JP7443858B2

JP7443858B2 - 電力変換装置およびその制御方法

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Publication number: JP7443858B2
Application number: JP2020048092A
Authority: JP
Inventors: 悟藤田; 剛長野; 宏二丸山
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-03-18
Filing date: 2020-03-18
Publication date: 2024-03-06
Anticipated expiration: 2040-03-18
Also published as: JP2021151064A

Description

本発明は、電力変換装置およびその制御方法に関し、より詳細には、系統の交流電源から供給される交流電力を、直流電力または交流電力に変換して出力する電力変換装置およびその制御方法に関する。

入力された交流電力を直流電力に変換して出力する電力変換装置は、典型的には、交流－直流変換器と直流－直流変換器とが縦続接続されており、交流電力に変換して出力する電力変換装置は、さらに直流－交流変換器が後段に縦続接続されている。このように縦続接続された一連の変換器の構成を変換器セルと称している。系統から交流電力を入力する場合など入力電圧が高い場合には、複数の変換器セルを備え、それぞれの変換器セルの入力端子を直列に接続したマルチセル電力変換装置が用いられている。マルチセル電力変換装置においては、入力電圧を分圧して複数の変換器セルにおいて電力変換するので、定格電圧の低い半導体スイッチなどの部品を用いることができる。従って、単一の変換器セルにより構成した電力変換装置と比較して、製造コストを削減することができる（例えば、特許文献１参照）。

マルチセル電力変換装置において、複数の変換器セルのいずれか１つのセルが、内部のスイッチング素子などに電路を開放するような故障（開放故障）が発生すると、全ての変換器セルへの入力電力の供給が遮断されてしまう。従って、マルチセル電力変換装置全体の運転が止まり、負荷への電力の供給ができなくなる。そこで、変換器セルの１つに開放故障が発生した場合、故障した変換器セルだけを運転停止にして、残りの正常な電力変換器セルの運転が継続するように構成したマルチセル電力変換装置が知られている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００５－０７３３６２号公報特許第６５７５２８９号公報欧州特許出願公開第３２０３６２１号明細書

特許文献２のマルチセル電力変換装置においては、各々の変換器セルにおいて、交流入力側を短絡する短絡用スイッチを備えている。変換器セル内部のスイッチング素子などに開放故障が発生すると、これを制御部が検知して、故障した変換器セルの入力側の短絡用スイッチをオンにして、当該変換器セルをバイパスする。

ここで、短絡用スイッチとして、リレー等の機械スイッチを用いると、導通時の損失が小さく、変換器セル内への分流がない。一方、故障の検知からスイッチの接点が閉じるまでに数十ｍｓの遅れが生じてしまう。従って、短絡故障時には短時間でも過電流が流れ、装置の故障につながる恐れがある。

短絡用スイッチとして、半導体スイッチを適用することが考えられる。変換器セルの交流－直流変換器の入力側にある整流回路の後段に、直流回路を短絡する経路を設けて半導体スイッチを挿入する。半導体スイッチのターンオン時間は、素子、回路構成にもよるが、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等の半導体トランジスタであれば数十ｎｓから数百ｎｓ程度であるから、短絡故障時であっても、変換器セル内への過電流を防ぐことができる。しかしながら、この方式では、整流回路に開放故障が発生した場合は、当該変換器セルをバイパスすることができない。また、変換器セルの交流－直流変換器の入力端子の外部に、入力を短絡する経路を設けて双方向半導体スイッチを挿入することもできる。しかしながら、この方式では、半導体スイッチ２素子を介して導通することから、導通損失が大きい。

さらに、半導体スイッチとしてサイリスタを用いて、機械スイッチと併用する方式も知られている（例えば、特許文献３参照）。機械スイッチが導通するまでの間、サイリスタにより故障した変換器セルをバイパスすることができる。制御部は、変換器セル内部の開放故障を検知してサイリスタをオンにし、次に、機械スイッチをオンすることにより、サイリスタが自己消弧する（オフになる）。しかしながら、サイリスタのターンオン時間は、数μｓから数十μｓと比較的長く、短絡故障時に装置の故障につながる恐れがあるとともに、オン抵抗も大きいので導通損失が大きい。

