特許 7608029 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】2024-12-20

(45)【発行日】2025-01-06

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20241223BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20241223BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

H02M7/48 M

【請求項の数】 11

(21)【出願番号】P 2021205975

(22)【出願日】2021-12-20

(65)【公開番号】P2023091301

(43)【公開日】2023-06-30

【審査請求日】2024-01-29

(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】山田 裕喜

(72)【発明者】

【氏名】神宮 勲

【審査官】安食 泰秀

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１６－０１０２９０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０２１－０１６２６１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特許第６８６１９１７（ＪＰ，Ｂ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

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、
前記複数のスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を切り替える駆動回路と、
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、
前記駆動回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、前記変換器を前記バイパス状態に切り替え、
前記制御装置は、前記バイパス状態となっている前記変換器の数が所定数に達していない場合は、前記主回路部による電力の変換を継続させ、
前記駆動回路は、前記バイパス状態に切り替えた後、前記複数のスイッチング素子の健全性の確認を行い、前記複数のスイッチング素子が健全であると確認した場合に、前記変換器の前記バイパス状態を解除し、
前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子と、制御端子と、を有し、
前記駆動回路は、前記制御端子の電圧が正常か否かを確認することにより、前記複数のスイッチング素子の健全性を確認する電力変換装置。

【請求項2】

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、
前記複数のスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を切り替える駆動回路と、
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、
前記駆動回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、前記変換器を前記バイパス状態に切り替え、
前記制御装置は、前記バイパス状態となっている前記変換器の数が所定数に達していない場合は、前記主回路部による電力の変換を継続させ、
前記駆動回路は、前記バイパス状態に切り替えた後、前記複数のスイッチング素子の健全性の確認を行い、前記複数のスイッチング素子が健全であると確認した場合に、前記変換器の前記バイパス状態を解除し、
前記駆動回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が前記下限値以下になり、前記変換器を前記バイパス状態に切り替えた後、前記電荷蓄積素子の直流電圧が所定値以上になった際に、前記複数のスイッチング素子の健全性の確認を行う電力変換装置。

【請求項3】

前記駆動回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が前記上限値以上になり、前記変換器を前記バイパス状態に切り替えた後、前記電荷蓄積素子の直流電圧が所定値以下になった際に、前記複数のスイッチング素子の健全性の確認を行う請求項１又は２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記駆動回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が前記上限値以上又は前記下限値以下になり、前記変換器を前記バイパス状態に切り替えた後、前記バイパス状態への切り替えのタイミングから所定時間が経過した際に、前記複数のスイッチング素子の健全性の確認を行う請求項１記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記制御装置は、前記バイパス状態となっている前記変換器の数が所定数に達していない場合は、前記バイパス状態となった前記変換器を制御の対象から外し、残りの前記変換器で前記主回路部による電力の変換を継続させる請求項１～４のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記駆動回路は、前記制御端子の電圧が正常か否かを確認した後、さらに前記複数のスイッチング素子の動作の確認を行うことにより、前記複数のスイッチング素子の健全性を確認する請求項１記載の電力変換装置。

【請求項7】

第１制御装置及び第２制御装置の２つの前記制御装置を備え、
前記第１制御装置及び前記第２制御装置は、一方を運転系の制御装置とし、他方を待機系の制御装置とし、前記運転系の制御装置となったいずれか一方の前記制御装置で前記主回路部の動作を制御し、
前記運転系の制御装置は、前記バイパス状態となっている前記変換器の数が前記所定数に達した際に、前記待機系の制御装置において運転を継続可能である場合には、前記運転系の制御装置と前記待機系の制御装置との切り替えを行う請求項１～６のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項8】

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、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の下側のスイッチング素子をオン状態とすることにより、前記バイパス状態とする請求項１～７のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項9】

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と、前記一対の接続端子の間に設けられた別のスイッチング素子と、を有し、前記別のスイッチング素子をオン状態とすることにより、前記バイパス状態とする請求項１～７のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項10】

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、フルブリッジ接続された４つの前記スイッチング素子のうちの上側の２つのスイッチング素子又は下側の２つのスイッチング素子をオン状態とすることにより、前記バイパス状態とする請求項１～７のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項11】

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と、前記一対の接続端子の間に設けられた別のスイッチング素子と、を有し、前記別のスイッチング素子をオン状態とすることにより、前記バイパス状態とする請求項１～７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】

交流電力から直流電力への変換及び直流電力から交流電力への変換の少なくとも一方を行う主回路部と、主回路部の動作を制御する制御装置と、を備えた電力変換装置が知られている。こうした電力変換装置において、複数台の変換器を直列に接続した多段構成の主回路部とすることが行われている。多段構成の主回路部を備えた電力変換装置は、例えば、交流電力を直流電力に変換して送電する直流送電システムなどに用いられている。

【0003】

各変換器は、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。また、各変換器は、一対の接続端子を有し、一対の接続端子を介して直列に接続される。

【0004】

多段構成の主回路部においては、各変換器のいずれかに異常が発生した際に、異常の発生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、正常な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。

