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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】P2024047905
(43)【公開日】2024-04-08
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
H02M 7/487 20070101AFI20240401BHJP
【ＦＩ】
H02M7/487
【審査請求】未請求
【請求項の数】9
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2022153669
(22)【出願日】2022-09-27
(71)【出願人】
【識別番号】391017540
【氏名又は名称】東芝ＩＴコントロールシステム株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100081961
【弁理士】
【氏名又は名称】木内 光春
(74)【代理人】
【識別番号】100112564
【弁理士】
【氏名又は名称】大熊 考一
(74)【代理人】
【識別番号】100163500
【弁理士】
【氏名又は名称】片桐 貞典
(74)【代理人】
【識別番号】230115598
【弁護士】
【氏名又は名称】木内 加奈子
(72)【発明者】
【氏名】窓岩 尚史
(72)【発明者】
【氏名】新井 卓郎
(72)【発明者】
【氏名】松本 脩平
(72)【発明者】
【氏名】田中 彰
【テーマコード（参考）】
5H770
【Ｆターム（参考）】
5H770BA11
5H770CA06
5H770DA01
5H770DA10
5H770DA23
5H770DA32
5H770DA41
5H770DA44
5H770EA01
5H770FA03
5H770HA03W
5H770HA03X
5H770JA11W
5H770JA11X
5H770JA13Y
5H770JA17W
5H770JA17Y
5H770JA18W
(57)【要約】 （修正有）
【課題】ＮＰＣ－ＭＭＣが交流側と切り離されている状態において、直流側から単位変換器のセルコンデンサを初期充電する。
【解決手段】電力変換装置１は、直流電源の正側端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２を直列接続して構成される第１スイッチングレグＳＬ１と、直流電源ＤＣの負側端子と第１スイッチングレグＳＬ１との間に設けられ、第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４を直列接続して構成される第２スイッチングレグＳＬ２を備える。正側アームＡ１と負側アームＡ２は、スイッチングレグＳＬ１，ＳＬ２の出力端子と交流電源ＡＣと接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器Ｃを含む。制御回路２０と素子駆動部２１は、第１スイッチＳＷ１により交流電源ＡＣと電力変換装置１を切り離した状態で、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２を動作させる。
【選択図】図１
【解決手段】電力変換装置１は、直流電源の正側端子に接続され、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２を直列接続して構成される第１スイッチングレグＳＬ１と、直流電源ＤＣの負側端子と第１スイッチングレグＳＬ１との間に設けられ、第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４を直列接続して構成される第２スイッチングレグＳＬ２を備える。正側アームＡ１と負側アームＡ２は、スイッチングレグＳＬ１，ＳＬ２の出力端子と交流電源ＡＣと接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器Ｃを含む。制御回路２０と素子駆動部２１は、第１スイッチＳＷ１により交流電源ＡＣと電力変換装置１を切り離した状態で、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２を動作させる。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置であって、
直流電源の正側端子に接続され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を直列接続して構成される第１スイッチングレグと、
前記直流電源の負側端子と前記第１スイッチングレグとの間に設けられ、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を直列接続して構成される第２スイッチングレグと、
前記第１スイッチングレグに並列に接続した第１直流コンデンサと、
前記第２スイッチングレグに並列に接続した第２直流コンデンサと、
前記第１スイッチングレグの出力端子と交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む正側アームと、
前記第２スイッチングレグの出力端子と前記交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む負側アームと、
前記交流電源と接続する交流端子と前記正側アーム及び前記負側アームとの間に直列に接続した第１スイッチと、
前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグのゲート信号を生成する制御回路と、
前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させる素子駆動部と、
を備え、
前記制御回路と前記素子駆動部は、前記第１スイッチにより前記交流電源と電力変換装置を切り離した状態で、前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させ、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させることを特徴とする電力変換装置。
直流電源の正側端子に接続され、第１スイッチング素子と第２スイッチング素子を直列接続して構成される第１スイッチングレグと、
前記直流電源の負側端子と前記第１スイッチングレグとの間に設けられ、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を直列接続して構成される第２スイッチングレグと、
前記第１スイッチングレグに並列に接続した第１直流コンデンサと、
