JP2015130743A - 電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】故障時に短絡状態となる半導体素子を使用し、単位変換器に短絡装置を設けることなくデバイス短絡とエネルギ蓄積器の短絡とを判断して処置する。【解決手段】電力変換装置は、故障時に短絡状態となるスイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌを直列に接続した直列回路と、これに並列接続される複数のコンデンサＣ１，Ｃ２とを備え、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのオン・オフに依存してコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧に依存する電圧または零電圧を出力する単位変換器１０５と、これらを複数直列に接続したアームを複数備える。単位変換器１０５は、スイッチング素子２１Ｈ，２１ＬとコンデンサＣ１，Ｃ２との間に流れる電流を検出する電流センサＣＴと、コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧を検出する電圧センサ５と、電流検出値および電圧検出値から自身の故障個所を判断して処置するセルコントローラ４とを備える。【選択図】図２

Description

本発明は、交流電力を直流電力に、あるいはその逆に変換する電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法に関する。

近年、交流を直流に、または、直流を交流に変換する電力変換装置が用いられている。これら電力変換装置には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子が使用されることが多い。また、高電圧を扱うために１または複数の単位変換器を直列に接続したアームを備えるＭＭＣ（modular multilevel converter）回路方式が採用されることが多い。
ＭＭＣ回路方式の電力変換装置においては、何れかの単位変換器が故障した場合にも運転継続するためには、故障した単位変換器に支障なく通電できなければならない。つまり、単位変換器は、故障状態において端子間の短絡状態を維持する必要がある。特許文献１に記載の発明は、モジュール型ＩＧＢＴを用いた単位変換器で、故障状態における端子間の短絡を実現するものである。

特許文献１の課題には、「低コストであると同時に故障したサブモジュールの確実な橋絡を可能にする。」と記載され、解決手段には、「パワー半導体回路（Ｔ１，Ｔ２，Ｄ１，Ｄ２）と、パワー半導体回路（Ｔ１，Ｔ２，Ｄ１，Ｄ２）の並列回路内におけるエネルギー蓄積器（８）とを持つサブモジュール（７）の直列回路を備え、各サブモジュール（７）にサブモジュール（７）の短絡のための短絡装置が付設されている装置（１）に関する。本発明によれば、短絡装置が真空スイッチ管（１００）である。」と記載されている。

特開２０１０−５２４４２６号公報

しかし、特許文献１に記載の技術は、サブモジュールである単位変換器を短絡するための短絡装置を必要とする。
一方で、電力用サイリスタなどでは、故障時に短絡状態となる圧接構造の半導体デバイスにより、短絡装置を用いることなく運転を継続できる技術が確立されている。

ＭＭＣ回路方式の電力変換装置でも、単位変換器に圧接構造のＩＧＢＴを採用することが考えられる。これにより、電力用サイリスタと同様に、半導体デバイスの故障時には圧接構造のＩＧＢＴが短絡し、よって単位変換器の端子間が短絡状態となる。故障した単位変換器の端子間が短絡状態となれば通電するので、電力変換装置は、運転を継続することが可能となる。
しかし、ＭＭＣ回路方式の各単位変換器には、パワー半導体回路と並列にコンデンサ等のエネルギ蓄積器も接続されている。そのため、単位変換器の短絡故障において、故障個所が半導体デバイスなのか、エネルギ蓄積器なのかが外部からは判断できないという問題がある。
エネルギ蓄積器が短絡故障している場合には、故障したエネルギ蓄積器に大電流が流れる。そのため、早急に電流をバイパスさせてエネルギ蓄積器に電流が流れないようにするか、または、電力変換装置全体を停止させる処置をしなければならない。

そこで、本発明は、故障時に短絡状態となる半導体素子を使用し、単位変換器に短絡装置を特に設けることなくデバイス短絡とエネルギ蓄積器の短絡とを判断して処置する電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法を提供することを課題とする。

本発明の電力変換装置は、故障時に短絡状態となるスイッチング素子を複数直列に接続した直列回路と、当該直列回路に並列接続される複数のエネルギ蓄積器とを備え、前記スイッチング素子のオン・オフに依存して前記エネルギ蓄積器の電圧に依存する電圧または零電圧を出力する単位変換器と、前記単位変換器を複数直列に接続したアームを複数備える。更に、前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器との間に流れる電流を検出する電流センサと、前記エネルギ蓄積器の電圧を検出する電圧センサと、前記電流センサによる電流検出値および前記電圧センサによる電圧検出値から当該単位変換器の故障個所が前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器のうちいずれであるかを判断して処置する故障判断処置部とを備える。

