JP2014007909A

JP2014007909A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2014007909A
Application number: JP2012143590A
Authority: JP
Inventors: Masanori Kageyama; 正則景山; Kazuya Yamamoto; 和也山本; Shinji Murata; 信二村田; Hiroshi Ito; 寛伊藤
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2012-06-27
Filing date: 2012-06-27
Publication date: 2014-01-16

Abstract

【課題】筐体内部温度が高温となった状態で、過電圧や過電流の異常が発生した場合でも回路素子を破損なく安全に停止することができる電力変換装置を提供する。
【解決手段】コンバータ１４とインバータ１０とを制御する制御回路１３が、直流電源１からの供給電流を検出する電流検出器１５による過電流の検出、あるいはコンバータ１４の出力電圧を検出する電圧検出器１６による過電圧の検出に基づいて異常発生を判断した場合には、コンバータ１４のスイッチング素子６に流れる電流を調整して当該コンバータ１を構成する回路素子の発熱を抑制する発熱抑制保護手段２０を備えるとともに、制御回路１３は上記異常発生の判断に応じてＤＣ開閉器２を動作させて直流電源１からの電力供給を遮断する。
【選択図】図１

Description

この発明は、主に太陽電池などの定電流源となる直流電源より得られる直流電力を交流電力に変換する電力変換装置に関し、特には分散電源を系統に連系するインバータ装置の保護に関するものである。

従来の降圧電源装置として、例えば図４に示すように、チョッパ回路２９のスイッチング素子２５が短絡故障するなどの異常が発生すると、出力側フィルタコンデンサ２８の電圧が上昇するので、その電圧を電圧検出回路３０で検出する。この電圧検出回路３０の検出電圧が電圧監視回路３１で予め設定された設定値を超えると、点弧回路３３で過電圧抑制サイリスタ３４をオンする。過電圧抑制サイリスタ３４のオンにより入力側フィルタリアクトル２３、チョッパ出力用フィルタリアクトル２７、過電圧抑制サイリスタ３４を経由して高圧直流電源２１から短絡電流が流れ、チョッパ回路２９の出力（出力側フィルタコンデンサ２８の両端電圧）の過電圧を抑制する。また、過電圧抑制サイリスタ３４と直列に接続した高速遮断器２２の補助トリップコイル３９を動作させて高速遮断器２２をオフにして、高圧直流電源２１からの電源供給を停止して保護する方式が提案されている（例えば下記の特許文献１参照）。

また、従来の過電流保護回路として、例えば図５に示すように、負荷４３の内部の短絡故障などで負荷４３に過電流が流れた場合、その過電流を抵抗器４４で検知し、パルス伸長回路４８を経由してスイッチング素子４５を長時間オンすることで電源部４１から過電流遮断型回路保護素子４２へ大電流を流してこれを溶断させ、電源部４１から負荷４３への電源供給を停止して保護する方式が提案されている（例えば下記の特許文献２参照）。

特開平３−１５００１９号公報特開平１１−１９１９２１号公報

ところで、近年の電力変換装置は、安全性を向上させるために制御盤もしくは、箱型筐体等に収納されており、設置場所も屋内用や日射にさらされる屋外用がある。また、小動物や虫、埃、水滴等による短絡故障等を防止するために密閉状態もしくは、完全に密閉された状態で電力変換装置を構成する各回路素子を収納することがあり、そのため、電力変換装置の制御盤もしくは、箱型筐体内部の各回路素子の周囲温度が高温状態となることがある。

上記の特許文献１記載の従来技術では、異常発生が検出された場合、高速遮断器２２の補助トリップコイル３９に通電されてこの高速遮断器２２がオフするが、実際には、補助トリップコイル３９が励磁され、その後、高速遮断器２２の機械的接点が確実にオフされるまでの動作時間（例えば数ｍｓ〜数百ｍｓ）が存在する。この動作時間の間は、出力側フィルタコンデンサ２８に過電圧が印加され続けるとともに、過電圧抑制サイリスタ３４が連続オンしているため、入力側フィルタリアクトル２３、チョッパ出力用フィルタリアクトル２７、および過電圧抑制サイリスタ３４といった回路素子が急激に発熱する。

