JP6338791B1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

直流回路（１４）と交流回路（１２）との間で電力変換を行なう電力変換装置（１）は、互いに直列接続された複数のサブモジュール（７）を含む電力変換回路部（２）を備える。電力変換装置（１）は、各サブモジュール（７）におけるコンデンサ（２４）の電圧を示す信号を受信する信号受信部（１１０）と、信号に基づいて、コンデンサ（２４）の充電時間、およびコンデンサ（２４）の放電時間の少なくとも一方を算出する時間算出部（１３０）と、充電時間とコンデンサ（２４）の劣化の基準となる基準充電時間との第１比較結果、および、放電時間とコンデンサ（２４）の劣化の基準となる基準放電時間との第２比較結果のうちの少なくとも一方に基づいて、コンデンサ（２４）が劣化しているか否かを判定する判定部（１６０）をさらに備える。

Description

本開示は、交流と直流との間で電力変換を行な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。ＭＭＣ変換器は、交流の各相について、高電位側直流端子に接続された上アーム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、複数のサブモジュー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。

ＭＭＣ変換器内部に設けられているコンデンサは、経年劣化等により静電容量が低減する。静電容量の低減はＭＭＣ変換器の故障につながる可能性があるため、コンデンサの劣化状態を確認するための技術が知られている。

例えば、特表２０１０−５１１８７６号公報（特許文献１）は、相モジュールを備える電流を変換する装置を開示している。当該装置は、サブモジュールに含まれるコンデンサのキャパシタンスを継続的に判定するコンデンサ診断手段を含む。

特表２０１０−５１１８７６号公報

特許文献１によると、相モジュールを流れる分岐電流と、サブモジュールのコンデンサの電圧とが検出され、分岐電流を特定の時間インターバル内で積分することで得られる充電変化と、電圧変化とに基づいて各コンデンサのキャパシタンスが求められる。

このように、特許文献１においては、コンデンサのキャパシタンスを求めるために、分岐電流およびコンデンサ電圧の両方を測定し、かつ、分岐電流を積分するという処理を実行する必要がある。そのため、サブモジュールの数が多い電力変換装置の場合、装置全体の処理の複雑化、高コスト化を招いてしまうという問題がある。

本開示のある局面における目的は、サブモジュールのコンデンサの劣化状態をより簡易に判定することが可能な電力変換装置を提供することである。

ある実施の形態に従うと、直流回路と交流回路との間で電力変換を行なう電力変換装置が提供される。電力変換装置は、互いに直列接続された複数のサブモジュールを含む電力変換回路部を備える。各サブモジュールは、コンデンサを含む。電力変換装置は、各サブモジュールにおけるコンデンサの電圧を示す信号を受信する信号受信部と、信号に基づいて、コンデンサの充電時間、およびコンデンサの放電時間の少なくとも一方を算出する時間算出部と、時間算出部により算出された充電時間とコンデンサの劣化の基準となる基準充電時間との第１比較結果、および、時間算出部により算出された放電時間とコンデンサの劣化の基準となる基準放電時間との第２比較結果のうちの少なくとも一方に基づいて、コンデンサが劣化しているか否かを判定する判定部をさらに備える。

他の実施の形態に従うと、直流回路と交流回路との間で電力変換を行なう電力変換装置が提供される。電力変換装置は、互いに直列接続された複数のサブモジュールを含む電力変換回路部を備える。各サブモジュールは、コンデンサを含む。電力変換装置は、各サブモジュールにおけるコンデンサの電圧を示す信号を受信する信号受信部と、信号に基づいて、コンデンサの電圧のリップル率を算出するリップル算出部と、算出されたリップル率とコンデンサの劣化の基準となる基準リップル率とに基づいて、コンデンサが劣化しているか否かを判定する判定部とをさらに備える。

本開示によると、サブモジュールのコンデンサの劣化状態をより簡易に判定することが可能となる。

本実施の形態に従う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サブモジュールの一例を示す回路図である。 本実施の形態に従うコンデンサの充電時におけるセルキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。 本実施の形態に従うコンデンサの放電時におけるセルキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。 本実施の形態に従う電力変換装置における通常動作時のセルキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。 本実施の形態に従う制御部の機能ブロック図である。 本実施の形態の変形例に従う電力変換装置の概略構成図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

［電力変換装置の構成］
図１は、本実施の形態に従う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、互いに直列接続された複数のサブモジュール（図１中の「セル」に対応）７を含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。なお、「サブモジュール」は、「変換器セル」とも呼ばれる。電力変換装置１は、直流回路１４と交流回路１２との間で電力変換を行なう。具体的には、電力変換装置１は、電力変換回路部２と、制御部３とを含む。

電力変換回路部２は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（不特定のものを示す場合、レグ回路４と記載する）を含む。

