WO2017064788A1 - マルチレベル電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電力変換部（１６）は、一次側フィルタコンデンサ（１４，１５）のそれぞれに並列に接続されるスイッチング素子、スイッチング素子に並列に接続される還流ダイオード、およびスイッチング素子に並列に接続されるスナバ抵抗を有する。制御部（１８）は、各スイッチング素子をオフにすることで電力変換部（１６）を停止させる。電力変換部（１６）の停止後に、制御部（１８）は、サイリスタ（１３）をオンすることで放電回路（１１）を作動させて一次側フィルタコンデンサ（１４，１５）を放電し、一次側フィルタコンデンサ（１４，１５）を放電することで、還流ダイオードを介して二次側フィルタコンデンサ（１７）の放電を行う。

Description

マルチレベル電力変換装置

　この発明は、マルチレベル電力変換装置に関する。

　蓄電装置が搭載された電気鉄道車両において、減速時には、回生ブレーキにより得られる回生電力を蓄電装置に蓄電し、加速時には、架線からの電力に加えて蓄電装置の電力を用いることが行われている。

　特許文献１に開示される電力変換装置は、電動機を駆動するインバータ装置と、インバータ装置に並列接続するＤＣ（Direct Current：直流）－ＤＣ変換装置と、ＤＣ－ＤＣ変換装置に接続される蓄電装置とを備える。

特開２０１５－００６０７７号公報

　マルチレベルＤＣ－ＤＣ変換器の出力が過電圧になると、制御部はマルチレベルＤＣ－ＤＣ変換器の保護停止を行う。停止後に、マルチレベルＤＣ－ＤＣ変換器の一次側に接続されるフィルタコンデンサに充電された電力によって、マルチレベルＤＣ－ＤＣ変換器が有するスナバ抵抗を介して、マルチレベルＤＣ－ＤＣ変換器の二次側に接続されるフィルタコンデンサが充電される場合がある。保護停止後に、二次側に接続されるフィルタコンデンサが充電されると、該フィルタコンデンサの電圧が過電圧となることがある。このため、ＤＣ－ＤＣ変換器を停止した後に再起動すると、過電圧が生じて再びＤＣ－ＤＣ変換器が停止してしまうという課題がある。

　本発明は上述の事情に鑑みてなされたものであり、マルチレベル電力変換装置の出力が過電圧となることを抑制することを目的とする。

　上記目的を達成するために、本発明のマルチレベル電力変換装置は、直列に接続された複数の一次側フィルタコンデンサ、複数の一次側フィルタコンデンサの両端に一次側の正極端子および負極端子が接続される電力変換部、電力変換部の二次側の端子間に接続される二次側フィルタコンデンサ、複数の一次側フィルタコンデンサまたは二次側フィルタコンデンサに並列に接続される放電回路、および制御部を備える。電力変換部は、複数の一次側フィルタコンデンサのそれぞれに並列に接続されるスイッチング素子、スイッチング素子に並列に接続される還流ダイオード、およびスイッチング素子に並列に接続されるスナバ抵抗を有する。電力変換部は、制御部が指令するスイッチング素子のオンオフの切り替えに応じて、一次側の正極端子の電位と負極端子の電位との間の複数の電位を二次側の端子から出力可能である。制御部は、電力変換部の停止後に放電回路を作動させることで、複数の一次側フィルタコンデンサまたは二次側フィルタコンデンサの放電を行う。

　本発明によれば、電力変換部を停止した後に複数の一次側フィルタコンデンサまたは二次側フィルタコンデンサの放電を行うことで、マルチレベル電力変換装置の出力が過電圧となることを抑制することが可能になる。

本発明の実施の形態に係るマルチレベル電力変換装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係るマルチレベル電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。 実施の形態に係る電力変換部の構成例を示すブロック図である。 実施の形態に係る制御部の構成例を示すブロック図である。

　以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。

　図１は、本発明の実施の形態に係るマルチレベル電力変換装置の構成例を示すブロック図である。マルチレベル電力変換装置（以下、電力変換装置という）１は、放電回路１１、一次側フィルタコンデンサ１４，１５、一次側フィルタコンデンサ１４，１５の両端に一次側の正極端子および負極端子が接続される電力変換部１６、電力変換部１６の二次側の端子間に接続される二次側フィルタコンデンサ１７、および、放電回路１１ならびに電力変換部１６を制御する制御部１８を備える。電力変換部１６は、制御部１８が指令するスイッチング素子のオンオフの切り替えに応じて、一次側の正極端子の電位と負極端子の電位との間の複数の電位を二次側の端子から出力可能である。電力変換部１６は、双方向の電力変換を行ってもよい。

