JP6730515B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、より特定的には、複数の単位変換器を直列接続して構成された電力変換装置に関する。

近年、ＳＴＡＴＣＯＭ（Static Synchronous Compensator）などの自励式無効電力補償装置、ＢＴＢ（Back to Back）システムなどの直流送電システム、および、モータドライブインバータなどにおいては、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）の適用が検討されている（たとえば、国際公開第２０１２／０９９１７６号（特許文献１）参照）。

ＭＭＣは、複数の単位変換器を直列に接続して構成される。単位変換器は、スイッチング素子と直流コンデンサとを有する主回路を含む。単位変換器は、主回路のスイッチング素子をスイッチング動作させることで、直流コンデンサの電圧を出力端子へ出力する。スイッチング素子としては、一般的に、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのオンオフ制御が可能な半導体スイッチング素子が用いられる。

主回路は、一対の出力端子の間に接続される、バイパススイッチをさらに有する。バイパススイッチは、スイッチング素子の短絡等の異常が生じた場合にオンされ、異常が生じた単位変換器の一対の出力端子間を短絡するように構成される。

国際公開第２０１２／０９９１７６号

ＭＭＣを構成する単位変換器には、主回路に加え、ＭＭＣ全体を制御する上位の制御装置と連携して主回路のスイッチング素子のオンオフを制御するための制御回路が設けられている。ＭＭＣの各単位変換器において、主回路で生成した電力を基に制御回路に電源電圧を供給する電源を設ける主回路給電方式と呼ばれる構成が知られている。このような構成のＭＭＣの起動時には、まず交流電源からの電力供給により、主回路の直流コンデンサが充電される。そして、主回路の直流コンデンサの電圧を限流抵抗により降圧し、電源への入力電圧が生成される。そして、電源はこの入力電圧をさらに降圧した電源電圧を制御回路に供給する。

通常、ＭＭＣの起動時において、直列接続された複数の単位変換器の各々の直流コンデンサを充電する初期充電が実行される。初期充電では、各単位変換器の直流コンデンサは、所定の電圧まで充電される。しかし、万が一いずれかの単位変換器のバイパススイッチが不正に閉成していた場合、該単位変換器の直流コンデンサは充電されない。その結果、該単位変換器と直列に接続される健全な単位変換器の直流コンデンサは過剰に充電される可能性がある。直流コンデンサが過剰に充電されると、該過充電された直流コンデンサ、電源および制御回路等の構成要素に定格以上の電圧がかかり、損傷してしまうおそれがある。

この発明は上述のような問題点を解決するためになされたものであって、この発明の目的は、複数の単位変換器を直列接続して構成された電力変換装置において、その起動時に各単位変換器の過充電による損傷を抑制することである。

この発明のある局面に従えば、電力変換装置は、電力変換器と、制御装置とを備える。電力変換器は、交流電源とスイッチを介して電気的に接続される。制御装置は、電力変換器を制御する。電力変換器は、複数の単位変換器を直列接続して構成されたアームを含む。複数の単位変換器の各々は、主回路と、制御回路と、電源とを含む。主回路は、複数のスイッチング素子およびコンデンサを含み、複数のスイッチング素子を制御することによりコンデンサの電圧を交流電力に変換する。制御回路は、制御装置から受信した制御信号に従って複数のスイッチング素子のオンオフを制御するように構成される。電源は、コンデンサの電圧を降圧して制御回路へ供給する電源電圧を生成する。主回路は、その一対の出力端子の間に接続されるバイパススイッチをさらに含む。バイパススイッチは、オンされると複数の単位変換器の各々の一対の出力端子間を短絡するように構成される。制御回路は、駆動回路と、電圧センサと、インターフェイス回路とをさらに含む。駆動回路は、複数のスイッチング素子を駆動する。電圧センサは、コンデンサの電圧を検出する。インターフェイス回路は、電圧センサの検出値を制御装置に出力する。スイッチは、電力変換器を起動するときにオンされる。複数の単位変換器の各々は、電力変換器の起動するときに、バイパススイッチがオフされている場合、交流電源から供給される電力により、コンデンサを充電する。電源は、電力変換器の起動するときに、電圧センサおよびインターフェイス回路に駆動回路より先に電源電圧を供給するように構成される。制御装置は、複数の単位変換器のうちの少なくとも１つの電圧センサの検出値が所定の値以上であるとき、スイッチをオフするように構成される。

この発明によれば、複数の単位変換器を直列接続して構成された電力変換装置において、その起動時に各単位変換器の過充電による損傷を抑制することができる。

電力変換装置の全体構成図である。 図１に示した単位変換器の構成図である。 図２に示した電源の構成図である。 正常な電力変換装置における初期充電の態様を示す図である。 バイパススイッチが不正に閉成した単位変換器を含む電力変換装置においての初期充電の態様を示す図である。 コンデンサの電圧に基づく電力変換装置の停止制御を説明するための図である。 比較例に従う初期充電時における電源の起動に関する制御処理を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態に従う初期充電時における電源の起動に関する制御処理を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。

