電力変換システム
【課題】単位電力変換器を直流回路および交流回路で並列接続する構成を有する電力変換器においては、該並列接続された単位電力変換器のスイッチングにより、該単位電力変換器を接続する直流回路に流れる振動電流や、また、上記電力変換器が、中性点が接地された変圧器を介して交流系統に電力を送電する場合、接地回路を介して流れる零相電流を抑制可能とする。
【解決手段】本発明の電力変換器は、単位電力変換器の直流端子の正極と負極それぞれにギャップ付きリアクトルを接続し、該単位電力変換器を、該リアクトルを介して他の単位電力変換器に接続する。
【解決手段】本発明の電力変換器は、単位電力変換器の直流端子の正極と負極それぞれにギャップ付きリアクトルを接続し、該単位電力変換器を、該リアクトルを介して他の単位電力変換器に接続する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体スイッチング素子を用いて電力変換する技術が多く用いられるようになってきている。この技術では、交流電力を半導体スイッチング素子で導通／遮断した後にコンデンサで平滑することで、正側の端子と負側の端子間に直流電流を得たり、あるいは、逆に、直流電力を半導体スイッチング素子で導通／端子することで交流電力を得ることができる。
【０００３】
上記技術を組み合わせて、例えば、交流電力を半導体スイッチング素子で導通／遮断した後にコンデンサで平滑して直流電力を得て、さらに、この直流電力を半導体スイッチング素子で導通／遮断することで、所望の周波数の交流電力を得ることができる。
【０００４】
この場合に、直流電流を得る過程で振動電流が発生するので、振動電流を抑制するために、リアクトルと抵抗を挿入する技術が考え付かれた。このような技術は例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
一方、近年、再生可能エネルギーシステムの大容量化が進んでおり、太陽光パネルや風力用発電機から発生する電力を変換する半導体電力変換器も、容量が増加している。電力変換器の出力仕様は、導入されるシステム容量により異なることより、様々な容量仕様に対応するために、交流電力を直流電力に変換（あるいは、直流電力を交流に変換）する電力変換器を単位電力変換器として構成して、この単位電力変換器を並列に接続する技術が考え付かれた。このような技術は例えば非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３１９６３９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「ABB low voltage wind turbine converters - ACS800, liquid-cooled 0.6 to 6 MW」, ABB, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１に示される技術では、交流を直流に変換する半導体スイッチング素子と、直流を交流に変換する半導体スイッチング素子とが直接に結ばれる配線が形成されており、そのため、その配線を介して零相電流が流れ得るため、零相電流発生による該配線および該配線が接続される電気部品に係る温度が上昇してしまい、特に、コンデンサの寿命を短くしてしまう。
【０００９】
また、上記の非特許文献に示される技術では、並列接続された単位電力変換器のスイッチング動作により、該単位電力変換器を接続する直流回路部分に振動電流が流れ、該単位電力変換器に内蔵されたコンデンサや、回路配線の発熱が増し、コンデンサの寿命を縮めてしまう。
【００１０】
特に、上記電力変換器が、中性点が接地された変圧器を介して交流系統に電力を送電する太陽光発電用インバータや風力発電用インバータである場合、該電力変換器の接続する太陽光パネルと大地間浮遊容量や発電機巻線と発電機筺体間浮遊容量が大きく、該浮遊容量と、上記電力変換器と、変圧器中性点と、大地（接地回路）と、を介してスイッチング周波数を含む零相電流が流れる。該零相電流は直流回路を流れるため、上記直流回路配線および直流回路配線が接続される部品の発熱がさらに増し、特に、上記直流コンデンサの寿命をさらに縮めてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、回路に流れる零相電流あるいは振動電流を抑制して、回路部品の寿命を長く保てる電力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の正側直流端子と第１の負側直流端子とからなる第１の直流側端子に印加される直流電力を第１の半導体スイッチング素子により交流電力に変換する第１の電力変換ユニットと、第２の正側直流端子と第２の負側直流端子とからなる第２の直流側端子と、第２の半導体スイッチング素子とを有し、前記第２の半導体スイッチング素子が、交流電力或いは直流電力を変換して前記第２の直流側端子に出力するか、或いは、前記第２の直流側端子に印加される直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換ユニットと、前記第１のスイッチング素子或いは前記第２のスイッチング素子のスイッチング動作に伴う変動を平滑するコンデンサを有し、前記第１の正側直流端子と、前記第２の正側直流端子をリアクトルを介して接続し、前記第１の負側直流端子と、前記第２の負側直流端子をリアクトルを介して接続するように構成した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回路に流れる零相電流あるいは振動電流を抑制して、回路部品の寿命を長く保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の電力変換器の説明図。
【図２】実施例２の電力変換器の説明図。
【図３】実施例２の電力変換器の説明図。
【図４】実施例１の単機電力変換器の説明図。
【図５】実施例２のチョッパの説明図。
【図６】実施例２の電力変換器の説明図。
【図７】実施例１の電力変換器の直流回路に挿入するリアクトルの説明図。
【図８】実施例１の電力変換器の直流回路に挿入するリアクトルの説明図。
【図９】実施例２の電力変換器の説明図。
【図１０】実施例１の電力変換器の接続される永久磁石発電機の説明図。
【図１１】実施例１の電力変換器のゲート信号算出演算部の説明図。
【図１２】実施例１の電力変換器での零相電流流路説明図。
【図１３】実施例１の電力変換器での零相電流流路説明図。
【図１４】実施例１の電力変換器の説明図。
【図１５】実施例１の電力変換器の説明図。
【図１６】実施例１の電力変換器のオンディレイ発生回路のタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の詳細を、図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１６】
本実施例を、図１を用いて説明する。
【００１７】
＜概略構成＞
図１に示す電力変換器は、複数の単位電力変換器で構成される風力発電用電力変換器である。符号１は本実施例の電力変換器、符号８０はブレード、符号４０は永久磁石発電機、符号７０はブレード８０の回転を永久磁石発電機回転子に伝えるシャフト（動力伝達シャフト）、符号３０は電力変換器１を電力系統１００００に連系するための連系トランスである。連系トランス３０の二次側中性点は、電位固定のために接地されている。
【００１８】
＜概略機能＞
電力変換器１は、永久磁石発電機４０の出力する交流電力を直流電力に変換するコンバータ２００、該コンバータの直流出力電力を電力系統と同じ周波数の交流電力に変換して系統に送電するインバータ１００、およびインバータ１００とコンバータ２００を制御する制御装置１０００を備える。
【００１９】
ブレード８０は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換し、シャフト７０を介して該回転エネルギーを永久磁石発電機４０に伝達する。永久磁石発電機４０の構成を、図１０に示す。
【００２０】
シャフト７０は永久磁石発電機４０の回転子４０ｒに機械的に接続され、シャフト７０は永久磁石発電機４０の回転子４０ｒを回転させる。該回転子は永久磁石４０ｍを備え、４０ｍの作る磁束が永久磁石発電機４０の固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃを鎖交することにより該固定子巻線に誘起電圧を発生させる。
