特許 7399066 電力変換装置

(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】2023-12-07

(45)【発行日】2023-12-15

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/72 20060101AFI20231208BHJP

   H02M 7/49 20070101ALI20231208BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20231208BHJP

【ＦＩ】

H02M7/72

H02M7/49

H02M7/48 R

H02M7/48 M

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2020194276

(22)【出願日】2020-11-24

(65)【公開番号】P2022083042

(43)【公開日】2022-06-03

【審査請求日】2023-02-06

(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】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】山川 智之

(72)【発明者】

【氏名】川村 弥

(72)【発明者】

【氏名】柏木 航平

【審査官】井上 弘亘

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０９２３３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６７７９４２４（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１７－１７５７４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１７－１９５６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１４／１４８１００（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／７２

Ｈ０２Ｍ ７／４９

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

直列に接続された単位変換器を含む電力変換部と、
前記電力変換部を制御する制御装置と、
を備え、
前記単位変換器は、
第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に逆並列に接続された第１ダイオードと、
前記第２スイッチング素子に逆並列に接続された第２ダイオードと、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の直列回路に並列に接続されたコンデンサと、
前記第１スイッチング素子を駆動する第１ゲート回路と、
前記第２スイッチング素子を駆動する第２ゲート回路と、
前記コンデンサに蓄積された電力を入力して前記第１ゲート回路および前記第２ゲート回路の動作のための電力を前記第１ゲート回路および前記第２ゲート回路に供給する主回路給電回路と、
を含み、
前記単位変換器は、前記コンデンサの両端電圧があらかじめ設定された過電圧しきい値以上の場合にバイパス状態に設定され、
前記バイパス状態では、
前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、オフに設定され、
前記第２スイッチング素子をオンさせるためのバイパス指令が生成され、
前記バイパス指令は、
前記コンデンサの両端電圧が前記過電圧しきい値よりも低い値を有する第１しきい値に達するまで前記バイパス指令をアクティブに設定され、
前記第１しきい値に達してから、前記コンデンサの両端電圧が前記過電圧しきい値よりも低く、前記第１しきい値よりも高い値を有する第２しきい値に達するまで、非アクティブに設定され、
前記主回路給電回路は、前記第１ゲート回路および前記第２ゲート回路に電力を供給するために必要な最低動作電圧を有し、
前記第１しきい値は、前記最低動作電圧よりも高い値を有する電力変換装置。

【請求項2】

前記コンデンサに蓄積された電力を入力して前記第２ゲート回路のための電力を前記第２ゲート回路に供給する補助給電回路をさらに備え、
前記主回路給電回路が前記第２ゲート回路に電力を供給できない場合には、前記補助給電回路は、前記第２ゲート回路の動作のための電力を供給し、
前記補助給電回路は、前記主回路給電回路の出力容量よりも小さい出力容量を有する請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記単位変換器は、前記バイパス状態において、前記バイパス指令のアクティブおよび非アクティブを切り替える請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記制御装置は、前記バイパス状態において、前記バイパス指令のアクティブおよび非アクティブを切り替える請求項１または２に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統や鉄道等の社会インフラ、工場設備等に設置される電力変換装置では、複数の電力変換器を多重化することによって、扱う電力の大容量化を図る場合がある。電力変換器の多重化とともに、複数の電力変換器を冗長構成とすることによって、電力システムの可用性を向上させることができる。

【0003】

このような多重化された電力変換装置として、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）方式の変換器がある。ＭＭＣ方式の電力変換器では、複数の単位変換器をカスケードに接続して、入出力される電圧の高電圧化に対応することができる。

【0004】

ＭＭＣ方式の電力変換器では、単位変換器に故障が生じた場合には、故障した単位変換器の運転を停止させ、単位変換器をアームから除外するバイパス状態とすることによって、電力変換装置の冗長化を実現し、可用性を向上させている。

【0005】

単位変換器は、スイッチング素子やこれらを駆動するゲート回路、制御装置から制御信号を受信して駆動信号を生成する制御回路等を有しており、これらを動作させるための電源回路を有している場合がある。この電源回路を主回路給電回路という。

