特許 6833546 電力変換装置および電力変換方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6833546

(24)【登録日】2021年2月5日

(45)【発行日】2021年2月24日

(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換方法

(51)【国際特許分類】

   B60M 3/06 20060101AFI20210215BHJP

   H02M 3/28 20060101ALI20210215BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20210215BHJP

   H02J 1/00 20060101ALI20210215BHJP

   H02J 7/00 20060101ALI20210215BHJP

【ＦＩ】

   B60M3/06 B

   H02M3/28 U

   H02M7/48 E

   H02J1/00 301D

   H02J7/00 S

【請求項の数】4

【全頁数】9

(21)【出願番号】特願2017-25105(P2017-25105)

(22)【出願日】2017年2月14日

(65)【公開番号】特開2018-131022(P2018-131022A)

(43)【公開日】2018年8月23日

【審査請求日】2019年12月3日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】598076591

【氏名又は名称】東芝インフラシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001092

【氏名又は名称】特許業務法人サクラ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】野木 雅之

(72)【発明者】

【氏名】真木 康次

(72)【発明者】

【氏名】大辻 浩司

【審査官】 吉村 俊厚

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１６−１７１７１１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１２１１７２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ６０Ｍ ３／０６

Ｈ０２Ｊ １／００

Ｈ０２Ｊ ７／００

Ｈ０２Ｍ ３／２８

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１スイッチング回路と、第２スイッチング回路と、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路とを絶縁して接続する絶縁回路とを有し、直流送電路の電圧の変動に応じて前記第１スイッチング回路または前記第２スイッチング回路を駆動して第１電圧を発生する第１電源回路と、
第３スイッチング回路を有し、前記第３スイッチング回路の駆動により生成される第２電圧を前記第１電圧に加算する第２電源回路と、
前記直流送電路の電圧、前記第１電圧を基に前記第１乃至第３スイッチング回路を制御して前記第２電圧を調整して前記直流送電路と前記第１および第２電源回路との間の電流の流れを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記直流送電路の電圧と変圧比と前記第３スイッチング回路がスイッチング動作する際のデッドタイムから前記第１電源回路に加算可能な第２電圧を求め、
前記制御部は、
前記直流送電路の電圧が、前記第１電圧と前記第２電圧の最大出力電圧との和よりも大きくなるときに、前記第１乃至第３スイッチング回路のスイッチング動作を停止する電力変換装置。

【請求項2】

第１蓄電素子に充電する電力を発生する第１スイッチング回路と、前記第１蓄電素子に並列に接続された第２蓄電素子に充電する電力を発生する第２スイッチング回路と、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路とを絶縁して接続する絶縁回路と、第３蓄電素子とを有し、直流送電路の電圧の変動に応じて前記第１スイッチング回路または前記第２スイッチング回路を駆動して前記第１蓄電素子および前記第２蓄電素子と前記直流送電路との間で電力を流通させるための第１電圧を発生する第１電源回路と、
前記第３蓄電素子に印加する第２電圧を生成する第３スイッチング回路を有し、前記第３スイッチング回路の駆動により生成される前記第２電圧を前記第１蓄電素子の電圧に加算する第２電源回路と、
前記直流送電路の電圧、前記第１電圧を基に前記第１乃至第３スイッチング回路を制御して前記第２電圧を調整して前記直流送電路と前記第１および第２電源回路との間の電流の流れを制御する制御部とを備え、
前記制御部は、
前記直流送電路の電圧が、前記第１電圧と前記第２電圧の最大出力電圧との和よりも大きくなるときに、前記第１乃至第３スイッチング回路のスイッチング動作を停止する電力変換装置。

【請求項3】

前記制御部は、
前記スイッチング動作を停止した後、前記直流送電路の電圧が、前記第１電圧と前記第２電圧の最大出力電圧との和よりも小さくなったときに、前記第１乃至第３スイッチング回路のスイッチング動作を再開させる請求項１または請求項２いずれか記載の電力変換装置。

