JP7415391B2

JP7415391B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7415391B2
Application number: JP2019170751A
Authority: JP
Inventors: 稔久田重田; 宏二丸山; マハルジャンラクスマン
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2019-09-19
Filing date: 2019-09-19
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2039-09-19
Also published as: JP2021048726A

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

大容量・高圧用途に適した次世代トランスレス電力変換器として、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）がある。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。ＭＭＣの回路方式として、例えば特許文献１が知られている。

国際公開第２０１２／０９９１７６号

ＭＭＣは、直列に接続される複数のセル変換器（コンバータセル又はインバータセルとも称する）を備える電力変換装置である。しかしながら、直接に接続される複数のセル変換器のうち一つでも故障すると、電力変換装置の運転を継続することが難しい。

本開示は、セル変換器の故障時に運転を継続可能な電力変換装置を提供する。

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を備え、
前記複数のセル変換器は、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、前記一対の交流出力端子の間に接続される半導体スイッチと、前記複数のセル変換器のうち自身のセル変換器の故障が検出された場合に前記半導体スイッチをオンにする駆動回路とを有する、電力変換装置を提供する。

本開示の技術によれば、セル変換器の故障時に運転を継続可能な電力変換装置を提供できる。

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る。セル変換器の第１の構成例を示す図である。半導体スイッチの構成例を示す図である。半導体スイッチの構成例を示す図である。給電回路の構成例を示す図である。セル変換器の第２の構成例を示す図である。セル変換器の第３の構成例を示す図である。

以下、本開示に係る実施形態を図面を参照して説明する。

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。図１に示す電力変換装置１０１は、Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４、リアクトル１０５（１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃ）及び制御部１０６を備える。

Ｕ相アーム部１０２は、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列にカスケード接続される複数のセル変換器１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃを有する。Ｖ相アーム部１０３は、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列にカスケード接続される複数のセル変換器１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃを有する。Ｗ相アーム部１０４は、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列にカスケード接続される複数のセル変換器１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃを有する。セル変換器の直列接続数は、３以外の数でもよい。

複数のセル変換器１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ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。

Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４は、リアクトル１０５ａ，１０５ｂ，１０５ｃを介してデルタ結線されており、系統２００に連系している。系統２００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１０６は、この循環電流を複数のセル変換器１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ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、Ｕ相アーム部１０２、Ｖ相アーム部１０３、Ｗ相アーム部１０４は、スター結線されてもよい。

複数のセル変換器１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは、それぞれ、少なくとも一つ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。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。

電力変換装置１０１は、各セル変換器が互いに異なる位相で電圧波形を出力することで、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１０１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。

複数のセル変換器１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃは、互いに同一の構成を有する。

図２は、セル変換器の第１の構成例を示す図である。図２に示すセル変換器１１１は、複数のセル変換器１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃのそれぞれの第１の構成例である。セル変換器１１１は、コンデンサ５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に出力でき、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５に供給できる。

セル変換器１１１は、一対の交流出力端子ａ，ｂ、コンデンサ５、電力変換回路２８、ＧＤＵ（Gate Drive Unit）６～９，１２、半導体スイッチ１１及び給電回路１０を備える。

電力変換回路２８は、コンデンサ５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２８は、コンデンサ５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１～４を有するフルブリッジ回路が例示されている。フルブリッジ回路は、スイッチング素子１，２が直列に接続される回路と、スイッチング素子３，４が直列に接続される回路とが並列に接続された構成を有する。電力変換回路２８は、フルブリッジ回路に限られず、例えば、ハーフブリッジ回路でもよい。上アームのスイッチング素子１と下アームのスイッチング素子２との間の接続点に、第１の交流出力端子ａが接続され、上アームのスイッチング素子３と下アームのスイッチング素子４との間の接続点に、第２の交流出力端子ｂが接続される。

図２に例示するスイッチング素子１～４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。

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Ｇａ_２Ｏ_３（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。

ＧＤＵ６～９は、制御部１０６（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１～４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またはオフにするゲート駆動部である。

給電回路１０は、コンデンサ５からの電力に基づいて、スイッチング素子１～４及び半導体スイッチ１１を駆動するＧＤＵ６～９，１２に給電する自己給電回路である。

一対の交流出力端子ａ，ｂの間には、セル変換器１１１を短絡してバイパスする半導体スイッチ１１が接続される。ＧＤＵ１２は、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１１１の故障が検出された場合に半導体スイッチ１１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半導体スイッチ１１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１０１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、半導体スイッチ１１を経由するので、故障したセル変換器１１１の電力変換回路２８に電流が流れることを防止できる。

例えば、制御部１０６は、複数のセル変換器のそれぞれを監視する。ＧＤＵ１２は、自身のセル変換器１１１の故障が制御部１０６により検出された場合、制御部１０６からの指令信号に従って半導体スイッチ１１をオンにする。制御部１０６は、例えば、スイッチング素子１～４のそれぞれ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５に異常な印加電圧が検出された場合、半導体スイッチ１１をオンにする。

図３，４は、バイパス用の半導体スイッチ１１の構成例を示す。図３のように、２つのサイリスタ１３，１４を逆並列に接続する構成や、図４のように２つのＩＧＢＴ１５，１６を逆直列に接続する構成がある。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。半導体スイッチ１１の構成は、これらに限られない。

