(57)【要約】【課題】単位変換器を多めに持つ冗長化した電力変換装置において、簡単な構成で、単位変換器故障時も安定した電圧波形を出力することができる電力変換装置及び電力変換方法を提供する。【解決手段】電力変換装置１０２は、交流電圧、アーム電流、単位変換器１０８が出力するコンデンサ電圧ＶＣｊｋを取り込み、ゲート信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋを、ゲート信号線１１０を介して各双方向チョッパ型単位変換器１０８に転送する制御装置１０９を備える。制御装置１０９は、各単位変換器の故障を検出し、各アームでの故障信号数を送信する故障検出部３０１と、故障信号数を受信した際に各々のアームの単位変換器を故障信号数に応じた分、順番に巡回して出力を短絡動作させる短絡動作命令部３０２と、各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部３０３と、を備える。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンデンサを有する単位変換器を所定数直列に接続した単位変換器列を複数列備えて、入力端子と出力端子の間で、直流を交流に又は交流を直流に変換する変換回路と、
前記各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部と、
前記各単位変換器の故障を検出する故障検出部と、
前記故障検出部の検出結果に基づいて、前記単位変換器列ごとに単位変換器の故障数を求め、当該故障数に応じて、各単位変換器列における前記単位変換器の動作を調整する動作命令部と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記動作命令部は、前記動作の調整を、前記故障数が全部の前記単位変換器列の中で最大である最大故障数に基づいて、所定の前記単位変換器を短絡させることにより行う短絡動作命令部である
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記短絡動作命令部は、前記最大故障数と各単位変換器列における故障数とに応じて、各単位変換器列に属する単位変換器を順番に巡回して前記単位変換器ごとに出力を短絡動作させる
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、当該故障した単位変換器が存在しない各々の前記単位変換器列において、前記最大故障数分の前記単位変換器を所定時間ごとに順番に巡回させて短絡動作させる
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、当該故障した単位変換器が存在する各々の前記単位変換器列において、前記最大故障数と各々の単位変換器列の故障数との差分の数分の単位変換器を所定時間ごとに順番に巡回させて短絡動作させる
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、各々の単位変換器列における各単位変換器の巡回による短絡動作の切替タイミングが、次に短絡動作させようとする単位変換器において、搬送波がピーク値又はボトム値である時点とする
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記短絡動作命令部は、前記単位変換器列のいずれかの単位変換器が故障した場合、所定時間ごとに短絡動作させる単位変換器を前記最大故障数に応じた分巡回させている時の各単位変換器のコンデンサ電圧が、正常運転時のコンデンサ電圧に、各単位変換器列に存在する単位変換器数を当該単位変換器数と前記最大故障数との差分数で除した値を掛けたコンデンサ電圧の大きさとなるように制御する
ことを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記単位変換器列はアームであり、
前記変換回路は、第１のアームと第２のアームの一端同士を直列に接続してレグを構成し、前記第１のアームと前記第２のアームの接続部分に交流の前記出力端子を接続し、前記第１のアームの他端を前記入力端子のうちの正側の直流端子とし、前記第２のアームの他端を前記入力端子のうちの負側の直流端子としたモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器である
ことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記短絡動作命令部は、前記第１のアームと前記第２のアームとで前記故障数が異なる場合、前記故障数の差分数に等しくなるように前記故障数が少ない方のアームにおける単位変換器の動作数を調整して動作させる
ことを特徴とする請求項８記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記変換回路は、前記単位変換器列を３列と、前記単位変換器列に接続されたΔ結線及び千鳥形結線とを有する変圧器とを備え、
前記３列の単位変換器列のうち、前記故障数が異なる場合、前記故障数の差分数に等しくなるように前記故障数が少ない方の単位変換器列における単位変換器の動作数を調整して動作させる零相キャンセル形モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器である
ことを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項１１】
電力変換装置に備わる制御装置が、
変換回路を介して、コンデンサを有する単位変換器を所定数直列に接続した単位変換器列を複数列備えて、入力端子と出力端子の間で、直流を交流に又は交流を直流に変換し、
パルス信号生成部を介して、前記各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成し、
故障検出部を介して、前記各単位変換器の故障を検出し、
動作命令部を介して、前記故障検出部の検出結果に基づいて、前記単位変換器列ごとに単位変換器の故障数を求め、当該故障数に応じて、各単位変換器列における前記単位変換器の動作を調整する
ことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【請求項１２】
前記動作命令部では、前記動作の調整を、前記故障数が全部の前記単位変換器列の中で最大である最大故障数に基づいて、所定の前記単位変換器を短絡させることにより行う
ことを特徴とする請求項１１記載の電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧型電力変換装置及び電力変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、交流を直流にあるいは直流を交流に変換する電力変換装置が多く用いられている。この種の電力変換装置は高電圧の分野にも応用されている。その場合に、例えば、半導体スイッチング素子（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴなど）を含んだ単位変換器を利用して、この単位変換器を複数直列に接続する。このような構成であれば高い電圧に耐えられる。
