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(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】P2024117233
(43)【公開日】2024-08-29
(54)【発明の名称】発電システムおよび制御装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/487 20070101AFI20240822BHJP
【ＦＩ】
H02M7/487
【審査請求】未請求
【請求項の数】11
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023023217
(22)【出願日】2023-02-17
(71)【出願人】
【識別番号】000003078
【氏名又は名称】株式会社東芝
(71)【出願人】
【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】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100107582
【弁理士】
【氏名又は名称】関根 毅
(74)【代理人】
【識別番号】100124372
【弁理士】
【氏名又は名称】山ノ井 傑
(74)【代理人】
【識別番号】100217940
【弁理士】
【氏名又は名称】三並 大悟
(72)【発明者】
【氏名】児山 裕史
(72)【発明者】
【氏名】金田 大成
(72)【発明者】
【氏名】石月 照之
(72)【発明者】
【氏名】森 淳二
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770BA11
5H770CA02
5H770CA08
5H770DA33
5H770EA01
5H770JA17W
(57)【要約】
【課題】中性点クランプ型の三相電力変換器に設けられた複数の半導体スイッチング素子の損失集中の回避と中性点の電位変動の抑制を両立し、安全性の高い運転を実現することが可能な発電システムを提供する。
【解決手段】一実施形態に係る発電システムは、複数の半導体スイッチング素子が配置された中性点クランプ型の三相電力変換器と、複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う制御装置と、を備える。正数の零相電圧および負数の零相電圧を重畳する周期は、基準電圧指令値の周期よりも短い。
【選択図】図１
【解決手段】一実施形態に係る発電システムは、複数の半導体スイッチング素子が配置された中性点クランプ型の三相電力変換器と、複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う制御装置と、を備える。正数の零相電圧および負数の零相電圧を重畳する周期は、基準電圧指令値の周期よりも短い。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の半導体スイッチング素子が配置された中性点クランプ型の三相電力変換器と、
前記複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う制御装置と、を備え、
前記正数の零相電圧および前記負数の零相電圧を重畳する周期は、前記基準電圧指令値の周期よりも短い、発電システム。
前記複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う制御装置と、を備え、
前記正数の零相電圧および前記負数の零相電圧を重畳する周期は、前記基準電圧指令値の周期よりも短い、発電システム。
【請求項2】
前記制御装置は、前記正数の零相電圧と前記負数の零相電圧とを交互に連続して重畳する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項3】
前記制御装置は、前記正数の零相電圧を重畳する第１重畳期間と、前記負数の零相電圧を重畳する第２重畳期間との間に、前記正数および前記負数の零相電圧を重畳しない非重畳期間を設定する、請求項１に記載の発電システム。
【請求項4】
前記制御装置は、前記三相電力変換器の運転条件に応じて、前記周期に対する第１重畳期間および前記第２重畳期間の長さの割合を示すデューティを変化させる、請求項３に記載の発電システム。
【請求項5】
前記制御装置は、前記基準電圧指令値の変調率または周波数に応じて前記デューティを変化させる、請求項４に記載の発電システム。
【請求項6】
前記制御装置は、前記変調率または前記周波数が高くなるにつれて前記デューティを低減し、前記変調率または前記周波数が低くなるにつれて前記デューティを増加させる、請求項５に記載の発電システム。
【請求項7】
前記制御装置は、前記基準電圧指令値に、前記正数の零相電圧および前記負数の零相電圧とは異なる零相電圧を重畳することによって、前記三相電力変換器の中性点の電位変動を抑制する、請求項１から６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項8】
前記正数の零相電圧を前記基準電圧指令値に重畳した電圧指令値は、中性点を基準電位としたときの正の最大値に一定期間維持され、
前記負数の零相電圧を前記基準電圧指令値に重畳した電圧指令値は、前記中性点を基準電位としたときの負の最大値に一定期間維持される、請求項１から６のいずれかに記載の発電システム。
前記負数の零相電圧を前記基準電圧指令値に重畳した電圧指令値は、前記中性点を基準電位としたときの負の最大値に一定期間維持される、請求項１から６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項9】
前記制御装置は、前記基準電圧指令値に前記正数の零相電圧および前記負数の零相電圧を重畳した電圧指令値と、三角波状のキャリア波信号と比較してＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）信号を生成し、