前記第２スイッチングレグに並列に接続した第２直流コンデンサと、
前記第１スイッチングレグの出力端子と交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む正側アームと、
前記第２スイッチングレグの出力端子と前記交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む負側アームと、
前記交流電源と接続する交流端子と前記正側アーム及び前記負側アームとの間に直列に接続した第１スイッチと、
前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグのゲート信号を生成する制御回路と、
前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させる素子駆動部と、
を備え、
前記制御回路と前記素子駆動部は、前記第１スイッチにより前記交流電源と電力変換装置を切り離した状態で、前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させ、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させることを特徴とする電力変換装置。
【請求項2】
前記制御回路と前記素子駆動部により、前記第１スイッチングレグの前記スイッチング素子の１つと、前記第２スイッチングレグの前記スイッチング素子の１つをオン状態に切り替えることで、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させること、
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記直流電源と前記第１スイッチングレグ又は前記第２スイッチングレグとの間に第２スイッチを接続し、第３スイッチと抵抗を直列に接続した回路を前記第２スイッチと並列に接続したこと、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記第１スイッチング素子と、前記第４スイッチング素子をオン状態に切り替えた後、前記第３スイッチをオン状態に切り替えることで、前記単位変換器内の前記コンデンサ及び前記第１直流コンデンサ、前記第２直流コンデンサを充電させること、
を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
を特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグの前記素子駆動部が主回路の外部から給電されること、
を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
を特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記制御回路は、前記直流電源の直流電圧と前記単位変換器のコンデンサ電圧から、充電電流を演算し、前記充電電流が指令値に追従するように前記第１スイッチングレグと、前記第２スイッチングレグのゲート信号を生成すること、
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項7】
前記制御回路は、外部から入力された充電電流指令値に前記正側アームと前記負側アームのインダクタンス成分を乗算し、設定したスイッチング周期を除し、前記直流電源の直流電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子のオンオフ時比率とし、
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態となるように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成すること、
を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態となるように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成すること、
を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項8】
前記制御回路は、外部から入力された充電電流指令値に前記正側アームと前記負側アームのインダクタンス成分を乗算し、設定したスイッチング周期を除し、前記第１直流コンデンサ電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子のオンオフ時比率に設定し、
前記充電電流指令値に前記インダクタンス成分を乗算し、前記スイッチング周期を除し、前記第２直流コンデンサ電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子のオンオフ時比率に設定し、
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態とならないように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成すること、
を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
前記充電電流指令値に前記インダクタンス成分を乗算し、前記スイッチング周期を除し、前記第２直流コンデンサ電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子のオンオフ時比率に設定し、
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態とならないように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成すること、
を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項9】
前記単位変換器が、複数のスイッチング素子とセルコンデンサを備え、
前記制御回路と前記素子駆動部により、複数の前記単位変換器に設けられた前記スイッチング素子の動作が制御されることを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
