JP6754008B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換ユニットを積載するステージが積み重ねられた電力変換装置に関する。

従来から、電力変換ユニットを積載するステージが積み重ねられた電力変換装置が知られている。たとえば、特開平１０−３２３０１５号公報（特許文献１）には、高速スイッチング素子スタックおよび、高速ダイオードスタックを積載したステージが積み重ねられた半導体電力変換装置が開示されている。

特開平１０−３２３０１５号公報

電力変換ユニットを積載する各ステージ間、各ステージと対地間には、電位差が生じ得る。電界集中による気中部分放電を防止するため、各ステージ間に電界緩和シールドが配置される場合がある。

たとえば超高圧直流送電に用いられる電力変換装置の場合、積み重ねられるステージの数が増加し得る。各ステージ間にステージ全体を覆う形状の電界緩和シールドを設けると、電力変換装置の製造コストおよび組立コストが増加し得る。

本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、電力変換装置の製造コストおよび組立コストを抑制することである。

本発明に係る電力変換装置は、第１および第２ステージと、第１および第２電界緩和シールド部と、第１〜第４ステージ支柱とを備える。第１ステージには、少なくとも１つの第１電力変換ユニットが積載されている。第２ステージには、少なくとも１つの第２電力変換ユニットが積載されている。第２ステージは、第１ステージに積み重ねられている。第１電界緩和シールド部は、第１ステージの外周を囲むように配置されている。第２電界緩和シールド部は、第２ステージの外周を囲むように配置されている。第１〜第４ステージ支柱は、第１ステージと第２ステージとを接続している。第１〜第４ステージ支柱の各外周面は、絶縁体で形成されている。第１ステージに積載されている全ての第１電力変換ユニットは、複数のステージ支柱の少なくとも一部を辺として含む柱状の領域の内部に配置されている。

本発明に係る電力変換装置においては、第１ステージと第２ステージとを接続する第１〜第４ステージ支柱の各外周面が絶縁体で形成されている。また、第１ステージに積載されている全ての第１電力変換ユニットが、複数のステージ支柱の少なくとも一部を辺として含む柱状の領域の内部に配置されている。そのため、電界緩和シールドによらずとも、第１〜第４ステージ支柱により、金属露出部の気中部分放電を抑制することができる。その結果、第１電界緩和シールド部を、第１ステージと第２ステージとの間に配置される部分を有さない簡素かつ軽量な構造とすることができる。

本発明に係る電力変換装置によれば、製造コストおよび組立コストを低減することができる。

実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路ブロック図である。 図１のアームの外観斜視図である。 図２のステージをＺ軸方向から平面視した上面図である。 図１の電力変換ユニットとステージ支柱との位置関係を示す図である。 比較例に係る電力変換装置のアームの外観斜視図である。

図１は、実施の形態に係る電力変換装置１００の構成を示す回路ブロック図である。図１に示されるように、電力変換装置１００は、モジュラー・マルチレベル変換器（Modular Multilevel Converter：以下、ＭＭＣと称する）２と、ＭＭＣ２を制御する制御装置３とを備える。高耐圧大容量化が可能なＭＭＣ２を備える電力変換装置１００によれば、たとえば超高圧直流送電（ＵＨＶＤＣ：UltraHigh−Voltage Direct Current）を行なうことができる。

ＭＭＣ２は、変圧器４を介して電力系統１に接続されている。ＭＭＣ２は、変圧器４と、三相（Ｕ，Ｖ，Ｗ相）の交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬとを含む。変圧器４は、３つの一次巻線および３つの二次巻線を含む。３つの一次巻線は、電力系統１の三相の送電線１ｕ，１ｖ，１ｗにそれぞれ接続される。３つの二次巻線は、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬの一方端子にそれぞれ接続される。

ＭＭＣ２は、アームＡ１〜Ａ３をさらに含む。アームＡ１は、交流ラインＵＬの他方端子と交流ラインＶＬの他方端子との間に接続される。アームＡ２は、交流ラインＶＬの他方端子と交流ラインＷＬの他方端子との間に接続される。アームＡ３は交流ラインＷＬの他方端子と交流ラインＵＬの他方端子との間に接続される。すなわち、アームＡ１〜Ａ３はデルタ結線で接続されている。

アームＡ１〜Ａ３の各々は、直列に接続された複数の電力変換ユニットＵを有する。複数の電力変換ユニットＵの各々は、制御装置３からの制御信号に従って双方向の電力変換を行なう。

図２は、図１のアームＡ１の外観斜視図である。図３は、図２のステージＳＴ１およびＳＴ２をＺ軸方向から平面視した上面図である。図２および図３に示されるように、電力変換装置１００は、電力変換ユニットＵ１〜Ｕ１６と、ステージＳＴ１およびＳＴ２と、電界緩和シールド部Ｓ１０およびＳ２０と、ステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９と、ベースＢＳ１と、ベース支柱Ｐ１１〜Ｐ２５とを備える。電力変換ユニットＵ１〜Ｕ１６の各々は、図１の電力変換ユニットＵに対応する。電力変換ユニットＵ１〜Ｕ１６は、直列に接続されている。

