JP7086298B2

JP7086298B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7086298B2
Application number: JP2021530460A
Authority: JP
Inventors: 拓志地道; 卓治石橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2019-07-11
Filing date: 2019-07-11
Publication date: 2022-06-17
Anticipated expiration: 2039-07-11
Also published as: EP3998700A4; US11855445B2; WO2021005792A1; EP3998700A1; US20220181869A1; JPWO2021005792A1

Description

本願は、電力変換装置に関する。

交流の入力電力を直流に変換して出力するＡＣ－ＤＣ変換装置、直流の入力電力を異なる電圧の直流に変換して出力するＤＣ－ＤＣ変換装置などの電力変換装置が知られている。このような電力変換装置では、出力端子が何らかの理由で短絡すると過大な短絡電流が流れる。この過大な短絡電流は電力変換装置の故障の原因となる。

短絡電流が流れるのを防ぐことができる電力変換装置として、半導体スイッチング素子とダイオードとで構成された短絡電流遮断部を備えた電力変換装置がある。この電力変換装置においては、出力電流が予め設定された閾値を超えた場合には短絡電流遮断部の半導体スイッチング素子をオフにして短絡電流を遮断している（例えば、特許文献１参照）。

特表２０１６－５３７９６０号公報

風力発電システム、太陽光発電システムなどでは、複数の風車あるいは太陽電池モジュールが並列に接続されている。このようなシステムにおいては直流で送電することが行われており、送電の主経路となる主直流線路に対して並列に副直流線路が接続されている。風車あるいは太陽電池モジュールはこの副直流線路に配置されている。この副直流線路には、風車あるいは太陽電池モジュールで発電された電力を送電に適した直流電力に変換する電力変換装置が接続されている。

並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合、短絡が発生していない他の電力変換装置から短絡が発生した電力変換装置に向かって過大な電流が流れ込む。この電流を回り込み電流と呼ぶ。従来の短絡電流遮断部を備えた電力変換装置を用いた場合、短絡が発生した電力変換装置では短絡電流遮断部が作動して短絡電流を遮断することができる。しかしながら、短絡が発生していない他の電力変換装置においても、過大な回り込み電流によって短絡電流遮断部が作動して電流経路が遮断されてしまう。その結果、短絡が発生していない他の電力変換装置も停止してしまうので、システム全体が長時間停止するという問題があった。

本願は、上述のような課題を解決するためになされたもので、並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の電力変換装置は速やかに再起動することができる。

本願の電力変換装置は、入力電力を直流電力に変換する電力変換部と、電力変換部で変換された直流電力を出力する出力端子と、出力端子の電流値に基づいて出力端子で短絡が発生したか否かを判定する短絡発生判定部と、出力端子の電流値および電圧値に基づいて出力端子の短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部と、電力変換部と出力端子との間に設けられ、短絡発生判定部が出力端子で短絡が発生したと判定した場合は電力変換部から出力端子へ流れる電流を遮断し、短絡解消判定部が出力端子の短絡が解消されたと判定した場合は電力変換部から出力端子へ流れる電流の遮断を解除する電流遮断部とを備えた電力変換装置であって、短絡解消判定部は、出力端子の電流値が予め設定された値よりも小さく、かつ出力端子の電圧値が予め設定された値よりも大きい場合に出力端子の短絡が解消されたと判定している。

本願の電力変換装置は、出力端子の短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部を備えており、短絡解消判定部は、出力端子の電流値が予め設定された値よりも小さく、かつ出力端子の電圧値が予め設定された値よりも大きい場合に出力端子の短絡が解消されたと判定しているので、並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の電力変換装置は速やかに再起動することができる。

実施の形態１に係る風力発電システムの構成図である。実施の形態１に係る電力変換装置の構成図である。実施の形態１に係る風力発電システムにおける回り込み電流の説明図である。実施の形態１の第１ゲート駆動部の構成図である実施の形態２に係る風力発電システムの構成図である。実施の形態２に係る電力変換装置の構成図である。実施の形態３に係る電力変換装置の構成図である。実施の形態３に係る電力変換装置の構成図である。実施の形態４に係る電力変換装置の構成図である。実施の形態４に係る電力変換装置の構成図である。実施の形態１から４の短絡発生判定部および短絡解消判定部のハードウェアの一例を示す模式図である。

以下、本願を実施するための実施の形態に係る電力変換装置について、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力変換装置が適用されるシステムの一例である風力発電システムの構成図である。この例は、３台の風車が並列に接続された風力発電システムである。なお、風力発電システムとしては、４台以上の風車が並列に接続されていてもよい。この風力発電システムにおいては、風車内の発電機１で発電された交流電力がＡＣ－ＤＣ変換装置２で直流電力に変換された後、本実施の形態の電力変換装置３に入力される。この電力変換装置３は、ＤＣ－ＤＣ変換装置である。なお、ＡＣ－ＤＣ変換装置２は、交流の入力電力を直流電力に変換して出力する機能を備えている。また、ＤＣ－ＤＣ変換装置は、直流の入力電力を異なる電圧の直流電力に変換して出力する機能を備えている。