【０００３】
このような構成では、例えば、単位変換器を直列に接続しアームとして構成し、さらに、このアームを直列に接続してレグとして構成する。レグにおいてアームの接続点を交流端子とし、一方、レグの他端を直流端子とする。各単位変換器の動作を制御することで、アームに流れる電流を制御して、交流端子と直流端子の間で電力変換を行う。
【０００４】
一般に、電力変換の分野では、複数の相を扱うことが多い。そのため、各々のレグにおいてアームの接続点を交流端子とすると共に、一方、各々のレグの直流端子を互いに接続する。そして、このような構成において、各々のアームに交流端子が接続される交流系統の周波数の逆数で決まる周期的な電流が流れるように制御することで、複数の相を扱いながら、直流端子と交流端子の間で電力変換を行う。
【０００５】
しかし、このような変換装置において、複数接続された単位変換器の内でいずれかの単位変換器が故障した場合、各相電圧間の不平衡、電圧低下などの問題が生じる。この場合、故障した変換器の出力端子を短絡させることが一般的に行われているが、それだけでは上記の問題は解決できない。その問題を解決するために、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されているような技術が開示されている。
【０００６】
例えば、三相のアームのうちの１相のアームで単位変換器が故障した場合に、故障が生じた相で電圧低下が起きる。特許文献１の技術では、この時に故障が生じた相の出力電圧を正常時電圧の大きさになるように制御して、電圧の不平衡を防ぐとともに電圧利用率の低下を抑制している。
【０００７】
また、特許文献２の技術では、故障した単位変換器が存在するアームにおいて正常動作している単位変換器数に合わせるように、各アームの単位変換器をその故障数に応じた数だけ短絡動作させるように制御することで、電圧の不平衡を解消しようとする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−２５０５３４号公報
【特許文献２】特表２００９−５０９４８３号公報
【特許文献３】特開２０１０−２３３４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１では、三相の変調率を更に各相毎に調整するための制御方式が必要になり、各相毎に変調率を変化させねばならない。そのための、変調率を変化させる制御は、複雑になることが考えられる。
【００１０】
また、特許文献２では、短絡動作させる単位変換器が固定されているため、短絡動作させる単位変換器の半導体素子損失が平均化されず、特定の半導体素子に負担がかかってしまう問題点が挙げられる。特定の半導体素子に負担がかかると当該素子の寿命が短くなり、長期間使用した場合に当該素子が故障につながる可能性が大きくなる。また、損失が一箇所に集中するので、それを均等化させることが好ましい。
【００１１】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、単位変換器を多めに持つ冗長化した電力変換装置において、簡単な構成で、単位変換器故障時も安定した電圧波形を出力することができる電力変換装置及び電力変換方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の電力変換装置は、コンデンサを有する単位変換器を所定数直列に接続した単位変換器列を複数列備えて、入力端子と出力端子の間で、直流を交流に又は交流を直流に変換する変換回路と、前記各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部と、前記各単位変換器の故障を検出する故障検出部と、前記故障検出部の検出結果に基づいて、前記単位変換器列ごとに単位変換器の故障数を求め、当該故障数に応じて、各単位変換器列における前記単位変換器の動作を調整する動作命令部と、を備える。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、単位変換器を多めに持つ冗長化した電力変換装置において、簡単な構成で、単位変換器故障時も安定した電圧波形を出力することができる電力変換装置及び電力変換方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。
【図２】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の双方向チョッパ型単位変換器の内部構成を示す図である。
【図３】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の制御装置の内部で実行されている制御を示す図である。
【図４】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の故障検出部の動作を示すフローチャートである。
【図５】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の短絡動作命令部の動作を示すフローチャートである。
【図６】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の冗長数１の場合に１アーム内の各変換器に短絡動作させる順序を示す図である。
【図７】上記第１の実施形態に係る電力変換装置の１アームに４段の単位変換器が存在する場合において、短絡動作させる所定時間を説明する波形図であり、（ａ）はＲ相１段目セルＰＷＭ信号の波形、（ｂ）はＲ相２段目セルＰＷＭ信号の波形、（ｃ）はＲ相３段目セルＰＷＭ信号の波形、（ｄ）はＲ相４段目セルＰＷＭ信号の波形である。
【図８】変換器故障時における、上記第１の実施形態を実施しない場合の交流電圧波形を比較例として示す図であり、（ａ）はＲ相電圧波形、（ｂ）はＳ相電圧波形、（ｃ）はＴ相電圧波形である。
【図９】変換器故障時における、上記第１の実施形態を実施した場合の交流電圧波形を示す図であり、（ａ）はＲ相電圧波形、（ｂ）はＳ相電圧波形、（ｃ）はＴ相電圧波形である。
【図１０】本発明の第２の実施形態に係るＺＣ−ＭＭＣの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る電力変換装置の構成を示す図である。本実施形態の電力変換装置は、モジュラー・マルチレベル変換器（Modular Multilevel Converter：ＭＭＣ）型の電力変換装置に適用した例である。本実施形態の電力変換装置では、各アームは双方向チョッパ型単位変換器で構成される。ここでは、双方向チョッパ型単位変換器の例で説明するが、その他の、例えばフルブリッジ型単位変換器を用いても同等の効果があり、単位変換器として他の型の単位変換器を使ってもよい。以下、双方向チョッパ型単位変換器について適宜、単位変換器又はセルと略称する。
【００１６】
[電力変換装置の構成]
図１に示すように、直流送電システムは、交流系統１０１ａに接続される電力変換装置１０２ａと、電力変換装置１０２ａの直流端子（正側出力端子）Ｐ点及び直流端子（負側出力端子）Ｎ点と交流系統１０１ｂに接続される電力変換装置１０２ｂと、を備える。電力変換装置１０２ａは、電力変換装置１０２ｂと直流電力授受を行う。電力変換装置１０２ｂは、電力変換装置１０２ａと同一構成であるため、電力変換装置１０２ａを代表して説明する。なお、以下の説明において、電力変換装置１０２ａ，１０２ｂを特に区別しない場合には、電力変換装置１０２と記す。
