(57)【要約】【課題】直列多重変換器のいずれかの変換器が故障停止した場合であっても運転を継続でき、所望の容量を得ることができるようにすることである。【解決手段】直列多重変換器１１は、定格容量が同一のものまたは異なるものを含んだ複数個の電力変換器１２を組み合わせて三相各相にそれぞれ直列に接続して形成され、変換器制御装置１８は、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持するように、直列多重変換器１１の三相各相に接続された変換器１２の出力電圧の位相または大きさを調整制御する。【選択図】  図１
2008141804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
定格容量が同一のものまたは異なるものを含んだ複数個の電力変換器を組み合わせて三相各相にそれぞれ直列に接続して形成された直列多重変換器と、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持するように前記直列多重変換器の三相各相に接続された変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御する変換器制御装置とを備えたことを特徴とする直列多重型交直変換装置。
【請求項２】
前記変換器は、三相各相に対して同じ台数が直列接続されたことを特徴とする請求項１に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項３】
前記変換器は、三相各相の少なくともいずれか１相は異なる台数が直列接続されたことを特徴とする請求項１に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項４】
前記変換器制御装置は、変換器の運転台数を変更する際に、前記直列多重変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御し、三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項５】
前記変換器制御装置は、三相各相の変換器の運転台数を一定として、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧となるように、変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項６】
前記変換器制御装置は、三相各相の変換器の運転台数または変換器の出力電圧の位相もしくは大きさを調整制御し前記平衡三相線間電圧の値を変更前の値と同じ値に保持することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項７】
前記変換器制御装置は、三相各相の運転台数または変換器の出力電圧の位相もしくは大きさを調整制御し変換器の効率変動を極力抑制することを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項８】
複数台の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続された直列多重変換器と、前記直列多重変換器のいずれかの変換器が故障停止したことを検出する故障検出器と、前記故障検出器が故障停止した変換器を検出したときは前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の電圧を保持するように故障停止した変換器を除いた健全な変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御する変換器制御装置とを備えたことを特徴とする直列多重型交直変換装置。
【請求項９】
前記変換器制御装置は、故障停止した変換器を除いた健全な変換器の各々の出力電圧の大きさを同一とし、故障停止した変換器が接続された相の位相を健全時と同一位相とすることを特徴とする請求項８に記載の直列多重型交直変換装置。
【請求項１０】
定格容量が同一のもの及び異なるものを含んだ複数個の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続され三相交流電力を供給する直列多重型交直変換装置の制御方法において、前記直列多重変換器の三相各相に接続された変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御し、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧を平衡三相線間電圧に保持することを特徴とする直列多重型交直変換装置の制御方法。
【請求項１１】
複数台の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続され三相交流電力を供給する直列多重型交直変換装置の制御方法において、前記直列多重変換器のいずれかの変換器の故障停止したか否かを判定し、前記変換器のいずれも故障停止していないときは前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が所定電圧となるように前記直列多重変換器の各々の変換器を制御し、前記変換器のいずれかが故障停止したときは前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の所定電圧を保持するように故障停止した変換器を除いた健全な変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御することを特徴とする直列多重型交直変換装置の制御方法。
【請求項１２】
前記変換器のいずれかが故障停止したとき、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の所定電圧を保持するように故障停止した変換器を除いた健全な変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御するにあたり、健全な変換器の各々の出力電圧の大きさを同一とし、故障停止した変換器が接続された相の位相を健全時と同一位相とすることを特徴とする請求項１１に記載の直列多重型交直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、複数台の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続された直列多重変換器を備えた直列多重型交直変換装置及び制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、直流を交流に変換する電力変換器として、三相各相に対して複数台の変換器を直列に接続して直列多重変換器を構成したものがある。通常、三相各相に直列接続される変換器は、定格容量が同一のものであり、通常運転時においては各相の変換器の出力電圧は同じである。
【０００３】
このような直列多重変換器のいずれかの変換器に故障等が発生すると、直ちに直列多重変換器を停止させ、故障した変換器を健全な変換器と交換するようにしている。この交換作業には、健全な変換器への現地取替作業や確認試験等が必要であり、通常、半日以上の時間が掛かるので、その間は電力変換器は停止となっている。
【０００４】
電力用途の大容量の直列多重変換器では、直列多重変換器を構成する変換器の点検を各アーム単位または各相単位で行うので数日間に亘ってシステム停止することもある。特に、故障時の復旧時間をできるだけ短縮したいという要望があるので、そのような長期間に亘って連続で直列多重変換器を停止できない場合は、各アーム単位または各相単位ごとに時間をおいて順次点検を実施しているのが現状である。
【０００５】
また、産業用の直列多重変換器や分散型電源用の直列多重変換器では、点検時は直列多重変換器を停止したり、あるいは直列多重変換器を停止した際にバイパス回路で給電するなどしているが、バイパス回路で給電する場合には商用電源から給電することとなり、直列多重変換器本来のメリットを維持することができない。
【０００６】
