JP7132095B2 - 電力変換装置、およびそれを用いた多相交流電力変換装置 - Google Patents
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Description
特許文献1の[要約]において、「[課題]電力変換装置の通信伝送遅延を減らし、制御応答を向上させる。[解決手段]電力変換装置116aは、エネルギ貯蔵要素とスイッチング素子とを備えて、このスイッチング素子のオン・オフに依存してエネルギ貯蔵要素の電圧に依存した正または負の電圧と零電圧のいずれかを出力するセル105と、セル105を直列に1または複数台接続して構成したアーム104と、アーム104を複数備えて、交流を直流に、または、直流を交流に変換可能な電力変換回路103と、各セル105を統括して制御する中央制御装置107と、中央制御装置107に光ファイバケーブル111でデイジーチェーン接続される複数の中間制御装置113と、中間制御装置113に接続されて、各セル105をそれぞれ制御するセル制御装置とを備える。各相の交流端子U点・V点・W点には、各直列回路の一端が接続される。直流端子P点・N点には、各直列回路の他端が並列接続される。」と記載されており、電力変換装置の技術が開示されている。
すなわち、本発明の電力変換装置は、1次側の電力端子に入力する電力を変換して2次側の電力端子に変換した電力を出力する複数の電力変換セルと、前記複数の電力変換セルを統括して制御する統括制御部と、前記複数の電力変換セルの1次側の通信端子と前記統括制御部とをデイジーチェーン接続する第1の通信路と、前記複数の電力変換セルの2次側の通信端子と前記統括制御部とをデイジーチェーン接続する第2の通信路と、を備え、前記複数の電力変換セルの1次側の電力端子および2次側の電力端子は、それぞれ1次側および2次側で直列に接続され、前記複数の電力変換セルの一つの電力変換セルの1次側の電力端子は、基準電位となる中性点に接続され、前記複数の電力変換セルの他の一つの電力変換セルの2次側の電力端子は、基準電位となる中性点に接続され、前記統括制御部の1次側の送信端に接続された前記第1の通信路は、1次側の電力端子が中性点に接続された電力変換セルの1次側の通信端子に、前記デイジーチェーン接続の1番目として接続され、前記統括制御部の2次側の送信端に接続された前記第2の通信路は、2次側の電力端子が中性点に接続された電力変換セルの2次側の通信端子に、前記デイジーチェーン接続の1番目として接続されることを特徴とする。
また、その他の手段は、発明を実施するための形態のなかで説明する。
図1は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置10の回路構成例を示す図である。
電力変換装置10は、N台(Nは2以上の自然数)のコンバータセル(電力変換セル)20-1~20-Nと、中央コントローラ(統括制御部)80と、通信路90a,90bとを備えて構成されている。
これらで構成される電力変換装置10の詳細な接続関係と動作については、後記する。
まず、コンバータセル(20-1~20-N)について説明する。
コンバータセル20-k(kは段数番号であり、1≦k≦N)は、一対の1次側電力端子25,26(1次側の電力端子)と、一対の2次側電力端子27,28(2次側の電力端子)と、交直変換器11(第1の交直変換器、1次側変換器)と、交直変換器12(第2の交直変換器、1次側変換器)と、交直変換器13(第3の交直変換器、2次側変換器)と、交直変換器14(第4の交直変換器、2次側変換器)と、高周波トランス15(トランス)と、コンデンサ17,18(平滑コンデンサ)と、フィルタリアクトル19a~19dと、1次側コントローラ70、2次側コントローラ71と、を備えている。
交直変換器13は高周波トランス15の2次側の交流電圧(交流電力)を直流電圧(直流電力)に変換する。そして変換された直流電圧をコンデンサ18で平滑する。この平滑れた直流電圧(直流電力)を交直変換器14で所定の電圧と所定の周波数の交流電圧(交流電力)に変換する。そして、コンバータセル20-kのフィルタリアクトル19c,19dを介して、2次側電力端子27,28から交流電圧(交流電力)を出力する。
なお、これらの構成によるコンバータセル20-kの詳細な構成・機能・動作については、図2を参照して後記する。
コンバータセル20-1~20-Nの1次側電力端子25,26は、順次直列に接続され、これらで形成された直列回路に1次側電源系統31(VS1)が接続されている。
また、コンバータセル20-1~20-Nの2次側電力端子27,28は、順次直列に接続され、これらで形成された直列回路に2次側電源系統32(VS2)が接続されている。
コンバータセル20-1~20-Nは、それぞれのコンバータセルの1次側電力端子(25,26)と2次側電力端子(27,28)との間で、双方向または一方向に電力を伝送する。
なお、1次側電源系統31の電圧を1次側系統電圧VS1とし、2次側電源系統32の電圧を2次側系統電圧VS2とする。
