(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2023167438
(43)【公開日】2023-11-24
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/487 20070101AFI20231116BHJP
【ＦＩ】
H02M7/487
【審査請求】未請求
【請求項の数】5
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022078624
(22)【出願日】2022-05-12
(71)【出願人】
【識別番号】000005234
【氏名又は名称】富士電機株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110003177
【氏名又は名称】弁理士法人旺知国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】西 将希
(72)【発明者】
【氏名】森嶋 洋介
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770DA01
5H770DA32
5H770DA34
5H770EA01
5H770EA30
5H770HA02Y
5H770HA03W
5H770HA03Y
5H770HA14W
5H770JA18W
(57)【要約】
【課題】低負荷から高負荷まで、バランサーを用いずに、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２を均等化する。
【解決手段】直流電源の電圧Ｅの正極Ｐおよび負極Ｎの間に直列接続された第１コンデンサーＣ１および第２コンデンサーＣ２を含み、正極Ｐ、第１コンデンサーＣ１および第２コンデンサーＣ２の接続点である零極Ｚ、または、負極Ｎ、のいずれかにスイッチングして、交流電力を出力するＤＣ／ＡＣ変換部１０と、ＤＣ／ＡＣ変換部１０のスイッチングを、電流指令および電圧指令に応じて制御する処理部２０と、を有し、処理部２０は、有効電力が閾値以上であると判定すれば、直流信号で電圧指令を補正し、有効電力が閾値未満であると判定すれば、電流が変化し、かつ、単位時間での平均値が直流になる交流信号で電流指令を補正する。
【選択図】図１
【解決手段】直流電源の電圧Ｅの正極Ｐおよび負極Ｎの間に直列接続された第１コンデンサーＣ１および第２コンデンサーＣ２を含み、正極Ｐ、第１コンデンサーＣ１および第２コンデンサーＣ２の接続点である零極Ｚ、または、負極Ｎ、のいずれかにスイッチングして、交流電力を出力するＤＣ／ＡＣ変換部１０と、ＤＣ／ＡＣ変換部１０のスイッチングを、電流指令および電圧指令に応じて制御する処理部２０と、を有し、処理部２０は、有効電力が閾値以上であると判定すれば、直流信号で電圧指令を補正し、有効電力が閾値未満であると判定すれば、電流が変化し、かつ、単位時間での平均値が直流になる交流信号で電流指令を補正する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源の正極および負極の間に直列接続された第１コンデンサーおよび第２コンデンサーを含み、前記正極、前記第１コンデンサーおよび第２コンデンサーの接続点である零極、または、前記負極、のいずれかにスイッチングして、交流電力を出力するＤＣ／ＡＣ変換部と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを、電流指令および電圧指令に応じて制御する処理部と、
を有し、
前記処理部は、
前記交流電力の有効電力が閾値以上であるか否かを判定し、
前記閾値以上であると判定すれば、直流信号で前記電圧指令を補正し、
前記閾値未満であると判定すれば、電流が変化し、かつ、単位時間での平均値が直流になる交流信号で前記電流指令を補正する
ことを特徴とする電力変換装置。
前記ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを、電流指令および電圧指令に応じて制御する処理部と、
を有し、
前記処理部は、
前記交流電力の有効電力が閾値以上であるか否かを判定し、
前記閾値以上であると判定すれば、直流信号で前記電圧指令を補正し、
前記閾値未満であると判定すれば、電流が変化し、かつ、単位時間での平均値が直流になる交流信号で前記電流指令を補正する
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
前記交流信号は、
交流の半波である
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
交流の半波である
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記直流信号は、
前記第１コンデンサーで保持された第１保持電圧と前記第２コンデンサーで保持された第２保持電圧との電圧差である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１コンデンサーで保持された第１保持電圧と前記第２コンデンサーで保持された第２保持電圧との電圧差である、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記交流信号は、
前記電圧差の極性にしたがって選択された交流の正波または負波を、前記電圧差の絶対値で乗算してものである
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
前記電圧差の極性にしたがって選択された交流の正波または負波を、前記電圧差の絶対値で乗算してものである
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記処理部は、
制御部と、
前記有効電力が前記閾値以上であるか否かを判定する有効電力判定部と、
前記第１コンデンサーで保持される電圧と前記第２コンデンサーで保持される電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、
前記電圧差に応じた電圧補正値を算出する電圧補正値算出部と、
前記電圧差に応じた電流補正値を算出する電流補正値算出部と、
を有し、
前記制御部は、
前記閾値以上であると前記有効電力判定部により判定されれば、前記電圧補正値で前記電圧指令を補正し、
