JP6192114B2

JP6192114B2 - 変換器の試験方法及び試験装置

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Publication number: JP6192114B2
Application number: JP2014131425A
Authority: JP
Inventors: 宏信金; 吉野　輝雄; 輝雄吉野
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2017-09-06
Anticipated expiration: 2034-06-26
Also published as: JP2016010295A

Description

本発明の実施形態は、変換器の試験方法及び試験装置に関する。

モジュラー・マルチレベル変換器（以下、ＭＭＣと称す）と呼ばれる方式の電力変換装置がある。ＭＭＣでは、チョッパセルと呼ばれる単位変換器が用いられる。単位変換器には、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transister）などのオン・オフ制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。例えば、複数の単位変換器を直列に接続する。これにより、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力することができる。

直流送電システムなどに用いられる大容量の電力変換装置では、実際に運転を行う前に、使用状況下で入力される電流及び電圧と同等以上の責務を単位変換器に与え、動作を検証することが行われている。

例えば、複数のスイッチング素子をブリッジ接続した変換装置において、三角波の搬送波と正弦波の電圧基準とを比較して各スイッチング素子をオン・オフさせる場合に、第１相の電圧基準値に対して出力線間電圧の位相が９０°進んだ位相となるように第２相の電圧基準値を設定することが提案されている。これにより、交流負荷に流れる電流の位相が、第１相の電圧基準値と実質的に同位相になり、簡易な試験回路で、第１相のスイッチング素子に実際の運転状態と同等の力率１運転での電圧・電流責務を与えることができる。また、第２相の電圧基準値を調整することで、実際の運転状態と同等の任意の力率の運転責務を与えることができる。さらに、第２相の電圧基準値を調整することで、電力の方向を逆にして、回生動作での運転責務を与えることができる。

しかしながら、ＭＭＣでは、単位変換器自体が電荷蓄積素子（コンデンサなど）や複数のスイッチング素子を含む。このため、複数のスイッチング素子を単相ブリッジの場合の試験方法を、そのままＭＭＣに適用することができない。このため、ＭＭＣの場合でも、簡易な回路で実際の運転状態と同等の責務を単位変換器に与えられるようにすることが望まれている。

特開平１１−２８５２６５号公報

本発明の実施形態は、ＭＭＣの単位変換器に簡易な回路で実際の運転状態と同等の責務を与えることができる試験方法及び試験装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、接続工程と、供給工程と、補正工程と、を備えた変換器の試験方法が提供される。前記接続工程は、試験対象である複数の変換器をブリッジ回路によってブリッジ接続する。前記複数の変換器のそれぞれは、第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、を含む。前記ブリッジ回路は、直流電源と電気的に接続される一対の入力端子と、前記一対の入力端子の一方と電気的に接続される第１アーム部と、前記第１アーム部と前記一対の入力端子の他方との間に電気的に接続される第２アーム部と、前記一対の入力端子の前記一方と電気的に接続される第３アーム部と、前記第３アーム部と前記一対の入力端子の前記他方との間に電気的に接続される第４アーム部と、前記第１アーム部と前記第２アーム部との第１接続点と電気的に接続される一端と、前記第３アーム部と前記第４アーム部との第２接続点と電気的に接続される他端と、を含む交流負荷と、を含む。前記接続工程は、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに前記複数の変換器の少なくとも１つを接続する。前記供給工程は、前記複数の変換器毎に正弦波状の交流電圧成分と直流電圧成分が重畳した電圧基準を設定し、前記第１接続点の電圧、および、前記第２接続点の交流電圧成分が、それぞれの電圧基準の交流電圧成分と一致するよう前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御する。すなわち、交流負荷に印加される交流電圧が、所定の振幅及び位相になるように、複数の変換器のそれぞれの電圧基準の中の交流電圧成分の振幅及び位相を調整する。これにより、交流負荷の交流電圧を制御し、所望の電流を得て、前記第１アーム部と前記第２アーム部のスイッチング素子に、実際の運転と等価な電圧・電流責務を与える。前記補正工程は、前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧を検出するとともに、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる電流を検出し、検出した各電圧及び各電流を基に、前記複数の変換器のそれぞれの前記電圧基準を補正することにより、前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧が一定になるように、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる直流電流を制御する。これ以降は、交流負荷に電力を供給する動作を例にとって説明するが、電圧基準の調整により回生運転ができることは明らかであるので、動作の説明は省略している。

ＭＭＣの単位変換器に簡易な回路で実際の運転状態と同等の責務を与えることができる試験方法及び試験装置が提供される。

実施形態に係る試験装置を模式的に表すブロック図である。制御回路の動作を模式的に表すグラフ図である。制御回路の動作を模式的に表すベクトル図である。制御回路の動作を模式的に表す機能ブロック図である。変換器の試験方法の手順を模式的に表すフローチャートである。実施形態に係る別のブリッジ回路を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る別のブリッジ回路を模式的に表すブロック図である。実施形態に係る別の変換器を模式的に表すブロック図である。

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

図１は、実施形態に係る試験装置を模式的に表すブロック図である。
図１に表したように、試験装置１０は、ブリッジ回路１２と、制御回路１４と、を備える。ブリッジ回路１２は、一対の入力端子２０ａ、２０ｂと、第１〜第４の４つのアーム部２１ａ〜２１ｄと、交流負荷２２と、を含む。