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、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なう。図１には、交流回路１２が３相交流系統の場合が示され、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入力端子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、例えば、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、交流入力端子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に共通に接続された高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流回路１４に接続される。直流回路１４は、例えば、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、交流入力端子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、交流入力端子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とを含む。上アーム５と下アーム６との接続点である交流入力端子Ｎｕが連系変圧器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サブモジュール７と、リアクトル８Ａとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ａは互いに直列接続されている。

同様に、下アーム６は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ｂとを含む。当該複数のサブモジュール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、事故時においては、各サブモジュール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ことが好ましい。

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、制御部３に入力される。制御部３はこれらの検出信号に基づいて各サブモジュールの運転状態を制御するための運転指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗを出力する。また、制御部３は、各サブモジュールから、当該サブモジュールに設けられたコンデンサの電圧（後述するセルキャパシタ電圧）の検出値を表す信号１７を受信する。

制御部３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。なお、制御部３は、例えば、ディジタル保護リレー装置で構成されていてもよい。

本実施の形態の場合、運転指令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、運転指令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、運転指令１５と記載する。

なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から制御部３に入力される信号の信号線と、制御部３および各サブモジュール間で入出力される信号の信号線とは、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サブモジュール７ごとに設けられている。各サブモジュールと制御部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。例えば、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相の交流電圧値Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧値Ｖａｃｖ、およびＷ相の交流電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器１６は、交流回路１２のＵ相の交流電流値Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流値Ｉａｃｖ、およびＷ相の交流電流値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の直流電圧値Ｖｄｃｐ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の直流電圧値Ｖｄｃｎ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および９Ｂは、上アーム５に流れる上アーム電流Ｉｐｕおよび下アーム６に流れる下アーム電流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および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および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。

［サブモジュールの構成例］
図２は、図１の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。図２に示すサブモジュール７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とを含む。

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スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂ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の制御部３から受信した運転指令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なう。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に示すサブモジュール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の両方をオフにする。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（以下、単に「コンデンサ２４」とも称する。）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の制御部３から受信した運転指令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、および送受信部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。

各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂ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る。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）である。

なお、上記で説明したサブモジュール７の構成は一例であって、他の構成のサブモジュール７を本実施の形態に適用してもよい。例えば、サブモジュール７は、フルブリッジ型の変換回路、またはスリークオーターブリッジ型の変換回路を用いて構成されていてもよい。

［コンデンサの劣化判定方式］
本実施の形態に従う各種のコンデンサ劣化判定方式について説明する。

＜充電時間＞
ここでは、コンデンサ２４の充電時間を利用して、コンデンサ２４の劣化を判定する方式について説明する。

典型的には、電力変換装置１が停止している場合、各サブモジュール７のコンデンサ２４が完全に放電された状態であり、各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂはオフ状態である。電力変換装置１の運転を開始するためには、まず、各サブモジュール７のコンデンサ２４を充電（初期充電）する必要がある。初期充電時には、連系変圧器１３の一次側（交流回路１２側）に接続された遮断器（図示しない）を投入することにより、すべてのコンデンサ２４が一斉に充電される。

セルキャパシタ電圧をＶｃ、コンデンサ２４の静電容量をＣ、コンデンサ２４に流れる電流をＩｃとすると以下の式（１）が成立する。なお、ΔＶｃは、一定期間内のセルキャパシタ電圧の変化量である。

式（１）に示すように、すべてのコンデンサ２４に電流Ｉｃが流れた場合、静電容量Ｃが小さいほどセルキャパシタ電圧の変化量ΔＶｃが大きくなることがわかる。

そのため、電力変換回路部２内において、経年劣化により静電容量Ｃが低減したコンデンサ２４（以下、「劣化コンデンサ」とも称する。）は、劣化していない健全なコンデンサ２４（以下、「健全コンデンサ」とも称する。）よりも一定期間内のセルキャパシタ電圧の変化量ΔＶｃ（すなわち、電圧上昇量）が大きくなる。すなわち、劣化コンデンサの充電時間は、健全コンデンサの充電時間よりも短くなる。

図３は、本実施の形態に従うコンデンサの充電時におけるセルキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。図３の縦軸はセルキャパシタ電圧であり、横軸は時間である。図３を参照して、グラフ３１０は、充電時における劣化コンデンサのセルキャパシタ電圧の時間変化を示している。グラフ３２０は、充電時における健全コンデンサのセルキャパシタ電圧の時間変化を示している。劣化コンデンサの場合には、セルキャパシタ電圧が０の状態から、電力変換装置１を通常動作するために必要な電圧（例えば、定格電圧Ｖｓ）に到達するまでの時間（すなわち、充電時間）はｔｃ１である。一方、健全コンデンサの場合の充電時間は、時間ｔｃ１よりも長い時間ｔｃ２である。