【0006】

単位変換器がバイパス状態の場合には、主回路給電回路の動作のための電力が、外部から供給されないことがある。その場合には、ゲート回路等への電力供給が遮断され、バイパス状態が維持できないことがある。

【0007】

このような事態を回避するため、単位変換器のバイパス状態を無電源で維持するために機械式リレーを用いた方法が知られている（たとえば、特許文献１等）。

【0008】

このほか、主回路給電回路を冗長化する方法が知られており（たとえば、特許文献２等）、２台の単位変換器の主回路給電回路によって、相互に電力供給できるように接続する方法も知られている。

【0009】

これらの方法では、単位変換器を構成する部品が増えたり、冗長化のための主回路給電回路の構成が複雑になり配線の引き回しが煩雑になったりする問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【文献】特開２０１７－１１９９２号公報

【文献】特開２０１９－９２３３３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0011】

実施形態は、簡素な構成でバイパス状態を維持できる電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0012】

実施形態に係る電力変換装置は、直列に接続された単位変換器を含む電力変換部と、前記電力変換部を制御する制御装置と、を備える。前記単位変換器は、第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に逆並列に接続された第１ダイオードと、前記第２スイッチング素子に逆並列に接続された第２ダイオードと、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子の直列回路に並列に接続されたコンデンサと、前記第１スイッチング素子を駆動する第１ゲート回路と、前記第２スイッチング素子を駆動する第２ゲート回路と、前記コンデンサに蓄積された電力を入力して前記第１ゲート回路および前記第２ゲート回路の動作のための電力を前記第１ゲート回路および前記第２ゲート回路に供給する主回路給電回路と、を含む。前記単位変換器は、前記コンデンサの両端電圧があらかじめ設定された過電圧しきい値以上の場合にバイパス状態に設定され、前記バイパス状態では、前記第１スイッチング素子および前記第２スイッチング素子は、オフに設定され、前記第２スイッチング素子をオンさせるためのバイパス指令が生成さる。前記バイパス指令は、前記コンデンサの両端電圧が前記過電圧しきい値よりも低い値を有する第１しきい値に達するまで前記バイパス指令をアクティブに設定され、前記第１しきい値に達してから、前記コンデンサの両端電圧が前記過電圧しきい値よりも低く、前記第１しきい値よりも高い値を有する第２しきい値に達するまで、非アクティブに設定される。前記主回路給電回路は、前記第１ゲート回路および前記第２ゲート回路に電力を供給するために必要な最低動作電圧を有する。前記第１しきい値は、前記最低動作電圧よりも高い値を有する。

【発明の効果】

【0013】

本実施形態では、簡素な構成でバイパス状態を維持できる電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。

【図2】図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【図3】実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【図4】実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な動作波形図である。

【図5】図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図ある。

【図6】図６（ａ）および図６（ｂ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。図６（ｃ）は、図６（ｂ）の電力変換装置の動作を説明するための模式的な動作波形図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

【0016】

図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、電力変換部２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換部２０は、端子２１ａ～２１ｃを含む。電力変換部２０は、端子２１ａ～２１ｃを介して、交流回路１に接続される。この例のように、電力変換部２０は、変圧器２を介して、交流回路１に接続されてもよい。交流回路１は、たとえば、交流電源や交流負荷、送電線等を含むことができる。交流回路１は、たとえば、三相交流の電力系統である。

【0017】

電力変換部２０は、端子２１ｄ，２１ｅを含む。電力変換部２０は、端子２１ｄ，２１ｅを介して、直流回路３に接続される。直流回路３は、たとえば直流電源や直流負荷、直流送電線等を含むことができる。直流回路３は、たとえば、直流の電力系統である。

【0018】

実施形態の電力変換装置１０は、交流回路１と直流回路３との間に接続されて、交流－直流間を双方向、あるいはいずれか一方向に電力変換する。

【0019】

電力変換部２０は、複数の単位変換器３０を含む。複数の単位変換器３０は、直列に接続されている。たとえば、単位変換器３０は、ｎ台直列に接続されてアーム２２を構成している。アーム２２は、リアクトル２４を介して直列に接続されている。アーム２２およびリアクトルの直列回路をレグという。この例では、レグは、三相交流の各相に対応するように３つ設けられている。３つのレグは、端子２１ｄ，２１ｅ間に並列に接続されている。

