特許 6426462 電力変換装置およびその制御方法

(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】6426462

(24)【登録日】2018年11月2日

(45)【発行日】2018年11月21日

(54)【発明の名称】電力変換装置およびその制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/487 20070101AFI20181112BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20181112BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/487

   H02M7/48 G

【請求項の数】8

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2014-260441(P2014-260441)

(22)【出願日】2014年12月24日

(65)【公開番号】特開2016-123160(P2016-123160A)

(43)【公開日】2016年7月7日

【審査請求日】2017年7月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【識別番号】317015294

【氏名又は名称】東芝エネルギーシステムズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100189913

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜飼 健

(72)【発明者】

【氏名】長谷川 隆太

(72)【発明者】

【氏名】河野 真也

(72)【発明者】

【氏名】藤田 崇

(72)【発明者】

【氏名】石月 照之

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−２２３２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２２２４３４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０００−２８７４５３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−１０００２５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１９３５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０５−１４６１６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／４８７

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３つの電位を有した直流電源に接続される中性点クランプ形の電力変換装置ユニットと、
前記電力変換装置ユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する制御手段とを具備し、
前記制御手段は、
前記電力変換装置ユニットをワンパルス制御によって駆動し、系統電圧の基準位相に対する、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差を制御することで前記電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分を制御し、かつ、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角、および、前記基準位相と前記位相差との和に基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角は、５次高調波成分を消去するための第１の位相角、および、７次高調波成分を消去するための第２の位相角であり、
前記第１の位相角は０．０９ｒａｄであり、前記第２の位相角は０．５４ｒａｄである
電力変換装置。

【請求項2】

前記制御手段は、
前記電力変換装置ユニットの中性点電位変動が抑制されるように、前記スイッチング素子のスイッチングパターンを選択する
請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記電力変換装置ユニットは、三相の交流電圧を出力し、
前記所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角は、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の５次以上の奇数次高調波成分を消去するための位相角である
請求項１記載の電力変換装置。

【請求項4】

３つの電位を有した直流電源に接続される中性点クランプ形の電力変換装置ユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する方法であって、
前記電力変換装置ユニットをワンパルス制御によって駆動し、系統電圧の基準位相に対する、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差を制御することで前記電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分を制御し、かつ、および前記電力変換装置ユニットの出力電圧の所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角、および、前記基準位相と前記位相差との和に基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角は、５次高調波成分を消去するための第１の位相角、および、７次高調波成分を消去するための第２の位相角であり、
前記第１の位相角は０．０９ｒａｄであり、前記第２の位相角は０．５４ｒａｄである
電力変換装置の制御方法。

【請求項5】

３つの電位を有した直流電源に接続される中性点クランプ形の電力変換装置ユニットと、
前記電力変換装置ユニットの直流側における高電位側に接続される第１のコンデンサと、
前記第１のコンデンサと直列に接続され、前記直流側における低電位側に接続される第２のコンデンサと、
前記電力変換装置ユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する制御手段とを具備し、
前記スイッチング素子は、前記電力変換装置ユニットのレグに属し、
前記制御手段は、
前記電力変換装置ユニットをワンパルス制御によって駆動し、系統電圧の基準位相に対する、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差を制御することで前記電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分を制御し、かつ、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角、および、前記基準位相と前記位相差との和に基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記第１のコンデンサの電位が、前記第２のコンデンサの電位と異なる場合に、前記電力変換装置ユニットの中性点電位変動が抑制されるように、前記スイッチング素子のオンオフを制御するための前記スイッチング素子のスイッチングパターンを、前記第１のコンデンサの電位と前記第２のコンデンサの電位との大小と、前記電力変換装置ユニットの出力電流の方向とに基づいて選択し、
前記中性点電位変動は、前記２つのコンデンサの１つのみが充電又は放電される、定義されたスイッチングパターンで生じ、各レグへの前記位相角の割り当ては、前記定義されたスイッチングパターンの間で切り替えられる
電力変換装置。