ここでは、上下アームを持つＭＭＣ（Modular Multilevel Converter）型で構成された直流送電システムを例に説明するが、後記する第２の実施形態のようにＺＣ−ＭＭＣ（Zero-Sequence Cancelling Modular Multilevel Converter：特許文献３参照）に適用してもよい。
【００１７】
まず、電力変換装置１０２ａと外部回路との接続状態を説明する。
電力変換装置１０２ａは、変圧器１０３を介して交流系統１０１ａに接続している。本実施形態では、変圧器１０３の交流系統１０１ａ側を１次側とし、Ｒ点、Ｓ点、Ｔ点と称し、また、変圧器１０３の２次側をＲ′点、Ｓ′点、Ｔ′点と称する。
電力変換装置１０２ａは、正側直流母線に接続された直流端子Ｐ点と負側直流母線に接続された直流端子Ｎ点とを備えており、Ｐ点とＮ点は他の電力変換装置１０２ｂの直流端子Ｐ点と直流端子Ｎ点にそれぞれ接続される。ここで、直流端子Ｐ点の電位は、直流端子Ｎ点の電位よりも高いものとする。
【００１８】
[電力変換装置１０２ａの内部構成]
次に、電力変換装置１０２ａの内部構成を説明する。
電力変換装置１０２ａは、変圧器１０３、Ｒ相レグ１０４Ｒ、Ｓ相レグ１０４Ｓ、Ｔ相レグ１０４Ｔ、電圧センサ１１５ａ，１１５ｂ、制御装置１０９、ゲート信号線１１０、故障及び電圧信号検出線１１４を備えている。なお、図１では、ゲート信号線１１０、故障及び電圧信号検出線１１４は、それぞれ３本で示されているが、これは図面描画上の制約であって、実際はセル数分の信号線の数で構成されている。また、電力変換装置１０２ａの内部構成のうち、制御装置１０９を除く部分が変換回路を構成する。
【００１９】
Ｒ相レグ１０４Ｒは、ＲＰアーム１０５ＲＰ、ＲＮアーム１０５ＲＮを直列接続した回路であり、ＲＰアーム１０５ＲＰとＲＮアーム１０５ＲＮの接続点を変圧器１０３のＲ′点に接続するとともに、ＲＰアーム１０５ＲＰのＲＮアーム１０５ＲＮに接続した端子とは反対側の端子を直流端子Ｐ点に接続する。また、ＲＮアーム１０５ＲＮのＲＰアーム１０５ＲＰに接続した端子とは反対側の端子を直流端子Ｎ点に接続している。
【００２０】
Ｒ相レグと同様に、Ｓ相レグ１０４Ｓは、ＳＰアーム１０５ＳＰ、ＳＮアーム１０５ＳＮを直列接続した回路であり、ＳＰアーム１０５ＳＰとＳＮアーム１０５ＳＮの接続点を変圧器１０３のＳ′点に接続するとともに、ＳＰアーム１０５ＳＰのＳＮアーム１０５ＳＮに接続した端子とは反対側の端子を直流端子Ｐ点に接続する。また、ＳＮアーム１０５ＳＮのＳＰアーム１０５ＳＰに接続した端子とは反対側の端子を直流端子Ｎ点に接続している。
【００２１】
Ｒ相レグと同様に、Ｔ相レグ１０４Ｔは、ＴＰアーム１０５ＴＰ、ＴＮアーム１０５ＴＮを直列接続した回路であり、ＴＰアーム１０５ＴＰとＴＮアーム１０５ＴＮの接続点を変圧器１０３のＴ′点に接続するとともに、ＴＰアーム１０５ＴＰのＴＮアーム１０５ＴＮに接続した端子とは反対側の端子を直流端子Ｐ点に接続する。また、ＴＮアーム１０５ＴＮのＴＰアーム１０５ＴＰに接続した端子とは反対側の端子を直流端子Ｎ点に接続している。
【００２２】
なお、各アーム１０５等の番号に付した２桁の記号は、左側がこのアームの属するレグの記号、右側がこのアームが接続される直流端子の極性を意味している。以下の説明では、同様の約束に基づく記号付与を随所で行っており、その都度の説明を省略する。
【００２３】
[各アームの内部構成]
次に、各アームの内部構成を説明する。
【００２４】
ＲＰアーム１０５ＲＰは、Ｍ個の双方向チョッパ型単位変換器１０８を直列接続して構成した双方向チョッパ群１０６ＲＰと、第１のリアクトル１０７ＲＰとを直列接続して構成する。双方向チョッパ群１０６ＲＰの出力電圧をＶＲＰと称する。
【００２５】
ＲＮアーム１０５ＲＮは、Ｍ個の双方向チョッパ型単位変換器１０８を直列接続して構成した双方向チョッパ群１０６ＲＮと、第２のリアクトル１０７ＲＮとを直列接続して構成する。双方向チョッパ群１０６ＲＮの出力電圧をＶＲＮと称する。
【００２６】
ＳＰアーム１０５ＳＰは、Ｍ個の双方向チョッパ型単位変換器１０８を直列接続して構成した双方向チョッパ群１０６ＳＰと、第１のリアクトル１０７ＳＰとを直列接続して構成する。双方向チョッパ群１０６ＳＰの出力電圧をＶＳＰと称する。
【００２７】
ＳＮアーム１０５ＳＮは、Ｍ個の双方向チョッパ型単位変換器１０８を直列接続して構成した双方向チョッパ群１０６ＳＮと、第２のリアクトル１０７ＳＮとを直列接続して構成する。双方向チョッパ群１０６ＳＮの出力電圧をＶＳＮと称する。
【００２８】
ＴＰアーム１０５ＴＰは、Ｍ個の双方向チョッパ型単位変換器１０８を直列接続して構成した双方向チョッパ群１０６ＴＰと、第１のリアクトル１０７ＴＰとを直列接続して構成する。双方向チョッパ群１０６ＴＰの出力電圧をＶＴＰと称する。
【００２９】
ＴＮアーム１０５ＴＮは、Ｍ個の双方向チョッパ型単位変換器１０８を直列接続して構成した双方向チョッパ群１０６ＴＮと、第２のリアクトル１０７ＴＮとを直列接続して構成する。双方向チョッパ群１０６ＴＮの出力電圧をＶＴＮと称する。
【００３０】
各アーム１０５ＲＰ、１０５ＳＰ、１０５ＴＰ、１０５ＲＮ、１０５ＳＮ、１０５ＴＮは、そのアームを流れるアーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ、ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮ（図示略）を検出する電流センサ１１１を備えており、検出結果を制御装置１０９に伝送する。
【００３１】
電圧センサ１１５ａは、変圧器１０３のＲ点、Ｓ点、Ｔ点に接続されており、変圧器１０３の巻線と同じ巻線構造とすることで、Ｒ′点、Ｓ′点、Ｔ′点の位相と同じ位相の電圧ＶＧＲ、ＶＧＳ、ＶＧＴを検出する。電圧センサ１１５ａは、系統電圧ＶＧＲ、ＶＧＳ、ＶＧＴを取り込み、検出結果を制御装置１０９に伝送する。電圧センサ１１５ｂは、電圧ＶＤＣを取り込み、検出結果を制御装置１０９に伝送する。
【００３２】
制御装置１０９は、電力変換装置１０２ａ全体を制御する。制御装置１０９は、交流電圧ＶＧＲ、ＶＧＳ、ＶＧＴ、アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ、ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮ、単位変換器１０８が出力するコンデンサ電圧ＶＣｊｋ（図２）をセル電圧検出線２０８と故障及び電圧信号検出線１１４を介して取り込み、ゲート信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋ（図２）（ｊ＝ＲＰ，ＳＰ，ＴＰ，ＲＮ，ＳＮ，ＴＮ，ｋ＝１，２，…，Ｍ）を、ゲート信号線１１０を介して各双方向チョッパ型単位変換器１０８に転送する。ゲート信号ＧＨｊｋは、後記するハイサイドスイッチング素子を駆動する信号であり、ゲート信号ＧＬｊｋは、後記するローサイドスイッチング素子を駆動する信号である。なお、