ここで、複数台の電力変換器の直流側を接続して電力の融通を行うシステムにおいて、１台の電力変換器が系統事故や変換器の故障等で停止しても、残りの健全な電力変換器で運転を継続できるようにしたものがある（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平９−７４７６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献１のものでは予備の電力変換器を設ける必要がある。複数台の変換器を直列に接続して構成された直列多重変換器の故障や点検時の対策として、予備の変換器（例えば１相分）を用意することも考えられる。例えば、直列多重変換器を構成する変換器の故障や点検時に予備の変換器に切り替え、運転を継続するようにすることも考えられるが、そうすると、１台あたりの稼働率が低下するとともに変換器１台分のシステム容量が増えることになり、設置スペース等の制約を受けることになる。
【０００８】
さらに、通常、三相各相に直列接続される変換器は定格容量が同一のものであるので、所望の容量の直列多重変換器を構成することができない場合がある。例えば、変換器の単体の定格容量が５０ｋＶＡである場合、３相分の定格容量として、各相１台の変換器を用いる場合は１５０ｋＶＡとなり、各相２台の変換器を用いる場合は３００ｋＶＡとなる。同様に、変換器の単体の定格容量が２００ｋＶＡである場合、３相分の定格容量として、各相１台の変換器を用いる場合は６００ｋＶＡとなり、各相２台の変換器を用いる場合は１２００ｋＶＡとなる。すなわち、設計の標準化、合理化から変換器の単体の定格容量の３の倍数の定格容量の製造が望まれており、変換器の単体の定格容量の３の倍数でない出力を得るには、部分負荷運転をすることになる。
【０００９】
図１３は、直列多重変換器の三相各相の変換器の台数がそれぞれ２台であり、各々の変換器の定格容量も同一である場合において、直列多重変換器の出力電圧を下げた部分負荷運転をする場合の出力電圧ベクトル図である。
【００１０】
図１３（ａ）は通常運転時の出力電圧ベクトル図、図３（ｂ）は変換器の運転台数を一定としたままで変換器の出力電圧の大きさを調整制御して三相各相の出力線間電圧を下げた場合の出力電圧ベクトル図、図１３（ｃ）は三相各相の変換器の運転台数を減らし１台とて直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧を下げた場合の出力電圧ベクトル図である。
【００１１】
図１３（ａ）において、通常運転時においては、直列多重変換器１１のＵ相の変換器の出力電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｖ相の変換器の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｗ相の変換器の出力電圧Ｗ１、Ｗ２は、それぞれ大きさが同じであり、直列多重変換器１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の変換器出力電圧は、それぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電流を維持している。図１３（ｂ）においては、直列多重変換器１１のＵ相の変換器の出力電圧をｕ１、ｕ２、Ｖ相の変換器の出力電圧をｖ１、ｖ２、Ｗ相の変換器の出力電圧をｗ１、ｗ２に下げて三相各相の出力線間電圧を下げた場合を示し、図１３（ｃ）においては、直列多重変換器１１のＵ、Ｖ、Ｗ相の変換器の１台を停止して出力電圧Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１とし、三相各相の出力線間電圧を下げた場合を示している。
【００１２】
つまり、従来においては、図３（ｂ）に示すように、三相各相の変換器の出力電圧を下げて部分負荷運転を行ったり、三相各相の変換器の運転台数をそれぞれ減らして部分負荷運転を行っていた。
【００１３】
三相各相の変換器の出力電圧を下げて変換器を部分負荷で運転すると、変換器の効率が低下するという課題があり、また、変換器の運転台数を減らした場合には段階的な変化の部分負荷運転しかできないという課題があった。
【００１４】
そこで、負荷変化が連続的な部分負荷でも効率が低下しない変換器が求められていた。例えば、風力発電、太陽光発電などに適用する変換器においては、連続的な部分負荷運転の頻度が高い。このため、出力が変動しても効率のよい発電が継続できれば、再生可能エネルギーを有効利用することになり、CO２排出削減につながる。その結果、地球温暖化を防ぐことも期待できる。
【００１５】
本発明の目的は、直列多重変換器のいずれかの変換器が故障停止した場合であっても運転を継続でき、出力が変動しても効率を下げることなく運転できる直列多重型交直変換装置及び制御方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
請求項１の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、定格容量が同一のものまたは異なるものを含んだ複数個の電力変換器を組み合わせて三相各相にそれぞれ直列に接続して形成された直列多重変換器と、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持するように前記直列多重変換器の三相各相に接続された変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御する変換器制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００１７】
請求項２の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項１の発明において、前記変換器は、三相各相に対して同じ台数が直列接続されたことを特徴とする。
【００１８】
請求項３の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項１の発明において、前記変換器は、三相各相の少なくともいずれか１相は異なる台数が直列接続されたことを特徴とする。
【００１９】
請求項４の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記変換器制御装置は、変換器の運転台数を変更する際に、前記直列多重変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御し、三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持することを特徴とする。
【００２０】
請求項５の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の発明において、前記変換器制御装置は、三相各相の変換器の運転台数を一定として、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧となるように、変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御することを特徴とする。
【００２１】
請求項６の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項１ないし５のいずれか１項の発明において、三相各相の変換器の運転台数または変換器の出力電圧の位相もしくは大きさを調整制御し前記平衡三相線間電圧の値を変更前の値と同じ値に保持することを特徴とする。
【００２２】
請求項７の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項１ないし６のいずれか１項の発明において、前記変換器制御装置は、三相各相の運転台数または変換器の出力電圧の位相もしくは大きさを調整制御し変換器の効率変動を極力抑制することを特徴とする。  請求項８の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、複数台の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続された直列多重変換器と、前記直列多重変換器のいずれかの変換器が故障停止したことを検出する故障検出器と、前記故障検出器が故障停止した変換器を検出したときは前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の電圧を保持するように故障停止した変換器を除いた健全な変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御する変換器制御装置とを備えたことを特徴とする。
