JPWO2020059880A1 - AC voltage output system, power system control system, power system, DC power transmission system, power generation system and battery system - Google Patents

AC voltage output system, power system control system, power system, DC power transmission system, power generation system and battery system Download PDF

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Abstract

スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転できる、交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステムを提供する。本発明の交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器3が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、単位変換器3が、第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lとが直列に接続された第1スイッチアーム13と、第3スイッチ14Hと第4スイッチ14Lとが直列に接続された第2スイッチアーム14と、充放電できる電力貯蔵器15とを備え、第1スイッチアーム13の第1スイッチ13H側端部と第2スイッチアーム14の第3スイッチ14H側端部とが接続され、第1スイッチアーム13の第2スイッチ13L側端部と第2スイッチアーム14の第4スイッチ14L側端部とが接続されて、第1スイッチアーム13、第2スイッチアーム14及び電力貯蔵器15が並列に接続された構成をし、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L又は第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている。It provides an AC voltage output system, a power system control system, a power system, a DC power transmission system, a power generation system, and a battery system that can be continuously operated even when the power supply for driving the switch is lost. The AC voltage output system of the present invention includes at least one arm in which a plurality of unit converters 3 for outputting a predetermined voltage are connected in series, and the unit converter 3 includes a first switch 13H and a second switch 13L. The first switch arm 13 includes a first switch arm 13 connected in series, a second switch arm 14 in which a third switch 14H and a fourth switch 14L are connected in series, and a power storage 15 capable of charging and discharging. The 1st switch 13H side end of 13 and the 3rd switch 14H side end of the 2nd switch arm 14 are connected, and the 2nd switch 13L side end of the 1st switch arm 13 and the 4th of the 2nd switch arm 14 are connected. The first switch arm 13, the second switch arm 14, and the power storage 15 are connected in parallel to the switch 14L side end, and the first switch 13H, the third switch 14H, and the second switch are connected in parallel. The 13L and the fourth switch 14L or the first switch 13H, the third switch 14H, the second switch 13L and the fourth switch 14L are composed of normally-on type switching elements.

Description

本発明は、交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステムに関する。 The present invention relates to an AC voltage output system, a power system control system, a power system, a DC power transmission system, a power generation system and a battery system.

高効率に電力変換可能な蓄電システムとして、スイッチ回路(電力変換回路)と直流電源(蓄電器)とを接続して構成した単位変換器が、複数、直列に接続されてなり、各単位変換器の電源回路の出力電圧を合成して出力するように構成された多重化インバータ方式の蓄電システムが知られている(特許文献1参照)。 As a power storage system capable of highly efficient power conversion, a plurality of unit converters configured by connecting a switch circuit (power conversion circuit) and a DC power supply (power storage device) are connected in series, and each unit converter A multiplexed inverter type power storage system configured to synthesize and output the output voltage of a power supply circuit is known (see Patent Document 1).

特許文献1に開示されている蓄電システムでは、複数の単位変換器が直列に接続されているため、制御装置が故障したり、スイッチ駆動用の電源が故障したり、電力の供給線が切断されたりして、1つの単位変換器のスイッチの駆動用電源が喪失し、当該単位変換器が動作できなくなると、他の単位変換器も運転をやめ、蓄電システムの運転をとめなくてはならなくなる。 In the power storage system disclosed in Patent Document 1, since a plurality of unit converters are connected in series, the control device fails, the power supply for driving the switch fails, or the power supply line is cut off. If the power supply for driving the switch of one unit converter is lost and the unit converter cannot operate, the other unit converters must also stop operating and the power storage system must be stopped. ..

特許文献1に開示されている蓄電システムのような複数の単位変換器が直列に接続されたシステムにおいて、複数の単位変換器の内の1つの単位変換器の電源が喪失したときもシステムを継続運転させる手法として、特許文献2には、短絡スイッチを各単位変換器に設け、単位変換器が電源喪失したときに、短絡スイッチをオンにして電源喪失した単位変換器を短絡することが開示されている(特許文献2参照)。 In a system in which a plurality of unit converters are connected in series, such as the power storage system disclosed in Patent Document 1, the system is continued even when the power supply of one of the plurality of unit converters is lost. As a method for operating, Patent Document 2 discloses that a short-circuit switch is provided in each unit converter, and when the unit converter loses power, the short-circuit switch is turned on to short-circuit the unit converter that has lost power. (See Patent Document 2).

特開2006−174663号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2006-174663 特開2011−193615号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-193615

しかしながら、従来の蓄電システムでは、スイッチの駆動用電源が喪失したときに交流電圧出力システムを継続運転するためには、単位変換器に短絡スイッチを設け、電源喪失した単位変換器を短絡する必要があった。短絡スイッチはサイズが大きいため、交流電圧出力システムのサイズも大きくなってしまう。また、短絡スイッチを設けることでコストも増大する。そのため、短絡スイッチを設ける必要のない、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転できる交流電圧出力システムが求められている。 However, in the conventional power storage system, in order to continuously operate the AC voltage output system when the power supply for driving the switch is lost, it is necessary to provide a short-circuit switch in the unit converter and short-circuit the unit converter in which the power supply is lost. there were. Due to the large size of the short circuit switch, the size of the AC voltage output system also increases. In addition, the cost is increased by providing the short-circuit switch. Therefore, there is a demand for an AC voltage output system that does not require a short-circuit switch and can be continuously operated even when the power supply for driving the switch is lost.

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転できる、交流電圧出力システム、電力系統制御システム、電力系統、直流送電システム、発電システム及びバッテリシステムを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and is capable of continuous operation even when the power supply for driving the switch is lost, such as an AC voltage output system, a power system control system, a power system, and a DC power transmission system. , A power generation system and a battery system are intended to be provided.

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、前記単位変換器が、第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている。 The AC voltage output system according to the present invention includes at least one arm in which a plurality of unit converters that output a predetermined voltage are connected in series, and the unit converter connects the first switch and the second switch in series. The first switch arm, the second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and a power storage capable of charging and discharging are provided, and the first switch side end of the first switch arm is provided. The unit and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the fourth switch side end of the second switch arm are connected. The first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel to each other, and the first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch, or the above. The first switch, the third switch, the second switch, and the fourth switch are composed of normally-on type switching elements.

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、前記単位変換器が、第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されている。 The AC voltage output system according to the present invention includes at least one arm in which a plurality of unit converters that output a predetermined voltage are connected in series, and the unit converter connects the first switch and the second switch in series. The first switch arm, the second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and a power storage capable of charging and discharging are provided, and the first switch side end of the first switch arm is provided. The unit and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the fourth switch side end of the second switch arm are connected. The first switch arm, the second switch arm, and the power reservoir are connected in parallel, and the first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch, or the fourth switch are configured. The first switch, the third switch, the second switch, and the fourth switch are composed of switching elements using field-effect transistors in which a low on-voltage is realized by two-dimensional electronic gas.

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、前記単位変換器が、第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されている。 The AC voltage output system according to the present invention includes at least one arm in which a plurality of unit converters that output a predetermined voltage are connected in series, and the unit converter connects the first switch and the second switch in series. The first switch arm, the second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and a power storage capable of charging and discharging are provided, and the first switch side end of the first switch arm is provided. The unit and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the fourth switch side end of the second switch arm are connected. The first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel to each other, and the first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch, or the above. The first switch, the third switch, the second switch, and the fourth switch are composed of a switching element using a field effect transistor made of gallium nitride.

本発明による交流電圧出力システムは、所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、前記単位変換器が、第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、充放電できる電力貯蔵器とを備え、前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが、窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されており、前記電界効果型トランジスタがシリコン上に形成されている。 The AC voltage output system according to the present invention includes at least one arm in which a plurality of unit converters that output a predetermined voltage are connected in series, and the unit converter connects the first switch and the second switch in series. The first switch arm, the second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and the power storage capable of charging and discharging are provided, and the first switch side end of the first switch arm is provided. The unit and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the fourth switch side end of the second switch arm are connected. The first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel, and the first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch, or the above. The first switch, the third switch, the second switch, and the fourth switch are composed of switching elements using a field-effect transistor made of gallium nitride, and the field-effect transistor is formed on silicon. It is formed.

本発明による電力系統制御システムは、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、前記系統制御装置が、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に接続された上記のいずれかの交流電圧出力システムの出力を制御する。 The power system control system according to the present invention includes a system control device for controlling an AC power distribution system or a power system to which an AC power transmission system is connected, and the system control device is based on the frequency of the AC power distribution system or the AC power transmission system. The output of any of the above AC voltage output systems connected to the AC distribution system or the AC power transmission system is controlled.

本発明による電力系統は、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に、上記いずれかの交流電圧出力システムが接続され、前記交流発電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流電圧出力システムの出力が制御される。 The power system according to the present invention is a power system to which an AC distribution system or an AC transmission system is connected, and any of the above AC voltage output systems is connected to the AC distribution system or the AC transmission system to generate the AC power. The output of the AC voltage output system is controlled based on the frequency of the system or the AC transmission system.

本発明による電力系統制御システムは、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、前記電力系統は、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に上記のいずれかの交流電圧出力システムが接続され、前記系統制御装置が、前記交流電圧出力システムの出力を制御することで、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する。 The power system control system according to the present invention includes a system control device for controlling an AC power distribution system or a power system to which an AC power transmission system is connected, and the power system includes a plurality of the AC power distribution systems or a plurality of the AC power transmission systems. One of the above AC voltage output systems is connected to at least one of the plurality of AC distribution systems or the plurality of AC transmission systems, and the system control device is the output of the AC voltage output system. By controlling the above, the power flow of the AC distribution system or the AC transmission system is controlled.

本発明による電力系統は、交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に上記のいずれかの交流電圧出力システムが接続され、前記交流電圧出力システムの出力により、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流が制御される。 The power system according to the present invention is a power system to which an AC distribution system or an AC transmission system is connected, and a plurality of the AC distribution systems or a plurality of the AC transmission systems are connected in parallel, and the plurality of the AC power distribution systems are connected in parallel. Any one of the above AC voltage output systems is connected to at least one of the system or the plurality of AC transmission systems, and the output of the AC voltage output system controls the power flow of the AC distribution system or the AC transmission system.

本発明による直流送電システムは、上記のいずれかの交流電圧出力システムを備え、前記直流端子に直流送電線が接続され、前記直流送電線から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する。 The DC transmission system according to the present invention includes any of the above AC voltage output systems, a DC transmission line is connected to the DC terminal, and the DC power input from the DC transmission line to the DC terminal is converted into AC power. And output from the AC terminal.

本発明による発電システムは、上記のいずれかの交流電圧出力システムを備え、前記直流端子に有効電力源が接続され、前記有効電力源から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する。 The power generation system according to the present invention includes any of the above AC voltage output systems, an active power source is connected to the DC terminal, and the DC power input from the active power source to the DC terminal is converted into AC power. Is output from the AC terminal.

本発明のバッテリシステムは、上記のいずれかの交流電圧出力システムを備える。 The battery system of the present invention comprises any of the above AC voltage output systems.

本発明によれば、単位変換器のスイッチの駆動用電源が喪失したとき、当該単位変換器が短絡された状態となるので、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転することができる。 According to the present invention, when the drive power supply for the switch of the unit converter is lost, the unit converter is in a short-circuited state, so that continuous operation can be performed even when the drive power supply for the switch is lost.

本発明の交流電圧出力システムの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the AC voltage output system of this invention. 本発明の交流電圧出力システムの単位変換器の構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the unit converter of the AC voltage output system of this invention. 図3Aは、GaNで構成したFETの一例を示す概略断面図であり、図3Bは、同一のシリコン基板上にGaN−FETと、Gan−FETを駆動するゲートドライバや単位変換器の制御回路を設けた場合の一例を示す概略断面図である。FIG. 3A is a schematic cross-sectional view showing an example of an FET composed of GaN, and FIG. 3B shows a GaN-FET and a control circuit of a gate driver and a unit converter for driving a Gan-FET on the same silicon substrate. It is a schematic cross-sectional view which shows an example of the case where it is provided. 図4Aは、ノーマリーオン型のスイッチング素子をノーマリーオフ型に改良したスイッチング素子の構成の一例を示す概略図であり、図4Bは、図4Aのノーマリーオフ型のスイッチング素子をノーマリーオン型に改良したスイッチング素子の一例を示す概略図である。FIG. 4A is a schematic view showing an example of the configuration of a switching element in which a normally-on type switching element is improved to a normally-off type, and FIG. 4B shows a normally-on view of the normally-off type switching element of FIG. 4A. It is a schematic diagram which shows an example of the switching element improved into a mold. 変形例の配電系統安定化装置を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the distribution system stabilization apparatus of a modification. 変形例の交流電圧出力システムの構成を示す概略図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the AC voltage output system of the modification.