前記閾値未満であると前記有効電力判定部により判定されれば、前記電流補正値で前記電流指令を補正する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
制御部と、
前記有効電力が前記閾値以上であるか否かを判定する有効電力判定部と、
前記第１コンデンサーで保持される電圧と前記第２コンデンサーで保持される電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、
前記電圧差に応じた電圧補正値を算出する電圧補正値算出部と、
前記電圧差に応じた電流補正値を算出する電流補正値算出部と、
を有し、
前記制御部は、
前記閾値以上であると前記有効電力判定部により判定されれば、前記電圧補正値で前記電圧指令を補正し、
前記閾値未満であると前記有効電力判定部により判定されれば、前記電流補正値で前記電流指令を補正する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、入力の直流電源に設けられた直列コンデンサー回路において各コンデンサーの保持電圧を均等化させるための技術に関する。
【背景技術】
【0002】
太陽光発電システムや蓄電池などから入力される直流電源を交流電圧に変換する電力変換装置としては、２レベルタイプと比較して、より正弦波に近い波形を出力することができる３レベルタイプが用いられることが多い。
３レベルタイプの電力変換装置では、正極および負極の間の直流電圧を分割した零極が設けられる。さらに３レベルタイプの電力変換装置では、正極および零極の間に第１コンデンサーが設けられ、零極および負極の間に第２コンデンサーが設けられる。このような電力変換装置では、第１コンデンサーの保持電圧が交流波形の正側として出力され、第２コンデンサーの保持電圧が交流波形の負側として出力される。
３レベルタイプの電力変換装置では、正極および負極の間の直流電圧を分割した零極が設けられる。さらに３レベルタイプの電力変換装置では、正極および零極の間に第１コンデンサーが設けられ、零極および負極の間に第２コンデンサーが設けられる。このような電力変換装置では、第１コンデンサーの保持電圧が交流波形の正側として出力され、第２コンデンサーの保持電圧が交流波形の負側として出力される。
【0003】
このため、電力変換装置では、第１コンデンサーの保持電圧と第２コンデンサーの保持電圧とが互いに等しくなるように均等化（バランス）させる必要がある。両コンデンサーの保持電圧を均等化する技術としては、例えば特許文献１や特許文献２に記載された技術が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開２００２－１９９７３８号公報
【特許文献2】特開２０１１－１０９７８９号公報
【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、特許文献１に記載された技術では、両コンデンサーの保持電圧を均等化するために、リアクトルやスイッチング素子などのバランサーが別途必要となり、容量増に伴う大型化や高コスト化などを招く、といった課題がある。
特許文献２に記載された技術では、流れる電流が小さい低負荷時においては均等化の効果が弱まる、といった課題がある。
特許文献２に記載された技術では、流れる電流が小さい低負荷時においては均等化の効果が弱まる、といった課題がある。
【0006】
このような事情に鑑みて、本発明の目的は、バランサーを用いることなく、低負荷時であっても、均等化の効果を維持することが可能な技術等を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の一態様に係る電力変換装置は、直流電源の正極および負極の間に直列接続された第１コンデンサーおよび第２コンデンサーを含み、前記正極、前記第１コンデンサーおよび第２コンデンサーの接続点である零極、または、前記負極、のいずれかにスイッチングして、交流電力を出力するＤＣ／ＡＣ変換部と、前記ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを、電流指令および電圧指令に応じて制御する処理部と、を有し、前記処理部は、前記交流電力の有効電力が閾値以上であるか否かを判定し、前記有効電力が閾値以上であると判定すれば、前記電圧指令を直流信号で補正し、前記有効電力が閾値未満であると判定すれば、前記電流指令を交流信号で補正する。
この態様に係る電力変換装置によれば、バランサーを用いることなく、低負荷時であっても、均等化の効果を維持することが可能になる。
この態様に係る電力変換装置によれば、バランサーを用いることなく、低負荷時であっても、均等化の効果を維持することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】実施形態に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図2】電力変換装置における処理部の構成を示すブロック図である。
【図3】応用例に係る電力変換装置の回路構成を示す図である。
【図4】従来例（特許文献１）の回路構成を示す図である。
【図5】従来例（特許文献２）の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の実施形態に係る電力変換装置について図面を参照して説明する。図１は、直流電源の電圧Ｅを入力して、例えば単相の交流電圧に変換して出力する電力変換装置１の回路構成を示す図である。
【0010】
図に示されるように、電力変換装置１は、ＤＣ／ＡＣ変換部１０と処理部２０とを有する。ＤＣ／ＡＣ変換部１０は、直流の電圧Ｅを、正極Ｐ、零極Ｚおよび負極Ｎの３レベルで出力する３レベルインバーターであり、第１コンデンサーＣ１、第２コンデンサーＣ２およびスイッチ回路Ｑ１～Ｑ６を含む。
【0011】
第１コンデンサーＣ１および第２コンデンサーＣ２は、正極Ｐと負極Ｎとの間で直列接続され、入力でなる直流の電圧Ｅを分割する。なお、第１コンデンサーＣ１および第２コンデンサーＣ２の接続点が零極Ｚである。
スイッチ回路Ｑ１～Ｑ６では、それぞれスイッチング素子とダイオード素子とが逆方向に並列接続される。このうち、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４が、正極Ｐと負極Ｎとの間において４段で直列接続される。なお、スイッチ回路Ｑ２およびＱ３の接続点が出力点Ｏｕｔである。
