JP5973111B2 - 電力コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、高電圧ＤＣ接続部と高電圧ＡＣ接続部との間で電力を伝送するための電力コンバータに関する。

ＨＶＤＣ（高圧直流）の用途において、ＡＣ（交流）送電網とＤＣ（直流）との間の変換に電力コンバータが用いられている。

電力コンバータは典型的に、電力コンバータに一体化した部分として、且つ適切なＡＣ波形をもたらすフィルタとして作用する、ＡＣ側のリアクトルを備える。しかしながら、高電圧の用途におけるリアクトルは大きな空間を占める。更に、リアクトルはその大きさによって配置できる場所が大幅に制限され、設置におけるトポロジーの柔軟性が損なわれる。

小型のリアクトルを備えた電力コンバータを提供することが目的とされる。

第１の態様によれば、高電圧ＤＣ接続部と高電圧ＡＣ接続部との間で電力を伝送するための電力コンバータが提供される。電力コンバータは、ＤＣ接続部の正極と負極との間で直列に接続された、第１のコンバータアーム、第１のリアクトル、第２のリアクトル、及び第２のコンバータアームを備えた、電力コンバータアセンブリを備える。高電圧ＡＣ接続部が、第１のコンバータアームと第２のコンバータアームとの間に提供される。コンバータアームの各々は複数のコンバータセルを備え、コンバータセルの各々はスイッチング素子及びエネルギー貯蔵素子を備える。第１のリアクトル及び第２のリアクトルの両方が、油入りリアクトルである。

コンバータセルを備えたコンバータアームの使用はマルチレベルコンバータとも称され、コンバータセルの各々を個別に制御することが可能であり、これにより、個々のコンバータアームに代わり単一のスイッチ（サイリスタなど）を有することと比較して、各スイッチングに起因するＡＣ接続部における電圧ステップ（ｖｏｌｔａｇｅ ｓｔｅｐｓ）が相対的に小さくなる。電圧差が低減することにより、マルチレベルコンバータ構造は、リアクトル中の浮遊容量をより大きく許容する。これにより、対応する空気充填されたリアクトルよりも大幅に小型の油入りリアクトルの使用が可能となる。

例えば、空間が特に限られている洋上での用途において小型化は非常に重要である。更に、小型の油入りリアクトルによって、リアクトルが様々な位置に配置可能であるため設置における柔軟性が増す。更に、空気中の高電圧が原則として避けられるので、油入りリアクトルを含む設備は操作者にとってより安全である。

ＡＣ接続部は、開放端を有する外側エンクロージャの内部に設けられた導体を備え、該開放端はＡＣ接続部が接続されると油入りのＡＣ接続部を実現する。開放端はブッシングの一部を形成し得る。このような実施形態により、スイッチギア又は変圧器などの外部の構成要素との油入り接続が可能となり、安全性が更に高まる。

電力コンバータは更に、ＤＣ接続部の正極と負極との間に直列に配置されたＤＣ側キャパシタを備え得る。

コンバータセルはフルブリッジコンバータセルであり得る。

コンバータセルはハーフブリッジコンバータセルであり得る。

任意選択的に、コンバータセルは、マルチレベルブリッジ構成の一部を形成する任意の他のタイプのセルであってもよい。

第１のリアクトル及び第２のリアクトルの両方が鉄心を備え得る。鉄心により効率が高まり、周辺磁場が低減される。

電力コンバータは、共通の高電圧ＤＣ接続部と三相高電圧ＡＣ接続部との間の接続のための３つの電力コンバータアセンブリを備え得る。これにより三相電力コンバータが実現する。

全体として、特許請求項で使用されるすべての用語は、本明細書において明示的に規定されない限り、当技術分野における通常の意味にしたがって解釈されるものである。本明細書において明示的に規定されない限り、「１つの／この（素子、装置、構成要素、手段、ステップなど）」の呼称は、当該素子、装置、構成要素、手段、ステップなどのうちの少なくとも１つ例を指すものとして広義に解釈される。本明細書におけるいかなる方法におけるステップも、明示的に規定されない限り、記載の順序通りに実施される必要はない。

下記の添付図面を例示として参照し、本発明を説明する。

ＤＣとＡＣとの間で電力を変換する単相電力コンバータの概略図である。 ＤＣとＡＣとの間で電力を変換する三相電力コンバータ概略図である。 単一の電力コンバータアセンブリによって表された、図１及び２の電力コンバータアセンブリの実施形態を示す概略図である。 図３のＡＣ接続部の実施形態の長手方向の概略図である。 図３のＡＣ接続部の実施形態の概略断面図である。 図３のコンバータアームにおいて可能なコンバータセル配置を示す概略図である。 ７Ａ、７Ｂ、７Ｃは、図６のコンバータアームのコンバータセルの幾つかの実施形態を示す概略図である。

