JP2021141690A - Power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、電力変換装置に関する。 The present disclosure relates to a power converter.
電力変換装置の回路構成の一つに、モジュラーマルチレベルコンバータ(MMC)がある。MMCは、直列に接続される複数のセルを備え、複数のセルは、それぞれ、コンデンサが接続されるフルブリッジ変換回路と、フルブリッジ変換回路内の複数のアームをオンまたはオフにする駆動回路とを有する。セルには複数の動作モードがあり、その一つとして、全ての上アームをオン状態にすることで、セルから零電圧を出力させる動作モードが存在する(例えば、特許文献1の図4Cのモード1参照)。 One of the circuit configurations of the power converter is a modular multi-level converter (MMC). The MMC comprises a plurality of cells connected in series, each of which is a full bridge conversion circuit to which a capacitor is connected and a drive circuit for turning on or off multiple arms in the full bridge conversion circuit. Has. The cell has a plurality of operation modes, and one of them is an operation mode in which a zero voltage is output from the cell by turning on all the upper arms (for example, the mode of FIG. 4C of Patent Document 1). 1).
零電圧を出力するために全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態にすると、コンデンサの充電ができなくなるので、コンデンサの電圧が次第に低下する。しかしながら、各アームを駆動する駆動回路がコンデンサから供給される電力を利用する構成では、コンデンサから駆動回路に供給される電力が不足すると、全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態に維持できなくなる。その結果、零電圧を継続的に出力できなくなるおそれがある。 If all the upper arms or all the lower arms are turned on to output zero voltage, the capacitor cannot be charged, so that the voltage of the capacitor gradually decreases. However, in a configuration in which the drive circuit that drives each arm uses the power supplied from the capacitor, if the power supplied from the capacitor to the drive circuit is insufficient, all the upper arms or all the lower arms can be kept on. It disappears. As a result, the zero voltage may not be continuously output.
本開示は、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供する。 The present disclosure provides a power conversion device capable of continuously outputting a zero voltage.
本開示は、
一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器と、
前記複数のセル変換器のうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、前記隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスとを備え、
前記隣り合う複数の変換器は、それぞれ、
コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記絶縁トランスから供給される電力に基づいて前記駆動回路に給電する給電回路とを有し、
前記絶縁トランスは、前記隣り合う複数の変換器のうち一方の端部に位置する一方の変換器と他方の端部に位置する他方の変換器とに接続される一次側コイルと、前記隣り合う複数の変換器の各々の前記給電回路に接続される二次側コイルとを有し、
前記一次側コイルは、前記一方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの一方の端子と、前記他方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの他方の端子との間に接続されており、
前記隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの第1変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続し、少なくとも一つの第2変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧以外の電圧の出力を継続する、電力変換装置を提供する。
This disclosure is
A plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals.
It is provided for each group to which a plurality of adjacent converters belong among the plurality of cell converters, and includes at least one isolation transformer connected to the plurality of adjacent converters.
Each of the plurality of adjacent converters
The power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals, the drive circuit for driving the power conversion circuit, and the drive circuit based on the power supplied from the insulation transformer. It has a power supply circuit that supplies power.
The isolation transformer is adjacent to a primary coil connected to one converter located at one end of the plurality of adjacent converters and the other converter located at the other end. It has a secondary coil connected to each of the power supply circuits of the plurality of converters.
The primary coil is connected between one terminal of the pair of AC output terminals of the one converter and the other terminal of the pair of AC output terminals of the other converter. And
Of the plurality of adjacent converters, at least one first converter continues to output zero voltage from the pair of AC output terminals, and at least one second converter is connected to the pair of AC output terminals. Provided is a power converter that continues to output a voltage other than zero voltage.
本開示によれば、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供できる。 According to the present disclosure, it is possible to provide a power conversion device capable of continuously outputting a zero voltage.
以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments according to the present disclosure will be described with reference to the drawings.
