特許 7541962 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】2024-08-21

(45)【発行日】2024-08-29

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/48 20070101AFI20240822BHJP

   H02M 7/49 20070101ALI20240822BHJP

【ＦＩ】

H02M7/48 M

H02M7/49

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021144672

(22)【出願日】2021-09-06

(65)【公開番号】P2023037869

(43)【公開日】2023-03-16

【審査請求日】2023-08-18

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(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】

【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】柏木 航平

【審査官】尾家 英樹

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／２５０３５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／１３６６９９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１５－１３０７４３（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０２０／１３６６９８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１１－１９３６１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０２１／０２４９９４７（ＵＳ，Ａ１）

(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】

直列に接続された複数の変換器を有し、複数の前記変換器の動作により、電力の変換を行う主回路部と、
前記主回路部の動作を制御する制御装置と、
を備え、
複数の前記変換器のそれぞれは、
一対の接続端子と、
複数のスイッチング素子と、
前記複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、
を有し、前記一対の接続端子を介して直列に接続されるとともに、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記電荷蓄積素子の電圧を前記一対の接続端子間に出力する出力状態と、前記一対の接続端子間を導通させたバイパス状態と、前記複数のスイッチング素子をオフ状態とした停止状態と、を切り替え可能であり、
前記制御装置は、複数の前記変換器の複数のスイッチング素子の短絡故障の検出を行い、複数の前記変換器のいずれかで前記複数のスイッチング素子のいずれかの短絡故障を検出した場合に、前記複数のスイッチング素子のいずれかの短絡故障が発生した前記変換器に対して前記主回路部内を循環する循環電流を供給するように、複数の前記変換器の動作を制御する電力変換装置。

【請求項2】

前記制御装置は、前記循環電流を供給する制御を開始した後、前記循環電流の供給開始から所定時間の経過に応じて前記循環電流の供給の制御を停止する請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記主回路部は、ブリッジ接続された複数のアーム部を有し、
前記複数のアーム部のそれぞれは、直列に接続された複数の前記変換器を有し、
前記制御装置は、ブリッジ接続された前記複数のアーム部を循環するように前記循環電流を供給する請求項１又は２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

複数の前記変換器は、ハーフブリッジ接続された２つの前記スイッチング素子を有し、
前記制御装置は、前記一対の接続端子の一方から他方に向かう方向又は前記一対の接続端子の他方から一方に向かう方向に前記循環電流を供給する請求項１～３のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項5】

複数の前記変換器は、フルブリッジ接続された４つの前記スイッチング素子を有し、
前記制御装置は、前記一対の接続端子の一方から他方に向かう方向又は前記一対の接続端子の他方から一方に向かう方向に前記循環電流を供給する請求項１～３のいずれか１つ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】

複数の変換器を直列に接続した電力変換装置がある。各変換器は、一対の接続端子と、複数のスイッチング素子と、複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、を有する。各変換器は、一対の接続端子を介して直列に接続される。

【0003】

このような電力変換装置では、複数の変換器のうちの所定数の変換器が故障した際にも、故障した変換器の一対の接続端子間を短絡させることにより、残りの変換器で運転を継続することができる。このように、一対の接続端子間を短絡させることは、バイパスと呼ばれる場合がある。例えば、変換器の異常や故障の検出を行い、異常や故障を検出した変換器をバイパス状態とすることにより、残りの変換器で運転を継続することが行われている。

【0004】

また、このような電力変換装置において、各変換器のスイッチング素子が、短絡故障を起こしてしまう場合がある。変換器において複数のスイッチング素子のいずれかが短絡故障を起こした際に、短絡故障したスイッチング素子によって一対の接続端子間が短絡し、変換器がバイパス状態となった場合には、上記のように、残りの変換器で運転を継続することができる。

【0005】

しかしながら、スイッチング素子が短絡故障を起こした際のスイッチング素子の短絡状態は、故障の様相によって異なる。場合によっては、高い抵抗値を持った状態で短絡する場合もあり、大きな発熱をともなったり、一対の接続端子間に電圧が発生したりしてしまう可能性がある。

【0006】

このため、複数の変換器を直列に接続した電力変換装置では、スイッチング素子の短絡故障が発生した際に、短絡故障したスイッチング素子の不安定な短絡状態を抑制できるようにすることが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０２０－５４２２３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の実施形態は、直列に接続された複数の変換器において、スイッチング素子の短絡故障が発生した際に、短絡故障したスイッチング素子の不安定な短絡状態を抑制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】

