WO2023218599A1 - 電力変換システムの制御装置及び電力変換システム - Google Patents

電力変換システムの制御装置及び電力変換システム Download PDF

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一誠 深澤
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Definitions

  • the present invention relates to a control device and a power conversion system for a power conversion system.
  • a current sensor is provided on each DC side of unit power converters connected in parallel.
  • the current sensor detects the short-circuit current flowing from the DC capacitor toward the short-circuit point, and a protective operation is performed to protect the power conversion system (for example, Patent Document 1 reference).
  • the present disclosure aims to provide a technology that can protect a power conversion system with a simpler and cheaper configuration than conventional ones.
  • a control device for a power conversion system is configured to prevent a power converter connected to a power supply or a capacitor via wiring from occurring around the wiring when a short-circuit fault occurs in which the voltage of the power supply or the capacitor is short-circuited.
  • a control device for a power conversion system comprising a coil disposed at a position where magnetic fluxes generated due to a short circuit intersect, and a voltage detection circuit that detects a voltage value of a voltage across the coil, the voltage detection circuit
  • the power converter includes a voltage acquisition unit that acquires the voltage value of the voltage across the coil detected by the voltage acquisition unit, and a failure detection unit that detects a short-circuit failure of the power converter based on the voltage value acquired by the voltage acquisition unit.
  • the failure detection unit may detect a short circuit failure of the power converter when the voltage value exceeds a predetermined threshold value.
  • control device may further include an operation control unit that outputs an operation instruction for protectively stopping the power converter when the failure detection unit detects a short-circuit failure of the power converter.
  • a power conversion system is configured to provide a power converter that is connected to a power supply or a capacitor via wiring when a short-circuit fault occurs in which the voltage of the power supply or the capacitor is short-circuited.
  • the present invention includes a coil disposed at a position where magnetic fluxes generated by the coils are interlinked, a voltage detection circuit that detects the voltage value of the voltage across the coil, and any one of the control devices described above.
  • the wiring may be an electric wire, a bus bar, or a printed circuit board wiring.
  • the coil may be an electric wire, a bus bar, or a printed circuit board wiring.
  • the coil may be electrically insulated from the main circuit.
  • the coil when a plurality of power converters are connected in parallel to a power source or a capacitor via wiring, the coil is connected around the wiring connecting the plurality of power converters to each other.
  • the magnetic flux may be arranged at a position where the magnetic flux generated due to a short circuit intersects with each other.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a power conversion system according to a first embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a control device in the power conversion system shown in FIG. 1.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a short circuit failure detection operation of a control device in the power conversion system shown in FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operating principle of short circuit failure detection operation of the control device in the power conversion system shown in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. It is a figure showing the example of composition of the power converter concerning the modification of a 1st embodiment. It is a figure showing the example of composition of the power conversion system concerning a 2nd embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a power conversion system according to a comparative example.
  • FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a power conversion system 1 according to a first embodiment.
  • the power conversion system 1 includes a DC power source (solar cell) 10, an AC power system (system) 20, a power converter 30, a coil 40, a voltage detection circuit 50, and a control device 60. has.
  • a power conversion system (PCS: Power Conditioning Subsystem) 1, for example, converts DC power supplied from a DC power supply 10 into AC power via a power converter 30, and supplies the converted AC power to an AC power system 20. Output to.
  • PCS Power Conditioning Subsystem
  • the DC power supply 10 is connected to one end of the power converter 30 via the wiring 11, and supplies DC power to the power converter 30 via the one end.
  • the DC power supply 10 may be, for example, a solar cell (PV: Photovoltaics), a storage battery (ESS: Energy Storage System), or a DC power supply system consisting of a wind power generator, an AC/DC converter, etc. Further, the DC power supply 10 may be, for example, a capacitor, a system, an input/output section of another power converter, or the like.
  • a “solar cell 10" will be explained as an example of the DC power supply 10. Note that the DC power source (solar cell) 10 is an example of a "power source or a capacitor.”
  • the wiring 11 is a conductor (DC conductor) that connects the solar cell 10 and one end of the power converter 30.
  • the wiring 11 on the positive electrode P side is also referred to as the "positive electrode wiring 11P”
  • the wiring 11 on the negative electrode N side is also referred to as the "negative electrode wiring 11N.”
  • the wiring 11 is, for example, an electric wire, a bus bar, a printed circuit board wiring, or the like.
  • the wiring 11 has a parasitic inductance (self-inductance) L1 . Note that in FIG. 1, the parasitic inductance (self-inductance) L 1 (and magnetic flux ⁇ , which will be described later) is concentrated in a part of the wiring 11 for convenience, but in reality it exists in the entire wiring 11. There is.
  • the AC power system 20 (hereinafter also referred to as "system 20") is connected to the output end, which is the other end of the power converter 30, via the AC circuit 21.
  • the grid 20 is a system that integrates power generation, transformation, power transmission, and distribution for supplying AC power output from the power converter 30 to power receiving equipment of consumers. ing. Note that the AC power system (system) 20 is an example of a "power supply or capacitor”.
  • the AC circuit 21 is, for example, a three-phase three-wire three-phase AC circuit that supplies three-phase AC power, which is a combination of three systems of single-phase AC in which the phases of current or voltage are shifted from each other, using three wires 22. be.
  • the wiring 22 is a conductor such as an electric wire or cable in the AC circuit 21, and like the wiring 11, it may be, for example, an electric wire, a bus bar, a printed circuit board wiring, or the like.
  • the U-phase, V-phase, and W-phase wiring 22 in the AC circuit 21 are also referred to as "U-phase wiring 22U,” “V-phase wiring 22V,” and “W-phase wiring 22W,” respectively. be done.
  • the power converter 30 is connected at one end on the left side in FIG. 1 to the solar cell 10 via wiring 11, and at the other end on the right side in FIG. 20. Further, the power converter 30 is connected to a control device 60 via a signal line (not shown) or the like, and its operation is controlled by the control device 60. The power converter 30 converts the DC power supplied from the solar cell 10 into AC power and outputs it to the grid 20 under the control of the control device 60 .
  • the power converter 30 is not limited to one that converts DC power to AC power, and may be one that converts DC power to DC power or one that converts AC power to AC power. .
  • what is connected to one end of the power converter 30 is not limited to the DC power source (solar cell) 10, but may be an AC power source.
  • the power converter 30 may convert either active power or reactive power, or both.
  • the power converter 30 may be connected to a "power source or a capacitor" on the DC side, the AC side, or both the AC side and the DC side.
  • the power converter 30 includes a DC capacitor 31, an inverter circuit 32, and an AC reactor 33.
  • the DC capacitor 31 is a capacitor for smoothing fluctuations in voltage between terminals, and is connected between the positive electrode wiring 11P and the negative electrode wiring 11N in the wiring 11. Note that the DC capacitor 31 is an example of a "power supply or capacitor”.
  • the inverter circuit 32 is constructed of, for example, a plurality of semiconductor switching elements Q such as IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors). Note that the semiconductor switching element Q is not limited to this, and may be a MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor) or the like.
  • the inverter circuit 32 has one end connected to the solar cell 10 and the other end, which is the output side, connected to the grid 20 via the AC reactor 33.
  • the inverter circuit 32 uses a pulse width modulation (PWM) signal, which is a gate drive signal (gate signal) for the semiconductor switching element Q, generated by a PWM control section 65 (see FIG. 2), which will be described later, in the control device 60. controlled.
  • PWM pulse width modulation
  • the inverter circuit 32 acquires DC power supplied from the solar cell 10 from one end, converts the acquired DC power into AC power under control by a PWM signal (gate signal), and converts the acquired DC power into AC power from the other end which is the output end. and supplies it to the system 20.
  • PWM pulse width modulation
  • the inverter circuit 32 has, for example, a circuit in which three legs (U-phase leg, V-phase leg, and W-phase leg) are connected in parallel.
  • Each leg is configured by, for example, two arms each having a semiconductor switching element Q and a freewheeling diode D connected in antiparallel to each other and connected in series.
  • Each leg is connected in parallel, for example, between the positive electrode wiring 11P and the negative electrode wiring 11N, and the midpoint of each leg is connected to the U-phase wiring 22U, V-phase wiring 22V, and W-phase wiring 22W of the AC circuit 21, respectively. electrically connected.
  • the AC reactor 33 is also called an AC (alternating-current) reactor, and is connected in series to the AC circuit 21 on the output side of the inverter circuit 32.
  • the AC reactor 33 is, for example, a smoothing element that has the effect of reducing noise and suppressing surge voltage.
  • the AC reactor 33 constitutes an LC filter circuit (filter circuit) that reduces ripples (vibrations) generated when the semiconductor switching element Q of the inverter circuit 32 switches, together with an AC capacitor (not shown) connected in an L-shape. do.
  • the coil 40 is arranged around the wiring 11. For example, if a short-circuit failure occurs in some of the semiconductor switching elements Q of the inverter circuit 32, the circuit voltage of the DC capacitor 31 is applied to the parasitic inductance L1 of the wiring 11, and a magnetic flux ⁇ is generated around it. Therefore, the coil 40 is arranged around the wiring 11 at a position where the magnetic flux ⁇ interlinks with the coil 40 so as to detect the magnetic flux ⁇ .
  • L2 is the self-inductance of the coil 40. Note that the positional relationship between the wiring 11 and the coil 40 shown in FIG. It is not limited to the location where it can be used. As mentioned above, in FIG.
  • the parasitic inductance (self-inductance) L1 and magnetic flux ⁇ of the wiring 11 are shown concentrated in a part of the wiring 11 for convenience, but in reality, they are shown in the entire wiring 11. Existing.
  • the self-inductance L2 of the coil 40 is described concentratedly on a part of the coil 40 for convenience, but in reality it exists throughout the entire coil 40.
  • the coil 40 is composed of, for example, electric wires, busbars, printed circuit board wiring, and the like.
  • the coil 40 may be of any type as long as it can detect the magnetic flux ⁇ generated when a short-circuit failure occurs, and may be, for example, a coil of general electric wire wound several times.
  • the coil 40 is electrically insulated from the main circuit (for example, the wiring 11) including the power converter 30, and is not subjected to a large voltage unlike the main circuit. Therefore, compared to a case where the coil 40 is not insulated from the main circuit, the insulation performance does not need to be high, and the insulation distance does not need to be large. Note that both ends of the coil 40 are connected to the voltage detection circuit 50.
  • the voltage detection circuit 50 is connected to both ends of the coil 40 and constantly detects the voltage value V of the voltage across the coil 40. Note that the voltage detection circuit 50 may detect the voltage value V of the voltage across the coil 40, for example, at predetermined time intervals, and may detect the voltage value V of the voltage across the coil 40 at predetermined time intervals. Detection may be performed according to the instructions provided. Note that the voltage detection circuit 50 may be built into the power converter 30 or the control device 60, or may be built into an external device or host device (not shown).
  • the control device 60 is provided, for example, inside or outside the power converter 30, and although wiring etc. are omitted in the figure, each element of the power converter 30 including the inverter circuit 32, and the voltage detection circuit 50 and are electrically connected by wire or wirelessly. Note that the control device 60 may be implemented as a function of an inverter control circuit (not shown).
  • the control device 60 includes a processor 91 (see FIG. 10), which will be described later, such as a CPU (Central Processing Unit), MPU (Micro Processing Unit), or GPU (Graphics Processing Unit) that operates by executing a program, for example.
