JP6974258B2

JP6974258B2 - 電力変換装置

Info

Publication number: JP6974258B2
Application number: JP2018108855A
Authority: JP
Inventors: 宏之浦部; 一浩臼木; 脩平松本
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-06-06
Filing date: 2018-06-06
Publication date: 2021-12-01
Anticipated expiration: 2038-06-06
Also published as: JP2019213382A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

直列に接続された複数台の変換器と、各変換器の動作を制御する上位制御装置と、を備えた多段構成の電力変換装置がある。各変換器は、複数のスイッチング素子と、各スイッチング素子のそれぞれに並列に接続された整流素子と、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、各スイッチング素子のオン・オフを制御する制御部と、を有する。

各変換器の直列数が多い場合、上位制御装置の電位は、各変換器の電位と比べて低電位である。このような場合、上位制御装置から各変換器の制御部に制御電源を供給することは、絶縁の観点から困難になる。このため、電荷蓄積素子などの主回路側から制御部に制御電源を供給する給電回路を各変換器に設けることが行われている。

また、多段構成の電力変換装置では、各変換器の故障を上位制御装置で監視し、故障が検出された場合に、その変換器をバイパス状態とすることが行われている。これにより、直列に接続された複数台の変換器のいずれかに故障が生じた場合にも、運転を継続することができ、電力変換装置の運転継続性を向上させることができる。

しかしながら、複数台の変換器の故障に関する制御を上位制御装置のみで行おうとすると、上位制御装置の構成が複雑化してしまう。例えば、上位制御装置の大型化やコスト増の要因となってしまう。

このため、多段構成の電力変換装置では、故障した変換器のバイパスを可能にして運転継続性を向上させた場合にも、上位制御装置の構成を簡素化できるようにすることが望まれる。

特開２０１３−２７２６０号公報

本発明の実施形態は、故障した変換器のバイパスを可能にして運転継続性を向上させた場合にも、上位制御装置の構成を簡素化できる多段構成の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台の変換器を有し、前記複数台の変換器の動作により、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を行う主回路部と、前記複数台の変換器の動作を制御する上位制御装置と、を備え、前記複数台の変換器のそれぞれは、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、前記複数のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続された複数の整流素子と、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・オフを制御する制御部と、前記電荷蓄積素子に蓄積された電荷を基に、前記制御部の制御電源を生成し、生成した制御電源を前記制御部に供給する給電回路と、前記電荷蓄積素子の電圧を検出し、検出結果を前記制御部及び前記上位制御装置に出力する電圧検出器と、を有し、前記上位制御装置は、前記複数台の変換器のそれぞれの前記電圧検出器の前記検出結果を基に、前記複数台の変換器の前記電荷蓄積素子の電圧の平均値を算出し、前記平均値を前記複数台の変換器のそれぞれの前記制御部に出力し、前記制御部は、前記電圧検出器の前記検出結果と前記平均値とを基に前記電荷蓄積素子の電圧の異常を判定し、異常を判定した場合に、異常と判定された前記変換器をバイパス状態とする電力変換装置が提供される。

故障した変換器のバイパスを可能にして運転継続性を向上させた場合にも、上位制御装置の構成を簡素化できる多段構成の電力変換装置が提供される。

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。第１の実施形態に係る変換器を模式的に表すブロック図である。第１の実施形態に係るモジュールを模式的に表すブロック図である。第１の実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。第２の実施形態に係るモジュールを模式的に表すブロック図である。第２の実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。第２の実施形態に係るモジュールの変形例を模式的に表すブロック図である。主回路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。

（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、上位制御装置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、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、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。