この場合、上記のように周囲温度が高温状態（例えば９０℃程度）であると、これら各回路素子の許容上昇温度範囲（動作保証温度）を容易に超過して回路素子が破損する課題があった。また、チョッパ回路２９の出力電圧（出力側フィルタコンデンサ２８の両端電圧）が非常に高い場合（例えばＤＣ４８Ｖ以上）は、一般的なトリップコイルの操作電圧（例えばＤＣ１２、２４、４８Ｖ）を内蔵した高速遮断器がない、もしくは、高電圧コイルとなるため、大型化するとともに高コストとなるといった課題があった。

一方、従来の特許文献２記載の過電流保護回路は、異常時、スイッチング素子４５を長時間オンすることで過電流遮断型回路保護素子４２を溶断させる方式であるが、特許文献１と同様に、過電流遮断型回路保護素子４２が溶断するまでの時間（例えば数ｍｓ〜数百ｍｓ）が存在する。この溶断までの間は、スイッチング素子４５が長時間オンしているため、当該スイッチング素子４５が急激に発熱する。

この場合、上記のように周囲温度が高温状態（例えば９０℃程度）であると、スイッチング素子４５の温度が動作保証温度を超過して破損する課題があった。また、電源部４１が、定電流源であった場合は、スイッチング素子４５が長時間オンしても、過電流遮断型回路保護素子４２が溶断しないので保護できない、もしくは、溶断するまでの溶断時間が長くなるので、異常時、周囲温度が高温状態でなくとも、スイッチング素子４５の限られた許容上昇温度範囲（動作保証温度）を容易に超過し、破損する課題があった。

このように、上記の特許文献１、２記載のいずれの従来技術においても、各回路素子の周囲温度が高温状態において異常が発生した場合、回路素子が破損を生じることなく安全に停止させることが難しいという課題がある。

なお、特許文献１、特許文献２の構成で、周囲温度が高温状態において、異常が発生した際に回路素子が破損することなく安全に停止できるようにするためには、例えば保護動作時に発熱する各回路素子に対して放熱器を取り付けたり、放熱器を大型化することで解決できる可能性はあるものの、本来の正常動作時に必要のない放熱器が必要となることや、放熱器を過大に大型化する必要があるので、高コストになるという不具合がある。

さらに、特許文献１、特許文献２共に過電圧および過電流の誤検出が発生した時は、入力を必ず遮断する構成となっている。このため、例えば雷サージ等のノイズに起因して電流検出器が誤検出したり、スイッチング素子へのノイズ混入による誤動作によって過電流（短絡）が発生するなど、電力変換装置本来の異常でない一時的な誤検出や誤動作が生じた場合でも、装置が必ず停止するため、継続して動作することができない。したがって、このような場合、従来は、再度、人手による起動、もしくは、回路素子を交換した後に再起動させることが必要で、余分な手間がかかるといった課題があった。

この発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、直流電源に対してＤＣ開閉器を介して電圧変換用のスイッチング素子を有するコンバータが接続され、このコンバータで電圧変換後の直流電力を交流電力に変換するインバータが順次接続されるとともに、上記直流電源からの供給電流を検出する電流検出器と上記コンバータの出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、これらの電流検出器と電圧検出器からの検出出力に基づいて上記コンバータとインバータの動作を制御する制御回路を備えた電力変換装置において、次の構成を採用している。

すなわち、この発明の電力変換装置は、上記制御回路が上記電流検出器による過電流の検出、あるいは上記電圧検出器による過電圧の検出に基づいて異常発生を判断した場合には、上記コンバータのスイッチング素子に流れる電流を調整して当該コンバータを構成する回路素子の発熱を抑制する発熱抑制保護手段を備えるとともに、上記制御回路は上記異常発生の判断に応じて上記ＤＣ開閉器を動作させて上記直流電源からの電力供給を遮断することを特徴としている。