一対の入力端子２０ａ、２０ｂは、直流電源４と電気的に接続される。入力端子２０ａは、直流電源４の正極に接続され、入力端子２０ｂは、直流電源４の負極に接続される。直流電源４は、例えば、商用電源などから供給される交流電力を直流電力に変換する整流器である。直流電源４は、直流電力を供給可能な任意の電源でよい。直流電源４は、試験装置１０に設けてもよいし、試験装置１０とは別に設けてもよい。

第１アーム部２１ａは、入力端子２０ａと電気的に接続される。第２アーム部２１ｂは、第１アーム部２１ａと入力端子２０ｂとの間に電気的に接続される。すなわち、第１アーム部２１ａ及び第２アーム部２１ｂは、直流電源４に対して直列に接続される。第３アーム部２１ｃは、入力端子２０ａと電気的に接続される。第４アーム部２１ｄは、第３アーム部２１ｃと入力端子２０ｂとの間に電気的に接続される。すなわち、第３アーム部２１ｃ及び第４アーム部２１ｄは、第１アーム部２１ａ及び第２アーム部２１ｂに対して並列に接続される。

ブリッジ回路１２では、第１アーム部２１ａ及び第２アーム部２１ｂによって第１レグＬＧ１が構成され、第３アーム部２１ｃ及び第４アーム部２１ｄによって第２レグＬＧ２が構成される。すなわち、この例において、ブリッジ回路１２は、２レグ、４アームの単相ブリッジである。第１アーム部２１ａは、第１レグＬＧ１の正側アームであり、第２アーム部２１ｂは、第１レグＬＧ１の負側アームである。第３アーム部２１ｃは、第２レグＬＧ２の正側アームであり、第４アーム部２１ｄは、第２レグＬＧ２の負側アームである。ブリッジ回路１２は、例えば、３レグ、６アームの三相ブリッジでもよい。

各アーム部２１ａ〜２１ｄには、試験対象である変換器３０が接続される。すなわち、この例では、４台の変換器３０が、ブリッジ回路１２に接続される。ブリッジ回路１２は、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに接続された各変換器３０をブリッジ状に接続する。各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれは、例えば、一対の接続端子ｔ１、ｔ２を有し、一対の接続端子ｔ１、ｔ２を介して変換器３０と着脱自在に接続される。この例では、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに１台の変換器３０を接続している。各アーム部２１ａ〜２１ｄには、直列に接続された（カスケード接続された）複数台の変換器３０を接続してもよい。

また、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれには、直流リアクトル２３が設けられている。すなわち、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれは、一対の接続端子ｔ１、ｔ２と、直流リアクトル２３と、を含む。直流リアクトル２３は、接続端子ｔ１、ｔ２に接続された変換器３０に対して直列に接続される。より詳しくは、正側アームである第１アーム部２１ａ及び第３アーム部２１ｃの直流リアクトル２３は、接続端子ｔ２と電気的に接続される。負側アームである第２アーム部２１ｂ及び第４アーム部２１ｄの直流リアクトル２３は、接続端子ｔ１と電気的に接続される。

図１は、直流リアクトル２３の配置の一例を示しているものである。直流リアクトル２３の配置としては、第１アーム部２１ａと入力端子２０ａ（直流電源４の正極端子）との間、あるいは、第２アーム部２１ｂと入力端子２０ｂ（直流電源４の負極端子）との間に設置しても構わない。つまり、直流電源４の正極端子と第１レグＬＧ１の第１接続点ＣＰ１との間に１台、また、第１接続点ＣＰ１と直流電源４の負極端子との間に１台あれば同様な作用・効果が得られる。第２レグＬＧ２についても同様である。

変換器３０は、第１スイッチング素子３１と、第２スイッチング素子３２と、電荷蓄積素子３３と、を含む。第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２は、一対の主端子と、制御端子と、を含む。制御端子は、一対の主端子間に流れる電流を制御する。第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２には、例えば、ＩＧＢＴなどの自己消弧素子が用いられる。一対の主端子は、例えば、エミッタ及びコレクタであり、制御端子は、例えば、ゲートである。

第２スイッチング素子３２の一対の主端子（電流経路）は、第１スイッチング素子３１の一対の主端子に対して直列に接続される。電荷蓄積素子３３は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２に対して並列に接続される。電荷蓄積素子３３には、例えば、コンデンサや蓄電池などが用いられる。

また、第１スイッチング素子３１には、一対の主端子に対して逆並列にダイオード３４が接続されている。ダイオード３４の順方向は、第１スイッチング素子３１の一対の主端子間に流れる電流の向きに対して逆向きである。同様に、第２スイッチング素子３２には、一対の主端子に対して逆並列にダイオード３５が接続されている。

すなわち、この例において、変換器３０は、双方向チョッパである。第１スイッチング素子３１は、いわゆるハイサイドスイッチであり、第２スイッチング素子３２は、いわゆるローサイドスイッチである。

変換器３０は、一対の端子３０ａ、３０ｂを含む２端子素子である。端子３０ａは、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２との間に接続される。端子３０ｂは、第２スイッチング素子３２の第１スイッチング素子３１に接続された主端子と反対側の主端子に接続される。接続端子ｔ１は、端子３０ａと電気的に接続される。接続端子ｔ２は、端子３０ｂと電気的に接続される。

