JP7450831B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

電力変換装置（１）において、各サブモジュール（ＳＭ）は、バイパススイッチ（ＢＰＳ）が動作したことを視覚的に報知する報知部（３３，７９，４４，８５）を含む。電力変換装置（１）は、複数のサブモジュールの報知部を一つの画像データとしてまとめて撮影する監視カメラ（７０）と、上記画像データを画像処理することにより、各サブモジュールのバイパススイッチ（ＢＰＳ）の動作状態を判別する上位制御装置（３）とを備える。

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

近年、電力系統などの高圧系統に適用される大容量の電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）の実用化が進展している。ＭＭＣは、各々が蓄電素子（代表的には、キャパシタ）と複数の半導体スイッチング素子とを含む多数の単位変換器を備え、これらの単位変換器がカスケードに接続される。以下、単位変換器を「変換器セル」または「サブモジュール」（ＳＭ：Submodule）とも称する。

ＭＭＣは、ＨＶＤＣ（High Voltage Direct Current：高圧直流）送電のための代表的な電力変換装置である。ＭＭＣ－ＨＶＤＣでは、カスケード接続されるサブモジュールの数に冗長性を持たせる。そして、いずれかのサブモジュールが故障した場合には当該サブモジュールをバイパススイッチによって短絡することにより、残りのサブモジュールで運転継続が図られる。

サブモジュールを構成する半導体スイッチング素子がモジュール型素子の場合には、バイパススイッチは必須である。半導体スイッチング素子が通常短絡故障する圧接型素子の場合であってもＭＭＣ－ＨＶＤＣのような大電流仕様の場合には、連続通電の信頼性を確保するためにバイパススイッチは必須となる。

バイパススイッチの投入指令を発出した後の運転継続の可否判断のためには、バイパススイッチの動作確認が重要であり、信頼性の高い確認方法が必要となる。たとえば、特表２０１６－５１８８０４号公報（特許文献１）は、バイパススイッチが通電しているか否かを検出するモニタリング装置を開示する。

具体的にこの文献のモニタリング装置では、バイパススイッチを構成する機械式スイッチの投入のために機械式スイッチの可動部分が動いたときに断線する位置に光ファイバーが配置される。光ファイバーの断線により光ファイバーを通る光信号が遮断されることによって、機械式スイッチが通電状態にあることが検知される。

特表２０１６－５１８８０４号公報

バイパススイッチの動作の確認結果は、サブモジュールに設けられた個別制御部が上位制御装置に伝達する。しかしながら、信頼性確保のためには、個別制御部を介するだけでなく直接的に確認結果を上位制御装置に伝達できるほうが望ましい。この場合、光ファイバー配線によって上位制御系に伝達することは可能であるが、配線数が増大するためコストおよびスペースの点で問題となる。無線によるバックアップ通信は、高価であるし、雑音の問題もある。上記の特許文献１ではこの問題について明らかにされていない。

本開示は、上記の問題点を考慮してなされたものであり、その目的の一つは、バイパススイッチの動作確認結果を比較的簡便な方法で上位制御装置に直接伝達することが可能な電力変換装置を提供することである。

なお、バイパススイッチの信頼性を確保する観点からは、その他にも重要な課題がある。たとえば、個別制御部の故障によるバイパススイッチ投入不全時にバイパススイッチをバックアップ投入すること、およびバイパススイッチを動作させる駆動系が劣化した場合に予めバイパススイッチを交換する予防保全も重要である。これらの課題の解決手段については、以下の実施の形態において明らかにする。

一実施形態の電力変換装置は、カスケード接続された複数のサブモジュールを備える。複数のサブモジュールの各々は、一対の入出力端子と、複数の半導体スイッチング素子と、複数の半導体スイッチング素子を介して一対の入出力端子に接続される蓄電素子と、一対の入出力端子を短絡するための機械式のバイパススイッチと、複数の半導体スイッチング素子およびバイパススイッチの開閉を制御する個別制御部と、バイパススイッチが動作したことを視覚的に報知する報知部とを含む。電力変換装置は、さらに、複数のサブモジュールの各々の報知部を一つの画像データとしてまとめて撮影する監視カメラと、上記画像データを画像処理することにより、複数のサブモジュールの各々のバイパススイッチの動作状態を判別する上位制御装置とを備える。

上記の実施形態によれば、各サブモジュールはバイパススイッチが動作したことを視覚的に報知する報知部を含み、電力変換装置は、複数のサブモジュールの各々の報知部を一つの画像データとしてまとめて撮影する監視カメラと、上記画像データを画像処理することにより、複数のサブモジュールの各々のバイパススイッチの動作状態を判別する上位制御装置とを備える。これらの構成により、バイパススイッチの動作確認結果を比較的簡便な方法で上位制御装置に直接伝達することが可能な電力変換装置を提供できる。

実施の形態１に係る電力変換装置の概略構成図である。 図１の各レグ回路を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。 図２のバイパススイッチの概念的な構成を示す断面図である。 上位制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。 複数の変換器セルの物理的配置を説明するための外観図である。 図５のＹ方向から見た断面図である。 バイパススイッチの投入動作とその確認手順を示すフローチャートである。 バイパススイッチの動作状態を報知する報知部の変形例を説明するための図である。 実施の形態３の電力変換装置において、サブモジュールの構成例を示す回路図である。 実施の形態４の電力変換装置においてサブモジュールの構成例を示す回路図である。 対の相手方のサブモジュールに対する保護動作を説明するためのフローチャートである。 実施の形態５の電力変換装置においてバイパススイッチの概念的な構成を示す断面図である。 バイパススイッチの健全性評価の手順の一例を示すフローチャートである。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。

実施の形態１．
［電力変換装置の概略的な全体構成］
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置１の概略構成図である。図１を参照して、電力変換装置１は、互いにカスケードに接続された複数の変換器セル７（サブモジュールＳＭ）を含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。電力変換装置１は、直流系統１４と交流系統１２との間で電力変換を行なう。電力変換装置１は、電力変換器２と上位制御装置３とを含む。

電力変換器２は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（総称する場合または任意のものを示す場合、レグ回路４と記載する）を含む。

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、交流系統１２と直流系統１４との間に接続され、両回路間で電力変換を行なう。図１には、交流系統１２が３相交流系統の場合が示され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられている。

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、変圧器１３を介して交流系統１２に接続される。交流系統１２は交流電源などを含む。図１では、図解を容易にするために、交流入力端子Ｎｖ，Ｎｗと変圧器１３との接続は図示していない。

各レグ回路４に共通に接続された高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流系統１４に接続される。ＨＶＤＣ送電の場合、直流系統１４は直流送電網である。なお、直流系統１４を他の電力変換装置の直流端子と考えることもできる。この場合、２台の電力変換装置を連結することによって定格周波数などが異なる交流電力系統間を接続するためのＢＴＢ（Back To Back）システムが構成される。

図１の変圧器１３を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流系統１２に接続する構成としてもよい。さらに、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが変圧器１３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル８Ａ，８Ｂとしてもよい。上記をまとめると、レグ回路４は、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗに設けられた接続部を介して電気的に（すなわち直流的または交流的に）交流系統１２と接続される。

レグ回路４ｕは、高電位側直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム回路５と、低電位側直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム回路６とを含む。上アーム回路５および下アーム回路６の接続点である交流入力端子Ｎｕは、変圧器１３と接続される。高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流系統１４に接続される。上アーム回路５および下アーム回路６を総称してアーム回路と記載する。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有するので、以下、レグ回路４ｕの構成について代表的に説明する。

