(57)【要約】【課題】自己消弧型半導体素子を熱的に保護しながら、電力変換器の運転稼働率を向上させるようにした電力変換器の制御装置を提供する。【解決手段】交流電力系統に接続され、ＰＷＭ制御を行う電力変換装置に用いられる電力変換器３の制御装置８において、各相の過電流を検出する過電流検出手段８５と、この過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき、当該相のゲートパルスを停止するゲートブロック手段８４と、前記何れかの相の過電流が解消したとき当該相のゲートパルスの出力を再開するゲートパルス再開手段とを有し、前記ゲートパルス再開手段のインタロック条件として、当該相を出力する前記電力変換器の自己消弧型半導体素子の熱的制約条件８８を設ける。【選択図】図１
2007143327.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力系統に接続され、ＰＷＭ制御を行う電力変換装置に用いられる電力変換器の制御装置であって、
各相の過電流を検出する過電流検出手段と、
この過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき、当該相のゲートパルスを停止するゲートブロック手段と、
前記何れかの相の過電流が解消したとき当該相のゲートパルスの出力を再開するゲートパルス再開手段と
を有し、
前記ゲートパルス再開手段のインタロック条件として、当該相を出力する前記電力変換器の自己消弧型半導体素子の熱的制約条件を設けたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
【請求項２】
交流電力系統に接続され、ＰＷＭ制御を行う電力変換装置に用いられる電力変換器の制御装置であって、
各相の過電流を検出する過電流検出手段と、
この過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき当該相のゲートパルスを停止するゲートブロック手段と、
前記何れかの相の過電流が解消したとき当該相のゲートパルスの出力を再開するゲートパルス再開手段と
を有し、
前記過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき、前記PWM制御用の搬送波の周波数を第１の所定時間の間上昇させるようにしたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
【請求項３】
前記ゲートブロック手段によってゲートパルスを停止後第２の所定時間の間は、
前記ゲートパルス再開手段によってゲートパルスを再開できないようにしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項４】
前記熱的制約条件は、
第３の所定時間の間に、前記過電流検出手段によって検出された過電流の回数が所定値を超えたかどうかによって決定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項５】
前記熱的制約条件は、
少なくとも前記電力変換器の出力電流から前記当該相を出力する前記電力変換器の自己消弧型半導体素子の温度を演算により推定し、何れかの前記自己消弧型半導体素子の推定温度が所定値を超えたかどうかによって決定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器の制御装置。
【請求項６】
前記電力変換器を構成する自己消弧型半導体素子の温度を検出する手段を有し、
前記熱的制約条件は、
前記当該相を出力する前記電力変換器の何れかの自己消弧型半導体素子の温度が所定値を超えたかどうかによって決定するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電力変換器の制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自己消弧型半導体素子を適用した電力変換器の制御装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体素子を用いた電力変換装置は、その適用分野が拡大し、風力発電用の電力変換装置、無効電力補償装置、あるいはＮａＳ電池等を２次電池として使用した分散電源システム等に使用されている。
【０００３】
これらの電力変換装置は、一般にダイオードが逆並列接続された自己消弧型半導体素子をブリッジ構成したものを電力変換器の主回路として用いている。この電力変換器が運転中に何らかの原因で過電流となったときには、電力変換器を構成する全てのＩＧＢＴ等の自己消弧型半導体素子のゲートをブロックし、電力変換装置を過電流から保護するのが通常であった。ところが、過電流が流れる度に上記の保護動作を行うと、例えば系統の変圧器の投入などに起因する短時間で正常に回復するような過渡的な過電流であっても、電力変換装置を停止するため、電力変換装置の稼働率が低下してしまうという問題があった。