【請求項6】

前記所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角は、５次高調波成分を消去するための第１の位相角、および、７次高調波成分を消去するための第２の位相角であり、
前記第１の位相角は０．０９ｒａｄであり、前記第２の位相角は０．５４ｒａｄである請求項５記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記電力変換装置ユニットは、三相の交流電圧を出力し、
前記所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角は、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の５次以上の奇数次高調波成分を消去するための位相角である
請求項５記載の電力変換装置。

【請求項8】

３つの電位を有した直流電源に接続される中性点クランプ形の電力変換装置ユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する方法であって、
前記電力変換装置ユニットをワンパルス制御によって駆動し、系統電圧の基準位相に対する、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差を制御することで前記電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分を制御し、かつ、および前記電力変換装置ユニットの出力電圧の所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角、および、前記基準位相と前記位相差との和に基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御し、
前記スイッチング素子は、前記電力変換装置ユニットのレグに属し、
前記電力変換装置ユニットの直流側における高電位側に接続された第１のコンデンサの電位が、前記第１のコンデンサと直列に接続されて前記直流側における低電位側に接続された第２のコンデンサの電位と異なる場合に、前記電力変換装置ユニットの中性点電位変動が抑制されるように、前記スイッチング素子のオンオフを制御するための前記スイッチング素子のスイッチングパターンを、前記第１のコンデンサの電位と前記第２のコンデンサの電位との大小と、前記電力変換装置ユニットの出力電流の方向とに基づいて選択し、
前記中性点電位変動は、前記２つのコンデンサの１つのみが充電又は放電される、定義されたスイッチングパターンで生じ、各レグへの前記位相角の割り当ては、前記定義されたスイッチングパターンの間で切り替えられる
電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置およびその制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

大電力を出力する電力変換装置は高電圧を変換する。このため、耐電圧が高いスイッチング素子を用いるか、耐電圧が高くないスイッチング素子を直列に接続して耐電圧を高くする必要がある。さらに、トランスを用いて電力変換装置を多段化して、出力電圧を高くする必要がある。

【0003】

スイッチング素子の耐電圧が高い場合、このスイッチング素子のスイッチング損失は大きい。このため、スイッチング素子を出力周波数の１周期あたり１回のみスイッチング（ワンパルス）し、位相をずらすことによって特定の高調波を消去する制御を行うことがある。このような特定高調波を消去するワンパルス制御は、スイッチング素子をスイッチングすることに因る損失を低減でき、かつ高調波を低減できる利点を有する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１４−１０００２５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped）（中性点クランプ形）電力変換装置にＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御を適用した際、出力電圧は、より正弦波に近づき、高調波成分を大きく低減できる。しかし、この電力変換装置を大電力で使用する場合、スイッチング素子をスイッチングすることに因る損失が、より大きくなる。

【0006】

本発明が解決しようとする課題は、スイッチング損失を低減することが可能であり、また、特定高調波成分を消去することが可能な電力変換装置およびその制御方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

実施形態における電力変換装置は、３つの電位を有した直流電源に接続される中性点クランプ形の電力変換装置ユニットと、前記電力変換装置ユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する制御手段とを具備し、前記電力変換装置ユニットをワンパルス制御によって駆動し、系統電圧の基準位相に対する、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差を制御することで前記電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分を制御し、かつ、前記電力変換装置ユニットの出力電圧の所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角、および、前記基準位相と前記位相差との和に基づいて前記スイッチング素子のオンオフを制御し、前記所定の奇数次高調波成分を消去するための位相角は、５次高調波成分を消去するための第１の位相角、および、７次高調波成分を消去するための第２の位相角であり、前記第１の位相角は０．０９ｒａｄであり、前記第２の位相角は０．５４ｒａｄである。

【発明の効果】

【0008】

本発明によれば、電力変換装置のスイッチング損失を低減することができ、また、出力電圧の特定高調波成分を消去することができる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】実施形態における電力変換装置の回路構成の一例を示す図。

【図2】実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの回路構成の一例を示す図。

【図3】実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの出力電圧とスイッチング素子の状態の関係の一例を示す図。

