特開 2024-60956 電力変換装置

(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】P2024060956

(43)【公開日】2024-05-07

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20240425BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240425BHJP

   H02M 7/487 20070101ALI20240425BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

H02M7/48 F

H02M7/487

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022168561

(22)【出願日】2022-10-20

(71)【出願人】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】株式会社ＴＭＥＩＣ

(74)【代理人】

【識別番号】100108062

【弁理士】

【氏名又は名称】日向寺 雅彦

(74)【代理人】

【識別番号】100168332

【弁理士】

【氏名又は名称】小崎 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100146592

【弁理士】

【氏名又は名称】市川 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100172188

【弁理士】

【氏名又は名称】内田 敬人

(72)【発明者】

【氏名】慶本 裕史

【テーマコード（参考）】

5H770

【Ｆターム（参考）】

5H770AA02

5H770AA15

5H770BA01

5H770DA01

5H770DA12

5H770DA24

5H770DA33

5H770DA41

5H770EA01

5H770HA02Y

5H770HA02Z

5H770HA03W

5H770HA07Z

(57)【要約】

【課題】所定電圧未満の交流電力を出力する場合にも、複数のスイッチング素子のスイッチングの偏り、及び中性点電位の変動を抑制できる変圧器直列多重構成の電力変換装置を提供する。
【解決手段】変圧器直列多重構成の電力変換装置において、複数の３レベル変換器の動作を制御する制御装置は、損失分散制御において、複数の３レベル変換器を第１グループ及び第２グループの２つのグループに分け、第１グループの上期間の時に、第２グループを下期間に設定し、第１グループの下期間の時に、第２グループを上期間に設定し、所定の大きさの電圧を第１グループの３レベル変換器から出力させ、第１グループの３レベル変換器と反対の極性の所定の大きさの電圧を第２グループの３レベル変換器から出力させることにより、交流回路に出力される電圧が、意図した出力電圧となるようにする。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

直流回路の高電位側に接続される直流正母線と、
直流回路の低電位側に接続される直流負母線と、
前記直流正母線と前記直流負母線との間に直列に接続される一対の電荷蓄積素子と、
前記一対の電荷蓄積素子の接続点に接続される直流中性点母線と、
３つの直流接続点と、一対の交流接続点と、を有し、前記３つの直流接続点を介して前記直流正母線、前記直流負母線、及び前記直流中性点母線に対して並列に接続される複数の３レベル変換器と、
前記複数の３レベル変換器のそれぞれの前記一対の交流接続点と接続される複数の一次巻線と、前記複数の一次巻線と磁気的に結合するとともに直列に接続された複数の二次巻線と、を有し、直列に接続された前記複数の二次巻線の両端を介して交流回路と接続される変圧器と、
前記複数の３レベル変換器のそれぞれの動作を制御する制御装置と、
を備え、
前記複数の３レベル変換器は、第１レグ及び第２レグの２つのレグを有するフルブリッジ回路であり、複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、直流電力から交流電力への変換を行い、
前記制御装置は、上側キャリア、下側キャリア、第１電圧指令値、及び第２電圧指令値の４つの信号を基に、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御することにより、前記複数の３レベル変換器のそれぞれの電力の変換を制御し、
前記上側キャリアは、最小値が０以上に設定され、前記複数の３レベル変換器から出力される交流電圧の周波数よりも高い周波数を有する三角波状の信号であり、
前記下側キャリアは、最大値が０以下に設定され、前記複数の３レベル変換器から出力される交流電圧の周波数よりも高い周波数を有する三角波状の信号であり、
前記第１電圧指令値は、前記第１レグ用の電圧指令値であり、
前記第２電圧指令値は、前記第２レグ用の電圧指令値であり、
前記制御装置は、所定電圧未満の交流電力を前記交流回路に出力する場合に、
前記第２電圧指令値が０よりも大きくなる上期間及び０よりも小さくなる下期間を、前記第１電圧指令値が０よりも大きくなる前記上期間及び０よりも小さくなる前記下期間と一致させる損失分散制御を行うとともに、
前記損失分散制御において、前記複数の３レベル変換器を第１グループ及び第２グループの２つのグループに分け、
前記第１グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値の前記上期間の時に、前記第２グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値を前記下期間に設定し、
前記第１グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値の前記下期間の時に、前記第２グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値を前記上期間に設定し、
前記第１グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値のそれぞれの大きさを調整することにより、所定の大きさの電圧を前記第１グループの３レベル変換器から出力させ、
前記第２グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値のそれぞれの大きさを調整することにより、前記第１グループの３レベル変換器と反対の極性の所定の大きさの電圧を前記第２グループの３レベル変換器から出力させることで、
前記交流回路に出力される電圧が、意図した出力電圧となるようにする電力変換装置。

【請求項2】

前記複数の３レベル変換器は、前記損失分散制御において、前記第１グループの３レベル変換器が前記上期間で前記第２グループの３レベル変換器が前記下期間の状態、前記第１グループの３レベル変換器が前記下期間で前記第２グループの３レベル変換器が前記上期間の状態、前記第１グループの３レベル変換器及び前記第２グループの３レベル変換器のそれぞれが前記上期間の状態、及び前記第１グループの３レベル変換器及び前記第２グループの３レベル変換器のそれぞれが前記下期間の状態の４つの状態を有し、
前記第１グループの３レベル変換器及び前記第２グループの３レベル変換器で前記上期間及び前記下期間が揃った期間は、前記上期間及び前記下期間が異なる期間よりも短い請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記第１グループの３レベル変換器及び前記第２グループの３レベル変換器で前記上期間及び前記下期間が揃った期間は、前記上側キャリア及び前記下側キャリアの四分の一周期に設定される請求項２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、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

複数の３レベル変換器と変圧器とを用いた変圧器直列多重構成の電力変換装置が知られている。複数の３レベル変換器は、直流正母線、直流負母線、及び直流中性点母線に対して並列に接続される。複数の３レベル変換器は、複数のスイッチング素子を有し、複数のスイッチング素子のスイッチングにより、直流電力から交流電力への変換を行う。

【0003】

変圧器は、複数の３レベル変換器のそれぞれの交流側に接続される複数の一次巻線と、複数の一次巻線と磁気的に結合した複数の二次巻線と、を有する。複数の二次巻線は、直列に接続される。変圧器は、直列に接続された複数の二次巻線の両端を介して交流回路に接続される。これにより、複数の二次巻線の電圧を合計した電圧の交流電力を交流回路に供給することができる。

【0004】

こうした変圧器直列多重構成の電力変換装置では、変圧器の一次巻線電圧を合計した電圧を複数の３レベル変換器で分担することができ、複数の３レベル変換器に用いられる用品の耐圧を低くすることなどができる。

【0005】

一方で、変圧器直列多重構成の電力変換装置では、所定電圧未満の交流電力を出力する場合に、複数の３レベル変換器の複数のスイッチング素子のスイッチングに偏りが生じ、所定のスイッチング素子のスイッチング損失が増大してしまう可能性がある。また、素子の特性のばらつき等により、直流中性点母線の中性点電位が変動し、複数の３レベル変換器の動作が不安定になってしまう可能性があるが、所定のスイッチング素子のスイッチング損失増大を防ぐ動作と、中性点電位の変動を抑制することの双方を同時に両立した事例は無かった。

【0006】

このため、変圧器直列多重構成の３レベル変換器を用いた電力変換装置では、所定電圧未満の交流電力を出力する場合にも、複数のスイッチング素子のスイッチングの偏り、及び中性点電位の変動を抑制できるようにすることが望まれる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２０１９－１９３３７７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