以下、本発明の幾つかの実施形態が示された添付図面を参照しつつ、本発明がより完全に説明される。しかしながら本発明は多くの異なる形態で実施されることができ、本明細書で説明される実装に限定されるものと解釈されるべきではなく、これらの実施形態はむしろ、本開示が包括的で完全となるように例示目的で提供されており、当業者に本開示の範囲を十分に伝えるためのものである。類似の番号は、全体を通して類似の要素を指す。

図１は、ＤＣとＡＣとの間で電力を変換する電力コンバータ１の概略図を示す。電力コンバータ１は、高電圧ＤＣ接続部８１と高電圧ＡＣ接続部８０との間で双方向に電力を変換する。ＤＣ接続部８１は、正極ＤＣ＋及び負極ＤＣ−を備える。ＡＣ接続部８０は、フェーズ端子ＡＣを備える。接地端子（図示せず）が設けられてもよい。電力はＤＣからＡＣへ、又は逆方向に流れることができる。電力コンバータ１は、実際の電力変換を行う電力コンバータアセンブリ６を備える。電力コンバータ１と電力コンバータアセンブリ６との間の分離が異なる物理的な物体によって表される必要はなく、電力コンバータ１と電力コンバータアセンブリ６とが実施に際しては同じデバイスであることが可能である。

本明細書において、電圧に関し、正及び負は絶対的なものでなく互いに相対的な用語として解釈される。換言すれば、ＤＣ接続部８１の正の接続部ＤＣ＋はＤＣ接続部８１の負極ＤＣ−よりも高い電圧を有する。従って、例えば、正極又は負極が接地電位にあり得る。そのような場合、ＤＣ接続部のうちの一方が接地接続部に取って代わられ、これにより単極システムがもたらされる。

図２は、ＤＣとＡＣとの間で電力を変換する三相電力コンバータ１の概略図である。ここで、三相電力コンバータ１は３つの電力コンバータアセンブリ６ａ〜ｃを備える。この方式で、このＡＣ接続部は、例えば、ＡＣ配電網、ＡＣ電力源、又はＡＣ電力負荷に対して三相接続を提供できる三相端子８０ａ、８０ｂ、及び８０ｃを備える。任意選択的に、ＡＣ接地端子（図示せず）も設けられる。存在する相と同じ数の電力コンバータアセンブリを接続することによって、三相以外の対応する多相電力コンバータが達成可能である。この方式で、任意の適切な数（２つ、４つ、５つ、６つなど）の相の多相電力コンバータが提供され得る。

図３は、図１及び２の電力コンバータアセンブリ６、６ａ〜ｃの実施形態を示す概略図であり、ここでは単一の電力コンバータアセンブリ６によって表される電力コンバータアセンブリ６は、ＤＣ接続部８１の正極ＤＣ＋と負極ＤＣ−との間で直列に接続された、第１のコンバータアーム１３ａ、第１のリアクトル１５ａ、第２のリアクトル１５ｂ、及び第２のコンバータアーム１３ｂを備える。本実施例で、リアクトル１５ａ、ｂがコンバータアーム１３ａ、ｂの内側に設けられて示されているが、リアクトルは、代替的に又は付加的に、コンバータアーム１３ａ、ｂとＤＣ接続部８１のＤＣ端子ＤＣ＋及びＤＣ−との間にそれぞれ設けられてもよい。リアクトル１５ａ、ｂは、ＡＣ接続部８０に十分な正弦（又は矩形、鋸歯状などの）波形をもたらすためのフィルタとして作用する。任意選択的に、リアクトル１５ａ、ｂが鉄心を備える。鉄心により効率が高まり、周辺磁場が存在する場合にはこれが低減される。

第１のコンバータアーム１３ａと第２のコンバータアーム１３ｂとの間にＡＣ接続部８０が設けられる。図３に示すように、第１のリアクトル１５ａ及び第２のリアクトル１５ｂを第１のコンバータアーム１３ａと第２のコンバータアーム１３ｂとの間に配置することにより、ＡＣ接続部８０が第１のリアクトル１５ａと第２のリアクトル１５ｂとの間に設けられる。

