JP6886764B2

JP6886764B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6886764B2
Application number: JP2020510285A
Authority: JP
Inventors: 宏之浦部; 一浩臼木
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2018-03-28
Filing date: 2018-03-28
Publication date: 2021-06-16
Anticipated expiration: 2038-03-28
Also published as: WO2019186752A1; EP3780373A1; JPWO2019186752A1; EP3780373A4

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

ＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）の実用化が進められている。ＭＭＣでは、交流系統へ出力する交流電流のほかに、電力変換器内部を流れる循環電流を制御することが必要である。交流電流や循環電流は、各アームに流れるアーム電流を用いて計算される。そのため、電力変換器の各アームには、アーム電流を検出する電流検出器が設けられている。

各アームに設けられた電流検出器のいずれかに、過電流を検出できないような故障等の異常を生じた場合には、交流電流や循環電流が適切に制御されない。交流電流や循環電流が適切に制御されないことによって、単位変換器のコンデンサ電圧が異常な電圧となり、電力変換装置は、破損等するおそれもある。

特開２００１−１５７４６０号公報

本発明の実施形態は、アーム内の電流検出器に異常を生じた場合であっても安全に動作し得る電力変換装置を提供する。

本発明の実施形態によれば、電力変換器と、制御装置と、を備えた電力変換装置が提供される。前記電力変換器は、第１〜第５接続部を含む。前記第１接続部は、直流回路の高電位側に接続することができる。前記第２接続部は、前記直流回路の低電位側に接続することができる。前記第３〜第５接続部は、交流回路の第１相〜第３相にそれぞれ接続することができる。前記電力変換器は、第１〜第６アームを含む。前記第１〜第６アームは、カスケード接続された単位変換器をそれぞれ含む。前記第１アームは、前記第１接続部と前記第３接続部との間に接続されている。前記第２アームは、前記第３接続部と前記第２接続部との間に接続されている。前記第３アームは、前記第１接続部と前記第４接続部との間に接続されている。前記第４アームは、前記第４接続部と前記第２接続部との間に接続されている。前記第５アームは、前記第１接続部と前記第５接続部との間に接続されている。前記第６アームは、前記第５接続部と前記第２接続部との間に接続されている。前記電力変換器は、第１〜第６電流検出器を含む。前記第１〜第６電流検出器は、単一である。前記第１〜第６電流検出器は、前記第１〜第６アームにそれぞれ設けられている。前記第１〜第６電流検出器は、設けられたアームに流れる第１〜第６電流をそれぞれ検出する。前記制御装置は、前記第１〜第６電流にもとづいて、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があることを検出する異常検出部を含む。前記異常検出部は、前記第１〜第６電流にもとづいて、前記交流回路の各相に流れる交流電流の零相電流を演算し、前記零相電流が所定の第１判定値以上の場合に、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があると判定する。

本発明の実施形態によれば、電流検出器に異常を生じた場合であっても安全に動作し得る電力変換装置を提供することができる。

第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。電力変換器に流れる電流を説明するための模式図である。比較例の電力変換装置を例示するブロック図である。第２の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第３の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第４の実施形態に係る直流送電システムを例示するブロック図である。

以下に、本発明の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。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置４０と、を備える。電力変換装置１０は、接続部２１ａ，２１ｂを介して直流回路３に接続され得る。直流回路３は、たとえば直流電源や直流送電線等を含む。電力変換装置１０は、接続部２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ（２１ｃ〜２１ｅ）を介して交流回路１に接続され得る。この例のように、電力変換装置１０は、変圧器２を介して交流回路１に接続されてもよい。変圧器２は、たとえば受電変圧器である。交流回路１は、たとえば、交流電源、交流電力線、および交流負荷等を含むことができる。

接続部とは、電力変換器２０や単位変換器２４と外部の回路とを接続するための部材あるいは部分を指すものとする。すなわち、接続部は、これらを、ねじ止めや溶接、はんだ付け等によって電気的に接続する端子やブスバー等の配線を含むものとする。

電力変換装置１０は、交流回路１の交流電圧を直流電圧Ｖｄｃに変換して直流回路３に応じた直流電流Ｉｄｃを供給する。電力変換装置１０は、直流回路３の直流電圧Ｖｄｃを交流電圧に変換して交流回路１に供給する。電力変換装置１０は、交流から直流、あるいは直流から交流の一方向の電力変換に限らず、双方向の電力変換を行う。

電力変換器２０は、たとえばＭＭＣである。電力変換器２０は、アーム２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ（２２ａ〜２２ｆ）を含む。アーム２２ａ，２２ｂは、３巻線トランス２５ａの二次巻線および三次巻線を介して直列に接続されている。アーム２２ａは、接続部２１ａ，２１ｃ間に接続されており、アーム２２ｂは、接続部２１ｃ，２１ｂ間に接続されている。アーム２２ｃ，２２ｄは、３巻線トランス２５ｂの二次巻線および三次巻線を介して直列に接続されている。アーム２２ｃは、接続部２１ａ，２１ｄ間に接続されており、アーム２２ｄは、接続部２１ｄ，２１ｂ間に接続されている。アーム２２ｅ，２２ｆは、３巻線トランス２５ｃの二次巻線および三次巻線を介して直列に接続されている。アーム２２ｅは、接続部２１ａ，２１ｅ間に接続されており、アーム２２ｆは、接続部２１ｅ，２１ｂ間に接続されている。３巻線トランス２５ａ〜２５ｃの一次巻線は、接続部２１ａ〜２１ｃを介して交流回路１にそれぞれ接続され得る。