(1)本発明の実施形態の交流電圧出力システムの全体構成
図1に示すように、本実施形態の交流電圧出力システム1は、交流配電系統(以下、単に配電系統という)510との間で電力を授受し、配電系統510を安定化させる配電系統安定化装置として用いられる。この場合、交流電圧出力システム1は、電力系統50と負荷56の間の配電系統510の配電線に接続される。電力系統50は、電圧源を示す回路記号に集約したが、様々な系統構成がありうる。例えば、国内の電力系統等と同様に電力需要と供給の関係によって周波数が変化する系統であったりする。図示しない発電機への機械エネルギーの入力や光エネルギーなどの入力が発電機出力よりも大きければ、周波数が高くなり、低ければ、周波数が低くなる系統であったりする。また、前記とは異なり、電力変換器を介した発電機しか接続されていない系統も電力系統50の例の1つである。交流電圧出力システム1は、アームとして、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tとを備えている。R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tは、それぞれ、所定電圧を出力する単位変換器3を4つ備え、4つの単位変換器3が直列に接続されている。R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tは、一端がリアクトル150R、150S、150Tを介して、配電系統510の配電線57u、57v、57wの端子53u、53v、53wにそれぞれ接続され、他端が接続点NPでスター結線されている。このように、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tは、接続点NPと配電系統510の間で並列に接続されている。
(1) Overall Configuration of AC Voltage Output System of the Embodiment of the Present Invention As shown in FIG. 1, the AC voltage output system 1 of the present embodiment is connected to an AC distribution system (hereinafter, simply referred to as a distribution system) 510. It is used as a distribution system stabilizing device that receives and receives electric power and stabilizes the distribution system 510. In this case, the AC voltage output system 1 is connected to the distribution line of the distribution system 510 between the power system 50 and the load 56. The power system 50 is integrated into a circuit symbol indicating a voltage source, but there may be various system configurations. For example, it may be a system whose frequency changes depending on the relationship between power supply and demand, similar to a domestic power system. If the input of mechanical energy or light energy to a generator (not shown) is larger than the output of the generator, the frequency will be higher, and if it is lower, the frequency will be lower. Further, unlike the above, a system in which only a generator is connected via a power converter is also one of the examples of the power system 50. The AC voltage output system 1 includes an R-phase arm 2R, an S-phase arm 2S, and a T-phase arm 2T as arms. The R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T each include four unit converters 3 that output a predetermined voltage, and four unit converters 3 are connected in series. One end of the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T is connected to the terminals 53u, 53v, 53w of the distribution lines 57u, 57v, 57w of the distribution system 510 via the reactors 150R, 150S, 150T, respectively. The other end is star-connected at the connection point NP. As described above, the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T are connected in parallel between the connection point NP and the distribution system 510.

図2に示すように、単位変換器3は、第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lとが直列に接続された第1スイッチアーム13と、第3スイッチ14Hと第4スイッチ14Lとが直列に接続された第2スイッチアーム14と、充放電できる電力貯蔵器15とを備えている。電力貯蔵器15は、例えば、リチウムイオン電池、ニッケル水素電池及びニッケルカドミウム電池などの二次電池で構成されている。なお、電力貯蔵器15は、電力を充放電可能であれば特に限定されず、コンデンサや電気二重層キャパシタ、直流のフライホイールなどであってもよい。 As shown in FIG. 2, in the unit converter 3, the first switch arm 13 in which the first switch 13H and the second switch 13L are connected in series, and the third switch 14H and the fourth switch 14L are connected in series. It is provided with a second switch arm 14 and a power storage device 15 capable of charging and discharging. The power storage 15 is composed of a secondary battery such as a lithium ion battery, a nickel hydrogen battery, and a nickel cadmium battery. The power storage 15 is not particularly limited as long as it can charge and discharge electric power, and may be a capacitor, an electric double layer capacitor, a DC flywheel, or the like.

このように、交流電圧出力システム1は、各単位変換器3が電力を充放電できる電力貯蔵器15を備えているので、各電力貯蔵器15を充電することで電気エネルギーを蓄えることができ、電力貯蔵装置として用いることができる。 As described above, since the AC voltage output system 1 includes a power storage device 15 in which each unit converter 3 can charge and discharge electric power, electric energy can be stored by charging each power storage device 15. It can be used as a power storage device.

単位変換器3は、第1スイッチアーム13の第1スイッチ13H側の端部と、第2スイッチアーム14の第3スイッチ14H側の端部と電力貯蔵器15の一の端子(本実施形態ではプラス側)とが接続され、第1スイッチアーム13の第2スイッチ13L側の端部と第2スイッチアーム14の第4スイッチ14L側の端部と電力貯蔵器15の他の端子(本実施形態では、マイナス側)とが接続されている。このように、単位変換器3は、第1スイッチアーム13、第2スイッチアーム14及び電力貯蔵器15が並列に接続されたフルブリッジ回路構成をしている。 The unit converter 3 includes an end of the first switch arm 13 on the first switch 13H side, an end of the second switch arm 14 on the third switch 14H side, and one terminal of the power storage 15 (in the present embodiment). The positive side) is connected, the end of the first switch arm 13 on the second switch 13L side, the end of the second switch arm 14 on the fourth switch 14L side, and other terminals of the power storage 15 (the present embodiment). Then, the minus side) is connected. As described above, the unit converter 3 has a full bridge circuit configuration in which the first switch arm 13, the second switch arm 14, and the power storage device 15 are connected in parallel.

単位変換器3は、図示しない制御回路が接続されており、第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14Lに、各スイッチのオン・オフを制御する駆動電圧(例えば、FET(電界効果型トランジスタ)で構成されたスイッチング素子の場合はゲート電圧)を供給する。 A control circuit (not shown) is connected to the unit converter 3, and a drive voltage (for example,) that controls on / off of each switch is controlled to the first switch 13H, the second switch 13L, the third switch 14H, and the fourth switch 14L. , (Gate voltage in the case of a switching element composed of FET (field effect transistor)) is supplied.

単位変換器3は、第1スイッチアーム13の第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lとの接続点10から第1端子FTが引き出され、第2スイッチアーム14の第3スイッチ14Hと第4スイッチ14Lとの接続点12から第2端子STが引き出されている。単位変換器3は、電力貯蔵器15の電圧をVとすると、第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14Lのオン・オフを切り替えることにより、第1端子FTと第2端子STとの間に、±V、ゼロの3レベルの電圧を出力できる。なお、各単位変換器3が、同じ電圧を出力するように構成してもよく、各単位変換器3の電力貯蔵器15の構成(電池の容量など)を適宜変更することで異なる電圧を出力するように構成してもよい。 In the unit converter 3, the first terminal FT is pulled out from the connection point 10 between the first switch 13H and the second switch 13L of the first switch arm 13, and the third switch 14H and the fourth switch 14L of the second switch arm 14 are drawn out. The second terminal ST is pulled out from the connection point 12 with. Assuming that the voltage of the power storage device 15 is V, the unit converter 3 switches on / off the first switch 13H, the second switch 13L, the third switch 14H, and the fourth switch 14L to obtain the first terminal FT. It is possible to output three levels of voltage, ± V and zero, between the second terminal ST and the terminal ST. It should be noted that each unit converter 3 may be configured to output the same voltage, and different voltages may be output by appropriately changing the configuration (battery capacity, etc.) of the power storage 15 of each unit converter 3. It may be configured to do so.

図1に示す交流電圧出力システム1では、一の単位変換器3の第1端子FTと、他の単位変換器3の第2端子STとが接続されて、複数の単位変換器3が直列に接続されている。そのため、交流電圧出力システム1は、R相アーム2R、S相アーム2S及びT相アーム2Tにおいて、電圧を出力する単位変換器3の数をそれぞれ切り替えることで、単位変換器3の数に応じた多段階の電圧を各アームが出力できる。また、交流電圧出力システム1は、各単位変換器3の制御回路を統括する制御装置を備えている。制御装置は、各単位変換器の制御回路に、制御回路が各単位変換器のスイッチのオン・オフを制御するための指令を送出し、R相アーム2R、S相アーム2S及びT相アーム2Tから多段階の交流電圧を出力させる。なお、本実施形態では、R相アーム2R、S相アーム2S及びT相アーム2Tがそれぞれ4つの単位変換器3を備えている場合につて説明したが、各アームが備える単位変換器3の数は限定されない。各アームが備える単位変換器3の数が多いと、交流電圧出力システム1が出力する交流電圧の段数が多くなり、各スイッチング素子のスイッチング周波数が低くても交流電圧の波形をより正弦波に近い波形にできる。したがって、半導体のスイッチング損失を低減できる。また、正弦波に近い電圧波形を出力できることから、高調波フィルタを削除もしくは、簡素化できるメリットがある。さらに、多段とすることで高電圧を出力できるので、システムによっては、昇降圧トランスを省略できるメリットがある。 In the AC voltage output system 1 shown in FIG. 1, the first terminal FT of one unit converter 3 and the second terminal ST of another unit converter 3 are connected, and a plurality of unit converters 3 are connected in series. It is connected. Therefore, the AC voltage output system 1 responds to the number of unit converters 3 by switching the number of unit converters 3 that output voltage in the R-phase arm 2R, S-phase arm 2S, and T-phase arm 2T, respectively. Each arm can output a multi-step voltage. Further, the AC voltage output system 1 includes a control device that controls the control circuit of each unit converter 3. The control device sends a command to the control circuit of each unit converter for the control circuit to control the on / off of the switch of each unit converter, and the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T. Outputs multi-step AC voltage from. In the present embodiment, the case where the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T each include four unit converters 3 has been described, but the number of unit converters 3 included in each arm has been described. Is not limited. If the number of unit converters 3 provided in each arm is large, the number of stages of AC voltage output by the AC voltage output system 1 will be large, and the waveform of the AC voltage will be closer to a sine wave even if the switching frequency of each switching element is low. It can be made into a waveform. Therefore, the switching loss of the semiconductor can be reduced. Further, since a voltage waveform close to a sine wave can be output, there is an advantage that the harmonic filter can be deleted or simplified. Furthermore, since high voltage can be output by using multiple stages, there is an advantage that the buck-boost transformer can be omitted depending on the system.

単位変換器3では、第1スイッチアーム13と第2スイッチアーム14とが並列に接続されていることから、第1端子FTと第2端子STとの間では、第1スイッチ13Hと第3スイッチ14Hが直列(逆直列)に接続され、第2スイッチ13Lと第4スイッチ14Lが直列に接続された構成になっている。ここで、第1端子FTと第2端子ST間で直列に接続されたスイッチの一方(第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H)を第1スイッチ群16とし、直列に接続されたスイッチの他方(第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L)を第2スイッチ群17とする。 In the unit converter 3, since the first switch arm 13 and the second switch arm 14 are connected in parallel, the first switch 13H and the third switch are between the first terminal FT and the second terminal ST. 14H is connected in series (reverse series), and the second switch 13L and the fourth switch 14L are connected in series. Here, one of the switches (first switch 13H and third switch 14H) connected in series between the first terminal FT and the second terminal ST is defined as the first switch group 16, and the other of the switches connected in series (the other) (1st switch group 16). The second switch 13L and the fourth switch 14L) are designated as the second switch group 17.

単位変換器3は、第1スイッチ群16の各スイッチ(第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H)、第2スイッチ群17の各スイッチ(第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L)又は第1スイッチ群16及び第2スイッチ群17の各スイッチ(第1スイッチ、第3スイッチ、第2スイッチ及び第4スイッチ)をノーマリーオン型のスイッチング素子で構成する。ここで、本明細書でいうノーマリーオン型のスイッチング素子は、スイッチのオン・オフを制御する駆動電圧がゼロのとき、スイッチがオン状態であるスイッチング素子をいう。なお、ノーマリーオフ型のスイッチング素子は、駆動電圧がゼロのとき、スイッチがオフ状態であるスイッチング素子であり、パワーエレクトロニクス分野でスイッチとして一般に用いられている、例えば、シリコンで形成された金属酸化物半導体FET(Si−MOSFET)や絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(Insulated-gate bipolar transistor:IGBT)、ゲートターンオフサイリスタ(Gate Turn-Off thyristor:GTO)、ゲート転流型ターンオフサイリスタ(Gate Commutated Turn-off thyristor:GCT)などである。 The unit converter 3 includes each switch of the first switch group 16 (first switch 13H and third switch 14H), each switch of the second switch group 17 (second switch 13L and fourth switch 14L), or the first switch group. Each switch (first switch, third switch, second switch, and fourth switch) of 16 and the second switch group 17 is composed of a normally-on type switching element. Here, the normally-on type switching element referred to in the present specification refers to a switching element in which the switch is in the on state when the drive voltage for controlling the on / off of the switch is zero. The normally-off type switching element is a switching element in which the switch is in the off state when the drive voltage is zero, and is generally used as a switch in the field of power electronics, for example, metal oxidation formed of silicon. Object Semiconductor FET (Si-HPLC), Insulated-gate bipolar transistor (IGBT), Gate Turn-Off thyristor (GTO), Gate Commutated Turn-off thyristor: GCT) and so on.

