WO2010116806A1

WO2010116806A1 - 電力変換装置

Info

Publication number: WO2010116806A1
Application number: PCT/JP2010/052833
Authority: WO
Inventors: 井上　重徳; 加藤　修治; じゅん鳴島; 加藤　哲也
Original assignee: 株式会社日立製作所
Priority date: 2009-03-30
Filing date: 2010-02-24
Publication date: 2010-10-14
Also published as: US20140169048A1; EP2416486A1; US20120026767A1; US8792261B2; EP2416486A4; US20160365807A1; US9461560B2; US9917534B2; EP2416486B1

Abstract

　変圧器を介して電力系統に連系し、単位変換器をカスケード接続して構成される電力変換装置において、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減する。　変圧器(１０５)を介して三相電力系統(１００)に連系し、三相電力系統(１００)と有効または無効電力を授受する電力変換装置(１０１)であって、変圧器(１０５)の二次巻線をオープン巻線として６端子(１０６～１１１)とし、該二次巻線の３つの端子(１０６～１０８)に３台の変換器アーム(１１３～１１５)をスター結線した回路からなる第１の変換器グループ(１１２)を接続し、該二次巻線の３つの端子(１０９～１１１)に別の３台の変換器アーム(１１７～１１９)をスター結線した回路からなる第２の変換器グループ(１１６)を接続し、第１の変換器グループ(１１２)の中性点（スター結線した点）(１２１)と第２の変換器グループ(１１６)の中性点(１２２)を、それぞれ該電力変換装置の出力端子とする。

Description

電力変換装置

　本発明は電力変換装置に関し、特に変圧器を介して三相系統と連系する電力変換装置、及びその電力変換装置を用いる直流送電システムに関する。

　非特許文献１は、オン・オフ制御が可能なスイッチング素子（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴなど）を使用し、該スイッチング素子の耐圧を超える高電圧を出力できる電力変換装置の一方式として、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）を提案している。

　ＭＭＣの回路構成を説明するために、まず、ＭＭＣの各部分の名称を定義する。

　ＭＭＣでは、図４に示す双方向チョッパ回路が単位変換器となっている。

　各単位変換器は、少なくとも２つの端子を介して外部回路と接続する。本実施形態では、該２端子をそれぞれｘ端子，ｙ端子と呼ぶことにする。また。ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧をセル電圧と呼ぶことにする。

　図４に示す双方向チョッパ回路のエネルギー蓄積素子４０５の電圧をＶＣとすると、セル電圧の取りうる値は、ＶＣと零の２つである。

　本実施形態では、１つまたは複数の前記単位変換器のｘ端子とｙ端子をカスケード接続した回路を、変換器アームと呼ぶことにする。

　各変換器アームは、少なくとも２つの端子を持つ。本実施形態では、該２端子をそれぞれａ端子，ｂ端子と呼ぶことにする。また、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。アーム電圧は、該変換器アームに含まれる単位変換器のセル電圧の和である。

　アーム電圧は、セル電圧の和であるため、各セルが備えているエネルギー蓄積素子の電圧ＶＣを単位とする電圧となる。

　本実施形態では、第１の変換器アームのｂ端子に第１のリアクトルの一方の端子を直列接続し、第１のリアクトルの他方の端子に第２のリアクトルの一方の端子を直列接続し、第２のリアクトルの他方の端子に第２の変換器アームのａ端子を直列接続した回路をレグと呼ぶことにする。

　第１の変換器アームのａ端子をレグのＰ端子と呼び、前記２台のリアクトルの接続点をレグのＭ端子と呼び、第２の変換器アームのｂ端子をレグのＮ端子と呼ぶことにする。したがって、各レグはＰ端子，Ｍ端子，Ｎ端子の少なくとも３端子を持つ。また、本実施形態では、レグに含まれる２台の変換器アームのアーム電圧の和をレグ電圧と呼ぶことにする。

　レグ電圧はアーム電圧の和であるため、やはり、各単位変換器が備えているエネルギー蓄積素子の電圧ＶＣを単位とする電圧となる。

　次に、ＭＭＣの回路構成を説明する。ここでは一例として三相ＭＭＣについて述べる。

　３台のレグのＰ端子を相互に接続して、その接続点から一方の端子を引き出し、同様に、該３台のレグのＮ端子を相互に接続し、その接続点から他方の端子を引き出すことで、三相ＭＭＣを構成できる。本実施形態では、相互に接続された３つの前記Ｐ端子から引き出した端子をＭＭＣの正側出力端子、相互に接続された３つの前記Ｎ端子から引き出した端子をＭＭＣの負側出力端子と呼ぶことにする。

　ＭＭＣの正側出力端子と負側出力端子との間には直流負荷を接続できる。

　また、前記３台のレグの合計３つのＭ端子には、三相電力系統を接続できる。本実施形態では、前記３台のレグの合計３つのＭ端子を総称して、三相端子と呼ぶことにする。

　以下、ＭＭＣの動作についてごく簡単に説明する。前記三相端子は、変圧器または、連系リアクトルを介して三相電力系統に連系しているものとする。

　ＭＭＣを構成する各変換器アームのアーム電圧を制御することにより、三相端子間の電圧を制御できる。

　例えば、三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数、同振幅に制御しつつ、位相のみを系統線間電圧の位相よりもわずかに遅らせると、電力系統から三相ＭＭＣに有効電力が流入する。

　また、三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数と同振幅に制御しつつ、位相のみを系統線間電圧の位相よりもわずかに進ませると、三相ＭＭＣから電力系統に有効電力が流出する。

　三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数、同位相に制御しつつ、振幅のみを系統線間電圧の振幅よりもわずかに増加すると、電力系統と三相ＭＭＣの間に進相無効電力が発生する。

　三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数、同位相に制御しつつ、振幅のみを系統線間電圧の振幅よりもわずかに減少すると、電力系統と三相ＭＭＣの間に遅相無効電力が発生する。

　しかし、ＭＭＣには以下で述べる２つの課題がある。

　第１の課題は、各レグにリアクトルが必要である点である。

　前記三相ＭＭＣにおいて、各単位変換器に含まれるエネルギー蓄積素子が理想的な直流電圧源であり、かつ、全て理想直流電圧源の電圧が等しい場合、各単位変換器のスイッチング・タイミングを適切に制御することにより、３台のレグのレグ電圧を一致させることができる。

　しかし、実際のＭＭＣでは、エネルギー蓄積素子として、電解コンデンサや蓄電池を使用する。

　各単位変換器は、単相変換器として動作するため、各単位変換器に流入出する瞬時電力は、三相端子に接続された電力系統または三相負荷の周波数の２倍周波数の脈動成分を持つ。

　また、ＭＭＣは、正側出力端子と負側出力端子の間に接続された直流負荷と直流電力を授受するため、各単位変換器に流入出する瞬時電力には、該直流負荷との電力授受に伴う電力脈動成分も存在する。

　したがって、各単位変換器に含まれるエネルギー蓄積素子（電解コンデンサや蓄電池など）の両端電圧は脈動しており、しかも、その脈動成分の瞬時値は、レグごとに異なる。

　前述のように、レグ電圧は、そのレグに含まれる単位変換器のエネルギー蓄積素子の電圧ＶＣを単位とする電圧となる。

　エネルギー蓄積素子の電圧ＶＣがレグごとに異なる場合、単位変換器のスイッチング・タイミングを適切に制御しても、３台のレグのレグ電圧を常時完全に一致させることは不可能である。

　３台のレグのレグ電圧が不一致である期間において、レグ電圧の差は、各レグに含まれる２台のリアクトルのみが分担する。

　各レグに含まれる２台のリアクトルのインダクタンスが零であった場合、該期間において、レグ電圧の差を分担するのは、レグ間を接続する配線のみとなる。該配線のインピーダンスは小さいため、前記３台のレグに過電流が流れてしまう。

　このため、この過電流を制御するために、各レグにリアクトルが必須である。

　第２の課題は、ＭＭＣが直流電力を直流負荷に伝送する場合、前記リアクトルが大型化する点である。

　ＭＭＣが直流電力を負荷負荷に伝送する場合、各相の変換器アームとリアクトルに零相直流電流を流す必要がある。このため、前記リアクトルには零相直流電流と正相・逆相電流が重畳した電流が流れる。

　この場合、該リアクトルに正相・逆相電流のみが流れる場合に比較して電流最大値が大きくなる。該電流最大値においても磁気飽和を起こさないためには、該リアクトルの鉄心断面積を大きくする必要があり、前記リアクトルの大型化を招く。

　また、非特許文献２は、図３５に示す直流送電システムの１ラインでの模式図を開示している。
　図３５の直流送電システムは、三相交流電力系統３１００，３１７０と、直流送電システム３８００を交流系統３１００，３１７０と切り離すために設置される遮断器３１２４，交流電圧を変圧する変換用変圧器３８０５，複数個の半導体スイッチングデバイスを用いた三相フルブリッジ電力変換装置３８０１，前記三相フルブリッジ電力変換装置３８０１と並列に接続されるコンデンサ３８０２，３８０３を有し、コンデンサ３８０２，３８０３が接続される中性点３８０６はアースされている。そして、直流送電ケーブル３８０７と、前記電力変換装置３８０１と前記直流送電ケーブル３８０７と直列に接続される直流リアクトル３８０４を備えている。

　そして、通常、直流送電システムは、一方の三相交流電力系統から他方の三相交流電力系統へ送電をしている。

萩原誠・赤木泰文：「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」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻７号、ｐｐ．９５７－９６５。 L Ronstrom・M L Hoffstein・R Pajo・M Lahtinen著：「The Estlink HVDC Light Transmission System」，SECURITY AND RELIABILITY OF ELECTRIC POWER SYSTEMS，CIGRE Regional Meeting，June 18-20，2007，Tallinn，Estonia，21，rue d'Artois，F-75008 PARIS

　通常、各種電力変換装置を特別高圧系統に連系する場合、電圧の昇降圧や電気的絶縁確保の目的で、変圧器を設置することが一般的である。

　そして、本発明は、変圧器を介して電力系統に連系する，単位変換器をカスケード接続して構成される電力変換装置において、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減できる電力変換装置を提供するものである。
　また、図３５に示す直流送電システムにおいて、直流送電システム３８００を構成する両側の三相フルブリッジ電力変換装置３８０１の各直流出力端子間を結ぶ直流区間（以後直流ラインと称す）での短絡、例えば、直流リアクトル３８０４と直流送電ケーブル３８０７の接続点３９０１が短絡した場合について、図３６を用いて説明する。

　接続点３９０１が短絡すると、直流コンデンサ３８０２，３８０３の電荷が放電されてしまうほか、直流送電ケーブル３８０７に過渡的に過大の電流が流れ、直流送電ケーブル３８０７が焼損する可能性がある。放電経路は、コンデンサ３８０２－直流リアクトル３８０４－接続点３９０１－直流リアクトル３８０４－コンデンサ３８０３の経路および、コンデンサ３８０２－直流リアクトル３８０４－直流送電ケーブル３８０７－接続点３９０１－直流送電ケーブル３８０７－直流リアクトル３８０４－コンデンサ３８０３である。

　放電電流は、直流リアクトル３８０４により抑制されるが、抑制効果を高めようとすると、直流リアクトルのインダクタンスを大きくする必要があり、寸法・重量が大きくなる。

　そして、本発明は、交流電力をいったん直流電力に変換し、一方の交流系統から他方の交流系統へ送電する直流送電システムにおいて、直流コンデンサ（エネルギー蓄積素子）から直流ラインへの放電する際の過電流を防止する機能を備えた電力変換装置、および直流送電システムを提供するものである。

　上記課題を達成するために、本発明は電圧源と制御電流源の直列回路を備えた電力変換装置において、前記電圧源と前記制御電流源の直列回路を少なくとも２組並列接続し、該並列接続した前記直列回路の並列接続点をそれぞれ出力端子とすることを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は三相電圧源の中性点を引き出した三相電圧源の各相に３つの制御電流源をスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置において、前記制御電流源の中性点と前記三相電圧源の中性点とを出力端子とすることを特徴とするものである。

