(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流回路と直流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記交流回路に接続された複数の交流接続部と前記直流回路に接続された正側直流端子との間にそれぞれ接続された複数の正側アーム回路と、
前記複数の交流接続部と前記直流回路に接続された負側直流端子との間にそれぞれ接続された複数の負側アーム回路と、
バイパス回路とを備え、
各前記正側アーム回路および各前記負側アーム回路は、互いに直列接続された複数の変換器セルを含み、
各前記変換器セルは、
エネルギー蓄積器と、
前記エネルギー蓄積器と外部との接続を切り替えるためのブリッジ回路とを含み、
前記バイパス回路は、
前記複数の交流接続部と正側中間ノードと負側中間ノードとの間に接続され、前記複数の交流接続部に生成される交流電圧を前記正側中間ノードと前記負側中間ノードとの間に直流電圧として出力可能に構成された全波整流回路と、
前記正側中間ノードと前記正側直流端子との間に接続され、前記正側直流端子から前記正側中間ノードの方向の電流を阻止する正側接続アームと、
前記負側中間ノードと前記負側直流端子との間に接続され、前記負側中間ノードから前記負側直流端子の方向の電流を阻止する負側接続アームとを含む、電力変換装置。
【請求項２】
前記全波整流回路を構成する各アームは、前記負側中間ノードから前記正側中間ノードの方向が順方向となるように互いに直列に接続された複数のダイオード素子を含み、
前記正側接続アームは、前記正側中間ノードから前記正側直流端子の方向が順方向となるように互いに直列に接続された複数のダイオード素子を含み、
前記負側接続アームは、前記負側直流端子から前記負側中間ノードの方向が順方向となるように互いに直列に接続された複数のダイオード素子を含む、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記正側接続アームおよび前記負側接続アームの各々は、前記複数のダイオード素子と直列に接続されたスイッチング素子をさらに含む、請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、第１の閾値以上の電圧が印加されると電流が流れて端子間電圧が低下する非線形の電流電圧特性を有する、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記正側接続アームおよび前記負側接続アームの各々は、前記スイッチング素子と並列に接続された非線形素子をさらに含み、
前記非線形素子は、第２の閾値以上の電圧が印加されると電流が流れて端子間電圧が低下する非線形の電流電圧特性を有し、
前記第２の閾値は前記第１の閾値よりも小さい、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記正側接続アームおよび前記負側接続アームの各々は、前記スイッチング素子と並列に接続された第１の抵抗素子をさらに含む、請求項３〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記全波整流回路を構成する各アーム、前記正側接続アーム、および前記負側接続アームの各々に含まれる各前記ダイオード素子は、アバランシェダイオードである、請求項２〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記全波整流回路を構成する各アーム、前記正側接続アーム、および前記負側接続アームの各々は、前記複数のダイオード素子とそれぞれ並列に接続された複数の第２の抵抗素子をさらに含む、請求項２または６に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記電力変換装置は第１の動作モードと第２の動作モードとを有し、
前記第１の動作モードにおいて、前記スイッチング素子はオフ状態に制御され、
前記第２の動作モードにおいて、前記スイッチング素子はオン状態に制御され、
前記直流回路の短絡故障が検出されたとき、前記電力変換装置の動作モードは前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切替えられる、請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
各前記変換器セルに含まれる前記ブリッジ回路は、ハーフブリッジ型である、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記バイパス回路の前記正側接続アームは、前記正側直流端子と前記直流回路との間の直流線路上に設けられた第２の正側直流端子に接続され、
前記バイパス回路の前記負側接続アームは、前記負側直流端子と前記直流回路との間の直流線路上に設けられた第２の負側直流端子に接続され、
前記電力変換装置は、
前記正側直流端子と前記第２の正側直流端子との間に接続され、前記正側直流端子と前記第２の正側直流端子と間を導通または非導通に切り替え可能な正側スイッチと、
前記負側直流端子と前記第２の負側直流端子との間に接続され、前記負側直流端子と前記第２の負側直流端子と間を導通または非導通に切り替え可能な負側スイッチとをさらに備える、請求項１０に記載の電力変換装置。
【請求項１２】
前記電力変換装置は第１の動作モードと第２の動作モードとを有し、
前記第１の動作モードにおいて、前記正側スイッチおよび前記負側スイッチはオン状態に制御され、
前記第２の動作モードにおいて、前記正側スイッチおよび前記負側スイッチはオフ状態に制御され、
前記直流回路の短絡故障が検出されたとき、前記電力変換装置の動作モードは前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切替えられる、請求項１１に記載の電力変換装置。
【請求項１３】
各前記正側アーム回路および各前記負側アーム回路は、フルブリッジ型または混合型のブリッジ回路を含む少なくとも１つの第１の変換器セルと、ハーフブリッジ型のブリッジ回路を含む少なくとも１つの第２の変換器セルとを含む、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１４】
前記エネルギー蓄積器はコンデンサであり、
各前記第１の変換器セルに設けられた前記コンデンサの容量は、各前記第２の変換器セルに設けられた前記コンデンサの容量よりも大きい、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１５】
各前記第１の変換器セルは、起動回路を含み、
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積器の充電電圧によって起動する低電圧回路であり、
前記起動回路は、起動後に、ブリッジ回路を構成するいずれか１つの半導体スイッチング素子をオン状態に制御し、残りの半導体スイッチング素子をオフ状態に制御する、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１６】
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積器の充電電圧が規定電圧に到達したら、前記エネルギー蓄積器の同一端子に接続された２個のアーム上に設けられた２個の半導体スイッチング素子をオン状態にする、請求項１５に記載の電力変換装置。
【請求項１７】
各前記第１の変換器セルは、起動回路を含み、
前記起動回路は、前記エネルギー蓄積器の充電電圧によって起動する低電圧回路であり、
前記起動回路は、起動後に、ブリッジ回路を構成するいずれか１つの半導体スイッチング素子をオン状態に制御する第１の制御状態と、ブリッジ回路を構成する４個のアームのうち前記エネルギー蓄積器の同一端子に接続された２個のアーム上に設けられた２個の半導体スイッチング素子をオン状態に制御する第２の制御状態とを、それぞれ一定時間ずつ交互に繰り返す、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１８】
各前記第１の変換器セルは、フルブリッジまたは混合型ブリッジを構成するいずれか１つの半導体スイッチング素子と並列に接続されたノーマリークローズのスイッチを含む、請求項１３に記載の電力変換装置。
【請求項１９】
交流回路と直流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
前記交流回路に接続された複数の交流接続部と前記直流回路に接続された正側直流端子との間にそれぞれ接続された複数の正側アーム回路と、
前記複数の交流接続部と前記直流回路に接続された負側直流端子との間にそれぞれ接続された複数の負側アーム回路と、
バイパス回路とを備え、
各前記正側アーム回路および各前記負側アーム回路は、互いに直列接続された複数の変換器セルを含み、
各前記変換器セルは、
エネルギー蓄積器と、
前記エネルギー蓄積器と外部との接続を切り替えるためのブリッジ回路とを含み、
前記バイパス回路は、
前記複数の交流接続部と正側中間ノードと負側中間ノードとの間に接続され、前記複数の交流接続部に生成される交流電圧を前記正側中間ノードと前記負側中間ノードとの間に直流電圧として出力可能に構成された全波整流回路と、
前記正側中間ノードと前記正側直流端子との間に接続され、前記正側中間ノードと前記正側直流端子との間を導通または非導通に切り替え可能な正側スイッチと、
前記負側中間ノードと前記負側直流端子との間に接続され、前記負側直流端子と前記負側中間ノードとの間を導通または非導通に切り替え可能な負側スイッチとを含む、電力変換装置。
【請求項２０】
前記電力変換装置は第１の動作モードと第２の動作モードとを有し、
前記第１の動作モードにおいて、前記正側スイッチおよび前記負側スイッチはオフ状態に制御され、
前記第２の動作モードにおいて、前記正側スイッチおよび前記負側スイッチはオン状態に制御され、
前記直流回路の短絡故障が検出されたとき、前記電力変換装置の動作モードは前記第１の動作モードから前記第２の動作モードに切替えられる、請求項１９に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この開示は、交流回路と直流回路との間で電力変換を行う電力変換装置に関し、いわゆるモジュラーマルチレベル変換器に好適に用いられるものである。
【背景技術】
【０００２】
モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular  Multilevel  Converter）は、高電圧および大電流の電力系統で使用可能なように、複数の変換器セルを直列に多重化したものである。より詳細には、モジュラーマルチレベル変換器は、交流の各相ごとに、正極側直流端子と接続された第１アーム（arm）回路と負極側直流端子と接続された第２アーム回路とを有する。各アーム回路は、カスケード接続された複数の変換器セル（チョッパ回路とも称する）を含む。各相の第１アーム回路と第２アーム回路との接続部に、対応する相の交流電圧が印加される。【０００３】
各変換器セルは、エネルギー蓄積器としてのコンデンサと、出力端子間を零電圧またはコンデンサ電圧を出力するための複数のスイッチング素子とを含む。各変換器セルは、フルブリッジ型またはハーフブリッジ型の回路構成を有する。【０００４】
モジュラーマルチレベル変換器における問題点の１つは、直流回路において短絡故障が発生した場合に、各変換器セルに直流短絡電流が流れることである。【０００５】
たとえば、各変換器セルがハーフブリッジ型で構成されている場合において直流回路に短絡故障が生じた場合には、各変換器セルを構成するスイッチング素子は全てオープンになるように制御される。そうすると、直流短絡電流はスイッチング素子と並列に接続されているフリーホイールダイオードに流れるので、フリーホイールダイオードが熱的に破損する虞がある。【０００６】
また、各アーム回路が少数のフルブリッジ型の変換器セルと多数のハーフブリッジ型の変換器セルとの混成で構成されている場合において、直流回路に短絡故障が生じたとする。この場合に、上記と同様に各変換器セルを構成するスイッチング素子を全てオープンになるように制御すると、フルブリッジ型の変換器セル中のコンデンサが過電圧で破損する虞がある。【０００７】
