JPWO2020240810A1 - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

実施形態の電力変換装置は、変換器と、負荷装置と、制御部とを持つ。変換器は、少なくとも３つのレグを含む。レグのそれぞれは、一以上のセルを含むアームと、アームの交流側に接続されたインダクタンスと、インダクタンスに流れる電流を検出する電流検出部とを含む。セルは、スイッチング素子と、コンデンサと、電圧検出部と、制御部とを持つ。セル制御部は、制御部により出力された制御信号に基づいてスイッチング素子を制御して直流側に出力する電力を制御し、電圧検出部により検出されたコンデンサの電圧を制御部に提供する。交流電力を直流電力または直流電力を交流電力に変換する。負荷装置は、前記変換器の直流側における正極線と負極線または接地線との間に接続される。前記制御部は、前記変換器に含まれるコンデンサの電圧に基づいて、前記負荷装置に電力を消費または蓄電させるように前記負荷装置を制御する。

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

近年、複数の変換所間で電力融通を行う多端子直流送電システムが利用されている。直流送電システムにおいて、事故が発生した場合、電力を変換する電力変換器の運転が停止する場合がある。電力変換器が停止した場合には、再起動するまでに長時間を要してしまうことがある。

特開２０１８−１４８３７号公報

萩原 誠・赤城 泰文「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文Ｄ（産業応用部門）、１２８巻７号、ｐｐ．９５７−９６５、２００８年

本発明が解決しようとする課題は、送電システムの状況に応じて、電力変換器をより適切に制御することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、変換器と、負荷装置と、制御部とを持つ。変換器は、少なくとも３つのレグを含む。前記レグのそれぞれは、一以上のセルを含むアームと、前記アームの交流側に接続されたインダクタンスと、前記インダクタンスに流れる電流を検出する電流検出部と、を含む。前記３つのレグのうち、第１レグはＵ相、第２レグはＶ相、第３レグはＷ相に接続される。前記セルは、スイッチング素子と、コンデンサと、電圧検出部と、制御部とを持つ。電圧検出部は、前記コンデンサの両端の電圧を検出する。セル制御部は、制御部により出力された制御信号に基づいて前記スイッチング素子を制御して直流側に出力する電力を制御し、前記電圧検出部により検出された前記コンデンサの電圧を前記制御部に提供する。交流電力を直流電力または直流電力を交流電力に変換する。負荷装置は、前記変換器の直流側における正極線と負極線または接地線との間に接続される。前記制御部は、前記変換器に含まれるコンデンサの電圧に基づいて、前記負荷装置に電力を消費または蓄電させるように前記負荷装置を制御する。

直流送電システムの構成の一例を示す図である。 電力変換装置の機能構成を中心に示す図である。 セルの機能構成の一例を示す図である。 ブリッジ回路の構成の一例を示す図である。 制御装置が実行する処理の概要を説明するための図である。 負荷装置の動作および停止を示す指令値を決定する処理を説明するための図である。 動作演算部の動作とコンデンサ電圧の平均値と電圧変化率との関係の一例を示す図である。 直流事故時に行われる操作量の演算に関する処理を説明するための図である。 直流系統の事故状態と健全状態を検知するための状態検出部の処理に関するブロック図である。 事故除去後に電力変換器がスイッチング動作を再開するか否かが決定される処理に関するブロック図である。 第２実施形態の電力変換装置の構成の一例を示す図である。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。

（第１の実施形態）
図１は、直流送電システム１の構成の一例を示す図である。直流送電システム１は、複数の変換所間で電力融通を行う多端子直流送電システムである。直流送電システム１における長距離範囲に点在する交流電気設備２（図中、２−１〜２−５）のそれぞれは、電力変換装置１０と連系する。交流電気設備２は、発電所（例えば、風力発電所）や、その他の交流系統である。電力変換装置１０は、直流系統３（図中、３−１〜３−８）を介して他の複数の電力変換装置１０と接続されている。以下、電力変換装置１０を、変換所と称する場合がある。

図１の例では、交流設備および変換所がそれぞれ５か所に点在し、変換所同士を接続する直流送電路が、計８区間（図中、区間３−１〜３−８）が存在する場合の多端子直流送電システムである。交流電気設備２と変換所の個数および直流送電路の区間数や条数はこの限りでない。例えば、交流電気設備２と連系する少なくとも３つ以上の変換所を直流送電路２区間で接続した、ループ状あるいは非ループ状の直流送電システムまたは２端子直流送電システムに、本実施形態の処理等が適用されてもよい。

図２は、電力変換装置１０の機能構成を中心に示す図である。直流母線２００（図中、２００Ｐ、２００Ｎ）に対して、並列に、電力変換装置１０および直流遮断器２１０（２１０−１、２１０−２）が電気線を介して接続されている。

電力変換装置１０は、例えば、電力変換器２０と、負荷装置８０と、制御装置１００とを備える。電力変換器２０と負荷装置８０とは電気線を介して並列に接続されている。電力変換器２０は、変圧器ＴＲと、複数のレグ３０（図中、３０−１〜３０−３）とを有する。

交流電気設備２と各レグ３０の端子ＮＡＣとの間には、変圧器ＴＲが接続されている。変圧器ＴＲは、一次巻線と二次巻線との組を三相分備える。三相とは、例えば、交流のＵ相、交流のＶ相、および交流のＷ相である。変圧器ＴＲの一次巻線側には、交流のＵ相の交流電力と、交流のＶ相の交流電力と、交流のＷ相の交流電力とが、それぞれ供給される。変圧器ＴＲは、供給された交流電力を変圧して、変圧した交流電力を二次巻線側（レグ３０側）に出力する。

各レグ３０は、正側アーム４０Ｐ（４０Ｐ−１〜４０Ｐ−３）と負側アーム４０Ｎ（４０Ｎ−１〜４０Ｎ−３）とを含む。正側アーム４０Ｐと負側アーム４０Ｎとの間には、端子ＮＡＣが接続されている。図２の例では、レグ３０−１の端子ＮＡＣには変圧器ＴＲの二次巻線Ｕ相が接続され、レグ３０−２の端子ＮＡＣには変圧器ＴＲの二次巻線Ｖ相が接続され、レグ３０−３の端子ＮＡＣには変圧器ＴＲの二次巻線Ｗ相が接続される。