上位制御装置１４は、主回路部１２に接続されている。上位制御装置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。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台の変換器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台の変換器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台の変換器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台の変換器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台の変換器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台の変換器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ＣＥＬＬ」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ＣＥＬＬ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ＣＥＬＬ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ＣＥＬＬ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ＣＥＬＬの台数は、実質的に同じである。例えば、多数の各変換器ＣＥＬＬ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ＣＥＬＬ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ＣＥＬＬを直列に接続する場合、別のアーム部に設ける変換器ＣＥＬＬ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ＣＥＬＬ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上位制御装置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の電流値を上位制御装置１４に入力する。これにより、上位制御装置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、検出した電流値を上位制御装置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、検出した電流値を上位制御装置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、検出した電流値を上位制御装置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、検出した電流値を上位制御装置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、検出した電流値を上位制御装置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、検出値を上位制御装置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ＣＥＬＬは、信号線２６を介して上位制御装置１４と接続される。上位制御装置１４は、信号線２６を介して変換器ＣＥＬＬに制御信号を入力することにより、変換器ＣＥＬＬの動作を制御する。また、変換器ＣＥＬＬは、例えば、変換器ＣＥＬＬ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上位制御装置１４に入力する。

上位制御装置１４と各変換器ＣＥＬＬとの通信方法は、上記に限ることなく、例えば、上位制御装置１４と各変換器ＣＥＬＬとをデイジーチェーン接続してもよい。上位制御装置１４と各変換器ＣＥＬＬとの通信方法は、上位制御装置１４と各変換器ＣＥＬＬとの間で信号を送受可能な任意の通信方法でよい。

図２は、第１の実施形態に係る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ＣＥＬＬは、主回路４０と、電荷蓄積素子４５と、制御部４６と、給電回路４８と、電圧検出器５０と、を有する。

主回路４０は、第１接続端子４０ａと、第２接続端子４０ｂと、第１スイッチング素子４１と、第２スイッチング素子４２と、を有する。各スイッチング素子４１、４２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。また、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。

第２スイッチング素子４２の一対の主端子は、第１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。第１接続端子４０ａは、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２との間に接続される。第２接続端子４０ｂは、第１スイッチング素子４１の第２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。

電荷蓄積素子４５は、第１スイッチング素子４１及び第２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４５は、例えば、コンデンサである。変換器ＣＥＬＬに対する電力の供給は、各接続端子４０ａ、４０ｂを介して行われる。換言すれば、各接続端子４０ａ、４０ｂを介して供給された電力により、電荷蓄積素子４５が充電される。

また、第１スイッチング素子４１には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子４１ｄが接続されている。整流素子４１ｄの順方向は、第１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、第２スイッチング素子４２には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子４２ｄが接続されている。整流素子４１ｄ、４２ｄは、いわゆる還流ダイオードである。

この例では、主回路４０において、各スイッチング素子４１、４２が、ハーフブリッジ接続されている。主回路４０は、換言すれば、チョッパ回路である。第１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、第２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。

制御部４６は、各スイッチング素子４１、４２のオン・オフを制御する。制御部４６は、ゲート回路５１を介して第１スイッチング素子４１の制御端子と接続されている。制御部４６は、ゲート回路５２を介して第２スイッチング素子４２の制御端子と接続されている。また、制御部４６は、例えば、信号線２６を介して上位制御装置１４と接続されている。

上位制御装置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を介して制御部４６に送信する。制御部４６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ゲート回路５１、５２に入力する。

ゲート回路５１は、第１スイッチング素子４１の制御端子に接続されている。ゲート回路５２は、第２スイッチング素子４２の制御端子に接続されている。ゲート回路５１、５２は、制御部４６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、上位制御装置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。上位制御装置１４は、各変換器ＣＥＬＬ毎に制御信号を生成し、各変換器ＣＥＬＬ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、上位制御装置１４は、主回路部１２による電力の変換を制御する。

なお、変換器ＣＥＬＬ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、ゲート回路５１、５２は、必要に応じて設けられ、省略可能である。

給電回路４８は、電荷蓄積素子４５に対して並列に接続されている。給電回路４８は、電荷蓄積素子４５に蓄積された電荷を基に、制御部４６の制御電源を生成し、生成した制御電源を制御部４６に供給する。また、この例において、給電回路４８は、ゲート回路５１、５２にも制御電源を供給する。給電回路４８は、例えば、制御部４６及びゲート回路５１、５２のそれぞれに対応する制御電源を生成し、制御部４６及びゲート回路５１、５２のそれぞれに、対応する制御電源を供給する。制御部４６は、給電回路４８からの制御電源の供給に応じて動作する。

