特許 6293423 マルチレベル電力変換装置及びその制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6293423

(24)【登録日】2018年2月23日

(45)【発行日】2018年3月14日

(54)【発明の名称】マルチレベル電力変換装置及びその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/483 20070101AFI20180305BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20180305BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/483

   H02M7/48 F

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2013-99528(P2013-99528)

(22)【出願日】2013年5月9日

(65)【公開番号】特開2014-220943(P2014-220943A)

(43)【公開日】2014年11月20日

【審査請求日】2016年3月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000000974

【氏名又は名称】川崎重工業株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000556

【氏名又は名称】特許業務法人 有古特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】高橋 正明

(72)【発明者】

【氏名】吉原 丈裕

(72)【発明者】

【氏名】川村 正英

(72)【発明者】

【氏名】進藤 裕司

【審査官】 坂東 博司

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２００６／１００９１８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００８−３１２３７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１１０３３５（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８３

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ３つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部と、
各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように又は３つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように、前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する、マルチレベル電力変換装置。

【請求項2】

前記制御部は、３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する、請求項１に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項3】

３つの前記単相インバータの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する３つの相電流検出器をさらに備え、
前記制御部は、単相前記インバータが前記負荷に印加したい相電圧と３つの前記相電流検出器でそれぞれ検出される相電流とに基づいて３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる前記中性点の電位である中性点電位を算出し、この算出した中性点電位を前記相電圧に加算して各前記単相インバータの出力電圧を制御するための指令値を生成する、請求項２に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項4】

前記制御部は、３つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する、請求項１に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項5】

３つの前記単相インバータの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する３つの相電流検出器をさらに備え、
前記制御部は、前記単相インバータが前記負荷に印加したい相電圧と３つの前記相電流検出器でそれぞれ検出される相電流とに基づいて３つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となる前記中性点の電位である中性点電位を算出し、この算出した中性点電位を前記相電圧に加算して各前記単相インバータの出力電圧を制御するための指令値を生成する、請求項４に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項6】

前記制御部は、前記単相インバータが負荷に印加したい相電圧と前記中性点電位との和の絶対値が、各単相インバータの入力電圧以下であるという制約条件をさらに満たす前記中性点電位を算出する、請求項３又は請求項５に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項7】

前記制御部は、前記中性点電位が前記制約条件を満たさない場合には、当該制約条件を満たす最大値及び最小値のうち近い値を、３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる又は３つの前記単相インバータの入力電流の二乗和が最小となる値とする、請求項６に記載のマルチレベル電力変換装置。

【請求項8】

３つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ３つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部を備えるマルチレベル電力変換装置の制御方法であって、
各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御することを含み、
３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように又は３つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように、前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御することを更に含む、マルチレベル電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、三台の単相インバータの各出力を三相出力とするマルチレベル電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、単相インバータをＹ接続するマルチレベルインバータが産業応用分野で多用されている。この方式のマルチレベルインバータは、比較的容易にマルチレベル化が図れるとともに単相インバータをモジュールとして簡易な構成で実現できるというメリットがある。しかしながら従来の方式を用いたマルチレベルインバータでは個々の単相インバータの電力の最大値を低減するような制御が必ずしもなされているとは限らない。このため、個々の単相インバータの装置容量のみならず、個々の単相インバータに与える電源を生成するための変圧器及び整流器が大型化する。

【0003】

このような問題に関連する従来技術の一つとして、変調率に三次調波を用いて単相インバータの有する直流電圧を有効利用する方法がある（非特許文献１を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【非特許文献1】岩路、奥山、金子、岡松、「高圧ダイレクトインバータのPWM制御法」、社団法人電気学会、論文誌Ｄ、Vol.121(2001)、No.4、ｐ．476-483

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、非特許文献１に記載の電力変換装置は、本来の目的は電圧利用率の向上であるため、負荷の電流が不平衡である場合、正弦波ではない場合、あるいは負荷力率が変動するような場合には個々の単相インバータの出力電力を低減することができない。その結果、三台の単相インバータの出力電力が不均等になってしまい、装置の必要な定格容量が増大してしまうという課題がある。