【００３３】
[双方向チョッパ型単位変換器１０８の内部構成]
次に、双方向チョッパ型単位変換器１０８の内部構成を説明する。
図２は、双方向チョッパ型単位変換器１０８の内部構成を示す図である。図２では、ＲＰアーム１０５ＲＰについて説明する。他のアーム１０５ＳＰ、１０５ＴＰ、１０５ＲＮ、１０５ＳＮ、１０５ＴＮについても同様の構成であるので説明は省略する。
【００３４】
双方向チョッパ型単位変換器１０８の主回路は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈとハイサイド環流ダイオード２０２Ｈの並列回路と、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌとローサイド還流ダイオード２０２Ｌの並列回路とを直列接続した回路と、コンデンサ２０３とを並列接続した構成である。ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈとローサイドスイッチング素子２０１Ｌを総称して、スイッチング素子と呼ぶ。
【００３５】
ダイオード２０２Ｈ，２０２Ｌは、コンデンサ電圧ＶＣｊｋ（ｊ＝ＲＰ，ＳＰ，ＴＰ，ＲＮ，ＳＮ，ＴＮ，ｋ＝１，２，…，Ｍ）に対して電流を流さない方向に直列に接続される。ダイオード２０２Ｈ，２０２Ｌと並列に接続されたスイッチング素子２０１Ｈ、２０１Ｌは、状態がＯＮの時にコンデンサ電圧ＶＣｊｋを放電する方向に取り付ける。コンデンサ電圧の電位が高い方に付く素子（記号Ｈ付）を、ここではハイサイドと呼び、逆をローサイド（記号Ｌ付）と呼ぶ。
ローサイドスイッチング素子２０１Ｌとローサイド還流ダイオード２０２Ｌの並列回路の印加電圧Ｖｊｋを、双方向チョッパ型単位変換器１０８の出力電圧と称する。
【００３６】
なお、図２では、スイッチング素子２０１Ｈ，２０１ＬにＩＧＢＴの記号を用いているが、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）、ＧＣＴ（Ｇate-Commutated Turn-off Thyristor）、ＧＴＯ（Gate-Turn-Off Thysistor）、その他のオン・オフ制御素子であれば、スイッチング素子２０１Ｈ，２０１Ｌとして用いることができる。
【００３７】
双方向チョッパ型単位変換器１０８は、コンデンサ電圧ＶＣｊｋ（ｊ＝ＲＰ，ＳＰ，ＴＰ，ＲＮ，ＳＮ，ＴＮ，ｋ＝１，２，…，Ｍ）を検出する電圧センサ２０４を備えており、セル電圧検出線２０８と故障及び電圧信号検出線１１４を介して制御装置１０９（図１）に接続している。
また、双方向チョッパ型単位変換器１０８は、制御装置１０９からゲート信号線１１０を介して伝送されたゲート信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋに基づいて、スイッチング素子２０１Ｈ，２０１Ｌのそれぞれのゲート・エミッタ間にゲート電圧を印加するゲートドライバ２０５と、自給電源２０６と、を備えている。
【００３８】
自給電源２０６は、コンデンサ２０３と並列に接続され、ゲートドライバ２０５に電源線２０７を介して電力を供給する。自給電源２０６は、コンデンサ２０３から電力が供給されるので電圧ＶＣｊｋがある電圧以下になると動作を停止する。
【００３９】
以下、双方向チョッパ型単位変換器１０８の出力電圧Ｖｊｋと、スイッチング素子２０１Ｈ，２０１Ｌのオン・オフ状態の関係を説明する。
ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈがオン、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌがオフの場合、単位変換器１０８の電流Ｉｊ（ｊ＝ＲＰ，ＳＰ，ＴＰ，ＲＮ，ＳＮ，ＴＮ）に関わらず、出力電圧Ｖｊｋはコンデンサ電圧ＶＣｊｋと概ね等しくなる。
ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈがオフ、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌがオンの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋは零と概ね等しくなる。
【００４０】
[制御装置１０９の制御]
次に、制御装置１０９の内部で実行されている制御を説明する。
図３は、制御装置１０９の内部で実行されている制御を示す図である。
図３に示すように、制御装置１０９は、各単位変換器の故障を検出し、各アームでの故障信号数を送信する故障検出部３０１と、故障信号数を受信した際に各々のアームの単位変換器を故障信号数に応じた分、順番に巡回して出力を短絡動作、すなわち、出力が０Ｖ（厳密にはスイッチング素子のオン電圧があり０Ｖではない）になる動作をさせる短絡動作命令部３０２と、各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部３０３と、を備える。故障検出部３０１及び短絡動作命令部３０２は、ＲＰ，ＳＰ，ＴＰ，ＲＮ，ＳＮ，ＴＮに対応して設置されている。
【００４１】
短絡動作命令部３０２は、故障検出部３０１の検出結果に基づいて、アーム（単位変換器列）ごとに故障数を求め、故障数が最も多いアームの故障数に応じて、各アームにおける単位変換器の動作数を調整して動作させるものであればよい。本実施形態では、単位変換器を順番に巡回して出力を短絡動作させることで、単位変換器の動作数を調整する。すなわち、短絡動作命令部３０２は、故障検出部３０１から送信される各アームでの故障信号数を受信して最大故障信号数を求め、各々のアームの単位変換器を最大故障信号数に応じた分、順番に巡回して出力を短絡動作させる。
【００４２】
短絡動作命令部３０２は、短絡動作命令を下す場合は、短絡動作命令部３０２内でハイサイドスイッチング素子２０１Ｈをオフ、ローサイドスイッチング素子２０１ＬをオンするようなＰＷＭ信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋを形成する。また、短絡動作命令部３０２は、短絡動作命令を下さない場合は、ＧＨｊｋ＝ＧＨｊｋ＊、ＧＬｊｋ＝ＧＬｊｋ＊となるＰＷＭ信号を形成する。
【００４３】
以下、上述のように構成された電力変換装置１０２の動作について説明する。
[故障検出部３０１の動作]
まず、図２乃至図４を参照して故障検出部３０１の動作を説明
する。
図４は、故障検出部３０１の動作を示すフローチャートであり、故障検出部３０１における１アーム分の動作を示す。図中、Ｓはフローの各ステップを示している。
【００４４】
故障検出部３０１は、故障検出手段によって各セルの故障を検出し、故障検出数に応じた故障信号数Σｆｊｋ＊を以下に記述する短絡動作命令部３０２に送信する。故障検出手段としては、例えば、各単位変換器１０８のコンデンサ電圧ＶＣｊｋを電圧センサ２０４及びセル電圧検出線２０８を介して検出し、運転中にコンデンサ電圧ＶＣｊｋが０Ｖになった場合に、故障を検出する手段がある。
【００４５】
ステップＳ１で故障検出部３０１は、アーム位置ｋに１を設定（ｋ←１）し、ステップＳ２で故障検出部３０１は、該当アームにおいてセル異常を検出したか否かを判別する。セル異常を検出した場合（ステップＳ２のＹｅｓ）、ステップＳ３で故障検出部３０１は、故障信号ｆｊｋ＊を１に設定する（ｆｊｋ＊←１）。
