JP6884029B2

JP6884029B2 - 電力変換装置及び電力変換装置の診断方法

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Publication number: JP6884029B2
Application number: JP2017092737A
Authority: JP
Inventors: 勉小南; 佳稔秋田; 達大澤畠
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2017-05-09
Filing date: 2017-05-09
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2037-05-09
Also published as: CN108880279B; CN108880279A; JP2018191446A

Description

本発明は電力変換装置及び電力変換装置の診断方法に関し，特に，主回路を構成する平滑コンデンサの診断に好適な電力変換装置及び電力変換装置の診断方法に関する。

半導体スイッチング素子を用いた電力変換器は，産業，家電，交通，自動車および電力・社会インフラシステムなどの分野で幅広く使用されている。例えば，数百kW以上の産業向け電力変換器では，電力系統或いはモータ等の負荷と接続するため，交流電力を直流電力へ変換する順変換器(以下，コンバータ(CONV)と記載)，或いは，直流電力を交流電力へ変換する逆変換器(以下，インバータ(INV)と記載)として複数の変換器でシステムを構成する。このようなシステムでは，電力変換に伴う変動を平滑するために各変換器(CONV・INV)に平滑コンデンサを有する。各変換器において，入力される電力或いは出力される電力を平滑コンデンサで平滑する。このような電力変換器は例えば特開2008-11606号公報に記載されている。

特開2008-11606号公報

各変換器(CONV・INV)の各々に電力変換に伴う変動を平滑する平滑コンデンサが設けられているところ，この平滑コンデンサは周囲温度・印加電圧および通流電流に応じて劣化する。平滑コンデンサが劣化して静電容量が低下すると，直流電圧の変動が大きくなり，電力系統や負荷へ流れる電流に歪みを生じる原因となり得る。そのためこのような電力変換器を長期的に使用するためには，平滑コンデンサの静電容量が劣化しておらず必要な静電容量であるかを確認するために定期的な保守が必要であった。

例えば，平滑コンデンサの劣化に係り静電容量低下を検知するため，電力変換器の起動または停止時における平滑コンデンサの充電電流の立ち上がり時間または放電電流の立ち下がり時間を判定値とすることが考えられる。CR時定数で決まる充電または放電時間を利用したものであるが，電力変換器を停止した状態から平滑コンデンサの充電電流の立ち上がり等を検出する必要があり，保守作業をする時間分の電力変換器の稼働時間が短くなる。すなわち，電力変換器の運転を継続した状態で静電容量の劣化状態を検知することができないので，システムの稼働率が低下するという問題があった。

本発明の目的は，平滑コンデンサの劣化検知につきシステム稼働率を維持しつつ検知可能とする電力変換装置及び電力変換装置の診断方法を提供することにある。

上記目的を達成するため，本発明では，交流から直流へまたは直流から交流へ電力を変換する複数の電力変換器を有し，前記複数の電力変換器は共通の直流電圧部に接続されており，前記複数の電力変換器は各々平滑コンデンサを有しており，前記複数の電力変換器のいずれかの平滑コンデンサから他の電力変換器の平滑コンデンサに流れる電流を解析することで前記平滑コンデンサの劣化状態を検知する機能を有するように構成した。

あるいは，交流から直流へ，または直流から交流へ電力を変換する電力変換装置において，該電力変換装置は複数の電力変換器で構成され，該電力変換器は個別に平滑コンデンサを持ち，かつ，該電力変換器の直流電圧部は共通の直流電圧部に接続されており，各電力変換器が接続されている直流電圧部に流れている電流を観測するセンサまたは推定する機能を有し，該直流電圧部の電流を解析することで各電力変換器に搭載された平滑コンデンサの劣化状態を検知する機能を有し，該劣化状態を外部インターフェースを通じて外部へ出力する機構を持つ構成とする。