　更に、本発明は電力変換装置において、前記電圧源はディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分のみを含んでおり、前記制御電流源は、ディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分を制御することで、前記電圧源と電力授受を行い、前記制御電流源は、コモンモード（または零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は単相または多相変圧器と変換器アームとを備えた電力変換装置において、該電力変換装置は前記単相または多相変圧器の一次巻線の各相が入力端子であり、前記単相または多相変圧器の二次巻線は中性点を引き出した構造となっており、前記変圧器の二次巻線と変換器アームとの直列回路を並列接続し、該並列接続点と前記二次巻線の中性点とをそれぞれ出力端子とすることを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は二次巻線から中性点を引き出した三相変圧器と、前記二次巻線の各相に、３台の変換器アームをスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置において、前記三相変圧器の一次巻線の各相を入力端子とし、前記変換器アームの中性点と前記二次巻線の中性点とを出力端子とすることを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１～第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４～第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点と第２の変換器グループの中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線の中性点を引き出して４端子とし、該二次巻線の中性点以外の各相に３台の変換器アームをスター結線した回路を接続し、前記３台の変換器アーム中性点と前記二次巻線の中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とするものである。

　更に、本発明は電力変換装置において、前記変換器アームは、ディファレンシャルモード（正相・逆相）電流を制御することで、前記変圧器の一次巻線に接続した単相または多相電力系統と電力授受を行い、コモンモード（零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とするものである。

　更に、本発明は電力変換装置において、前記変圧器は、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とする手段を備えていることを特徴とするもので
ある。

　更に、本発明は電力変換装置において、一次巻線と二次巻線を入れ替えたことを特徴とするものである。

　そして、本発明の電力変換装置によれば、変圧器の励磁インダクタンスと漏れインダクタンスが、非特許文献１のＭＭＣにおけるリアクトルの役割を兼ねるため、リアクトルが不要となり、このため、電力変換装置を小形・軽量化できる。

　また、上記課題を達成するために、本発明は交流系統の交流電力を直流電力に変換する機能を備えた電力変換装置において、前記直流電力が流れる直流区間が短絡した時に、該直流区間と前記電力変換装置のエネルギー蓄積素子の直流電圧を電気的に絶縁して、前記直流区間に流れる電流を制御する手段を備えたことを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とするような巻線構造または手段を備え、かつ、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、前記二次巻線の第１～第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４～第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを電力変換装置の直流出力端子とし、前記変換器アームは、単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を有し、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御する機能を備えたことを特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とする手段を備え、かつ、前記変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１～第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを構成し、第４～第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを構成し、該第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と該第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを該電力変換装置の直流出力端子として、電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴としたものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの間、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流を、該電力変換装置を構成するスイッチング素子の飽和電流よりも小さくなるように、変圧器の漏れインピーダンスを設定したことを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の直流区間が短絡した場合、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの短時間の間に、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流によって、該電力変換装置を構成するスイッチング素子のジャンクション温度があらかじめ設定した設定値よりも小さくなるように該スイッチング素子の冷却系を構成したことを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、第一の変換器グループと第二の変換器グループの和を、三相交流電力系統の電圧と逆位相の電圧に大略等しくする機能を備えたこと特徴とするものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、該電力変換装置の変換器アームは単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴としたものである。

　また、上記課題を達成するために、本発明は交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、該電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、該直流区間に流れる電流を制御することを特徴としたものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、三相交流電力系統に接続されることを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出することを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、電力変換装置の直流区間に電流検出器を有し、該直流区間の短絡を、該電流検出器によって検出された電流値が設定された閾値を超過したことにより判定する機能を備えたことを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出する機能をもち、且つ、該電力変換器の変換器アームの電流状態を検出する電流検出器を備え、該直流区間の短絡を、該各変換器アームの電流の三相和が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の交流出力端子の短絡を変圧器一次側または二次側に設置された電流検出器によって検出された電流が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とするものである。

　更に、本発明の電力変換装置は、該電力変換装置の交流出力端子の短絡を、該電力変換装置の正側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器と、該電力変換装置の負側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器によって検出された電流の差電流値が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とするものである。

　本発明によれば、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減した電力変換装置を提供することが出きる。

　また、本発明の電力変換装置は、電力系統と有効電力を授受する場合、変圧器二次巻線に零相直流電流が流れるが、これに起因する起磁力は零となるため、磁束を生じない効果が得られる。
　また、本発明の電力変換装置、および直流送電システムによれば、直流ラインが短絡した時に、電力変換装置のエネルギー蓄積素子の電荷を放電せず、直流送電ケーブルに過大な電流は流れない。

本発明の第１の実施形態を示す回路図。本発明の第１の実施形態における変圧器。フルブリッジ形の単位変換器。双方向チョッパ形の単位変換器。本発明の第１の実施形態を無効電力補償装置として応用した例。本発明の第２の実施形態を示す回路図。本発明の第２の実施形態における変圧器。本発明の第３の実施形態を示す回路図。本発明の第３の実施形態における変圧器。本発明の第４の実施形態を示す回路図。本発明の第４の実施形態における変圧器。本発明の第５の実施形態を示す回路図。本発明の第５の実施形態における変圧器。本発明の第５の実施形態における電圧フェーザ図。本発明の第５の実施形態における概略動作波形。本発明の第５の実施形態を直流送電システムに応用した例。本発明の第６の実施形態を示す回路図。本発明の第６の実施形態における変圧器。本発明の第７の実施形態を示す回路図。本発明の第７の実施形態における変圧器。本発明の第８の実施形態を示す回路図。本発明の第８の実施形態における変圧器。本発明の第９の実施形態を示す回路図。本発明の第９の実施形態における変圧器。本発明の第１０の実施形態を示す回路図。本発明の第１０の実施形態における変圧器。本発明の第１１の実施形態を示す回路図。本発明の第１２の実施形態を示す回路図。本発明の第１２の実施形態における変圧器。単位チョッパセル。本発明の第１３の実施形態を示す回路図。単位フルブリッジセル。本発明の第１４の実施形態を示す回路図。本発明の第１５の実施形態を示す回路図。非特許文献１６に示される直流送電システムの概略図。非特許文献１６に示される直流送電システムで地絡が起きたときの回路図。本発明の実施形態の冷却構成図。本発明の冷却構成の熱回路を示した等価的な電気回路。

　以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
＜実施形態１＞

　本発明を実施する第１の形態について説明する。

　本発明の電力変換装置１０１の構成について、図１を用いて説明する。

　電力変換装置１０１は、変圧器１０５と正側変換器グループ１１２，負側変換器グループ１１６とから構成される。

　本実施形態では、三相電力系統１００の各相をＲ相，Ｓ相，Ｔ相と呼ぶことにする。また、線間電圧をＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲと表記する。さらに、三相電力系統１００の各相に流れる電流を系統電流と呼び、ＩＲ，ＩＳ，ＩＴと表記することにする。

　次に、図１と図２を用いて、変圧器１０５の構成について説明する。

　変圧器１０５は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相正側端子１０６，ｖ相正側端子１０７，ｗ相正側端子１０８，ｕ相負側端子１０９，ｖ相負側端子１１０，ｗ相負側端子１１１、の合計９端子を備えている。

　図２は、変圧器１０５の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１０５は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線２００はデルタ結線されており、Ｒ相－Ｓ相間，Ｓ相－Ｔ相間，Ｔ相－Ｒ相間の各巻線２０５，２０６，２０７はそれぞれ鉄心２０２，２０３，２０４に巻回されている。巻線２０５～２０７の巻数は大略等しい。

　二次巻線２０１は、ｕ相巻線２０８，ｖ相巻線２０９，ｗ相巻線２１０を備えている。巻線２０８～２１０の巻数は大略等しい。

　実施形態１では、ｕ相巻線２０８の両端電圧をＶｕ、ｖ相巻線２０９の両端電圧をＶｖ、ｗ相巻線２１０の両端電圧をＶｗと表記することにする。

　電力変換装置の正側出力端子１２１と負側出力端子１２２の間には、負荷装置１２３を接続している。本明細書では、負荷装置１２３に印加される電圧をＶＤ、負荷装置１２３に流れる電流をＩＤと表記することにする。

　次に、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の構成について説明する。

　正側変換器グループ１１２は、ｕ相正側変換器アーム１１３，ｖ相正側変換器アーム１１４，ｗ相正側変換器アーム１１５とからなる。また、該負側変換器グループ１１６は、ｕ相負側変換器アーム１１７，ｖ相負側変換器アーム１１８，ｗ相負側変換器アーム１１９からなる。

　各変換器アーム１１３～１１５，１１７～１１８は、ａ端子とｂ端子とを備えている。
本実施形態では、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。また、各変換器アーム１１３～１１５，１１７～１１８は１台または複数台の単位変換器１２０をカスケード接続した回路である。

　ｕ相正側変換器アーム１１３のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｕ相正側端子１０６に接続する。また、本実施形態ではｕ相正側変換器アーム１１３のアーム電圧をＶａｒｍｕＨと表記することにする。

　ｖ相正側変換器アーム１１４のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｖ相正側端子１０７に接続する。また、本実施形態はｖ相正側変換器アーム１１４のアーム電圧をＶａｒｍｖＨと表記することにする。

　ｗ相正側変換器アーム１１５のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｗ相正側端子１０８に接続する。また、本実施形態ではｗ相正側変換器アーム１１５のアーム電圧をＶａｒｍｗＨと表記することにする。

　ｕ相負側変換器アーム１１７のａ端子を変圧器１０５のｕ相負側端子１０９に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本実施形態ではｕ相負側変換器アーム１１７のアーム電圧をＶａｒｍｕＬと表記することにする。

　ｖ相負側変換器アーム１１８のａ端子を変圧器１０５のｖ相負側端子１１０に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本実施形態ではｖ相負側変換器アーム１１８のアーム電圧をＶａｒｍｖＬと表記することにする。

　ｖ相負側変換器アーム１１９のａ端子を変圧器１０５のｗ相負側端子１１１に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本実施形態ではｗ相負側変換器アーム１１９のアーム電圧をＶａｒｍｗＬと表記することにする。

　実施形態１では、ＶａｒｍｕＨとＶａｒｍｕＬの和をｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。また、ＶａｒｍｖＨとＶａｒｍｖＬの和をｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。同様に、ＶａｒｍｗＨとＶａｒｍｗＬの和をｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。

　また、実施形態１では、ｕ相正側変換器アーム１１３とｕ相負側変換器アーム１１７を流れる電流をｕ相アーム電流Ｉｕ、ｖ相正側変換器アーム１１４とｖ相負側変換器アーム１１８を流れる電流をｖ相アーム電流Ｉｖ、ｗ相正側変換器アーム１１５とｗ相負側変換器アーム１１９を流れる電流をｗ相アーム電流Ｉｗと表記することにする。

　次に、図３と図４を用いて、単位変換器１２０の構成について説明する。

　図３は、単位変換器１２０の内部構成の一例を示す。図３の単位変換器はフルブリッジ回路である。単位変換器１２０は、ｘ端子３００とｙ端子３０１を有する２端子回路であり、ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５，エネルギー蓄積素子３０６とからなる。スイッチング素子３０２～３０５は、ＩＧＢＴに代表されるオン・オフ制御形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子３０６は、コンデンサや蓄電池などである。本実施形態では、ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧を、単位変換器のセル電圧Ｖｃｅｌｌと呼ぶことにする。

　一方、単位変換器１２０を図４のように双方向チョッパとすることもできる。

　図４に示す双方向チョッパは、ハイサイド・スイッチング素子４０３，ローサイド・スイッチング素子４０４，エネルギー蓄積素子４０５で構成されている。スイッチング素子４０３，４０４は、ＩＧＢＴに代表されるオン・オフ制御形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子４０５は、コンデンサや蓄電池などである。本実施形態では、図４における該電圧もセル電圧Ｖｃｅｌｌと表記することにする。

　次に、電力変換装置１０１の動作を、以下の３ケースについて説明する。
　（１）三相電力系統１００から有効電力を受電し、負荷装置１２３に単相交流電力または直流電力を供給する場合
　（２）負荷装置１２３から単相交流電力または直流電力を受電し、三相電力系統１００に有効電力を供給する場合
　（３）三相電力系統１００と無効電力を授受する場合

　以下、電力変換装置１０１が三相電力系統１００から有効電力を受電し、負荷装置１２３に単相交流電力または直流電力を供給する場合の動作について説明する。ここでは、負荷装置１２３が直流送電線であり、該電力変換装置１０１は直流送電線から見て送電側の電力変換装置である場合や、負荷装置１２３がモータドライブ・インバータであり、該モータドライブ・インバータが力行運転している場合、または負荷装置１２３が単相交流負荷である場合などを想定している。