上アーム回路５は、カスケード接続された複数のサブモジュールＳＭと、リアクトル８Ａとを含む。複数のサブモジュールＳＭおよびリアクトル８Ａは、直列に接続されている。同様に、下アーム回路６は、カスケード接続された複数のサブモジュールＳＭと、リアクトル８Ｂとを含む。複数のサブモジュールＳＭおよびリアクトル８Ｂは、直列に接続されている。

以下の説明では、上アーム回路５および下アーム回路６の各々に含まれるサブモジュールＳＭの数をＮｃｅｌｌ＋Ｒｃｅｌｌとする。但し、Ｎｃｅｌｌ≧２、Ｒｃｅｌｌ≧１とする。Ｎｃｅｌｌは運転に最低限必要なサブモジュールＳＭの数であり、Ｒｃｅｌｌは冗長セルの数である。ただし、Ｎｃｅｌｌ＋Ｒｃｅｌｌ個のサブモジュールＳＭは一緒に動作するので冗長セルとその他のセルとに区別はない。Ｎｃｅｌｌ＋Ｒｃｅｌｌ個のサブモジュールＳＭのうち１個が故障した場合、当該故障したセルは、そのバイパススイッチＢＰＳ（図２を参照）を投入することにより短絡される。したがって、Ｎｃｅｌｌ＋Ｒｃｅｌｌ個のサブモジュールＳＭのうちＲｃｅｌｌ個のサブモジュールＳＭが故障すると、冗長セルの残数は０になる。さらにもう１個のサブモジュールＳＭが故障すると当該アームに含まれるサブモジュールＳＭの数がＮｃｅｌｌ個未満になるので、それ以降、電力変換器２を使用できなくなる。

リアクトル８Ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの上アーム回路５のいずれの位置であってもよく、リアクトル８Ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの下アーム回路６のいずれの位置であってもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂはそれぞれ複数個設けられてもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、上アーム回路５のリアクトル８Ａのみ、もしくは、下アーム回路６のリアクトル８Ｂのみを設けてもよい。また、変圧器結線を工夫して、直流分電流の磁束を打ち消すとともに、交流分電流に対して変圧器の漏れリアクタンスが作用することでリアクトルの代替としてもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂを設けることにより、交流系統１２または直流系統１４等の事故時における事故電流の急激な増大を抑制することができる。

電力変換装置１は、さらに、制御に使用される電気量（電流、電圧など）を計測する各検出器として、交流電圧検出器１０と、交流電流検出器１６と、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂと、直流電流検出器１７とを含む。これらの検出器によって検出された信号は、上位制御装置３に入力される。

なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から上位制御装置３に入力される信号の信号線と、上位制御装置３および各サブモジュールＳＭ間で入出力される信号の信号線とは、一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびサブモジュールＳＭごとに設けられている。各サブモジュールＳＭと上位制御装置３との間の信号線は、送信用と受信用とが別個に設けられていてもよい。信号線は、たとえば光ファイバーによって構成される。

次に、各検出器について具体的に説明する。
交流電圧検出器１０は、交流系統１２のＵ相の交流電圧Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧Ｖａｃｖ、および、Ｗ相の交流電圧Ｖａｃｗを検出する。以下の説明では、各相の交流電圧Ｖａｃｕ、Ｖａｃｖ、および、Ｖａｃｗを総称して交流電圧Ｖａｃとも記載する。

交流電流検出器１６は、交流系統１２のＵ相の交流電流Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流Ｉａｃｖ、および、Ｗ相の交流電流Ｉａｃｗを検出する。以下の説明では、各相の交流電流Ｉａｃｕ、Ｉａｃｖ、およびＩａｃｗを総称して交流電流Ｉａｃとも記載する。

直流電圧検出器１１Ａは、直流系統１４に接続された高電位側直流端子Ｎｐの直流電圧Ｖｄｃｐを検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流系統１４に接続された低電位側直流端子Ｎｎの直流電圧Ｖｄｃｎを検出する。高電位側直流電圧Ｖｄｃｐと低電位側直流電圧Ｖｄｃｎとの差を直流電圧Ｖｄｃとする。

直流電流検出器１７は、高電位側直流端子Ｎｐまたは低電位側直流端子Ｎｎを流れる直流電流Ｉｄｃを検出する。

Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム回路５に流れる上アーム電流Ｉｐｕ、および、下アーム回路６に流れる下アーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｖおよび下アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。以下の説明では、上アーム電流Ｉｐｕ、Ｉｐｖ、Ｉｐｗを総称して上アーム電流Ｉａｒｍｐとも記載し、下アーム電流Ｉｎｕ、Ｉｎｖ、Ｉｎｗを総称して下アーム電流Ｉａｒｍｎとも記載し、上アーム電流Ｉａｒｍｐと下アーム電流Ｉａｒｍｎとを総称してアーム電流Ｉａｒｍとも記載する。

［変換器セルの構成例］
図２は、図１の各レグ回路を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。図１に示す変換器セル７（サブモジュールＳＭ）は、ハーフブリッジ型の変換回路２０と、蓄電素子２４と、電圧検出器２５と、個別制御部２７と、バイパススイッチＢＰＳと、点灯回路３０とを含む。変換回路２０をブリッジ回路とも称する。

ハーフブリッジ型の変換回路２０は、互いに直列接続されたスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂと、ダイオード２３Ａ，２３Ｂとを含む。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂとそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続される。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂに逆方向電圧が印加されたときの保護のために設けられている。以下、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂおよびダイオード２３Ａ，２３Ｂについて、総称する場合または任意の１つを示す場合に、スイッチング素子２２およびダイオード２３とそれぞれ記載する。

蓄電素子２４は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を保持する。蓄電素子２４として、代表的には直流コンデンサが用いられる。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの接続ノードは高電位側の入出力端子２６Ｐと接続される。スイッチング素子２２Ｂと蓄電素子２４との接続ノードは低電位側の入出力端子２６Ｎと接続される。

典型的には、入出力端子２６Ｐは、正極側に隣接するサブモジュールＳＭの入出力端子２６Ｎと接続される。入出力端子２６Ｎは、負極側に隣接するサブモジュールＳＭの入出力端子２６Ｐと接続される。

各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂには、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂは、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）である。

なお、サブモジュールＳＭの変換回路は、上記のようなハーフブリッジ型の変換回路２０に限られない。たとえば、サブモジュールＳＭは、フルブリッジ型の変換回路、またはスリークオーターブリッジ型の変換回路を用いて構成されていてもよい。

バイパススイッチＢＰＳは、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間に接続される。本実施形態の場合、バイパススイッチＢＰＳとして機械式スイッチが用いられる。バイパススイッチＢＰＳは、主接点ＭＣと、主接点ＭＣに連動して開閉する補助接点ＡＸとを含む。主接点ＭＣを閉じることにより、高電位側の入出力端子２６Ｐと低電位側の入出力端子２６Ｎとの間が短絡される。

バイパススイッチＢＰＳは、変換器セル７（サブモジュールＳＭ）のいずれかの素子が故障した場合に、当該サブモジュールＳＭを短絡させるために利用される。これにより、複数のサブモジュールＳＭのうちの任意のサブモジュールＳＭが故障しても、他のサブモジュールＳＭを利用することにより電力変換装置１の運転継続が可能となる。

なお、バイパススイッチＢＰＳが投入されたときには、手動開放後に接点の健全性確認が必要であり、火薬の点火によって接点を投入するインフレータ方式の場合には、バイパススイッチの交換が必要になる。したがって、バイパススイッチを投入してもシステムを運転継続できない場合には、基本的にはバイパススイッチを投入すべきでない。故障したサブモジュールＳＭを短絡することにより運転継続を図るということが、バイパススイッチＢＰＳの本来の利用目的である。

