(57)【要約】【課題】  簡易な構成で正極側と負極側の短絡を検出する電力変換装置を提供することにある。【解決手段】  電力変換装置１０は、インバータ回路２と、インバータ回路２の直流側の正極と中性点との間に設けられた正極側コンデンサ３１ｐと、インバータ回路２の直流側の負極と中性点との間に設けられた負極側コンデンサ３１ｎと、インバータ回路２の直流側の正極と負極との間に流れる電流Ｉｓに基づいて、短絡を検出する短絡検出回路４とを備える。【選択図】図１
2018129977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マルチレベルインバータ回路と、
前記マルチレベルインバータ回路の直流側の正極と中性点との間に設けられた正極側コンデンサと、
前記マルチレベルインバータ回路の直流側の負極と前記中性点との間に設けられた負極側コンデンサと、
前記マルチレベルインバータ回路の直流側の前記正極と前記負極との間に流れる電流に基づいて、短絡故障を検出する短絡故障検出手段と
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記短絡故障検出手段は、
前記マルチレベルインバータ回路の直流側の前記正極と前記負極との間に設けられた短絡検出用コンデンサと、
前記短絡検出用コンデンサが放電されることにより前記正極と前記負極との間に流れる電流を検出する電流検出手段とを備えたこと
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記短絡故障検出手段により前記短絡故障が検出された場合、前記マルチレベルインバータ回路の電力変換を停止させる電力変換停止手段
を備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記マルチレベルインバータ回路は、中性点ダイオードクランプ方式の３レベルインバータ回路であること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記マルチレベルインバータ回路は、双方向スイッチ形の方式の３レベルインバータ回路であること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
マルチレベルインバータ回路を備え、前記マルチレベルインバータ回路の直流側の正極と中性点との間に正極側コンデンサが設けられ、前記マルチレベルインバータ回路の直流側の負極と前記中性点との間に負極側コンデンサが設けられた電力変換装置の故障検出方法であって、
前記マルチレベルインバータ回路の直流側の前記正極と前記負極との間に流れる電流に基づいて、短絡故障を検出すること
を含むことを特徴とする電力変換装置の故障検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、マルチレベルの電力変換装置には、中性点を介して、正極側と負極側のそれぞれにコンデンサが設けられている。例えば、３レベルの電力変換装置において、中性点に接続したスイッチ素子の故障を検出することが知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１３−１７６２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、マルチレベルの電力変換装置では、正極側と負極側のいずれか一方でも短絡すると、コンデンサに蓄えられた蓄電エネルギーにより過電流が流れる。また、これらの短絡をそれぞれ検出するように構成すると、電力変換装置の大型化又は複雑化を招く。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、簡易な構成で正極側と負極側の短絡を検出する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の観点に従った電力変換装置は、マルチレベルインバータ回路と、前記マルチレベルインバータ回路の直流側の正極と中性点との間に設けられた正極側コンデンサと、前記マルチレベルインバータ回路の直流側の負極と前記中性点との間に設けられた負極側コンデンサと、前記マルチレベルインバータ回路の直流側の前記正極と前記負極との間に流れる電流に基づいて、短絡故障を検出する短絡故障検出手段とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、簡易な構成で正極側と負極側の短絡を検出する電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す構成図。