【0009】

本発明の実施形態によれば、直列に接続された複数の変換器を有し、複数の前記変換器の動作により、電力の変換を行う主回路部と、前記主回路部の動作を制御する制御装置と、を備え、複数の前記変換器のそれぞれは、一対の接続端子と、複数のスイッチング素子と、前記複数のスイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、を有し、前記一対の接続端子を介して直列に接続されるとともに、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記電荷蓄積素子の電圧を前記一対の接続端子間に出力する出力状態と、前記一対の接続端子間を導通させたバイパス状態と、前記複数のスイッチング素子をオフ状態とした停止状態と、を切り替え可能であり、前記制御装置は、複数の前記変換器の前記複数のスイッチング素子の短絡故障の検出を行い、複数の前記変換器のいずれかで前記複数のスイッチング素子のいずれかの短絡故障を検出した場合に、前記複数のスイッチング素子のいずれかの短絡故障が発生した前記変換器に対して前記主回路部内を循環する循環電流を供給するように、複数の前記変換器の動作を制御する電力変換装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

直列に接続された複数の変換器において、スイッチング素子の短絡故障が発生した際に、短絡故障したスイッチング素子の不安定な短絡状態を抑制できる電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】第１の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。

【図2】変換器を模式的に表すブロック図である。

【図3】電力変換装置の動作の一例を模式的に表す説明図である。

【図4】変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。

【0012】

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
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は適宜省略する。

【0013】

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、主回路部１２と、制御装置１４と、を備える。電力変換装置１０は、例えば、直流送電システムに用いられる。電力変換装置１０は、直流送電システムにおいて、交流電力系統２及び一対の直流送電線３、４に接続される。

【0014】

直流送電システムは、例えば、変圧器６を有する。電力変換装置１０の主回路部１２は、変圧器６を介して交流電力系統２に接続される。交流電力系統２の交流電力は、三相交流電力である。より詳しくは、対称三相交流電力である。変圧器６は、交流電力系統２の三相交流電力を主回路部１２に対応した交流電力に変換する。変圧器６は、主回路部１２に合わせて三相交流電力の各相の実効値を変化させる。変圧器６は、三相変圧器である。変圧器６は、必要に応じて設けられ、省略可能である。主回路部１２には、交流電力系統２の三相交流電力を直接供給してもよい。

【0015】

電力変換装置１０は、交流電力系統２から供給された三相交流電力を直流電力に変換し、変換後の直流電力を直流送電線３、４に供給する。また、電力変換装置１０は、直流送電線３、４から供給された直流電力を三相交流電力に変換し、変換後の三相交流電力を交流電力系統２に供給する。このように、電力変換装置１０は、交流から直流への交直変換、及び、直流から交流への交直変換を行う。

【0016】

例えば、直流送電線３は、直流電力の高圧側の送電線であり、直流送電線４は、直流電力の低圧側の送電線である。電力変換装置１０は、直流送電線３側が高圧、直流送電線４側が低圧となるように、変換後の直流電力を直流送電線３、４に出力する。

【0017】

主回路部１２は、交流電力系統２と各直流送電線３、４との間に設けられる。主回路部１２は、三相交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から三相交流電力への変換を行う。主回路部１２は、例えば、直列に接続された複数の変換器を有するマルチレベル電力変換器である。主回路部１２は、例えば、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）型の電力変換器である。ＭＭＣ型の主回路部１２は、直列に接続された複数の変換器を有する。各変換器は、ハーフブリッジ接続又はフルブリッジ接続された複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子に並列に接続された電荷蓄積素子と、を有する。主回路部１２は、複数の変換器の動作により、電力の変換を行う。主回路部１２は、例えば、複数の変換器の各スイッチング素子のスイッチングにより、交直変換を行う。

【0018】

制御装置１４は、主回路部１２に接続されている。制御装置１４は、各スイッチング素子のオン・オフを制御することにより、主回路部１２による三相交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から三相交流電力への変換を制御する。

【0019】

主回路部１２は、第１及び第２の一対の直流端子２０ａ、２０ｂと、第１～第３の３つの交流端子２１ａ～２１ｃと、第１～第６の６つのアーム部２２ａ～２２ｆと、を有する。

【0020】

第１直流端子２０ａは、高圧側の直流送電線３に接続される。第２直流端子２０ｂは、低圧側の直流送電線４に接続される。これにより、主回路部１２によって変換された直流電力が直流送電線３、４に供給されるとともに、直流送電線３、４から供給された直流電力が主回路部１２に入力される。

【0021】

第１アーム部２２ａは、第１直流端子２０ａに接続される。第２アーム部２２ｂは、第１アーム部２２ａと第２直流端子２０ｂとの間に接続される。第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂは、各直流端子２０ａ、２０ｂの間に直列に接続される。

【0022】

第３アーム部２２ｃは、第１直流端子２０ａに接続される。第４アーム部２２ｄは、第３アーム部２２ｃと第２直流端子２０ｂとの間に接続される。第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄは、第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂに対して並列に接続される。

【0023】

第５アーム部２２ｅは、第１直流端子２０ａに接続される。第６アーム部２２ｆは、第５アーム部２２ｅと第２直流端子２０ｂとの間に接続される。すなわち、第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆは、第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂに対して並列に接続されるとともに、第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄに対して並列に接続される。

