JP6618823B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流電力を直流電力に変換し、または直流電力を交流電力に変換する双方向の電力変換装置がある。このような電力変換装置の大容量化が望まれている。

自己消弧形の半導体スイッチング素子を用いることによって小型化をはかりつつ、大容量化を実現することができる電力変換方式として、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、以下、ＭＭＣという。）の実用化が進められている。

このような大容量の電力変換装置は、基幹となる電力系統等で用いられる場合があるので、交流側や直流側の地絡等を生じても、安定して運転を継続できることが求められる。

萩原 誠、赤木 泰文 著、「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ，１２８巻７号，２００８ 菊間 俊明、竹中 清、高崎 昌洋、福島 知之、内海 貴徳著、「直流事故電流を抑制可能な自励式直流送電システムの制御保護方式」、電気学会論文誌Ｂ，１３３巻５号，２０１３

実施形態は、交流側に地絡を生じた場合であっても、安定して運転を継続することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、交流電力と直流電力とを相互に変換する。充放電を切り替え可能とされたコンデンサを含むセルを含む電力変換部と、前記コンデンサの電圧を制御して出力電圧を制御する制御部と、を備える。前記セルは、直列に接続されて交流の相ごとに接続されている。前記制御部は、前記交流の相間で前記コンデンサの電圧のバランスを制御して、前記電力変換部の中を流れる循環電流のための循環電流指令値を生成するコンデンサバランス制御部と、設定された直流電流指令値および前記循環電流指令値にもとづいて直流出力電圧を生成する直流電流制御部と、を含む。前記コンデンサバランス制御部は、前記循環電流指令値から直流電流成分を抽出する。前記直流電流制御部は、前記直流電流成分を用いて、前記直流電流指令値を補正する。

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図２（ａ）および図２（ｂ）は、第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。 電力変換装置の特性を例示するグラフである。 直流送電システムを例示するブロック図である。 図８（ａ）は、電力変換装置の特性を例示するグラフである。図８（ｂ）は、電力変換装置の動作状態を例示する表である。 図９（ａ）は、電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。図９（ｂ）は、電力変換装置の動作を例示するグラフである。 図１０（ａ）は、電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。図１０（ｂ）は、電力変換装置の動作を例示するグラフである。 第２の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図２（ａ）〜図４は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換部２０と、制御部４０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ａ〜２１ｃを介して電力系統１２に接続される。この例のように、電力変換装置１０と電力系統１２との間に変圧器１４を接続してもよい。電力系統１２は、たとえば基幹電力系統である。電力変換装置１０は、電力系統１２から供給される交流電力を、直流電力に変換して出力する。また、電力変換装置１０は、直流電力を交流電力に変換して、電力系統１２に供給する。

電力変換部２０は、交流端子２１ａ〜２１ｃと、直流端子２１ｄ，２１ｅと、を含む。交流端子２１ａ〜２１ｃは、三相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）に接続される。直流端子２１ｄは、直流のＰ（Positive）側に接続され、直流端子２１ｅは、直流のＮ（Negative）側に接続される。交流端子２１ａ〜２１ｃは、電力の入力端子ともなり、出力端子ともなる。直流端子２１ｄ，２１ｅは、交流端子２１ａ〜２１ｃが電力の入力端子のときには、出力端子となり、交流端子２１ａ〜２１ｃが電力の出力端子のときには、入力端子となる。

電力変換部２０は、チョッパセル２２と、バッファリアクトル２４と、を含む。電力変換部２０は、チョッパセル２２を複数個含んでいる。電力変換部２０は、アーム２６ａ〜２６ｆを含む。各アーム２６ａ〜２６ｆは、それぞれ同数かつ複数個のチョッパセル２２を含んでおり、チョッパセル２２は直列に接続されている。ひとつのアーム２６ａは、Ｐ側の直流端子２１ｄとＮ側の直流端子２１ｅとの間に接続されている。他のアーム２６ｂは、アーム２６ａとＮ側の直流端子２１ｅとの間に接続されている。

アーム２６ｃ，２６ｄおよびアーム２６ｅ，２６ｆもアーム２６ａ，２６ｂと同様に、直流端子２１ｄ，２１ｅ間に直列に接続されている。

アーム２６ａと交流端子２１ａとの間には、バッファリアクトル２４が接続されている。交流端子２１ａとアーム２６ｂとの間には、バッファリアクトル２４の一端が接続されている。つまり、アーム２６ａ、２つのバッファリアクトル２４，２４、およびアーム２６ｂは、直列に接続され、２つのバッファリアクトル２４，２４が接続されているノードが交流端子２１ａに接続されている。

同様に、アーム２６ｃと交流端子２１ｂとの間には、バッファリアクトル２４が接続され、交流端子２１ｂとアーム２６ｄとの間にもバッファリアクトル２４が接続されている。また、アーム２６ｄと交流端子２１ｃとの間には、バッファリアクトル２４が接続され、交流端子２１ｃとアーム２６ｆとの間にもバッファリアクトル２４が接続されている。

バッファリアクトル２４は、上下のアームに直流の短絡電流が流れることを防止する。

Ｕ相に接続された上下のアーム２６ａ，２６ｂをレグ２８ａと呼ぶ。つまり、レグ２８ａは、直列に接続されたアーム２６ａ，２６ｂを含む。同様に、Ｖ相に接続された上下のアーム２６ｃ，２６ｄ、Ｗ相に接続された上下のアーム２６ｄ，２６ｆをそれぞれレグ２８ｂ，２８ｃと呼ぶ。電力変換部２０は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間に、三相交流の各相に接続されたレグ２８ａ，２８ｂ，２８ｃを含んでいる。

図２（ａ）に示すように、チョッパセル２２は、スイッチング素子２２１，２２２と、ダイオード２２３，２２４と、コンデンサ２２６とを含む。スイッチング素子２２１，２２２は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）等の自己消弧形の半導体スイッチング素子である。ダイオード２２３，２２４は、たとえばファストリカバリダイオードである。スイッチング素子２２１およびダイオード２２３は、互いに逆並列に接続されている。つまり、スイッチング素子２２１のエミッタとダイオード２２３のアノードが接続され、スイッチング素子２２１のコレクタとダイオード２２３のカソードが接続されている。同様に、スイッチング素子２２２とダイオード２２４は逆並列に接続されている。

スイッチング素子２２１，２２２は、カスコードに接続されている。すなわち、スイッチング素子２２１のエミッタとスイッチング素子２２２のコレクタが接続されている。

カスコード接続されたスイッチング素子２２１，２２２は、コンデンサ２２６に並列に接続されている。すなわち、スイッチング素子２２１のコレクタがコンデンサ２２６の一方の端子に接続され、スイッチング素子２２２のエミッタがコンデンサ２２６の他方の端子に接続されている。

チョッパセル２２は、スイッチング素子２２１，２２２を適切に駆動することによって、端子２３ａ，２３ｂを介して、コンデンサ２２６を充電し、コンデンサ２２６から放電する。たとえば、スイッチング素子２２１，２２２は、適切に駆動されてスイッチングすることによって、コンデンサ２２６の両端の電圧を所望の値に制御する。コンデンサ２２６は、端子２３ａが端子２３ｂよりも高電位になるように充電される。

