JP2023166163A - Electric power conversion device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power conversion device.
複数の変換器を直列に接続した電力変換装置がある。各変換器は、一対の接続端子と、複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、を有する。各変換器は、一対の接続端子を介して直列に接続される。 There is a power conversion device in which multiple converters are connected in series. Each converter has a pair of connection terminals, a plurality of switching elements, and a charge storage element connected in parallel to the plurality of switching elements. Each converter is connected in series via a pair of connection terminals.
このような電力変換装置において、電荷蓄積素子を短絡するように各スイッチング素子に短絡故障が発生した際に、電荷蓄積素子の電荷が短時間に放電されることで、各スイッチング素子に大電流が流れてしまう場合がある。各スイッチング素子に大電流が流れると、各スイッチング素子が破損して周囲に飛散し、周囲の健全な用品を傷つけて二次故障を誘発してしまう可能性が生じる。 In such a power conversion device, when a short-circuit failure occurs in each switching element, such as short-circuiting a charge storage element, the charge in the charge storage element is discharged in a short period of time, causing a large current to flow through each switching element. It may flow. When a large current flows through each switching element, each switching element is damaged and scattered around, potentially damaging surrounding healthy items and inducing secondary failure.
例えば、各スイッチング素子の短絡時の電流ループのインダクタンスを大きくするように主回路導体を設計することで、電流ピークを低減し、各スイッチング素子の短絡故障が発生した際にも、各スイッチング素子の破損を抑制することが考えられる。しかしながら、この手法では、増加したインダクタンスにより、サージ電圧が増加し、これを抑制するためにゲート抵抗を高抵抗化する必要が生じてしまう。これにより、スイッチング損失が増大してしまうことが懸念される。 For example, by designing the main circuit conductor to increase the inductance of the current loop when each switching element is short-circuited, the current peak can be reduced, and even when a short-circuit failure occurs in each switching element, the main circuit conductor can be designed to increase the inductance of the current loop when each switching element is shorted. It is possible to suppress damage. However, with this method, the surge voltage increases due to the increased inductance, and in order to suppress this, it becomes necessary to increase the gate resistance. There is a concern that this will increase switching loss.
このため、複数の変換器を直列に接続した電力変換装置では、スイッチング損失の増大を抑制しつつ、短絡故障時の各スイッチング素子の破損を抑制できるようにすることが望まれる。 Therefore, in a power conversion device in which a plurality of converters are connected in series, it is desirable to be able to suppress damage to each switching element in the event of a short-circuit failure while suppressing an increase in switching loss.
本発明の実施形態は、直列に接続された複数の変換器のスイッチング損失の増大を抑制しつつ、短絡故障時の各スイッチング素子の破損を抑制できる電力変換装置を提供する。 Embodiments of the present invention provide a power converter device that can suppress damage to each switching element in the event of a short-circuit failure while suppressing an increase in switching loss of a plurality of converters connected in series.
本発明の実施形態によれば、直列に接続された複数の変換器を有し、前記複数の変換器の動作により、電力の変換を行う主回路部と、前記主回路部の動作を制御する制御装置と、を備え、前記複数の変換器のそれぞれは、一対の接続端子と、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、ループ状の導体と、を有し、前記一対の接続端子を介して直列に接続されるとともに、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記電荷蓄積素子の電圧を前記一対の接続端子間に出力する出力状態と、前記一対の接続端子間を導通させたバイパス状態と、前記複数のスイッチング素子をオフ状態とした停止状態と、を切り替え可能であり、前記ループ状の導体は、前記複数のスイッチング素子、前記電荷蓄積素子、及び前記複数のスイッチング素子と前記電荷蓄積素子とを接続する配線部材によって構成されるループ状の主回路導体部と磁気的に結合し、前記複数のスイッチング素子に短絡故障が発生し、前記電荷蓄積素子が短絡した際に、前記主回路導体部に流れる前記電荷蓄積素子の短絡電流によって発生する磁束に応じて誘導電流を流すことにより、前記主回路導体部に流れる前記短絡電流を低減させる電力変換装置が提供される。 According to an embodiment of the present invention, the main circuit unit includes a plurality of converters connected in series, and controls the operation of the main circuit unit that converts power and the operation of the main circuit unit by the operation of the plurality of converters. A control device, each of the plurality of converters includes a pair of connection terminals, a plurality of switching elements, a charge storage element connected in parallel to the plurality of switching elements, and a loop-shaped conductor. and an output state in which the charge storage element is connected in series through the pair of connection terminals, and the voltage of the charge storage element is output between the pair of connection terminals by switching the plurality of switching elements; It is possible to switch between a bypass state in which conduction occurs between the pair of connection terminals and a stop state in which the plurality of switching elements are turned off, and the loop-shaped conductor connects the plurality of switching elements and the charge storage. element and a loop-shaped main circuit conductor portion formed by a wiring member connecting the plurality of switching elements and the charge storage element, and a short circuit failure occurs in the plurality of switching elements, and the When the charge storage element is short-circuited, the short-circuit current flowing in the main circuit conductor part is reduced by flowing an induced current according to the magnetic flux generated by the short-circuit current of the charge storage element flowing in the main circuit conductor part. A power conversion device is provided.
