JP6805613B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

この発明は、電力変換装置に関し、特に、各相毎に直列に複数接続されているセル部を備える電力変換装置に関する。

従来、各相毎に直列に複数接続されているセル部を備える電力変換装置が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１に記載の電力変換装置は、複数の単位電力変換器を備えている。複数の単位電力変換器は、各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）毎に、互いに直列に複数接続（以下、単位電力変換器群という）されている。また、単位電力変換器の一方端（出力端子部）は、負荷に接続されているとともに、他方端は、中性点に接続されている。また、単位電力変換器が故障した場合には、故障した単位電力変換器の一方端および他方端が短絡されることにより、故障した単位電力変換器がバイパスされるように構成されている。

また、上記特許文献１に記載の電力変換装置は、予備の単位電力変換器を備えている。そして、単位電力変換器が故障した場合には、故障した単位電力変換器が、予備の単位電力変換器に切り替えられる。すなわち、故障した単位電力変換器（たとえば、Ｕ相の単位電力変換器とする）の一方端および他方端が短絡される（バイパスされる）ことにより、Ｕ相の単位電力変換器群から、故障した単位電力変換器が切り離される。そして、Ｕ相の単位電力変換器群に、予備の単位電力変換器が直列に接続される。これにより、Ｕ相の単位電力変換器群に含まれる単位電力変換器の数と、Ｖ相およびＷ相の単位電力変換器群に各々含まれる単位電力変換器の数とが互いに同じになる。その結果、各相の単位電力変換器群から出力される電力（電圧）を略同じにすることができるので、電力変換装置を継続して運転することが可能になる。

特開２０１２−１４７６１３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の電力変換装置では、単位電力変換器（セル部）が故障した場合において電力変換装置の運転を継続するために、予備の単位電力変換器が設けられているので、その分、電力変換装置の構成が複雑になるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、セル部が故障した場合でも、構成が複雑になるのを抑制しながら運転を継続することが可能な電力変換装置を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の一の局面による電力変換装置は、交流を直流に変換するとともに、複数の出力端子部を含むセル部を備え、セル部は、各相毎に直列に複数接続されており、各相毎に直列に接続されている複数のセル部のうちのいずれかが故障した場合、故障したセル部の複数の出力端子部が短絡されるとともに、セル部から出力される電力の電圧を調整することにより、各相毎に直列に接続されている複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されており、電力系統に接続されており、進み補償および遅れ補償の少なくとも一方を電力系統に対して行う場合、故障したセル部を含む相のセル部の出力電圧を、故障していない相のセル部の出力電圧に対して相対的に大きくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。

この発明の一の局面による電力変換装置では、上記のように、各相毎に直列に接続されている複数のセル部のうちのいずれかが故障した場合、故障したセル部の複数の出力端子部が短絡される。そして、セル部から出力される電力の電圧を調整することにより、各相毎に直列に接続されている複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。これにより、予備のセル部を別途設けることなく、複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されるので、構成が複雑になるのを抑制しながら電力変換装置の運転を継続することができる。

上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、電力変換装置は、連系リアクトルを介して電力系統に接続されており、電力系統に対して進み補償を行う場合、故障したセル部を含む相のセル部の出力電圧を、セル部の定格電圧と連系リアクトルとに基づいた第１の電圧にするとともに、故障していない相のセル部の出力電圧を第１の電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。このように構成すれば、故障したセル部を含む相のセル部の出力電圧が比較的大きい第１の電圧にされる。これにより、電力変換装置からの出力可能な電圧を比較的大きくすることができるので、比較的広い範囲で進み補償を行うことができる。なお、進み補償とは、電力変換装置の電圧が電力系統の電圧よりも大きくなり、電力系統側から電力変換装置に向かって９０度進みの電流が流れることにより、進み無効電力が消費されることを意味する。なお、無効電力とは、電源と負荷との間を往復する、負荷が消費しない電力を意味する。無効電力は、電圧の変動などの要因となる。すなわち、無効電力を調整（消費）することにより、電力系統の電圧を安定化することができる。

