(57)【要約】【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータの入力部に並列接続されたフィルタコンデンサについて、従来考慮されていなかった過電圧抑制を可能とする保護装置を備え、交流電源からの電力を直流電力に変換する電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１００は、交流電力を直流電力に変換するＮ個（Ｎは２以上の整数）の第１の電力変換部１４と、Ｎ個の短絡スイッチ７と、Ｎ個の分散抵抗１６と、Ｎ個の一次フィルタコンデンサ２０と、直流電力を直流電力に変換する電力変換体１２と、主開閉器６とを備え、一次フィルタコンデンサ２０の異常に基づいて一次フィルタコンデンサを保護対象とし、主開閉器６および保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０に接続される第１の電力変換部１４と接続された短絡スイッチ７をオン、または主開閉器６をオフする制御を行う保護装置３２とをさらに備えたものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電力が入力される第１の入力部、直流電力が出力される第１の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し交流電力を直流電力に変換するＮ個（Ｎは２以上の整数）の第１の電力変換部と、
前記第１の入力部のそれぞれに並列に接続され短絡および開放を切り替えるＮ個の短絡スイッチと、
前記第１の出力部のそれぞれに並列に接続されたＮ個の分散抵抗と、
前記第１の出力部のそれぞれに並列に接続されたＮ個の一次フィルタコンデンサと、
前記第１の出力部のそれぞれに接続され直流電力が入力されるＮ個の電力変換体入力端、および直流電力が出力される電力変換体出力端を具備し直流電力を直流電力に変換する電力変換体と、
電力の供給および遮断を切り替える主開閉器とを備え、
Ｎ個の前記第１の入力部は、前記主開閉器を介して直列に接続され、
前記一次フィルタコンデンサまたは前記半導体素子の異常に基づいて前記一次フィルタコンデンサを保護対象とし、前記主開閉器および前記保護対象となった前記一次フィルタコンデンサに接続される第１の電力変換部と接続された前記短絡スイッチをオン、または前記主開閉器をオフする制御を行う保護装置とをさらに備える電力変換装置。
【請求項２】
集中抵抗と、短絡および開放を切り替える放電スイッチとをさらに備え、
前記電力変換体は、
短絡および開放を切り替えるＮ個の分離スイッチと、
対応する前記電力変換体入力端に接続され直流電力が入力される第２の入力部、前記分離スイッチを介して前記電力変換体出力端に接続され直流電力が出力される第２の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換するＮ個の第２の電力変換部と、
前記第２の出力部のそれぞれに１個ずつ並列に接続されたＮ個の二次フィルタコンデンサとをさらに具備し、
前記集中抵抗と前記放電スイッチとが互いに直列接続された直列接続体は、前記電力変換体出力端に並列に接続され、
前記保護装置は、
前記二次フィルタコンデンサまたは前記半導体素子の異常に基づいて前記二次フィルタコンデンサを前記保護対象とし、
前記放電スイッチおよびすべての前記分離スイッチをオンする制御を行う請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
集中抵抗と、短絡および開放を切り替える放電スイッチとをさらに備え、
前記電力変換体は、
対応する前記電力変換体入力端に接続され直流電力が入力されるＮ個の第２の入力部、前記電力変換体出力端に接続され直流電力が出力される第２の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換する１個の第２の電力変換部と、
前記第２の出力部に並列に接続された１個の二次フィルタコンデンサとをさらに具備し、
前記集中抵抗と前記放電スイッチとが互いに直列接続された直列接続体は、前記電力変換体出力端に並列に接続され、
前記保護装置は、
前記一次フィルタコンデンサまたは前記二次フィルタコンデンサの異常に基づいて前記一次フィルタコンデンサおよび前記二次フィルタコンデンサの少なくともいずれか一方を前記保護対象とし、
前記主開閉器をオフし、
前記放電スイッチをオンする制御を行う請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記保護装置は、前記一次フィルタコンデンサおよび前記二次フィルタコンデンサの少なくともいずれか一方が前記保護対象となった場合には、
前記主開閉器、オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第１の電力変換部の前記半導体素子、並びにオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第２の電力変換部の前記半導体素子をオフし、
前記放電スイッチおよびすべての前記分離スイッチをオンする制御を行う請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記保護装置は、前記一次フィルタコンデンサおよび前記二次フィルタコンデンサの少なくともいずれか一方が前記保護対象となった場合には、
すべての前記第１の電力変換部の前記半導体素子、およびすべての前記第２の電力変換部の前記半導体素子をオフする制御を行う請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記保護装置は、前記一次フィルタコンデンサおよび前記二次フィルタコンデンサの少なくともいずれか一方が前記保護対象となった場合には、
前記主開閉器並びにオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第１の電力変換部の前記半導体素子をオフし、
前記放電スイッチおよびすべての前記分離スイッチをオンし、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第２の電力変換部の前記半導体素子のオンおよびオフを切り換えて前記第２の入力部から前記第２の出力部に電力を伝達する制御を行う請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記保護装置は、前記一次フィルタコンデンサおよび前記二次フィルタコンデンサの少なくともいずれか一方が前記保護対象となった場合には、
すべての前記第１の電力変換部の前記半導体素子をオフし、
前記第２の電力変換部の前記半導体素子のオンおよびオフを切り換えてすべての前記第２の入力部から前記第２の出力部に電力を伝達する制御を行う請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記保護装置は、前記一次フィルタコンデンサが前記保護対象となり、かつ前記二次フィルタコンデンサが前記保護対象とならない場合には、
前記主開閉器およびすべての前記分離スイッチをオンし、
前記放電スイッチをオフし、
前記保護対象となった前記一次フィルタコンデンサに接続される第１の電力変換部と接続された前記短絡スイッチをオンして、残りの前記短絡スイッチをオフし、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第１の電力変換部の前記半導体素子、並びにオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第２の電力変換部の前記半導体素子をオフする制御を行う請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記保護装置は、前記半導体素子がオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第１の電力変換部に接続された前記一次フィルタコンデンサ、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第２の電力変換部に接続される第１の電力変換部と接続された前記一次フィルタコンデンサを前記保護対象とする制御を行う請求項４、６または８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
交流電力が入力される第１の入力部、直流電力が出力される第１の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し交流電力を直流電力に変換するＮ個（Ｎは２以上の整数）の第１の電力変換部と、
前記第１の入力部のそれぞれに並列に接続され短絡および開放を切り替えるＮ個の短絡スイッチと、
前記第１の出力部のそれぞれに並列に接続されたＮ個の分散抵抗と、
前記第１の出力部のそれぞれに並列に接続されたＮ個の一次フィルタコンデンサと、
前記第１の出力部のそれぞれに接続され直流電力が入力されるＮ個の電力変換体入力端、および直流電力が出力される電力変換体出力端を具備し直流電力を直流電力に変換する電力変換体と、
電力の供給および遮断を切り替える主開閉器とを備え、
Ｎ個の前記第１の入力部は、前記主開閉器を介して直列に接続されている電力変換装置における制御方法であって、
前記一次フィルタコンデンサ、前記二次フィルタコンデンサ、または前記半導体素子の異常に基づいて前記一次フィルタコンデンサおよび前記二次フィルタコンデンサの少なくとも一方を保護対象とする保護対象設定ステップを保護装置が行い、
前記保護対象設定ステップが行われた場合には、
前記主開閉器をオンまたはオフする主開閉器制御ステップと、
前記主開閉器制御ステップにおいて前記主開閉器をオンする場合に、前記保護対象となった前記一次フィルタコンデンサに接続される第１の電力変換部と接続された前記短絡スイッチをオンする短絡スイッチ制御ステップとを前記保護装置がさらに行う制御方法。
【請求項１１】
集中抵抗と、短絡および開放を切り替える放電スイッチとをさらに備え、
前記電力変換体は、
短絡および開放を切り替えるＮ個の分離スイッチと、
対応する前記電力変換体入力端に接続され直流電力が入力される第２の入力部、前記分離スイッチを介して前記電力変換体出力端に接続され直流電力が出力される第２の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換するＮ個の第２の電力変換部と、
前記第２の出力部のそれぞれに１個ずつ並列に接続されたＮ個の二次フィルタコンデンサとをさらに具備し、
前記集中抵抗と前記放電スイッチとが互いに直列接続された直列接続体は、前記電力変換体出力端に並列に接続されている前記電力変換装置における制御方法であって、
前記保護対象設定ステップが行われた場合には、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第１の電力変換部の前記半導体素子、並びにオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第２の電力変換部の前記半導体素子をオフする半導体素子制御ステップと、
前記放電スイッチをオンする放電スイッチ制御ステップとを前記保護装置がさらに行い、
前記主開閉器制御ステップでは、前記主開閉器をオフする請求項１０に記載の制御方法。
【請求項１２】
集中抵抗と、短絡および開放を切り替える放電スイッチとをさらに備え、
前記電力変換体は、
短絡および開放を切り替えるＮ個の分離スイッチと、
対応する前記電力変換体入力端に接続され直流電力が入力される第２の入力部、前記分離スイッチを介して前記電力変換体出力端に接続され直流電力が出力される第２の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換するＮ個の第２の電力変換部と、
前記第２の出力部のそれぞれに１個ずつ並列に接続されたＮ個の二次フィルタコンデンサとをさらに具備し、
前記集中抵抗と前記放電スイッチとが互いに直列接続された直列接続体は、前記電力変換体出力端に並列に接続されている前記電力変換装置における制御方法であって、
前記保護対象設定ステップが行われた場合には、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第１の電力変換部の前記半導体素子をオフし、オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第２の電力変換部の前記半導体素子のオンおよびオフを切り換えて前記第２の入力部から前記第２の出力部に電力を伝達する半導体素子制御ステップと、
前記放電スイッチをオンする放電スイッチ制御ステップとを前記保護装置がさらに行い、
前記主開閉器制御ステップでは、前記主開閉器をオフする請求項１０に記載の制御方法。
【請求項１３】
集中抵抗と、短絡および開放を切り替える放電スイッチとをさらに備え、
前記電力変換体は、
短絡および開放を切り替えるＮ個の分離スイッチと、
対応する前記電力変換体入力端に接続され直流電力が入力される第２の入力部、前記分離スイッチを介して前記電力変換体出力端に接続され直流電力が出力される第２の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換するＮ個の第２の電力変換部と、
前記第２の出力部のそれぞれに１個ずつ並列に接続されたＮ個の二次フィルタコンデンサとをさらに具備し、
前記集中抵抗と前記放電スイッチとが互いに直列接続された直列接続体は、前記電力変換体出力端に並列に接続されている前記電力変換装置における制御方法であって、
前記保護対象設定ステップが行われ、かつ前記二次フィルタコンデンサが前記保護対象とならなかった場合には、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第１の電力変換部の前記半導体素子、並びにオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を除く前記第２の電力変換部の前記半導体素子をオフする半導体素子制御ステップと、
前記放電スイッチをオフする放電スイッチ制御ステップとを前記保護装置がさらに行い、
前記主開閉器制御ステップでは、前記主開閉器をオンし、
前記短絡スイッチ制御ステップでは、前記保護対象となった前記一次フィルタコンデンサに接続される第１の電力変換部と接続された前記短絡スイッチをオンして、残りの前記短絡スイッチをオフする請求項１０に記載の制御方法。
【請求項１４】
前記保護対象設定ステップでは、オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子の異常に基づいて、オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第１の電力変換部に接続された前記一次フィルタコンデンサ、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第２の電力変換部に接続される第１の電力変換部と接続された前記一次フィルタコンデンサを前記保護対象とする請求項１１、１２または１３に記載の制御方法。
【請求項１５】
前記二次フィルタコンデンサの電圧値が予め定められた値以下である場合には、前記保護対象設定ステップにおいて前記保護対象とされた前記一次フィルタコンデンサを前記保護対象から外す保護対象放電確認ステップとを前記保護装置がさらに行い、
前記保護対象放電確認ステップが行われた場合には、
前記放電スイッチをオフする始動前放電スイッチ制御ステップと、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第１の電力変換部に接続された前記短絡スイッチをオンして、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第２の電力変換部に接続される前記第１の電力変換部と接続された前記短絡スイッチをオンして、残りの前記短絡スイッチをオフする始動前短絡スイッチ制御ステップと、
オンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第１の電力変換部に接続される前記第２の電力変換部と接続された前記分離スイッチをオフして、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった前記半導体素子を有する前記第２の電力変換部に接続された前記分離スイッチをオフして、残りの前記分離スイッチをオンする始動前分離スイッチ制御ステップとを前記保護装置がさらに行う請求項１４に記載の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、交流電源からの電力を直流電力に変換する電力変換装置および制御方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
単相交流を電源とする鉄道車両の駆動方式として、交流架線の交流から直流を経由して交流の電力へ変換する間接変換方式が一般的に用いられている。間接変換方式は、交流架線からの電圧を降圧する変圧器と、交流電力と直流電力との変換を行うコンバータと、所望の電圧および周波数の交流電圧を出力してモータを可変速制御するインバータとからなる。交流架線の周波数は１６．７から６０Ｈｚのものが広く普及しており、上記間接変換方式における変圧器もその周波数にあわせて設計される。変圧器における電圧が一定とすると、動作周波数が小さいほど変圧器の鉄心を通過する磁束が大きくなる。よって、動作周波数が小さい場合、変圧器の鉄心における磁気飽和を避けるために、大きな鉄心が必要となり変圧器が大型化する。鉄道車両に搭載する電機品の中で、特に変圧器は大型化する傾向がある。
【０００３】
一方で、交流架線の電圧の周波数で動作する変圧器を必要としない駆動方式が提案されている。例えば、特許文献１では、モジュール化した電力変換器セルを複数用いて、交流架線から受電できる駆動方式が開示されている。これらの電力変換セルのそれぞれは、交流電力を直流電力に変換する変換部と、絶縁型の直流電力を直流電力に変換するコンバータ（以下ＤＣ／ＤＣコンバータと呼ぶ）とからなる。
【０００４】
また、特許文献２では、並列接続された複数のコンバータを備える電動機駆動装置において、電動機駆動装置が緊急停止する場合に、コンバータとインバータとをつなぐ直流部分（以下ＤＣリンクと呼ぶ）におけるフィルタコンデンサの過電圧を抑制する装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１２／０９８１０７号
【特許文献２】特開２００９−１５９６６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１で開示される駆動方式では、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータの動作周波数は、数百から数千Ｈｚ以上に設定される。この絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータに用いられる変圧器は、動作周波数の高周波化によって従来の変圧器よりも大幅に小型化が可能となる。しかしながら、従来のシステムに対して、電力変換モジュールの数だけＤＣリンクの数が増加してしまう。したがって、従来と同様の方法でＤＣリンクの過電圧抑制機能を実現する場合、放電回路の数が増大して装置の大型化を招いてしまう。しかしながら、特許文献１では、ＤＣリンクにおけるフィルタコンデンサの過電圧の抑制については特に検討されていない。
【０００７】
また、特許文献２では、ＤＣリンクに直流電圧の脈動を平滑化するフィルタコンデンサが並列接続されている。また、フィルタコンデンサの過電圧を抑制するための放電回路が、フィルタコンデンサと並列接続されている。ＤＣリンクの過電圧を検知したときや、半導体素子の動作不良を検知したときは、フィルタコンデンサを抵抗で短絡し、速やかにフィルタコンデンサの電荷を放電させる保護動作を行う。しかしながら、電動機駆動装置が緊急停止する場合に、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力部に並列接続された直流充電部であるフィルタコンデンサの電荷を放電する方法については検討されていない。