本発明によれば，システム稼働率を維持しつつ平滑コンデンサの劣化検知が可能となる。

本発明における第1の実施例における電力変換器の構成である。本発明における第1および第4の実施例における直流平滑用コンデンサの劣化状態を検出するフローチャート図である。本発明における第1および第4の実施例における直流電圧部電流を周波数解析した概略を説明する図である。本発明における第2の実施例における電力変換器の構成である。本発明における第3の実施例における電力変換器の別構成である。本発明における第2，第3，第5および第6の実施例における直流電圧部電流を周波数解析した概略を説明する図である。本発明における第4の実施例における電力変換器の構成である。本発明における第5の実施例における電力変換器の構成である。本発明における第6の実施例における電力変換器の構成である。

本発明を実施するための形態（実施例）を以下に図面を用いて説明する。

図1に電力変換器の構成を示す。本実施例では3相の2レベル変換器を例に説明する。半導体スイッチング素子および直流平滑用コンデンサ（平滑コンデンサとも称す。以下同様。）(103a・103b)で構成される2台の電力変換器(101a・101b)が直流電圧部(100a・100b)に接続されている。2レベル変換器であるため，直流電圧部(100a・100b)は正極側(100a)と負極側(100b)があり，本実施例では負極側(100b)に直流部の電流を観測するための電流センサ(102)を設ける。なお，該電流センサ(102)は正極側(100a)に設けても以下に示す効果は同じである。

各電力変換器(101a・101b)はコントローラ(105)からの運転指令(107a・107b)によって制御され，入力または出力(104a・104b)を制御する。コントローラ(105)は各電力変換器の運転状態(108)を直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化診断部(106)へ出力し，該劣化診断部(106)では直流電圧部(100a・100b)の電流情報(109)と組み合わせて直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の静電容量低下を算出することで劣化状態を検知する。該劣化状態は直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態のみを示すものであり，電力変換器稼働率の情報は含まない。

ここで，各電力変換器(101a・101b)の運転状態(108)とは，各電力変換器(101a・101b)の出力または入力電流の周波数，変調率，ゲートパルスパターンである。また，直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化要因を特定するために，各電力変換器(101a・101b)の出力または入力電流値，各電力変換器(101a・101b)の盤の内部・外部温度，各電力変換器(101a・101b)の直流電圧値，電力変換器(101a・101b)の装置・制御盤の接地電流値を含めてもよい。
本実施例では，電力変換器(101a)は，コントローラ(105)からの運転指令(107a)によって，直流電圧部(100a・100b)からの直流電力を３相の交流に変換して交流出力部(104a)に出力する。また，電力変換器(101b)は，コントローラ(105)からの運転指令(107b)によって，直流電圧部(100a・100b)からの直流電力を３相の交流に変換して交流出力部(104b)に出力する。
ここで，電力変換器(101a・101b)について，端子(104a・104b)から交流電力を入力して電力変換器(101a・101b)により直流に変換して直流電圧部(100a・100b)に直流電力を供給するように構成しても良い。あるいは，電力変換器(101a・101b)の一方を交流から直流に変換し，電力変換器(101a・101b)の他方を直流から交流に変換するように構成しても良い。

また，交流電力への変換は一定の周波数として電力系統に接続しても良く，また，可変周波数として電動機等に供給しても良い。

図2に，劣化診断部(106)で実行される直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態を検出するフローチャートを示す。電力変換器(101a・101b)が運転状態(S101)において直流電圧部(100a・100b)の共振周波数を演算する(S102)。

この共振周波数の演算について初めに概略的な考え方を説明し，後に具体的な演算の詳細を説明する。図3に直流電圧部(100a・100b)の電流を周波数分析した概略図を示す。周波数分析は例えば電流センサ(102)の出力を劣化診断部(106)でフーリエ変換の演算を行って得ることができる。直流電圧部(100a・100b)の電流には，各電力変換器(101a・101b)の運転パターンで決まる周波数成分(200a・200b)，各電力変換器(101a・101b)のキャリア周波数で決まる周波数成分(201a・201b)に加え，各電力変換器(101a・101b)に搭載された直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の間の共振電流(113)の成分(202)を含む。