バイパススイッチＢＰＳを投入するか否かの判断は、上位制御装置３において行ってもよいし、各サブモジュールＳＭの個別制御部２７において行ってもよい。前者の場合、上位制御装置３が各サブモジュールＳＭの故障を判別し、故障と判定したサブモジュールＳＭの個別制御部２７にバイパススイッチＢＰＳの投入指令を送信する。したがって、前者の場合、上位制御装置３とサブモジュールＳＭとの間の通信不良の場合に、バイパススイッチＢＰＳの投入指令を発出できない欠点がある。

一方、後者の場合、各サブモジュールＳＭの個別制御部２７が故障を判別して、故障と判定した場合に対応するバイパススイッチＢＰＳを投入する。本実施の形態では、この後者の方法が採用される。しかしながら、いずれの場合も、バイパススイッチＢＰＳの動作機構が故障した場合に、バイパススイッチＢＰＳを投入できないという欠点があるため、バイパススイッチＢＰＳの投入が完了したか否かの確認と、バイパススイッチＢＰＳの投入のバックアップ手段と、バイパススイッチＢＰＳの健全性の確認とが重要になる。

なお、上記の前者の場合と後者の場合とを組み合わせることも可能である。また、バイパススイッチＢＰＳ自体を二重化することは、コストおよびスペースが増大するために採用し難い。また、バックアップキャパシタを設けることにより、電源異常時にもバイパススイッチＢＰＳの投入は可能である。

点灯回路３０は、直流電源３１と、抵抗素子３２と、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）などの発光素子３３とを含む。これらの構成要素は補助接点ＡＸと直列に接続される。補助接点ＡＸが閉路した場合に点灯回路３０が導通することにより発光素子３３が点灯する。補助接点ＡＸが閉路していることにより点灯回路３０が通電しているという情報（たとえば、抵抗素子３２に生じる電圧）は、個別制御部２７に送信される。

上記の直流電源３１は、独立した電池でもよいし、個別制御部２７からバックアップキャパシタ経由で電源が供給される構成としてもよい。これらにより、電源異常時においても、少なくとも補助接点ＡＸが閉路したことを通知するのに必要な時間だけ点灯回路３０を動作可能にできる。

電圧検出器２５は、蓄電素子２４の両端の間の電圧（すなわち、キャパシタ電圧Ｖｃ）を検出する。電圧検出器２５の検出値は、個別制御部２７に入力される。

個別制御部２７は、上位制御装置３から制御指令および保護指令を含む各種指令２８を受信する。個別制御部２７は、受信した各種指令２８に基づいて変換回路２０を構成するスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの開閉を制御するためのゲート信号を生成する。個別制御部２７は、さらに、サブモジュールＳＭの異常判定情報と、電圧検出器２５によって検出されたキャパシタ電圧と、バイパススイッチＢＰＳの開閉情報とを含む信号２９を上位制御装置３に送信する。

具体的に、個別制御部２７は、制御指令としての電圧指令値を受信した場合には、受信した電圧指令値に基づいてスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの一方をオン状態とし、他方をオフ状態となるように位相シフトＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を行なう。

具体的に、スイッチング素子２２Ａがオン状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオフ状態のとき、入出力端子２６Ｐと２６Ｎとの間には蓄電素子２４の両端間の電圧が印加される。逆に、スイッチング素子２２Ａがオフ状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオン状態のとき、入出力端子２６Ｐと２６Ｎとの間は０Ｖとなる。したがって、サブモジュールＳＭは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とすることによって、零電圧および蓄電素子２４の電圧に依存した正電圧を出力できる。

個別制御部２７は、保護指令としてのゲートブロック指令を受信した場合には、変換回路２０を構成する全てのスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂをオフ状態にする。

個別制御部２７は、さらに、対応するサブモジュールＳＭが故障しているか否かを自己診断する。自己診断には、キャパシタ電圧Ｖｃの異常（すなわち、上限閾値以上であるか、下限閾値以下であるか）の判別が一般に用いられる。この理由は、キャパシタ電圧は制御動作に必須であるために電圧検出器２５が設置され利用可能であるためであり、またサブモジュールＳＭの故障はキャパシタ電圧の異常の形で現れることが多いためである。なお、個別制御部２７は、キャパシタ電圧Ｖｃの異常の他に、電源異常および通信系の異常などを自己診断するように構成されていてもよい。

ただし、起動停止時には故障ではないのにキャパシタ電圧が低下するため、上位制御装置３は、各サブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳ投入を待機させるために、起動停止中信号を各サブモジュールＳＭに送信する。これにより、起動停止時における不要なバイパススイッチＢＰＳの投入を防止する。

また、過酷な系統事故または変換所内の故障でもキャパシタ電圧の異常が発生し得る。この場合、電力変換装置１の運転継続を目的としたバイパススイッチＢＰＳの投入は意味が無いので、上位制御装置３は、これらの事故を判別してＢＰＳ投入待機信号を各サブモジュールＳＭに送る。これにより、各サブモジュールＳＭはバイパススイッチＢＰＳの投入を待機する。ただし、この場合でもキャパシタ電圧がサブモジュールＳＭの絶縁破壊限界に達した場合には、個別制御部２７の判断によりバイパススイッチＢＰＳが投入される。

上記の個別制御部２７は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の専用回路によって構成してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを利用して構成してもよい。もしくは、ＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含むコンピュータをベースに構成されていてもよいし、上記の２個以上の組み合わせによって構成されていてもよい。

なお、サブモジュールＳＭには、蓄電素子２４の電圧に基づいて個別制御部２７の駆動電圧を生成する電源回路（不図示）が設けられている。したがって、蓄電素子２４の電圧が低いときには、個別制御部２７は動作できない。

［バイパススイッチの構成例］
図３は、図２のバイパススイッチの概念的な構成を示す断面図である。図３には、ばね方式によるバイパススイッチＢＰＳの構成例の概念図が示されている。

図３を参照して、バイパススイッチＢＰＳは、主接点ＭＣを内蔵するＶＳＴ（Vacuum Switching Valve）４０と、補助接点ＡＸと、接点動作機構４２と、筐体４６と、駆動回路５０と、主接点端子対５３と、補助接点端子対５４とを含む。ＶＳＴ４０、接点動作機構４２、および補助接点ＡＸは筐体４６の内部に配置される。ＶＳＴ４０に代えて、気中に主接点ＭＣを設けてもよい。

主接点ＭＣは可動接点４１Ｍと固定接点４１Ｆとを含み、補助接点ＡＸは可動接点４５Ｍと固定接点４５Ｆとを含む。主接点端子対５３は主接点ＭＣの可動接点４１Ｍおよび固定接点４１Ｆに接続され、補助接点端子対５４は補助接点ＡＸの可動接点４５Ｍおよび固定接点４５Ｆに接続される。主接点端子対５３はさらに図２の入出力端子２６Ｐ，２６Ｎに接続され、補助接点端子対５４はさらに図２の点灯回路３０に接続される。

接点動作機構４２は、ばね４３と、手動レバー４４と、ラッチ４５とを含む。ばね４３が蓄勢されているとき、主接点ＭＣの可動接点４１Ｍと固定接点４１Ｆとは離間し、補助接点ＡＸの可動接点４５Ｍと固定接点４５Ｆとは離間する。ばね４３が放勢されると、主接点ＭＣの可動接点４１Ｍと固定接点４１Ｆとは接触し、補助接点ＡＸの可動接点４５Ｍと固定接点４５Ｆとは接触する。

手動レバー４４は、回転軸４４Ｓの回りに回動する。手動レバー４４を手動で動かすことによりばね４３を蓄勢させる。ラッチ４５はこの蓄勢状態で手動レバー４４をロックする。ばね４３を蓄勢させるための手段は、手動レバー４４に限定されない。たとえば、手動レバー４４に代えて、手動ハンドルであってもよいし、電動モータであってもよい。

