JPWO2019155522A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

実施形態の電力変換装置は、互いに直列に接続された複数のセルを持つ。それぞれのセルは、コンデンサと、半導体スイッチと、第１の給電回路と、放電回路と、放電回路駆動部と、第２の給電回路と、を持つ。半導体スイッチは、前記コンデンサの充放電を制御するためのスイッチング動作を行う。第１の給電回路は、前記コンデンサに蓄えられた電力を用いて、前記半導体スイッチを駆動させるための電力を前記半導体スイッチに供給する。放電回路は、前記コンデンサを放電させる。放電回路駆動部は、放電回路を駆動する。第２の給電回路は、前記コンデンサに蓄えられた電力を用いて、前記放電回路駆動部を駆動させる電力を供給する。前記第２の給電回路が動作可能な下限電圧は、前記第１の給電回路が動作可能な下限電圧よりも低い。

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自己消弧型のスイッチング素子と、エネルギー蓄積要素であるコンデンサを備える単位変換器であるセルを、直列に複数接続することによりスイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力する自励式電力変換器が知られている。この種の電力変換器は、ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）などと称されている。

ここで、メンテナンスや事故後の点検などで作業者が電力変換器に接近するときに、安全のためにコンデンサに充電された電荷を放電させる必要がある。セルのコンデンサを電源とするスイッチング素子駆動用電力の給電回路は、スイッチング停止時にも常時電力を消費する。また、コンデンサに充電された電力が消費され、コンデンサが出力する電圧が、給電回路の動作電圧よりも低下した場合に給電回路が停止し、セルのコンデンサに充電された電荷を放電することができなくなる。このため、コンデンサの自己放電を待つのに長時間を要し、迅速に作業を行うことが困難である場合がある。

特開２０１６−２０８７４３号公報

萩原 誠・赤城 泰文「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Ｄ（産業応用部門）、１２８巻７号、ｐｐ．９５７０９６５（２００８−７）

本発明が解決しようとする課題は、セルが備えるコンデンサに蓄えられた電荷を放電する時間を短縮することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、互いに直列に接続された複数のセルを持つ。それぞれのセルは、コンデンサと、半導体スイッチと、第１の給電回路と、放電回路と、放電回路駆動部と、第２の給電回路と、を持つ。半導体スイッチは、前記コンデンサの充放電を制御するためのスイッチング動作を行う。第１の給電回路は、前記コンデンサに蓄えられた電力を用いて、前記半導体スイッチを駆動させるための電力を前記半導体スイッチに供給する。放電回路は、前記コンデンサを放電させる。放電回路駆動部は、放電回路を駆動する。第２の給電回路は、前記コンデンサに蓄えられた電力を用いて、前記放電回路駆動部を駆動させる電力を供給する。前記第２の給電回路が動作可能な下限電圧は、前記第１の給電回路が動作可能な下限電圧よりも低い。

電力変換装置の全体構成を示す構成図。 セルの構成を示す図。 第２の給電回路及び放電回路の回路構成を示す図。 コンデンサの電圧の変化と、放電回路が動作するタイミングを示す図。 放電回路の回路構成を示す図。 第２の給電回路及び放電回路駆動部の回路構成を示す図。 第２の給電回路の回路構成を示す図。 放電回路の回路構成の他の例を示す図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。なお以下の説明では、同一または類似の機能を有する構成に同一の符号を付す。そして、それら構成の重複する説明は省略する場合がある。

（第１の実施形態）
図１を参照して、第１の実施形態の電力変換装置について説明する。図１は、電力変換装置１０の全体構成を示す構成図である。

電力変換装置１０は、中央制御部１１と、複数の正側アーム１２と、複数の負側アーム１３と、トランスＴＲと、複数のバッファリアクトルＬを備える。電力変換装置１０は、例えばＭＭＣである。電力変換装置１０は、トランスＴＲを介して電力変換装置１０に供給される交流電力を、直流電力に変換し、電力変換装置１０に供給される直流電力を、トランスＴＲを介して交流電力に変換する。以下の説明では、電力変換装置１０は、トランスＴＲを介して電力変換装置１０に供給される交流電力を直流電力に変換する場合について説明する。

中央制御部１１は、正側アーム１２と負側アーム１３とが備える複数のセルを、それぞれ制御する。中央制御部１１と、正側アーム１２と負側アーム１３とが備える複数のセルとの間は、例えば、デイジーチェーン型の通信ネットワークによって接続されている。