前記周期は、前記キャリア波信号の周期よりも長い、請求項１から６のいずれかに記載の発電システム。
前記周期は、前記キャリア波信号の周期よりも長い、請求項１から６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項10】
前記基準電圧指令値の変調率が所定値よりも低い場合に、前記制御装置は、前記重畳処理を行う、請求項１から６のいずれかに記載の発電システム。
【請求項11】
複数の半導体スイッチング素子が配置された中性点クランプ型の三相電力変換器を制御する制御装置であって、
前記複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う演算処理部と、
前記重畳処理の結果を用いて前記複数の半導体スイッチング素子を制御する駆動制御部と、を備え、
前記正数の零相電圧および前記負数の零相電圧を重畳する周期は、前記基準電圧指令値の周期よりも短い、制御装置。
前記複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う演算処理部と、
前記重畳処理の結果を用いて前記複数の半導体スイッチング素子を制御する駆動制御部と、を備え、
前記正数の零相電圧および前記負数の零相電圧を重畳する周期は、前記基準電圧指令値の周期よりも短い、制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施形態は、発電システムおよび制御装置に関する。
【背景技術】
【0002】
直流電力を交流電力に変換する三相電力変換器には、３つの電圧レベルを出力することができる中性点クランプ型（ＮＰＣ：Neutral Point Clamped）の電力変換器がある。中性点クランプ型の三相電力変換器は、出力の高調波が小さい利点を有するため、広く世の中で用いられている。
【0003】
中性点クランプ型の三相電力変換器には、複数の半導体スイッチング素子が配置されている。各半導体スイッチング素子は、電力変換器の出力電圧のレベルに応じて設定される電圧指令値に従ってスイッチング動作を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特許第７０６８０１５号公報
【特許文献2】特開昭５９－２１６４７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
例えば、中性点クランプ型の三相電力変換器では、出力電圧の周波数が低い場合、各半導体スイッチング素子を駆動する電圧指令値の変調率も低くなる。この場合、半導体スイッチング素子群の中で内側に配置された内側素子のスイッチング回数が増加する。これにより、損失が内側素子に集中するため、素子温度が上昇して最終的に破壊してしまうおそれがある。
【0006】
また、中性点クランプ型の三相電力変換器には、直流電圧を分圧する２つのコンデンサが設けられる。そのため、２つのコンデンサ間における中性点の電位が変動する場合がある。この場合、半導体スイッチング素子に定格を超える電圧が印加されると、半導体スイッチング素子が破壊するおそれがある。半導体スイッチング素子が破壊すると、中性点クランプ型の三相電力変換器を備える発電システムの安全性が損なわれてしまう。
【0007】
本発明が解決しようとする課題は、中性点クランプ型の三相電力変換器に設けられた複数の半導体スイッチング素子の損失集中の回避と中性点の電位変動の抑制を両立し、安全性の高い運転を実現することが可能な発電システムおよび制御装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
一実施形態に係る発電システムは、複数の半導体スイッチング素子が配置された中性点クランプ型の三相電力変換器と、複数の半導体スイッチング素子を制御する基準電圧指令値に、正数の零相電圧および負数の零相電圧を周期的に重畳する重畳処理を行う制御装置と、を備える。正数の零相電圧および負数の零相電圧を重畳する周期は、基準電圧指令値の周期よりも短い。
【発明の効果】
【0009】
本実施形態によれば、中性点クランプ型の三相電力変換器に設けられた複数の半導体スイッチング素子の損失集中の回避と中性点の電位変動の抑制を両立し、安全性の高い運転を実現することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】第１実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。
【図2】二次励磁変換器の回路構成の一例を示す図である。
【図3】インバータを駆動するための変調方式の一例を示す。
【図4】（ａ）は出力電圧レベルが＋Ｖである場合の電流経路を示す図であり、（ｂ）は出力電圧レベルが０である場合の電流経路を示す図であり、（ｃ）は出力電圧レベルが－Ｖである場合の電流経路を示す図である。
【図5】（ａ）は変調率が高い場合の基準電圧指令値およびＰＷＭ信号の一例を示す図であり、（ｂ）は変調率が低い場合の基準電圧指令値およびＰＷＭ信号の一例を示す図である。
【図6】中性点ＮＰの電位変動を説明するための図である。
【図7】第１実施形態に係る電圧指令値と中性点ＮＰの電位変動の波形図の一例である。
【図8】変形例に係る演算処理の電圧指令値に基づいてインバータ１１を駆動した場合の回析波形の一例を示す図である。
【図9】第２実施形態に係る電圧指令値と中性点ＮＰの電位変動の波形図の一例である。
【図10】（ａ）は期間ＴＵ、期間ＴＬ、および期間ＴＮの長さの設定方法を説明するためのグラフであり、（ｂ）は２種類のデューティｄ１、ｄ２でそれぞれ設定される期間ＴＵ、期間ＴＬ、および期間ＴＮの長さの一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、本発明を限定するものではない。
【0012】
（第１実施形態）