1次側系統電圧VS1と2次側系統電圧VS2とは、振幅および周波数が相互に独立している。そのため、電力変換装置10は、1次側電源系統31と2次側電源系統32との間で双方向、または一方向に電力を伝送する。
各コンバータセル(20-1~20-N)の1次側コントローラ70と、中央コントローラ(統括制御部)80との間に、1次側通信路(1次側の通信路)90as,90arが設けられている。
また、各コンバータセル(20-1~20-N)の2次側コントローラ71と、中央コントローラ80との間に2次側通信路(2次側の通信路)90bs,90brが設けられている。
また、中央コントローラ80は、1次側通信路90arおよび2次側通信路90brを介して各コンバータセル(20-1~20-N)の異常などの状態を把握する信号を受信する。
例えば、コンバータセル(20-1~20-N)に異常が発生した場合には、1次側通信路90arおよび2次側通信路90brを介して、中央コントローラ80は、異常を検知する。そして、中央コントローラ80は、1次側通信路90asおよび2次側通信路90bsを介して、コンバータセル(20-1~20-N)に停止の指令を送信する。
なお、1次側通信路90as,90arおよび2次側通信路90ba,90brは、電気配線でも良いし、光ファイバでも良い。
なお、電気配線の場合はコンバータセル(20-1~20-N)の1次側コントローラ70、あるいは2次側コントローラ71の直近で、カプラによって絶縁通信、あるいは光ファイバ通信に変えても良い。
図1に示すように、1次側電源系統31(VS1)の一対の端子のうち、一方を1次側基準端子(中性点)33、他方を端子35と呼称する。同様に、2次側電源系統32の一対の端子のうち、一方を2次側基準端子(中性点)34、他方を端子36と呼称する。
1次側基準端子33は、1次側基準電位が現れる端子であり、2次側基準端子34は、2次側基準電位が現れる端子である。
1次側および2次側基準電位は、例えば接地電位である。基準電位は必ずしも接地電位でなくてもよいが、1次側基準端子33は、他方の端子35よりも対地電位の最高値(絶対値)が低い側の端子にすることが好ましい。
また、2次側基準端子34は、他方の端子36よりも対地電位の最高値(絶対値)が低い側の端子にすることが好ましい。
すなわち、段数番号kが大きくなるほど1次側電力端子25,26の対地電圧の絶対値は低くなり、2次側電力端子27,28の対地電圧の絶対値は高くなる。
そのため、本発明の第1実施形態では、コンバータセル(k=N)の1次側セルコントローラに中央コントローラ80の1次側通信路90asの送信端を接続する。また、コンバータセル(k=1)の2次側コントローラ71に中央コントローラ80の2次側通信路90bsの送信端を接続する。
図2は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置10におけるコンバータセル20-kの電力変換に関わる回路構成例を示す図である。
図2において、コンバータセル20-kは、交直変換器11~14と高周波トランス15とコンデンサ17,18と、フィルタリアクトル19a~19dを備えて構成されている。なお、電力変換を制御するが、電力が流れることはない1次側コントローラ70と2次側コントローラ71の記載を省略している。
例えば、1次側電力端子25,26から交流電圧(交流電力)が入力する場合について説明する。
交直変換器11に1次側電力端子25,26を介して交流電圧(交流電力)が入力すると、交直変換器11で直流電圧(直流電力)に変換される。変換された直流電圧(直流電力)は、コンデンサ17で平滑される。平滑化された直流電圧(直流電力)は、交直変換器12で交流電圧(交流電力)に変換され、高周波トランス15の1次側に入力する。1次側に入力した交流電圧(交流電力)は、高周波トランス15で変圧されて、2次側に異なる電圧の交流電圧(交流電力)を出力する。高周波トランス15の2次側の交流電圧(交流電力)は、交直変換器13で直流電圧(直流電力)に変換される。変換された直流電圧(直流電力)は、コンデンサ18で平滑される。平滑化された直流電圧(直流電力)は、交直変換器14で交流電圧(交流電力)に変換され、2次側電力端子27,28から交流電圧(交流電力)を出力する。
交直変換器14に2次側電力端子27,28を介して交流電圧(交流電力)が入力すると、交直変換器14で直流電圧(直流電力)に変換される。変換された直流電圧(直流電力)は、コンデンサ18で平滑される。平滑化された直流電圧(直流電力)は、交直変換器13で交流電圧(交流電力)に変換され、高周波トランス15の2次側に入力する。2次側に入力した交流電圧(交流電力)は、高周波トランス15で変圧されて、1次側に異なる電圧の交流電圧(交流電力)を出力する。高周波トランス15の1次側の交流電圧(交流電力)は、交直変換器12で直流電圧(直流電力)に変換される。変換された直流電圧(直流電力)は、コンデンサ17で平滑される。平滑化された直流電圧(直流電力)は、交直変換器11で交流電圧(交流電力)に変換され、1次側電力端子25,26から交流電圧(交流電力)を出力する。
なお、1次側電力端子25,26から2次側電力端子27,28へ電力を送る場合には、交直変換器11,13は、交流-直流変換器(コンバータ)として動作し、交直変換器12,14は、直流-交流変換器(インバータ)として動作する。