任意選択的に、ＡＣ電流が最小限の影響下で循環することを可能にするように、正極ＤＣ端子ＤＣ＋と負極ＤＣ端子ＤＣ〜との間にＤＣ側キャパシタ１２が配置される。任意選択的に、図２に示すような多相電力コンバータ１が用いられる場合、ＡＣ電流は様々な相のコンバータアセンブリのＤＣ側間で循環できるので、ＤＣ側キャパシタ１２は省略可能である。

本電力コンバータアセンブリがマルチレベルコンバータであることにより、コンバータアーム１３ａ、ｂの各々が複数のコンバータセルを備える。変換においてより高い精度を達成するために（例えば、より正弦波の（又は矩形波、鋸歯状波など）電力変換を達成するために）、コンバータセルは個別に制御され得る。更に、各コンバータセルの個別制御により、各スイッチングの結果、個々のコンバータアーム１３ａ、ｂに代えて単一のスイッチ（サイリスタなど）を有する場合と比較して、ＡＣ接続部における電圧差が小さくなる。各スイッチングの結果、ＡＣ接続部における電圧差がより小さくなるので、リアクトル１５ａ、ｂ中の浮遊容量の影響が単一スイッチの場合と比較して大幅に低減される。このような浮遊容量に対する過敏性の低減は、本明細書で提示する実施形態で、油入りのリアクトル１５ａ、ｂを提供することによって活用される。油入りリアクトル１５ａ、ｂは空気充填されたリアクトルよりも高い浮遊インダクタンスを示唆するが、浮遊インダクタンスに対する過敏性がより低いマルチレベルコンバータマルチレベルコンバータの一部として実装される場合、これは許容できる。

オイルのほうが誘電率が高いので、リアクトル１５ａ、ｂを油入りリアクトルとして実装することにより、空気充填されたリアクトルと比較してリアクトル１５ａ、ｂのサイズを大幅に低減することができる。オイルは、十分に高い誘電率が達成される限り、例えば、鉱油、シリコン油、ひまし油、又は合成エステル油であり得る。代替的に、リアクトルは、六フッ化硫黄（ＳＦ６）もしくはオクタフルオロシクロブタン（Ｒ−Ｃ３１８）などの別の適切な誘電性流体又はガス、或いはエポキシなど誘電性の固体などで充填されていてもよい。

例えば、空間が特に限られている洋上での用途において小型化は非常に重要である。更に、小型の油入りリアクトルによって、リアクトルが様々な位置に配置可能であるため設置における柔軟性が増す。更に、空気中の高電圧が原則として避けられるので、油入りリアクトルを含む設備は操作者にとってより安全である。

コントローラ５０は、コンバータアーム１３ａ、ｂの動作を制御する。コントローラ５０は単一のコントローラであるか、又は、中央コントローラとコンバータアーム１３ａ、ｂの各々及び／又はコンバータセル用のローカルコントローラとに分割されてもよい。本実施例のコントローラ５０は電力コンバータアセンブリの外側に設けられて示されているが、コントローラ５０の部分又は全体が電力コンバータアセンブリ６の部分として設けられてもよい。

図３に示した電力コンバータアセンブリの実施形態は一例にすぎず、本実施例で提示する原理は、例えば、コンバータアームに含まれたコンバータセルを用いた任意の適切なタイプの電力コンバータアセンブリに応用可能である。例えば、様々な相のためのコンバータセルがＤＣ端子間で直列に接続された電力コンバータアセンブリが用いられ得るか、又は、分路・直列ハイブリッド（コンバータセルとコンバータセルから分離されたスイッチとの両方を備えた）コンバータが用いられ得る。

ＡＣコネクタ８０は、外部の構成要素（例えば、変圧器２１）に、任意選択的にスイッチギア２０を介して接続される。油入りリアクトル１５ａ、ｂに起因して、スイッチギアは、例えばガス絶縁スイッチギア（ＧＩＳ）であり得る。空気充填されたリアクトルの場合、空気に晒される高電圧が存在するので、接続の柔軟性がより低く、設置が著しく困難となる。

図４は、図３のＡＣ接続部８０の実施形態の長手方向の概略図である。ＡＣ接続部８０は、開放端９５を有する外側エンクロージャ９１内に設けられた導体９０を備える。従って、導体９０と外側エンクロージャ９１との間に空間９２が設けられる。開放端９５はブッシングの一部を形成し得る。

