JP5730456B1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

マルチレベル変換器（３）では、３つのアーム（Ａ４〜Ａ６）と負電圧端子（３ｂ）の間にそれぞれ３つの第１の整流素子（ＲＥ１〜ＲＥ３）が接続され、３つの第１の整流素子（ＲＥ１〜ＲＥ３）にそれぞれ３つの第２の整流素子（ＲＥ４〜ＲＥ６）が逆並列に接続される。通常動作時は、３つの第１の整流素子（ＲＥ１〜ＲＥ３）および３つの第２の整流素子（ＲＥ４〜ＲＥ６）に電流が流れる。２つの直流送電線（１，２）間で短絡事故が発生した場合は、３つの第１の整流素子（ＲＥ１〜ＲＥ３）が非導通状態にされ、４つのアーム（Ａ１，Ａ４，Ａ５，Ａ２）などに流れるアーム間直流電流が遮断されて迅速に減衰される。

Description

この発明は電力変換装置に関し、特に、交流電源と直流電源の間で電力の授受を行なう電力変換装置に関する。
従来の電力変換装置であるハーフブリッジ型モジュラー・マルチレベル変換器（Modular Multilevel Converter）は、正電圧端子および交流端子間に接続された第１のアームと、交流端子および負電圧端子間に接続された第２のアームとを備え、第１および第２のアームの各々はカスケード接続された複数の単位セルを含む。
各単位セルは、直流電圧に充電されるコンデンサと、コンデンサの正極および負極間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子と、それぞれ第１および第２のスイッチング素子に逆並列に接続された第１および第２のダイオードと、第２のダイオードに並列接続された機械式バイパススイッチとを有する。各アームにおいて、複数の単位セルの機械式バイパススイッチは直列接続されている。
各アームの複数の単位セルを制御することにより、直流電力および交流電力のうちのいずれか一方の電力を他方の電力に変換することができる。ある単位セルが故障した場合は、その単位セルの機械式バイパススイッチを導通状態にしてその単位セルを短絡することにより、マルチレベル変換器の運転を継続することができる（たとえば、特許文献１（特開２０１１−１９３６１５号公報）、非特許文献１（“Modern HVDC PLUS application of VSC in Modular Multilevel Converter topology”, K. Friedrich, IEEE 2010, July 2010）参照）。
このようなマルチレベル変換器を備えた直流送電システムにおいては、直流送電線で短絡事故が発生すると各単位セルの第１または第２のスイッチング素子に大きな線路直流電流が流れる（図１０参照）。短絡事故が発生した時に各単位セルの第１および第２のスイッチング素子を非導通状態にすることにより、第１および第２のスイッチング素子を保護することができる。しかし、第１および第２のスイッチング素子を非導通にすると、各単位セルの第２のダイオードに線路直流電流が流れるので、第２のダイオードを保護する方法が必要となる。
特許文献２（特表２００９−５０６７３６号公報）には、第２のダイオードにサイリスタを並列接続し、短絡事故が発生した場合にサイリスタをターンオンさせ、線路直流電流を第２のダイオードとサイリスタに分流させることにより、第２のダイオードを保護する方法が開示されている。
特開２０１１−１９３６１５号公報 特表２００９−５０６７３６号公報
しかし、特許文献２（特表２００９−５０６７３６号公報）の方法では、各単位セルにサイリスタを設けるので、単位セルの数と同数のサイリスタが必要となり、装置の高価格化、大型化を招くという問題がある。
第２のダイオードを保護する他の方法として、短絡事故が発生した場合に、第１および第２のスイッチング素子を非導通状態にし、第２のダイオードが線路直流電流によって損傷される前に機械式バイパススイッチを導通させる方法が考えられる。この方法によれば、第２のダイオードに流れる線路直流電流を機械式バイパススイッチに転流させ、第１および第２のスイッチング素子および第２のダイオードを保護することができる。
しかし、全単位セルの機械式バイパススイッチが導通させると、第１および第２のアームの各々が導通状態になり、２組の第１および第２のアームを含む経路にアーム間直流電流が循環し始める（図１２参照）。直流送電システムを短絡事故から速やかに復帰させるには、線路直流電流およびアーム間直流電流を速やかに除去する必要がある。
マルチレベル変換器への交流電力の供給を遮断すれば、線路直流電流の供給が遮断され、線路直流電流は事故点のアーク抵抗によって減衰される。アーム間直流電流は、マルチレベル変換器などのインダクタンスと抵抗値の比で決まる時定数により減衰する。しかし、直流送電システムでは、電力損失を低減するために抵抗値を小さくしているので、アーム間直流電流の減衰時間が長いという問題がある。
それゆえに、この発明の主たる目的は、短絡事故時に単位セルを保護し、アーム間直流電流を迅速に減衰させることが可能な電力変換装置を提供することである。
