JP5371952B2 - マルチレベル接続構成を有するアクティブフィルタ - Google Patents

Description

本発明は、多数の相を有する交流電圧線の電力伝送に影響を及ぼすための装置であって、それぞれ交流電圧線の１つの相に接続するための１つの交流電圧端子と２つの接続端子とを有する相モジュールを備え、各接続端子と各交流電圧端子との間に相モジュールアームが配置されていて、相モジュールアームがサブモジュールの直列回路からなり、各サブモジュールがパワー半導体回路とパワー半導体回路に対して並列接続されたエネルギー蓄積器とを有し、接続端子が互いに接続されている装置に関する。

このような装置として、交流電圧線の系統周波数の高調波のフィルタリングならびに無効電力補償のため設けられた所謂マルチレベル電力変換器が既に公知である（例えば、特許文献１参照）。公知の電力変換器は、交流電圧系統の各相について、交流電圧端子を持った相モジュールを有する。各相モジュールの交流電圧端子にそれぞれ１つの相の交流電圧線が接続されている。各相モジュールは、２端子構成のサブモジュールの直列回路を有する。各サブモジュールは、コンデンサと、コンデンサに並列接続されたパワー半導体からなるフルブリッジ回路とを有する。これらのターンオフ制御可能なパワー半導体のそれぞれにはフリーホイールダイオードが逆並列接続されている。ターンオフ制御可能なパワー半導体としては、例えばＩＧＢＴ、ＧＴＯ等が使用される。フルブリッジ回路により、ターンオフ制御可能なパワー半導体を適切に制御すれば、各サブモジュールの端子には、コンデンサ電圧、零電圧または極性反転されたコンデンサ電圧が印加される。相モジュールは、交流電圧端子とは反対側の端部を互いに星形結線されている。パワー半導体回路によるサブモジュールの投入もしくは遮断によって、正弦波電圧が階段状に近似される。しかしながら、フルブリッジ回路は多数のパワー半導体モジュールを必要とし、それによってこのような装置のコストが増大する。

米国特許第６０７５３５０号明細書

したがって、本発明の課題は、低コストである冒頭に述べた如き装置を提供することにある。

本発明は、この課題を、パワー半導体回路が、互いにハーフブリッジ結線されたターンオフ制御可能なパワー半導体を有することによって解決する。

本発明によれば、マルチレベル接続構成を有するアクティブフィルタが提供されている。換言するならば、各相に対して、または直流電圧中間回路においてアクティブフィルタを適用する場合には各極に対して、サブモジュールの直列回路からなる相モジュールが設けられている。サブモジュールは２極であり、２つの接続端子を有する。この場合に各サブモジュールは、パワー半導体回路が並列接続されているエネルギー蓄積器、例えばコンデンサを持つ。パワー半導体回路のパワー半導体の制御に応じて、接続端子に、エネルギー蓄積器に存在する電圧または零電圧が発生可能である。従来技術によるマルチレベルアクティブフィルタと違って、本発明によればハーフブリッジ回路が設けられている。このような接続構成は、これまでは高電圧直流送電との関連でのみ知られていた。高電圧直流送電との関連でのフルブリッジ回路の使用は除外される。なぜならば、フルブリッジ回路に基づいては直流電圧中間回路への電流供給が可能でないからである。本発明は、パワー半導体の単に送電から知られているにすぎない相互接続をアクティブフィルタにも使用することができるという着想に基づいている。交流電圧系統または直流電圧中間回路における高調波の抑制は、本発明によれば、従来技術と違って極性反転されないエネルギー蓄積器電圧を接続端子に発生させることができないハーフブリッジによっても可能である。フルブリッジ回路に対するハーフブリッジ回路の大きな利点は、コストにおいて明らかである。なぜならば、ハーフブリッジ回路のゆえに、アクティブフィルタにおいて使用されるパワー半導体モジュールの個数が半分ですむからである。

ハーフブリッジの第１の適切な実施形態においては、各サブモジュールが、第１の接続端子と、第２の接続端子と、エネルギー蓄積器と、２つの直列接続されたターンオフ制御可能なパワー半導体を含みかつエネルギー蓄積器に並列接続されたパワー半導体アームとを有し、各ターンオフ制御可能なパワー半導体に逆極性のフリーホイールダイオードが並列接続されていて、パワー半導体アームの第１のターンオフ制御可能なパワー半導体のエミッタと第１のターンオフ制御可能なパワー半導体に付設された逆極性のフリーホイールダイオードのアノードとの接続点が第１の接続端子を形成し、パワー半導体アームのターンオフ制御可能なパワー半導体およびフリーホイールダイオードの接続点が第２の接続端子を形成する。

