特開 2024-77670 セル多重インバータ

(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】P2024077670

(43)【公開日】2024-06-10

(54)【発明の名称】セル多重インバータ

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20240603BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240603BHJP

   H02J 3/26 20060101ALI20240603BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

H02M7/48 R

H02M7/48 M

H02J3/26

【審査請求】有

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022189746

(22)【出願日】2022-11-29

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2024-01-09

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）２０２２年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構 ＮＥＤＯ先導研究プログラム エネルギー・環境新技術先導研究プログラム、産業技術力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000006105

【氏名又は名称】株式会社明電舎

(74)【代理人】

【識別番号】100086232

【弁理士】

【氏名又は名称】小林 博通

(74)【代理人】

【識別番号】100092613

【弁理士】

【氏名又は名称】富岡 潔

(74)【代理人】

【識別番号】100104938

【弁理士】

【氏名又は名称】鵜澤 英久

(74)【代理人】

【識別番号】100210240

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 友幸

(72)【発明者】

【氏名】大井 一伸

【テーマコード（参考）】

5G066

5H770

【Ｆターム（参考）】

5G066DA06

5G066GA02

5G066GB02

5H770BA11

5H770CA01

5H770DA03

5H770DA23

5H770DA41

5H770EA01

5H770HA03Y

5H770HA05Y

5H770LA00X

5H770LA00Z

5H770LB07

(57)【要約】

【課題】交流系統の各相にスター結線で複数のセルを多重に接続したセル多重インバータにおいて、交流電圧に不平衡が生じた場合や意図的に不平衡な交流電圧を出力する場合でも、該当相にセルを投入する、該当相のみセル直流電圧を引き上げるといった必要をなくし、さらにコモンモード電流を抑制する。
【解決手段】相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗまたは電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊を系統周波数に同期した回転座標上の値と系統周波数と逆向きに回転する回転座標上の値に変換し直流成分を抽出する。直流成分である正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄ，正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑ，逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ，逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑに基づいて零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ、零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを演算する。零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑに余弦波，正弦波を乗算して足し合わせ、電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊に加算して補正電圧指令値ｖ_Ｕ＊’，ｖ_Ｖ＊’，ｖ_Ｗ＊’とする。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流系統の各相にスター結線で多重に接続した複数のセルと、基本波と同じ周波数の零相電圧を電圧指令値に重畳して補正電圧指令値を生成する補正電圧指令値生成部と、前記補正電圧指令値に基づいて前記セルのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備えたセル多重インバータであって、
前記補正電圧指令値生成部は、
各相の前記補正電圧指令値の振幅差が小さくなるように、基本波と同じ周波数の前記零相電圧を前記電圧指令値に重畳することを特徴とするセル多重インバータ。

【請求項2】

交流系統の各相にスター結線で多重に接続した複数のセルと、基本波と同じ周波数の零相電圧を電圧指令値に重畳して補正電圧指令値を生成する補正電圧指令値生成部と、前記補正電圧指令値に基づいて前記セルのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備えたセル多重インバータであって、
前記補正電圧指令値生成部は、
各相の前記補正電圧指令値の振幅に各相のセル台数をかけ各相で故障せず動作しているセル台数で除した値が、三相の間で差が小さくなるように基本波と同じ周波数の前記零相電圧を重畳することを特徴とするセル多重インバータ。

【請求項3】

前記補正電圧指令値生成部は、
系統の交流電圧に同期した位相ωｔを出力する位相出力部と、
相電圧検出信号または前記電圧指令値、または、前記相電圧検出信号または前記電圧指令値に、各相のセル台数を各相で故障せず動作しているセル台数で除算した係数を乗算した値を系統周波数に同期した回転座標上の値に変換する第１ｄｑ変換器と、
前記相電圧検出信号または前記電圧指令値、または、前記相電圧検出信号または前記電圧指令値に各相のセル台数を各相で故障せず動作しているセル台数で除算した係数を乗算した値を、前記系統周波数と逆向きに回転する回転座標上の値に変換する第２ｄｑ変換器と、
前記第１ｄｑ変換器の出力から直流成分を抽出した正相ｄ軸成分，正相ｑ軸成分と、前記第２ｄｑ変換器の出力から直流成分を抽出した逆相ｄ軸成分，逆相ｑ軸成分に基づいて、各前記セルの交流側出力電圧を均一にする零相電圧ｄ軸成分、零相電圧ｑ軸成分を演算する演算器と、
前記零相電圧ｄ軸成分にｃｏｓωｔまたはｓｉｎωｔを乗算する第１乗算器と、
前記第１乗算器でｃｏｓωｔを乗算した場合は前記零相電圧ｑ軸成分にｓｉｎωｔを乗算し、前記第１乗算器でｓｉｎωｔを乗算した場合は前記零相電圧ｑ軸成分にｃｏｓωｔを乗算する第２乗算器と、
前記第１乗算器の出力と前記第２乗算器の出力を加算する第１加算器と、
前記電圧指令値に前記第１加算器の出力を加算して補正電圧指令値として出力する第２加算器と、
を備えたことを特徴とする請求項１または２記載のセル多重インバータ。