［電力変換装置１０の全体構成］
図１に示すように、
トランスＴＲには、交流電力源から三相の交流電力が供給される。トランスＴＲは、二次巻線と一次巻線との組を三相分備える。三相とは、例えば、交流のＲ相、交流のＳ相、及び交流のＴ相である。トランスＴＲの二次巻線側には、交流のＲ相の交流電力と、交流のＳ相の交流電力と、交流のＴ相の交流電力とが、それぞれ供給される。なお、以下の説明、および図面では、Ｒ相についての構成要素には「Ｒ」の符号、Ｓ相については、「Ｓ」の符号、Ｔ相については、「Ｔ」の符号を付す。

正側アーム１２では、複数のセル１００が直列に接続される。また、負側アーム１３では、複数のセル１００が、直列に接続される。正側アーム１２には、正側アーム１２Ｒと、正側アーム１２Ｓと、正側アーム１２Ｔとが含まれる。また、負側アーム１３には、負側アーム１３Ｒと、負側アーム１３Ｓと、負側アーム１３Ｔとが含まれる。

正側アーム１２及び負側アーム１３に含まれる各アームは、それぞれセル１００をＮ個（Ｎ≧２）直列に接続して構成されており、セル１００を単位変換器として、階段状の交流電圧等、任意の電圧を出力する。階段状の交流電圧の出力は、各セル１００が備えるスイッチング素子（不図示）のスイッチング動作のタイミングをずらすことにより行う。セル１００の構成の詳細については、後述する。

複数のバッファリアクトルＬ（図示するバッファリアクトルＬ１〜Ｌ６）は、正側アーム１２と、バッファリアクトルＬと、負側アーム１３と、を単相とする三相の相間を相互に流れる短絡電流を抑制する。

正側アーム１２及び負側アーム１３の各アームでは、各セル１００の電圧が加算されて出力電圧が決定される。正側アーム１２の出力電圧は、中性点を基準にすると正の（直流）電圧になる。正側アーム１２によって生成された正の（直流）電圧は、端子ＴＣＰに出力される。負側アーム１３の出力電圧は、中性点を基準にすると負の（直流）電圧になる。負側アーム１３によって生成された負の（直流）電圧は、端子ＴＣＭに出力される。これにより、電力変換装置１０は、端子ＴＣＰと、端子ＴＣＭとの間から直流電力を出力する。

図２は、セル１００の構成を示す図である。セル１００は、例えば、ハーフブリッジ型のチョッパセルである。具体的には、セル１００は、例えば、セル制御部１０１と、放電回路１０２と、第１の給電回路１０３と、電圧検出部１０４と、スイッチング素子駆動部１０６と、スイッチング素子１０７ａと、スイッチング素子１０７ｂと、コンデンサ１０５と、第２の給電回路１０８と、放電回路駆動部１０９とを備える。

中央制御部１１は、セル制御部１０１に制御信号を出力する。制御信号には、セル１００の電力変換動作を停止させるための変換器停止指令ＥＳが含まれる。セル制御部１０１は、中央制御部１１から制御信号を取得する。

セル制御部１０１は、第２の給電回路１０８に放電回路動作指令ＲＳを出力する。放電回路動作指令ＲＳとは、放電回路１０２にコンデンサ１０５の電力を放電することを示す指令である。また、セル制御部１０１は、スイッチング素子駆動部１０６が備えるスイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂのスイッチングのタイミングを制御するためのタイミング制御信号ＣＳを、スイッチング素子駆動部１０６に出力する。

スイッチング素子駆動部１０６は、セル制御部１０１からタイミング制御信号ＣＳを取得する。スイッチング素子駆動部１０６は、セル制御部１０１から取得したタイミング制御信号ＣＳに基づいて、スイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂを駆動させる。

図２に示される通り、スイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂは、コンデンサ１０５を電圧源とし、スイッチング素子駆動部１０６によってオンオフ動作されることにより、所望の直流電圧を出力する。

コンデンサ１０５は、互いに直列接続されたスイッチング素子１０７ａ及び１０７ｂに対して、並列に接続される。スイッチング素子１０７ａ、１０７ｂとしては、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴなどの自己消弧型素子を用いることができる。スイッチング素子１０７ａ、１０７ｂには、帰還ダイオード１２ａ、１２ｂが逆並列に接続されている。セル１００は、スイッチング素子１０７ａがオンにされており、スイッチング素子１０７ｂがオフにされている場合にコンデンサ１０５に蓄えられた直流電圧を出力し、スイッチング素子１０７ａがオフにされており、スイッチング素子１０７ｂがオンにされている場合にゼロ電圧となる。

ここで、スイッチング素子１０７ａと、スイッチング素子１０７ｂとの接続点と同電位となる部位を、端子ＣＰと記載する。また、スイッチング素子１０７ｂのエミッタ端子及びコンデンサ１０５の負極端子と同電位となる部位を、端子ＣＭと記載する。セル１００は、端子ＣＰが当該セル１００よりも端子ＴＣＰ側のセル１００に接続され、端子ＣＭが当該セル１００よりも端子ＴＣＭ側のセル１００に接続される。これにより、複数のセル１００は、直列に接続される。なお、電力変換装置１０は、スイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂのオンオフのタイミングを変えることにより、電力変換を行う。