本発明の実施形態は、所定電圧未満の交流電力を出力する場合にも、複数のスイッチング素子のスイッチングの偏り、及び中性点電位の変動を抑制できる変圧器直列多重構成の電力変換装置を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明の実施形態によれば、直流回路の高電位側に接続される直流正母線と、直流回路の低電位側に接続される直流負母線と、前記直流正母線と前記直流負母線との間に直列に接続される一対の電荷蓄積素子と、前記一対の電荷蓄積素子の接続点に接続される直流中性点母線と、３つの直流接続点と、一対の交流接続点と、を有し、前記３つの直流接続点を介して前記直流正母線、前記直流負母線、及び前記直流中性点母線に対して並列に接続される複数の３レベル変換器と、前記複数の３レベル変換器のそれぞれの前記一対の交流接続点と接続される複数の一次巻線と、前記複数の一次巻線と磁気的に結合するとともに直列に接続された複数の二次巻線と、を有し、直列に接続された前記複数の二次巻線の両端を介して交流回路と接続される変圧器と、前記複数の３レベル変換器のそれぞれの動作を制御する制御装置と、を備え、前記複数の３レベル変換器は、第１レグ及び第２レグの２つのレグを有するフルブリッジ回路であり、複数のスイッチング素子を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、直流電力から交流電力への変換を行い、前記制御装置は、上側キャリア、下側キャリア、第１電圧指令値、及び第２電圧指令値の４つの信号を基に、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御することにより、前記複数の３レベル変換器のそれぞれの電力の変換を制御し、前記上側キャリアは、最小値が０以上に設定され、前記複数の３レベル変換器から出力される交流電圧の周波数よりも高い周波数を有する三角波状の信号であり、前記下側キャリアは、最大値が０以下に設定され、前記複数の３レベル変換器から出力される交流電圧の周波数よりも高い周波数を有する三角波状の信号であり、前記第１電圧指令値は、前記第１レグ用の電圧指令値であり、前記第２電圧指令値は、前記第２レグ用の電圧指令値であり、前記制御装置は、所定電圧未満の交流電力を前記交流回路に出力する場合に、前記第２電圧指令値が０よりも大きくなる上期間及び０よりも小さくなる下期間を、前記第１電圧指令値が０よりも大きくなる前記上期間及び０よりも小さくなる前記下期間と一致させる損失分散制御を行うとともに、前記損失分散制御において、前記複数の３レベル変換器を第１グループ及び第２グループの２つのグループに分け、前記第１グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値の前記上期間の時に、前記第２グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値を前記下期間に設定し、前記第１グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値の前記下期間の時に、前記第２グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値を前記上期間に設定し、前記第１グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値のそれぞれの大きさを調整することにより、所定の大きさの電圧を前記第１グループの３レベル変換器から出力させ、前記第２グループの３レベル変換器の前記第１電圧指令値及び前記第２電圧指令値のそれぞれの大きさを調整することにより、前記第１グループの３レベル変換器と反対の極性の所定の大きさの電圧を前記第２グループの３レベル変換器から出力させることで、前記交流回路に出力される電圧が、意図した出力電圧となるようにする電力変換装置が提供される。

【発明の効果】

【0010】

本発明の実施形態によれば、所定電圧未満の交流電力を出力する場合にも、複数のスイッチング素子のスイッチングの偏り、及び中性点電位の変動を抑制できる変圧器直列多重構成の電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】実施形態に係る電力変換装置を模式的に表す回路図である。

【図2】実施形態に係る３レベル変換器を模式的に表す回路図である。

【図3】実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表す波形図である。

【図4】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電力変換装置の参考の動作の一例を模式的に表す波形図である。

【図5】実施形態に係る制御装置の一例を模式的に表すブロック図である。

【図6】極性演算に用いられる表の一例を模式的に表す説明図である。

【0012】

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。

【0013】

図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表す回路図である。
図１に表したように、電力変換装置１０は、直流正母線１２ａと、直流負母線１２ｂと、直流中性点母線１２ｃと、一対の電荷蓄積素子１４、１６と、複数の３レベル変換器１８と、変圧器２０と、制御装置２２と、を備える。

【0014】

直流正母線１２ａ及び直流負母線１２ｂは、図示を省略した直流回路と接続される。より詳しくは、直流正母線１２ａは、直流回路の高電位側の端子と接続され、直流負母線１２ｂは、直流回路の低電位側の端子と接続される。

【0015】

一対の電荷蓄積素子１４、１６は、直流正母線１２ａと直流負母線１２ｂとの間に直列に接続される。一対の電荷蓄積素子１４、１６は、直流正母線１２ａと直流負母線１２ｂとの間の電圧を平滑化する。一対の電荷蓄積素子１４、１６は、換言すれば、平滑コンデンサである。

【0016】

直流中性点母線１２ｃは、一対の電荷蓄積素子１４、１６の接続点に接続される。換言すれば、電荷蓄積素子１４は、直流正母線１２ａと直流中性点母線１２ｃとの間に設けられ、電荷蓄積素子１６は、直流中性点母線１２ｃと直流負母線１２ｂとの間に設けられる。

【0017】

電荷蓄積素子１６の静電容量の大きさは、電荷蓄積素子１４の静電容量の大きさと実質的に同じである。これにより、直流中性点母線１２ｃの電位は、直流正母線１２ａの電位と直流負母線１２ｂの電位との半分の電位に設定される。一対の電荷蓄積素子１４、１６の接続点は、換言すれば、中性点である。

【0018】

複数の３レベル変換器１８は、３つの直流接続点ｄ１～ｄ３と、一対の交流接続点ａ１、ａ２と、を有する。複数の３レベル変換器１８のそれぞれは、３つの直流接続点ｄ１～ｄ３を介して直流正母線１２ａ、直流負母線１２ｂ、及び直流中性点母線１２ｃのそれぞれと接続される。直流接続点ｄ１は、直流正母線１２ａと接続され、直流接続点ｄ２は、直流負母線１２ｂと接続され、直流接続点ｄ３は、直流中性点母線１２ｃと接続される。直流接続点ｄ１は、換言すれば、正電位端子であり、直流接続点ｄ２は、換言すれば、負電位端子であり、直流接続点ｄ３は、換言すれば、中性点端子である。

【0019】

複数の３レベル変換器１８は、換言すれば、直流正母線１２ａ、直流負母線１２ｂ、及び直流中性点母線１２ｃに対して並列に接続される。これにより、電力変換装置１０では、直流回路を流れる電力を複数の３レベル変換器１８で分担することができる。例えば、複数の３レベル変換器１８に用いられる用品の定格電流を低くすることができる。

【0020】

変圧器２０は、複数の一次巻線２０ａと、複数の二次巻線２０ｂと、を有する。複数の一次巻線２０ａのそれぞれは、複数の３レベル変換器１８のそれぞれの一対の交流接続点ａ１、ａ２と接続される。従って、複数の一次巻線２０ａの数は、複数の３レベル変換器１８の数と同じである。一次巻線２０ａの一端は、３レベル変換器１８の一方の交流接続点ａ１と接続され、一次巻線２０ａの他端は、３レベル変換器１８の他方の交流接続点ａ２と接続される。

【0021】

複数の二次巻線２０ｂは、複数の一次巻線２０ａと磁気的に結合する。複数の二次巻線２０ｂの数は、複数の一次巻線２０ａの数と同じである。但し、複数の二次巻線２０ｂの数は、複数の一次巻線２０ａの数と必ずしも同じでなくてもよい。例えば、１つの二次巻線２０ｂが、複数の一次巻線２０ａと磁気的に結合する構成などとしてもよい。