以下では、直流回路３の高電位側のアームを上側のアームといい、直流回路３の低電位側のアームを下側のアームということがある。

３巻線トランス２５ａ〜２５ｃの二次巻線および三次巻線は、減極性になるように互いに接続され同一の鉄心に巻かれている。二次巻線および三次巻線に流れる直流電流による直流起磁力は、互いに逆極性になる。そのため、上下のアーム間に流れる短絡電流を効果的に抑制することができる。３巻線トランス２５ａ〜２５ｃに代えて、バッファリアクトルを各アームに直列に接続してもよい。

アーム２２ａ，２２ｂと３巻線トランス２５ａとを含む直列回路、アーム２２ｃ，２２ｄと３巻線トランス２５ｂとを含む直列回路、およびアーム２２ｅ，２２ｆと３巻線トランス２５ｃとを含む直列回路は、並列に接続されている。この並列回路は、接続部２１ａ，２１ｂ間に接続されている。つまり、この並列回路は、直流回路３に並列に接続されている。

アーム２２ａは、電流検出器２３ａと、複数の単位変換器２４と、を含む。複数の単位変換器２４は、直列に接続されている。電流検出器２３ａは、単位変換器２４に流れる電流を検出するように設けられている。電流検出器２３ａは、たとえばホール素子を用いた電流検出器である。電流検出器２３ａは、ホール素子方式の電流検出器に限らず、変流器を用いたものであってもよい。他のアーム２２ｂ〜２２ｆについても同様に電流検出器２３ｂ〜２３ｆと複数の単位変換器２４とをそれぞれ含む。

電流検出器２３ａ〜２３ｆは、各アーム２２ａ〜２２ｆに流れるアーム電流Ｉｕｐ，Ｉｕｎ，Ｉｖｐ，Ｉｖｎ，Ｉｗｐ，Ｉｗｎ（Ｉｕｐ〜Ｉｗｎ）を検出して、そのデータを出力する。アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎのデータは、制御装置４０に入力される。

図２は、電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図２に示すように、単位変換器２４は、スイッチング素子２４Ｓ１，２４Ｓ２と、ダイオード２４Ｄ１，２４Ｄ２と、コンデンサ２４Ｃと、を含む。スイッチング素子２４Ｓ１，２４Ｓ２は、直列に接続されている。ダイオード２４Ｄ１，２４Ｄ２は、スイッチング素子２４Ｓ１，２４Ｓ２にそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ２４Ｃは、スイッチング素子２４Ｓ１，２４Ｓ２の直列回路に並列に接続されている。

単位変換器２４は、スイッチング素子２４Ｓ１，２４Ｓ２のオン、オフを制御することによって、コンデンサ２４Ｃを充放電させて、コンデンサ２４Ｃの両端の電圧を制御する。

単位変換器２４は、接続部２４Ｔ１，２４Ｔ２を含む。単位変換器２４は、接続部２４Ｔ１，２４Ｔ２を介して、他の単位変換器２４にカスケード接続される。

スイッチング素子２４Ｓ１，２４Ｓ２は、制御装置４０から入力されるゲート信号Ｖｇ１〜ＶｇＮによって駆動される。Ｎは、２×６×Ｍであり、Ｍはアーム内にカスケード接続された単位変換器２４の個数である。

単位変換器は、上述のようなハーフブリッジ構成に限らず、フルブリッジ構成であってもよい。

図１に戻って説明を続ける。
制御装置４０は、異常検出部４１と、ゲート信号生成部４２と、を含む。異常検出部４１には、電流検出器２３ａ〜２３ｆによって検出された各アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎのデータが入力される。異常検出部４１は、各アームの電流値Ｉｕｐ〜Ｉｗｎのデータにもとづいて、いずれかの電流検出器２３ａ〜２３ｆの異常を検出して、ゲートブロック信号ＧＢを生成する。異常検出部４１は、自らゲートブロック信号ＧＢを生成する場合に限らず、たとえば、故障検出時の機能設定を行う、図示しないゲートブロック信号生成回路にゲートブロック生成信号を入力して、ゲートブロック信号ＧＢを生成させるようにしてもよい。

ゲート信号生成部４２は、異常検出部４１からゲートブロック信号ＧＢの入力がされた場合に、すべてのゲート信号Ｖｇ１〜ＶｇＮをオフ状態に保持する。すべてのゲート信号Ｖｇ１〜ＶｇＮがオフ状態となることによって、単位変換器２４は動作を停止する。したがって、電力変換装置１０は、動作停止状態となる。

図３および図４は、電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図３に示すように、制御装置４０は、制御部４３と、アーム過電流判定部４４と、ＯＲ回路４５と、をさらに含む。