また、逆に、2次側電力端子27,28から1次側電力端子25,26へ電力を送る場合には、交直変換器11,13は、直流-交流変換器(インバータ)として動作し、交直変換器12,14は、交流-直流変換器(コンバータ)として動作する。
また、コンバータセル20-kにおいては、途中で直流電圧に変換して、その後、交流電圧に変換しているため、1次側電力端子25,26と2次側電力端子27,28とにおける交流周波数が異なっていてもよい。
また、フィルタリアクトル19a~19dは、交流電圧に含まれるスパイク成分を低減し、交流電力の力率を高めるためである。
本発明の通信路を含む特徴を説明するために、一部、重複するがコンバータセル20-kの機能動作について、あらためて詳細に説明する。
コンバータセル20-kにおいて、コンデンサ17の両端の間に現れる電圧を1次側DCリンク電圧Vdc1[k](1次側直流電圧)と呼ぶ。そして、コンデンサ17の両端に現れる電圧(接地を基準とする電位)のうち、高い側の電圧を1次側DCリンク正電圧Vdc1+[k]と呼び、低い側の電圧を1次側DCリンク負電圧Vdc1-[k]と表記する。なお、[k]におけるkは、コンバータセルの段数番号である。
交直変換器11は、1次側AC端子間電圧V1[k]と、1次側DCリンク電圧Vdc1[k]とを、双方向または単一方向に変換しつつ電力を伝送する。
交直変換器12および交直変換器13が高周波トランス15との間で入出力する電流は、高周波である。ここで、高周波とは、例えば100Hz以上の周波数であるが、1kHz以上の周波数を採用することが好ましく、10kHz以上の周波数を採用することがより好ましい。
交直変換器12は、1次側DCリンク電圧Vdc1[k]と、1次巻線15aに現れる電圧とを双方向または単一方向に変換しつつ電力を伝送する。
交直変換器13は、2次側DCリンク電圧Vdc2と、2次巻線15bに現れる電圧とを双方向または単一方向に変換しつつ電力を伝送する。
1次巻線15aと2次巻線15bとの電位差は、測定位置によって異なるが、最大となる電位差をトランス電位差Vtr[k]と表記する。
交直変換器14は、2次側AC端子間電圧V2[k]と、2次側DCリンク電圧Vdc2とを双方向に変換しつつ電力を伝送する。
図3と図4を参照して、本発明と比較例の通信路の接続順序について比較する。
図3は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置10における通信路の接続順序の例を示す図である。
また、図4は比較例としての電力変換装置における通信路の接続順序の例を示す図である。なお、図4に示した比較例は、図3に示した本発明の第1実施形態の特徴・効果を説明するために参考として示した回路構成であって、従来技術において明確に開示されているものではない。
まず、図3を参照して、本発明の電力変換装置10における通信路の接続順序について説明する。
図3において、電力変換装置10(図1)が4個のコンバータセル20-1~20-4を備えて構成されている。
なお、図3は、通信路の接続順序の説明を意図するものであるので、図1におけるコンデンサ17,18、フィルタリアクトル19a~19dの記載は、表記上の都合により省略している。
また、図3においては、図1における1次側基準端子33、および2次側基準端子34を、それぞれ接地(中性点)していることを明確に記載している。
そして、コンバータセル20-4の1次側コントローラ70の他端は、コンバータセル20-3の1次側コントローラ70の一端に接続されている。また、コンバータセル20-3の1次側コントローラ70の他端は、コンバータセル20-2の1次側コントローラ70の一端に接続されている。また、コンバータセル20-2の1次側コントローラ70の他端は、コンバータセル20-1の1次側コントローラ70の一端に接続されている。
また、コンバータセル20-1の1次側コントローラ70の他端は、1次側通信路90arを介して中央コントローラ80の受信端に接続されている。
そして、コンバータセル20-1の2次側コントローラ71の他端は、コンバータセル20-2の2次側コントローラ71の一端に接続されている。また、コンバータセル20-2の2次側コントローラ71の他端は、コンバータセル20-3の2次側コントローラ71の一端に接続されている。また、コンバータセル20-3の2次側コントローラ71の他端は、コンバータセル20-4の2次側コントローラ71の一端に接続されている。
また、コンバータセル20-4の2次側コントローラ71の他端は、2次側通信路90brを介して中央コントローラ80の受信端に接続されている。
コンバータセル20-1~20-4の1次側通信路90as,90arは、デイジーチェーン接続なので、その次にコンバータセル20-3の1次側の交直変換器11,12が停止する。
次いで、コンバータセル20-2の1次側の交直変換器11,12が停止する。
最後に、コンバータセル20-1の1次側の交直変換器11,12が停止する。
