JP2010239723A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、交流電力をいったん直流電力に変換し、一方の交流系統から他方の交流系統へ送電する電力変換器、または直流送電システムにおいて、直流コンデンサ（エネルギー蓄積素子）から直流ラインへの放電する過電流を防止する機能を備えることを目的とするものである。
【解決手段】本発明は、交流系統の交流電力を直流電力に変換する電力変換装置において、直流ラインと電力変換装置のエネルギー蓄積素子とを電気的に絶縁する機能を有する電力変換装置によって該電力変換装置の直流ラインに流れる電流を制御する機能を備えたことを特徴とするものである。
【効果】本発明の電力変換装置、および直流送電システムによれば、直流ラインが短絡した時に、電力変換装置のエネルギー蓄積素子の電荷を放電せず、直流ラインに過大な電流が流れることを抑制できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電力変換装置、およびその電力変換装置を用いる直流送電システムに関する。

非特許文献１は、図８に示す直流送電システムの１ラインで模式図を開示している。

図８の直流送電システムは、三相交流電力系統１００，１７０と、直流送電システム８００を交流系統１００，１７０と切り離すために設置される遮断器１２４，交流電圧を変圧する変換用変圧器８０５，複数個の半導体スイッチングデバイスを用いた三相フルブリッジ電力変換装置８０１，前記三相フルブリッジ電力変換装置８０１と並列に接続されるコンデンサ８０２，８０３を有し、コンデンサ８０２，８０３が接続される中性点８０６はアースされている。そして、直流送電ケーブル８０７と、前記電力変換装置８０１と前記直流送電ケーブル８０７と直列に接続される直流リアクトル８０４を備えている。

そして、通常、直流送電システムは、一方の三相交流電力系統から他方の三相交流電力系統へ送電をしている。

L Ronstrom・M L Hoffstein・R Pajo・M Lahtinen著：「The Estlink HVDC Light Transmission System」，SECURITY AND RELIABILITY OF ELECTRIC POWER SYSTEMS，CIGRE Regional Meeting，June 18-20，2007，Tallinn，Estonia，21，rue d'Artois，F-75008 PARIS

図８に示す直流送電システムにおいて、直流送電システム８００を構成する両側の三相フルブリッジ電力変換装置８０１の各直流出力端子間を結ぶ直流区間（以後直流ラインと称す）での短絡、例えば、直流リアクトル８０４と直流送電ケーブル８０７の接続点９０１が短絡した場合について、図９を用いて説明する。

接続点９０１が短絡すると、直流コンデンサ８０２，８０３の電荷が放電されてしまうほか、直流送電ケーブル８０７に過渡的に過大の電流が流れ、直流送電ケーブル８０７が焼損する可能性がある。放電経路は、コンデンサ８０２−直流リアクトル８０４−接続点９０１−直流リアクトル８０４−コンデンサ８０３の経路および、コンデンサ８０２−直流リアクトル８０４−直流送電ケーブル８０７−接続点９０１−直流送電ケーブル８０７−直流リアクトル８０４−コンデンサ８０３である。

放電電流は、直流リアクトル８０４により抑制されるが、抑制効果を高めようとすると、直流リアクトルのインダクタンスを大きくする必要があり、寸法・重量が大きくなる。

本発明は、交流電力をいったん直流電力に変換し、一方の交流系統から他方の交流系統へ送電する直流送電システムにおいて、直流コンデンサ（エネルギー蓄積素子）から直流ラインへの放電する際の過電流を防止する機能を備えた電力変換装置、および直流送電システムを提供するものである。

上記課題を達成するために、本発明は交流系統の交流電力を直流電力に変換する機能を備えた電力変換装置において、前記直流電力が流れる直流区間が短絡した時に、該直流区間と前記電力変換装置のエネルギー蓄積素子の直流電圧を電気的に絶縁して、前記直流区間に流れる電流を制御する手段を備えたことを特徴とするものである。

また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とするような巻線構造または手段を備え、かつ、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、前記二次巻線の第１〜第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４〜第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを電力変換装置の直流出力端子とし、前記変換器アームは、単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を有し、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御する機能を備えたことを特徴とするものである。

また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とする手段を備え、かつ、前記変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１〜第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを構成し、第４〜第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを構成し、該第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と該第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを該電力変換装置の直流出力端子として、電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴としたものである。

更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの間、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流を、該電力変換装置を構成するスイッチング素子の飽和電流よりも小さくなるように、変圧器の漏れインピーダンスを設定したことを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の直流区間が短絡した場合、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの短時間の間に、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流によって、該電力変換装置を構成するスイッチング素子のジャンクション温度があらかじめ設定した設定値よりも小さくなるように該スイッチング素子の冷却系を構成したことを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、第一の変換器グループと第二の変換器グループの和を、三相交流電力系統の電圧と逆位相の電圧に大略等しくする機能を備えたこと特徴とするものである。

また、上記課題を達成するために、本発明は交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、該電力変換装置の変換器アームは単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴としたものである。

また、上記課題を達成するために、本発明は交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、該電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、該直流区間に流れる電流を制御することを特徴としたものである。

更に、本発明の電力変換装置は、三相交流電力系統に接続されることを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出することを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、電力変換装置の直流区間に電流検出器を有し、該直流区間の短絡を、該電流検出器によって検出された電流値が設定された閾値を超過したことにより判定する機能を備えたことを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出する機能をもち、且つ、該電力変換器の変換器アームの電流状態を検出する電流検出器を備え、該直流区間の短絡を、該各変換器アームの電流の三相和が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の交流出力端子の短絡を変圧器一次側または二次側に設置された電流検出器によって検出された電流が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とするものである。

更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の交流出力端子の短絡を、該電力変換装置の正側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器と、該電力変換装置の負側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器によって検出された電流の差電流値が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とするものである。

本発明の電力変換装置、および直流送電システムによれば、直流ラインが短絡した時に、電力変換装置のエネルギー蓄積素子の電荷を放電せず、直流送電ケーブルに過大な電流は流れない。

