JP6180693B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

一実施形態における電力変換装置（１）において、電力変換回路部（２）は、互いに直列接続された複数の変換器セル（７）を含む。各変換器セル（７）はエネルギー蓄積器（２４）を含み、蓄積エネルギーを出力可能に構成される。制御装置（３０）は、各変換器セル（７）を運転制御するための制御指令（３３）を生成する。保護装置（３１）は、制御指令（３３）に基づいて各変換器セル（７）を動作させるか又は制御指令（３３）に依らずに各変換器セル（７）の動作を停止させるかを指令するための保護指令（３４）を生成する。中継装置（３２）は、制御指令（３３）に基づく制御情報と保護指令（３４）に基づく保護情報とを組合わせた制御／保護指令（１５）を生成し、生成した制御／保護指令（１５）を各変換器セル（７）に出力する。

Description

この開示は、交流と直流との間で電力変換を行う電力変換装置に関する。

電力系統に接続される大容量の電力変換装置としてモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）が知られている。モジュラーマルチレベル変換器は、交流の各相ごとに、高電位側直流端子に接続された上アーム（arm）と低電位側直流端子に接続された下アームとを有する。各アームは、複数の変換器セルがカスケードに接続されることによって構成されている。

電力系統の事故などによっていずれかのアームに過電流が流れたことが検出された場合には、回路故障を防ぐために、各変換器セルを構成する半導体スイッチングをオフするための停止指令をできるだけ早く各変換器セルに送信する必要がある。

たとえば、特開２０１４−２０７７２８号公報（特許文献１）は、各変換器セルに停止指令を送信するための構成の一例を開示している。具体的に、上記特許文献１の電力変換装置は、アーム電圧指令値生成部と、過電流検出部と、通信インターフェース部とを備える。アーム電圧指令値生成部は、変換器セルに対する指令値を生成して出力する。過電流検出部は、各アームに流れる過電流を検出する。通信インターフェース部は、アーム電圧指令値生成部が生成した指令値に基づき、所定周期で各変換器セルに運転指令フレームを送信すると共に、過電流検出部が過電流を検出したならば、所定周期に依らず各変換器セルに非常停止用の停止指令フレームを送信する。

特開２０１４−２０７７２８号公報

上記の特許文献１に記載された電力変換装置では、通常動作時には制御装置から各変換器セルに運転指令フレームが送信される。過電流が検出された場合には、運転指令フレームに代えて停止指令フレームが制御装置から各変換器セルに送信される。したがって、通信インターフェース部では、過電流が検出されたか否かに応じて各変換器セルに送信すべき信号フレームを切り替えるための処理が必要になると考えられる。

また、受信側の各変換器セルにおいても過電流検出時には通常運転時と異なるフレーム構成の信号を処理する必要がある。さらに、各変換器セルでは受信した停止指令フレームが誤信号でないかを否かを確認するための処理も必要になると考えられる。

以上の点で、特許文献１の電力変換装置の場合には、過電流検出時に各変換器セルに停止指令を送信するための信号処理が比較的複雑である。このため、過電流検出時に各変換器セルに停止指令をできるだけ短時間で伝送するという観点から改善の余地があると考えられる。

本開示の目的の１つは、過電流検出時に各変換器セルに停止指令をできるだけ短時間で伝送することが可能な電力変換装置を提供することである。

一実施形態における電力変換装置は、電力変換回路部と、制御装置と、保護装置と、中継装置とを備える。電力変換回路部は、互いに直列接続された複数の変換器セルを含む。各変換器セルはエネルギー蓄積器を含み、蓄積エネルギーを出力可能に構成される。制御装置は、各変換器セルを運転制御するための制御指令を生成する。保護装置は、制御指令に基づいて各変換器セルを動作させるか又は制御指令に依らずに各変換器セルの動作を停止させるかを指令するための保護指令を生成する。中継装置は、制御指令に基づく制御情報と保護指令に基づく保護情報とを組合わせた制御／保護指令を生成し、生成した制御／保護指令を各変換器セルに出力する。

上記の実施形態の電力変換装置によれば、制御指令に基づく制御情報と保護指令に基づく保護情報とを組合わせた制御／保護指令を、過電流が検出されたか否かに依らずに同じ信号処理により生成して各変換器セルに出力することが可能になる。このため、過電流検出時に各変換器セルに停止指令をできるだけ短時間で伝送することができる。

実施の形態１の電力変換装置の概略構成図である。 図１の各レグ回路を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。 図１の各レグ回路を構成する変換器セルの他の例を示す回路図である。 図１の各レグ回路を構成する変換器セルのさらに他の例を示す回路図である。 図１の制御／保護指令生成部の詳細な構成を示すブロック図である。 図５の制御装置３０の構成例を示すブロック図である。 図５の中継装置の構成例を示すブロック図である。 制御／保護指令のフレーム構成を模式的に示す図である。 図５〜図８で説明した制御装置、保護装置、および中継装置のシーケンス図である。 図５の保護装置３１の構成の一例を示すブロック図である。 図１０の交流電流判定部５０の構成の一例を示すブロック図である。 図１０の直流電流判定部５１の構成の一例を示すブロック図である。 図１０の循環電流判定部５２の構成の一例を示すブロック図である。 実施の形態３の電力保護装置の概略構成を示すブロック図である。 実施の形態４の電力変換装置の構成を示すブロック図である。 実施の形態５の電力変換装置において、各変換器セルのゲート制御部の動作を示すフローチャートである。 実施の形態６の電力変換装置において、制御装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態７の電力変換装置において、中継装置の構成例を示すブロック図である。 実施の形態８による電力変換装置の構成を示すブロック図である。

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰返さない。

実施の形態１．
［電力変換装置の概略構成］
図１は、実施の形態１の電力変換装置の概略構成図である。図１を参照して、電力変換装置１は、主回路であるレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（不特定のものを示す場合、レグ回路４と記載する）と、制御／保護指令生成部３とを備える。この明細書では、レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗの全体を電力変換回路部２と称する。

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各相ごとに設けられ、交流回路１２と直流回路１４との間に接続され、両回路間で電力変換を行う。図１には交流回路１２が三相交流の場合が示され、ｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられている。

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器１３を介して交流回路１２に接続される。交流回路１２は、たとえば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流端子Ｎｖ，Ｎｗと連系変圧器１３との接続は図示していない。

各レグ回路４に共通に設けられた直流端子Ｎｐ，Ｎｎ（すなわち、高電位側直流端子Ｎｐ，低電位側直流端子Ｎｎ）は、直流回路１４に接続される。直流回路１４は、たとえば、直流送電網などを含む直流電力系統または他の電力変換装置の直流端子である。後者の場合、２台の電力変換装置を連結することによって定格周波数などが異なる交流電力系統間を接続するためのＢＴＢ（Back To Back）システムが構成される。

図１の連系変圧器１３を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流回路１２に接続した構成としても良い。さらに、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが連系変圧器１３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル８Ａ，８Ｂとしてもよい。すなわち、レグ回路４は、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗに設けられた接続部を介して電気的に、すなわち直流的または交流的に交流回路１２と接続される。

レグ回路４ｕは、高電位側直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム５と、低電位側直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム６とに区分される。上アーム５と下アーム６との接続点（すなわち、交流端子Ｎｕ）が変圧器１３と接続される。高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎが直流回路１４に接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有しているので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。

上アーム５は、カスケード接続された複数の変換器セル７と、リアクトル８Ａとを含む。複数の変換器セル７およびリアクトル８Ａは互いに直列接続されている。以下、簡単のために変換器セル７をセル７と称する場合がある。

