(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流線路と交流系統との間で電力変換を行なう電力変換システムであって、  前記交流系統の複数の相にそれぞれ対応する複数のレグ回路を含む電力変換器と、  前記電力変換器の動作を制御する制御装置と、  前記直流線路に接続された電圧抑制回路とを備え、  各前記レグ回路は、直列接続された複数のサブモジュールを含み、  前記複数のサブモジュールのうちの少なくとも１つは第１サブモジュールであり、  前記第１サブモジュールは、第１エネルギー蓄積要素と、直列接続された複数のスイッチング素子を有する第１半導体回路と、第２半導体回路とを含み、  前記第１エネルギー蓄積要素、前記第１半導体回路、および前記第２半導体回路は、互いに並列接続されており、  前記第２半導体回路は、複数のスイッチング素子を直列接続して構成されるか、または、スイッチング素子とダイオードとを直列接続して構成されており、  前記制御装置は、前記直流線路において短絡事故を検出した場合、各前記レグ回路に含まれる前記複数のサブモジュールのスイッチング動作を停止させ、  前記電圧抑制回路は、前記複数のサブモジュールのスイッチング動作が停止された場合に前記直流線路に発生する電圧を抑制するように構成されている、電力変換システム。
【請求項２】
前記電圧抑制回路は、ダイオードと電流制限素子との直列体で構成されている、請求項１に記載の電力変換システム。
【請求項３】
前記電流制限素子は、アレスタ、または抵抗器である、請求項２に記載の電力変換システム。
【請求項４】
前記電圧抑制回路は、前記直流線路の正極側と負極側との間に接続される、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
【請求項５】
前記電圧抑制回路は、前記直流線路の正極側と対地との間に接続されており、  前記直流線路の正極側と対地との間に第１アレスタが接続され、前記直流線路の負極側と対地との間に第２アレスタが接続されている、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
【請求項６】
前記第１サブモジュール以外の第２サブモジュールは、第２エネルギー蓄積要素と、直列接続された２つのスイッチング素子を有する半導体回路とが並列接続されたハーフブリッジ構成を有する、請求項１〜請求項５のいずれか１項に記載の電力変換システム。
【請求項７】
前記第１サブモジュールの数は、前記交流系統の電圧の最大値を前記第１エネルギー蓄積要素の電圧で除算した数よりも多い、請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の電力変換システム。
【請求項８】
前記制御装置は、前記直流線路において短絡事故を検出した後、前記直流線路の電圧が閾値未満である状態が基準時間以上継続した場合に、各前記レグ回路に含まれる前記複数のサブモジュールのスイッチング動作を再開させる、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本開示は、電力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】  複数の単位変換器がカスケード接続されるモジュラーマルチレベル変換器（以下、ＭＭＣ変換器とも称する。）は、単位変換器の数を増加させることによって、高電圧化に容易に対応することができる。「単位変換器」は、「サブモジュール（sub  module）」あるいは「変換器セル」とも称される。ＭＭＣ変換器は、大容量の静止型無効電力補償装置、または高圧直流送電用の電力変換装置として、送配電系統へ広く適用されている。【０００３】  国際公開第２０１７／０１０３８８号（特許文献１）では、サブモジュールの構成として、１．５ブリッジ構成またはフルブリッジ構成を採用することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１７／０１０３８８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  特許文献１には、直流短絡事故時に変換器セルがゲートブロックすることで、１．５ブリッジ構成を有する変換器セルのコンデンサ電圧の総和を電力変換器の直流端子に出力して、事故電流を抑制することが記載されている。しかし、その際に直流線路内に蓄積された電流エネルギーにより直流線路に振動性の電圧が発生してしまう問題がある。【０００６】  本開示のある局面における目的は、直流線路の短絡事故時において、サブモジュールを停止した際に直流線路で発生する電圧を抑制することが可能な電力変換システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】  ある実施の形態に従うと、直流線路と交流系統との間で電力変換を行なう電力変換システムが提供される。電力変換システムは、交流系統の複数の相にそれぞれ対応する複数のレグ回路を含む電力変換器と、電力変換器の動作を制御する制御装置と、直流線路に接続された電圧抑制回路とを備える。各レグ回路は、直列接続された複数のサブモジュールを含む。