【００２１】
永久磁石発電機４０は、操作者の感電を防ぐため、筺体が接地されている。
【００２２】
図１に戻り、本発明の電力変換器１の説明を続ける。
【００２３】
コンバータ２００はＩＧＢＴにより構成される電力変換器であり、制御装置１０００から出力されるゲート信号１０００Ｇ２に基づき該ＩＧＢＴをオン・オフすることで所望の交流電圧を永久磁石発電機４０に出力する。永久磁石発電機４０の固定子巻線４０ｓには、回転子４０ｒの回転により発生する起電力と、コンバータ２００の出力する交流電圧が印加される。該巻線には該誘起電力と該交流電圧との差と、固定子巻線インピーダンスにより決まる発電機電流が流れる。
【００２４】
よって、制御装置１０００が永久磁石発電機４０に適切なゲート信号（ＩＧＢＴゲート信号）１０００Ｇ２を出力することにより、コンバータ２００は所望の交流電力を永久磁石発電機４０より受電することができる。
【００２５】
本実施例では、発電機として永久磁石発電機を示しているが、発電機は発電機外部より直流励磁電流が供給される同期発電機であってもよい。
【００２６】
インバータ１００は、インバータ１００内のＩＧＢＴのスイッチングにより、コンバータ２００によって変換された直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を電力系統（交流系統）１００００に出力する。
【００２７】
具体的には、変圧器３０のインバータ１００側端子電圧に対して、位相の進んだ交流電圧をインバータ１００より出力させるよう、制御装置１０００からゲート信号（ＩＧＢＴゲート信号）１０００Ｇ１を出力することにより、インバータ１００はコンバータ２００の整流した直流電力を交流電力に変換して系統に出力する。
【００２８】
＜詳細構成＞
電力変換器１の構成を、以下に詳細に説明する。
【００２９】
＜結線＞
インバータ１００は単位電力変換器であるインバータ１０，１１、およびリアクトル５１，５２，５５，５６により構成される。インバータ１０の正極直流端子１０Ｐにはリアクトル５１の一端が、インバータ１０の負極直流端子１０Ｎにはリアクトル５２の一端が接続される。
【００３０】
同様に、インバータ１１の正極直流端子１１Ｐと負極直流端子１１Ｎにはそれぞれリアクトル５５，５６の一端が接続される。
【００３１】
コンバータ２００は単位電力変換器であるコンバータ２０，２１およびリアクトル５３，５４，５７，５８により構成される。コンバータ２０の正極直流端子２０Ｐにはリアクトル５３が、コンバータ２０の負極直流端子２０Ｎにはリアクトル５４が接続される。
【００３２】
同様に、コンバータ２１の正極直流端子２１Ｐと負極直流端子２１Ｎにはそれぞれリアクトル５７，５８の一端が接続される。
【００３３】
リアクトル５１，５３，５５，５７の他端はそれぞれ正極直流配線８００１に接続され、リアクトル５２，５４，５６，５８の他端はそれぞれ負極直流配線８００２に接続される。
【００３４】
＜変換器構成詳細＞
単位電力変換器であるインバータ１０，１１，コンバータ２０，コンバータ２１は、それぞれ同じ主回路構成を有する。該主回路構成を、インバータ１０を例に、図４を用いて説明する。
【００３５】
インバータ１０は、ＩＧＢＴ１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇ，１０ｉ，１０ｋおよび該ＩＧＢＴに逆並列接続された還流ダイオード１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ，１０ｈ，１０ｊ，１０ｌにより構成される３相電力変換部、直流平滑コンデンサ１０ｍ、および交流リアクトル１０ｎにより構成される。交流リアクトル１０ｎは三脚リアクトルである。
【００３６】
該ＩＧＢＴは、制御装置１０００から出力されるゲート信号１０００Ｇ１によりオン・オフ制御され、リアクトル１０ｎの電力変換部側に直流平滑コンデンサ１０ｍの端子間電圧をパルス幅変調した交流電圧を出力する。
【００３７】
上記ゲート信号は、図１１に示すように、制御装置１０００内で演算された交流出力電圧指令値と搬送波である三角波の大小比較により作成される。
【００３８】
具体的には、図示しない搬送波算出器の出力である搬送波ｖｔｒｉと、図示しないＵ相，Ｖ相，Ｗ相電圧指令値算出器の出力であるＵ相，Ｖ相，Ｗ相電圧指令値ｖｕ_ｒｅｆ，ｖｖ_ｒｅｆ，ｖｗ_ｒｅｆが比較器１０００ｃ１，１０００ｃ２，１０００ｃ３にそれぞれ入力される。比較器１０００ｃ１，１０００ｃ２，１０００ｃ３は、電圧指令値が搬送波ｖｔｒｉより大きい時は１、その他の場合は０を出力する。
【００３９】
反転器１０００ｉ１，１０００ｉ２，１０００ｉ３は、比較器１０００ｃ１，１０００ｃ２，１０００ｃ３の出力を論理反転した値を出力する。
【００４０】
正極側ＩＧＢＴのゲート信号は比較器の出力信号、負極側ＩＧＢＴのゲート信号は反転器の出力信号に対応するが、ＩＧＢＴはターンオンもしくはターンオフするために有限の時間を必要とする。この有限の時間の間、ＩＧＢＴを介して直流平滑コンデンサＩＧＢＴを介した直流平滑コンデンサ１０ｍの短絡を回避するため、比較器および反転器の出力を図１６に示すようにターンオンのときだけゲート信号をＴｄ秒遅延させるオンディレイ回路１０００ｄ１，１０００ｄ２，１０００ｄ３，１０００ｄ４，１０００ｄ５，１０００ｄ６にそれぞれ入力し、その出力をゲート信号として単位電力変換器に出力する。ここで、Ｔｄは通常数マイクロ秒である。
【００４１】
＜動作の説明＞
本実施例の機能およびその機能について、以下に詳細に説明する。
【００４２】
特徴は、単位電力変換器の直流端子の正極と負極両方にリアクトルを備える点にある。
該リアクトルを備えることにより、単位電力変換器間の直流回路を流れる振動電流を制限することができる。それと同時に、電力変換器１を流れる零相電流を抑制することができる。
【００４３】
以降、振動電流抑制効果と、零相電流抑制効果について、図を用いて順に説明する。
【００４４】
まず、振動電流抑制効果を説明する。
【００４５】
インバータ１０とインバータ１１は、交流端子および直流端子が並列に接続されている。ＩＧＢＴのスイッチングに要する時間や、交流端子に接続されるリアクトル（インバータ１０では交流リアクトル１０ｎ）のインピーダンスには個体差があり、インバータ１０と１１に同じゲート信号を与えても、インバータ１０と１１の電力変換部から直流回路に流入する電流には差が生じ、インバータ１０とインバータ１１の直流平滑コンデンサ１０ｍと１１ｍの端子電圧には差が生じ、振動電流が発生する。
【００４６】
電力変換部から直流回路に流入する電流は、インバータ１０および１１のＩＧＢＴがスイッチングされるたびに変化するため、直流回路の振動電流は持続する。
【００４７】
リアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４を挿入しない場合、直流回路には直流平滑コンデンサ１０ｍ，１１ｍ、および直流平滑コンデンサを結ぶ配線のインダクタンスにより決まる共振周波数成分をもつ振動電流が流れる。この回路の共振周波数がＩＧＢＴスイッチング周波数近傍にある場合、直流回路には過大なリプル電流が流れ、直流回路や平滑コンデンサの異常過熱を引き起こす。
【００４８】
リアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４を挿入することにより、直流回路の共振周波数を調整することが可能となり、過大な振動電流を回避することができる。
具体的には、コンデンサ１０ｍ，１１ｍのキャパシタンス，リアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４のインダクタンスにより決まる共振周波数を、インバータ１０，１１のスイッチング周波数より低くすることにより、インバータ１００内を流れる過大な振動電流の発生を回避することができる。
【００４９】
また、該リアクトルを鉄心付きリアクトルとすることにより、該リアクトルを振動電流が流れた際に発生するヒステリシス損が、該振動電流の減衰を促進する効果を奏する。
【００５０】
さらに、該鉄心付きリアクトルにギャップを設けることにより、直流電流による鉄心磁気飽和の回避と、漂遊損増加による振動電流減衰効果を得ることができる。
【００５１】
リアクトル（直流リアクトル）５１の構成を、図７，図８を用いて説明する。本実施例のリアクトルは、導体の周りに磁性体を配置する外鉄形リアクトルである。
【００５２】
