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技術 電力変換装置

出願人 東芝三菱電機産業システム株式会社
発明者 金宏信
出願日 2016年3月25日 (3年4ヶ月経過) 出願番号 2016-062150
公開日 2017年9月28日 (1年9ヶ月経過) 公開番号 2017-175861
状態 特許登録済
技術分野 インバータ装置
主要キーワード 固定パルス 単位変換器 ゲートパルス幅 連系変圧器 循環電流 MMC 連系リアクトル 出力点
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年9月28日)のものです。
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図面 (4)

課題

直列に接続される単位変換器直流電圧電圧変動を抑制する電力変換装置を提供することにある。

解決手段

MMC10は、直列に接続されるチョッパーセル1a〜1cと、チョッパーセル1a〜1cの出力電圧固定パルスパターンで制御する制御装置3と、チョッパーセル1a〜1cにそれぞれ設けられ、チョッパーセル1a〜1cに流入又は流出する電流の大きさが大きい順に容量が大きいコンデンサ11a〜11cとを備える。

概要

背景

一般に、電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器MMC)が知られている。MMCは、直列に接続されたセル単位変換器)で構成される電力変換装置である。セルは、IGBT(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子コンデンサで構成されている。

例えば、MMCとしては、セルに異常が生じた場合、各アームで動作させるセルが同数になるようにセルを停止し、出力電圧アンバランスを抑制することが開示されている(特許文献1参照)。

概要

直列に接続される単位変換器の直流電圧電圧変動を抑制する電力変換装置を提供することにある。MMC10は、直列に接続されるチョッパーセル1a〜1cと、チョッパーセル1a〜1cの出力電圧を固定パルスパターンで制御する制御装置3と、チョッパーセル1a〜1cにそれぞれ設けられ、チョッパーセル1a〜1cに流入又は流出する電流の大きさが大きい順に容量が大きいコンデンサ11a〜11cとを備える。

目的

本発明の目的は、直列に接続される単位変換器の直流電圧の電圧変動を抑制する電力変換装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

直列に接続される複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器の出力電圧固定パルスパターンで制御する制御手段と、前記複数の単位変換器にそれぞれ設けられ、前記複数の単位変換器にそれぞれ流入又は流出する電流の大きさが大きい順に容量が大きい複数のコンデンサとを備えることを特徴とする電力変換装置

請求項2

直列に接続される複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御する制御手段と、前記複数の単位変換器にそれぞれ設けられ、前記固定パルスパターンの長さが長い順に容量が大きい複数のコンデンサとを備えることを特徴とする電力変換装置。

請求項3

電力変換装置を構成する直列に接続される複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御し、複数のコンデンサを前記複数の単位変換器に、前記複数の単位変換器にそれぞれ流入又は流出する電流の大きさが大きい順に容量が大きくなるようにそれぞれ設けることを含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法

請求項4

電力変換装置を構成する直列に接続される複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御し、複数のコンデンサを前記複数の単位変換器に、前記固定パルスパターンの長さが長い順に容量が大きくなるようにそれぞれ設けることを含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。

技術分野

0001

本発明は、電力変換装置に関する。

背景技術

0002

一般に、電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器MMC)が知られている。MMCは、直列に接続されたセル単位変換器)で構成される電力変換装置である。セルは、IGBT(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子コンデンサで構成されている。

0003

例えば、MMCとしては、セルに異常が生じた場合、各アームで動作させるセルが同数になるようにセルを停止し、出力電圧アンバランスを抑制することが開示されている(特許文献1参照)。

先行技術

0004

特開2014−042396号公報

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながら、MMCは、階段状の電圧を出力するため、直列に接続される各セルから出力されるゲートパルス幅時間幅)が異なる。従って、各セルの直流電圧電圧変動を抑制するように各セルを制御しようとすると、制御が複雑になる。

0006

そこで、本発明の目的は、直列に接続される単位変換器の直流電圧の電圧変動を抑制する電力変換装置を提供することにある。

課題を解決するための手段

0007

本発明の観点に従った電力変換装置は、直列に接続される複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器の出力電圧を固定パルスパターンで制御する制御手段と、前記複数の単位変換器にそれぞれ設けられ、前記複数の単位変換器にそれぞれ流入又は流出する電流の大きさが大きい順に容量が大きい複数のコンデンサとを備える。

発明の効果

0008

本発明によれば、直列に接続される単位変換器の直流電圧の電圧変動を抑制する電力変換装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

0009

本発明の実施形態に係るMMCの構成を示す構成図。
実施形態に係るチョッパーセルの回路の構成を示す回路図。
実施形態に係るアームの出力電圧を示す波形図。

実施例

0010

下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

0011

(実施形態)
図1は、本発明の実施形態に係るMMC10の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