【０００４】
上記問題を解決するため、電力変換器の各相毎に過電流検出器を設け、過電流が発生した相のみをゲートブロックし、他の相はゲート制御を継続することによって運転を継続して電力変換装置の稼働率を向上させる提案が為されている（例えば特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開平１１−２２０８８４号公報（第２−４頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に示された電力変換器は、過電流が発生した相をゲートブロックする構成であるが、ゲートブロックした相はそのままゲートブロックを継続することになる。特許文献１に示されたような可変速発電電動機システム用の電力変換装置の場合は、特定相のゲートブロックを継続しても発電機の有効電力の授受を継続するという目的は達成できる。しかしながら、ＮａＳ電池を用いた分散電源システムなどにおいては、システムの出力先に需要家の負荷設備が接続されており、ある相だけが出力されないという状況を継続することは許容されない。
【０００６】
このため、一旦ゲートブロックした相を再び運転して電力変換器の全ての相を生かす必要があるが、この場合、過電流となった要因が除去されていないと、再び過電流となり、これが繰り返されると過電流となった相に対応する自己消弧型半導体素子が熱的に破損する恐れがある。
【０００７】
また、ゲートブロックを解除する、つまりゲートパルスを再び出力するのは、ＰＷＭ制御ではゲートブロックした搬送波の次以降の周期のタイミングとするが、このような制御方法ではゲートブロック中は電力変換器の出力がなくなるため、電力変換器に接続された系統電圧の落ち込み、または乱れが発生し、場合によってはこの電圧の乱れにより、ゲートブロックを解除して再度ゲートパルスを出力しても、過電流が発生して再度過電流保護が動作し、系統の変動が収束しなくなる恐れもある。
【０００８】
本発明は、上記の問題点に鑑みて為されたものであり、自己消弧型半導体素子を熱的に保護しながら、電力変換器の運転稼働率を向上させるようにした電力変換器の制御装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明の第１の発明である電力変換器の制御装置は、交流電力系統に接続され、ＰＷＭ制御を行う電力変換装置に用いられる電力変換器の制御装置であって、各相の過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき、当該相のゲートパルスを停止するゲートブロック手段と、
前記何れかの相の過電流が解消したとき当該相のゲートパルスの出力を再開するゲートパルス再開手段とを有し、前記ゲートパルス再開手段のインタロック条件として、当該相を出力する前記電力変換器の自己消弧型半導体素子の熱的制約条件を設けたことを特徴としている。
【００１０】
また、本発明の第２の発明である電力変換器の制御装置は、交流電力系統に接続され、ＰＷＭ制御を行う電力変換装置に用いられる電力変換器の制御装置であって、各相の過電流を検出する過電流検出手段と、この過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき当該相のゲートパルスを停止するゲートブロック手段と、前記何れかの相の過電流が解消したとき当該相のゲートパルスの出力を再開するゲートパルス再開手段とを有し、
前記過電流検出手段により何れかの相の過電流が検出されたとき、前記PWM制御用の搬送波の周波数を第１の所定時間の間上昇させるようにしたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、自己消弧型半導体素子を熱的に保護しながら、電力変換器の運転稼働率を向上させるようにした電力変換器の制御装置を提供することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
【実施例１】
【００１３】
図１（ａ）は、本発明の電力変換器の制御装置を適用した電力変換システムの回路構成図であり、図１（ｂ）は本発明の実施例１に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図である。
【００１４】
まず、図１（ａ）のシステム構成を説明する。直流電源１から供給される直流電圧は直流コンデンサ２によって平滑され、電力変換器３に供給される。電力変換器３は各々ダイオードを逆並列接続した自己消弧型半導体素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、及びＺがブリッジ接続された構成となっている。電力変換器３の３相出力は、リアクトル４を介してその２次出力が電力系統に接続された変圧器５の１次側に接続されている。