制御部３は、サブモジュール７から受信したセルキャパシタ電圧を表す信号１７に基づいて、コンデンサ２４の充電時間Ｔｃを算出する。制御部３は、当該算出した充電時間Ｔｃが、コンデンサ２４の劣化の基準となる基準充電時間Ｔｃｘ未満である場合に、当該コンデンサ２４が劣化していると判定する。基準充電時間Ｔｃｘは、健全コンデンサの充電時間に基づいて設定することができる。基準充電時間Ｔｃｘは、例えば、新品コンデンサの充電時間の数分の１等に設定されるが、これに限られず、系統管理者によって任意に設定されればよい。

上記によると、電力変換装置１の起動時に行われる初期充電の際に、各コンデンサ２４のセルキャパシタ電圧を測定することにより、各コンデンサ２４の劣化状態を判定できる。

＜放電時間＞
ここでは、コンデンサ２４の放電時間を利用して、コンデンサ２４の劣化を判定する方式について説明する。

電力変換装置１が停止動作を行なう場合、各サブモジュール７のコンデンサ２４を放電する。例えば、全てのサブモジュール７が正または負の電圧の出力状態を維持するように各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを制御して放電を行なう。

すべてのコンデンサ２４から放電される場合、式（１）を参照すると、静電容量Ｃが小さいほどセルキャパシタ電圧の変化量ΔＶｃ（すなわち、電圧降下量）が大きくなることがわかる。そのため、電力変換回路部２内において、劣化コンデンサの放電時間は、健全コンデンサの放電時間よりも短くなる。

図４は、本実施の形態に従うコンデンサの放電時におけるセルキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。図４の縦軸はセルキャパシタ電圧であり、横軸は時間である。図４を参照して、グラフ４１０は、放電時における劣化コンデンサのセルキャパシタ電圧の時間変化を示している。グラフ４２０は、放電時における健全コンデンサのセルキャパシタ電圧の時間変化を示している。

劣化コンデンサの場合、セルキャパシタ電圧が、電圧Ｖｒ（通常動作時の電圧に対応）から０に到達するまでの時間（すなわち、放電時間）はｔｄ１である。一方、健全コンデンサの場合の放電時間は、時間ｔｄ１よりも長い時間ｔｄ２である。

制御部３は、サブモジュール７から受信したセルキャパシタ電圧を表す信号１７に基づいて、コンデンサ２４の放電時間Ｔｄを算出する。制御部３は、当該算出した放電時間Ｔｄが、コンデンサ２４の劣化の基準となる基準放電時間Ｔｄｘ未満である場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。基準放電時間Ｔｄｘは、健全コンデンサの放電時間に基づいて設定することができる。基準放電時間Ｔｄｘは、例えば、新品コンデンサの放電時間の数分の１等に設定されるが、これに限られず、系統管理者によって任意に設定されればよい。

上記によると、電力変換装置１の動作停止時に行われる放電の際に、各コンデンサ２４のセルキャパシタ電圧を測定することにより、各コンデンサ２４の劣化状態を判定できる。

＜電圧変化率＞
ここでは、コンデンサ２４の充電時および放電時におけるセルキャパシタ電圧の変化率を利用して、コンデンサ２４の劣化を判定する方式について説明する。

充電時および放電時のセルキャパシタ電圧Ｖｃの電圧変化率ｄＶｃ／ｄｔは、式（２）のように表わされる。

式（２）に示すように、すべてのコンデンサ２４の充電時あるいは放電時の電流Ｉｃが一様である場合、静電容量Ｃが小さいほどセルキャパシタ電圧の電圧変化率が大きくなることがわかる。すなわち、劣化コンデンサの電圧変化率の絶対値は、健全コンデンサの電圧変化率の絶対値よりも大きくなる。

図３を参照して、充電時における劣化コンデンサの電圧変化率は、時間ｔｃ１におけるグラフ３１０の直線の傾きに相当する。また、健全コンデンサの電圧変化率は、時間ｔｃ２におけるグラフ３２０の直線の傾きに相当する。なお、充電時の電圧変化率は、充電開始時から充電完了時まで（すなわち、充電期間）のセルキャパシタ電圧の平均変化率であってもよい。

制御部３は、サブモジュール７から受信したセルキャパシタ電圧を表す信号１７に基づいて、コンデンサ２４の充電時の電圧変化率Ｄｃを算出する。制御部３は、当該算出した電圧変化率Ｄｃの絶対値が、コンデンサ２４の劣化の基準となる基準電圧変化率Ｄｃｘ（ただし、Ｄｃｘ＞０）以上である場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。

基準電圧変化率Ｄｃｘは、充電時の健全コンデンサの電圧変化率に基づいて設定できる。基準電圧変化率Ｄｃｘは、例えば、新品コンデンサの電圧変化率の数分の１等に設定されるが、これに限られず、系統管理者によって任意に設定されればよい。

