WO2017203865A1

WO2017203865A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2017203865A1
Application number: PCT/JP2017/014841
Authority: WO
Inventors: 佑季石井
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2016-05-25
Filing date: 2017-04-11
Publication date: 2017-11-30
Also published as: US10468972B2; EP3468026A4; EP3468026A1; US20190131867A1; JPWO2017203865A1; JP6275352B1

Abstract

変換器セル１は、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂとダイオード１２ｕ，１２ｂとをそれぞれ含む第１及び第２アームと、第２アームに並列接続された短絡部１５とを備え、直流事故検知部３が、直流事故の発生を検知した場合に、制御回路６が、変換器セル１に対して、短絡部１５を導通状態にするとともに、半導体スイッチング素子１１ｂを導通状態とし、半導体スイッチング素子１１ｕを非導通状態とする事故対応指令を出力することで、第２アームにおいて半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとを共に導通状態にする。

Description

電力変換装置

　本発明は電力変換装置に関し、特に、複数台の変換器セルを直列多重接続して構成された電力変換装置に関する。

　近年、電力系統などの高圧用途に用いられる電力変換装置においては、複数台の変換器セルを直列多重接続して構成するマルチレベル変換器の実用化が図られている。これらの変換器はモジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）方式、または、カスケード・マルチレベルコンバータ（ＣＭＣ）方式などと呼ばれる。従来、変換器セルをＩＧＢＴなどの半導体スイッチング素子を用いて構成する方式などが公知である（例えば、非特許文献１参照）。

萩原　誠、及び、赤木　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」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻、７号、ｐｐ．９５７－９６５、２００８年（９５８頁、図１）

　これらの電力変換装置は、直流系統で事故が発生したときに、変換器セル内のダイオードに大きな事故電流が流れることにより、当該ダイオードで大きな電力損失が発生してしまうため、当該ダイオードが破壊してしまうという課題があった。

　本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、直流事故が発生したときに事故電流が流れるダイオードにて発生する損失を低減し、当該ダイオードが破壊することを防止することが可能な、電力変換装置を得ることを目的とする。

　本発明は、交流系統と直流系統との間を連系し、電力の授受を行う電力変換装置であって、前記電力変換装置は、直流電力を授受する直流端子と、交流電力を授受する交流端子と、前記直流端子と前記交流端子との間に設けられ、複数台直列に接続された変換器セルと、前記直流系統に発生した事故を検知する直流事故検知部と、各前記変換器セルの制御を行う制御回路とを備え、各前記変換器セルは、第１の半導体スイッチング素子と第１のダイオードとを含む第１アームと、前記第１アームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と第２のダイオードとを含む、第２アームと、前記第２アームの両端に接続された出力端子と、前記第２アームに並列に接続された短絡部とを有し、前記直流事故検知部が事故の発生を検知した場合に、前記制御回路は、各前記変換器セルに対して事故対応指令を出力し、前記事故対応指令は、前記短絡部を導通状態にするとともに、前記第２の半導体スイッチング素子を導通状態とし、前記第１の半導体スイッチング素子を非導通状態とする、電力変換装置である。

　本発明によれば、直流事故が発生したときに、変換器セル１において、ダイオードと半導体スイッチング素子とを同時に導通状態とすることで、変換器セル内を流れる事故電流がダイオードと半導体スイッチング素子とに分流して流れるため、事故電流がダイオードのみに流れる場合に比べて、ダイオードに発生する損失が低減されるので、直流事故によりダイオードが破壊されることを防止できる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の変換器セルの一例を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の変換器セルの一例を示す回路図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の変換器セルの動作を説明する説明図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の変換器セルの動作を説明する説明図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の直流事故時の事故電流経路の一例を示す図である。従来技術における直流事故時の動作を示すフローチャートである。変換器セル内の事故電流経路を示す図である。変換器セル内の事故電流経路を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の直流事故時の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の変換器セル内の事故電流経路を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の直流事故解消後の動作を示すフローチャートである。本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の直流事故解消後の動作を示すフローチャートである。

　以下、本発明の実施の形態に係る電力変換装置について図面を用いて説明する。

　実施の形態１．
　実施の形態１では、電力変換装置として、三相電力系統と直流電力系統との間を連系し、電力の授受を行う電力変換装置を例に挙げて説明する。

　図１は、実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す構成図である。図１を用いて、実施の形態１に係る電力変換装置の構成について説明する。

　実施の形態１においては、図１に示すように、電力変換装置は、交流端子４（以下、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとする）と、直流端子５（以下、直流端子Ｐ，Ｎとする）とを備えている。また、電力変換装置は、直流端子Ｐと各交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応させた相アームが設けられている。また、同様に、直流端子Ｎと各交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に、それぞれ、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相に対応させた相アームが設けられている。各相アームは、複数台の変換器セル１が直列に接続されて構成されている。図１の例では、各相アームにおいて、３台の変換器セル１が直列に接続されているが、この場合に限らず、各相アームにおける変換器セル１の個数は任意の個数でよい。

　なお、実施の形態１に係る電力変換装置は、三相電力系統に連系されるものである。そのため、図１では、交流端子を、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の３つの端子で構成する例を示している。しかしながら、実施の形態１に係る電力変換装置を単相電力系統に連系する場合には、交流端子を２つの端子から構成し、また、実施の形態１に係る電力変換装置を多相電力系統へ連系する場合には、交流端子を４つ以上の端子から構成されることも同様に可能である。