第１の給電回路１０３は、コンデンサ１０５に蓄えられた電力を用いて、スイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂに駆動電力を供給する。また、第１の給電回路１０３は、コンデンサ１０５から供給された電力を、スイッチング素子駆動部１０６と、セル制御部１０１とに供給する。

電圧検出部１０４は、コンデンサ１０５の端子間電圧を検出する。電圧検出部１０４は、検出した値をセル制御部１０１に出力する。

第２の給電回路１０８は、コンデンサ１０５に蓄えられた電力を用いて、放電回路駆動部１０９を駆動させる電力を供給する。第２の給電回路１０８は、セル制御部１０１から放電回路動作指令ＲＳを取得すると、放電回路駆動部１０９に対して電力の供給を開始する。

放電回路１０２は、コンデンサ１０５を放電させる。放電回路１０２は、放電抵抗Ｒ１と、放電スイッチＳＷ１とを備える。放電抵抗Ｒ１及び放電スイッチＳＷ１は、コンデンサ１０５の正極と負極との間に、互いに直列に接続される。なお、放電スイッチＳＷ１は、放電回路駆動部１０９からスイッチ制御信号ＳＳが供給される前は、遮断状態に維持される。

放電回路駆動部１０９は、放電回路１０２が備える放電スイッチＳＷ１の導通状態と遮断状態とを切り替える信号であるスイッチ制御信号ＳＳを、放電スイッチＳＷ１に対して出力する。このスイッチ制御信号ＳＳは、ラッチ信号である。つまり、放電回路駆動部１０９は、第２の給電回路１０８から電圧Ｖｓが供給される間、スイッチ制御信号ＳＳを放電スイッチＳＷ１に対して出力し続ける。電圧Ｖｓとは、放電回路駆動部１０９が動作可能な入力電圧であって、放電回路駆動部１０９が放電回路１０２を駆動することが可能な入力電圧である。

［放電回路１０２の回路構成］
ここで、図３を参照して、第１の実施形態に係る第２の給電回路１０８及び放電回路１０２の回路構成について説明する。図３は、第２の給電回路１０８及び放電回路１０２の回路構成を示す図である。

以下の説明では、コンデンサ１０５に蓄えられた電圧を、電圧Ｖｃと記載する場合がある。

本実施形態の放電スイッチＳＷ１は、例えば、電磁スイッチである。放電スイッチＳＷ１が導通状態になると、放電抵抗Ｒ１によってコンデンサ１０５に蓄えられた電力が消費される。つまり、放電回路１０２は、放電スイッチＳＷ１を導通状態にすることにより、コンデンサ１０５を放電させる。

第２の給電回路１０８は、放電回路駆動部１０９を駆動させる電圧Ｖｓを生成する。電圧Ｖｓは、第１の給電回路１０３が動作するのに必要な入力電圧の下限値よりも低い電圧である。具体的には、第２の給電回路１０８は、給電スイッチＳＷ２と、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３と、電流制限抵抗Ｒ４と、ツェナーダイオードＤ１とを備える。抵抗Ｒ２の抵抗値は、例えば、抵抗Ｒ３の抵抗値よりも大きい。なお、抵抗Ｒ２の抵抗値と、抵抗Ｒ３の抵抗値との関係は、これに限られない。抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３の抵抗値は、電圧Ｖｃの電圧を放電回路駆動部１０９に入力することが可能な電圧（例えば、５Ｖ程度）に降圧することができれば、いずれの抵抗値であってもよい。

給電スイッチＳＷ２、抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３は、コンデンサ１０５の正極と負極との間に、直列に接続される。第２の給電回路１０８は、この抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３によって、コンデンサ１０５から供給される電圧Ｖｃを分圧して、電圧Ｖｓを生成する。電圧Ｖｓは、例えば、５ボルトの電圧である。

第２の給電回路１０８は、生成した電圧Ｖｓを、放電回路駆動部１０９に供給する。放電回路駆動部１０９は、第２の給電回路１０８から供給される電圧Ｖｓによって動作する。電流制限抵抗Ｒ４は、第２の給電回路１０８から放電回路駆動部１０９に供給される電流を制限する。

給電スイッチＳＷ２は、セル制御部１０１から供給される放電回路動作指令ＲＳによって、遮断状態と導通状態とが切り替わる。給電スイッチＳＷ２は、放電回路動作指令ＲＳが供給されるまでは、遮断状態に維持される。第２の給電回路１０８は、給電スイッチＳＷ２が遮断状態の場合には、放電回路駆動部１０９の動作電圧である電圧Ｖｓを生成しない。第２の給電回路１０８は、給電スイッチＳＷ２が導通状態の場合、放電回路駆動部１０９の動作電圧である電圧Ｖｓを生成する。ツェナーダイオードＤ１は、電圧Ｖｓのクランプ用ダイオードである。