　本実施形態では、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲを変圧器二次側に換算した電圧をａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲと表記することにする。ここで、ａは変圧器一次巻線に対する二次巻線の巻数比である。

　ここで、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗと、負荷装置１２３の電圧ＶＤの関係を説明する。

　Ｖｕ，Ｖａｒｍｕ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

（数１）
　　Ｖｕ＝ＶＤ－Ｖａｒｍｕ

　Ｖｖ，Ｖａｒｍｖ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

（数２）
　　Ｖｖ＝ＶＤ－Ｖａｒｍｖ

　Ｖｗ，Ｖａｒｍｗ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

（数３）
　　Ｖｗ＝ＶＤ－Ｖａｒｍｗ

　以上、数１～３より、ｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕ，ｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｖ，ｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｗを制御することによって、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御できる。

　ここで，実施形態１においてリアクトルが不要となる理由について説明する。

　三相電力系統１００のＲ相－Ｓ相間の線間電圧ＶＲＳを変圧器二次側に換算した電圧ａＶＲＳとｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕの和ａＶＲＳ＋Ｖａｒｍｕと，三相電力系統１００のＳ相－Ｔ相間の線間電圧ＶＳＴを変圧器二次側に換算した電圧ａＶＳＴとｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｖの和ａＶＳＴ＋Ｖａｒｍｖと，三相電力系統１００のＴ相－Ｒ相間の線間電圧ＶＴＲを変圧器二次側に換算した電圧ａＶＴＲとｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｗの和ａＶＴＲ＋Ｖａｒｍｗとは，相互に異なる可能性がある。

　ａＶＲＳ＋ＶａｒｍｕとａＶＳＴ＋ＶａｒｍｖとａＶＴＲ＋Ｖａｒｍｗとの差は，変圧器１０５の漏れインダクタンスによって分担される。

　したがって，実施形態１においてリアクトルは不要である。

　Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに遅らせると、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に有効電力を流入させることができる。

　次に、アーム電圧は単位変換器１２０を構成するスイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。

　まず、単位変換器１２０がフルブリッジ回路（図３）である場合について述べる。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２とｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３を交互にオン・オフする。また、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４とｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５を交互にオン・オフする。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣと大略等しい。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５が全てオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。

　次に、単位変換器１２０が双方向チョッパ（図４）である場合について述べる。

　ハイサイド・スイッチング素子４０３がオン、ローサイド・スイッチング素子６０４がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌは直流コンデンサ６０４の電圧ＶＣに大略等しい。

　ハイサイド・スイッチング素子４０３がオフ、ローサイド・スイッチング素子４０４がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

　ハイサイド・スイッチング素子４０３，ローサイド・スイッチング素子６０４が共にオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは零に大略等しい。

　次に、負荷装置１２３に電力を供給する方法について説明する。

　負荷装置１２３を流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、負荷装置１２３に電力を伝送できない。

　この場合、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に流入した有効電力は、各単位変換器１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）に蓄積される。

　負荷装置１２３に電力を供給するためには、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。

　なお、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に流入する有効電力と、負荷装置１２３が消費する有効電力が等しい場合、各単位変換器１２０に流入出するエネルギーは、三相電力系統の１周期平均でほぼ零となる。

　また、電流ＩＤとして、直流電流，交流電流または両者の重畳した電流を流すことができる。

　電力変換装置１０１と負荷装置１２３が単相無効電力のみを授受する場合、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に流入する有効電力を零とするように制御する。

　以下、電力変換装置１０１が負荷装置１２３から有効電力を受電し、三相電力系統１００に有効電力を供給する場合の動作について説明する。ここでは、負荷装置１２３が直流送電線であり、該電力変換装置１０１は直流送電線から見て受電側の電力変換装置である場合や、負荷装置１２３がモータドライブ・インバータであり、該モータドライブ・インバータが回生制動している場合、または負荷装置１２３が単相交流電源である場合などを想定している。

　Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに進ませると、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に有効電力を供給できる。

　次に、負荷装置１２３から電力を受電する方法について説明する。

　負荷装置１２３から流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、負荷装置１２３から電力が供給できない。

　この場合、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に流出する有効電力は、各単位変換器１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）から供給される。

　負荷装置１２３から電力変換装置１００に電力を流入させるために、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。

　なお、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に流出する有効電力と、負荷装置１２３から電力変換装置に流入する有効電力が等しい場合、各単位変換器１２０に流入出するエネルギーは、三相電力系統の１周期平均でほぼ零となる。

　以下、電力変換装置１０１が三相電力系統１００から無効電力を授受し、なおかつ負荷装置１２３が開放である場合（ＩＤ＝０）について説明する。ここでは、電力変換装置１０１が無効電力補償装置として動作している場合などを想定している。

　Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と位相を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と位相に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの振幅よりもわずかに増加させると、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に進相無効電力を供給できる。

　また、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と位相を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と位相に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの振幅よりもわずかに減少させると、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に遅相無効電力を供給できる。

　次に，本実施形態において、前記変圧器の二次巻線と前記変換器アームとの直列回路は、電圧源と制御電流源とみなすことができることについて説明する。

　前記変圧器の一次巻線には三相電力系統１００が接続されている。電力系統１００は電圧源とみなすことができるため、電力系統１００が二次巻線に誘起する電圧も電圧源とみなすことができる。

　また、前記変換器アームは、前記変換器アームのアーム電圧を適切に調節することによって、前記変圧器の二次巻線の漏れインダクタンスおよび励磁インダクタンスに印加される電圧を調節することができる。

　該漏れインダクタンスおよび該励磁インダクタンスに流れる電流は、前記漏れインダクタンスおよび前記励磁インダクタンスに印加される電圧の時間積分に比例する。したがって、前記変換器アームは、前記変換器アームのアーム電圧を介して、前記漏れインダクタンスおよび前記励磁インダクタンスに流れる電流を制御できる。

　このため、前記変換器アームと前記励磁インダクタンスおよび前記漏れインダクタンスとの直列回路は、制御電流源とみなすことができる。

　本実施形態では三相電力系統に連系する電力変換装置について述べた。三相回路において、正相・逆相電流がディファレンシャルモード電流に相当し、零相電流がコモンモード電流に相当する。

　また、本実施形態は、変換器アームの数を増減することにより、三相電力系統のみならず、単相や多相系統に連系する電力変換装置にも適用できる。

　本実施形態の応用例として、電力変換器１００を無効電力補償装置として応用した例を示す。図５は、電力変換装置１０１を設置した変電所の例である。変電所５０１は、三相電力系統５００に連系している。変電所母線５０２には負荷５０３と本実施形態に基づく電力変換装置１０１を接続している。前述の方法で電力変換装置１０１と三相電力系統５００の間の無効電力Ｑを適切に調節することにより、変電所母線５０２の電圧Ｖの振幅を一定に保つように制御する。
＜実施形態２＞

　本発明を実施する第２の形態について説明する。実施形態１では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施形態２では変圧器の一次巻線をスター結線としている。

　以下では、実施形態２の構成において、実施形態１の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図６は、本発明の第２の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置６００は、三相交流端子１０２～１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置６００は、変圧器６０１と正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３とからなる。

　本実施形態では、三相電力系統１００のＲ相，Ｓ相，Ｔ相それぞれの相電圧をＶＲ，ＶＳ，ＶＴと表記することにする。

　図６の正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３は、それぞれ実施形態１（図１）の正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３と同一である。

　図７は、変圧器６０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器６０１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線７００はスター結線されており、Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相の各巻線７０１，７０２，７０３はそれぞれ鉄心２０２，２０３，２０４に巻回されている。

　図７の二次巻線２０１は、実施形態１の図２の二次巻線２０１と同一である。そして、実施形態２では、実施形態１と同様の効果を得られるようになっている。
＜実施形態３＞

　本発明を実施する第３の形態について説明する。実施形態３は実施形態１の変形である。実施形態１では正側と負側の２つの変換器グループを用いていたが、実施形態３では、１つの変換器グループのみを用いている。

　実施形態３では、実施形態１と同様の効果を得られる他、変圧器の端子数を９端子から７端子に減少させることができる。

　以下では、実施形態３の構成において、実施形態１の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図８は、本発明の第３の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置８００は、三相交流端子１０２～１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置８００は、変圧器８０１と変換器グループ８０６からなる。

　変圧器８０１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子８０２，ｖ相端子８０３，ｗ相端子８０４，中性点端子８０５の合計７端子を備えている。

　したがって，実施形態１，２に比較して，変圧器の端子数を９端子から７端子に減少できる。

　図９は、変圧器８０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器８０１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線２００は実施形態１（図２）と同一構成である。

　二次巻線９００は、ｕ相巻線９０１，ｖ相巻線９０２，ｗ相巻線９０３を備えている。巻線９０１～９０３の巻数は大略等しい。ｕ相巻線９０１，ｖ相巻線９０３，ｗ相巻線９０３はスター結線されており、中性点ｎが中性点端子８０５に引き出されている。

　変換器グループ８０６は、ｕ相変換器アーム８０７，ｖ相正側変換器アーム８０８，ｗ相正側変換器アーム８０９とからなる。

　ｕ相変換器アーム８０６のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器８０１のｕ相端子８０２に接続する。また、実施形態３ではｕ相変換器アーム１１３のアーム電圧をＶａｒｍｕと表記することにする。

　ｖ相変換器アーム８０７のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器８０１のｖ相端子８０３に接続する。また、実施形態３ではｖ相変換器アーム８０７のアーム電圧をＶａｒｍｖと表記することにする。

　ｖ相変換器アーム８０８のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器８０１のｗ相端子８０４に接続する。また、実施形態３ではｗ相変換器アーム８０７のアーム電圧をＶａｒｍｗと表記することにする。

　実施形態３（図８）における変換器アーム８０６～８０８は、実施形態１の図１、および実施形態２の図３における変換器アーム１１３～１１５，１１７～１１９とほぼ同一であるが、内包する単位変換器１２０の台数が約２倍となっている点が異なる。
＜実施形態４＞

　本発明を実施する第４の形態について説明する。実施形態４は実施形態２の変形である。実施形態２では正側と負側の２つの変換器グループを用いていたが、実施形態４では、１つの変換器グループのみを用いた構成で、実施形態３と同様の効果を得ている。また、実施形態３では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施形態４では変圧器の一次巻線をスター結線としている。

　以下では、実施形態４の構成において、実施形態３の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図１０は、本発明の第４の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置１０００は、三相交流端子１０２～１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置１０００は、変圧器１００１と変換器グループ８０５からなる。

　変圧器１００１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子１１０，ｖ相端子１１１，ｗ相端子１１２，中性点端子７０５の合計７端子を備えている。

　図１１は、変圧器１００１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１００１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図１０の一次巻線７００は実施形態２の図７における一次巻線７００と同一である。

　また、二次巻線９００は実施形態３の図９における二次巻線９００と同一であり、図９の変換器グループ７０６は実施形態３の図７における変換器グループ７０６と同一である。
＜実施形態５＞

　本発明を実施する第５の形態について説明する。実施形態５は実施形態１の変形である。変圧器の二次巻線を各相で２分割し、零相電流に起因する起磁力を零とする結線を行っている点に特徴がある。

　実施形態５では、実施形態１と同様の効果を得られる。これに加えて、負荷装置１２３に電流ＩＤを流す場合、実施形態１～４と比較して変圧器の鉄心断面積を小さくできる。これは、前記の通り、零相電流に起因する起磁力を零としているためである。

　図１２は本発明の第５の実施形態を表わした回路図である。実施形態５の図１２の構成は実施形態１の図１の変圧器１０５を変圧器１２０１に変更した回路構成である。

　変圧器１２０１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相正側端子１２０２，ｖ相正側端子１２０３，ｗ相正側端子１２０４，ｕ相負側端子１２０６，ｖ相負側端子１２０７，ｗ相負側端子１２０８の合計９端子を備えている。

　図１３は、変圧器１２０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１２０１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図１３の一次巻線２００は実施形態１の図１の一次巻線２００と同一である。

　二次巻線１３００は、ｕ相正側巻線１３０１，ｖ相正側巻線１３０２，ｗ相正側巻線１３０３，ｕ相負側巻線１３０４，ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６を備えている。巻線１３０１～１３０６の巻数は大略等しい。

　ｕ相正側巻線１３０１とｕ相負側巻線１３０４は電気的に直列接続されている。ｕ相正側巻線１３０１は鉄心２０２に巻回されており、ｕ相負側巻線１３０４は鉄心２０４に巻回されている。なお、ｕ相正側巻線１３０１が鉄心２０２に生じる起磁力と、ｕ相負側巻線１３０４が鉄心２０４に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