【0024】

主回路部１２では、第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂによって第１レグＬＧ１が構成され、第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄによって第２レグＬＧ２が構成され、第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆによって第３レグＬＧ３が構成される。すなわち、この例において、主回路部１２は、３レグ、６アームの三相インバータである。換言すれば、主回路部１２は、ブリッジ接続された複数のアーム部２２ａ～２２ｆを有する。この例では、主回路部１２は、三相ブリッジ接続された６つのアーム部２２ａ～２２ｆを有する。

【0025】

第１アーム部２２ａ、第３アーム部２２ｃ及び第５アーム部２２ｅは、上側アームである。第２アーム部２２ｂ、第４アーム部２２ｄ及び第６アーム部２２ｆは、下側アームである。このように、主回路部１２は、複数のスイッチング素子によって構成される複数のアーム部及び複数のレグを有する。主回路部１２は、例えば、２レグ、４アームの単相インバータなどでもよい。アーム部及びレグの数は、上記に限ることなく、任意の数でよい。

【0026】

第１アーム部２２ａは、直列に接続された複数の変換器ＵＰ１、ＵＰ２…ＵＰＭ_１を有する。第２アーム部２２ｂは、直列に接続された複数の変換器ＵＮ１、ＵＮ２…ＵＮＭ_２を有する。第３アーム部２２ｃは、直列に接続された複数の変換器ＶＰ１、ＶＰ２…ＶＰＭ_３を有する。第４アーム部２２ｄは、直列に接続された複数の変換器ＶＮ１、ＶＮ２…ＶＮＭ_４を有する。第５アーム部２２ｅは、直列に接続された複数の変換器ＷＰ１、ＷＰ２…ＷＰＭ_５を有する。第６アーム部２２ｆは、直列に接続された複数の変換器ＷＮ１、ＷＮ２…ＷＮＭ_６を有する。

【0027】

但し、以下では、各変換器ＵＰ１、ＵＰ２…ＵＰＭ_１、ＵＮ１、ＵＮ２…ＵＮＭ_２、ＶＰ１、ＶＰ２…ＶＰＭ_３、ＶＮ１、ＶＮ２…ＶＮＭ_４、ＷＰ１、ＷＰ２…ＷＰＭ_５、ＷＮ１、ＷＮ２…ＷＮＭ_６をまとめて呼称する場合に、「変換器ＣＥＬ」と称す。

【0028】

各アーム部２２ａ～２２ｆにおいて、Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４、Ｍ_５、Ｍ_６は、直列接続された変換器ＣＥＬの台数を表す。各アーム部２２ａ～２２ｆにおいて、直列接続される変換器ＣＥＬの台数は、例えば、１００台～１２０台程度である。但し、直列接続される変換器ＣＥＬの台数は、これに限ることなく、任意の台数でよい。

【0029】

各アーム部２２ａ～２２ｆに設けられる変換器ＣＥＬの台数は、実質的に同じである。例えば、多数の各変換器ＣＥＬが接続される場合には、主回路部１２の動作に影響のない範囲において、各アーム部２２ａ～２２ｆに設けられる変換器ＣＥＬの台数が異なってもよい。例えば、１つのアーム部に１００台の変換器ＣＥＬを直列に接続する場合、別のアーム部に設ける変換器ＣＥＬの台数は、１～２台異なってもよい。

【0030】

各アーム部２２ａ～２２ｆのそれぞれは、バッファリアクトル２３ａ～２３ｆと、複数の電流検出器２４ａ～２４ｆと、をさらに有する。また、電力変換装置１０は、電圧検出部２５をさらに有する。

【0031】

各バッファリアクトル２３ａ～２３ｆは、各アーム部２２ａ～２２ｆのそれぞれにおいて、各変換器ＣＥＬに直列に接続される。第１アーム部２２ａのバッファリアクトル２３ａは、交流端子２１ａと第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂとの接続点と変換器ＵＰ１との間に設けられる。第２アーム部２２ｂのバッファリアクトル２３ｂは、交流端子２１ａと第１アーム部２２ａ及び第２アーム部２２ｂとの接続点と変換器ＵＮ１との間に設けられる。第３アーム部２２ｃのバッファリアクトル２３ｃは、交流端子２１ｂと第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄとの接続点と変換器ＶＰ１との間に設けられる。第４アーム部２２ｄのバッファリアクトル２３ｄは、交流端子２１ｂと第３アーム部２２ｃ及び第４アーム部２２ｄとの接続点と変換器ＶＮ１との間に設けられる。第５アーム部２２ｅのバッファリアクトル２３ｅは、交流端子２１ｃと第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆとの接続点と変換器ＷＰ１との間に設けられる。第６アーム部２２ｆのバッファリアクトル２３ｆは、交流端子２１ｃと第５アーム部２２ｅ及び第６アーム部２２ｆとの接続点と変換器ＷＮ１との間に設けられる。

【0032】

電流検出器２４ａは、第１アーム部２２ａに設けられ、第１アーム部２２ａに流れる電流を検出する。すなわち、電流検出器２４ａは、第１アーム部２２ａのアーム電流を検出する。電流検出器２４ａは、図示を省略した配線などを介して制御装置１４に接続されている。電流検出器２４ａは、検出した第１アーム部２２ａの電流値を制御装置１４に入力する。これにより、制御装置１４には、第１アーム部２２ａの電流値が入力される。

