JP2010511876A

JP2010511876A - キャパシタンス測定による変換器のコンデンサの経年劣化の監視

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Publication number: JP2010511876A
Application number: JP2009539598A
Authority: JP
Inventors: ドムマシュク、ミケ; ドルン、イェルク; オイラー、インゴ; ラング、イェルク; トゥ、クオック‐ブー; ヴュルフリンガー、クラウス
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2006-12-08
Filing date: 2006-12-08
Publication date: 2010-04-15
Also published as: US8183874B2; CN101548460A; CA2671820A1; ES2702759T3; CN101548460B; EP2100365B1; CA2671820C; EP2100365A1; WO2008067787A1; PL2100365T3; US20100321038A1; DE112006004201A5

Abstract

１つの交流電圧接続部（３₁、３₂、３₃）と少なくとも１つの直流電圧接続部（ｐ、ｎ）とを有する少なくとも１つの相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備える電流を変換する装置（１）であって、各々の直流電圧接続部（ｐ、ｎ）と交流電圧接続部（３₁、３₁、３₁）の間には相モジュール分路（６ｐ１、６ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３）が構成されており、各々の相モジュール分路（６ｐ１、６ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３）は、それぞれ１つのコンデンサ（８）と少なくとも１つのパワー半導体（Ｔ₁、Ｔ₂）とを有するサブモジュール（７）からなる直列回路を備えており、エネルギー蓄積器の経年劣化を簡単な仕方で確認可能である、そのような装置を提供するために、各々のコンデンサ（８）のキャパシタンスを時間依存的に判定するためのコンデンサ診断手段が提案される。
【選択図】図２

Description

本発明は、１つの交流電圧接続部と少なくとも１つの直流電圧接続部とを有する少なくとも１つの相モジュールを備える電流を変換する装置に関するものであり、各々の直流電圧接続部と交流電圧接続部の間には相モジュール分路が構成されており、各々の相モジュール分路はそれぞれ１つのコンデンサと少なくとも１つのパワー半導体とを有するサブモジュールからなる直列回路を備えている。

さらに本発明は、電流を変換する方法に関する。

このような装置およびこのような方法は、例えば非特許文献１から知られている。同文献には、交流電圧網に接続することが意図される電流変換器が開示されている。この電流変換器は、これと接続されるべき交流電圧網の各々の相について１つの相モジュールを有しており、各々の相モジュールは、１つの交流電圧接続部ならびに２つの直流電圧接続部を備えている。各々の直流電圧接続部と交流電圧接続部の間に相モジュール分路が延びており、それにより、所謂６パルスブリッジ回路が提供される。モジュール分路は、それぞれ２つの遮断可能なパワー半導体からなるサブモジュールの直列回路で構成されており、これらのパワー半導体にはそれぞれ逆向きのフリーホイールダイオードが並列につながれている。遮断可能なパワー半導体とフリーホイールダイオードは直列につながれており、前述した直列回路と並列にコンデンサが設けられている。前述したサブモジュールの各コンポーネントは、各々のサブモジュールの２極出力部でコンデンサ電圧又は電圧のいずれかがゼロに降下するように、互いに配線されている。

遮断可能なパワー半導体の制御は、所謂パルス幅変調によって行われる。パワー半導体を制御するための制御手段は、電流値を得ながら電流を検出するための測定センサを有している。この電流値は、入力インターフェースと出力インターフェースを有する中央の制御装置へ供給される。入力インターフェースと出力インターフェースの間には、変調器、即ちソフトウェアルーチンが設けられている。変調器は、特に選択ユニット並びにパルス幅発生器を有している。パルス幅発生器は、個々のサブモジュールに対する制御信号を生成する。遮断可能なパワー半導体は、パルス幅発生器により生成される制御信号によって、遮断可能なパワー半導体を介しての通電が可能である通過位置から、遮断可能なパワー半導体を介しての通電が断絶される阻止位置へと移行する。このとき各々のサブモジュールは、コンデンサで降下する電圧を検出するためのサブモジュールセンサを有している。

