JP2022066063A - 電力変換システム - Google Patents

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Abstract

【課題】故障ユニットをバイパスする短絡スイッチのサージ電流耐量仕様を低減でき、短絡スイッチに小型で安価な素子を適用して、システムの信頼性および冗長性を向上させる電力変換システムを提供する。【解決手段】電力変換システム１００は、半導体スイッチ素子を用いて形成された複数の電力変換器ユニット１０を直列接続して備え、電力変換器ユニット１０の入力端子および／または出力端子に設けられ、当該電力変換器ユニット１０をバイパスするスイッチ素子２０１，２１１と、スイッチ素子２０１，２１１を導電状態に切り替えるタイミングを制御するスイッチングコントローラ５４と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換システムに関する。
近年、交流を直流にあるいは直流を交流に変換する電力変換装置が多く用いられている。この種の電力変換装置は高電圧の分野にも応用されている。その場合に、例えば、半導体スイッチング素子（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴなど）を含んだ単相電力変換器を利用して、この単相電力変換器を複数直列に接続する。このような構成であればスイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる。直流送電システム（ＨＶＤＣ）や無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、モータドライブインバータなどへの応用が期待されている。
複数の単相電力変換器ユニットを直列接続してなる電力変換システムの例としては、単相インバータ装置（以下、セルインバータ装置という）を複数直列に接続して１相分のインバータ装置群を形成し、これを例えば３相に組み合わせて３相のインバータシステムを形成したものが知られている（特許文献１参照）。
このような直列多重変換器システムでは、１つのセルインバータ装置が異常になった場合、負荷に正常な電力を供給できなくなるばかりでなく、他の健全な単相電力変換器の正常動作にも影響を与えるおそれがある。１つのセルインバータ装置に故障（異常）が発生した場合に、すべてのセルインバータ装置を停止することなく、運転を継続するために、単相電力変換器ユニットの出力線に挿入された出力切り離しスイッチと、該切り離しスイッチを含めて各単相電力変換器の出力をバイパスするバイパス回路にバイパススイッチを備える構成が知られている（特許文献２参照）。
特開平１０－７５５８０号公報 特開２０００－２４５１６８号公報
しかしながら、このような従来の直列変換器システムにあっては、電力変換器ユニット故障時に故障ユニットをバイパスする短絡スイッチの故障については、考慮されていない。短絡スイッチが故障すると、故障ユニットを無効化することができず、電力変換システム全体を停止させなければならない。
電力変換器ユニットの故障時には、過渡的な高周波の振動を伴ったサージ電流が発生する場合があり、このサージ電流により短絡スイッチが故障しないよう、サージ電流耐量の大きい短絡スイッチを用いる必要がある。一方、サージ電流耐量の大きい短絡スイッチは、大型化するため、短絡スイッチの重量が大きくなる。このため、コンバータシステムの単位重量当たりの電力量が小さくなり、電力変換量の重量効率が低下する問題点がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、故障ユニットをバイパスする短絡スイッチのサージ電流耐量仕様を低減でき、短絡スイッチに小型で安価な素子を適用して、システムの信頼性および冗長性を向上させることができる電力変換システムを提供することを目的とする。
上記課題を解決するために、本発明の電力変換システムは、複数の電力変換器ユニットを直列接続して備える電力変換システムであって、前記電力変換器ユニットの入力側および／または出力側に設けられ、当該電力変換器ユニットをバイパスする短絡スイッチと、前記短絡スイッチを導電状態に切り替えるタイミングを制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