本実施形態では、単位変換器3は、第1スイッチ群16の各スイッチがノーマリーオフ型のスイッチング素子であるIGBTで構成され、第2スイッチ群17の各スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子である高電子移動度トランジスタ(以下、HEMTともいう)で構成されている。さらに、本実施形態では、HEMTとして、GaN(窒化ガリウム)で構成されたFET(以下、GaN−FETともいう)を用いている。このGaN−FETは、Si(シリコン)の上に、例えば、Si基板に形成されたGaN−FETである。なお、HEMTは、半導体ヘテロ接合に誘起された高移動度の二次元電子ガスをチャネルとし、ゲートに電圧を印加してオンにする通常のFETより低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタである。HEMTは、オン電圧が低いのでスイッチのオン・オフの切り替えによる消費電力を削減でき、さらに高耐圧のFETであるので、100V〜6.6kV程度の配電系統やさらに高電圧の送電系統に接続する交流電圧出力システム1に適している。特に、GaN−FETは、高電圧領域においてSiよりもスイッチング損失が低いので、高電圧を扱う交流電圧出力システム1により適している。さらに、本実施形態の場合、GaN−FETがSi基板上に形成されているので、GaN基板にGaN−FETを形成する場合より安価に作製することができ、さらに好ましい。なお、二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子としては、ノーマリーオン型であるデプレッションモードのMOS−FETも用いることができる。 In the present embodiment, in the unit converter 3, each switch of the first switch group 16 is composed of an IGBT in which each switch of the first switch group 16 is a normally-off type switching element, and each switch of the second switch group 17 is a normally-on type switching element. It is composed of a high electron mobility transistor (hereinafter, also referred to as HEMT). Further, in the present embodiment, an FET (hereinafter, also referred to as GaN-FET) composed of GaN (gallium nitride) is used as the HEMT. This GaN-FET is, for example, a GaN-FET formed on a Si substrate on Si (silicon). The HEMT is a field-effect transistor that uses a high-mobility two-dimensional electron gas induced in a semiconductor heterojunction as a channel and realizes a lower on-voltage than a normal FET that is turned on by applying a voltage to the gate. .. Since the HEMT has a low on-voltage, it can reduce power consumption by switching the switch on and off, and since it is a high-voltage FET, it is connected to a distribution system of about 100V to 6.6kV or a higher voltage transmission system. Suitable for AC voltage output system 1. In particular, the GaN-FET has a lower switching loss than Si in the high voltage region, and is therefore more suitable for the AC voltage output system 1 that handles high voltage. Further, in the case of the present embodiment, since the GaN-FET is formed on the Si substrate, it can be manufactured at a lower cost than the case where the GaN-FET is formed on the GaN substrate, which is further preferable. As a switching element using a field-effect transistor that realizes a low on-voltage by two-dimensional electron gas, a normally-on depletion mode MOS-FET can also be used.

本実施形態に用いたGaN−FETの構成を説明する。図3Aに示すように、GaN−FET20は、Si基板21に形成されている。GaN−FET20は、Si基板21上に形成されたGaN層22と、GaN層22に接して形成されたAlGaN層23と、AlGaN層23に接して形成されたソース電極24、ドレイン電極25及びゲート絶縁層27と、ゲート絶縁層27と接して形成されたゲート電極26とを備えている。GaN−FET20では、AlGaN層23とGaN層22の界面に2次元電子気体層が生じ、当該2次元電子気体層が導電チャネルとなるので、ゲート電極26に印加される電圧がゼロでもソース電極24−ドレイン電極25間に電流を流すことが可能である。そのため、GaN−FET20で構成されたスイッチング素子は、ゲート電極26に印加される駆動電圧がゼロでもオン状態であり、ノーマリーオン型となる。なお、GaN−FET20で構成されたスイッチング素子では、ゲート電極26に負の駆動電圧を印加することで、ソース電極24−ドレイン電極25間に電流が流れなくなり、オフ状態にできる。 The configuration of the GaN-FET used in this embodiment will be described. As shown in FIG. 3A, the GaN-FET 20 is formed on the Si substrate 21. The GaN-FET 20 includes a GaN layer 22 formed on the Si substrate 21, an AlGaN layer 23 formed in contact with the GaN layer 22, a source electrode 24 formed in contact with the AlGaN layer 23, a drain electrode 25, and a gate. It includes an insulating layer 27 and a gate electrode 26 formed in contact with the gate insulating layer 27. In the GaN-FET 20, a two-dimensional electron gas layer is formed at the interface between the AlGaN layer 23 and the GaN layer 22, and the two-dimensional electron gas layer serves as a conductive channel. Therefore, even if the voltage applied to the gate electrode 26 is zero, the source electrode 24 -It is possible to pass a current between the drain electrodes 25. Therefore, the switching element composed of the GaN-FET 20 is in the ON state even when the drive voltage applied to the gate electrode 26 is zero, and is a normally-on type. In the switching element composed of the GaN-FET 20, by applying a negative drive voltage to the gate electrode 26, no current flows between the source electrode 24 and the drain electrode 25, and the switch can be turned off.

また、図3Bに示すように、GaN−FET20で構成されたスイッチング素子としては、GaN−FET20を駆動するゲートドライバ28や単位変換器3の制御回路(第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14Lを駆動する制御回路)19などが同じSi基板21上に実装されたものでもよい。なお、図2では、説明の便宜上、GaN−FET20を大きく示している。また、GaN−FETは、Si基板に限らず、例えば、SiC基板やGaN基板などに形成されていてもよい。また、本実施形態では、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14LにSi基板に形成されたGaN−FETのスイッチング素子を用い、第2スイッチ13L用のスイッチング素子と、第4スイッチ14L用のスイッチング素子が別体である。しかし、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L用のスイッチング素子は一体に形成されていてもよく、例えば、1枚のSi基板に第2スイッチ13L用のGaN−FETと第4スイッチ14L用のGaN−FETが形成されたものを用いてもよい。さらに、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14Hも第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lと一体(同一基板上)に形成してもよい。 Further, as shown in FIG. 3B, as the switching element composed of the GaN-FET 20, the gate driver 28 for driving the GaN-FET 20 and the control circuit of the unit converter 3 (first switch 13H, second switch 13L, first switch 13L, first switch 13H, second switch 13L, first switch 13H, second switch 13L, The control circuit) 19 for driving the 3 switch 14H and the 4th switch 14L may be mounted on the same Si substrate 21. Note that FIG. 2 shows the GaN-FET 20 largely for convenience of explanation. Further, the GaN-FET is not limited to the Si substrate, and may be formed on, for example, a SiC substrate or a GaN substrate. Further, in the present embodiment, a GaN-FET switching element formed on a Si substrate is used for the second switch 13L and the fourth switch 14L, and the switching element for the second switch 13L and the switching element for the fourth switch 14L are used. Is a separate body. However, the switching elements for the second switch 13L and the fourth switch 14L may be integrally formed, for example, a GaN-FET for the second switch 13L and a GaN for the fourth switch 14L on one Si substrate. -The one in which the FET is formed may be used. Further, the first switch 13H and the third switch 14H may also be formed integrally with the second switch 13L and the fourth switch 14L (on the same substrate).

このように、単位変換器3では、第1スイッチ群16の各スイッチがノーマリーオフ型のスイッチング素子であり、第2スイッチ群17の各スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子であるので、第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14Lに制御回路が駆動電圧を供給するためのスイッチ駆動用の電源が故障したり、単位変換器3の制御回路自体が故障したり、電力の供給線が切断したりして、単位変換器3の各スイッチ(スイッチング素子)の駆動用電源が喪失したとき、各スイッチの駆動電圧がゼロとなり、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14Hがオフ状態となり、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lがオン状態となる。すなわち、第2端子STから、第4スイッチ14L、第2スイッチ13Lとこの順に経由した第1端子FTへの短絡経路が形成される。よって、単位変換器3は、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡された状態となる。 As described above, in the unit converter 3, each switch of the first switch group 16 is a normally-off type switching element, and each switch of the second switch group 17 is a normally-on type switching element. The power supply for driving the switch for supplying the drive voltage to the 1 switch 13H, the 2nd switch 13L, the 3rd switch 14H and the 4th switch 14L fails, or the control circuit itself of the unit converter 3 fails. When the power supply for driving each switch (switching element) of the unit converter 3 is lost due to the disconnection of the power supply line, the drive voltage of each switch becomes zero, and the first switch 13H and the third switch 14H is turned off, and the second switch 13L and the fourth switch 14L are turned on. That is, a short-circuit path is formed from the second terminal ST to the fourth switch 14L, the second switch 13L, and the first terminal FT via this order. Therefore, the unit converter 3 is in a state in which the first terminal FT and the second terminal ST are short-circuited.

単位変換器を直列に接続した構成を有する変換器の従来技術では、単位変換器のすべてのスイッチがノーマリーオフ型のスイッチング素子で構成されているため、スイッチの駆動用電源が喪失したとき、すべてのスイッチがオフ状態となり、第1端子と第2端子との間が絶縁され、当該単位変換器及び当該単位変換器の属するアームに電流が流れなくなり、運転を停止しなくてはならなかった。そのため、従来の交流電圧出力システムは、第1端子と第2端子との間を短絡する短絡スイッチが必要であった。 In the prior art of a converter having a configuration in which unit converters are connected in series, all switches of the unit converter are composed of normally-off type switching elements, so that when the power supply for driving the switches is lost, All switches were turned off, the first terminal and the second terminal were isolated, no current flowed to the unit converter and the arm to which the unit converter belongs, and the operation had to be stopped. .. Therefore, the conventional AC voltage output system requires a short-circuit switch for short-circuiting between the first terminal and the second terminal.

これに対して本実施形態の交流電圧出力システム1は、単位変換器3の各スイッチの駆動用電源が喪失したとき、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡され、当該単位変換器3が短絡された状態となり、第1端子FTと第2端子STとの間に電流が流れるので、当該単位変換器の属するアームに電流が流れなくなることがなく、継続運転することができる。また、交流電圧出力システム1は、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡された状態となるので、第1端子FTと第2端子STの間に単位変換器3を短絡する短絡スイッチを設ける必要がない。単位変換器3が、第1スイッチ群16の各スイッチ(第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H)又は第1スイッチ群16及び第2スイッチ群17の各スイッチ(第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L)をノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されていても同様の効果を奏する。 On the other hand, in the AC voltage output system 1 of the present embodiment, when the drive power supply for each switch of the unit converter 3 is lost, the unit between the first terminal FT and the second terminal ST is short-circuited, and the unit conversion is performed. Since the device 3 is in a short-circuited state and a current flows between the first terminal FT and the second terminal ST, the current does not stop flowing to the arm to which the unit converter belongs, and continuous operation can be performed. Further, in the AC voltage output system 1, since the first terminal FT and the second terminal ST are short-circuited, the unit converter 3 is short-circuited between the first terminal FT and the second terminal ST. There is no need to provide a switch. The unit converter 3 is a switch of the first switch group 16 (first switch 13H and a third switch 14H) or each switch of the first switch group 16 and the second switch group 17 (first switch 13H, third switch 14H). , 2nd switch 13L and 4th switch 14L) have the same effect even if they are composed of normally-on type switching elements.

第1スイッチ群16の各スイッチをノーマリーオン型のスイッチング素子とし、第2スイッチ群17の各スイッチをノーマリーオフ型のスイッチング素子とした場合、単位変換器3の各スイッチ(スイッチング素子)の駆動用電源が喪失したとき、各スイッチの駆動電圧がゼロとなり、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14Hがオン状態となり、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lがオフ状態となる。すなわち、第2端子STから、第1スイッチ13H、第3スイッチ14Hとこの順に経由した第1端子FTへの短絡経路が形成される。よって、単位変換器3は、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡された状態となる。 When each switch of the first switch group 16 is a normally-on type switching element and each switch of the second switch group 17 is a normally-off type switching element, each switch (switching element) of the unit converter 3 is used. When the drive power supply is lost, the drive voltage of each switch becomes zero, the first switch 13H and the third switch 14H are turned on, and the second switch 13L and the fourth switch 14L are turned off. That is, a short-circuit path is formed from the second terminal ST to the first switch 13H, the third switch 14H, and the first terminal FT in this order. Therefore, the unit converter 3 is in a state in which the first terminal FT and the second terminal ST are short-circuited.

また、第1スイッチ群16及び第2スイッチ群17の各スイッチ(第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L)をノーマリーオン型のスイッチング素子とした場合、単位変換器3の各スイッチ(スイッチング素子)の駆動用電源が喪失したとき、各スイッチの駆動電圧がゼロとなり、すべてのスイッチがオン状態となる。その結果、第2端子STから、第1スイッチ13H、第3スイッチ14Hとこの順に経由した第1端子FTへの短絡経路と、第2端子STから、第2スイッチ13L、第4スイッチ14Lとこの順に経由した第1端子FTへの短絡経路とが形成され、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡された状態となる。 Further, when each switch (first switch 13H, third switch 14H, second switch 13L and fourth switch 14L) of the first switch group 16 and the second switch group 17 is a normally-on type switching element, the unit is When the drive power supply for each switch (switching element) of the converter 3 is lost, the drive voltage of each switch becomes zero and all the switches are turned on. As a result, a short-circuit route from the second terminal ST to the first terminal FT via the first switch 13H and the third switch 14H in this order, and from the second terminal ST to the second switch 13L and the fourth switch 14L. A short-circuit path to the first terminal FT via the order is formed, and the first terminal FT and the second terminal ST are short-circuited.