本発明の第１の実施形態を示す回路図。 本発明の第１の実施形態における変圧器。 単位チョッパセル。 本発明の第２の実施形態を示す回路図。 単位フルブリッジセル。 本発明の第３の実施形態を示す回路図。 本発明の第４の実施形態を示す回路図。 非特許文献１に示される直流送電システムの概略図。 非特許文献１に示される直流送電システムで地絡が起きたときの回路図。 本発明の実施例の冷却構成図。 本発明の冷却構成の熱回路を示した等価的な電気回路。

以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。

本発明を実施する第１の形態について説明する。

図１は、本発明の電力変換装置を用いた直流送電システムの回路図である。

まず、本発明の直流送電システムの構成について説明する。該直流送電システムは、三相交流電力系統１００および１７０と、該三相交流電力系統１００，１７０それぞれに連系している各２台の電力変換装置１０１と該三相交流電力系統１００，１７０それぞれに連系している各２台の電力変換装置１０１の２つの直流出力端子の片方には直流送電ケーブル１５０が接続され、他方の直流出力端子はそれぞれ接地している。

本発明の直流送電システムは該三相交流電力系統１０１および１７０からの交流電力を各三相交流電力系統に連系している各２台の電力変換装置１０１により直流電力に変換し、直流送電ケーブル１５０によって一方向または双方向に電力を送電する。

次に、電力変換装置１０１の構成について説明する。該電力変換装置１０１は、変圧器１０５と正側変換器グループ１１２，負側変換器グループ１１６とから構成される。

本明細書では、三相交流電力系統１００の各相をＲ相，Ｓ相，Ｔ相と呼ぶことにする。さらに、三相交流電力系統１００の各相に流れる電流を系統電流と呼び、ＩＲ，ＩＳ，ＩＴと表記することにする。

次に、図１と図２を用いて、変圧器１０５の構成について説明する。

該変圧器１０５は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相正側端子１０６，ｖ相正側端子１０７，ｗ相正側端子１０８，ｕ相負側端子１０９，ｖ相負側端子１１０，ｗ相負側端子１１１、の合計９端子を備えている。

図２は、変圧器１０５の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１０５は、鉄心１３１〜１３３を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線２０１はデルタ結線されており、Ｒ相−Ｓ相間，Ｓ相−Ｔ相間，Ｔ相−Ｒ相間の各巻線２０２〜２０４はそれぞれ鉄心１３１〜１３３に巻回されている。巻線２０２〜２０４の巻数は大略等しい。

ｕ相正側巻線１３４とｕ相負側巻線１３７は電気的に直列接続されている。ｕ相正側巻線１３４は鉄心１３１に巻回されており、ｕ相負側巻線１３７は鉄心１３３に巻回されている。なお、ｕ相正側巻線１３４が鉄心１３１に生じる起磁力と、ｕ相負側巻線１３７が鉄心１３３に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

ｖ相正側巻線１３５とｖ相負側巻線１３８は電気的に直列接続されている。ｖ相正側巻線１３５は鉄心１３２に巻回されており、ｖ相負側巻線１３８は鉄心１３１に巻回されている。なお、ｖ相正側巻線１３５が鉄心１３２に生じる起磁力と、ｖ相負側巻線１３８が鉄心１３１に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

ｗ相正側巻線１３６とｗ相負側巻線１３９は電気的に直列接続されている。ｗ相正側巻線１３６は鉄心１３３に巻回されており、ｗ相負側巻線１３９は鉄心１３２に巻回されている。なお、ｗ相正側巻線１３６が鉄心１３３に生じる起磁力と、ｗ相負側巻線１３９が鉄心１３２に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

本明細書では、ｕ相正側巻線１３４とｕ相負側巻線１３７を総称してｕ相巻線と呼ぶことにする。また、ｖ相正側巻線１３５とｖ相負側巻線１３８を総称してｖ相巻線と呼ぶことにする。同様に、ｗ相正側巻線１３６とｗ相負側巻線１３９を総称してｗ相巻線と呼ぶことにする。

本明細書では、ｕ相正側巻線１３４の両端電圧をＶｕＨ、ｖ相正側巻線１３５の両端電圧をＶｖＨ、ｗ相正側巻線１３６の両端電圧をＶｗＨ、ｕ相負側巻線１３７の両端電圧をＶｕＬ、ｖ相負側巻線１３８の両端電圧をＶｖＬ、ｗ相負側巻線１３９の両端電圧をＶｗＬと表記することにする。

また、ＶｕＨとＶｕＬの和をｕ相電圧Ｖｕ、ＶｖＨとＶｖＬの和をｖ相電圧Ｖｖ、ＶｗＨとＶｗＬの和をｗ相電圧Ｖｗと呼ぶことにする。

また、電力変換装置１０１の正側直流出力端子１２１と負側直流出力端子１２２の間に印加される電圧をＶＤ、正側直流出力端子１２１に流れる電流をＩＤと表記することにする。

次に、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の構成について説明する。

該正側変換器グループ１１２は、ｕ相正側変換器アーム１１３，ｖ相正側変換器アーム１１４，ｗ相正側変換器アーム１１５とからなる。また、該負側変換器グループ１１６は、ｕ相負側変換器アーム１１７，ｖ相負側変換器アーム１１８，ｗ相負側変換器アーム１１９からなる。

各変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９は、ａ端子とｂ端子とを備えている。本明細書では、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。また、各変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９は、図３に示す単位チョッパセルを１台または複数台カスケード接続した回路である。

ｕ相正側変換器アーム１１３のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｕ相正側端子１０６に接続する。また、本明細書ではｕ相正側変換器アーム１１３のアーム電圧をＶａｒｍｕＨと表記することにする。

ｖ相正側変換器アーム１１４のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｖ相正側端子１０７に接続する。また、本明細書はｖ相正側変換器アーム１１４のアーム電圧をＶａｒｍｖＨと表記することにする。