この発明に係る電力変換装置は、交流電源と直流電源の間で電力の授受を行なう電力変換装置であって、直流電源と直流電力を授受するための第１および第２の直流端子と、交流電源と交流電力を授受するための交流端子と、第１の直流端子および交流端子間に接続された第１のアームと、交流端子および第２の直流端子間に接続された第２のアームとを備えたものである。第１および第２のアームの各々はカスケード接続された複数の単位セルを含む。各単位セルは、予め定められた直流電圧に充電されるコンデンサと、コンデンサの電極間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子と、それぞれ第１および第２のスイッチング素子に逆並列に接続された第１および第２のダイオードと、第１または第２のダイオードに並列接続された機械式バイパススイッチとを有する。第１および第２のアームの各々において複数の単位セルの機械式バイパススイッチは直列接続されている。各単位セルの第１および第２のスイッチング素子は、通常動作時は交互に導通状態にされ、直流電源側で短絡事故が発生した場合はともに非導通状態にされる。各単位セルの機械式バイパススイッチは、通常動作時は非導通状態にされ、短絡事故が発生した場合は導通状態にされる。この電力変換装置は、さらに、第１および第２の直流端子間に第１および第２のアームと直列接続され、通常動作時は導通状態にされて第１の方向に電流を流し、短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる第１の整流素子と、第１の整流素子と逆並列に接続され、第１の方向と逆の第２の方向に電流を流す第２の整流素子とを備える。
この発明に係る電力変換装置では、短絡事故が発生した場合は機械式バイパススイッチを導通状態にするので、単位セルを短絡電流から保護することができる。さらに、第１および第２のアームに直列接続された第１の整流素子を非導通状態にするので、アーム間直流電流を迅速に減衰させることができる。
この発明の一実施の形態による直流送電システムの構成を示す回路ブロック図である。 図１に示したマルチレベル変換器の要部を示す回路図である。 図２に示した整流素子の構成を示す回路図である。 図３に示した整流素子の動作を示すタイムチャートである。 図２に示した単位セルの構成および制御装置を示す回路ブロック図である。 図２に示した単位セルの動作を示す回路図である。 図２に示したマルチレベル変換器の動作を示す図である。 図２に示したマルチレベル変換器の動作を示す他の図である。 実施の形態の比較例となる直流送電システムに含まれるマルチレベル変換器の要部を示す回路図である。 図９に示したマルチレベル変換器を備えた直流送電システムにおいて短絡事故発生時に流れる線路直流電流を示す回路図である。 図９に示したマルチレベル変換器を備えた直流送電システムにおいて短絡事故発生時に流れる三相短絡電流を示す回路図である。 図９に示したマルチレベル変換器を備えた直流送電システムにおいて短絡事故発生時に流れるアーム間直流電流を示す回路図である。 実施の形態と比較例のアーム間直流電流を示すタイムチャートである。 実施の形態の変更例を示す回路図である。 実施の形態の他の変更例を示す回路図である。
図１は、この発明の一実施の形態による直流送電システムの構成を示す回路ブロック図である。図１において、この直流送電システムは、直流送電線１，２、遮断器Ｂ１〜Ｂ６、リアクトルＬ１〜Ｌ４、ハーフブリッジ型モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）３，４、三相変圧器５，６、および交流電力系統１１，１２を備える。
マルチレベル変換器３は、正電圧端子３ａ、負電圧端子３ｂ、および３つの交流端子３ｃ〜３ｅを含み、直流電力と三相交流電力のうちのいずれか一方の電力を他方の電力に変換する双方向電力変換装置である。正電圧端子３ａおよび負電圧端子３ｂは直流電力を授受するために用いられ、３つの交流端子３ｃ〜３ｅは三相交流電力を授受するために用いられる。
マルチレベル変換器４は、正電圧端子４ａ、負電圧端子４ｂ、および３つの交流端子４ｃ〜４ｅを含み、直流電力と三相交流電力のうちのいずれか一方の電力を他方の電力に変換する双方向電力変換装置である。正電圧端子４ａおよび負電圧端子４ｂは直流電力を授受するために用いられ、３つの交流端子４ｃ〜４ｅは三相交流電力を授受するために用いられる。
直流送電線１の一方端はリアクトルＬ１を介してマルチレベル変換器３の正電圧端子３ａに接続され、その他方端はリアクトルＬ２を介してマルチレベル変換器４の正電圧端子４ａに接続される。
直流送電線２の一方端はリアクトルＬ３を介してマルチレベル変換器３の負電圧端子３ｂに接続され、その他方端はリアクトルＬ４を介してマルチレベル変換器４の負電圧端子４ｂに接続される。
直流送電線１，２は、直流電力を伝送するために使用される。リアクトルＬ１，Ｌ３は、マルチレベル変換器３で発生するスイッチング周波数の信号が直流送電線１，２側に流れることを抑制する。リアクトルＬ２，Ｌ４は、マルチレベル変換器４で発生するスイッチング周波数の信号が直流送電線１，２側に流れることを抑制する。
マルチレベル変換器３の３つの交流端子３ｃ〜３ｅは、三相変圧器５の３つの２次側端子にそれぞれ接続される。三相変圧器５の３つの１次側端子は、それぞれ遮断器Ｂ１〜Ｂ３を介して交流電力系統１１の三相送電線に接続される。
マルチレベル変換器４の３つの交流端子４ｃ〜４ｅは、三相変圧器６の３つの２次側端子にそれぞれ接続される。三相変圧器６の３つの１次側端子は、それぞれ遮断器Ｂ８〜Ｂ１０を介して交流電力系統１２の三相送電線に接続される。
三相変圧器５は、マルチレベル変換器３と交流電力系統１１の間で三相交流電力を授受する。三相変圧器６は、マルチレベル変換器４と交流電力系統１２の間で三相交流電力を授受する。遮断器Ｂ１〜Ｂ６は、通常動作時は導通状態にされ、たとえば、直流送電線１，２間で短絡事故が発生した場合に非導通状態にされ、直流送電システムを保護する。