図1は、一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図であり、MMCの回路構成の一例を示す。MMCは、例えば、無効電力補償装置(STATCOM)や直流送電システム(HVDC)に適用可能である。図1に示す電力変換装置400は、複数のクラスタ50(50UV,50VW,50WU)、複数のリアクトル51(51UV,51VW,51WU)及び制御部401を備える。
FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a power conversion device according to an embodiment, and shows an example of a circuit configuration of an MMC. The MMC is applicable, for example, to a static power compensator (STATCOM) and a direct current transmission system (HVDC). The
U相のクラスタ50UVは、一対の交流出力端子a,bを介して直列に接続される複数のセル変換器52UV1,52UV2,・・・,52UVx−1,52UVxを有する。V相のクラスタ50VWは、一対の交流出力端子a,bを介して直列に接続される複数のセル変換器52VW1,52VW2,・・・,52VWx−1,52VWxを有する。W相のクラスタ50WUは、一対の交流出力端子a,bを介して直列に接続される複数のセル変換器52WU1,52WU2,・・・,52WUx−1,52WUxを有する。xは、各クラスタにおいてセル変換器が直列に接続される個数を表し、2以上の整数である。 The U-phase cluster 50UV has a plurality of cell converters 52UV 1 , 52UV 2 , ..., 52UV x-1 , 52UV x connected in series via a pair of AC output terminals a and b. The V-phase cluster 50VW has a plurality of cell converters 52VW 1 , 52VW 2 , ..., 52VW x-1 , 52VW x connected in series via a pair of AC output terminals a and b. The W-phase cluster 50WU has a plurality of cell converters 52WU 1 , 52WU 2 , ..., 52WU x-1 , 52WU x connected in series via a pair of AC output terminals a and b. x represents the number of cell transducers connected in series in each cluster, and is an integer of 2 or more.
複数のセル変換器52(52UV1〜52UVx,52VW1〜52VWx,52WU1〜52WUx)は、それぞれ、一対の交流出力端子a,bをそれぞれ有し、一対の交流出力端子a,bを介して直列に接続される。複数のセル変換器52は、それぞれ、自身の第1の交流出力端子aが、自身に隣接する一方のセル変換器の第2の交流出力端子bに接続され、自身の第2の交流出力端子bが、自身に隣接する他方のセル変換器の第1の交流出力端子aに接続される。
Each of the plurality of cell converters 52 (52UV 1 to 52UV x , 52VW 1 to 52VW x , 52WU 1 to 52WU x ) has a pair of AC output terminals a and b, respectively, and a pair of AC output terminals a and b. Connected in series via. Each of the plurality of
クラスタ50UV、クラスタ50VW、クラスタ50WUは、リアクトル51UV,51VW,51WUを介してデルタ結線されており、系統300に連系している。系統300への連系は、図示しない変圧器を介してもよい。デルタ結線は、デルタ結線内に循環電流が流れるので、制御部401は、この循環電流を複数のセル変換器52によって制御することにより、逆相無効電流を調整できる。なお、図1は、デルタ結線を例示するが、クラスタ50UV、クラスタ50VW、クラスタ50WUは、スター結線されてもよいし、他の結線方式で結線されてもよい。
The cluster 50UV, the cluster 50VW, and the cluster 50WU are delta-connected via the reactors 51UV, 51VW, and 51WU, and are connected to the
複数のセル変換器52は、それぞれ、複数のスイッチング素子を有する電力変換回路と、その電力変換回路を動作させる駆動回路部とを有する。複数のセル変換器52は、互いに同一の構成を有する。スイッチング素子は、例えば、トランジスタと、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードとを有する。トランジスタの具体例として、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などが挙げられる。
Each of the plurality of
電力変換装置400は、制御部401が複数のセル変換器52のそれぞれに互いに異なる位相で電圧波形を出力させることで、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を有し、且つ、高調波が低減されたマルチレベル電圧波形を出力できる。そのため、電力変換装置400は、例えば、特別高圧系統に直接連系する無効電力補償装置や直流送電システムなどに適用可能である。
In the
クラスタ50UVは、複数のセル変換器52UV1,52UV2,・・・,52UVx−1,52UVxのうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、それらの隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスを有する。図1には、第1UVグループに属する隣り合う複数のセル変換器52UV1,52UV2に接続される絶縁トランス54UV1と、第yUVグループに属する隣り合う複数のセル変換器52UVx−1,52UVxに接続される絶縁トランス54UVyとが図示されている。この場合、絶縁トランス54UV1は、第1UVグループに属し、絶縁トランス54UVyは、第yUVグループに属する。 The cluster 50UV is provided for each group to which a plurality of adjacent converters among a plurality of cell converters 52UV 1 , 52UV 2 , ..., 52UV x-1 , 52UV x belong, and a plurality of adjacent converters thereof. Has at least one isolation transformer connected to. FIG. 1 shows an isolation transformer 54UV 1 connected to a plurality of adjacent cell converters 52UV 1 and 52UV 2 belonging to the first UV group, and a plurality of adjacent cell converters 52UV x-1 , 52UV belonging to the yUV group. An isolation transformer 54UV y connected to x is shown. In this case, the isolation transformer 54UV 1 belongs to the first UV group, and the isolation transformer 54UV y belongs to the yUV group.
