JP2015050852A - Electric power conversion system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric power conversion system capable of shortening the time required until running is restarted even a cascade-connected converter unit is malfunctioned.SOLUTION: The electric power conversion system includes a plurality of cascade-connected converter units 1, and a plurality of mechanical switches 2 which are provided to meet the plurality of converter units 1 and short-circuit two wirings L1, L2 connected with the converter units 1 when the converter units 1 are mounted and electrically separate two wirings L1, L2 when the converter units 1 are removed.

Description

本発明は、電力変換装置に関する。   The present invention relates to a power conversion device.

一般に、複数の変換器ユニット（例えば、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)ユニット）をカスケード接続（直列接続）した構成の電力変換装置（カスケード変換器）が知られている。例えば、多レベル変換器の変換器セルを短絡するためのブリッジングユニット及び複数の変換器セルを具備する変換器ブランチが開示されている（例えば、特許文献１参照）。また、上側及び下側の変換整流器を有する相モジュールを備えた電力変換回路であって、各変換整流器が電気的に直列に接続された複数の２極のサブシステムを有するものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。さらに、接続手段を介して直列回路構成にて互いに接続されたパワー半導体モジュールを備え、各パワー半導体に、それぞれのパワー半導体モジュールを短絡するための短絡装置が付設されている装置が開示されている（例えば、特許文献３参照）。   In general, a power conversion device (cascade converter) having a configuration in which a plurality of converter units (for example, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) unit) is connected in cascade (in series connection) is known. For example, a bridging unit for short-circuiting converter cells of a multi-level converter and a converter branch including a plurality of converter cells are disclosed (for example, see Patent Document 1). Also disclosed is a power conversion circuit comprising a phase module having upper and lower conversion rectifiers, each conversion rectifier having a plurality of two-pole subsystems electrically connected in series. (For example, refer to Patent Document 2). Further, there is disclosed an apparatus that includes power semiconductor modules connected to each other in a series circuit configuration via a connecting means, and each power semiconductor is provided with a short-circuit device for short-circuiting each power semiconductor module. (For example, refer to Patent Document 3).

特開２０１１−２０５８８７号公報JP 2011-205887 A 特表２００９−５０６７３６号公報JP-T 2009-506736 特表２００９−５２７８７７号公報JP 2009-527877 A

しかしながら、複数の変換器ユニットを直列接続して構成された電力変換装置では、１つの変換器ユニットが故障して、交換用の変換器ユニットがすぐに手に入らない場合、運転を再開するまでに時間を要する。   However, in a power conversion device configured by connecting a plurality of converter units in series, if one converter unit fails and a replacement converter unit is not readily available, the operation is resumed. Takes time.

そこで、本発明の目的は、カスケード接続された変換器ユニットが故障しても、運転を再開するまでに要する時間を短縮することのできる電力変換装置を提供することにある。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a power conversion device that can reduce the time required to restart operation even if converter units connected in cascade fail.

本発明の観点に従った電力変換装置は、カスケード接続された複数の変換器ユニットと、前記複数の変換器ユニットに対応して設けられ、前記変換器ユニットが実装されると、前記変換器ユニットに接続される２つの配線を短絡し、前記変換器ユニットが取り除かれると、前記２つの配線を電気的に切り離す複数の機械スイッチとを備える。   A power converter according to an aspect of the present invention is provided corresponding to a plurality of cascade-connected converter units and the plurality of converter units, and when the converter unit is mounted, the converter unit And a plurality of mechanical switches that electrically disconnect the two wires when the converter unit is removed.

本発明によれば、カスケード接続された変換器ユニットが故障しても、運転を再開するまでに要する時間を短縮することのできる電力変換装置を提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, even if the converter unit connected in cascade fails, the power converter device which can shorten the time required to restart an operation | movement can be provided.

本発明の第１の実施形態に係る変換器ユニットの構成を示す構成図。The block diagram which shows the structure of the converter unit which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。The lineblock diagram showing the composition of the power converter concerning a 1st embodiment. 第１の実施形態に係る機械スイッチの切り状態の構造を示す構成図。The block diagram which shows the structure of the cutting state of the mechanical switch which concerns on 1st Embodiment. 第１の実施形態に係る機械スイッチの入り状態の構造を示す構成図。The block diagram which shows the structure of the ON state of the mechanical switch which concerns on 1st Embodiment. 本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置の構成の一部を示す構成図。The block diagram which shows a part of structure of the power converter device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. ハーフブリッジで構成された変換器ユニットの構成を示す構成図。The block diagram which shows the structure of the converter unit comprised by the half bridge.

