WO2019030859A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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WO2019030859A1
WO2019030859A1 PCT/JP2017/028941 JP2017028941W WO2019030859A1 WO 2019030859 A1 WO2019030859 A1 WO 2019030859A1 JP 2017028941 W JP2017028941 W JP 2017028941W WO 2019030859 A1 WO2019030859 A1 WO 2019030859A1
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terminal
submodule
circuit
submodules
sub module
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達也 ▲高▼橋
成男 林
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三菱電機株式会社
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    • H02M7/003—Constructional details, e.g. physical layout, assembly, wiring or busbar connections
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M7/537—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters
    • H02M7/5387—Conversion of dc power input into ac power output without possibility of reversal by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode using devices of a triode or transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only, e.g. single switched pulse inverters in a bridge configuration

Definitions

  • the present disclosure relates to a self-excitation-type power conversion device configured by connecting a plurality of converter cells in a cascade, and is suitably used, for example, for high voltage DC power transmission, a frequency converter, and the like.
  • a modular multilevel converter is known as a large-capacity power converter connected to a power system.
  • the modular multi-level converter has an upper arm circuit connected to the high potential side direct current node and a lower arm circuit connected to the low potential side direct current node for each phase of alternating current.
  • Each arm circuit is configured by connecting a large number of converter cells in a cascade.
  • Each converter cell comprises a capacitor as an energy storage, first and second input / output nodes, and a bridge circuit for switching between connection / disconnection between these input / output nodes and the capacitors.
  • a bridge circuit a half bridge type or a full bridge type is used.
  • a method is often used in which a block is configured by a plurality of converter cells and a tower is configured by stacking the blocks in the vertical direction (for example, Patent Document 1 (International Publication No. 2016 / See Figure 5 of In the case of this document, each block is arranged in a tray of insulators.
  • Each arm circuit may be configured by mixing a half bridge converter cell and a full bridge converter cell.
  • half of the plurality of converter cells constituting each arm circuit may be configured as a full bridge type, and half may be configured as a half bridge type. In this case, it is possible to provide a tower composed only of full bridge converter cells and a tower composed only of half bridge converter cells.
  • each arm circuit includes only a few (for example, 2 to 3) full-bridge converter cells
  • a half-bridge converter cell may be provided in one tower. It must be mixed with full bridge converter cells.
  • the half-bridge converter cells and the full-bridge converter cells have different sizes, which causes a problem in space efficiency.
  • This disclosure takes the above problems into consideration, and its object is to use MMC efficiently to arrange half bridge type converter cells and full bridge type converter cells by efficiently using space. It is providing a power converter of a system.
  • the power conversion device of the present disclosure is widely applied when half-bridge converter cells and full-bridge converter cells are mixed regardless of the number. can do.
  • the power converter of one embodiment comprises a plurality of sub-modules connected in series with one another.
  • Each of the plurality of submodules includes a first terminal, a second terminal, a third terminal, a first semiconductor switching device, a second semiconductor switching device, and a DC capacitor.
  • the first terminal, the second terminal, and the third terminal are provided to protrude on or from the surface of the package.
  • the first semiconductor switching element is incorporated in the package and connected between the first terminal and the second terminal.
  • the second semiconductor switching element is incorporated in the package and connected between the second terminal and the third terminal.
  • the direct current capacitor is incorporated in the package and connected between the first terminal and the third terminal.
  • the plurality of submodules include a first submodule and a second submodule adjacent to each other.
  • the first terminal of the first submodule and the first terminal of the second submodule are connected to each other through a wire.
  • the third terminal of the first submodule and the third terminal of the second submodule are
  • a single submodule can be used as a half bridge converter cell, and two adjacent submodules can be full bridge converter cells by interconnecting terminals. It can be used as Therefore, it becomes possible to use the space efficiently and arrange the half bridge converter cell and the full bridge converter cell.
  • FIG. 9 is a diagram showing the arrangement of the submodules shown in FIG.
  • FIG. 9 is an external view schematically showing mutual connection of sub-modules 40_3 to 40_6 in FIG. 8;
  • FIG. 9 is an external view schematically showing mutual connection of sub-modules 40_11 to 40_14 in FIG. 8;
  • FIG. 1 is a schematic configuration view showing an example of a power converter.
  • the power conversion device includes main circuit leg circuits 4 u, 4 v, 4 w (in a generic name or unspecified when indicated as leg circuit 4), and these leg circuits 4. And a central control unit 3 for controlling the
  • the leg circuit 4 is provided for each of a plurality of phases constituting alternating current.
  • the leg circuit 4 is connected between the AC circuit 20 and the DC circuit 21 and performs power conversion between the two circuits.
  • FIG. 1 shows the case where the AC circuit 20 is a three-phase AC, and three leg circuits 4u, 4v, 4w are provided corresponding to the u phase, v phase, and w phase, respectively.
  • AC nodes (nodes) Nu, Nv and Nw respectively provided in the leg circuits 4 u, 4 v and 4 w are connected to the AC circuit 20 via the interconnection transformer 22.
  • AC circuit 20 is, for example, an AC power system including an AC power supply and the like.
  • FIG. 1 the connection between the AC nodes Nv and Nw and the interconnection transformer 22 is not shown for ease of illustration.
  • the direct current nodes Np and Nn (that is, the high potential side direct current node Np and the low potential side direct current node Nn) provided commonly to the respective leg circuits 4 are connected to the direct current circuit 21.
  • the direct current circuit 21 corresponds to a direct current power system in a high voltage direct current transmission (HVDC) system (high voltage direct current) system or a connection wiring with another power conversion device in a back to back (BTB) system.
  • HVDC high voltage direct current transmission
  • BTB back to back
  • the HVDC system performs long-distance DC transmission after converting high-voltage AC power into DC power.
  • the power conversion device 1 of FIG. 1 is used for AC / DC conversion in this case.
  • the BTB system performs power interchange between two alternating current circuits by performing forward conversion that converts alternating current to direct current and reverse conversion that converts direct current to alternating current.
  • the power converter 1 of FIG. 1 is used for forward conversion and reverse conversion.
  • the interconnection transformer 22 of FIG. 1 may be connected to the AC circuit 20 via an interconnection reactor. Further, as shown in FIG. 2 and FIG. 3, the AC circuit 20 and each leg circuit 4 may be connected in an AC manner. The detailed configuration of the connection portion between the AC circuit 20 and each leg circuit 4 in this case will be described later.
  • Leg circuit 4u includes high potential side arm circuit (also referred to as upper arm circuit or primary arm circuit) 10 from high potential side direct current node Np to alternating current node Nu, and low level from low potential side direct current node Nn to alternating current node Nu. It is divided into a potential side arm circuit (also referred to as a lower arm circuit or a secondary arm circuit) 11. A connection point Nu between the high potential side arm circuit 10 and the low potential side arm circuit 11 is connected to the transformer 22. High potential side direct current node Np and low potential side direct current node Nn are connected to direct current circuit 21. Since the leg circuits 4v and 4w also have the same configuration, the leg circuit 4u will be described as a representative.
  • the high potential side arm circuit 10 includes a plurality of half bridge (HB: Half Bridge) type converter cells 5, one or more full bridge (FB: Full Bridge) type converter cells 6, a reactor 7a, and the like. including.
  • the plurality of converter cells 5, at least one converter cell 6, and the reactor 7a are connected in series with one another.
  • the converter cell may be simply referred to as a cell for simplicity.
  • the half bridge converter cells 5 and the full bridge converter cells 6 may be connected in any order.
  • the low potential side arm circuit 11 includes a plurality of half bridge converter cells 5, one or more full bridge converter cells 6, and a reactor 7b.
  • the plurality of converter cells 5, at least one converter cell 6, and the reactor 7b are connected in series with one another.
  • the half bridge converter cells 5 and the full bridge converter cells 6 may be connected in any order.
  • the arm currents Ipu and Ipn change rapidly at the moment when the cell in the leg circuit turns on or off and the output voltage changes rapidly, or when the AC circuit 20 or the DC circuit 21 breaks down. It is provided not to.
