(57)【要約】【課題】複数の単位変換器で構成され、一部の単位変換器が故障しても、出力電圧のアンバランスを抑制することのできる自励式電力変換装置を提供することにある。【解決手段】自励式電力変換装置１は、複数のセルＣＬ１１〜ＣＬ６４が直列に接続された複数のアーム４ｕｐ〜４ｗｍと、セルＣＬ１１〜ＣＬ６４に異常が生じた場合、各アームアーム４ｕｐ〜４ｗｍで動作させるセルＣＬ１１〜ＣＬ６４が同数になるように単位変換器セルＣＬ１１〜ＣＬ６４を停止する制御装置３とを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位変換器が直列に接続された複数のアームと、
前記単位変換器に異常が生じた場合、前記各アームで動作させる前記単位変換器が同数になるように前記単位変換器を停止する異常時単位変換器停止手段と
を備えたことを特徴とする自励式電力変換装置。
【請求項２】
前記異常時単位変換器停止手段による前記単位変換器の停止後、前記各アームから出力される交流電圧の基本波成分が前記単位変換器の停止前と同じになるように、前記各アームを制御する異常時制御手段
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の自励式電力変換装置。
【請求項３】
前記複数のアームは、冗長性を確保するための前記単位変換器を含むこと
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自励式電力変換装置。
【請求項４】
複数の単位変換器が直列に接続された複数のアームを備える自励式電力変換装置の制御方法であって、
前記単位変換器に異常が生じた場合、前記各アームで動作させる前記単位変換器が同数になるように前記単位変換器を停止すること
を含むことを特徴とする自励式電力変換装置の制御方法。
【請求項５】
前記単位変換器の停止後、前記各アームから出力される交流電圧の基本波成分が前記単位変換器の停止前と同じになるように、前記各アームを制御すること
を含むことを特徴とする請求項４に記載の自励式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、自励式電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、自励式電力変換装置として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている（例えば、特許文献１参照）。ＭＭＣは、複数のセル（単位変換器）で構成された電力変換装置である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、上述のような自励式電力変換装置で、一部のセルに故障が生じた場合、出力電圧がアンバランスに成り易い。出力電圧のアンバランスは、出力高調波が増加する要因となる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、複数の単位変換器で構成され、一部の単位変換器が故障することにより生じる高調波を抑制することのできる自励式電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の観点に従った自励式電力変換装置は、複数の単位変換器が直列に接続された複数のアームと、前記単位変換器に異常が生じた場合、前記各アームで動作させる前記単位変換器が同数になるように前記単位変換器を停止する異常時単位変換器停止手段とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の単位変換器で構成され、一部の単位変換器が故障することにより生じる高調波を抑制することのできる自励式電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の実施形態に係る自励式電力変換装置の構成を示す構成図。
【図２】本実施形態に係るセルの構成を示す構成図。
【図３】本実施形態に係るセルが故障する前のアームの出力電圧を示す波形図。
【図４】本実施形態に係るセルが故障した後のアームの出力電圧を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る自励式電力変換装置１の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【００１１】
自励式電力変換装置１は、直流電源２、制御装置３、６つのアーム４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ、三相分のリアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗ、及び三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗを備えている。自励式電力変換装置１は、交流電源及び交流負荷を備える交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗに三相交流電力を供給する。
【００１２】
直流電源２は、発電した直流電力を６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成される電力変換回路に供給する。直流電源２は、自ら発電する装置に限らず、交流電力を直流電力に変換するコンバータ又は二次電池等でもよい。
【００１３】