前記制御回路と前記素子駆動部により、複数の前記単位変換器に設けられた前記スイッチング素子の動作が制御されることを特徴とする請求項２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、交流電力と直流電力とを変換する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置として、複数の単位変換器を多段に接続したモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）の研究開発が進められている。モジュラー・マルチレベル変換器は、出力電圧を多レベル化することで半導体スイッチのスイッチングに伴う高調波電圧を低減することができ、系統に流出する高調波成分を低減するためのフィルタを小さくすることができる。
【0003】
ＭＭＣの単位変換器の数を減らす回路構成として、中性点クランプ形モジュラー・マルチレベル変換器（ＮＰＣ－ＭＭＣ）が提案されている（特許文献１）。ＮＰＣ－ＭＭＣは、直流電圧を分圧する２つのコンデンサと、それぞれのコンデンサに並列に接続した半導体スイッチで構成されるスイッチングレグを備え、スイッチングレグの交流出力に単位変換器を多段に接続した回路構成である。これにより、従来のＭＭＣのおよそ半分の単位変換器で同等の電力変換動作が可能になる。
【0004】
ＮＰＣ－ＭＭＣなどのＭＭＣは系統と連系して電力変換動作を行う前に、単位変換器のセルコンデンサを初期充電して系統電圧と同等の電圧を出力する必要がある。セルコンデンサを初期充電する方法として、例えば交流系統から充電抵抗を介して接続する方法がある（特許文献２、特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開２０１５－１４６６９２号公報
【特許文献2】ＷＯ２０１２／１５９６６８号公報
【特許文献3】ＷＯ２０１２／１４０００８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
ＮＰＣ－ＭＭＣが電力系統などの交流電圧源と接続する場合、交流電圧源と大きく異なる電圧を出力すると過電流が流れてしまうため、起動時に単位変換器のセルコンデンサを初期充電して交流電圧源と同等の電圧を出力する必要がある。しかしながら、高圧チョッパがゲートブロックされている初期状態において、直流側から各単位変換器のセルコンデンサを充電するための電流経路が存在せず、初期充電ができないという問題がある。
【0007】
すなわち、ＮＰＣ－ＭＭＣが交流側と切り離されている状態では、直流側から単位変換器のセルコンデンサを初期充電する必要があるが、単位変換器はスイッチングレグを介して直流部と接続しているため、充電するための電流経路がなく、初期充電ができないという問題があった。
【0008】
本発明の実施形態は、ＮＰＣ－ＭＭＣが交流側と切り離されている状態において、直流側から単位変換器のセルコンデンサを初期充電できる電力変換装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
実施形態の電力変換装置は、交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置であって、次のような構成を備える。
（１）直流電源の正側端子に接続され、第１スイッチング素子と第２のスイッチング素子を直列接続して構成される第１スイッチングレグ。
（２）前記直流電源の負側端子と前記第１スイッチングレグとの間に設けられ、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を直列接続して構成される第２スイッチングレグ。
（３）前記第１スイッチングレグに並列に接続した第１直流コンデンサ。
（４）前記第２スイッチングレグに並列に接続した第２直流コンデンサ。
（５）前記第１スイッチングレグの出力端子と交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む正側アーム。
（６）前記第２スイッチングレグの出力端子と前記交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む負側アーム。
（７）前記交流電源と接続する交流端子と前記正側アーム及び前記負側アームとの間に直列に接続した第１スイッチ。
（８）前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグのゲート信号を生成する制御回路。
（９）前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させる素子駆動部。
（１０）前記制御回路と前記素子駆動部は、前記第１スイッチにより前記交流電源と電力変換装置を切り離した状態で、前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させ、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させる。
（１）直流電源の正側端子に接続され、第１スイッチング素子と第２のスイッチング素子を直列接続して構成される第１スイッチングレグ。
（２）前記直流電源の負側端子と前記第１スイッチングレグとの間に設けられ、第３スイッチング素子と第４スイッチング素子を直列接続して構成される第２スイッチングレグ。
（３）前記第１スイッチングレグに並列に接続した第１直流コンデンサ。
（４）前記第２スイッチングレグに並列に接続した第２直流コンデンサ。
（５）前記第１スイッチングレグの出力端子と交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む正側アーム。
（６）前記第２スイッチングレグの出力端子と前記交流電源と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む負側アーム。
（７）前記交流電源と接続する交流端子と前記正側アーム及び前記負側アームとの間に直列に接続した第１スイッチ。
（８）前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグのゲート信号を生成する制御回路。
（９）前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させる素子駆動部。
（１０）前記制御回路と前記素子駆動部は、前記第１スイッチにより前記交流電源と電力変換装置を切り離した状態で、前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグを動作させ、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させる。
【0010】
実施形態の電力変換装置は、次のような構成を採用することができる。
（１）前記制御回路と前記素子駆動部により、前記第１スイッチングレグの前記スイッチング素子の１つと、前記第２スイッチングレグの前記スイッチング素子の１つをオン状態に切り替えることで、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させる。
