JP7359041B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

電力変換装置の回路構成の一つに、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）がある。ＭＭＣは、直列に接続される複数のセルを備え、複数のセルは、それぞれ、コンデンサが接続されるフルブリッジ変換回路と、フルブリッジ変換回路内の複数のアームをオンまたはオフにする駆動回路とを有する。セルには複数の動作モードがあり、その一つとして、全ての上アームをオン状態にすることで、セルから零電圧を出力させる動作モードが存在する（例えば、特許文献１の図４Ｃのモード１参照）。

特許第６４１６４１１号公報

零電圧を出力するために全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態にすると、コンデンサの充電ができなくなるので、コンデンサの電圧が次第に低下する。しかしながら、各アームを駆動する駆動回路がコンデンサから供給される電力を利用する構成では、コンデンサから駆動回路に供給される電力が不足すると、全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態に維持できなくなる。その結果、零電圧を継続的に出力できなくなるおそれがある。

本開示は、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供する。

本開示は、
一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器と、
前記複数のセル変換器のうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、前記隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスとを備え、
前記隣り合う複数の変換器は、それぞれ、
コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記絶縁トランスから供給される電力に基づいて前記駆動回路に給電する給電回路とを有し、
前記絶縁トランスは、前記隣り合う複数の変換器のうち一方の端部に位置する一方の変換器と他方の端部に位置する他方の変換器とに接続される一次側コイルと、前記隣り合う複数の変換器の各々の前記給電回路に接続される二次側コイルとを有し、
前記一次側コイルは、前記一方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの一方の端子と、前記他方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの他方の端子との間に接続されており、
前記隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの第１変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続し、少なくとも一つの第２変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧以外の電圧の出力を継続する、電力変換装置を提供する。

本開示によれば、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供できる。

一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。 セル変換器の構成例を示す図である。 バイパススイッチの構成例を示す図である。 一のセル変換器のコンデンサを充電する制御ブロックを例示する図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図であり、ＭＭＣの回路構成の一例を示す。ＭＭＣは、例えば、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や直流送電システム（ＨＶＤＣ）に適用可能である。図１に示す電力変換装置４００は、複数のクラスタ５０（５０ＵＶ，５０ＶＷ，５０ＷＵ）、複数のリアクトル５１（５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵ）及び制御部４０１を備える。

Ｕ相のクラスタ５０ＵＶは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，・・・，５２ＵＶ_ｘ－１，５２ＵＶ_ｘを有する。Ｖ相のクラスタ５０ＶＷは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，・・・，５２ＶＷ_ｘ－１，５２ＶＷ_ｘを有する。Ｗ相のクラスタ５０ＷＵは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，・・・，５２ＷＵ_ｘ－１，５２ＷＵ_ｘを有する。ｘは、各クラスタにおいてセル変換器が直列に接続される個数を表し、２以上の整数である。

複数のセル変換器５２（５２ＵＶ_１～５２ＵＶ_ｘ，５２ＶＷ_１～５２ＶＷ_ｘ，５２ＷＵ_１～５２ＷＵ_ｘ）は、それぞれ、一対の交流出力端子ａ，ｂをそれぞれ有し、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される。複数のセル変換器５２は、それぞれ、自身の第１の交流出力端子ａが、自身に隣接する一方のセル変換器の第２の交流出力端子ｂに接続され、自身の第２の交流出力端子ｂが、自身に隣接する他方のセル変換器の第１の交流出力端子ａに接続される。

クラスタ５０ＵＶ、クラスタ５０ＶＷ、クラスタ５０ＷＵは、リアクトル５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵを介してデルタ結線されており、系統３００に連系している。系統３００への連系は、図示しない変圧器を介してもよい。デルタ結線は、デルタ結線内に循環電流が流れるので、制御部４０１は、この循環電流を複数のセル変換器５２によって制御することにより、逆相無効電流を調整できる。なお、図１は、デルタ結線を例示するが、クラスタ５０ＵＶ、クラスタ５０ＶＷ、クラスタ５０ＷＵは、スター結線されてもよいし、他の結線方式で結線されてもよい。