次に、この直流送電システムの動作について説明する。交流電力系統１１から交流電力系統１２に三相交流電力を供給する場合は、交流電力系統１１の三相交流電力が遮断器Ｂ１〜Ｂ３および三相変圧器５を介してマルチレベル変換器３に供給され、マルチレベル変換器３で直流電力に変換される。マルチレベル変換器３で生成された直流電力は直流送電線１，２などを介してマルチレベル変換器４に供給され、マルチレベル変換器４で三相交流電力に変換される。マルチレベル変換器４で生成された三相交流電力は、三相変圧器６および遮断器Ｂ４〜Ｂ６を介して交流電力系統１２に供給される。
このとき、マルチレベル変換器３の端子３ａ，３ｂ間の直流電圧がマルチレベル変換器４の端子４ａ，４ｂ間の直流電圧よりも若干大きな電圧に設定され、マルチレベル変換器３から直流送電線１，２などを介してマルチレベル変換器４に直流電力が供給される。
マルチレベル変換器３は、交流電源（交流電力系統１１、遮断器Ｂ１〜Ｂ３、および三相変圧器５）からの交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換装置として動作する。マルチレベル変換器４は、直流電源（マルチレベル変換器３など）からの直流電力を交流電力に変換する直流−交流変換装置として動作する。
逆に、交流電力系統１２から交流電力系統１１に三相交流電力を供給する場合は、交流電力系統１２の三相交流電力が遮断器Ｂ４〜Ｂ６および三相変圧器６を介してマルチレベル変換器４に供給され、マルチレベル変換器４で直流電力に変換される。マルチレベル変換器４で生成された直流電力は直流送電線１，２などを介してマルチレベル変換器３に供給され、マルチレベル変換器３で三相交流電力に変換される。マルチレベル変換器３で生成された三相交流電力は、三相変圧器５および遮断器Ｂ１〜Ｂ３を介して交流電力系統１１に供給される。
このとき、マルチレベル変換器４の端子４ａ，４ｂ間の直流電圧がマルチレベル変換器３の端子３ａ，３ｂ間の直流電圧よりも若干大きな電圧に設定され、マルチレベル変換器４から直流送電線１，２などを介してマルチレベル変換器３に直流電力が供給される。
マルチレベル変換器４は、交流電源（交流電力系統１２、遮断器Ｂ４〜Ｂ６、および三相変圧器６）からの交流電力を直流電力に変換する交流−直流変換装置として動作する。マルチレベル変換器３は、直流電源（マルチレベル変換器４など）からの直流電力を交流電力に変換する直流−交流変換装置として動作する。
直流送電線１，２間で短絡事故が発生した場合は、遮断器Ｂ１〜Ｂ６が非導通状態にされるとともにマルチレベル変換器３，４の運転が停止され、直流送電システムが保護される。
図２は、マルチレベル変換器３の要部を示す回路図である。図２において、マルチレベル変換器３は、正電圧端子３ａ（第１の直流端子）、負電圧端子３ｂ（第２の直流端子）、交流端子３ｃ〜３ｅ、アームＡ１〜Ａ６、電流検出器３１〜３６、リアクトルＬ１１〜Ｌ１３、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６、およびサージアレスタＳＡ１〜ＳＡ３を備える。
正電圧端子３ａには、マルチレベル変換器３，４から正の直流電圧ＶＰが供給される。負電圧端子３ｂには、マルチレベル変換器３，４から負の直流電圧ＶＮが供給される。交流端子３ｃには、三相変圧器５およびマルチレベル変換器３からＵ相の交流電圧ＶＵが供給される。交流端子３ｄには、三相変圧器５およびマルチレベル変換器３からＶ相の交流電圧ＶＶが供給される。交流端子３ｅには、三相変圧器５およびマルチレベル変換器３からＷ相の交流電圧ＶＷが供給される。三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相は１２０度ずつずれている。
アームＡ１〜Ａ３の一方端はともに正電圧端子３ａに接続され、それらの他方端はそれぞれ交流端子３ｃ〜３ｅに接続される。電流検出器３１は、アームＡ１の他方端と交流端子３ｃとの間に設けられ、アームＡ１に流れる電流ＩＡ１の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。電流検出器３２は、アームＡ２の他方端と交流端子３ｄとの間に設けられ、アームＡ２に流れる電流ＩＡ２の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。電流検出器３３は、アームＡ３の他方端と交流端子３ｅとの間に設けられ、アームＡ３に流れる電流ＩＡ３の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。
リアクトルＬ１１、アームＡ４、および整流素子ＲＥ１は、交流端子３ｃと負電圧端子３ｂとの間に直列接続される。リアクトルＬ１２、アームＡ５、および整流素子ＲＥ２は、交流端子３ｄと負電圧端子３ｂとの間に直列接続される。リアクトルＬ１３、アームＡ６、および整流素子ＲＥ３は、交流端子３ｅと負電圧端子３ｂとの間に直列接続される。整流素子ＲＥ４〜ＲＥ７は、それぞれ整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３に逆並列に接続される。サージアレスタＳＡ１〜ＳＡ３は、それぞれ整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３に並列接続される。