【0005】

バイパスした変換器は、電力変換装置の運転が停止するまでバイパスの状態が継続される。しかしながら、直列に接続された複数台の変換器の中で、バイパスされた変換器の台数が増えると、主回路部の動作の安定性が低下してしまう。そして、バイパスされた変換器の台数が所定数に達すると、電力変換装置の運転が停止してしまう。このように、異常の発生した変換器のバイパスは、主回路部の動作の安定性の低下や、電力変換装置の運転停止による運用性の低下の要因となってしまう可能性がある。このため、複数台の変換器を直列に接続した電力変換装置においては、安定性及び運用性の向上が望まれている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【文献】特開２０１９－１４０７３８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

本発明の実施形態は、安定性及び運用性を向上させることが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】

【0008】

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、前記複数のスイッチング素子のオン状態及びオフ状態を切り替える駆動回路と、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、前記駆動回路は、前記電荷蓄積素子の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、前記変換器を前記バイパス状態に切り替え、前記制御装置は、前記バイパス状態となっている前記変換器の数が所定数に達していない場合は、前記主回路部による電力の変換を継続させ、前記駆動回路は、前記バイパス状態に切り替えた後、前記複数のスイッチング素子の健全性の確認を行い、前記複数のスイッチング素子が健全であると確認した場合に、前記変換器の前記バイパス状態を解除し、前記複数のスイッチング素子は、一対の主端子と、制御端子と、を有し、前記駆動回路は、前記制御端子の電圧が正常か否かを確認することにより、前記複数のスイッチング素子の健全性を確認する電力変換装置が提供される。

【発明の効果】

【0009】

安定性及び運用性を向上させることができる電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【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】変換器の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。

【図4】変換器の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。

【図5】変換器の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。

【図6】第２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7】変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。

【図8】変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。

【図9】変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。

【0011】

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。

【0012】

（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。

【0013】

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。

【0014】

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。また、この例では、交流電力系統２を交流回路、各直流送電線３、４を直流回路として示している。交流回路は、例えば、交流負荷や交流電力源などでもよい。直流回路は、例えば、直流負荷や直流電力源などでもよい。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【0021】

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。

【0022】

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。

【0023】

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。

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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、電荷蓄積素子６０と、一対の接続端子６１、６２と、駆動回路６４と、主回路給電回路６６と、伝送回路６８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６１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６２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６１、６２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６１、６２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】

伝送回路６８は、例えば、信号線２６を介して制御装置１４と通信を行う。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を介して伝送回路６８に送信する。伝送回路６８は、入力された制御信号を駆動回路６４に入力する。

【0047】

駆動回路６４は、各スイッチング素子４１、４２の制御端子に接続されている。駆動回路６４は、伝送回路６８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、４２のオン状態及びオフ状態を切り替える。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６４及び伝送回路６８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。

【0049】

電荷蓄積素子６０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６０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６０の電圧が各接続端子６１、６２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６１、６２間が導通し、各接続端子６１、６２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６０の電圧を各接続端子６１、６２間に出力する出力状態と、各接続端子６１、６２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。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の下側のスイッチング素子４１をオン状態とすることにより、バイパス状態とする。

【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６１、６２間の電圧が決まる。例えば、接続端子６２から接続端子６１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６１、６２間の電圧は、実質的にゼロになる。反対に、接続端子６１から接続端子６２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６０が充電され、各接続端子６１、６２間には、電荷蓄積素子６０の電圧が現れる。

【0054】

主回路給電回路６６は、電荷蓄積素子６０に対して並列に接続されている。主回路給電回路６６は、電荷蓄積素子６０に蓄積された電荷を基に、駆動回路６４及び伝送回路６８の駆動電源を生成し、生成した駆動電源を駆動回路６４及び伝送回路６８に供給する。駆動回路６４及び伝送回路６８は、主回路給電回路６６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６４及び伝送回路６８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６０とは別の電源から駆動回路６４及び伝送回路６８に対して給電を行ってもよい。駆動回路６４及び伝送回路６８への給電方式は、駆動回路６４及び伝送回路６８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】

駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧の検出を行い、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、保護動作を行う。駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替える。

【0057】

例えば、駆動回路６４の異常や制御装置１４との通信異常などにより、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などに、電荷蓄積素子６０の電圧が上昇又は低下してしまう場合がある。こうした電荷蓄積素子６０の電圧の上昇は、スイッチング素子４１、４２や電荷蓄積素子６０などの変換器ＣＥＬの各部の故障の要因となってしまう。電荷蓄積素子６０の電圧の低下は、変換器ＣＥＬの各部の動作不良などの要因となってしまう。

【0058】

このため、駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、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６０の電圧の上昇による変換器ＣＥＬの故障や電荷蓄積素子６０の電圧の低下による変換器ＣＥＬの動作不良などを抑制することができる。

【0059】

なお、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上か否か及び下限値以下か否かの判定は、電荷蓄積素子６０の直流電圧を駆動回路６４に直接的に入力することにより、駆動回路６４で行ってもよいし、電荷蓄積素子６０の直流電圧を検出する別の電圧検出回路などで行ってもよい。例えば、別の電圧検出回路で電荷蓄積素子６０の直流電圧を検出し、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下となった際に、電圧検出回路から駆動回路６４に検出信号を入力することにより、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下であることを駆動回路６４で検出できるようにしてもよい。

【0060】

駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた際に、バイパス状態であることを表すバイパス信号を制御装置１４に送信する。