上記のようなフリーホイールダイオードの熱的破損の保護対策として、特許第５３１８７７４号公報（特許文献１）は、短絡電流が流れると予想されるフリーホイールダイオードと並列に保護素子を設けることを開示する。この場合の保護素子としてダイオードまたはサイリスタが用いられる。【０００８】
また、国際公開第２０１４／０９５１６８号（特許文献２）は、直列接続された複数の変換器セルの全体と並列に保護デバイスを設けることを開示する。この場合の保護デバイスとして、直列接続された複数のダイオード、または直列接続された複数のサイリスタ、または直列接続された複数のダイオードとそれらにさらに直列接続されたサイリスタとの組み合わせが用いられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特許第５３１８７７４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１４／０９５１６８号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記の特許第５３１８７７４号公報（特許文献１）に記載された保護素子は、各変換器セルに少なくとも各変換器セルに１個必要であるので、モジュラーマルチレベル変換器全体では保護素子として多くの半導体素子を設ける必要がある。また、スイッチング損失の抑制のために保護素子としてサイリスタを用いた場合に変換器セルごとに高価なサイリスタを設ける必要があり、さらに変換器セルごとに点弧回路も設ける必要がある。【００１１】
上記の国際公開第２０１４／０９５１６８号（特許文献２）の場合には、保護デバイスの耐圧は、保護対象である直列接続された変換器セルと同等以上の耐圧が必要である。したがって、保護デバイスには、多くのダイオードおよびサイリスタなどの半導体素子を設ける必要がある。【００１２】
この開示は、上記の問題点を考慮したものであり、その目的の一つは、直流回路の短絡時における各変換器セルの保護を、より少ない数の半導体素子で構成された保護回路で実現することが可能な電力変換装置を提供することである。その他の課題および新規な特徴は、本開示の記載および添付図面において示される。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
一実施形態において、交流回路と直流回路との間で電力変換を行う電力変換装置が提供される。電力変換装置は、複数の正側アーム回路と、複数の負側アーム回路と、バイパス回路とを備える。複数の正側アーム回路は、交流回路に接続された複数の交流接続部と直流回路に接続された正側直流端子との間にそれぞれ接続される。複数の負側アーム回路は、複数の交流接続部と直流回路に接続された負側直流端子との間にそれぞれ接続される。各正側アーム回路および各負側アーム回路は、互いに直列接続された複数の変換器セルを含む。各変換器セルは、エネルギー蓄積器と、エネルギー蓄積器と外部との接続を切り替えるためのブリッジ回路とを含む。バイパス回路は、全波整流回路と、正側接続アームと、負側接続アームとを含む。全波整流回路は、複数の交流接続部と正側中間ノードと負側中間ノードとの間に接続され、複数の交流接続部に生成される交流電圧を正側中間ノードと負側中間ノードとの間に直流電圧として出力可能に構成される。正側接続アームは、正側中間ノードと正側直流端子との間に接続され、正側直流端子から正側中間ノードの方向の電流を阻止する。負側接続アームは、負側中間ノードと負側直流端子との間に接続され、負側中間ノードから負側直流端子の方向の電流を阻止する。
【発明の効果】
【００１４】
上記の実施形態の電力変換装置によれば、保護回路としてのバイパス回路を、全波整流回路と正側接続アームと負側接続アームによって構成することによって、バイパス回路に必要な半導体素子数を削減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施の形態１による電力変換装置の概略構成図である。
【図２】実施の形態１において図１の各アーム回路の構成例を示す回路図である。
【図３】図２の各アーム回路に含まれる変換器セルの構成例を示す回路図である。
【図４】図１のバイパス回路の構成例を示す回路図である。
【図５】図４のバイパス回路中のアームの構成例を示す回路図である。
【図６】通常動作時における電流変換装置の各端子電圧およびアーム電圧の時間変化を示す図である。
【図７】直流回路の短絡故障時に短絡電流の経路を示す図である。
【図８】アーム回路にフルブリッジ回路とハーフブリッジ回路とが含まれる場合において、直流短絡時にアーム回路を一時的に流れる電流の経路を説明するための図である。
【図９】アーム回路がハーフブリッジ回路のみによって構成される場合において、アーム回路を流れる直流短絡電流の経路を説明するための図である。
【図１０】図１の制御装置の制御動作を概略的に示すフローチャートである。
【図１１】実施の形態１の変形例による電力変換装置の概略構成図である。
【図１２】実施の形態２の電力変換装置においてバイパス回路の接続アームの構成を示す回路図である。
【図１３】図１２に示す接続アームに含まれるスイッチング素子の構成例を示す回路図である。
【図１４】図１２の接続アームの変形例を示す回路図である。
【図１５】実施の形態３の電力変換装置において、フルブリッジ型の変換器セルに設けられる起動回路５５の接続を示す回路図である。
【図１６】図１５の起動回路５５の動作を示すフローチャートである。
【図１７】図１６の変形例のフローチャートである。
【図１８】図３（ｂ）のフルブリッジ型の変換器セルの変形例を示す回路図である。
【図１９】図１２のバイパス回路のさらに他の変形例を示す回路図である。
【図２０】実施の形態４による電力変換装置の概略構成図である。
【図２１】図２０の電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。
【図２２】実施の形態５による電力変換装置の概略構成図である。
【図２３】図２２の電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
【００１７】
実施の形態１．
［電力変換装置の概略構成］
図１は、実施の形態１による電力変換装置の概略構成図である。電力変換装置１０１は、交流回路２と直流回路４との間に接続され、両回路間で電力変換を行う。図１に示すように、電力変換装置１０１は、主回路であるレグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ（総称する場合または不特定のものを示す場合、レグ回路１２と記載する）と、これらのレグ回路１２を制御する制御装置５とを含む。制御装置５はマイクロプロセッサを含むマイクロコンピュータまたはＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）もしくはＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）などによって構成された回路によって実現される。
【００１８】
レグ回路１２は、交流を構成する各相ごとに設けられる。図１には交流回路２が三相交流の場合が示され、ｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗが設けられる。この開示では、ｕ相、ｖ相、ｗ相用のレグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ全体を変換回路１と称する。
【００１９】
レグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗにそれぞれ交流接続部として設けられた交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器３を介して交流回路２に接続される。交流回路２は、たとえば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流端子Ｎｖ，Ｎｗと連系変圧器３との接続は図示していない。
【００２０】
各レグ回路１２に対して共通に設けられた正側直流端子Ｎｐおよび負側直流端子Ｎｎは、直流回路４に接続される。直流回路４は、たとえば、直流送電網および直流出力を行う他の電力変換装置などを含む直流電力系統である。正常時の順変換動作時（すなわち、交流から直流への変換時）には直流電流Ｉｄｃは、直流回路４から電力変換装置１０１の負側直流端子Ｎｎの方向に流れるとともに、電力変換装置１０１の正側直流端子Ｎｐから直流回路４の方向に流れる。逆変換動作時（すなわち、直流から交流への変換時）はこの逆となる。
【００２１】
なお、本開示において正側は高電位側を意味し、負側とは低電位側を意味する。正側をハイサイドと記載し、負側をローサイドと記載する場合がある。
【００２２】
図１の連系変圧器３を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流回路２に電力変換装置１０１が接続される構成としても良い。さらに、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗが連系変圧器３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル７ａ，７ｂとしてもよい。すなわち、各レグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗは、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに設けられた変圧器を介して電気的（直流的または交流的）に交流回路２と接続される。
【００２３】
上記のような交流回路２と各レグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとを接続する変圧器の詳細な構成については図１１で詳しく説明する。この開示では、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗと上記の変圧器とを総称して接続部と称する場合がある。
【００２４】
ｕ相のレグ回路１２ｕを構成する複数の変換器セルは、正側直流端子Ｎｐから交流端子Ｎｕまでの正側アーム回路（上アーム回路または第１のアーム回路とも称する）６ａｕと、負側直流端子Ｎｎから交流端子Ｎｕまでの負側アーム回路（下アーム回路または第２のアーム回路とも称する）６ｂｕとに区分される。正側アーム回路６ａｕと負側アーム回路６ｂｕとの接続点が上記の交流端子Ｎｕに相当する。同様に、ｖ相のレグ回路１２ｖは、正側アーム回路６ａｖと負側アーム回路６ｂｖとを含む。ｗ相のレグ回路１２ｗは、正側アーム回路６ａｗと負側アーム回路６ｂｗとを含む。
【００２５】
以下の説明において、各相の正側アーム回路を総称する場合または不特定のものを示す場合に正側アーム回路６ａと記載する場合があり、各相の負側アーム回路を総称する場合または不特定ものを示す場合に負側アーム回路６ｂと記載する場合がある。さらに、各相の正側および負側の各アーム回路を総称する場合または不特定のものを示す場合にアーム回路６と記載する場合がある。各アーム回路６の詳細な構成については図２で説明する。
【００２６】
正側アーム回路６ａは、カスケード接続された複数の変換器セル（チョッパセル）を含むセル群８ａと、リアクトル７ａとを含む。セル群８ａおよびリアクトル７ａは互いに直列接続されている。以下、簡単のために変換器セル（チョッパセル）をセルと称する場合がある。各変換器セルの具体的構成例については図３で説明する。同様に、負側アーム回路６ｂは、カスケード接続された複数の変換器セルを含むセル群８ｂと、リアクトル７ｂとを含む。セル群８ｂおよびリアクトル７ｂは互いに直列接続されている。
【００２７】
ｕ相レグ回路に１２ｕおいて、リアクトル７ａが挿入される位置は正側アーム回路６ａのいずれの位置であってもよく、リアクトル７ｂが挿入される位置は負側アーム回路６ｂのいずれの位置であってもよい。たとえば、リアクトル７ａ，７ｂはそれぞれアーム回路６ａ，６ｂを構成する変換器セルと変換器セルとの間に接続されていてもよい。リアクトル７ａ，７ｂはそれぞれ複数個あってもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、正側アーム回路６ａのリアクトル７ａのみ、もしくは、負側アーム回路６ｂのリアクトル７ｂのみを設けてもよい。ｖ相レグ回路１２ｖおよびｗ相レグ回路１２ｗについても同様である。