　また、実施の形態１においては、図１に示すように、直流端子Ｐと各交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に、それぞれ、リアクトル２が接続されている。また、同様に、直流端子Ｎと各交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に、それぞれ、リアクトル２が接続されている。

　なお、実施の形態１では、リアクトル２が、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗと相アームとの間に接続した形態を示しているが、この場合に限らず、リアクトル２は、直流端子Ｐ，Ｎと相アームとの間に接続してもよい。また、リアクトル２は、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗと直流端子Ｐとの間のみに接続する構成とすることも可能で、同様に、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗと直流端子Ｎとの間のみに接続する構成とすることも可能である。また、リアクトル２は、必ずしも、コイル形状を有している必要は無く、例えば意図的に長い配線長としたケーブルなどでも使用可能である。

　また、図１に示すように、直流端子Ｐと交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に、直流事故時に発生する短絡電流を検知するための直流事故検知部３が設けられている。直流事故検知部３は、電流センサから構成されている。図１の例では、直流事故検知部３は、３つの相アームの接続点と直流端子Ｐとの間に設けられている。

　なお、実施の形態１では、直流事故検知部３を直流端子Ｐ側に設ける場合の例を示しているが、その場合に限らず、直流事故検知部３は直流端子Ｎ側に設けることも可能である。また、直流事故検知部３として、交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗ側の各々に電流センサを設けるようにしてもよい。その場合には、３つの電流センサで検出された電流検出値の和をとることにより、直流事故時に発生する短絡電流を検知する構成方法も可能である。また、電流センサには、シャント抵抗方式、ホール素子方式、磁気抵抗素子方式、または、フラックスゲート方式などが使用可能であり、その他の電流検出方式のセンサも使用できる。

　また、図１に示すように、実施の形態１に係る電力変換装置においては、各変換器セル１の動作を制御する制御回路６が設けられている。制御回路６は、各変換器セル１内に設けられた半導体スイッチング素子及び短絡部のＯＮ／ＯＦＦ制御などを行う。

　図２Ａは、変換器セル１の構成を示す構成図である。図２Ａを用いて、変換器セル１の構成について説明する。

　図２Ａに示すように、変換器セル１は、チョッパ回路の構成を有している。変換器セル１は、上アーム１３ｕと、下アーム１３ｂと、エネルギー蓄積素子１４と、短絡部１５と、出力端子ＴＰと、出力端子ＴＮとから構成されている。上アーム１３ｕは、逆導通可能な半導体スイッチング素子１１ｕとダイオード１２ｕとが逆並列接続されて構成されている。同様に、下アーム１３ｂは、逆導通可能な半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとが逆並列接続されて構成されている。

　上アーム１３ｕと下アーム１３ｂとは直列接続されてレグを構成している。エネルギー蓄積素子１４は、当該レグと並列接続されている。短絡部１５は、下アーム１３ｂに並列接続されている。出力端子ＴＰは、下アーム１３ｂの一端に接続され、出力端子ＴＮは下アーム１３ｂの他端に接続されている。

　なお、図２Ａでは、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂとして、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を使用している。しかしながら、その場合に限らず、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂとして、逆導通型ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ－Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、あるいは、逆導通サイリスタといったＭＯＳＦＥＴ以外の逆導通が可能な半導体素子を用いることも可能である。

　また、半導体スイッチング素子１１ｕ内にダイオードが含まれている場合には、図２Ａに示したダイオード１２ｕは省略することも可能である。同様に、半導体スイッチング素子１１ｕ内にダイオードが含まれている場合には、図２Ａに示したダイオード１２ｕは省略することも可能である。

　また、実施の形態１では、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂおよびダイオード１２ｕ，１２ｂを１並列で使用する例を記載しているが、電力変換装置の大容量化のために、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂおよびダイオード１２ｕ，１２ｂを複数並列して使用することも可能である。

　実施の形態１では、エネルギー蓄積素子１４に、コンデンサを用いている。このコンデンサには、電解コンデンサあるいはフィルムコンデンサなどが使用可能であり、その他のタイプのコンデンサも使用することができる。

　また、短絡部１５には、例えば機械式スイッチや半導体スイッチング素子を使用することができる。

　変換器セル１の構成は、図２Ｂに示すような回路構成とすることもできる。図２Ａに示した回路との相違点は、図２Ｂにおいては、短絡部１５が、上アーム１３ｕに並列接続されている。また、出力端子ＴＰが、上アーム１３ｕの一端に接続され、出力端子ＴＮが、上アーム１３ｕの他端に接続されている。これらの点のみが、図２Ａと図２Ｂとの相違点である。

　なお、変換器セル１の回路構成は、図２Ａ，２Ｂに示されるようなチョッパ回路に限定されるものではなく、例えばフルブリッジ回路などの電力を双方向に通流可能な回路とすることも可能である。

　以下の説明では、図２Ａの回路構成に基づいて動作説明を行うが、図２Ｂの回路構成においても同様の動作を行うことが可能である。

　変換器セル１の通常時の動作状態について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて説明する。ここで、図３におけるＩｃｅｌｌは、図２Ａの図示にて定義されているように、出力端子ＴＰから、変換器セル１に流入される電流である。半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂがスイッチング動作を行った場合に、ダイオード１２ｕ，１２ｂの導通状態がどのようになるかはＩｃｅｌｌの極性によって変化する。そのため、図３Ａには、Ｉｃｅｌｌが正の値を取る場合の変換器セル１の動作状態を示し、図３Ｂには、Ｉｃｅｌｌが負の値を取る場合の変換器セル１の動作状態を示す。

