特開 2024-158330 電力変換システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024158330

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/06 20060101AFI20241031BHJP

【ＦＩ】

H02M7/06 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】1

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023073451

(22)【出願日】2023-04-27

(71)【出願人】

【識別番号】000003207

【氏名又は名称】トヨタ自動車株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100103894

【弁理士】

【氏名又は名称】家入 健

(72)【発明者】

【氏名】横山 拓也

(72)【発明者】

【氏名】高橋 哲也

(72)【発明者】

【氏名】戸田 颯

(72)【発明者】

【氏名】大前 秀樹

(72)【発明者】

【氏名】福野 研一

(72)【発明者】

【氏名】砂田 将平

【テーマコード（参考）】

5H006

【Ｆターム（参考）】

5H006AA01

5H006BB05

5H006CA07

5H006CB01

5H006CC08

5H006DA04

5H006FA02

(57)【要約】

【課題】システム共振の発生を抑制できる電力変換システムを提供する。
【解決手段】電力変換システム１００は、ＡＣ／ＤＣ変換を行う。電力変換システム１００は、ＡＣ電源１１０、ＡＣ変圧器１３０、ダイオード１４０、リアクトル１５０、およびコンデンサ１７０を備える。ＡＣ電源１１０、ＡＣ変圧器１３０、ダイオード１４０、およびリアクトル１５０が、この順に直列接続される。リアクトル１５０のＡＣ変圧器１３０側と反対側に直流ライン５が設けられ、直流ライン５に、複数の負荷およびコンデンサ１７０が接続され、各負荷と直流ライン５の間にブレーカ１８０が配置される。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換システムであって、
ＡＣ電源、ＡＣ変圧器、ダイオード、リアクトル、およびコンデンサを備え、
前記ＡＣ電源、前記ＡＣ変圧器、前記ダイオード、および前記リアクトルが、この順に直列接続され、
前記リアクトルの前記ＡＣ変圧器側とは反対側に直流ラインが設けられ、
前記直流ラインに、複数の負荷およびコンデンサが接続され、
各負荷と前記直流ラインの間にブレーカが配置される
電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、ダイオード整流器を用いて直流電力を供給するシステムが開示されている。直流電力を供給する直流ラインには、回生電力を発生させる負荷が接続されている。回生電力により直流ラインの電圧が上昇することを防止するため、蓄電設備が設けられている。また、負荷ごとに平滑コンデンサが設けられ、負荷に供給される電圧を安定化させている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－１１１４９３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ケーブルのインピーダンスや平滑コンデンサのキャパシタンスによって定まる共振周波数が、各負荷の初段に設けられた電力変換器のスイッチング周波数と一致した場合、いわゆるシステム共振が発生し、直流ラインの電圧が上昇するという問題がある。

【0005】

本開示は、このような問題を解決するためになされたものであり、システム共振の発生を抑制できる電力変換システム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】

【0006】

本実施の形態における電力変換システムは、
ＡＣ／ＤＣ変換を行う電力変換システムであって、
ＡＣ電源、ＡＣ変圧器、ダイオード、リアクトル、およびコンデンサを備え、
前記ＡＣ電源、前記ＡＣ変圧器、前記ダイオード、および前記リアクトルが、この順に直列接続され、
前記リアクトルの前記ＡＣ変圧器側とは反対側に直流ラインが設けられ、
前記直流ラインに、複数の負荷およびコンデンサが接続され、
各負荷と前記直流ラインの間にブレーカが配置される。

【発明の効果】

【0007】

本開示により、システム共振の発生を抑制できる電力変換システムを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施形態１にかかる電力変換システムの構成を説明する図である。

【図2】実施形態１にかかる電力変換システムの動作を説明する図である。

【図3】実施形態１にかかる電力変換システムの動作を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、特許請求の範囲に係る発明を以下の実施形態に限定するものではない。また、実施形態で説明する構成の全てが課題を解決するための手段として必須であるとは限らない。

【0010】

実施形態１
以下、図面を参照して実施形態１にかかる電力変換システムについて説明する。図１は、実施形態１にかかる電力変換システム１００の構成を説明する図である。以下の図面において、同一の要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。