図１は、この発明の実施の形態に従う電力変換装置１００の全体構成図である。図１において、この電力変換装置１００は、電力系統１の無効電力を補償する無効電力補償装置として使用され、スイッチＳ１〜Ｓ６、変圧器２，３、限流抵抗器Ｒ１〜Ｒ３、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬ、変流器Ｃ１〜Ｃ３、リアクトルＬ１〜Ｌ３、アームＡ１〜Ａ３、および制御装置４を備える。

スイッチＳ１〜Ｓ３の各々の一方端子はそれぞれ交流電力を供給する電力系統１の三相の送電線１ｕ，１ｖ，１ｗに接続され、他方端子はそれぞれ変圧器２の３つの一次巻線に接続される。スイッチＳ１〜Ｓ３は、通常はオンされ、たとえば電力変換装置１００のメンテナンス時にオフされる。変圧器２は、３つの一次巻線と３つの二次巻線とを含み、三相交流電力を授受する。

限流抵抗器Ｒ１〜Ｒ３の各々の一方端子はそれぞれ変圧器２の３つの二次巻線に接続され、他方端子はそれぞれ交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬの一方端に接続される。限流抵抗器Ｒ１〜Ｒ３は、電力変換装置１００の起動時に電力系統１からアームＡ１〜Ａ３にそれぞれ流れる電流を制限する。

スイッチＳ４〜Ｓ６は、それぞれ限流抵抗器Ｒ１〜Ｒ３に並列接続され、電力変換装置１００の起動時においてアームＡ１〜Ａ３に流れる電流が安定した後にオンされる。変圧器３は、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬの交流電圧に応じた値の三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御装置４にフィードバックする。

リアクトルＬ１およびアームＡ１は、交流ラインＵＬと交流ラインＶＬとの間に直列接続される。リアクトルＬ２およびアームＡ２は、交流ラインＶＬと交流ラインＷＬとの間に直列接続される。リアクトルＬ３およびアームＡ３は、交流ラインＷＬと交流ラインＵＬとの間に直列接続される。すなわち、アームＡ１〜Ａ３はデルタ接続されている。アームＡ１〜Ａ３は、制御装置４によって制御され、三相交流電力を発生する。

アームＡ１〜Ａ３の各々は、直列接続された複数の単位変換器５を含む。複数の単位変換器５の各々は、制御装置４からの制御信号に従って交流電力を発生する。

アームＡ１の初段の単位変換器５の第１端子５ａは、リアクトルＬ１の一方端子に接続されている。アームＡ１において、最終段以外の各単位変換器５の第２端子５ｂは、隣接する単位変換器５の第１端子５ａに接続されている。アームＡ１の最終段の単位変換器５の第２端子５ｂは、リアクトルＬ２の一方端子に接続されている。

アームＡ２の初段の単位変換器５の第１端子５ａは、リアクトルＬ２の一方端子に接続されている。アームＡ２において、最終段以外の各単位変換器５の第２端子５ｂは、隣接する単位変換器５の第１端子５ａに接続されている。アームＡ２の最終段の単位変換器５の第２端子５ｂは、リアクトルＬ３の一方端子に接続されている。

アームＡ３の初段の単位変換器５の第１端子５ａは、リアクトルＬ３の一方端子に接続されている。アームＡ３において、最終段以外の各単位変換器５の第２端子５ｂは、隣接する単位変換器５の第１端子５ａに接続されている。アームＡ３の最終段の単位変換器５の第２端子５ｂは、リアクトルＬ１の一方端子に接続されている。

リアクトルＬ１〜Ｌ３は、アームＡ１〜Ａ３に流れる循環電流をそれぞれ抑制する。リアクトルＬ１〜Ｌ３は、アームＡ１〜Ａ３とは別に設けられていてもよいし、アームＡ１〜Ａ３のインダクタンス成分であっても構わない。変流器Ｃ１〜Ｃ３は、アームＡ１〜Ａ３に流れる交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕをそれぞれ検出して、制御装置４にフィードバックする。

制御装置４は、無効電力指令値Ｑｒ、三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗ、交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕ、後述する電圧ＶＤＣなどの入力を受け、後述する制御信号ＧＣ、制御信号ＧＢ、オン指令Ｓｏｎなどを出力することにより、３つのアームＡ１〜Ａ３の各々（すなわち６０個の単位変換器５の各々）を制御する。無効電力指令値Ｑｒは、たとえば電力系統１の中央指令室（図示せず）から与えられる。電力変換装置１００は、無効電力指令値Ｑｒに応じた値の無効電力を電力系統１に供給する。

