(57)【要約】【課題】交流側に地絡を生じた場合であっても、安定して運転を継続することができる電力変換装置を提供する。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、コンデンサを含むセルが直列に接続されたアームを含む電力変換部と、前記アームの前記各セルを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記アーム内のすべてのコンデンサの両端電圧の平均値に対する指令値と前記すべてのコンデンサのそれぞれの両端電圧の平均値との偏差にもとづいて第１指令値を生成する平均電圧制御回路と、前記第１指令値を入力して、第２指令値および直流電流の指令値である第３指令値に対する補正値を出力する補正回路と、を含む。前記制御回路は、前記第３指令値および前記補正値にもとづいて、第４指令値を出力し、前記第２指令値および前記第４指令値にもとづいて電力変換器の出力電圧を設定する。【選択図】図３
2017143624.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流から交流に電力を変換し、または交流から直流に電力を変換する電力変換装置であって、
充放電を切り替え可能とされたコンデンサを含むセルが直列に接続されたアームを含む電力変換部と、
前記各セルを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記アーム内のすべてのコンデンサの両端の電圧の平均値に対する指令値と前記すべてのコンデンサのそれぞれの両端の電圧の平均値との偏差にもとづいて、補正前の交流有効電流の指令値である第１指令値を生成する平均電圧制御部と、
前記第１指令値を入力して、補正後の交流有効電流の指令値である第２指令値を出力し、かつ、直流電流の指令値である第３指令値に対する補正値を出力する補正部と、
を含み、
前記第３指令値および前記補正値にもとづいて、直流電流の指令値である第４指令値を生成し、
前記第２指令値および前記第４指令値にもとづいて前記アームの出力電圧を設定する電力変換装置。
【請求項２】
前記補正部は、前記第１指令値に対する最大値を有するリミット部を含み、前記第１指令値と前記第２指令値との差にもとづいて、前記補正値を出力する請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記リミット部は、前記第１指令値に対する最小値を有する請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記リアクトルは、３巻線トランスであり、
前記３巻線トランスは、
交流側に接続される第１巻線と、
直列に接続された前記アームのそれぞれの一端に接続された第２巻線および第３巻線と、
を含み、
前記第１巻線、前記第２巻線および前記第３巻線は、同一の鉄心に巻回されており、前記第２巻線および前記第３巻線は、これらによって生じた前記鉄心内の磁界を打ち消す向きに巻回された請求項１〜３のいずれか１つに記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を直流電力に変換し、または直流電力を交流電力に変換する双方向の電力変換装置がある。このような電力変換装置の大容量化が望まれている。
【０００３】
自己消弧形の半導体スイッチング素子を用いることによって小型化をはかりつつ、大容量化を実現することができる電力変換方式として、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、以下、ＭＭＣという。）の実用化が進められている。
【０００４】
このような大容量の電力変換装置は、基幹となる電力系統等で用いられる場合があるので、交流側や直流側の地絡等を生じても、安定して運転を継続できることが求められる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】萩原  誠、赤木  泰文  著、「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ，１２８巻７号，２００８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
実施形態は、交流側に地絡を生じた場合であっても、安定して運転を継続することができる電力変換装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に係る電力変換装置は、直流から交流または交流から直流に電力を変換する電力変換装置である。この電力変換装置は、充放電を切り替え可能とされたコンデンサを含むセルが直列に接続されたアームを含む電力変換部と、前記アームの前記各セルを制御する制御部と、を備える。前記制御部は、前記アーム内のすべてのコンデンサの両端の電圧の平均値に対する指令値と前記すべてのコンデンサのそれぞれの両端の電圧の平均値との偏差にもとづいて、補正前の交流電流の指令値である第１指令値を生成する平均電圧制御部と、前記第１指令値を入力して、補正後の交流電流の指令値である第２指令値、および、直流電流の指令値である第３指令値に対する補正値を出力する補正部と、を含む。前記制御部は、前記第３指令値および前記補正値にもとづいて、直流電流の指令値である第４指令値を生成し、前記第２指令値および前記第４指令値にもとづいて電力変換部の出力電圧を設定する。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】第１の実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
【図２】第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
【図３】第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
