特許 7294424 多重電力変換システム

(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】

(24)【登録日】2023-06-12

(45)【発行日】2023-06-20

(54)【発明の名称】多重電力変換システム

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/493 20070101AFI20230613BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20230613BHJP

【ＦＩ】

H02M7/493

H02M7/48 M

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021534459

(86)(22)【出願日】2019-07-23

(86)【国際出願番号】 JP2019028871

(87)【国際公開番号】W WO2021014574

(87)【国際公開日】2021-01-28

【審査請求日】2021-11-30

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】深澤 一誠

(72)【発明者】

【氏名】木下 雅博

【審査官】東 昌秋

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１０／０９５２４１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００４－１５９２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／００６４００（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平１－１２２３７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平４－３２２１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平６－３１９２６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００５－１８５００３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－２３６５３０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

三相または単相で構成され、直流側が共通に接続されるとともに交流側が共通に接続されることで互いに並列に接続され、互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続され、前記直流正側と前記直流負側との間に２個の直流コンデンサの直列回路が設けられ、前記２個の直流コンデンサの接続点である直流中性点が互いに接続された複数の単位電力変換器と、
前記複数の単位電力変換器の前記直流中性点にそれぞれ流れる電流を各単位電力変換器の前記直流中性点の間で検出し、前記複数の単位電力変換器にそれぞれ設けられた複数の電流センサと、
を備えた多重電力変換システム。

【請求項2】

前記複数の電流センサの検出結果に基づいて前記複数の単位電力変換器の保護動作を行う制御装置、
を備えた請求項１に記載の多重電力変換システム。

【請求項3】

前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出結果に基づいて前記複数の単位電力変換器の少なくとも１台の電力変換器が有する少なくとも１相分のスイッチング素子をオフにする請求項２に記載の多重電力変換システム。

【請求項4】

前記複数の単位電力変換器の各々において、直流正側と直流負側と直流中性点とのうちの少なくとも２つに設けられた複数のスイッチ、
を備え、
前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出値に基づいて、故障した単位電力変換器において前記複数のスイッチを切り離す請求項２または請求項３に記載の多重電力変換システム。

【請求項5】

前記複数の単位電力変換器の各々に対して同一のゲート信号または同一の電圧指令値から生成されたゲート信号を送信する制御装置、
を備えた請求項１に記載の多重電力変換システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

この発明は、多重電力変換システムに関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、複数台の３レベル電力変換器を備える多重電力変換システムを開示する。当該多重電力変換システムによれば、直流平滑コンデンサの温度上昇の予防および直流母線の電位の安定性を図り得る。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【文献】日本特開平１１－０４６４８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１に記載の多重電力変換システムにおいては、複数の電力変換器の間で循環電流が流れることがある。循環電流を検出する方法として、複数の電力変換器の交流側の各相に電流センサを設けることが考えられる。この場合、電流センサの数が多くなる。

【0005】

この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、少ない電流センサで循環電流を検出することができる多重電力変換システムを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

これらの発明に係る多重電力変換システムは、三相または単相で構成され、直流側が共通に接続されるとともに交流側が共通に接続されることで互いに並列に接続され、互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続され、前記直流正側と前記直流負側との間に２個の直流コンデンサの直列回路が設けられ、前記２個の直流コンデンサの接続点である直流中性点が互いに接続された複数の単位電力変換器と、前記複数の単位電力変換器の前記直流中性点にそれぞれ流れる電流を各単位電力変換器の前記直流中性点の間で検出し、前記複数の単位電力変換器にそれぞれ設けられた複数の電流センサと、を備えた。

【発明の効果】

【0008】

これらの発明によれば、循環電流は、直流側に設けられた電流センサの検出結果に基づいて検出される。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施の形態１における多重電力変換システムの構成図である。

【図2】実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。

【図3】実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。

【図4】実施の形態１における多重電力変換システムの循環電流の抑制方法を説明するためのブロック図である。

【図5】実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器１の保護方法を説明するためのブロック図である。

【図6】実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。

【図7】実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の短絡故障のモードを示す図である。

【図8】実施の形態１における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【図9】実施の形態１における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【図10】実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。