スイッチ回路Ｑ１～Ｑ６では、それぞれスイッチング素子とダイオード素子とが逆方向に並列接続される。このうち、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４が、正極Ｐと負極Ｎとの間において４段で直列接続される。なお、スイッチ回路Ｑ２およびＱ３の接続点が出力点Ｏｕｔである。
【0012】
スイッチ回路Ｑ５は、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２の接続点と零極Ｚとの間に設けられ、当該接続点から零極Ｚに向かう電流を阻止する。このため、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２の接続点は、スイッチ回路Ｑ５によって零極Ｚの電位にクランプされる。
スイッチ回路Ｑ６は、零極Ｚとスイッチ回路Ｑ３およびＱ４の接続点との間に設けられ、零極Ｚから当該接続点に向かう電流を阻止する。このため、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４の接続点は、スイッチ回路Ｑ６によって零極Ｚの電位にクランプされる。
なお、スイッチ回路Ｑ５、Ｑ６は、逆方向の耐圧を有するダイオード素子に置き換えてもよい。
スイッチ回路Ｑ６は、零極Ｚとスイッチ回路Ｑ３およびＱ４の接続点との間に設けられ、零極Ｚから当該接続点に向かう電流を阻止する。このため、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４の接続点は、スイッチ回路Ｑ６によって零極Ｚの電位にクランプされる。
なお、スイッチ回路Ｑ５、Ｑ６は、逆方向の耐圧を有するダイオード素子に置き換えてもよい。
【0013】
第１コンデンサーＣ１で保持された第１保持電圧Ｖｃ１、第２コンデンサーＣ２で保持された第２保持電圧Ｖｃ２、出力点Ｏｕｔから負荷に流れる電流ｉ_ｄ、および、出力点Ｏｕｔから負荷に流れる電流ｉ_ｄは、それぞれセンサによって検出されて、これらの検出結果がそれぞれ処理部２０に供給される。
処理部２０は、これらの検出結果や電圧指令、電流指令に基づいて、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４におけるスイッチング素子のオンおよびオフを制御する。
処理部２０は、これらの検出結果や電圧指令、電流指令に基づいて、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４におけるスイッチング素子のオンおよびオフを制御する。
【0014】
次に、処理部２０について説明する。処理部２０における演算は、例えばＤＳＰ（Digital Signal Processor）などによってデジタル処理で実行されるが、ここでは便宜的に、アナログ処理で実行されるもの、として説明する。
【0015】
図２は、処理部２０の構成を示すブロック図である。
図に示されるように、処理部２０は、電圧差算出部２１０、有効電力判定部２２０、電圧補正値算出部２３０、電流補正値算出部２４０および制御部２５０を有する。
図に示されるように、処理部２０は、電圧差算出部２１０、有効電力判定部２２０、電圧補正値算出部２３０、電流補正値算出部２４０および制御部２５０を有する。
【0016】
電圧差算出部２１０は、加算部２１１およびＬＰＦ（Low Pass Filter）２１２を有する。加算部２１１は、加算入力端（＋）に入力された第１保持電圧Ｖｃ１から、減算入力端（－）に入力された第２保持電圧Ｖｃ２を減算して、当該減算結果を出力する。
なお、本説明において加算部は、二入力の加算のみならず、一方の入力から他方の入力の減算、正値と負値との加算等の広義の加減算を実行するものをいう。
なお、本説明において加算部は、二入力の加算のみならず、一方の入力から他方の入力の減算、正値と負値との加算等の広義の加減算を実行するものをいう。
【0017】
ＬＰＦ２１２は、加算部２１１の出力のうち、低域成分を通過させ、高域成分を遮断して、直流の電圧差Ｄｃとして出力する。
なお、電圧差Ｄｃがゼロであれば、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２が等しく、バランスしていることを示し、電圧差Ｄｃが正値であれば、Ｖｃ１＞Ｖｃ２であることを示し、電圧差Ｄｃが負値であれば、Ｖｃ１＜Ｖｃ２であることを示す。
なお、電圧差Ｄｃがゼロであれば、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２が等しく、バランスしていることを示し、電圧差Ｄｃが正値であれば、Ｖｃ１＞Ｖｃ２であることを示し、電圧差Ｄｃが負値であれば、Ｖｃ１＜Ｖｃ２であることを示す。
【0018】
有効電力判定部２２０は、有効電力算出部２２１、コンパレーター２２２、スイッチ２２３、ＮＯＴ回路２２４、スイッチ２２５を含む。
有効電力算出部２２１は、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力された電圧ｅ_ｄおよび電流ｉ_ｄを入力して、有効電力Ｐｗを算出する。例えば有効電力算出部２２１は、電圧ｅ_ｄおよび電流ｉ_ｄの瞬時値同士を乗算して、当該乗算結果を平均化することで有効電力Ｐｗを算出する。
有効電力算出部２２１は、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力された電圧ｅ_ｄおよび電流ｉ_ｄを入力して、有効電力Ｐｗを算出する。例えば有効電力算出部２２１は、電圧ｅ_ｄおよび電流ｉ_ｄの瞬時値同士を乗算して、当該乗算結果を平均化することで有効電力Ｐｗを算出する。
【0019】
コンパレーター２２２は、負入力端（－）に供給された有効電力Ｐｗが正入力端（＋）に供給された閾値Ｐｔｈ以上であれば、Ｌレベルの信号Ｄｅｔを出力し、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満であれば、Ｈレベルの信号Ｄｅｔを出力する。
【0020】
スイッチ２２３および２２５はそれぞれ単極双投型である。
スイッチ２２３は、信号ＤｅｔがＬレベルであれば、図において実線で示されるように係数「１」を選択し、信号ＤｅｔがＨレベルであれば、破線で示されるように係数「０」を選択して、選択した係数を電流補正値算出部２４０に出力する。