【0006】

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、三台の単相インバータを含む三相のマルチレベル電力変換装置において単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の課題を解決するために、本発明のある態様に係るマルチレベル電力変換装置は、３つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ３つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部と、各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する制御部と、を備える。

【0008】

ここで「単相インバータの出力電圧」とは、単相インバータが負荷に印加したい相電圧と中性点電位の和とする。また、これは、単相インバータの一方の出力端子の電位と、他方のＹ接続された出力端子の電位との差に等しい。

【0009】

一般に、三相の負荷電力は線間電圧で決まり、中性点電位については自由度がある。また、いわゆるＹ接続（スター結線）マルチレベル電力変換器では、この自由度を用いて３つの単相インバータの負荷分担を変えることができる。そこで、上記構成によれば、制御部が、適宜な最適化方法を用いて、各単相インバータの出力電力が中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各単相インバータの出力電圧を制御するので、単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することができる。

【0010】

前記制御部は、３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御してもよい。

【0011】

上記構成によれば、各単相インバータの出力電力の最大値を中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように中性点の電位を最適化することできる。

【0012】

３つの前記単相インバータの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する３つの相電流検出器をさらに備え、前記制御部は、前記単相インバータが前記負荷に与えたい相電圧と３つの前記相電流検出器でそれぞれ検出される相電流とに基づいて３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる又は３つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように前記中性点の電位である中性点電位を算出し、この算出した中性点電位を前記相電圧に加算して各前記単相インバータの出力電圧を制御するための指令値を生成してもよい。

【0013】

上記構成によれば、中性点の電位を好適に最適化する構成を具体的に実現できる。

【0014】

前記制御器は、前記単相インバータが前記負荷に印加したい相電圧と前記中性点電位との和の絶対値が、各単相インバータの入力電圧以下であるという制約条件をさらに満たす前記中性点電位を算出してもよい。

【0015】

上記構成によれば、単相インバータの出力電圧が単相インバータの入力電圧を上限又は下限としてカットされることを防止できる。

【0016】

前記制御部は、前記中性点電位が前記制約条件を満たさない場合には、当該制約条件を満たす最大値及び最小値のうち近い値を、３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる又は３つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となる値としてもよい。

【0017】

上記構成によれば、中性点電位が前記制約条件を満たさない場合でも、単相インバータの出力電圧が単相インバータの入力電圧を上限又は下限としてカットされることを好適に防止できる。

【0018】

本発明の他の態様に係るマルチレベル電力変換装置の制御方法は、３つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ３つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部を備えるマルチレベル電力変換装置の制御方法であって、各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する。

【0019】

上記構成によれば、制御部が、適宜な最適化方法を用いて、各単相インバータの出力電力が中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各単相インバータの出力電圧を制御するので、単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の必要な定格容量を低減することができる。

【発明の効果】

【0020】

本発明によれば、三台の単相インバータを有する三相出力電圧変換装置において単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0021】

【図1】本発明の実施の形態１に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。

【図2】図１の電力変換装置の電力変換部の構成を示す回路図である。

【図3】図１の電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。

【図4】図２の単相インバータの直流電圧に対する相電圧及び中性点電位の関係を示すベクトル図である。

【図5】図３の制御部における演算処理の流れの一例を示すフローチャートである。

【図6】図２の電力変換部のＹ接続点における中性点電位に対する各相の電力を示したグラフである。

【図7】変調率１．０の場合のミニマックス法による相電圧及び中性点電位の関係を示すベクトル図である。

【図8】変調率０．８の場合のミニマックス法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。

【図9】変調率１．０の場合のミニマックス法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。

【図10】変調率０．８の場合の最小二乗法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。

【図11】変調率１．０の場合の最小二乗法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。

【図12】変調率１．０の場合のミニマックス法及び最小二乗法による直流電力の二乗和の平均値を示したグラフである。

【図13】ミニマックス法及び最小二乗法による電力の二乗和及びピーク電力を比較したグラフである。

【図14】変調率０．８、力率０．５の場合のミニマックス法による相電圧及び中性点電位を示したグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0022】