本発明の故障検出方法は、前記電力変換装置の故障判断処置部が実行する。故障判断処置部は、前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器との間に流れる電流を検出する電流センサによる電流検出値を検出するステップと、前記エネルギ蓄積器の両端電圧を検出する電圧センサによる電圧検出値を検出するステップと、前記電流センサの電流検出値および前記電圧センサの電圧検出値により、当該単位変換器の故障個所が前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器のうちいずれであるかを判断するステップとを実行する。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、故障時に短絡状態となる半導体素子を使用し、単位変換器に短絡装置を特に設けることなくデバイス短絡とエネルギ蓄積器の短絡とを判断して処置する電力変換装置および電力変換装置の故障検出方法を提供することができる。

第１の実施形態における電力変換装置を示す回路図である。 第１の実施形態における各単位変換器を示す回路図である。 第１の実施形態における各単位変換器のスイッチング素子短絡検出動作の説明図である。 第１の実施形態における各単位変換器のコンデンサ短絡検出動作の説明図である。 第１の実施形態における短絡判断処置処理を示すフローチャートである。 第２の実施形態における各単位変換器を示す回路図である。 第２の実施形態における短絡判断処置処理を示すフローチャートである。 第３の実施形態における各単位変換器を示す回路図である。 第３の実施形態における短絡判断処置処理を示すフローチャートである。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態は、双方向チョッパ回路を備えた単位変換器の故障時に、故障原因がコンデンサと半導体素子のいずれであるかを判断して処置するものである。以下、図１、図２を用いて、第１の実施形態の電力変換装置の構成について説明する。図３から図５を用いて、第１の実施形態の電力変換装置の動作について説明する。

図１は、第１の実施形態における電力変換装置１０３ａを示す回路図である。
図１に示すように、電力変換装置１０３ａは、変圧器１０２ａを介して三相電力系統１０１ａに連系して交流電力を授受する。
電力変換装置１０３ａの直流端子Ｐ，Ｎの間には、電力変換装置１０３ｂが接続される。電力変換装置１０３ａ，１０３ｂは、直流端子Ｐ，Ｎを流れる直流電力を授受する。
電力変換装置１０３ｂは、変圧器１０２ｂを介して三相電力系統１０１ｂに連系して交流電力を授受する。第１の実施形態の三相電力系統１０１ｂの交流周波数は、三相電力系統１０１ａの交流周波数とは異なる。電力変換装置１０３ａ，１０３ｂは、例えば交流周波数が異なる２つの電力系統間で電力の授受を行うものである。電力変換装置１０３ａ，１０３ｂは、これに限られず、同一の交流周波数である２つの電力系統間で電力の授受を行うものであってもよく、限定されない。
電力変換装置１０３ｂおよび変圧器１０２ｂは、電力変換装置１０３ａおよび変圧器１０２ａと同じ構成と機能とを有する。よって、以下、電力変換装置１０３ａの構成と機能とを説明し、電力変換装置１０３ｂの構成と機能の説明を省略する。

三相電力系統１０１ａは、変圧器１０２ａの１次側のＲ相、Ｓ相、Ｔ相に接続されて、それぞれ相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを印加する。
変圧器１０２ａの２次側のＵ相、Ｖ相、Ｗ相は、電力変換装置１０３ａの交流各相であるＵ点、Ｖ点、Ｗ点に接続される。変圧器１０２ａは、例えば、その２次側の中性点が接地されている。しかし、変圧器１０２ａの接続形態は、これに限定されない。
変圧器１０２ａの２次側のＵ相から電力変換装置１０３ａのＵ点に向けて、相電流ＩＵが流れる。変圧器１０２ａの２次側のＶ相から電力変換装置１０３ａのＶ点に向けて、相電流ＩＶが流れる。変圧器１０２ａの２次側のＷ相から電力変換装置１０３ａのＷ相に向けて、相電流ＩＷが流れる。

電力変換装置１０３ａは、ＭＭＣ回路方式であり、単位変換器１０５を１または複数個直列に接続したアーム１０４を備えている。第１実施形態のアーム１０４は、Ｎ個の単位変換器１０５を含んでいる。
第１の実施形態のアーム１０４ＵＨ，１０４ＶＨ，１０４ＷＨの一端は、直流端子Ｐに接続する。アーム１０４ＵＬ，１０４ＶＬ，１０４ＷＬの一端は、直流端子Ｎに接続する。
アーム１０４ＵＨの他端は、電流センサ１０９とリアクトル１０６を介してＵ点（交流のＵ相）に接続される。アーム１０４ＵＬの他端は、電流センサ１０９とリアクトル１０６を介してＵ点（交流のＵ相）に接続される。
アーム１０４ＶＨの他端は、電流センサ１０９とリアクトル１０６を介してＶ点（交流のＶ相）に接続される。アーム１０４ＶＬの他端は、電流センサ１０９とリアクトル１０６を介してＶ点（交流のＶ相）に接続される。