【００２８】
図１の電力変換装置は、さらに、制御に使用される電気量（電流、電圧）を計測する検出器として、交流電圧検出器１０と、直流電圧検出器１１ａ，１１ｂと、各レグ回路１２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５に入力される。さらに、交流回路２と電力変換装置１０１との間を流れる交流電流を検出するための交流電流検出器を設けてもよいし、直流回路４と電力変換装置１０１との間を流れる直流電流を検出するための直流電流検出器を設けてもよい。
【００２９】
具体的に、交流電圧検出器１０は、交流回路２のｕ相の電圧値Ｖａｃｕ、ｖ相の電圧値Ｖａｃｖ、およびｗ相の電圧値Ｖａｃｗを検出する。直流電圧検出器１１ａは、直流回路４に接続された正側直流端子Ｎｐの電圧を検出する。直流電圧検出器１１ｂは、直流回路４に接続された負側直流端子Ｎｎの電圧を検出する。ｕ相用のレグ回路１２ｕに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、正側アーム回路６ａに流れるアーム電流Ｉｐｕおよび負側アーム回路６ｂ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１２ｖに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、正側アーム電流Ｉｐｖおよび負側アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。ｗ相用のレグ回路１２ｗに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、正側アーム電流Ｉｐｗおよび負側アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。ここで、アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｎｕ，Ｉｐｖ，Ｉｎｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｗは、正側直流端子Ｎｐから負側直流端子Ｎｎの方向に流れる電流を正とする。
【００３０】
［アーム回路の構成］
図２は、実施の形態１において図１の各アーム回路の構成例を示す回路図である。図２では、各アーム回路６のリアクトル７ａまたは７ｂは図示していない。正側アーム回路６ａの場合、図２の高電位側端子１５ｐは図１の正側直流端子Ｎｐに対応し、図２の低電位側端子１５ｎは交流端子ＮｕまたはＮｖまたはＮｗに対応する。負側アーム回路６ｂの場合、図２の高電位側端子１５ｐは図１の交流端子ＮｕまたはＮｖまたはＮｗに対応し、図２の低電位側端子１５ｎは負側直流端子Ｎｎに対応する。
【００３１】
図２を参照して、各アーム回路６は、高電位側の第１のセル２１Ｆから低電位側の第ｍのセル２１Ｈまでのカスケード接続されたｍ個（ｍは１以上の整数）の変換器セルを含む。
【００３２】
図２（ａ）に示す各アーム回路６は、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆとハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈとを混載している点に特徴がある。すなわち、各アーム回路６は、変換器セル２１として、少なくとも１つのフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆと、少なくとも１つのハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈとを含む。図２では、１個のフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆと複数個のハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈによって各アーム回路６が構成されている例が示されている。
【００３３】
図２（ｂ）に示す各アーム回路６は、直列接続されたハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈのみによって構成され、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆを含んでいない点に特徴がある。
【００３４】
［変換器セルの構成］
図３は、図２の各アーム回路に含まれる変換器セルの構成例を示す回路図である。図３（ａ）はハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈの構成を示し、図３（ｂ）はフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆの構成を示す。図３（ｃ）は、図３（ａ）のハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈと図３（ｂ）のフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆとを混合した機能を有する混合型（混合ブリッジ型とも称する）の変換器セル２１ＨＹＢの構成の一例を示す。本実施の形態では、混合型の変換器セル２１ＨＹＢは、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆに代えて用いることができる。
【００３５】
図３（ａ）を参照して、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈは、互いに直列接続された半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ（以下、単にスイッチング素子と称する場合がある）ならびにダイオード２３ａ，２３ｂによって構成されるブリッジ回路２８Ｈと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ２４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（並列かつ逆バイアス方向）に接続される。すなわち、ダイオード２３ａ，２３ｂのカソードが高電位側となり、ダイオード２３ａ，２３ｂのアノードが低電位側となるように接続される。直流コンデンサ２４は、スイッチング素子２２ａ，２２ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を平滑化する。スイッチング素子２２ａ，２２ｂの接続ノードは正側の入出力端子２６ｐと接続され、スイッチング素子２２ｂと直流コンデンサ２４の接続ノードは負側の入出力端子２６ｎと接続される。
【００３６】
ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈにおいて、スイッチング素子２２ａ，２２ｂは、一方がオン状態（閉状態）となり他方がオフ状態（開状態）となるように制御される。スイッチング素子２２ａがオン状態であり、スイッチング素子２２ｂがオフ状態のとき、入出力端子２６ｐ，２６ｎ間には直流コンデンサ２４の両端間の電圧（入出力端子２６ｐが正側電圧、入出力端子２６ｎが負側電圧）が印加される。逆に、スイッチング素子２２ａがオフ状態であり、スイッチング素子２２ｂがオン状態のとき、入出力端子２６ｐ，２６ｎ間は０Ｖとなる。すなわち、図３（ａ）に示す変換器セル２１Ｈは、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、零電圧または正電圧（すなわち、直流コンデンサ２４の電圧に依存する電圧）を出力することができる。ダイオード２３ａ，２３ｂは、スイッチング素子２２ａ，２２ｂに逆方向電圧が印加されたときの電流経路確保のために設けられている。
【００３７】
図３（ｂ）を参照して、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆのブリッジ回路２８Ｆは、直列接続されたスイッチング素子２２ｃ，２２ｄと、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄに逆並列にそれぞれ接続されたダイオード２３ｃ，２３ｄとをさらに含む点で、図３（ａ）のハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈのブリッジ回路２８Ｈと異なる。スイッチング素子２２ｃ，２２ｄの全体は、スイッチング素子２２ａ，２２ｂの直列接続回路と並列に接続されるとともに、直流コンデンサ２４と並列に接続される。入出力端子２６ｐは、スイッチング素子２２ａ，２２ｂの接続ノードと接続され、入出力端子２６ｎは、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄの接続ノードと接続される。
【００３８】
フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆは、通常動作時（すなわち、入出力端子２６ｐ，２６ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、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ように制御される。
【００３９】
また、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆは、スイッチング素子２２ａを常時オフし、スイッチング素子２２ｂを常時オンし、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄ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こともできる。
【００４０】
図３（ｃ）を参照して、混合型の変換器セル２１ＨＹＢのブリッジ回路２８ＨＹＢは、図３（ｂ）に示すフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆのブリッジ回路２８Ｆからスイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのうちいずれか１つを除去した構成を有する。図３（ｃ）の場合には、スイッチング素子２２ｃを除去した構成が示されている。
【００４１】
図３（ｃ）に示す混合型の変換器セル２１ＨＹＢは、通常動作時（すなわち、入出力端子２６ｐ，２６ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、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を交互にオン状態とするように制御される。
【００４２】
一方、上記の変形例として、図３（ｂ）においてスイッチング素子２２ａを除去した構成の場合には、スイッチング素子２２ｂを常時オンとし、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄを交互にオン状態とするように制御することによって、零電圧または負電圧を出力することができる。
【００４３】
図３（ｂ）においてスイッチング素子２２ｂを除去した構成の場合には、スイッチング素子２２ａを常時オンとし、スイッチング素子２２ｃ、２２ｄを交互にオン状態とするように制御することによって、零電圧または正電圧を出力することができる。
【００４４】
図３（ｂ）においてスイッチング素子２２ｄを除去した構成の場合には、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を交互にオン状態とするように制御することによって、零電圧または負電圧を出力することができる。
【００４５】