図２は、図１に示した単位変換器の構成図である。図２を参照して、単位変換器５は、主回路３０と、制御回路３２と、抵抗Ｒ４と、電源５０とを含む。

主回路３０は、コンデンサを備えたフルブリッジ回路により構成される。具体的には、主回路３０は、第１端子５ａおよび第２端子５ｂを有する。主回路３０は、スイッチング素子１１〜１４と、ダイオードＤ１〜Ｄ４と、コンデンサ１５とを含む。主回路３０は、スイッチング素子１１〜１４のオンオフによりコンデンサ１５の電圧に応じた振幅の電圧パルスを第１端子５ａおよび第２端子５ｂ間に出力することで、直流電力を交流電力に変換する。

スイッチング素子１１〜１４は、自己消弧型電力用半導体素子であり、たとえばＩＧＢＴで構成されている。スイッチング素子１１，１３は直流ラインＰＬおよび直流ラインＮＬの間に直列に接続されている。スイッチング素子１２，１４は直流ラインＰＬおよび直流ラインＮＬの間に直列に接続されている。スイッチング素子１１，１２のコレクタはともに直流ラインＰＬに接続され、スイッチング素子１３，１４のエミッタはともに直流ラインＮＬに接続されている。スイッチング素子１１のエミッタとスイッチング素子１３のコレクタとの接続点は第１端子５ａに接続されている。スイッチング素子１２のエミッタとスイッチング素子１４のコレクタとの接続点は第２端子５ｂに接続されている。

ダイオードＤ１〜Ｄ４は、スイッチング素子１１〜１４にそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ１５は、直流ラインＰＬおよび直流ラインＮＬの間に接続され、直流電力を蓄える。

単位変換器５において、スイッチング素子１１〜１４は制御回路３２によって導通状態（オンオフ）が制御される。スイッチング素子１１，１３はそれぞれ相補的にオンオフする。スイッチング素子１２，１４はそれぞれ相補的にオンオフする。図２に示されるように、第２端子５ｂを基準とした第１端子５ａまでの電圧をセル電圧Ｖｃｅｌｌと定義すると、セル電圧Ｖｃｅｌｌは、スイッチング素子１１〜１４のオンオフ状態によって制御される。

具体的には、スイッチング素子１１，１４が共にオンであり、スイッチング素子１２，１３が共にオフである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはコンデンサ１５の電圧ＶＤＣと略等しい。スイッチング素子１１，１２が共にオンであり、スイッチング素子１３，１４が共にオフである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは略零である。スイッチング素子１１，１２が共にオフであり、スイッチング素子１３，１４が共にオンである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは略零である。スイッチング素子１１，１４が共にオフであり、スイッチング素子１２，１３が共にオンである場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはコンデンサ１５の電圧ＶＤＣの極性を反転させた電圧に略等しい。

アームＡ１〜Ａ３各々の全体の電圧は、該アームＡ１〜Ａ３各々に含まれる各単位変換器５のセル電圧Ｖｃｅｌｌの和でそれぞれ表される。したがって、アームＡ１〜Ａ３各々の全体の電圧は、各単位変換器５を構成するスイッチング素子１１〜１４のオンオフ状態によって制御することができる。

主回路３０は、スイッチＳ７をさらに含む。スイッチＳ７は、第１端子５ａと第２端子５ｂとの間に接続されている。スイッチＳ７は、制御回路３２からの指令に応じて閉成することにより、第１端子５ａおよび第２端子５ｂを短絡することが可能に構成されている。第１端子５ａおよび第２端子５ｂは、本発明の「一対の出力端子」に相当する。スイッチＳ７は、本発明の「バイパススイッチ」の一実施例に相当する。

制御回路３２は、駆動回路４０，４２と、スイッチ操作回路４４と、電圧センサ４６と、Ｉ／Ｆ（インターフェイス）回路４８とを含む。制御回路３２は、制御装置４から受信した制御信号に従ってスイッチング素子１１〜１４の導通状態を制御するように構成される。

Ｉ／Ｆ回路４８は、図示しない有線または無線で制御装置４と通信する。Ｉ／Ｆ回路４８は、制御装置４から、主回路３０のフルブリッジ回路を制御するための制御信号ＧＣを受信する。Ｉ／Ｆ回路４８はさらに、制御装置４から、フルブリッジ回路を構成するスイッチング素子１１〜１４を全て非導通にするための制御信号ＧＢを受信する。Ｉ／Ｆ回路４８は、受信した制御信号ＧＣおよび制御信号ＧＢを駆動回路４０，４２へ出力する。

駆動回路４０は、制御信号ＧＣに応答してスイッチング素子１１，１３のオンオフを制御する。または、駆動回路４０は、制御信号ＧＢに応答して、スイッチング素子１１，１３をオフ状態に固定された状態（停止状態）とする。