制御部４３は、各単位変換器２４のコンデンサ２４Ｃの両端の電圧（コンデンサ電圧、図示せず）および各アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎ等を入力して、すべての単位変換器２４のコンデンサ電圧の平均値が指令値に追従するように制御する。また、制御部４３は、コンデンサ電圧のバランス制御のための回路を含む。バランス制御回路は、各相のコンデンサ電圧の平均値をバランスさせ、上下のアーム間のコンデンサ電圧の平均値をバランスさせ、さらにアーム内のコンデンサ電圧をそれぞれバランスさせる。制御部４３は、アーム内のコンデンサ電圧をそれぞれバランスさせるための電圧指令値Ｖｃ１〜ＶｃＮを生成して、ゲート信号生成部４２に入力する。

アーム過電流判定部４４は、各アームの電流を入力する。アーム過電流判定部４４は、各アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎを、あらかじめ設定された過電流のためのしきい値と比較する。アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎの値がしきい値以上の場合には、アーム過電流判定部４４は、電流検出器に過電流が流れたと判定し、ゲートブロック信号ＧＢを生成する。

ＯＲ回路４５は、アーム過電流判定部４４および異常検出部４１のそれぞれの出力に接続されている。ＯＲ回路４５は、アーム過電流判定部４４および異常検出部４１のうち少なくとも一方がゲートブロック信号ＧＢを出力した場合には、そのゲートブロック信号ＧＢを、ＯＲ回路４６を介してゲート信号生成部４２に入力する。

異常検出部４１は、この例のように、故障箇所判定部４１ｓを含んでもよい。故障箇所判定部４１ｓは、異常検出部４１において、いずれかの電流検出器の異常が検出された場合に、各アーム電流から各相の直流成分または交流成分を抽出し、それぞれ判定することによって、どの電流検出器に異常が生じたかを特定する。制御装置４０において、故障箇所を迅速に特定することによって、故障から復旧する時間を短縮することが可能になり、電力変換器２０の保守性を向上させることができる。

図４に示すように、異常検出部４１は、演算部４１ａと、判定部４１ｂと、を含む。演算部４１ａは、各アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎのデータを入力して、交流電流Ｉｕ〜Ｉｗの零相電流Ｉ０のデータを演算する。この例では、演算部４１ａは、３つの加減算器４１ａ１〜４１ａ３と、２つの加算器４１ａ４，４１ａ５と、を含む。

Ｕ相の上側のアーム２２ａを流れるアーム電流Ｉｕｐは、電流検出器２３ａによって検出される。Ｕ相の下側のアーム２２ｂを流れるアーム電流Ｉｕｎは、電流検出器２３ｂによって検出される。加減算器４１ａ１によって、アーム電流Ｉｕｐ，Ｉｕｎの差が計算される。加減算器４１ａ１は、Ｕ相の交流電流Ｉｕのデータを出力する。

Ｖ相の上側のアーム２２ｃを流れるアーム電流Ｉｖｐは、電流検出器２３ｃによって検出される。Ｖ相の下側のアーム２２ｄを流れるアーム電流Ｉｖｎは、電流検出器２３ｄによって検出される。加減算器４１ａ２によって、アーム電流Ｉｖｐ，Ｉｖｎの差が計算される。加減算器４１ａ２は、Ｖ相の交流電流Ｉｖのデータを出力する。

Ｗ相の上側のアーム２２ｅを流れるアーム電流Ｉｗｐは、電流検出器２３ｅによって検出される。Ｗ相の下側のアーム２２ｆを流れるアーム電流Ｉｗｎは、電流検出器２３ｆによって検出される。加減算器４１ａ３によって、アーム電流Ｉｗｐ，Ｉｗｎの差が計算される。加減算器４１ａ３は、Ｗ相の交流電流Ｉｗのデータを出力する。

計算された各相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのデータは、加算器４１ａ４，４１ａ５によって加算されて、零相電流Ｉ０が計算される。

演算部４１ａによって生成された零相電流Ｉ０は、判定部４１ｂに入力される。判定部４１ｂには、零相電流Ｉ０に対する判定値Ｄ１があらかじめ設定されている。判定部４１ｂは、入力された零相電流Ｉ０が判定値Ｄ１以上の場合には、ゲートブロック信号ＧＢを出力する。判定部４１ｂは、入力された零相電流Ｉ０が判定値Ｄ１よりも小さい場合には、ゲートブロック信号ＧＢを出力しない状態とする。

本実施形態の電力変換装置１０が電力系統に連系される場合には、好ましくは、電力変換装置１０は、系統事故判定回路４７をさらに備える（図３）。この場合には、交流回路１は、電力系統であり、交流回路１の各相の電圧および電流は、系統電圧および系統電流である。

系統事故判定回路４７は、系統電圧の検出値Ｖｓｕ，Ｖｓｖ，Ｖｓｗおよび系統電流の検出値Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗを入力して、電力系統に事故が生じているか否かを判定する。この例では、系統事故のレベルは２段階に設定されている。系統事故判定回路４７は、軽度の事故レベルの場合には、事故検出信号Ｉ１を出力する。重度の事故レベルの場合には、事故検出信号Ｉ２を出力する。軽度の事故レベルとは、たとえば電力系統のうち１相が地絡したような場合であり、重度の事故レベルとは、たとえば電力系統のうち２相が地絡したような場合である。