【請求項4】

第１スイッチング回路と、第２スイッチング回路と、前記第１スイッチング回路と前記第２スイッチング回路とを絶縁して接続する絶縁回路とを有し、直流送電路の電圧の変動に応じて前記第１スイッチング回路または前記第２スイッチング回路を駆動して第１電圧を発生する第１電源回路と、第３スイッチング回路を有し、前記第３スイッチング回路の駆動により生成される第２電圧を前記第１電圧に加算する第２電源回路と、前記直流送電路の電圧、前記第１電圧を基に前記第１乃至第３スイッチング回路を制御して前記第２電圧を調整して前記直流送電路と前記第１および第２電源回路との間の電流の流れを制御する制御部とを備えた電力変換装置における電力変換方法において、
前記制御部は、
前記直流送電路の電圧と変圧比と前記第３スイッチング回路がスイッチング動作する際のデッドタイムから前記第１電源回路に加算可能な第２電圧を求め、
前記制御部は、
前記直流送電路の電圧が、前記第１電圧と前記第２電圧の最大出力電圧との和よりも大きくなるときに、前記第１乃至第３スイッチング回路のスイッチング動作を停止する電力変換方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換方法に関する。

【背景技術】

【0002】

直流電気鉄道の架線（き電線）に電力を供給するシステムの一つとして、直流き電システムがある。架線（き電線）は電車の走行量の増減や電車（回生車）から交流電源系統へ戻される回生エネルギーなどもあり、負荷変動が激しく、これに伴って、き電線の電圧も変動が大きい。

【0003】

また、直流き電システムでは、ダイオード整流器を用いて直流を作ることが一般的であるため、交流電源系統へ回生エネルギーを戻すには、回生インバータを設置する必要があり、回生車の回生電流を吸収する十分な負荷が回生車周辺に存在しなければ、回生車は回生失効に陥ることになる。

【0004】

そこで、これらの電圧変動や回生失効に対応するため、蓄電池などの蓄電装置を設置することが行われている。蓄電池と架線との間で電力を制御するために電力変換装置が用いられる。

【0005】

２つの直流電源回路間で電力の相互供給を行う従来の技術としては、互いの直流電源回路間にＤＣＤＣコンバータなどの電力変換装置を介挿接続することが知られている（例えば特許文献１参照）。

【0006】

しかしながら、従来のＤＣＤＣコンバータは、例えばハイブリッド電気自動車などのように、電圧変動が比較的小さいものに利用されるため、電圧の変動が大きい直流き電システムには適用できないのが現状である。

【0007】

電圧変動が大きい架線（き電線）などには、例えばコンデンサと変圧器からなる直列共振回路を用いた電源回路を電力変換装置に設けて架線（き電線）と絶縁した上で、電力変換装置の電源回路で生成した電圧を蓄電池の電圧に加算し、蓄電池に直列接続したインバータにより加算電圧を変化させて蓄電池の充放電を行うことで架線（き電線）との電力流通を行うことが考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開２０１２−４４８０１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

しかしながら、き電線は電圧変動が大きい上に、蓄電池も内部抵抗が大きいものもあり、き電線の電圧が加算電圧の変化量を超えて上昇すると、直列加算用の電源であるコンデンサと変圧器との共振回路に過電流が流れて、後段のインバータを含む回路が故障（破損）することが考えられる。

【0010】

本発明が解決しようとする課題は、電圧加算用の電源回路としてコンデンサと変圧器からなる直列共振回路を用いる上で、過電流を防止し、故障することなく継続稼働が可能な低損失および低容量（小形）の電力変換装置および電力変換方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

実施形態の電力変換装置は、第１電源回路、第２電源回路、制御部を備える。第１電源回路は第１スイッチング回路と、第２スイッチング回路と、第１スイッチング回路と第２スイッチング回路とを絶縁して接続する絶縁回路とを有する。第１電源回路は直流送電路の電圧の変動に応じて第１スイッチング回路または第２スイッチング回路を駆動して第１電圧を発生する。第２電源回路は第３スイッチング回路を有し、第３スイッチング回路の駆動により生成される第２電圧を第１電圧に加算する。制御部は直流送電路の電圧、第１電圧を基に第１乃至第３スイッチング回路を制御して第２電圧を調整して直流送電路と第１および第２電源回路との間の電流の流れを制御する。制御部は直流送電路の電圧が、第１電圧と第２電圧の最大出力電圧との和よりも大きくなるときに、第１乃至第３スイッチング回路の駆動を停止する。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】一つの実施の形態の電力変換装置の回路構成を示す図である。

【図2】電力変換装置の回路に過電流が流れる様子を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、図面を参照して、実施形態を詳細に説明する。
（実施形態）
図１は一つの実施の形態の電力変換装置１０の回路構成を示す図である。

【0014】

図１に示すように、実施形態の電力変換装置１０は、直流電気鉄道の架線（以下「直流き電線１」と称す）との間で電力の相互供給を行う直流き電システムの中の一つの装置であり、第１蓄電素子としての蓄電池２と、この蓄電池２と並列に接続される第２蓄電素子としてのコンデンサ３と、第３蓄電素子としてのコンデンサ７と、複数の電源回路５、６と、これら回路の動作を制御する制御部９とを有する。