チョッパセル２２は、端子２３ａ，２３ｂを介して、他のチョッパセル２２と直列に接続され、他の外部回路に接続される。コンデンサ２２６は、端子２３ａには、端子２３ｂよりも高電位になるように充電される。チョッパセル２２が他のチョッパセル２２と直列に接続されるときには、チョッパセル２２の端子２３ｂに、他のチョッパセル２２の端子２３ａを接続する。

チョッパセルの回路構成は、上述に限らない。図２（ｂ）に示すように、他の回路構成のチョッパセル７２は、４つのスイッチング素子７２１〜７２４を含む。４つのスイッチング素子７２１〜７２４はフルブリッジ回路をなしている。すなわち、ハイサイドのスイッチング素子７２１にローサイドのスイッチング素子７２２が直列に接続され、ハイサイドのスイッチング素子７２３にローサイドのスイッチング素子７２４が直列に接続されている。そして、これら直列接続体は並列に接続されている。コンデンサ７２０は、直列接続体に並列に接続されている。

各スイッチング素子７２１〜７２４には、それぞれ逆並列にダイオード７２５〜７２８が接続されている。

チョッパセル７２は、端子７３ａ，７３ｂによって、外部の回路と接続される。

電力変換装置１０では、いずれの回路形式のチョッパセルを含むことができるが、以下では、電力変換装置１０は、２個のスイッチング素子２２１，２２２を含むハーフブリッジ形式のチョッパセル２２を含むものとして説明する。

本実施形態の電力変換装置１０において、各部の電圧および電流について次のように定義する。

すべてのチョッパセル２２のコンデンサ２２６の両端の電圧を加算してチョッパセル２２の個数６Ｎで除した平均値に対する指令値をセルコンデンサ電圧指令値Ｖｃ^＊とする。ここで、Ｎは、各アーム内のチョッパセル２２の直列接続数であり、各アーム内に含まれるコンデンサ２２６の数である。

Ｕ相上側のアーム２６ａ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｕｐ＃、Ｕ相下側のアーム２６ｂ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｕｎ＃とする。Ｖ相上側のアーム２６ｃ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｖｐ＃、Ｖ相下側のアーム２６ｄ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｖｎ＃とする。Ｗ相上側のアーム２６ｅ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｗｐ＃、Ｗ相下側のアーム２６ｆ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｗｎ＃とする。ここで、＃は、１〜Ｎの整数である。

Ｕ相上側のアーム２６ａ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐとする。Ｕ相下側のアーム２６ｂ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｎとする。

Ｖ相上側のアーム２６ｃ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｖｐとする。Ｖ相下側のアーム２６ｄ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｖｎとする。

Ｗ相上側のアーム２６ｅ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｗｐとする。Ｗ相下側のアーム２６ｆ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｗｎとする。

たとえば、Ｖｃｕｐは、Ｖｃｕｐ＃を用いて以下のように求められる。
Ｖｃｕｐ＝（Ｖｃｕｐ１＋Ｖｃｕｐ２＋…＋ＶｃｕｐＮ）／Ｎ

Ｕ相のレグ２８ａ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数２Ｎで除した平均値を、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕとする。

Ｖ相のレグ２８ｂ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数２Ｎで除した平均値を、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｖとする。

Ｗ相のレグ２８ｃ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数２Ｎで除した平均値を、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｗとする。

たとえば、Ｖｃｕは、Ｖｃｕｐ，Ｖｃｕｎを用いて、以下のように求められる。
Ｖｃｕ＝（Ｖｃｕｐ＋Ｖｃｕｎ）／２

電力変換部２０に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数６Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃとする。

Ｖｃは、Ｖｃｕ，Ｖｃｖ，Ｖｃｗを用いて、以下のように求められる。
Ｖｃ＝（Ｖｃｕ＋Ｖｃｖ＋Ｖｃｗ）／３

Ｕ相上側のアーム２６ａに流れる電流を交流電流Ｉｐｕとし、Ｕ相下側のアーム２６ｂに流れる電流を交流電流Ｉｎｕとする。Ｖ相上側のアーム２６ｃに流れる電流を交流電流Ｉｐｖとし、Ｖ相下側のアーム２６ｄに流れる電流を交流電流Ｉｎｖとする。Ｗ相上側のアーム２６ｅに流れる電流を交流電流Ｉｐｗとし、Ｗ相下側のアーム２６ｆに流れる電流を交流電流Ｉｎｗとする。

図示はしないが、各チョッパセル２２のコンデンサ２２６には、電圧検出器が接続されており、電圧検出器によって各コンデンサ２２６の電圧値が検出される。また、各相の上下のアームには、計器用変流器等が設けられており、計器用変流器等を介して、各アームの電流値が検出される。検出された電圧および電流は、アナログディジタル変換されて、ディジタルデータとして取得される。上述のＶｃ等は、特に断らない限りディジタルデータである。

図３に示すように、制御部４０は、直流電流制御部４７と、コンデンサバランス制御部５１と、を含む。制御部４０は、リミット値演算部５２をさらに含む。

制御部４０は、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１と、交流電流制御部４３と、αβ０変換器５０と、アーム内コンデンサバランス制御部５６と、ＰＷＭ変調部５８と、をさらに含んでいる。

直流電流制御部４７は、除算器４５の出力に接続されている。除算器４５は、送電電力指令値Ｐｄｐ^＊および直流電圧指令値ＶＤＣ^＊を入力する。除算器４５は、送電電力指令値Ｐｄｐ^＊を直流電圧指令値ＶＤＣ^＊で除することによって、直流電流指令値ＩＤＣ^＊を生成して直流電流制御部４７に供給する。直流電流制御部４７には、直流電圧指令値ＶＤＣ^＊も入力される。

直流電流制御部４７は、αβ０変換器５０の出力に接続されている。αβ０変換器５０は、各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗにもとづいて求められた三相の循環電流を直交座標変換して出力する。各相の循環電流は、各相の電流を加算器４８によって相ごとに加算し、係数器４９で１／２倍することによって求められる。直流電流制御部４７には、直交座標変換された循環電流のうち、零相循環電流値が直流電流値Ｉｃ０として入力される。

直流電流制御部４７は、コンデンサバランス制御部５１の出力に接続されている。コンデンサバランス制御部５１は、内部で生成した零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊を直流電流制御部４７に供給する。

直流電流制御部４７は、直流電流指令値ＩＤＣ^＊、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊、直流電流値Ｉｃ０、および直流電圧指令値ＶＤＣ^＊を入力して、これらにもとづいて、直流電圧成分Ｖｄｃを出力する。

直流電流制御部４７は、リミット値演算部５２の出力に接続されている。リミット値演算部５２は、直流電流制御部４７に、直流電流制御部４７が出力することができる直流電圧成分Ｖｄｃの最大値および最小値を設定する。

コンデンサバランス制御部５１には、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃ、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕ，Ｖｃｖ，Ｖｃｗ、およびセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐ，Ｖｃｕｎ，Ｖｃｖｐ，Ｖｃｖｎ，Ｖｃｗｐ，Ｖｃｗｎが入力される。