【請求項4】

前記演算器は、（３）式に基づいて、前記零相電圧ｄ軸成分と前記零相電圧ｑ軸成分を算出することを特徴とする請求項３記載のセル多重インバータ。

【数3】

Ｖ_０ｄ：零相電圧ｄ軸成分
Ｖ_０ｑ：零相電圧ｑ軸成分
Ｖ_１ｄ：正相電圧ｄ軸成分
Ｖ_１ｑ：正相電圧ｑ軸成分
Ｖ_２ｄ：逆相電圧ｄ軸成分
Ｖ_２ｑ：逆相電圧ｑ軸成分

【請求項5】

前記演算器は、（４）式に基づいて、前記零相電圧ｄ軸成分と前記零相電圧ｑ軸成分を算出することを特徴とする請求項３記載のセル多重インバータ。

【数4】

Ｖ_０ｄ：零相電圧ｄ軸成分
Ｖ_０ｑ：零相電圧ｑ軸成分
Ｖ_１ｄ：正相電圧ｄ軸成分
Ｖ_１ｑ：正相電圧ｑ軸成分
Ｖ_２ｄ：逆相電圧ｄ軸成分
Ｖ_２ｑ：逆相電圧ｑ軸成分

【請求項6】

前記演算器は、（５）式に基づいて、前記零相電圧ｄ軸成分と前記零相電圧ｑ軸成分を算出することを特徴とする請求項３記載のセル多重インバータ。

【数5】

Ｖ_０ｄ：零相電圧ｄ軸成分
Ｖ_０ｑ：零相電圧ｑ軸成分
Ｖ_２ｄ：逆相電圧ｄ軸成分
Ｖ_２ｑ：逆相電圧ｑ軸成分
Ｖ_１：電圧正相成分

【請求項7】

前記補正電圧指令値生成部は、
前記逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ＝Ｖ_１ｄ、かつ、前記逆相ｑ軸成分がＶ_２ｑ＝０の場合、前記零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ＝－Ｖ_１ｄ／２、前記零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑ＝０とし、
前記逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ＝－Ｖ_１ｄ／２、かつ、前記逆相ｑ軸成分がＶ_２ｑ＝－√３Ｖ_１ｄ／２の場合、前記零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ＝Ｖ_１ｄ／４、前記零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑ＝√３Ｖ_１ｄ／４とし、
前記逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ＝－Ｖ_１ｄ／２、かつ、前記逆相ｑ軸成分がＶ_２ｑ＝√３Ｖ_１ｄ／２の場合、前記零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ＝Ｖ_１ｄ／４、前記零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑ＝－√３Ｖ_１ｄ／４とすることを特徴とする請求項６記載のセル多重インバータ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流系統の各相にスター結線で複数のセルを多重に接続したセル多重インバータに関する。

【背景技術】

【0002】

セル多重インバータの一例として、三相交流の系統に連系するシングルスター・ブリッジセル（ＳＳＢＣ）のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ）が知られている。また、ＭＭＣＣ－ＳＳＢＣのフルブリッジセルの直流側に別途電源やＤＣ／ＤＣコンバータなどが接続された構成も知られている。

【0003】

この構成の主な例としては、例えば特許文献１にあるようなソリッドステート・トランスフォーマー（ＳＳＴ）がある。図１にＭＭＣＣ－ＳＳＢＣとデュアルアクティブブリッジ（ＤＡＢ）方式の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを組み合わせた１相あたりセル３台からなるＳＳＴを示す。

【0004】

高圧の交流電力を直列接続したセルで直流電力に変換し、直流電力を高周波の交流電力に変換し、トランスで絶縁、整流することで直流電力に変換できる。逆向きの電力融通も可能である。ＳＳＴは高周波トランスを用いるため、従来の商用周波数トランスよりも小型にできる。

【0005】

また、別の用途としては特許文献２の高圧多重インバータも該当する。

【0006】

ＳＳＴで不平衡な三相交流系統に連系する場合、あるいは高圧多重インバータで意図的に不平衡な三相交流電圧を出力する場合では、ある相の相電圧振幅が増加し該当相に接続されるセルが出力すべき交流電圧も増加する。

【0007】

これに対応するためには、セルの直流電圧を増加する必要があるが、部品に要求される耐圧も増加する必要が生じてしまいコストやサイズ増加の原因となる。セルに耐圧の大きなスイッチングデバイスを使用すれば損失が増加する原因にもなる。

【0008】

また、装置によっては一部のセルが故障しても運転継続を求められる場合がある。

【0009】

特許文献１はＳＳＴの主回路構成が、特許文献２は高圧多重インバータの構成が開示されている。

【0010】

特許文献３，４はセルが故障した際に運転を継続するための方法が開示されている。両方の文献にて最初に故障したセルの短絡を行う。ただし、これだけでは故障セルのある相の出力できる交流電圧振幅が低下してしまう。そこで、特許文献３では該当相にあらかじめ用意した予備セルを投入する。特許文献４では該当相の故障していないセルの直流電圧を増加する。