  • the position where reactor 7a is inserted may be any position of high potential side arm circuit 10 of leg circuit 4u, and the position where reactor 7b is inserted is any one of low potential side arm circuit 11 of leg circuit 4u.
  • the position of There may be a plurality of reactors 7a and 7b respectively.
  • the inductance values of the reactors may be different from each other.
  • only the reactor 7 a of the high potential side arm circuit 10 or only the reactor 7 b of the low potential side arm circuit 11 may be provided.
  • the power conversion device 1 of FIG. 1 further includes an AC voltage detector 23, an AC current detector 24, and a DC voltage detector as a detector for measuring an electric quantity (that is, current and voltage) used for control. 25p, 25n and arm current detectors 9a, 9b provided in each leg circuit 4. The signals detected by these detectors are input to the central control unit 3.
  • the AC voltage detector 23 detects the voltage value Vacu of the U phase of the AC circuit 20, the voltage value Vacv of the V phase, and the voltage value Vacw of the W phase.
  • the alternating current detector 24 detects current values Iacu, Iacv, and Iacw of the U-phase, V-phase, and W-phase of the AC circuit 20.
  • the DC voltage detector 25 p detects the voltage of the high potential side DC node Np connected to the DC circuit 21.
  • the direct current voltage detector 25 n detects the voltage of the low potential side direct current node Nn connected to the direct current circuit 21.
  • the arm current detectors 9a and 9b provided in the U-phase leg circuit 4u respectively detect an arm current Ipu flowing through the high potential side arm circuit 10 and an arm current Inu flowing through the low potential side arm circuit 11.
  • the arm current detectors 9a and 9b provided in the V phase leg circuit 4v respectively detect the high potential side arm current Ipv and the low potential side arm current Inv.
  • the arm current detectors 9a and 9b provided in the W phase leg circuit 4w respectively detect the high potential side arm current Ipw and the low potential side arm current Inw. Based on these arm currents, it is possible to calculate the DC current Idc flowing through the DC circuit 21 and the circulating current circulating between the leg circuits.
  • the signal detected by the above detector is input to the central control unit 3.
  • the central control unit 3 further receives a signal representing the detected value of the cell capacitor voltage from each of the cells 5 and 6.
  • the central control unit 3 protects the control commands for controlling the operating states of the cells 5, 6 and the cells 5, 6 based on the detection signals of the detectors and the information of the cell capacitor voltage.
  • the operation / stop command (operation command or stop command) is output to each of the cells 5 and 6.
  • signal lines of signals input from each detector to central controller 3 and signal lines of signals transmitted between central controller 3 and each cell 5 are Although partially described collectively, in practice, each detector and each cell 5, 6 are separately provided.
  • the signal lines between the cells 5 and 6 and the central control unit 3 may be provided separately for transmission and reception. Further, in the case of the present embodiment, these signal lines are formed of optical fibers from the viewpoint of noise resistance.
  • the central control device 3 is configured by a circuit, and can be configured by, for example, at least one microcomputer, or at least one application specific integrated circuit (ASIC), or at least one field programmable gate array (FPGA). Alternatively, the central control unit 3 may be configured by combining any of the above.
  • the microcomputer includes at least one processor (for example, a CPU (Central Processing Unit)).
  • the processor is one or more from at least one non-transitory non-transitory storage medium (for example, magnetic media such as hard disk, optical media such as CD (Compact Disk) and DVD (Digital Video Disk), semiconductor memory, etc.) By reading the instruction of (1), all or part of the functions of the central control unit 3 can be performed.
  • FIG. 1 shows an example in which the AC circuit 20 and the power conversion circuit unit 2 are connected in a direct current manner via the AC nodes Nu, Nv and Nw respectively provided in the leg circuits 4u, 4v and 4w.
  • AC circuit 20 and each leg circuit 4 may be AC-connected via a transformer.
  • FIG. 2 is a view showing a modification of the connection portion between the AC circuit and each leg circuit.
  • AC circuit 20 and leg circuits 4u, 4v, 4w are connected via three-phase transformer 80B.
  • primary windings 81u, 81v, and 81w are ⁇ -connected. Specifically, primary winding 81u of three-phase transformer 80B is connected between the U-phase and V-phase of AC circuit 20. Primary winding 81v of three-phase transformer 80B is connected between V phase and W phase of AC circuit 20. The primary winding 81w of the three-phase transformer 80B is connected between the W phase and the U phase of the AC circuit 20.
  • the secondary windings 82u, 82v, 82w of the three-phase transformer 80B are magnetically coupled to the primary windings 81u, 81v, 81w, respectively, via a common iron core. Furthermore, secondary winding 82u is connected in series with U-phase arm circuits 10u and 11u, secondary winding 82v is connected in series with V-phase arm circuits 10v and 11v, and secondary winding 82w is W-phase Are connected in series with the arm circuits 10w and 11w.
  • each of the secondary windings 82u, 82v, 82w doubles as the reactor 7a, 7b of each phase.
  • secondary windings 82u, 82v, 82w of a three-phase transformer 80B may be provided separately from the reactors 7a, 7b.
  • the direct current magnetic flux generated in the iron core can be canceled by flowing a direct current component to the ⁇ -connected primary windings 81u, 81v, 81w.
  • FIG. 3 is a view showing another modified example of the connection portion between the AC circuit and each leg circuit.
  • AC circuit 20 and leg circuits 4u, 4v, 4w are connected via three-winding three-phase transformer 80C.
  • each of primary windings 81u, 81v, 81w of three-phase transformer 80C in FIG. 3 is connected to each of the U-phase, V-phase, and W-phase transmission lines of AC circuit 20 via interconnection transformer 22. Each connected.
  • the other ends of primary windings 81u, 81v, 81w of three-phase transformer 80C are connected to a common neutral point 84. That is, in the case of FIG. 3, the primary windings 81u, 81v, 81w are Y-connected.
  • the secondary windings 82u, 82v, 82w of the three-phase transformer 80C are magnetically coupled to the primary windings 81u, 81v, 81w via common iron cores, respectively.
  • the three-phase transformer 80C of FIG. 3 is further provided with tertiary windings 83u, 83v, 83w connected in series with the secondary windings 82u, 82v, 82w, respectively.
  • the secondary windings of each phase and the corresponding tertiary windings are connected in reverse polarity and wound around a common iron core. Also, the connection point between the secondary winding of each phase and the corresponding tertiary winding is connected to a common neutral point 810.
  • secondary winding 82u and tertiary winding 83u are connected in series with U-phase arm circuits 10u and 11u.
  • the secondary winding 82v and the tertiary winding 83v are connected in series with the V-phase arm circuits 10v and 11v.
  • the secondary winding 82w and the tertiary winding 83w are connected in series with the W-phase arm circuits 10w and 11w.
  • each of the secondary windings 82u, 82v, 82w and each of the tertiary windings 83u, 83v, 83w double as the reactors 7a, 7b of each phase.
  • the secondary windings 82u, 82v, 82w and the tertiary windings 83u, 83v, 83w of the three-phase transformer 80C may be provided separately from the reactors 7a, 7b.
  • the DC electromotive force generated in the secondary winding by the arm current of each phase (U phase: Ipu, Inu, V phase: Ipv, Inv, W phase: Ipw, Inw) Since the electromotive forces generated in the tertiary winding mutually cancel each other, there is an advantage that no DC magnetic flux is generated in the iron core.
  • the half bridge converter cell 5 is configured as a single packaged submodule 40.
  • the full bridge converter cell 6 is configured by combining two submodules 40.
  • FIG. 4 is a diagram showing an example of the circuit configuration of the submodule.
  • FIG. 4A shows an example in which two submodules 40_1 and 40_2 are combined to form one full bridge type converter cell. As shown in FIG. 4A, in the case where the plurality of submodules 40 and their constituent elements are mutually distinguished, an underbar and an identification number are added after the reference numerals.
  • each submodule 40 includes a package 41, an AC terminal 42, a positive terminal 43, a negative terminal 44, semiconductor switching devices 45 and 46, diodes 47 and 48, and an energy storage device.
