WO2021014574A1 - 多重電力変換システム - Google Patents

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WO2021014574A1
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current
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power converter
power conversion
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一誠 深澤
雅博 木下
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東芝三菱電機産業システム株式会社
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    • H02M1/0009—Devices or circuits for detecting current in a converter

Definitions

  • the present invention relates to a multiple power conversion system.
  • Patent Document 1 discloses a multiple power conversion system including a plurality of three-level power converters. According to the multiple power conversion system, it is possible to prevent the temperature rise of the DC smoothing capacitor and to stabilize the potential of the DC bus.
  • a circulating current may flow between a plurality of power converters.
  • a current sensor in each phase on the AC side of a plurality of power converters. In this case, the number of current sensors increases.
  • An object of the present invention is to provide a multiplex power conversion system capable of detecting a circulating current with a small number of current sensors.
  • the multiplex power conversion system includes n first to nth plurality of unit power converters, in which the positive DC sides of each other are connected and the negative DC sides of each other are connected, and n is 2 or more.
  • a plurality of unit power converters in which the DC positive sides of each other are connected, the DC negative sides of each other are connected, and the DC neutral points of each other are connected, and the plurality of unit powers are connected. It was equipped with a plurality of current sensors for detecting the current flowing through each of the DC neutral points of the converter.
  • the circulating current is detected based on the detection result of the current sensor provided on the DC side. Therefore, the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • FIG. It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a block diagram of the 1st example of the unit power converter of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a block diagram of the 2nd example of the unit power converter of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a block diagram for demonstrating the method of suppressing the circulating current of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a block diagram for demonstrating the protection method of the unit power converter 1 of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a block diagram of the main part of the unit power converter of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. 1 It is a figure which shows the mode of the short circuit failure of the unit power converter of the multiple power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the theoretical value of the non-uniform amount at the time of the short circuit occurrence in the multiple power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a figure which shows the theoretical value of the non-uniform amount at the time of the short circuit occurrence in the multiple power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a flowchart for demonstrating the outline of the operation of the control device of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. It is a hardware block diagram of the control device of the multiplex power conversion system in Embodiment 1.
  • FIG. 2 It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 2. It is a block diagram of the main part of the unit power converter of the multiple power conversion system in Embodiment 2.
  • FIG. It is a figure which shows the theoretical value of the non-uniform amount at the time of the short circuit occurrence in the multiple power conversion system in Embodiment 2. It is a figure which shows the theoretical value of the non-uniform amount at the time of the short circuit occurrence in the multiple power conversion system in Embodiment 2.
  • Embodiment 4 It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 4. It is a block diagram of the 1st example of the unit power converter of the multiplex power conversion system in Embodiment 4. It is a block diagram of the 2nd example of the unit power converter of the multiplex power conversion system in Embodiment 4. It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 5. It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 6. It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 7. It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 8. It is a block diagram of the multiplex power conversion system in Embodiment 9.
  • FIG. 1 is a configuration diagram of a multiplex power conversion system according to the first embodiment.
  • the multiplex power conversion system includes a plurality of unit power converters 1.
  • the DC side is connected to a DC power source (not shown).
  • the AC side is connected to the AC load.
  • Each of the plurality of unit power converters 1 includes a switching element group 2, a positive DC capacitor 3, a negative DC capacitor 4, and a plurality of reactors 5.
  • the switching element group 2 includes a plurality of switching elements (not shown).
  • the positive DC capacitor 3 is connected between the DC positive side P of the unit power converter 1 and the DC neutral point M.
  • the negative DC capacitor 4 is connected between the DC negative side N of the unit power converter 1 and the DC neutral point M.
  • FIG. 1 only one of the plurality of reactors 5 is illustrated. Each of the plurality of reactors 5 is connected in series to each phase on the AC side.
  • the DC positive sides P of each other are connected to each other.
  • the negative DC sides N of each other are connected to each other.
  • the DC neutral points M of each other are not connected to each other.
  • a plurality of DC side current sensors 6 are provided on each of the DC positive side Ps of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to detect the current flowing through each of the DC positive side Ps of the plurality of unit power converters 1.
  • a plurality of DC side current sensors 6 may be provided on each of the DC negative sides N of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to detect the current flowing through each of the DC negative sides N of the plurality of unit power converters 1.
  • control device 7 transmits the same gate signal to each of the plurality of unit power converters 1.
  • control device 7 transmits a gate signal generated from the same voltage command value and different carrier waves to each of the plurality of unit power converters 1.
  • the control device 7 calculates the non-uniform amount of the current flowing through each of the plurality of unit power converters 1 based on the detection results of the plurality of DC side current sensors 6.
  • the control device 7 detects a non-uniform amount of current in each of the n unit power converters 1 constituting the multiple power conversion system. Specifically, for example, the control device 7 flows through each unit power converter 1 using the following equation (1), where the current flowing through the i- th unit power converter 1 out of n units is ii. Calculate the non-uniform amount of current.
  • the control device 7 controls the operation of the switching element group 22 of the plurality of unit power converters 1 based on the calculation result of the non-uniform amount of the current.
  • FIG. 2 is a configuration diagram of a first example of a unit power converter of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a configuration of a three-phase, three-level unit power converter 1 using a self-excited semiconductor element and a diode.
  • a positive DC capacitor 3 and a negative DC capacitor 4 are connected in series between the DC terminals, and a DC neutral point exists at the intermediate point thereof.
  • any one of the DC positive side P, the DC neutral point M, and the DC negative side N is given according to those signals.
  • the potential of is output to the AC terminal of each phase.
  • FIG. 3 is a configuration diagram of a second example of the unit power converter of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • FIG. 3 is a configuration example of a three-phase, three-level unit power converter 1 using a self-excited semiconductor element and a diode.
  • the unit power converter 1 as in the unit power converter 1 of FIG. 2, by giving an on / off signal to each gate of the self-excited semiconductor element inside the unit power converter 1, those signals are also generated.
  • the potential of any of the DC positive side P, the DC neutral point M, and the DC negative side N is output to each phase AC terminal according to the above.
  • the configuration of the unit power converter 1 is not limited to these two configurations.
  • the number of phases is not limited to three phases and may be any number of phases.
  • an example of a 3-level unit power converter 1 is shown here as an example, the number of levels is not limited to 3, and any level of unit power converter 1 having 3 or more levels may be used.
  • FIG. 4 is a block diagram for explaining a method of suppressing the circulating current of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • G (s) is a low-pass filter and feedback gain.
  • a zero-phase voltage (non-uniform amount ⁇ v i0 ) is output to the AC side of the unit power converter 1 in a direction of suppressing the zero-phase circulating current (non-uniform amount ⁇ i i0 ).
  • the control device 7 calculates the target value ⁇ v i0 * of the non-uniform amount of the zero-phase voltage for the plurality of unit power converters 1.
  • the controller 7 controls the uneven amount .DELTA.i i0 current by operating the voltage v i0 by detecting the uneven amount .DELTA.i IPj current.
  • FIG. 5 is a block diagram for explaining a protection method of the unit power converter 1 of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • the control device 7 calculates a non-uniform amount ⁇ i iPj of the current flowing through each unit power converter 1 and determines whether or not the calculated value is larger than a preset threshold value.