  • the control device 60 includes a storage section 70 (see FIG. 2), a memory 92 (see FIG. 10), etc., which will be described later. is operated to collectively control the operation of the power converter 30.
  • the control device 60 may operate according to instructions received from an operator or the like via a host device (not shown) or an operation unit (not shown), for example.
  • the control device 60 detects a short-circuit failure in the semiconductor switching element Q or the like according to the magnitude of the voltage value V of the voltage across the coil 40 detected by the voltage detection circuit 50.
  • FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of the control device 60 in the power conversion system 1 shown in FIG. 1.
  • the control device 60 has a storage unit 70, and functions as the following units by, for example, executing a predetermined program stored in the storage unit 70 or a memory 92 (see FIG. 10) described below. That is, the control device 60 functions as a voltage acquisition section 61, a failure detection section 62, a failure reporting section 63, an operation control section 64, and a PWM control section 65 by executing a predetermined program. Note that each of the above functions may be realized by a program executed by the processor 91 (see FIG. 10) included in the control device 60, or may be realized by the hardware 93 (see FIG. 10). Each of the above units executes a predetermined program to perform the following processing.
  • the voltage acquisition unit 61 is connected to the voltage detection circuit 50 and constantly acquires the voltage value V of the voltage across the coil 40 detected by the voltage detection circuit 50. Note that the voltage acquisition unit 61 may acquire the voltage value V of the voltage across the coil 40 at predetermined time intervals, for example, and may receive the voltage value V of the voltage across the coil 40 from an operator or the like via a host device (not shown) or an operation unit (not shown). You may obtain it by following the instructions provided.
  • the failure detection unit 62 detects a short circuit failure in the semiconductor switching element Q, etc., depending on the magnitude of the voltage value V of the voltage across the coil 40 acquired by the voltage acquisition unit 61. For example, the failure detection unit 62 compares the voltage value V of the voltage across the coil 40 acquired by the voltage acquisition unit 61 with a predetermined threshold value stored in the storage unit 70 or a memory 92 (see FIG. 10) to be described later. do. For example, when the voltage value V is larger than a predetermined threshold value, the failure detection unit 62 detects a short circuit failure in the semiconductor switching element Q or the like.
  • the failure detection unit 62 calculates a predetermined judgment value based on current conditions, simulation results, etc., and compares the calculated predetermined judgment value with the voltage value V of the voltage across the coil 40. A short circuit fault may also be detected.
  • the failure detection unit 62 detects a short circuit failure, it outputs information to the effect that a short circuit failure has been detected to at least one of the failure reporting unit 63 and the operation control unit 64.
  • the failure reporting unit 63 When the failure reporting unit 63 acquires information indicating that a short circuit failure has been detected from the failure detection unit 62, it issues failure information.
  • the failure reporting unit 63 detects a failure by, for example, outputting failure information to a host device (not shown) or displaying a warning or an alarm on a display unit (not shown) or an operation unit (not shown) of the power converter 30. Report information. Note that the failure reporting unit 63 may report failure information to the operation control unit 64.
  • the operation control unit 64 When the operation control unit 64 acquires information indicating that a short-circuit failure has been detected from the failure detection unit 62 or receives notification of failure information from the failure notification unit 63, the operation control unit 64 controls the power converter 30. An operation instruction is given to each part of the power converter 30 to stop the protection.
  • the operation control unit 64 may, for example, give an operation instruction to the PWM control unit 65 to protectively stop (gate block) the switching operation of the semiconductor switching element Q, thereby causing the power converter 30 to be protectively stopped. Further, the operation control unit 64 may protect the power converter 30 by, for example, performing a protective operation such as opening a circuit breaker (switch), etc. (not shown) of the power converter 30.
  • the operation control unit 64 performs a protective operation such as opening a circuit breaker (switch) (not shown) between the other power converter 30 or the solar cell 10 connected in parallel, for example. The expansion of failures in the power conversion system 1 may be prevented.
  • the operation control unit 64 may issue an operation instruction to stop the power converter 30 for protection, for example, in accordance with an instruction received from an operator or the like via a host device (not shown) or an operation unit (not shown).
  • control device 60 may have the function of either the failure reporting section 63 or the operation control section 64, and these functions are not provided in an external device such as a host device (not shown). There may be.
  • the PWM control unit 65 performs PWM control based on, for example, a predetermined output voltage command signal and a predetermined triangular wave carrier signal, and generates a gate signal that turns on and off the semiconductor switching element Q of the inverter circuit 32.
  • the PWM control unit 65 outputs the generated gate signal to the inverter circuit 32 of the power converter 30 and controls the operation of the inverter circuit 32.
  • the PWM control unit 65 receives an operation instruction to stop the power converter 30 from a protective stop from the operation control unit 64, the PWM control unit 65 controls the operation of the inverter circuit 32 to stop the operation of the semiconductor switching element Q.
  • the power converter 30 is brought to a protective stop.
  • the storage unit 70 is, for example, a volatile or nonvolatile storage medium such as an HDD (Hard Disk Drive), an SSD (Solid State Drive), a DRAM (Dynamic Random Access Memory), or other semiconductor memory.
  • the storage unit 70 stores, for example, programs necessary for the operation of each part of the control device 60, and various information is written and read by each part of the control device 60.
  • the storage unit 70 stores the voltage value V of the voltage across the coil 40 acquired by the voltage acquisition unit 61, a predetermined threshold value used for failure detection by the failure detection unit 62, and the like.
  • the storage unit 70 is connected to each part of the control device 60 by, for example, a bus (not shown). Note that the storage unit 70 may be provided outside the control device 60 and connected to the control device 60 by wire or wirelessly, or may be an external storage medium such as a memory card or a DVD (Digital Versatile Disc). , online storage, etc. Further, the storage unit 70 may be common to a memory 92 (see FIG. 10), which will be described later.
  • FIG. 3 is a diagram showing an example of a short circuit failure detection operation of the control device 60 in the power conversion system 1 shown in FIGS. 1 and 2.
  • the short circuit current I1 of the loop may be one that passes through a DC voltage source such as the solar cell 10.
  • the coil 40 is arranged around the circuit wiring 11 (electric wire, bus bar, printed circuit board wiring, etc.) so that the magnetic flux ⁇ generated by the short circuit fault intersects with the circuit wiring 11 (electric wire, bus bar, printed circuit board wiring, etc.). ing. Then, the voltage value V of the voltage across the coil 40 is detected by the voltage detection circuit 50. In this case, the voltage acquisition unit 61 of the control device 60 acquires the voltage value V of the voltage across the coil 40 detected by the voltage detection circuit 50. Then, the failure detection unit 62 of the control device 60 compares the voltage value V with a predetermined threshold value, and detects a short circuit failure when the voltage value V exceeds the predetermined threshold value.
  • the failure reporting unit 63 of the control device 60 acquires information indicating that a short-circuit failure has been detected, the failure reporting unit 63 of the control device 60 issues failure information, and the operation control unit 64 of the control device 60 protects the power converter 30.
  • An operation instruction is given to each part of the power converter 30 to stop it.
  • the PWM control unit 65 of the control device 60 controls the operation of the inverter circuit 32 to put the power converter 30 into a protective stop. Thereby, the power conversion system 1 can be protected and furthermore, failure can be prevented from expanding.
  • the DC capacitor 31 is connected to the power converter 30 and the short circuit of the voltage charged in the DC capacitor 31 is detected to protect the power conversion system 1 and prevent the spread of failure.
  • the present invention is not limited to this, and even if a power source such as a solar cell, a storage battery, or a grid is connected to the power converter 30 and the voltage of the power source is short-circuited, the power conversion system 1 can be operated in the same manner as described above. It is possible to protect the device and prevent the spread of failure.
  • the coil 40 may be arranged around the wiring 22 so that the magnetic flux ⁇ generated by the short-circuit failure interlinks with the coil 40 .
  • the coil 40 may be placed at position A in FIG.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the operating principle of the short circuit failure detection operation of the control device 60 in the power conversion system 1 shown in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 4(a) is a diagram showing an equivalent circuit when a short circuit failure occurs in the power conversion system 1 shown in FIGS. 1 to 3.
  • FIG. 4(b) is a diagram showing a voltage change that occurs when a short-circuit failure occurs in the equivalent circuit of FIG. 4(a).
  • FIG. 4(c) is a diagram showing a current change that occurs in the equivalent circuit of FIG. 4(a) at the time of a short-circuit failure.
  • the wiring referred to here is constituted by, for example, electric wires, busbars, printed circuit board wiring, and the like.
  • the impedance of the capacitor and the short-circuit point is sufficiently small, most of the voltage of the capacitor is shared by the parasitic inductance (self-inductance) of the wiring, and magnetic flux is generated around the wiring.
  • the coils are arranged so that the above magnetic fluxes interlink with each other.
  • the coil is composed of, for example, electric wires, busbars, printed circuit board wiring, and the like.
  • the parasitic inductance (self-inductance) of the wiring is L1
  • the self-inductance of the coil is L2
  • the degree of coupling between the parasitic inductance L1 of the wiring and the self-inductance L2 of the coil is k
  • the load resistance of the coil is If R, then the equivalent circuit shown in FIG. 4(a) can be drawn.
  • Coupled degree k is also called “coupling coefficient k”, and is the magnetic flux between two windings (in the case of Fig. 4 (a), between the short circuit loop on the left and the coil on the right). represents the degree of bonding.
  • the degree of coupling k is expressed between 0 and 1. For example, when the degree of coupling k is 1, the magnetic flux generated in one winding completely passes through the other winding without leaking (interlinking). ) represents a relationship. On the other hand, for example, when the degree of coupling k is 0, it represents a relationship in which the magnetic flux generated in one winding does not penetrate (does not interlink) with the other winding at all. Therefore, "magnetic flux generated by a short circuit interlinks” means that the degree of coupling k is greater than 0 (between 0 and 1), and it is preferable that the degree of coupling k is close to 1. .
  • the mutual inductance M between the parasitic inductance L1 of the wiring and the self-inductance L2 of the coil is set as shown in the following equation (1).
  • i 1 is the current of the parasitic inductance L 1 of the wiring
  • i 2 is the current of the self-inductance L 2 of the coil
  • s is the Laplace operator
  • v 1 corresponds to the voltage divided by the parasitic inductance L 1 of the wiring in the capacitor voltage
  • v 2 is the voltage applied to the load resistance R of the coil.
  • equation (3) a relational expression between the voltages on the primary side and the secondary side
  • v 2 is a first-order delayed response of v 1 , and the time constant is as shown in equation (4) below.
  • v 2 is approximately proportional to v 1 .
  • the time constant of the first-order lag system is the coefficient of s in equation (3), so if this is small, the time constant of the first-order lag system becomes small. It can be said that v 2 is approximately proportional to v 1 . Therefore, by measuring the voltage across the coil with a voltage detection circuit having a sufficiently large input impedance, it is possible to detect a voltage that is approximately proportional to the voltage of the shorted capacitor when a short circuit accident occurs.
  • FIG. 4(b) is a diagram showing voltage changes that occur when a short-circuit failure occurs in the equivalent circuit of FIG. 4(a), where the vertical axis represents voltage and the horizontal axis represents time.
  • FIG. 4(c) is a diagram showing a current change that occurs when a short-circuit failure occurs in the equivalent circuit of FIG. 4(a), where the vertical axis represents current and the horizontal axis represents time.