このように、交流電圧出力システム1は、単位変換器3が、第1スイッチ群16の各スイッチ(第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H)又は第1スイッチ群16及び第2スイッチ群17の各スイッチ(第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L)をノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されていても、単位変換器3の各スイッチの駆動用電源が喪失したとき、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡され、当該単位変換器3が短絡された状態となる。そして、交流電圧出力システム1は、駆動用電源が喪失した単位変換器3の第1端子FTと第2端子STとの間に電流が流れるので、当該単位変換器3の属するアームに電流が流れなくなることがなく、継続運転することができる。 As described above, in the AC voltage output system 1, the unit converter 3 is a switch of each of the first switch group 16 (first switch 13H and third switch 14H) or each of the first switch group 16 and the second switch group 17. Even if the switches (1st switch 13H, 3rd switch 14H, 2nd switch 13L and 4th switch 14L) are composed of normally-on type switching elements, the power supply for driving each switch of the unit converter 3 is lost. At that time, the first terminal FT and the second terminal ST are short-circuited, and the unit converter 3 is short-circuited. Then, in the AC voltage output system 1, a current flows between the first terminal FT and the second terminal ST of the unit converter 3 for which the drive power supply has been lost, so that the current flows to the arm to which the unit converter 3 belongs. It can be operated continuously without disappearing.

次に、配電系統安定化装置としての交流電圧出力システム1を、配電系統510の周波数を安定させる周波数安定化装置として使用したときの効果について説明する。図1に示すように、交流電圧出力システム1は、配電系統510に接続されている。配電系統510は、電力系統50と負荷56との間を配電線57u、57v、57wによって接続し、電力系統50から負荷56へと電力を供給する。ここで、電力系統50は、国内の電力系統と同じく、図示しない発電機への機械エネルギーの入力や光エネルギーなどの入力が発電機出力よりも大きければ、周波数が高くなり、低ければ、周波数が低くなる系統であるとする。配電線57uは、一端が電力系統50のu相に接続され、他端が負荷56のR相に接続されている。配電線57vは、一端が電力系統50のv相に接続され、他端が負荷56のS相に接続されている。配電線57wは、一端が電力系統50のw相に接続され、他端が負荷56のT相に接続されている。ここで、電力系統50は、発電機などの発電設備、交流送電系統などの送電設備、変圧器などの変電設備、交流配電系統などの配電設備及び負荷などの需要家設備などが含まれる電力の送配電ネットワークであり、指令所などに備えられた電力系統制御システム(図1には不図示)によって制御されている。配電系統510及び負荷56はこのような電力系統50に接続されている。 Next, the effect when the AC voltage output system 1 as the distribution system stabilizing device is used as the frequency stabilizing device for stabilizing the frequency of the distribution system 510 will be described. As shown in FIG. 1, the AC voltage output system 1 is connected to the distribution system 510. The distribution system 510 connects the power system 50 and the load 56 with distribution lines 57u, 57v, 57w, and supplies power from the power system 50 to the load 56. Here, as in the domestic power system, the power system 50 has a higher frequency if the input of mechanical energy or optical energy to the generator (not shown) is larger than the output of the generator, and the frequency is lower if the input is lower than the generator output. It is assumed that the system is low. One end of the distribution line 57u is connected to the u phase of the power system 50, and the other end is connected to the R phase of the load 56. One end of the distribution line 57v is connected to the v phase of the power system 50, and the other end is connected to the S phase of the load 56. One end of the distribution line 57w is connected to the w phase of the power system 50, and the other end is connected to the T phase of the load 56. Here, the power system 50 includes power generation equipment such as a generator, power transmission equipment such as an AC power transmission system, substation equipment such as a transformer, distribution equipment such as an AC distribution system, and consumer equipment such as a load. It is a power transmission and distribution network, and is controlled by a power system control system (not shown in FIG. 1) provided in a command center or the like. The distribution system 510 and the load 56 are connected to such a power system 50.

また、配電線57uは、端子53uを有し、端子53uに交流電圧出力システム1のR相アーム2Rが接続されている。配電線57vは、端子53vを有し、端子53vに交流電圧出力システム1のS相アーム2Sが接続されている。配電線57wは、端子53wを有し、端子53wに交流電圧出力システム1のT相アーム2Tが接続されている。このように交流電圧出力システム1は、配電系統510に接続されている。なお、負荷56は、例えば、工場などの需要家又は需要家の有する機械や製造装置などである。また、図1中の52u、52v、52wと51u、51v、51wは、端子53u、53v、53wより電力系統50側の配電線57u、57v、57wのリアクタン成分及び抵抗成分を模式的に表したものであり、54u、54v、54wと55u、55v、55wは、端子53u、53v、53wより負荷56側の配電線57u、57v、57wのリアクタン成分及び抵抗成分を模式的に表したものである。 Further, the distribution line 57u has a terminal 53u, and the R phase arm 2R of the AC voltage output system 1 is connected to the terminal 53u. The distribution line 57v has a terminal 53v, and the S-phase arm 2S of the AC voltage output system 1 is connected to the terminal 53v. The distribution line 57w has a terminal 53w, and the T-phase arm 2T of the AC voltage output system 1 is connected to the terminal 53w. In this way, the AC voltage output system 1 is connected to the distribution system 510. The load 56 is, for example, a consumer such as a factory or a machine or a manufacturing apparatus owned by the consumer. Further, 52u, 52v, 52w and 51u, 51v, 51w in FIG. 1 schematically represent reactoron components and resistance components of the distribution lines 57u, 57v, 57w on the power system 50 side from the terminals 53u, 53v, 53w. 54u, 54v, 54w and 55u, 55v, 55w schematically represent the reactor and resistance components of the distribution lines 57u, 57v, 57w on the load 56 side of the terminals 53u, 53v, 53w. ..

配電系統安定化装置としての交流電圧出力システム1は、配電系統510の周波数を安定化させることができる。例えば、制御装置(図1には不図示)が、配電系統510に設けられた周波数測定器(図1には不図示)から三相一括又は各相の周波数の検出結果を受け取るなどし、配電系統510の周波数を監視する。通常の三相の電力系統は、三相発電機から電力供給を受けるので、各相の周波数は同じである。ここでは、個々の相に単相発電機のみが接続されることも物理的には可能であることを考慮して、各相の周波数が必ずしも同じではないというかなり非常識な想定もありうるという前提で説明する。各相の周波数が違うと、相順が入れ替わるなど別の深刻な問題が生じるが、周波数のみに注目して説明する。制御装置は、いずれかの相の周波数が高くなったことを検出したとき、周波数が高くなった相(配電線)から電力を吸収し、いずれかの相の周波数が低下したことを検出したとき、周波数が低下した相に電力を放出するように、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tの単位変換器3を制御する。例えば、配電系統510のu相の周波数が高くなった場合、制御装置は、R相アーム2Rの単位変換器3の各スイッチを制御し、u相の電圧により電力貯蔵器15を充電するようにしてu相から電力を吸収し、u相の周波数を低下させる。また、配電系統510のu相の周波数が低下した場合、制御装置は、R相アーム2Rの単位変換器3の各スイッチを制御し、電力貯蔵器15がu相に放電するようにしてR相アーム2Rからu相に電力を放出し、u相の周波数を上昇させる。このように、交流電圧出力システム1を用いた配電系統安定化装置は、配電系統510の周波数を安定化できる。 The AC voltage output system 1 as a distribution system stabilizing device can stabilize the frequency of the distribution system 510. For example, a control device (not shown in FIG. 1) receives a detection result of a three-phase batch or a frequency of each phase from a frequency measuring device (not shown in FIG. 1) provided in the distribution system 510, and distributes power. Monitor the frequency of system 510. Since a normal three-phase power system receives power from a three-phase generator, the frequency of each phase is the same. Here, considering that it is physically possible to connect only a single-phase generator to each phase, there may be a rather insane assumption that the frequencies of each phase are not necessarily the same. I will explain on the premise. If the frequency of each phase is different, another serious problem such as the phase order is changed, but we will focus on the frequency only. When the control device detects that the frequency of one of the phases has increased, it absorbs power from the phase (distribution line) with the increased frequency, and when it detects that the frequency of one of the phases has decreased. The unit converter 3 of the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T is controlled so as to discharge power to the phase whose frequency has decreased. For example, when the frequency of the u-phase of the distribution system 510 becomes high, the control device controls each switch of the unit converter 3 of the R-phase arm 2R so that the power storage 15 is charged by the voltage of the u-phase. It absorbs power from the u phase and lowers the frequency of the u phase. Further, when the frequency of the u phase of the distribution system 510 is lowered, the control device controls each switch of the unit converter 3 of the R phase arm 2R so that the power storage device 15 discharges to the u phase. Power is discharged from the arm 2R to the u phase to raise the frequency of the u phase. As described above, the distribution system stabilizing device using the AC voltage output system 1 can stabilize the frequency of the distribution system 510.

配電系統510の周波数は、落雷などによる系統事故時に電力需給バランスが崩れることにより変動し、極端な場合は、電力系統50の図示していない発電機が脱調してしまう。本来であれば、交流電圧出力システム1がそのような事態を防ぐのであるが、落雷などは、交流電圧出力システム1にもダメージを与えやすく、単位変換器3の各スイッチなどの駆動用電源を喪失してしまう場合もある。交流電圧出力システム1が本発明によるものであれば、駆動用電源を一部喪失した状態でも運転継続できるので、周波数変動や発電機脱調に対するロバスト性を向上できる。 The frequency of the distribution system 510 fluctuates due to the imbalance of power supply and demand in the event of a system accident due to a lightning strike or the like, and in an extreme case, a generator (not shown) of the power system 50 is out of step. Normally, the AC voltage output system 1 prevents such a situation, but a lightning strike or the like tends to damage the AC voltage output system 1, and the drive power supply for each switch of the unit converter 3 is used. It may be lost. If the AC voltage output system 1 is according to the present invention, the operation can be continued even when the drive power supply is partially lost, so that the robustness against frequency fluctuation and generator step-out can be improved.

なお、ここでは、交流電圧出力システム1の制御装置が、交流電圧出力システム1が接続された配電系統510の各相の周波数に基づいて、配電系統510への出力を相毎に制御し、配電系統510の各相の周波数を安定させたことについて説明した。しかし、本発明はこれに限られず、配電系統510が接続された電力系統50を制御する上記の電力系統制御システムの系統制御装置(図1には不図示)が、配電系統510の各相の周波数を安定化する制御を行ってもよい。この場合、系統制御装置は、配電系統510の各相の周波数に基づいて、配電系統510に接続された交流電圧出力システム1の出力を相毎に制御し、配電系統510の各相の周波数を安定化させる。周波数安定化の制御手法は、交流電圧出力システム1の制御装置の場合と同じなので説明は省略する。 Here, the control device of the AC voltage output system 1 controls the output to the distribution system 510 for each phase based on the frequency of each phase of the distribution system 510 to which the AC voltage output system 1 is connected, and distributes power. It has been described that the frequency of each phase of the system 510 is stabilized. However, the present invention is not limited to this, and the system control device (not shown in FIG. 1) of the above power system control system that controls the power system 50 to which the distribution system 510 is connected is a phase of each phase of the distribution system 510. Control may be performed to stabilize the frequency. In this case, the system control device controls the output of the AC voltage output system 1 connected to the distribution system 510 for each phase based on the frequency of each phase of the distribution system 510, and determines the frequency of each phase of the distribution system 510. Stabilize. Since the frequency stabilization control method is the same as that of the control device of the AC voltage output system 1, the description thereof will be omitted.

次いで、配電系統安定化装置としての交流電圧出力システム1を配電系統510の相間の電力調整装置として使用した時の効果について説明する。例えば、u相が負荷56の電力需要に対して電力不足で、w相が負荷56の電力需要に対して電力過剰であるように配電系統510のu相、v相、w相で必要な電力がアンバランスなとき、制御装置が、S相アーム2Sの各単位変換器3のスイッチを制御し、w相の電圧で単位変換器3の電力貯蔵器15を充電するようにして、w相から電力を吸収して電力過剰を解消する。そして、制御装置は、R相アーム2Rの各単位変換器3のスイッチを制御し、電力貯蔵器15がu相に放電するようにしてR相アーム2Rがu相に電力を放出して電力不足を解消する。このように、配電系統安定化装置は、電力不足のu相には電力を供給し、電力過剰のw相からは電力を吸収し、相間の電力のアンバランスを調整し、配電系統510を安定化できる。 Next, the effect when the AC voltage output system 1 as the distribution system stabilizing device is used as the power adjustment device between the phases of the distribution system 510 will be described. For example, the power required for the u-phase, v-phase, and w-phase of the distribution system 510 so that the u-phase is insufficient in power with respect to the power demand of the load 56 and the w-phase is in excess of power with respect to the power demand of the load 56. When is unbalanced, the control device controls the switch of each unit converter 3 of the S phase arm 2S so as to charge the power storage 15 of the unit converter 3 with the voltage of the w phase from the w phase. Absorbs power to eliminate excess power. Then, the control device controls the switch of each unit converter 3 of the R-phase arm 2R so that the power storage device 15 discharges to the u-phase, and the R-phase arm 2R releases power to the u-phase to cause a power shortage. To eliminate. In this way, the distribution system stabilizer supplies power to the u phase with insufficient power, absorbs power from the w phase with excess power, adjusts the imbalance of power between the phases, and stabilizes the distribution system 510. Can be transformed into.