電圧検出器５０は、電荷蓄積素子４５と電気的に接続されている。また、電圧検出器５０は、制御部４６と接続されるとともに、例えば、制御部４６及び信号線２６などを介して上位制御装置１４と接続されている。電圧検出器５０は、電荷蓄積素子４５の電圧を検出し、検出結果を制御部４６及び上位制御装置１４に出力する。電圧検出器５０の構成は、検出結果を制御部４６及び上位制御装置１４に出力可能な任意の構成でよい。

複数台の変換器ＣＥＬＬは、少なくとも２台の変換器ＣＥＬＬ毎にモジュール化されている。この例では、２台の変換器ＣＥＬＬによって１つのモジュールＭＤＬが形成されている。従って、主回路部１２は、複数のモジュールＭＤＬを有する。モジュールＭＤＬの２台の変換器ＣＥＬＬでは、電源が多重化されている。給電回路４８は、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの制御部４６及びゲート回路５１、５２に制御電源を供給する。これにより、モジュールＭＤＬ内の各変換器ＣＥＬＬのいずれかの給電回路４８が故障した場合にも、他の変換器ＣＥＬＬの給電回路４８から制御部４６及びゲート回路５１、５２に制御電源を供給することができる。従って、１つの給電回路４８が故障した場合にも、電力変換装置１０の運転を継続することができ、電力変換装置１０の運転継続性を向上させることができる。

以下では、モジュールＭＤＬに含まれる一方の変換器ＣＥＬＬを「第１変換器ＣＥＬＬ１」と称し、他方の変換器ＣＥＬＬを「第２変換器ＣＥＬＬ２」と称す。第１変換器ＣＥＬＬ１の給電回路４８は、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６及びゲート回路５１、５２に制御電源を供給するとともに、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６及びゲート回路５１、５２にも制御電源を供給する。同様に、第２変換器ＣＥＬＬ２の給電回路４８は、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６及びゲート回路５１、５２に制御電源を供給するとともに、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６及びゲート回路５１、５２にも制御電源を供給する。

モジュールＭＤＬに含まれる変換器ＣＥＬＬの数は、２台に限ることなく、３台以上でもよい。また、各変換器ＣＥＬＬは、必ずしもモジュール化されていなくてもよい。

図３は、第１の実施形態に係るモジュールＭＤＬを模式的に表すブロック図である。
図３に表したように、各変換器ＣＥＬＬの制御部４６は、電圧検出器５０で検出された電荷蓄積素子４５の電圧（以下、セル電圧と称す）を上位制御装置１４に出力する。上位制御装置１４には、各変換器ＣＥＬＬのそれぞれのセル電圧が入力される。なお、上位制御装置１４へのセル電圧の入力は、制御部４６を介することなく、電圧検出器５０から直接的に上位制御装置１４に入力してもよい。

上位制御装置１４は、入力された各変換器ＣＥＬＬのそれぞれのセル電圧を基に、各変換器ＣＥＬＬのセル電圧の平均値を算出する。そして、上位制御装置１４は、算出した平均値を各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの制御部４６に出力する。

各変換器ＣＥＬＬの制御部４６は、判定回路５４を有する。判定回路５４は、電圧検出器５０の検出結果と入力された平均値とを基に、電荷蓄積素子４５のセル電圧の異常を判定する。判定回路５４は、例えば、電圧検出器５０の検出結果と平均値との差が所定値未満の場合に、セル電圧を正常と判定し、電圧検出器５０の検出結果と平均値との差が所定値以上の場合に、セル電圧を異常と判定する。

制御部４６は、判定回路５４が正常と判定した場合には、上位制御装置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・オフを制御する。一方、制御部４６は、判定回路５４が異常を判定した場合、異常と判定された変換器ＣＥＬＬの各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパス状態とする。