本発明のその他の態様については、後記する実施形態において説明する。
本発明によれば、故障ユニットをバイパスする短絡スイッチのサージ電流耐量仕様を低減でき、短絡スイッチに小型で安価な素子を適用して、システムの信頼性および冗長性を向上させることができる。
本発明の第１の実施形態に係る電力変換システムの全体構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換システムの電力変換器ユニットの入力端子に接続する短絡スイッチユニットの構成を示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る電力変換システム内の短絡故障時のサージ電流の例を示す波形図である。 本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムのスイッチングコントローラの構成を示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電力変換システムのスイッチングコントローラの構成を示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る電力変換システムのスイッチングコントローラの構成を示す図である。
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換システムの全体構成を示す図である。本実施形態は、複数の高周波ＡＣリンクコンバータを用いた多重電力変換装置に適用した例である。
［電力変換システムの構成］
電力変換システム１００は、半導体スイッチ素子を用いて形成された複数の単相電力変換器ユニット１０（以下、電力変換器ユニット１０という）を直列接続して備える。
電力変換システム１００は、電力変換器ユニット１０の入力端子（入力側）に設けられ、電力変換器ユニット１０をバイパスするスイッチ素子２０１を有する入力側の短絡スイッチユニット２０を備える。さらに、電力変換システム１００は、電力変換器ユニット１０の出力端子（出力側）に設けられ、電力変換器ユニット１０をバイパスするスイッチ素子２１１を有する出力側の短絡スイッチユニット２１を備える。
複数の電力変換器ユニット１０と短絡スイッチユニット２０，２１は、単相の電力変換器群３０１，３０２，３０３を構成する。３台の単相電力変換器群３０１，３０２，３０３は、３相（Ｕ、Ｖ、Ｗ相）ＡＣ電源３０をＤＣに変換する。
複数の電力変換器ユニット１０の、各電力変換器ユニット１０の構成は同一である。また、電力変換器ユニット１０の入力端子および出力端子に設けられる各短絡スイッチユニット２０，２１の構成は同一である。
<電力変換器ユニット１０>
電力変換器ユニット１０を、図１の単相の電力変換器群３０１のものを例に説明する。電力変換器ユニット１０は、ここでは高周波リンクコンバータのユニットである。
電力変換器ユニット１０は、ＡＣをＤＣに変換するＡＣ／ＤＣコンバータ１０１と、ＤＣを高周波のＡＣに変換する高周波ＤＣ／ＡＣインバータ１０２と、高周波ＡＣをＤＣに変換する高周波ＡＣ／ＤＣコンバータ１０３と、絶縁トランス（高周波変圧器）１０４と、平滑コンデンサ１０５，１０６と、を備える。
高周波ＤＣ／ＡＣインバータ１０２と高周波ＡＣ／ＤＣコンバータ１０３は、絶縁トランス１０４を介して接続される。高周波ＡＣには、例えばｋＨｚオーダーのキャリア周波数が用いられる。
ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１、高周波ＤＣ／ＡＣインバータ１０２、および高周波ＡＣ／ＤＣコンバータ１０３は、半導体スイッチ素子としてＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を用いたフルブリッジのインバータ、コンバータである。この半導体スイッチ素子に、例えば、パワーＭＯＳＦＥＴ（Power Metal-Oxide-semiconductor Field-Effect Transistor）が用いられることもある。