本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。

【0023】

（実施の形態１）
［構成］
図１は、本実施の形態１に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。本実施の形態１の電力変換装置１００は、特に用途は限定されない。電力変換装置１００は、例えば船内における電力システムにおいて実装され、船内の電気系統から供給された交流電力を高電圧の可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、船舶推進用のモータを駆動する。図１に示すように、電力変換装置１００は、入力側の三相変圧器２を介して三相交流電源１に接続され、出力線３０を介して三相交流モータ（負荷）４に接続された電力変換部３と、電力変換部３をＰＷＭ制御する制御部７を備える。

【0024】

電力変換部３は、ａ相〜ｃ相の３つの単相インバータ３ａ〜３ｃを含み、各単相インバータ３ａ〜３ｃの一方の出力端子が出力線３０を介して負荷４に接続され、他方の出力端子が中性点Ｎを形成すべく互いにＹ接続された三相出力を有する。本実施の形態では、出力線３０には電流センサ５が設けられている。電流センサ５は、３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する３つの相電流検出器を含む。電流センサ５は検出した相電流を制御部７へ出力するようになっている。

【0025】

制御部７は、各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力が中性点Ｎの電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点Ｎの電位が変化するよう各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧を制御するものである。本実施の形態では、制御部７は、３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力の最大値が最小となるように中性点Ｎの電位が変化するよう各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃを制御する。

【0026】

ここで、本実施の形態における単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧について説明する。図７は、後述する本実施の形態のミニマックス法による出力電圧の関係を示すベクトル図である。図７（ａ）は中性点電位ｖ０がゼロの場合の単相インバータが負荷に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃのベクトル図である。図７（ｂ）は中性点電位ｖ０がゼロ以上の場合の単相インバータが負荷に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ及び出力電圧ｖ^＊ａのベクトルを示している。図７（ｂ）に示すように、例えば、単相インバータ３ａの出力電圧ｖ^＊ａは、単相インバータ３ａが負荷４に印加したい相電圧ｖａと後述する中性点電位演算部７２で演算された中性点電位ｖ０の和として表現される。中性点電位ｖ０は、中性点Ｎの電位と所定の基準電位の差で表現される。このように、単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃとは、単相インバータ３ａ〜３ｃが負荷４に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃと中性点電位ｖ０の和とする。また、所定の基準電位は、ここでは、負荷４の中性点電位である、従って、ここでの中性点電位ｖ０とは、負荷４の中性点電位と単相インバータ３ａ〜３ｃの中性点Ｎとの差となる。また、相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃは、例えば一定の周波数信号とし本実施の形態では、外部から制御部７へ入力される。

【0027】

次に単相インバータ３ａ〜３ｃの構成について具体的に説明する。単相インバータ３ａ〜３ｃの各構成は同様であるので、ここでは単相インバータ３ａについてのみ説明する。図２は、図１の電力変換部３の構成を示す回路図である。図２に示すように、単相インバータ３ａは、三相変圧器２から供給された交流電圧を直流電圧に変換する順変換器１１と、順変換器１１で変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１２と、パルス幅変調（ＰＷＭ）した電力を出力する逆変換器１３とを備える。なお、単相インバータ３ａが逆変換器１３のみで構成され、順変換器１１がこれと別体の整流器を構成してもよい。この場合、単相インバータ３ａの直流部電流（後述する最小二乗法において使用する）は、単相インバータ３ａへの入力電流となる。

【0028】

順変換器１１は、６つの整流ダイオードにより構成されている。順変換器１１には、多パルス型の整流回路やＰＷＭコンバータを用いてもよい。逆変換器１３は、それぞれ逆並列接続されたダイオードを備えた４個のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４により構成されている。この逆変換器１３は、半導体素子で形成され、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４には例えばＩＧＢＴが用いられる。また、他の実施例として単相インバータには、単相マルチレベルインバータを用いてもよい。

