JP6934275B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

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、多数の回路方式が提案されている。マルチレベル出力の電力変換器では、交流の電圧波形の高調波成分を低減できるので、高調波フィルタの簡素化、削減を可能にして小型化をはかることができる。たとえば、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、単位変換器が多数設けられており、ＭＭＣ自体の性能を向上させるためには、各単位変換器の性能をなるべく合わせる必要がある。単位変換器を構成する部品には、ばらつきがあり、部品固有のばらつきを制限することは費用対効果等を考慮すると現実的でない場合も多い。

特開２０１６−２２０３５６号公報

実施形態は、特性を調整して変換器の性能を向上させることができ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、スイッチング素子と、コンデンサと、前記スイッチング素子およびコンデンサを電気的に接続して主電流を流す配線部材と、をそれぞれ含む複数の主回路を含む電力変換器を備える。前記配線部材は、導電体の板状体である第１導電板および第２導電板と、絶縁体の板状体であり、前記第１導電板と前記第２導電板との間で前記第１導電板および前記第２導電板を電気的に絶縁する絶縁板と、を含む。前記第１導電板、前記第２導電板および前記絶縁板の形状は、前記複数の主回路における前記主電流のそれぞれが所望の波形となるように前記配線部材のインダクタンス値が設定されている。前記配線部材のインダクタンス値は、前記第１導電板および前記第２導電板のそれぞれの自己インダクタンスの大きさ、ならびに、前記第１導電板と前記第２導電板との間の相互インダクタンスの大きさにもとづいて決定される。

本実施形態では、第１導電板、第２導電板および絶縁板の形状が各主回路に流れる主電流を所望の波形となるように設定された配線部材を備えるので、特性の調整がされた変換器の性能が向上される。

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。 単位変換器の構成例を示す模式的な回路図である。 図３（ａ）は、単位変換器の一部を例示する平面図である。図３（ｂ）は、単位変換器の一部を例示する底面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）のＡＡ’線における断面図である。 図４（ａ）〜図４（ｄ）は、図３（ａ）のＡＡ’線における断面に対応する図であり、単位変換器の一部の変形例を例示する断面図である。 図３（ａ）に対応する平面図であり、単位変換器の一部の変形例を例示する図である。

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を備える。電力変換器２０は、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。）である。電力変換器２０は、交流端子２１ａ〜２１ｃを介して、交流の電力系統１に接続される。この例のように、電力変換器２０は、変圧器２を介して電力系統１に接続されてもよい。たとえば、電力系統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、直流端子２１ｄ，２１ｅを介して、直流回路３に接続される。直流回路３は、たとえば直流送電線等を含む。以下では、電力変換器２０は、三相の電力系統１に連系されるものとする。

電力変換器２０は、三相交流の各相に対応したアーム２２を含む。アーム２２は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。

直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されるアーム２２には、バッファリアクトル２４がそれぞれ直列に接続されている。バッファリアクトル２４は、上下のアーム２２間に瞬時的な短絡電流が流れることを防止する。

バッファリアクトル２４のタップは、交流端子２１ａ〜２１ｃにそれぞれ接続されている。

アーム２２は、カスケードに接続された単位変換器３０を含む。

図２は、単位変換器の構成例を示す模式的な回路図である。
図２に示すように、単位変換器３０は、端子３１ａ，３１ｂを含む。単位変換器３０は、スイッチング素子３２ａと、ダイオード３２ｂと、コンデンサ３２ｃと、を含む。２つのスイッチング素子３２ａは、直列に接続されている。２つのダイオード３２ｂは、２つのスイッチング素子３２ａにそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ３２ｃは、スイッチング素子３２ａの直列回路に並列に接続されている。