本実施形態では、電力変換器ユニット１０の一例として、高周波ＡＣリンクコンバータを例に採っているが、電力変換器ユニット１０は、どのようなものでもよい。また、図１において、コンバータまたはインバータ単体、もしくはこれらの組み合わせを変えてもよい。
多重接続された電力変換器ユニット１０で単相の電力変換器群３０１，３０２，３０３を構成し、３台の単相電力変換器群３０１，３０２，３０３で三相ＡＣ電源３０をＤＣに変換する。
<短絡スイッチユニット２０，２１>
単相の電力変換器群３０１は、電力変換器ユニット１０の、入力端子間と出力端子間に短絡スイッチユニット２０，２１を設ける。図１の例では、短絡スイッチユニット２０は、３相ＡＣ電源３０の交流端子に接続される。
短絡スイッチユニット２０，２１は、スイッチ素子２０１，２１１（短絡スイッチ）と、スイッチングコントローラ５４（図２参照）と、過電圧抑制素子２０２，２１２と、を備える。また、スイッチングコントローラ５４には、異常検出判定部５０（図２参照）から異常検出判定値が入力される。
電力変換器ユニット１０の入力端子に接続する短絡スイッチユニット２０と、出力端子に接続する短絡スイッチユニット２１とは、構成および仕様は同じとしてもよく、異なっていてもよい。また、短絡スイッチユニット２０のスイッチ素子２０１と、短絡スイッチユニット２１のスイッチ素子２１１の仕様は同じとしてもよく、異なっていてもよい。同様に、短絡スイッチユニット２０の過電圧抑制素子２０２と短絡スイッチユニット２１の過電圧抑制素子２１２の仕様は同一である必要はない。
<スイッチ素子２０１，２１１>
スイッチ素子２０１，２１１は、故障時に、故障した電力変換器ユニット１０をバイパスする短絡スイッチである。
スイッチ素子２０１は、電力変換器ユニット１０内の入力回路側（ＡＣ／ＤＣコンバータ１０１側）の故障時に導通状態となり電力変換器ユニット１０をバイパスする。
スイッチ素子２１１は、電力変換器ユニット１０内の出力回路側（高周波ＡＣ／ＤＣコンバータ１０３側）の故障時に導通状態となり電力変換器ユニット１０をバイパスする。
スイッチ素子２０１，２１１は、両極性のものを使用する場合には、単一の素子で構成できる。
スイッチ素子２０１，２１１は、スイッチングコントローラ５４からのゲート電圧を受けて、導電状態に切り替えるタイミングが制御される（後記）。
なお、スイッチ素子２０１，２１１には、半導体スイッチ素子を適用することが望ましいが、気中リレーや真空開閉器など機械接点方式のスイッチを用いることもできる。
スイッチ素子２０１，２１１には、例えば電磁コイルで駆動する機械式のリレースイッチや、サイリスタやＭＯＳＦＥＴなどの固体スイッチで構成できる。
短絡スイッチに半導体スイッチ素子を適用することで、ミリ秒オーダーで回路を短絡することができ、単相電力変換器ユニット内部の素子故障において、素子に流れる故障電流を短時間でバイパスして、素子の破壊故障を防止できる。故障波及を最小限に抑制することができ、さらに信頼性を高めることができる。
<過電圧抑制素子２０２，２１２>
過電圧抑制素子２０２，２１２は、スイッチ素子２０１，２１１と並列に接続され、電圧により導電状態が切り替わる。
過電圧抑制素子２０２，２１２は、高電圧が印加された場合に、低抵抗となる非線形抵抗素子であればよい。バリスタやガスアレスタに限定するものではないが、インバータもしくはコンバータを構成するスイッチ素子などの内部破壊の場合に、短絡故障がアーク放電に移行した後、消弧された場合に減衰性の高周波電圧が発生するため、耐通過電流Ｉ２ｔ容量の大きいガスアレスタとすることが望ましい。
外部の雷インパルスの急峻なサージ電圧を保護する必要がある場合には、動作時間の早いＭＯＶ（Metal Oxide Varistor；金属酸化物バリスタ）を設置してもよい。また、特性の異なるガスアレスタとＭＯＶを並列に接続してもよい。なお、スイッチ素子２０１，２１１が十分に高い過電圧耐量を有する場合には過電圧抑制素子２０２，２１２は省略できる。
過電圧抑制素子２０２，２１２は、高電圧が印加された場合に、低抵抗となる非線形抵抗素子である。非線形抵抗素子は、例えば、放電を利用したガスアレスタ５３や、酸化亜鉛（ＺｎＯ）などの非線形抵抗を用いたバリスタ（後記）を適用する。ガスアレスタ５３は、瞬間的に発生するサージ電圧が印加された場合に、サージ電圧のみを接地側にパスさせる。