図３の各スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ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ている。たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）またはＧＣＴ（Gate  Commutated  Turn-off  thyristor）などがスイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄとして用いられる。
【００４６】
［バイパス回路の構成］
図４は、図１のバイパス回路の構成例を示す回路図である。バイパス回路３０は、３相全波整流回路３７と、３相全波整流回路３７を正側直流端子Ｎｐおよび負側直流端子Ｎｎにそれぞれ接続するための接続アーム３６ａ，３６ｂとを含む。
【００４７】
図４に示すように、３相全波整流回路３７は、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗと正側中間ノードＮｐｄとの間にそれぞれ接続された正側アーム３１ａｕ，３１ａｖ，３１ａｗと、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗと負側中間ノードＮｎｄとの間にそれぞれ接続された負側アーム３１ｂｕ，３１ｂｖ，３１ｂｗとを含む。
【００４８】
正側アーム３１ａｕ，３１ａｖ，３１ａｗは、それぞれ正側中間ノードＮｐｄから交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗの方向への電流を阻止する整流素子として機能する。負側アーム３１ｂｕ，３１ｂｖ，３１ｂｗは、それぞれ交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗから負側中間ノードＮｎｄの方向への電流を阻止する整流素子として機能する。したがって、３相全波整流回路３７は、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに生成される交流電圧を正側中間ノードＮｐｄと負側中間ノードＮｎｄとの間に直流電圧として出力可能に構成されている。
【００４９】
正側接続アーム３６ａは、正側直流端子Ｎｐと中間ノードＮｐｄとの間に接続され、正側直流端子Ｎｐから中間ノードＮｐｄの方向の電流を阻止する整流素子として機能する。同様に、負側接続アーム３６ｂは、中間ノードＮｎｄと負側直流端子Ｎｎとの間に接続され、中間ノードＮｎｄから負側直流端子Ｎｎの方向への電流を阻止する整流回路として機能する。
【００５０】
以下の説明において、３相全波整流回路３７を構成する各アームを総称する場合にアーム３１と記載し、正側アーム３１ａｕ，３１ａｖ，３１ａｗを総称する場合に正側アーム３１ａと記載し、負側アーム３１ｂｕ，３１ｂｖ，３１ｂｗを総称する場合に負側アーム３１ｂと記載する。正側接続アーム３６ａと負側接続アーム３６ｂとを総称する場合に接続アーム３６と記載する。
【００５１】
図５は、図４のバイパス回路中のアームの構成例を示す回路図である。図５（ａ）に示す例では、３相全波整流回路３７を構成する各アーム３１および接続アーム３６は、高電位側ノード５０ｐと低電位側ノード５０ｎとの間に直列に接続された複数のダイオード素子３２を含む。各ダイオード素子３２のカソードは高電位側に設けられ、各ダイオード素子３２のアノードは低電位側に設けられる。
【００５２】
なお、図５（ａ），（ｂ）において、正側アーム３１ａｕ，３１ａｖ，３１ａｗの場合、高電位側ノード５０ｐは中間ノードＮｐｄに対応し、低電位側ノード５０ｎは交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗにそれぞれ対応する。負側アーム３１ｂｕ，３１ｂｖ，３１ｂｗの場合、高電位側ノード５０ｐは交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗにそれぞれ対応し、低電位側ノード５０ｎは中間ノードＮｎｄに対応する。正側接続アーム３６ａの場合、高電位側ノード５０ｐは正側直流端子Ｎｐに対応し、高電位側ノード５０ｐは中間ノードＮｐｄに対応する。負側接続アーム３６ｂの場合、高電位側ノード５０ｐは中間ノードＮｎｄに対応し、低電位側ノード５０ｎは負側直流端子Ｎｎに対応する。
【００５３】
各アーム３１，３６において、各ダイオード素子３２に特性のばらつきがある場合には、ダイオード素子３２ごとの電圧の分担に違いが生じるために、他よりも大きな電圧がかかっているダイオード素子３２が過電圧により破損する虞がある。この問題を回避するために、各ダイオード素子３２としてアバランシェダイオードを用いるのが望ましい。アバランシェダイオードは、規定レベル以上の電圧がアノード−カソード間に印加されると破損する前に漏れ電流が増加する。これによって、自己の電圧上昇を抑え、他のダイオード素子３２に電圧を分担させることができる。
【００５４】
図５（ｂ）には、図５（ａ）の変形例が示されている。図５（ｂ）の回路は、複数のダイオード素子３２とそれぞれ並列に接続された抵抗素子３３を含む点で、図５（ａ）の回路と異なる。各抵抗素子３３の抵抗値は互いにほぼ等しい値に設定される。さらに、抵抗素子３３の抵抗値は、電力系統の正常時に高電位側ノード５０ｐから低電位側ノード５０ｎの方向に各抵抗素子３３を介して電流がほとんど流れないように、比較的高い値に設定される。各抵抗素子３３の抵抗値をほぼ等しい値にすることによって、ダイオード素子３２ごとに分担される電圧をほぼ等しくすることができ、これによって、ダイオード素子３２の破損を防止することができる。
【００５５】
［通常動作時のバイパス回路の動作］
図６は、通常動作時における電流変換装置の各端子電圧およびアーム電圧の時間変化を模式的に示す図である。図６（ａ）〜（ｄ）の横軸は時間（ｔｉｍｅ）である。以下、図１、図４、および図６を参照して、電力変換装置１０１が順変換（すなわち、交流を直流に変換）または逆変換（すなわち、直流を交流に変換）を行っている場合（すなわち、通常動作時）において、図１および図４に示すバイパス回路３０の動作について説明する。
【００５６】
図６（ａ）は、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗの電位および直流端子Ｎｐ，Ｎｎの電位の時間変化を示す図である。図６（ａ）に示すように、正側直流端子Ｎｐの電位は正の一定値であるＶｄを示し、負側直流端子Ｎｎの電位は負の一定値である−Ｖｄを示す。交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗの電位Ｖｕ，Ｖｕ，Ｖｗは、片振幅（すなわち、zero  to  peak）がＶｄである正弦波であるとする。これは変換器が発生できる最大交流電圧であり、交流変調率１００％に相当する。たとえば、Ｕ相交流端子Ｎｕの電位が最大値を示すとき、Ｕ相正側アーム回路６ａを構成する全ての変換器セルの出力電圧は零に等しくなっている。
【００５７】
図６（ｂ）は、図１に示すｕ相の正側アーム回路６ａｕにかかる電圧Ｖ（６ａｕ）の時間変化を示す図である。ｕ相の正側アーム回路６ａｕには、正側直流端子Ｎｐの電位ＶｄとＵ相交流端子Ｎｕの電位Ｖｕとの差電圧がかかる。したがって、その最大電圧は２×Ｖｄであり、最小電圧は０である。他のアーム回路６についても同様に最大電圧は２×Ｖｄであり、最小電圧０である。
【００５８】
図６（ｃ）は、バイパス回路３０の中間ノードＮｐｄ，Ｎｎｄの電位Ｖｐｄ，Ｖｎｄの時間変化を示す図である（電位Ｖｐｄ，Ｖｎｄは図中において実線で示される）。３相全波整流回路３７において、正側中間ノードＮｐｄの電位Ｖｐｄは、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗの電位Ｖｘ，Ｖｖ，Ｖｗのうちの最大値に等しい。具体的に、区間Ｔ１，Ｔ４において正側中間ノードＮｐｄの電位ＶｐｄはＵ相交流端子Ｎｕの電位Ｖｕに等しく、区間Ｔ２において正側中間ノードＮｐｄの電位ＶｐｄはＶ相交流端子Ｎｖの電位Ｖｖに等しく、区間Ｔ３において正側中間ノードＮｐｄの電位ＶｐｄはＷ相交流端子Ｎｗの電位Ｖｗに等しい。同様に、負側中間ノードＮｎｄの電位Ｖｎｄは、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗの電位Ｖｘ，Ｖｖ，Ｖｗのうちの最小値に等しい。
【００５９】
図６（ｄ）は、図４に示す３相全波整流回路３７を構成するＵ相の正側アーム３１ａｕにかかる電圧Ｖ（３１ａｕ）の時間変化を示す図である。アーム３１ａｕに生じる電圧は、正側中間ノードＮｐｄの電位ＶｐｄからＵ相交流端子Ｎｕの電位Ｖｕを減じた値に等しい。具体的に、区間Ｔ１，Ｔ４においてアーム３１ａｕに生じる電圧は０であり、区間Ｔ２，Ｔ３の各々において最小値が０となり、最大値が（√３）×Ｖｄとなるように変化する。（√３）×Ｖｄは３相交流の線間電圧の振幅に等しい。３相全波整流回路３７の他のアーム３１についても最小値が０となり、最大値が（√３）×Ｖｄとなるように変化する。
【００６０】
［バイパス回路３０に必要な素子の削減］
上記に基づいて、本実施の形態のバイパス回路３０の構成によれば、特許文献１，２で示されていた保護回路よりも半導体素子数（具体的には直列接続されたダイオード素子の数）を少なくできる点について説明する。以下の考察では、近似的にバイパス回路または保護回路に必要な素子数は、印加される最大電圧に比例するものとする。
【００６１】
具体的に、変換回路１を構成する各アーム回路６には最大で２×Ｖｄの電圧が印加される。したがって、特許文献１，２で示されているように各アーム回路６を構成する変換器セルごともしくはセルブロックごとに保護回路を設けた場合には、各アームごとに２×Ｖｄ×Ｋ個のダイオード素子が保護回路を構成するのに必要となる。ここで、Ｋは比例定数である。よって、変換回路１全体では、１２×Ｖｄ×Ｋ個のダイオード素子が必要となる。
【００６２】
一方、本実施の形態のバイパス回路３０において、３相全波整流回路３７を構成する各アーム３１には最大で（√３×Ｖｄ）の電圧が印加される。各接続アーム３６ａ，３６ｂには、各交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗと各直流端子Ｎｐ，Ｎｎとの間の最大電圧である２×Ｖｄから各アーム３１の分担分を差し引いた（２−√３）×Ｖｄが最大で印加される。したがって、バイパス回路３０全体で（（６×（√３）＋２×（２−√３））×Ｖｄ×Ｋ個＝（４＋４×√３）×Ｖｄ×Ｋ個のダイオード素子が必要となる。よって、従来技術に比べて（８−４×√３）×Ｖｄ×Ｋ個（約８．９％）の素子を削減することができる。
【００６３】
さらに、フルブリッジ型セルが電力変換以外の補助制御（例えば循環電流制御）を行う場合、補助制御用のフルブリッジ型セルは上記の交流電圧とは別の制御電圧を上記の交流電圧に追加重畳する形で発生するため、バイパス回路は交流電圧にこの制御電圧を加えた電圧に対して耐圧を確保する必要がある。ここで、変換回路１を構成する各アーム回路６に含まれる補助制御用のフルブリッジ型のセルが発生する制御電圧の合計をＶｆとする。そうすると、従来技術では各アーム回路６ごとに保護回路を構成するダイオード素子などの保護素子の積み増しが必要であり、変換回路１全体では１２×Ｖｆ×Ｋ個の保護素子の追加が必要となる。一方、本実施の形態のバイパス回路３０の場合には接続アーム３６ａ，３６ｂに２×Ｖｆ×Ｋ個の保護素子を追加するだけで良く、補助制御セルに対応してバイパス回路に設けられる追加の保護素子の削減が行える。
【００６４】
［交流電圧の振幅の制限について］
図６では、電力変換装置１０１の交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗにおける電圧振幅が最大（Ｖｄに等しい）の場合について説明したが、図４および図５で説明したバイパス回路３０の構成の場合には、交流電圧振幅を最大値に制御しないほうが望ましい。この理由は、図６（ｃ）に示すように、たとえばＵ相交流端子Ｎｕの電位Ｖｕが最大値を示すとき、正側中間ノードＮｐｄの電位Ｖｐｄは正側直流端子Ｎｐの電位（＋Ｖｄ）に等しくなるために、バイパス回路３０の正側接続アーム３６ａとＵ相の正側アーム３１ａｕとを介して、正側直流端子ＮｐとＵ相交流端子Ｎｕとの間で電流が流れる可能性がある。同様に、たとえばＵ相交流端子Ｎｕの電位Ｖｕが最小値を示すとき、中間ノードＮｎｄの電位Ｖｎｄと負側直流端子Ｎｎの電位（−Ｖｄ）とが等しくなるために、バイパス回路３０の負側接続アーム３６ｂとＵ相の負側アーム３１ｂｕとを介して、負側直流端子ＮｎとＵ相交流端子Ｎｕとの間で電流が流れる可能性がある。