【0022】

複数の二次巻線２０ｂは、それぞれ直列に接続されている。直列に接続された複数の二次巻線２０ｂの一端は、交流回路の一方の端子と接続される。直列に接続された複数の二次巻線２０ｂの他端は、交流回路の他方の端子と接続される。このように、電力変換装置１０は、変圧器２０の複数の二次巻線２０ｂを介して図示を省略した交流回路と接続される。

【0023】

直流回路は、例えば、直流電源である。交流回路は、例えば、交流負荷である。複数の３レベル変換器１８は、直流回路から供給された直流電力を交流電力に変換し、変換後の交流電力を変圧器２０の一次巻線２０ａに出力する。変圧器２０は、複数の３レベル変換器１８から出力された交流電力（電圧）を複数の二次巻線２０ｂによって直列合成する。直列に接続された複数の二次巻線２０ｂの両端の電圧（交流回路に入力される電圧）は、複数の二次巻線２０ｂのそれぞれから出力される電圧の合計の電圧である。変圧器２０は、合成後の交流電力を交流回路に供給する。

【0024】

このように、電力変換装置１０は、例えば、直流回路から供給された直流電力を交流回路に応じた交流電力に変換し、変換後の交流電力を交流回路に供給する。電力変換装置１０は、例えば、複数の３レベル変換器１８及び変圧器２０を用いた変圧器直列多重構成の電力変換装置である。

【0025】

複数の３レベル変換器１８は、直流回路から供給された直流電力を単相交流電力に変換する。電力変換装置１０は、例えば、複数の３レベル変換器１８から出力された交流電力を複数の二次巻線２０ｂによって直列合成することにより、単相交流電力を交流回路に供給する。交流回路の交流電力は、例えば、単相交流電力である。但し、交流回路の交流電力は、三相交流電力などでもよい。電力変換装置１０は、例えば、複数の３レベル変換器１８の直列接続体を３つ設け、３つの直列接続体によって三相交流電力を交流回路に供給する構成としてもよい。

【0026】

電力変換装置１０は、例えば、非同期交流系統や異周波交流系統の電力授受に用いられるＢＴＢ（Back to Back）システムなどに適用される。交流回路は、例えば、電力系統などでもよい。直流回路は、例えば、別の電力系統から供給された交流電力を直流電力に変換する別の電力変換装置などでもよい。電力変換装置１０は、例えば、交流回路から供給された交流電力を直流電力に変換して直流回路に供給する機能をさらに有してもよい。

【0027】

制御装置２２は、複数の３レベル変換器１８のそれぞれの動作を制御する。換言すれば、制御装置２２は、複数の３レベル変換器１８のそれぞれによる電力の変換を制御する。

【0028】

図２は、実施形態に係る３レベル変換器を模式的に表す回路図である。
図２に表したように、各３レベル変換器１８は、複数のスイッチング素子４１と、複数の整流素子４２、４３と、を有する。この例において、３レベル変換器１８は、８個のスイッチング素子４１と、８個の整流素子４２と、４個の整流素子４３と、を有する。各スイッチング素子４１は、フルブリッジ接続されている。各整流素子４２は、各スイッチング素子４１に逆並列に接続されている。

【0029】

スイッチング素子４１は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、各主端子間に電流が流れるオン状態と、各主端子間に実質的に電流が流れないオフ状態と、の切り替えに用いられる。スイッチング素子４１には、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自己消弧素子が用いられる。制御端子は、例えば、ゲート端子である。

【0030】

３レベル変換器１８は、第１レグＬＧ１及び第２レグＬＧ２の２つのレグを有するフルブリッジ回路である。第１レグＬＧ１は、第１アームＡＭ１と第２アームＡＭ２とを有する。第２レグＬＧ２は、第３アームＡＭ３と第４アームＡＭ４とを有する。換言すれば、３レベル変換器１８は、４つのアームを有する。第１アームＡＭ１及び第３アームＡＭ３は、正側のアームであり、第２アームＡＭ２及び第４アームＡＭ４は、負側のアームである。

【0031】

正側の第１アームＡＭ１は、直列に接続された２つのスイッチング素子４１と、２つのスイッチング素子４１のそれぞれに逆並列に接続された２つの整流素子４２と、２つのスイッチング素子４１の直列接続点と直流接続点ｄ３（中性点端子）との間に接続された整流素子４３と、を有する。

【0032】

負側の第２アームＡＭ２は、直列に接続された２つのスイッチング素子４１と、２つのスイッチング素子４１のそれぞれに逆並列に接続された２つの整流素子４２と、２つのスイッチング素子４１の直列接続点と直流接続点ｄ３（中性点端子）との間に接続された整流素子４３と、を有する。

【0033】

両アームＡＭ１、ＡＭ２は、直流接続点ｄ１（正電位端子）と直流接続点ｄ２（負電位端子）との間に直列に接続され、両アームＡＭ１、ＡＭ２の直列接続点が、交流接続点ａ１となる。第１アームＡＭ１の２つのスイッチング素子４１の直列接続点の電位は、整流素子４３を介して中性点電位にクランプされる。同様に、第２アームＡＭ２の２つのスイッチング素子４１の直列接続点の電位は、整流素子４３を介して中性点電位にクランプされる。整流素子４２は、いわゆる還流ダイオードである。整流素子４３は、いわゆるクランプダイオードである。

【0034】

第３アームＡＭ３の構成は、第１アームＡＭ１の構成と実質的に同じである。第４アームＡＭ４の構成は、第２アームＡＭ２の構成と実質的に同じである。第３アームＡＭ３と第４アームＡＭ４との直列接続点が、交流接続点ａ２となる。

【0035】

３レベル変換器１８では、各スイッチング素子４１のスイッチングに応じて、交流接続点ａ１、ａ２のそれぞれの電位が、直流接続点ｄ１（正電位端子）、直流接続点ｄ２（負電位端子）、及び直流接続点ｄ３（中性点端子）の３レベルのいずれかに接続される。交流接続点ａ１、ａ２間の電圧は、直流正母線１２ａと直流負母線１２ｂとの間の電圧をＶｄとする時、＋Ｖｄ、＋Ｖｄ／２、０、－Ｖｄ／２、－Ｖｄの５レベルとなる。

【0036】

複数の３レベル変換器１８は、複数のスイッチング素子４１のスイッチングにより、直流電力から交流電力への変換を行う。複数の３レベル変換器１８は、複数のスイッチング素子４１のスイッチングにより、交流電力から直流電力への変換を行うこともできる。３レベル変換器１８は、いわゆる中性点クランプ（ＮＰＣ：Neutral-Point-Clamped）型の変換器（コンバータ）である。

【0037】

以下では、第１レグＬＧ１に含まれる４つのスイッチング素子４１を個別に識別する場合に、直流接続点ｄ１側から順に、スイッチング素子Ｓ１１、Ｓ１２、Ｓ１３、Ｓ１４と称す。また、第２レグＬＧ２に含まれる４つのスイッチング素子４１を個別に識別する場合に、直流接続点ｄ１側から順に、スイッチング素子Ｓ２１、Ｓ２２、Ｓ２３、Ｓ２４と称す。

【0038】

図３は、実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表す波形図である。
図３に表したように、制御装置２２は、上側キャリアＣＷ１、下側キャリアＣＷ２、第１電圧指令値ＶＲ１、及び第２電圧指令値ＶＲ２の４つの信号を基に、各３レベル変換器１８の複数のスイッチング素子４１のスイッチングを制御することにより、各３レベル変換器１８のそれぞれの電力の変換を制御する。