電力変換器(101a・101b)の運転パターンおよびキャリア周波数で決まる電流成分は運転状態によって変化するが，各電力変換器(101a・101b)に搭載された直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の静電容量と，各電力変換器(101a・101b)を接続している直流電圧部(100a・100b)の寄生インダクタンスで決まる共振電流の周波数は比較的に短い期間では運転状態によらず一定である。しかし，直流平滑用コンデンサ(103a・103b)が劣化し，静電容量が低下した場合，共振周波数(202)は高い周波数へ移動する。

従って，各電力変換器(101a・101b)の運転状態(108)および直流電圧部(100a・100b)の電流(113)に係る検出信号(109)を解析し，電力変換器を出荷する際に測定しておく共振周波数と比較することで，直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態を検知することが可能となる。

さらに，劣化診断部(106)で実行される直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態の検出について，詳細を説明する。図2に示されるフローチャートにおいては，直流電圧部(100a・100b)の共振周波数が規定値1を越えた場合に直流平滑用コンデンサ(103a・103b)が劣化したアラームを出力する(S104a)。ここで，直流電圧部(100a・100b)の共振周波数として，以下にf₀として示す電力変換器出荷時における直流電圧部(100a・100b)の共振周波数より低い周波数をフィルタリングによりカットしてから，規定値1（規定値2と比較するときも同様としてよい）と比較しても良い。該アラームは例えば図1で示した電力変換器(101a・101b)に備え付けられたモニタ等(112a，112b)へ出力される。

本実施例では，直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態を2段階に分け出力させる場合を示した。劣化状態1は，直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の静電容量が低減しているが電力変換器(101a・101b)の運転継続は可能な状態を表す。劣化状態2は電力変換器(101a・101b)が安定して運転することが困難な状態になったことを表す。

ここで電力変換器(101a・101b)の出荷時における直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の静電容量をC₀とし，劣化状態時の静電容量をC₁，C₂とする(C₁> C₂)。直流電圧部の共振周波数は電力変換器(101a・101b)の間を接続しているブスバーまたは配線の寄生インダクタンスLと，静電容量により次式で表される。

劣化状態1段階目の静電容量を初期状態から5%低減した状態，劣化状態2段階目の静電容量を初期状態から10%低減した状態を規定値とする場合，共振周波数変化の規定値1は初期状態の1.026倍，規定値2は初期状態の1.054倍とする。仮に初期状態の静電容量を2mF，電力変換器(101a・101b)の間の寄生インダクタンスを500nHとした場合，初期状態の共振周波数は約5kHz，劣化状態1での共振周波数は約5.2kHz(f₁)，劣化状態2での共振周波数は約5.3kHz(f₂)となる。

ここで，例えば，劣化状態1段階目(規定値1)の静電容量を初期状態から5%〜15%低減した範囲から規定値として選択し，劣化状態2段階目(規定値2)の静電容量を劣化状態1段階目よりも大きく且つ初期状態から10%〜20%低減した範囲から規定値として選択しても良い。

アラームを出力後(S104b)，電力変換器(101a・101b)を停止させる(S105)。このように劣化状態を複数の段階で出力することで，電力変換器(101a・101b)の運用者または保守担当者に直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の交換時期が近づいていることを認識させることが可能となる。
ここで，電力変換器(101a・101b)の運転を継続している間，一定または任意の時間間隔で共振周波数を算出し，共振周波数の遷移を逐次観測することで直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態を検知することが可能となる。
このように，該劣化状態は直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化診断部(106)で解析され，直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化情報として出力される(110)。該劣化情報は，電力変換器(101a・101b)に備え付けられたモニタ(112a)もしくは保守時に電力変換器に接続するパーソナルコンピュータ等の保守機器へ表示することで保守作業者へ通知する。または，ネットワーク(111)で接続された遠隔地の監視センタ(112b)へ通知することで電力変換器(101a・101b)の運転状態を継続したまま直流平滑用コンデンサ(103a・103b)の劣化状態を観測することが可能となる。

