JP2011030388A - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電圧源電力変換器および上記変換器の直流側に接続されたコンデンサからなる電圧源型電力変換装置において、回路を簡素化する。
【解決手段】直流側電圧を放電するための放電回路を、地絡異常検出のための中性点検出回路と兼用とする。さらに、中性点検出回路の抵抗値を、接地検出が可能であり、かつ常に主回路電圧が印加された場合の消費電力の電力変換器の定格出力に対する割合、および直流側コンデンサと構成する放電時定数がいずれも装置の設計許容値以下となるように選定することで、中性点検出回路による損失および装置停止後の主回路直流電圧の低下時間をそれぞれ許容範囲内に抑える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置及び電力変換方法に関する。

交流／直流電力変換装置はスイッチング素子オンオフ指令によってスイッチング素子のオンオフ動作させて、交流電力と直流電力を相互変換する。

直流側に複数の抵抗を直列に接続した中間の電位を中性点電位として利用しこれと接地電位間の電圧もしくは電流を測定することで、地絡等の異常を検出する。

特開２００１−１６９５６１号公報

電力変換装置、特に大変換容量の電力変換装置においては、装置効率を向上させるため主回路電圧が高く、また負荷や電源の変動に対し出力を安定させるため直流主回路に大容量のコンデンサ要素をもつものが多い。これらの装置においては、停止後何らかの手段によってこの主回路電圧を減少させることが不可欠である。これを実現するために直流主回路に抵抗からなる放電回路を接続し、この抵抗経由で電流を流すことで直流残存電圧を放電する。

上記従来技術では、この点に意識がないか、新たに放電回路を追加する場合、変換装置運転中における放電回路の損失を防ぐため、変換装置停止中のみ交流側との接続を閉する機構や、直流電圧印加に対する耐圧の考慮により、大型化および複雑化する。

放電回路として直流電圧の迅速な低減を主目的とするため、抵抗値は抵抗回路容量の許す限り小さく選定される必要がある。

本発明の目的は、接地異常の検出を放電回路との両機能を有しつつも、回路が簡素化され小型化可能な電力変換装置及び電力変換方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、交流を直流に変換するか、あるいは、直流を交流に変換する電力変換方法であって、直流側の正側ラインと直流側の負側ラインを抵抗を介して接続して中性点となし、前記中性点からの接地電流をあるいは電圧を検出して、所定以上となると電力変換動作を停止し、前記抵抗を介して直流側電圧を放電するように構成した。

本発明により、中性点電位生成抵抗回路と放電回路を兼用することができ、装置の小型化を図ることができる。

電力変換装置の実施方法を示した説明図である（実施例１）。 電力変換器の内部回路の一形態を示した説明図である。 電力変換器の内部回路について、基本回路およびスイッチング素子のオンオフ組合せと交流側の電位の関係を示した説明図である。 電力変換器の内部回路の別の形態を示した説明図である。 接地検出回路の一形態および接地検出の原理を示した説明図である。 交流主回路地絡時に直流側の接地検出回路において接地検出する原理を示した説明図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。

図１において、電力変換装置を示す。

１は交流系統、２は３の電力変換回路およびその直流側に接続された諸回路から構成される電力変換装置、４は直流側回路である。

交流側回路１は、電力変換装置２の交流側に接続される回路であり、負荷の場合も電源の場合もある。また、電力変換装置２の運転条件によって負荷または電源として機能する場合もある。

同様に直流側回路４は、電力変換装置２の直流側に接続される回路であり、負荷の場合も電源の場合もある。また、電力変換装置２の運転条件によって負荷または電源として機能する場合もある。

図２は電力変換回路３の内部回路の一例を示す。電力変換回路３は、図３のように基本回路を複数台接続することで構成される。図３の基本回路は、内部のスイッチング素子のオンオフの組合せにより、交流側端子電位を直流側の正負いずれかの電位に接続することができる。このオンオフの組合せを特定の演算により導き出し、切り替えることで、全体として交流側と直流側の電力潮流を制御することができる。なお、図４のように３つの交流側端子を備える形態もある。