所謂マルチレベル変換器トポロジーの制御方法についての別の論文は、非特許文献２、非特許文献３、および非特許文献４から知られている。

現時点ではまだ未公開のドイツ特許出願第１０２００５０４５０９０．３号明細書には、分散されたエネルギー蓄積器を備える多相変換器を制御する方法が記載されている。これに記載された装置は、相モジュールを備えるマルチレベル変換器トポロジーを同じく有しており、相モジュールは各々の相モジュールの中央部で対称に配置された交流電圧接続部と２つの直流電圧接続部とを備えている。各々の相モジュールは、交流電圧接続部と直流電圧接続部の１つとの間に延びる２つの相モジュール分路が組み合わされてなっている。さらに各々の相モジュール分路はサブモジュールからなる直列回路を含んでおり、各々のサブモジュールは、遮断可能なパワー半導体と、これに逆平行につながれたフリーホイールダイオードとで構成されている。さらに、各々のサブモジュールは単極コンデンサを備えている。パワー半導体を制御する役目をするのは、各相モジュールの間を流れる分岐電流を調整するようにもセットアップされている制御手段である。分岐電流の制御によって、例えば電流振動を能動的に減衰させ、出力周波数の低い動作点を回避することができる。これに加えて、すべての遮断可能な半導体スイッチの均等な負荷、ならびに、著しく非対称な電圧の対称化を惹起することができる。

変換器モジュールの中間回路にあるエネルギー蓄積器、例えばコンデンサは、作動時に経年劣化するという特性を有している。その際にコンデンサはキャパシタンスを失い、そのために、特定の電圧でコンデンサによって蓄えられる充電が絶えず減少していく。中間回路変換器の設備の保守整備にあたって、どのコンデンサが交換が必要なほど多くのキャパシタンスを失っているかわかれば好都合である。それによって変換器の作動時におけるコンデンサの故障率を低減し、利用性を向上させることができる。例えば２点技術や３点技術による共通の大型の中間回路コンデンサを備える変換器トポロジーでは、コンデンサのキャパシタンス低下の監視はさほど意味がない。変化がキャパシタンス全体の些細な割合にしかすぎず、従って測定工学的にほとんど検出できないからである。しかし、このようなキャパシタンス低下は変換器の故障につながる可能性がある。共通の大型の中間回路コンデンサのさらに別の欠点は、それを交換したり取り替えるのが困難であり、もしくはまったく不可能なことである。

A.LesnicarおよびR.Marquardt著の論文"An Innovative Modular Multilevel Converter Topology Suitable for a Wide Power Range（広い出力レンジに適した革新的なモジュラーマルチレベルコンバータトポロジー）"、Powertech 2003で発行 R.Marquardt、 A.Lesnicar、 J.Hildinger著"Modulares Stromrichterkonzept fuer Netzkupplungsanwendung bei hohen Spannungen（高圧での電源接続用途のためのモジュール形式の変換器コンセプト）"バートナウエンハイムにおけるETG専門会議（２００２年ドイツ）で発行 A.Lesnicar、 R.Marquardt著"A new modular voltage source inverter topology（新しいモジュール形式の電圧源インバータトポロジー）"、EPE' 03 ツールーズ（２００３年フランス） R.Marquardt、 A.Lesnicar著"New Concept for High Voltage - Modular Multilevel Converter（高圧モジュラーマルチレベルコンバータのための新しいコンセプト）"、PESC 2004アーヘン会議（ドイツ）

本発明の課題は、コンデンサの経年劣化を簡単な仕方で確認可能である、冒頭に述べた種類の装置を提供することにある。

本発明は、各々のコンデンサのキャパシタンスを時間依存的に判定するためのコンデンサ診断手段によって上記の課題を解決する。

本発明により、本発明による装置のコンデンサのキャパシタンスを継続的に判定するコンデンサ診断手段が提供される。本発明による装置は、直流電圧回路に１つの中央のコンデンサを備える装置よりも相応に低いキャパシタンスを有する、分散されたコンデンサを有している。キャパシタンスの変化の測定工学的な検出が可能になることが見出されている。本発明の枠内では、個々のコンデンサが厳密にどれだけのキャパシタンスを有しているかを知ることは、さほど決定的ではない。むしろ重要なのは、個々のコンデンサのキャパシタンスが時間の経過につれてどのように変化しているかを知ることである。それにより、キャパシタンスが衰えているコンデンサを不具合のないコンデンサから区別し、検出することができる。したがって本発明によると、個々のコンデンサのそれぞれのキャパシタンスは、コンデンサ診断手段により時間に依存して判定される。