スイッチ２２５は、信号Ｄｅｔの論理レベルをＮＯＴ回路２２４で反転した信号にしたがって係数「０」または「１」を選択する。詳細には、スイッチ２２５は、信号ＤｅｔがＬレベルであれば、図において実線で示されるように係数「０」を選択し、信号ＤｅｔがＨレベルであれば、破線で示されるように係数「１」を選択して、選択した係数を電圧補正値算出部２３０に出力する。
したがって、有効電力判定部２２０は、電圧補正値算出部２３０および電流補正値算出部２４０に、排他的に係数「０」または「１」を供給する。
スイッチ２２３は、信号ＤｅｔがＬレベルであれば、図において実線で示されるように係数「１」を選択し、信号ＤｅｔがＨレベルであれば、破線で示されるように係数「０」を選択して、選択した係数を電流補正値算出部２４０に出力する。
スイッチ２２５は、信号Ｄｅｔの論理レベルをＮＯＴ回路２２４で反転した信号にしたがって係数「０」または「１」を選択する。詳細には、スイッチ２２５は、信号ＤｅｔがＬレベルであれば、図において実線で示されるように係数「０」を選択し、信号ＤｅｔがＨレベルであれば、破線で示されるように係数「１」を選択して、選択した係数を電圧補正値算出部２３０に出力する。
したがって、有効電力判定部２２０は、電圧補正値算出部２３０および電流補正値算出部２４０に、排他的に係数「０」または「１」を供給する。
【0021】
電圧補正値算出部２３０は、調整部２３１および乗算部２３２を有する。
調整部２３１は、例えばＡＣＲ（Automatic Current Regulator）であり、電圧差Ｄｃの電流を自動で調整する。乗算部２３２は、調整部２３１により調整された電圧差Ｄｃと、スイッチ２２５で選択された係数とを乗算して、当該乗算の積を電圧補正値ｅ_ａｍとして制御部２５０に供給する。
調整部２３１は、例えばＡＣＲ（Automatic Current Regulator）であり、電圧差Ｄｃの電流を自動で調整する。乗算部２３２は、調整部２３１により調整された電圧差Ｄｃと、スイッチ２２５で選択された係数とを乗算して、当該乗算の積を電圧補正値ｅ_ａｍとして制御部２５０に供給する。
【0022】
電流補正値算出部２４０は、正負判定部２４１、スイッチ２４２、乗算部２４３、調整部２４４、絶対値算出部２４５、ＬＰＦ２４６、調整部２４７および乗算部２４８を有する。
正負判定部２４１は、電圧差Ｄｃの正負を判定して、スイッチ２４２の選択を切り替える。スイッチ２４２は単極双投型であり、２つの入力端のうち一方には、余弦波の正半波が供給され、入力端の他方には、余弦波の負半波が供給される。
正負判定部２４１は、電圧差Ｄｃの正負を判定して、スイッチ２４２の選択を切り替える。スイッチ２４２は単極双投型であり、２つの入力端のうち一方には、余弦波の正半波が供給され、入力端の他方には、余弦波の負半波が供給される。
【0023】
このような構成において、電圧差Ｄｃが正であると正負判定部２４１によって判定されれば、正半波がスイッチ２４２によって選択され、電圧差Ｄｃが負である判定されれば、負半波が選択されて、選択された半波が乗算部２４３における２つの入力端の一方に供給される。
【0024】
調整部２４４は、電圧差Ｄｃの電流を自動で調整する。絶対値算出部２４５は、調整部２４４により調整された電圧差Ｄｃの絶対値を出力する。ＬＰＦ２４６は、電圧差Ｄｃの絶対値の高域成分を遮断し、調整部２４７は、高域成分が遮断された電圧差Ｄｃの電流を自動で調整して、乗算部２４８における２つの入力端の一方に供給する。
乗算部２４８における入力端の他方には、有効電力判定部２２０から出力された係数が供給される。乗算部２４８は、有効電力判定部２２０から出力された係数と、高域成分が遮断され、調整部２４７により調整された電圧差Ｄｃの絶対値と、を乗算して、乗算部２４３における入力端の他方に供給する。
乗算部２４３は、スイッチ２４２によって選択された余弦波の正半波または負半波と、乗算部２４８の乗算結果とを乗算して、当該乗算の積を電流補正値ｉ_ａｍとして制御部２５０に供給する。
乗算部２４８における入力端の他方には、有効電力判定部２２０から出力された係数が供給される。乗算部２４８は、有効電力判定部２２０から出力された係数と、高域成分が遮断され、調整部２４７により調整された電圧差Ｄｃの絶対値と、を乗算して、乗算部２４３における入力端の他方に供給する。
乗算部２４３は、スイッチ２４２によって選択された余弦波の正半波または負半波と、乗算部２４８の乗算結果とを乗算して、当該乗算の積を電流補正値ｉ_ａｍとして制御部２５０に供給する。
【0025】
制御部２５０は、加算部２５１、２５２、調整部２５３、加算部２５４、２５５およびλ変換部２０６を有する。
加算部２５１は、電流補正値ｉ_ａｍを、外部から供給される電流指令ｉ_ｐに加算する。電流指令ｉ_ｐは、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される交流電流の目標値である。
加算部２５２は、加算部２５１の加算結果から、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄを減算する。このため、加算部２５２による減算結果は、フィードバック制御において実際に出力される電流が目標電流からどれだけシフトしているのかを示す電流偏差ｉ_ｅｒになる。
加算部２５１は、電流補正値ｉ_ａｍを、外部から供給される電流指令ｉ_ｐに加算する。電流指令ｉ_ｐは、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される交流電流の目標値である。
加算部２５２は、加算部２５１の加算結果から、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄを減算する。このため、加算部２５２による減算結果は、フィードバック制御において実際に出力される電流が目標電流からどれだけシフトしているのかを示す電流偏差ｉ_ｅｒになる。
【0026】
調整部２５３は、電流偏差ｉ_ｅｒの電流を自動で調整する。
加算部２５４は、外部から供給される電圧指令ｅ_ｐに、調整された電流偏差ｉ_ｅｒを加算する。電圧指令ｅ_ｐは、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される交流電圧の目標値である。
加算部２５５は、加算部２５４の加算結果に電圧補正値ｅ_ａｍを加算する。