  • the control device 7 performs a protective operation. Specifically, the control device 7 transmits a gate block signal GB that turns off the plurality of switching element groups 2.
  • FIG. 6 is a configuration diagram of a main part of a unit power converter of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • FIG. 7 is a diagram showing a mode of short-circuit failure of the unit power converter of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • the control device 7 detects a short-circuit failure based on the detected value of the DC side current sensor 6.
  • FIG. 7 shows a path through which a current flows when a short-circuit failure occurs, and may be mode A to mode D depending on the location of the short-circuit failure.
  • FIGS. 8 and 9 are diagrams showing theoretical values of a non-uniform amount when a short circuit occurs in the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • the physical quantity with the subscript i is the physical quantity in the unit power converter in which the short-circuit failure has occurred
  • the physical quantity with the subscript j is the physical quantity in the unit power converter other than the unit power converter in which the short-circuit failure has occurred.
  • the current non-uniform amount on the DC P side is ⁇ i iP1 and the current non-uniform amount on the DC N side is ⁇ i iN1 .
  • the current non-uniform amount on the DC P side is ⁇ i jP1 and the current non-uniform amount on the DC N side is ⁇ i jN1 .
  • the theoretical value of the non-uniform amount in the unit power converter i in which the short-circuit failure occurs is as shown in the new equation (1) or the new equation (2).
  • the new equation (1) is the non-uniform amount of the detected value when the DC side current sensor 6 is provided on the DC positive side P
  • the new equation (2) is provided with the DC side current sensor 6 on the DC negative side N. It is a non-uniform amount of the detected value in the case of.
  • the theoretical value of the non-uniform amount in the unit power converter i in which the short-circuit failure occurs is as shown in the new equation (3) or the new equation (4).
  • the new equation (3) is the non-uniform amount of the detected value when the DC side current sensor 6 is provided on the DC positive side P
  • the new equation (4) is provided with the DC side current sensor 6 on the DC negative side N. It is a non-uniform amount of the detected value in the case of.
  • the theoretical value of the non-uniform amount in the unit power converter i in which the short-circuit failure occurs is as shown in the new equation (5) or the new equation (6).
  • the new equation (5) is the non-uniform amount of the detected value when the DC side current sensor 6 is provided on the DC positive side P
  • the new equation (6) is provided with the DC side current sensor 6 on the DC negative side N. It is a non-uniform amount of the detected value in the case of.
  • the theoretical value of the non-uniform amount in the unit power converter i in which the short-circuit failure occurs is as shown in the new equation (7) or the new equation (8).
  • the new equation (7) is the non-uniform amount of the detected value when the DC side current sensor 6 is provided on the DC positive side P
  • the new equation (8) is provided with the DC side current sensor 6 on the DC negative side N. It is a non-uniform amount of the detected value in the case of.
  • a short-circuit failure of the unit power converter can be detected by setting a value smaller than the non-uniform amount of the new equations (1) to (8) as a threshold value to be compared with the non-uniform amount.
  • the value of the unit power converter (subscript i) in which the short-circuit failure occurs is higher than the value of the other unit power converters (subscript j).
  • the size becomes large it is possible to compare the non-uniform amount of each unit power converter detected by the control device and identify the one with the largest size as the unit power converter in which the failure occurred. You can. This is because (1-1 / n)> 1 / n.
  • FIG. 10 is a flowchart for explaining an outline of the operation of the control device of the multiple power conversion system according to the first embodiment.
  • step S1 the control device 7 calculates the non-uniform amount of the current flowing through each unit power converter 1 and determines whether or not the calculated value is larger than a preset threshold value.
  • step S1 If the non-uniform amount of the current flowing through each unit power converter 1 in step S1 is not larger than the preset threshold value, the control device 7 performs the operation of step S2.
  • step S2 the control device 7 transmits a gate signal to the plurality of switching element groups 22 based on the voltage command value. After that, the control device 7 performs the operation of step S1.
  • step S1 When the non-uniform amount of the current flowing through each unit power converter 1 in step S1 is larger than the preset threshold value, the control device 7 performs the operation of step S3. In step S3, the control device 7 transmits a gate signal that turns off the plurality of switching element groups 2. After that, the control device 7 ends the operation.
  • the circulating current is detected based on the detection result of the DC side current sensor 6. Therefore, the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • the circulating current may be detected based on the detection result of the DC side current sensor 6, which is one less than the number of unit power converters 1. In this case, the circulating current can be detected with a smaller current sensor.
  • the plurality of unit power converters 1 are controlled based on the detection result of the DC side current sensor 6. Therefore, the circulating current can be suppressed with a small amount of current sensor.
  • control device 7 can transmit the gate signals of the plurality of unit power converters 1 based on the detection results of the plurality of DC side current sensors 6 to suppress the zero-phase component of the circulating current. It is possible to take a small margin of the rated current of the parts (mainly AC reactors) rated for superimposition, and it is possible to suppress extra costs.
  • control device 7 turns off at least one switching element of the plurality of unit power converters 1 based on the detection results of the plurality of DC side current sensors 6. Therefore, when a short-circuit failure of the positive DC capacitor 3 or the negative DC capacitor 4, an abnormal decrease in capacity, or an abnormal increase in leakage current is detected, the positive DC capacitor 3 or the negative DC capacitor 4 is overheated, bursts, or liquid. Leakage can be prevented.
  • the failure detection principle when a short-circuit failure of a switching element occurs has been explained, but it is not limited to the short-circuit failure of the switching element, but the short-circuit failure of the positive side DC capacitor or the negative side DC capacitor, capacity reduction, leakage current increase, and AC inductance It is also possible to detect the occurrence of abnormalities such as an abnormal decrease in inductance due to a short-circuit failure between layers. This is because even if these abnormalities occur, the non-uniform amount of the detection value of the DC side current sensor 6 will have a certain magnitude, so if the detection threshold value is set lower than that magnitude, This is because it can be determined to be abnormal.
  • the abnormality determination may be performed by the same method as that described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-22816.
  • a switch may be provided on at least one of the DC positive side and the DC negative side. At this time, the switch may be disconnected from the failed unit power converter 1 based on the detected values of the plurality of current sensors, and the unit power converter 1 may be used alone for operation.
  • FIG. 11 is a hardware configuration diagram of the control device of the multiplex power conversion system according to the first embodiment.
  • Each function of the control device 7 can be realized by a processing circuit.
  • the processing circuit includes at least one processor 8a and at least one memory 8b.
  • the processing circuit comprises at least one dedicated hardware 9.
  • each function of the control device 7 is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware. At least one of the software and firmware is written as a program. At least one of the software and firmware is stored in at least one memory 8b. At least one processor 8a realizes each function of the control device 7 by reading and executing a program stored in at least one memory 8b. At least one processor 8a is also referred to as a central processing unit, a processing unit, an arithmetic unit, a microprocessor, a microcomputer, and a DSP.
  • at least one memory 8b is a non-volatile or volatile semiconductor memory such as RAM, ROM, flash memory, EPROM, EEPROM, magnetic disk, flexible disk, optical disk, compact disk, mini disk, DVD or the like.