同様に、図４を参照して、放電時における劣化コンデンサの電圧変化率は、時間ｔｄ１におけるグラフ４１０の直線の傾きに相当する。また、健全コンデンサの電圧変化率は、時間ｔｄ２におけるグラフ４２０の直線の傾きに相当する。なお、放電時の電圧変化率は、放電開始時から放電完了時まで（すなわち、放電期間）のセルキャパシタ電圧の平均変化率であってもよい。

制御部３は、サブモジュール７から受信したセルキャパシタ電圧を表す信号１７に基づいて、コンデンサ２４の放電時の電圧変化率Ｄｄを算出する。制御部３は、当該算出した電圧変化率Ｄｄの絶対値が、コンデンサ２４の劣化の基準となる基準電圧変化率Ｄｄｘ（ただし、Ｄｄｘ＞０）以上である場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。

放電時の基準電圧変化率Ｄｄｘは、放電時の健全コンデンサの電圧変化率に基づいて設定できる。基準電圧変化率Ｄｄｘは、例えば、新品コンデンサの電圧変化率の数分の１等に設定されるが、これに限られず、系統管理者によって任意に設定されればよい。

上記によると、電力変換装置１の起動時に行われる初期充電のとき、および動作停止時に行われる放電のときに各コンデンサ２４の劣化状態を判定できる。また、電力変換装置１の停止動作時に各コンデンサ２４の電圧にばらつきがあった場合、あるいは、電力変換装置１の一時停止後の動作再開時に各コンデンサ２４の電圧にばらつきがあった場合でも、各コンデンサ２４について同様の基準で劣化判定を行なうことができる。

＜履歴情報の利用＞
上記においては、基準充電時間、基準放電時間および基準電圧変化率が、それぞれ健全コンデンサの充電時間、放電時間および電圧変化率に基づいて設定される構成について説明した。ここでは、基準充電時間、基準放電時間および基準電圧変化率が、それぞれコンデンサ２４の充電時間の履歴情報、放電時間の履歴情報および電圧変化率の履歴情報に基づいて設定される構成について説明する。

具体的には、制御部３は、初期充電時ごとに算出した各コンデンサ２４の充電時間および電圧変化率を履歴情報として内部メモリに蓄積する。また、制御部３は、放電時ごとに算出した各コンデンサ２４の放電時間および電圧変化率を履歴情報として内部メモリに蓄積する。

制御部３は、初期充電時に算出した充電時間Ｔｃと、過去の履歴情報（複数回分の充電時間）に基づいて設定された基準充電時間Ｔｃｘとを比較する。基準充電時間Ｔｃｘは、例えば、複数回分の充電時間の平均値よりも一定時間だけ短い時間に設定される。この場合、制御部３は、当該算出した充電時間Ｔｃが、基準充電時間Ｔｃｘ未満である場合（すなわち、複数回分の充電時間の平均値よりも一定時間以上短い場合）にコンデンサ２４が劣化していると判定する。

制御部３は、放電時間および電圧変化率についても、過去の履歴情報と比較することにより、コンデンサ２４の劣化判定を行なう。基準放電時間Ｔｄｘは、例えば、複数回分の放電時間の平均値よりも一定時間だけ短い時間に設定される。

基準電圧変化率Ｄｃｘは、コンデンサ２４の充電期間における電圧変化率の履歴情報に基づいて設定され、例えば、複数回分の電圧変化率の絶対値の平均値よりも一定値だけ大きい値に設定される。基準電圧変化率Ｄｄｘは、コンデンサ２４の放電期間における電圧変化率の履歴情報に基づいて設定され、例えば、複数回分の電圧変化率の絶対値の平均値よりも一定値だけ大きい値に設定される。

上記によると、履歴情報として蓄積された複数のデータに基づいて、コンデンサ２４の劣化判定を行なう。そのため、セルキャパシタ電圧の測定ばらつきがあった場合でも、精度よく劣化判定を行なうことができる。

＜点検時の劣化判定＞
ここでは、電力変換装置１の保守点検時において、すべてのコンデンサ２４の一斉充電および一斉放電を複数回実施することにより、各コンデンサ２４の劣化を判定する方式について説明する。

制御部３は、すべてのコンデンサ２４の一斉充電および一斉放電を複数回繰り返し、複数回分の充電時間、放電時間および電圧変化率を算出する。例えば、一斉充電および一斉放電をそれぞれ３回ずつ行なう場合を想定する。

この場合、制御部３は、３回分の充電時間のうち、少なくとも２回分の充電時間が基準充電時間Ｔｃｘ未満であるという条件が成立した場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。なお、より厳しい判定基準を適用する場合には、制御部３は、少なくとも１回の充電時間が基準充電時間Ｔｃｘ未満であるという条件が成立した場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。

同様に、制御部３は、３回分の放電時間のうち、少なくとも２回分の放電時間が基準放電時間Ｔｄｘ未満であるという条件が成立した場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。制御部３は、３回分の電圧変化率の絶対値のうち、少なくとも２回分の各電圧変化率の絶対値が基準電圧変化率以上であるという条件が成立した場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。