【図4】実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕと位相の関係の一例を示す図。

【図5】実施形態における電力変換装置ユニットの制御装置の機能構成例を示すブロック図。

【図6】実施形態における電力変換装置を用いて中性点電位変動を抑制するスイッチング方法の一例を示すフローチャート。

【図7】実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕのスイッチング素子状態と出力電圧のタイミングチャートの一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、実施形態について図面を用いて説明する。
図１は、実施形態における電力変換装置の回路構成の一例を示す図である。この電力変換装置は、直流電圧を任意の周波数及び電圧に変換して三相（ＵＶＷ相）交流負荷１０を駆動する。
Ｕ相の電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕは、直流電圧Ｖ_ＤＣを入力する。この電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの出力端子は、トランスＴＲのＵ相１次側巻線に接続される。
Ｖ相、Ｗ相の電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｖ、ＣＮＶ_Ｗもまた、Ｕ相と共通の直流電圧Ｖ_ＤＣを入力し、これらの電力変換装置ユニットの出力端子はトランスＴＲのＶ相、Ｗ相１次側巻線に１対１で接続される。
図１に示した電力変換装置ユニットの制御装置２０は、電圧指令値及び各部の電圧値、電流値及び位相に基づいて、ゲート指令を各相の電力変換装置ユニットを構成するスイッチング素子に出力することで、各相の電力変換装置ユニットを制御する。

【0011】

次に、Ｕ相を例として各相の電力変換装置ユニットの詳細構成を説明する。図２は、実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの回路構成の一例を示す図である。
図１に示すように、電力変換装置ユニットの直流側において高電位側のコンデンサＣ_Ｐと、低電位側のコンデンサＣ_Ｎとが直列接続される。また、電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕは、図２に示した８つの自己消弧形スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４、Ｓ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７、Ｓ_Ｕ８と、全スイッチング素子に１対１で逆並列接続される８つの還流ダイオードＤ_Ｕ１、Ｄ_Ｕ２、Ｄ_Ｕ３、Ｄ_Ｕ４、Ｄ_Ｕ５、Ｄ_Ｕ６、Ｄ_Ｕ７、Ｄ_Ｕ８と、コンデンサＣ_Ｐ、Ｃ_Ｎの相互接続点（中性点Ｎ）に接続される４つのクランプダイオードＤ_Ｕ９、Ｄ_Ｕ１０、Ｄ_Ｕ１１、Ｄ_Ｕ１２とを有する。

【0012】

この電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕは、スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４を高電位側から低電位側にかけて直列接続し、またＳ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７、Ｓ_Ｕ８を高電位側から低電位側にかけて直列接続して２つのレグを構成し、クランプダイオードの相互接続点を中性点Ｎに接続したＮＰＣ（中性点クランプ形）フルブリッジ電力変換装置である。なお、スイッチング素子Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３の接続点電圧Ｖ_ＵＡとスイッチング素子Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７の接続点電圧Ｖ_ＵＢとの電位差Ｖ_ＵＡ−Ｖ_ＵＢがトランスＴＲへ出力される。
以下、Ｕ相を例にＮＰＣレグの構成を説明する。
Ｕ相のＮＰＣレグは、４つの自己消弧形スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４が高電位側から低電位側にかけて直列に接続され、これらのスイッチング素子と逆並列に還流ダイオードＤ_Ｕ１、Ｄ_Ｕ２、Ｄ_Ｕ３、Ｄ_Ｕ４が１対１で接続される。
さらに、スイッチング素子Ｓ_Ｕ１のエミッタと中性点Ｎとの間にクランプダイオードＤ_Ｕ９が接続され、中性点Ｎとスイッチング素子Ｓ_Ｕ３のエミッタとの間にクランプダイオードＤ_Ｕ１０が接続される。クランプダイオードＤ_Ｕ９のアノードは中性点Ｎに接続され、クランプダイオードＤ_Ｕ９のカソードはスイッチング素子Ｓ_Ｕ１のエミッタに接続される。クランプダイオードＤ_Ｕ１０のアノードはスイッチング素子Ｓ_Ｕ３のエミッタに接続され、クランプダイオードＤ_Ｕ１０のカソードは中性点Ｎに接続される。