この場合、好ましくは、電力系統に対して遅れ補償を行う場合か、または、電力系統に対して補償を行わない場合、故障したセル部を含む相のセル部の出力電圧、および、故障していない相のセル部の出力電圧を第１の電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。このように構成すれば、故障したセル部を含む相のセル部の出力電圧、および、故障していない相のセル部の出力電圧が、比較的小さい、第１の電圧よりも小さい電圧にされる。これにより、容易に、遅れ補償を行うこと（または補償しないこと）ができる。なお、遅れ補償とは、電力変換装置の電圧が電力系統の電圧よりも小さくなり、電力系統側から電力変換装置に向かって９０度遅れの電流が流れることにより、遅れ無効電力が消費されることを意味する。

上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、各相毎に直列に接続されている複数のセル部のうちのいずれかが故障した場合、故障したセル部の複数の出力端子部が短絡されるとともに、故障していない相の直列に接続されている複数のセル部の複数の出力端子部は短絡させずに、各相毎に直列に接続されている複数のセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。このように構成すれば、故障していない相のセル部の複数の出力端子部は短絡（バイパス）されないので、電圧を出力可能なセル部の台数が少なくなるのを抑制することができる。これにより、電力変換装置の出力電圧が低下するのを抑制することができる。

上記一の局面による電力変換装置において、好ましくは、電力変換装置は、連系リアクトルを介して電力系統に接続されており、セル部の耐圧が、セル部の定格電圧と連系リアクトルとに基づいた第１の電圧よりも大きい場合、第１の電圧よりも大きい第２の電圧をセル部から出力するように構成されている。このように構成すれば、第１の電圧よりも大きい第２の電圧がセル部から出力されるので、電力変換装置の出力電圧を増加させることができる。その結果、電力変換装置を電力系統に対する進み補償に用いる場合に、補償可能な範囲を拡大することができる。

本発明によれば、上記のように、セル部が故障した場合でも、構成が複雑になるのを抑制しながら電力変換装置の運転を継続することができる。

本発明の第１および第２実施形態による電力変換装置の構成を示す図である。 通常時の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。 通常時の電力変換装置の仕様を説明するための図である。 電力変換装置の補償可能範囲を説明するための図である。 コンバータセル部が１台故障した場合における、進み補償（４５％）を行う場合の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。 コンバータセル部が１台故障した場合における、補償を行わない場合の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。 コンバータセル部が１台故障した場合における、遅れ補償（−１００％）を行う場合の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。 本発明の第２実施形態による電力変換装置の仕様を説明するための図である。 本発明の第２実施形態による電力変換装置の補償可能範囲を説明するための図である。 本発明の第１および第２実施形態の変形例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、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

［第１実施形態］
図１を参照して、第１実施形態による電力変換装置１００の構成について説明する。電力変換装置１００は、電力系統２００に接続されており、電力系統２００の無効電力を補償する無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ：Ｓｔａｔｉｃ Ｓｙｎｃｈｒｏｎｏｕｓ Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｏｒ）としての機能を有する。

（電力変換装置の構成）
電力変換装置１００は、交流を直流に変換するとともに、複数の出力端子部１４を含むコンバータセル部１０（単位コンバータセル部）を備えている。コンバータセル部１０は、各相（Ｕ相、Ｖ相、およびＶ相）毎に直列に複数接続されている。具体的には、各相（Ｕ相、Ｖ相、およびＶ相）毎に、２０台のコンバータセル部１０が直列に接続されている。なお、コンバータセル部１０は、特許請求の範囲の「セル部」の一例である。

また、各相（Ｕ相、Ｖ相、およびＶ相）毎に直列に複数接続されている２０台のコンバータセル部１０同士は、スター結線されている。すなわち、Ｕ相の２０台のコンバータセル部１０（Ｕ１〜Ｕ２０、以下、Ｕ相コンバータセル群２０という）、Ｖ相の２０台のコンバータセル部１０（Ｖ１〜Ｖ２０、以下、Ｖ相コンバータセル群３０という）と、Ｗ相の２０台のコンバータセル部１０（Ｗ１〜Ｗ２０、以下、Ｗ相コンバータセル群４０という）とは、中性点Ｎにおいて接続されている。なお、スター結線は、デルタ結線などに比べて比較的電流の流れが単純であるので、拡張性や冗長性に富んでいる。