【００２３】
請求項９の発明に係わる直列多重型交直変換装置は、請求項８の発明において、前記変換器制御装置は、故障停止した変換器を除いた健全な変換器の各々の出力電圧の大きさを同一とし、故障停止した変換器が接続された相の位相を健全時と同一位相とすることを特徴とする。
【００２４】
請求項１０の発明に係わる直列多重型交直変換装置の制御方法は、定格容量が同一のもの及び異なるものを含んだ複数個の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続され三相交流電力を供給する直列多重型交直変換装置の制御方法において、前記直列多重変換器の三相各相に接続された変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御し、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧を平衡三相線間電圧に保持することを特徴とする。
【００２５】
請求項１１の発明に係わる直列多重型交直変換装置の制御方法は、複数台の電力変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続され三相交流電力を供給する直列多重型交直変換装置の制御方法において、前記直列多重変換器のいずれかの変換器の故障停止したか否かを判定し、前記変換器のいずれも故障停止していないときは前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が所定電圧となるように前記直列多重変換器の各々の変換器を制御し、前記変換器のいずれかが故障停止したときは前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の所定電圧を保持するように故障停止した変換器を除いた健全な変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御することを特徴とする直列多重型交直変換装置の制御方法。
【００２６】
請求項１２の発明に係わる直列多重型交直変換装置の制御方法は、請求項１１の発明において、前記変換器のいずれかが故障停止したとき、前記直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の所定電圧を保持するように故障停止した変換器を除いた健全な変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御するにあたり、健全な変換器の各々の出力電圧の大きさを同一とし、故障停止した変換器が接続された相の位相を健全時と同一位相とすることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、定格容量が同一または異なる変換器を三相各相に接続して直列多重変換器を形成し、直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持するように、三相各相に接続された変換器の出力電圧の位相または大きさを調整制御するので、出力が変動しても効率を下げることなく運転できる直列多重変換器を構成することができる。
【００２８】
また、直列多重変換器の１台の変換器が故障停止になってもその他の健全な変換器で分担して運転するので、予備の変換器を設けることなく、直列多重変換器の出力電圧を健全時の電圧に維持できる。また、予備の変換器を設置する必要がなくなり設置スペースを縮小できる。さらに、直列多重変換器を停止することなく点検ができるので信頼性が向上し、設備の予防保全やシステム故障率を低下できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図１は本発明の第１実施の形態に係わる直列多重型交直変換装置の構成図である。直列多重変換器１１は、三相各相に対してそれぞれ複数台の変換器１２が設けられる。三相各相に対して直列接続される変換器１２の台数は、同じ台数もしくは三相各相の少なくともいずれか１相は異なる台数が直列接続される。図１では三相各相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して、それぞれ同じ台数の２台の変換器１２が設けられた場合を示している。すなわち、Ｕ相には変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２が設けられ、Ｖ相には変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２が設けられ、Ｗ相には変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２が設けられている。また、変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２は、定格容量が同一のものまたは異なるものが組み合わせて接続される。
【００３０】
図２は、１個の変換器１２の一例を示す回路構成図である。変換器１２は、例えば絶縁ゲート形半導体素子である４個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）モジュール１３を直並列に接続して構成され、直流電源１４からの直流電力を交流電力に変換して巻線１５に出力するようになっている。
【００３１】
そして、図１に示すように、変換器１２の巻線１５を変圧器１６の一次巻線に磁気結合させ、三相各相に２個ずつ直列に配置する。これにより、変圧器１６の各々の一次巻線からは、各相につき、直列接続された２個の変換器１２の出力電圧が出力される。
【００３２】
変換器制御装置１８は、各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２を制御するものであり、三相各相の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の運転台数を一定または変更して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが平衡三相線間電圧となるように、変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の電圧指令値及び位相指令値を演算する。変換器制御装置１８で演算された変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の電圧指令値及び位相指令値はゲート制御回路２３に入力され、ゲート制御回路２３は、変換器制御装置１８からの電圧指令値及び位相指令値を満たすように変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２にゲート信号を出力する。
【００３３】
これにより、三相各相の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の出力電圧や位相は不平衡となるが、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは平衡三相線間電圧となる。
【００３４】
図３は本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器１１の三相各相の変換器の台数が同一で定格容量も同一である場合の直列多重変換器１１の出力電圧を下げる場合の実施例を示す出力電圧ベクトル図である。図３（ａ）は通常運転時の出力電圧ベクトル図、図３（ｂ）は変換器１２の運転台数を一定としたままで直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧を下げつつ平衡三相線間電圧を維持するように変換器の出力電圧の大きさを調整制御した場合の出力電圧ベクトル図、図３（ｃ）は変換器１２の運転台数を一定としたままで直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧を下げつつ平衡三相線間電圧を維持するように変換器の出力電圧及び位相を調整制御した場合の出力電圧ベクトル図である。