Ｚ軸方向に伸びるベース支柱Ｐ１１〜Ｐ２５によって接続されている。ステージＳＴ１には、電力変換ユニットＵ１〜Ｕ８が積載されているベース支柱Ｐ１１〜Ｐ２５は、外周部分に碍子Ｇ１１〜Ｇ２５をそれぞれ含む。すなわち、ベース支柱Ｐ１１〜Ｐ２５の各外周面は、絶縁体で形成されている。ベース支柱Ｐ１１〜Ｐ２５の各外周面が、絶縁体で形成されていることにより、電力変換装置１００の動作時にベースＢＳ１とステージＳＴ１との間に電位差が生じても、ステージＳＴ１およびＳＴ２の突出部分より発生する気中部分放電を電界緩和シールド部Ｓ１０及びＳ２０により、抑制することができる。

ステージＳＴ２とステージＳＴ１とは、Ｚ軸方向に伸びるステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９によって接続されている。ステージＳＴ２には、電力変換ユニットＵ９〜Ｕ１６が積載されている。ステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９は、外周部分に碍子Ｇ１〜Ｇ９をそれぞれ含む。すなわち、ステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９の各外周面は、絶縁体で形成されている。ステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９の各外周面が絶縁体で形成されていることにより、電力変換装置１００の動作時にステージＳＴ１とステージＳＴ２との間に電位差が生じても、ステージＳＴ１およびＳＴ２の突出部分より発生する気中部分放電を電界緩和シールド部Ｓ１０およびＳ２０により、抑制することができる。

電界緩和シールド部Ｓ１０は、ステージＳＴ１の外周を囲むように配置されている。電界緩和シールド部Ｓ１０は、電界緩和シールドＳ１１〜Ｓ１４を含む。電界緩和シールド部Ｓ１０は、ステージＳＴ１の外縁の突出部分に集中する電界を緩和する。電界緩和シールド部Ｓ１０は、当該突出部分に発生する気中部分放電を抑制することができる。

電界緩和シールド部Ｓ２０は、ステージＳＴ２の外周を囲むように配置されている。電界緩和シールド部Ｓ２０は、電界緩和シールドＳ２１〜Ｓ２４を含む。電界緩和シールド部Ｓ２０は、ステージＳＴ２の外縁の突出部分に集中する電界を緩和する。電界緩和シールド部Ｓ２０は、当該突出部分に発生する気中部分放電を抑制することができる。

電界緩和シールド部が複数の電界緩和シールドから形成されていることにより、各電界緩和シールドを適当な場所に配置することができるため、各ステージの形状に合わせて、電界緩和シールドを配置し易くなる。また、保管時には各電界緩和シールドを空きスペースに置くことができるため、電界緩和シールド部の保管時に必要なスペースを小さくすることができる。

図４は、図１の電力変換ユニットＵ１〜Ｕ８と、ステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９との位置関係を示す図である。図４に示されるように、電力変換ユニットＵ１〜Ｕ４は、ステージ支柱Ｐ１，Ｐ３，Ｐ４，Ｐ６を辺として含む四角柱状の領域Ｒｇ１の内部に配置されている。電力変換ユニットＵ１〜Ｕ４を領域Ｒｇ１の内部に配置することにより、外部から電力変換ユニットＵ１〜Ｕ４の離隔距離を確保することができる。その結果、電力変換ユニットＵ１〜Ｕ４から発生する気中部分放電を抑制することができる。

電力変換ユニットＵ５〜Ｕ８は、ステージ支柱Ｐ４，Ｐ６，Ｐ７，Ｐ９を辺として含む四角柱状の領域Ｒｇ２の内部に配置されている。電力変換ユニットＵ５〜Ｕ８を領域Ｒｇ２の内部に配置することにより、外部から電力変換ユニットＵ５〜Ｕ８の離隔距離を確保することができる。その結果、電力変換ユニットＵ５〜Ｕ８から発生する気中部分放電を抑制することができる。

図５は、比較例に係る電力変換装置９００の或るアームの外観斜視図である。電力変換装置９００の当該アームの構成においては、図２の電界緩和シールドＳ１１〜Ｓ１４およびＳ２１〜Ｓ２４が、電界緩和シールドＳ６１〜Ｓ６８およびＳ７１〜Ｓ７８に置き換えられている。当該構成においては、図２のステージ支柱Ｐ１〜Ｐ９がステージ支柱Ｐ３１〜Ｐ３９にそれぞれ置き換えられているとともに、碍子Ｇ１〜Ｇ９が碍子Ｇ３１〜Ｇ３９にそれぞれ置き換えられている。当該構成には、図２のアームＡ１の構成に、フレームＦ１〜Ｆ３が追加されている。これら以外の点は、同様であるため、説明を繰り返さない。