複数のサブモジュールのうちの少なくとも１つは第１サブモジュールである。第１サブモジュールは、第１エネルギー蓄積要素と、直列接続された複数のスイッチング素子を有する第１半導体回路と、第２半導体回路とを含む。第１エネルギー蓄積要素、第１半導体回路、および第２半導体回路は、互いに並列接続されている。第２半導体回路は、複数のスイッチング素子を直列接続して構成されるか、または、スイッチング素子とダイオードとを直列接続して構成されている。制御装置は、直流線路において短絡事故を検出した場合、各レグ回路に含まれる複数のサブモジュールのスイッチング動作を停止させる。電圧抑制回路は、複数のサブモジュールのスイッチング動作が停止された場合に直流線路に発生する電圧を抑制するように構成されている。
【発明の効果】
【０００８】  本開示によると、直流線路の短絡事故時において、サブモジュールを停止した際に直流線路で発生する電圧を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】電力変換システムの概略構成を示す図である。
【図２】電力変換装置の概略構成図である。
【図３】図２の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。
【図４】比較例における短絡電流経路を示す図である。
【図５】本実施の形態に従うサブモジュール内の短絡電流経路を示す図である。
【図６】本実施の形態に従うレグ回路の構成を示す図である。
【図７】電力変換システムに電圧抑制回路を設けない場合の直流線路の電流および電圧の時間変化を示す図である。
【図８】電力変換システムに電圧抑制回路を設けた場合の直流線路の電流および電圧の時間変化を示す図である。
【図９】電圧抑制回路の構成の一例を示す図である。
【図１０】本実施の形態に従う制御装置の処理手順を示すフローチャートである。
【図１１】電圧抑制回路の他の配置方式を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】  以下、図面を参照しつつ、本開示の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。
【００１１】  ＜システムの全体構成＞  図１は、電力変換システム１００の概略構成を示す図である。図１を参照して、電力変換システム１００は、単極構成の直流送電系統の電力を制御するためのシステムである。直流線路１４を構成する正極側の直流線路１４Ｐおよび負極側の直流線路１４Ｎを介して、２つの交流系統１２，１２Ａ間で電力が送受される。交流系統１２，１２Ａは、３相交流系統である。
【００１２】  図１において、電力変換システム１００がＨＶＤＣ（High  Voltage  Direct  Current）システムに対応する場合、直流線路１４Ｐ，１４Ｎの長さは、例えば、数十ｋｍ〜数百ｋｍである。電力変換システム１００がＢＴＢ（Back  To  Back）システムに対応する場合、直流線路１４Ｐ，１４Ｎの長さは、例えば、数ｍ〜数十ｍである。なお、図１では直流系統が２端子の場合を示している。
【００１３】  電力変換装置１は、直流線路１４と交流系統１２との間で電力変換を行なう自励式の電力変換器２と、制御装置３とを含む。典型的には、電力変換器２はＭＭＣ変換方式の電力変換器によって構成される。電力変換器２は、直流線路１４Ｐ，１４Ｎに接続される。また、電力変換器２は、変圧器１３を介して交流系統１２に接続される。制御装置３は、電力変換器２の動作を制御する。また、制御装置３は、制御装置３Ａと通信可能に構成されている。
【００１４】  電力変換装置１Ａは、自励式の電力変換器２Ａと、制御装置３Ａとを含む。電力変換器２Ａは直流線路１４Ｐ，１４Ｎを介して電力変換器２と接続される。電力変換器２Ａは、変圧器１３Ａを介して交流系統１２Ａに接続される。制御装置３Ａは電力変換器２Ａの動作を制御する。電力変換装置１Ａは、電力変換装置１と同様の構成を有する。
【００１５】  交流系統１２から交流系統１２Ａに電力が送電される場合、電力変換器２は順変換器（ＲＥＣ：Rectifier）として動作し、電力変換器２Ａは逆変換器（ＩＮＶ：Inverter）として動作する。具体的には、電力変換器２により交流電力が直流電力に変換され、この変換された直流電力が直流線路１４Ｐ，１４Ｎを介して直流送電される。受電端において電力変換器２Ａにより直流電力が交流電力に変換され、変圧器１３Ａを介して交流系統１２Ａに供給される。電力変換器２Ａが逆変換器として動作し、電力変換器２が順変換器として動作する場合には、上記と逆の変換動作が行われる。なお、本実施の形態では、電力変換器２が送電端の順変換器であり、電力変換器２Ａが受電端の逆変換器であるとする。
【００１６】  変圧器１３は、交流系統１２と電力変換器２との間に接続されている。具体的には、変圧器１３の一次側に交流系統１２が接続され、二次側に電力変換器２が接続されている。変圧器１３Ａは、交流系統１２Ａと電力変換器２Ａとの間に接続されている。具体的には、変圧器１３Ａの一次側に交流系統１２Ａが接続され、二次側に電力変換器２Ａが接続されている。