上記によると、セルキャパシタ電圧の測定ばらつきがあった場合でも、精度よく劣化判定を行なうことができる。

＜電圧リップル率＞
ここでは、電力変換装置１の通常動作時において、コンデンサ２４のセルキャパシタ電圧のリップル率を利用して、コンデンサ２４の劣化を判定する方式について説明する。

電力変換装置１の通常動作時には、サブモジュール７の各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂのオンオフ状態に応じてコンデンサ２４に電流が流れる。そのため、通常動作時のセルキャパシタ電圧は、図５に示すように常時変動している。

図５は、本実施の形態に従う電力変換装置１における通常動作時のセルキャパシタ電圧の時間変化を示す図である。図５の縦軸はセルキャパシタ電圧であり、横軸は時間である。図５を参照して、グラフ６１０は、通常動作時における劣化コンデンサのセルキャパシタ電圧の時間変化を示している。グラフ６２０は、理論計算あるいはシミュレーションで算出された、通常動作時におけるセルキャパシタ電圧の時間変化を示している。なお、シミュレーションは、コンデンサ２４の静電容量が低減していない状態（定格値）に基づいて行なわれる。また、グラフ６１０が示す電圧波形の交流成分はＲｍで示され、グラフ６２０が示す電圧波形の交流成分はＲｃで示される。グラフ６１０およびグラフ６２０の各電圧波形の直流成分は定格電圧Ｖｓである。

グラフ６２０に対応する電圧波形は、電力変換装置１の運転状態（例えば、有効電力出力値および無効電力出力値等）に応じて、公知の方法によりコンデンサ２４ごとに理論的に計算、あるいはシミュレーションで求めることができる。これにより、グラフ６２０の交流成分Ｒｃが算出される。

ここで、上述の式（１）に示すように、静電容量Ｃが小さいほどセルキャパシタ電圧の変化量ΔＶｃが大きくなる。そのため、劣化コンデンサのセルキャパシタ電圧は、健全コンデンサのセルキャパシタ電圧よりも電圧変動が大きくなる。具体的には、図５に示すように、劣化コンデンサのセルキャパシタ電圧波形の交流成分Ｒｍの方が、シミュレーションで求められたセルキャパシタ電圧波形の交流成分Ｒｃよりも大きくなる。すなわち、劣化コンデンサの電圧リップル率（＝交流成分／直流成分）は、シミュレーションにより得られた電圧リップル率（以下、「基準リップル率」とも称する。）よりも大きくなる。

制御部３は、サブモジュール７から受信したセルキャパシタ電圧を表す信号１７に基づいて、当該セルキャパシタ電圧のリップル率を算出する。制御部３は、当該算出したリップル率が、基準リップル率よりも規定値以上大きい場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定する。規定値は、系統管理者によって任意に設定されればよい。

上記によると、電力変換装置１の通常動作時においても、コンデンサ２４の劣化を判定することができる。そのため、電力変換装置１の起動動作および停止動作の頻度が少ない場合でも、より早期に劣化したコンデンサ２４を発見できる。

＜判定方式のまとめ＞
上述したように、本実施の形態では、各種の判定方式を採用することができる。具体的には、電力変換装置１は、起動時には初期充電の際のコンデンサ２４の充電時間、または充電期間の電圧変化率に基づいて、コンデンサ２４の劣化判定を実行する。

電力変換装置１は、通常動作時においては、コンデンサ２４のセルキャパシタ電圧のリップル率に基づいて、コンデンサ２４の劣化判定を実行する。

電力変換装置１は、動作停止時には放電の際のコンデンサ２４の放電時間、または放電期間の電圧変化率に基づいて、コンデンサ２４の劣化判定を実行する。

電力変換装置１は、点検時においては、すべてのコンデンサ２４の一斉充電および一斉放電を複数回繰り返すことにより、複数回の充電時間、放電時間および電圧変化率に基づいて、コンデンサ２４の劣化判定を実行する。

このように、電力変換装置１は、各タイミングにおいてコンデンサ２４の劣化判定を実行することができる。電力変換装置１は、上記の各種の判定方式の少なくとも１つを採用してコンデンサ２４の劣化判定を実行してもよい。また、電力変換装置１は、上記の各種の判定方式を組み合わせることによりコンデンサ２４の劣化判定を実行してもよい。

例えば、電力変換装置１は、充電時においては、充電時間Ｔｃが基準充電時間Ｔｃｘ未満であるとの条件、および電圧変化率Ｄｃの絶対値が基準電圧変化率Ｄｃｘ以上であるとの条件のうちの少なくとも一方が成立する場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。また、電力変換装置１は、放電時においては、放電時間Ｔｄが基準放電時間Ｔｄｘ未満であるとの条件、および電圧変化率Ｄｄの絶対値が基準電圧変化率Ｄｄｘ以上であるとの条件のうちの少なくとも一方が成立する場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。