複数のセル変換器５２は、それぞれ、複数のスイッチング素子を有する電力変換回路と、その電力変換回路を動作させる駆動回路部とを有する。複数のセル変換器５２は、互いに同一の構成を有する。スイッチング素子は、例えば、トランジスタと、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードとを有する。トランジスタの具体例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などが挙げられる。

電力変換装置４００は、制御部４０１が複数のセル変換器５２のそれぞれに互いに異なる位相で電圧波形を出力させることで、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を有し、且つ、高調波が低減されたマルチレベル電圧波形を出力できる。そのため、電力変換装置４００は、例えば、特別高圧系統に直接連系する無効電力補償装置や直流送電システムなどに適用可能である。

クラスタ５０ＵＶは、複数のセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，・・・，５２ＵＶ_ｘ－１，５２ＵＶ_ｘのうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、それらの隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスを有する。図１には、第１ＵＶグループに属する隣り合う複数のセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２に接続される絶縁トランス５４ＵＶ_１と、第ｙＵＶグループに属する隣り合う複数のセル変換器５２ＵＶ_ｘ－１，５２ＵＶ_ｘに接続される絶縁トランス５４ＵＶ_ｙとが図示されている。この場合、絶縁トランス５４ＵＶ_１は、第１ＵＶグループに属し、絶縁トランス５４ＵＶ_ｙは、第ｙＵＶグループに属する。

クラスタ５０ＶＷは、複数のセル変換器５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，・・・，５２ＶＷ_ｘ－１，５２ＶＷ_ｘのうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、それらの隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスを有する。図１には、第１ＶＷグループに属する隣り合う複数のセル変換器５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２に接続される絶縁トランス５４ＶＷ_１と、第ｙＶＷグループに属する隣り合う複数のセル変換器５２ＶＷ_ｘ－１，５２ＶＷ_ｘに接続される絶縁トランス５４ＶＷ_ｙとが図示されている。この場合、絶縁トランス５４ＶＷ_１は、第１ＶＷグループに属し、絶縁トランス５４ＶＷ_ｙは、第ｙＶＷグループに属する。

クラスタ５０ＷＵは、複数のセル変換器５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，・・・，５２ＷＵ_ｘ－１，５２ＷＵ_ｘのうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、それらの隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスを有する。図１には、第１ＷＵグループに属する隣り合う複数のセル変換器５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２に接続される絶縁トランス５４ＷＵ_１と、第ｙＷＵグループに属する隣り合う複数のセル変換器５２ＷＵ_ｘ－１，５２ＷＵ_ｘに接続される絶縁トランス５４ＷＵ_ｙとが図示されている。この場合、絶縁トランス５４ＷＵ_１は、第１ＷＵグループに属し、絶縁トランス５４ＷＵ_ｙは、第ｙＷＵグループに属する。

一グループ当たりに属する隣り合う複数の変換器の数は、２つに限られず、３つ以上でもよい。例えばクラスタ５０ＵＶにおいて、隣り合う４つのセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，５２ＵＶ_３，５２ＵＶ_４が一つのグループに属してもよい。また、グループの数は、複数に限られず、一つでもよい。例えばクラスタ５０ＵＶにおいて、グループ数が一つの場合、複数のセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，・・・，５２ＵＶ_ｘ－１，５２ＵＶ_ｘの全てが第１ＵＶグループに属する。これらの点は、他のクラスタ５０ＶＷ，５０ＷＵについても同様である。

絶縁トランス５４（５４ＵＶ_１，・・・，５４ＵＶ_ｙ，５４ＶＷ_１，・・・，５４ＶＷ_ｙ，５４ＷＵ_１，・・・，５４ＷＵ_ｙ）は、それぞれ、同一グループに属する一又は複数のセル変換器の出力電力を用いて、同一グループに属する一又は複数のセル変換器の駆動回路に給電する自己給電用変圧器である。