【００１５】
電力変換器３の各相の出力電圧は、電圧検出器６Ａ、６Ｂ及び６Ｃにより検出され、また、電力変換器３の各相の出力電流は、電流検出器７Ａ、７Ｂ及び７Ｃによって検出されている。
【００１６】
電力変換器３は、制御装置８から電力変換器３の自己消弧型半導体素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、及びＺにゲートパルスが供給されることによって制御されている。電圧検出器６Ａ、６Ｂ及び６Ｃにより検出された各相の電圧並びに電流検出器７Ａ、７Ｂ及び７Ｃによって検出された各相の電流はフィードバック信号として制御装置８に与えられている。
【００１７】
以下、図１（ｂ）を参照して制御装置８の内部構成を説明する。出力電圧指令Ｖｒｅｆ及び電圧検出器６Ａ、６Ｂ及び６Ｃにより検出された各相電圧は電圧制御回路８１の入力となり、電圧制御回路８１は各相の出力が出力電圧指令Ｖｒｅｆとなるような出力基準値をパルス生成回路８３に与える。ここで、出力電圧指令Ｖｒｅｆは各々の相毎に設けても、また演算によって各相に分解するようにしても良い。
【００１８】
パルス生成回路８３には、搬送波８２が与えられ、上記の出力基準値はＰＷＭ変調されて自己消弧型半導体素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ、及びＺ用のゲートパルスが夫々ＡＮＤ回路８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ、８４Ｄ，８４Ｅ及び８４Ｆの一方の入力となる。
【００１９】
また、電流検出器７Ａ、７Ｂ及び７Ｃによって検出された交流電流は夫々過電流検出回路８５Ａ、８５Ｂ及び８５Ｃに与えられ、過電流が検出されたとき、フリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃのセット入力に信号１を出力する。フリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃの出力は夫々ＮＯＴ回路８７Ａ、８７Ｂ及び８７Ｃを介して、ＡＮＤ回路８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ、８４Ｄ，８４Ｅ及び８４Ｆの他方の入力となる。この構成により過電流検出回路８５Ａ、８５Ｂ及び８５Ｃが過電流を検出すると、ＡＮＤ回路８４Ａ及び８４Ｄ、ＡＮＤ回路８４Ｂ及び８４Ｅ並びにＡＮＤ回路８４Ｃ及び８４Ｆの他方の入力が夫々０となり、各々の相毎のゲートブロックが行なわれる。
【００２０】
フリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃのリセット入力は、Ｕ相熱的制約インタロック回路８８Ａ、Ｖ相熱的制約インタロック回路８８Ｂ及びＷ相熱的制約インタロック回路８８Ｃから夫々得ている。Ｕ相熱的制約インタロック回路８８Ａは、自己消弧型半導体素子Ｕまたは自己消弧型半導体素子Ｘが熱的制約を受ける状態にあるかどうか判断する回路であり、その具体的な構成は実施例４乃至６において詳述する。
【００２１】
上記構成において、過電流が発生した相は、対応する電力変換器３のアームを構成する自己消弧型半導体素子がゲートブロックされる。そして、このゲートブロックは当該自己消弧型半導体素子が熱的制約を受けていないときはリセットされ、逆に当該自己消弧型半導体素子が熱的制約を受けているときは継続される。
【００２２】
また、上記構成においては、過電流が発生した相についてのみゲートブロックを行い、その相を構成する自己消弧型半導体素子が熱的制約を受けていない条件で再度ゲートを生かすようにしているが、何れかの相で過電流が発生したとき、全ての自己消弧型半導体素子を一旦ゲートブロックし、全ての自己消弧型半導体素子が熱的制約を受けない条件で再度全ての自己消弧型半導体素子のゲートを生かすように構成しても良い。
【実施例２】
【００２３】
図２は本発明の実施例２に係る電力変換器の制御装置８Ａのブロック構成図である。この実施例２の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例２が実施例１と異なる点は、過電流検出回路８５Ａ、８５Ｂ及び８５Ｃの出力を入力とする周波数上昇回路８９を設け、この出力によって搬送波８２のＰＷＭ周波数を所定時間の間だけ上昇させる用に構成した点である。
【００２４】
前述したように、搬送波８２のＰＷＭ周波数が低い場合は、ゲートブロックした搬送波の次以降の周期のタイミングでゲートブロックを解除し再度ゲートパルスを出力しても、過電流が発生してしまい再度過電流保護が動作し、系統の変動が収束しなくなることがある。
【００２５】