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る変換器ユニット１の構成を示す構成図である。図２は、第１の実施形態に係る電力変換装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。 (First embodiment)
FIG. 1 is a configuration diagram showing the configuration of the converter unit 1 according to the first embodiment of the present invention. FIG. 2 is a configuration diagram illustrating a configuration of the power conversion device 10 according to the first embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the same part in drawing, the detailed description is abbreviate | omitted, and a different part is mainly described.

変換器ユニット１は、電力変換装置（カスケード変換器）１０を構成する電力変換回路の単位ユニットである。複数の変換器ユニット１をカスケード接続（直列接続）することで、電力変換装置１０が構成される。変換器ユニット１は、例えば、フルブリッジで構成されたＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)ユニットである。   The converter unit 1 is a unit unit of a power conversion circuit that constitutes a power conversion device (cascade converter) 10. The power converter 10 is comprised by cascade-connecting the several converter unit 1 (series connection). The converter unit 1 is, for example, an IGBT (insulated gate bipolar transistor) unit configured by a full bridge.

変換器ユニット１は、４つのスイッチング素子（ＩＧＢＴ）１１，１２，１３，１４、４つのダイオード１５，１６，１７，１８、及びコンデンサ１９で構成される。ダイオード１５〜１８は、それぞれスイッチング素子１１〜１４と逆並列に接続されている。２つのスイッチング素子１１，１２は、直列に接続されている。残りの２つのスイッチング素子１３，１４も、直列に接続されている。２組の直列に接続されたスイッチング素子１１〜１４は、並列に接続されている。コンデンサ１９は、２組の直列に接続されたスイッチング素子１１〜１４と並列に接続されている。２組の直列に接続されたスイッチング素子１１〜１４のそれぞれの接続点は、カスケード接続するための配線Ｌ１，Ｌ２に接続される。   The converter unit 1 includes four switching elements (IGBTs) 11, 12, 13, 14, four diodes 15, 16, 17, 18 and a capacitor 19. The diodes 15 to 18 are connected in antiparallel to the switching elements 11 to 14, respectively. The two switching elements 11 and 12 are connected in series. The remaining two switching elements 13 and 14 are also connected in series. Two sets of switching elements 11 to 14 connected in series are connected in parallel. The capacitor 19 is connected in parallel with the two sets of switching elements 11 to 14 connected in series. The connection points of the two sets of switching elements 11 to 14 connected in series are connected to wirings L1 and L2 for cascade connection.

電力変換装置１０は、三相交流電力系統４の各相の系統電圧を制御する装置である。電力変換装置１０は、３相分の相変換器で構成される。各相変換器は、６つの変換器ユニット１がカスケード接続された構成である。各相変換器は、それぞれリアクトル３を介して、電力系統４に接続されている。   The power converter 10 is a device that controls the system voltage of each phase of the three-phase AC power system 4. The power conversion device 10 is composed of phase converters for three phases. Each phase converter has a configuration in which six converter units 1 are cascade-connected. Each phase converter is connected to the electric power system 4 via the reactor 3.

機械スイッチ２は、各変換器ユニット１に対応して設けられている。変換器ユニット１が実装されていない場合、変換器ユニット１に接続される２つの配線Ｌ１，Ｌ２を短絡（電気的に接続）するように、変換器ユニット１に対応する機械スイッチ２が入れられる。これにより、変換器ユニット１が実装されていない場合でも、カスケード接続が電気的に切断されることなく、他の変換器ユニット１が直列接続された状態を保つことができる。変換器ユニット１が実装されると、機械スイッチ２は切られる。これにより、変換器ユニット１に接続される２つの配線Ｌ１，Ｌ２は、電気的に切り離される。機械スイッチ２は、機械的な機構により、変換器ユニット１を実装すると、自動的に入れられ、変換器ユニット１を引き抜くと、自動的に切られる。   The mechanical switch 2 is provided corresponding to each converter unit 1. When the converter unit 1 is not mounted, the mechanical switch 2 corresponding to the converter unit 1 is turned on so as to short-circuit (electrically connect) the two wires L1 and L2 connected to the converter unit 1. . Thereby, even when the converter unit 1 is not mounted, the state where the other converter units 1 are connected in series can be maintained without electrically disconnecting the cascade connection. When the converter unit 1 is mounted, the mechanical switch 2 is turned off. Thereby, the two wirings L1 and L2 connected to the converter unit 1 are electrically disconnected. The mechanical switch 2 is automatically turned on when the converter unit 1 is mounted by a mechanical mechanism, and is automatically turned off when the converter unit 1 is pulled out.