  • the processing circuit comprises at least one dedicated hardware 9
  • the processing circuit may be implemented, for example, as a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, a parallel programmed processor, an ASIC, an FPGA, or a combination thereof.
  • each function of the control device 7 is realized by a processing circuit.
  • each function of the control device 7 is collectively realized by a processing circuit.
  • a part may be realized by the dedicated hardware 9, and the other part may be realized by software or firmware.
  • the function of transmitting a gate signal is realized by a processing circuit as dedicated hardware 9, and the function other than the function of transmitting a gate signal is a program in which at least one processor 8a is stored in at least one memory 8b. It may be realized by reading and executing.
  • the processing circuit realizes each function of the control device 7 by hardware 9, software, firmware, or a combination thereof.
  • FIG. 12 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the second embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the first embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • the DC neutral points M of each other are not connected to each other.
  • the DC neutral points M are connected to each other.
  • a plurality of DC side current sensors 6 are provided at each of the DC neutral points M of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to detect the current flowing through each of the DC neutral points M of the plurality of unit power converters 1.
  • a plurality of DC side current sensors 6 may be provided at each of the DC neutral points M of the unit power converter 1 excluding one of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to detect the current flowing through each of the DC neutral points M of the unit power converter 1 excluding one of the plurality of unit power converters 1. ..
  • the DC side integrated current sensor 10 is provided on the DC positive side P.
  • the DC side integrated current sensor 10 is provided so as to be able to detect the current flowing through the DC positive side P.
  • the control device 7 calculates the non-uniform amount of the current flowing through each of the plurality of unit power converters 1 based on the detection results of the plurality of DC side current sensors 6.
  • the control device 7 controls the operation of the switching element group 2 of the plurality of unit power converters 1 based on the calculation result of the non-uniform amount of the current.
  • FIG. 13 is a configuration diagram of a main part of a unit power converter of the multiple power conversion system according to the second embodiment.
  • control device 7 detects a short-circuit failure based on the detected values of the DC side current sensor 6 and the DC side integrated current sensor 10.
  • 14 and 15 are diagrams showing theoretical values of a non-uniform amount when a short circuit occurs in the multiple power conversion system according to the second embodiment.
  • the physical quantity with the subscript i is the physical quantity in the unit power converter in which the short-circuit failure has occurred
  • the physical quantity with the subscript j is the physical quantity in the unit power converter other than the unit power converter in which the short-circuit failure has occurred.
  • the current non-uniform amount on the DC P side is ⁇ i iP1
  • the current non-uniform amount on the DC M side is ⁇ i iM1
  • the current non-uniform amount on the DC N side is ⁇ i iN1 .
  • the current non-uniform amount on the DC P side is ⁇ i jP1
  • the current non-uniform amount on the DC M side is ⁇ i jM1
  • the current non-uniform amount on the DC N side is ⁇ i jN1. Is.
  • the value of the unit power converter (subscript i) in which the short circuit failure occurs is higher than the value of the other unit power converters (subscript j).
  • the size becomes large it is possible to compare the non-uniform amount of each unit power converter detected by the control device and identify the one with the largest size as the unit power converter in which the failure occurred. You can. This is because (1-1 / n)> 1 / n.
  • the circulating current is detected based on the detection results of the DC side current sensor 6 and the DC side integrated current sensor 10. Therefore, the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • the plurality of unit power converters 1 are controlled based on the detection results of the DC side current sensor 6 and the DC side integrated current sensor 10. Therefore, the circulating current can be suppressed with a small amount of current sensor.
  • the DC side current sensor 6 detects the current flowing through the DC neutral point M.
  • the current is smaller than the current flowing through the DC positive side P and the DC negative side N. Therefore, the rating of the DC side current sensor 6 can be reduced.
  • the conductor may be thin. Therefore, it becomes easy to provide the DC side current sensor 6. As a result, the degree of freedom in mounting the DC side current sensor 6 can be increased.
  • FIG. 16 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the third embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided in the plurality of unit power converters 1, respectively.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to collectively detect the difference between the currents flowing through the DC positive side P and the DC negative side N of the plurality of unit power converters 1.
  • FIG. 17 is a diagram showing a theoretical value of a non-uniform amount when a short circuit occurs in the multiple power conversion system according to the third embodiment.
  • the physical quantity with the subscript i is the physical quantity in the unit power converter in which the short-circuit failure has occurred
  • the physical quantity with the subscript j is the physical quantity in the unit power converter other than the unit power converter in which the short-circuit failure has occurred.
  • the current non-uniform amount on the DC P side is ⁇ i iP1 and the current non-uniform amount on the DC N side is ⁇ i iN1 .
  • the current non-uniform amount on the DC P side is ⁇ i jP1 and the current non-uniform amount on the DC N side is ⁇ i jN1 .
  • the value of the unit power converter (subscript i) in which the short-circuit failure occurs is higher than the value of the other unit power converters (subscript j).
  • the size becomes large it is possible to compare the non-uniform amount of each unit power converter detected by the control device and identify the one with the largest size as the unit power converter in which the failure occurred. You can. This is because (1-1 / n)> 1 / n.
  • the plurality of DC side current sensors 6 collectively detect the difference between the currents flowing in the DC positive side P and the DC negative side N of the plurality of unit power converters 1. .. Therefore, the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • control device can detect all short-circuit failures from mode A to mode D based on the detection results of the plurality of DC side current sensors 6.
  • FIG. 18 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the fourth embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • the unit power converter 1 of the fourth embodiment is a two-level power converter.
  • FIG. 19 is a configuration diagram of a first example of the unit power converter of the multiple power conversion system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 19 is an example of a configuration of a two-level unit power converter 1 that converts DC power into AC power.
  • FIG. 20 is a configuration diagram of a second example of the unit power converter of the multiple power conversion system according to the fourth embodiment.
  • FIG. 20 is a configuration example of a two-level unit power converter 1 that converts DC power into DC power.
  • the DC side current sensor 6 is provided in the two-level unit power converter 1. Even in this case, the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • FIG. 21 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the fifth embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • the plurality of reactors 11 are provided on the DC positive side P and the DC negative side N of the plurality of unit power converters 1, respectively.
  • the plurality of reactors 11 are provided on the DC positive side P of the plurality of unit power converters 1.
  • the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • the reactor 11 may be provided at the DC neutral point M.
  • the circulating current can be detected with a small number of current sensors.
  • FIG. 22 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the sixth embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the second embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • each output side of the plurality of unit power converters 1 is connected to a single-phase multi-winding transformer.
  • Each of the plurality of unit power converters 1 is a unit power converter 1 for one phase.
  • the AC side current sensor 12 is provided on the output side of any one of the plurality of unit power converters 1.
  • the result of the suppression of the input side of the non-uniform amount .DELTA.i UIM1 uneven amount .DELTA.i VIM1, is inhibited with non-uniform weight .DELTA.i Ui and uneven amount .DELTA.i Vi of the output side .. Therefore, the AC side current sensor 12 can be integrated into one.