また、電力変換装置１００は、連系リアクトル５０を備えている。そして、電力変換装置１００は、連系リアクトル５０を介して電力系統２００に接続されている。具体的には、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０、Ｗ相コンバータセル群４０が各々、連系リアクトル５０を介して電力系統２００に接続されている。

また、電力変換装置１００は、制御部６０を備えている。制御部６０は、電力変換装置１００の全体の動作を制御するように構成されている。

（コンバータセル部の構成）
図１に示すように、コンバータセル部１０は、直流コンデンサ１１を備えている。また、コンバータセル部１０は、互いに直列に接続された２つの半導体スイッチ１２を含む半導体スイッチ群１３を備えている。半導体スイッチ１２は、たとえば、ＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）から構成されている。また、１つのコンバータセル部１０に、２つの半導体スイッチ群１３が備えられている。直流コンデンサ１１と２つの半導体スイッチ群１３とは、互いに並列に接続されている。

また、コンバータセル部１０は、２つの出力端子部１４を備えている。出力端子部１４は、互いに直列に接続された２つの半導体スイッチ１２のエミッタとコレクタとの間に接続されている。

また、コンバータセル部１０は、２つの出力端子部１４を短絡するための短絡スイッチ部１５を備えている。短絡スイッチ部１５がＯＮされることにより、２つの出力端子部１４が短絡される。すなわち、コンバータセル部１０がバイパスされる。また、短絡スイッチ部１５のＯＮ／ＯＦＦは、制御部６０により制御されている。また、制御部６０は、故障したコンバータセル部１０の２つの出力端子部１４を短絡させるように構成されている。

具体的には、制御部６０は、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれかが故障した場合、故障したコンバータセル部１０の複数の出力端子部１４を短絡させる。たとえば、Ｕ相コンバータセル群２０のうちの１つのコンバータセル部１０（たとえば、コンバータセル部Ｕ１）が故障した場合、故障したコンバータセル部Ｕ１の２つの出力端子部１４が短絡される。すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０において、コンバータセル部Ｕ１がバイパスされる。これにより、Ｕ相コンバータセル群２０では、故障したコンバータセル部Ｕ１を除く、互いに直列に接続される残りの１９台のコンバータセル部１０（Ｕ２〜Ｕ２０）によって、電力の出力が行われる。

（電力変換装置の動作）
次に、図２〜図８を参照して、電力変換装置１００の動作について説明する。なお、電力変換装置１００の動作は、制御部６０により制御されている。

〈通常時の動作〉
まず、図２〜図４を参照して、電力変換装置１００の通常時の動作について説明する。

図２に示すように、通常時（各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれもが故障していない場合）では、コンバータセル部１０の２つの出力端子部１４は、バイパスされない。すなわち、全てのコンバータセル部１０から電力が出力可能である。

図３に示すように、電力系統２００の系統電圧（相電圧）は、２０ｋＶであるとする。また、上記のように、各相毎に２０台のコンバータセル部１０が接続されている。また、１つのコンバータセル部１０の定格電圧は、１．０ｋＶであるとする。すなわち、各相毎の２０台のコンバータセル部１０から出力される合計の定格電圧（＝１．０ｋＶ×２０）は、電力系統２００の系統電圧（２０ｋＶ）に略等しくなる。

ここで、電力変換装置１００には、連系リアクトル５０が含まれている。したがって、２０台のコンバータセル部１０から電力系統２００に出力される電圧は、連系リアクトル５０が含まれている分だけ低下する。そこで、連系リアクトル５０のパーセントインピーダンスを１０％として、コンバータセル部１０は、１．１ｋＶ（＝１．０ｋＶ×１．１）の最大出力電圧が出力可能に構成されている。なお、最大出力電圧は、特許請求の範囲の「第１の電圧」の一例である。

すなわち、図４に示すように、各々２０台のコンバータセル部１０を含む、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０、および、Ｗ相コンバータセル群４０の各々から、２２．００ｋＶ（＝１．１ｋＶ×２０）の電圧（最大出力相電圧）が出力可能である。この場合、定格比率は、１１０．０％になる。なお、定格比率とは、２０台のコンバータセル部１０の各々の定格電圧の合計の定格電圧（２０ｋＶ＝１．０×２０）に対する最大出力相電圧の百分率である。つまり、最大出力相電圧を、定格電圧で除算した値に１００を掛けたもの（２２．００ｋＶ／２０ｋＶ×１００）である。

