7002985 電力変換装置および電力変換装置の制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-01-05

(45)【発行日】2022-01-20

(54)【発明の名称】電力変換装置および電力変換装置の制御方法

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/487 20070101AFI20220113BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20220113BHJP

【ＦＩ】

H02M7/487

H02M7/48 E

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2018076721

(22)【出願日】2018-04-12

(65)【公開番号】P2019187135

(43)【公開日】2019-10-24

【審査請求日】2021-02-02

(73)【特許権者】

【識別番号】000003078

【氏名又は名称】株式会社東芝

(73)【特許権者】

【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】100108855

【弁理士】

【氏名又は名称】蔵田 昌俊

(74)【代理人】

【識別番号】100103034

【弁理士】

【氏名又は名称】野河 信久

(74)【代理人】

【識別番号】100075672

【弁理士】

【氏名又は名称】峰 隆司

(74)【代理人】

【識別番号】100153051

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100189913

【氏名又は名称】鵜飼 健

(72)【発明者】

【氏名】児山 裕史

(72)【発明者】

【氏名】影山 隆久

(72)【発明者】

【氏名】藤田 崇

【審査官】佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】特開平１０－２５７７８０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平０８－３１７６６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】中国特許出願公開第１０３０１４５６（ＣＮ，Ａ）

【文献】特開２００７－１８１３９８（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１４－００７８５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】Josep Pou，Fast-Processing Modulation Strategy for the Neutral-Point-Clamped Converter With Total Elimination of Low-Frequency Voltage Oscillations in the Neutral Point，IEEE TRANSACTIONS ON INDSUTRIAL ELECTROINICS，VOL.54,No.4，IEEE，2007年08月，pp.2288-2294

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４８７

Ｈ０２Ｍ ７／４８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

中性点クランプ型の電力変換器と、
前記電力変換器を構成する各相の第１のスイッチング素子群と第２のスイッチング素子群とに対し、それぞれ、前記電力変換器の各相の電圧指令値を用いて生成される第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とを与えることで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行う制御手段と
を具備し、
前記制御手段は、
前記電力変換器の各相の電圧指令値に当該電力変換器の零相電圧を重畳して得られる新たな各相の電圧指令値から前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値とを生成する第１の制御モードと、
前記電力変換器の各相の電圧指令値とその最大値と最小値とに基づいて前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値とを生成する第２の制御モードと、
を切り替えて実施する手段を有する、電力変換装置。

【請求項2】

前記制御手段は、
前記第１の制御モードにおいて、前記零相電圧が重畳された各相の電圧指令値のいずれかの変調率が所定の範囲を超える場合に、前記第２の制御モードへの切り替えを行う、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記制御手段は、
前記電力変換器の運転条件によって、前記第１の制御モードと前記第２の制御モードとの間の切り替えを行う、
請求項１記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記制御手段は、
前記第２の制御モードにおいて、前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値のそれぞれの状態に応じて、前記電力変換器のキャリア周波数を変化させる、
請求項１記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記制御手段は、
前記第２の制御モードにおいて、前記第１のスイッチング素子群と前記第２のスイッチング素子群とを合わせた素子群のスイッチング周波数が一定以上増える期間に、前記電力変換器のキャリア周波数を低下させる、
請求項４記載の電力変換装置。

【請求項6】

中性点クランプ型の電力変換器を有する電力変換装置の制御方法であって、
制御手段により、前記電力変換器を構成する各相の第１のスイッチング素子群と第２のスイッチング素子群とに対し、それぞれ、前記電力変換器の各相の電圧指令値を用いて生成される第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とを与えることで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行うこと
を含み、前記制御は、
前記電力変換器の各相の電圧指令値に当該電力変換器の零相電圧を重畳して得られる新たな各相の電圧指令値から前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値とを生成する第１の制御モードと、
前記電力変換器の各相の電圧指令値とその最大値と最小値とに基づいて前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値とを生成する第２の制御モードと、
を切り替えて実施することを含む、電力変換装置の制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

