JP2015201983A - 電力変換装置および電力変換方法 - Google Patents

Abstract

【課題】並列接続された複数のＡＣ−ＤＣコンバータのいずれかが故障した場合でも、残りの稼働しているＡＣ−ＤＣコンバータによって、高調波ノイズを抑制しつつ電力変換制御を継続することができる電力変換装置および電力変換方法を得る。【解決手段】交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置であって、故障していると判定された交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制する。【選択図】図１

Description

本発明は、外部電源からの交流電圧を直流電圧に変換する電力変換装置および電力変換方法に関するものである。

交流電圧を直流電圧に変換するＡＣ−ＤＣコンバータは、入力電圧波形が正弦波であるものとしてコンバータ回路のスイッチング素子を制御する。しかしながら、実際の入力電圧波形は、非正弦波状であり、高調波ノイズを含んでいる。このような高調波ノイズは、電子機器の動作に影響を与える恐れがあるため、ＡＣ−ＤＣコンバータには、高調波ノイズを抑制する仕組みが求められている。

高調波ノイズを抑制する方法としては、複数のＡＣ−ＤＣコンバータを並列に接続し、ＡＣ−ＤＣコンバータごとにスイッチング素子のスイッチング位相差をもたせるインタリーブ制御が一般的である。このようなインタリーブ制御では、高調波ノイズの原因となる入力電流リップルを、ＡＣ−ＤＣコンバータ間で相殺することができる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１８７１４０号公報

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
特許文献１に示される電力変換装置では、回路の故障を判断する手段を備えていない。このため、並列接続された複数のＡＣ−ＤＣコンバータのいずれかが故障した場合には、高調波ノイズを抑制した電力変換制御を継続することができないといった問題がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、並列接続された複数のＡＣ−ＤＣコンバータのいずれかが故障した場合でも、残りのＡＣ−ＤＣコンバータの稼働数に適したインタリーブ制御を行い、高調波ノイズを抑制しつつ電力変換制御を継続することができる電力変換装置および電力変換方法を得ることを目的とする。

本発明に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置であって、複数の交流−直流変換器のスイッチング素子を個別に制御するスイッチング制御手段と、複数の交流−直流変換器の故障状態を個別に判定するとともに、複数の交流−直流変換器のうち故障せずに稼働している稼働数Ｎを計算する故障判定手段とを備え、スイッチング制御手段は、故障判定手段により故障していると判定された交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制するものである。

また、本発明に係る電力変換方法は、交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、複数の交流−直流変換器の故障状態を個別に判定するとともに、複数の交流−直流変換器のうち故障せずに稼働している稼働数Ｎを計算する故障判定ステップと、故障判定ステップにより故障していると判定された交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制するスイッチング制御ステップとを有するものである。

本発明に係る電力変換装置によれば、電力変換装置を構成する交流−直流変換器の中で、故障している交流−直流変換器を判定して変換動作を停止させ、故障せずに稼働している交流−直流変換器間のスイッチング位相差が均等になるように交流−直流変換器のスイッチング制御を行っている。この結果、並列接続された複数のＡＣ−ＤＣコンバータのいずれかが故障した場合でも、残りのＡＣ−ＤＣコンバータの稼働数に適したインタリーブ制御を行い、高調波ノイズを抑制しつつ電力変換制御を継続することができる電力変換装置および電力変換方法を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成の例示図である。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング制御手段の処理の流れを示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の故障判定手段の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング周期調整手段の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチングタイミングの例を示す概略図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成の例示図である。 本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の故障判定手段の処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成の例示図である。 本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の故障判定手段の処理を示すフローチャートである。

以下、この発明における電力変換装置および電力変換方法の好適な実施の形態について図面を用いて説明する。なお、各図において同一、または相当する部分については、同一符号を付して説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の構成の例示図である。図１に示す電力変換装置は、交流−直流変換器２ａ〜２ｄ、入力電流センサ３ａ〜３ｄ、スイッチング制御手段１１、故障判定手段１２、スイッチング周期調整手段１３を備えて構成される。

なお、以下では、図１に示すように、本実施の形態１の電力変換装置が４つの交流−直流変換器２ａ〜２ｄを備えて構成される例を説明するが、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの数は４つに限定されるものではない。交流−直流変換器２ａ〜２ｄは、少なくとも３以上であればよい（すなわち、故障せずに稼働している交流−直流変換器２ａ〜２ｄの個数である稼働数Ｎが少なくとも２以上であればよい）。