コンデンサ診断手段は、各々の相モジュールについて、付属の相モジュールを流れる相モジュール分岐電流を検出するための分岐電流センサを含んでおり、および各々のサブモジュールについて、付属のサブモジュールのコンデンサで降下するコンデンサ電圧を検出するためのサブモジュールセンサを含んでおり、ならびに、それぞれ付属のサブモジュールの切換状態を検出する手段を含んでいるのが好都合であり、そのつど測定された相モジュール分岐電流Ｉｚｗｇと、１つ又は複数の切換状態と、そのつどのコンデンサ電圧Ｕｃとに依存して評価ユニットが各々の相モジュールのコンデンサのキャパシタンスを判定する。検出された分岐電流をこのように時間的インターバルに区分して積分することで、監視される相モジュールのコンデンサの充電変化ΔＱが求められる。サブモジュールセンサは、各コンデンサで降下する電圧を検出する役目を果たす。各々のコンデンサのキャパシタンスは、充電変化ΔＱを電圧変化ΔＵｃで除算することによって求められ、このとき、サブモジュールの導通時点と遮断時点の間でそれぞれ電圧と充電が検出される。サブモジュールが導通されているとき、サブモジュールの出力端子ではコンデンサ電圧が降下する。遮断された状態のとき、端子では電圧がゼロに降下する。

本発明は、冒頭に述べた方法を前提としたうえで、少なくとも１つの直流電圧接続部と１つの交流電圧接続部とを備える少なくとも１つの相モジュールを有する変換器によって上記の課題を解決し、各々の直流電圧接続部と交流電圧接続部の間には相モジュール分路が構成されており、該相モジュール分路はそれぞれ１つのコンデンサと少なくとも１つのパワー半導体とを有するサブモジュールからなる直列回路を備えており、コンデンサのキャパシタンスが時間に依存して判定される。

この点に関して好都合な１つの発展例では、時間に依存して各々の相モジュールの相モジュール分岐電流が相モジュール分岐電流値を得ながら検出され、各々のコンデンサで降下するコンデンサ電圧がコンデンサ電圧値を得ながら測定され、最後に電圧変化が算定され、充電変化を得るためにサブモジュールのパワー半導体の導通と遮断の間で相モジュール分岐電流が積分され、充電変化および電圧変化に基づいてそれぞれの相モジュールのコンデンサのキャパシタンスの変化が判定される。パワー半導体の導通および遮断とは、それぞれのサブモジュールでコンデンサへの通電が可能となる、パワー半導体の切換状態を意味している。

本発明のその他の実施形態や利点は、図面の各図を参照しながら行う本発明の実施例についての以下の説明の対象となっており、同じ符号は同じ作用をする構成部品を表している。

本発明による装置の一実施例である。図１の装置の相モジュールである。

図１は、３つの相モジュール２ａ、２ｂおよび２ｃが組み合わされてなる、本発明による装置１の実施例を示している。各々の相モジュール２ａ、２ｂおよび２ｃは、正の直流電圧回線ｐならびに負の直流電圧回線ｎと接続されており、それにより、各々の相モジュール２ａ、２ｂ、２ｃは２つの直流電圧接続部を有している。さらに各々の相モジュール２ａ、２ｂおよび２ｃについて、それぞれ１つの交流電圧接続部３₁、３₂および３₃が設けられている。交流電圧接続部３₁、３₂および３₃は、変圧器４を介して、３相交流電圧源５と接続されている。交流電圧源５の位相では相電圧Ｕ１、Ｕ２およびＵ３が降下し、このとき電源電流Ｉｎ１、Ｉｎ２およびＩｎ３が流れる。各々の相モジュールの交流電圧側の相電流は、符号Ｉ１、Ｉ２およびＩ３が付されている。直流電圧電流はＩ_dである。各々の交流電圧接続部３₁、３₂又は３₃と、正の直流電圧回線ｐとの間には、相モジュール分路６ｐ１、６Ｐ２および６ｐ３が延びている。各々の交流電圧接続部３₁、３₂、３₃と負の直流電圧回線ｎとの間には、相モジュール分路６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３が構成されている。各々の相モジュール分路６ｐ１、６Ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２および６ｎ３は、図１には詳しくは図示しないサブモジュールと、図１では符号Ｌ_Krが付されたインダクタンスとで構成される直列回路からなっている。