【図４】第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
【図５】第１の実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。
【図６】第１の実施形態の変形例の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
【図７】第２の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図２〜図４は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図５は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換部２０と、制御部４０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ａ〜２１ｃを介して電力系統１２に接続される。この例のように、電力変換装置１０と電力系統１２との間に変圧器１４を接続してもよい。電力系統１２は、たとえば基幹電力系統である。電力変換装置１０は、電力系統１２から供給される交流電力を、直流電力に変換して出力する。また、電力変換装置１０は、直流電力を交流電力に変換して、電力系統１２に供給する。
【００１１】
電力変換部２０は、交流端子２１ａ〜２１ｃと、直流端子２１ｄ，２１ｅと、を含む。交流端子２１ａ〜２１ｃは、三相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）に接続される。直流端子２１ｄは、直流のＰ（Positive）側に接続され、直流端子２１ｅは、直流のＮ（Negative）側に接続される。交流端子２１ａ〜２１ｃは、電力の入力端子ともなり、出力端子ともなる。直流端子２１ｄ，２１ｅは、交流端子２１ａ〜２１ｃが電力の入力端子のときには、出力端子となり、交流端子２１ａ〜２１ｃが電力の出力端子のときには、入力端子となる。
【００１２】
電力変換部２０は、チョッパセル２２と、バッファリアクトル２４と、を含む。電力変換部２０は、チョッパセル２２を複数個含んでいる。電力変換部２０は、アーム２６ａ〜２６ｆを含む。各アーム２６ａ〜２６ｆは、それぞれ同数かつ複数個のチョッパセル２２を含んでおり、チョッパセル２２は直列に接続されている。ひとつのアーム２６ａは、Ｐ側の直流端子２１ｄとＮ側の直流端子２１ｅとの間に接続されている。他のアーム２６ｂは、アーム２６ａとＮ側の直流端子２１ｅとの間に接続されている。
【００１３】
アーム２６ｃ，２６ｄおよびアーム２６ｅ，２６ｆもアーム２６ａ，２６ｂと同様に、直流端子２１ｄ，２１ｅ間に直列に接続されている。
【００１４】
アーム２６ａと交流端子２１ａとの間には、バッファリアクトル２４が接続されている。交流端子２１ａとアーム２６ｂとの間には、バッファリアクトル２４の一端が接続されている。つまり、アーム２６ａ、２つのバッファリアクトル２４，２４、およびアーム２６ｂは、直列に接続され、２つのバッファリアクトル２４，２４が接続されているノードが交流端子２１ａに接続されている。
【００１５】
同様に、アーム２６ｃと交流端子２１ｂとの間には、バッファリアクトル２４が接続され、交流端子２１ｂとアーム２６ｄとの間にもバッファリアクトル２４が接続されている。また、アーム２６ｄと交流端子２１ｃとの間には、バッファリアクトル２４が接続され、交流端子２１ｃとアーム２６ｆとの間にもバッファリアクトル２４が接続されている。
【００１６】
バッファリアクトル２４は、上下のアームに直流の短絡電流が流れることを防止する。
【００１７】
Ｕ相に接続された上下のアーム２６ａ，２６ｂをレグ２８ａと呼ぶ。つまり、レグ２８ａは、直列に接続されたアーム２６ａ，２６ｂを含む。同様に、Ｖ相に接続された上下のアーム２６ｃ，２６ｄ、Ｗ相に接続された上下のアーム２６ｄ，２６ｆをそれぞれレグ２８ｂ，２８ｃと呼ぶ。電力変換部２０は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間に、三相交流の各相に接続されたレグ２８ａ，２８ｂ，２８ｃを含んでいる。
【００１８】
図２に示すように、チョッパセル２２は、スイッチング素子２２１，２２２と、ダイオード２２３，２２４と、コンデンサ２２６とを含む。スイッチング素子２２１，２２２は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）等の自己消弧形の半導体スイッチング素子である。ダイオード２２３，２２４は、たとえばファストリカバリダイオードである。スイッチング素子２２１とダイオード２２３は逆並列に接続されている。つまり、スイッチング素子２２１のエミッタとダイオード２２３のアノードが接続され、スイッチング素子２２１のコレクタとダイオード２２３のカソードが接続されている。同様に、スイッチング素子２２２とダイオード２２４は逆並列に接続されている。
【００１９】
スイッチング素子２２１，２２２は、カスコードに接続されている。すなわち、スイッチング素子２２１のエミッタとスイッチング素子２２２のコレクタが接続されている。
【００２０】
カスコード接続されたスイッチング素子２２１，２２２は、コンデンサ２２６に並列に接続されている。すなわち、スイッチング素子２２１のコレクタがコンデンサ２２６の一方の端子に接続され、スイッチング素子２２２のエミッタがコンデンサ２２６の他方の端子に接続されている。
【００２１】
チョッパセル２２は、スイッチング素子２２１，２２２を交互に適切に駆動することによって、端子２３ａ，２３ｂを介して、コンデンサ２２６を充電し、コンデンサ２２６から放電する。後述するように、スイッチング素子２２１，２２２は、適切に駆動されてスイッチングすることによって、コンデンサ２２６の両端の電圧を所望の値に制御する。コンデンサ２２６は、端子２３ａが端子２３ｂよりも高電位になるように充電される。
【００２２】