コンデンサバランス制御部５１には、αβ０変換器５０の他の出力が接続されている。コンデンサバランス制御部５１は、αβ０変換器５０によって直交座標変換された循環電流値、すなわちα相循環電流指令値Ｉｃα^＊およびβ相循環電流指令値Ｉｃβ^＊が入力される。

コンデンサバランス制御部５１の出力は、リミット値演算部５２に接続されている。コンデンサバランス制御部５１は、いずれかのチョッパセル２２のコンデンサ２２６の電圧が所定のリミット値を超えたときに、コンデンサ電圧が異常である旨の信号（コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆ）をリミット値演算部５２に供給する。

コンデンサバランス制御部５１は、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃ、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕ，Ｖｃｖ，Ｖｃｗ、セルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐ，Ｖｃｕｎ，Ｖｃｖｐ，Ｖｃｖｎ，Ｖｃｗｐ，Ｖｃｗｎ、およびα相β相循環電流値Ｉｃα，Ｉｃβを入力し、これらにもとづいて、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊および相ごとの出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３を生成して出力する。

リミット値演算部５２は、コンデンサ２２６の電圧が異常である旨の信号のほかに、電力変換装置１０がいずれのモードで動作するかを設定する信号（制御端子設定信号Ｓｓｕ）が入力される。リミット値演算部５２は、これらの信号にもとづいて、直流電流制御部４７が出力することができる電圧の範囲を設定する。これらの信号は、電力変換装置１０の動作モードに対応して設定されている。つまり、リミット値演算部５２は、電力変換装置１０の動作モードに応じて異なるリミット値を出力する。

図４に示すように、直流電流制御部４７は、加算器４７１，４７５と、加減算器４７２と、比例要素４７３と、リミッタ部４７４と、を含む。

加算器４７１には、直流電流指令値ＩＤＣ^＊および零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊が入力される。加算器４７１は、直流電流指令値ＩＤＣ^＊および零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊の加算値を、直流電流指令値ＩＤＣ^＊の補正値、すなわち補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊として出力する。

加算器４７１の出力は、加減算器４７２の加算入力に接続されている。加減算器４７２の減算入力には、直流電流値Ｉｃ０が入力される。加減算器４７２は、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊と、直流電流値Ｉｃ０との偏差ΔＩＤＣを出力する。

加減算器４７２の出力は、比例要素４７３に接続されている。加減算器４７２から出力された偏差ΔＩＤＣは、あらかじめ設定されている係数（ゲイン）倍されて直流電圧成分Ｖｄｃに関する制御量ＶＤＣ０として出力される。

比例要素４７３の出力は、リミッタ部４７４を介して加算器４７５の一方の加算入力に接続されている。加算器４７５のもう一方の加算入力には、直流電圧指令値ＶＤＣ^＊が入力される。

つまり、直流電流制御部４７は、直流電流値Ｉｃ０を、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊に近づけるように、比例制御を行う。そして、比例制御された制御量ＶＤＣ０および直流電圧指令値ＶＤＣ^＊を用いて、電力変換部２０が出力する直流電圧成分Ｖｄｃを生成する。

比例要素４７３と加算器４７５との間には、リミッタ部４７４が設けられている。リミッタ部４７４は、リミット値演算部５２の出力に接続されている。本実施形態の電力変換装置１０では、リミット値演算部５２の出力にもとづいて、直流電流制御部４７は、制御量ＶＤＣ０に対してさらに補正を行う。制御量ＶＤＣ０に対する補正は、後に詳述するように、リミット値演算部５２の異なる出力にしたがい、複数のリミット値で制御量ＶＤＣ０の最大値および最小値を制限することによって実現される。

コンデンサバランス制御部５１は、リミッタ部５１１と、相間コンデンサバランス制御部５１２と、ＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３と、加算器５１４と、αβ０変換部５１５と、ＰＩ制御部５１６と、を含む。

セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃは、リミッタ部５１１に入力される。リミッタ部５１１の出力は、相間コンデンサバランス制御部５１２に接続されている。リミッタ部５１１は、２つのリミット値を有する。２つのリミット値は、最大値（最大リミット値）および最小値（最小リミット値）である。リミッタ部５１１は、入力されたセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの大きさが２つのリミット値の範囲内のときには、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃをそのまま出力する。リミッタ部５１１は、入力されたセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの大きさが最大リミット値に等しいか、最大リミット値を超えるときには、その最大リミット値を出力する。また、リミッタ部５１１は、入力されたコンデンサ電圧平均値Ｖｃの大きさが最小リミット値に等しいか、最小リミット値を下回るときには、その最小リミット値を出力する。最大リミット値および最小リミット値は、任意に設定することができる。最大リミット値は、たとえば、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの定格電圧値の１１０％等に設定される。最小リミット値は、たとえば、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの定格電圧値の９０％等に設定される。

リミッタ部５１１は、出力に応じて変化するコンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆを出力する。コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆは、リミット値演算部５２に供給される。リミッタ部５１１は、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの大きさが２つのリミット値の範囲内にあるときには、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆを非アクティブにする。リミッタ部５１１は、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの大きさが最大リミット値に等しいか、最大リミット値を超えるときには、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆをアクティブにする。リミッタ部５１１は、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの大きさが最小リミット値に等しいか、最小リミット値よりも小さいときには、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆをアクティブにする。

リミッタ部５１１の出力は、相間コンデンサバランス制御部５１２に接続されている。相間コンデンサバランス制御部５１２は、電力系統１２の各相に応じて設けられている。つまり、相間コンデンサバランス制御部５１２は、３つ設けられている。

各相間コンデンサバランス制御部５１２は、加減算器５１２ａと、ＰＩ制御器５１２ｂと、を含む。Ｕ相に対応する相間コンデンサバランス制御部５１２の加減算器５１２ａには、リミッタ部５１１から出力されたセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃおよびセルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕが入力される。加減算器５１２ａは、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃおよびセルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕの偏差を出力してＰＩ制御器５１２ｂに供給する。ＰＩ制御器５１２ｂは、入力された偏差にＰＩ制御を行い、Ｕ相に対応した相間バランス制御操作量を出力する。

Ｖ相、Ｗ相に対応する相間コンデンサバランス制御部５１２も同様に構成されている。

ＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３は、電力系統１２の各相に応じて設けられている。つまり、ＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３は、３つ設けられている。

ＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３は、加減算器５１３ａと、ＰＩ制御器５１３ｂと、を含む。

加減算器５１３ａは、Ｕ相に対応するＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３の加減算器５１３ａには、上側のセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐおよび下側のセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｎが入力される。加減算器５１３ａは、上側のセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐおよび下側のセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｎの偏差を出力してＰＩ制御器５１３ｂに供給する。ＰＩ制御器５１３ｂは、入力された偏差にＰＩ制御を行い、Ｕ相に対応したＰＮ間バランス制御操作量を出力する。

