JP5378274B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、単位変換器を複数カスケード接続させた電力変換器に係り、前記単位変換器の異常を検出する技術に関する。

モジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）および、カスケード・マルチモジュラーコンバータ（ＣＭＣ）は、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子を使用し、前記スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる回路方式であり、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回路方式である。

〔非特許文献１〕は、ＭＭＣの回路方式について開示している。

〔非特許文献１〕によれば、ＭＭＣは、複数の単位変換器（以下、セルと呼ぶことにする）を直列（カスケード）接続して構成されている。各セルは、例えば双方向チョッパ回路であり、スイッチング素子と直流コンデンサを備えている。各セルは、少なくとも２端子を介して外部と接続しており、前記２端子間の電圧を、該セルの有する直流コンデンサの電圧か、または零に制御できる。

各セルをＰＷＭ制御している場合、各セルに与える三角波キャリアの位相を適切にシフトすることによって、ＭＭＣの出力電圧波形をマルチレベル波形にできる。これによって、２レベル変換器に比較して高調波成分を低減できる。

ＭＭＣの特徴として、各セルが自セルの制御を行うセル制御装置を持ち、前記セル制御装置は全セルの制御を行う中央制御装置と通信を行う点が挙げられる。

萩原誠・赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻７号、ｐｐ.９５７−９６５。

前述のようにＭＭＣを制御する場合、複数のセルと中央制御装置間で通信を行う必要がある。セル数が増大するにしたがって、通信の情報量および情報処理の負荷が増大する。通信の情報量および情報処理の負荷が増大し、演算周期内に必要な演算が完了しない場合、正常な制御ができない。

よって、各セルと中央制御装置間を通信する情報量を低減することが求められる。

本発明の目的は、半導体スイッチング素子を用いたセルをカスケード状に接続して構成される電力変換装置において、各セルと中央制御装置との間で通信する情報量を低減することを課題とするものである。

前記目的を達成するために、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源と、中央制御装置と前記セルを制御するセル制御装置とを備え、該セル制御装置の電源を前記自給電源から供給するように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記セルは、スイッチング素子と直流コンデンサから構成された主回路と、前記直流コンデンサの電圧を検出する直流電圧センサと、前記中央制御装置からの信号を受信し、前記セル制御装置は前記スイッチング素子のゲートパルスを生成し、前記セル制御装置からのゲートパルスを受信し、スイッチング素子をオン・オフさせるゲートドライバとを備え、前記自給電源は前記セル制御装置とゲートドライバに電源を供給するように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記中央制御装置と各セル制御装置は光ファイバーケーブルでデイジーチェーン接続されているように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備えた、前記中央制御装置と各セル制御装置は光ファイバーケーブルでスター結線接続されているように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記セルの主回路は、スイッチング素子と直流コンデンサを備え、前記セルの前記直流コンデンサまたはスイッチング素子が故障したことを判別する信号を中央制御装置とセル制御装置間で通信するように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記中央制御装置は前記セル制御装置と通信ができなくなったことをもって、該セルの直流コンデンサまたはスイッチング素子の故障と判定することを特徴とするように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記自給電源は複数の分圧用給電コンデンサからなる直列体と、前記各分圧用給電コンデンサの電圧を調整する電圧調整回路を備え、該各電圧調整回路の出力が並列に接続されたように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記自給電源は電力を蓄積する給電コンデンサと、該給電コンデンサの放電を防止する放電防止ダイオードと、前記主回路から前記自給電源に流れ込む電流を制限する制限抵抗と、前記給電コンデンサの電圧を一定に制御する電圧制限手段と、前記給電コンデンサの電圧を調整する電圧調整回路を備えるように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記電圧調整回路は複数の出力端子を備え、該電圧調整回路の出力端子と並列にバックアップコンデンサを接続し、該バックアップコンデンサの放電時定数に差をつけるように構成する。

あるいは、カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記セルの出力端子にノーマリーオンの短絡スイッチを接続し、前記短絡スイッチの駆動電力を前記自給電源から供給するように構成する。

各セル主要部品の故障ビットを設けなくても、複数のセルをカスケード状に接続して構成される電力変換装置において、各セルのセル制御装置の電力を主回路から供給することにより、各セルの主要部品が故障した時に該当セルのセル制御装置と通信ができなくなることにより、該当セルが故障したことを中央制御装置が認識することができる。

これにより、本発明は、半導体スイッチング素子を用いたセルをカスケード状に接続して構成される電力変換装置において、各セルと中央制御装置との間で通信する情報量を低減することが実現できる。

本発明の第１の実施形態を示す電力変換装置の回路図。 本発明の第１の実施形態を示すセルの回路図。 本発明の第２の実施形態を示す電力変換装置の回路図。 本発明の第３の実施形態を示すセルの回路図。 本発明の第４の実施形態を示す自給電源の回路図。 本発明の第５の実施形態を示す自給電源の回路図。 本発明の第６の実施形態を示す電圧調整回路の回路図。