アーム１０４ＷＨの他端は、電流センサ１０９とリアクトル１０６を介してＷ点（交流のＷ相）に接続される。アーム１０４ＷＬの他端は、電流センサ１０９とリアクトル１０６を介してＷ点（交流のＷ相）に接続される。これにより、各アーム１０４とリアクトル１０６の直列接続は、変圧器１０２ａの二次側の各相に接続される。各電流センサ１０９は、例えばカレントトランスである。各電流センサ１０９の出力側は、後記する中央コントローラ１０７に接続される。これにより、中央コントローラ１０７は、各アーム１０４に流れる相電流を検知できる。
本発明は、第１の実施形態におけるアーム１０４に限られず、例えばリアクトル１０６が接続されない構成でもよく、限定されない。

各アーム１０４は、複数の単位変換器１０５が直列接続される。そのため、単位変換器１０５を構成するＩＧＢＴが短絡で故障した場合、電力変換装置１０３ａは、残りの単位変換器１０５で運転を続けることができる。ＩＧＢＴの故障モードが短絡となる素子は、例えば圧接型ＩＧＢＴである。第１の実施形態の電力変換装置１０３ａは、この圧接型ＩＧＢＴを備える単位変換器１０５が１台だけ短絡故障した場合に運転を継続できるように、必要数よりも多くの単位変換器１０５を接続している。

各単位変換器１０５は、エネルギ蓄積器であるコンデンサＣ１，Ｃ２（図２参照）を備えた双方向チョッパ回路２（図２参照）を備える。各単位変換器１０５は、少なくとも２端子を介して外部に接続し、これら２端子間の電圧を、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧、または零電圧のうちいずれかに制御できる。

中央コントローラ１０７は、電力変換装置１０３ａ全体を制御する。
中央コントローラ１０７は、例えばシャーシに接続されており、交流電圧センサ１０８の出力側と、各電流センサ１０９の出力側とに接続される。中央コントローラ１０７は更に、２個の光トランシーバ１１０を備え、光ファイバケーブル１１１を介して、各単位変換器１０５にデイジーチェーンで接続される。中央コントローラ１０７は、光トランシーバ１１０によって、光ファイバケーブル１１１を介して各単位変換器１０５と通信して、各アーム１０４に流れる電流を制御する。しかし、中央コントローラ１０７の接続は、図１の構成に限定されない。

交流電圧センサ１０８は、入力側が三相電力系統１０１ａの各相に接続され、出力側が中央コントローラ１０７に接続される。交流電圧センサ１０８は、三相電力系統１０１ａの各相の相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを検出し、その瞬時値信号を中央コントローラ１０７に伝送する。

各電流センサ１０９は、各アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬを検出し、その瞬時値信号を中央コントローラ１０７に伝送する。中央コントローラ１０７は、アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬの瞬時値信号を受信して、各アーム１０４の単位変換器１０５を制御して、流れるアーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬを制御する。これにより、電力変換装置１０３ａは、三相電力系統１０１ａとの間で交流電力を授受することができる。

図２は、第１の実施形態における各単位変換器１０５を示す回路図である。
図２に示すように、単位変換器１０５は、故障判断処置部であるセルコントローラ４と、ゲートドライバ３１Ｈ，３１Ｌと、双方向チョッパ回路２と、抵抗器Ｒ１，Ｒ２を直列接続した分圧回路と、抵抗器Ｒ２と並列接続される電圧センサ５とを備えている。この単位変換器１０５は、外部電源Ｖｄから電力が供給されて動作する。

双方向チョッパ回路２は、故障時に短絡状態となるスイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌを直列接続した直列回路と、この直列回路に対して並列に接続される複数のコンデンサＣ１，Ｃ２（エネルギ蓄積器の一例）と、電流センサＣＴとを備えている。双方向チョッパ回路２は、出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳによって外部と接続されている。双方向チョッパ回路２は、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのオン・オフに依存して、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧または零電圧のいずれかを、出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳに出力するものである。

出力端子ＰＢＵＳは、スイッチング素子２１Ｈのエミッタとスイッチング素子２１Ｌのコレクタの接続ノードに接続されている。出力端子ＮＢＵＳは、ローサイド側のスイッチング素子２１Ｌのエミッタに接続されている。スイッチング素子２１Ｈのコレクタとスイッチング素子２１Ｌのエミッタとの間には、コンデンサＣ１，Ｃ２が並列に接続されている。

スイッチング素子２１Ｈは、ＩＧＢＴ素子２１１Ｈと、このＩＧＢＴ素子２１１Ｈに対して逆方向に並列接続されたダイオードＤ１Ｈとを含んで構成される。
スイッチング素子２１Ｌは、ＩＧＢＴ素子２１１Ｌと、このＩＧＢＴ素子２１１Ｌに対して逆方向に並列接続されたダイオードＤ１Ｌとを含んで構成される。
第１の実施形態において、スイッチング素子２１ＬのＩＧＢＴ素子２１１ＬのエミッタとコンデンサＣ１，Ｃ２との間は、電流センサＣＴを介して接続される。電流センサＣＴは、例えばカレントトランスであり、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌと、コンデンサＣ１，Ｃ２との間を流れる電流Ｉｓ０を検知して、セルコントローラ４に伝達する。
なお、電流センサＣＴは、これに限られず、スイッチング素子２１ＨのＩＧＢＴ素子２１１Ｈのコレクタと、コンデンサＣ１，Ｃ２との間に接続されてもよい。