【0039】

制御装置２２は、上側キャリアＣＷ１、下側キャリアＣＷ２、第１電圧指令値ＶＲ１、及び第２電圧指令値ＶＲ２の４つの信号を基に、スイッチング素子Ｓ１１のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ１１、スイッチング素子Ｓ１２のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ１２、スイッチング素子Ｓ１３のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ１３、スイッチング素子Ｓ１４のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ１４、スイッチング素子Ｓ２１のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ２１、スイッチング素子Ｓ２２のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ２２、スイッチング素子Ｓ２３のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ２３、及びスイッチング素子Ｓ２４のスイッチングを制御するための制御信号ＧＳ２４を生成する。制御装置２２は、各３レベル変換器１８のそれぞれに対応する複数の制御信号を生成し、生成した各制御信号を対応する３レベル変換器１８に入力することにより、各３レベル変換器１８の動作を制御する。

【0040】

上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２は、例えば、三角波信号である。直流正母線１２ａと直流負母線１２ｂとの間の直流電圧をＶｄとする時、上側キャリアＣＷ１の最大値は、＋Ｖｄであり、最小値は、０である。そして、下側キャリアＣＷ２の最大値は、０であり、最小値は、－Ｖｄである。下側キャリアＣＷ２の周波数及び位相は、上側キャリアＣＷ１の周波数及び位相と同じである。上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の周波数は、出力する交流電圧の周波数よりも高い。上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の周波数は、例えば、出力する交流電圧の周波数の整数倍に設定される。上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２は、例えば、出力する交流電圧と同期した信号である。

【0041】

上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２は、換言すれば、搬送波である。上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２は、例えば、のこぎり波信号などでもよい。上側キャリアＣＷ１は、最小値が０以上に設定され、各３レベル変換器１８から出力される交流電圧の周波数よりも高い周波数を有する任意の三角波状の信号でよい。下側キャリアＣＷ２は、最大値が０以下に設定され、各３レベル変換器１８から出力される交流電圧の周波数よりも高い周波数を有する任意の三角波状の信号でよい。

【0042】

第１電圧指令値ＶＲ１は、第１レグＬＧ１用の電圧指令値である。制御装置２２は、第１電圧指令値ＶＲ１が、上側キャリアＣＷ１よりも大きい時に、スイッチング素子Ｓ１１をオン状態とし、第１電圧指令値ＶＲ１が、上側キャリアＣＷ１よりも小さい時に、スイッチング素子Ｓ１１をオフ状態とする制御信号ＧＳ１１を生成する。なお、図３では、スイッチング素子４１のオン状態をＨｉ（電圧の高い状態）、スイッチング素子４１のオフ状態をＬｏ（電圧の低い状態）とする各制御信号の一例を示している。

【0043】

制御装置２２は、第１電圧指令値ＶＲ１が、下側キャリアＣＷ２よりも大きい時に、スイッチング素子Ｓ１２をオン状態とし、第１電圧指令値ＶＲ１が、下側キャリアＣＷ２よりも小さい時に、スイッチング素子Ｓ１２をオフ状態とする制御信号ＧＳ１２を生成する。

【0044】

また、制御装置２２は、制御信号ＧＳ１１のＨｉ、Ｌｏを反転させて制御信号ＧＳ１３を生成し、制御信号ＧＳ１２のＨｉ、Ｌｏを反転させて制御信号ＧＳ１４を生成する。

【0045】

第２電圧指令値ＶＲ２は、第２レグＬＧ２用の電圧指令値である。制御装置２２は、第１レグＬＧ１の場合と同様に、第２電圧指令値ＶＲ２と上側キャリアＣＷ１との比較、及び第２電圧指令値ＶＲ２と下側キャリアＣＷ２との比較により、第２レグＬＧ２の各スイッチング素子４１の制御信号ＧＳ２１、ＧＳ２２、ＧＳ２３、ＧＳ２４を生成する。

【0046】

図４（ａ）及び図４（ｂ）は、電力変換装置の参考の動作の一例を模式的に表す波形図である。
図４（ａ）は、電力変換装置１０から交流回路に対して所定電圧以上の交流電力を出力する場合の動作の一例を模式的に表す波形図である。図４（ａ）に表したように、交流回路に対して所定電圧以上の交流電力を出力する場合には、制御装置２２は、出力する交流電力に応じた正弦波状の第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２を用いる。第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２の最大値は、＋Ｖｄであり、最小値は、－Ｖｄである。また、第２電圧指令値ＶＲ２の位相は、第１電圧指令値ＶＲ１の位相に対して１８０°ずらして設定される。

【0047】

このとき、第１電圧指令値ＶＲ１と第２電圧指令値ＶＲ２に同じ値を加算し、中性点端子が交流接続点に接続される時間比率を制御する。これにより、電荷蓄積素子１４の電圧（直流正母線１２ａと直流中性点母線１２ｃとの間の電圧）と、電荷蓄積素子１６の電圧（直流中性点母線１２ｃと直流負母線１２ｂとの間の電圧）と、に偏りが生じてしまうことを抑制することができる。換言すれば、中性点電位が変動してしまうことを抑制することができる。

【0048】

３レベル変換器１８の交流接続点ａ１、ａ２間の出力電圧は、第１電圧指令値ＶＲ１と第２電圧指令値ＶＲ２との差分に応じた電圧となる。従って、３レベル変換器１８から低い電圧を出力する場合には、第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２のそれぞれの振幅を小さくし、０に近づけることとなる。

【0049】

しかしながら、第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２のそれぞれの振幅を０に近付けるように設定すると、複数のスイッチング素子４１のスイッチングに偏りが生じ、所定のスイッチング素子４１のスイッチング損失が増大してしまう可能性がある。換言すれば、所定のスイッチング素子４１に対する負荷が増大し、所定のスイッチング素子４１の劣化を早めてしまう可能性がある。

【0050】

このため、電力変換装置１０から交流回路に対して所定電圧未満の交流電力を出力する場合に、図４（ｂ）に表した損失分散制御を行うことが提案されている。図４（ｂ）に表したように、損失分散制御では、第１電圧指令値ＶＲ１と第２電圧指令値ＶＲ２との差分を出力電圧に応じて小さく設定しつつ、第２電圧指令値ＶＲ２が０よりも大きくなる期間及び０よりも小さくなる期間を、第１電圧指令値ＶＲ１が０よりも大きくなる期間及び０よりも小さくなる期間と一致させる。なお、図４（ｂ）では、第２電圧指令値ＶＲ２の大きさが、第１電圧指令値ＶＲ１の大きさとほぼ等しくなり、第２電圧指令値ＶＲ２が、第１電圧指令値ＶＲ１と実質的に重なった状態を図示している。

【0051】

以下では、第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２が０よりも大きくなる期間を上期間、第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２が０よりも小さくなる期間を下期間と称す。損失分散制御では、上期間と下期間とを所定の周期で繰り返す。上期間及び下期間の切り替えの周期は、例えば、素子の熱容量から計算される。これにより、電力変換装置１０から交流回路に対して所定電圧未満の交流電力を出力する場合にも、複数のスイッチング素子４１のスイッチングに偏りが生じることを抑制することができる。

【0052】

一方で、複数の３レベル変換器１８のそれぞれが、実質的に同時に上期間及び下期間となるように第１電圧指令値ＶＲ１及び第２電圧指令値ＶＲ２を設定すると、第１電圧指令値ＶＲ１と第２電圧指令値ＶＲ２に同じ値を加算しても、第１レグＬＧ１の中性点導通電流増減分を第２レグＬＧ２の中性点導通電流増減分が打ち消しあい、中性点電位を制御することができなくなり、中性点電位が変動する可能性が生じてしまう。換言すれば、電荷蓄積素子１４、１６のそれぞれの電圧が変動する可能性が生じてしまう。