駆動回路５０は、図２の個別制御部２７からの指令により、接点動作機構４２のラッチ４５に駆動電流を流すことによりラッチ４５に内蔵されたリレーを動作させる。これにより、手動レバー４４のロックが解除され、ばね４３が放勢されることにより、可動接点４１Ｍが手動レバー４４によって押し込まれる。結果として、ＶＳＴ４０内で主接点ＭＣが導通し、補助接点ＡＸが導通する。補助接点ＡＸが導通したことは、発光素子３３の発光によって視覚的に確認でき、さらに点灯回路３０を介して個別制御部２７によって検知される。また、手動レバー４４の位置が変化したことによっても、主接点ＭＣの導通を視覚的に確認できる。

図３に示すように、駆動回路５０は、一例として直流電源５１とスイッチ５２とを含む。個別制御部２７からのオン信号によりスイッチ５２が導通することによって、ラッチ４５内部のリレーに電流を流すことができる。

なお、ばね方式の接点動作機構４２に代えて、インフレータ方式の接点動作機構４２を用いてもよい。火薬式インフレータでは、駆動回路５０から供給する電流によってガス発生剤を着火し、ガス発生剤が燃焼することによってガスが発生する。発生したガスのガス圧によって主接点ＭＣの可動接点４１Ｍおよび補助接点ＡＸの可動接点４５Ｍが押し出される。この結果、主接点ＭＣおよび補助接点ＡＸが導通する。

また、上記において補助接点ＡＸは、通常時に開状態でバイパススイッチＢＰＳの投入時に閉状態になるメーク接点であるとして説明した。これに代えて、補助接点ＡＸとして、通常時に閉状態でバイパススイッチＢＰＳの投入時に開状態になるブレーク接点を用いてもよい。この場合、点灯回路３０に反転回路を設けることにより、補助接点ＡＸが開状態のときに発光素子３３が点灯するようにしてもよいし、発光素子３３の消灯によってバイパススイッチＢＰＳ投入確認するようにしてもよい。すなわち、発光素子３３は、補助接点ＡＸが閉路したときに点灯回路３０が導通または切断することによって発光開始もしくは発光停止してもよいし、補助接点ＡＸが開路したときに点灯回路３０が導通または切断することによって発光開始もしくは発光停止してもよい。

［制御装置のハードウェア構成の一例］
図４は、上位制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。図４には、コンピュータによって上位制御装置３を構成する例が示される。さらに、図４には、コンピュータ（すなわち、指令生成部１９）と各サブモジュールＳＭとの間を、中継装置１８を介して接続する例が示されている。

図４を参照して、上位制御装置３は、指令生成部１９と中継装置１８とを含む。指令生成部１９は、交流電圧Ｖａｃ、交流電流Ｉａｃ、直流電圧Ｖｄｃ、直流電流Ｉｄｃ、アーム電流Ｉａｒｍ、および各サブモジュールＳＭのキャパシタ電圧Ｖｃの各検出値に基づいて、各サブモジュールＳＭを運転制御するための制御指令および保護指令を含む各種指令２８を生成する。指令生成部１９は、生成した各種指令２８を、中継装置１８を介して各サブモジュールＳＭに送信する。

指令生成部１９は、１つ以上の入力変換器６０と、１つ以上のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路６１と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）６２と、Ａ／Ｄ（Analog-to-Digital）変換器６３とを含む。さらに、指令生成部１９は、１つ以上のＣＰＵ６４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）６５と、ＲＯＭ（Read Only Memory）６６とを含む。更に、指令生成部１９は、２個以上の入出力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）６７Ａ，６７Ｂ，…と、補助記憶装置６８と、上記の構成要素間を相互に接続するバス６９を含む。

入力変換器６０は、入力チャンネルごとに補助変成器（図示せず）を有する。各補助変成器は、図１の各電気量検出器による検出信号を、後続する信号処理に適した電圧レベルの信号に変換する。

サンプルホールド回路６１は、入力変換器６０ごとに設けられる。サンプルホールド回路６１は、対応の入力変換器６０から受けた電気量を表す信号を規定のサンプリング周波数でサンプリングして保持する。

マルチプレクサ６２は、複数のサンプルホールド回路６１に保持された信号を順次選択する。Ａ／Ｄ変換器６３は、マルチプレクサ６２によって選択された信号をデジタル値に変換する。なお、複数のＡ／Ｄ変換器６３を設けることによって、複数の入力チャンネルの検出信号に対して並列的にＡ／Ｄ変換を実行するようにしてもよい。

ＣＰＵ６４は、指令生成部１９の全体を制御し、プログラムに従って演算処理を実行する。揮発性メモリとしてのＲＡＭ６５および不揮発性メモリとしてのＲＯＭ６６は、ＣＰＵ６４の主記憶として用いられる。ＲＯＭ６６は、プログラムおよび信号処理用の設定値などを収納する。補助記憶装置６８は、ＲＯＭ６６に比べて大容量の不揮発性メモリであり、プログラムおよび電気量検出値のデータなどを格納する。

入出力インターフェイス６７Ａ，６７Ｂ，…は、ＣＰＵ６４と外部装置との間で通信する際のインターフェイス回路である。図１の場合、指令生成部１９は入出力インターフェイス６７Ａを介して中継装置１８と接続される。さらに、指令生成部１９は入出力インターフェイス６７Ｂを介して監視カメラ７０に接続され、監視カメラ７０によって撮像された画像データを取得する。

なお、図４の例とは異なり、指令生成部１９の少なくとも一部をＦＰＧＡおよびＡＳＩＣ等の回路を用いて構成することも可能である。また、各機能ブロックの機能の少なくとも一部は、アナログ回路によって構成することも可能である。

中継装置１８は、指令生成部１９と各サブモジュールＳＭとの間に接続される。中継装置１８は、スター型のネットワークを介して各サブモジュールＳＭと接続されている。典型的には、中継装置１８は、専用回路によって構成され、その一部または全部をＦＰＧＡによって構成してもよい。

中継装置１８は、指令生成部１９から受信した各種指令２８を各サブモジュールＳＭに送信する。さらに、中継装置１８は、サブモジュールＳＭの電圧検出器２５によって計測された蓄電素子２４の電圧（すなわち、キャパシタ電圧Ｖｃ）の値を受信する。中継装置１８は必須の構成ではないが、中継装置１８を設けることによりＣＰＵ６４の通信量および処理量を抑制できるので、少ない通信線で高速かつ低遅延の通信が可能になる。

［変換器セルの物理的配置とバイパススイッチの動作確認］
図５は、複数の変換器セルの物理的配置を説明するための外観図である。図６は、図５のＹ方向から見た断面図である。図５および図６は、いわゆる変換器バルブタワー７２（７２Ａ，７２Ｂ）と称する構成が示されている。

変換器バルブタワー７２（７２Ａ，７２Ｂ）は、上下方向（Ｚ方向）に積み上げられた複数の変換器モジュール７３＿１～７３＿５を備える。各変換器モジュール７３は、複数の水平方向（Ｙ方向）に配列された複数のサブモジュールＳＭ（図５の場合、ＳＭ＃１～ＳＭ＃８の８個）を備える。各変換器モジュール７３は、支柱７６および碍子７７によって支持される。各変換器モジュール７３の側面は、シールド板７５によって囲まれている。シールド板７５は電界集中による部分放電を防止するために設けられている。