【００６５】
このようにバイパス回路に電流が流れるとバイパス回路による損失が発生し、通電期間が長くなると冷却装置が必要などの制約が生じる。またフルブリッジ型セルが混在し、ハーフブリッジ型セルが全て０電圧、フルブリッジ型セルがバイパス回路中のダイオードに順方向電圧をかける状態となるとバイパス回路に大きな電流が流れる虞がある。
【００６６】
上記のようにバイパス回路３０を介した電流を阻止するために、実施の形態１の電力変換装置１０１では、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗにおける電圧振幅が最大値にならないように、すなわち、各アーム回路６を構成する少なくとも１つの変換器セルの出力電圧は零にならないように制御される。なお、後述する実施の形態２の電力変換装置では、バイパス回路３０の接続アーム３６にスイッチング素子３４をさらに設けることによって、上記の制約を取り除くことができることが示される。
【００６７】
［直流回路の短絡故障時の電流経路］
次に、直流回路の短絡故障時の電流経路について、図７〜図１０を参照して詳しく説明する。
【００６８】
図７は、直流回路の短絡故障時に短絡電流の経路を示す図である。図７を参照して、直流回路４の内部を高電位側から低電位側に流れる短絡電流ＳＣＣは、電力変換装置１０１の内部を負側直流端子Ｎｎから正側直流端子Ｎｐの方向に流れる。ここで、変換回路１を構成する各アーム回路６がフルブリッジ型またはハイブリッド型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢを含む場合には、短絡電流ＳＣＣはバイパス回路３０のみを流れ、変換回路１には流れない。各アーム回路６がハーフブリッジ型の変換器セルのみで構成されている場合には、大部分の短絡電流ＳＣＣはバイパス回路３０を流れるが、一部の短絡電流ＳＣＣは変換回路１にも流れる。
【００６９】
具体的に、バイパス回路３０の３相全波整流回路３７を構成する複数のアーム３１ａｕ，３１ａｖ，３１ａｗ，３１ｂｕ，３１ｂｖ，３１ｂｗのうちどのアームを短絡電流ＳＣＣが流れるかは、交流回路２と電力変換装置１０１との間を流れる交流電流の位相によって異なる。図７の場合には、実線の経路で示すように、負側接続アーム３６ｂからＵ相およびＶ相の低電位側のアーム３１ｂｕ，３１ｂｖを通って交流回路２に電流が流れるとともに、交流回路２からＷ相の正側アーム３１ａｗを通って、さらに正側接続アーム３６ａを通って直流回路４に電流が流れる。
【００７０】
同様に、変換回路１を構成する各アーム回路６ａｕ，６ａｖ，６ａｗ，６ｂｕ，６ｂｖ，６ｂｗがハーフブリッジ型の構成されている場合に、どのアーム回路６を短絡電流が流れるかは、交流回路２と電力変換装置１０１との間を流れる交流電流の位相によって異なる。図７の場合には、破線の経路で示すように、負側直流端子Ｎｎからｕ相負側アーム回路６ｂｕおよびｖ相負側アーム回路６ｂｖを通って交流回路２に電流が流れるとともに、交流回路２からｗ相正側アーム回路６ａｗを通って正側直流端子Ｎｐの方向に電流が流れる。
【００７１】
次に、直流回路４の短絡故障時に各アーム回路６を流れる電流の経路についてより詳細に説明する。
【００７２】
図８は、アーム回路にフルブリッジ回路とハーフブリッジ回路とが含まれる場合において、直流短絡時にアーム回路を一時的に流れる電流の経路を説明するための図である。図８のアーム回路は、１つのフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ（ＣＥＬＬ１）と、その他の複数のハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈ（ＣＥＬＬ２，ＣＥＬＬ３，…）とを含む。電流経路は図８において太線の矢印で示されている。
【００７３】
図８を参照して、直流回路４の短絡故障時には、各セル２１のエネルギー蓄積要素としての直流コンデンサ２４からの放電電流を遮断するために、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ（ＣＥＬＬ１）の半導体スイッチ２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄが全て開状態（すなわち、オフ状態）に制御される。さらに、ハーフブリッジ型の全ての変換器セル２１Ｈ（ＣＥＬＬ２，ＣＥＬｌ３，…）の半導体スイッチ２２ａ，２２ｂが全て開状態（すなわち、オフ状態）に制御される。このとき、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈ（ＣＥＬＬ２，ＣＥＬＬ３）については、フリーホイールダイオード２３ｂを介して電流が流れ得る。
【００７４】
一方、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ（ＣＥＬＬ１）については、直流短絡時には、低電位側の入出力端子２６ｎからフリーホイールダイオード２３ｃを通って直流コンデンサ２４の正側端子２５ｐに一時的に電流が流入する。さらに、直流コンデンサ２４の負側端子２５ｎからフリーホイールダイオード２３ｂを通って高電位側の入出力端子２６ｐに至る方向に一時的に電流が流れる。この結果、仮にバイパス回路３０が設けられていない場合には、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆを構成する直流コンデンサ２４は充電され続けるために、コンデンサ電圧が耐圧を超えるとコンデンサが過電圧によって破壊する虞がある。
【００７５】
本実施の形態の場合には、バイパス回路３０が設けられているために、直流短絡時に電流が充電電流として一時的に直流コンデンサ２４に流入したとしても、直流コンデンサ２４に生じる電圧がアームリアクトル７およびバイパス回路３０に生じる電圧に達すると、その後は、短絡電流ＳＣＣはバイパス回路３０のみを流れるようになる。この結果、直流コンデンサによって直流電流が遮断され、変換回路１からバイパス回路３０への完全な転流が実現できる。
【００７６】
なお、各アーム回路６に含まれる変換器セルの半分以上がフルブリッジ型の変換器セルで構成されている場合には、複数のフルブリッジ型の変換器セルのコンデンサ電圧が合成されることによって短絡電流の流入を阻止し得るので、バイパス回路３０は必要でない。これに対して、各アーム回路６に含まれるフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆの個数が少ない（たとえば、１０％以下）の場合には、変換器セル２１Ｆに含まれる直流コンデンサ２４を保護するように直流短絡電流を転流させるためにバイパス回路３０が必要になる。
【００７７】
図９は、アーム回路がハーフブリッジ回路のみによって構成される場合において、アーム回路を流れる直流短絡電流の経路を説明するための図である。図９のアーム回路は、複数のハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈ（ＣＥＬＬ１，ＣＥＬＬ２，ＣＥＬＬ３，…）のみを含む。図９において短絡電流の経路を太線の矢印で示す。
【００７８】
図９を参照して、直流回路４の短絡故障時には、各アーム回路６を構成する変換器セルＣＥＬＬ１，ＣＥＬＬ２，ＣＥＬＬ３，…の半導体スイッチ２２ａ，２２ｂが開状態とされる（オフ状態になる）。この場合、短絡電流は各変換器セル２１Ｈのフリーホイールダイオード２３ｂにも流れるので、短絡電流はバイパス回路３０とアーム回路６との両方を流れる。
【００７９】
ここで、各変換器セル２１Ｈを構成するフリーホイールダイオード２３ｂにはショットキーバリアダイオードなどのスイッチング特性が高速の高速ダイオードが用いられる。高速ダイオードは耐圧を上げるとオン電圧が高くなりやすい。一方、バイパス回路３０には、ｐｉｎダイオードなどの整流ダイオードが用いられる。整流ダイオードは耐圧を上げてもオン電圧が高くなり難い。以上により、直流回路４の短絡故障時には、バイパス回路３０のダイオード素子３２に生じるオン電圧のほうが、各アーム回路６を構成するセル変換器２１Ｈのフリーホイールダイオード２３ｂに生じるオン電圧よりも小さい。これにより、ほとんどの直流短絡電流ＳＣＣはバイパス回路３０を流れる。
【００８０】
［電力変換装置の制御動作］
図１０は、図１の制御装置の制御動作を概略的に示すフローチャートである。以下、図２および図１０を参照して、これまでの説明を総括しながら、図１の制御装置５の制御動作について説明する。以下の説明において、通常制御を行う場合を第１の動作モードとも称し、直流回路４の短絡故障時の動作モードを第２の動作モードとも称する。
【００８１】
電力系統に事故が生じていない場合には、制御装置５は通常制御を行う（ステップＳ１００）。この場合、制御装置５は、各アーム回路６を構成する各変換器セル２１の出力電圧を制御する。バイパス回路３０を介した（ダイオード素子３２の順方向の）電流が生じないように、各アーム回路６を構成する複数の変換器セル２１のうち少なくとも１つは正電圧を出力するように制御する必要がある。この制御は、通常の変調率リミッタ付パルス幅制御を用いて過変調状態を避けることで実現できる。
【００８２】
次に、制御装置５は、直流回路４側で短絡事故を検出した場合に（ステップＳ１１０でＹＥＳ）、各アーム回路６を構成する全ての変換器セル２１の半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを開状態（オフ状態）に制御する（ステップＳ１２０）。これによって、直流短絡電流ＳＣＣがバイパス回路３０を流れるようになる。図７〜図９で説明したように、各アーム回路６がハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈのみで構成されている場合には、一部の直流短絡電流ＳＣＣはアーム回路６にも流れる。しかしながら、各アーム回路６に少なくとも１つのフルブリッジ型または混合型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢが含まれている場合には、アーム回路６からバイパス回路３０への直流短絡電流ＳＣＣの完全な転流が実現される。
【００８３】
ここで、直流回路４側での短絡事故は、直流回路４を流れる直流電流Ｉｄｃが過電流となったことによって検出できる。直流電流は、アーム電流の各相合計値（Ｉｐｕ＋Ｉｐｖ＋ＩｐｗまたはＩｎｕ＋Ｉｎｖ＋Ｉｎｗ）として計算される。もしくは、直流電流Ｉｄｃを直接検出するための直流電流検出器を、直流回路４と電力変換装置１０１との間の線路に設けてもよい。
【００８４】
［効果］
以上のとおり、実施の形態１の電力変換装置１０１によれば、３相全波整流回路３７と正側接続アーム３６ａと負側接続アーム３６ｂとによって保護回路としてのバイパス回路３０を構成することによって、バイパス回路３０に必要なダイオード素子などの保護素子の数を削減することができる。
【００８５】
また、変換回路１を構成する各アーム回路６に少なくとも１つのフルブリッジ型または混合型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢを含めることによって、直流回路４の短絡故障時に直流短絡電流ＳＣＣを変換回路１からバイパス回路３０に完全に転流することができる。これによって、フルブリッジ型または混合型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢを構成する直流コンデンサ２４を保護することができる。
【００８６】
［実施の形態１の変形例］
以下、交流回路２と各レグ回路１２とを交流接続部としての変圧器を介して交流的に接続する場合の回路例について説明する。以下で説明する回路は、本開示の他の実施の形態の電力変換装置にも適用可能である。
【００８７】
図１１は、実施の形態１の変形例による電力変換装置の概略構成図である。図１１を参照して、交流回路２とレグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとは、３巻線の三相変圧器８０を介して接続される。三相変圧器８０は、Ｕ相変圧器８６ｕ、Ｖ相変圧器８６ｖ、およびＷ相変圧器８６ｗによって構成される。