駆動回路４２は、制御信号ＧＣに応答してスイッチング素子１２，１４のオンオフを制御する。または、駆動回路４２は、制御信号ＧＢに応答して、スイッチング素子１２，１４をオフ状態に固定された状態とする。

スイッチ操作回路４４は、スイッチＳ７のオン（閉成）を操作するための回路である。スイッチ操作回路４４は、励磁コイル１８への通電を制御装置４からの指令に応じて制御する。通常動作時、励磁コイル１８への電流供給が停止されているため、スイッチＳ７はオフ（開放）状態とされる。一方、制御装置４は、複数の単位変換器５のうちのいずれかの単位変換器５において、スイッチング素子の短絡故障等の異常を検知した場合には、この故障した単位変換器５に向けてスイッチＳ７のオン指令Ｓｏｎを出力する。故障した単位変換器５では、Ｉ／Ｆ回路４８がオン指令Ｓｏｎを受信してスイッチ操作回路４４へ出力する。オン指令Ｓｏｎに応じてスイッチ操作回路４４が励磁コイル１８に電流を供給することにより、スイッチＳ７がオンされる。これにより、故障した単位変換器５の出力が短絡される。

電圧センサ４６は、コンデンサ１５の端子間の電圧ＶＤＣを検出し、検出値をＩ／Ｆ回路４８に出力する。Ｉ／Ｆ回路４８は、電圧ＶＤＣの検出値を制御装置４へ送信する。

抵抗Ｒ４は、コンデンサ１５の電圧ＶＤＣを降圧し、電源５０に入力する電圧をＶｉｎに調整するように構成される限流抵抗である。

電源５０は、コンデンサ１５に電気的に並列に接続される。電源５０は、入力端子５０ａ，５０ｂを含む。入力端子５０ａは直流ラインＰＬに接続される。入力端子５０ｂは直流ラインＮＬに接続される。電源５０は、電圧Ｖｉｎをさらに降圧して制御回路３２へ供給する電源電圧を生成する。すなわち、各単位変換器５は、主回路３０から制御回路３２に電力を供給することができる自給式のセルを形成する。

図３は、図２に示した電源５０の構成図である。図３を参照して、電源５０は、入力電圧監視回路６０、制御部５６、および複数の電源部６２〜７０を含む。

入力電圧監視回路６０は、入力端子５０ａ，５０ｂから供給される電圧Ｖｉｎを検出し、検出値を制御部５６に出力する。

制御部５６は、該電圧Ｖｉｎの検出値に基づいて、複数の電源部６４〜７０に起動または停止の指令を出力する。

複数の電源部６２〜７０は、電圧Ｖｉｎを降圧し、制御回路３２の各部に供給する電源電圧を生成する降圧回路である。具体的には、第１電源部６２は、電圧Ｖｉｎを制御部５６の電源電圧に変換する。第２電源部６４は、電圧Ｖｉｎを駆動回路４０，４２の電源電圧に変換する。第３電源部６６は、電圧Ｖｉｎをスイッチ操作回路４４の電源電圧に変換する。第４電源部６８は、電圧Ｖｉｎを電圧センサ４６の電源電圧に変換する。第５電源部７０は、電圧ＶｉｎをＩ／Ｆ回路４８の電源電圧に変換する。

本実施の形態では、電圧センサ４６およびＩ／Ｆ回路４８の電源電圧は、駆動回路４０，４２およびスイッチ操作回路４４の電源電圧より低い。第１〜第５電源部６２〜７０の電源電圧は、たとえば、それぞれ５Ｖ、２４Ｖ、１００Ｖ、１５Ｖ、５Ｖである。

電力変換装置１００の起動時には、まず電力系統１からの電力供給により、コンデンサ１５が初期充電される。図４は、正常な電力変換装置１００における初期充電の態様を示す図である。

図４を参照して、正常な電力変換装置１００の起動時には、スイッチＳ７が開放しており、かつ、スイッチング素子１１〜１４がオフ状態であるので、図中に矢印で示されるように、第１端子５ａ〜ダイオードＤ１〜コンデンサ１５〜ダイオードＤ４〜第２端子５ｂを通って電流が流れる経路が形成される。この電流経路を経由してコンデンサ１５に電荷が蓄積されることによって、コンデンサ１５の電圧ＶＤＣが増加する。該電流は、次に隣接する単位変換器５にその第１端子５ａから流入し、同様にコンデンサの充電を行なう。このようにして、アームＡ１〜Ａ３上の全ての単位変換器５のコンデンサ１５が充電される。

