JP2021016261A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】運転系と待機系との切り替えを行う場合にも、主回路部の動作の停止を抑制できる電力変換装置を提供する。【解決手段】複数のスイッチング素子のオン・オフによって交直変換を行う主回路部と、主回路部の動作を制御する第１及び第２制御装置と、を備え、第１及び第２制御装置は、一方を運転系、他方を待機系とし、主回路部は、運転系の制御信号に基づいて複数のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路を有し、第１及び第２制御装置は、運転系と待機系とを切り替える場合に、第１選択信号及び第２選択信号の双方を運転状態とするオーバーラップ期間を設け、制御回路は、オーバーラップ期間において、第１制御信号と第２制御信号とが同じ状態となった際に、運転系と待機系とを切り替える電力変換装置が提供される。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

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、制御装置を待機２重系で構成することが行われている。すなわち、運転系の制御装置と待機系の制御装置との２つの制御装置を設け、運転系の制御装置に異常などが発生した際に、待機系の制御装置に切り替えられるようにする。これにより、電力変換装置において、より安定した動作を得ることができる。

また、制御装置を待機２重系で構成する場合に、待機系の制御装置をホットスタンバイ構成とすることも検討されている。ホットスタンバイ構成では、運転系の制御装置及び待機系の制御装置が、主回路部の動作を制御するための制御信号と、運転系の制御信号を選択するための選択信号と、をそれぞれ主回路部に送信し、主回路部側で制御信号を選択させる。これにより、運転系の制御装置に異常などが発生した際に、即座に待機系の制御装置に切り替えることが可能になり、電力変換装置の動作をより安定させることができる。

待機系の制御装置をホットスタンバイ構成とする場合には、制御量の合わせ込みや制御信号を生成するためのキャリア波形の同期などを運転系の制御装置と行い、運転系と待機系のそれぞれの制御信号がほぼ一致するようにする。

しかしながら、制御信号を生成する回路の個体差や制御信号の伝送遅延などにより、運転系と待機系との制御信号は、完全には一致せず、誤差が発生する。この誤差のため、運転系の制御信号と待機系の制御信号との切り替えを瞬時に行うと、不要なジッタパルスが発生して不要なスイッチングを行ってしまう可能性などが生じてしまう。従って、運転系の制御信号と待機系の制御信号とを切り替える場合には、一時的に主回路部の動作を停止させる必要がある。一方で、運転系と待機系との切り替えのために主回路部の動作を停止させると、主回路部の出力に外乱が発生してしまう。

このため、電力変換装置では、運転系の制御信号と待機系の制御信号との切り替えを行う場合にも、主回路部の動作の停止を抑制できるようにすることが望まれる。

特開２０１１−２４２８７号公報

本発明の実施形態は、運転系の制御信号と待機系の制御信号との切り替えを行う場合にも、主回路部の動作の停止を抑制できる電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオン・オフにより、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の交直変換を行う主回路部と、前記主回路部の動作を制御する第１制御装置と、前記主回路部の動作を制御する第２制御装置と、を備え、前記第１制御装置及び前記第２制御装置は、一方を前記主回路部の動作を実際に制御する運転系とし、他方を前記運転系の予備の待機系とするとともに、前記運転系と前記待機系とを切り替えられるようにし、前記第１制御装置は、前記主回路部の動作を制御するための第１制御信号と、前記運転系及び前記待機系を識別するための第１選択信号と、を前記主回路部に送信し、前記第２制御装置は、前記主回路部の動作を制御するための第２制御信号と、前記運転系及び前記待機系を識別するための第２選択信号と、を前記主回路部に送信し、前記主回路部は、前記第１選択信号及び前記第２選択信号を基に、前記第１制御信号及び前記第２制御信号から前記運転系の制御信号を選択し、選択した前記運転系の前記制御信号に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路を有し、前記第１選択信号及び前記第２選択信号は、前記運転系であることを示す運転状態と、前記待機系であることを示す待機状態と、を有し、前記第１制御装置及び前記第２制御装置は、前記運転系と前記待機系とを切り替える場合に、前記第１選択信号及び前記第２選択信号の双方を前記運転状態とするオーバーラップ期間を設け、前記制御回路は、前記オーバーラップ期間において、前記第１制御信号と前記第２制御信号とが同じ状態となった際に、前記運転系と前記待機系とを切り替える電力変換装置が提供される。