【００８８】
具体的に、図１１の三相変圧器８０の一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗの各一端は、交流回路２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各送電線と連系変圧器３を介してそれぞれ接続される。三相変圧器８０の一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗの各他端は共通の中性点８４と接続される。すなわち、図１１の場合、一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗはＹ結線されている。
【００８９】
三相変圧器８０の二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗは、それぞれ共通の鉄心を介して一次巻線８１ｕ，８１ｖ，８１ｗと磁気結合する。図１１の三相変圧器８０では、さらに、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗとそれぞれ直列に接続された三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗが設けられている。各相の二次巻線と対応する三次巻線とは逆極性になるように接続され、共通の鉄心に巻回される。また、各相の二次巻線と対応する三次巻線との接続点は共通の中性点８１０に接続される。すなわち、二次巻線および三次巻線はそれぞれＹ結線されている。
【００９０】
さらに、二次巻線８２ｕおよび三次巻線８３ｕはＵ相のアーム回路６ａｕ，６ｂｕと直列に接続される。二次巻線８２ｖおよび三次巻線８３ｖはＶ相のアーム回路６ａｖ，６ｂｖと直列に接続される。二次巻線８２ｗおよび三次巻線８３ｗはＷ相のアーム回路６ａｗ，６ｂｗと直列に接続される。図１１の場合、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗの各々および三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗの各々は、各相のリアクトル７ａ，７ｂを兼ねている。リアクトル７ａ，７ｂとは別に三相変圧器８０の二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗおよび三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗを設けてもよい。
【００９１】
上記の三相変圧器８０の構成によれば、各相のアーム電流（Ｕ相：Ｉｐｕ，Ｉｎｕ、Ｖ相：Ｉｐｖ，Ｉｎｖ、Ｗ相：Ｉｐｗ，Ｉｎｗ）によって二次巻線に生じる直流起電力と三次巻線に生じる起電力とは互いに打ち消し合うため、鉄心内に直流磁束が生じないというメリットがある。
【００９２】
次に、上記の三相変圧器８０とバイパス回路３０との接続について説明する。まず、二次巻線８２ｕ，８２ｖ，８２ｗと正側アーム回路６ａｕ，６ａｖ，６ａｗとの接続ノードをそれぞれＮａｕ，Ｎａｖ，Ｎａｗとする。三次巻線８３ｕ，８３ｖ，８３ｗと負側アーム回路６ｂｕ，６ｂｖ，６ｂｗとの接続ノードをそれぞれＮｂｕ，Ｎｂｖ，Ｎｂｗとする。バイパス回路３０はこれらの接続ノードＮａｕ，Ｎａｖ，Ｎａｗ，Ｎｂｕ，Ｎｂｖ，Ｎｂｗと接続される。
【００９３】
具体的に、バイパス回路３０を構成する３相全波整流回路３７のＵ相の正側アーム３１ａｕは、正側中間ノードＮｐｄと高電位側のＵ相の接続ノードＮａｕとの間に接続される。同様に、Ｖ相の正側アーム３１ａｖは、正側中間ノードＮｐｄと高電位側のＶ相の接続ノードＮａｖとの間に接続される。Ｗ相の正側アーム３１ａｗは、正側中間ノードＮｐｄと高電位側のＷ相の接続ノードＮａｗとの間に接続される。
【００９４】
また、バイパス回路３０を構成する３相全波整流回路３７のＵ相の負側アーム３１ｂｕは、負側中間ノードＮｎｄと低電位側のＵ相の接続ノードＮｂｕとの間に接続される。同様に、Ｖ相の負側アーム３１ｂｖは、負側中間ノードＮｎｄと低電位側のＶ相の接続ノードＮｂｖとの間に接続される。Ｗ相の負側アーム３１ｂｗは、負側中間ノードＮｎｄと低電位側のＷ相の接続ノードＮｂｗとの間に接続される。
【００９５】
実施の形態２．
実施の形態２では、バイパス回路３０の構成の変更例について図１２〜図１４を参照して説明する。
【００９６】
［バイパス回路の接続アームの構成例］
図１２は、実施の形態２の電力変換装置においてバイパス回路の接続アームの構成を示す回路図である。
【００９７】
図１２を参照して、バイパス回路３０に設けられた接続アーム３６は、直列接続された複数のダイオード素子３２に加えて、これらのダイオード素子３２と直列に接続されたスイッチング素子３４をさらに含む点で、図５の接続アーム３６と異なる。スイッチング素子３４は、直列接続された複数のダイオード素子３２の配列のいずれか一方の端に接続されていてもよいし、隣接するダイオード素子３２の間に接続されていてもよい。
【００９８】
スイッチング素子３４は、第１の動作モード（通常動作時）においてオフ状態（開状態）に制御され、第２の動作モード（直流回路の短絡故障時）においてオン状態（閉状態）に制御されるように構成されていてもよい。もしくは、スイッチング素子３４は、高電位側端子と低電位側端子とを有し、両端子間にかかる電圧が閾値電圧を超えたときに両端子間に電流が流れることにより（すなわち、オフ状態からオン状態に切り替わることにより）、両端子間の電圧が低下するという非線形の電流電圧特性を有する素子によって構成されていてもよい。このような非線形素子として、図１３に例示するような放電ギャップまたは自己点弧型サイリスタを挙げることができる。
【００９９】
［スイッチング素子の具体例］
図１３は、図１２に示す接続アームに含まれるスイッチング素子の具体的構成例を示す回路図である。
【０１００】
図１３（ａ）は、スイッチング素子３４がサイリスタ４３によって構成された例を示す。サイリスタ４３のカソードは高電位側ノード４１に接続され、サイリスタ４３のアノードは低電位側ノード４２に接続される。サイリスタ４３のゲートには、図１に示す制御装置５から制御信号が入力される。制御装置５は、直流回路４の短絡故障を検出した場合にサイリスタ４３をオン状態に制御し、それ以外の場合にはサイリスタ４３をオフ状態に制御する。
【０１０１】
図１３（ｂ）は、スイッチング素子３４が、高電位側ノード４１と低電位側ノード４２との間に接続された機械的スイッチ４５によって構成された例を示す。機械的スイッチ４５は、図１に示す制御装置５によってオンオフ制御される。制御装置５は、直流回路４の短絡故障を検出した場合に機械的スイッチ４５をオン状態に制御し、それ以外の場合には機械的スイッチ４５をオフ状態に制御する。
【０１０２】
図１３（ｃ）は、スイッチング素子３４が高電位側ノード４１と低電位側ノード４２との間に接続された放電ギャップ４６によって構成された例を示す。放電ギャップ４６は、たとえば、半球状の２個の金属板によって構成され、金属板の凸面側が互いに対向している。放電ギャップ４６は、対向する金属板間の電圧が閾値電圧までは電流が流れないが、閾値電圧を超えると対向する金属板間で気中絶縁破壊が発生することで放電ギャップ４６が短絡状態となり、接続アーム３６に電流が流れるようになる。
【０１０３】
図１３（ｄ）は、スイッチング素子３４が高電位側ノード４１と低電位側ノード４２との間に接続された自己点弧型サイリスタによって構成された例を示す。自己点弧型サイリスタは、たとえば、高電位側ノード４１と低電位側ノード４２との間の電圧が閾値電圧を超えたときにサイリスタ４３のゲートに電圧を供給することによってサイリスタ４３を導通状態にする制御器４７を用いることによって構成することができる。
【０１０４】
［有利な効果］
図１２のようにスイッチング素子３４をバイパス回路の接続アーム３６に挿入することによって、電力系統が正常な場合に、バイパス回路３０の接続アーム３６を介して負側直流端子Ｎｎから交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗの方向に、もしくは、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗから正側直流端子Ｎｐの方向に電流が流れることはない。したがって、実施の形態１の場合と異なり、各アーム回路６を構成する複数の変換器セル２１のうち少なくとも１つは正電圧を出力するように制御しなくてよい（すなわち、各アーム回路６を構成する全ての変換器セル２１の出力電圧を零電圧となるように制御しても構わない）。
【０１０５】
その他、実施の形態１の場合と同様に、保護回路としてのバイパス回路３０に必要なダイオード素子などの保護素子の数を削減することができる。また、変換回路１を構成する各アーム回路６に少なくとも１つのフルブリッジ型または混合型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢを含めることによって、直流回路４の短絡故障時に直流短絡電流ＳＣＣの経路を変換回路１からバイパス回路３０に完全に切り替えることができる。
【０１０６】
［バイパス回路の接続アームの変形例］
図１４は、図１２のバイパス回路の変形例を示す回路図である。図１４（ａ）に示すバイパス回路３０の接続アーム３６は、各ダイオード素子３２としてアバランシェダイオードを用いるともに、スイッチング素子３４と並列に接続された抵抗素子３５を含む点で図１２に示すバイパス回路３０の接続アーム３６と異なる。
【０１０７】
電力系統の正常時に、高電位側ノード５０ｐから低電位側ノード５０ｎの方向にアバランシェダイオードの漏れ電流を流すことによって、各ダイオード素子３２によって分担される電圧の均一化が図られる。さらに、この漏れ電流を流すために、スイッチング素子３４と並列に抵抗素子３５が設けられている。スイッチング素子３４が図１３（ｃ）（ｄ）に例示するような非線形素子によって構成される場合には、抵抗素子３５の抵抗値は、漏れ電流が抵抗素子３５を流れることによって生じる電圧がスイッチング素子３４の閾値電圧（通電開始電圧）に達しないように選択される。
【０１０８】
図１４（ｂ）に示すバイパス回路３０の接続アーム３６は、図１４（ａ）とは別の変形例である。具体的に、図１４（ｂ）に示すバイパス回路３０の接続アーム３６は、各ダイオード素子３２と並列に設けられた抵抗素子３３と、スイッチング素子３４と並列に設けられた抵抗素子３５とを含む点で、図１２に示すバイパス回路３０の接続アーム３６と異なる。各抵抗素子３３の抵抗値は互いにほぼ等しい値に設定される。これによって、ダイオード素子３２ごとに分担される電圧がほぼ等しくなるので、ダイオード素子３２の破損を防止することができる。
【０１０９】
さらに、抵抗素子３３の抵抗値は、電力系統の正常時に高電位側ノード５０ｐから低電位側ノード５０ｎの方向に各抵抗素子３３を介して電流がほとんど流れないように、比較的高い値に設定される。また、スイッチング素子３４が図１３（ｃ）（ｄ）に例示するような非線形素子によって構成される場合には、各抵抗素子３３および抵抗素子３５を介して流れる電流によって抵抗素子３５に生じる電圧がスイッチング素子３４の閾値電圧（通電開始電圧）に達しないように、抵抗素子３３，３５の抵抗値が設定される。
【０１１０】
実施の形態３．
［電力変換装置の起動時の問題点］
実施の形態３は、実施の形態２の電力変換装置１０１において各アーム回路６にフルブリッジ型または混合型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢとハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈとが混在している場合を扱う。さらに、バイパス回路３０の接続アーム３６に設けられたスイッチング素子３４が図１３（ｃ）（ｄ）に例示するような非線形素子によって構成される場合を扱う。このような場合には、次に説明するような電力変換装置１０１の起動時の問題がある。
【０１１１】