（１）前記制御回路と前記素子駆動部により、前記第１スイッチングレグの前記スイッチング素子の１つと、前記第２スイッチングレグの前記スイッチング素子の１つをオン状態に切り替えることで、前記単位変換器内の前記コンデンサを充電させる。
【0011】
（２）前記直流電源と前記第１スイッチングレグ又は前記第２スイッチングレグとの間に第２スイッチを接続し、第３スイッチと抵抗を直列に接続した回路を前記第２スイッチと並列に接続する。
【0012】
（３）前記第１スイッチング素子と、前記第４スイッチング素子をオン状態に切り替えた後、前記第３スイッチをオン状態に切り替えることで、前記単位変換器内の前記コンデンサ及び前記第１直流コンデンサ、前記第２直流コンデンサを充電させる。
【0013】
（４）前記第１スイッチングレグと前記第２スイッチングレグの前記素子駆動部が主回路の外部から給電される。
【0014】
（５）前記制御回路は、前記直流電源の直流電圧と前記単位変換器のコンデンサ電圧から、充電電流を演算し、前記充電電流が指令値に追従するように前記第１スイッチングレグと、前記第２スイッチングレグのゲート信号を生成する。
【0015】
（６）前記制御回路は、外部から入力された充電電流指令値に前記正側アームと前記負側アームのインダクタンス成分を乗算し、設定したスイッチング周期を除し、前記直流電源の直流電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子のオンオフ時比率とし、
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態となるように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成する。
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態となるように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成する。
【0016】
（７）前記制御回路は、外部から入力された充電電流指令値に前記正側アームと前記負側アームのインダクタンス成分を乗算し、設定したスイッチング周期を除し、前記第１直流コンデンサ電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子のオンオフ時比率に設定し、
前記充電電流指令値に前記インダクタンス成分を乗算し、前記スイッチング周期を除し、前記第２直流コンデンサ電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子のオンオフ時比率に設定し、
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態とならないように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成する。
（８）前記単位変換器が、複数のスイッチング素子とセルコンデンサを備え、
前記制御回路と前記素子駆動部により、複数の前記単位変換器に設けられた前記スイッチング素子の動作が制御される。
前記充電電流指令値に前記インダクタンス成分を乗算し、前記スイッチング周期を除し、前記第２直流コンデンサ電圧から前記単位変換器の各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子のオンオフ時比率に設定し、
前記第１スイッチングレグの前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチングレグの前記第４スイッチング素子が同時にオン状態とならないように前記オンオフ時比率のゲート信号を生成する。
（８）前記単位変換器が、複数のスイッチング素子とセルコンデンサを備え、
前記制御回路と前記素子駆動部により、複数の前記単位変換器に設けられた前記スイッチング素子の動作が制御される。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】第１実施形態による電力変換装置の構成例を示す回路図である。
【図2】第１実施形態による充電動作の一例を説明する回路図である。
【図3】第１実施形態による充電動作の一例を説明する回路図である。
【図4】第１実施形態による充電動作の一例を説明する回路図である。
【図5】第１実施形態における単位変換器の一例を示す図である。
【図6】第２実施形態の構成を示す回路図である。
【図7】第３実施形態の動作の一例を説明するためのグラフである。
【図8】第４実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための回路図である。
【図9】第４実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための回路図である。
【図10】実施形態における他の単位変換器の例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0018】
［１．第１実施形態］
［１－１．構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す回路図である。なお、以下においては、図１に示す電力変換装置１の構成要素と同一又は相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明する。
［１－１．構成］
図１は、本発明の第１実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す回路図である。なお、以下においては、図１に示す電力変換装置１の構成要素と同一又は相当する構成要素には、図１で使用した符号と同一の符号を付して説明する。
【0019】
第１実施形態に係る電力変換装置１は、直流電源ＤＣと交流電源ＡＣとの間に接続される。本実施形態では単相の交流電源ＡＣと接続されているが、交流電源ＡＣの相数と同じ数の電力変換装置１を用意することで、複数相の交流電源ＡＣと直流電源ＤＣとの間で電力変換を行うこともできる。また、電力変換装置１の交流出力端子は交流電源ＡＣの代わりに交流負荷に接続されてもよい。直流電源ＤＣは直流電力を供給できるものであって、例えば蓄電池などを用いて構成される。
【0020】
電力変換装置１は、第１直流コンデンサＣ１と、第２直流コンデンサＣ２と、第１スイッチングレグＳＬ１と、第２スイッチングレグＳＬ２と、正側アームＡ１と、負側アームＡ２と、第１リアクトルＬＡと、第２リアクトルＬＢと、第１スイッチＳＷ１と、制御回路２０と、素子駆動部２１と、を備えている。