レグ３０の正側アーム４０Ｐにおいて、一以上のセル５０（例えば５０Ｐ−１−１〜５０Ｐ−１−ｎ）が直列に接続される。「ｎ」は任意の自然数である。レグ３０の負側アーム４０Ｎにおいて、一以上のセル５０（例えば５０Ｎ−１−１〜５０Ｎ−１−ｎ）が直列に接続される。正側アーム４０Ｐおよび負側アーム４０Ｎには、それぞれセル５０がＮ個（Ｎ≧２）直列に接続されている。セル５０は単位変換器として機能し、アーム４０は階段状の交流電圧等の任意の電圧を出力する。

上記の階段状の交流電圧の出力は、各セル５０が備えるスイッチング素子（図３参照）のスイッチング動作のタイミングがずらされることにより行われる。例えば、制御装置１００は、各セル５０に入力されるアーム電圧指令値Ｘ１に基づいてスイッチング素子を制御してスイッチング動作を制御する。各セル５０は、内部に有するセルコンデンサの電圧を検出し、セルコンデンサの電圧検出値（コンデンサ電圧検出値Ｘ２）を制御装置１００に出力する。セル５０および上記制御の内容の詳細については後述する。

バッファリアクトルＬＢと電流センサＣＴは、正側アーム４０Ｐと直列に接続されている。バッファリアクトルＬＢと電流センサＣＴは、負側アーム４０Ｎと直列に接続されている。バッファリアクトルＬＢは、セル５０に流れる短絡電流を抑制する。電流センサＣＴは各バッファリアクトルＬＢに流れる電流を検出し、アーム電流検出値Ｘ３を制御装置１００に出力する。

正側アーム４０Ｐおよび負側アーム４０Ｎのそれぞれにおいて、各セル５０の電圧が加算されて出力電圧が決定される。正側アーム４０Ｐの出力直流電圧は、交流端子ＮＡＣを基準にすると正の電圧である。正側アーム４０Ｐによって生成された正の直流電圧は、端子ＮＤＣＰに出力される。負側アーム４０Ｎの出力直流電圧は、交流端子ＮＡＣを基準にすると負の電圧である。負側アーム４０Ｎによって生成された負の直流電圧は、端子ＮＤＣＮに出力される。電力変換器２０は、端子ＮＤＣＰと端子ＮＤＣＮの間に直流電力を供給する。

負荷装置８０は、例えば、抵抗体や、蓄電機能を有する装置等である。負荷装置８０は、動作状態において直流側電力を消費または蓄電することによって、電力変換器２０の直流側電力を調整する機能を有する。負荷装置８０は、電力変換器２０の直流側における正極線と負極線（または接地線）との間に接続される。負荷装置８０は端子ＮＤＣＰと端子ＮＤＣＮに接続され、入力される負荷装置動作指令Ｘ４に従って動作状態または停止状態に制御される。例えば、直流事故等によって電力変換器２０の交流側の電力に対し直流側の電力が増加した場合に各セル５０のエネルギー蓄積要素であるセルコンデンサが過充電され、セルコンデンサが過電圧になる場合がある。このとき負荷装置８０が動作状態になることで、直流側の電力を調整する。この調整により、交流側の電力と直流側の電力との均衡が維持されて、セルコンデンサの過電圧が回避される。負荷装置８０は、動作状態に応じて、動作状態または停止状態を示す負荷装置状態信号Ｘ５を出力する。

直流母線２００Ｐは端子ＮＤＣＰに接続され、直流母線２００Ｎは端子ＮＤＣＮに接続される。直流母線２００と直流母線２００に接続された直流系統３（直流送電路）との接点のうち少なくとも１つには直流遮断器２１０が接続される。制御装置１００は、直流遮断器２１０の開閉状態を制御可能である。直流遮断器２１０は、１つの直流遮断器であってもよいし、複数の直流遮断器を含んでもよい。例えば、直流遮断器２１０−１は直流母線２００Ｐと直流系統３との間に接続されている。直流遮断器２１０−２は直流母線２００Ｎと直流系統３との間に接続されている。直流遮断器２１０は、直流系統３を介して所定の変換所（第１変換所、第２変換所・・・）に接続される。直流遮断器２１０は、制御装置１００が出力する直流遮断機動作指令Ｘ６に応じて、開動作または閉動作し、開動作または閉動作したことを示す直流遮断器状態信号Ｘ７を制御装置１００に出力する。

直流帰路を大地帰路とするために端子ＮＤＣＮを接地する場合は、負側の直流母線２００Ｎや負側の直流母線２００Ｎに接続された直流遮断器２１０−２は省略されてもよい。

制御装置１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などのプロセッサが、記憶装置に記憶されたプログラム（ソフトウェア）を実行することで実現される。制御装置１００は、ＬＳＩ（Large Scale Integration）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部：circuitryを含む）によって実現されていてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されていてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリなどの記憶装置に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ−ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることでインストールされてもよい。

制御装置１００は、電力変換器２０からコンデンサ電圧検出値Ｘ２およびアーム電流検出値Ｘ３を取得し、取得したこれらの検出値に基づいて、所定の演算を行って各種操作量（アーム電圧指令値Ｘ１）を導出する。上記によって得られたアーム電圧指令値Ｘ１は各セル５０に送信される。

制御装置１００は、セル５０のコンデンサの電圧に基づいて、負荷装置８０に電力を消費または蓄電させるように負荷装置８０を制御する。制御装置１００は、負荷装置８０の動作または停止を決定するための演算を行い、演算結果に基づいて負荷装置動作指令Ｘ４を導出し、導出した負荷装置動作指令Ｘ４を負荷装置８０に送信する（詳細は後述する）。