［コンデンサ１０５の放電のタイミングについて］
ここで、図４を参照して、コンデンサ１０５の放電のタイミングについて説明する。図４は、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃの変化と、放電回路１０２が動作するタイミングを示す図である。

時刻ｔ０から、時刻ｔ１までの間は、セル１００が運転状態である。このため、セル１００が備えるコンデンサ１０５の電圧Ｖｃは、コンデンサの定格電圧である。

時刻ｔ１に、系統事故などの異常（例えば、事故）が発生したものとする。電力変換装置１０の中央制御部１１には、例えば、系統の状態を監視する監視装置によって事故の発生を示す情報が入力される。なお、監視装置によって事故の発生を示す情報が入力される構成に代えて、電力変換装置１０を操作するユーザが、この事故を検知すると、中央制御部１１に対して事故の発生を示す情報を入力する構成であってもよい。また、ユーザが、メンテナンスに伴って、中央制御部１１に対して変換器停止指令ＥＳを入力する構成であってもよい。

中央制御部１１は、変換器停止指令ＥＳが入力されたことに応じて時刻ｔ２に、電力変換装置１０が備える複数のセル１００に変換器停止指令ＥＳを出力する。

変換器停止指令ＥＳを取得したセル制御部１０１は、時刻ｔ３に、電力変換動作を停止する。なお、事故などの異常により供給先の電力系統が電力を消費できなくなり、直流系統から供給される電力が、コンデンサ１０５に蓄えられる場合がある。このため、図４の例では、時刻ｔ１から時刻ｔ３までの間のコンデンサ１０５の電圧Ｖｃは、定格電圧よりも高い電圧に変化している。

セル１００が備えるセル制御部１０１、第１の給電回路１０３、及びスイッチング素子駆動部１０６が動作することで、時刻ｔ３から時刻ｔ４までの間は、コンデンサ１０５に蓄えられた電荷を消費する。コンデンサ１０５の電圧Ｖｃは、時刻ｔ４には、閾値電圧Ｖｔｈまで電力が消費されている。

セル制御部１０１は、電圧検出部１０４によって検出されたコンデンサ１０５の電圧Ｖｃが、閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧になると、第２の給電回路１０８に放電回路動作指令ＲＳを出力する。第２の給電回路１０８は、セル制御部１０１から放電回路動作指令ＲＳを取得すると、放電回路駆動部１０９に電圧Ｖｓを供給する。なお、ユーザが、事故を検知し、セル制御部１０１に対して第２の給電回路１０８に放電回路動作指令ＲＳを出力させる操作を行ってもよい。また、ユーザが、メンテナンスに伴って、セル制御部１０１に対して第２の給電回路１０８に放電回路動作指令ＲＳを出力させる操作を行ってもよい。

第２の給電回路１０８から電圧Ｖｓが供給された放電回路駆動部１０９は、放電スイッチＳＷ１にスイッチ制御信号ＳＳを出力する。放電回路駆動部１０９からスイッチ制御信号ＳＳを取得した放電スイッチＳＷ１は、導通状態になる。これにより、放電回路１０２は、コンデンサ１０５の電荷の放電を開始する。つまり、放電回路１０２は、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃが閾値電圧Ｖｔｈよりも低い電圧の場合に動作する。

時刻ｔ４から時刻ｔ５までの間は、セル制御部１０１、スイッチング素子駆動部１０６、放電回路１０２、及び第２の給電回路１０８が、コンデンサ１０５に蓄えられた電荷を消費する。このため、コンデンサ１０５に蓄えられた電荷は、セル制御部１０１、第１の給電回路１０３、及びスイッチング素子駆動部１０６のみがコンデンサ１０５に蓄えられた電荷を消費するよりも早く消費される。

コンデンサ１０５の電圧Ｖｃは、時刻ｔ５に、電圧Ｖｓｓ１まで減少する。この電圧Ｖｓｓ１とは、第１の給電回路１０３が動作することが可能な電圧であって、スイッチング素子駆動部１０６に駆動電力を供給することが可能な最低限の電圧を第１の給電回路１０３が出力することが可能な電圧である。なお、セル制御部１０１及びスイッチング素子駆動部１０６が動作することが可能な電圧は、電圧Ｖｓｓ１よりも低い電圧であってもよい。