これとは異なる実施形態では、各サブモジュールが第１の端子および第２の端子を有し、パワー半導体回路が２つの直列接続されたターンオフ制御可能なパワー半導体を含みかつエネルギー蓄積器に並列接続されたパワー半導体アームを有し、各ターンオフ制御可能なパワー半導体に逆極性のダイオードが並列接続されていて、パワー半導体アームの第１のターンオフ制御可能なパワー半導体のコレクタと第１のターンオフ制御可能なパワー半導体に付設された逆極性のダイオードのカソードとの接続点が第１の接続端子を形成し、パワー半導体アームのターンオフ制御可能なパワー半導体およびフリーホイールダイオードの接続点が第２の接続端子を形成する。

本発明の適切な発展形態によれば、大地電位に接続された接地端子および２つの接続端子を有する他の相モジュールが設けられ、各接続端子と接地端子との間にそれぞれ相モジュールアームが配置されていて、各相モジュールアームがサブモジュール（９）の直列回路からなり、各接続端子が残りの相モジュールの接続端子に接続されている。この有利な発展形態によれば、逆相回路の減衰を提供するだけではない。むしろ接地によって零相電力の流出も可能にされるので、交流電圧線における零相電流の抑制も可能にされている。

本発明の有利な実施形態によれば、接地端子および２つの接続端子を有するコンデンサモジュールが設けられ、接地端子と各接続端子との間にそれぞれコンデンサアームが配置されていて、各コンデンサアームが１つまたは直列接続された多数のコンデンサからなり、各接続端子が相モジュールの接続端子に接続されている。コンデンサモジュールの接地端子を介して零相電流の流出が可能にされている。したがって、コンデンサモジュールは、上述の他の相モジュールに対して付加的に接地端子を装備させられているか、またはまさに代替として設けられているとよい。接地される相モジュールにおいても、コンデンサモジュールにおいても、接地端子の中心配置およびそれにともなうコンデンサモジュールの対称構成が適切である。したがって、相モジュールにおける接続端子と接地端子との間にそれぞれ配置されている相モジュールアームは同じである。相応することが、コンデンサの直列回路に対して、またはそれぞれ接地端子と接続端子との間のアームに配置されている両コンデンサに対して当てはまる。この実施形態に基づいても高度の対称性での電力伝送が提供される。

図１は本発明による装置の実施例の等価回路図である。 図２は本発明による装置の他の実施例の等価回路図である。 図３は本発明による装置の更に他の実施例の等価回路図である。

以下における図面を参照した本発明の実施例の説明により、本発明の他の適切な構成および利点を明らかにする。同じ作用をする構成部分には同じ参照符号が付されている。

図１は、相２ａ，２ｂ，２ｃを有する交流電圧線２に接続されている本発明による装置１の実施例を示す。交流電圧線２は、電力を供給する電源系統３と負荷４との間に配置されている。負荷４によって電源系統３もしくは交流電圧線２に非対称に負担をかけられ、同時に交流電圧線２の交流電圧の公称周波数の高調波が発生させられる。装置１は非対称性の補償のため、ならびに特に上述の高調波の抑制のために設けられている。

図１に示された装置１は３つの相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃを含み、相モジュールはそれぞれ１つの交流電圧端子６ａ，６ｂ，６ｃを持ち、交流電圧端子はそれぞれ交流電圧線２の１つの相２ａ，２ｂ，２ｃに接続されている。更に、各相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃはそれぞれ２つの接続端子７ｐおよび７ｎを持つ。各交流電圧端子６ａ，６ｂ，６ｃと各接続端子７ｐもしくは７ｎとの間に、それぞれ１つの相モジュールアーム８ａｐ，８ｂｐ，８ｃｐ，８ａｎ，８ｂｎ，８ｃｎが配置されている。これらの６つの相モジュールアームのそれぞれがサブモジュール９の直列回路から構成されている。