  • the package 41 incorporates various components (such as the semiconductor switching elements 45 and 46, the diodes 47 and 48, and the DC capacitor 49) which constitute the submodule 40.
  • the package 41 includes, for example, a resin case.
  • the alternating current terminal 42, the positive side terminal 43 and the negative side terminal 44 are provided on the surface of the package 41 or to protrude from the surface.
  • the semiconductor switching element 45 is connected between the positive terminal 43 and the AC terminal 42.
  • the semiconductor switching element 46 is connected between the AC terminal 42 and the negative terminal 44.
  • self-excitation type semiconductor switching elements such as IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or GCT (Gate Commutated Turn-off thyristor) are used.
  • the diodes 47 and 48 are connected in antiparallel (that is, in parallel and in the reverse bias direction) with the semiconductor switching elements 45 and 46, respectively.
  • the diodes 47 and 48 are provided for securing a current path when a reverse voltage is applied to the corresponding semiconductor switching elements 45 and 46.
  • the DC capacitor 49 is connected between the positive terminal 43 and the negative terminal 44. Therefore, the direct current capacitor 49 is connected in parallel with the semiconductor switching elements 45 and 46 connected in series.
  • the positive side terminal 43_1 of one submodule 40_1 and the positive side terminal 43_2 of the other submodule 40_2 are connected via the wiring 60.
  • the negative side terminal 44_1 of one sub module 40_1 and the negative side terminal 44_2 of the other sub module 40_2 are connected via the wiring 61.
  • the alternating current terminal 42_1 of the submodule 40_1 and the alternating current terminal 42_2 of the submodule 40_2 are used for connection with other elements adjacent on the low potential side.
  • a conductor bar or a conductor plate referred to as a bus bar can be used as the wires 60 and 61 described above, but it is not limited thereto.
  • a bare wire, a metal pipe or the like may be used.
  • FIG. 4 (B) is an equivalent circuit diagram corresponding to FIG. 4 (A).
  • the positive side terminals 43_1 and 43_2 connected to each other shown in FIG. 4A are replaced with one positive side node 43A.
  • the mutually connected negative terminals 44_1 and 44_2 shown in FIG. 4A are replaced by one negative node 44A.
  • the DC capacitors 49_1 and 49_2 connected in parallel shown in FIG. 4A are replaced by one DC capacitor 50.
  • the full bridge type converter cell 6 can be configured by the connection between the terminals shown in FIG. 4 (A).
  • FIG. 5 is a perspective view schematically showing the physical appearance of the submodule.
  • the front-rear direction is taken as the X direction
  • the left-right direction or the horizontal direction
  • the up-down direction or the vertical direction
  • FIG. 5A shows an example of the appearance of a single submodule 40.
  • the submodule 40 has a substantially rectangular package 41 whose longitudinal direction is the X direction.
  • An AC terminal 42, a positive terminal 43, and a negative terminal 44 are provided on the front surface (the surface on the + X direction side) of the package 41.
  • the positive side terminal 43, the AC terminal 42, and the negative side terminal 44 are arranged in order from the top.
  • this arrangement order is an example, and is not limited to this.
  • FIG. 5 (B) shows an external view of the case where one full bridge type converter cell is configured by combining two sub-modules 40_1 and 40_2.
  • sub modules 40_1 and 40_2 are arranged side by side in the left-right direction. As a result, the terminals provided in each submodule 40 are disposed toward the common front side. As illustrated, the positive side terminal 43_1 of one sub module 40_1 and the positive side terminal 43_2 of the other sub module 40_2 are connected via the wire 60. Furthermore, the negative side terminal 44_1 of one sub module 40_1 and the negative side terminal 44_2 of the other sub module 40_2 are connected via the wiring 61. In the case of FIG. 5B, conductor bars called bus bars are used as the wires 60 and 61.
  • FIG. 5 The configuration of FIG. 5 described above is an example, and the shape of the package 41 of the submodule 40 and the arrangement of the AC terminal 42, the positive terminal 43, and the negative terminal 44 on the surface of the package 41 are the example of FIG. It is not limited to For example, as will be described later, the positive side terminal 43 is used only for the connection between two submodules 40 constituting a full bridge type converter cell. Therefore, in FIG. 5A, the AC terminal 42 and the negative terminal 44 are disposed on the front surface (the surface on the + X side) of the package 41, and the positive terminal 43 is disposed on the rear surface (the surface on the -X side) You may
  • FIG. 6 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the high potential side arm circuit.
  • the circuit diagram of FIG. 6A shows an example in which a full bridge type converter cell is disposed in proximity to the high potential side DC line 26 p connected to the DC circuit 21.
  • the circuit diagram of FIG. 6B shows an example in which a full bridge type converter cell is disposed in proximity to an AC line 27 connected to the AC circuit 20.
  • the circuit diagram of FIG. 6C shows an example in which half-bridge converter cells and full-bridge converter cells are mixed and arranged.
  • the plurality of submodules 40 are arranged in the order of the submodules 40_1, 40_2, 40_3,... From the high potential side.
  • the submodules 40_1 and 40_2 constitute a full bridge converter cell. Further, the submodules 40_3 and 40_4 constitute a full bridge type converter cell. The submodule 40_5 is used as a half bridge converter cell.
  • the AC terminal 42_1 of the submodule 40_1 is connected to the DC line 26p.
  • the AC terminal 42_2 of the submodule 40_2 and the AC terminal 42_3 of the submodule 40_3 are connected via a wire.
  • the alternating current terminal 42_4 of the sub module 40_4 and the alternating current terminal 42_5 of the sub module 40_5 are connected via a wire.
  • submodules 40_1 to 40_3 are used as half bridge type converter cells.
  • the AC terminal 42_1 of the submodule 40_1 is connected to the DC line 26p.
  • the negative side terminal 44_1 of the sub module 40_1 and the AC terminal 42_2 of the sub module 40_2 are connected via a wire.
  • the negative side terminal 44_2 of the submodule 40_2 and the AC terminal 42_3 of the submodule 40_3 are connected via a wire.
  • the alternating current terminal 42 and the negative side terminal 44 are used for connection with adjacent elements.
  • the positive terminal 43 is not used for connection.
  • submodule 40_1 is used as a half bridge type converter cell.
  • the submodules 40_2 and 40_3 constitute a full bridge type converter cell.
  • the submodule 40_4 is used as a half bridge converter cell.
  • the AC terminal 42_1 of the submodule 40_1 is connected to the DC line 26p.
  • the negative side terminal 44_1 of the sub module 40_1 and the AC terminal 42_2 of the sub module 40_2 are connected via a wire.
  • AC terminal 42_3 of sub module 40_3 and AC terminal 42_4 of sub module 40_4 are connected via a wire.
  • the AC terminal 42 and the negative terminal 44 are used for connection with adjacent external elements.
  • the positive terminal 43 is not used.
  • FIG. 7 is a perspective view schematically showing the physical appearance of the arm circuit.
  • blocks are configured by arranging a plurality of submodules 40 in the lateral direction (Y direction), and each block is disposed in a tray-like insulating container 31.
  • the tower 30 is configured by stacking the plurality of containers 31 in the vertical direction.
  • Each insulating container 31 is formed of a substantially rectangular bottom plate 35 and a side plate 34 standing up from the peripheral portion of the bottom plate 35 in the example of FIG. 7.
  • the lowermost insulating container 31 is supported by a plurality of columns 32 standing on a floor surface.
  • Each of the insulating containers 31 above the lowermost stage is supported by a plurality of columns 33 that stand up from the insulating container 31 one step lower.
  • an arm circuit is configured by two towers 30_1 and 30_2.
  • the tower 30_1 includes five insulating containers 31_1 to 31_5, and the tower 30_2 includes five insulating containers 31_11 to 31_15.
  • eight submodules 40 are arranged in the lateral direction (Y direction).
  • these numbers are only examples and are not limited to this.
  • each submodule 40 can be arranged by effectively utilizing the space.