時刻ｔ５から時刻ｔ６までの間は、第２の給電回路１０８、放電回路駆動部１０９、及び放電回路１０２は、コンデンサ１０５を放電させる。

コンデンサ１０５の電圧Ｖｃは、時刻ｔ６に、電圧Ｖｓｓ２まで減少する。この電圧Ｖｓｓ２は、第２の給電回路１０８が動作することが可能な電圧であって、放電回路駆動部１０９を動作させることが可能な最低限の電圧を第２の給電回路１０８が出力することが可能な電圧である。放電回路１０２が動作する電圧は、第１の給電回路１０３の動作電圧の下限電圧よりも低い。電圧Ｖｓｓ２は、安全に作業ができる電圧（例えば、４０Ｖ前後）よりも低い電圧に設定されることが望ましい。この電圧Ｖｓｓ２は、例えば、３０ボルト程度の電圧である。

以上説明したように、第１の実施形態の電力変換装置１０は、互いに直列に接続された複数のセル１００を備え、それぞれのセル１００は、コンデンサ１０５と、コンデンサ１０５の充放電を制御するためのスイッチング動作を行うスイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂと、コンデンサ１０５に蓄えられた電力を用いて、スイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂを駆動させるための電力をスイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂに供給する第１の給電回路と、コンデンサ１０５を放電させる放電回路１０２と、放電回路１０２を駆動する放電回路駆動部１０９と、コンデンサ１０５に蓄えられた電力を用いて、放電回路駆動部１０９と、放電回路１０２とを駆動させる電力を供給する第２の給電回路１０８と、を備え、第２の給電回路１０８が動作可能な下限電圧は、第１の給電回路１０３が動作可能な下限電圧よりも低い。これによって、セル１００が備えるコンデンサ１０５に蓄えられた電荷を放電する時間を短縮することができる。

これにより、事故などの異常が生じたときに、より短い時間で、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃを安全な電圧まで下げることができる。つまり、電力変換装置１０は、セル１００が備えるコンデンサ１０５に蓄えられた電荷を放電する時間を短縮することができる。

なお、上述した説明では、セル制御部１０１は、中央制御部１１から出力される変換器停止指令ＥＳに基づいて、放電回路動作指令ＲＳを第２の給電回路１０８に出力する場合について説明したが、これに限られない。セル制御部１０１は、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃの電圧低下レートが予め定めた閾値を超えて低下し、かつコンデンサ１０５が放電中であると判断できるときに、放電回路動作指令ＲＳを、第２の給電回路１０８に出力してもよい。電圧低下レートとは、時間に対する電圧低下量の比（割合）である。これにより、電力変換装置１０は、中央制御部１１からの変換器停止指令ＥＳが取得できない状態であっても、コンデンサ１０５に蓄えられた電荷を放電することができるため、安全性を高めることができる。

また、セル制御部１０１は、放電回路１０２の放電動作を停止させる信号である放電停止信号を、第２の給電回路１０８に対して出力してもよい。具体的には、第２の給電回路１０８は、セル制御部１０１から取得した放電停止信号に基づいて給電スイッチＳＷ２を遮断状態に切り替える。給電スイッチＳＷ２が遮断状態にされた第２の給電回路１０８は、電圧Ｖｓの供給を停止する。給電スイッチＳＷ２は、電圧Ｖｓの供給が停止されることにより遮断状態になる。これにより、放電回路１０２は動作を停止する。

これにより、電力変換装置１０は、例えば、コンデンサ１０５の放電動作中に事故などによる異常が復旧した場合、メンテナンス等でユーザが停止操作した場合、及び事故によって電力変換装置１０が停止した場合等に、セル１００の運転を早期に再開することができる。

また、放電回路１０２は、第２の給電回路１０８が動作する電圧よりも低い電圧で動作を停止させてもよい。つまり、電力変換装置１０は、コンデンサ１０５の電荷が全て抜けなくても、放電回路１０２の動作を停止してもよい。上述したように、第２の給電回路１０８が動作する電圧よりも低い電圧は、安全に作業ができる電圧である。このため、作業者は、コンデンサ１０５の電荷が全て抜けなくても安全に作業することができ、コンデンサ１０５の電荷が全て抜けるまで待たなくてもよい。

また、セル１００は、当該セルが備える第２の給電回路１０８の電力供給動作の後に、放電回路１０２の動作状況を示す信号を、複数のセル１００を制御する中央制御部１１に対して出力してもよい。
これにより、セル１００は、故障などでコンデンサ１０５の放電が行えない場合でも、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃの値を中央制御部１１に出力することができる。中央制御部１１は、セル１００から取得したコンデンサ１０５の電圧の値を、不図示の表示部に表示させる。これにより、電力変換装置１０を作業する作業者は、セル１００毎のコンデンサ１０５の電圧Ｖｃの値を知ることができ、作業の安全性を高めることができる。