ゲートドライバ３１Ｈ，３１Ｌは、入力側がセルコントローラ４に接続される。ゲートドライバ３１Ｈの出力側は、スイッチング素子２１Ｈのゲートに接続される。ゲートドライバ３１Ｌの出力側は、スイッチング素子２１Ｌのゲートに接続される。ゲートドライバ３１Ｈ，３１Ｌは、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌを駆動するパルス指令の電圧レベルを変換して、ＩＧＢＴ素子２１１Ｈ，２１１Ｌにゲート電圧を出力する。
抵抗器Ｒ１，Ｒ２を直列接続した分圧回路は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧を分圧する回路である。電圧センサ５は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧に応じたコンデンサ電圧Ｖｃ０を検知して、セルコントローラ４に伝達する。

セルコントローラ４は、光ファイバケーブル１１１と他の単位変換器１０５とを介して中央コントローラ１０７（図１参照）と通信可能に接続される。セルコントローラ４の電源線には、外部電源Ｖｄが接続される。セルコントローラ４には、電流センサＣＴと電圧センサ５の出力信号が入力される。セルコントローラ４は、ゲートドライバ３１Ｈ，３１Ｌに、ＩＧＢＴ素子２１１Ｈ，２１１Ｌの駆動用のパルス指令を出力する。ゲートドライバ３１Ｈは、ＩＧＢＴ素子２１１Ｈにゲート電圧を出力する。ゲートドライバ３１Ｌは、ＩＧＢＴ素子２１１Ｌにゲート電圧を出力する。
双方向チョッパ回路２は、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌが直列接続された直列回路を介して、エネルギ蓄積器であるコンデンサＣ１，Ｃ２と出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳとの間で電力を授受している。

双方向チョッパ回路２の故障には、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌが両方とも短絡故障するケースと、コンデンサＣ１，Ｃ２の内部またはその回路において短絡するケースとが考えられる。スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのうち一方だけが短絡故障したならば、他方のスイッチング素子がオンしたときに大電流が流れて、他方も短絡故障する。よって、ここでは、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌは両方とも短絡故障したとして説明する。
以下、図３、図４によって、各部の故障時にコンデンサＣ１，Ｃ２から流れる電流経路について説明する。
図３は、第１の実施形態における各単位変換器１０５のスイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌの短絡検出動作の説明図である。
スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのいずれか、または両方が短絡した際には、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端からスイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌを介して意図しない短絡電流Ｉｓ１が流れる。これにより、電流センサＣＴが検知する電流Ｉｓ０は増大する。
短絡電流Ｉｓ１が流れると共に、コンデンサＣ１，Ｃ２が蓄えた電荷が放電する。これにより、電圧センサ５が検知するコンデンサ電圧Ｖｃ０は減少する。

図４は、第１の実施形態における各単位変換器１０５のコンデンサＣ１，Ｃ２の短絡検出動作の説明図である。
図４に示すように、コンデンサＣ２が短絡した際には、短絡したコンデンサＣ２を介して、意図しない短絡電流Ｉｓ２が流れる。しかし、この短絡電流Ｉｓ２は、電流センサＣＴには流れない。
短絡電流Ｉｓ２が流れると共に、コンデンサＣ１が蓄えた電荷が放電する。これにより、電圧センサ５が検知するコンデンサ電圧Ｖｃ０は減少する。
なお、コンデンサＣ１が短絡した際や、コンデンサＣ１，Ｃ２の両方が同時に短絡した場合も同様に、電圧センサ５が検知するコンデンサ電圧Ｖｃ０は減少する。

図５は、第１の実施形態における短絡検出処理を示すフローチャートである。図５に示すように、セルコントローラ４は、電流Ｉｓ０の上昇とコンデンサ電圧Ｖｃ０の低下から、この単位変換器１０５の異常を確認する。
この単位変換器１０５が起動して動作を開始すると、セルコントローラ４は、短絡検出処理を開始する。

ステップＳ１０において、セルコントローラ４は、電流センサＣＴにより、電流Ｉｓ０を測定する。
ステップＳ１１において、セルコントローラ４は、計測した電流Ｉｓ０が、例えば、定格値に対して２００％以上であるか否かを判断する。セルコントローラ４は、電流Ｉｓ０が定格値に対して２００％以上ならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１２の処理を行い、電流Ｉｓ０が定格値に対して２００％未満ならば（Ｎｏ）、ステップＳ１７の処理を行う。セルコントローラ４は、電流Ｉｓ０に基づき、故障箇所がスイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌであることを判断する。
ステップＳ１２において、セルコントローラ４は、電圧センサ５により、コンデンサ電圧Ｖｃ０を測定する。