ＡＣ接続部８０は、例えば、スイッチギア又は変圧器を接続するための対応するコネクタ８５を用いて接続可能である。対応するコネクタ８５は、外側エンクロージャ５１、導体５０、及び開放端５５を備える。開放端５５はブッシングの一部を形成し得、これにより、ＡＣ接続部８０の対応する開放端９５との接続が可能となる。従って、ＡＣ接続部８０が対応するコネクタ８５に接続されると、２つの導体９０、５０は互いにガルバニック接触状態となり、外側エンクロージャ９１、５１が空間９２、５２を封止して接続される。この方式で、接続時、導体９０、５０と外側エンクロージャ９１、５１との間の空間９２、５２がオイル又は他の適切な誘電性の流体もしくはガスで充填され得る。

図５は、図３のＡＣ接続部８０の実施形態の概略断面図である。本実施例で、オイルなどの流体又はガス誘電体で充填可能な空間９２が導体９０の全周囲に存在するように、エンクロージャ９１が設けられている様子が見て取れる。

図６は、図３のコンバータアームにおいて可能なコンバータセル配置を示す概略図である。図６は、コンバータアーム１３ａ、ｂのうちの任意の一方の構造を示し、本実施例では単一のコンバータアーム１３で表す。コンバータアーム１３はマルチレベルコンバータであり、複数のコンバータセル３２ａ〜ｄを備え、各コンバータセル３２ａ〜ｄはコントローラ５０によって制御される。

コンバータセル３２ａ〜ｄは、電圧定格を増大させるために直列に接続されるか、又は電流定格を増大させるために並列に接続され得る。変換においてより細かい精度を達成するために（例えば、より正弦波（又は矩形波、鋸歯状波など）の電力変換を達成するために）、直列に接続されたコンバータセル３２ａ〜ｄは個別に制御され得る。また、直列に接続されたコンバータセルをこの方式で制御することにより、各コンバータセルのスイッチング周波数が相対的に低くなり、その結果、より高いスイッチング周波数と比較してスイッチング損失が低下する。本実施例でコンバータアーム１３が４つのコンバータセル３２ａ〜ｄを有するように図示されているが、１つ、２つ、３つ、又はそれよりも多い任意の数のコンバータセルが可能である。一実施形態で、各コンバータアーム１３中のコンバータセルの数は、３０〜１０００コンバータセルの範囲である。

図７Ａ〜Ｃは、図６のコンバータアームのコンバータセル３２ａ〜ｄの幾つかの実施形態を示す概略図である。図７Ａ〜Ｃの実施形態は一例にすぎず、マルチレベルブリッジ構成の部分を形成する任意の適切なコンバータセル構造のコンバータセルが用いられてよい。

本実施例で、コンバータセル３２ａ〜ｄのうちの任意の１つが、単一のコンバータセル３２として表されている。コンバータセル３２は、トランジスタ又はサイリスタなどの一又は複数の半導体スイッチング素子と、キャパシタ、スーパーキャパシタ、インダクタ、バッテリ、などの一又は複数のエネルギー貯蔵素子４１との組み合わせである。任意選択的に、コンバータセル３２自体が、フライングキャパシタ又はＭＰＣ（マルチポイントクランプ型）もしくはＡＮＰＣ（アクティブ中性点クランプ型）マルチレベル構造などのマルチレベルコンバータ構造であってもよい。

図７Ａは、スイッチング素子４０とキャパシタの形態のエネルギー貯蔵素子４１とを備えるコンバータセルを示す。スイッチング素子４０は、例えば絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）、一体型ゲート整流サイリスタ（ＩＧＣＴ）、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、又は任意の他の適切な高電力半導体構成要素を用いて実装可能である。実際、図７Ａのコンバータセル３２は、次に説明する図７Ｂで示すコンバータセルのより一般的な表現であるとすることができる。

図７Ｂは、ハーフブリッジ構造を実装したコンバータセル３２を示す。本実施例で、コンバータセル３２は、例えばＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＧＴＯ等の形態の２つの直列スイッチング素子４０ａ、ｂのレグを備える。任意選択的に、各スイッチング素子４０ａ、ｂ間に接続された逆並列ダイオード（図示せず）が存在してもよい。エネルギー貯蔵素子４１もスイッチング素子４０ａ、ｂのレグに並列に設けられる。従って、コンバータセル３２によって合成される電圧は、ゼロであるか又はエネルギー貯蔵素子４１の電圧の何れかであり得る。