【0011】

電力変換システム１００は、ＡＣ電源１１０、高圧盤１２０、ＡＣ変圧器１３０、ダイオード１４０、リアクトル１５０、ＤＣ／ＤＣ変換器１６１、ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２、およびＤＣ／ＡＣ変換器１６３、コンデンサ１７０、ブレーカ１８０、および逆方向ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）変換器１９０を備えている。ＡＣ電源１１０、高圧盤１２０、ＡＣ変圧器１３０、ダイオード１４０、およびリアクトル１５０は、この順に直列接続されている。逆方向ＰＷＭ変換器１９０は、ダイオード１４０に並列に接続されている。

【0012】

ＡＣ変圧器１３０は、ＡＣ電源１１０から高圧盤１２０を介して供給された高電圧のＡＣ電力を、低電圧のＡＣ電力に変換する。ＡＣ変圧器１３０は、具体的には三巻線の変圧器である。ＡＣ変圧器１３０は、Ｂ種接地されている。ＡＣ変圧器１３０は、混触防止板を含んでいる。

【0013】

ダイオード１４０は、ＡＣ変圧器１３０から供給されたＡＣ電力をＤＣ電力に変換する。ダイオード１４０は、具体的には、ダイオードを含む１２相整流装置である。

【0014】

リアクトル１５０のダイオード１４０側とは反対側に、直流ライン５が設けられている。直流ライン５には、複数の負荷およびコンデンサ１７０が接続される。なお、負荷とは、ＡＣ電源１１０から見て電力を消費する側の設備や装置を意味しており、モータ等の動力負荷には限定されず、発電設備や蓄電設備であってもよい。また、負荷は回生電源として動作してもよい。

【0015】

各負荷の初段には、電力変換器（例：ＤＣ／ＤＣ変換器１６１、ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２、ＤＣ／ＡＣ変換器１６３）が備えられる。ＤＣ／ＤＣ変換器１６１やＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２には、直流設備が接続される。ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２は、回生電力を直流ライン５に供給する機能を有していてもよい。ＤＣ／ＡＣ変換器１６３には、交流設備が接続される。

【0016】

直流ライン５等のケーブルのインピーダンス、コンデンサ１７０のキャパシタンス、およびリアクトル１５０のリアクタンスにより定まる共振周波数が、各電力変換器のスイッチング周波数と一致しないように、コンデンサ１７０およびリアクトル１５０が適切に選定される。これにより、電力変換システム１００は、システム共振の発生を抑制できる。

【0017】

各負荷からの電力が逆潮流される場合、直流ライン５の電圧値が上昇する。コンデンサ１７０は、直流ライン５の電圧変化のうちで応答速度が速い成分を吸収する。電力変換システム１００がコンデンサ１７０を備えているため、直流ライン５の電圧を安定化させる平滑コンデンサが負荷ごとに設けられる必要はない。従来は、システム共振を抑制するために、負荷を追加するたびに平滑コンデンサの容量を選定する場合があった。

【0018】

ブレーカ１８０は、各負荷（例：ＤＣ／ＤＣ変換器１６１、ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２、ＤＣ／ＡＣ変換器１６３）と直流ライン５の間に配置されている。ＤＣ／ＤＣ変換器１６１に接続されたブレーカ１８０は、ブレーカ１とも言われる。ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２に接続されたブレーカ１８０は、ブレーカ２とも言われる。ＤＣ／ＡＣ変換器１６３に接続されたブレーカ１８０は、ブレーカ３とも言われる。

【0019】

逆方向ＰＷＭ変換器１９０は、各負荷で発生した電力をＡＣ電源１１０側に逆潮流させる。直流ライン５に接続された蓄電設備の容量を越える電力が発生した場合、逆方向ＰＷＭ変換器１９０は、容量を越えた分の電力を逆潮流させる。なお、蓄電設備は、各電力変換器に接続されていてもよい。逆方向ＰＷＭ変換器１９０により、直流ライン５の電圧上昇を抑制できる。

【0020】

また、従来技術にかかる電力変換システムでは、ダイオード１４０の代わりにＰＷＭ方式の電力変換器が備えられる。いずれかの負荷（例：ＤＣ／ＤＣ変換器１６１、ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２、ＤＣ／ＡＣ変換器１６３）で短絡が発生した場合、ＰＷＭ方式の電力変換器に短絡電流が流れる。ＰＷＭ方式の電力変換器に短絡電流が流れることを許容できる時間（例：数ミリ秒）は、ブレーカ１８０の遮断速度と比べて短い。したがって、短絡が発生するとＰＷＭ方式の電力変換器が停止し、波及停電が生じる可能性がある。