Ｖ相、Ｗ相に対応するＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３も同様に構成されている。

相間コンデンサバランス制御部５１２およびＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３によって生成された各相に対応する制御操作量は、相ごとに加算器５１４によって加算される。加算された操作量は、αβ０変換部５１５によって、３軸から２軸に座標変換される。αβ０変換部５１５は、αβ平面上で直交する循環電流指令値を計算する。循環電流指令値は、α相循環電流指令値Ｉｃα^＊、β相循環電流指令値Ｉｃβ^＊、および零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊として生成され出力される。

相間コンデンサバランス制御部５１２は、ＰＮ間コンデンサバランス制御部５１３とともに、各相の間の閉回路を流れる循環電流に対する指令値を生成する。各相のコンデンサの電圧が上昇し、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃが最大リミット値を超えて、各相の加減算器５１２ａが出力する偏差が大きくなったときに、循環電流には、偏差に応じて零相分が直流電流成分として生成される。生成された循環電流の零相分は、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊として、直流電流指令値ＩＤＣ^＊の補正のために用いられる。

各相のコンデンサの電圧が低下した場合も同様に、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃが最小リミット値を下回ったときに、各相の加減算器５１２ａが出力する偏差は、負の値となり、絶対値が大きくなる。循環電流には、この偏差に応じた零相分が直流電流成分として生成される。この場合の零相分は、上述の場合とは、逆方向の電流となる。

αβ０変換部５１５において直交変換されて生成された循環電流指令値Ｉｃα^＊，Ｉｃβ^＊は、αβ０変換器５０において直交変換されて生成された実測の循環電流値Ｉｃα，Ｉｃβとともに、ＰＩ制御部５１６に入力される。ＰＩ制御部５１６では、相ごとにＰＩ制御し、逆αβ変換することによって、各相に対応した出力電圧ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３を生成する。

リミッタ部５１１において生成されたコンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆは、リミット値演算部５２に供給される。そのため、リミット値演算部５２は、たとえば電力系統１２において地絡等の異常が発生し、いずれかのセルコンデンサ電圧に異常が生じていることを認識することができる。

リミット値演算部５２には、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆのほかに制御端子設定信号Ｓｓｕが入力される。制御端子設定信号Ｓｓｕは、電力変換装置１０の動作モードを設定する信号である。詳細は後述するが、電力変換装置１０が直流電流指令値ＩＤＣ^＊にもとづく電流源として動作する場合には、電力変換装置１０の動作モードは、電流制御端モード（たとえばＳｓｕ＝Ｈレベル）であり、直流電圧指令値ＶＤＣ^＊にもとづく電圧源として動作する場合には、電圧制御端モード（たとえばＳｓｕ＝Ｌレベル）である。

リミット値演算部５２は、制御端子設定信号Ｓｓｕおよびコンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆにもとづいて、直流電流成分Ｖｄｃのための電圧の制御量ＶＤＣ０のリミット値を設定する。

図３に戻って、制御部４０の構成について説明を続ける。交流電流制御部４３には、上下のアームの交流電流の差が加減算器４４によって計算され、各相の交流電流の測定値として入力される。

また、交流電流制御部４３には、交流無効電流指令値ＩＱ^＊が入力される。交流無効電流指令値ＩＱ^＊は、たとえば潮流方向および送電電力指令値等を考慮して外部の操作端末等から入力される。

さらに、交流電流制御部４３には、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１の出力が接続されている。セルコンデンサ電圧平均値制御部４１は、セルコンデンサ電圧指令値Ｖｃ^＊およびセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃを入力して、これらにもとづいて交流有効電流指令値ＩＰ^＊を生成し、交流電流制御部４３に供給する。

交流電流制御部４３は、交流有効電流指令値ＩＰ^＊、交流無効電流指令値ＩＱ^＊および各アームの交流電流の測定値にもとづいて、電力変換部２０が出力すべき交流電圧成分を生成して出力する。交流電流制御部４３が出力する交流電圧成分は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれについてＶａｃ１，Ｖａｃ２，Ｖａｃ３となる。

交流電流制御部４３の出力、直流電流制御部４７の出力およびコンデンサバランス制御部５１の出力は、加算器５３に接続されている。加算器５３は、これらの各相の電圧をそれぞれ加算して出力する。

加算器５３は、電力変換部２０の各アームが出力する電圧を出力する。Ｕ相上側アームは、−Ｖａｃ１＋ＶＢ１＋Ｖｄｃ１を出力する。Ｕ相下側アームは、Ｖａｃ１＋ＶＢ１＋Ｖｄｃを出力する。Ｖ相上側アームは、−Ｖａｃ２＋ＶＢ２＋Ｖｄｃを出力し、Ｖ相下側アームは、Ｖａｃ２＋ＶＢ２＋Ｖｄｃを出力する。Ｗ相上側アームは、−Ｖａｃ３＋ＶＢ３＋Ｖｄｃを出力し、Ｗ相下側アームは、Ｖａｃ３＋ＶＢ３＋Ｖｄｃを出力する。

制御部４０は、さらに加算器５３から出力されたアームごとに出力される電圧にもとづいて、各チョッパセル２２のコンデンサ２２６の電圧を適切な値に調整する。この例では、コンデンサ２２６の電圧をＰＷＭ変調技術を用いて所望の値に設定する。多段に接続されたチョッパセルを位相をずらして順次動作させる１パルス制御を行うようにしてもよい。

加算器５３の出力は、係数（１／Ｎ）の係数器５４に接続されており、アームごとにコンデンサ２２６の直列接続数Ｎで除することによって、コンデンサ当たりの電圧を算出する。

係数器５４の出力は、加算器５５によって、アーム内コンデンサバランス制御部５６の出力に加算され、コンデンサ２２６ごとに電圧値が補正される。コンデンサ２２６ごとの電圧値は、係数器５７で正規化されて、ＰＷＭ変調部５８に入力される。

アーム内コンデンサバランス制御部５６は、アームごとに、そのアーム内のすべてのコンデンサ２２６の電圧をバランスさせる。そのため、アーム内コンデンサバランス制御部５６は、アームの数（６）×コンデンサ２２６の数（Ｎ）個設けられている。アーム内コンデンサバランス制御部５６では、同一のアーム内の各コンデンサ２２６の電圧値がたとえば等しくなるように、セルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐ，Ｖｃｖｐ，Ｖｃｗｐ，Ｖｃｕｎ，Ｖｃｖｎ，Ｖｃｗｎ、各コンデンサ電圧Ｖｃｕｐ＃，Ｖｃｖｐ＃，Ｖｃｗｐ＃，Ｖｃｕｎ＃，Ｖｃｖｎ＃，Ｖｃｗｎ＃、および各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗにもとづいて、各コンデンサの電圧を計算する。