直流と交流を変換する電力変換器は、インバータやコンバータとも呼ばれ、社会の中で幅広い分野で用いられている。最も基本的なインバータは、２つの半導体スイッチング素子による２レベルインバータであり、１つのレグで２つの電圧レベルを出力する。

【0003】

一方、図７に示すように、相毎に、１のレグに４つ半導体スイッチング素子と２つのダイオード（半導体スイッチング素子でも良い）を備え、各相に共通する直流分圧コンデンサを有する、中性点クランプ型（ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped））インバータが存在する。図７では三相のＮＰＣインバータ１００からなる電力変換装置１の例を示している。ＮＰＣインバータ１００は１レグで３つの電圧レベルを出力することができ、高耐圧化、損失低減、高調波低減に寄与するため、様々なインバータに用いられている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】J. Pou, et al., ”Fast-Processing Modulation Strategy for the Neutral-Point-Clamped Converter With Total Elimination of Low-Frequency Voltage Oscillations in the Neutral Point”, IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 54, no. 4, 2007

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

図７の例では、ＮＰＣインバータ１００は、相毎に、１つのレグに６つ半導体スイッチング素子Ｓ_１～Ｓ_６を備え、直流電圧ｖ_ＰＮを分圧する直流分圧コンデンサＣ_１，Ｃ_２を有する。ここで、直流分圧コンデンサＣ_１，Ｃ_２の中性点ＮＰの電位をｖ_ｎとする。ＮＰＣインバータ１００の中性点電位ｖ_ｎはインバータ動作に従い基本波の３倍で変動する性質を持つ。この中性点電位ｖ_ｎの変動が大きいと、半導体スイッチング素子にかかる電圧が変動し、電圧が高い時には耐圧超過で素子が破損する可能性があり、電圧が低い時には所望の電圧が出せず過変調となる可能性がある。

【0006】

中性点電位ｖ_ｎの変動の大きさは、変調率と力率、コンデンサ容量、負荷電流が関係する。コンデンサ容量と負荷電流を一定値とし、変調率と力率による中性点電位ｖ_ｎの変動の大きさを計算すると、図８のグラフのように表される。図８では、力率は、電圧と電流との位相差として表している。変調率が高いほど、また力率が低いほど（位相差＝π／２に近いほど）、中性点電位ｖ_ｎの変動は大きいことが分かる。

【0007】

中性点電位ｖ_ｎの変動を抑える最も単純な方法は、コンデンサ容量を増加させることである。しかし、コンデンサ容量の増加はインバータの体積、コストの増加を招き、事故時のエネルギーも大きくなる。

【0008】

この中性点電位ｖ_ｎの変動は制御により抑制できる（例えば、非特許文献１）。一般に、ＮＰＣインバータの相毎の指令値は１つだが、図９のように上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎの２つを用いる方法がある。上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐは、図７中の各アームの上半分に位置する半導体スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５に与える指令値であり、下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎは、図７中の各アームの下半分に位置する半導体スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６に与える指令値である。

【0009】

図９ではｕ相の指令値を例に示している。上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐは上キャリアｃａｒ_ｐと比較処理されることで、上アームの半導体スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５に与えるゲート信号が得られる。一方、下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎは下キャリアｃａｒ_ｎと比較処理されることで、下アームの半導体スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６に与えるゲート信号が得られる。上キャリアｃａｒ_ｐは変調率０～１の間を変化し、下キャリアｃａｒ_ｎは変調率－１～０の間を変化する。