ここで、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０、および、Ｗ相コンバータセル群４０の各々からの出力電圧が２２ｋＶであり、電力系統２００の電圧（２０ｋＶ）よりも高い場合、１００％の進み補償が可能であるとする。すなわち、電力系統２００（電力系統２００の遅れ無効電力）に対して進み補償を行う場合には、電力変換装置１００が疑似的にコンデンサとして機能することになる。

また、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０、および、Ｗ相コンバータセル群４０の各々からの出力電圧が１８ｋＶ（＝２０ｋＶ×（１−０．１））であり、電力系統２００の電圧（２０ｋＶ）よりも低い場合、−１００％の遅れ補償が可能であるとする。すなわち、電力系統２００（電力系統２００の進み無効電力）に対して遅れ補償を行う場合には、電力変換装置１００が疑似的にリアクトルとして機能することになる。

そして、制御部６０は、電力系統２００の電圧を監視することにより、電力系統２００の電圧の変動に対して、進み補償または遅れ補償を行うことにより、電力系統２００の電圧の変動を小さくする。

〈故障時の動作（４５％の進み補償）〉
次に、図５を参照して、故障時の動作（進み補償の場合）について説明する。具体的には、１台のコンバータセル部１０が故障した場合において進み補償できる範囲のうち、最大の４５％の進み補償を行う場合について説明する。

図５に示すように、Ｕ相コンバータセル群２０のうちのコンバータセル部Ｕ１が故障したとする。この場合、故障したコンバータセル部Ｕ１の２つの出力端子部１４が短絡される。すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０において、コンバータセル部Ｕ１がバイパスされた状態となる。

ここで、第１実施形態では、コンバータセル部１０から出力される電力の電圧を調整することにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が、互いに略同じになるように調整される。すなわち、コンバータセル部Ｕ１がバイパスされた状態のＵ相コンバータセル群２０から出力される電圧と、Ｖ相コンバータセル群３０から出力される電圧と、Ｗ相コンバータセル群４０から出力される電圧とが略同じになるように調整される。具体的には、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれか（ここでは、コンバータセル部Ｕ１）が故障した場合、故障したコンバータセル部Ｕ１を含む相（ここでは、Ｕ相）のコンバータセル部１０の出力電圧が、故障していない相（ここでは、Ｖ相およびＷ相）のコンバータセル部１０の出力電圧に対して相対的に大きくされる。

詳細には、第１実施形態では、電力系統２００に対して進み補償を行う場合、故障したコンバータセル部Ｕ１を含む相（Ｕ相）のコンバータセル部１０の出力電圧を、コンバータセル部１０の定格電圧と連系リアクトル５０とに基づいた最大出力電圧にするとともに、故障していない相（Ｖ相およびＶ相）のコンバータセル部１０の出力電圧を最大出力電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。

すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０のうちの、バイパスされたコンバータセル部Ｕ１以外のコンバータセル部１０から各々出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）にされる。また、Ｖ相コンバータセル群３０のコンバータセル部１０の各々から出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さい１．０４５ｋＶに調整される。また、Ｗ相コンバータセル群４０のコンバータセル部１０の各々から出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さい１．０４５ｋＶに調整される。

その結果、バイパスされたコンバータセル部Ｕ１以外のＵ相のコンバータセル部１０から出力される合計の出力電圧は、２０．９０ｋＶ（＝１．１ｋＶ×１９）となる。また、Ｖ相コンバータセル群３０から出力される合計の出力電圧は、２０．９０ｋＶ（＝１．０４５ｋＶ×２０）となる。また、Ｗ相コンバータセル群４０から出力される合計の出力電圧は、２０．９０ｋＶ（＝１．０４５ｋＶ×２０）となる。このように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整される。

すなわち、第１実施形態では、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれかが故障した場合、故障したコンバータセル部Ｕ１の２つの出力端子部１４が短絡される一方、故障していない相（Ｖ相およびＷ相）の直列に接続されている複数のコンバータセル部１０の２つの出力端子部１４は短絡させずに、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。