  • FIG. 23 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the seventh embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the sixth embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • each output side of the plurality of unit power converters 1 is connected to a three-phase multi-winding transformer.
  • the plurality of AC side current sensors 12 are provided on the output side of the unit power converter 1 corresponding to each of the two phases of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of AC side current sensors 12 are provided on the output side of the unit power converter 1 corresponding to each of the two phases of the plurality of unit power converters 1. .. Also in this case, the circulating current can be suppressed and the number of current sensors can be reduced.
  • the AC side current sensor calculates the circulating current between U1-U2-U3, the circulating current between V1-V2-V3, and the circulating current between W1-W2-W3.
  • Current sensors are provided in, for example, U1, U2, U3, V1, V2, and V3 for detection and suppression, or for failure detection.
  • the W phase is unnecessary because it can be calculated by Kirchhoff's current law.
  • current sensors 6 are installed between the neutral points of the unit power converter as in the present embodiment, the circulating current is suppressed by these sensors, or a failure is detected as in the second embodiment.
  • the sensors on the AC side can be omitted in two places, for example, U1 and V1.
  • the reason for leaving the U1 and V1 current sensors is to recognize the total value of the currents on the AC side. Under the condition that no circulating current is flowing, that is, there is no non-uniform amount in the current sensors 6 provided in each phase, the current values of U1, U2, and U3 are equal, and the current values of V1, V2, and V3 are equal. The current values of W1, W2, and W3 are equal.
  • the current values of all U1, U2, U3, V1, V2, V3, W1, W2, and W3 can be estimated. Thereby, the total value of the current on the AC side can be estimated.
  • FIG. 24 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the eighth embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the sixth embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • the plurality of reactors 13 are provided on the output side of the plurality of unit power converters 1, respectively.
  • the plurality of reactors 13 are provided on the output side of the plurality of unit power converters 1, respectively. Also in this case, the circulating current can be suppressed and the number of current sensors can be reduced.
  • the AC side current sensor detects and suppresses the circulating current between U1-U2-U3, or for failure detection, for example, U1, U2, U3. Is provided with a current sensor.
  • the V phase is unnecessary because it can be calculated by Kirchhoff's current law.
  • current sensors 6 are installed between the neutral points of the unit power converter as in the present embodiment, the circulating current is suppressed by these sensors, or a failure is detected as in the second embodiment. Since it is not necessary to use all the current values of U1, U2, and U3, there is an effect that the sensor on the AC side can be omitted in one place of U1, for example.
  • the reason for leaving the current sensor of U1 is to recognize the total value of the current on the AC side. Under the condition that no circulating current is flowing, that is, there is no non-uniform amount in the current sensors 6 provided in each phase, the current values of U1, U2, and U3 are equal, and the current values of V1, V2, and V3 are equal. .. By using this and Kirchhoff's current law, the current values of all U1, U2, U3, V1, V2, and V3 can be estimated. Thereby, the total value of the current on the AC side can be estimated.
  • FIG. 25 is a configuration diagram of the multiplex power conversion system according to the ninth embodiment.
  • the same or corresponding parts as those of the sixth embodiment are designated by the same reference numerals. The explanation of the relevant part is omitted.
  • the plurality of unit power converters 1 are divided into groups corresponding to different phases.
  • the DC neutral points M are connected to each other.
  • the DC neutral points M are not connected to each other.
  • a plurality of DC side current sensors 6 are provided on each of the DC positive side Ps of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to detect the current flowing through each of the DC positive side Ps of the plurality of unit power converters 1.
  • a plurality of DC side current sensors 6 may be provided on each of the DC negative sides N of the plurality of unit power converters 1.
  • the plurality of DC side current sensors 6 are provided so as to be able to detect the current flowing through each of the DC negative sides N of the plurality of unit power converters 1.
  • the DC neutral points M of each set are connected to each other in the unit power converter 1 of each set. In different sets of unit power converters 1, the DC neutral points M are not connected to each other.
  • the current sensor on the AC side detects and suppresses the circulating current between U1-U2-U3 and the circulating current between V1-V2-V3, or detects a failure. Therefore, for example, current sensors are provided in U1, U2, and U3. The V phase is unnecessary because it can be calculated by Kirchhoff's current law.
  • the current sensor 6 is installed on the DC side of the unit power converter as in the present embodiment, the circulating current is suppressed by these sensors, or the failure is detected as in the second embodiment, so that U1, U2, Since it is not necessary to use all the current values of U3, the sensor on the AC side can be omitted in one place of U1, for example.
  • the reason for leaving the current sensor of U1 is to recognize the total value of the current on the AC side. Under the condition that no circulating current is flowing, that is, there is no non-uniform amount in the current sensors 6 provided in each phase, the current values of U1, U2, and U3 are equal, and the current values of V1, V2, and V3 are equal. .. By using this and Kirchhoff's current law, the current values of all U1, U2, U3, V1, V2, and V3 can be estimated. Thereby, the total value of the current on the AC side can be estimated.
  • Failure detection can be performed faster by providing only U1 on the AC side and providing a current sensor on the DC side as in the embodiment, rather than providing current sensors on U1, U2, and U3 on the AC side. This is because the change in current when a failure occurs is steeper on the DC side than on the AC side.
  • each of the plurality of unit power converters 1 may be provided with a plurality of switches provided at at least two of the DC positive side P, the DC negative side N, and the DC neutral point M.
  • the plurality of switches may be disconnected in the failed unit power converter 1 based on the detected values of the plurality of DC side current sensors 6.
  • the operation of the multiplex power conversion system can be maintained, leaving the unit power converter 1 that has not failed. This is valid for all of the first to ninth embodiments.
  • the multiple power conversion system according to the present invention can be used in a system that detects a circulating current with a small number of current sensors.