  • the horizontal dashed line indicates a predetermined threshold for detecting a short circuit fault. Note that in FIGS. 4(b) and 4(c), the secondary side circuit is temporarily ignored.
  • the current i 1 is the reciprocal of the parasitic inductance L 1 of the circuit loop formed by the short circuit, and the time of the short-circuited voltage v 1 , as shown in FIG. 4(c). Approximately proportional to the product of integrals. Therefore, for example, there is a delay in the change in current i 1 shown in FIG. 4(c) with respect to the voltage change that occurs during a short circuit shown in FIG. 4(b).
  • the voltage v1 is applied to the parasitic inductance L1 in a stepwise manner as shown in FIG. 4(b).
  • the time constant of the first-order lag can be made considerably small, so that a voltage proportional to a substantially unchanged waveform can be detected without delay.
  • the current i 1 is an integral of this voltage v 1 , a delay occurs in principle as shown in FIG. 4(c).
  • the method of detecting the voltage change that occurs during a short circuit as shown in FIG. 4(b) is more effective than the method of detecting the current change shown in FIG. can be detected at high speed in principle.
  • the control device 60 in the power conversion system 1 shown in FIGS. 1 to 3 acquires the voltage value V of the voltage across the coil 40 detected by the voltage detection circuit 50, and By comparing the threshold value, a short circuit fault can be detected without delay.
  • the control device detects a short circuit failure in the power converter 30 and takes measures such as stopping the protection of the power converter 30 or opening a circuit breaker (not shown). Perform protective operation.
  • the current i 1 generated at the time of a short circuit failure is the reciprocal of the parasitic inductance L 1 of the circuit loop configured by the short circuit, and It is approximately proportional to the time integral product of the short-circuited voltage v1 . Therefore, there is a delay in the current i 1 with respect to the voltage change that occurs at the time of a short circuit.
  • short-circuit failures can be detected faster in principle than in the method of detecting short-circuit current I1.
  • the coil 40 for detecting the magnetic flux ⁇ generated at the time of a short-circuit failure can also be created by winding a general electric wire several times.
  • the coil 40 for detecting the magnetic flux ⁇ generated at the time of a short circuit failure is electrically insulated from the main circuit including the power converter 30. . Therefore, according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the power conversion system 1 can be protected with a simpler and cheaper configuration than in the case of directly measuring and detecting the voltage change that occurs at the time of a short circuit failure. In addition, the expansion of failures in the power conversion system 1 can be prevented.
  • the coil 40 for detecting the magnetic flux ⁇ generated at the time of a short-circuit failure can be created by winding a general electric wire several times, and It is electrically insulated from the main circuit including the device 30. Therefore, according to the first embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the coil 40 can be retrofitted to the existing power conversion system 1, and the existing power conversion system 1 can be protected by retrofitting. is also possible.
  • FIG. 5 is a diagram showing a configuration example of a power converter 30A according to a modification of the first embodiment.
  • the same or similar configurations as those in the embodiment shown in FIGS. 1 to 4 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified. Note that, in FIG. 5, for the sake of simplicity, some components that are the same or similar to those of the embodiments shown in FIGS. 1 to 4 are omitted or simplified.
  • the power converter 30A shown in FIG. 5 has almost the same configuration as the power converter 30 shown in FIG. 1, but some components have been changed.
  • the power converter 30A two DC capacitors 31 are arranged in parallel, three semiconductor modules forming an inverter circuit 32 are arranged, and these are connected by a bus bar forming a wiring 11.
  • a loop short-circuit current I3 flows from the DC capacitor 31 toward the short-circuit point of this semiconductor module. Since a magnetic flux ⁇ is generated where there is a current loop, in the embodiment shown in FIG. 5, a coil 40 is placed above the loop of the short-circuit current I3 so that the magnetic flux ⁇ can be picked up.
  • the coil 40 is connected to the parasitic inductance L1.
  • the voltage applied to L1 is also picked up.
  • the coil 40 may be placed anywhere as long as it is interlinked with the magnetic flux ⁇ generated by the loop of the short-circuit current I3.
  • the coil 40 may be placed at a location indicated by B in FIG. 5.
  • the installation position of the coil 40 is not easily known, such as when the magnetic flux ⁇ generated by the loop of the short circuit current I3 is interlinked, based on the laws of electromagnetism, the magnetic flux generated around the short circuit current I3 can be The direction and size may be roughly estimated, and the coil 40 may be arranged so that a sufficiently large magnetic flux is interlinked with the coil 40.
  • the magnetic flux generated around the loop of the short-circuit current I3 may be calculated by numerical analysis using a computer, and the coil 40 may be arranged so that a sufficiently large magnetic flux is interlinked with the coil 40.
  • the coil 40 may be placed above the loop of the short-circuit current I4, for example at the position C in FIG. 5, so that the magnetic flux ⁇ of the loop of the short-circuit current I4 can be picked up.
  • FIG. 6 is a diagram showing a configuration example of a power conversion system 1B according to the second embodiment.
  • the same or similar configurations as those in the embodiment shown in FIGS. 1 to 5 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified.
  • the wiring 11 connected to the upper power converter 30B is branched at the connection point P1, and is connected to the wiring 13 connected to the lower power converter 30B by the vertical wiring 12 in FIG. There is.
  • the vertical wiring 12 is a wiring that connects the upper power converter 30B and the lower power converter 30B.
  • a loop short-circuit current I5 flows from the DC capacitor 31 of the upper power converter 30B.
  • a loop short-circuit current I6 also flows from the DC capacitor 31 of the lower power converter 30B.
  • the coil 40 is placed at a position where the short circuit current I5 of the loop flows. That is, in the embodiment shown in FIGS. 1 to 4, the coil 40 is arranged at a position where the voltage applied to the parasitic inductance L1 between the DC capacitor 31 and the semiconductor switching element Q in the upper power converter 30B can be detected.
  • the coil 40 is arranged at a position where the voltage applied to the parasitic inductance L1 between the DC capacitor 31 and the semiconductor switching element Q in the upper power converter 30B can be detected.
  • the coil 40 is arranged at a position where the magnetic flux ⁇ generated by the short circuit fault intersects. That is, in the embodiment shown in FIG. 6, since the loop short circuit current I6 flows, the coil 40 is arranged around the vertical wiring 12 so as to pick up the magnetic flux ⁇ along the path of the short circuit current I6. In other words, the coil 40 is placed at a position on the wiring 12 where it can pick up the voltage applied to the parasitic inductance L1 between the two parallel-connected power converters 30B.
  • the voltage can be detected even if a short-circuit failure occurs in either of the two power converters 30B connected in parallel. Furthermore, if the coil 40 is placed at the position of the wiring 12 that connects the power converters 30B, even if two or more power converters 30B are connected in parallel, which one of the power Even if a short circuit failure occurs in converter 30B, coil 40 can detect voltage.
  • the coil 40 may be placed around the vertical wiring 23 on the AC side at a position where the magnetic flux ⁇ generated due to a short circuit intersects.
  • the coil 40 may be placed at position D in FIG.
  • the coil 40 is located around the wiring 12 that connects the plurality of power converters 30B, and the magnetic flux ⁇ generated due to the short-circuit failure interlinks with the coil 40. placed in position.
  • the second embodiment shown in FIG. 6 it is possible to suppress the number of coils 40, and it is possible to protect the power conversion system 1B with a simpler and cheaper configuration. It is possible to prevent the failure from expanding in the conversion system 1B.
  • FIG. 7 is a diagram showing a configuration example of a power converter 30C according to a modification of the second embodiment.
  • the same or similar configurations as those in the embodiment shown in FIGS. 1 to 6 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified. Note that, in FIG. 7, for the sake of simplicity, some components that are the same or similar to those of the embodiments shown in FIGS. 1 to 6 are omitted or simplified.
  • the power converter 30C shown in FIG. 7 has almost the same configuration as the power converter 30B shown in FIG. 6, but some components are changed.
  • two DC capacitors 31 are arranged, and three semiconductor modules forming an inverter circuit 32 are arranged.
  • These DC capacitors 31 and the semiconductor module (inverter circuit) 32 are connected by a busbar 14 that constitutes the wiring 14 in the upper power converter 30C, and are connected by a busbar 14 that constitutes the wiring 13 in the lower power converter 30C. It is connected by 13.
  • the busbar 14 in the upper power converter 30C and the busbar 13 in the lower power converter 30C are connected by the busbar 12 that constitutes the vertical wiring 12. Further, the vertical bus bar 12 is connected to the solar cell 10 by the bus bar 11 that constitutes the wiring 11.
  • short-circuit failure occurs around the vertical bus bar 12 that connects the upper power converter 30C and the lower power converter 30C (between the power converters 30C).
  • the coil 40 is arranged at a position where the magnetic flux ⁇ generated by the above interlinks with each other. That is, in the embodiment shown in FIG. 7, since the loop short-circuit current I7 flows, the coil 40 is arranged around the vertical bus bar 12 so as to pick up the magnetic flux ⁇ along the path of the short-circuit current I7. In other words, the coil 40 is placed at a position on the busbar 12 where it can pick up the voltage applied to the parasitic inductance L1 between the two parallel-connected power converters 30C.
  • FIG. 8 is a diagram showing a configuration example of a power converter 30D according to the third embodiment.
  • the same or similar configurations as those in the embodiment shown in FIGS. 1 to 7 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified. Note that, in FIG. 8, for the sake of simplicity, some components that are the same or similar to those of the embodiments shown in FIGS. 1 to 7 are omitted or simplified.
  • the power converter 30D has a neutral point clamp type three-level inverter circuit 32D.
  • a loop short circuit current I8 a loop short circuit current I9, etc. flow from the DC capacitor 31.
  • the coil 40 is arranged to cover the entire vertical wiring 15 in FIG. 8, which connects the positive wiring 11P, the neutral wiring 11M, and the negative wiring 11N. Accordingly, in the embodiment shown in FIG. 8, the coil 40 can pick up the magnetic flux ⁇ of either path of the loop short-circuit current I8 and the loop short-circuit current I9 (interlinks with the magnetic flux ⁇ of either path). . Further, by arranging the coil 40 at the position shown in FIG. 8, the short circuit fault can be detected even if the short circuit fault occurs in any of the semiconductor switching elements Q of the inverter circuit 32D.
  • FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of a power converter 30E according to the fourth embodiment.
  • the same or similar configurations as those in the embodiment shown in FIGS. 1 to 8 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified. Note that, in FIG. 9, for the sake of simplicity, some components that are the same or similar to those of the embodiments shown in FIGS. 1 to 8 are omitted or simplified.
  • the power converter 30E has a neutral point switch type three-level inverter circuit 32E.
  • the coil 40 is arranged to cover the entire vertical wiring 15 in FIG. 9, which connects the positive wiring 11P, the neutral wiring 11M, and the negative wiring 11N.
  • the coil 40 can pick up the magnetic flux ⁇ of either path of the loop short-circuit current I10 and the loop short-circuit current I11 (interlinks with the magnetic flux ⁇ of either path).
  • the short circuit fault can be detected even if the short circuit fault occurs in any of the semiconductor switching elements Q of the inverter circuit 32E.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing an example of the hardware configuration of a processing circuit included in the control device 60 in the embodiments shown in FIGS. 1 to 9.
  • the processing circuit includes at least one processor 91 and at least one memory 92.
  • the processing circuitry includes at least one dedicated hardware 93.
  • each function is realized by software, firmware, or a combination of software and firmware. At least one of the software and firmware is written as a program. At least one of software and firmware is stored in memory 92.