λ変換部２５６は、加算部２５５の加算結果を、変調率λに変換する。
なお、変調率λは図示省略されたキャリアと比較される。この比較によってＰＷＭ信号が生成され、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４のゲート信号として供給される。
加算部２５４は、外部から供給される電圧指令ｅ_ｐに、調整された電流偏差ｉ_ｅｒを加算する。電圧指令ｅ_ｐは、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される交流電圧の目標値である。
加算部２５５は、加算部２５４の加算結果に電圧補正値ｅ_ａｍを加算する。
λ変換部２５６は、加算部２５５の加算結果を、変調率λに変換する。
なお、変調率λは図示省略されたキャリアと比較される。この比較によってＰＷＭ信号が生成され、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４のゲート信号として供給される。
【0027】
次に、電力変換装置１の動作について説明する。
便宜的に、処理部２０の基本的な処理について説明するために、電圧差算出部２１０、有効電力判定部２２０、電圧補正値算出部２３０および電流補正値算出部が存在せず、制御部２５０だけが存在する構成を想定する。
この構成において、制御部２５０は、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄが目標である電流指令ｉ_ｐに一致するように、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４のスイッチングをそれぞれ制御する。具体的には、制御部２５０は、電流偏差ｉ_ｅｒがゼロになるように、すなわちＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄが電流指令ｉ_ｐに一致するようにフィードバックで制御するとともに、電圧指令ｅ_ｐで出力される電圧ｅ_ｄをフィードフォワードで制御する。
便宜的に、処理部２０の基本的な処理について説明するために、電圧差算出部２１０、有効電力判定部２２０、電圧補正値算出部２３０および電流補正値算出部が存在せず、制御部２５０だけが存在する構成を想定する。
この構成において、制御部２５０は、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄが目標である電流指令ｉ_ｐに一致するように、スイッチ回路Ｑ１～Ｑ４のスイッチングをそれぞれ制御する。具体的には、制御部２５０は、電流偏差ｉ_ｅｒがゼロになるように、すなわちＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄが電流指令ｉ_ｐに一致するようにフィードバックで制御するとともに、電圧指令ｅ_ｐで出力される電圧ｅ_ｄをフィードフォワードで制御する。
【0028】
次に、処理部２０において、電圧差算出部２１０、有効電力判定部２２０、電圧補正値算出部２３０および電流補正値算出部２４０が存在する実施形態の構成の動作を説明する。
【0029】
有効電力判定部２２０は、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上であると判定すれば、電圧補正値算出部２３０に係数「１」を供給し、電流補正値算出部２４０に係数「０」を供給する。このため、電圧補正値算出部２３０により算出される電圧補正値ｅ_ａｍは、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２との電圧差Ｄｃを調整部２３１により調整したものとなる。一方、電流補正値算出部２４０により算出される電流補正値ｉ_ａｍは、調整部２４７による出力およびスイッチ２４２による選択にかかわらず、ゼロになる。
【0030】
有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上であれば、電圧指令ｅ_ｐが電圧補正値ｅ_ａｍの加算により補正されて、補正後の電圧指令にしたがって、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電圧ｅ_ｄが制御される。詳細には、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上であれば、交流の電圧指令ｅ_ｐに、電圧差Ｄｃに応じた電圧補正値ｅ_ａｍがオフセットされて、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２のアンバランス状態がバランスするように制御される。
【0031】
有効電力判定部２２０は、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満であると判定すれば、電圧補正値算出部２３０に係数「０」を供給し、電流補正値算出部２４０に係数「１」を供給する。このため、電圧補正値算出部２３０により算出される電圧補正値ｅ_ａｍは、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２との電圧差Ｄｃにかかわらず、ゼロになる。一方、電流補正値算出部２４０により算出される電流補正値ｉ_ａｍは、電圧差Ｄｃの極性に応じた半波であって、振幅が電圧差Ｄｃの絶対値に応じた大きさの半波になる。なお、電流補正値ｉ_ａｍは、時間的な平均値でみれば、直流になる。
【0032】
有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満であれば、電流指令ｉ_ｐが電流補正値ｉ_ａｍの加算により補正されて、補正された電流指令（ｉ_ｐ＋ｉ_ａｍ）と電流ｉ_ｄとの電流偏差ｉ_ｅｒがゼロになるように、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流ｉ_ｄがフィードバック制御される。
詳細には、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満であれば、出力電流のフィードバック制御に、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２のバランス制御が組み合わせられる。このため、電流指令ｉ_ｐが電流補正値ｉ_ａｍによって歪むことによってバランス制御が実行されるので、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流が小さく、有効電力が閾値未満であっても、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化を維持することができる。