【0061】

制御装置１４は、バイパス信号を受信した際、及び複数の変換器ＣＥＬのいずれかとの通信に異常が発生していることを検出した際に、同一アーム部内においてバイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達したか否かの判定を行う。制御装置１４は、例えば、正常であれば変換器ＣＥＬから信号が入力されるタイミングにおいても、変換器ＣＥＬからの信号の入力が無い場合に、その変換器ＣＥＬとの間の通信の異常を検出する。

【0062】

制御装置１４は、所定数に達していないと判定した場合には、同一アーム部内の残りの変換器ＣＥＬで主回路部１２による電力の変換を継続する。一方、制御装置１４は、所定数に達したと判定した場合には、主回路部１２による電力の変換を停止させる。

【0063】

このように、電力変換装置１０では、直列に接続された複数の変換器ＣＥＬのいずれかに異常が発生した際にも、同一アーム部内においてバイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達するまでは、異常の発生した変換器ＣＥＬをバイパス状態にすることで、運転を継続することができる。これにより、運用性を向上させることができる。

【0064】

各接続端子６１、６２間を導通させたバイパス状態では、電荷蓄積素子６０の直流電圧が徐々に低下していく。駆動回路６４は、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以下になった際に、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行う。所定値は、例えば、上限値（過電圧の閾値）と同じである。所定値は、上限値とは別の専用の閾値でもよい。所定値は、例えば、上限値よりも低い値に設定される。これにより、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧を所定値以下と判定した後、再び上限値以上と判定してしまうことを抑制することができる。但し、所定値は、上限値よりも高い値に設定してもよい。所定値は、電荷蓄積素子６０の直流電圧に対して設定される任意の値でよい。

【0065】

また、駆動回路６４は、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧が下限値以下になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以上になった際に、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行う。所定値は、例えば、下限値（低電圧の閾値）と同じである。所定値は、下限値とは別の専用の閾値でもよい。所定値は、例えば、下限値よりも高い値に設定される。これにより、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧を所定値以上と判定した後、再び下限値以下と判定してしまうことを抑制することができる。但し、所定値は、下限値よりも低い値に設定してもよい。所定値は、電荷蓄積素子６０の直流電圧に対して設定される任意の値でよい。

【0066】

なお、駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が下限値以下になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた場合には、例えば、変換器ＣＥＬを一時的に出力状態に切り替えるなど、電荷蓄積素子６０を充電するための動作を行ってもよい。

【0067】

駆動回路６４は、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性を確認するための確認回路７０を有する。確認回路７０は、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧を基に、スイッチング素子４１、４２の健全性を確認する。確認回路７０は、より詳しくは、スイッチング素子４１、４２の制御端子と低電位側の主端子との間の電圧を基に、スイッチング素子４１、４２の健全性を確認する。例えば、スイッチング素子４１、４２がＩＧＢＴである場合、確認回路７０は、ゲート・エミッタ間の電圧を基に、スイッチング素子４１、４２の健全性を確認する。

【0068】

駆動回路６４は、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以下になった際に、変換器ＣＥＬのバイパス状態から停止状態への切り替えを行う。同様に、駆動回路６４は、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧が下限値以上になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以上になった際に、変換器ＣＥＬのバイパス状態から停止状態への切り替えを行う。

【0069】

例えば、制御端子に負バイアス（負電圧）を印加してスイッチング素子４１、４２をオフ状態にした際に、スイッチング素子４１、４２が健全である場合には、スイッチング素子４１、４２の制御端子に負バイアスが現れる。一方、スイッチング素子４１、４２が短絡故障を起こしている場合には、制御端子に負バイアスを印加したとしても、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧は、実質的に０Ｖである。換言すれば、スイッチング素子４１、４２が短絡故障を起こしている場合には、制御端子に負バイアスを印加したとしても、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧の絶対値は、負バイアスの電圧の絶対値よりも小さくなる。

【0070】

確認回路７０は、駆動回路６４がスイッチング素子４１、４２の制御端子に負バイアスを印加し、変換器ＣＥＬのバイパス状態から停止状態への切り替えを行った後、制御端子の電圧が負バイアスとなった際に、スイッチング素子４１、４２を健全と判断する。そして、確認回路７０は、駆動回路６４がスイッチング素子４１、４２の制御端子に負バイアスを印加し、変換器ＣＥＬのバイパス状態から停止状態への切り替えを行った後、制御端子の電圧が実質的に０Ｖである際（制御端子の電圧の絶対値が負バイアスの電圧の絶対値よりも小さい際）に、スイッチング素子４１、４２を異常と判断する。これにより、駆動回路６４において、スイッチング素子４１、４２の健全性を確認することができる。このように、駆動回路６４は、例えば、複数のスイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧が正常か否かを確認することにより、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性を確認する。

【0071】

図３は、変換器の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。
図３に表したように、変換器ＣＥＬの駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上か否か又は下限値以下か否かを判定する（図３のステップＳ１０１）。電荷蓄積素子６０の直流電圧が下限値よりも大きく上限値よりも小さい範囲内にある場合には、駆動回路６４は、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・オフを制御し、電力の変換を行う。

【0072】

駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった際に、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替える（図３のステップＳ１０２）。これにより、電荷蓄積素子６０やスイッチング素子４１、４２などの故障、あるいは変換器ＣＥＬの動作不良などを抑制することができる。