【0020】

制御装置５０は、電力変換部２０に接続されている。制御装置５０および電力変換部２０は、たとえば光ファイバーケーブルによって接続されている。制御装置５０は、光ファイバを介して、電力変換部２０のための駆動信号に関する情報等を送信し、電力変換部２０から制御に要する情報を受信する。

【0021】

図２（ａ）および図２（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図２（ａ）および図２（ｂ）に示すように、単位変換器３０の主回路１３０は、ハーフブリッジ形式（図２（ａ））でもよいし、フルブリッジ形式（図２（ｂ））であってもよい。フルブリッジ形式の主回路２３０の場合には、スイッチング素子３１ｃ，３１ｄの直列回路が追加される。ダイオード３２ｃは、スイッチング素子３１ｃに逆並列に接続され、ダイオード３２ｄは、スイッチング素子３１ｄに逆並列に接続される。スイッチング素子３１ｃ，３１ｄの直列回路は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂの直列回路に並列に接続される。

【0022】

以下では、単位変換器３０は、ハーフブリッジ形式の主回路１３０を有するものとして説明するが、フルブリッジ形式とした場合も同様である。フルブリッジ形式の主回路２３０の場合には、単位変換器３０をバイパス状態とするためには、スイッチング素子３１ｂ，３１ｄをオンし、スイッチング素子３１ａ，３１ｃをオフにすればよい。あるいは、スイッチング素子３１ａ，３１ｃをオンにして、スイッチング素子３１ｂ，３１ｄをオフするようにしてもよい。

【0023】

図３は、実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図３に示すように、単位変換器３０は、主回路１３０と、ゲート回路４１ａ，４１ｂと、主回路給電回路４２と、補助給電回路４３と、を備える。

【0024】

主回路１３０は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂと、ダイオード３２ａ，３２ｂと、コンデンサ３３と、を含む。スイッチング素子３１ａ，３１ｂは、直列に接続されている。ダイオード３２ａ，３２ｂは、スイッチング素子３１ａ，３１ｂにそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ３３は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂの直列回路に並列に接続されている。主回路１３０は、端子３０ａ，３０ｂを有しており、端子３０ａ，３０ｂを介して、他の単位変換器３０に接続される。

【0025】

ゲート回路４１ａ，４１ｂは、スイッチング素子３１ａ，３１ｂのゲート－エミッタ間にそれぞれ接続されている。図示しないが、ゲート回路４１ａ，４１ｂは、制御回路から供給されるゲート信号にもとづいて、スイッチング素子３１ａ，３１ｂを駆動する。

【0026】

主回路給電回路４２の入力は、コンデンサ３３に接続されている。主回路給電回路４２の出力は、ゲート回路４１ａ，４１ｂに接続されている。なお、より詳しくは、ゲート回路４１ａ，４１ｂは、電気的に絶縁されるので、ゲート回路４１ａ，４１ｂに供給される直流電圧もそれぞれ絶縁されて供給される。以下では、簡単のため、ゲート回路４１ａ，４１ｂに直流電圧Ｖｃｃ１が供給される、のように記述するものとする。

【0027】

通常の動作において、コンデンサ３３には、ダイオード３２ａを介して電流が流れ、充電される。コンデンサ３３の両端には、電圧Ｖｄｃ１が印加されている。主回路給電回路４２は、電圧Ｖｄｃ１を入力して、ゲート回路４１ａ，４１ｂや制御回路のための電源に変換して供給する。この例では、ゲート回路４１ａ，４１ｂに直流電圧Ｖｃｃ１を供給する。

【0028】

補助給電回路４３の入力は、コンデンサ３３に接続されている。補助給電回路４３の出力は、ゲート回路４１ｂに接続されている。補助給電回路４３は、主回路給電回路４２の故障等により、その出力が低下した場合に、電圧Ｖｄｃ１をゲート回路４１ｂの動作のための直流電圧Ｖｃｃ２に変換して、ゲート回路４１ｂに供給する。補助給電回路４３は、単位変換器３０が通常の運転をしているときも、バイパス状態とされたときにも、常時動作し、直流電圧Ｖｃｃ２を出力している。直流電圧Ｖｃｃ２の大きさは、直流電圧Ｖｃｃ１の大きさと同じか若干低く設定されている。