運転系の制御信号と待機系の制御信号との切り替えを行う場合にも、主回路部の動作の停止を抑制できる電力変換装置が提供される。

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。 変換器を模式的に表すブロック図である。 第１制御装置及び第２制御装置を模式的に表すブロック図である。 制御信号生成部の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。 電力変換装置の動作の一例を模式的に表すタイミングチャートである。 電力変換装置の動作の参考例を模式的に表すタイミングチャートである。 変換器の変形例を模式的に表すブロック図である。

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。

図１は、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、第１制御装置１１と、第２制御装置１２と、主回路部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（交流回路）及び一対の直流送電線３、４（直流回路）に接続される。

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１４は、変圧器６を介して交流電力系統２に接続される。変圧器６は、交流電力系統２の交流電力を主回路部１４に対応した交流電力に変換する。変圧器６は、主回路部１４に合わせて交流電力の実効値を変化させる。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１４には、交流電力系統２の交流電力を直接供給してもよい。

電力変換装置１０は、交流電力系統２から供給された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交流電力に変換し、変換後の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。

交流電力系統２の交流電力は、例えば、三相交流電力である。電力変換装置１０は、例えば、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。交流電力系統２の交流電力は、単相交流電力などでもよい。

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。

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。電力変換装置１０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。電力変換装置１０は、交流から直流及び直流から交流の少なくとも一方の交直変換を実行可能であればよい。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。

主回路部１４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１４は、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行う。主回路部１４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１４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１４は、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。

第１制御装置１１及び第２制御装置１２は、主回路部１４と接続されている。第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１４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。

このように、電力変換装置１０は、第１制御装置１１及び第２制御装置１２のいずれかで主回路部１４の動作を制御する。すなわち、電力変換装置１０は、第１制御装置１１及び第２制御装置１２を冗長構成としている。

電力変換装置１０は、第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１４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１４の動作を制御する予備の制御装置である。電力変換装置１０は、故障やメンテナンスなどに応じて、第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１１が運転系の場合には、第２制御装置１２が待機系となり、第２制御装置１２が運転系の場合には、第１制御装置１１が待機系となる。これにより、第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１４の運転を継続することができ、電力変換装置１０の信頼性を向上させることができる。

また、電力変換装置１０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１１及び第２制御装置１２は、それぞれ制御信号を主回路部１４に入力する。主回路部１４は、第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１１及び第２制御装置１２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１４の動作が停止してしまうことを抑制し、電力変換装置１０において、より安定した動作を得ることができる。

第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１４の動作を制御する。また、第１制御装置１１及び第２制御装置１２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１１と第２制御装置１２との間の通信は、有線でもよいし、無線でもよい。

主回路部１４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。

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１４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１４に入力される。

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。

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。

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。

主回路部１４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１４は、３レグ、６アームの三相インバータである。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。

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。

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。

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。

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１４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。

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、電圧検出器２５をさらに有する。

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。

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第１制御装置１１及び第２制御装置１２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Ｉ_ａ１を第１制御装置１１及び第２制御装置１２に入力する。これにより、第１制御装置１１及び第２制御装置１２には、第１アーム部２２ａの電流値Ｉ_ａ１が入力される。

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Ｉ_ａ２を第１制御装置１１及び第２制御装置１２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Ｉ_ａ３を第１制御装置１１及び第２制御装置１２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Ｉ_ａ４を第１制御装置１１及び第２制御装置１２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Ｉ_ａ５を第１制御装置１１及び第２制御装置１２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Ｉ_ａ６を第１制御装置１１及び第２制御装置１２に入力する。

電圧検出器２５は、交流電力系統２の各相の交流電圧（相電圧）を検出し、検出値を第１制御装置１１及び第２制御装置１２に入力する。電圧検出器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。ここで、交流電力系統２の３つの相を、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相とする。電圧検出器２５は、Ｕ相の交流電圧の電圧値Ｖｕを検出して第１制御装置１１及び第２制御装置１２に入力し、Ｖ相の交流電圧の電圧値Ｖｖを検出して第１制御装置１１及び第２制御装置１２に入力し、Ｗ相の交流電圧の電圧値Ｖｗを検出して第１制御装置１１及び第２制御装置１２に入力する。

主回路部１４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。

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。

各変換器ＣＥＬは、信号線２６を介して第１制御装置１１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１２と接続される。第１制御装置１１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。第２制御装置１２は、信号線２７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。