クラスタ50VWは、複数のセル変換器52VW1,52VW2,・・・,52VWx−1,52VWxのうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、それらの隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスを有する。図1には、第1VWグループに属する隣り合う複数のセル変換器52VW1,52VW2に接続される絶縁トランス54VW1と、第yVWグループに属する隣り合う複数のセル変換器52VWx−1,52VWxに接続される絶縁トランス54VWyとが図示されている。この場合、絶縁トランス54VW1は、第1VWグループに属し、絶縁トランス54VWyは、第yVWグループに属する。 The cluster 50VW is provided for each group to which a plurality of adjacent converters among a plurality of cell converters 52VW 1 , 52VW 2 , ..., 52VW x-1 , 52VW x belong, and a plurality of adjacent converters thereof. Has at least one isolation transformer connected to. FIG. 1 shows an isolation transformer 54VW 1 connected to a plurality of adjacent cell converters 52VW 1 , 52VW 2 belonging to the first VW group, and a plurality of adjacent cell converters 52VW x-1 , 52VW belonging to the yVW group. An isolation transformer 54VW y connected to x is shown. In this case, the isolation transformer 54VW 1 belongs to the first VW group, and the isolation transformer 54VW y belongs to the yVW group.
クラスタ50WUは、複数のセル変換器52WU1,52WU2,・・・,52WUx−1,52WUxのうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、それらの隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスを有する。図1には、第1WUグループに属する隣り合う複数のセル変換器52WU1,52WU2に接続される絶縁トランス54WU1と、第yWUグループに属する隣り合う複数のセル変換器52WUx−1,52WUxに接続される絶縁トランス54WUyとが図示されている。この場合、絶縁トランス54WU1は、第1WUグループに属し、絶縁トランス54WUyは、第yWUグループに属する。 The cluster 50WU is provided for each group to which a plurality of adjacent converters among a plurality of cell converters 52WU 1 , 52WU 2 , ..., 52WU x-1 , 52WU x belong, and the plurality of adjacent converters thereof. Has at least one isolation transformer connected to. FIG. 1 shows an isolation transformer 54WU 1 connected to a plurality of adjacent cell converters 52WU 1 and 52WU 2 belonging to the first WU group, and a plurality of adjacent cell converters 52WU x-1 , 52WU belonging to the yWU group. An isolation transformer 54 WU y connected to x is shown. In this case, the isolation transformer 54WU 1 belongs to the first WU group, and the isolation transformer 54WU y belongs to the yWU group.
一グループ当たりに属する隣り合う複数の変換器の数は、2つに限られず、3つ以上でもよい。例えばクラスタ50UVにおいて、隣り合う4つのセル変換器52UV1,52UV2,52UV3,52UV4が一つのグループに属してもよい。また、グループの数は、複数に限られず、一つでもよい。例えばクラスタ50UVにおいて、グループ数が一つの場合、複数のセル変換器52UV1,52UV2,・・・,52UVx−1,52UVxの全てが第1UVグループに属する。これらの点は、他のクラスタ50VW,50WUについても同様である。 The number of adjacent converters belonging to one group is not limited to two, and may be three or more. For example, in a cluster 50UV, four adjacent cell converters 52UV 1 , 52UV 2 , 52UV 3 , 52UV 4 may belong to one group. Further, the number of groups is not limited to a plurality, and may be one. For example, in the cluster 50UV, when the number of groups is one, all of the plurality of cell converters 52UV 1 , 52UV 2 , ..., 52UV x-1 , 52UV x belong to the first UV group. These points are the same for other clusters 50VW and 50WU.
絶縁トランス54(54UV1,・・・,54UVy,54VW1,・・・,54VWy,54WU1,・・・,54WUy)は、それぞれ、同一グループに属する一又は複数のセル変換器の出力電力を用いて、同一グループに属する一又は複数のセル変換器の駆動回路に給電する自己給電用変圧器である。 Isolation transformers 54 (54UV 1 , ..., 54UV y , 54VW 1 , ..., 54VW y , 54WU 1 , ..., 54WU y ) are of one or more cell converters belonging to the same group, respectively. A self-powering transformer that uses output power to supply power to the drive circuits of one or more cell converters that belong to the same group.
絶縁トランス54は、それぞれ、一次側コイルと二次側コイルとを有する。一次側コイルは、同一グループに属する隣り合う複数の変換器のうち一方の端部に位置する一方の変換器と他方の端部に位置する他方の変換器とに接続される。そして、一次側コイルは、その一方の変換器の一対の交流出力端子a,bのうちの一方の端子aと、その他方の変換器の一対の交流端子a,bのうちの他方の端子bとの間に接続されている。二次側コイルは、同一グループに属する隣り合う複数の変換器の各々の給電回路に接続される。 The isolation transformer 54 has a primary coil and a secondary coil, respectively. The primary coil is connected to one of a plurality of adjacent converters belonging to the same group, which is located at one end, and the other converter, which is located at the other end. The primary coil is formed by one terminal a of a pair of AC output terminals a and b of one of the converters and the other terminal b of a pair of AC terminals a and b of the other converter. Is connected to. The secondary coil is connected to the feeding circuit of each of a plurality of adjacent converters belonging to the same group.