図１は、第１実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す発電システム１は、二次励磁変換器１０と、制御装置２０と、誘導発電機３０と、水車４０と、変圧器５０と、遮断器６０と、を備える。この発電システム１は、水車４０の回転で発電する可変速揚水発電システムである。ただし、本発明に係る発電システムは、可変速揚水発電システムを含む水力発電システムだけでなく、例えば風力発電システム等の他の発電システムにも適用できる。発電システム１が、風力発電システムである場合、風車が水車４０の代わりに設置される。以下、発電システム１の構成について説明する。
図１は、第１実施形態に係る発電システムの構成の一例を示すブロック図である。図１に示す発電システム１は、二次励磁変換器１０と、制御装置２０と、誘導発電機３０と、水車４０と、変圧器５０と、遮断器６０と、を備える。この発電システム１は、水車４０の回転で発電する可変速揚水発電システムである。ただし、本発明に係る発電システムは、可変速揚水発電システムを含む水力発電システムだけでなく、例えば風力発電システム等の他の発電システムにも適用できる。発電システム１が、風力発電システムである場合、風車が水車４０の代わりに設置される。以下、発電システム１の構成について説明する。
【0013】
二次励磁変換器１０は、中性点クランプ型の三相電力変換器の一例であり、インバータ１１、コンバータ１２、第１コンデンサ１３ａ、第２コンデンサ１３ｂ、および変圧器１４を有する。ここで、図２を参照して二次励磁変換器１０の回路構成について説明する。
【0014】
図２は、二次励磁変換器１０の回路構成の一例を示す図である。図１２に示すインバータ１１およびコンバータ１２の回路構成は、中性点クランプ型である。具体的には、インバータ１１は、誘導発電機３０の各相に対応する３つのごとに、６つ半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６を有する。各半導体素子は、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子である。また、各半導体素子には、ダイオードが逆並列に接続されている。
【0015】
半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１４は、高電位点Ｐと低電位点Ｎとの間で直列に接続されている。そのため、半導体スイッチング素子Ｓ１１のコレクタ端子が直流端子として高電位点Ｐに接続され、半導体スイッチング素子Ｓ１４のエミッタ端子が直流端子として低電位点Ｎに接続される。
【0016】
また、半導体スイッチング素子Ｓ１５および半導体スイッチング素子Ｓ１６は、直列に接続されている。このとき、半導体スイッチング素子Ｓ１５と半導体スイッチング素子Ｓ１６の接続点は、高電位点Ｐと低電位点Ｎとの中間に位置する中性点ＮＰに接続される。さらに、半導体スイッチング素子Ｓ１５および半導体スイッチング素子Ｓ１６は、半導体スイッチング素子Ｓ１２および半導体スイッチング素子Ｓ１３に対して並列に接続されている。
【0017】
半導体スイッチング素子Ｓ１１～半導体スイッチング素子Ｓ１６の各々は、制御装置２０から各素子のゲートに入力される信号に基づいてオンおよびオフする。これにより、直流端子に入力された直流電力が、交流電力に変換される。この交流電力は、交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１から誘導発電機３０に供給される。なお、半導体スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６は、図２では１つの半導体スイッチング素子として表記されているが、複数の半導体スイッチング素子を直列接続し、同一のゲート信号で駆動することで事実上１つの素子として動作させてもよい。また、インバータ１１は、同じ回路が複数並列接続されて構成されていてもよい。
【0018】
一方、コンバータ１２は、３つの交流端子ｕ２、ｖ２、ｗ２ごとに、６つ半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６を有する。各半導体素子は、インバータ１１と同様に、例えばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等のパワー半導体素子である。また、半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６の各々にもダイオードが逆並列に接続されている。半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６の接続形態は、インバータ１１と同じである。半導体スイッチング素子Ｓ２１～半導体スイッチング素子Ｓ２６の各々も、制御装置２０から各素子のゲートに入力される信号に基づいてオンおよびオフする。これにより、電力系統９０から変圧器５０を介して交流端子ｕ２、ｖ２、ｗ２に入力された交流電力が、インバータ１１の運転に必要な直流電力に変換される。なお、半導体スイッチング素子Ｓ２１～Ｓ２６は、図２では１つの半導体スイッチング素子として表記されているが、複数の半導体スイッチング素子を直列接続し、同一のゲート信号で駆動することで事実上１つの素子として動作させてもよい。また、コンバータ１２は、同じ回路が複数並列接続されて構成されていてもよい。
【0019】
第１コンデンサ１３ａは、高電位点Ｐと中性点ＮＰとの間に接続される。第２コンデンサ１３ｂは、中性点ＮＰと低電位点Ｎとの間に接続される。第１コンデンサ１３ａおよび第２コンデンサ１３ｂは、高電位点Ｐと中性点ＮＰとの間における直流電圧ＶＰＮを、電圧Ｖｐと電圧ＶＮとに分圧する。
【0020】
図１に戻って、変圧器１４はコンバータ１２の入力側に接続される。変圧器１４は、入力電圧を所定の電圧に変圧する。変圧された電圧が、コンバータ１２に入力される。
【0021】
続いて、制御装置２０について説明する。制御装置２０は、演算処理部２１および駆動制御部２２を有する。演算処理部２１は、運転指令１００に含まれる基準電圧指令値に対して零相電圧を重畳する演算処理を行う。運転指令１００は、例えばオペレータの操作によって外部の中央制御指令装置（不図示）から制御装置２０へ入力される。駆動制御部２２は、演算処理部２１で算出された電圧指令値に基づいて、インバータ１１の半導体スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６のスイッチング動作を制御する。