図３及び図４は、本実施形態に係る機械スイッチ２の構造を示す構成図である。図３は、機械スイッチ２が切られている状態を示している。図４は、機械スイッチ２が入れられている状態を示している。   3 and 4 are configuration diagrams showing the structure of the mechanical switch 2 according to the present embodiment. FIG. 3 shows a state in which the mechanical switch 2 is turned off. FIG. 4 shows a state in which the mechanical switch 2 is turned on.

機械スイッチ２は、短絡用導体２１、２つのばね２２，２３、２つの押出し棒２４，２５、２つのコネクタ（メス）２６，２７、及び２つの導体２８，２９を備える。   The mechanical switch 2 includes a short-circuit conductor 21, two springs 22 and 23, two push rods 24 and 25, two connectors (female) 26 and 27, and two conductors 28 and 29.

２つの導体２８，２９は、変換器ユニット１と電気的に接続される図１に示す配線Ｌ１，Ｌ２にそれぞれ取り付けられる。変換器ユニット１の２つの端子には、それぞれコネクタ（オス）３１，３２が設けられている。２つの導体２８，２９には、それぞれコネクタ３１，３２を接続するためのコネクタ２６，２７がそれぞれ設けられている。   The two conductors 28 and 29 are attached to the wirings L1 and L2 shown in FIG. 1 that are electrically connected to the converter unit 1, respectively. Two terminals of the converter unit 1 are provided with connectors (male) 31 and 32, respectively. The two conductors 28 and 29 are provided with connectors 26 and 27 for connecting the connectors 31 and 32, respectively.

短絡用導体２１は、２つの導体２８，２９に跨るように、２つのばね２２，２３で、２つの導体２８，２９に取り付けられている。ばね２２，２３は、縮む方向に張力を発生させる弾性体で、かつ絶縁体である。図４に示すように、変換器ユニット１のコネクタ３１，３２が、機械スイッチ２のコネクタ２６，２７に接続されていない場合、短絡用導体２１は、ばね２２，２３の張力により、導体２８，２９に接触するように引き付けられる。これにより、短絡用導体２１は、２つの導体２８，２９を短絡する配線の役割をする。   The short-circuiting conductor 21 is attached to the two conductors 28 and 29 by the two springs 22 and 23 so as to straddle the two conductors 28 and 29. The springs 22 and 23 are elastic bodies that generate tension in the contracting direction and are insulators. As shown in FIG. 4, when the connectors 31, 32 of the converter unit 1 are not connected to the connectors 26, 27 of the mechanical switch 2, the short-circuiting conductor 21 is made of the conductors 28, 23 by the tension of the springs 22, 23. 29 is attracted to contact. As a result, the short-circuiting conductor 21 serves as a wiring for short-circuiting the two conductors 28 and 29.

短絡用導体２１には、２つの押出し棒２４，２５が取り付けられている。押出し棒２４，２５は、絶縁体で出来ている。押出し棒２４，２５の一端は、それぞれコネクタ２６，２７を貫通して、コネクタ２６，２７の内部から突き出ている。押出し棒２４，２５は、コネクタ２６，２７に固定されていないため、押出し棒２４，２５が動くと、短絡用導体２１も一緒に動く。図３に示すように、コネクタ２６，２７に変換器ユニット１のコネクタ３１，３２が接続されると、コネクタ２６，２７の内部から突き出ている押出し棒２４，２５の一端が押されて、ばね２２，２３が短絡用導体２１を導体２８，２９から離す方向に伸びる。これにより、短絡用導体２１は、２つの導体２８，２９から離れるため、２つの導体２８，２９は電気的に切り離される。   Two push rods 24 and 25 are attached to the short-circuit conductor 21. The push rods 24 and 25 are made of an insulator. One ends of the push rods 24 and 25 protrude from the inside of the connectors 26 and 27 through the connectors 26 and 27, respectively. Since the push rods 24 and 25 are not fixed to the connectors 26 and 27, when the push rods 24 and 25 move, the shorting conductor 21 also moves together. As shown in FIG. 3, when the connectors 31 and 32 of the converter unit 1 are connected to the connectors 26 and 27, one ends of the push rods 24 and 25 protruding from the inside of the connectors 26 and 27 are pushed, and the springs 22 and 23 extend in a direction separating the short-circuiting conductor 21 from the conductors 28 and 29. Accordingly, since the short-circuiting conductor 21 is separated from the two conductors 28 and 29, the two conductors 28 and 29 are electrically disconnected.