なお、短絡スイッチユニット２０のスイッチ素子２０１と短絡スイッチユニット２１のスイッチ素子２１１の仕様、および短絡スイッチユニット２０の過電圧抑制素子２０２と短絡スイッチユニット２１の過電圧抑制素子２１２の仕様は、それぞれ、同一である必要はない。
また、過電圧抑制素子２０２，２１２は、短絡スイッチユニット２０，２１が十分な耐電圧を有する場合は省略可能である。
［短絡スイッチユニット２０，２１の構成］
図２は、電力変換器ユニット１０の入力端子（入力側）に接続する短絡スイッチユニット２０の構成を示す図である。入力端子に接続する短絡スイッチユニット２０と出力端子に接続する短絡スイッチユニット２１とは、それぞれ同じ構成としてよい。以下、入力端子の短絡スイッチユニット２０を例に説明する。
図２に示すスイッチ素子２０１は、半導体スイッチ素子であり、例えば、逆極性で接続したサイリスタ５１，５２（短絡スイッチ）を適用する。
スイッチ素子２０１は、２個のサイリスタ５１，５２を逆極性で接続することで、双方向で通電できる。
短絡スイッチユニット２１のように直流端子に適用する場合には、サイリスタ素子１個（図２において、サイリスタ５２を削除）として単極性としてよい。
過電圧抑制素子２０２は、例えば、ガスアレスタ５３である。このガスアレスタ５３は、短絡スイッチユニット２０（図１参照）に備えられて電力変換システム１００の内部故障を保護するためのものである。誘導雷サージから電子機器の電源や通信ラインを保護するためのガスアレスタとは用途が異なる。
<異常検出判定部５０>
異常検出判定部５０は、電力変換器ユニット１０の短絡故障（異常）を検出し、異常検出判定値をスイッチングコントローラ５４（制御部）に出力する。
電力変換システム１００（図１参照）は、電力変換器ユニット１０をカスケード状に接続したアームを制御するために、各アームの電圧および電流を計測する電圧および電流センサ（計測手段）が設置されている（図示省略）。
また、電力変換システム１００は、この電圧および電流センサ（計測手段）の検出結果をもとに電力変換器ユニット１０の異常を判定する異常検出判定部５０（異常判定手段）を備えている。本実施形態では、電力変換システム１００に備えられた異常検出判定部５０（異常判定手段）の異常検出判定値をスイッチングコントローラ５４に入力する。したがって、異常検出判定部５０は、短絡スイッチユニット２０，２１の構成要素ではない。
<スイッチングコントローラ５４>
スイッチングコントローラ５４は、異常検出判定部５０からの異常検出判定値をもとに、単体もしくは複数のスイッチのＯＮ，ＯＦＦを制御する。
スイッチングコントローラ５４は、スイッチ素子２０１の導電状態に切り替えるタイミングを制御する。
スイッチングコントローラ５４は、電力変換器ユニット１０の短絡故障が検出された場合、所定遅延時間後に、短絡スイッチを導電状態とする。
スイッチングコントローラ５４は、図２に示すスイッチ素子２０１にサイリスタ５１，５２を用いた場合、サイリスタ５１，５２のゲートを駆動するゲートドライバーである。より詳細には、スイッチングコントローラ５４は、ゲートドライバーを構成する電子回路に、遅延のためのロジック回路を付加したものである。
スイッチングコントローラ５４は、スイッチ素子に機械式スイッチを用いた場合は、例えばソレノイドを駆動するトリップ回路となる。以下では、スイッチ素子にサイリスタを用いた場合を例として説明する。
以下、上述のように構成された電力変換システム１００の動作について説明する。
（原理説明）
電力変換システム１００は、１つの電力変換器ユニット１０の単相電力変換器が故障した場合、短絡スイッチユニット２０のスイッチ素子２０１により、その電力変換器ユニット１０がシステムから切り離され、かつ短絡スイッチユニット２１のスイッチ素子２１１により、その電力変換器ユニット１０の出力がバイパスされる。これにより、システムから故障に係る単相電力変換器が除去され、そのまま運転を継続することができる。その結果、残りの健全な電力変換器ユニット１０の直列出力により、負荷への電力供給が継続されることになり、電力供給の信頼性が向上する。