ＰＷＭ変調部５８は、キャリア信号生成部５８ａとコンパレータ５８ｂとを含む。キャリア信号生成部５８ａでは、６×Ｎ次元に応じて位相が設定されたキャリア信号が生成される。キャリア信号は、たとえばそれぞれ振幅１の三角波である。コンパレータ５８ｂは、６×Ｎ次元の各コンデンサ２２６に対応した信号およびキャリア信号を入力し、これらを比較することによって、ＰＷＭ信号を出力する。生成されたＰＷＭ信号は、各チョッパセル２２のスイッチング素子２２１，２２２を駆動するためのゲート駆動信号ＶＧｕｐ＃，ＶＧｖｐ＃，ＶＧｗｐ＃，ＶＧｕｎ＃，ＶＧｖｎ＃，ＶＧｗｎ＃とされる（＃＝１〜Ｎ）。なお、各ゲート駆動信号は、ハイサイドのスイッチング素子２２１およびローサイドのスイッチング素子２２２をそれぞれ駆動するために、デッドタイムを含む相補的な駆動信号として生成される。したがって、駆動信号ごとに２つの駆動信号に分解されるので、実際の出力数は６×Ｎ×２となる。

上述の構成は、一例であり、制御部の構成等は、これに限らない。また、制御部４０等の各ブロックや要素は、回路素子を用いたハードウェアで構成されてもよく、ハードウェアにＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含んでもよい。ＣＰＵおよびメモリを含む場合には、各ブロックや要素の全部または一部は、ＣＰＵおよびメモリ上で動作するソフトウェアやプログラムモジュールであってもよい。

電力変換装置１０では、電力変換部２０および制御部４０は、１つの筐体に収納される場合に限らず、制御部４０の全部または一部が、電力変換部２０が収納される本体から離隔した場所、たとえば制御盤内に設置されてもよい。

本実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
図５は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。
図６は、電力変換装置の特性を例示するグラフである。
図７は、直流送電システムを例示するブロック図である。
図８（ａ）は、電力変換装置の特性を例示するグラフである。図８（ｂ）は、電力変換装置の動作状態を例示する表である。
図９（ａ）および図１０（ａ）は、電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。図９（ｂ）および図１０（ｂ）は、電力変換装置の動作を例示するグラフである。

まず、電力変換装置１０の一般的な動作について説明する。電力変換装置１０は、たとえば図５に示すように、電力系統１２から交流電力を受電し、直流負荷８０に直流電力を供給する。この場合に、電力変換装置１０は、直流負荷８０に応じて送電電力指令値Ｐｄｐ^＊が与えられる。直流負荷８０は、たとえば直流送電の送電線であり、送電線の先には、他の電力変換装置が接続され直流交流変換をしている場合等がある。

電力変換装置１０では、与えられた送電電力指令値Ｐｄｐ^＊にもとづいて、交流有効電流、交流無効電流、直流電圧および直流電流の各指令値が設定される。上述した構成により、これら各指令値にしたがい、制御部４０は、電力変換部２０の各コンデンサ２２６が必要な電圧値となるように動作する。

通常の状態では、電力変換装置１０から出力される直流電力および電力変換装置１０の変換効率にしたがって、電力変換装置１０は交流電力を受電する。

ここで、電力系統１２のうち、たとえば１つの相に地絡事故が発生した場合に、いずれかの相のチョッパセル２２のコンデンサ２２６の電圧が上昇する場合がある。その場合に、電圧の上昇にまかせて相間コンデンサバランス制御部５１２において制御を行った場合には、相間のコンデンサ電圧のバランスをとることが不能となり、電力変換装置１０は過負荷制限等により運転不能となる。つまり、電力変換装置１０は稼働停止となり、電力変換装置１０によって電力供給を受けている直流負荷も稼働停止せざるを得ない。

本実施形態の電力変換装置１０は、リミッタ部５１１を含む制御部４０を備える。リミッタ部５１１は、相間コンデンサバランス制御部５１２のセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの入力をあらかじめ設定された最大リミット値Ｖｌｍｔ（ｍａｘ）および最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）で制限する。そのため、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃは、最大リミット値Ｖｌｍｔ（ｍａｘ）を超えて上昇したり、最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）を下回って下降したりすることはない。

図６に示すように、リミッタ部５１１の入出力特性は、最大リミット値Ｖｌｍｔ（ｍａｘ）および最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）を有する。リミッタ部５１１は、Ｖｃ（ｍｉｎ）＜Ｖｃ＜Ｖｃ（ｍａｘ）の範囲では、入力された電圧値をそのまま出力する。リミッタ部５１１は、Ｖｃ≦Ｖｃ（ｍｉｎ）の場合には、一定の最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）を出力し、Ｖｃ（ｍａｘ）≦Ｖｃの場合には、一定の最大リミット値Ｖｌｍｔ（ｍａｘ）を出力する。つまり、相間コンデンサバランス制御部５１２に入力されるセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃは、最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）〜最大リミット値Ｖｌｍｔ（ｍａｘ）の範囲内に制限される。一方、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕ，Ｖｃｖ，Ｖｃｗは、制限されずにそのままの値が相間コンデンサバランス制御部５１２に入力される。最大リミット値および最小リミット値は、任意に設定することができる。これらのリミット値は、典型的には、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃの標準的な値、たとえば定格電圧値に対して、±１０％や±１５％となるように設定される。リミット値は、最大値または最小値の一方を設定するようにしてもよい。

各相のＰＩ制御器５１２ｂには、制限されたセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃと、過大な電圧であるセルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕ等との偏差が入力され、ＰＩ制御器５１２ｂは、偏差に応じた制御操作量を出力する。

αβ０変換部５１５には、上述の制御操作量が入力されるので、αβ０変換部５１５は、循環電流の零相成分である零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊を生成する。零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊は、直流電流指令値ＩＤＣ^＊に対する補正量とされる。コンデンサ電圧が上昇する場合、加減算器５１２ａの出力は負の値となるので、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊は負の値となる。

負の値を有する零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊は、設定された直流電流指令値ＩＤＣ^＊に加算される。そのため、補正された直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊は、補正前の直流電流指令値ＩＤＣ^＊よりも小さい値を有する。

直流電流制御部４７では、補正された直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊に、直流電流値Ｉｃ０を近づけるように、制御量ＶＤＣ０を生成し、直流電圧指令値ＶＤＣ^＊と加算することによって、出力の直流電圧成分Ｖｄｃを出力する。つまり、電力変換装置１０は、出力する直流電流値を、事故前よりも小さい値に設定して動作し、送電電力を低減することによって、動作状態を維持する。

また、電力変換装置１０のリミット値演算部５２には、直流電流制御部４７のリミッタ部４７４に対して、リミット値±Ｖｌｍｔ２を設定するように信号が入力されているものとする。より具体的には、後述するが、制御端子設定信号Ｓｓｕは、電流制御端モードとなるように設定されている。コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆは、セルコンデンサ電圧平均値ＶｃがＶｌｍｔ（ｍｉｎ）〜Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）で制限されているので、コンデンサの電圧が異常である旨の信号となっている。

電力変換装置１０は、直流負荷８０の特性に応じて、動作点を修正する。たとえば、直流負荷８０が定抵抗負荷である場合には、電力変換装置１０は、直流電流の減少とともに、直流電圧を低下させるように動作する。動作点として、修正し得る範囲は、直流電圧指令値ＶＤＣ^＊±Ｖｌｍｔ２に対応して設定される出力電圧の範囲となる。