例えば図1では、絶縁トランス54UV1の一次側コイルは、第1UVグループに属する隣り合う複数のセル変換器のうち一方の端部に位置するセル変換器52UV1と、第1UVグループに属する隣り合う複数のセル変換器のうち他方の端部に位置するセル変換器52UV2とに接続される。そして、絶縁トランス54UV1の一次側コイルは、セル変換器52UV1の一方の端子aと、セル変換器52UV2の他方の端子bとの間に接続されている。絶縁トランス54UV1の二次側コイルは、第1UVグループに属する隣り合う複数の変換器の各々の給電回路に接続される。他の絶縁トランスについても同様である。 For example, in FIG. 1, the primary coil of the isolation transformer 54UV 1 is adjacent to the cell converter 52UV 1 located at one end of a plurality of adjacent cell converters belonging to the first UV group and adjacent to each other belonging to the first UV group. It is connected to the cell converter 52UV 2 located at the other end of the plurality of cell converters. The primary coil of the isolation transformer 54UV 1 is connected between one terminal a of the cell converter 52UV 1 and the other terminal b of the cell converter 52UV 2. The secondary coil of the isolation transformer 54UV 1 is connected to each power supply circuit of a plurality of adjacent converters belonging to the first UV group. The same applies to other isolation transformers.
同一グループに属する隣り合う複数のセル変換器の数が3つ以上の場合、一次側コイルは、同一グループに属する隣り合う複数のセル変換器のうち両端にそれぞれ位置するセル変換器に接続される。例えば、セル変換器52UV1,52UV2,52UV3が同一グループの場合、セル変換器52UV1の一方の端子aとセル変換器52UV3の他方の端子bとの間に一次側コイルが接続される。他の絶縁トランスについても同様である。 When the number of adjacent cell converters belonging to the same group is three or more, the primary coil is connected to the cell converters located at both ends of the adjacent cell converters belonging to the same group. .. For example, when the cell converters 52UV 1, 52UV 2, 52UV 3 are in the same group, a primary coil is connected between one terminal a of the cell converter 52UV 1 and the other terminal b of the cell converter 52UV 3. NS. The same applies to other isolation transformers.
同一グループに属する隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの第1変換器は、一対の交流出力端子a,bから零電圧の出力を継続し、少なくとも一つの第2変換器は、一対の交流出力端子a,bから零電圧以外の電圧の出力を継続する。これにより、第1変換器の零電圧の出力に必要な駆動電力を、同一グループ内の残りの第2変換器から出力される電力によって賄うことができるので、第1変換器の零電圧を継続的に出力できる。第1変換器が零電圧を出力する動作モードとして、例えば、図3に示す動作モードA,B,Cのいずれかがある(図3については後述)。 Of the plurality of adjacent converters belonging to the same group, at least one first converter continues to output zero voltage from the pair of AC output terminals a and b, and at least one second converter is a pair. Continue to output a voltage other than zero voltage from the AC output terminals a and b. As a result, the drive power required for the output of the zero voltage of the first converter can be covered by the power output from the remaining second converters in the same group, so that the zero voltage of the first converter can be continued. Can be output. As an operation mode in which the first converter outputs a zero voltage, for example, there is one of the operation modes A, B, and C shown in FIG. 3 (FIG. 3 will be described later).
図2は、セル変換器の構成例を示す図であり、複数のセル変換器52UV1〜52UVx,52VW1〜52VWx,52WU1〜52WUxのそれぞれの構成例を示す。図2に示すセル変換器52は、コンデンサ600における直流電力を交流電力に変換して一対の交流出力端子a,bに出力する機能と、一対の交流出力端子a,bから入力される交流電力を直流電力に変換してコンデンサ600に供給する機能とを有する。
FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a cell converter, and shows a configuration example of each of a plurality of cell converters 52UV 1 to 52UV x , 52VW 1 to 52VW x , and 52WU 1 to 52WU x . The
セル変換器52は、一対の交流出力端子a,b、コンデンサ600、電力変換回路53、GDU(Gate Drive Unit)502a〜502f、バイパススイッチ604及び給電回路603を備える。
The
コンデンサ600は、一対の交流出力端子a,bに電力変換回路53を介して接続される容量素子である。Edcは、コンデンサ600の電圧値を表す。
The
電力変換回路53は、コンデンサ600と一対の交流出力端子a,bとの間に接続され、直流と交流との間で双方向に電力を変換するインバータ回路である。電力変換回路53は、コンデンサ600に並列に接続されている。図2には、複数のスイッチング素子501(501a〜501d)を有するフルブリッジ回路が例示されている。電力変換回路53は、スイッチング素子501a,501bが直列に接続される回路と、スイッチング素子501c,501dが直列に接続される回路とが並列に接続されたフルブリッジ構成を有する。第1上アームのスイッチング素子501aと第1下アームのスイッチング素子501bとの間の接続点に、第1の交流出力端子aが接続されている。第2上アームのスイッチング素子501cと第2下アームのスイッチング素子501dとの間の接続点に、第2の交流出力端子bが接続されている。
The
図2に例示する複数のスイッチング素子501は、ダイオードが逆並列に接続されたIGBTであるが、MOSFETやサイリスタ等のスイッチング機能を有するスイッチング素子でもよい。 The plurality of switching elements 501 illustrated in FIG. 2 are IGBTs in which diodes are connected in antiparallel, but switching elements having a switching function such as MOSFETs and thyristors may also be used.
