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電力変換器 NEW

国内特許コード P170014117
整理番号 (S2014-0499-N0)
掲載日 2017年5月10日
出願番号 特願2016-508740
出願日 平成27年3月17日(2015.3.17)
国際出願番号 JP2015057907
国際公開番号 WO2015141680
国際出願日 平成27年3月17日(2015.3.17)
国際公開日 平成27年9月24日(2015.9.24)
優先権データ
  • 特願2014-055793 (2014.3.19) JP
発明者
  • 赤木 泰文
  • 萩原 誠
出願人
  • 国立大学法人東京工業大学
発明の名称 電力変換器 NEW
発明の概要 単位セルがカスケード接続された3つのクラスタCLu,CLv,CLwと、3つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、3つのクラスタの非電源接続側の端子を、他のクラスタに接続された電源の他端に接続してデルタ結線を行い、デルタ結線の3つの結線部をそれぞれ3相交流の各相U,V,Wに接続し、電源と3相交流との間で電力変換を行えるようにした電力変換器である。電源を直流電源Vdcu,Vdcv,Vdcwとすれば、直流電源と3相交流電源との電力変換が行え、電源を同相の単相交流電源とすれば、単相交流電源と3相交流電源又は3相交流電源との間の電力変換が行える。
従来技術、競合技術の概要


近年、高圧大容量用途に適した次世代トランスレス電力変換器として、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器(MMCC:Modular Multilevel Cascade Converter)がある。MMCCは、変換器を構成する「クラスタ(Cluster)」(アーム又はレッグと呼ばれることもある)を単位セルのカスケード接続により形成する点に特徴がある。代表的な単位セルとしては、図1Aに示すチョッパセルCCと、図1Bに示すブリッジセルBCがある。



図1Aに示すチョッパセルCCは双方向チョッパの一部と見なすことができ、直列接続された2つの半導体スイッチSWと、2つの半導体スイッチSWに並列接続された直流コンデンサCと、半導体スイッチSWのスイッチング動作に応じて直流コンデンサCから放電若しくは直流コンデンサCへ充電される電流の入出力端子T1,T2とを有する。この例の半導体スイッチSWは、IGBTから構成されている。図1Cは図1Aに示したチョッパセルCCを複数個カスケード接続したクラスタCLを示す。



図1Bに示すブリッジセルBCは単相フルブリッジ変換器と等価であり、直列接続された2つの半導体スイッチSWを2組並列接続した半導体スイッチSWの組と、2組の半導体スイッチSWの組に並列に接続された直流コンデンサCと、2つの半導体スイッチSWの各組の直列接続点と、直流コンデンサCから放電若しくは直流コンデンサCへ充電される電流の入出力端子T1,T2とを有する。



MMCCは、結線方法によりスター結線形MMCCとデルタ結線形MMCCに大別できる。現在までに、以下のような6種類のスター結線形MMCCとデルタ結線形MMCCが知られているが、このうちの4種類のスター結線形MMCCとデルタ結線形MMCCが非特許文献1に開示されている。
1.シングルスター結線形ブリッジセルMMCC(SSBC)
2.ダブルスター結線形ブリッジセルMMCC(DSBC)
3.ダブルスター結線形チョッパセルMMCC(DSCC)
4.トリプルスター結線形ブリッジセルMMCC(TSBC)
5.シングルデルタ結線形ブリッジセルMMCC(SDBC)
6.ダブルデルタ結線形ブリッジセルMMCC(DDBC)



ここで、スター結線形のMMCCの用途について説明する。SSBCは、無効電力補償装置(STATCOM)や、電池電力貯蔵装置への適用が可能である。DSBCとDSCCは、スター結線の中性点間に直流電源を接続できるので、直流-3相交流電力変換が実現できる。DSBCを用いた場合は、直流電源を単相交流電源に置き換えることが可能であり、単相交流-3相交流電力変換が実現可能である。TSBCは、スター結線の中性点間に3相電源(又は3相負荷)を接続できるので、3相交流-3相交流電力変換が実現可能である。スター結線形のMMCCは本発明には関係しないので、これ以上の説明は省略する。



次に、デルタ結線形のMMCCの用途について説明する。SDBCは、図2Aに示すように、複数のブリッジセルBCがカスケード接続された3つのクラスタCLがデルタ結線され、デルタ結線の3つの接続点が3相交流電源の各相に接続されたものである。また、図3は、図2Aに示したSDBCの各クラスタ内の回路構成を詳細に示したものである。SDBCは、デルタ結線内の循環電流を制御することにより、逆相無効電力を制御できるので、アーク炉用逆相無効電力補償装置への適用が期待されている。