これにより、試験装置１０は、ブリッジ回路１２と各変換器３０とによって、ＭＭＣの電力変換装置を構成する。各変換器３０は、例えば、チョッパセルと呼ばれる場合もある。

交流負荷２２の一端は、第１アーム部２１ａと第２アーム部２１ｂとの間に電気的に接続される。交流負荷２２の他端は、第３アーム部２１ｃと第４アーム部２１ｄとの間に電気的に接続される。すなわち、交流負荷２２は、ブリッジ回路１２の交流出力に電気的に接続される。交流負荷２２は、例えば、リアクトルである。交流負荷２２には、例えば、各変換器３０を定格運転した時、すなわち、定格周波数、定格電流、定格電圧で各変換器３０を運転した時に、定格電流が流れるインダクタンスが選定される。

以下では、第１アーム部２１ａと第２アーム部２１ｂとの第１接続点ＣＰ１の電圧を第１交流出力電圧と称す。第１交流出力電圧は、第１レグＬＧ１の交流出力である。第３アーム部２１ｃと第４アーム部２１ｄとの第２接続点ＣＰ２の電圧を第２交流出力電圧と称す。第２交流出力電圧は、第２レグＬＧ２の交流出力である。交流負荷２２に印加される交流負荷電圧は、第１交流出力電圧と第２交流出力電圧とによって調整される。

試験装置１０は、直流電源４から供給される直流電力を交流電力に変換して交流負荷２２に供給する。試験装置１０は、使用状況下で入力される電流及び電圧と同等以上の責務を各変換器３０に与え、各変換器３０の動作を検証する。

ＭＭＣでは、カスケード接続する変換器３０の数を増やすことで大容量化が実現でき、数十ＭＷから数百ＭＷクラスにも対応できる。大容量のＭＭＣでは、例えば、数十台から百台程度の変換器３０がカスケード接続される。このため、使用状況と同じ構成で試験を実施しようとすると、大容量の模擬負荷及び大容量の試験電源が必要になり、試験設備の大型化や契約電力の増加を招いてしまう。例えば、試験コストが増大してしまう。

試験装置１０では、ＭＭＣの各変換器３０の動作検証を変換器３０毎に実施する。試験装置１０は、例えば、実際の使用状況においてカスケード接続される各変換器３０の１個当たりに供給される電圧及び電流を模擬する。これにより、試験装置１０では、試験設備の大型化や契約電力の増加を招くことなく、変換器３０の動作を検証することができる。

制御回路１４は、各変換器３０の第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のスイッチングを制御する。制御回路１４は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２のそれぞれの制御端子に接続されており、制御端子に印加する電圧によって各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御する。これにより、制御回路１４は、直流電力から交流電力への変換を制御する。制御回路１４は、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御することにより、直流電源４から供給される直流電力を交流電力に変換して交流負荷２２に供給する。

ここで、電荷蓄積素子３３の直流電圧を電圧ＶＣと称す。接続端子ｔ１、ｔ２間の電圧をセル電圧と称す。各アーム部２１ａ〜２１ｄの電圧をアーム電圧と称す。この例において、アーム電圧は、セル電圧と同じである。各アーム部２１ａ〜２１ｄに複数の変換器３０が含まれる場合、アーム電圧は、各変換器３０のそれぞれのセル電圧の和である。

また、第１レグＬＧ１及び第２レグＬＧ２の電圧をレグ電圧と称す。第１レグＬＧ１のレグ電圧は、第１アーム部２１ａのアーム電圧と第２アーム部２１ｂのアーム電圧との和である。第２レグＬＧ２のレグ電圧は、第３アーム部２１ｃのアーム電圧と第４アーム部２１ｄのアーム電圧との和である。

制御回路１４は、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２とを交互にオン・オフする。第１スイッチング素子３１をオンにし、第２スイッチング素子３２をオフにした場合、セル電圧は、電荷蓄積素子３３の電圧ＶＣと実質的に同じである。第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３２をオンにした場合、セル電圧は、実質的に零である。

制御回路１４は、各スイッチング素子３１、３２のオン・オフにより、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれのアーム電圧を制御する。これにより、制御回路１４は、交流負荷２２に印加される電圧を制御する。制御回路１４は、直流電源４の直流電圧を交流電圧に変換して交流負荷２２に印加する。

ブリッジ回路１２は、電圧検出部２４と、電流検出部２５と、をさらに含む。
電圧検出部２４は、各変換器３０のそれぞれに設けられる。この例では、４つの電圧検出部２４が、ブリッジ回路１２に設けられる。電圧検出部２４は、電荷蓄積素子３３の電圧ＶＣを検出する。電圧検出部２４は、例えば、接続された変換器３０の電荷蓄積素子３３に取り付けられる。電圧検出部２４は、例えば、変換器３０自体に設けてもよい。各電圧検出部２４は、制御回路１４と電気的に接続される。制御回路１４は、各電圧検出部２４の検出結果を基に、各変換器３０の電圧ＶＣを検出する。