電力変換装置２の内部において電力変換回路３の直流側に接続された諸回路要素のうち、５はコンデンサ、６ａ，６ｂは中性点検出抵抗（以下、単に抵抗と称する）、８は接地検出手段である。

交流系統（主回路用交流電源系統）１は、電力変換回路３に交流電力を供給し、供給された交流電力は直流電力に変換され、接続されている電力変換器負荷４に直流電力が供給される。

このとき、コンデンサ５は交流系統１の側回路または直流側回路４に生じる変動に対し、直流主回路の電圧変動を抑制するために接続されている。

抵抗６ａ，６ｂには直流主回路電圧が印加されている。抵抗６ａおよび６ｂの抵抗値は等しく、２つの抵抗間の電位は中性点電位７と呼ばれている。中性点電位７とアース電位９の間には接地検出手段８が接続されている。

図５に接地検出手段８に一例および接地検出の原理を示す。

接地検出手段８は、主として中性点電位７とアース電位９の間をつなぐ導体と、導体に流れる電流の検出器から構成される。

直流主回路に地絡等の異常が発生すると、図５に示すように地絡点と直流主回路および接地検出手段の導体にて閉回路が構成され、図中Ａ−Ｂ−Ｃ−Ｄのように電流が流れる。この電流を検出することで制御回路１０に異常発生が伝達される。制御回路１０は伝達された異常に対し、変換器の運転停止などの処理を行う。

この接地検出手段は、交流側主回路に地絡異常が発生した際にも接地検出が可能である。図６にその原理を示す。図中の電力変換回路３′は図１における電力変換回路３の一部に相当し、交流側端子電位を、内部スイッチング素子の導通を介して直流側主回路の正負電位いずれかと接続している。そのため交流側系統の地絡等に対しても、電力変換器および直流側主回路を含めた閉回路が成立するため、直流側地絡時と同様に設置異常を検出することができる。

ここで、大変換容量の電力変換装置においては、装置効率を向上させるため主回路電圧が高く、また負荷や電源の変動に対し出力を安定させるため、直流主回路の大容量のコンデンサ要素をもつものが多く、運転中の直流主回路系統には大きな電気エネルギーが蓄積されている。これらの装置においては、装置点検や保守を実施するためには、停止後何らかの手段によりこのエネルギーを除去し、主回路電圧を減少させることが不可欠である。

直流主回路に抵抗と開閉要素からなる放電回路を接続し、この抵抗経由で電流を流すことで直流残存電圧を放電するものに対し、本回路においては、中性点検出抵抗６ａ，６ｂを経由して放電電流を流すことで、放電回路と中性点電圧検出回路を兼用とする。これにより電力変換器回路の簡略化を図ることができる。

次に、中性点検出抵抗６ａ，６ｂの抵抗値選定方式について説明する。

中性点電位７を生成するため、６ａ，６ｂの抵抗値はそれぞれ等しく、これをそれぞれＲとする。

図１において、対象となる変換装置に使用される接地検出手段８に対し、接地検出に必要な通流電流をＩｄとする。Ｉｄは接地検出手段の部品定格の他、誤検出防止マージンなどの余裕率を考慮して選定される値である。

図５に示すような直流主回路接地状態において、接地検出手段８に流れる電流Ｉは式１のように表される。

Ｉ＝（Ｖｄｃ／２）／Ｒ＝Ｖｄｃ／２Ｒ …（式１）
この状態に対し接地検出を行うには、Ｉｄ≦１であることが必要であり、これをＲについて解くと、
Ｒ≦Ｖｄｃ／（２Ｉｄ） …（式２）
が条件となる。ここで、接地検出に必要な通流電流Ｉｄは望ましくは０.１Ａ（アンペア）以上に設定し、実用的には０.０１Ａ（アンペア）以上に設定する。