同様に、下アーム６は、カスケード接続された複数のセル７と、リアクトル８Ｂとを含む。複数のセル７およびリアクトル８Ｂは互いに直列接続されている。

リアクトル８Ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの上アーム５のいずれの位置であってもよく、リアクトル８Ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの下アーム６のいずれの位置であってもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂはそれぞれ複数個あってもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、上アーム５のリアクトル８Ａのみ、もしくは、下アーム６のリアクトル８Ｂのみを設けてもよい。

リアクトル８Ａ，８Ｂは、交流回路１２または直流回路１４などの事故時に事故電流が急激に増大しないように設けられている。しかし、リアクトル８Ａ，８Ｂのインダクタンス値を過大なものにすると電力変換器の効率が低下するという問題が生じる。したがって、全セル７の全てのスイッチング素子をできるだけ短時間でオフするという保護動作が重要になる。

図１の電力変換装置１は、さらに、制御に使用される電気量（電流、電圧など）を計測する検出器として、交流電圧検出器１０と、交流電流検出器１６と、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂとを含む。これらの検出器によって検出された信号は、制御／保護指令生成部３に入力される。制御／保護指令生成部３はこれらの検出信号に基づいて各セル７の運転状態を制御するための制御／保護指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗを出力する。また、制御／保護指令生成部３は、各セル７からセルキャパシタ電圧の検出値を表す信号１７を受信する。

本実施の形態の場合、制御／保護指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗは、Ｕ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相上アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相上アーム、およびＷ相下アームにそれぞれ対応して生成されている。以下の説明では、制御／保護指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗについて、総称する場合または不特定のものを示す場合、制御／保護指令１５と記載する。

なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から制御／保護指令生成部３に入力される信号の信号線ならびに制御／保護指令生成部３と各セル７との間で入出力される信号の信号線は一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびセル７ごとに個別に設けられている。各セル７と制御／保護指令生成部３との間の信号線は、送信用と受信用とが別個に設けられていてもよい。また、本実施の形態の場合、これらの信号は耐ノイズ性の観点から光ファイバを介して伝送される。

以下、各検出器について具体的に説明する。交流電圧検出器１０は、交流回路１２のＵ相の電圧値Ｖａｃｕ、Ｖ相の電圧値Ｖａｃｖ、およびＷ相の電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器１６は、交流回路１２のＵ相の電流値Ｉａｃｕ、Ｖ相の電流値Ｉａｃｖ、およびＷ相の電流値Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器１１Ａは、直流回路１４に接続された高電位側直流端子Ｎｐの電圧を検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流回路１４に接続された低電位側直流端子Ｎｎの電圧を検出する。Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂは、上アーム５に流れるアーム電流Ｉｐｕおよび下アーム６に流れるアーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｖおよび下アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。

［変換器セルの構成例］
図２は、図１の各レグ回路を構成する変換器セルの一例を示す回路図である。図２に示す変換器セル７ＨＢは、ハーフブリッジ型の変換回路２０ＨＢと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ２４と、ゲート制御部２１と、電圧検出部２７と、送受信部２８とを備える。

ハーフブリッジ型の変換回路２０ＨＢは、互いに直列接続された半導体スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂ（以下、単にスイッチング素子と称する場合がある）と、ダイオード２３Ａ，２３Ｂとを含む。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂとそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続される。直流コンデンサ２４は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を保持する。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの接続ノードは高電位側の入出力端子２６Ｐと接続される。スイッチング素子２２Ｂと直流コンデンサ２４の接続ノードは低電位側の入出力端子２６Ｎと接続される。

ゲート制御部２１は、図１の制御／保護指令生成部３から受信した制御／保護指令１５に従って動作する。ゲート制御部２１は、通常動作時（すなわち、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの一方をオン状態とし、他方をオフ状態となるように制御を行う。スイッチング素子２２Ａがオン状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオフ状態のとき、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間には直流コンデンサ２４の両端間の電圧が印加される。逆に、スイッチング素子２２Ａがオフ状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオン状態のとき、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間は０Ｖとなる。したがって、図２に示す変換器セル７は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とすることによって、零電圧または直流コンデンサ２４の電圧に依存した正電圧を出力することができる。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂに逆方向電圧が印加されたときの保護のために設けられている。

一方、図１の制御／保護指令生成部３によってアーム電流の過電流が検出された場合には、ゲート制御部２１は、回路保護のためにスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの両方ともオフにする。この結果、たとえば、直流回路１４の地絡事故の場合には、事故電流がダイオード２３Ｂを流れる。

電圧検出部２７は、直流コンデンサ２４の両端２４Ｐ，２４Ｎの間の電圧を検出する。以下の説明では、直流コンデンサ２４の電圧をセルキャパシタ電圧とも称する。送受信部２８は、図１の制御／保護指令生成部３から受信した制御／保護指令１５をゲート制御部２１に伝達するとともに、電圧検出部２７によって検出されたセルキャパシタ電圧を表す信号１７を制御／保護指令生成部３に送信する。

上記のゲート制御部２１、電圧検出部２７、および送受信回路２８は、専用回路によって構成してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを利用して構成してもよい。

図３は、図１の各レグ回路を構成する変換器セルの他の例を示す回路図である。図３に示す変換器セル７ＦＢは、フルブリッジ型の変換回路２０ＦＢと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ２４と、ゲート制御部２１と、電圧検出部２７と、送受信部２８とを備える。

フルブリッジ型の変換回路２０ＦＢは、直列接続されたスイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄと、スイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄに逆並列にそれぞれ接続されたダイオード２３Ｃ，２３Ｄとをさらに含む点で、図２の変換器セル７ＨＢと異なる。スイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄの全体は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの直列接続回路と並列に接続されるとともに、直流コンデンサ２４と並列に接続される。入出力端子２６Ｐは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの接続ノードと接続され、入出力端子２６Ｎは、スイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄの接続ノードと接続される。

ゲート制御部２１は、図１の制御／保護指令生成部３から受信した制御／保護指令１５に従って動作する。ゲート制御部２１は、通常動作時（すなわち、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、スイッチング素子２２Ｄを常時オンとし、スイッチング素子２２Ｃを常時オフとし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とするように制御を行う。ただし、図３に示すフルブリッジ型の変換回路２０ＦＢは、スイッチング素子２２Ｄをオフし、スイッチング素子２２Ｃをオンし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態にすることによって、零電圧または負電圧（いわゆる逆電圧）を出力することもできる。

一方、ゲート制御部２１は、図１の制御／保護指令生成部３によってアーム電流の過電流が検出された場合には、回路保護のためにスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄの全てをオフにする。この場合、たとえば、直流回路１４の短絡事故の場合には短絡電流がダイオード２３Ｃ，２３Ｂを流れることによってコンデンサ２４に流入する。直流回路１４の電圧がレグ回路４全体でのコンデンサ２４の電圧の和に等しくなった時点で事故電流は流れなくなる。

図３の電圧検出部２７および送受信部２８の構成は、図２の場合と同様であるので説明を繰返さない。

図４は、図１の各レグ回路を構成する変換器セルのさらに他の例を示す回路図である。図４に示す変換器セル７ＴＱＢは、スリークオーターブリッジ（Three Quarter Bridge）型の変換回路２０ＴＱＢと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ２４と、ゲート制御部２１と、電圧検出部２７と、送受信部２８とを備える。

スリークオーターブリッジ型の変換回路２０ＴＱＢは、図３に示すフルブリッジ型の変換回路２０ＦＢから、スイッチング素子２２Ｃを除去した構成であり、その他の点は図３の場合と同じである。

