KR20110043789A - 전력 변환 장치 - Google Patents

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KR20110043789A
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마사히로 키노시타
유신 야마모토
타츠아키 암보
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도시바 미쓰비시덴키 산교시스템 가부시키가이샤
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Abstract

전력 변환 장치(100)는, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급하는 인버터(4)와, 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여 인버터(4)에 공급하는 컨버터(3)와, 교류 전원(1)에 의한 전력 공급이 이상인 경우에, 축전지(8)에 저장된 전력의 전압치를 변환하여, 인버터(4)에 축전지(8)로부터의 직류 전력을 공급하는 직류 전압 변환기(7)와, 리액터 및 콘덴서를 포함하고, 인버터(4)에 의해 발생하는 고조파를 제거하는 필터(5)를 구비한다. 인버터(4)는, 암(4UA) 및 AC 스위치(4UB)로 이루어지는 3레벨 회로를 포함한다.

Description

전력 변환 장치{POWER CONVERTER}
본 발명은, 무정전 전원 장치, 태양광 발전 시스템, 연료 전지 발전 시스템, 또는 2차 전지 에너지 축적 시스템 등의, 직류 전력으로부터 교류 전력을 출력하는 전력 변환 장치에 관한 것이다.
컴퓨터 시스템 등의 중요 부하에 교류 전력을 안정적으로 공급하기 위한 전원 장치로서, 무정전 전원 장치가 널리 사용되고 있다. 예를 들면 일본 특개2006-109603호 공보(특허 문헌 1)에 개시되는 바와 같이, 무정전 전원 장치는 일반적으로, 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 컨버터, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하는 인버터, 및 인버터의 동작에 의해 발생한 고조파를 제거하기 위한 필터를 구비한다. 평상시에는 컨버터는 상용 교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 축전지 등의 전력 저장 장치를 충전하면서 인버터에 직류 전력을 공급한다. 인버터는 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급한다. 상용 교류 전원이 정전된 경우에는, 축전지 등의 전력 저장 장치로부터의 전력이 인버터에 공급되고, 인버터는 부하에의 교류 전력의 공급을 계속한다.
특허 문헌 1: 일본 특개2006-109603호 공보
상기 필터는, 리액터 및 콘덴서를 포함한다. 고조파가 큰 경우에는, 예를 들면 큰 인덕턴스를 갖는 리액터를 이용할 필요가 있다. 리액터의 인덕턴스를 크게 하기 위해, 예를 들면 코일의 감는 수를 늘리는 것이 생각되지만, 리액턴스의 체적 및 중량이 커진다. 이 때문에 리액터의 인덕턴스를 크게 하면 무정전 전원 장치의 체적 및 중량이 커진다는 문제가 발생한다. 그러나 일본 특개2006-109603호 공보에는, 상기한 무정전 전원 장치의 대형화의 문제에 대한 구체적인 해결 방법은 나타나 있지 않다.
본 발명의 목적은, 소형화 및 경량화에 적합한 구성을 갖는 전력 변환 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 요약하면, 전력 변환 장치로서, 변환기와, 필터와, 직류 전원과, 직류 정모선(正母線) 및 직류 부모선(負母線)과, 제 1 및 제 2의 콘덴서를 구비한다. 변환기는, 직류 전압과 적어도 3개의 전압치의 사이에서 변화하는 교류 전압을 상호 변환 가능하게 구성된 멀티레벨 회로를 포함하고, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하에 공급한다. 필터는, 리액터 및 콘덴서를 포함하고, 변환기에 의해 발생하는 고조파를 제거한다. 직류 전원은, 직류 전력을 발생한다. 직류 정모선 및 직류 부모선은, 직류 전력을 변환기에 전달한다. 제 1 및 제 2의 콘덴서는, 직류 정모선과 직류 부모선 사이에 직렬로 접속된다. 또한, 멀티레벨 회로는, 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자와, 제 1 및 제 2의 환류(還流) 다이오드와, 교류 스위치 회로를 포함한다. 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자는, 직류 정모선과 직류 부모선 사이에 직렬로 접속된다. 제 1 및 제 2의 다이오드는, 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자에 각각 역병렬 접속된다. 교류 스위치는, 제 1 및 제 2의 콘덴서의 중성점과 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자의 접속점 사이에 접속된다.
본 발명에 의하면, 전력 변환 장치의 소형화 및 경량화를 실현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 무정전 전원 장치(100)의 주회로 구성을 도시하는 개략 블록도.
도 2는 도 1에 도시한 컨버터(3), 인버터(4)의 구성을 상세히 설명하는 회로도.
도 3은 도 1에 도시한 직류 전압 변환기(7)의 구성을 상세히 설명하는 도면.
도 4는 2레벨 회로에 의해 구성된 단상 인버터를 도시하는 도면.
도 5는 도 4에 도시한 인버터(41)의 등가 회로도.
도 6은 인버터(41)의 선간 전압을 도시한 도면.
도 7은 도 2에 도시한 인버터(4)의 U상 암 및 U상 AC 스위치(4U)와 V상 암 및 V상 AC 스위치(4V)의 등가 회로도.
도 8은 도 7에 도시한 단상 3레벨 인버터의 선간 전압을 도시한 도면.
도 9는 2레벨 인버터의 출력측에 마련된 필터 리액터를 5%로 설정하고, 인버터를 10kHz의 주파수로 스위칭시킨 경우의 리액터 전류를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면.
도 10은 2레벨 인버터의 출력측에 마련된 필터 리액터를 10%로 설정하고, 인버터를 10kHz의 주파수로 스위칭시킨 경우의 리액터 전류를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면.
도 11은 3레벨 인버터의 출력측에 마련된 필터 리액터를 5%로 설정하고, 인버터를 10kHz의 주파수로 스위칭시킨 경우의 리액터 전류를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면.