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、第１接続端子３０ａと、第２接続端子３０ｂと、第１スイッチング素子３１と、第２スイッチング素子３２と、電荷蓄積素子３５と、制御回路４０と、駆動回路４１、４２と、を有する。

各スイッチング素子３１、３２のそれぞれは、一対の主端子と、制御端子と、を含む。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３１、３２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。また、各スイッチング素子３１、３２には、例えば、ノーマリオフ型の半導体素子が用いられる。

第２スイッチング素子３２の一対の主端子は、第１スイッチング素子３１の一対の主端子に対して直列に接続される。電荷蓄積素子３５は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２に対して並列に接続される。電荷蓄積素子３５は、例えば、コンデンサである。第１接続端子３０ａは、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２との間に接続される。第２接続端子３０ｂは、第１スイッチング素子３１の第２スイッチング素子３２に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。

また、第１スイッチング素子３１には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子３１ｄが接続されている。整流素子３１ｄの順方向は、第１スイッチング素子３１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、第２スイッチング素子３２には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子３２ｄが接続されている。整流素子３１ｄ、３２ｄは、いわゆる還流ダイオードである。

変換器ＣＥＬに対する電力の供給は、各接続端子３０ａ、３０ｂを介して行われる。変換器ＣＥＬにおいて、各スイッチング素子３１、３２は、ハーフブリッジ接続されている。換言すれば、変換器ＣＥＬは、双方向チョッパである。第１スイッチング素子３１は、いわゆるローサイドスイッチであり、第２スイッチング素子３２は、いわゆるハイサイドスイッチである。

第１スイッチング素子３１の制御端子は、駆動回路４１に接続されている。第２スイッチング素子３２の制御端子は、駆動回路４２に接続されている。駆動回路４１、４２は、制御回路４０に接続されている。制御回路４０は、制御信号を駆動回路４１、４２に入力する。駆動回路４１は、制御回路４０から入力される制御信号に基づいて、第１スイッチング素子３１のオン・オフを切り替える。同様に、駆動回路４２は、制御回路４０から入力される制御信号に基づいて、第２スイッチング素子３２のオン・オフを切り替える。

制御回路４０は、信号線２６を介して第１制御装置１１と接続される。第１制御装置１１は、第１制御信号と第１選択信号とを変換器ＣＥＬの制御回路４０に入力する。第１制御信号は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のオン・オフの切り替えを制御するための信号である。第１選択信号は、第１制御装置１１が運転系か待機系かを識別するための信号である。

また、制御回路４０は、信号線２７を介して第２制御装置１２と接続される。第２制御装置１２は、第２制御信号と第２選択信号とを変換器ＣＥＬの制御回路４０に入力する。第２制御信号は、第１制御信号と同様の信号であり、第２選択信号は、第１選択信号と同様の信号である。

制御回路４０は、選択回路４０ａを有する。制御回路４０は、第１制御装置１１から入力された第１制御信号及び第１選択信号を選択回路４０ａに入力するとともに、第２制御装置１２から入力された第２制御信号及び第２選択信号を選択回路４０ａに入力する。

選択回路４０ａは、入力された第１選択信号及び第２選択信号を基に、第１制御信号及び第２制御信号のどちらが運転系の制御信号かを選択する。そして、選択回路４０ａは、選択した運転系の制御信号を駆動回路４１、４２に入力することにより、運転系の制御信号に基づいて第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のオン・オフの切り替えを制御する。

これにより、運転系の制御信号及び待機系の制御信号を変換器ＣＥＬ側で選択し、運転系の制御装置の制御に基づいて主回路部１４の動作を制御することができる。また、運転系の制御信号と待機系の制御信号とを変換器ＣＥＬ側で容易に切り替えることができる。

図３は、第１制御装置及び第２制御装置を模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、第１制御装置１１は、制御信号生成部５０と、選択信号生成部５２と、同期制御部５４と、を有する。第２制御装置１２は、制御信号生成部６０と、選択信号生成部６２と、同期制御部６４と、を有する。

なお、第２制御装置１２の構成は、第１制御装置１１の構成と実質的に同じである。制御信号生成部６０の構成は、制御信号生成部５０の構成と実質的に同じであり、選択信号生成部６２の構成は、選択信号生成部５２の構成と実質的に同じであり、同期制御部６４の構成は、同期制御部５４の構成と実質的に同じである。従って、以下では、第１制御装置１１の構成を説明し、第２制御装置１２の構成については、詳細な説明を省略する。