ステップＳ１３において、セルコントローラ４は、計測したコンデンサ電圧Ｖｃ０が、例えば、定格値に対して２０％以下であるか否かを判断する。セルコントローラ４は、コンデンサ電圧Ｖｃ０が定格値に対して２０％以下ならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１４の処理を行い、コンデンサ電圧Ｖｃ０が定格値に対して２０％を超えたならば（Ｎｏ）、ステップＳ１０の処理に戻る。
ステップＳ１４において、セルコントローラ４は、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌが故障したと判断する。すなわち、セルコントローラ４は、この単位変換器１０５の故障を検出する。
ステップＳ１５において、単位変換器１０５のスイッチング素子は、故障により短絡する。
ステップＳ１６において、単位変換器１０５は、出力端子ＰＢＵＳと出力端子ＮＢＵＳとが短絡状態となる。これにより、故障した単位変換器１０５は支障なく通電し、電力変換装置１０３ａの運転を継続させることができる。

ステップＳ１７において、セルコントローラ４は、電圧センサ５により、コンデンサ電圧Ｖｃ０を測定する。
ステップＳ１８において、セルコントローラ４は、計測したコンデンサ電圧Ｖｃ０が、例えば、定格値に対して２０％以下であるか否かを判断する。セルコントローラ４は、コンデンサ電圧Ｖｃ０が定格値に対して２０％以下ならば（Ｙｅｓ）、ステップＳ１９の処理を行い、コンデンサ電圧Ｖｃ０が定格値に対して２０％を超えたならば（Ｎｏ）、ステップＳ１０の処理に戻る。

ステップＳ１９において、セルコントローラ４は、コンデンサＣ１，Ｃ２が故障したと判断する。すなわち、セルコントローラ４は、この単位変換器１０５の故障を検出する。
ステップＳ２０において、セルコントローラ４は、スイッチング素子２１Ｌをオン指令して短絡するように処置する。これにより、コンデンサＣ１，Ｃ２の短絡による不具合を回避することができる。ステップＳ２０の処理が終了すると、単位変換器１０５は、ステップＳ１６に遷移する。
このように、セルコントローラ４は、故障原因を判断して処置することができる。

本実施形態によれば、故障時に短絡状態となるスイッチング素子を半導体デバイスとして用いた単位変換器１０５は、自身の故障時に、スイッチング素子の故障か、コンデンサＣ１，Ｃ２の故障であるかを判断することが可能となる。この判断の結果、コンデンサＣ１，Ｃ２（エネルギ蓄積器）の故障時には、スイッチング素子２１Ｌをオン指令する処置により、この単位変換器１０５の出力端子間を短絡させることができる。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態における各単位変換器１０５Ａを示す回路図である。図２に示す第１の実施形態の単位変換器１０５と同一の要素には同一の符号を付与している。
図６に示すように、第２の実施形態の単位変換器１０５Ａは、第１の実施形態の双方向チョッパ回路２とは異なるフルブリッジ回路２Ａを備え、更にゲートドライバ３２Ｈ，３２Ｌを備えている。この単位変換器１０５Ａは、外部電源Ｖｄが供給されて動作する。
フルブリッジ回路２Ａは、故障時に短絡状態となるスイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌが直列接続された第１直列回路と、故障時に短絡状態となるスイッチング素子２２Ｈ，２２Ｌが直列接続された第２直列回路とを備えている。フルブリッジ回路２Ａは更に、これら第１直列回路と第２直列回路に対して並列に接続された各コンデンサＣ１，Ｃ２（エネルギ蓄積器の一例）と、電流センサＣＴとを備えている。フルブリッジ回路２Ａは、出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳによって外部と接続されている。フルブリッジ回路２Ａは、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ，２２Ｈ，２２Ｌのオン・オフに依存して、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端の正電圧、負電圧、または零電圧のいずれかを、出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳに出力するものである。フルブリッジ回路２Ａは、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端の負電圧を出力することができるので、双方向チョッパ回路２よりも緻密な制御が可能である。

出力端子ＰＢＵＳは、スイッチング素子２１Ｈのエミッタとスイッチング素子２１Ｌのコレクタの接続ノードに接続されている。出力端子ＮＢＵＳは、スイッチング素子２２Ｈのエミッタとスイッチング素子２２Ｌのコレクタの接続ノードに接続されている。スイッチング素子２１Ｈのコレクタとスイッチング素子２１Ｌのエミッタとの間、かつ、スイッチング素子２２Ｈのコレクタとスイッチング素子２２Ｌのエミッタとの間には、コンデンサＣ１，Ｃ２が並列に接続されている。