ゲート制御部２１は、図１の制御／保護指令生成部３から受信した制御／保護指令１５に従って動作する。ゲート制御部２１は、通常動作時（すなわち、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、スイッチング素子２２Ｄを常時オンとし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とするように制御を行う。ただし、図４に示す変換回路２０ＴＱＢは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｄをオフし、スイッチング素子２２Ｂをオンし、かつ電流が入出力端子２６Ｎから入出力端子２６Ｐの方向に流れる場合には、負電圧を出力することができる。

一方、図１の制御／保護指令生成部３によってアーム電流の過電流が検出された場合には、ゲート制御部２１は、回路保護のためにスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｃの全てをオフにする。この場合、たとえば、直流回路１４の地絡事故の場合には、事故電流がダイオード２３Ｃ，２３Ｂを流れることによってコンデンサ２４に流入する。直流回路１４の電圧がレグ回路４全体でのコンデンサ２４の電圧の和に等しくなった時点で事故電流は流れなくなる。

図４の電圧検出部２７および送受信部２８の構成は、図２の場合と同様であるので説明を繰返さない。

図２〜図４に示す各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄには、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられている。たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）などがスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄとして用いられる。

なお、実施の形態１では、図２〜図４に示したセル変換器のいずれか１つの種類のみが用いられている場合について説明する。多種類のセル変換器を混在した例については、図１４を参照して実施の形態３で説明する。

［制御／保護指令生成部の構成例］
図５は、図１の制御／保護指令生成部の詳細な構成を示すブロック図である。図５を参照して、図１の制御／保護指令生成部３は、制御装置３０と、保護装置３１と、中継装置３２とを備える。図５では、図１の電力変換回路部２のうちＵ相用のレグ回路４ｕのみが代表的に示されているが、他のレグ回路４ｖ，４ｗについても同様である。

制御装置３０は、図１の各検出器で検出された交流電圧Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗ、交流電流Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗ、直流電圧Ｖｄｃｐ，Ｖｄｃｎ、およびアーム電流Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗと、セルキャパシタ電圧Ｖｃａｐとに基づいて、通常動作時に各変換器セル７を運転制御するための制御指令３３を生成する。セルキャパシタ電圧Ｖｃａｐは、各変換器セル７において検出された直流コンデンサ２４の電圧値が中継装置３２において各アーム回路ごとに平均化されたものである。制御指令３３は、たとえば、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗの上アーム５および下アーム６の出力電圧指令値である。制御装置３０のより詳細な構成例については、図６で説明する。

保護装置３１は、レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗの上アームまたは下アームを流れるアーム電流Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗの少なくとも１つが閾値を超えているか、すなわち過電流が流れているか否かを判定する。保護装置３１は、この判定結果に基づいて、制御指令３３に基づいて各変換器セル７を動作させるか（すなわち、通常運転指令)又は制御指令３３に依らずに各変換器セル７の動作を停止させるか（すなわち、停止指令）を指令するための保護指令３４を生成する。保護装置３１のさらに改良された構成例については、図１０〜図１３を参照して実施の形態２で説明する。

中継装置３２は、制御指令３３に基づく制御情報と保護指令３４に基づく保護情報とを組合わせた制御／保護指令１５を生成し、生成した制御／保護指令１５を各変換器セル７に出力する。本実施の形態の場合、制御／保護指令１５に含まれる制御情報はアーム５，６ごとに設定されているが、保護情報は各変換器セル７で共通である。図２〜図４で説明したように各変換器セル７は、制御／保護指令１５に従って動作する。中継装置３２のより詳細な構成例については図７で説明する。

制御装置３０におけるアーム電圧の指令値の演算にはある程度の時間がかかるので、制御装置３０が制御指令３３を周期Ｔ１ごとに送信するとすれば、保護装置３１は周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ２ごとに保護指令３４を送信する。中継装置３２は、できるだけ早く保護情報を各変換器セル７に伝達するために、周期Ｔ１よりも短い周期Ｔ３ごとに制御／保護指令１５を各変換器セル７に送信する。したがって、制御／保護指令１５に含まれる制御情報は、制御指令３３が更新されるまで同じ内容のものが繰り返し送信されることになる。

制御／保護指令１５は、耐ノイズ性を高めるために光ファイバを介して伝送するようにしてもよい。制御装置３０、保護装置３１、および中継装置３２は、共通のプリント基板に実装してもよいし、別ユニットとして構成してもよい。制御装置３０、保護装置３１、および中継装置３２が別ユニットとして構成される場合には、光ファイバを介して制御指令３３および保護指令３４を伝送するようにしてもよい。また、制御装置３０、保護装置３１、および中継装置３２は、専用回路によって構成してもよいし、その一部または全部をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）および／またはマイクロプロセッサによって構成してもよい。

［制御装置の詳細な構成例］
図６は、図５の制御装置３０の構成例を示すブロック図である。図６を参照して、制御装置３０は、交流制御指令値生成部４０と、直流制御指令値生成部４１と、循環電流指令値生成部４２と、コンデンサ電圧制御指令値生成部４３と、アーム電圧指令値生成部４４とを含む。

交流制御指令値生成部４０は、交流電圧検出部１０によって検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電圧値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗ（総称する場合、交流電圧値Ｖａｃと記載する）と、交流電流検出部１６によって検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗ（総称する場合、交流電流値Ｉａｃと記載する）とに基づいて、各相の交流電圧指令値を生成する。交流制御指令値生成部４０は、たとえば、ＰＩＤ制御器（Proportional-Integral-Differential Controller）などのフィードバック制御器によって構成される。

直流制御指令値生成部４１は、まず、各相のアーム電流Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗに基づいて直流電流値Ｉｄｃを演算する。具体的に、上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗの和をＩｄｃ＿ｐとし、下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの和をＩｄｃ＿ｎとすれば、直流電流Ｉｄｃは、
Ｉｄｃ＝（Ｉｄｃ＿ｐ＋Ｉｄｃ＿ｎ）／２ …(1)
によって計算できる。

直流制御指令値生成部４１は、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂで検出された直流電圧値Ｖｄｃｐ，Ｖｄｃｎと、算出した直流電流Ｉｄｃとに基づいて、直流電圧指令値を生成する。直流制御指令値生成部４１は、たとえば、ＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器によって構成される。

循環電流制御指令値生成部４２は、まず、レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ流れる循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗを各相のアーム電流Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗに基づいて計算する。ここで、循環電流とは、複数のレグ回路４の間を循環する電流である。たとえば、Ｕ相レグ回路４ｕを流れる循環電流Ｉｃｃｕは、
Ｉｃｃｕ＝（Ｉｐｕ＋Ｉｎｕ）／２−Ｉｄｃ／３ …(2)
で表される。上式（３）の第１項はレグ回路４ｕの上アーム５および下アーム６に共通に流れる電流を表す。上記（３）の第２項は、直流電流Ｉｄｃが各レグ回路に均等に流れると仮定したときのＵ相レグ回路４ｕの分担分を表す。直流電流循環電流Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗについても同様に計算することができる。

循環電流制御指令値生成部４２は、算出された各相の循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗと各アーム回路ごとに平均化されたセルキャパシタ電流Ｖｃａｐとに基づいて各相の循環電流の指令値を算出する。循環電流制御指令値生成部４２は、たとえば、ＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器によって構成される。

コンデンサ電圧制御指令値生成部４３は、各アーム回路ごとに平均化されたセルキャパシタ電圧Ｖｃａｐと各相のアーム電流Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗとに基づいて、各変換器セル７の直流コンデンサの電圧指令値を生成する。コンデンサ電圧制御指令値生成部４３は、たとえば、ＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器によって構成される。