制御信号生成部５０には、各電流検出器２４ａ〜２４ｆで検出された各電流値Ｉ_ａ１〜Ｉ_ａ６と、電圧検出器２５で検出された各電圧値Ｖｕ、Ｖｖ、Ｖｗと、が入力される。また、制御信号生成部５０には、電流指令値や電圧指令値などの各種の指令値が、上位コントローラなどから入力される。制御信号生成部５０は、入力された電流値、電圧値、指令値などを基に、各変換器ＣＥＬの第１制御信号を生成する。

図４は、制御信号生成部の動作の一例を模式的に表すグラフ図である。
図４に表したように、制御信号生成部５０は、電圧基準ＶＲとキャリア信号ＣＷとを基に、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御する第１制御信号を生成する。制御信号生成部５０は、変換器ＣＥＬ毎に電圧基準ＶＲを設定する。１つのアーム部にＭ台の変換器ＣＥＬが直列に接続されている場合、制御信号生成部５０は、変換器ＣＥＬ毎のＭ個の電圧基準ＶＲを設定する。キャリア信号ＣＷは、各変換器ＣＥＬのそれぞれに共通に用いてもよいし、変換器ＣＥＬ毎のＭ個のキャリア信号ＣＷを設定してもよい。

電圧基準ＶＲは、例えば、正弦波状である。制御信号生成部５０は、変換器ＣＥＬ毎に電圧基準ＶＲの振幅及び位相を調整する。電圧基準ＶＲの周波数は、交流電力系統２の交流電圧の周波数に応じて設定される。すなわち、実際の使用状況に応じた周波数に設定される。電圧基準ＶＲの周波数は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。キャリア信号ＣＷは、例えば、三角波状である。キャリア信号ＣＷは、鋸波などでもよい。キャリア信号ＣＷの周波数は、電圧基準ＶＲの周波数よりも高い。

制御信号生成部５０は、各変換器ＣＥＬの電圧基準ＶＲの位相をずらす。制御信号生成部５０は、例えば、１つのアーム部において、３６０／Ｍ（度）ずつ位相をずらした電圧基準ＶＲを変換器ＣＥＬ毎に設定する。

制御信号生成部５０は、電圧基準ＶＲとキャリア信号ＣＷとを比較する。制御信号生成部５０は、例えば、電圧基準ＶＲがキャリア信号ＣＷ未満の時にＬｏとなり、電圧基準ＶＲがキャリア信号ＣＷ以上の時にＨｉとなるパルス信号を第１制御信号として生成する。但し、第１制御信号のＨｉ、Ｌｏの関係は、上記と反対でもよい。

変換器ＣＥＬの制御回路４０は、例えば、第１制御信号がＬｏの時に、第１スイッチング素子３１をオンにし、第２スイッチング素子３２をオフにする。この場合、各接続端子３０ａ、３０ｂ間が、第１スイッチング素子３１で短絡され、各接続端子３０ａ、３０ｂ間の電圧は、実質的に０Ｖになる。そして、制御回路４０は、例えば、第１制御信号がＨｉの時に、第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３２をオンにする。この場合、各接続端子３０ａ、３０ｂ間には、電荷蓄積素子３５の電圧Ｖｃが現れる。すなわち、第１制御信号がＨｉの時に、変換器ＣＥＬが所定の電圧を出力する出力状態となり、第１制御信号がＬｏの時に、変換器ＣＥＬが所定の電圧の出力を停止した停止状態となる。第１制御信号がＨｉの時は、換言すれば、変換器ＣＥＬを出力状態とするための第１状態であり、第１制御信号がＬｏの時は、換言すれば、変換器ＣＥＬを停止状態とするための第２状態である。

このように、変換器ＣＥＬは、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングによって、＋Ｖｃ、０の２レベルの電圧を出力する。変換器ＣＥＬは、例えば、パワーセルと呼ばれる場合もある。

電力変換装置１０では、直列に接続された各変換器ＣＥＬの出力電圧の合計が、各アーム部２２ａ〜２２ｆの電圧となる。これにより、電力変換装置１０では、各変換器ＣＥＬの直列接続の数に応じたマルチレベルの電力変換が可能となる。

制御信号生成部５０は、例えば、主回路部１４の直流側の電流値、電圧値、及び交流側の電流値、電圧値のそれぞれが、指令値に近付くように、電圧基準ＶＲの振幅及び位相を調整する。これにより、指令値に基づいて、主回路部１４の動作を制御することができる。

