WO2016002319A1 - 電力変換装置 - Google Patents

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Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
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    • H02M1/325—Means for protecting converters other than automatic disconnection with means for allowing continuous operation despite a fault, i.e. fault tolerant converters

Definitions

  • the present invention relates to a power conversion device including a plurality of cell converters connected in series with each other, and particularly to a technique for bypassing the cell converter when the cell converter fails.
  • a modular multi-level converter connects the output terminals of a cell converter composed of a switching element such as an IGBT, which can be controlled to be turned on and off, and a DC capacitor in series with each other.
  • This is a circuit system that can output and is a circuit system that is expected to be applied to a direct current power transmission system (HVDC), a reactive power compensator (STATCOM), and the like.
  • HVDC direct current power transmission system
  • STATCOM reactive power compensator
  • the MMC is configured by connecting a plurality of cell converters in series (cascade).
  • Each cell converter includes a main circuit composed of a switching element and a DC capacitor, an external terminal for cascading with other cell converters, bypass means connected to both ends of the external terminal, and a DC capacitor for the main circuit.
  • a self-powered power source that obtains energy from and drives the bypass means and the like.
  • the bypass means is a normally-on short-circuit switch that can short-circuit the output of the cell converter when the cell converter fails, and the output of the failed cell converter is short-circuited by the short-circuit switch. It is also possible to continue operation as a system even if the device breaks down.
  • a normally-on short-circuit switch 209 is connected in parallel to the output terminal as a bypass means for each cell converter 105.
  • the self-power supply 208 is connected in parallel with the DC capacitor 203 and supplies drive power for the short-circuit switch 209 from the self-power supply 208.
  • the driving power is not supplied from the self-supplied power source 208. Therefore, the output of the cell converter 105 is short-circuited when the short-circuit switch 209 is turned on, and one cell converter 105 fails. Also, it becomes possible to continue operation as a power conversion device.
  • Japanese Patent No. 5378274 (refer to claim 11, paragraphs 0100 to 0102, FIGS. 1 and 2 etc.)
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a power conversion device that can always continue to operate safely as a power conversion device even if a cell converter fails.
  • a power conversion device is a power conversion device including a plurality of cell converters connected in series to each other, and each cell converter includes a main circuit including a switching element and a capacitor, A pair of external terminals for deriving the circuit to the outside, a bypass part capable of short-circuiting between the pair of external terminals, and a gate that performs power conversion between the pair of external terminals and the capacitor by controlling on / off of the switching element
  • the power conversion device including the driving device and the self-feeding device that inputs the voltage of the capacitor to feed the gate driving device, An energy storage unit that inputs and stores the voltage of the self-power feeding device, and a bypass unit drive that short-circuits the bypass unit with the electric power stored in the energy storage unit when the voltage of the self-power feeding device falls below a preset lower limit value It is equipped with a device.
  • the power conversion device stores energy when the voltage of the self-power feeding device is input and stored, and when the voltage of the self-power feeding device is less than a preset lower limit value. Since the bypass unit drive device that short-circuits the bypass unit with the power stored in the unit is provided, the above-mentioned voltage lower limit value that is a threshold value for the short-circuit operation is appropriately set, so that even if the cell converter fails, Thus, a reliable short-circuit protection operation is realized, and the power conversion device can be continuously operated safely.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a power conversion device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the power conversion device includes cell converters 100a, 100b, 100c,... Connected in series (cascade) to each other.
  • the internal configuration of the cell converter 100a will be described with the same as the cell converter 100a.
  • Switching elements 1a and 1b that can be controlled on and off are connected in series to each other, and a capacitor 2 is connected to this to constitute a main circuit 50.
  • a diode is connected in antiparallel to each switching element 1a, 1b.
  • the main circuit 50 is led to the outside by a pair of external terminals X1 and X2, and is connected to other cell converters 100b and 100c.
  • the bypass part 4 is connected to these external terminals X1 and X2.
  • a self-power feeding device 3 for inputting the voltage of the capacitor 2 of the main circuit 50 and feeding power to a gate driving device 9 and an energy storage unit 5 described later is provided.
  • the self-feeding device 3 is usually constituted by a DC / DC converter that converts the high voltage of the capacitor 2 that fluctuates by the operation of the main circuit 50 into a constant low voltage.
  • the gate driving device 9 performs on / off control of the switching elements 1a and 1b based on the power supplied from the self-feeding device 3 via the first feeding line 7 to thereby establish a connection between the pair of external terminals X1 and X2 and the capacitor 2.
  • the power conversion is performed, and the voltage of the capacitor 2 or the zero voltage is output between the external terminals X1 and X2.