絶縁トランス５４は、それぞれ、一次側コイルと二次側コイルとを有する。一次側コイルは、同一グループに属する隣り合う複数の変換器のうち一方の端部に位置する一方の変換器と他方の端部に位置する他方の変換器とに接続される。そして、一次側コイルは、その一方の変換器の一対の交流出力端子ａ，ｂのうちの一方の端子ａと、その他方の変換器の一対の交流端子ａ，ｂのうちの他方の端子ｂとの間に接続されている。二次側コイルは、同一グループに属する隣り合う複数の変換器の各々の給電回路に接続される。

例えば図１では、絶縁トランス５４ＵＶ_１の一次側コイルは、第１ＵＶグループに属する隣り合う複数のセル変換器のうち一方の端部に位置するセル変換器５２ＵＶ_１と、第１ＵＶグループに属する隣り合う複数のセル変換器のうち他方の端部に位置するセル変換器５２ＵＶ_２とに接続される。そして、絶縁トランス５４ＵＶ_１の一次側コイルは、セル変換器５２ＵＶ_１の一方の端子ａと、セル変換器５２ＵＶ_２の他方の端子ｂとの間に接続されている。絶縁トランス５４ＵＶ_１の二次側コイルは、第１ＵＶグループに属する隣り合う複数の変換器の各々の給電回路に接続される。他の絶縁トランスについても同様である。

同一グループに属する隣り合う複数のセル変換器の数が３つ以上の場合、一次側コイルは、同一グループに属する隣り合う複数のセル変換器のうち両端にそれぞれ位置するセル変換器に接続される。例えば、セル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，５２ＵＶ_３が同一グループの場合、セル変換器５２ＵＶ_１の一方の端子ａとセル変換器５２ＵＶ_３の他方の端子ｂとの間に一次側コイルが接続される。他の絶縁トランスについても同様である。

同一グループに属する隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの第１変換器は、一対の交流出力端子ａ，ｂから零電圧の出力を継続し、少なくとも一つの第２変換器は、一対の交流出力端子ａ，ｂから零電圧以外の電圧の出力を継続する。これにより、第１変換器の零電圧の出力に必要な駆動電力を、同一グループ内の残りの第２変換器から出力される電力によって賄うことができるので、第１変換器の零電圧を継続的に出力できる。第１変換器が零電圧を出力する動作モードとして、例えば、図３に示す動作モードＡ，Ｂ，Ｃのいずれかがある（図３については後述）。

図２は、セル変換器の構成例を示す図であり、複数のセル変換器５２ＵＶ_１～５２ＵＶ_ｘ，５２ＶＷ_１～５２ＶＷ_ｘ，５２ＷＵ_１～５２ＷＵ_ｘのそれぞれの構成例を示す。図２に示すセル変換器５２は、コンデンサ６００における直流電力を交流電力に変換して一対の交流出力端子ａ，ｂに出力する機能と、一対の交流出力端子ａ，ｂから入力される交流電力を直流電力に変換してコンデンサ６００に供給する機能とを有する。

セル変換器５２は、一対の交流出力端子ａ，ｂ、コンデンサ６００、電力変換回路５３、ＧＤＵ（Gate Drive Unit）５０２ａ～５０２ｆ、バイパススイッチ６０４及び給電回路６０３を備える。

コンデンサ６００は、一対の交流出力端子ａ，ｂに電力変換回路５３を介して接続される容量素子である。Ｅｄｃは、コンデンサ６００の電圧値を表す。

電力変換回路５３は、コンデンサ６００と一対の交流出力端子ａ，ｂとの間に接続され、直流と交流との間で双方向に電力を変換するインバータ回路である。電力変換回路５３は、コンデンサ６００に並列に接続されている。図２には、複数のスイッチング素子５０１（５０１ａ～５０１ｄ）を有するフルブリッジ回路が例示されている。電力変換回路５３は、スイッチング素子５０１ａ，５０１ｂが直列に接続される回路と、スイッチング素子５０１ｃ，５０１ｄが直列に接続される回路とが並列に接続されたフルブリッジ構成を有する。第１上アームのスイッチング素子５０１ａと第１下アームのスイッチング素子５０１ｂとの間の接続点に、第１の交流出力端子ａが接続されている。第２上アームのスイッチング素子５０１ｃと第２下アームのスイッチング素子５０１ｄとの間の接続点に、第２の交流出力端子ｂが接続されている。