スイッチング素子と逆並列ダイオードとのうち少なくとも一方は、SiC(炭化ケイ素)やGaN(窒化ガリウム)やGa2O3(酸化ガリウム)やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を含む素子であることが好ましい。ワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子に適用することにより、スイッチング素子の損失低減の効果が高まる。なお、スイッチング素子は、Si(シリコン)などの半導体を含む素子でもよい。同様に、ワイドバンドギャップ半導体を含む素子をダイオードに適用することにより、ダイオードの損失低減の効果が高まる。なお、ダイオードは、Si(シリコン)などの半導体を含む素子でもよい。 At least one of the switching element and the antiparallel diode is preferably an element containing a wide bandgap semiconductor such as SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), Ga 2 O 3 (gallium oxide), or diamond. By applying the wide bandgap semiconductor to the switching element, the effect of reducing the loss of the switching element is enhanced. The switching element may be an element containing a semiconductor such as Si (silicon). Similarly, by applying an element containing a wide bandgap semiconductor to the diode, the effect of reducing the loss of the diode is enhanced. The diode may be an element containing a semiconductor such as Si (silicon).
一対の交流出力端子a,bの間には、セル変換器52を短絡してバイパスするバイパススイッチ604が接続される。図2に示すバイパススイッチ604は、IGBT604aとIGBT604bを逆直列に接続する構成であるが、この構成に限られず、機械スイッチなどを使用する構成でもよい。あるいは、バイパススイッチ604は、2つのサイリスタを逆並列に接続する構成でもよい。一対の交流出力端子a,b間のバイパスをオフするときは、各素子をオフにし、バイパスをオンするときは、各素子をオンすることで、バイパス機能を実現できる。
A
GDU502a〜502dは、電力変換回路53を駆動する駆動回路であり、具体的には、電力変換回路53に構成される複数のスイッチング素子501a〜501dのゲートを駆動するゲート駆動回路である。GDU502a〜502dは、自身に接続される絶縁トランス54から給電回路603を介して供給される電力に基づいて、電力変換回路53に構成される複数のスイッチング素子501a〜501dを駆動する。
The
GDU502e,502fは、バイパススイッチ604を駆動する駆動回路であり、具体的には、バイパススイッチ604に構成される複数のスイッチング素子(IGBT604a,604b)のゲートを駆動するゲート駆動回路である。GDU502e,502fは、自身に接続される絶縁トランス54から給電回路603を介して供給される電力に基づいて、バイパススイッチ604に構成される複数のスイッチング素子(IGBT604a,604b)を駆動する。
The GDU502e and 502f are drive circuits that drive the
GDU502e,502fは、例えば、直列に接続される複数のセル変換器のうち自身のセル変換器52の故障が検出された場合に、バイパススイッチ604をオンにする駆動回路である。当該故障が検出された場合にバイパススイッチ604がオンになることで、図1のように直列に接続される複数のセル変換器のうち任意のセル変換器が故障しても、電力変換装置400の運転を継続できる。当該故障が検出された場合、一対の交流出力端子a,bに流れる電流は、バイパススイッチ604を経由するので、故障したセル変換器52の電力変換回路53に電流が流れることを防止できる。
The
例えば、制御部401(図1参照)は、複数のセル変換器のそれぞれを監視する。GDU502e,502fは、自身のセル変換器52の故障が制御部401により検出された場合、制御部401からの指令信号に従ってバイパススイッチ604をオンにする。制御部401は、例えば、電力変換回路53(より具体的には、スイッチング素子501a〜501dのいずれか)に異常な印加電圧が検出された場合、あるいは、コンデンサ600に異常な印加電圧が検出された場合、バイパススイッチ604をオンにする。
For example, the control unit 401 (see FIG. 1) monitors each of the plurality of cell converters. When a failure of its
給電回路603は、自身に接続される絶縁トランス54の二次側コイルから供給される電力に基づいてGDU502a〜502fに電力を供給する自己給電回路(電源回路)である。図2に示す例では、給電回路603は、絶縁トランス54の2次側コイルに並列に接続されている。GDU502a〜502fへの電力供給は、給電回路603を介して行われる。セル変換器52と同一グループに属する絶縁トランス54から供給される電力が給電回路603に供給され、給電回路603からGDU502a〜502fのそれぞれに必要な電力が供給される。
The
GDU502a〜502dは、制御部401(図1参照)からの制御信号に従って、複数のスイッチング素子501a〜501dのうち対応するスイッチング素子のゲート−エミッタ間に電圧を印加することで、当該対応するスイッチング素子をオン又はオフにする。このような動作によって、セル変換器52の一対の交流出力端子a,b間に矩形波状の電圧が発生する。同様に、GDU502e,502fは、制御部401(図1参照)からの制御信号に従って、複数のスイッチング素子(IGBT604a,604b)のうち対応するスイッチング素子のゲート−エミッタ間に電圧を印加することで、当該対応するスイッチング素子をオン又はオフにする。