【0053】

このため、本実施形態に係る電力変換装置１０の制御装置２２は、交流接続点ａ１、ａ２から所定電圧未満の交流電力を出力する損失分散制御を行う際に、複数の３レベル変換器１８を第１グループ及び第２グループの２つのグループに分ける。

【0054】

以下では、損失分散制御を行う場合において、第１グループの３レベル変換器１８用の第１電圧指令値ＶＲ１を第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第１グループの３レベル変換器１８用の第２電圧指令値ＶＲ２を第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第２グループの３レベル変換器１８用の第１電圧指令値ＶＲ１を第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、第２グループの３レベル変換器１８用の第２電圧指令値ＶＲ２を第２電圧指令値ＶＲ２ｂと、それぞれ称することとする。

【0055】

なお、図３では、直流状の第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂを表している。第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂは、これに限ることなく、正弦波状に設定してもよい。

【0056】

図３に表したように、制御装置２２は、第１グループの３レベル変換器１８の第１電圧指令値ＶＲ１ａ及び第２電圧指令値ＶＲ２ａの上期間の時に、第２グループの３レベル変換器１８の第１電圧指令値ＶＲ１ｂ及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂを下期間に設定し、第１グループの３レベル変換器１８の第１電圧指令値ＶＲ１ａ及び第２電圧指令値ＶＲ２ａの下期間の時に、第２グループの３レベル変換器１８の第１電圧指令値ＶＲ１ｂ及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂを上期間に設定する。

【0057】

また、制御装置２２は、第１電圧指令値ＶＲ１ａ及び第２電圧指令値ＶＲ２ａのそれぞれの大きさ（振幅）を調整することにより、所定の大きさの電圧を第１グループの３レベル変換器１８から出力させる。そして、制御装置２２は、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂのそれぞれの大きさ（振幅）を調整することにより、第１グループの３レベル変換器１８と反対の極性の所定の大きさの電圧を第２グループの３レベル変換器１８から出力させる。

【0058】

すなわち、制御装置２２は、第１グループの３レベル変換器１８から正側の電圧を出力させている時に、第２グループの３レベル変換器１８から負側の電圧を出力させ、第１グループの３レベル変換器１８から負側の電圧を出力させている時に、第２グループの３レベル変換器１８から正側の電圧を出力させる。

【0059】

前述のように、電力変換装置１０から交流回路に出力される電圧は、複数の二次巻線２０ｂのそれぞれから出力される電圧の合計の電圧である。制御装置２２は、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８に反対の極性の電圧を出力させることにより、電力変換装置１０から交流回路に出力される電圧が、意図した出力電圧となるようにする。

【0060】

これにより、電力変換装置１０から比較的小さな電圧の交流電力を出力することができる。また、第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂのそれぞれに上期間及び下期間を設けることにより、出力電圧を小さくした設定した際にも、複数のスイッチング素子４１のスイッチングに偏りが生じることを抑制することができる。

【0061】

さらに、第１グループの３レベル変換器１８と第２グループの３レベル変換器１８とで上期間及び下期間が反対になるようにし、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８に反対の極性の電圧を出力させる。これにより、第１グループの３レベル変換器１８から出力される電圧、及び第２グループの３レベル変換器１８から出力される電圧のそれぞれの大きさを調整することで、中性点電位を制御することができる。

【0062】

制御装置２２は、例えば、中性点電位の検出を行い、中性点電位がゼロになるように、第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂのそれぞれの大きさを調整する。これにより、中性点電位の変動を抑制することができる。

【0063】

制御装置２２は、例えば、電荷蓄積素子１４、１６のそれぞれの電圧値を電圧計などから取得し、電荷蓄積素子１４、１６のそれぞれの電圧値の差分を演算することにより、中性点電位を検出する。なお、制御装置２２は、上記に限ることなく、例えば、上位のコントローラなどから入力される中性点電位の指令値などに基づいて、中性点電位を検出してもよい。

【0064】

第２グループの３レベル変換器１８の数は、例えば、第１グループの３レベル変換器１８の数と同じである。換言すれば、複数の３レベル変換器１８の数は、偶数である。この場合、第２グループの３レベル変換器１８から出力される電圧の大きさは、第１グループの３レベル変換器１８から出力される電圧の大きさと同程度に設定される。これにより、電力変換装置１０から比較的小さな電圧の交流電力を出力することができる。

【0065】

但し、第２グループの３レベル変換器１８の数は、必ずしも第１グループの３レベル変換器１８の数と同じでなくてもよい。第２グループの３レベル変換器１８から出力される電圧の合計の大きさが、第１グループの３レベル変換器１８から出力される電圧の合計の大きさと同程度となるように、複数の３レベル変換器１８の出力が制御されていればよく、第２グループの３レベル変換器１８の数は、第１グループの３レベル変換器１８の数と異なってもよい。

【0066】

図３に表したように、制御装置２２は、例えば、損失分散オフセット値ＯＦＶと、中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂと、を基に、損失分散制御用の第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂを生成する。

【0067】

損失分散オフセット値ＯＦＶは、例えば、複数のスイッチング素子４１のスイッチングの偏りを抑制可能な任意の値に設定される。損失分散オフセット値ＯＦＶは、例えば、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２のそれぞれの最大値及び最小値の中間の値（三角波のピークトゥピークの半分の値）となるように設定される。これにより、複数のスイッチング素子４１のスイッチングの偏りを適切に抑制することができる。

【0068】

中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂは、中性点電位の検出結果に応じて設定される。第２電圧指令値ＶＲ２ａ用の中性点電位制御量ＣＡ２ａの大きさは、極性を反転させた第１電圧指令値ＶＲ１ａ用の中性点電位制御量ＣＡ１ａの大きさと実質的に同じである。第２電圧指令値ＶＲ２ｂ用の中性点電位制御量ＣＡ２ｂの大きさは、極性を反転させた第１電圧指令値ＶＲ１ｂ用の中性点電位制御量ＣＡ１ｂの大きさと実質的に同じである。

【0069】

例えば、第２グループの３レベル変換器１８の数が、第１グループの３レベル変換器１８の数と同じである場合には、第２グループの３レベル変換器１８用の中性点電位制御量ＣＡ１ｂの大きさは、第１グループの３レベル変換器１８用の中性点電位制御量ＣＡ１ａの大きさと同程度に設定される。但し、第１グループの３レベル変換器１８用の中性点電位制御量ＣＡ１ａの大きさ、及び第２グループの３レベル変換器１８用の中性点電位制御量ＣＡ１ｂの大きさは、中性点電位の検出結果などに任意に設定すればよい。

【0070】

制御装置２２は、第１グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１の交流出力端子a１から変圧器２０の一次巻線２０ａに向かって電流が流れている場合に、第１グループの３レベル変換器１８が上期間の時には、正側の損失分散オフセット値ＯＦＶに対して中性点電位制御量ＣＡ１ａを加算することにより、第１レグＬＧ１用の第１電圧指令値ＶＲ１ａを生成し、正側の損失分散オフセット値ＯＦＶに対して中性点電位制御量ＣＡ２ａを減算することにより、第２レグＬＧ２用の第２電圧指令値ＶＲ２ａを生成する。電流の向きが反対の場合は、加減算を逆転させる。