図3においては、以上のコンバータセル20-1~20-4の1次側の交直変換器11,12の停止順序を、大きく太い線の書体の数字で1~4と表記した符号と、矢印3001の方向で表記している。
コンバータセル20-1~20-4の2次側通信路90bs,90brは、デイジーチェーン接続なので、その次にコンバータセル20-2の2次側の交直変換器13,14が停止する。
次いで、コンバータセル20-3の2次側の交直変換器13,14が停止する。
最後に、コンバータセル20-4の2次側の交直変換器13,14が停止する。
図3においては、以上のコンバータセル20-1~20-4の2次側の交直変換器13,14の停止順序を、大きく太い線の書体の数字で1~4と表記した符号と、矢印3002の方向で表記している。
この効果については、次に示す比較例の通信路の接続順序を説明した後に、比較例との対比から、本発明の電力変換装置10における通信路の接続順序による効果として説明する。
図4は、前記したように、比較例としての電力変換装置における通信路の接続順序を示す図である。
図4において、電力変換装置10(図1)が4個のコンバータセル20-1~20-4を備えて構成されている。
図4の構成において、図3と異なるのは、2次側の通信路の接続順序である。図3と同じ構成の箇所については、重複する説明は省略する。
そして、コンバータセル20-4の2次側コントローラ71の他端は、コンバータセル20-3の2次側コントローラ71の一端に接続されている。また、コンバータセル20-3の2次側コントローラ71の他端は、コンバータセル20-2の2次側コントローラ71の一端に接続されている。また、コンバータセル20-2の2次側コントローラ71の他端は、コンバータセル20-1の2次側コントローラ71の一端に接続されている。
また、コンバータセル20-1の2次側コントローラ71の他端は、2次側通信路90bsを介して中央コントローラ80の受信端に接続されている。
コンバータセル20-1~20-4の2次側通信路90bs,90brは、デイジーチェーン接続なので、その次にコンバータセル20-3の2次側の交直変換器13,14が停止する。
次いで、コンバータセル20-2の2次側の交直変換器13,14が停止する。
最後に、コンバータセル20-1の1次側の交直変換器13,14が停止する。
図4においては、以上のコンバータセル20-1~20-4の2次側の交直変換器13,14の停止順序をNo.1~No.4と表記した符号と、矢印4002の方向で表記している。
次に、図3で示した本発明の電力変換装置における通信路の接続順序による作用と効果を、図4で示した比較例の電力変換装置における通信路の接続順序の作用と比較して説明する。
本発明と比較例の電力変換装置の複数のコンバータセルにおける通信路の接続順序によるコンバータセルの動作波形(高周波トランス1次・2次間電位差の動作波形)について図5と図6を参照して説明する。
図5において、第1セル(コンバータセル20-1)の動作波形を示した特性図(最上段の図)では、横軸は時刻(時間の推移)を示し、単位は[ms]である。また、縦軸は、第1セルの高周波トランス1次・2次間電位差である電圧(-4V0~4V0)を示している。なお、V0とは各セル(コンバータセル)の1個あたりの出力電圧に相当する。
第1セルの動作波形を示した特性図では、太い破線で示した特性線5021が停止せずに動作を続けている場合の動作波形である。また、太い実線で示した特性線5031は、中央コントローラ80(図3)から出力電圧零指令が来た場合の停止に至るまでの動作波形である。また、太い実線で示した特性線5011は、出力電圧零指令が来る前の動作波形(高周波トランス1次・2次間電位差の動作波形)である。
なお、第1セル~第4セルにおいて、特性線5011~特性線5014、および特性線5021~特性線5024が示す動作波形(高周波トランス1次・2次間電位差の動作波形)は、互いに異なっている。
この出力電圧零指令が来てから第1セル~第4セルが停止して、高周波トランス1次・2次間電位差、および電力変換装置10(図1)の出力電圧が0に収束するまでの特性が重要な場合がある。
しかしながら、図5に示した動作波形を示した特性図では、狭い時間の間に、本発明および比較例の第1セル~第4セルが停止するので、図3に示した本発明と図4に示した比較例の相違を明確に表記できない。
そのため、次に、出力電圧零指令が来てから高周波トランス1次・2次間電位差が0に収束するまでの時間を拡大して図6に示す。
また、縦軸は、各セル(コンバータセル)の対地電圧である電圧(0,V0,2V0,3V0,4V0)を示している。なお前記したように、V0とは各セル(コンバータセル)の1個あたりの出力電圧に相当する。また、コンバータセル20-1~20-4(第1セル~第4セル)は、入力端子(1次側電力端子)、および出力端子(2次側電力端子)が、それぞれ直列に接続されているため、他のコンバータセルの電位の影響を受けて、0~4V0の範囲の値をとる。
この変化は、中央コントローラ80に最も近いコンバータセルがまず停止し、そして出力電圧零指令が次のセルへの通信路を伝達される。この繰り返しにおいて、各段階に10μsの時間を要しているからである。