上述では、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃが最大リミット値Ｖｌｍｔ（ｍａｘ）を超えた場合の動作について説明したが、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃが最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）を下回る場合についても同様に考えることができる。すなわち、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃが最小リミット値Ｖｌｍｔ（ｍｉｎ）を下回る場合には、相間コンデンサバランス制御部５１２は、正の値を有する操作制御量を生成するので、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊も正の値を有する。したがって、直流電流制御部４７は、出力電流を大きくするように、直流電流指令値ＩＤＣ^＊を補正する。このことは、以下の動作においても同様である。

次に、電力変換装置１０を、直流送電システム１００に用いた場合の動作について説明する。
図７に示すように、直流送電システム１００は、電力変換装置１０ａ，１０ｂと、電力系統１２ａ，１２ｂと、直流送電線１６ｐ，１６ｎと、を備える。電力変換装置１０ａ，１０ｂは、いずれも上述した構成を備えた電力変換装置１０である。電力系統１２ａ，１２ｂは、いずれも三相の電力系統である。

直流送電システム１００では、直流電力を送電することができる。すなわち、電力変換装置１０ａは、電力系統１２ａから直流に変換し、直流送電線１６ｐ，１６ｎを介して、電力変換装置１０ｂに送電する。電力変換装置１０ｂは、受電した直流電力を交流電力に変換し、電力系統１２ｂに連系する。同様に、電力変換装置１０ｂは、電力系統１２ｂから直流に変換し、直流送電線１６ｐ，１６ｎを介して、電力変換装置１０ａに送電する。電力変換装置１０ａは、受電した直流電力を交流電力に変換し、電力系統１２ａに連系する。交流電力から直流電力に変換することを順変換動作または整流動作ともいい、直流電力から交流電力に変換することを逆変換動作ともいう。

以下では、電力変換装置１０ａが交流電力を直流電力に変換し、電力変換装置１０ｂに直流送電し、電力変換装置１０ｂが直流電力を交流電力に変換して電力系統１２ｂに連系するものとして説明する。

一般的に、直流電力の送電側と受電側とで、直流動作点を設定するために、送電側の電力変換装置１０ａおよび受電側の電力変換装置１０ｂは、それぞれ動作モードが設定される。すなわち、送電側の電力変換装置１０ａは、電流源として動作する電流制御端として動作し、また、受電側の電力変換装置１０ｂは、電圧として動作する電圧源として動作する。以下では、電流源として動作する場合を電流制御端での動作（電流制御端モード）とも呼び、電圧源として動作する場合を電圧制御端での動作（電圧制御端モード）とも呼ぶ。

直流電流制御部４７のリミッタ部４７４は、３つの動作モードを有している。リミッタ部４７４は、３つの動作モードのそれぞれに対応する入出力特性を有する。リミット値演算部５２は、これらの入出力特性のうちの１つを選択し、対応するリミット値を出力することによって異なる動作モードを実現している。

図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、リミッタ部４７４の３つの動作モードは、第１モード〜第３モードである。これら３つの動作モードは、制御端子設定信号Ｓｓｕおよびコンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆにもとづいて設定される。制御端子設定信号Ｓｓｕおよびコンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆに対して、適切な論理値が設定される。たとえば、電力変換装置１０を電圧制御端モードに設定する場合には、制御端子設定信号ＳｓｕをＨレベルとし、電力変換装置１０を電流制御端モードに設定する場合には、制御端子設定信号ＳｓｕをＬレベルとする。また、リミッタ部５１１がコンデンサ電圧異常を検出した場合には、コンデンサ電圧異常信号ＳｃｆをＨレベルとし、リミッタ部５１１がコンデンサ電圧異常を検出していない場合には、コンデンサ電圧異常信号ＳｃｆをＬレベルとする。

制御端子設定信号Ｓｓｕの設定が電流制御端モードの場合には、リミット値演算部５２は、第１モードを選択する。この場合には、リミッタ値として±Ｖｌｍｔ２を出力する。リミッタ部４７４は、制御量ＶＤＣ０が−Ｖ１〜Ｖ１の範囲の場合には、リミッタ部４７４は、制御量ＶＤＣ０をそのまま出力する。リミッタ部４７４は、制御量ＶＤＣ０が−Ｖ１以下の場合には、−Ｖｌｍｔ２を出力する。リミッタ部４７４は、制御量ＶＤＣ０がＶ１以上の場合には、Ｖｌｍｔ２を出力する。第１モードは、電力変換装置１０を電流源として動作させる場合のモードである。

第１モードでは、送電側の電力変換装置１０ａの動作モードとして設定された場合には、電力変換装置１０ａは、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊によって補正された直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊によって設定される電流源として動作する。このときの電流源の動作電圧範囲は、リミッタ値Ｖｌｍｔ２によって設定される。

第１モードでは、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆがいずれの設定であっても、上述の動作をする。

制御端子設定信号Ｓｓｕの設定が電圧制御端モードであり、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆがコンデンサ電圧異常を示していない場合には、リミット値演算部５２は、第２モードを選択し、リミット値として０を出力する。リミッタ部４７４は、リミット値０が設定されるので、どのような制御量ＶＤＣ０が入力された場合であっても、０を出力する。

第２モードでは、制御量ＶＤＣ０の入力にかかわらず、リミッタ部４７４は０を出力する。第２モードは、電力変換装置１０を電圧源として動作させるモードである。

第２モードでは、受電側の電力変換装置１０ｂの動作モードとして設定された場合には、電力変換装置１０ｂは、直流電圧指令値ＶＤＣ^＊を、直流電圧成分Ｖｄｃとして出力する電圧源として動作する。

制御端子設定信号Ｓｓｕの設定が電圧制御端モードであり、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆがコンデンサ電圧異常を示している場合には、リミット値演算部５２は、第３モードを選択する。第３モードでは、リミッタ部４７４は、制御量ＶＤＣ０が、−Ｖ２＜ＶＤＣ０＜Ｖ２の範囲内の場合には、出力は制御量ＶＤＣ０がそのまま出力される。制御量ＶＤＣ０がＶＤＣ０≦−Ｖ２の場合には、リミッタ部４７４は、一定のリミッタ値−Ｖｌｍｔ３を出力する。制御量ＶＤＣ０がＶ２≦ＶＤＣ０の場合には、リミッタ部４７４は、一定のリミッタ値Ｖｌｍｔ３を出力する。リミッタ値の絶対値｜Ｖｌｍｔ３｜は、リミッタ値の絶対値｜Ｖｌｍｔ２｜よりも大きな値に設定されている。

第３モードでは、受電側の電力変換装置１０ｂの動作モードとして設定された場合には、電力変換装置１０ｂは、−Ｖｌｍｔ３〜Ｖｌｍｔ３の出力電圧範囲で動作する電流源として機能する。

電力変換装置１０の動作モードについて、より詳細に説明する。
図９（ａ）および図９（ｂ）は、送電側の電力変換装置１０ａが電流制御端に設定され、受電側の電力変換装置１０ｂが電圧制御端に設定され、送電側の電力系統１２ａにおいて地絡等の事故が発生した場合を示している。