【００１７】  電圧抑制回路４１，４１Ａは、直流線路１４に接続される。具体的には、送電端側（すなわち、電力変換器２側）において、正極側の直流線路１４Ｐと負極側の直流線路１４Ｎとの間に電圧抑制回路４１が接続される。また、受電端側（すなわち、電力変換器２Ａ側）において、正極側の直流線路１４Ｐと負極側の直流線路１４Ｎとの間に電圧抑制回路４１Ａが接続される。
【００１８】  電圧抑制回路４１は、直流線路１４の短絡事故に伴って電力変換器２内の各サブモジュールが停止した際に直流線路１４で発生する振動性の電圧を抑制する。電圧抑制回路４１Ａは、直流線路１４の短絡事故に伴って電力変換器２Ａ内の各サブモジュールが停止した際に直流線路１４で発生する振動性の電圧を抑制する。
【００１９】  ＜電力変換装置の構成＞  図２は、電力変換装置１の概略構成図である。図２を参照して、電力変換装置１は、互いに直列接続された複数のサブモジュール（図２中の「ＳＭ」に対応）７を含むＭＭＣ変換器によって構成されている。
【００２０】  電力変換器２は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（以下、総称する場合または任意のものを示す場合、「レグ回路４」と記載する）を含む。
【００２１】  レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、交流系統１２と直流線路１４との間に接続され、両系統間で電力変換を行なう。電力変換器２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられる。
【００２２】  レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、変圧器１３を介して交流系統１２に接続される。図２では、図解を容易にするために、交流入力端子Ｎｖ，Ｎｗと変圧器１３との接続は図示されていない。各レグ回路４に共通に接続された正極直流端子Ｎｐおよび負極直流端子Ｎｎは、直流線路１４に接続される。
【００２３】  レグ回路４ｕは、正極直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム５と、負極直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム６とを含む。上アーム５と下アーム６との接続点である交流入力端子Ｎｕが変圧器１３と接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有するので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。
【００２４】  上アーム５は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ａとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ａは互いに直列接続されている。下アーム６は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ｂとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ｂは互いに直列接続されている。なお、上アーム５および下アーム６は、リアクトルの代わりに、リアクトル相当のインピーダンスを有する３巻線変圧器を介して交流系統１２と接続されていてもよい。
【００２５】  電力変換装置１は、制御に使用される電気量（例えば、電流、電圧など）を計測する各検出器として、交流電圧検出器１０と、交流電流検出器１６と、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂとを含む。これらの検出器によって検出された信号は、制御装置３に入力される。
【００２６】  制御装置３は、これらの検出信号に基づいて各サブモジュール７の運転状態を制御するための運転指令を出力する。運転指令は、Ｕ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相上アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相上アーム、およびＷ相下アームにそれぞれ対応して生成される。また、制御装置３は、各サブモジュール７から各種情報を受信する。各種情報は、サブモジュール７の内部情報であり、サブモジュール７のキャパシタの電圧値、サブモジュール７の状態を示す状態情報等を含む。
【００２７】  制御装置３は、典型的には、ハードウェア構成として、補助変成器、ＡＤ（Analog  to  Digital）変換部、演算部等を含む。演算部は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）およびＲＯＭ（Read  Only  Memory）を含む。ＡＤ変換部は、アナログフィルタ、サンプルホールド回路、マルチプレクサ等を含む。制御装置３は、例えば、ディジタル保護制御装置で構成されていてもよい。
