JP6192054B2 - 電力変換装置、ゲート駆動回路および電力変換装置の異常検出方法 - Google Patents

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本発明は、自励式電力変換装置に関する。
一般に、自励式電力変換装置として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている。ＭＭＣは、複数のセル（単位変換器）で構成された電力変換装置である。ＭＭＣは、各セルに入力されるゲートパルス（ゲート信号）により制御される（例えば、特許文献１参照）。
特開２０１１−２４３９３号公報
しかしながら、このような自励式電力変換装置には、次のような課題がある。例えば、ゲート信号の通信異常が発生した場合には、電力変換回路が破損する可能性があるため、電力変換装置を停止させることが多い。このように、電力変換装置を停止させる場合、電力変換回路が破損しない程度の一過性の通信異常でも、電力変換装置が停止するため、停止する頻度が多くなる。
そこで、本発明の目的は、ゲート信号の異常の発生による停止を抑制することのできる自励式の電力変換装置、ゲート駆動回路および電力変換装置の異常検出方法を提供することにある。
本発明の観点に従った自励式の電力変換装置は、複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動するための複数のゲート信号を出力するゲート信号出力手段と、前記ゲート信号出力手段から出力された前記複数のゲート信号をシリアル化したシリアル化ゲート信号に変換するパラレル／シリアル変換手段と、前記パラレル／シリアル変換手段により変換された前記シリアル化ゲート信号に基づいて、異常を検出する異常検出手段と、前記異常検出手段により検出された前記異常に基づいて、保護動作を実行する保護動作手段と、を備える。前記保護動作手段は、前記異常検出手段により検出された前記異常の検出回数又は継続時間が予め設定された許容範囲外の場合に、保護動作を実行し、前記検出回数又は継続時間が前記許容範囲外でない場合には、何も実行しない。
本発明によれば、ゲート信号の異常の発生による停止を抑制することのできる自励式の電力変換装置、ゲート駆動回路および電力変換装置の異常検出方法を提供することができる。
本発明の第１の実施形態に係る自励式電力変換装置の構成を示す構成図。 本発明の第２の実施形態に係る自励式電力変換装置の構成を示す構成図。
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る自励式電力変換装置１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
自励式電力変換装置１０は、制御装置１、ゲート駆動回路２、及び電力変換回路３を備える。
電力変換回路３は、複数のスイッチング素子４ａ，４ｂ，…，４ｎで構成されている。スイッチング素子４ａ〜４ｎは、２つ以上であれば、いくつでもよい。
制御装置１は、ゲート発生器１１及びパラレル／シリアル変換器１２を備える。ゲート発生器１１は、電力変換回路３の複数のスイッチング素子４ａ〜４ｎをそれぞれスイッチング（駆動）するためのゲートパルス（ゲート信号）ＧＰａ０〜ＧＰｎ０を一斉に（パラレルに）発生させる。ゲート発生器１１は、発生させた複数のゲートパルスＧＰａ０〜ＧＰｎ０をパラレル／シリアル変換器１２に出力する。パラレル／シリアル変換器１２は、入力された複数のゲートパルスＧＰａ０〜ＧＰｎ０を、シリアル化したゲートパルスＧＰｓに変換する。パラレル／シリアル変換器１２は、シリアル化したゲートパルスＧＰｓを、シリアル通信により、ゲート駆動回路２に送信する。これにより、制御装置１は、電力変換回路３を制御する。
ゲート駆動回路２は、シリアル／パラレル変換器２１及び複数の増幅器（狭義のゲート駆動回路）２２ａ，２２ｂ，…，２２ｎを備える。増幅器２２ａ〜２２ｎは、スイッチング素子４ａ〜４ｎに対応して設けられている。
シリアル／パラレル変換器２１は、入力されたシリアル化されたゲートパルスＧＰｓを、スイッチング素子４ａ〜４ｎに対応する複数のゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎに復元する。シリアル／パラレル変換器２１は、復元した複数のゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎをそれぞれの対応する増幅器２２ａ〜２２ｎに出力する。
また、シリアル／パラレル変換器２１は、入力されたゲートパルスＧＰｓに基づいて、回線で通信異常が生じていないか否かを診断する。例えば、シリアル／パラレル変換器２１は、ゲートパルスＧＰｓを複数のゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎに変換するために、記憶部（キャッシュ又はメモリなど）に必要な情報を一時的に記憶する。このときに、シリアル／パラレル変換器２１は、記憶部に一時的に記憶された情報を用いて診断を行う。シリアル／パラレル変換器２１は、複数のゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎを診断結果に応じて修正して、増幅器２２ａ〜２２ｎに出力する。