チョッパセル２２は、端子２３ａ，２３ｂを介して、他のチョッパセル２２と直列に接続され、他の外部回路に接続される。チョッパセル２２が他のチョッパセル２２と直列に接続されるときには、チョッパセル２２の端子２３ｂに、他のチョッパセル２２の端子２３ａを接続する。
【００２３】
本実施形態の電力変換装置１０において、各部の電圧および電流について次のように定義する。
【００２４】
すべてのチョッパセル２２のコンデンサ２２６の両端の電圧を加算してチョッパセル２２の個数６Ｎで除した平均値に対する指令値を、セルコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＊とする。Ｎは、各アーム内のチョッパセル２２の直列接続数であり、各アーム内に含まれるコンデンサ２２６の数である。
【００２５】
Ｕ相上側のアーム２６ａ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｕｐ＃、Ｕ相下側のアーム２６ｂ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｕｎ＃とする。Ｖ相上側のアーム２６ｃ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｖｐ＃、Ｖ相下側のアーム２６ｄ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｖｎ＃とする。Ｗ相上側のアーム２６ｅ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｗｐ＃、Ｗ相下側のアーム２６ｆ内の個々のコンデンサ２２６の両端の電圧をセルコンデンサ電圧Ｖｃｗｎ＃とする。ここで、＃は、１〜Ｎの整数である。
【００２６】
Ｕ相上側のアーム２６ａ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐとする。Ｕ相下側のアーム２６ｂ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｎとする。
【００２７】
Ｖ相上側のアーム２６ｃ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｖｐとする。Ｖ相下側のアーム２６ｄ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｖｎとする。
【００２８】
Ｗ相上側のアーム２６ｅ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｗｐとする。Ｗ相下側のアーム２６ｆ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｗｎとする。
【００２９】
たとえば、Ｖｃｕｐは、Ｖｃｕｐ＃を用いて以下のように求められる。
Ｖｃｕｐ＝（Ｖｃｕｐ１＋Ｖｃｕｐ２＋…＋ＶｃｕｐＮ）／Ｎ
【００３０】
Ｕ相のレグ２８ａ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数２Ｎで除した平均値を、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕとする。
【００３１】
Ｖ相のレグ２８ｂ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数２Ｎで除した平均値を、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｖとする。
【００３２】
Ｗ相のレグ２８ｃ内に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して、個数２Ｎで除した平均値を、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｗとする。
【００３３】
たとえば、Ｖｃｕは、Ｖｃｕｐ，Ｖｃｕｎを用いて、以下のように求められる。
Ｖｃｕ＝（Ｖｃｕｐ＋Ｖｃｕｎ）／２
【００３４】
電力変換部２０に含まれるすべてのコンデンサ２２６の両端の電圧を加算して個数６Ｎで除した平均値をセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃとする。
【００３５】
Ｖｃは、Ｖｃｕ，Ｖｃｖ，Ｖｃｗを用いて、以下のように求められる。
Ｖｃ＝（Ｖｃｕ＋Ｖｃｖ＋Ｖｃｗ）／３
【００３６】
Ｕ相上側のアーム２６ａに流れる電流を交流電流Ｉｐｕとし、Ｕ相下側のアーム２６ｂに流れる電流を交流電流Ｉｎｕとする。Ｖ相上側のアーム２６ｃに流れる電流を交流電流Ｉｐｖとし、Ｖ相下側のアーム２６ｄに流れる電流を交流電流Ｉｎｖとする。Ｗ相上側のアーム２６ｅに流れる電流を交流電流Ｉｐｗとし、Ｗ相下側のアーム２６ｆに流れる電流を交流電流Ｉｎｗとする。
【００３７】
図示はしないが、各チョッパセル２２のコンデンサ２２６には、電圧検出器が接続されており、電圧検出器によって各コンデンサ２２６の電圧値が検出される。また、各相の上下のアームには、計器用変流器等が設けられており、計器用変流器等を介して、各アームの電流値が検出される。検出された電圧および電流は、アナログディジタル変換されて、ディジタルデータとして取得される。上述のＶｃ等は、特に断らない限りディジタルデータである。
【００３８】
図３に示すように、制御部４０は、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１と、電流指令値補正部４２と、交流電流制御部４３と、直流電流制御部４７と、を含む。
【００３９】
制御部４０は、さらに、αβ０変換器５１と、コンデンサバランス制御部５２と、アーム内コンデンサバランス制御部５６と、ＰＷＭ変調部５８と、を含む。
【００４０】
図４（ａ）に示すように、電流指令値補正部４２は、リミッタ部４２１と、加減算器４２２と、係数器４２３と、を含む。電流指令値補正部４２は、２つの出力を有する。電流指令値補正部４２の一方の出力は、交流電流制御部４３に接続され、他方の出力は、加算器４６を介して、直流電流制御部４７に接続されている。