詳細には、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満であれば、出力電流のフィードバック制御に、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２のバランス制御が組み合わせられる。このため、電流指令ｉ_ｐが電流補正値ｉ_ａｍによって歪むことによってバランス制御が実行されるので、ＤＣ／ＡＣ変換部１０から出力される電流が小さく、有効電力が閾値未満であっても、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化を維持することができる。
【0033】
次に、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の具体的な動作について説明する。
スイッチ回路Ｑ１およびＱ２がオンすると、第１コンデンサーＣ１から放電した電力が、例えば負荷に接続されたインダクタ（図示省略）に蓄積される。次に、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２がオフすると、インダクタに蓄積された電力が、零極Ｚ、第２コンデンサーＣ２、スイッチ回路Ｑ４のダイオードおよびスイッチ回路Ｑ３のダイオードを順に介した経路で還流するので、第２コンデンサーＣ２が充電される。したがって、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２のオンおよびオフは、第１コンデンサーＣ１で保持される第１保持電圧Ｖｃ１を低下させ、第２コンデンサーＣ２で保持される第２保持電圧Ｖｃ２を上昇させる。
スイッチ回路Ｑ１およびＱ２がオンすると、第１コンデンサーＣ１から放電した電力が、例えば負荷に接続されたインダクタ（図示省略）に蓄積される。次に、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２がオフすると、インダクタに蓄積された電力が、零極Ｚ、第２コンデンサーＣ２、スイッチ回路Ｑ４のダイオードおよびスイッチ回路Ｑ３のダイオードを順に介した経路で還流するので、第２コンデンサーＣ２が充電される。したがって、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２のオンおよびオフは、第１コンデンサーＣ１で保持される第１保持電圧Ｖｃ１を低下させ、第２コンデンサーＣ２で保持される第２保持電圧Ｖｃ２を上昇させる。
【0034】
一方、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４がオンすると、第２コンデンサーＣ２が放電し、放電した電力が、例えば負荷に接続されたインダクタに蓄積される。次に、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４がオフすると、インダクタに蓄積された電力が、スイッチ回路Ｑ２のダイオードおよびスイッチ回路Ｑ１のダイオード、正極Ｐ、第１コンデンサーＣ１および零極Ｚを順に介した経路で還流するので、第１コンデンサーＣ１が充電される。したがって、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４のオンおよびオフは、第１保持電圧Ｖｃ１を上昇させ、第２保持電圧Ｖｃ２を低下させる。
【0035】
仮に、本実施形態においてＶｃ１＞Ｖｃ２になって電圧差が正値になれば、電圧指令ｅ_ｐが電圧補正値ｅ_ａｍによって補正され、または電流指令ｉ_ｐが電流補正値ｉ_ａｍによって補正される結果、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２のオン・オフの頻度（オン・オフの時間）が、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４のオン・オフの頻度よりも高く（時間が長く）なる。このため、第１保持電圧Ｖｃ１が低下し、第２保持電圧Ｖｃ２が上昇して、Ｖｃ１＞Ｖｃ２の状態が是正される。
【0036】
一方、Ｖｃ１＜Ｖｃ２になって電圧差が負値になれば、電圧指令ｅ_ｐが電圧補正値ｅ_ａｍによって補正され、または電流指令ｉ_ｐが電流補正値ｉ_ａｍによって補正される結果、スイッチ回路Ｑ３およびＱ４のオン・オフの頻度（オン・オフの時間）が、スイッチ回路Ｑ１およびＱ２のオン・オフの頻度よりも高く（時間が長く）なる。このため、第１保持電圧Ｖｃ１が上昇し、第２保持電圧Ｖｃ２が低下して、Ｖｃ１＜Ｖｃ２の状態が是正される。
【0037】
したがって、本実施形態では、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２に差が生じれば、その差をゼロするようなバランス制御が実行されることになる。
また、本実施形態において有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上である場合に、電圧補正値ｅ_ａｍは電圧差Ｄｃに応じた値であるので、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化制御における操作量として機能する。
また、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満である場合に、電流補正値ｉ_ａｍは電圧差Ｄｃの極性に応じた半波と当該電圧差Ｄｃの絶対値との積であるので、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化制御における操作量として機能する。
したがって、本実施形態では、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上である場合も、閾値Ｐｔｈ未満である場合も、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２が迅速に均等化される。