【0013】

スイッチング素子Ｓ_Ｕ２のエミッタおよびスイッチング素子Ｓ_Ｕ３のコレクタは、トランスＴＲのＵ相１次側巻線端子に接続される。スイッチング素子Ｓ_Ｕ６のエミッタおよびスイッチング素子Ｓ_Ｕ７のコレクタは、トランスＴＲのＵ相１次側巻線端子に接続される。このように、自己消弧形スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４、還流ダイオードＤ_Ｕ１、Ｄ_Ｕ２、Ｄ_Ｕ３、Ｄ_Ｕ４、クランプダイオードＤ_Ｕ９、Ｄ_Ｕ１０でＵ相のＮＰＣレグが構成される。Ｖ相、Ｗ相のＮＰＣレグ構成はＵ相のＮＰＣレグと同様である。
Ｖ相、Ｗ相の各電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｖ、ＣＮＶ_Ｗの構成は、Ｕ相の電力変換装置ユニットと同様である。

【0014】

上述したように構成された実施形態の作用を詳細に説明する。
ここでは、電力変換装置ユニット単体の電圧出力方法をＵ相の電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕを例として説明する。
電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕは上記のようにフルブリッジ構成である。この電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕを構成するスイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４、Ｓ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７、Ｓ_Ｕ８を制御装置２０によりオン／オフ制御することによって直流電圧をＶ_ＤＣとすると、電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕは、−Ｖ_ＤＣ、−Ｖ_ＤＣ／２、０、＋Ｖ_ＤＣ／２、＋Ｖ_ＤＣでなる５レベルの電圧をトランスＴＲに出力できる。

【0015】

図３は、実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの出力電圧とスイッチング素子の状態の関係の一例を示す図である。
図３に示すように、電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの出力電圧ごとに設定される、スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４、Ｓ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７、Ｓ_Ｕ８のＯＮ／ＯＦＦ状態は、９通りのパターン[１]〜[９]から成る。
また、Ｓ_Ｕ１がＯＮのときＳ_Ｕ３はＯＦＦし、Ｓ_Ｕ４がＯＮのときＳ_Ｕ２はＯＦＦし、Ｓ_Ｕ５がＯＮのときＳ_Ｕ７はＯＦＦし、Ｓ_Ｕ８がＯＮのときＳ_Ｕ６はＯＦＦする。このように、同じレグにおける複数のスイッチング素子がそれぞれ相補的に動作する。
出力電圧が０となるスイッチングパターンは[４]〜[６]の３通り、＋Ｖ_ＤＣ／２及び−Ｖ_ＤＣ／２のスイッチングパターンは[２]及び[３]、[７]及び[８]のそれぞれ２通りがあり、冗長性がある。
この冗長性を利用し、制御装置２０は、ＮＰＣ電力変換装置ユニットの中性点電位変動を抑制できるスイッチングパターンを決定する。

【0016】

電力変換装置ユニットの２つのレグの片方のみが中性点Ｎに接続されているとき、つまりコンデンサＣ_Ｐ，Ｃ_Ｎのうち片方のみが電流経路に含まれているとき、中性点電位が変動する。

【0017】

すなわち、出力電圧が＋Ｖ_ＤＣ／２（スイッチングパターン[２]、[３]）または−Ｖ_ＤＣ／２（スイッチングパターン[７]、[８]）のとき、中性点電位が変動する。中性点電位が変動する理由は、コンデンサＣ_Ｐ，Ｃ_Ｎの片方のみが充電あるいは放電されるためである。

【0018】

中性点電位の変動方向は、中性点Ｎに接続されているレグとトランスＴＲの１次側巻線電流Ｉ_Ｕの方向とで決定される。
出力電圧が−Ｖ_ＤＣ、＋Ｖ_ＤＣのときは、スイッチングパターンは一意に決定される上、中性点Ｎには電流が流入しない、つまり２つのコンデンサＣ_Ｐ，Ｃ_Ｎに同一の電流が流れるので中性点電位は変動しない。

【0019】

出力電圧が０のときは、スイッチングパターンは[４]〜[６]の３通りであるが、１組（２個）のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ状態を変更することで、スイッチングパターンを[２]、[３]、[７]、[８]の何れのスイッチングパターンへ移行できるように、制御装置２０は、スイッチングパターン[５]を常に選択する。

