JP6203353B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents
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Description
(第1の実施形態)
図1は、本発明の第1の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態の電力変換装置は、モジュラー・マルチレベル変換器(Modular Multilevel Converter:MMC)型の電力変換装置に適用した例である。本実施形態の電力変換装置では、各アームは双方向チョッパ型単位変換器で構成される。ここでは、双方向チョッパ型単位変換器の例で説明するが、その他の、例えばフルブリッジ型単位変換器を用いても同等の効果があり、単位変換器として他の型の単位変換器を使ってもよい。以下、双方向チョッパ型単位変換器について適宜、単位変換器又はセルと略称する。
図1に示すように、直流送電システムは、交流系統101aに接続される電力変換装置102aと、電力変換装置102aの直流端子(正側出力端子)P点及び直流端子(負側出力端子)N点と交流系統101bに接続される電力変換装置102bと、を備える。電力変換装置102aは、電力変換装置102bと直流電力授受を行う。電力変換装置102bは、電力変換装置102aと同一構成であるため、電力変換装置102aを代表して説明する。なお、以下の説明において、電力変換装置102a,102bを特に区別しない場合には、電力変換装置102と記す。
ここでは、上下アームを持つMMC(Modular Multilevel Converter)型で構成された直流送電システムを例に説明するが、後記する第2の実施形態のようにZC−MMC(Zero-Sequence Cancelling Modular Multilevel Converter:特許文献3参照)に適用してもよい。
電力変換装置102aは、変圧器103を介して交流系統101aに接続している。本実施形態では、変圧器103の交流系統101a側を1次側とし、R点、S点、T点と称し、また、変圧器103の2次側をR′点、S′点、T′点と称する。
電力変換装置102aは、正側直流母線に接続された直流端子P点と負側直流母線に接続された直流端子N点とを備えており、P点とN点は他の電力変換装置102bの直流端子P点と直流端子N点にそれぞれ接続される。ここで、直流端子P点の電位は、直流端子N点の電位よりも高いものとする。
次に、電力変換装置102aの内部構成を説明する。
電力変換装置102aは、変圧器103、R相レグ104R、S相レグ104S、T相レグ104T、電圧センサ115a,115b、制御装置109、ゲート信号線110、故障及び電圧信号検出線114を備えている。なお、図1では、ゲート信号線110、故障及び電圧信号検出線114は、それぞれ3本で示されているが、これは図面描画上の制約であって、実際はセル数分の信号線の数で構成されている。また、電力変換装置102aの内部構成のうち、制御装置109を除く部分が変換回路を構成する。
次に、各アームの内部構成を説明する。
次に、双方向チョッパ型単位変換器108の内部構成を説明する。
図2は、双方向チョッパ型単位変換器108の内部構成を示す図である。図2では、RPアーム105RPについて説明する。他のアーム105SP、105TP、105RN、105SN、105TNについても同様の構成であるので説明は省略する。
ローサイドスイッチング素子201Lとローサイド還流ダイオード202Lの並列回路の印加電圧Vjkを、双方向チョッパ型単位変換器108の出力電圧と称する。
また、双方向チョッパ型単位変換器108は、制御装置109からゲート信号線110を介して伝送されたゲート信号GHjk、GLjkに基づいて、スイッチング素子201H,201Lのそれぞれのゲート・エミッタ間にゲート電圧を印加するゲートドライバ205と、自給電源206と、を備えている。
ハイサイドスイッチング素子201Hがオン、ローサイドスイッチング素子201Lがオフの場合、単位変換器108の電流Ij(j=RP,SP,TP,RN,SN,TN)に関わらず、出力電圧Vjkはコンデンサ電圧VCjkと概ね等しくなる。
ハイサイドスイッチング素子201Hがオフ、ローサイドスイッチング素子201Lがオンの場合、電流Ijに関わらず、出力電圧Vjkは零と概ね等しくなる。
次に、制御装置109の内部で実行されている制御を説明する。
図3は、制御装置109の内部で実行されている制御を示す図である。
図3に示すように、制御装置109は、各単位変換器の故障を検出し、各アームでの故障信号数を送信する故障検出部301と、故障信号数を受信した際に各々のアームの単位変換器を故障信号数に応じた分、順番に巡回して出力を短絡動作、すなわち、出力が0V(厳密にはスイッチング素子のオン電圧があり0Vではない)になる動作をさせる短絡動作命令部302と、各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部303と、を備える。故障検出部301及び短絡動作命令部302は、RP,SP,TP,RN,SN,TNに対応して設置されている。
[故障検出部301の動作]
まず、図2乃至図4を参照して故障検出部301の動作を説明
する。
図4は、故障検出部301の動作を示すフローチャートであり、故障検出部301における1アーム分の動作を示す。図中、Sはフローの各ステップを示している。