  • the energy storage unit 5 inputs the voltage of the self-feeding device 3 through the first feeding line 7 and stores it. It is desirable to insert a diode 10 for blocking a current flowing backward in the feeding direction into the portion connected to the energy storage unit 5 of the first feeding line 7 for the reason described later.
  • the energy storage part 5 storage batteries, such as a capacitor
  • the former capacitor it is generally cheaper than a storage battery and is excellent in variation in capacity, so that there is an advantage that it is easy to select an appropriate capacity.
  • the latter storage battery there is an advantage that the amount of spontaneous discharge is small and the electric power from the self-power feeding device 3 can be stored more efficiently.
  • the bypass unit driving device 6 inputs the electric power stored in the energy storage unit 5 through the second power supply line 8, and the lower limit value set in advance by the voltage of the self-power feeding device 3 as described later with reference to FIG. When it becomes less than, the bypass unit 4 is short-circuited by the accumulated electric power.
  • Opening failure of the switching element 1a In this case, since the connection line of the capacitor 2 is in an open state, the voltage of the capacitor 2 decreases and the output voltage of the self-feeding device 3 decreases.
  • Opening failure of the switching element 1b In this case, there is only an operation mode in which the voltage of the capacitor 2 is increased, the capacitor 2 is finally opened due to an overvoltage, and the voltage of the capacitor 2 is lowered. This leads to a decrease in the output voltage.
  • Opening failure of the capacitor 2 In this case, the voltage of the capacitor 2 is lowered and the output voltage of the self-feeding device 3 is lowered.
  • the output voltage of the self-power feeding device 3 is greatly reduced or zero, and power feeding from the self-power feeding device 3 cannot be expected.
  • the bypass part 4 can be short-circuited reliably with the remaining amount. As described above, if the diode 10 is inserted in the portion connected to the energy storage unit 5 of the first power supply line 7, the energy storage unit 5 even if the output terminal of the self-power feeding device 3 is short-circuited. The energy stored in is not reliably released to the failed self-feeding device 3 side, but is reliably utilized for the short-circuit operation of the bypass unit 4.
  • FIG. 2A shows the case of the present invention.
  • the remaining amount of energy stored in the energy storage unit 5 is reduced from the previous full level to a level obtained by reducing the energy spent for one short-circuit operation as shown in the lower characteristic curve. It will be.
  • bypass unit 4 since the bypass unit 4 needs to hold the short-circuit operation until the self-power feeding device 3 returns from the failure and receives a reopening command, the bypass unit 4 holds the short-circuit operation after the short-circuit operation. It is necessary to provide a latch function.
  • bypass part 4 is comprised with a vacuum switch.
  • a vacuum switch opens and closes a contact in a vacuumed valve. Since the distance required for insulation can be shortened, the vacuum switch can be miniaturized and a high-speed short-circuit operation can be realized.
  • the driving force a system using a permanent magnet attracting force or a spring is widely known. However, a strong driving force by the bypass drive unit 6 is required for these operations.
  • FIG. 3 is a diagram for explaining the operation when a vacuum switch is applied as the bypass unit 4.
  • FIG. 3A to FIG. 3C are diagrams for explaining the principle of the short-circuit operation, the holding of the short-circuit operation state, and the open operation, respectively.
  • this type of vacuum switch is provided with a latch function using the magnetic attractive force of a permanent magnet. After a short-circuit operation, the current supply to the coil is cut off due to a failure of the self-feeding device 3. Moreover, the bypass part 4 can hold
  • a spring-type mechanical switch can be used as the bypass portion 4.
  • the mechanical switch is large in size and short-circuiting operation is slow compared with the vacuum switch, but is inexpensive and easily available.
  • a strong driving force by the bypass unit driving device 6 is required.
  • a driving force a system mainly using a spring is widely known, but a power supply is required for these operations. Since the latch mechanism is provided to mechanically latch after the short circuit operation, the short circuit operation can be continued unless the latch is released manually.
  • the energy storage unit 5 that inputs and stores the voltage of the self-power feeding device 3 and the voltage of the self-power feeding device 3 are less than a preset lower limit value. Since the bypass unit driving device 6 that short-circuits the bypass unit 4 with the electric power stored in the energy storage unit 5 is provided, the cell voltage can be appropriately set by setting the above-described voltage lower limit value that is a threshold for the short-circuit operation. Even if the converter 100 breaks down, a quick and reliable short-circuit protection operation is realized, and it is possible to always continue to operate safely as a power converter.