ここで、「バイパス状態」とは、第１接続端子４０ａと第２接続端子４０ｂとの間を導通（短絡）させた状態である。この例においては、例えば、第１スイッチング素子４１をオン状態、第２スイッチング素子４２をオフ状態にすることにより、バイパス状態とすることができる。これにより、直列に接続された各変換器ＣＥＬＬにおいて、いずれかの変換器ＣＥＬＬが故障した場合などにも、故障した変換器ＣＥＬＬをバイパス状態としておくことで、電力変換装置１０の運転を継続することができる。なお、バイパス状態は、例えば、各スイッチング素子４１、４２とは別のスイッチなどを用いて第１接続端子４０ａと第２接続端子４０ｂとの間を導通させた状態でもよい。

制御部４６は、判定回路５４が異常を判定して異常と判定された変換器ＣＥＬＬの各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパス状態にした場合、変換器ＣＥＬＬの故障を表す情報を上位制御装置１４に出力する。上位制御装置１４は、例えば、制御部４６からの情報を基に、故障した変換器ＣＥＬＬの数を各アーム部２２ａ〜２２ｆ毎に積算し、故障した変換器ＣＥＬＬの数が所定数に達した場合に、主回路部１２による電力変換を停止させる。

モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬは、互いに接続されている。第１変換器ＣＥＬＬ１は、第２変換器ＣＥＬＬ２と接続されている。例えば、各変換器ＣＥＬＬと上位制御装置１４とが信号線２６などで個別に接続されている場合には、第１変換器ＣＥＬＬ１と第２変換器ＣＥＬＬ２とは、専用の信号線などを介して互いに接続される。例えば、各変換器ＣＥＬＬと上位制御装置１４とがデイジーチェーン接続されている場合には、第１変換器ＣＥＬＬ１と第２変換器ＣＥＬＬ２とは、デイジーチェーンの信号線を介して互いに接続される。

モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬは、電圧検出器５０の検出結果を互いに共有する。第１変換器ＣＥＬＬ１の電圧検出器５０の検出結果は、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６に入力されるとともに、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６にも入力される。同様に、第２変換器ＣＥＬＬ２の電圧検出器５０の検出結果は、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６に入力されるとともに、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６にも入力される。

制御部４６は、モジュール化された各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの電荷蓄積素子４５の電圧の異常を判定する。そして、制御部４６は、異常を判定された変換器ＣＥＬＬをバイパス状態とすることが可能である。

第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６は、例えば、第１変換器ＣＥＬＬ１のセル電圧の異常を判定した場合、バイパス信号を第１変換器ＣＥＬＬ１のゲート回路５１、５２に出力する。第１変換器ＣＥＬＬ１のゲート回路５１、５２は、バイパス信号の入力に応じて、各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパス状態とする。

これにより、例えば、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬのいずれかの制御部４６が故障した場合などにおいても、各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパスして運転を継続することができる。従って、電力変換装置１０の運転継続性をより向上させることができる。

例えば、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６の判定回路５４のみが故障し、異常の判定を適切に行うことができなくなった場合などには、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６から入力されたバイパス信号に応じて、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６が、ゲート回路５１、５２を駆動して各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパス状態としてもよい。

このように、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６が、第１変換器ＣＥＬＬ１をバイパス状態にすることが可能な構成は、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６が、第１変換器ＣＥＬＬ１の各接続端子４０ａ、４０ｂ間を直接的に制御してバイパス状態とする構成でもよいし、第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６からの指示に応じて、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６が各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパス状態とする構成でもよい。

例えば、制御部４６は、判定回路５４が異常と判定していない状態で、モジュールＭＤＬに含まれる別の変換器ＣＥＬＬの制御部４６からバイパスを指示された場合、バイパスを優先する。これにより、運転継続性及び安全性をより高めることができる。

図４は、第１の実施形態に係る電力変換装置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は、制御部４６のバイパス制御に関する動作の一例を模式的に表す。以下では、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６を例に説明を行う。第２変換器ＣＥＬＬ２の制御部４６の動作は、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６の動作と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。