図２には、サブモジュール７の直列回路および特にサブモジュールの構造が、電気的な等価回路図によって詳細に図示されており、図２では相モジュール分路６ｐ１だけを取りあげているが、残りの相モジュール分路も同一に構成されている。各々のサブモジュール７は、直列につながれた２つの遮断可能なパワー半導体Ｔ１およびＴ２を有していることがわかる。遮断可能なパワー半導体は、例えば所謂ＩＧＢＴ、ＧＴＯ、ＩＧＣＴ等である。これらは当業者にはそれ自体周知であるので、ここでは詳細な説明は省くことができる。各々の遮断可能なパワー半導体Ｔ１、Ｔ２には、フリーホイールダイオードＤ１、Ｄ２が逆並列につながれている。遮断可能なパワー半導体Ｔ１、Ｔ２ないしフリーホイールダイオードＤ１、Ｄ２の直列回路と並列に、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ８がつながれている。各々のコンデンサ８は単極で充電されている。各々のサブモジュール７の２極の接続端子Ｘ１およびＸ２では、２つの電圧状態を生起することができる。例えば制御ユニット９により、パワー半導体Ｔ２を介しての通電が可能となる通過位置へと遮断可能なパワー半導体Ｔ２が移行する制御信号が生成されると、サブモジュール７の端子Ｘ１、Ｘ２で電圧がゼロに降下する。このとき遮断可能なパワー半導体Ｔ１は、遮断可能なパワー半導体Ｔ１を介しての通電が断絶される阻止位置にある。このことはコンデンサ８の放電を妨げる。それに対して、遮断可能なパワー半導体Ｔ１は通過位置にあるが、遮断可能なパワー半導体Ｔ２が阻止位置へ移行すると、サブモジュール７の端子Ｘ１、Ｘ２には全面的なコンデンサ電圧Ｕｃが印加される。

図１と図２に示す本発明による装置の実施例は、所謂マルチレベル変換器と呼ぶこともできる。このようなマルチレベル変換器は、例えばモータ等のような電気機械を駆動するのに好適である。さらに、このようなマルチレベル変換器は、エネルギー分配やエネルギー伝達の分野での利用にも適している。例えば本発明による装置は、直流電圧側で相互に接続された２つの変換器で構成される密結合としての役目を果たし、このとき変換器はそれぞれ交流電圧網と接続される。このような密結合は、２つのエネルギー分配網の間でのエネルギー交換のために利用され、この場合、例えばエネルギー分配網は例えばそれぞれ異なる周波数、位相位置、中性点処理などを有している。さらには無効電力補償の分野、すなわち、所謂ＦＡＣＴＳ（Flexible AC Transmission SystemsフレキシブルＡＣ送電システム）の分野での用途も、考慮の対象となる。長距離区間におよぶ高圧直流伝送も、このようなマルチレベル変換器で行うことが考えられる。

さらに図２を見ると、分岐電流を測定するために、相モジュールを通って流れる電流を相モジュール分岐電流値を得ながら検出する分岐電流センサ１０が設けられていることがわかり、分岐電流値はガラスファイバ通信回線を介して評価ユニット９へと伝送される。さらに、図面には示さないサブモジュールセンサが各々のサブモジュール７について設けられており、これらによって、コンデンサ８での電圧降下Ｕｃがコンデンサ電圧値を得ながら検出される。コンデンサ電圧値も同じく評価ユニット９に伝送され、それと同時に、それぞれの測定値がどのコンデンサのものであるかの情報が添付される。評価ユニットは、入ってくる測定値に１つの測定時間を割り当てる。相モジュール分岐電流Ｉ_zwgを区域ごとに積分することで、それぞれの相モジュールのコンデンサ８の充電変化ΔＱが求められる。区域ごとの積分という概念は、特定の時間インターバル内での積分を意味している。換言すると、それぞれのサブモジュールのパワー半導体の切換状態が、サブモジュールのコンデンサへの通電を可能にしている場合に限り積分が行われる。電圧変化を判定することで、すなわち、特定の時間にコンデンサ８で降下する電圧の変化を判定することで、次式（１）に基づいてコンデンサのキャパシタンスが求められる。
Ｃ≒ΔＱ／ΔＵｃ …（１）