【００４１】
リミッタ部４２１の入力は、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１の出力に接続されている。セルコンデンサ電圧平均値制御部４１では、加減算器４１ａおよび比例要素４１ｂによって、セルコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＊とセルコンデンサ電圧平均値Ｖｃとの偏差に対する制御量が計算される。この制御量は、補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊とされる。
【００４２】
リミッタ部４２１の出力は、交流電流制御部４３に接続されている。リミッタ部４２１は、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊を交流電流制御部４３に供給する。つまり、リミッタ部４２１は、補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊を入力して、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊を出力する。
【００４３】
交流電流制御部４３には、上下のアームの交流電流の差が加減算器４４によって計算され、各相の交流電流の測定値として入力される（図３）。
【００４４】
また、交流電流制御部４３には、交流無効電流指令値ＩＱ＊が入力される。交流無効電流指令値ＩＱ＊は、たとえば潮流方向および送電電力指令値等を考慮して外部の操作端末等から入力される（図３）。
【００４５】
交流電流制御部４３は、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊、交流無効電流指令値ＩＱ＊および各アームの交流電流の測定値にもとづいて、電力変換部２０が出力すべき交流電圧成分を生成して出力する。交流電流制御部４３が出力する交流電圧成分は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相それぞれについてＶａｃ１，Ｖａｃ２，Ｖａｃ３となる。
【００４６】
リミッタ部４２１は、図４（ｂ）に示す特性を有する。補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊は、最小値および最大値を有する。たとえば、最大値は正の値を有し、最小値は負の値を有しており、その絶対値は等しい。この例では、最大値は、ＩＰ（ｌｉｍ）であり、最小値は、−ＩＰ（ｌｉｍ）である。±ＩＰ（ｌｉｍ）の値は、事前に実験等により求められあらかじめ設定される。なお、最小値および最大値は、絶対値が等しい場合に限らず、異なる絶対値を有するようにしてもよい。また、たとえば最大値のみが設定されてもよい。
【００４７】
補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊が、−ＩＰ（ｌｉｍ）〜ＩＰ（ｌｉｍ）の範囲のときには、リミッタ部４２１は、補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊を、そのまま補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊として出力する。補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊が、−ＩＰ（ｌｉｍ）に等しいか、−ＩＰ（ｌｉｍ）よりも小さい場合には、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊は、一定値である−ＩＰ（ｌｉｍ）に補正されて出力される。補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊が、ＩＰ（ｌｉｍ）に等しいか、ＩＰ（ｌｉｍ）よりも大きい場合には、補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊は、一定値であるＩＰ（ｌｉｍ）に補正されて出力される。つまり、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊は、一定値−ＩＰ（ｌｉｍ）またはＩＰ（ｌｉｍ）となる。
【００４８】
図３および図４（ａ）に戻って、リミッタ部４２１の出力は、加減算器４２２の減算入力にも接続されている。加減算器４２２の加算入力は、リミッタ部４２１の入力、すなわちセルコンデンサ電圧平均値制御部４１の出力に接続されている。つまり、加減算器４２２は、補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊と、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊とを入力してこれらの差を出力する。
【００４９】
補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊と、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊との差は、係数器４２３に入力され、係数器４２３によってＡ倍されて出力される。係数器４２３の換算係数Ａは、交流有効電流指令値の補正分を直流電流指令値の補正分に換算するための換算係数であり、たとえば実験等によって求められ、あらかじめ設定される。
【００５０】
係数器４２３は、直流電流指令値の補正分を、直流電流指令補正値ΔＩＤＣとして出力する。
【００５１】
除算器４５は、送電電力指令値Ｐｄｐ＊および直流電圧指令値ＶＤＣ＊を入力する。除算器４５は、送電電力指令値Ｐｄｐ＊を直流電圧指令値ＶＤＣ＊で除して、補正前の直流電流指令値ＩＤＣ＊を出力する。たとえば、送電電力指令値Ｐｄｐ＊および直流電圧指令値ＶＤＣ＊は、外部の操作端末等から入力され設定される。送電電力指令値Ｐｄｐ＊および直流電圧指令値ＶＤＣ＊は、外部入力のデータである。なお、この例では、送電電力指令値Ｐｄｐ＊、直流電圧指令値ＶＤＣ＊および交流無効電流指令値ＩＱ＊は、外部設定の指令値としたが、用途等に応じて他のパラメータを外部設定するようにしてもよいし、送電出力指令値等を演算結果等によって設定するようにしてもちろんかまわない。