アームＡ１〜３各々の各単位変換器５は直列に接続されているので、各単位変換器５のコンデンサ１５の電圧ＶＤＣは、該アームＡ１〜Ａ３の各々に印加される電圧（相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ）を該アームＡ１〜Ａ３の各々に含まれる単位変換器５の数で割った値までそれぞれ増加する。

このようにコンデンサ１５の初期充電が終了すると、電力変換装置１００は通常動作を開始する。以下に電力変換装置１００の通常動作の概要を説明する。

制御装置４は、変流器Ｃ１〜Ｃ３からの交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕに基づいて、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬに流れる交流電流に応じたレベルの三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを求める。ただし、Ｉｕ＝Ｉｕｖ−Ｉｗｕ、Ｉｖ＝Ｉｖｗ−Ｉｕｖ、Ｉｗ＝Ｉｗｕ−Ｉｖｗである。

制御装置４は、変圧器３からの三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと演算器３１からの三相交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとに基づいて無効電力Ｑを求める。制御装置４は、無効電力指令値Ｑｒと無効電力Ｑとの偏差ΔＱ＝Ｑｒ−Ｑを求める。

制御装置４は、変流器Ｃ１〜Ｃ３からの交流電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕ、変圧器３からの三相交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗなどに基づいて、それぞれ複数個の単位変換器５に対応する６０個の電圧指令値ＶＤＣｒを生成する。

制御装置４は、電圧指令値ＶＤＣｒと電圧ＶＤＣとの偏差ΔＶＤＣを求める。制御装置４は、電圧偏差ΔＶＤＣの積分値が０になり、かつ無効電力偏差ΔＱの積分値が０になるように、三相交流電圧指令値Ｖｕｖｒ２，Ｖｖｗｒ２，Ｖｗｕｒ２を生成する。

換言すると、制御装置４は、電圧偏差ΔＶＤＣの積分値が０になるように各単位変換器５の有効電流制御を行なうとともに、無効電力偏差ΔＱの積分値が０になるように各単位変換器５の無効電流制御を行なう。三相交流電圧指令値Ｖｕｖｒ２，Ｖｖｗｒ２，Ｖｗｕｒ２は、三相交流電圧指令値Ｖｕｖｒ，Ｖｖｗｒ，Ｖｗｕｒとなる。

三相交流電圧指令値Ｖｕｖｒ，Ｖｖｗｒ，Ｖｗｕｒを基に、アームＡ１〜Ａ３の各単位変換器５が運転され、電圧ＶＤＣが電圧指令値ＶＤＣｒにされるとともに、無効電力Ｑが無効電力指令値Ｑｒにされる。具体的には、制御装置４は、たとえばＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御に従って、電力変換装置１００が三相交流電圧指令値Ｖｕｖｒ，Ｖｖｗｒ，Ｖｗｕｒに相当する電圧を出力するための、制御信号ＧＣ，ＧＢを生成する。制御装置４は、制御信号ＧＣ，ＧＢをアームＡ１〜Ａ３の各単位変換器５の制御回路３２に出力する。各制御回路３２が、制御信号ＧＣ，ＧＢに従って、スイッチング素子１１〜１４を所定のタイミングでオンし、直流電圧が交流電圧に変換される。

以上のようにして、電力変換装置１００は、コンデンサ１５の初期充電後に、無効電力を補償する通常動作を行う。

このような構成の電力変換装置１００の起動時において、いずれかの単位変換器５のスイッチＳ７が不正に閉成している場合、該単位変換器５のコンデンサ１５は充電されず、その結果、該単位変換器５に直列接続される健全な単位変換器５のコンデンサ１５が過剰に充電される過充電を起こす可能性がある。

図５は、スイッチＳ７が不正に閉成した単位変換器５を含む電力変換装置１００においての初期充電の態様を示す図である。図５の左に示した単位変換器５は、スイッチＳ７が不正に閉成し、第１端子５ａおよび第２端子５ｂが電気的に短絡された状態である異常な単位変換器である。このような異常な単位変換器５では、図中に矢印で示したように、コンデンサ１５に電流が流れないため、コンデンサ１５に電荷が蓄積されない。

このような場合、図５の右に示したような健全な単位変換器５のコンデンサ１５の電圧ＶＤＣは、アームＡ１〜Ａ３各々に印加される電圧（相間電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ）を該アームＡ１〜Ａ３各々に含まれる健全な単位変換器５の数で割った値まで増加する。すなわち、異常な単位変換器５の数が増えるに従って、健全な単位変換器５における電圧ＶＤＣが大きくなる。この結果、健全な単位変換器５のコンデンサ１５は過充電状態となる可能性がある。

たとえば、アームＡ１〜Ａ３のいずれかにおいて、上記異常な単位変換器５が半数ある場合においては、該アームＡ１〜Ａ３のいずれかの健全な単位変換器のコンデンサ１５の電圧ＶＤＣは、正常時の２倍近くに増加する。この場合、該コンデンサ１５が損傷するおそれがある。さらに、該過充電された単位変換器において、電源５０および制御回路３２に耐圧を超える過電圧が印加されてこれらの回路部品が損傷してしまうおそれがある。