制御装置１００は、負荷装置８０の動作状態を示す負荷装置状態信号Ｘ５を、負荷装置８０から取得する。制御装置１００は、取得した負荷装置状態信号Ｘ５に基づいて、直流遮断器２１０の開閉動作を決定するための演算を行って直流遮断機動作指令Ｘ６を導出する。制御装置１００は、導出した直流遮断機動作指令Ｘ６を直流遮断器２１０に送信する。制御装置１００は、直流遮断器２１０の動作状態を示す直流遮断器状態信号Ｘ７を取得し、取得した直流遮断器状態信号Ｘ７に基づいて、直流遮断器２１０の開閉動作を決定するための演算を行う（詳細は後述する）。

図３は、セル５０の機能構成の一例を示す図である。セル５０は、例えば、ハーフブリッジ型のチョッパセルである。この場合、セル５０は、端子５０Ａ、端子５０Ｂと、スイッチング素子５２Ａと、スイッチング素子５２Ｂと、セルコンデンサ５４と、給電回路５６と、セル制御部５８と、帰還ダイオード６０Ａと、帰還ダイオード６０Ｂと、電圧センサＶＴとを備える。

端子５０Ａは、端子ＮＤＣＰまたは他のセル５０に接続され、端子５０Ｂは、他のセル５０または端子ＮＡＣに接続されている。スイッチング素子５２Ａと、スイッチング素子５２Ｂとは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等の自己消弧型の半導体素子である。これらのスイッチング素子５２Ａおよびスイッチング素子５２Ｂは、例えば、直列に２個接続されている。

帰還ダイオード６０Ａと、帰還ダイオード６０Ｂとは、直列に接続され、スイッチング素子５２Ａおよびスイッチング素子５２Ｂにそれぞれ逆並列に接続されている。端子５０Ａから延在する電気線は、直列に接続されたスイッチング素子５２Ａとスイッチング素子５２Ｂとの間、および直列に接続された帰還ダイオード６０Ａと帰還ダイオード６０Ｂとの間に接続される。

セルコンデンサ５４は、直列に接続された２個のスイッチング素子５２Ａおよびスイッチング素子５２Ｂに並列に接続されている。

給電回路５６は、セルコンデンサ５４に直接に接続される。給電回路５６は降圧回路である。給電回路５６は、セルコンデンサ５４により出力された電圧をセル制御部５８に出力することでセル制御部５８に電力を供給する。電圧センサＶＴは、セルコンデンサ５４の両端の電位差を検出し、検出値をセル制御部５８に出力する。スイッチング素子５２Ａおよび帰還ダイオード６０Ａの第１側（正端子側）は電圧センセＶＴの第１側（正端子側）に接続されている。スイッチング素子５２Ｂおよび帰還ダイオード６０Ｂの第２側（負端子側）は、端子５０Ｂから延在する電気線を介して、電圧センセＶＴの第２側（負端子側）に接続されている。

セル制御部５８は、制御装置１００により出力された制御信号に基づいてスイッチング素子５２を制御して直流母線２００に出力する電力を制御し、電圧センサＶＴにより検出された電圧を制御装置１００に提供する。セル制御部５８は、電圧センサＶＴにより検出された検出値と制御装置１００に出力されるアーム電圧指令値Ｘ１とを取得し、取得した情報に基づいて、各種演算（例えばＰＷＭ制御のための演算）を行う。制御装置１００は、ＰＷＭ制御のための演算結果に応じて、ゲート信号Ｇ１およびゲート信号Ｇ２を生成し、生成したゲート信号Ｇ１をスイッチング素子５２Ａのゲートに出力し、生成したゲート信号Ｇ２をスイッチング素子５２Ｂのゲートに出力する。制御装置１００により出力される制御信号には、セル５０の電力変換動作を停止させるための変換器停止指令ＥＳが含まれる場合がある。セル制御部５８は、変換器停止指令ＥＳを取得すると、各セル５０の電力変換動作を停止させる。セル制御部５８は、コンデンサ電圧検出値Ｘ２を制御装置１００に送信する。

セル５０は、スイッチング素子５２Ａがオン制御されており、スイッチング素子５２Ｂがオフにされている場合にセルコンデンサ５４の電圧を出力する。セル５０は、スイッチング素子５２Ａがオフ制御されており、スイッチング素子５２Ｂがオンにされている場合にゼロ電圧を出力する。

図３に示したハーフブリッジ回路に代えて、図４に示すようなフルブリッジ回路が用いられてもよい。フルブリッジ回路は、４つのスイッチング素子５２Ｃ、５２Ｄ、５２Ｅ、５２Ｆを含む。スイッチング素子５２Ｃとスイッチング素子５２Ｄとは直列に接続され、スイッチング素子５２Ｅとスイッチング素子５２Ｆとは直列に接続されている。スイッチング素子５２Ｃとスイッチング素子５２Ｄとの直列回路とスイッチング素子５２Ｅとスイッチング素子５２Ｆとの直列回路とは、並列に接続されている。スイッチング素子５２Ｃとスイッチング素子５２Ｄとに対して、直列に接続された帰還ダイオード６０Ｃ、６０Ｄが逆並列に接続されている。スイッチング素子５２Ｅとスイッチング素子５２Ｆとに対して、直列に接続された帰還ダイオード６０Ｅ、６０Ｆが逆並列に接続されている。端子５０Ａから延在する電力線は、スイッチング素子５２Ｃとスイッチング素子５２Ｄとの間に接続され、端子５０Ｂから延在する電力線は、スイッチング素子５２Ｅとスイッチング素子５２Ｆとの間に接続されている。スイッチング素子５２Ｃ、５２Ｅ、５２Ｄ、５２Ｆは、セル制御部５８により生成されたゲート信号に基づいて制御される。