リアクトルＬ１１〜Ｌ１３は、それぞれアームＡ１〜Ａ６で発生するスイッチング周波数の信号を減衰させる。電流検出器３４は、リアクトルＬ１１とアームＡ４との間に設けられ、アームＡ４に流れる電流ＩＡ４の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。電流検出器３５は、リアクトルＬ１２とアームＡ５との間に設けられ、アームＡ５に流れる電流ＩＡ５の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。電流検出器３６は、リアクトルＬ１３とアームＡ６との間に設けられ、アームＡ６に流れる電流ＩＡ６の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を出力する。
整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３は、通常動作時は導通状態にされてそれぞれアームＡ４〜Ａ６から負電圧端子３ｂに向かう方向（第１の方向）に電流を流し、短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる。整流素子ＲＥ４〜ＲＥ６は、負電圧端子３ｂからそれぞれアームＡ４〜Ａ６に向かう方向（第２の方向）に電流を流す。サージアリスタＳＡ１〜ＳＡ３の各々は、短絡事故時などに発生したサージ電流を流し、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６を保護する。
整流素子ＲＥ１は、図３に示すように、直列接続された複数のサイリスタ４０を含む。複数のサイリスタ４０は、アームＡ４の一方端子Ａ４ａと負電圧端子３ｂとの間に順方向に直列接続されている。複数のサイリスタ４０のゲートは、ともに制御信号φ１を受ける。整流素子ＲＥ４は、図３に示すように、直列接続された複数のダイオード４１を含む。複数のダイオード４１は、負電圧端子３ｂとアームＡ４の一方端子Ａ４ａとの間に順方向に直列接続されている。
図４は、整流素子ＲＥ１，ＲＥ４の動作を示すタイムチャートである。図４において、アームＡ４に流れる電流ＩＡ４は正弦波状に変化する。ダイオード４１の順方向を電流ＩＡ４の正の方向とし、サイリスタ４０の順方向を電流ＩＡ４の負の方向とする。電流ＩＡ４が正電流である期間は、電流ＩＡ４はダイオード４１に流れる。電流ＩＡ４のうちの実線で示されている部分は、ダイオード４１に流れる電流である。
電流ＩＡ４が予め定められたしきい値電流ＩＴＨよりも高い場合、制御信号φ１は「Ｌ」レベルにされている。電流ＩＡ４がしきい値電流ＩＴＨよりも低くなると、制御信号φ１は予め定められた時間だけ「Ｈ」レベルにされる。制御信号φ１が「Ｈ」レベルにされている期間において電流ＩＡ４が正極性から負極性に変化すると、ダイオード４１がターンオフするとともにサイリスタ４０がターンオンし、負の電流ＩＡ４が複数のサイリスタ４０に流れる。
一旦ターンオンしたサイリスタ４０は、制御信号φ１が「Ｌ」レベルにされても、サイリスタ４０に負の電流ＩＡ４が流れている期間は導通状態に維持される。図４において電流ＩＡ４のうちの破線で示されている部分は、サイリスタ４０に流れる電流である。電流ＩＡ４が負から正に変化すると、サイリスタ４０がターンオフするとともにダイオード４１がターンオンし、電流ＩＡ４は複数のダイオード４１に流れる。
直流送電線１，２で短絡事故が発生した場合は、制御信号φ１は「Ｌ」レベルに固定され、サイリスタ４０は非導通状態に固定される。したがって、アーム間直流電流はアーム間（たとえばＡ１，Ａ２，Ａ５，Ａ４間）を循環することができず、急激に減衰する。
整流素子ＲＥ２，ＲＥ３の各々も、整流素子ＲＥ１と同様に、直列接続された複数のサイリスタ４０を含む。ただし、整流素子ＲＥ２，ＲＥ３のサイリスタ４０のゲートは、それぞれ制御信号φ２，φ３を受ける。制御信号φ２，φ３は、制御信号φ１と同様に、それぞれアームＡ５，Ａ６に流れる電流ＩＡ５，ＩＡ６に基づいて生成される。また、整流素子ＲＥ５，ＲＥ６の各々も、整流素子ＲＥ４と同様に、直列接続された複数のダイオード４１を含む。
図２に示すように、アームＡ１〜Ａ６の各々は、カスケード接続された複数の単位セル２０を含む。各単位セル２０は、図５に示すように、第１端子Ｔ１、第２端子Ｔ２、電流検出器２１、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ、および電圧検出器２２を含む。また、マルチレベル変換器３は、全単位セル２０、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３などを制御する制御装置２３を備える。
スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の各々は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）で構成されている。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は、コンデンサＣの正極と負極の間に直列接続されている。すなわち、スイッチング素子Ｓ１のコレクタはコンデンサＣの正極に接続され、スイッチング素子Ｓ１のエミッタは第１端子Ｔ１およびスイッチング素子Ｓ２のコレクタに接続され、スイッチング素子Ｓ２のエミッタは第２端子Ｔ２およびコンデンサＣの負極に接続されている。