　ｖ相正側巻線１３０２とｖ相負側巻線１３０５は電気的に直列接続されている。ｖ相正側巻線１３０２は鉄心２０３に巻回されており、ｖ相負側巻線１３０５は鉄心２０２に巻回されている。なお、ｖ相正側巻線１３０２が鉄心２０３に生じる起磁力と、ｖ相負側巻線１３０５が鉄心２０２に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

　ｗ相正側巻線１３０３とｗ相負側巻線１３０６は電気的に直列接続されている。ｗ相正側巻線１３０３は鉄心２０４に巻回されており、ｗ相負側巻線１３０６は鉄心２０３に巻回されている。なお、ｗ相正側巻線１３０３が鉄心２０４に生じる起磁力と、ｗ相負側巻線１３０６が鉄心２０３に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

　本実施形態では、ｕ相正側巻線１３０１とｕ相負側巻線１３０４を総称してｕ相巻線と呼ぶことにする。また、ｖ相正側巻線１３０２とｖ相負側巻線１３０５を総称してｖ相巻線と呼ぶことにする。同様に、ｗ相正側巻線１３０４とｗ相負側巻線１３０６を総称してｗ相巻線と呼ぶことにする。

　本実施形態では、ｕ相正側巻線１３０１の両端電圧をＶｕＨ、ｖ相正側巻線１３０２の両端電圧をＶｖＨ、ｗ相正側巻線１３０３の両端電圧をＶｗＨ、ｕ相負側巻線１３０４の両端電圧をＶｕＬ、ｖ相負側巻線１３０５の両端電圧をＶｖＬ、ｗ相負側巻線１３０６の両端電圧をＶｗＬと表記することにする。

　また、ＶｕＨとＶｕＬの和をｕ相電圧Ｖｕ，ＶｖＨとＶｖＬの和をｖ相電圧Ｖｖ，ＶｗＨとＶｗＬの和をｗ相電圧Ｖｗと呼ぶことにする。

　図１４に、変圧器１２０１の一次巻線２００の電圧（すなわち、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲ）と、二次巻線１３００の電圧ＶｕＨ，ＶｖＨ，ＶｗＨ，ＶｕＬ，ＶｖＬ，ＶｗＬ，Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗのフェーザ図を示す。

　図１２の正側変換器グループ１１２は実施形態１の図１における変換器グループ１１２と同一である。また、図１２の負側変換器グループ１１６は実施形態１図１における変換器グループ１１６と同一である。

　実施形態１と実施形態５の相違点について、以下で説明する。実施形態１で説明した通り、電力変換装置１０１が三相電力系統１００と有効電力を授受する場合、電流ＩＤが流れる。また、電力変換装置１０１が負荷装置１２３に単相無効電力を供給する場合にも電流ＩＤが流れる。電流ＩＤは各相の変換器アームに大略等しく分流し、各アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分（零相電流）となる。したがって、電流ＩＤが流れる場合、二次巻線２０１に零相電流が流れる。本実施形態では、該零相電流をＩｚと表記することにする。

　電流ＩＤが直流である場合、二次巻線に零相直流電流が流れ、鉄心の直流偏磁や磁気飽和を招く虞がある。

　これに対して実施形態５の電力変換装置１２００が負荷装置１２３に電流ＩＤを流す場合を考える。実施形態１の場合と同様に、変圧器１２０１の二次巻線１３００に零相電流が流れる。

　鉄心２０２において、ｕ相正側巻線１３０１を流れるＩｚが生じる起磁力と、ｖ相負側巻線１３０５を流れるＩｚが生じる起磁力は、大略同じ大きさで逆極性であり、ほぼ相殺する。

　鉄心２０３において、ｖ相正側巻線１３０２を流れるＩｚが生じる起磁力と、ｗ相負側巻線１３０６を流れるＩｚが生じる起磁力は、大略同じ大きさで逆極性であり、ほぼ相殺する。

　鉄心２０４において、ｗ相正側巻線１３０３を流れるＩｚが生じる起磁力と、ｕ相負側巻線１３０４を流れるＩｚが生じる起磁力は、大略同じ大きさで逆極性であり、ほぼ相殺する。

　したがって、ＩＤが直流であった場合にも、直流起磁力がほぼ零となるため、鉄心の直流偏磁はほとんど発生しない。

　以下、図１５を用いて、電力変換装置１２００の動作について説明する。ただし、図１５は電力変換装置１２００の動作波形例であり、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲ、系統電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗ、アーム電圧の零相成分（Ｖａｒｍｕ＋Ｖａｒｍｖ＋Ｖａｒｍｗ）／３、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、出力端子電流ＩＤの概略波形を描いている。

　図１５において、電力変換装置１２００は力率１で系統から有効電力を受電し、負荷装置１２３に直流電圧を印加し、直流電流を流している。すなわち、ＶＤとＩＤは直流である。

　図１５の説明では、単位変換器１２０を図４に示した双方向チョッパ回路としている。

　各変換器アームのアーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗは、その変換器アームに含まれる単位変換器１２０の台数と大略等しいレベル数のマルチレベル波形となる。また、Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗは三相交流成分と零相直流成分を含んでいる。Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの零相直流成分（Ｖａｒｍｕ＋Ｖａｒｍｖ＋Ｖａｒｍｗ）／３は、出力端子電圧ＶＤに大略等しい。

　Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，ＶａｒｍｗがＶＤに大略等しい零相直流成分を含んでいるため、数１、数２、数３より、ｕ相電圧Ｖｕ、ｖ相電圧Ｖｖ、ｗ相電圧Ｖｗは、それぞれＶａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの交流成分と逆位相の電圧となり、直流成分をほとんど含まない。

　Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲを変圧器１０１の二次側に換算した電圧ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲとの差電圧は、一次巻線２００と二次巻線２０１の間の、変圧器１０１の漏れインダクタンスによって支持される。

　Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲと同周波数、同振幅に制御し、かつ位相のみをわずかに遅らせるように制御すると、三相電力系統１００から電力変換装置１２００に有効電力を流入させることができる。

　Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの零相成分と、出力端子の電圧ＶＤとの差電圧は、二次巻線１３００の零相成分に対するインダクタンスによって支持される。Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分Ｉｚは、該差電圧の時間積分に比例する。したがって、Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの零相直流成分を制御することで、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分Ｉｚを制御できる。Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分の和はＩＤとなる。

　図１６は、本実施形態に基づく電力変換装置１２００を、直流送電システムに応用した例である。陸地Ａの電力変換装置１２００は三相電力系統１６００と連系している。陸地Ｂの電力変換装置１２００は三相電力系統１６０１と連系している。２台の電力変換装置１２００の出力端子１２０，１２１を海底ケーブルで接続し、陸地Ａと陸地Ｂの間で電力の融通を行う構成になっている。
＜実施形態６＞

　図１７は、本発明の第６の実施形態を表わした回路図である。前述の実施形態５では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施形態６では変圧器の一次巻線をスター結線として、実施形態５と同様の効果を得ているものである。

　以下では、実施形態６の構成において、実施形態５の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図１７の正側変換器グループ１１２は実施形態１（図１）の正側変換器グループ１１２と同一である。また、図１７の負側変換器グループ１１６は実施形態（図１）の負側変換器グループ１１３と同一である。

　図１８は、変圧器１７０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１７０１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図１８の一次巻線７００は実施形態２の図７の一次巻線７００と同一である。また、図１８の二次巻線１３００は実施形態５の図１３の二次巻線１３００と同一である。
＜実施形態７＞

　図１９は、本発明の第７の実施形態を表わした回路図である。実施形態７は実施形態５の変形である。実施形態５では正側と負側の２つの変換器グループを用いていたが、実施形態７では、１つの変換器グループのみを用いている。

　実施形態７では実施形態５と同様の効果を得られる他、実施形態３と同様に，変圧器の端子数を９端子から７端子に減少させることができる。

　以下では、実施形態７の構成において、実施形態５の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図１９の変換器グループ８０６は実施形態３の図８の変換器グループ８０６と同一である。

　変圧器１９０１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子１９０２，ｖ相端子１９０３，ｗ相端子１９０４，中性点端子１９０５の合計７端子を備えている。

　図２０は、変圧器１９０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１９０１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図２０の一次巻線２００は実施形態１の図２の一次巻線２００と同一である。

　図２０の二次巻線２０００を構成するｕ相正側巻線１３０１，ｖ相正側巻線１３０２，ｗ相正側巻線１３０３，ｕ相負側巻線１３０４，ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６は、それぞれ実施形態５の図１３のｕ相正側巻線１３０１，ｖ相正側巻線１３０２，ｗ相正側巻線１３０３，ｕ相負側巻線１３０４，ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６と同一である。

　ただし、ｕ相負側巻線１３０４の一端と、ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６をスター結線しており、中性点ｎを中性点端子１９０５として、変圧器１９０１の外部に引き出している。
＜実施形態８＞

　本発明を実施する第８の形態について説明する。実施形態８は実施形態７の変形である。実施形態７では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施形態８では変圧器の一次巻線をスター結線として、実施形態７と同様の効果を得ているものである。

　以下では、実施形態８の構成において、実施形態７の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図２１は、本発明の第８の実施形態を表わした回路図である。

　図２１の変換器グループ８０６は実施形態３の図８の変換器グループ８０６と同一である。

　変圧器２１００は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子１９０２，ｖ相端子１９０３，ｗ相端子１９０４，中性点端子１９０５の合計７端子を備えている。

　図２２は、変圧器２１０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１９０１は、鉄心２０２～２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図２２の一次巻線７００は実施形態２の図７の一次巻線７００と同一である。図２２の二次巻線２０００は実施形態７の図２０の二次巻線２０００と同一である。
＜実施形態９＞

　本発明を実施する第９の形態について説明する。実施形態５～８では、変圧器の二次巻線を各相で２分割し、零相電流に起因する起磁力を零とする結線を行っている。これに対して、実施形態９では、零相電流に起因する起磁力を補償する補償巻線を用いて、実施形態７と同様の効果を得ているものである。

　以下では、実施形態９の構成において、実施形態７の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図２３は、本発明の第９の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置２３００は、三相交流端子１０２～１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置２３００は、変圧器２３０１と変換器グループ８０６とからなる。

　図２３の変換器グループ８０６は、実施形態３の図８の変換器グループ８０６と同一である。

　変圧器２３０１はＲ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子２３０２，ｖ相端子２３０３，ｗ相端子２３０４，補償巻線端子２３０５の７端子を備えている。

　図２４は、変圧器２３０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器２３０３は、鉄心２０２～２０４，一次巻線２００，二次巻線２４００，補償巻線２４０４とを備えている。鉄心２０２～２０４は三脚鉄心を構成する。

　一次巻線２００は実施形態１の図１の一次巻線２００と同一である。

　二次巻線２４００はｕ相巻線２４０１，ｖ相二次巻線２４０２，ｗ相二次巻線２４０３を備えている。二次巻線２４００は実施形態３の図９における二次巻線９００とほぼ同一構成であるが、中性点ｎを補償巻線２４０４に接続している点が異なる。

　補償巻線２４０４は、ｕ相補償巻線２４０５，ｖ相補償巻線２４０６，ｗ相補償巻線２４０７を備えている。補償巻線２４０４の巻数は、二次巻線２４００の１／３とする。

　ｕ相補償巻線２４０５は鉄心２０２に巻回されている。また、ｖ相補償巻線２４０５は鉄心２０３に巻回されている。さらに、ｗ相補償巻線２４０５は鉄心２０３に巻回されている。

　ｕ相補償巻線２４０５とｖ相補償巻線２４０６とｗ相補償巻線２４０７は直列に接続されている。

　補償巻線２４０４の一端は、負側出力端子１２２に接続している。したがって、補償巻線２４０４には負荷装置１２３を流れる電流ＩＤが流れる。

　ｕ相補償巻線２４０５を流れる電流ＩＤが鉄心２０２に生じる起磁力と、ｖ相補償巻線２４０６を流れる電流ＩＤが鉄心２０３に生じる起磁力と、ｗ相補償巻線２４０７を流れる電流ＩＤが鉄心２０４に生じる起磁力とは、大略同じ大きさで、同極性である。