【0021】
第１直流コンデンサＣ１と第１スイッチングレグＳＬ１は並列に接続され、第２直流コンデンサＣ２と第２スイッチングレグＳＬ２は並列に接続される。第１直流コンデンサＣ１と第２直流コンデンサＣ２は、直流電源ＤＣの正負の直流端子の間に直列に接続される。第１直流コンデンサＣ１と第２直流コンデンサＣ２の接続点は中性点Ｐとなる。
【0022】
第１スイッチングレグＳＬ１は、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、を備えている。第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２は、直流電源ＤＣの正側端子と中性点Ｐとの間で直列に接続されている。第２スイッチングレグＳＬ２は、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、を備えている。第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４は、中性点Ｐと直流電源ＤＣの負側端子との間で直列に接続されている。
【0023】
第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４とは、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ－Ｏｘｉｄｅ－Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ－Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）やＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの自己消孤型素子である。
【0024】
正側アームＡ１は、第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチング素子Ｓ２の接続点と、第１リアクトルＬＡとの間に直列に接続される。正側アームＡ１は、直列に接続された複数の単位変換器Ｃを備えている。負側アームＡ２は、第３スイッチング素子Ｓ３と第４スイッチング素子Ｓ４の接続点と、第２リアクトルＬＢとの間に直列接続される。負側アームＡ２は、直列に接続された複数の単位変換器Ｃを備えている。
【0025】
第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢは直列に接続され、接続点は第１スイッチＳＷ１を介して交流電源ＡＣと接続される。第１スイッチＳＷ１は、例えばリレーなどの機械的スイッチで構成されてもよいし、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチで構成されてもよい。
【0026】
図５は、単位変換器Ｃの一構成例を示す図である。単位変換器Ｃは第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈと、チョッパセルコンデンサＣＨと、コンデンサ電圧検出回路ＶＳＨと、素子駆動部２１と、を備えている。
【0027】
第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈとは直列に接続されている。第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈとは、例えば、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの自己消孤型素子である。チョッパセルコンデンサＣＨは、第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈと、並列に接続されている。コンデンサ電圧検出回路ＶＳＨは、チョッパセルコンデンサＣＨの電圧を検出し、電圧値を制御回路２０へ出力する。
【0028】
なお、単位変換器Ｃの構成は図５に示したものに限定されるものではなく、スイッチング素子とコンデンサで構成され、出力電圧を切り替えられるものであれば他の構成でも構わない。例えば、図１０に示すような４つのスイッチング素子とコンデンサとを備えたフルブリッジ回路の構成であってもよい。
【0029】
制御回路２０は、電力変換装置１の起動時に初期充電するために、素子駆動部２１にゲート信号を与え、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、の動作を制御する。電力変換装置１の運転時には、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、単位変換器Ｃのスイッチング素子と、第１スイッチＳＷ１と、の動作を制御する。すなわち、制御回路２０と素子駆動部２１は、第１スイッチＳＷ１により交流電源ＡＣと電力変換装置１を切り離した状態で、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２を動作させる制御を行う。
【0030】
［１－２．作用］
次に、本実施形態の電力変換装置１の初期充電動作の一例について説明する。
次に、本実施形態の電力変換装置１の初期充電動作の一例について説明する。
【0031】
電力変換装置１は初期状態において、全てのスイッチング素子と第１スイッチＳＷ１はオフ状態である。このとき、例えば、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４をオンすると、図２に示すように、直流電源ＤＣから第１スイッチング素子Ｓ１、正側アームＡ１、第１リアクトルＬＡ、第２リアクトルＬＢ、負側アームＡ２、第４スイッチング素子Ｓ４に電流が流れ、正側アームＡ１と負側アームＡ２を構成する単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨを充電する。
【0032】
この充電電流は単位変換器Ｃの中では、第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈを通してチョッパセルコンデンサＣＨに流れる。この動作例では、中性点Ｐに電流が流れないため、中性点電位を変動させることなく初期充電を行うことができる。
【0033】
一方で、第１スイッチング素子Ｓ１をオンすることでも、単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨを初期充電することができる。このとき、第１スイッチング素子Ｓ１に加えて、第３スイッチング素子Ｓ３をオンしてもよい。この場合、初期充電電流は、図３に示すように、第１直流コンデンサＣ１から第１スイッチング素子Ｓ１、正側アームＡ１、第１リアクトルＬＡ、第２リアクトルＬＢ、負側アームＡ２、第３スイッチング素子Ｓ３に流れる。しかし、この動作例では、中性点Ｐに電流が流れるため、中性点電位が変動する。