【0010】

三相分の上アーム用電圧指令値ｖ_ｉｐおよび下アーム用電圧指令値ｖ_ｉｎ（但し、ｉ＝ｕ，ｖ，ｗ）は、次の式（１）により求められる。

【0011】

【数1】

【0012】

ここで、minは引数の中の最小値を求める関数、maxは最大値を求める関数である。

【0013】

例えば、図１０（ａ）に示される三相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ、ｖ_ｗがある場合、ｕ相の電圧指令値ｖ_ｕは式（１）より図１０（ｂ）のように変換される。更に図１０（ｃ）に示される上キャリアｃａｒ_ｐと上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐとの比較処理、および下キャリアｃａｒ_ｎと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎとの比較処理を経て、図１０（ｄ）のようなＰＷＭ状のｕ相出力電圧ｖ_ｕｏｕｔが得られる。

【0014】

この制御による変調法を適用した場合の、変調率と力率による中性点電位の変動の大きさを計算すると、図１１のグラフのように表される。すなわち、一定の運転領域において中性点電位の変動を完全に抑制できることが分かる。

【0015】

しかしながら、図１０（ｄ）のＰＷＭ波形を見ると、上アームのスイッチング素子群も下アームのスイッチング素子群もスイッチングしている区間がある。通常の変調法ではＮＰＣインバータは上アームのスイッチング素子群と下アームのスイッチング素子群のどちらかしかスイッチングしないが、この区間では両方ともスイッチングするのでスイッチング周波数が倍になる。この区間は１周期の１／３なので、平均的に、インバータのスイッチング周波数が１．３３倍に増加する。すると、スイッチング損失の増大を招く。また、これを解決するためにはインバータの冷却装置が大型化し、コストが高くなる。また、インバータのランニングコストも増加する。

【0016】

本発明が解決しようとする課題は、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制しつつ、スイッチング損失の増大を抑制することを可能にする電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0017】

実施形態の電力変換装置は、中性点クランプ型の電力変換器と、前記電力変換器を構成する各相の第１のスイッチング素子群と第２のスイッチング素子群とに対し、それぞれ、前記電力変換器の各相の電圧指令値を用いて生成される第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とを与えることで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行う制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記電力変換器の各相の電圧指令値に当該電力変換器の零相電圧を重畳して得られる新たな各相の電圧指令値から前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値とを生成する第１の制御モードと、前記電力変換器の各相の電圧指令値とその最大値と最小値とに基づいて前記第１の電圧指令値と前記第２の電圧指令値とを生成する第２の制御モードと、を切り替えて実施する手段を有する。

【発明の効果】

【0018】

本発明によれば、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制しつつ、スイッチング損失の増大を抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】第１の実施形態におけるＮＰＣインバータの一例を示す図。

【図2】同実施形態における中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図。

【図3】同実施形態における零相電圧重畳による中性点電位変動抑制制御の動作の一例を示す図。

【図4】同実施形態における零相電圧重畳による中性点電位の変動の一例を示す図。

【図5】第３の実施形態におけるキャリア比較処理の機能構成の一例を示すブロック図。

【図6】同実施形態におけるキャリア比較処理の波形の一例を示す図。

【図7】従来技術におけるＮＰＣインバータの回路の一例を示す図。

【図8】従来技術における中性点電位の変動の一例を示す図。

【図9】従来技術の中性点電位変動抑制制御による変調方法の一例を示す図。

【図10】従来技術の中性点電位変動抑制制御による変調波形の一例を示す図。

【図11】従来技術の中性点電位変動抑制制御による中性点電位変動の一例を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。

【0021】

［第１の実施形態］
最初に、第１の実施形態について説明する。以下では、前述した従来の構成と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

【0022】

図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。なお、この図１では、前述した図７と共通する要素に同一の符号を付している。

【0023】

電力変換装置１を構成するＮＰＣインバータ１００は、図７に示したものと同様の一般的な三相のＮＰＣインバータである。但し、この例に限定されるものではない。例えば、本実施形態では中性点クランプ型の電力変換器としてＮＰＣインバータを例示するが、これをＮＰＣコンバータに代えて実施してもよい。また、中性点クランプは、Ｔ型中点クランプであってもよいし、それ以外のタイプであってもよい。