交流−直流変換器２ａ〜２ｄは、それぞれ交流電源１に並列に接続され、交流電源１から供給される電圧を、それぞれ入力電流センサ３ａ〜３ｄを介して入力する。そして、入力した交流電源１からの交流電圧を直流電圧に変換して負荷１０に出力する。ここで、入力電流センサ３ａ〜３ｄは、交流電源１から交流−直流変換器２ａ〜２ｄのそれぞれへ流れる電流値を個別に測定している。

スイッチング制御手段１１は、交流−直流変換器２ａ〜２ｄへ流れる電流値が所定の値となるように、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのそれぞれのスイッチング素子のオンオフを切り替え制御する。故障判定手段１２は、入力電流センサ３ａ〜３ｄで測定された電流値を用いて、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの故障を判定する。スイッチング周期調整手段１３は、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのそれぞれのスイッチング素子のオンからオンの間隔であるスイッチング周期を調整する。

次に、本実施の形態１におけるスイッチング制御手段１１、故障判定手段１２、スイッチング周期調整手段１３の処理について、それぞれ、図２、図３、図４に示すフローチャートを用いて説明する。

図２は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング制御手段１１の処理の流れを示すフローチャートである。まず、スイッチング制御手段１１の処理について、図２のフローチャートを用いて説明する。

スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１１１０において、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち稼働している個数である稼働数Ｎと、計算に使用するカウンタＣとを初期化する。本実施の形態１では、図１の構成に対応させて、稼働数Ｎには４、カウンタＣには０を設定するものとする。

次に、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１１２０において、全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄの状態を「正常」に初期化する。なお、故障している交流−直流変換器２ａ〜２ｄの状態は、次のステップＳ１１３０の故障判定手段１２において「故障」とされる。

図３は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の故障判定手段１２の処理を示すフローチャートである。図２のステップＳ１１３０で行う故障判定手段１２の処理について、図３のフローチャートを用いて説明する。

まず、故障判定手段１２は、ステップＳ１１３１において、入力電流センサ３ａ〜３ｄを用いて、交流−直流変換器２ａ〜２ｄへの入力電流Ｉ_ｉｎ＿ａ〜Ｉ_ｉｎ＿ｄをそれぞれ測定する。

次に、故障判定手段１２は、ステップＳ１１３２において、後述のステップＳ１１３３〜Ｓ１１３５を、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施する。なお、図３内の「ｘ」は、「ａ」〜「ｄ」のいずれかを示しており、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち現在処理対象のものを表している。

故障判定手段１２は、ステップＳ１１３３において、交流−直流変換器２ｘの入力電流Ｉ_ｉｎ＿ｘが、故障と判定される入力電流閾値Ｉ_{ｉｎ＿ｔｈ}以上であるかを判定する。入力電流Ｉ_ｉｎ＿ｘが入力電流閾値Ｉ_{ｉｎ＿ｔｈ}以上である場合には、故障判定手段１２は、次のステップＳ１１３４において、交流−直流変換器２ｘの状態を「故障」とする。そして、ステップＳ１１３５において、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを１減算する。

一方で、入力電流Ｉ_ｉｎ＿ｘが入力電流閾値Ｉ_{ｉｎ＿ｔｈ}より小さい場合には、故障判定手段１２は、交流−直流変換器２ｘは正常であると判断し、特に処理は行わず、次の交流−直流変換器２ｘについて、上記ステップＳ１１３３〜Ｓ１１３５を繰り返す。

このように、故障判定手段１２は、上記ステップＳ１１３３〜Ｓ１１３５を、全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施することにより、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち、入力電流Ｉ_ｉｎ＿ｘが過大である交流−直流変換器２ｘの状態を「故障」と判定するとともに、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを決定する。

次に、スイッチング制御手段１１は、図２のステップＳ１１４０において、後述のステップＳ１１５０〜Ｓ１１７０を、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施する。なお、図２内の「ｘ」は、「ａ」〜「ｄ」のいずれかを示しており、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち現在処理対象のものを表している。

まず、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１１５０において、故障判定手段１２の処理結果に基づいて、交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」であるか否かを判定する。交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」である場合には、スイッチング制御手段１１は、次のステップＳ１１６０において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊を、カウンタＣと交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを用いて下式（１）のように設定する。