  • the connection between the submodules 40 will be described in detail by way of a specific example.
  • FIG. 8 is a diagram for explaining the connection between the submodules constituting the arm circuit.
  • FIG. 8 shows an example in which the high potential side arm circuit 10 is constituted by a tower 30 provided with three stages of insulating containers 31_1 to 31_3.
  • Six submodules 40 are arranged in each insulating container 31. Specifically, six submodules 40_1 to 40_6 are arranged in the insulating container 31_1, six submodules 40_7 to 40_12 are arranged in the insulating container 31_2, and six submodules 40_7 to 40_12 are arranged in the insulating container 31_3.
  • the modules 40_13 to 40_18 are arranged.
  • the submodule 40_1 is at the highest potential side
  • the submodule 40_18 is at the lowest potential side.
  • terminals that is, the positive side terminal 43, the AC terminal 42, and the negative side terminal 44
  • terminals that is, the positive side terminal 43, the AC terminal 42, and the negative side terminal 44
  • FIG. 9 is a diagram showing the arrangement of the submodules shown in FIG. 8 replaced by the arrangement of half bridge converter cells and full bridge converter cells.
  • the submodules 40_1 and 40_2 constitute a full bridge converter cell
  • the submodules 40_3 and 40_4 constitute a full bridge converter cell.
  • Each of the other submodules 40 is used as a half bridge converter cell.
  • the positive side terminals 43 are connected to each other and the negative side terminals 44 are connected to each other between the submodule 40_1 and the submodule 40_2 constituting the full-bridge type converter cell.
  • the AC terminal 42 of the submodule 40_1 is connected to the DC line 26p on the high potential side of the DC circuit.
  • the AC terminal 42 of the submodule 40_2 is connected to the AC terminal 42 of the submodule 40_3 adjacent to the low potential side.
  • positive-side terminals 43 are connected to each other between sub-modules 40_3 and sub-modules 40_4 that constitute a full-bridge converter cell, and negative side terminals 44 are connected to each other.
  • the AC terminal 42 of the submodule 40_3 is connected to the AC terminal 42 of the submodule 40_2 adjacent to the high potential side.
  • the AC terminal 42 of the submodule 40_4 is connected to the AC terminal 42 of the submodule 40_5 adjacent to the low potential side.
  • Each of the submodules 40_5 to 40_18 constitutes a half bridge type converter cell.
  • the AC terminal 42 of each submodule 40 is connected to the negative terminal 44 of the submodule 40 when the submodule 40 adjacent to the high potential side constitutes a half bridge type converter cell.
  • the AC terminal 42 of the submodule 40 is connected to the AC terminal 42 of the submodule 40 when the submodule 40 adjacent to the high potential side constitutes a full bridge type converter cell.
  • each submodule 40 constituting the half bridge type converter cell is connected to the AC terminal 42 of the submodule 40 adjacent to the low potential side.
  • the negative terminal 44 of the submodule 40_18 on the lowest potential side is connected to the AC line 27 of the AC circuit 20.
  • FIG. 10 is an external view schematically showing mutual connection of sub-modules 40_3 to 40_6 in FIG.
  • positive side terminals 43_3 and 43_4 are mutually connected via bus bar 62 and are negative with respect to adjacent submodules 40_3 and 40_4 constituting a full bridge type converter cell.
  • Side terminals 44_3 and 44_4 are connected to each other through bus bar 63.
  • Each of the submodules 40_5 and 40_6 on the potential side lower than the submodule 40_4 is used as a half bridge type converter cell.
  • the AC terminal 42 _ 5 of the sub module 40 _ 5 is connected to the AC terminal 42 _ 4 of the sub module 40 _ 4 constituting the full bridge type converter cell adjacent to the high potential side via the bus bar 64.
  • the negative terminal 44_5 of the submodule 40_5 is connected to the AC terminal 42_6 of the submodule 40_6 constituting the half bridge type converter cell adjacent to the low potential side via the bus bar 65.
  • FIG. 11 is an external view schematically showing mutual connection of sub-modules 40_11 to 40_14 in FIG.
  • each of submodules 40_11 to 40_14 is used as a half bridge converter cell.
  • the negative terminal 44_11 of the submodule 40_11 is connected to the AC terminal 42_12 of the submodule 40_12 adjacent to the low potential side via the bus bar 66.
  • the negative side terminal 44_12 of the submodule 40_12 is connected to the AC terminal 42_13 of the submodule 40_13 adjacent to the low potential side via the bus bar 67.
  • the negative terminal 44_13 of the submodule 40_13 is connected to the AC terminal 42_14 of the submodule 40_14 adjacent to the low potential side via the bus bar 68.