アーム電圧指令値生成部４４は、上記の各指令値生成部４０〜４３を合成することによって、各相の上アーム５および下アーム６用のアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕ，Ｖｎｒｅｆｕ，Ｖｐｒｅｆｖ，Ｖｎｒｅｆｖ，Ｖｐｒｅｆｗ，Ｐｎｒｅｆｗを生成する。各相のアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕ，Ｖｎｒｅｆｕ，Ｖｐｒｅｆｖ，Ｖｎｒｅｆｖ，Ｖｐｒｅｆｗ，Ｐｎｒｅｆｗは、制御指令３３として中継装置３２に伝送される。以下の説明において、いずれの相であるかを特定しない場合には、単にアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆ，Ｖｎｒｅｆと記載する場合がある。

なお、上記で説明した制御装置３０の構成は一例であって、他の構成の制御装置を本実施の形態に適用することができる。

［中継装置の詳細な構成および動作］
図７は、図５の中継装置の構成例を示すブロック図である。図７を参照して、中継装置３２は、制御指令受信部８０と、保護指令受信部８１と、制御指令格納部８２と、保護指令格納部８３と、送信データ設定部８５と、送受信部８６と、セルキャパシタ電圧平均化部８７とを備える。

制御指令受信部８０は、制御装置３０から送信された制御指令３３としてのアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆ，Ｖｎｒｅｆを受信する。受信した制御指令３３は、制御指令格納部８２としてのメモリに格納される。制御指令格納部８２の格納データは、最新の制御指令３３が受信される度に更新される。

保護指令受信部８１は、保護装置３１から送信された保護指令３４を受信する。受信した保護指令３４は、保護指令格納部８３としてのメモリに格納される。保護指令格納部８３の格納データは、最新の保護指令３４が受信される度に更新される。

送信データ設定部８５は、制御指令格納部８２に格納されている最新の制御指令３３と保護指令格納部８３に格納されている最新の保護指令３４とを組み合わせることによって、各変換器セル７に送信すべきデータ（すなわち制御／保護指令１５）を各アーム回路５，６に対応して設定する。図７において制御／保護指令１５ｐｕ，１５ｐｖ，１５ｐｗ，１５ｎｕ，１５ｎｖ，１５ｎｗは、それぞれＵ相上アーム、Ｖ相上アーム、Ｗ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相下アームに対応するものである。送受信部８６は、生成された制御／保護指令１５を対応するアーム回路の各変換器セル７に送信する。

本実施の形態の場合、最新の制御指令３３と最新の保護指令３４とを単純に合体することによって制御／保護指令１５が生成される。したがって、中継装置３２では、さらなる処理を必要としないので制御指令３３および保護指令３４の各変換器セル７への伝送を高速化できる。

セルキャパシタ電圧平均化部８７は、各変換器セル７の電圧検出部２７で検出された直流コンデンサ２４の電圧を各アーム回路ごとに平均化することによって、セルキャパシタ電圧Ｖｃａｐを計算する。計算されたセルキャパシタ電圧Ｖｃａｐは、制御装置３０によって制御指令３３を生成するために利用される。

図８は、制御／保護指令のフレーム構成を模式的に示す図である。図８の場合、制御／保護指令１５が光ファイバなどを介した通信によって送信されることが想定されている。図８に示すように、制御／保護指令１５のフレームは、ヘッダ領域６５と、保護情報のデータ領域６６と、制御情報のデータ領域６７とを含む。

図８の保護情報は、保護指令格納部８３に格納されている最新の保護指令３４とに基づいた情報であり、たとえば、図１で説明したいずれかのアーム電流検出器９Ａ，９Ｂによって過電流が検出されているか否かの情報を含んでいる。保護情報は、さらに、誤り検出情報を含んでいてもよい。誤り検出情報は、保護情報を冗長化したものでもよいし、公知の誤り検出符号であってもよい。保護情報は、各アーム回路で共通である。

図８の制御情報は、制御指令格納部８２に格納されている最新の制御指令３３に基づくゲート駆動信号の設定値である。本実施形態の場合、制御情報はアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕ，Ｖｎｒｅｆｕ，Ｖｐｒｅｆｖ，Ｖｎｒｅｆｖ，Ｖｐｒｅｆｗ，Ｐｎｒｅｆｗであり、各アームごとに異なる値に設定されている。

図８に示すように、保護情報を制御情報よりも信号フレームの先頭近くに配置することが望ましい。これによって各変換器セル７では保護情報に基づく信号処理を制御情報に基づく信号処理よりも先に実行することができる。したがって、過電流検出時における各変換器セル７の動作の停止をより高速化することができる。

図９は、図５〜図８で説明した制御装置、保護装置、および中継装置のシーケンス図である。

図５および図９を参照して、制御装置３０は、第１の周期Ｔ１ごとに保護指令Ｓ１０１，Ｓ１０２，…を送信する。保護装置３１は、第１の周期Ｔ１よりも短い第２の周期Ｔ２ごとに保護指令Ｓ２０１、Ｓ２０２，…を送信する。中継装置３２、第１の周期Ｔ１よりも短い第３の周期Ｔ３で制御／保護指令Ｓ３０１，Ｓ３０２，…を送信する。

図５において、制御／保護指令Ｓ３０１はＳ３１１の各々は、最新の制御指令に基づく制御情報および最新の保護指令に基づく保護情報を１フレームにまとめたものである。具体的に、制御／保護指令Ｓ３０１〜Ｓ３１１に含まれる保護情報は、それぞれ保護指令Ｓ２０１〜Ｓ２１１に基づくものである。一方、制御／保護指令Ｓ３０１〜Ｓ３０９に含まれる制御情報は同一の制御指令Ｓ１０１に基づくものであり、制御／保護指令Ｓ３１０，Ｓ３１１に含まれる制御情報は同一の制御指令Ｓ１０２に基づくものである。

［効果］
以下、実施の形態１の電力変換装置１による効果について総括的に説明する。

まず、本実施の形態の電力変換装置では、通常動作時と過電流検出時とで、制御／保護指令１５の各フレームを構成する保護情報の内容は変化するが、フレーム構成自体は変化しないという特徴がある。したがって、過電流検出時においても中継装置３２は特別な処理を実行するのではなく、通常動作時と同様のシーケンスで動作する。このため、中継装置３２における信号処理が比較的簡単なものとなり、信号処理を高速化することができる。

制御／保護指令１５を受信する各変換器セル７においても、通常動作時と過電流検出時とで制御／保護指令１５のフレーム構成自体は変化しないので、各変換器セル７における信号処理が比較的簡単なものとなり、信号処理を高速化することができる。また、前述の特許文献１（特開２０１４−２０７７２８号公報）の場合のように信号のフレーム構成が切り替わることがないので、誤動作防止のための処理も簡単化することができる。

以上により、本実施の形態の電力変換装置１では、過電流検出時に各変換器セルに停止指令をできるだけ短時間で伝送することができる。さらに、本実施の形態の場合、電力系統での事故が除去された場合には、制御／保護指令に含まれる制御情報の内容を変更するだけで、容易に電力変換装置を復旧することができるというメリットがある。

実施の形態２．
実施の形態２では、図５の保護装置３１における過電流検出を高速化するための具体的回路例について説明する。

図１０は、図５の保護装置３１の構成の一例を示すブロック図である。図１０を参照して、保護装置３１は、交流電流判定部５０と、直流電流判定部５１と、循環電流判定部５２と、論理和演算部５３とを含む。

交流電流判定部５０は、図１の交流回路１２において事故が発生しているか否かをできるだけ短時間で判定するために、上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗの絶対値および下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの絶対値の少なくとも１つが閾値ＴＨ１を超えているという第１の判定条件が満たされているか否かを判定する。