The
制御部401(図1参照)は、複数のセル変換器52に共通のキャリア周期Tc(キャリア周波数の逆数)に従って、複数のスイッチング素子501a〜501fをオン又はオフにする制御信号(例えば、パルス幅変調された信号)を生成するコントローラである。制御部401は、メモリとプロセッサ(例えば、CPU(Central Processing Unit))を有し、制御部401の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。
The control unit 401 (see FIG. 1) is a control signal (for example, pulse width) that turns on or off a plurality of switching
制御部401は、複数のセル変換器52のそれぞれのコンデンサ600の電圧値Edcを監視し、複数のセル変換器52のそれぞれのコンデンサ600の電圧値Edcに基づいて、複数のセル変換器52の中から一つ以上のセル変換器を選択する。例えば、制御部401は、複数のセル変換器52のそれぞれのコンデンサ600の電圧値Edcがいずれも正常な場合、複数のセル変換器52はいずれも健全であると判定し、複数のセル変換器52の中から一つ以上の特定のセル変換器を選択する。制御部401は、例えば、コンデンサ600の電圧値Edcが所定の電圧範囲VAにあるとき、コンデンサ600の電圧値Edcは正常と判定し、当該コンデンサ600を有するセル変換器は健全と判定する。制御部401は、選択されるセル変換器が固定されることを避けるため、複数のセル変換器52の中から特定のセル変換器として選択される一つ以上のセル変換器を順次切り替えてもよい。
The
図3は、特定のセル変換器の動作モードを示す図である。制御部401は、複数のセル変換器52がいずれも健全であると判定した場合、複数のセル変換器52の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第1状態、第2状態、又は第3の状態に維持させる。第1状態とは、全ての上アームがオンで全ての下アームがオフでバイパススイッチ604がオフの状態を表す。第2状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオンでバイパススイッチ604がオフの状態を表す。第3の状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオフでバイパススイッチ604がオンの状態を表す。この例では、全ての上アームとは、スイッチング素子501a,501cであり、全ての下アームとは、スイッチング素子501b,501dである。制御部401により選択された一つ以上の特定のセル変換器のGDU502は、制御部401からの制御信号により指示される図3に示す動作モードに従って、第1状態、第2状態、又は第3の状態を維持する。特定のセル変換器が第1状態、第2状態又は第3の状態に維持されることで、一対の交流出力端子a,bからの出力電圧Voutは、零電圧になる。零電圧の出力状態では、一対の交流出力端子a,bの間は、オン状態の全ての上アーム、オン状態の全ての下アーム、又はオン状態のバイパススイッチ604を介して、短絡される。その結果、特定のセル変換器を除く複数のセル変換器52を用いて電力変換装置400の運転を継続できる。
FIG. 3 is a diagram showing an operation mode of a specific cell converter. When the
電力変換装置400に構成される複数のクラスタ50のそれぞれには、いずれかのセル変換器の異常発生に備えて、一つ以上のセル変換器が冗長に設けられている場合が多い。一つ以上の冗長なセル変換器が存在することで、いずれかのセル変換器が故障しても、電力変換装置400は定格無効電力を出力できる。しかしながら、複数のセル変換器52がいずれも健全である場合、一つ以上の冗長なセル変換器内の複数のスイッチング素子もスイッチングさせると、それらの冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失が発生してしまう。
In many cases, one or more cell converters are redundantly provided in each of the plurality of clusters 50 configured in the
これに対し、本実施形態では、複数のセル変換器52がいずれも健全である場合、一つ以上の特定のセル変換器が第1状態、第2状態又は第3の状態に維持されるので、一つ以上の冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失を抑制できる。
On the other hand, in the present embodiment, when the plurality of
制御部401は、複数のセル変換器52の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第1状態、第2状態、又は第3の状態に少なくともキャリア周期Tcよりも長く維持させる。これにより、絶縁トランス54から給電回路603を介してGDU502a〜502fに供給される電力が不足しない限り、GDU502a〜502fは、キャリア周期Tcよりも長い期間、出力電圧Voutを零電圧に維持できる。
The
制御部401は、同一グループに属する隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの変換器を除く一つ以上の特定の変換器を選択し、その選択した特定の変換器の一対の交流出力端子a,bから零電圧の出力を継続させる。その選択した特定の変換器の駆動回路(GDU501a〜501d)は、電力変換回路53を駆動して、一対の交流出力端子a,bから零電圧を継続的に出力する。つまり、同一グループ内のセル変換器の各GDUへ常時給電するため、同一グループに属する絶縁トランス54に並列に接続されている複数のセル変換器のうち少なくとも一つの変換器は、零電圧以外の電圧を出力する。したがって、同一グループ内で零電圧を出力するセル変換器の台数は、(同一グループの絶縁トランス54に並列に接続されているセル変換器の数‐1)以下にする必要がある。同一グループ内で全てのセル変換器が零電圧を出力すると、そのグループに接続される絶縁トランス54の一次側コイルに電圧が印加されなくなるので、その絶縁トランス54が機能しなくなるからである。