図５は、制御装置１００が実行する処理の概要を説明するための図である。
制御装置１００は、例えば［処理１］〜［処理４］を行う。
［処理１］は、制御装置１００が、セル５０のセルコンデンサ５４の電圧（コンデンサ電圧）に基づいて負荷装置８０を制御し、直流電力を消費または蓄電する処理である。これによりセルコンデンサ５４の過電圧が抑制される。
［処理２］は、制御装置１００が、直流事故検出時に、制御演算に用いる直流電力演算量を抑制する処理である。これによりコンデンサ電圧の制御性が向上する。すなわち、コンデンサ電圧が適切な範囲に制御される。
［処理３］は、制御装置１００が、直流電流値に基づいて直流事故を検出する処理である。これにより迅速に直流事故が検出される。
［処理４］は、制御装置１００が、遮断器の状態と直流電流とに基づいて電力変換器２０を再起動させる処理である。これにより迅速に電力変換器２０が再起動する。以下、これらの処理について説明する。

［処理１］
まず、変換所の直流側に接続される負荷装置８０の動作の詳細について図６を参照しながら説明する。図６は負荷装置８０の動作および停止を示す指令値を決定する処理を説明するための図である。

制御装置１００は、動作演算部Ａ１を含む。動作演算部Ａ１は、始動判定部Ａ２−１と、停止判定部Ａ２−２と、ＳＲ−ＦＦ部Ａ２−３とを備える。動作演算部Ａ１は、コンデンサ電圧に基づいて、各処理を行う。以下の説明では、コンデンサ電圧の平均値を用いて処理が行われるものとして説明する。コンデンサ電圧の平均値は、例えば図２に示した複数のセルで検出されるコンデンサ電圧の全平均値であってもよいし、所定のアーム４０（例えば４０−１）に含まれるコンデンサ電圧検出値Ｘ２の平均値であってもよい。

まず、始動判定部Ａ２−１は、コンデンサ電圧の平均値を取得し、取得したコンデンサ電圧の平均値の時間変化率を導出する（ステップＢ１）。例えば、始動判定部Ａ２−１は、コンデンサ電圧の平均値の毎サンプルごとに前回のサンプル値との差分を導出し、その導出結果に高周波ノイズ除去用のフィルタ演算処理を行って時間変化率を導出したり、移動平均処理などを行うことにより時間変化率を導出する。

次に、始動判定部Ａ２−１は、求めた時間変化率を予め設定した閾値ΔＶｃと比較し、コンデンサ電圧の平均値の時間変化率がΔＶｃよりも大きい場合にはハイ、小さい場合にはローを出力する（ステップＢ２）。次に、始動判定部Ａ２−１は、コンデンサ電圧の平均値が閾値Ｖｔｈ（第１閾値）を超えたか否かを判定する（ステップＢ３）。閾値Ｖｔｈは、定格値以上に設定された値である。例えば、閾値Ｖｔｈを１ｐｕとすると、コンデンサ電圧の平均値が１ｐｕよりも高い場合、または１ｐｕに所定値を減算（または加算）した値よりも高い場合にはハイ、低い場合にはローが出力される。閾値△Ｖｃを超える電圧の時間変化率は、異常な電圧上昇が生じている状況に応じた電圧の変化率である。閾値Ｖｔｈを超える電圧は、過電圧が生じている状況に応じた電圧である。

次に、始動判定部Ａ２−１は、処理Ｂ２の出力信号と処理Ｂ３の出力信号の論理積を導出する（ステップＢ４）。処理Ｂ２の出力信号と処理Ｂ３の出力信号とがハイの場合、ステップＢ４の処理でハイが出力され、処理Ｂ２の出力信号または処理Ｂ３の出力信号とがローの場合、ステップＢ４の処理でローが出力される。始動判定部Ａ２−１は、ステップＢ４で出力された信号が連続でハイ状態である連続時間を出力し、ステップＢ４の処理で出力される信号がローになった場合には出力をゼロにリセットする（ステップＢ５）。

始動判定部Ａ２−１は、処理Ｂ５で出力された連続時間と、予め設定された規定時間Ｔ１との大小を比較する（ステップＢ６）。始動判定部Ａ２−１は、処理Ｂ５で出力された連続時間が規定時間Ｔ１よりも長い場合にはハイを出力し、短い場合にはローを出力する。上述した処理の結果、始動判定部Ａ２−１は、例えば直流事故などによってコンデンサ電圧の平均値が連続して閾値Ｖｔｈを超え、急増している場合にはハイ、それ以外の場合にはローを出力する。

停止判定部Ａ２−２は、コンデンサ電圧の平均値と予め設定した閾値Ｖｃｈとの大小を比較する（ステップＢ７）。停止判定部Ａ２−２は、コンデンサ電圧の平均値が閾値Ｖｃｈよりも小さい場合にはハイ、コンデンサ電圧の平均値が閾値Ｖｃｈよりも大きい場合にはローを出力する。閾値Ｖｃｈ（第２閾値）は、コンデンサ電圧が閾値Ｖｔｈに相当する、または閾値Ｖｔｈよりも小さい定格レベル以下の電圧である。

ＳＲ−ＦＦ部Ａ２−３が、始動判定部Ａ２−１の出力信号と停止判定部Ａ２−２の出力信号を用いて、負荷装置動作指令Ｘ４を生成する（ステップＢ８）。ＳＲ−ＦＦ部Ａ２−３は、始動判定部Ａ２−１の出力信号をＳＲ−ＦＦ部Ａ２−３のセット端子（Ｓ）に入力し、停止判定部Ａ２−２の出力信号をＳＲ−ＦＦ部Ａ２−３のリセット端子（Ｒ）に入力する。この結果、負荷装置動作指令Ｘ４は、直流事故などによってコンデンサ電圧の平均値が規定時間Ｔ１の間、閾値Ｖｔｈを超え急増した場合にはハイとなり、コンデンサ電圧の平均値が閾値Ｖｃｈ以下になった場合にロー信号となる。

負荷装置８０は、上記の処理によって生成された負荷装置動作指令Ｘ４に従って動作または停止する。負荷装置８０は、負荷装置動作指令Ｘ４がハイを示す指令である場合に動作して、負荷装置動作指令Ｘ４がローを示す指令である場合に停止する。負荷装置８０が動作することによってコンデンサ電圧の上昇が抑制されて、過電圧により電力変換器２０が停止するのを防止する。