【0029】

尚、本実施の形態では、電流センサ５は、ａ相の相電流ｉａを検出する相電流検出器と、ｂ相の相電流ｉｂを検出する相電流検出器と、相電流ｉａ及びｉｂを減算してｃ相の相電流ｉｃを演算する減算器５１により構成される。このようにして電流センサ５は検出した相電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを制御部７へ出力する。また、他の形態として、電流センサ５は、ａ相〜ｃ相全ての相電流を検出する相電流検出器から構成されてもよい。

【0030】

次に、制御部７の構成について図３のブロック図を用いて説明する。図３に示すように、制御部７は、単相インバータが負荷４に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃと電流センサ５でそれぞれ検出される相電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃとに基づいて３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力の最大値が最小となる中性点Ｎの電位である中性点電位ｖ０を算出し、この算出した中性点電位ｖ０を相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃに加算して各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃを制御するための指令値を生成する電圧指令生成部７０と、電圧指令信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、電力変換部３にＰＷＭ信号を出力するＰＷＭ信号生成部７と、を備える。

【0031】

本実施の形態では、電圧指令生成部７０は、中性点電位演算部７２により、相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ及び相電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃとに基づいて３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力の最大値が最小となる中性点Ｎの電圧である中性点電位ｖ０を算出し、３つの加算器７３により、中性点電位ｖ０を単相インバータが負荷に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃに加算して各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃを制御するための指令値を生成する。

【0032】

ＰＷＭ信号生成部７１は、３つの加算器７３で出力された出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃの指令信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、電力変換部３にＰＷＭ信号を出力する。ＰＷＭ信号は公知の方法で生成してよいが、本実施の形態では、ＰＷＭ信号生成部７１は、電圧指令信号の符号を反転させる符号反転器７４と、搬送波である三角波を発生させる三角波発生回路７８と、２つの入力信号を比較してその大小に応じてパルスを出力する比較器７５と、論理反転器７６と、遅延回路７７を備えている。

【0033】

このような構成により、制御部７は、制御信号（ＰＷＭ信号）を電力変換部３内の例えば単相インバータ３ａへ出力する。ＰＷＭ信号は、単相セルインバータ３ａのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４の制御端子（例えばＩＧＢＴのゲート端子）に入力され、各スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオンオフ動作させることにより、単相インバータ３ａをインバータとして機能させる。制御部７は、他の単相インバータ３ｂ、３ｃについても同様にインバータとして機能させる。これにより、電力変換部３は、制御部７で演算された電圧指令値ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃに対応する電圧を出力するようにＰＷＭ制御される。

【0034】

尚、本実施の形態では、制御部７の一部は、例えば、ＦＰＧＡ(field programmable gate array)、ＰＬＣ(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の演算装置で構成され、特に中性点電位演算部７２は、上記演算装置においてそれに内蔵されているプログラムが実行されることにより実現される機能ブロックである。制御部７は、電圧指令生成部７０及びＰＷＭ信号生成部７１の他、電流センサ５の検出信号を受信する機能を備えているものとする。

【0035】

［本発明の基礎となった知見］
本発明者らは、図１、図２に示した３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの他方の出力端子が中性点Ｎを形成すべく互いにＹ接続されている電力変換部３の出力電圧について検討した。電力変換部３の負荷４に与えたい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ（ｖａ＋ｖｂ＋ｖｃ＝０）、各単相インバータ３ａ〜３ｃの中性点電位ｖ０とすると、各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃは式（１）と表すことができる。

【0036】

【数1】

【0037】

ここで各単相インバータ３ａ〜３ｃの直流電圧部の電圧をｖ_ＤＣとし、直流電圧ｖ_ＤＣは互いに等しいものとする。各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電圧について、式（２）のような制約がある。

【0038】

【数2】

【0039】

式（２）は、各単相インバータの出力端子の一端に出力される出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃの絶対値が、各単相インバータの入力電圧ｖ_ＤＣ以下であるという制約条件を表している。