図９（ａ）に示すように、電力変換装置１０ａは、直流出力電流Ｉｄｃ＿ｒｅｆとする定電流源として動作し、電力変換装置１０ｂは、直流出力電圧Ｖｄｃ＿ｒｅｆとする定電圧源として動作している。

図９（ｂ）の実線で示す電流制御端のグラフは、電力変換装置１０ａの出力特性を模式的に示している。電圧制御端のグラフは、電力変換装置１０ｂの出力特性を模式的に示している。直流出力電流Ｉｄｃ＿ｒｅｆは、送電側の電力変換装置１０ａの出力特性と、受電側の電力変換装置１０ｂの出力特性との交点で設定される。

電力変換装置１０ａが出力することが可能な最小の電圧は、動作点の出力電圧Ｖｄｃ＿ｒｅｆよりもリミット値Ｖｌｍｔ２だけ低い電圧である。また、電力変換装置１０ａが出力することが可能な最大の電圧は、動作点の出力電圧Ｖｄｃ＿ｒｅｆからリミット値Ｖｌｍｔ２だけ高い電圧である。

ここで、送電側の電力系統１２ａに事故等が発生し、チョッパセル２２のコンデンサ２２６の電圧が上昇すると、コンデンサバランス制御部５１は、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊を生成し、直流電流制御部４７に供給する。

直流電流制御部４７は、直流電流指令値ＩＤＣ^＊に零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊を加算して補正された直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊を生成する。ここで、上述したように、コンデンサの電圧が上昇した場合には、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊は、負の値であるため、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊は、補正前の値よりも小さい値となる。

直流電流制御部４７は、補正前の直流電流指令値ＩＤＣ^＊よりも小さい零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊となるように、出力電圧を調整するように動作する。つまり、電力変換装置１０ａは、直流出力電流Ｉｄｃ＿ｒｅｆを低下させるように動作する。負荷である電力変換装置１０ｂは、定電圧源として動作しているので、図９（ｂ）の一点鎖線のようにＶｄｃ＿ｒｅｆに沿って低電流となる方向に動作点が変化する。このときの出力電流値は、Ｉｄｃ＿ｒｅｆ’（＜Ｉｄｃ＿ｒｅｆ）となり、電力変換装置１０ａは、動作を継続することができる。

図１０（ａ）および図１０（ｂ）は、送電側の電力変換装置１０ａが電流制御端に設定され、受電側の電力変換装置１０ｂが電圧制御端に設定された後、受電側の電力系統１２ｂにおいて地絡等の事故が発生した場合を示している。受電側の電力系統１２ｂに異常が発生することによって、受電側の電力変換装置１０ｂのチョッパセル２２のコンデンサ２２６の電圧が上昇して、リミッタ部５１１が動作した場合には、コンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆがアクティブになるので、電力変換装置１０ｂは第３モードに入る。そのため、電力変換装置１０ｂは、定電流源として動作するようになる。

図１０（ｂ）に示すように、送電側の電力変換装置１０ａは、電流制御端に設定され、受電側の電力変換装置１０ｂは、事故前には、二点鎖線のように定電圧源として動作している。受電側の異常により、第３モードに入った電力変換装置１０ｂは、リミット値±Ｖｌｍｔ３を有する定電流源として動作する。

受電側の電力系統１２ｂに事故等が発生し、電力変換装置１０ｂのチョッパセル２２のコンデンサ２２６電圧が上昇すると、コンデンサバランス制御部５１は、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊を生成し、直流電流制御部４７に供給する。

直流電流制御部４７は、直流電流指令値ＩＤＣ^＊に零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊を加算して補正された直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊を生成する。ここで、上述したように、零相循環電流指令値Ｉｃ０^＊は、負の値であるため、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）^＊は、補正前の値よりも小さい値となる。つまり、電力変換装置１０ｂは、直流出力電流Ｉｄｃ＿ｒｅｆを低下させるように動作する。

ここで、リミット値演算部５２は、第３モードに入る条件を満たしたことを認識するので、リミッタ値を±Ｖｌｍｔ３に設定する。

送電側の電力変換装置１０ａは第１モードに設定されているので、リミッタ値｜Ｖｌｍｔ２｜を有する定電流源として動作している。

リミット値｜Ｖｌｍｔ３｜は、リミット値｜Ｖｌｍｔ２｜よりも大きく、電力変換装置１０ｂの出力電流Ｉｄｃ＿ｒｅｆ’は、事故前の出力電流Ｉｄｃ＿ｒｅｆよりも小さい値となるので、図１０（ｂ）の実線のような特性となる。

したがって、当初の動作点よりも低い電流値Ｉｄｃ＿ｒｅｆ’に動作点が修正され、電力変換装置１０ｂは、安定して動作を継続することができる。

本実施形態の電力変換装置の作用および効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０は、過大なコンデンサ電圧が入力されたときに、その電圧を制限するリミッタ部５１１を含むコンデンサバランス制御部５１を含む制御部４０を備える。また、電力変換装置１０の制御部４０は、リミッタ部５１１によって、制限された電圧値にもとづく補正値を計算して、出力電圧および出力電流を設定する直流電流制御部４７を含む。このため、電力系統１２側で地絡等の事故を生じ、コンデンサ電圧が上昇しても、出力電流を絞って動作を継続することができる。

また、電力変換装置１０の制御部４０は、リミッタ部５１１によって、コンデンサに過大な電圧が入力されたことを示すコンデンサ電圧異常信号Ｓｃｆを生成し、この信号をリミット値演算部５２に供給する。そのため、リミット値演算部５２は、システムに異常が生じたことを認識することができる。そして、リミット値演算部５２は、電流制御端として動作するときよりも制限範囲を広げたリミット値を設定する。そのため、電力変換装置１０（１０ｂ）は、電圧制御端として動作している場合に、電力系統１２において地絡等の事故が生じたときにも、自動的に電流制御端の動作に切り替えて、安定した動作点を形成することによって、動作を継続することができる。

このように、本実施形態の電力変換装置１０では、電力系統１２において地絡等の事故を生じた場合であっても、動作条件を自動的に変更することによって、動作を継続することができるので、送配電システム等の信頼性向上に寄与することができる。

（第２の実施形態）
図１１は、本実施形態の電力変換装置を例示するブロック図である。
図１１に示すように、本実施形態の電力変換装置１１０は、電力変換部１２０と、制御部４０と、を備える。本実施形態の電力変換装置１１０では、電力変換部１２０の構成が第１の実施形態の場合と相違し、他の点では同一である。同一の構成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。

電力変換部１２０は、交流端子１２１ａ〜１２１ｃと、直流端子１２１ｄ，１２１ｅと、を含む。交流端子１２１ａ〜１２１ｃは、三相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）に接続される。直流端子１２１ｄは、直流のＰ側に接続され、直流端子１２１ｅは、直流のＮ側に接続される。交流端子１２１ａ〜１２１ｃは、電力の入力端子ともなり、出力端子ともなる。直流端子１２１ｄ，１２１ｅは、交流端子１２１ａ〜１２１ｃが電力の入力端子のときには、出力端子となり、交流端子１２１ａ〜１２１ｃが電力の出力端子のときには、入力端子となる。