短絡スイッチには、例えば電磁コイルで駆動する機械式のリレースイッチや、サイリスタやＭＯＳＦＥＴ（Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）などの固体スイッチで構成できる。短絡スイッチに半導体スイッチ素子を適用することで、ミリ秒オーダーで回路を短絡することができ、単相電力変換器ユニット内部の素子故障において、素子に流れる故障電流を短時間でバイパスして、素子の破壊故障を防止できる。故障波及を最小限にすることができ、さらに信頼性を高めることができる。
しかしながら、電力変換器ユニット１０の故障時には、過渡的な高周波の振動を伴ったサージ電流が発生する場合があり、このサージ電流により短絡スイッチが故障しないよう、サージ電流耐量の大きい短絡スイッチを用いる必要がある。一方、サージ電流耐量の大きい短絡スイッチは大型化するため、短絡スイッチの重量が大きくなり、コンバータシステムの単位重量当たりの電力量が小さくなり、電力変換量の重量効率が低下する問題点がある。
本発明者らは、電力変換器ユニット１０が故障した際に発生するサージ電流が減衰した後に、短絡スイッチをクローズすれば、サージ電流による短絡スイッチの故障が防げることに着目した。
そこで、電力変換システム１００は、スイッチ素子２０１（短絡スイッチ）を導電状態に切り替えるタイミングを制御するスイッチングコントローラ５４を備える。スイッチ素子２０１にサイリスタ５１，５２を用いる場合、スイッチングコントローラ５４は、サイリスタ５１，５２のゲートに遅れ時間Ｔｄ（図３参照）を設けてＯＮ指令を入力する。
（動作説明）
図３は、電力変換器ユニット１０内の短絡故障時のサージ電流の例を示す波形図である。縦軸に故障発生時のサージ電流をとり、横軸に経過時間をとる。
図３の破線は、短絡故障時のサージ電流波形４０２である。図３の実線は、サイリスタ５１，５２（図２参照）に流れるサイリスタ投入電流波形４０２である。また、図３の矢印Ｔｄは、短絡故障が検出された後、サイリスタ５１，５２を導電状態とするまでの遅延時間４０３である。なお、遅延時間４０３は、装置固有の浮遊の容量成分Ｃとインダクタ成分Ｌ等で決定されるため、設定値を事前に設ける。図３の矢印Ｉｏは、短絡故障時のサージ電流波形４０２のピーク値である。
スイッチングコントローラ５４（図２参照）は、サイリスタ５１，５２のゲートに遅延時間４０３（遅延時間Ｔｄ）を設けてＯＮ指令を入力する。これにより、サイリスタ５１，５２は、遅延時間４０３経過後のタイミングで導電状態に切り替えられる。
ここでは簡単のため、電力変換器ユニット１０の故障点の抵抗値よりも短絡スイッチのＯＮ抵抗が十分小さいと仮定し、故障電流が瞬時にサイリスタ５１，５２に転流するものとして示している。ここで、遅延時間４０３（遅延時間Ｔｄ）は、故障電流の周波数の数倍を見込めばよい。例えば、サージ電流のピーク値（図３に示すピーク値Ｉｏ）の１／２以下と設定することで、短絡スイッチの耐サージ電流を１／２に低減できる。小型の短絡スイッチ素子が使用可能になる。
故障発生時のサージ電流と、遅延時間Ｔｄとの関係について補足して説明する。
電力変換システム１００は、１つの電力変換器ユニット１０の単相電力変換器が故障した場合、短絡スイッチユニット２１のスイッチ素子２１１により、その電力変換器ユニット１０の出力がバイパスされる。基本的には短絡していればよく、故障したところで短絡しているのでよい。ただし、故障した箇所が１～２秒継続してしまうと、そこが発熱して、二次被害となるおそれがある。
本実施形態では、遅延時間４０３（遅延時間Ｔｄ）の周波数はＭＨｚであり、せいぜいミリ秒オーダーの短い期間である。このため、遅延時間４０３を設けてサイリスタ５１，５２を投入することによる、全体的な影響はない。すなわち、短絡したところに数秒～数分というオーダーで、サージ電流を流し続けると問題となるが、本実施形態では、せいぜいミリ秒オーダーの短い期間、遅延時間４０３を設けるだけであるので、影響はないと考えられる。
［効果］
以上説明したように、本実施形態の電力変換システム１００（図１参照）は、半導体スイッチ素子を用いて形成された複数の電力変換器ユニット１０（図１参照）を直列接続して備え、電力変換器ユニット１０の入力端子および／または出力端子に設けられ、当該電力変換器ユニット１０をバイパスするスイッチ素子２０１，２１１（短絡スイッチ）（図２参照）と、スイッチ素子２０１，２１１（短絡スイッチ）を導電状態に切り替えるタイミングを制御するスイッチングコントローラ５４（図２参照）と、を備える。