図4において、1次側では、コンバータセル20-4(第4セル)の1次側コントローラ70は、中央コントローラ80の送信端に接続されている。そのため、中央コントローラ80が異常を検知しコンバータセル20-1~20-4の停止命令を発した場合、コンバータセル20-4の1次側が最初(10μs~20μs:図6)に停止する。そして、次に(20μs~30μs:図6)、コンバータセル20-3の1次側が停止する。次に(30μs~40μs:図6)、コンバータセル20-2の1次側が停止する。最後に(40μs~:図6)、コンバータセル20-1の1次側が停止する。
また、2次側で最初に停止するコンバータセル20-4の一端は、2次側電源系統32に接続されている。
以上により、図4に示した比較例の場合には、中央コントローラ80が異常を検知しコンバータセル20-1~20-4の停止命令を発した場合には、図6に示す破線の特性線6021で示すように、第1セル(コンバータセル20-1)~第4セル(コンバータセル20-4)のそれぞれの高周波トランス(15:図4)の1次・2次間電位差は、段階的に変位する。
図3において、1次側におけるコンバータセル20-4(第4セル)~コンバータセル20-1(第1セル)と1次側コントローラ70の接続関係は、図4における1次側におけるコンバータセル20-4(第4セル)~コンバータセル20-1(第1セル)と1次側コントローラ70の接続関係と同じである。事実上、重複する説明は省略する。
図3において、前記したように、中央コントローラ80の送信は、2次側通信路90bsを介して、コンバータセル20-1(第1セル)の2次側コントローラ71の他端に接続されている。
そのため、中央コントローラ80が異常を検知しコンバータセル20-1~20-4の停止命令を発した場合、コンバータセル20-1の2次側が最初(10μs~20μs:図6)に停止する。そして、次に(20μs~30μs:図6)、コンバータセル20-2の2次側が停止する。次に(30μs~40μs:図6)、コンバータセル20-3の2次側が停止する。最後に(40μs~:図6)、コンバータセル20-4の1次側が停止する。
なお、コンバータセル20-1(第1セル)の2次側コントローラ71は、中央コントローラ80の送信端に2次側通信路90bsを介して接続されている。そのため、中央コントローラ80が異常を検知し、コンバータセル20-1~20-4の停止命令を発した場合、2次側はコンバータセル20-1(第1セル)が最初に停止する。
コンバータセル20-1~20-4は、デイジーチェーン接続なので、2次側は、その次にコンバータセル20-2(第2セル)が停止し、次にコンバータセル20-3(第3セル)が停止し、最後にコンバータセル20-4(第4セル)が最後に停止する。
それに対して、図4で示した比較例の電力変換装置10Cでは、2次側において、非接地電位側であるコンバータセル20-4が停止しても、コンバータセル20-3~20-1までの対地電位は変化しない。
この差が、図6における区間10μs~20μsにおける本発明の特性線6011~6014と比較例の特性線6021~6024との差に表されている。
それに対して、本発明の特性線6011~6014では、第2セル(コンバータセル20-2)、第3セル(コンバータセル20-3)、第4セル(コンバータセル20-4)において、1次側のコンバータセル20-4の停止と2次側のコンバータセル20-1の停止に起因する2段階分だけ変位して、速やかに電位が下がる。
それに対して、比較例(図4)のコンバータセルの2次側において、コンバータセル20-4(第4セル)は、2次側電源系統32に接続されているので、コンバータセル20-4(第4セル)が停止しても、コンバータセル20-3(第3セル)~20-1(第1セル)までの対地電位は変化しない。
この現象は、比喩としての例をあげれば、ちょうど達磨落としと類似している。
積み上げられた達磨の各段を各コンバータセルの電位になぞらえると、最下段の達磨を落とすと残りすべての達磨の高さ位置が下がるのに対し、最上段の達磨を落としただけでは残りすべての達磨の高さ位置は変わらない。
図4に示した比較例では、1次側のみが達磨落としとなる構成に対して、図3に示した本発明の第1実施形態では、1次側および2次側が共に達磨落としとなる構成となっている。
第1実施形態の構成(図1~図3、図6参照)によれば、複数のコンバータセル(20-1~20-N)のうち、一対の1次側端子(25,26)に現れる対地電圧の絶対値が1番低いコンバータセル20-Nに、中央コントローラ80の送信端を1次側通信路90asを介して接続し、20-N-1から20-1に向かって順次通信路を接続している。
また、複数のコンバータセル(20-1~20-N)のうち、一対の2次側端子(27,28)に現れる対地電圧の絶対値が1番低いコンバータセル20-1に、中央コントローラ80の送信端を2次側通信路90bsを介して接続し、20-1から20-Nに向かって順次通信路を接続している。
この構成をとることによって、電力変換装置10の異常時における中央コントローラ80の停止命令に対して、コンバータセルの対地電位を速やかに低減できる効果がある。