サブモジュール９は２端子構成であって、第１の接続端子１０と第２の接続端子１１とを有する。更に、各サブモジュール９は１つのパワー半導体アーム１２を持ち、各パワー半導体アーム１２は、２つの互いに直列接続された例えばＩＧＢＴのようなターンオフ制御可能なパワー半導体１３を有する。各ターンオフ制御可能なパワー半導体１３にはフリーホイールダイオード１４が逆並列接続されている。パワー半導体アーム１２は、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ１５に並列接続されている。図１において下側に示されたターンオフ制御可能なパワー半導体１３のエミッタと、当該ターンオフ制御可能なパワー半導体１３に並列接続されたフリーホイールダイオード１４のアノードとが、サブモジュールの第１の接続端子１０の電位にある。第２の接続端子は、両ターンオフ制御可能なパワー半導体１３間の接続点の電位にあり、したがって２つの直列に接続されたフリーホイールダイオード１４の間の電位にある。

ターンオフ制御可能なパワー半導体１３の制御に応じて、接続端子１０および１１に、コンデンサ電圧か零電圧かのいずれかが生じる。しかし、これは、言及した構成部分の異なった他の前述の相互接続にても達成可能である。

ターンオフ制御可能なパワー半導体の図１に示されていない適切な制御によって、各サブモジュール９のコンデンサ１５が充電される。しかし、制御・調節装置は更に交流電圧線中に流れる交流電流の高調波を検出する方法を含み、上記高調波は交流電圧線における電圧の公称周波数の整数倍である周波数を有する。ターンオフ制御可能なパワー半導体１３の適切な制御によって、充電されたコンデンサ１５に基づいて、補償電流またはフィルタ電流を駆動する電圧が発生させられる。補償電流またはフィルタ電流は、交流電圧線２に注入され、交流電圧線２における電流の高調波ならびに非対称が抑制されるように配慮する。

図２は、それぞれ２つの相モジュールアーム８ａｐ，８ａｎ；８ｂｐ，８ｂｎ；８ｃｐ，８ｃｎを有する相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃを備えた本発明による装置１の他の例を示す。零相電流を流れ出させるために、２つの接続端子７ｐおよび７ｎを有する他の相モジュール５ｄが設けられている。相モジュール５ｄの２つの接続端子７ｐおよび７ｎは、相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃの接続端子７ｐもしくは７ｎに接続線によって接続されている。しかし、相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃと違って、相モジュール５ｄは交流電圧端子を持たず、接地端子１６を持つ。相モジュールアーム８ｄｐおよび８ｄｎのサブモジュール９におけるターンオフ制御可能なパワー半導体を適切に制御するならば、接地端子を介して零相電流を流れ出させることができる。本発明のこの有利な実施形態によれば、零相電流に基づいて非対称の抑制も可能にされている。

図３は本発明の他の実施例を示す。しかしこの場合には相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃの接続端子７ｐもしくは７ｎがコンデンサモジュール１７の接続端子７ｐもしくは７ｎに接続されている。コンデンサモジュール１７は接地端子１６を持ち、接地端子１６と各接続端子７ｐもしくは７ｎとの間にそれぞれ１つのコンデンサ１８が接続されている。もちろん、接地端子１６とコンデンサモジュール１７の各接続端子７ｐもしくは７ｎとの間に多数の直列接続されたコンデンサ１８が設けられていてもよい。またもや接地端子１６を介して零相電流の流出が可能にされる。更に、相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃのターンオフ制御可能なパワー半導体の適切な制御によって、交流電圧線２への容量性無効電力の注入が可能にされている。したがって、本発明による装置１のこの発展形態によって、無効電力補償も提供されている。もちろん、図２に５ｄにて示されている中間点接地された相モジュールを、コンデンサモジュール１７ならびに３つの相モジュール５ａ，５ｂ，５ｃと一緒に使用することもでき、この場合には接続端子７ｐもしくは７ｎが接続線によって共通な電位に置かれている。

１ 本発明による装置
２ 交流電圧線
２ａ，２ｂ，２ｃ 相
３ 電源系統
４ 負荷
５ａ，５ｂ，５ｃ 相モジュール
５ｄ 相モジュール
６ａ，６ｂ，６ｃ 交流電圧端子
７ｐ，７ｎ 接続端子
８ａｐ，８ａｎ 相モジュールアーム
８ｂｐ，８ｂｎ 相モジュールアーム
８ｃｐ，８ｃｎ 相モジュールアーム
８ｄｐ，８ｄｎ 相モジュールアーム
９ サブモジュール
１０ 第１の接続端子
１１ 第２の接続端子
１２ パワー半導体アーム
１３ ターンオフ制御可能なパワー半導体
１４ フリーホイールダイオード
１５ エネルギー蓄積器
１６ 接地端子
１７ コンデンサモジュール
１８ コンデンサ