도 12는 2레벨 인버터에 의해 생기는 고조파 전류(도 9)의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 13은 3레벨 인버터에 의해 생기는 고조파 전류(도 11)의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면.
도 14는 2레벨 인버터의 대지 전위 변동 및 3레벨 인버터의 대지 전위 변동의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.
도 15는 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터의 손실의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면.
도 16은 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터의 손실의 내역을 설명하는 도면.
도 17은 종래의 직류 전압 변환기에 포함되는 반도체 스위치의 구성을 도시하는 도면.
도 18은 도 3의 IGBT 소자(Q1D 내지 Q4D)의 스위칭 패턴과 리액터(22)에 인가되는 전압을 도시하는 도면.
도 19는 본 발명의 전력 변환 장치를 3상4선식에 적용한 형태를 도시하는 도면.
도 20은 도 2에 도시한 AC 스위치의 변경례를 도시하는 도면.
이하에서, 본 발명의 실시의 형태에 관해, 도면을 참조하면서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중 동일 또는 상당 부분에는 동일 부호를 붙이고 그 설명은 반복하지 않는다.
도 1은, 본 발명의 한 실시의 형태에 의한 무정전 전원 장치(100)의 주회로 구성을 도시하는 개략 블록도이다. 도 1을 참조하면, 무정전 전원 장치(100)는, 입력 필터(2)와, 컨버터(3)와, 인버터(4)와, 출력 필터(5)와, 직류 전압 변환기(도면 중 「DC/DC」로 나타낸다)(7)과, 제어 장치(10)와, 직류 정모선(13)과, 직류 부모선(14)과, 콘덴서(15, 16)와, 직류 중성점 모선(17)과, 전압 센서(31, 36)와, 전류 센서(32, 37)와, 정전 검출 회로(33)와, R상 라인(RL)과, S상 라인(SL)과, T상 라인(TL)을 구비한다.
입력 필터(2)는, 상용 교류 전원(1)에의 고조파의 유출을 방지한다. 상용 교류 전원(1)은 3상 교류 전원이다. 입력 필터(2)는, 콘덴서(11)(콘덴서 11R, 11S, 11T) 및 리액터(12)(리액터 12R, 12S, 12T)에 의해 구성된 3상의 LC 필터 회로이다.
컨버터(3)는, 상용 교류 전원(1)으로부터 입력 필터(2)를 통하여 공급되는 3상 교류 전력을 직류 전력으로 변환하여, 직류 정모선(13) 및 직류 부모선(14)을 통하여 인버터(4)에 그 직류 전력을 공급한다. 인버터(4)는 컨버터(3)로부터의 직류 전력을 3상 교류 전력으로 변환한다. 후술하는 바와 같이, 컨버터(3) 및 인버터(4)는 3레벨 회로에 의해 구성된다. 컨버터(3) 및 인버터(4)는, 직류 정모선(13), 직류 부모선(14), 및 직류 중성점 모선(17)을 통하여 접속된다.
콘덴서(15, 16)는 직류 정모선(13)과 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되어, 직류 정모선(13)과 직류 부모선(14) 사이의 전압을 평활화한다. 콘덴서(15, 16)의 접속점인 중성점(21)에는 직류 중성점 모선(17)이 접속된다.
인버터(4)로부터의 교류 전력은 출력 필터(5)를 통하여 부하(6)에 공급된다. 출력 필터(5)는 인버터(4)의 동작에 의해 생긴 고조파를 제거한다. 출력 필터(5)는, 리액터(18)(리액터 18U, 18V, 18W) 및 콘덴서(19)(콘덴서 19U, 19V, 19W)에 의해 구성된 3상의 LC 필터 회로이다.
직류 전압 변환기(7)는, 직류 정모선(13)과 직류 부모선(14) 사이의 직류 전압과 축전지(8)의 전압을 상호 변환하다. 또한, 직류 전압 변환기(7)에는 충방전 가능한 전력 저장 장치가 접속되어 있으면 좋고, 예를 들면 전기 이중층 커패시터가 직류 전압 변환기(7)에 접속되어 있어도 좋다. 또한 본 실시의 형태에서는, 축전지(8)는 무정전 전원 장치(100)의 외부에 설치되어 있지만, 축전지(8)는 무정전 전원 장치(100)에 내장되어 있어도 좋다.
전압 센서(31)는, R상 라인의 전압(VR), S상 라인의 전압(VS) 및 T상 라인의 전압(VT)을 검출하고, 전압 VR, VS, VT를 나타내는 3상 전압 신호를 제어 장치(10) 및 정전 검출 회로(33)에 출력한다. 전류 센서(32)는, R상 라인의 전류(IR), S상 라인의 전류(IS) 및 T상 라인의 전류(IT)를 검출하고, 전류 IR, IS, IT를 나타내는 3상 전류 신호를 제어 장치(10)에 출력한다.
정전 검출 회로(33)는, 전압 센서(31)로부터의 3상 전압 신호에 의거하여 상용 교류 전원(1)의 정전을 검출한다. 정전 검출 회로(33)는, 상용 교류 전원(1)의 정전을 나타내는 정전 신호를 제어 장치(10)에 출력한다. 전압 센서(36)는 축전지(8)의 정부극(正負極) 사이의 전압(VB)을 검출하여, 전압(VB)을 나타내는 신호를 제어 장치(10)에 출력한다. 전류 센서(37)는 축전지(8)에 대해 입출력되는 전류(IB)를 검출하고, 전류(IB)를 나타내는 신호를 제어 장치(10)에 출력한다.