【0020】

例えば、出力電圧を０から＋Ｖ_ＤＣ／２へ変化させたいとき、スイッチングパターンを[５]から[２]へ移行するためには、Ｓ_Ｕ１とＳ_Ｕ３とでなる１組のスイッチング素子のみを制御装置２０がスイッチングすればよい。しかし、スイッチングパターンを[６]から[２]へ移行するためには、Ｓ_Ｕ１とＳ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ２とＳ_Ｕ４、および、Ｓ_Ｕ６とＳ_Ｕ８の３組のスイッチング素子を制御装置２０がスイッチングすることが必要となる。
このように、スイッチングパターンを[５]から[２]、[３]、[７]、および[８]へ移行するには、制御装置２０が１組のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦすればよいので、スイッチングの回数を最低限にできる。

【0021】

上述したスイッチングパターンに従い、低次高調波を低減した電圧をトランスＴＲに出力する方法について述べる。
方形波電圧には、基本波（１次）に加え、３次、５次、７次、１１次、１３次、１７次、１９次、２３次、２５次・・・の高調波が重畳する。尚、位相０〜πにおいて出力波形は左右対称であり、位相π〜２πにおいても出力波形は左右対称である。
このような電圧波形を電力変換装置ユニットからトランスＴＲに出力する場合、偶数次の高調波は発生しない。また、３次高調波は３相線間電圧において互いに打ち消し合う。

【0022】

高調波振幅の大きさは、上記の２つのレグのそれぞれに割り当てられる各電圧レベルの立ち上がり位相α_１、α_２によって決定される。そのため、高調波振幅の大きさを決定する自由度、すなわち調整可能な位相はα_１、α_２の２つである。

【0023】

高調波電圧の振幅は高調波の次数が上がるほど小さくなるので、低い次数の高調波を消去すると電圧歪みを大きく改善する効果が得られる。よって、高調波で次数が最も低い３次高調波を消去する必要があるが、前述したように３ｋ（ｋは自然数）倍次の高調波、すなわち３の倍数次の高調波は、位相が１２０°ずれた３相の線間電圧をトランスＴＲに出力することによって打ち消し合う。よって、３次高調波の次に次数が高い５、７次高調波を消去するためには、以下の式（１）、式（２）を満たす必要がある。

【0024】

cos(5α₁)+cos(5α₂)=0 …式（１）
cos(7α₁)+cos(7α₂)=0 …式（２）
これらの式（１）、式（２）によりα_１、α_２は一意に算出できる。ここでは、α_１は０．０９ｒａｄであり、α_２は０．５４ｒａｄである。これら算出した位相α_１、α_２を２つのレグに１対１で割り当てることで、図４に示すような、５、７次高調波を消去した電圧が電力変換装置ユニットからトランスＴＲに出力される。

【0025】

ここで、電圧利用率（直流入力電圧に対する基本波振幅の割合）Ｍは、以下の式（３）にて表わされる。
2(cos(α₁)+cos(α₂))/π=Ｍ …式（３）
上記の式（１）、式（２）より位相α_１、α_２は５、７次高調波を消去する値に決定されるため、電圧利用率Ｍは固定値である。このため、電力変換装置ユニットの出力電流を制御するために出力電圧の振幅を制御することはできない。そこで、本実施形態では、３相出力電流を有効電流成分及び無効電流成分に分離する。

【0026】

図５は、実施形態における電力変換装置の制御装置の機能構成例を示すブロック図である。
図５に示すように、制御装置２０は、減算器２１、電流制御器２２、位相演算部２３、加算器２４およびゲート生成部２５を有する。
減算器２１は、電力変換装置ユニットの３相出力電流の有効電流指令値Ｉ_Ｐ^＊と電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分Ｉ_Ｐとの差分を電流制御器２２に出力する。
電流制御器２２は、比例積分制御（ＰＩ制御）を行うための演算器２２ａ，２２ｂ、加算器２２ｃを有する。
演算器２２ａは、減算器２１からの出力値にフィードバックゲインＫ_ｐを与えた値を加算器２２ｃに出力する。演算器２２ｂは、減算器２１からの出力値を積分してフィードバックゲインＫ_iを与えた値を加算器２２ｃに出力する。加算器２２ｃは、演算器２２ａ，２２ｂからの出力値の和を位相演算部２３に出力する。