ここで、図４に示すように、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される合計の出力電圧（最大出力相電圧）が、２０．９０ｋＶである場合、定格比率は、１０４．５％（＝２０．９０ｋＶ／２０ｋＶ×１００）になる。すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される出力電圧（２０．９０ｋＶ）が、電力系統２００の系統電圧（２０ｋＶ）よりも、０．９ｋＶ分大きくなり、進み補償を行っている状態となる。また、故障したコンバータセル部１０が無い場合（通常時）の最大の進み補償（２ｋＶ＝２２．００−２０）に対して、４５％（＝０．９ｋＶ／２ｋＶ×１００）の進み補償を行っている状態となる。

なお、上記の説明では、進み補償できる範囲のうち、最大の４５％の進み補償を行う場合について説明した。進み補償を４５％よりも小さくする場合には、補償する無効電力の大きさに合わせて、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される電圧が調整される。

〈故障時の動作（補償なし）〉
次に、図６を参照して、故障時の動作（補償なし）について説明する。

第１実施形態では、電力系統２００に対して補償を行わない場合、故障したコンバータセル部１０を含む相（ここでは、Ｕ相）のコンバータセル部１０の出力電圧、および、故障していない相（ここでは、Ｖ相およびＷ相）のコンバータセル部１０の出力電圧を最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。

具体的には、故障したコンバータセル部Ｕ１の２つの出力端子部１４が短絡される。すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０において、コンバータセル部Ｕ１がバイパスされた状態となる。また、Ｕ相コンバータセル群２０のうちのコンバータセル部Ｕ１以外のコンバータセル部１０から出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さい２０／１９ｋＶにされる。

また、故障していない相（ここでは、Ｖ相およびＷ相）のＶ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々のコンバータセル部１０から出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さい１．０ｋＶにされる。これにより、Ｕ相コンバータセル群２０から出力される合計の出力電圧は、２０ｋＶ（＝２０／１９ｋＶ×１９）となる。また、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される合計の出力電圧は、２０ｋＶ（＝１．０ｋＶ×２０）となる。このように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整される。また、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される出力電圧（２０ｋＶ）が、電力系統２００の系統電圧（２０ｋＶ）に等しくなり、補償を行っていない状態となる。

〈故障時の動作（−１００％の遅れ補償）〉
次に、図７を参照して、故障時の動作（遅れ補償の場合）について説明する。具体的には、遅れ補償できる範囲のうち、最大の−１００％の遅れ補償を行う場合について説明する。

第１実施形態では、電力系統２００に対して遅れ補償を行う場合、故障したコンバータセル部１０を含む相（ここでは、Ｕ相）のコンバータセル部１０の出力電圧、および、故障していない相（ここでは、Ｖ相およびＷ相）のコンバータセル部１０の出力電圧を最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。

具体的には、故障したコンバータセル部Ｕ１の２つの出力端子部１４が短絡される。すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０において、コンバータセル部Ｕ１がバイパスされた状態となる。また、Ｕ相コンバータセル群２０のうちのコンバータセル部Ｕ１以外のコンバータセル部１０から出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さい１８／１９ｋＶにされる。

また、故障していない相（ここでは、Ｖ相およびＷ相）のＶ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々のコンバータセル部１０から出力される出力電圧が、最大出力電圧（１．１ｋＶ）よりも小さい０．９ｋＶにされる。これにより、Ｕ相コンバータセル群２０から出力される合計の出力電圧は、１８ｋＶ（＝１８／１９ｋＶ×１９）となる。また、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される合計の出力電圧は、１８ｋＶ（＝０．９ｋＶ×２０）となる。このように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整される。すなわち、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される出力電圧（１８ｋＶ）が、電力系統２００の系統電圧（２０ｋＶ）よりも小さくなり、−１００％の遅れ補償を行っている状態となる。

なお、上記の説明では、遅れ補償できる範囲のうち、最大の−１００％の遅れ補償を行う場合について説明した。遅れ補償を−１００％よりも小さくする（正側に近づける）場合には、補償する無効電力の大きさに合わせて、Ｕ相コンバータセル群２０、Ｖ相コンバータセル群３０およびＷ相コンバータセル群４０の各々から出力される電圧が調整される。

