JP5730458B1 - 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（Ａ１〜Ａ３）と３つのリアクトル（Ｌ１１〜Ｌ１３）の間にそれぞれ３つの開閉器（Ｓ１１〜Ｓ１３）が接続され、３つの開閉器（Ｓ１１〜Ｓ１３）にそれぞれ３つの抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ３）が並列接続される。通常動作時は、３つの開閉器（Ｓ１１〜Ｓ１３）が導通状態にされる。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つの開閉器（Ｓ１１〜Ｓ１３）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３つの抵抗素子（Ｒ１〜Ｒ３）によっ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のダイオードとを有する。各アームにおいて、複数の単位セルの第２のスイッチング素子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（たとえば、特許文献１（特開２０１２−２２８０２５号公報）参照）。
特開２０１２−２２８０２５号公報
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８参照）。
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遮断すれば第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が、各単位セルの第２のダイオードに線路直流電流が流れ続けるので、第２のダイオードを保護する方法が必要となる。
第２のダイオードを保護する方法として、第２のダイオードに機械式バイパススイッチを並列接続し、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、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１０参照）。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、短絡事故時に発生する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、短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる開閉器と、開閉器に並列接続され、開閉器が非導通状態にされた場合に第１および第２のアームに流れる電流を減衰させる抵抗素子とを備える。
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第１および第２のアームに抵抗素子を直列接続するので、アーム間直流電流を迅速に減衰させることができる。
この発明の実施の形態１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１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７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７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電流を示す回路図である。 図７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１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。 この発明の実施の形態２による直流送電システムのマルチレベル変換器に含まれる単位セルの構成を示す回路ブロック図である。 この発明の実施の形態３によ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。
[実施の形態１]
図１は、この発明の実施の形態１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（第１の直流端子）、負電圧端子３ｂ（第２の直流端子）、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Ｂ４〜Ｂ６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、負電圧端子３ｂ、交流端子３ｃ〜３ｅ、アームＡ１〜Ａ６、開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３、抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３、およびリアクトルＬ１１〜Ｌ１６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、開閉器Ｓ１１、およびリアクトルＬ１１は、正電圧端子３ａと交流端子３ｃとの間に直列接続される。アームＡ２、開閉器Ｓ１２、およびリアクトルＬ１２は、正電圧端子３ａと交流端子３ｄとの間に直列接続される。アームＡ３、開閉器Ｓ１３、およびリアクトルＬ１３は、正電圧端子３ａと交流端子３ｅとの間に直列接続される。抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３は、それぞれ開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３に並列接続される。
開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３は、通常動作時は導通状態にされ、直流送電線１，２で短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる。抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３は、直流送電線１，２で短絡事故が発生した場合において開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３が非導通状態にされたときにアームＡ１〜Ａ６に流れるアーム間直流電流を迅速に減衰させる。リアクトルＬ１１〜Ｌ１３は、それぞれアームＡ１〜Ａ３で発生するスイッチング周波数の信号が交流端子３ｃ〜３ｅ側に流れることを抑制する。
リアクトルＬ１４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る。リアクトルＬ１５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る。リアクトルＬ１６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る。リアクトルＬ１４〜Ｌ１６は、それぞれアームＡ４〜Ａ６で発生するスイッチング周波数の信号が交流端子３ｃ〜３ｅ側に流れることを抑制する。
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３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、全開閉器Ｓ１１〜Ｓ１２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は開閉器Ｓ１１〜１３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、それぞれ開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３の一方端子に接続されている。
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Ｌ１４〜Ｌ１６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は負電圧端子３ｂ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、ともに負電圧端子３ｂに接続されている。