また、セル１００は、当該セルが備えるコンデンサ１０５の電圧Ｖｃの時間変化を示す情報を、中央制御部１１に対して出力してもよい。この場合には、セル１００は、電圧検出部１０４が検出したコンデンサ１０５の電圧Ｖｃの値を、セル制御部１０１を介して、中央制御部１１に出力すればよい。これにより、中央制御部１１は、セル１００毎の電圧Ｖｃの時間変化を示す情報を、集めることができる。

また、中央制御部１１は、セル１００毎に集めたセル１００毎の電圧の時間変化を示す情報に基づいて、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃが安全に作業可能な電圧まで低下するタイミングを算出する。中央制御部１１は、算出したコンデンサ１０５の電圧Ｖｃが安全に作業可能な電圧まで低下するタイミングや、セル１００毎の電圧Ｖｃの時間変化を、不図示の表示部に表示させる。これにより、電力変換装置１０は、作業者がコンデンサ１０５の放電状況を知ることができる。

（第２の実施形態）
次に、図５を参照して、第２の実施形態に係る放電回路１０２ａについて説明する。なお、第１の実施形態と同じ部分については同じ符号を付して詳細な説明は省略する。図５は、放電回路１０２ｂの回路構成を示す図である。

放電回路１０２ａは、図５に示すように、放電スイッチＳＷ１にサイリスタＴＨ１を用いることが第１の実施形態及び第２の実施形態と異なる。

サイリスタＴＨ１は、セル制御部１０１から第２の給電回路１０８に放電回路動作指令ＲＳが入力される前は、遮断状態に維持される。サイリスタＴＨ１のゲートには、放電回路駆動部１０９からスイッチ制御信号ＳＳが入力される。サイリスタＴＨ１は、一旦ゲートにスイッチ制御信号ＳＳが入力されることにより、以降は、サイリスタＴＨ１に電流が流れなくなるか、サイリスタＴＨ１に逆電圧が印加されるまでの間、導通状態になる。

（第３の実施形態）
次に、図６を参照して、第３の実施形態に係る第２の給電回路１０８ｃについて説明する。なお、第１の実施形態、第２の実施形態、及び第２の実施形態と同じ部分については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。図６は、第２の給電回路１０８ｃ及び放電回路駆動部１０９ｃの回路構成を示す図である。

第２の給電回路１０８ｃは、自己保持スイッチＳＷ３と、ツェナーダイオードＤ２とをさらに備える。自己保持スイッチＳＷ３は、セル制御部１０１から第２の給電回路１０８ｃに対して放電回路動作指令ＲＳが供給される前は、遮断状態に維持される。放電回路駆動部１０９ｃには、ツェナーダイオードＤ２のクランプ電圧及び抵抗Ｒ３の両端の電圧の和（つまり、電圧Ｖｓ）と、電流制限抵抗Ｒ４の抵抗値とによって定まる一定の電流が流れる。

放電回路駆動部１０９ｃは、例えば、リレーコイルである。リレーコイルに一定の電流が流されると、放電スイッチＳＷ１と、自己保持スイッチＳＷ３とが、それぞれ導通状態になる。自己保持スイッチＳＷ３は、導通状態になることにより、第２の給電回路１０８ｃに電圧Ｖｃが供給される状態を維持する。

（第４の実施形態）
次に、図７を参照して、第４の実施形態に係るセル１００ｄについて説明する。なお、第１の実施形態、第２の実施形態、第２の実施形態、及び第３の実施形態と同じ部分については、同じ符号を付して詳細な説明は省略する。図７は、第２の給電回路１０８ｄの回路構成を示す図である。

第２の給電回路１０８ｄは、上述した第２の給電回路１０８の構成に加えて、信号処理部１１０と、論理和回路ＯＲと、を更に備える。論理和回路ＯＲは、２つの入力端子（以下、第１入力端子及び第２入力端子）と、１つの出力端子とを備える。論理和回路ＯＲの第１入力端子は、セル制御部１０１に接続される。論理和回路ＯＲの第２入力端子は、信号処理部１１０に接続される。論理和回路ＯＲの出力端子は、給電スイッチＳＷ２の開閉を制御する制御部（不図示）に接続される。

上述したように、セル制御部１０１には、電圧検出部１０４によって検出されたコンデンサ１０５の電圧Ｖｃの値が入力される。この場合、セル制御部１０１は、論理和回路ＯＲの第１入力端子に対して放電回路動作指令ＲＳを出力する。セル制御部１０１は、例えば、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃの電圧低下レートが予め定めた閾値を超えて低下し、かつコンデンサ１０５が放電中であると判断できるときに、放電回路動作指令ＲＳを論理和回路ＯＲに出力する。放電回路動作指令ＲＳとは、例えば、ハイレベルの信号である。