【0024】

この電力変換装置１には、更に、ＮＰＣインバータ１００の通常動作の制御と中性点電位ｖ_ｎの変動を抑制する制御（以下、「中性点電位変動抑制制御」と呼ぶ。）を行う制御装置１０が備えられる。

【0025】

制御装置１０は、ＮＰＣインバータ１００を構成する各相の半導体スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５（各アームの上半分に位置する第１のスイッチング素子群）と半導体スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６（各アームの下半分に位置する第２のスイッチング素子群）とに対し、それぞれ、ＮＰＣインバータ１００の各相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ、ｖ_ｗを用いて生成される第１の電圧指令値と第２の電圧指令値とを与えることでＮＰＣインバータ１００の通常動作の制御と中性点電位ｖ_ｎの変動を抑制する制御を行うものである。

【0026】

特に、この制御装置１０は、ＮＰＣインバータ１００の各相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ、ｖ_ｗに当該ＮＰＣインバータ１００の零相電圧を重畳して得られる新たな各相の電圧指令値から上アーム用電圧指令値（第１の電圧指令値）ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐと下アーム用電圧指令値（第２の電圧指令値）ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとを生成する第１の制御モードと、ＮＰＣインバータ１００の各相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ、ｖ_ｗとその最大値と最小値とに基づいて前述した式（１）を用いて上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとを生成する第２の制御モードと、を切り替えて実施する機能を有する。

【0027】

例えば、制御装置１０は、第１の制御モードにおいて、零相電圧が重畳された各相の電圧指令値のいずれかの変調率が所定の範囲（例えば変調率が１よりも小さく－１よりも大きい範囲）を超える場合、第２の制御モードへの切り替えを行う。一方、第２の制御モードにおいて、零相電圧が重畳された各相の電圧指令値のすべての変調率が所定の範囲内に収まれば、第１の制御モードへの切り替えを行う。

【0028】

式（１）を用いた第２の制御モードによる中性点電位変動抑制制御では、前述した通り、一定の運転領域において中性点電位の変動を完全に抑制できるが、この制御だけでは、上アームのスイッチング素子群Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５と下アームのスイッチング素子群Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６とが両方ともスイッチングしている区間でスイッチング周波数が増加するため、スイッチング損失が増大する。そこで、本実施形態では、零相電圧が重畳された各相の電圧指令値の変調率がいずれも所定の範囲内に収まる期間（過変調でない期間）は、第１の制御モードによる中性点電位変動抑制制御を行う。第１の制御モードにおいては、上アームのスイッチング素子群Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５と下アームのスイッチング素子群Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６とが両方ともスイッチングしている区間が無い。これにより、より広い動作領域で中性点電位変動を抑制しつつ、損失の増加を最低限に抑制することが可能になる。

【0029】

図２は、本実施形態に係る電力変換装置１に備えられる制御装置１０によるＮＰＣインバータ１００の中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図である。但し、この構成例は一例であり、この例に限定されるものではない。

【0030】

制御装置１０は、図２に示されるように、各種の機能として零相電圧重畳処理部１１、判定部１２，１３、演算部１４～１７、切替部ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２を有する。

【0031】

これらの要素のうち、切替部ＳＷ２１，ＳＷ２２は、第１の制御モードと第２の制御モードのうちの一方が選択されるように切替を行うものである。

【0032】

第１の制御モードによる中性点電位変動抑制制御は、零相電圧重畳処理部１１、判定部１２，１３、切替部ＳＷ１１，ＳＷ１２、および切替部ＳＷ２１，ＳＷ２２を用いて実現される。一方、第２の制御モードによる中性点電位変動抑制制御は、演算部１４～１８、および切替部ＳＷ２１，ＳＷ２２を用いて実現される。