【0033】

以下同様に、電流検出器２４ｂは、第２アーム部２２ｂに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｃは、第３アーム部２２ｃに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｄは、第４アーム部２２ｄに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｅは、第５アーム部２２ｅに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。電流検出器２４ｆは、第６アーム部２２ｆに流れる電流を検出し、検出した電流値を制御装置１４に入力する。

【0034】

電圧検出部２５は、交流電力系統２の各相の交流電圧（相電圧）を検出し、検出値を制御装置１４に入力する。電圧検出部２５は、変圧器６の一次側に接続してもよいし、二次側に接続してもよい。

【0035】

主回路部１２では、第１アーム部２２ａと第２アーム部２２ｂとの接続点、第３アーム部２２ｃと第４アーム部２２ｄとの接続点、及び、第５アーム部２２ｅと第６アーム部２２ｆとの接続点のそれぞれが、交流出力点となる。

【0036】

第１交流端子２１ａは、第１アーム部２２ａと第２アーム部２２ｂとの接続点に接続される。第２交流端子２１ｂは、第３アーム部２２ｃと第４アーム部２２ｄとの接続点に接続される。第３交流端子２１ｃは、第５アーム部２２ｅと第６アーム部２２ｆとの接続点に接続される。各交流端子２１ａ～２１ｃは、例えば、変圧器６に接続される。

【0037】

各変換器ＣＥＬは、例えば、信号線２６を介して制御装置１４と接続される。制御装置１４は、信号線２６を介して変換器ＣＥＬに制御信号を入力することにより、変換器ＣＥＬの動作を制御する。また、変換器ＣＥＬは、例えば、変換器ＣＥＬの制御及び動作保護に関する制御信号や保護信号を図示されていない別の信号線を介して制御装置１４に入力する。なお、制御装置１４と各変換器ＣＥＬとの間の通信方式は、上記に限定されるものではない。例えば、直列に接続された複数の変換器ＣＥＬをデイジーチェーン接続し、制御装置１４は、デイジーチェーン接続された一端の変換器ＣＥＬ及び他端の変換器ＣＥＬのみと通信を行ってもよい。制御装置１４と各変換器ＣＥＬとの間の通信方式は、制御装置１４と各変換器ＣＥＬとの間で適切に通信を行うことができる任意の通信方式でよい。

【0038】

図２は、変換器を模式的に表すブロック図である。
図２に表したように、変換器ＣＥＬは、複数のスイッチング素子４１、４２と、複数の整流素子５１、５２と、複数の駆動回路６１、６２と、一対の接続端子７１、７２と、電荷蓄積素子７４と、給電回路７６と、電圧検出回路７８と、制御回路８０と、を有する。

【0039】

各スイッチング素子４１、４２は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、一対の主端子間に流れる電流を制御する。各スイッチング素子４１、４２には、例えば、ＩＧＢＴなどの自己消弧素子が用いられる。一対の主端子は、例えば、エミッタ及びコレクタであり、制御端子は、例えば、ゲートである。

【0040】

各スイッチング素子４１、４２は、一対の主端子間に電流を流せるようにするオン状態と、一対の主端子間に流れる電流を遮断するオフ状態と、を切り替える。オフ状態は、一対の主端子間に完全に電流が流れない状態に限ることなく、例えば、変換器ＣＥＬの動作に影響の無い程度の微弱な電流が一対の主端子間に流れる状態でもよい。オフ状態は、換言すれば、一対の主端子間に流れる電流を十分に小さくした状態である。

【0041】

各スイッチング素子４１、４２には、例えば、ノーマリオフ型の半導体素子が用いられる。各スイッチング素子４１、４２は、制御端子の電圧が高い状態においてオン状態となり、制御端子の電圧が低い状態においてオフ状態となる。各スイッチング素子４１、４２は、制御端子の電圧がオン状態よりも低い状態において、オフ状態となる。各スイッチング素子４１、４２は、例えば、制御端子に正電圧を印加した際にオン状態となり、制御端子の電圧を０Ｖに設定した際又は制御端子に負電圧を印加した際にオフ状態となる。

【0042】

スイッチング素子４２の一対の主端子は、スイッチング素子４１の一対の主端子に対して直列に接続される。この例において、変換器ＣＥＬは、直列に接続された２つのスイッチング素子４１、４２を有する。換言すれば、変換器ＣＥＬは、ハーフブリッジ接続された２つのスイッチング素子４１、４２を有する。この例において、変換器ＣＥＬは、ハーフブリッジ構成の変換器である。

【0043】

整流素子５１は、スイッチング素子４１の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子５１の順方向は、スイッチング素子４１の一対の主端子間に流れる電流の向きに対して逆向きである。同様に、整流素子５２は、スイッチング素子４２の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。整流素子５１、５２は、いわゆる還流ダイオードである。