  • the submodule 40 _ 13 is disposed in the insulating container 31 _ 3 below the insulating container 31 _ 2 in which the submodule 40 _ 12 is disposed. Therefore, the bus bar 67 connecting the two is connected by a relatively long path so as to bypass the side plate of the insulating container 31_2.
  • the half bridge type converter cell is configured as a single packaged submodule 40, and the full bridge type converter cell is It is comprised by combining two submodules 40.
  • the full bridge type converter cell is It is comprised by combining two submodules 40.

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Abstract

一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サブモジュールを（４０）備える。各サブモジュール（４０）において、第１の端子（４３）、第２の端子（４２）、および第３の端子（４４）は、パッケージ（４１）の表面上または表面から突出するように設けられる。第１の半導体スイッチング素子（４５）は、パッケージ（４１）に内蔵され、第１の端子（４３）と第２の端子（４２）との間に接続される。第２の半導体スイッチング素子（４６）は、パッケージ（４１）に内蔵され、第２の端子（４２）と第３の端子（４４）との間に接続される。直流コンデンサ（４９）は、パッケージ（４１）に内蔵され、第１の端子（４３）と第３の端子（４４）との間に接続される。

Description

電力変換装置
　本開示は、複数の変換器セルがカスケードに接続されることによって構成された自励式の電力変換装置に関し、たとえば、高圧直流送電、周波数変換器などに好適に用いられるものである。
　電力系統に接続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）が知られている。モジュラーマルチレベル変換器は、交流の各相に対して、高電位側直流ノードに接続された上アーム（arm）回路と低電位側直流ノードに接続された下アーム回路とを有する。各アーム回路は、多数の変換器セルがカスケードに接続されることによって構成されている。
　各変換器セルは、エネルギー蓄積器としてのコンデンサと、第１および第２の入出力ノードと、これらの入出力ノードとコンデンサとの間を接続または非接続に切替えるためのブリッジ回路とを備える。ブリッジ回路として、ハーフブリッジ型またはフルブリッジ型などが用いられる。
　実際の高電圧変換器では、複数個の変換器セルでブロックを構成し、このブロックを上下方向に積み上げることによってタワーを構成する方法がよく用いられる（たとえば、特許文献１（国際公開第２０１６／１６２９１５号）の図５を参照）。この文献の場合、各ブロックは、絶縁体のトレイ（tray）内に配置されている。
国際公開第２０１６／１６２９１５号
　ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルを混在させることによって各アーム回路を構成する場合がある。一例として、各アーム回路を構成する複数の変換器セルのうち半数をフルブリッジ型で構成し、半数をハーフブリッジ型で構成する場合が考えられる。この場合には、フルブリッジ型の変換器セルのみで構成されたタワーと、ハーフブリッジ型の変換器セルのみで構成されたタワーとを設けることができる。
　ところが、他の例として、各アーム回路に少数（たとえば、２～３個）のフルブリッジ型の変換器セルしか含まれていない場合には、１つのタワー内にハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを混在させなければならない。そうすると、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとでは大きさが異なるので、スペース効率の点で問題が生じる。
　この開示は、上記の問題点を考慮したものであり、その目的は、スペースを効率良く使用してハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを配置することが可能なＭＭＣ方式の電力変換装置を提供することである。
　なお、上記では極端な例を示したが、本開示の電力変換装置は、個数に関係なく、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとが混在している場合に広く適用することができる。
　一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、第１の端子、第２の端子、第３の端子、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、および直流コンデンサを備える。第１の端子、第２の端子、および第３の端子は、パッケージの表面上または表面から突出するように設けられる。第１の半導体スイッチング素子は、パッケージに内蔵され、第１の端子と第２の端子との間に接続される。第２の半導体スイッチング素子は、パッケージに内蔵され、第２の端子と第３の端子との間に接続される。直流コンデンサは、パッケージに内蔵され、第１の端子と第３の端子との間に接続される。複数のサブモジュールは、互いに隣接する第１のサブモジュールおよび第２のサブモジュールを含む。第１のサブモジュールの第１の端子と第２のサブモジュールの第１の端子とは、配線を介して相互に接続される。第１のサブモジュールの第３の端子と第２のサブモジュールの第３の端子とは、配線を介して相互に接続される。
　上記の実施形態によれば、単一サブモジュールはハーフブリッジ型の変換器セルとして用いることができ、隣接する２つのサブモジュールは、端子間を相互に接続することよってフルブリッジ型の変換器セルとして使用することができる。したがって、スペースを効率良く使用してハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを配置することが可能になる。
電力変換装置の一例を示す概略構成図である。 交流回路と各レグ回路との接続部の変形例を示す図である。 交流回路と各レグ回路との接続部の他の変形例を示す図である。 サブモジュールの回路構成の一例を示す図である。 サブモジュールの物理的な外観を模式的に示す斜視図である。 高電位側アーム回路の構成の一例を示す回路図である。 アーム回路の物理的な外観を模式的に示す斜視図である。 アーム回路を構成するサブモジュール間の接続を説明するための図である。 図８に示すサブモジュールの配列を、ハーフブリッジ型の変換器セルおよびフルブリッジ型の変換器セルの配列に置き替えて示した図である。 図８のサブモジュール４０＿３～４０＿６の相互の接続を模式的に示す外観図である。 図８のサブモジュール４０＿１１～４０＿１４の相互の接続を模式的に示す外観図である。
　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、その説明を繰返さない。
　実施の形態１．
　［電力変換装置の概略構成］
　図１は、電力変換装置の一例を示す概略構成図である。図１を参照して、電力変換装置は、主回路であるレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（総称する場合または不特定のものを示す場合、レグ回路４と記載する）と、これらのレグ回路４を制御する中央制御装置３とを備える。
　レグ回路４は、交流を構成する複数相の各相ごとに設けられる。レグ回路４は、交流回路２０と直流回路２１との間に接続され、両回路間で電力変換を行う。図１には交流回路２０が三相交流の場合が示され、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が設けられる。
　レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流ノード（node）Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器２２を介して交流回路２０に接続される。交流回路２０は、たとえば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流ノードＮｖ，Ｎｗと連系変圧器２２との間の接続は図示していない。
　各レグ回路４に共通に設けられた直流ノードＮｐ，Ｎｎ（すなわち、高電位側直流ノードＮｐ，低電位側直流ノードＮｎ）は、直流回路２１に接続される。直流回路２１は、高圧直流送電（ＨＶＤＣ：High　Voltage　Direct　Current）システムにおける直流電力系統、またはＢＴＢ（Back　To　Back）システムにおける他の電力変換装置との接続配線に相当する。
　なお、ＨＶＤＣシステムは、高電圧の交流電力を直流電力に変換してから直流長距離送電を行うものである。この場合の交流／直流変換に、図１の電力変換装置１が利用される。また、ＢＴＢシステムは、交流を直流に変換する順変換と、直流を交流に変換する逆変換とを行うことによって、２つの交流回路間で電力融通を行うものである。順変換および逆変換に図１の電力変換装置１が利用される。
　図１の連系変圧器２２を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流回路２０に接続した構成としてもよい。また、図２および図３に示すように、交流回路２０と各レグ回路４は、交流的に接続されていてもよい。この場合の交流回路２０と各レグ回路４との接続部の詳細な構成については後述する。
　レグ回路４ｕは、高電位側直流ノードＮｐから交流ノードＮｕまでの高電位側アーム回路（上アーム回路または１次アーム回路とも称する）１０と、低電位側直流ノードＮｎから交流ノードＮｕまでの低電位側アーム回路（下アーム回路または２次アーム回路とも称する）１１とに区分される。高電位側アーム回路１０と低電位側アーム回路１１との接続点Ｎｕが変圧器２２と接続される。高電位側直流ノードＮｐおよび低電位側直流ノードＮｎが直流回路２１に接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有しているので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。
　高電位側アーム回路１０は、複数のハーフブリッジ（ＨＢ：Half　Bridge）型の変換器セル５と、一つまたは複数のフルブリッジ（ＦＢ：Full　Bridge）型の変換器セル６と、リアクトル７ａとを含む。複数の変換器セル５と、少なくとも１つの変換器セル６と、リアクトル７ａとは互いに直列接続されている。以下、簡単のために変換器セルを単にセルと称する場合がある。ハーフブリッジ型の変換器セル５とフルブリッジ型の変換器セル６とはどのような並び順で接続されていても構わない。