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一の形態について説明する。

実施例１では、セルを構成する直流コンデンサの故障の故障ビットを中央制御装置に送信しなくとも直流コンデンサの故障を検出することを実現したものである。

以下、図１，図２を用いて実施例１の構成について述べる。

本実施例では、各セル１０５の構成がチョッパセルであると仮定する。ただし、本発明は、フルブリッジセルにも適用可能である。

また、本実施例では、本発明の電力変換装置１０３として三相電力系統に連系する三相ＭＭＣを取り上げる。ただし、本発明は、単相系統に連系する単相ＭＭＣや、モータを駆動するＭＭＣにも適用可能である。

また、本発明はカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）にも適用可能である。

電力変換装置１０３は、変圧器１０２を介して三相電力系統１０１に連系している。

電力変換装置１０３のＵ点，Ｖ点，Ｗ点は、変圧器１０２の２次側に接続されている。

また、電力変換装置１０３のＰ点とＮ点の間に、負荷装置１１２を接続している。

本実施例における電力変換装置１０３は、三相電力系統１０１と交流電力の授受を行う。

また、電力変換装置１０３は、負荷装置１１２と直流電力授受を行う。ここで、負荷装置１１２は、直流負荷，モータドライブインバータの直流リンク，直流電源などを代表して示したものである。

本実施例では、三相電力系統１０１の相電圧をそれぞれＶＲ，ＶＳ，ＶＴと呼ぶことにする。変圧器１０２の２次側を流れる各相の電流をそれぞれＩＵ，ＩＶ，ＩＷと呼ぶことにする。

本実施例では、変圧器１０２の２次側（電力変換装置１０３が接続している側）の中性点は、接地されているものとして説明する。

電力変換装置１０３は、複数のセル１０５をカスケード接続して構成されている。

詳細は後述するが、各セル１０５は、直流コンデンサを備えた双方向チョッパ回路である（図２参照）。各セル１０５は、少なくとも２端子を介して外部回路と接続しており、前記２端子の間の電圧を、直流コンデンサ電圧か、または零に制御できる。

本実施例では、前記２端子の間の電圧を、セルの出力電圧またはセル電圧と呼ぶことにする。

図１に示すように、１つまたは複数のセル１０５をカスケード接続して構成した回路を、変換器アーム１０４と呼ぶ。本実施例では、１つの変換器アーム１０４がＮ個のセル１０５を含んでいるとする。また、各変換器アーム１０４を流れる電流をアーム電流と呼ぶことにし、図１の通り、ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬと定義することにする。

電力変換装置１０３は、６つの変換器アーム１０４と６つのリアクトル１０６を、図１に示すように接続することによって構成されている。

中央制御装置１０７は、電力変換装置１０３全体を制御する。中央制御装置１０７は図１中にＧＮＤ点で表わした接地点に接地された電位にある。

交流電圧センサ１０８は、系統相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを検出し、その瞬時値信号を中央制御装置１０７に伝送する。

また、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制御装置１０７に伝送する。

中央制御装置１０７は、一つまたは二つの光トランシーバ１１０を備えており、各光トランシーバ１１０は光ファイバーケーブル１１１を介して、各セルのセル制御装置２０４と通信する。

中央制御装置１０７は、系統相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ，アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬを検出し、これらの情報に基づいて、各セル１０５に送信する出力電圧指令値を決定し、前記出力電圧指令値を各セル１０５に送信する。中央制御装置１０７はこの一連の動作を大略一定周期で行う。この周期を制御周期と呼ぶことにする。

中央制御装置１０７は、上記の一連の動作を行うことにより、アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬを制御することで、三相電力系統１０１と電力を授受する。

中央制御装置１０７は、光トランシーバ１１０と光ファイバーケーブル１１１を介して、各セルのセル制御装置２０４に出力電圧指令値を送信する。

また、本実施例では、前記セル制御装置２０４は、２つの光トランシーバ２０５を備えており、前記中央制御装置１０７、または隣接する他のセル制御装置２０４と光ファイバーケーブル１１１を介して通信している。

また、本実施例の各セル制御装置２０４は、次のセル制御装置２０４または、中央制御装置１０７との通信が完了した時点で前のセル制御装置または中央制御装置へ通信が完了したことを伝える機能及び、次のセル制御装置２０４または、中央制御装置１０７との通信が完了しない場合は逆回りで、通信できなかったことを伝える機能を有する。

また、前記セル制御装置２０４は、前記中央制御装置１０７、または隣接するほかのセル制御装置２０４と光ファイバーケーブル１１１を介して送られてきた自セル１０５の出力電圧指令値および、自セルの直流コンデンサ２０３の電圧ＶＣの情報をもとにスイッチング素子２０、と２０２のためのゲートパルスを生成する。