【0029】

補助給電回路４３は、スイッチング素子３１ｂのオンの状態を維持するために設けられている。単位変換器３０がバイパス状態のときには、スイッチング素子３１ａはオフ状態が維持されていればよいので、ゲート回路４１ａは動作を停止していてもかまわない。そのため、補助給電回路４３は、ゲート回路４１ａには電力供給を行わない。

【0030】

また、補助給電回路４３がゲート回路４１ｂに電力を供給する場合には、スイッチング素子３１ｂはスイッチング動作をしないので、補助給電回路４３は、スイッチング動作のための駆動電力に相当する電力よりも小さい電力を出力することができればよい。

【0031】

実施形態の電力変換装置１０では、コンデンサ３３の両端の電圧Ｖｄｃ１について、第１しきい値および第２しきい値が設定されている。第１しきい値および第２しきい値は、過電圧検出値よりも低い値に設定されている。第２しきい値は、第１しきい値よりも高い値とされる。第１しきい値は、主回路給電回路４２および補助給電回路４３の最低動作電圧よりも高い電圧とされる。

【0032】

実施形態の電力変換装置１０では、単位変換器３０をバイパス状態とした場合には、単位変換器３０の運転が停止される。バイパス指令は、バイパス状態において生成される。バイパス指令は、電圧Ｖｄｃ１が上昇して過電圧検出値に達したときにアクティブとされる。一旦アクティブとされたバイパス指令は、電圧Ｖｄｃ１が過電圧検出値から低下して、第１しきい値に達するまでアクティブの状態が維持される。バイパス指令は、第１しきい値に達すると非アクティブとされる。バイパス指令は、電圧Ｖｄｃ１が第１しきい値から上昇して第２しきい値に達するまで非アクティブの状態が維持される。バイパス指令は、電圧Ｖｄｃ１が第１しきい値から上昇して、第２しきい値に達すると再度アクティブとされる。実施形態の電力変換装置１０では、バイパス指令が非アクティブの期間に、外部からコンデンサ３３に充電され、電圧Ｖｄｃ１の継続的な低下を回避する。

【0033】

第１しきい値および第２しきい値にもとづくバイパス指令のアクティブおよび非アクティブの切り替えは、単位変換器３０ごとに設けられた制御回路等によって行ってもよいし、単位変換器３０に接続された制御装置５０によって行ってもよい。以下では、単位変換器３０ごとに設けられた制御回路によって、過電圧等の異常判定を行い、バイパス状態を設定し、バイパス指令のアクティブ、非アクティブの切り替えを行うものとして説明する。

【0034】

具体的には、図示しない制御回路は、過電圧を検出したときには、その単位変換器３０をバイパス状態に設定する。バイパス状態では、制御回路は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂのスイッチング動作を停止するようにゲートブロック信号をゲート回路４１ａ，４１ｂに供給する。

【0035】

制御回路は、その後、あるいはそれとともにバイパス指令を生成する。制御回路は、電圧Ｖｄｃ１が第１しきい値よりも高い場合には、バイパス指令をアクティブにして、ゲート回路４１ｂを介してスイッチング素子３１ｂをオンさせる。

【0036】

制御回路は、電圧Ｖｄｃ１が第１しきい値に達したときには、バイパス指令を非アクティブにして、スイッチング素子３１ｂをオフさせる。

【0037】

その後、電圧Ｖｄｃ１が第２しきい値に達したときには、バイパス指令をアクティブにして、スイッチング素子３１ｂをオンさせる。

【0038】

実施形態の電力変換装置１０の動作について動作波形を参照しながらより詳細に説明する。
図４は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的な動作波形図である。
図４の最上段の図は、バイパス指令を表す信号の時間変化を示す波形図である。この例では、バイパス指令がアクティブのときに、バイパス指令はハイ（Ｈ）レベルとされ、バイパス指令が非アクティブのときに、バイパス指令はロー（Ｌ）レベルとされている。
図４の２段目の図は、ゲート回路４１ｂに印加される直流電圧Ｖｃｃの時間変化を示す波形図である。
図４の３段目の図は、スイッチング素子３１ｂのゲート信号の時間変化を表す波形図である。この図では、ゲート信号がハイレベルのときにスイッチング素子３１ｂはオン（ＯＮ）、ゲート信号がローレベルのときにスイッチング素子３１ｂはオフ（ＯＦＦ）である。
図４の最下段の図は、コンデンサ３３の両端の電圧Ｖｄｃ１の時間変化を表す図である。