信号処理部１１０は、放電回路駆動部１０９の入力端子と接続される。放電回路駆動部１０９の入力端子とは、電流制限抵抗Ｒ４と、ツェナーダイオードＤ１のカソードと、放電回路駆動部１０９との接続点である。放電回路動作指令ＲＳにより給電スイッチＳＷ２が導通状態にされる場合、ツェナーダイオードＤ１により電圧Ｖｓがある一定値に保持される。信号処理部１１０は、放電回路駆動部１０９の入力端子にある一定値の電圧Ｖｓが印加されることによって、論理和回路ＯＲに処理信号ＳＰＳを供給する。信号処理部１１０とは、例えば、電圧Ｖｓをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器である。処理信号ＳＰＳとは、例えば、ハイレベルの信号である。

論理和回路ＯＲは、セル制御部１０１から取得した放電回路動作指令ＲＳと、信号処理部１１０から取得した処理信号ＳＰＳとの論理和を算出する。論理和回路ＯＲは、算出した論理和を、給電スイッチＳＷ２に供給する。給電スイッチＳＷ２は、論理和回路ＯＲから供給された論理和の値に基づいて、導通状態と遮断状態とが切り替わる。給電スイッチＳＷ２は、例えば、論理和回路ＯＲから供給された算出結果が正を示す場合（つまり、放電回路動作指令ＲＳと、処理信号ＳＰＳとのうち、少なくともいずれか一方が供給される場合）には、導通状態になる。給電スイッチＳＷ２は、例えば、論理和回路ＯＲから供給された算出結果が負を示す場合（つまり、放電回路動作指令ＲＳ及び処理信号ＳＰＳの両方が供給されない場合）には、遮断状態になる。

上述した構成により、セル制御部１０１が放電回路動作指令ＲＳを出力し、給電スイッチＳＷ２が導通状態にされると、ツェナーダイオードＤ１がオン状態となり、電圧Ｖｓがある一定の電圧に保持される。したがって、信号処理部１１０は、論理和回路ＯＲの第２入力端子に処理信号ＳＰＳを供給する。これにより、給電スイッチＳＷ２は、セル制御部１０１が放電回路動作指令ＲＳを出力し続けない場合であっても、電圧Ｖｓが一定に保てないほど電圧Ｖｃが低下するまでの間は、信号処理部１１０から供給される処理信号ＳＰＳによって導通状態を保持することができる。したがって、セル１００ｄは、セル制御部１０１により、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃの増加又は減少の変化を、給電スイッチＳＷ２の切り替えに用いることができる。

また、セル制御部１０１は、電圧検出部１０４によって検出されたコンデンサ１０５の電圧Ｖｃが、第２の給電回路１０８ｄが動作する電圧よりも低い場合に、放電回路１０２の動作を停止させてもよい。具体的には、セル制御部１０１は、第２の給電回路１０８ｄの電圧Ｖｓが、放電回路駆動部１０９の回路動作電圧の下限電圧である電圧Ｖｓｓ２よりも低い場合に、負の信号を、論理和回路ＯＲに供給する。負の信号が供給された論理和回路ＯＲは、給電スイッチＳＷ２を遮断状態に切り替える。これにより、第２の給電回路１０８ｄは、放電回路駆動部１０９に対して電力の供給を停止する。電力の供給が停止された放電回路駆動部１０９は、スイッチ制御信号ＳＳの供給を停止する。放電回路駆動部１０９からスイッチ制御信号ＳＳの供給が停止された放電スイッチＳＷ１は、遮断状態になる。放電スイッチＳＷ１は、遮断状態になることにより、放電回路１０２の動作は停止する。

なお、上述した第２の給電回路１０８ｄの構成において、放電回路１０２が備える放電スイッチＳＷ１には、半導体スイッチＱ１が用いられていてもよい。図８は、放電回路１０２の回路構成の他の例を示す図である。

図８に示す放電回路１０２ｂは、放電スイッチＳＷ１に半導体スイッチＱ１が用いられる。半導体スイッチＱ１は、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）などの自己消弧型のスイッチング素子である。この半導体スイッチＱ１は、耐圧が大きい。

半導体スイッチＱ１は、放電回路駆動部１０９からスイッチ制御信号ＳＳが出力される前は、遮断状態に維持される。半導体スイッチＱ１のゲートに放電回路駆動部１０９からスイッチ制御信号ＳＳが出力されると、半導体スイッチＱ１は、導通状態になる。

以上説明したように、第４の実施形態の電力変換装置１０は、放電回路１０２は、セル制御部１０１が検出したコンデンサ１０５の電圧Ｖｃが、第２の給電回路１０８が動作する電圧よりも低い場合に動作を停止する。これによって、コンデンサ１０５の電圧Ｖｃが、第１の給電回路１０３が動作する下限電圧よりも低い電圧であっても、セル制御部１０１は、放電回路１０２の動作を停止させることができる。コンデンサ１０５の放電動作中に事故などによる異常が復旧した場合などに、セル１００の運転を早期に再開することができる。