２ａ、２ｂ、２ｃ相モジュール、３₁、３₂、３₃ 交流電圧接続部、６ｐ１、６ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３相モジュール分路、７サブモジュール、８コンデンサ、ｐ、ｎ直流電圧接続部、Ｔ₁、Ｔ₂ パワー半導体、

Claims

１つの交流電圧接続部（３₁、３₂、３₃）と少なくとも１つの直流電圧接続部（ｐ、ｎ）とを有する少なくとも１つの相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）を備える電流を変換する装置（１）において、
各々の前記直流電圧接続部（ｐ、ｎ）と前記交流電圧接続部（３₁、３₂、３₃）の間には相モジュール分路（６ｐ１、６ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３）が構成されており、各々の前記相モジュール分路（６ｐ１、６ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３）は、それぞれ１つのコンデンサ（８）と少なくとも１つのパワー半導体（Ｔ₁、Ｔ₂）とを有するサブモジュール（７）からなる直列回路を備えており、
各々の前記コンデンサ（８）のキャパシタンスを時間依存的に判定するためのコンデンサ診断手段を有している装置。
前記コンデンサ診断手段は、各々の前記相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）について付属の前記相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）を流れる相モジュール分岐電流（Ｉｚｗｇ）を検出するための分岐電流センサ（１０）を含んでおり、かつ
各々の前記サブモジュール（７）について付属の前記サブモジュール（７）の前記コンデンサ（８）で降下するコンデンサ電圧（Ｕｃ）を検出するためのサブモジュールセンサを含んでおり、更に、
それぞれ付属の前記サブモジュールの１つ又は複数の前記パワー半導体の切換状態を検出する手段を含んでおり、そのつど測定された前記分岐電流Ｉｚｗｇと、１つ又は複数の前記パワー半導体の切換状態と、そのつどの前記コンデンサ電圧Ｕｃとに依存して、評価ユニット（９）が各々の前記相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）の前記コンデンサ（８）のキャパシタンスを判定する請求項１記載の装置。
少なくとも１つの直流電圧接続部（ｐ、ｎ）と１つの交流電圧接続部（３₁、３₂、３₃）とを備える少なくとも１つの相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）を有する変換器（１）によって電流を変換する方法において、
各々の前記直流電圧接続部（ｐ、ｎ）と前記交流電圧接続部（３₁、３₂、３₃）の間には相モジュール分路（６ｐ１、６ｐ２、６ｐ３、６ｎ１、６ｎ２、６ｎ３）が構成されており、該相モジュール分路は、それぞれ１つのコンデンサ（８）と少なくとも１つのパワー半導体（Ｔ₁、Ｔ₂）とを有するサブモジュール（７）からなる直列回路を備えており、各々の前記コンデンサのキャパシタンスが時間に依存して判定される方法。
各々の前記位相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）の分岐電流Ｉｚｗｇが分岐電流値を得ながら検出され、各々の前記コンデンサ（８）で降下するコンデンサ電圧Ｕｃがコンデンサ電圧値を得ながら測定され、最後に電圧変化ΔＵｃが算定され、充電変化ΔＱを得るために前記サブモジュールの前記パワー半導体の導通と遮断の間で相モジュール分岐電流Ｉｚｗｇが区域ごとに積分され、前記充電変化ΔＱおよび前記電圧変化ΔＵｃに基づいてそれぞれの前記相モジュール（２ａ、２ｂ、２ｃ）の前記コンデンサ（８）のキャパシタンスの変化ΔＣが判定される請求項３記載の方法。