電力変換部１２０は、チョッパセル２２と、３巻線トランス２４１と、を含む。チョッパセル２２は、複数個含まれる。チョッパセル２２は、フルブリッジ構成のチョッパセル７２であってもよい（図６）。チョッパセル２２は、複数個直列に接続されてアーム２６となる。１つのアーム２６ａは、Ｐ側の直流端子２１ｄとＮ側の直流端子２１ｅとの間に接続されている。他のアーム２６ｂは、アーム２６ａとＮ側の直流端子２１ｅとの間に接続されている。アーム２６ｃ，２６ｄおよびアーム２６ｅ，２６ｆもアーム２６ａ，２６ｂと同様に、直流端子２１ｄ，２１ｅ間に直列に接続されている。

３巻線トランス２４１は、一次巻線２４２ａと、２つの二次巻線２４２ｂ，２４２ｃと、を含む。一次巻線２４２ａおよび二次巻線２４２ｂ，２４２ｃは、同一の鉄心に巻回されている。２つの二次巻線２４２ｂ，２４２ｃは、電流が流れたときに、鉄心に発生する磁界の方向が逆向きになるような向きに巻回され接続されている。二次巻線２４２ｂの一端は、上側のアーム２６ａに接続され、二次巻線２４２ｃの一端は、下側のアーム２６ｂに接続されている。他のアームについても同様である。二次巻線２４２ｂ，２４２ｃの他端同士が接続されているノードは、３巻線トランス２４１同士で接続されている。つまり、３巻線トランス２４１の二次巻線２４２ｂ，２４２ｃは、スター結線されている。

一次巻線２４２ａは、一端が交流端子２１ａを介して、電力系統１２の１つの相に接続されている。他端は、他の３巻線トランス２４１の一次巻線に接続されている。つまり、３つのレグに対応する一次巻線２４２ａは、スター結線されて、電力系統の各相に接続されている。

本実施形態の電力変換装置１１０は、第１の実施形態の電力変換装置１０と同様に動作する。すなわち、交流側に地絡事故等が生じても、制御部４０の直流電流制御部４７およびコンデンサバランス制御部５１によって直流電流指令値ＩＤＣ^＊を補正して、出力電圧成分および出力電流を適切に制御して、電力変換装置１１０の運転を継続する。

本実施形態の電力変換装置１１０では、電力変換部１２０が３巻線トランス２４１を含んでおり、二次巻線２４２ｂ，２４２ｃに流れる電流による磁界を打ち消すように二次巻線２４２ｂ，２４２ｃが巻回されている。そのため、二次巻線２４２ｂ，２４２ｃをそれぞれ流れる直流電流による起磁力がキャンセルされ、鉄心内に直流磁束が生じないようにすることができる。また、同一相内で直流起磁力を打ち消すことができるので、事故等により交流系統に不平衡が生じた場合であっても鉄心に偏磁を生じたり、飽和したりすることを防止することができる。したがって、交流系統の事故等が生じた場合であっても、電力変換装置１１０は、安全に運転を継続することができる。

なお、本実施形態の場合において、フルブリッジ形式のチョッパセルを用いることができる。

上述の実施形態の場合では、スター結線のトランスを用いたが、デルタ結線のトランスに置き換えることもでき、同様の効果を得ることができる。

以上説明した実施形態によれば、交流側に地絡を生じた場合であっても、安定して運転を継続できる電力変換装置を実現することができる。

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。

１０，１０ａ，１０ｂ 電力変換装置、１２，１２ａ，１２ｂ 電力系統、１４ 変圧器、２０ 電力変換部、２１ａ〜２１ｃ 交流端子、２１ｄ，２１ｅ 直流端子、２２ チョッパセル、２４ バッファリアクトル、２６ａ〜２６ｆ アーム、２８ａ〜２８ｃ レグ、４０ 制御部、４１ セルコンデンサ電圧平均値制御部、４３ 交流電流制御部、４４ 加算器、４５ 除算器、４７ 直流電流制御部、４７１ 加算器、４７２ 加減算器、４７３ 比例要素、４７４ リミッタ部、４７５ 加算器、４８ 加算器、４９ 係数器、５０ αβ０変換器、５１ コンデンサバランス制御部、５１１ リミッタ部、５１２ 相間コンデンサバランス制御部、５１３ ＰＮ間コンデンサバランス制御部、５１４ 加算器、５１５ αβ０変換部、５１６ ＰＩ制御部、５２ リミット値演算部、５３ 加算器、５４ 係数器、５５ 加算器、５６ アーム内コンデンサバランス制御部、５７ 係数器、５８ ＰＷＭ変調部、７２ チョッパセル、１１０ 電力変換装置、１２０ 電力変換部、２４１ ３巻線トランス

Claims (6)

1. 交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置であって、
   充放電を切り替え可能とされたコンデンサを含むセルを含む電力変換部と、
   前記コンデンサの電圧を制御して出力電圧を制御する制御部と、
   を備え、
   前記セルは、直列に接続されて交流の相ごとに接続され、
   前記制御部は、
   前記交流の相間で前記コンデンサの電圧のバランスを制御して、前記電力変換部の中を流れる循環電流のための循環電流指令値を生成するコンデンサバランス制御部と、
   設定された直流電流指令値および前記循環電流指令値にもとづいて直流出力電圧を生成する直流電流制御部と、
   を含み、
   前記コンデンサバランス制御部は、前記循環電流指令値から直流電流成分を抽出し、
   前記直流電流制御部は、前記直流電流成分を用いて、前記直流電流指令値を補正する電力変換装置。
2. 前記コンデンサバランス制御部は、前記コンデンサの電圧とあらかじめ設定された第１電圧との偏差を検出することによって、前記循環電流指令値から前記直流電流成分を抽出する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記コンデンサバランス制御部は、
   前記交流の各相に接続されたすべての前記セルのコンデンサの電圧の平均値を、その最大値である前記第１電圧に制限する第１リミッタ部と、
   前記第１リミッタ部の出力および前記交流の相ごとの前記セルのコンデンサの電圧の平均値にもとづいて前記直流電流成分を計算する演算部と、
   を含む請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記第１リミッタ部は、前記第１電圧の値よりも小さい値を有する第２電圧をさらに含む請求項３記載の電力変換装置。
   
5. 前記直流電流制御部は、前記直流出力電圧の最大値である第３電圧に制限する第２リミッタ部を含む請求項３または４に記載の電力変換装置。
6. 前記直流電流制御部は、
   複数の動作モードを有し、前記複数の動作モードのそれぞれに応じたリミット値を出力するリミット値演算部を含み、
   前記複数の動作モードは、
   当該電力変換装置が電流源として動作する場合には、
   前記直流出力電圧の最大値を前記第３電圧に設定する第１モードと、
   当該電力変換部が電圧源として動作する場合であって、
   前記第１リミッタ部が前記第１電圧を出力しないときには、
   前記第２リミッタ部は０を出力する第２モードと、
   前記第１リミッタ部が前記第１電圧を出力したときには、
   前記出力電圧の最大電圧を第３電圧よりも高い第４電圧に設定する第３モードと、
   を含む請求項５記載の電力変換装置。
   

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