直列に接続された複数の変換器のスイッチング損失の増大を抑制しつつ、短絡故障時の各スイッチング素子の破損を抑制できる電力変換装置が提供される。 A power conversion device is provided that can suppress damage to each switching element in the event of a short-circuit failure while suppressing an increase in switching loss of a plurality of converters connected in series.
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
Note that the drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between parts, etc. are not necessarily the same as those in reality. Furthermore, even when the same part is shown, the dimensions and ratios may be shown differently depending on the drawing.
In the present specification and each figure, the same elements as those described above with respect to the existing figures are denoted by the same reference numerals, and detailed explanations are omitted as appropriate.
図1は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図1に表したように、電力変換装置10は、主回路部12と、制御装置14と、を備える。電力変換装置10は、例えば、直流送電システムに用いられる。電力変換装置10は、直流送電システムにおいて、交流電力系統2及び一対の直流送電線3、4に接続される。
FIG. 1 is a block diagram schematically representing a power conversion device according to an embodiment.
As shown in FIG. 1, the
直流送電システムは、例えば、変圧器6を有する。電力変換装置10の主回路部12は、変圧器6を介して交流電力系統2に接続される。交流電力系統2の交流電力は、三相交流電力である。より詳しくは、対称三相交流電力である。変圧器6は、交流電力系統2の三相交流電力を主回路部12に対応した交流電力に変換する。変圧器6は、主回路部12に合わせて三相交流電力の各相の実効値を変化させる。変圧器6は、三相変圧器である。変圧器6は、必要に応じて設けられ、省略可能である。主回路部12には、交流電力系統2の三相交流電力を直接供給してもよい。
The DC power transmission system includes, for example, a
電力変換装置10は、交流電力系統2から供給された三相交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電力を直流送電線3、4に供給する。また、電力変換装置10は、直流送電線3、4から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力を交流電力系統2に供給する。このように、電力変換装置10は、交流から直流への交直変換、及び、直流から交流への交直変換を行う。
The
例えば、直流送電線3は、直流電力の高圧側の送電線であり、直流送電線4は、直流電力の低圧側の送電線である。電力変換装置10は、直流送電線3側が高圧、直流送電線4側が低圧となるように、変換後の直流電力を直流送電線3、4に出力する。
For example, the DC
主回路部12は、交流電力系統2と各直流送電線3、4との間に設けられる。主回路部12は、三相交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から三相交流電力への変換を行う。主回路部12は、例えば、直列に接続された複数の変換器を有するマルチレベル電力変換器である。主回路部12は、例えば、MMC(Modular Multilevel Converter)型の電力変換器である。MMC型の主回路部12は、直列に接続された複数の変換器を有する。各変換器は、ハーフブリッジ接続又はフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子に並列に接続された電荷蓄積素子と、を有する。主回路部12は、複数の変換器の動作により、電力の変換を行う。主回路部12は、例えば、複数の変換器の各スイッチング素子のスイッチングにより、交直変換を行う。