【0011】

特許文献５，６はＭＭＣＣ－ＳＳＢＣにおいて零相電圧を用いることで電圧不平衡に対応する技術が開示されている。この技術の目的は、各セルのコンデンサ電圧をバランスさせることである。

【0012】

特許文献７はセル多重を行わない単機の３相インバータの電圧指令値に零相電圧を重畳することで、電圧指令値のピークを下げる技術である。不平衡な三相交流電圧を出力する場合にも対応でき、各相の電圧指令値ピークを等しくすることができる。特許文献７の技術は、ＭＭＣＣ－ＳＳＢＣや高圧多重インバータに適用することができる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0013】

【特許文献1】特開平１０－７５５８０号公報

【特許文献2】特開平１１－１２２９４３号公報

【特許文献3】特開２０１２－１４７６１３号公報

【特許文献4】ＷＯ２０１７／０９４３７９ Ａ１

【特許文献5】特開２０１３－５６９４号公報

【特許文献6】特開２０２１－１９４８１号公報

【特許文献7】特開平３－１０７３７３号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0014】

しかしながら、特許文献１，２では不平衡な系統への連系や不平衡電圧の出力、セルが故障したときの対処法は特に言及されていない。

【0015】

特許文献３では予備セルを装置に組み込む必要があり、また予備セルを投入するためのスイッチも必要になるため、コストやサイズが増加してしまう。故障が起こらなければ予備セルは使用されず、無駄になることもあり得る。

【0016】

特許文献４では該当相の他のセルの直流電圧を増加するため、それを踏まえたセルの設計が必要となりコストやサイズ、損失増加の問題が生じる。また、特許文献３，４ともに電圧不平衡への対応方法は記載されていない。

【0017】

特許文献５，６では各セルの直流側にはコンデンサのみが接続され無効電力補償装置など有効電力を扱わない用途が想定されている。しかし、高圧多重インバータやＳＳＴでは別途有効電力の通過経路を有するため、この経路を用いてセル間の電力融通を行い、コンデンサ電圧をバランスさせることができる。そのため、特許文献５，６の技術の重要性は低下する。また、特許文献５，６ともにセルの故障への対応方法は記載されていない。

【0018】

特許文献７では、零相電圧として３の奇数倍の高調波を重畳する。しかし、重畳する零相電圧の周波数が高いほど回路の浮遊容量を通して大きなコモンモード電流が流れてしまう。これにより、部品の発熱増加、効率低下、地絡検出器の誤動作、高周波トランスの絶縁破壊、他の機器への電磁障害といった多くの問題を引き起こす恐れがある。そのため、重畳する零相電圧の周波数を下げる必要がある。また、特許文献７もセルの故障への対応方法は記載されていない。

【0019】

以上示したようなことから、交流系統の各相にスター結線で複数のセルを多重に接続したセル多重インバータにおいて、交流電圧に不平衡が生じた場合や意図的に不平衡な交流電圧を出力する場合でも、該当相にセルを投入する、該当相のみセルの直流電圧を引き上げるといった必要をなくし、さらにコモンモード電流を抑制することが課題となる。

【課題を解決するための手段】

【0020】

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、交流系統の各相にスター結線で多重に接続した複数のセルと、基本波と同じ周波数の零相電圧を電圧指令値に重畳して補正電圧指令値を生成する補正電圧指令値生成部と、前記補正電圧指令値に基づいて前記セルのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備えたセル多重インバータであって、前記補正電圧指令値生成部は、各相の前記補正電圧指令値の振幅差が小さくなるように、基本波と同じ周波数の前記零相電圧を前記電圧指令値に重畳することを特徴とする。

【0021】

また、他の態様として、交流系統の各相にスター結線で多重に接続した複数のセルと、基本波と同じ周波数の零相電圧を電圧指令値に重畳して補正電圧指令値を生成する補正電圧指令値生成部と、前記補正電圧指令値に基づいて前記セルのゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を備えたセル多重インバータであって、前記補正電圧指令値生成部は、各相の前記補正電圧指令値の振幅に各相のセル台数をかけ各相で故障せず動作しているセル台数で除した値が、三相の間で差が小さくなるように基本波と同じ周波数の前記零相電圧を重畳することを特徴とする。