【0034】
また、第４スイッチング素子Ｓ４をオンすることでも、単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨを初期充電することができる。このとき、第４スイッチング素子Ｓ４に加えて、第２スイッチング素子Ｓ２をオンしてもよい。この場合、初期充電電流は、図４に示すように、第２直流コンデンサＣ２から第２スイッチング素子Ｓ２、正側アームＡ１、第１リアクトルＬＡ、第２リアクトルＬＢ、負側アームＡ２、第４スイッチング素子Ｓ４に流れる。しかし、この動作例では、中性点Ｐに電流が流れるため、中性点電位が変動する。
［１－３．効果］
本実施形態によれば、ＮＰＣ－ＭＭＣが交流側と切り離されている状態において、直流側から単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨを初期充電できる。
［１－３．効果］
本実施形態によれば、ＮＰＣ－ＭＭＣが交流側と切り離されている状態において、直流側から単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨを初期充電できる。
【0035】
［２．第２実施形態］
［２－１．構成］
次に、第２実施形態の電力変換装置１について説明する。なお、以下の説明では第１実施形態の電力変換装置１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
［２－１．構成］
次に、第２実施形態の電力変換装置１について説明する。なお、以下の説明では第１実施形態の電力変換装置１と同様の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。
【0036】
図６は、本発明の第２実施形態に係る電力変換装置１の構成例を示す回路図である。第２実施形態は第１実施形態の電力変換装置１の変形例であって、第２スイッチＳＷ２と、第３スイッチＳＷ３と、充電抵抗Ｒ１と、を更に備えている。制御回路２０は、第２スイッチＳＷ２と、第３スイッチＳＷ３と、を制御する構成を更に備えている。第２スイッチＳＷ２と第３スイッチＳＷ３とは、例えばリレーなどの機械的スイッチで構成されてもよいし、ＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴなどの半導体スイッチで構成されてもよい。
【0037】
［２－２．作用］
次に、本実施形態の電力変換装置１の初期充電動作の一例について説明する。
電力変換装置１は初期状態において、全てのスイッチング素子とスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３はオフ状態である。
次に、本実施形態の電力変換装置１の初期充電動作の一例について説明する。
電力変換装置１は初期状態において、全てのスイッチング素子とスイッチＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３はオフ状態である。
【0038】
このとき、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４をオン状態にする。その後、第３スイッチＳＷ３をオン状態にすることで、直流電源ＤＣから充電抵抗Ｒ１を介して単位変換器Ｃ内のチョッパセルコンデンサＣＨ及び第１直流コンデンサＣ１、第２直流コンデンサＣ２を初期充電することができる。初期充電電流は充電抵抗Ｒ１により電流制限されるため、過電流を防止して初期充電を行うことができる。
【0039】
［２－３．効果］
本実施形態では、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２の素子駆動部２１を主回路の外部から電源供給することで、第１スイッチング素子Ｓ１及び第４スイッチング素子Ｓ４を駆動することができる。
本実施形態では、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２の素子駆動部２１を主回路の外部から電源供給することで、第１スイッチング素子Ｓ１及び第４スイッチング素子Ｓ４を駆動することができる。
【0040】
［３．第３実施形態］
［３－１．構成］
次に、第３実施形態の電力変換装置１について以下に説明する。本実施形態において、電力変換装置１の主回路構成は上記第１実施形態の図１で示したものと同様であるが、制御回路２０の機能が異なる。
［３－１．構成］
次に、第３実施形態の電力変換装置１について以下に説明する。本実施形態において、電力変換装置１の主回路構成は上記第１実施形態の図１で示したものと同様であるが、制御回路２０の機能が異なる。
【0041】
本実施形態において、制御回路２０は、直流電源ＤＣの直流電圧と単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨのコンデンサ電圧から、充電電流を演算し、充電電流が指令値に追従するように第１スイッチングレグＳＬ１と、第２スイッチングレグＳＬ２のゲート信号を生成する制御を行う。
【0042】
一例として、制御回路２０は、外部から入力された充電電流指令値に正側アームＡ１と負側アームＡ２のインダクタンス成分を乗算し、設定したスイッチング周期Ｔｓを除し、直流電源ＤＣの直流電圧から単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨの各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を第１スイッチングレグＳＬ１の第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチングレグＳＬ２の第４スイッチング素子Ｓ４のオンオフ時比率Ｄとする。そして、制御回路２０は、第１スイッチングレグＳＬ１の第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチングレグＳＬ２の第４スイッチング素子Ｓ４とが同時にオン状態となるように、オンオフ時比率Ｄのゲート信号を生成する制御を行う。
【0043】