複数の電力変換装置３は、それぞれ副直流線路６を経由して主直流線路７に並列に接続されている。図１に示すように、副直流線路６には遮断器４が備えられていてもよい。主直流線路７は、大容量の電力変換装置５を介して別の電力系統に接続される。なお、本実施の形態の電力変換装置が適用されるシステムとしては、風力発電システムのほかに、太陽光発電システム、直流で配電を行う直流配電システムなどがある。

図２は、本実施の形態に係る電力変換装置３の構成図である。本実施の形態の電力変換装置３は、ＤＣ－ＤＣ変換部３１と、ＤＣ－ＤＣ変換部３１で変換された直流電力を副直流線路６へ出力する出力端子３ａと、ＤＣ－ＤＣ変換部３１と出力端子３ａとの間に設けられＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流を遮断する機能を備えた電流遮断部３２と、副直流線路６の電流値に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する短絡発生判定部３３と、副直流線路６の電流値および電圧値に基づいて出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部３４と、電流遮断部３２の半導体スイッチング素子を駆動する第１ゲート駆動部３５とを備えている。なお、出力端子３ｂは、出力端子３ａに出力される直流電力の基準電位となる端子である。

ＤＣ－ＤＣ変換部３１は、一対の入力端子３ｃ、３ｄに入力された直流電力を交流電力に変換する第１三相ブリッジ回路３１１と、第１三相ブリッジ回路３１１で変換された交流電力を直流電力に変換する第２三相ブリッジ回路３１２とを備えている。第１三相ブリッジ回路３１１と第２三相ブリッジ回路３１２とは、変圧回路３１３を介して接続されている。第１三相ブリッジ回路３１１の入力側および第２三相ブリッジ回路３１２の出力側にはコンデンサ３１４およびコンデンサ３１５がそれぞれ接続されている。電力変換装置３は、ＤＣ－ＤＣ変換部３１の第１三相ブリッジ回路３１１および第２三相ブリッジ回路３１２のスイッチング素子を駆動する第２ゲート駆動部３６を備えている。

電流遮断部３２は、半導体スイッチング素子３２１と、この半導体スイッチング素子３２１に逆並列に接続されたダイオード３２２と、半導体スイッチング素子３２１と直列に接続された還流ダイオード３２３とを備えている。さらに、半導体スイッチング素子３２１と還流ダイオード３２３との接続点には、インダクタンス素子３２４が接続されている。半導体スイッチング素子３２１としては、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ－ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＣＴ（ＧａｔｅＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＴｕｒｎ－ｏｆｆＴｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＦｉｅｌｄ－ＥｆｆｅｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などを用いることができる。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１は、電力変換装置３の通常動作時（電力変換時）には常時オン状態に保持される。したがって、通常動作時は半導体スイッチング素子３２１には常に電流が流れるので、半導体スイッチング素子３２１としては電圧降下が小さいＭＯＳＦＥＴなどのユニポーラ素子が適している。なお、電流遮断部３２は半導体スイッチング素子で構成されているので、機械式スイッチで構成された場合に比べて高速にスイッチング動作が行われる。

また、電流遮断部３２は、還流ダイオード３２３を備えているので、半導体スイッチング素子３２１をオフにしたときにインダクタンス素子３２４側に流れる電流を還流ダイオード３２３側へ還流させることができる。その結果、半導体スイッチング素子３２１の両端に印加されるサージ電圧を抑制して信頼性を高めることができる。さらに、電流遮断部３２は、インダクタンス素子３２４を備えているので、半導体スイッチング素子３２１がオフに設定されるまでの間に流れる短絡電流の増大を緩やかにすることができるので、短絡電流の遮断を確実に実施することができる。

電力変換装置３の出力側の副直流線路６には、副直流線路６の電流を検知する電流センサー６１と、副直流線路６の電圧を検知する電圧センサー６２とが設けられている。すなわち、電流センサー６１が検知する電流値は出力端子３ａの電流値であり、電圧センサー６２が検知する電圧値は出力端子３ａの電圧値である。電流センサー６１は、検知した電流値を短絡発生判定部３３および短絡解消判定部３４へ出力する。電圧センサー６２は、検知した電圧値を短絡解消判定部３４へ出力する。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１からの情報に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する。そして短絡発生判定部３３は、短絡が発生したと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１がオフにされることで、ＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流が遮断される。言い換えると、電力変換装置３は停止されたことになる。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１で検知された電流値が予め設定された過電流設定値を超えた場合に短絡が発生したと判定する。過電流設定値は、ＤＣ－ＤＣ変換部３１の定格電流値よりも大きく、半導体スイッチング素子３２１の逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ：ＲｅｖｅｒｓｅＢｉａｓＳａｆｅＯｐｅｒａｔｉｎｇＡｒｅａ）の最大電流値よりも小さい値に設定される。過電流設定値を逆バイアス安全動作領域の最大電流値よりも小さい値に設定することで、半導体スイッチング素子３２１の故障を防ぐことができる。