  • the processor 91 implements each function by reading and executing programs stored in the memory 92.
  • the processing circuitry comprises dedicated hardware 93
  • the processing circuitry may be, for example, a single circuit, a composite circuit, a programmed processor, or a combination thereof. Each function is realized by a processing circuit.
  • Each function of the control device 60 may be partially or entirely configured by hardware, or may be configured as a program executed by a processor. That is, the control device 60 can be realized by a computer and a program, and the program can be stored in a storage medium or provided through a network.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a power conversion system 100 according to a comparative example.
  • the same or similar configurations as those in the embodiment shown in FIGS. 1 to 10 are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof will be omitted or simplified.
  • a plurality of unit power converters 130 are connected in parallel.
  • the plurality of unit power converters 130 have their DC sides connected to a DC power supply 110 (not shown), and their AC sides connected to the system 120.
  • Each of the plurality of unit power converters 130 includes an inverter circuit 132, a DC capacitor 131, and an AC reactor 133, and the inverter circuit 132 includes a plurality of switching elements (not shown).
  • the positive electrode P side and the negative electrode N side are connected to each other, and the neutral points M are not connected to each other. Furthermore, in the plurality of unit power converters 130, a current sensor 134 is provided on the positive electrode P side, and detects the current flowing to the positive electrode P side. Note that the current sensor 134 may be provided on the negative electrode N side to detect the current flowing to the negative electrode N side.
  • the current sensor 134 must be placed in each of the plurality of unit power converters 130.
  • electric wires and voltage sensors must be placed in each of the plurality of unit power converters 130. For this reason, it is necessary to arrange as many current sensors 134 and electric wires and voltage sensors (not shown) as there are unit power converters 130, which may result in high costs.
  • the coil 40 is arranged around the wiring 11 and the like at a position where the magnetic flux ⁇ generated due to a short circuit fault interlinks, and the voltage detection circuit 50 detects the coil 40.
  • a short circuit failure is detected by detecting the voltage value V of the voltage across the terminal.
  • the coil 40 for detecting the magnetic flux ⁇ generated at the time of a short-circuit failure can also be created by winding a general electric wire several times. Therefore, according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 10, the power conversion system 1 and the like can be protected with a simpler and cheaper configuration than the comparative example shown in FIG. 11.
  • short-circuit failures can be detected faster in principle than the method of detecting short-circuit current I' in the comparative example shown in FIG.
  • the coil 40 for detecting the magnetic flux ⁇ generated at the time of a short-circuit failure is electrically insulated from the main circuit. Therefore, according to the embodiments shown in FIGS. 1 to 10, the power conversion system 1 etc. can be protected with a simpler and cheaper configuration than the method of directly measuring the voltage value V' in the comparative example shown in FIG. can do.
  • the coil 40 can be installed as an afterthought, and the existing power conversion system 1 etc. can be protected as an afterthought. It is also possible.
  • FIGS. 1 to 10 unlike the comparative example shown in FIG. 11, even when a plurality of power converters 30 are connected in parallel, one coil 40 is arranged. If so, the short-circuit failure can be detected even if the short-circuit failure occurs in any of the power converters 30. Therefore, according to the embodiment shown in FIGS. 1 to 10, the power conversion system 1 and the like can be protected with a simpler and cheaper configuration than the comparative example shown in FIG. 11.
  • the power conversion systems 1 to 1E power converters 30 to 30E
  • the control device 60 they have have been described as an example of one aspect of the present disclosure. It is not limited to this.
  • the present disclosure can also be realized as a short circuit failure detection method in which processing steps are performed in each part of the control device 60.
  • the present disclosure can also be realized as a short circuit failure detection program that causes a computer to execute processing steps in each part of the control device 60.
  • the present disclosure can also be realized as a storage medium (non-temporary computer readable medium) in which a short circuit failure detection program is stored.
  • the short circuit fault detection program can be stored and distributed on a removable disk such as a CD (Compact Disc), DVD (Digital Versatile Disc), or USB (Universal Serial Bus) memory, for example.
  • the short circuit failure detection program may be uploaded onto the network via a network interface (not shown) included in the control device 60, or may be downloaded from the network and stored in the storage unit 70 or the like.
  • Inverter circuit semiconductor module

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)

Abstract

電力変換システムの制御装置は、電源又はコンデンサと配線を介して接続される電力変換器と、電源又はコンデンサの電圧が短絡される短絡故障が発生したときに、配線の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されるコイルと、コイルの両端電圧の電圧値を検出する電圧検出回路と、を備える電力変換システムの制御装置であって、電圧検出回路によって検出されるコイルの両端電圧の電圧値を取得する電圧取得部と、電圧取得部によって取得される電圧値に基づいて、電力変換器の短絡故障を検出する故障検出部と、を備える。

Description

電力変換システムの制御装置及び電力変換システム
　本発明は、電力変換システムの制御装置及び電力変換システムに関する。
　従来、電力変換システムにおいては、例えば、並列接続された単位電力変換器の直流側の各々に電流センサが備えられている。そして、短絡事故発生時には、直流コンデンサから短絡点に向かって流れる短絡電流が当該電流センサによって検出され、保護動作が行われることで、電力変換システムの保護が図られている（例えば、特許文献１参照）。
国際公開第２０２１／０１４５７４号公報