【0015】

コンデンサ７には電圧検出器７ａ（例えばＰＴなど）が設けられている。電圧検出器７ａはコンデンサ７の電圧を検出し制御部９に通知する。コンデンサ７の両端には放電用の抵抗器１１が接続されている。抵抗器１１はコンデンサ７に充電された電力を消費するためのものである。

【0016】

第１蓄電素子としては、蓄電池２以外に、例えば電池、コンデンサなどのエネルギー蓄積素子などが用いられる。

【0017】

直流き電線１の端子１ａ、１ｂにはコンデンサ４が接続されており、直流電気鉄道であればき電線とレール間で発生している直流電圧が印加される。コンデンサ４には、電圧検出器４ａ（例えばＰＴなど）が設けられている。電圧検出器４ａはコンデンサ４の電圧を検出し制御部９に通知する。ＰＴは計器用変圧器（Potential Transformer）の略称である。

【0018】

この直流き電線１には、図示しない交流電源系統から得られる交流電力をダイオード整流で直流出力するダイオード整流器と回生可能な車両（回生車）が接続されている。回生車を車両負荷ともいう。

【0019】

電源回路５は、２つのフルブリッジ回路（第１スイッチング回路５１と、第２スイッチング回路５４）と、変圧器５２と容量素子としてのコンデンサ５３とを直列に接続した共振型絶縁回路とを有する。

【0020】

２つのフルブリッジ回路（第１スイッチング回路５１と、第２スイッチング回路５４)は単相フルブリッジ回路であり、例えばＩＧＢＴ素子などが用いられる。ブリッジ回路を構成する素子は、ＩＧＢＴ素子に限定されるものではなく例えばＭＯＳＦＥＴであってもよい。

【0021】

第１スイッチング回路５１は蓄電池２に充電する電力を発生する回路である。第２スイッチング回路５４はコンデンサ３に充電する電力を発生する回路である。コンデンサ３は蓄電池２に並列に接続されている。コンデンサ３には電圧検出器３ａ（例えばＰＴなど）が設けられている。電圧検出器３ａはコンデンサ３（蓄電池２）の電圧を検出し制御部９に通知する。

【0022】

共振型絶縁回路は第１スイッチング回路５１と第２スイッチング回路５４とを絶縁して接続する一つの絶縁回路（絶縁結合回路）である。

【0023】

この電源回路５は、直流送電路１の電圧の変動に応じて第１スイッチング回路５１または第２スイッチング回路５４を駆動して蓄電池２（およびコンデンサ３）と直流送電路１との間で電力を流通させるための第１電圧を発生する第１電源回路である。

【0024】

この電源回路５では、コンデンサ３の第１電圧よりもコンデンサ７の第２電圧が高くなったとき、コンデンサ７に接続される第１スイッチング回路５１がスイッチングを行うよう制御部９が第１スイッチング回路５１を制御し、第２電圧を低くする動作を行う。

【0025】

逆に、コンデンサ３の第１電圧よりもコンデンサ７の第２電圧の方が低くなったときは、コンデンサ３に接続される第２スイッチング回路５４がスイッチングを行うよう制御部９が第２スイッチング回路５４を制御し、電力を蓄電池２からコンデンサ７へ送り、第２電圧を高くする動作を行う。

【0026】

電源回路６は、コンデンサ７に印加されている第２電圧を蓄電池２の電圧に加算する機能を有する。具体的には、電源回路６は、コンデンサ７に印加する第２電圧を生成する第３スイッチング回路６１を有する。この電源回路６は、第３スイッチング回路６１の駆動により生成される第２電圧を蓄電池２の電圧に加算する第２電源回路（直列インバータ回路）である。

【0027】

制御部９は、各回路の電圧検出器３ａ、４ａ、７ａから通知される電圧を基に第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１を制御して第２電圧を調整して直流送電路１と電源回路５、６との間の電流の流れを制御する。制御部９はリアクトル８に流れる電流を制御することで、コンデンサ４の電圧を制御する。

【0028】

具体的には、制御部９は、き電線側の電圧と、蓄電池２（コンデンサ３）の電圧と、コンデンサ７の電圧とを検出し、検出したそれぞれの電圧に基づいて各スイッチング素子を駆動制御、つまりスイッチング素子のＯＮ制御信号であるゲート信号を出力するか否かによって各スイッチング素子をＯＮ・ＯＦＦする。