また、半導体スイッチ１１の故障モードは、例えば、短絡故障であることが好ましい。ＧＤＵ１２が半導体スイッチ１１をオンにすると、半導体スイッチ１１を壊す電流を半導体スイッチ１１に流して、半導体スイッチ１１のオン状態を維持させる。これにより、ＧＤＵ１２の動作電源がセル変換器１１１の故障により喪失しても、故障したセル変換器１１１をバイパスして、電力変換装置１０１の動作を継続できる。つまり、半導体スイッチ１１を常時オンさせる信号を継続的に供給できなくても、バイパス状態を維持できる。

故障モードが短絡故障となる半導体スイッチ１１として、例えば、プレスパック素子が挙げられる。

例えば、コンデンサ５からＧＤＵ１２へ給電する場合、セル変換器の故障によってコンデンサ５への電力供給が途絶え、コンデンサ５のエネルギーがほとんどなくなる。その結果、コンデンサ５のエネルギーを利用して半導体スイッチ１１のオン状態を維持する形態では、バイパス用の半導体スイッチ１１のオン状態を維持できなくなる。そこで、バイパス用の半導体スイッチ１１に、半導体スイッチ１１が許容する最大電流Ｉｐを超える電流を流して、半導体スイッチ１１を壊し、オン状態を維持する。半導体スイッチ１１が許容する最大電流Ｉｐは、例えば、電力変換回路２８を構成するスイッチング素子１～４が許容する最大電流Ｉｑよりも低い。最大電流Ｉｐよりも大きく且つ最大電流Ｉｑ以下の電流が電力変換回路２８に流れているときに、半導体スイッチ１１をオフからオンにして、半導体スイッチ１１に最大電流Ｉｐを超える電流を流すことで容易に壊すことができる。また、半導体スイッチ１１に流れる電流を制御することによって、過大な電流が半導体スイッチ１１に流れることを防止できる。半導体スイッチ又はスイッチング素子が許容する最大電流とは、例えば、破壊又は劣化を抑制する上で許容できる電流を表し、定格電流でもよいし、定格電流とは別に設定される電流でもよい。

このように、セル変換器のバイパス手段として圧接型の半導体スイッチを用いて、そのスイッチに最大電流を超える電流を流し、そのスイッチを壊して短絡する構成を採用することで、そのスイッチを壊した後は、ＧＤＵ１２へ常時供給する必要がなくなる。これにより、セル変換器が故障したときでも、バイパス状態を維持することができる。

図５は、給電回路１０の構成例を示す図である。給電回路１０は、抵抗１０ａ，１０ｂと、ダイオード１０ｃと、容量素子１０ｄとを有する。容量素子１０ｄは、半導体スイッチ１１のオンに必要な電力を維持できる程度の容量を有し、コンデンサ５からの電力で充電される。セル変換器が故障して、コンデンサ５の電圧が零になっても、容量素子１０ｄに電荷（エネルギー）が残っているので、その残ったエネルギーを利用して、ＧＤＵ１２は半導体スイッチ１１をオンにできる。

なお、各ＧＤＵへの給電方式は、図２に示す給電回路１０に限られない。図６に示すセル変換器１１２は、各ＧＤＵのそれぞれに対して設けられた給電回路２１～２５を備える。給電回路２１～２４は、それぞれ、対応するスイッチング素子１～４の素子端から電力供給を受ける。給電回路２５は、半導体スイッチ１１の素子端（一対の交流出力端子ａ，ｂ）から電力供給を受ける。図７に示すセル変換器１１３は、一対の交流出力端子ａ，ｂに接続されるトランス２７を介して供給される電力に基づいて、各ＧＤＵに給電する給電回路２６を有する。給電回路２１～２６は、例えば、図５に示す回路構成を有する。

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。

１～４スイッチング素子
５コンデンサ
６～９，１２ＧＤＵ
１０，２１～２６給電回路
１１半導体スイッチ
１３，１４サイリスタ
２７トランス
２８電力変換回路
１０１電力変換装置
１０２Ｕ相アーム部
１０３Ｖ相アーム部
１０４Ｗ相アーム部
１０５リアクトル
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃセル変換器
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃセル変換器
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃセル変換器
１０６制御部
１１１，１１２，１１３セル変換器
２００系統

Claims

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を備え、
前記複数のセル変換器は、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、前記一対の交流出力端子の間に接続される半導体スイッチと、前記複数のセル変換器のうち自身のセル変換器の故障が検出された場合に前記半導体スイッチをオンにする駆動回路とを有し、
前記故障が検出された場合、前記一対の出力端子に流れる電流は、前記半導体スイッチを経由し、
前記駆動回路が前記半導体スイッチをオンにすると、前記半導体スイッチを壊す電流を前記半導体スイッチに流して、前記半導体スイッチのオン状態を維持させる、電力変換装置。
前記半導体スイッチは、圧接型のスイッチである、請求項１に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチの最大電流は、前記電力変換回路を構成するスイッチング素子の最大電流よりも低い、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記複数のセル変換器は、それぞれ、前記コンデンサからの電力に基づいて前記駆動回路に給電する給電回路を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記複数のセル変換器のそれぞれを監視する制御部を備え、
前記駆動回路は、前記故障が前記制御部により検出された場合、前記半導体スイッチをオンにする、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
前記電力変換回路は、複数のスイッチング素子を有するフルブリッジ回路である、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。