ダイオードＤ１，Ｄ２は、それぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に逆並列に接続されている。すなわち、ダイオードＤ１，Ｄ２のアノードはそれぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のエミッタに接続され、それらのカソードはそれぞれスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２のコレクタに接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２の各々は、フリーホイールダイオードである。
電流検出器２１は、第１端子Ｔ１とスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２間のノードとの間に流れる電流の瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２３に与える。電圧検出器２２は、コンデンサＣの電極間電圧ＶＣの瞬時値を検出し、その検出値を示す信号を制御装置２３に与える。
図２に示すように、アームＡ１〜Ａ３の一方端の単位セル２０の第１端子Ｔ１は、ともに正電圧端子３ａに接続されている。アームＡ１〜Ａ３において、各単位セル２０の第２端子Ｔ２は交流端子３ｃ〜３ｅ側に隣接する単位セル２０の第１端子Ｔ１に接続されている。アームＡ１〜Ａ３の他方端の単位セル２０の第２端子Ｔ２は、それぞれ交流端子３ｃ〜３ｅに接続されている。
アームＡ４〜Ａ６の一方端の単位セル２０の第１端子Ｔ１は、それぞれリアクトルＬ１１〜Ｌ１３の一方端子に接続されている。アームＡ４〜Ａ６において、各単位セル２０の第２端子Ｔ２は整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３側に隣接する単位セル２０の第１端子Ｔ１に接続されている。アームＡ４〜Ａ５の他方端の単位セル２０の第２端子Ｔ２は、それぞれ整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３のアノードに接続されている。
図５の制御装置２３は、三相変圧器５からの三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷに同期して動作し、アームＡ１〜Ａ６の各単位セル２０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御し、三相変圧器５からの三相交流電力を直流電力に変換して直流送電線１，２に供給するか、直流送電線１，２からの直流電力を三相交流電力に変換して三相変圧器５に供給する。このとき制御装置２３は、電流検出器３４〜３６の検出結果に基づいて制御信号φ１〜φ３を生成し、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３をターンオンさせる。さらに制御装置２３は、各単位セル２０の電圧検出器２２の検出結果に基づいてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御し、各単位セル２０のコンデンサＣを予め定められた直流電圧に充電する。
さらに制御装置２３は、各単位セル２０の電流検出器２１の検出結果と、電流検出器３１〜３６の検出結果とに基づいて直流送電線１，２で短絡事故が発生したか否かを判別し、短絡事故が発生した場合は、各単位セル２０のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を非導通状態にする。スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が非導通状態にされると、スイッチング素子Ｓ２に流れる短絡電流がダイオードＤ２に転流され、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２が保護される。
次に制御装置２３は、機械式バイパススイッチＢＳを導通状態にさせる。機械式バイパススイッチＢＳが導通状態にされると、ダイオードＤ２に流れる短絡電流が機械式バイパススイッチＢＳに転流され、ダイオードＤ２が保護される。
また制御装置２３は、遮断器Ｂ１〜Ｂ６および整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３を非導通状態にさせる。遮断器Ｂ１〜Ｂ６が非導通状態にされると、交流電力系統１１，１２と三相変圧器５，６とが電気的に切り離され、マルチレベル変換器３への交流電力の供給が遮断される。これにより、マルチレベル変換器３から直流送電線１，２への線路直流電流の供給が遮断され、線路直流電流（図１０参照）は事故点のアーク抵抗によって減衰される。
また遮断器Ｂ１〜Ｂ６が非導通状態にされて交流電力系統１１，１２と三相変圧器５，６とが電気的に切り離されると、たとえば三相変圧器５のＵ相用２次端子からアームＡ１，Ａ２を介して三相変圧器５のＶ相用２次端子などに流れる三相短絡電流（図１１参照）が遮断される。図２に示すように、アームＡ４〜Ａ６側のみにリアクトルＬ１１〜Ｌ１３が設けられ、アームＡ１〜Ａ３側にはリアクトルが設けられていないので、三相短絡電流はアームＡ１〜Ａ３側のみに流れ、アームＡ４〜Ａ６側には流れない。このため、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６の耐圧を小さくすることができ、サイリスタ４０およびダイオード４１の数を少なくすることができるので、装置の小型化、低価格化を図ることができる。