【００２８】  図１では図解を容易にするために、各検出器から制御装置３に入力される信号の信号線と、制御装置３および各サブモジュール７間で入出力される信号の信号線とは、一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびサブモジュール７ごとに設けられている。各サブモジュール７と制御装置３との間の信号線は、送信用と受信用とが別個に設けられていてもよい。信号線は、たとえば光ファイバによって構成される。
【００２９】  交流電圧検出器１０は、交流系統１２のＵ相の交流電圧Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧Ｖａｃｖ、およびＷ相の交流電圧Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器１６は、交流系統１２のＵ相の交流電流Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流Ｉａｃｖ、およびＷ相の交流電流Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器１１Ａは、直流線路１４に接続された正極直流端子Ｎｐの直流電圧Ｖｄｃｐを検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流線路１４に接続された負極直流端子Ｎｎの直流電圧Ｖｄｃｎを検出する。直流電圧Ｖｄｃｐと直流電圧Ｖｄｃｎとの差を直流電圧Ｖｄｃとする。
【００３０】  Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム５に流れるアーム電流Ｉｐｕおよび下アーム６に流れるアーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、アーム電流Ｉｐｖおよびアーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、アーム電流Ｉｐｗおよびアーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。
【００３１】  ＜サブモジュールの構成＞  図３は、図２の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。具体的には、図２（ａ）に示すサブモジュール７は、ハーフブリッジ構成と呼ばれる回路構成を有する。以下では、図２（ａ）の回路構成を有する「サブモジュール７」を「サブモジュール７ＨＢ」とも称する。
【００３２】  サブモジュール７ＨＢは、半導体回路３５と、エネルギー蓄積要素であるキャパシタ２４とを含む。半導体回路３５は、複数のスイッチング素子を直列接続して構成される。具体的には、半導体回路３５は、直列接続された２つのスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂと、ダイオード２３Ａ，２３Ｂとを含む。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂとそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続されるダイオードである。キャパシタ２４は、半導体回路３５と並列に接続され、直流電圧を保持する。電圧検出器２９は、キャパシタ２４の両端の電圧を検出する。以下の説明では、キャパシタ２４の両端電圧は電圧Ｖｃとも称される。電圧Ｖｃを示す信号は、制御装置３に送信される。
【００３３】  スイッチング素子２２Ｂの両端子を入出力端子２６Ｐ，２６Ｎとする。具体的には、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの接続ノードは高電位側の入出力端子２６Ｐと接続される。スイッチング素子２２Ｂとキャパシタ２４との接続ノードは低電位側の入出力端子２６Ｎと接続される。典型的には、入出力端子２６Ｐは、正極側に隣接するサブモジュール７の入出力端子２６Ｎと接続される。入出力端子２６Ｎは、負極側に隣接するサブモジュール７の入出力端子２６Ｐと接続される。
【００３４】  スイッチング素子２２Ａ、２２Ｂのスイッチング動作により、サブモジュール７ＨＢの入出力端子間にはキャパシタ２４の両端電圧、および零電圧が出力される。例えば、スイッチング素子２２Ａがオン、かつスイッチング素子２２Ｂがオフとなったときに、キャパシタ２４の両端電圧が出力される。スイッチング素子２２Ａがオフ、かつスイッチング素子２２Ｂがオンとなったときに、零電圧が出力される。
【００３５】  図２（ｂ）に示すサブモジュール７は、フルブリッジ構成と呼ばれる回路構成を有する。以下では、図２（ｂ）の回路構成を有する「サブモジュール７」を「サブモジュール７ＦＢ」とも称する。
【００３６】  サブモジュール７ＦＢは、半導体回路３１と、キャパシタ２４と、半導体回路３２とを含む。半導体回路３１、キャパシタ２４、および半導体回路３２は、互いに並列接続されている。半導体回路３１は、図２（ａ）の半導体回路３５と同一である。そのため、サブモジュール７ＦＢは、サブモジュール７ＨＢに半導体回路３２を追加した回路構成を有する。半導体回路３２は、直列接続された２つのスイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄと、スイッチング素子２２Ｃ，２２Ｄとそれぞれ逆並列に接続されるダイオード２３Ｃ，２３Ｄとを含む。