図3に示すシングルデルタ結線形ブリッジセルMMCC100(以後電力変換器100と記す)において、系統側の電源電圧の各相の相電圧がvSu、vSv及びvSwであり、各相の電流(以下、「電源電流」と称する。)がiu、iv及びiwである。また、電力変換器100のデルタ結線部から各相のクラスタCLにそれぞれ流入する電流(以下、「変換器電流」と記す)が、それぞれiuv、ivw及びiwu、である。また、電力変換器100のデルタ結線部の各相のクラスタCLの出力電圧、即ち電力変換器100の出力端子間TU1-TU2,TV1-TV2及びTW1-TW2における線間電圧がそれぞれvuv、vvw及びvwu、である。また、各ブリッジセル11u-j、11v-j及び11w-j内の直流コンデンサの電圧がvCju、vCjv及びvCjw(ただし、j=1~3)である。



一方、DDBCは、図2Bに示すように、複数のブリッジセルBCがカスケード接続された6つのクラスタCLを備えている。ダブルデルタ結線では、直列接続された2つのクラスタCLの組がデルタ結線され、デルタ結線された組の3つの接続点が3相交流電源のU相、V相及びW相にそれぞれ接続されている。そして、直列接続されたクラスタCLの中間点が、それぞれR相、S相及びT相として取り出される。従って、DDBCは、TSBCと同様に、3相交流-3相交流電力変換が実現可能である。

産業上の利用分野


本発明は、電力変換器に関し、特に、モジュラー・マルチレベル・カスケード型の電力変換器に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
単位セルがカスケード接続された3つのクラスタと、
前記3つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、
前記3つのクラスタの非電源接続側の端子が、他のクラスタに接続された前記電源の他端に接続されることでデルタ結線が構成され、
前記デルタ結線の3つの結線部がそれぞれ3相交流の各相に接続され、前記電源と前記3相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。

【請求項2】
前記電源が直流電源であり、
前記単位セルが、直列接続された2つの半導体スイッチと、前記2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するチョッパセルであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換器。

【請求項3】
前記電源が直流電源であり、
前記単位セルが、直列接続された2つの半導体スイッチを2組並列接続した半導体スイッチの組と、前記2組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記2つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換器。

【請求項4】
前記電源が同相の交流電源であり、
前記単位セルが、直列接続された2つの半導体スイッチを2組並列接続した半導体スイッチの組と、前記2組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記2つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項1に記載の電力変換器。

【請求項5】
単位セルがカスケード接続された3つのクラスタと、
前記3つのクラスタ内の前記複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された直流電源とを備え、
前記直流電源を備える3つのクラスタの負極側の端子が、他の前記直流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、
前記デルタ結線の3つの結線部がそれぞれ3相交流の各相に接続され、前記直流電源と前記3相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。

【請求項6】
単位セルがカスケード接続された3つのクラスタと、
前記3つのクラスタ内の前記複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された同相の交流電源とを備え、
前記交流電源を備える3つのクラスタの負極側の端子が、他の前記交流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、
前記デルタ結線の3つの結線部がそれぞれ3相交流の各相に接続され、前記交流電源と前記3相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。

【請求項7】
前記単位セルが、直列接続された2つの半導体スイッチと、前記2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するチョッパセルであることを特徴とする請求項5に記載の電力変換器。

【請求項8】
前記単位セルが、直列接続された2つの半導体スイッチを2組並列接続した半導体スイッチの組と、前記2組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記2つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項5に記載の電力変換器。

【請求項9】
前記単位セルが、直列接続された2つの半導体スイッチを2組並列接続した半導体スイッチの組と、前記2組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記2つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項6に記載の電力変換器。

【請求項10】
前記単位セルがブリッジセルである電力変換器を3台用いることにより、3相電圧を発生でき、3相電動機を駆動可能で、3相交流-3相交流の直接変換が実現できることを特徴とする請求項4又は6に記載の電力変換器。

【請求項11】
前記交流電源は、単相変圧器を用いた絶縁交流電源により形成されていることを特徴とする請求項4又は6に記載の電力変換器。

【請求項12】
各前記半導体スイッチは、
オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
を有する請求項1~11の何れか1項に記載の電力変換器。
国際特許分類(IPC)
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出願権利状態 公開
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