0012

MMC10は、直流電力三相交流電力に変換する電力変換装置である。MMC10は、三相交流電力系統7u,7v,7wに三相交流電力を供給する。MMC10は、予め決められた電圧波形固定パルス波形)の三相交流電力を出力する。

0013

MMC10は、直流電源2、制御装置3、6つのアーム4up,4um,4vp,4vm,4wp,4wm、三相分のリアクトル5u,5v,5w、及び三相分の連系リアクトル6u,6v,6wを備える。

0014

MMC10の電力変換回路は、U相の上(正極側)アーム4up、U相の下(負極側)アーム4um、V相の上アーム4vp、V相の下アーム4vm、W相の上アーム4wp、及びW相の下アーム4wmで構成される。各アーム4up〜4vmは、3つのチョッパーセル(単位変換器)1a,1b,1cが直列に接続(カスケード接続)された回路である。ここでは、チョッパーセル1a、チョッパーセル1b及びチョッパーセル1cの順に正極側に接続されているものとするが、チョッパーセル1a〜1cは、どのような順番で接続されていてもよい。チョッパーセル1a〜1cは、最小単位電力変換器である。各チョッパーセル1a,1b,1cには、それぞれ容量(コンデンサ容量)の異なるコンデンサ11a,11b,11cが設けられている。

0015

直流電源2は、直流電力を6つのアーム4up〜4wmで構成される電力変換回路に供給する。直流電源2は、直流電力を出力するものであれば、発電機、コンバータ、又は蓄電池等、なんでもよい。

0016

制御装置3は、光ファイバケーブル等の伝送路を介して、各チョッパーセル1a〜1cにゲートパルスゲート信号)Pgを出力して、各チョッパーセル1a〜1cを駆動し、MMC10の出力電力を制御する。制御装置3は、予め設定された固定パルスパターンに従ってゲートパルスPgを各チョッパーセル1a〜1cに出力する。即ち、制御装置3は、固定パルスパターン方式で、MMC10の出力電力を制御する。

0017

U相のリアクトル5uは、U相の上アーム4upとU相の下アーム4umとの間に設けられる。V相のリアクトル5vは、V相の上アーム4vpとV相の下アーム4vmとの間に設けられる。W相のリアクトル5wは、W相の上アーム4wpとW相の下アーム4wmとの間に設けられる。各リアクトル5u〜5wの中間点は、それぞれMMC10の電力変換回路から出力される交流電力各相出力点となる。各リアクトル5u〜5wの中間点は、それぞれ連系リアクトル6u〜6wを介して、電力系統7u〜7wの各相に接続される。各リアクトル5u〜5wは、それぞれが設けられている相の上アーム4up〜4wpと下アーム4um〜4wmに流れる循環電流直流成分を抑制する。

0018

連系リアクトル6u〜6wは、それぞれの相の電力系統7u〜7wとリアクトル5u〜5wの中間点との間に設けられる。連系リアクトル6u〜6wは、電力系統7u〜7wと系統連系するために設けられるリアクトルである。なお、連系リアクトル6u〜6wの代わりに連系変圧器を設けてもよい。

0019

図2は、本実施形態に係るチョッパーセル1aの回路の構成を示す回路図である。他のチョッパーセル1b,1cも、回路の構成は同様である。

0020

チョッパーセル1aは、二重スターチョッパである。チョッパーセル1aは、2つのスイッチング素子12p,12m、2つの逆並列ダイオード13p,13m、及びコンデンサ11aにより構成された回路である。チョッパーセル1aは、制御装置3から送信されるゲートパルスPgにより、2つのスイッチング素子12p,12mがスイッチングすることで駆動する。

0021

2つのスイッチング素子12p,12mは、直列に接続されている。2つのスイッチング素子12p,12mには、それぞれ逆並列ダイオード13p,13mが接続されている。コンデンサ11aは、2つの直列に接続されたスイッチング素子12p,12mと並列に接続されている。2つのスイッチング素子12p,12mの接続点は、チョッパーセル1aの正極端子となる。負極側のスイッチング素子12mの負極側の端子エミッタ)は、チョッパーセル1aの負極端子となる。

0022

次に、各チョッパーセル1a〜1cに設けるコンデンサ11a〜11cの容量の決定方法について説明する。

0023

図3は、本実施形態に係るアーム4upの出力電圧を示す波形図である。図3は、アーム4upが正極の電圧を出力している時(2分の1周期)の波形である。各アーム4up〜4wmの出力電圧は、位相がずれる点以外は、全て同様の電圧波形である。従って、ここでは、代表して1つのアーム4upの出力電圧について説明する。また、アーム4upの出力電圧が負極の場合は、正極の出力電圧の極性を反対にしたものであるため、説明を省略する。