コンデンサ３２ｃは、配線部材４０によって、スイッチング素子３２ａおよびダイオード３２ｂに電気的に接続されている。配線部材４０には、単位変換器３０の主電流が流れる。配線部材４０は、後に詳述するが、その長さや幅、絶縁物を介して重ね合わせた場合の距離、重ね合わせの寸法に応じてインダクタンスが決定される。スイッチング素子３２ａは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の自己消弧型の半導体スイッチである。スイッチング素子３２ａは、駆動信号によって駆動されて、コンデンサ３２ｃを充放電する。そのため、スイッチング電流（主電流）の波形は、配線部材４０のインダクタンス値によって、変化する。スイッチング電流が変化することによって、たとえば単位変換器３０の変換効率が変化し、電力変換装置全体の変換効率に影響がおよぶ。実施形態の電力変換装置１０では、配線部材４０のインダクタンス値を調整することによって、スイッチング電流の波形を適正化し、単位変換器３０の変換効率を適切な値に設定することができる。

図３（ａ）は、単位変換器の一部を例示する平面図である。図３（ｂ）は、単位変換器の一部を例示する底面図である。図３（ｃ）は、図３（ａ）のＡＡ’線における断面図である。
図３（ａ）〜図３（ｃ）に示すように、配線部材４０は、導電板４２ａ，４２ｂと、絶縁板４３と、を含む。導電板４２ａ，４２ｂは、銅合金等の金属等の良導電性の材料で形成されている。絶縁板４３は、絶縁性の材料で形成されており、導電板４２ａ，４２ｂの間に設けられ、導電板４２ａ，４２ｂを電気的に絶縁する。後に詳述するように、絶縁板４３は、導電板４２ａ，４２ｂの離間距離を設定するためにも設けられている。導電板４２ａ，絶縁板４３および導電板４２ｂは、積層され、一体化された配線部材４０を構成する。

導電板（第１、第２導電板）４２ａ，４２ｂは、電流が流入し、流出し得る２つの端部を有する。導電板４２ａ，４２ｂの一方の端部には、接続部４４ａ，４４ｂがそれぞれ設けられ、他方の端部には、接続部４５ａ，４５ｂがそれぞれ設けられている。導電板４２ａは、接続部４４ａ，４５ａによって、外部回路と電気的に接続される。導電板４２ｂは、接続部４４ｂ，４５ｂによって、外部回路と電気的に接続される。

具体的には、コンデンサ３２ｃの高電位側の端子は、接続部４４ａによって、導電板４２ａに接続される。導電板４２ａは、接続部４５ａによって、スイッチング素子３２ａのコレクタ端子に接続される。コンデンサ３２ｃの低電位側の端子は、接続部４４ｂによって、導電板４２ｂに接続される。導電板４２ｂは、接続部４５ｂによって、スイッチング素子３２ａのエミッタ端子に接続される。

導電板４２ａ，４２ｂは、ほぼ同一形状の導体の板であり、導電板４２ａ，４２ｂの形状に制限はないが、たとえばほぼ方形である。接続部４４ａ，４４ｂは、導電板４２ａ，４２ｂの一方の端部から電流が流れる方向に沿って延伸して設けられている。接続部４５ａ，４５ｂは、導電板４２ａ，４２ｂの接続部４４ａ，４４ｂが設けられた端部が設けられた辺に対向する他方の辺である端部に設けられている。この例では、接続部４４ａ，４５ａは、接続部４４ａ，４５ａが設けられている導電板４２ａのそれぞれの縁の中央からそれぞれの縁に沿って一方向にオフセットした位置に設けられている。接続部４４ｂ，４５ｂも、接続部４４ｂ，４５ｂが設けられているそれぞれの縁の中央からそれぞれの縁に沿って、接続部４４ａ，４５ａとは反対側にオフセットした位置に設けられている。接続部の位置は、配線部材４０によって接続する回路要素の配置等によって適切な位置に任意に設定することができる。この例の場合には、導電板４２ａおよび接続部４４ａ，４５ａと導電板４２ｂおよび接続部４４ｂ，４５ｂは、中心線に対して線対象な形状を有する。