他の例として、制御回路２０は、外部から入力された充電電流指令値に正側アームＡ１と負側アームＡ２のインダクタンス成分を乗算し、設定したスイッチング周期Ｔｓを除し、第１直流コンデンサ電圧から単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨのコンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を第１スイッチングレグＳＬ１の第１スイッチング素子Ｓ１のオンオフ時比率Ｄに設定してもよい。その場合、制御回路２０は、充電電流指令値にインダクタンス成分を乗算し、スイッチング周期Ｔｓを除し、第２直流コンデンサ電圧から単位変換器Ｃの各コンデンサ電圧の合計値を減算した値を除した値を第２スイッチングレグＳＬ２の第４スイッチング素子Ｓ４のオンオフ時比率Ｄに設定する。この場合、制御回路２０は、第１スイッチングレグＳＬ１の第１スイッチング素子Ｓ１と第２スイッチングレグＳＬ２の第４スイッチング素子Ｓ４が同時にオン状態とならないように、オンオフ時比率Ｄのゲート信号を生成する制御を行う必要がある。
【0044】
［３－２．作用］
本実施形態において、制御回路２０は、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２のオンオフ時比率Ｄを制御する。例えば、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４を同じオンオフ時比率Ｄで制御するとき、直流電源ＤＣの直流電圧をＶｄｃ、正側アームＡ１に含まれる単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨの電圧の合計値をＶｃｐ、負側アームＡ２に含まれる単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨの電圧の合計値をＶｃｎ、第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢの合計値をＬ、スイッチング周期Ｔｓとすると、充電電流のピーク値をＩｃにするには、下記式の通りにオンオフ時比率Ｄを設定すればよい。
本実施形態において、制御回路２０は、第１スイッチングレグＳＬ１と第２スイッチングレグＳＬ２のオンオフ時比率Ｄを制御する。例えば、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４を同じオンオフ時比率Ｄで制御するとき、直流電源ＤＣの直流電圧をＶｄｃ、正側アームＡ１に含まれる単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨの電圧の合計値をＶｃｐ、負側アームＡ２に含まれる単位変換器ＣのチョッパセルコンデンサＣＨの電圧の合計値をＶｃｎ、第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢの合計値をＬ、スイッチング周期Ｔｓとすると、充電電流のピーク値をＩｃにするには、下記式の通りにオンオフ時比率Ｄを設定すればよい。
【0045】
【数1】
【0046】
これは、オンオフ時比率Ｄを設定する一例であり、充電電流指令値を設定して、その値に追従するようにオンオフ時比率Ｄを適宜調整してもよい。
【0047】
［３－３．効果］
図７はオンオフ時比率Ｄを制御して初期充電を行った際の各部電圧・電流波形を示した図である。このようにオンオフ時比率Ｄを制御することで、過電流を防止して適切な電流値で初期充電を行うことができる。また、この動作例では中性点Ｐに電流が流れないため、中性点電位を変動させずに初期充電を行うことができる。
図７はオンオフ時比率Ｄを制御して初期充電を行った際の各部電圧・電流波形を示した図である。このようにオンオフ時比率Ｄを制御することで、過電流を防止して適切な電流値で初期充電を行うことができる。また、この動作例では中性点Ｐに電流が流れないため、中性点電位を変動させずに初期充電を行うことができる。
【0048】
［３－４．変形例］
第３実施形態の変形例としては、下記のものが採用できる。
（１）第１スイッチング素子Ｓ１のオンオフ時比率Ｄのみを制御してもよい。このとき、第３スイッチング素子Ｓ３を同じゲート信号で動作させても構わない。この動作例では、中性点Ｐに電流が流れるため、中性点電位が変動する。
第３実施形態の変形例としては、下記のものが採用できる。
（１）第１スイッチング素子Ｓ１のオンオフ時比率Ｄのみを制御してもよい。このとき、第３スイッチング素子Ｓ３を同じゲート信号で動作させても構わない。この動作例では、中性点Ｐに電流が流れるため、中性点電位が変動する。
【0049】
（２）第４スイッチング素子Ｓ４のオンオフ時比率Ｄのみを制御してもよい。このとき、第２スイッチング素子Ｓ２を同じゲート信号で動作させても構わない。この動作例においても、中性点Ｐに電流が流れるため、中性点電位が変動する。
【0050】
（３）本実施形態では、第１スイッチングレグＳＬ１及び第２スイッチングレグＳＬ２の素子駆動部２１は、それぞれ第１直流コンデンサＣ１、第２直流コンデンサＣ２から電源供給されてもよいし、主回路の外部から電源供給されてもよい。
【0051】
［４．第４実施形態］
第１実施形態及び第２実施形態、第３実施形態で説明した電力変換装置１では、単位変換器Ｃ内のチョッパセルコンデンサＣＨを一定電圧以上に充電することができないという課題がある。更に、チョッパセルコンデンサＣＨの特性のばらつきによって、充電電圧が単位変換器Ｃごとに異なるという課題がある。これを解決する第４実施形態の電力変換装置１について以下に説明する。
第１実施形態及び第２実施形態、第３実施形態で説明した電力変換装置１では、単位変換器Ｃ内のチョッパセルコンデンサＣＨを一定電圧以上に充電することができないという課題がある。更に、チョッパセルコンデンサＣＨの特性のばらつきによって、充電電圧が単位変換器Ｃごとに異なるという課題がある。これを解決する第４実施形態の電力変換装置１について以下に説明する。
【0052】
［４－１．構成］
本実施形態において、電力変換装置１の主回路構成は上記第１実施形態の図１で示したものと同様である。制御回路２０は、電力変換装置１の起動時に初期充電するために、素子駆動部２１にゲート信号を与え、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、複数の単位変換器Ｃ内の第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈ、第１スイッチＳＷ１と、の動作を制御する。
本実施形態において、電力変換装置１の主回路構成は上記第１実施形態の図１で示したものと同様である。制御回路２０は、電力変換装置１の起動時に初期充電するために、素子駆動部２１にゲート信号を与え、第１スイッチング素子Ｓ１と、第２スイッチング素子Ｓ２と、第３スイッチング素子Ｓ３と、第４スイッチング素子Ｓ４と、複数の単位変換器Ｃ内の第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈ、第１スイッチＳＷ１と、の動作を制御する。