The
制御装置14は、主回路部12に接続されている。制御装置14は、各スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、主回路部12による三相交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から三相交流電力への変換を制御する。
The
主回路部12は、第1及び第2の一対の直流端子20a、20bと、第1~第3の3つの交流端子21a~21cと、第1~第6の6つのアーム部22a~22fと、を有する。
The
第1直流端子20aは、高圧側の直流送電線3に接続される。第2直流端子20bは、低圧側の直流送電線4に接続される。これにより、主回路部12によって変換された直流電力が直流送電線3、4に供給されるとともに、直流送電線3、4から供給された直流電力が主回路部12に入力される。
The
第1アーム部22aは、第1直流端子20aに接続される。第2アーム部22bは、第1アーム部22aと第2直流端子20bとの間に接続される。第1アーム部22a及び第2アーム部22bは、各直流端子20a、20bの間に直列に接続される。
The
第3アーム部22cは、第1直流端子20aに接続される。第4アーム部22dは、第3アーム部22cと第2直流端子20bとの間に接続される。第3アーム部22c及び第4アーム部22dは、第1アーム部22a及び第2アーム部22bに対して並列に接続される。
The
第5アーム部22eは、第1直流端子20aに接続される。第6アーム部22fは、第5アーム部22eと第2直流端子20bとの間に接続される。すなわち、第5アーム部22e及び第6アーム部22fは、第1アーム部22a及び第2アーム部22bに対して並列に接続されるとともに、第3アーム部22c及び第4アーム部22dに対して並列に接続される。
The
主回路部12では、第1アーム部22a及び第2アーム部22bによって第1レグLG1が構成され、第3アーム部22c及び第4アーム部22dによって第2レグLG2が構成され、第5アーム部22e及び第6アーム部22fによって第3レグLG3が構成される。すなわち、この例において、主回路部12は、3レグ、6アームの三相インバータである。換言すれば、主回路部12は、ブリッジ接続された複数のアーム部22a~22fを有する。この例では、主回路部12は、三相ブリッジ接続された6つのアーム部22a~22fを有する。
In the
第1アーム部22a、第3アーム部22c及び第5アーム部22eは、上側アームである。第2アーム部22b、第4アーム部22d及び第6アーム部22fは、下側アームである。このように、主回路部12は、複数のスイッチング素子によって構成される複数のアーム部及び複数のレグを有する。主回路部12は、例えば、2レグ、4アームの単相インバータなどでもよい。アーム部及びレグの数は、上記に限ることなく、任意の数でよい。
The
第1アーム部22aは、直列に接続された複数の変換器UP1、UP2…UPM1を有する。第2アーム部22bは、直列に接続された複数の変換器UN1、UN2…UNM2を有する。第3アーム部22cは、直列に接続された複数の変換器VP1、VP2…VPM3を有する。第4アーム部22dは、直列に接続された複数の変換器VN1、VN2…VNM4を有する。第5アーム部22eは、直列に接続された複数の変換器WP1、WP2…WPM5を有する。第6アーム部22fは、直列に接続された複数の変換器WN1、WN2…WNM6を有する。
The
但し、以下では、各変換器UP1、UP2…UPM1、UN1、UN2…UNM2、VP1、VP2…VPM3、VN1、VN2…VNM4、WP1、WP2…WPM5、WN1、WN2…WNM6をまとめて呼称する場合に、「変換器CEL」と称す。 However, in the following, each converter UP1, UP2...UPM 1 , UN1, UN2...UNM 2 , VP1, VP2...VPM 3 , VN1, VN2...VNM 4 , WP1, WP2...WPM 5 , WN1, WN2...WNM 6 When collectively called, they are called "converter CEL".
各アーム部22a~22fにおいて、M1、M2、M3、M4、M5、M6は、直列接続された変換器CELの台数を表す。各アーム部22a~22fにおいて、直列接続される変換器CELの台数は、例えば、100台~120台程度である。但し、直列接続される変換器CELの台数は、これに限ることなく、任意の台数でよい。
In each
各アーム部22a~22fに設けられる変換器CELの台数は、実質的に同じである。例えば、多数の各変換器CELが接続される場合には、主回路部12の動作に影響のない範囲において、各アーム部22a~22fに設けられる変換器CELの台数が異なってもよい。例えば、1つのアーム部に100台の変換器CELを直列に接続する場合、別のアーム部に設ける変換器CELの台数は、1~2台異なってもよい。