［制御部３の機能構成］
図６は、本実施の形態に従う制御部３の機能ブロック図である。図６を参照して、制御部３は、主たる機能構成として、信号受信部１１０と、変換器制御部１２０と、時間算出部１３０と、変化率算出部１４０と、リップル算出部１５０と、判定部１６０と、出力制御部１７０とを含む。これらの各機能は、例えば、制御部３のマイクロプロセッサがメモリに格納されたプログラムを実行することによって実現される。なお、これらの機能の一部または全部はハードウェアで実現されるように構成されていてもよい。

信号受信部１１０は、各サブモジュール７のコンデンサ２４の電圧の検出値を表す信号１７を各サブモジュール７から受信する。信号受信部１１０は、予め定められた制御周期で信号１７を受信する。

変換器制御部１２０は、各サブモジュール７に運転指令１５を送信することにより、各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂをスイッチングさせて、各サブモジュール７を駆動する。例えば、変換器制御部１２０は、運転指令１５により各サブモジュール７のコンデンサ２４の充放電を制御する。

時間算出部１３０は、各サブモジュール７から受信した信号１７に基づいて、各コンデンサ２４の充電時間を算出する。時間算出部１３０は、各コンデンサ２４の充電時における、各サブモジュール７の信号１７に基づいて、各コンデンサ２４の充電時間Ｔｃを算出する。他の局面では、時間算出部１３０は、各コンデンサ２４の放電時における、各サブモジュール７の信号１７に基づいて、各コンデンサ２４の放電時間Ｔｄを算出する。

変化率算出部１４０は、各サブモジュール７からの信号１７に基づいて、各コンデンサ２４の充電期間における各コンデンサ２４の電圧変化率Ｄｃを算出する。他の局面では、変化率算出部１４０は、各サブモジュール７の信号１７に基づいて、各コンデンサ２４の放電期間における各コンデンサ２４の電圧変化率Ｄｄを算出する。

リップル算出部１５０は、通常動作時において、各サブモジュール７からの信号１７に基づいて、各コンデンサ２４のセルキャパシタ電圧のリップル率を算出する。

判定部１６０は、時間算出部１３０の算出結果、変化率算出部１４０の算出結果およびリップル算出部１５０の算出結果の少なくとも１つに基づいて、各コンデンサ２４の劣化を判定する。

ある局面では、判定部１６０は、各コンデンサ２４の充電時において、充電時間Ｔｃが基準充電時間Ｔｃｘ未満である場合にコンデンサ２４が劣化していると判定し、そうではない場合にコンデンサ２４が劣化していないと判定する。また、判定部１６０は、各コンデンサ２４の充電時において、電圧変化率Ｄｃの絶対値が基準電圧変化率Ｄｃｘ以上である場合にコンデンサ２４が劣化している判定し、そうではない場合にコンデンサ２４が劣化していないと判定する。

他の局面では、判定部１６０は、各コンデンサ２４の放電時において、放電時間Ｔｄが基準放電時間Ｔｄｘ未満である場合にコンデンサ２４が劣化している判定し、そうではない場合にコンデンサ２４が劣化していないと判定する。また、判定部１６０は、各コンデンサ２４の放電時において、電圧変化率Ｄｄの絶対値が基準電圧変化率Ｄｄｘ以上である場合にコンデンサ２４が劣化している判定し、そうではない場合にコンデンサ２４が劣化していないと判定する。

さらに他の局面では、判定部１６０は、充電時間Ｔｃと基準充電時間Ｔｃｘとの比較結果、および、放電時間Ｔｄと基準放電時間Ｔｄｘとの比較結果のうちの少なくとも一方に基づいて、コンデンサ２４が劣化しているか否かを判定してもよい。例えば、判定部１６０は、充電時間Ｔｃが基準充電時間Ｔｃｘ未満であるとの条件、および放電時間Ｔｄが基準放電時間Ｔｄｘ未満であるとの条件のうちの少なくとも一方が成立する場合、コンデンサ２４が劣化していると判定する。

さらに他の局面では、判定部１６０は、充電時間Ｔｃが基準充電時間Ｔｃｘ未満であるとの条件および電圧変化率Ｄｃが基準電圧変化率Ｄｃｘ以上であるとの条件の少なくとも一方が成立する場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。判定部１６０は、放電時間Ｔｄが基準放電時間Ｔｄｘ未満であるとの条件および電圧変化率Ｄｄが基準電圧変化率Ｄｄｘ以上であるとの条件の少なくとも一方が成立する場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。

さらに他の局面では、判定部１６０は、充放電が複数回繰り返される点検時において、充電時間Ｔｃが基準充電時間Ｔｃｘ未満であるとの条件が複数回成立した場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。また、判定部１６０は、放電時間Ｔｄが基準放電時間Ｔｄｘ未満であるとの条件が複数回成立した場合に、コンデンサ２４が劣化していると判定してもよい。