直流回路８００の正極回路８００１は、銅バー５１０６を介してリアクトルの主電流回路である銅バー５１０２に接続され、直流電流は銅バー５１０２、および銅バー５１０５を流れてインバータ１０に流入する。
【００５３】
銅バー５１０２には非磁性体５２００を介して鉄心５１０１１，５１０１２が接触している。鉄心５１０１１，５１０１２は非磁性体５３００で固定される。鉄心５１０１１，５１０１２は図示しない非磁性体で固定されており、鉄心（磁性体）５１０１１と５１０１２の間には空隙を設ける。本空隙は直流電流による磁気飽和回避、および漏れ磁束による浮遊損発生をさせるため、例えば０.５mmの空隙を設ける。
【００５４】
鉄心５１０１１には電位固定のための配線５１１０が接続され、銅バー５１０２に接続される。また、鉄心５０１１１と５１０１２は非磁性体（ステンレス帯）５３００で機械的に固定する。鉄心５１０１２の電位は、該ステンレス帯，鉄心５１０１１，配線５１１０を介して銅バー５１０２に固定される。
【００５５】
また、銅バー５１０２は絶縁体５１０３，５１０４を介して電力変換器（電力変換装置）１の筐体に固定される。該筐体は操作者の感電を避けるため、接地されている。
【００５６】
本構成とすることにより、鉄心電位を主電流が流れる銅バー５１０２に固定できるため、筐体と鉄心との間の絶縁が容易になる。また、直流リアクトルを正極・負極それぞれに分割して配置するため、リアクトル１つあたりの必要な空間を縮小できるため、電力変換器１筐体内でのリアクトル設置場所自由度が増す。
【００５７】
次に、零相電流抑制効果について説明する。
【００５８】
コンバータ２００は、風速により変わる永久磁石発電機４０の誘起電圧周波数および振幅に応じた交流電圧を永久磁石発電機４０に出力する。一方、インバータ１００は連系する系統の周波数および振幅に応じた交流出力電圧をトランス側３０に出力する。
【００５９】
ゆえに、インバータ１００の出力する交流電圧とコンバータ２００の出力する交流電圧が異なり、インバータ１００とコンバータ２００内部のＩＧＢＴのスイッチングタイミングも異なる。
【００６０】
インバータ１００とコンバータ２００のＩＧＢＴのスイッチング状態が異なる場合、インバータ１００とコンバータ２００の交流端子零相電圧に差が生じ、風力発電システム内部では、電力変換器（電力変換装置）１，トランス３０の中点，大地，永久磁石発電機４０の筐体，永久磁石発電機４０の筐体と固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃ間の浮遊容量，固定子巻き線を介し、零相電流が流れる。
【００６１】
例として、インバータ１００の正極側ＩＧＢＴがすべてオン、コンバータ２００の負極側ＩＧＢＴがオンのときの本実施例等価回路を図１２に、インバータ１００の負極側ＩＧＢＴがすべてオン、コンバータ２００の正極側ＩＧＢＴがすべてオンのときの本実施例等価回路を図１３に示す。ここで、インバータ１００はインバータ１０と１１を縮退したモデルで表しており、電流の流れる回路を実線、オフされたＩＧＢＴにより電流が流れなくなった回路を破線で示している。コンバータ２００についても同様である。
【００６２】
永久磁石発電機４０は、固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃの漏れインダクタンスと、該巻線と筐体間の浮遊容量の分布定数回路４０ｓｅｑ、および永久磁石４０ｍが回転することにより上記固定子巻線に発生した誘起電圧４０ｅ０の直列回路として表される。
【００６３】
図１２においては、インバータ１００およびコンバータ２００の直流平滑コンデンサが電源となり、インバータ１００，トランス３０，トランス３０中性点，大地，永久磁石発電機４０筐体，永久磁石発電機４０の浮遊容量，固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃ、そしてコンバータ２００を零相電流が流れる。
【００６４】
図１３においては、上記直流平滑コンデンサが電源になることは図１２と同じであるが、ＩＧＢＴのスイッチング状態が異なるため、図１２と逆方向に零相電流が流れる。
【００６５】
このように、電力変換器１を流れる零相電流は、ＩＧＢＴのスイッチング状態により極性が変わる交流電流となる。
【００６６】
数メガワットの風力発電システムでは、永久磁石発電機４０の筐体と固定子巻き線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃの間の浮遊容量が大きく、上記零相電流が流れやすい。
【００６７】
また、スイッチング周波数が数ｋＨｚの電力変換器の場合、浮遊容量のインピーダンスが比較的小さくなり、永久磁石発電機４０の浮遊容量を介した零相電流が、より流れやすくなる。
【００６８】
さらに、インバータ１０，１１，コンバータ２０，２１の交流リアクトルが三脚鉄心の場合、零相に対するインダクタンスが小さく、より大きな零相電流が流れる。
【００６９】
ここで、参考のため、特許文献１で開示される電力変換器と比較すると、特許文献１で開示される電力変換器では、直流回路８００のうち、正極もしくは負極側のみにリアクトルが挿入されている。そのため、零相電流はリアクトルの挿入されていない回路を流れ、該零相電流を抑制する大きな効果は望めない。
【００７０】
一方、本実施例の電力変換器１は、直流回路の正極，負極両方にリアクトルを備えるため、高周波の零相電流回路のインダクタンスを増すことになるため、高周波零相電流を効果的に抑制することができる。また、該リアクトルをギャップ付リアクトルとすることにより、該リアクトルと永久磁石発電機４０の浮遊容量により構成されるＬＣ回路の振動電流が発生した場合、該振動電流の該リアクトルに発生させるヒステリシス損と浮遊損により該振動電流のダンピング効果が生じ、振動電流の低減が期待できる。
【００７１】
以上の理由により、本実施例の電力変換器は、単機電力変換器間の直流振動電流と、電力変換器を流れる零相電流を両方とも低減することができる。
【００７２】
本実施例では、電力変換器１は永久磁石発電機に接続されているが、接続される発電機が交流励磁発電機であり、回転子のシャフトがスリップリングを介して接地されている場合は、同様の効果を奏す。
【００７３】
また、本実施例の連系トランスは二次側の中性点が接地されているが、中性点が非接地または抵抗接地されているシステムにおいても、トランスの鉄心が接地されていれば零相電流が二次巻線と鉄心間の浮遊容量を介して流れるため、同様の効果を奏す。
【００７４】
また、本実施例では、電力変換器１は永久磁石発電機に接続されているが、図１４に示すように該発電機の変わりに連系トランス３０ｂを介して別の電力系統（交流系統）３０００に接続し、電力系統（交流系統）１０００と３０００との間の潮流を制御する潮流制御用電力変換装置でも同様の効果を奏す。
【００７５】
また、本実施例では、電力変換器１は永久磁石発電機に接続されているが、図１５に示すように電力変換器１が同一変電所１０００ｓに接続する２つの送電線に連系し、送電線間の潮流を制御する送電線電流バランス用電力変換装置でも同様の効果を奏す。
【実施例２】
【００７６】
図２を用いて、本実施例を説明する。本実施例と実施例１との差は、電力変換器２０，２１がチョッパ６０，６１に変わった点である。以上、実施例１と異なる点のみ説明する。また、図２において、図１と同一機能部は同一符号を付け、重複する説明を防ぐ。
【００７７】
本実施例の電力変換器１は、太陽光パネルの発電電力を交流電力に変換して交流系統に出力する太陽光インバータである。
【００７８】
電力変換器１は、太陽光パネル９０と９１により発電した直流電力をチョッパ６０，６１で昇圧し、昇圧された直流電力をインバータ１００で交流電力に変換し、連系トランス３０を介して該交流電力を系統に出力する。
【００７９】
チョッパ６０の主回路を図５に示す。チョッパ６０は、ＩＧＢＴ６０ｂ，還流ダイオード６０ａ，６０ｃ，直流平滑コンデンサ６０ｄ，昇圧用リアクトル６０ｅにより構成される。
【００８０】
ＩＧＢＴ６０ｂは制御装置１０００の出力するゲート信号によりオン・オフ制御される。電圧の低い太陽光パネルから、電圧の高い直流回路への送電を実現するチョッパ６０の昇圧動作について、簡単に説明する。
【００８１】
ＩＧＢＴ６０ｂがオンのとき、太陽光パネル９０はリアクトル６０ｅを介して短絡されるため、リアクトル６０ｅを流れる電流が増加する。ＩＧＢＴ６０ｂがオフになると、リアクトル６０ｅを流れていた電流は６０ａを介して直流回路に流入する。
【００８２】