短絡解消判定部３４は、電流センサー６１からの情報および電圧センサー６２からの情報に基づいて、出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する。そして短絡解消判定部３４は、出力端子３ａの短絡が解消されたと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１がオンにされることで、ＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流の遮断が解除される。なお、電流の遮断が解除されるとは、電流の経路がつながることを意味する。電流遮断部３２における電流の遮断が解除されることで、ＤＣ－ＤＣ変換部３１で変換された直流電力が副直流線路６へ出力される。言い換えると、電力変換装置３は再起動されたことになる。

短絡解消判定部３４は、電流センサー６１で検知された電流値が予め設定された第１電流値よりも小さく、かつ電圧センサー６２で検知された電圧値が予め設定された第１電圧値よりも大きい場合に短絡状態が解消されたと判定する。

短絡解消判定部３４で設定される第１電流値は、例えば副直流線路６の定格電流値の１０％の値に設定される。また、第１電圧値は、例えば副直流線路６の定格電圧値の８０％の値に設定される。このような値に設定することで、速やかに短絡状態が解消されたか否かの判定が可能となる。

次に、本実施の形態の電力変換装置３の動作について説明する。
図３は、本実施の形態に係る風力発電システムにおける回り込み電流の説明図である。この例は、図１と同様に３台の風車が並列に接続された風力発電システムである。風車内の発電機１Ａ、１Ｂ、１Ｃに対して、ＡＣ－ＤＣ変換装置２Ａ、２Ｂ、２Ｃおよび本実施の形態の電力変換装置３Ａ、３Ｂ、３Ｃがそれぞれ直列に接続されている。電力変換装置３Ａ、３Ｂ、３Ｃの出力は、副直流線路６Ａ、６Ｂ、６Ｃにそれぞれ接続されている。副直流線路６Ａ、６Ｂ、６Ｃにはそれぞれ遮断器４Ａ、４Ｂ、４Ｃが備えられている。副直流線路６Ａ、６Ｂ、６Ｃは、主直流線路７に並列に接続されている。主直流線路７は、大容量の電力変換装置５を介して別の電力系統に接続されている。

図３に示すように、電力変換装置３Ａが故障して短絡が発生したと仮定する。電力変換装置３Ａで短絡が発生すると、大容量の電力変換装置５および他の電力変換装置３Ｂ、３Ｃから電力変換装置３Ａに向かって過大な短絡電流（回り込み電流）が流れる。図３において、破線の矢印は回り込み電流を示している。また、過大な回り込み電流が流れることで、主直流線路７および副直流線路６Ａ、６Ｂ、６Ｃの電圧も低下する。故障したのは電力変換装置３Ａのみなので、遮断器４Ａが開くことで短絡が発生した電力変換装置３Ａを主直流線路７から電気的に切り離すことができる。ただし、電力変換装置３Ａで短絡が発生した直後から遮断器４Ａが開くまでの間に、電力変換装置３Ａに向かって電力変換装置３Ｂ、３Ｃから回り込み電流が流れ込む。このとき、電力変換装置３Ｂ、３Ｃの短絡発生判定部３３は、副直流線路６Ｂ、６Ｃを流れる回り込み電流を短絡電流と判定して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフにする。副直流線路６Ｂ、６Ｃを流れる回り込み電流は電流遮断部３２で遮断されるので副直流線路６Ｂ、６Ｃに備えられた遮断器４Ｂ、４Ｃが開くことはないが、電力変換装置３Ｂ、３Ｃは停止した状態となる。

遮断器４Ａが開くことで電力変換装置３Ａが主直流線路７から電気的に切り離されたあとは、主直流線路７および副直流線路６Ｂ、６Ｃの電流および電圧は回復する。すなわち、主直流線路７の電流値および副直流線路６Ｂ、６Ｃの電流値は短絡電流より低い正常時の電流値に戻り、主直流線路７の電圧値および副直流線路６Ｂ、６Ｃの電圧値は正常時の電圧値に戻る。このとき、電力変換装置３Ｂ、３Ｃの短絡解消判定部３４は、副直流線路６Ｂ、６Ｃの短絡状態が解消されたと判定し、第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンとする。その結果、電力変換装置３Ｂ、３Ｃは速やかに再起動されて発電機１Ｂ、１Ｃの発電電力を主直流線路７へ送ることができる。このように本実施の形態の電力変換装置を用いることで、風力発電システムにおいて短絡故障などに起因する発電できない期間（以下、発電の機会損失と記す）を最小限に収めることができる。