제어 장치(10)는, 컨버터(3), 인버터(4), 직류 전압 변환기(7)의 동작을 제어한다. 뒤에 상세히 설명하지만, 컨버터(3), 인버터(4), 및 직류 전압 변환기(7)는, 반도체 스위칭 소자를 포함하는 반도체 스위치에 의해 구성된다. 또한 본 실시의 형태에서는, 반도체 스위칭 소자로서 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)가 사용된다. 또한, 본 실시의 형태에서는 반도체 스위칭 소자의 제어 방식으로서 PWM(Pulse Width Modulation) 제어를 적용할 수 있다. 제어 장치(10)는 전압 센서(31)로부터의 3상 전압 신호, 전류 센서(32)로부터의 3상 전류 신호, 정전 검출 회로(33)로부터의 정전 신호, 전압 센서(36)가 검출한 전압(VB)을 나타내는 신호, 전류 센서(37)가 검출한 전류(IB)를 나타내는 신호 등을 받아서 PWM 제어를 실행한다.
다음에 본 실시의 형태에 의한 무정전 전원 장치(100)의 동작에 관해 설명한다. 상용 교류 전원(1)이 정상적으로 교류 전력을 공급 가능한 경우, 컨버터(3)는 상용 교류 전원(1)으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하고, 인버터(4)는 그 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(6)에 공급한다. 직류 전압 변환기(7)는 컨버터(3)로부터의 직류 전압을 축전지(8)의 충전에 알맞은 전압으로 변환하여 축전지(8)를 충전한다. 한편, 상용 교류 전원이 정전된 경우에는, 제어 장치(10)는 정전 검출 회로(33)로부터의 정전 신호에 의거하여 컨버터(3)를 정지시킨다. 또한 제어 장치(10)는 축전지(8)로부터 인버터(4)에 직류 전력이 공급되도록 직류 전압 변환기(7)를 동작시켜서 인버터(4)에 의한 교류 전력의 공급을 계속시킨다. 이 경우, 직류 전압 변환기(7)는, 축전지(8)의 전압을 인버터(4)의 입력 전압으로서 알맞은 전압으로 변환한다. 이에 의해 교류 부하에 안정하게 교류 전력을 공급할 수 있다.
도 2는, 도 1에 도시한 컨버터(3) 및 인버터(4)의 구성을 상세히 설명하는 회로도이다. 도 2를 참조하면, 컨버터(3)는, R상 암(3RA), R상 AC 스위치(3RB), S상 암(3SA), S상 AC 스위치(3SB), T상 암(3TA), 및 T상 AC 스위치(3TB)를 포함한다. 인버터(4)는, U상 암(4UA), U상 AC 스위치(4UB), V상 암(4VA), V상 AC 스위치(4VB), W상 암(4WA), 및 W상 AC 스위치(4WB)를 포함한다.
컨버터(3)의 각 상의 암(3RA, 3SA, 3TA) 및 AC 스위치(3RB, 3SB, 3TB)는, 3레벨 회로로서 구성되고, 4개의 IGBT 소자와 4개의 다이오드를 포함한다. 인버터(4)의 각 상의 암(3UA, 3VA, 3WA) 및 AC 스위치(3UB, 3VB, 3WB)는, 3레벨 회로로서 구성되고, 4개의 IGBT 소자와 4개의 다이오드를 포함한다.
상세하게는, R상 암(3RA)은, IGBT 소자(Q1R, Q2R)와 다이오드(D1R, D2R)를 포함한다. R상 AC 스위치(3RB)는, IGBT 소자(Q3R, Q4R)와 다이오드(D3R, D4R)를 포함한다. S상 암(3SA)은, IGBT 소자(Q1S, Q2S)와 다이오드(D1S, D2S)를 포함한다. S상 AC 스위치(3RB)는, IGBT 소자(Q3S, Q4S)와 다이오드(D3S, D4S)를 포함한다. T상 암(3TA)은, IGBT 소자(Q1T, Q2T)와 다이오드(D1T, D2T)를 포함한다. T상 AC 스위치(3TB)는, IGBT 소자(Q3T, Q4T)와 다이오드(D3T, D4T)를 포함한다.
U상 암(4UA)은, IGBT 소자(Q1U, Q2U)와 다이오드(D1U, D2U)를 포함한다. U상 AC 스위치(4UB)는, IGBT 소자(Q3U, Q4U)와 다이오드(D3U, D4U)를 포함한다. V상 암(4VA)은, IGBT 소자(Q1V, Q2V)와 다이오드(D1V, D2V)를 포함한다. V상 AC 스위치(4VB)는, IGBT 소자(Q3V, Q4V)와 다이오드(D3V, D4V)를 포함한다. W상 암(4WA)은, IGBT 소자(Q1W, Q2W)와 다이오드(D1W, D2W)를 포함한다. W상 AC 스위치(4WB)는, IGBT 소자(Q3W, Q4W)와 다이오드(D3W, D4W)를 포함한다.
이하에서는, 컨버터(3)의 각 상의 암 및 AC 스위치와, 인버터(4)의 각 상의 암 및 AC 스위치를 총괄적으로 설명하기 위해 부호 R, S, T, U, V, W를 통합하여 부호 [x]로 나타낸다. IGBT 소자(Q1x, Q2x)는 직류 정모선(13)과 직류 부모선(14)의 사이에 직렬로 접속된다. IGBT 소자(Q3x)의 컬렉터는 IGBT 소자(Q1x, Q2x)의 접속점에 접속되고, IGBT 소자(Q3x)의 이미터는 IGBT 소자(Q4x)의 이미터에 접속되고, IGBT 소자(Q4x)의 컬렉터는 중성점(21)에 접속된다. 다이오드(D3x, D4x)는 IGBT 소자(Q3x, Q4x)에 각각 역병렬 접속된다. 다이오드(D1x, D2x)는 환류 다이오드로서 기능하고, 다이오드(D3x, D4x)는 클램프 다이오드로서 기능한다.