事故検出信号Ｉ１は、インバータ回路４８を介して、異常検出部４１に入力される。異常検出部４１は、入力される信号がアクティブな場合、この例では、論理値“１”の場合に、アーム電流の異常検出を実行する。異常検出部４１は、入力される信号が非アクティブな場合、この例では、論理値“０”の場合に、アーム電流の異常検出動作を実行しない。

系統事故判定回路４７が軽度の系統事故を検出し、論理値“１”の事故検出信号Ｉ１を出力した場合には、事故検出信号Ｉ１はインバータ回路４８によって論理が反転され、異常検出部４１には、論理値“０”が入力される。そのため、異常検出部４１は動作を停止する。

系統事故判定回路４７が重度の系統事故を検出し、論理値“１”の事故検出信号Ｉ２を出力した場合には、事故検出信号Ｉ２は、ＯＲ回路４６を介してゲートブロック信号ＧＢとしてゲート信号生成部４２に供給される。そのため、電力変換器２０は運転を停止する。

上述のように交流回路１が電力系統等の場合に系統事故判定回路４７を備えることによって、軽度の系統事故を生じたときに電力変換装置１０は、運転を継続することができる。重度の系統事故を検出したときには、電力変換装置１０は、運転を停止することができ、系統の回復まで待機する。系統事故判定回路４７では、系統事故の判定の基準は、上述に限らず、任意に適切に設定される。

なお、系統事故判定回路４７は、重度の系統事故を検出した場合には、軽度の事故検出信号Ｉ１を“１”に設定した上で、事故検出信号Ｉ２を“１”に設定する。したがって、系統事故判定回路４７がどのレベルの系統事故を検出した場合であっても、異常検出部４１によるアーム電流の異常検出動作を停止する。論理回路は、上述に限らず、同様の動作とすることができる他の回路設定としてもよい。たとえば、系統事故判定回路４７が重度の系統事故を検出した場合には、軽度の事故検出信号Ｉ１を“０”とし、重度の事故検出信号Ｉ２を“１”と設定してもよい。ただし、この場合には、インバータ回路４８をＮＯＲ回路に置き換えて、置き換えたＮＯＲ回路にＩ１，Ｉ２を入力する。

このように、系統事故が検出された場合に、異常検出部４１の動作を停止することによって、ゲートブロック信号ＧＢが生成されたときの状況を正確に履歴として残すことができ、保守点検作業等の効率化が可能になる。

系統事故判定回路４７は、たとえば、制御装置４０内に実装される。系統事故判定回路４７は、制御装置４０内に実装される場合に限らず、単独で設けられてもよいし、他の制御盤内に設けられてもよい。

制御装置４０では、上述した、アーム電流の異常検出や系統事故判定を含む構成がハードウェアによって実現されてもよいし、これらの構成の一部または全部を、記憶装置（図示せず）に格納されたプログラムの１つまたは複数のステップを実行することによって実現されてもよい。制御装置４０は、たとえばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等のようなプログラムによって動作する半導体装置等を含んでもよく、ＣＰＵ等によって上述の構成を実現するプログラムのステップを実行させるようにしてもよい。後述する他の実施形態の場合も同様である。

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
図５は、電力変換器に流れる電流を説明するための模式図である。
図５には、ＭＭＣである電力変換器２０の各相のうち２つの相、この例ではＵ相およびＶ相のアームを含む簡易的な回路図が示されている。
図５に示すように、電力変換器の各アーム２２ａ〜２２ｄには、交流電流に直流電流が重畳して流れている。交流電流は、電力変換器に入出力する各相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖであり、図では破線で示されている。直流電流は、電力変換器の内部を流れる循環電流Ｉｚｕ，Ｉｚｖであり、図では一点鎖線で示されている。

Ｕ相の交流電流Ｉｕは、接続部２１ｃから入力して、上下のアーム２２ａ，２２ｂに均等に分流する。循環電流Ｉｚｕは、上下のアーム２２ａ，２２ｂに流れる。

したがって、アーム電流Ｉｕｐ，Ｉｕｎは、以下の式（１），（２）のように表される。
Ｉｕｐ＝Ｉｕ／２＋Ｉｚｕ（１）
Ｉｕｎ＝−Ｉｕ／２＋Ｉｚｕ（２）

式（１）および式（２）の差をとることによって、式（３）のようにＵ相の交流電流Ｉｕが求められる。式（１）および式（２）の和をとり１／２を乗ずることによって、式（４）のようにＵ相の循環電流Ｉｚｕが求められる。

Ｉｕ＝Ｉｕｐ−Ｉｕｎ（３）
Ｉｚｕ＝（１／２）×（Ｉｕｐ＋Ｉｕｎ）（４）

同様にして、Ｖ相の上下のアーム電流Ｉｖｐ，Ｉｖｎは、以下の式（５），（６）のように表される。
Ｉｖｐ＝Ｉｖ／２＋Ｉｚｖ（５）
Ｉｖｎ＝−Ｉｖ／２＋Ｉｚｖ（６）

式（５）および式（６）の差をとることによって、式（７）のようにＶ相の交流電流Ｉｖが求められる。式（３）および式（４）の和をとり１／２を乗ずることによって、式（８）のようにＶ相の循環電流Ｉｚｖが求められる。