【図11】実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。

【図12】実施の形態２における多重電力変換システムの構成図である。

【図13】実施の形態２における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。

【図14】実施の形態２における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【図15】実施の形態２における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【図16】実施の形態３における多重電力変換システムの構成図である。

【図17】実施の形態３における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【図18】実施の形態４における多重電力変換システムの構成図である。

【図19】実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。

【図20】実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。

【図21】実施の形態５における多重電力変換システムの構成図である。

【図22】実施の形態６における多重電力変換システムの構成図である。

【図23】実施の形態７における多重電力変換システムの構成図である。

【図24】実施の形態８における多重電力変換システムの構成図である。

【図25】実施の形態９における多重電力変換システムの構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。

【0011】

実施の形態１．
図１は実施の形態１における多重電力変換システムの構成図である。

【0012】

図１に示されるように、多重電力変換システムは、複数の単位電力変換器１を備える。例えば、複数の単位電力変換器１の各々において、直流側は、図示されない直流電源に接続される。例えば、複数の単位電力変換器１の各々において、交流側は、交流負荷に接続される。

【0013】

複数の単位電力変換器１の各々は、スイッチング素子群２と正側直流コンデンサ３と負側直流コンデンサ４と複数のリアクトル５とを備える。

【0014】

スイッチング素子群２は、図示されない複数のスイッチング素子を備える。

【0015】

正側直流コンデンサ３は、単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流中性点Ｍとの間に接続される。負側直流コンデンサ４は、単位電力変換器１の直流負側Ｎと直流中性点Ｍとの間に接続される。

【0016】

図１においては、複数のリアクトル５のうちの一つだけが図示される。複数のリアクトル５の各々は、交流側の各相に直列に接続される。

【0017】

複数の単位電力変換器１において、互いの直流正側Ｐは、互いに接続される。互いの直流負側Ｎは、互いに接続される。互いの直流中性点Ｍは、互いに接続されない。

【0018】

例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0019】

例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに設けられることもある。この場合、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0020】

例えば、制御装置７は、複数の単位電力変換器１の各々に対して同一のゲート信号を送信する。例えば、制御装置７は、複数の単位電力変換器１の各々に対して同一電圧指令値と異なるキャリア波とから生成されたゲート信号を送信する。

【0021】

制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１の各々に流れる電流の不均一量を演算する。

【0022】

例えば、制御装置７は、多重電力変換システムを構成するｎ台の単位電力変換器１の各々において、電流の不均一量を検出する。具体的には、例えば、制御装置７は、ｎ台のうち第ｉの単位電力変換器１に流れる電流をｉ_ｉとして、次の（１）式を用いて各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量を演算する。

【0023】

【数1】

【0024】

制御装置７は、電流の不均一量の演算結果に基づいて複数の単位電力変換器１のスイッチング素子群２の動作を制御する。

【0025】

次に、図２を用いて、単位電力変換器１の第１例を説明する。
図２は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。

【0026】

図２は、自励式半導体素子とダイオードを用いた三相３レベルの単位電力変換器１の一構成例である。当該単位電力変換器１においては、直流端子間に正側直流コンデンサ３と負側直流コンデンサ４とが直列接続され、その中間点には、直流中性点が存在する。単位電力変換器１の内部の自励式半導体素子の各々のゲートにオン、オフ信号を与えることで、それらの信号に応じて直流正側Ｐ、直流中性点Ｍ、直流負側Ｎのいずれかの電位が各相の交流端子に出力される。

【0027】

次に、図３を用いて、単位電力変換器１の第２例を説明する。
図３は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。

【0028】

図３は、自励式半導体素子とダイオードを用いた三相３レベルの単位電力変換器１の一構成例である。当該単位電力変換器１においても、図２の単位電力変換器１と同様に、単位電力変換器１の内部の自励式半導体素子の各々のゲートにオン、オフ信号を与えることで、それらの信号に応じて直流正側Ｐ、直流中性点Ｍ、直流負側Ｎのいずれかの電位が各相交流端子に出力される。