【0022】

また、その一態様として、前記補正電圧指令値生成部は、系統の交流電圧に同期した位相ωｔを出力する位相出力部と、相電圧検出信号または前記電圧指令値、または、前記相電圧検出信号または前記電圧指令値に、各相のセル台数を各相で故障せず動作しているセル台数で除算した係数を乗算した値を系統周波数に同期した回転座標上の値に変換する第１ｄｑ変換器と、前記相電圧検出信号または前記電圧指令値、または、前記相電圧検出信号または前記電圧指令値に各相のセル台数を各相で故障せず動作しているセル台数で除算した係数を乗算した値を、前記系統周波数と逆向きに回転する回転座標上の値に変換する第２ｄｑ変換器と、前記第１ｄｑ変換器の出力から直流成分を抽出した正相ｄ軸成分，正相ｑ軸成分と、前記第２ｄｑ変換器の出力から直流成分を抽出した逆相ｄ軸成分，逆相ｑ軸成分に基づいて、各前記セルの交流側出力電圧を均一にする零相電圧ｄ軸成分、零相電圧ｑ軸成分を演算する演算器と、前記零相電圧ｄ軸成分にｃｏｓωｔまたはｓｉｎωｔを乗算する第１乗算器と、前記第１乗算器でｃｏｓωｔを乗算した場合は前記零相電圧ｑ軸成分にｓｉｎωｔを乗算し、前記第１乗算器でｓｉｎωｔを乗算した場合は前記零相電圧ｑ軸成分にｃｏｓωｔを乗算する第２乗算器と、前記第１乗算器の出力と前記第２乗算器の出力を加算する第１加算器と、前記電圧指令値に前記第１加算器の出力を加算して補正電圧指令値として出力する第２加算器と、を備えたことを特徴とする。

【0023】

また、その一態様として、前記演算器は、（３）式に基づいて、前記零相電圧ｄ軸成分と前記零相電圧ｑ軸成分を算出することを特徴とする。

【0024】

【数3】

【0025】

Ｖ_０ｄ：零相電圧ｄ軸成分
Ｖ_０ｑ：零相電圧ｑ軸成分
Ｖ_１ｄ：正相電圧ｄ軸成分
Ｖ_１ｑ：正相電圧ｑ軸成分
Ｖ_２ｄ：逆相電圧ｄ軸成分
Ｖ_２ｑ：逆相電圧ｑ軸成分。

【0026】

また、他の態様として、前記演算器は、（４）式に基づいて、前記零相電圧ｄ軸成分と前記零相電圧ｑ軸成分を算出することを特徴とする。

【0027】

【数4】

【0028】

Ｖ_０ｄ：零相電圧ｄ軸成分
Ｖ_０ｑ：零相電圧ｑ軸成分
Ｖ_１ｄ：正相電圧ｄ軸成分
Ｖ_１ｑ：正相電圧ｑ軸成分
Ｖ_２ｄ：逆相電圧ｄ軸成分
Ｖ_２ｑ：逆相電圧ｑ軸成分。

【0029】

また、他の態様として、前記演算器は、（５）式に基づいて、前記零相電圧ｄ軸成分と前記零相電圧ｑ軸成分を算出することを特徴とする。

【0030】

【数5】

【0031】

Ｖ_０ｄ：零相電圧ｄ軸成分
Ｖ_０ｑ：零相電圧ｑ軸成分
Ｖ_２ｄ：逆相電圧ｄ軸成分
Ｖ_２ｑ：逆相電圧ｑ軸成分
Ｖ_１：電圧正相成分。

【0032】

また、その一態様として、前記補正電圧指令値生成部は、前記逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ＝Ｖ_１ｄ、かつ、前記逆相ｑ軸成分がＶ_２ｑ＝０の場合、前記零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ＝－Ｖ_１ｄ／２、前記零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑ＝０とし、前記逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ＝－Ｖ_１ｄ／２、かつ、前記逆相ｑ軸成分がＶ_２ｑ＝－√３Ｖ_１ｄ／２の場合、前記零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ＝Ｖ_１ｄ／４、前記零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑ＝√３Ｖ_１ｄ／４とし、前記逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ＝－Ｖ_１ｄ／２、かつ、前記逆相ｑ軸成分がＶ_２ｑ＝√３Ｖ_１ｄ／２の場合、前記零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ＝Ｖ_１ｄ／４、前記零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑ＝－√３Ｖ_１ｄ／４とすることを特徴とする。

【発明の効果】

【0033】

本発明によれば、交流系統の各相にスター結線で複数のセルを多重に接続したセル多重インバータにおいて、交流電圧に不平衡が生じた場合や意図的に不平衡な交流電圧を出力する場合でも、該当相にセルを投入する、該当相のみセルの直流電圧を引き上げるといった必要をなくし、さらにコモンモード電流を抑制することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】実施形態１～３の主回路構成を示す回路図。

【図2】実施形態１の補正電圧指令値生成部を示すブロック図。

【図3】実施形態２の補正電圧指令値生成部を示すブロック図。

【図4】Ｕ相セル１台故障時の動作を示す図。

【図5】実施形態３の補正電圧指令値生成部を示すブロック図。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、本願発明におけるセル多重インバータの実施形態１～３を図１～図５に基づいて詳述する。