さらに他の局面では、判定部１６０は、電力変換装置１の通常動作時において、リップル算出部１５０により算出されたリップル率と、基準リップル率とに基づいて、コンデンサ２４が劣化しているか否かを判定してもよい。

出力制御部１７０は、判定部１６０の判定結果を出力する。具体的には、出力制御部１７０は、当該判定結果を制御部３に搭載されたディスプレイに表示させる。出力制御部１７０は、制御部３に搭載された通信インターフェイスを介して、外部装置に当該判定結果を出力してもよい。判定結果は、各コンデンサ２４のうちのどのコンデンサが劣化しているのかを示す情報を含んでもよい。

［電力変換装置の変形例］
図７は、本実施の形態の変形例に従う電力変換装置の概略構成図である。図７を参照して、電力変換装置１Ａは、電力変換回路部２と、制御部３と、制限回路３０とを含む。すなわち、電力変換装置１Ａは、図１中の電力変換装置１に制限回路３０を追加した構成である。ここでは、電力変換装置１Ａの構成のうち、電力変換装置１と異なる構成について説明を行なう。

制限回路３０は、交流回路１２と電力変換回路部２との間に流れる電流を制限する。制限回路３０は、制限抵抗３１と、制限抵抗３１に並列接続された開閉器３２とを含む。

制御部３は、機能構成として、制御信号を開閉器３２に送信することにより、開閉器３２の開閉動作を制御する開閉器制御部を含む。具体的には、開閉器制御部は、電力変換装置１の起動時には、開閉器３２を開放状態（オフ状態）に制御する。この場合、系統連系用の遮断器（図示しない）が投入されると、交流回路１２から制限回路３０の制限抵抗３１を介して充電電流が流れ、各サブモジュール７のコンデンサ２４を初期充電する動作が開始される。すなわち、開閉器制御部は、コンデンサ２４の充電開始前に開閉器３２をオフ状態に制御する。

この場合、制限抵抗３１は、コンデンサ２４の充電抵抗として機能し、充電される時間を遅らせて、セルキャパシタ電圧の立ち上がりを緩やかにする。そのため、制限抵抗３１がない場合と比較して、コンデンサ２４の充電時間は長くなり、電圧変化率は小さくなる。

したがって、劣化コンデンサの充電時間と健全コンデンサの充電時間との差異、および劣化コンデンサの電圧変化率と健全コンデンサの電圧変化率との差異が大きくなるため、当該差異をより確実に検出できる。また、電圧検出部２７に要求される検出精度（検出分解能）を緩和する（下げる）ことができる。なお、開閉器制御部は、初期充電完了後に、開閉器３２をオン状態に制御することで、制限抵抗３１を短絡する。

また、開閉器制御部は、電力変換装置１の動作停止時には、開閉器３２をオフ状態にし、各コンデンサ２４の放電動作を開始する。すなわち、開閉器制御部は、コンデンサ２４の放電開始前に開閉器３２をオフ状態に制御する。この場合、制限回路３０の制限抵抗３１を介して放電電流が流れ、各サブモジュール７のコンデンサ２４の放電が開始される。この場合、制限抵抗３１は、コンデンサ２４の放電抵抗として機能し、放電される時間を遅らせて、セルキャパシタ電圧の立ち下がりを緩やかにする。そのため、制限抵抗３１がない場合と比較して、コンデンサ２４の放電時間は長くなり、電圧変化率は小さくなる。

したがって、劣化コンデンサの放電時間と、健全コンデンサの放電時間との差異、および劣化コンデンサの電圧変化率と、健全コンデンサの電圧変化率との差異が大きくなるため、当該差異をより確実に検出できる。

［利点］
本実施の形態によると、各サブモジュール７のコンデンサに流れる電流を測定する必要なく、当該コンデンサのセルキャパシタ電圧の測定によりコンデンサの劣化判定を行なうことができる。また、劣化判定のために、コンデンサに流れる電流を測定するための電流センサを新たに設ける必要がない。さらに、コンデンサの静電容量を直接求める必要がないため、劣化判定のための処理工程も少なくなる。これにより、電力変換装置全体の処理負荷の低減および低コスト化を図ることができる。

本実施の形態によると、電力変換装置の起動時、通常動作時、停止時等の各種タイミングでコンデンサの劣化判定を実行できる。これにより、劣化したコンデンサを適切なタイミングで迅速に交換できるため、電力変換装置を安定的に運転することが可能となる。

［その他の実施の形態］
上述の実施の形態として例示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。

また、上述した実施の形態において、その他の実施の形態で説明した処理や構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

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、上記した説明ではなく、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。