直流電流判定部５１は、図１の直流回路１４において事故が発生しているか否かをできるだけ短時間で判定するために、直流電流Ｉｄｃの絶対値が閾値ＴＨ２を超えているという第２の判定条件が満たされているか否かを判定する。具体的に、直流電流Ｉｄｃは、前述の式（１）によって計算してもよいし、上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗの和Ｉｄｃ＿ｐを直流電流として用いていもよいし、下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの和Ｉｄｃ＿ｎを直流電流として用いてもよいし、Ｉｄｃ＿ｐおよびＩｄｃ＿ｎの両方を用いてもよい。

循環電流判定部５２は、図１の電力変換回路部２において事故が発生しているか否かを判定するために、少なくとも１つのレグ回路を流れる循環電流の絶対値が閾値ＴＨ３を超えているという第３の判定条件が満たされているか否かを判定する。

具体的に、Ｕ相の循環電流Ｉｃｃｕは、前述の式（２）によって計算することができる。式（２）において直流電流Ｉｄｃは式（１）によって計算してもよいし、上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗの和Ｉｄｃ＿ｐを直流電流として用いていもよいし、下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの和Ｉｄｃ＿ｎを直流電流として用いてもよい。Ｖ相およびＷ相の循環電流Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗについても同様に計算することができる。

論理和演算部５３は、交流電流判定部５０の判定結果５４と、直流電流判定部５１の判定結果５５と、循環電流判定部５２の判定結果５６との論理和演算を行い、演算結果を保護指令３４として出力する。したがって、交流電流判定部５０、直流電流判定部５１、循環電流判定部５２の少なくとも１つにおいて過電流が検出された場合には、電力変換回路部２を構成する各変換器セル７の動作を停止する停止指令が保護指令３４として論理和演算部５３から出力される。

図１１は、図１０の交流電流判定部５０の構成の一例を示すブロック図である。図１１を参照して、交流電流判定部５０は、絶対値演算部６０Ａ〜６０Ｆと、比較器６１Ａ〜６１Ｆ（総称する場合または不特定のものを示す場合、比較器６１と記載する）、論理和演算部６２とを含む。

絶対値演算部６０Ａ〜６０Ｆは、各レグ回路４の電流検出器９Ａまたは９Ｂで検出されたアーム電流値Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗの絶対値をそれぞれ演算する。

比較器６１Ａ〜６１Ｆは、アーム電流値Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗの絶対値と閾値ＴＨ１とをそれぞれ比較する。各比較器６１は、対応のアーム電流値の絶対値が閾値ＴＨ１を超えている場合に、論理値“１”を出力する。

論理和演算部６２は、比較器６１Ａ〜６１Ｆの比較結果の論理和を交流電流判定部５０の判定結果５４として出力する。したがって、アーム電流値Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗの絶対値のうちの少なくとも１つが閾値ＴＨ１を超えている場合に、交流電流判定部５０において過電流と判定される。

図１２は、図１０の直流電流判定部５１の構成の一例を示すブロック図である。図１２を参照して、直流電流判定部５１は、加算器６３Ａ，６３Ｂと、絶対値演算部６４Ａ，６４Ｂと、比較器６５Ａ，６５Ｂと、論理和演算部６６とを含む。

加算器６３Ａは上アーム電流値Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖを加算し、絶対値演算部６４Ａは加算結果の絶対値を演算する。これによって、上アーム電流に基づく直流電流Ｉｄｃ＿ｐの絶対値が求まる。

同様に、加算器６３Ｂは下アーム電流値Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｖを加算し、絶対値演算部６４Ｂは加算結果の絶対値を演算する。これによって、下アーム電流に基づく直流電流Ｉｄｃ＿ｎの絶対値が求まる。

比較器６５Ａ，６５Ｂは、算出された直流電流Ｉｄｃ＿ｐ，Ｉｄｃ＿ｎの絶対値をそれぞれ閾値ＴＨ２と比較する。各比較器６５Ａ，６５Ｂは、対応のアーム電流値の絶対値が閾値ＴＨ２を超えている場合に、論理値“１”を出力する。

論理和演算部６６は、比較器６５Ａ，６５Ｂの比較結果の論理和を直流電流判定部５１の判定結果６２として出力する。したがって、直流電流Ｉｄｃ＿ｐ，Ｉｄｃ＿ｎの絶対値の少なくとも１つが閾値ＴＨ２を超えている場合に、直流電流判定部５１において過電流が判定される。

図１３は、図１０の循環電流判定部５２の構成の一例を示すブロック図である。図１３を参照して、循環電流判定部５２は、加算器７０Ａ〜７０Ｄと、定数０．５を乗算する定数乗算器７１Ａ〜７１Ｃと、定数１／３を乗算する定数乗算器７１Ｄと、減算器７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃと、絶対値演算部７３Ａ〜７３Ｃと、比較器７４Ａ〜７４Ｃと、論理和演算部７５とを含む。

加算器７０Ａおよび定数乗算器７１Ａによって、Ｕ相の上アーム電流Ｉｐｕおよび下アーム電流Ｉｎｕが平均化されることによって、Ｕ相の上アームおよび下アームに共通に流れるレグ電流Ｉｃｏｍｕが演算される。同様に、加算器７０Ｂおよび定数乗算器７１ＢによってＶ相の上アームおよび下アームに共通に流れるレグ電流Ｉｃｏｍｖが演算され、加算器７０Ｃおよび定数乗算器７１ＣによってＷ相の上アームおよび下アームに共通に流れるレグ電流Ｉｃｏｍｗが演算される。

加算器７０Ｄおよび定数乗算器７１Ｄによって、上アーム電流に基づく直流電流Ｉｄｃ＿ｐの１／３、すなわち、各レグ回路４への分担される直流電流値が演算される。減算器７２Ａ，７２Ｂ，７２Ｃはこの直流電流値をレグ電流値Ｉｃｏｍｕ，Ｉｃｏｍｖ，Ｉｃｏｍｗから減算し、絶対値演算部７３Ａ〜７３Ｃは減算結果の絶対値をそれぞれ演算する。この結果、各レグ回路４を流れる循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗの絶対値が求まる。

比較器７４Ａ〜７４Ｃは、算出された各レグ回路４を流れる循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗの絶対値をそれぞれ閾値ＴＨ３と比較する。各比較器７４Ａ〜７４Ｃは、対応の循環電流の絶対値が閾値ＴＨ３を超えている場合に、論理値“１”を出力する。

論理和演算部７５は、比較器７４Ａ〜７４Ｃの比較結果の論理和を循環電流判定部５２の判定結果５６として出力する。したがって、循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗの絶対値の少なくとも１つが閾値ＴＨ３を超えている場合に、循環電流判定部５２において過電流が判定される。

以上のとおり、実施の形態２の電力変換装置によれば、保護装置において過電流を検出する際に、各アーム電流の絶対値が閾値ＴＨ１と比較されるだけでなく、直流電流および循環電流が演算されてこれらの演算結果がそれぞれ閾値ＴＨ２，ＴＨ３と比較される。この結果、交流回路１２、直流回路１４、および電力変換回路部２のいずれにおいて事故が発生した場合にも、事故発生による過電流をできるだけ短時間で検出することができる。

なお、図１０において、循環電流判定部５２を含まない構成であってもよい。この場合には、交流回路１２および直流回路１４のいずれかで事故が発生した場合に、できるだけ短時間で過電流を検出可能な保護装置を提供することができる。

実施の形態３．
実施の形態３の電力保護装置では、少なくとも１つのレグ回路４において異なる種類の変換器セル７が混在されている場合について説明する。以下では、Ｕ相レグ回路４ｕにおいてハーブブリッジ方式の変換器セル７ＨＢとフルブリッジ方式の変換器セル７ＦＢとが混在されている場合を例に挙げる。Ｖ相およびＷ相のレグ回路４ｖ，４ｗの場合も同様である。他の回路方式の変換器セル７の場合も同様であるし、３種類以上の変換器セル７が混在している場合も同様である。