【0022】
誘導発電機３０は、巻線型の三相誘導発電機である。誘導発電機３０の二次励磁巻線は、インバータ１１の交流端子ｕ、ｖ、ｗに接続される。誘導発電機３０の固定子巻線は、遮断器６０を介して変圧器５０に接続される。
【0023】
水車４０は、誘導発電機３０の回転軸に接続される。水車４０は、ダムの放流によって生成される水流で回転するか、あるいは誘導発電機３０の回転力により水を高位置のダムへくみ上げる。水車４０の回転力は、誘導発電機３０に伝達されて電力に変換される。
【0024】
変圧器５０は、誘導発電機３０の出力電圧を変圧する。変圧された電圧は、遮断器７０を介して送電線８０で電力系統９０に送電される。また、変圧器５０は、電力系統９０から送電線８０を介して供給された交流電圧を変圧する。変圧された交流電圧は、コンバータ１２に供給される。
【0025】
遮断器６０は、誘導発電機３０と変圧器５０との間に接続される。遮断器６０は、発電システム１内で異常が発生した場合に誘導発電機３０と変圧器５０との接続を遮断する。
【0026】
遮断器７０は、変圧器５０と送電線８０との間に接続される。遮断器７０は、電力系統９０で異常が発生した場合に変圧器５０と送電線８０との接続を遮断する。なお、本実施形態では、変圧器１４、変圧器５０、遮断器６０、および遮断器７０は、設置されていなくてもよい。
【0027】
ここで、上記のように構成された発電システム１における制御装置２０によるインバータ１１の制御動作について説明する。
【0028】
図３は、インバータ１１を駆動するための変調方式の一例を示す。図３では、三相電力変換器であるインバータ１１の交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１にそれぞれ対応する各相の電圧指令値が、正弦波信号でそれぞれ表される基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗとして１つずつ運転指令１００に含まれている。制御装置２０の駆動制御部２２は、正弦波信号として表される基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗと三角波状のキャリア波信号Ｃとを比較してＰＷＭ（Pulse Wide Modulation）信号を生成する。このＰＷＭ信号が、インバータ１１の各半導体スイッチング素子のゲートに入力される。
【0029】
インバータ１１の各半導体スイッチング素子が、上記ＰＷＭ信号に基づいてスイッチングすると、交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１のそれぞれから、３つのレベルの電圧が出力される。ここで、図４（ａ）、図４（ｂ）、および図４（ｃ）を参照して、インバータ１１の３相のうちの一つであるｕ相の電圧出力パターンを説明する。中性点ＮＰの電位を基準（０）とし、第１コンデンサ１３ａおよび第２コンデンサ１３ｂの各々の両端電圧をＶとして表すと、インバータ１１の各相は、＋Ｖ（正電圧）、０、－Ｖ（負電圧）という３つの電圧を出力する。
【0030】
図４（ａ）は、出力電圧レベルが＋Ｖである場合の電流経路を示す図である。図４（ａ）では、半導体スイッチング素子Ｓ１１および半導体スイッチング素子Ｓ１２がオンし、残りの半導体スイッチング素子がオフする。この場合、電流がオン状態の半導体スイッチング素を流れると、交流端子ｕ１の電圧レベルがＶとなる。
【0031】
図４（ｂ）は、出力電圧レベルが０である場合の電流経路を示す図である。図４（ｂ）では、半導体スイッチング素子Ｓ１２、半導体スイッチング素子Ｓ１３、半導体スイッチング素子Ｓ１５、および半導体スイッチング素子Ｓ１６がオンし、残りの半導体スイッチング素子がオフする。この場合、電流がオン状態の半導体スイッチング素子を流れると、交流端子ｕ１の電圧レベルが０となる。
【0032】
図４（ｃ）は、出力電圧レベルが－Ｖである場合の電流経路を示す図である。図４（ｃ）では、半導体スイッチング素子Ｓ１３および半導体スイッチング素子Ｓ１４がオンし、残りの半導体スイッチング素子がオフする。この場合、電流がオン状態の半導体スイッチング素子を流れると、交流端子ｕ１の電圧レベルが－Ｖとなる。
【0033】
図５（ａ）は、変調率（振幅）が高い場合の基準電圧指令値およびＰＷＭ信号の一例を示す図である。また、図５（ｂ）は、変調率（振幅）が低い場合の基準電圧指令値およびＰＷＭ信号の一例を示す図である。図５（ａ）および図５（ｂ）には、ｕ相の電圧指令値ｖｕおよびＰＷＭ信号ｖｕ１が示されている。また、図５（ａ）および図５（ｂ）は、電圧指令値ｖｕおよびＰＷＭ信号ｖｕ１の経時的な変化を示している。ここでは、電圧指令値ｖｕおよびＰＷＭ信号ｖｕ１の値は、１ｐｕ（per unit）と－１ｐｕとの間で変化する。ここで１ｐｕは、中性点ＮＰの電位を基準とする正の最大値である。また、－１ｐｕは、中性点ＮＰの電位を基準とする負の最大値である。
【0034】
インバータ１１の基準電圧指令値ｖｕの変調率（振幅）が高いと、図５（ａ）に示すように出力ＰＷＭ波のパルス幅も大きくなる。一方、インバータ１１の基準電圧指令値ｖｕの変調率（振幅）が低いと、図５（ｂ）に示すように出力ＰＷＭ波のパルス幅も小さくなる。この変調率が低い場合、各交流端子の出力電圧のうち、０を出力する期間が長くなってしまう。この場合、図４（ｂ）に示すように、半導体スイッチング素子Ｓ１１～Ｓ１６から成る半導体スイッチ素子群の中で内側に配置された内側素子（半導体スイッチング素子Ｓ１２，Ｓ１３，Ｓ１５，Ｓ１６）のオン状態の期間、すなわち電流導通期間が長くなる。これにより、素子の損失（導通損失、スイッチング損失、リカバリ損失）が内側素子に集中する。そのため、素子温度が上昇して素子が破壊する恐れがある。ここで、素子には、半導体スイッチング素子と、各半導体スイッチング素子に逆並列に接続されたダイオードとの両方が含まれる。