各サブモジュールＳＭの筐体の前面には、バイパススイッチＢＰＳの動作状態を示す発光素子３３の光を放出するための表示窓７８が設けられている。ただし、シールド板７５によって表示窓７８が遮られているので、発光素子３３の光を導くための導光ファイバー７９が表示窓７８に接続される。導光ファイバー７９は、表示窓７８からシールド板７５と底板７４との隙間を通ってシールド板７５の前方に至るように配置される。導光ファイバー７９の先端が発光しているか否かによって、バイパススイッチＢＰＳの動作状態を視覚的に確認できる。導光ファイバー７９として、たとえば、プラスチックまたはガラスなどの導光体を用いてもよい。

本実施形態の電力変換装置１では、多数のサブモジュールＳＭにそれぞれ接続された多数の導光ファイバー７９の先端の発光の有無を高速に識別するために魚眼レンズもしくは広角レンズ付きの監視カメラ７０が用いられる。具体的には、図６に示すように、変換器バルブタワー７２Ａ，７２Ｂは、識別対象の導光ファイバー７９が取り付けられている側が互いに対向するように配置される。監視カメラ７０（７０Ａ，７０Ｂ）は、変換器バルブタワー７２Ａ，７２Ｂの間の天井８０または床面８１に設置される。このような配置により、多数の導光ファイバー７９を同時に撮影できる。

監視カメラ７０の撮影データは、たとえば上位制御装置３に送信される。上位制御装置３は、撮影データに対して画像処理を行う。具体的に上位制御装置３は、魚眼レンズに起因する画像の歪曲を補正し、各サブモジュールＳＭに取り付けられた導光ファイバー７９の位置を同定し、導光ファイバー７９の発光の有無からバイパススイッチＢＰＳの動作の有無を判別する。これらの画像処理は高速に実行できる。

なお、バイパススイッチＢＰＳの接点動作機構４２が火薬式インフレータの場合には、ガス発生剤の着火および燃焼時に発生する光を集光し、導光ファイバーによってサブモジュールＳＭの外部に伝達するようにしてもよい。

［バイパススイッチの投入動作とその確認手順］
図７は、バイパススイッチの投入動作とその確認手順を示すフローチャートである。以下、図７を参照してこれまでの説明を総括する。

通常動作時において上位制御装置３は、交流電圧Ｖａｃ、交流電流Ｉａｃ、直流電圧Ｖｄｃ、直流電流Ｉｄｃ、アーム電流Ｉａｒｍ、および各サブモジュールＳＭのキャパシタ電圧Ｖｃの各検出値に基づいて、各サブモジュールＳＭを運転制御するための電圧指令値を生成する（Ｓ１０２）。さらに、上位制御装置３は、生成した電圧指令値を各サブモジュールＳＭに送信する（Ｓ１０１）。通常動作時（Ｓ１０３でＮＯ）には、これらの動作が繰り返される。

通常動作時において各サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、上位制御装置３から受信した電圧指令値に基づいてスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの開閉を制御する（Ｓ２０１）。さらに、各サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、キャパシタ電圧Ｖｃの検出値を上位制御装置３に送信する（Ｓ２０２）。通常動作時（Ｓ２０３でＮＯ）には、これらの動作が繰り返される。

異常を検知したサブモジュールＳＭ（以下、故障サブモジュールＳＭと称する）の個別制御部２７は（Ｓ２０３でＹＥＳ）、バイパススイッチＢＰＳに投入指令を送信することによりバイパススイッチＢＰＳの投入を開始し、さらに投入開始を上位制御装置３に通知する（Ｓ２０４）。たとえば、キャパシタ電圧Ｖｃの検出値が閾値範囲の上限または下限を超えていて、かつ、上位制御装置３からバイパススイッチＢＰＳの投入待機信号または起動停止中信号を受けていない場合に異常と判定される。

投入指令に応答してバイパススイッチＢＰＳの主接点ＭＣが閉状態になると、補助接点ＡＸが導通し、発光素子３３が発光する（Ｓ２０５）。故障サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、点灯回路３０からの信号から補助接点ＡＸの閉路を確認すると、バイパススイッチＢＰＳの投入完了を上位制御装置３に通知する（Ｓ２０６）。

一方、上位制御装置３は、バイパススイッチＢＰＳの投入開始の通知を受信した場合、またはいずれかのバイパススイッチＢＰＳとの間で通信異常を検知した場合に（Ｓ１０３でＹＥＳ）、電力変換器２の運転継続が可能か否かを確認するためのフロー（Ｓ１０４～Ｓ１０８）に移行する。

具体的に、上位制御装置３は、バイパススイッチＢＰＳの投入開始を通知してきた故障サブモジュールＳＭから、バイパススイッチＢＰＳの投入完了の通知を受信していない場合に（Ｓ１０４でＮＯ）、自らバイパススイッチＢＰＳの投入を確認する。すなわち、上位制御装置３は監視カメラ７０の撮影データを取得する（Ｓ１０５）。そして、上位制御装置３は、取得した撮影データに画像処理を施すことにより、各サブモジュールＳＭの発光素子３３の発光の有無を判別する（Ｓ１０６）。

上位制御装置３は、上記の判別の結果として電力変換器２を運転継続できないと判定した場合には（Ｓ１０７でＮＯ）、電力変換器２と交流系統１２との間の交流遮断器（図１に不図示）を開放し、電力変換器２を停止する（Ｓ１０９）。たとえば、監視カメラ映像の画像処理の結果から故障サブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳの投入が確認できない場合に、上位制御装置３は運転継続不可能と判定する。もしくは、あるサブモジュールＳＭから受信したキャパシタ電圧Ｖｃが閾値範囲を超えているにも拘わらず、当該サブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳの投入が確認できない場合には、上位制御装置３は運転継続不可能と判定する。

一方、上位制御装置３は、故障サブモジュールＳＭからバイパススイッチＢＰＳの投入完了の通知を受信した場合（Ｓ１０４でＹＥＳ）、または故障サブモジュールＳＭからバイパススイッチＢＰＳの投入完了の通知を受信していなくても（Ｓ１０４でＮＯ）、監視カメラ映像の画像処理の結果から当該故障サブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳの投入完了が確認できた場合には、電力変換器２の運転継続を可能と判定する（Ｓ１０７でＹＥＳ）。この場合、上位制御装置３は、有効なサブモジュール数などの制御パラメータの設定変更（Ｓ１０８）を行った後に、電力変換器２の運転を継続する（Ｓ１０１に戻る）。

なお、上記の手順に代えて、上位制御装置３は、バイパススイッチＢＰＳの投入完了通知の受信の有無（Ｓ１０４でＹＥＳまたはＮＯ）に拘わらず、監視カメラ７０の画像データに基づくバイパススイッチＢＰＳの投入確認（Ｓ１０５，Ｓ１０６）を行ってもよい。すなわち、バイパススイッチＢＰＳの投入完了の確認は、上位制御装置３と故障サブモジュールＳＭの個別制御部２７とで並行して行ってもよい。

電力変換器２を構成する全てのサブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳの投入の有無を確認するために、複数台の監視カメラ７０が準備される。各監視カメラ７０は、できるだけ多くのサブモジュールＳＭについて発光素子３３の発光の有無が確認できる位置に配置される。

［実施の形態１の効果］
以上のとおり、実施の形態１の電力変換装置１によれば、各サブモジュールＳＭにはバイパススイッチＢＰＳの補助接点ＡＸに接続された点灯回路３０が設けられている。補助接点ＡＸが閉路したときに点灯回路３０が導通し、これにより発光素子３３が発光する。発光素子３３の光は導光ファイバー７９によってシールド板７５の外側に導光されるので、各サブモジュールＳＭの発光素子３３が発光しているか否かを容易に識別できる。