【0033】

零相電圧重畳処理部１１は、ＮＰＣインバータ１００の零相電圧を以下に示す式（２）を用いて計算し、当該零相電圧を各相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗに重畳して電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０として出力する機能を有する。この制御装置１０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い、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳して電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０として出力する機能をも備えている。これにより、より広い動作領域で中性点電位ｖ_ｎの変動を抑制することを可能にしている。更に、この制御装置１０は、零相電圧の重畳によって符号が変化した電圧指令値がない場合であっても、前述した式（２）の分母が０を跨いで変化する場合には、中間値の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機能をも更に備えている。これにより、式（２）の分母が０を跨ぐことで過大な零相電圧が生じることを防ぎ、変動抑制制御を正常に作用させることを可能にしている。

【0034】

零相電圧重畳処理部１１では、以下の式（２）が使用される。

【0035】

【数2】

【0036】

但し、ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗは１で規格化された各相のレグに対する電圧指令値を表し、ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗは各相のレグから出力される電流を表す。signは符号関数を表す。

【0037】

ここで、図３を参照して、零相電圧重畳処理部１１の動作の一例を説明する。

【0038】

零相電圧重畳処理部１１は、電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗとＮＰＣインバータ１００から得られる出力電流ｉ_ｕ，ｉ_ｖ，ｉ_ｗとに基づき、式（２）を用いて零相電圧の計算を行って零相電圧ｖ_０を求める（Ｓ１１）。なお、電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗは、この後、中間値の算出のほか零相電圧ｖ_０ｒｅの再計算などにも使用する場合があるため、所定の記憶領域に一旦保存しておく（Ｓ１２）。

【0039】

また、零相電圧重畳処理部１１は、電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗの中間値を求める（Ｓ１３）。

【0040】

一方で、零相電圧重畳処理部１１は、電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗのそれぞれに、求めた零相電圧ｖ_０を加算し、電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０を求める（Ｓ１４）。これら電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０についても、電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０の中間値を求めておく。

【0041】

次に、零相電圧重畳処理部１１は、零相電圧ｖ_０を加算する前と後とで中間値の符号が変化したか否かを判定する（Ｓ１５）。すなわち、零相電圧ｖ_０を加算する前と後とで中間値の符号が一致するか否かを判定する。双方の間で符号が一致する場合は、零相電圧ｖ_０を加算する前と後とで中間値の符号が変化していないとみなすことができる（Ｓ１５のＮｏ）。一方、双方の間で符号が一致しない場合は、零相電圧ｖ_０を加算する前と後とで中間値の符号が変化したとみなすことができる（Ｓ１５のＹｅｓ）。

【0042】

ステップＳ１５において、中間値が変化していれれば（Ｓ１５のＹｅｓ）、ステップＳ１６の処理へと進む。

【0043】

一方、ステップＳ１５において、中間値が変化していなければ（Ｓ１５のＮｏ）、零相電圧重畳処理部１１は、式（２）の分母が０を跨いで変化したか否かの判定を実施する（Ｓ２１～Ｓ２３）。

【0044】

ここで、力率が０より大で、かつ、分母が０以下でなければ（Ｓ２１のＹｅｓ，Ｓ２２のＮｏ）、零相電圧重畳処理部１１は、分母が０を跨いで変化していないとみなし、ステップＳ１４で求めた電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０を出力する。一方、力率が０より大で、かつ、分母が０以下であれば（Ｓ２１のＹｅｓ，Ｓ２２のＹｅｓ）、零相電圧重畳処理部１１は、分母が０を跨いで変化したとみなし、ステップＳ１６の処理へと進む。

【0045】

また、力率が０より大ではなく、かつ、分母が０以上でなければ（Ｓ２１のＮｏ，Ｓ２３のＮｏ）、零相電圧重畳処理部１１は、分母が０を跨いで変化していないとみなし、ステップＳ１４で求めた電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０を出力する。一方、力率が０より大ではなく、かつ、分母が０以上であれば（Ｓ２１のＮｏ，Ｓ２３のＹｅｓ）、零相電圧重畳処理部１１は、分母が０を跨いで変化したとみなし、ステップＳ１６の処理へと進む。