【０００８】
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、複数の電力変換セルを用いて交流電源からの電力を直流電力に変換する電力変換装置において、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力部に並列接続されたフィルタコンデンサの過電圧を抑制できる保護装置を備えた電力変換装置および制御方法を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係る電力変換装置は、交流電力が入力される第１の入力部、直流電力が出力される第１の出力部、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し交流電力を直流電力に変換するＮ個（Ｎは２以上の整数）の第１の電力変換部と、第１の入力部のそれぞれに並列に接続され短絡および開放を切り替えるＮ個の短絡スイッチと、第１の出力部のそれぞれに並列に接続されたＮ個の分散抵抗と、第１の出力部のそれぞれに並列に接続されたＮ個の一次フィルタコンデンサと、第１の出力部のそれぞれに接続され直流電力が入力されるＮ個の電力変換体入力端、および直流電力が出力される電力変換体出力端を具備し直流電力を直流電力に変換する電力変換体と、電力の供給および遮断を切り替える主開閉器とを備え、Ｎ個の第１の入力部は、主開閉器を介して直列に接続され、一次フィルタコンデンサまたは半導体素子の異常に基づいて一次フィルタコンデンサを保護対象とし、主開閉器および保護対象となった一次フィルタコンデンサに接続される第１の電力変換部と接続された短絡スイッチをオン、または主開閉器をオフする制御を行う保護装置とをさらに備えたものである。
【００１０】
また、この発明に係る制御方法は、前記電力変換装置における制御方法であって、一次フィルタコンデンサ、または半導体素子の異常に基づいて一次フィルタコンデンサを保護対象とする保護対象設定ステップを保護装置が行い、保護対象設定ステップが行われた場合には、主開閉器をオンまたはオフする主開閉器制御ステップと、主開閉器制御ステップにおいて主開閉器をオンする場合に、保護対象となった一次フィルタコンデンサに接続される第１の電力変換部と接続された短絡スイッチをオンする短絡スイッチ制御ステップとを保護装置がさらに行うものである。
【発明の効果】
【００１１】
上記のように構成された電力変換装置は、保護装置によって、一次フィルタコンデンサが保護対象となった場合には、保護対象となった一次フィルタコンデンサの電荷を分散抵抗で消費させる制御を行うため、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力部に並列接続された一次フィルタコンデンサの過電圧を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１に係る電力変換装置の回路図
【図２】実施の形態１に係る第１の電力変換部の回路図
【図３】実施の形態１に係る第１の電力変換部のキャリアシフトＰＷＭを説明する図
【図４】実施の形態１に係る第１の電力変換部の動作を説明するベクトル図
【図５】実施の形態１に係る第２の電力変換部にハーフブリッジ形回路を適用した例の回路図
【図６】実施の形態１に係る第２の電力変換部にフルブリッジ形回路を適用した例の回路図
【図７】実施の形態１に係る第２の電力変換部にハーフブリッジ直列共振形回路を適用した例の回路図
【図８】実施の形態１に係る電力変換装置の別の構成の回路図
【図９】実施の形態１に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図１０】実施の形態１に係る電力変換装置の保護動作を示すフローチャート
【図１１】実施の形態２に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図１２】実施の形態２に係る放電時の第２の電力変換部の半導体素子の動作タイミングを示す説明図
【図１３】実施の形態３に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図１４】実施の形態４に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図１５】実施の形態５に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図１６】実施の形態６に係る電力変換装置の回路図
【図１７】実施の形態７に係る電力変換装置の回路図
【図１８】実施の形態７に係る第２の電力変換部にハーフブリッジ形回路を適用した例の回路図
【図１９】実施の形態７に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図２０】実施の形態８に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図２１】実施の形態９に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図２２】実施の形態１０に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図２３】実施の形態１１に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図２４】実施の形態１２に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図
【図２５】実施の形態１２に係る電力変換装置の保護動作を示すフローチャート
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、この発明の各実施の形態の電力変換装置および制御方法について、鉄道車両に用いられる電力変換装置を一例として説明するが、この発明に係る電力変換装置および制御方法は、鉄道車両の用途に限らず、交流電源から受電する他の用途に用いられるものであってもよい。
【００１４】
実施の形態１．
図１は、この発明を実施するための実施の形態１に係る電力変換装置の回路図である。図１の電力変換装置１００は、電力変換回路５０と、保護装置３２とを備える。電力変換回路５０は、３個の電力変換セルである第１の電力変換セル８ａ、第２の電力変換セル８ｂおよび第３の電力変換セル８ｃと、１個の電力変換体１２と、主開閉器６と、連系リアクトル５と、受電端３と、接地電位４と、正母線端１−１と、負母線端２−１と、集中抵抗１０と、放電スイッチ１１とを備える。なお、第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの個数は、この限りではなく２個以上あればよい。その個数は、電源から交流電力を受電する受電端３と受電端３の電位の基準となる接地電位４との間の電圧である交流架線の電圧、並びに第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃを構成する半導体素子（図示せず）の耐電圧に応じて決定される。
【００１５】
第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれは、交流電力を直流電力に変換（以下ＡＣ／ＤＣ変換と呼ぶ）する第１の電力変換部１４と、一対の端子８−１および８−２からなる電力変換セル入力端と、一対の端子８−３および８−４からなる電力変換セル出力端と、両端子間の短絡および開放を切り替える短絡スイッチ７と、分散抵抗１６と、一次フィルタコンデンサ２０とを具備している。
【００１６】
第１の電力変換部１４は、一対の端子１４−１および１４−２からなる第１の入力部、一対の端子１４−３および１４−４からなる第１の出力部並びにスイッチングを行う複数の半導体素子（図示せず）を有している。
【００１７】
電力変換体１２は、それぞれ一対の端子１２−１および１２−２からなる３個の電力変換体入力端並びに一対の端子１２−３および１２−４からなる１個の電力変換体出力端を具備している。そして、電力変換体１２は、各電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に入力される直流電力を、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に出力される直流電力に変換する。
【００１８】
さらに、電力変換体１２は、直流電力を直流電力に変換（以下ＤＣ／ＤＣ変換と呼ぶ）する３個の第２の電力変換部１５、３個の二次フィルタコンデンサ２１および両端子間の短絡および開放を切り替える３個の分離スイッチ９を具備している。なお、電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２の個数は、３個に限らず、電力変換セルの個数と同じであればよい。同様に、第２の電力変換部１５の個数も、３個に限らず、電力変換セルの個数と同じであればよい。
【００１９】
第２の電力変換部１５は、一対の端子１５−１および１５−２からなる第２の入力部、一対の端子１５−３および１５−４からなる第２の出力部並びにスイッチングを行う複数の半導体素子（図示せず）を有している。そして、第２の電力変換部１５は、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２に入力される直流電力を、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に出力される直流電力に変換する。
【００２０】
第１の電力変換セル８ａにおける電力変換セル入力端の一方の端子８−１は、受電端３に接続されている。第３の電力変換セル８ｃにおける電力変換セル入力端の他方の端子８−２は、接地電位４に接続されている。なお、電力変換セルがＮ個（Ｎは２以上の整数）ある場合には、第１の電力変換セル８ａにおける電力変換セル入力端の一方の端子８−１は、受電端３に接続され、第Ｎの電力変換セルにおける電力変換セル入力端の他方の端子８−２は、接地電位４に接続されている。
【００２１】
第１の電力変換セル８ａにおける電力変換セル入力端の他方の端子８−２は、第２の電力変換セル８ｂにおける電力変換セル入力端の一方の端子８−１に接続されている。そして、第２の電力変換セル８ｂにおける電力変換セル入力端の他方の端子８−２は、第３の電力変換セル８ｃにおける電力変換セル入力端の一方の端子８−１に接続されている。なお、電力変換セルがＮ個（Ｎは２以上の整数）ある場合には、第Ｋ（Ｋは１からＮ−１の整数）の電力変換セルにおける電力変換セル入力端の他方の端子８−２は、第Ｋ＋１の電力変換セルにおける電力変換セル入力端の一方の端子８−１に接続されている。
【００２２】
各電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２は、対応する電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃにおける電力変換セル出力端の一対の端子８−３および８−４に接続されている。すなわち、各電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２は、電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのいずれかにおける電力変換セル出力端の一対の端子８−３および８−４にのみ接続されている。また、各電力変換体入力端の一方の端子１２−１と、対応する電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃにおける電力変換セル出力端の一方の端子８−３とが、直流電力の正極側として同極性で接続されている。各電力変換体入力端の他方の端子１２−２と、対応する電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃにおける電力変換セル出力端の他方の端子８−４とが、直流電力の負極側として同極性で接続されている。
【００２３】
電力変換体出力端の正極側の端子１２−３は、直流電力で駆動される負荷３１に直流電力の正極を出力する正母線端１−１に、正母線１によって接続されている。電力変換体出力端の負極側の端子１２−４は、負荷３１に直流電力の負極を出力する負母線端２−１に、負母線２によって接続されている。負荷３１は、例えば主電動機を駆動するインバータ、並びに照明および空調などへの電源を供給するインバータである。
【００２４】
主開閉器６は、受電端３から受電された交流電力の供給および遮断を切り替える。主開閉器６は、高電圧かつ大電流を遮断する必要がある。よって、主開閉器６は、電流遮断能力が高い遮断器と、電路を切り離すための断路器とを組み合わせて構成される。また、主開閉器６は、受電端３と第１の電力変換セル８ａにおける電力変換セル入力端の一方の端子８−１との間に接続されている。受電端３で受電された交流電力は、主開閉器６を介して、各第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂおよび８ｃの電力変換セル入力端８−１、８−２に供給される。なお、主開閉器６は、接地電位４と第３の電力変換セル８ｃにおける入力端の他方の端子８−２との間に接続されてもよい。
【００２５】
連系リアクトル５は、主開閉器６と、第１の電力変換セル８ａの電力変換セル入力端の一方の端子８−１との間に接続されている。なお、連系リアクトル５は、接地電位４と第３の電力変換セル８ｃにおける入力端の他方の端子８−２との間に接続されてもよい。
【００２６】
第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの短絡スイッチ７のそれぞれは、同じ電力変換セルにおいて、電力変換セル入力端の一対の端子８−１および８−２と、第１の入力部の一対の端子１４−１および１４−２とのそれぞれに接続されている。
【００２７】
よって、第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの各電力変換セル入力端の一対の端子８−１および８−２は、同じ電力変換セルにおいて、第１の入力部の一対の端子１４−１および１４−２に接続されている。
【００２８】
ＡＣポート１７は、第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれにおいて、電力変換セル入力端の一対の端子８−１および８−２から、第１の入力部の一対の端子１４−１および１４−２までの回路を指す。
【００２９】
第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの分散抵抗１６のそれぞれは、同じ電力変換セルにおいて、第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４と、電力変換セル出力端の一対の端子８−３および８−４とのそれぞれに接続されている。
【００３０】
第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０のそれぞれは、同じ電力変換セルにおいて、第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４と、電力変換セル出力端の一対の端子８−３および８−４とのそれぞれに接続されている。なお、分散抵抗１６および一次フィルタコンデンサ２０は、図１の配置に限らず、同じ電力変換セルにおいて互いの配置が入れ替えられても良い。
【００３１】
また、第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれにおいて、第１の出力部の一方の端子１４−３と、電力変換セル出力端の一方の端子８−３とが、直流電力の正極側として同極性で接続されている。第１の出力部の他方の端子１４−４と、電力変換セル出力端の他方の端子８−４とが、直流電力の負極側として同極性で接続されている。
【００３２】
各第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２は、対応する電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に接続されている。すなわち、各第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２は、いずれかの電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２にのみ接続されている。また、各第２の入力部の一方の端子１５−１と、対応する各電力変換体入力端の一方の端子１２−１とが、直流電力の正極側として同極性で接続されている。各第２の入力部の他方の端子１５−２と、対応する各電力変換体入力端の他方の端子１２−２とが、直流電力の負極側として同極性で接続されている。
【００３３】
内部ＤＣリンク１８は、各第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４から、同じ電力変換セルにおける電力変換セル出力端の一対の端子８−３および８−４に対応する電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に接続された第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２までの回路を指す。
【００３４】
各第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４は、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に接続されている。また、各第２の出力部の一方の端子１５−３と、電力変換体出力端の一方の端子１２−３とが、直流電力の正極側として同極性で接続されている。各第２の出力部の他方の端子１５−４と、電力変換体出力端の他方の端子１２−４とが、直流電力の負極側として同極性で接続されている。
【００３５】
二次フィルタコンデンサ２１のそれぞれは、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４と、各第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４とのそれぞれに接続されている。すなわち、二次フィルタコンデンサ２１のそれぞれは、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に接続され、かつ、いずれかの第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４にのみ接続されている。
【００３６】
分離スイッチ９のそれぞれは、電力変換体出力端の一方の端子１２−３と、各二次フィルタコンデンサ２１との間に接続されている。かつ、分離スイッチ９のそれぞれは、電力変換体出力端の一方の端子１２−３と、各第２の出力部の一方の端子１５−３との間に接続されている。すなわち、分離スイッチ９のそれぞれは、電力変換体出力端の一方の端子１２−３と、いずれかの第２の出力部の一方の端子１５−３との間にのみ接続されている。なお、分離スイッチ９は、図１の配置に限らず、分離スイッチ９のそれぞれは、電力変換体出力端の他方の端子１２−４と、各二次フィルタコンデンサ２１との間に接続されてもよい。かつ、分離スイッチ９のそれぞれは、電力変換体出力端の他方の端子１２−４と、各第２の出力部の他方の端子１５−４との間に接続されてもよい。すなわち、分離スイッチ９のそれぞれは、電力変換体出力端の他方の端子１２−４と、いずれかの第２の出力部の他方の端子１５−４との間にのみ接続されてもよい。
【００３７】
また、分離スイッチ９には、半導体素子の故障が発生したとき、当該半導体素子を含む第２の電力変換部１５を、正母線１または負母線２から切り離す機能がある。
【００３８】