また、図４に示すように、コンバータセル部１０が２台故障した場合（１相当たりのコンバータセル部１０の台数が１８台の場合）、最大出力相電圧は、１９．８０ｋＶになり、定格比率は、９９．０％となる。この場合、補償可能な範囲は、−１０％〜―１００％である。また、コンバータセル部１０が３台故障した場合（１相当たりのコンバータセル部１０の台数が１７台の場合）、最大出力相電圧は、１８．７０ｋＶになり、定格比率は、９３．５％となる。この場合、補償可能な範囲は、−６５％〜―１００％である。また、コンバータセル部１０が４台故障した場合（１相当たりのコンバータセル部１０の台数が１６台の場合）、最大出力相電圧は、１７．６ｋＶになり、定格比率は、８８．５％となる。この場合、−１００％の遅れ補償を行う際の電力変換装置１００の出力電圧（１８ｋＶ）よりも最大出力相電圧が小さくなり、電力変換装置１００を、電力系統２００に連系させることはできない。

（第１実施形態の効果）
第１実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第１実施形態では、上記のように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれかが故障した場合、故障したコンバータセル部１０の複数の出力端子部１４が短絡される。そして、コンバータセル部１０から出力される電力の電圧を調整することにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。これにより、予備のコンバータセル部１０を別途設けることなく、複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されるので、構成が複雑になるのを抑制しながら電力変換装置１００の運転を継続することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれかが故障した場合、故障したコンバータセル部１０の複数の出力端子部１４が短絡されるとともに、故障したコンバータセル部１０を含む相のコンバータセル部１０の出力電圧を、故障していない相のコンバータセル部１０の出力電圧に対して相対的に大きくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。ここで、コンバータセル部１０が故障した場合には、故障したコンバータセル部１０を含む相において、電圧を出力可能なコンバータセル部１０（故障していないコンバータセル部１０）の台数が少なくなる。そこで、故障したコンバータセル部１０を含む相のコンバータセル部１０の出力電圧を、故障していない相のコンバータセル部１０の出力電圧に対して相対的に大きくすることによって、容易に、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧を、互いに略同じに調整することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、電力系統２００に対して進み補償を行う場合、故障したコンバータセル部１０を含む相のコンバータセル部１０の出力電圧を、コンバータセル部１０の定格電圧と連系リアクトル５０とに基づいた最大出力電圧にするとともに、故障していない相のコンバータセル部１０の出力電圧を最大出力電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。これにより、故障したコンバータセル部１０を含む相のコンバータセル部１０の出力電圧が比較的大きい最大出力電圧にされる。これにより、電力変換装置１００からの出力可能な電圧を比較的大きくすることができるので、比較的広い範囲で進み補償を行うことができる。なお、進み補償とは、電力変換装置１００の電圧が電力系統２００の電圧よりも大きくなり、電力系統２００側から電力変換装置１００に向かって９０度進みの電流が流れることにより、進み無効電力が消費されることを意味する。なお、無効電力とは、電源と負荷との間を往復する、負荷が消費しない電力を意味する。無効電力は、電圧の変動などの要因となる。すなわち、無効電力を調整（消費）することにより、電力系統２００の電圧を安定化することができる。

また、第１実施形態では、上記のように、電力系統２００に対して遅れ補償を行う場合か、または、電力系統２００に対して補償を行わない場合、故障したコンバータセル部１０を含む相のコンバータセル部１０の出力電圧、および、故障していない相のコンバータセル部１０の出力電圧を最大出力電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。これにより、故障したコンバータセル部１０を含む相のコンバータセル部１０の出力電圧、および、故障していない相のコンバータセル部１０の出力電圧が、比較的小さい、最大出力電圧よりも小さい出力電圧にされる。これにより、容易に、遅れ補償を行うこと（または補償しないこと）ができる。なお、遅れ補償とは、電力変換装置１００の電圧が電力系統２００の電圧よりも小さくなり、電力系統２００側から電力変換装置１００に向かって９０度遅れの電流が流れることにより、遅れ無効電力が消費されることを意味する。