各増幅器２２ａ〜２２ｎは、入力されたゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎを増幅して、ゲート電圧Ｖｇａ〜Ｖｇｎとして、スイッチング素子４ａ〜４ｎのゲート端子に印加する。これにより、各スイッチング素子４ａ〜４ｎは、駆動する。
次に、シリアル／パラレル変換器２１における異常の検出時の動作について説明する。
ここで、自励式電力変換装置１０の前提条件は、次の通りである。ゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎの周波数の０．１％程度の時間内でゲート動作が異常でも、自励式電力変換装置１０は、保護動作（例えば、ゲートブロック）をさせなくてもよいものとする。また、ゲートパルスの周波数を１５０[Ｈｚ]とし、ゲートパルスの更新周期を１[μｓ]とする。
まず、シリアル／パラレル変換器２１は、１[ｓ]／（１５０[Ｈｚ]／０．１％）＝６．７[μｓ]の時間内の異常であれば、保護動作を実行させないようにする。
シリアル／パラレル変換器２１は、更新周期毎に受信したゲートパルスＧＰｓを診断すると、更新周期が１[μｓ]であることから、６．７[μｓ]の時間内に６（＝６．７[μｓ]／１[μｓ]）回の診断を行う。例えば、シリアル／パラレル変換器２１は、ゲートパルスＧＰｓが、予め設定された許容範囲外の値を示したり、正常であれば生じない値を示したり、ゲートパルスＧＰｓを受信しなかったりした場合に、異常と判断する。シリアル／パラレル変換器２１は、異常を連続して６回検出しても、この間には保護動作をせずに、ゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎを出力する。この間に異常を検出した場合は、シリアル／パラレル変換器２１は、前値保持された正常時の値をゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎとして出力する。これは、異常を検出した場合に、例えば、ゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎの値をゼロにすると、電力変換回路３で別の異常が発生する可能性があるためである。これにより、電力変換回路３は、見かけ上、正常に電力変換動作を継続する。
シリアル／パラレル変換器２１は、異常を連続して６回を超えて７回目の異常を検出した場合は、自励式電力変換装置１０の保護動作を実行する制御を行う。例えば、シリアル／パラレル変換器２１は、スイッチング素子４ａ〜４ｎを全てオフするゲートブロック信号を出力する。これにより、自励式電力変換装置１０は、保護停止する。
なお、ここでは、異常の検出回数で、保護動作の実行を判断したが、異常の継続時間で、保護動作の実行を判断してもよい。
本実施形態によれば、シリアル化されたゲートパルスＧＰｓを復元する際に、異常が生じていないかを診断することで、一過性の通信異常などによる不要な保護停止をさせることなく、自励式電力変換装置１０の運転を継続することができる。
例えば、自励式電力変換装置が大型の場合、ゲートパルスの周波数が遅いことが多い。ゲートパルスが低周波数の場合、ゲートパルスの更新が若干遅れても性能に影響が少ない。従って、本実施形態は、このような自励式電力変換装置に適している。
（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る自励式電力変換装置１０Ａの構成を示す構成図である。
自励式電力変換装置１０Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る自励式電力変換装置１０において、シリアル／パラレル変換器２１をシリアル／パラレル変換器２１Ａに代え、表示器５を追加した構成である。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
シリアル／パラレル変換器２１Ａは、異常を検出しても保護動作をせずに、表示器５に表示させるようにしたものである。その他の点は、第１の実施形態に係るシリアル／パラレル変換器２１と同様である。
次に、シリアル／パラレル変換器２１Ａにおける異常の検出時の動作について説明する。
シリアル／パラレル変換器２１Ａは、第１の実施形態と同様に、更新周期毎に受信したゲートパルスＧＰｓに基づいて診断し、異常を検出する。
シリアル／パラレル変換器２１Ａは、異常を検出すると、異常検出信号ＮＧを表示器５に出力する。ここで、シリアル／パラレル変換器２１Ａは、異常を検出する度に、異常検出信号ＮＧを出力してもよいし、第１の実施形態と同様に、複数回連続して異常を検出した場合に、異常検出信号ＮＧを出力してもよい。また、シリアル／パラレル変換器２１Ａは、異常を検出すると、第１の実施形態と同様に、前値保持された正常時の値をゲートパルスＧＰａ〜ＧＰｎとして出力する。これにより、電力変換回路３は、見かけ上、正常に電力変換動作を継続する。
自励式電力変換装置１０Ａの管理者は、表示器５に異常が表示されることで、異常を知ることができる。