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Abstract

少ない電流センサで循環電流を検出することができる多重電力変換システムを提供する。多重電力変換システムは、互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続される第１から第ｎのｎ台の複数の単位電力変換器、を備え、ｎは、２以上の整数であり、前記複数の単位電力変換器のうち（ｎ－１）台以上の直流正側のそれぞれまたは直流負側のそれぞれに流れる電流を検出する手段、を備えた。

Description

多重電力変換システム
　この発明は、多重電力変換システムに関する。
　特許文献１は、複数台の３レベル電力変換器を備える多重電力変換システムを開示する。当該多重電力変換システムによれば、直流平滑コンデンサの温度上昇の予防および直流母線の電位の安定性を図り得る。
日本特開平１１－０４６４８１号公報
　特許文献１に記載の多重電力変換システムにおいては、複数の電力変換器の間で循環電流が流れることがある。循環電流を検出する方法として、複数の電力変換器の交流側の各相に電流センサを設けることが考えられる。この場合、電流センサの数が多くなる。
　この発明は、上述の課題を解決するためになされた。この発明の目的は、少ない電流センサで循環電流を検出することができる多重電力変換システムを提供することである。
　この発明に係る多重電力変換システムは、互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続される第１から第ｎのｎ台の複数の単位電力変換器、を備え、ｎは、２以上の整数であり、前記複数の単位電力変換器のうち（ｎ－１）台以上の直流正側のそれぞれまたは直流負側のそれぞれに流れる電流を検出する手段、を備えた。
　これらの発明に係る多重電力変換システムは、互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続され、互いの直流中性点が接続された複数の単位電力変換器と、前記複数の単位電力変換器の直流中性点にそれぞれ流れる電流を検出する複数の電流センサと、を備えた。
　これらの発明によれば、循環電流は、直流側に設けられた電流センサの検出結果に基づいて検出される。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
実施の形態１における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの循環電流の抑制方法を説明するためのブロック図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器１の保護方法を説明するためのブロック図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の短絡故障のモードを示す図である。 実施の形態１における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。 実施の形態１における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。 実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。 実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。 実施の形態２における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態２における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。 実施の形態２における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。 実施の形態２における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。 実施の形態３における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態３における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。 実施の形態４における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。 実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。 実施の形態５における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態６における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態７における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態８における多重電力変換システムの構成図である。 実施の形態９における多重電力変換システムの構成図である。
　この発明を実施するための形態について添付の図面に従って説明する。なお、各図中、同一または相当する部分には同一の符号が付される。当該部分の重複説明は適宜に簡略化ないし省略する。
実施の形態１．
　図１は実施の形態１における多重電力変換システムの構成図である。
　図１に示されるように、多重電力変換システムは、複数の単位電力変換器１を備える。例えば、複数の単位電力変換器１の各々において、直流側は、図示されない直流電源に接続される。例えば、複数の単位電力変換器１の各々において、交流側は、交流負荷に接続される。
　複数の単位電力変換器１の各々は、スイッチング素子群２と正側直流コンデンサ３と負側直流コンデンサ４と複数のリアクトル５とを備える。
　スイッチング素子群２は、図示されない複数のスイッチング素子を備える。
　正側直流コンデンサ３は、単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流中性点Ｍとの間に接続される。負側直流コンデンサ４は、単位電力変換器１の直流負側Ｎと直流中性点Ｍとの間に接続される。
　図１においては、複数のリアクトル５のうちの一つだけが図示される。複数のリアクトル５の各々は、交流側の各相に直列に接続される。
　複数の単位電力変換器１において、互いの直流正側Ｐは、互いに接続される。互いの直流負側Ｎは、互いに接続される。互いの直流中性点Ｍは、互いに接続されない。
　例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに設けられることもある。この場合、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　例えば、制御装置７は、複数の単位電力変換器１の各々に対して同一のゲート信号を送信する。例えば、制御装置７は、複数の単位電力変換器１の各々に対して同一電圧指令値と異なるキャリア波とから生成されたゲート信号を送信する。
　制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１の各々に流れる電流の不均一量を演算する。
　例えば、制御装置７は、多重電力変換システムを構成するｎ台の単位電力変換器１の各々において、電流の不均一量を検出する。具体的には、例えば、制御装置７は、ｎ台のうち第ｉの単位電力変換器１に流れる電流をｉｉとして、次の（１）式を用いて各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量を演算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　制御装置７は、電流の不均一量の演算結果に基づいて複数の単位電力変換器１のスイッチング素子群２２の動作を制御する。
　次に、図２を用いて、単位電力変換器１の第１例を説明する。
　図２は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。
　図２は、自励式半導体素子とダイオードを用いた三相３レベルの単位電力変換器１の一構成例である。当該単位電力変換器１においては、直流端子間に正側直流コンデンサ３と負側直流コンデンサ４とが直列接続され、その中間点には、直流中性点が存在する。単位電力変換器１の内部の自励式半導体素子の各々のゲートにオン、オフ信号を与えることで、それらの信号に応じて直流正側Ｐ、直流中性点Ｍ、直流負側Ｎのいずれかの電位が各相の交流端子に出力される。
　次に、図３を用いて、単位電力変換器１の第２例を説明する。
　図３は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。
　図３は、自励式半導体素子とダイオードを用いた三相３レベルの単位電力変換器１の一構成例である。当該単位電力変換器１においても、図２の単位電力変換器１と同様に、単位電力変換器１の内部の自励式半導体素子の各々のゲートにオン、オフ信号を与えることで、それらの信号に応じて直流正側Ｐ、直流中性点Ｍ、直流負側Ｎのいずれかの電位が各相交流端子に出力される。
　ここでは、三相３レベルの単位電力変換器１の２つの構成が示されたが、単位電力変換器１の構成はこれら２つの構成に限定されない。また、ここでは例として三相の単位電力変換器１の例が示されたが、相数は三相に限定されず、何相でもよい。また、ここでは例として３レベルの単位電力変換器１の例が示されたが、レベル数は３に限定されず、３レベル以上の何レベルの単位電力変換器１でもよい。
　次に、図４を用いて、循環電流の抑制方法を説明する。
　図４は実施の形態１における多重電力変換システムの循環電流の抑制方法を説明するためのブロック図である。
　図４において、Ｇ（ｓ）は、ローパスフィルタおよびフィードバックゲインである。単位電力変換器１の交流側には、零相の循環電流（不均一量Δｉｉ０）を抑制する方向に零相電圧（不均一量Δｖｉ０）が出力される。
　制御装置７は、複数の単位電力変換器１について零相電圧の不均一量の目標値Δｖｉ０ ＊を演算する。制御装置７は、電流の不均一量ΔｉｉＰｊを検出して電圧ｖｉ０を操作することで電流の不均一量Δｉｉ０を制御する。
　次に、図５を用いて、単位電力変換器１の保護方法を説明する。
　図５は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器１の保護方法を説明するためのブロック図である。
　図５において、制御装置７は、各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量ΔｉｉＰｊを演算し、当該演算値が予め設定された閾値よりも大きいか否かを判定する。各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量ΔｉｉＰｊが予め設定された閾値よりも大きかった場合、制御装置７は、保護動作を行う。具体的には、制御装置７は、複数のスイッチング素子群２をオフにするゲートブロック信号GBを送信する。