図７は、動作演算部Ａ１の動作とコンデンサ電圧の平均値と電圧変化率との関係の一例を示す図である。図７では閾値Ｖｃｈは１ｐｕである。時刻ｔにおいて、事故が発生すると、時刻ｔから時刻ｔ＋１の間で、事故の影響により、一時的にコンデンサ電圧の平均値が低下し、コンデンサ電圧の変化率が０ｐｕ／ｓに対してマイナスになる。

時刻ｔ＋１において、コンデンサ電圧の平均値が上昇すると、コンデンサ電圧の変化率が上昇し、コンデンサ電圧の変化率は閾値△Ｖｃ以上となり、ステップＢ２の処理でハイの信号が出力される。時刻ｔ＋２において、コンデンサ電圧の平均値が閾値Ｖｔｈを超えると、ステップＢ３の処理で、ハイの信号が出力される。

時刻ｔ＋２から時刻ｔ＋３の間、ステップＢ２およびＢ３でハイの信号が出力されているため、ステップＢ４の処理でハイの信号が出力される。このハイの信号の出力時間が規定時間Ｔ１を超えた時刻ｔ＋３において、ステップＢ６の処理でハイの信号が出力され、負荷装置８０を動作させるための信号を生成され、生成された信号が負荷装置８０に出力される。

時刻ｔ＋３において、コンデンサ電圧の平均値がピークとなり、その後、コンテンツ電圧の平均値が減少し続けて、時刻ｔ＋４において、コンデンサ電圧の平均値が閾値Ｖｃｈ以下となると、ステップＢ７でハイの信号が出力され、ステップＢ８の処理で負荷装置８０の動作を停止させるための信号が生成され、生成された信号が負荷装置８０に出力される。

上述したように、制御装置１００は、電力変換器２０に含まれるコンデンサの電圧に基づいて、負荷装置８０に電力を消費または蓄電させるように負荷装置８０を制御することにより、セルコンデンサ５４の過電圧が抑制される。この結果、制御装置１００は、直流送電システム１の状況に応じて、電力変換器２０をより適切に制御することができる。

［処理２］
図８は、直流事故時に行われる操作量の演算に関する処理を説明するための図である。制御装置１００の内部で制御演算が行われ、セル５０を制御するための操作量が導出される。制御装置１００は、コンデンサ電圧（直流電圧）と自変換所の直流側に流れる直流電流量とに基づいて直流電力量を導出する。制御装置１００は、この直流電力量をフィードフォワード量として利用して、各種の制御演算を行う。直流電力量は、後述する処理３の直流電流に基づいて導出される。

制御装置１００は、直流電力算出部１１０と、コンデンサ電圧制御部１１２と、有効電流指令値算出部１１４と、交流電流制御部１１６と、リミッタ１１８と、切替部１２０とを備える。図８に示すように、コンデンサ電圧制御部１１２は、コンデンサ電圧制御に関する出力Ｐｃ_ｒｅｆを加算器に出力し（ステップＢ１０）、直流電力算出部１１０は、フィードフォワード量である直流電力量Ｐｄｃ_ｆｆを加算器に出力する（ステップＢ１１）。加算器は、コンデンサ電圧制御部１１２が出力した出力Ｐｃ_ｒｅｆと、直流電力算出部１１０が出力した直流電力量Ｐｄｃ_ｆｆとを加算する（ステップＢ１２）。加算結果は、有効電流指令値算出部１１４に入力される。有効電流指令値算出部Ｂ１２は、出力Ｉｄ_ｒｅｆを交流電流制御部１１６に出力する（ステップＢ１５）。交流電流制御部１１６は、ステップＢ１５の処理で出力された出力Ｉｄ_ｒｅｆを有効電流の制御指令値として利用する（ステップＢ１６）。

直流事故が発生した場合には、直流電力量Ｐｄｃ_ｆｆが高周波で振動的に変動し、有効電流指令値算出部Ｂ１２の出力Ｉｄ_ｒｅｆが乱される。これが原因となり、有効電流制御が悪影響を受け、結果的にコンデンサ電圧の制御性が悪化することがある。そこで、直流事故を検出している間、直流事故検出信号Ｘ８に応じた切替部１２０の処理によって、直流電力算出部１１０の出力にリミッタ１１８が処理を行う（ステップＢ１３、Ｂ１４）。

直流事故検出信号Ｘ８は、直流側で事故が発生している場合にはハイ、直流側が健全である場合にはローとなる。直流事故検出信号Ｘ８は、前述した図２の制御装置１００によって与えられたり、後述する方法によって直流電流値に基づいて生成されたりする。リミッタ１１８が用いる上限値および下限値は、例えば変換器の定格容量に準じた値である。あるいは、両方にゼロを用いる。これによって直流事故時の直流電力量Ｐｄｃ_ｆｆは制限されたり、無効化されたりするので、コンデンサ電圧の制御性悪化が抑制される。

このように制御装置１００が、直流系統で事故が発生したことを示す信号を取得していない場合には、直流側電力の算出量に基づいて、電力変換器２０を制御するための制御信号を生成し、直流系統で事故が発生したことを示す信号を取得した場合には、直流側電力の算出量を制限した値に基づいて、制御信号を生成することにより、直流送電システム１の状況に応じて、電力変換器２０をより適切に制御することができる。

［処理３］
図９は、直流系統３の事故状態と健全状態を検知するための状態検出部Ａ１１の処理に関するブロック図である。状態検出部Ａ１１の電流急増検出部Ａ１２は、入力された直流電流値Ｉｄｃを基に演算処理を行う。状態検出部Ａ１１の状態判定部Ａ１３は、電流急増検出部Ａ１２の出力を基に演算処理を行う。状態検出部Ａ１１のＳＲ−ＦＦ部は、電流急増検出部Ａ１２の演算結果と、状態判定部Ａ１３の演算結果とに基づいて、直流系統３が健全状態であるか、事故状態であるかを示す直流事故検出信号Ｘ８を出力する。