【００５２】
加算器４６は、除算器４５および電流指令値補正部４２の係数器４２３の出力に接続されている。加算器４６は、補正前の直流電流指令値ＩＤＣ＊と直流電流指令補正値ΔＩＤＣとを入力し、これらを加算して、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）＊として出力する。
【００５３】
加算器４６の出力は、直流電流制御部４７に接続されており、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）＊が直流電流制御部４７に供給される。
【００５４】
直流電流制御部４７には、上下のアームに流れている電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗにもとづいて計算された、直流端子２１ｄ，２１ｅ間における循環電流に関するデータも入力される。循環電流は、上下各アームの電流を加算器４８によって加算し、係数器４９によって１／２を乗ずることによって求められる。求められた循環電流は、αβ０変換器５１によってαβ０変換される。直流電流制御部４７には、αβ０変換器５１を介して循環電流の零相分が入力される。
【００５５】
直流電流制御部４７には、直流電圧指令値ＶＤＣ＊が入力される。直流電圧指令値ＶＤＣ＊は、送電電力指令値Ｐｄｐ＊とともに外部指令値として操作端末等から入力される。
【００５６】
直流電流制御部４７は、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）＊、循環電流の零相分および直流電圧指令値ＶＤＣ＊にもとづいて、電力変換部２０が出力する直流電圧成分Ｖｄｃを出力する。
【００５７】
交流電流制御部４３の出力および直流電流制御部４７の出力は、加算器５３に接続されている。加算器５３には、さらにコンデンサバランス制御部５２の出力が接続されている（図３）。
【００５８】
コンデンサバランス制御部５２は、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃ、セルコンデンサ電圧相平均値Ｖｃｕ，Ｖｃｖ，Ｖｃｗ、セルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐ，Ｖｃｖｐ，Ｖｃｗｐ，Ｖｃｕｎ，Ｖｃｖｎ，Ｖｃｗｎおよび循環電流（α相およびβ相）にもとづいて、アーム同士のコンデンサの電圧のバランス制御し対応する電圧を相ごとに生成し出力する。Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応する電圧をＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３とする。
【００５９】
コンデンサバランス制御部５２は、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１では、すべてのコンデンサ２２６に対する制御を行うために、上下のアーム間の電圧のバランス制御および相間の電圧のバランス制御を行う。バランス制御では、アームごとおよび相ごとに電圧偏差を検出して、電圧がバランスするように制御する。バランス電圧ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３は、各相の電圧がバランスするように補正する電圧である。
【００６０】
加算器５３は、電力変換部２０の各アームが出力する電圧を出力する。Ｕ相上側アームは、−Ｖａｃ１＋ＶＢ１＋Ｖｄｃ１を出力する。Ｕ相下側アームは、Ｖａｃ１＋ＶＢ１＋Ｖｄｃを出力する。Ｖ相上側アームは、−Ｖａｃ２＋ＶＢ２＋Ｖｄｃを出力し、Ｖ相下側アームは、Ｖａｃ２＋ＶＢ２＋Ｖｄｃを出力する。Ｗ相上側アームは、−Ｖａｃ３＋ＶＢ３＋Ｖｄｃを出力し、Ｗ相下側アームは、Ｖａｃ３＋ＶＢ３＋Ｖｄｃを出力する。
【００６１】
制御部４０は、さらに加算器５３から出力されたアームごとに出力される電圧にもとづいて、各チョッパセル２２のコンデンサ２２６の電圧を適切な値に調整する。この例では、コンデンサ２２６の電圧をＰＷＭ変調技術を用いて所望の値に設定する。多段に接続されたチョッパセルを位相をずらして順次動作させる１パルス制御を行うようにしてもよい。
【００６２】
加算器５３の出力は、係数（１／Ｎ）の係数器５４に接続されており、アームごとにコンデンサ２２６の直列接続数Ｎで除することによって、コンデンサ当たりの電圧を算出する。
【００６３】
係数器５４の出力は、加算器５５によって、アーム内コンデンサバランス制御部５６の出力に加算され、コンデンサ２２６ごとに電圧値が補正される。コンデンサ２２６ごとの電圧値は、係数器５７で正規化されて、ＰＷＭ変調部５８に入力される。
【００６４】
アーム内コンデンサバランス制御部５６は、アームごとに、そのアーム内のすべてのコンデンサ２２６の電圧をバランスさせる。そのため、アーム内コンデンサバランス制御部５６は、アームの数（６）×コンデンサ２２６の数（Ｎ）個設けられている。アーム内コンデンサバランス制御部５６では、同一のアーム内の各コンデンサ２２６の電圧値がたとえば等しくなるように、セルコンデンサ電圧アーム平均値Ｖｃｕｐ，Ｖｃｖｐ，Ｖｃｗｐ，Ｖｃｕｎ，Ｖｃｖｎ，Ｖｃｗｎ、各コンデンサ電圧Ｖｃｕｐ＃，Ｖｃｖｐ＃，Ｖｃｗｐ＃，Ｖｃｕｎ＃，Ｖｃｖｎ＃，Ｖｃｗｎ＃、および各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗにもとづいて、各コンデンサの電圧を計算する。
【００６５】