The number of converters CEL provided in each
各アーム部22a~22fのそれぞれは、バッファリアクトル23a~23fと、複数の電流検出器24a~24fと、をさらに有する。また、電力変換装置10は、電圧検出部25をさらに有する。
Each of the
各バッファリアクトル23a~23fは、各アーム部22a~22fのそれぞれにおいて、各変換器CELに直列に接続される。第1アーム部22aのバッファリアクトル23aは、交流端子21aと第1アーム部22a及び第2アーム部22bとの接続点と変換器UP1との間に設けられる。第2アーム部22bのバッファリアクトル23bは、交流端子21aと第1アーム部22a及び第2アーム部22bとの接続点と変換器UN1との間に設けられる。第3アーム部22cのバッファリアクトル23cは、交流端子21bと第3アーム部22c及び第4アーム部22dとの接続点と変換器VP1との間に設けられる。第4アーム部22dのバッファリアクトル23dは、交流端子21bと第3アーム部22c及び第4アーム部22dとの接続点と変換器VN1との間に設けられる。第5アーム部22eのバッファリアクトル23eは、交流端子21cと第5アーム部22e及び第6アーム部22fとの接続点と変換器WP1との間に設けられる。第6アーム部22fのバッファリアクトル23fは、交流端子21cと第5アーム部22e及び第6アーム部22fとの接続点と変換器WN1との間に設けられる。
Each
電流検出器24aは、第1アーム部22aに設けられ、第1アーム部22aに流れる電流を検出する。すなわち、電流検出器24aは、第1アーム部22aのアーム電流を検出する。電流検出器24aは、図示を省略した配線などを介して制御装置14に接続されている。電流検出器24aは、検出した第1アーム部22aの電流値を制御装置14に入力する。これにより、制御装置14には、第1アーム部22aの電流値が入力される。
The
以下同様に、電流検出器24bは、第2アーム部22bに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置14に入力する。電流検出器24cは、第3アーム部22cに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置14に入力する。電流検出器24dは、第4アーム部22dに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置14に入力する。電流検出器24eは、第5アーム部22eに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置14に入力する。電流検出器24fは、第6アーム部22fに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置14に入力する。
Similarly, the
電圧検出部25は、交流電力系統2の各相の交流電圧(相電圧)を検出し、検出値を制御装置14に入力する。電圧検出部25は、変圧器6の一次側に接続してもよいし、二次側に接続してもよい。
The
主回路部12では、第1アーム部22aと第2アーム部22bとの接続点、第3アーム部22cと第4アーム部22dとの接続点、及び、第5アーム部22eと第6アーム部22fとの接続点のそれぞれが、交流出力点となる。
In the
第1交流端子21aは、第1アーム部22aと第2アーム部22bとの接続点に接続される。第2交流端子21bは、第3アーム部22cと第4アーム部22dとの接続点に接続される。第3交流端子21cは、第5アーム部22eと第6アーム部22fとの接続点に接続される。各交流端子21a~21cは、例えば、変圧器6に接続される。
The
各変換器CELは、例えば、信号線26を介して制御装置14と接続される。制御装置14は、信号線26を介して変換器CELに制御信号を入力することにより、変換器CELの動作を制御する。また、変換器CELは、例えば、変換器CELの制御及び動作保護に関する制御信号や保護信号を図示されていない別の信号線を介して制御装置14に入力する。なお、制御装置14と各変換器CELとの間の通信方式は、上記に限定されるものではない。例えば、直列に接続された複数の変換器CELをデイジーチェーン接続し、制御装置14は、デイジーチェーン接続された一端の変換器CEL及び他端の変換器CELのみと通信を行ってもよい。制御装置14と各変換器CELとの間の通信方式は、制御装置14と各変換器CELとの間で適切に通信を行うことができる任意の通信方式でよい。
Each converter CEL is connected to the
図2は、変換器を模式的に表すブロック図である。
図2に表したように、変換器CELは、複数のスイッチング素子41、42と、複数の整流素子51、52と、複数の駆動回路61、62と、一対の接続端子71、72と、電荷蓄積素子74と、給電回路76と、電圧検出回路78と、制御回路80と、を有する。
FIG. 2 is a block diagram schematically representing the converter.