【００３５】
図３（ａ）に示すように、通常運転時においては、直列多重変換器１１のＵ相の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２の出力電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｖ相の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｗ相の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧Ｗ１、Ｗ２は、それぞれ大きさが同じであり、直列多重変換器１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧は、それぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。また、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧であるＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗもそれぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。
【００３６】
この状態で、直列多重変換器１１の変換器１２Ｕ１〜Ｗ２の運転台数を一定としたままで直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げる場合を考える。図３（ｂ）は、直列多重変換器１１の三相各相の各々の変換器１２のいずれか一つの変換器１２の出力電圧の大きさを調整して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＵ相については変換器１２Ｕ２の出力電圧をＵ２からｕ２とし、Ｖ相については変換器１２Ｖ２の出力電圧をＶ２からｖ２とし、Ｗ相については変換器１２Ｗ２の出力電圧をＷ２からｗ２として、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更する。
【００３７】
一方、図３（ｃ）は、直列多重変換器１１の三相各相のいずれか一相の変換器１２の出力電圧の大きさを調整するとともに、二相の変換器１２の出力電圧の大きさは一定のままで位相を調整して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＷ相については変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧を下げ、Ｕ相及びＶ相については変換器１２Ｕ１（１２Ｖ１）、１２Ｕ２（１２Ｖ２）の出力電圧は一定とし、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが三相平衡電圧を維持するように、Ｕ相及びＶ相の位相を変更する。
【００３８】
この場合、図３（ｃ）に示すように、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相は不平衡となっているが、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは平衡三相線間電圧となる。このように、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが平衡三相線間電圧となる限りは、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相が不平衡となる運転を許容し、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの変更を可能としている。これにより、所望の容量の直列多重変換器を構成することができる。
【００３９】
図４は本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器１１の三相各相の変換器の台数が同じで定格容量が異なる場合の直列多重変換器１１の出力電圧の実施例を示す出力電圧ベクトル図である。図４（ａ）は通常運転時の出力電圧ベクトル図、図４（ｂ）、図４（ｃ）は変換器１２の運転台数を変更して直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧を下げつつ平衡三相線間電圧を維持するように変換器の出力電圧の大きさを調整制御した場合の出力電圧ベクトル図である。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、三相各相の変換器１２の台数はそれぞれ２台で同じであるが、Ｗ相の２台の変換器の定格容量は、Ｕ相及びＶ相の変換器の定格容量の１／２であるものを用いている。従って、通常運転時においては、直列多重変換器１１のＵ相の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２の出力電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｖ相の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の出力電圧Ｖ１、Ｖ２はそれぞれ同じであるが、Ｗ相の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧Ｗ１、Ｗ２は、Ｕ相及びＶ相の変換器の出力電圧の１／２となっている。このため、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相は不平衡となっている。
【００４１】
なお、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相は不平衡であるが、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗは平衡三相線間電圧となるように調整されている。従って、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧であるＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。このように、通常運転時においても、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが平衡三相線間電圧となる限りは、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相が不平衡となる運転を許容している。
【００４２】
この状態で、直列多重変換器１１の変換器１２Ｕ１〜Ｗ２の運転台数を変更して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げる場合を考える。図４（ｂ）は、直列多重変換器１１のＵ相及びＶ相の変換器Ｕ２、Ｖ２を停止または出力電圧を０として、直列多重変換器１１のＵ相及びＶ相出力電圧の大きさを調整し、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＷ相については変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧をそのままとし、Ｕ相及びＶ相については変換器１２Ｕ２（１２Ｖ２）の出力電圧が０となるようにし、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが三相平衡電圧を維持するように、Ｕ相及びＶ相の位相を変更する。これにより、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げることができる。
【００４３】