【0029】

ここでは、三相３レベルの単位電力変換器１の２つの構成が示されたが、単位電力変換器１の構成はこれら２つの構成に限定されない。また、ここでは例として三相の単位電力変換器１の例が示されたが、相数は三相に限定されず、何相でもよい。また、ここでは例として３レベルの単位電力変換器１の例が示されたが、レベル数は３に限定されず、３レベル以上の何レベルの単位電力変換器１でもよい。

【0030】

次に、図４を用いて、循環電流の抑制方法を説明する。
図４は実施の形態１における多重電力変換システムの循環電流の抑制方法を説明するためのブロック図である。

【0031】

図４において、Ｇ（ｓ）は、ローパスフィルタおよびフィードバックゲインである。単位電力変換器１の交流側には、零相の循環電流（不均一量Δｉ_ｉ０）を抑制する方向に零相電圧（不均一量Δｖ_ｉ０）が出力される。

【0032】

制御装置７は、複数の単位電力変換器１について零相電圧の不均一量の目標値Δｖ_ｉ０ ^＊を演算する。制御装置７は、電流の不均一量Δｉ_ｉＰｊを検出して電圧ｖ_ｉ０を操作することで電流の不均一量Δｉ_ｉ０を制御する。

【0033】

次に、図５を用いて、単位電力変換器１の保護方法を説明する。
図５は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器１の保護方法を説明するためのブロック図である。

【0034】

図５において、制御装置７は、各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量Δｉ_ｉＰｊを演算し、当該演算値が予め設定された閾値よりも大きいか否かを判定する。各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量Δｉ_ｉＰｊが予め設定された閾値よりも大きかった場合、制御装置７は、保護動作を行う。具体的には、制御装置７は、複数のスイッチング素子群２をオフにするゲートブロック信号GBを送信する。

【0035】

次に、図６と図７とを用いて、短絡故障の検出原理を説明する。
図６は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。図７は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の短絡故障のモードを示す図である。

【0036】

図６と図７とに示されるように物理量が定義される場合、制御装置７は、直流側電流センサ６の検出値に基づいて短絡故障を検出する。図７は、短絡故障が発生した際の電流が流れる経路を示しており、短絡故障の箇所によってモードAからモードDの場合がある。

【0037】

図８と図９とは実施の形態１における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【0038】

添え字ｉが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器における物理量で、添え字ｊが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器以外における物理量である。短絡故障が発生した電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＮ１である。短絡故障が発生した電力変換器以外の電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＮ１である。

【0039】

モードＡの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（１）式または新（２）式のようになる。ここで、新（１）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（２）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。

【0040】

モードＢの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（３）式または新（４）式のようになる。ここで、新（３）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（４）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。

【0041】

モードＣの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（５）式または新（６）式のようになる。ここで、新（５）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（６）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。

【0042】

モードＤの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（７）式または新（８）式のようになる。ここで、新（７）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（８）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。

【0043】

したがって、新（１）式から（８）式の不均一量よりも大きさが小さい値を、不均一量と比較する閾値として設定することで、単位電力変換器の短絡故障を検出できる。

【0044】

なお、単位電力変換器の台数ｎが３以上の場合、短絡故障が発生した単位電力変換器（添え字ｉ）の値の方が、それ以外の単位電力変換器（添え字ｊ）の値よりも、大きさが大きくなるので、制御装置で検出した各単位電力変換器の不均一量を比較し、最も大きさが大きいものを、故障が発生した単位電力変換器であると特定することが出来る。（１－１／ｎ）＞１／ｎとなるためである。

【0045】

次に、図１０を用いて、制御装置７の動作の概要を説明する。
図１０は実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。

【0046】

ステップＳ１では、制御装置７は、各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量を演算し、当該演算値が予め設定された閾値よりも大きいか否かを判定する。

【0047】

ステップＳ１で各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量が予め設定された閾値よりも大きくなかった場合、制御装置７は、ステップＳ２の動作を行う。ステップＳ２では、制御装置７は、電圧指令値に基づいて、複数のスイッチング素子群２に対するゲート信号を送信する。その後、制御装置７は、ステップＳ１の動作を行う。

【0048】

ステップＳ１で各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量が予め設定された閾値よりも大きかった場合、制御装置７は、ステップＳ３の動作を行う。ステップＳ３では、制御装置７は、複数のスイッチング素子群２をオフにするゲート信号を送信する。その後、制御装置７は、動作を終了する。