　まず、図３Ａを用いて、Ｉｃｅｌｌが正の値である場合に、変換器セル１が取りうる動作状態を説明する。この場合、変換器セル１は、状態１～４の計４つの状態を取りうる。変換器セル１は、２つの半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂのオンオフ動作によって、出力端子ＴＰ，ＴＮ間の電圧をゼロまたはコンデンサ電圧に制御される。

　図３Ａに示すように、状態１は、半導体スイッチング素子１１ｕが導通状態（ＯＮ）で、半導体スイッチング素子１１ｂが非導通状態（ＯＦＦ）の場合である。このとき、ダイオード１２ｕは導通状態となり、ダイオード１２ｂは非導通状態となる。つまり、前述したように、半導体スイッチング素子１１ｕは逆導通特性を有しているので、Ｉｃｅｌｌは半導体スイッチング素子１１ｕとダイオード１２ｕとに分流する。また、出力端子ＴＰと出力端子ＴＮとの間には、エネルギー蓄積素子１４の両端電圧が印加される。換言すると、変換器セル１の出力電圧は、コンデンサ電圧となる。

　なお、前述したように、状態１の場合には、Ｉｃｅｌｌは半導体スイッチング素子１１ｕとダイオード１２ｕとに分流する。このように半導体スイッチング素子１１ｕとダイオード１２ｕとにＩｃｅｌｌが流れた際の上アーム１３ｕの両端に発生する電圧は、Ｉｃｅｌｌがダイオード１２ｕのみに流れた場合に比べて、低下する。上アーム１３ｕにて発生する半導体導通損失は、Ｉｃｅｌｌと上アーム１３ｕの両端に発生する電圧との積で表される。そのため、Ｉｃｅｌｌがダイオード１２ｕのみを流れた場合に比べ、Ｉｃｅｌｌが半導体スイッチング素子１１ｕとダイオード１２ｕとに分流する場合、上アーム１３ｕにて発生する半導体導通損失が低下する効果がある。

　状態２は、半導体スイッチング素子１１ｕが非導通状態（ＯＦＦ）、半導体スイッチング素子１１ｂが導通状態（ＯＮ）の場合である。このとき、ダイオード１２ｕは非導通状態となり、ダイオード１２ｂも非導通状態となる。つまり、Ｉｃｅｌｌは半導体スイッチング素子１１ｂに流れる。また、出力端子ＴＰと出力端子ＴＮとの間は短絡される。換言すると、変換器セル１の出力電圧は０Ｖとなる。

　状態３は、半導体スイッチング素子１１ｕが非導通状態（ＯＦＦ）、半導体スイッチング素子１１ｂが非導通状態（ＯＦＦ）の場合である。このとき、ダイオード１２ｕは導通状態となり、ダイオード１２ｂは非導通状態となる。つまり、Ｉｃｅｌｌはダイオード１２ｕに流れる。また、出力端子ＴＰと出力端子ＴＮとの間には、エネルギー蓄積素子１４の両端電圧が印加される。換言すると、変換器セル１の出力電圧はコンデンサ電圧となる。

　状態４は、半導体スイッチング素子１１ｕが導通状態（ＯＮ）、半導体スイッチング素子１１ｂが導通状態（ＯＮ）の場合である。この場合については、エネルギー蓄積素子１４の両端が短絡状態となるため、使用されない。

　次に、Ｉｃｅｌｌが正の値である場合に、変換器セル１において、状態１～状態３の切り替え方について説明する。変換器セル１においては、状態１と状態２とを交互に切り替えることにより、変換器セル１が出力する電圧を制御する。なお、状態１と状態２との切り替えの間に、状態３を意図的に挿入し、変換器セル１が状態４を取らないように切り替えすることもできる。

　以上のように、変換器セル１においては、Ｉｃｅｌｌが正の値である場合に、状態１と状態２とを交互に切り替える動作を行うことにより、ダイオード１２ｕが導通状態となるときには同時に半導体スイッチング素子１１ｕも導通状態となることから、変換器セル１に流れる電流Ｉｃｅｌｌはダイオード１２ｕと半導体スイッチング素子１１ｕとに分流し、上アーム１３ｕで発生する半導体導通損失が低減される。

　続いて、図３Ｂを用いて、Ｉｃｅｌｌが負の値である場合に、変換器セル１が取りうる動作状態を説明する。この場合も、変換器セル１は、状態１～４の計４つの状態を取りうる。

　図３Ｂに示すように、状態１は、半導体スイッチング素子１１ｕが導通状態（ＯＮ）、半導体スイッチング素子１１ｂが非導通状態（ＯＦＦ）の場合である。このとき、ダイオード１２ｕは非導通状態となり、ダイオード１２ｂも非導通状態となる。つまり、Ｉｃｅｌｌは、半導体スイッチング素子１１ｕに流れる。また、出力端子ＴＰと出力端子ＴＮとの間には、エネルギー蓄積素子１４の両端電圧が印加される。換言すると、変換器セル１の出力電圧はコンデンサ電圧となる。

　状態２は、半導体スイッチング素子１１ｕが非導通状態（ＯＦＦ）、半導体スイッチング素子１１ｂが導通状態（ＯＮ）の場合である。このとき、ダイオード１２ｕは非導通状態となり、ダイオード１２ｂは導通状態となる。つまり、前述したように、半導体スイッチング素子１１ｂは逆導通特性を有しているので、Ｉｃｅｌｌは半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流する。また、出力端子ＴＰと出力端子ＴＮとの間は短絡される。換言すると、変換器セル１の出力電圧は０Ｖとなる。