そして、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１１７０においてカウンタＣを１加算する。交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」ではない場合は、特に処理は行わず、次の交流−直流変換器２ｘについて、上述のステップＳ１１５０〜Ｓ１１７０を繰り返す。

このように、スイッチング制御手段１１は、上記ステップＳ１１５０〜Ｓ１１７０を、全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施することにより、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち、状態が「正常」であると判断された交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ａ＊〜Ｐｈ_＿ｄ＊を決定する。

この結果、状態が「正常」であると判断された稼働数Ｎ個の交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ａ＊〜Ｐｈ_＿ｄ＊には、入力信号の一周期を均等にＮ分割したＮ個の互いに異なる位相、０、１×（２π／Ｎ）、２×（２π／Ｎ）、…、（Ｎ−１）×（２π／Ｎ）が、それぞれ順に割り当てられる。すなわち、稼働数Ｎ個の交流−直流変換器２ｘ間のスイッチング位相差は、（２π／Ｎ）で均等になる。

次に、上記のように設定したスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ａ＊〜Ｐｈ_＿ｄ＊を実際にスイッチング位相Ｐｈ_＿ａ〜Ｐｈ_＿ｄに適用する際に、スイッチング位相Ｐｈ_＿ａ〜Ｐｈ_＿ｄが急激に変化しないように制御する方法について説明する。まず、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１１８０において、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのスイッチング周期Ｐｒ_＿ａ〜Ｐｒ_＿ｄを、スイッチング周期基準値Ｐｒ_＿０に初期化する。

図４は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチング周期調整手段１３の処理を示すフローチャートである。図２のステップＳ１１９０で行うスイッチング周期調整手段１３の処理について、図４のフローチャートを用いて説明する。

スイッチング周期調整手段１３は、ステップＳ１１９１において、後述のステップＳ１１９２〜Ｓ１１９７を、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施する。なお、図４内の「ｘ」は、「ａ」〜「ｄ」のいずれかを示しており、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち現在処理対象のものを表している。

スイッチング周期調整手段１３は、スイッチング位相Ｐｈ_＿ｘの急激な変化を抑制するために、スイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊をそのままスイッチング位相Ｐｈ_＿ｘに適用するのではなく、スイッチング位相Ｐｈ_＿ｘの１周期内の位相変化が予め定めたスイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔ以下となるように調整する。

具体的には、スイッチング周期調整手段１３は、ステップＳ１１９２において、交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」であるかを判定する。交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」である場合は、スイッチング周期調整手段１３は、ステップＳ１１９３において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊と、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｘの大きさを比較する。

そして、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊が、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｘより大きい場合には、スイッチング周期調整手段１３は、ステップＳ１１９４において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング周期Ｐｒ_＿ｘを、スイッチング周期基準値Ｐｒ_＿０とスイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔを用いて下式（２）のように算出する。

次に、ステップＳ１１９５において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊を、下式（３）のように、スイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔ分加算する。

一方、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊が、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｘより小さい場合は、スイッチング周期調整手段１３は、ステップＳ１１９６において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング周期Ｐｒ_＿ｘを、スイッチング周期基準値Ｐｒ_＿０とスイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔを用いて下式（４）のように算出する。

次に、ステップＳ１１９７において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊を、下式（５）のように、スイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔ分減算する。

なお、ステップＳ１１９２で、交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」ではない場合は、スイッチング周期調整手段１３は、交流−直流変換器２ｘのスイッチング周期調整は必要ないと判断し、処理は行わず、次の交流−直流変換器２ｘについて、上記ステップＳ１１９２〜Ｓ１１９７を繰り返す。

また、ステップＳ１１９３で、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊が交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｘと等しい場合も、スイッチング周期調整手段１３は、交流−直流変換器２ｘのスイッチング周期調整は必要ないと判断し、処理は行わず、次の交流−直流変換器２ｘについて、上記ステップＳ１１９２〜Ｓ１１９７を繰り返す。

このように、スイッチング周期調整手段１３は、ステップＳ１１９２〜Ｓ１１９７において、故障せずに稼働している稼働数Ｎ個の交流−直流変換器２ａ〜２ｄのスイッチング位相Ｐｈ_＿ａ〜Ｐｈ_＿ｄおよびスイッチング周期Ｐｒ_＿ａ〜Ｐｒ_＿ｄを決定する。