また、本実施例において、セル台数が６Ｎである場合、第６Ｎセルが送信した光シリアル信号フレームは、中央制御装置１０７に戻される。

次に、図２を用いて、セル１０５の構成を説明する。

セル１０５の主回路は、ハイサイド・スイッチング素子２０１，ローサイド・スイッチング素子２０２，直流コンデンサ２０３とからなる双方向チョッパ回路である。直流コンデンサ２０３の電圧をＶＣと呼ぶことにする。ただし、直流コンデンサ２０３は電池などの直流電圧源でもよい。

また、ハイサイド・スイッチング素子２０１とローサイド・スイッチング素子２０２を総称して、スイッチング素子と呼ぶことにする。

本実施例では、スイッチング素子２０１，２０２とをＩＧＢＴとしているが、本発明はスイッチング素子２０１，２０２がGate−Turn−Off Thysistor（ＧＴＯ），Ｇate−Commutated Turn−off Thyristor（ＧＣＴ），Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor（ＭＯＳＦＥＴ）、その他のオン・オフ制御素子の場合にも適用可能である。

各セル１０５はセル制御装置２０４，自給電源２０８を備えており、セル制御装置２０４は光トランシーバ２０５と光ファイバーケーブル１１１を介して隣接する他のセル１０５のセル制御装置２０４または中央制御装置１０７と接続する。

本発明は、セル制御装置２０４に電源を供給する自給電源２０８を備えていることが特徴であり、その効果については後述する。

セル制御装置２０４は、スイッチング素子２０１，２０２を駆動するためのゲートパルスを生成し、これをゲートドライバ２０６に送信する。

ゲートドライバ２０６は、スイッチング素子２０１，２０２のゲート・エミッタ間に適切な電圧を印加し、スイッチング素子２０１，２０２をターンオンまたはターンオフさせる。

直流電圧センサ２０７は直流コンデンサ電圧ＶＣを検出し、その瞬時値信号をセル制御装置２０４に伝送する。

各セル制御装置２０４の電位は、各セル２０４のローサイド・スイッチング素子２０２のエミッタ端子と同電位であり、図２ではこの点をＧ（ＣＥＬＬ）点で表わしている。

また、前記セル制御装置２０４は、前記中央制御装置１０７から光ファイバーケーブル１１１を介して送られてきた自セル１０５の出力電圧指令値、および、自セルの直流コンデンサ２０３の電圧ＶＣの情報をもとにスイッチング素子２０１，２０２のためのゲートパルスを生成する。

また、自給電源２０８は、直流コンデンサ２０３と並列に接続され、前記セル制御装置２０４に電源を供給する。また、前記自給電源２０８は、ゲートドライバ２０６に電源を供給してもよい。また、前記自給電源２０８は直流コンデンサ２０３から電力を供給されるので電圧ＶＣがある電圧（Ｖｍ）以下になると動作を停止する。

本実施例では、中央制御装置からの信号が各セル制御装置とシリアルに通信されるため、通信する信号の情報量に比例して信号伝送遅延時間が蓄積される。１制御周期内に全セルの信号処理が完了しない場合、前記電力変換器１０３を正常に制御できなくなる。そのため、通信する信号の情報量を削減することは非常に重要である。

以下に、本実施例における信号の伝送遅れについて述べる。

本実施例では、光ファイバーケーブルをデイジーチェーン接続しているため、あるセル制御装置２０４が隣接する他のセル制御装置２０４に信号を伝送するまでに遅延時間が生じる。

全てのセルは光ファイバーケーブルを用いてデイジーチェーン接続されているため、中央制御装置１０７から遠いセルでは、セル間の信号伝送の遅延が蓄積する。したがって、中央制御装置１０７から各セルへ制御信号が伝達されるまでの遅延時間は、セル毎に異なる。

したがって、デイジーチェーン接続に起因してセル毎に異なる遅延時間のバランスを確保することが重要である。

ここで、セル番号を定義する。セル番号は、各セル１０５のセル制御装置２０４がその内部に保存している情報である。

セル番号とは、中央制御装置１０７から該セル１０５までの、光ファイバーケーブル１１１〜１１４によるデイジーチェーン接続の順番である。そのセル番号がＫであるセル１０５を第Ｋセルと呼ぶことにする。第Ｋセルは、中央制御装置１０７からＫ番目に情報を受信するセルである。

以下、遅延バランス時間ＴＢについて説明する。

遅延バランス時間ＴＢとは、中央制御装置１０７から各セル１０５への信号伝送遅延時間を大略等しくするための時間であり、セル毎に異なる値をもつ。

実施例１では、中央制御装置１０７から送信された光シリアル信号は、６Ｎ台のセル１０５を通り、再び中央制御装置１０７に戻される。

したがって、中央制御装置１０７は、６Ｎ台のセルを光シリアル信号が通過する時間（全遅延時間）ＴＤを計測できる。

例えば、中央制御装置１０７および各セル制御装置２０４の初期化時において、中央制御装置１０７が遅延時間測定のための試験用光シリアル信号フレームを使用して全遅延時間ＴＤを計測し、ＴＤのディジタル値を、全セルに光シリアル伝送することができる。