　次に、図６と図７とを用いて、短絡故障の検出原理を説明する。
　図６は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。図７は実施の形態１における多重電力変換システムの単位電力変換器の短絡故障のモードを示す図である。
　図６と図７とに示されるように物理量が定義される場合、制御装置７は、直流側電流センサ６の検出値に基づいて短絡故障を検出する。図７は、短絡故障が発生した際の電流が流れる経路を示しており、短絡故障の箇所によってモードAからモードDの場合がある。
　図８と図９とは実施の形態１における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。
　添え字ｉが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器における物理量で、添え字ｊが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器以外における物理量である。短絡故障が発生した電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉｉＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉｉＮ１である。短絡故障が発生した電力変換器以外の電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉｊＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉｊＮ１である。
　モードＡの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（１）式または新（２）式のようになる。ここで、新（１）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（２）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。
　モードＢの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（３）式または新（４）式のようになる。ここで、新（３）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（４）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。
　モードＣの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（５）式または新（６）式のようになる。ここで、新（５）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（６）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。
　モードＤの短絡故障が発生した場合、短絡故障が発生した単位電力変換器ｉにおける不均一量の理論値は、新（７）式または新（８）式のようになる。ここで、新（７）式は直流側電流センサ６を直流正側Ｐに設けた場合の検出値の不均一量で、新（８）式は直流側電流センサ６を直流負側Ｎに設けた場合の検出値の不均一量である。
　したがって、新（１）式から（８）式の不均一量よりも大きさが小さい値を、不均一量と比較する閾値として設定することで、単位電力変換器の短絡故障を検出できる。
　なお、単位電力変換器の台数ｎが３以上の場合、短絡故障が発生した単位電力変換器（添え字ｉ）の値の方が、それ以外の単位電力変換器（添え字ｊ）の値よりも、大きさが大きくなるので、制御装置で検出した各単位電力変換器の不均一量を比較し、最も大きさが大きいものを、故障が発生した単位電力変換器であると特定することが出来る。（１－１／ｎ）＞１／ｎとなるためである。
　次に、図１０を用いて、制御装置７の動作の概要を説明する。
　図１０は実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置の動作の概要を説明するためのフローチャートである。
　ステップＳ１では、制御装置７は、各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量を演算し、当該演算値が予め設定された閾値よりも大きいか否かを判定する。
　ステップＳ１で各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量が予め設定された閾値よりも大きくなかった場合、制御装置７は、ステップＳ２の動作を行う。ステップＳ２では、制御装置７は、電圧指令値に基づいて、複数のスイッチング素子群２２に対するゲート信号を送信する。その後、制御装置７は、ステップＳ１の動作を行う。
　ステップＳ１で各々の単位電力変換器１に流れる電流の不均一量が予め設定された閾値よりも大きかった場合、制御装置７は、ステップＳ３の動作を行う。ステップＳ３では、制御装置７は、複数のスイッチング素子群２をオフにするゲート信号を送信する。その後、制御装置７は、動作を終了する。
　以上で説明した実施の形態１によれば、循環電流は、直流側電流センサ６の検出結果に基づいて検出される。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
　なお、単位電力変換器１の数よりも１つ少ない直流側電流センサ６の検出結果に基づいて循環電流を検出してもよい。この場合、より少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
　また、複数の単位電力変換器１は、直流側電流センサ６の検出結果に基づいて制御される。このため、少ない電流センサで循環電流を抑制することができる。
　また、制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１のゲート信号を送信し、循環電流の零相成分を抑制できる。重畳考慮した部品（主に交流リアクトル）定格の定格電流の余裕を小さめに取ることができ、余分なコストを抑えることができる。
　また、制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１の少なくとも一つのスイッチング素子をオフにする。このため、正側直流コンデンサ３または負側直流コンデンサ４の短絡故障、容量の異常減少、漏れ電流の異常増加の検出時において、正側直流コンデンサ３または負側直流コンデンサ４の過熱、破裂、液漏れを防ぐことができる。
　スイッチング素子の短絡故障が発生した場合の故障検出原理を説明したが、スイッチング素子の短絡故障に限らず、正側直流コンデンサまたは負側直流コンデンサの短絡故障、容量減少、漏れ電流増加、さらに交流リアクトルの層間短絡故障などによるインダクタンスの異常低下などの異常発生も検出できる。なぜならば、これら異常が発生した場合にも、直流側電流センサ６の検出値の不均一量がある程度の大きさを持つようになるので、その大きさよりも検出閾値を低く設定しておけば、異常と判定できるためである。
　なお、ある箇所の電流の検出値がしきい値を超えた場合に、スイッチング素子の短絡故障、直流コンデンサの短絡故障、スイッチング素子の開放故障（オン不良）、直流コンデンサの容量の異常低下、交流リアクトルの層間短絡などによるインダクタンスの異常低下のいずれかの異常が発生していると判定してもよい。例えば、日本特開２０１７－２２８１６号公報に記載された方法と同様の方法により異常判定を行ってもよい。
　また、複数の単位電力変換器１の各々において、直流正側と直流負側とのうちの少なくとも一方にスイッチを設けてもよい。この際、複数の電流センサの検出値に基づいて、故障した単位電力変換器１においてスイッチを切り離し、健全な単位電力変換器１のみで、運転をしてもよい。
　次に、図１１を用いて、制御装置７の例を説明する。
　図１１は実施の形態１における多重電力変換システムの制御装置のハードウェア構成図である。
　制御装置７の各機能は、処理回路により実現し得る。例えば、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ８ａと少なくとも１つのメモリ８ｂとを備える。例えば、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア９を備える。
　処理回路が少なくとも１つのプロセッサ８ａと少なくとも１つのメモリ８ｂとを備える場合、制御装置７の各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、またはソフトウェアとファームウェアとの組み合わせで実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、少なくとも１つのメモリ８ｂに格納される。少なくとも１つのプロセッサ８ａは、少なくとも１つのメモリ８ｂに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、制御装置７の各機能を実現する。少なくとも１つのプロセッサ８ａは、中央処理装置、処理装置、演算装置、マイクロプロセッサ、マイクロコンピュータ、ＤＳＰともいう。例えば、少なくとも１つのメモリ８ｂは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、フラッシュメモリ、ＥＰＲＯＭ、ＥＥＰＲＯＭ等の、不揮発性または揮発性の半導体メモリ、磁気ディスク、フレキシブルディスク、光ディスク、コンパクトディスク、ミニディスク、ＤＶＤ等である。
　処理回路が少なくとも１つの専用のハードウェア９を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、並列プログラム化したプロセッサ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ、またはこれらの組み合わせで実現される。例えば、制御装置７の各機能は、それぞれ処理回路で実現される。例えば、制御装置７の各機能は、まとめて処理回路で実現される。
　制御装置７の各機能について、一部を専用のハードウェア９で実現し、他部をソフトウェアまたはファームウェアで実現してもよい。例えば、ゲート信号を送信する機能については専用のハードウェア９としての処理回路で実現し、ゲート信号を送信する機能以外の機能については少なくとも１つのプロセッサ８ａが少なくとも１つのメモリ８ｂに格納されたプログラムを読み出して実行することにより実現してもよい。
　このように、処理回路は、ハードウェア９、ソフトウェア、ファームウェア、またはこれらの組み合わせで制御装置７の各機能を実現する。
実施の形態２．