配電系統安定化装置は、配電系統510の配電線57u、57w、57v間の線間電圧をバランスすることもできる。例えば、制御装置(図1には不図示)が配電系統510の各相の電圧を監視する。制御装置は、各相の電圧から線間電圧のアンバランスを検出したとき、交流電圧出力システム1が、電圧が高くなった相に高い電圧を出力し、電圧が低下した相に低い電圧を出力するように、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tの単位変換器3を制御する。例えば、配電系統510のw相の電圧が高く、配電系統510のu相の電圧が低い場合、制御装置は、R相アーム2R、S相アーム2Sの各単位変換器3のスイッチを制御し、u相に高い電圧を出力し、w相に低い電圧を出力し、配電線57u及び配電線57w間の線間電圧をバランスする。このように、配電系統安定化装置は、配電系統510の配電線57u、57w、57v間の線間電圧をバランスし、配電系統510を安定化できる。 The distribution system stabilizer can also balance the line voltage between the distribution lines 57u, 57w, 57v of the distribution system 510. For example, a control device (not shown in FIG. 1) monitors the voltage of each phase of the distribution system 510. When the control device detects the imbalance of the line voltage from the voltage of each phase, the AC voltage output system 1 outputs a high voltage to the phase where the voltage is high and outputs a low voltage to the phase where the voltage is low. The unit converter 3 of the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T is controlled so as to do so. For example, when the w-phase voltage of the distribution system 510 is high and the u-phase voltage of the distribution system 510 is low, the control device controls the switch of each unit converter 3 of the R-phase arm 2R and the S-phase arm 2S. A high voltage is output to the u phase, a low voltage is output to the w phase, and the line voltage between the distribution line 57u and the distribution line 57w is balanced. In this way, the distribution system stabilizing device can balance the line voltage between the distribution lines 57u, 57w, 57v of the distribution system 510 and stabilize the distribution system 510.

なお、落雷の影響が配電系統510の相間で異なり、特定相のみ地絡などが生じて、負荷が脱落した時などにも相間電圧のアンバランスが生じる。また、該落雷の影響で、同時に、交流電圧出力システム1の該当相の駆動用電源も喪失してしまう場合もある。交流電圧出力システム1が本発明によるものであれば、駆動用電源を一部喪失した状態でも運転継続できるので、周波数変動や発電機脱調に対するロバスト性を向上できる。 It should be noted that the influence of a lightning strike differs between the phases of the distribution system 510, and a ground fault or the like occurs only in a specific phase, causing an imbalance in the interphase voltage even when the load is dropped. Further, due to the influence of the lightning strike, the driving power supply of the corresponding phase of the AC voltage output system 1 may be lost at the same time. If the AC voltage output system 1 is according to the present invention, the operation can be continued even when the drive power supply is partially lost, so that the robustness against frequency fluctuation and generator step-out can be improved.

以上より、交流電圧出力システム1を用いた配電系統安定化装置は、各相の周波数を制御したり、相間で電力の過不足を調整したり、相間の電圧のアンバランスを解消したりでき、配電系統510を安定化できる。さらに、配電系統安定化装置は、交流電圧出力システム1を備えているので、交流電圧出力システム1の単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。なお、交流電圧出力システム1は、交流配電系統510に変えて、電力系統間を接続する交流送電系統に接続し、交流送電系統の安定化装置として適用することもできる。また、交流電圧出力システム1は、三相交流用であったが、1つのアームを除去して単相用とすることもできる。さらに、2つのアームを除去して残った1アームを連系点の単相端子間に接続することによっても単相用とすることができる。 From the above, the distribution system stabilizer using the AC voltage output system 1 can control the frequency of each phase, adjust the excess or deficiency of power between the phases, and eliminate the imbalance of the voltage between the phases. The distribution system 510 can be stabilized. Further, since the distribution system stabilizer is provided with the AC voltage output system 1, it can be continuously operated even when the power supply for driving the switch of the unit converter 3 of the AC voltage output system 1 is lost, and is more reliable. .. The AC voltage output system 1 can be applied as a stabilizer of the AC power transmission system by connecting to the AC power transmission system connecting the power systems instead of the AC power distribution system 510. Further, although the AC voltage output system 1 is for three-phase AC, it is also possible to remove one arm and use it for single-phase. Further, it can be used for single phase by removing the two arms and connecting the remaining one arm between the single phase terminals of the interconnection point.

(2)作用及び効果
以上の構成において、交流電圧出力システム1は、所定電圧を出力する複数の単位変換器3が直列に接続されたアームを少なくとも1つ(R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2T)備え、単位変換器3が、第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lとが直列に接続された第1スイッチアーム13と、第3スイッチ14Hと第4スイッチ14Lとが直列に接続された第2スイッチアーム14と、充放電できる電力貯蔵器15とを備え、第1スイッチアーム13の第1スイッチ13H側端部と第2スイッチアーム14の第3スイッチ14H側端部とが接続され、第1スイッチアーム13の第2スイッチ13L側端部と第2スイッチアーム14の第4スイッチ14L側端部とが接続されて、第1スイッチアーム13、第2スイッチアーム14及び電力貯蔵器15が並列に接続された構成をし、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L又は第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されているようにした。
(2) Actions and effects In the above configuration, the AC voltage output system 1 has at least one arm (R-phase arm 2R, S-phase arm 2S) in which a plurality of unit converters 3 for outputting a predetermined voltage are connected in series. , T-phase arm 2T), the unit converter 3 has a first switch arm 13 in which a first switch 13H and a second switch 13L are connected in series, and a third switch 14H and a fourth switch 14L in series. A connected second switch arm 14 and a power storage 15 capable of charging and discharging are provided, and a first switch 13H side end of the first switch arm 13 and a third switch 14H side end of the second switch arm 14 are provided. Connected, the second switch 13L side end of the first switch arm 13 and the fourth switch 14L side end of the second switch arm 14 are connected, and the first switch arm 13, the second switch arm 14, and the power storage are connected. The device 15 is connected in parallel, and the first switch 13H and the third switch 14H, the second switch 13L and the fourth switch 14L or the first switch 13H, the third switch 14H, the second switch 13L and the fourth switch 14L is configured to be composed of a normally-on type switching element.

よって本発明の交流電圧出力システム1は、単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失したとき、第1端子FTと第2端子STとの間が短絡され、当該単位変換器3が短絡された状態となるので、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転することができる。そのため、交流電圧出力システム1は、短絡スイッチを省略できる。
さらに、単位変換器3をバッテリのSOC(state of charge)やSOH(state of health)などを測定する制御手段と一緒に一つのケースに収納すると、変換器を内蔵したバッテリパックとして機能するのでバッテリが劣化した際の交換などをスムーズに行える。
また、単位変換器3の直流電圧が約30V以下のように低いときは、複数の単位変換器3を防爆機能低い一つのケースに内蔵してもよい。直流電圧が低いと、単位変換器3の第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lが誤ってオン状態となり、PN短絡となっても電圧が低いのでスイッチング素子が爆発するリスクは十分に低く、防爆機能の低い一つのケース内に内蔵できる。
また、各ケースに凹部と凸部を設け、一つのケースの凹部に他のケースの凸部を挿入できるようにすると、多数のバッテリパックを多段に接続するのが容易になる。特に、一つの単位変換器3と他の単位変換器3が該挿入により電気的に接続できるようにできるとなお好ましい。
Therefore, in the AC voltage output system 1 of the present invention, when the power supply for driving the switch of the unit converter 3 is lost, the first terminal FT and the second terminal ST are short-circuited, and the unit converter 3 is short-circuited. Since it is in a short-circuited state, continuous operation can be performed even when the power supply for driving the switch is lost. Therefore, the AC voltage output system 1 can omit the short-circuit switch.
Furthermore, if the unit converter 3 is housed in one case together with a control means for measuring the SOC (state of charge) and SOH (state of health) of the battery, it functions as a battery pack with a built-in converter, so that the battery Can be replaced smoothly when the battery deteriorates.
Further, when the DC voltage of the unit converter 3 is as low as about 30 V or less, a plurality of unit converters 3 may be built in one case having a low explosion-proof function. When the DC voltage is low, the first switch 13H and the second switch 13L of the unit converter 3 are erroneously turned on, and even if a PN short circuit occurs, the voltage is low, so the risk of explosion of the switching element is sufficiently low, and the explosion-proof function. Can be built in one low case.
Further, if each case is provided with a concave portion and a convex portion so that the convex portion of another case can be inserted into the concave portion of one case, it becomes easy to connect a large number of battery packs in multiple stages. In particular, it is still preferable that one unit converter 3 and another unit converter 3 can be electrically connected by the insertion.

(3)変形例
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。上記の実施形態では、ノーマリーオン型のスイッチング素子であるHEMTを、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L又は第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14L(図2参照)に用いることを説明した。実際には、HEMTのようなノーマリーオン型のスイッチング素子は、ノーマリーオフ化する回路を付加されて、ノーマリーオフ型のスイッチング素子として市販されていることが多い。
(3) Modifications The present invention is not limited to the above embodiment, and various modifications can be made within the scope of the gist of the present invention. In the above embodiment, HEMT, which is a normally-on type switching element, is used as a first switch 13H and a third switch 14H, a second switch 13L and a fourth switch 14L or a first switch 13H, a second switch 13L, and a third switch. It has been described that it is used for the switch 14H and the fourth switch 14L (see FIG. 2). In reality, normally-on type switching elements such as HEMTs are often marketed as normally-off type switching elements to which a circuit for normalizing off is added.

このようなノーマリーオフ化されたノーマリーオン型のスイッチング素子(以下、説明の便宜上、N−OFFスイッチング素子ということとする)も、後述する回路を付加して駆動用電源が喪失したときにノーマリーオン化することで、ノーマリーオン型のスイッチング素子として上記の実施形態のスイッチ(第1スイッチ、第2スイッチ、第3スイッチ、第4スイッチ)に用いることができる。以下では、N−OFFスイッチング素子の回路の一例及びN−OFFスイッチング素子をノーマリーオン化する回路の一例について説明する。 Such a normally-off type switching element (hereinafter referred to as an N-OFF switching element for convenience of explanation) is also referred to as an N-OFF switching element when a circuit described later is added and the drive power supply is lost. By making it normally-on, it can be used as a normally-on type switching element for the switches (first switch, second switch, third switch, fourth switch) of the above embodiment. Hereinafter, an example of a circuit of the N-OFF switching element and an example of a circuit for turning on the N-OFF switching element normally will be described.

図4Aは、N−OFFスイッチング素子の一例を示す図である。図4Aに示すN−OFFスイッチング素子30は、ノーマリーオン型のスイッチング素子29(例えば、HEMTであるGaN−FET)と、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31(例えば、Si−MOSFET)とがカスコード接続された構成をしている。図4A中のSは、N−OFFスイッチング素子30のソース側端子であり、Dは、N−OFFスイッチング素子30のドレイン側端子である。ノーマリーオン型のスイッチング素子29がドレイン端子D側に配置され、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31がソース側に配置されている。ノーマリーオン型のスイッチング素子29のゲート29Gは、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31よりもソース側の配線に接続されている。ノーマリーオフ型のスイッチング素子31のゲート31Gは、N−OFFスイッチング素子30の制御回路(図4Aには不図示)に接続されており、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31を駆動する駆動電圧が、制御回路からゲート31Gに印加されるようになされている。 FIG. 4A is a diagram showing an example of an N-OFF switching element. In the N-OFF switching element 30 shown in FIG. 4A, a normally-on type switching element 29 (for example, a GaN-FET which is a HEMT) and a normally-off type switching element 31 (for example, Si-PWM) are cascoded. It has a connected configuration. In FIG. 4A, S is a source-side terminal of the N-OFF switching element 30, and D is a drain-side terminal of the N-OFF switching element 30. The normally-on type switching element 29 is arranged on the drain terminal D side, and the normally-off type switching element 31 is arranged on the source side. The gate 29G of the normally-on type switching element 29 is connected to the wiring on the source side of the normally-off type switching element 31. The gate 31G of the normally-off type switching element 31 is connected to a control circuit of the N-OFF switching element 30 (not shown in FIG. 4A), and a drive voltage for driving the normally-off type switching element 31 is applied. , Is applied to the gate 31G from the control circuit.

N−OFFスイッチング素子30では、制御回路からゲート31Gに正の駆動電圧が印加されている場合、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31はオン状態となり、ノーマリーオン型のスイッチング素子29はゲート29Gに印加された電圧が当該スイッチング素子29のソース電圧と等しくなるので、スイッチング素子29はオン状態となる。 In the N-OFF switching element 30, when a positive drive voltage is applied to the gate 31G from the control circuit, the normally-off type switching element 31 is turned on, and the normally-on type switching element 29 is connected to the gate 29G. Since the applied voltage becomes equal to the source voltage of the switching element 29, the switching element 29 is turned on.