図２に例示する複数のスイッチング素子５０１は、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴやサイリスタ等のスイッチング機能を有するスイッチング素子でもよい。

スイッチング素子と逆並列ダイオードとのうち少なくとも一方は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａ_２Ｏ_３（酸化ガリウム）やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を含む素子であることが好ましい。ワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子に適用することにより、スイッチング素子の損失低減の効果が高まる。なお、スイッチング素子は、Ｓｉ（シリコン）などの半導体を含む素子でもよい。同様に、ワイドバンドギャップ半導体を含む素子をダイオードに適用することにより、ダイオードの損失低減の効果が高まる。なお、ダイオードは、Ｓｉ（シリコン）などの半導体を含む素子でもよい。

一対の交流出力端子ａ，ｂの間には、セル変換器５２を短絡してバイパスするバイパススイッチ６０４が接続される。図２に示すバイパススイッチ６０４は、ＩＧＢＴ６０４ａとＩＧＢＴ６０４ｂを逆直列に接続する構成であるが、この構成に限られず、機械スイッチなどを使用する構成でもよい。あるいは、バイパススイッチ６０４は、２つのサイリスタを逆並列に接続する構成でもよい。一対の交流出力端子ａ，ｂ間のバイパスをオフするときは、各素子をオフにし、バイパスをオンするときは、各素子をオンすることで、バイパス機能を実現できる。

ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄは、電力変換回路５３を駆動する駆動回路であり、具体的には、電力変換回路５３に構成される複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄのゲートを駆動するゲート駆動回路である。ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄは、自身に接続される絶縁トランス５４から給電回路６０３を介して供給される電力に基づいて、電力変換回路５３に構成される複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄを駆動する。

ＧＤＵ５０２ｅ，５０２ｆは、バイパススイッチ６０４を駆動する駆動回路であり、具体的には、バイパススイッチ６０４に構成される複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ６０４ａ，６０４ｂ）のゲートを駆動するゲート駆動回路である。ＧＤＵ５０２ｅ，５０２ｆは、自身に接続される絶縁トランス５４から給電回路６０３を介して供給される電力に基づいて、バイパススイッチ６０４に構成される複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ６０４ａ，６０４ｂ）を駆動する。

ＧＤＵ５０２ｅ，５０２ｆは、例えば、直列に接続される複数のセル変換器のうち自身のセル変換器５２の故障が検出された場合に、バイパススイッチ６０４をオンにする駆動回路である。当該故障が検出された場合にバイパススイッチ６０４がオンになることで、図１のように直列に接続される複数のセル変換器のうち任意のセル変換器が故障しても、電力変換装置４００の運転を継続できる。当該故障が検出された場合、一対の交流出力端子ａ，ｂに流れる電流は、バイパススイッチ６０４を経由するので、故障したセル変換器５２の電力変換回路５３に電流が流れることを防止できる。

例えば、制御部４０１（図１参照）は、複数のセル変換器のそれぞれを監視する。ＧＤＵ５０２ｅ，５０２ｆは、自身のセル変換器５２の故障が制御部４０１により検出された場合、制御部４０１からの指令信号に従ってバイパススイッチ６０４をオンにする。制御部４０１は、例えば、電力変換回路５３（より具体的には、スイッチング素子５０１ａ～５０１ｄのいずれか）に異常な印加電圧が検出された場合、あるいは、コンデンサ６００に異常な印加電圧が検出された場合、バイパススイッチ６０４をオンにする。

給電回路６０３は、自身に接続される絶縁トランス５４の二次側コイルから供給される電力に基づいてＧＤＵ５０２ａ～５０２ｆに電力を供給する自己給電回路（電源回路）である。図２に示す例では、給電回路６０３は、絶縁トランス５４の２次側コイルに並列に接続されている。ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｆへの電力供給は、給電回路６０３を介して行われる。セル変換器５２と同一グループに属する絶縁トランス５４から供給される電力が給電回路６０３に供給され、給電回路６０３からＧＤＵ５０２ａ～５０２ｆのそれぞれに必要な電力が供給される。

ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄは、制御部４０１（図１参照）からの制御信号に従って、複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄのうち対応するスイッチング素子のゲート－エミッタ間に電圧を印加することで、当該対応するスイッチング素子をオン又はオフにする。このような動作によって、セル変換器５２の一対の交流出力端子ａ，ｂ間に矩形波状の電圧が発生する。同様に、ＧＤＵ５０２ｅ，５０２ｆは、制御部４０１（図１参照）からの制御信号に従って、複数のスイッチング素子（ＩＧＢＴ６０４ａ，６０４ｂ）のうち対応するスイッチング素子のゲート－エミッタ間に電圧を印加することで、当該対応するスイッチング素子をオン又はオフにする。

制御部４０１（図１参照）は、複数のセル変換器５２に共通のキャリア周期Ｔｃ（キャリア周波数の逆数）に従って、複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｆをオン又はオフにする制御信号（例えば、パルス幅変調された信号）を生成するコントローラである。制御部４０１は、メモリとプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））を有し、制御部４０１の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。

制御部４０１は、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃを監視し、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃに基づいて、複数のセル変換器５２の中から一つ以上のセル変換器を選択する。例えば、制御部４０１は、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃがいずれも正常な場合、複数のセル変換器５２はいずれも健全であると判定し、複数のセル変換器５２の中から一つ以上の特定のセル変換器を選択する。制御部４０１は、例えば、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが所定の電圧範囲ＶＡにあるとき、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃは正常と判定し、当該コンデンサ６００を有するセル変換器は健全と判定する。制御部４０１は、選択されるセル変換器が固定されることを避けるため、複数のセル変換器５２の中から特定のセル変換器として選択される一つ以上のセル変換器を順次切り替えてもよい。

図３は、特定のセル変換器の動作モードを示す図である。制御部４０１は、複数のセル変換器５２がいずれも健全であると判定した場合、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態、第２状態、又は第３の状態に維持させる。第１状態とは、全ての上アームがオンで全ての下アームがオフでバイパススイッチ６０４がオフの状態を表す。第２状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオンでバイパススイッチ６０４がオフの状態を表す。第３の状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオフでバイパススイッチ６０４がオンの状態を表す。この例では、全ての上アームとは、スイッチング素子５０１ａ，５０１ｃであり、全ての下アームとは、スイッチング素子５０１ｂ，５０１ｄである。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号により指示される図３に示す動作モードに従って、第１状態、第２状態、又は第３の状態を維持する。特定のセル変換器が第１状態、第２状態又は第３の状態に維持されることで、一対の交流出力端子ａ，ｂからの出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧になる。零電圧の出力状態では、一対の交流出力端子ａ，ｂの間は、オン状態の全ての上アーム、オン状態の全ての下アーム、又はオン状態のバイパススイッチ６０４を介して、短絡される。その結果、特定のセル変換器を除く複数のセル変換器５２を用いて電力変換装置４００の運転を継続できる。

電力変換装置４００に構成される複数のクラスタ５０のそれぞれには、いずれかのセル変換器の異常発生に備えて、一つ以上のセル変換器が冗長に設けられている場合が多い。一つ以上の冗長なセル変換器が存在することで、いずれかのセル変換器が故障しても、電力変換装置４００は定格無効電力を出力できる。しかしながら、複数のセル変換器５２がいずれも健全である場合、一つ以上の冗長なセル変換器内の複数のスイッチング素子もスイッチングさせると、それらの冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失が発生してしまう。

これに対し、本実施形態では、複数のセル変換器５２がいずれも健全である場合、一つ以上の特定のセル変換器が第１状態、第２状態又は第３の状態に維持されるので、一つ以上の冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失を抑制できる。

制御部４０１は、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態、第２状態、又は第３の状態に少なくともキャリア周期Ｔｃよりも長く維持させる。これにより、絶縁トランス５４から給電回路６０３を介してＧＤＵ５０２ａ～５０２ｆに供給される電力が不足しない限り、ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｆは、キャリア周期Ｔｃよりも長い期間、出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧に維持できる。

