JP2023037869A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】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。【解決手段】直列に接続された複数の変換器の動作により、電力の変換を行う主回路部と、主回路部の動作を制御する制御装置と、を備え、複数の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、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、制御装置は、複数の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、複数の変換器のいずれかで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、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変換器に対して主回路部内を循環する循環電流を供給するように、複数の変換器の動作を制御する電力変換装置が提供される。【選択図】図3
Description
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
第1アーム部22aは、直列に接続された複数の変換器UP1、UP2…UPM1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…UNM2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…VPM3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…VNM4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…WPM5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…WNM6を有する。
但し、以下では、各変換器UP1、UP2…UPM1、UN1、UN2…UNM2、VP1、VP2…VPM3、VN1、VN2…VNM4、WP1、WP2…WPM5、WN1、WN2…WNM6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、M1、M2、M3、M4、M5、M6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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、 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
Claims (5)
- 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。 - 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。
- 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。 - 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。 - 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。
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