【0035】
また、二次励磁変換器１０には、中性点ＮＰの電位が変動するという技術課題もある。ここで、図６を参照して、中性点ＮＰの電位変動について説明する。
【0036】
図６は、中性点ＮＰの電位変動を説明するための図である。図６には、第１コンデンサ１３ａ両端の電圧ＶＰ、第２コンデンサ１３ｂ両端の電圧ＶＮ、直流電圧ＶＰＮの波形が示されている。図６に示すように、直流電圧ＶＰＮは、一定であるのに対して、電圧ＶＰ、電圧ＶＮは各コンデンサの充放電に伴って周期的に変動する。これにより、中性点ＮＰの電位も変動する。このとき、電位変動が大きいと、二次励磁変換器１０に設けられた半導体スイッチング素子に定格を超える電圧が印加される場合がある。この場合、半導体スイッチング素子が破壊する恐れがある。
【0037】
そこで、本実施形態では、インバータ１１の出力周波数が、予め設定された値よりも低い場合、演算処理部２１が、運転指令１００から取得される三相正弦波の基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ（図３参照）の各々に零相電圧ｖ０１を重畳する。零相電圧ｖ０１は、各基準電圧指令値を、正側と負側で交互に一定値を一定期間維持する電圧指令値に変換する式に基づいて算出される。
【0038】
具体的には、一定値が正側で一定期間維持される場合、演算処理部２１は、下記の式（１）に基づいて、零相電圧ｖ０１を算出する。
【数1】
【0039】
一方、一定値が負側で一定期間維持される場合、演算処理部２１は、下記の式（２）に基づいて、零相電圧ｖ０１を算出する。
【数2】
【0040】
上式（１）、（２）において、「ｍａｘ」と「ｍｉｎ」は、それぞれ引数の最大値または最小値を求める演算処理である。すなわち、「ｍａｘ（ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）」は、各時点において基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中で最大値を求める演算処理である。また、「ｍｉｎ（ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ）」は、各時点において基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中で最小値を求める演算処理である。
【0041】
演算処理部２１は、式（１）または式（２）を用いて算出した零相電圧ｖ０１を基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗにそれぞれ加算する。これにより、下記の式（３）に示されるように、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗが算出される。
【数3】
【0042】
図７は、第１実施形態に係る電圧指令値と中性点ＮＰの電位変動の波形図の一例である。図７の上段が、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗの波形図の一例を示す。なお、図７では、３つの電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗをまとめて図示している。また、図７では、半周期（１秒）分の波形が示されている。
【0043】
本実施形態では、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗのうちの一つが、期間ＴＵ（第１重畳期間）において正側の「１」に維持されている。期間ＴＵ（第２重畳期間）に連続する期間ＴＬでは、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗのうちの別の一つが、負側の「－１」に維持されている。すなわち、本実施形態では、零相電圧ｖ０１を重畳した電圧指令値のうち１相が、「１」と「－１」を交互に連続して繰り返している。零相電圧ｖ０１を重畳しても、線間で三相交流の電圧指令値は維持されている。このとき、零相電圧ｖ０１を正負で繰り返す周期は、正弦波で表される基準電圧指令値の周期よりも短い。また、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗは、駆動制御部２２でキャリア波信号Ｃ（図３参照）と比較されてＰＷＭパルスに変換されてインバータ１１の各半導体スイッチング素子のゲートに入力される。そのため、上記零相電圧ｖ０を正負で繰り返す周期は、キャリア波信号Ｃの周波数であるキャリア周波数よりも長い。
【0044】
電圧指令値が「１」に設定されていると、各半導体スイッチング素子の状態は、図４（ａ）に示すように半導体スイッチング素子Ｓ１１および半導体スイッチング素子Ｓ１２がオンする。そのため、図４（ｂ）と比較すると、内側素子の一つである半導体スイッチング素子Ｓ１３の通電期間が減少する。また、電圧指令値が「１」でなくとも、「１付近」であれば、半導体スイッチング素子Ｓ１１および半導体スイッチング素子Ｓ１２のオン期間が増加し、内側素子の一つである半導体スイッチング素子Ｓ１３の通電期間は減少する。そのため、インバータ１１の出力周波数が低いときに生じる内側素子の損失集中を回避できる。
【0045】
また、電圧指令値が「－１」あるいは「－１付近」に設定されていると、各半導体スイッチング素子の状態は、図４（ｃ）に示すように半導体スイッチング素子Ｓ１３および半導体スイッチング素子Ｓ１４がオンする期間が長くなる。そのため、図４（ｂ）と比較すると、内側素子の一つである半導体スイッチング素子Ｓ１６の通電期間が減少する。そのため、この場合も、内側素子の損失集中を回避できる。
【0046】