【0046】

ステップＳ１６において、零相電圧重畳処理部１１は、ステップＳ１３で求めた電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗの中間値の符号を反転させた上で、零相電圧の再計算を行って零相電圧ｖ_０ｒｅを求め（Ｓ１６）、求めた零相電圧ｖ_０ｒｅを、ステップＳ１２で保存しておいた電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗのそれぞれに加算して、電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０を求め（Ｓ１７）、求めた電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０を出力する。

【0047】

なお、上述したＳ２１～Ｓ２３の処理は、必ずしも必要とされるものではなく、その実施を省略してもよい。その場合、ステップＳ１５において中間値が変化していなければ（Ｓ１５のＮｏ）、零相電圧重畳処理部１１は、零相電圧の再計算を行うことなく、ステップＳ１４で求めた電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０を出力する。

【0048】

このように、零相電圧を重畳することで中間値の符号が変わる場合には、符号を反転させて零相電圧の再計算を行い、零相電圧ｖ_０ｒｅを得て、この零相電圧ｖ_０ｒｅを各相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗに重畳する。これにより、変動抑制効果が適正に発揮される。

【0049】

零相電圧重畳処理部１１から出力される電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０は、各相の１つのレグに対する指令値であるため、判定部１２、ＳＷ１１およびＳＷ１２により、当該電圧指令値を上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとに分ける。

【0050】

具体的には、判定部１２により変調率が正であるか負であるかを判定し、変調率が正であれば、電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０が上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐとして出力され、固定値「０」が下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとして出力されるように、切替部ＳＷ１１，ＳＷ１２をそれぞれ操作する。一方、変調率が正でなければ（負であれば）、固定値「０」が上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐとして出力され、電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０が下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとして出力されるように、切替部ＳＷ１１，ＳＷ１２をそれぞれ操作する。

【0051】

また、判定部１３、ＳＷ２１およびＳＷ２２により、零相電圧重畳処理部１１から出力される電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０のいずれかの変調率が例えば１よりも小さく－１よりも大きい範囲を超えるか否かに応じて、第１の制御モードまたは第２の制御モードが選択されるようにする。

【0052】

具体的には、判定部１３により電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０のいずれも変調率の絶対値が１よりも小さいか否かを判定し、小さければ、切替部ＳＷ１１から出力される値が切替部ＳＷ２１を通じて上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐとして出力され、切替部ＳＷ１２から出力される値が切替部ＳＷ２２を通じて下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとして出力されるように、切替部ＳＷ２１，ＳＷ２２をそれぞれ操作する。この場合、第１の制御モードが設定される。

【0053】

一方、電圧指令値ｖ_ｕ０，ｖ_ｖ０，ｖ_ｗ０のいずれかの変調率の絶対値が１よりも小さくなければ、演算部１６から出力される値が切替部ＳＷ２１を通じて上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ、ｖ_ｗｐとして出力され、演算部１８から出力される値が切替部ＳＷ２２を通じて下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎとして出力されるように、切替部ＳＷ２１，ＳＷ２２をそれぞれ操作する。この場合、第２の制御モードが設定される。

【0054】

演算部１４～１８は、前述した式（１）の演算を実施する要素である。演算部１４，１５，１６により「（ｖ_ｉ／２）－（ｍｉｎ（ｖ_ｕ，ｖ_ｖ、ｖ_ｗ）／２）」（但し、ｉ＝ｕ，ｖ，ｗ）を計算し、上アーム用電圧指令値ｖ_ｉｐ（即ち、ｖ_ｕｐ，ｖ_ｖｐ，ｖ_ｗｐ）を求める一方で、演算部１４，１７，１８により「（ｖ_ｉ／２）－（ｍａｘ（ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗ）／２）」を計算し、下アーム用電圧指令値ｖ_ｉｎ（即ち、ｖ_ｕｎ，ｖ_ｖｎ、ｖ_ｗｎ）を求める。