The
次に、セル変換器50UV1が零電圧を出力しているときに、同一グループ内に属し且つ零電圧以外の電圧を継続的に出力する他のセル変換器50UV2が故障した時の動作例について説明する。 Next, when the cell converter 50UV 1 is outputting a zero voltage, an operation example when another cell converter 50UV 2 belonging to the same group and continuously outputting a voltage other than the zero voltage fails. Will be described.
制御部401は、セル変換器50UV2の故障が検出された場合、セル変換器50UV2のバイパススイッチ604をオンさせ、セル変換器50UV2に代えてセル変換器50UV1を動かすことで、セル変換器50UV1から零電圧以外の電圧を継続的に出力させる。セル変換器50UV1が零電圧を出力している期間には、セル変換器50UV1のコンデンサ600の充電が外部からできなくなるので、セル変換器50UV1のコンデンサ600の電圧は次第に低下する。そのため、セル変換器50UV2が故障した時に、セル変換器50UV1のコンデンサ600の電圧値Edcが不足していると、セル変換器50UV1から零電圧以外の電圧を出力できなくなるおそれがある。そこで、セル変換器50UV1から零電圧以外の電圧を出力できるように、セル変換器50UV1のコンデンサ600を速やかに充電することが求められる。
本実施形態では、健全なセル変換器(50UV1,50UV3〜50UVx,50VW1〜50VWx,50WU1〜50WUx)によって、デルタ結線内に循環電流を流して、セル変換器50UV1のコンデンサ600を充電する。制御部401は、故障が検出されたセル変換器50UV2のバイパススイッチ604をオンされた後、同一グループに属する残りのセル変換器50UV1のバイパススイッチ604をオフさせる。これにより、デルタ結線に流れる循環電流が電力変換回路53を介してセル変換器50UV1のコンデンサ600に流れることで、セル変換器50UV1のコンデンサ600は、速やかに充電される。
In this embodiment, a sound cell converter (50UV 1 , 50UV 3 to 50UV x , 50VW 1 to 50VW x , 50WU 1 to 50WU x ) causes a circulating current to flow through the delta connection to cause the cell converter 50UV 1 to flow. Charge the
図4は、セル変換器50UV1のコンデンサ600の充電を制御する制御部401の充電制御機能を表す制御ブロックを例示する図である。制御部401は、セル変換器50UV1のコンデンサ600の電圧指令値(目標電圧値)と検出電圧値との偏差Eeを減算器41により算出し、偏差EeをPI調節器42へ入力することで、循環電流の電流指令値Izref(循環電流の目標電流値)を生成する。PI調節器42は、偏差Eeに対して比例制御Pと積分制御Iを行う。
FIG. 4 is a diagram illustrating a control block representing a charge control function of the
一方、制御部401は、各相に流れる相電流iuv,ivw,iwuの平均値を算出することによって、循環電流の検出電流値Izを算出できる。制御部401は、例えば、リアクトル51UV,51VW,51WUにそれぞれ流れる相電流iuv,ivw,iwuを検出し、その検出電流値を加算器43により加算して、その加算値を除算器44により除算することで、循環電流の検出電流値Izを算出する。
On the other hand, the
制御部401は、循環電流の電流指令値Izrefと検出電流値Izとの偏差Ieを減算器45により算出し、偏差IeをP調節器46へ入力することで、電圧指令値Vrefを生成する。P調節器46は、偏差Ieに対して比例制御Pを行う。制御部401は、電圧指令値Vrefを健全なセル変換器の台数Nで除算器47により除算することで、各セル変換器用の電圧指令補正量Vrefcmpを生成する。
The
なお、ここでの健全なセル変換器の台数Nは、
N= 3相分のセル変換器の総数
−故障したセル変換器の数
−充電対象のコンデンサ600を有するセル変換器の数
にて求まる。
The number N of sound cell converters here is
N = total number of cell converters for 3 phases
− Number of failed cell converters
-It is obtained by the number of cell converters having the
一方、制御部401は、UV相の相電流の電流指令値Iuv*と検出電流値Iuvとの偏差iuveを減算器49により算出し、偏差iuveを電流制御器55へ入力することで、UV相の相電圧の電圧指令値Vuvaを生成する。電流制御器55は、いわゆる、ACR(Automatic Current Regulator)である。制御部401は、電圧指令値VuvaをUV相の健全なセル変換器の台数で除算器56により除算することで、各セルの電圧指令値Vuvbを生成する。制御部401は、電圧指令補正量Vrefcmpを電圧指令値Vuvbに加算器48により加算することで、セル変換器50UV1のコンデンサ600の電圧を所望の値に制御できる。
On the other hand, the
以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。 Although the power conversion device has been described above according to the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. Various modifications and improvements, such as combinations and substitutions with some or all of the other embodiments, are possible within the scope of the present invention.