  • the diode 10 for blocking the current flowing backward in the feeding direction is inserted into the first feeding line 7 that connects the self-feeding device 3 and the energy storage unit 5, even if the output terminal of the self-feeding device 3 is in a short-circuited state. Even in this case, the energy stored in the energy storage unit 5 is reliably utilized for the short-circuit operation of the bypass unit 4 without being released to the failed self-power feeding device 3 side.
  • bypass unit has a latch function for holding the short-circuit operation after the short-circuit operation, even if the power supply to the bypass-unit drive device 6 is cut off due to the failure of the self-power supply device 3 after the short-circuit operation, the bypass unit The part 4 can maintain a short circuit state, and can continue the operation as a power converter without any trouble.
  • Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, as the bypass portion 4, the one that is latched by using the magnetic attractive force of the permanent magnet is exemplified, but problems and solutions in that case will be described in the second embodiment.
  • FIG. 4 is a timing chart showing the operation timing of the bypass unit 4 in this case.
  • energy is used for driving the short-circuit operation of the bypass unit 4
  • the remaining energy of the energy storage unit 5 is almost zero. Even if an operation of passing a current in the reverse direction to the coil during the short-circuit operation is mistakenly performed, there is no energy for actually driving the bypass unit 4, so that the opening operation of the bypass unit 4 is reliably prevented.
  • the power conversion device is the minimum that can perform the short-circuit operation of the bypass unit 4 by the bypass unit drive device 6 once as the storage capacity that can be stored in the energy storage unit 5. Therefore, the opening operation of the bypass unit 4 due to an erroneous operation after the short circuit operation is reliably prevented.
  • Embodiment 3 FIG.
  • the bypass unit 4 of the cell converter 100 is quickly and surely short-circuited so that the operation can always be continued safely.
  • the power converter that can be used has been described.
  • the third embodiment is not a failure of the cell converter 100, and thus is normal as a power converter, but the power converter is not properly operated due to an accident outside the power converter such as a system short circuit accident. It is assumed that the output voltage of the self-feeding device 3 of all the cell converters 100 is stopped and all the bypass units 4 are short-circuited.
  • the third embodiment has been created to meet the expectation.
  • FIG. 5 illustrates a phenomenon related to the charging operation of the capacitor 2, and during the operation of the power conversion device, as shown in FIGS.
  • the current flowing in from the terminal X1 is supplied to the capacitor 2 via the upper diode and charges the capacitor 2.
  • the self-power feeding device 3 is operable by being supplied with a voltage from the capacitor 2.
  • the bypass unit 4 since the bypass unit 4 is driven by the power stored in the energy storage unit 5, the power conversion device can be restarted. It becomes possible.
  • the energy storage unit 5 at least the short-circuit operation of the bypass unit 4 is executed once, and further, the capacity necessary for opening the bypass unit 4 after the short-circuit operation. It is necessary to have something.
  • FIG. 6 is a timing chart showing the operation timing of the bypass unit 4 of the power conversion device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • the bypass unit driving device 6 immediately considers that a failure has been detected and stores it in the energy storage unit 5.
  • the bypass unit 4 is short-circuited by the accumulated power (time t2).
  • bypass unit driving device 6 receives an opening command at time t4, it is stored in the energy storage unit 5 as shown in FIG.
  • the latch function of the bypass unit 4 is immediately released by the remaining power and the bypass unit 4 is opened (time t5).
  • the power conversion device itself is not abnormal and explained the re-operation measure when it stops due to the occurrence of an external accident, but the cell converter bypass section short-circuited due to the failure of the cell converter,
  • the present invention can be similarly applied to measures for restarting the cell converter when the cell converter recovers from a failure state.
  • the bypass unit driving device 6 of the power conversion device when the bypass unit driving device 6 of the power conversion device according to the third embodiment of the present invention receives the opening command after the bypass unit 4 is short-circuited, the power stored in the energy storage unit 5 is used. Since the latch function of the bypass unit 4 is released and the bypass unit 4 is opened, the cell converter 100 and the power conversion device can be quickly restarted by appropriately setting the capacity of the energy storage unit 5. Realize.