制御装置３は、アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する各セル（単位変換器）ＣＬ１１〜ＣＬ６４にゲート信号Ｓｇを出力して、電力変換回路を制御する。なお、制御装置３が各セルＣＬ１１〜ＣＬ６４にゲート信号Ｓｇを送信する伝送路（光ファイバケーブルなど）の構成については、どのように構成してもよい。例えば、制御装置３は、各セルＣＬ１１〜ＣＬ６４に個別の伝送路でゲート信号Ｓｇを送信するように構成してもよいし、シリアル通信により全てのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４に共通の伝送路で送信するように構成してもよい。
【００１４】
６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍは、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換回路を構成する。アーム４ｕｐは、４つの直列に接続されたセルＣＬ１１，ＣＬ１２，ＣＬ１３，ＣＬ１４で、電力変換回路のＵ相の正極側を構成する。アーム４ｕｍは、４つの直列に接続されたセルＣＬ２１，ＣＬ２２，ＣＬ２３，ＣＬ２４で、電力変換回路のＵ相の負極側を構成する。アーム４ｖｐは、４つの直列に接続されたセルＣＬ３１，ＣＬ３２，ＣＬ３３，ＣＬ３４で、電力変換回路のＶ相の正極側を構成する。アーム４ｖｍは、４つの直列に接続されたセルＣＬ４１，ＣＬ４２，ＣＬ４３，ＣＬ４４で、電力変換回路のＶ相の負極側を構成する。アーム４ｗｐは、４つの直列に接続されたセルＣＬ５１，ＣＬ５２，ＣＬ５３，ＣＬ５４で、電力変換回路のＷ相の正極側を構成する。アーム４ｗｍは、４つの直列に接続されたセルＣＬ６１，ＣＬ６２，ＣＬ６３，ＣＬ６４で、電力変換回路のＷ相の負極側を構成する。なお、ここでは、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍがそれぞれ４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４で構成された回路について説明するが、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、いくつのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４で構成されていてもよい。
【００１５】
図２は、本実施形態に係るセルＣＬの回路について示す回路図である。全てのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の構成は、図２に示すセルＣＬと同一である。
【００１６】
セルＣＬは、二重スターチョッパである。セルＣＬは、２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２、２つの逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２、及びコンデンサＣＤにより構成された回路である。セルＣＬは、制御装置３から送信されるゲート信号Ｓｇで、２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がスイッチングすることにより、駆動する。
【００１７】
２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２には、それぞれ逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が接続されている。コンデンサＣＤは、２つの直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と並列に接続されている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の接続点が正極側に隣接するセルＣＬの負極側の端子又は直流電源２の正極側と接続されている。負極側に位置するスイッチング素子ＳＷ２の負極側の端子（エミッタ）は、負極側に隣接するセルＣＬの正極側の端子又は直流電源２の負極側と接続されている。
【００１８】
Ｕ相のリアクトル５ｕは、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐとＵ相の負極側のアーム４ｕｍとの間に設けられている。リアクトル５ｕの中間点は、交流電力のＵ相の出力点となる。リアクトル５ｕの中間点は、連系リアクトル６ｕを介して、交流系統７ｕのＵ相に接続される。リアクトル５ｕは、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐ及びＵ相の負極側のアーム４ｕｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。
【００１９】
Ｖ相のリアクトル５ｖは、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐとＶ相の負極側のアーム４ｖｍとの間に設けられている。リアクトル５ｖの中間点は、交流電力のＶ相の出力点となる。リアクトル５ｖの中間点は、連系リアクトル６ｖを介して、交流系統７ｖのＶ相に接続される。リアクトル５ｖは、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐ及びＶ相の負極側のアーム４ｖｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。
【００２０】
Ｗ相のリアクトル５ｗは、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐとＷ相の負極側のアーム４ｗｍとの間に設けられている。リアクトル５ｗの中間点は、交流電力のＷ相の出力点となる。リアクトル５ｗの中間点は、連系リアクトル６ｗを介して、交流系統７ｗのＷ相に接続される。リアクトル５ｗは、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐ及びＷ相の負極側のアーム４ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。