仮に、電力変換装置３Ｂ、３Ｃが短絡解消判定部を備えていないとする。電力変換装置３Ｂ、３Ｃは短絡発生判定部によって回り込み電流を遮断することができる。その結果、副直流線路６Ｂ、６Ｃに備えられた遮断器４Ｂ、４Ｃが不要に開くことを防ぐことはできる。しかしながら、短絡電流が遮断された電力変換装置３Ｂ、３Ｃは、正常動作が可能であるにもかかわらず電流遮断部の半導体スイッチング素子はオフの状態が保持される。その結果、電力変換装置３Ｂ、３Ｃは再起動されないので、発電機１Ｂ、１Ｃの発電電力を主直流線路７へ送ることができず発電の機会損失が大きくなる。

上述のように、短絡解消判定部を備えた電力変換装置を用いることで、並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の電力変換装置を速やかに再起動させることができる。

図４は、第１ゲート駆動部３５の構成図である。第１ゲート駆動部３５には、短絡発生判定部３３および短絡解消判定部３４からの信号が入力される。短絡発生判定部３３において短絡が発生したと判断された場合は、第１ゲート駆動部３５にはオフ信号が入力される。一方、短絡解消判定部３４において短絡が解消されたと判断された場合は、第１ゲート駆動部３５にはオン信号が入力される。図４に示すように、電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１は、第１ゲート駆動部３５によって駆動される。半導体スイッチング素子３２１は通常動作時（電力変換時）は常時オン状態に保持されるので、第１ゲート駆動部３５に内在するゲート抵抗値３５１を大きく設定してもスイッチング損失の増加を招かない。そのため、第１ゲート駆動部３５に内在するゲート抵抗値３５１を、第２ゲート駆動部３６に内在するゲート抵抗値よりも大きく設定すれば、ターンオフ時のサージ電圧を抑制でき信頼性を高めることができる。

本実施の形態の電力変換装置において、短絡発生判定部３３は、電流センサー６１で検知された副直流線路６の電流値に基づいて短絡が発生したか否かを判定し、第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフにしている。このとき、電流センサー６１、短絡発生判定部３３、第１ゲート駆動部３５および電流遮断部３２において遅延が生じる。そのため、短絡が発生した場合に即座に半導体スイッチング素子３２１をオフにすることはできない。短絡が発生してから半導体スイッチング素子３２１がオフになるまでの時間を遅延時間とする。この遅延時間の間に回り込み電流は増加する。副直流線路６の電圧をV、電流遮断部３２のインダクタンス素子３２４のインダクタンス値をＬ、遅延時間をＴとすると、回り込み電流の増加量ΔＩは以下の（１）式で表すことができる。
ΔＩ＝（Ｖ／Ｌ）×Ｔ（１）

短絡発生判定部３３で設定されている過電流設定値をＩｏｃ、半導体スイッチング素子３２１の逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）の最大電流値をＩｍａｘとすると、以下の（２）式を満足するようにインダクタンス素子３２４のインダクタンス値Ｌを設定すれば、半導体スイッチング素子３２１の破損を防止することができる。
Ｌ≧｛Ｖ／（Ｉｍａｘ－Ｉｏｃ）｝×Ｔ（２）

例えば、副直流線路６の電圧Ｖを２００Ｖ、半導体スイッチング素子３２１の逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）の最大電流値Ｉｍａｘを８００Ａ、過電流設定値Ｉｏｃを６００Ａ、遅延時間Ｔを５０μｓと仮定すると、インダクタンス素子３２４のインダクタンス値Ｌは、５０μＨ以上であればよいことになる。

このように設定された電力変換装置を用いることで、電力変換装置に短絡電流が流れた場合でも半導体スイッチング素子の破損を防止することができる。

なお、本実施の形態の電力変換装置は、電力変換部として三相ブリッジ回路を備えている例を示したが、直流電力を出力するものであれば別の電力変換部であってもよい。

また、短絡発生判定部で設定される過電流設定値は、その電力変換装置が接続されている副直流線路に備えられた遮断器の遮断電流設定値よりも小さい値に設定されていることが望ましい。過電流設定値が遮断器の遮断電流設定値よりも小さい値に設定されることで、回り込み電流が流れたときに遮断器が作動する前に電流遮断部が作動するので、遮断器で副直流線路が遮断されるのを確実に防ぐことができる。