この構成により、１つの電力変換器が故障した場合、スイッチ素子２０１，２１１により電力変換器ユニット１０がバイパスされて、電力変換システム１００の運転を継続できる。
短絡スイッチに半導体スイッチ素子を適用することで、ミリ秒オーダーで回路を短絡することができ、電力変換器ユニット１０内部の素子故障において、素子に流れる故障電流を短時間でバイパスして、素子の破壊故障を防止できる。故障波及を最小限とできさらに信頼性を高めることができる。
特に、サージ電流を短絡スイッチに転流する際に、短絡スイッチに流れる電流値を抑制できる。これにより、故障ユニットをバイパスする短絡スイッチのサージ電流耐量仕様を低減でき、短絡スイッチに小型で安価な素子を適用できる。短絡スイッチの故障を抑制して、システムの信頼性および冗長性を向上させることができる。
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムのスイッチングコントローラ５４Ａの構成を示す図である。本実施形態のスイッチングコントローラ５４Ａは、図２のスイッチングコントローラ５４に代えて用いられる。
本発明の第２の実施形態に係る電力変換システムの全体構成は、図１と同様である。
図４に示すように、スイッチングコントローラ５４Ａは、ゲートコントローラ４１２を備える。スイッチングコントローラ５４Ａには、図２に示すスイッチングコントローラ５４と同様に、異常検出判定部５０から電力変換器ユニット１０の短絡故障を検知した信号（電力変換器ユニット１０の異常検出判定値４１１）が入力される。
ゲートコントローラ４１２は、演算装置を実装しており、該演算装置は、電力変換器ユニット１０の異常検出判定値４１１を入力し、サイリスタ５１，５２を緩やかに立ち上げるための、サイリスタ５１，５２のゲート電圧波形４１３を決定する。
本実施形態では、サイリスタ５１，５２のゲート電圧立ち上がり遅れ時間４１４（ゲート電圧立ち上がり遅れ時間Ｔｇ）を、例えば故障電流の数周期の間、緩やかに立ち上げる。
本実施形態では、ゲートコントローラ４１２は、電力変換器ユニット１０の短絡故障が検出された場合、サイリスタ５１，５２に印加するゲート電圧を、定格のゲート電圧まで緩やかに立ち上げる。
サイリスタ５１，５２のゲート電圧が、定格のゲート電圧よりも低い場合の、ＯＮ抵抗により短絡電流を限流させることで、サイリスタ５１，５２の耐サージ電流よりも大きい電流が流れるのを防ぐことができる。
第１の実施形態は、図４に示す異常検出判定値４１１をそのまま遅延させ（投入波形は変えない）例であったが、本実施形態では、サイリスタ５１，５２のゲート電圧が、定格のゲート電圧よりも低い場合の、ＯＮ抵抗（サイリスタ５１，５２のゲート電圧が低い場合にＯＮ抵抗が高い特性を用いること）により短絡電流を限流させる。これにより、サイリスタ５１，５２のＯＮ抵抗の高いところで、ＯＮ抵抗により限流させる。後記第３および第４の実施形態のように、限流素子６３を設けることなく、限流させることができる。
（第３の実施形態）
図５は、本発明の第３の実施形態に係る電力変換システムの入力端子（入力側）に接続する短絡スイッチユニットの構成を示す図である。図２と同一構成部分には、同一符号を付している。
図５に示すように、本実施形態に係る電力変換システムの短絡スイッチユニット２０Ａは、図２に示す短絡スイッチユニット２０のサイリスタ５１，５２とは別に限流素子６３を付加した例である。
短絡スイッチユニット２０Ａは、第１の短絡スイッチ２０１であるサイリスタ５１，５２と並列に、限流素子６３を設置するとともに、限流素子６３と直列に第２の短絡スイッチ２０３であるサイリスタ６１，６２を、第１の短絡スイッチ２０１と並列に設ける。
限流素子６３は、抵抗もしくはコイルで構成した電流抑制用の素子である。
スイッチングコントローラ５４Ｂは、サイリスタ５１，５２，６１，６２のゲートを駆動するゲートドライバーである。
以上の構成において、短絡スイッチユニット２０Ａは、第１の短絡スイッチ２０１よりも第２の短絡スイッチ２０３を先にクローズするようサイリスタ５１，５２，６１，６２のゲート電圧を印加する。故障電流が限流素子６３により低減された後に、第１の短絡スイッチ２０１をクローズする。