　なお、前述したように、状態２の場合には、Ｉｃｅｌｌは半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流する。このため、Ｉｃｅｌｌが流れた際に下アーム１３ｂの両端に発生する電圧は、Ｉｃｅｌｌがダイオード１２ｂのみを流れた場合に比べて、低下する。下アーム１３ｂにて発生する半導体導通損失は、Ｉｃｅｌｌと下アーム１３ｂの両端に発生する電圧との積で表される。そのため、Ｉｃｅｌｌがダイオード１２ｂのみを流れた場合に比べ、Ｉｃｅｌｌが半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流する場合、下アーム１３ｂにて発生する半導体導通損失が低下する効果がある。

　状態３は、半導体スイッチング素子１１ｕが非導通状態（ＯＦＦ）、半導体スイッチング素子１１ｂが非導通状態（ＯＦＦ）の場合である。このとき、ダイオード１２ｕは非導通状態となり、ダイオード１２ｂは導通状態となる。つまり、Ｉｃｅｌｌはダイオード１２ｂに流れる。また、出力端子ＴＰと出力端子ＴＮとの間は短絡される。換言すると、変換器セル１の出力電圧は０Ｖとなる。

　次に、Ｉｃｅｌｌが負の値である場合に、変換器セル１において、状態１～状態３の切り替え方について説明する。変換器セル１においては、状態１と状態２とを交互に切り替えることにより、変換器セル１が出力する電圧を制御する。なお、状態１と状態２との切り替えの間に、状態３を意図的に挿入し、変換器セルが状態４を取らないように切り替えすることもできる。

　以上のように、変換器セル１においては、Ｉｃｅｌｌが負の値である場合に、状態１と状態２とを交互に切り替える動作を行うことにより、ダイオード１２ｂが導通状態となるときには同時に半導体スイッチング素子１１ｂも導通状態となることから、変換器セル１に流れる電流Ｉｃｅｌｌはダイオード１２ｂと半導体スイッチング素子１１ｂとに分流し、下アーム１３ｂで発生する半導体導通損失が低減される。

　なお、上述したように、変換器セル１においてはＩｃｅｌｌが正負のどちらの値を取る場合においても、状態１と状態２とを交互に切り替える動作を行うため、Ｉｃｅｌｌの極性を検出するための手段を設ける必要が無い。

　定常時の変換器セル１において、状態１と状態２との切り替えタイミングの決定方法については、公知の技術をそのまま用いることが可能であり、例えば、非特許文献１「モジュラー・マルチレベル変換器のＰＷＭ制御方法」に記載の技術が適用できるため、その詳細な説明については省略する。

　次に、実施の形態１に係る電力変換装置の直流事故発生時の動作について説明する。

　図４は、図１に示した実施の形態１に係る電力変換装置において、直流事故が発生した際に流れる事故電流の経路例を示すものである。

　図４においては、直流端子Ｐと直流端子Ｎとの間において直流事故、すなわち直流端子Ｐと直流端子Ｎとの間の短絡が発生した場合を示している。この場合、図中の破線で示す短絡電流が電力変換装置内を流れる。以下、この短絡電流を事故電流と呼ぶ。なお、図４の例では、交流端子Ｕと交流端子Ｖとを経由する事故電流経路を例示している。

　上述のような事故電流が流れると、直流事故検知部３は直流事故が発生したと判定し、変換器セル１において直流事故に対応する動作を行う。

　ここで、実施の形態１の動作を説明する前に、従来技術における変換器セルの直流事故時の動作について説明する。図５は、従来技術における直流事故時の動作を説明するフローチャートである。図５では、実施の形態１の動作との違いが分かりやすくなるように、変換器セル１の構成は、実施の形態１と同じ構成、すなわち、図２Ａに示した構成として説明する。

　図５に示すように、従来技術における変換器セルにおいては、まず、ステップＳ１０１では、直流事故検知部３によって直流事故が発生したかを判定する。その結果、直流事故が発生したと判定される（Ｓ１０１にてＹＥＳ）と、ステップＳ１０２へ移行する。

　ステップＳ１０２では、制御回路６は、短絡部１５に導通指令を与え、上アーム１３ｕの半導体スイッチング素子１１ｕと下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂとに共に非導通指令を与える。

　続いて、ステップＳ１０３に移行する。ステップＳ１０３では、ステップＳ１０２の制御回路６からの指令に従い、上アーム１３ｕの半導体スイッチング素子１１ｕと下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂとが共に非導通状態となる。このとき、図６Ａに示すように、事故電流は、下アーム１３ｂのダイオード１２ｂを通じて流れ続ける。

　最後に、ステップＳ１０４へ移行する。ステップＳ１０４では、ステップＳ１０２の制御回路６からの指令に従い、図６Ｂに示すように、変換器セル１に設けられた短絡部１５が導通状態となる。その結果、ダイオード１２ｂに流れていた事故電流は短絡部１５に転流される。その後、事故電流は、直流事故点でのアーク抵抗によって減衰し、事故が除去される。

　従来技術では、以上のような動作を行って直流事故を除去する。このとき、短絡部１５に機械式スイッチを用いると、直流事故検知部３が直流事故を検知してから短絡部１５が導通状態となるまで、通常数ｍｓ以上の時間を有する。一方、直流事故検知部３が直流事故を検知してから半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂが非導通状態となるのは、数ｕｓ程度の時間で完了する。このため、ステップＳ１０３の図６Ａの状態から、ステップＳ１０４の図６Ｂの状態へ移行するまでには、数ｍｓ以上のタイムラグが発生する。このタイムラグ中、事故電流は下アーム１３ｂのダイオード１２ｂに流れるため、下アーム１３ｂのダイオード１２ｂにはこれを耐えるだけの耐量が必要となる。もし仮に、耐量が不足した場合には、ダイオード１２ｂが破壊される恐れがある。また、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂにＭＯＳＦＥＴを用いた場合には、ＭＯＳＦＥＴの内部にダイオードが含まれるため、事故電流によりＭＯＳＦＥＴの内部のダイオードが破壊される恐れがある。