図１を参照して、電力変換装置１０１の起動時には、交流回路２と電力変換装置１０１との間に設けられた遮断器（不図示）が投入される。これによって、交流回路２からの交流電力によって各変換器セル２１に設けられた直流コンデンサ２４が充電される。各変換器セル２１は、通常、各変換器セル２１に設けられた直流コンデンサ２４の充電電圧を電源として動作するので（必ずしもこの電源構成に限定されるわけでないが）、直流コンデンサ２４の充電がある程度進むまでは動作しない。直流コンデンサ２４の電圧が上昇して規定値に達するまでの間、各変換器セル２１の全ての半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄは開状態（オフ状態）である。
【０１１２】
上記の場合の起動時には、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ（および混合型の変換器セル２１ＨＹＢ）の直流コンデンサ２４は、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈの直流コンデンサ２４に比べて２倍の速さで充電される。なぜなら、図３（ａ）を参照して、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈでは、高電位側の入出力端子２６ｐから低電位側の入出力端子２６ｎの方向に電流が変換器セル２１Ｈに流入するときには、直流コンデンサ２４が充電されるが、逆方向の電流の場合には直流コンデンサ２４は充電されない。これに対して、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ（および混合型の変換器セル２１ＨＹＢ）の場合には、どちらの方向の電流の場合にも直流コンデンサ２４は充電されるからである。低電位側の入出力端子２６ｎから高電位側の入出力端子２６ｐの方向である上向きの電流によって直流コンデンサ２４が充電中の場合には、直流コンデンサ２４は、バイパス回路３０に電流が流れるような向きの電圧を発生する。
【０１１３】
したがって、電力変換装置１０１の起動時に制御装置５による制御が開始される前に、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ（または混合型の変換器セル２１ＨＹＢ）の直流コンデンサ２４の充電電圧が、バイパス回路３０の接続アーム３６に設けられたスイッチング素子３４の閾値電圧を超えるとスイッチング素子３４で通電が生じてしまうという問題が生じる。スイッチング素子３４が繰り返しの通電に耐え得るようなものであれば構わないが、そうでない場合にはスイッチング素子３４が起動時に通電しないように回路的に工夫する必要がある。たとえば、以下のような対策が考えられる。
【０１１４】
［起動時の問題点の対策例］
（１）  フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆの半導体スイッチング素子駆動用の電源回路をできるだけ低電圧で動作可能なもの（「低電圧回路」と称する）にする。
【０１１５】
できるだけ低電圧でフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆを起動させ、変換器セル２１Ｆの起動後に、図３（ｂ）のフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆの半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのうちいずれか１つを閉状態（オン状態）にする。これによって、交流の１周期のうちの半周期でのみしか直流コンデンサ２４の充電が生じないようにすることができる。なお、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆにおいて、半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｄのいずれか一方を閉状態（オン状態）としたときには、正側の入出力端子２６ｐから負側の入出力端子２６ｎの方向（図で下向きの方向）に電流が流れる場合にコンデンサ２４が充電されるので、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈと全く同等の動作となる。半導体スイッチング素子２２ｂ，２２ｃのいずれか一方を閉状態（オン状態）としたときには、負側の入出力端子２６ｎから正側の入出力端子２６ｐの方向（図で上向きの方向）に電流が流れる場合にコンデンサ２４が充電される。
【０１１６】
図３（ｃ）の混合型の変換器セル２１ＨＹＢの場合も同様に、３つの半導体スイッチング素子２２のうちいずれか１つを閉状態（オン状態）にすることによって充電速度を遅らせることができる。
【０１１７】
ところで、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆにおいて、半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｄの一方をオンするように制御を切替えるまでは、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆの方が、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈよりもコンデンサ２４の電圧上昇が大きい。したがって、制御の切替え後、同じ速度でフルブリッジ型の変換器セル２１Ｆのコンデンサ２４とハーフブリッジ型の変換器セル２４Ｈのコンデンサ２４とを充電すると、フルブリッジ型セル２１Ｆの方が先に規定電圧に到達してしまうという問題がある。この問題を回避するために、たとえば、フルブリッジ型セル２１Ｆのコンデンサ２４の容量をハーフブリッジ型セル２１Ｈのコンデンサ２４の容量よりも大きくすればよい。この問題の他の回避方法については、次項（２）で説明する。
【０１１８】
（２）  フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆ専用の起動回路を設ける。図１５は、実施の形態３の電力変換装置において、フルブリッジ型の変換器セルに設けられる起動回路５５の接続を示す回路図である。図１６は、図１５の起動回路５５の動作を示すフローチャートである。
【０１１９】
図１５および図１６を参照して、起動回路５５は、直流コンデンサ２４の充電電圧によって駆動する回路であり、できるだけ低電圧で動作可能なように構成される。起動回路５５は、図１の交流回路２と電力変換装置１０１との間の遮断器（不図示）の投入後に（ステップＳ２００）、直流コンデンサ２４の充電電圧が起動電圧を超えると動作を開始する（ステップＳ２１０でＹＥＳ）。起動電圧はできるだけ低電圧にする。起動回路５５が動作するまでは、半導体スイッチング素子２２ａ〜２２ｄは全て開状態（オフ状態）である。
【０１２０】
起動回路５５は、動作開始後に変換器セル２１Ｆの半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｄのいずれか一方を閉状態（オン状態）にする（ステップＳ２２０）。他の半導体スイッチング素子は開状態（オフ状態）である。これによってハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈと同様に、交流の１周期のうちの半周期でのみしか直流コンデンサ２４の充電が生じないようにすることができる。
【０１２１】
次に、起動回路５５は、コンデンサ２４の電圧を検出し、コンデンサ２４の電圧が規定値に達しているか否かを判断する（ステップＳ２３０）。コンデンサ２４の電圧が規定値に達している場合には（ステップＳ２３０でＹＥＳ）、半導体スイッチング素子２２ｂ，２２ｄの両方または半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｃの両方を閉状態（オン状態）にする（ステップＳ２４０）。言い替えると、フルブリッジを構成する４個のアームのうち上側同士あるいは下側同士の隣接するアーム上の２個のスイッチング素子を閉状態（オン状態）にする。これによって、コンデンサ２４をバイパスして電流が流れるようになるので、コンデンサ２４の充電を停止することができる。
【０１２２】
なお、上記（１）の場合と同様に、ステップＳ２２０において、起動回路５５によって閉状態（オン状態）にする半導体スイッチング素子は、半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのうちのいずれの１つであっても構わない。混合型の変換器セル２１ＨＹＢの場合には、３つの半導体スイッチング素子２２のうちいずれか１つを閉状態（オン状態）にする。
【０１２３】
上記のステップＳ２４０において、混合型の変換器セル２１ＨＹＢ（図３（ｃ）参照）の場合にも、混合型ブリッジを構成する４個のアームのうち上側同士あるいは下側同士の隣接するアーム上に設けられている２個の半導体スイッチング素子を閉状態（オン状態）にする。たとえば、図３（ｃ）に示された変換器セル２１ＨＹＢの場合には、半導体スイッチング素子２２ｂ，２２ｄを閉状態（オン状態）にする。
【０１２４】
図１７は、図１６の変形例のフローチャートである。図１５および図１７を参照して、起動回路５５が動作を開始するまで（ステップＳ２００，Ｓ２１０）は、図１６の場合と同様であるので説明を繰り返さない。
【０１２５】
起動回路５５は、動作開始後に変換器セル２１Ｆを構成する半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｄのいずれか一方を一定時間オン状態（閉状態）に制御した第１の制御状態（ステップＳ２５０）と、半導体スイッチング素子（２２ａ，２２ｃ）あるいは（２２ｂ、２２ｄ）を一定時間オン状態（閉状態）に制御した第２の制御状態（ステップＳ２６０）とを交互に繰り返す（ステップＳ２５０とステップＳ２６０はどちらを先に実行しても構わない）。これによって、ハーブブリッジセル２１Ｈのコンデンサ２４の充電速度よりも、フルブリッジセル２１Ｆのコンデンサ２４の充電速度を遅くすることができる。
【０１２６】
上記のステップＳ２５０およびＳ２６０の繰り返しは、コンデンサ２４の電圧が規定値に達して充電が終了となるまで（ステップＳ２７０でＹＥＳとなるまで）繰り返される。充電終了時にハーフブリッジセル２１Ｈのコンデンサ２４の電圧とフルブリッジセル２１Ｆのコンデンサ２４の電圧が等しくなるように、ステップＳ２５０の一定時間とステップＳ２６０の一定時間との割合が調整される。
【０１２７】
なお、ステップＳ２５０において、起動回路５５によって閉状態（オン状態）にする半導体スイッチング素子は、半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのうちのいずれの１つであっても構わない。混合型の変換器セル２１ＨＹＢの場合には、３つの半導体スイッチング素子２２のうちいずれか１つを閉状態（オン状態）にする。
【０１２８】
上記のステップＳ２６０において、起動回路５５によって閉状態（オン状態）にする半導体スイッチング素子は、半導体スイッチング素子２２ｂ，２２ｄに代えて、半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｃであってよい（すなわち、フルブリッジの上側同士あるいは下側同士の隣接するアーム上に設けられている２個の半導体スイッチング素子が閉状態（オン状態）とされる）。混合型の変換器セル２１ＨＹＢ（図３（ｃ）参照）の場合には、下側の隣接するアーム上に設けられている２個の半導体スイッチング素子が閉状態（オン状態）とされる。たとえば、図３（ｃ）に示された変換器セル２１ＨＹＢの場合には、半導体スイッチング素子２２ｂ，２２ｄを閉状態（オン状態）にする。
【０１２９】
（３）  フルブリッジ型を構成する半導体スイッチング素子のいずれか１つと並列にノーマリークローズのスイッチを設ける。
【０１３０】
図１８は、図３（ｂ）のフルブリッジ型の変換器セルの変形例を示す回路図である。図１８の変換器セル２１Ｆは、半導体スイッチング素子２２ｄと並列に設けられたノーマリークローズ（起動時に閉状態）のスイッチ２７を含む点で図３（ｂ）の変換器セル２１Ｆと異なる。図１８のその他の点は図３（ｂ）と同じである。
【０１３１】