このような初期充電中のコンデンサ１５の過充電による回路部品の損傷を抑制するために、コンデンサ１５の電圧ＶＤＣを監視し、電圧ＶＤＣが所定の閾値以上となれば、電力系統１から電力変換装置１００を切り離し、初期充電を強制的に停止する構成が考えられる。

図６は、コンデンサの電圧に基づく電力変換装置１００の停止制御を説明するための図である。図６を参照して、制御装置４は、複数の比較器ＣＰ１と、論理和回路ＯＲ１とを含む。複数の比較器ＣＰ１は、電力変換装置１００に含まれる複数の単位変換器５の電圧センサ４６にそれぞれ対応付けられている。

各比較器ＣＰ１の非反転入力端子（＋端子）には、対応する単位変換器５の電圧センサ４６による電圧ＶＤＣの検出値が入力される。各比較器ＣＰ１の反転入力端子（−端子）には、閾値電圧ＤＣＯＶ１が入力される。閾値電圧ＤＣＯＶ１は、コンデンサ１５の定格電圧より大きく、かつ、コンデンサ１５の許容電圧より小さい値に設定される。比較器ＣＰ１は、電圧ＶＤＣの検出値と閾値電圧ＤＣＯＶ１とを比較し、比較結果を出力する。電圧ＶＤＣの検出値が閾値電圧ＤＣＯＶ１を超えているとき、比較器ＣＰ１の出力信号はＨ（論理ハイ）レベルとなる。一方、電圧ＶＤＣの検出値が閾値電圧ＤＣＯＶ１以下となるとき、比較器ＣＰ１の出力信号はＬ（論理ロー）レベルとなる。

論理和回路ＯＲ１は、複数の比較器ＣＰ１の出力信号を受け、これら出力信号の論理和を出力する。制御装置４は、該論理和に基づいて、電力系統１と変圧器２との間に接続されるスイッチＳ１〜Ｓ３を制御する。少なくとも１つの比較器ＣＰ１の出力信号がＨレベルのとき、すなわち、少なくとも１つの単位変換器５において電圧ＶＤＣの検出値が閾値電圧ＤＣＯＶ１を超えるとき、スイッチＳ１〜Ｓ３はオフされ、電力変換装置１００の初期充電が停止される。一方、複数の比較器ＣＰ１の出力信号がすべてＬレベルのとき、すなわち、全ての単位変換器５において電圧ＶＤＣの検出値が閾値電圧ＤＣＯＶ１以下となるとき、スイッチＳ１〜Ｓ３はオンされたまま、電力変換装置１００は初期充電を継続する。

このような制御装置４によるコンデンサ１５の電圧ＶＤＣに基づく初期充電の停止制御のためには、コンデンサ１５の電圧ＶＤＣを検出する電圧センサ４６の起動、および、電圧ＶＤＣの検出値を制御装置４に出力するためのＩ／Ｆ回路４８の起動が必要である。電圧センサ４６およびＩ／Ｆ回路４８を含む制御回路３２の各部の起動／停止は、対応する電源５０の電源部の起動／停止により制御される。図７は、比較例に従う初期充電時における電源の起動に関する制御処理を示すフローチャートである。図７に示される制御処理は、主に電源５０の制御部５６により実行される。

図７を参照して、ステップＳ２１において、電力変換装置１００の起動時には、制御装置４によりスイッチＳ１〜Ｓ３がオンされ、これにより各単位変換器５のコンデンサ１５の充電が開始する。コンデンサ１５の電圧ＶＤＣは降圧され、電源５０に電圧Ｖｉｎが入力される。電圧Ｖｉｎが所定の電圧を超えると、電源５０の第１電源部６２が起動される。

ステップＳ２２において、第１電源部６２は、制御部５６に電源電圧を供給し、起動させる。

続いて、ステップＳ２３において、入力電圧監視回路６０による電圧Ｖｉｎの検出値が所定の電圧Ｖｔ２以上になると（ステップＳ２３にてＹＥＳ）、ステップＳ２４において、制御部５６は第２〜第５電源部６４，６６，６８，７０を起動させる。ステップＳ２３において、電圧Ｖｉｎの検出値が電圧Ｖｔ２未満であれば、処理はステップＳ２３に留まる。電圧Ｖｔ２は、電圧Ｖｉｎが全ての電源部６２，６４，６６，６８，７０を起動させるのに必要な電圧に達したことを判定するための判定値である。

ステップＳ２５において、電源５０の各電源部６４，６６，６８，７０はそれぞれ駆動回路４０，４２、スイッチ操作回路４４、電圧センサ４６、Ｉ／Ｆ回路４８に電源電圧を供給し、起動させる。