図７の下段には、上段に示す電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗを用いてインバータ１１の各半導体スイッチング素子を駆動した場合の中性点ＮＰの電位変動を示す。図７を参照すると、中性点ＮＰの電位変動が発生しているものの、非常に小さな変動であり、各半導体スイッチング素子に定格を超える電圧が印加されるような大きな電圧リプルにはなっていない。また、図７に示すように、正の零相電圧「１」を重畳する期間ＴＵでは、中性点ＮＰの電位が負方向に変動するのに対し、負の零相電圧「－１」を重畳する期間ＴＬでは、中性点ＮＰの電位が正方向に変動する。このように、正負の零相電圧を重畳する期間で中性点ＮＰの電位の変動方向が異なるため、このような電位変動の繰り返しが、小さな電圧リプルをもたらす。その結果、電位変動の拡大を回避することができる。
【0047】
したがって、本実施形態によれば、半導体スイッチング素子の損失集中の回避と中性点電位変動の抑制を両立することができる。これにより、二次励磁変換器１０を安全に運転できる発電システム１を実現することが可能となる。
【0048】
（変形例）
本変形例では、演算処理部２１が、特許第７０６８０１５号公報に記載されているように、運転指令１００から取得される基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ（図３参照）の各々に、上述した第１実施形態に係る零相電圧ｖ０１を重畳する前に、別の零相電圧ｖ０２を重畳する。ここで、零相電圧０２を重畳する演算処理について詳述する。
本変形例では、演算処理部２１が、特許第７０６８０１５号公報に記載されているように、運転指令１００から取得される基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗ（図３参照）の各々に、上述した第１実施形態に係る零相電圧ｖ０１を重畳する前に、別の零相電圧ｖ０２を重畳する。ここで、零相電圧０２を重畳する演算処理について詳述する。
【0049】
まず、演算処理部２１は、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗと運転指令１００から取得されるインバータ１１の出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとを下記の式（１）に入力して零相電圧ｖ０２を算出する。
【数4】
【0050】
続いて、演算処理部２１は、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのそれぞれに、零相電圧ｖ０２を加算した電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を算出する。
算出する。
算出する。
【0051】
続いて、演算処理部２１は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の中間値を算出する。この中間値は、各時点における電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を、その値の高い順に（または低い順に）並べた場合に、２番目に値の高い（または値の低い）電圧指令値である。
【0052】
続いて、演算処理部２１は、上記中間値の符号に応じた値を設定する。例えば、この中間値の符号が正である場合には「１」の値が設定される。一方、その符号が負である場合には「０」の値が設定される。
【0053】
並行して、演算処理部２１は、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中間値も算出する。この中間値は、各時点における基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを、その値の高い順に（または低い順に）並べた場合に、２番目に値の高い（または値の低い）電圧指令値である。
【0054】
続いて、演算処理部２１は、上記中間値の符号に応じた値を設定する。この中間値の符号が正である場合には「１」の値が設定される。一方、その符号が負である場合には「０」の値が設定される。
【0055】
続いて、演算処理部２１は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の中間値の符号に基づいて設定した値から、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中間値の符号に基づいて設定した値を減算する。
【0056】
減算結果の値が「０」である場合、演算処理部２１は、中間値の符号が変化していないと判定する。この場合、演算処理部２１は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を出力する。
【0057】
一方、減算結果の値が「１」である場合には、演算処理部２１は、中間値の符号が変化したと判定する。この場合、演算処理部２１は、さらに別の零相電圧ｖ０ｒｅを算出する。ここで、零相電圧ｖ０ｒｅの算出方法について説明する。
【0058】
演算処理部２１は、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中間値の符号に応じた値の正負を反転する。続いて、演算処理部２１は、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを式（１）に入力するとともに、基準電圧指令値の中間値をその符号を反転させて式（１）に代入する。このようにして、演算処理部２１は、再度零相電圧の再計算を行い、その演算結果を零相電圧ｖ０ｒｅとして算出する。
【0059】
続いて、演算処理部２１は、算出した零相電圧ｖ０ｒｅを基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗにそれぞれ加算する。演算処理部２１は、加算後の電圧指令値を第２演算部２１２へ出力する。
【0060】