直流回路の電圧は、太陽光パネル９０の出力電圧より低いため、ＩＧＢＴ６０ｂがオフの間、リアクトル６０ｅの電流は減衰するが、零まで電流が低減したときに還流ダイオード６０ａ，６０ｃによりリアクトル６０ｅの流れる電流は零にクランプされる。
【００８３】
再びＩＧＢＴ６０ｂがオンになるとリアクトル６０ｅを流れる電流がゼロから増加し、ＩＧＢＴ６０ｂがオフになると直流回路に太陽光パネル側から電流が流れる。以上がチョッパ６０，６１の昇圧動作原理である。
【００８４】
数ｋＷ以上の太陽光パネルは、数１０枚のパネルを直・並列接続したものであり、それぞれのパネルは感電防止のため、パネル支持具が接地されている。そのため、電力変換器１から見込んだ大地までの浮遊容量９０１，９１１が極めて大きい。
【００８５】
太陽光パネルの出力する電力は直流であるため、チョッパ６０，６１の出力電圧は直流である。一方、インバータ１００の出力する電圧は交流である。そのため、インバータ１００とチョッパ６０，６１のＩＧＢＴスイッチングタイミングは異なる。ゆえに、実施例１同様、太陽光パネルの大地に対する浮遊容量を介して零相電流が流れる。
【００８６】
本実施例の電力変換器１は、インバータ１０，１１の直流端子、およびチョッパ６０，６１の直流端子にリアクトル（直流リアクトル）５１乃至５８が接続され、該リアクトルを介してインバータ１００とチョッパ６０，６１が直流回路で接続されているため、大地を介して流れる零相電流を抑制できる。
【００８７】
また、チョッパコンデンサ容量とリアクトル５３，５４，５７，５８のインダクタンスで決まる共振周波数がチョッパスイッチング周波数より低くなるよう、リアクトル５３，５４，５７，５８のインダクタンスを選定することで、過大な直流振動電流が流れることを回避できる。
【００８８】
また、図６に示すように昇圧チョッパを介さずに直接太陽光パネルがインバータ１００に接続される場合も、インバータ１００のスイッチングにより、大地に対する直流回路電位が変動するため、大地を介した零相電流が流れる。本実施例のリアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４は浮遊容量９０１を介して流れる零相電流回路にインダクタンスを挿入することができるため、同様の効果を奏することができる。
【００８９】
また、図３に示すように、系統から受電した電力をインバータ１００で直流に変換し、コンバータ２００から交流電圧を負荷５に供給し、該交流系統で停電が発生した場合はチョッパ６２を介して蓄電池９２から負荷５に電力を供給する無停電電源においても、蓄電池の大地間浮遊容量９２１，９３１を介して零相電流がインバータ１００およびチョッパ６２を介して流れる。該零相電流に対しても、図２記載の電力変換器１と同様の効果を奏す。
【００９０】
また、図９に示すように、ウィンドファーム３０００の発電電力変動を検出し、電力変換器１を介した蓄電池９２の充放電を実施することにより、電力系統に送電される交流発電電力変動を抑制する蓄電システムにおいても、図２記載の電力変換器１と同様の効果を奏す。
【００９１】
本実施例によれば、単位電力変換器間の振動電流の抑制と、零相電流の低減を同時に実現することができる。
【００９２】
さらに、交流電力を直流電力に変換する電力変換システムにおいても、直流振動電流と零相電流を低減可能である。
【００９３】
すなわち、本実施の電力変換器では、ギャップ付きリアクトルを直流回路の正極側および負極側に挿入することにより、零相電流の流れる回路インピーダンスを増すことができ、零相電流が低減され、直流回路電流が低減される。そのため、直流回路の温度上昇，直流コンデンサの温度上昇を抑制できる。
【００９４】
また、リアクトルを直流回路に挿入することにより、直流コンデンサと直流回路を流れる高周波振動電流を抑制することができるため、直流コンデンサの温度上昇を抑制できる。
【００９５】
さらに、上記リアクトルをギャップ付きとすることにより、浮遊損が増加し、上記リアクトルと直流コンデンサにより構成されるＬＣ回路を流れる振動電流の減衰を促進することができるため、直流コンデンサを流れる振動電流を低減でき、直流コンデンサの温度上昇を抑制できる。
【符号の説明】
【００９６】
１ 電力変換器
１０，１１，１００ インバータ
２０，２１，２００ コンバータ
４０ 永久磁石発電機
５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５００，５０１ リアクトル
６０，６１，６２ チョッパ
７０ シャフト
８０ ブレード
９０，９１ 太陽光パネル
９０１，９１１，９２１，９３１ 浮遊容量
１０００ 制御装置
１０００Ｇ１，１０００Ｇ２，１０００Ｇ３ ゲート信号
３０００ ウィンドファーム
５１０２，５１０５，５１０６ 銅バー
５１０３，５１０４ 絶縁体
５１１０ 配線
５２００，５３００ 非磁性体
６０００ 電力変換器１の筐体
１００００，３００００ 電力系統
５１０１１，５１０１２ 鉄心
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体スイッチング素子を用いて電力変換する技術が多く用いられるようになってきている。この技術では、交流電力を半導体スイッチング素子で導通／遮断した後にコンデンサで平滑することで、正側の端子と負側の端子間に直流電流を得たり、あるいは、逆に、直流電力を半導体スイッチング素子で導通／端子することで交流電力を得ることができる。
【０００３】
上記技術を組み合わせて、例えば、交流電力を半導体スイッチング素子で導通／遮断した後にコンデンサで平滑して直流電力を得て、さらに、この直流電力を半導体スイッチング素子で導通／遮断することで、所望の周波数の交流電力を得ることができる。
【０００４】
この場合に、直流電流を得る過程で振動電流が発生するので、振動電流を抑制するために、リアクトルと抵抗を挿入する技術が考え付かれた。このような技術は例えば特許文献１に記載されている。
【０００５】
一方、近年、再生可能エネルギーシステムの大容量化が進んでおり、太陽光パネルや風力用発電機から発生する電力を変換する半導体電力変換器も、容量が増加している。電力変換器の出力仕様は、導入されるシステム容量により異なることより、様々な容量仕様に対応するために、交流電力を直流電力に変換（あるいは、直流電力を交流に変換）する電力変換器を単位電力変換器として構成して、この単位電力変換器を並列に接続する技術が考え付かれた。このような技術は例えば非特許文献１に記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−３１９６３９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】「ABB low voltage wind turbine converters - ACS800, liquid-cooled 0.6 to 6 MW」, ABB, 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記の特許文献１に示される技術では、交流を直流に変換する半導体スイッチング素子と、直流を交流に変換する半導体スイッチング素子とが直接に結ばれる配線が形成されており、そのため、その配線を介して零相電流が流れ得るため、零相電流発生による該配線および該配線が接続される電気部品に係る温度が上昇してしまい、特に、コンデンサの寿命を短くしてしまう。
【０００９】
また、上記の非特許文献に示される技術では、並列接続された単位電力変換器のスイッチング動作により、該単位電力変換器を接続する直流回路部分に振動電流が流れ、該単位電力変換器に内蔵されたコンデンサや、回路配線の発熱が増し、コンデンサの寿命を縮めてしまう。
【００１０】
特に、上記電力変換器が、中性点が接地された変圧器を介して交流系統に電力を送電する太陽光発電用インバータや風力発電用インバータである場合、該電力変換器の接続する太陽光パネルと大地間浮遊容量や発電機巻線と発電機筺体間浮遊容量が大きく、該浮遊容量と、上記電力変換器と、変圧器中性点と、大地（接地回路）と、を介してスイッチング周波数を含む零相電流が流れる。該零相電流は直流回路を流れるため、上記直流回路配線および直流回路配線が接続される部品の発熱がさらに増し、特に、上記直流コンデンサの寿命をさらに縮めてしまう。
【００１１】