実施の形態２．
図５は、実施の形態２に係る電力変換装置が適用されるシステムの一例としての風力発電システムの構成図である。この例は、３台の風車が並列に接続された風力発電システムである。この風力発電システムにおいては、風車内の発電機１で発電された交流電力が本実施の形態の電力変換装置１３に入力される。本実施の形態の電力変換装置１３はＡＣ－ＤＣ変換装置である。この電力変換装置１３で交流電力が直流電力に変換される。３台の電力変換装置１３は、副直流線路６を経由して主直流線路７に並列に接続されている。図５に示すように、副直流線路６には遮断器４が備えられていてもよい。主直流線路７は、大容量の電力変換装置５を介して別の電力系統に接続されている。

図６は、本実施の形態に係る電力変換装置１３の構成図である。本実施の形態の電力変換装置１３は、ＡＣ－ＤＣ変換部３７と、ＡＣ－ＤＣ変換部３７で変換された直流電力を副直流線路６へ出力する出力端子３ａと、ＡＣ－ＤＣ変換部３７と出力端子３ａとの間に設けられＡＣ－ＤＣ変換部３７から出力端子３ａへ流れる電流を遮断する機能を備えた電流遮断部３２と、副直流線路６の電流値に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する短絡発生判定部３３と、副直流線路６の電流値および電圧値に基づいて出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部３４と、電流遮断部３２の半導体スイッチング素子を駆動する第１ゲート駆動部３５とを備えている。なお、出力端子３ｂは、出力端子３ａに出力される直流電力の基準電位となる端子である。

ＡＣ－ＤＣ変換部３７は、３つの入力端子３ｃ、３ｄ、３ｅに入力された三相交流電力を直流電力に変換する２レベルの三相ブリッジ回路３７２を備えている。三相ブリッジ回路３７２の出力側にはコンデンサ３７５が接続されている。電力変換装置１３は、ＡＣ－ＤＣ変換部３７の三相ブリッジ回路３７２のスイッチング素子を駆動する第２ゲート駆動部３６を備えている。

電力変換装置１３の出力側の副直流線路６には、副直流線路６の電流を検知する電流センサー６１と、副直流線路６の電圧を検知する電圧センサー６２とが設けられている。電流センサー６１は、検知した電流値を短絡発生判定部３３および短絡解消判定部３４へ出力する。電圧センサー６２は、検知した電圧値を短絡解消判定部３４へ出力する。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１からの情報に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する。そして短絡発生判定部３３は、短絡が発生したと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフにすることで、ＡＣ－ＤＣ変換部３７から出力端子３ａへ流れる電流が遮断される。言い換えると、電力変換装置１３は停止されたことになる。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１で検知された電流値が予め設定された過電流設定値を超えた場合に短絡が発生したと判定する。過電流設定値は、ＡＣ－ＤＣ変換部３７の定格電流値よりも大きく、半導体スイッチング素子３２１の逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）の最大電流値よりも小さい値に設定される。

短絡解消判定部３４は、電流センサー６１からの情報および電圧センサー６２からの情報に基づいて、出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する。そして短絡解消判定部３４は、出力端子３ａの短絡が解消されたと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンにすることで、ＡＣ－ＤＣ変換部３７から出力端子３ａへ流れる電流の遮断が解除される。電流遮断部３２における電流の遮断が解除されることで、ＡＣ－ＤＣ変換部３７で変換された直流電力が副直流線路６へ出力される。言い換えると、電力変換装置１３は再起動されたことになる。

次に、本実施の形態の電力変換装置１３の動作について説明する。
図５に示したように、並列に接続された３台の電力変換装置１３において、１台の電力変換装置１３が故障して短絡が発生したと仮定する。１台の電力変換装置１３で短絡が発生すると、大容量の電力変換装置５および他の２台の電力変換装置１３から短絡が発生した電力変換装置１３に向かって短絡電流（回り込み電流）が流れる。短絡が発生した電力変換装置１３は、電流遮断部３２および短絡発生判定部３３を備えているので短絡電流を遮断することができる。また、短絡が発生した電力変換装置１３には大容量の電力変換装置５から短絡電流が流れ込むので、電力変換装置１３に接続された遮断器４が開く。遮断器４が開くことで短絡が発生した電力変換装置１３が主直流線路７から電気的に切り離される。ただし、１台の電力変換装置で短絡が発生した直後から遮断器４が開くまでの間には、その１台の電力変換装置に向かって他の２台の電力変換装置から回り込み電流が流れ込む。このとき、他の２台の電力変換装置の短絡発生判定部３３は、副直流線路６を流れる回り込み電流を短絡電流と判定して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフにする。そのため、短絡が発生していない他の２台の電力変換装置は停止した状態となる。