컨버터(3)의 각 상의 암(3RA, 3SA, 3TA) 및 AC 스위치(3RB, 3SB, 3TB)에서는 IGBT 소자(Q1x, Q2x)의 접속점이 교류 입력 단자에 대응하고, IGBT 소자(Q4x)의 컬렉터가 직류 출력 단자에 대응한다. 한편, 인버터(4)의 각 상의 암(4UA, 4VA, 4TA) 및 AC 스위치(3UB, 3VB, 3WB)에서는 IGBT 소자(Q4x)의 컬렉터가 직류 입력 단자에 대응하고, IGBT 소자(Q1x, Q2x)의 접속점이 교류 출력 단자에 대응한다. 컨버터(3)의 각 상의 교류 입력 단자는 대응하는 선(R상 라인(RL), S상 라인(SL), T상 라인(TL))에 접속되고, 인버터(4)의 각 상의 교류 출력 단자는 대응하는 선(U상 라인(UL), V상 라인(VL), W상 라인(WL))에 접속된다. 컨버터(3)의 각 상의 직류 출력 단자 및 인버터(4)의 각 상의 직류 입력 단자는 중성점(21)에 접속된다.
도 3은, 도 1에 도시한 직류 전압 변환기(7)의 구성을 상세히 설명하는 도면이다. 도 3을 참조하면, 직류 전압 변환기(7)는, 리액터(22)와, 반도체 스위치(23)를 포함한다. 반도체 스위치(23)는, 직류 정모선(13)과 직류 부모선(14)의 사이에 직렬로 접속되는 IGBT 소자(Q1D 내지 Q4D)와, IGBT 소자(Q1D 내지 Q4D)에 각각 역병렬 접속되는 다이오드(D1D 내지 D4D)를 포함한다.
반도체 스위치(23)에서는, IGBT 소자(Q1D, Q2D)의 접속점에 리액터(22P)의 일단이 접속되고, IGBT 소자(Q3D, Q4D)의 접속점에 리액터(22N)의 일단이 접속된다. 리액터(22P)의 타단은 축전지(8)의 정극에 접속되고, 리액터(22N)의 타단은 축전지(8)의 부극에 접속된다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시의 형태에 의한 무정전 전원 장치(100)에서는, 컨버터(3), 인버터(4)가 3레벨 회로에 의해 구성된다. 종래의 전력 변환 장치에서는, 반도체 스위칭 소자의 수를 적게 하는 등의 목적에 의해, 일반적으로 인버터는 2레벨 회로에 의해 구성된다. 인버터를 3레벨 회로에 의해 구성함으로써 종래의 전력 변환 장치보다도 고조파를 억제할 수 있다.
도 4는, 2레벨 회로에 의해 구성된 단상 인버터를 도시하는 도면이다. 도 4를 참조하면, 인버터(41)는, U상 암(41U)과 V상 암(41V)을 포함한다. U상 암(41U)과 V상 암(41V)은 직류 정모선(42)과 직류 부모선(43) 사이에 병렬로 접속되고, 또한 서로 동일한 구성을 갖는다. U상 암(41U)은, 직류 정모선(42)과 직류 부모선(43) 사이에 직렬로 접속되는 IGBT 소자(QA, QB)와, IGBT 소자(QA, QB)에 각각 역병렬 접속되는 다이오드(DA, DB)를 포함한다. IGBT 소자(QA, QB)의 접속점에는 U상 라인(UL)이 접속된다. V상 암(41V)은, 상기 U상 암(41U)의 구성에서 U상 라인(UL)을 V상 라인(VL)으로 치환한 구성을 갖고 있다.
직류 정모선(42)과 직류 부모선(43) 사이에는, 콘덴서(CA, CB)가 직렬로 접속된다. 중성점(O)은 콘덴서(CA, CB)의 접속점이다. 콘덴서(CA)의 양단의 전압 및 콘덴서(CB)의 양단의 전압은 모두 E/2(E는 소정치)이다.
도 5는, 도 4에 도시한 인버터(41)의 등가 회로이다. 도 5를 참조하면, U상 암(41U)은 U상 라인(UL)의 접속처를 직류 정모선(42)과 직류 부모선(43) 사이에서 전환하는 스위치와 등가이다. 중성점(O)을 접지하여 생각하면, 스위치가 동작하면 U상 라인(UL)의 전압(Vu)은 E/2와 -E/2의 사이에서 전환된다. V상 라인(VL)의 전압(Vv)은 전압(Vu)과 마찬가지로 변화한다. 이와 같이 2레벨 회로는 직류 전압(E)을 2개의 값(E/2, -E/2)을 갖는 교류 전압으로 변환한다.
도 6은, 인버터(41)의 선(線) 사이 전압을 도시한 도면이다. 도 6을 참조하면, 선간 전압(전압(Vu)과 전압(Vv)과의 차분(差分))은, E, 0, -E의 사이에서 전환된다. 2레벨 회로에 의해 구성된 인버터(2레벨 인버터)에서는, 선간 전압의 최소 변화폭은 전압(E)과 동등하다.
도 7은, 도 2에 도시한 인버터(4)의 U상 암 및 U상 AC 스위치(4U)와 V상 암 및 V상 AC 스위치(4V)의 등가 회로도이다. 도 7을 참조하면, U상 암 및 U상 AC 스위치(4U)는, 직류 정모선(13)과 중성점(21)과 직류 부모선(14) 사이에서 U상 라인(UL)의 접속처를 전환하는 스위치와 등가이다. 이 스위치가 동작함에 의해, U상 라인(UL)의 전압(Vu)은 E/2, 0, -E/2의 사이에서 전환된다. V상 라인(VL)의 전압(Vv)도 전압(Vu)과 마찬가지로 변화한다. 이와 같이 3레벨 회로는, 직류 전압과 3개의 값을 갖는 교류 전압을 상호 변환 가능한 회로이다.