ＰＷＭ変調部５８は、キャリア信号生成部５８ａとコンパレータ５８ｂとを含む。キャリア信号生成部５８ａでは、６×Ｎ次元に応じて位相が設定されたキャリア信号が生成される。キャリア信号は、たとえばそれぞれ振幅１の三角波である。コンパレータ５８ｂは、６×Ｎ次元の各コンデンサ２２６に対応した信号およびキャリア信号を入力し、これらを比較することによって、ＰＷＭ信号を出力する。生成されたＰＷＭ信号は、各チョッパセル２２のスイッチング素子２２１，２２２を駆動するためのゲート駆動信号ＶＧｕｐ＃，ＶＧｖｐ＃，ＶＧｗｐ＃，ＶＧｕｎ＃，ＶＧｖｎ＃，ＶＧｗｎ＃とされる（＃＝１〜Ｎ）。なお、各ゲート駆動信号は、ハイサイドのスイッチング素子２２１およびローサイドのスイッチング素子２２２をそれぞれ駆動するために、デッドタイムを含む相補的な駆動信号として生成される。したがって、駆動信号ごとに２つの駆動信号に分解されるので、実際の出力数は６×Ｎ×２となる。
【００６６】
上述の構成は、一例であり、制御部の構成等は、これに限らない。また、制御部４０等の各ブロックや要素は、回路素子を用いたハードウェアで構成されてもよく、ハードウェアにＣＰＵ（Central Processing Unit）およびメモリを含んでもよい。ＣＰＵおよびメモリを含む場合には、各ブロックや要素の全部または一部は、ＣＰＵおよびメモリ上で動作するソフトウェアやプログラムモジュールであってもよい。
【００６７】
電力変換装置１０では、電力変換部２０および制御部４０は、１つの筐体に収納される場合に限らず、制御部４０の全部または一部が、電力変換部２０が収納される本体から離隔した場所、たとえば制御盤内に設置されてもよい。
【００６８】
本実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
電力変換装置１０は、たとえば図５に示すように、電力系統１２から交流電力を受電し、直流負荷８０に直流電力を供給する。この場合に、電力変換装置１０は、直流負荷８０に応じて送電電力指令値Ｐｄｐ＊が与えられる。直流負荷８０は、たとえば直流送電の送電線であり、送電線の先には、他の電力変換装置が接続され直流交流変換をしている場合等がある。
【００６９】
電力変換装置１０では、与えられた送電電力指令値Ｐｄｐ＊にもとづいて、交流有効電流、交流無効電流、直流電圧および直流電流の各指令値が設定される。上述した構成により、これら各指令値にしたがい、制御部４０は、電力変換部２０の各コンデンサ２２６が必要な電圧値となるように動作する。
【００７０】
通常の状態では、電力変換装置１０から出力される直流電力および電力変換装置１０の変換効率にしたがって、電力変換装置１０は交流電力を受電する。
【００７１】
ここで、電力系統１２のうち、たとえば１つの相に地絡事故が発生すると、電力変換装置１０が受電することができる交流電力が低下する。制御部４０が各コンデンサ２２６の電圧を送電電力指令値Ｐｄｐ＊どおりに維持しようとしても、入力電力が不足する。そのたため、コンデンサ電圧が低下してしまい、電力変換装置１０は過負荷制限等により運転不能となる場合がある。
【００７２】
本実施形態の電力変換装置１０では、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１と、交流電流制御部４３との間に電流指令値補正部４２を設けている。電流指令値補正部４２では、交流有効電流指令値ＩＰ＊を抑制し、抑制された交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊に対応するように、直流電流指令値ＩＤＣ＊を補正して電力変換部２０の各アームの出力電圧を適切な値に補正して設定する。
【００７３】
まず、通常時の動作について説明する。電流指令値補正部４２は、入力される補正前の交流有効電流指令値ＩＰ＊が、−ＩＰ（ｌｉｍ）〜ＩＰ（ｌｉｍ）の範囲内のときには、そのまま交流電流指令値として交流電流制御部４３に入力される。
【００７４】
交流電流制御部４３では、交流有効電流指令値ＩＰ＊、交流無効電流指令値ＩＱ＊および各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗにもとづいて、各相アームの交流電圧成分Ｖａｃ１，Ｖａｃ２，Ｖａｃ３が生成され、出力される。
【００７５】
また、加減算器４２２には、同じ値の指令値が入力されるので、直流電流指令補正値ΔＩＤＣはゼロになる。そのため、直流電流指令値ＩＤＣ＊もそのまま直流電流制御部４７に入力される。
【００７６】
直流電流制御部４７では、直流電流指令値ＩＤＣ＊および循環電流の零相成分にもとづいて、直流電圧成分Ｖｄｃが生成され、出力される。
【００７７】
加算器５３では、各相の交流電圧成分Ｖａｃ１，Ｖａｃ２，Ｖａｃ３、直流電圧成分Ｖｄｃ、およびコンデンサバランス制御部５２によって生成され出力された各相のコンデンサバランス電圧成分ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３を各相の各アームごとに加算する。
【００７８】
制御部４０では、各相の各アームごとに生成された電圧出力値にもとづいて、各コンデンサのセルコンデンサ電圧Ｖｃｕｐ＃，Ｖｃｕｎ＃，Ｖｃｖｐ＃，Ｖｃｕｎ＃，Ｖｃｗｐ＃，Ｖｃｗｎ＃（＃＝１〜Ｎの整数）の電圧値を計算する（係数器５４および加算器５５）。そして、アームごとに同一アーム内のコンデンサバランスの制御を行い、正規化出力を生成し、出力する（アーム内コンデンサバランス制御部５６および係数器５７）。これら６Ｎ個（＝３相×上下２アーム×Ｎ個）の出力のそれぞれに対して、ＰＭＷ変調部５８によって、各チョッパセル２２のスイッチング素子２２１，２２２のゲート駆動信号を生成し、出力する。出力されたゲート駆動信号は、たとえば光信号に変換され、ライトガイドによって、各チョッパセル２２に配信される。
【００７９】
各チョッパセル２２のコンデンサ２２６の両端の電圧は、ＰＷＭ制御されて所望の電圧にそれぞれ制御される。
【００８０】