　補償巻線２４０４を流れるＩＤは、中性点ｎで分流し、二次巻線２４００の零相成分Ｉｚとして流れる。すなわち、Ｉｚ＝ＩＤ／３である。

　ｕ相巻線２４０１に流れるＩｚが鉄心２０２に生じる起磁力と、ｕ相補償巻線２４０５に流れるＩＤが鉄心２０２に生じる起磁力は、大略同じ大きさで、逆極性であるため、ほぼ相殺する。

　ｖ相巻線２４０２に流れるＩｚが鉄心２０３に生じる起磁力と、ｖ相補償巻線２４０６に流れるＩＤが鉄心２０３に生じる起磁力は、大略同じ大きさで、逆極性であるため、ほぼ相殺する。

　ｗ相巻線２４０３に流れるＩｚが鉄心２０４に生じる起磁力と、ｗ相補償巻線２４０７に流れるＩＤが鉄心２０４に生じる起磁力は、大略同じ大きさで、逆極性であるため、ほぼ相殺する。

　したがって、実施形態５～８と同様に、ＩＤが直流であった場合にも、直流起磁力がほぼ零となるため、鉄心の直流偏磁はほとんど発生しない。
＜実施形態１０＞

　本発明を実施する第１０の形態について説明する。実施形態９では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施形態１０では変圧器の一次巻線をスター結線として、実施形態９と同様の効果を得ているものである。

　以下では、実施形態１０の構成において、実施形態９の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図２５は、本発明の第１０の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置２５００は、三相交流端子１０２～１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置２５００は、変圧器２５０１と変換器グループ８０６とからなる。

　図２５の変換器グループ８０６は、実施形態３の図８の変換器グループ８０６と同一である。

　図２６は、変圧器２５０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器２３０３は、鉄心２０２～２０４，一次巻線７００，二次巻線２４００，補償巻線２４０４とを備えている。鉄心２０２～２０４は三脚鉄心を構成する。

　図２６の一次巻線７００は実施形態２の図７の一次巻線７００と同一である。

　図２６の二次巻線２４００は実施形態９図２４の二次巻線２４００と同一である。
＜実施形態１１＞

　本発明を実施する第１１の形態について説明する。実施形態１１は実施形態５の変形形態であり、実施形態１１では、実施形態５と同様の効果を得られるものである。

　以下では、実施形態１１の構成において、実施形態５の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図２７は本発明の第１０の実施形態を表わした回路図である。実施形態１１では、実施形態５の図１２と比較して、ｕ負側変換器アーム１１７，ｖ負側変換器アーム１１８，ｗ負側変換器アーム１１８の極性を逆にしている。

　実施形態１，２，５，６でも同様に、ｕ負側変換器アーム１１７，ｖ負側変換器アーム１１８，ｗ負側変換器アーム１１８の極性を逆にしてもよい。
＜実施形態１２＞
　以下、本発明の他の実施形態を図面を用いて説明する。

　本発明を実施する第１２の形態について説明する。

　図２８は、本発明の電力変換装置を用いた直流送電システムの回路図である。

　まず、本発明の直流送電システムの構成について説明する。該直流送電システムは、三相交流電力系統３１００および３１７０と、該三相交流電力系統３１００，３１７０それぞれに連系している各２台の電力変換装置３１０１と該三相交流電力系統３１００，３１７０それぞれに連系している各２台の電力変換装置３１０１の２つの直流出力端子の片方には直流送電ケーブル３１５０が接続され、他方の直流出力端子はそれぞれ接地している。

　本発明の直流送電システムは該三相交流電力系統３１０１および３１７０からの交流電力を各三相交流電力系統に連系している各２台の電力変換装置３１０１により直流電力に変換し、直流送電ケーブル３１５０によって一方向または双方向に電力を送電する。

　次に、電力変換装置３１０１の構成について説明する。該電力変換装置３１０１は、変圧器３１０５と正側変換器グループ３１１２，負側変換器グループ３１１６とから構成される。

　本明細書では、三相交流電力系統３１００の各相をＲ相，Ｓ相，Ｔ相と呼ぶことにする。さらに、三相交流電力系統３１００の各相に流れる電流を系統電流と呼び、ＩＲ，ＩＳ，ＩＴと表記することにする。

　次に、図２８と図２９を用いて、変圧器３１０５の構成について説明する。

　該変圧器３１０５は、Ｒ相端子３１０２，Ｓ相端子３１０３，Ｔ相端子３１０４，ｕ相正側端子３１０６，ｖ相正側端子３１０７，ｗ相正側端子３１０８，ｕ相負側端子３１０９，ｖ相負側端子３１１０，ｗ相負側端子３１１１、の合計９端子を備えている。

　図２９は、変圧器３１０５の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器３１０５は、鉄心３１３１～３１３３を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線３２０１はデルタ結線されており、Ｒ相－Ｓ相間，Ｓ相－Ｔ相間，Ｔ相－Ｒ相間の各巻線３２０２～３２０４はそれぞれ鉄心３１３１～３１３３に巻回されている。巻線３２０２～３２０４の巻数は大略等しい。

　ｕ相正側巻線３１３４とｕ相負側巻線３１３７は電気的に直列接続されている。ｕ相正側巻線３１３４は鉄心３１３１に巻回されており、ｕ相負側巻線３１３７は鉄心３１３３に巻回されている。なお、ｕ相正側巻線３１３４が鉄心３１３１に生じる起磁力と、ｕ相負側巻線３１３７が鉄心３１３３に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

　ｖ相正側巻線３１３５とｖ相負側巻線３１３８は電気的に直列接続されている。ｖ相正側巻線３１３５は鉄心３１３２に巻回されており、ｖ相負側巻線３１３８は鉄心３１３１に巻回されている。なお、ｖ相正側巻線３１３５が鉄心３１３２に生じる起磁力と、ｖ相負側巻線３１３８が鉄心３１３１に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

　ｗ相正側巻線３１３６とｗ相負側巻線３１３９は電気的に直列接続されている。ｗ相正側巻線３１３６は鉄心３１３３に巻回されており、ｗ相負側巻線３１３９は鉄心３１３２に巻回されている。なお、ｗ相正側巻線３１３６が鉄心３１３３に生じる起磁力と、ｗ相負側巻線３１３９が鉄心３１３２に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。

　本明細書では、ｕ相正側巻線３１３４とｕ相負側巻線３１３７を総称してｕ相巻線と呼ぶことにする。また、ｖ相正側巻線３１３５とｖ相負側巻線３１３８を総称してｖ相巻線と呼ぶことにする。同様に、ｗ相正側巻線３１３６とｗ相負側巻線３１３９を総称してｗ相巻線と呼ぶことにする。

　本明細書では、ｕ相正側巻線３１３４の両端電圧をＶｕＨ、ｖ相正側巻線３１３５の両端電圧をＶｖＨ、ｗ相正側巻線３１３６の両端電圧をＶｗＨ、ｕ相負側巻線３１３７の両端電圧をＶｕＬ、ｖ相負側巻線３１３８の両端電圧をＶｖＬ、ｗ相負側巻線３１３９の両端電圧をＶｗＬと表記することにする。

　また、ＶｕＨとＶｕＬの和をｕ相電圧Ｖｕ、ＶｖＨとＶｖＬの和をｖ相電圧Ｖｖ、ＶｗＨとＶｗＬの和をｗ相電圧Ｖｗと呼ぶことにする。

　また、電力変換装置３１０１の正側直流出力端子３１２１と負側直流出力端子３１２２の間に印加される電圧をＶＤ、正側直流出力端子３１２１に流れる電流をＩＤと表記することにする。

　次に、正側変換器グループ３１１２と負側変換器グループ３１１６の構成について説明する。

　該正側変換器グループ３１１２は、ｕ相正側変換器アーム３１１３，ｖ相正側変換器アーム３１１４，ｗ相正側変換器アーム３１１５とからなる。また、該負側変換器グループ３１１６は、ｕ相負側変換器アーム３１１７，ｖ相負側変換器アーム３１１８，ｗ相負側変換器アーム３１１９からなる。

　各変換器アーム３１１３～３１１５，３１１７～３１１９は、ａ端子とｂ端子とを備えている。
本明細書では、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。また、各変換器アーム３１１３～３１１５，３１１７～３１１９は、図３０に示す単位チョッパセルを１台または複数台カスケード接続した回路である。

　ｕ相正側変換器アーム３１１３のａ端子を正側出力端子３１２１に接続し、ｂ端子を変圧器３１０５のｕ相正側端子３１０６に接続する。また、本明細書ではｕ相正側変換器アーム３１１３のアーム電圧をＶａｒｍｕＨと表記することにする。

　ｖ相正側変換器アーム３１１４のａ端子を正側出力端子３１２１に接続し、ｂ端子を変圧器３１０５のｖ相正側端子３１０７に接続する。また、本明細書はｖ相正側変換器アーム３１１４のアーム電圧をＶａｒｍｖＨと表記することにする。

　ｗ相正側変換器アーム３１１５のａ端子を正側出力端子３１２１に接続し、ｂ端子を変圧器３１０５のｗ相正側端子３１０８に接続する。また、本明細書ではｗ相正側変換器アーム３１１５のアーム電圧をＶａｒｍｗＨと表記することにする。

　ｕ相負側変換器アーム３１１７のａ端子を変圧器１０５のｕ相負側端子３１０９に接続し、ｂ端子を負側出力端子３１２２に接続する。また、本明細書ではｕ相負側変換器アーム３１１７のアーム電圧をＶａｒｍｕＬと表記することにする。

　ｖ相負側変換器アーム３１１８のａ端子を変圧器３１０５のｖ相負側端子３１１０に接続し、ｂ端子を負側出力端子３１２２に接続する。また、本明細書ではｖ相負側変換器アーム３１１８のアーム電圧をＶａｒｍｖＬと表記することにする。

　ｖ相負側変換器アーム３１１９のａ端子を変圧器３１０５のｗ相負側端子３１１１に接続し、ｂ端子を負側出力端子３１２２に接続する。また、本明細書ではｗ相負側変換器アーム３１１９のアーム電圧をＶａｒｍｗＬと表記することにする。

　実施形態１２では、ＶａｒｍｕＨとＶａｒｍｕＬの和をｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。また、ＶａｒｍｖＨとＶａｒｍｖＬの和をｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。同様に、ＶａｒｍｗＨとＶａｒｍｗＬの和をｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。

　また、実施形態１２では、ｕ相正側変換器アーム３１１３とｕ相負側変換器アーム３１１７を流れる電流をｕ相アーム電流Ｉｕ、ｖ相正側変換器アーム３１１４とｖ相負側変換器アーム３１１８を流れる電流をｖ相アーム電流Ｉｖ、ｗ相正側変換器アーム３１１５とｗ相負側変換器アーム３１１９を流れる電流をｗ相アーム電流Ｉｗと表記することにする。

　次に、図３０を用いて、単位チョッパセル３１２０の構成について説明する。

　図３０に示す単位チョッパセルは、ハイサイド・スイッチング素子３３０３，ローサイド・スイッチング素子３３０４，エネルギー蓄積素子３３０５で構成されている。スイッチング素子３３０３，３３０４は、ＩＧＢＴに代表される半導体スイッチング素子である。また、エネルギー蓄積素子３３０５は、コンデンサや蓄電池などである。本明細書では、ｙ端子３３０２を基準としたｘ端子３３０１までの電圧を、単位チョッパセルのセル電圧Ｖｃｅｌｌと表記することにする。

　次に、電力変換装置３１０１の動作を、以下の２ケースについて説明する。
（１）三相交流電力系統３１００から有効電力を受電し、直流送電ケーブル３１５０に直流電力を供給する場合
（２）直流送電ケーブル３１５０から直流電力を受電し、三相交流電力系統３１００に有効電力を供給する場合

　以下、電力変換装置３１０１が三相交流電力系統３１００から有効電力を受電し、直流送電ケーブル３１５０に直流電力を供給する場合の動作について説明する。

　本明細書では、三相交流電力系統３１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲを変圧器二次側に換算した電圧をａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲと表記することにする。ここで、ａは変圧器一次巻線に対する二次巻線の巻数比である。

　ここで、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗと、正側直流出力端子３１２１と負側直流出力端子１２２の間に印加される電圧ＶＤの関係を説明する。

　Ｖｕ，Ｖａｒｍｕ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

〔数１〕
　　Ｖｕ＝ＶＤ－Ｖａｒｍｕ
　　Ｖｖ，Ｖａｒｍｖ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

〔数２〕
　　Ｖｖ＝ＶＤ－Ｖａｒｍｖ
　　Ｖｗ，Ｖａｒｍｗ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。