図３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、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および開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３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９参照）が遮断される。
開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３が非導通状態にされると、アームＡ１〜Ａ３に流れる電流がそれぞれ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３に流れることとなり、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１０参照）が迅速に減衰される。
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４（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４（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５（ａ）〜（ｄ）および図６（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５（ａ）〜（ｄ）および図６（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。通常動作時には開閉器Ｓ１１は導通状態にされているので、開閉器Ｓ１１および抵抗素子Ｒ１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５（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。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５（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とリアクトルＬ１１が直列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Ｌ１４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６（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Ｌ１４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とリアクトルＬ１１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６（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とリアクトルＬ１１が直列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Ｌ１４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７は、本実施の形態１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２５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７を参照して、マルチレベル変換器２５が図２のマルチレベル変換器３と異なる点は、開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３および抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３が除去されている点である。
アームＡ１およびリアクトルＬ１１は、正電圧端子３ａおよび交流端子３ｃ間に直列接続されている。アームＡ２およびリアクトルＬ１２は、正電圧端子３ａおよび交流端子３ｄ間に直列接続されている。アームＡ３およびリアクトルＬ１３は、正電圧端子３ａおよび交流端子３ｅ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２５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８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Ｌ１４、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Ｌ１５，Ｌ１６、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９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、リアクトルＬ１１、アームＡ１，Ａ２、リアクトルＬ１２、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、リアクトルＬ１１、アームＡ１，Ａ３、リアクトルＬ１３、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〜Ｌ１６に蓄積された電磁エネルギーが放出され、たとえば図１０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，Ｌ１５、アームＡ５，Ａ４、およびリアクトルＬ１４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，Ｌ１６、アームＡ６，Ａ５、およびリアクトルＬ１５の経路Ｐ４で流れる。
比較例のマルチレベル変換器２５では、図１０で示した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１では、図２の開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３を非導通にすることにより、アーム間直流電流を抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３によっ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。
図１１は、実施の形態１および比較例におけるアーム間直流電流Ｉの時刻変化を示すタイムチャートである。図１１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Ｉ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１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Ｉは０Ａに低下している。したがって、本実施の形態１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、この実施の形態１では、開閉器Ｓ１１および抵抗素子Ｒ１の並列接続体をアームＡ１とリアクトルＬ１１の間に設けたが、これに限るものではなく、正電圧端子３ａと負電圧端子３ｂの間のどの位置に設けても構わない。たとえば、開閉器Ｓ１１および抵抗素子Ｒ１の並列接続体を、リアクトルＬ１４とアームＡ４の間に接続してもよい。また、開閉器Ｓ１１および抵抗素子Ｒ１の並列接続体を、アームＡ１とリアクトルＬ１１の間、およびリアクトルＬ１４とアームＡ４の間の各々に接続してもよい。これは、開閉器Ｓ１２および抵抗素子Ｒ２の並列接続体と、開閉器Ｓ１３および抵抗素子Ｒ３の並列接続体についても同様である。
また、この実施の形態１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。
[実施の形態２]