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Abstract

自己給電装置（３）の電圧を入力して蓄電するエネルギー蓄積部（５）、および自己給電装置（３）の電圧が予め設定した下限値未満となったときエネルギー蓄積部（５）に蓄積された電力によりバイパス部（４）を短絡動作させるバイパス部駆動装置（６）を備え、これにより、短絡動作の閾値となる上述の電圧下限値を適切に設定することで、セル変換器（１００ａ）が故障しても迅速で確実な短絡保護動作が実現し、電力変換装置として常に安全に運転継続させることが可能となる。

Description

電力変換装置
　この発明は、互いに直列に接続された複数台のセル変換器からなる電力変換装置に係り、特に、セル変換器の故障時に当該セル変換器をバイパスする技術に関するものである。
　モジュラー・マルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）は、ＩＧＢＴなどのオンオフ制御可能なスイッチング素子と直流コンデンサとで構成されたセル変換器の出力端子を互いに直列に接続することで、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる回路方式であり、直流送電システム（ＨＶＤＣ）や無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）などへの応用が期待されている回路方式である。
　例えば、特許文献１によれば、ＭＭＣは複数のセル変換器を直列（カスケード）接続して構成されている。各セル変換器は、スイッチング素子と直流コンデンサから構成された主回路と、他のセル変換器とカスケード接続するための外部端子と、外部端子の両端に接続するバイパス手段と、主回路の直流コンデンサからエネルギーを得てバイパス手段等を駆動する自給電源とを有する。
　そして、スイッチング素子をオンオフ制御することにより、外部端子間の電圧を、該セル変換器の有する直流コンデンサの電圧か、または零に制御できる。バイパス手段は、セル変換器が故障した場合に当該セル変換器の出力を短絡可能なノーマリーオンの短絡スイッチであり、この短絡スイッチによって故障したセル変換器の出力は短絡されるため、セル変換器が故障してもシステムとして運転継続させることも可能である。
　即ち、セル変換器１０５毎にバイパス手段としてノーマリーオンの短絡スイッチ２０９が出力端子に並列に接続されている。自給電源２０８は、直流コンデンサ２０３と並列に接続され、短絡スイッチ２０９の駆動電力を自給電源２０８から供給する。
　セル変換器１０５が停止した場合、自給電源２０８から駆動電力が供給されなくなるため、短絡スイッチ２０９が自己オンすることでセル変換器１０５の出力が短絡され、セル変換器１０５が１台故障しても電力変換装置として運転継続させることが可能となる。
特許第５３７８２７４号公報（請求項１１、段落０１００～０１０２、図１、２等参照）
　但し、従来の特許文献１の電力変換装置の場合、ノーマリーオンの短絡スイッチ２０９が自己で短絡動作を行うには、この短絡スイッチ２０９に供給されている自給電源２０８からの電圧が短絡動作可能なレベルにまで自然低下するのを待つ必要があり、故障の種別によっては、故障発生から短絡動作までに長時間経過する可能性がある。
　更に、自給電源２０８からの電圧が短絡動作可能なレベル付近で上下に変動することで短絡スイッチ２０９の短絡動作がチャタリングを起こして不安定となる恐れがあり、これらに伴い、電力変換装置の運転が一時的に継続出来ない可能性が生じる。
　この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、セル変換器が故障しても電力変換装置として常に安全に運転継続させることが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。
　この発明に係る電力変換装置は、互いに直列に接続された複数台のセル変換器からなる電力変換装置であって、各セル変換器は、スイッチング素子とコンデンサとから構成された主回路、この主回路を外部に導出するための一対の外部端子、この一対の外部端子の間を短絡可能なバイパス部、スイッチング素子をオンオフ制御することにより一対の外部端子とコンデンサとの間で電力変換を行うゲート駆動装置、およびコンデンサの電圧を入力してゲート駆動装置に給電する自己給電装置を備えた電力変換装置において、
　自己給電装置の電圧を入力して蓄電するエネルギー蓄積部、および自己給電装置の電圧が予め設定した下限値未満となったときエネルギー蓄積部に蓄積された電力によりバイパス部を短絡動作させるバイパス部駆動装置を備えたものである。