これにより、全てのセル１０５は、全セル（６Ｎ台）分の全遅延時間ＴＤの情報を持っている。また、各セルは、自セルが第何セルかという情報（セル番号Ｋ）を持っている。

ここで、第Ｋセルの遅延バランス時間をＴＢ（Ｋ）とすると、ＴＢ（Ｋ）を次式で与えることにより、中央制御装置１０７から各セル１０５への信号伝送遅延時間を大略等しくすることができる。
〔式１〕
ＴＢ（Ｋ）＝（１−Ｋ／６Ｎ）・ＴＤ

次に、本発明の効果を説明する。本発明は、自給電源２０８を用いてセル制御装置２０４に電力を供給することで、中央制御装置１０７で直流コンデンサの以上信号を設けなくても故障を検出できることが特徴である。以下詳細に説明する。

以下では１例として、各セル１０５のうち１つのセル、例えばＨ番目のセルの直流コンデンサ電圧が低下した場合の故障検出法について述べる。

Ｈ番目のセルの直流コンデンサ電圧が低下し、一定電圧（Ｖｍ）を下回ると前記自給電源２０８が、前記セル制御装置２０４に電力が供給できなくなる。

前記セル制御装置２０４は電力が供給されないため、中央制御装置１０７または、隣接する他のセル制御装置との通信ができなくなる。

このため、Ｈ番目のセル制御装置はＨ−１番目のセル制御装置、または中央制御装置に通信が完了したことを伝えることができない。よって、Ｈ−１番目のセル制御装置は、Ｈ番目のセル制御装置が通信できなかったことを逆周りに各セル制御装置を介して中央制御装置１０７へ伝達する。

中央制御装置１０７は、Ｈ番目のセル制御装置と通信できなかったことを検知したことで、Ｈ番目のセル制御装置の直流コンデンサの異常と判定することができる。

よって、直流電圧の状態を通信によって常に監視する必要がなく、通信ビットの有効活用ができる。

さらに、本実施例では、中央制御装置１０７が光トランシーバを２つ備えている場合、中央制御装置１０７は通常の順番による通信（１から６Ｎ番目のセルへの通信）とは逆周りの通信（６Ｎ番目から１番目のセルへの通信）を実施することで、１台セルが停止した場合でも、セル段数に冗長性を持たせておくことで運転継続が可能である。

以下に、本実施例における、１台セルが停止した場合における運転継続方法について述べる。

１台セルが停止した場合、双方向（１番目から６Ｎ番目および６Ｎ番目から１番目のセルへの通信の２通り）に通信していれば、停止したセル以外の各セルへの通信は可能である。

ただし、全台が運転している場合と１台セルが停止した場合の遅延バランス時間ＴＢが異なる。

そのため、中央制御装置は、Ｈ番目のセルが停止したことを検知したときに各セルの遅延バランス時間を再度設定する。

例えば、Ｈ番目のセルが停止した場合、全台が運転していた場合の遅延バランス時間をＴＢとした場合、順方向から通信を行うＫ番目のセル（１からＨ−１番目のセル）の遅延バランス時間ＴＢ１（Ｋ）は、式２の値にすることにより、中央制御装置１０７から各セル１０５への信号伝送遅延時間を大略等しくすることができる。
〔式２〕
ＴＢ１（Ｋ）＝｛２（Ｈ−１）−Ｋ｝・ＴＤ／６Ｎ

また、逆方向からの通信を行うＫ番目のセル（Ｈ＋１から６Ｎ番目のセル）の遅延バランス時間ＴＢ２（Ｋ）は、式３の値にすることにより、中央制御装置１０７から各セル１０５への信号伝送遅延時間を大略等しくすることができる。
〔式３〕
ＴＢ２（Ｋ）＝｛１８Ｎ−２（Ｈ＋１）−Ｋ｝・ＴＤ／６Ｎ

また、短絡スイッチ２０９をセルの出力に並列に接続し、前記短絡スイッチの駆動電力を前記自給電源２０８から供給すればよい。

短絡スイッチ２０９は、前記セル１０５が故障した場合、前記セル１０５の出力を短絡する手段であり、前記自給電源２０８から駆動電力がない場合、前記セル１０５の出力を短絡するノーマリーオンのスイッチである。

前記自給電源２０８が停止すると、前記短絡スイッチ２０９によって異常セルの出力は短絡されるため、セルの段数に冗長性を持たせておくことで、セルが故障してもシステムとして運転継続させることも可能である。

また、本実施例のその他の効果として、セル制御装置２０４およびゲートドライバ２０６の電力を主回路から供給できるため、絶縁トランスなどによって対地電位との絶縁を取る必要がなく、セルの小型・軽量化できる。この効果は、前述した故障ビットの有無の構成とは関係しない。

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では中央制御装置と各セル制御装置の通信を数珠繋ぎ、いわゆるデイジーチェーン方式であったが、実施例２では図３に示すように中央制御装置は、個別に各セル制御装置と通信を行う、いわゆるスター結線方式であることが異なる。

