WO2019003432A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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重幸 中林
貞國 仁志
昇太郎 村上
育篤 宇田川
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H05KPRINTED CIRCUITS; CASINGS OR CONSTRUCTIONAL DETAILS OF ELECTRIC APPARATUS; MANUFACTURE OF ASSEMBLAGES OF ELECTRICAL COMPONENTS
    • H05K9/00Screening of apparatus or components against electric or magnetic fields
    • H05K9/0067Devices for protecting against damage from electrostatic discharge

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device in which stages carrying power conversion units are stacked.
  • Patent Document 1 discloses a semiconductor power conversion device in which a high speed switching element stack and a stage on which a high speed diode stack is loaded are stacked.
  • a potential difference may occur between each stage loading the power conversion unit, and between each stage and the ground.
  • an electric field relaxation shield may be disposed between the stages.
  • the number of stages stacked can be increased.
  • Providing an electric field mitigating shield having a shape covering the entire stage between the stages may increase the manufacturing cost and the assembly cost of the power converter.
  • the present invention has been made to solve the problems as described above, and an object thereof is to suppress the manufacturing cost and the assembly cost of the power converter.
  • a power converter includes first and second stages, first and second electric field alleviating shields, and first to fourth stage support rods. At least one first power conversion unit is loaded on the first stage. At least one second power conversion unit is loaded on the second stage. The second stage is stacked on the first stage. The first electric field alleviating shield part is disposed to surround the outer periphery of the first stage. The second electric field relaxation shield part is disposed to surround the outer periphery of the second stage. The first to fourth stage supports connect the first stage and the second stage. The outer circumferential surfaces of the first to fourth stage support columns are formed of an insulator. All of the first power conversion units loaded in the first stage are disposed inside a columnar region including at least a portion of the plurality of stage columns as a side.
  • the outer peripheral surfaces of the first to fourth stage support columns connecting the first stage and the second stage are formed of insulators.
  • all the first power conversion units loaded on the first stage are disposed inside a columnar region including at least a part of the plurality of stage columns as a side. Therefore, even if it is not based on the electric field relaxation shield, it is possible to suppress the air partial discharge of the exposed metal part by the first to fourth stage support columns. As a result, it is possible to make the first electric field relaxation shield part a simple and lightweight structure without having a portion disposed between the first stage and the second stage.
  • FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration of a power conversion device 100 according to the embodiment.
  • the power conversion device 100 includes a modular multilevel converter (hereinafter referred to as MMC) 2 and a control device 3 that controls the MMC 2.
  • MMC modular multilevel converter
  • control device 3 that controls the MMC 2.
  • MMC 2 capable of achieving high withstand voltage and high capacity, for example, ultra high-voltage direct current transmission (UHVDC) can be performed.
  • UHVDC ultra high-voltage direct current transmission
  • the MMC 2 is connected to the power system 1 via the transformer 4.
  • MMC 2 includes a transformer 4 and three-phase (U, V, W-phase) AC lines UL, VL, WL.
  • Transformer 4 includes three primary windings and three secondary windings. The three primary windings are connected to the three-phase transmission lines 1u, 1v, 1w of the power system 1, respectively. The three secondary windings are respectively connected to one terminals of AC lines UL, VL and WL.
  • MMC 2 further includes arms A1 to A3.
  • Arm A1 is connected between the other terminal of AC line UL and the other terminal of AC line VL.
  • Arm A2 is connected between the other terminal of AC line VL and the other terminal of AC line WL.
  • Arm A3 is connected between the other terminal of AC line WL and the other terminal of AC line UL. That is, the arms A1 to A3 are connected by delta connection.
  • Each of the arms A1 to A3 has a plurality of power conversion units U connected in series.
  • Each of the plurality of power conversion units U performs bidirectional power conversion in accordance with a control signal from control device 3.
  • FIG. 2 is an external perspective view of the arm A1 of FIG.
  • FIG. 3 is a top view of the stages ST1 and ST2 of FIG. 2 viewed in plan from the Z-axis direction.
  • power conversion device 100 includes power conversion units U1 to U16, stages ST1 and ST2, electric field relaxation shields S10 and S20, stage supports P1 to P9, and base BS1. , And base posts P11 to P25.
  • Each of power conversion units U1 to U16 corresponds to power conversion unit U in FIG. Power conversion units U1 to U16 are connected in series.
  • the base supports P11 to P25 on which the power conversion units U1 to U8 are loaded respectively include insulators G11 to G25 in the outer peripheral portion. That is, the outer circumferential surfaces of the base supports P11 to P25 are formed of an insulator. Since the outer circumferential surfaces of base columns P11 to P25 are formed of insulators, the projecting portions of stages ST1 and ST2 even if a potential difference occurs between base BS1 and stage ST1 during operation of power conversion device 100. The generated air partial discharge can be suppressed by the electric field relaxation shields S10 and S20.