도 8은, 도 7에 도시한 단상 3레벨 인버터의 선간 전압을 도시한 도면이다. 도 7을 참조하면, 선간 전압(전압(Vu)과 전압(Vv)과의 차분)은, E, E/2, 0, -E/2, -E의 사이에서 전환된다. 3레벨 회로에 의해 구성된 인버터(3레벨 인버터)에서는, 선간 전압의 최소 변화폭은 E/2와 동등하다.
도 6 및 도 8로부터, 3레벨 인버터쪽이 2레벨 인버터보다도 선간 전압의 변화폭이 작아지는 것을 알 수 있다. 선간 전압의 변화폭이 작을수록, 인버터의 출력 전압의 파형이 미세하게 변화하기 때문에, 그 파형을 정현파에 접근할 수 있다. 전압 파형이 정현파에 근접할수록 인버터의 동작에 의해 발생하는 고조파를 작게 할 수 있다. 따라서 3레벨 인버터는 2레벨 인버터보다도 고조파를 저감할 수 있다.
도 9는, 2레벨 인버터의 출력측에 마련된 필터 리액터를 5%로 설정하고, 인버터를 10kHz의 주파수로 스위칭시킨 경우의 리액터 전류를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면이다. 도 10은, 2레벨 인버터의 출력측에 마련된 필터 리액터를 10%로 설정하고, 인버터를 10kHz의 주파수로 스위칭시킨 경우의 리액터 전류를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면이다. 도 9 및 도 10의 시뮬레이션으로부터, 전고조파 변형(Total Harmonic Distortion ; THD)을 비교하면, 리액터 인덕턴스가 5%인 경우에는, THD는 6.4%임에 대해, 리액터 인덕턴스를 10%에 늘림에 의해, THD는 3.2%로 저감하였다.
THD란 고조파 성분의 실효치 합와 기본파의 실효치와의 비를 나타낸 것이다. THD가 작은 것은 고조파 성분이 작은 것을 의미한다. 도 9 및 도 10은, 리액터 인덕턴스를 크게 함으로써 THD가 작아지는 것을 나타낸다. 그러나 고조파 성분을 작게 하기 위해 리액터 인덕턴스를 크게 하여 버리면, 코일의 감는 수를 늘리는 등의 필요가 있고, 리액터의 체적 및 중량이 증가한다는 문제가 발생한다.
도 11은, 3레벨 인버터의 출력측에 마련된 필터 리액터를 5%로 설정하고, 인버터를 10kHz의 주파수로 스위칭시킨 경우의 리액터 전류를 시뮬레이션한 결과를 도시하는 도면이다. 도 11 및 도 9를 참조하면, 필터 리액터의 인덕턴스가 같으면, 3레벨 인버터는 2레벨 인버터보다도 고조파 성분을 억제할 수 있음을 알 수 있다. 도 11에 도시한 시뮬레이션 결과에서는 THD는 3.2%였다.
도 12는, 2레벨 인버터에 의해 생기는 고조파 전류(도 9)의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 도 13은, 3레벨 인버터에 의해 생기는 고조파 전류(도 11)의 주파수 스펙트럼을 도시하는 도면이다. 도 12 및 도 13을 참조하면, 주파수에 의하지 않고 3레벨 인버터는 2레벨 인버터보다도 고조파를 억제할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 12 및 도 13의 주파수 스펙트럼은 시뮬레이션에 의해 얻어진 것이다. 시뮬레이션으로는, 인버터에 입력되는 직류 전압은 500V, 부하는 10kW의 3상 저항 부하, 출력 전압(선간 전압)은 208Vrms로 하고 있다.
이와 같이, 본 실시의 형태에 의하면, 인버터를 3레벨 회로에 의해 구성함으로써, 그 인버터에 의해 생기는 고조파를 작게 할 수 있다. 이에 의해, 작은 인덕턴스를 갖는 리액터를 필터에 이용할 수 있기 때문에, 리액터의 체적 및 중량을 작게 할 수 있다. 따라서 본 실시의 형태에 의하면 전력 변환 장치의 소형화 및 경량화를 실현할 수 있다.
본 실시의 형태에서는, 인버터를 3레벨 회로에 의해 구성함에 의해, 또한 이하의 효과도 얻을 수 있다. 전력 변환 장치에서는, 인버터의 입력측 직류 콘덴서에 직류 전원으로서 용량이 큰 축전지 등이 접속된다. 인버터가 동작한 때에 대지(對地) 전위 변동이 커지면, 직류 회로의 큰 부유 용량에 의해 노이즈 발생량이 커진다. 인버터(4)를 2레벨 인버터에 의해 구성하면 출력 전압의 변화폭이 커지기 때문에 대지 전위 변동도 커진다. 그러나 본 실시의 형태에서는 인버터(4)를 3레벨 인버터에 의해 구성함으로써, 그 출력 전압의 변화폭을 2레벨 인버터의 경우에 비교하여 작게 할 수 있다. 이에 의해 대지 전위 변동을 작게 할 수 있기 때문에 노이즈 발생량을 저감할 수 있다.
도 14는, 2레벨 인버터의 대지 전위 변동 및 3레벨 인버터의 대지 전위 변동의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면이다. 시뮬레이션으로는, 인버터에 입력되는 직류 전압을 360V로 설정하였다. 도 14를 참조하면, 2레벨 인버터에서의 대지 전위 변동은 1[p.u]라고 하면, 3레벨 인버터에서의 대지 전위 변동은 0.5[p.u]이다. 도 14에 도시되는 바와 같이, 3레벨 인버터는 대지 전위 변동을 작게 할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에 의하면 인버터(4)의 손실을 저감할 수 있다. 인버터(4)의 손실이란, 구체적으로는 도통 손실(IGBT 소자 및 다이오드의 각각의 통전시의 손실) 및 IGBT 소자의 스위칭 손실이다.