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３は、本発明の第２の実施形態を表した回路図である。

中央制御装置１０７は、６Ｎ個光トランシーバ１１０を備えており、光トランシーバ１１０から光ファイバーケーブル１１１を介して、各セル１０５に出力電圧指令値を送信する。

本実施例では、中央制御装置１０７から各セルのセル制御装置２０４へは、パラレルで信号を伝送するため、必要な光トランシーバの数が増加する。本実施例の電力変換装置３０３に適用することで、信号の情報量を削減できるため、信号処理能力が低い安価な光トランシーバを使用できるため、装置の低コスト化が図れる。

次に、本発明の効果について説明する。本実施例でも、自給電源２０８を用いてセル制御装置２０４に電力を供給することで、セルの直流コンデンサの異常を中央制御装置で信号を設けなくても、故障を検出できる。以下より詳細に説明する。

各セル１０５のうち１つのセルの直流コンデンサ電圧ＶＣが低下した場合を例にとり説明する（以後、直流コンデンサ電圧が低下したセル１０５を異常セルと呼ぶ）。

異常セルの直流コンデンサ電圧ＶＣが低下し、Ｖｍを下回ると前記自給電源２０８が停止し、前記セル制御装置２０４に電力が供給できなくなる。

前記セル制御装置２０４は電力が供給されないため、中央制御装置１０７との通信ができなくなる。

中央制御装置１０７は、異常セルと通信ができなくなった時点で異常セルの直流コンデンサが異常だと判定することができる。

中央制御装置１０７は、直流コンデンサの異常を通信によって常に監視する必要がなく、通信ビットの有効活用ができる。

また、短絡スイッチ２０９をセルの出力に並列に接続し、前記短絡スイッチの駆動電力を前記自給電源２０８から供給することで、１台セルが停止した場合に前記自給電源２０８から駆動電力が供給されなくなるため、前記セル１０５の出力が短絡され、１台セルが故障してもシステムとして運転継続させることも可能である。

本実施例では、各セル１０５としてチョッパセルを取り上げたが、本発明は、フルブリッジセルにも適用可能である。

また、本実施例では、電力変換装置１０３として三相電力系統に連系する三相ＭＭＣを取り上げたが、本発明は、単相系統に連系する単相ＭＭＣや、モータを駆動するＭＭＣにも適用可能である。

また、本発明はカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）にも適用可能である。

そして、本実施例のその他の効果として、セル制御装置２０４およびゲートドライバ２０６の電力を主回路から供給できるため、絶縁トランスなどによって対地電位との絶縁を取る必要がなく、セルの小型・軽量化できる。この効果は、前述した故障ビットの有無の構成とは関係しない。

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、セル制御装置の駆動電力を各セルの直流コンデンサから自給電源を介して供給していたが、本実施例では、スイッチング素子に印加される電圧から自給電源を介して供給しているところが異なる。

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４は、本発明の第３の実施形態を表した回路図である。

ハイサイド・スイッチング素子２０１およびローサイド・スイッチング素子２０２は、両スイッチング素子がＯＦＦ状態のときはＶＣ／２、片方のスイッチング素子がＯＮ状態のときは、ＶＣと大略零のパルス状の電圧が印加される。

自給電源４０１は、ハイサイド・スイッチング素子２０１に印加する電圧を利用して電力を供給する。また、自給電源４０２は、ローサイド・スイッチング素子２０２に印加する電圧を利用して電力を供給する。

自給電源４０１は、ハイサイド・スイッチング素子２０１を駆動するゲートドライバ４０３に電力を供給する。

自給電源４０２は、ローサイド・スイッチング素子２０２を駆動するゲートドライバ４０４，セル制御装置２０４および短絡スイッチ２０９に電力を供給する。

次に、本実施例においても本特許の特徴である自給電源からセル制御装置へ電力を供給することで、通信で常時監視することなくセルのスイッチング素子の異常を検知できることについて述べる。

各セル１０５のローサイド・スイッチング素子２０２が短絡故障した場合について述べる（以後、スイッチング素子が故障したセル１０５を故障セルと呼ぶ）。

故障セルのローサイド・スイッチング素子２０２が短絡故障するとローサイド・スイッチング素子には電圧が印加されず、前記自給電源４０２は停止し、前記セル制御装置２０４に電力が供給できなくなる。

前記セル制御装置２０４は電力が供給されなくなるため、中央制御装置１０７との通信ができなくなる。

中央制御装置１０７は、通信ができなくなった時点で故障セルをローサイド・スイッチング素子故障だと判定することができる。

また、セル制御装置２０４の電力を、ハイサイド・スイッチング素子２０１に印加する電圧を利用して電力を供給する自給電源４０１から供給すると、ハイサイド・スイッチング素子が短絡故障をした場合、自給電源４０１が停止し、前記セル制御装置２０４に電力が供給されなくなるため、中央制御装置１０７との通信ができなくなるため、中央制御装置１０７は、通信ができなくなった時点で故障セルをハイサイド・スイッチング素子故障だと判定することができる。