【0073】

駆動回路６４は、バイパス状態への切り替えを行った場合、バイパス状態であることを表すバイパス信号を、伝送回路６８などを介して制御装置１４に送信する（図３のステップＳ１０３）。

【0074】

制御装置１４は、バイパス信号を受信すると、同一アーム部内においてバイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達したか否かの判定を行う。制御装置１４は、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達した場合は、主回路部１２による電力の変換を停止させる。制御装置１４は、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達していない場合は、バイパス状態となった変換器ＣＥＬを制御の対象から外し、同一アーム部内の残りの変換器ＣＥＬで主回路部１２による電力の変換を継続する。この場合、制御装置１４は、例えば、バイパス状態となった変換器ＣＥＬへの制御信号の送信を停止する。また、この場合、制御装置１４は、例えば、バイパス状態となった変換器ＣＥＬの影響を抑制できるように、バイパス状態の変換器ＣＥＬが無い場合と比べて、残りの変換器ＣＥＬの制御の態様を変化させてもよい。

【0075】

駆動回路６４は、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が適正か否かを判定する（図３のステップＳ１０４）。すなわち、駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上で変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた場合は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以下か否かを判定し、電荷蓄積素子６０の直流電圧が下限値以下で変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた場合は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以上か否かを判定する。

【0076】

駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が適正ではない場合には、変換器ＣＥＬのバイパス状態を継続する。一方、駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が適正である場合には、変換器ＣＥＬをバイパス状態から停止状態に切り替える（図３のステップＳ１０５）。すなわち、駆動回路６４は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上で変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以下となった場合、あるいは、電荷蓄積素子６０の直流電圧が下限値以下で変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以上となった場合に、変換器ＣＥＬをバイパス状態から停止状態に切り替える。

【0077】

駆動回路６４の確認回路７０は、変換器ＣＥＬが停止状態に切り替えられた後、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧が負バイアスであるか、実質的に０Ｖであるかを確認する（図３のステップＳ１０６）。

【0078】

駆動回路６４は、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧が実質的に０Ｖである場合には、スイッチング素子４１、４２が短絡故障などを起こしていると判断し、変換器ＣＥＬを停止状態から再びバイパス状態に切り替える（図３のステップＳ１０７）。

【0079】

駆動回路６４は、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧が負バイアスである場合には、スイッチング素子４１、４２が健全であると判断し、バイパス状態を解除する（図３のステップＳ１０８）。駆動回路６４は、スイッチング素子４１、４２が健全であると判断した場合に、例えば、バイパス状態の解除を制御装置１４に依頼するためのバイパス解除依頼を、伝送回路６８などを介して制御装置１４に送信する。

【0080】

制御装置１４は、バイパス解除依頼を受信すると、該当する変換器ＣＥＬを制御の対象に復帰させる。制御装置１４は、例えば、該当する変換器ＣＥＬを制御の対象に復帰させた後、該当する変換器ＣＥＬへの制御信号の送信を再開する。駆動回路６４は、例えば、制御装置１４からの制御信号の入力に応じて、バイパス状態を解除し、制御信号に基づく各スイッチング素子４１、４２のオン・オフの制御を再開する。

【0081】

なお、バイパス状態の解除は、制御装置１４に限ることなく、変換器ＣＥＬの駆動回路６４や確認回路７０などで行ってもよい。例えば、変換器ＣＥＬがバイパス状態になった後にも、制御装置１４から該当する変換器ＣＥＬへの制御信号の送信を継続する。この場合には、スイッチング素子４１、４２が健全であると確認された際に、変換器ＣＥＬの駆動回路６４や確認回路７０で変換器ＣＥＬのバイパス状態を解除し、制御装置１４から入力される制御信号に基づいてスイッチング素子４１、４２の制御を再開することができる。また、この場合には、例えば、バイパス状態を解除したことを表すバイパス解除信号などを制御装置１４に送信し、バイパス状態の解除を制御装置１４に通知する。このように、制御装置１４は、バイパス信号を受信した際に、必ずしもバイパス状態となった変換器ＣＥＬを制御の対象から外さなくてもよい。制御装置１４は、例えば、バイパス信号を受信した際にも、バイパス信号を受信していない場合と同様に各変換器ＣＥＬの制御信号の生成を行い、生成した制御信号を各変換器ＣＥＬに送信してもよい。この場合には、バイパス状態となった変換器ＣＥＬ側において、制御信号が入力された際にも、バイパス状態を継続するようにすればよい。

【0082】

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が適正な値に戻った際に、駆動回路６４が、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行う。そして、複数のスイッチング素子４１、４２が健全であると確認された場合に、駆動回路６４が、変換器ＣＥＬのバイパス状態を解除する。

【0083】

これにより、直列に接続された複数台の変換器ＣＥＬの中で、バイパスされた変換器ＣＥＬの台数が増え、主回路部１２の動作の安定性が低下してしまったり、電力変換装置１０の運転停止により、電力変換装置１０の運用性が低下してしまったりすることを抑制することができる。従って、安定性及び運用性を向上させた電力変換装置１０を提供することができる。

【0084】

図４は、変換器の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。
図４のステップＳ２０１～Ｓ２０７は、図３に関して説明したステップＳ１０１～Ｓ１０７と同様であるから、詳細な説明は省略する。