次に、本発明の第1実施形態の電力変換装置10を三相交流電力変換装置(多相交流電力変換装置、三相交流システム)への適用例を説明する。
図7は、本発明の第1実施形態に係る電力変換装置10を三相交流電力変換装置(多相交流電力変換装置、三相交流システム)に適用した構成例を示すブロック図である。
図7において、1次側三相電源系統のU相,V相,W相の端子をU1,V1,W1とし、2次側三相電源系統のU相,V相,W相の端子をU2,V2,W2とする。
また、三相電源系統の1次側の中性点を中性点N1、2次側の中性点を中性点N2とする。
3台の電力変換装置がU相、V相、W相にY結線で接続されている。なお、U相の電力変換装置10は、図4に示すようにコンバータセル20-1~20-Nを含んで表記されている。ただし、V相およびW相の電力変換装置10は、表記の都合により、電力変換装置10Aと電力変換装置10Bとに分けて表記している。すなわちV相およびW相については、1次側に接続された電力変換装置10Aと2次側に接続された電力変換装置10Bとを併せて電力変換装置10を構成している。
1次側の端子U1と中性点N1との間には、コンバータセル20-1~20-Nの1次側電力端子25,26(図1,図2参照)が順次直列に接続されている。また、2次側の中性点N2と端子U2との間には、2次側電力端子27,28が順次直列に接続されている。
このように、第1実施形態で説明した電力変換装置10、(10A+10B)、(10A+10B)を用いて、U相、V相、W相による三相交流システムの三相交流電力変換装置を構成すれば、三相交流電力変換装置(多相交流電力変換装置、三相交流システム)200においても中性点N1,N2が基準端子となり、前記したことと同様に基準端子側に中央コントローラ80(図1)の送信端を接続することによって、同様の効果を得ることができる。
すなわち、三相交流電力変換装置(多相交流電力変換装置)200(図7)は、異常時における中央コントローラ80(図1)の停止命令に対して、三相交流電力変換装置200における各電力変換装置10,(10A+10B),(10A+10B)の対地電位を速やかに低減できる効果がある。
次に、本発明の第2実施形態による電力変換装置の構成を説明する。
図8は、本発明の第2実施形態による電力変換装置100の回路構成例を示す図である。ただし、1次側を主として表記し、2次側についての表記を省略している。
電力変換装置100は、N台(Nは2以上の自然数)のコンバータセル40-1~40-Nを有している。コンバータセル40-k(但し、1≦k≦N)は、交直変換器11~12と、コンデンサ17と、1次側電力端子25,26と、を有している。
なお、前記以外のコンバータセル40-kの構成は、第1実施形態におけるコンバータセル20-kの1次側の構成(図2参照)と同様である。すなわち、コンバータセル40-kは、1次側電力端子25,26における交流と、2次側の所定の回路との間で双方向または一方向に電力を変換しつつ伝送する。
また、コンバータセル20-1~20-Nの2次側端子は、任意に接続され、これら回路に2次側電源系統32が接続されていたり、接続していなかったりする。1次側電源系統31としては、例えば発電設備、あるいは各種負荷を採用することもできる。
そのため、第1実施形態と同様に、緊急時のコンバータセルの停止順序が段数番号kの大きいほうから実施されるため、コンバータセルの対地電位は速やかに低減する。
すなわち、図8に示した本発明の第2実施形態による電力変換装置100の回路構成例は、従来技術において明確に開示されているものではない。
第1実施形態で説明した、電力変換装置の異常時における中央コントローラ80の停止命令に対して、コンバータセルの対地電位を速やかに低減できる効果を、2次側の他の回路構成のコンバータセルに対しても、適用できる。
なお、本発明は、以上に説明した実施形態に限定されるものでなく、さらに様々な変形例が含まれる。例えば、前記の実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために、例示したものであり、必ずしも説明したすべての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成の一部で置き換えることが可能であり、さらに、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成の一部または全部を追加・削除・置換をすることも可能である。
以下に、その他の実施形態や変形例について、説明する。
コンバータセルのその他の回路構成について図9および図10を参照して説明する。
図9は、図2で示したコンバータセルにおけるフィルタリアクトル19c,19dを削除したコンバータセルの回路構成を示す図である。
また、図10は、図2で示したコンバータセルにおけるフィルタリアクトル19a,19b,19c,19dを削除したコンバータセルの回路構成例を示す図である。
図2において、前記したように、フィルタリアクトル19a~19dは、交流電圧に含まれるスパイク成分を低減し、交流電力の力率を高めるためである。しかし、フィルタリアクトル19a~19dは、状況によって絶対的に必要な要素ではないので、図9または図10に示したように、状況によって、適宜、削除して用いてもよい。