도 15는, 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터의 손실의 시뮬레이션 결과를 도시한 도면이다. 도 16은, 2레벨 인버터 및 3레벨 인버터의 손실의 내역을 설명하는 도면이다. 이 시뮬레이션에서는, 직류 입력 전압은 600V, 스위칭 주파수는 10kHz, 교류 출력 전압(선간 전압)은 380Vrms, 부하의 크기는 275kW로 하고 있다. 또한, 2레벨 인버터에 포함되는 IGBT 소자는 1200V-600A품(品)이고, 3레벨 인버터에 포함되는 IGBT 소자는 600V-600A품 이었다.
도 15 및 도 16을 참조하면, 3레벨 인버터의 전체의 손실은 2레벨 인버터의 전체의 손실의 68%가 된다. 이 이유는 스위칭 손실이 저감되기 때문이다. 도 15에 도시하는 바와 같이, 스위칭 손실은 3레벨 인버터 쪽이 2레벨 인버터보다 작다(43%). 이 이유는 3레벨 인버터 쪽이 2레벨 인버터보다도 하나의 반도체 스위칭 소자에 인가되는 전압을 작게 할 수 있기 때문이다.
도 16에 도시하는 바와 같이, 2레벨 인버터에서는, 스위칭 손실이 전체의 손실의 대부분의 비율(63%)을 차지하고 있다. 3레벨 인버터는 이 스위칭 손실을 대폭적으로 저감할 수 있다. 따라서 3레벨 인버터에서는 2레벨 인버터보다도 도통 손실이 증가하는 것이지만 전체의 손실을 2레벨 인버터보다 작게 할 수 있다. 인버터의 손실을 저감함에 의해 전력 변환 장치의 동작 효율을 높일 수 있다.
본 실시의 형태에서는 컨버터(3)도 3레벨 회로에 의해 구성되어 있기 때문에, 인버터(4)와 마찬가지의 효과를 컨버터(3)에 의해서도 얻을 수 있다. 구체적으로는 입력 필터에 포함되는 리액터를 소형화할 수 있다. 이에 의해 전력 변환 장치의 소형화 및 경량화를 한층 더 도모할 수 있다. 또한, 대지 전위 변동을 억제할 수 있기 때문에 컨버터(3)에 의한 노이즈 발생량도 저감할 수 있다. 또한, 컨버터(3)의 손실을 저감할 수 있기 때문에 전력 변환 장치의 동작 효율을 높일 수 있다. 이들의 효과에 더하여, 컨버터(3)와 인버터(4)에서 구성 부품을 공통화할 수 있기 때문에, 전력 변환 장치의 비용 저감을 도모할 수 있다.
또한, 직류 전압 변환기(7)는, 종래는, 도 17의 반도체 스위치(44)에 도시되는 바와 같이 2개의 IGBT 소자(QC, QD)를 직렬로 접속한 구성을 갖고 있다. 도 3에 도시하는 바와 같이, 본 실시의 형태에서는 4개의 IGBT 소자를 직렬로 접속함에 의해 반도체 스위치를 구성함으로써 리액터(22)에 흐르는 전류의 리플 성분을 저감하고 있다. 도 17의 구성의 경우, IGBT 소자(QC)가 온, IGBT 소자(QD)가 오프인 경우에, 리액터(45)에 (E-VB)의 전압을 인가하고, IGBT 소자(QC)가 오프, IGBT 소자(QD)가 온인 경우에 리액터(45)에 (-VB)의 전압을 인가한다. 따라서 스위칭에 의한 리액터 전압차는 E가 된다. 이에 대해, 도 3의 구성에서는, IGBT 소자(Q2D, Q3D)만을 온 한 경우, 리액터(22)에 (-VB)의 전압이 인가되고, IGBT 소자(Q1D, Q4D)만을 온 한 경우, 리액터(22)에 (E-VB)의 전압이 인가되지만, 이 이외에, IGBT 소자(Q1D, Q3D)만 온, 또는 IGBT 소자(Q2D, Q4D)만 온 하는 케이스가 있고, 이때 리액터(22)에는 E/2-VB의 전압이 인가된다.
도 18에 IGBT 소자(Q1D 내지 Q4D)의 스위칭 패턴과 리액터(22)에 인가되는 전압을 도시한다. 도 18로부터, 직류 전압 변환기(7)가 리액터(22)에 인가할 수 있는 전압도 3레벨을 갖고 있음을 알 수 있다. 도 3의 구성에 의해, 스위칭에 의한 리액터 전압차를 E/2로 할 수 있고, 리액터(22)에 흐르는 전류의 리플 성분을 작게 할 수 있다. 이에 의해 리액터(22)의 인덕턴스를 저감하여 리액터(22)를 소형화할 수 있기 때문에, 전력 변환 장치의 소형화 및 경량화를 한층 더 도모할 수 있다.
본 실시의 형태에서는 3레벨 회로를 나타냈지만, 인버터, 컨버터, 직류 전압 변환기를 구성하는 회로는, 직류 전압과 적어도 3개의 전압치를 갖는 교류 전압 또는 직류 전압을 상호 변환하는 회로(멀티레벨 회로)면 좋다. 따라서 직류 전압과 적어도 5개의 전압치를 갖는 교류 전압을 상호 변환하는 5레벨 회로를 인버터 등에 적용할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 3상 3선식의 교류 전원 및 부하에 적용 가능한 무정전 전원 장치를 나타냈지만, 본 발명은 3상 4선식의 교류 전원 및 부하에도 적용 가능하고, 3상 4선의 경우에는, 도 19에 도시하는 바와 같이, 콘덴서(11, 19)의 중점과, 중성점(21)을 접속하면 좋다. 또한, 교류 전원 및 교류 부하는 3상의 것으로 한정되지 않고 단상의 것이라도 좋다. 이 경우에는 컨버터 및 인버터의 각각에 2개의 멀티레벨 회로가 포함되어 있으면 좋다.