【0040】

図４は、単相インバータ３ａ〜３ｃの直流電圧ｖ_ＤＣに対する単相インバータ３ａ〜３ｃが負荷４に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ及び中性点電位ｖ０の関係を示すベクトル図である。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、中性点電位ｖ０＝０、すなわちインバータ３ａ〜３ｃから見た中性点電位と負荷４から見た中性点電位が一致している場合において、相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃの絶対値が最小の場合、及び最大の場合のベクトル図をそれぞれ示している。

【0041】

図４（ａ）に示す相電圧に対し、図４（ｂ）に示すように相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃの絶対値は２／√３×ｖ_ＤＣ＝１．１５×ｖ_ＤＣまで許容されることが知られている。すなわち最大相電圧は、単相インバータの直流電圧ｖ_ＤＣの１．１５倍となる。

【0042】

図４（ｃ）及び図４（ｄ）は、最大相電圧を出力している場合に中性点電位ｖ０を変動させた場合のベクトル図を示している。図４（ｃ）及び図４（ｄ）に示すような位相角において、最大相電圧を出力している場合の中性点電位ｖ０は、（１／√３−１）×ｖ_ＤＣから（１−２／√３）×ｖ_ＤＣの範囲となる。すなわち図４（ｃ）と図４（ｄ）を比較すれば、最大電圧を出力している状態であっても、電気角によっては、まだ中性点電位ｖ０に自由度が残されていることが分かる。一般に、三相の負荷電力は線間電圧で決まり、中性点電位については自由度がある。また、いわゆるＹ接続（スター結線）マルチレベル電力変換装置１００では、この自由度を用いて３つの単相インバータの負荷分担を変えることができる。そこで、本発明者らは、中性点電位ｖ０の自由度に着目し、電力変換部３において各単相インバータの瞬時電力を平準化するための制御方法に想到した。

【0043】

［ミニマックス法］
以下、本実施の形態１の電力変換装置１００におけるピーク電力を平準化するための制御方法について図５及び図６を用いて説明する。本制御方法は、線形計画法の考え方に基づいて、３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力の最大値を最小化する中性点電位ｖ０を演算するというものである（以下、ミニマックス法ともいう）。

【0044】

図５は、制御部７による単相インバータ３ａ〜３ｃの瞬時電力の平準化処理の流れの一例を示すフローチャートである。尚、このフローチャートで実行される処理は一定の制御周期毎に行われるものとする。図５に示すように、まず、中性点電位演算部７２は、単相インバータ３ａ〜３ｃが負荷に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃ及び相電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃとに基づいて３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力の最大値が最小となる中性点Ｎの電圧である中性点電位ｖ０を算出する（ステップ１）。ここで各相の出力電力は式（３）で表される。本実施の形態では、中性点電位演算部７２は、式（３）で表される各相の電力の最大値を表す式（４）を最小化する中性点電位ｖ０を演算する。

【0045】

【数3】

【0046】

【数4】

【0047】

ここで、ステップ１で実行される式（４）の解法の一例について図６も参照しながら説明する。図６は、電力変換部３のＹ接点における中性点電位に対する各相の電力を示したグラフである。縦軸は各相の電力Ｐを示し、横軸は中性点電位ｖ０を示している。図６（ａ）はａ相〜ｃ相全てを組み合わせた電力Ｐ、図６（ｂ）はａ相とｂ相の組み合わせた電力Ｐ_ａｂ、図６（ｃ）はｂ相とｃ相の組み合わせた電力Ｐ_ｂｃ、図６（ｄ）はｃ相とａ相の組み合わせた電力Ｐ_ｃａをそれぞれ絶対値関数で示している。図６（ａ）では、絶対値関数から得られる３本の折れ線（実線、一点鎖線及び破線）は合計６個の交点をもち、そのうちの一つが解となる。今、三組の相の組み合わせ（ａ，ｂ）、（ｂ，ｃ）、（ｃ，ａ）のそれぞれについて、次式（５）で与えられる２つの相の電力の絶対値の最大を考える。