　次に、本発明に係る実施の形態１に示す電力変換装置における変換器セルの直流事故時の動作について説明する。図７は、実施の形態１における直流事故時の動作を説明するフローチャートである。

　本実施の形態１においては、図７に示すように、まず、ステップＳ１で、直流事故検知部３によって直流事故の発生を検知したか否かを判定する。ステップＳ１にて、直流事故が発生したと判定される（ステップＳ１にてＹＥＳ）と、ステップＳ２へ移行する。一方、直流事故が発生していないと判定した場合には、ステップＳ１の処理に戻り、一定の周期で、ステップＳ１の処理を繰り返す。この動作までは、図５の従来技術と同様である。

　ステップＳ２では、制御回路６は、短絡部１５に導通指令を与え、半導体スイッチング素子１１ｕに非導通指令を与え、半導体スイッチング素子１１ｂに導通指令を与える。これらの指令をまとめて、事故対応指令と呼ぶ。このように、本実施の形態１では、ステップＳ２において、短絡部１５が並列接続されている下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂは、非導通状態ではなく、導通状態へ移行させる。この動作が、図５の従来技術と異なる。そのため、次のステップＳ３の動作も異なることになる。

　ステップＳ３では、ステップＳ２の制御回路６からの事故対応指令に従い、半導体スイッチング素子１１ｕは非導通状態となり、半導体スイッチング素子１１ｂは導通状態となる。このとき、図８に示すように、事故電流は半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流して流れる。

　その後、ステップＳ４へ移行する。ステップＳ４では、ステップＳ２の制御回路６からの事故対応指令に従い、図６Ｂに示すように、変換器セル１に設けられた短絡部１５が導通状態となる。その結果、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに流れていた事故電流は、短絡部１５に転流される。その後、事故電流は、直流事故点でのアーク抵抗によって減衰し、事故が除去される。

　図５の従来技術では、直流事故検知部３が直流事故を検知した場合に、まず、上アーム１３ｕの半導体スイッチング素子１１ｕと下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂとを共に非導通状態へ移行させるのに対し、本発明の実施の形態１では、直流事故検知部３が直流事故を検知した場合に、まず、上アーム１３ｕの半導体スイッチング素子１１ｕのみを非導通状態へ移行させ、短絡部１５が並列接続されている下アーム１３ｂの半導体スイッチング素子１１ｂは導通状態へ移行させる点が異なる。

　次に、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における変換器セルの直流事故時の動作について、その効果を説明する。

　前述したように、実施の形態１においては、図８に示したように、短絡部１５が導通状態となるまでのタイムラグの間、半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとを共に導通状態にし、事故電流を半導体スイッチング素子１１ｂとダイオード１２ｂとに分流させる。このため、従来技術のように、ダイオード１２ｂにすべての事故電流を通流させた場合に比べて、ダイオード１２ｂにおいて発生する導通損失が低減される。よって、事故電流によるダイオード１２ｂの破壊が防止できる。また、従来技術に比べて、ダイオード１２ｂの耐量を低く設定することができるので、安価なダイオード１２ｂが使用でき、コストダウン効果が得られる。

　なお、本実施の形態では事故対応指令をすべての変換器セルに送信する例を記載しているが、事故対応指令を事故電流が流れる相アームの変換器セルにのみ送信することも可能である。このように事故対応指令を送信することで、事故電流が流れていない相にも事故電流が流入することを防止することができる。なお、事故電流が流れていることを判定する方法としては、例えば、各相アームの電流を検出することにより判定することが可能である。

　次に、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における変換器セルの直流事故時の動作におけるスイッチング素子の導通、非導通状態の切り替え順序について説明する。

　前述したように、実施の形態１に係る電力変換装置は、直流事故が発生した場合に、短絡部１５が並列接続された側の半導体スイッチング素子１１ｂを導通状態とし、他方の半導体スイッチング素子１１ｕを非導通状態とする。このとき、一般に、実際の装置においては、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂの電気特性のばらつきまたは制御回路６の信号遅延のばらつきが存在するため、双方の半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂが同時に導通・非導通状態を遷移させることは難しい。このため、直流事故検出前の変換器セル１の状態が、短絡部１５が並列接続された側の半導体スイッチング素子１１ｂが非導通状態で、且つ、他方の半導体スイッチング素子１１ｕが導通状態であった場合に、直流事故検出によって、実施の形態１の保護動作を行うと、上記ばらつきの程度によって、短絡部１５が並列接続された側の半導体スイッチング素子１１ｂが先に導通状態へ遷移し、他方の半導体スイッチング素子１１ｕが後に非導通状態へ遷移する場合がある。このような場合、双方の半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂが導通状態となっている期間が存在するため、エネルギー蓄積素子１４が短絡状態となり、非常に大きな短絡電流が双方の半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂに流れてしまい、最悪の場合には、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂが破損する恐れがある。