ここで、複数のサブモジュールＳＭが変換器バルブタワー７２の形態で収納された部屋の天井８０および／または床面８１には複数台の監視カメラ７０が設けられる。各監視カメラ７０は、できるだけ多くのサブモジュールＳＭの発光素子３３の発光を一度に撮影可能な位置に設けられる。これにより、電力変換器２を構成する多数のサブモジュールＳＭの発光素子３３が発光しているか否かについての情報を少数の画像データに収めることができる。

上位制御装置３は、監視カメラ７０の撮影データに画像処理を施すことによって、電力変換器２を構成する各サブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳの動作状態を判別できる。このように、上位制御装置３は、バイパススイッチＢＰＳの動作状態を各サブモジュールＳＭの個別制御部２７を介さずに直接的に確実に把握できるので、電力変換器２の運転継続性および稼働率を向上させることができる。

なお、バイパススイッチＢＰＳの動作状態を確認する手段は、発光素子３３の発光に限らない。たとえば、発光素子３３の消光、特定部分の変色、特定部分の反射率の変化、特定部分の形状または位置の変化など、視覚的に確認可能であればよい。したがって、より一般的に言えば、各サブモジュールＳＭは、バイパススイッチＢＰＳが動作したことを視覚的に報知する報知部を含む。そして、監視カメラ７０は、複数のサブモジュールＳＭの各報知部を一つの画像データとしてまとめて撮影することにより、各バイパススイッチＢＰＳの動作状態に関する情報を取得する。

さらに、上記の報知部は、視覚的に相互に区別可能な複数の特徴を有していてもよい。たとえば、第１の特徴の視覚的変化はバイパススイッチＢＰＳの動作に対応付けられ、第２の特徴の視覚的変化は対応するサブモジュールＳＭの故障状態に対応付けられる。故障状態とは、たとえば、キャパシタ電圧Ｖｃの異常、電源異常、通信異常などの故障の種類を表す。上位制御装置３は、監視カメラ７０による画像データに基づいて、報知部の複数の特徴の変化を識別する。

上記の複数の特徴の具体例として、発光素子３３の発光の有無を第１の特徴とし、発光素子３３が発光したときの色の違いを第２の特徴としてもよい。もしくは、配置位置を変えて複数の発光素子３３の設けることにより、複数の特徴を表すようにしてもよい。

実施の形態２．
実施の形態２では、上記の報知部の変形例として、バイパススイッチＢＰＳが動作したときに特定部分の位置が変化する例について説明する。

図８は、バイパススイッチの動作状態を報知する報知部の変形例を説明するための図である。図８（Ａ）はサブモジュールＳＭの外観図を示し、図８（Ｂ）はＺ方向から見たサブモジュールＳＭの断面図を概念的に示す。

図８（Ａ）を参照して、図３の接点動作機構４２を構成する手動レバー４４の先端部は、サブモジュールＳＭの筐体４７の前面に形成された横長の穴４８から突出している。バイパススイッチＢＰＳが動作すると手動レバー４４の先端部は、穴４８の長手方向に沿って移動する。したがって、手動レバー４４の先端部の位置によって、バイパススイッチＢＰＳが動作したか否かを確認できる。

しかしながら、手動レバー４４の移動長は主接点ＭＣの可動接点４１Ｍと固定接点４１Ｆとの間の距離の程度であるので、それほど長くなく視認性が良くない。そこで、移動長を増やして視認性を高めるために、手動レバー４４の先端部に梃子レバー８５が取り付けられる。

図８（Ｂ）に示すように、梃子レバー８５の力点８６は手動レバー４４の先端に接続されて手動レバー４４の移動に伴って移動する。梃子レバー８５の作用点８８には反射テープなど視認性を高めるための目印が取り付けられる。作用点８８から支点８７までの距離は力点８６から支点８７までの距離よりも長いので、移動長を増加させることができる。なお、図８（Ｂ）では力点８６と作用点８８との間に支点８７が設けられているが、支点８７に対して同じ側に力点８６と作用点８８とが設けられていてもよい。

なお、サブモジュールＳＭの前面にシールド板７５が設けられている場合には、シールド板７５の隙間から梃子レバー８５が前方に突出するように梃子レバー８５が配置される。

上記のようなサブモジュールＳＭの構造により、バイパススイッチＢＰＳの動作状態の視認性が向上するので、作業員が保守作業を行う際の安全性および作業効率を向上させることができる。さらに、監視カメラ７０によるバイパススイッチＢＰＳの動作状態の自動検出も容易になる。

なお、バイパススイッチＢＰＳが動作したときに特定部分の位置を変化させる手段は、上記の手動レバー４４と梃子レバー８５との組み合わせに限定されない。より一般的には、サブモジュールＳＭの外部から視認可能な特定部分が、主接点ＭＣの可動接点４１Ｍに連動して位置変化するように構成されていればよい。

実施の形態３．
実施の形態３および４では、サブモジュールＳＭの個別制御部２７の故障によりバイパススイッチＢＰＳを投入できなかった場合に、バイパススイッチＢＰＳをバックアップ投入する手段について説明する。

図９は、実施の形態３の電力変換装置において、サブモジュールの構成例を示す回路図である。図９のサブモジュールＳＭ（変換器セル７）は、異常検出部９０がさらに設けられる点で図２のサブモジュールＳＭと異なる。異常検出部９０は、蓄電素子２４の電圧（キャパシタ電圧Ｖｃ）が上限閾値を超えた場合にバイパススイッチＢＰＳ（主接点ＭＣおよび補助接点ＡＸ）を投入するための信号を出力する。図９のその他の点は図２の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

具体的に図９に示す例では、異常検出部９０は、蓄電素子２４の電圧を分圧するための分圧回路を構成する抵抗素子９１，９２と、ツェナーダイオード９４と、リレー９５と、直流電源９８とを含む。リレー９５は電磁石コイル９６とスイッチ９７とを含む。抵抗素子９１，９２は、蓄電素子２４の高電位側ノード２４Ｐと低電位側ノード２４Ｎとの間に直列に接続される。ツェナーダイオード９４と電磁石コイル９６とは、抵抗素子９１，９２の接続ノード（分圧ノード９３とも称する）と蓄電素子２４の低電位側ノード２４Ｎとの間に直列に接続される。

上記の異常検出部９０の構成によれば、分圧ノード９３の電圧がツェナーダイオード９４のツェナー電圧（上限閾値に対応する）を超えた場合に、電磁石コイル９６に電流が流れることによってスイッチ９７が導通する。これにより、バイパススイッチＢＰＳに直流電源９８の電圧が印加されるので、主接点ＭＣおよび補助接点ＡＸが導通する。より具体的には、接点動作機構４２が図３のばね方式の場合には異常検出部９０によってラッチ４５が直接解除される。接点動作機構４２が火薬式インフレータ方式の場合には異常検出部９０はガス発生剤を直接着火して燃焼させる。

このように、個別制御部２７とは独立して動作する異常検出部９０を設けることにより、故障したサブモジュールＳＭの個別制御部２７が異常の場合であっても、当該サブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳを投入できる。これにより、バイパススイッチＢＰＳの投入の信頼性を確保できるので、電力変換器２の運転の継続性および稼働率を向上させることができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態３とは異なる方法で、故障したサブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳをバックアップ投入する手段について開示する。

図１０は、実施の形態４の電力変換装置においてサブモジュールＳＭの構成例を示す回路図である。本実施形態の電力変換装置は、隣接する２個のサブモジュールごとに一対のサブモジュールが構成される点で実施の形態１の電力変換装置と異なる。図１０には、一対のサブモジュール７Ａ，７Ｂが示されている。

図１０に示すように、サブモジュール７Ａの個別制御部２７は、自らの電圧検出器２５からキャパシタ電圧Ｖｃの検出値を取得するとともに、自らの補助接点ＡＸの動作情報を自らの点灯回路３０を介して取得する。また、サブモジュール７Ａの個別制御部２７は、自らのバイパススイッチＢＰＳを投入するための信号を出力できる。