ここで直流電流とは、自変換所の直流側に流れる電流のことである。例えば、制御装置１００は、例えば、下記の手法で直流電流値Ｉｄｃを算出する。
（１）制御装置１００が、下記の式（１）のように各アームから出力されるアーム電流の総和の半分の量を求める。
（iarmpu＋iarmnu＋iarmpv＋iarmnv＋iarmpw＋iarmnw）／２・・・式（１）

アーム電流である、iarmpu、iarmnu、iarmpv、iarmnv、iarmpw、iarmnwは、それぞれ正側アーム４０Ｐ−１、負側アーム４０Ｎ−１、正側アーム４０Ｐ−２、負側アーム４０Ｎ−２、正側アーム４０Ｐ−３、負側アーム４０Ｎ−３から出力される電流である。アーム電流は、不図示の電流センサにより検出されてもよいし、制御装置１００が、セル５０の制御に関する演算結果に基づいて導出されてもよい。

（２）制御装置１００は、正側アーム４０Ｐの各相の総和iarmpu＋iarmpv＋iarmpwを求める。
（３）制御装置１００は、負側アーム４０Ｎの各相の総和iarmnu＋iarmnv＋iarmnwを求める。
（４）制御装置１００は、直流遮断器２１０に流れる電流を検出し、接点を共有する線路の電流の各和を求める。
（５）制御装置１００は、後述の２レベル変換器のように電力変換器２０の直流側にエネルギーバッファとしてのコンデンサを有し直流側の電圧を検出している場合、交流側の有効電力を直流電圧で除算することによって直流電流を求める。交流側の有効電力は、例えば、電流センサＣＴの検知結果や、電流センサＶＴの検知結果等に基づいて導出してもよい。

電流急増検出部Ａ１２では、直流電流値Ｉｄｃの絶対値を算出する（ステップＢ２０）。電流急増検出部Ａ１２は、ステップＢ１６で出力された直流電流値Ｉｄｃの絶対値の時間変化率を演算する（ステップＢ２１）。時間変化率を求める方法としては、毎サンプルごとに前回サンプル値との差分を算出し、その結果に高周波ノイズ除去用のフィルタ演算処理を行い算出する方法や、移動平均処理などを行う方法がある。

電流急増検出部Ａ１２は、ステップＢ２１で出力された時間変化率と、予め設定された閾値ΔＩｄｃとの大小を比較する（ステップＢ２２）。ステップＢ２１で出力された時間変化率が閾値ΔＩｄｃよりも大きい場合はハイ、小さい場合にはローが出力される。閾値ΔＩｄｃは、通常運転時に設定される直流電流の時間変化率よりも大きい値に設定される。閾値ΔＩｄｃは、例えば０．１ｐｕ／ｍｓである。

事故状態の検知には、直流電流値Ｉｄｃが直接用いられてもよい。例えば、直流電流値が閾値と比較されることで、直流電流の異常増加から事故状態であることが検知される。この場合、閾値は、定格運転レベルよりも高い値に設定されている。しかし、時間変化率を用いることによって、事故状態をより早く検知することができる。

状態判定部Ａ１３は、電力急増検出部Ａ１２により出力された信号に対して否定演算を行う（ステップＢ２３）。状態判定部Ａ１３は、ステップＢ２３で否定演算された信号が連続でハイ状態である時間を演算する（ステップＢ２４）。状態判定部Ａ１３は、電力急増検出部Ａ１２により出力される信号がローになった場合には出力をゼロにリセットする。

状態判定部Ａ１３は、ステップＢ２４における処理結果と、予め設定された規定時間Ｔ２との大小を比較する（ステップＢ２５）。ステップＢ２５における処理結果に係る時間が規定時間Ｔ２よりも長い場合にはハイ、短い場合にはローが出力される。

次に、ＳＲ−ＦＦ部は、電流急増検出部Ａ１２により出力された信号と、状態判定部Ａ１３により出力された信号とを用いて、直流事故検出信号Ｘ８を生成する（ステップＢ２６）。ステップＢ２５では、電流急増検出部Ａ１２により出力された信号がＳＲ−ＦＦ部のセット端子（Ｓ）に入力され、状態判定部Ａ１３により出力された信号がＳＲ−ＦＦのリセット端子（Ｒ）に入力される。この結果、直流事故検出信号Ｘ８は、直流事故などによって直流側電流が急増し、直流電流の時間変化率が閾値ΔＩｄｃを超過した場合にはハイ、規定時間Ｔ２の間、直流電流の時間変化率が閾値ΔＩｄｃ以下になった場合にローとなる。上記の処理によって、素早く直流事故が検知される。

このように、制御装置１００は、直流側の電流変化率が規定値よりも大きい場合に、直流側が事故状態であるとことを検知し、直流側の電流変化率が規定値以下になった場合に直流側が事故状態でなくなったことを検知することで、より迅速に事故の状態を検知することができる。そして、制御装置１００は、事故状態の検知結果に基づいて、迅速に電力変換器２０を制御することができる。例えば、制御装置１００は、処理２で説明したように、事故状態が検知された場合、直流電力の算出量を制限して、セル５０を制御するための制御信号を生成する。この結果、制御装置１００は、迅速、且つより確実にコンデンサ電圧を適切な状態に制御することができる。更に、制御装置１００は、事故状態が検知されなくなった場合、迅速に直流電力量の制限を解除することができる。

［処理４］
図１０は、事故除去後に電力変換器２０がスイッチング動作を再開するか否かが決定される処理に関するブロック図である。制御装置１００の再起動判定部Ａ２０は、ゲートブロック中において、自変換所の直流遮断器２１０の開閉状態信号と直流電流とを用いて、電力変換器２０のスイッチング動作を再開することができるか否かを判定する。以下、再起動判定部Ａ２０の処理について説明する。