　このような問題に対応するため、実施の形態１では、直流事故検知部３が直流事故を検知した場合に、制御回路６からの事故対応指令に対する、短絡部１５が並列に接続されたアーム側の半導体スイッチング素子１１ｂが導通状態となるまでの応答時間を、もう一方のアーム側の半導体スイッチング素子１１ｕが非導通状態となるまでの応答時間よりも、長くなるように設定する。これにより、半導体スイッチング素子１１ｕが先に非導通となり、その後、半導体スイッチング素子１１ｂが導通状態となる。その結果、双方の半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂが導通状態となることが無くなるため、エネルギー蓄積素子１４の短絡による半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂの破壊を防止することができる。短絡部１５が並列に接続されたアーム側の半導体スイッチング素子１１ｂを導通状態となるまでの応答時間を、もう一方のアーム側の半導体スイッチング素子１１ｕを非導通状態とするまでの応答時間よりもどの程度長く設定するかについては、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂの電気特性のばらつきや制御回路６の信号遅延のばらつきにより決定される。これらのばらつきは、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂあるいは制御回路６に用いられている回路素子のデータシートなどから計算することが可能である。また、応答時間の調整は一般に用いられている遅延回路のようなハード的な方法、または、制御プログラムによるソフト的な方法によって、実装することが可能である。

　次に、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置における変換器セルの直流事故除去後の動作について説明する。

　一般に、直流電力系統に用いられる電力変換装置では、直流事故が発生した場合に、一時的な動作停止は許容されるが、その後、高速（例えば直流事故発生後１秒以下）に再起動できることが求められる場合がある。このような要求を満たすためには、直流事故が解消された後、直ちに電力変換装置が復帰動作を行う必要がある。

　図９は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の直流事故解消後の動作を説明するフローチャートである。

　まず、ステップＳ１１では、本実施の形態１に係る電力変換装置は、直流事故検知部３によって直流事故が解消されたかどうかを判定する。なお、事故電流が解消されたかの判定は、事故時に流れる短絡電流が、あらかじめ設定した電流閾値よりも減衰したか否かで判定することが可能である。従って、制御回路６は、直流事故検知部３が検出した検出電流値と電流閾値とを比較して、検出電流値が電流閾値以下の場合に、事故電流が解消されたと判定し、一方、検出電流値が電流閾値より大きい場合は、事故電流が解消されていないと判定する。

　ステップＳ１１にて直流事故が解消されたと判定した場合には、ステップＳ１２に移行する。ステップＳ１２では、制御回路６が、短絡部１５を非導通状態とする。ステップＳ１１にて直流事故が解消されたことが検知されているため、この時点では短絡部１５には短絡電流は流れていない状態、あるいは十分に小さい電流が流れている状態となっているため、容易に短絡部１５を非導通状態へ移行させることが可能である。また、短絡部１５が導通状態のままであると、変換器セル１の出力が短絡状態にあるため、このままでは変換器セル１は電圧を出力することができない。

　最後に、ステップＳ１３へ移行する。ステップＳ１３では、変換器セル１を前述した通常時の動作状態に復帰させる。ステップＳ１３では、既に、短絡部１５が非導通状態となっているため、変換器セル１は所望の電圧を出力することが可能となる。

　以上の機能を有することにより、本実施の形態１に係る電力変換装置においては、事故解消後、ただちに、電力変換装置が復帰動作を行うことが可能となり、直流事故後の高速な再起動が実現される。

　なお、図９に関する上記の説明においては、制御回路６が、ステップＳ１２で短絡部１５に対する指令を出力し、ステップＳ１３で変換器セル１に対する指令を出力している。これにより、短絡部１５が非導通状態となった後に、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂのスイッチング動作が通常時の動作に復帰する。しかしながら、このように、指令を出力するタイミングを２段階にしなくても、短絡部１５と変換器セル１とに同時に事故復帰指令を出力するようにしてもよい。但し、その場合には、当該事故復帰指令に対する、半導体スイッチング素子１１ｕ，１１ｂのスイッチング動作が通常時の動作に復帰するまでの応答時間を、短絡部１５を非導通状態とするまでの応答時間よりも長くなるように設定しておく必要がある。

　以上のように、本実施の形態１に係る電力変換装置は、交流系統と直流系統との間を連系し、電力の授受を行う電力変換装置であって、直流電力を授受する直流端子Ｐ，Ｎと、
交流電力を授受する交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗと、直流端子Ｐ，Ｎと交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に設けられ、複数台直列に接続された変換器セル１と、直流端子Ｐ，Ｎと交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗとの間に設けられ、直流系統に発生した直流事故を検知する直流事故検知部３と、各変換器セル１の制御を行う制御回路６とを備えている。また、各変換器セル１は、第１の半導体スイッチング素子と第１のダイオードとを含む第１アームとしての上アーム１３ｕと、第１アームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と第２のダイオードとを含む、第２アームとしての下アーム１３ｂと、第２アームの両端に接続された出力端子ＴＰ，ＴＮと、第２アームに並列に接続された短絡部１５とを有している。直流事故検知部３が直流事故の発生を検知した場合に、制御回路６は、各変換器セル１に対して、短絡部１５を導通状態にするとともに、第２アームの第２の半導体スイッチング素子を導通状態とし、第１アームの第１の半導体スイッチング素子を非導通状態とする事故対応指令を出力することで、第２アームにおいて、第２の半導体スイッチング素子と第２のダイオードとを共に導通状態にする。これにより、直流事故時にダイオード１２ｂに流れる事故電流を、半導体スイッチング素子１１ｂに分流できるため、ダイオードとしてのエネルギー蓄積素子１４で発生する損失が低減される。