さらにサブモジュール７Ａの個別制御部２７は、相手方の電圧検出器２５からキャパシタ電圧Ｖｃの検出値を取得するとともに、相手方の補助接点ＡＸの動作情報を相手方の点灯回路３０を介して取得する。また、サブモジュール７Ａの個別制御部２７は、相手方のバイパススイッチＢＰＳを投入するための信号を出力できる。

サブモジュール７Ａと対を成すサブモジュール７Ｂについても同様である。図１０のその他の点は図２の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

図１１は、対の相手方のサブモジュールに対する保護動作を説明するためのフローチャートである。各サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、図７のフローチャートに示された動作を実行するとともに、図１１のフローチャートに示された動作を実行する。

具体的に、各サブモジュールＳＭは、対の相手方のサブモジュールＳＭの電圧検出器２５からキャパシタ電圧Ｖｃの検出値を取得する（Ｓ３０１）。そして、各サブモジュールＳＭは、取得した相手方のキャパシタ電圧Ｖｃに基づいて、相手方のサブモジュールＳＭが異常か否かを判定する（Ｓ３０２）。たとえば、相手方のキャパシタ電圧Ｖｃの検出値が閾値範囲の上限または下限を超えていて、かつ、上位制御装置３からバイパススイッチＢＰＳの投入待機信号または起動停止中信号を受けていない場合に、相手方のサブモジュールＳＭは異常と判定される（Ｓ３０２でＹＥＳ）。

各サブモジュールＳＭは、相手方のサブモジュールＳＭを異常と判定した場合には（Ｓ３０２でＹＥＳ）、相手方のバイパススイッチＢＰＳの補助接点ＡＸが閉路しているか否かを確認する（Ｓ３０３）。この結果、相手方の補助接点ＡＸが閉路していない場合には（Ｓ３０３でＮＯ）、各サブモジュールＳＭは、相手方のサブモジュールＳＭのバイパススイッチＢＰＳを投入させる（Ｓ３０４）。さらに、各サブモジュールＳＭは、相手方のバイパススイッチＢＰＳの投入完了を確認すると、その旨を上位制御装置３に通知する（Ｓ３０５）。

上記のとおり実施の形態４の電力変換装置によれば、隣接する２個のサブモジュールＳＭは互いに相手方のサブモジュールＳＭのキャパシタ電圧Ｖｃをモニターし、相手方のサブモジュールＳＭの異常時に相手方のバイパススイッチＢＰＳをバックアップ投入できる。これにより、バイパススイッチＢＰＳの投入の信頼性を確保できるので、電力変換器２の運転の継続性および稼働率を向上させることができる。

実施の形態５．
実施の形態５では、各サブモジュールＳＭは、平常運転時にバイパススイッチＢＰＳの健全性評価を行う。具体的に各サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、バイパススイッチＢＰＳが投入されない程度の微弱電流を接点動作機構４２に流し、その発生電圧を監視する。以下、図面を参照して具体的に説明する。

図１２は、実施の形態５の電力変換装置においてバイパススイッチの概念的な構成を示す断面図である。図１２のバイパススイッチＢＰＳの駆動回路５０Ａは、接点動作機構４２のラッチ４５に対して、ＢＰＳを投入する際に流す投入電流の他に微弱電流を流すことができる点で、図３のバイパススイッチＢＰＳの駆動回路５０と異なる。

具体的に、駆動回路５０Ａは、直流電源５１およびスイッチ５２に加えて、スイッチ１１０、抵抗素子１１１、および電圧検出部１１２をさらに備える。スイッチ１１０および抵抗素子１１１は互いに直列に接続されるともに、スイッチ５２と並列に接続される。電圧検出部１１２は抵抗素子１１１に生じる電流を検出する。スイッチ５２およびスイッチ１１０の開閉は個別制御部２７により制御される。電圧検出部１１２の検出値は、個別制御部２７に送信される。

上記のバイパススイッチＢＰＳの構成によれば、個別制御部２７は、通常運転時にはスイッチ５２，１１０を開状態に制御する。個別制御部２７は、キャパシタ電圧Ｖｃが閾値範囲の外にあるなどの異常を検出した場合には、スイッチ５２を閉状態に制御する。これにより、ラッチ４５に駆動電流が流れることにより、ラッチ４５が解除されてバイパススイッチＢＰＳが投入される。

一方、平常運転時にバイパススイッチＢＰＳの接点動作機構４２の健全性を評価する場合には、個別制御部２７はスイッチ１１０を閉状態に制御する。これにより、抵抗素子１１１によって制限された微弱電流がラッチ４５に流れるため、ラッチ４５は解除されない。このとき、電圧検出部１１２によって検出された抵抗素子１１１の電圧が個別制御部２７に送信される。個別制御部２７は、直流電源５１の電圧から抵抗素子１１１の電圧を減算することにより、接点動作機構４２に生じる電圧を検知できる。接点動作機構４２の発生電圧が増加した場合には、ラッチ４５の電磁石コイル部分の配線が断線しかかっていると判断できる。もしくは、抵抗素子１１１に生じる電圧がゼロの場合には、ラッチ４５の部分の配線が断線していると判断できる。

図１２のその他の点は図３の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。なお、図１２の駆動回路５０Ａの構成は一例であってこれに限定されるものでない。

また、ばね方式の接点動作機構４２に代えて、インフレータ方式の接点動作機構に対しても同様の方法で健全性評価が可能である。たとえば、火薬式インフレータではガス発生剤が着火しない程度の微弱電流を駆動回路５０Ａから供給する。

図１３は、バイパススイッチＢＰＳの健全性評価の手順の一例を示すフローチャートである。健全性評価は電力変換装置の運転中に定期的に実施される（Ｓ４０１でＹＥＳ）。

まず、各サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、駆動回路５０ＡによってバイパススイッチＢＰＳが投入されない程度の微弱電流を接点動作機構４２に流す（Ｓ４０２）。個別制御部２７は、この状態で接点動作機構４２に生じる電圧の検出値を取得する。

個別制御部２７は、上記の検出電圧が第１閾値を超えている場合には（Ｓ４０３でＹＥＳ）、バイパススイッチＢＰＳの劣化を上位制御装置３に通知する（Ｓ４０４）。

個別制御部２７は、上記の検出電圧が第１閾値より大きい第２閾値を超えている場合には（Ｓ４０５でＹＥＳ）、故障リスクが非常に高いと判断し、バイパススイッチＢＰＳを投入するための信号を出力する（Ｓ４０６）。さらに、個別制御部２７は、点灯回路３０からの信号から補助接点ＡＸの閉路を確認すると、バイパススイッチＢＰＳの投入完了を上位制御装置３に通知する（Ｓ４０７）。

上記のとおり実施の形態５の電力変換装置によれば、各サブモジュールＳＭの個別制御部２７は、平常運転時にバイパススイッチＢＰＳが投入されない程度の微弱電流を接点動作機構４２に流すことにより接点動作機構４２の健全性を確認する。これにより、故障リスクが非常に高いと判断される場合には、当該サブモジュールＳＭは、バイパススイッチＢＰＳの故障発生前にバイパススイッチＢＰＳを投入する。これにより、バイパススイッチＢＰＳの信頼性および電力変換器の運転継続性を高めることができる。

実施の形態６．
実施の形態６では、電力変換器２の運転停止中の検査時におけるバイパススイッチＢＰＳの健全性確認について説明する。

バイパススイッチＢＰＳの健全性確認として、インフレータ方式は動作試験、ばね方式では無電圧投入試験が行われる。しかしながら、試験時間、再利用性、機器悪影響などのため、インフレータ方式では１回限りの抜き取り検査に限られ、ばね方式の場合の無電圧投入試験も限られた回数に限られる。ＶＳＴでは無電圧投入でも機械的ショックが大きいためである。