　以上のように、この発明に係る電力変換装置は、特に、自己給電装置の電圧を入力して蓄電するエネルギー蓄積部、および自己給電装置の電圧が予め設定した下限値未満となったときエネルギー蓄積部に蓄積された電力によりバイパス部を短絡動作させるバイパス部駆動装置を備えたので、短絡動作の閾値となる上述の電圧下限値を適切に設定することにより、セル変換器が故障しても迅速で確実な短絡保護動作が実現し、電力変換装置として常に安全に運転継続させることが可能となる。
この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。 図１のバイパス部４の動作タイミングを、従来例と比較して示すタイミングチャートである。 図１のバイパス部４として真空スイッチを適用した場合の動作を説明する図である。 この発明の実施の形態２による電力変換装置のバイパス部４の動作タイミングを示すタイミングチャートである。 コンデンサ２の充電動作に係る現象を説明する図である。 この発明の実施の形態３による電力変換装置のバイパス部４の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
実施の形態１．
　図１は、この発明の実施の形態１による電力変換装置の構成を示す図である。電力変換装置は、互いに直列に（カスケード）接続されたセル変換器１００ａ、１００ｂ、１００ｃ・・・を備えている。以下、代表して、セル変換器１００ａを同１００としてその内部構成について説明する。
　ＩＧＢＴなどのオンオフ制御可能なスイッチング素子１ａ、１ｂが互いに直列に接続されこれにコンデンサ２が接続されて主回路５０を構成している。なお、各スイッチング素子１ａ、１ｂには、それぞれダイオードが逆並列に接続されている。この主回路５０は、一対の外部端子Ｘ１、Ｘ２により外部に導出され、他のセル変換器１００ｂ、１００ｃと接続される。そして、これら外部端子Ｘ１、Ｘ２には、バイパス部４が接続されている。
　更に、主回路５０のコンデンサ２の電圧を入力し、後述するゲート駆動装置９およびエネルギー蓄積部５に給電する自己給電装置３を備えている。
　なお、自己給電装置３としては、主回路５０の動作で変動するコンデンサ２の高電圧を一定の低電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータで構成するのが普通である。
　ゲート駆動装置９は、第一給電線７を介して自己給電装置３から給電される電力に基づき、スイッチング素子１ａ、１ｂをオンオフ制御することにより一対の外部端子Ｘ１、Ｘ２とコンデンサ２との間で電力変換を行い、外部端子Ｘ１、Ｘ２の間に、コンデンサ２の電圧または零電圧を出力する。
　エネルギー蓄積部５は、第一給電線７を介して自己給電装置３の電圧を入力して蓄電する。第一給電線７のエネルギー蓄積部５に接続される部分には、後述する理由により、給電方向に逆行する電流を阻止するためのダイオード１０を挿入するのが望ましい。
　なお、エネルギー蓄積部５としては、コンデンサや電気二重層などの蓄電池を採用することが出来る。
　前者のコンデンサの場合は、一般に蓄電池より安価であり、また、容量のバリエーションに優れているため、適切な容量の選択が容易という利点がある。
　後者の蓄電池を採用した場合は、自然放電の量が少なく、自己給電装置３からの電力をより効率的に蓄電できるという利点がある。
　バイパス部駆動装置６は、第二給電線８を介してエネルギー蓄積部５に蓄積された電力を入力し、後段の図２で説明するように、自己給電装置３の電圧が予め設定した下限値未満となったとき当該蓄積された電力によりバイパス部４を短絡動作させる。
　次に、セル変換器１００の故障発生によりバイパス部４を短絡動作させて当該セル変換器１００をバイパスする保護動作について説明するが、先ずその前段で、セル変換器１００の故障の内容について説明する。
　セル変換器１００の故障として想定される事象を列挙してその故障内容を示すと以下の通りである。
１）スイッチング素子１ａの開放故障：この場合、コンデンサ２の接続ラインが開放状態となるので、コンデンサ２の電圧が低下し、自己給電装置３の出力電圧低下に至る。
２）スイッチング素子１ｂの開放故障：この場合、コンデンサ２の電圧を増加させる動作モードしか存在しなくなり、コンデンサ２が最終的に過電圧により開放故障してコンデンサ２の電圧が低下し、自己給電装置３の出力電圧低下に至る。
３）コンデンサ２の開放故障：この場合、コンデンサ２の電圧が低下し、自己給電装置３の出力電圧低下に至る。
４）ゲート駆動装置９の故障：この場合、スイッチング素子１ａ、１ｂが動作しなくなり、それに伴い、コンデンサ２に電圧が供給されなくなり、自己給電装置３の出力電圧低下に至る。
５）自己給電装置３自体の故障：自己給電装置３の出力電圧が低下し、その結果、ゲート駆動装置９およびエネルギー蓄積部５への給電が途絶える。