　同様に、低電位側アーム回路１１は、複数のハーフブリッジ型の変換器セル５と、一つまたは複数のフルブリッジ型の変換器セル６と、リアクトル７ｂとを含む。複数の変換器セル５と、少なくとも１つの変換器セル６と、リアクトル７ｂとは互いに直列接続されている。ハーフブリッジ型の変換器セル５とフルブリッジ型の変換器セル６とはどのような並び順で接続されていても構わない。
　リアクトル７ａ，７ｂは、レグ回路中のセルがオンもしくはオフとなって出力電圧が急激に変化する瞬間に、または交流回路２０または直流回路２１などの故障時に、アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｎが急激に変化しないように設けられている。
　リアクトル７ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの高電位側アーム回路１０のいずれの位置であってもよく、リアクトル７ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの低電位側アーム回路１１のいずれの位置であってもよい。リアクトル７ａ，７ｂはそれぞれ複数個あってもよい。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、高電位側アーム回路１０のリアクトル７ａのみ、もしくは、低電位側アーム回路１１のリアクトル７ｂのみを設けてもよい。
　図１の電力変換装置１は、さらに、制御に使用される電気量（すなわち、電流および電圧）を計測する検出器として、交流電圧検出器２３と、交流電流検出器２４と、直流電圧検出器２５ｐ，２５ｎと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂとを含む。これらの検出器によって検出された信号は、中央制御装置３に入力される。
　具体的に、交流電圧検出器２３は、交流回路２０のＵ相の電圧値Ｖａｃｕ、Ｖ相の電圧値Ｖａｃｖ、およびＷ相の電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器２４は、交流回路２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器２５ｐは、直流回路２１に接続された高電位側直流ノードＮｐの電圧を検出する。直流電圧検出器２５ｎは、直流回路２１に接続された低電位側直流ノードＮｎの電圧を検出する。
　また、Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、高電位側アーム回路１０に流れるアーム電流Ｉｐｕおよび低電位側アーム回路１１に流れるアーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、高電位側アーム電流Ｉｐｖおよび低電位側アーム電流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，９ｂは、高電位側アーム電流Ｉｐｗおよび低電位側アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。これらのアーム電流に基づいて、直流回路２１を流れる直流電流Ｉｄｃおよび各レグ回路間を循環する循環電流を計算することができる。
　上記の検出器によって検出された信号は、中央制御装置３に入力される。中央制御装置３は、さらに、各セル５，６からセルキャパシタ電圧の検出値を表す信号を受信する。中央制御装置３は、上記の各検出器の検出信号とセルキャパシタ電圧の情報とに基づいて、各セル５，６の運転状態を制御するための制御指令ならびに各セル５，６を保護するための運転／停止指令（運転指令または停止指令）を各セル５，６に出力する。
　なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から中央制御装置３に入力される信号の信号線ならびに中央制御装置３と各セル５との間で伝送される信号の信号線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セル５，６ごとに個別に設けられている。各セル５，６と中央制御装置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。また、本実施の形態の場合、これらの信号線は耐ノイズ性の観点から光ファイバによって構成される。
　中央制御装置３は、回路によって構成され、たとえば、少なくとも１つのマイクロコンピュータ、または少なくとも１つのＡＳＩＣ（Application　Specific　Integrated　Circuit）、または少なくとも１つのＦＰＧＡ（Field　Programmable　Gate　Array）によって構成することができる。もしくは、中央制御装置３は、上記のいずれかを組み合わせることによって構成されていてもよい。マイクロコンピュータは、少なくとも１つのプロセッサ（たとえば、ＣＰＵ（Central　Processing　Unit））を含む。プロセッサは、少なくとも１つのコンピュータ読み取り可能な非一時的な記憶媒体（たとえば、ハードディスクなどの磁気媒体、ＣＤ（Compact　Disk）およびＤＶＤ（Digital　Video　Disk）などの光学媒体、半導体メモリなど）から１つ以上の命令を読み取ることによって、中央制御装置３の機能の全部または一部を実行することができる。
　［交流回路と各レグ回路との接続部の変形例］
　図１では、レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流ノードＮｕ，Ｎｖ，Ｎｗを介して、交流回路２０と電力変換回路部２とが直流的に接続される例を示した。これに代えて、交流回路２０と各レグ回路４は、変圧器を介して交流的に接続されていてもよい。以下、図２および図３を参照していくつかの具体例を説明する。
　図２は、交流回路と各レグ回路との接続部の変形例を示す図である。図２を参照して、交流回路２０とレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗとは、三相変圧器８０Ｂを介して接続される。
　図２に示すように、三相変圧器８０Ｂでは、一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗがΔ結線されている。具体的に、三相変圧器８０Ｂの一次巻線８１ｕは、交流回路２０のＵ相とＶ相の間に接続される。三相変圧器８０Ｂの一次巻線８１ｖは、交流回路２０のＶ相とＷ相との間に接続される。三相変圧器８０Ｂの一次巻線８１ｗは、交流回路２０のＷ相とＵ相との間に接続される。
　三相変圧器８０Ｂの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗは、それぞれ共通の鉄心を介して一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗと磁気結合する。さらに、二次巻線８２ｕはＵ相のアーム回路１０ｕ，１１ｕと直列に接続され、二次巻線８２ｖはＶ相のアーム回路１０ｖ，１１ｖと直列に接続され、二次巻線８２ｗはＷ相のアーム回路１０ｗ，１１ｗと直列に接続される。
　図２の場合、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗの各々は、各相のリアクトル７ａ，７ｂを兼ねている。図２の場合と異なり、リアクトル７ａ，７ｂとは別に三相変圧器８０Ｂの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗを設けてもよい。
　なお、鉄心内に生じる直流磁束は、Δ結線された一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗに直流成分を流すことによって打ち消すことができる。
　図３は、交流回路と各レグ回路との接続部の他の変形例を示す図である。図３を参照して、交流回路２０とレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗとは、３巻線の三相変圧器８０Ｃを介して接続される。
　具体的に、図３の三相変圧器８０Ｃの一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗの各一端は、交流回路２０のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各送電線と連系変圧器２２を介してそれぞれ接続される。三相変圧器８０Ｃの一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗの各他端は共通の中性点８４と接続される。すなわち、図３の場合、一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗはＹ結線されている。
　三相変圧器８０Ｃの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗは、それぞれ共通の鉄心を介して一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗと磁気結合する。図３の三相変圧器８０Ｃでは、さらに、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗとそれぞれ直列に接続された三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗが設けられている。各相の二次巻線と対応する三次巻線とは逆極性になるように接続され、共通の鉄心に巻回される。また、各相の二次巻線と対応する三次巻線との接続点は共通の中性点８１０に接続される。
　さらに、二次巻線８２ｕおよび三次巻線８３ｕはＵ相のアーム回路１０ｕ，１１ｕと直列に接続される。二次巻線８２ｖおよび三次巻線８３ｖはＶ相のアーム回路１０ｖ，１１ｖと直列に接続される。二次巻線８２ｗおよび三次巻線８３ｗはＷ相のアーム回路１０ｗ，１１ｗと直列に接続される。図３の場合、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗの各々および三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗの各々は、各相のリアクトル７ａ，７ｂを兼ねている。リアクトル７ａ，７ｂとは別に三相変圧器８０Ｃの二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗおよび三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗを設けてもよい。
　図３の三相変圧器８０Ｃによれば、各相のアーム電流（Ｕ相：Ｉｐｕ，Ｉｎｕ、Ｖ相：Ｉｐｖ，Ｉｎｖ、Ｗ相：Ｉｐｗ，Ｉｎｗ）によって二次巻線に生じる直流起電力と三次巻線に生じる起電力とは互いに打ち消し合うため、鉄心内に直流磁束が生じないというメリットがある。
　［変換器セルの具体的構成例］