本発明の目的は、回路に流れる零相電流あるいは振動電流を抑制して、回路部品の寿命を長く保てる電力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明では、第１の正側直流端子と第１の負側直流端子とからなる第１の直流側端子に印加される直流電力を第１の半導体スイッチング素子により交流電力に変換する第１の電力変換ユニットと、第２の正側直流端子と第２の負側直流端子とからなる第２の直流側端子と、第２の半導体スイッチング素子とを有し、前記第２の半導体スイッチング素子が、交流電力或いは直流電力を変換して前記第２の直流側端子に出力するか、或いは、前記第２の直流側端子に印加される直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換ユニットと、前記第１のスイッチング素子或いは前記第２のスイッチング素子のスイッチング動作に伴う変動を平滑するコンデンサを有し、前記第１の正側直流端子と、前記第２の正側直流端子をリアクトルを介して接続し、前記第１の負側直流端子と、前記第２の負側直流端子をリアクトルを介して接続するように構成した。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、回路に流れる零相電流あるいは振動電流を抑制して、回路部品の寿命を長く保つことが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】実施例１の電力変換器の説明図。
【図２】実施例２の電力変換器の説明図。
【図３】実施例２の電力変換器の説明図。
【図４】実施例１の単機電力変換器の説明図。
【図５】実施例２のチョッパの説明図。
【図６】実施例２の電力変換器の説明図。
【図７】実施例１の電力変換器の直流回路に挿入するリアクトルの説明図。
【図８】実施例１の電力変換器の直流回路に挿入するリアクトルの説明図。
【図９】実施例２の電力変換器の説明図。
【図１０】実施例１の電力変換器の接続される永久磁石発電機の説明図。
【図１１】実施例１の電力変換器のゲート信号算出演算部の説明図。
【図１２】実施例１の電力変換器での零相電流流路説明図。
【図１３】実施例１の電力変換器での零相電流流路説明図。
【図１４】実施例１の電力変換器の説明図。
【図１５】実施例１の電力変換器の説明図。
【図１６】実施例１の電力変換器のオンディレイ発生回路のタイミングチャート。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明の詳細を、図面を用いながら説明する。
【実施例１】
【００１６】
本実施例を、図１を用いて説明する。
【００１７】
＜概略構成＞
図１に示す電力変換器は、複数の単位電力変換器で構成される風力発電用電力変換器である。符号１は本実施例の電力変換器、符号８０はブレード、符号４０は永久磁石発電機、符号７０はブレード８０の回転を永久磁石発電機回転子に伝えるシャフト（動力伝達シャフト）、符号３０は電力変換器１を電力系統１００００に連系するための連系トランスである。連系トランス３０の二次側中性点は、電位固定のために接地されている。
【００１８】
＜概略機能＞
電力変換器１は、永久磁石発電機４０の出力する交流電力を直流電力に変換するコンバータ２００、該コンバータの直流出力電力を電力系統と同じ周波数の交流電力に変換して系統に送電するインバータ１００、およびインバータ１００とコンバータ２００を制御する制御装置１０００を備える。
【００１９】
ブレード８０は、風のエネルギーを回転エネルギーに変換し、シャフト７０を介して該回転エネルギーを永久磁石発電機４０に伝達する。永久磁石発電機４０の構成を、図１０に示す。
【００２０】
シャフト７０は永久磁石発電機４０の回転子４０ｒに機械的に接続され、シャフト７０は永久磁石発電機４０の回転子４０ｒを回転させる。該回転子は永久磁石４０ｍを備え、４０ｍの作る磁束が永久磁石発電機４０の固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃを鎖交することにより該固定子巻線に誘起電圧を発生させる。
【００２１】
永久磁石発電機４０は、操作者の感電を防ぐため、筺体が接地されている。
【００２２】
図１に戻り、本発明の電力変換器１の説明を続ける。
【００２３】
コンバータ２００はＩＧＢＴにより構成される電力変換器であり、制御装置１０００から出力されるゲート信号１０００Ｇ２に基づき該ＩＧＢＴをオン・オフすることで所望の交流電圧を永久磁石発電機４０に出力する。永久磁石発電機４０の固定子巻線４０ｓには、回転子４０ｒの回転により発生する起電力と、コンバータ２００の出力する交流電圧が印加される。該巻線には該誘起電力と該交流電圧との差と、固定子巻線インピーダンスにより決まる発電機電流が流れる。
【００２４】
よって、制御装置１０００が永久磁石発電機４０に適切なゲート信号（ＩＧＢＴゲート信号）１０００Ｇ２を出力することにより、コンバータ２００は所望の交流電力を永久磁石発電機４０より受電することができる。
【００２５】
本実施例では、発電機として永久磁石発電機を示しているが、発電機は発電機外部より直流励磁電流が供給される同期発電機であってもよい。
【００２６】
インバータ１００は、インバータ１００内のＩＧＢＴのスイッチングにより、コンバータ２００によって変換された直流電力を交流電力に変換し、該交流電力を電力系統（交流系統）１００００に出力する。
【００２７】
具体的には、変圧器３０のインバータ１００側端子電圧に対して、位相の進んだ交流電圧をインバータ１００より出力させるよう、制御装置１０００からゲート信号（ＩＧＢＴゲート信号）１０００Ｇ１を出力することにより、インバータ１００はコンバータ２００の整流した直流電力を交流電力に変換して系統に出力する。
【００２８】
＜詳細構成＞
電力変換器１の構成を、以下に詳細に説明する。
【００２９】
＜結線＞
インバータ１００は単位電力変換器であるインバータ１０，１１、およびリアクトル５１，５２，５５，５６により構成される。インバータ１０の正極直流端子１０Ｐにはリアクトル５１の一端が、インバータ１０の負極直流端子１０Ｎにはリアクトル５２の一端が接続される。
【００３０】
同様に、インバータ１１の正極直流端子１１Ｐと負極直流端子１１Ｎにはそれぞれリアクトル５５，５６の一端が接続される。
【００３１】
コンバータ２００は単位電力変換器であるコンバータ２０，２１およびリアクトル５３，５４，５７，５８により構成される。コンバータ２０の正極直流端子２０Ｐにはリアクトル５３が、コンバータ２０の負極直流端子２０Ｎにはリアクトル５４が接続される。
【００３２】
同様に、コンバータ２１の正極直流端子２１Ｐと負極直流端子２１Ｎにはそれぞれリアクトル５７，５８の一端が接続される。
【００３３】
リアクトル５１，５３，５５，５７の他端はそれぞれ正極直流配線８００１に接続され、リアクトル５２，５４，５６，５８の他端はそれぞれ負極直流配線８００２に接続される。
【００３４】
＜変換器構成詳細＞
単位電力変換器であるインバータ１０，１１，コンバータ２０，コンバータ２１は、それぞれ同じ主回路構成を有する。該主回路構成を、インバータ１０を例に、図４を用いて説明する。
【００３５】
インバータ１０は、ＩＧＢＴ１０ａ，１０ｃ，１０ｅ，１０ｇ，１０ｉ，１０ｋおよび該ＩＧＢＴに逆並列接続された還流ダイオード１０ｂ，１０ｄ，１０ｆ，１０ｈ，１０ｊ，１０ｌにより構成される３相電力変換部、直流平滑コンデンサ１０ｍ、および交流リアクトル１０ｎにより構成される。交流リアクトル１０ｎは三脚リアクトルである。
【００３６】
該ＩＧＢＴは、制御装置１０００から出力されるゲート信号１０００Ｇ１によりオン・オフ制御され、リアクトル１０ｎの電力変換部側に直流平滑コンデンサ１０ｍの端子間電圧をパルス幅変調した交流電圧を出力する。
【００３７】
上記ゲート信号は、図１１に示すように、制御装置１０００内で演算された交流出力電圧指令値と搬送波である三角波の大小比較により作成される。
【００３８】
具体的には、図示しない搬送波算出器の出力である搬送波ｖｔｒｉと、図示しないＵ相，Ｖ相，Ｗ相電圧指令値算出器の出力であるＵ相，Ｖ相，Ｗ相電圧指令値ｖｕ_ｒｅｆ，ｖｖ_ｒｅｆ，ｖｗ_ｒｅｆが比較器１０００ｃ１，１０００ｃ２，１０００ｃ３にそれぞれ入力される。比較器１０００ｃ１，１０００ｃ２，１０００ｃ３は、電圧指令値が搬送波ｖｔｒｉより大きい時は１、その他の場合は０を出力する。
【００３９】
反転器１０００ｉ１，１０００ｉ２，１０００ｉ３は、比較器１０００ｃ１，１０００ｃ２，１０００ｃ３の出力を論理反転した値を出力する。
【００４０】