放電スイッチ１１は、両端子間の短絡および開放を切り替える。集中抵抗１０と放電スイッチ１１とが互いに直列接続された直列接続体１３は、正母線端１−１および負母線端２−１と、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４とのそれぞれに接続されている。
【００３９】
ＤＣポート１９は、各第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４から、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４までの回路を指す。
【００４０】
以上から、電力変換装置１００は、交流電力が入力される第１の入力部の一対の端子１４−１および１４−２、直流電力が出力される第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し交流電力を直流電力に変換するＮ個（Ｎは２以上の整数）の第１の電力変換部１４と、第１の入力部の一対の端子１４−１および１４−２のそれぞれに並列に接続され短絡および開放を切り替えるＮ個の短絡スイッチ７と、第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４のそれぞれに並列に接続されたＮ個の分散抵抗１６と、第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４のそれぞれに並列に接続されたＮ個の一次フィルタコンデンサ２０と、第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４のそれぞれに接続され直流電力が入力されるＮ個の電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２、および直流電力が出力される電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４を具備し直流電力を直流電力に変換する電力変換体１２と、電力の供給および遮断を切り替える主開閉器６とを備えている。Ｎ個の第１の入力部の一対の端子１４−１および１４−２は、主開閉器６を介して直列に接続されている。
【００４１】
また、電力変換装置１００は、集中抵抗１０と、短絡および開放を切り替える放電スイッチ１１とをさらに備えている。電力変換体１２は、短絡および開放を切り替えるＮ個の分離スイッチ９と、対応する電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に接続され直流電力が入力される第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２、分離スイッチ９を介して電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に接続され直流電力が出力される第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換するＮ個の第２の電力変換部１５と、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４のそれぞれに１個ずつ並列に接続されたＮ個の二次フィルタコンデンサ２１とをさらに具備している。集中抵抗１０と放電スイッチ１１とが互いに直列接続された直列接続体１３は、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に並列に接続されている。
【００４２】
次に、第１の電力変換部１４の構成および動作について説明する。図２は、本実施の形態に係る第１の電力変換部の回路図である。図２において、いずれかの第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃにおける第１の電力変換部１４は、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの４個の半導体素子２７ａ、２７ｂ、２７ｃ、２７ｄを用いたブリッジ回路で構成されている。第１の電力変換部１４では、半導体素子２７ａ、２７ｂが直列接続され、半導体素子２７ｃ、２７ｄが直列接続されて、さらにこの２組の半導体素子が並列に接続されている。そして、半導体素子２７ａから２７ｄのスイッチングにより交流電力を整流し直流電力に変換する。よって、第１の電力変換部１４は、ＡＣ／ＤＣ変換するコンバータとして動作する。
【００４３】
図３は、本実施の形態に係る第１の電力変換部のキャリアシフトＰＷＭを説明する図である。図３の横軸は、時間を表す。図３の縦軸は、信号のレベルを表す。図３に示す三角波比較方式のＰＷＭ制御であるキャリアシフトＰＷＭは、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄのスイッチングのタイミングを決定する方法の一例である。図３において、正相信号波３６と逆相信号波３７は、ＡＣポート１７に発生すべき交流電圧に基づいて演算される。逆相信号波３７は、正相信号波３６の正負を反転したものである。そして、正相信号波３６と搬送波３５との大小関係の比較に基づいて、半導体素子２７ａと２７ｂとのそれぞれのオンおよびオフ状態が制御される。また、逆相信号波３７と搬送波３５との大小関係の比較に基づいて、半導体素子２７ｃと２７ｄとのそれぞれのオンおよびオフ状態が制御される。
【００４４】
このとき、半導体素子２７ａおよび２７ｂは、相補的にオンおよびオフ制御される。すなわち、半導体素子２７ａがオンされている場合は、半導体素子２７ｂはオフされており、半導体素子２７ａがオフされている場合は、半導体素子２７ｂはオンされている。同様に、半導体素子２７ｃおよび２７ｄも、相補的にオンおよびオフ制御される。ただし、内部ＤＣリンク１８の短絡を防ぐため、上下の半導体素子２７ａおよび２７ｂ、または２７ｃおよび２７ｄのいずれにもオン信号が与えられない期間であるデッドタイム期間を予め設けている。上記のような第１の電力変換部１４であるコンバータの制御方法は、一般にユニポーラＰＷＭ変調と呼ばれる。
【００４５】
ＡＣポート１７に出力すべき交流電圧は次のように演算する。すべてのＡＣポート１７および連系リアクトル５は、受電端３と接地電位４との間で直列接続されている。よって、架線電圧Ｖｓと、第ｉ番目（ｉ＝１〜ｎ、ｎは２以上の整数）のＡＣポート１７に出力される電圧Ｖｉと連系リアクトル５の両端電圧ＶＬとの間には、次の関係式が成り立つ。
【００４６】
【数１】
2016077135.tif 000003
【００４７】
ここで、ドットは、その変数がベクトル量であることを示す。さらに、虚数単位をｊ、連系リアクトル５のインピーダンスをＸ、架線電流をＩｓとすると、式（１）は次式のように変形できる。
【００４８】
【数２】
2016077135.tif 000004
【００４９】
図４は、本実施の形態に係る第１の電力変換部の動作を説明するベクトル図である。鉄道車両の電力変換装置１００では、一般的に電源の力率が１となるようにコンバータを制御する。つまり、架線電圧Ｖｓと架線電流Ｉｓとが同相となるように第１の電力変換部１４を制御する。
【００５０】
このとき、式（２）の関係を図示すると、図４に示されるベクトル図で表せる。したがって、内部ＤＣリンク１８の電圧が一定となるように架線電流Ｉｓの大きさを制御すると、ＡＣポート１７に出力すべき電圧Ｖ１からＶｎの総和が一意に定まる。
【００５１】
ところで、第１の電力変換部１４をユニポーラＰＷＭ変調とし、架線の力率が１となるように制御する場合、ＡＣポート１７の電圧の基本波振幅は、内部ＤＣリンク１８の電圧よりも小さくなる。また、内部ＤＣリンク１８の定格電圧は、第１の電力変換部１４および第２の電力変換部１５を構成する半導体素子の耐電圧によって制約される。このため、内部ＤＣリンク１８の定格電圧は、半導体素子の耐電圧に対して半分程度の値と設定するのが一般的である。
【００５２】
さらに、図４のベクトル図において、ＡＣポート１７の電圧の総和は、架線電圧Ｖｓよりも大きくする必要があることがわかる。したがって、内部ＤＣリンク１８の定格電圧をＥｍ、半導体素子２７ａから２７ｄの耐電圧をＶＣＥＳ、電力変換セルの個数をＮとすると、以下のような制約がある。
【００５３】
【数３】
2016077135.tif 000005
【００５４】
式（３）は、架線電圧Ｖｓが大きいほど、また半導体素子の耐電圧ＶＣＥＳが小さいほど、必要な電力変換セルの個数Ｎが多くなることを示す。ＰＷＭ変調度の上限と一部の電力変換セルが停止したときの継続運転を考慮して、実際のＮの値は、式（３）で計算される値に２から３だけ加算したものとしている。
【００５５】
また、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄのそれぞれのスイッチング周期をＴｓとすると、各第１の電力変換部１４の搬送波３５は、Ｔｓ／２Ｎずつ時間的にシフトして演算される。こうすることで、架線電流Ｉｓの高調波は大幅に低減される。
【００５６】
次に、第２の電力変換部１５の構成および動作について説明する。図５は、本実施の形態に係る第２の電力変換部にハーフブリッジ形回路を適用した例の回路図である。図５において、電力変換体１２における第２の電力変換部１５のそれぞれは、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの４個の半導体素子２８ａから２８ｄを用いたブリッジ回路と、絶縁変圧器２６とで構成されている。第２の電力変換部１５では、半導体素子２８ａ、２８ｂが直列接続され、一次フィルタコンデンサ２０ａ、２０ｂが直列接続され、さらにこれらの１組の半導体素子と１組の一次フィルタコンデンサ２０とが並列に接続されている。また、半導体素子２８ｃ、２８ｄが直列接続され、二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂが直列接続され、さらにこれらの１組の半導体素子と１組の二次フィルタコンデンサ２１とが並列に接続されている。また、一次フィルタコンデンサ２０ａ、２０ｂ、および二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂは、直流電圧の脈動分を平滑する機能を有する。
【００５７】
内部ＤＣリンク１８から供給された直流電力は、半導体素子２８ａと２８ｂとの間から絶縁変圧器２６の一次側２６−１へ、一次フィルタコンデンサ２０ａと２０ｂとの間から一次側２６−１へ交流電力として供給される。また、絶縁変圧器２６の一次側２６−１から二次側２６−２へ供給された交流電力は、二次側２６−２から半導体素子２８ｃと２８ｄとの間へ、二次側２６−２から二次フィルタコンデンサ２１ａと２１ｂとの間へ供給され、ＤＣポート１９へ供給される。そして、半導体素子２８ａから２８ｄのスイッチングにより直流電力を直流電力に変換する。
【００５８】
また、上記とは反対に、第２の電力変換部１５は、直流電力をＤＣポート１９から内部ＤＣリンク１８へ変換することも可能である。よって、第２の電力変換部１５は、双方向に直流電力を伝送することができ、絶縁変圧器２６によって一次側２６−１と二次側２６−２とが電気的に絶縁されている。すなわち、第２の電力変換部１５は、いわゆる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとなっている。
【００５９】
図６は、本実施の形態に係る第２の電力変換部にフルブリッジ形回路を適用した例の回路図である。図６に示されるように、第２の電力変換部１５は、フルブリッジ形回路となっていてもよい。図６において、電力変換体１２における第２の電力変換部１５のそれぞれは、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの８個の半導体素子２８ａから２８ｈを用いたブリッジ回路と、絶縁変圧器２６とで構成されている。第２の電力変換部１５では、半導体素子２８ａ、２８ｂが直列接続され、半導体素子２８ｃ、２８ｄが直列接続されて、さらにこの２組の半導体素子が並列に接続されている。半導体素子２８ｅ、２８ｆが直列接続され、半導体素子２８ｇ、２８ｈが直列接続されて、さらにこの２組の半導体素子が並列に接続されている。また、一次フィルタコンデンサ２０ａ、２０ｂ、および二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂの機能は、図５と同様である。
【００６０】
内部ＤＣリンク１８から供給された直流電力は、半導体素子２８ａと２８ｂとの間から絶縁変圧器２６の一次側２６−１へ、半導体素子２８ｃと２８ｄとの間から一次側２６−１へ交流電力として供給される。また、絶縁変圧器２６の一次側２６−１から二次側２６−２へ供給された交流電力は、二次側２６−２から半導体素子２８ｅと２８ｆとの間へ、二次側２６−２から半導体素子２８ｇと２８ｈとの間へ供給され、ＤＣポート１９へ供給される。そして、半導体素子２８ａから２８ｈのスイッチングにより直流電力を直流電力に変換する。
【００６１】
また、上記とは反対に、第２の電力変換部１５は、直流電力をＤＣポート１９から内部ＤＣリンク１８へ変換することも可能である。よって、第２の電力変換部１５は、双方向に直流電力を伝送することができ、絶縁変圧器２６によって一次側２６−１と二次側２６−２とが電気的に絶縁されている。すなわち、第２の電力変換部１５は、いわゆる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとなっている。
【００６２】
図７は、本実施の形態に係る第２の電力変換部１５にハーフブリッジ直列共振形回路を適用した例の回路図である。図７に示されるように、第２の電力変換部１５は、いわゆる共振形のコンバータであってもよい。図７の第２の電力変換部１５の回路構成は、図５の第２の電力変換部１５の回路構成に対して、直列共振キャパシタ２９が、半導体素子２８ａおよび２８ｂの間と、絶縁変圧器２６の一次側２６−１との間に接続されている点で異なる。また、一次フィルタコンデンサ２０ａ、２０ｂ、および二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂの機能は、図５と同様である。
【００６３】
よって、第２の電力変換部１５は、双方向に直流電力を伝送することができ、絶縁変圧器２６によって一次側２６−１と二次側２６−２とが電気的に絶縁されている。すなわち、第２の電力変換部１５は、いわゆる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとなっている。
【００６４】
なお、第２の電力変換部１５は、上記の３つの回路構成に限らず、双方向に直流電力を伝送することができ、絶縁変圧器２６によって一次側２６−１と二次側２６−２が電気的に絶縁されているものであればよい。
【００６５】
第２の電力変換部１５の絶縁変圧器２６は、数百Ｈｚ以上の高周波で動作する。絶縁変圧器２６における電圧が一定とすると、動作周波数が大きいほど絶縁変圧器２６の鉄心を通過する磁束が小さくなる。よって、鉄心の材料によって許容される磁束密度が決まっており、同じ磁束密度で比較すると鉄心の断面積を小さくすることができるので、絶縁変圧器２６の鉄心を小型化できる。このため、絶縁変圧器２６は、架線電圧の周波数で動作する従来システムの変圧器に比べて、大幅に小型および軽量となる。
【００６６】
第２の電力変換部１５は、負荷３１に必要な電力の変動に応じて電力の伝送量を調整する。そして、正母線１と負母線２との間の電圧、すなわち二次フィルタコンデンサ２１の電圧が一定となるように制御される。特に、第２の電力変換部１５が、図５および図７に示すような二次フィルタコンデンサ２１ａおよび２１ｂの中間点を必要とするハーフブリッジ構成である場合、二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂに隣接する半導体素子２８ｃ、２８ｄが短絡故障を起こすと、二分割された二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂのいずれか一方にＤＣポート１９の電圧が印加されることとなる。よって、二次フィルタコンデンサ２１ａ、２１ｂの耐電圧を極力小さく設計しつつ、故障発生時でも健全な電力変換セルで運転を継続できる冗長性を確保するためには、電力変換装置１００の動作中であっても、必要に応じて分離スイッチ９を作動させることによって、第２の電力変換部１５が正母線１または負母線２から切り離されることが望ましい。また、電力変換装置１００では、第２の電力変換部１５がそれぞれ並列に接続されるため、第２の電力変換部のそれぞれが独立して運転可能である。
【００６７】
また、図５、図７において、一次フィルタコンデンサ２０ａおよび２０ｂと、二次フィルタコンデンサ２１ａおよび２１ｂとは、電荷を放電するとき、一次フィルタコンデンサ２０ａおよび２０ｂの両方と、二次フィルタコンデンサ２１ａおよび２１ｂの両方とを放電することになる。よって、以下では、一次フィルタコンデンサ２０ａおよび２０ｂは、１つの一次フィルタコンデンサ２０として扱い、二次フィルタコンデンサ２１ａおよび２１ｂは、１つの二次フィルタコンデンサ２１として扱う。
【００６８】
次に、保護装置３２、集中抵抗１０、分散抵抗１６および放電スイッチ１１の機能について述べる。集中抵抗１０、分散抵抗１６および放電スイッチ１１は、一次フィルタコンデンサ２０と、二次フィルタコンデンサ２１との過電圧抑制に関する装置である。
【００６９】
保護装置３２は、保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電力変換回路５０上の位置に基づいて、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子および第２の電力変換部１５の半導体素子のオンおよびオフを切り替える制御を行う。
【００７０】
電力変換装置１００を含むシステムを緊急停止するときや、半導体素子が故障したとき、地絡・短絡・混触などの装置の故障が発生したときには、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方に過電圧が生じる可能性がある。また、一次フィルタコンデンサ２０または二次フィルタコンデンサ２１の電荷が予期せぬ経路で放電されることによって、故障の範囲が拡大する可能性がある。よって、保護装置３２は、上記のような状態において、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方を保護対象とし、保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の充電経路を断ち、電荷を抵抗で消費して、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の過電圧を抑制し、故障の範囲が拡大するのを防止する機能を有する。
【００７１】
過電圧抑制の観点では、保護対象となった二次フィルタコンデンサ２１の電荷を放電させる抵抗、すなわち集中抵抗１０の抵抗値は、小さいほど良い。集中抵抗１０と、二次フィルタコンデンサ２１とからなる直列回路の時定数は、集中抵抗１０の抵抗値と、二次フィルタコンデンサ２１との静電容量の積で表される。よって、集中抵抗１０の抵抗値が小さいほど時定数も小さくなり、二次フィルタコンデンサ２１の電荷が速やかに放電される。しかし、二次フィルタコンデンサ２１の放電速度が速いほど、瞬間的に集中抵抗１０で消費される電力が大きくなる。このため、集中抵抗１０の温度上昇が大きくなり、発熱に堪えうる構造とするために集中抵抗１０が大型となる。
【００７２】
また、過電圧抑制が必要でない場合には、集中抵抗１０は、電力変換装置１００の回路から切り離されるのが望ましい。電力変換装置１００全体が正常に動作している場合には、二次フィルタコンデンサ２１の電圧が一定となるように電力変換装置１００が制御される。しかし、集中抵抗１０が、二次フィルタコンデンサ２１と常に接続されていると、集中抵抗１０の抵抗値に逆比例し集中抵抗１０にかかる電圧の二乗に比例する電力損失が発生してしまう。
【００７３】