【0029】

例えば制御部９は、直流き電線１の電圧（電圧検出器４ａの検出電圧）が、蓄電池２（コンデンサ３）の第１電圧（電圧検出器３ａの検出電圧）とコンデンサ７の第２電圧の最大出力電圧（算出電圧）との和よりも大きくなるときに、第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１の駆動を停止する。なお第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１を完全に停止するのではなく、スイッチング動作を抑制してもよい。

【0030】

そして、直流き電線１の電圧が、第１電圧と第２電圧の最大出力電圧との和よりも小さくなったときに、制御部９は第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１の駆動を再開する。なお第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１の動作を抑制していた場合は通常の動作に戻す。

【0031】

この他、電力変換装置１０は、直流き電線１に並列に接続されるコンデンサ４、リアクトル８などを有する。

【0032】

リアクトル８は蓄電池２とコンデンサ３との間にフィルタ機能を持たせるためのものであり、蓄電池２に流れる高調波を抑制する機能を有する。このフィルタ機能はリアクトル８などの素子単体の他、回路で構成しもよい。

【0033】

この他、例えば直流き電線１とコンデンサ４との間に直流き電線１側で発生し得る短絡に伴う事故電流抑制やフィルタ効果を持たせるためにリアクトルを挿入してもよい。

【0034】

以下、この実施形態の電力変換装置１０の動作を説明する。
例えば負荷変動などの影響により直流き電線１の電圧が上昇し、直流き電線１からの電圧を蓄電池２に充電する場合を考える。
この場合、制御部９は、蓄電池２の電圧と直流き電線１の電圧との差分の電圧と、蓄電池２の電圧との比に応じて、直列電源回路５に電力が流れることになる。

【0035】

例えば、蓄電池２の電圧が５００Ｖ、直流き電線１の電圧が１０００Ｖであれば、その差分は５００Ｖであり、電源回路５については、直流き電線１から流入する電力の１／２が電源回路５（共振回路）を通じた経路で蓄電池２に流れることになる。

【0036】

ここで、電源回路５の出力電圧が上段のブリッジ回路と下段のブリッジ回路ともに等しい場合を仮定し説明する。

【0037】

つまり。コンデンサ３の電圧が５００Ｖのとき直列電源回路５の上段のブリッジ回路の出力としては、コンデンサ７に５００Ｖが出力される装置仕様の場合、すなわち直列電源回路５内の変圧器の変圧比が１：１の場合である。

【0038】

このとき、この電力変換装置が出力できる電圧は、電源回路６のインバータ回路のデッドタイムがない理想的な制御が実現できると仮定すれば、１０００Ｖの電圧を出力することまでできる。

【0039】

しかし、直流き電線１側の電圧が１０００Ｖを超過してしまった場合、リアクトル８に対する電流の制御ができなくなる。

【0040】

このとき、先に説明した動作と同様に、コンデンサ７と３の電圧の比に応じて直列電源回路５に過電流が流れてしまう。

【0041】

通常、電源回路６のインバータ回路にはデッドタイムがあり、出力電圧が９８％程度に制限されると仮定すれば、蓄電池２の電圧５００Ｖ＋直列インバータ回路６の出力電圧５００Ｖ×０．９８=９９０Ｖまでしか出力できなくなる。

【0042】

ここでいう電源回路６（直列インバータ回路）の出力電圧（５００Ｖ×０．９８）が、蓄電池２の電圧に加算可能な最大電圧である。

【0043】

直流き電線１側の電圧が、蓄電池２側の電圧とこの電圧に加算可能な最大電圧（電源回路６の出力電圧）との和より大きくなる場合、同様にリアクトル８に対する電流の制御ができなくなり、電源回路５に対して変換器としては無制御な電流が流れ、過電流が発生し、図２に示すような符号Ａ→Ｂ→Ｃのルートで過電流が流れ、フルブリッジを構成するスイッチング回路の半導体素子（スイッチング素子）が故障（破損）する恐れがある。

【0044】

そこで、本実施形態の電力変換装置１０では、制御部９が、直流き電線１側の電圧と、蓄電池２側の電圧（第１電圧、第２電圧）との関係から一定の条件（下記（式１）の条件）を満たした場合に第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１に対してゲートブロックを行う。

【0045】

具体的には、制御部９は、電圧検出器４ａにより検出されたコンデンサ４の電圧、すなわち直流き電線１の電圧と、電圧検出器３ａにより検出されたコンデンサ３の電圧、すなわち蓄電池２の電圧と、電圧検出器７ａにより検出されたコンデンサ７の電圧とを基に、この電力変換装置が出力可能な最大電圧値を決定する。