電流検出部２５は、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに設けられる。この例では、４つの電流検出部２５が、ブリッジ回路１２に設けられる。各電流検出部２５は、各アーム部２１ａ〜２１ｄに流れる電流を検出する。各電流検出部２５は、例えば、ホールＣＴなどと呼ばれる直流電流変成器である。各電流検出部２５は、例えば、各アーム部２１ａ〜２１ｄに接続される導線の外周を覆い、導線に流れる電流を磁界の変化で検出する。以下では、各アーム部２１ａ〜２１ｄに流れる電流をアーム電流と称す。各電流検出部２５は、制御回路１４と電気的に接続される。制御回路１４は、各電流検出部２５の検出結果を基に、各アーム部２１ａ〜２１ｄのアーム電流を検出する。

また、以下では、各レグＬＧ１、ＬＧ２に流れる直流電流をレグ電流と称す。第１レグＬＧ１のレグ電流は、第１アーム部２１ａのアーム電流と第２アーム部２１ｂのアーム電流との和である。第２レグＬＧ２のレグ電流は、第３アーム部２１ｃのアーム電流と第４アーム部２１ｄのアーム電流との和である。

制御回路１４は、電圧検出部２４に検出された電圧ＶＣ、及び、電流検出部２５に検出されたアーム電流を基に、電圧ＶＣが実質的に一定となるように、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御する。

図２は、制御回路の一例の動作を模式的に表すグラフ図である。
図２に表したように、制御回路１４は、搬送波ＣＷと電圧基準ＶＲとを基に、各スイッチング素子３１、３２のオン・オフを制御する。制御回路１４は、変換器３０毎に電圧基準ＶＲを設定する。すなわち、この例において、制御回路１４は、各アーム部２１ａ〜２１ｄに接続される４つの変換器３０のそれぞれに対応した４つの電圧基準ＶＲを設定する。一方、搬送波ＣＷは、各変換器３０のそれぞれに共通に用いられる。電圧基準ＶＲは、例えば、正弦波である。制御回路１４は、変換器３０毎に電圧基準ＶＲの振幅及び位相を調整する。電圧基準ＶＲの周波数は、交流負荷２２に印加する交流電圧の周波数に応じて設定される。すなわち、実際の使用状況に応じた周波数に設定される。電圧基準ＶＲの周波数は、例えば、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚである。搬送波ＣＷは、例えば、三角波である。搬送波ＣＷは、鋸波などでもよい。このように、制御回路１４は、電圧基準ＶＲを搬送波ＣＷと突き合わせることで、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御する。

さらに、制御回路１４としては、変換器３０の入力端子に現れる電圧の交流電圧成分および直流電圧成分が、電圧基準ＶＲと一致するような動作をするものであれば構わない。例えば、オフラインで、各スイッチング素子３１、３２のオンオフパターンを計算しておき、そのパターンをメモリーに蓄えておき、パルスパターンを発生させるような方式でも構わない。

以下では、説明の簡略化のため、電圧基準ＶＲと搬送波ＣＷとから、スイッチングのパルスを生成する制御方式で説明するが、変換器の入力端子電圧が等価となる他の制御方式を用いても同様な作用・効果が得られるのは明らかである。

制御回路１４は、電圧基準ＶＲと搬送波ＣＷとを比較する。制御回路１４は、電圧基準ＶＲが搬送波ＣＷ以上の時に、第１スイッチング素子３１をオンにし、第２スイッチング素子３２をオフにする。そして、制御回路１４は、電圧基準ＶＲが搬送波ＣＷ未満の時に、第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３２をオンにする。

図３は、制御回路の動作を模式的に表すベクトル図である。
図３に表したように、制御回路１４は、例えば、第１レグＬＧ１の第１交流出力電圧に対して交流負荷電圧の位相が９０°進んだ位相になるように、各変換器３０の電圧基準ＶＲの交流電圧成分の振幅及び位相を調整する。

交流負荷２２に流れる交流負荷電流の位相は、交流負荷電圧に対して９０°遅れた位相となる。従って、上記のように各電圧基準ＶＲの交流電圧成分の振幅及び位相を調整することにより、交流負荷電流の位相が、第１交流出力電圧の位相と実質的に同位相となる。これは、第１レグＬＧ１の各変換器３０が力率１運転している状態と実質的に同じである。これにより、第１レグＬＧ１の各変換器３０に実際の運転と同等の力率１の電圧・電流責務を与えることができる。また、直流電源４が供給する電力は、概ね各変換器３０の損失分と交流負荷２２の損失分であり、電力消費を抑制することができる。

また、第２交流出力電圧の交流電圧成分の振幅及び位相を調整することで、第１交流出力電圧に対する交流負荷電圧の振幅及び位相を任意に調整することができる。つまり、実際の運転と同等の任意の力率の電圧・電流責務を与えることができる。これにより、例えば、運転条件が異なる複数種類の変換器３０を試験する場合に、変換器３０の種類毎に交流負荷２２を用意する必要を無くすことができる。すなわち、制御回路１４は、第１レグＬＧ１の第１交流出力電圧に対して交流負荷電圧が所定の振幅及び位相になるように、各変換器３０の電圧基準ＶＲの振幅及び位相を調整する。

図４は、制御回路の動作を模式的に表す機能ブロック図である。
図４では、制御回路１４のうちの第１レグＬＧ１に対応する部分を示している。第２レグＬＧ２に対応する部分の構成は、第１レグＬＧ１に対応する部分の構成と実質的に同じである。第２レグＬＧ２は、制御基準やフィードバック信号は異なるが、第１レグＬＧ１と実質的に同じ制御構成で制御できる。従って、ここでは、制御回路１４のうちの第１レグＬＧ１に対応する部分について説明し、第２レグＬＧ２に対応する部分の説明は省略する。