【0027】

位相演算部２３は、加算器２２ｃからの出力値の逆正弦（アークサイン）を演算することで、系統電圧の基準位相θ_Ｓ対する、電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差θ^＊を演算する。
加算器２４は、系統電圧の基準位相θ_Ｓと、この基準位相θ_Ｓに対する、電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差θ^＊との和をゲート生成部２５に出力する。ゲート生成部２５は、加算器２４からの出力値と、位相α_１、α_２とに基づいて電力変換装置ユニットのスイッチング素子へのゲート制御信号を生成してスイッチング素子に出力する。
このようにして、基準位相θ_Ｓに対する、電力変換装置ユニットの出力電圧の位相差θ^＊を制御することで、電力変換装置ユニットの出力電流の有効電流成分Ｉ_Ｐを制御することができる。
上記のように、電圧利用率Ｍが固定である場合でも、上記の位相制御を適用することで、電圧利用率Ｍを制御した場合と同様の電流制御が可能となる。

【0028】

図６は、実施形態における電力変換装置を用いて中性点電位変動を抑制するスイッチング方法の一例を示すフローチャートである。図６では、電力変換装置ユニットが出力電圧として−Ｖ_ＤＣ／２又は＋Ｖ_ＤＣ／２を出力するときの中性点電位変動を抑制する、制御装置２０によるスイッチング方法を示す。
ここで、コンデンサＣ_Ｐの電位をＶ_Ｐとし、コンデンサＣ_Ｎの電位をＶ_Ｎとし、出力電流Ｉ_ｕが電力変換装置ユニットからトランスＴＲに向かう方向（電流方向）を正方向とする。
例えば、電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの出力電圧Ｖ_Ｕが±Ｖ_ＤＣ／２で（Ｓ１のＹＥＳ）、電位Ｖ_Ｐが電位Ｖ_Ｎより大きく（Ｓ３のＹＥＳ）、電流方向が正の場合（Ｓ４のＹＥＳ）について説明する。
この場合、コンデンサＣ_Ｎに充電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｎが上昇し、中性点電位変動が抑制される。
このとき、電圧−Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン [７]を選択し、電圧＋Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[２]を選択すれば、電位Ｖ_Ｎが電位Ｖ_Ｐに近づく方向に電流が流れ、中性点電位変動が抑制される（Ｓ５）。なお、出力電圧Ｖ_Ｕが±Ｖ_ＤＣ／２でない場合で（Ｓ１のＮＯ）、電圧０を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[５]を選択し、電圧＋Ｖ_ＤＣを出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[１]を選択し、−Ｖ_ＤＣを出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[９]を選択すればよい（Ｓ２）。

【0029】

また、Ｖ_Ｐ＞Ｖ_Ｎの場合の他の例について説明する。
上記のようにＶ_Ｐ＞Ｖ_Ｎで電流方向が正の場合で、コンデンサＣ_Ｐから放電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｐが低下し、中性点電位変動が抑制される。
また、Ｖ_Ｐ＞Ｖ_Ｎで電流方向が負の場合（Ｓ４のＮＯ）で、コンデンサＣ_Ｐから放電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｐが低下し、中性点電位変動が抑制される。
同じくＶ_Ｐ＞Ｖ_Ｎで電流方向が負の場合で、コンデンサＣ_Ｎに充電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｎが上昇し、中性点電位変動が抑制される。
上記のようにＶ_Ｐ＞Ｖ_Ｎで電流方向が負の場合で、電圧−Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[８]を選択し、電圧＋Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[３]を選択する（Ｓ６）。

【0030】

次に、Ｖ_Ｐ＜Ｖ_Ｎの場合（Ｓ３のＮＯ）の例について説明する。
Ｖ_Ｐ＜Ｖ_Ｎで電流方向が正の場合（Ｓ７のＹＥＳ）で、コンデンサＣ_Ｐに充電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｐが上昇し、中性点電位変動が抑制される。
同じくＶ_Ｐ＜Ｖ_Ｎで電流方向が正の場合で、コンデンサＣ_Ｎから放電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｎが低下し、中性点電位変動が抑制される。
上記のようにＶ_Ｐ＜Ｖ_Ｎで電流方向が正の場合で、電圧−Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[８]を選択し、電圧＋Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[３]を選択する（Ｓ８）。