電力変換装置１０の動作開始時においては、例えば、図示を省略した初期充電回路などによって、各変換器ＣＥＬＬの電荷蓄積素子４５が充電がされる。電荷蓄積素子４５を充電すると、給電回路４８が動作を開始する。動作を開始した給電回路４８は、制御部４６及びゲート回路５１、５２のそれぞれに対応する制御電源を供給する。これにより、給電回路４８からの制御電源の供給に応じて、制御部４６が起動する（図４のステップＳ１１）。

第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６には、第１変換器ＣＥＬＬ１の電圧検出器５０の検出結果と、第２変換器ＣＥＬＬ２の電圧検出器５０の検出結果と、が入力される。第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６は、入力された第１変換器ＣＥＬＬ１及び第２変換器ＣＥＬＬの各セル電圧を上位制御装置１４に出力する（図４のステップＳ１２）。制御部４６から上位制御装置１４へのセル電圧の出力は、所定の間隔で定期的に行ってもよいし、連続的に行ってもよい。

上位制御装置１４は、各変換器ＣＥＬＬからセル電圧の情報を入力されると、入力された各変換器ＣＥＬＬのセル電圧の平均値を算出する（図４のステップＳ１３）。なお、セル電圧の平均値は、全ての変換器ＣＥＬＬに対してでもよいし、任意の数の変換器ＣＥＬＬ毎に平均を取り、個別に算出してもよい。例えば、各アーム部２２ａ〜２２ｆ毎などに各変換器ＣＥＬＬのセル電圧の平均値を算出してもよい。この後、上位制御装置１４は、算出した平均値を各変換器ＣＥＬＬの制御部４６に出力する（図４のステップＳ１４）。

制御部４６は、上位制御装置１４から平均値が入力されると、セル電圧の異常を判定回路５４に判定させる（図４のステップＳ１５）。

制御部４６は、セル電圧が正常と判定された場合には、ステップＳ１２の処理に戻り、同様の処理を繰り返す。一方、制御部４６は、セル電圧が異常と判定された場合には、異常と判定された変換器ＣＥＬＬの各接続端子４０ａ、４０ｂ間をバイパス状態とする（図４のステップＳ１６）。

このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、セル電圧の異常の判定を各変換器ＣＥＬＬで行っている。これにより、各変換器ＣＥＬＬのセル電圧の異常の判定を全て上位制御装置１４で行う場合と比べて、上位制御装置１４の構成を簡素化することができる。本実施形態に係る電力変換装置１０では、故障した変換器ＣＥＬＬのバイパスを可能にして運転継続性を向上させた場合にも、上位制御装置１４の構成を簡素化することができる。例えば、上位制御装置１４の大型化やコスト増を抑制することができる。

また、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６は、第２変換器ＣＥＬＬ２のセル電圧の異常も判定する。そして、第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６は、第２変換器ＣＥＬＬ２のセル電圧を異常と判定した場合に、第２変換器ＣＥＬＬ２をバイパス状態にする。これにより、運転継続性をより向上させることができる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係るモジュールＭＤＬを模式的に表すブロック図である。
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。
図５に表したように、各変換器ＣＥＬＬは、記憶部６０をさらに有する。記憶部６０は、変換器ＣＥＬＬの自身の故障の状態を表す故障情報６２を記憶する。

故障情報６２は、例えば、判定回路５４で判定されたセル電圧の異常の判定結果を含む。これにより、制御部４６は、故障情報６２を参照することで、セル電圧が正常と判定された状態か異常と判定された状態かを認識することができる。

故障情報６２の含む情報は、セル電圧の異常の判定結果の情報に限定されるものではない。例えば、各スイッチング素子４１、４２の異常の情報などを故障情報６２に含めてもよい。故障情報６２の含む情報は、変換器ＣＥＬＬの故障に関連する任意の情報でよい。

また、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬは、故障情報６２を互いに共有する。故障情報６２は、例えば、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの故障の状態を表す情報を含む。例えば、第１変換器ＣＥＬＬ１の故障情報６２は、第１変換器ＣＥＬＬ１のセル電圧の判定結果を含むとともに、第２変換器ＣＥＬＬ２のセル電圧の判定結果を含む。第２変換器ＣＥＬＬ２の故障情報６２は、第２変換器ＣＥＬＬ２のセル電圧の判定結果を含むとともに、第１変換器ＣＥＬＬ１のセル電圧の判定結果を含む。これにより、故障情報６２を参照することで、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの故障の状態を認識することができる。なお、記憶部６０は、例えば、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬ毎の複数の故障情報６２を記憶してもよい。