図８は、本実施の形態に係る電力変換装置の別の構成の回路図である。図８の電力変換回路５１の回路構成は、第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれにおいて、図１の電力変換装置１００の回路構成の分散抵抗１６の代わりに、集中抵抗１０ａと放電スイッチ１１ａとが直列接続された直列接続体１３ａが、第１の出力部の一対の端子１４−３および１４−４、並びに電力変換セル出力端の一対の端子８−３および８−４のそれぞれに接続されている点で異なる。図８において、従来のシステムと比べて第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの個数だけ、独立した直流充電部である一次フィルタコンデンサ２０の数が多い。これらのすべてに対して、十分に高速な一次フィルタコンデンサ２０の放電を達成できる集中抵抗１０ａと、正常運転時にその集中抵抗１０ａを切り離しておくための放電スイッチ１１ａとを備える必要があるため、電力変換装置１０１が大型となる。
【００７４】
そこで、図１の電力変換装置１００は、正母線１と負母線２との間に十分に抵抗値の小さな集中抵抗１０と、内部ＤＣリンク１８に集中抵抗１０よりも大きな抵抗値をもつ分散抵抗１６とを備えている。具体的には、すべての二次フィルタコンデンサ２１の静電容量の合計と集中抵抗１０の抵抗値とから計算される時定数が、１秒未満となるように決定する。一方で、各電力変換セルにおいて、一次フィルタコンデンサ２０の静電容量と分散抵抗１６の抵抗値とから計算される時定数は、１分以上であってもよい。分散抵抗１６の抵抗値が十分に大きければ、分散抵抗１６に常に電圧が印加されているとしても、分散抵抗１６の損失は、電力変換装置１００全体の損失に対して無視できる程度となる。よって、図８のような放電スイッチ１１ａも不要となり、電力変換装置１００を小型化できる。
【００７５】
なお、電力変換装置１００が正常に動作しているとき、主開閉器６はオン、短絡スイッチ７はすべてオフ、分離スイッチ９はすべてオン、放電スイッチ１１はオフとなっている。
【００７６】
このため、電力変換装置１００全体が正常に運転しているときは、放電スイッチ１１に電流が流れず損失も発生しない。よって、放電スイッチ１１には、スイッチング速度が速いサイリスタなどの半導体素子が適している。
【００７７】
次に、保護装置３２の動作の説明を行う。図９は、本実施の形態に係る電力変換装置１００の保護動作を示す説明図である。図９において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ａが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図９において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０、並びに第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれに接続される第２の電力変換部１５のそれぞれに接続され保護対象となった二次フィルタコンデンサ２１を、保護対象２２としている。
【００７８】
本実施の形態の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。具体的には、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電圧をそれぞれ検知する電圧センサ（図示せず）で検知された一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電圧値を監視する。一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電圧値が予め定められた値を超えた場合には、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の状態を異常と判定し、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の異常に基づいて一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２とする。そして、保護装置３２は、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフし、放電スイッチ１１をオンし、主開閉器６をオフする制御を行う。また、保護装置３２は、すべての短絡スイッチ７をオンまたはオフし、すべての分離スイッチ９をオンする制御を行って、それぞれのオンまたはオフの状態を保つ。主開閉器６がオフされているとき、短絡スイッチ７はオンされていてもオフされていてもよい。ただし、スイッチの動作回数が増えると、メンテナンスの頻度が増したりスイッチの寿命が低下する可能性があるので、短絡スイッチ７は直前の状態を保持するのが望ましい。この結果、図９の放電経路２３ａのように、すべての二次フィルタコンデンサ２１の電荷は、二次フィルタコンデンサ２１に並列接続された集中抵抗１０によって速やかに消費される。そして、すべての一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、一次フィルタコンデンサ２０に並列接続された分散抵抗１６によって緩やかに消費される。
【００７９】
図１０は、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を示すフローチャートである。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。次に、保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６をオフする。次に、保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。次に保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１をオンする。最後に保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、すべての短絡スイッチ７のオンまたはオフの状態を保持する。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【００８０】
受電端３からの電流経路を断つため、主開閉器制御ステップＳ２０３は、１番目に優先的に行われる。また、一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、２番目に優先的に行われる。さらに、放電スイッチ１１をオンすることで保護対象２２の電圧を即座に下げる効果があることから、放電スイッチ制御ステップＳ２０５は、３番目に優先的に行われる。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【００８１】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。また、保護動作の開始前におけるオンおよびオフの状態を保護動作中においても保持できる場合には、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行わなくてもよい。
【００８２】
なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【００８３】
また、電力変換装置１００が正常に動作しているときは、架線電圧の波高値よりも、一次フィルタコンデンサ２０の電圧の総和の方が大きい。したがって、回路に異常がなければ、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフするだけで、一次フィルタコンデンサ２０が充電されるのは抑止できる。しかし、一次フィルタコンデンサ２０は受電端３との間で電気的に絶縁されていないので、短絡または地絡による回路の故障が発生していると、一次フィルタコンデンサ２０が予期せず充電される可能性がある。よって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、主開閉器６をオフする制御を行う。さらに、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。なお、主開閉器６がオフされていれば、短絡スイッチ７はオンされてもよいし、オフされてもよい。
【００８４】
また、二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、負荷３１から回生される電力が蓄積して二次フィルタコンデンサ２１の電圧がさらに上昇するのを防ぐため、保護対象２２となった二次フィルタコンデンサ２１の電荷は、速やかに放電される必要がある。よって、保護装置３２は、二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生して二次フィルタコンデンサ２１が保護対象２２となった場合には、放電スイッチ１１およびすべての分離スイッチ９をオンする制御を行う。なお、放電スイッチ１１およびすべての分離スイッチ９をオンすれば、保護対象２２となったすべての二次フィルタコンデンサ２１の電荷を集中抵抗１０で消費できる。
【００８５】
以上に述べた保護装置３２の制御によって、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、主開閉器６をオフする制御を行うことによって、内部ＤＣリンク１８への電流経路を断つことができる。さらに一次フィルタコンデンサ２０の電荷を分散抵抗１６で消費させることができる。このため、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制することができる。よって、複数の電力変換セルを用いた交流電源からの電力を直流電力に変換する電力変換装置１００において、ＤＣ／ＤＣコンバータである第２の電力変換部１５の第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２に並列接続された一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制できる。
【００８６】
また、保護装置３２は、二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生して二次フィルタコンデンサ２１が保護対象２２となった場合には、放電スイッチ１１およびすべての分離スイッチ９をオンする制御を行うことによって、保護対象２２となったすべての二次フィルタコンデンサ２１の電荷を集中抵抗１０で消費させることができる。このため、保護対象２２となったすべての二次フィルタコンデンサ２１の過電圧を抑制することができる。
【００８７】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方に過電圧が発生して、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方が保護対象２２となった場合には、主開閉器６、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよびすべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１およびすべての分離スイッチ９をオンする制御を行う。これらの制御によって、一次フィルタコンデンサ２０の電荷を分散抵抗１６で消費させ、二次フィルタコンデンサ２１の電荷を集中抵抗１０で消費させることができる。このため、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方の過電圧を抑制することができる。
【００８８】
なお、保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを除く第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフし、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフしてもよい。これらの動作によっても、上述と同様の効果を奏することができる。
【００８９】
実施の形態２．
図１１は、この発明を実施するための実施の形態２に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図１１において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｂが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図１１において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０、並びに第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃのそれぞれに接続される第２の電力変換部１５のそれぞれに接続され保護対象となった二次フィルタコンデンサ２１を、保護対象２２としている。また、図１１における３８の記号は、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う第１、第２および第３の電力変換セル８ａ、８ｂ、８ｃの第２の電力変換部１５を表す。
【００９０】
分散抵抗１６は、一次フィルタコンデンサ２０との時定数が１分以上となる集中抵抗１０よりも大きな抵抗値に設定されるため、実施の形態１の図１の構成において、全ての半導体素子がオフしていると、一次フィルタコンデンサ２０の放電に要する時間が長くなるおそれがある。
【００９１】
さらに、実施の形態１または実施の形態２の保護装置３２では、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電を行う際に、負荷３１への電力供給が停止している。そして再び負荷３１への電力供給を開始するときは、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の初充電が必要となる。
【００９２】
初充電とは、受電端３から一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１へ至る充電経路に抵抗器を介するなどして、突入電流が流れるのを抑制しつつ、第１の電力変換部１４および第２の電力変換部１５が、制御可能な電圧まで一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を充電する手順である。さらに、一次フィルタコンデンサ２０の電圧と二次フィルタコンデンサ２１との電圧に差がある場合、第２の電力変換部１５を制御開始したときに、第２の電力変換部１５を構成する半導体素子や絶縁変圧器２６に突入電流が生じてしまう。このため、負荷３１への電力供給を開始するまで、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電および初充電に時間を要する。
【００９３】
したがって、本実施の形態の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。そして、保護装置３２は、第１の電力変換部１４を構成する半導体素子２７ａから２７ｄをすべてオフし、次に放電スイッチ１１をオンし、主開閉器６をオフする制御を行う。かつ、すべての短絡スイッチ７をオンまたはオフし、すべての分離スイッチ９をオンする制御を行って、それぞれのオンまたはオフの状態を保つ。このとき、すべての第２の電力変換部１５は、一次フィルタコンデンサ２０の電荷が二次フィルタコンデンサ２１へ移動するように、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達して、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオンおよびオフする制御を行う。この結果、図１１の放電経路２３ｂのように、すべての二次フィルタコンデンサ２１の電荷は、二次フィルタコンデンサ２１に並列接続された集中抵抗１０で放電され、すべての一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、一次フィルタコンデンサ２０に並列接続された分散抵抗１６で消費されるのに加えて、その大部分の電荷が、集中抵抗１０で放電される。
【００９４】
ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置１００の保護動作を説明する。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。次に保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６をオフする。次に保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフし、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力が伝達するように、すべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンまたはオフを制御する。次に保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１をオンする。最後に保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、すべての短絡スイッチ７のオンまたはオフの状態を保持する。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【００９５】
受電端３からの電流経路を断つため、主開閉器制御ステップＳ２０３は、１番目に優先的に行われる。また、一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、２番目に優先的に行われる。さらに、放電スイッチ１１をオンすることで保護対象２２の電圧を即座に下げる効果があることから、放電スイッチ制御ステップＳ２０５は、３番目に優先的に行われる。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【００９６】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。また、保護動作の開始前におけるオンおよびオフの状態を保護動作中においても保持できる場合には、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行わなくてもよい。なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【００９７】
次に、一次フィルタコンデンサ２０の電荷を二次フィルタコンデンサ２１へ移動させる具体的な動作を、図５、図１２を用いて説明する。
【００９８】
図１２は、本実施の形態に係る放電時の第２の電力変換部の半導体素子の動作タイミングを示す説明図である。図１２において、横軸は、時間を表し、縦軸は、半導体素子２８ａから２８ｄのオンまたはオフ状態を表す。図１２において、半導体素子２８ａおよび２８ｂには、一定周波数かつ一定通流率となるオンおよびオフのスイッチング指令を与える。半導体素子２８ｃおよび２８ｄには、常にオフのスイッチング指令を与えておく。そして、図５に示されるように、絶縁変圧器２６の一次側２６−１の端子には、一次フィルタコンデンサ２０の電圧が第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２を介して矩形波状に印可される。半導体素子２８ｃおよび２８ｄは、ダイオード整流器として動作するため、絶縁変圧器２６の二次側２６−２の交流電力が、直流電力に変換されて、この直流電力による電荷が、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４を介して二次フィルタコンデンサ２１に蓄積される。さらに、二次フィルタコンデンサ２１の電荷が、集中抵抗１０で放電される。この結果、集中抵抗１０の両端子に係る電圧が下がるのに合わせて、一次フィルタコンデンサ２０の電圧が低下する。このため、一次フィルタコンデンサ２０を速やかに放電することができる。