図４（ｃ）は、直列多重変換器１１のＷ相の変換器Ｗ２を停止または出力電圧を０として、直列多重変換器１１のＷ相の出力電圧の大きさを調整し、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＵ相及びＶ相については変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２、変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の出力電圧をそのままとし、直列多重変換器１１のＷ相については変換器１２Ｗ２の出力電圧が０となるようにし、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが三相平衡電圧を維持するように、Ｕ相及びＶ相の位相を変更する。これにより、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げることができる。  以上の説明では、三相各相に対して同じ台数の変換器１２が直列接続された場合について説明したが、三相各相の少なくともいずれか１相は異なる台数の変換器１２が直列接続された場合に同様である。
【００４４】
図５は本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器１１の三相各相の変換器の台数が異なり各変換器の定格容量も異なる場合の直列多重変換器１１の出力電圧の実施例を示す出力電圧ベクトル図である。図５（ａ）は通常運転時の出力電圧ベクトル図、図５（ｂ）は変換器１２の運転台数を一定としたままで直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧を下げつつ平衡三相線間電圧を維持するように変換器の出力電圧の大きさを調整制御した場合の出力電圧ベクトル図、図５（ｃ）は変換器１２の運転台数を一定としたままで直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧を下げつつ平衡三相線間電圧を維持するように変換器の出力電圧及び位相を調整制御した場合の出力電圧ベクトル図である。
【００４５】
図５（ａ）に示すように、三相各相の変換器１２の台数が異なり、Ｕ相及びＶ相には３台の変換器１２Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３（１２Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）が接続され、Ｗ相には２台の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２が接続されている。また、Ｗ相の２台の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の定格容量は、Ｕ相の変換器１２Ｕ３及びＶ相の変換器１２Ｖ３の定格容量と同じであり、Ｕ相の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２及びＶ相の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の定格容量は、Ｗ相の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の定格容量の１／２であるものを用いている。通常運転時においては、直列多重変換器１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧は、それぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。また、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧であるＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗもそれぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。
【００４６】
この状態で、直列多重変換器１１の変換器１２の運転台数を一定としたままで直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げる場合を考える。図５（ｂ）は、直列多重変換器１１の三相各相の各々の変換器１２のいずれか一つの変換器１２の出力電圧の大きさを調整して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＵ相については変換器１２Ｕ３の出力電圧をＵ３からｕ３とし、Ｖ相については変換器１２Ｖ３の出力電圧をＶ３からｖ３とし、Ｗ相については変換器１２Ｗ２の出力電圧をＷ２からｗ２として、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更する。
【００４７】
一方、図５（ｃ）は、直列多重変換器１１の三相各相のいずれか一相の変換器１２の出力電圧の大きさを調整するとともに、二相の変換器１２の出力電圧の大きさは一定のままで位相を調整して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＷ相については変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧を下げ、Ｕ相及びＶ相については変換器１２Ｕ１（１２Ｖ１）、１２Ｕ２（１２Ｖ２）、１２Ｕ３（１２Ｖ３）の出力電圧は一定とし、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが三相平衡電圧を維持するように、Ｕ相及びＶ相の位相を変更する。
【００４８】
図６は本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器１１の三相各相の変換器の台数が異なり各変換器の定格容量も異なる場合の直列多重変換器１１の出力電圧の他の実施例を示す出力電圧ベクトル図である。図６（ａ）は通常運転時の出力電圧ベクトル図、図６（ｂ）、図６（ｃ）は変換器１２の運転台数を変更して直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧を下げつつ平衡三相線間電圧を維持するように変換器の出力電圧の大きさを調整制御した場合の出力電圧ベクトル図である。
【００４９】
図６（ａ）に示すように、三相各相の変換器１２の台数が異なり、Ｕ相及びＶ相には３台の変換器１２Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３（１２Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３）が接続され、Ｗ相には２台の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２が接続されている。また、Ｗ相の２台の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の定格容量は、Ｕ相の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２及びＶ相の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の定格容量と同じであり、Ｕ相の変換器１２Ｕ３及びＶ相の変換器１２Ｖ３の定格容量の１／２であるものを用いている。
【００５０】
通常運転時においては、直列多重変換器１１のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧は、不平衡三相電圧であるが、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧であるＵ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗはそれぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。このように、通常運転時においても、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが平衡三相線間電圧となる限りは、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相が不平衡となる運転を許容している。