【図２】実施形態に係る中性点ダイオードクランプ方式の電力変換回路の構成を示す回路図。
【図３】実施形態に係る双方向スイッチ形の電力変換回路の構成を示す回路図。
【図４】実施形態に係るＰＯ間の短絡故障時の各種電気量の波形を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る電力変換装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付して、異なる部分を主に説明する。
【００１０】
電力変換装置１０は、直流電力を交流電力に変換して、交流負荷９に電力供給をするインバータである。交流負荷９は、例えば電力系統である。ここでは、電力変換装置１０は、３レベルインバータとして説明するが、５レベル以上のマルチレベルインバータでもよい。また、電力変換装置１０は、単相インバータでもよいし、三相インバータでもよい。さらに、２つの電力変換装置１０の直流側同士を接続して、ＢＴＢ(back-to-back)変換器を構成してもよい。
【００１１】
電力変換装置１０は、制御装置１、インバータ回路２、コンデンサ回路３、及び、短絡検出回路４を備える。
【００１２】
制御装置１は、電力変換装置１０の制御をする装置である。通常時は、制御装置１は、インバータ回路２を構成するスイッチング素子をスイッチング制御することにより、出力電力及び入力電力を制御する。短絡検出回路４により短絡故障が検出されると、制御装置１は、電力変換装置１０の運転を停止させるための制御をする。
【００１３】
インバータ回路２は、交流電力を出力するために正極及び負極にそれぞれ２段階の電圧を出力する３レベルインバータ回路である。ここでは、インバータ回路２は、図２に示す中性点ダイオードクランプ方式の３レベルインバータ回路２ａとして主に説明するが、図３に示す双方向スイッチ形（Ｔ形）の３レベルインバータ回路２ｂでもよいし、その他の方式の３レベルインバータ回路でもよい。
【００１４】
図２を参照して、中性点ダイオードクランプ方式の３レベルインバータ回路２ａの１相分について説明する。インバータ回路２は、３レベルインバータ回路２ａの少なくとも１相分を有していればよい。１相分の回路の場合は、インバータ回路２は、ハーフブリッジ型の単相インバータに構成される。２相分の回路の場合は、インバータ回路２は、フルブリッジ型の単相インバータに構成される。３相分の回路の場合は、インバータ回路２は、三相インバータに構成される。
【００１５】
３レベルインバータ回路２ａは、４つのスイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ２ａ，Ｓ３ａ，Ｓ４ａ及び６つのダイオードＤ１ａ，Ｄ２ａ，Ｄ３ａ，Ｄ４ａ，Ｄ５ａ，Ｄ６ａを備える。
【００１６】
４つのスイッチング素子Ｓ１ａ〜Ｓ４ａは、この順に正極側から位置し、正極側から負極側に電流が流れるように直列に接続される。４つのダイオードＤ１ａ〜Ｄ４ａは、４つのスイッチング素子Ｓ１ａ〜Ｓ４ａにそれぞれ逆並列に接続される。２つのダイオードＤ５ａ，Ｄ６ａは、この順に正極側から位置し、負極側から正極側に電流が流れるように直列に接続される。直列に接続されたダイオードＤ５ａ，Ｄ６ａは、内側に位置する直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ３ａと並列に接続される。
【００１７】