次に、放電回路として妥当な性能を発揮するために必要な条件を整理する。

コンデンサ５の容量Ｃ，周回路直流電圧Ｖｄｃとすると、主回路通電時に抵抗６ａおよび６ｂ両端に印加される電圧による抵抗損Ｑは式３のように表される。

Ｑ＝Ｖｄｃ²／（２Ｒ） …（式３）
また、電力変換回路３および電力変換器負荷４の動作が停止すると、抵抗６ａ，６ｂを介して電流が流れることで、直流主回路電圧は初期値Ｖｄｃから時間に対し指数関数的に減衰する。この時定数Ｔは
Ｔ＝２ＣＲ …（式４）
と表される。ここで、容量Ｃ（ｍＦ）（ミリファラド）は主回路の部品構成から一義的に定まるものである。なお、主回路がＮ個のユニットで構成された場合は、容量Ｃ（ｍＦ）（ミリファラド）はそれらの総和（例えば、各容量×Ｎ）となる。

ここで、下記（式５）および（式６）を満たす範囲で抵抗Ｒの値を選定する。ただしここでＰは電力変換回路３の定格容量、ａおよびＴ０は電力変換装置内で許容させる損失、および変換器停止後の直流電圧減衰の早さの要求値から選定される値である。

Ｑ≦ａＰ …（式５）
Ｔ≦Ｔ０ …（式６）
（式２），（式３）と（式５），（式４）と（式６）より、Ｒのとるべき数値範囲は下記のように表される。ここで、係数ａは０.１％（パーセント）より小さく設定する。また、許容時定数Ｔ０は望ましくは１００sec（秒）以下に実用的には２０００sec（秒）以下に設定する。なお、電力変換回路３の定格容量Ｐ（ＶＡ）（ボルトアンペア）は、主回路がＮ個のユニットで構成された場合、それぞれの総和（例えば、各容量×Ｎ）となる。

Ｒ≦Ｖｄｃ／（２Ｉｄ） …（式２）
Ｒ≧Ｖｄｃ²／（２ａＰ） …（式７）
Ｒ≦Ｔ０／（２Ｃ） …（式８）
ここで（式２）のＶｄｃ，Ｉｄはいずれも変換装置の構成により定められる。係数ａを小さくすることは抵抗６ａ，６ｂにて消費される抵抗損の許容値を小さくすることに相当する。一方で係数Ｔ０を小さくすることは変換器停止後の主回路直流電圧の減衰時定数の許容値を小さくすることに相当する。いずれも変換装置としての性能を向上させる方向ではあるが、Ｖｄｃ²／（２ａＰ）≦Ｔ０／（２Ｃ）の関係から、それぞれ無制限にａ，Ｔ０を低減することはできない。実際の値は、電力変換装置として許容される損失および直流電圧の減衰時定数から選定され、最終的な抵抗値Ｒはこの範囲内で決定される。

このように、中性点電位生成抵抗と放電用抵抗を兼用することで、電力変換装置の小型化を図ることができる。

１ 交流系統
２，２′，２″ 電力変換装置
３ 電力変換回路
４ 直流側回路
５ コンデンサ
６ａ，６ｂ 中性点検出抵抗
７ 中性点電位
８ 接地検出手段
９ アース電位
１０ 制御回路
１５ 地絡箇所

Claims (4)

1. 交流を直流に変換するか、あるいは、直流を交流に変換する変換器を有し、変換器は、直流側に、正側ラインと、負側ラインと、前記正側ラインと前記負側ラインとの接続されるコンデンサとを含む電力変換装置において、前記正側ラインと前記負側ラインとを接続して中性点とする抵抗と、前記中性点からの接地電流あるいは電圧を検出する検出手段を有し、前記抵抗は、直流側電圧の放電回路として機能するように選択されていることを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、前記検出手段は、前記検出値が所定以上となった場合、接地異常として、電力変換動作の停止を指令することを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項２記載の電力変換装置において、前記抵抗値は、電流検出が許容値の範囲内の精度であり、電力損失あるいは放電の時定数が許容値の範囲内となるように選定されることを特徴とする電力変換装置。
4. 交流を直流に変換するか、あるいは、直流を交流に変換する電力変換方法であって、直流側の正側ラインと直流側の負側ラインを抵抗を介して接続して中性点となし、前記中性点からの接地電流あるいは電圧を検出して、所定以上となると電力変換動作を停止し、前記抵抗を介して直流側電圧を放電する電力変換方法。

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