実施例１では，直流平滑用コンデンサの劣化診断を共振周波数の演算により行っているが，直流平滑用コンデンサの劣化診断のために共振周波数に相当する他の要因に基づいて行っても良い。

図4aに，3相の3レベル変換器の例を，図5に本実施例における直流電圧部電流を周波数分析した概略図をそれぞれ示す。半導体スイッチング素子および直流平滑用コンデンサ(303a・303c・303b・303d)で構成される2台の電力変換器(301a・301b)が直流電圧部(300a・300b・300c)に接続されている。本実施例では，直流電圧部正極側(300a)の共振電流(313a)と直流電圧部負極側(300b)の共振電流(313b)の両方が流れるコモン(300c)に直流電圧部の電流センサ(302)を設け，直流電圧部の電流(309)を直流平滑用コンデンサの劣化診断部(106)へ与える。本実施例では共振経路が2箇所あるため，2つの共振周波数に該当する周波数ピーク(402a・402b)が現れる。なお一般的に電力変換器は対象性を持たせて構成されるため，正極側の共振周波数と負極側の共振周波数は概ね一致することが多いが，図5では異なる共振周波数で表現した。

実施例1と同様，各変換器(301a・301b)の運転状態を継続したまま直流平滑用コンデンサ(303a・303c・303b・303d)の劣化状態を観測することが可能となる。

図4bに，3相の3レベル変換器の別の実施例を，図5に本実施例における直流電圧部電流を周波数分析した概略図をそれぞれ示す。本実施例では，直流電圧部正極側(300a)の共振電流(313a)と直流電圧部負極側(300b)の共振電流(313b)をそれぞれ観測する電流センサ(302a・302b)を設ける。本実施例では共振経路が2箇所あるため，2つの共振周波数に該当する周波数ピーク(402a・402b)が現れる。なお一般的に電力変換器は対象性を持たせて構成されるため，正極側の共振周波数と負極側の共振周波数は概ね一致することが多いが，図5では異なる共振周波数で表現した。

実施例1と同様，各変換器の運転状態を継続したまま直流平滑用コンデンサの劣化状態を観測することが可能となる。

図6に，3相2レベル変換器の別の実施例を示す。本実施例では，直流平滑用コンデンサの電圧センサ(502a・502b)の信号(509)を用い，各電圧センサの電位差から直流電圧部の電流を推定する。直流電圧部の電流を算出した後は実施例1と同様にして，直流電圧部に流れる共振電流を観測し，直流平滑用コンデンサの劣化状態を検知する。

図7に，3相3レベル変換器の別の実施例を示す。実施例3と同様に直流平滑用コンデンサ(303a・303c・303b・303d)の電圧センサ(602a・602c・602b・602d)の信号(609)から直流電圧部の電流を推定する。直流電圧部正極側(300a)の電流は電圧センサ(602a)および電圧センサ(602b)の電位差によって，直流電圧部負極側(300b)の電流は電圧センサ(602c)および電圧センサ(602d)の電位差によって推定する。直流電圧部(300a・300b・300c)の電流を算出した後は実施例2と同様にして，直流電圧部に流れる共振電流の周波数ピーク(402a・402b)を観測し，直流平滑用コンデンサの劣化状態を検知する。

図8に，3相3レベル変換器の別の実施例を示す。実施例4および実施例5と同様に直流平滑用コンデンサ(303a・303c・303b・303d)の電圧センサ(702a・702b)の信号(709)から直流電圧部の電流を推定する。本実施例では直流電圧部(300a・300b・300c)の正極−負極間を一括した電圧センサを用いており，直流電圧部正極側(300a)および負極側(300b)を合わせた電流を推定する。直流電圧部(300a・300b・300c)の電流を算出した後は実施例2と同様にして，直流電圧部(300a・300b・300c)に流れる共振電流周波数ピーク(402a・402b)を観測し，直流平滑用コンデンサの劣化状態を検知する。