図６は、第２の実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。
図６は、制御部４６の起動時の動作の一例を模式的に表す。
前述のように、制御部４６は、給電回路４８からの制御電源の供給に応じて起動する（図６のステップＳ２１）。制御部４６は、起動した後、記憶部６０の故障情報６２を参照する（図６のステップＳ２２）。

制御部４６は、故障情報６２を参照し、故障情報６２に自身のモジュールＭＤＬ内の変換器ＣＥＬＬが故障と記憶されているか否かを確認する（図６のステップＳ２３）。

制御部４６は、故障していると記憶されている場合、モジュールＭＤＬ内の変換器ＣＥＬＬにより、故障と記憶されている変換器ＣＥＬＬをバイパス状態とする（図６のステップＳ２４）。

一方、制御部４６は、故障していないと記憶されている場合には、上位制御装置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、電力の変換を行う制御を開始する。

このように、本実施形態では、各変換器ＣＥＬＬのそれぞれが、故障情報６２を記憶している。これにより、例えば、上位制御装置１４が各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの故障情報６２を記憶する場合と比べて、上位制御装置１４の構成を簡素化することができる。

また、制御部４６は、故障情報６２を参照することにより、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの故障を確認し、故障と記憶されている変換器ＣＥＬＬをバイパス状態にする。第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６は、第２変換器ＣＥＬＬ２の故障も確認する。第１変換器ＣＥＬＬ１の制御部４６は、第２変換器ＣＥＬＬ２が故障していると記憶されている場合、第２変換器ＣＥＬＬ２をバイパス状態にする。

これにより、例えば、モジュールＭＤＬに含まれる各変換器ＣＥＬＬのいずれかの制御部４６や記憶部６０などが故障している場合にも、運転を継続することができ、運転継続性をより向上させることができる。

例えば、制御部４６は、自身の変換器ＣＥＬＬが異常と判定していない状態で、モジュールＭＤＬに含まれる別の変換器ＣＥＬＬの制御部４６からバイパスを指示された場合、バイパスを優先する。これにより、運転継続性及び安全性をより高めることができる。

図７は、第２の実施形態に係るモジュールＭＤＬ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、この例では、判定回路５４が省略されている。この例では、例えば、各変換器ＣＥＬＬのセル電圧の異常の判定を全て上位制御装置１４が行う。このように、各変換器ＣＥＬＬのセル電圧の異常の判定は、上位制御装置１４などで行わせつつ、故障情報６２は、各変換器ＣＥＬＬのそれぞれに記憶させる構成としてもよい。この場合においても、上位制御装置１４が各変換器ＣＥＬＬのそれぞれの故障情報６２を記憶する場合と比べて、上位制御装置１４の構成を簡素化することができる。

但し、図５に表したように、各変換器ＣＥＬＬに判定回路５４と記憶部６０とを設け、セル電圧の異常の判定、及び故障情報６２の記憶を各変換器ＣＥＬＬに行わせる。これにより、上位制御装置１４の構成をより簡素化することができる。

図８は、主回路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、この例では、主回路４０が、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２とを有するとともに、第３スイッチング素子４３と第４スイッチング素子４４とをさらに有する。第３スイッチング素子４３、第４スイッチング素子４４には、第１スイッチング素子４１、第２スイッチング素子４２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４４の一対の主端子は、第３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、第３スイッチング素子４３及び第４スイッチング素子４４は、第１スイッチング素子４１及び第２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４５は、第１スイッチング素子４１及び第２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、第３スイッチング素子４３及び第４スイッチング素子４４に対して並列に接続される。

第３スイッチング素子４３には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子４３ｄが接続されている。第４スイッチング素子４４には、一対の主端子に対して逆並列に整流素子４４ｄが接続されている。