このため、本実施例２のように過電流が検出されたとき、系統の応答時間を考慮した適切な周期となるように搬送波のＰＷＭ周波数を上昇させれば、系統の過渡変動を軽減することが可能となる。これによって、電力変換器３の出力電圧の落ち込みを最小限にすることができ、電力変換器３は系統に接続されている負荷に対して安定した電力が供給できる。また、系統電圧の乱れによって発生した過電流であっても、その乱れを継続することなく速やかに収束させることが可能となる。
【００２６】
上記において、搬送波の周波数切り替えは、過電流の当該相だけではなく、他の相についても同時に行なうことが望ましい。尚、搬送波のＰＷＭ周波数を上昇させた状態で再度過電流が発生したとき、搬送波のＰＷＭ周波数を更に上昇させるように構成する必要はない。
【実施例３】
【００２７】
図３は本発明の実施例３に係る電力変換器の制御装置８Ｂのブロック構成図である。この実施例３の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例３が実施例１と異なる点は、過電流検出回路８５Ａ、８５Ｂ及び８５Ｃの出力を夫々オフディレイ回路９０Ａ、９０Ｂ及び９０Ｃを介してフリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃのセット入力に夫々与えるように構成した点である。
【００２８】
上記構成により、過電流検出の出力結果に対して、オフディレイ回路９０Ａ、９０Ｂ及び９０Ｃが作用する。従って、過電流検出後一定時間の間は過電流検出信号が継続する。このオフディレイ時間は、自己消弧型半導体素子の過渡的な熱許容量から決定するが、搬送波の周期よりも短い時間とするのが好ましい。過電流検出後一定時間はゲートブロック信号が継続するので、その間のゲートブロック解除はできない。
【００２９】
以上により、一定期間のゲートブロック回数及びそれによる過電流の繰り返しを制限することが可能となり、自己消弧型半導体素子の発熱を抑制することができる。
【００３０】
尚、本実施例によれば、オフディレイ回路９０Ａ、９０Ｂ及び９０Ｃのディレイ時間の設定によっては、Ｕ相熱的制約インタロック回路８８Ａ、Ｖ相熱的制約インタロック回路８８Ｂ及びＷ相熱的制約インタロック回路８８Ｃを省略することも可能となる。
【実施例４】
【００３１】
図４は本発明の実施例４に係る電力変換器の制御装置８Ｃのブロック構成図である。この実施例４の各部について、図１（ｂ）の実施例１に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例４が実施例１と異なる点は、Ｕ相熱的制約インタロック回路８８Ａ、Ｖ相熱的制約インタロック回路８８Ｂ及びＷ相熱的制約インタロック回路８８Ｃに代え、過電流検出回路８５Ａ、８５Ｂ及び８５Ｃを夫々入力とする過電流回数カウンタ９１Ａ、９１Ｂ及び９１Ｃを設け、この夫々の出力がフリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃのリセット入力となるように構成した点である。
【００３２】
過電流検出回路８５Ａ、８５Ｂ及び８５Ｃで過電流を検出すると、過電流回数カウンタ９１Ａ、９１Ｂ及び９１Ｃが夫々の相の所定時間内における過電流発生回数をカウントする。そのカウント値が所定値以下であれば、過電流回数カウンタ９１Ａ、９１Ｂ及び９１Ｃは１を出力し、フリップフロップ８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃにリセット信号１を出力する。そして、上記カウント値が所定値を超えたとき、当該過電流回数カウンタは０を出力し、フリップフロップにリセット信号０を所定時間継続して出力する。このようにしてゲートパルス再開によって生じる過電流回数を制限すれば、自己消弧型半導体素子の発熱を抑制することが可能となる。
【００３３】
尚上記において、過電流回数カウンタをリセットする時間及びリセット信号０を継続する時間は自己消弧型半導体素子の冷却時定数に見合う時間とするのが好ましい。
【実施例５】
【００３４】
図５は本発明の実施例５に係る電力変換器の制御装置８Ｄのブロック構成図である。この実施例５の各部について、図４の実施例４に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例５が実施例４と異なる点は、過電流回数カウンタ９１Ａ、９１Ｂ及び９１Ｃに代え、電流検出器７Ａ、７Ｂ及び７Ｃの検出電流を夫々入力とする素子温度計算回路９２Ａ、９２Ｂ及び９３Ｃを設け、この夫々の出力がフリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃのリセット入力となるように構成した点である。
【００３５】
素子温度計算回路９２Ａ、９２Ｂ及び９３Ｃは、自己消弧型半導体素子の冷却時定数と同等以上の過去に遡った期間について各相の電流の実効値を演算するようにすれば、この電流の実効値はそのときの自己消弧型半導体素子の温度に略比例することになり、素子温度を推定することが可能となる。これらの各相の電流の他、スイッチング周波数や周囲温度、また過電流の回数等の条件を計算に入れれば更に実際に近い素子温度の推定が可能となる。
