JPWO2014148100A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
セル変換器が故障した時、MMCの運転を継続するために、セル変換器の出力を短絡するバイパス回路を設ける構成が開示されている(例えば、特許文献2)。バイパス回路は、セル変換器が故障した場合、セル変換器の出力を短絡するスイッチであり、バイパス回路によって異常セル変換器の出力は短絡されるため、セル変換器が故障してもシステムとして運転継続させることができる。
直流短絡事故発生時に、短絡循環電流から保護する半導体保護手段が、バイパス回路として開示されている(例えば、特許文献3)。バイパス回路は、直流短絡事故時に、スイッチング素子の逆並列に接続されたフリーホイールダイオードの代わりに短絡循環電流を流す半導体素子であり、短絡循環電流に対して十分な電流容量を有するものにすれば、セル変換器を短絡循環電流から保護することができる。
実施の形態1は、カスケード接続された複数台のスイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を1台のセルブロックとし、セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための2つの外部接続端子を備え、外部接続端子にバイパス回路を接続する構成とした電力変換装置に関するものである。
まず電力変換装置1の全体構成を説明する。図1において、電力変換装置1はカスケード接続された3台の同じ構成のセルブロック30a、30b、30c(総称する場合は、セルブロック30と記載する)から構成され、各セルブロックはカスケード接続された2台の同じ構成のセル変換器10a、10b(総称する場合は、セル変換器10と記載する)から構成される。各セルブロック30a、30b、30cの外部接続端子には、バイパス回路20が接続されている。
なお、本発明におけるスイッチング素子は、第1のスイッチング素子11aおよび第2のスイッチング素子11bである。
以下、第1のスイッチング素子11aと第2のスイッチング素子11bを総称する場合は、スイッチング素子11と記載する。第1のフリーホイールダイオード12aと第2のフリーホイールダイオード12bを総称する場合は、フリーホイールダイオード12と記載する。
なお、セル変換器10bでは、他のセル変換器とカスケード接続するための2つの出力端子はX11b、X12bとしている。
セル変換器10aの出力端子X12aとセル変換器10bの出力端子X11bとは電力線を用いて接続されている。セルブロック30aの外部接続端子X31aは、セル変換器10aの出力端子X11aと電力線を用いて接続されている。また、セルブロック30aの外部接続端子X32aは、セル変換器10bの出力端子X12bと電力線を用いて接続されている。
セルブロック30aの外部接続端子X31aは、セルブロック30bの外部接続端子X32bと電力線を用いて接続され、セルブロック30aの外部接続端子X32aは、セルブロック30cの外部接続端子X31cと電力線を用いて接続されている。
バイパス回路20は、セルブロック30aの外部接続端子X31aとX32aの間に接続される。
セルブロック30a〜30cの何れかの故障発生時には、異常セルブロック内のバイパス回路20が速やかに閉路動作を行う。このため、異常セルブロックの外部接続端子X31aとX32aの間が短絡され、異常セルブロックをバイパスすることができる。
セルブロック30a〜30cの何れかのセル変換器10a、10bの故障発生時には、双方向に通流可能な図2(a)の真空スイッチ21や、図2(b)の双方向のスイッチング素子22a、22bを用いて速やかに閉路動作を行う。
直流短絡事故発生時には、第2のスイッチング素子11bに対して逆方向に通流可能な図2(c)のダイオード23や、図2(d)のスイッチング素子24を用いて速やかに閉路動作を行う。また、図2(e)のようにダイオード23a〜23nを複数個直列接続してもよい。
なお、バイパス回路20の耐圧能力を超える最大両端電圧になる複数台のセル変換器10でセルブロック30を構成したい場合には、バイパス回路20を直列に接続した複数のバイパス回路を一つのバイパス回路として外部接続端子X31aとX32aの間に接続しても良い。例えば、図2(a)〜図2(e)で示したバイパス回路20を複数個直列に接続してバイパス回路全体の耐圧能力を高くすることで、セルブロック内のセル変換器の台数を追加することができる。
図3(a)と(b)は、セル変換器が故障した場合に、第2のスイッチング素子11bをバイパスさせる回路であり、双方向に電流が流れる必要がある。セル変換器を正常品に交換するまでバイパス動作させる。
図3(c)と(d)は、直流短絡事故発生時(1秒以内の短時間)に第2のスイッチング素子11bのフリーホイールダイオード12bの責務を軽減するバイパス回路である。直流短絡事故発生時に、第2のスイッチング素子11bのフリーホイールダイオード12bのみに短絡循環電流が流れると、フリーホイールダイオード部が破損してしまう。このため、バイパス回路を投入してバイパス回路にも電流を流すことで、フリーホイールダイオード12bの責務を軽減する。
また、バイパス回路の耐圧能力を超える最大両端電圧になる複数台のセル変換器でセルブロックを構成したい場合には、直列に接続した複数のバイパス回路を一つのバイパス回路とすることで対応できる。
実施の形態2の電力変換装置は、ブロック手段とゲート駆動回路の駆動電力を複数のセル変換器の自己給電回路から供給する構成としたものである。
なお、図4において、図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