ｗ相正側変換器アーム１１５のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｗ相正側端子１０８に接続する。また、本明細書ではｗ相正側変換器アーム１１５のアーム電圧をＶａｒｍｗＨと表記することにする。

ｕ相負側変換器アーム１１７のａ端子を変圧器１０５のｕ相負側端子１０９に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本明細書ではｕ相負側変換器アーム１１７のアーム電圧をＶａｒｍｕＬと表記することにする。

ｖ相負側変換器アーム１１８のａ端子を変圧器１０５のｖ相負側端子１１０に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本明細書ではｖ相負側変換器アーム１１８のアーム電圧をＶａｒｍｖＬと表記することにする。

ｖ相負側変換器アーム１１９のａ端子を変圧器１０５のｗ相負側端子１１１に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本明細書ではｗ相負側変換器アーム１１９のアーム電圧をＶａｒｍｗＬと表記することにする。

実施例１では、ＶａｒｍｕＨとＶａｒｍｕＬの和をｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。また、ＶａｒｍｖＨとＶａｒｍｖＬの和をｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。同様に、ＶａｒｍｗＨとＶａｒｍｗＬの和をｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。

また、実施例１では、ｕ相正側変換器アーム１１３とｕ相負側変換器アーム１１７を流れる電流をｕ相アーム電流Ｉｕ、ｖ相正側変換器アーム１１４とｖ相負側変換器アーム１１８を流れる電流をｖ相アーム電流Ｉｖ、ｗ相正側変換器アーム１１５とｗ相負側変換器アーム１１９を流れる電流をｗ相アーム電流Ｉｗと表記することにする。

次に、図３を用いて、単位チョッパセル１２０の構成について説明する。

図３に示す単位チョッパセルは、ハイサイド・スイッチング素子３０３，ローサイド・スイッチング素子３０４，エネルギー蓄積素子３０５で構成されている。スイッチング素子３０３，３０４は、ＩＧＢＴに代表される半導体スイッチング素子である。また、エネルギー蓄積素子３０５は、コンデンサや蓄電池などである。本明細書では、ｙ端子３０２を基準としたｘ端子３０１までの電圧を、単位チョッパセルのセル電圧Ｖｃｅｌｌと表記することにする。

次に、電力変換装置１０１の動作を、以下の２ケースについて説明する。
（１）三相交流電力系統１００から有効電力を受電し、直流送電ケーブル１５０に直流電力を供給する場合
（２）直流送電ケーブル１５０から直流電力を受電し、三相交流電力系統１００に有効電力を供給する場合

以下、電力変換装置１０１が三相交流電力系統１００から有効電力を受電し、直流送電ケーブル１５０に直流電力を供給する場合の動作について説明する。

本明細書では、三相交流電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲを変圧器二次側に換算した電圧をａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲと表記することにする。ここで、ａは変圧器一次巻線に対する二次巻線の巻数比である。

ここで、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗと、正側直流出力端子１２１と負側直流出力端子１２２の間に印加される電圧ＶＤの関係を説明する。

Ｖｕ，Ｖａｒｍｕ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

〔数１〕
Ｖｕ＝ＶＤ−Ｖａｒｍｕ
Ｖｖ，Ｖａｒｍｖ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

〔数２〕
Ｖｖ＝ＶＤ−Ｖａｒｍｖ
Ｖｗ，Ｖａｒｍｗ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

〔数３〕
Ｖｗ＝ＶＤ−Ｖａｒｍｗ

以上、数１〜３より、ｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕ，ｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｖ，ｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｗを制御することによって、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御できる。

Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに遅らせると、三相交流電力系統１００から電力変換装置１０１に有効電力を流入させることができる。

次に、アーム電圧は単位チョッパセル１２０を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。

ハイサイド・スイッチング素子３０３がオン、ローサイド・スイッチング素子３０４がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌは直流コンデンサ３０５の電圧ＶＣに大略等しい。

ハイサイド・スイッチング素子３０３がオフ、ローサイド・スイッチング素子３０４がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

ハイサイド・スイッチング素子３０３、ローサイド・スイッチング素子３０４が共にオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０５の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは零に大略等しい。

次に、直流送電ケーブル１５０に電力を供給する方法について説明する。

直流送電ケーブル１５０を流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、直流送電ケーブル１５０に電力を伝送できない。

この場合、三相交流電力系統１００から電力変換装置１０１に流入した有効電力は、各単位変換器１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）に蓄積される。

直流送電ケーブルに電力を供給するためには、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。

なお、三相交流電力系統１００から電力変換装置１０１に流入する有効電力と、直流送電ケーブル１５０に送電する有効電力が等しい場合、各単位チョッパセル１２０に流入出するエネルギーは、三相交流電力系統の１周期平均でほぼ零となる。

また、電流ＩＤとして、直流電流、交流電流または両者の重畳した電流を流すこともできる。

以下、電力変換装置１０１が直流送電ケーブル１５０から有効電力を受電し、三相交流電力系統１００に有効電力を供給する場合の動作について説明する。

Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに進ませると、電力変換装置１０１から三相交流電力系統１００に有効電力を供給できる。

次に、直流送電ケーブル１５０から電力を受電する方法について説明する。

直流送電ケーブルから流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、直流送電ケーブル１５０から電力が供給できない。

この場合、電力変換装置１０１から三相交流電力系統１００に流出する有効電力は、各単位チョッパセル１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）から供給される。

直流送電ケーブル１２４から電力変換装置１００に電力を流入させるために、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。

なお、電力変換装置１０１から三相交流電力系統１００に流出する有効電力と、直流送電ケーブル１５０から電力変換装置に流入する有効電力が等しい場合、各単位チョッパセル１２０に流入出するエネルギーは、三相交流電力系統の１周期平均でほぼ零となる。