次に、電力系統１２の一部が地絡事故を生じた場合の動作について説明する。電力変換装置１０は、与えられた送電電力指令値Ｐｄｐ＊にしたがって、直流電流ＩＤＣを出力する。電力変換装置１０は、直流電流ＩＤＣを出力するために、各コンデンサ２２６を充電する。しかしながら、電力変換部２０に供給される交流電力が制限されるので、チョッパセル２２のコンデンサ２２６の両端電圧が十分上昇しない。セルコンデンサ電圧平均値制御部４１では、セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃが、目標値であるセルコンデンサ指令値Ｖｃ＊に到達しない。そのため、セルコンデンサ電圧平均値制御部４１は、より大きな交流有効電流指令値ＩＰ＊を生成し、出力する。
【００８１】
交流有効電流指令値ＩＰ＊が、リミッタ部４２１の制限値ＩＰ（ｌｉｍ）を超えた場合には、リミッタ部４２１は、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊として、ＩＰ（ｌｉｍ）を出力する。交流電流制御部４３には、振幅がＩＰ（ｌｉｍ）に抑えられた交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊が入力される。
【００８２】
交流電流制御部４３は、補正後の交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊（＝ＩＰ（ｌｉｍ））、交流無効電流指令値ＩＱ＊および各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗにもとづいて、各相アームの交流電圧成分Ｖａｃ１，Ｖａｃ２，Ｖａｃ３を生成し、出力する。
【００８３】
電流指令値補正部４２の加減算器４２２は、リミッタ部４２１の入力と出力との差、つまり、補正前後の交流有効電流指令値の超過分（ＩＰ＊−ＩＰ（ｃｏｒ）＊）を出力する。その超過分に、直流電流値に換算する換算係数Ａを乗ずることによって、電流指令値補正部４２は、直流電流指令補正値ΔＩＤＣを出力する。
【００８４】
直流電流指令補正値ΔＩＤＣは、補正前の直流電流指令値ＩＤＣ＊に加算されて、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）＊として、直流電流制御部４７に供給される。
【００８５】
直流電流制御部４７は、補正後の直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）＊（＝ＩＤＣ＊＋ΔＩＤＣ）および循環電流の零相成分等にもとづいて、直流電圧成分Ｖｄｃを生成し、出力する。
【００８６】
加算器５３は、通常時の場合と同様に、各相ごとに、交流電圧成分Ｖａｃ１，Ｖａｃ２，Ｖａｃ３、直流電圧成分Ｖｄｃおよびコンデンサバランス電圧成分ＶＢ１，ＶＢ２，ＶＢ３を入力し、加算して各相の各アームごとの出力電圧を生成する。そして、通常時と同様に、制御部４０は、各チョッパセル２２のコンデンサ２２６に対応するＰＷＭ変調されたゲート駆動信号を生成する。
【００８７】
したがって、電力変換装置１０は、交流有効電流指令値ＩＰ（ｃｏｒ）＊を抑制しつつ、その抑制した制御量に関連して補正された直流電流指令値ＩＤＣ（ｃｏｒ）＊を生成することができる。そのため、アームごとの出力電圧を確保することができ、電力変換装置１０の運転を継続することができる。
【００８８】
上述では、交流から直流に電力を伝送する場合に、交流側が地絡事故等を生じた例について説明したが、直流から交流に電力を伝送する場合や、コンデンサ２２６の両端の電圧が上昇する場合についても同様である。コンデンサ２２６の両端の電圧が上昇した場合には、これを抑制するために、リミッタ部４２１の制限値−ＩＰ（ｌｉｍ）を下回る交流有効電流指令値ＩＰ＊は、この値に制限され、直流電流指令値ＩＤＣ＊は、より小さい値に補正される。
【００８９】
本実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
上述したとおり、本実施形態の電力変換装置１０は、交流有効電流指令値ＩＰ＊および直流電流指令値ＩＤＣ＊を補正する電流値補正部４２を含む制御部４０を備えている。そのため、交流側に地絡事故等が生じて、交流の受電電力が低下した場合や、交流側への送電電力が指令値以上に増大した場合であっても、交流有効電力指令値および直流電力指令値を適切に協調させて、必要なアーム出力電圧を生成することができる。したがって、交流側での地絡事故等が生じた場合であっても、電力変換装置１０の運転を継続することができる。
【００９０】
交流と直流との双方向の変換を行う電力変換装置は、高圧直流送電（High-Voltage Direct Current）の系統連系等に用いられる。半導体スイッチング素子の性能向上とともに、ＭＭＣを採用することによって、大容量化を期待されている。このような基幹系に用いられる電力変換装置では、高い信頼性、可用性等が求められる。本実施形態の電力変換装置１０では、交流側に地絡事故を生じた場合であっても、運転を継続することができ、高い信頼性と可用性を実現することができる。
【００９１】
（第１の実施形態の変形例）
図６は、本変形例の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
本実施形態の電力変換装置の電力変換部は、チョッパセル７２を含むことができる。図６に示すように、チョッパセル７２は、４つのスイッチング素子７２１〜７２４を含む。４つのスイッチング素子７２１〜７２４はフルブリッジ回路をなしている。すなわち、ハイサイドのスイッチング素子７２１にローサイドのスイッチング素子７２２が直列に接続され、ハイサイドのスイッチング素子７２３にローサイドのスイッチング素子７２４が直列に接続されている。そして、これら直列接続体同士は並列に接続されている。コンデンサ７２０は、直列接続体に並列に接続されている。
【００９２】
各スイッチング素子７２１〜７２４には、それぞれ逆並列にダイオード７２５〜７２８が接続されている。
【００９３】
コンデンサ７２０の充電および放電は、端子７３ａ，７３ｂを介して行われる。チョッパセル７２は、他のチョッパセル７２と端子７３ａ，７３ｂを介して接続される。