一方で、制御回路からゲート31Gに駆動電圧が印加されていない場合、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31はオフ状態となる。このとき、ノーマリーオン型のスイッチング素子29のゲート電圧は、ノーマリーオン型のスイッチング素子29のソース電圧より低いので、ノーマリーオン型のスイッチング素子29もオフ状態となる。その結果、N−OFFスイッチング素子30は、ソース端子Sとドレイン端子Dの間に電流が流れることができず、オフ状態となる。このように、N−OFFスイッチング素子30は、ノーマリーオン型のスイッチング素子29とノーマリーオフ型のスイッチング素子30をカスコード接続することで、ノーマリーオン型のスイッチング素子29をノーマリーオフ化している。 On the other hand, when the drive voltage is not applied to the gate 31G from the control circuit, the normally-off type switching element 31 is turned off. At this time, since the gate voltage of the normally-on type switching element 29 is lower than the source voltage of the normally-on type switching element 29, the normally-on type switching element 29 is also turned off. As a result, the N-OFF switching element 30 is turned off because no current can flow between the source terminal S and the drain terminal D. In this way, the N-OFF switching element 30 cascodes the normally-on type switching element 29 and the normally-off type switching element 30 to make the normally-on type switching element 29 normally off. There is.

ノーマリーオン型のスイッチング素子29をノーマリーオフ化したスイッチング素子であるN−OFFスイッチング素子30を、駆動用電源が喪失したときにノーマリーオン化する本発明の一手法について図4Bを参照して説明する。ここで、説明の便宜上、N−OFFスイッチング素子30をノーマリーオン化したスイッチング素子をN−ONスイッチング素子ということとする。 Refer to FIG. 4B for one method of the present invention in which the N-OFF switching element 30, which is a switching element obtained by normally turning off the normally-on type switching element 29, is turned on normally when the drive power supply is lost. I will explain. Here, for convenience of explanation, a switching element obtained by normally turning on the N-OFF switching element 30 is referred to as an N-ON switching element.

図4Bに示すように、N−ONスイッチング素子37は、直列に接続されたノーマリーオン型のスイッチング素子29及びノーマリーオフ型のスイッチング素子31(図4Aに示したN−OFFスイッチング素子30に相当)と、抵抗32と、ツェナーダイオード33と、駆動電圧供給用スイッチング素子34とを備えている。抵抗32は、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31のゲート31Gとドレイン端子Dの間に挿入されている。ツェナーダイオード33は、ゲート31Gとソース端子Sの間に挿入され、アノードがソース端子S側に接続され、カソードがゲート31G側に接続されている。本実施形態では、接続点35で、ゲート31Gと抵抗32とツェナーダイオード33とが接続されている。なお、抵抗32及びツェナーダイオード33のスペックは、ノーマリーオフ型のスイッチング素子31の閾値電圧などに応じて適宜設定する。 As shown in FIG. 4B, the N-ON switching element 37 includes a normally-on type switching element 29 and a normally-off type switching element 31 (to the N-OFF switching element 30 shown in FIG. 4A) connected in series. It includes a resistor 32, a Zener diode 33, and a switching element 34 for supplying a drive voltage. The resistor 32 is inserted between the gate 31G of the normally-off type switching element 31 and the drain terminal D. The Zener diode 33 is inserted between the gate 31G and the source terminal S, the anode is connected to the source terminal S side, and the cathode is connected to the gate 31G side. In the present embodiment, the gate 31G, the resistor 32, and the Zener diode 33 are connected at the connection point 35. The specifications of the resistor 32 and the Zener diode 33 are appropriately set according to the threshold voltage of the normally-off type switching element 31 and the like.

さらに、接続点35には、駆動電圧供給用スイッチング素子34のドレインが接続されている。駆動電圧供給用スイッチング素子34は、ソースにノーマリーオフ型のスイッチング素子31の駆動電圧を供給するN−ONスイッチング素子37の制御回路(図4Bには図示せず)が接続されている。駆動電圧供給用スイッチング素子34は、電源喪失時に、制御回路と接続点35とを遮断するために設けている。駆動電圧供給用スイッチング素子34は、通常、ゲート34GがON状態である。駆動電圧供給用スイッチング素子34はN−ONスイッチング素子37の制御回路の電源回路に接続されている。駆動電圧供給用スイッチング素子34がON状態であれば、制御回路によって、ゲート34Gを駆動できる。 Further, the drain of the driving voltage supply switching element 34 is connected to the connection point 35. The drive voltage supply switching element 34 is connected to a control circuit (not shown in FIG. 4B) of the N-ON switching element 37 that supplies the drive voltage of the normally-off type switching element 31 to the source. The drive voltage supply switching element 34 is provided to cut off the control circuit and the connection point 35 when the power supply is lost. In the drive voltage supply switching element 34, the gate 34G is normally in the ON state. The drive voltage supply switching element 34 is connected to the power supply circuit of the control circuit of the N-ON switching element 37. When the drive voltage supply switching element 34 is in the ON state, the gate 34G can be driven by the control circuit.

一方で、N−ONスイッチング素子37の駆動用電源が喪失した場合は、駆動電圧供給用スイッチング素子34がオフ状態となり、接続点35が制御回路から遮断される。その結果、接続点35の電圧がツェナーダイオード33が許容する電圧まで上昇する。上昇した接続点35の電圧が、スイッチング素子31のゲート31Gに印加され、スイッチング素子31の駆動電圧より高いので、スイッチング素子31がオン状態となる。その結果、N−ONスイッチング素子37がオン状態となる。このように、N−ONスイッチング素子37は、駆動用電源が喪失し、駆動電圧が供給されなくなったときにオン状態となる。よって、N−ONスイッチング素子37をノーマリーオン型のスイッチング素子として、上記の実施形態の単位変換器3のスイッチに用いても、上記の実施形態と同様の効果を奏する。 On the other hand, when the drive power supply of the N-ON switching element 37 is lost, the drive voltage supply switching element 34 is turned off and the connection point 35 is cut off from the control circuit. As a result, the voltage at the connection point 35 rises to the voltage allowed by the Zener diode 33. Since the increased voltage of the connection point 35 is applied to the gate 31G of the switching element 31 and higher than the drive voltage of the switching element 31, the switching element 31 is turned on. As a result, the N-ON switching element 37 is turned on. In this way, the N-ON switching element 37 is turned on when the drive power supply is lost and the drive voltage is no longer supplied. Therefore, even if the N-ON switching element 37 is used as a normally-on type switching element in the switch of the unit converter 3 of the above embodiment, the same effect as that of the above embodiment can be obtained.

上記の実施形態では、図2に示した単位変換器3の第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lに、ノーマリーオン型のスイッチング素子として、Si基板に形成されたGaN−FET(図3A参照)を用いた場合について説明した。このとき、ノーマリーオン型のスイッチング素子としては、1枚のSi基板に第2スイッチ13L用のGaN−FETと第4スイッチ14L用のGaN−FETとを一体に形成したものであってもよいことも説明した。本発明はさらに、例えば、単位変換器3の制御回路をSi上に実装されたSi基板に第2スイッチ13L用のGaN−FETと第4スイッチ14L用のGaN−FETとを形成したものをノーマリーオン型のスイッチング素子として用いてもよい。Si基板上に実装する回路としては、他には、例えば、交流電圧出力システム1の各単位変換器3の制御回路を統括する制御装置に相当する回路、ゲートドライバに相当する回路などがある。なお、第1スイッチ13Hと第3スイッチ14Hとをノーマリーオン型のスイッチング素子とした場合は、回路が形成されたSi基板上に、第1スイッチ13H用のGaN−FETと第3スイッチ14H用のGaN−FETとを形成する。また、ノーマリーオン型のスイッチング素子を用いたスイッチ以外のスイッチに用いるノーマリーオフ型のスイッチング素子についても、回路形成したSi基板上に形成してもよい。単位変換器3の制御回路や交流電圧出力システム1の各単位変換器3の制御回路を統括する制御装置に相当する回路、ゲートドライバに相当する回路など、単位変換器3の各スイッチ(第1スイッチ13H、第2スイッチ13L、第3スイッチ14H及び第4スイッチ14L)の少なくとも1つを駆動する回路を構成するすべての素子や全てのスイッチをSi上に実装してもよく、その一部の素子のみSi上に実装するようにしてもよい。 In the above embodiment, a GaN-FET formed on a Si substrate as a normally-on type switching element on the second switch 13L and the fourth switch 14L of the unit converter 3 shown in FIG. 2 (see FIG. 3A). Was used to explain the case of using. At this time, as the normally-on type switching element, a GaN-FET for the second switch 13L and a GaN-FET for the fourth switch 14L may be integrally formed on one Si substrate. I also explained that. Further, in the present invention, for example, a GaN-FET for the second switch 13L and a GaN-FET for the fourth switch 14L are formed on a Si substrate in which the control circuit of the unit converter 3 is mounted on Si. It may be used as a marie-on type switching element. Other circuits mounted on the Si substrate include, for example, a circuit corresponding to a control device that controls the control circuit of each unit converter 3 of the AC voltage output system 1, and a circuit corresponding to a gate driver. When the first switch 13H and the third switch 14H are normally-on type switching elements, the GaN-FET for the first switch 13H and the third switch 14H are on the Si substrate on which the circuit is formed. GaN-FET and. Further, a normally-off type switching element used for a switch other than a switch using a normally-on type switching element may also be formed on a circuit-formed Si substrate. Each switch of the unit converter 3 such as the control circuit of the unit converter 3, the circuit corresponding to the control device that controls the control circuit of each unit converter 3 of the AC voltage output system 1, and the circuit corresponding to the gate driver. All the elements and all the switches constituting the circuit for driving at least one of the switch 13H, the second switch 13L, the third switch 14H and the fourth switch 14L) may be mounted on Si, and some of them may be mounted on Si. Only the element may be mounted on Si.

上記の実施形態では、図1に示すように交流電圧出力システム1が、三相交流用として用いられた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、交流電圧出力システムのアームを1つにして単相交流用として用いることもできる。 In the above embodiment, the case where the AC voltage output system 1 is used for three-phase AC as shown in FIG. 1 has been described, but the present invention is not limited to this, and one arm of the AC voltage output system is used. It can also be used for single-phase alternating current.

また、上記の実施形態では、図1に示したように、電力系統と負荷の間の配電系統の配電系統安定化装置として交流電圧出力システム1を適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られない。例えば、図5に示すように、交流電圧出力システム1を、電力系統50及び電力系統59間で並列に接続された配電系統510、610の潮流制御に用いることができる。図5に示す例では、電力系統50と電力系統59とが、配電系統510と配電系統610とによって連系されている。配電系統610の両端が配電系統510に接続されて、配電系統510と配電系統610とが並列に接続されている。交流電圧出力システム1は、配電系統510の各相の端子53u、53v、53wに接続されている。なお、配電系統510及び配電系統610には、それぞれ負荷(図5には不図示)が接続されている。 Further, in the above embodiment, as shown in FIG. 1, the case where the AC voltage output system 1 is applied as the distribution system stabilizing device of the distribution system between the power system and the load has been described. Not limited to. For example, as shown in FIG. 5, the AC voltage output system 1 can be used for power flow control of distribution systems 510 and 610 connected in parallel between the power system 50 and the power system 59. In the example shown in FIG. 5, the power system 50 and the power system 59 are connected by the distribution system 510 and the distribution system 610. Both ends of the distribution system 610 are connected to the distribution system 510, and the distribution system 510 and the distribution system 610 are connected in parallel. The AC voltage output system 1 is connected to terminals 53u, 53v, 53w of each phase of the distribution system 510. A load (not shown in FIG. 5) is connected to each of the distribution system 510 and the distribution system 610.

このような場合も、配電系統安定化装置は、図1に示した配電系統安定化装置と同様に、各相の周波数を制御したり、相間で電力の過不足を調整したり、相間の電圧のアンバランスを解消したりできる。さらに、配電系統安定化装置は、電力系統50と電力系統59との間の潮流が配電系統510及び配電系統610でアンバランスであることを解消できる。例えば、配電系統510の潮流が過剰なときは、配電系統510の電圧により、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tの単位変換器3の電力貯蔵器15を充電し配電系統510の電力を吸収することで、潮流を減少させる。 Even in such a case, the distribution system stabilizer controls the frequency of each phase, adjusts the excess or deficiency of power between the phases, and the voltage between the phases, similarly to the distribution system stabilizer shown in FIG. You can eliminate the imbalance of. Further, the distribution system stabilizing device can eliminate the imbalance in the power flow between the power system 50 and the power system 59 in the distribution system 510 and the distribution system 610. For example, when the power flow of the distribution system 510 is excessive, the voltage of the distribution system 510 charges the power storage 15 of the unit converter 3 of the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T, and the distribution system 510. By absorbing the electric power of, the tidal current is reduced.

一方で、配電系統510の潮流が不足なとき(図5に不図示の負荷に必要な電力を供給できていないとき)は、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tの単位変換器3の電力貯蔵器15を放電して配電系統510に電力を供給することにより、潮流を増加させる。また、出力電圧(連系点の電圧)を高くすることでも、潮流を増加できる。 On the other hand, when the power flow of the distribution system 510 is insufficient (when the power required for the load (not shown in FIG. 5) cannot be supplied), the unit conversion of the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T is performed. The power flow is increased by discharging the power storage 15 of the device 3 to supply power to the distribution system 510. In addition, the power flow can be increased by increasing the output voltage (voltage at the interconnection point).