0024

アーム4upの出力電圧は、アーム4upを構成する各チョッパーセル1a〜1cの出力電圧Va〜Vcの総和である。

0025

アーム4upの出力電圧の最大値波高値)をVpとし、各チョッパーセル1a〜1cの出力電圧をそれぞれ電圧Va〜Vcとする。

0026

チョッパーセル1aは、時刻taからパルス幅(時間幅)Taで、1/3Vp(Vpの3分の1)の電圧Vaを出力する。チョッパーセル1bは、時刻tbからパルス幅Tbで、1/3Vpの電圧Vbを出力する。チョッパーセル1cは、時刻tcからパルス幅Tcで、1/3Vpの電圧Vcを出力する。ここでは、パルス幅Ta、パルス幅Tb、パルス幅Tcの順に長いものとする。

0027

各コンデンサ11a〜11cは、パルス幅Ta〜Tcの長さが長い順(各チョッパーセル1a〜1cに流入又は流出する電流の大きさが大きい順)に大きい容量にする。従って、コンデンサ11a、コンデンサ11b、コンデンサ11cの順に、容量が大きくなる。各コンデンサ11a〜11cの容量の大きさは、各チョッパーセル1a〜1cの直流電圧(コンデンサ電圧)の変動が均一になるように決定する。

0028

本実施形態によれば、MMC10のチョッパーセル1a〜1cに設けられたコンデンサ11a〜11cの容量を、パルス幅Ta〜Tcの長さが長い順又は各チョッパーセル1a〜1cに流入又は流出する電流の大きさが大きい順に従って大きくすることで、各チョッパーセル1a〜1cの直流電圧の変動を抑制することができる。例えば、固定パルスパターン方式のゲートパルス制御をするMMC10において、低周波スイッチングのチョッパーセルの直流電圧変動を抑制することができる。

0029

なお、本実施形態では、アーム4up〜4wmは、3つのチョッパーセル1a〜1cで構成されているものとして説明したが、アーム4up〜4wmは、2つ以上であれば、いくつのチョッパーセルで構成されていてもよい。また、チョッパーセルの冗長性を確保するために、1周期の間に電圧を出力しないチョッパーセルがあってもよい。

0030

本実施形態では、1つのアーム4upを構成するチョッパーセル1a〜1cの出力電圧(固定パルスパターン)の大きさ(高さ)を全て同じにし、出力電圧のパルス幅を全て異なるものとしたが、各チョッパーセル1a〜1c出力電圧の大きさが異なっていてもよいし、出力電圧のパルス幅が同じチョッパーセルがあってもよい。このような場合でも、各チョッパーセルに流入又は流出する電流の大きさに応じてコンデンサの容量を決定することで、各チョッパーセルの直流電圧の変動を抑制することができる。また、チョッパーセル1a〜1cの出力電圧は、1パルスでなくてもよい。このような場合でも、1周期においてチョッパーセルに流入又は流出する電流の大きさに応じてコンデンサの容量を決定することで、実施形態と同様の構成にすることができる。

0031

本実施形態では、チョッパーセル1a〜1cが全て正常の場合について説明したが、チョッパーセル1a〜1cのいずれか1つでも異常になった場合は、本実施形態のように構成されていなくてもよい。例えば、1つのチョッパーセルが異常になった場合、残りの正常なチョッパーセルで、アームの電圧を出力する必要がある。このような場合は、正常な各チョッパーセルに設けられたコンデンサの容量と、パルス幅の長さ、又は各チョッパーセルに流入若しくは流出する電流の大きさが対応していなくてもよい。但し、このような異常時でも、正常な各チョッパーセルに設けられたコンデンサの容量と、パルス幅の長さ、又は各チョッパーセルに流入若しくは流出する電流の大きさが対応するように、制御装置3がゲートパルスPgを出力して、各チョッパーセルの出力電圧を制御することで、各チョッパーセルの直流電圧変動をある程度抑制することができる。

0032

本実施形態では、単位変換器を二重スターチョッパで説明したが、これに限らない。直列に接続されることにより、MMCのような電力変換装置を構成するものであれば、どのような単位変換器でもよい。

0033

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

0034

1a,1b,1c…チョッパーセル、2…直流電源、3…制御装置、4up,4um,4vp,4vm,4wp,4wm…アーム、5u,5v,5w…リアクトル、6u,6v,6w…連系リアクトル、7u,7v,7w…電力系統、10…MMC、11a,11b,11c…コンデンサ。

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