【0044】

接続端子７１は、スイッチング素子４１とスイッチング素子４２との間に接続される。接続端子７２は、スイッチング素子４１のスイッチング素子４２に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。

【0045】

同一アーム部内の複数の変換器ＣＥＬは、一対の接続端子７１、７２を介して直列に接続される。変換器ＣＥＬに対する電力の供給は、各接続端子７１、７２を介して行われる。スイッチング素子４１は、いわゆるローサイドスイッチであり、スイッチング素子４２は、いわゆるハイサイドスイッチである。

【0046】

制御回路８０は、信号線２６を介して制御装置１４に接続されている。制御装置１４は、各スイッチング素子４１、４２のオン・オフを制御するための制御信号を信号線２６を介して制御回路８０に送信する。制御回路８０は、入力された制御信号に基づいて、各スイッチング素子４１、４２のオン・オフを切り替えるための駆動信号を駆動回路６１、６２に入力する。

【0047】

駆動回路６１は、スイッチング素子４１の制御端子に接続されている。駆動回路６２は、スイッチング素子４２の制御端子に接続されている。駆動回路６１、６２は、制御回路８０から入力された駆動信号に基づいて、各スイッチング素子４１、４２のオン・オフを切り替える。これにより、制御装置１４からの制御信号に応じて、各スイッチング素子４１、４２のオン・オフが制御される。制御装置１４は、各変換器ＣＥＬ毎に制御信号を生成し、各変換器ＣＥＬのそれぞれの各スイッチング素子４１、４２のオン・オフを制御する。これにより、制御装置１４は、主回路部１２による電力の変換を制御する。

【0048】

なお、駆動回路６１、６２及び制御回路８０の構成は、上記に限ることなく、各スイッチング素子４１、４２のオン・オフを制御可能な任意の構成でよい。例えば、制御装置１４からの制御信号を駆動回路６１、６２に直接的に入力してもよい。この場合、制御回路８０は、省略可能である。

【0049】

電荷蓄積素子７４は、スイッチング素子４１及びスイッチング素子４２に対して並列に接続される。電荷蓄積素子７４は、例えば、コンデンサである。

【0050】

スイッチング素子４１がオフ状態で、スイッチング素子４２がオン状態の時には、電荷蓄積素子７４の電圧が各接続端子７１、７２間に現れる。スイッチング素子４１がオン状態で、スイッチング素子４２がオフ状態の時には、各接続端子７１、７２間が導通し、各接続端子７１、７２間の電圧は、実質的にゼロになる。

【0051】

このように、変換器ＣＥＬは、制御装置１４からの制御信号に基づく各スイッチング素子４１、４２のスイッチングにより、電荷蓄積素子７４の電圧を各接続端子７１、７２間に出力する出力状態と、各接続端子７１、７２間を導通させたバイパス状態と、各スイッチング素子４１、４２をオフ状態とした停止状態と、を切り替える。

【0052】

各アーム部２２ａ～２２ｆにおいては、出力状態となった変換器ＣＥＬの合計の電圧が、各アーム部２２ａ～２２ｆの電圧となる。主回路部１２及び制御装置１４は、出力状態とする変換器ＣＥＬの台数を制御することにより、マルチレベルの電力変換を行う。

【0053】

各スイッチング素子４１、４２がともにオフ状態の時（変換器ＣＥＬが停止状態の時）には、アーム電流の向きによって各接続端子７１、７２間の電圧が決まる。例えば、接続端子７２から接続端子７１に向かう向きにアーム電流が流れている時には、整流素子５１がオンし、各接続端子７１、７２間の電圧は、実質的にゼロになる。反対に、接続端子７１から接続端子７２に向かう向きにアーム電流が流れている時には、整流素子５２がオンし、電荷蓄積素子７４が充電され、各接続端子７１、７２間には、電荷蓄積素子７４の電圧が現れる。

【0054】

給電回路７６は、電荷蓄積素子７４に対して並列に接続されている。給電回路７６は、電荷蓄積素子７４に蓄積された電荷を基に、駆動回路６１、６２及び制御回路８０の駆動電源を生成し、生成した駆動電源を駆動回路６１、６２及び制御回路８０に供給する。駆動回路６１、６２及び制御回路８０は、給電回路７６からの駆動電源の供給に応じて動作する。

【0055】

なお、駆動回路６１、６２及び制御回路８０への給電方式は、上記に限定されるものではない。例えば、電荷蓄積素子７４とは別の電源から駆動回路６１、６２及び制御回路８０に対して給電を行ってもよい。駆動回路６１、６２及び制御回路８０への給電方式は、駆動回路６１、６２及び制御回路８０に対して適切に給電を行うことができる任意の方式でよい。

【0056】

電圧検出回路７８は、電荷蓄積素子７４に対して並列に接続されている。電圧検出回路７８は、制御回路８０と接続されている。電圧検出回路７８は、電荷蓄積素子７４の直流電圧を検出し、電荷蓄積素子７４の直流電圧の電圧検出値を制御回路８０に入力する。