　以上のように、セル変換器１００を構成する部品の故障は、バイパス部４を除いてすべて自己給電装置３の出力電圧低下という現象に帰結することから、この実施の形態では、バイパス部駆動装置６が、自己給電装置３の出力電圧を監視し、これが予め設定した下限値未満となったときこれを検知してエネルギー蓄積部５に蓄積された電力エネルギーによりバイパス部４を短絡動作させる。
　この故障検知時点では、自己給電装置３の出力電圧は大幅に低下、または零となっており、自己給電装置３からの給電は期待できないが、それまでにエネルギー蓄積部５に蓄積されたエネルギーの残量でバイパス部４を確実に短絡動作させることが出来る。
　上述したように、第一給電線７のエネルギー蓄積部５に接続される部分にダイオード１０を挿入しておけば、たとえ、自己給電装置３の出力端が短絡状態になってもエネルギー蓄積部５に蓄積されたエネルギーは、故障した自己給電装置３側に放出されることなく、バイパス部４の短絡動作に確実に活用されるわけである。
　次に、以上の故障時の保護動作を、従来の場合と比較して図２により説明確認する。
　図２（ａ）は、本願発明の場合で、時刻ｔ０でセル変換器１００内で故障が発生すると、これに伴い、自己給電装置３の出力電圧が低下を始める。この出力電圧が時刻ｔ１で設定下限値に達すると直ちにバイパス部駆動装置６が動作してバイパス部４は、時刻ｔ２で速やかに短絡状態となる。
　この短絡動作により、エネルギー蓄積部５に蓄積されていたエネルギー残量は、下段の特性カーブに示すように、それまでのフルのレベルから１回の短絡動作に費やすエネルギーを減じたレベルまで低下することになる。
　以上に対し、図２（ｂ）に示す従来の場合は、バイパス部には自己給電装置に接続されたノーマリーオンの短絡スイッチが使用されているので、同じく、時刻ｔ０でセル変換器内に故障が発生した後、自己給電装置の出力電圧が低下を始め、この出力電圧が、短絡スイッチが自己短絡動作可能となる自己オンレベルにまで低下する時刻ｔ３での短絡動作となる。この結果、故障発生からバイパス部の短絡動作までに大きな時間差が生じることになる。
　逆にこの発明の場合は、短絡動作の閾値となる電圧下限値を適切に設定することにより、セル変換器１００が故障しても迅速で確実な短絡保護動作が実現し、電力変換装置として常に安全に運転継続させることが出来る。
　次に、バイパス部４の具体的な構成とそのラッチ機能について説明する。即ち、バイパス部４は、自己給電装置３が故障から復帰して再開放指令を受け取るまでは短絡動作を保持する必要があるため、バイパス部４には、短絡動作後、当該短絡動作を保持するラッチ機能を備える必要がある。
　ラッチ機能の例をバイパス部４の種類毎に説明する。先ずは、バイパス部４を真空スイッチで構成する場合について説明する。
　真空スイッチは、真空状態になったバルブの中で接点を開閉するものであり、絶縁に必要な距離を短く出来るので小型化が可能で、かつ高速な短絡動作を実現できる。駆動力は、主に、永久磁石の吸引力やばねを用いる方式が広く知られているが、それらの動作にはバイパス部駆動装置６による強力な駆動力が必要となる。
　図３は、バイパス部４として真空スイッチを適用した場合の動作を説明する図である。図３（ａ）～図３（ｃ）は、それぞれ、短絡動作、短絡動作状態の保持、および開放動作の原理を説明する図である。
　当初の開放状態からコイル１３３を励磁すると、コイル電流による磁束φｃによってプランジャ１１０と中央脚１２２との間に吸引力が発生し、可動鉄心１３０は、図中下方向に移動し始める。この可動鉄心１３０の動作に伴い、連結された可動接点が短絡方向へ移動する。短絡動作が完了すると、図３（ｂ）に示すように、コイル１３３の励磁を解除し、永久磁石１３２の吸引力のみで短絡動作状態を保持する。
　この段階では、中心軸の周囲に配置された遮断ばねと接圧ばね（図示せず）はいずれも蓄勢された状態となっており、次の開放動作に備える。
　開放動作では、図３（ｃ）に示すように、短絡動作時と逆方向の電流をコイル１３３に流す。このとき、コイル電流による磁束φｃは、永久磁石１３２による磁束φｐｍを打ち消すように作用するため、プランジャ１１０と中央脚１２２との間の吸引力が低下する。これにより、接圧ばねおよび遮断ばねの力が上回るようになると、可動鉄心１３０は、図中上方向に移動し同時に開閉接点が開放される。
　以上のように、この種の真空スイッチでは、永久磁石の磁気吸引力を利用したラッチ機能が備えられており、短絡動作後、自己給電装置３の故障でコイルへの電流の供給が絶たれても、バイパス部４は、短絡状態を保持することができる。
　また、バイパス部４としては、ばね方式の機械スイッチを使用することも出来る。機械スイッチは、真空スイッチと比べると大型で短絡動作が低速であるものの安価で入手が容易である。短絡動作を行うにはバイパス部駆動装置６による強力な駆動力が必要となる。