以上説明したように、短絡スイッチユニット２０Ａは、並列に設置された、第１の短絡スイッチ２０１と、第２の短絡スイッチ２０２とを備え、第１の短絡スイッチ２０１と並列で、かつ、第２の短絡スイッチ２０２に直列に接続された限流素子６３を備え、スイッチングコントローラ５４Ｂは、電力変換器ユニット１０の短絡故障が検出された場合、第２の短絡スイッチ２０２を動作させて、限流素子６３により限流し、所定遅延時間後に、第１の短絡スイッチ２０１を導電状態に切り替える。
すなわち、スイッチングコントローラ５４Ｂは、故障判定後、すぐに第２の短絡スイッチ２０３（サイリスタ６１，６２）を投入し、限流素子６３により限流する。限流素子６３で電流を限流しているので、その間に第１の短絡スイッチ２０１（サイリスタ５１，５２）を、遅延時間Ｔｄ（図３参照）を設けて投入する。その後、第２の短絡スイッチ２０３の漏れ電流を抑え、サイリスタ６１，６２のゲート電圧のロスを減らすために、第２の短絡スイッチ２０３（サイリスタ６１，６２）はオフにする。なお、第２の短絡スイッチ２０３のオフのタイミングの条件は緩やかである。
このように、本実施形態では、短絡スイッチユニット２０Ａは、強制的に電流を絞る限流素子６３を入れることで、第１および第２の実施形態のように、短絡電流が限流するまでまってから短絡スイッチを投入することなく、すぐに、かつ確実に短絡することができる。
サージ電流を短絡スイッチに転流する際に、短絡スイッチに流れる電流値を抑制できる。これにより、故障ユニットをバイパスする短絡スイッチのサージ電流耐量仕様を低減でき、短絡スイッチに小型で安価な素子を適用できる。
（第４の実施形態）
図６は、本発明の第４の実施形態に係る電力変換システムの入力端子（入力側）に接続する短絡スイッチユニットの構成を示す図である。図５と同一構成部分には、同一符号を付している。
図６に示すように、本実施形態に係る電力変換システムの短絡スイッチユニット２０Ｂは、図５に示す短絡スイッチユニット２０Ａと同様に、限流素子６３を備える。
短絡スイッチユニット２０Ｂは、第３の短絡スイッチ２０１であるサイリスタ５１，５２と直列に限流素子６３を設置し、この限流素子６３と並列に第４の短絡スイッチ２０３であるサイリスタ６１，６２を設置する。
スイッチングコントローラ５４Ｃは、サイリスタ５１，５２，６１，６２のゲートを駆動するゲートドライバーである。
以上の構成において、短絡スイッチユニット２０Ｂは、第３の短絡スイッチ２０１（サイリスタ５１，５２）が、故障電流を検出した後瞬時にクローズし、遅れ時間を設けて第４の短絡スイッチ２０３（サイリスタ６１，６２）をクローズするように制御する。
これにより、第３の短絡スイッチ２０１がクローズした後、サージ電流の一部が転流し限流素子６３に流れる。限流素子６３により第３の短絡スイッチ２０１に流れるサージ電流は耐サージ電流以下に抑制される。サージ電流が減衰した後に、第４の短絡スイッチ２０３（サイリスタ６１，６２）をクローズにして、限流素子６３をバイパスすることで、短絡スイッチ全体の抵抗を小さくする。
以上説明したように、短絡スイッチユニット２０Ｂは、直列に設置された、第３の短絡スイッチ２０１と、第４の短絡スイッチ２０３とを備え、第３の短絡スイッチ２０１に直列で、かつ、第４の短絡スイッチ２０３と並列に接続され限流素子６３を備え、スイッチングコントローラ５４Ｃは、電力変換器ユニット１０の短絡故障が検出された場合、第３の短絡スイッチ２０１を動作させて、限流素子６３により限流し、所定遅延時間後に、第４の短絡スイッチ２０３を導電状態に切り替える。
このように、本実施形態では、短絡スイッチユニット２０Ｂは、強制的に電流を絞る限流素子６３を入れることで、第３の実施形態と同様に、短絡電流が限流するまでまってから短絡スイッチを投入することなく、すぐに、かつ確実に短絡することができる。
サージ電流を短絡スイッチに転流する際に、短絡スイッチに流れる電流値を抑制できる。これにより、故障ユニットをバイパスする短絡スイッチのサージ電流耐量仕様を低減でき、短絡スイッチに小型で安価な素子を適用できる。
なお、ＡＣ／ＤＣコンバータ構成において、ＤＣ端子に設置する短絡スイッチユニットでは、第４の短絡スイッチ２０２を省略してもよい。
本発明は上記の各実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