【0057】

制御回路８０は、保護回路８２を有する。保護回路８２は、電圧検出回路７８によって検出された電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、保護動作を行う。保護回路８２は、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替える。

【0058】

例えば、制御回路８０の異常でスイッチング素子４１、４２のスイッチングが意図したタイミングで行われなかった際に、電荷蓄積素子７４の電圧が上昇してしまう場合がある。こうした電荷蓄積素子７４の電圧の上昇は、スイッチング素子４１、４２や電荷蓄積素子７４などの変換器ＣＥＬの各部の故障の要因となってしまう。

【0059】

このため、保護回路８２は、電圧検出回路７８からの電圧検出値を基に、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替える。これにより、電荷蓄積素子７４の電圧の上昇による変換器ＣＥＬの故障を抑制することができるとともに、異常の発生した変換器ＣＥＬをバイパスしつつ、同一アーム部内の残りの変換器ＣＥＬで電力変換装置１０の運転を継続することができる。

【0060】

なお、保護回路８２の構成は、上記に限定されるものではない。例えば、保護回路８２は、必ずしも制御回路８０内に設ける必要はなく、制御回路８０と別に設けてもよい。例えば、制御回路８０と別に設けられた保護回路８２を電荷蓄積素子７４に対して並列に接続することにより、保護回路８２で電荷蓄積素子７４の直流電圧を検出するようにしてもよい。この場合、電圧検出回路７８は、省略可能である。

【0061】

制御装置１４は、複数の変換器ＣＥＬのそれぞれについて、複数のスイッチング素子４１、４２の短絡故障の検出を行う。

【0062】

変換器ＣＥＬにおいて、各スイッチング素子４１、４２の短絡故障は、例えば、各スイッチング素子４１、４２を同時にオン状態にし、各スイッチング素子４１、４２を介して電荷蓄積素子７４の両端を短絡させた、いわゆる直流短絡の発生の際に、発生する可能性がある。各スイッチング素子４１、４２には、例えば、圧接型のスイッチング素子が用いられる。圧接型のスイッチング素子では、直流短絡が発生した際の故障モードが短絡故障となる。但し、各スイッチング素子４１、４２は、圧接型のスイッチング素子に限定されるものではない。各スイッチング素子４１、４２は、例えば、短絡故障の故障モードを有する任意のスイッチング素子でよい。

【0063】

図３は、電力変換装置の動作の一例を模式的に表す説明図である。
制御装置１４は、複数の変換器ＣＥＬのいずれかでスイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障を検出した場合に、図３に表したように、交流電力系統２又は直流送電線３、４に対して制御指令値などに応じた所定の電力を供給するとともに、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬに対して主回路部１２内を循環する循環電流を供給するように、複数の変換器ＣＥＬの動作を制御する。制御装置１４は、複数の変換器ＣＥＬのいずれかでスイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障を検出した場合、交流電力系統２や直流送電線３、４などの負荷側への電力の供給を行いつつ、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬに対して循環電流を供給するように、複数の変換器ＣＥＬの動作を制御する。

【0064】

図３では、第５アーム部２２ｅの変換器ＷＰ１のスイッチング素子４１、４２に短絡故障が発生した場合を例示している。この場合、制御装置１４は、例えば、図３に表したように、第５アーム部２２ｅから第６アーム部２２ｆ、第４アーム部２２ｄ、及び第３アーム部２２ｃを経由して再び第５アーム部２２ｅに戻る経路に循環電流を供給する。このように、循環電流は、例えば、主回路部１２において、ブリッジ接続された複数のアーム部２２ａ～２２ｆを循環する電流である。制御装置１４は、ブリッジ接続された複数のアーム部２２ａ～２２ｆを循環するように循環電流を供給する。但し、循環電流を供給する経路は、これに限ることなく、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬを含む任意の経路でよい。図３の例では、少なくとも第５アーム部２２ｅに循環電流を供給可能な任意の経路でよい。

【0065】

制御装置１４は、複数の変換器ＣＥＬのいずれかでスイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障を検出した場合に、例えば、各アーム部２２ａ～２２ｆに流れるアーム電流の指令値を制御する。これにより、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬに対して主回路部１２内を循環する循環電流を供給するように、複数の変換器ＣＥＬの動作を制御することができる。

【0066】

スイッチング素子４１、４２が短絡故障を起こした際のスイッチング素子４１、４２の短絡状態は、故障の様相によって異なる。場合によっては、高い抵抗値を持った状態で短絡する場合もあり、大きな発熱をともなったり、一対の接続端子７１、７２間に電圧が発生したりしてしまう可能性がある。

【0067】

これに対し、本実施形態に係る電力変換装置１０では、制御装置１４が、複数の変換器ＣＥＬのスイッチング素子４１、４２の短絡故障の検出を行い、複数の変換器ＣＥＬのいずれかでスイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障を検出した場合に、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬに対して主回路部１２内を循環する循環電流を供給するように、複数の変換器ＣＥＬの動作を制御する。