【００４６】
ステップＳ４で故障検出部３０１は、故障信号数ｆｊ＊＝Σｆｊｋ＊を短絡動作命令部３０２に送信してステップＳ５に進む。一方、上記ステップＳ２でセル異常を検出しなかった場合（ステップＳ２のＮｏ）、そのままステップＳ５に進む。
【００４７】
ステップＳ５で故障検出部３０１は、ｋが１アーム分の全段数Ｍか（ｋ＝Ｍか）否かを判別する。ｋ＝Ｍの場合（ステップＳ５のＹｅｓ）、ステップＳ６でｋを０とし（ｋ←０）、ステップＳ７でｋをインクリメントして（ｋ←ｋ＋１）上記ステップＳ２に戻る。上記ステップＳ５でｋ＝Ｍでない場合（ステップＳ５のＮｏ）、そのままステップＳ７に進む。このように、故障検出部３０１は、セル１からセルＭまで順に故障の有無を検出し、故障数ｆｊ＊（＝Σｆｊｋ＊）を計算する。
【００４８】
[短絡動作命令部３０２の動作]
次に、短絡動作命令部３０２の動作を説明する。
図５は、短絡動作命令部３０２の動作を示すフローチャートであり、短絡動作命令部３０２における１アーム分の動作を示す。図５は、冗長数１、すなわち故障セル数が１個の場合を想定している。
【００４９】
まず、ステップＳ１０で故障処理フラグを０に初期化する。次に、ステップＳ１１で短絡動作命令部３０２は、いずれかのアームで故障信号を検出したか否かをｆｊ＊が零でない（ｆｊ＊≠０）ことから判別し、いずれかのアームで故障信号を検出するまで待つ（ステップＳ１１のＮｏ）。いずれかのアームで故障信号を検出した場合（ステップＳ１１のＹｅｓ）、ステップＳ１２で短絡動作命令部３０２は、ｋに１を設定（ｋ←１）し、ステップＳ１３で短絡動作命令部３０２は、自アーム分の故障数Ｌが０か（Ｌ＝０か）否かを判別し、Ｌ＝０でない場合（ステップＳ１３のＮｏ）は、冗長数１の場合短絡動作させることができないため、本フローを終了する。
上記ステップＳ１３でＬ＝０の場合（ステップＳ１３のＹｅｓ）、ステップＳ１４で故障処理フラグを判定し、フラグ＝０のときはステップＳ１５の処理に進み、フラグ＝１のときはステップＳ１５をスキップしてステップＳ１６の処理に進む。ステップＳ１５で短絡動作命令部３０２は、ｋ段目のセルを短絡動作を開始させる。
【００５０】
ステップＳ１６では、短絡動作命令部３０２は、所定時間経過したか否かを判別し、所定時間経過するまで待つ（ステップＳ１６のＮｏ）。所定時間経過した場合（ステップＳ１６のＹｅｓ）、ステップＳ１７の処理に進む。
【００５１】
ここで、上記所定時間は、以下の点に留意して設定される。上記所定時間は、例えば各セルが有するヒートシンクの熱時定数を考慮し、ヒートシンクの熱時定数より小さくする。また、自給電源２０６（図２参照）のコンデンサは、短絡により充電できなくなり、コンデンサ電圧ＶＣｊｋは、所定時定数により低下していく。上記所定時間は、短絡動作から正常動作に復帰した際にゲートドライバ２０５に安定した電圧を供給できるような時間に設定する。例えば、コンデンサ電圧が定格の８０％まで低下する時間に設定する。すなわち、上記コンデンサ電圧の低下時間及び上記ヒートシンクの熱時定数などを基に上記所定時間を設定する。
【００５２】
ステップＳ１７で短絡動作命令部３０２は、ｋが１アーム分の全段数Ｍか（ｋ＝Ｍか）否かを判別する。ｋ＝Ｍの場合（ステップＳ１７のＹｅｓ）、ステップＳ１８でｋ段目セルの短絡を解除し、１段目セルの短絡動作を開始する。次に、ステップＳ２０でｋを０とし（ｋ←０）、ステップＳ２１でｋをインクリメント（ｋ←ｋ＋１）する。ステップＳ２１の処理が終了したら、ステップＳ２２で故障処理フラグを１に設定し、上記ステップＳ１３に戻る。一方、上記ステップＳ１７でｋ＝Ｍでない場合、ステップＳ１９でｋ段目セルの短絡動作を解除し、ｋ＋１段目セルの短絡動作を開始し、ステップＳ２１に進む。
【００５３】
このように、短絡動作命令部３０２は、故障検出部３０１からの故障信号数Σｆｊｋ＊を受信した場合に、まず短絡動作させるセル数を決定する（本実施形態では、ステップＳ１２の分岐でＹｅｓの時短絡動作させるセル数が１となるように決まる）。故障信号数が１、すなわち故障セル数が１個の場合において、短絡動作させるセル数は、故障セルが存在するアームでは０、故障セルが存在しないアームでは１となる。
【００５４】
まず、アームの最下段（ｋ＝１）のセルを所定時間だけ短絡動作、すなわち、前記図２において、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈをオフ、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌをオンにして、出力電圧Ｖｊｋを概ね零と等しくなるようにさせる。所定時間経過後、最下段（ｋ＝１）のセルの短絡動作を解除し、次は一段上（ｋ＝２）のセルを所定時間だけ短絡動作させる。このような動作命令を、最上段（１アーム分のセル数をＭとすれば、ｋ＝Ｍ）のセルまで繰り返した後は、再度最下段のセルから短絡動作を繰り返すよう、短絡動作命令を下す。
【００５５】
図６は、本実施形態における、冗長数１（すなわちセルが１つ故障）の場合に１アーム内の各変換器に短絡動作させる順序を示す図である。冗長数が１の場合の短絡動作させるセルの順番は、図６のようになる。
【００５６】
ここで、パルス信号生成部３０３（図３参照）で生成されたパルス信号ＧＨｊｋ＊、ＧＬｊｋ＊は、短絡動作命令部３０２により、短絡動作命令を下す場合は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈをオフ、ローサイドスイッチング素子２０１ＬをオンになるようなＰＷＭ信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋが形成され、短絡動作命令を下さない場合は、ＧＨｊｋ＝ＧＨｊｋ＊、ＧＬｊｋ＝ＧＬｊｋ＊となるようなＰＷＭ信号が形成される。
【００５７】
図６に示すように、最下段（ｋ＝１）のセルの短絡動作をさせた後、１つ上のｋ＝ｍ（ここではｋ＝２）のセルを短絡動作させ、その次にさらに１つ上のｋ＝ｍ＋１のセルを短絡動作させる。最上段（ｋ＝Ｍ）のセルを短絡動作させると、再び最下段（ｋ＝１）のセルに戻り、最下段（ｋ＝１）のセルの短絡動作をさせる。このように、短絡動作させるセルをアームの最下段（ｋ＝１）のセルから最上段（ｋ＝Ｍ）のセルまで所定時間ごとに短絡動作を巡回させる。
【００５８】
[制御装置１０９の動作例]
図７は、１アームに４段の単位変換器が存在する場合において、短絡動作させる所定時間を説明する波形図であり、（ａ）はＲ相１段目セルＰＷＭ信号の波形、（ｂ）はＲ相２段目セルＰＷＭ信号の波形、（ｃ）はＲ相３段目セルＰＷＭ信号の波形、（ｄ）はＲ相４段目セルＰＷＭ信号の波形である。
【００５９】
図７は、各アームに４段のセルが存在するとしたときの、Ｒ相以外のアームで１個のセルが故障した場合における、Ｒ相アームを構成する各セルのＰＷＭ信号を示している。この例における最大故障信号数は１である。変調波は正弦波波形、搬送波（キャリア）は図７に示したような、変調波の５倍周期の三角波としている。
【００６０】