　図１の例では、電力変換装置１は、３レベル電力変換装置であり、電力変換部１６は、３レベルＤＣ－ＤＣ変換器（Direct-Current-to-Direct-Current Converter）である。電力変換部１６は、後述するように、一次側フィルタコンデンサ１４，１５のそれぞれに並列に接続されるスイッチング素子、スイッチング素子に並列に接続される還流ダイオード、およびスイッチング素子に並列に接続されるスナバ抵抗を有する。電力変換装置１が備える一次側フィルタコンデンサの数は２つに限られず、２以上の任意の数の一次側フィルタコンデンサを備えることができ、電力変換装置１は、５レベル電力変換装置でもよい。

　放電回路１１は、直列に接続された放電抵抗１２およびサイリスタ１３を有する。図１の例では、放電回路１１は一次側フィルタコンデンサ１４，１５に接続され、制御部１８の制御によってサイリスタ１３がオンになると、一次側フィルタコンデンサ１４，１５の放電を行う。後述するように、一次側フィルタコンデンサ１４，１５が放電されると、電力変換部１６が有する還流ダイオードを介して二次側フィルタコンデンサ１７が放電される。放電回路１１を二次側フィルタコンデンサ１７に接続して、二次側フィルタコンデンサ１７の放電を直接行うようにしてもよい。制御部１８は、電力変換部１６の停止後に放電回路１１を作動させて一次側フィルタコンデンサ１４，１５の放電を行うことで、二次側フィルタコンデンサ１７の放電を行い、電力変換装置１の出力の過電圧を抑制する。

　電力変換装置１は、蓄電装置を備える電気鉄道車両（以下、電気車という）に搭載される。図２は、実施の形態に係るマルチレベル電力変換装置の電気鉄道車両への搭載例を示す図である。電力変換装置１の一次側の正極端子は、遮断器６および断流器７を介してパンタグラフである集電装置３に接続され、一次側の負極端子は接地されている。電力変換装置１の二次側には断流器８を介して蓄電装置９が接続されている。

　架線２から集電装置３を介して取得された電力は、ＶＶＶＦ（Variable Voltage Variable Frequency：可変電圧可変周波数）インバータ４で変換されて電動機５に出力され、電動機５が駆動される。電気車の力行時には、蓄電装置９から放電される電力が電力変換部１６で変換され、ＶＶＶＦインバータ４に供給される。すなわち、架線２からの電力に加えて、蓄電装置９の電力によって、電動機５が駆動され、電気車が加速する。電気車の回生ブレーキ時には、電動機５で生じた電力が電力変換部１６で変換され、蓄電装置９に供給される。

　図２の例では、一次側フィルタコンデンサ１４の電圧を検出する電圧検出器ＰＴ１、一次側フィルタコンデンサ１５の電圧を検出する電圧検出器ＰＴ２、二次側フィルタコンデンサ１７の電圧を検出する電圧検出器ＰＴ３が設けられている。制御部１８は、図示しない運転台からの運転指令および電圧検出器ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３の検出結果に基づいて電力変換部１６の駆動および停止の制御を行う。

　図３は、実施の形態に係る電力変換部の構成例を示すブロック図である。電力変換部１６は、Ｕ相アーム１６Ｕ、Ｖ相アーム１６Ｖ、Ｗ相アーム１６Ｗを有し、各相アームの構成は同じである。各相アームの符号Ｕ，Ｖ，Ｗをまとめて符号ｘとして電力変換部１の構成について説明する。

　スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２，ＴＲｘ３，ＴＲｘ４は任意の半導体素子であり、図３の例では、電力変換部１６は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を用いる。一次側フィルタコンデンサ１４と並列に、直列に接続されたスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２のそれぞれに並列に還流ダイオードＤｘ１，Ｄｘ２が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ２に並列にスナバ抵抗ＲＢｘ１およびクランプダイオードＤｘ５が接続される。一次側フィルタコンデンサ１５と並列に、直列に接続されたスイッチング素子ＴＲｘ３，ＴＲｘ４が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ３，ＴＲｘ４のそれぞれに並列に還流ダイオードＤｘ３，Ｄｘ４が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ３に並列にスナバ抵抗ＲＢｘ２およびクランプダイオードＤｘ６が接続される。スイッチング素子ＴＲｘ２，ＴＲｘ３の接続点は、リアクトルＢＳＬｘを介して二次側フィルタコンデンサ１７に接続される。