【0049】

以上で説明した実施の形態１によれば、循環電流は、直流側電流センサ６の検出結果に基づいて検出される。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0050】

なお、単位電力変換器１の数よりも１つ少ない直流側電流センサ６の検出結果に基づいて循環電流を検出してもよい。この場合、より少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0051】

また、複数の単位電力変換器１は、直流側電流センサ６の検出結果に基づいて制御される。このため、少ない電流センサで循環電流を抑制することができる。

【0052】

また、制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１のゲート信号を送信し、循環電流の零相成分を抑制できる。重畳考慮した部品（主に交流リアクトル）定格の定格電流の余裕を小さめに取ることができ、余分なコストを抑えることができる。

【0053】

また、制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１の少なくとも一つのスイッチング素子をオフにする。このため、正側直流コンデンサ３または負側直流コンデンサ４の短絡故障、容量の異常減少、漏れ電流の異常増加の検出時において、正側直流コンデンサ３または負側直流コンデンサ４の過熱、破裂、液漏れを防ぐことができる。

【0054】

スイッチング素子の短絡故障が発生した場合の故障検出原理を説明したが、スイッチング素子の短絡故障に限らず、正側直流コンデンサまたは負側直流コンデンサの短絡故障、容量減少、漏れ電流増加、さらに交流リアクトルの層間短絡故障などによるインダクタンスの異常低下などの異常発生も検出できる。なぜならば、これら異常が発生した場合にも、直流側電流センサ６の検出値の不均一量がある程度の大きさを持つようになるので、その大きさよりも検出閾値を低く設定しておけば、異常と判定できるためである。

【0055】

なお、ある箇所の電流の検出値がしきい値を超えた場合に、スイッチング素子の短絡故障、直流コンデンサの短絡故障、スイッチング素子の開放故障（オン不良）、直流コンデンサの容量の異常低下、交流リアクトルの層間短絡などによるインダクタンスの異常低下のいずれかの異常が発生していると判定してもよい。例えば、日本特開２０１７－２２８１６号公報に記載された方法と同様の方法により異常判定を行ってもよい。

【0056】

また、複数の単位電力変換器１の各々において、直流正側と直流負側とのうちの少なくとも一方にスイッチを設けてもよい。この際、複数の電流センサの検出値に基づいて、故障した単位電力変換器１においてスイッチを切り離し、健全な単位電力変換器１のみで、運転をしてもよい。

【0057】

次に、図１１を用いて、制御装置７の例を説明する。
図１１は実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。

【0058】

制御装置７の各機能は、処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ８ａと少なくとも１つのメモリ８ｂとを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア９を備える。

【0059】

処理回路が少なくとも１つのプロセッサ８ａと少なくとも１つのメモリ８ｂとを備える場合、制御装置７の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ８ｂに格納される。少なくとも１つのプロセッサ８ａは、少なくとも１つのメモリ８ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置７の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ８ａは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ８ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。

【0060】

処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア９を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現される。例えば、制御装置７の各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、制御装置７の各機能は、まとめて処理回路で実現される。

【0061】

制御装置７の各機能について、一部を専用のハードウェア９で実現し、他部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、ゲート信号を送信する機能については専用のハードウェア９としての処理回路で実現し、ゲート信号を送信する機能以外の機能については少なくとも１つのプロセッサ８ａが少なくとも１つのメモリ８ｂに格納されたプログラムを読み出して実行することにより実現してもよい。

【0062】

このように、処理回路は、ハードウェア９、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせで制御装置７の各機能を実現する。

【0063】

実施の形態２．
図１２は実施の形態２における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態１の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0064】

実施の形態１の複数の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、互いに接続されない。これに対し、実施の形態２の複数の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、互いに接続される。

【0065】

例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0066】

例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１のうちのひとつを除いた単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに設けられることもある。この場合、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１のうちのひとつを除いた単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0067】

直流側統合電流センサ１０は、直流正側Ｐに設けられる。直流側統合電流センサ１０は、直流正側Ｐに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0068】