本明細書では、直流送電ケーブル１５０を含む、三相交流電力系統１００および１７０に連系している各２台の電力変換装置１０１の正側直流出力端子１２１，負側直流出力端子１２２との間を直流ラインと呼ぶこととする。

また、本明細書では、各相の交流出力端子１０２〜１０４を含む変圧器１０５と三相交流電力系統１００，１７０との間を交流ラインと称す。

次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置１０１の動作が異なることを説明する。

交流ラインが短絡した時に、電力変換装置１０１が交流ラインに電圧を出力していると短絡電流が流れる。前記短絡電流を防止するため、一般の電力変換装置と同様に各単位チョッパセル１２０を構成するハイサイド・スイッチング素子３０３，ローサイド・スイッチング素子３０４をともにオフ状態にして、交流ラインに過電流が流れるのを防ぐ。

直流ラインが短絡すると、各単位チョッパセル１２０の内部のエネルギー蓄積素子３０５に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが過電流となる。前記過電流を防止するため、各単位チョッパセルのハイサイド・スイッチング素子３０３をオフ、ローサイド・スイッチング素子３０４をオン状態する。ハイサイド・スイッチング素子３０３には逆並列にダイオードが接続されており、ダイオードは電流の逆阻止特性をもつため、エネルギー蓄積素子３０５の直流電圧は直流ラインと電気的に絶縁されており、直流送電ケーブル１５０への過電流を抑制することができる。

前述のように、次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置１０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

交流ラインが短絡した場合は変圧器１０５の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流は増大する。したがって、変圧器１０５の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流が設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定する。

また電流センサを正側変換器グループ１１２および負側変換器グループ１１６の各相に設置し、前記正側変換器グループ１１２に設置した電流センサで検出した電流値と前記負側変換器グループ１１６に設置した電流センサで検出した電流値との差が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定してもよい。

直流ラインの短絡した場合は、直流ラインに設置された電流センサ１２３によって検出された電流が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定する。

また電流センサを各相の変換器アームのａ端子またはｂ端子に設置し、各変換器アームに流れる電流の三相和が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定してもよい。

交流ラインまたは直流ラインの故障と判定した場合、遮断器１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、交流系統１００または１７０と電力変換装置１０１を切り離す。

直流ラインが短絡した場合、交流系統１００または１７０と電力変換装置１０１を遮断器１２４によって切り離すまでの短時間の間、交流系統１００または１７０から変圧器１０５の漏れインピーダンスに応じて短絡電流Ｉｓｈが流れる。三相交流電力系統１００または１７０の電圧をＶｓ、変圧器１０５の漏れインピーダンスをＺｔｒとすると短絡電流Ｉｓｈは次式で表される。

〔数４〕
Ｉｓｈ＝Ｖｓ／Ｚｔｒ

単位チョッパセル１２０を構成する半導体スイッチング素子の飽和電流をＩｓａとすると、Ｉｓａ＞Ｉｓｈとなるように変圧器１０５の漏れインピーダンスＺｔｒを調整することで、半導体スイッチング素子を保護することができる。

また、遮断器１２４によって、三相交流電力系統１００または１７０と電力変換装置１０１を切り離すまでの間に（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒）、半導体スイッチング素子のジャンクション温度が設定値以上にならないように、半導体スイッチング素子の冷却系を構成することで半導体スイッチング素子を保護することができる。

次に、冷却系構成の例を図１０を用いて説明する。

図１０は、単位チョッパセル１２０を構成するローサイド・スイッチング素子３０４の冷却構成の一例を示した図である。

ローサイド・スイッチング素子３０４は、ＩＧＢＴ１０００とＤｉｏｄｅ１００１とで構成され、前記ＩＧＢＴ１０００と前記Ｄｉｏｄｅ１００１は一つの冷却フィン１００２に固定する。

前記短絡電流Ｉｓｈが流れたときの前記ＩＧＢＴ１０００と前記Ｄｉｏｄｅ１００１から発生した熱Ｐ_ＩＧＢＴと熱Ｐ_Ｄｉｏｄｅは、冷却フィンから空気中へと放熱される。

図１１は、図１０の冷却構成における熱回路を等価的な電気回路に置き換えて示した図である。

前記ＩＧＢＴ１０００の発生した熱Ｐ_ＩＧＢＴは電流源１１００、前記Ｄｉｏｄｅ１００１の発生した熱Ｐ_Ｄｉｏｄｅは電流源１１１０で表すことができる。

また、前記ＩＧＢＴ１０００のジャンクションと前記ＩＧＢＴ１０００ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ−ｃ)ｑおよび熱容量Ｃｔｈ(ｊ−ｃ)ｑは、抵抗１１０１およびキャパシタ１１０２で表すことができる。

また、前記ＩＧＢＴ１０００のケースと冷却フィン１００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ−ｆ)ｑおよび熱容量Ｃｔｈ(ｃ−ｆ)ｑは、抵抗１１０３およびキャパシタ１１０４で表すことができる。

また、冷却フィン１００２と空気の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｆ−ａ)ｑおよび熱容量Ｃｔｈ(ｆ−ａ)ｑは、抵抗１１０５およびキャパシタ１１０６で表すことができる。

また、前記Ｄｉｏｄｅ１００１のジャンクションと前記Ｄｉｏｄｅ１００１ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ−ｃ)ｄおよび熱容量Ｃｔｈ(ｊ−ｃ)ｄは、抵抗１１１１およびキャパシタ１１１２で表すことができる。

また、前記Ｄｉｏｄｅ１００１のケースと冷却フィン１００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ−ｆ)ｄおよび熱容量Ｃｔｈ(ｃ−ｆ)ｄは、抵抗１１１３およびキャパシタ１１１４で表すことができる。

また空気の温度を一定と仮定すれば、前記空気の温度Ｔａを直流電圧源１１０７とおくことができる。

また前記キャパシタ１１０２および１１１２の高電位側の電位が前記ＩＧＢＴおよびＤｉｏｄｅのジャンクション温度に相当する。

よって、前記空気の温度Ｔａを下げることで、前記短絡電流が流れた時の前記ＩＧＢＴおよび前記Ｄｉｏｄｅのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