【００３７】  スイッチング素子２２Ａとスイッチング素子２２Ｂとの中点をサブモジュール７ＦＢの入出力端子２６Ｐとし、スイッチング素子２２Ｃとスイッチング素子２２Ｄとの中点を入出力端子２６Ｎとする。サブモジュール７ＦＢは、スイッチング素子２２Ｄを常時オンとし、スイッチング素子２２Ｃを常時オフとし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とすることによって、正電圧または零電圧を出力する。また、サブモジュール７ＦＢは、スイッチング素子２２Ｄを常時オフとし、スイッチング素子２２Ｃを常時オンとし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態にすることによって、零電圧または負電圧を出力する。
【００３８】  図２（ｃ）に示すサブモジュール７は、１．５ハーフブリッジ構成とも呼ばれる回路構成を有する。以下では、図２（ｃ）の回路構成を有する「サブモジュール７」を「サブモジュール７ＨＦ」とも称する。
【００３９】  サブモジュール７ＨＦは、半導体回路３１と、キャパシタ２４と、半導体回路３３とを含む。半導体回路３１、キャパシタ２４、および半導体回路３３は、互いに並列接続されている。サブモジュール７ＨＦは、サブモジュール７ＦＢの半導体回路３２を半導体回路３３に置き換えた構成を有する。半導体回路３３は、ダイオード２３Ｃと、スイッチング素子２２Ｄと、スイッチング素子２２Ｄと逆並列に接続されるダイオード２３Ｄとを含む。ダイオード２３Ｃと、スイッチング素子２２Ｄとは、直列接続されている。
【００４０】  スイッチング素子２２Ａとスイッチング素子２２Ｂとの中点をサブモジュール７ＨＦの入出力端子２６Ｐとし、ダイオード２３Ｃとスイッチング素子２２Ｄとの中点を入出力端子２６Ｎとする。サブモジュール７ＨＦは、スイッチング素子２２Ｄを常時オンとし、スイッチング素子２２Ｃを常時オフとし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とすることによって、正電圧または零電圧を出力する。
【００４１】  図２に示す各スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄ（以下、「スイッチング素子２２」とも総称する。）には、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子２２Ａ〜２２Ｄは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）またはＧＣＴ（Gate  Commutated  Turn-off）サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal  Oxide  Semiconductor  Field-Effect  Transistor）などの自己消弧型の半導体スイッチング素子である。図２において、キャパシタ２４には、金属蒸着フィルムコンデンサなどが主に用いられる。
【００４２】  ＜電力変換器による短絡電流の抑制＞  本実施の形態では、各レグ回路４を構成する複数のサブモジュール７のうちの規定数のサブモジュール７を、サブモジュール７ＦＢまたはサブモジュール７ＨＦとして構成し、残りのサブモジュール７をサブモジュール７ＨＢとして構成する。これにより、直流線路１４の短絡事故時における短絡電流を抑制する。まず、複数のサブモジュール７のすべてがサブモジュール７ＨＢで構成される比較例における短絡電流経路について説明する。
【００４３】  図４は、比較例における短絡電流経路を示す図である。図４を参照して、直流線路１４の内部を高電位側から低電位側に流れる短絡電流は、電力変換装置の内部を交流入力端子Ｎｕ、正極直流端子Ｎｐ、負極直流端子Ｎｎ、交流入力端子Ｎｖの順の経路で流れる。ここで、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにおける上アーム５および下アーム６のうちどのアームを短絡電流が流れるかは、交流系統１２と電力変換装置との間を流れる交流電流の位相によって異なる。図４の場合には、交流系統１２からＵ相の上アーム５を通って正極直流端子Ｎｐの方向に短絡電流が流れるとともに、負極直流端子ＮｎからＶ相の下アーム６を通って交流系統１２に短絡電流が流れる。
【００４４】  電力変換装置の制御装置は、各スイッチング素子に流れる電流を直接、あるいは間接的に検出する。典型的には、制御装置は、検出したアーム電流に基づいて、短絡が発生したと判定した場合、電力変換装置内の各スイッチング素子をオフにする。しかし、サブモジュール７ＨＢのようなハーフブリッジ構成である場合、図２（ａ）に示すように、各スイッチング素子をオフにしても逆並列接続ダイオード（すなわち、ダイオード２３Ｂ）が存在するため、入出力端子２６Ｎから入出力端子２６Ｐへの方向の短絡電流経路が維持され、過大な短絡電流が流れてしまう。