【００２１】
連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗは、交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗと系統連系するために設けられたリアクトルである。Ｕ相の連系リアクトル６ｕは、Ｕ相の交流系統７ｕとＵ相のリアクトル５ｕの中間点との間に設けられている。Ｖ相の連系リアクトル６ｖは、Ｖ相の交流系統７ｖとＶ相のリアクトル５ｖの中間点との間に設けられている。Ｗ相の連系リアクトル６ｗは、Ｗ相の交流系統７ｗとＷ相のリアクトル５ｗの中間点との間に設けられている。なお、三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗの代わりに、三相分の連系変圧器を設けてもよい。
【００２２】
次に、セルＣＬ１１〜ＣＬ６４の異常時における制御装置３の制御について説明する。
【００２３】
今、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐのセルＣＬ１１が故障したものとする。
【００２４】
制御装置３は、故障したセルＣＬ１１と共に、他の各アーム４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍから１つずつ停止させるセルＣＬ２１〜ＣＬ６４を選択する。ここで、停止とは、ゲートを強制的にブロックすることなどにより、セルから電圧を出力させないことを意味するものとする。従って、セルから電圧を出力させないようにするのであれば、どのように停止させてもよい。
【００２５】
ここで、複数のアーム４ｕｐ〜４ｗｍでセルＣＬ１１〜ＣＬ６４が故障した場合、１つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで最も多く故障したセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の個数分、他の各アーム４ｕｐ〜４ｗｍのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４を停止させる。これにより、全てのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで動作させるセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の個数を同じにする。動作させるセルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、故障したセルと強制的に停止させるセル以外のセルとなる。
【００２６】
制御装置３は、動作させるセルＣＬ１２〜ＣＬ６４で、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍからセルＣＬ１１の故障前と同一の電圧値及び周波数を出力させるように、ゲート信号Ｓｇを生成する。制御装置３は、生成したゲート信号Ｓｇで、各セルＣＬ１２〜ＣＬ６４を駆動する。
【００２７】
図３及び図４を参照して、セルＣＬ１１が故障した場合のアーム４ｕｐを構成する動作させるセルＣＬ１２〜ＣＬ１４の制御について説明する。
【００２８】
図３は、セルＣＬ１１が故障する前のアーム４ｕｐの出力電圧の波形図を示している。図４は、セルＣＬ１１が故障した後のアーム４ｕｐの出力電圧の波形図を示している。電圧Ｖｐは、アーム４ｕｐに要求されている電圧の波高値である。
【００２９】
アーム４ｕｐは、出力電圧が正弦波の正極側の波形に近似するように、各セルＣＬ１１〜ＣＬ１４から電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力する。
【００３０】
セルＣＬ１１の故障前は、図３に示すように、時刻ｔ１にセルＣＬ１１が電圧Ｖ１を出力し、時刻ｔ２にセルＣＬ１２が電圧Ｖ２を出力し、時刻ｔ３にセルＣＬ１３が電圧Ｖ３を出力し、時刻ｔ４にセルＣＬ１４が電圧Ｖ４を出力している。各セルＣＬ１１〜ＣＬ１４の出力電圧Ｖ１〜Ｖ４は、アーム４ｕｐの出力電圧の波高値Ｖｐの４分の１である。全てのセルＣＬ１１〜ＣＬ１４が電圧Ｖ１〜Ｖ４を同時に出力する位相区間で、アーム４ｕｐは、要求されている電圧の波高値Ｖｐを出力する。また、各セルＣＬ１１〜ＣＬ１４が電圧Ｖ１〜Ｖ４を出力する時刻ｔ１〜ｔ４の間隔（即ち、位相間隔）は、アーム４ｕｐから出力される電圧の波形が正弦波に近似するように決定される。
【００３１】
セルＣＬ１１の故障後は、セルＣＬ１１から電圧を出力させることはできない。しかし、アーム４ｕｐは、故障前と同じ電圧値及び周波数の電圧を出力する必要がある。この同じ電圧値とは、高調波成分を除いた基本波成分の電圧（基本波電圧）の実効値が同じことを意味している。アーム４ｕｐがこのような故障前と同じ電圧を出力するために、制御装置３は、アーム４ｕｐの各セルＣＬ１２〜ＣＬ１４を、次のように制御する。
【００３２】
セルＣＬ１１の故障後は、時刻ｔ２ａにセルＣＬ１２が電圧Ｖ２ａを出力し、時刻ｔ３ａにセルＣＬ１３が電圧Ｖ３ａを出力し、時刻ｔ４ａにセルＣＬ１４が電圧Ｖ４ａを出力する。各セルＣＬ１２〜ＣＬ１４の出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ４ａは、アーム４ｕｐの出力電圧の波高値Ｖｐの３分の１である。従って、各セルＣＬ１２〜ＣＬ１４の出力電圧Ｖ２ａ〜Ｖ４ａは、故障前よりもセル１１の出力電圧Ｖ１分を補うように高くなる。動作させている３つのセルＣＬ１２〜１４が電圧Ｖ２ａ〜Ｖ４ａを同時に出力する位相区間で、アーム４ｕｐは、要求されている電圧の波高値Ｖｐを出力する。また、各セルＣＬ１２〜１４が電圧Ｖ２ａ〜Ｖ４ａを出力する時刻ｔ２ａ〜ｔ４ａの間隔（即ち、位相間隔）は、故障前と比較して、セル１１から電圧が出力されない分基本的に長くなる。