選択信号生成部５２は、第１制御装置１１が運転系であることを示す運転状態と、第１制御装置１１が待機系であることを示す待機状態と、を有する第１選択信号を生成する。選択信号生成部５２は、例えば、待機状態をＬｏ、運転状態をＨｉとする二値の第１選択信号を生成する。

同期制御部５４は、第２制御装置１２の同期制御部６４と互いに通信を行うことにより、第１制御装置１１の動作と第２制御装置１２の動作とを互いに同期させる。同期制御部５４は、例えば、運転系である場合に、各変換器ＣＥＬの電圧基準ＶＲの情報及びキャリア信号ＣＷの情報を待機系の第２制御装置１２に送信することにより、制御量の合わせ込みを行い、電圧基準ＶＲ及びキャリア信号ＣＷを同期させる。これにより、運転系の制御装置及び待機系の制御装置のそれぞれで実質的に同じ制御信号を生成することができる。

また、同期制御部５４は、第２制御装置１２の同期制御部６４と互いに通信を行うことにより、運転系と待機系との切り替えのタイミングを互いに確認する。同期制御部５４は、例えば、運転系で動作している状態において、制御信号生成部５０や選択信号生成部５２が故障した場合や、メンテナンスの実行を指示された場合などに、第２制御装置１２の同期制御部６４と通信を行い、運転系及び待機系の切り替えのタイミングを確認する。

選択信号生成部５２は、同期制御部５４からの指示に基づいて、第１選択信号の運転状態と待機状態とを切り替える。なお、運転系及び待機系の切り替え方法は、第１制御装置１１と第２制御装置１２との通信によって切り替える方法に限定されるものではない。例えば、上位コントローラや作業者（操作部）などから第１制御装置１１及び第２制御装置１２のそれぞれに指示を入力することによって、運転系と待機系とを切り替えてもよい。

図５は、電力変換装置の動作の一例を模式的に表すタイミングチャートである。
図５では、運転系の制御装置を第１制御装置１１から第２制御装置１２に切り替える場合の電力変換装置１０の動作の一例を模式的に表す。

図５に表したように、第１制御装置１１及び第２制御装置１２は、第１選択信号及び第２選択信号の運転状態と待機状態とを切り替える場合に、第１選択信号及び第２選択信号の双方を運転状態とするオーバーラップ期間を設ける。

オーバーラップ期間は、前述のように、第１制御装置１１と第２制御装置１２とで互いに通信を行うことなどにより、第１選択信号及び第２選択信号の切り替えのタイミングを調整することによって設定される。また、オーバーラップ期間は、各変換器ＣＥＬのそれぞれにおいて運転系と待機系とを切り替えられるように設定する必要がある。従って、例えば、前述のように、各変換器ＣＥＬの電圧基準ＶＲの位相を一周期分（３６０度）ずらした場合には、オーバーラップ期間を一周期以上に設定する必要がある。

変換器ＣＥＬの制御回路４０の選択回路４０ａは、第１選択信号及び第２選択信号のオーバーラップ期間において、第１制御信号と第２制御信号とが同じ状態となった際に、運転系と待機系とを切り替える。選択回路４０ａは、例えば、オーバーラップ期間において、第１制御信号と第２制御信号とのそれぞれが変換器ＣＥＬを停止状態とするための第２状態（Ｌｏの時）となった際に、運転系と待機系とを切り替える。なお、これとは反対に、第１状態となった際に、運転系と待機系とを切り替えてもよい。

図６は、電力変換装置の動作の参考例を模式的に表すタイミングチャートである。
第１制御信号及び第２制御信号は、電圧基準ＶＲやキャリア信号ＣＷの同期などを行ったとしても、電圧基準ＶＲの情報などを待機側に送信する際の伝送遅延や、制御信号生成部５０、６０の個体差などにより、図５及び図６に表したように、完全には一致せず、僅かな誤差が発生してしまう場合がある。この誤差のため、運転系と待機系との切り替えを瞬時に行うと、不要なジッタパルスが発生して不要なスイッチングを行ってしまう可能性が生じる。

例えば、図６において、第１選択信号を運転状態から待機状態に変化させたタイミングと同じタイミングで、第２選択信号を待機状態から運転状態に変化させてしまうと、第２制御信号が第１状態であるため、変換器ＣＥＬが一瞬出力状態となり、すぐに停止状態となるように、不要なスイッチングを行ってしまう。