また、前記ＩＧＢＴ１０００のジャンクションと前記ＩＧＢＴ１０００ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ−ｃ)ｑ、または、前記ＩＧＢＴ１０００のケースと冷却フィン１００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ−ｆ)ｑ、または、冷却フィン１００２と空気の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｆ−ａ)ｑを小さくすることによって、前記短絡電流が流れた時の前記ＩＧＢＴのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

また、前記Ｄｉｏｄｅ１００１のジャンクションと前記Ｄｉｏｄｅ１００１ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ−ｃ)ｄ，前記Ｄｉｏｄｅ１００１のケースと冷却フィン１００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ−ｆ)ｄ、および、冷却フィン１００２と空気の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｆ−ａ)ｑを小さくすることによって、前記短絡電流が流れた時の前記Ｄｉｏｄｅのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

また、前記短絡電流は、遮断器１２４によって、三相交流電力系統１００または１７０と電力変換装置１０１を切り離す時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）しか流れないため、前記ＩＧＢＴ１０００のジャンクションと前記ＩＧＢＴ１０００ケース間の熱容量Ｃｔｈ(ｊ−ｃ)ｑ、または、前記ＩＧＢＴ１０００のケースと冷却フィン１００２の間の熱容量Ｃｔｈ(ｃ−ｆ)ｑ、または、冷却フィン１００２と空気の間の熱容量Ｃｔｈ(ｆ−ａ)ｑを大きくすることによって、前記三相交流電力系統１００または１７０と前記電力変換装置１０１を切り離すまでの間、前記ＩＧＢＴのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

また、前記Ｄｉｏｄｅ１００１のジャンクションと前記Ｄｉｏｄｅ１００１のケース間の熱容量Ｃｔｈ(ｊ−ｃ)ｄ、または、前記Ｄｉｏｄｅ１００１のケースと冷却フィン１００２の間の熱容量Ｃｔｈ(ｃ−ｆ)ｑ、または、冷却フィン１００２と空気の間の熱容量Ｃｔｈ(ｆ−ａ)ｑを大きくすることによって、前記三相交流電力系統１００または１７０と前記電力変換装置１０１を切り離すまでの間、前記Ｄｉｏｄｅのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

また、本実施例は、変圧器の一次巻線がデルタ結線としたが、スター結線など他の結線方式にも適用できる。

また、本実施例では、直流送電システムの両側に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その接続点を接地する中点接地２線直流送電方式としたが、直流送電システムの両側には１台の電力変換装置のみとした２線直流送電方式や、直流送電システムの両端に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その各接続点を接地しかつケーブルで結ぶ中点接地３線直流送電方式など他の直流送電方式にも適用できる。

また、本実施例では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に対して適用できる。

本発明を実施する第２の形態について説明する。

実施例１では変換器アームがチョッパセルで構成されていたが、実施例２では図５に示す単位フルブリッジで構成されているところが異なる。

以下では、実施例２の構成において、実施例１の構成と異なる部分についてのみ説明する。

図４は、本発明の第２の実施形態を表した回路図である。電力変換装置４０１は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相交流電力系統１００および１７０に連系し、三相交流電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置４０１は、変圧器１０５と正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６とからなる。

次に、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の構成について説明する。

該正側変換器グループ１１２は、ｕ相正側変換器アーム１１３，ｖ相正側変換器アーム１１４，ｗ相正側変換器アーム１１５とからなる。また、該負側変換器グループ１１６は、ｕ相負側変換器アーム１１７，ｖ相負側変換器アーム１１８，ｗ相負側変換器アーム１１９からなる。

また、各変換器アーム１１３〜１１５，１１７，１１８は、図５に示す単位フルブリッジセル４００を１台または複数台カスケード接続した回路である。

単位フルブリッジセル４００は、ｘ端子５００とｙ端子５０１を有する２端子回路であり、ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５，エネルギー蓄積素子５０６とからなる。スイッチング素子５０２〜５０５は、ＩＧＢＴに代表される半導体スイッチング素子である。また、エネルギー蓄積素子５０６は、コンデンサや蓄電池などである。本実施例でも、ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧を、単位フルブリッジセルのセル電圧Ｖｃｅｌｌと呼ぶことにする。

次に、アーム電圧は単位フルブリッジセル４００を構成するスイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。

ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２とｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３を交互にオン・オフする。また、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４とｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５を交互にオン・オフする。

ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子５０６の電圧ＶＣと大略等しい。

ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子５０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。

ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５が全てオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子５０６の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子５０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。

次に、直流ラインが短絡した場合の電力変換装置４０１の動作について説明する。

また、実施例１と同様に、交流ラインと直流ラインが短絡した場合の電力変換装置４０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

直流ラインが短絡すると、各単位チョッパセル４００の内部のエネルギー蓄積素子５０６に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが増加する。前記電流ＩＤを電流センサ１２３で検出し、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定し、各単位フルブリッジセル４００のｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４をオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５をオン状態、またはｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４をオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５をオフ状態にする。ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４，ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３，ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５にはそれぞれ逆並列にダイオードが接続されており、前記ダイオードは電流の逆阻止特性をもつ。したがって、エネルギー蓄積素子５０６は直流ラインと電気的に絶縁され、直流送電ケーブル１５０への過電流を抑制することができる。

また電流センサを各相の変換器アームのａ端子またはｂ端子に設置し、各変換器アームに流れる電流の三相和が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定してもよい。

また、直流ラインの故障と判定した場合、遮断器１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、三相交流電力系統１００または１７０と電力変換装置４０１を切り離す。この三相交流電力系統１００または１７０と電力変換装置４０１を切り離すまでの短時間の間、交流系統１００または１７０から変圧器１０５の漏れインピーダンスに応じて短絡電流Ｉｓｈが流れる。三相交流電力系統１００または１７０の電圧をＶｓ、変圧器１０５の漏れインピーダンスをＺｔｒとすると短絡電流Ｉｓｈは次式で表される。