【００４５】  次に、サブモジュール７ＦＢ，７ＨＦを用いる構成について説明する。  図５は、本実施の形態に従うサブモジュール７内の短絡電流経路を示す図である。具体的には、図５（ａ）は、サブモジュール７ＦＢ内の短絡電流経路を示しており、図５（ｂ）は、サブモジュール７ＨＦ内の短絡電流経路を示している。
【００４６】  図５を参照して、例えば、制御装置３は、検出されたアーム電流Ｉａｒｍに基づいて、直流線路１４において短絡事故を検出した場合、各レグ回路４に含まれる各サブモジュール７のスイッチング動作を停止させる（すなわち、各スイッチング素子２２をオフにする）。この場合、各サブモジュール７がゲートブロック状態となる。このとき、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、短絡電流は、入出力端子２６Ｎ、ダイオード２３Ｃ、キャパシタ２４、ダイオード２３Ｂ、入出力端子２６Ｐの順の経路で流れる。すなわち、制御装置３が各スイッチング素子２２をオフにすると、ダイオード整流器のような短絡経路が形成される。
【００４７】  この場合、サブモジュール７ＦＢ，７ＨＦの入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間の電圧が電圧Ｖｃよりも大きくなければ、ダイオード２３Ｂ，２３Ｃは導通しないため、短絡電流は流れない。すなわち、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間の電圧が電圧Ｖｃ以下であれば、短絡電流を抑制できる。入出力端子２６Ｐ，２６Ｎは直列に接続されているため、全体で考えると、交流系統１２の電圧（例えば、交流系統電圧）の方が短絡電流経路上に存在するキャパシタ２４の電圧Ｖｃの総和以下であれば短絡電流を抑制できる。
【００４８】  本実施の形態に従う電力変換装置１，１Ａでは、定常状態の動作を維持する目的で、キャパシタ電圧の総和を交流系統１２の電圧よりも高く設定するため、短絡電流は流れない。仮に、一時的に短絡電流が流れたとしてもキャパシタ２４を充電して電圧Ｖｃがさらに上昇するので短絡電流を減少させるように働き、最終的には抑制できる。以下、短絡電流の抑制機能を有するサブモジュール７ＦＢ，７ＨＦを「サブモジュール７ＳＵ」とも総称する。
【００４９】  図６は、本実施の形態に従うレグ回路の構成を示す図である。図６を参照して、各レグ回路４の上アーム５に含まれる各サブモジュール７をサブモジュール７ＨＢとして構成し、下アーム６に含まれる各サブモジュール７をサブモジュール７ＳＵとして構成する。
【００５０】  上述したように、交流系統１２の最大電圧が電圧Ｖｃの総和以下であれば入出力端子２６Ｎから入出力端子２６Ｐの方向に流れる短絡電流を抑制できる。なお、入出力端子２６Ｐから入出力端子２６Ｎの方向に短絡電流を流そうとする交流電圧は、電圧Ｖｃによりブロックされる。ここで、レグ回路４に含まれるすべてのサブモジュール７の台数をＮ台とすると、交流系統１２の電圧の最大値は、概ねＮ／２台分のサブモジュール７の電圧Ｖｃの総和に対応する。したがって、電圧Ｖｃを出力するサブモジュール７ＳＵをＮ／２台以上用意すれば、交流系統１２の電圧が電圧Ｖｃの総和以下となるため、短絡電流を抑制することができる。
【００５１】  典型的には、上アーム５内のサブモジュール数と下アーム５内のサブモジュール数とは同数である。そのため、例えば、図６に示すように下アーム６内のすべてのサブモジュール７をサブモジュール７ＳＵとすることで短絡電流を抑制できる。
【００５２】  より具体的には、短絡電流を抑制するためには、交流系統１２の電圧の最大値をキャパシタ２４の電圧Ｖｃで除算した数（すなわち、「交流系統の電圧の最大値」÷「電圧Ｖｃ」で求められるサブモジュール数）よりも多くのサブモジュール７ＳＵを短絡電流経路内に有していればよい。以下、この除算した数を「算出数Ｋ」とも称する。レグ回路４は、算出数Ｋのサブモジュール７ＳＵを有していればよく、上アーム５および下アーム６に含まれるサブモジュール７ＳＵの数の比率は任意である。
【００５３】  本実施の形態では、直流線路１４の短絡事故の保護に必要な台数のサブモジュール７ＳＵを使用し、これ以外はハーフブリッジ構成のサブモジュール７ＨＢを使用する構成とすることで、直流線路１４の短絡によって生じる過電流を抑制できる。
【００５４】  また、算出数Ｋを求めることによって、サブモジュール７ＳＵの台数を必要最小限に抑えることができるため、構成の簡素化を図ることもできる。コスト低減の観点からすると、サブモジュール７ＳＵとしては、フルブリッジ構成のサブモジュール７ＦＢよりも１．５ハーフブリッジ構成のサブモジュール７ＨＦを採用した方がよい。なお、短絡電流の抑制という観点からすると、例えば、各レグ回路４内のすべてのサブモジュール７を、サブモジュール７ＳＵで構成してもよい。
【００５５】  ＜電圧抑制回路の構成＞  上記のように、規定数のサブモジュール７ＳＵを含む電力変換器は、短絡事故発生時においてすべてのサブモジュール７の各スイッチング素子２２をオフにすることで短絡電流を抑制できる。しかし、電力変換システム１００に本実施の形態のような電圧抑制回路４１，４１Ａが設けられていない場合には、電力変換器２で短絡電流を抑制すると、直流線路１４内に蓄積された電流エネルギーにより振動性の電圧が発生する。