【００９９】
また、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０または二次フィルタコンデンサ２１が過電圧となった場合には、上記と同様の制御を行うことによって、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０または二次フィルタコンデンサ２１の過電圧を抑制できる。
【０１００】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方が保護対象２２となった場合には、主開閉器６およびすべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１およびすべての分離スイッチ９をオンする制御を行う。かつ、保護装置３２は、すべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り換えてすべての第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２からすべての第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う。これらの制御によって、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【０１０１】
さらに、本実施の形態の保護装置３２の制御によって、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生した場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の電荷を、抵抗値の小さい集中抵抗１０で消費させることができるため、分散抵抗１６で消費させる場合よりも、一次フィルタコンデンサ２０の電荷の放電に要する時間を短縮できる。
【０１０２】
なお、保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを除く第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフしてもよい。また、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り換えて第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行ってもよい。これらの動作によっても、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続された一次フィルタコンデンサ２０の電荷の放電に要する時間の短縮を除いて、上述と同様の効果を奏することができる。
【０１０３】
実施の形態３．
図１３は、この発明を実施するための実施の形態３に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図１３において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｃ、残充電部２４ａ、充電経路２５ａが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図１３において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２としている。また、図１３における３０の記号は、第１の電力変換部１４がダイオード整流器として動作している状態を表す。また、図１３における３８の記号は、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５を表す。
【０１０４】
本実施の形態では、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生した場合に、当該箇所の過電圧抑制を行ったあと、実施の形態２で述べた初充電を必要とせずに、速やかに負荷３１への電力供給を再開する方法を提示する。例として、第１の電力変換セル８ａの一次フィルタコンデンサ２０で過電圧が生じたときの動作を説明する。
【０１０５】
まず、保護装置３２は、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２と定める。そして、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５は、実施の形態２と同様に、一次フィルタコンデンサ２０の電荷が二次フィルタコンデンサ２１へ移動させるように、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達して、第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを制御する。そして、残りの第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフし、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフする。
【０１０６】
次に、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンする。そして、残りの第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの短絡スイッチ７をオフする。また、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａに接続される第２の電力変換部１５に接続された分離スイッチ９をオンする。そして、残りの分離スイッチ９をオフする。また、保護装置３２は、放電スイッチ１１をオンし、主開閉器６をオンする制御を行って、それぞれのオンまたはオフの状態を保つ。この結果、図１３の放電経路２３ｃのように、第１の電力変換セル８ａに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１が集中抵抗１０によって速やかに放電される。保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、分散抵抗１６で消費されるのに加えて、その大部分の電荷が、集中抵抗１０で消費される。
【０１０７】
よって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、主開閉器６および保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する電力変換セルの短絡スイッチ７をオンする制御を行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の電荷を分散抵抗１６で消費させ、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制できる。
【０１０８】
このとき、図１３の残充電部２４ａのように、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１は、電流経路が断たれているため、この二次フィルタコンデンサ２１は、充電されたままとなる。また、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、分散抵抗１６によって緩やかに放電されていく。一方で、図１３の充電経路２５ａのように、主開閉器６および第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７がオンとなっているので、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの第１の電力変換部１４が、ダイオード整流器３０として動作する。このため、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０の電圧の和が、架線電圧の振幅と等しくなる電圧に維持される。
【０１０９】
第１の電力変換セル８ａの一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電が完了したあとは、放電スイッチ１１をオフし、すべての分離スイッチ９のオンおよびオフ状態を反転する。第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０と、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１とが充電されているため、これらの保護対象２２とならなかった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１によって、負荷３１への電力供給が再開できる状態となる。
【０１１０】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、主開閉器６および放電スイッチ１１をオンする制御を行う。かつ、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する電力変換セルの短絡スイッチ７をオンして、残りの短絡スイッチ７をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する電力変換セルに接続される第２の電力変換部１５に接続された分離スイッチ９をオンして、残りの分離スイッチ９をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する電力変換セルに接続された第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り換えて第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達して、残りの第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする制御を行う。主開閉器６および保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンする制御を行うことによって、実施の形態１と同様に、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制することができる。
【０１１１】
また、実施の形態２と同様に、本実施の形態の保護装置３２の制御によって、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生した場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の電荷を、抵抗値の小さい集中抵抗１０で消費させることができるため、分散抵抗１６で消費させる場合よりも、一次フィルタコンデンサ２０の電荷の放電に要する時間を短縮できる。
【０１１２】
また、本実施の形態によれば、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が生じたとき、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０および当該一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１の電荷を放電することができる。そして、負荷３１への電力供給を再開するときの保護対象２２とならなかった一次フィルタコンデンサ２０、および当該一次フィルタコンデンサ２０を具備する第２、第３の電力変換セル８ｂ、８ｃに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１の初充電を不要とでき、負荷３１への電力供給が寸断される時間を短くできる。
【０１１３】
なお、保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを除く第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフしてもよい。また、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り換えて第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行ってもよい。これらの動作によっても、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続された一次フィルタコンデンサ２０の電荷の放電に要する時間の短縮を除いて、上述と同様の効果を奏することができる。
【０１１４】
実施の形態４．
図１４は、この発明を実施するための実施の形態４に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図１４において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｄが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図１４において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２としている。また、図１４における３４ａおよび３４ｂの記号は、第１の電力変換セル８ａにおいてオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４、およびオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有し第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５をそれぞれ表す。
【０１１５】
実施の形態２および実施の形態３に示す一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の過電圧抑制の制御は、一次フィルタコンデンサ２０のエネルギーを集中抵抗１０で消費させるように、第２の電力変換部１５を制御している。しかしながら、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈや、半導体素子２８ａから２８ｈを駆動するゲートドライバに故障が発生した場合、正常にオンおよびオフの切り替え制御ができなくなる。この場合、実施の形態２および実施の形態３に示した方法は実行できない。
【０１１６】
また、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、受電端３からの交流電流が、一次フィルタコンデンサ２０に流れて、一次フィルタコンデンサ２０が過電圧となる可能性がある。上記の場合、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子に接続された内部ＤＣリンク１８への電流経路を断たなければならない。また、電力変換装置１００の運転状態によっては、負荷３１から正母線１および負母線２へ回生される電力を消費しなければならない。
【０１１７】
本実施の形態の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった第１の電力変換セル８ａの半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２とする。例えば、保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの切り替えを制御するゲートドライバ（図示せず）からの信号を受けて、半導体素子の状態が正常か異常かを判定する。あるいは、半導体素子と同じパッケージに組み込まれた保護回路（図示せず）からの信号を受けて、半導体素子の状態が正常か異常かを判定する。半導体素子の異常を検知する方法にはいくつかの種類があり、その種類について本実施の形態では特に限定しない。そして、保護装置３２は、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除くすべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１をオンし、主開閉器６をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、すべての短絡スイッチ７をオンまたはオフし、すべての分離スイッチ９をオンする制御を行って、それぞれのオンまたはオフの状態を保つ。
【０１１８】
ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を説明する。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２と定める。次に、保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６をオフする。次に、保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除く、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよびすべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。次に、保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１をオンする。最後に、保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、すべての短絡スイッチ７のオンまたはオフの状態を保持する。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【０１１９】
受電端３からの電流経路を断つため、主開閉器制御ステップＳ２０３は、１番目に優先的に行われる。また、一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、２番目に優先的に行われる。さらに、放電スイッチ１１をオンすることで保護対象２２の電圧を即座に下げる効果があることから、放電スイッチ制御ステップＳ２０５は、３番目に優先的に行われる。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【０１２０】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。また、保護動作の開始前におけるオンおよびオフの状態を保護動作中においても保持できる場合には、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行わなくてもよい。これらの制御によって、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【０１２１】
また、本実施の形態によれば、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子がある場合には、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生するのを未然に防ぐことができる。また、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子と、残りの半導体素子とによって、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１が短絡するのを防ぐことができる。
【０１２２】
また、図１４では、第１の電力変換セル８ａにおける第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとの両方が、オンおよびオフの切り替え制御不能となっているが、いずれか一方の半導体素子が切り替え制御不能となった場合でも、切り替え制御不能となった半導体素子を除くすべての半導体素子をオフすれば、同様の効果を奏する。
