子１１１〜１１６は、各スイッチング素子１０１〜１０６に逆並列に接続されている。スイッチング素子１０１〜１０６には、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やパワーＭＯＳＦＥＴなどのパワー半導体が用いられる。整流素子１１１〜１１６は、いわゆる還流ダイオードである。

このように、各第１変換器２１は、６つのスイッチング素子１０１〜１０６をフルブリッジ接続した３レグのフルブリッジ回路である。これにより、各第１変換器２１のスイッチング素子１０１〜１０６のスイッチングにより、前述のように、第１交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から第１交流電力への変換を行うことができる。

各第２変換器２２の構成は、各第１変換器２１の構成と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。第１交流電力系統２ａの第１交流電力、及び第２交流電力系統２ｂの第２交流電力は、三相交流電力に限ることなく、単相交流電力などでもよい。第１交流電力及び第２交流電力を単相交流電力とする場合には、各第１変換器２１及び各第２変換器２２を２レグのフルブリッジ回路とすればよい。各第１変換器２１及び各第２変換器２２の構成は、上記に限ることなく、交流電力から直流電力への変換、及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行うことができる任意の構成でよい。各第１変換器２１及び各第２変換器２２は、例えば、３レベルインバータなどでもよい。

図３は、参考の電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
なお、上記実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。
図３に表したように、参考の電力変換装置１０ｘでは、複数の第１変換器２１の群が、各直流線路３１、３２の一端側に接続され、複数の第２変換器２２の群が、各直流線路３１、３２の他端側に接続されている。このように、複数の第１変換器２１の群と、複数の第２変換器２２の群と、に分けて各直流線路３１、３２に接続すると、各群の間に大きな直流電流が流れるようになり、各直流線路３１、３２の大容量化や、各直流線路３１、３２における損失の増加を招いてしまう。例えば、各群の間に第１抵抗器６１や第２抵抗器６２などを設けた場合には、各抵抗器６１、６２の大容量化や各抵抗器６１、６２の冷却機構の大容量化を招いてしまう。例えば、各直流線路３１、３２、各抵抗器６１、６２、及び各抵抗器６１、６２の冷却機構などの大型化を招いてしまう。

これに対して、本実施形態に係る電力変換装置１０では、複数の第１変換器２１及び複数の第２変換器２２の直流側を、第１変換器２１と第２変換器２２とが交互に並ぶように、第１直流線路３１及び第２直流線路３２に接続している。

これにより、隣り合う第１変換器２１と第２変換器２２との間において、各変換器２１、２２の容量分の直流電流のみが各直流線路３１、３２に流れるようになる。すなわち、電力変換装置１０の構成では、電力変換装置１０ｘの構成と比べて、同数の各変換器２１、２２を設けた場合においても、各直流線路３１、３２に流れる直流電流を低減させることができる。従って、複数の第１変換器２１と複数の第２変換器２２とを設けた場合にも、各直流線路３１、３２の大容量化や、各直流線路３１、３２における損失の増加を抑制することができる。

また、各抵抗器６１、６２などを設けた場合にも、各抵抗器６１、６２の大容量化や大型化を抑制することができる。各抵抗器６１、６２の冷却機構の大容量化や大型化を抑制することもできる。例えば、各抵抗器６１、６２に水冷式の抵抗器を用いた場合などにも、各抵抗器６１、６２の大型化を抑制することができる。

また、各変換器２１、２２の直流側には、各電荷蓄積素子５１、５２や配線インダクタンスなどの影響により、共振電流が発生する。この際、上記のように、各抵抗器６１、６２を直流側に設けることにより、直流側に発生する共振電流を抑制することもできる。

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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。

１０、１０ｘ…電力変換装置、２１…第１変換器、２２…第２変換器、３１…第１直流線路、３２…第２直流線路、４１…第１配線、４２…第２配線、４３…第３配線、４４…第４配線、５１…第１電荷蓄積素子、５２…第２電荷蓄積素子、６１…第１抵抗器、６２…第２抵抗器、１０１〜１０６…スイッチング素子、１１１〜１１６…整流素子

Claims

第１交流電力から直流電力への変換、及び前記直流電力から前記第１交流電力への変換の少なくとも一方を行う複数の第１変換器と、
前記直流電力から前記第１交流電力と異なる第２交流電力への変換、及び前記第２交流電力から前記直流電力への変換の少なくとも一方を、前記複数の第１変換器に合わせて行う複数の第２変換器と、
前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器のそれぞれの直流側に設けられた第１直流線路と、
前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器のそれぞれの直流側に設けられ、前記第１直流線路よりも低電位に設定される第２直流線路と、
前記複数の第１変換器のそれぞれと前記第１直流線路とを接続する複数の第１配線と、
前記複数の第１変換器のそれぞれと前記第２直流線路とを接続する複数の第２配線と、
前記複数の第２変換器のそれぞれと前記第１直流線路とを接続する複数の第３配線と、
前記複数の第２変換器のそれぞれと前記第２直流線路とを接続する複数の第４配線と、
前記複数の第１変換器のそれぞれの直流側において、前記第１配線と前記第２配線との間に設けられた複数の第１電荷蓄積素子と、
前記複数の第２変換器のそれぞれの直流側において、前記第３配線と前記第４配線との間に設けられた複数の第２電荷蓄積素子と、
前記第１直流線路に設けられた複数の第１抵抗器と、
前記第２直流線路に設けられた複数の第２抵抗器と、
を備え、
前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器の直流側は、前記第１変換器と前記第２変換器とが交互に並ぶように、前記第１直流線路及び前記第２直流線路に接続され、
前記複数の第１抵抗器は、交互に並ぶ前記複数の第１配線及び前記複数の第３配線のそれぞれの間に配置され、
前記複数の第２抵抗器は、交互に並ぶ前記複数の第２配線及び前記複数の第４配線のそれぞれの間に配置され、
前記複数の第１抵抗器及び前記複数の第２抵抗器は、前記複数の第１変換器及び前記複数の第２変換器の直流側に発生する共振電流を抑制する電力変換装置。
前記複数の第１抵抗器及び前記複数の第２抵抗器は、内部に冷却水を流すための流路が設けられた水冷式の抵抗器である請求項１記載の電力変換装置。
前記複数の第１抵抗器の抵抗値及び前記複数の第２抵抗器の抵抗値は、１ｍΩ以上１０ｍΩ以下である請求項１又は２に記載の電力変換装置。