【0071】

制御装置２２は、第１グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１の交流出力端子a１から変圧器２０の一次巻線２０ａに向かって電流が流れている場合に、第１グループの３レベル変換器１８が下期間の時には、負側の損失分散オフセット値ＯＦＶに対して中性点電位制御量ＣＡ１ａを減算することにより、第１レグＬＧ１用の第１電圧指令値ＶＲ１ａを生成し、負側の損失分散オフセット値ＯＦＶに対して中性点電位制御量ＣＡ２ａを加算することにより、第２レグＬＧ２用の第２電圧指令値ＶＲ２ａを生成する。電流の向きが反対の場合は、加減算を逆転させる。

【0072】

すなわち、制御装置２２は、第１グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１の交流出力端子a１から変圧器２０の一次巻線２０ａに向かって電流が流れている場合に、損失分散オフセット値ＯＦＶの大きさを中性点電位制御量ＣＡ１ａの分だけ大きくすることにより、第１電圧指令値ＶＲ１ａを生成し、損失分散オフセット値ＯＦＶの大きさを中性点電位制御量ＣＡ２ａの分だけ小さくすることにより、第２電圧指令値ＶＲ２ａを生成する。

【0073】

制御装置２２は、第１グループの場合と同様に、第２グループの場合も、３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１の交流出力端子a１から変圧器２０の一次巻線２０ａに向かって電流が流れている条件では、損失分散オフセット値ＯＦＶの大きさを中性点電位制御量ＣＡ１ｂの分だけ小さくすることにより、第２グループの第１電圧指令値ＶＲ１ｂを生成し、損失分散オフセット値ＯＦＶの大きさを中性点電位制御量ＣＡ２ｂの分だけ大きくすることにより、第２グループの第２電圧指令値ＶＲ２ｂを生成する。なお、変圧器２０の二次巻線２０ｂは直列接続されており、各一次巻線２０aの電流値もほとんどばらつきは無く、各３レベル変換器１８の出力電流の向きは、実用上同じとして扱ってよい。

【0074】

制御装置２２は、前述のように、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２と生成した第１電圧指令値ＶＲ１ａとの比較、及び上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２と生成した第２電圧指令値ＶＲ２ａとの比較により、第１グループの３レベル変換器１８の動作を制御する。そして、制御装置２２は、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２と生成した第１電圧指令値ＶＲ１ｂとの比較、及び上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２と生成した第２電圧指令値ＶＲ２ｂとの比較により、第２グループの３レベル変換器１８の動作を制御する。

【0075】

複数の３レベル変換器１８及び変圧器２０を用いた変圧器直列多重構成の電力変換装置１０では、図３に表したように、高調波の発生を抑制するため、複数の３レベル変換器１８のそれぞれにおいて上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の位相をずらすことが行われている。

【0076】

例えば、２段目の３レベル変換器１８の上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の位相は、１段目の３レベル変換器１８の上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の位相に対し、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の四分の一周期分だけずらして設定される。

【0077】

制御装置２２は、例えば、２つの３レベル変換器１８を１セットとし、一方を第１グループの３レベル変換器１８、他方を第２グループの３レベル変換器１８とする際に、第２グループの３レベル変換器１８の上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の位相を、第１グループの３レベル変換器１８の上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の位相に対し、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の四分の一周期分だけずらして設定する。これにより、複数の３レベル変換器１８を第１グループと第２グループとに分ける場合にも、高調波の発生を抑制することができる。

【0078】

上記のように、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の位相をずらした場合には、第１グループの３レベル変換器１８と第２グループの３レベル変換器１８とで上期間及び下期間が完全には反対にならず、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８のそれぞれが上期間又は下期間となる期間が生じる。

【0079】

すなわち、複数の３レベル変換器１８は、損失分散制御において、第１グループの３レベル変換器１８が上期間で第２グループの３レベル変換器１８が下期間の状態、第１グループの３レベル変換器１８が下期間で第２グループの３レベル変換器１８が上期間の状態、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８のそれぞれが上期間の状態、及び第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８のそれぞれが下期間の状態の４つの状態を有する。

【0080】

第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８で上期間及び下期間が揃った期間は、上記のように、例えば、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の四分の一周期に設定される。第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８で上期間及び下期間が揃った期間は、上期間及び下期間が異なる期間よりも短い。

【0081】

なお、上期間及び下期間が揃った期間の長さは、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の四分の一周期に限ることなく、上期間及び下期間が揃った期間よりも短い任意の長さでよい。上期間及び下期間が揃った期間は、なるべく短く設定することが好ましい。上期間及び下期間が揃った期間は、必ずしも設けられていなくてもよい。

【0082】

図５は、実施形態に係る制御装置の一例を模式的に表すブロック図である。
図５は、図３に表した動作を行う場合の制御装置２２の一例を模式的に表す。図５では、交流回路の一例として、交流電動機２を示している。また、図５では、２つの３レベル変換器１８を１セットとし、一方を第１グループの３レベル変換器１８、他方を第２グループの３レベル変換器１８とする場合の、１セット分の２つの３レベル変換器１８に対応する制御装置２２の一部のみを抽出して図示している。電力変換装置１０は、例えば、複数セットの３レベル変換器１８を有する。この場合、制御装置２２の他のセットに対応する部分の構成は、図５に表した１セット分の２つの３レベル変換器１８に対応する部分の構成と実質的に同じである。なお、電力変換装置１０は、１セット分の２つの３レベル変換器１８を有する構成としてもよい。

【0083】

図５に表したように、制御装置２２は、回転座標変換回路５０と、電流指令値演算回路５１と、電流制御器５２と、逆座標変換回路５３と、キャリア生成回路５４と、オフセット出力回路５５と、極性演算回路５６と、中性点電位制御回路５７と、乗算器５８と、制御信号生成回路５９と、第１グループ用回路６１と、第２グループ用回路６２と、を有する。

【0084】

また、図５に表したように、電力変換装置１０は、電圧検出器８０、８２と、電流検出器８４、８６、８８と、をさらに備える。

【0085】

電圧検出器８０は、電荷蓄積素子１４の電圧を検出する。電圧検出器８２は、電荷蓄積素子１６の電圧を検出する。電流検出器８４は、第１グループの３レベル変換器１８から出力される交流電流を検出する。電流検出器８４は、例えば、複数の３レベル変換器１８の１段目の３レベル変換器１８の交流電流を検出する。電流検出器８６は、第２グループの３レベル変換器１８から出力される交流電流を検出する。電流検出器８６は、例えば、複数の３レベル変換器１８の２段目の３レベル変換器１８の交流電流を検出する。

【0086】

電流検出器８８は、変圧器２０の直列に接続された複数の二次巻線２０ｂの交流電流を検出する。電流検出器８４、８６は、換言すれば、変圧器２０の複数の一次巻線２０ａの交流電流を検出する。電流検出器８８は、換言すれば、変圧器２０から交流電動機２（交流回路）に供給される交流電流を検出する。さらに換言すれば、電流検出器８８は、電力変換装置１０の交流側の出力電流を検出する。

【0087】

回転座標変換回路５０には、電流検出器８４、８６、８８のそれぞれの検出結果、及び交流電動機２に供給する交流電流の電気角θが入力される。電気角θは、例えば、交流回路側に設けられた回転角検出回路４から回転座標変換回路５０に入力される。回転角検出回路４は、例えば、交流電動機２の回転角（機械角）を検出し、検出した回転角に応じた電気角θを演算し、演算した電気角θを回転座標変換回路５０に入力する。電気角θは、換言すれば、交流回路に供給する交流電流の位相θである。

【0088】

回転座標変換回路５０は、入力された電流検出器８４、８６、８８のそれぞれの検出結果、及び電気角θ（位相θ）を基に、いわゆるｄｑ変換（パーク変換）により、電流検出器８４、８６、８８によって検出された電流信号を電気角θに同期した座標系（ｄｑ座標）の電流信号に回転座標変換する。回転座標変換回路５０は、変換後の電流信号を電流制御器５２に入力する。