なお、上述した第１の実施形態、第２の実施形態、第３の実施形態、及び第４の実施形態のセルは、ハーフブリッジ型のチョッパセルの構成について説明したが、フルブリッジ型のチョッパセルの構成であってもよい。

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、電力変換装置は、互いに直列に接続された複数のセル１００を備え、それぞれのセル１００は、コンデンサ１０５と、コンデンサ１０５の充放電を制御するためのスイッチング動作を行うスイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂと、コンデンサ１０５に蓄えられた電力を用いて、スイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂを駆動させるための電力をスイッチング素子１０７ａ及びスイッチング素子１０７ｂに供給する第１の給電回路１０３と、コンデンサ１０５を放電させる放電回路１０２と、放電回路１０２を駆動する放電回路駆動部１０９と、コンデンサ１０５に蓄えられた電力を用いて、放電回路駆動部１０９と、放電回路１０２とを駆動させる電力を供給する第２の給電回路１０８と、を備え、第２の給電回路１０８が動作可能な下限電圧は、第１の給電回路１０３が動作可能な下限電圧よりも低いことにより、セルが備えるコンデンサに蓄えられた電荷を放電する時間を短縮することができる。また、電力変換装置は、セルが備えるコンデンサに蓄えられた電荷を十分に放電させ、メンテナンスや事故後の点検等を行う作業者の安全を確保することができる。

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同様に、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ものである。

１０…電力変換装置、１１…中央制御部、１２…正側アーム、１３…負側アーム、１００，１００ｄ…セル、１０１…セル制御部、１０２，１０２ａ，１０２ｂ…放電回路、１０３…第１の給電回路、１０４…電圧検出部、１０５…コンデンサ、１０６…スイッチング素子駆動部、１０７ａ，１０７ｂ…スイッチング素子、１０８…第２の給電回路、１０９…放電回路駆動部、ＥＳ…変換器停止指令、ＲＳ…放電回路動作指令、ＳＳ…スイッチ制御信号、ＳＷ１…放電スイッチ、ＳＷ２…給電スイッチ、ＳＰＳ…処理信号、ＳＷ３…自己保持スイッチ、トランス…ＴＲ

Claims (11)

1. 互いに直列に接続された複数のセルを備え、それぞれのセルは、
   コンデンサと、
   前記コンデンサの充放電を制御するためのスイッチング動作を行う半導体スイッチと、
   前記コンデンサに蓄えられた電力を用いて、前記半導体スイッチを駆動させるための電力を前記半導体スイッチに供給する第１の給電回路と、
   前記コンデンサを放電させる放電回路と、
   前記放電回路を駆動する放電回路駆動部と、
   前記コンデンサに蓄えられた電力を用いて、前記放電回路駆動部を駆動させる電力を供給する第２の給電回路と、
   を備え、
   前記第２の給電回路が動作可能な下限電圧は、前記第１の給電回路が動作可能な下限電圧よりも低い、
   電力変換装置。
2. 前記セルは、当該セルが備える前記コンデンサの電圧の時間変化を示す情報を、複数の前記セルを制御する中央制御部に対して出力する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記放電回路は、
   前記コンデンサの電圧が、前記半導体スイッチが動作可能な電圧よりも低い電圧であっても、前記第２の給電回路によって供給される電力によって動作する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記放電回路は、
   前記コンデンサの電圧が、所定の電圧よりも低い電圧である場合、前記第２の給電回路によって供給される電力によって動作する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記放電回路は、
   時間に対する前記コンデンサの電圧が低下した量の割合が、所定の割合を超える場合、前記第２の給電回路によって供給される電力によって動作する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記放電回路は、
   ユーザによって前記放電回路を動作させる操作が行われた場合、動作する、
   請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
7. 前記セルは、当該セルが備える第２の給電回路の電力供給動作の後に、前記放電回路の動作状況を示す信号を、前記中央制御部に対して出力する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
8. 前記放電回路を停止させる信号である放電停止信号を、前記放電回路に対して供給する制御部をさらに備え、
   前記放電回路は、前記制御部から供給される放電停止信号に基づいて、動作を停止する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
9. 前記放電回路は、前記コンデンサの電圧が、前記第２の給電回路が動作する電圧よりも低い場合に動作を停止する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
10. 前記放電回路は、スイッチと、前記スイッチと直列に接続される抵抗とを備える、
    請求項１に記載の電力変換装置。
11. 前記スイッチは、半導体スイッチと機械式スイッチとのうちいずれか一方である、
    請求項１０に記載の電力変換装置。

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