整流素子ＲＥ〜ＲＥ３が非導通状態にされると、アームＡ４〜Ａ６にはダイオード４１の順方向の電流しか流れないので、たとえばアームＡ１，Ａ２，Ａ５，Ａ４の経路などを循環するアーム間直流電流（図１２参照）が遮断されて迅速に減衰される。
次に、マルチレベル変換器３の通常動作について説明する。通常動作時には各単位セル２０はオン状態かオフ状態にされる。オン状態の単位セル２０では、スイッチング素子Ｓ１が導通状態にされるとともにスイッチング素子Ｓ２が非導通状態にされ、図６（ａ）に示すように、端子Ｔ１，Ｔ２がそれぞれコンデンサＣの正極および負極に接続される。コンデンサＣが直流電圧ＶＣに充電されている場合は、その直流電圧ＶＣが端子Ｔ１，Ｔ２間に出力される。
オフ状態の単位セル２０では、スイッチング素子Ｓ１が非導通状態にされるとともにスイッチング素子Ｓ２が導通状態にされ、図６（ｂ）に示すように、端子Ｔ１，Ｔ２が互いに接続され、端子Ｔ１，Ｔ２間には０Ｖが出力される。コンデンサＣが直流電圧ＶＣに充電されている場合は、その状態が維持される。
図７（ａ）〜（ｄ）および図８（ａ）〜（ｄ）は、マルチレベル変換器３の通常動作を示す図である。図７（ａ）〜（ｄ）および図８（ａ）〜（ｄ）では、図面および説明の簡単化のため、Ｕ相の交流電圧ＶＵに関連する部分のみを示している。アームＡ１は２つの単位セル２０Ａ，２０Ｂのみを含み、アームＡ４は２つの単位セル２０Ｃ，２０Ｄのみを含む。通常動作時には整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６は導通状態にされるので、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６およびサージアレスタＳＡ１〜ＳＡ３の図示は省略されている。
単位セル２０Ａ〜２０ＤのコンデンサＣは予め定められた直流電圧ＶＣに充電済みであるものとする。正電圧端子３ａには正の直流電圧ＶＰ＝＋ＶＣが印加され、負電圧端子３ｂには負の直流電圧ＶＮ＝−ＶＣが印加されている。マルチレベル変換器３は、＋ＶＣ，０Ｖ，−ＶＣを含む３レベルの交流電圧ＶＵを出力する。交流電圧ＶＵはωｔの関数で表されるものとし、交流電圧ＶＵの一周期を２πとする。
ωｔ＝０〜（π／２）の期間は、図７（ａ）（ｂ）に示すように、単位セル２０Ａ，２０Ｂがオフ状態にされ、単位セル２０Ｃ，２０Ｄがオン状態にされる。これにより、正電圧端子３ａの直流電圧ＶＰ＝＋ＶＣが単位セル２０Ａ，２０Ｂを介して交流端子３ｃに出力され、交流端子３ｃの電圧ＶＵは＋ＶＣとなる。交流端子３ｃと負電圧端子３ｂの間にリアクトルＬ１４と単位セル２０Ｃ，２０ＤのコンデンサＣが直列接続され、交流端子３ｃの電圧ＶＵは＋ＶＣに維持される。
ωｔ＝（π／２）〜πの期間は、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、単位セル２０Ａ，２０Ｄがオフ状態にされ、単位セル２０Ｂ，２０Ｃがオン状態にされる。これにより、正電圧端子３ａと交流端子３ｃの間に単位セル２０ＢのコンデンサＣが接続されるとともに、交流端子３ｃと負電圧端子３ｂの間にリアクトルＬ１１と単位セル２０ＣのコンデンサＣが直列接続され、交流端子３ｃの電圧ＶＵは０Ｖにされる。
ωｔ＝π〜（３π／２）の期間は、図８（ａ）（ｂ）に示すように、単位セル２０Ａ，２０Ｂがオン状態にされ、単位セル２０Ｃ，２０Ｄがオフ状態にされる。これにより、負電圧端子３ｂの直流電圧ＶＮ＝−ＶＣが単位セル２０Ｄ，２０ＣおよびリアクトルＬ１１を介して交流端子３ｃに出力され、交流端子３ｃの電圧ＶＵは−ＶＣとなる。正電圧端子３ａと交流端子３ｃとの間に単位セル２０Ａ，２０ＢのコンデンサＣが直列接続され、交流端子３ｃの電圧ＶＵは−ＶＣに維持される。
ωｔ＝（３π／２）〜２πの期間は、図８（ｃ）（ｄ）に示すように、単位セル２０Ａ，２０Ｄがオン状態にされ、単位セル２０Ｂ，２０Ｃがオフ状態にされる。これにより、正電圧端子３ａと交流端子３ｃの間に単位セル２０ＡのコンデンサＣが接続されるとともに、交流端子３ｃと負電圧端子３ｂの間にリアクトルＬ１１と単位セル２０ＤのコンデンサＣが直列接続され、交流端子３ｃの電圧ＶＵは０Ｖにされる。
このようにして直流電圧ＶＰ＝＋ＶＣ，ＶＮ＝−ＶＣは３レベルの交流電圧ＶＵに変換される。各アームにおける単位セル２０の数を増やすことにより、交流電圧ＶＵの波形を正弦波にすることができる。
マルチレベル変換器３で生成される三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を三相変圧器５から出力される三相交流電圧の位相よりも進ませれば、位相差に応じた値の交流電力がマルチレベル変換器３から三相変圧器５に流れる。この場合、マルチレベル変換器３は、直流送電線１，２からの直流電力を交流電力に変換して三相変圧器５に供給する直流−交流変換装置として動作する。
逆に、マルチレベル変換器３で生成される三相交流電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの位相を三相変圧器５から出力される三相交流電圧の位相よりも遅らせれば、位相差に応じた値の交流電力が三相変圧器５からマルチレベル変換器３に流れる。この場合、マルチレベル変換器３は、三相変圧器５からの交流電力を直流電力に変換して直流送電線１，２に供給する交流−直流変換装置として動作する。マルチレベル変換器４の構成および動作は、マルチレベル変換器３と同様であるので、その説明は繰り返さない。