制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１の各々に流れる電流の不均一量を演算する。

【0069】

制御装置７は、電流の不均一量の演算結果に基づいて複数の単位電力変換器１のスイッチング素子群２の動作を制御する。

【0070】

次に、図１３を用いて、短絡故障の検出原理を説明する。
図１３は実施の形態２における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。

【0071】

図１３に示されるように物理量が定義される場合、制御装置７は、直流側電流センサ６と直流側統合電流センサ１０との検出値に基づいて短絡故障を検出する。

【0072】

図１４と図１５とは実施の形態２における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【0073】

添え字ｉが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器における物理量で、添え字ｊが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器以外における物理量である。短絡故障が発生した電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＰ１、直流Ｍ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＭ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＮ１である。短絡故障が発生した電力変換器以外の電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＰ１、直流Ｍ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＭ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＮ１である。

【0074】

図１４と図１５とに示したΔｉ_ｉＰ１またはΔｉ_ｉＮ１またはΔｉ_ｉＭ１よりも大きさが小さい値を、不均一量と比較する閾値として設定することで、単位電力変換器の短絡故障を検出できる。

【0075】

なお、単位電力変換器の台数nが3以上の場合、短絡故障が発生した単位電力変換器（添え字ｉ）の値の方が、それ以外の単位電力変換器（添え字ｊ）の値よりも、大きさが大きくなるので、制御装置で検出した各単位電力変換器の不均一量を比較し、最も大きさが大きいものを、故障が発生した単位電力変換器であると特定することが出来る。（１－１／ｎ）＞１／ｎとなるためである。

【0076】

以上で説明した実施の形態２によれば、循環電流は、直流側電流センサ６と直流側統合電流センサ１０との検出結果に基づいて検出される。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0077】

また、複数の単位電力変換器１は、直流側電流センサ６と直流側統合電流センサ１０との検出結果に基づいて制御される。このため、少ない電流センサで循環電流を抑制することができる。

【0078】

また、直流側電流センサ６は、直流中性点Ｍに流れる電流を検出する。当該電流は、直流正側Ｐと直流負側Ｎとに流れる電流と比較して小さい。このため、直流側電流センサ６の定格を小さくすることができる。この場合、導体を細くしてもよい。このため、直流側電流センサ６を設けることが容易となる。その結果、直流側電流センサ６の実装の自由度を高くすることができる。

【0079】

複数の直流側電流センサ６を直流中性点Mの部分に設けた場合について述べたが、図１４と図１５とから分かるように、直流中性点Ｍの部分ではなく、複数の直流電流センサ６を直流Ｐ側と、複数の直流電流センサ６´を直流Ｎ側にそれぞれ設けることでも、Ｐ側とＮ側のそれぞれで不均一量Δｉ_ｉＰ１、Δｉ_ｉＮ１を演算し、しきい値と比較することで、短絡故障を検出できる。

【0080】

実施の形態３．
図１６は実施の形態３における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0081】

実施の形態３において、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１にそれぞれ設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流負側Ｎとにそれぞれ流れる電流の差分を一括で検出し得るように設けられる。

【0082】

図１７は実施の形態３における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。

【0083】

添え字ｉが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器における物理量で、添え字ｊが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器以外における物理量である。短絡故障が発生した電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉ_ｉＮ１である。短絡故障が発生した電力変換器以外の電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉ_ｊＮ１である。

【0084】

図１７に示したΔｉ_ｉＰ１またはΔｉ_ｉＮ１よりも大きさが小さい値を、不均一量と比較する閾値として設定することで、単位電力変換器の短絡故障を検出できる。

【0085】

なお、単位電力変換器の台数ｎが３以上の場合、短絡故障が発生した単位電力変換器（添え字ｉ）の値の方が、それ以外の単位電力変換器（添え字ｊ）の値よりも、大きさが大きくなるので、制御装置で検出した各単位電力変換器の不均一量を比較し、最も大きさが大きいものを、故障が発生した単位電力変換器であると特定することが出来る。（１－１／ｎ）＞１／ｎとなるためである。

【0086】

以上で説明した実施の形態３によれば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流負側Ｎとにそれぞれ流れる電流の差分を一括で検出する。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0087】