図１８の構成とすることによって、ハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈと同様に、電力変換装置１０１の起動時に交流の１周期のうちの半周期でのみしか直流コンデンサ２４の充電が生じないようにすることができる。電力変換装置１０１の起動後にスイッチ２７を開状態（オフ状態）にする。スイッチ２７は機械的スイッチでもよいし、半導体スイッチでもよい。
【０１３２】
なお、スイッチ２７は、半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄのうちのいずれの１つと並列に接続しても構わない。混合型の変換器セル２１ＨＹＢの場合には、３つの半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｄあるいはフリーホイールダイオード２３ｃのうちいずれか１つと並列にスイッチ２７を接続する。
【０１３３】
（４）  スイッチング素子３４と並列に抵抗素子を接続する。この抵抗素子の抵抗値は、電力変換装置１０１の起動時に、抵抗素子に生じる電圧によってスイッチング素子３４が通電しないように比較的小さい値に設定される。図１４（ａ）（ｂ）で説明したバイパス回路３０も同様の機能を有するように抵抗素子３５の抵抗値を設定できる。
【０１３４】
（５）  スイッチング素子３４と並列に非線形素子を設ける。図１９は、図１２のバイパス回路のさらに他の変形例を示す回路図である。
【０１３５】
図１９のバイパス回路３０は、スイッチング素子３４と並列に接続された非線形素子３８をさらに含む点で図１２のバイパス回路３０の接続アーム３６と異なる。非線形素子３８は、例えばツェナーダイオードなどであり、電圧が閾値以上で電流が急増するという非線形の電流電圧特性を有する素子である。非線形素子３８の閾値電圧はスイッチング素子３４の閾値電圧よりも小さく設定される。
【０１３６】
上記図１９の構成によれば、各変換器セル２１のコンデンサ２４を初期充電する場合などのように電流が小さな場合には、バイパス回路３０の接続アーム３６には非線形素子３８を通して電流が流れる。直流回路４の短絡事故時などで大電流が流れた場合には、非線形素子３８の主電極間の電圧が増加することによりスイッチング素子３４の閾値電圧を超過する結果、スイッチング素子３４を通して電流が流れるようになる。これによって、初期充電時などにおいてスイッチング素子３４を不要に通電させることを回避できる。
【０１３７】
図１９の場合においても、図１４（ａ）で説明したように、各ダイオード素子３２としてアバランシェダイオードを用い、スイッチング素子３４および非線形素子３８の両方と並列に、漏れ電流を流すための抵抗素子３５を設けてもよい。もしくは、図１４（ｂ）で説明したように、各ダイオード素子３２と並列に抵抗素子３３を設け、スイッチング素子３４および非線形素子３８の両方と並列に抵抗素子３５を設けてもよい。これらの回路構成によって、各ダイオード素子３２によって分担される電圧の均一化を図ることができる。
【０１３８】
実施の形態４．
実施の形態４では、直流回路４の事故時に変換回路１からバイパス回路３０への短絡電流の完全な転流を、フルブリッジ型の変換器セル２１Ｆを用いずにハーフブリッジ型の変換器セル２１Ｈのみを用いて実現する手段について説明する。
【０１３９】
図２０は、実施の形態４による電力変換装置の概略構成図である。図２０の電力変換装置１０３は、正側スイッチ２９ｐと負側スイッチ２９ｎをさらに含む点で図１の電力変換装置１０１と異なる。正側スイッチ２９ｐおよび負側スイッチ２９ｎ（総称する場合、スイッチ２９と記載する）は、各レグ回路１２ｕ，１２ｖ，１２ｗが共通に接続される正側直流端子Ｎｐおよび負側直流端子Ｎｎと、バイパス回路３０が接続される正側直流端子Ｎｐ２および負側直流端子Ｎｎ２とを分離するために設けられる。
【０１４０】
より具体的には、バイパス回路３０が接続される第２の正側直流端子Ｎｐ２は、正側直流端子Ｎｐと直流回路４とを接続する直流線路上に設けられる。正側スイッチ２９ｐは、正側直流端子Ｎｐと第２の正側直流端子Ｎｐ２との間に設けられ、正側直流端子Ｎｐと第２の正側直流端子Ｎｐ２との間を導通または非導通に切り替える。
【０１４１】
同様に、バイパス回路３０が接続される第２の負側直流端子Ｎｎ２は、負側直流端子Ｎｎと直流回路４とを接続する直流線路上に設けられる。正側スイッチ２９ｐは、負側直流端子Ｎｎと第２の負側直流端子Ｎｎ２との間に設けられ、負側直流端子Ｎｎと第２の負側直流端子Ｎｎ２との間を導通または非導通に切り替える。
【０１４２】
スイッチ２９は、機械式スイッチであってもよいし、半導体スイッチであってもよい。また、スイッチ２９はノーマリークローズであることが望ましい。図２０のその他の点は図２と同様であるので、同一または対応する部分には同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。
【０１４３】
図２１は、図２０の電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。図２０および図２１を参照して、電力系統に事故が生じていない場合には、制御装置５は図１０の場合と同様の通常制御を行う（ステップＳ３００）。さらにこの場合に、制御装置５は、スイッチ２９（２９ｐ，２９ｎ）を閉状態（オン状態）となるように制御する。
【０１４４】
次に、制御装置５は、直流回路４側で短絡事故を検出した場合（例えば、アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの絶対値が閾値を超えている場合、もしくはアーム電流各相合計値が閾値を超えている場合）に（ステップＳ３１０でＹＥＳ）、各アーム回路６を構成する全ての変換器セル２１Ｈの半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂを開状態（オフ状態）にするとともに、スイッチ２９（２９ｐ，２９ｎ）を開状態（オフ状態）に制御する（ステップＳ３２０）。
【０１４５】
たとえば、直流回路４で短絡事故が生じている場合には、過大なアーム電流が検出される（ステップＳ３１０でＹＥＳ）。この場合に、スイッチ２９を開状態（オフ状態）にすることによって、変換回路１からバイパス回路３０への短絡電流の完全な転流が実現できる。
【０１４６】
実施の形態５．
実施の形態５では、実施の形態の変形例として、バイパス回路３０の接続アーム３６がダイオード素子３２を含まずにスイッチのみで構成されている場合について説明する。
【０１４７】
図２２は、実施の形態５による電力変換装置の概略構成図である。図２２の電力変換装置１０４におけるバイパス回路３０は、正側接続アーム３６ａが正側スイッチ５２ｐのみを含み、負側接続アーム３６ｂが負側スイッチ５２ｎのみを含む点で図１の電力変換装置１０１のバイパス回路３０と異なる。正側スイッチ５２ｐは、正側直流端子Ｎｐと正側中間ノードＮｐｄとの間に接続され、正側直流端子Ｎｐと正側中間ノードＮｐｄとの間を導通または非導通に切り替える。負側スイッチ５２ｎは、負側直流端子Ｎｎと負側中間ノードＮｎｄとの間に接続され、負側直流端子Ｎｎと負側中間ノードＮｎｄとの間を導通または非導通に切り替える。
【０１４８】
正側スイッチ５２ｐおよび負側スイッチ５２ｎ（総称する場合、スイッチ５２と記載する）は、機械式スイッチであってもよいし、半導体スイッチであってもよい。また、正側接続アーム３６ａは、複数のスイッチ５２ｐが直列または並列に接続されることによって構成されていてもよく、負側接続アーム３６ｂは、複数のスイッチ５２ｎが直列または並列に接続されることによって構成されていてもよい。
【０１４９】
図２３は、図２２の電力変換装置の制御動作の一例を示すフローチャートである。図２２および図２３を参照して、電力系統に事故が生じていない場合には、制御装置５は図１０の場合と同様の通常制御を行う（ステップＳ４００）。さらにこの場合に、制御装置５は、スイッチ５２（５２ｐ，５２ｎ）を開状態（オフ状態）となるように制御する。
【０１５０】
次に、制御装置５は、直流回路４側で短絡事故を検出した場合（例えば、アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの絶対値が閾値を超えている場合、もしくはアーム電流各相合計値が閾値を超えている場合）に（ステップＳ４１０でＹＥＳ）、各アーム回路６を構成する全ての変換器セル２１Ｈ，２１Ｆの半導体スイッチング素子２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄを開状態（オフ状態）にするとともに、スイッチ５２（５２ｐ，５２ｎ）を閉状態（オン状態）に制御する（ステップＳ４２０）。
【０１５１】
上記の実施の形態５の電力変換装置１０４によっても、実施の形態１の場合と同様に、保護回路としてのバイパス回路３０に必要なダイオード素子の数を削減することができる。また、変換回路１を構成する各アーム回路６に少なくとも１つのフルブリッジ型または混合型の変換器セル２１Ｆ，２１ＨＹＢを含めることによって、直流回路４の短絡故障時に直流短絡電流ＳＣＣの経路を変換回路１からバイパス回路３０に完全に転流することができる。
【０１５２】
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ないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて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】
【０１５３】
１  変換回路、２  交流回路、３  連系変圧器、４  直流回路、５  制御装置、６  アーム回路、６ａ  正側アーム回路、６ｂ  負側アーム回路、７ａ，７ｂ  リアクトル、１２  レグ回路、２１  変換器セル、２１Ｆ  フルブリッジ型セル、２１Ｈ  ハーフブリッジ型セル、２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ  半導体スイッチング素子、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ  ダイオード、２４  直流コンデンサ、２６ｎ，２６ｐ  入出力端子、２７  スイッチ、２８Ｆ，２８Ｈ，２８ＨＹＢ  ブリッジ回路、２９ｎ，５２ｎ  負側スイッチ、２９ｐ，５２ｐ  正側スイッチ、３０  バイパス回路、３１ａｕ，３１ａｖ，３１ａｗ  正側アーム、３１ｂｕ，３１ｂｖ，３１ｂｗ  負側アーム、３２  ダイオード素子、３３，３５  抵抗素子、３６ａ  正側接続アーム、３６ｂ  負側接続アーム、３７  全波整流回路、３８  非線形素子、４３  サイリスタ、４５  機械的スイッチ、４６  放電ギャップ、４７  制御器、５５  起動回路、８０  三相変圧器、１０１，１０３，１０４  電力変換装置、Ｎｎ，Ｎｎ２  負側直流端子、Ｎｎｄ，Ｎｐｄ  中間ノード、Ｎｐ，Ｎｐ２  正側直流端子、Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ  交流端子。
【要約】
電力変換装置（１０１）は、複数のアーム回路（６）で構成された変換回路（１）とバイパス回路（３０）とを含む。バイパス回路（３０）は、全波整流回路（３７）と、正側接続アーム（３６ａ）と、負側接続アーム（３６ｂ）とを含む。全波整流回路（３７）は、複数の交流接続部（Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ）と正側中間ノード（Ｎｐｄ）と負側中間ノード（Ｎｎｄ）との間に接続され、複数の交流接続部（Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗ）に生成される交流電圧を正側中間ノード（Ｎｐｄ）と負側中間ノード（Ｎｎｄ）との間に直流電圧として出力可能に構成される。正側接続アーム（３６ａ）は、正側直流端子（Ｎｐ）から正側中間ノード（Ｎｐｄ）の方向の電流を阻止する。負側接続アーム（３６ｂ）は、負側中間ノードと負側直流端子との間に接続され、負側中間ノード（Ｎｎｄ）から負側直流端子（Ｎｎ）の方向の電流を阻止する。【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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