　図１２は実施の形態２における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態１の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態１の複数の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、互いに接続されない。これに対し、実施の形態２の複数の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、互いに接続される。
　例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１のうちのひとつを除いた単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに設けられることもある。この場合、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１のうちのひとつを除いた単位電力変換器１の直流中性点Ｍのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　直流側統合電流センサ１０は、直流正側Ｐに設けられる。直流側統合電流センサ１０は、直流正側Ｐに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　制御装置７は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて複数の単位電力変換器１の各々に流れる電流の不均一量を演算する。
　制御装置７は、電流の不均一量の演算結果に基づいて複数の単位電力変換器１のスイッチング素子群２の動作を制御する。
　次に、図１３を用いて、短絡故障の検出原理を説明する。
　図１３は実施の形態２における多重電力変換システムの単位電力変換器の要部の構成図である。
　図１３に示されるように物理量が定義される場合、制御装置７は、直流側電流センサ６と直流側統合電流センサ１０との検出値に基づいて短絡故障を検出する。
　図１４と図１５とは実施の形態２における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。
　添え字ｉが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器における物理量で、添え字ｊが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器以外における物理量である。短絡故障が発生した電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉｉＰ１、直流Ｍ側の電流不均一量はΔｉｉＭ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉｉＮ１である。短絡故障が発生した電力変換器以外の電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉｊＰ１、直流Ｍ側の電流不均一量はΔｉｊＭ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉｊＮ１である。
　図１４と図１５とに示したΔｉｉＰ１またはΔｉｉＮ１またはΔｉｉＭ１よりも大きさが小さい値を、不均一量と比較する閾値として設定することで、単位電力変換器の短絡故障を検出できる。
　なお、単位電力変換器の台数nが3以上の場合、短絡故障が発生した単位電力変換器（添え字ｉ）の値の方が、それ以外の単位電力変換器（添え字ｊ）の値よりも、大きさが大きくなるので、制御装置で検出した各単位電力変換器の不均一量を比較し、最も大きさが大きいものを、故障が発生した単位電力変換器であると特定することが出来る。（１－１／ｎ）＞１／ｎとなるためである。
　以上で説明した実施の形態２によれば、循環電流は、直流側電流センサ６と直流側統合電流センサ１０との検出結果に基づいて検出される。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
　また、複数の単位電力変換器１は、直流側電流センサ６と直流側統合電流センサ１０との検出結果に基づいて制御される。このため、少ない電流センサで循環電流を抑制することができる。
　また、直流側電流センサ６は、直流中性点Ｍに流れる電流を検出する。当該電流は、直流正側Ｐと直流負側Ｎとに流れる電流と比較して小さい。このため、直流側電流センサ６の定格を小さくすることができる。この場合、導体を細くてもよい。このため、直流側電流センサ６を設けることが容易となる。その結果、直流側電流センサ６の実装の自由度を高くすることができる。
　複数の直流側電流センサ６を直流中性点Mの部分に設けた場合について述べたが、図１４と図１５とから分かるように、直流中性点Ｍの部分ではなく、複数の直流電流センサ６を直流Ｐ側と、複数の直流電流センサ６´を直流Ｎ側にそれぞれ設けることでも、Ｐ側とＮ側のそれぞれで不均一量ΔｉｉＰ１、ΔｉｉＮ１を演算し、しきい値と比較することで、短絡故障を検出できる。
実施の形態３．
　図１６は実施の形態３における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態３において、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１にそれぞれ設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流負側Ｎとにそれぞれ流れる電流の差分を一括で検出し得るように設けられる。
　図１７は実施の形態３における多重電力変換システムでの短絡発生時の不均一量の理論値を示す図である。
　添え字ｉが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器における物理量で、添え字ｊが付いた物理量は短絡故障が発生した単位電力変換器以外における物理量である。短絡故障が発生した電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉｉＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉｉＮ１である。短絡故障が発生した電力変換器以外の電力変換器において、直流Ｐ側の電流不均一量はΔｉｊＰ１、直流Ｎ側の電流不均一量はΔｉｊＮ１である。
　図１７に示したΔｉｉＰ１またはΔｉｉＮ１よりも大きさが小さい値を、不均一量と比較する閾値として設定することで、単位電力変換器の短絡故障を検出できる。
　なお、単位電力変換器の台数ｎが３以上の場合、短絡故障が発生した単位電力変換器（添え字ｉ）の値の方が、それ以外の単位電力変換器（添え字ｊ）の値よりも、大きさが大きくなるので、制御装置で検出した各単位電力変換器の不均一量を比較し、最も大きさが大きいものを、故障が発生した単位電力変換器であると特定することが出来る。（１－１／ｎ）＞１／ｎとなるためである。
　以上で説明した実施の形態３によれば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流負側Ｎとにそれぞれ流れる電流の差分を一括で検出する。このため、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
　また、制御装置は、複数の直流側電流センサ６の検出結果に基づいて、モードＡからモードＤの全ての短絡故障を検出することができる。
実施の形態４．
　図１８は実施の形態４における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態４の単位電力変換器１は、２レベルの電力変換器である。
　次に、図１９を用いて、単位電力変換器１の第１例を説明する。
　図１９は実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第１例の構成図である。
　図１９は、直流電力を交流電力に変換する２レベルの単位電力変換器１の一構成例である。
　次に、図２０を用いて、単位電力変換器１の第２例を説明する。
　図２０は実施の形態４における多重電力変換システムの単位電力変換器の第２例の構成図である。
　図２０は、直流電力を直流電力に変換する２レベルの単位電力変換器１の一構成例である。
　以上で説明した実施の形態４によれば、直流側電流センサ６は、２レベルの単位電力変換器１に設けられる。この場合でも、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
実施の形態５．
　図２１は実施の形態５における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態５においては、複数のリアクトル１１は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐと直流負側Ｎとにそれぞれ設けられる。
　以上で説明した実施の形態５によれば、複数のリアクトル１１は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐに設けられる。この場合も、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
　なお、直流中性点Ｍにリアクトル１１を設けてもよい。この場合も、少ない電流センサで循環電流を検出することができる。
実施の形態６．
　図２２は実施の形態６における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態２の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態６において、複数の単位電力変換器１の各々の出力側は、単相の多重巻線トランスに接続される。複数の単位電力変換器１の各々は、１相分の単位電力変換器１である。
　交流側電流センサ１２は、複数の単位電力変換器１のうちのいずれか１つの出力の側に設けられる。
　以上で説明した実施の形態６によれば、入力側の不均一量ΔｉＵｉＭ１と不均一量ΔｉＶｉＭ１との抑制の結果、出力側の不均一量ΔｉＵｉと不均一量ΔｉＶｉとも抑制される。このため、交流側電流センサ１２を１つにすることができる。
実施の形態７．
　図２３は実施の形態７における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態６の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態７において、複数の単位電力変換器１の各々の出力側は、三相の多重巻線トランスに接続される。
　複数の交流側電流センサ１２は、複数の単位電力変換器１のうちの２つの相にそれぞれ対応した単位電力変換器１の出力の側に設けられる。
　以上で説明した実施の形態７によれば、複数の交流側電流センサ１２は、複数の単位電力変換器１のうちの２つの相にそれぞれ対応した単位電力変換器１の出力の側に設けられる。この場合も、循環電流を抑制することができ、電流センサの個数を少なくすることが出来る。