配線部材４０は、導電板４２ａ，４２ｂの形状、導電板４２ａ，４２ｂの離間距離、および導電板４２ａ，４２ｂのそれぞれに流れる電流の方向によって、インダクタンス値が決定される。導電板４２ａ，４２ｂの電流が流れる方向に沿う長さ（以下、単に長さという。）が長いほど、導電板４２ａ，４２ｂの自己インダクタンスは大きくなる。導電板４２ａ，４２ｂの電流が流れる方向に直交する方向の長さ（以下、幅という。）が長いほど導電板４２ａ，４２ｂの自己インダクタンスは小さくなる。

絶縁板４３の厚さによって、導電板４２ａ，４２ｂ間の離間距離を設定することができ、絶縁板４３が厚いほど、導電板４２ａ，４２ｂ間の離間距離を長くすることができる。導電板４２ａ，４２ｂ間の相互インダクタンスは、導電板４２ａ，４２ｂに流れる電流の方向および導電板２４ａ，４２ｂ間の離間距離によって相違する。導電板４２ａ，４２ｂに流れる電流の方向が同じ場合には、電流によって発生する磁界を弱め合うので、導電板４２ａ，４２ｂ間の離間距離が短いほどインダクタンス値は小さくなる。導電板４２ａ，４２ｂに流れる電流の方向が異なる場合には、電流によって発生する磁界を強め合うので、導電板４２ａ，４２ｂ間の離間距離が短いほどインダクタンス値は大きくなる。以下では、導電板４２ａ，４２ｂに流れる電流の方向が異なる場合について具体的な例を説明するが、導電板４２ａ，４２ｂに流れる電流の方向が同じ場合については、上述のようにして適用することが可能である。

配線部材４０のインダクタンス値は、導電板４２ａ，４２ｂの自己インダクタンスおよび相互インダクタンスの大きさによって、決定される。

図４（ａ）〜図４（ｄ）は、図３（ａ）のＡＡ’線における断面に対応する図であり、単位変換器の一部の変形を例示する断面図である。
図４（ａ）は、比較対象として再掲した図であり、図３（ｃ）と同じ図である。絶縁板４３は、厚さｔ０を有する。上述したように、配線部材では、絶縁部材の厚さを変更することによって、２つの導電板の間の離間距離を調整することができる。図４（ｂ）に示すように、配線部材１４０は、配線部材４０の場合と異なる厚さを有する絶縁部材１４３を含む。絶縁部材１４３は、厚さｔ１を有する。ｔ１＞ｔ０の場合には、導電板４２ａ，４２ｂ間の離間距離は長くなるので、導電板４２ａ，４２ｂ間の磁界の強め合いは減少するので、配線部材１４０の全体のインダクタンスは、配線部材４０の場合よりも小さくなる。

図４（ｃ）に示すように、配線部材２４０は、図４（ａ）の配線部材４０の場合と異なる導電板２４２ａ，２４２ｂを含む。導電板２４２ａ，２４２ｂの幅Ｗ２は、配線部材４０の導電板４２ａ，４２ｂの幅Ｗ０よりも広く設定されている。そのため、導電板２４２ａ，２４２ｂの自己インダクタンスが小さくなるので、配線部材２４０の全体のインダクタンスは、図４（ａ）の場合にくらべて小さくなる。

図４（ｄ）に示すように、配線部材３４０は、図４（ａ）の配線部材４０の場合とは導電板４２ａ，４２ｂの重なり合う長さＬ３が異なる。配線部材３４０では、導電板４２ａ，４２ｂが絶縁板４３を介して重畳する長さＬ３は、導電板の幅Ｗ０よりも短い。したがって、磁界の強め合いは減少するので、配線部材３４０全体のインダクタンスは、図４（ａ）の場合よりも減少する。