次に、スイッチング制御手段１１は、図２のステップＳ１２００において、後述のステップＳ１２１０〜Ｓ１２４０を、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施する。

まず、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１２１０において、交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」であるかを判定する。交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」である場合は、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１２２０において、スイッチング位相Ｐｈ_＿ｘとスイッチング周期Ｐｒ_＿ｘに従い、交流−直流変換器２ｘのスイッチング素子のオンオフスイッチングを行う。

次に、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１２３０において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｘをスイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ｘ＊とする。

一方で、ステップＳ１２１０で、交流−直流変換器２ｘの状態が「正常」ではない場合は、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１２４０において、交流−直流変換器２ｘのスイッチング素子をオフ固定とすることによって、交流−直流変換器２ｘを停止させる。

このように、スイッチング制御手段１１は、ステップＳ１２１０〜Ｓ１２４０において、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち、状態が「正常」である交流−直流変換器２ｘのオンオフスイッチングを行う。また、状態が「正常」ではない交流−直流変換器２ｘのオンオフスイッチングを停止する。

図５は、本発明の実施の形態１に係る電力変換装置のスイッチングタイミングの例を示す概略図である。図５では、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄが正常に稼働している状態で、交流−直流変換器２ｃが故障し、スイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔ＝π／１８でスイッチング周期を調整しつつ、交流−直流変換器２ａ、２ｂ、２ｄを稼働させた場合のスイッチングタイミングを示している。

交流−直流変換器２ｃが故障する前は、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの各スイッチング位相は、Ｐｈ_＿ａ＝０、Ｐｈ_＿ｂ＝π／２、Ｐｈ_＿ｃ＝π、Ｐｈ_＿ｄ＝３π／２で動作していた。一方で、交流−直流変換器２ｃが故障した後は、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎ＝３となり、交流−直流変換器２ａ、２ｂ、２ｄ間のスイッチング位相差が２π／３で均等になるように、スイッチング周期Ｐｒ_＿ａ、Ｐｒ_＿ｂ、Ｐｒ_＿ｄを調整する。また、交流−直流変換器２ｃを停止させる。

スイッチング周期調整ごとに交流−直流変換器２ｂのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｂはπ／１８ずつ長くなる。同様に、交流−直流変換器２ｄのスイッチング位相Ｐｈ_＿ｄはπ／１８ずつ短くなる。最終的に交流−直流変換器２ａ、２ｂ、２ｄの各スイッチング位相は、Ｐｈ_＿ａ＝０、Ｐｈ_＿ｂ＝２π／３、Ｐｈ_＿ｄ＝４π／３となる。

すなわち、図５の例では、Ｎ＝４の場合には、４台の交流−直流変換器間のスイッチング位相差をπ／２として、均等化を図っていた。これに対して、１台が故障することで、Ｎ＝３となった場合には、３台の交流−直流変換器間のスイッチング位相差を２π／３に変更することで、均等化を図っている。さらに、位相差を、π／２から２π／３へいきなりπ／６分変化させるのではなく、スイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔ＝π／１８ずつ、３回に分けて徐々に変化させている。

このように、稼働する交流−直流変換器の数に応じて各交流−直流変換器のスイッチング位相が決定し、スイッチング周期の調整によって、交流−直流変換器間のスイッチング位相差が均等になる。

以上のように、実施の形態１によれば、電力変換装置を構成する交流−直流変換器の中で、故障している交流−直流変換器を入力電流によって判定している。そして、正常に稼働する交流−直流変換器間のスイッチング位相差が均等になるように、交流−直流変換器のスイッチング制御を動的に行うことができる。さらに、スイッチング周期調整手段によって、スイッチング位相の急激な変化を抑制しつつ、交流−直流変換器のスイッチング制御を行うことができる。

また、故障と判定する入力電流閾値を、交流−直流変換器の入力電流限界値よりも低い値とすることで、入力電流限界値に達する前に交流−直流変換器の動作を停止させることができる。この結果、入力電流超過による交流−直流変換器の故障を抑制し、電力変換装置の長寿命化を図ることができる。