遮断器４が開くことで短絡が発生した電力変換装置１３が主直流線路７から電気的に切り離されたあとは、主直流線路７および副直流線路６の電流および電圧は回復する。他の２台の電力変換装置の短絡解消判定部３４は、出力端子３ａの短絡が解消されたと判定し、第１ゲート駆動部３５を介して電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンとする。その結果、他の２台の電力変換装置は速やかに再起動されて発電機の発電電力を主直流線路７へ送ることができる。このように本実施の形態の電力変換装置を用いることで、風力発電システムにおいて短絡故障などに起因する発電の機会損失を最小限に収めることができる。

このような電力変換装置を用いることで、並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の電力変換装置を速やかに再起動させることができる。

なお、実施の形態１と同様に、電流遮断部３２のインダクタンス素子３２４のインダクタンス値Ｌを（２）式を満足するよう設定すれば、半導体スイッチング素子３２１の破損を防止することができる。

また、実施の形態１と同様に、第１ゲート駆動部３５に内在するゲート抵抗値を、第２ゲート駆動部３６に内在するゲート抵抗値よりも大きく設定すれば、ターンオフ時のサージ電圧を抑制でき、信頼性を高めることができる。

実施の形態３．
図７は、実施の形態３に係る電力変換装置２３の構成図である。本実施の形態の電力変換装置２３は、実施の形態１の図１で示したものと同様に、風力発電システムなどで用いられる電力変換装置である。本実施の形態の電力変換装置２３は、実施の形態１の電力変換装置と同様にＤＣ－ＤＣ変換装置である。本実施の形態の電力変換装置２３は、出力電圧の高電圧化の目的で２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１および電流遮断部３２が直列に接続されている。２台の電流遮断部３２には第１ゲート駆動部３５がそれぞれ接続されている。また、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１には第２ゲート駆動部３６がそれぞれ接続されている。さらに、本実施の形態の電力変換装置２３は、副直流線路６の電流値に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する短絡発生判定部３３と、副直流線路６の電流値および電圧値に基づいて出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部３４とを備えている。本実施の形態の電力変換装置２３において、ＤＣ－ＤＣ変換部３１、電流遮断部３２、短絡発生判定部３３、短絡解消判定部３４、第１ゲート駆動部３５および第２ゲート駆動部３６のそれぞれの構成は実施の形態１と同様である。なお、図７に示す電力変換装置においてはＤＣ－ＤＣ変換部３１および電流遮断部３２が２台直列に接続されているが、３台以上直列に接続されていてもよい。

電力変換装置２３の出力側の副直流線路６には、副直流線路６の電流を検知する電流センサー６１と、副直流線路６の電圧を検知する電圧センサー６２とが設けられている。電流センサー６１は、検知した電流値を短絡発生判定部３３および短絡解消判定部３４へ出力する。電圧センサー６２は、検知した電圧値を短絡解消判定部３４へ出力する。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１からの情報に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する。そして短絡発生判定部３３は、短絡が発生したと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して２台の電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフにすることで、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流が遮断される。言い換えると、電力変換装置２３は停止されたことになる。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１で検知された電流値が予め設定された過電流設定値を超えた場合に短絡が発生したと判定する。過電流設定値は、ＤＣ－ＤＣ変換部３１の定格電流値よりも大きく、半導体スイッチング素子３２１の逆バイアス安全動作領域（ＲＢＳＯＡ）の最大電流値よりも小さい値に設定される。

短絡解消判定部３４は、電流センサー６１からの情報および電圧センサー６２からの情報に基づいて、出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する。そして短絡解消判定部３４は、出力端子３ａの短絡が解消されたと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して２台の電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンにすることで、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流の遮断が解除される。２台の電流遮断部３２における電流の遮断が解除されることで、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１で変換された直流電力が副直流線路６へ出力される。言い換えると、電力変換装置２３は再起動されたことになる。

このような電力変換装置を用いることで、実施の形態１と同様に、並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の電力変換装置を速やかに再起動させることができる。

図８は、本実施の形態に係る別の電力変換装置２３の構成図である。図７に示す電力変換装置２３においては、２台の電流遮断部３２はそれぞれインダクタンス素子３２４を備えている。この２つのインダクタンス素子３２４は直列に接続されている。図８に示すように、この２つのインダクタンス素子の替わりに出力端子３ａとこの出力端子３ａに近い位置に備えられた電流遮断部３２との間に１つのインダクタンス素子３２５を備えていてもよい。このようにインダクタンス素子の数を減らすことで、電力変換装置が小型になる。なお、１つのインダクタンス素子３２５の位置は、出力端子３ａにつながる電流経路であればどの位置であってもよい。