〔数４〕
Ｉｓｈ＝Ｖｓ／Ｚｔｒ

単位フルブリッジセル４００を構成する半導体スイッチング素子の飽和電流をＩｓａとすると、Ｉｓａ＞Ｉｓｈとなるように変圧器１０５の漏れインピーダンスＺｔｒを調整することで、半導体スイッチング素子を保護することができる。

また、実施例１と同様に、遮断器１２４によって、三相交流電力系統１００または１７０と電力変換装置４０１を切り離す時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）半導体スイッチング素子のジャンクション温度が設定値以上にならないように、半導体スイッチング素子の冷却系を構成することで半導体スイッチング素子を保護することができる。

また、直流故障と判定した場合、電力変換装置４０１は、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の電圧和を、三相交流電力系統１００または１７０の逆位相の電圧に大略等しくするで直流端子電圧をゼロにできる。したがって、直流出力端子に流れる電流ＩＤを低減することができる。

また、本実施例は、変圧器の一次巻線がデルタ結線としたが、スター結線など他の結線方式にも適用できる。

また、本実施例では、直流送電システムの両側に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その接続点を接地する中点接地２線直流送電方式としたが、直流送電システムの両側には１台の電力変換装置のみとした２線直流送電方式や、直流送電システムの両端に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その各接続点を接地しかつケーブルで結ぶ中点接地３線直流送電方式など他の直流送電方式にも適用できる。

また、本実施例では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に対して適用できる。

本発明を実施する第３の形態について説明する。実施例１では変圧器の二次側の電圧は相内に印加されていたが、実施例３では変圧器の二次側の電圧は相間に印加されていることが異なる。

以下では、実施例３の構成において、実施例１の構成と異なる部分についてのみ説明する。

図６は、本発明の第３の実施形態を現した回路図である。

三相交流電力系統１００および１７０からの交流電力を各三相交流電力系統に連系している各２台の電力変換装置６０１により直流電力に変換し、直流送電ケーブル１５０によって一方向または双方向に電力を送電する。

該電力変換装置６０１は、変圧器６００と正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６と正側リアクトルグループ６０２と負側リアクトルグループ６０３からなる。

正側変換器グループ１１２はｕ相正側変換器アーム１１３，ｖ相正側変換器アーム１１４，ｗ相正側変換器アーム１１５をスター結線で接続した構成である。

負側変換器グループ１１２はｕ相負側変換器アーム１１３，ｖ相負側変換器アーム１１４，ｗ相負側変換器アーム１１５をスター結線で接続した構成である。

正側変換器グループ１１２のｂ端子に正側リアクトルグループ６０２の一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループ６０２の他方の端子に負側リアクトルグループ６０３の一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループ６０３の他方の端子に負側変換器グループ１１６のａ端子を直列接続した回路である。

本明細書では、正側変換器アームのｂ端子に正側リアクトルの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルの他方の端子に負側リアクトルの他方の端子に直列接続し、正側リアクトルの他方の端子に負側変換器アームのａ端子を直列接続した回路をレグと呼ぶことにする。

正側変換器グループ１１２のａ端子をＰ端子と呼び、前記２台のリアクトルグループの接続点をＭ端子と呼び、負側変換器グループのｂ端子をＮ端子と呼ぶことにする。

２台の電力変換装置６０１は、一方の電力変換装置６０１のＰ端子と他方の電力変換装置６０１のＮ端子に直流送電ケーブル１５０を接続し、一方の電力変換装置６０１のＮ端子と他方の電力変換装置６０１のＰ端子をそれぞれ接続し、接続点１６１をアースしている。

電力変換装置６０１の正側リアクトルグループ６０２，負側リアクトルグループ６０３について説明する。

正側変換器グループ１１２および負側変換器グループ１１６は単位チョッパセルの電圧Ｖｃｅｌｌは、エネルギー蓄積素子３０５の電圧ＶＣの倍数の電圧しか出力できないため、レグ毎の電圧の瞬時値は異なる。

３台のレグのレグ電圧が不一致である期間において、レグ電圧の差は、各レグに含まれる２台のリアクトルのみが分担することになり、仮に前記リアクトルが存在しない場合、レグに過電流が流れることになる。

正側リアクトルグループ６０２，負側リアクトルグループ６０３は前記過電流を防ぐ役割をもつ。

次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置６０１の動作が異なることを説明する。

交流ラインが短絡した時に、電力変換装置６０１が交流ラインに電圧を出力していると短絡電流が流れる。そこで、交流ラインが短絡した時には、前記短絡電流を防止するため、一般の電力変換装置と同様に各単位チョッパセル１２０を構成するハイサイド・スイッチング素子３０３，ローサイド・スイッチング素子３０４をともにオフ状態にすることにより、交流ラインに過電流が流れるのを防ぐことができる。

直流ラインが短絡すると、各単位チョッパセル１２０の内部のエネルギー蓄積素子３０５に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが過電流となる。前記過電流を防止するため、各単位チョッパセル１２０のハイサイド・スイッチング素子３０３をオフ、ローサイド・スイッチング素子３０４をオン状態する。ハイサイド・スイッチング素子３０３には逆並列にダイオードが接続されており、ダイオードは電流の逆阻止特性をもつため、エネルギー蓄積素子３０５と直流ラインとは電気的に絶縁されており、直流送電ケーブル１５０への過電流を抑制することができる。

前述のように、交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置６０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

交流ラインが短絡すると、変圧器６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサで検出した電流検出値が増大する。したがって、変圧器６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定する。

また電流センサを正側変換器グループ１１２および負側変換器グループ１１６の各相に設置し、前記正側変換器グループ１１２に設置した電流センサで検出した電流値と、前記負側変換器グループ１１６に設置した電流センサで検出した電流値との差が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定してもよい。