このように、配電系統510との間で電力を授受する交流電圧出力システム1は、配電系統の潮流の過不足を解消できる。さらに、交流電圧出力システム1を用いた配電系統安定化装置は、交流電圧出力システム1の単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。なお、交流電圧出力システム1は、配電系統510のかわりに配電系統610に接続されていてもよい。複数の交流電圧出力システム1を用意し、配電系統510及び配電系統610の両方にそれぞれ交流電圧出力システム1を接続するようにしてもよい。 In this way, the AC voltage output system 1 that transfers power to and from the distribution system 510 can eliminate the excess or deficiency of the power flow of the distribution system. Further, the distribution system stabilizer using the AC voltage output system 1 can be continuously operated even when the drive power supply for the switch of the unit converter 3 of the AC voltage output system 1 is lost, and is more reliable. The AC voltage output system 1 may be connected to the distribution system 610 instead of the distribution system 510. A plurality of AC voltage output systems 1 may be prepared, and the AC voltage output system 1 may be connected to both the distribution system 510 and the distribution system 610, respectively.

ここでは、並列に接続された複数の配電系統510、610の一方(配電系統510)に接続された交流電圧出力システム1の制御装置が、配電系統510及び配電系統610の潮流を制御する場合について説明したが、本発明はこれに限られない。配電系統510が接続された電力系統50、電力系統59又は両方を制御する電力系統制御システムの系統制御装置が、複数の配電系統510に接続された交流電圧出力システム1の出力を制御し、配電系統510及び配電系統610潮流を制御するようにしてもよい。潮流の制御手法は、交流電圧出力システム1の制御装置が潮流を制御する場合と同じであるので、説明を省略する。交流電圧出力システム1は、配電系統510に変えて、電力系統間を接続する交流送電系統に接続し、交流送電系統の安定化装置として適用することもできる。 Here, the case where the control device of the AC voltage output system 1 connected to one of a plurality of distribution systems 510 and 610 (distribution system 510) connected in parallel controls the power flow of the distribution system 510 and the distribution system 610. As described above, the present invention is not limited to this. The system control device of the power system control system that controls the power system 50, the power system 59, or both to which the distribution system 510 is connected controls the output of the AC voltage output system 1 connected to the plurality of distribution systems 510, and distributes power. The system 510 and the distribution system 610 may be controlled. Since the power flow control method is the same as the case where the control device of the AC voltage output system 1 controls the power flow, the description thereof will be omitted. The AC voltage output system 1 can be applied as a stabilizer of the AC power transmission system by connecting to the AC power transmission system connecting the power systems instead of the distribution system 510.

(4)交流電圧出力システムの他の用途
本発明の交流電圧出力システム1は、各単位変換器3が充放電可能な電力貯蔵器15を有しており、電力を貯蔵し、所定のタイミングで貯蔵した電力を交流電圧として出力することができるので、配電系統安定化装置以外に、例えば、UPS(無停電電源装置)及び電気自動車のバッテリなど各種バッテリシステムや直流送電用の変換器などに用いることができる。
(4) Other Applications of AC Voltage Output System The AC voltage output system 1 of the present invention has a power storage device 15 in which each unit converter 3 can charge and discharge power, and stores power at a predetermined timing. Since the stored electric power can be output as an AC voltage, it is used for various battery systems such as UPS (non-disruptive power supply device) and electric vehicle batteries, and converters for DC transmission, in addition to the distribution system stabilizer. be able to.

交流電圧出力システム1は、UPSとしても用いることができる。例えば、図1に示すように、交流電圧出力システム1は、商用交流電源に接続され、商用交流電源から電力を受け取る受電部と、受電部が受け取った電力を蓄電する蓄電部と、蓄電部に蓄えられた電力を電気機器や電子機器に供給する給電部とを備えている。交流電圧出力システムは、当該蓄電部として用いられUPSとして機能する。該UPSとして機能する交流電圧出力システム1は、商用交流電源からの電力により交流電圧出力システムの各単位変換器の電力貯蔵器を充電しておき、商用交流電源が遮断されたとき、交流電圧出力が交流電圧を出力し、給電部を介して電気機器や電子機器に交流電圧を供給する。UPSは、本発明の交流電圧出力システムを備えているので、交流電圧出力システムの単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。 The AC voltage output system 1 can also be used as a UPS. For example, as shown in FIG. 1, the AC voltage output system 1 is connected to a commercial AC power supply and has a power receiving unit that receives power from the commercial AC power supply, a power storage unit that stores the power received by the power receiving unit, and a power storage unit. It is equipped with a power supply unit that supplies the stored electric power to electrical and electronic equipment. The AC voltage output system is used as the power storage unit and functions as a UPS. The AC voltage output system 1 functioning as the UPS charges the power storage of each unit converter of the AC voltage output system with the power from the commercial AC power supply, and outputs the AC voltage when the commercial AC power supply is cut off. Outputs AC voltage and supplies AC voltage to electrical and electronic equipment via the power supply unit. Since the UPS includes the AC voltage output system of the present invention, it can be continuously operated even when the power supply for driving the switch of the unit converter 3 of the AC voltage output system is lost, and the reliability is higher.

電気自動車のバッテリに用いる場合、交流電圧出力システム1は、図1に示す電力系統50に変えて三相交流用モーターの各相に接続される。また、各単位変換器3の電力貯蔵器15は、大容量の二次電池を用いるのが好ましい。また、電気自動車の外部から電力貯蔵器15を充電するための端子が、交流電圧出力システム1の各アームに接続されている。交流電圧出力システム1を備えるバッテリは、外部からの電力供給により電力貯蔵器15が充電されて交流電圧出力システム1に蓄えられた電力を、交流電圧出力システム1が交流電圧に変換して三相交流用モーターの各相に供給して、モーターを回転させる。このとき、モーターで回生された電圧によって、交流電圧出力システム1の電力貯蔵器15を充電することもできる。従来の電気自動車のバッテリは、リチウムイオン電池などの二次電池なので、二次電池が出力する直流電圧を交流電圧に変換するインバータが必要であった。一方で、電気自動車のバッテリにとして交流電圧出力システム1を用いることで、バッテリとインバータとを交流電圧出力システム1に置き換え、これらの構成を省略できる。さらに電気自動車のバッテリは、交流電圧出力システム1を備えているので、本発明の交流電圧出力システム1の単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転でき、より信頼性が高い。なお、交流電圧出力システム1は、電気自動車以外の自動車のバッテリにも適用できる。 When used for a battery of an electric vehicle, the AC voltage output system 1 is connected to each phase of a three-phase AC motor instead of the power system 50 shown in FIG. Further, it is preferable to use a large-capacity secondary battery for the power storage 15 of each unit converter 3. Further, terminals for charging the power storage device 15 from the outside of the electric vehicle are connected to each arm of the AC voltage output system 1. In the battery provided with the AC voltage output system 1, the power storage 15 is charged by an external power supply, and the power stored in the AC voltage output system 1 is converted into an AC voltage by the AC voltage output system 1 for three phases. It is supplied to each phase of the AC motor to rotate the motor. At this time, the power storage 15 of the AC voltage output system 1 can also be charged by the voltage regenerated by the motor. Since the battery of a conventional electric vehicle is a secondary battery such as a lithium ion battery, an inverter that converts the DC voltage output by the secondary battery into an AC voltage is required. On the other hand, by using the AC voltage output system 1 as the battery of the electric vehicle, the battery and the inverter can be replaced with the AC voltage output system 1 and these configurations can be omitted. Further, since the battery of the electric vehicle is provided with the AC voltage output system 1, it can be continuously operated even when the power supply for driving the switch of the unit converter 3 of the AC voltage output system 1 of the present invention is lost, and the reliability is higher. high. The AC voltage output system 1 can also be applied to batteries of automobiles other than electric automobiles.

図1に示した交流電圧出力システム1は、R相アーム2R、S相アーム2S、T相アーム2Tの一端がスター結線され、他端がリアクトル150R、150S、150Tを介して配電系統の各相に接続された形式であったが、交流電圧出力システムの態様を種々変更できる。例えば、図6に示す交流電圧出力システム110のように、2つのアーム112Rが直列に接続されたレグ110R(R相レグともいう)、2つのアーム112Sが直列に接続されたレグ110S(S相レグともいう)及び2つのアーム112Tが直列に接続されたレグ110T(T相レグともいう)が、一端部同士及び他端部同士がそれぞれ接続されて、並列に接続されている交流電圧出力システム110であってもよい。 In the AC voltage output system 1 shown in FIG. 1, one end of the R-phase arm 2R, the S-phase arm 2S, and the T-phase arm 2T is star-connected, and the other end is connected to each phase of the distribution system via the reactors 150R, 150S, and 150T. Although it was a form connected to, the mode of the AC voltage output system can be changed in various ways. For example, as in the AC voltage output system 110 shown in FIG. 6, the leg 110R (also referred to as an R-phase leg) in which two arms 112R are connected in series, and the leg 110S (S-phase) in which two arms 112S are connected in series. An AC voltage output system in which a leg (also called a leg) and a leg 110T (also called a T-phase leg) in which two arms 112T are connected in series are connected in parallel with one end connected to each other and the other end connected to each other. It may be 110.

図6に示す交流電圧出力システム110の各アーム112R、112S、112T(R相アーム、S相アーム、T相アームともいう)は、3つの単位変換器3とリアクトル103が、リアクトル103が端部に来るように直列に接続されている。図6に示す例では、各アーム112R、112S、112Tの構成は同じである。各レグ110R、110S、110Tは、各アーム112R、112S、112Tのリアクトル103同士が接続されて直列に接続されている。各レグ110R、110S、110Tは、両端に直流電力を授受するための直流端子P1、N1をそれぞれ備え、アーム同士の接続点に交流電力を授受するための交流端子113R、113S、113Tをそれぞれ備えている。交流電圧出力システム110では、各レグ110R、110S、110Tが、端部同士が接続されているので、1つの直流端子P1、N1を共有している。 The arms 112R, 112S, 112T (also referred to as R-phase arm, S-phase arm, and T-phase arm) of the AC voltage output system 110 shown in FIG. 6 have three unit converters 3 and a reactor 103, and a reactor 103 at an end. It is connected in series so that it comes to. In the example shown in FIG. 6, the configurations of the arms 112R, 112S, and 112T are the same. In each leg 110R, 110S, 110T, the reactor 103s of the arms 112R, 112S, 112T are connected to each other and connected in series. Each leg 110R, 110S, 110T is provided with DC terminals P1 and N1 for transmitting and receiving DC power at both ends, and is provided with AC terminals 113R, 113S, and 113T for transmitting and receiving AC power to the connection points between the arms, respectively. ing. In the AC voltage output system 110, the legs 110R, 110S, and 110T share one DC terminal P1 and N1 because their ends are connected to each other.

交流端子113R、113S、113Tは、それぞれ、電力系統50のu相、v相、w相に接続されている。そのため、交流電圧出力システム110は、各レグ110R、110S、110Tが直流端子P1及び直流端子N1でスター結線された構成となっている。各アーム112R、112S、112Tの単位変換器3は、図2に示す単位変換器3であり、フルブリッジ回路構成をしている。 The AC terminals 113R, 113S, and 113T are connected to the u-phase, v-phase, and w-phase of the power system 50, respectively. Therefore, the AC voltage output system 110 has a configuration in which the legs 110R, 110S, and 110T are star-connected by the DC terminal P1 and the DC terminal N1. The unit converter 3 of each arm 112R, 112S, 112T is the unit converter 3 shown in FIG. 2, and has a full bridge circuit configuration.

交流電圧出力システム110は、各レグ110R、110S、110Tの直流端子P1と直流端子N1との間に、例えば原動機や太陽光発電装置、風力発電装置など有効電力源105を接続することで、例えば、原動機で発電された直流電力を単位変換器3の数に応じた多段階の交流電力に変換し、電力系統50の各相に出力する発電システムに利用できる。また、交流電圧出力システム110は、直流端子P1と直流端子N1に直流送電線を接続することで、直流送電線から入力された直流電力を多段の交流電力に変換して電力系統50の各相に出力する直流送電システムに利用できる。この直流送電システムは、逆に、交流電圧出力システム110は、電力系統50から入力された交流電力を直流電力に変換し、直流送電線に出力して直流送電することもできる。公知情報であるが、単位変換器3がフルブリッジ構成の場合、落雷などによる直流短絡事故時に直流出力電圧を低下させて、短絡電流を抑制することができるメリットがある。 The AC voltage output system 110 connects, for example, an active power source 105 such as a prime mover, a solar power generation device, or a wind power generation device between the DC terminal P1 of each leg 110R, 110S, 110T and the DC terminal N1. It can be used in a power generation system that converts DC power generated by a prime mover into multi-stage AC power according to the number of unit converters 3 and outputs it to each phase of the power system 50. Further, the AC voltage output system 110 converts the DC power input from the DC transmission line into multi-stage AC power by connecting the DC transmission line to the DC terminal P1 and the DC terminal N1, and each phase of the power system 50. It can be used for DC transmission systems that output to. On the contrary, in this DC transmission system, the AC voltage output system 110 can also convert the AC power input from the power system 50 into DC power and output it to the DC transmission line for DC transmission. Although it is publicly known information, when the unit converter 3 has a full bridge configuration, there is an advantage that the DC output voltage can be lowered and the short-circuit current can be suppressed in the event of a DC short-circuit accident due to a lightning strike or the like.