【0039】

図４に示すように、時刻ｔ０において、単位変換器３０で、たとえば過電圧状態が検出される。単位変換器３０の過電圧とは、たとえばコンデンサ３３の両端の電圧Ｖｄｃ１が過電圧検出値Ｖｏｖを超えた場合である。

【0040】

時刻ｔ１において、単位変換器３０の過電圧保護が動作し、制御回路は、ゲートブロックを生成し、単位変換器３０の運転を停止させて、単位変換器３０をバイパス状態に遷移させる。なお、時刻ｔ０とｔ１の間の期間は、過電圧保護動作の動作遅延時間であり、回路の遅延等により発生する場合があるが、ノイズ等による誤動作の防止等のために意図的に遅延時間が設けられている場合もある。

【0041】

単位変換器３０は、バイパス指令がアクティブとなることによって、スイッチング素子３１ｂがターンオンする。図示しないが、スイッチング素子３１ａは、ゲートブロックによりオフ状態が維持される。

【0042】

時刻ｔ１以降、スイッチング素子３１ｂのオン状態が維持されるので、コンデンサ３３には、外部から電力の供給が遮断される。一方、少なくとも補助給電回路４３は動作しているので、コンデンサ３３の両端の電圧Ｖｄｃ１は、補助給電回路４３の電力消費を含む電力消費により、時間とともに低下する。

【0043】

なお、このときに主回路給電回路４２も動作している場合には、電力消費がさらに大きくなるので、電圧Ｖｄｃ１の時間低下率は、補助給電回路４３単独の動作の場合よりも大きくなる。

【0044】

電圧Ｖｄｃ１が低下を続け、電圧Ｖｄｃ１は、時刻ｔ２において第１しきい値Ｖｔ１に到達する。制御回路は、これによって、バイパス指令を一旦非アクティブにする。

【0045】

時刻ｔ２以降、外部から供給される電流が端子３０ａに流れ込む場合には、コンデンサ３３は、充電される。そのため、電圧Ｖｄｃ１は上昇する。なお、端子３０ａ，３０ｂに接続された外部回路の状態によっては、電流が端子３０ａから流れ出す場合があるが、その場合には、電圧Ｖｄｃ１はほぼ一定値に維持される。

【0046】

時刻ｔ３において、コンデンサ３３の充電によって電圧Ｖｄｃ１は、第２しきい値Ｖｔ２に達する。このときに、制御回路は、再度バイパス指令をアクティブにする。それによって、スイッチング素子３１ｂがオンする。以降、上述の動作を繰り返す。

【0047】

第２しきい値Ｖｔ２は、過電圧検出値Ｖｏｖよりも低い値に設定され、たとえば、定格電圧の設定誤差にもとづいて、設定される。第１しきい値Ｖｔ１は、主回路給電回路４２および補助給電回路４３の最低動作電圧Ｖｕｖ（＜Ｖｏｖ）よりも高い電圧であって、設定精度等を考慮して適切な値に設定されている。

【0048】

実施形態の電力変換装置１０では、バイパス状態において、バイパス指令を主回路給電回路４２および補助給電回路４３に入力される電圧の大きさに応じて、アクティブと非アクティブとを切り替える。これによって、コンデンサ３３の両端の電圧Ｖｄｃ１への外部からの電力供給の期間が確保されるので、機械式の部品を追加したり、複雑な配線を引き回したりすることなく、バイパス状態を維持することができる。

【0049】

図５（ａ）および図５（ｂ）は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図ある。
図５（ａ）および図５（ｂ）では、主回路給電回路４２が正常か故障かによって、電力の供給経路が異なり得ることが示されている。