【００５１】
この状態で、直列多重変換器１１の変換器１２の運転台数を変更して、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げる場合を考える。図６（ｂ）は、直列多重変換器１１のＵ相及びＶ相の変換器１２Ｕ３、１２Ｖ３を停止または出力電圧を０として、直列多重変換器１１のＵ相及びＶ相出力電圧の大きさを調整し、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＷ相については変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧をそのままとし、Ｕ相及びＶ相については変換器１２Ｕ３（１２Ｖ３）の出力電圧が０となるようにし、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが三相平衡電圧を維持するように、Ｕ相及びＶ相の位相を変更する。これにより、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げることができる。
【００５２】
図６（ｃ）は、直列多重変換器１１のＶ相の変換器１２Ｖ３を停止または出力電圧を０として、直列多重変換器１１のＶ相出力電圧の大きさを調整し、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを変更した場合を示している。すなわち、直列多重変換器１１のＵ相及びＷ相については変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２、１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧をそのままとし、Ｖ相については変換器１２Ｖ３の出力電圧が０となるようにし、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗが三相平衡電圧を維持するように、Ｖ及びＷ相の位相を変更する。これにより、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧Ｕ、Ｖ、Ｗの大きさを下げることができる。
【００５３】
以上の実施例では、各相の線間電圧の大きさを下げた場合について説明したが、各相の出力線間電圧を変えずに各変換器の台数や位相などを変更することにより、定格出力を維持することもできる。
【００５４】
また、出力線間電圧を平衡三相状態に維持する条件の中で、三相各相の変換器の出力電圧ベクトルの位相と大きさを自由自在に変えることもできる。さらに、三相各相の変換器の出力電圧ベクトルの位相と大きさを自由自在に変えることで三相各相の出力線間電圧の電圧・電流ベクトルの位相と大きさを自由自在に変えることもできる。これにより、高効率運転を維持しながら所望の三相平衡あるいは三相不平衡の出力線間電圧を得ることができる。
【００５５】
次に、各相の変換器１２の運転台数を変更した場合の損失について説明する。図７は、各相の各々の変換器１２が４台ずつ設けられ、合計１２台の変換器１２を有した直列多重型交直変換装置１１の出力線間電圧（p.u.）と損失（％）との関係を示すグラフである。折れ線Ｌ１は従来方式（運転台数を３の倍数のみ選んで変調率を変化させて出力電圧を調整する方式）の場合の特性、折れ線Ｌ２は本発明の場合の特性を表している。図７中の折れ点での数値は、変換器の運転台数を示している。
【００５６】
表１は従来方式での折れ線Ｌ１の各折れ点における変換器の運転台数、出力線間電圧（p.u.）及び損失（％）を示す表である。
【表１】
2008141804.tif 000003
【００５７】
また、表２は本発明の方式での折れ線Ｌ２の各折れ点における変換器の運転台数、出力線間電圧（p.u.）及び損失（％）を示す表である。
【表２】
2008141804.tif 000004
【００５８】
いま、各相の４台の変換器１２が４台ともに変調率（ｍ＝１）で運転されている場合（１２台運転の場合）が最高電圧（出力線間電圧が１．００p.u.）であるとし、変換器１２を変調率（ｍ＝１）で運転した場合の直列多重型交直変換装置１１の変換器１２の損失は約１．０３％であるとする。
【００５９】
そうすると、各相の変換器１２が同じ台数でしかも変調率（ｍ＝１）で運転されている場合は、直列多重型交直変換装置１１の変換器１２の損失は、従来方式のときも本発明のときもいずれの場合も約１．０３％で同じある。すなわち、各相の１台の変換器１２（３台運転の場合）が変調率（ｍ＝１）で運転されている場合、各相の２台の変換器１２（６台運転の場合）が変調率（ｍ＝１）で運転されている場合、各相の３台の変換器１２（９台運転の場合）が変調率（ｍ＝１）で運転されている場合は、直列多重型交直変換装置１１の変換器１２の損失はいずれの場合も約１．０３％で同じある。
【００６０】
次に、例えば、出力線間電圧を０．８２ p.u.としたい場合、従来方式では各相の4台(１２台運転)が変調率を１から０．８２に下げて運転することになり、損失は約１．２５％に増加する。一方、本発明方式では合計が３の倍数以外の台数でも運転できるので、Ｕ相の４台、Ｖ相の３台、Ｗ相の３台（１０台運転）を変調率を１に保ちながら運転すれば、損失は約１．０３％からほとんど変動しない１．０４％となる。このように、三相各相の運転台数または変換器の出力電圧の位相もしくは大きさを変更しても変換器の効率変動を極力抑制することができる。
【００６１】
本発明の第１の実施の形態によれば、定格容量が同一または異なる変換器１２を三相各相に接続して直列多重変換器１１を形成し、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧が平衡三相線間電圧を保持するように、直列多重変換器１１の三相各相の出力電圧や位相が不平衡となる運転を許容して、三相各相に接続された変換器１２の出力電圧の位相または大きさを調整制御するので、直列多重変換器１１は、変換器１２の定格容量の制約を受けることなく所望の容量とすることができる。また、経年変化等により定格容量が低下した変換器１２に対して、他の健全な変換器１２により出力電圧の一部を肩代わりすることも可能である。
【００６２】
次に、本発明の第２の実施の形態を説明する。図８は本発明の第２の実施の形態に係わる直列多重型交直変換装置の構成図である。この第２の実施の形態は、図１に示した第１の実施の形態に対し、故障検出器１７を設け、変換器制御装置１２は、故障検出器１７が故障停止した変換器１２を検出したときは、直列多重変換器の三相各相の出力線間電圧が健全時の電圧を保持するように、故障停止した変換器１２を除いた健全な変換器１２の出力電圧の位相または大きさを調整制御するようにしたものである。
【００６３】
図８において、直列多重変換器１１は、三相各相に対してそれぞれ複数台の変換器１２が設けられる。図８では三相各相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して、それぞれ２台の変換器１２が設けられた場合を示している。すなわち、Ｕ相には変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２が設けられ、Ｖ相には変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２が設けられ、Ｗ相には変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２が設けられている。
【００６４】
そして、図８に示すように、変換器１２の巻線１５を変圧器１６の一次巻線に磁気結合させ、三相各相に２個ずつ直列に配置する。これにより、変圧器１６の各々の一次巻線からは、各相につき、直列接続された２個の変換器１２の出力電圧が出力される。
【００６５】
また、直列多重変換器１１の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２のいずれかが故障停止したことを検出する故障検出器１７が設けられており、この故障検出器１７で検出された変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の故障停止信号は変換器制御装置１８に入力される。