　普通、図２３のような主回路構成の場合、交流側の電流センサは、Ｕ１－Ｕ２－Ｕ３間の循環電流、Ｖ１－Ｖ２－Ｖ３間の循環電流、Ｗ１－Ｗ２－Ｗ３間の循環電流を検出して抑制するため、または故障検出のために、例えばＵ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３に電流センサを設ける。W相はキルヒホッフの電流則で演算できるので不要である。これが、本実施形態のように、単位電力変換器の中性点間のそれぞれに電流センサ６を設置すると、これらセンサによって循環電流を抑制、または実施の形態２のように故障検出することで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３すべての電流値を用いる必要がなくなるので、交流側のセンサを例えばＵ１、Ｖ１の２ヶ所に省略できる。Ｕ１、Ｖ１の電流センサを残す理由は、交流側の電流の合計値を認識するためである。循環電流が流れていない、すなわち各相に設けられた電流センサ６に不均一量が存在しない条件においては、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の電流値は等しく、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電流値は等しく、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３の電流値は等しくなる。このことと、キルヒホッフの電流則を用いることで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３すべての電流値を推定することができる。それにより、交流側の電流の合計値を推定することができる。
実施の形態８．
　図２４は実施の形態８における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態６の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態８において、複数のリアクトル１３は、複数の単位電力変換器１の出力の側にそれぞれ設けられる。
　以上で説明した実施の形態８によれば、複数のリアクトル１３は、複数の単位電力変換器１の出力の側にそれぞれ設けられる。この場合も、循環電流を抑制することができ、電流センサの個数を少なくすることが出来る。
　普通、図２４のような主回路構成の場合、交流側の電流センサは、Ｕ１－Ｕ２－Ｕ３間の循環電流を検出して抑制するため、または故障検出のために、例えばＵ１、Ｕ２、Ｕ３に電流センサを設ける。Ｖ相はキルヒホッフの電流則で演算できるので不要である。これが、本実施形態のように、単位電力変換器の中性点間のそれぞれに電流センサ６を設置すると、これらセンサによって循環電流を抑制、または実施の形態２のように故障検出することで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３すべての電流値を用いる必要がなくなるので、交流側のセンサを例えばＵ１の１ヶ所に省略できるという効果がある。Ｕ１の電流センサを残す理由は、交流側の電流の合計値を認識するためである。循環電流が流れていない、すなわち各相に設けられた電流センサ６に不均一量が存在しない条件においては、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の電流値は等しく、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電流値は等しくなる。このことと、キルヒホッフの電流則を用いることで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３すべての電流値を推定することができる。それにより、交流側の電流の合計値を推定することができる。
実施の形態９．
　図２５は実施の形態９における多重電力変換システムの構成図である。なお、実施の形態６の部分と同一又は相当部分には同一符号が付される。当該部分の説明は省略される。
　実施の形態９において、複数の単位電力変換器１は、互いに異なる相に対応した組に分けられる。各組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続される。異なる組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続されない。
　この場合、例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに設けられる。複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流正側Ｐのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　例えば、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに設けられることもある。この場合、複数の直流側電流センサ６は、複数の単位電力変換器１の直流負側Ｎのそれぞれに流れる電流を検出し得るように設けられる。
　以上で説明した実施の形態９によれば、各組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続される。異なる組の単位電力変換器１において、互いの直流中性点Ｍは、接続されない。
　普通、図２５のような主回路構成の場合、交流側の電流センサは、Ｕ１－Ｕ２－Ｕ３間の循環電流、Ｖ１－Ｖ２－Ｖ３間の循環電流を検出して抑制するため、または故障検出のために、例えばＵ１、Ｕ２、Ｕ３に電流センサを設ける。Ｖ相はキルヒホッフの電流則で演算できるので不要である。これが、本実施形態のように、単位電力変換器の直流側に電流センサ６を設置すると、これらセンサによって循環電流を抑制、または実施の形態２のように故障検出することで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３すべての電流値を用いる必要がなくなるので、交流側のセンサを例えばＵ１の１ヶ所に省略できる。Ｕ１の電流センサを残す理由は、交流側の電流の合計値を認識するためである。循環電流が流れていない、すなわち各相に設けられた電流センサ６に不均一量が存在しない条件においては、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３の電流値は等しく、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の電流値は等しくなる。このことと、キルヒホッフの電流則を用いることで、Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３すべての電流値を推定することができる。それにより、交流側の電流の合計値を推定することができる。
　交流側のＵ１、Ｕ２、Ｕ３に電流センサを設けるよりも、交流側はＵ１のみにして、実施形態のように直流側に電流センサを設けた方が、故障検出が高速に行える。交流側よりも直流側の方が、故障発生時の電流の変化が急峻であるためである。
　なお、複数の単位電力変換器１の各々において、直流正側Ｐと直流負側Ｎと直流中性点Ｍとのうちの少なくとも２つに設けられた複数のスイッチを設けてもよい。この場合、複数の直流側電流センサ６の検出値に基づいて、故障した単位電力変換器１において複数のスイッチを切り離せばよい。その結果、故障していない単位電力変換器１を残して多重電力変換システムの運転を維持することができる。このことは、実施の形態１から実施の形態９すべてに対して有効である。
　以上のように、この発明に係る多重電力変換システムは、少ない電流センサで循環電流を検出するシステムに利用できる。
　１　単位電力変換器、　２　スイッチング素子群、　３　正側直流コンデンサ、　４　負側直流コンデンサ、　５　リアクトル、　６　直流側電流センサ、　７　制御装置、　８ａ　プロセッサ、　８ｂ　メモリ、　９　ハードウェア、　１０　直流側統合電流センサ、　１１　リアクトル、　１２　交流側電流センサ、　１３　リアクトル

Claims (9)

  1. 　互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続される第１から第ｎのｎ台の複数の単位電力変換器、
    を備え、
    　ｎは、２以上の整数であり、
    　前記複数の単位電力変換器のうち（ｎ－１）台以上の直流正側のそれぞれまたは直流負側のそれぞれに流れる電流を検出する手段、
    を備えた多重電力変換システム。
  2. 　前記複数の電流センサの検出結果に基づいて保護動作を行う制御装置、
    を備えた請求項１に記載の多重電力変換システム。
  3. 　前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出結果に基づいて前記複数の単位電力変換器の少なくとも1台の電力変換器が有する少なくとも1相分のスイッチング素子をオフにする請求項２に記載の多重電力変換システム。
  4. 　前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出結果に基づいて前記第１から第ｎのｎ台の複数の単位電力変換器の少なくとも１台の電力変換器が有するスイッチング素子群をすべてオフにする請求項２または請求項３に記載の多重電力変換システム。
  5. 　前記複数の単位電力変換器の各々において、直流正側と直流負側とのうちの少なくとも一方に設けられた複数のスイッチ、
    を備え、
    　前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出値に基づいて、故障した単位電力変換器において前記複数のスイッチを切り離す請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の多重電力変換システム。
  6. 　互いの直流正側が接続され、互いの直流負側が接続され、互いの直流中性点が接続された複数の単位電力変換器と、
    　前記複数の単位電力変換器の直流中性点にそれぞれ流れる電流を検出する複数の電流センサと、
    を備えた多重電力変換システム。
  7. 　前記複数の電流センサの検出結果に基づいて前記複数の単位電力変換器の保護動作を行う制御装置、
    を備えた請求項６に記載の多重電力変換システム。
  8. 　前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出結果に基づいて前記複数の単位電力変換器の少なくとも１台の電力変換器が有する少なくとも１相分のスイッチング素子をオフにする請求項７に記載の多重電力変換システム。
  9. 　前記複数の単位電力変換器の各々において、直流正側と直流負側と直流中性点とのうちの少なくとも２つに設けられた複数のスイッチ、
    を備え、
    　前記制御装置は、前記複数の電流センサの検出値に基づいて、故障した単位電力変換器において前記複数のスイッチを切り離す請求項７または請求項８に記載の多重電力変換システム。
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