図９は、本実施の形態の比較例となる直流送電システムに含まれるマルチレベル変換器５０の要部を示す回路図であって、図２と対比される図である。図９を参照して、マルチレベル変換器５０が図２のマルチレベル変換器３と異なる点は、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６およびサージアレスタＳＡ１〜ＳＡ３が除去されている点である。
リアクトルＬ１１およびアームＡ４は、交流端子３ｃおよび負電圧端子３ｂ間に直列接続されている。リアクトルＬ１２およびアームＡ５は、交流端子３ｄおよび負電圧端子３ｂ間に直列接続されている。リアクトルＬ１３およびアームＡ６は、交流端子３ｅおよび負電圧端子３ｂ間に直列接続されている。
このようなマルチレベル変換器５０を備えた直流送電システムにおいて直流送電線１，２で短絡事故が発生すると、たとえば図１０に示すような経路Ｐ１で線路直流電流（短絡電流）が流れる。すなわち、線路直流電流は、直流送電線１、短絡部(図示せず)、直流送電線２、リアクトルＬ３、アームＡ４、リアクトルＬ１１、アームＡ１、リアクトルＬ１、および直流送電線１の経路Ｐ１で流れる。線路直流電流は、アームＡ５，Ａ６、リアクトルＬ１２，Ｌ１３、およびアームＡ２，Ａ３にも流れ得る。このような線路直流電流については、遮断器Ｂ１〜Ｂ６を非導通状態にすることにより遮断することができる。
また、各単位セル２０の機械式バイパススイッチＢＳを導通させると、三相変圧器５の３つの２次端子が短絡され、たとえば図１１に示すような経路Ｐ２で三相短絡電流が流れる。三相短絡電流は、たとえば、三相変圧器５のＵ相用２次端子、アームＡ１，Ａ２、および三相変圧器５のＶ相用２次端子の経路Ｐ２で流れる。三相短絡電流は、さらに、三相変圧器５のＵ相用２次端子、アームＡ１，Ａ３、および三相変圧器５のＶ相用２次端子の経路でも流れ得る。このような三相短絡電流については、遮断器Ｂ１〜Ｂ６を非導通状態にすることにより遮断することができる。
さらに、各単位セル２０の機械式バイパススイッチＢＳを導通させると、リアクトルＬ１１〜Ｌ１３に蓄積された電磁エネルギーが放出され、たとえば図１２に示すような経路Ｐ３，Ｐ４でアーム間直流電流が循環する。すなわちアーム間直流電流は、リアクトルＬ１１、アームＡ１，Ａ２、リアクトルＬ１２、およびアームＡ５，Ａ４の経路Ｐ３で流れる。アーム間直流電流は、リアクトルＬ１２、アームＡ２，Ａ３、リアクトルＬ１３、およびアームＡ６，Ａ５の経路Ｐ４で流れる。
比較例のマルチレベル変換器５０では、このようなアーム間直流電流を遮断することはできず、回路の抵抗成分によってアーム間直流電流が減衰されるの待つ必要がある。アーム間直流電流は、たとえば電流経路Ｐ３のインダクタンスと抵抗値の比で決まる時定数により減衰しながら電流経路Ｐ３を流れ続ける。このような直流送電システムでは、損失を低減するために抵抗成分を小さくしているので、アーム間直流電流の減衰時定数が長い。したがって、短絡事故が発生した場合に直流送電システムを高速に再起動させることはできない。
これに対して本実施の形態では、図２の整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３を非導通にすることにより、アーム間直流電流を遮断して迅速に減衰させることができる。したがって、短絡事故が発生した場合に直流送電システムを高速に再起動させることができる。また、特許文献２（特表２００９−５０６７３６号公報）の方法よりもサイリスタ４０の数を少なくすることができ、装置の低価格化、小型化を図ることができる。
図１３は、本実施の形態および比較例におけるアーム間直流電流の時刻変化を示すタイムチャートである。図１３において、比較例では、短絡事故が発生してから０．５秒経過した後でもアーム間直流電流はピーク値の半分程度の値にしか低下しない。これに対して本実施の形態では、短絡事故が発生してから０．５秒経過した後にはアーム間直流電流はほぼ０Ａに低下している。したがって、本実施の形態によれば、短絡事故の発生時に流れるアーム間直流電流を迅速に減衰させることができ、短絡事故が発生しても直流送電システムを高速に再起動させることができる。
なお、本実施の形態では、単位セル２０の第１端子Ｔ１および第２端子Ｔ２をそれぞれスイッチング素子Ｓ２のコレクタおよびエミッタに接続し、機械式バイパススイッチＢＳをダイオードＤ２に並列接続したが、これに限るものではなく、単位セル２０の第１端子Ｔ１および第２端子Ｔ２をそれぞれスイッチング素子Ｓ１のコレクタおよびエミッタに接続し、機械式バイパススイッチＢＳをダイオードＤ１に並列接続しても同じ結果が得られることは言うまでもない。
図１４は、本実施の形態の変更例を示す回路図であって、図２と対比される図である。図１４において、この変更例では、マルチレベル変換器３の負電圧端子３ｂに接地電圧ＧＮＤが印加される。この変更例では、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３と接地電圧ＧＮＤとの電位差を小さくすることができ、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３と接地電圧ＧＮＤを容易に絶縁することができる。
図１５は、本実施の形態の他の変更例となるマルチレベル変換器５５の構成をを示す回路図であって、図２と対比される図である。図１５を参照して、マルチレベル変換器５５が図２のマルチレベル変換器３と異なる点は、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ６およびサージアレスタＳＡ１〜ＳＡ３がリアクトルＬ１１〜Ｌ１３とアームＡ４〜Ａ６の間に接続されている点である。