　制御部１８が指令するスイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２，ＴＲｘ３，ＴＲｘ４のオンオフの切り替えによって、一次側フィルタコンデンサ１４，１５に充電された電力に基づき二次側フィルタコンデンサ１７が充電される。スイッチング素子ＴＲｘ１，ＴＲｘ２，ＴＲｘ３，ＴＲｘ４がオフされて、電力変換部１６が停止した後に、一次側フィルタコンデンサ１４，１５の接続点からスナバ抵抗ＲＢＵ２、還流ダイオードＤＵ３、およびリアクトルＢＳＬＵを通って二次側フィルタコンデンサ１７へ流れ込む回路が形成されることがある。上記回路によって二次側フィルタコンデンサ１７がさらに充電され、電力変換装置１の出力が過電圧となることを抑制するための、電力変換装置１の動作について説明する。図４は、実施の形態に係る制御部の構成例を示すブロック図である。制御部１８は、電力変換部１６の内部および入出力の少なくともいずれかの異常を検知する異常検知部１９、運転台からの運転指令、電圧検出器ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３の検出結果および異常検知部１９の出力に基づき電力変換部１６を制御するコンバータ制御部２０、放電回路１１が有するサイリスタ１３のオンオフの制御を行う放電制御部２１を備える。

　異常検知部１９は、電圧検出器ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３の検出結果のいずれかが、それぞれに対して定められた閾値以上である場合に、電力変換部１６の異常を検知する。異常検知部１９は、電力変換部１６の入力電流または出力電流が、それぞれに対して定められた閾値以上である場合に、電力変換部１６の異常を検知してもよい。コンバータ制御部２０は、スイッチング素子ＴＲｘ１からＴＲｘ４のそれぞれのオンオフを制御する制御信号を出力する。コンバータ制御部２０は、スイッチング素子ＴＲｘ１からＴＲｘ４のそれぞれのオンオフを切り替えることで電力変換部１６に電力変換を行わせる。コンバータ制御部２０は、スイッチング素子ＴＲｘ１からＴＲｘ４のそれぞれをオフにすることで、電力変換部１６を停止する。電力変換部１６の停止には、電力変換部１６の停止を指示する運転指令を取得した場合に電力変換部１６を停止する通常停止と、異常検知部１９で異常を検知した場合に、各電気機器を保護するために電力変換部１６を停止する保護停止とがある。電力変換部１６の保護停止の際には、断流器７，８が開放される。

　コンバータ制御部２０からの制御信号によってスイッチング素子ＴＲｘ１からＴＲｘ４のそれぞれがオフされ、電力変換部１６が通常停止または保護停止された後に、放電制御部２１がサイリスタ１３をオンすることで放電回路１１を作動させ、一次側フィルタコンデンサ１４，１５の放電を行う。一次側フィルタコンデンサ１４，１５が放電されると、還流ダイオードＤｘ１，Ｄｘ２を介して二次側フィルタコンデンサ１７も放電される。放電回路１１を作動させるため、電力変換部１６の通常停止後または保護停止後に一次側フィルタコンデンサ１４，１５の接続点からスナバ抵抗ＲＢｘ２、還流ダイオードＤｘ３、およびリアクトルＢＳＬｘを通って二次側フィルタコンデンサ１７に流れ込む回路が形成され、二次側フィルタコンデンサ１７がさらに充電されることを抑制し、電力変換装置１の出力の過電圧を抑制することが可能となる。

　制御部１８は、電力変換部１６を保護停止した場合にのみ放電回路１１を作動させてもよい。この場合、放電制御部２１は、電力変換部１６の保護停止後にのみサイリスタ１３をオンにする。

　制御部１８は、電力変換部１６の通常停止後または保護停止後に二次側フィルタコンデンサ１７の電圧が閾値以上である場合にのみ放電回路１１を作動させてもよい。この場合、放電制御部２１は、電力変換部１６の通常停止後または保護停止後に、電圧検出器ＰＴ３の検出結果が閾値以上である場合にのみ、サイリスタ１３をオンにする。また放電制御部２１は、電力変換部１６の保護停止後であって、電圧検出器ＰＴ３の検出結果が閾値以上である場合にのみ、放電回路１１を作動させてもよい。上記の放電回路１１を作動させるか否かの判断に用いられる閾値は、電力変換装置１の二次側に接続される機器の特性に応じて定められる。図２の例においては、蓄電装置９の耐電圧特性に応じて定められる。