Ｉｖ＝Ｉｖｐ−Ｉｖｎ（７）
Ｉｚｖ＝（１／２）×（Ｉｖｐ＋Ｉｖｎ）（８）

Ｗ相についても同様である。上下のアーム電流Ｉｗｐ，Ｉｗｎの差をとることによって、式（９）のようにＷ相の交流電流Ｉｗが求められ、上下のアーム電流Ｉｗｐ，Ｉｗｎの和をとり１／２を乗ずることによって、式（１０）のようにＷ相の循環電流Ｉｚｗが求められる。

Ｉｗ＝Ｉｗｐ−Ｉｗｎ（９）
Ｉｚｗ＝（１／２）×（Ｉｗｐ＋Ｉｖｎ）（１０）

各相の循環電流Ｉｚｕ，Ｉｚｖ，Ｉｚｗの和は、直流回路の本線および帰線を流れる直流電流なので、これらの大きさの和は、接続部２１ａ，２１ｂから入出力される電力変換器の直流電流Ｉｄｃの大きさに等しい。

このように、各相の交流電流および循環電流は、各相の上下のアーム電流のデータを加算したり、減算したりすることによって求めることができる。

したがって、上下のアーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎを制御することによって、接続部２１ａ，２１ｂから入力され、あるいは出力される直流電流Ｉｄｃを制御し、接続部２１ｃ〜２１ｅに入力され、あるいは出力される交流電流Ｉｕ〜Ｉｗを制御することができる。このように、ＭＭＣでは、各アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎにもとづいて、各種制御を行う。

電力変換装置１０には、過電流保護機能が設けられている。単位変換器２４の故障等により、いずれかのアームに過大な電流が流れた場合には、ゲートブロック信号ＧＢによってすべてのゲート信号Ｖｇ１〜ＶｇＮを遮断し、電力変換器２０を適切に停止させる必要がある。

このように、各アーム電流は、電力変換装置１０の入出力電流を制御するための基本的なデータとして用いられるとともに、電力変換装置１０の過電流保護のための情報を提供する。したがって、各アーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎを検出する電流検出器２３ａ〜２３ｆは、正しいデータを出力することが求められる。

本実施形態の電力変換装置１０では、異常検出部４１を含む制御装置４０を備えている。異常検出部４１は、すべての電流検出器２３ａ〜２３ｆによって検出されたアーム電流Ｉｕｐ〜Ｉｗｎにもとづいて、零相電流Ｉ０を計算する。

零相電流Ｉ０は、各相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのうち１つでも異常なデータがある場合には、極端に大きな値となる。電流検出器２３ａ〜２３ｆのうちの１つが故障し、正確な電流のデータを出力しない場合には、交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのいずれかが異常なデータとなる。異常時の電流検出器は、振幅が０から０に近い値のデータを出力すると考えられる。電流検出器２３ａ〜２３ｆの異常とは、たとえば配線等の切断によるオープン故障等である。

異常検出部４１には、あらかじめ判定値Ｄ１が設定されている。判定値Ｄ１は、計算された零相電流Ｉ０の振幅と比較される。判定値Ｄ１は、交流電流Ｉｕ〜Ｉｗのうちいずれかに異常が生じた場合の零相電流Ｉ０を検出できる値に設定される。たとえば、三相交流に不平衡が生じた場合の零相電流よりも十分大きな値に設定される。

異常検出部４１は、零相電流Ｉ０の振幅が判定値Ｄ１以上の場合に、ゲートブロック信号ＧＢを生成する。

制御装置４０は、ゲートブロック信号ＧＢによって、すべてのゲート信号Ｖｇ１〜ＶｇＮをオフ状態に設定し維持する。電力変換器２０は、これによって安全に停止することができる。

単一の電流検出器によって、電流検出や過電流保護を行う方法が知られている（たとえば特許文献１）。この方法では、電流検出器による電流の検出のほか、インバータの直流側の電圧の変動やスイッチング素子の発熱を同時に検出する。電流検出器の出力が０であっても、インバータに入力される直流電圧が変動したり、スイッチング素子の発熱が認められたりする場合には、インバータは動作していると判定される。そのため、インバータが動作しているにもかかわらず、電流検出器の出力が０であることから電流検出器の故障を判定することができる。

この方法によれば、インバータに入力される直流電圧の計測やスイッチング素子の温度検出は、通常の動作のために用いられるセンサ等から出力されるデータを利用できる。そのため、部品の追加をすることなく、プログラムの追加や修正によって、電流検出器の故障を判定することができるとしている。

上述の既知の方法をＭＭＣに適用する場合には、多数の単位変換器２４のコンデンサ電圧やスイッチング素子の温度を計測して、ソフトウェア処理を行う必要がある。ＭＭＣである電力変換器２０は、上述したように、多数の単位変換器２４が１つのアームにカスケード接続され、さらに６本のアームを有している。そのため、電流検出器ごとに異常検出を行う場合には、ソフトウェアの処理量が膨大となり、現実的でない。