各アームのセル段数をＭとすると、各相の上側アーム（Ｐ側アーム）のｍ段目のセルのＰＷＭ信号における搬送波の１段目セルとの位相差θＨｊｋは、通常運転時は−２π／Ｍ×（ｍ−１）となるが、例えば、Ｒ相上側アームのｘ個のセルの出力端子が故障により短絡、もしくはそれに伴い短絡動作命令部の制御により他のアームでｘ個のセルが短絡動作する場合は、搬送波の位相差θＨｊｋは−２π／（Ｍ−ｘ）×（ｍ−１）となるように設定する。
【００６１】
各相の下側アーム（Ｎ側アーム）のｋ段目のセルのＰＷＭ信号における搬送波の位相差θＬｊｋは、通常運転時は−（２π／Ｍ×（ｍ−１）＋π／Ｍ）となるが、例えば、Ｒ相上側アームのｘ個のセルの出力端子が故障により短絡、もしくはそれに伴い短絡動作命令部の制御により他のアームでｘ個のセルが短絡動作する場合は、（Ｍ−ｘ）が奇数の場合は−２π／（Ｍ−ｘ）×（ｍ−１）、（Ｍ−ｘ）が偶数の場合は−（２π／（Ｍ−ｘ）×（ｍ−１）＋π／（Ｍ‐ｘ））とする。
【００６２】
但し、出力端子が故障により短絡したセル、もしくは、それに伴い短絡動作命令部３０２の制御により短絡動作するセルは存在しないものとみなして、上記位相差θＨｊｋ、θＬｊｋを設定する。例えば、最下段のセルが故障した場合は、最下段より一つ上段のセルからｋ＝１，２，…，Ｍ−ｘとしてセル段数をカウントし、最下段から２段目のセルが故障した場合は、最下段はｋ＝１，２段目より一つ上段のセルからはｋ＝２，…，Ｍ−ｘとしてセル段数をカウントする。この例では、Ｍ＝４、ｘ＝１であるため、各相上側アームの位相差θＨｊｋ、各相下側アームの位相差θＬｊｋは、ともに−２π／３×（ｍ−１）となる。
【００６３】
各アームのセルにおいて、図７のＰＷＭ波形において変調波が搬送波よりも大きい値の場合、スイッチング素子２０１Ｈはオン、２０１ＬはオフとなるゲートパルスＧＨｊｋ、ＧＬｊｋを出力し、出力電圧Ｖｊｋがコンデンサ電圧ＶＣｊｋと概ね等しくなるものとし、変調波が搬送波よりも小さい値の場合は、スイッチング素子２０１Ｈはオフ、２０１ＬはオンとなるゲートパルスＧＨｊｋ、ＧＬｊｋを出力し、その結果、出力電圧Ｖｊｋは概ね０Ｖとなるものとする。
【００６４】
所定時間の間短絡動作させる際は、図７に示したように、変調波が搬送波よりも常に小さい値となるように、変調波の値は０（本例と逆の論理をとる場合は１）とする。短絡動作させる他の手段としては、変調波はそのままとし、短絡動作させたいセルの出力端子に現れるパルス電圧を、他の電圧信号でマスクをかけて、所定時間の間のみ０Ｖとすることが挙げられる。
【００６５】
所定時間は、例えば、コンデンサ電圧が自給電源供給に必要な電圧以下に低下しない時間、又は、短絡している素子の温度上昇が許容レベル以上にならない時間を選択する。所定時間短絡動作の切替タイミングは、図７に示したように、次の段階で短絡動作させようとするセルにおいて、搬送波がピーク値１（又は０）である時点とすると、パルスが欠けることなく切替がスムーズにできる。
【００６６】
短絡動作開始時において、制御装置１０９は、短絡動作させるセルのＰＷＭ信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋを作成する各搬送波を、短絡動作中に、次の段階で短絡動作させるセルのＰＷＭ信号の各搬送波に切り替える。なお、所定時間ごとに短絡動作させるセルをｍ個巡回させている時のコンデンサ電圧ＶＣｊｋは、正常運転時のコンデンサ電圧にＭ／（Ｍ−ｍ）倍したコンデンサ電圧の大きさとなるように制御されている。この場合、（Ｍ＝４、故障数１）は、各コンデンサ電圧ＶＣｊｋは正常運転時の４／３倍の大きさに制御装置１０９が制御する。
【００６７】
いま、図７（ａ）のａに示す時点で、Ｒ相以外のアームで１セル短絡故障検知した場合を例に説明する。
図７（ａ）に示すように、（１）の区間までは故障セルが検出されずに正常運転を行っているが、故障を検出すると同時に、まずは（２）の区間からＲ相アーム１段目のセルから短絡動作を開始する。具体的には、（２）の区間から（３）の区間の始まりまで変調波の値を０とする。次の段階としては、図７（ｂ）に示すように（３）の区間から（４）の区間の始まりまで２段目のセルを短絡動作、その次は図７（ｃ）に示すように（４）の区間から（５）の区間の始まりまで３段目のセルを短絡動作、…、といったように一段ずつ短絡動作させるセルを切り替えていき、最上段の４段目のセルを図７（ｄ）に示すように（５）の区間から（６）の区間の始まりまで短絡動作させた後は、再度１段目のセルから同様の手順で各段のセルを短絡動作させていく。
以上で、電力変換装置１０２ａの構成と制御方法を説明した。
【００６８】
本実施形態で得られる効果について説明する。
まず、実際の交流・直流の電圧波形を与えた時に得られる各相交流出力波形について述べる。
【００６９】
図８は、変換器故障時（Ｒ相上側アーム内の１個の変換器が故障）における、本実施形態を実施しない場合の交流電圧波形を比較例として示す図であり、（ａ）はＲ相電圧波形、（ｂ）はＳ相電圧波形、（ｃ）はＴ相電圧波形である。
【００７０】
図９は、変換器故障時（Ｒ相上側アーム内の１個の変換器が故障）における、本実施形態を実施した場合の交流電圧波形を示す図であり、（ａ）はＲ相電圧波形、（ｂ）はＳ相電圧波形、（ｃ）はＴ相電圧波形である。
【００７１】
前記図１に示す電力変換装置１０２ａにおいて、直流電圧ＶＤＣは４００Ｖで一定とし、系統交流電圧は３相交流電圧（振幅・周波数ともにそれぞれ同じ値であり、位相差０°、−１２０°、−２４０°）とする。また、前記図２におけるゲート信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋに印加する変調波及び搬送波の周波数はそれぞれ、５０Ｈｚ、２５０Ｈｚ、変調率は０．９、各アームのセル段数は４段とする。
【００７２】
上記の運転条件でＲ相上側アーム内のある１個のセルが故障したと仮定したときの、本実施形態を実施しない場合の交流出力電圧波形を図８に、本実施形態を実施した場合の交流出力電圧波形を図９にそれぞれ示す。本実施形態を実施しない場合というのは、故障したセルの出力端子のみを短絡させる動作を行うことを示している。ここで、セルが故障した際は、故障したセルが存在するアーム内の正常動作しているセルのコンデンサ電圧を４／３倍上昇させる制御を行うものとする。これにより、故障したセルの出力電圧低下分を正常動作しているセルのコンデンサ電圧の上昇で補償し（図８と図９の出力電圧波形の振幅値参照）電圧の不平衡を解消している。
【００７３】
図８（ａ）と（ｂ）（ｃ）を比較して明らかなように、本実施形態を実施しない場合は故障したセルが存在するＲ相の電圧波形ＶＲが、他の相の電圧波形と比較して大きく異なる。例えば、図８（ａ）に示すように、故障したセルが存在するＲ相の電圧波形ＶＲは、他の相のＳ相及びＴ相の電圧波形ＶＳ，ＶＴと比較して三相の電圧波形が対称性が悪い状態（図８（ａ）ａ．ｂ．参照）になっている。
【００７４】
一方で、本実施形態を実施した場合は、各相（三相）の電圧波形は対称性の良い状態（図９（ａ）ａ．ｂ．参照）になり、各相電圧間のアンバランスは小さくなる。このことは、本実施形態を実施しない場合のＲ相の電圧波形（図８（ａ）ａ．ｂ．参照）と本実施形態を実施した場合のＲ相の電圧波形（図９（ａ）ａ．ｂ．参照）とを比較するとより明らかである。