　また、本実施の形態１においては、短絡部１５を機械式スイッチで構成され、制御回路６が出力した事故対応指令に対し、第２アームの第２の半導体スイッチング素子が導通状態となるまでの応答時間および第１アームの第１の半導体スイッチング素子が非導通状態となるまでの応答時間は、短絡部１５が導通状態となるまでの応答時間より短くなるように構成されている。これにより、短絡部１５を構成する機械式スイッチが導通状態となるまでのタイムラグ中に、出力端子ＴＰ，ＴＮに並列に接続された第２アームのダイオード１２ｂが破壊することを防止することができる。

　また、本実施の形態１においては、制御回路６が出力した事故対応指令に対し、第２の半導体スイッチング素子が導通状態となるまでの応答時間は、第１の半導体スイッチング素子が非導通状態となるまでの応答時間より長くなるように構成されている。これにより、第１アームと第２アームとにおけるスイッチングタイミングをずらすことで、エネルギー蓄積素子１４が短絡されることを防止できる。

　また、本実施の形態１においては、制御回路６は、直流事故発生後に、直流事故が解消されたと判定した場合に、短絡部１５を非導通状態とし、各変換器セル１の第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を通常時の動作に復帰させるための事故復帰指令を出力する。これにより、電力変換装置が直流事故解消後、直ちに再起動することが可能となる。

　また、本実施の形態１においては、制御回路６は、短絡部１５が非導通状態となった後に、第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作が通常時の動作に復帰するように、事故復帰指令を出力する。短絡部１５が導通状態のままであると、変換器セル１の出力が短絡状態になるが、本実施の形態１では、第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作が通常時の動作に復帰する前に、短絡部１５を非導通とするので、変換器セル１の出力が短絡状態になることはない。これにより、本実施の形態１においては、変換器セル１が直流事故からの復帰動作をする際に、変換器セル１の出力が短絡されることを確実に防止することができる。

　また、本実施の形態１においては、制御回路６は、直流事故検知部からの出力に基づいて、直流事故が解消されたか否かを判定する。これにより、直流事故が解消されたか否かを検知するための追加装置を設ける必要がないので、部品点数を増やすことなく、直流事故が解消したことを検知することができる。

　また、本実施の形態１においては、直流事故検知部３は、直流事故時に発生する事故電流を検出する電流センサから構成されている。制御回路６は、電流センサが検出した電流値に基づいて、直流事故が解消されたか否かを判定する。具体的には、制御回路６は、電流センサが検出した電流値が閾値より大きい場合に、直流事故が解消されていないと判定し、電流センサが検出した電流値が閾値以下の場合に、直流事故が解消されたと判定する。これにより、直流事故が解消されたか否かを検知するための追加装置を設ける必要がないので、部品点数を増やすことなく、直流事故が解消したことを検知することができるとともに、電流センサによる検出電流値に基づいて判定するので、精度よく判定を行うことができる。

　実施の形態２．
　上記の実施の形態１では、制御回路６は、直流事故発生後に、直流事故が解消されたと判定した場合に、変換器セルを通常時の動作に復帰させるための事故復帰指令を出力する構成について説明した。

　実施の形態２では、制御回路６は、直流事故発生後に、直流事故が解消されたと判定した場合に、短絡部１５、第１のスイッチング素子、および、第２の半導体スイッチング素子の故障判定を行ない、故障が判定された場合には変換器セルを通常時の動作に復帰させるための事故復帰指令を出力しない構成について説明する。

　なお、実施の形態２の電力変換装置の構成および動作において、実施の形態１と同一または同等である部分についてはその説明を省略し、差異がある部分についてのみ説明を行なう。

　図１０は、実施の形態２に係る電力変換装置の直流事故解消後の動作を説明するフローチャートである。

　まず、ステップＳ２１では、電力変換装置は、直流事故検知部３によって直流事故が解消されたかどうかを判定する。なお、事故電流が解消されたかの判定は、実施の形態１と同様に、事故時に流れる短絡電流が、あらかじめ設定した電流閾値よりも減衰したか否かで判定することが可能である。

　ステップＳ２１にて直流事故が解消されたと判定した場合には、ステップＳ２２に移行する。ステップＳ２２では、制御回路６が、各変換器セルの短絡部１５、第１のスイッチング素子および第２の半導体スイッチング素子について故障の有無を判定する。

　ステップＳ２２において変換器セルの短絡部１５、第１のスイッチング素子および第２の半導体スイッチング素子のうちの少なくともいずれか１つに故障有りと判定された場合には、制御回路６は故障有りと判定された変換器セルに事故復帰指令を送信しない。

　ステップＳ２２において変換器セルの故障が無しと判定された場合には、制御回路６は故障なしと判定された変換器セルについて実施の形態１と同様に事故復帰指令を送信する（ステップＳ２３，２４）。

　短絡部１５の故障判定には、例えば、故障診断機能を有するスイッチを短絡部１５に採用することで、短絡部１５から送信される故障判定信号により行なうことができる。なお、短絡部１５の故障判定は上記方法に限るものではなく、他の方法による短絡部１５の故障判定も同様に適用することができる。