そこで、ばね方式の場合において、検査時には緩衝材によって主接点ＭＣの可動接点４１Ｍの動作が制限される。これにより、定期検査時にラッチ４５の部分の動作を繰り返し確認することができ、実際に故障する前にバイパススイッチＢＰＳを交換できるようになる。結果として、電力変換器２の運転時の故障率を低減でき、電力変換器２の運転継続性および稼働率を向上させることができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この出願の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電力変換装置、２ 電力変換器、３ 上位制御装置、４ レグ回路、５ 上アーム回路、６ 下アーム回路、７，ＳＭ サブモジュール（変換器セル）、８ リアクトル、９ アーム電流検出器、１０ 交流電圧検出器、１１ 直流電圧検出器、１２ 交流系統、１３ 変圧器、１４ 直流系統、１６ 交流電流検出器、１７ 直流電流検出器、１８ 中継装置、１９ 指令生成部、２０ 変換回路、２２ スイッチング素子、２３ ダイオード、２４ 蓄電素子、２４Ｎ 低電位側ノード、２４Ｐ 高電位側ノード、２５ 電圧検出器、２６Ｎ，２６Ｐ 一対の入出力端子、２７ 個別制御部、２８ 各種指令、２９ 信号、３０ 点灯回路、３１，５１，９８ 直流電源、３２，９１，９２，１１１ 抵抗素子、３３ 発光素子、４１Ｆ，４５Ｆ 固定接点、４１Ｍ，４５Ｍ 可動接点、４２ 接点動作機構、４３ ばね、４４ 手動レバー、４５ ラッチ、４６，４７ 筐体、４８ 穴、５０，５０Ａ 駆動回路、５２，９７，１１０ スイッチ、５３ 主接点端子対、５４ 補助接点端子対、６０ 入力変換器、６１ サンプルホールド回路、６２ マルチプレクサ、６３ Ａ／Ｄ変換器、６４ ＣＰＵ、６５ ＲＡＭ、６６ ＲＯＭ、６７Ａ，６７Ｂ 入出力インターフェイス、６８ 補助記憶装置、６９ バス、７０ 監視カメラ、７２ 変換器バルブタワー、７３ 変換器モジュール、７４ 底板、７５ シールド板、７６ 支柱、７７ 碍子、７８ 表示窓、７９ 導光ファイバー、８５ 梃子レバー、９０ 異常検出部、９３ 分圧ノード、９４ ツェナーダイオード、９５ リレー、９６ 電磁石コイル、１１２ 電圧検出部、ＡＸ 補助接点、ＢＰＳ バイパススイッチ、Ｉａｃ 交流電流、Ｉａｒｍ アーム電流、Ｉｄｃ 直流電流、ＭＣ 主接点、Ｎｎ 低電位側直流端子、Ｎｐ 高電位側直流端子、Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ 交流入力端子、Ｖａｃ 交流電圧、Ｖｃ キャパシタ電圧、Ｖｄｃ 直流電圧。

Claims (10)

1. 電力変換装置であって、
   カスケード接続された複数のサブモジュールを備え、
   前記複数のサブモジュールの各々は、
   一対の入出力端子と、
   複数の半導体スイッチング素子と、
   前記複数の半導体スイッチング素子を介して前記一対の入出力端子に接続される蓄電素子と、
   前記一対の入出力端子を短絡するための機械式のバイパススイッチと、
   前記複数の半導体スイッチング素子および前記バイパススイッチの開閉を制御する個別制御部と、
   前記バイパススイッチが動作したことを視覚的に報知する報知部とを含み、
   前記電力変換装置は、さらに、
   前記複数のサブモジュールの各々の前記報知部を一つの画像データとしてまとめて撮影する監視カメラと、
   前記画像データを画像処理することにより、前記複数のサブモジュールの各々の前記バイパススイッチの動作状態を判別する上位制御装置とを備える、電力変換装置。
2. 前記報知部は、第１の特徴および第２の特徴を含む視覚的に相互に区別可能な複数の特徴を有し、
   前記第１の特徴の視覚的変化は前記バイパススイッチの動作に対応付けられ、
   前記第２の特徴の視覚的変化は対応するサブモジュールの故障状態に対応付けられ、
   前記上位制御装置は、前記監視カメラによる前記画像データに基づいて、前記報知部の前記複数の特徴の変化を識別する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記バイパススイッチは、
   前記一対の入出力端子を短絡するために設けられ、可動接点と固定接点とを含む主接点と、
   前記主接点の閉路動作に連動して閉路動作または開路動作を行う補助接点とを含み、
   前記報知部は発光素子を含み、
   前記発光素子は、前記補助接点が閉路したときに点灯回路が導通または切断することによって発光開始または発光停止するか、または前記補助接点が開路したときに前記点灯回路が導通または切断することによって発光開始もしくは発光停止する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記バイパススイッチは、前記一対の入出力端子を短絡するために設けられた、可動接点と固定接点とを含む主接点を含み、
   前記報知部は前記可動接点に連動して位置変化し、前記報知部の位置変化によって前記バイパススイッチが動作したことが確認できる、請求項１または２に記載の電力変換装置。
5. 前記バイパススイッチは、さらに、
   駆動電流によって前記主接点の前記可動接点を動作させる接点動作機構と、
   前記個別制御部の指令に従って前記駆動電流を生成する駆動回路とを含み、
   前記駆動回路は、前記バイパススイッチの健全性評価時に、前記主接点の前記可動接点が動作しない程度の微弱電流を前記接点動作機構に供給し、
   前記個別制御部は、前記微弱電流によって前記接点動作機構に生じる電圧が閾値を超えている場合に前記バイパススイッチを動作させる、請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記バイパススイッチは、ばねが放勢されることによって前記主接点の前記可動接点を動作させる接点動作機構を有し、
   前記バイパススイッチは、点検時に緩衝材によって前記主接点の前記可動接点の動作を制限するように構成される、請求項３に記載の電力変換装置。
7. 前記複数のサブモジュールの各々は、前記蓄電素子の電圧の検出値に基づいて前記個別制御部とは独立して前記バイパススイッチを動作させる異常検出部をさらに備える、請求項１または２に記載の電力変換装置。
8. 前記複数のサブモジュールは、隣接する２個のサブモジュールごとに対を成し、
   前記対を成す各サブモジュールの前記個別制御部は、自らの蓄電素子の電圧の検出値に基づいて自らのバイパススイッチを動作させ、相手方の蓄電素子の電圧の検出値に基づいて相手方のバイパススイッチを動作させるように構成される、請求項１または２に記載の電力変換装置。
9. 前記バイパススイッチは、さらに、
   駆動電流によって前記主接点の前記可動接点を動作させる接点動作機構と、
   前記個別制御部の指令に従って前記駆動電流を生成する駆動回路とを含み、
   前記駆動回路は、前記バイパススイッチの健全性評価時に、前記主接点の前記可動接点が動作しない程度の微弱電流を前記接点動作機構に供給し、
   前記個別制御部は、前記微弱電流によって前記接点動作機構に生じる電圧が閾値を超えている場合に前記バイパススイッチを動作させる、請求項４に記載の電力変換装置。
10. 前記バイパススイッチは、ばねが放勢されることによって前記主接点の前記可動接点を動作させる接点動作機構を有し、
    前記バイパススイッチは、点検時に緩衝材によって前記主接点の前記可動接点の動作を制限するように構成される、請求項４に記載の電力変換装置。

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