なお、本実施の形態１では、スイッチング周期調整手段１３においてスイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔを一定としたが、スイッチング位相Ｐｈ_＿ａ〜Ｐｈ_＿ｄを入力値、スイッチング位相目標値Ｐｈ_＿ａ＊〜Ｐｈ_＿ｄ＊を目標値としたフィードバック制御によってスイッチング位相調整値Ｐｈ_＿ｄｔを決定してもよい。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの故障を判定するために、交流−直流変換器２ａ〜２ｄへの入力電流値を測定する方法について説明した。これに対して、本実施の形態２では、入力電流値の代わりに、交流−直流変換器２ａ〜２ｄからの出力電流を測定することで、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの故障を判定する方法について説明する。

図６は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の構成の例示図である。以下、本実施の形態２に係る電力変換装置について、図６を用いて説明する。

図６に示すように、本実施の形態２の電力変換装置は、先の実施の形態１が備える入力電流センサ３ａ〜３ｄの代わりに、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのそれぞれから負荷１０へ流れる電流値を個別に測定する出力電流センサ４ａ〜４ｄを備えたものである。先の実施の形態１と異なるのは故障判定手段１２の処理内容である。その他の処理については、先の実施の形態１と同じである。

また、図７は、本発明の実施の形態２に係る電力変換装置の故障判定手段１２の処理を示すフローチャートである。以下、故障判定手段１２の先の実施の形態１と異なる処理部分を中心に、図７のフローチャートを用いて説明する。

まず、故障判定手段１２は、ステップＳ２１３１において、出力電流センサ４ａ〜４ｄを用いて、交流−直流変換器２ａ〜２ｄからの出力電流Ｉ_{ｏｕｔ＿ａ}〜Ｉ_{ｏｕｔ＿ｄ}をそれぞれ測定する。

次に、故障判定手段１２は、ステップＳ２１３２において、後述のステップＳ２１３３〜Ｓ２１３５を、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施する。なお、図７内の「ｘ」は、「ａ」〜「ｄ」のいずれかを示しており、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち現在処理対象のものを表している。

次に、故障判定手段１２は、ステップＳ２１３３において、交流−直流変換器２ｘの出力電流Ｉ_{ｏｕｔ＿ｘ}が、故障と判定される出力電流閾値Ｉ_{ｏｕｔ＿ｔｈ}以上であるかを判定する。出力電流Ｉ_{ｏｕｔ＿ｘ}が出力電流閾値Ｉ_{ｏｕｔ＿ｔｈ}以上である場合には、故障判定手段１２は、次のステップＳ２１３４において、交流−直流変換器２ｘの状態を「故障」とする。そして、ステップＳ２１３５において、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを１減算する。

一方で、出力電流Ｉ_{ｏｕｔ＿ｘ}が出力電流閾値Ｉ_{ｏｕｔ＿ｔｈ}より小さい場合には、故障判定手段１２は、交流−直流変換器２ｘは「正常」であると判断し、特に処理は行わず、次の交流−直流変換器２ｘについて、上記ステップＳ２１３３〜Ｓ２１３５を繰り返す。

このように、故障判定手段１２は、上記ステップＳ２１３３〜Ｓ２１３５を、全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施することにより、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち、出力電流Ｉ_{ｏｕｔ＿ｘ}が過大である交流−直流変換器２ｘの状態を「故障」と判定するとともに、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを決定する。

以上のように、実施の形態２によれば、電力変換装置を構成する交流−直流変換器の中で、故障している交流−直流変換器を出力電流によって判定している。そして、正常に稼働する交流−直流変換器間のスイッチング位相差が均等になるように、交流−直流変換器のスイッチング制御を動的に行うことができる。さらに、スイッチング周期調整手段によって、スイッチング位相の急激な変化を抑制しつつ、交流−直流変換器のスイッチング制御を行うことができる。

また、故障と判定する出力電流閾値を、交流−直流変換器の出力電流限界値よりも低い値とすることで、出力電流限界値に達する前に交流−直流変換器の動作を停止させることができる。この結果、出力電流超過による交流−直流変換器の故障を抑制し、電力変換装置の長寿命化を図ることができる。

実施の形態３．
先の実施の形態１、２では、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの故障を判定するために、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの電流値を測定する方法について説明した。これに対して、本実施の形態３では、電流値の代わりに、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの回路の温度値を測定することで、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの故障を判定する方法について説明する。

図８は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の構成の例示図である。以下、本実施の形態３に係る電力変換装置について、図８を用いて説明する。