　第１の半導体スイッチング素子および第２の半導体スイッチング素子の故障判定には、例えば、第１の半導体スイッチング素子、第２の半導体スイッチング素子に対し交互に導通指令を送信し、その時に第１の半導体スイッチング素子、第２の半導体スイッチング素子を含むレグに流れる電流を測定し、当該電流が、予め設定された閾値を超えていた場合には、どちらか一方の半導体スイッチング素子が短絡故障していることを判定することができる。また、第１の半導体スイッチング素子と、第２の半導体スイッチング素子とに同時に導通指令を送信し、その時に第１の半導体スイッチング素子、第２の半導体スイッチング素子を含むレグに流れる電流を測定し、当該電流が、上記閾値以下であった場合には、少なくとも一方の半導体スイッチング素子の開放故障を判定することができる。なお、半導体スイッチング素子の故障判定には上記方法に限るものではなく、他の方法による故障判定も同様に適用することができる。

　以上のように、実施の形態２においても、上記の実施の形態１と同様の効果を得ることができる。さらに、実施の形態２においては、事故解消後の電力変換装置の復帰動作において、各変換器セルの故障判定を行ない、故障した変換器セルについては復帰動作を行なわないようにしたので、事故解消後の電力変換装置の復帰動作を確実に実施することができる。

　１　変換器セル、２　リアクトル、３　直流事故検知部、６　制御回路、１１ｕ，１１ｂ　半導体スイッチング素子、１２ｕ，１２ｂ　ダイオード、１３ｕ　上アーム、１３ｂ　下アーム、１４　エネルギー蓄積素子、１５　短絡部、Ｕ，Ｖ，Ｗ　交流端子、Ｐ，Ｎ　直流端子、ＴＰ，ＴＮ　出力端子。

Claims

　交流系統と直流系統との間を連系し、電力の授受を行う電力変換装置であって、
　前記電力変換装置は、
　直流電力を授受する直流端子と、
　交流電力を授受する交流端子と、
　前記直流端子と前記交流端子との間に設けられ、複数台直列に接続された変換器セルと、
　前記直流系統に発生した事故を検知する直流事故検知部と、
　各前記変換器セルの制御を行う制御回路と
　を備え、
　各前記変換器セルは、
　第１の半導体スイッチング素子と第１のダイオードとを含む第１アームと、
　前記第１アームに直列接続され、第２の半導体スイッチング素子と第２のダイオードとを含む、第２アームと、
　前記第２アームの両端に接続された出力端子と、
　前記第２アームに並列に接続された短絡部と
　を有し、
　前記直流事故検知部が前記事故の発生を検知した場合に、前記制御回路は、各前記変換器セルに対して事故対応指令を出力し、
　前記事故対応指令は、前記短絡部を導通状態にするとともに、前記第２の半導体スイッチング素子を導通状態とし、前記第１の半導体スイッチング素子を非導通状態とする、
　電力変換装置。
　前記制御回路は、前記事故の発生を検知した場合に、各前記変換器セルのうち、事故電流が流れる変換器セルにのみ、前記事故対応指令を出力する、請求項１に記載の電力変換装置。
　前記短絡部は機械式スイッチで構成され、
　前記制御回路が出力した前記事故対応指令に対し、前記第２の半導体スイッチング素子が導通状態となるまでの応答時間および前記第１の半導体スイッチング素子が非導通状態となるまでの応答時間は、前記短絡部が導通状態となるまでの応答時間より短くなるように構成されている、
　請求項１または２に記載の電力変換装置。
　前記制御回路が出力した前記事故対応指令に対し、前記第２の半導体スイッチング素子が導通状態となるまでの応答時間は、前記第１の半導体スイッチング素子が非導通状態となるまでの応答時間より長くなるように構成されている、
　請求項１から３までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記制御回路は、前記事故が発生した後に、前記事故が解消されたと判定した場合に、前記短絡部を非導通状態とし、各前記変換器セルの前記第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を通常時の動作に復帰させる、事故復帰指令を出力する、
　請求項１から４までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記制御回路は、前記短絡部が非導通状態となった後に、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作が前記通常時の動作に復帰するように、前記事故復帰指令を出力する、
　請求項５に記載の電力変換装置。
　前記制御回路は、前記直流事故検知部からの出力に基づいて、前記事故が解消されたか否かを判定する、
　請求項５または６に記載の電力変換装置。
　前記直流事故検知部は、前記事故の発生時に発生する事故電流を検出する電流センサから構成されており、
　前記制御回路は、前記電流センサが検出した電流値に基づいて、前記事故が解消されたか否かを判定するものであって、
　前記制御回路は、
　前記電流センサが検出した前記電流値が閾値より大きい場合に、前記事故が解消されていないと判定し、
　前記電流センサが検出した前記電流値が閾値以下の場合に、前記事故が解消されたと判定する、
　請求項７に記載の電力変換装置。
　前記制御回路は、
　前記事故が発生した後に、前記事故が解消されたと判定した場合に、前記短絡部の故障判定を行ない、
　前記短絡部が故障していない場合には、前記短絡部を非導通状態とし、各前記変換器セルの前記第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を通常時の動作に復帰させる、前記事故復帰指令を出力し、
　前記短絡部が故障している場合には、前記事故復帰指令を出力しない、
　請求項５から８までのいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記制御回路は、
　前記事故が発生した後に、前記事故が解消されたと判定した場合に、前記第１及び第２の半導体スイッチング素子の故障判定を行ない、
　前記第１及び第２の半導体スイッチング素子が共に故障していない場合には、前記短絡部を非導通状態とし、各前記変換器セルの前記第１及び第２の半導体スイッチング素子のスイッチング動作を通常時の動作に復帰させる、前記事故復帰指令を出力し、
　前記第１及び第２の半導体スイッチング素子の少なくともいずれか一方が故障している場合には、前記事故復帰指令を出力しない、
　請求項５から９までのいずれか１項に記載の電力変換装置。