すなわち、リアクトルＬ１１、整流素子ＲＥ１，およびアームＡ４は、交流端子３ｃと負電圧端子３ｂとの間に直列接続されている。リアクトルＬ１２、整流素子ＲＥ２，およびアームＡ５は、交流端子３ｄと負電圧端子３ｂとの間に直列接続されている。リアクトルＬ１３、整流素子ＲＥ３，およびアームＡ６は、交流端子３ｅと負電圧端子３ｂとの間に直列接続されている。整流素子ＲＥ４〜ＲＥ６は、それぞれ整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３に逆並列に接続されている。サージアレスタＳＡ１〜ＳＡ３は、それぞれ整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３に並列接続されている。
この変更例では、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３と接地電圧ＧＮＤとの電位差を小さくすることができ、整流素子ＲＥ１〜ＲＥ３と接地電圧ＧＮＤを容易に絶縁することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明でなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
１，２ 直流送電線、Ｂ１〜Ｂ６ 遮断器、Ｌ１〜Ｌ４，Ｌ１１〜Ｌ１３ リアクトル、３，４，５０，５５ ハーフブリッジ型モジュラー・マルチレベル変換器、３ａ，４ａ 正電圧端子、３ｂ，４ｂ 負電圧端子、３ｃ〜３ｅ，４ｃ〜４ｅ 交流端子、５，６ 三相変圧器、１１，１２ 交流電力系統、Ａ１〜Ａ６ アーム、２０ 単位セル、Ｔ１ 第１端子、Ｔ２ 第２端子、２１，３１〜３６ 電流検出器、Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２，４１ ダイオード、ＢＳ 機械式バイパススイッチ、Ｃ コンデンサ、２２ 電圧検出器、２３ 制御装置、４０ サイリスタ。

Claims (8)

  1. 交流電源と直流電源の間で電力の授受を行なう電力変換装置であって、
    前記直流電源と直流電力を授受するための第１および第２の直流端子と、
    前記交流電源と交流電力を授受するための交流端子と、
    前記第１の直流端子および前記交流端子間に接続された第１のアームと、
    前記交流端子および前記第２の直流端子間に接続された第２のアームとを備え、
    前記第１および第２のアームの各々はカスケード接続された複数の単位セルを含み、
    各単位セルは、予め定められた直流電圧に充電されるコンデンサと、前記コンデンサの電極間に直列接続された第１および第２のスイッチング素子と、それぞれ前記第１および第２のスイッチング素子に逆並列に接続された第１および第２のダイオードと、前記第１または第２のダイオードに並列接続された機械式バイパススイッチとを有し、
    前記第１および第２のアームの各々において前記複数の単位セルの前記機械式バイパススイッチは直列接続され、
    各単位セルの前記第１および第２のスイッチング素子は、通常動作時は交互に導通状態にされ、前記直流電源側で短絡事故が発生した場合はともに非導通状態にされ、
    各単位セルの前記機械式バイパススイッチは、前記通常動作時は非導通状態にされ、前記短絡事故が発生した場合は導通状態にされ、
    さらに、前記第１および第２の直流端子間に前記第１および第２のアームと直列接続され、前記通常動作時は導通状態にされて第１の方向に電流を流し、前記短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる第１の整流素子と、
    前記第１の整流素子と逆並列に接続され、前記第１の方向と逆の第２の方向に電流を流す第２の整流素子とを備える、電力変換装置。
  2. 前記第１の整流素子は、前記第１の方向に電流を流すように直列接続された複数のサイリスタを含み、
    前記第２の整流素子は、前記第２の方向に電流を流すように直列接続された複数のダイオードを含む、請求項１に記載の電力変換装置。
  3. さらに、前記第１の整流素子に並列接続され、サージ電流を流すサージアレスタを備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  4. さらに、リアクトルを備え、
    前記リアクトルは、前記交流端子と前記第２の直流端子との間に、前記第２のアームおよび前記第１の整流素子と直列接続されている、請求項１に記載の電力変換装置。
  5. さらに、前記第１および第２のアームに流れる電流を検出する電流検出器と、
    前記電流検出器の検出結果に基づいて前記短絡事故が発生したか否かを判別し、判別結果に基づいて各単位セルおよび前記第２の整流素子を制御する制御装置とを備える、請求項１に記載の電力変換装置。
  6. 前記第１の直流端子には正の直流電圧が供給され、
    前記第２の直流端子には負の直流電圧が供給される、請求項１に記載の電力変換装置。
  7. 前記第１の直流端子には正の直流電圧が供給され、
    前記第２の直流端子は接地される、請求項１に記載の電力変換装置。
  8. 前記交流電力は三相交流電力であり、
    前記交流端子、前記第１のアーム、前記第２のアーム、前記第１の整流素子、および前記第２の整流素子は三組設けられている、請求項１に記載の電力変換装置。
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