【0036】

［実施形態１］
まず、セル多重インバータの一例として、図１に示すＭＭＣＣ－ＳＳＢＣの主回路構成を説明する。

【0037】

図１（ａ）に示すように、交流系統ＡＣのＵ相には、リアクトルＬｕを介して、セルｃｅｌｌｕ１，セルｃｅｌｌｕ２、セルｃｅｌｌｕ３が直列接続される。同様に、交流系統ＡＣのＶ相には、リアクトルＬｖを介して、セルｃｅｌｌｖ１，セルｃｅｌｌｖ２、セルｃｅｌｌｖ３が直列接続され、交流系統ＡＣのＷ相には、リアクトルＬｗを介して、セルｃｅｌｌｗ１，セルｃｅｌｌｗ２、セルｃｅｌｌｗ３が直列接続される。ここで、交流の相電圧（相電圧検出信号）をｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗとする。

【0038】

セルｃｅｌｌｕ１，セルｃｅｌｌｕ２、セルｃｅｌｌｕ３，セルｃｅｌｌｖ１，セルｃｅｌｌｖ２、セルｃｅｌｌｖ３，セルｃｅｌｌｗ１，セルｃｅｌｌｗ２、セルｃｅｌｌｗ３の直流端子は並列接続される。セルｃｅｌｌｕ１～ｃｅｌｌｗ３の直流電圧をＶ_ＤＣとする。

【0039】

図１（ｂ）にセル１台当たりの構成を示す。セルの一方の交流端子にはスイッチングデバイスＳ１，Ｓ３の一端が接続される。また、セルの他方の交流端子にはスイッチングデバイスＳ２，Ｓ４の一端が接続される。スイッチングデバイスＳ１，Ｓ２の他端は第１コンデンサＣ１の一端に接続される。スイッチングデバイスＳ３，Ｓ４の他端は第１コンデンサＣ１の他端に接続される。

【0040】

第１コンデンサＣ１の一端と他端との間にはスイッチングデバイスＳ５，Ｓ７が直列接続される。また、第１コンデンサＣ１の一端と他端との間にはスイッチングデバイスＳ６，Ｓ８が直列接続される。

【0041】

スイッチングデバイスＳ５，Ｓ７の接続点にはリアクトルＬ１の一端が接続される。スイッチングデバイスＳ６，Ｓ８の接続点にはリアクトルＬ２の一端が接続される。リアクトルＬ１の他端とリアクトルＬ２の他端との間にはトランスＴｒの一次巻線が接続される。

【0042】

セルの一方の直流端子と他方の直流端子との間には第２コンデンサＣ２が接続される。第２コンデンサＣ２の一端と他端との間にはスイッチングデバイスＳ９，Ｓ１１が直列接続される。また、第２コンデンサＣ２の一端と他端との間にはスイッチングデバイスＳ１０，Ｓ１２が直列接続される。

【0043】

スイッチングデバイスＳ９，Ｓ１１の接続点にはリアクトルＬ３の一端が接続される。スイッチングデバイスＳ１０，Ｓ１２の接続点にはリアクトルＬ４の一端が接続される。リアクトルＬ３の他端とリアクトルＬ４の他端との間にはトランスＴｒの二次巻線が接続される。なお、図１（ｂ）のリアクトルＬ１～Ｌ４は省略してもよい。

【0044】

図２に本実施形態１の補正電圧指令値生成部のブロック図を示す。本実施形態１は、各セルの電力責務を均等にする必要がない用途において、各セルの電圧責務を均等にする。

【0045】

位相出力部（例えば、ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ－Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）１は、交流系統ＡＣの相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗから系統の交流電圧に同期した位相ωｔを出力する。

【0046】

相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗは線間電圧を検出し計算により相電圧に変換してもよい。また、相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗの代わりに、後述する電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊を位相出力部１に入力してもよい。さらに、位相出力部１に入力する系統交流電圧は、代表の１相のみでもよい。

【0047】

高圧多重インバータのモータドライブ用途では、ロータリーエンコーダやレゾルバなどから位相ωｔを検出してもよく、オブザーバなどで推定した位相ωｔを用いてもよい。以下、位相出力部１はＰＬＬ１を示す。

【0048】

第１ローパスフィルタ２は、相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗ（電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊）からスイッチングノイズなどを除去する。

【0049】

第１ｄｑ変換器３は、第１ローパスフィルタ２を適用した相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗを位相ωｔに基づいて、系統周波数に同期した回転座標上の値に変換する。

【0050】

第２ローパスフィルタ４，５は、第１ｄｑ変換器３の出力から直流成分のみを抽出する。第２ローパスフィルタ４，５の出力のうちｄ軸成分が相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗの正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄ、ｑ軸成分が正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑとなる。ＰＬＬ１が正常に動作していれば第２ローパスフィルタ５出力の正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑは零であるため、使用しない。

【0051】

第２ｄｑ変換器６は、第１ローパスフィルタ２を適用した相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗを位相－ωｔに基づいて、系統の周波数とは逆向きに回転する回転座標上の値に変換する。