本発明の目的は、機械スイッチと半導体スイッチとを併用して、簡便に故障した変換器セルをバイパスすることができる電力変換装置およびその制御方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、入力された電力を変換して出力する電力変換装置であって、入力端子（または出力端子）が直列に接続された複数の変換器セルと、各々の変換器セルの入力端子の間を短絡するバイパス回路であって、当該入力端子（または出力端子）の間を短絡する機械スイッチと、前記機械スイッチと並列に設けられた双方向半導体スイッチとを有するバイパス回路と、前記バイパス回路を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記複数の変換器セルのいずれかにおいてバイパス要求があったと判断すると、当該変換器セルに接続された前記機械スイッチの接点を閉じる信号および前記双方向半導体スイッチを駆動する信号を送出し、少なくとも当該機械スイッチの接点が閉じるまでの間、前記双方向半導体スイッチを駆動するように構成されたことを特徴とする。

本発明によれば、機械スイッチと並列に双方向半導体スイッチを備え、機械スイッチの接点が閉じるまでの間、双方向半導体スイッチを駆動することにより、簡便に変換器セルをバイパスすることができ、信頼性の高い電力変換装置を提供することが可能となる。

本発明の一実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかるバイパス回路を示す図である。本発明の第１の実施形態にかかるバイパス回路の動作を示すタイムチャートである。本発明の第３の実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す図である。本発明の第４の実施形態にかかるバイパス回路を示す図である。本発明の第５の実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１に、本発明の一実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す。マルチセル電力変換装置１０は、複数の変換器セル１１－１～１１－ｎの高圧側の入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2は直列に接続され、リアクトルＬ１を介して系統交流電源１３に接続されている。複数の変換器セル１１（以下、初出の場合のみ子番号を記載する）の各々の入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2の間には、バイパス回路１２－１～１２－ｎが挿入されている。各々の変換器セル１１は、交流－直流変換器１４－１～１４－ｎと直流－直流変換器１５－１～１５－ｎとが縦続接続されている。直流－直流変換器１５の低圧側の出力端子Ｐ_out1，Ｐ_out2は、負荷１６に並列に接続されている。

交流－直流変換器１４は、交流電力を直流電力に変換するダイオードブリッジで構成されたコンバータ回路ＣＮ１と平滑用のコンデンサＣ１とにより構成されている。直流－直流変換器１５は、直流電力を高周波の交流電力に変換するインバータ回路ＩＮ１と、この交流電力出力を所定の交流電圧に変成する高周波変圧器Ｔと、変成された交流電力を所定の電圧の直流電力に変換するトランジスタで構成されたコンバータ回路ＣＮ２と、この直流電力出力を平滑するための直流リアクトルＬ２およびコンデンサＣ２とにより構成されている。

図２に、本発明の第１の実施形態にかかるバイパス回路を示す。バイパス回路１２は、変換器セル１１の入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2間に接続され、入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2間を短絡する機械スイッチ２１と双方向半導体スイッチ２２とが並列に接続されている。双方向半導体スイッチ２２は、ダイオードブリッジで構成されたコンバータ回路２３の出力間に、短絡用の半導体スイッチＩＧＢＴ、駆動回路用の電力源として機能するコンデンサＣａ、およびＤＣ／ＤＣコンバータ２４が並列に接続されている。駆動回路２５は、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を電力源とし、ＩＧＢＴのゲート端子を駆動する。

機械スイッチ２１および駆動回路２５をバイパス制御する制御信号は、マルチセル電力変換装置１０の制御部１７から出力される。制御部１７は、各々の変換器セル１１を監視し、交流－直流変換器１４のコンデンサＣ１の端子電圧異常、直流－直流変換器１５のコンデンサＣ２の端子電圧異常、インバータ回路ＩＮ１またはコンバータ回路ＣＮ２のトランジスタの過電流、もしくは、交流－直流変換器１４または直流－直流変換器１５の温度異常などを検知すると、当該変換器セルの故障と判断する。制御部１７は、変換器セルの故障と判断すると、当該変換器セルのバイパス要求があったと判断し、機械スイッチ２１および駆動回路２５に制御信号を送出する。

図３に、本発明の第１の実施形態にかかるバイパス回路の動作を示す。制御部１７は、バイパス要求があったと判断すると、駆動回路２５にＩＧＢＴゲート指令を送出する。駆動回路２５がＩＧＢＴを制御してから、ＩＧＢＴに電流が流れるまでの時間は、上述したようにｎｓのオーダーである。ＩＧＢＴゲート指令の送出時間は、後述するように１０数ｍｓ程度である。駆動回路２５は、ＩＧＢＴゲート指令を受けている間、ＩＧＢＴのゲート端子を継続して駆動している。