【００３３】
制御装置３は、セルＣＬ１１の故障の前後で、アーム４ｕｐから出力させる電圧を、上述したように、図３に示す電圧波形から図４に示す電圧波形に変更するように、各セルＣＬ１１〜ＣＬ１４に送信するゲート信号Ｓｇを変更する。
【００３４】
セルＣＬ１１が故障したアーム４ｕｐ以外のアーム４ｕｍ〜４ｗｍについても、強制的に停止させたセル以外の動作させるセルを、上述したアーム４ｕｐと同様に制御する。
【００３５】
このように、セルＣＬ１１の故障後は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで動作させるセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の個数を同じにして、相毎の正極側と負極側の電圧波形が対象になるようにし、各線間の電圧波形が同じになるようにする。これにより、自励式電力変換装置１から出力される電圧は、バランスのとれた三相交流電圧になる。
【００３６】
本実施形態によれば、電力変換回路を構成するセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の一部に故障などの異常が発生しても、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで動作させるセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の個数を同じにすることで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍから出力される電圧のバランスをとることができる。これにより、アーム４ｕｐ〜４ｗｍ間の電圧波形のアンバランスにより生じる高調波を抑制することができる。
【００３７】
また、電力変換回路から出力される交流電圧の周波数及び電圧値を、異常発生前と同じ値になるように、各セルＣＬ１１〜ＣＬ６４の出力電圧及び位相を調整することで、異常発生前と同等の交流電力を供給することができる。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで、故障していないセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の個数が、要求される出力電圧を出力可能な最低限の個数以上あれば、異常発生後でも要求どおりの交流電力の供給を継続することができる。
【００３８】
なお、セルＣＬの構成は、図２に示したものに限らない。スイッチング素子を含む変換器であり、自励式電力変換装置の構成として機能するのであれば、どのような回路でもよい。例えば、セルＣＬは、双方向チョッパ又はフルブリッジ変換器でもよい。
【００３９】
また、実施形態では、１つのアーム４ｕｍを構成する各セルＣＬ１１〜ＣＬ１４から出力させる電圧を全て同じとしたが、これに限らない。各セルＣＬ１１〜ＣＬ１４から出力させる電圧は、全て異なっていてもよいし、一部が異なっていてもよい。
【００４０】
さらに、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４で構成されたものに限らず、いくつのセルで構成されていてもよい。例えば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、構成の冗長性を確保するために、正常時でも出力電圧の１周期の間で使用しないセルが含まれていてもよい。また、自励式電力変換装置１は、６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成されたものに限らず、いくつのアームで構成されていてもよい。例えば、自励式電力変換装置１を直流電力から三相交流電力に変換する構成として説明したが、直流電力から単相交流電力に変換する構成でもよい。この場合、４つのアームで直流電力を単相交流電力に変換する自励式電力変換装置を構成することができる。
【００４１】
また、実施形態において、セルの異常は、セルが故障した場合に限らない。セル自体が故障していなくても、他の要因によりそのセルを停止しなければならない事態が生ずれば、そのセルを異常と判断してもよい。
【００４２】
さらに、実施形態では、セルの故障前後において、電圧値が変わらないように制御したが、交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗが容認できる範囲内であれば、電圧値は変えてもよい。要求通りの電力供給ができなくても、高調波の増加を抑制した交流電力を供給することができる。
【００４３】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００４４】
１…自励式電力変換装置、２…直流電源、３…制御装置、４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ…アーム、５ｕ，５ｖ，５ｗ…リアクトル、６ｕ，６ｖ，６ｗ…連系リアクトル、７ｕ，７ｖ，７ｗ…交流系統、ＣＬ１１〜ＣＬ６４…セル、Ｓｇ…ゲート信号。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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