【0052】

第３ローパスフィルタ７，８は、第２ｄｑ変換器６の出力から直流成分のみを抽出する。第３ローパスフィルタ７，８の出力は、それぞれ相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗの逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ，逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑとなる。

【0053】

演算器９は、得られた正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄ，正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑ，逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ，逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑから後述する（３）式を用いて零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを求める。（３）式の代わりに（４）式や（５）式を用いて零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄと零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを求めてもよい。この演算器９では、交流電圧の正相成分と逆相成分の振幅がほぼ等しい場合にはＶ_０ｄ＝Ｖ_０ｑ＝０を出力する。

【0054】

発振器１０は、位相ωｔから正弦波ｓｉｎωｔ，余弦波ｃｏｓωｔを出力する。

【0055】

第１乗算器１１は、零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄと余弦波ｃｏｓωｔの積を求める。第２乗算器１２は、零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑと正弦波ｓｉｎωｔの積を求める。

【0056】

第１加算器１３は、第１乗算器１１が出力するＶ_０ｄｃｏｓωｔと第２乗算器１２が出力するＶ_０ｑｓｉｎωｔの和を求める。

【0057】

第２加算器１４，１５，１６は、電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊それぞれに、第１加算器１３で求めたＶ_０ｄｃｏｓωｔ＋Ｖ_０ｑｓｉｎωｔを加算する。電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊は固定の正弦波として与えられる場合、電圧や電流のフィードバック制御により得られる場合がある。第２加算器１４，１５，１６の出力ｖ_Ｕ＊’，ｖ_Ｖ＊’，ｖ_Ｗ＊’が補正電圧指令値である。

【0058】

補正電圧指令値ｖ_Ｕ＊’，ｖ_Ｖ＊’，ｖ_Ｗ＊’は、後段（ゲート信号生成部）でキャリア三角波比較などによりゲート信号（オンオフ指令信号）を生成し、各セルのスイッチングデバイスに入力される。

【0059】

本実施形態１では、各相の補正電圧指令値ｖ_Ｕ＊’，ｖ_Ｖ＊’，ｖ_Ｗ＊’の振幅が等しく（差が小さく）なるように、三相の電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊に基本波と同じ周波数の零相電圧を重畳する。そのために必要な零相電圧を計算により求める。電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊が交流相電圧（相電圧検出信号）ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗにほぼ等しいと仮定し、交流相電圧（相電圧検出信号）ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗを以下の（１）式のように定義する。

【0060】

【数1】

【0061】

ここで、Ｖ_１ｄは交流電圧の正相ｄ軸成分、Ｖ_２ｄは逆相ｄ軸成分、Ｖ_２ｑは逆相ｑ軸成分である。Ｖ_１ｑは正相ｑ軸成分であるが、ＰＬＬ１が正常に動作していれば零である。

【0062】

Ｖ_０ｄ，Ｖ_０ｑは本実施形態１により重畳する零相電圧ｄ軸成分、零相電圧ｑ軸成分である。目的は定義した交流電圧の振幅を等しくすることであるため、（２）式を満たす零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを求める。

【0063】

【数2】

【0064】

この方程式を解くと、（３）式が得られる。

【0065】

【数3】

【0066】

正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑが零に近ければ、（３）式は（４）式に近似できる。

【0067】

【数4】

【0068】

正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑが零に等しければ、（３）式は（５）式に簡略化できる。（５）式においてＶ_１は交流電圧の正相成分を示す。

【0069】

【数5】

【0070】

本実施形態１は、（３）式に基づき必要な零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを計算し電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊に重畳する。まず、交流の相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗを検出し、または電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊を直接入力し、系統周波数に同期した回転座標上の値に変換して直流成分を取り出すことで正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄ，正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑを得る。また、系統周波数とは逆向きに回転する回転座標上の値から直流成分を取り出すことで逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ，逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑを得られる。

【0071】

後は（３）式を用いて零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを計算し、それぞれ余弦波ｃｏｓωｔ，正弦波ｓｉｎωｔとの積から重畳すべき零相電圧を求め、電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊に加算する。系統連系用途では、ＰＬＬが正常に動作していれば正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑは零であるため、（４）式や（５）式を用いて零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを計算してもよい。

【0072】

（３）式，（４）式，（５）式では分母が零の場合、すなわち正相電圧と逆相電圧の振幅が等しい場合は解を持たず、各相の電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊の振幅を等しくすることができない。そのため、正相電圧と逆相電圧の振幅がほぼ等しい場合は零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを零に設定する。

【0073】

本実施形態１により、ＭＭＣＣ－ＳＳＢＣを始めスター結線のセル多重インバータにおいて、交流電圧に不平衡が生じた場合、あるいは意図的に不平衡な交流電圧を出力する場合でもセルの交流出力電圧を均等にできる。これにより、ある相の電圧振幅が増加した場合でも該当相にセルを投入する、該当相のみセル直流電圧を引き上げる、といった必要がなくなる。また、重畳する零相電圧は基本波成分のみであるため、コモンモード電流を抑えることができる。