ステップＳ２６において、電圧センサ４６は起動後、電圧ＶＤＣの検出を開始する。電圧センサ４６は、電圧ＶＤＣの検出値をＩ／Ｆ回路４８へ出力する。Ｉ／Ｆ回路４８は起動後、該検出値の制御装置４への出力を開始する。そして、制御装置４は、図６に示した、該電圧ＶＤＣの検出値に基づく停止制御を開始する。すなわち、少なくとも１つの単位変換器５において電圧ＶＤＣの検出値が閾値電圧ＤＣＯＶ１を超えるとき、少なくとも１つの比較器ＣＰ１の出力信号がＨレベルになる。このとき、スイッチＳ１〜Ｓ３はオフされ、電力変換装置１００の初期充電が停止される。

このように比較例では、駆動回路４０，４２、スイッチ操作回路４４、電圧センサ４６およびＩ／Ｆ回路４８に電源電圧をそれぞれ供給する４つの電源部が全て同時に起動される。よって、駆動回路４０，４２、スイッチ操作回路４４、電圧センサ４６およびＩ／Ｆ回路４８が全て起動した後に、電圧ＶＤＣの検出値の制御装置４への出力が開始される。そして、制御装置４において、電圧ＶＤＣの検出値と閾値電圧ＤＣＯＶ１とが比較されることで、コンデンサ１５が過充電を起こしていないか判断される。このように、制御回路３２の全ての部が起動するのを待ってから過充電の判断が開始されるため、バイパススイッチの不正状態などによる該過充電の検知に時間を要してしまい、被害が拡大するおそれがあった。

本発明の実施の形態においては、制御装置４に電圧ＶＤＣの検出値を出力するのに必要な部である電圧センサ４６およびＩ／Ｆ回路４８に電源電圧を供給する電源部を、他の電源部に優先して起動する。すなわち、追加部品を適用することなく、比較例に比べてより早く電圧ＶＤＣの検出値を制御装置４に出力することで、コンデンサ１５の過充電を短時間で検知することができる。これにより、異常の波及をより早く防止できるため、被害を最小限に抑制できる。

図８は、本発明の実施の形態に従う初期充電における電源の起動に関する制御処理を示すフローチャートである。図８に示される制御処理は、図７と同様に、主に電源５０の制御部５６により実行される。図７および図８を比較して、本発明の実施の形態に従う電力変換装置１００は、ステップＳ０３〜Ｓ０８の処理が、比較例に従う電力変換装置１００とは異なっている。以降は主にステップＳ０３〜Ｓ０８を説明する。

図８を参照して、ステップＳ２１〜Ｓ２２の処理は、図７のステップＳ０１〜Ｓ０２の処理と同様である。

続いて、ステップＳ０３において、入力電圧監視回路６０による電圧Ｖｉｎの検出値が所定の電圧Ｖｔ１以上になると（ステップＳ０３にてＹＥＳ）、ステップＳ０４において、制御部５６が電源５０の第４、第５電源部６８，７０を起動させる。ステップＳ０３において、電圧Ｖｉｎの検出値が電圧Ｖｔ１未満であれば、処理はステップＳ０３に留まる。電圧Ｖｔ１は、電圧Ｖｉｎが第１、第４、第５電源部６２，６８，７０を起動させるのに必要な電圧に達したことを判定するための判定値である。

ステップＳ０５において、第４、第５電源部６８，７０はそれぞれ電圧センサ４６、Ｉ／Ｆ回路４８に電源電圧を供給し、起動させる。

ステップＳ０６において、電圧センサ４６は電圧ＶＤＣの検出を開始し、電圧ＶＤＣの検出値をＩ／Ｆ回路４８へ出力する。Ｉ／Ｆ回路４８は該検出値の制御装置４への出力を開始する。そして、制御装置４は、図６に示した、各単位変換器５のＩ／Ｆ回路４８から入力された電圧ＶＤＣの検出値に基づく停止制御を開始する。すなわち、少なくとも１つの単位変換器５において電圧ＶＤＣの検出値が閾値電圧ＤＣＯＶ１を超えるとき、少なくとも１つの比較器ＣＰ１の出力信号がＨレベルになる。このとき、スイッチＳ１〜Ｓ３はオフされ、電力変換装置１００の初期充電が停止される。

ステップＳ０７において、電圧Ｖｉｎの検出値が所定の電圧Ｖｔ２以上になると（ステップＳ０７にてＹＥＳ）、ステップＳ０８において、第２、第３電源部６４，６６が起動される。ステップＳ０７において、電圧Ｖｉｎの検出値が電圧Ｖｔ２未満であれば、処理はステップＳ０７に留まる。