【0046】

この値は、例えば、前述したデッドタイムがない理想的な場合、例えば１０００Ｖであったり、デッドタイムの影響で最大電圧が決まる場合は、前述の通り電圧利用率が９８％であれば、９９０Ｖなどといった値である。

【0047】

実際には、電圧検出器３ａ、４ａ、７ａの精度も問題になるため、これを考慮し、より低い値を出力可能な最大電圧値としてもよい。

【0048】

例えば電圧検出器３ａ、４ａ、７ａの計測誤差が１％程度あるのであれば、９９０Ｖ×０．９９＝９８０．１Ｖが出力可能な最大電圧といえる。

【0049】

また、コンデンサ７の電圧を電圧検出器７ａで直接計測しているが、共振回路を用いた電源回路５内にある変圧比を基にコンデンサ７の電圧を推定してもよい。
制御部９には下記（式１）の条件が設定されている。

【0050】

直流き電線１の電圧 ＞ 電力変換装置が出力可能な最大電圧・・・（式１）
この（式１）の条件を満たす場合に、制御部９は、ゲート信号により電源回路５、６を制御して電源回路５、６のスイッチング動作を停止させる。

【0051】

これにより、電圧上昇に伴う電源回路５に対する過電流を防止することができる。

【0052】

また、上記（式１）の条件が満たされなくなった場合、制御部９が、スイッチング回路のスイッチングを再スタートさせることで、運転が継続可能になる。

【0053】

このような現象は、直流電鉄用のき電システムで想定できる。具体的には直流き電線１が電車線であり、列車の回生に伴い電車線の電圧が上昇する。常用範囲の電圧上昇であれば、上記（式１）の条件が満たされず、蓄電池２に回生電力を充電することが可能である。

【0054】

しかし、列車の回生制御系統にトラブルがあった場合など、何らかの異常で電車線に対し過電圧が発生することは想定でき、この際に前述の通り過電流が電源回路５に流れることが考えられる。

【0055】

装置として出力可能な最大電圧を高く設計しておけばよいという考え方もあるが、この場合、コンデンサ７の電圧を上げることに伴い、電源回路５、６のスイッチング回路の素子の耐圧を上げる必要があり、スイッチング損失の増加にも繋がってしまう。スイッチング損失の増加は冷却器体積の増加、電力変換装置の体積増加に直結するため、よいことではない。

【0056】

しかし、この実施形態では、低耐圧のスイッチング素子を用いて電力変換装置を構成することが可能になり、少ない損失、低容量および低コストの電力変換装置を構成することができる。

【0057】

このようにこの実施形態によれば、制御部９は、直流き電線１の電圧が、第１電圧と第２電圧の最大出力電圧との和よりも大きくなるときに、第１乃至第３スイッチング回路５１、５４、６１の駆動を停止し、小さくなったときに駆動を再開するので、直流き電線１と蓄電池２との間で電力の相互供給を行う上で、電源回路５にコンデンサ５３と変圧器５２からなる直列共振回路を用いる場合、直流き電線１側の過度な電圧上昇に伴い電源回路５に発生する過電流を防止し、故障することなく継続稼働が可能な低損失、低容量（小形）および低コストの電力変換装置１０を提供することができる。

【0058】

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

【0059】

また上記実施形態に示した制御部９の構成要素を、コンピュータのハードディスク装置などのストレージにインストールしたプログラムで実現してもよく、また上記プログラムを、コンピュータ読取可能な電子媒体：electronic mediaに記憶しておき、プログラムを電子媒体からコンピュータに読み取らせることで本発明の機能をコンピュータが実現するようにしてもよい。電子媒体としては、例えばＣＤ−ＲＯＭ等の記録媒体やフラッシュメモリ、リムーバブルメディア：Removable media等が含まれる。さらに、ネットワークを介して接続した異なるコンピュータに構成要素を分散して記憶し、各構成要素を機能させたコンピュータ間で通信することで本発明を実現してもよい。

【符号の説明】

【0060】

１…直流送電路、１ａ、１ｂ…端子、２…蓄電池、３、４、７…コンデンサ、３ａ、４ａ、７ａ…電圧検出器、５、６…電源回路、８…リアクトル、９…制御部、１０…電力変換装置、１１…抵抗器、５１…第１スイッチング回路、５２…変圧器、５３…コンデンサ、５４…第２スイッチング回路、６１…第３スイッチング回路。

【図1】

【図2】