スイッチング素子２２Ｈは、ＩＧＢＴ素子２２１Ｈと、このＩＧＢＴ素子２２１Ｈに対して逆方向に並列接続されたダイオードＤ２Ｈとを含んで構成される。
スイッチング素子２２Ｌは、ＩＧＢＴ素子２２１Ｌと、このＩＧＢＴ素子２２１Ｌに対して逆方向に並列接続されたダイオードＤ２Ｌとを含んで構成される。
第２の実施形態において、スイッチング素子２２ＬのＩＧＢＴ素子２２１ＬのエミッタとコンデンサＣ１，Ｃ２との間は、電流センサＣＴを介して接続される。電流センサＣＴは、例えばカレントトランスであり、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ，２２Ｈ，２２Ｌと、コンデンサＣ１，Ｃ２との間を流れる電流Ｉｓ０を検知して、セルコントローラ４に伝達する。
なお、電流センサＣＴは、これに限られず、スイッチング素子２２ＨのＩＧＢＴ素子２２１Ｈのコレクタと、コンデンサＣ１，Ｃ２との間に接続されてもよい。

ゲートドライバ３２Ｈ，３２Ｌは、入力側がセルコントローラ４に接続される。ゲートドライバ３２Ｈの出力側は、スイッチング素子２２Ｈのゲートに接続される。ゲートドライバ３２Ｌの出力側は、スイッチング素子２２Ｌのゲートに接続される。ゲートドライバ３２Ｈ，３２Ｌは、ゲートドライバ３１Ｈ，３１Ｌと同様に、スイッチング素子２２Ｈ，２２Ｌを駆動するパルス指令の電圧レベルを変換して、ＩＧＢＴ素子２２１Ｈ，２２１Ｌにゲート電圧を出力する。
抵抗器Ｒ１，Ｒ２を直列接続した分圧回路は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧を分圧する回路である。電圧センサ５は、コンデンサＣ１，Ｃ２の両端電圧に応じたコンデンサ電圧Ｖｃ０を検知して、セルコントローラ４に伝達する。

第２の実施形態のセルコントローラ４は、図２に示す第１の実施形態と同様である。
フルブリッジ回路２Ａは、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ，２２Ｈ，２２Ｌを介して、エネルギ蓄積器であるコンデンサＣ１，Ｃ２と出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳとの間で電力を授受している。
フルブリッジ回路２Ａの故障には、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌ，２２Ｈ，２２Ｌが故障するケースと、コンデンサＣ１，Ｃ２の内部またはその回路において短絡するケースとが考えられる。スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌのうち一方だけが短絡故障したならば、他方のスイッチング素子がオンしたときに大電流が流れて、他方も短絡故障する。同様に、スイッチング素子２２Ｈ，２２Ｌのうち一方だけが短絡故障したならば、他方のスイッチング素子がオンしたときに大電流が流れて、他方も短絡故障する。よって、ここでは、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌの両方またはスイッチング素子２２Ｈ，２２Ｌの両方とも短絡故障したとして説明する。以下、図７において、その短絡時の判断と処置に関する処理を説明する。

図７は、第２の実施形態における短絡検出処理を示すフローチャートである。図５に示す第１の実施形態の短絡検出処理と同一の要素には同一の符号を付与している。
処理を開始したのち、ステップＳ１０〜Ｓ１９の処理は、第１の実施形態のステップＳ１０〜Ｓ１９の処理と同様である。これにより、単位変換器１０５に短絡装置を設けることなく、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌの短絡故障とコンデンサＣ１，Ｃ２の短絡故障とを区別可能である。セルコントローラ４は、故障個所がコンデンサＣ１，Ｃ２であると判断したならば、ステップＳ２０Ａの処理を行う。
この第２の実施形態のステップＳ２０Ａにおいて、セルコントローラ４は、例えばローサイド側のスイッチング素子２１Ｌ，２２Ｌの２個をオンするように指令する。これにより、セルコントローラ４は、出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳ間を短絡させる。なお、セルコントローラ４は、２個のハイサイド側のスイッチング素子２１Ｈ，２２Ｈをオンするように指令してもよく、すべてのスイッチング素子２１Ｌ，２２Ｌ，２１Ｈ，２２Ｈをオンするように指令してもよい。第２の実施形態のフルブリッジ回路２Ａは、複数の経路を短絡させることにより、出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳ間を確実に短絡させることができる。
このようにして、セルコントローラ４は、フルブリッジ回路２Ａにおいても、単位変換器１０５Ａの出力端子ＰＢＵＳ，ＮＢＵＳ間を短絡させる処置を行う。これにより、故障した単位変換器１０５Ａは支障なく通電し、電力変換装置１０３ａの運転を継続させることができる。

（第３の実施形態）
単位変換器の制御電源をコンデンサＣ１，Ｃ２（エネルギ蓄積器）から供給する自給電源方式では、コンデンサＣ１，Ｃ２の故障により自身のエネルギ供給源が喪失する。そのため、自給電源方式の単位変換器は、コンデンサＣ１，Ｃ２の故障時にスイッチング素子の短絡状態を維持できない。このため、コンデンサＣ１，Ｃ２の故障を検出すると、電力変換装置１０３ａ全体を停止させるように処置する。