　しかし、短絡電流の検出が行われる電流センサの取り付け部には、故障のない通常時にも電流が流れている。このため、故障のない通常時の電流に合わせた定格電流の大きな電流センサが必要であり、高コストとなることがあった。
　そこで、本件開示は、従来よりも簡素で安価な構成で、電力変換システムを保護可能な技術を提供することを目的とする。
　一態様に係る電力変換システムの制御装置は、電源又はコンデンサと配線を介して接続される電力変換器と、電源又はコンデンサの電圧が短絡される短絡故障が発生したときに、配線の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されるコイルと、コイルの両端電圧の電圧値を検出する電圧検出回路と、を備える電力変換システムの制御装置であって、電圧検出回路によって検出されるコイルの両端電圧の電圧値を取得する電圧取得部と、電圧取得部によって取得される電圧値に基づいて、電力変換器の短絡故障を検出する故障検出部と、を備える。
　なお、一態様に係る制御装置において、故障検出部は、電圧値が所定の閾値を超えるときは、電力変換器の短絡故障を検出してもよい。
　また、一態様に係る制御装置において、故障検出部によって、電力変換器の短絡故障が検出されるときは、電力変換器を保護停止させる動作指示を出力する動作制御部をさらに備えてもよい。
　一態様に係る電力変換システムは、電源又はコンデンサと配線を介して接続される電力変換器と、電源又はコンデンサの電圧が短絡する短絡故障が発生したときに、配線の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されるコイルと、コイルの両端電圧の電圧値を検出する電圧検出回路と、上記のいずれかに記載の制御装置と、を備える。
　なお、一態様に係る電力変換システムにおいて、配線は、電線、ブスバー、又はプリント基板配線のいずれかであってもよい。
　また、一態様に係る電力変換システムにおいて、コイルは、電線、ブスバー、又はプリント基板配線のいずれかであってもよい。
　また、一態様に係る電力変換システムにおいて、コイルは、主回路とは電気的に絶縁されていてもよい。
　また、一態様に係る電力変換システムにおいて、電力変換器が、電源又はコンデンサと、配線を介して複数台並列接続されるときは、コイルは、複数台の電力変換器同士を接続する配線の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されてもよい。
　本件開示によれば、従来よりも簡素で安価な構成で、電力変換システムを保護可能な技術を提供することができる。
第１実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。 図１に示す電力変換システムにおける制御装置の構成例を示す図である。 図１及び図２に示す電力変換システムにおける制御装置の短絡故障検出動作の一例を示す図である。 図１から図３に示す電力変換システムにおける制御装置の短絡故障検出動作の動作原理を説明する図である。 第１実施形態の変形例に係る電力変換器の構成例を示す図である。 第２実施形態に係る電力変換システムの構成例を示す図である。 第２実施形態の変形例に係る電力変換器の構成例を示す図である。 第３実施形態に係る電力変換器の構成例を示す図である。 第４実施形態に係る電力変換器の構成例を示す図である。 図１～図９に示した実施形態における制御装置が有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。 比較例に係る電力変換システムの構成例を示す図である。
　以下、本件開示に係る制御装置及び電力変換システムの実施形態について、図面を用いて説明する。
　＜第１実施形態の構成＞
　図１は、第１実施形態に係る電力変換システム１の構成例を示す図である。
　図１に示すとおり、電力変換システム１は、直流電源（太陽電池）１０と、交流電力系統（系統）２０と、電力変換器３０と、コイル４０と、電圧検出回路５０と、制御装置６０とを有する。
　電力変換システム（ＰＣＳ：Power Conditioning Subsystem）１は、例えば、直流電源１０から供給される直流電力を、電力変換器３０を介して交流電力に変換し、変換された交流電力を、交流電力系統２０に出力する。
　直流電源１０は、配線１１を介して、電力変換器３０の一端側と接続され、当該一端側を介して直流電力を電力変換器３０に供給する。直流電源１０は、例えば、太陽電池（ＰＶ：Photovoltaics）や蓄電池（ＥＳＳ：Energy Storage System）等であっても、風力発電機と交流直流コンバータ等からなる直流電源システム等であってもよい。また、直流電源１０は、例えば、コンデンサ、系統、他の電力変換器の入出力部等であってもよい。以下、本明細書では、直流電源１０の一例として、「太陽電池１０」を例にとって説明する。なお、直流電源（太陽電池）１０は、「電源又はコンデンサ」の一例である。
　配線１１は、太陽電池１０と電力変換器３０の一端側とを接続する導体（直流導体）である。なお、本明細書において、正極Ｐ側の配線１１は、「正極配線１１Ｐ」とも称され、負極Ｎ側の配線１１は、「負極配線１１Ｎ」とも称される。配線１１は、例えば、電線、ブスバー、プリント基板配線等である。配線１１は、寄生インダクタンス（自己インダクタンス）Ｌ１を有する。なお、図１において、寄生インダクタンス（自己インダクタンス）Ｌ１（及び後述の磁束Φ）は、便宜上、配線１１の一部に集中的に記載されているが、実際は、配線１１の全体に存在している。
　交流電力系統２０（以下、「系統２０」とも称する。）は、交流回路２１を介して、電力変換器３０の他端側である出力端に接続される。系統２０は、電力変換器３０から出力された交流電力を需要家の受電設備に供給するための、発電・変電・送電・配電を統合したシステム等であり、例えば、不特定の負荷が接続されている。なお、交流電力系統（系統）２０は、「電源又はコンデンサ」の一例である。
　交流回路２１は、一端が電力変換器３０の他端側である出力端に接続され、他端が系統２０と接続される。交流回路２１は、例えば、電流又は電圧の位相を互いにずらした三系統の単相交流を組み合わせた三相交流電力を三本の配線２２を用いて供給する三相三線式の三相交流回路である。
　配線２２は、交流回路２１における電線・ケーブル等の導体であり、配線１１と同様に、例えば、電線、ブスバー、プリント基板配線等であってもよい。なお、本明細書において、交流回路２１におけるＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相の配線２２は、それぞれ「Ｕ相配線２２Ｕ」、「Ｖ相配線２２Ｖ」、「Ｗ相配線２２Ｗ」とも称される。
　電力変換器３０は、図１中左側の一端側で、配線１１を介して、太陽電池１０と接続され、図１中右側の他端側で、交流回路２１（配線２２）を介して、系統２０と接続される。また、電力変換器３０は、不図示の信号線等を介して、制御装置６０と接続され、制御装置６０によって、動作が制御される。電力変換器３０は、制御装置６０による制御に従い、太陽電池１０から供給された直流電力を交流電力に変換し、系統２０に出力する。
　なお、電力変換器３０は、直流電力を交流電力に変換するものには限られず、直流電力を直流電力に変換するものであっても、交流電力を交流電力に変換するものであってもよい。その場合、電力変換器３０の一端側に接続されるのは直流電源（太陽電池）１０には限られず、交流電源であってもよい。また、電力変換器３０は、有効電力と無効電力のいずれか、または両方を変換するものであってもよい。また、電力変換器３０は、直流側、又は交流側、又は交流側と直流側との両方で、「電源又はコンデンサ」と接続されていてもよい。
　電力変換器３０は、直流コンデンサ３１と、インバータ回路３２と、交流リアクトル３３とを有する。
　直流コンデンサ３１は、端子間電圧の変動を平滑化するためのコンデンサであり、配線１１における正極配線１１Ｐと負極配線１１Ｎとの間に接続される。なお、直流コンデンサ３１は、「電源又はコンデンサ」の一例である。
　インバータ回路３２は、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor：絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）等の複数の半導体スイッチング素子Ｑ等で構築される。なお、半導体スイッチング素子Ｑは、これに限定されるものではなく、ＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）等であってもよい。インバータ回路３２は、一端側が太陽電池１０と接続され、出力側である他端側が交流リアクトル３３を介して系統２０と接続される。
　インバータ回路３２は、制御装置６０における後述のＰＷＭ制御部６５（図２参照）で生成される半導体スイッチング素子Ｑのゲート駆動信号（ゲート信号）であるパルス幅変調（ＰＷＭ：Pulse Width Modulation）信号によって制御される。インバータ回路３２は、太陽電池１０から供給される直流電力を一端側から取得し、ＰＷＭ信号（ゲート信号）による制御に従い、取得した直流電力を交流電力に変換して、出力端である他端側から出力して系統２０に供給する。
　インバータ回路３２は、例えば、３つのレグ（Ｕ相レグ、Ｖ相レグ、Ｗ相レグ）を並列に接続した回路を有する。各レグは、例えば、半導体スイッチング素子Ｑと還流ダイオードＤとを逆並列に接続したアームを２つ直列に接続して構成される。各レグは、例えば、正極配線１１Ｐと負極配線１１Ｎとの間に並列に接続され、各レグの中間点は、交流回路２１のＵ相配線２２Ｕ、Ｖ相配線２２Ｖ、及びＷ相配線２２Ｗとそれぞれ電気的に接続される。
　交流リアクトル３３は、ＡＣ（alternating-current）リアクトルとも称され、インバータ回路３２の出力側の交流回路２１に直列に接続される。交流リアクトル３３は、例えば、騒音を低減させる効果やサージ電圧を抑制させる効果を有する平滑要素である。交流リアクトル３３は、例えば、不図示のＬ型に接続された交流コンデンサとともにインバータ回路３２の半導体スイッチング素子Ｑがスイッチングするときに発生するリプル（振動）を低減させるＬＣフィルタ回路（フィルタ回路）を構成する。
　コイル４０は、配線１１の周囲に配置される。例えば、インバータ回路３２の半導体スイッチング素子Ｑの一部で短絡故障が発生した場合、配線１１の寄生インダクタンスＬ１には直流コンデンサ３１の回路電圧が印可され、その周りに磁束Φが発生する。このため、コイル４０は、当該磁束Φを検出するように、配線１１の周囲において、当該磁束Φが鎖交する位置に配置される。図中Ｌ２は、コイル４０の自己インダクタンスである。なお、図１に示される配線１１とコイル４０との位置関係は、一例であり、配線１１とコイル４０との位置は、磁束Φが鎖交する位置関係であればどこでもよく、図１に示される位置には限られない。なお、上述のとおり、図１において、配線１１の寄生インダクタンス（自己インダクタンス）Ｌ１及び磁束Φは、便宜上、配線１１の一部に集中的に記載されているが、実際は、配線１１の全体に存在している。コイル４０の自己インダクタンスＬ２も同様に、便宜上、コイル４０の一部に集中的に記載されているが、実際は、コイル４０の全体に存在している。
　コイル４０は、例えば、電線、ブスバー、プリント基板配線等で構成される。なお、コイル４０は、短絡故障発生時に発生する磁束Φを検出出来るものであればよく、例えば、一般的な電線を数回巻くものであってもよい。コイル４０は、電力変換器３０を含む主回路（例えば、配線１１）とは、電気的に絶縁されており、主回路のような大きな電圧はかからない。このため、コイル４０は、主回路と絶縁されていない場合と比べて、絶縁性能は高性能でなくても良く、絶縁距離を大きくする必要もない。なお、コイル４０は、両端が電圧検出回路５０と接続される。
　電圧検出回路５０は、コイル４０の両端と接続され、コイル４０の両端電圧の電圧値Ｖを常時検出する。なお、電圧検出回路５０は、コイル４０の両端電圧の電圧値Ｖを、例えば、所定時間間隔毎に検出しても良く、不図示の上位装置や不図示の操作部を介したオペレータ等から受け付けた指示に従って検出してもよい。なお、電圧検出回路５０は、電力変換器３０や制御装置６０の内部に組み込まれていてもよく、不図示の外部装置や上位装置に組み込まれていてもよい。
　制御装置６０は、例えば、電力変換器３０の内部又は外部に設けられ、図中配線等は省略されているが、インバータ回路３２を始めとする電力変換器３０の各要素や、電圧検出回路５０と、有線又は無線によって電気的に接続されている。なお、制御装置６０は、不図示のインバータ制御回路の機能として実現されていてもよい。
　制御装置６０は、例えば、プログラムを実行することにより動作するＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro Processing Unit）やＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等の後述のプロセッサ９１（図１０参照）を有する。制御装置６０は、後述の記憶部７０（図２参照）やメモリ９２（図１０参照）等を有し、例えば、記憶部７０又はメモリ９２に記憶された所定のプログラムを実行することによりプロセッサ９１を動作させて電力変換器３０の動作を統括的に制御する。なお、制御装置６０は、例えば、不図示の上位装置や不図示の操作部を介してオペレータ等から受け付けた指示に従って動作してもよい。制御装置６０は、電圧検出回路５０によって検出されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖの大きさに応じて半導体スイッチング素子Ｑ等の短絡故障を検出する。