この発明の電力変換装置によれば、制御回路が電流検出器による過電流の検出や電圧検出器による過電圧の検出に基づいて異常発生を判断した場合には、発熱抑制保護手段がコンバータのスイッチング素子に流れる電流を調整して当該コンバータを構成する回路素子の発熱を抑制して回路素子が破損に至らない状態を維持しながら、制御回路によってＤＣ開閉器を動作させて直流電源からの電源供給を遮断できるため、筐体内部温度が高温状態であっても低コストで回路素子の破損を防止できるとともに、異常発生時に装置を安全に停止することが可能となる。

この発明の実施の形態１における電力変換装置の構成図である。同電力変換装置の動作説明に供するタイムチャートである。この発明の実施の形態２における電力変換装置の構成図である。従来の降圧電源装置の構成図である。従来の過電流保護回路の構成図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１における電力変換装置の構成図である。

この実施の形態１の電力変換装置は、ここでは分散電源を系統に連系するものであって、電力変換装置の入力側には、出力電圧が最大３００〜１０００Ｖの定電流源の直流電源である太陽電池１が、ＤＣ開閉器２を介して接続されている。

このＤＣ開閉器２は、その正側と負側の各接点２ａ、２ｂが手動操作によりオン（閉）されて電力変換装置に動作用の電力を供給する。また、このＤＣ開閉器２は、電力変換装置に異常が発生した際に、太陽電池１からの電力供給を遮断して保護するためにトリップ操作コイル３を内蔵しており、後述の制御回路１３からトリップ操作コイル３への操作信号Ｓｃを印加するとＤＣ開閉器２の各接点２ａ、２ｂが共にオフ（開）する機能を備えている。

ＤＣ開閉器２の後段には、太陽電池１の電圧を昇圧する昇圧コンバータ１４と、この昇圧コンバータ１４により昇圧された直流電圧（例えばＤＣ３００〜１０００Ｖ）を交流電圧（例えばＡＣ１００Ｖ、ＡＣ２００Ｖ、ＡＣ４００Ｖ）に変換して交流電源（系統）１１に連系するインバータ１０が設けられている。

ここに、上記の昇圧コンバータ１４は、入力コンデンサ４、リアクトル５、スイッチング素子６、ダイオード７、および昇圧後の電圧平滑用として互いに直列に接続された第１、第２の入力コンデンサ８、９を備えている。なお、ここでは、２つのコンデンサ８、９を設けているが、耐圧を確保できるのであれば、単一のコンデンサであってもよい。また、インバータ１０は三相出力でも単相出力のどちらでもよい。

また、電力変換装置を制御するために、太陽電池１からの供給電流を検出する電流検出器１５と、第１、第２の入力コンデンサ８、９の正負間の両端電圧を昇圧コンバータ１４の出力電圧として検出する電圧検出器１６とを備えるとともに、制御回路用電源１２と制御回路１３とを有する。この場合、制御回路用電源１２は、入力コンデンサ４の両端に接続されて電力を取り込み制御回路１３に必要な電源（例えば＋５Ｖ、±１５Ｖ等）を生成している。また、制御回路１３は、昇圧コンバータ１４のスイッチング素子６に流れる電流、電流検出器１５の検出電流、電圧検出器１６の検出電圧、およびインバータ１０の出力電流や出力電圧の各情報に基づいて電力変換装置をマイコン等によって制御する機能を備えている。

このような構成の電力変換装置は、安全性を向上させるために、図示しないが制御盤、もしくは、箱型筐体等に収納されており、設置場所も屋内用や日射にさらされる屋外用がある。また、小動物や虫、埃、水滴等による短絡故障等を防止するために密閉状態もしくは、完全に密閉された状態で電力変換装置を構成する各回路素子を収納することが要求されている。そのため、電力変換装置の制御盤もしくは、箱型筐体内部の回路素子の周囲温度が高温状態となることがある。このように、各回路素子の周囲温度が高温になっている状態で、昇圧コンバータ１４のスイッチング素子６やインバータ１０のスイッチング素子の短絡故障によって過電流が流れたり、交流電源（系統）１１からの電力回生や制御回路１３の動作不調などで過電圧が生じるなどの異常が発生した場合でも、回路素子が破損を生じることなく安全に停止させることが必要である。