또한, 본 실시 형태에서는, 축전지와 직류 모선 사이에 직류 전압 변환기를 적용하였지만, 축전지를 직류 모선의 정격 운전 범위 내에서 선정할 수 있는 경우에는, 직류 전압 변환기를 생략하는 것이 물론 가능하다.
또한, 본 실시 형태에서는, 축전지를 이용한 무정전 전원 장치에 본 발명의 전력 변환 장치를 적용한 예를 설명하였지만, 멀티레벨 회로를 이용한 필터의 소형·경량화, 대지 전위 변동 억제는, 태양광 발전 시스템, 연료 전지 발전 시스템, 또는 2차 전지 에너지 축전 시스템 등의, 직류 전력으로부터 교류 전력을 출력하는 전력 변환 장치에 적용 가능하다.
또한, 본 실시의 형태에서는, AC 스위치(3RB, 3SB, 3TB, 4UB, 4VB, 4WB)로서, 이미터끼리가 접속된 2개의 IGBT 소자(Q3x, Q4x)와, 각각 IGBT 소자(Q3x, Q4x)에 역병렬 접속된 2개의 다이오드(D3x, D4x)를 포함하는 것을 이용하였지만, 도 20(a) 내지 (c)에 도시하는 바와 같이, 다른 구성의 AC 스위치를 이용하여도 좋다.
도 20(a)의 AC 스위치는, 이미터가 노드(N1)에 접속된 IGBT 소자(Q3x)와, 컬렉터가 IGBT 소자(Q3x)의 컬렉터에 접속되고, 이미터가 노드(N2)에 접속된 IGBT 소자(Q4x)와, 각각 IGBT 소자(Q3x, Q4x)에 역병렬 접속된 2개의 다이오드(D3x, D4x)를 포함한다. 또한, 노드(N1)는 대응하는 상의 라인(RL, SL, TL, UL, VL, WL)에 접속되고, 노드(N2)는 중성점(21)에 접속된다.
도 20(b)의 AC 스위치는, 애노드가 노드(N1)에 접속되는 다이오드(D3x)와, 컬렉터가 다이오드(D3x)의 캐소드에 접속되고, 이미터가 노드(N2)에 접속된 IGBT 소자(Q4x)와, 이미터가 노드(N1)에 접속된 IGBT 소자(Q3x)와, 캐소드가 IGBT 소자(Q3x)의 컬렉터에 접속되고, 애노드가 노드(N2)에 접속된 다이오드(D4x)를 포함한다. 도 20(c)의 AC 스위치는, 노드(N1, N2) 사이에 접속된 역소자 IGBT 소자(Q5x)를 포함한다.
금회 개시된 실시의 형태는 모든 점에서 예시이고 제한적인 것이 아니라고 생각하여야 할 것이다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아니고 청구의 범위에 의해 나타나고, 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.
1 : 상용 교류 전원 2 : 입력 필터
3 : 컨버터 3RA : R상 암
3RB : R상 AC 스위치 3SA : S상 암
3SB : S상 AC 스위치 3TA : T상 암
3TB : T상 AC 스위치 4, 41 : 인버터
4UA, 41U : U상 암 4UB : U상 AC 스위치
4VA, 41V : V상 암 4VB : V상 AC 스위치
4WA : W상 암 4WB : W상 AC 스위치
5 : 출력 필터 6 : 부하
7 : 직류 전압 변환기 8 : 축전지
10 : 제어 장치
11, 11R, 11S, 11T, 15, 16, 19, 19U, 19V, 19W : 콘덴서
12, 12R, 12S, 12T, 18, 18U, 18V, 18W : 리액터
13, 42 : 직류 정모선 14, 43 : 직류 부모선
17 : 직류 중성점 모선 21, O : 중성점
22, 22N, 22P, 45 : 리액터 23, 44 : 반도체 스위치
31, 36 전압 센서 32, 37 : 전류 센서
33 : 정전 검출 회로 100 : 무정전 전원 장치
CA, CB, CC, CD : 콘덴서
D1D 내지 D4D, D1R 내지 D4R, D1S 내지 D4S, D1T 내지 D4T, D1U 내지 D4U, D1V 내지 D4V, D1W 내지 D4W, D3x, D4x, DA, DB, DC, DD : 다이오드
Q1D 내지 Q4D, Q1R 내지 Q4R, Q1S 내지 Q4S, Q1T 내지 Q4T, Q1U 내지 Q4U, Q1V 내지 Q4V, Q1W 내지 Q4W, Q3x 내지 Q5x, QA, QB, QC, QD : IGBT 소자
RL : R상 라인 SL : S상 라인
TL : T상 라인 UL : U상 라인
VL : V상 라인 WL : W상 라인

Claims (10)

  1. 직류 전압과 적어도 3개의 전압치의 사이에서 변화하는 교류 전압을 상호 변환 가능하게 구성된 멀티레벨 회로(4UA, 4UB)를 포함하고, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(6)에 공급하는 변환기(4)와,
    리액터(18) 및 콘덴서(19)를 포함하고, 상기 변환기(4)에 의해 발생하는 고조파를 제거하는 필터(5)와,
    직류 전력을 발생하는 직류 전원(8)과,
    상기 직류 전력을 상기 변환기(4)에 전달하기 위한 직류 정모선 및 직류 부모선(13, 14)과,
    상기 직류 정모선(13)과 상기 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 및 제 2의 콘덴서(15, 16)를 구비하고,
    상기 멀티레벨 회로(4UA, 4UB)는,
    상기 직류 정모선(13)과 상기 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)에 각각 역병렬 접속되는 제 1 및 제 2의 환류 다이오드(D1U, D2U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 콘덴서(15, 16)의 중성점(21)과 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점 사이에 접속되는 교류 스위치 회로(4UB)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  2. 직류 전압과 적어도 3개의 전압치의 사이에서 변화하는 교류 전압을 상호 변환 가능하게 구성된 제 1의 멀티레벨 회로(4UA, 4UB)를 포함하고, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(6)에 공급하는 제 1의 변환기(4)와,
    리액터(18) 및 콘덴서(19)를 포함하고, 상기 제 1의 변환기(4)에 의해 발생하는 고조파를 제거하는 필터(5)와,
    교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 2의 변환기(3)와,