〔数３〕
　　Ｖｗ＝ＶＤ－Ｖａｒｍｗ

　Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに遅らせると、三相交流電力系統１００から電力変換装置３１０１に有効電力を流入させることができる。

　次に、アーム電圧は単位チョッパセル３１２０を構成する半導体スイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。

　ハイサイド・スイッチング素子３３０３がオン、ローサイド・スイッチング素子３３０４がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌは直流コンデンサ３３０５の電圧ＶＣに大略等しい。

　ハイサイド・スイッチング素子３３０３がオフ、ローサイド・スイッチング素子３３０４がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

　ハイサイド・スイッチング素子３３０３、ローサイド・スイッチング素子３３０４が共にオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３３０５の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは零に大略等しい。

　次に、直流送電ケーブル３１５０に電力を供給する方法について説明する。

　直流送電ケーブル３１５０を流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、直流送電ケーブル３１５０に電力を伝送できない。

　この場合、三相交流電力系統３１００から電力変換装置３１０１に流入した有効電力は、各単位変換器３１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）に蓄積される。

　直流送電ケーブルに電力を供給するためには、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。

　なお、三相交流電力系統３１００から電力変換装置３１０１に流入する有効電力と、直流送電ケーブル３１５０に送電する有効電力が等しい場合、各単位チョッパセル３１２０に流入出するエネルギーは、三相交流電力系統の１周期平均でほぼ零となる。

　また、電流ＩＤとして、直流電流、交流電流または両者の重畳した電流を流すこともできる。

　以下、電力変換装置３１０１が直流送電ケーブル３１５０から有効電力を受電し、三相交流電力系統３１００に有効電力を供給する場合の動作について説明する。

　Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに進ませると、電力変換装置３１０１から三相交流電力系統３１００に有効電力を供給できる。

　次に、直流送電ケーブル３１５０から電力を受電する方法について説明する。

　直流送電ケーブルから流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、直流送電ケーブル３１５０から電力が供給できない。

　この場合、電力変換装置３１０１から三相交流電力系統３１００に流出する有効電力は、各単位チョッパセル３１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）から供給される。

　直流送電ケーブル３１２４から電力変換装置３１００に電力を流入させるために、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。

　なお、電力変換装置３１０１から三相交流電力系統３１００に流出する有効電力と、直流送電ケーブル３１５０から電力変換装置に流入する有効電力が等しい場合、各単位チョッパセル３１２０に流入出するエネルギーは、三相交流電力系統の１周期平均でほぼ零となる。

　本明細書では、直流送電ケーブル３１５０を含む、三相交流電力系統３１００および３１７０に連系している各２台の電力変換装置３１０１の正側直流出力端子３１２１，負側直流出力端子３１２２との間を直流ラインと呼ぶこととする。

　また、本明細書では、各相の交流出力端子３１０２～３１０４を含む変圧器３１０５と三相交流電力系統３１００，3１７０との間を交流ラインと称す。

　次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置３１０１の動作が異なることを説明する。

　交流ラインが短絡した時に、電力変換装置３１０１が交流ラインに電圧を出力していると短絡電流が流れる。前記短絡電流を防止するため、一般の電力変換装置と同様に各単位チョッパセル３１２０を構成するハイサイド・スイッチング素子３３０３，ローサイド・スイッチング素子３３０４をともにオフ状態にして、交流ラインに過電流が流れるのを防ぐ。

　直流ラインが短絡すると、各単位チョッパセル３１２０の内部のエネルギー蓄積素子３３０５に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが過電流となる。前記過電流を防止するため、各単位チョッパセルのハイサイド・スイッチング素子３３０３をオフ、ローサイド・スイッチング素子３３０４をオン状態する。ハイサイド・スイッチング素子３３０３には逆並列にダイオードが接続されており、ダイオードは電流の逆阻止特性をもつため、エネルギー蓄積素子３３０５の直流電圧は直流ラインと電気的に絶縁されており、直流送電ケーブル３１５０への過電流を抑制することができる。

　前述のように、次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置３１０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

　交流ラインが短絡した場合は変圧器３１０５の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流は増大する。したがって、変圧器３１０５の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流が設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定する。

　また電流センサを正側変換器グループ３１１２および負側変換器グループ３１１６の各相に設置し、前記正側変換器グループ３１１２に設置した電流センサで検出した電流値と前記負側変換器グループ３１１６に設置した電流センサで検出した電流値との差が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定してもよい。

　直流ラインの短絡した場合は、直流ラインに設置された電流センサ３１２３によって検出された電流が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定する。

　また電流センサを各相の変換器アームのａ端子またはｂ端子に設置し、各変換器アームに流れる電流の三相和が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定してもよい。

　交流ラインまたは直流ラインの故障と判定した場合、遮断器３１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、交流系統３１００または３１７０と電力変換装置３１０１を切り離す。

　直流ラインが短絡した場合、交流系統３１００または３１７０と電力変換装置３１０１を遮断器３１２４によって切り離すまでの短時間の間、交流系統３１００または３１７０から変圧器３１０５の漏れインピーダンスに応じて短絡電流Ｉｓｈが流れる。三相交流電力系統３１００または３１７０の電圧をＶｓ、変圧器３１０５の漏れインピーダンスをＺｔｒとすると短絡電流Ｉｓｈは次式で表される。

〔数４〕
　　Ｉｓｈ＝Ｖｓ／Ｚｔｒ

　単位チョッパセル３１２０を構成する半導体スイッチング素子の飽和電流をＩｓａとすると、Ｉｓａ＞Ｉｓｈとなるように変圧器３１０５の漏れインピーダンスＺｔｒを調整することで、半導体スイッチング素子を保護することができる。

　また、遮断器３１２４によって、三相交流電力系統３１００または３１７０と電力変換装置３１０１を切り離すまでの間に（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒）、半導体スイッチング素子のジャンクション温度が設定値以上にならないように、半導体スイッチング素子の冷却系を構成することで半導体スイッチング素子を保護することができる。

　次に、冷却系構成の例を図３７を用いて説明する。

　図３７は、単位チョッパセル３１２０を構成するローサイド・スイッチング素子３３０４の冷却構成の一例を示した図である。

　ローサイド・スイッチング素子３３０４は、ＩＧＢＴ４０００とＤｉｏｄｅ４００１とで構成され、前記ＩＧＢＴ４０００と前記Ｄｉｏｄｅ４００１は一つの冷却フィン４００２に固定する。

　前記短絡電流Ｉｓｈが流れたときの前記ＩＧＢＴ４０００と前記Ｄｉｏｄｅ４００１から発生した熱Ｐ_ＩＧＢＴと熱Ｐ_Ｄｉｏｄｅは、冷却フィンから空気中へと放熱される。

　図３８は、図３７の冷却構成における熱回路を等価的な電気回路に置き換えて示した図である。

　前記ＩＧＢＴ４０００の発生した熱Ｐ_ＩＧＢＴは電流源４１００、前記Ｄｉｏｄｅ４００１の発生した熱Ｐ_Ｄｉｏｄｅは電流源４１１０で表すことができる。

　また、前記ＩＧＢＴ４０００のジャンクションと前記ＩＧＢＴ４０００ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)ｑおよび熱容量Ｃｔｈ(ｊ－ｃ)ｑは、抵抗４１０１およびキャパシタ４１０２で表すことができる。

　また、前記ＩＧＢＴ４０００のケースと冷却フィン４００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ－ｆ)ｑおよび熱容量Ｃｔｈ(ｃ－ｆ)ｑは、抵抗４１０３およびキャパシタ４１０４で表すことができる。

　また、冷却フィン４００２と空気の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｆ－ａ)ｑおよび熱容量Ｃｔｈ(ｆ－ａ)ｑは、抵抗４１０５およびキャパシタ４１０６で表すことができる。

　また、前記Ｄｉｏｄｅ４００１のジャンクションと前記Ｄｉｏｄｅ４００１ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)ｄおよび熱容量Ｃｔｈ(ｊ－ｃ)ｄは、抵抗４１１１およびキャパシタ４１１２で表すことができる。

　また、前記Ｄｉｏｄｅ４００１のケースと冷却フィン４００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ－ｆ)ｄおよび熱容量Ｃｔｈ(ｃ－ｆ)ｄは、抵抗４１１３およびキャパシタ４１１４で表すことができる。

　また空気の温度を一定と仮定すれば、前記空気の温度Ｔａを直流電圧源４１０７とおくことができる。

　また前記キャパシタ４１０２および４１１２の高電位側の電位が前記ＩＧＢＴおよびＤｉｏｄｅのジャンクション温度に相当する。

　よって、前記空気の温度Ｔａを下げることで、前記短絡電流が流れた時の前記ＩＧＢＴおよび前記Ｄｉｏｄｅのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

　また、前記ＩＧＢＴ４０００のジャンクションと前記ＩＧＢＴ４０００ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)ｑ、または、前記ＩＧＢＴ４０００のケースと冷却フィン４００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ－ｆ)ｑ、または、冷却フィン４００２と空気の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｆ－ａ)ｑを小さくすることによって、前記短絡電流が流れた時の前記ＩＧＢＴのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

　また、前記Ｄｉｏｄｅ４００１のジャンクションと前記Ｄｉｏｄｅ４００１ケース間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｊ－ｃ)ｄ，前記Ｄｉｏｄｅ４００１のケースと冷却フィン４００２の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｃ－ｆ)ｄ、および、冷却フィン４００２と空気の間の熱抵抗Ｒｔｈ(ｆ－ａ)ｑを小さくすることによって、前記短絡電流が流れた時の前記Ｄｉｏｄｅのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

　また、前記短絡電流は、遮断器３１２４によって、三相交流電力系統３１００または３１７０と電力変換装置３１０１を切り離す時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）しか流れないため、前記ＩＧＢＴ４０００のジャンクションと前記ＩＧＢＴ４０００ケース間の熱容量Ｃｔｈ(ｊ－ｃ)ｑ、または、前記ＩＧＢＴ４０００のケースと冷却フィン４００２の間の熱容量Ｃｔｈ(ｃ－ｆ)ｑ、または、冷却フィン４００２と空気の間の熱容量Ｃｔｈ(ｆ－ａ)ｑを大きくすることによって、前記三相交流電力系統３１００または３１７０と前記電力変換装置３１０１を切り離すまでの間、前記ＩＧＢＴのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

　また、前記Ｄｉｏｄｅ３００１のジャンクションと前記Ｄｉｏｄｅ３００１のケース間の熱容量Ｃｔｈ(ｊ－ｃ)ｄ、または、前記Ｄｉｏｄｅ３００１のケースと冷却フィン３００２の間の熱容量Ｃｔｈ(ｃ－ｆ)ｑ、または、冷却フィン３００２と空気の間の熱容量Ｃｔｈ(ｆ－ａ)ｑを大きくすることによって、前記三相交流電力系統３１００または３１７０と前記電力変換装置３１０１を切り離すまでの間、前記Ｄｉｏｄｅのジャンクション温度を設定値以下にすることができる。

　また、本実施形態は、変圧器の一次巻線がデルタ結線としたが、スター結線など他の結線方式にも適用できる。

　また、本実施形態では、直流送電システムの両側に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その接続点を接地する中点接地２線直流送電方式としたが、直流送電システムの両側には１台の電力変換装置のみとした２線直流送電方式や、直流送電システムの両端に各２台の電力変換装置を直列に接続し、その各接続点を接地しかつケーブルで結ぶ中点接地３線直流送電方式など他の直流送電方式にも適用できる。

　また、本実施形態では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に対して適用できる。
＜実施形態１３＞

　本発明を実施する第１３の形態について説明する。

　実施形態１２では変換器アームがチョッパセルで構成されていたが、実施形態１３では図３２に示す単位フルブリッジで構成されているところが異なる。

　以下では、実施形態１３の構成において、実施形態１２の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図３１は、本発明の第１３の実施形態を表した回路図である。電力変換装置３４０１は、三相交流端子３１０２～３１０４を介して三相交流電力系統３１００および３１７０に連系し、三相交流電力系統３１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置３４０１は、変圧器３１０５と正側変換器グループ３１１２と負側変換器グループ３１１６とからなる。