変換器ＣＥＬＬの第１接続端子４０ａは、第１スイッチング素子４１と第２スイッチング素子４２との間に接続されている。第２接続端子４０ｂは、第３スイッチング素子４３と第４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、第２接続端子４０ｂは、第３スイッチング素子４３を介して第１スイッチング素子４１の第２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。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。

すなわち、この例の主回路４０は、いわゆるフルブリッジ回路である。このように、ＭＭＣ型の電力変換装置１０の各変換器ＣＥＬＬに用いられる主回路４０は、チョッパ回路でもよいし、フルブリッジ回路でもよい。

図８では、便宜的に図示を省略しているが、第３スイッチング素子４３及び第４スイッチング素子４４は、第１スイッチング素子４１及び第２スイッチング素子４２と同様に、制御部４６によってオン・オフを制御される。変換器ＣＥＬＬは、例えば、各スイッチング素子４１〜４４のそれぞれに対応する４つのゲート回路を有する。制御部４６は、上位制御装置１４から入力された制御信号に基づいて、各ゲート回路の動作を制御する。これにより、各スイッチング素子４１〜４４のオン・オフが制御される。

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、複数の変換器ＣＥＬＬ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。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。また、電力変換装置１０の変換する交流電力は、三相交流電力に限ることなく、単相交流電力や二相交流電力などでもよい。

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…上位制御装置、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…電圧検出部、２６…信号線、４０…主回路、４１〜４４…スイッチング素子、４５…電荷蓄積素子、４６…制御部、４８…給電回路、５０…電圧検出器、５１、５２…ゲート回路、５４…判定回路、６０…記憶部、６２…故障情報

Claims

直列に接続された複数台の変換器を有し、前記複数台の変換器の動作により、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を行う主回路部と、
前記複数台の変換器の動作を制御する上位制御装置と、
を備え、
前記複数台の変換器のそれぞれは、
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、
前記複数のスイッチング素子のそれぞれに並列に接続された複数の整流素子と、
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・オフを制御する制御部と、
前記電荷蓄積素子に蓄積された電荷を基に、前記制御部の制御電源を生成し、生成した制御電源を前記制御部に供給する給電回路と、
前記電荷蓄積素子の電圧を検出し、検出結果を前記制御部及び前記上位制御装置に出力する電圧検出器と、
を有し、
前記上位制御装置は、前記複数台の変換器のそれぞれの前記電圧検出器の前記検出結果を基に、前記複数台の変換器の前記電荷蓄積素子の電圧の平均値を算出し、前記平均値を前記複数台の変換器のそれぞれの前記制御部に出力し、
前記制御部は、前記電圧検出器の前記検出結果と前記平均値とを基に前記電荷蓄積素子の電圧の異常を判定し、異常を判定した場合に、異常と判定された前記変換器をバイパス状態とする電力変換装置。
前記複数台の変換器は、少なくとも２台の前記変換器毎にモジュール化されており、
モジュール化された前記少なくとも２台の前記変換器は、前記電圧検出器の前記検出結果を互いに共有し、
前記制御部は、モジュール化された前記少なくとも２台の前記変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧の異常を判定し、異常を判定された前記変換器を前記バイパス状態とすることが可能である請求項１記載の電力変換装置。
前記複数台の変換器のそれぞれは、自身の故障の状態を表す故障情報を記憶する記憶部を有し、
前記制御部は、前記給電回路からの前記制御電源の供給に応じて起動した後、前記記憶部の前記故障情報を参照し、故障と記憶されている場合に、故障と記憶されている前記変換器をバイパス状態とする請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記複数台の変換器は、少なくとも２台の前記変換器毎にモジュール化されており、
モジュール化された前記少なくとも２台の前記変換器は、前記故障情報を互いに共有し、
前記制御部は、起動した後、前記故障情報を参照することにより、モジュール化された前記少なくとも２台の前記変換器のそれぞれの故障を確認し、故障と記憶されている前記変換器を前記バイパス状態とすることが可能である請求項３記載の電力変換装置。