【0068】

このように、アーム電流に循環電流を重畳することにより、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬに供給されるアーム電流を一時的に大きくする。接触面が少なく高い抵抗値を持った状態となっているスイッチング素子４１に大きな電流を流すことで、自身の発熱によって接触面を安定化させ、抵抗値を下げることができる。これにより、例えば、交流電力系統２や直流送電線３、４に電力を供給する電力変換装置１０の通常の動作（直流から交流又は交流から直流に変換する動作）の際に、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬにおいて、大きな発熱が生じたり、一対の接続端子７１、７２間に電圧が発生したりすることを抑制することができる。

【0069】

循環電流は、抵抗値が安定するまで流せばよいので、短時間でよい。従って、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障を検出した場合に、その変換器ＣＥＬが存在するアーム部に循環電流を短時間だけ流す制御を行うことで、スイッチング素子４１の短絡状態を安定的なものにすることができ、運転継続性を向上させることができる。また、循環電流は、主回路部１２内を還流する電流であるため、交流電力系統２側や直流送電線３、４側に寄与しない。

【0070】

また、この場合、制御装置１４は、一対の接続端子７１、７２の一方から他方に向かう方向又は一対の接続端子７１、７２の他方から一方に向かう方向に循環電流を供給する。変換器ＣＥＬがハーフブリッジ構成である場合、スイッチング素子４１、４２に対して循環電流を供給する向きは、アーム電流を大きくすることができる任意の方向でよい。

【0071】

制御装置１４は、複数の変換器ＣＥＬのいずれかでスイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障を検出し、スイッチング素子４１、４２のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬに対して循環電流を供給する制御を開始した後、例えば、循環電流の供給開始から所定時間の経過に応じて循環電流の供給の制御を停止する。

【0072】

循環電流は、他の変換器ＣＥＬの運転に対して、アーム電流に循環電流が重畳されたことによる影響を与えない範囲で設定する。循環電流は、スイッチング素子４１、４２の定格電流以下で、かつ短絡故障したスイッチング素子４１の接触面を安定化させることが可能な任意の大きさの電流でよい。また、循環電流を供給する所定時間は、短絡故障したスイッチング素子４１の接触面を循環電流によって安定化させることが可能な任意の時間でよい。

【0073】

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、スイッチング素子４１、４２の短絡故障が発生した際に、短絡故障したスイッチング素子４１の不安定な短絡状態を抑制することができる。

【0074】

図４は、変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図４に表したように、この例の変換器ＣＥＬａは、スイッチング素子４１、４２を有するとともに、スイッチング素子４３、４４をさらに有する。スイッチング素子４３、４４には、スイッチング素子４１、４２と実質的に同じ素子が用いられる。

【0075】

スイッチング素子４３、４４は、直列に接続されている。スイッチング素子４３、４４の直列接続体は、スイッチング素子４１、４２の直列接続体に対して並列に接続されている。すなわち、この例において、変換器ＣＥＬａは、フルブリッジ接続された４つのスイッチング素子４１～４４を有する。この例において、変換器ＣＥＬａは、フルブリッジ構成の変換器である。

【0076】

変換器ＣＥＬａは、整流素子５３、５４、及び駆動回路６３、６４をさらに有する。整流素子５３は、スイッチング素子４３に対して逆並列に接続されている。整流素子５４は、スイッチング素子４４に対して逆並列に接続されている。変換器ＣＥＬａにおいて、制御回路８０は、制御装置１４から入力された制御信号に基づいて、各スイッチング素子４１～４４のオン・オフを切り替えるための駆動信号を駆動回路６１～６４に入力する。駆動回路６３は、制御回路８０から入力された駆動信号に基づいて、スイッチング素子４３のオン状態とオフ状態とを切り替える。駆動回路６４は、制御回路８０から入力された駆動信号に基づいて、スイッチング素子４４のオン状態とオフ状態とを切り替える。

【0077】

変換器ＣＥＬａでは、接続端子７１が、スイッチング素子４１とスイッチング素子４２との間に接続されている。接続端子７２は、スイッチング素子４３とスイッチング素子４４との間に接続されている。この例において、接続端子７２は、スイッチング素子４３を介してスイッチング素子４１のスイッチング素子４２に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。

【0078】

変換器ＣＥＬａでは、電荷蓄積素子７４の電圧をＶｃとする時に、スイッチング素子４１とスイッチング素子４４とをオン状態にし、スイッチング素子４２とスイッチング素子４３とをオフ状態にすることにより、各接続端子７１、７２間に－Ｖｃの電圧が現れる。

【0079】

また、スイッチング素子４２とスイッチング素子４３とをオン状態にし、スイッチング素子４１とスイッチング素子４４とをオフ状態にすることにより、各接続端子７１、７２間に＋Ｖｃの電圧が現れる。