図１２は、この発明の実施の形態２によ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ブロック図であって、図３と対比される図である。図１２を参照して、実施の形態２のマルチレベル変換器が実施の形態１のマルチレベル変換器３と異なる点は、図２の各単位セル２０が単位セル３０で置換され、開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３および抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３が除去されている点である。換言すると、実施の形態２のマルチレベル変換器が比較例のマルチレベル変換器２５と異なる点は、図７の各単位セル２０が単位セル３０で置換されている点である。
単位セル３０は、単位セル２０に抵抗素子Ｒ１０を追加したものである。機械式バイパススイッチＢＳおよび抵抗素子Ｒ１０は、ダイオードＤ２のカソードおよびアノード間に直列接続される。
本実施の形態２の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直流送電線１，２で短絡事故が発生した場合に各単位セル３０の機械式バイパススイッチＢＳを導通させると、図１０で示したアーム間直流電流が流れる。このアーム間直流電流は、各単位セル３０の抵抗素子Ｒ１０によって迅速に減衰される。
この実施の形態２では、短絡事故の発生時に流れるアーム間直流電流を抵抗素子Ｒ１０によって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、抵抗素子Ｒ１０の抵抗値が大き過ぎると、機械式バイパススイッチＢＳを導通状態にしてもアーム間直流電流の全部を機械式バイパススイッチＢＳおよび抵抗素子Ｒ１０に転流させることができず、アーム間直流電流の一部がダイオードＤ２に流れ続け、ダイオードＤ２を保護することができなくなる恐れがある。したがって、ダイオードＤ２のオン抵抗値や電圧降下を考慮し、ダイオードＤ２の保護に悪影響を及ぼさない範囲で抵抗素子Ｒ１０の抵抗値を選定する必要がある。
また、この実施の形態２では、単位セル３０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および抵抗素子Ｒ１０をダイオードＤ２のカソードおよびアノード間に直列接続したが、これに限るものではない。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および抵抗素子Ｒ１０をダイオードＤ１のカソードおよびアノード間に直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。
[実施の形態３]
図１３は、この発明の実施の形態３による直流送電システムに含まれるマルチレベル変換器３１の要部を示す回路ブロック図であって、図２と対比される図である。図１３を参照して、このマルチレベル変換器３１が図２のマルチレベル変換器３と異なる点は、開閉器Ｓ１１〜Ｓ１３および抵抗素子Ｒ１〜Ｒ３が遮断器Ｂ１１〜Ｂ１３で置換されている点である。
アームＡ１、遮断器Ｂ１１、およびリアクトルＬ１１は、正電圧端子３ａと交流端子３ｃとの間に直列接続される。アームＡ２、遮断器Ｂ１２、およびリアクトルＬ１２は、正電圧端子３ａと交流端子３ｄとの間に直列接続される。アームＡ３、遮断器Ｂ１３、およびリアクトルＬ１３は、正電圧端子３ａと交流端子３ｅとの間に直列接続される。遮断器Ｂ１１〜Ｂ１３は、図３で示した制御装置２３によって制御され、通常動作時は導通状態にされ、直流送電線１，２で短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる。
このマルチレベル変換器３１を備えた直流送電システムにおいて直流送電線１，２で短絡事故が発生した場合に各単位セル２０の機械式バイパススイッチＢＳを導通させると、図１０で示したアーム間直流電流が流れる。制御装置２３によって遮断器Ｂ１１〜Ｂ１３が非導通状態にされると、アーム間直流電流は遮断される。
この実施の形態３では、短絡事故の発生時に流れるアーム間直流電流を遮断器Ｂ１１〜Ｂ１３によって迅速に遮断することができ、短絡事故が発生した場合で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、この実施の形態３では、遮断器Ｂ１１をアームＡ１とリアクトルＬ１１の間に設けたが、これに限るものではなく、正電圧端子３ａと負電圧端子３ｂの間のどの位置に設けても構わない。たとえば、遮断器Ｂ１１をリアクトルＬ１４とアームＡ４の間に接続してもよい。また、遮断器Ｂ１１をアームＡ１とリアクトルＬ１１の間、およびリアクトルＬ１４とアームＡ４の間の各々に接続してもよい。これは、遮断器Ｂ１２，Ｂ１３の各々についても同様である。
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〜Ｌ１６ リアクトル、３，４，２５，３１ 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、Ｓ１１〜Ｓ１３ 開閉器、Ｒ１〜Ｒ３，Ｒ１０ 抵抗素子、２０，３０ 単位セル、Ｔ１ 第１端子、Ｔ２ 第２端子、２１ 電流検出器、Ｓ１，Ｓ２ スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２ 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。

Claims (9)

  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、前記短絡事故が発生した場合は非導通状態にされる開閉器と、
    前記開閉器に並列接続され、前記開閉器が非導通状態にされた場合に前記第１および第２のアームに流れる電流を減衰させる抵抗素子とを備える、電力変換装置。
  2. 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開閉器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。
  3. 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、前記開閉器、および前記抵抗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。
  4. 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、
    各単位セルは、さらに、前記第１または第２のダイオードのカソードとアノードの間に前記機械式バイパススイッチと直列接続され、前記機械式バイパススイッチが導通状態にされた場合に前記第１および第２のアームに流れる電流を減衰させる抵抗素子を有する、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を制御する制御装置とを備える、請求項４に記載の電力変換装置。
  6. 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、および前記第２のアームは三組設けられている、請求項４に記載の電力変換装置。
  7. 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、前記短絡事故時は導通状態にされ、
    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、前記短絡事故が発生した場合は非導通状態にされて前記第１および第２のアームに流れる電流を遮断する遮断器を備える、電力変換装置。
  8. 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開閉器を制御する制御装置とを備える、請求項７に記載の電力変換装置。
  9. 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、および前記遮断器は三組設けられている、請求項７に記載の電力変換装置。
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