図７Ｃは、フルブリッジ構造を実装したコンバータセル３２を示す。本実施例で、コンバータセル３２は、例えばＩＧＢＴ、ＩＧＣＴ、ＧＴＯなどの４つのスイッチング素子４０ａ〜ｄを備える。任意選択的に、各スイッチング素子４０ａ〜ｄ間に接続された逆並列ダイオード（図示せず）が存在してもよい。エネルギー貯蔵素子４１もまた、２つのスイッチング素子４０ａ、ｂの第１のレグ及び２つのスイッチング素子４０ｃ、ｄの第２のレグ間に並列に設けられる。図７Ｂのハーフブリッジと比較して、フルブリッジ構造は、両方の符号を想定できる電圧の合成を可能にし、これにより、コンバータセルの電圧はゼロであるか、エネルギー貯蔵素子４１の電圧であるか、又はエネルギー貯蔵素子４１の逆電圧の何れかであり得る。

本発明を、主として幾つかの実施形態を参照して上述した。しかしながら、当業者に容易に理解できるように、上記で開示した他の実施形態もまた、添付の特許請求の範囲で規定する本発明の範囲内で等しく可能である。

Claims (8)

1. 高電圧ＤＣ接続部（８１）と高電圧ＡＣ接続部（８０、８０ａ〜ｃ）との間で電力を伝送するための電力コンバータ（１）であって、前記コンバータ（１）が、
   前記ＤＣ接続部（８１）の正極と負極との間で直列に接続された、第１のコンバータアーム（１３ａ）、第１のリアクトル（１５ａ）、第２のリアクトル（１５ｂ）、及び第２のコンバータアーム（１３ｂ）を備える、電力コンバータアセンブリ（６、６ａ〜ｃ）を備え、
   前記高電圧ＡＣ接続部（８０、８０ａ〜ｃ）が前記第１のコンバータアームと前記第２のコンバータアームとの間に設けられ、
   前記コンバータアーム（１３ａ、ｂ）の各々が複数のコンバータセル（３２ａ〜ｄ、３２）を備え、前記コンバータセル（３２ａ〜ｄ、３２）の各々がスイッチング素子（４０、４０ａ〜ｄ）とエネルギー貯蔵素子（４１）とを備え、
   前記第１のリアクトル（１５ａ）と前記第２のリアクトル（１５ｂ）との両方が、前記第１のコンバータアーム（１３ａ）と前記第２のコンバータアーム（１３ｂ）との間に配置された油入りリアクトルであり、且つ前記ＡＣ接続部（８０）に十分な正弦波形を提供するためのフィルタとして作用するように構成され、
   前記ＡＣ接続部（８０、８０ａ〜ｃ）は、前記第１のリアクトル（１５ａ）と前記第２のリアクトル（１５ｂ）との間に設けられ、開放端（９５）を有する外側エンクロージャ（９１）内に設けられた導体（９０）を備え、前記ＡＣ接続部（８０、８０ａ〜ｃ）が接続されると油入りのＡＣ接続部（８０、８０ａ〜ｃ）を実現する、電力コンバータ（１）。
2. 前記開放端（９５）がブッシングの一部を形成する、請求項１に記載の電力コンバータ（１）。
3. 前記ＡＣ接続部は、外側エンクロージャ（５１）、導体（５０）、及び開放端（５５）を備えた対応するコネクタ（８５）に接続可能であり、前記開放端は、前記ＡＣ接続部（８０）の対応する前記開放端（９５）との接続部を実現するブッシングの一部を形成し、これにより、前記導体（５０、９０）が互いに対してガルバニック接触状態となり前記外側エンクロージャ（５１、９１）が接続されると、前記導体（５０、９０）間の空間（５２、９２）を封止する、請求項２に記載の電力コンバータ。
4. 前記ＤＣ接続部（８１）の前記正極（ＤＣ＋）と前記負極（ＤＣ−）との間で直列に配置されたＤＣ側キャパシタ（１２）を更に備える、請求項１から３の何れか一項に記載の電力コンバータ（１）。
5. 前記コンバータセル（３２ａ〜ｄ、３２）がフルブリッジコンバータセルである、請求項１から４の何れか一項に記載の電力コンバータ（１）。
6. 前記コンバータセル（３２ａ〜ｄ、３２）がハーフブリッジコンバータセルである、請求項１から５の何れか一項に記載の電力コンバータ（１）。
7. 前記第１のリアクトル（１５ａ）及び前記第２のリアクトル（１５ｂ）の両方が鉄心を備える、請求項１から６の何れか一項に記載の電力コンバータ（１）。
8. 共通の高電圧ＤＣ接続部と三相高電圧ＡＣ接続部（８０ａ〜ｃ）との間の接続のための前記電力コンバータアセンブリ（６、６ａ〜ｃ）を３つ備える、請求項１から７の何れか一項に記載の電力コンバータ（１）。

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