図４に表したように、制御回路１４は、第１レグＬＧ１を構成する各アーム部２１ａ、２１ｂの各変換器３０の直流電圧検出値の平均値を算出する平均値算出部４０と、直流電圧平均値制御部４１と、第１レグＬＧ１を構成する２台の変換器３０の電流検出値から第１レグＬＧ１に流れる直流電流を算出する直流電流算出部４２と、直流電流制御部４３と、各アーム部２１ａ、２１ｂの直流電圧検出値を入力として、それぞれのアーム部２１ａ、２１ｂの直流電圧を個別に制御する直流電圧個別制御部４４と、演算器４５〜４８と、を含む。

平均値算出部４０は、各電圧検出部２４によって検出された各変換器３０の電荷蓄積素子３３の電圧ＶＣ（直流電圧）の平均値を算出する。この例では、各アーム部２１ａ、２１ｂに接続された２台の変換器３０の２つの直流電圧検出値が入力されている。例えば、各アーム部２１ａ、２１ｂのそれぞれに２台ずつ、計４台の変換器３０が接続されている場合には、平均値算出部４０に４つの直流電圧検出値が入力される。演算器４５は、平均値算出部４０の算出した平均値と電圧ＶＣの直流電圧基準値との差分を算出する。

直流電圧基準値は、実際の運転状況に合わせて設定される。直流電圧基準値は、実際の運転状況においてカスケード接続された各変換器３０の１個当たりの電荷蓄積素子３３の電圧に設定される。例えば、実際の使用状況において、１つのアームに１００個の変換器３０がカスケード接続され、当該アームのアーム電圧が１００ｋＶである場合、直流電圧基準値は、１ｋＶに設定される。

直流電圧平均値制御部４１には、演算器４５によって算出された差分が入力される。直流電圧平均値制御部４１は、例えば、ＰＩ制御により、入力された差分から各アーム部２１ａ、２１ｂに流れる循環電流の指令値を算出する。ＭＭＣでは、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに直流分の一定電流を流し続ける必要がある。この直流電流は、交流負荷２２には現れず、アーム間の循環電流となる。各変換器３０の電圧ＶＣの平均値は、この直流電流を補正して制御される。なお、直流電圧平均値制御部４１による循環電流の指令値の算出は、ＰＩ制御に限ることなく、例えば、ＰＩＤ制御やＩ−Ｐ制御など、その他の一般的な制御手法や現代制御理論などを用いてもよい。

直流電流算出部４２は、第１レグＬＧ１を構成する２台の変換器３０の電流検出値から第１レグＬＧ１に流れる直流電流を算出する。直流電流の算出方法は、一例として、第１アーム部２１ａの電流検出値と第２アーム部２１ｂの電流検出値の平均を演算する方法がある。直流電流制御部４３には、演算器４６によって、直流電流基準と直流電流算出部４２で算出された直流電流との差分が入力される。さらに、この差分に、直流電圧平均値制御部４１からの出力を加算して補正する。

直流電圧個別制御部４４、演算器４７及び演算器４８は、各変換器３０のそれぞれに対応して複数設けられる。この例では、直流電圧個別制御部４４、演算器４７及び演算器４８が、それぞれ２つずつ設けられている。

演算器４８は、第１レグＬＧ１を構成する２台の変換器３０の各々の直流電圧検出値と直流電圧基準値との差を演算する。直流電圧個別制御部４４は、その差に応じ、各変換器３０に対し、電圧基準ＶＲの補正値を算出する。

例えば、変換器３０の電圧ＶＣが直流電圧基準値よりも低い場合には、電圧基準ＶＲの直流電圧成分を正側に補正する。変換器３０の電圧ＶＣが直流電圧基準値よりも高い場合には、電圧基準ＶＲの直流電圧成分を負側に補正する。これにより、変換器３０の電圧ＶＣを実質的に一定にすることができる。なお、電圧基準ＶＲの補正値は、電圧基準ＶＲの直流電圧成分に限らない。電圧基準ＶＲの補正値は、例えば、電圧基準ＶＲの位相や振幅などでもよいし、これらの組み合わせでもよい。

各演算器４７のそれぞれには、各変換器３０のそれぞれの現在の電圧基準ＶＲと、その補正値として、直流電流制御部４３の出力と直流電圧個別制御部４４の出力とが入力される。各演算器４７は、例えば、現在の電圧基準ＶＲに補正値を加算することにより、各変換器３０の電圧基準ＶＲを補正する。制御回路１４は、補正後の電圧基準ＶＲを当該変換器３０の新たな電圧基準ＶＲとして適用する。

このように、制御回路１４は、各変換器３０の電圧ＶＣを目標とする直流電圧基準値に合わせるだけでなく、アーム内及びアーム間の電圧バランスを考慮して各変換器３０の電圧基準ＶＲを補正する。制御回路１４は、補正後の電圧基準ＶＲを基に、各スイッチング素子３１、３２のオン・オフを制御する。これにより、例えば、各レグ電流が実質的に一定になり、各変換器３０の電圧ＶＣが実質的に一定になる。