本実施形態によれば、機械スイッチ２を設けることで、変換器ユニット１が故障した場合でも、変換器ユニット１を引き抜くだけで、故障していない他の変換器ユニット１のカスケード接続は保たれる。従って、電力変換装置１０は、故障した変換器ユニット１を引き抜くだけで、運転を再開することができる。例えば、変換器ユニット１に予備が無いようなときでも、電力変換装置１０の運転を再開することができる。   According to the present embodiment, by providing the mechanical switch 2, even when the converter unit 1 fails, the cascade connection of the other converter units 1 that have not failed is maintained only by pulling out the converter unit 1. It is. Therefore, the power conversion device 10 can restart the operation only by pulling out the failed converter unit 1. For example, even when the converter unit 1 has no spare, the operation of the power converter 10 can be resumed.

また、正常な変換器ユニット１を引き抜いた変換器ユニット１の箇所に戻す復旧作業をするときは、正常な変換器ユニット１を、機械スイッチ２のコネクタ２６，２７に、単に、差し込むだけでよい。このため、復旧作業を容易にすることができる。   Further, when performing a restoration work for returning the normal converter unit 1 to the place where the converter unit 1 is pulled out, the normal converter unit 1 may be simply inserted into the connectors 26 and 27 of the mechanical switch 2. . For this reason, recovery work can be facilitated.

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換装置１０Ａの構成の一部を示す構成図である。 (Second Embodiment)
FIG. 5 is a configuration diagram showing a part of the configuration of the power conversion device 10A according to the second embodiment of the present invention.

電力変換装置１０Ａは、図２に示す第１の実施形態に係る電力変換装置１０において、各相に断路器５を設けたものである。その他の点は、第１の実施形態に係る電力変換装置１０と同様である。   10 A of power converters provide the disconnector 5 in each phase in the power converter 10 which concerns on 1st Embodiment shown in FIG. Other points are the same as those of the power conversion apparatus 10 according to the first embodiment.

断路器５は、変換器ユニット１がカスケード接続された相変換器の電力系統４側に設けられている。相変換器を構成する全ての変換器ユニット１が引き抜かれた場合、引き抜かれた各変換器ユニット１に対応する機械スイッチ２が全て閉じるため、相が短絡状態になる。そこで、断路器５を開放することで、全ての変換器ユニット１が引き抜かれた場合でも、相が短絡するのを防止することができる。なお、断路器５が相変換器の電力系統４側に設けられていれば、相変換器を構成する全ての変換器ユニット１と電力系統４との電気的な接続を切り離すことができるが、相が短絡するのを防止するだけであれば、断路器５は、各相に設けられていれば何処に設けられていてもよい。また、断路器５の代わりに、遮断器などのどのような開閉器を用いてもよい。   The disconnector 5 is provided on the power system 4 side of the phase converter in which the converter units 1 are cascade-connected. When all the converter units 1 constituting the phase converter are pulled out, all the mechanical switches 2 corresponding to the pulled out converter units 1 are closed, so that the phases are short-circuited. Therefore, by opening the disconnector 5, it is possible to prevent the phases from being short-circuited even when all the converter units 1 are pulled out. If the disconnector 5 is provided on the power system 4 side of the phase converter, the electrical connection between all the converter units 1 constituting the phase converter and the power system 4 can be disconnected. As long as the phases are only prevented from being short-circuited, the disconnector 5 may be provided anywhere as long as it is provided in each phase. Further, any switch such as a circuit breaker may be used instead of the disconnect switch 5.

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、各相に断路器５を設けることで、変換器ユニット１を相単位で全て引き抜いても、相が短絡するのを防止することができる。   According to the present embodiment, in addition to the effects of the first embodiment, by providing the disconnector 5 in each phase, even if the converter unit 1 is pulled out in units of phases, the phases are prevented from being short-circuited. be able to.