【0080】

さらに、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３をオン状態にし、ハイサイド側のスイッチング素子４２、４４をオフ状態にする。もしくは、ハイサイド側のスイッチング素子４２、４４をオン状態にし、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３をオフ状態にする。これにより、各接続端子７１、７２間が導通され、各接続端子７１、７２間に実質的に０Ｖが現れる。

【0081】

このように、この変換器ＣＥＬａでは、各接続端子７１、７２間に、＋Ｖｃ、０、－Ｖｃの３レベルの電圧を出力することができる。変換器ＣＥＬａは、複数のスイッチング素子４１～４４のスイッチングにより、＋Ｖｃの電圧を各接続端子７１、７２間に出力する第１出力状態と、－Ｖｃの電圧を各接続端子７１、７２間に出力する第２出力状態と、各接続端子７１、７２間を導通させたバイパス状態と、各スイッチング素子４１～４４をオフ状態とした停止状態と、を切り替えることができる。

【0082】

保護回路８２は、例えば、電荷蓄積素子７４の直流電圧が上限値以上になった際に、変換器ＣＥＬａをバイパス状態に切り替える。

【0083】

変換器ＣＥＬａにおいても、例えば、直流短絡の発生の際に、スイッチング素子４１～４４の短絡故障が発生する可能性がある。制御装置１４は、複数の変換器ＣＥＬａのスイッチング素子４１～４４の短絡故障の検出を行い、複数の変換器ＣＥＬａのいずれかでスイッチング素子４１～４４のいずれかの短絡故障を検出した場合に、スイッチング素子４１～４４のいずれかの短絡故障が発生した変換器ＣＥＬａに対して主回路部１２内を循環する循環電流を供給するように、複数の変換器ＣＥＬａの動作を制御する。これにより、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬａにおいても、上記実施形態と同様に、短絡故障したスイッチング素子４１～４４の不安定な短絡状態を抑制することができる。

【0084】

制御装置１４は、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬａの場合、例えば、接続端子７１から接続端子７２に向かう方向及び接続端子７２から接続端子７１に向かう方向の双方向に循環電流を供給する。制御装置１４は、例えば、交流の循環電流を供給する。これにより、ローサイド側のスイッチング素子４１、４３のそれぞれの接触面、又はハイサイド側のスイッチング素子４２、４４のそれぞれの接触面を適切に安定化させることができる。

【0085】

このように、ＭＭＣ型の主回路部１２において、変換器の構成は、ハーフブリッジ回路でもよいし、フルブリッジ回路でもよい。

【0086】

上記実施形態では、主回路部１２にＭＭＣ型の電力変換器を用いている。主回路部１２は、ＭＭＣ型に限ることなく、例えば、複数の変換器ＣＥＬ（変換器ＣＥＬａ）を直列に接続する他の方式の電力変換器でもよい。

【0087】

電力変換装置１０は、直流送電システムに限ることなく、交流から直流への変換及び直流から交流への変換が必要な他の任意のシステムなどに適用してもよい。主回路部１２による交直変換は、交流から直流及び直流から交流の双方に限ることなく、交流から直流又は直流から交流の一方のみでもよい。また、主回路部１２は、例えば、交流交流直接変換回路などでもよい。

【0088】

主回路部１２の構成は、例えば、複数のアーム部をスター結線、デルタ結線、あるいはマトリックス結線した構成などでもよい。主回路部１２は、例えば、モジュラーマトリックスコンバータなどでもよい。主回路部１２は、必ずしも複数のレグを有しなくてもよい。主回路部は、少なくとも複数のアーム部を有していればよい。主回路部の構成は、電力の変換が可能な任意の構成でよい。電力変換装置は、例えば、周波数変換装置、直流送電装置、無効電力補償装置、あるいは電力潮流制御装置などでもよい。

【0089】

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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0090】

２…交流電力系統、 ３、４…直流送電線、 ６…変圧器、 １０…電力変換装置、 １２…主回路部、 １４…制御装置、 ２０ａ…第１直流端子、 ２０ｂ…第２直流端子、 ２１ａ…第１交流端子、 ２１ｂ…第２交流端子、 ２１ｃ…第３交流端子、 ２２ａ…第１アーム部、 ２２ｂ…第２アーム部、 ２２ｃ…第３アーム部、 ２２ｄ…第４アーム部、 ２２ｅ…第５アーム部、 ２２ｆ…第６アーム部、 ２３ａ～２３ｆ…バッファリアクトル、 ２４ａ～２４ｆ…電流検出器、 ２５…電圧検出部、 ２６…信号線、 ４１～４４…スイッチング素子、 ５１～５４…整流素子、 ６１～６４…駆動回路、 ７１、７２…接続端子、 ７４…電荷蓄積素子、 ７６…給電回路、 ７８…電圧検出回路、 ８０…制御回路、 ８２…保護回路、 ＣＥＬ、ＣＥＬａ…変換器、 ＬＧ１…第１レグ、 ＬＧ２…第２レグ、 ＬＧ３…第３レグ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】