　図２は、図１に示す電力変換システム１における制御装置６０の構成例を示す図である。
　制御装置６０は、記憶部７０を有し、例えば、記憶部７０又は後述のメモリ９２（図１０参照）に記憶された所定のプログラムを実行することにより、以下の各部として機能する。すなわち、制御装置６０は、所定のプログラムを実行することにより、電圧取得部６１と、故障検出部６２と、故障発報部６３と、動作制御部６４と、ＰＷＭ制御部６５として機能する。なお、上記の各機能は、制御装置６０が有するプロセッサ９１（図１０参照）が実行するプログラムにより実現されても、ハードウェア９３（図１０参照）により実現されてもよい。上記の各部は、所定のプログラムを実行して、以下の処理を行う。
　電圧取得部６１は、電圧検出回路５０と接続され、電圧検出回路５０によって検出されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖを常時取得する。なお、電圧取得部６１は、コイル４０の両端電圧の電圧値Ｖを、例えば、所定時間間隔毎に取得しても良く、不図示の上位装置や不図示の操作部を介してオペレータ等から受け付けた指示に従って取得してもよい。
　故障検出部６２は、電圧取得部６１によって取得されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖの大きさに応じて、半導体スイッチング素子Ｑ等の短絡故障を検出する。故障検出部６２は、例えば、電圧取得部６１によって取得されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖと、記憶部７０又は後述のメモリ９２（図１０参照）に記憶された所定の閾値とを比較する。そして、故障検出部６２は、例えば、電圧値Ｖが所定の閾値よりも大きいときは、半導体スイッチング素子Ｑ等の短絡故障を検出する。なお、故障検出部６２は、現在の諸条件やシミュレーション結果等を基に所定の判定値を演算し、演算された所定の判定値と、コイル４０の両端電圧の電圧値Ｖとを比較して短絡故障を検出してもよい。故障検出部６２は、短絡故障を検出したときは、短絡故障を検出した旨の情報を故障発報部６３及び動作制御部６４の少なくともいずれか一方に出力する。
　故障発報部６３は、故障検出部６２から、短絡故障を検出した旨の情報を取得したときは、故障情報を発報する。故障発報部６３は、例えば、不図示の上位装置等に故障情報を出力することや、電力変換器３０の不図示の表示部や操作部等に警報やアラーム等を表示することにより、故障情報を発報する。なお、故障発報部６３は、動作制御部６４に故障情報を発報してもよい。
　動作制御部６４は、故障検出部６２から、短絡故障を検出した旨の情報を取得したか、又は、故障発報部６３から、故障情報の発報を受け付けたときは、電力変換器３０を保護停止するよう電力変換器３０の各部に動作指示を与える。動作制御部６４は、例えば、半導体スイッチング素子Ｑのスイッチング動作を保護停止（ゲートブロック）するようＰＷＭ制御部６５に動作指示を与えて電力変換器３０を保護停止させても良い。また、動作制御部６４は、例えば、電力変換器３０の不図示の遮断器（開閉器）等を開放するなどの保護動作を行わせることで、電力変換器３０を保護しても良い。また、動作制御部６４は、例えば、並列接続された他の電力変換器３０や太陽電池１０との間の不図示の遮断器（開閉器）を開放するなどの保護動作を行わせることで、電力変換システム１の故障拡大を防いでもよい。なお、動作制御部６４は、例えば、不図示の上位装置や不図示の操作部を介してオペレータ等から受け付けた指示に従って電力変換器３０を保護停止させるよう動作指示を与えても良い。
　なお、制御装置６０は、故障発報部６３及び動作制御部６４のいずれか一方の機能を有するものであってもよく、これらの機能は、不図示の上位装置等の外部装置が備えるものであってもよい。
　ＰＷＭ制御部６５は、例えば、所定の出力電圧指令信号と所定の三角波状のキャリア信号とに基づいてＰＷＭ制御を行い、インバータ回路３２の半導体スイッチング素子Ｑをオンオフさせるゲート信号を生成する。ＰＷＭ制御部６５は、生成されたゲート信号を電力変換器３０のインバータ回路３２に出力し、インバータ回路３２の動作を制御する。ＰＷＭ制御部６５は、動作制御部６４から、電力変換器３０を保護停止させる旨の動作指示を受け付けたときは、半導体スイッチング素子Ｑの動作を停止させるようインバータ回路３２の動作を制御して、電力変換器３０を保護停止させる。
　記憶部７０は、例えば、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）、ＳＳＤ（Solid State Drive）、ＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）、その他の半導体メモリ等の揮発性又は不揮発性の記憶媒体である。記憶部７０は、例えば、制御装置６０の各部の動作に必要なプログラムを記憶するとともに、制御装置６０の各部により、各種の情報の書き込みや読み出しが行われる。記憶部７０は、電圧取得部６１によって取得されるコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖや、故障検出部６２によって故障検出に用いられる所定の閾値等を記憶する。
　記憶部７０は、例えば、不図示のバス等により、制御装置６０の各部と接続されている。なお、記憶部７０は、制御装置６０の外部に設けられ、有線又は無線で制御装置６０と接続されていてもよく、メモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disc）等の外部記憶媒体等であっても、オンラインストレージ等であってもよい。また、記憶部７０は、後述のメモリ９２（図１０参照）と共通であってもよい。
　＜第１実施形態の動作＞
　図３は、図１及び図２に示す電力変換システム１における制御装置６０の短絡故障検出動作の一例を示す図である。
　例えば、電力変換器３０において、Ｕ相の半導体スイッチング素子Ｑの短絡故障が発生すると、ループの短絡電流Ｉ１が流れ、電力変換器３０の配線１１の寄生インダクタンスＬ１に直流コンデンサ３１の回路電圧が印加され、その周りに磁束Φが発生する。なお、ループの短絡電流Ｉ１は、太陽電池１０等の直流電圧源を通るものであってもよい。
　このとき、図１及び図２で説明したとおり、回路の配線１１（電線、ブスバー、プリント基板配線等）の周囲には、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交するようにコイル４０が配置されている。そして、電圧検出回路５０によってコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖが検出される。この場合、制御装置６０の電圧取得部６１は、電圧検出回路５０によって検出されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖを取得する。そして、制御装置６０の故障検出部６２は、電圧値Ｖと所定の閾値とを比較して、電圧値Ｖが所定の閾値を上回った場合に、短絡故障を検出する。
　そして、制御装置６０の故障発報部６３は、短絡故障を検出した旨の情報を取得したときは、故障情報を発報し、制御装置６０の動作制御部６４は、電力変換器３０を保護停止するよう電力変換器３０の各部に動作指示を与える。例えば、制御装置６０のＰＷＭ制御部６５は、インバータ回路３２の動作を制御して、電力変換器３０を保護停止させる。これにより、電力変換システム１を保護することができ、また、故障拡大を防ぐことができる。
　ここで、上記においては、電力変換器３０に直流コンデンサ３１が接続され、直流コンデンサ３１に充電された電圧が短絡されたことを検出して、電力変換システム１の保護及び故障拡大防止の例について説明した。しかし、これには限られず、電力変換器３０に太陽電池や蓄電池や系統などの電源が接続され、当該電源の電圧が短絡された場合にも、上記と同様にすれば、電力変換システム１を保護することができ、また、故障拡大を防ぐことができる。
　なお、電力変換器３０において、半導体スイッチング素子Ｑに短絡故障が発生した場合、例えば、半導体スイッチング素子Ｑと、Ｕ相配線２２Ｕと、Ｖ相配線２２Ｖとをループするように、交流回路２１に短絡電流Ｉ２が流れることもある。この場合、電力変換器３０の配線２２の寄生インダクタンスＬ１に系統２０の電圧が印加され、その周りに磁束Φが発生する。このため、配線２２の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交するようにコイル４０が配置されてもよい。例えば、図３中、Ａの位置に、コイル４０が配置されてもよい。
　＜第１実施形態の動作原理＞
　図４は、図１から図３に示す電力変換システム１における制御装置６０の短絡故障検出動作の動作原理を説明する図である。図４（ａ）は、図１から図３に示す電力変換システム１に短絡故障が発生したときの等価回路を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の等価回路において短絡故障時に生じる電圧変化を示す図である。図４（ｃ）は、図４（ａ）の等価回路において短絡故障時に生じる電流変化を示す図である。
　例えば、充電されたコンデンサの電圧が短絡されるような短絡故障が生じた場合、コンデンサと、短絡点と、その間の配線とによって閉回路が形成される。ここでいう配線は、例えば、電線や、ブスバーや、プリント基板配線等によって構成される。コンデンサ及び短絡点のインピーダンスが十分に小さい場合、コンデンサの電圧の大部分は、配線の寄生インダクタンス（自己インダクタンス）によって分担され、配線の周囲には磁束が発生する。そして、上記の磁束が鎖交するよう、コイルが配置されたとする。コイルは、例えば、電線や、ブスバーや、プリント基板配線等によって構成される。
　このとき、配線の寄生インダクタンス（自己インダクタンス）をＬ１、コイルの自己インダクタンスをＬ２、配線の寄生インダクタンスＬ１とコイルの自己インダクタンスＬ２との間の結合度をｋ、コイルの負荷抵抗をＲとすると、図４（ａ）の等価回路が描ける。
　なお、「結合度ｋ」は、「結合係数ｋ」とも呼ばれるもので、２つの巻線の間（図４（ａ）の場合は、左側の短絡回路ループと右側のコイルとの間）の磁束の結合の度合いを表す。結合度ｋは、０から１の間で表され、例えば、結合度ｋが１のときは、一方の巻線で発生した磁束が、もう一方の巻線を漏れることなく全て貫く（鎖交する）関係性を表す。一方、例えば、結合度ｋが０のときは、一方の巻線で発生した磁束が、もう一方の巻線を全く貫かない（鎖交しない）関係性を表す。このため、「短絡によって発生する磁束が鎖交する」とは、換言すると、結合度ｋが０よりも大きいこと（０から１の間）であり、結合度ｋは、１に近いことが好ましい。
　ここで、配線の寄生インダクタンスＬ１とコイルの自己インダクタンスＬ２との間の相互インダクタンスＭを次の（１）式のようにおく。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　このとき、図４（ａ）に示す等価回路において、次の（２）式に示す回路方程式が成り立つ。但し、ｉ１は配線の寄生インダクタンスＬ１の電流、ｉ２はコイルの自己インダクタンスＬ２の電流、ｓはラプラス演算子である。また、ｖ１はコンデンサ電圧のうち、配線の寄生インダクタンスＬ１の分圧に相当し、ｖ２はコイルの負荷抵抗Ｒに印加される電圧である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　（２）式に示す方程式からｉ１、ｉ２を消去して整理することで、次の（３）式（一次側と二次側との電圧の関係式）が得られる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　（３）式より、ｖ２は、ｖ１の一次遅れの応答となっており、時定数は、次の（４）式に示すとおりである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　この（４）式に示す時定数に対して十分長い時間が経過した後は、ｖ２はｖ１に略比例する。すなわち、一次遅れ系の時定数は、（４）式に示されるように、（３）式のｓの係数の部分であることから、これが小さければ、一次遅れ系の時定数が小さくなるため、ｖ２はｖ１に略比例するといえる。従って、コイルの両端電圧を、入力インピーダンスの十分大きい電圧検出回路で測定すれば、短絡事故発生時に短絡されたコンデンサの電圧に略比例する電圧を検出することができる。
　図４（ｂ）は、図４（ａ）の等価回路において短絡故障時に生じる電圧変化を示す図であり、縦軸は電圧を示し、横軸は時間を示す。図４（ｃ）は、図４（ａ）の等価回路において短絡故障時に生じる電流変化を示す図であり、縦軸は電流を示し、横軸は時間を示す。図４（ｂ）及び図４（ｃ）において、横方向の破線は、短絡故障検出のための所定の閾値を示す。なお、図４（ｂ）及び図４（ｃ）では、二次側の回路は一旦無視されている。
　図４（ａ）に示す等価回路において、電流ｉ１は、図４（ｃ）に示すように、短絡によって構成された回路ループの寄生インダクタンスＬ１の逆数と、短絡された電圧ｖ１の時間積分の積に略比例する。従って、例えば、図４（ｂ）に示される短絡時に発生する電圧変化に対して、図４（ｃ）に示される電流ｉ１の変化には遅れが生じる。
　例えば、図４（ａ）に示される短絡故障が発生すると、図４（ｂ）に示されるように、電圧ｖ１は、ステップ的に寄生インダクタンスＬ１に印加される。上述の原理では、一次遅れではあるものの一次遅れの時定数をかなり小さくできるため、略このままの波形に比例する電圧を遅れなく検出可能である。一方、電流ｉ１は、この電圧ｖ１の積分となるため、図４（ｃ）に示されるように、原理的に遅れが生じる。