第1実施形態に係るコンバータセル20-kの回路構成を示す図2において、スイッチング素子Q1~Q4をMOSFETとして説明した。しかし、スイッチング素子Q1~Q4は、MOSFETに限定されない。
例えば、スイッチング素子として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、GTO(Gate Turn-Off Thyristor)、IEGT(Injection Enhanced Gate Transistor)、あるいはサイラトロン等の真空管式の素子を適用してもよい。
また、スイッチング素子の構成に半導体を適用する場合において、半導体の材質はSi、SiC、GaN等、任意のものを適用できる。
また、図1、図2に示した交直変換器11~14は、双方向に電力を変換できるようにスイッチング素子を用いたフルブリッジを適用して説明した。しかし用途に応じては、スイッチング素子によるフルブリッジに限定されない。
交直変換器が一方向に電力を変換できればよい場合において、交直変換器11~14の一部においては、整流素子を用いたフルブリッジを適用してもよい。
図11は、整流素子D1~D4を適用したフルブリッジの回路構成例を示す図である。
図11に示す整流素子D1~D4でフルブリッジを構成した例においても、高周波トランス15(図2)のトランス電位差Vtrは、第1実施形態におけるトランス電位差Vtr(Vtr[k])と同様となる。そのため、電力変換装置を小型、かつ安価に構成することができる。
また、整流素子D1~D4の構成に半導体ダイオードを適用する場合に、その半導体の材質はSi、SiC、GaN等、任意のものを適用できる。
図12Aは、本発明の電力変換装置に係るコンバータセル20-kの交直変換器12と1次巻線15aとの間にコンデンサ51を挿入するとともに、交直変換器13と2次巻線15bとの間にコンデンサ52を挿入した回路構成例を示す図である。
図12Bは、本発明の電力変換装置に係るコンバータセル20-kの交直変換器12と1次巻線15aとの間にコンデンサ51を挿入した回路構成例を示す図である。
図12Cは、本発明の電力変換装置に係るコンバータセル20-kの交直変換器13と2次巻線15bとの間にコンデンサ52を挿入した回路構成例を示す図である。
図12A、図12B、図12Cに示すように、コンデンサを交直変換器と1次巻線もしくは2次巻線との間に挿入することによって、トランス電位差Vtr(Vtr[k])を変える方法もある。
すなわち、高周波トランス15のトランス電位差を低減することにより、高周波トランス15の絶縁耐性を向上、あるいは低コスト化、小型化が可能となる効果がある。
図1、図2、図12A~12Cに示した高周波トランス15は、意図的に漏れインダクタンスを発生させるように設計したものを用いてもよい。つまり、このようにして、トランス電位差Vtr(Vtr[k])を変える方法もある。
コンバータセル20-1~20-Nの接続方法は、前記した各実施形態のものに限定されない。
「1次側基準電位に対する1次側電力端子25,26,45,46の電圧が最も高くなるコンバータセル」と、「2次側基準電位に対する2次側電力端子27,28の電圧が最も高くなるコンバータセル」とが、異なるようにすれば、接続方法は特に限定されず、前記した以外の他の接続方法をとってもよい。
この変形例においては、トランス電位差Vtr[k]の最高値(絶対値)は、第1実施形態の場合(すなわち「±(1+1/N)Vmax」)よりも高くなる。しかし、この変形例におけるトランス電位差Vtr[k]の最高値は、比較例(図5参照)における最高値(すなわち「±2Vmax」)よりは低くすることができる。これにより、この変形例は、比較例のものよりも、コンバータセル20-kを小型かつ安価に構成することができる点で有利である。
図7を参照して、第1実施形態の電力変換装置10を用いて三相交流電力変換装置(三相交流システム)を構成する例を示した。
しかし、第1実施形態の電力変換装置10を複数用いて、多相の交流電力変換装置(多相交流電力変換装置)を構成できるのは、三相には限定されない。例えば、6相の交流電力変換装置のように、4相以上において、多相の交流電力変換装置(多相交流電力変換装置、多相交流システム)を、第1実施形態の電力変換装置10を用いて構成してもよい。
11 交直変換器(第1の交直変換器、1次側変換器)
12 交直変換器(第2の交直変換器、1次側変換器)
13 交直変換器(第3の交直変換器、2次側変換器)
14 交直変換器(第4の交直変換器、2次側変換器)
15 高周波トランス(トランス)
15a 1次巻線
15b 2次巻線
17,18 コンデンサ(平滑コンデンサ)
19a~19d フィルタリアクトル
20-1~20-N,40-1~40-N コンバータセル(電力変換セル)
25,26 1次側電力端子(1次側の電力端子)
27,28 2次側電力端子(2次側の電力端子)
200 三相交流電力変換装置(多相交流電力変換装置、三相交流システム)
31 1次側電源系統
32 2次側電源系統
33 端子、基準端子、1次側基準端子(中性点)