次に、試験装置１０を用いた変換器３０の試験方法について説明する。
図５は、変換器の試験方法の手順を模式的に表すフローチャートである。
図５に表したように、試験装置１０で変換器３０を試験する場合には、まず、試験対象である複数の変換器３０を各アーム部２１ａ〜２１ｄに接続し、複数の変換器３０をブリッジ回路１２によってブリッジ接続する（ステップＳ１１０）。例えば、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに、１つずつ計４つの変換器３０をブリッジ接続する。

複数の変換器３０をブリッジ接続した後、制御回路１４を動作させる。制御回路１４は、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御し、直流電源４の直流電力を交流電力に変換して交流負荷２２に供給する（ステップＳ１２０）。

この時、制御回路１４は、第１レグＬＧ１の第１交流出力電圧（第１接続点ＣＰ１の電圧）に対して、交流負荷２２に印加される交流負荷電圧が所定の振幅及び位相になるように、複数の変換器３０のそれぞれの電圧基準ＶＲの交流電圧成分の振幅及び位相を調整する。制御回路１４は、例えば、第１交流出力電圧に対して交流負荷電圧の位相が９０°進んだ位相になるように、各変換器３０の電圧基準ＶＲの交流電圧成分の振幅及び位相を調整する。これにより、第１レグＬＧ１の各変換器３０に実際の力率１運転の責務を与えることができる。また、電圧基準ＶＲの調整により、実際の任意の力率の運転と同等の責務を与えることができる。さらに、回生運転と同等の責務を与えることができる。

制御回路１４は、交流負荷２２への電力の供給を開始した後、制御回路１４は、各電圧検出部２４の検出結果を基に、各変換器３０の電圧ＶＣを検出するとともに、各電流検出部２５の検出結果を基に、各アーム部２１ａ〜２１ｄのアーム電流を検出する。

制御回路１４は、検出された各電圧ＶＣ及び各アーム電流を基に、上述のように、各変換器３０の電圧基準ＶＲを補正する（ステップＳ１３０）。制御回路１４は、例えば、各変換器３０の電圧基準ＶＲの直流電圧成分を補正する。

制御回路１４は、補正後の電圧基準ＶＲを基に、各スイッチング素子３１、３２のスイッチングを制御する。制御回路１４は、例えば、各電圧ＶＣ及び各アーム電流の検出に応じて、各電圧基準ＶＲの補正を連続的に行う。例えば、定期的に各電圧ＶＣ及び各アーム電流を定期的に検出し、各電圧基準ＶＲの補正を定期的に行ってもよい。

本実施形態に係る試験装置１０では、各変換器３０の電圧ＶＣ、及び、各アーム部２１ａ〜２１ｄのアーム電流を検出し、各電圧及び各電流を基に、電圧ＶＣを制御できる。その大きさを実際の運転状態と等価にし、さらに、各変換器３０に流れる電流を実際の運転状態と等価にするので、各スイッチング素子３１、３２の電圧・電流責務を実際の運転状態と等価にすることができる。それにより、各スイッチング素子３１、３１の通電、スイッチングなどの機能・性能を実際の使用状況と等価な状況で試験することができる。

また、試験装置１０では、使用状況と同じ構成で試験を行う必要がなく、試験設備の大型化や契約電力の増加を抑えることができる。このように、試験装置１０では、ＭＭＣの各変換器３０に簡易な回路で実際の運転状態と同等の電圧・電流責務を与えることができる。

図６は、実施形態に係る別のブリッジ回路を模式的に表すブロック図である。
図６に表したように、ブリッジ回路１１２では、直列に接続された複数の変換器３０が、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに接続されている。換言すれば、ブリッジ回路１１２では、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれにおいて、複数の変換器３０がカスケード接続されている。

ブリッジ回路１１２では、一対の接続端子ｔ１、ｔ２が、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに複数設けられている。各変換器３０の端子３０ａ、３０ｂを各接続端子ｔ１、ｔ２に接続する。これにより、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに接続した状態で、各変換器３０が直列に接続される。

これに限ることなく、例えば、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれに一対の接続端子ｔ１、ｔ２を１つずつ設け、予め直列に接続した複数の変換器３０の先頭の変換器３０の端子３０ａを接続端子ｔ１に接続し、最後尾の変換器３０の端子３０ｂを接続端子ｔ２に接続してもよい。

このように、各アーム部２１ａ〜２１ｄには、複数の変換器３０を接続してもよい。各アーム部２１ａ〜２１ｄに接続する変換器３０の数は、任意でよい。例えば、変換器３０の数は、例えば、試験を実施する建屋の大きさや契約電力などに応じて適宜設定すればよい。

なお、接続する変換器３０の数は、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれで同じでもよいし、異なってもよい。接続する変換器３０の数が各アーム部２１ａ〜２１ｄで異なる場合には、各アーム部２１ａ〜２１ｄに設定する電圧及び電流を調整し、各変換器３０のそれぞれに実質的に同じ電圧及び電流が入力されるようにすればよい。但し、電圧及び電流のバランスを考慮すると、接続する変換器３０の数は、各アーム部２１ａ〜２１ｄのそれぞれで同じあることが好ましい。