正極側ＩＧＢＴのゲート信号は比較器の出力信号、負極側ＩＧＢＴのゲート信号は反転器の出力信号に対応するが、ＩＧＢＴはターンオンもしくはターンオフするために有限の時間を必要とする。この有限の時間の間、ＩＧＢＴを介して直流平滑コンデンサＩＧＢＴを介した直流平滑コンデンサ１０ｍの短絡を回避するため、比較器および反転器の出力を図１６に示すようにターンオンのときだけゲート信号をＴｄ秒遅延させるオンディレイ回路１０００ｄ１，１０００ｄ２，１０００ｄ３，１０００ｄ４，１０００ｄ５，１０００ｄ６にそれぞれ入力し、その出力をゲート信号として単位電力変換器に出力する。ここで、Ｔｄは通常数マイクロ秒である。
【００４１】
＜動作の説明＞
本実施例の機能およびその機能について、以下に詳細に説明する。
【００４２】
特徴は、単位電力変換器の直流端子の正極と負極両方にリアクトルを備える点にある。
該リアクトルを備えることにより、単位電力変換器間の直流回路を流れる振動電流を制限することができる。それと同時に、電力変換器１を流れる零相電流を抑制することができる。
【００４３】
以降、振動電流抑制効果と、零相電流抑制効果について、図を用いて順に説明する。
【００４４】
まず、振動電流抑制効果を説明する。
【００４５】
インバータ１０とインバータ１１は、交流端子および直流端子が並列に接続されている。ＩＧＢＴのスイッチングに要する時間や、交流端子に接続されるリアクトル（インバータ１０では交流リアクトル１０ｎ）のインピーダンスには個体差があり、インバータ１０と１１に同じゲート信号を与えても、インバータ１０と１１の電力変換部から直流回路に流入する電流には差が生じ、インバータ１０とインバータ１１の直流平滑コンデンサ１０ｍと１１ｍの端子電圧には差が生じ、振動電流が発生する。
【００４６】
電力変換部から直流回路に流入する電流は、インバータ１０および１１のＩＧＢＴがスイッチングされるたびに変化するため、直流回路の振動電流は持続する。
【００４７】
リアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４を挿入しない場合、直流回路には直流平滑コンデンサ１０ｍ，１１ｍ、および直流平滑コンデンサを結ぶ配線のインダクタンスにより決まる共振周波数成分をもつ振動電流が流れる。この回路の共振周波数がＩＧＢＴスイッチング周波数近傍にある場合、直流回路には過大なリプル電流が流れ、直流回路や平滑コンデンサの異常過熱を引き起こす。
【００４８】
リアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４を挿入することにより、直流回路の共振周波数を調整することが可能となり、過大な振動電流を回避することができる。
具体的には、コンデンサ１０ｍ，１１ｍのキャパシタンス，リアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４のインダクタンスにより決まる共振周波数を、インバータ１０，１１のスイッチング周波数より低くすることにより、インバータ１００内を流れる過大な振動電流の発生を回避することができる。
【００４９】
また、該リアクトルを鉄心付きリアクトルとすることにより、該リアクトルを振動電流が流れた際に発生するヒステリシス損が、該振動電流の減衰を促進する効果を奏する。
【００５０】
さらに、該鉄心付きリアクトルにギャップを設けることにより、直流電流による鉄心磁気飽和の回避と、漂遊損増加による振動電流減衰効果を得ることができる。
【００５１】
リアクトル（直流リアクトル）５１の構成を、図７，図８を用いて説明する。本実施例のリアクトルは、導体の周りに磁性体を配置する外鉄形リアクトルである。
【００５２】
直流回路８００の正極回路８００１は、銅バー５１０６を介してリアクトルの主電流回路である銅バー５１０２に接続され、直流電流は銅バー５１０２、および銅バー５１０５を流れてインバータ１０に流入する。
【００５３】
銅バー５１０２には非磁性体５２００を介して鉄心５１０１１，５１０１２が接触している。鉄心５１０１１，５１０１２は非磁性体５３００で固定される。鉄心５１０１１，５１０１２は図示しない非磁性体で固定されており、鉄心（磁性体）５１０１１と５１０１２の間には空隙を設ける。本空隙は直流電流による磁気飽和回避、および漏れ磁束による浮遊損発生をさせるため、例えば０.５mmの空隙を設ける。
【００５４】
鉄心５１０１１には電位固定のための配線５１１０が接続され、銅バー５１０２に接続される。また、鉄心５０１１１と５１０１２は非磁性体（ステンレス帯）５３００で機械的に固定する。鉄心５１０１２の電位は、該ステンレス帯，鉄心５１０１１，配線５１１０を介して銅バー５１０２に固定される。
【００５５】
また、銅バー５１０２は絶縁体５１０３，５１０４を介して電力変換器（電力変換装置）１の筐体に固定される。該筐体は操作者の感電を避けるため、接地されている。
【００５６】
本構成とすることにより、鉄心電位を主電流が流れる銅バー５１０２に固定できるため、筐体と鉄心との間の絶縁が容易になる。また、直流リアクトルを正極・負極それぞれに分割して配置するため、リアクトル１つあたりの必要な空間を縮小できるため、電力変換器１筐体内でのリアクトル設置場所自由度が増す。
【００５７】
次に、零相電流抑制効果について説明する。
【００５８】
コンバータ２００は、風速により変わる永久磁石発電機４０の誘起電圧周波数および振幅に応じた交流電圧を永久磁石発電機４０に出力する。一方、インバータ１００は連系する系統の周波数および振幅に応じた交流出力電圧をトランス側３０に出力する。
【００５９】
ゆえに、インバータ１００の出力する交流電圧とコンバータ２００の出力する交流電圧が異なり、インバータ１００とコンバータ２００内部のＩＧＢＴのスイッチングタイミングも異なる。
【００６０】
インバータ１００とコンバータ２００のＩＧＢＴのスイッチング状態が異なる場合、インバータ１００とコンバータ２００の交流端子零相電圧に差が生じ、風力発電システム内部では、電力変換器（電力変換装置）１，トランス３０の中点，大地，永久磁石発電機４０の筐体，永久磁石発電機４０の筐体と固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃ間の浮遊容量，固定子巻き線を介し、零相電流が流れる。
【００６１】
例として、インバータ１００の正極側ＩＧＢＴがすべてオン、コンバータ２００の負極側ＩＧＢＴがオンのときの本実施例等価回路を図１２に、インバータ１００の負極側ＩＧＢＴがすべてオン、コンバータ２００の正極側ＩＧＢＴがすべてオンのときの本実施例等価回路を図１３に示す。ここで、インバータ１００はインバータ１０と１１を縮退したモデルで表しており、電流の流れる回路を実線、オフされたＩＧＢＴにより電流が流れなくなった回路を破線で示している。コンバータ２００についても同様である。
【００６２】
永久磁石発電機４０は、固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃの漏れインダクタンスと、該巻線と筐体間の浮遊容量の分布定数回路４０ｓｅｑ、および永久磁石４０ｍが回転することにより上記固定子巻線に発生した誘起電圧４０ｅ０の直列回路として表される。
【００６３】
図１２においては、インバータ１００およびコンバータ２００の直流平滑コンデンサが電源となり、インバータ１００，トランス３０，トランス３０中性点，大地，永久磁石発電機４０筐体，永久磁石発電機４０の浮遊容量，固定子巻線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃ、そしてコンバータ２００を零相電流が流れる。
【００６４】
図１３においては、上記直流平滑コンデンサが電源になることは図１２と同じであるが、ＩＧＢＴのスイッチング状態が異なるため、図１２と逆方向に零相電流が流れる。
【００６５】
このように、電力変換器１を流れる零相電流は、ＩＧＢＴのスイッチング状態により極性が変わる交流電流となる。
【００６６】
数メガワットの風力発電システムでは、永久磁石発電機４０の筐体と固定子巻き線４０ｓａ，４０ｓｂ，４０ｓｃの間の浮遊容量が大きく、上記零相電流が流れやすい。
【００６７】
また、スイッチング周波数が数ｋＨｚの電力変換器の場合、浮遊容量のインピーダンスが比較的小さくなり、永久磁石発電機４０の浮遊容量を介した零相電流が、より流れやすくなる。
【００６８】
さらに、インバータ１０，１１，コンバータ２０，２１の交流リアクトルが三脚鉄心の場合、零相に対するインダクタンスが小さく、より大きな零相電流が流れる。
【００６９】