【0085】

図４に表したように、この例において、駆動回路６４は、スイッチング素子４１、４２の制御端子の電圧が負バイアスであることを確認した後、複数のスイッチング素子４１、４２の動作の確認を行う（図４のステップＳ２０８）。

【0086】

駆動回路６４は、例えば、スイッチング素子４１のオン状態及びオフ状態の切り替えを行い、スイッチング素子４１の制御端子の電圧を基に、スイッチング素子４１が正常に動作するか否かを確認する。駆動回路６４は、例えば、スイッチング素子４１のオフ状態からオン状態への切り替えに応じて、制御端子の電圧が負バイアスから実質的に０Ｖに切り替わり、スイッチング素子４１のオン状態からオフ状態への切り替えに応じて、制御端子の電圧が実質的に０Ｖから負バイアスに切り替わった際に、スイッチング素子４１が正常に動作していると判断する。駆動回路６４は、例えば、スイッチング素子４１のオン状態及びオフ状態の切り替えを行った際にも、制御端子の電圧が適切に変化しなかった際に、スイッチング素子４１が正常に動作していないと判断する。

【0087】

駆動回路６４は、同様に、スイッチング素子４２のオン状態及びオフ状態の切り替えを行い、スイッチング素子４２の制御端子の電圧を基に、スイッチング素子４２が正常に動作するか否かを確認する。なお、上側の素子であるスイッチング素子４２をオン状態に切り替えると、電荷蓄積素子６０の電圧が上昇する。従って、スイッチング素子４２は、電荷蓄積素子６０が過電圧にならない程度の短時間のみオン状態に切り替える。

【0088】

駆動回路６４は、スイッチング素子４１、４２のいずれかが正常に動作していないことを確認した場合には、変換器ＣＥＬを停止状態から再びバイパス状態に切り替える。

【0089】

一方、駆動回路６４は、スイッチング素子４１、４２が正常に動作していることを確認した場合には、スイッチング素子４１、４２が健全であると判断し、バイパス状態を解除する（図４のステップＳ２０９）。駆動回路６４は、例えば、バイパス状態の解除を制御装置１４に依頼するためのバイパス解除依頼を、伝送回路６８などを介して制御装置１４に送信し、制御装置１４からの制御信号の入力に応じて、バイパス状態を解除する。

【0090】

このように、駆動回路６４は、変換器ＣＥＬを停止状態に切り替えた際の制御端子の電圧が正常か否かを確認した後、さらにスイッチング素子４１、４２の動作の確認を行うことにより、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性を確認してもよい。これにより、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性をより適切に確認することができる。

【0091】

図５は、変換器の動作の変形例を模式的に表すフローチャートである。
図５のステップＳ３０１～Ｓ３０３は、図３に関して説明したステップＳ１０１～Ｓ１０３と同様であるから、詳細な説明は省略する。

【0092】

図５に表したように、この例において、駆動回路６４は、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後、バイパス状態への切り替えのタイミングから所定時間が経過したか否かを判定する（図５のステップＳ３０４）。所定時間は、例えば、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になった後、適正な範囲内に戻ると考えられる時間に設定される。

【0093】

駆動回路６４は、所定時間が経過していない場合には、変換器ＣＥＬのバイパス状態を継続する。一方、駆動回路６４は、所定時間が経過した場合には、変換器ＣＥＬをバイパス状態から停止状態に切り替える（図５のステップＳ３０５）。以下、図５のステップＳ３０６～Ｓ３０８は、図３に関して説明したステップＳ１０６～Ｓ１０８と同様であるから、詳細な説明は省略する。

【0094】

このように、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後の、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認は、電荷蓄積素子６０の直流電圧が適正な値に戻った際に限ることなく、バイパス状態への切り替えのタイミングから所定時間が経過した際に行ってもよい。

【0095】

駆動回路６４が、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行うタイミングは、上記に限ることなく、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた後の任意のタイミングでよい。但し、上記のように、電荷蓄積素子６０の直流電圧が適正な値に戻った際、あるいはバイパス状態への切り替えのタイミングから所定時間が経過した際に、複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行うことにより、適切なタイミングで変換器ＣＥＬのバイパス状態の解除などを行うことができる。例えば、変換器ＣＥＬのバイパス状態を解除した後、すぐにバイパス状態に戻ってしまうことなどを抑制することができる。

【0096】

（第２の実施形態）
図６は、第２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６に表したように、電力変換装置１０ａは、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂの２台の制御装置１４を備えている。なお、上記第１の実施形態と機能・構成上実質的に同じものについては、同符号を付し、詳細な説明は省略する。

【0097】

第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂは、主回路部１２と接続されている。第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂ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による交流電力から直流電力への変換、及び、直流電力から交流電力への変換を制御する。

【0098】

各変換器ＣＥＬは、信号線２６を介して第１制御装置１４ａと接続される。また、各変換器ＣＥＬは、信号線２７を介して第２制御装置１４ｂと接続される。第１制御装置１４ａは、信号線２６を介して各変換器ＣＥＬに制御信号を入力することにより、各変換器ＣＥＬの動作を制御する。第２制御装置１４ｂは、信号線２７を介して各変換器ＣＥＬに制御信号を入力することにより、各変換器ＣＥＬの動作を制御する。