【０１２３】
実施の形態５．
図１５は、この発明を実施するための実施の形態５に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図１５において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｅ、残充電部２４ｂ、充電経路２５ｂが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図１５において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２としている。また、図１５における３０の記号は、第１の電力変換部１４がダイオード整流器として動作している状態を表す。また、図１５における３４ａおよび３４ｂの記号は、第１の電力変換セル８ａにおいてオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４、およびオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有し第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５をそれぞれ表す。
【０１２４】
オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子があるとき、以下の保護動作を行う。例として、第１の電力変換セル８ａにおいて第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとが、オンおよびオフの切り替え制御不能となったときの動作を説明する。
【０１２５】
本実施の形態の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続された第１の電力変換セル８ａの一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２とする。かつ、保護装置３２は、主開閉器６および放電スイッチ１１をオンする制御を行う。かつ、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンして、残りの第２、第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの短絡スイッチ７をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａに接続される第２の電力変換部１５に接続された分離スイッチ９をオンして、残りの分離スイッチ９をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除く半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフする制御を行う。主開閉器６および保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンする制御を行うことによって、実施の形態１と同様に、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制することができる。
【０１２６】
本実施の形態によれば、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子がある場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０および当該一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生するのを未然に防ぐことができる。また、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子と、残りの半導体素子とによって、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１が短絡するのを防ぐことができる。
【０１２７】
また、本実施の形態によれば、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０または当該一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１を放電することができる。そして、負荷３１への電力供給を再開するときの保護対象２２とならなかった一次フィルタコンデンサ２０、および当該一次フィルタコンデンサ２０を具備する第２、第３電力変換セル８ｂ、８ｃに接続される第２の電力変換部１５に接続された二次フィルタコンデンサ２１の初充電を不要とでき、負荷３１への電力供給が寸断される時間を短くできる。
【０１２８】
また、図１５では、第１の電力変換セル８ａにおける第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとの両方が、オンおよびオフの切り替え制御不能となっているが、いずれか一方の半導体素子が切り替え制御不能となった場合でも、切り替え制御不能となった半導体素子を除くすべての半導体素子をオフすれば、同様の効果を奏する。
【０１２９】
実施の形態６．
図１６は、この発明を実施するための実施の形態６に係る電力変換装置の回路図である。本実施の形態に係る電力変換装置１０２は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図１６において、電力変換装置１０２は、集中抵抗１０の温度を監視する温度監視装置３３をさらに備えている。
【０１３０】
保護装置３２は、過電圧抑制のために電力変換装置１０２を停止して、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電荷の放電が完了した情報を温度監視装置３３に出力する。温度監視装置３３は、この放電完了情報を受けた後に、集中抵抗１０の温度を、例えば温度センサ（図示せず）で取得する。そして、温度監視装置３３は、取得した温度の値ｔを保護装置３２に出力する。
【０１３１】
保護装置３２は、過電圧抑制のために電力変換装置１０２が停止して、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電荷を放電した後に、温度監視装置３３から入力された温度ｔの値が、設計で予め定められた値以下であるかを判定する。そして、保護装置３２は、温度ｔの値が設計で予め定められた値以下である場合には、電力変換装置１０２の運転を再開し、負荷３１に電力を供給する制御を行う。保護装置３２は、温度ｔの値が設計で予め定められた値を超過している場合には、電力変換装置１０２の運転を再開せず、予め定められた時間の経過後に、温度監視装置３３に放電完了情報を再度出力する。温度監視装置３３は、上述と同様に、この放電完了情報を受けた後に再び集中抵抗１０の温度を取得する。したがって、保護装置３２は、集中抵抗１０の温度が、設計で予め定められた値以下になるまでは、上述の制御を繰り返すため、電力変換装置１０２の運転を再開しないことになる。
【０１３２】
以下では、設計で予め定められた温度の閾値の決め方を述べる。過電圧抑制のために一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電荷の放電を行うと、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電荷は、集中抵抗１０で消費されるため、集中抵抗１０が発熱する。集中抵抗１０の温度が最も上昇する場合として、実施の形態２の保護装置３２による制御によって、すべての一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電荷を、集中抵抗１０で高速放電した場合が考えられる。このときの温度上昇幅と集中抵抗１０の耐用温度とに基づいて、電力変換装置１０２の運転再開の可否を判別する温度の閾値が、設計で予め定められる。
【０１３３】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電荷を放電した後に、温度監視装置３３が監視した集中抵抗１０の温度が予め定められた温度以下の場合には、負荷３１に電力を供給する制御を行うことによって、集中抵抗１０およびその周辺機器が焼損するのを未然に防ぐことができる。
【０１３４】
実施の形態７．
図１７は、この発明を実施するための実施の形態７に係る電力変換装置の回路図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図１７において、電力変換体１２は、それぞれ一対の端子１２−１および１２−２からなる３個の電力変換体入力端、それぞれ一対の端子１２−３および１２−４からなる１個の電力変換体出力端、ＤＣ／ＤＣ変換する１個の第２の電力変換部１５並びに１個の二次フィルタコンデンサ２１を具備している。そして、電力変換体１２は、各電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に入力される直流電力を、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に出力される直流電力に変換する。
【０１３５】
第２の電力変換部１５は、それぞれ一対の端子１５−１および１５−２からなる３個の第２の入力部、一対の端子１５−３および１５−４からなる第２の出力部並びにスイッチングを行う複数の半導体素子（図示せず）を有している。そして、第２の電力変換部１５は、各第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２に入力される直流電力を、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に出力される直流電力に変換する。なお、第２の入力部の個数は、３個に限らず、電力変換セルの個数と同じであればよい。
【０１３６】
各第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２は、対応する電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に接続されている。すなわち、各第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２は、いずれかの電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２にのみ接続されている。また、各第２の入力部の一方の端子１５−１と、対応する電力変換体入力端の一方の端子１２−１とが、直流電力の正極側として同極性で接続されている。各第２の入力部の他方の端子１５−２と、対応する電力変換体入力端の他方の端子１２−２とが、直流電力の負極側として同極性で接続されている。
【０１３７】
第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４は、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に接続されている。また、第２の出力部の一方の端子１５−３と、電力変換体出力端の一方の端子１２−３とが、直流電力の正極側として同極性で接続されている。第２の出力部の他方の端子１５−４と、電力変換体出力端の他方の端子１２−４とが、直流電力の負極側として同極性で接続されている。
【０１３８】
二次フィルタコンデンサ２１は、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４と、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４とのそれぞれに接続されている。
【０１３９】
ＤＣポート１９は、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４から、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４までの回路を指す。
【０１４０】
以上から、電力変換装置１００は、集中抵抗１０と、短絡および開放を切り替える放電スイッチ１１とをさらに備えている。電力変換体１２は、対応する電力変換体入力端の一対の端子１２−１および１２−２に接続され直流電力が入力されるＮ個の第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に接続され直流電力が出力される第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４、およびスイッチングを行う複数の半導体素子を有し直流電力を直流電力に変換する１個の第２の電力変換部１５と、第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に並列に接続された１個の二次フィルタコンデンサ２１とをさらに具備している。集中抵抗１０と放電スイッチ１１とが互いに直列接続された直列接続体１３は、電力変換体出力端の一対の端子１２−３および１２−４に並列に接続されている。
【０１４１】
次に第２の電力変換部１５の構成および動作について説明する。図１８は、本実施の形態に係る第２の電力変換部にハーフブリッジ形回路を適用した例の回路図である。図１８において、電力変換体１２における第２の電力変換部１５のそれぞれは、ＭＯＳ−ＦＥＴなどの８個の半導体素子２８ａから２８ｈを用いたブリッジ回路と、絶縁変圧器２６とで構成されている。第２の電力変換部１５では、半導体素子２８ａ、２８ｂが直列接続され、半導体素子２８ｃ、２８ｄが直列接続され、半導体素子２８ｅ、２８ｆが直列接続されている。
【０１４２】
また、一次フィルタコンデンサ２０ａ、２０ｂが互いに直列に接続されて、さらにこれらの１組の半導体素子２８ａ、２８ｂと１組の一次フィルタコンデンサ２０ａ、２０ｂとが、並列に接続されている。さらに、１組の半導体素子２８ｃ、２８ｄと１組の一次フィルタコンデンサ２０ｃ、２０ｄとが並列に接続され、１組の半導体素子２８ｅ、２８ｆと１組の一次フィルタコンデンサ２０ｅ、２０ｆとが並列に接続されている。内部ＤＣリンク１８から供給された直流電力は、半導体素子２８ａと２８ｂとの間から絶縁変圧器２６の一次側２６−１へ、一次フィルタコンデンサ２０ａと２０ｂとの間から一次側２６−１へ交流電力として供給される。同様に、半導体素子２８ｃと２８ｄとの間から一次側２６−１へ、一次フィルタコンデンサ２０ｃと２０ｄとの間から一次側２６−１へ、さらに同様に、半導体素子２８ｅと２８ｆとの間から一次側２６−１へ、一次フィルタコンデンサ２０ｅと２０ｆとの間から一次側２６−１へ交流電力として供給される。
【０１４３】
また、絶縁変圧器２６の一次側２６−１から二次側２６−２に供給された交流電力は、二次側２６−２から半導体素子２８ｇと２８ｈとの間へ、二次側２６−２から二次フィルタコンデンサ２１ａと２１ｂとの間へ供給され、ＤＣポート１９へ供給される。そして、半導体素子２８ａから２８ｈのスイッチングにより直流電力を直流電力に変換する。また、上記とは反対に、第２の電力変換部１５は、直流電力をＤＣポート１９から内部ＤＣリンク１８へ変換することも可能である。よって、第２の電力変換部１５は、双方向に直流電力を伝送することができ、絶縁変圧器２６によって一次側２６−１と二次側２６−２とが電気的に絶縁されている。すなわち、第２の電力変換部１５は、いわゆる双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータとなっている。
【０１４４】
なお、第２の電力変換部１５は、図１８の構成に限らず、双方向に直流電力を伝送することができ、絶縁変圧器２６によって一次側２６−１と二次側２６−２とが電気的に絶縁されているものであればよい。また、二次側２６−２が一つになるため、絶縁変圧器２６を小型化できる。
【０１４５】
次に、保護装置３２の動作の説明を行う。図１９は、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。図１９において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｆが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図１９において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０、および第２の電力変換部１５に接続され保護対象となった二次フィルタコンデンサ２１を、保護対象２２としている。
【０１４６】
本実施の形態の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。具体的には、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電圧をそれぞれ検知する電圧センサ（図示せず）で検知された一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電圧値を監視する。一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の電圧値が予め定められた値を超えた場合には、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の状態を異常と判定し、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の異常に基づいて一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２とする。そして、保護装置３２は、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフし、次に放電スイッチ１１をオンし、主開閉器６をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、すべての短絡スイッチ７をオンまたはオフする制御を行って、それぞれのオンおよびオフの状態を保つ。この結果、図１９の放電経路２３ｆのように、二次フィルタコンデンサ２１の電荷は、二次フィルタコンデンサ２１に並列接続された集中抵抗１０によって速やかに消費される。そして、一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、一次フィルタコンデンサ２０に並列接続された分散抵抗１６によって緩やかに消費される。
【０１４７】
ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を説明する。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。次に、保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６をオフする。次に、保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。次に、保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１をオンする。最後に、保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、すべての短絡スイッチ７のオンまたはオフの状態を保持する。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【０１４８】
受電端３からの電流経路を断つため、主開閉器制御ステップＳ２０３は、１番目に優先的に行われる。また、一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、２番目に優先的に行われる。さらに、放電スイッチ１１をオンすることで保護対象２２の電圧を即座に下げる効果があることから、放電スイッチ制御ステップＳ２０５は、３番目に優先的に行われる。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【０１４９】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。また、保護動作の開始前におけるオンおよびオフの状態を保護動作中においても保持できる場合には、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行わなくてもよい。