以上のことから、各セルの変調率を変化させずに、故障セルが発生した場合においても安定した出力交流電圧波形を得られることが分かる。
【００７５】
以下、本実施例において、実際の交流・直流の電圧電流波形を与えた時に得られる効果について説明する。
本実施形態では、あるアームでセルが故障した場合、他のアームにおいて、運転している単位変換器数が故障した単位変換器を含むアームで正常動作している単位変換器数よりも多い場合、多い数の分セルを制御装置１０９がゲートパルスを変更して短絡動作させる。この時の短絡動作させるセルにおいては、短絡しているローサイドスイッチング素子２０１Ｌのみ損失が発生する。本実施形態のように、短絡動作させるセルを巡回させなかった場合、ある特定のセルのローサイドスイッチング素子に損失が偏ってしまい、他の半導体素子と比較して寿命が短くなる可能性がある。一方で、本実施形態のように、短絡動作させるセルを巡回させた場合、特定セルのローサイド素子に損失が偏らず、各スイッチング素子の損失が概ね同じ値となり、アーム全体で半導体損失を平均化できる。
【００７６】
また、コンデンサ電圧ＶＣｊｋの電圧が自給電源供給に必要な電圧以下に低下しない程度の所定時間で短絡動作させるセルを巡回させていくことで、各セルのコンデンサ電圧ＶＣｊｋの低下を抑制できる。このため、各セルに自給電源２０６が備わっている場合において、短絡動作から正常動作に復帰した際にゲートドライバ２０５に安定した電圧を供給できることも、本実施形態で得られる効果の一つである。
【００７７】
上記までの説明では、セル故障時に該当アームの短絡動作させるセルを巡回させる制御方法について述べたが、故障セルが発生する前の時点において各アームで短絡動作させるセルを巡回させておき、セル故障時に該当アームの巡回を止める制御方法でも、同様の効果が得られる。
【００７８】
以上説明したように、本実施形態に係る電力変換装置１０２は、交流電圧ＶＧＲ、ＶＧＳ、ＶＧＴ、アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ、ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮ、単位変換器１０８が出力するコンデンサ電圧ＶＣｊｋを取り込み、ゲート信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋを、ゲート信号線１１０を介して各双方向チョッパ型単位変換器１０８に転送する制御装置１０９を備える。制御装置１０９は、各単位変換器の故障を検出し、各アームでの故障信号数を送信する故障検出部３０１と、故障信号数を受信した際に各々のアームの単位変換器を故障信号数に応じた分、順番に巡回して出力を短絡動作になる動作させる短絡動作命令部３０２と、各単位変換器を運転動作させるためのパルス信号を生成するパルス信号生成部３０３と、を備える。
【００７９】
この構成により、あるアームで直列接続された単位変換器が少なくとも１台故障した際に、運転している単位変換器数を揃えるように、他のアームに比べて運転している単位変換器数が多いアームにおいて、最大故障信号数の分単位変換器を短絡動作させることで、各単位変換器の安定した動作を実現することができる。例えば、Ｒ相上側アームのｘ個の単位変換器の出力端子が故障により短絡した場合、故障した単位変換器を有しない（あるいはより故障数が少ない）他のアーム（一例を挙げると、Ｒ相下側アーム）おいてｘ個の単位変換器について短絡動作させる。ここで、短絡動作させる単位変換器を巡回させていくことで、短絡させる単位変換器での半導体素子の損失をアーム全体で平均化させることが可能となる。特定の半導体素子に負担がかかると当該素子の寿命が短くなり、長期間使用した場合に当該素子が故障につながる可能性が大きくなる。また、損失が一箇所に集中するので、それを均等化させることが好ましい。本実施形態は、それぞれの素子の負担を平均化することで、単位変換器１０８ひいては電力変換装置１０２の長寿命化及び信頼性向上を図ることができる。
【００８０】
また、各単位変換器１０８のコンデンサ電圧の低下を抑制できるため、各単位変換器１０８に自給電源２０６が備わっている場合において、短絡動作から正常動作に復帰した際にセル内のスイッチング素子を駆動させるゲートドライバに安定した電圧を供給することができる。
【００８１】
また、セルのコンデンサ電圧を上昇させることにより、各相毎の変調率の調整が不要であり、各変換器の変調率を三相交流信号として作成することができる。その結果、各相毎の変調率の調整が不要であり、かつ簡単な構成で、単位変換器を多めに持つ冗長化した電力変換装置において、単位変換器故障時も安定した電圧波形を出力することができる。
【００８２】
（第２の実施形態）
第１の実施形態は、上下アームを持つＭＭＣ方式の電圧型電力変換装置に適用した例であるが、どのようなＭＭＣにも適用することが可能である。
第２の実施形態は、本発明に係る電力変換装置をＺＣ−ＭＭＣに適用した例である。
一般に、ＺＣ−ＭＭＣは、第１アーム（Ｐ側アーム）と第２アーム（Ｎ側アーム）の接続点がない。第２の実施形態では、第１の実施形態の各構成要素を引用する説明の便宜上、単位変換器１０８を所定数直列に接続した単位変換器列を、ＲＰアーム１０５ＲＰ、ＳＰアーム１０５ＳＰ、ＴＰアーム１０５ＴＰと呼んでいる。
【００８３】
図１０は、本発明の第２の実施形態に係るＺＣ−ＭＭＣの構成を示す図である。図１と同一構成部分には、同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図１０に示すように、直流送電システムは、変圧器１００１を介して交流系統１０１ａに接続されるＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置１０００を備える。
変圧器１００１は、交流系統１０１ａ側を１次側とし、Ｒ点、Ｓ点、Ｔ点に接続されたΔ結線と、２次側をＲ′点、Ｓ′点、Ｔ′点に接続した千鳥形結線とを有し、直流端子Ｎ点は、変圧器１００１千鳥形結線の中性点に接続されている。直流端子Ｎ点を中性点に接続することで、接点電位を安定化する。
【００８４】
ＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置１０００は、コンデンサを有する単位変換器１０８を所定数直列に接続した単位変換器列を複数列備える。図１０では、上記単位変換器列は、ＲＰアーム１０５ＲＰ、ＳＰアーム１０５ＳＰ、及びＴＰアーム１０５ＴＰである。また、上記単位変換器列の複数列は、３列（三相）である。
ＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置１０００は、変圧器１００１、ＲＰアーム１０５ＲＰ、ＳＰアーム１０５ＳＰ、ＴＰアーム１０５ＴＰ、電圧センサ１１５ａ，１１５ｂ、制御装置１０９、ゲート信号線１１０、故障及び電圧信号検出線１１４を備えている。
各アーム１０５ＲＰ、１０５ＳＰ、１０５ＴＰは、そのアームを流れるアーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ（図示略）を検出する電流センサ１１１を備えており、検出結果を制御装置１０９に伝送する。なお、ＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置１０００の構成のうち、制御装置１０９を除く部分が変換回路を構成する。