そこで、この発明の実施の形態１では、上記の構成に加えて、制御回路１３と昇圧コンバータ１４のスイッチング素子６との間に、回路素子保護回路１７および切換回路１８を設けている。この場合、制御回路１３は電流検出器１５が過電流（短絡）を検出したり、電圧検出器１６が過電圧を検出するなどの異常を検出した際、これに応じて切換回路１８を動作させてゲート信号が出力される共通接点Ｃを通常動作時の個別接点Ａ側から回路素子保護回路１７に接続された個別接点Ｂ側に切り換える。

また、回路素子保護回路１７は、切換回路１８の共通接点Ｃが個別接点Ｂ側に切り換えられた場合、制御回路１３からスイッチング素子６に対して通常の昇圧動作時に出力されるゲート信号を例えば分周するなどして、この通常の昇圧動作時よりも低周波のゲート信号を出力するように構成されている。

そして、上記の切換回路１８と回路素子保護回路１７とによって、昇圧コンバータ１４のスイッチング素子６に流れる電流を調整して当該昇圧コンバータ１４を構成するリアクトル５やスイッチング素子６といった回路素子の発熱を抑制する特許請求の範囲における発熱抑制保護手段２０が構成されている。

次に、上記構成の電力変換装置による各回路素子の保護動作について、図２に示すタイムチャートを参照して説明する。

電流検出器１５の検出電流Ｉｄや電圧検出器１６の検出電圧Ｖｄが正常な場合、制御回路１３は、切換回路１８の共通接点Ｃを通常動作時の個別接点Ａ側に接続しているので、制御回路１３からは通常の昇圧動作時に出力される周波数ｆ１（例えば１０〜３０ｋＨｚ）のゲート信号Ｓｇがスイッチング素子６に与えられるので、太陽電池１の電圧が昇圧コンバータ１４によって所定の直流電圧（例えばＤＣ３００〜１０００Ｖ）に昇圧される。

この状態で交流電源（系統）１１からの電力回生や制御回路１３の動作不調などで過電圧が生じた場合には、電圧検出器１６の検出電圧Ｖｄが基準値Ｖｓｈよりも大きくなって過電圧が生じたことが制御回路１３で判定される（図２（ａ）参照）。なお、図２では図示していないが、昇圧コンバータ１４のスイッチング素子６やインバータ１０のスイッチング素子の短絡故障などによって過電流が流れた場合にも、電流検出器１５の検出電流Ｉｄが基準値Ｉｓｈよりも大きくなって過電流が生じたことが制御回路１３で判定される。

制御回路１３は、このような過電流や過電圧などの異常が発生した場合（図２の時刻ｔ１）、これに応じて切換回路１８を動作させて共通接点Ｃを通常動作時の個別接点Ａ側から回路素子保護回路１７に接続された個別接点Ｂ側に切り換える（図２（ｂ）参照）。これにより、回路素子保護回路１７は、制御回路１３からスイッチング素子６に対して通常の昇圧動作時に出力されるゲート信号を分周するなどして、この通常の昇圧動作時の周波数ｆ１（例えば１０〜３０ｋＨｚ）よりも低い周波数ｆ２（例えば１〜数ｋＨｚ程度）のゲート信号Ｓｇを出力する（図２（ｃ）参照）。また、このとき制御回路１３は、ＤＣ開閉器２のトリップ操作コイル３に接点２ａ、２ｂ開放用の操作信号Ｓｃを出力する（図２（ｅ）参照）。

この場合、回路素子保護回路１７から出力されるゲート信号Ｓｇの周波数ｆ２およびオン時間（オンデューティ）は、制御回路１３からＤＣ開閉器２のトリップ操作コイル３を動作させて接点２ａ、２ｂが確実にオフされるまでの動作時間（例えば数ｍｓ〜数百ｍｓ）と、制御盤もしくは箱型筐体内部におけるリアクトル５やスイッチング素子６といった回路素子が配置された箇所の最高周囲温度を考慮して、これらのリアクトル５やスイッチング素子６の許容上昇温度範囲（動作保証温度）Ｔｍａｘを超えないように予め設定される。