本実施形態によれば、シリアル化されたゲートパルスＧＰｓを復元する際に、異常が生じていないかを診断し、異常を検出した場合は、表示器５に異常を表示することで、自励式電力変換装置１０Ａに異常が生じていることを管理者などに知らせることができる。
また、シリアル／パラレル変換器２１Ａでの異常検出では、保護動作をさせずに、運転を継続することで、通信異常などによる不要な保護停止をさせることなく、自励式電力変換装置１０Ａの運転を継続することができる。
例えば、本実施形態は、第１の実施形態と同様にゲートパルスの周波数が遅い場合や自励式電力変換装置の保護機器（例えば、過電流継電器）が別途に設けられている場合などに適している。
なお、各実施形態において、電力変換回路３は、スイッチング素子を含むものであれば、どのような回路でもよい。また、スイッチング素子は、どのようなものでもよい。
各実施形態では、異常の検出をシリアル／パラレル変換器２１，２１Ａの機能の１つとして説明したが、異常を検出する部分をシリアル／パラレル変換器２１，２１Ａから独立させてもよい。
第１の実施形態においても、第２の実施形態と同様に、表示器４などに異常を知らせるための発信をしてもよい。この場合、異常を発信する条件と保護動作を実行させる条件が異なってもよい。
第２の実施形態では、表示器５に異常を表示させることとしたが、異常を知らせることができれば、警告音などでもよいし、その他のどのような方法で異常を発信してもよい。
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
１…制御装置、２…ゲート駆動回路、３…電力変換回路、４ａ〜４ｎ…スイッチング素子、１０…自励式電力変換装置、１１…ゲート発生器、１２…パラレル／シリアル変換器、２１…シリアル／パラレル変換器、２２ａ〜２２ｎ…増幅器。

Claims (5)

  1. モジュラーマルチレベル変換方式の電力変換装置であって、
    複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動するための複数のゲート信号を出力するゲート信号出力手段と、
    前記ゲート信号出力手段から出力された前記複数のゲート信号をシリアル化したシリアル化ゲート信号に変換するパラレル／シリアル変換手段と、
    前記パラレル／シリアル変換手段により変換された前記シリアル化ゲート信号に基づいて、異常を検出する異常検出手段と、
    前記異常検出手段により検出された前記異常に基づいて、保護動作を実行する保護動作手段と、
    を備え、
    前記保護動作手段は、前記異常検出手段により検出された前記異常の検出回数又は継続時間が予め設定された許容範囲外の場合に、保護動作を実行し、前記検出回数又は継続時間が前記許容範囲外でない場合には、何も実行しないことを特徴とする電力変換装置。
  2. 前記異常検出手段により前記異常を検出した場合、前記異常を知らせるための発信をする異常発信手段
    を備えることを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
  3. モジュラーマルチレベル変換方式の電力変換装置の複数のスイッチング素子を駆動するゲート駆動回路であって、
    受信したシリアル化されたシリアル化ゲート信号に基づいて、異常を検出する異常検出手段と、
    前記シリアル化ゲート信号を複数のゲート信号に変換するシリアル／パラレル変換手段と、
    前記シリアル／パラレル変換手段により変換された前記複数のゲート信号に基づいて、複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動する駆動手段と、
    前記異常検出手段により検出された前記異常に基づいて、保護動作を実行する保護動作手段と、
    を備え、
    前記保護動作手段は、前記異常検出手段により検出された前記異常の検出回数又は継続時間が予め設定された許容範囲外の場合に、保護動作を実行し、前記検出回数又は継続時間が前記許容範囲外でない場合には、何も実行しないことを特徴とするゲート駆動回路。
  4. 前記異常検出手段により前記異常を検出した場合、前記異常を知らせるための発信をする異常発信手段
    を備えることを特徴とする請求項３に記載のゲート駆動回路。
  5. モジュラーマルチレベル変換方式の電力変換装置の複数のスイッチング素子を駆動するゲート信号の異常検出方法であって、
    複数のスイッチング素子をそれぞれ駆動するための複数のゲート信号をシリアル化したシリアル化ゲート信号に変換し、
    変換した前記シリアル化ゲート信号に基づいて、異常を検出し、
    前記異常検出手段により検出された前記異常に基づいて、保護動作を実行し、
    前記保護動作は、前記異常検出された前記異常の検出回数又は継続時間が予め設定された許容範囲外の場合に実行され、前記検出回数又は継続時間が前記許容範囲外でない場合には実行されないことを特徴とする電力変換装置の異常検出方法。
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