100a・300a…直流電圧部(正極)，100b・300b…直流電圧部(負極)，101a・101b・301a・301b…電力変換器，102・302・302a・302b…電流センサ，103a・103b・303a・303b・303c・303d…直流平滑用コンデンサ，104a・104b…交流出力部，105…電力変換器制御部(コントローラ)，106…直流平滑用コンデンサの劣化診断部，107a・107b…電力変換器制御信号，108…電力変換器運転情報，109・309…直流電圧部電流情報，110…直流平滑用コンデンサの劣化情報，111…ネットワーク回線，112a…電力変換器に備え付けられたモニタまたは保守時に電力変換器に接続するパーソナルコンピュータ等の保守機器，112b…遠隔地の監視センタ，113…共振電流経路，200a・200b…電力変換器の運転状態に起因する周波数，201a・201b…電力変換器のキャリア周波数に起因する周波数，202・402a・402b…電力変換器間の共振周波数，300c…直流電圧部(コモン)，502a・502b・602a・602b・602c・602d・702a・702b…電圧センサ，509・609・709…直流電圧部情報，S101…変換器が運転している状態，S102…直流電圧部の共振周波数演算，S103a…共振周波数の規定値1との比較，S103b…共振周波数の規定値2との比較，S104a…直流平滑用コンデンサの劣化アラーム1出力，S104b…直流平滑用コンデンサの劣化アラーム2出力，S105…変換器が停止している状態

Claims

交流から直流へまたは直流から交流へ電力を変換する複数の電力変換器を有し，前記複数の電力変換器は共通の直流電圧部に接続されており，前記複数の電力変換器は各々平滑コンデンサを有しており，前記複数の電力変換器のいずれかの平滑コンデンサから他の電力変換器の平滑コンデンサに流れる電流を解析することで前記平滑コンデンサの劣化状態を検知する機能を有しており，前記直流電圧部の電流を周波数解析する演算部を有し，前記平滑コンデンサの劣化状態を前記演算部が行う演算に基づいて検知することを特徴とする電力変換装置。
請求項1において，前記解析される電流は，各電力変換器間を接続する直流電圧部の電流を電流センサで検出することを特徴とする電力変換装置。
請求項1において，各電力変換器に搭載される平滑コンデンサの電圧を測定する電圧センサを有し，前記解析される電流は，前記電圧センサの検出に基づいて推定されることを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて，前記検知した電力変換器に搭載される平滑コンデンサの劣化状態を，電力変換器盤に搭載されたモニタに表示することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて，前記検知した電力変換器に搭載される平滑コンデンサの劣化状態を，電力変換器の制御盤に保守機器を接続することで観測することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜３のいずれかにおいて，前記検知した電力変換器に搭載される平滑コンデンサの劣化状態を，遠隔地で観測するためのネットワーク回線を介して送信することを特徴とする電力変換装置。
請求項１〜６のいずれかにおいて，前記電力変換器に搭載される平滑コンデンサの劣化状態を，電力変換器が運転している状態で検知することを特徴とする電力変換装置。
請求項１において，第１段目の劣化状態になった場合にアラームを出力し，前記第１段目よりも進んだ劣化状態である第２段目の劣化状態になった場合に前記第１段目よりも警告度の高いアラームを出力することを特徴とする電力変換装置。
請求項８において，前記第１段目の劣化状態及び前記第２段目の劣化状態は，前記電流に含まれる周波数成分に基づいて検知されることを特徴とする電力変換装置。
交流から直流へまたは直流から交流へ電力を変換する複数の電力変換器を有し，前記複数の電力変換器は共通の直流電圧部に接続され，前記複数の電力変換器は各々平滑用コンデンサを有する電力変換装置を診断する診断方法において，前記複数の電力変換器のいずれかの平滑コンデンサから他の電力変換器の平滑コンデンサに流れる電流を検出し，前記検出した電流を解析し，前記直流電圧部の電流を周波数解析する演算をし，前記平滑コンデンサの劣化状態を前記演算に基づいて検知する電力変換装置の診断方法。