【0074】

本実施形態１では、すべてのセルの直流電圧をあらかじめ高くしておく、あるいは引き上げる必要があるが、従来技術に比べて直流電圧の増加分を大幅に抑制でき、セルの耐圧増加を最小限に抑えコスト・サイズを減少させることができる。

【0075】

また、本実施形態１で重畳する零相電圧はフィードフォワードにより求めるため、交流電圧に変動があった場合でも高速に追従でき、原理的に装置の安定性が高い。

【0076】

［実施形態２］
図３に本実施形態２の補正電圧指令値生成部のブロック図を示す。本実施形態２は実施形態１に対して以下の点が異なる。

【0077】

係数乗算器１７において、相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗ（または電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊）に係数Ｎ／ｎ_Ｕ，Ｎ／ｎ_Ｖ，Ｎ／ｎ_Ｗを乗算する。係数の分子Ｎは、各相のセル台数である。図１の例ではＮ＝３である。係数の分母ｎ_Ｕ，ｎ_Ｖ，ｎ_Ｗは各相で故障せず動作しているセル台数である。そして、第１ｄｑ変換器３と第２ｄｑ変換器６で用いる相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗ（または電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊）はこの係数を乗算した値を用いる。

【0078】

本実施形態２は、実施形態１に対して故障したセルのある相の電圧責務を軽減する機能を追加した。必要な零相電圧は、本来ならば（６）式を解いて求める必要がある。

【0079】

【数6】

【0080】

しかし、（６）式では変数が増え解の導出が困難である上に、導出した式は非常に複雑になり制御プログラムへの実装も困難になるという問題がある。

【0081】

そこで、相電圧検出信号ｖ_Ｕ，ｖ_Ｖ，ｖ_Ｗに係数をかけ、故障したセルを含む相の交流電圧を故障セル台数に応じて大きく見せかけ正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄ，正相ｑ軸成分Ｖ_１ｑ，逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄ，逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑを求め、（３）式に代入し近似的に必要な零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを得る。

【0082】

この零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊を重畳することで、故障したセルのある相の電圧指令値の振幅を減少させることができる。ここでは、係数の例としてそれぞれＮ／ｎ_Ｕ，Ｎ／ｎ_Ｖ，Ｎ／ｎ_Ｗを用いた。

【0083】

図４を用いて本実施形態２の効果を説明する。図４（ａ）は各相のセル台数がＮ＝３台、交流電圧は三相平衡で逆相電圧なし（Ｖ_２ｄ＝Ｖ_２ｑ＝０）としたときの電圧指令値のフェーザー図である。

【0084】

ここで、Ｕ相のセルが１台故障してｎ_Ｕ＝２となった場合を考える。図４（ｂ）は特許文献４を適用して線間電圧を維持する場合を示したものであり、Ｕ相の残りのセル２台は１．５倍の交流電圧を出力する必要がある。これに対応するためにはＵ相セルの直流電圧も１．５倍にする必要がある。

【0085】

図４（ｃ）は本実施形態２の技術を適用した場合である。電圧指令値ｖ_Ｕ＊，ｖ_Ｖ＊，ｖ_Ｗ＊に零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを重畳することにより、Ｕ相セルの出力電圧を減少させることができる。Ｖ相・Ｗ相のセル出力電圧は増加してしまうが、Ｕ相も含めすべてのセルの交流電圧を約１．１５倍することで同じ線間電圧を維持できる。

【0086】

すなわち、各相の補正電圧指令値ｖ_Ｕ＊’，ｖ_Ｖ＊’，ｖ_Ｗ＊’の振幅に各相のセル台数Ｎをかけ各相で故障せず動作しているセル台数ｎ_Ｕ，ｎ_Ｖ，ｎ_Ｗで除した値が、三相の間で差が小さくなるように基本波と同じ周波数の零相電圧を重畳する。

【0087】

なお、図３に基づいてゲート信号を生成するのは、故障をしていない健全なセルについてである。故障したセルについては、高圧交流側はスイッチングデバイスＳ１，Ｓ３をＯＮ、またはスイッチングデバイスＳ２，Ｓ４をＯＮして零電圧を出力、または外付けスイッチで短絡処置を行う。スイッチングデバイスＳ５～Ｓ１２はＯＦＦする。

【0088】

本実施形態２により、実施形態１の効果に加えてセルの一部が故障し短絡処置を行った場合でもセルの交流出力電圧を均等にできる。従来技術よりも多くのセルが故障した場合においても運転を継続することができる。

【0089】

［実施形態３］
図５に本実施形態３の補正電圧指令値生成部のブロック図を示す。演算器９よりも前の構成は実施形態１または実施形態２と同様である。本実施形態３は実施形態１や実施形態２に対して以下の点が異なる。

【0090】

本実施形態３は零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ，零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを求める演算器９において、（５）式を用いることとした。