また、本実施形態において有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上である場合に、電圧補正値ｅ_ａｍは電圧差Ｄｃに応じた値であるので、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化制御における操作量として機能する。
また、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ未満である場合に、電流補正値ｉ_ａｍは電圧差Ｄｃの極性に応じた半波と当該電圧差Ｄｃの絶対値との積であるので、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化制御における操作量として機能する。
したがって、本実施形態では、有効電力Ｐｗが閾値Ｐｔｈ以上である場合も、閾値Ｐｔｈ未満である場合も、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２が迅速に均等化される。
【0038】
本実施形態の効果を説明するにあたって、特許文献１および特許文献２における構成および課題の詳細に検討する。
【0039】
まず、図４に示されるように、特許文献１に記載された電力変換装置１ａでは、第１コンデンサーＣ１で保持される第１保持電圧Ｖｃ１と第２コンデンサーＣ２で保持される第２保持電圧Ｖｃ２とを均等化するために、バランサーＢＬが設けられる。詳細には、電力変換装置１ａでは、正極Ｐと負極Ｎとの間にスイッチ回路Ｑ１１およびＱ１２の直列回路が設けられ、零極Ｚとスイッチ回路Ｑ１１およびＱ１２の接続点との間にリアクトルＬ１が設けられる構成となっている。
【0040】
この構成において、例えばＶｃ１＞Ｖｃ２の場合、スイッチ回路Ｑ１１をオンさせて、第１コンデンサーＣ１を放電させる。このときに放電された電力はリアクトルＬ１に蓄積される。次に、スイッチ回路Ｑ１１をオフさせて、リアクトルＬ１に蓄積された電力を、スイッチ回路Ｑ１２のダイオードを介して第２コンデンサーＣ２に還流させる。この還流によって第２保持電圧Ｖｃ２が上昇して、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２とが均等化される。
【0041】
しかしながら、特許文献１に記載された技術では、均等化のために、リアクトルＬ１やスイッチ回路Ｑ１１、Ｑ１２で構成されるバランサーＢＬが必要になり、容量増に伴う大型化や高コスト化などの課題を招く、という課題がある点は上述した通りである。
【0042】
次に、図５に示されるように、特許文献２に記載された電力変換装置１ｂでは、均等化のために、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２とを検出して、その電圧差に応じて各相の交流電圧を制御する。
電力変換装置１ｂにおいて、例えばＶｃ１＞Ｖｃ２の場合、正極Ｐおよび零極Ｚの間のスイッチ回路をオンさせて、第１コンデンサーＣ１を放電させる。このときに放電された電力は、交流負荷に接続されたインダクタ（図５では省略）に蓄積される。次に、正極Ｐおよび零極Ｚの間のスイッチ回路をオフさせて、インダクタに蓄積された電力を、零極Ｚと負極Ｎとの間のスイッチ回路におけるダイオードを介して第２コンデンサーＣ２に還流させる。この還流によって第２保持電圧Ｖｃ２が上昇して、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２とが均等化される。
電力変換装置１ｂにおいて、例えばＶｃ１＞Ｖｃ２の場合、正極Ｐおよび零極Ｚの間のスイッチ回路をオンさせて、第１コンデンサーＣ１を放電させる。このときに放電された電力は、交流負荷に接続されたインダクタ（図５では省略）に蓄積される。次に、正極Ｐおよび零極Ｚの間のスイッチ回路をオフさせて、インダクタに蓄積された電力を、零極Ｚと負極Ｎとの間のスイッチ回路におけるダイオードを介して第２コンデンサーＣ２に還流させる。この還流によって第２保持電圧Ｖｃ２が上昇して、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２とが均等化される。
【0043】
しかしながら、特許文献２に記載された技術では、多くの電流が流れる高負荷時には、均等化の効果を発揮するが、低負荷時には、交流電圧を制御しても流れる電流が少ないために、均等化の効果が弱い。このため、低負荷時において、第１保持電圧Ｖｃ１と第２保持電圧Ｖｃ２とが急激にアンバランスした場合の均等化が困難である、という課題がある点は上述した通りである。
【0044】
これに対して、本実施形態では、有効電力が閾値以上であれば、電圧指令ｅ_ｐを直流の電圧補正値ｅ_ａｍで補正することで、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２が均等化される一方で、有効電力が閾値未満であれば、フィードバック制御の電流指令ｉ_ｐに電流補正値ｉ_ａｍを加算し、電流指令を歪ませることで、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化が図られる。したがって、実施形態に係る電力変換装置１では、低負荷から高負荷まで、バランサーを用いずに、第１保持電圧Ｖｃ１および第２保持電圧Ｖｃ２の均等化が可能になる。
【0045】
上述した実施形態では、処理部２０における処理をアナログで説明したが、上述したようにデジタル処理も可能である。デジタル処理の場合、第１保持電圧Ｖｃ１、第２保持電圧Ｖｃ２、電流ｉ_ｄおよび電流ｉ_ｄは、それぞれＡＤ変換されて処理部２０に供給される。また、電流指令ｉ_ｐおよび電圧指令ｅ_ｐはデジタルで処理部２０に供給される
。そして、加減算や、乗算、比較、フィルタリング処理などの演算がデジタルで処理される構成とすればよい。
。そして、加減算や、乗算、比較、フィルタリング処理などの演算がデジタルで処理される構成とすればよい。
【0046】
また、実施形態では、ＤＣ／ＡＣ変換部１０が単相交流を出力する構成を示したが、例えば図３に示されるようにＵ、ＶおよびＷの三相交流を出力する構成であってもよい。三相交流を出力する場合、Ｕ、ＶおよびＷの各相について図２に示される処理内容を適用すればよい。
【0047】
以上に例示した各種の形態から、例えば次のような態様が把握される。
【0048】