【0048】

【数5】

【0049】

そして、このＰ_ｘｙの最小を与える中性点電位ｖ０をｖ_ｘｙとする。ここで添え字ｘ，ｙはそれぞれａ，ｂ，ｃのいずれかを表すものとする。

【0050】

式（４）を中性点電位ｖ０について最小化することは比較的容易であり、図６（ｂ）〜（ｄ）に示すように、４本の直線の交点を求めるという問題に帰着される。交点がＰ_ｘｙの最小値を与えるときは、二本の直線の傾きの符号が異なっている。この性質を利用すると、（５）式の解は以下の式（６）のようになる。分子と分母にともに電流の一次の項があるので，電流についてはその位相関係によってのみ決まることに注意しなくてはならない。

【0051】

【数6】

【0052】

ここで上記三組の相の組み合わせの関係を調べる。例えば相の組み合わせ（ａ，ｂ）と（ｂ，ｃ）を考えて、Ｐ_ａｂ＞Ｐ_ｂｃとし、対応する中性点電位ｖ０をｖ_ａｂとｖ_ｂｃとする。中性点電位ｖ_ｂｃはｂ相とｃ相の組合せの場合の最小電力を与えるが、除外されたａ相の電力｜（ｖａ＋ｖｂｃ）×ｉａ｜の値はＰ_ａｂよりも更に大きくなるので、求める解の候補から除外されてしまう。結局，三組の組合せのなかで、最大のＰ_ｘｙを与えるｖ_ｘｙが式（３）の解となる。

【0053】

次に、中性点電位演算部７２は、式（２）の制約条件を満たすか否かを判定する（ステップ２）。ここで、式（２）の制約条件をｖ０について書き直すと次式（７）を得る。本実施の形態では、中性点電位ｖ０が式（７）の範囲に有るか否かを判定する。

【0054】

【数7】

【0055】

次に、中性点電位演算部７２は、中性点電位ｖ０が式（７）の条件を満たす場合は、ステップ１で演算した中性点電位ｖ０を最適値とする（ステップ３）。

【0056】

また、中性点電位演算部７２は、式（７）の条件を満たさない場合は、式（７）の条件を満たす最大値及び最小値のうち近い値を、３つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる値とする（ステップ４）。すなわち式（４）は下に凸な関数であるので、式（４）を最小化する中性点電位が（７）式で示す範囲を逸脱する場合は、（７）式の範囲内で一番近い値を選択すればよい。本実施の形態では、中性点電位ｖ０は、式（７）の最大値ｖ_ＤＣ−ｍａｘ（ｖａ、ｖｂ、ｖｃ）、式（７）の最小値−ｖ_ＤＣ−ｍａｘ（ｖａ、ｖｂ、ｖｃ）のうちのいずれかが選択される。これにより、中性点電位ｖ０が制約条件（７）を満たさない場合でも、単相インバータの出力電圧が単相インバータの入力電圧を上限又は下限としてカットされることを好適に防止できる。

【0057】

次に、電圧指令生成部７０は、中性点電位演算部７２で演算した中性点電位ｖ０と相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃを加算し、出力電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃの指令信号を出力する（ステップ５）。

【0058】

次に、ＰＷＭ信号生成部７１は、電圧指令信号に基づいてＰＷＭ信号を生成し、電力変換部３にＰＷＭ信号を出力する（ステップ６）。これにより、電力変換部３が、制御部７で演算された電圧指令信号に対応する電圧ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃを出力するようにＰＷＭ制御される。

【0059】

上記構成によれば、制御部７が、ミニマックス法という最適化方法を用いて、各単相インバータ３ａ〜３ｃの出力電力ｖ^＊ａ、ｖ^＊ｂ、ｖ^＊ｃが中性点Ｎの電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点Ｎの電位が変化するよう各単相インバータの出力電圧を制御するので、単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することができる。