　本実施の形態において、ハーフブリッジ型の変換器セル５は、パッケージングされた単一のサブモジュール４０として構成される。フルブリッジ型の変換器セル６は、サブモジュール４０を２個組み合わせることによって構成される。これによって、同一形状および大きさのサブモジュール４０のみによって、ハーフブリッジ型とフルブリッジ型とが混在したアーム回路１０，１１を構成することができるというメリットがある。以下、図面を参照して説明する。
　図４は、サブモジュールの回路構成の一例を示す図である。図４（Ａ）は、２個のサブモジュール４０＿１，４０＿２を組み合わせて１個のフルブリッジ型の変換器セルを構成した例を示す。なお、図４（Ａ）に示すように、複数のサブモジュール４０およびそれらの構成要素を相互に区別する場合には、参照符号の後にアンダーバーおよび識別番号を付す。
　図４（Ａ）を参照して、各サブモジュール４０は、パッケージ４１、交流端子４２、正側端子４３、負側端子４４、半導体スイッチング素子４５，４６、ダイオード４７，４８、およびエネルギー蓄積器としての直流コンデンサ４９を備える。
　パッケージ４１は、サブモジュール４０を構成する各種部品（半導体スイッチング素子４５，４６、ダイオード４７，４８、および直流コンデンサ４９など）を内蔵する。パッケージ４１は、たとえば、樹脂製のケースを含む。交流端子４２、正側端子４３、および負側端子４４は、パッケージ４１の表面上または表面から突出するように設けられる。
　半導体スイッチング素子４５は、正側端子４３と交流端子４２と間に接続される。半導体スイッチング素子４６は、交流端子４２と負側端子４４との間に接続される。半導体スイッチング素子４５，４６として、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated　Gate　Bipolar　Transistor）またはＧＣＴ（Gate　Commutated　Turn-off　thyristor）などの自励式の半導体スイッチング素子が用いられる。
　ダイオード４７，４８は、半導体スイッチング素子４５，４６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４７，４８は対応する半導体スイッチング素子４５，４６に逆方向電圧が印加されたときの電流経路確保のために設けられている。
　直流コンデンサ４９は、正側端子４３と負側端子４４との間に接続される。したがって、直流コンデンサ４９は、互いに直列接続された半導体スイッチング素子４５，４６と並列に接続される。
　図示のように、２個のサブモジュール４０＿１，４０＿２によってフルブリッジ型の変換器セル６が構成される場合、一方のサブモジュール４０＿１の正側端子４３＿１と他方のサブモジュール４０＿２の正側端子４３＿２とが配線６０を介して接続される。さらに、一方のサブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１と他方のサブモジュール４０＿２の負側端子４４＿２とが配線６１を介して接続される。サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１およびサブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２は低電位側で隣接する他の素子等との接続に用いられる。
　上記の配線６０，６１として、たとえば、ブスバーと称される導体棒または導体板を用いることができるが、これに限定されるものではない。たとえば、裸電線、金属パイプなどを用いてもよい。
　図４（Ｂ）は図４（Ａ）に対応する等価回路図である。図４（Ｂ）の等価回路図では、図４（Ａ）に示す互いに連結された正側端子４３＿１，４３＿２は、１つの正側ノード４３Ａに置換されている。図４（Ａ）に示す互いに連結された負側端子４４＿１，４４＿２は、１つの負側ノード４４Ａに置換されている。図４（Ａ）に示す並列接続された直流コンデンサ４９＿１，４９＿２は、１個の直流コンデンサ５０に置換されている。図４（Ｂ）から明らかなように、図４（Ａ）に示す端子間の接続によってフルブリッジ型の変換器セル６が構成できていることがわかる。
　図５は、サブモジュールの物理的な外観を模式的に示す斜視図である。以下の説明において、前後方向をＸ方向と、左右方向（または横方向）をＹ方向とし、上下方向（または縦方向）をＺ方向とする。
　図５（Ａ）は、単一のサブモジュール４０の外観の一例を示す。図５（Ａ）の例では、サブモジュール４０は、Ｘ方向が長手方向である略直方体形状のパッケージ４１を有する。パッケージ４１の正面（＋Ｘ方向側の面）に交流端子４２、正側端子４３、負側端子４４が設けられている。図５（Ａ）の場合には、上から正側端子４３、交流端子４２、負側端子４４の順に並んでいる。ただし、この並び順は一例であって、これに限定されるものではない。
　図５（Ｂ）は、２個のサブモジュール４０＿１，４０＿２を組み合わせて１個のフルブリッジ型の変換器セルを構成した場合の外観図を示す。
　図５（Ｂ）を参照して、サブモジュール４０＿１，４０＿２は左右方向に並んで配置される。これによって、各サブモジュール４０に設けられた端子は共通の正面側に向けて配置される。図示のように、一方のサブモジュール４０＿１の正側端子４３＿１と他方のサブモジュール４０＿２の正側端子４３＿２とが配線６０を介して接続される。さらに、一方のサブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１と他方のサブモジュール４０＿２の負側端子４４＿２とが配線６１を介して接続される。図５（Ｂ）の場合、配線６０，６１としてブスバーと称される導体棒が用いられている。
　上述した図５の構成は一例であって、サブモジュール４０のパッケージ４１の形状、およびパッケージ４１の表面上での交流端子４２、正側端子４３、および負側端子４４の配置は図５の例に限定されるものでない。たとえば、後述するように正側端子４３はフルブリッジ型の変換器セルを構成する２個のサブモジュール４０間の接続だけにしか用いられない。したがって、図５（Ａ）において、交流端子４２および負側端子４４をパッケージ４１の正面（＋Ｘ側の面）に配置し、正側端子４３をパッケージ４１の背面（－Ｘ側の面）に配置してもよい。
　［アーム回路の具体的構成例］
　次に、複数のサブモジュールを連結することによって構成されるアーム回路の構成例について説明する。
　図６は、高電位側アーム回路の構成の一例を示す回路図である。図６（Ａ）の回路図は、フルブリッジ型の変換器セルが直流回路２１に接続される高電位側の直流線路２６ｐに近接して配置された例を示す。図６（Ｂ）の回路図は、フルブリッジ型の変換器セルが交流回路２０に接続される交流線路２７に近接して配置された例を示す。図６（Ｃ）の回路図は、ハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとが混在して配置された例を示す。また、いずれの例においても、高電位側からサブモジュール４０＿１，４０＿２，４０＿３，…の順番で、複数のサブモジュール４０が配列されている。
　図６（Ａ）を参照して、サブモジュール４０＿１，４０＿２によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。さらに、サブモジュール４０＿３，４０＿４によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。サブモジュール４０＿５は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。
　この場合、サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１は直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２とサブモジュール４０＿３の交流端子４２＿３とが配線を介して接続される。サブモジュール４０＿４の交流端子４２＿４とサブモジュール４０＿５の交流端子４２＿５とが配線を介して接続される。
　図６（Ｂ）を参照して、サブモジュール４０＿１～４０＿３は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。
　この場合、サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１は直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１とサブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２とが配線を介して接続される。サブモジュール４０＿２の負側端子４４＿２とサブモジュール４０＿３の交流端子４２＿３とが配線を介して接続される。
　このように、サブモジュール４０がハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる場合には、交流端子４２および負側端子４４が隣接する素子との接続に用いられる。正側端子４３は接続に用いられない。
　図６（Ｃ）を参照して、サブモジュール４０＿１は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。サブモジュール４０＿２，４０＿３によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。サブモジュール４０＿４は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。
　この場合、サブモジュール４０＿１の交流端子４２＿１は直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿１の負側端子４４＿１とサブモジュール４０＿２の交流端子４２＿２とが配線を介して接続される。サブモジュール４０＿３の交流端子４２＿３とサブモジュール４０＿４の交流端子４２＿４とが配線を介して接続される。
　以上をまとめると、互いに隣接する２個のサブモジュール４０によってフルブリッジ型の変換器セルを構成した場合には、一方のサブモジュール４０の交流端子４２と他方のサブモジュール４０の交流端子４２とがそれぞれ隣接する外部の素子との接続に用いられる。また、図４および図５で説明したように、フルブリッジ型の変換器セルを構成する２個のサブモジュール４０では、正側端子４３同士が接続され、負側端子４４同士が接続される。
　一方、単一のサブモジュール４０によってハーフブリッジ型の変換器セルを構成した場合には、交流端子４２および負側端子４４が隣接する外部の素子との接続に用いられる。正側端子４３は用いられない。
　図７は、アーム回路の物理的な外観を模式的に示す斜視図である。図７の例では、複数のサブモジュール４０が横方向（Ｙ方向）に並べられることよってブロックが構成され、各ブロックはトレイ（tray）状の絶縁性容器３１内に配置されている。そして、複数の容器３１が上下方向に積み上げられることによってタワー３０が構成されている。
　各絶縁性容器３１は、図７の例では、略長方形状の底板３５と、底板３５の周縁部から起立する側板３４によって構成される。最下段の絶縁性容器３１は、床面上に起立する複数の支柱３２によって支持されている。最下段よりも上段の絶縁性容器３１の各々は、一段下の絶縁性容器３１から起立する複数の支柱３３によって支持されている。