本開示のひとつの態様１に係る電力変換装置は、直流電源の正極および負極の間に直列接続された第１コンデンサーおよび第２コンデンサーを含み、前記正極、前記第１コンデンサーおよび第２コンデンサーの接続点である零極、または、前記負極、のいずれかにスイッチングして、交流電力を出力するＤＣ／ＡＣ変換部と、前記ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを、電流指令および電圧指令に応じて制御する処理部と、を有し、前記処理部は、前記交流電力の有効電力が閾値以上であるか否かを判定し、前記閾値以上であると判定すれば、直流信号で前記電圧指令を補正し、前記閾値未満であると判定すれば、電流が変化し、かつ、単位時間での平均値が直流になる交流信号で前記電流指令を補正する。
【0049】
態様１によれば、有効電力が閾値以上であれば、第１保持電圧と第２保持電圧との電圧差が直流信号で電圧指令が補正されて、第１保持電圧および第２保持電圧が均等化される。一方で、有効電力が閾値未満であれば、電流が変化し、かつ、単位時間での平均値が直流になる交流信号で電流指令が補正されるので、当該電流指令は歪むので、ＤＣ／ＡＣ変換部の出力電流が小さく、有効電力が閾値未満であっても、第１保持電圧および第２保持電圧が均等化される。
したがって、態様１に係る電力変換装置では、低負荷から高負荷まで、バランサーを用いずに、第１保持電圧および第２保持電圧の均等化が可能になる。
したがって、態様１に係る電力変換装置では、低負荷から高負荷まで、バランサーを用いずに、第１保持電圧および第２保持電圧の均等化が可能になる。
【0050】
なお、直流信号とは、単位時間でみて電圧が一定である、とみなせる信号である。
電圧指令は、ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを制御するに際し、当該ＤＣ／ＡＣ変換部から出力される交流電圧の目標値である。電流指令は、ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを制御するに際し、当該ＤＣ／ＡＣ変換部から出力される交流電流の目標値である。
直流信号で電圧指令を補正するとは、電圧指令に直流信号を加算して、加算後の電圧指令で制御する、ということを意味する。同様に、交流信号で電流指令を補正するとは、電流指令に交流信号を加算して、加算後の電流指令で制御する、ということを意味する。
電圧指令は、ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを制御するに際し、当該ＤＣ／ＡＣ変換部から出力される交流電圧の目標値である。電流指令は、ＤＣ／ＡＣ変換部のスイッチングを制御するに際し、当該ＤＣ／ＡＣ変換部から出力される交流電流の目標値である。
直流信号で電圧指令を補正するとは、電圧指令に直流信号を加算して、加算後の電圧指令で制御する、ということを意味する。同様に、交流信号で電流指令を補正するとは、電流指令に交流信号を加算して、加算後の電流指令で制御する、ということを意味する。
【0051】
態様１の具体的な態様２において、前記交流信号は、交流の半波である。
交流の半波は時間的に電流が変化するので、電流指令を補正する交流信号として用いることができる。
交流の半波は時間的に電流が変化するので、電流指令を補正する交流信号として用いることができる。
【0052】
態様１の具体的な態様３において、前記直流信号は、前記第１コンデンサーで保持される第１保持電圧と前記第２コンデンサーで保持される第２保持電圧との電圧差である。
態様３によれば、有効電力が閾値以上であれば、第１保持電圧と第２保持電圧との電圧差によって電圧指令が補正されるので、第１保持電圧および第２保持電圧の均等化が迅速に実行される。
態様３によれば、有効電力が閾値以上であれば、第１保持電圧と第２保持電圧との電圧差によって電圧指令が補正されるので、第１保持電圧および第２保持電圧の均等化が迅速に実行される。
【0053】
態様３の具体的な態様４において、前記交流信号は、前記電圧差の極性にしたがって選択された交流の正波または負波を、前記電圧差の絶対値で乗算してものである。
態様４によれば、有効電力が閾値未満であれば、第１保持電圧と第２保持電圧との電圧差の極性にしたがって選択された交流の正波または負波を、電圧差の絶対値で乗算した積によって電流指令が補正されるので、第１保持電圧および第２保持電圧の均等化が迅速に実行される。
態様４によれば、有効電力が閾値未満であれば、第１保持電圧と第２保持電圧との電圧差の極性にしたがって選択された交流の正波または負波を、電圧差の絶対値で乗算した積によって電流指令が補正されるので、第１保持電圧および第２保持電圧の均等化が迅速に実行される。
【0054】
態様１の具体的な態様５において、前記処理部は、制御部と、前記有効電力が前記閾値以上であるか否かを判定する有効電力判定部と、前記第１コンデンサーで保持される電圧と前記第２コンデンサーで保持される電圧との電圧差を算出する電圧差算出部と、前記電圧差に応じた電圧補正値を算出する電圧補正値算出部と、前記電圧差に応じた電流補正値を算出する電流補正値算出部と、を有し、前記制御部は、前記閾値以上であると前記判定部により判定されれば、前記電圧補正値で前記電圧指令を補正し、前記閾値未満であると前記判定部により判定されれば、前記電流補正値で前記電流指令を補正する。
態様５によれば、処理部における処理内容が、有効電力判定部、電圧差算出部、電圧補正値算出部および電流補正値算出部で構成することができる。
なお、態様５において、有効電力が閾値以上であれば、電流補正値をゼロまたは無視できる程度に小さくしてもよいし、有効電力が閾値未満であれば、電圧補正値をゼロまたは無視できる程度に小さくしてもよい。
態様５によれば、処理部における処理内容が、有効電力判定部、電圧差算出部、電圧補正値算出部および電流補正値算出部で構成することができる。
なお、態様５において、有効電力が閾値以上であれば、電流補正値をゼロまたは無視できる程度に小さくしてもよいし、有効電力が閾値未満であれば、電圧補正値をゼロまたは無視できる程度に小さくしてもよい。
【符号の説明】
【0055】
１０…ＤＣ／ＡＣ変換部、２０…処理部、２００…制御部、２１０…電圧差算出部、２２０…有効電力判定部、２３０…電圧補正値算出部、２４０…電流補正値算出部、Ｃ１…第１コンデンサー、Ｃ２…第２コンデンサー。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】