図１４は、実施の形態３の電力保護装置の概略構成を示すブロック図である。図１４を参照して、電力変換回路部２のＵ相のレグ回路４ｕは、ハーフブリッジ方式の複数の変換器セル７ＨＢとフルブリッジ方式の複数の変換器セル７ＦＢとを含む。

図１４に示すように、中継装置３２は、ハーフブリッジ方式の各変換器セル７ＨＢに制御／保護指令１５ｐｕＡ，１５ｎｕＡを出力する第１の中継部３２ＨＢと、フルブリッジ方式の各変換器セル７ＦＢに制御／保護指令１５ｐｕＢ，１５ｎｕＢを出力する第２の中継部３２ＦＢとを備える。

制御装置３０は、ハーフブリッジ方式の各変換器セル７ＨＢを運転制御するための制御指令３３Ａを中継部３２ＨＢに出力する第１の制御部３０ＨＢと、フルブリッジ方式の各変換器セル７ＦＢを運転制御するための制御指令３３Ｂを中継部３２ＦＢに出力する第２の制御部３０ＦＢとを備える。このように、変換器セル７ＨＢ，７ＦＢの種類に応じて異なる制御指令３３Ａ，３３Ｂが送信される。

一方、保護装置３１は、共通の保護指令３４を第１の中継部３２ＨＢおよび第２の中継部３２ＦＢに出力する。このように、保護装置３１を制御装置３０と独立して設けることによって、変換器セル７ＨＢ，７ＦＢの種類に応じて保護指令３４を変更する必要がない。このため、過電流が検出された場合には、変換器セル７ＨＢ，７ＦＢの種類によらずに速やかに運転停止指令を各変換器セルに送信することができる。

図１４のその他の点は、実施の形態１の場合と同様であるので詳しい説明を繰返さない。また、実施の形態２で説明した保護装置３１の構成は実施の形態３にも適用することができる。

実施の形態４．
実施の形態４では、図１０の保護装置３１の交流電流判定部５０および直流電流判定部５１による判定結果に基づいて遮断器の開閉を制御する例について説明する。

図１５は、実施の形態４の電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１５の電力変換装置１において保護装置３１は、実施の形態２の図１０で説明した構成を備える。

また、図１５の電力変換装置１では、電力変換回路部２と交流回路１２との間に交流遮断器９０が設けられ、電力変換回路部２と直流回路１４との間に直流遮断器９１，９２が設けられる。図１５では、図解を容易にするために交流遮断器９０は１個のみ図示されているが、実施には３相送電線の各相ごとに合計で３個の交流遮断器が設けられている。

保護装置３１は、交流電流判定部５０によって過電流が検出された場合には、交流遮断器９０を開放するためのトリップ信号を出力する。さらに、保護装置３１は、直流電流判定部５１によって過電流が検出された場合には、直流遮断器９１，９２を開放するためのトリップ信号を出力する。

これによって、交流回路１２において短絡事故または地絡事故が発生した場合には、交流回路１２と電力変換回路部２との間をより早く遮断することによって電力変換回路部２の保護を図ることができる。直流回路１４において短絡事故または地絡事故が発生した場合には、直流回路１４と電力変換回路部２との間をより早く遮断することによって電力変換回路部２の保護を図ることができる。

図１５のその他の点は、実施の形態１および実施の形態２で説明したとおりであるので、詳しい説明を繰返さない。上記の実施の形態４の保護装置３１の構成は、実施の形態３の制御装置３０および中継装置３２の構成と組み合わせることができる。

実施の形態５．
実施の形態５の電力変換装置は、電力変換回路部２に含まれる各変換器セル７が図３のフルブリッジ方式の変換器セル７ＦＢによって構成されている場合に関する。この場合に、実施の形態５の電力変換装置は、図１０の直流電流判定部５１の判定結果５５に基づいて各変換器セル７ＦＢから逆電圧を出力できるようにしたものである。したがって、本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態２の保護装置３１の構成を前提としたものである。

図３で説明したように、直流回路１４の短絡事故の場合にスイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄの全てをオフにした場合には、ダイオード２３Ｃ，２３Ｂを介してコンデンサ２４の電圧が出力される。この場合、スイッチング素子２２Ｂ，２２Ｃをオン状態にし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂをオフ状態にすることによって、ダイオード２３Ｂ，２３Ｃを介さずに逆電圧が出力できるので、ダイオード２３Ｂ，２３Ｃの損失を低減し、ダイオード２３Ｂ，２３Ｃの破損を防止することができる。以下、このような制御を行うための各セル変換器７ＦＢのゲート制御部２１の動作について説明する。

図１６は、実施の形態５の電力変換装置において、各変換器セルのゲート制御部の動作を示すフローチャートである。実施の形態５の場合、保護装置３１から出力される保護指令３４には、直流電流判定部５１の判定結果に関する情報が含まれる。

図３および図１６を参照して、ステップＳＴ１００において、各変換器セル７ＦＢのゲート制御部２１は、中継装置３２から制御／保護指令１５を受信する。ここで、制御／保護指令１５に含まれる保護情報には、図１０の交流電流判定部５０、直流電流判定部５１、および循環電流判定部５２のいずれかによって過電流が検出されたか否かの情報と、直流電流判定部５１によって過電流が検出されたか否かの情報とが含まれている。

次のステップＳＴ１１０において、各変換器セル７ＦＢのゲート制御部２１は、受信した制御／保護指令１５の保護情報に過電流を示す情報が含まれているか否かを判定する。保護情報が過電流を示している場合には（ステップＳＴ１１０でＹＥＳ）、次のステップＳＴ１２０においてゲート制御部２１は、保護情報が直流回路１２の過電流を示しているか、言い換えると、直流電流判定部５１によって過電流が検出されているか否かを判定する。

上記の判定の結果、保護情報が直流回路１２の過電流を示している場合には（ステップＳＴ１２０でＹＥＳ）、ゲート制御部２１は、スイッチング素子２２Ｂ，２２Ｃを導通状態にし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを非導通状態にすることによって、ダイオード２３Ｂ，２３Ｃを介さずに逆電圧を出力する（ステップＳＴ１３０）。一方、保護情報が過電流を示しているが、直流回路１２の過電流を示していない場合には（ステップＳＴ１２０でＮＯ）、ゲート制御部２１は、全スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄを非導通状態にする（ステップＳＴ１４０）。

実施の形態５の電力変換装置のその他の動作は、実施の形態１および２の場合と同様であるので説明を繰返さない。また、本実施の形態は実施の形態３，４のいずれとも組み合わせることができる。

実施の形態６．
実施の形態６では、実施の形態１の電力変換装置の制御装置３０の構成を変更した場合について説明する。

図１７は、実施の形態６の電力変換装置において、制御装置の構成例を示すブロック図である。図１７の制御装置３０Ａは、アーム電圧指令値生成部４４の後段にゲート制御指令生成部４５をさらに含む点で図６の制御装置３０と異なる。