　そのため、所定の閾値に基づいて、図４（ｂ）に示される短絡時に発生する電圧変化を検出する方式は、図４（ｃ）に示される電流変化を検出する方式と比較して、短絡故障を原理的に高速に検出できる。
　以上の原理により、図１から図３に示す電力変換システム１における制御装置６０は、電圧検出回路５０によって検出されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖを取得し、当該電圧値Ｖと所定の閾値とを比較することにより、短絡故障を遅れなく検出することができる。
　＜第１実施形態の作用効果＞
　以上、図１から図４に示す第１実施形態では、太陽電池１０、直流コンデンサ３１、系統２０等の電源の電圧が短絡される短絡故障が発生したときに、配線１１や配線２２の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交する位置にコイル４０が配置される。そして、電圧検出回路５０によってコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖが検出され、検出されたコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖが制御装置６０によって取得される。そして、制御装置は、取得された電圧値Ｖが所定の閾値を超えるときに、電力変換器３０の短絡故障を検出し、電力変換器３０の保護停止や、不図示の遮断器の開放などの保護動作を行う。これにより、図１から図４に示す第１実施形態によれば、従来よりも簡素で安価な構成で、電力変換システム１を保護することができ、また、電力変換システム１の故障拡大を防ぐことができる。
　また、図１から図４に示す第１実施形態によれば、図４で説明したとおり、短絡故障時に発生する電流ｉ１は、短絡によって構成された回路ループの寄生インダクタンスＬ１の逆数と、短絡された電圧ｖ１の時間積分の積に略比例する。このため、短絡時に発生する電圧変化に対して、電流ｉ１には遅れが生じる。これにより、図１から図４に示す第１実施形態によれば、短絡電流Ｉ１を検出する方式と比較して、短絡故障を原理的に高速に検出することができる。
　また、図１から図４に示す第１実施形態によれば、短絡故障時に発生する磁束Φを検出するためのコイル４０は、一般的な電線を数回巻くことでも作成できる。これにより、図１から図４に示す第１実施形態によれば、従来よりも簡素で安価な構成で、電力変換システム１を保護することができ、また、電力変換システム１の故障拡大を防ぐことができる。
　また、図１から図４に示す第１実施形態によれば、短絡故障時に発生する磁束Φを検出するためのコイル４０は、電力変換器３０を含む主回路とは電気的に絶縁されている。このため、図１から図４に示す第１実施形態によれば、短絡故障時に発生する電圧変化を直接測定して検出する場合よりも、簡素で安価な構成で、電力変換システム１を保護することができ、また、電力変換システム１の故障拡大を防ぐことができる。
　また、図１から図４に示す第１実施形態によれば、短絡故障時に発生する磁束Φを検出するためのコイル４０は、一般的な電線を数回巻くことでも作成でき、かつ、電力変換器３０を含む主回路とは電気的に絶縁されている。このため、図１から図４に示す第１実施形態によれば、既存の電力変換システム１にコイル４０を後付けで設置することも可能であり、既存の電力変換システム１を後付けで保護することも可能である。
　＜第１実施形態の変形例＞
　図５は、第１実施形態の変形例に係る電力変換器３０Ａの構成例を示す図である。なお、図５に示す実施形態では、図１～図４に示す実施形態と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。なお、図５においては、図面の簡単のため、図１～図４に示す実施形態と同一又は同様の一部構成要素については、省略又は簡略化して示されている。
　図５に示す電力変換器３０Ａは、図１に示す電力変換器３０とほぼ同様の構成であるが、一部構成要素が変更されている。電力変換器３０Ａでは、直流コンデンサ３１が２つ並列して配置され、インバータ回路３２を構成する３つの半導体モジュールが配置され、それらが配線１１を構成するブスバーで接続されている。
　この場合、半導体モジュール（インバータ回路）３２のｐ端子とｎ端子との間で短絡故障が発生すると、直流コンデンサ３１からこの半導体モジュールの短絡点に向かってループの短絡電流Ｉ３が流れる。電流のループが有るところには磁束Φが発生するため、図５に示す実施形態では、当該磁束Φが拾えるように、短絡電流Ｉ３のループの上にコイル４０が配置されている。
　また、図５に示す実施形態では、直流コンデンサ３１が２つ並列されているが、２つ並列された直流コンデンサ３１の間にも寄生インダクタンスＬ１が発生するため、コイル４０は、当該寄生インダクタンスＬ１にかかる電圧も拾う形になっている。なお、コイル４０が配置される場所は、短絡電流Ｉ３のループが発生させる磁束Φが鎖交する場所であればどこでもよく、例えば、図５中、Ｂで示される場所に配置されてもよい。
　また、短絡電流Ｉ３のループが発生させる磁束Φが鎖交するような、コイル４０の設置位置が容易にわからない場合には、電磁気学の法則に基づいて、短絡電流Ｉ３の周りに発生する磁束の向きと大きさを概算し、コイル４０に十分な大きさの磁束が鎖交するように配置しても良い。
　また、コンピュータを用いた数値解析によって、短絡電流Ｉ３のループの周りに発生する磁束を計算し、コイル４０に十分な大きさの磁束が鎖交するように配置しても良い。
　また、例えば、半導体モジュール（インバータ回路３２）の交流側で短絡故障が発生すると、ループの短絡電流Ｉ４が流れる。このため、短絡電流Ｉ４のループの磁束Φが拾えるように、短絡電流Ｉ４のループの上の、例えば、図５中、Ｃの位置にコイル４０が配置されてもよい。
　以上、図５に示す第１実施形態の変形例によれば、図１～図４に示す第１実施形態と同様の効果を奏する。
　＜第２実施形態＞
　図６は、第２実施形態に係る電力変換システム１Ｂの構成例を示す図である。なお、図６に示す実施形態では、図１～図５に示す実施形態と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。
　図６に示す電力変換システム１Ｂでは、図１に示す電力変換器３０と同様の構成を有する電力変換器３０Ｂが２台並列接続されている。すなわち、上側の電力変換器３０Ｂに接続される配線１１が接続点Ｐ１で分岐され、図６中、縦方向の配線１２によって、下側の電力変換器３０Ｂに接続される配線１３と接続されている。換言すれば、縦方向の配線１２は、上側の電力変換器３０Ｂと下側の電力変換器３０Ｂとの間を接続する配線である。
　この場合、図６中、上側の電力変換器３０ＢのＵ相の半導体スイッチング素子Ｑに短絡故障が発生した場合、上側の電力変換器３０Ｂの直流コンデンサ３１からループの短絡電流Ｉ５が流れる。また、それとは別に、下側の電力変換器３０Ｂの直流コンデンサ３１からもループの短絡電流Ｉ６が流れる。
　このとき、図１～図４に示す実施形態では、ループの短絡電流Ｉ５が流れる位置にコイル４０を配置していた。すなわち、図１～図４に示す実施形態では、上側の電力変換器３０Ｂにおける直流コンデンサ３１と、半導体スイッチング素子Ｑとの間の寄生インダクタンスＬ１にかかる電圧を検出可能な位置にコイル４０を配置していた。
　しかし、この場合、例えば、下側の電力変換器３０Ｂに短絡故障が発生したときは、下側の電力変換器３０Ｂにおける直流コンデンサ３１と、半導体スイッチング素子Ｑとの間の寄生インダクタンスＬ１にかかる電圧を検出することができない。このため、図１～図４に示す実施形態のようなコイル４０の配置方法では、電力変換器３０Ｂが複数台並列接続された場合、複数台の電力変換器３０Ｂの台数分のコイル４０が必要となる。
　一方、図６に示す実施形態では、上側の電力変換器３０Ｂと下側の電力変換器３０Ｂとの間（電力変換器３０Ｂ同士の間）を接続する縦方向の配線１２の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交する位置にコイル４０が配置されている。すなわち、図６に示す実施形態では、ループの短絡電流Ｉ６が流れるため、短絡電流Ｉ６の経路の磁束Φが拾えるように、縦方向の配線１２の周囲にコイル４０が配置されている。換言すれば、コイル４０は、並列接続された２台の電力変換器３０Ｂの間にある寄生インダクタンスＬ１にかかる電圧が拾える配線１２の位置に配置されている。
　これにより、図６に示す実施形態では、並列接続された２台の電力変換器３０Ｂの何れで短絡故障が発生しても、電圧を検出することが出来る。また、電力変換器３０Ｂ同士の間を接続する配線１２の位置にコイル４０を配置すれば、例えば２台以上の複数台の電力変換器３０Ｂが並列接続された場合であっても、何れの電力変換器３０Ｂで短絡故障が発生しても、コイル４０は、電圧を検出することが出来る。
　なお、コイル４０は、交流側の縦方向の配線２３の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交する位置に配置されてもよい。例えば、コイル４０は、図６中、Ｄの位置に配置されてもよい。
　以上、図６に示す第２実施形態によれば、図１～図５に示す実施形態と同様の効果を奏する。
　また、図６に示す第２実施形態によれば、コイル４０は、複数台の電力変換器３０Ｂ同士の間を接続する配線１２の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交する位置に配置される。これにより、複数台の電力変換器３０Ｂのそれぞれに台数分のコイル４０を配置する必要は無く、コイル４０が１つ配置されれば、何れの電力変換器３０Ｂで短絡故障が発生しても、短絡故障を検出することができる。このため、図６に示す第２実施形態によれば、コイル４０の数を抑制することが可能であり、より簡素で安価な構成で、電力変換システム１Ｂを保護することができ、また、電力変換システム１Ｂの故障拡大を防ぐことができる。
　＜第２実施形態の変形例＞
　図７は、第２実施形態の変形例に係る電力変換器３０Ｃの構成例を示す図である。なお、図７に示す実施形態では、図１～図６に示す実施形態と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。なお、図７においては、図面の簡単のため、図１～図６に示す実施形態と同一又は同様の一部構成要素については、省略又は簡略化して示されている。
　図７に示す電力変換器３０Ｃは、図６に示す電力変換器３０Ｂとほぼ同様の構成であるが、一部構成要素が変更されている。２つの電力変換器３０Ｃでは、直流コンデンサ３１が２つずつ配置され、インバータ回路３２を構成する３つの半導体モジュールが配置されている。これらの直流コンデンサ３１と半導体モジュール（インバータ回路）３２とが、上側の電力変換器３０Ｃでは、配線１４を構成するブスバー１４で接続され、下側の電力変換器３０Ｃでは、配線１３を構成するブスバー１３で接続されている。そして、上側の電力変換器３０Ｃにおけるブスバー１４と、下側の電力変換器３０Ｃにおけるブスバー１３とが、縦方向の配線１２を構成するブスバー１２で接続されている。また、縦方向のブスバー１２は、配線１１を構成するブスバー１１によって、太陽電池１０と接続されている。
　図７に示す実施形態では、上側の電力変換器３０Ｃと下側の電力変換器３０Ｃとの間（電力変換器３０Ｃ同士の間）を接続する縦方向のブスバー１２の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交する位置にコイル４０が配置されている。すなわち、図７に示す実施形態では、ループの短絡電流Ｉ７が流れるため、短絡電流Ｉ７の経路の磁束Φが拾えるように、縦方向のブスバー１２の周囲にコイル４０が配置されている。換言すれば、コイル４０は、並列接続された２台の電力変換器３０Ｃの間にある寄生インダクタンスＬ１にかかる電圧が拾えるブスバー１２の位置に配置されている。
　以上、図７に示す第２実施形態の変形例によれば、図６に示す第２実施形態と同様の効果を奏する。
　＜第３実施形態＞
　図８は、第３実施形態に係る電力変換器３０Ｄの構成例を示す図である。なお、図８に示す実施形態では、図１～図７に示す実施形態と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。なお、図８においては、図面の簡単のため、図１～図７に示す実施形態と同一又は同様の一部構成要素については、省略又は簡略化して示されている。
　図８に示す実施形態では、電力変換器３０Ｄは、中性点クランプ型３レベルのインバータ回路３２Ｄを有する。この場合、図８中、Ｕ相の半導体スイッチング素子Ｑに短絡故障が発生した場合、直流コンデンサ３１から、例えば、ループの短絡電流Ｉ８や、ループの短絡電流Ｉ９等が流れる。
　図８に示す実施形態では、コイル４０は、正極配線１１Ｐと中性点配線１１Ｍと負極配線１１Ｎとを接続する、図８中、縦方向の配線１５の全体をカバーするように配置される。これにより、図８に示す実施形態では、コイル４０は、ループの短絡電流Ｉ８及びループの短絡電流Ｉ９の何れの経路の磁束Φも拾うことが出来る（何れの経路の磁束Φとも鎖交する）。また、図８に示す位置にコイル４０を配置すれば、インバータ回路３２Ｄの何れの半導体スイッチング素子Ｑに短絡故障が発生した場合であっても、短絡故障を検出することができる。
　以上、図８に示す第３実施形態によれば、図１～図７に示す実施形態と同様の効果を奏する。
　＜第４実施形態＞
　図９は、第４実施形態に係る電力変換器３０Ｅの構成例を示す図である。なお、図９に示す実施形態では、図１～図８に示す実施形態と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。なお、図９においては、図面の簡単のため、図１～図８に示す実施形態と同一又は同様の一部構成要素については、省略又は簡略化して示されている。