As shown in FIG. 2, the converter CEL includes a plurality of switching
各スイッチング素子41、42は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、一対の主端子間に流れる電流を制御する。各スイッチング素子41、42には、例えば、IGBTなどの自己消弧素子が用いられる。一対の主端子は、例えば、エミッタ及びコレクタであり、制御端子は、例えば、ゲートである。各スイッチング素子41、42は、例えば、圧接型のスイッチング素子である。
Each switching
各スイッチング素子41、42は、一対の主端子間に電流を流せるようにするオン状態と、一対の主端子間に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。オフ状態は、一対の主端子間に完全に電流が流れない状態に限ることなく、例えば、変換器CELの動作に影響の無い程度の微弱な電流が一対の主端子間に流れる状態でもよい。オフ状態は、換言すれば、一対の主端子間に流れる電流を十分に小さくした状態である。
Each of the switching
各スイッチング素子41、42には、例えば、ノーマリオフ型の半導体素子が用いられる。各スイッチング素子41、42は、制御端子の電圧が高い状態においてオン状態となり、制御端子の電圧が低い状態においてオフ状態となる。各スイッチング素子41、42は、制御端子の電圧がオン状態よりも低い状態において、オフ状態となる。各スイッチング素子41、42は、例えば、制御端子に正電圧を印加した際にオン状態となり、制御端子の電圧を0Vに設定した際又は制御端子に負電圧を印加した際にオフ状態となる。
For each of the switching
スイッチング素子42の一対の主端子は、スイッチング素子41の一対の主端子に対して直列に接続される。この例において、変換器CELは、直列に接続された2つのスイッチング素子41、42を有する。換言すれば、変換器CELは、ハーフブリッジ接続された2つのスイッチング素子41、42を有する。この例において、変換器CELは、ハーフブリッジ構成の変換器である。
A pair of main terminals of the switching
整流素子51は、スイッチング素子41の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子51の順方向は、スイッチング素子41の一対の主端子間に流れる電流の向きに対して逆向きである。同様に、整流素子52は、スイッチング素子42の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子51、52は、いわゆる還流ダイオードである。
The rectifying
接続端子71は、スイッチング素子41とスイッチング素子42との間に接続される。接続端子72は、スイッチング素子41のスイッチング素子42に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。
同一アーム部内の複数の変換器CELは、一対の接続端子71、72を介して直列に接続される。変換器CELに対する電力の供給は、各接続端子71、72を介して行われる。スイッチング素子41は、いわゆるローサイドスイッチであり、スイッチング素子42は、いわゆるハイサイドスイッチである。
A plurality of converters CEL in the same arm section are connected in series via a pair of
制御回路80は、信号線26を介して制御装置14に接続されている。制御装置14は、各スイッチング素子41、42のオン・オフを制御するための制御信号を信号線26を介して制御回路80に送信する。制御回路80は、入力された制御信号に基づいて、各スイッチング素子41、42のオン・オフを切り替えるための駆動信号を駆動回路61、62に入力する。
駆動回路61は、スイッチング素子41の制御端子に接続されている。駆動回路62は、スイッチング素子42の制御端子に接続されている。駆動回路61、62は、制御回路80から入力された駆動信号に基づいて、各スイッチング素子41、42のオン・オフを切り替える。これにより、制御装置14からの制御信号に応じて、各スイッチング素子41、42のオン・オフが制御される。制御装置14は、各変換器CEL毎に制御信号を生成し、各変換器CELのそれぞれの各スイッチング素子41、42のオン・オフを制御する。これにより、制御装置14は、主回路部12による電力の変換を制御する。
The
なお、駆動回路61、62及び制御回路80の構成は、上記に限ることなく、各スイッチング素子41、42のオン・オフを制御可能な任意の構成でよい。例えば、制御装置14からの制御信号を駆動回路61、62に直接的に入力してもよい。この場合、制御回路80は、省略可能である。
Note that the configurations of the
電荷蓄積素子74は、スイッチング素子41及びスイッチング素子42に対して並列に接続される。電荷蓄積素子74は、例えば、コンデンサである。
スイッチング素子41がオフ状態で、スイッチング素子42がオン状態の時には、電荷蓄積素子74の電圧が各接続端子71、72間に現れる。スイッチング素子41がオン状態で、スイッチング素子42がオフ状態の時には、各接続端子71、72間が導通し、各接続端子71、72間の電圧は、実質的にゼロになる。
When the switching
このように、変換器CELは、制御装置14からの制御信号に基づく各スイッチング素子41、42のスイッチングにより、電荷蓄積素子74の電圧を各接続端子71、72間に出力する出力状態と、各接続端子71、72間を導通させたバイパス状態と、各スイッチング素子41、42をオフ状態とした停止状態と、を切り替える。
In this way, the converter CEL has an output state in which the voltage of the
各アーム部22a~22fにおいては、出力状態となった変換器CELの合計の電圧が、各アーム部22a~22fの電圧となる。主回路部12及び制御装置14は、出力状態とする変換器CELの台数を制御することにより、マルチレベルの電力変換を行う。
In each
各スイッチング素子41、42がともにオフ状態の時(変換器CELが停止状態の時)には、アーム電流の向きによって各接続端子71、72間の電圧が決まる。例えば、接続端子72から接続端子71に向かう向きにアーム電流が流れている時には、整流素子51がオンし、各接続端子71、72間の電圧は、実質的にゼロになる。反対に、接続端子71から接続端子72に向かう向きにアーム電流が流れている時には、整流素子52がオンし、電荷蓄積素子74が充電され、各接続端子71、72間には、電荷蓄積素子74の電圧が現れる。