図１７を参照して、ゲート制御指令生成部４５は、Ｕ相上アーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕに基づいて、Ｕ相上アームを構成する各変換器セル７のスイッチング素子２２（２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ）のオンオフを制御するためのゲート制御指令ＧＣｐｕを生成する。同様に、ゲート制御指令生成部４５は、Ｕ相下アームの電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕに基づいて、Ｕ相下アームを構成する各変換器セル７用のゲート制御指令ＧＣｐｎを生成する。ゲート制御指令生成部４５は、Ｖ相上アームの電圧指令値Ｖｐｒｅｆｖに基づいてＶ相上アームを構成する各変換器セル７用のゲート制御指令ＧＣｐｖを生成し、Ｖ相下アームの電圧指令値Ｖｎｒｅｆｖに基づいてＶ相下アームを構成する各変換器セル７用のゲート制御指令ＧＣｎｖを生成する。ゲート制御指令生成部４５は、Ｗ相上アームの電圧指令値Ｖｐｒｅｆｗに基づいてＷ相上アームを構成する各変換器セル７用のゲート制御指令ＧＣｐｗを生成し、Ｗ相下アームの電圧指令値Ｖｎｒｅｆｗに基づいてＷ相下アームを構成する各変換器セル７用のゲート制御指令ＧＣｎｗを生成する。生成されたゲート制御指令ＧＣｐｕ，ＧＣｎｕ，ＧＣｐｖ，ＧＣｎｖ，ＧＣｐｗ，ＧＣｎｗは、制御指令３３として図５の中継装置３２に伝送される。

本実施の形態の場合、中継装置３２は、制御指令３３としてのゲート制御指令ＧＣｐｕ，ＧＣｎｕ，ＧＣｐｖ，ＧＣｎｖ，ＧＣｐｗ，ＧＣｎｗと保護指令３４とを組み合わせることによって制御／保護指令１５を生成する。この場合、中継装置３２のより詳細な構成は、図７で説明したものと同様である。具体的に、送信データ設定部８５は、最新の制御指令３３と最新の保護指令３４とを単純に合体することによって制御／保護指令１５を生成する。したがって、中継装置３２では、さらなる信号処理を必要としないので制御指令３３および保護指令３４の各変換器セル７への伝送を高速化できる。

ただし、制御指令３３は各変換器セル７ごとに設定されたゲート制御指令ＧＣｐｕ，ＧＣｎｕ，ＧＣｐｖ，ＧＣｎｖ，ＧＣｐｗ，ＧＣｎｗによって構成されているので、制御／保護指令１５も各変換器セル７ごとに設定されることになる。各変換器セル７のゲート制御部２１は、通常制御時において対応するゲート制御指令に基づいて各スイッチング素子２２のオンオフを制御する。

実施の形態６の電力変換装置のその他の点は実施の形態１の電力変換装置と同様であるので説明を繰返さない。また、実施の形態６は、実施の形態２〜５のいずれとも組み合わせることができる。

実施の形態７．
実施の形態７では、実施の形態１の電力変換装置の中継装置３２の構成を変更した場合について説明する。

図１８は、実施の形態７の電力変換装置において、中継装置の構成例を示すブロック図である。図１８の中継装置３２Ａは、制御指令格納部８４と送信データ設定部８５との間にゲート制御指令生成部８４をさらに含む点で図７の中継装置３２と異なる。

図１８を参照して、ゲート制御指令生成部８４は、Ｕ相の電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕ，Ｖｎｒｅｆｕに基づいてＵ相の各変換器セル７のゲート駆動信号を設定する。同様に、ゲート制御指令設定部８４は、Ｖ相の電圧指令値Ｖｐｒｅｆｖ，Ｖｎｒｅｆｖに基づいてＶ相の各変換器セル７のゲート駆動信号を設定し、Ｗ相の電圧指令値Ｖｐｒｅｆｗ，Ｖｎｒｅｆｗに基づいてＷ相の各変換器セル７のゲート駆動信号を設定する。

送信データ設定部８５は、制御指令格納部８２に格納されている最新の制御指令３３に基づく各変換器セル７のゲート駆動信号の設定値と保護指令格納部８３に格納されている最新の保護指令３４とを組み合わせることによって、各変換器セル７に送信すべきデータ（すなわち制御／保護指令１５）を変換器セル７ごとに設定する。この場合の制御／保護指令１５は、変換器セルごとに異なるものとなっている。

実施の形態７の場合、制御指令３３の変換処理が必要となるため、実施の形態１の場合よりも中継装置３２Ａでの信号処理が複雑化している。ただし、各変換器セル７の制御部２１での信号処理は、実施の形態１の場合よりも簡単化することができる。

実施の形態７の電力変換装置のその他の点は実施の形態１の電力変換装置と同様であるので説明を繰返さない。また、実施の形態７は、実施の形態２〜５のいずれとも組み合わせることができる。

実施の形態８．
図１９は、実施の形態８による電力変換装置の構成を示すブロック図である。図１９の電力変換装置は、中継装置３２を含んでいない点で図５の電力変換装置と異なる。

具体的に、図１９の電力変換装置において制御装置３０は、変換器セル７ごとにゲート駆動信号の設定値を制御指令３３として生成し、生成した制御指令３３をそれぞれ対応する変換器セル７に送信する。図１９の保護装置３１は、各変換器セル７で共通の保護指令３４を生成し、生成した保護指令３４を各変換器セル７に送信する。図１９のその他の点は実施の形態１の図５の場合と同様であるので、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して説明を繰返さない。

図１９の電力変換装置では、保護装置３１は制御装置３０と独立して設けられているので、保護指令３４は制御指令３３に影響されることなく各変換器セル７に直接送信される。したがって、過電流検出時には、短時間で全変換器セルを停止させることができる。

本実施の形態は、実施の形態２，４，５と組み合わせることができる。また、少なくとも１つのレグ回路４において異なる種類の変換器セル７が混在されている場合には、実施の形態３の場合と同様に、各種類の変換器セル７ごとに対応の制御部が設けられ、各対応の制御部から制御指令３３が対応の変換器セル７に送信される。

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ないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明では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 電力変換装置、２ 電力変換回路部、３ 制御／保護指令生成部、４ｕ，４ｖ，４ｗ レグ回路、５ 上アーム、６ 下アーム、７，７ＦＢ，７ＨＢ，７ＴＱＢ 変換器セル、８Ａ，８Ｂ リアクトル、９Ａ，９Ｂ アーム電流検出器、１０ 交流電圧検出器、１１Ａ，１１Ｂ 直流電圧検出器、１２ 交流回路、１３ 連系変圧器、１４ 直流回路、１５，１５Ａ，１５Ｂ 制御／保護指令、２０ＦＢ，２０ＨＢ，２０ＴＱＢ 変換回路、２１ ゲート駆動回路、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ スイッチング素子、２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ ダイオード、２４ 直流コンデンサ、２６Ｎ，２６Ｐ 入出力端子、３０ 制御装置、３０ＦＢ 第２の制御部、３０ＨＢ 第１の制御部、３１ 保護装置、３２ 中継装置、３２ＦＢ 第２の中継部、３２ＨＢ 第１の中継部、３３，３３Ａ，３３Ｂ 制御指令、３４ 保護指令、５０ 交流電流判定部、５１ 直流電流判定部、５２ 循環電流判定部、９０ 交流遮断器、９１，９２ 直流遮断器、Ｎｎ 低電位側直流端子、Ｎｐ 高電位側直流端子、Ｔ１ 第１の周期、Ｔ２ 第２の周期、Ｔ３ 第３の周期、ＴＨ１，ＴＨ２，ＴＨ３ 閾値。

Claims (16)