Claims (5)

1. 多数の相（２ａ，２ｂ，２ｃ）を有する交流電圧線（２）の電力伝送に影響を及ぼすための装置（１）であって、それぞれ交流電圧線（２）の１つの相に接続するための１つの交流電圧端子（６ａ，６ｂ，６ｃ）と２つの接続端子（７ｐ，７ｎ）とを有する相モジュール（５ａ，５ｂ，５ｃ）を備え、各接続端子（７ｐ，７ｎ）と各交流電圧端子（６ａ，６ｂ，６ｃ）との間に相モジュールアーム（８ａｐ，８ｂｐ，８ｃｐ，８ａｎ，８ｂｎ，８ｃｎ）が配置されていて、相モジュールアーム（８ａｐ，８ｂｐ，８ｃｐ，８ａｎ，８ｂｎ，８ｃｎ）がサブモジュール（９）の直列回路からなり、各サブモジュール（９）がパワー半導体回路とパワー半導体回路に対して並列接続されたエネルギー蓄積器（１５）とを有し、接続端子（７ｐ，７ｎ）が互いに接続されている装置（１）において、
   パワー半導体回路が、互いにハーフブリッジ結線されたターンオフ制御可能なパワー半導体（１３）を有することを特徴とする装置（１）。
2. 各サブモジュール（９）が、第１の接続端子（１０）と、第２の接続端子（１１）と、エネルギー蓄積器（１５）と、２つの直列接続されたターンオフ制御可能なパワー半導体（１３）を含みかつエネルギー蓄積器（１５）に並列接続されたパワー半導体アーム（１２）とを有し、各ターンオフ制御可能なパワー半導体（１３）に逆極性のフリーホイールダイオード（１４）が並列接続されていて、パワー半導体アームの第１のターンオフ制御可能なパワー半導体（１３）のエミッタと第１のターンオフ制御可能なパワー半導体に付設された逆極性のフリーホイールダイオード（１４）のアノードとの接続点が第１の接続端子（１０）を形成し、パワー半導体アーム（１２）のターンオフ制御可能なパワー半導体（１３）およびフリーホイールダイオード（１４）の接続点が第２の接続端子（１１）を形成することを特徴とする請求項１記載の装置（１）。
3. 各サブモジュール（９）が第１の端子、第２の端子を有し、パワー半導体回路が２つの直列接続されたターンオフ制御可能なパワー半導体を含みかつエネルギー蓄積器に並列接続されたパワー半導体アームを有し、各ターンオフ制御可能なパワー半導体に逆極性のダイオードが並列接続されていて、パワー半導体アームの第１のターンオフ制御可能なパワー半導体のコレクタと第１のターンオフ制御可能なパワー半導体に付設された逆極性のダイオードのカソードとの接続点が第１の接続端子を形成し、パワー半導体アームのターンオフ制御可能なパワー半導体およびフリーホイールダイオードの接続点が第２の接続端子を形成することを特徴とする請求項１記載の装置（１）。
4. 大地電位に接続された接地端子（１６）および２つの接続端子（７ｐ，７ｎ）を有する他の相モジュール（５ｄ）が設けられ、各接続端子（７ｐ，７ｎ）と接地端子（１６）との間にそれぞれ相モジュールアームが（８ｄｐ，８ｄｎ）が配置されていて、各相モジュールアーム（８ｄｐ，８ｄｎ）がサブモジュール（９）の直列回路からなり、各接続端子（７ｐ，７ｎ）が残りの相モジュール（５ａ，５ｂ，５ｃ）の接続端子（７ｐ，７ｎ）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至３の１つに記載の装置（１）。
5. 接地端子（１６）および２つの接続端子（７ｐ，７ｎ）を有するコンデンサモジュール（１７）が設けられ、接地端子（１６）と各接続端子（７ｐ，７ｎ）との間にそれぞれコンデンサアームが配置されていて、各コンデンサアームが１つまたは直列接続された多数のコンデンサ（１８）からなり、各接続端子（７ｐ，７ｎ）が相モジュール（５ａ，５ｂ，５ｃ）の接続端子（７ｐ，７ｎ）に接続されていることを特徴とする請求項１乃至４の１つに記載の装置（１）。

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