　駆動力は、主にばねを用いる方式が広く知られているが、それらの動作には電源の供給が必要である。ラッチ機構を設けることで短絡動作後には機械的にラッチされるので、人力でラッチを解除しなければ短絡動作を継続することが可能である。
　以上のように、この発明の実施の形態１による電力変換装置は、自己給電装置３の電圧を入力して蓄電するエネルギー蓄積部５、および自己給電装置３の電圧が予め設定した下限値未満となったときエネルギー蓄積部５に蓄積された電力によりバイパス部４を短絡動作させるバイパス部駆動装置６を備えたので、短絡動作の閾値となる上述の電圧下限値を適切に設定することにより、セル変換器１００が故障しても迅速で確実な短絡保護動作が実現し、電力変換装置として常に安全に運転継続させることが可能となる。
　更に、自己給電装置３とエネルギー蓄積部５とを接続する第一給電線７に、給電方向に逆行する電流を阻止するダイオード１０を挿入したので、たとえ、自己給電装置３の出力端が短絡状態になってもエネルギー蓄積部５に蓄積されたエネルギーは、故障した自己給電装置３側に放出されることなく、バイパス部４の短絡動作に確実に活用される。
　また、バイパス部には、短絡動作後、当該短絡動作を保持するラッチ機能を備えたので、短絡動作後、自己給電装置３の故障でバイパス部駆動装置６への給電が絶たれても、バイパス部４は、短絡状態を保持することができ、電力変換装置としての運転を支障なく継続させることが出来る。
実施の形態２．
　先の実施の形態１では、バイパス部４として、永久磁石の磁気吸引力を利用してラッチさせるものを例示したが、その場合の課題と解決策について、この実施の形態２で説明する。
　即ち、エネルギー蓄積部５の容量が比較的大きい場合、先の図２（ａ）のタイミングチャートに示したように、バイパス部４の短絡動作駆動用にエネルギーを使用しても、バイパス部４を再度駆動可能なエネルギーが残っていることが考えられる。
　バイパス部４のラッチ機能が機械的ではない、例えば、永久磁石の磁気吸引力を利用した方式である場合、先の図３（ｃ）に示すように、誤ってコイルに短絡動作とは逆方向の電流を与えるとバイパス部４が開放動作を行ってしまい、電力変換装置として運転継続が出来なくなってしまう。
　その防止策として、エネルギー蓄積部５に蓄積可能な蓄電容量として、バイパス部駆動装置６によるバイパス部４の短絡動作を１回実行可能な最小限の容量に設定する。
　図４は、この場合の、バイパス部４の動作タイミングを示すタイミングチャートで、バイパス部４の短絡動作駆動用にエネルギーを使用するとエネルギー蓄積部５のエネルギー残量がほぼ零になっており、たとえ、誤ってコイルに短絡動作時とは逆方向の電流を流す操作がなされたとしても、実際にバイパス部４を駆動するエネルギーが存在しないので、バイパス部４の開放動作が確実に防止される。
　以上のように、この発明の実施の形態２による電力変換装置は、エネルギー蓄積部５に蓄積可能な蓄電容量として、バイパス部駆動装置６によるバイパス部４の短絡動作を１回実行可能な最小限の容量に設定したので、短絡動作後の誤操作によるバイパス部４の開放動作が確実に防止される。
実施の形態３．
　先の実施の形態１および２では、いずれかのセル変換器１００内で故障が発生したとき当該セル変換器１００のバイパス部４を迅速確実に短絡動作させることで、常に安全に運転の継続が可能となる電力変換装置について説明した。
　これに対し、この実施の形態３は、セル変換器１００の故障ではなく、従って、電力変換装置としては正常であるが、系統短絡事故等、電力変換装置の外部における事故により、電力変換装置が停止しすべてのセル変換器１００の自己給電装置３の出力電圧が低下して全バイパス部４が短絡動作した場合を想定したものである。
　この場合は、外部事故が除去され系統が回復すると、当然ながら電力変換装置の速やかな運転再開が期待される。この実施の形態３は、その期待に応えるため創案されたものである。
　図５は、コンデンサ２の充電動作に係る現象を説明するもので、電力変換装置の稼働中、同図（ａ）、（ｂ）に示すように、スイッチング素子１ｂをオフ制御するタイミングで、外部端子Ｘ１から流入した電流は上側のダイオードを介してコンデンサ２に供給されコンデンサ２を充電する。これによって、自己給電装置３はコンデンサ２から電圧が供給され動作可能となる。
　ここで、上述したように、外部事故が発生して電力変換装置が停止すると、セル変換器１００への電流の流入が絶たれ、コンデンサ２の電圧は低下し、先の実施の形態で説明したように、やがて設定下限値に至るとバイパス部４が短絡動作する。
　そして、バイパス部４が一旦短絡状態になると、その後、たとえ、電流が流入しても、図５（ｃ）に示すように、電流はほとんどバイパス部４のみに流れコンデンサ２は充電されない。