50,50UV,50VW,50WU クラスタ
51,51UV,51VW,51WU リアクトル
52 セル変換器
52UV1,52UV2,52UVx セル変換器
52VW1,52VW2,52VWx セル変換器
52WU1,52WU2,52WUx セル変換器
53 電力変換回路
54UV1,54UVy,54VW1,54VWy,54WU1,54WUy 絶縁トランス
300 系統
400 電力変換装置
401 制御部
501,501a,501b,501c,501d スイッチング素子
502a〜502f GDU
600 コンデンサ
603 給電回路
604 バイパススイッチ
a,b 交流出力端子
50, 50UV, 50VW, 50WU Cluster 51, 51UV, 51VW,
600
Claims (6)
前記複数のセル変換器のうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、前記隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスとを備え、
前記隣り合う複数の変換器は、それぞれ、
コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記絶縁トランスから供給される電力に基づいて前記駆動回路に給電する給電回路とを有し、
前記絶縁トランスは、前記隣り合う複数の変換器のうち一方の端部に位置する一方の変換器と他方の端部に位置する他方の変換器とに接続される一次側コイルと、前記隣り合う複数の変換器の各々の前記給電回路に接続される二次側コイルとを有し、
前記一次側コイルは、前記一方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの一方の端子と、前記他方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの他方の端子との間に接続されており、
前記隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの第1変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続し、少なくとも一つの第2変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧以外の電圧の出力を継続する、電力変換装置。 A plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals.
It is provided for each group to which a plurality of adjacent converters belong among the plurality of cell converters, and includes at least one isolation transformer connected to the plurality of adjacent converters.
Each of the plurality of adjacent converters
The power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals, the drive circuit for driving the power conversion circuit, and the drive circuit based on the power supplied from the insulation transformer. It has a power supply circuit that supplies power.
The isolation transformer is adjacent to a primary coil connected to one converter located at one end of the plurality of adjacent converters and the other converter located at the other end. It has a secondary coil connected to each of the power supply circuits of the plurality of converters.
The primary coil is connected between one terminal of the pair of AC output terminals of the one converter and the other terminal of the pair of AC output terminals of the other converter. And
Of the plurality of adjacent converters, at least one first converter continues to output zero voltage from the pair of AC output terminals, and at least one second converter from the pair of AC output terminals. A power converter that continues to output a voltage other than zero voltage.
前記第1変換器は、前記バイパススイッチのオンによって、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続する、請求項1又は2に記載の電力変換装置。 The plurality of adjacent converters include a converter having a bypass switch connected between the pair of AC output terminals.
The power converter according to claim 1 or 2, wherein the first converter continues to output a zero voltage from the pair of AC output terminals when the bypass switch is turned on.
前記第2変換器の前記バイパススイッチがオンされ、且つ、前記第1変換器の前記バイパススイッチがオフされることで、前記第1変換器の前記コンデンサは、前記デルタ結線に流れる循環電流によって充電される、請求項3に記載の電力変換装置。 The plurality of cell converters are connected by a delta connection, and the plurality of cell converters are connected by a delta connection.
When the bypass switch of the second converter is turned on and the bypass switch of the first converter is turned off, the capacitor of the first converter is charged by the circulating current flowing through the delta connection. The power converter according to claim 3.
前記制御部は、前記選択したセル変換器の前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続させる、請求項1から4のいずれか一項に記載の電力変換装置。 A control unit for selecting one or more converters other than at least one of the plurality of adjacent converters is provided.
The power conversion device according to any one of claims 1 to 4, wherein the control unit continues to output a zero voltage from the pair of AC output terminals of the selected cell converter.
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