最も正極側に位置するスイッチング素子Ｓ１ａの正極側の端子（コレクタ）が３レベルインバータ回路２ａの正極端子Ｔｐになる。最も負極側に位置するスイッチング素子Ｓ４ａの負極側の端子（エミッタ）が３レベルインバータ回路２ａの負極端子Ｔｎになる。内側に位置するスイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ３ａと並列に接続された２つのダイオードＤ５ａ，Ｄ６ａの接続点がインバータ回路２ａの中性点端子Ｔｏとなる。内側に位置する２つのスイッチング素子Ｓ２ａ，Ｓ３ａの接続点がインバータ回路２ａの交流端子Ｔａｃとなる。なお、ハーフブリッジ型の単相インバータのときは、もう１つの交流端子を、最も負極側に位置するスイッチング素子Ｓ４ａの負極側の端子（直流の負極端子Ｔｎと同じ箇所）、又は、直流中性点（直流の中性点端子Ｔｏと同じ箇所）にする。
【００１８】
図３を参照して、双方向スイッチ形（Ｔ形）の３レベルインバータ回路２ｂの一相分について説明する。図２示す中性点ダイオードクランプ方式と同様に、インバータ回路２は、３レベルインバータ回路２ｂの少なくとも１相分を有していればよい。
【００１９】
３レベルインバータ回路２ｂは、４つのスイッチング素子Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂ，Ｓ３ｂ，Ｓ４ｂ及び４つのダイオードＤ１ｂ，Ｄ２ｂ，Ｄ３ｂ，Ｄ４ｂを備える。正極側のスイッチング素子Ｓ１ｂと負極側のスイッチング素子Ｓ２ｂは、正極側から負極側に電流が流れるように直列に接続される。２つのダイオードＤ１ｂ，Ｄ２ｂは、２つのスイッチング素子Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂにそれぞれ逆並列に接続される。２つのスイッチング素子Ｓ３ｂ，Ｓ４ｂは、互いに離れる方向に電流が流れるように、コレクタ同士が接続される。スイッチング素子Ｓ３ｂのエミッタは、直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂの接続点に接続される。２つのダイオードＤ３ｂ，Ｄ４ｂは、２つのスイッチング素子Ｓ３ｂ，Ｓ４ｂにそれぞれ逆並列に接続される。即ち、２つのダイオードＤ３ｂ，Ｄ４ｂは、互いに向き合う方向に電流が流れるように、カソード同士が接続される。
【００２０】
正極側に位置するスイッチング素子Ｓ１ｂの正極側の端子（コレクタ）が３レベルインバータ回路２ｂの正極端子Ｔｐになる。負極側に位置するスイッチング素子Ｓ２ｂの負極側の端子（エミッタ）が３レベルインバータ回路２ｂの負極端子Ｔｎになる。直列に接続された２つのスイッチング素子Ｓ１ｂ，Ｓ２ｂの接続点がインバータ回路２ｂの交流端子Ｔａｃとなる。スイッチング素子Ｓ４ｂのエミッタがインバータ回路２ｂの中性点端子Ｔｏとなる。なお、ハーフブリッジ型の単相インバータのときは、もう１つの交流端子を、負極側に位置するスイッチング素子Ｓ２ｂの負極側の端子（直流の負極端子Ｔｎと同じ箇所）、又は、直流中性点（直流の中性点端子Ｔｏと同じ箇所）にする。
【００２１】
コンデンサ回路３は、３つの正極側コンデンサ３１ｐ及び３つの負極側コンデンサ３１ｎを備える。全てのコンデンサ３１ｐ，３１ｎは、同じ静電容量である。３つの正極側コンデンサ３１ｐは、インバータ回路２の正極端子Ｔｐと中性点端子Ｔｏの間に並列に接続される。３つの負極側コンデンサ３１ｎは、インバータ回路２の中性点端子Ｔｏと負極端子Ｔｎとの間に並列に接続される。なお、正極側コンデンサ３１ｐと負極側コンデンサ３１ｎは、少なくとも１つずつ設けられていれば、いくつ設けられていてもよい。また、各コンデンサ３１ｐ，３１ｎは、複数のコンデンサで構成されてもよい。
【００２２】
短絡検出回路４は、インバータ回路２の正極端子Ｔｐと負極端子Ｔｎとの間に設けられている。短絡検出回路４は、インバータ回路２の正極と中性点との間（ＰＯ間）、中性点と負極との間（ＯＮ間）、又は、正極と負極との間（ＰＮ間）のいずれかで生じる短絡故障を検出する。
【００２３】
例えば、図２に示す３レベルインバータ回路２ａの場合、ＰＯ間の短絡故障は、正極側の２つのスイッチング素子Ｓ１ａ，Ｓ２ａのいずれか１つが故障したときにも生じ、ＯＮ間の短絡故障は、負極側の２つのスイッチング素子Ｓ３ａ，Ｓ４ａのいずれか１つが故障したときにも生じる。また、図３に示す３レベルインバータ回路２ｂの場合、ＰＯ間の短絡故障は、正極側のスイッチング素子Ｓ１ｂが故障した場合にも生じ、ＯＮ間の短絡故障は、負極側のスイッチング素子Ｓ２ｂが故障した場合にも生じる。
【００２４】
短絡検出回路４は、２つの電流検出器４１及びコンデンサ４２を備える。