次に、短絡動作命令部302の動作を説明する。
図5は、短絡動作命令部302の動作を示すフローチャートであり、短絡動作命令部302における1アーム分の動作を示す。図5は、冗長数1、すなわち故障セル数が1個の場合を想定している。
上記ステップS13でL=0の場合(ステップS13のYes)、ステップS14で故障処理フラグを判定し、フラグ=0のときはステップS15の処理に進み、フラグ=1のときはステップS15をスキップしてステップS16の処理に進む。ステップS15で短絡動作命令部302は、k段目のセルを短絡動作を開始させる。
図7は、1アームに4段の単位変換器が存在する場合において、短絡動作させる所定時間を説明する波形図であり、(a)はR相1段目セルPWM信号の波形、(b)はR相2段目セルPWM信号の波形、(c)はR相3段目セルPWM信号の波形、(d)はR相4段目セルPWM信号の波形である。
図7(a)に示すように、(1)の区間までは故障セルが検出されずに正常運転を行っているが、故障を検出すると同時に、まずは(2)の区間からR相アーム1段目のセルから短絡動作を開始する。具体的には、(2)の区間から(3)の区間の始まりまで変調波の値を0とする。次の段階としては、図7(b)に示すように(3)の区間から(4)の区間の始まりまで2段目のセルを短絡動作、その次は図7(c)に示すように(4)の区間から(5)の区間の始まりまで3段目のセルを短絡動作、…、といったように一段ずつ短絡動作させるセルを切り替えていき、最上段の4段目のセルを図7(d)に示すように(5)の区間から(6)の区間の始まりまで短絡動作させた後は、再度1段目のセルから同様の手順で各段のセルを短絡動作させていく。
以上で、電力変換装置102aの構成と制御方法を説明した。
まず、実際の交流・直流の電圧波形を与えた時に得られる各相交流出力波形について述べる。
以上のことから、各セルの変調率を変化させずに、故障セルが発生した場合においても安定した出力交流電圧波形を得られることが分かる。
本実施形態では、あるアームでセルが故障した場合、他のアームにおいて、運転している単位変換器数が故障した単位変換器を含むアームで正常動作している単位変換器数よりも多い場合、多い数の分セルを制御装置109がゲートパルスを変更して短絡動作させる。この時の短絡動作させるセルにおいては、短絡しているローサイドスイッチング素子201Lのみ損失が発生する。本実施形態のように、短絡動作させるセルを巡回させなかった場合、ある特定のセルのローサイドスイッチング素子に損失が偏ってしまい、他の半導体素子と比較して寿命が短くなる可能性がある。一方で、本実施形態のように、短絡動作させるセルを巡回させた場合、特定セルのローサイド素子に損失が偏らず、各スイッチング素子の損失が概ね同じ値となり、アーム全体で半導体損失を平均化できる。
第1の実施形態は、上下アームを持つMMC方式の電圧型電力変換装置に適用した例であるが、どのようなMMCにも適用することが可能である。
第2の実施形態は、本発明に係る電力変換装置をZC−MMCに適用した例である。
一般に、ZC−MMCは、第1アーム(P側アーム)と第2アーム(N側アーム)の接続点がない。第2の実施形態では、第1の実施形態の各構成要素を引用する説明の便宜上、単位変換器108を所定数直列に接続した単位変換器列を、RPアーム105RP、SPアーム105SP、TPアーム105TPと呼んでいる。
図10に示すように、直流送電システムは、変圧器1001を介して交流系統101aに接続されるZC−MMC型電力変換装置1000を備える。
変圧器1001は、交流系統101a側を1次側とし、R点、S点、T点に接続されたΔ結線と、2次側をR′点、S′点、T′点に接続した千鳥形結線とを有し、直流端子N点は、変圧器1001千鳥形結線の中性点に接続されている。直流端子N点を中性点に接続することで、接点電位を安定化する。
ZC−MMC型電力変換装置1000は、変圧器1001、RPアーム105RP、SPアーム105SP、TPアーム105TP、電圧センサ115a,115b、制御装置109、ゲート信号線110、故障及び電圧信号検出線114を備えている。
各アーム105RP、105SP、105TPは、そのアームを流れるアーム電流IRP、ISP、ITP(図示略)を検出する電流センサ111を備えており、検出結果を制御装置109に伝送する。なお、ZC−MMC型電力変換装置1000の構成のうち、制御装置109を除く部分が変換回路を構成する。
(1)上記各実施形態では、冗長数1(故障セル数が1個)の場合を例に採り説明したが、冗長数2以上であっても同様の方法で実施することができる。
102,102a,102b 電力変換装置
103,1001 変圧器
104R R相レグ
104S S相レグ
104T T相レグ
105RP RPアーム(単位変換器列)
105RN RNアーム(単位変換器列)
105SP SPアーム(単位変換器列)
105SN SNアーム(単位変換器列)
105TP TPアーム(単位変換器列)
105TN TNアーム(単位変換器列)
107 リアクトル(誘導性素子)
108 双方向チョッパ型単位変換器(セル)
109 制御装置
110 ゲート信号線
114 故障及び電圧信号検出線
208 セル電圧検出線
301 故障検出部
302 短絡動作命令部
303 パルス信号生成部
1000 ZC−MMC型電力変換装置
Claims (12)