【００３６】
従って、素子温度計算回路９２Ａ、９２Ｂ及び９３Ｃの何れかの演算結果が所定の設定温度を超えたとき、当該素子温度計算回路は０を出力し、フリップフロップにリセット信号０を出力するようにすれば、自己消弧型半導体素子の発熱を抑制することが可能となる。
【実施例６】
【００３７】
図６（ａ）は本発明の電力変換器の制御装置を適用した電力変換器３Ａの回路構成図である。図示したように、電力変換器３Ａを構成する自己消弧型半導体素子Ｕ、Ｖ、Ｗ、Ｘ、Ｙ及びＺの適切な部分に温度検出器３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ及び３Ｚが取り付けられており、温度検出器３Ｕ、３Ｖ、３Ｗ、３Ｘ、３Ｙ及び３Ｚの各々の出力は電力変換器３Ａの外部に取り出せる構成となっている。
【００３８】
図６（ｂ）は本発明の実施例６に係る電力変換器の制御装置８Ｅのブロック構成図である。この実施例６の各部について、図５の実施例５に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図の各部と同一部分は同一符号で示し、その説明は省略する。この実施例６が実施例５と異なる点は、素子温度計算回路９２Ａ、９２Ｂ及び９３Ｃに代え、温度検出器３Ｕ及び３Ｘ、３Ｖ及び３Ｙ並びに３Ｗ及び３Ｚの夫々の出力を入力とするＵ相素子温度正常回路９３Ａ、Ｖ相素子温度正常回路９３Ｂ及びＷ相素子温度正常回路９３Ｃを設け、この夫々の出力がフリップフロップ回路８６Ａ、８６Ｂ及び８６Ｃのリセット入力となるように構成した点である。
【００３９】
Ｕ相素子温度正常回路９３Ａは、温度検出器３Ｕ及び３Ｘの検出値のうち、何れかが所定値を超えたとき０を出力し、フリップフロップにリセット信号０を出力する。同様にＶ相素子温度正常回路９３Ｂは、温度検出器３Ｖ及び３Ｙの検出値のうち、何れかが所定値を超えたとき０を出力し、Ｗ相素子温度正常回路９３Ｃは、温度検出器３Ｗ及び３Ｚの検出値のうち、何れかが所定値を超えたとき０を出力する。
【００４０】
実施例５においては、各相の電流から自己消弧型半導体素子の温度を推定したが、この実施例６においては実測値を使用する。従って、より精度良く自己消弧型半導体素子の発熱を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の実施例１に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図及びこれを適用した電力変換システムの回路構成図。
【図２】本発明の実施例２に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図。
【図３】本発明の実施例３に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図。
【図４】本発明の実施例４に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図。
【図５】本発明の実施例５に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図。
【図６】本発明の実施例６に係る電力変換器の制御装置のブロック構成図及びこれを適用した電力変換器の回路構成図。
【符号の説明】
【００４２】
１  直流電源
２  直流コンデンサ
３、３Ａ  電力変換器
４  リアクトル
５  変圧器
６Ａ、６Ｂ、６Ｃ  電圧検出器
７Ａ、７Ｂ、７Ｃ  電流検出器
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ  制御装置
８１  電圧制御回路
８２  搬送波
８３  パルス生成回路
８４Ａ、８４Ｂ、８４Ｃ、８４Ｄ、８４Ｅ、８４Ｆ  ＡＮＤ回路
８５Ａ、８５Ｂ、８５Ｃ  過電流検出回路
８６Ａ、８６Ｂ、８６Ｃ  フリップフロップ回路
８７Ａ、８７Ｂ、８７Ｃ  ＮＯＴ回路
８８Ａ  Ｕ相熱的制約インタロック回路
８８Ｂ  Ｖ相熱的制約インタロック回路
８８Ｃ  Ｗ相熱的制約インタロック回路
８９  周波数上昇回路
９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ  オフディレイ回路
９１Ａ、９１Ｂ、９１Ｃ  過電流回数カウンタ
９２Ａ、９２Ｂ、９２Ｃ  素子温度計算回路
９３Ａ  Ｕ相素子温度正常回路
９３Ｂ  Ｖ相素子温度正常回路
９３Ｃ  Ｗ相素子温度正常回路
【図１】
2007143327.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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