【００６６】
変換器制御装置１８は、各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２を制御するものであり、正常時指令値演算手段１９及び故障停止時指令値演算手段２０を有する。正常時指令値演算手段１９は、各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２が三相交流の所定電圧を出力するように電圧指令値及び位相指令値を演算する。一方、故障停止時指令値演算手段２０は故障停止判定手段２１により起動され、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧が健全時の電圧を保持するように、故障停止した変換器１２を除いた健全な変換器１２の電圧指令値及び位相指令値を演算する。
【００６７】
次に、故障停止判定手段２１は、故障検出器１７により故障停止した変換器１２が検出されたときは、故障停止した変換器１２を識別し、故障停止時指令値演算手段２０を起動するとともに切換手段２２を起動する。切換手段２２は、正常時においては、正常時指令値演算手段１９の出力を選択してゲート制御回路２３に出力し、故障検出器１７により故障停止した変換器１２が検出されたときは、故障停止時指令値演算手段２０の出力を選択する。ゲート制御回路２３は、切換手段２２からの電圧指令値及び位相指令値を満たすように変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２にゲート信号を出力する。
【００６８】
これにより、直列多重変換器１１の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２が正常であるときは、正常時指令値演算手段１９からの電圧指令値及び位相指令値により各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２は制御され、一方、直列多重変換器１１の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２のいずれかが故障停止したときは、故障停止時指令値演算手段２０からの電圧指令値及び位相指令値により各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２は制御される。
【００６９】
図９は、直列多重変換器１１のいずれか１台の変換器１２が故障停止したときの直列多重変換器１１の出力電圧ベクトル図である。図９（ａ）は直列多重変換器１１の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２が正常である場合の出力電圧ベクトル図、図９（ｂ）は直列多重変換器１１の変換器１２Ｗ２が故障停止し、残りの健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１で出力を分担した場合の出力電圧ベクトル図である。
【００７０】
図９（ａ）に示すように、直列多重変換器１１の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２が正常である場合には、Ｕ相の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２の出力電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｖ相の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｗ相の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧Ｗ１、Ｗ２は、それぞれ大きさが同じであり、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の相電圧は、それぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。また、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧もそれぞれ１２０°の位相差を持つ三相平衡電圧を維持している。
【００７１】
この状態で、直列多重変換器１１の変換器１２Ｗ２が故障停止したとすると、Ｗ相の変換器１２Ｗ２の出力電圧が零となる。そこで、故障停止したＷ相の変換器１２Ｗ２を除いた健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１の出力電圧Ｕ１〜Ｗ１の位相または大きさを調整制御して、三相各相の出力線間電圧（Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧）が健全時の電圧を保持するように制御する。
【００７２】
図９（ｂ）に示すように、残りの健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１で出力を分担した場合、Ｕ相（ｕ１＋ｕ２）、Ｖ相（ｖ１＋ｖ２）、Ｗ相（ｗ１）の相電圧は不平衡状態であるが、Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧は三相平衡電圧となる。図９（ｂ）では、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１の各々の出力電圧ｕ１〜ｗ１の大きさを同一とし、故障停止した変換器１２Ｗ２が接続されたＷ相の位相を健全時と同一位相とした場合を示している。
【００７３】
図１０は、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１の出力電圧Ｕ１〜Ｗ１の位相または大きさの調整制御についての説明図である。いま、図１０に示すように、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の分担前の各々の出力電圧をＵ１〜Ｗ２、分担後の相電圧の中性点をＯ、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１の分担後の各々の出力電圧をｕ１〜ｗ１、三相各相の出力線間電圧（Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧）の出力端をＡ、Ｂ、Ｃとする。そして、Ｕ１＝Ｕ２＝Ｖ１＝Ｖ２＝Ｗ１＝１、∠ＡＯＢ＝２θ、ＡＢ＝ＢＣ＝ＣＡ＝ａ、ｕ１＝ｕ２＝ｖ１＝ｖ２＝ｗ１＝ｂとする。そうすると、下記の（１）式が成立する。
【００７４】
ｓｉｎθ＝（ａ／２）／２ｂ＝ａ／４ｂ  …（１）
また、△ＯＣＢに対する余弦定理より下記の（２）式が成立する。
【００７５】
ａ２＝ｂ２＋（２ｂ）２−４ｂ２ｃｏｓ（π−θ）
ｃｏｓθ＝（ａ２−５ｂ２）／４ｂ２              …（２）
（１）式及び（２）式を「ｓｉｎ２θ＋ｃｏｓ２θ＝１」に代入すると（３）式が得られる。
【００７６】
ａ２ｂ２＋（ａ２−５ｂ２）２＝１６ｂ４
９ｂ４−９ａ２ｂ２＋ａ４＝０          …（３）
ここで、ａ＝２√３であり、０＜ｂ＜２√３／３であるから、ａを（３）式に代入してｂを求めると（４）式が得られる。
【００７７】
ｂ＝√５−１＝１．２４  …（４）
また、ａ＝２√３及び（４）式を（１）式に代入してθを求めると（５）式が得られる。
【００７８】
θ＝±４４．３°  …（５）
以上のことから、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１で故障した変換器Ｗ１の出力を分担するには、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ１の出力電圧の大きさを１．２４倍にし、故障相であるＷ相以外のＵ相、Ｖ相の位相を４４．３°にずらせばよいことになる。以上の説明では、各相の変換器１２が２台の場合について説明したが、各相の変換器１２が３台の場合も同様に適用できる。
【００７９】
図１１は、各相の変換器１２が３台（Ｕ相：１２Ｕ１〜１２Ｕ３、Ｖ相：１２Ｖ１〜１２Ｖ３、W相：１２Ｗ１〜１２Ｗ３）でＷ相の変換器１２Ｗ３が故障したときの健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の出力電圧Ｕ１〜Ｗ２の位相または大きさの調整制御についての説明図である。