    직류 전력을 발생하는 직류 전원(8)과,
    상기 제 2의 변환기(3) 및 상기 직류 전원(8)에서 생성된 직류 전력을 상기 제 1의 변환기(4)에 전달하기 위한 직류 정모선 및 직류 부모선(13, 14)과,
    상기 직류 정모선(13)과 상기 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 및 제 2의 콘덴서(15, 16)를 구비하고,
    상기 제 1의 멀티레벨 회로(4UA, 4UB)는,
    상기 직류 정모선(13)과 상기 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)에 각각 역병렬 접속되는 제 1 및 제 2의 다이오드(D1U, D2U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 콘덴서(15, 16)의 중성점(21)과 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점 사이에 접속되는 교류 스위치(4UB)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2의 변환기(3)는, 상기 제 1의 멀티레벨 회로(4U)와 같은 구성을 갖는 제 2의 멀티레벨 회로(3R)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  4. 직류 전압과 적어도 3개의 전압치의 사이에서 변화하는 교류 전압을 상호 변환 가능하게 구성된 제 1의 멀티레벨 회로(4UA, 4UB)를 포함하고, 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 부하(6)에 공급하는 제 1의 변환기(4)와,
    리액터(18) 및 콘덴서(19)를 포함하고, 상기 제 1의 변환기(4)에 의해 발생하는 고조파를 제거하는 필터(5)와,
    교류 전원으로부터의 교류 전력을 직류 전력으로 변환하는 제 2의 변환기(3)와,
    상기 교류 전원에 의한 전력 공급이 이상인 경우에, 전력 저장 장치(8)에 저장된 전력의 전압치를 변환하여 직류 전력을 생성하는 제 3의 변환기(7)와,
    상기 제 2 및 제 3의 변환기(3, 7)에서 생성된 직류 전력을 상기 제 1의 변환기(4)에 전달하기 위한 직류 정모선 및 직류 부모선(13, 14)과,
    상기 직류 정모선(13)과 상기 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 및 제 2의 콘덴서(15, 16)를 구비하고,
    상기 제 1의 멀티레벨 회로(4UA, 4UB)는,
    상기 직류 정모선(13)과 상기 직류 부모선(14) 사이에 직렬로 접속되는 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)에 각각 역병렬 접속되는 제 1 및 제 2의 다이오드(D1U, D2U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 콘덴서(15, 16)의 중성점(21)과 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점 사이에 접속되는 교류 스위치(4UB)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 제 2의 변환기(3)는, 상기 제 1의 멀티레벨 회로(4U)와 같은 구성을 갖는 제 2의 멀티레벨 회로(3R)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 제 3의 변환기(7)는, 직류 전압과 적어도 3개의 전압치의 사이에서 변화하는 직류 전압을 상호 변환 가능하게 구성된 제 3의 멀티레벨 회로(23)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 스위치는,
    컬렉터가 상기 중성점(21)에 접속되는 제 1의 트랜지스터(Q4U)와,
    이미터가 상기 제 1의 트랜지스터(Q4U)의 이미터에 접속되고, 컬렉터가 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점에 접속되는 제 2의 트랜지스터(Q3U)와,
    상기 제 1 및 제 2의 트랜지스터(Q4U, Q3U)에 각각 역병렬 접속되는 제 3 및 제 4의 다이오드(D4U, D3U)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 스위치는,
    이미터가 상기 중성점(21)에 접속되는 제 1의 트랜지스터(Q4x)와,
    컬렉터가 상기 제 1의 트랜지스터(Q4x)의 컬렉터에 접속되고, 이미터가 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점에 접속되는 제 2의 트랜지스터(Q3x)와,
    상기 제 1 및 제 2의 트랜지스터(Q4x, Q3x)에 각각 역병렬 접속되는 제 3 및 제 4의 다이오드(D4x, D3x)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 스위치는,
    이미터가 상기 중성점(21)에 접속되는 제 1의 트랜지스터(Q4x)와,
    캐소드가 상기 제 1의 트랜지스터(Q4x)의 컬렉터에 접속되고, 애노드가 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점에 접속되는 제 3의 다이오드(D3x)와,
    애노드가 상기 중성점(21)에 접속되는 제 4의 다이오드(D4x)와,
    컬렉터가 상기 제 2의 다이오드(D4x)의 캐소드에 접속되고, 이미터가 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점에 접속되는 제 2의 트랜지스터(Q3x)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
  10. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 교류 스위치는, 상기 중성점(21)과 상기 제 1 및 제 2의 반도체 스위칭 소자(Q1U, Q2U)의 접속점 사이에 접속되는 역소자 IGBT 소자(Q5x)를 포함하는 것을 특징으로 하는 전력 변환 장치.
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