ここで、参考のため、特許文献１で開示される電力変換器と比較すると、特許文献１で開示される電力変換器では、直流回路８００のうち、正極もしくは負極側のみにリアクトルが挿入されている。そのため、零相電流はリアクトルの挿入されていない回路を流れ、該零相電流を抑制する大きな効果は望めない。
【００７０】
一方、本実施例の電力変換器１は、直流回路の正極，負極両方にリアクトルを備えるため、高周波の零相電流回路のインダクタンスを増すことになるため、高周波零相電流を効果的に抑制することができる。また、該リアクトルをギャップ付リアクトルとすることにより、該リアクトルと永久磁石発電機４０の浮遊容量により構成されるＬＣ回路の振動電流が発生した場合、該振動電流の該リアクトルに発生させるヒステリシス損と浮遊損により該振動電流のダンピング効果が生じ、振動電流の低減が期待できる。
【００７１】
以上の理由により、本実施例の電力変換器は、単機電力変換器間の直流振動電流と、電力変換器を流れる零相電流を両方とも低減することができる。
【００７２】
本実施例では、電力変換器１は永久磁石発電機に接続されているが、接続される発電機が交流励磁発電機であり、回転子のシャフトがスリップリングを介して接地されている場合は、同様の効果を奏す。
【００７３】
また、本実施例の連系トランスは二次側の中性点が接地されているが、中性点が非接地または抵抗接地されているシステムにおいても、トランスの鉄心が接地されていれば零相電流が二次巻線と鉄心間の浮遊容量を介して流れるため、同様の効果を奏す。
【００７４】
また、本実施例では、電力変換器１は永久磁石発電機に接続されているが、図１４に示すように該発電機の変わりに連系トランス３０ｂを介して別の電力系統（交流系統）３０００に接続し、電力系統（交流系統）１０００と３０００との間の潮流を制御する潮流制御用電力変換装置でも同様の効果を奏す。
【００７５】
また、本実施例では、電力変換器１は永久磁石発電機に接続されているが、図１５に示すように電力変換器１が同一変電所１０００ｓに接続する２つの送電線に連系し、送電線間の潮流を制御する送電線電流バランス用電力変換装置でも同様の効果を奏す。
【実施例２】
【００７６】
図２を用いて、本実施例を説明する。本実施例と実施例１との差は、電力変換器２０，２１がチョッパ６０，６１に変わった点である。以上、実施例１と異なる点のみ説明する。また、図２において、図１と同一機能部は同一符号を付け、重複する説明を防ぐ。
【００７７】
本実施例の電力変換器１は、太陽光パネルの発電電力を交流電力に変換して交流系統に出力する太陽光インバータである。
【００７８】
電力変換器１は、太陽光パネル９０と９１により発電した直流電力をチョッパ６０，６１で昇圧し、昇圧された直流電力をインバータ１００で交流電力に変換し、連系トランス３０を介して該交流電力を系統に出力する。
【００７９】
チョッパ６０の主回路を図５に示す。チョッパ６０は、ＩＧＢＴ６０ｂ，還流ダイオード６０ａ，６０ｃ，直流平滑コンデンサ６０ｄ，昇圧用リアクトル６０ｅにより構成される。
【００８０】
ＩＧＢＴ６０ｂは制御装置１０００の出力するゲート信号によりオン・オフ制御される。電圧の低い太陽光パネルから、電圧の高い直流回路への送電を実現するチョッパ６０の昇圧動作について、簡単に説明する。
【００８１】
ＩＧＢＴ６０ｂがオンのとき、太陽光パネル９０はリアクトル６０ｅを介して短絡されるため、リアクトル６０ｅを流れる電流が増加する。ＩＧＢＴ６０ｂがオフになると、リアクトル６０ｅを流れていた電流は６０ａを介して直流回路に流入する。
【００８２】
直流回路の電圧は、太陽光パネル９０の出力電圧より低いため、ＩＧＢＴ６０ｂがオフの間、リアクトル６０ｅの電流は減衰するが、零まで電流が低減したときに還流ダイオード６０ａ，６０ｃによりリアクトル６０ｅの流れる電流は零にクランプされる。
【００８３】
再びＩＧＢＴ６０ｂがオンになるとリアクトル６０ｅを流れる電流がゼロから増加し、ＩＧＢＴ６０ｂがオフになると直流回路に太陽光パネル側から電流が流れる。以上がチョッパ６０，６１の昇圧動作原理である。
【００８４】
数ｋＷ以上の太陽光パネルは、数１０枚のパネルを直・並列接続したものであり、それぞれのパネルは感電防止のため、パネル支持具が接地されている。そのため、電力変換器１から見込んだ大地までの浮遊容量９０１，９１１が極めて大きい。
【００８５】
太陽光パネルの出力する電力は直流であるため、チョッパ６０，６１の出力電圧は直流である。一方、インバータ１００の出力する電圧は交流である。そのため、インバータ１００とチョッパ６０，６１のＩＧＢＴスイッチングタイミングは異なる。ゆえに、実施例１同様、太陽光パネルの大地に対する浮遊容量を介して零相電流が流れる。
【００８６】
本実施例の電力変換器１は、インバータ１０，１１の直流端子、およびチョッパ６０，６１の直流端子にリアクトル（直流リアクトル）５１乃至５８が接続され、該リアクトルを介してインバータ１００とチョッパ６０，６１が直流回路で接続されているため、大地を介して流れる零相電流を抑制できる。
【００８７】
また、チョッパコンデンサ容量とリアクトル５３，５４，５７，５８のインダクタンスで決まる共振周波数がチョッパスイッチング周波数より低くなるよう、リアクトル５３，５４，５７，５８のインダクタンスを選定することで、過大な直流振動電流が流れることを回避できる。
【００８８】
また、図６に示すように昇圧チョッパを介さずに直接太陽光パネルがインバータ１００に接続される場合も、インバータ１００のスイッチングにより、大地に対する直流回路電位が変動するため、大地を介した零相電流が流れる。本実施例のリアクトル（直流リアクトル）５１，５２，５３，５４は浮遊容量９０１を介して流れる零相電流回路にインダクタンスを挿入することができるため、同様の効果を奏することができる。
【００８９】
また、図３に示すように、系統から受電した電力をインバータ１００で直流に変換し、コンバータ２００から交流電圧を負荷５に供給し、該交流系統で停電が発生した場合はチョッパ６２を介して蓄電池９２から負荷５に電力を供給する無停電電源においても、蓄電池の大地間浮遊容量９２１，９３１を介して零相電流がインバータ１００およびチョッパ６２を介して流れる。該零相電流に対しても、図２記載の電力変換器１と同様の効果を奏す。
【００９０】
また、図９に示すように、ウィンドファーム３０００の発電電力変動を検出し、電力変換器１を介した蓄電池９２の充放電を実施することにより、電力系統に送電される交流発電電力変動を抑制する蓄電システムにおいても、図２記載の電力変換器１と同様の効果を奏す。
【００９１】
本実施例によれば、単位電力変換器間の振動電流の抑制と、零相電流の低減を同時に実現することができる。
【００９２】
さらに、交流電力を直流電力に変換する電力変換システムにおいても、直流振動電流と零相電流を低減可能である。
【００９３】
すなわち、本実施の電力変換器では、ギャップ付きリアクトルを直流回路の正極側および負極側に挿入することにより、零相電流の流れる回路インピーダンスを増すことができ、零相電流が低減され、直流回路電流が低減される。そのため、直流回路の温度上昇，直流コンデンサの温度上昇を抑制できる。
【００９４】
また、リアクトルを直流回路に挿入することにより、直流コンデンサと直流回路を流れる高周波振動電流を抑制することができるため、直流コンデンサの温度上昇を抑制できる。
【００９５】
さらに、上記リアクトルをギャップ付きとすることにより、浮遊損が増加し、上記リアクトルと直流コンデンサにより構成されるＬＣ回路を流れる振動電流の減衰を促進することができるため、直流コンデンサを流れる振動電流を低減でき、直流コンデンサの温度上昇を抑制できる。
【符号の説明】
【００９６】
１ 電力変換器
１０，１１，１００ インバータ
２０，２１，２００ コンバータ
４０ 永久磁石発電機
５１，５２，５３，５４，５５，５６，５７，５８，５００，５０１ リアクトル
６０，６１，６２ チョッパ
７０ シャフト
８０ ブレード
９０，９１ 太陽光パネル
９０１，９１１，９２１，９３１ 浮遊容量
１０００ 制御装置
１０００Ｇ１，１０００Ｇ２，１０００Ｇ３ ゲート信号
３０００ ウィンドファーム
５１０２，５１０５，５１０６ 銅バー
５１０３，５１０４ 絶縁体
５１１０ 配線
５２００，５３００ 非磁性体
６０００ 電力変換器１の筐体
１００００，３００００ 電力系統
５１０１１，５１０１２ 鉄心