このように、演算処理部２１は、零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がある場合、当該電圧指令値の符号を反転させて零相電圧の再計算を行う。続いて、演算処理部２１は、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳する。零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がない場合であっても、計算式の分母が０を跨いで符号が変化する場合には、演算処理部２１は、当該電圧指令値の符号を反転させて零相電圧の再計算を行う。これにより、中性点ＮＰの電位変動を抑制できる。
【0061】
図８は、本変形例に係る演算処理の電圧指令値に基づいてインバータ１１を駆動した場合の回析波形の一例を示す図である。図８の上段には、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに本変形例に係る演算処理の零相電圧を重畳した電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の波形が示されている。図８の中段には、インバータ１１の各交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１から出力される電流ｉｕ０，ｉｖ０，ｉｗ０の波形が示されている。図８の下段には、中性点ＮＰの電位の波形が示されている。
【0062】
基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの波形は、三相正弦波であるが、本変形例に係る演算処理を適用した結果、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の波形が少し歪んだ形となっている。これにより、二次励磁変換器１０は、各交流端子ｕ１、ｖ１、ｗ１から三相正弦波の交流電流を出力しつつ、中性点ＮＰの電位変動を抑制することができる。
【0063】
さらに、本変形例では、演算処理部２１は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０に対して、上述した第１実施形態に係る零相電圧０１を重畳する。これにより、内側素子の損失集中が回避される。その結果、第１実施形態と同様に、半導体スイッチング素子の損失集中の回避と中性点電位変動の抑制を両立し、二次励磁変換器１０を安全に運転できる発電システム１を実現することが可能となる。
【0064】
（第２実施形態）
以下、第２実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
以下、第２実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
【0065】
本実施形態では、上述した変形例と同様に、演算処理部２１は、基準電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに零相電圧ｖ０２または零相電圧ｖ０ｒｅを重畳した電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を算出する。さらに、演算処理部２１は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０に第１実施形態で説明した零相電圧ｖ０１を重畳する。このとき、変形例では、正負の零相電圧ｖ０２は交互に連続して電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０に重畳される。
【0066】
一方、本実施形態では、正の零相電圧ｖ０２を重畳する期間ＴＵと、負の零相電圧ｖ０２を重畳する期間ＴＬとの間に、零相電圧ｖ０２を重畳しない非重畳期間が設けられる。ここで、図９を参照して、本実施形態に係る電圧指令値について説明する。
【0067】
図９は、第２実施形態に係る電圧指令値と中性点ＮＰの電位変動の波形図の一例である。図９の上段が、本実施形態に係る電圧指令値の波形図の一例を示す。図９に示すように、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗのうちの一つが、期間ＴＵにおいて正側の「１」に維持されている。期間ＴＵに連続する期間ＴＮでは、零相電圧ｖ０１は電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗのいずれにも重畳されていない。期間ＴＮに連続する期間ＴＬでは、電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗのうちの別の一つが、負側の「－１」に維持されている。
【0068】
図９の下段には、上段に示す電圧指令値を用いてインバータ１１の各半導体スイッチング素子を駆動した場合の中性点ＮＰの電位変動を示す。図９を参照すると、期間ＴＮでは、零相電圧ｖ０１は電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗのいずれにも重畳されていない一方で、変形例で説明した零相電圧ｖ０２または零相電圧ｖ０ｒｅが電圧指令値ｖ’ｕ,ｖ’ｖ,ｖ’ｗの全てに重畳されている。そのため、期間ＴＮでは、中性点ＮＰの電位が殆ど変動しない。
【0069】
図９に示すように、本実施形態では、電圧指令値は、１ｐｕ付近、０ｐｕ付近、－１ｐｕ付近を繰り返す。電圧指令値が１ｐｕおよび－１ｐｕ付近であるとき、インバータ１１の半導体スイッチング素子群のうち、外側素子の損失が大きくなりやすい。また、電圧指令値が０ｐｕ付近であるとき、内側素子の損失が大きくなりやすい。本実施形態では、１ｐｕ付近、０ｐｕ付近、および－１ｐｕ付近に電圧指令値を繰り返すことによって、第１実施形態よりも細かく半導体スイッチング素子の損失が全素子に分散される。その結果、半導体スイッチング素子の損失集中をさらに回避することが可能となる。
【0070】
（第３実施形態）
以下、第３実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
以下、第３実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
【0071】