　以上説明したとおり、本実施の形態に係る電力変換装置１によれば、電力変換部１６の通常停止後または保護停止後に一次側フィルタコンデンサ１４，１５または二次側フィルタコンデンサ１７を放電することで、電力変換装置１の出力電圧が過電圧となることを抑制する。

　本発明は、本発明の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この発明を説明するためのものであり、本発明の範囲を限定するものではない。すなわち、本発明の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の発明の意義の範囲内で施される様々な変形が、この発明の範囲内とみなされる。

　１　マルチレベル電力変換装置、２　架線、３　集電装置、４　ＶＶＶＦインバータ、５　電動機、６　遮断器、７，８　断流器、９　蓄電装置、１１　放電回路、１２　放電抵抗、１３　サイリスタ、１４，１５　一次側フィルタコンデンサ、１６　電力変換部、１６Ｕ　Ｕ相アーム、１６Ｖ　Ｖ相アーム、１６Ｗ　Ｗ相アーム、１７　二次側フィルタコンデンサ、１８　制御部、１９　異常検知部、２０　コンバータ制御部、２１　放電制御部、ＢＳＬＵ，ＢＳＬＶ，ＢＳＬＷ　リアクトル、ＤＵ１，ＤＵ２，ＤＵ３，ＤＵ４，ＤＶ１，ＤＶ２，ＤＶ３，ＤＶ４，ＤＷ１，ＤＷ２，ＤＷ３，ＤＷ４　還流ダイオード、ＤＵ５，ＤＵ６，ＤＶ５，ＤＶ６，ＤＷ５，ＤＷ６　クランプダイオード、ＰＴ１，ＰＴ２，ＰＴ３　電圧検出器、ＲＢＵ１，ＲＢＵ２，ＲＢＶ１，ＲＢＶ２，ＲＢＷ１，ＲＢＷ２　スナバ抵抗、ＴＲＵ１，ＴＲＵ２，ＴＲＵ３，ＴＲＵ４，ＴＲＶ１，ＴＲＶ２，ＴＲＶ３，ＴＲＶ４，ＴＲＷ１，ＴＲＷ２，ＴＲＷ３，ＴＲＷ４　スイッチング素子。

Claims (3)

1. 　直列に接続された複数の一次側フィルタコンデンサと、
   　前記複数の一次側フィルタコンデンサの両端に一次側の正極端子および負極端子が接続され、前記複数の一次側フィルタコンデンサのそれぞれに並列に接続されるスイッチング素子、前記スイッチング素子に並列に接続される還流ダイオード、および前記スイッチング素子に並列に接続されるスナバ抵抗を有する電力変換部と、
   　前記電力変換部の二次側の端子間に接続される二次側フィルタコンデンサと、
   　前記複数の一次側フィルタコンデンサまたは前記二次側フィルタコンデンサに並列に接続される放電回路と、
   　前記スイッチング素子および前記放電回路の制御を行う制御部と、
   　を備え、
   　前記電力変換部は、前記制御部が指令する前記スイッチング素子のオンオフの切り替えに応じて、一次側の正極端子の電位と負極端子の電位との間の複数の電位を二次側の端子から出力可能であり、
   　前記制御部は、前記電力変換部の停止後に前記放電回路を作動させることで、前記複数の一次側フィルタコンデンサまたは前記二次側フィルタコンデンサの放電を行う、
   　マルチレベル電力変換装置。
2. 　前記電力変換部の内部および入出力の少なくともいずれかの異常を検知する異常検知部をさらに備え、
   　前記制御部は前記異常検知部で異常が検知された場合に前記電力変換部の保護停止を行い、前記電力変換部の保護停止後に前記放電回路を作動させることで、前記複数の一次側フィルタコンデンサまたは前記二次側フィルタコンデンサの放電を行う、
   　請求項１に記載のマルチレベル電力変換装置。
3. 　２つの前記一次側フィルタコンデンサを備え、
   　前記二次側フィルタコンデンサの電圧を検出する電圧検出部をさらに備え、
   　前記電力変換部は３レベルＤＣ－ＤＣ変換器であって、
   　前記放電回路は前記２つの一次側フィルタコンデンサに並列に接続され、
   　前記制御部は、前記電力変換部の停止後に、前記電圧検出部が検出した電圧が閾値以上である場合には、前記放電回路を作動させることで前記２つの一次側フィルタコンデンサの放電を行う、
   　請求項１に記載のマルチレベル電力変換装置。

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