【0089】

電流指令値演算回路５１は、例えば、上位のコントローラから入力される指令値などに基づいて、複数の３レベル変換器１８から出力する交流電流の電流指令値を演算し、演算した電流指令値を電流制御器５２に入力する。電流指令値は、例えば、複数の３レベル変換器１８から出力する交流電流のｄ軸成分の電流指令値、及びｑ軸成分の電流指令値である。

【0090】

電流制御器５２は、回転座標変換回路５０から入力された電流信号、及び電流指令値演算回路５１から入力された電流指令値を基に、電流指令値に応じた交流電流を複数の３レベル変換器１８から出力させるための複数の３レベル変換器１８の交流電圧の電圧指令値を演算する。電流制御器５２は、例えば、電流信号と電流指令値との差分を基に、ＰＩ制御を行うことにより、電圧指令値を演算する。電圧指令値は、例えば、複数の３レベル変換器１８から出力する交流電圧のｄ軸成分の電圧指令値、及びｑ軸成分の電圧指令値である。但し、電流制御器５２による電圧指令値の演算方法は、ＰＩ制御に限ることなく、電流指令値に応じた交流電流を複数の３レベル変換器１８から適切に出力させることが可能な任意の演算方法でよい。電流制御器５２は、演算した電圧指令値を逆座標変換回路５３に入力する。

【0091】

逆座標変換回路５３には、電流制御器５２から電圧指令値が入力されるとともに、回転座標変換回路５０と同様の電気角θが入力される。逆座標変換回路５３は、入力された電圧指令値及び電気角θを基に、電圧指令値に対して逆ｄｑ変換（逆パーク変換）を行うことにより、回転座標系の電圧指令値を三相座標の電圧指令値に変換する。逆座標変換回路５３は、変換後の電圧指令値を基準の電圧指令値として第１グループ用回路６１及び第２グループ用回路６２に入力する。

【0092】

キャリア生成回路５４は、予め設定された振幅の情報、周波数の情報、及び位相の情報などを基に、複数の３レベル変換器１８のそれぞれの上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２を生成する。キャリア生成回路５４は、生成した上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２をオフセット出力回路５５及び制御信号生成回路５９に入力する。

【0093】

オフセット出力回路５５は、所定電圧未満の交流電力を出力する損失分散制御を行う際に動作する。オフセット出力回路５５は、損失分散制御を行う際に、キャリア生成回路５４から入力された複数の３レベル変換器１８のそれぞれの上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２を基に、複数の３レベル変換器１８のそれぞれの損失分散オフセット値ＯＦＶを生成する。オフセット出力回路５５は、例えば、前述のように、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２のそれぞれの最大値及び最小値の中間の値となるように、損失分散オフセット値ＯＦＶを生成する。

【0094】

オフセット出力回路５５は、生成した損失分散オフセット値ＯＦＶを極性演算回路５６に入力する。また、オフセット出力回路５５は、第１グループの３レベル変換器１８に対応する損失分散オフセット値ＯＦＶを第１グループ用回路６１に入力するとともに、第２グループの３レベル変換器１８に対応する損失分散オフセット値ＯＦＶを第２グループ用回路６２に入力する。

【0095】

極性演算回路５６には、オフセット出力回路５５から損失分散オフセット値ＯＦＶが入力されるとともに、電流検出器８４、８６の検出結果が入力される。極性演算回路５６は、入力された損失分散オフセット値ＯＦＶ及び電流検出器８４、８６の検出結果を基に、損失分散制御に用いられる中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの極性の演算を行う。

【0096】

図６は、極性演算に用いられる表の一例を模式的に表す説明図である。
極性演算回路５６は、図６に表した表に基づいて、極性の演算を行う。極性演算回路５６は、電流検出器８４、８６の検出結果を基に、複数の３レベル変換器１８の出力電流の極性を判定する。なお、この例では、第１レグＬＧ１から一次巻線２０ａを介して第２レグＬＧ２に電流が流れる方向を正とし、これと反対の方向を負としている。換言すれば、この例では、交流接続点ａ１から交流接続点ａ２に向かって電流が流れる方向を正とし、これと反対の方向を負としている。

【0097】

また、極性演算回路５６は、複数の３レベル変換器１８のそれぞれの損失分散オフセット値ＯＦＶを基に、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８のそれぞれの上期間及び下期間を判定する。

【0098】

そして、極性演算回路５６は、出力電流の極性の判定結果と、上期間及び下期間の判定結果と、を基に、図６に表した表に基づいて、中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの極性を決定する。極性演算回路５６は、決定した極性を乗算器５８に入力する。

【0099】

図６に表したように、第１グループの３レベル変換器１８が上期間で、第２グループの３レベル変換器１８が下期間の場合、又は、第１グループの３レベル変換器１８が下期間で、第２グループの３レベル変換器１８が上期間の場合には、図６に表した方向に中性点電位を制御することができる。なお、図５及び図６では、直流接続点ｄ１の正電位をＰ、直流接続点ｄ２の負電位をＮ、直流接続点ｄ３の中性点電位をＯとして表している。

【0100】

例えば、複数の３レベル変換器１８の出力電流の極性が正であり、第１グループの３レベル変換器１８が上期間、第２グループの３レベル変換器１８が下期間である場合には、乗算器５８の出力が正の値の時に、正電位Ｐと中性点電位Ｏとの間のエネルギーを放出し、中性点電位Ｏと負電位Ｎとの間のエネルギーを蓄積することができる。換言すれば、電荷蓄積素子１４を放電し、電荷蓄積素子１６を充電する操作が必要である時に、中性点電位制御回路５７が正の値を出力する場合に、乗算器５８で極性を反転させる必要がない。

【0101】

そして、複数の３レベル変換器１８の出力電流の極性が正であり、第１グループの３レベル変換器１８が下期間、第２グループの３レベル変換器１８が上期間である場合には、乗算器５８の出力が正の値の時に、正電位Ｐと中性点電位Ｏとの間のエネルギーを蓄積し、中性点電位Ｏと負電位Ｎとの間のエネルギーを放出することができる。換言すれば、電荷蓄積素子１４を放電し、電荷蓄積素子１６を充電する操作が必要である時に、中性点電位制御回路５７が正の値を出力する場合に、乗算器５８で極性を反転させることが必要である。

【0102】

一方、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８がともに上期間又は下期間の場合には、第１グループの３レベル変換器１８による正電位Ｐと中性点電位Ｏとの間のエネルギー蓄積ないし放出、および、中性点電位Ｏと負電位Ｎとの間のエネルギー蓄積ないし放出を、第２グループの３レベル変換器１８が打ち消してしまうため、中性点電位を制御することができない。従って、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８がともに上期間又は下期間となる状態は、なるべく短くすることが好ましい。これにより、中性点電位の制御性を高めることができる。例えば、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８がともに上期間又は下期間となる状態は、上記のように、上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２の四分の一周期に設定する。これにより、複数の３レベル変換器１８において、高調波の発生を抑制しつつ、中性点電位の制御性を高めることができる。

【0103】

中性点電位制御回路５７には、電圧検出器８０、８２の検出結果が入力される。中性点電位制御回路５７は、電圧検出器８０、８２の検出結果を基に、中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの大きさを演算する。中性点電位制御回路５７は、例えば、中性点電位の大きさ（電荷蓄積素子１４、１６の電圧差）に応じて、中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの大きさを演算する。中性点電位制御回路５７は、例えば、中性点電位が大きいほど、中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの大きさが大きくなるように、中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの大きさを演算する。中性点電位制御回路５７は、演算した中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの大きさを乗算器５８に入力する。