図７は、実施形態に係る別のブリッジ回路を模式的に表すブロック図である。
図７に表したように、ブリッジ回路２１２は、第３レグＬＧ３をさらに含む。第３レグＬＧ３は、第５アーム部２１ｅと第６アーム部２１ｆとを含む。第５アーム部２１ｅは、入力端子２０ａと電気的に接続される。第６アーム部２１ｆは、第５アーム部２１ｅと入力端子２０ｂとの間に電気的に接続される。第５アーム部２１ｅ及び第６アーム部２１ｆは、第１アーム部２１ａ及び第２アーム部２１ｂに対して並列に接続されるとともに、第３アーム部２１ｃ及び第４アーム部２１ｄに対して並列に接続される。すなわち、ブリッジ回路２１２は、３レグ、６アームの三相ブリッジである。このように、試験装置１０のブリッジ回路は、三相ブリッジでもよい。

第５アーム部２１ｅ及び第６アーム部２１ｆのそれぞれには、各アーム部２１ａ〜２１ｄと同様に、変換器３０が接続される。第５アーム部２１ｅ及び第６アーム部２１ｆの機能及び構成は、各アーム部２１ａ〜２１ｄと同様であるから、詳細な説明は省略する。また、電圧検出部２４及び電流検出部２５は、第５アーム部２１ｅ及び第６アーム部２１ｆにも同様に設けられる。

ブリッジ回路２１２では、第１レグＬＧ１と第２レグＬＧ２との間、第２レグＬＧ２と第３レグＬＧ３との間、及び、第３レグＬＧ３と第１レグＬＧ１との間の各レグＬＧ１〜ＬＧ３のそれぞれの間に、交流負荷２２が設けられる。

ブリッジ回路２１２を用いる場合、制御回路１４は、例えば、第１レグＬＧ１の第１交流出力電圧に対して、第１レグＬＧ１と第２レグＬＧ２との間の交流負荷２２に印加される交流負荷電圧が所定の振幅及び位相になるように、第１レグＬＧ１及び第２レグＬＧ２の各変換器３０の電圧基準ＶＲの交流電圧成分の振幅及び位相を調整する。この時、制御回路１４は、例えば、第３レグＬＧ３の各変換器３０を停止状態とする。または、制御回路１４は、例えば、第２レグＬＧ２の各変換器３０と同様に、第１レグＬＧ１の第１交流出力電圧に対して、第１レグＬＧ１と第３レグＬＧ３との間の交流負荷２２に印加される交流負荷電圧が所定の振幅及び位相になるように、第３レグＬＧ３の各変換器３０の電圧基準ＶＲの交流電圧成分の振幅及び位相を調整する。これにより、三相ブリッジのブリッジ回路２１２の場合でも、上記と同様に、各変換器３０の試験を行うことができる。

図８は、実施形態に係る別の変換器を模式的に表すブロック図である。
図８に表したように、変換器１３０は、第３スイッチング素子１３３と、第４スイッチング素子１３４と、をさらに含む。第３スイッチング素子１３３及び第４スイッチング素子１３４は、例えば、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２と同様に、ＩＧＢＴなどの自己消弧素子である。

第４スイッチング素子１３４の一対の主端子は、第３スイッチング素子１３３の一対の主端子に対して直列に接続される。また、第３スイッチング素子１３３及び第４スイッチング素子１３４は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２に対して並列に接続される。電荷蓄積素子３３は、第１スイッチング素子３１及び第２スイッチング素子３２に対して並列に接続されるとともに、第３スイッチング素子１３３及び第４スイッチング素子１３４に対して並列に接続される。第３スイッチング素子１３３には、一対の主端子に対して逆並列にダイオード１３５が接続されている。第４スイッチング素子１３４には、一対の主端子に対して逆並列にダイオード１３６が接続されている。

変換器１３０は、一対の端子１３０ａ、１３０ｂを含む。端子１３０ａは、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２との間に接続される。端子１３０ｂは、第３スイッチング素子１３３と第４スイッチング素子１３４との間に接続される。変換器１３０は、各端子１３０ａ、１３０ｂを介して各アーム部の接続端子ｔ１、ｔ２に接続される。すなわち、この例において、変換器１３０は、フルブリッジ回路である。このように、変換器１３０は、フルブリッジ回路でもよい。

変換器１３０では、第１スイッチング素子３１と第２スイッチング素子３２とを交互にオン・オフし、第３スイッチング素子１３３と第４スイッチング素子１３４とを交互にオン・オフする。制御回路１４は、例えば、電圧基準ＶＲが搬送波ＣＷ以上の時に、第１スイッチング素子３１をオンにし、第２スイッチング素子３２をオフにし、第３スイッチング素子１３３をオフにし、第４スイッチング素子１３４をオンにする。制御回路１４は、例えば、電圧基準ＶＲが搬送波ＣＷ未満の時に、第１スイッチング素子３１をオフにし、第２スイッチング素子３２をオンにし、第３スイッチング素子１３３をオンにし、第４スイッチング素子１３４をオフにする。これにより、変換器１３０においても、変換器３０の場合と同様に試験を行うことができる。

なお、変換器３０が、双方向チョッパである場合には、図２に表したように、搬送波ＣＷ及び電圧基準ＶＲが、０〜１の範囲で変化する三角波及び正弦波である。一方、変換器３０が、フルブリッジ回路である場合には、搬送波ＣＷ及び電圧基準ＶＲが、−１〜１の範囲で変化する三角波及び正弦波となる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