自変換所の直流側と直流系統３との間に少なくとも１つの有効な送電経路が形成されている場合、送電可否判定部Ａ２１は、ハイの信号を出力する。例えば、以下のような構成が採用されてもよい。再起動判定部Ａ２０の送電可否判定部Ａ２１は、自変換所の直流遮断器２１０−１と直流遮断器２１０−２とのうち一方または双方の直流遮断器状態信号Ｘ７を論理和に入力する（ステップＢ３０）。このとき、直流遮断器状態信号はハイが開極状態、ローが閉極状態を示すものとする。次に、送電可否判定部Ａ２１は、ステップＢ３０の処理で出力された信号に対して否定演算を行う（ステップＢ３１）。これにより、直流遮断器２１０のいずかが閉状態であり、直流母線２００と直流系統３とが電気的に接続されている状態の場合にハイの信号が出力される。直流遮断器２１０のすべてが開状態であり、直流母線２００と直流系統３とが電気的に切断されている状態の場合にローの信号が出力される。

再起動判定部Ａ２０のゼロ電流判定部Ａ２２は、直流電流値Ｉｄｃに基づいて直流電流が概略ゼロであることを検出する。まず、ゼロ電流判定部Ａ２２は、直流電流値Ｉｄｃの絶対値を演算する（ステップＢ３２）。次に、ゼロ電流判定部Ａ２２は、ステップＢ３２の処理結果とニアゼロＩＺとの大小を比較する（ステップＢ３３）。直流電流がニアゼロＩＺよりも小さい場合にハイ、大きい場合にはローが出力される。ここで、ニアゼロＩＺは、直流電流が流れていないことを判定するための信号で、０．０１ｐｕなどのゼロに近い値を示す信号である。

次に、ゼロ電流判定部Ａ２２は、ステップＢ３３で出力された出力信号が連続でハイ状態である時間を演算する（ステップＢ３４）。ステップＢ３３の出力信号がローになった場合にはステップＢ３４の出力はゼロにリセットされる。

ゼロ電流判定部Ａ２２は、ステップＢ３４における処理結果と、予め設定された規定時間Ｔ３との大小を比較する（ステップＢ３５）。ステップＢ３５の処理結果が規定時間Ｔ３よりも長い場合にはハイ、短い場合にはローが出力される。例えば、規定時間Ｔ３は１ｍｓ程度の時間である。これにより、潮流反転などにより一時的に直流電流がゼロクロスする場合などの誤判定が回避される。

再起動判定部Ａ２０は、送電可否判定部Ａ２１により出力された信号と、ゼロ電流判定部Ａ２２により出力された信号との論理積を演算する（ステップＢ３６）。次に、再起動判定部Ａ２０は、ステップＢ３６の処理結果に対して、ポジティブエッジ検出処理を行って再起動信号を出力する（ステップＢ３７）。すなわち、再起動判定部Ａ２０は、ステップＢ３６で出力された出力信号がローからハイに変化した瞬間のみにパルス状の再起動信号を出力する。

再起動信号は、ステップＢ３６で出力された信号がローの場合、電力変換器２０を停止状態に維持する待機信号、ステップＢ３６で出力された信号がハイの場合、電力変換器２０がスイッチング動作を再開する再起動を意味する信号である。これによって、自変換所と直流系統３とが少なくとも１つの有効な送電経路を形成するように接続されており、かつ直流側に流れる電流が概略ゼロとなっている場合に、電力変換器２０のスイッチング動作を再開するための再起動許可信号Ｘ９が出力される。

再起動許可信号Ｘ９がハイになると、ゲートブロック中の電力変換器２０のスイッチング素子のスイッチング動作が再開される。上記の一連の処理は自変換所の情報のみで行われるため、他変換所の情報は必要とされず、通信に関わる遅延や通信に関わる信号処理の遅延が生じない。したがって、制御装置１００は、直流事故等によって電力変換器２０が停止した場合にも迅速に電力変換器２０を再起動させることができる。

このように、制御装置１００が、電力変換器２０がゲートブロックしている場合に、電力変換器２０の直流側に電流が流れておらず、且つ直流遮断器２１０のうちいずれかの直流遮断器２１０が閉状態である場合に、電力変換器２０が運転を再開するようにゲートブロックを解除することにより、迅速に電力変換器２０を再起動させることができる。

以上説明した第１実施形態によれば、制御装置１００が、送電システムの状況に応じて、種々の処理を行うことにより、電力変換器２０をより適切に制御することができる。
より具体的には、送電システムが非定常状態の場合における運転継続性能を向上した電力変換装置を提供することができる。

（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。第２実施形態では、電力変換器２０の機能構成が、第１実施形態の電力変換器２０の構成と異なる。以下、第１実施形態との相違点について説明する。

図１１は、第２実施形態の電力変換装置１０の構成の一例を示す図である。電力変換器２０は、各正側アーム４０Ｐ（４０Ｐ−１Ａから４０Ｐ−３Ａ）、および各負側アーム４０Ｎ（４０Ｎ−１Ａから４０Ｐ−３Ａ）のそれぞれには少なくとも１つのスイッチング素子（４１Ｐ−１〜４１Ｐ−３、４１Ｎ−１〜４１Ｎ−３）が直列に接続されている。スイッチング素子のそれぞれに対して、帰還ダイオード４２（４２Ｐ−１〜４２Ｐ−３、４２Ｎ−１〜４２Ｎ−３）が逆並列に接続されている。正側アーム４０Ｐと負側アーム４０Ｎの接点に端子ＮＡＣが位置する。変圧器ＴＲの二次巻線と端子ＮＡＣの間に交流インピーダンスＬＡＣが介在し、電流センサＣＴは交流インピーダンスＬＡＣを流れる電流を検出するように設置される。交流インピーダンスＬＡＣはリアクトルにより形成される場合や変圧器ＴＲの漏れインピーダンス成分により形成される場合がある。