１，１Ａ 電力変換装置、２ 電力変換回路部、３ 制御部、４ｕ，４ｖ，４ｗ レグ回路、５ 上アーム、６ 下アーム、７ サブモジュール、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、１６ 交流電流検出器、１７ 信号、２０ＨＢ 変換回路、２１ ゲート制御部、２２Ａ，２２Ｂ スイッチング素子、２３Ａ，２３Ｂ ダイオード、２４ 直流コンデンサ、２６Ｎ，２６Ｐ 入出力端子、２７ 電圧検出部、２８ 送受信部、３０ 制限回路、３１ 制限抵抗、３２ 開閉器、１１０ 信号受信部、１２０ 変換器制御部、１３０ 時間算出部、１４０ 変化率算出部、１５０ リップル算出部、１６０ 判定部、１７０ 出力制御部。

Claims (9)

1. 直流回路と交流回路との間で電力変換を行なう電力変換装置であって、
   互いに直列接続された複数のサブモジュールを含む電力変換回路部を備え、
   各前記サブモジュールは、コンデンサを含み、
   前記電力変換装置は、
   各前記サブモジュールにおける前記コンデンサの電圧を示す信号を受信する信号受信部と、
   前記電力変換装置の起動時に、前記信号に基づいて前記コンデンサの初期充電時の充電時間を算出し、前記電力変換装置の停止時に、前記信号に基づいて前記コンデンサの放電時間を算出する時間算出部と、
   前記時間算出部により算出された充電時間と前記コンデンサの劣化の基準となる基準充電時間との第１比較結果に基づいて、前記電力変換装置の起動時に前記コンデンサが劣化しているか否かを判定し、かつ、前記時間算出部により算出された放電時間と前記コンデンサの劣化の基準となる基準放電時間との第２比較結果に基づいて、前記電力変換装置の停止時に前記コンデンサが劣化しているか否かを判定する判定部をさらに備える、
   電力変換装置。
2. 前記算出された充電時間が前記基準充電時間未満であるとの条件が成立する場合、前記判定部は、前記電力変換装置の起動時に前記コンデンサが劣化していると判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記信号に基づいて、前記コンデンサの充電期間における前記コンデンサの第１電圧変化率を算出する変化率算出部をさらに備え、
   前記算出された充電時間が前記基準充電時間未満であるとの条件および前記算出された第１電圧変化率が第１基準電圧変化率以上であるとの条件のうちの少なくとも一方が成立する場合に、前記判定部は、前記電力変換装置の起動時に前記コンデンサが劣化していると判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記基準充電時間は、劣化していないコンデンサへの充電時間に基づいて設定され、
   前記第１基準電圧変化率は、劣化していないコンデンサの充電期間における電圧変化率
   に基づいて設定される、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記基準充電時間は、前記コンデンサの充電時間の履歴情報に基づいて設定され、
   前記第１基準電圧変化率は、前記コンデンサの充電期間における前記第１電圧変化率の履歴情報に基づいて設定される、請求項３に記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換回路部は、前記交流回路と前記電力変換回路部との間に流れる電流を制限するための制限回路に接続されており、
   前記制限回路は、制限抵抗と、前記制限抵抗に並列接続された開閉器とを含み、
   前記コンデンサの充電開始前に前記開閉器を開放状態に制御する開閉器制御部をさらに備える、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記電力変換装置の通常動作時に、前記信号に基づいて前記コンデンサの電圧のリップル率を算出するリップル算出部をさらに備え、
   前記判定部は、前記算出されたリップル率と前記コンデンサの劣化の基準となる基準リップル率とに基づいて、前記電力変換装置の通常動作時に前記コンデンサが劣化しているか否かをさらに判定する、請求項１に記載の電力変換装置。
8. 直流回路と交流回路との間で電力変換を行なう電力変換装置であって、
   互いに直列接続された複数のサブモジュールを含む電力変換回路部を備え、
   各前記サブモジュールは、コンデンサを含み、
   前記電力変換装置は、
   各前記サブモジュールにおける前記コンデンサの電圧を示す信号を受信する信号受信部と、
   前記信号に基づいて、前記コンデンサの充電時間および前記コンデンサの放電時間を算出する時間算出部と、
   前記時間算出部により算出された充電時間と前記コンデンサの劣化の基準となる基準充電時間との第１比較結果、および、前記時間算出部により算出された放電時間と前記コンデンサの劣化の基準となる基準放電時間との第２比較結果に基づいて、前記コンデンサが劣化しているか否かを判定する判定部をさらに備え、
   前記充電時間は、前記複数のサブモジュールを流れる電流によって充電される時間を含み、
   前記放電時間は、前記複数のサブモジュールを流れる電流によって放電される時間を含む、電力変換装置。
9. 前記充電時間は、前記複数のサブモジュールおよび前記複数のサブモジュールに直列に接続されたリアクトルを流れる電流によって充電される時間を含み、
   前記放電時間は、前記複数のサブモジュールおよび前記リアクトルを流れる電流によって放電される時間を含む、請求項８に記載の電力変換装置。

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