When both switching
給電回路76は、電荷蓄積素子74に対して並列に接続されている。給電回路76は、電荷蓄積素子74に蓄積された電荷を基に、駆動回路61、62及び制御回路80の駆動電源を生成し、生成した駆動電源を駆動回路61、62及び制御回路80に供給する。駆動回路61、62及び制御回路80は、給電回路76からの駆動電源の供給に応じて動作する。
The
なお、駆動回路61、62及び制御回路80への給電方式は、上記に限定されるものではない。例えば、電荷蓄積素子74とは別の電源から駆動回路61、62及び制御回路80に対して給電を行ってもよい。駆動回路61、62及び制御回路80への給電方式は、駆動回路61、62及び制御回路80に対して適切に給電を行うことができる任意の方式でよい。
Note that the method of feeding power to the
電圧検出回路78は、電荷蓄積素子74に対して並列に接続されている。電圧検出回路78は、制御回路80と接続されている。電圧検出回路78は、電荷蓄積素子74の直流電圧を検出し、電荷蓄積素子74の直流電圧の電圧検出値を制御回路80に入力する。
図3は、変換器の一部を模式的に表す説明図である。
図3に表したように、各変換器CELは、ループ状の導体91、92をさらに有する。導体91、92は、各スイッチング素子41、42、電荷蓄積素子74、及び各スイッチング素子41、42と電荷蓄積素子74とを接続する配線部材によって構成されるループ状の主回路導体部の近傍に配置され、主回路導体部と磁気的に結合する。
FIG. 3 is an explanatory diagram schematically showing a part of the converter.
As represented in FIG. 3, each converter CEL further includes loop-shaped
導体91、92は、図3に表したように、各スイッチング素子41、42に短絡故障が発生し、電荷蓄積素子74が短絡した際に、主回路導体部に流れる電荷蓄積素子74の短絡電流Idcによって発生する磁束に応じて誘導電流Iangleを流し、抵抗成分によって損失を発生させることにより、主回路導体部に流れる短絡電流Idcを低減させる。
As shown in FIG. 3, the
図4(a)及び図4(b)は、変換器の動作の一例を模式的に表すグラフである。
図4(a)は、主回路導体部に流れる短絡電流Idcの一例を模式的に表す。
図4(b)は、導体91、92に流れる誘導電流Iangleの一例を模式的に表す。
また、図4(a)では、導体91、92を設けた場合の短絡電流Idcの一例を実線で、導体91、92を設けていない場合の短絡電流Idcの一例を破線で、それぞれ表している。
FIGS. 4(a) and 4(b) are graphs schematically representing an example of the operation of the converter.
FIG. 4A schematically represents an example of the short circuit current I dc flowing through the main circuit conductor.
FIG. 4(b) schematically represents an example of the induced current I angle flowing through the
In addition, in FIG. 4(a), the solid line represents an example of the short circuit current I dc when the
図4(a)に表したように、主回路導体部に流れる短絡電流Idcは、高周波振動する電流である。図4(b)に表したように、導体91、92は、短絡電流Idcに対して逆向きに振動する誘導電流Iangleを流すことにより、短絡電流Idcを減衰させる。これにより、電荷蓄積素子74の短絡によって瞬間的に大きな電流が各スイッチング素子41、42に流れ、各スイッチング素子41、42が破損したり、破損にともなって破片が飛散し、周囲の健全な用品を傷つけてしまったりすることを抑制することができる。
As shown in FIG. 4(a), the short circuit current I dc flowing through the main circuit conductor is a current that oscillates at a high frequency. As shown in FIG. 4B, the
導体91、92は、例えば、略矩形の枠状である。導体91、92は、換言すれば、略矩形の導体枠である。但し、導体91、92の形状は、上記に限ることなく、例えば、円環状などでもよい。導体91、92の形状は、枠状や環状に限ることなく、例えば、螺旋状に複数回巻き回したコイル状などでもよい。導体91、92の形状は、主回路導体部と磁気的に結合し、主回路導体部に発生した磁束に応じて誘導電流を流すことが可能な任意の形状でよい。本願明細書において、ループ状とは、枠状、環状、あるいはコイル状など、導体内に電流を循環させることが可能な形状のことをいうものとする。
The
導体91、92は、例えば、図3に表したように、主回路導体部に流れる電荷蓄積素子74の短絡電流Idcによって発生する磁束が、導体91、92の内側の空間を通るように配置される。これにより、例えば、導体91、92と主回路導体部との磁気的な結合を強め、主回路導体部に流れる短絡電流Idcを低減させやすくすることができる。
The
図3では、各変換器CELが、主回路導体部を挟むように配置された2つの導体91、92を有している。但し、各変換器CELに設けられる導体の数は、2つに限ることなく、1つでもよいし、3つ以上でもよい。各変換器CELに設けられる導体の数は、各スイッチング素子41、42の短絡故障時に主回路導体部に流れる短絡電流Idcを適切に低減させることが可能な任意の数でよい。
In FIG. 3, each converter CEL has two
図5(a)及び図5(b)は、導体の特性の一例を模式的に表すグラフである。
図5(a)は、導体91、92の抵抗値と、主回路導体部に流れる短絡電流Idcの電流2乗時間積と、の関係の一例を模式的に表す。
図5(b)は、導体91、92に流れる誘導電流Iangleの周波数と、導体91、92の抵抗値と、の関係の一例を模式的に表す。
FIGS. 5A and 5B are graphs schematically representing an example of the characteristics of a conductor.