1. 直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
   互いに直列接続された複数の変換器セルを含む電力変換回路部を備え、
   各前記変換器セルはエネルギー蓄積器を含み、蓄積エネルギーを出力可能に構成され、
   前記電力変換装置は、さらに、
   各前記変換器セルを運転制御するための制御指令を生成する制御装置と、
   前記制御指令に基づいて各前記変換器セルを動作させるか又は前記制御指令に依らずに各前記変換器セルの動作を停止させるかを指令するための保護指令を生成する保護装置と、
   前記制御指令に基づく制御情報と前記保護指令に基づく保護情報とを組合わせた制御／保護指令を生成し、生成した前記制御／保護指令を各前記変換器セルに所定周期で出力する中継装置とを備える、電力変換装置。
2. 前記保護装置は、前記複数の変換器セルに流れる電流が閾値を超えているかに少なくとも基づいて前記保護指令を生成する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、第１の周期ごとに前記制御指令を生成し、生成した前記制御指令を前記中継装置に出力し、
   前記保護装置は、前記第１の周期よりも短い第２の周期ごとに前記保護指令を生成し、生成した前記保護指令を前記中継装置に送信し、
   前記中継装置は、前記第１の周期より短い前記所定周期としての第３の周期ごとに、受信した最新の前記制御指令と受信した最新の保護指令に基づいて前記制御／保護指令を生成し、生成した前記制御／保護指令を各前記変換器セルに出力する、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記保護情報は、誤り検出情報を含む、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記直列接続された複数の変換器セルは同一種類のブリッジ型の変換回路を備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記直列接続された変換器セルは、
   第１の種類のブリッジ型の変換回路をそれぞれ含む複数の第１の変換器セルと、
   前記第１の種類と異なる第２の種類のブリッジ型の変換回路をそれぞれ含む複数の第２の変換器セルとを備え、
   前記中継装置は、
   各前記第１の変換器セルに前記制御／保護指令を出力する第１の中継部と、
   各前記第２の変換器セルに前記制御／保護指令を出力する第２の中継部とを備え、
   前記制御装置は、
   各前記第１の変換器セルを運転制御するための前記制御指令を前記第１の中継部に出力する第１の制御部と、
   各前記第２の変換器セルを運転制御するための前記制御指令を前記第２の中継部に出力する第２の制御部とを備え、
   前記保護装置は、共通の前記保護指令を前記第１の中継部および前記第２の中継部に出力する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換回路部は、
   前記直流回路と接続された高電位側直流端子および低電位側直流端子と、
   前記交流回路の相にそれぞれ対応し、前記高電位側直流端子と前記低電位側直流端子との間に互いに並列に接続された複数のレグ回路とを備え、
   各前記レグ回路は、
   前記交流回路の対応する相と電気的に接続された接続部と、
   前記接続部と前記高電位側直流端子との間に直列に接続された複数の前記変換器セルを含む上アームと、
   前記接続部と前記低電位側直流端子との間に直列に接続された複数の前記変換器セルを含む下アームと、
   前記上アームを流れる電流を検出する上アーム電流検出器と、
   前記下アームを流れる電流を検出する下アーム電流検出器とを備える、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記保護装置は、交流電流判定部を含み、
   前記交流電流判定部は、各前記レグ回路の前記上アームを流れる電流の絶対値および各前記レグ回路の前記下アームを流れる電流の絶対値の少なくとも１つが第１の閾値を超えているという第１の判定条件が満たされているか否かを判定し、
   前記保護装置は、前記第１の判定条件が満たされている場合に、前記電力変換回路部に設けられた各前記変換器セルの運転を停止させるための保護指令を出力する、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記保護装置は、直流電流判定部をさらに含み、
   前記直流電流判定部は、各前記レグ回路の前記上アームおよび前記下アームを流れる電流に基づいて、前記高電位側直流端子を流れる直流電流および前記低電位側直流端子を流れる直流電流を算出し、前記高電位側直流端子を流れる直流電流の絶対値および前記低電位側直流端子を流れる直流電流の絶対値の少なくとも１つが第２の閾値を超えているという第２の判定条件が満たされているか否かを判定し、
   前記保護装置は、前記第１の判定条件および前記第２の判定条件の少なくとも１つが満たされている場合に、前記電力変換回路部に設けられた各前記変換器セルの運転を停止させるための保護指令を出力する、請求項８に記載の電力変換装置。
10. 前記保護装置は、循環電流判定部をさらに含み、
    前記循環電流判定部は、各前記レグ回路の前記上アームおよび前記下アームを流れる電流に基づいて前記複数のレグ回路をそれぞれ流れる複数の循環電流を算出し、前記複数の循環電流の少なくとも１つが第３の閾値を超えているという第３の判定条件が満たされているか否かを判定し、
    前記保護装置は、前記第１の判定条件、前記第２の判定条件、および前記第３の判定条件の少なくとも１つが満たされている場合に、前記電力変換回路部に設けられた各前記変換器セルの運転を停止させるための保護指令を出力する、請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記交流回路と前記電力変換回路部との間には交流遮断器が接続され、
    前記直流回路と前記電力変換回路部との間には直流遮断器が接続され、
    前記保護装置は、前記第１の判定条件が満たされている場合に前記交流遮断器にトリップ信号を出力し、
    前記保護装置は、前記第２の判定条件が満たされている場合に前記直流遮断器にトリップ信号を出力する、請求項９または１０に記載の電力変換装置。
12. 前記電力変換回路部に設けられた各前記変換器セルは、フルブリッジ型の変換回路を含み、
    各前記変換器セルは、前記第２の判定条件が満たされている場合に、各前記変換器セルから逆電圧が出力されるように前記フルブリッジ型の変換回路の接続を切替えるように構成される、請求項９または１０に記載の電力変換装置。
13. 前記制御装置は、前記レグ回路ごとに、前記上アームを構成する変換器セル全体の出力電圧指令値および前記下アームを構成する変換器セル全体の出力電圧指令値を、前記制御指令として前記中継装置に出力する、請求項７〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
14. 直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
    互いに直列接続された複数の変換器セルを含む電力変換回路部を備え、
    各前記変換器セルはエネルギー蓄積器を含み、蓄積エネルギーを出力可能に構成され、
    前記電力変換装置は、さらに、
    各前記変換器セルを運転制御するための制御指令を生成し、生成した制御指令を各前記変換器セルに出力する制御装置と、
    前記制御指令に基づいて各前記変換器セルを動作させるか又は前記制御指令に依らずに各前記変換器セルの動作を停止させるかを指令するための共通の保護指令を生成し、生成した前記共通の保護指令を各前記変換器セルに出力する保護装置とを備える、電力変換装置。
15. 直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
    互いに直列接続された複数の変換器セルを含む電力変換回路部を備え、
    各前記変換器セルはエネルギー蓄積器を含み、蓄積エネルギーを出力可能に構成され、
    前記電力変換装置は、さらに、
    各前記変換器セルを運転制御するための制御指令を生成する制御装置と、
    各前記変換器セルを動作させるか又は各前記変換器セルの動作を停止させるかを指令するための保護指令を生成する保護装置と、
    前記直流回路と接続された高電位側直流端子および低電位側直流端子と、
    前記交流回路の相にそれぞれ対応し、前記高電位側直流端子と前記低電位側直流端子との間に互いに並列に接続された複数のレグ回路とを備え、
    前記保護装置は、前記交流回路の事故を検出する第１の判定条件、前記直流回路の事故を検出する第２の判定条件の少なくとも１つが満たされる場合に、前記変換器セルの運転を停止させるための保護指令を出力するとともに、前記電力変換回路部に設けられた少なくとも１つの前記変換器セルは、フルブリッジ型の変換回路を含み、前記フルブリッジ型の変換器セルは、前記第２の判定条件が満たされている場合に、その変換器セルから逆電圧が出力されるように前記フルブリッジ型の変換回路の接続を切替えるように構成される、電力変換装置。
16. 前記保護装置は、前記第１の判定条件、前記第２の判定条件、および循環電流に関する第３の判定条件の少なくとも１つが満たされる場合に、前記変換器セルの運転を停止させるための前記保護指令を出力する、請求項１５に記載の電力変換装置。

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