図８に示すように、本実施の形態３の電力変換装置は、先の実施の形態１が備える入力電流センサ３ａ〜３ｄの代わりに、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのそれぞれの回路の温度値を個別に測定する回路温度センサ５ａ〜５ｄを備えたものである。先の実施の形態１と異なるのは故障判定手段１２の処理内容である。その他の処理については、先の実施の形態１と同じである。

また、図９は、本発明の実施の形態３に係る電力変換装置の故障判定手段１２の処理を示すフローチャートである。故障判定手段１２の先の実施の形態１と異なる処理部分を中心に、図９のフローチャートを用いて説明する。

まず、故障判定手段１２は、ステップＳ３１３１において、回路温度センサ５ａ〜５ｄを用いて、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの回路温度Ｔ_＿ａ〜Ｔ_＿ｄをそれぞれ測定する。

次に、故障判定手段１２は、ステップＳ３１３２において、後述のステップＳ３１３３〜Ｓ３１３５を、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施する。なお、図９内の「ｘ」は、「ａ」〜「ｄ」のいずれかを示しており、交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち現在処理対象のものを表している。

次に、故障判定手段１２は、ステップＳ３１３３において、交流−直流変換器２ｘの回路温度Ｔ_＿ｘが、故障と判定される回路高温閾値Ｔ_＿ｕｌ以上、または回路低温閾値Ｔ_＿ｌｌ以下であるかを判定する。回路温度Ｔ_＿ｘが回路高温閾値Ｔ_＿ｕｌ以上、または回路低温閾値Ｔ_＿ｌｌ以下である場合には、故障判定手段１２は、次のステップＳ３１３４において、交流−直流変換器２ｘの状態を「故障」とする。そして、ステップＳ３１３５において、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを１減算する。

一方で、回路温度Ｔ_＿ｘが回路高温閾値Ｔ_＿ｕｌより小さく、かつ回路低温閾値Ｔ_＿ｌｌより大きい場合には、故障判定手段１２は、交流−直流変換器２ｘは「正常」であると判断し、特に処理は行わず、次の交流−直流変換器２ｘについて、上記ステップＳ３１３３〜Ｓ３１３５を繰り返す。

このように、故障判定手段１２は、上記ステップＳ３１３３〜Ｓ３１３５を、全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄに対して順に実施することにより、電力変換装置の全ての交流−直流変換器２ａ〜２ｄのうち、回路温度Ｔ_＿ｘが正常範囲外である交流−直流変換器２ｘの状態を「故障」と判定するとともに、電力変換装置の交流−直流変換器２ａ〜２ｄの稼働数Ｎを決定する。

以上のように、実施の形態３によれば、電力変換装置を構成する交流−直流変換器の中で、故障している交流−直流変換器を回路温度によって判定している。そして、正常に稼働する交流−直流変換器間のスイッチング位相差が均等になるように、交流−直流変換器のスイッチング制御を動的に行うことができる。さらに、スイッチング周期調整手段によって、スイッチング位相の急激な変化を抑制しつつ、交流−直流変換器のスイッチング制御を行うことができる。

また、故障と判定する回路温度閾値を、交流−直流変換器の回路温度限界範囲内とすることで、回路温度限界範囲外に達する前に交流−直流変換器の動作を停止させることができる。この結果、回路温度が限界範囲外となることによる交流−直流変換器の故障を抑制し、電力変換装置の長寿命化を図ることができる。

なお、本実施の形態１〜３では、故障判定手段１２において故障判定値を各交流−直流変換器の入力電流、出力電流、または回路温度としたが、例えば、交流−直流変換器２ａ〜２ｄの経年年数や累積スイッチング回数を故障判定値としても、同様の効果を得ることができる。

１ 交流電源、２ａ〜２ｄ 交流−直流変換器、３ａ〜３ｄ 入力電流センサ、４ａ〜４ｄ 出力電流センサ、５ａ〜５ｄ 回路温度センサ、１０ 負荷、１１ スイッチング制御手段、１２ 故障判定手段、１３ スイッチング周期調整手段。