図５に示されるように、フレームＦ１〜Ｆ３はステージＳＴ１からＺ軸方向に伸びている。電力変換ユニットＵ１〜Ｕ４は、フレームＦ１とＦ２との間に配置されている。電力変換ユニットＵ５〜Ｕ８は、フレームＦ２とＦ３との間に配置されている。

ステージ支柱Ｐ３１〜Ｐ３３は、フレームＦ１とステージＳＴ２とを接続している。ステージ支柱Ｐ３４〜Ｐ３６は、フレームＦ２とステージＳＴ２とを接続している。ステージ支柱Ｐ３７〜Ｐ３９は、フレームＦ３とステージＳＴ２とを接続している。

電力変換装置９００の動作時において、フレームＦ１〜Ｆ３に電位差が生じ得る。電力変換装置９００においては、ステージＳＴ１とＳＴ２との間に位置するフレームＦ１〜Ｆ３の突出部分に発生する気中部分放電を抑制する必要がある。電界緩和シールドＳ６１〜Ｓ６８の各々は、ステージＳＴ１とＳＴ２との間に配置された部分を有し、フレームＦ１〜Ｆ３の当該突出部分への電界集中を緩和し、気中部分放電を抑制している。

図２の電界緩和シールドＳ１１〜Ｓ１４およびＳ２１〜Ｓ２４と、図５の電界緩和シールドＳ６１〜Ｓ６８およびＳ７１〜Ｓ７８とを比較すると、図２に示される電界緩和シールドの方が、ステージ間に配置されている部分を有しないため、図５に示される電界緩和シールドよりも簡素かつ軽量である。そのため、図２の電力変換装置１００の製造コストおよび組立コストを、図５の電力変換装置９００の製造コストおよび組立コストよりも低減することができる。

実施の形態においては、電力変換ユニットを積載する２つのステージが積み重ねられている場合について説明した。本発明は、電力変換ユニットを積載する３つ以上のステージが積み重ねられた電力変換装置にも適用可能である。

以上、本発明に係る電力変換装置によれば、製造コストおよび組立コストを低減することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電力系統、１ｕ，１ｖ，１ｗ 送電線、３ 制御装置、４ 変圧器、１００，９００ 電力変換装置、Ａ１，Ａ２，Ａ３ アーム、ＢＳ１ ベース、Ｆ１〜Ｆ３ フレーム
Ｇ１〜Ｇ９，Ｇ１１〜Ｇ２５，Ｇ３１〜Ｇ３９ 碍子、Ｐ１〜Ｐ９，Ｐ３１〜Ｐ３９ ステージ支柱、Ｐ１１〜Ｐ２５ ベース支柱、Ｓ１０，Ｓ２０ 電界緩和シールド部、Ｓ１１〜Ｓ１４，Ｓ２１〜Ｓ２４，Ｓ６１〜Ｓ６８，Ｓ７１〜Ｓ７８ 電界緩和シールド、ＳＴ１，ＳＴ２ ステージ、Ｕ，Ｕ１〜Ｕ１６ 電力変換ユニット、ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ 交流ライン。

Claims (5)

1. 少なくとも１つの第１電力変換ユニットが積載された第１ステージと、
   少なくとも１つの第２電力変換ユニットが積載され、前記第１ステージに積み重ねられた第２ステージと、
   前記第１ステージの外周を囲むように配置された第１電界緩和シールド部と、
   前記第２ステージの外周を囲むように配置された第２電界緩和シールド部と、
   外周面が絶縁体で形成された複数のステージ支柱とを備え、
   前記複数のステージ支柱の各々は、前記第１ステージと前記第２ステージとを接続し、
   前記第１ステージに積載されている全ての前記第１電力変換ユニットは、前記複数のステージ支柱の少なくとも一部を辺として含む柱状の領域の内部に配置され、
   前記複数のステージ支柱の延在方向における前記第１電界緩和シールド部の厚さは、前記延在方向における前記少なくとも１つの第１電力変換ユニットの各々の厚さよりも小さい、電力変換装置。
2. 外周面が前記絶縁体で形成された複数のベース支柱と、
   前記複数のベース支柱によって前記第１ステージと接続されたベースとをさらに備える、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１および第２電界緩和シールド部の各々は、複数の電界緩和シールドを含む、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記延在方向における前記第２電界緩和シールド部の厚さは、前記延在方向における前記少なくとも１つの第２電力変換ユニットの各々の厚さよりも小さい、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記延在方向に直交する方向から平面視したとき、前記第１電界緩和シールド部は、前記第１ステージと前記第２ステージとの間に配置された部分を有さない、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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