また、制御部１７は、バイパス要求があったと判断すると、ＩＧＢＴゲート指令と同時に機械スイッチ２１にもリレー信号を送出する。機械スイッチ２１は、電磁コイルにリレー信号が与えられ、機械的接点が駆動されるが、接点が確実に閉じて、安定的に電流が流れるまでに１０ｍｓ程度の時間を要する。図３に示すように、機械スイッチ２１の接点が閉じることにより、系統交流電源１３からの交流電流は、およそ１０ｍｓ後には機械スイッチ２１を流れ、双方向半導体スイッチ２２には流れなくなる。

このような構成により、故障検知後は、系統交流電源１３からの交流電流は、双方向半導体スイッチ２２に流れるので、短絡故障時であっても、変換器セル内への過電流を防ぐことができる。機械スイッチ２１がオンした後は、交流電流は機械的接点を流れるので、導通時の損失を最小限にすることができる。

ＩＧＢＴゲート指令の送出時間は、機械スイッチ２１の機械的接点が確実に閉じた状態になるまでの間、少なくとも駆動回路２５に送出する。図３においては、一例として１０ｍｓ程度としたが、機械スイッチの仕様に応じて数十ｍｓ程度を超えていればよい。

双方向半導体スイッチ２２のＩＧＢＴ等の半導体せトランジスタは、短時間であっても、系統交流電源１３からの交流電流を流すことができる定格を有していればよい。一方、数十ｍｓ程度の時間、電流を流すだけであるから、放熱板などの熱対策は不要である。コンバータ回路２３を設けて、正負の電流に対して兼用し、１個の半導体トランジスタでよいことから、バイパス回路のコストを低減することができる。

駆動回路２５の電力源は、交流－直流変換器１４のコンデンサＣ１から直流電力を受取ることもできるが、変換器セル１１の短絡故障時には、電源が消失してしまう。本実施形態においては、コンデンサＣａおよびＤＣ／ＤＣコンバータ２４は、駆動回路２５を介してＩＧＢＴを数十ｍｓ程度駆動できる直流電力を供給できればよい。従って、小型、低コストの回路を付加するだけで、変換器セル１１の短絡故障時であっても、ＩＧＢＴの制御を行うことができる。

（第２の実施形態）
第１の実施形態のバイパス回路１２において、短絡用の半導体スイッチＩＧＢＴに代えて、いわゆる交流スイッチを、コンバータ回路２３の入力側において、高圧側の入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2間を短絡するようにしてもよい。交流スイッチは、スイッチングトランジスタとダイオードとを逆並列接続して構成した半導体スイッチを２個、逆直列接続して構成した双方向半導体スイッチである。第１の実施形態と同様に、交流スイッチは、ＤＣ／ＤＣコンバータ２４を電力源とする駆動回路２５によって駆動される。交流スイッチは、２素子を介して電流が流れるので導通損失が大きくなるが、数十ｍｓ程度の時間であるので適用することができる。

（第３の実施形態）
図４に、本発明の第３の実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す。第１および第２の実施形態において、変換器セル１１の交流－直流変換器１４は、ダイオードブリッジで構成されている。第３の実施形態では、交流－直流変換器１４としてＰＦＣ（Power Factor Correction）回路を適用する。ＰＦＣ回路は、ダイオードブリッジＤＢ、リアクトルＬ３、半導体スイッチング素子ＴｒおよびダイオードＤ１と、平滑用のコンデンサＣ１とにより構成されている。リアクトルＬ３、半導体スイッチＴｒ、ダイオードＤ１およびコンデンサＣ１からなる部分は、直流電圧を昇圧して出力する、いわゆる昇圧チョッパとして知られている。

ダイオードブリッジのみで構成された交流－直流変換器では、電流歪が大きく、直流中間電圧のリプルも大きい。ＰＦＣ回路によれば、交流電流を力率１かつ高調波の少ない波形（正弦波）にでき、直流中間電圧を一定に制御することができ、後段の直流－直流変換器１５の入力変動を抑えることができる。

入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2間には、バイパス回路１２が挿入されているので、昇圧チョッパの半導体スイッチＴｒ、ダイオードＤ１が壊れた場合であっても切り替えることができる。

（第４の実施形態）
図５に、本発明の第４の実施形態にかかるバイパス回路を示す。第１の実施形態にかかるバイパス回路は、変換器セルの高圧側の入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2側の外部に設けたが、第４の実施形態では、バイパス回路の一部を交流－直流変換器１４の回路と共用する。