【0060】

このように、本実施の形態によれば、従来は電圧利用率の向上や、歪み率の低減という観点から議論されることの多かった中性点電位の選択方法について相毎の瞬時電力の最大を最小化するという効果を奏するものである。このような点で、本実施の形態のピーク電力の平準化制御は、他の目的による制御とは本質的に相違しており、Ｙ接続された３つの単相インバータを有する三相出力の電力変換装置ならではの独創的な構成である。

【0061】

（実施の形態２）
［最小二乗法］
次に、本発明の実施の形態２について説明する。尚、実施の形態１と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。本実施の形態２のピーク電力の平準化するための制御方法は、最小二乗法の考え方に基づいて、３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの直流部電流の二乗和を最小化する中性点電位ｖ０を演算するというものである（以下、最小二乗法ともいう）。

【0062】

すなわち、本実施の形態２の電力変換装置は、実施の形態１と比較すると、中性点電位演算部７２が、実施の形態１における図５のステップ１において、式（５）の制約条件を満たす中性点電位ｖ０の最適値を、３つの単相インバータ３ａ〜３ｃの直流部電流の二乗和が最小となる中性点電位ｖ０を最適値とする点が相違する。

【0063】

例えばａ相の単相インバータ３ａの直流電圧部に流れる電流は、（ｖａ＋ｖ０）ｉａ／ｖ_ＤＣとなる。ここで、式（８）のように、三台の単相インバータ３ａ〜３ｃの直流部電流の二乗和Ｗを考える。

【0064】

【数8】

【0065】

ここで、式（８）は、ｖ０に関する下に凸な二次関数であるので、中性点電位演算部７２は、式（８）を最小にするような中性点電位ｖ０を式（９）により演算する。

【0066】

【数9】

【0067】

前記３つの単相インバータの直流部電流の二乗和は、直流部の配線における配線抵抗による電力損失に対応するので、上記構成により、電力損失を最小化することができる。また、本実施の形態のように、インバータに変圧器が接続される場合には、変圧器の二次巻線に流れる電流と直流部電流は比例するので変圧器巻線における巻線抵抗による発熱を最小化することができる。同様な理由で、変圧器２の二次巻線の銅損や、平滑コンデンサ１１の損失を最小化することができる。

【0068】

尚、実施の形態１におけるミニマックス法の式（３）と同様に式（８）も下に凸な関数であるので、式（８）を最小化する中性点電位が式（５）で示す範囲を逸脱する場合は、上記実施の形態１と同様に、式（５）の範囲内で一番近い値を選べばよい。

【0069】

［シミュレーション結果］
本発明者等は、上記各実施の形態の効果を実証するために、ミニマックス法及び最小二乗法によるシミュレーションを行った。シミュレーションでは、負荷電流ｉａ、ｉｂ、ｉｃを平衡した三相交流電流と仮定し、単相インバータ３ａ〜３ｃが負荷４に印加したい相電圧ｖａ、ｖｂ、ｖｃと中性点電位ｖ０、直流部電力の二乗和Ｗ、及び相毎の瞬時電力Ｐを計算した。図８〜図１２は、負荷力率が１．０の場合の計算結果のグラフを示している。波形が錯綜するので、２相分についてのみ示している。尚、図中の変調率Ｍは負荷に与える相電圧を直流部電圧で除した値で定義され、零から２／√３の値をとる。図中には、式（７）の条件で示される解の範囲もあわせて示している。電圧利用率の向上を優先する場合には、中性点電位は式（７）の範囲内で零に近い値を選択することが多い。計算結果をみるとこの逆に、相電力の最小化をするために、中性点電位は非常に大きく動いている。

【0070】

まず、ミニマックス法によるシミュレーション結果を示す。図８（ａ）及び図８（ｂ）は、ミニマックス法による変調率Ｍが０．８の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図９（ａ）及び図９（ｂ）は、ミニマックス法による変調率Ｍが１．０の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図８及び図９のグラフに示すように、ミニマックス法による結果では、中性点電位は変調率が小さいときから三角波状をなしている。変調率が大きい場合では、三角波形状を保ったまま、制限範囲内で大きく変動する。相電力の瞬時値をみると、変調率Ｍが１．０を超えない範囲ではミニマックス法による方法ではおよそ１／６周期の間、二つの相の瞬時電力が一致している。