　この結果、バイパス部にノーマリーオンの短絡スイッチを使用する従来の場合は、たとえ、外部事故が除去され系統が回復しても、バイパス部を外部の何らかの動力源により開放操作しない限り、電力変換装置を再稼働させることが出来ない。
　これに対し、この発明では、先の実施の形態１で説明したように、エネルギー蓄積部５に蓄積された電力によりバイパス部４を駆動する方式を採用したので、この電力変換装置の再稼働が可能となる。但し、先の実施の形態２とは異なり、エネルギー蓄積部５として、少なくとも、バイパス部４の短絡動作を１回実行し、更に、その短絡動作後、バイパス部４を開放動作させるに必要な容量を持ったものとする必要がある。
　図６は、この発明の実施の形態３による電力変換装置のバイパス部４の動作タイミングを示すタイミングチャートである。
　図６において、時刻ｔ０で電力変換装置が停止し、時刻ｔ１で自己給電装置３の出力電圧が設定下限値まで低下すると、バイパス部駆動装置６は、故障検出とみなして直ちにエネルギー蓄積部５に蓄積された電力によりバイパス部４を短絡動作させる（時刻ｔ２）。
　その後、外部事故が除去され系統が回復し、その後、バイパス部駆動装置６は時刻ｔ４で開放指令を受けると、先の図３（ｃ）で示したように、エネルギー蓄積部５に蓄積された残電力により直ちにバイパス部４のラッチ機能を解除するとともにバイパス部４を開放動作させる（時刻ｔ５）。
　なお、以上では、電力変換装置自体は異常でなく外部事故の発生で停止した場合の再稼働対策について説明したが、セル変換器の故障で当該セル変換器のバイパス部が短絡動作し、その後、当該セル変換器が故障状態から回復した場合の当該セル変換器の再稼働対策にも同様に適用できる。
　以上のように、この発明の実施の形態３による電力変換装置のバイパス部駆動装置６は、バイパス部４を短絡動作させた後開放指令を受けたとき、エネルギー蓄積部５に蓄積された電力によりバイパス部４のラッチ機能を解除するとともにバイパス部４を開放動作させるようにしたので、エネルギー蓄積部５の容量を適切に設定することにより、セル変換器１００、電力変換装置の速やかな再稼働が実現する。
　なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。

Claims (9)

  1. 互いに直列に接続された複数台のセル変換器からなる電力変換装置であって、
    　前記各セル変換器は、スイッチング素子とコンデンサとから構成された主回路、この主回路を外部に導出するための一対の外部端子、この一対の外部端子の間を短絡可能なバイパス部、前記スイッチング素子をオンオフ制御することにより前記一対の外部端子と前記コンデンサとの間で電力変換を行うゲート駆動装置、および前記コンデンサの電圧を入力して前記ゲート駆動装置に給電する自己給電装置を備えた電力変換装置において、
    　前記自己給電装置の電圧を入力して蓄電するエネルギー蓄積部、および前記自己給電装置の電圧が予め設定した下限値未満となったとき前記エネルギー蓄積部に蓄積された電力により前記バイパス部を短絡動作させるバイパス部駆動装置を備えた電力変換装置。
  2. 前記自己給電装置と前記エネルギー蓄積部とを接続する給電線に、給電方向に逆行する電流を阻止するダイオードを挿入した請求項１記載の電力変換装置。
  3. 前記バイパス部は、前記短絡動作後、当該短絡動作を保持するラッチ機能を備えた請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
  4. 前記バイパス部は、前記ラッチ機能として、永久磁石の磁気吸引力を利用したものを採用した真空スイッチである請求項３記載の電力変換装置。
  5. 前記バイパス部は、前記ラッチ機能として、その解除が人力操作でのみ可能なものを採用した機械スイッチである請求項３記載の電力変換装置。
  6. 前記エネルギー蓄積部に蓄積可能な蓄電容量として、前記バイパス部駆動装置による前記バイパス部の短絡動作を１回実行可能な最小限の容量に設定する請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記バイパス部駆動装置は、前記バイパス部を短絡動作させた後開放指令を受けたとき、前記エネルギー蓄積部に蓄積された電力により前記ラッチ機能を解除するとともに前記バイパス部を開放動作させるようにした請求項３または請求項４に記載の電力変換装置。
  8. 前記エネルギー蓄積部は、コンデンサである請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  9. 前記エネルギー蓄積部は、蓄電池である請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
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