  • stage ST2 and the stage ST1 are connected by stage support posts P1 to P9 extending in the Z-axis direction.
  • Power conversion units U9 to U16 are loaded on stage ST2.
  • Stage support columns P1 to P9 respectively include insulators G1 to G9 at outer peripheral portions. That is, the outer peripheral surfaces of the stage support columns P1 to P9 are formed of an insulator.
  • the electric field relaxation shield portion S11 is disposed to surround the outer periphery of the stage ST1.
  • Electric field relaxation shield portion S10 includes electric field relaxation shields S11 to S14.
  • the electric field relaxation shield portion S10 relaxes the electric field concentrated on the projecting portion of the outer edge of the stage ST1.
  • the electric field alleviating shield portion S10 can suppress the air partial discharge generated in the projecting portion.
  • the electric field relaxation shield portion S20 is disposed so as to surround the outer periphery of the stage ST2.
  • the electric field relaxation shield portion S20 includes electric field relaxation shields S21 to S24.
  • the electric field relaxation shield portion S20 relieves the electric field concentrated on the protruding portion of the outer edge of the stage ST2.
  • the electric field alleviating shield portion S20 can suppress the air partial discharge generated in the projecting portion.
  • each electric field relaxation shield can be disposed at an appropriate place, so that the electric field relaxation shield can be easily disposed according to the shape of each stage. . Moreover, since each electric field relaxation shield can be placed in an empty space during storage, the space required for storage of the electric field relaxation shield can be reduced.
  • FIG. 4 is a diagram showing the positional relationship between the power conversion units U1 to U8 of FIG. 1 and stage support posts P1 to P9.
  • the power conversion units U1 to U4 are disposed inside a rectangular prism region Rg1 including the stage supports P1, P3, P4 and P6 as sides.
  • the separation distance of power conversion units U1 to U4 can be secured from the outside. As a result, it is possible to suppress the air partial discharge generated from power conversion units U1 to U4.
  • the power conversion units U5 to U8 are disposed inside a rectangular prism region Rg2 including the stage supports P4, P6, P7, and P9 as sides. By arranging power conversion units U5 to U8 inside region Rg2, the separation distance of power conversion units U5 to U8 can be secured from the outside. As a result, it is possible to suppress the air partial discharge generated from power conversion units U5 to U8.
  • FIG. 5 is an external perspective view of a certain arm of a power conversion device 900 according to a comparative example.
  • the electric field relaxation shields S11 to S14 and S21 to S24 of FIG. 2 are replaced with electric field relaxation shields S61 to S68 and S71 to S78.
  • the stage columns P1 to P9 in FIG. 2 are replaced by stage columns P31 to P39, respectively, and the ladders G1 to G9 are replaced by ladders G31 to G39, respectively.
  • frames F1 to F3 are added to the configuration of the arm A1 of FIG. The other points are the same, and therefore the description will not be repeated.
  • the frames F1 to F3 extend in the Z-axis direction from the stage ST1.
  • Power conversion units U1 to U4 are arranged between frames F1 and F2.
  • Power conversion units U5 to U8 are arranged between frames F2 and F3.
  • Stage support posts P31 to P33 connect the frame F1 and the stage ST2.
  • Stage support posts P34 to P36 connect the frame F2 and the stage ST2.
  • Stage support posts P37 to P39 connect the frame F3 and the stage ST2.
  • each of the electric field relaxation shields S61 to S68 has a portion disposed between the stages ST1 and ST2, relaxes the electric field concentration on the projecting portion of the frames F1 to F3, and suppresses aerial partial discharge. There is.
  • the electric field relaxation shield shown in FIG. It is simpler and lighter than the electric field relaxation shield shown in FIG. Therefore, the manufacturing cost and the assembly cost of power converter 100 of FIG. 2 can be reduced compared to the manufacturing cost and the assembly cost of power converter 900 of FIG.
  • the present invention is also applicable to a power converter in which three or more stages of stacked power conversion units are stacked.
  • Reference Signs List 1 electric power system, 1u, 1v, 1w transmission line, 3 controllers, 4 transformers, 100, 900 power converters, A1, A2, A3 arms, BS1 base, F1 to F3 frames G1 to G9, G11 to G25, G31 G39 forceps, P1 to P9, P31 to P39 stage support, P11 to P25 base support, S10, S20 electric field relaxation shield, S11 to S14, S21 to S24, S61 to S68, S71 to S78 electric field relaxation shield, ST1, ST2 Stage, U, U1 to U16 Power conversion unit, UL, VL, WL AC line.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

電力変換装置(100)は、第1ステージ(ST1)と、第2ステージ(ST2)と、第1電界緩和シールド部(S11~S14),第2電界緩和シールド部(S21~S24)と、複数のステージ支柱(P1~P9)とを備える。第1電界緩和シールド部(S11~S14)は、第1ステージ(ST1)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(S21~S24)は、第2ステージ(ST2)の外周を囲むように配置されている。複数のステージ支柱(P1~P9)は、第1ステージ(ST1)と第2ステージ(ST2)とを接続している。複数のステージ支柱(P1~P9)の外周面は、絶縁体(G1~G9)から形成されている。第1ステージ(ST1)に積載されている電力変換ユニット(U1~U8)は、複数のステージ支柱の少なくとも一部(P1,P3,P4,P6,P7,P9)を辺として含む柱状の領域の内部に配置されている。

Description

電力変換装置
 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S11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 (3)

  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ている、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。
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