また、第１実施形態では、上記のように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０のうちのいずれかが故障した場合、故障したコンバータセル部１０の複数の出力端子部１４が短絡されるとともに、故障していない相の直列に接続されている複数のコンバータセル部１０の複数の出力端子部１４は短絡させずに、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１０から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている。これにより、故障していない相のコンバータセル部１０の複数の出力端子部１４は短絡（バイパス）されないので、電圧を出力可能なコンバータセル部１０の台数が少なくなるのを抑制することができる。これにより、電力変換装置１００の出力電圧が低下するのを抑制することができる。

［第２実施形態］
次に、図１、図８および図９を参照して、第２実施形態による電力変換装置１０１について説明する。第２実施形態による電力変換装置１０１では、コンバータセル部１１０の耐圧が、最大出力電圧よりも大きい。なお、第２実施形態による電力変換装置１０１（図１参照）の構成は、上記第１実施形態の構成と同様である。

図８に示すように、電力変換装置１０１では、コンバータセル部１１０の耐圧が、コンバータセル部１１０の定格電圧と連系リアクトル５０とに基づいた最大出力電圧よりも大きい場合、最大出力電圧よりも大きい最大出力可能電圧をコンバータセル部１１０から出力するように構成されている。具体的には、コンバータセル部１１０の定格電圧（１．０ｋＶ）と、パーセントインピーダンス１０％を有する連系リアクトル５０とに基づいた、コンバータセル部１１０の最大出力電圧は、１．１ｋＶ（＝１．０ｋＶ×１．１）である。なお、最大出力可能電圧は、特許請求の範囲の「第２の電圧」の一例である。また、コンバータセル部１１０は、特許請求の範囲の「セル部」の一例である。

ここで、コンバータセル部１１０から出力可能な電圧は、主に、直流コンデンサ１１（図１参照）、および、半導体スイッチ１２の耐圧で決まる。これにより、直流コンデンサ１１、および、半導体スイッチ１２の耐圧が比較的高い場合には、コンバータセル部１１０から出力可能な電圧も高くなる。たとえば、最大出力電圧（１．１ｋＶ）に対して、３％分、耐圧が高い場合、コンバータセル部１１０から出力可能な最大の電圧（最大出力可能電圧）は、１．１３３ｋＶ（＝１．１ｋＶ×１．１×１．０３）である。

これにより、図９に示すように、コンバータセル部１１０の故障がない場合には、最大出力相電圧は、２２．６６ｋＶになり、定格比率は、１１３．３％になる。また、補償可能な範囲は、１００％〜−１００％になる。また、コンバータセル部１１０が１台故障した場合には、最大出力相電圧は、２１．５３ｋＶ（＝１．１３３ｋＶ×１９）になり、定格比率は、１０７．６％になる。また、補償可能な範囲は、７６％〜−１００％になる。すなわち、第２実施形態では、上記第１実施形態（補償可能な範囲が、４５％〜−１００％）に比べて、補償可能な範囲が拡大される。

また、コンバータセル部１１０が２台または３台故障した場合にも同様に、補償可能な範囲が拡大される。

また、コンバータセル部１１０が４台故障した場合では、上記第１実施形態では、電力変換装置１００を電力系統２００に連系することができなかった一方、第２実施形態では、補償可能な範囲が−９４％〜−１００％となり、電力変換装置１０１を電力系統２００に連系することが可能になる。なお、コンバータセル部１１０が５台以上故障した場合では、電力変換装置１０１を電力系統２００に連系させることはできない。

（第２実施形態の効果）
第２実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

第２実施形態では、上記のように、コンバータセル部１１０の耐圧が、コンバータセル部１１０の定格電圧と連系リアクトル５０とに基づいた最大出力電圧よりも大きい場合、最大出力電圧よりも大きい最大出力可能電圧をコンバータセル部１１０から出力する。これにより、最大出力電圧よりも大きい最大出力可能電圧がコンバータセル部１１０から出力されるので、電力変換装置１０１の出力電圧を増加させることができる。その結果、電力変換装置１０１を電力系統２００に対する進み補償に用いる場合に、補償可能な範囲を拡大することができる。

なお、第２実施形態のその他の効果は、上記第１実施形態と同様である。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、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、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許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（変形例）が含まれる。