【0071】

次に、最小二乗法によるシミュレーション結果を示す。図１０（ａ）及び図１０（ｂ）は、最小二乗法による変調率Ｍが０．８の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図１１（ａ）及び図１１（ｂ）は、最小二乗法による変調率Ｍが１．０の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図１０及び図１１のグラフに示すように、二乗和の最小化による方法では、変調率が小さいとき、中性点電位が基本波の三倍の周波数をもつ正弦波をなしており、電圧利用率の向上のための三次調波と同様の動きをしている。ただし、変調率が大きくなると中性点電位は制限範囲内で大きく変動する。また、二乗和の最小化による方法では相毎の一致区間が無く、ピーク電力そのものも、ミニマックス法による結果と比べわずかながら大きくなっている。

【0072】

図１２（ａ）及び図１２（ｂ）は、ミニマックス法及び最小二乗法による変調率１．０の場合の直流電力の二乗和の平均値の時間変化をそれぞれ示したグラフである。図１２に示すように、ミニマックス法及び最小二乗法により、直流電力の二乗和の平均値は中性点電位の変動により、同程度抑制されていることが分かる。

【0073】

図８〜図１２の結果をまとめたものが図１３である。図１３は、補正無しの場合とミニマックス法及び最小二乗法による電力の二乗和とピーク電力を比較したグラフである。図１３に示すように、変調率が１．０のとき、中性点電位をまったく動かさない補正無しの場合に比べ、二乗和の最小化による方法では、最大電力がおよそ２２％低減されている。また、ミニマックス法による方法では、２５％改善されている。

【0074】

一方で、直流部電流の二乗和の平均値は、二乗和の最小化による方法がごくわずか小さいが、無視しうる範囲であり、二つの方法で大きな差異はないとみなせる。本発明者らは、最小二乗法よりもミニマックス法が望ましい結果が得られたと総合的に評価している。

【0075】

図１４（ａ）及び図１４（ｂ）は、負荷力率０．５及び変調率０．８の場合のミニマックス法による相電圧、中性点電位及び相電力の結果を示したグラフである。図１４に示すように、中性点電位の動きは、力率が１．０の場合と大きく異なっており、力率の変化に応じて瞬時電力を最小化しようと働いていることがわかる。

【0076】

以上の二乗和の最小化による方法とミニマックス法による方法についてシミュレーション結果から、僅かながらミニマックス法による方法が優れていることが明らかになった。両方法の計算量について検討した場合、ミニマックス法の解法では、少なくとも６回の絶対値演算と３回の除算、および三つの変数の比較を必要とする。よって計算量という点では二乗和最小化法の方が有利である。しかし近年の制御装置の性能向上を考えると、この演算に要する時間の差は軽微であると考えられる。本方式は，不平衡負荷や非線形負荷にともなう電流の不平衡、高調波にも対応できるという利点がある。

【0077】

尚、上記各実施の形態における電力変換部３の出力側には出力線３０を介して三相交流負荷４が接続されたが、これに限られるものではなく、二相負荷であってもよい。このような場合ではあっても、上記各実施の形態で説明したような効果を奏することができる。

【0078】

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。

【産業上の利用可能性】

【0079】

本発明は、三相出力の電力変換装置に用いることができる。

【符号の説明】

【0080】

１ 三相交流電源
２ 三相変圧器
３ 電力変換部
３ａ〜３ｃ 単相インバータ（ａ相〜ｃ相）
４ モータ（負荷）
５ 電流センサ
７ 制御部
１１ 順変換器
１２ 平滑コンデンサ
１３ 逆変換器
３０ 出力線
７０ 電圧指令生成部
７１ ＰＷＭ信号生成部
７２ 中性点電位演算部
７３ 加算器
７４ 符号反転器
７５ 比較器
７６ 論理反転器
７７ 遅延回路
７８ 三角波発生回路
１００ 電力変換装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】