一方、直流ラインが短絡すると、直流ラインに設置された電流センサ１２３で検出された電流が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定する。

また電流センサを各相の変換器アームのａ端子またはｂ端子に設置し、各変換器アームに流れる電流検出値の三相和が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定してもよい。

交流ラインまたは直流ラインの故障と判定した場合、遮断器１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、交流系統１００または１７０と電力変換装置６０１を切り離す。

なお、本実施例は、変換器アームの数を増減することにより、三相交流電力系統のみならず、単相や多相系統に連系する電力変換装置にも適用できる。

また、本実施例では、変圧器を一次巻線，二次巻線ともにデルタ結線の変圧器としたが、本発明は、変圧器の巻線構成をデルタ結線に限るものではない。

また、本実施例では、直流送電システムの両側に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その接続点を接地する中点接地２線直流送電方式としたが、直流送電システムの両側には１台の電力変換装置のみとした２線直流送電方式や、直流送電システムの両端に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その各接続点を接地しかつケーブルで結ぶ中点接地３線直流送電方式など他の直流送電方式にも適用できる。

また、本実施例では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に適用できる。

本発明を実施する第４の形態について説明する。実施例４は実施例３の変形である。実施例３では正側変換器グループおよび負側変換器グループに単位チョッパセルを用いていたが、実施例４では単位フルブリッジセルを用いている点が異なる。

以下では、実施例４の構成において、実施例３の構成と異なる部分についてのみ説明する。

図７は、本発明の第４の実施形態を表した回路図である。電力変換装置７０１は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相交流電力系統１００または１７０に連系し、三相交流電力系統１００または１７０と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置７０１は、変圧器６０１と正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３とからなる。

次に、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の構成について説明する。

該正側変換器グループ１１２は、ｕ相正側変換器アーム１１３，ｖ相正側変換器アーム１１４，ｗ相正側変換器アーム１１５とからなる。また、該負側変換器グループ１１６は、ｕ相負側変換器アーム１１７，ｖ相負側変換器アーム１１８，ｗ相負側変換器アーム１１９からなる。

各変換器アーム１１３〜１１５，１１７，１１８は、ａ端子とｂ端子とを備えている。本明細書では、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。また、各変換器アーム１１３〜１１５，１１７，１１８は、図５に示す単位フルブリッジセル１３０を１台または複数台カスケード接続した回路である。

次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置７０１の動作が異なることを説明する。

交流ラインが短絡した時に、電力変換装置７０１が交流ラインに電圧を出力していると短絡電流が流れる。そこで、交流ラインが短絡した時には、前記短絡電流を防止するため、一般の電力変換装置と同様に各単位チョッパセル４００を構成する各単位フルブリッジセル４００のｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４，ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３，ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５をすべてオフ状態にすることにより、交流ラインに過電流が流れるのを防ぐことができる。

直流ラインが短絡すると、各単位フルブリッジセル４００の内部のエネルギー蓄積素子５０６に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが増加する。前記電流ＩＤを直流ラインに設置した電流センサ１２３で検出し、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定し、各単位フルブリッジセル４００のｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４をオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５をオン状態、またはｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４をオン，ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５をオフ状態にする。ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子５０４，ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３，ｙ相ローサイド・スイッチング素子５０５にはそれぞれ逆並列にダイオードが接続されており、前記ダイオードは電流の逆阻止特性をもつ。したがって、エネルギー蓄積素子５０６の直流電圧は直流ラインと電気的に絶縁され、直流送電ケーブル１５０への過電流を抑制することができる。

前述のように、交流ラインと直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置７０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

交流ラインが短絡した場合は、変圧器６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流検出値が増大する。したがって、変圧器６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流が設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定する。

また電流センサを正側変換器グループ１１２および負側変換器グループ１１６の各相に設置し、前記正側変換器グループ１１２に設置した電流センサで検出した電流値と、前記負側変換器グループ１１６に設置した電流センサで検出した電流値との差が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定してもよい。

一方、直流ラインが短絡した場合は、直流ラインに設置された電流センサ１２３によって検出された電流が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定する。

また電流センサを各相の変換器アームのａ端子またはｂ端子に設置し、各変換器アームに流れる電流検出値の三相和が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定してもよい。

また、直流故障と判定した場合、電力変換装置７０１は、三相交流電力系統１００または１７０の電圧と逆位相の電圧を出力することで直流端子電圧をゼロにできる。したがって、直流出力端子に流れる電流ＩＤを低減することができる。

交流ラインまたは直流ラインの故障と判定した場合、遮断器１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、交流系統１００または１７０と電力変換装置７０１を切り離す。

なお、本実施例は、変換器アームの数を増減することにより、三相交流電力系統のみならず、単相や多相系統に連系する電力変換装置にも適用できる。

また、本実施例では、変圧器を一次巻線，二次巻線ともにデルタ結線の変圧器としたが、本発明は、変圧器の巻線構成をデルタ結線に限るものではない。

また、本実施例では、直流送電システムの両側に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その接続点を接地する中点接地２線直流送電方式としたが、直流送電システムの両側には１台の電力変換装置のみとした２線直流送電方式や、直流送電システムの両端に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その各接続点を接地しかつケーブルで結ぶ中点接地３線直流送電方式など他の直流送電方式にも適用できる。

また、本実施例では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に適用できる。

本発明は、交流電力をいったん直流電力に変換して電力を送電する直流送電システム（ＨＶＤＣ）以外にも、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に対して適用することが可能である。