【0050】

図５（ａ）は、バイパス状態のときに主回路給電回路４２が正常に動作し、ゲート回路４１ａ，４１ｂに電力を供給できる場合の例を示している。図５（ａ）の太実線は、主回路給電回路４２がゲート回路４１ｂに電力を供給していることを表している。図５（ａ）の破線は、主回路給電回路４２から電力供給されている期間には、補助給電回路４３からのゲート回路４１ｂへの電力供給が実質的にされないことを表している。
図５（ａ）に示すように、故障が検知され、単位変換器３０がバイパス状態に移行すると、制御回路は、スイッチング素子３１ａをオフさせ、スイッチング素子３１ｂをオンさせるように動作する。主回路給電回路４２が動作可能である場合には、バイパス指令がアクティブの間には、主回路給電回路４２がゲート回路４１ｂに電力を供給する。なお、主回路給電回路４２は、バイパス指令が非アクティブの場合にも動作しており、ゲート回路４１ａ，４１ｂにわずかではあるが電力を供給する。

【0051】

図５（ｂ）は、バイパス状態のときに主回路給電回路４２が正常に動作できず、出力が低下して、ゲート回路４１ｂに電力供給できない場合の例を示している。図５（ｂ）の太実線は、補助給電回路４３がゲート回路４１ｂに電力を供給していることを表している。図５（ｂ）の破線は、主回路給電回路４２の故障により、主回路給電回路４２からのゲート回路４１ｂへの電力供給がされないことを表している。

【0052】

上述のように、補助給電回路４３を設けることによって、主回路給電回路４２の故障により、ゲート回路４１ｂへの電力給電ができない場合であっても、ゲート回路４１ｂへの電力供給を維持することができ、バイパス状態を維持することができる。なお、主回路給電回路４２の故障を考慮する必要のない場合には、補助給電回路４３を設けなくてもよい。

【0053】

実施形態の電力変換装置１０の効果について、比較例の電力変換装置の場合と比較しつつ説明する。
まず、比較例の電力変換装置の構成および動作について説明する。
図６（ａ）および図６（ｂ）は、比較例の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図６（ａ）に示すように、比較例の電力変換装置の単位変換器は、主回路３３０を有する。主回路３３０は、スイッチング素子３１ａ，３１ｂ、ダイオード３２ａ，３２ｂおよびコンデンサ３３による回路構成は、上述した実施形態の場合と同じである。主回路３３０は、さらにバイパススイッチ３３１を含んでおり、バイパススイッチ３３１は、端子３３０ａ，３３０ｂの間に接続されている。

【0054】

バイパススイッチ３３１は、機械式のスイッチ、たとえば電磁リレーである。バイパススイッチ３３１は、電力の供給のない場合に、回路を閉じ、電力供給されることによって回路を開く構成とされている。制御回路が単位変換器の故障を検知すると、制御回路は、バイパス指令を生成する。バイパススイッチ３３１は、バイパス指令がアクティブとなると、バイパススイッチ３３１への電力の供給が遮断され、回路が閉じられる。そのため、端子３３０ａ，３３０ｂ間が短絡されて、単位変換器はバイパス状態となる。

【0055】

この比較例では、機械式のバイパススイッチ３３１を用いるので、機械式スイッチに固有の問題を生じ得る。たとえば、バイパススイッチ３３１の寿命や接点のバウンス、遮断時のアークによる溶着等である。

【0056】

これに対して、実施形態の電力変換装置１０では、バイパス状態を主回路のスイッチング素子をオンさせることによって、バイパス状態とするので、比較例のようなバイパススイッチ３３１の開閉にともなう問題を生じにくいとの利点を有する。

【0057】

図６（ｂ）に示すように、他の比較例の電力変換装置では、２台の単位変換器４３０間で主回路給電回路４２が冗長化されている。つまり、セル１とされた単位変換器４３０の主回路給電回路４２は、自己のゲート回路４１ａ，４１ｂに電力を供給するとともに、セル２とされた単位変換器４３０のゲート回路４１ａ，４１ｂに電力を供給可能としている。また、セル２とされた単位変換器４３０の主回路給電回路４２は、自己のゲート回路４１ａ，４１ｂに電力を供給し、セル１とされた単位変換器４３０のゲート回路４１ａ，４１ｂにも電力供給を可能にしている。