制御部４０１は、同一グループに属する隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの変換器を除く一つ以上の特定の変換器を選択し、その選択した特定の変換器の一対の交流出力端子ａ，ｂから零電圧の出力を継続させる。その選択した特定の変換器の駆動回路（ＧＤＵ５０１ａ～５０１ｄ）は、電力変換回路５３を駆動して、一対の交流出力端子ａ，ｂから零電圧を継続的に出力する。つまり、同一グループ内のセル変換器の各ＧＤＵへ常時給電するため、同一グループに属する絶縁トランス５４に並列に接続されている複数のセル変換器のうち少なくとも一つの変換器は、零電圧以外の電圧を出力する。したがって、同一グループ内で零電圧を出力するセル変換器の台数は、（同一グループの絶縁トランス５４に並列に接続されているセル変換器の数‐１）以下にする必要がある。同一グループ内で全てのセル変換器が零電圧を出力すると、そのグループに接続される絶縁トランス５４の一次側コイルに電圧が印加されなくなるので、その絶縁トランス５４が機能しなくなるからである。

次に、セル変換器５０ＵＶ_１が零電圧を出力しているときに、同一グループ内に属し且つ零電圧以外の電圧を継続的に出力する他のセル変換器５０ＵＶ_２が故障した時の動作例について説明する。

制御部４０１は、セル変換器５０ＵＶ_２の故障が検出された場合、セル変換器５０ＵＶ_２のバイパススイッチ６０４をオンさせ、セル変換器５０ＵＶ_２に代えてセル変換器５０ＵＶ_１を動かすことで、セル変換器５０ＵＶ_１から零電圧以外の電圧を継続的に出力させる。セル変換器５０ＵＶ_１が零電圧を出力している期間には、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００の充電が外部からできなくなるので、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００の電圧は次第に低下する。そのため、セル変換器５０ＵＶ_２が故障した時に、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが不足していると、セル変換器５０ＵＶ_１から零電圧以外の電圧を出力できなくなるおそれがある。そこで、セル変換器５０ＵＶ_１から零電圧以外の電圧を出力できるように、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００を速やかに充電することが求められる。

本実施形態では、健全なセル変換器（５０ＵＶ_１，５０ＵＶ_３～５０ＵＶ_ｘ，５０ＶＷ_１～５０ＶＷ_ｘ，５０ＷＵ_１～５０ＷＵ_ｘ）によって、デルタ結線内に循環電流を流して、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００を充電する。制御部４０１は、故障が検出されたセル変換器５０ＵＶ_２のバイパススイッチ６０４をオンされた後、同一グループに属する残りのセル変換器５０ＵＶ_１のバイパススイッチ６０４をオフさせる。これにより、デルタ結線に流れる循環電流が電力変換回路５３を介してセル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００に流れることで、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００は、速やかに充電される。

図４は、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００の充電を制御する制御部４０１の充電制御機能を表す制御ブロックを例示する図である。制御部４０１は、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００の電圧指令値（目標電圧値）と検出電圧値との偏差Ｅｅを減算器４１により算出し、偏差ＥｅをＰＩ調節器４２へ入力することで、循環電流の電流指令値Ｉｚｒｅｆ（循環電流の目標電流値）を生成する。ＰＩ調節器４２は、偏差Ｅｅに対して比例制御Ｐと積分制御Ｉを行う。

一方、制御部４０１は、各相に流れる相電流ｉｕｖ，ｉｖｗ，ｉｗｕの平均値を算出することによって、循環電流の検出電流値Ｉｚを算出できる。制御部４０１は、例えば、リアクトル５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵにそれぞれ流れる相電流ｉｕｖ，ｉｖｗ，ｉｗｕを検出し、その検出電流値を加算器４３により加算して、その加算値を除算器４４により除算することで、循環電流の検出電流値Ｉｚを算出する。

制御部４０１は、循環電流の電流指令値Ｉｚｒｅｆと検出電流値Ｉｚとの偏差Ｉｅを減算器４５により算出し、偏差ＩｅをＰ調節器４６へ入力することで、電圧指令値Ｖｒｅｆを生成する。Ｐ調節器４６は、偏差Ｉｅに対して比例制御Ｐを行う。制御部４０１は、電圧指令値Ｖｒｅｆを健全なセル変換器の台数Ｎで除算器４７により除算することで、各セル変換器用の電圧指令補正量Ｖｒｅｆｃｍｐを生成する。