１００，１７０ 三相交流電力系統
１０１，４０１，６０１，７０１ 電力変換装置
１０２ Ｒ相端子
１０３ Ｓ相端子
１０４ Ｔ相端子
１０５，６００，８０５ 変圧器
１０６ ｕ相正側端子
１０７ ｖ相正側端子
１０８ ｗ相正側端子
１０９ ｕ相負側端子
１１０ ｖ相負側端子
１１１ ｗ相負側端子
１１２ 正側変換器グループ
１１３ ｕ相正側変換器アーム
１１４ ｖ相正側変換器アーム
１１５ ｗ相正側変換器アーム
１１６ 負側変換器グループ
１１７ ｕ相負側変換器アーム
１１８ ｖ相負側変換器アーム
１１９ ｗ相負側変換器アーム
１２０ 単位チョッパセル
１２１ 正側直流出力端子
１２２ 負側直流出力端子
１２３ 電流センサ
１２４ 遮断器
１３４ ｕ相正側巻線
１３５ ｖ相正側巻線
１３６ ｗ相正側巻線
１３７ ｕ相負側巻線
１３８ ｖ相負側巻線
１３９ ｗ相負側巻線
１５０，８０７ 直流送電ケーブル
１６１，８０６ 中性点
２００ 二次巻線
２０１ 一次巻線
２０２，２０３，２０４ 鉄心
３０１ ｘ端子
３０２ ｙ相端子
３０３ ハイサイド・スイッチング素子
３０４ ローサイド・スイッチング素子
３０５，５０６ エネルギー蓄積素子
４００ 単位フルブリッジ素子
５００ ｘ相出力端子
５０１ ｙ相出力端子
５０２ ｘ相ハイサイド・スイッチング素子
５０３ ｘ相ローサイド・スイッチング素子
５０４ ｙ相ハイサイド・スイッチング素子
５０５ ｙ相ローサイド・スイッチング素子
６０２ 正側リアクトルグループ
６０３ 負側リアクトルグループ
６０４ 正側ｕ相リアクトル
６０５ 正側ｖ相リアクトル
６０６ 正側ｗ相リアクトル
６０７ 負側ｕ相リアクトル
６０８ 負側ｖ相リアクトル
６０９ 負側ｗ相リアクトル
８００ 直流送電システム
８０１ 三相フルブリッジ電力変換装置
８０２，８０３ コンデンサ
８０４ 直流リアクトル
９０１ 接続点
１０００ ＩＧＢＴ
１００１ Ｄｉｏｄｅ
１００２ 冷却フィン
１１００ ＩＧＢＴ発熱模擬電流源
１１０１ ＩＧＢＴジャンクション−ケース間熱抵抗
１１０２ ＩＧＢＴジャンクション−ケース間熱容量
１１０３ ＩＧＢＴケース−冷却フィン間熱抵抗
１１０４ ＩＧＢＴケース−冷却フィン間熱容量
１１０５ ＩＧＢＴ冷却フィン−空気間熱抵抗
１１０６ ＩＧＢＴ冷却フィン−空気間熱容量
１１０７ 空気温度模擬電圧源
１１１０ Ｄｉｏｄｅ発熱模擬電流源
１１１１ Ｄｉｏｄｅジャンクション−ケース間熱抵抗
１１１２ Ｄｉｏｄｅジャンクション−ケース間熱容量
１１１３ Ｄｉｏｄｅケース−冷却フィン間熱抵抗
１１１４ Ｄｉｏｄｅケース−冷却フィン間熱容量

Claims (14)

1. 交流系統の交流電力を直流電力に変換する機能を備えた電力変換装置において、
   前記直流電力が流れる直流区間が短絡した時に、該直流区間と前記電力変換装置のエネルギー蓄積素子の直流電圧を電気的に絶縁して、前記直流区間に流れる電流を制御する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、
   前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とするような巻線構造または手段を備え、かつ、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、前記二次巻線の第１〜第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４〜第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを電力変換装置の直流出力端子とし、
   前記変換器アームは、単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を有し、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、
   前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とする手段を備え、かつ、前記変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１〜第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを構成し、第４〜第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを構成し、該第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と該第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを該電力変換装置の直流出力端子として、
   電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴とした電力変換装置。
4. 請求項２，３の電力変換装置において
   該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの間、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流を、該電力変換装置を構成するスイッチング素子の飽和電流よりも小さくなるように、変圧器の漏れインピーダンスを設定したことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項２，３の電力変換装置において、
   該電力変換装置の直流区間が短絡した場合、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの短時間の間に、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流によって、該電力変換装置を構成するスイッチング素子のジャンクション温度があらかじめ設定した設定値よりも小さくなるように該スイッチング素子の冷却系を構成したことを特徴とする電力変換装置。
6. 請求項３の電力変換装置において、
   該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、第一の変換器グループと第二の変換器グループの和を、三相交流電力系統の電圧と逆位相の電圧に大略等しくする機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
7. 交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、
   正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、
   該電力変換装置の変換器アームは単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴とした電力変換装置。
8. 交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、
   正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、
   該電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、該直流区間に流れる電流を制御することを特徴とした電力変換装置。
9. 請求項７ないし８の電力変換装置において、
   三相交流電力系統に接続されることを特徴とする電力変換装置。
10. 請求項１〜９のうちの１つの電力変換装置において、
    交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出することを特徴とする電力変換装置。
11. 請求項１０の電力変換装置において、
    電力変換装置の直流区間に電流検出器を有し、該直流区間の短絡を、該電流検出器によって検出された電流値が設定された閾値を超過したことにより判定する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項１〜９のうちの１つの電力変換装置において、
    該電力変換装置の交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出する機能をもち、且つ、該電力変換器の変換器アームの電流状態を検出する電流検出器を備え、該直流区間の短絡を、該各変換器アームの電流の三相和が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とする電力変換装置。
13. 請求項１１乃至１２に記載の電力変換装置において、
    該電力変換装置の交流出力端子の短絡を変圧器一次側または二次側に設置された電流検出器によって検出された電流が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とする電力変換装置。
14. 請求項１１乃至１２に記載された電力変換装置において、
    該電力変換装置の交流出力端子の短絡を、該電力変換装置の正側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器と、該電力変換装置の負側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器によって検出された電流の差電流値が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とする電力変換装置。

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