【００５６】  図７は、電力変換システムに電圧抑制回路を設けない場合の直流線路の電流および電圧の時間変化を示す図である。図７を参照して、時刻ｔにおいて、受電端で直流線路１４の短絡事故が発生すると、受電端の短絡電流は過電流レベルを超過し、時刻ｔ１になると送電端の正極側の直流線路１４の対地電圧（以下「送電端電圧」とも称する。）が負方向に振動する。その後、送電端の短絡電流の減少とともに送電端電圧は小さくなり、時刻ｔ２において送電端の短絡電流はほぼ零となる。時間Ｔ１は、送電端の短絡電流が遮断されるまでの時間を示している。しかし、時刻ｔ２以降においても、送電端においては振動性の電圧が発生しており、事故点の絶縁回復が遅くなると推定される。そのため、ゲートブロックされた各サブモジュール７を再起動するのに時間がかかる。
【００５７】  図８は、電力変換システムに電圧抑制回路を設けた場合の直流線路の電流および電圧の時間変化を示す図である。図８を参照して、時刻ｔにおいて、受電端で直流線路１４の短絡事故が発生すると、受電端の短絡電流は過電流レベルを超過する。送電端の短絡電流は時刻ｔから時刻ｔａにおいて増大するが、すぐに時刻ｔｂにおいて零となる。また、短絡事故発生後、送電端電圧は即時に零となり、図７のような振動性の電圧も発生していない。さらに、送電端の短絡電流が遮断されるまでの時間Ｔ２は、図７の時間Ｔ１よりもかなり短いことが理解される。これは、電圧抑制回路４１が、直流線路１４に蓄積された電流エネルギーを吸収しているためである。
【００５８】  図９は、電圧抑制回路４１の構成の一例を示す図である。電圧抑制回路４１は、図９（ａ）または図９（ｂ）に示すように、ダイオードと電流制限素子との直列体で構成される。具体的には、図９（ａ）に示す電圧抑制回路４１は、ダイオード４１Ｄと、電流制限素子であるアレスタ４１Ａｒとの直列体で構成される。図９（ｂ）に示す電圧抑制回路４１は、ダイオード４１Ｄと、電流制限素子である抵抗器４１Ｒとの直列体で構成される。ダイオード４１Ｄは、電圧の反転を抑えて振動を抑制する役割を果たし、電流制限素子は、直流線路１４に蓄積された電流エネルギーを吸収する役割を果たす。アレスタ４１Ａｒの制限電圧は、例えば、正極直流端子Ｎｐの定格電圧値（すなわち、直流電圧Ｖｄｃｐの定格電圧値）未満、または、負極直流端子Ｎｎの定格電圧値の絶対値（すなわち、直流電圧Ｖｄｃｐの定格電圧値の絶対値）未満に設定される。
【００５９】  電圧抑制回路４１は、図１に示すように正極側の直流線路１４Ｐと負極側の直流線路１４Ｎとの間に接続される。この場合、ダイオード４１Ｄは、正極側から負極側に流れる電流を制限するように配置される。すなわち、ダイオード４１Ｄのアノードおよびカソードは、それぞれ直流線路１４の負極側および正極側に接続される。
【００６０】  このような電圧抑制回路４１によると、電力変換器２によって短絡電流を遮断した際に発生する直流線路１４に蓄積された電流エネルギーを吸収し、短絡電流を高速に減衰させることができる。その結果、電力変換器２の再起動に要する時間を短縮できる。
【００６１】  ＜処理手順＞  図１０は、本実施の形態に従う制御装置３の処理手順を示すフローチャートである。典型的には、以下の各ステップは、制御装置３の演算部によって実行される。
【００６２】  制御装置３は、電力変換器２の初期充電（すなわち、各キャパシタ２４の初期充電）が完了すると、運転開始指令を出力して通常制御を行なう（ステップＳ１０）。具体的には、制御装置３は、各レグ回路４に含まれる各サブモジュール７の出力電圧を制御する。この場合、サブモジュール７ＳＵにおいては、スイッチング素子２２Ｄを常時オンとし、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂをオンオフすることで出力電圧が制御される。
【００６３】  次に、制御装置３は、サブモジュール７に流れる電流に基づいて、直流線路１４の短絡事故が発生したか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えば、制御装置３は、アーム電流検出器９Ａ，９Ｂにより検出された各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの絶対値の少なくとも１つが閾値Ｄ１を超えている場合、あるいは、アーム電流の各相合計値が閾値Ｄ２を超えている場合に、直流線路１４の短絡事故が発生したと判定する。なお、サブモジュール７に流れる電流を検出するために、直流線路１４の正極端子側に電流検出器を設ける場合には、制御装置３は、当該電流検出器により検出された直流電流を用いて短絡事故の発生の有無を判定してもよい。例えば、制御装置３は、検出された直流電流が閾値Ｄ３を超えた場合に、短絡事故が発生したと判定する。
【００６４】  短絡事故が発生していない場合（ステップＳ１２においてＮＯ）、制御装置３はステップＳ１０の処理を実行する。短絡事故が発生した場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、制御装置３は、電力変換器２の各レグ回路４に含まれるすべてのサブモジュール７の各スイッチング素子をオフにする（ステップＳ１４）。この場合、上述したように、各レグ回路４は、算出数Ｋ以上のサブモジュール７ＳＵを有しているため、直流線路１４の短絡電流が抑制される。さらに、電圧抑制回路４１により、直流線路１４における振動性の電圧も抑制されるため、短絡電流が遮断されるまでの時間を短縮することができる。