図５は、図３（ａ）に対応する平面図であり、単位変換器の一部の変形例を例示する図である。
図５の左の図は、比較対象として再掲した図３（ａ）と同じ図である。図５の右の図に示すように、配線部材４４０は、図３（ａ）の配線部材４０の場合の長さＬ０とは異なる長さＬ４を有する導電板４４２ａを含む。なお、図示しないが、導電板４２ｂの位置には、導電板４４２ａと同じ寸法の電動板が絶縁板４４３を介して設けられている。導電板４４２ａの長さＬ４は、この例では、図３（ａ）の場合の長さＬ０にくらべて、短く設定されている。そのため、導電板４４２ａの自己インダクタンスは、図３（ａ）の場合にくらべて、小さくなり、配線部材４４０全体のインダクタンスを小さくすることができる。

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
上述したとおり、実施形態の電力変換装置は、配線部材４０を備えており、配線部材４０では、導電板の長さや幅を異ならせ、あるいは、導電板の離間距離を異ならせることによって、配線部材のインダクタンスを調整することができる。配線部材４０は、単位変換器３０のコンデンサ３２ｃとスイッチング素子３２ａとの接続に用いられるので、配線部材４０のインダクタンス値を調整することによって、コンデンサへの充放電電流の波形を調整し、単位変換器３０の変換効率を適切な値に調整することができる。

ＭＭＣのような多数の単位変換器３０を含む電力変換器では、電力変換器の変換効率やノイズ放射等の諸特性を目標値や、仕様値等の適切な値を達成するためには、各単位変換器３０の変換効率やノイズ放射等の諸特性を最適な値にそろえる必要がある。スイッチング素子３２ａの駆動条件を調整することによって、ある程度の性能調整は可能であるが、主電流が流れる配線に起因する寄生的な回路パラメータの特性を調整することができれば、より適切な性能を実現することができる。本実施形態では、上述のように、配線部材のインダクタンス値を調整することができるので、より簡便に適切な値を設定することが可能になる。

導電板の寸法や、絶縁板の厚さ等をさまざま変えた配線部材をあらかじめ複数種類準備しておくことも可能である。単位変換器３０ごとにより特性測定し、適切なパラメータを有する配線部材を選択することによって、単位変換器３０の特性を単位変換器３０ごとに最適に調整することができ、電力変換装置全体の性能を適切な値に調整することができる。

以上説明した実施形態によれば、設置スペースを小さくしつつ、変換器の構造を簡素化した他励式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、２０ 電力変換器、２２ 単位アーム、２４ 変圧器、３０ 単位変換器、３２ａ スイッチング素子、３２ｂ ダイオード、３２ｃ コンデンサ、４０，１４０，２４０，３４０，４４０ 配線部材、４２ａ，４２ｂ，２４２ａ，２４２ｂ，４４２ａ 導電板、４３，１４３，４４３ 絶縁板

Claims (6)

1. スイッチング素子と、コンデンサと、前記スイッチング素子およびコンデンサを電気的に接続して主電流を流す配線部材と、をそれぞれ含む複数の主回路を含む電力変換器を備え、
   前記配線部材は、
   導電体の板状体である第１導電板および第２導電板と、
   絶縁体の板状体であり、前記第１導電板と前記第２導電板との間で前記第１導電板および前記第２導電板を電気的に絶縁する絶縁板と、
   を含み、
   前記第１導電板、前記第２導電板および前記絶縁板の形状は、前記複数の主回路における前記主電流のそれぞれが所望の波形となるように前記配線部材のインダクタンス値が設定され、
   前記配線部材のインダクタンス値は、前記第１導電板および前記第２導電板のそれぞれの自己インダクタンスの大きさ、ならびに、前記第１導電板と前記第２導電板との間の相互インダクタンスの大きさにもとづいて決定された電力変換装置。
2. 前記第１導電板および前記第２導電板は、同一形状である請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第１導電板および前記第２導電板は、互いに対向する位置に設けられた請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記第１導電板および前記第２導電板は、互いに対向する位置から前記主電流が流れる方向に交差する方向にオフセットした位置に設けられた請求項２記載の電力変換装置。
5. 前記絶縁板は、均一な厚さを有する請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換器は、モジュラーマルチレベルコンバータである請求項１〜５のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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