また、制御装置は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて、モードＡからモードＤの全ての短絡故障を検出することができる。

【0088】

実施の形態４．
図１８は実施の形態４における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0089】

実施の形態４の単位電力変換器１は、２レベルの電力変換器である。

【0090】

次に、図１９を用いて、単位電力変換器１の第１例を説明する。
図１９は実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。

【0091】

図１９は、直流電力を交流電力に変換する２レベルの単位電力変換器１の一構成例である。

【0092】

次に、図２０を用いて、単位電力変換器１の第２例を説明する。
図２０は実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。

【0093】

図２０は、直流電力を直流電力に変換する２レベルの単位電力変換器１の一構成例である。

【0094】

以上で説明した実施の形態４によれば、直流側電流センサ６は、２レベルの単位電力変換器１に設けられる。この場合でも、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0095】

実施の形態５．
図２１は実施の形態５における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0096】

実施の形態５においては、複数のリアクトル１１は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流負側Ｎとにそれぞれ設けられる。

【0097】

以上で説明した実施の形態５によれば、複数のリアクトル１１は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐに設けられる。この場合も、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0098】

なお、直流中性点Ｍにリアクトル１１を設けてもよい。この場合も、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。

【0099】

実施の形態６．
図２２は実施の形態６における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0100】

実施の形態６において、複数の単位電力変換器１の各々の出力側は、単相の多重巻線トランスに接続される。複数の単位電力変換器１の各々は、１相分の単位電力変換器１である。

【0101】

交流側電流センサ１２は、複数の単位電力変換器１のうちのいずれか１つの出力の側に設けられる。

【0102】

以上で説明した実施の形態６によれば、入力側の不均一量Δｉ_ＵｉＭ１と不均一量Δｉ_ＶｉＭ１との抑制の結果、出力側の不均一量Δｉ_Ｕｉと不均一量Δｉ_Ｖｉとも抑制される。このため、交流側電流センサ１２を１つにすることができる。

【0103】

実施の形態７．
図２３は実施の形態７における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態６の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0104】

実施の形態７において、複数の単位電力変換器１の各々の出力側は、三相の多重巻線トランスに接続される。

【0105】

複数の交流側電流センサ１２は、複数の単位電力変換器１のうちの２つの相にそれぞれ対応した単位電力変換器１の出力の側に設けられる。

【0106】

以上で説明した実施の形態７によれば、複数の交流側電流センサ１２は、複数の単位電力変換器１のうちの２つの相にそれぞれ対応した単位電力変換器１の出力の側に設けられる。この場合も、循環電流を抑制することができ、電流センサの個数を少なくすることが出来る。

【0107】

普通、図２３のような主回路構成の場合、交流側の電流センサは、Ｕ１－Ｕ２－Ｕ３間の循環電流、Ｖ１－Ｖ２－Ｖ３間の循環電流、Ｗ１－Ｗ２－Ｗ３間の循環電流を検出して抑制するため、または故障検出のために、例えばＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に電流センサを設ける。W相はキルヒホッフの電流則で演算できるので不要である。これが、本実施形態のように、単位電力変換器の中性点間のそれぞれに電流センサ６を設置すると、これらセンサによって循環電流を抑制、または実施の形態２のように故障検出することで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３すべての電流値を用いる必要がなくなるので、交流側のセンサを例えばＵ１、Ｖ１の２ヶ所に省略できる。Ｕ１、Ｖ１の電流センサを残す理由は、交流側の電流の合計値を認識するためである。循環電流が流れていない、すなわち各相に設けられた電流センサ６に不均一量が存在しない条件においては、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の電流値は等しく、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電流値は等しく、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の電流値は等しくなる。このことと、キルヒホッフの電流則を用いることで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３すべての電流値を推定することができる。それにより、交流側の電流の合計値を推定することができる。

【0108】

実施の形態８．
図２４は実施の形態８における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態６の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0109】

実施の形態８において、複数のリアクトル１３は、複数の単位電力変換器１の出力の側にそれぞれ設けられる。

【0110】

以上で説明した実施の形態８によれば、複数のリアクトル１３は、複数の単位電力変換器１の出力の側にそれぞれ設けられる。この場合も、循環電流を抑制することができ、電流センサの個数を少なくすることが出来る。