上記のように、中央制御装置１０７は、ハイサイド・スイッチング素子２０１または、ローサイド・スイッチング素子２０２の異常を通信によって常に監視する必要がなく、通信ビットの有効活用ができる。

また、セルが故障した場合でも、本実施例の電力変換装置の運転を継続させる場合は、短絡スイッチ２０９をセルの出力に並列に接続し、前記短絡スイッチの駆動電力を前記自給電源４０１または前記自給電源４０２から供給すればよい。

短絡スイッチ２０９は、前記セル１０５が故障した場合、前記セル１０５の出力を短絡する手段であり、前記自給電源４０１または４０２から駆動電力がない場合、前記セル１０５の出力を短絡するノーマリーオンのスイッチである。

前記自給電源４０１または前記自給電源４０２が停止すると、前記短絡スイッチ２０９によって異常セルの出力は短絡されるため、セルの段数に冗長性を持たせておくことで、セルが故障してもシステムとして運転継続させることも可能である。

本実施例では、各セル１０５としてチョッパセルを取り上げたが、本発明は、フルブリッジセルにも適用可能である。

また、本実施例では、電力変換装置１０３として三相電力系統に連系する三相ＭＭＣを取り上げたが、本発明は、単相系統に連系する単相ＭＭＣや、モータを駆動するＭＭＣにも適用可能である。

また、本発明はカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）にも適用可能である。そして、本実施例のその他の効果として、セル制御装置２０４およびゲートドライバ４０３または４０４の電力を主回路から供給できるため、絶縁トランスなどによって対地電位との絶縁を取る必要がなく、セルの小型・軽量化できる。尚、この効果は、前述した故障ビットの有無の構成とは関係しない

本発明を実施する第４の形態について説明する。本実施例は、実施例１，実施例２または実施例３で用いる自給電源の１例である。

本実施例を実施例１，実施例２または実施例３に適用することで、セルを構成する直流コンデンサの異常またはスイッチング素子の故障ビットを中央制御装置に送信しなくとも検出できる。

図５は、本発明の第４の実施形態を表した回路図である。

まず、本発明の特徴であるセル制御装置に主回路から電力を供給できることを特徴として自給電源５００の構成について説明する。自給電源５００は、入力端子５０１と５０２の間に放電防止ダイオード５０３，制限抵抗５０４および給電コンデンサ５０５の直列体を接続する。前記給電コンデンサに並列にツェナーダイオードなどの電圧制限手段５０６および電圧調整回路５０７が接続される。電圧調整回路５０７の出力は、出力端子５０８および５０９に接続される。

次に自給電源５００の動作を説明する。

構成や用途によるが、入力端子５０１，５０２には、数百Ｖから数千Ｖの直流電圧またはパルス状の電圧が印加され、給電コンデンサ５０５を充電する。放電防止ダイオード５０３は前記給電コンデンサ５０５に充電された電荷が放電するのを防ぐ。ただし、実施例１または実施例２のように入力電圧が概略一定とみなせる場合は削減することもできる。

前記給電コンデンサ５０５の電圧ＶＣＱが一定以上の電圧Ｖlimになると電圧制限手段５０６が動作し、給電コンデンサ５０５の電圧を概ね一定に制限する。電圧制限手段５０６が動作し給電コンデンサ５０５の電圧ＶＣＱが概ね一定になると、電圧調整回路５０７が動作する。電圧調整回路は給電コンデンサ５０５の電圧ＶＣＱを負荷が必要な電圧に変換し、出力端子５０８，５０９に出力する。

本発明の自給電源５００は、入力端子５０１，５０２に印加される電圧ＶinがＶlim以下になると、給電コンデンサ５０５の電圧ＶＣＱを一定にならず電圧調整回路５０７が動作を停止し、出力端子５０８，５０９には電圧が出力されない。

実施例１，実施例２または実施例３のセル制御装置２０４に電力が供給されなくなるため、中央制御装置１０７と通信できなくなる。

中央制御装置１０７は通信できなくなったことを認識すると、直流コンデンサ２０３，ハイサイド・スイッチング素子２０１、またはローサイド・スイッチング素子２０２の異常と判定する。

上記のように、中央制御装置１０７は、直流コンデンサ２０３またはスイッチング素子２０１，２０２の異常を通信によって常に監視する必要がなく、通信ビットの有効活用ができる。

また、本実施例のその他の効果として、セル制御装置およびゲートドライバの電力を主回路から供給できるため、絶縁トランスなどによって対地電位との絶縁を取る必要がなく、セルの小型・軽量化できる。尚、この効果は、前述した故障ビットの有無の構成とは関係しない。