　また、各変換器アーム３１１３～３１１５，３１１７，３１１８は、図３２に示す単位フルブリッジセル３４００を１台または複数台カスケード接続した回路である。

　単位フルブリッジセル３４００は、ｘ端子３５００とｙ端子３５０１を有する２端子回路であり、ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５，エネルギー蓄積素子３５０６とからなる。スイッチング素子３５０２～３５０５は、ＩＧＢＴに代表される半導体スイッチング素子である。また、エネルギー蓄積素子３５０６は、コンデンサや蓄電池などである。本実施形態でも、ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧を、単位フルブリッジセルのセル電圧Ｖｃｅｌｌと呼ぶことにする。

　次に、アーム電圧は単位フルブリッジセル３４００を構成するスイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子５０２とｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３を交互にオン・オフする。また、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４とｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５を交互にオン・オフする。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３５０６の電圧ＶＣと大略等しい。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３５０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。

　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５が全てオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３５０６の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３５０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。

　次に、直流ラインが短絡した場合の電力変換装置３４０１の動作について説明する。

　また、実施形態１２と同様に、交流ラインと直流ラインが短絡した場合の電力変換装置３４０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

　直流ラインが短絡すると、各単位チョッパセル３４００の内部のエネルギー蓄積素子３５０６に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが増加する。前記電流ＩＤを電流センサ３１２３で検出し、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定し、各単位フルブリッジセル３４００のｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４をオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５をオン状態、またはｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４をオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５をオフ状態にする。ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５にはそれぞれ逆並列にダイオードが接続されており、前記ダイオードは電流の逆阻止特性をもつ。したがって、エネルギー蓄積素子３５０６は直流ラインと電気的に絶縁され、直流送電ケーブル３１５０への過電流を抑制することができる。

　また、直流ラインの故障と判定した場合、遮断器３１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、三相交流電力系統３１００または３１７０と電力変換装置３４０１を切り離す。この三相交流電力系統３１００または３１７０と電力変換装置３４０１を切り離すまでの短時間の間、交流系統３１００または３１７０から変圧器３１０５の漏れインピーダンスに応じて短絡電流Ｉｓｈが流れる。三相交流電力系統３１００または３１７０の電圧をＶｓ、変圧器３１０５の漏れインピーダンスをＺｔｒとすると短絡電流Ｉｓｈは次式で表される。

〔数４〕
　　Ｉｓｈ＝Ｖｓ／Ｚｔｒ

　単位フルブリッジセル３４００を構成する半導体スイッチング素子の飽和電流をＩｓａとすると、Ｉｓａ＞Ｉｓｈとなるように変圧器３１０５の漏れインピーダンスＺｔｒを調整することで、半導体スイッチング素子を保護することができる。

　また、実施形態１２と同様に、遮断器３１２４によって、三相交流電力系統３１００または３１７０と電力変換装置３４０１を切り離す時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）半導体スイッチング素子のジャンクション温度が設定値以上にならないように、半導体スイッチング素子の冷却系を構成することで半導体スイッチング素子を保護することができる。

　また、直流故障と判定した場合、電力変換装置３４０１は、正側変換器グループ３１１２と負側変換器グループ３１１６の電圧和を、三相交流電力系統３１００または３１７０の逆位相の電圧に大略等しくするで直流端子電圧をゼロにできる。したがって、直流出力端子に流れる電流ＩＤを低減することができる。

　また、本実施形態では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に対して適用できる。
＜実施形態１４＞

　本発明を実施する第１４の形態について説明する。実施形態１２では変圧器の二次側の電圧は相内に印加されていたが、実施形態１４では変圧器の二次側の電圧は相間に印加されていることが異なる。

　以下では、実施形態１４の構成において、実施形態１２の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図３３は、本発明の第１４の実施形態を表した回路図である。

　三相交流電力系統３１００および３１７０からの交流電力を各三相交流電力系統に連系している各２台の電力変換装置３６０１により直流電力に変換し、直流送電ケーブル３１５０によって一方向または双方向に電力を送電する。

　該電力変換装置３６０１は、変圧器３６００と正側変換器グループ３１１２と負側変換器グループ３１１６と正側リアクトルグループ３６０２と負側リアクトルグループ３６０３からなる。

　正側変換器グループ３１１２はｕ相正側変換器アーム３１１３，ｖ相正側変換器アーム３１１４，ｗ相正側変換器アーム３１１５をスター結線で接続した構成である。

　負側変換器グループ３１１２はｕ相負側変換器アーム３１１３，ｖ相負側変換器アーム３１１４，ｗ相負側変換器アーム３１１５をスター結線で接続した構成である。

　正側変換器グループ３１１２のｂ端子に正側リアクトルグループ３６０２の一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループ３６０２の他方の端子に負側リアクトルグループ３６０３の一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループ３６０３の他方の端子に負側変換器グループ３１１６のａ端子を直列接続した回路である。

　本明細書では、正側変換器アームのｂ端子に正側リアクトルの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルの他方の端子に負側リアクトルの他方の端子に直列接続し、正側リアクトルの他方の端子に負側変換器アームのａ端子を直列接続した回路をレグと呼ぶことにする。

　正側変換器グループ３１１２のａ端子をＰ端子と呼び、前記２台のリアクトルグループの接続点をＭ端子と呼び、負側変換器グループのｂ端子をＮ端子と呼ぶことにする。

　２台の電力変換装置３６０１は、一方の電力変換装置３６０１のＰ端子と他方の電力変換装置３６０１のＮ端子に直流送電ケーブル３１５０を接続し、一方の電力変換装置３６０１のＮ端子と他方の電力変換装置３６０１のＰ端子をそれぞれ接続し、接続点３１６１をアースしている。

　電力変換装置３６０１の正側リアクトルグループ３６０２，負側リアクトルグループ３６０３について説明する。

　正側変換器グループ３１１２および負側変換器グループ３１１６は単位チョッパセルの電圧Ｖｃｅｌｌは、エネルギー蓄積素子３３０５の電圧ＶＣの倍数の電圧しか出力できないため、レグ毎の電圧の瞬時値は異なる。

　３台のレグのレグ電圧が不一致である期間において、レグ電圧の差は、各レグに含まれる２台のリアクトルのみが分担することになり、仮に前記リアクトルが存在しない場合、レグに過電流が流れることになる。

　正側リアクトルグループ３６０２，負側リアクトルグループ３６０３は前記過電流を防ぐ役割をもつ。

　次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置３６０１の動作が異なることを説明する。

　交流ラインが短絡した時に、電力変換装置３６０１が交流ラインに電圧を出力していると短絡電流が流れる。そこで、交流ラインが短絡した時には、前記短絡電流を防止するため、一般の電力変換装置と同様に各単位チョッパセル３１２０を構成するハイサイド・スイッチング素子３３０３，ローサイド・スイッチング素子３３０４をともにオフ状態にすることにより、交流ラインに過電流が流れるのを防ぐことができる。

　直流ラインが短絡すると、各単位チョッパセル３１２０の内部のエネルギー蓄積素子３３０５に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが過電流となる。前記過電流を防止するため、各単位チョッパセル３１２０のハイサイド・スイッチング素子３３０３をオフ、ローサイド・スイッチング素子３３０４をオン状態する。ハイサイド・スイッチング素子３３０３には逆並列にダイオードが接続されており、ダイオードは電流の逆阻止特性をもつため、エネルギー蓄積素子３３０５と直流ラインとは電気的に絶縁されており、直流送電ケーブル３１５０への過電流を抑制することができる。

　前述のように、交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置３６０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

　交流ラインが短絡すると、変圧器３６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサで検出した電流検出値が増大する。したがって、変圧器３６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定する。

　また電流センサを正側変換器グループ３１１２および負側変換器グループ３１１６の各相に設置し、前記正側変換器グループ３１１２に設置した電流センサで検出した電流値と、前記負側変換器グループ３１１６に設置した電流センサで検出した電流値との差が、設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定してもよい。

　一方、直流ラインが短絡すると、直流ラインに設置された電流センサ３１２３で検出された電流が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定する。

　また電流センサを各相の変換器アームのａ端子またはｂ端子に設置し、各変換器アームに流れる電流検出値の三相和が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定してもよい。

　交流ラインまたは直流ラインの故障と判定した場合、遮断器３１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、交流系統３１００または３１７０と電力変換装置３６０１を切り離す。

　なお、本実施形態は、変換器アームの数を増減することにより、三相交流電力系統のみならず、単相や多相系統に連系する電力変換装置にも適用できる。

　また、本実施形態では、変圧器を一次巻線，二次巻線ともにデルタ結線の変圧器としたが、本発明は、変圧器の巻線構成をデルタ結線に限るものではない。

　また、本実施形態では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に適用できる。
＜実施形態１５＞

　本発明を実施する第１５の形態について説明する。実施形態１５は実施形態１４の変形である。実施形態１４では正側変換器グループおよび負側変換器グループに単位チョッパセルを用いていたが、実施形態１５では単位フルブリッジセルを用いている点が異なる。

　以下では、実施形態１５の構成において、実施形態１４の構成と異なる部分についてのみ説明する。

　図３４は、本発明の第１５の実施形態を表した回路図である。電力変換装置３７０１は、三相交流端子３１０２～３１０４を介して三相交流電力系統３１００または３１７０に連系し、三相交流電力系統３１００または３１７０と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置３７０１は、変圧器３６０１と正側変換器グループ３１１２と負側変換器グループ３１１３とからなる。

　各変換器アーム３１１３～３１１５，３１１７，３１１８は、ａ端子とｂ端子とを備えている。
　本明細書では、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。また、各変換器アーム３１１３～３１１５，３１１７，３１１８は、図３２に示す単位フルブリッジセル３４００を１台または複数台カスケード接続した回路である。

　次に交流ラインが短絡した場合と直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置３７０１の動作が異なることを説明する。

　交流ラインが短絡した時に、電力変換装置３７０１が交流ラインに電圧を出力していると短絡電流が流れる。そこで、交流ラインが短絡した時には、前記短絡電流を防止するため、一般の電力変換装置と同様に各単位チョッパセル３４００を構成する各単位フルブリッジセル３４００のｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５をすべてオフ状態にすることにより、交流ラインに過電流が流れるのを防ぐことができる。

　直流ラインが短絡すると、各単位フルブリッジセル３４００の内部のエネルギー蓄積素子３５０６に蓄えられた電荷が、直流ラインに放電され、電流ＩＤが増加する。前記電流ＩＤを直流ラインに設置した電流センサ３１２３で検出し、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定し、各単位フルブリッジセル３４００のｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４をオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５をオン状態、またはｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２およびｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４をオン，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３およびｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５をオフ状態にする。ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３５０２，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３５０４，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３５０３，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３５０５にはそれぞれ逆並列にダイオードが接続されており、前記ダイオードは電流の逆阻止特性をもつ。したがって、エネルギー蓄積素子３５０６の直流電圧は直流ラインと電気的に絶縁され、直流送電ケーブル３１５０への過電流を抑制することができる。

　前述のように、交流ラインと直流ラインが短絡した場合では、電力変換装置3７０１の保護動作はそれぞれ異なるため、直流ラインと交流ラインの短絡を区別する必要がある。

　交流ラインが短絡した場合は、変圧器３６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流検出値が増大する。したがって、変圧器３６００の一次巻線または二次巻線側に設置された電流センサによって検出した電流が設定した閾値を超過した場合、交流故障と判定する。

　一方、直流ラインが短絡した場合は、直流ラインに設置された電流センサ３１２３によって検出された電流が、設定した閾値を超過した場合、直流故障と判定する。

　また、直流故障と判定した場合、電力変換装置３７０１は、三相交流電力系統３１００または３１７０の電圧と逆位相の電圧を出力することで直流端子電圧をゼロにできる。したがって、直流出力端子に流れる電流ＩＤを低減することができる。

　交流ラインまたは直流ラインの故障と判定した場合、遮断器３１２４によって、短時間（通常、数十ミリ秒から数百ミリ秒後）で、交流系統３１００または３１７０と電力変換装置３７０１を切り離す。

　また、本実施形態では、直流送電システムを例に用いて説明したが、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に適用できる。

　本発明の電力変換装置は、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）やBack-to-Backシステム（周波数変換装置など），直流送電システム（ＨＶＤＣ），モータドライブなどに利用可能である。
　また、本発明は、交流電力をいったん直流電力に変換して電力を送電する直流送電システム（ＨＶＤＣ）以外にも、無効電力補償装置やモータドライブ用電力変換装置など一端を三相交流電力系統に接続し、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置に対して適用することが可能である。