【0099】

このように、電力変換装置１０ａは、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂのいずれかで主回路部１２の動作を制御する。すなわち、電力変換装置１０ａは、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂを冗長構成としている。

【0100】

電力変換装置１０ａは、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂの一方を運転系の制御装置とし、他方を待機系の制御装置とする。運転系の制御装置とは、主回路部１２の動作を実際に制御する制御装置である。待機系の制御装置とは、運転系の制御装置の故障やメンテナンスの際などに、運転系の制御装置に代わって主回路部１２の動作を制御する予備の制御装置である。電力変換装置１０ａは、故障やメンテナンスなどに応じて、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂの運転系と待機系とを切り替える。すなわち、第１制御装置１４ａが運転系の場合には、第２制御装置１４ｂが待機系となり、第２制御装置１４ｂが運転系の場合には、第１制御装置１４ａが待機系となる。これにより、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂの一方が故障などを起こした場合にも、他方を用いて主回路部１２の運転を継続することができ、電力変換装置１０ａの信頼性や運用性を向上させることができる。

【0101】

また、電力変換装置１０ａでは、例えば、運転系の制御装置が正常に動作している間も、待機系の制御装置を運転系の制御装置と同期して動作させる。第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂは、それぞれ制御信号を主回路部１２に入力する。主回路部１２は、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂのうち、運転系の制御装置の制御信号に基づいて動作する。すなわち、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂにおいて、待機系の制御装置は、いわゆるホットスタンバイで動作する。これにより、運転系の制御装置に故障などが発生した場合に、即座に待機系の制御装置に切り替えることができる。運転系の制御装置から待機系の制御装置への切り替えの際に、主回路部１２の動作が停止してしまうことを抑制し、電力変換装置１０ａにおいて、より安定した動作を得ることができる。

【0102】

第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂは、例えば、ネットワークなどを介して上位のコントローラと通信を行い、上位のコントローラから入力される指令値などに基づいて主回路部１２の動作を制御する。また、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂは、例えば、互いに通信を行い、運転系の制御装置の動作に待機系の制御装置の動作を同期させるとともに、互いの動作状況の確認を行う。なお、第１制御装置１４ａと第２制御装置１４ｂとの間の通信は、有線でもよいし、無線でもよい。

【0103】

各変換器ＣＥＬは、電荷蓄積素子６０の直流電圧が上限値以上又は下限値以下になり、変換器ＣＥＬをバイパス状態に切り替えた際に、バイパス状態であることを表すバイパス信号を第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂのそれぞれに送信する。

【0104】

この際、各変換器ＣＥＬは、バイパス状態となった要因が、運転系の制御装置との通信異常による通信関連バイパスであるのか、運転系の制御装置との通信異常とは異なる要因による非通信関連バイパスであるのか、を表す要因情報をバイパス信号に含める。

【0105】

第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂは、バイパス信号を受信した際、及び複数の変換器ＣＥＬのいずれかとの通信に異常が発生していることを検出した際に、同一アーム部内においてバイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達したか否かの判定を行う。

【0106】

運転系の制御装置は、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達していない場合は、例えば、バイパス状態となった変換器ＣＥＬを制御の対象から外し、同一アーム部内の残りの変換器ＣＥＬで主回路部１２による電力の変換を継続する。なお、第１の実施形態に関して説明したように、運転系の制御装置は、必ずしもバイパス状態となった変換器ＣＥＬを制御の対象から外さなくてもよい。

【0107】

一方、運転系の制御装置は、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達した場合は、例えば、待機系の制御装置と通信を行うことにより、待機系の制御装置において非通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬの数が所定数に達していないか否かを確認する。換言すれば、運転系の制御装置は、待機系の制御装置において通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬが認識されているか否かを確認する。

【0108】

運転系の制御装置は、待機系の制御装置において非通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬの数が所定数に達していることを確認した場合には、主回路部１２による電力の変換を停止させる。

【0109】

一方、運転系の制御装置は、待機系の制御装置において非通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬの数が所定数に達していないことを確認した場合には、運転系の制御装置と待機系の制御装置との系切替を実施する。

【0110】

このように、運転系の制御装置は、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達した際に、待機系の制御装置において運転を継続可能である場合には、運転系の制御装置と待機系の制御装置との切り替えを行う。

【0111】

待機系の制御装置は、系切替が行われ、運転系の制御装置に切り替わった後、同一アーム部内の残りの変換器ＣＥＬで主回路部１２による電力の変換を継続するとともに、通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬと通信を行うことにより、通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬに複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行わせる。

【0112】

この際、待機系であった制御装置においても該当する通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬの全てと通信を行うことができなかった場合には、制御装置は、主回路部１２による電力の変換を停止させる。制御装置は、通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬの一部と通信を行うことができなかった場合には、通信を行うことができなかった変換器ＣＥＬのバイパス状態を継続させ、同一アーム部内においてバイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達したか否かの判定を行う。制御装置は、所定数に達していると判定した場合には、主回路部１２による電力の変換を停止させる。そして、制御装置は、所定数に達していないと判定した場合には、通信関連バイパスによってバイパス状態となった通信可能な変換器ＣＥＬに複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行わせる。