なお、ここでの健全なセル変換器の台数Ｎは、
Ｎ＝ ３相分のセル変換器の総数
－故障したセル変換器の数
－充電対象のコンデンサ６００を有するセル変換器の数
にて求まる。

一方、制御部４０１は、ＵＶ相の相電流の電流指令値Ｉｕｖ^＊と検出電流値Ｉｕｖとの偏差ｉｕｖｅを減算器４９により算出し、偏差ｉｕｖｅを電流制御器５５へ入力することで、ＵＶ相の相電圧の電圧指令値Ｖｕｖａを生成する。電流制御器５５は、いわゆる、ＡＣＲ（Automatic Current Regulator）である。制御部４０１は、電圧指令値ＶｕｖａをＵＶ相の健全なセル変換器の台数で除算器５６により除算することで、各セルの電圧指令値Ｖｕｖｂを生成する。制御部４０１は、電圧指令補正量Ｖｒｅｆｃｍｐを電圧指令値Ｖｕｖｂに加算器４８により加算することで、セル変換器５０ＵＶ_１のコンデンサ６００の電圧を所望の値に制御できる。

以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

５０，５０ＵＶ，５０ＶＷ，５０ＷＵ クラスタ
５１，５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵ リアクトル
５２ セル変換器
５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，５２ＵＶ_ｘ セル変換器
５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，５２ＶＷ_ｘ セル変換器
５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，５２ＷＵ_ｘ セル変換器
５３ 電力変換回路
５４ＵＶ_１，５４ＵＶ_ｙ，５４ＶＷ_１，５４ＶＷ_ｙ，５４ＷＵ_１，５４ＷＵ_ｙ 絶縁トランス
３００ 系統
４００ 電力変換装置
４０１ 制御部
５０１，５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ スイッチング素子
５０２ａ～５０２ｆ ＧＤＵ
６００ コンデンサ
６０３ 給電回路
６０４ バイパススイッチ
ａ，ｂ 交流出力端子

Claims (6)

1. 一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器と、
   前記複数のセル変換器のうち隣り合う複数の変換器が属するグループ毎に設けられ、前記隣り合う複数の変換器に接続される少なくとも一つの絶縁トランスとを備え、
   前記隣り合う複数の変換器は、それぞれ、
   コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記絶縁トランスから供給される電力に基づいて前記駆動回路に給電する給電回路とを有し、
   前記絶縁トランスは、前記隣り合う複数の変換器のうち一方の端部に位置する一方の変換器と他方の端部に位置する他方の変換器とに接続される一次側コイルと、前記隣り合う複数の変換器の各々の前記給電回路に接続される二次側コイルとを有し、
   前記一次側コイルは、前記一方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの一方の端子と、前記他方の変換器の前記一対の交流出力端子のうちの他方の端子との間に接続されており、
   前記隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの第１変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続し、少なくとも一つの第２変換器は、前記一対の交流出力端子から零電圧以外の電圧の出力を継続する、電力変換装置。
2. 前記第１変換器は、前記電力変換回路によって、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記隣り合う複数の変換器は、前記一対の交流出力端子の間に接続されるバイパススイッチを有する変換器を含み、
   前記第１変換器は、前記バイパススイッチのオンによって、前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続する、請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記複数のセル変換器は、デルタ結線で接続されており、
   前記第２変換器の前記バイパススイッチがオンされ、且つ、前記第１変換器の前記バイパススイッチがオフされることで、前記第１変換器の前記コンデンサは、前記デルタ結線に流れる循環電流によって充電される、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記隣り合う複数の変換器のうち、少なくとも一つの変換器を除く一つ以上の変換器を選択する制御部を備え、
   前記制御部は、前記選択したセル変換器の前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続させる、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記複数のセル変換器がいずれも健全な場合、前記選択したセル変換器の前記一対の交流出力端子から零電圧の出力を継続させる、請求項５に記載の電力変換装置。

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