【００９４】
第１の実施形態の場合の電力変換部２０のチョッパセル２２は、上述のチョッパセル７２にすべて置き換えることができる。
【００９５】
フルブリッジ形のチョッパセル７２では、コンデンサ７２０の両端の電圧の制御幅を広くとることができる。そのため、電流指令値補正部４２による補正範囲をより広くとることができる。
【００９６】
（第２の実施形態）
図７は、本実施形態の電力変換装置を例示するブロック図である。
図７に示すように、本実施形態の電力変換装置１１０は、電力変換部１２０と、制御部４０と、を備える。本実施形態の電力変換装置１１０では、電力変換部１２０の構成が第１の実施形態の場合と相違し、他の点では同一である。同一の構成要素には同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。
【００９７】
電力変換部１２０は、交流端子１２１ａ〜１２１ｃと、直流端子１２１ｄ，１２１ｅと、を含む。交流端子１２１ａ〜１２１ｃは、三相交流の各相（Ｕ相、Ｖ相およびＷ相）に接続される。直流端子１２１ｄは、直流のＰ側に接続され、直流端子１２１ｅは、直流のＮ側に接続される。交流端子１２１ａ〜１２１ｃは、電力の入力端子ともなり、出力端子ともなる。直流端子１２１ｄ，１２１ｅは、交流端子１２１ａ〜１２１ｃが電力の入力端子のときには、出力端子となり、交流端子１２１ａ〜１２１ｃが電力の出力端子のときには、入力端子となる。
【００９８】
電力変換部１２０は、チョッパセル２２と、３巻線トランス２４１と、を含む。チョッパセル２２は、複数個含まれる。チョッパセル２２は、フルブリッジ構成のチョッパセル７２であってもよい（図６）。チョッパセル２２は、複数個直列に接続されてアーム２６となる。１つのアーム２６ａは、Ｐ側の直流端子２１ｄとＮ側の直流端子１２１ｅとの間に接続されている。他のアーム２６ｂは、アーム２６ａとＮ側の直流端子１２１ｅとの間に接続されている。アーム２６ｃ，２６ｄおよびアーム２６ｅ，２６ｆもアーム２６ａ，２６ｂと同様に、直流端子１２１ｄ，１２１ｅ間に直列に接続されている。
【００９９】
３巻線トランス２４１は、一次巻線２４２ａと、２つの二次巻線２４２ｂ，２４２ｃと、を含む。一次巻線２４２ａおよび二次巻線２４２ｂ，２４２ｃは、同一の鉄心に巻回されている。２つの二次巻線２４２ｂ，２４２ｃは、電流が流れたときに、鉄心に発生する磁界の方向が逆向きになるような向きに巻回され接続されている。二次巻線２４２ｂの一端は、上側のアーム２６ａに接続され、二次巻線２４２ｃの一端は、下側のアーム２６ｂに接続されている。他のアームについても同様である。二次巻線２４２ｂ，２４２ｃの他端同士が接続されているノードは、３巻線トランス２４１同士で接続されている。つまり、３巻線トランス２４１の二次巻線２４２ｂ，２４２ｃは、スター結線されている。
【０１００】
一次巻線２４２ａは、一端が交流端子１２１ａを介して、電力系統１２の１つの相に接続されている。他端は、他の３巻線トランス２４１の一次巻線に接続されている。つまり、３つのレグに対応する一次巻線２４２ａは、スター結線されて、電力系統の各相に接続されている。
【０１０１】
本実施形態の電力変換装置１１０は、第１の実施形態の電力変換装置１０と同様に動作する。すなわち、交流側に地絡事故等が生じても、制御部４０の電流指令値補正部４２が交流有効電流指令値ＩＰ＊および直流電流指令値ＩＤＣ＊を補正し、各コンデンサ２２６の両端の電圧を適切に制御して、電力変換装置１１０の運転を継続する。
【０１０２】
本実施形態の電力変換装置１１０では、電力変換部１２０が３巻線トランス２４１を含んでおり、二次巻線２４２ｂ，２４２ｃに流れる電流による磁界を打ち消すように二次巻線２４２ｂ，２４２ｃが巻回されている。そのため、二次巻線２４２ｂ，２４２ｃをそれぞれ流れる直流電流による起磁力がキャンセルされ、鉄心内に直流磁束が生じないようにすることができる。また、同一相内で直流起磁力を打ち消すことができるので、事故等により交流系統に不平衡が生じた場合であっても鉄心に偏磁を生じたり、飽和したりすることを防止することができる。したがって、交流系統の事故等が生じた場合であっても、電力変換装置１１０は、安全に運転を継続することができる。
【０１０３】
なお、本実施形態の場合において、フルブリッジ形式のチョッパセル（図６）を用いることができる。
【０１０４】
上述の実施形態の場合では、スター結線のトランスを用いたが、デルタ結線のトランスに置き換えることもでき、同様の効果を得ることができる。
【０１０５】
以上説明した実施形態によれば、交流側に地絡を生じた場合であっても、安定して運転を継続できる電力変換装置を実現することができる。
【０１０６】
以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。
【符号の説明】
【０１０７】
１０  電力変換装置、１２  電力系統、１４  変圧器、２０  電力変換部、２１ａ〜２１ｃ  交流端子、２１ｄ，２１ｅ  直流端子、２２  チョッパセル、２４  バッファリアクトル、２６ａ〜２６ｆ  アーム、２８ａ〜２８ｃ  レグ、４０  制御部、４１  セルコンデンサ電圧平均値制御部、４１ａ  加減算器、４１ｂ  比例要素、４２  電流指令値補正部、４２１  リミッタ部、４２２  加減算器、４２３  係数器、４３  交流電流制御部、４４  加算器、４５  除算器、４６  加算器、４７  直流電流制御部、４８  加算器、４９  係数器、５１  αβ０変換器、５２  コンデンサバランス制御部、５３  加算器、５４  係数器、５５  加算器、５６  アーム内コンデンサバランス制御部、５７  係数器、５８  ＰＷＭ変調部、７２  チョッパセル、１１０  電力変換装置、１２０  電力変換部、２４１  ３巻線トランス
【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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