なお、各実施形態において、電力変換装置は、説明した構成に限らず、変換器ユニット１が直列に接続された構成があれば、どのような構成でもよい。どのような構成の電力変換装置であっても、変換器ユニット１毎に対応する機械スイッチ２を設けることで、各実施形態と同様の作用効果を得ることができる。   In each embodiment, the power conversion device is not limited to the configuration described above, and may have any configuration as long as the converter unit 1 is connected in series. Even if it is a power converter device of what kind of structure, the same effect as each embodiment can be acquired by providing the mechanical switch 2 corresponding to every converter unit 1. FIG.

機械スイッチ２の構成は、説明したものに限らない。変換器ユニット１を実装すると、機械スイッチ２が切り状態になり、変換器ユニット１を取り除くと、機械スイッチ２が入り状態になる構造であれば、どのような構造のものでもよい。また、ばね２２，２３及び押出し棒２４，２５は、それぞれ１つでもよいし、各実施形態と同様の働きをするのであれば、機械スイッチ２の何処に設けられていてもよい。さらに、機械スイッチ２を構成する部品は、どのような形状の構造物でもよい。   The configuration of the mechanical switch 2 is not limited to that described. When the converter unit 1 is mounted, the mechanical switch 2 is turned off, and when the converter unit 1 is removed, the mechanical switch 2 is turned on. Further, the number of the springs 22 and 23 and the push-out rods 24 and 25 may be one each, and the mechanical switches 2 may be provided anywhere as long as the same functions as those of the embodiments are performed. Further, the parts constituting the mechanical switch 2 may be structures of any shape.

各実施形態では、図１に示すフルブリッジで構成された変換器ユニット１について説明したが、図６に示すハーフブリッジで構成された変換器ユニット１Ｈを用いてもよい。ハーフブリッジの変換器ユニット１Ｈは、フルブリッジの変換器ユニット１から２つのスイッチング素子１３，１４と２つのダイオード１７，１８を取り除いた構成である。   In each embodiment, the converter unit 1 configured with the full bridge illustrated in FIG. 1 has been described. However, the converter unit 1H configured with the half bridge illustrated in FIG. 6 may be used. The half-bridge converter unit 1 </ b> H has a configuration in which the two switching elements 13 and 14 and the two diodes 17 and 18 are removed from the full-bridge converter unit 1.

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment as it is, and can be embodied by modifying the constituent elements without departing from the scope of the invention in the implementation stage. Moreover, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of constituent elements disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.

１…変換器ユニット、１１〜１４…スイッチング素子、１５〜１８…ダイオード、１９…コンデンサ、Ｌ１，Ｌ２…配線。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Converter unit, 11-14 ... Switching element, 15-18 ... Diode, 19 ... Capacitor, L1, L2 ... Wiring.

Claims (3)

カスケード接続された複数の変換器ユニットと、
前記複数の変換器ユニットに対応して設けられ、前記変換器ユニットが実装されると、前記変換器ユニットに接続される２つの配線を短絡し、前記変換器ユニットが取り除かれると、前記２つの配線を電気的に切り離す複数の機械スイッチと
を備えることを特徴とする電力変換装置。 A plurality of cascaded converter units;
Provided corresponding to the plurality of converter units, when the converter unit is mounted, two wires connected to the converter unit are short-circuited, and when the converter unit is removed, the two A power conversion device comprising: a plurality of mechanical switches that electrically disconnect wiring. 前記機械スイッチは、
前記２つの配線を短絡する短絡用導体と、
前記変換器ユニットの２つの端子を接続する２つのコネクタと、
前記短絡用導体を前記２つの配線を接触させて、前記２つの配線を短絡する短絡手段と、
前記２つのコネクタに、前記変換器ユニットの前記２つの端子を接続すると、前記短絡用導体を前記２つの配線から離し、前記２つの配線が電気的に切り離される切り離し手段とを備えること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。 The mechanical switch is
A short-circuiting conductor for short-circuiting the two wires;
Two connectors for connecting the two terminals of the converter unit;
Short-circuit means for short-circuiting the two wires by bringing the two short-circuit conductors into contact with the two wires;
When the two terminals of the converter unit are connected to the two connectors, the shorting conductor is separated from the two wirings, and a disconnecting means for electrically disconnecting the two wirings is provided. The power conversion device according to claim 1. 前記複数の変換器ユニットは、三相の相変換器を構成し、
各相に設けられた開閉器を備えること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。 The plurality of converter units constitute a three-phase phase converter,
The power converter according to claim 1, further comprising a switch provided in each phase.
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