交流－直流変換器１４は、交流電力を直流電力に変換するトランジスタＱ１～Ｑ４で構成されたコンバータ回路ＣＮ１と平滑用のコンデンサＣ１とにより構成されている。バイパス回路１２は、変換器セル１１の入力端子間に接続され、入力端子間を短絡する機械スイッチ２１のみから構成されている。

図３を参照して、第３の実施形態のバイパス回路の動作を説明する。制御部１７は、変換器セルの異常を検知して、変換器セルのバイパス要求があったと判断すると、変換器セルの交流－直流変換器１４の制御回路（図示しない）にＩＧＢＴゲート指令を送出する。この制御回路がコンバータ回路ＣＮ１のトランジスタを制御してから、トランジスタに電流が流れるまでの時間は、上述したようにｎｓのオーダーである。ＩＧＢＴゲート指令の送出時間は、上述したように１０数ｍｓ程度である。制御回路は、ＩＧＢＴゲート指令を受けている間、トランジスタＱ１およびＱ２、またはトランジスタＱ３およびＱ４のいずれかを継続して駆動している。また、制御部１７は、バイパス要求があったと判断すると、同時に機械スイッチ２１にもリレー信号を送出する。上述したように、機械スイッチ２１の機械的接点が閉じて電流が流れるまでに１０ｍｓ程度の時間を要する。図３に示すように、機械スイッチ２１の接点が閉じることにより、系統交流電源１３からの交流電流は、およそ１０ｍｓ後には機械スイッチ２１を流れ、トランジスタブリッジには流れなくなる。

第１の実施形態と比較すると、バイパス回路１２は機械スイッチ２１のみから構成され、小型化、簡素化が図れる。しかしながら、制御回路の電力源は、交流－直流変換器１４のコンデンサＣ１から直流電力を受取っている。従って、交流－直流変換器１４が故障した場合には、トランジスタブリッジを動作させることができない。

第１～第４の実施形態のマルチセル電力変換装置は、高圧の系統交流電源（６６００Ｖ）から、例えば、通信機器室内の通信機器に供給する直流電力（－４８Ｖ）を供給する装置に適用される。また、高圧の系統交流電源（６６００Ｖ）から、一般家庭の低圧の交流電力（１００Ｖ）を供給する場合は、各々の変換器セルの出力側に直流－交流変換器を接続し、その出力端子を負荷に並列に接続する構成を有するマルチセル電力変換装置とすれば良い。

（第５の実施形態）
図６に、本発明の第５の実施形態にかかるマルチセル電力変換装置を示す。マルチセル電力変換装置３０は、複数の変換器セル３１－１～３１－ｎの低圧側の入力端子Ｐ_in1，Ｐ_in2が並列に接続され、太陽光発電装置、蓄電池などの直流電源に接続されている。各々の変換器セル３１（以下、初出の場合のみ子番号を記載する）は、直流－直流変換器３４－１～３４－ｎと直流－交流変換器３５－１～３５－ｎとが縦続接続されている。直流－交流変換器３５の高圧側の出力端子Ｐ_out1，Ｐ_out2が直列に接続されて、系統交流電源などに接続されている。複数の変換器セル３１の各々の出力端子Ｐ_out1，Ｐ_out2の間には、バイパス回路３２－１～３２－ｎが挿入されている。

直流－交流変換器３５は、コンデンサＣ３と、直流電力を交流電力に変換するトランジスタブリッジで構成されたインバータ回路ＩＮ２とから構成されている。バイパス回路３２の構成は、図２に示した第１の実施形態のバイパス回路と同じである。

バイパス回路３２の動作も図３に示した第１の実施形態のバイパス回路１２と同じである。制御部１７は、変換器セルの異常を検知して、変換器セルのバイパス要求があったと判断すると、バイパス回路３２の駆動回路にＩＧＢＴゲート指令を送出する。故障検知後は、系統交流電源の交流電流は、バイパス回路３２の双方向半導体スイッチに流れるので、短絡故障時であっても、瞬断することなく交流電力を出力することができる。バイパス回路３２の機械スイッチがオンした後は、交流電流はリレー接点を流れるので、導通時の損失を最小限にすることができる。