【００２５】
２つの電流検出器４１は、ＰＮ間を接続する一つの配線を流れる電流を検出するように設けられる。故障に対する冗長性を図るために、２つの電流検出器４１により２重系に構成される。短絡故障が生じていない正常時は、電流検出器４１が設けられたＰＮ間を接続する配線に電流は流れない。短絡故障によりコンデンサ４２が放電されることにより、各電流検出器４１は、ＰＮ間を接続する配線に流れる電流Ｉｓを検出して、制御装置１に出力する。電流検出器４１は、例えばＣＴ(current transformer)である。なお、電流検出器４１は、二重系に構成せずに１つでもよいし、３つ以上設けて、３以上の多重系に構成してもよい。
【００２６】
コンデンサ４２は、電流検出器４１が電流を検出する対象のＰＮ間を接続する配線に設けられる。正常時は、インバータ回路２のＰＮ間に印加される直流電圧により、コンデンサ４２は、充電される。インバータ回路２の直流側で短絡故障が生じると、正極側コンデンサ３１ｐが放電されるとともに、充電されたコンデンサ４２も放電することにより、コンデンサ４２に電流Ｉｓが流れる。この電流Ｉｓを検出することにより、短絡検出回路４は、短絡故障を検出する。
【００２７】
制御装置１は、短絡検出回路４により検出された電流Ｉｓに基づいて、短絡故障が生じたか否かを判断する。例えば、制御装置１は、電流Ｉｓが予め設定された電流値以上であれば、短絡故障が生じたと判断する。制御装置１は、短絡故障が生じたと判断すると、スイッチング素子Ｓ１ａ〜Ｓ４ａをゲートブロックしたりすることで、インバータ回路２の電力変換動作を停止する。このようにして、制御装置１は、電力変換装置１０の運転を停止させ、短絡故障に対する保護動作を行う。
【００２８】
図４は、本実施形態に係るＰＯ間の短絡故障時の各種電気量の波形を示す波形図である。
【００２９】
時刻ｔ１は、ＰＯ間で短絡故障が生じた時点を示している。電圧Ｅは、電力変換装置１０が正常に運転しているときに、正極側コンデンサ３１ｐ及び負極側コンデンサ３１ｎでそれぞれ発生するコンデンサ電圧である。
【００３０】
ＰＯ間電圧は、正極側コンデンサ３１ｐのコンデンサ電圧である。ＯＮ間電圧は、負極側コンデンサ３１ｎのコンデンサ電圧である。ＰＮ間電圧は、短絡検出回路４のコンデンサ４２のコンデンサ電圧である。短絡検出回路電流は、短絡検出回路４に流れる電流である。
【００３１】
ＰＯ間の短絡故障が生じる時刻ｔ１よりも前の正常時は、ＰＯ間電圧及びＯＮ間電圧は共に電圧Ｅである。したがって、ＰＮ間電圧は、電圧２Ｅである。
【００３２】
ＰＯ間の短絡故障が生じた時刻ｔ１以降は、ＰＯ間電圧は、ほぼゼロになる。ＯＮ間電圧は、正常時と同じ電圧Ｅのままである。これにより、ＰＮ間電圧は、電圧２Ｅから電圧Ｅに下がり、半分になる。
【００３３】
また、時刻ｔ１で、短絡検出回路４に電流Ｉｓが流れ始める。短絡検出回路４により、この電流Ｉｓを検出することにより、制御装置１は、短絡故障を検出する。
【００３４】
同様に、ＯＮ間の短絡故障時は、ＰＯ間電圧とＯＮ間電圧を入れ替えたようになり、短絡検出回路４に電流Ｉｓが流れることで、制御装置１は、短絡故障を検出する。
【００３５】
本実施形態によれば、インバータ回路２のＰＮ間に、電流検出器４１とコンデンサ４２で構成された短絡検出回路４を設けることで、ＰＯ間、ＯＮ間、及び、ＰＮ間のいずれの短絡故障も検出することができる。
【００３６】
例えば、ＰＯ間とＯＮ間の短絡故障を検出する場合、ＰＯ間とＯＮ間に短絡検出回路を設けることが考えられる。しかし、この場合、短絡検出回路が２つ必要になるため、本実施形態よりも部品点数が多くなる。
【００３７】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１…制御装置、２…インバータ回路、３…コンデンサ回路、４…短絡検出回路、９…交流負荷、１０…電力変換装置、３１ｐ…正極側コンデンサ、３１ｎ…負極側コンデンサ、４１…電流検出器、４２…コンデンサ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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