【0104】

乗算器５８は、中性点電位制御回路５７から入力された中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂの大きさに、極性演算回路５６から入力された極性を乗算する。乗算器５８は、乗算結果を中性点電位制御量ＣＡ１ａ、ＣＡ２ａ、ＣＡ１ｂ、ＣＡ２ｂとし、第１グループ用回路６１及び第２グループ用回路６２に入力する。

【0105】

第１グループ用回路６１は、加算器６１ａ、６１ｂ、６１ｃと、減算器６１ｄと、を有する。第１グループ用回路６１は、損失分散制御を行う場合、逆座標変換回路５３から入力された基準の電圧指令値にオフセット出力回路５５から入力された損失分散オフセット値ＯＦＶを加算器６１ａで加算するとともに、加算器６１ａの加算結果に乗算器５８から入力された中性点電位制御量ＣＡ１ａを加算器６１ｂで加算することにより、第１グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１用の第１電圧指令値ＶＲ１ａを演算する。

【0106】

そして、第１グループ用回路６１は、損失分散制御を行う場合、逆座標変換回路５３から入力された基準の電圧指令値にオフセット出力回路５５から入力された損失分散オフセット値ＯＦＶを加算器６１ｃで加算するとともに、加算器６１ｃの加算結果に乗算器５８から入力された中性点電位制御量ＣＡ２ａを減算器６１ｄで減算することにより、第１グループの３レベル変換器１８の第２レグＬＧ２用の第２電圧指令値ＶＲ２ａを演算する。

【0107】

第１グループ用回路６１は、演算した第１電圧指令値ＶＲ１ａ及び第２電圧指令値ＶＲ２ａを制御信号生成回路５９に入力する。

【0108】

第２グループ用回路６２は、加算器６２ａと、減算器６２ｂと、加算器６２ｃ、６２ｄと、を有する。第２グループ用回路６２は、損失分散制御を行う場合、逆座標変換回路５３から入力された基準の電圧指令値にオフセット出力回路５５から入力された損失分散オフセット値ＯＦＶを加算器６２ａで加算するとともに、加算器６２ａの加算結果に乗算器５８から入力された中性点電位制御量ＣＡ１ｂを減算器６２ｂで減算することにより、第２グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１用の第１電圧指令値ＶＲ１ｂを演算する。

【0109】

そして、第２グループ用回路６２は、損失分散制御を行う場合、逆座標変換回路５３から入力された基準の電圧指令値にオフセット出力回路５５から入力された損失分散オフセット値ＯＦＶを加算器６２ｃで加算するとともに、加算器６２ｃの加算結果に乗算器５８から入力された中性点電位制御量ＣＡ２ｂを加算器６２ｄで加算することにより、第２グループの３レベル変換器１８の第２レグＬＧ２用の第２電圧指令値ＶＲ２ｂを演算する。

【0110】

第２グループ用回路６２は、演算した第１電圧指令値ＶＲ１ｂ及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂを制御信号生成回路５９に入力する。

【0111】

このように、制御装置２２は、損失分散オフセット値ＯＦＶを加算した電圧指令値に中性点電位制御量ＣＡ１ａを加算することによって、第１グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１用の第１電圧指令値ＶＲ１ａを演算し、損失分散オフセット値ＯＦＶを加算した電圧指令値に中性点電位制御量ＣＡ２ａを減算することによって、第１グループの３レベル変換器１８の第２レグＬＧ２用の第２電圧指令値ＶＲ２ａを演算し、損失分散オフセット値ＯＦＶを加算した電圧指令値に中性点電位制御量ＣＡ１ｂを減算することによって、第２グループの３レベル変換器１８の第１レグＬＧ１用の第１電圧指令値ＶＲ１ｂを演算し、損失分散オフセット値ＯＦＶを加算した電圧指令値に中性点電位制御量ＣＡ２ｂを加算することによって、第２グループの３レベル変換器１８の第２レグＬＧ２用の第２電圧指令値ＶＲ２ｂを演算する。これにより、図３に表した第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、第２電圧指令値ＶＲ２ｂを演算することができる。

【0112】

制御信号生成回路５９は、キャリア生成回路５４から入力された上側キャリアＣＷ１及び下側キャリアＣＷ２、第１グループ用回路６１から入力された第１電圧指令値ＶＲ１ａ及び第２電圧指令値ＶＲ２ａ、及び第２グループ用回路６２から入力された第１電圧指令値ＶＲ１ｂ及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂを基に、図３に関して説明したように、各制御信号を生成し、生成した各制御信号を各３レベル変換器１８に入力する。

【0113】

これにより、図３に関して説明したように、第１グループの３レベル変換器１８と第２グループの３レベル変換器１８とで上期間及び下期間が反対になるようにし、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８に反対の極性の電圧を出力させることができる。

【0114】

以上、説明したように、本実施形態に係る電力変換装置１０によれば、制御装置２２が、所定電圧未満の交流電力を交流回路に出力する場合に、複数の３レベル変換器１８を第１グループ及び第２グループの２つのグループに分け、第１グループの３レベル変換器１８の上期間の時に、第２グループの３レベル変換器１８を下期間に設定し、第１グループの３レベル変換器１８の下期間の時に、第２グループの３レベル変換器１８を上期間に設定し、所定の大きさの電圧を第１グループの３レベル変換器１８から出力させ、第１グループの３レベル変換器１８と反対の極性の所定の大きさの電圧を第２グループの３レベル変換器１８から出力させることで、交流回路に出力される電圧が、意図した出力電圧となるようにする。

【0115】

第１電圧指令値ＶＲ１ａ、第２電圧指令値ＶＲ２ａ、第１電圧指令値ＶＲ１ｂ、及び第２電圧指令値ＶＲ２ｂのそれぞれに上期間及び下期間を設けることにより、出力電圧を小さくした設定した際にも、複数の３レベル変換器１８の複数のスイッチング素子４１のスイッチングに偏りが生じることを抑制することができる。

【0116】

そして、第１グループの３レベル変換器１８と第２グループの３レベル変換器１８とで上期間及び下期間が反対になるようにし、第１グループの３レベル変換器１８及び第２グループの３レベル変換器１８に反対の極性の電圧を出力させることにより、中性点電位を制御することができる。

【0117】

従って、所定電圧未満の交流電力を出力する場合にも、複数のスイッチング素子４１のスイッチングの偏り、及び中性点電位の変動を抑制できる変圧器直列多重構成の電力変換装置１０を提供することができる。

【0118】

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】

【0119】

２…交流電動機、 ４…回転角検出回路、 １０…電力変換装置、 １２ａ…直流正母線、 １２ｂ…直流負母線、 １２ｃ…直流中性点母線、 １４、１６…電荷蓄積素子、 １８…３レベル変換器、 ２０…変圧器、 ２０ａ…一次巻線、 ２０ｂ…二次巻線、 ２２…制御装置、 ４１…スイッチング素子、 ４２、４３…整流素子、 ５０…回転座標変換回路、 ５１…電流指令値演算回路、 ５２…電流制御器、 ５３…逆座標変換回路、 ５４…キャリア生成回路、 ５５…オフセット出力回路、 ５６…極性演算回路、 ５７…中性点電位制御回路、 ５８…乗算器、 ５９…制御信号生成回路、 ６１…第１グループ用回路、 ６２…第２グループ用回路、 ８０、８２…電圧検出器、 ８４、８６、８８…電流検出器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】