このため、図６に表した参考例では、第１選択信号を運転状態から待機状態に変化させた後、所定期間の経過後に第２選択信号を待機状態から運転状態に変化させている。例えば、第２制御信号が第２状態になっているタイミングで、第２選択信号を待機状態から運転状態に変化させる。これにより、不要なスイッチングの発生を抑制することができる。

第１選択信号及び第２選択信号の双方を待機状態とした場合、変換器ＣＥＬの制御回路４０は、各スイッチング素子３１、３２の双方をオフ状態とする。すなわち、各スイッチング素子３１、３２をゲートブロック（ＧＢ）した状態となる。このため、主回路部１４の出力が一瞬停止する外乱が発生してしまう。

特に、複数の変換器ＣＥＬを直列に接続した主回路部１４では、各変換器ＣＥＬを適切に停止状態とするために、ゲートブロックの期間を一周期以上（各変換器ＣＥＬの電圧基準ＶＲの位相のずれの周期以上）に設定する必要があり、ゲートブロックの期間が比較的長くなってしまう。例えば、主回路部１４の出力の外乱が大きくなってしまう。

これに対し、本実施形態に係る電力変換装置１０の動作では、図５に表したように、第１選択信号及び第２選択信号の双方を運転状態とするオーバーラップ期間を設け、オーバーラップ期間において、第１制御信号と第２制御信号とが同じ状態となった際に、運転系と待機系とを切り替える。

これにより、運転系と待機系とを切り替える場合にも、ゲートブロックの期間を設けることなく、不要なスイッチングの発生を抑制することができる。例えば、主回路部１４の出力の外乱を、第１制御信号と第２制御信号との誤差分の僅かな時間の変動に抑えることができる。従って、運転系の制御信号と待機系の制御信号との切り替えを行う場合にも、主回路部１４の動作の停止を抑制できる電力変換装置１０を提供することができる。

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、この例において、変換器ＣＥＬは、第３スイッチング素子３３と、第４スイッチング素子３４と、駆動回路４３、４４と、をさらに有する。第３スイッチング素子３３、第４スイッチング素子３４には、第１スイッチング素子３１、第２スイッチング素子３２と実質的に同じ素子が用いられる。

第４スイッチング素子３４の一対の主端子は、第３スイッチング素子３３の一対の主端子に対して直列に接続される。また、第３スイッチング素子３３及び第４スイッチング素子３４は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２に対して並列に接続される。電荷蓄積素子３５は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２に対して並列に接続されるとともに、第３スイッチング素子３３及び第４スイッチング素子３４に対して並列に接続される。

第３スイッチング素子３３には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子３３ｄが接続されている。第４スイッチング素子３４には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子３４ｄが接続されている。

変換器ＣＥＬの第１接続端子３０ａは、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２との間に接続されている。第２接続端子３０ｂは、第３スイッチング素子３３と第４スイッチング素子３４との間に接続されている。この例において、第２接続端子３０ｂは、第３スイッチング素子３３を介して第１スイッチング素子３１の第２スイッチング素子３２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３１〜３４は、フルブリッジ接続されている。この例において、変換器ＣＥＬは、フルブリッジ回路である。

駆動回路４３は、制御回路４０から入力される制御信号に基づいて、第３スイッチング素子３３のオン・オフを切り替える。駆動回路４４は、制御回路４０から入力される制御信号に基づいて、第４スイッチング素子３４のオン・オフを切り替える。

このように、ＭＭＣ型の主回路部１４に用いられる変換器ＣＥＬ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。

フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬでは、第２スイッチング素子３２及び第３スイッチング素子３３をオン状態にし、第１スイッチング素子３１及び第４スイッチング素子３４をオフ状態にした場合に、各接続端子３０ａ、３０ｂ間に＋Ｖｃが出力される。

第１スイッチング素子３１及び第４スイッチング素子３４をオン状態にし、第２スイッチング素子３２及び第３スイッチング素子３３をオフ状態にした場合に、各接続端子３０ａ、３０ｂ間に−Ｖｃが出力される。

そして、第１スイッチング素子３１及び第３スイッチング素子３３をオン状態にし、第２スイッチング素子３２及び第４スイッチング素子３４をオフ状態にした場合、または、第２スイッチング素子３２及び第４スイッチング素子３４をオン状態にし、第１スイッチング素子３１及び第３スイッチング素子３３をオフ状態にした場合に、各接続端子３０ａ、３０ｂ間に０Ｖが出力される。