34 端子、基準端子、2次側基準端子(中性点)
35,36 端子
51,52 コンデンサ
70 1次側コントローラ
71 2次側コントローラ
80 中央コントローラ(統括制御部)
90a,90as,90ar 通信路(通信経路)、1次側通信路(第1の通信路)
90b,90bs,90br 通信路(通信経路)、2次側通信路(第2の通信路)
D1,D2,D3,D4 整流素子
Q1,Q2,Q3,Q4 スイッチング素子(MOSFET)
Claims (13)
- 1次側の電力端子に入力する電力を変換して2次側の電力端子に変換した電力を出力する複数の電力変換セルと、
前記複数の電力変換セルを統括して制御する統括制御部と、
前記複数の電力変換セルの1次側の通信端子と前記統括制御部とをデイジーチェーン接続する第1の通信路と、
前記複数の電力変換セルの2次側の通信端子と前記統括制御部とをデイジーチェーン接続する第2の通信路と、
を備え、
前記複数の電力変換セルの1次側の電力端子および2次側の電力端子は、それぞれ1次側および2次側で直列に接続され、
前記複数の電力変換セルの一つの電力変換セルの1次側の電力端子は、基準電位となる中性点に接続され、
前記複数の電力変換セルの他の一つの電力変換セルの2次側の電力端子は、基準電位となる中性点に接続され、
前記統括制御部の1次側の送信端に接続された前記第1の通信路は、1次側の電力端子が中性点に接続された電力変換セルの1次側の通信端子に、前記デイジーチェーン接続の1番目として接続され、
前記統括制御部の2次側の送信端に接続された前記第2の通信路は、2次側の電力端子が中性点に接続された電力変換セルの2次側の通信端子に、前記デイジーチェーン接続の1番目として接続される、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、
前記電力変換セルの1次側には1次側コントローラを、2次側には2次側コントローラを備え、
前記1次側コントローラが前記電力変換セルの1次側を制御し、
前記2次側コントローラが前記電力変換セルの2次側を制御し、
前記第1の通信路は、前記1次側コントローラに接続され、
前記第2の通信路は、前記2次側コントローラに接続されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、
前記第1の通信路、および前記第2の通信路は、光通信が用いられている、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、
直列に接続された前記複数の電力変換セルの1次側の電力端子間に交流電力が入力され、
直列に接続された前記複数の電力変換セルの2次側の電力端子間に交流電力が出力される、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、
前記電力変換セルは、複数の交直変換器と高周波トランスとを備える、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1において、
前記1次側の電力端子、または前記2次側の電力端子にフィルタリアクトルを備える、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項5において、
一つ以上の前記交直変換器がスイッチング素子を備えてなる、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項7において、
一つ以上の前記スイッチング素子がMOSFETで構成されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項5において、
一つ以上の前記交直変換器が複数の整流素子によるフルブリッジ回路で構成されている、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項5において、
前記交直変換器と前記高周波トランスの巻線との間に、コンデンサを備える、
ことを特徴とする電力変換装置。 - 請求項1に記載の電力変換装置を複数台備える、
ことを特徴とする多相交流電力変換装置。 - 請求項11に記載の多相交流電力変換装置は、
3台の前記電力変換装置がY結線に接続されてなる、
ことを特徴とする多相交流電力変換装置。 - 1次側の電力端子に入力する電力を変換して2次側の電力端子に変換した電力を出力する複数の電力変換セルと、
前記複数の電力変換セルを統括して制御する統括制御部と、
前記複数の電力変換セルの1次側の通信端子と前記統括制御部とをデイジーチェーン接続する第1の通信路と、
を備え、
前記複数の電力変換セルの1次側の電力端子は1次側で直列に接続され、
前記複数の電力変換セルの一つの電力変換セルの1次側の電力端子は、基準電位となる中性点に接続され、
前記統括制御部の1次側の送信端に接続された前記第1の通信路は、1次側の電力端子が中性点に接続された電力変換セルの1次側の通信端子に、前記デイジーチェーン接続の1番目として接続される、
ことを特徴とする電力変換装置。
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