【0021】

一方、ダイオード１４０に短絡電流が流れることを許容できる時間は、ブレーカ１８０の遮断速度と比べて長い。したがって、ダイオード１４０の動作が停止する前に、短絡が発生した負荷のブレーカ１８０を動作させることができる。したがって、電力変換システム１００は、波及停電が発生することを防止できる。

【0022】

また、交流送電ではなく直流送電を行うため、各負荷で交流を直流に変換する必要がない。したがって、変換ロスを低減できるという利点がある。

【0023】

次に、図２を参照して、電力変換システム１００の力行時の動作の流れを説明する。まず、ＡＣ変圧器１３０が、高調波対策を行いつつ、高圧の交流電力を低圧の交流電力に変換する（ステップＳ１０１）。次に、ダイオード１４０が、低圧の交流電力を低圧の直流電力に変換する（ステップＳ１０２）。次に、ブレーカ１８０等を経由して、各電力変換装置に低圧の直流電力が送電される（ステップＳ１０３）。ダイオード１４０は短絡電流に数秒程度耐えられるため、各電力変換装置の周辺で短絡が発生した場合、対応するブレーカ１８０が動作し、波及停電は発生しない。

【0024】

ＤＣ／ＤＣ変換器１６１は、直流電力の電圧を変圧し（ステップＳ１０４）、直流設備に電力を供給する（ステップＳ１０５）。ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２も、同様に、直流電力の電圧を変圧し（ステップＳ１０６）、直流設備に電力を供給する（ステップＳ１０７）。そして、ＤＣ／ＡＣ変換器１６３は、直流電力を交流電力に変換し（ステップＳ１０８）、交流設備に電力を供給する（ステップＳ１０９）。

【0025】

次に、図３を参照して、電力変換システム１００の回生時の動作の流れを説明する。まず、ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２が、直流設備からの直流電圧（回生電圧）を変圧する（ステップＳ２０１）。そして、低圧の直流電力が、ブレーカ１およびブレーカ３を経由して送電される（ステップＳ２０２）。次に、ＤＣ／ＤＣ変換器１６１が、直流電力を変圧し（ステップＳ２０３）、直流設備に電力を供給する（ステップＳ２０４）。ＤＣ／ＡＣ変換器１６３は、直流電力を交流電力に変換し（ステップＳ２０５）、交流設備に電力を供給する（ステップＳ２０６）。

【0026】

回生電力が大きい場合、逆方向ＰＷＭ変換器１９０が、逆潮流される直流電力（逆潮流電力）を交流電力に変換する（ステップＳ２０７）。そして、ＡＣ変圧器１３０が、低圧の交流電力を高圧の交流電力に変換し（ステップＳ２０８）、ＡＣ電源に電力を逆潮流させる（ステップＳ２０９）。逆方向ＰＷＭ変換器１９０の故障に備えて、ＤＣ／ＤＣ双方向変換器１６２やリアクトル１５０も過電圧や過電流により停止する機能を備えていてもよい。

【0027】

直流ライン５の電圧変化のうち応答速度が速い部分がコンデンサ１７０で吸収され、ＡＣ変圧器１３０に供給される電圧や、直流ライン５の電圧の上昇が抑制される（ステップＳ２１０）。応答速度が遅い部分は、直流設備等に設けられた蓄電池によって吸収されてもよい。また、リアクトル１５０によってシステム共振の発生が抑制されるため、電圧上昇が抑制される（ステップ２１１）。

【0028】

実施形態１にかかる電力変換システムは、コンデンサおよびリアクトルによりシステム共振の発生を抑制できる。また、負荷ごとに平滑コンデンサが設けられる必要がない。

【0029】

なお、直流ラインに蓄電設備を接続して電圧上昇を吸収することも可能であるが、この場合、負荷が追加されるたびに蓄電設備の容量を増加させなければならないという課題があった。実施形態１は、この課題を解決できる。さらに、実施形態１にかかる電力変換システム１００は、波及停電の発生を防止し、保護協調を成立させることができる。

【0030】

なお、本発明は上記実施形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

【符号の説明】

【0031】

１００ 電力変換システム
１１０ ＡＣ電源
１２０ 高圧盤
１３０ ＡＣ変圧器
１４０ ダイオード
１５０ リアクトル
１６１ ＤＣ／ＤＣ変換器
１６２ ＤＣ／ＤＣ双方向変換器
１６３ ＤＣ／ＡＣ変換器
１７０ コンデンサ
１８０ ブレーカ
１９０ 逆方向ＰＷＭ変換器
５ 直流ライン

【図1】

【図2】

【図3】