【0055】

上記零相電圧による中性点電位変動抑制制御を適用した場合の中性点電位ｖ_ｎの変動を、変調率、力率（電圧と電流との位相差）ごとに計算し、グラフ化すると、図４のようになる。すなわち、変調率が低く、力率が低い（位相差＝π／２に近い）運転領域では、中性点電位の変動を完全に抑制できることが分かる。

【0056】

上記零相電圧による中性点電位変動抑制制御では、上アームのスイッチング素子群Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５と下アームのスイッチング素子群Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６とが両方ともスイッチングしている区間がなく、スイッチング周波数は増加しないので、式（１）のみを用いた制御よりも損失を小さくすることができる。また、本実施形態を適用する事で、図４で変動が出ている運転領域では式（１）を用いた制御が適用されるため、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制することができる。この場合、中性点電位ｖ_ｎの変動のグラフは図１１と同様になる。

【0057】

このように第２の実施形態によれば、より広い動作領域で中性点電位変動を抑制しつつ、損失の増加を最低限に抑制できる。また、コンデンサ容量の増加を防ぎつつ、スイッチング損失の増大を抑制し、小型・低コストの電力変換装置を提供することが可能になる。

【0058】

なお、本実施形態では、零相電圧を重畳する際に電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗのうち中間値の符号が変化することから、当該中間値を対象に符号の変化を判定する場合を例示したが、この例に限定されるものではない。例えば、電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗの中間値を判定する処理を行うことなく、各相の電圧指令値ｖ_ｕ，ｖ_ｖ，ｖ_ｗのそれぞれについて、符号の変化を判定するようにしてもよい。また、符号が変化する電圧指令値の判定を上記以外の手法で行うようにしても構わない。

【0059】

また、零相電圧を重畳する前後の電圧指令値の符号の変化の有無は、零相電圧を重畳する前後の２つの電圧指令値の減算結果をもとに判定してもよいが、これに限らず、別の手法（例えば他の種類の論理回路など）を用いて判定してもよい。

【0060】

［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

【0061】

第２の実施形態に係る電力変換装置の構成は、図１に示したものと同様である。但し、第２の実施形態における制御装置１０は、第１の実施形態の図２に示した判定部１３と異なる判定部（図示せず）を備え、第１の実施形態と異なる判定基準で制御モードの切替を行う。

【0062】

第２の実施形態における制御装置１０は、ＮＰＣインバータ１００の運転条件によって第２の制御モードから第１の制御モードへの切り替え（もしくは第１の制御モードから第２の制御モードへの切替）を行う。第１の制御モードを適用する運転条件または第２の制御モードを適用する運転条件は、例えば、変調率および力率を用いて予め定められる。なお、これに限らず、有効電力指令および無効電力指令などを用いて定めてもよい。運転条件を示す情報は、所定の記憶領域に保存され、ＮＰＣインバータ１００の運転中、制御モードを切り替える判定基準として使用される。

【0063】

例えば、第１の制御モードによる第１の運転範囲と、第２の制御モードによる第２の運転範囲との境界を、例えば変調率および力率を用いて予め定めておき、第１の運転領域での運転には第１の制御モードを適用し、第２の運転領域での運転には第２の制御モードを適用する。

【0064】

第２の実施形態によれば、第１の実施形態に比べ、制御モードを切り替える判定基準をより細やかに設定することができるため、損失抑制と中性点電位変動抑制とのバランスをより良くし、運転状況に応じたより適切な制御モードでの運転を実現することができる。

【0065】

［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。

【0066】

第２の実施形態に係る電力変換装置の構成は、図１に示したものと同様である。但し、第２の実施形態における制御装置１０は、さらに、第２の制御モードにおいて、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎのそれぞれの状態に応じて、ＮＰＣインバータ１００のキャリア周波数を変化させる機能を備えている。