【０１５０】
なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【０１５１】
また、図１９では、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生しているが、一次フィルタコンデンサ２０だけに過電圧が発生した場合でも、上述の制御を行うことによって、実施の形態１と同様の効果を奏する。
【０１５２】
また、保護装置３２は、二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生して、二次フィルタコンデンサ２１が保護対象２２となった場合には、放電スイッチ１１をオンする制御を行うことによって、保護対象２２となった二次フィルタコンデンサ２１の電荷を集中抵抗１０で消費させ、保護対象２２となった二次フィルタコンデンサ２１の過電圧を抑制できる。
【０１５３】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方に過電圧が発生して、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方が保護対象２２となった場合には、主開閉器６、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１をオンする制御を行う。これらの制御によって、実施の形態１と同様の効果を奏することができる。
【０１５４】
なお、本実施の形態の電力変換装置１００に、実施の形態６の温度監視装置３３を適用しても良い。この構成によって、実施の形態６と同様の効果を得られる。
【０１５５】
実施の形態８．
図２０は、この発明を実施するための実施の形態８に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態７と異なる。図２０において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｇが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図２０において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０、および第２の電力変換部１５に接続され保護対象となった二次フィルタコンデンサ２１を、保護対象２２としている。また、図２０における３８の記号は、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う第２の電力変換部１５を表す。
【０１５６】
本実施の形態の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合には、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２と定める。そして、保護装置３２は、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをすべてオフし、次に放電スイッチ１１をオンし、主開閉器６をオフする制御を行う。かつ、すべての短絡スイッチ７をオンまたはオフする制御を行って、それぞれのオンまたはオフの状態を保つ。このとき、第２の電力変換部１５は、一次フィルタコンデンサ２０の電荷が二次フィルタコンデンサ２１へ移動するように、すべての第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達して、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを制御する。この結果、図２０の放電経路２３ｇのように、二次フィルタコンデンサ２１の電荷は、二次フィルタコンデンサ２１に並列接続された集中抵抗１０によって速やかに消費される。そして、一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、一次フィルタコンデンサ２０に並列接続された分散抵抗１６で消費されるのに加えて、その大部分の電荷が、集中抵抗１０で消費される。
【０１５７】
また、図２０では、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生しているが、二次フィルタコンデンサ２１に過電圧が発生した場合でも、上述の制御を行うことによって、実施の形態７と同様の効果を奏する。
【０１５８】
また、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して、一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、主開閉器６をオフする制御を行うことによって、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０への充電経路を断ち、電荷を分散抵抗１６で消費させ、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制できる。
【０１５９】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方に過電圧が発生して、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の少なくともいずれか一方が保護対象２２となった場合には、主開閉器６およびすべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１をオンする制御を行う。かつ、保護装置３２は、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り替えて、すべての第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う。これらの制御によって、実施の形態７と同様の効果を奏することができる。
【０１６０】
さらに、本実施の形態の保護装置３２の制御によって、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生した場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の電荷を、抵抗値の小さい集中抵抗１０で消費させることができるため、分散抵抗１６で消費させる場合よりも、一次フィルタコンデンサ２０の電荷の放電に要する時間を短縮できる。
【０１６１】
なお、本実施の形態の電力変換装置１００に、実施の形態６の温度監視装置３３を適用しても良い。この構成によって、実施の形態６と同様の効果を得られる。
【０１６２】
実施の形態９．
図２１は、この発明を実施するための実施の形態９に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図２１において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｈ、残充電部２４ｃ、充電経路２５ｃが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図２１において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２としている。また、図２１における３０の記号は、第１の電力変換部１４がダイオード整流器として動作している状態を表す。
【０１６３】
本実施の形態では、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生した場合に、当該箇所の過電圧抑制を行ったあと、実施の形態２で述べた初充電を必要とせずに、速やかに負荷３１への電力供給を再開する方法を提示する。例として、第１の電力変換セル８ａの一次フィルタコンデンサ２０で過電圧が生じたときの動作を説明する。
【０１６４】
まず、保護装置３２は、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２と定める。そして、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよびすべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。また、主開閉器６およびすべての分離スイッチ９をオンし、放電スイッチ１１をオフする。さらに、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンし、残りの第２及び第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの短絡スイッチ７はオフの状態を保持する。この結果、図２１の放電経路２３ｈのように、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、分散抵抗１６で消費される。
【０１６５】
よって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンする制御を行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０への充電経路を断ち、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制できる。
【０１６６】
このとき、図２１の残充電部２４ｃのように、二次フィルタコンデンサ２１は、電流経路が断たれているため、充電されたままとなる。また、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０の電荷は、分散抵抗１６によって緩やかに放電されていく。一方で、図２１の充電経路２５ｃのように、主開閉器６および第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７がオンとなっているので、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの第１の電力変換部１４が、ダイオード整流器３０として動作する。このため、第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０の電圧の和が、架線電圧の振幅と等しくなる電圧に維持される。
【０１６７】
第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの一次フィルタコンデンサ２０と、すべての二次フィルタコンデンサ２１とが充電されているため、これらの保護対象２２とならなかった一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１によって、負荷３１への電力供給が再開できる状態となる。
【０１６８】
したがって、保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生して一次フィルタコンデンサ２０が保護対象２２となった場合には、主開閉器６およびすべての分離スイッチ９をオンする制御を行う。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する電力変換セル８ａの短絡スイッチ７、すなわち保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０に接続される第１の電力変換部１４と接続された短絡スイッチ７をオンして、残りの短絡スイッチ７をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよびすべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする制御を行う。ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を説明する。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生した場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、過電圧となった一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２と定める。次に、保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６のオン状態を保持する。次に、保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、すべての半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。次に、保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１のオフ状態を保持する。最後に、保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０に接続される第１の電力変換部１４と接続される短絡スイッチ７をオンし、それ以外のすべての短絡スイッチ７をオフする。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【０１６９】
一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、１番目に優先的に行われる。また、本実施の形態に係る電力変換装置１００の保護動作では、主開閉器６および放電スイッチ１１は、直前のオンまたはオフの状態が保持されるため、どの順番で行われてもよい。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【０１７０】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【０１７１】
これらの制御によって、実施の形態１と同様に、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制することができる。また、本実施の形態によれば、負荷３１への電力供給を再開するときの保護対象２２とならなかった一次フィルタコンデンサ２０、および二次フィルタコンデンサ２１の初充電を不要とでき、負荷３１への電力供給が寸断される時間を短くできる。なお、保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを除く第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフし、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフしてもよい。これらの動作によっても、上述と同様の効果を奏することができる。
【０１７２】
実施の形態１０．
図２２は、この発明を実施するための実施の形態１０に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図２２において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｉが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図２２において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２としている。また、図２２における３８の記号は、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う第２および第３の電力変換セル８ｂ、８ｃに接続された第２の電力変換部１５を表す。また、図２２における３４ａおよび３４ｂの記号は、第１の電力変換セル８ａにおいてオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４、およびオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有し第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５をそれぞれ表す。
【０１７３】
実施の形態２では、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達するように第２の電力変換部１５を制御することによって、すべての一次フィルタコンデンサ２０およびすべての二次フィルタコンデンサ２１の放電に要する時間を短縮する方法を示した。しかし、第２の電力変換部１５にオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈがあるとき、その第２の電力変換部１５を、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達するように制御することができない。
【０１７４】
したがって、本実施の形態による電力変換装置１００の保護装置３２は、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子があるとき、次のような保護動作を行う。例として、第１の電力変換セル８ａにおいて第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとが、オンおよびオフの切り替え制御不能となったときの動作を説明する。
【０１７５】
半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈのいずれかがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続された第１の電力変換セル８ａの一次フィルタコンデンサ２０、すなわちオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２とする。かつ、保護装置３２は、主開閉器６をオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は、放電スイッチ１１およびすべての分離スイッチ９をオンする制御を行う。かつ、保護装置３２は，オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを除く、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフする制御を行う。かつ、保護装置３２は，オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り替えて、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行う。ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を説明する。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２と定める。次に、保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６をオフする。次に、保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除く、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄをオフする。また、保護装置３２は、同じく半導体素子制御ステップＳ２０４において、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く、すべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンまたはオフし、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力が伝達するように制御する。次に、保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１をオンする。最後に、保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、すべての短絡スイッチ７のオンまたはオフの状態を保持する。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【０１７６】