４…直流電源、１０…試験装置、１２、１１２、２１２…ブリッジ回路、１４…制御回路、２０ａ、２０ｂ…入力端子、２１ａ〜２１ｆ…アーム部、２２…交流負荷、２３…直流リアクトル、２４…電圧検出部、２５…電流検出部、３０、１３０…変換器、３１…第１スイッチング素子、３２…第２スイッチング素子、３３…電荷蓄積素子、３４、３５、１３５、１３６…ダイオード、４０…平均値算出部、４１…直流電圧平均値制御部、４２…直流電流算出部、４３…直流電流制御部、４４…直流電圧個別制御部、４５〜４８…演算器、１３３…第３スイッチング素子、１３４…第４スイッチング素子

Claims

試験対象である複数の変換器をブリッジ回路によってブリッジ接続する接続工程であって、
前記複数の変換器のそれぞれは、
第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、
を含み、
前記ブリッジ回路は、
直流電源と電気的に接続される一対の入力端子と、
前記一対の入力端子の一方と電気的に接続される第１アーム部と、
前記第１アーム部と前記一対の入力端子の他方との間に電気的に接続される第２アーム部と、
前記一対の入力端子の前記一方と電気的に接続される第３アーム部と、
前記第３アーム部と前記一対の入力端子の前記他方との間に電気的に接続される第４アーム部と、
前記第１アーム部と前記第２アーム部との第１接続点と電気的に接続される一端と、前記第３アーム部と前記第４アーム部との第２接続点と電気的に接続される他端と、を含む交流負荷と、
を含み、
前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに前記複数の変換器の少なくとも１つを接続する
接続工程と、
前記複数の変換器毎に正弦波状の電圧基準を設定し、前記第１接続点および前記第２接続点の電圧をそれぞれの電圧基準と一致するように前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御することにより、前記交流負荷に電圧を印加する供給工程であって、前記複数の変換器のそれぞれの前記電圧基準の中の交流電圧成分の振幅及び位相は、前記第１接続点の交流電圧に対する前記第２接続点の交流電圧の差が所定の振幅及び位相になるように調整する供給工程と、
前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧を検出するとともに、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる電流を検出し、検出した各電圧及び各電流を基に、前記複数の変換器のそれぞれの前記電圧基準を補正することにより、前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧が一定になるように、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる直流電流を制御する補正工程と、
を備えた変換器の試験方法。
前記供給工程は、前記電圧基準を搬送波と突き合わせることで、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御する請求項１記載の変換器の試験方法。
前記ブリッジ回路は、
前記複数の変換器のそれぞれに対応して設けられ、前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の前記電圧を検出する複数の電圧検出部と、
前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに設けられ、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる前記電流を検出する複数の電流検出部と、
をさらに含み、
前記補正工程は、前記複数の電圧検出部及び前記複数の電流検出部のそれぞれの検出結果を基に、前記各電圧及び前記各電流を検出する請求項１又は２に記載の変換器の試験方法。
前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれは、前記変換器と接続される一対の接続端子と、前記一対の接続端子に接続された前記変換器に対して直列に接続される直流リアクトルと、を含む請求項１〜３のいずれか１つに記載の変換器の試験方法。
前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれには、直列に接続された複数の前記変換器が接続される請求項１〜４のいずれか１つに記載の変換器の試験方法。
試験対象である複数の変換器をブリッジ接続するブリッジ回路であって、
前記複数の変換器のそれぞれは、
第１スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子に直列に接続された第２スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子に対して並列に接続された電荷蓄積素子と、
を含み、
前記ブリッジ回路は、
直流電源と電気的に接続される一対の入力端子と、
前記一対の入力端子の一方と電気的に接続される第１アーム部と、
前記第１アーム部と前記一対の入力端子の他方との間に電気的に接続される第２アーム部と、
前記一対の入力端子の前記一方と電気的に接続される第３アーム部と、
前記第３アーム部と前記一対の入力端子の前記他方との間に電気的に接続される第４アーム部と、
前記第１アーム部と前記第２アーム部との第１接続点と電気的に接続される一端と、前記第３アーム部と前記第４アーム部との第２接続点と電気的に接続される他端と、を含む交流負荷と、
を含み、
前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれは、前記複数の変換器の少なくとも１つと接続される
ブリッジ回路と、
前記複数の変換器毎に正弦波状の電圧基準を設定し、前記第１接続点および前記第２接続点の電圧をそれぞれの電圧基準と一致するように前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子のスイッチングを制御することにより、前記交流負荷に電圧を印加する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記複数の変換器のそれぞれの前記電圧基準の中の交流電圧成分の振幅及び位相が、前記第１接続点の交流電圧に対する前記第２接続点の交流電圧の差が所定の振幅及び位相になるように調整する機能と、
前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧を検出するとともに、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる電流を検出し、検出した各電圧及び各電流を基に、前記複数の変換器のそれぞれの前記電圧基準を補正することにより、前記複数の変換器のそれぞれの前記電荷蓄積素子の電圧が一定になるように、前記第１アーム部〜前記第４アーム部のそれぞれに流れる直流電流を制御する機能と、
を有する
試験装置。