【００８５】
制御装置１０９は、ＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置１０００全体を制御する。制御装置１０９は、交流電圧ＶＧＲ、ＶＧＳ、ＶＧＴ、アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ、単位変換器１０８が出力するコンデンサ電圧ＶＣｊｋ（図２）をセル電圧検出線２０８と故障及び電圧信号検出線１１４を介して取り込み、ゲート信号ＧＨｊｋ、ＧＬｊｋ（図２）（ｊ＝ＲＰ，ＳＰ，ＴＰ，ｋ＝１，２，…，Ｍ）を、ゲート信号線１１０を介して単位変換器１０８に転送する。制御装置１０９の短絡動作命令部３０２（図３）は、故障検出部３０１（図３）の検出結果に基づいて、単位変換器列ごとに故障数を求め、故障数が最も多い単位変換器列の故障数に応じて、各単位変換器列における単位変換器の動作数を調整して動作させる。具体的には、短絡動作命令部３０２は、故障検出部３０１から送信される各アームでの故障信号数を受信して最大故障数を求め、各々のアームの単位変換器を最大故障数に応じた分、順番に巡回して出力を短絡動作させる。
【００８６】
このように、本実施形態では、ＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置１０００は、単位変換器列ごとに故障数を求め、故障数が最も多い単位変換器列の故障数に応じて、各単位変換器列における単位変換器の動作数を調整して動作させるので、ＺＣ−ＭＭＣにあっても第１の実施形態と同様の効果、すなわち、各単位変換器の安定した動作を実現することができ、短絡させる単位変換器での半導体素子の損失を単位変換器列全体で平均化させることができる。
【００８７】
[変形例]
（１）上記各実施形態では、冗長数１（故障セル数が１個）の場合を例に採り説明したが、冗長数２以上であっても同様の方法で実施することができる。
【００８８】
（２）上記各実施形態では、図１に示すように、リアクトル１０７ＲＰ、ＳＰ、ＴＰ、ＲＮ、ＳＮ、ＴＮが変圧器１０３の２次巻線に接続されている、すなわちＲ′点、Ｓ′点、Ｔ′点に接続している回路を例示しているが、リアクトル１０７ＲＰ、ＳＰ、ＴＰが直流端子Ｐ点との間に、また、リアクトル１０７ＲＮ、ＳＮ、ＴＮが直流端子Ｎ点との間に接続している回路でも同様の効果を得られる。
【００８９】
（３）上記各実施形態では、ＭＭＣ方式の電圧型電力変換装置に適用した例であるが、どのようなＭＭＣであってもよく、例えば図１０に示すようなＺＣ−ＭＭＣも含まれる。すなわち、単位変換器を直列に接続した単位変換器列で多相電圧出力する構成において、単位変換器列ごとに故障数を求め、故障数が最も多い単位変換器列の故障数に応じて、各単位変換器列における単位変換器の動作数を調整して動作させるものであればよく、各種ＭＭＣに適用できる。
【００９０】
（４）上記各実施形態では、電力変換装置１０２として三相電力系統に連系する三相ＭＭＣに適用例を示したが、同様の理由で、単相系統に連系する単相ＭＭＣにも適用可能である。
【００９１】
（５）上記各実施形態では、ＭＭＣ方式の電圧型電力変換装置に適用した例であるが、アームをＹ結線とし、Ｙ結線の中点と反対の端子を三相出力端子とするカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ方式）にも適用可能である。
【００９２】
（６）上記各実施形態では、各単位変換器をＰＷＭ（Pulse-Width Modulation）制御している。各単位変換器に与えるキャリア波の位相を適切にシフトすることによって、ＭＭＣの出力電圧波形をマルチレベル波形にして交流出力の高調波成分を低減している。かかるマルチレベルの方法において、マルチレベル数、変調波周波数、搬送波周波数などはどのようなものでもよい。
【００９３】
（７）上記各実施形態では、入力端子からの直流を交流に変換して出力端子から出力する例について説明したが、入力端子と出力端子の間で、交流を直流に電力変換する変換回路にも容易に適用可能である。例えば交流ラインと直流ラインとの間に接続されたスイッチング素子を、制御装置から出力される高周波パルスでスイッチングすることにより交流から直流に電力変換を行うことができる。
【００９４】
本発明は上記の実施形態例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、他の変形例、応用例を含む。
【００９５】
例えば、上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【００９６】
また、上記の各構成、機能、処理部、処理手段等は、それらの一部又は全部を、例えば集積回路で設計する等によりハードウェアで実現してもよい。また、上記の各構成、機能等は、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈し、実行するためのソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイル等の情報は、メモリや、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）等の記録装置、又は、ＩＣ（Integrated Circuit）カード、ＳＤ（Secure Digital）カード、光ディスク等の記録媒体に保持することができる。また、本明細書において、時系列的な処理を記述する処理ステップは、記載された順序に沿って時系列的に行われる処理はもちろん、必ずしも時系列的に処理されなくとも、並列的あるいは個別に実行される処理（例えば、並列処理あるいはオブジェクトによる処理）をも含むものである。
【００９７】
また、制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしもすべての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
【符号の説明】
【００９８】
１０１ａ，１０１ｂ  交流系統
１０２，１０２ａ，１０２ｂ  電力変換装置
１０３，１００１  変圧器
１０４Ｒ  Ｒ相レグ
１０４Ｓ  Ｓ相レグ
１０４Ｔ  Ｔ相レグ
１０５ＲＰ  ＲＰアーム（単位変換器列）
１０５ＲＮ  ＲＮアーム（単位変換器列）
１０５ＳＰ  ＳＰアーム（単位変換器列）
１０５ＳＮ  ＳＮアーム（単位変換器列）
１０５ＴＰ  ＴＰアーム（単位変換器列）
１０５ＴＮ  ＴＮアーム（単位変換器列）
１０７  リアクトル（誘導性素子）
１０８  双方向チョッパ型単位変換器（セル）
１０９  制御装置
１１０  ゲート信号線
１１４  故障及び電圧信号検出線
２０８  セル電圧検出線
３０１  故障検出部
３０２  短絡動作命令部
３０３  パルス信号生成部
１０００  ＺＣ−ＭＭＣ型電力変換装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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