このような交流電圧出力システム110は、所定電圧を出力する複数の単位変換器3が直列に接続されたアームを少なくとも1つ(アーム112R、112S、112T)備え、単位変換器3が、第1スイッチ13Hと第2スイッチ13Lとが直列に接続された第1スイッチアーム13と、第3スイッチ14Hと第4スイッチ14Lとが直列に接続された第2スイッチアーム14と、充放電できる電力貯蔵器15とを備え、第1スイッチアーム13の第1スイッチ13H側端部と第2スイッチアーム14の第3スイッチ14H側端部とが接続され、第1スイッチアーム13の第2スイッチ13L側端部と第2スイッチアーム14の第4スイッチ14L側端部とが接続されて、第1スイッチアーム13、第2スイッチアーム14及び電力貯蔵器15が並列に接続された構成をし、第1スイッチ13H及び第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14L又は第1スイッチ13H、第3スイッチ14H、第2スイッチ13L及び第4スイッチ14Lがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている。 Such an AC voltage output system 110 includes at least one arm (arms 112R, 112S, 112T) in which a plurality of unit converters 3 for outputting a predetermined voltage are connected in series, and the unit converter 3 is the first. A first switch arm 13 in which a switch 13H and a second switch 13L are connected in series, a second switch arm 14 in which a third switch 14H and a fourth switch 14L are connected in series, and a power storage device capable of charging and discharging. 15 is provided, the first switch 13H side end of the first switch arm 13 and the third switch 14H side end of the second switch arm 14 are connected, and the second switch 13L side end of the first switch arm 13 is connected. And the end of the 4th switch 14L of the 2nd switch arm 14 are connected, and the 1st switch arm 13, the 2nd switch arm 14 and the power storage 15 are connected in parallel, and the 1st switch 13H The third switch 14H, the second switch 13L and the fourth switch 14L or the first switch 13H, the third switch 14H, the second switch 13L and the fourth switch 14L are composed of normally-on type switching elements.

交流電圧出力システム110の効果について説明する。例えば、落雷など発生した時に、交流電圧出力システム110は、単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失する可能性がある。しかし、交流電圧出力システム110は、単位変換器3のスイッチの駆動用電源が喪失したとき、当該単位変換器3が短絡された状態となるので、スイッチの駆動用電源が喪失したときも継続運転することができる。そのため、交流電圧出力システム110は、短絡スイッチを省略できる。 The effect of the AC voltage output system 110 will be described. For example, when a lightning strike occurs, the AC voltage output system 110 may lose the power source for driving the switch of the unit converter 3. However, the AC voltage output system 110 is in a state of being short-circuited when the drive power supply for the switch of the unit converter 3 is lost, so that the AC voltage output system 110 is continuously operated even when the drive power supply for the switch is lost. can do. Therefore, the AC voltage output system 110 can omit the short-circuit switch.

図6に示した交流電圧出力システム110は、三相交流用であるが、レグを2つ除去することにより、単相用として用いることができる。また、各アーム112R、112S、112Tが有する単位変換器3の数は限定されない。この例では、交流電圧出力システム110は、電力系統50に接続されているが、電力系統に接続された交流配電系統や直流配電系統に接続されてもよい。 The AC voltage output system 110 shown in FIG. 6 is for three-phase AC, but can be used for single-phase by removing two legs. Further, the number of unit converters 3 possessed by each arm 112R, 112S, 112T is not limited. In this example, the AC voltage output system 110 is connected to the power system 50, but may be connected to an AC distribution system or a DC distribution system connected to the power system.

1 交流電圧出力システム
2R R相アーム
2S S相アーム
2T T相アーム
3 単位変換器
13 第1スイッチアーム
13H 第1スイッチ
13L 第2スイッチ
14 第2スイッチアーム
14H 第3スイッチ
14L 第4スイッチ
15 電力貯蔵器
20 GaN−FET

1 AC voltage output system 2R R phase arm 2S S phase arm 2T T phase arm 3 Unit converter 13 1st switch arm 13H 1st switch 13L 2nd switch 14 2nd switch arm 14H 3rd switch 14L 4th switch 15 Power storage Instrument 20 GaN-FET

Claims (17)

所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、
前記単位変換器が、
第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、
第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチがノーマリーオン型のスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。
It is equipped with at least one arm in which multiple unit converters that output a predetermined voltage are connected in series.
The unit converter
The first switch arm in which the first switch and the second switch are connected in series, and
A second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and
Equipped with a power storage that can be charged and discharged
The first switch side end of the first switch arm and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the second switch. The fourth switch side end of the arm is connected, and the first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel.
The first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch or the first switch, the third switch, the second switch and the fourth switch are composed of normally-on type switching elements. AC voltage output system.
所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、
前記単位変換器が、
第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、
第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが二次元電子ガスによって低オン電圧を実現した電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。
It is equipped with at least one arm in which multiple unit converters that output a predetermined voltage are connected in series.
The unit converter
The first switch arm in which the first switch and the second switch are connected in series, and
A second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and
Equipped with a power storage that can be charged and discharged
The first switch side end of the first switch arm and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the second switch. The fourth switch side end of the arm is connected, and the first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel.
The first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch or the first switch, the third switch, the second switch and the fourth switch realize a low on-voltage by two-dimensional electron gas. An AC voltage output system consisting of switching elements that use field-effect transistors.
所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、
前記単位変換器が、
第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、
第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されている
交流電圧出力システム。
It is equipped with at least one arm in which multiple unit converters that output a predetermined voltage are connected in series.
The unit converter
The first switch arm in which the first switch and the second switch are connected in series, and
A second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and
Equipped with a power storage that can be charged and discharged
The first switch side end of the first switch arm and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the second switch. The fourth switch side end of the arm is connected, and the first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel.
A field-effect transistor in which the first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch or the first switch, the third switch, the second switch and the fourth switch are made of gallium nitride. AC voltage output system consisting of switching elements using.
所定電圧を出力する複数の単位変換器が直列に接続されたアームを少なくとも1つ備え、
前記単位変換器が、
第1スイッチと第2スイッチとが直列に接続された第1スイッチアームと、
第3スイッチと第4スイッチとが直列に接続された第2スイッチアームと、
充放電できる電力貯蔵器とを備え、
前記第1スイッチアームの前記第1スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第3スイッチ側端部とが接続され、前記第1スイッチアームの前記第2スイッチ側端部と前記第2スイッチアームの前記第4スイッチ側端部とが接続されて、前記第1スイッチアーム、前記第2スイッチアーム及び前記電力貯蔵器が並列に接続された構成をし、
前記第1スイッチ及び前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチ又は前記第1スイッチ、前記第3スイッチ、前記第2スイッチ及び前記第4スイッチが、窒化ガリウムで構成された電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子で構成されており、
前記電界効果型トランジスタがシリコン上に形成されている
交流電圧出力システム。
It is equipped with at least one arm in which multiple unit converters that output a predetermined voltage are connected in series.
The unit converter
The first switch arm in which the first switch and the second switch are connected in series, and
A second switch arm in which the third switch and the fourth switch are connected in series, and
Equipped with a power storage that can be charged and discharged
The first switch side end of the first switch arm and the third switch side end of the second switch arm are connected, and the second switch side end of the first switch arm and the second switch. The fourth switch side end of the arm is connected, and the first switch arm, the second switch arm, and the power storage device are connected in parallel.
The first switch and the third switch, the second switch and the fourth switch or the first switch, the third switch, the second switch and the fourth switch are field effect type made of gallium nitride. It is composed of switching elements using transistors, and is composed of switching elements.
An AC voltage output system in which the field effect transistor is formed on silicon.
前記第1スイッチ、前記第2スイッチ、前記第3スイッチ又は前記第4スイッチの少なくとも1つ以上を駆動する回路の少なくとも一部の素子が前記シリコン上に実装されている
請求項4に記載の交流電圧出力システム。
The alternating current according to claim 4, wherein at least a part of the elements of the circuit for driving at least one of the first switch, the second switch, the third switch, or the fourth switch is mounted on the silicon. Voltage output system.
前記電界効果型トランジスタを用いたスイッチング素子が駆動用電源を喪失した際に、ノーマリーオンとなるノーマリーオフ型のスイッチング素子である
請求項2〜5のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。
The AC voltage output according to any one of claims 2 to 5, which is a normally-off type switching element that becomes normally on when the switching element using the field-effect transistor loses the driving power supply. system.
交流配電系統又は交流送電系統に接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統への出力を制御する制御装置を有する
請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。
Connected to an AC power distribution system or AC power transmission system,
The AC voltage output according to any one of claims 1 to 6, further comprising a control device for controlling the output to the AC power distribution system or the AC power transmission system based on the frequency of the AC power distribution system or the AC power transmission system. system.
交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、
前記系統制御装置が、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流配電系統又は前記交流送電系統に接続された請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムの出力を制御する
電力系統制御システム。
Equipped with a system control device that controls the power system to which the AC power distribution system or AC power transmission system is connected.
The AC voltage output according to any one of claims 1 to 6, wherein the system control device is connected to the AC power distribution system or the AC power transmission system based on the frequency of the AC power distribution system or the AC power transmission system. A power system control system that controls the output of the system.
交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統に、請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の周波数に基づいて、前記交流電圧出力システムの出力が制御される
電力系統。
An AC power distribution system or a power system to which an AC power transmission system is connected.
The AC voltage output system according to any one of claims 1 to 6 is connected to the AC power distribution system or the AC power transmission system.
A power system in which the output of the AC voltage output system is controlled based on the frequency of the AC distribution system or the AC transmission system.
並列に接続された複数の交流配電系統又は複数の交流送電系統の一方に接続され、
前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する制御装置を備える
請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。
Connected to one of multiple AC distribution systems or multiple AC transmission systems connected in parallel,
The AC voltage output system according to any one of claims 1 to 6, further comprising a control device for controlling the power flow of the AC power distribution system or the AC power transmission system.
交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統を制御する系統制御装置を備え、
前記電力系統は、複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記系統制御装置が、前記交流電圧出力システムの出力を制御することで、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流を制御する
電力系統制御システム。
Equipped with a system control device that controls the power system to which the AC power distribution system or AC power transmission system is connected.
In the power system, a plurality of the AC power distribution systems or a plurality of the AC power transmission systems are connected in parallel.
The AC voltage output system according to any one of claims 1 to 6 is connected to at least one of the plurality of AC power distribution systems or the plurality of AC power transmission systems.
A power system control system in which the system control device controls the output of the AC voltage output system to control the power flow of the AC power distribution system or the AC power transmission system.
交流配電系統又は交流送電系統が接続された電力系統であって、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統が並列に接続されており、
複数の前記交流配電系統又は複数の前記交流送電系統の少なくとも一方に請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムが接続され、
前記交流電圧出力システムの出力により、前記交流配電系統又は前記交流送電系統の潮流が制御される
電力系統。
An AC power distribution system or a power system to which an AC power transmission system is connected.
A plurality of the AC power distribution systems or a plurality of the AC power transmission systems are connected in parallel.
The AC voltage output system according to any one of claims 1 to 6 is connected to at least one of the plurality of AC power distribution systems or the plurality of AC power transmission systems.
A power system in which the power flow of the AC distribution system or the AC transmission system is controlled by the output of the AC voltage output system.
2つの前記アームが直列に接続されたレグを少なくとも1つ備え、
前記レグは、直流電力を授受するための直流端子を両端にそれぞれ備え、交流電力を授受するための交流端子を前記アーム同士の接続点に備える
請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システム。
With at least one leg in which the two arms are connected in series,
The one according to any one of claims 1 to 6, wherein the leg is provided with DC terminals for transmitting and receiving DC power at both ends, and AC terminals for transmitting and receiving AC power are provided at connection points between the arms. AC voltage output system.
請求項13に記載の交流電圧出力システムを備え、
前記直流端子に直流送電線が接続され、
前記直流送電線から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する
直流送電システム。
The AC voltage output system according to claim 13 is provided.
A DC transmission line is connected to the DC terminal,
A DC transmission system that converts DC power input from the DC transmission line to the DC terminal into AC power and outputs it from the AC terminal.
請求項13に記載の交流電圧出力システムを備え、
前記直流端子に有効電力源が接続され、
前記有効電力源から前記直流端子に入力された直流電力を交流電力に変換して前記交流端子から出力する
発電システム。
The AC voltage output system according to claim 13 is provided.
An active power source is connected to the DC terminal,
A power generation system that converts DC power input from the active power source to the DC terminal into AC power and outputs it from the AC terminal.
請求項1〜6のいずれか1項に記載の交流電圧出力システムを備える
バッテリシステム。
A battery system comprising the AC voltage output system according to any one of claims 1 to 6.
無停電電源装置又は電気自動車用のバッテリである
請求項16に記載のバッテリシステム。
The battery system according to claim 16, which is a battery for an uninterruptible power supply or an electric vehicle.
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