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の正側直流端子と第１の負側直流端子とからなる第１の直流側端子に印加される直流電力を第１の半導体スイッチング素子により交流電力に変換する第１の電力変換ユニットと、
第２の正側直流端子と第２の負側直流端子とからなる第２の直流側端子と、第２の半導体スイッチング素子とを有し、前記第２の半導体スイッチング素子が、交流電力或いは直流電力を変換して前記第２の直流側端子に出力するか、或いは、前記第２の直流側端子に印加される直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換ユニットと、
前記第１のスイッチング素子或いは前記第２のスイッチング素子のスイッチング動作に伴う変動を平滑するコンデンサを有し、
前記第１の正側直流端子と、前記第２の正側直流端子をリアクトルを介して接続し、前記第１の負側直流端子と、前記第２の負側直流端子をリアクトルを介して接続することを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換システムであって、上記リアクトルの少なくともいずれかが鉄心を備え、該鉄心がギャップを有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換システムであって、上記リアクトルの少なくともいずれかを構成する鉄心のギャップが０.５mm以上であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項４】
請求項２もしくは請求項３記載の電力変換システムであって、上記リアクトルの少なくともいずれかが外鉄形リアクトルであることを特徴とする電力変換システム。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電力変換システムであって、該リアクトルのうち正極側に接続されるリアクトルの鉄心の電位を直流回路の正極に固定する手段を有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項６】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電力変換システムであって、該リアクトルのうち負極側に接続されるリアクトルの鉄心の電位を直流回路の負極に固定する手段を有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項７】
請求項３から請求項６のいずれかに記載の電力変換システムであって、鉄心を貫通する金属棒を直流回路電流が流れ、該金属棒を絶縁体を介して筺体に固定することを特徴とする電力変換システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の電力変換システムであって、前記電力変換器の直流平滑コンデンサ容量と直流回路に接続されるリアクトルの直列回路の共振周波数が、前記電力変換器のスイッチング周波数より低いことを特徴とする電力変換システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の電力変換システムであって、該電力変換システムが交流出力端子を備え、該交流出力端子が高調波フィルタリアクトルを介し、少なくとも２つの異なる電源に接続されることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１０】
請求項９記載の電力変換システムであって、前記電源の一つが筺体接地された発電機であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１１】
請求項９記載の電力変換システムであって、前記電源の一つが蓄電池であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の電力変換システムであって、少なくとも１つの交流系統リアクトルを備え、該リアクトルの鉄心が三脚鉄心であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１】
第１の正側直流端子と第１の負側直流端子とからなる第１の直流側端子に印加される直流電力を第１の半導体スイッチング素子により交流電力に変換する第１の電力変換ユニットと、
第２の正側直流端子と第２の負側直流端子とからなる第２の直流側端子と、第２の半導体スイッチング素子とを有し、前記第２の半導体スイッチング素子が、交流電力或いは直流電力を変換して前記第２の直流側端子に出力するか、或いは、前記第２の直流側端子に印加される直流電力を交流電力に変換する第２の電力変換ユニットと、
前記第１のスイッチング素子或いは前記第２のスイッチング素子のスイッチング動作に伴う変動を平滑するコンデンサを有し、
前記第１の正側直流端子と、前記第２の正側直流端子をリアクトルを介して接続し、前記第１の負側直流端子と、前記第２の負側直流端子をリアクトルを介して接続することを特徴とする電力変換システム。
【請求項２】
請求項１記載の電力変換システムであって、上記リアクトルの少なくともいずれかが鉄心を備え、該鉄心がギャップを有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項３】
請求項２記載の電力変換システムであって、上記リアクトルの少なくともいずれかを構成する鉄心のギャップが０.５mm以上であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項４】
請求項２もしくは請求項３記載の電力変換システムであって、上記リアクトルの少なくともいずれかが外鉄形リアクトルであることを特徴とする電力変換システム。
【請求項５】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電力変換システムであって、該リアクトルのうち正極側に接続されるリアクトルの鉄心の電位を直流回路の正極に固定する手段を有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項６】
請求項２から請求項４のいずれかに記載の電力変換システムであって、該リアクトルのうち負極側に接続されるリアクトルの鉄心の電位を直流回路の負極に固定する手段を有することを特徴とする電力変換システム。
【請求項７】
請求項３から請求項６のいずれかに記載の電力変換システムであって、鉄心を貫通する金属棒を直流回路電流が流れ、該金属棒を絶縁体を介して筺体に固定することを特徴とする電力変換システム。
【請求項８】
請求項１から請求項７のいずれかに記載の電力変換システムであって、前記電力変換器の直流平滑コンデンサ容量と直流回路に接続されるリアクトルの直列回路の共振周波数が、前記電力変換器のスイッチング周波数より低いことを特徴とする電力変換システム。
【請求項９】
請求項１から請求項８のいずれかに記載の電力変換システムであって、該電力変換システムが交流出力端子を備え、該交流出力端子が高調波フィルタリアクトルを介し、少なくとも２つの異なる電源に接続されることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１０】
請求項９記載の電力変換システムであって、前記電源の一つが筺体接地された発電機であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１１】
請求項９記載の電力変換システムであって、前記電源の一つが蓄電池であることを特徴とする電力変換システム。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれかに記載の電力変換システムであって、少なくとも１つの交流系統リアクトルを備え、該リアクトルの鉄心が三脚鉄心であることを特徴とする電力変換システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２０１２−１７８９３８（Ｐ２０１２−１７８９３８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−４１１１４（Ｐ２０１１−４１１１４）
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２８日（２０１１．２．２８）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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