第５の実施形態のマルチセル電力変換装置は、例えば、太陽光発電装置から出力された直流電力（１００～４００Ｖ）を、高圧の系統交流電源に供給する装置に適用される。

（他の実施形態）
第１～第５の実施形態では、変換器セルの異常を検知して、制御部が故障と判断した場合のバイパス制御について述べたが、変換器セル自体が異常を検知して、バイパス要求信号を制御部に送出するようにしてもよい。また、変換器セルの故障対応の用途には限定されない。例えば、変換器セルの交換を行う際に、マルチセル電力変換装置の制御部にセル交換指示を送出すると、制御部は当該変換器セルにバイパス要求があったと判断して、上述したバイパス制御を行う。このようにして、マルチセル電力変換装置の運転状態を継続したまま、任意の変換器セルの交換を行うことが可能となる。また、制御部は、各々の変換器セルについて余寿命診断を行い、診断された余寿命が所定値未満である場合に、当該変換器セルにバイパス要求があったと判断して、上述したバイパス制御を行ってもよい。

上述した実施形態によれば、入力された交流電力を直流電力または交流電力に変換して出力する電力変換装置、または入力された直流電力を交流電力に変換して出力する電力変換装置であって、複数の変換器セルを備え、各々変換器セルの高圧側の入力端子または高圧側の出力端子が直列に接続され、入力端子間または出力端子間を短絡するバイパス回路をさらに備えた電力変換装置を構成することができる。

そして、バイパス回路において、機械スイッチと半導体スイッチとを併用することにより、簡便に故障した変換器セルをバイパスすることができ、信頼性の高い電力変換装置を提供することができる。

１０，３０マルチセル電力変換装置
１１－１～１１－ｎ，３１－１～３１－ｎ変換器セル
１２－１～１２－ｎ，３２－１～３２－ｎ，４１バイパス回路
１３系統交流電源
１４－１～１４－ｎ交流－直流変換器
１５－１～１５－ｎ，３４－１～３４－ｎ直流－直流変換器
１６負荷
１７制御部
２１機械スイッチ
２２双方向半導体スイッチ
２３コンバータ回路
２４ＤＣ／ＤＣコンバータ
２５駆動回路
３５－１～３５－ｎ直流－交流変換器
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３リアクトル
ＣＮ１，ＣＮ２コンバータ回路
ＩＮ１，ＩＮ２インバータ回路
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３コンデンサＣａ
Ｔ高周波変圧器
ＩＧＢＴ，Ｔｒ半導体スイッチ
ＤＢダイオードブリッジ
Ｄ１ダイオード

Claims

入力された電力を変換して出力する電力変換装置であって、
入力端子が直列に接続された複数の変換器セルと、
各々の変換器セルの入力端子の間を短絡するバイパス回路であって、当該入力端子の間を短絡する機械スイッチと、前記機械スイッチと並列に設けられた双方向半導体スイッチと、前記入力端子の間に、ダイオードブリッジで構成されたコンバータ回路とコンデンサとＤＣ／ＤＣコンバータとを含む電源回路とを有するバイパス回路と、
前記バイパス回路を制御する制御部と、
前記制御部からの指令により、前記電源回路からの電力で前記双方向半導体スイッチを駆動する駆動回路と
を備え、
前記制御部は、前記複数の変換器セルのいずれかにおいてバイパス要求があったと判断すると、当該変換器セルに接続された前記機械スイッチの接点を閉じる信号および前記双方向半導体スイッチを駆動する信号を送出し、少なくとも当該機械スイッチの接点が閉じるまでの間、前記双方向半導体スイッチを駆動するように構成されたことを特徴とする電力変換装置。
入力された電力を変換して出力する電力変換装置であって、
出力端子が直列に接続された複数の変換器セルと、
各々の変換器セルの出力端子の間を短絡するバイパス回路であって、当該出力端子の間を短絡する機械スイッチと、前記機械スイッチと並列に設けられた双方向半導体スイッチと、前記出力端子の間に、ダイオードブリッジで構成されたコンバータ回路とコンデンサとＤＣ／ＤＣコンバータとを含む電源回路とを有するバイパス回路と、
前記バイパス回路を制御する制御部と、
前記制御部からの指令により、前記電源回路からの電力で前記双方向半導体スイッチを駆動する駆動回路と
を備え、
前記制御部は、前記複数の変換器セルのいずれかにおいてバイパス要求があったと判断すると、当該変換器セルに接続された前記機械スイッチの接点を閉じる信号および前記双方向半導体スイッチを駆動する信号を送出し、少なくとも当該機械スイッチの接点が閉じるまでの間、前記双方向半導体スイッチを駆動するよう構成されたことを特徴とする電力変換装置。
前記双方向半導体スイッチは、前記コンバータ回路の出力間に接続された半導体スイッチから構成されることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
前記双方向半導体スイッチは、前記コンバータ回路の入力間に接続された交流スイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。