【0113】

通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬは、制御装置からの指示に応じて複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認を行う。複数のスイッチング素子４１、４２の健全性の確認の方法は、図３に表した方法でもよいし、図４や図５に表した方法でもよい。変換器ＣＥＬは、複数のスイッチング素子４１、４２が正常に動作していることを確認した場合には、バイパス状態を解除する。変換器ＣＥＬは、複数のスイッチング素子４１、４２が正常に動作していることを確認した場合に、例えば、バイパス解除依頼を、現在の運転系の制御装置に送信する。

【0114】

運転系の制御装置は、バイパス解除依頼を受信すると、例えば、該当する変換器ＣＥＬを制御の対象に復帰させる。

【0115】

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０ａでは、第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂの２台の制御装置１４を備えることにより、通信異常によって変換器ＣＥＬがバイパス状態になってしまった場合にも、待機系の制御装置への切り替えを行うことで、運転を継続することが可能となる。

【0116】

これにより、直列に接続された複数台の変換器ＣＥＬの中で、バイパスされた変換器ＣＥＬの台数が増え、主回路部１２の動作の安定性が低下してしまったり、電力変換装置１０ａの運転停止により、電力変換装置１０ａの運用性が低下してしまったりすることをより確実に抑制することができる。従って、安定性及び運用性をより向上させた電力変換装置１０ａを提供することができる。

【0117】

なお、上記の例では、運転系の制御装置が、待機系の制御装置において非通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬの数が所定数に達していないことを確認した場合に、運転系の制御装置と待機系の制御装置との系切替を実施している。これに限ることなく、例えば、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達した場合は、運転系の制御装置が、待機系の制御装置と通信を行うことにより、待機系の制御装置においてバイパス解除依頼を受信しているか否かを確認し、バイパス解除依頼を受信している場合に、系切替を実施してもよい。

【0118】

例えば、通信関連バイパスによってバイパス状態となった変換器ＣＥＬがある場合には、運転系の制御装置においてバイパス状態となった変換器ＣＥＬの数が所定数に達した際に、待機系の制御装置においては該当する変換器ＣＥＬから既にバイパス解除依頼を受信している可能性がある。このような場合には、上記のように、待機系の制御装置においてバイパス解除依頼を受信しているか否かを確認し、バイパス解除依頼を受信している場合に、系切替を実施してもよい。

【0119】

このように、バイパス状態となっている変換器ＣＥＬの数が所定数に達した際に、待機系の制御装置において運転を継続可能であるか否かを確認する方法は、上記に限ることなく、待機系の制御装置において運転を継続可能であるか否かを適切に確認可能な任意の方法でよい。

【0120】

図７は、変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図７に表したように、変換器ＣＥＬａは、別のスイッチング素子７２をさらに有する。なお、変換器ＣＥＬａは、上記第１の実施形態及び第２の実施形態のいずれにおいても変換器ＣＥＬに置き換えて用いることができる。

【0121】

スイッチング素子７２は、一対の接続端子６１、６２の間に設けられる。変換器ＣＥＬａでは、スイッチング素子７２をオン状態とすることにより、変換器ＣＥＬａをバイパス状態とすることができる。スイッチング素子７２は、いわゆるバイパススイッチである。

【0122】

スイッチング素子７２のオン状態及びオフ状態は、駆動回路６４によって切り替えられる。駆動回路６４は、スイッチング素子７２のオン状態を継続することによって、変換器ＣＥＬａをバイパス状態にする。スイッチング素子７２は、例えば、サイリスタ素子である。スイッチング素子７２は、例えば、接続端子６１から接続端子６２に向かう方向において、一対の接続端子６１、６２間を導通させる。但し、スイッチング素子７２は、サイリスタ素子に限ることなく、一対の接続端子６１、６２間を導通させることが可能な任意のスイッチング素子でよい。

【0123】

このように、変換器ＣＥＬａは、出力状態と停止状態とを切り替えるスイッチング素子４１、４２とは別のスイッチング素子７２によってバイパス状態に切り替える構成としてもよい。変換器ＣＥＬａの構成は、複数のスイッチング素子のスイッチングにより、電荷蓄積素子６０の電圧を一対の接続端子６１、６２間に出力する出力状態と、電荷蓄積素子６０の電圧の一対の接続端子６１、６２間への出力を停止した停止状態と、一対の接続端子６１、６２間を導通させたバイパス状態と、を切り替え可能な任意の構成でよい。

【0124】

図８は、変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図８に表したように、変換器ＣＥＬｂは、スイッチング素子４３、４４と、整流素子５３、５４と、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。なお、変換器ＣＥＬｂは、上記第１の実施形態及び第２の実施形態のいずれにおいても変換器ＣＥＬに置き換えて用いることができる。

【0125】

スイッチング素子４４の一対の主端子は、スイッチング素子４３の一対の主端子に対して直列に接続される。また、スイッチング素子４３及びスイッチング素子４４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６０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とともに、スイッチング素子４３及びスイッチング素子４４に対して並列に接続される。

【0126】

整流素子５３は、スイッチング素子４３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５４は、スイッチング素子４４の一対の主端子に対して逆並列に接続されている。

【0127】

変換器ＣＥＬｂの接続端子６１は、スイッチング素子４１とスイッチング素子４２との間に接続されている。接続端子６２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６２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。すなわち、この例において、各スイッチング素子４１～４４は、フルブリッジ接続されている。変換器ＣＥＬｂは、フルブリッジ回路である。なお、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬｂは、上記第１の実施形態及び第２の実施形態のいずれにおいても変換器ＣＥＬに置き換えて用いることができる。