FIG. 5A schematically represents an example of the relationship between the resistance values of the
FIG. 5B schematically represents an example of the relationship between the frequency of the induced current I angle flowing through the
図5(a)に表したように、導体91、92の抵抗値には、短絡故障時に主回路導体部に流れる短絡電流Idcの電流2乗時間積が最小となる最適抵抗値(インピーダンスマッチング条件)が存在する。導体91、92の抵抗値は、上記の最適抵抗値となるように設計する。導体91、92の抵抗値は、上記の最適抵抗値となるように設定されている。導体91、92の抵抗値は、より詳しくは、導体91、92の断面積と、導体91、92の長さ(周の長さ)と、導体91、92の抵抗率と、によって求められる抵抗値である。最適抵抗値は、例えば、シミュレーションと数理最適化を用いて導出することができる。数理最適化とは、あるアルゴリズムによってシミュレーション結果を元により良い特性を自動で探索する手法であり、人間の手によって行う試行錯誤を体系化した技術・学問である。
As shown in FIG. 5(a), the resistance values of the
また、図5(b)に表したように、導体91、92の抵抗値は、表皮効果により周波数特性を持つ。このため、短絡時の共振周波数にて上記の最適抵抗値となるように、導体91、92の形状を設計する。換言すれば、導体91、92の形状は、各スイッチング素子41、42の短絡故障時に流れる誘導電流Iangleの周波数において、上記の最適抵抗値となるように設定されている。
Furthermore, as shown in FIG. 5(b), the resistance values of the
このように、導体91、92の形状を設計することにより、短絡故障時には高周波振動する電流を導体91、92にて減衰させることができる。そして、通常運用時には主回路電流が低周波であるため、導体91、92に発生する表皮効果の影響が抑制され、導体91、92が低抵抗となり、インピーダンスマッチング条件から外れることで主回路導体部に対する導体91、92の影響を緩和することができる。さらに、導体91、92と磁気結合することにより、主回路導体部のインダクタンスを低減することができるため、サージ電圧を抑制することができる。このため、各スイッチング素子41、42の制御端子の抵抗値(例えばゲート抵抗)を下げることができ、各スイッチング素子41、42のスイッチング損失の増大を抑制することができる。
By designing the shapes of the
以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置10では、直列に接続された複数の変換器CELのスイッチング損失の増大を抑制しつつ、短絡故障時の各スイッチング素子41、42の破損を抑制することができる。
As described above, in the
なお、MMC型の主回路部12において、変換器CELの構成は、ハーフブリッジ回路でもよいし、フルブリッジ回路でもよい。フルブリッジ回路の場合には、4つのスイッチング素子のいずれの組合せで電荷蓄積素子74を短絡させる各スイッチング素子の短絡故障が発生した際にも、主回路導体部と磁気的に結合するようにループ状の導体を配置することが望ましい。
Note that in the MMC type
上記実施形態では、主回路部12にMMC型の電力変換器を用いている。主回路部12は、MMC型に限ることなく、例えば、複数の変換器CELを直列に接続する他の方式の電力変換器でもよい。
In the embodiment described above, the
電力変換装置10は、直流送電システムに限ることなく、交流から直流への変換及び直流から交流への変換が必要な他の任意のシステムなどに適用してもよい。主回路部12による交直変換は、交流から直流及び直流から交流の双方に限ることなく、交流から直流又は直流から交流の一方のみでもよい。また、主回路部12は、例えば、交流交流直接変換回路などでもよい。
The
主回路部12の構成は、例えば、複数のアーム部をスター結線、デルタ結線、あるいはマトリックス結線した構成などでもよい。主回路部12は、例えば、モジュラーマトリックスコンバータなどでもよい。主回路部12は、必ずしも複数のレグを有しなくてもよい。主回路部は、少なくとも複数のアーム部を有していればよい。主回路部の構成は、電力の変換が可能な任意の構成でよい。電力変換装置は、例えば、周波数変換装置、直流送電装置、無効電力補償装置、あるいは電力潮流制御装置などでもよい。
The configuration of the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although several embodiments of the invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, substitutions, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and their modifications are included within the scope and gist of the invention, as well as within the scope of the invention described in the claims and its equivalents.