図６は、比較例の電力変換装置を例示するブロック図である。
図６に示すように、電力変換器では、１つのアームに対応する複数の電流検出器１２３−１，１２３−２，１２３−３，１２３−４（１２３−１〜１２３−４）を含んでいる。制御装置１４０は、故障判定部１４１を含んでおり、故障判定部１４１は、１つのアームに含まれる複数の電流検出器１２３−１〜１２３−４の検出データを入力して、異常なデータを検出する。

この例では、Ｕ相上側のアームに対応する故障判定部１４１は、すべての電流検出器１２３−１〜１２３−４のアーム電流Ｉｕｐ１，Ｉｕｐ２，Ｉｕｐ３，Ｉｕｐ４（Ｉｕｐ１〜Ｉｕｐ４）の振幅のピーク値や実効値を入力して、その中央値を選択する。故障判定部１４１は、各アーム電流Ｉｕｐ１〜Ｉｕｐ４の振幅のピーク値や実効値が、選択された中央値から、あらかじめ設定された偏差内か否かによって、アーム電流Ｉｕｐ１〜Ｉｕｐ４のデータの異常の有無を判定する。中央値に代えて、アーム電流の振幅のピーク値や実効値の平均値を計算して、判定値とする場合等もある。

比較例の電力変換装置では、このように電流検出器を冗長化することによって、電流検出器の故障を判定することができる。しかしながら、電流検出器の故障を判定するのに、上述のように中央値を用いる場合には、３個以上の電流検出器を設ける必要があり、正確に故障検出するには、より多くの電流検出器が要求される。このように、複数の電流検出器を各アームに設けることによって、部品数や配置スペースの増加が顕著となる。そのため、比較例の電力変換装置では、コストの上昇や装置の大型化等が懸念される。

上述したように、本実施形態の電力変換装置では、制御装置４０が異常検出部４１を含むことによって、電流検出器を冗長化することなく、また、電流以外のパラメータを単位変換器ごとに監視することなく、電流検出器の異常を検出することができる。

（第２の実施形態）
上述の実施形態では、交流電流の零相電流を計算して、電流検出器の異常の有無を判定したが、他の要素を計算して電流検出器の異常を判定してもよい。本実施形態では、電力変換器内を流れる循環電流の交流成分を抽出することによって、アーム電流を監視し、電流検出器の異常を判定する。
図７は、本実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図７に示すように、制御装置は、異常検出部２４１を含む。異常検出部２４１は、演算部２４１ａと、ハイパスフィルタ２４１ｂと、判定部２４１ｃと、を含む。

演算部２４１ａは、加算器２４１ａ１〜２４１ａ３を含む。演算部２４１ａは、アーム電流Ｉｕｐ，Ｉｕｎを加算器２４１ａ１によって加算する。加算器２４ａ１は、Ｕ相の循環電流Ｉｚｕを２倍にして出力する。演算部２４１ａは、アーム電流Ｉｖｐ，Ｉｖｎを加算器２４１ａ２によって加算する。加算器２４ａ２は、Ｖ相の循環電流Ｉｚｖを２倍にして出力する。演算部２４１ａは、アーム電流Ｉｗｐ，Ｉｗｎを加算器２４１ａ３によって加算する。加算器２４ａ３は、Ｗ相の循環電流Ｉｚｗを２倍にして出力する。

計算された各相の循環電流Ｉｚｕ，Ｉｚｖ，Ｉｚｗのデータは、ハイパスフィルタ２４１ｂにそれぞれ入力される。ハイパスフィルタ２４１ｂは、循環電流から直流成分を除去して、交流成分のデータをそれぞれ出力する。

ハイパスフィルタ２４１ｂから出力された各相の循環電流の交流成分のデータは、判定部２４１ｃに入力される。判定部２４１ｃは、あらかじめ設定された判定値Ｄ２を有する。判定値Ｄ２は、循環電流の交流成分が異常であると判定できる程度の十分大きな値に設定されている。

上下のアームのいずれかの電流検出器に異常が生じて、電流検出器が出力するアーム電流のデータが０程度であると、演算部２４１ａによって計算される循環電流には、異常のない方の電流の交流成分が残ることになる。ハイパスフィルタ２４１ｂによって直流成分が除去されると、大きな交流成分の振幅値のデータが抽出されるので、電流検出器に異常があることが判定される。

（第３の実施形態）
図８は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
本実施形態では、アーム電流を用いて交流電流を計算し、計算された交流電流の直流成分を抽出することによって、アーム電流を監視し、電流検出器の異常を判定する。
図８に示すように、制御装置は、異常検出部３４１を含む。異常検出部３４１は、演算部３４１ａと、ローパスフィルタ３４１ｂと、判定部３４１ｃと、を含む。