例えば、上記短絡スイッチを電力変換器ユニットの入力端子または出力端子のいずれか一方に設ける態様でもよい。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
また、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、製品上必ずしもすべ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。
１０ 電力変換器ユニット
２０，２０Ａ，２０Ｂ 短絡スイッチユニット（入力側）
２１ 短絡スイッチユニット（出力側）
３０ ３相ＡＣ電源
５１，５２ サイリスタ（半導体スイッチ素子，短絡スイッチ，第１の短絡スイッチ，第３の短絡スイッチ）
５３ ガスアレスタ（過電圧抑制素子）
５４，５４Ａ，５４Ｂ，５４Ｃ スイッチングコントローラ（制御部）
６１，６２ サイリスタ（半導体スイッチ素子，短絡スイッチ，第２の短絡スイッチ，第４の短絡スイッチ）
６３ 限流素子
１００ 電力変換システム
１０１ ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０２ 高周波ＤＣ／ＡＣインバータ
１０３ 高周波ＡＣ／ＤＣコンバータ
１０４ 絶縁トランス（高周波変圧器）
１０５，１０６ 平滑コンデンサ
２０１，２１１ スイッチ素子（第１の短絡スイッチ，第３の短絡スイッチ）
２０２，２１２ 過電圧抑制素子
２０３ スイッチ素子（第２の短絡スイッチ，第４の短絡スイッチ）
３０１，３０２，３０３ 単相電力変換器群
４０１ 短絡スイッチに流れる電流
４０２ 故障時のサージ電流
４０３ 半導体スイッチの投入までの遅延時間
４１１ 電力変換器ユニットの故障信号
４１２ ゲートコントローラ（制御部）
４１３ ゲート電圧
４１４ ゲート電圧立ち上がり遅れ時間

Claims (5)

  1. 複数の電力変換器ユニットを直列接続して備える電力変換システムであって、
    前記電力変換器ユニットの入力側および／または出力側に設けられ、当該電力変換器ユニットをバイパスする短絡スイッチと、
    前記短絡スイッチを導電状態に切り替えるタイミングを制御する制御部と、を備える
    ことを特徴とする電力変換システム。
  2. 前記制御部は、前記電力変換器ユニットの短絡故障が検出された場合、所定遅延時間後に、前記短絡スイッチを導電状態とする
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  3. 前記短絡スイッチは、前記制御部からのゲート電圧を受けて駆動する半導体スイッチ素子であり、
    前記制御部は、前記電力変換器ユニットの短絡故障が検出された場合、前記半導体スイッチ素子に印加する前記ゲート電圧を、定格のゲート電圧まで緩やかに立ち上げる
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  4. 前記短絡スイッチは、並列に設置された、第１の短絡スイッチと、第２の短絡スイッチとを備え、
    前記第１の短絡スイッチと並列で、かつ、前記第２の短絡スイッチに直列に接続された電流抑制素子を備え、
    前記制御部は、前記電力変換器ユニットの短絡故障が検出された場合、前記第２の短絡スイッチを動作させて、前記電流抑制素子により限流し、
    所定遅延時間後に、前記第１の短絡スイッチを導電状態に切り替える
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
  5. 前記短絡スイッチは、直列に設置された、第３の短絡スイッチと、第４の短絡スイッチとを備え、
    前記第３の短絡スイッチに直列で、かつ、前記第４の短絡スイッチと並列に接続された電流抑制素子を備え、
    前記制御部は、前記電力変換器ユニットの短絡故障が検出された場合、前記第３の短絡スイッチを動作させて、前記電流抑制素子により限流し、
    所定遅延時間後に、前記第４の短絡スイッチを導電状態に切り替える
    ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換システム。
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