なお、実施の形態１と同様に、図７に示す電流遮断部３２の２つのインダクタンス素子３２４あるいは図８に示す１つのインダクタンス素子３２５のインダクタンス値Ｌを（２）式を満足するよう設定すれば、半導体スイッチング素子３２１の破損を防止することができる。

実施の形態４．
図９は、実施の形態４に係る電力変換装置４３の構成図である。本実施の形態の電力変換装置４３は、実施の形態１の図１で示したものと同様に、風力発電システムなどで用いられる電力変換装置である。また、本実施の形態の電力変換装置４３は、実施の形態３の電力変換装置において、電流遮断部３２の還流ダイオード３２３と並列にバイパススイッチ３２６を備えたものである。

このバイパススイッチ３２６は、電力変換装置４３の通常動作時（電力変換時）には常時開いた状態に保持される。バイパススイッチ３２６は、このバイパススイッチ３２６を備えた電流遮断部３２の故障あるいはその電流遮断部３２の入力側に接続されたＤＣ－ＤＣ変換部３１の故障が検知されると閉じられる。バイパススイッチ３２６が閉じられることにより、故障したＤＣ－ＤＣ変換部３１あるいは故障した電流遮断部３２をバイパスする電流経路が構成されるので、他の正常動作が可能なＤＣ－ＤＣ変換部３１および電流遮断部３２で電力変換装置４３の動作を継続させることができる。

電力変換装置４３の出力側の副直流線路６には、副直流線路６の電流を検知する電流センサー６１と、副直流線路６の電圧を検知する電圧センサー６２とが設けられている。電流センサー６１は、検知した電流値を短絡発生判定部３３および短絡解消判定部３４へ出力する。電圧センサー６２は、検知した電圧値を短絡解消判定部３４へ出力する。

短絡発生判定部３３は、電流センサー６１からの情報に基づいて出力端子３ａで短絡が発生したか否かを判定する。そして短絡発生判定部３３は、短絡が発生したと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して２台の電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオフにすることで、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流が遮断される。言い換えると、電力変換装置４３は停止されたことになる。

短絡解消判定部３４は、電流センサー６１からの情報および電圧センサー６２からの情報に基づいて、出力端子３ａの短絡が解消されたか否かを判定する。そして短絡解消判定部３４は、出力端子３ａの短絡が解消されたと判定した場合は第１ゲート駆動部３５を介して２台の電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンとする。電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１をオンにすることで、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１から出力端子３ａへ流れる電流の遮断が解除される。２台の電流遮断部３２における電流の遮断が解除されることで、２台のＤＣ－ＤＣ変換部３１で変換された直流電力が副直流線路６へ出力される。言い換えると、電力変換装置４３は再起動されたことになる。

このような電力変換装置を用いることで、実施の形態３と同様に、並列に接続された複数の電力変換装置において、１台の電力変換装置で短絡が発生した場合でも、短絡が発生していない他の電力変換装置を速やかに再起動させることができる。

また、本実施の形態の電力変換装置は、電流遮断部の還流ダイオードと並列にバイパススイッチを備えているので、１台のＤＣ－ＤＣ変換部あるいは１台の電流遮断部が故障しても他の正常動作が可能なＤＣ－ＤＣ変換部および電流遮断部で動作を継続させることができる。

なお、ＤＣ－ＤＣ変換部３１あるいは電流遮断部３２が故障したときにバイパススイッチ３２６は閉じられるので、バイパススイッチ３２６は閉状態を保持するために電力が不要な機械式のスイッチが望ましい。また、本実施の形態の電力変換装置は、実施の形態３の図８に示した１つのインダクタンス素子３２５を備えた電力変換装置であってもよい。

図１０は、本実施の形態に係る別の電力変換装置４３の構成図である。図１０に示すように、バイパススイッチ３２６はインダクタンス素子３２４を間に挟んで還流ダイオード３２３と並列に接続されてもよい。このような構成の電力変換装置４３において、電流遮断部３２の半導体スイッチング素子３２１が短絡した状態で故障しているときにバイパススイッチ３２６を閉じたとしても、ＤＣ－ＤＣ変換部３１のコンデンサ３１５からの放電電流はインダクタンス素子３２４を介してバイパススイッチ３２６を流れる。そのため、コンデンサ３１５からの放電電流の急峻な増大を抑制することができる。

なお、実施の形態１から４に示した電力変換装置における短絡発生判定部３３および短絡解消判定部３４は、ハードウェアの一例を図１１に示すように、プロセッサ１００および記憶装置１０１で構成されていてもよい。記憶装置１０１は、図示していないがランダムアクセスメモリなどの揮発性記憶装置とフラッシュメモリなどの不揮発性の補助記憶装置とを具備する。また、フラッシュメモリの代わりにハードディスクの補助記憶装置を具備してもよい。プロセッサ１００は、記憶装置１０１から入力されたプログラムを実行する。この場合、補助記憶装置から揮発性記憶装置を介してプロセッサ１００にプログラムが入力される。また、プロセッサ１００は、演算結果などのデータを記憶装置１０１の揮発性記憶装置に出力してもよいし、揮発性記憶装置を介して補助記憶装置にデータを保存してもよい。