本発明を実施する第５の形態について説明する。本実施例は、実施例１または実施例２で用いる自給電源の１例である。

本実施例を実施例１または実施例に適用することで、セルを構成する直流コンデンサの故障ビットを中央制御装置に送信しなくとも検出できる。

また、本実施例では実施例４で用いた制限抵抗による損失がなくなるため、低損失で電力を供給できる。

図６は、本発明の第５の実施形態を表した回路図である。

また、本実施例は、本発明の特徴であるセル制御装置に主回路から電力を供給できる自給電源において、自給電源を構成する各電圧調整回路の出力を並列にして各電圧調整回路の出力バランスさせることにより、分圧給電コンデンサの電圧バランスを一定に保つことができ、実施例４で必要であった制限抵抗が削減できることが特徴である。

まず、自給電源６００の構成を説明する。自給電源６００は、入力端子６０１と６０２の間に複数の分圧給電コンデンサ６０３の直列体が接続される。前記各分圧給電コンデンサ６０３にはそれぞれ電圧調整回路６０４が接続される。前記各電圧調整回路６０４の出力は、それぞれ並列に接続され、出力端子５０８，５０９に接続される。

次に、本発明の自給電源６００の動作を説明する。

入力端子６０１，６０２に印加される電圧Ｖinを分圧給電コンデンサ６０３により分圧する。前記各電圧調整回路６０４は、前記各分圧給電コンデンサ６０３の電圧をゲートドライバやセル制御装置などの負荷が必要とする電圧に変換し、各電圧調整回路６０４の出力端子を並列に接続し、出力端子６０５，６０６にから電力を供給する。ただし、電圧調整回路６０４は入力電圧が一定以下（Ｖmin）になると出力を停止する機能を有する。

各電圧調整回路６０４は出力を並列に接続しているため、前記各電圧調整回路６０４の出力は概ね等しくなり、前記分圧給電コンデンサ６０３の電圧は互いに概ね等しくなる。

また、図６には図示していないが、各分圧給電コンデンサ６０３の電圧を検出し、各電圧調整回路６０４の出力を調整することにより、各分圧給電コンデンサ６０３の電圧バランスをとることもできる。

本発明の自給電源６００は、入力端子６０１，６０２に印加される電圧が低下し、各分圧給電コンデンサの電圧がＶmin以下になると、電圧調整回路６０４が動作を停止し、出力端子６０５，６０６から電力は供給されなくなる。

よって、実施例１，実施例２のセル制御装置２０４に電力が供給されなくなるため、中央制御装置１０７と通信できなくなる。

中央制御装置１０７は通信できなくなったことを認識すると、直流コンデンサ２０３の異常と判定する。

上記のように、中央制御装置１０７は、直流コンデンサ２０３異常を通信によって常に監視する必要がなく、通信ビットの有効活用ができる。

また、本実施例のその他の効果として、セル制御装置およびゲートドライバの電力を主回路から供給できるため、絶縁トランスなどによって対地電位との絶縁を取る必要がなく、セルの小型・軽量化できる。尚、この効果は、前述した故障ビットの有無の構成とは関係しない。

本発明を実施する第６の形態について説明する。本実施例は、実施例４または実施例５で用いる電圧調整回路の変形である。

本実施例を実施例４または実施例５に適用することで、電圧調整回路が停止する際にゲートドライバが誤パルスを出力する可能性を低減することができる。

図７は、本発明の第６の実施形態を表した回路図である。

また、本実施例は、本発明の特徴であるセル制御装置へ主回路から電力を供給できる自給電源を含むセルにおいて、ゲートドライバの方がセル制御装置よりも先に停止するように電圧調整回路の各出力に接続する各バックアップコンデンサの静電容量を決定することが特徴である。

まず、本実施例の構成を説明する。電圧調整回路７０３からゲートドライバへ電力を供給する出力端子７０６，７０８との間に並列にバックアップコンデンサ７０４を、電圧調整回路７０３からセル制御装置へ電力を供給する出力端子７０７，７０８との間に並列にバックアップコンデンサ７０５を接続する。

次に、本実施例の動作を説明する。電圧調整回路７０３は、入力端子７０１，７０２に印加される電圧をゲートドライバ及びセル制御装置が必要な電圧に変換し、ゲートドライバには出力端子７０６，７０８を介して、セル制御装置には出力端子７０７，７０８を介して電力を供給する。バックアップコンデンサ７０４，７０５の静電容量を下記のように選ぶことで、電圧調整回路７０３が停止した場合、ゲートドライバをセル制御装置よりも先に停止させることにより、セル制御装置が停止する際に誤パルスを出力した場合でもスイッチング素子を誤点弧させなくすることができる。

ゲートドライバに出力する電圧をＶＧＤ、消費する電力をＰＧＤ、セル制御装置に出力する電圧をＶＣＣ、消費する電力をＰＣＣとすると、バックアップコンデンサ７０４および７０５の静電容量ＣＧＤ，ＣＣＣは式５の関係を満たすようにすれば、バックアップコンデンサ７０４の電圧の方がバックアップコンデンサ７０５の電圧より先に低下する。
〔式５〕
ＣＧＤ＜［｛ＰＧＤ・（ＶＣＣ）²｝／ＰＣＣ・（ＶＧＤ）²］・ＣＣＣ