【0053】
［４－２．作用］
次に、本実施形態の電力変換装置１の初期充電動作の一例について説明する。正側アームＡ１と負側アームＡ２を構成する複数の単位変換器Ｃのうち一つ以上の単位変換器Ｃ内の第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にする。このとき、第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢに印加される電圧は第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にした単位変換器Ｃの分だけ増加する。
次に、本実施形態の電力変換装置１の初期充電動作の一例について説明する。正側アームＡ１と負側アームＡ２を構成する複数の単位変換器Ｃのうち一つ以上の単位変換器Ｃ内の第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にする。このとき、第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢに印加される電圧は第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にした単位変換器Ｃの分だけ増加する。
【0054】
これにより、例えば、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４をオン状態にすることで、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にしていない単位変換器Ｃ内のチョッパセルコンデンサＣＨにより大きな充電電流を流すことができ、単位変換器Ｃをスイッチングしない場合よりも高い電圧まで充電することができる。
【0055】
図８は、第１スイッチング素子Ｓ１と第４スイッチング素子Ｓ４をオン状態にした初期充電動作と各部の電圧を示したものであり、Ｖｄｃは直流電源ＤＣの電圧、Ｖｃは単位変換器Ｃの出力電圧、ＶＬは第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢの逆起電力の総和である。このとき、ＶＬ＝Ｖｄｃ―６×Ｖｃである。
【0056】
図９は、本実施形態の初期充電動作を行い、正側アームＡ１を構成する単位変換器Ｃのうち一つの単位変換器Ｃ内の第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態とした直後の各部の電圧を示したものである。このとき、ＶＬはＶＬ＝Ｖｄｃ―５×Ｖｃとなり、第１リアクトルＬＡと第２リアクトルＬＢの逆起電力が大きくなっている。
【0057】
［４－３．効果］
本実施形態によれば、初期充電動作を実施する前よりも大きな充電電流を流すことができ、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にしていない単位変換器Ｃ内のチョッパセルコンデンサＣＨをより高い電圧まで充電することができる。
本実施形態によれば、初期充電動作を実施する前よりも大きな充電電流を流すことができ、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈをオン状態にしていない単位変換器Ｃ内のチョッパセルコンデンサＣＨをより高い電圧まで充電することができる。
【0058】
また、単位変換器Ｃ内の第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈのオンオフ時比率Ｄを制御して、充電電流を制御することにより、所望の電圧までチョッパセルコンデンサＣＨを充電することができる。
【0059】
［４－４．変形例］
本実施形態の充電動作は、第１実施形態又は、第２実施形態、第３実施形態により、一定の電圧までチョッパセルコンデンサＣＨを充電した後、実施してもよい。本実施形態では、第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈの素子駆動部２１は、チョッパセルコンデンサＣＨから電源供給されてもよいし、主回路の外部から電源供給されてもよい。また、前記のように各実施形態における単位変換器の構成はチョッパセルに限定されるものではなく、4つのスイッチング素子でフルブリッジ回路を構成したブリッジセルでも充電が可能である。
本実施形態の充電動作は、第１実施形態又は、第２実施形態、第３実施形態により、一定の電圧までチョッパセルコンデンサＣＨを充電した後、実施してもよい。本実施形態では、第１チョッパセルスイッチング素子Ｓ１Ｈと、第２チョッパセルスイッチング素子Ｓ２Ｈの素子駆動部２１は、チョッパセルコンデンサＣＨから電源供給されてもよいし、主回路の外部から電源供給されてもよい。また、前記のように各実施形態における単位変換器の構成はチョッパセルに限定されるものではなく、4つのスイッチング素子でフルブリッジ回路を構成したブリッジセルでも充電が可能である。
【0060】
［５．他の実施形態］
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【0061】
１…電力変換装置
２０…制御回路
２１…素子駆動部
Ａ１…正側アーム
Ａ２…負側アーム
Ｐ…中性点
ＡＣ…交流電源
Ｃ…単位変換器
Ｃ１…第１直流コンデンサ
Ｃ２…第２直流コンデンサ
ＣＨ…チョッパセルコンデンサ
ＤＣ…直流電源
ＬＡ…第１リアクトル
ＬＢ…第２リアクトル
Ｒ１…充電抵抗
Ｓ１…第１スイッチング素子
Ｓ２…第２スイッチング素子
Ｓ３…第３スイッチング素子
Ｓ４…第４スイッチング素子
Ｓ１Ｈ…第１チョッパセルスイッチング素子
Ｓ２Ｈ…第２チョッパセルスイッチング素子
ＳＬ１…第１スイッチングレグ
ＳＬ２…第２スイッチングレグ
ＳＷ１…第１スイッチ
ＳＷ２…第２スイッチ
ＳＷ３…第３スイッチ
ＶＳＨ…コンデンサ電圧検出回路
２０…制御回路
２１…素子駆動部
Ａ１…正側アーム
Ａ２…負側アーム
Ｐ…中性点
ＡＣ…交流電源
Ｃ…単位変換器
Ｃ１…第１直流コンデンサ
Ｃ２…第２直流コンデンサ
ＣＨ…チョッパセルコンデンサ
ＤＣ…直流電源
ＬＡ…第１リアクトル
ＬＢ…第２リアクトル
Ｒ１…充電抵抗
Ｓ１…第１スイッチング素子
Ｓ２…第２スイッチング素子
Ｓ３…第３スイッチング素子
Ｓ４…第４スイッチング素子
Ｓ１Ｈ…第１チョッパセルスイッチング素子
Ｓ２Ｈ…第２チョッパセルスイッチング素子
ＳＬ１…第１スイッチングレグ
ＳＬ２…第２スイッチングレグ
ＳＷ１…第１スイッチ
ＳＷ２…第２スイッチ
ＳＷ３…第３スイッチ
ＶＳＨ…コンデンサ電圧検出回路
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