このように、異常が発生した際に電力変換装置の筐体内部温度が高温状態（例えば９０℃程度）となっている場合でも、スイッチング素子６を通常の昇圧コンバータ１４の周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２で動作させることで、太陽電池１から昇圧コンバータ１４を構成するリアクトル５を経由してスイッチング素子６に流れる電流による発熱を調整して、リアクトル５とスイッチング素子６の許容上昇温度範囲（動作保証温度）Ｔｍａｘを越えないように抑制することができる（図２（ｄ）参照）。

このように、電力変換装置の回路素子が過電圧もしくは過電流による破損が至らない状態を維持しながら、制御回路１３からＤＣ開閉器２のトリップ操作コイル３を動作させて機械的接点が確実にオフされるまでの動作時間（例えば数ｍｓ〜数百ｍｓ）が経過すると、トリップ操作コイル３が動作して接点２ａ、２ｂが共にオフ（開）になり（図２の時刻ｔ２）、電力変換装置の動作が停止する。

以上のように、この実施の形態１の電力変換装置は、その筐体内部温度が高温状態において、過電圧や過電流といった異常を検出した場合でも、各回路素子が破損することなく安全に停止することができるので、本来の正常動作時に必要のない余分な放熱器を設けるのを省略したり、あるいは放熱器を過大に大型化する必要がないため、低コストの電力変換装置を提供することができる。また、直流電源として太陽電池１のような高電圧でかつ定電流源を用いる場合であっても、回路素子を破損することなく安全に停止可能な電力変換装置を提供することができる。

なお、上記の説明では、過電圧や過電流といった異常が検出した場合にはスイッチング素子６に対して与えられるパルス状のゲート信号Ｓｇを、通常の昇圧動作時に出力される周波数ｆ１よりも低い周波数ｆ２に切り換えるようにしているが、リアクトル５とスイッチング素子６の許容上昇温度範囲（動作保証温度）Ｔｍａｘを越えないことが確実であれば、ゲート信号Ｓｇはパルス状のものでなく、スイッチング素子６が連続してオン動作する信号として予め設定することも可能である。

実施の形態２．
図３はこの発明の実施の形態２における電力変換装置の構成図であり、図１に示した実施の形態１と対応もしくは相当する構成部分には同一の符号を付す。

この実施の形態２の電力変換装置において、制御回路１３は、過電流や過電圧などの異常が発生した場合、これに応じて切換回路１８を動作させて共通接点Ｃを通常動作時の個別接点Ａ側から回路素子保護回路１７に接続された個別接点Ｂ側に切り換える点は実施の形態１と同じである。この実施の形態２の特徴は、切換回路１８の切り換え時点に同時に制御回路１３によって起動されて一定時間を経過した時点でタイムアップ信号を出力する時間計測回路１９を備えていることである。
その他の構成は、図１に示した実施の形態１と基本的に同じであるので、ここでは詳しい説明は省略する。

この実施の形態２では、電圧検出器１６の検出電圧Ｖｄが基準値Ｖｓｈよりも大きくなったり、電流検出器１５の検出電流Ｉｄが基準値Ｉｓｈよりも大きくなるなど、過電圧や過電流が生じたことが制御回路１３で判定されると、制御回路１３は、実施の形態１の場合と同様に、切換回路１８を動作させて回路素子保護回路１７によってスイッチング素子６に対して与えられるゲート信号Ｓｇの周波数を低い周波数ｆ２に切り換えることで、太陽電池１からリアクトル５を経由してスイッチング素子６に流れる電流による発熱が許容上昇温度範囲（動作保証温度）Ｔｍａｘを越えないように抑制する。

この動作と並行して、制御回路１３は、切換回路１８を切り換え動作するのと同時に、時間計測回路１９を起動して時間計測を開始する。そして、制御回路１３は、一定時間を経過して時間計測回路１９からタイムアップ信号が出力された際、電圧検出器１６や電流検出器１５によって過電圧や過電流が継続して検出されている場合には、電力変換装置本来の異常が生じているものと判断して、ＤＣ開閉器２に操作信号Ｓｃを出力する。これによってトリップ操作コイル３が動作して接点２ａ、２ｂが共にオフ（開）されて電力変換装置の動作が停止する。