【0067】

例えば、制御装置１０は、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎの両方が０でない場合に、キャリア周波数を例えば通常の１／２の周波数に低下させる機能、あるいは、上アームの半導体スイッチング素子Ｓ_１，Ｓ_２，Ｓ_５と、下アームの半導体スイッチング素子Ｓ_３，Ｓ_４，Ｓ_６とを合わせた素子群のスイッチング周波数が一定以上増える期間に、ＮＰＣインバータ１００のキャリア周波数を例えば通常の１／２の周波数に低下させる機能を有する。

【0068】

図５は、本実施形態に係る電力変換装置１に備えられる制御装置１０に備えられるキャリア周波数切替制御の機能構成の一例を示す図である。但し、この構成例は一例であり、この例に限定されるものではない。

【0069】

キャリアはｃａｒ１とｃａｒ２の２種類があり、ｃａｒ１が通常キャリア、ｃａｒ２が切替キャリアである。ここで、ｃａｒ２は、例えばｃａｒ１の周波数の１／２の周波数であるものとするが、これに限定されるものではない。ｃａｒ２は、例えばｃａｒ１の周波数の１／３の周波数であってもよい。

【0070】

制御装置１０は、比較部３１，３２、演算部３３，３４、判定部３５，３６、演算部３７、切替部ＳＷ３１，ＳＷ３２を有する。

【0071】

比較部３１は、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと通常キャリアｃａｒ１との比較結果、または、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと切替キャリアｃａｒ２との比較結果を、上アーム素子用のゲート信号ｇ_ｕｐとして出力する。

【0072】

比較部３２は、下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎと、演算部３３で計算される通常キャリアｃａｒ１と値「１」との差分との比較結果、または、下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎと、演算部３４で計算される切替キャリアｃａｒ２と値「１」との差分との比較結果を、下アーム素子のゲート信号ｇ_ｕｎとして出力する。

【0073】

判定部３５は、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐが０であるか否かを判定し、０であれば１を出力し、０でなければ０を出力する。

【0074】

判定部３６は、下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎが０であるか否かを判定し、０であれば１を出力し、０でなければ０を出力する。

【0075】

演算部３７は、判定部３５，３６の出力の少なくとも一方が０でないならば（即ち、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎが少なくとも一方が０であれば）、切替部ＳＷ３１，ＳＷ３２がそれぞれ接点０を選択するように操作する。一方、判定部３５，３６の出力が両方とも０であれば（即ち、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎが両方とも０ではないならば）、切替部ＳＷ３１，ＳＷ３２がそれぞれ１接点を選択するように操作する。

【0076】

このような構成において、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎが少なくとも一方が０である期間では、通常キャリアｃａｒ１が適用される。一方、上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎが両方とも０ではない期間では、切替キャリアｃａｒ２が適用される。これを波形図で示すと、図６のようになる。

【0077】

上アーム用電圧指令値ｖ_ｕｐと下アーム用電圧指令値ｖ_ｕｎが両方とも０ではない期間に、仮に通常キャリアｃａｒ１を適用すると、上アームと下アームの合計スイッチング回数は、倍になるが、本実施形態では、キャリアｃａｒ２が適用されるため、キャリア周波数が１／２になり、切替前と比べて全体のスイッチング回数は変わらない。即ち、スイッチング損失の増加は抑制される。

【0078】

第３の実施形態によれば、第１の実施形態に比べ、スイッチング損失の増加をより一層抑制することが可能になる。

【0079】

以上詳述したように、各実施形態によれば、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制しつつ、スイッチング損失の増大を抑制することができる。

【0080】

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】

【0081】

１０…制御装置、１１…零相電圧重畳処理部、１２，１３…判定部、１４～１７…演算部、３１，３２…比較部、３３，３４…演算部、３５，３６…判定部、３７…演算部、１００…ＮＰＣインバータ、ＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ２１，ＳＷ２２，ＳＷ３１，ＳＷ３２…切替部。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】