本発明に係る電力変換装置は、交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置であって、複数の交流−直流変換器のスイッチング素子を個別に制御するスイッチング制御手段と、複数の交流−直流変換器の故障状態を個別に判定するとともに、複数の交流−直流変換器のうち故障せずに稼働している稼働数Ｎを計算する故障判定手段とを備え、スイッチング制御手段は、故障判定手段により故障していると判定された交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制し、稼働数Ｎの変更に伴ってスイッチング位相を変更する際に、複数の交流−直流変換器のそれぞれのスイッチング位相の急激な変化を抑制するために、前記稼働数Ｎを変更時のスイッチング位相の１周期内の位相変化が予め定めたスイッチング位相調整値以下となるように、複数の交流−直流変換器のスイッチング位相およびスイッチング周期を調整するスイッチング周期調整手段を更に備えるものである。

また、本発明に係る電力変換方法は、交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、複数の交流−直流変換器の故障状態を個別に判定するとともに、複数の交流−直流変換器のうち故障せずに稼働している稼働数Ｎを計算する故障判定ステップと、故障判定ステップにより故障していると判定された交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制するスイッチング制御ステップと、稼働数Ｎの変更に伴ってスイッチング位相を変更する際に、複数の交流−直流変換器のそれぞれのスイッチング位相の急激な変化を抑制するために、前記稼働数Ｎを変更時のスイッチング位相の１周期内の位相変化が予め定めたスイッチング位相調整値以下となるように、複数の交流−直流変換器のスイッチング位相およびスイッチング周期を調整するスイッチング周期調整ステップとを有するものである。

Claims (6)

1. 交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置であって、
   前記複数の交流−直流変換器のスイッチング素子を個別に制御するスイッチング制御手段と、
   前記複数の交流−直流変換器の故障状態を個別に判定するとともに、前記複数の交流−直流変換器のうち故障せずに稼働している稼働数Ｎを計算する故障判定手段と
   を備え、
   前記スイッチング制御手段は、前記故障判定手段により故障していると判定された前記交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している前記稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、前記稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制する
   電力変換装置。
2. 前記複数の交流−直流変換器への入力電流を、前記交流−直流変換器毎に個別に測定する複数の入力電流センサを更に備え、
   前記故障判定手段は、前記複数の入力電流センサを用いて測定された前記入力電流のそれぞれについて、予め定めた入力電流閾値と比較し、前記入力電流が前記入力電流閾値以上である交流−直流変換器を、故障であると判定する
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記複数の交流−直流変換器からの出力電流を、前記交流−直流変換器毎に個別に測定する複数の出力電流センサを更に備え、
   前記故障判定手段は、前記複数の出力電流センサを用いて測定された前記出力電流のそれぞれについて、予め定めた出力電流閾値と比較し、前記出力電流が前記出力電流閾値以上である交流−直流変換器を、故障であると判定する
   請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記複数の交流−直流変換器の回路温度を、前記交流−直流変換器毎に個別に測定する複数の回路温度センサを更に備え、
   前記故障判定手段は、前記複数の回路温度センサを用いて測定された前記回路温度のそれぞれについて、予め定めた回路高温閾値および予め定めた回路低温閾値と比較し、前記回路温度が、前記回路高温閾値以上であるかまたは前記回路低温閾値以下である交流−直流変換器を、故障であると判定する
   請求項１に記載の電力変換装置。
5. 前記稼働数Ｎの変更に伴って前記スイッチング位相を変更する際に、前記複数の交流−直流変換器のそれぞれのスイッチング位相の急激な変化を抑制するために、スイッチング位相の１周期内の位相変化が予め定めたスイッチング位相調整値以下となるように、前記複数の交流−直流変換器のスイッチング位相およびスイッチング周期を調整するスイッチング周期調整手段を更に備える
   請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 交流電源からの交流電圧を交流−直流変換して出力する少なくとも３個以上の並列接続された複数の交流−直流変換器を備えた電力変換装置において用いられる電力変換方法であって、
   前記複数の交流−直流変換器の故障状態を個別に判定するとともに、前記複数の交流−直流変換器のうち故障せずに稼働している稼働数Ｎを計算する故障判定ステップと、
   前記故障判定ステップにより故障していると判定された前記交流−直流変換器のスイッチング制御を停止するとともに、故障せずに稼働している前記稼働数Ｎ個の交流−直流変換器間のスイッチング位相差が（２π／Ｎ）で均等になるように、前記稼働数Ｎ個の交流−直流変換器のスイッチング位相を制御して高調波ノイズを抑制するスイッチング制御ステップと
   を有する
   電力変換方法。

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