これに対して、制御回路１３は、一定時間を経過して時間計測回路１９からタイムアップ信号が出力されるまでの間に、電圧検出器１６や電流検出器１５による過電圧や過電流が検出されなくなった場合には、雷サージ等のノイズに起因して電流検出器１５が誤検出したり、昇圧コンバータ１４のスイッチング素子６へのノイズ混入による誤動作によって過電流が発生するなど、電力変換装置本来の異常でない一時的な誤検出や誤動作が生じたものと判断し、ＤＣ開閉器２には操作信号Ｓｃを出力せずにトリップ操作コイル３の接点２ａ、２ｂのオン（閉）状態を維持するとともに、切換回路１８を動作させて共通接点Ｃを通常動作時の個別接点Ａ側に再度切り換える。

したがって、スイッチング素子６に与えられるゲート信号Ｓｇは、低い周波数ｆ２から、通常の昇圧コンバータ１４の昇圧動作時の高い周波数ｆ１に復帰されることで、昇圧コンバータ１４は通常の昇圧動作となる。これにより、雷サージ等のノイズに起因して電流検出器１５の誤検出やインバータ１０の誤動作による過電流が発生するなど、電力変換装置の本来の異常でない状態が発生した場合でも回路素子を破損することなく安全に動作を継続することができる。

なお、この発明は、上記の実施の形態１、２の構成のみに限定されるものではなく、この発明の趣旨を逸脱しない範囲において、各実施の形態１、２の構成を適宜組み合わせたり、各実施の形態１、２の構成を変形したり、省略することが可能である。

例えば、ここでは直流電源として、定電流源となる太陽電池１を用いた場合について説明したが、直流電源としては、これに限らず、例えばバッテリなどの直流電源やＡＣ／ＤＣコンバータを直流電源とする場合にも適用可能である。また、ここでは電力変換装置として昇圧コンバータ１４を備えた場合について説明したが、降圧コンバータを備えた構成の場合でも適用可能である。さらに、電流検出器１５は太陽電池１の負側に設けているが、正側に設けてもよい。

１太陽電池（直流電源）、２ＤＣ開閉器、３トリップ操作コイル、
４入力コンデンサ、５リアクトル、６スイッチング素子、７ダイオード、
８，９第１、第２の入力コンデンサ、１０インバータ、１１交流電源（系統）、
１２制御回路用電源、１３制御回路、１４昇圧コンバータ、１５電流検出器、
１６電圧検出器、１７回路素子保護回路、１８切換回路、１９時間計測回路、
２０発熱抑制保護手段。

Claims

直流電源に対してＤＣ開閉器を介して電圧変換用のスイッチング素子を有するコンバータが接続され、このコンバータで電圧変換後の直流電力を交流電力に変換するインバータが順次接続されるとともに、上記直流電源からの供給電流を検出する電流検出器と上記コンバータの出力電圧を検出する電圧検出器とを備え、これらの電流検出器と電圧検出器からの検出出力に基づいて上記コンバータとインバータの動作を制御する制御回路を備えた電力変換装置において、
上記制御回路が上記電流検出器による過電流の検出、あるいは上記電圧検出器による過電圧の検出に基づいて異常発生を判断した場合には、上記コンバータのスイッチング素子に流れる電流を調整して当該コンバータを構成する回路素子の発熱を抑制する発熱抑制保護手段を備えるとともに、上記制御回路は上記異常発生の判断に応じて上記ＤＣ開閉器を動作させて上記直流電源からの電力供給を遮断することを特徴とする電力変換装置。
上記制御回路が上記電流検出器による過電流の検出、あるいは上記電圧検出器による過電圧の検出に基づいて異常発生を判断した場合には、これに応じて起動されて一定時間を計測する時間計測回路を備え、上記制御回路は、上記時間計測回路が上記一定時間が経過してタイムアップするまでの間に上記異常発生が解除されたと判断した場合には、上記ＤＣ開閉器を動作させず、かつ上記コンバータのスイッチング素子に流れる電流調整を解除するものであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。