図８は、第３の実施形態における各単位変換器１０５Ｂを示す回路図である。図２に示す第１の実施形態の単位変換器１０５と同一の要素には同一の符号を付与している。
図８に示すように、第３の実施形態の単位変換器１０５Ｂは、第１の実施形態とは異なる自給電源６を備えており、それ以外は、第１の実施形態と同様に構成される。
自給電源６は、コンデンサＣ１，Ｃ２が蓄えたエネルギにより、この単位変換器１０５自身に電力を供給するものである。自給電源６の入力側は、コンデンサＣ１，Ｃ２の正極側に接続される。自給電源６の出力側は、単位変換器１０５Ｂ自身であり、例えばセルコントローラ４と、ゲートドライバ３１Ｈ，３１Ｌとに接続される。この自給電源６は、内部にエネルギ蓄積要素を備えており、コンデンサＣ１，Ｃ２の故障時であっても、暫くは電力を供給可能である。
単位変換器１０５Ｂは、自給電源６によって電力供給されて動作しているので、コンデンサＣ１，Ｃ２が短絡故障したときには、スイッチング素子２１Ｌのオン指令を継続できない。よって、この電力変換装置１０３ａを停止させるように動作する。

図９は、第３の実施形態における短絡判断処置処理を示すフローチャートである。図５に示す第１の実施形態の短絡判断処置処理と同一の要素には同一の符号を付与している。
処理を開始したのち、ステップＳ１０〜Ｓ１９の処理は、第１の実施形態のステップＳ１０〜Ｓ１９の処理と同様である。これにより、単位変換器１０５に短絡装置を設けることなく、スイッチング素子２１Ｈ，２１Ｌの短絡故障とコンデンサＣ１，Ｃ２の短絡故障とを区別可能である。セルコントローラ４は、故障個所がコンデンサＣ１，Ｃ２であると判断したならば、ステップＳ２０Ｂの処理を行う。
ステップＳ２０Ｂにおいて、セルコントローラ４は、この電力変換装置１０３ａを停止させるように動作する。すなわち、セルコントローラ４は、光ファイバケーブル１１１を介して、中央コントローラ１０７にコンデンサＣ１，Ｃ２のうちいずれかが短絡したことを通知する。中央コントローラ１０７は、この電力変換装置１０３ａをすぐさま停止させる。
当該単位変換器１０５ＢのコンデンサＣ１，Ｃ２が短絡故障し、自給電源６が電力供給を停止しても、電力変換装置１０３ａ全体が停止することにより、連鎖的に不具合が発生することを防止できる。

（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。
各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｊ）のようなものがある。

（ａ） 第１および第２の実施形態の電力変換装置１０３ａは、三相電力系統１０１ａに連系する三相のＭＭＣ回路形式に適用される。しかし、これに限られず、本発明の電力変換装置は、単相系統に連系する単相ＭＭＣや、多相負荷の一種であるモータを駆動するＭＭＣ、千鳥トランスを用いた零相キャンセル型ＭＭＣ（ＺＣ−ＭＭＣ）などに適用してもよい。
（ｂ） 電力変換装置の相数は、三相に限定されない。
（ｃ） 第１および第２の実施形態の電流センサＣＴには、カレントトランスを用いている。しかし、これに限られず、電流センサＣＴには、シャント抵抗やホールセンサなどを用いてもよく、限定されない。
（ｄ） 第１および第２の実施形態の電流センサＣＴは、ローサイド側のスイッチング素子とコンデンサＣ１，Ｃ２の負極側との間に接続されている。しかし、これに限られず、電流センサＣＴは、ハイサイド側のスイッチング素子とコンデンサＣ１，Ｃ２の正極側との間に接続されていてもよい。

（ｅ） 電力変換装置１０３ａの各アーム１０４は、第１実施形態の双方向チョッパ回路２と、第２実施形態のフルブリッジ回路２Ａとを混在して備えてもよい。これにより、電力変換装置１０３ａの設計の自由度を高めることができる。
（ｆ） 電力変換装置は、三相電力系統１０１ａに連系する代わりに、多相負荷や多相電源に接続して交流電力を供給するように構成してもよい。
（ｇ） 単位変換器１０５が備えるコンデンサは、２個以上が並列に接続されていればよく、例えば３個以上のコンデンサが並列に接続されていてもよい。
（ｈ） エネルギ蓄積器は、例えば二次電池などの電気エネルギを蓄えるものであればよく、コンデンサに限定されない。
（ｉ） 第１および第２の実施形態の中央コントローラ１０７は、光ファイバケーブル１１１を介して、デイジーチェーンで各単位変換器１０５に接続される。しかし、これに限られず、本発明の中央コントローラ１０７は、例えば、光ファイバケーブル１１１を介して、各単位変換器１０５とスター型に接続されてもよく、接続トポロジは限定されない。
（ｊ） 第１および第２の実施形態の各単位変換器１０５は、故障判断処置部であるセルコントローラ４を備えている。しかし、これに限られず、セルコントローラ４は、例えば各単位変換器１０５の近傍に設置されて、近傍の単位変換器１０５を制御してもよい。