１００，５００，１６００，１６０１　三相電力系統
１０１，６００，８００，１０００，１２００，１７００，１９００，２１００，２３０
０，２５００，２７００　電力変換装置
１０２　Ｒ相端子
１０３　Ｓ相端子
１０４　Ｔ相端子
１０５，６０１，８０１，１００１，１２０１，１７０１，１９０１，２１０１，２３０
１，２５０１　変圧器
１０６，１２０２　ｕ相正側端子
１０７，１２０３　ｖ相正側端子
１０８，１２０４　ｗ相正側端子
１０９，１２０５　ｕ相負側端子
１１０，１２０７　ｗ相負側端子
１１１，１２０６　ｖ相負側端子
１１２　正側変換器グループ
１１３　ｕ相正側変換器アーム
１１４　ｖ相正側変換器アーム
１１５　ｗ相正側変換器アーム
１１６，２７０１　負側変換器グループ
１１７　ｕ相負側変換器アーム
１１８　ｖ相負側変換器アーム
１１９　ｗ相負側変換器アーム
１２０　単位変換器
１２１　正側出力端子
１２２，４０２　負側出力端子
２００　一次巻線
２０１，７００，９００，１３００，２０００，２４００　二次巻線
２０２，２０３，２０４　鉄心
２０５　Ｒ相－Ｓ相間巻線
２０６　Ｓ相－Ｔ相間巻線
２０７　Ｔ相－Ｒ相間巻線
２０８，９０１，２４０１　ｕ相巻線
２０９，９０２，２４０２　ｖ相巻線
２１０，９０３，２４０３　ｗ相巻線
３００　ｘ端子
３０１　ｙ相端子
３０２　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子
３０３　ｘ相ローサイド・スイッチング素子
３０４　ｙ相ハイサイド・スイッチング素子
３０５　ｙ相ローサイド・スイッチング素子
３０６，４０５　直流コンデンサ
４００　双方向チョッパ形単位変換器
４０１　ｘ相出力端子
４０３　ハイサイド・スイッチング素子
４０４　ローサイド・スイッチング素子
５０１　変電所
５０２　変電所母線
５０３　負荷
８０２，１９０２，２３０２　ｕ相端子
８０３，１９０３，２３０３　ｖ相端子
８０４，１９０４，２３０４　ｗ相端子
８０５，１９０５　中性点端子
１３０１　ｕ相正側巻線
１３０２　ｖ相正側巻線
１３０３　ｗ相正側巻線
１３０４　ｕ相負側巻線
１３０５　ｖ相負側巻線
１３０６　ｗ相負側巻線
１６０２　海底ケーブル
２４０４　補償巻線
２４０５　ｕ相補償巻線
２４０６　ｖ相補償巻線
２４０７　ｗ相補償巻線
３１００，３１７０　三相交流電力系統
３１０１，３４０１，３６０１，３７０１　電力変換装置
３１０２　Ｒ相端子
３１０３　Ｓ相端子
３１０４　Ｔ相端子
３１０５，３６００，３８０５　変圧器
３１０６　ｕ相正側端子
３１０７　ｖ相正側端子
３１０８　ｗ相正側端子
３１０９　ｕ相負側端子
３１１０　ｖ相負側端子
３１１１　ｗ相負側端子
３１１２　正側変換器グループ
３１１３　ｕ相正側変換器アーム
３１１４　ｖ相正側変換器アーム
３１１５　ｗ相正側変換器アーム
３１１６　負側変換器グループ
３１１７　ｕ相負側変換器アーム
３１１８　ｖ相負側変換器アーム
３１１９　ｗ相負側変換器アーム
３１２０　単位チョッパセル
３１２１　正側直流出力端子
３１２２　負側直流出力端子
３１２３　電流センサ
３１２４　遮断器
３１３４　ｕ相正側巻線
３１３５　ｖ相正側巻線
３１３６　ｗ相正側巻線
３１３７　ｕ相負側巻線
３１３８　ｖ相負側巻線
３１３９　ｗ相負側巻線
３１５０，３８０７　直流送電ケーブル
３１６１，３８０６　中性点
３２００　二次巻線
３２０１　一次巻線
３２０２，３２０３，３２０４　鉄心
３３０１　ｘ端子
３３０２　ｙ相端子
３３０３　ハイサイド・スイッチング素子
３３０４　ローサイド・スイッチング素子
３３０５，３５０６　エネルギー蓄積素子
３４００　単位フルブリッジ素子
３５００　ｘ相出力端子
３５０１　ｙ相出力端子
３５０２　ｘ相ハイサイド・スイッチング素子
３５０３　ｘ相ローサイド・スイッチング素子
３５０４　ｙ相ハイサイド・スイッチング素子
３５０５　ｙ相ローサイド・スイッチング素子
３６０２　正側リアクトルグループ
３６０３　負側リアクトルグループ
３６０４　正側ｕ相リアクトル
３６０５　正側ｖ相リアクトル
３６０６　正側ｗ相リアクトル
３６０７　負側ｕ相リアクトル
３６０８　負側ｖ相リアクトル
３６０９　負側ｗ相リアクトル
３８００　直流送電システム
３８０１　三相フルブリッジ電力変換装置
３８０２，８０３　コンデンサ
３８０４　直流リアクトル
３９０１　接続点
４０００　ＩＧＢＴ
４００１　Ｄｉｏｄｅ
４００２　冷却フィン
４１００　ＩＧＢＴ発熱模擬電流源
４１０１　ＩＧＢＴジャンクション－ケース間熱抵抗
４１０２　ＩＧＢＴジャンクション－ケース間熱容量
４１０３　ＩＧＢＴケース－冷却フィン間熱抵抗
４１０４　ＩＧＢＴケース－冷却フィン間熱容量
４１０５　ＩＧＢＴ冷却フィン－空気間熱抵抗
４１０６　ＩＧＢＴ冷却フィン－空気間熱容量
４１０７　空気温度模擬電圧源
４１１０　Ｄｉｏｄｅ発熱模擬電流源
４１１１　Ｄｉｏｄｅジャンクション－ケース間熱抵抗
４１１２　Ｄｉｏｄｅジャンクション－ケース間熱容量
４１１３　Ｄｉｏｄｅケース－冷却フィン間熱抵抗
４１１４　Ｄｉｏｄｅケース－冷却フィン間熱容量

Claims

　電圧源と制御電流源の直列回路を備えた電力変換装置において、
　前記電圧源と前記制御電流源の直列回路を少なくとも２組並列接続し、該並列接続した前記直列回路の並列接続点をそれぞれ出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
　三相電圧源の中性点を引き出した三相電圧源の各相に３つの制御電流源をスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置であって、
　前記制御電流源の中性点と前記三相電圧源の中性点とを出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第１項または第２項記載の電力変換装置において、
　前記電圧源はディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分のみを含んでおり、前記制御電流源は、ディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分を制御することで、前記電圧源と電力授受を行い、前記制御電流源は、コモンモード（または零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とする電力変換装置。
　単相または多相変圧器と変換器アームとを備えた電力変換装置において、
　該電力変換装置は前記単相または多相変圧器の一次巻線の各相が入力端子であり、前記単相または多相変圧器の二次巻線は中性点を引き出した構造となっており、前記変圧器の二次巻線と変換器アームとの直列回路を並列接続し、該並列接続点と前記二次巻線の中性点とをそれぞれ出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
　二次巻線から中性点を引き出した三相変圧器と、前記二次巻線の各相に、３台の変換器アームをスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置において、
　前記三相変圧器の一次巻線の各相を入力端子とし、前記変換器アームの中性点と前記二次巻線の中性点とを出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
　変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、
　前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１～第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４～第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点と第２の変換器グループの中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
　変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、
　前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線の中性点を引き出して４端子とし、該二次巻線の中性点以外の各相に３台の変換器アームをスター結線した回路を接続し、前記３台の変換器アーム中性点と前記二次巻線の中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第４項～第７項何れか一項記載の電力変換装置において、
　前記変換器アームは、ディファレンシャルモード（正相・逆相）電流を制御することで、前記変圧器の一次巻線に接続した単相または多相電力系統と電力授受を行い、コモンモード（零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第４項～第７項何れか一項記載の電力変換装置において、
　前記変圧器は、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とするような巻線構造または手段を備えていることを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第４項～第７項何れか一項記載の電力変換装置において、一次巻線と二次巻線を入れ替えたことを特徴とする電力変換装置。
　交流系統の交流電力を直流電力に変換する機能を備えた電力変換装置において、
　前記直流電力が流れる直流区間が短絡した時に、該直流区間と前記電力変換装置のエネルギー蓄積素子の直流電圧を電気的に絶縁して、前記直流区間に流れる電流を制御する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
　変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、
　前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とするような巻線構造または手段を備え、かつ、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、前記二次巻線の第１～第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４～第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを電力変換装置の直流出力端子とし、
　前記変換器アームは、単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を有し、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
　変圧器と３台の変換器アームをスター結線した回路を備えた第１の変換器グループと、別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを備えた電力変換装置において、
　前記変圧器の一次巻線を三相交流電力系統に接続し、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とする手段を備え、かつ、前記変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１～第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを構成し、第４～第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを構成し、該第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と該第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）とを該電力変換装置の直流出力端子として、
　電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴とした電力変換装置。
　請求の範囲第２項記載の電力変換装置において、
　該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの間、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流を、該電力変換装置を構成するスイッチング素子の飽和電流よりも小さくなるように、変圧器の漏れインピーダンスを設定したことを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第１２項または第１３項記載の電力変換装置において、
　該電力変換装置の直流区間が短絡した場合、三相交流電力系統と該電力変換装置を切り離すまでの短時間の間に、該三相交流電力系統から流れ込む短絡電流によって、該電力変換装置を構成するスイッチング素子のジャンクション温度があらかじめ設定した設定値よりも小さくなるように該スイッチング素子の冷却系を構成したことを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第１３項記載の電力変換装置において、
　該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、第一の変換器グループと第二の変換器グループの和を、三相交流電力系統の電圧と逆位相の電圧に大略等しくする機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
　交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、
　正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、
　該電力変換装置の変換器アームは単位チョッパセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位チョッパセルを構成するローサイド・スイッチング素子をＯＮ、ハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦすることで、直流区間に流れる電流を制御することを特徴とした電力変換装置。
　交流電力系統に接続され、正側変換器グループと負側変換器グループと正側リアクトルグループと負側リアクトルグループを備えて、
　正側変換器グループの一端を正側直流出力端子とし、正側変換器グループの他端と正側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、正側リアクトルグループの他方の端子に負側リアクトルグループの一方の端子を直列接続し、負側リアクトルグループの他方の端子に負側変換器グループ一端子を直列接続し、負側変換器グループ他端を負側直流出力端子とする電力変換装置において、
　該電力変換装置の変換器アームは、単位フルブリッジセルを一つまたは複数個カスケード接続した構成を備え、且つ、該電力変換装置の直流区間が短絡した時に、該単位フルブリッジセルを構成する二つのローサイド・スイッチング素子をＯＮ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、または二つのローサイド・スイッチング素子をＯＦＦ、二つのハイサイド・スイッチング素子をＯＮすることで、該直流区間に流れる電流を制御することを特徴とした電力変換装置。
　請求の範囲第１７項または第１８項記載の電力変換装置において、
　三相交流電力系統に接続されることを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第１１項～第１４項、第１６項～第１８項のうちの何れか一項記載の電力変換装置において、
　交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出することを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第２０項の電力変換装置において、
　電力変換装置の直流区間に電流検出器を有し、該直流区間の短絡を、該電流検出器によって検出された電流値が設定された閾値を超過したことにより判定する機能を備えたことを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第１１項～第１４項、第１６項～第１８項のうちの何れか一項記載の電力変換装置において、
　該電力変換装置の交流出力端子と直流区間の短絡をそれぞれ区別して検出する機能をもち、且つ、該電力変換器の変換器アームの電流状態を検出する電流検出器を備え、該直流区間の短絡を、該各変換器アームの電流の三相和が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第２１項に記載の電力変換装置において、
　該電力変換装置の交流出力端子の短絡を変圧器一次側または二次側に設置された電流検出器によって検出された電流が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とする電力変換装置。
　請求の範囲第２１項に記載された電力変換装置において、
　該電力変換装置の交流出力端子の短絡を、該電力変換装置の正側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器と、該電力変換装置の負側変換器グループの変換器アームに設置された電流検出器によって検出された電流の差電流値が、設定された閾値を超過したことにより判定することを特徴とする電力変換装置。