演算部３４１ａは、加減算器３４１ａ１〜３４１ａ３を含む。加減算器３４１ａ１によって、Ｕ相のアーム電流Ｉｕｐ，Ｉｕｎの差が計算される。加減算器３４１ａは、計算されたＵ相の交流電流Ｉｕのデータを出力する。加減算器３４１ａ２によって、Ｖ相のアーム電流Ｉｖｐ，Ｉｖｎの差が計算される。加減算器３４１ａ２は、計算されたＶ相の交流電流Ｉｖのデータを出力する。加減算器３４１ａ３によって、Ｗ相のアーム電流Ｉｗｐ，Ｉｗｎの差が計算される。加減算器３４１ａ３は、計算されたＷ相の交流電流Ｉｗのデータを出力する。

計算された各相の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗのデータは、ローパスフィルタ３４１ｂにそれぞれ入力される。ローパスフィルタ３４１ｂは、交流電流から交流成分を除去して直流成分を抽出して出力する。交流電流から基本周波数成分を除去して直流成分を抽出するためには、ローパスフィルタに限らず、他のフィルタを用いてもよい。たとえば、単独または複数組み合わせたバンドエリミネーションフィルタを用いてもよい。

判定部３４１ｃは、あらかじめ設定された判定値Ｄ３を含む。判定値Ｄ３は、上下のアーム電流のいずれかに異常があり、一方の出力がほぼ０であった場合に、その差をとったときの直流電流成分を検出できる程度の値に設定される。判定部３４１ｃは、交流電流の直流成分の大きさを、判定値Ｄ３とそれぞれ比較する。

判定部３４１ｃは、交流電流の直流成分が判定値Ｄ３以上の場合に、ゲートブロック信号ＧＢを出力する。

第１〜第３の実施形態では、アーム電流にもとづいて、零相電流や循環電流、交流電流を計算して電流検出器の異常を判定する。循環電流や交流電流の計算は、通常の制御動作のために実行されるので、このための制御機能あるいはプログラムのステップは、すでに制御装置に実装されている。したがって、電流検出器の異常検出のために新たな部品を追加する必要がないばかりでなく、プログラムの変更や追加も小さい規模に抑えることができる。

（第４の実施形態）
図９は、本実施形態の直流送電システムを例示するブロック図である。
図９に示すように、直流送電システム４００は、電力変換装置１０ａ，１０ｂを備える。電力変換装置１０ａは、この例では、変圧器２ａを介して電力系統１ａに接続されている。電力変換装置１０ｂは、この例では、変圧器２ｂを介して電力系統１ｂに接続されている。電力変換装置１０ａ，１０ｂは、直流回路３によって接続されている。直流回路３は、たとえば直流送電線であり、本線および帰線を含む。

電力変換装置１０ａ，１０ｂは、上述した他の実施形態のいずれかの電力変換装置とすることができる。

直流回路３は、長距離の直流送電のための直流送電線であってもよいが、同一の変電所内の直流送電線であってもよい。この場合には、直流系統１ａ，１ｂは、同一の系統であり、直流送電システム４００は、いわゆるＢＴＢ（Back To Back）システムである。

本実施形態の場合の直流送電システム４００に、上述の他の実施形態の場合の電力変換装置を用いることによって、簡便に電流検出器の異常を検出することができる安全なシステムを構築することが可能になる。

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明は、これらの具体例に限定されるものではない。たとえば、電力変換器および制御装置などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。

また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。

その他、本発明の実施の形態として上述した電力変換装置を基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得るすべての電力変換装置も、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例および修正例に想到し得るものであり、それら変更例および修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。

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、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。