【0031】

Ｖ_Ｐ＜Ｖ_Ｎで電流方向が負の場合（Ｓ７のＮＯ）で、コンデンサＣ_Ｎから放電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｎが低下し、中性点電位変動が抑制される。
同じくＶ_Ｐ＜Ｖ_Ｎで電流方向が負の場合で、コンデンサＣ_Ｐに充電する方向に電流を流せば電位Ｖ_Ｐが上昇し、中性点電位変動が抑制される。
上記のようにＶ_Ｐ＜Ｖ_Ｎで電流方向が負の場合で、電圧−Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[７]を選択し、電圧＋Ｖ_ＤＣ／２を出力したいときは制御装置２０がスイッチングパターン[２]を選択する（Ｓ９）。

【0032】

尚、スイッチングパターン［３］、［７］は、スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４により構成されたレグに位相α_１を閾値として与え、スイッチング素子Ｓ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７、Ｓ_Ｕ８により構成されたレグに位相α_２を閾値として与えた状態である。

【0033】

同様に、スイッチングパターン［２］、［８］は、スイッチング素子Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ４により構成されたレグに位相α_２を閾値として与え、スイッチング素子Ｓ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７、Ｓ_Ｕ８により構成されたレグに位相α_１を閾値として与えた状態である。
すなわち、スイッチングパターン［３］、［７］とスイッチングパターン［２］、［８］の間で各レグへの位相α_１、α_２の割り当てが切り替えられることを示している。

【0034】

このようにして、制御装置２０は、電位Ｖ_Ｐ、電位Ｖ_Ｎの大小と出力電流Ｉ_ｕの方向とに従って電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕのスイッチングパターンを決定する。

【0035】

図７は、実施形態における電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕのスイッチング素子状態と出力電圧のタイミングチャートの一例を示す図である。この図７では、スイッチングパターンと電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕの直流巻線電圧Ｖ_Ｕ２１のタイミングチャートが示される。
電力変換装置ユニットＣＮＶ_Ｕは、立ち上がり位相α_１とα_２の電圧をトランスＴＲに出力する。図７では、Ｓ_Ｕ１、Ｓ_Ｕ４、Ｓ_Ｕ５、Ｓ_Ｕ８のスイッチングパターンのみを示す。Ｓ_Ｕ２、Ｓ_Ｕ３、Ｓ_Ｕ６、Ｓ_Ｕ７は上記素子に対して相補的にスイッチングするので、これらの素子のスイッチングパターンは図７に記載していない。
また、図３に示したスイッチングパターンに対応するように、電圧Ｖ_Ｕ２１に対するスイッチング素子の状態を［１］〜［９］で示した。

【0036】

同じ電圧＋Ｖ_ＤＣ／２でもスイッチングパターンが［２］と［３］の２通り存在するのは、中性点電位変動を抑制するために図５のフローチャートに従って、制御装置２０がスイッチングパターンを選択するためである。出力電圧−Ｖ_ＤＣ／２に対する２通りのスイッチングパターン［７］、［８］の選択についても同様である。
以上の電力変換装置ユニットＣＮＶＵの動作は他の相の電力変換装置ユニットにも共通する。

【0037】

以上のように、本実施形態における電力変換装置ユニットの構成および制御方法により、単相ＮＰＣ電力変換装置ユニットにおけるワンパルス制御にて低次高調波の少ない電圧が得られる。
また、電圧利用率Ｍを固定値とした場合においても、位相制御を適用することで、電流制御が可能となる。加えて、本実施形態では、ワンパルス制御を適用しているため、電力変換装置ユニットのスイッチング回数を抑え、スイッチング損失を低減することが可能となる。

【0038】

なお、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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。

【符号の説明】

【0039】

１０…負荷、２０…制御装置、２１…減算器、２２…電流制御器、２２ａ，２２ｂ…演算器、２２ｃ，２４…加算器、２３…位相演算部、２５…ゲート生成部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】