ステップＳ０９において、第２、第３電源部６４，６６はそれぞれ駆動回路４０，４２、スイッチ操作回路４４に電源電圧を供給し、起動させる。

このように構成すると、電力変換装置１００の初期充電時において、電圧Ｖｉｎが電圧Ｖｔ２に達するのを待つことなく、より低い電圧Ｖｔ１に達した段階で、コンデンサ１５が過充電を起こしていないか判断することができる。

すなわち、本発明の実施の形態に従う電力変換装置１００によれば、コンデンサに制御回路内の全ての部を起動できる電力が蓄えられるのを待つことなく、コンデンサの電圧の監視に必要な回路（電圧センサおよびＩ／Ｆ回路）を起動できる電力が蓄えられた段階で、該必要な部を起動することにより、速やかにコンデンサの電圧の過充電を検出することができる。よって、複数の単位変換器を直列接続して構成された電力変換装置１００において、その起動時に各単位変換器の過充電による損傷を抑制することができる。

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 電力系統、１ｕ，１ｖ，１ｗ 送電線、２，３ 変圧器、４ 制御装置、５ 単位変換器、５ａ 第１端子、５ｂ 第２端子、１１〜１４ スイッチング素子、１５ コンデンサ、１８ 励磁コイル、３０ 主回路、３２ 制御回路、４０，４２ 駆動回路、４４ スイッチ操作回路、４６ 電圧センサ、４８ Ｉ／Ｆ回路、５０ 電源、５０ａ，５０ｂ 入力端子、５６ 制御部、６０ 入力電圧監視回路、６２，６４，６６，６８，７０ 第１〜第５電源部、Ａ，Ａ１〜Ａ３ アーム、Ｃ１〜Ｃ３ 変流器、ＣＰ１ 比較器、Ｄ１〜Ｄ４ ダイオード、Ｌ１〜Ｌ３ リアクトル、ＮＬ，ＰＬ 直流ライン、ＯＲ１ 論理和回路、Ｒ１〜Ｒ３ 限流抵抗器、Ｒ４ 抵抗、Ｓ１〜Ｓ７ スイッチ、ＵＬ，ＶＬ，ＷＬ 交流ライン。

Claims (3)

1. 交流電源とスイッチを介して電気的に接続された電力変換器と、
   前記電力変換器を制御する制御装置とを備え、
   前記電力変換器は、複数の単位変換器を直列接続して構成されたアームを含み、
   前記複数の単位変換器の各々は、
   複数のスイッチング素子およびコンデンサを含み、前記複数のスイッチング素子を制御することにより前記コンデンサの電圧を交流電圧に変換する主回路と、
   前記制御装置から受信した制御信号に従って前記複数のスイッチング素子を制御するように構成された制御回路と、
   前記コンデンサの電圧を降圧して前記制御回路へ供給する電源電圧を生成する電源とを含み、
   前記主回路は、その一対の出力端子の間に接続されるバイパススイッチをさらに含み、
   前記バイパススイッチはオンされると、前記一対の出力端子間を短絡するように構成され、
   前記制御回路は、
   前記複数のスイッチング素子を駆動する駆動回路と、
   前記コンデンサの電圧を検出する電圧センサと、
   前記電圧センサの検出値を前記制御装置に出力するためのインターフェイス回路とを含み、
   前記スイッチは、前記電力変換器を起動するときにオンされ、
   前記複数の単位変換器の各々は、前記電力変換器を起動するときに、前記バイパススイッチがオフされている場合、前記交流電源から供給される電力により、前記コンデンサを充電し、
   前記電源は、前記電力変換器を起動するときに、前記電圧センサおよび前記インターフェイス回路に前記駆動回路より先に電源電圧を供給するように構成され、
   前記制御装置は、前記複数の単位変換器のうちの少なくとも１つの前記電圧センサの検出値が所定の値以上であるとき、前記スイッチをオフするように構成される、電力変換装置。
2. 前記電源は、前記コンデンサから供給される電力に基づく電圧が、前記電圧センサおよび前記インターフェイス回路を起動させるのに必要な電圧に達したとき、前記駆動回路も起動させるのに必要な電圧に達するのを待つことなく、前記電圧センサおよび前記インターフェイス回路に電源電圧を供給するように構成される、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電源は、複数の電源電圧を生成するように構成され、
   前記電圧センサに供給される第１の電源電圧および前記インターフェイス回路に供給される第２の電源電圧は、前記駆動回路に供給される第３の電源電圧より低く、
   前記電源は、前記コンデンサから供給される電力に基づく電圧が、前記電源が前記第１および第２の電源電圧の生成に必要な電圧に達したとき、前記第３の電源電圧の生成に必要な電圧に達するのを待つことなく、前記第１および第２の電源電圧を生成するように構成される、請求項２に記載の電力変換装置。

Images