【００６５】  制御装置３は、短絡事故が除去されたか否かを判定する（ステップＳ１６）。具体的には、制御装置３は、短絡電流が遮断され、短絡事故に伴う電圧変動が抑制された場合に、短絡事故が除去されたと判定する。例えば、制御装置３は、正極直流端子Ｎｐの直流電圧Ｖｄｃｐ（または、負極直流端子Ｎｎの直流電圧Ｖｄｃｎ、直流電圧Ｖｄｃ）が閾値Ｅ未満である状態が基準時間以上継続した場合に、短絡電流が遮断され、かつ電圧変動が抑制されたと判定する。なお、制御装置３は電流値を用いて当該判定を行なってもよい。例えば、制御装置３は、すべての各アーム電流が閾値Ｄｓ未満であって、かつ、直流電圧Ｖｄｃｐが閾値Ｅ未満である状態が基準時間以上継続した場合に、短絡電流が遮断され、かつ電圧変動が抑制されたと判定してもよい。
【００６６】  各サブモジュール７の動作を再開させる場合（ステップＳ１６においてＹＥＳ）、制御装置３は、スイッチング動作を許可する信号を各サブモジュール７に送信して、各サブモジュール７のスイッチング動作を再開（すなわち、各サブモジュール７をデブロック）させる（ステップＳ１８）。そうではない場合（ステップＳ１６においてＮＯ）、制御装置３はステップＳ１６の処理を実行する。
【００６７】  その他の実施の形態．  （１）上述した実施の形態では、電圧抑制回路４１，４１Ａを正極側の直流線路１４Ｐと負極側の直流線路１４Ｎとの間に配置する構成について説明したが、当該構成に限られず、図１１に示すような構成を採用してもよい。
【００６８】  図１１は、電圧抑制回路４１の他の配置方式を説明するための図である。図１１を参照して、電圧抑制回路４１は、正極側の直流線路１４Ｐと対地との間に接続される。正極側の直流線路１４Ｐと対地との間には、アレスタ４１Ａｒがさらに接続される。また、負極側の直流線路１４Ｎと対地との間にも、アレスタ４１Ａｒが接続される。図１１に示す構成によると、電圧抑制回路４１を正極側の直流線路１４Ｐと負極側の直流線路１４Ｎとの間に配置する構成と同等の役割を果たす。
【００６９】  したがって、図１１に示す構成でも、電力変換器２によって短絡電流を遮断した際に発生する直流線路１４に蓄積された電流エネルギーを吸収し、短絡電流を高速に減衰させることができ、その結果、電力変換器２の再起動に要する時間を短縮できる。
【００７０】  （２）上述の実施の形態として例示した構成は、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本実施の形態の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。また、上述した実施の形態において、その他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。
【００７１】  今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００７２】  １，１Ａ  電力変換装置、２，２Ａ  電力変換器、３，３Ａ  制御装置、４ｕ，４ｖ，４ｗ  レグ回路、５  上アーム、６  下アーム、７，７ＦＢ，７ＨＢ，７ＨＦ，７ＳＵ  サブモジュール、８Ａ，８Ｂ  リアクトル、９Ａ，９Ｂ  アーム電流検出器、１０  交流電圧検出器、１１Ａ，１１Ｂ  直流電圧検出器、１２，１２Ａ  交流系統、１３，１３Ａ  変圧器、１４，１４Ｎ，１４Ｐ  直流線路、１６  交流電流検出器、２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ  スイッチング素子、２３Ａ，２３Ｂ，２３Ｃ，２３Ｄ，４１Ｄ  ダイオード、２４  キャパシタ、２９  電圧検出器、２６Ｎ，２６Ｐ  入出力端子、３１，３２，３３，３５  半導体回路、４１，４１Ａ  電圧抑制回路、４１Ａｒ  アレスタ、４１Ｒ  抵抗器、１００  電力変換システム。
【要約】  直流線路の短絡事故時において、サブモジュールを停止した際に直流線路で発生する電圧を抑制する。  電力変換システムは、レグ回路（４）を含む電力変換器（２）と、制御装置（３）と、直流線路（１４）に接続された電圧抑制回路（４１）とを備える。レグ回路（４）は、直列接続された複数のサブモジュール（７）を含み、そのうちの少なくとも１つは第１サブモジュールであり、フルブリッジ構成のサブモジュール、または、１．５ハーフブリッジ構成のサブモジュールで構成される。制御装置（３）は、直流線路（１４）において短絡事故を検出した場合、複数のサブモジュール（７）のスイッチング動作を停止させる。電圧抑制回路（４１）は、当該スイッチング動作が停止された場合に直流線路（１４）に発生する電圧を抑制するように構成される。【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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