Claims

直流回路の高電位側に接続し得る第１接続部と、
前記直流回路の低電位側に接続し得る第２接続部と、
交流回路の第１相に接続し得る第３接続部と、
前記交流回路の第２相に接続し得る第４接続部と、
前記交流回路の第３相に接続し得る第５接続部と、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第３接続部との間に接続された第１アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第３接続部と前記第２接続部との間に接続された第２アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第４接続部との間に接続された第３アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第４接続部と前記第２接続部との間に接続された第４アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第５接続部との間に接続された第５アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第５接続部と前記第２接続部との間に接続された第６アームと、
前記第１アームに設けられ、前記第１アームに流れる第１電流を検出する単一の第１電流検出器と、
前記第２アームに設けられ、前記第２アームに流れる第２電流を検出する単一の第２電流検出器と、
前記第３アームに設けられ、前記第３アームに流れる第３電流を検出する単一の第３電流検出器と、
前記第４アームに設けられ、前記第４アームに流れる第４電流を検出する単一の第４電流検出器と、
前記第５アームに設けられ、前記第５アームに流れる第５電流を検出する単一の第５電流検出器と、
前記第６アームに設けられ、前記第６アームに流れる第６電流を検出する単一の第６電流検出器と、
を含む電力変換器と、
前記第１〜第６電流にもとづいて、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があることを検出する異常検出部を含む制御装置と、
を備え、
前記異常検出部は、前記第１〜第６電流にもとづいて、前記交流回路の各相に流れる交流電流の零相電流を演算し、前記零相電流が所定の第１判定値以上の場合に、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があると判定する電力変換装置。
直流回路の高電位側に接続し得る第１接続部と、
前記直流回路の低電位側に接続し得る第２接続部と、
交流回路の第１相に接続し得る第３接続部と、
前記交流回路の第２相に接続し得る第４接続部と、
前記交流回路の第３相に接続し得る第５接続部と、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第３接続部との間に接続された第１アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第３接続部と前記第２接続部との間に接続された第２アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第４接続部との間に接続された第３アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第４接続部と前記第２接続部との間に接続された第４アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第５接続部との間に接続された第５アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第５接続部と前記第２接続部との間に接続された第６アームと、
前記第１アームに設けられ、前記第１アームに流れる第１電流を検出する単一の第１電流検出器と、
前記第２アームに設けられ、前記第２アームに流れる第２電流を検出する単一の第２電流検出器と、
前記第３アームに設けられ、前記第３アームに流れる第３電流を検出する単一の第３電流検出器と、
前記第４アームに設けられ、前記第４アームに流れる第４電流を検出する単一の第４電流検出器と、
前記第５アームに設けられ、前記第５アームに流れる第５電流を検出する単一の第５電流検出器と、
前記第６アームに設けられ、前記第６アームに流れる第６電流を検出する単一の第６電流検出器と、
を含む電力変換器と、
前記第１〜第６電流にもとづいて、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があることを検出する異常検出部を含む制御装置と、
を備え、
前記異常検出部は、前記第１〜第６電流にもとづいて演算された各相の循環電流から交流成分をそれぞれ抽出し、前記交流成分が所定の第２判定値以上の場合に、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があると判定する電力変換装置。
直流回路の高電位側に接続し得る第１接続部と、
前記直流回路の低電位側に接続し得る第２接続部と、
交流回路の第１相に接続し得る第３接続部と、
前記交流回路の第２相に接続し得る第４接続部と、
前記交流回路の第３相に接続し得る第５接続部と、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第３接続部との間に接続された第１アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第３接続部と前記第２接続部との間に接続された第２アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第４接続部との間に接続された第３アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第４接続部と前記第２接続部との間に接続された第４アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第５接続部との間に接続された第５アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第５接続部と前記第２接続部との間に接続された第６アームと、
前記第１アームに設けられ、前記第１アームに流れる第１電流を検出する単一の第１電流検出器と、
前記第２アームに設けられ、前記第２アームに流れる第２電流を検出する単一の第２電流検出器と、
前記第３アームに設けられ、前記第３アームに流れる第３電流を検出する単一の第３電流検出器と、
前記第４アームに設けられ、前記第４アームに流れる第４電流を検出する単一の第４電流検出器と、
前記第５アームに設けられ、前記第５アームに流れる第５電流を検出する単一の第５電流検出器と、
前記第６アームに設けられ、前記第６アームに流れる第６電流を検出する単一の第６電流検出器と、
を含む電力変換器と、
前記第１〜第６電流にもとづいて、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があることを検出する異常検出部を含む制御装置と、
を備え、
前記異常検出部は、前記第１〜第６電流にもとづいて演算された、前記交流回路の各相に流れる交流電流の直流成分をそれぞれ抽出し、前記直流成分が所定の第３判定値以上の場合に、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があると判定する電力変換装置。
前記異常検出部は、前記第１〜第６電流にもとづいて、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれに異常があるか特定する請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
直流回路の高電位側に接続し得る第１接続部と、
前記直流回路の低電位側に接続し得る第２接続部と、
交流回路の第１相に接続し得る第３接続部と、
前記交流回路の第２相に接続し得る第４接続部と、
前記交流回路の第３相に接続し得る第５接続部と、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第３接続部との間に接続された第１アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第３接続部と前記第２接続部との間に接続された第２アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第４接続部との間に接続された第３アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第４接続部と前記第２接続部との間に接続された第４アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第１接続部と前記第５接続部との間に接続された第５アームと、
カスケード接続された単位変換器を含み、前記第５接続部と前記第２接続部との間に接続された第６アームと、
前記第１アームに設けられ、前記第１アームに流れる第１電流を検出する単一の第１電流検出器と、
前記第２アームに設けられ、前記第２アームに流れる第２電流を検出する単一の第２電流検出器と、
前記第３アームに設けられ、前記第３アームに流れる第３電流を検出する単一の第３電流検出器と、
前記第４アームに設けられ、前記第４アームに流れる第４電流を検出する単一の第４電流検出器と、
前記第５アームに設けられ、前記第５アームに流れる第５電流を検出する単一の第５電流検出器と、
前記第６アームに設けられ、前記第６アームに流れる第６電流を検出する単一の第６電流検出器と、
を含む電力変換器と、
前記第１〜第６電流にもとづいて、前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかに異常があることを検出する異常検出部を含む制御装置と、
事故判定機能と、
を備え、
前記事故判定機能は、前記交流回路が電力系統を含んでおり前記電力系統で事故を生じた場合には、前記異常検出部が前記単一の第１電流検出器、前記単一の第２電流検出器、前記単一の第３電流検出器、前記単一の第４電流検出器、前記単一の第５電流検出器および前記単一の第６電流検出器のうちのいずれかで異常を検出したときでも、前記電力変換器に運転を継続させる電力変換装置。