電力変換器２０のエネルギー蓄積要素は端子ＮＤＣＰと端子ＮＤＣＮの間に接続される直流コンデンサＣＤＣである。直流コンデンサＣＤＣは少なくとも１つ以上の直列接続構成である。複数の直流コンデンサが直列に接続される場合には、中性点を端子ＮＤＣＭとする。電圧センサ４６Ｐは、端子ＮＤＣＰと端子ＮＤＣＭの電圧を検出するように設けられ、電圧センサ４６Ｎは、端子ＮＤＣＭと端子ＮＤＣＮの電圧を検出するように設けられている。直流コンデンサＣＤＣが一つのみの場合には、電圧センサ４６は、端子ＮＤＣＰと端子ＮＤＣＮの間に一つ設置される。

上記のような２レベルインバーター回路において、第１実施形態で説明した処理が適用されてもよい。

以上説明した第２実施形態によれば、第１実施形態の電力変換装置１０が奏する効果と同様の効果を奏する。

また、上記の各実施形態では、制御装置１００が、電力変換器２０に含まれるコンデンサの電圧に基づいて、負荷装置８０に電力を消費または蓄電させるように負荷装置８０を制御するものとしたが、これに代えて、制御装置１００は、電力変換器２０の交流側の有効電力と直流側の電力との差異が規定範囲を逸脱する場合に負荷装置８０に電力を消費または蓄電させる制御を行ってもよい。これにより、過電圧が抑制される。

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同様に、特許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ものである。

Claims (10)

1. 少なくとも３つのレグを含み、
   前記レグのそれぞれは、
   一以上のセルを含むアームと、
   前記アームの交流側に接続されたインダクタンスと、
   前記インダクタンスに流れる電流を検出する電流検出部と、を含み、
   前記３つのレグのうち、第１レグはＵ相、第２レグはＶ相、第３レグはＷ相に接続され、
   前記セルは、
   スイッチング素子と、
   コンデンサと、
   前記コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出部と、
   制御部により出力された制御信号に基づいて前記スイッチング素子を制御して直流側に出力する電力を制御し、前記電圧検出部により検出された前記コンデンサの電圧を前記制御部に提供するセル制御部と、を含み、
   交流電力を直流電力または直流電力を交流電力に変換する変換器と、
   前記変換器の直流側における正極線と負極線または接地線との間に接続される負荷装置と、
   前記変換器に含まれる前記電圧検出部により検出されたコンデンサの電圧に基づいて、前記負荷装置に電力を消費または蓄電させるように前記負荷装置を制御する前記制御部と、を備える
   電力変換装置。
2. 前記制御部は、
   前記コンデンサの電圧が第１閾値を超えた場合に、前記負荷装置に電力を消費または蓄電させるように前記負荷装置を制御し
   前記コンデンサの電圧が第２閾値以下になった場合に、前記負荷装置に電力を消費または蓄電させるように前記負荷装置を制御することを停止する、
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１閾値は、過電圧が生じている状況に応じた電圧であり、
   前記第２閾値は、前記第１閾値よりも小さい定格レベル以下の電圧である、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、
   直流側の系統で事故が発生したことを示す信号を取得していない場合、前記直流側に流れる直流電流と、コンデンサの電圧を検出する電圧検出部により検出されたコンデンサの電圧とに基づく制御値に基づいて、前記変換器を制御するための制御信号を生成し、
   前記直流側の系統で事故が発生したことを示す信号を取得した場合、前記直流側に流れる直流電流と前記電圧検出部により検出されたコンデンサの電圧とに基づく制御値を制限した制限制御値に基づいて、前記制御信号を生成する、
   請求項１から３のうちいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記直流側と前記直流側に接続された直流送電路との接点のうち少なくとも１つには直流遮断器が接続され、
   前記制御部は、前記直流遮断器の開閉状態を制御可能である、
   請求項１から４のうちいずれか１項に記載の電力変換装置。
6. 前記制御部は、前記変換器がゲートブロックしている場合に、前記変換器の直流側に電流が流れておらず、且つ前記直流遮断器のうちいずれかの前記直流遮断器が閉状態である場合に、前記変換器が運転を再開するように前記ゲートブロックを解除する、
   請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、
   直流側の電流変化率が規定値よりも大きい場合に、前記直流側が事故状態であることを検知し、
   前記直流側の電流変化率が前記規定値以下になった場合に直流側が事故状態でなくなったことを検知し、
   前記事故状態の検知結果に基づいて、前記変換器を制御する、
   請求項５または６に記載の電力変換装置。
8. 前記アームは、複数のセルを直列接続して構成され、前記セルはハーフブリッジ回路、もしくはフルブリッジ回路であり、
   前記インダクタンスは、前記アームに直列接続されるバッファリアクトルであり、
   前記コンデンサは、各セルが有するセルコンデンサである、
   請求項１から７のうちいずれかの１項に記載の電力変換装置。
9. 少なくとも３つのレグを含み、
   前記レグのそれぞれは、
   一以上のアームと、
   前記アームと並列に１つもしくは、２つ以上直列接続される直流コンデンサと、
   前記直流コンデンサの両端の電圧を検出する電圧検出部と、
   前記アームの交流側に接続されたインダクタンスと、
   前記インダクタンスに流れる電流を検出する電流検出部と、を含み、
   前記３つのレグのうち、第１レグはＵ相、第２レグはＶ相、第３レグはＷ相に接続され、
   前記アームは、１つのスイッチング素子または、２つ以上のスイッチング素子を直列接続して構成され、
   交流電力を直流電力または直流電力を交流電力に変換する変換器と、
   前記変換器の直流側における正極線と負極線または接地線との間に接続される負荷装置と、
   前記変換器に含まれる前記電圧検出部により検出された前記直流コンデンサの電圧に基づいて、前記負荷装置に電力を消費または蓄電させるように前記負荷装置を制御する制御部と、を備える、
   電力変換装置。
10. 前記変換器の交流側は交流電気設備に接続され、
    前記交流電気設備は、風力発電所もしくは、交流系統である、
    請求項１から９のうちいずれか１項に記載の電力変換装置。

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