たとえば、上記第１および第２実施形態では、本発明の電力変換装置を無効電力変換装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）に適用する例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、本発明の電力変換装置を直流送電システム（ＨＶＤＣ：ｈｉｇｈ−ｖｏｌｔａｇｅ ｄｉｒｅｃｔ ｃｕｒｒｅｎｔ）などに適用してもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部（Ｕ相コンバータセル群、Ｖ相コンバータセル群、および、Ｗ相コンバータセル群）が、スター結線されている例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図１０に示す、変形例による電力変換装置１２０のように、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部１２１（Ｕ相コンバータセル群１２２ａ、Ｖ相コンバータセル群１２２ｂ、および、Ｗ相コンバータセル群１２２ｃ）をデルタ結線してもよい。これにより、デルタ結線内に循環電流が流れるので、この循環電流を制御することにより、逆相無効電力を調整することができる。なお、コンバータセル部１２１は、特許請求の範囲の「セル部」の一例である。

また、上記第１および第２実施形態では、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部のうちのいずれかが故障（たとえば、Ｕ相のコンバータセル部が故障）した場合、故障していない相（Ｖ相およびＷ相）の直列に接続されている複数のコンバータセル部の複数の出力端子部は短絡させない例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、Ｕ相の１つのコンバータセル部が故障した場合、故障したＵ相の１つのコンバータセル部の複数の出力端子部を短絡させるとともに、故障していないＶ相の１つのコンバータセル部および故障していないＷ相の１つのコンバータセル部の複数の出力端子部を短絡させてもよい。そして、全てのコンバータセル部から同じ電圧を出力させることにより、各相毎に直列に接続されている複数のコンバータセル部から出力される電力の電圧が互いに略同じにすることができる。

また、上記第１および第２実施形態では、各相毎に、２０台のコンバータセル部が直列に接続されている例について示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、各相毎に、２０台以外の数のコンバータセル部が直列に接続されていてもよい。

また、上記第１および第２実施形態では、連系リアクトルのパーセントインピーダンスが１０％である例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、連系リアクトルのパーセントインピーダンスは、１０％以外の値であってもよい。

また、上記第２実施形態では、コンバータセル部の耐圧が、コンバータセル部の最大出力電圧に対して３％分高い例について示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、コンバータセル部の耐圧が、コンバータセル部の最大出力電圧に対して３％以外の％分、高くてもよい。

１０、１１０、１２１ コンバータセル部（セル部）
１５ 出力端子部
５０ 連系リアクトル
１００、１０１、１２０ 電力変換装置
２００ 電力系統

Claims (5)

1. 交流を直流に変換するとともに、複数の出力端子部を含むセル部を備え、
   前記セル部は、各相毎に直列に複数接続されており、各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部のうちのいずれかが故障した場合、故障した前記セル部の前記複数の出力端子部が短絡されるとともに、前記セル部から出力される電力の電圧を調整することにより、各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されており、
   電力系統に接続されており、進み補償および遅れ補償の少なくとも一方を前記電力系統に対して行う場合、故障した前記セル部を含む相の前記セル部の出力電圧を、故障していない相の前記セル部の出力電圧に対して相対的に大きくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている、電力変換装置。
2. 前記電力変換装置は、連系リアクトルを介して前記電力系統に接続されており、
   前記電力系統に対して進み補償を行う場合、故障した前記セル部を含む相の前記セル部の出力電圧を、前記セル部の定格電圧と前記連系リアクトルとに基づいた第１の電圧にするとともに、故障していない相の前記セル部の出力電圧を前記第１の電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記電力系統に対して遅れ補償を行う場合か、または、前記電力系統に対して補償を行わない場合、故障した前記セル部を含む相の前記セル部の出力電圧、および、故障していない相の前記セル部の出力電圧を前記第１の電圧よりも小さくすることにより、各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部のうちのいずれかが故障した場合、故障した前記セル部の前記複数の出力端子部が短絡されるとともに、故障していない相の直列に接続されている複数の前記セル部の前記複数の出力端子部は短絡させずに、各相毎に直列に接続されている複数の前記セル部から出力される電力の電圧が互いに略同じになるように調整されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換装置は、連系リアクトルを介して前記電力系統に接続されており、
   前記セル部の耐圧が、前記セル部の定格電圧と前記連系リアクトルとに基づいた第１の電圧よりも大きい場合、前記第１の電圧よりも大きい第２の電圧を前記セル部から出力するように構成されている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

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