【0111】

普通、図２４のような主回路構成の場合、交流側の電流センサは、Ｕ１－Ｕ２－Ｕ３間の循環電流を検出して抑制するため、または故障検出のために、例えばＵ１、Ｕ２、Ｕ３に電流センサを設ける。Ｖ相はキルヒホッフの電流則で演算できるので不要である。これが、本実施形態のように、単位電力変換器の中性点間のそれぞれに電流センサ６を設置すると、これらセンサによって循環電流を抑制、または実施の形態２のように故障検出することで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３すべての電流値を用いる必要がなくなるので、交流側のセンサを例えばＵ１の１ヶ所に省略できるという効果がある。Ｕ１の電流センサを残す理由は、交流側の電流の合計値を認識するためである。循環電流が流れていない、すなわち各相に設けられた電流センサ６に不均一量が存在しない条件においては、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の電流値は等しく、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電流値は等しくなる。このことと、キルヒホッフの電流則を用いることで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３すべての電流値を推定することができる。それにより、交流側の電流の合計値を推定することができる。

【0112】

実施の形態９．
図２５は実施の形態９における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態６の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。

【0113】

実施の形態９において、複数の単位電力変換器１は、互いに異なる相に対応した組に分けられる。各組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続される。異なる組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続されない。

【0114】

この場合、例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0115】

例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに設けられることもある。この場合、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。

【0116】

以上で説明した実施の形態９によれば、各組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続される。異なる組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続されない。

【0117】

普通、図２５のような主回路構成の場合、交流側の電流センサは、Ｕ１－Ｕ２－Ｕ３間の循環電流、Ｖ１－Ｖ２－Ｖ３間の循環電流を検出して抑制するため、または故障検出のために、例えばＵ１、Ｕ２、Ｕ３に電流センサを設ける。Ｖ相はキルヒホッフの電流則で演算できるので不要である。これが、本実施形態のように、単位電力変換器の直流側に電流センサ６を設置すると、これらセンサによって循環電流を抑制、または実施の形態２のように故障検出することで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３すべての電流値を用いる必要がなくなるので、交流側のセンサを例えばＵ１の１ヶ所に省略できる。Ｕ１の電流センサを残す理由は、交流側の電流の合計値を認識するためである。循環電流が流れていない、すなわち各相に設けられた電流センサ６に不均一量が存在しない条件においては、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の電流値は等しく、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電流値は等しくなる。このことと、キルヒホッフの電流則を用いることで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３すべての電流値を推定することができる。それにより、交流側の電流の合計値を推定することができる。

【0118】

交流側のＵ１、Ｕ２、Ｕ３に電流センサを設けるよりも、交流側はＵ１のみにして、実施形態のように直流側に電流センサを設けた方が、故障検出が高速に行える。交流側よりも直流側の方が、故障発生時の電流の変化が急峻であるためである。

【0119】

なお、複数の単位電力変換器１の各々において、直流正側Ｐと直流負側Ｎと直流中性点Ｍとのうちの少なくとも２つに設けられた複数のスイッチを設けてもよい。この場合、複数の直流側電流センサ６の検出値に基づいて、故障した単位電力変換器１において複数のスイッチを切り離せばよい。その結果、故障していない単位電力変換器１を残して多重電力変換システムの運転を維持することができる。このことは、実施の形態１から実施の形態９すべてに対して有効である。

【産業上の利用可能性】

【0120】

以上のように、この発明に係る多重電力変換システムは、少ない電流センサで循環電流を検出するシステムに利用できる。

【符号の説明】

【0121】

１ 単位電力変換器、 ２ スイッチング素子群、 ３ 正側直流コンデンサ、 ４ 負側直流コンデンサ、 ５ リアクトル、 ６ 直流側電流センサ、 ７ 制御装置、 ８ａ プロセッサ、 ８ｂ メモリ、 ９ ハードウェア、 １０ 直流側統合電流センサ、 １１ リアクトル、 １２ 交流側電流センサ、 １３ リアクトル

【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17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】