以上のように、各バックアップコンデンサの静電容量を決定することにより、電圧調整回路７０３が停止した場合、ゲートドライバをセル制御装置よりも先に停止させることができ、スイッチング素子が誤点弧することを防ぐことができる。

本発明は、交流電力をいったん直流電力に変換する無効電力補償装置（ＳＶＣ，ＳＴＡＴＣＯＭ）やモータドライブ用電力変換装置，直流送電システム（ＨＶＤＣ）などの電力変換器を用いる機器に適用することが可能である。

１０１ 三相電力系統
１０２ 変圧器
１０３，３０３ 電力変換装置
１０４ 変換器アーム
１０５ セル（単位変換器）
１０６ リアクトル
１０７ 中央制御装置
１０８ 交流電圧センサ
１０９ 電流センサ
１１０，２０５ 光トランシーバ
１１１ 光ファイバーケーブル
１１２ 負荷装置
２０１ ハイサイド・スイッチング素子
２０２ ローサイド・スイッチング素子
２０３ 直流コンデンサ
２０４ セル制御装置
２０６，４０３，４０４ ゲートドライバ
２０７ 直流電圧センサ
２０８，４０１，４０２，５００，６００ 自給電源
２０９ 短絡スイッチ
５０１，５０２，６０１，６０２，７０１，７０２ 入力端子
５０３ 放電防止ダイオード
５０４ 制限抵抗
５０５ 給電コンデンサ
５０６ 電圧制限手段
５０７，６０４，７０３ 電圧調整回路
５０８，５０９，６０５，７０６，７０７，７０８ 出力端子
６０３ 分圧給電コンデンサ
７０４，７０５ バックアップコンデンサ

Claims (12)

1. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源と、中央制御装置と前記セルを制御するセル制御装置とを備え、該セル制御装置の電源を前記自給電源から供給することを特徴とする電力変換装置。
2. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、
   前記セルは、スイッチング素子と直流コンデンサから構成された主回路と、
   前記直流コンデンサの電圧を検出する直流電圧センサと、
   前記中央制御装置からの信号を受信し、前記セル制御装置は前記スイッチング素子のゲートパルスを生成し、
   前記セル制御装置からのゲートパルスを受信し、スイッチング素子をオン・オフさせるゲートドライバとを備え、
   前記自給電源は前記セル制御装置とゲートドライバに電源を供給することを特徴とする電力変換装置。
3. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記中央制御装置と各セル制御装置は光ファイバーケーブルでデイジーチェーン接続されていることを特徴とする電力変換装置。
4. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記中央制御装置と各セル制御装置は光ファイバーケーブルでスター結線接続されていることを特徴とする電力変換装置。
5. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記セルの主回路は、スイッチング素子と直流コンデンサを備え、前記セルの前記直流コンデンサまたはスイッチング素子が故障したことを判別する信号を中央制御装置とセル制御装置間で通信することを特徴とする電力変換装置。
6. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記中央制御装置は前記セル制御装置と通信ができなくなったことをもって、該セルの直流コンデンサまたはスイッチング素子の故障と判定することを特徴とする電力変換装置。
7. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記自給電源は複数の分圧用給電コンデンサからなる直列体と、前記各分圧用給電コンデンサの電圧を調整する電圧調整回路を備え、該各電圧調整回路の出力が並列に接続されたことを特徴とする電力変換装置。
8. 請求項７の電力変換装置において、前記電圧調整回路は、各分圧用給電コンデンサの電圧を検出して、前記各電圧調整回路の出力を調整する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
9. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、
   前記自給電源は電力を蓄積する給電コンデンサと、
   該給電コンデンサの放電を防止する放電防止ダイオードと、
   前記主回路から前記自給電源に流れ込む電流を制限する制限抵抗と、
   前記給電コンデンサの電圧を一定に制御する電圧制限手段と、
   前記給電コンデンサの電圧を調整する電圧調整回路を備えたことを特徴とする電力変換装置。
10. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記電圧調整回路は複数の出力端子を備え、該電圧調整回路の出力端子と並列にバックアップコンデンサを接続し、該バックアップコンデンサの放電時定数に差をつけたことを特徴とする電力変換装置。
11. カスケード接続された複数のセルを備える電力変換装置において、前記各セルに主回路から電力を供給する自給電源を備え、前記セルの出力端子にノーマリーオンの短絡スイッチを接続し、前記短絡スイッチの駆動電力を前記自給電源から供給することを特徴とする電力変換装置。
12. 請求項３に記載の電力変換装置において、前記中央制御装置は、各セルのうち一つが故障した場合、該故障したセルを特定する手段を備え、該故障したセル以外のセルに各セルのセル制御装置と中央制御装置との間の通信の伝送遅延時間をバランスさせる信号を伝送することを特徴とする電力変換装置。

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