上述した第２実施形態では、零相電圧ｖ０１を電圧指令値に重畳する期間ＴＵおよび期間ＴＬの長さと零相電圧ｖ０１を電圧指令値に重畳しない期間ＴＮの長さとは一定である。一方、本実施形態では、これらの期間の長さをインバータ１１の出力電圧に対応する基準電圧指令値の変調率または周波数に応じて可変な値に設定する。ここで、図１０を参照して、期間ＴＵ、期間ＴＬ、および期間ＴＮの長さの設定方法について説明する。
【0072】
図１０（ａ）は、期間ＴＵ、期間ＴＬ、および期間ＴＮの長さの設定方法を説明するためのグラフである。図１０（ａ）において、横軸は、基準電圧指令値の出力電圧の変調率（振幅）または周波数を示す。縦軸は、デューティを示す。このデューティは、期間ＴＵ、―１ｐｕの零相電圧を重畳する期間ＴＬ、および期間ＴＮの各々の長さの合計を１周期とした場合、その１周期に対する期間ＴＵおよび期間ＴＬの長さの割合であり、下記の式（５）で表される。
【数5】
【0073】
期間ＴＵの長さが期間ＴＬの長さと同じ（ＴＵ＝ＴＬ）であれば、デューティは下記の式（６）で表される。
【0074】
制御装置２０の演算処理部２１は、図１０（ａ）に示すように、基準電圧指令値の出力電圧の変調率（振幅）または周波数に応じて、デューティを変化させる。図１０（ａ）では、両者の関係が直線で示されているが、直線でなくてもよい。
【0075】
例えば、運転指令１００において、変調率がｍ１に設定されている場合、演算処理部２１は、図１０（ａ）に示す関数式を用いてデューティｄ１を設定する。一方、運転指令１００において、変調率が、ｍ１よりも高いｍ２に設定されている場合、演算処理部２１は、図１０（ａ）に示す関数式を用いて、デューティｄ１よりも低いデューティｄ２を設定する。このように、演算処理部２１は、基準電圧指令値の変調率または周波数が高くなるにつれてデューティを低減する一方で、変調率または周波数が低くなるにつれてデューティを増加させる。
【0076】
図１０（ｂ）は、２種類のデューティｄ１、ｄ２でそれぞれ設定される期間ＴＵ、期間ＴＬ、および期間ＴＮの長さの一例を示す図である。デューティｄ１は、デューティｄ２よりも高い。これにより、基準電圧指令値の変調率が低く設定されている場合には、零相電圧ｖ０１の重畳期間ＴＵ、ＴＬが長くなる。また、基準電圧指令値の変調率が高く設定されている場合には、零相電圧ｖ０１の重畳期間ＴＵ、ＴＬが短くなる。
【0077】
インバータ１１の出力電圧の変調率が低いと、インバータ１１の各半導体スイッチング素子の電圧指令値の変調率および周波数も低くなる。この場合、第１実施形態で説明したように、内側損失が集中しやすくなる。
【0078】
そこで、本実施形態では、素子損失の分散の必要性が高いインバータ１１の運転条件の場合に、演算処理部２１は、電圧指令値に零相電圧ｖ０１を重畳する期間をより長く設定する。また、本実施形態では、零相電圧ｖ０１の非重畳期間ＴＮでは、演算処理部２１は、変形例で説明した零相電圧ｖ０２を基準電圧指令値に重畳している。そのため、中性点ＮＰの電位が安定する。したがって、本実施形態によれば、素子損失の集中を回避させつつ、中性点ＮＰの電位変動も最低限に抑制することが可能となる。
【0079】
（第４実施形態）
以下、第４実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
以下、第４実施形態について説明する。本実施形態に係る発電システムの構成は、上述した第１実施形態に係る発電システム１（図１参照）と同様であるため、説明を省略する。
【0080】
第３実施形態で説明したように、基準電圧指令値の変調率または周波数が低いときに、インバータ１１に設けられた半導体スイッチング素子群の損失集中を回避する必要性が高い。つまり、上記変調率または上記周波数が低いとき以外は、零相電圧ｖ０１を基準電圧指令値に重畳する必要性が乏しい。
【0081】
例えば、熱計算および熱解析などによって、インバータ１１が変調率ｍ２（所定値）以上で運転するときにインバータ１１に設けられた半導体スイッチング素子群の損失集中を回避することが不要であるとする。この場合、本実施形態では、演算処理部２１は、変調率ｍ２未満のときに零相電圧ｖ０１を電圧指令値に重畳する重畳処理を行う一方で、変調率ｍ２以上の場合にこの重畳処理を行わない。これにより、本実施形態でも、素子損失の集中を回避させつつ、中性点ＮＰの電位変動も最低限に抑制することができる。
【0082】
なお、各実施形態および変形例では、演算処理部２１が零相電圧ｖ０１を重畳することによって、三相分の電圧指令値うちの一つが、一定期間、１ｐｕ（１００％）または－１ｐｕ（－１００％）に維持されているが、一定期間維持する電圧指令値の絶対値は、１に近い値であれば、１より低い値であってもよい。この場合、零相電圧ｖ０１として重畳される正値は、式（１）の「１」を所望の数に変更することによって設定できる。一方、零相電圧ｖ０１として重畳される負値は、式（２）の「－１」を所望の数に変更することによって設定できる。
【0083】
以上、実施形態を幾つか説明したが、これらの実施形態は、例としてのみ提示したものであり、発明の範囲を限定することを意図したものではない。本明細書で説明した新規なシステムは、その他の様々な形態で実施することができる。また、本明細書で説明したシステムの形態に対し、発明の要旨を逸脱しない範囲内で、種々の省略、置換、変更を行うことができる。添付の特許請求の範囲およびこれに均等な範囲は、発明の範囲や要旨に含まれるこのような形態や変形例を含むように意図されている。
【符号の説明】
【0084】
１：発電システム
１０：二次励磁変換器（中性点クランプ型の三相電力変換器）
２０：制御装置
２１：演算処理部
２２：駆動制御部
Ｓ１１～Ｓ１６、Ｓ２１～Ｓ２６：半導体スイッチング素子
１０：二次励磁変換器（中性点クランプ型の三相電力変換器）
２０：制御装置
２１：演算処理部
２２：駆動制御部
Ｓ１１～Ｓ１６、Ｓ２１～Ｓ２６：半導体スイッチング素子
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