ゲート駆動回路14の駆動電力は、セルブロック30a内部のセル変換器10aとセル変換器10bの両方の自己給電回路15から供給されている。
なお、図4の▼の箇所は、例えば、ダイオードを使用して突き合わせて、電流の逆流を防止している。
第2の給電線17は、電力の授受をするセル変換器同士の電位差以上の絶縁耐量を持つ絶縁入出力回路18を経由することで、他のセル変換器のゲート駆動回路14への供給が可能になる。
絶縁入出力回路18としては、例えば、直流/交流変換器、絶縁トランスおよび交流/直流変換器とを組み合わせた回路を使用することができる。
ワイドバンドギャップ半導体を使用すると、半導体素子の高耐圧化が可能なため、システム全体におけるセル変換器の直列台数を低減できる。また、バイパス回路の双方向スイッチング素子や逆方向ダイオードや逆方向スイッチング素子に使用することで、バイパス回路の高耐圧化に伴いセルブロックを構成するセル変換器の直列台数を増やすことが出来るのでセルブロック台数を低減つまりバイパス回路の台数を更に低減できる。さらには、半導体スイッチングの高速化が可能なため、高調波成分がより小さい入力電流や出力電圧を得ることが可能である。
この発明に係る第2の電力変換装置は、スイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を複数台カスケード接続したセルブロックを備え、セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための2つの外部接続端子を備え、セルブロックの2つの外部接続端子に接続されたバイパス回路を備え、バイパス回路が接続されたセルブロックを複数台カスケード接続した構成としたものである。
この発明に係る第2の電力変換装置は、上記のように構成されているため、低コストで簡素な構成のバイパス回路を備え、セル変換器が故障しても、運転継続させることが可能で、直流短絡事故発生時にセル変換器を保護することができる。
Claims (19)
- スイッチング素子とコンデンサから構成されたセル変換器を複数台カスケード接続したセルブロックを備え、
前記セルブロックは他のセルブロックとカスケード接続するための2つの外部接続端子を備え、
前記セルブロックは複数台カスケード接続され、
バイパス回路を前記セルブロックの前記2つの外部接続端子に接続した電力変換装置。 - 前記セルブロックの前記セル変換器の台数に応じて、複数台の前記バイパス回路をカスケード接続し、前記複数台のバイパス回路を前記セルブロックの前記2つの外部接続端子に接続した請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路の駆動電力と、前記セル変換器の前記スイッチング素子を制御する駆動電力は、前記セルブロックの複数台の前記セル変換器の自己給電回路から供給される請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は真空スイッチである請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は双方向のスイッチング素子である請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のダイオードである請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のスイッチング素子である請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は真空スイッチである請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は双方向のスイッチング素子である請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のダイオードである請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路は前記セル変換器の前記スイッチング素子に対して逆方向のスイッチング素子である請求項3に記載の電力変換装置。
- 前記セル変換器の前記スイッチング素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項1または請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路の前記スイッチング素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路の前記スイッチング素子は、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項7に記載の電力変換装置。
- 前記バイパス回路の前記ダイオードは、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体により形成されている請求項6に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項12に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項13に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項14に記載の電力変換装置。
- 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである請求項15に記載の電力変換装置。
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