１０１ａ，１０１ｂ 三相電力系統
１０２ａ，１０２ｂ 変圧器
１０３ａ，１０３ｂ 電力変換装置
１０４ アーム
１０５，１０５Ａ，１０５Ｂ 単位変換器
１０６ リアクトル
１０７ 中央コントローラ
１０８ 交流電圧センサ
１０９ 電流センサ
１１０ 光トランシーバ
１１１ 光ファイバケーブル
２ 双方向チョッパ回路
２Ａ フルブリッジ回路
２１Ｈ，２１Ｌ，２２Ｈ，２２Ｌ スイッチング素子
２１１Ｈ，２１１Ｌ，２２１Ｈ，２２１Ｌ ＩＧＢＴ素子
Ｄ１Ｈ，Ｄ１Ｌ，Ｄ２Ｈ，Ｄ２Ｌ ダイオード
Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ （エネルギ蓄積器）
ＣＴ 電流センサ
３１Ｈ，３１Ｌ，３２Ｈ，３２Ｌ ゲートドライバ
４ セルコントローラ （故障判断処置部）
５ 電圧センサ
６ 自給電源
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗器

Claims (11)

1. 故障時に短絡状態となるスイッチング素子を複数直列に接続した直列回路と、当該直列回路に並列接続される複数のエネルギ蓄積器とを備え、前記スイッチング素子のオン・オフに依存して前記エネルギ蓄積器の電圧に依存する電圧または零電圧を出力する単位変換器と、
   前記単位変換器を複数直列に接続したアームを複数備えて更に、
   前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器との間に流れる電流を検出する電流センサと、
   前記エネルギ蓄積器の電圧を検出する電圧センサと、
   前記電流センサによる電流検出値および前記電圧センサによる電圧検出値から当該単位変換器の故障個所が前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器のうちいずれであるかを判断して処置する故障判断処置部と、
   を備えることを特徴とする電力変換装置。
2. 当該単位変換器は、外部電源で動作しており、
   前記故障判断処置部は、前記単位変換器の故障個所が前記エネルギ蓄積器であると判断したならば、前記スイッチング素子を制御して前記単位変換器の出力端子間を短絡するように処置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記単位変換器は、前記エネルギ蓄積器に蓄積されたエネルギにより前記故障判断処置部に電源を供給する自給電源を備えており、
   前記故障判断処置部は、前記単位変換器の故障個所が前記エネルギ蓄積器であると判断したならば、当該電力変換装置全体の動作を停止させるように処置する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記単位変換器は、前記エネルギ蓄積器としてコンデンサを備えた双方向チョッパ回路である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記単位変換器は、外部電源で動作しており、
   前記故障判断処置部は、前記単位変換器の故障個所が前記エネルギ蓄積器であると判断したならば、前記直列回路を構成する２個の前記スイッチング素子のうち電位の低い側がオン状態となるように処置する、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記単位変換器は、前記エネルギ蓄積器としてコンデンサを備えたフルブリッジ回路である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
7. 前記アームは、前記エネルギ蓄積器としてコンデンサを備えた双方向チョッパ回路と、前記エネルギ蓄積器としてコンデンサを備えたフルブリッジ回路とを混在して備える、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
8. 当該電力変換装置の交流各相は、多相電源または多相負荷に接続される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
9. 当該電力変換装置の交流各相が接続される前記多相電源は、電力系統である、
   ことを特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
10. 故障時に短絡状態となるスイッチング素子を複数直列に接続した直列回路と、当該直列回路に並列接続される複数のエネルギ蓄積器とを備え、前記スイッチング素子のオン・オフに依存して前記エネルギ蓄積器の電圧に依存する電圧または零電圧を出力する単位変換器と、
    前記単位変換器の故障を判断して処置する故障判断処置部と、
    前記単位変換器を複数直列に接続したアームと、
    前記アームを複数備える電力変換装置の故障検出方法であって、
    当該故障判断処置部は、
    前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器との間に流れる電流を検出する電流センサによる電流検出値を検出するステップと、
    前記エネルギ蓄積器の両端電圧を検出する電圧センサによる電圧検出値を検出するステップと、
    前記電流センサの電流検出値および前記電圧センサの電圧検出値により、当該単位変換器の故障個所が前記スイッチング素子と前記エネルギ蓄積器のうちいずれであるかを判断するステップと、
    を実行することを特徴とする電力変換装置の故障検出方法。
11. 前記故障判断処置部は、
    前記単位変換器の故障個所が前記エネルギ蓄積器であるかと判断した場合には、前記スイッチング素子を制御して前記単位変換器の出力端子間を短絡するように処置するステップ、
    を実行することを特徴とする請求項１０に記載の電力変換装置の故障検出方法。

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