　具体的に図７の例では、２個のタワー３０＿１，３０＿２によってアーム回路が構成される。タワー３０＿１は５個の絶縁性容器３１＿１～３１＿５を備え、タワー３０＿２は５個の絶縁性容器３１＿１１～３１＿１５を備える。各絶縁性容器３１には８個のサブモジュール４０が横方向（Ｙ方向）に並ぶように配置されている。無論、これらの個数は一例であってこれに限られるものではない。
　図示のように、各サブモジュール４０の形状が同一であるので、スペースを有効に利用してサブモジュール４０を配置することができる。次に、具体例を挙げて、サブモジュール４０間の接続について詳しく説明する。
　［アーム回路を構成するサブモジュール間の接続の具体例］
　図８は、アーム回路を構成するサブモジュール間の接続を説明するための図である。
　図８では、高電位側アーム回路１０が３段の絶縁性容器３１＿１～３１＿３を備えるタワー３０によって構成される例が示されている。各絶縁性容器３１には６個のサブモジュール４０が配列されている。具体的に、絶縁性容器３１＿１には６個のサブモジュール４０＿１～４０＿６が配列され、絶縁性容器３１＿２には６個のサブモジュール４０＿７～４０＿１２が配列され、絶縁性容器３１＿３には６個のサブモジュール４０＿１３～４０＿１８が配列される。サブモジュール４０＿１が最も高電位側であり、サブモジュール４０＿１８が最も低電位側である。
　なお、各サブモジュール４０が横方向に配列されることによって、各サブモジュール４０の正面に端子（すなわち、正側端子４３、交流端子４２、負側端子４４）が設けられている。これによって、隣接するサブモジュール４０間の接続が容易になっている。
　図９は、図８に示すサブモジュールの配列を、ハーフブリッジ型の変換器セルおよびフルブリッジ型の変換器セルの配列に置き替えて示した図である。図８および図９に示す例では、サブモジュール４０＿１，４０＿２によってフルブリッジ型の変換器セルが構成され、サブモジュール４０＿３，４０＿４によってフルブリッジ型の変換器セルが構成される。その他の各サブモジュール４０は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして使用される。
　次に、図８を参照して、各サブモジュール間に接続について具体的に説明する。まず、フルブリッジ型の変換器セルを構成するサブモジュール４０＿１とサブモジュール４０＿２とは、正側端子４３同士が接続され、負側端子４４同士が接続される。サブモジュール４０＿１の交流端子４２は直流回路の高電位側の直流線路２６ｐと接続される。サブモジュール４０＿２の交流端子４２は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿３の交流端子４２と接続される。
　同様に、フルブリッジ型の変換器セルを構成するサブモジュール４０＿３とサブモジュール４０＿４とは、正側端子４３同士が接続され、負側端子４４同士が接続される。サブモジュール４０＿３の交流端子４２は、高電位側に隣接するサブモジュール４０＿２の交流端子４２と接続される。サブモジュール４０＿４の交流端子４２は低電位側に隣接するサブモジュール４０＿５の交流端子４２と接続される。
　サブモジュール４０＿５～４０＿１８の各々はハーフブリッジ型の変換器セルを構成する。この場合、各サブモジュール４０の交流端子４２は、高電位側に隣接するサブモジュール４０がハーフブリッジ型の変換器セルを構成する場合にはそのサブモジュール４０の負側端子４４に接続される。また、サブモジュール４０の交流端子４２は、高電位側に隣接するサブモジュール４０がフルブリッジ型の変換器セルを構成する場合にはそのサブモジュール４０の交流端子４２に接続される。
　一方、ハーフブリッジ型の変換器セルを構成する各サブモジュール４０の負側端子４４は、低電位側に隣接するサブモジュール４０の交流端子４２に接続される。低電位側に隣接するサブモジュール４０がハーフブリッジ型の変換器セルを構成するか、フルブリッジ型の変換器セルを構成するかによる違いはない。場合も、なお、最も低電位側のサブモジュール４０＿１８の負側端子４４は、交流回路２０の交流線路２７と接続される。
　図１０は、図８のサブモジュール４０＿３～４０＿６の相互の接続を模式的に示す外観図である。
　図８および図１０を参照して、フルブリッジ型の変換器セルを構成する互いに隣接するサブモジュール４０＿３および４０＿４に関して、正側端子４３＿３および４３＿４がブスバー６２を介して相互に接続されるともに、負側端子４４＿３および４４＿４がブスバー６３を介して相互に接続される。
　サブモジュール４０＿４よりも低電位側のサブモジュール４０＿５，４０＿６の各々は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。この場合、サブモジュール４０＿５の交流端子４２＿５は、高電位側に隣接するフルブリッジ型変換器セルを構成するサブモジュール４０＿４の交流端子４２＿４とブスバー６４を介して接続される。サブモジュール４０＿５の負側端子４４＿５は、低電位側に隣接するハーフブリッジ型変換器セルを構成するサブモジュール４０＿６の交流端子４２＿６とブスバー６５を介して接続される。
　図１１は、図８のサブモジュール４０＿１１～４０＿１４の相互の接続を模式的に示す外観図である。
　図８および図１１を参照して、サブモジュール４０＿１１～４０＿１４の各々は、ハーフブリッジ型の変換器セルとして用いられる。この場合、サブモジュール４０＿１１の負側端子４４＿１１は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿１２の交流端子４２＿１２とブスバー６６を介して接続される。サブモジュール４０＿１２の負側端子４４＿１２は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿１３の交流端子４２＿１３とブスバー６７を介して接続される。サブモジュール４０＿１３の負側端子４４＿１３は、低電位側に隣接するサブモジュール４０＿１４の交流端子４２＿１４とブスバー６８を介して接続される。
　ここで、サブモジュール４０＿１３は、サブモジュール４０＿１２が配置されている絶縁性容器３１＿２よりも下段の絶縁性容器３１＿３に配置されている。したがって、両者を接続するブスバー６７は絶縁性容器３１＿２の側板を迂回するように比較的長い経路で接続されている。
　［効果］
　以上のとおり、本実施の形態の電力変換装置によれば、ハーフブリッジ型の変換器セルは、パッケージングされた単一のサブモジュール４０として構成され、フルブリッジ型の変換器セルは、上記のサブモジュール４０を２個組み合わせることによって構成される。これによって、同一形状および大きさのサブモジュール４０のみによって、ハーフブリッジ型とフルブリッジ型とが混在したアーム回路を構成することができる。このため、スペースを効率良く使用してハーフブリッジ型の変換器セルとフルブリッジ型の変換器セルとを配置することが可能なＭＭＣ方式の電力変換装置を提供することができる。
　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。この発明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　電力変換回路部、３　中央制御装置、４ｕ，４ｖ，４ｗ　レグ回路、５　ハーフブリッジ型の変換器セル、６　フルブリッジ型の変換器セル、７ａ，７ｂ　リアクトル、９ａ，９ｂ　アーム電流検出器、１０　高電位側アーム回路、１１　低電位側アーム回路、２０　交流回路、２１　直流回路、２２　連系変圧器、２３　交流電圧検出器、２４　交流電流検出器、２５ｎ，２５ｐ　直流電圧検出器、３０　タワー、３１　絶縁性容器、４０　サブモジュール、４１　パッケージ、４２　交流端子、４３　正側端子、４４　負側端子、４５，４６　半導体スイッチング素子、４７，４８　ダイオード、４９，５０　直流コンデンサ、Ｎｎ　低電位側直流ノード、Ｎｐ　高電位側直流ノード、Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ　交流ノード。

Claims (6)

  1. 　互いに直列に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、
    　パッケージの表面上または表面から突出するように設けられた、第１の端子、第２の端子、および第３の端子と、
    　前記パッケージに内蔵され、前記第１の端子と前記第２の端子との間に接続された第１の半導体スイッチング素子と、
    　前記パッケージに内蔵され、前記第２の端子と前記第３の端子との間に接続された第２の半導体スイッチング素子と、
    　前記パッケージに内蔵され、前記第１の端子と前記第３の端子との間に接続された直流コンデンサとを備え、
    　前記複数のサブモジュールは、第１のサブモジュールおよび第２のサブモジュールを含み、
    　前記第１のサブモジュールの前記第１の端子と前記第２のサブモジュールの前記第１の端子とは、配線を介して相互に接続され、
    　前記第１のサブモジュールの前記第３の端子と前記第２のサブモジュールの前記第３の端子とは、配線を介して相互に接続される、電力変換装置。
  2. 　前記第１のサブモジュールは、前記第２のサブモジュールに隣接し、
    　前記複数のサブモジュールは、前記第２のサブモジュールに隣接する第３のサブモジュールを含み、
    　前記第２のサブモジュールの前記第２の端子と前記第３のサブモジュールの前記第２の端子とは、配線を介して相互に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 　前記第１のサブモジュールは、前記第２のサブモジュールに隣接し、
    　前記複数のサブモジュールは、前記第１のサブモジュールに隣接する第４のサブモジュールを含み、
    　前記第４のサブモジュールの前記第３の端子と前記第１のサブモジュールの前記第２の端子とは、配線を介して相互に接続される、請求項１または２に記載の電力変換装置。
  4. 　前記複数のサブモジュールは、互いに隣接する第５のサブモジュールおよび第６のサブモジュールを含み、
    　前記第５のサブモジュールの前記第３の端子と前記第６のサブモジュールの前記第２の端子とは、配線を介して相互に接続される、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 　前記複数のサブモジュールは、複数のブロックに分割され、
    　前記電力変換装置は、複数の絶縁性容器をさらに備え、
    　各前記絶縁性容器には、対応する前記ブロックを構成する複数のサブモジュールが収納され、
    　前記複数の絶縁性容器は上下方向に積み上げられることによってタワーを構成する、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 　前記複数の絶縁性容器のうちの１つに、前記第１のサブモジュール、前記第２のサブモジュール、前記第５のサブモジュール、および前記第６のサブモジュールが収納される、請求項５に記載の電力変換装置。
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