　図９に示す実施形態では、電力変換器３０Ｅは、中性点スイッチ型３レベルのインバータ回路３２Ｅを有する。この場合、図９中、Ｕ相の半導体スイッチング素子Ｑに短絡故障が発生した場合、直流コンデンサ３１から、例えば、図９に示すループの短絡電流Ｉ１０やループの短絡電流Ｉ１１等が流れる。
　図９に示す実施形態では、コイル４０は、正極配線１１Ｐと中性点配線１１Ｍと負極配線１１Ｎとを接続する、図９中、縦方向の配線１５の全体をカバーするように配置される。これにより、図９に示す実施形態では、コイル４０は、ループの短絡電流Ｉ１０及びループの短絡電流Ｉ１１の何れの経路の磁束Φも拾うことが出来る（何れの経路の磁束Φとも鎖交する）。また、図９に示す位置にコイル４０を配置すれば、インバータ回路３２Ｅの何れの半導体スイッチング素子Ｑに短絡故障が発生した場合であっても、短絡故障を検出することができる。
　以上、図９に示す第４実施形態によれば、図８に示す第３実施形態と同様の効果を奏する。
　＜ハードウェア構成例＞
　図１０は、図１～図９に示した実施形態における制御装置６０が有する処理回路のハードウェア構成例を示す概念図である。上述した各機能は処理回路により実現される。一態様として、処理回路は、少なくとも１つのプロセッサ９１と少なくとも１つのメモリ９２とを備える。他の態様として、処理回路は、少なくとも１つの専用のハードウェア９３を備える。
　処理回路がプロセッサ９１とメモリ９２とを備える場合、各機能は、ソフトウェア、ファームウェア、又はソフトウェアとファームウェアとの組み合わせにより実現される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、プログラムとして記述される。ソフトウェアおよびファームウェアの少なくとも一方は、メモリ９２に格納される。プロセッサ９１は、メモリ９２に記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、各機能を実現する。
　処理回路が専用のハードウェア９３を備える場合、処理回路は、例えば、単一回路、複合回路、プログラム化したプロセッサ、又はこれらを組み合わせたものである。各機能は処理回路で実現される。
　制御装置６０が有する各機能は、それぞれ一部又は全部がハードウェアによって構成されてもよく、プロセッサが実行するプログラムとして構成されてもよい。すなわち、制御装置６０は、コンピュータとプログラムとによっても実現可能であり、プログラムは、記憶媒体に記憶されることも、ネットワークを通して提供されることも可能である。
　＜比較例＞
　図１１は、比較例に係る電力変換システム１００の構成例を示す図である。なお、図１１に示す実施形態では、図１～図１０に示す実施形態と同一又は同様の構成については同一の符号を付し、詳細な説明は省略又は簡略化する。
　図１１に示す比較例に係る電力変換システム１００では、複数の単位電力変換器１３０が並列接続されている。複数の単位電力変換器１３０は、直流側は、不図示の直流電源１１０に接続され、交流側は、系統１２０に接続される。複数の単位電力変換器１３０の各々は、インバータ回路１３２と、直流コンデンサ１３１と、交流リアクトル１３３とを備え、インバータ回路１３２は、不図示の複数のスイッチング素子を備える。
　複数の単位電力変換器１３０において、正極Ｐ側と負極Ｎ側とは、互いに接続され、中性点Ｍは、互いに接続されていない。また、複数の単位電力変換器１３０では、電流センサ１３４が、正極Ｐ側に設けられ、正極Ｐ側に流れる電流を検出する。なお、電流センサ１３４は、負極Ｎ側に設けられ、負極Ｎ側に流れる電流を検出してもよい。
　このような、図１１に示す比較例では、例えば、図１１中、一番上の単位電力変換器１３０のインバータ回路１３２で短絡故障が発生した場合、並列接続されている直流コンデンサ１３１から、例えば、図１１に示すループの短絡電流Ｉ’が流れる。このため、図１１に示す比較例では、電流センサ１３４によって、短絡電流Ｉ’が検出され、電力変換システム１００の保護を図られている。しかし、図１１に示す比較例では、電流センサ１３４が配置される位置には、故障のない通常時にも電流が流れるため、それに合わせた定格電流の電流センサ１３４が必要であり、高コストとなることがある。また、短絡時に発生する電圧変化に対して、短絡電流Ｉ’には遅れが生じるため、図１１に示す比較例では、電圧変化を検出する方式と比較して、短絡故障の検出が遅くなる。
　一方、図１１に示す比較例において、短絡故障によって生じる電圧変化を直接測定しようとすると、正極Ｐ側と負極Ｎ側との間に、絶縁せずに不図示の電線を接続させて不図示の電圧センサで電圧値Ｖ’を測定する必要がある。このとき、例えば、単位電力変換器１３０の主回路の電圧は、１０００ボルト程度であることも珍しくないため、それに応じた絶縁性能のある電線を使用しなければならず、また、それに応じた絶縁距離も必要であるため、高コストとなることがある。
　また、図１１に示す比較例における短絡電流Ｉ’を検出する方式では、電流センサ１３４を複数の単位電力変換器１３０にそれぞれ配置しなければならない。また、図１１に示す比較例における電圧値Ｖ’を直接測定する方式では、不図示の電線や電圧センサを複数の単位電力変換器１３０にそれぞれ配置しなければならない。このため、電流センサ１３４や不図示の電線や電圧センサを複数の単位電力変換器１３０の台数分配置しなければならず、高コストとなることがある。
　一方、図１から図１０に示す実施形態によれば、配線１１等の周囲であって、短絡故障によって発生する磁束Φが鎖交する位置にコイル４０が配置され、電圧検出回路５０によってコイル４０の両端電圧の電圧値Ｖが検出されることで、短絡故障が検出される。そして、短絡故障時に発生する磁束Φを検出するためのコイル４０は、一般的な電線を数回巻くことでも作成できる。このため、図１から図１０に示す実施形態によれば、図１１に示す比較例と比べて、簡素で安価な構成で、電力変換システム１等を保護することができる。
　また、図１から図１０に示す実施形態によれば、図１１に示す比較例における短絡電流Ｉ’を検出する方式と比較して、短絡故障を原理的に高速に検出することができる。
　また、図１から図１０に示す実施形態によれば、短絡故障時に発生する磁束Φを検出するためのコイル４０は、主回路とは電気的に絶縁されている。このため、図１から図１０に示す実施形態によれば、図１１に示す比較例における電圧値Ｖ’を直接測定する方式と比べて、簡素で安価な構成で、電力変換システム１等を保護することができる。
　また、図１から図１０に示す実施形態によれば、図１１に示す比較例とは異なり、コイル４０を後付けで設置することが可能であり、既存の電力変換システム１等を後付けで保護することも可能である。
　また、図１から図１０に示す実施形態によれば、図１１に示す比較例とは異なり、複数台の電力変換器３０が並列接続された場合であっても、コイル４０が１つ配置されれば、何れの電力変換器３０で短絡故障が発生しても、短絡故障を検出することができる。このため、図１から図１０に示す実施形態によれば、図１１に示す比較例と比べて、より簡素で安価な構成で、電力変換システム１等を保護することができる。
　＜実施形態の補足事項＞
　以上、図１から図１０に示す実施形態によれば、本件開示の一態様として、電力変換システム１～１Ｅ（電力変換器３０～３０Ｅ）及びこれらが有する制御装置６０を例に説明したが、これには限られない。本件開示は、制御装置６０の各部における処理ステップが行われる短絡故障検出方法としても実現可能である。
　また、本件開示は、制御装置６０の各部における処理ステップをコンピュータに実行させる短絡故障検出プログラムとしても実現可能である。
　また、本件開示は、短絡故障検出プログラムが記憶された記憶媒体（非一時的なコンピュータ可読媒体）としても実現可能である。短絡故障検出プログラムは、例えば、ＣＤ（Compact Disc）あるいはＤＶＤ（Digital Versatile Disc）、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ等のリムーバブルディスク等に記憶して頒布することができる。なお、短絡故障検出プログラムは、制御装置６０が有する不図示のネットワークインタフェース等を介してネットワーク上にアップロードされてもよく、ネットワークからダウンロードされ、記憶部７０等に格納されてもよい。
　以上の詳細な説明により、実施形態の特徴点および利点は明らかになるであろう。これは、特許請求の範囲がその精神および権利範囲を逸脱しない範囲で前述のような実施形態の特徴点および利点にまで及ぶことを意図するものである。また、当該技術分野において通常の知識を有する者であれば、あらゆる改良および変更に容易に想到できるはずである。したがって、発明性を有する実施形態の範囲を前述したものに限定する意図はなく、実施形態に開示された範囲に含まれる適当な改良物および均等物に拠ることも可能である。
　１，１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，１Ｅ…電力変換システム；１０…直流電源（太陽電池）；１１…配線（ブスバー）；１１Ｍ…中性点配線；１１Ｎ…負極配線；１１Ｐ…正極配線；１２…配線（ブスバー）；１３…配線（ブスバー）；１４…配線（ブスバー）；１５…配線（ブスバー）；２０…交流電力系統（系統）；２１…交流回路（三相交流回路）；２２…配線（ブスバー）；２２Ｕ…Ｕ相配線；２２Ｖ…Ｖ相配線；２２Ｗ…Ｗ相配線；２３…配線（ブスバー）；３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，３０Ｅ…電力変換器；３１…直流コンデンサ；３２，３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｅ…インバータ回路（半導体モジュール）；３３…交流リアクトル；４０…コイル；５０…電圧検出回路；６０…制御装置；６１…電圧取得部；６２…故障検出部；６３…故障発報部；６４…動作制御部；６５…ＰＷＭ制御部；７０…記憶部；９１…プロセッサ；９２…メモリ；９３…ハードウェア；１００…電力変換システム；１２０…系統；１３０…単位電力変換器；１３１…直流コンデンサ；１３２…インバータ回路；１３３…交流リアクトル；１３４…電流センサ；Ｃ…コンデンサ；Ｄ…還流ダイオード；Ｉ，Ｉ’，Ｉ１～Ｉ１１…短絡電流；ｉ１，ｉ２…電流；ｋ…結合度（結合係数）；Ｌ１…寄生インダクタンス（自己インダクタンス）；Ｌ２…自己インダクタンス；Ｍ…相互インダクタンス；Ｍ…中性点；Ｎ…負極；Ｐ…正極；Ｐ１…接続点；Ｑ…半導体スイッチング素子；Ｒ…負荷抵抗；Ｖ，Ｖ’…電圧値；ｖ１，ｖ２…電圧；Φ…磁束

Claims (8)

  1. 　電源又はコンデンサと配線を介して接続される電力変換器と、
    　前記電源又はコンデンサの電圧が短絡される短絡故障が発生したときに、前記配線の周囲であって、前記短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されるコイルと、
    　前記コイルの両端電圧の電圧値を検出する電圧検出回路と、
    　を備える電力変換システムの制御装置であって、
    　前記電圧検出回路によって検出される前記コイルの両端電圧の前記電圧値を取得する電圧取得部と、
    　前記電圧取得部によって取得される前記電圧値に基づいて、前記電力変換器の短絡故障を検出する故障検出部と、
    　を備えることを特徴とする制御装置。
  2. 　請求項１に記載の制御装置において、
    　前記故障検出部は、前記電圧値が所定の閾値を超えるときは、前記電力変換器の前記短絡故障を検出する
    　ことを特徴とする制御装置。
  3. 　請求項１又は請求項２に記載の制御装置において、
    　前記故障検出部によって、前記電力変換器の短絡故障が検出されるときは、前記電力変換器を保護停止させる動作指示を出力する動作制御部をさらに備える
    　ことを特徴とする制御装置。
  4. 　電源又はコンデンサと配線を介して接続される電力変換器と、
    　前記電源又はコンデンサの電圧が短絡する短絡故障が発生したときに、前記配線の周囲であって、前記短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置されるコイルと、
    　前記コイルの両端電圧の電圧値を検出する電圧検出回路と、
    　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の制御装置と、
    　を備えることを特徴とする電力変換システム。
  5. 　請求項４に記載の電力変換システムにおいて、
    　前記配線は、電線、ブスバー、又はプリント基板配線のいずれかである
    　ことを特徴とする電力変換システム。
  6. 　請求項４又は請求項５に記載の電力変換システムにおいて、
    　前記コイルは、電線、ブスバー、又はプリント基板配線のいずれかである
    　ことを特徴とする電力変換システム。
  7. 　請求項４から請求項６の何れか１項に記載の電力変換システムにおいて、
    　前記コイルは、主回路とは電気的に絶縁されている
    　ことを特徴とする電力変換システム。
  8. 　請求項４から請求項７の何れか１項に記載の電力変換システムにおいて、
    　前記電力変換器が、前記電源又はコンデンサと、前記配線を介して複数台並列接続されるときは、前記コイルは、複数台の前記電力変換器同士を接続する前記配線の周囲であって、前記短絡故障によって発生する磁束が鎖交する位置に配置される
    　ことを特徴とする電力変換システム。
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