【0058】

図６（ｃ）は、図６（ｂ）の電力変換装置の動作を説明するための模式的な動作波形図である。
図６（ｃ）には、停止した方の単位変換器４３０の主要な部分の動作波形が示されている。
図６（ｃ）に示すように、時刻ｔ０において、単位変換器４３０は、過電圧を検出した後、時刻ｔ１１において、制御回路は、過電圧保護動作を開始し、単位変換器４３０の運転を停止させ、アクティブなバイパス指令を生成する。

【0059】

時刻ｔ１１では、アクティブなバイパス指令によって、運転を停止した方の単位変換器４３０のスイッチング素子３１ｂがターンオンし、その単位変換器４３０はバイパス状態に遷移する。

【0060】

時刻ｔ１１以降、バイパス状態の単位変換器４３０では、コンデンサ３３への充電も停止されているので、主回路給電回路４２の動作により電圧Ｖｄｃ１は低下する。

【0061】

時刻ｔ１２において、電圧Ｖｄｃ１が主回路給電回路４２の最低動作電圧Ｖｕｖに達すると、主回路給電回路４２は動作を停止する。

【0062】

時刻ｔ１２以降は、正常に運転する方の単位変換器４３０の主回路給電回路４２が故障した方の単位変換器４３０のゲート回路４１ａ，４１ｂに電力を供給することによって、バイパス状態が維持される。

【0063】

ゲート回路４１ａ，４１ｂは互いに絶縁された電源の供給が必要であり、異なる単位変換器間のゲート回路４１ａ，４１ｂともそれぞれ絶縁されている必要がある。そのため、冗長化するための主回路給電回路４２は、他の単位変換器に供給するために、自己のゲート回路４１ａ，４１ｂに供給するのとは別に絶縁された電源を出力できるように構成される必要がある。そのため、主回路給電回路４２の構成が複雑になり、単位変換器間の接続も煩雑である。また、主回路給電回路４２は、自己の電力給電のみならず、冗長化対象の単位変換器への電力給電できるような大きな電力容量とする必要がある。

【0064】

これに対して、実施形態の電力変換装置１０では、主回路給電回路４２は、自己のゲート回路４１ａ，４１ｂに電力を供給できればよく、簡素な回路構成とすることができ、煩雑な接続をする必要もない。また、電力容量も自己のゲート回路４１ａ，４１ｂ等を動作できればよいので、最適な電力容量の電源とすることができる。

【0065】

実施形態の電力変換装置１０において、バイパス時に主回路給電回路４２が故障している場合であっても、補助給電回路４３によって、ゲート回路４１ｂに電力供給ができ、切れ目なくバイパス状態を維持することができる。なお、補助給電回路４３は、一方のゲート回路４１ｂと、制御回路のための電力を供給できればよいので、主回路給電回路４２の電力容量に比べて十分に小容量とすることができ、たとえば主回路給電回路４２の電力容量の１０分の１から数１０分の１程度とすることができる。そのため、小型で低コストの電源装置とすることができ、省スペース化、省電力化が可能になる。

【0066】

実施形態の電力変換装置１０では、コンデンサ３３の両端の電圧Ｖｄｃ１が低下して第１しきい値Ｖｔ１に達したときに、バイパス指令が一旦解除されるが、ＭＭＣでは、多数の単位変換器３０がカスケード接続されているので、その一部がバイパスされたり、解除されたりしても、入出力される電圧への影響は小さい。たとえば、１００台の単位変換器３０がカスケード接続されている場合に、１台の単位変換器３０がバイパスと解除を繰り替えても、変動する電圧は１％以下である。

【0067】

上述では、電力変換部２０は、交流－直流間の電力変換する電力変換装置の場合について説明したが、アーム２２をスター結線し、あるいはアーム２２をΔ結線して三相交流に接続することによって、無効電力補償装置にも適用することができる。

【0068】

このようにして、簡素な構成でバイパス状態を維持できる電力変換装置が実現される。

【0069】

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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。これら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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0070】

１０ 電力変換装置、２０ 電力変換部、３０ 単位変換器、３１ａ，３１ｂ スイッチング素子、３２ａ，３２ｂ ダイオード、３３ コンデンサ、４１ａ，４１ｂ ゲート回路、４２ 主回路給電回路、４３ 補助給電回路

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】