2…交流電力系統、 3、4…直流送電線、 6…変圧器、 10…電力変換装置、 12…主回路部、 14…制御装置、 20a…第1直流端子、 20b…第2直流端子、 21a…第1交流端子、 21b…第2交流端子、 21c…第3交流端子、 22a…第1アーム部、 22b…第2アーム部、 22c…第3アーム部、 22d…第4アーム部、 22e…第5アーム部、 22f…第6アーム部、 23a~23f…バッファリアクトル、 24a~24f…電流検出器、 25…電圧検出部、 26…信号線、 41、42…スイッチング素子、 51、52…整流素子、 61、62…駆動回路、 71、72…接続端子、 74…電荷蓄積素子、 76…給電回路、 78…電圧検出回路、 80…制御回路、 91、92…導体、 CEL…変換器、 LG1…第1レグ、 LG2…第2レグ、 LG3…第3レグ 2... AC power system, 3, 4... DC power transmission line, 6... Transformer, 10... Power converter, 12... Main circuit section, 14... Control device, 20a... First DC terminal, 20b... Second DC terminal, 21a...First AC terminal, 21b...Second AC terminal, 21c...Third AC terminal, 22a...First arm part, 22b...Second arm part, 22c...Third arm part, 22d...Fourth arm part, 22e ...Fifth arm section, 22f...Sixth arm section, 23a to 23f...Buffer reactor, 24a to 24f...Current detector, 25...Voltage detection section, 26...Signal line, 41, 42...Switching element, 51, 52... Rectifying element, 61, 62... Drive circuit, 71, 72... Connection terminal, 74... Charge storage element, 76... Power supply circuit, 78... Voltage detection circuit, 80... Control circuit, 91, 92... Conductor, CEL... Converter, LG1...1st leg, LG2...2nd leg, LG3...3rd leg
Claims (4)
前記主回路部の動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記複数の変換器のそれぞれは、
一対の接続端子と、
複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、
ループ状の導体と、
を有し、前記一対の接続端子を介して直列に接続されるとともに、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記電荷蓄積素子の電圧を前記一対の接続端子間に出力する出力状態と、前記一対の接続端子間を導通させたバイパス状態と、前記複数のスイッチング素子をオフ状態とした停止状態と、を切り替え可能であり、
前記ループ状の導体は、前記複数のスイッチング素子、前記電荷蓄積素子、及び前記複数のスイッチング素子と前記電荷蓄積素子とを接続する配線部材によって構成されるループ状の主回路導体部と磁気的に結合し、前記複数のスイッチング素子に短絡故障が発生し、前記電荷蓄積素子が短絡した際に、前記主回路導体部に流れる前記電荷蓄積素子の短絡電流によって発生する磁束に応じて誘導電流を流すことにより、前記主回路導体部に流れる前記短絡電流を低減させる電力変換装置。 a main circuit section having a plurality of converters connected in series and converting power by the operation of the plurality of converters;
a control device that controls the operation of the main circuit section;
Equipped with
Each of the plurality of converters includes:
a pair of connection terminals,
multiple switching elements;
a charge storage element connected in parallel to the plurality of switching elements;
A loop-shaped conductor,
are connected in series via the pair of connection terminals, and output a voltage of the charge storage element between the pair of connection terminals by switching the plurality of switching elements; It is possible to switch between a bypass state in which conduction is established between the connection terminals of and a stop state in which the plurality of switching elements are in an OFF state,
The loop-shaped conductor is magnetically connected to a loop-shaped main circuit conductor portion constituted by the plurality of switching elements, the charge storage element, and a wiring member connecting the plurality of switching elements and the charge storage element. When a short-circuit failure occurs in the plurality of switching elements and the charge storage element is short-circuited, an induced current is caused to flow in accordance with a magnetic flux generated by a short-circuit current of the charge storage element flowing to the main circuit conductor part. A power conversion device that reduces the short circuit current flowing through the main circuit conductor.
4. The loop-shaped conductor is arranged so that a magnetic flux generated by the short-circuit current flowing through the main circuit conductor passes through a space inside the loop-shaped conductor. The power conversion device described.
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2022
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