【0091】

比較器１８は、逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄが正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄに等しいか否かを判定する。比較器１９は、逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄが－Ｖ_１ｄ／２に等しいか否かを判定する。比較器２０は、逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑが０に等しいか否かを判定する。比較器２１は、逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑが－√３Ｖ_１ｄ／２に等しいか否かを判定する。比較器２２は、逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑが√３Ｖ_１ｄ／２に等しいか否かを判定する。

【0092】

なお、比較器１８は、あらかじめしきい値を設定し逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄと正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄの差がしきい値より小さければ等しいと見なすようにしてもよい。しきい値にはヒステリシス特性を持たせてもよい。比較器１９～２２についても同様である。

【0093】

ＡＮＤ素子２３は、逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄが－Ｖ_１ｄ／２に等しく、かつ、逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑが√３Ｖ_１ｄ／２に等しい場合１を出力し、それ以外の場合０を出力する。スイッチＳＷ１は、ＡＮＤ素子２３の出力が１ならば零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄとしてＶ_１ｄ／４を、０ならば（５）式の結果を出力する。スイッチＳＷ２は、ＡＮＤ素子２３の出力が１ならば零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑとして－√３Ｖ_１ｄ／４を、０ならば（５）式の結果を出力する。

【0094】

ＡＮＤ素子２４は、逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄが－Ｖ_１ｄ／２に等しく、かつ、逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑが－√３Ｖ_１ｄ／２に等しい場合１を出力し、それ以外の場合０を出力する。スイッチＳＷ３は、ＡＮＤ素子２４の出力が１ならば零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄとしてＶ_１ｄ／４を、０ならばスイッチＳＷ１の結果を出力する。スイッチＳＷ４は、ＡＮＤ素子２４の出力が１ならば零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑとして√３Ｖ_１ｄ／４て、０ならばスイッチＳＷ２の結果を出力する。

【0095】

ＡＮＤ素子２５は、逆相ｄ軸成分Ｖ_２ｄが正相ｄ軸成分Ｖ_１ｄに等しく、かつ、逆相ｑ軸成分Ｖ_２ｑが０に等しい場合１を出力し、それ以外の場合０を出力する。スイッチＳＷ５は、ＡＮＤ素子２５の出力が１ならば零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄとして－Ｖ_１ｄ／２を、０ならばスイッチＳＷ３の結果を出力する。スイッチＳＷ６は、ＡＮＤ素子２５の出力が１ならば零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑとして０を、０ならばスイッチＳＷ４の結果を出力する。

【0096】

表１に、最終的にスイッチＳＷ５が出力する零相電圧ｄ軸成分Ｖ_０ｄ、スイッチＳＷ６が出力する零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑを示す

【0097】

【表1】

【0098】

実施形態１，２で使用した（３）式，（４）式，（５）式は、正相電圧と逆相電圧の振幅が等しい場合は分母が零となり解を持たない。しかし、分子も零ならば解を持つ可能性が考えられる。そこで、簡略化のため系統連系用途を想定し（５）式において分子・分母両方が零になる条件を求めると、その１つとして（７）式が得られる。

【0099】

【数7】

【0100】

（７）式を（１）式に代入し、Ｖ_１ｑ＝０の条件下で改めて（２）式を満たす零相電圧を求めると、（８）式が得られる。

【0101】

【数8】

【0102】

この時、零相電圧ｑ軸成分Ｖ_０ｑは任意の値でよく、解は無限に存在することを示している。この無限の解の中で零相電圧の振幅が最小になるものは、（９）式で与えられる。

【0103】

【数9】

【0104】

分子・分母両方が零になる条件は（７）式の他にも２つある。条件と解の組み合わせを（１０）式、（１１）式に示す。

【0105】

【数10】

【0106】

【数11】

【0107】

（７）式、（１０）式、（１１）式の条件の例は、線間短絡や二相地絡である。
本実施形態３は（７）式、（１０）式、（１１）式の電圧条件を検出し、各相の電圧指令値の振幅を等しくするための零相電圧を重畳する。系統連系では事故時運転継続（ＦＲＴ）要件として短絡・地絡事故の際も運転継続が求められる用途があり、本実施形態３はこのような用途にも対応できる。

【0108】

本実施形態３により、交流系統に線間短絡が発生した場合や二相地絡が発生した場合でも、実施形態１や実施形態２の効果を得ることができる。

【0109】

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

【符号の説明】

【0110】

ＡＣ…交流系統
１…ＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ－Ｌｏｃｋｅｄ Ｌｏｏｐ）
２，４，５，７，８…第１～第３ローパスフィルタ
３…第１ｄｑ変換器
６…第２ｄｑ変換器
９…演算器
１０…発振器
１１，１２…第１，第２乗算器
１３～１６…第１～第２加算器
１７…係数演算器
１８～２２…比較器
２３～２５…ＡＮＤ素子
ＳＷ１～ＳＷ６…スイッチ

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】