受電端３からの電流経路を断つため、主開閉器制御ステップＳ２０３は、１番目に優先的に行われる。また、一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、２番目に優先的に行われる。さらに、放電スイッチ１１をオンすることで保護対象２２の電圧を即座に下げる効果があることから、放電スイッチ制御ステップＳ２０５は、３番目に優先的に行われる。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【０１７７】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。また、保護動作の開始前におけるオンおよびオフの状態を保護動作中においても保持できる場合には、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行わなくてもよい。なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【０１７８】
本実施の形態によると，主開閉器６をオフする制御を行うことによって、実施の形態１と同様に、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制することができる。また，オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除く、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフを切り替えて、第２の入力部の一対の端子１５−１および１５−２から第２の出力部の一対の端子１５−３および１５−４に電力を伝達する制御を行うことによって、実施の形態２と同様の効果を奏することができる。
【０１７９】
また、図２２では、第１の電力変換セル８ａにおける第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとの両方が、オンおよびオフの切り替え制御不能となっているが、いずれか一方の半導体素子がオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合でも、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除くすべての半導体素子をオフすれば、同様の効果を奏する。
【０１８０】
実施の形態１１．
図２３は、この発明を実施するための実施の形態１１に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。本実施の形態に係る電力変換装置１００は、以下に述べる点で、実施の形態１と異なる。図２３において、保護装置３２による制御を行った場合の一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１の放電経路２３ｊ、残充電部２４ｄ、充電経路２５ｄが太線で示されている。また、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。図２３において、第１の電力変換セル８ａにおいて保護対象となった一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２としている。また、図２３における３０の記号は、第１の電力変換部１４がダイオード整流器として動作している状態を表す。また、図２３における３４ａおよび３４ｂの記号は、第１の電力変換セル８ａにおいてオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４、およびオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有し第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５をそれぞれ表す。
【０１８１】
本実施の形態の保護装置３２は、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子があるとき、以下の保護動作を行う。例として、第１の電力変換セル８ａにおいて第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとが、オンおよびオフの切り替え制御不能となったときの動作を説明する。
【０１８２】
本実施の形態の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続された第１の電力変換セル８ａの一次フィルタコンデンサ２０、すなわちオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２とする。そして、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを除くすべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄ、およびオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを除くすべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。また、主開閉器６およびすべての分離スイッチ９をオンし、放電スイッチ１１をオフする。さらに、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７をオンし、残りの第２及び第３の電力変換セル８ｂ、８ｃの短絡スイッチ７はオフの状態を保持する。ここで、図１０を参照して、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を説明する。図１０において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の運転が開始される。その後、ステップＳ２０１において、保護装置３２は、電力変換装置１００の保護動作が必要かを常時監視し、保護動作が必要な場合（Ｙｅｓ）は、保護対象設定ステップＳ２０２に進む。なお、保護動作が必要ではない場合（Ｎｏ）は、ステップＳ２０１を繰り返す。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄおよび半導体素子２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合には、保護対象設定ステップＳ２０２を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された一次フィルタコンデンサ２０、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された一次フィルタコンデンサ２０を、保護対象２２と定める。次に、保護装置３２は、主開閉器制御ステップＳ２０３を行い、主開閉器６のオン状態を保持する。次に、保護装置３２は、半導体素子制御ステップＳ２０４を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除く、すべての第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよびすべての第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈをオフする。次に、保護装置３２は、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行い、放電スイッチ１１のオフ状態を保持する。最後に、保護装置３２は、短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行い、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０に接続される第１の電力変換部１４と接続される短絡スイッチ７をオンし、それ以外のすべての短絡スイッチ７をオフする。その後、保護装置３２はステップＳ２０１へ戻り、電力変換装置１００の保護動作が必要かを監視する状態へ移行する。
【０１８３】
一般的に、機械的なスイッチと比べて半導体素子の方がオンおよびオフ状態の切り替えに要する時間が短いので、半導体素子制御ステップＳ２０４は、１番目に優先的に行われる。また、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作では、主開閉器６および放電スイッチ１１は、直前のオンまたはオフの状態が保持されるため、どの順番で行われてもよい。したがって、上述のフローに従って電力変換装置１００の保護動作を保護装置３２が行うことにより、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧をより速やかに抑制することができる。
【０１８４】
なお、保護装置３２が主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５を行うのは、同時であってもよい。また、主開閉器６、放電スイッチ１１、短絡スイッチ７のオンおよびオフが切り替わるのに要する時間を考慮して、主開閉器制御ステップＳ２０３、半導体素子制御ステップＳ２０４、放電スイッチ制御ステップＳ２０５、および短絡スイッチ制御ステップＳ２０６を行う順序は、図１０に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。本実施の形態によれば、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０を具備する第１の電力変換セル８ａの短絡スイッチ７、すなわち保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０に接続される第１の電力変換部１４と接続された短絡スイッチ７をオンする制御を行うことによって、実施の形態１と同様に、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０の過電圧を抑制することができる。なお、上述の保護動作中において、分離スイッチ９のオン状態が保持されている。
【０１８５】
また、本実施の形態によれば、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子がある場合には、保護対象２２となった一次フィルタコンデンサ２０に過電圧が発生するのを未然に防ぐことができる。また、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子と、残りの半導体素子とによって、一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１が短絡するのを防ぐことができる。
【０１８６】
また、本実施の形態によれば、負荷３１への電力供給を再開するときの保護対象２２とならなかった一次フィルタコンデンサ２０、二次フィルタコンデンサ２１の初充電を不要とでき、負荷３１への電力供給が寸断される時間を短くできる。
【０１８７】
また、図２３では、第１の電力変換セル８ａにおける第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄと、第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈとの両方が、オンおよびオフの切り替え制御不能となっているが、いずれか一方の半導体素子がオンおよびオフの切り替え制御不能となった場合でも、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を除くすべての半導体素子をオフすれば、同様の効果を奏する。
【０１８８】
なお、図１０において保護動作を実施後に、再び保護動作を行うときは、実施の形態１、２、４、７、９、１０、１１で述べた保護動作の内、実施した保護動作とは異なる保護動作を保護対象２２に応じて行ってもよい。
【０１８９】
実施の形態１２．
図２４は、この発明を実施するための実施の形態１２に係る電力変換装置の保護動作を示す説明図である。図２４において、主開閉器６、短絡スイッチ７、分離スイッチ９、放電スイッチ１１、第１の電力変換部１４の半導体素子２７ａから２７ｄおよび第２の電力変換部１５の半導体素子２８ａから２８ｈのオンおよびオフの文字は、それぞれのオンおよびオフの状態を表している。また、図２４における３４ａおよび３４ｂの記号は、第１の電力変換セル８ａにおいてオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４、およびオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有し第１の電力変換セル８ａに接続された第２の電力変換部１５をそれぞれ表す。
【０１９０】
本実施の形態では、実施の形態４、または実施の形態１０に示す手順によって電力変換装置１００が停止したあと、負荷３１への電力の供給を再開する手順を図２５に示す。図２５は、本実施の形態に係る電力変換装置の保護動作を示すフローチャートである。図２５において、まず、本実施の形態による電力変換装置１００の保護動作が開始される。そして、電力変換装置１００の保護装置３２は、半導体素子２７ａから２７ｄ、２８ａから２８ｈがオンおよびオフの切り替え制御不能となって、放電スイッチ１１をオンしたとき、二次フィルタコンデンサ２１の電圧値を電圧センサ（図示せず）から取得する。そして、ステップＳ２０８において、電力変換装置１００の二次フィルタコンデンサ２１が放電が完了したかどうかを常時監視し、放電が完了した場合（Ｙｅｓ）には、保護対象放電確認ステップＳ２０９に進む。なお、放電が完了していない場合（Ｎｏ）には、ステップＳ２０８を繰り返す。保護装置３２は、二次フィルタコンデンサ２１の電圧値が所定の値を下回ったときに、すべての一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を保護対象２２から外す、保護対象放電確認ステップＳ２０９を行う。次に、保護装置３２は、始動前放電スイッチ制御ステップＳ２１０を行い、放電スイッチ１１をオフする。次に、保護装置３２は、始動前分離スイッチ制御ステップＳ２１１を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続される第２の電力変換部１５と接続された分離スイッチ９、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続された分離スイッチ９をオフし、残りのすべての分離スイッチ９をオンする。次に、保護装置３２は、始動前短絡スイッチ制御ステップＳ２１２を行い、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄを有する第１の電力変換部１４に接続された短絡スイッチ７、またはオンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２８ａから２８ｈを有する第２の電力変換部１５に接続される第１の電力変換部１４と接続された短絡スイッチ７をオンし、残りのすべての短絡スイッチ７をオフする。その後、電力変換装置１００の始動準備が完了となる。
【０１９１】
上記の制御によって、オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子２７ａから２７ｄ、２８ａから２８ｈへの充電経路を断つことができる。この状態で、主開閉器６をオンして一次フィルタコンデンサ２０および二次フィルタコンデンサ２１を初充電（初充電回路は図示せず）すれば、負荷３１への電力の供給を再開できる状態となる。
【０１９２】
なお、保護装置３２が、始動前放電スイッチ制御ステップＳ２１０、始動前分離スイッチ制御ステップＳ２１１、および始動前短絡スイッチ制御ステップＳ２１２を行うのは、同時であってもよい。また、始動前放電スイッチ制御ステップＳ２１０、始動前分離スイッチ制御ステップＳ２１１、および始動前短絡スイッチ制御ステップＳ２１２を行う順序は、図２５に示す順序に限らず、互いに入れ替わってもよい。また、二次フィルタコンデンサ２１が保護対象２２でなかった場合でも、一次フィルタコンデンサ２０を保護対象２２から外せばよい。
【０１９３】
また、主開閉器６は、保護対象放電確認ステップＳ２０９のときのオフの状態を保持していればよい。
【符号の説明】
【０１９４】
１  正母線、１−１  正母線端、２  負母線、２−１  負母線端、３  受電端、４  接地電位、５  連系リアクトル、６  主開閉器、７  短絡スイッチ、８ａ  第１の電力変換セル、８ｂ  第２の電力変換セル、８ｃ  第３の電力変換セル、９  分離スイッチ、１０，１０ａ  集中抵抗、１１，１１ａ  放電スイッチ、１２  電力変換体、１２−１，１２−２  電力変換体入力端の一対の端子、１２−３，１２−４  電力変換体出力端の一対の端子、１３，１３ａ  直列接続体、１４  第１の電力変換部、１４−１，１４−２  第１の入力部の一対の端子、１４−３，１４−４  第１の出力部の一対の端子、１５  第２の電力変換部、１５−１，１５−２  第２の入力部の一対の端子、１５−３，１５−４  第２の出力部の一対の端子、１６  分散抵抗、１７  ＡＣポート、１８  内部ＤＣリンク、１９  ＤＣポート、２０，２０ａ，２０ｂ  一次フィルタコンデンサ、２１，２１ａ，２１ｂ  二次フィルタコンデンサ、２２  保護対象、２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇ，２３ｈ，２３ｉ，２３ｊ  放電経路、２４ａ，２４ｂ，２４ｃ，２４ｄ  残充電部、２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ  充電経路、２６  絶縁変圧器、２６−１  一次側、２６−２  二次側、２７ａ，２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２８ａ，２８ｂ，２８ｃ，２８ｄ，２８ｅ，２８ｆ，２８ｇ，２８ｈ  半導体素子、２９  直列共振キャパシタ、３０  ダイオード整流器、３１  負荷、３２  保護装置、３３  温度監視装置、３４ａ  オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を有する第１の電力変換部、３４ｂ  オンおよびオフの切り替え制御不能となった半導体素子を有する第２の電力変換部、３５  搬送波、３６  正相信号波、３７  逆相信号波、３８  第２の入力部から第２の出力部に電力を伝達する制御を行う第２の電力変換部、５０，５１  電力変換回路、１００，１０１，１０２  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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【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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【図２４】
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【図２５】
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