本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ発電機、２、２Ａ、２Ｂ、２ＣＡＣ－ＤＣ変換装置、３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、５、１３、２３、４３電力変換装置、３ａ、３ｂ出力端子、３ｃ、３ｄ，３ｅ入力端子、４、４Ａ、４Ｂ、４Ｃ遮断器、６、６Ａ、６Ｂ、６Ｃ副直流線路、７主直流線路、３１ＤＣ－ＤＣ変換部、３２電流遮断部、３３短絡発生判定部、３４短絡解消判定部、３５第１ゲート駆動部、３６第２ゲート駆動部、３７ＡＣ－ＤＣ変換部、６１電流センサー、６２電圧センサー、１００プロセッサ、１０１記憶装置、３１１第１三相ブリッジ回路、３１２第２三相ブリッジ回路、３１３変圧回路、３１４、３１５、３７５コンデンサ、３２１半導体スイッチング素子、３２２ダイオード、３２３還流ダイオード、３２４、３２５インダクタンス素子、３２６バイパススイッチ、３５１ゲート抵抗値、３７２三相ブリッジ回路。

Claims

入力電力を直流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部で変換された前記直流電力を出力する出力端子と、
前記出力端子の電流値に基づいて前記出力端子で短絡が発生したか否かを判定する短絡発生判定部と、
前記出力端子の電流値および電圧値に基づいて前記出力端子の短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部と、
前記電力変換部と前記出力端子との間に設けられ、前記短絡発生判定部が前記出力端子で短絡が発生したと判定した場合は前記電力変換部から前記出力端子へ流れる電流を遮断し、前記短絡解消判定部が前記出力端子の短絡が解消されたと判定した場合は前記電力変換部から前記出力端子へ流れる電流の遮断を解除する電流遮断部とを備えた電力変換装置であって、
前記短絡解消判定部は、前記出力端子の電流値が予め設定された値よりも小さく、かつ前記出力端子の電圧値が予め設定された値よりも大きい場合に前記出力端子の短絡が解消されたと判定することを特徴とする電力変換装置。
入力電力を直流電力に変換する電力変換部と、
前記電力変換部で変換された前記直流電力を出力する出力端子と、
前記出力端子の電流値に基づいて前記出力端子で短絡が発生したか否かを判定する短絡発生判定部と、
前記出力端子の電流値および電圧値に基づいて前記出力端子の短絡が解消されたか否かを判定する短絡解消判定部と、
前記電力変換部と前記出力端子との間に設けられ、前記短絡発生判定部が前記出力端子で短絡が発生したと判定した場合は前記電力変換部から前記出力端子へ流れる電流を遮断し、前記短絡解消判定部が前記出力端子の短絡が解消されたと判定した場合は前記電力変換部から前記出力端子へ流れる電流の遮断を解除する電流遮断部とを備えた電力変換装置であって、
前記電流遮断部は、
半導体スイッチング素子と、
この半導体スイッチング素子に直列に接続された還流ダイオードと、
前記半導体スイッチング素子と前記還流ダイオードとの接続点に接続されたインダクタンス素子とを有しており、
前記半導体スイッチング素子をオフにすることで前記電力変換部から前記出力端子へ流れる電流を遮断することを特徴とする電力変換装置。
前記短絡発生判定部は、前記直流電力の電流値が過電流設定値を超えた場合に前記出力端子で短絡が発生したと判定し、
前記過電流設定値は、前記電力変換部の定格電流値よりも大きく、かつ前記半導体スイッチング素子の逆バイアス安全動作領域の最大電流値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記電力変換部は、三相ブリッジ回路を有し、
前記電力変換装置は、前記電流遮断部の前記半導体スイッチング素子を駆動する第１駆動部と前記電力変換部の前記三相ブリッジ回路を駆動する第２駆動部とをさらに備え、
前記第１駆動部のゲート抵抗値は前記第２駆動部のゲート抵抗値よりも大きいことを特徴とする請求項２または３に記載の電力変換装置。
前記電力変換部および前記電流遮断部を複数台有し、複数の前記電力変換部および前記電流遮断部が直列に接続されていることを特徴とする請求項２から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記電流遮断部は、前記還流ダイオードと並列に接続されたバイパススイッチを備えたことを特徴とする請求項５に記載の電力変換装置。
前記半導体スイッチング素子は、ユニポーラ素子であることを特徴とする請求項２から６のいずれか１項に記載の電力変換装置。