- コンデンサを有する単位変換器を所定数直列に接続した単位変換器列を複数列備えて、入力端子と出力端子の間で、直流を交流に又は交流を直流に変換する変換回路と、
前記各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部と、
前記各単位変換器の故障を検出する故障検出部と、
前記故障検出部の検出結果に基づいて、前記単位変換器列ごとに単位変換器の故障数を求め、当該故障数に応じて、各単位変換器列における前記単位変換器の動作を調整する動作命令部と、を備え、
前記動作命令部は、短絡動作開始時において、短絡動作させるセルのPWM信号を作成する各搬送波を、短絡動作中に、次の段階で短絡動作させるセルのPWM信号の各搬送波に切り替える
ことを特徴とする電力変換装置。 - 前記動作命令部は、前記動作の調整を、前記故障数が全部の前記単位変換器列の中で最大である最大故障数に基づいて、所定の前記単位変換器を短絡させることにより行う短絡動作命令部である
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記短絡動作命令部は、前記最大故障数と各単位変換器列における故障数とに応じて、各単位変換器列に属する単位変換器を順番に巡回して前記単位変換器ごとに出力を短絡動作させる
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、当該故障した単位変換器が存在しない各々の前記単位変換器列において、前記最大故障数分の前記単位変換器を所定時間ごとに順番に巡回させて短絡動作させる
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、当該故障した単位変換器が存在する各々の前記単位変換器列において、前記最大故障数と各々の単位変換器列の故障数との差分の数分の単位変換器を所定時間ごとに順番に巡回させて短絡動作させる
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、各々の単位変換器列における各単位変換器の巡回による短絡動作の切替タイミングが、次に短絡動作させようとする単位変換器において、搬送波がピーク値又はボトム値である時点とする
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、所定時間ごとに短絡動作させる単位変換器を前記最大故障数に応じた分巡回させている時の各単位変換器のコンデンサ電圧が、正常運転時のコンデンサ電圧に、各単位変換器列に存在する単位変換器数を当該単位変換器数と前記最大故障数との差分数で除した値を掛けたコンデンサ電圧の大きさとなるように制御する
ことを特徴とする請求項2記載の電力変換装置。 - 前記単位変換器列はアームであり、
前記変換回路は、第1のアームと第2のアームの一端同士を直列に接続してレグを構成し、前記第1のアームと前記第2のアームの接続部分に交流の前記出力端子を接続し、前記第1のアームの他端を前記入力端子のうちの正側の直流端子とし、前記第2のアームの他端を前記入力端子のうちの負側の直流端子としたモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器である
ことを特徴とする請求項2乃至請求項7のいずれかに記載の電力変換装置。 - 前記短絡動作命令部は、前記第1のアームと前記第2のアームとで前記故障数が異なる場合、前記故障数の差分数に等しくなるように前記故障数が少ない方のアームにおける単位変換器の動作数を調整して動作させる
ことを特徴とする請求項8記載の電力変換装置。 - 前記変換回路は、前記単位変換器列を3列と、前記単位変換器列に接続されたΔ結線及び千鳥形結線とを有する変圧器とを備え、
前記3列の単位変換器列のうち、前記故障数が異なる場合、前記故障数の差分数に等しくなるように前記故障数が少ない方の単位変換器列における単位変換器の動作数を調整して動作させる零相キャンセル形モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器である
ことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 電力変換装置に備わる制御装置が、
変換回路を介して、コンデンサを有する単位変換器を所定数直列に接続した単位変換器列を複数列備えて、入力端子と出力端子の間で、直流を交流に又は交流を直流に変換し、
パルス信号生成部を介して、前記各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成し、
故障検出部を介して、前記各単位変換器の故障を検出し、
動作命令部を介して、前記故障検出部の検出結果に基づいて、前記単位変換器列ごとに単位変換器の故障数を求め、当該故障数に応じて、各単位変換器列における前記単位変換器の動作を調整するとともに、
短絡動作開始時において、短絡動作させるセルのPWM信号を作成する各搬送波を、短絡動作中に、次の段階で短絡動作させるセルのPWM信号の各搬送波に切り替える
ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。 - 前記動作命令部では、前記動作の調整を、前記故障数が全部の前記単位変換器列の中で最大である最大故障数に基づいて、所定の前記単位変換器を短絡させることにより行う
ことを特徴とする請求項11記載の電力変換装置の制御方法。
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