【0128】

駆動回路６４は、制御装置１４、あるいは第１制御装置１４ａ及び第２制御装置１４ｂから入力される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。

【0129】

このように、ＭＭＣ型の主回路部１２に用いられる変換器は、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。

【0130】

フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬｂでは、スイッチング素子４２及びスイッチング素子４３をオン状態にし、スイッチング素子４１及びスイッチング素子４４をオフ状態にした場合に、各接続端子６１、６２間に＋Ｖｃが出力される。

【0131】

スイッチング素子４１及びスイッチング素子４４をオン状態にし、スイッチング素子４２及びスイッチング素子４３をオフ状態にした場合に、各接続端子６１、６２間に－Ｖｃが出力される。

【0132】

そして、スイッチング素子４１及びスイッチング素子４３をオン状態にし、スイッチング素子４２及びスイッチング素子４４をオフ状態にした場合、または、スイッチング素子４２及びスイッチング素子４４をオン状態にし、スイッチング素子４１及びスイッチング素子４３をオフ状態にした場合に、各接続端子６１、６２間に実質的に０Ｖが出力される。

【0133】

このように、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬｂでは、オン・オフする各スイッチング素子４１～４４の組み合わせによって、＋Ｖｃ、０、－Ｖｃの３レベルの電力を出力することができる。

【0134】

この変換器ＣＥＬｂでは、例えば、＋Ｖｃを出力する状態が第１出力状態であり、－Ｖｃを出力する状態が第２出力状態であり、０Ｖを出力する状態がバイパス状態であり、各スイッチング素子４１～４４をオフ状態とした状態が停止状態である。変換器ＣＥＬｂ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のうちの上側の２つのスイッチング素子４２、４４又は下側の２つのスイッチング素子４１、４３をオン状態とすることにより、バイパス状態とする。この変換器ＣＥＬｂの各状態の切り替えは、例えば、制御信号を３レベルに対応する三値の信号とすることで実現可能である。

【0135】

フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬｂにおいても、ハーフブリッジ回路の変換器と同様に、変換器ＣＥＬｂをバイパス状態に切り替えた後、電荷蓄積素子６０の直流電圧が所定値以下になった際に、複数のスイッチング素子４１～４４の健全性の確認を行い、複数のスイッチング素子４１～４４が健全であると確認された場合に、該当する変換器ＣＥＬｂを制御の対象に復帰させることにより、電力変換装置の安定性及び運用性を向上させることができる。

【0136】

図９は、変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。
図９に表したように、変換器ＣＥＬｃは、別のスイッチング素子７４をさらに有する。なお、変換器ＣＥＬｃは、上記第１の実施形態及び第２の実施形態のいずれにおいても変換器ＣＥＬに置き換えて用いることができる。

【0137】

スイッチング素子７４は、一対の接続端子６１、６２の間に設けられる。変換器ＣＥＬｃでは、スイッチング素子７４をオン状態とすることにより、変換器ＣＥＬｃをバイパス状態とすることができる。スイッチング素子７４は、いわゆるバイパススイッチである。

【0138】

スイッチング素子７４のオン状態及びオフ状態は、駆動回路６４によって切り替えられる。駆動回路６４は、スイッチング素子７４のオン状態を継続することによって、変換器ＣＥＬｃをバイパス状態にする。

【0139】

このように、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬｃにおいて、スイッチング素子７４を設けることにより、スイッチング素子７４によってバイパス状態に切り替える構成としてもよい。

【0140】

スイッチング素子７４は、例えば、双方向サイリスタ素子である。スイッチング素子７４は、例えば、接続端子６１から接続端子６２に向かう方向、及び接続端子６２から接続端子６１に向かう方向の双方向において、一対の接続端子６１、６２間を導通させる。但し、スイッチング素子７４は、双方向サイリスタ素子に限ることなく、接続端子６１から接続端子６２に向かう方向、及び接続端子６２から接続端子６１に向かう方向の双方向に一対の接続端子６１、６２間を導通させることが可能な任意のスイッチング素子でよい。

【0141】

上記各実施形態では、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、ＭＶ（Medium Voltage）型の電力変換器など、複数の変換器ＣＥＬを直列に接続する他の方式の電力変換器でもよい。

【0142】

電力変換装置は、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。電力変換装置による交直変換は、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。

【0143】

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】

【0144】

２…交流電力系統、 ３、４…直流送電線、 ６…変圧器、 １０、１０ａ…電力変換装置、 １２…主回路部、 １４…制御装置、 １４ａ…第１制御装置、 １４ｂ…第２制御装置、 ２０ａ、２０ｂ…直流端子、 ２１ａ～２１ｃ…第１～第３交流端子、 ２２ａ～２２ｆ…第１～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…電圧検出器、 ２６、２７…信号線、 ４１～４４…スイッチング素子、 ５１～５４…整流素子、 ６０…電荷蓄積素子、 ６１、６２…接続端子、 ６４…駆動回路、 ６６…主回路給電回路、 ６８…伝送回路、 ７０…確認回路、 ７２、７４…スイッチング素子、 ＣＥＬ、ＣＥＬａ～ＣＥＬｃ…変換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】