このように、フルブリッジ回路の変換器ＣＥＬでは、オン・オフする各スイッチング素子３１〜３４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。

この変換器ＣＥＬ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を出力する状態が停止状態である。この変換器ＣＥＬの各状態の切り替えは、例えば、第１制御信号及び第２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。そして、この変換器ＣＥＬにおいても、第１選択信号及び第２選択信号のオーバーラップ期間において、第１制御信号と第２制御信号とが同じ状態となった際に、運転系と待機系とを切り替えることで、不要なスイッチングの発生を抑制しつつ、主回路部１４の動作の停止を抑制することができる。

なお、上記実施形態では、第１制御信号及び第２制御信号を、変換器ＣＥＬの各状態に対応させた信号としている。第１制御信号及び第２制御信号は、これに限ることなく、各スイッチング素子３１〜３４のオン・オフに対応した信号としてもよい。第１制御信号及び第２制御信号は、例えば、第１スイッチング素子３１のオン・オフを表す信号、第２スイッチング素子３２のオン・オフを表す信号、第３スイッチング素子３３のオン・オフを表す信号、及び第４スイッチング素子３４のオン・オフを表す信号の４つの信号で構成してもよい。

上記各実施形態では、主回路部１４にＭＭＣ型の電力変換器を用いている。主回路部１４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。また、主回路部１４は、複数の変換器ＣＥＬを直列に接続した多段方式の電力変換器に限ることなく、例えば、２レベルインバータや３レベルインバータなどでもよい。

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。電力変換装置１０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。

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。

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、 １１…第１制御装置、 １２…第２制御装置、 １４…主回路部、 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、 ３０ａ、３０ｂ…第１、第２接続端子、 ３１〜３４…第１〜第４スイッチング素子、 ３５…電荷蓄積素子、 ＣＥＬ…変換器 ４０…制御回路、 ４１〜４４…駆動回路、 ５０…制御信号生成部、 ５２…選択信号生成部、 ５４…同期制御部、 ６０…制御信号生成部、 ６２…選択信号生成部、 ６４…同期制御部

Claims (3)

1. 複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のオン・オフにより、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の交直変換を行う主回路部と、
   前記主回路部の動作を制御する第１制御装置と、
   前記主回路部の動作を制御する第２制御装置と、
   を備え、
   前記第１制御装置及び前記第２制御装置は、一方を前記主回路部の動作を実際に制御する運転系とし、他方を前記運転系の予備の待機系とするとともに、前記運転系と前記待機系とを切り替えられるようにし、
   前記第１制御装置は、前記主回路部の動作を制御するための第１制御信号と、前記運転系及び前記待機系を識別するための第１選択信号と、を前記主回路部に送信し、
   前記第２制御装置は、前記主回路部の動作を制御するための第２制御信号と、前記運転系及び前記待機系を識別するための第２選択信号と、を前記主回路部に送信し、
   前記主回路部は、前記第１選択信号及び前記第２選択信号を基に、前記第１制御信号及び前記第２制御信号から前記運転系の制御信号を選択し、選択した前記運転系の前記制御信号に基づいて前記複数のスイッチング素子のオン・オフを制御する制御回路を有し、
   前記第１選択信号及び前記第２選択信号は、前記運転系であることを示す運転状態と、前記待機系であることを示す待機状態と、を有し、
   前記第１制御装置及び前記第２制御装置は、前記運転系と前記待機系とを切り替える場合に、前記第１選択信号及び前記第２選択信号の双方を前記運転状態とするオーバーラップ期間を設け、
   前記制御回路は、前記オーバーラップ期間において、前記第１制御信号と前記第２制御信号とが同じ状態となった際に、前記運転系と前記待機系とを切り替える電力変換装置。
2. 前記主回路部は、直列に接続された複数の変換器を有し、
   前記複数の変換器のそれぞれが、前記複数のスイッチング素子と前記制御回路とを有する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記複数の変換器は、所定の電圧を出力する出力状態と、前記所定の電圧の出力を停止した停止状態と、を有し、
   前記制御回路は、前記オーバーラップ期間において、前記第１制御信号と前記第２制御信号とが前記変換器を前記停止状態とする状態となった際に、前記運転系と前記待機系とを切り替える請求項２記載の電力変換装置。

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