【００８０】
いま、図１１に示すように、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の分担前の各々の出力電圧をＵ１〜Ｗ２、分担後の相電圧の中性点をＯ、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の分担後の各々の出力電圧をｕ１〜ｗ２、三相各相の出力線間電圧（Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧）の出力端をＡ、Ｂ、Ｃとする。そして、Ｕ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝Ｖ１＝Ｖ２＝Ｖ３＝Ｗ１＝Ｗ２＝１、∠ＡＯＢ＝２θ、ＡＢ＝ＢＣ＝ＣＡ＝ａ、ｕ１＝ｕ２＝ｕ３＝ｖ１＝ｖ２＝ｖ３＝ｗ１＝ｗ２＝ｂとする。そうすると、下記の（６）式が成立する。
【００８１】
ｓｉｎθ＝（ａ／２）／３ｂ＝ａ／６ｂ  …（６）
また、△ＯＣＢに対する余弦定理より下記の（７）式が成立する。
【００８２】
ａ２＝（２ｂ）２＋（３ｂ）２−１２ｂ２ｃｏｓ（π−θ）
ｃｏｓθ＝（ａ２−１３ｂ２）／１２ｂ２              …（７）
（６）式及び（７）式を「ｓｉｎ２θ＋ｃｏｓ２θ＝１」に代入すると（８）式が得られる。
【００８３】
２５ｂ４−２２ａ２ｂ２＋ａ４＝０          …（８）
ここで、ａ＝３√３であり、０＜ｂ＜２√３／３であるから、ａを（８）式に代入してｂを求めると（９）式が得られる。
【００８４】
ｂ＝１．１４  …（９）
また、ａ＝３√３及び（９）式を（６）式に代入してθを求めると（１０）式が得られる。
【００８５】
θ＝±４１．２°  …（１０）
以上のことから、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２で故障した変換器１２Ｗ３の出力を分担するには、健全な変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の出力電圧の大きさを１．１４倍にし、故障相であるＷ相以外のＵ相、Ｖ相の位相を４１．２°にずらせばよいことになる。各相の変換器１２が４台以上の場合も同様に適用できる。
【００８６】
各相の変換器１２の多重数を増やすことにより、１台の変換器１２の故障停止時に残りの健全な変換器１２が負担する電圧が緩和される。
【００８７】
ここで、健全な変換器１２の出力電圧の大きさは、変調率を用いて調整してもよいし、直流電源１４の電圧を調整してもよいし、交流側のタップ切り換えにより変更するようにしてもよい。また、故障停止した変換器１２を除いた健全な変換器１２の各々の出力電圧の大きさを同一とし、故障停止した変換器１２が接続された相の位相を健全時と同一位相としたが、健全な変換器１２の各々の出力電圧が確保でき、三相各相の出力線間電圧（Ｕ−Ｖ相、Ｖ−Ｗ相、Ｗ−Ｕ相の線間電圧）が健全時の電圧を確保できる限りは、その範囲内で、健全な変換器１２の各々の出力電圧の大きさを任意の値とするようにしてもよい。
【００８８】
図１２は本発明の直列多重型交直変換装置の制御方法を示すフローチャートである。直列多重変換器１１のいずれかの変換器１２が故障停止したか否かを判定し（Ｓ１）、いずれの変換器１２も故障停止していない場合には、正常時の電圧指令値及び位相指令値を演算する（Ｓ２）。そして、直列多重変換器１１の各々の変換器１２を制御し、直列多重変換器１１の出力電圧が所定電圧となるように制御する（Ｓ３）。一方、直列多重変換器１１のいずれかの変換器１２が故障停止したときは、直列多重変換器１１の三相各相の出力線間電圧が健全時の所定電圧を保持するように、故障停止した変換器１２を除いた健全な変換器１２の出力電圧の電圧指令値及び位相指令値を演算する（Ｓ４）。そして、故障停止した変換器１２を除いた健全な変換器１２が分担して三相各相の出力線間電圧が健全時の所定電圧を保持するように健全な変換器１２を制御する（Ｓ５）。
【００８９】
本発明の第２の実施の形態によれば、直列多重変換器１１の１台の変換器１２が故障停止になってもその他の健全な変換器１２で出力を分担するので、健全時の電圧を維持した運転が継続できる。従って、直流送電系統に適用した場合には送電停止に伴う系統への影響を与えることがなく信頼性を確保できる。また、産業用のインバータに適用した場合には、インバータ停止に伴う製造不良の発生を防止でき、原子力発電所等の補機で使用した場合には、インバータ停止に伴う発電機の不要な停止を防止できる。
【００９０】
また、予備の変換器を設置することなく運転継続することができるので、直列多重変換器の設置スペースを縮小できる。なお、事故前と同じ定格出力する場合には、半導体素子に多少の冗長が必要であるが、設置スペースに影響を与えるほどではない。また、変換器を停止することなく点検ができるため信頼性が向上し、設備の予防保全だけでなく、システムの故障率も低下させることができる。
【００９１】
以上のとおり、本発明の第１の実施形態および第２の実施形態において、任意の台数、任意の容量を組み合わせても、三相各相の出力線間電圧を平衡三相にすることができるため、変換器設計の標準化や合理化の制約を打破することができる。
【図面の簡単な説明】
【００９２】
【図１】本発明の第１実施の形態に係わる直列多重型交直変換装置の構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器の単位変換器の一例を示す回路構成図。
【図３】本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器の三相各相の変換器の台数が同一で定格容量も同一である場合の直列多重変換器の出力電圧の実施例を示す出力電圧ベクトル図。
【図４】本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器の三相各相の変換器の台数が同じで定格容量が異なる場合の直列多重変換器の出力電圧の実施例を示す出力電圧ベクトル図。
【図５】本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器の三相各相の変換器の台数が異なり定格容量も異なる場合の直列多重変換器の出力電圧の実施例を示す出力電圧ベクトル図。
【図６】本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器の三相各相の変換器の台数が異なり定格容量も異なる場合の直列多重変換器の出力電圧の他の実施例を示す出力電圧ベクトル図。
【図７】本発明の第１の実施の形態における直列多重変換器の各相の各々の変換器が４台ずつ設けられ、合計１２台の変換器を有した直列多重型交直変換装置の出力電力（p.u.）と損失（％）との関係を示すグラフ。
【図８】本発明の第２の実施の形態に係わる直列多重型交直変換装置の構成図。
【図９】本発明の第２の実施の形態における直列多重変換器のいずれか１台の変換器が故障停止したときの直列多重変換器の出力電圧ベクトル図。
【図１０】本発明の第２の実施の形態における直列多重変換器の健全な変換器の出力電圧の位相または大きさの調整制御の一例の説明図。
【図１１】本発明の第２の実施の形態における直列多重変換器の健全な変換器の出力電圧の位相または大きさの調整制御の他の一例の説明図。
【図１２】本発明の直列多重型交直変換装置の制御方法を示すフローチャート。
【図１３】従来の直列多重変換器での出力電圧を下げた部分負荷運転をする場合の出力電圧ベクトル図。
【符号の説明】
【００９３】
１１…直列多重変換器、１２…変換器、１３…ＩＧＢＴモジュール、１４…直流電源、１５…巻線、１６…変圧器、１７…故障検出器、１８…変換器制御装置、１９…正常時指令値演算手段、２０…故障停止時指令値演算手段、２１…故障停止判定手段、２２…切換手段、２３…ゲート制御回路
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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