特許 7383208 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-11-09

(45)【発行日】2023-11-17

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   G05F 1/70 20060101AFI20231110BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20231110BHJP

   H02M 7/49 20070101ALI20231110BHJP

【ＦＩ】

G05F1/70

H02M7/48 R

H02M7/48 M

H02M7/49

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2023552563

(86)(22)【出願日】2023-03-16

(86)【国際出願番号】 JP2023010304

【審査請求日】2023-08-30

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】501137636

【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】▲浜▼中 幸太

(72)【発明者】

【氏名】田中 美和子

(72)【発明者】

【氏名】椋木 香帆

(72)【発明者】

【氏名】藤井 俊行

(72)【発明者】

【氏名】奥山 涼太

(72)【発明者】

【氏名】近藤 健一

【審査官】佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１５－１０８９６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１５／１０２０６０（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特許第６８１８１９１（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】特開２０１３－２５１９３３（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０５Ｆ １／７０

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ７／４９

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流電力系統に接続される電力変換装置であって、
複数のアームを含む電力変換器と、
前記電力変換器を制御する制御装置とを備え、
各アームは、カスケードに接続された複数の変換器セルを含み、
各変換器セルは、
一対の入出力端子と、
複数の半導体スイッチング素子と、
前記複数の半導体スイッチング素子を介して前記一対の入出力端子に接続された蓄電素子とを含み、
前記制御装置は、
前記交流電力系統の交流電圧の検出値に基づいて正相無効電流指令値を演算する交流電圧制御部と、
前記電力変換器を構成する各変換器セルの前記蓄電素子の電圧の代表値に基づいて正相有効電流指令値を演算する直流電圧制御部と、
前記複数のアーム間での前記蓄電素子の電圧のアンバランスを抑制するために、前記複数のアームのそれぞれのアーム電流指令値を生成する相バランス制御部と、
前記それぞれのアーム電流指令値に基づいて第１の逆相無効電流指令値および第１の逆相有効電流指令値を演算する第１の逆相電流指令値演算部と、
前記正相無効電流指令値、前記正相有効電流指令値、前記第１の逆相無効電流指令値、および前記第１の逆相有効電流指令値に基づいて、前記交流電力系統の交流電流を制御する出力電流制御部とを含み、
前記出力電流制御部は、前記複数のアームをそれぞれ流れるアーム電流の大きさが電流許容最大値以上の場合に、前記アーム電流の大きさが前記電流許容最大値未満の場合に比べて、正相無効電流を制限する、電力変換装置。

【請求項2】

前記出力電流制御部は、前記第１の逆相無効電流指令値および前記第１の逆相有効電流指令値に基づいて第１の逆相電流指令値の大きさを演算し、
前記出力電流制御部は、前記アーム電流の大きさが前記電流許容最大値以上の場合に、前記第１の逆相電流指令値の大きさが大きいほど前記正相無効電流指令値をより制限する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記出力電流制御部は、前記電流許容最大値から前記第１の逆相電流指令値の大きさを減算した値を上限値とし、前記上限値の符号を反転した値を下限値として、前記正相無効電流指令値を制限する、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記出力電流制御部は、大きさが制限された前記正相無効電流指令値に前記第１の逆相無効電流指令値を加算することにより、無効電流指令値を演算し、
前記出力電流制御部は、前記交流電力系統の交流電流の検出値に基づく正相無効電流が前記無効電流指令値に追従するように前記正相無効電流を制御する、請求項１～３のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記交流電力系統の交流電圧に含まれる逆相電圧を補償するように第２の逆相無効電流指令値および第２の逆相有効電流指令値を演算する第２の逆相電流指令値演算部をさらに備え、
前記出力電流制御部は、前記第２の逆相無効電流指令値および前記第２の逆相有効電流指令値にさらに基づいて、前記交流電力系統の交流電流を制御する、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記出力電流制御部は、前記第１の逆相無効電流指令値および前記第１の逆相有効電流指令値に基づいて第１の逆相電流指令値の大きさを演算し、前記第２の逆相無効電流指令値および前記第２の逆相有効電流指令値に基づいて第２の逆相電流指令値の大きさを演算し、前記第１の逆相電流指令値の大きさおよび前記第２の逆相電流指令値の大きさの大きい方を逆相電流指令値の最大値として決定し、
前記出力電流制御部は、前記アーム電流の大きさが前記電流許容最大値以上の場合に、前記逆相電流指令値の最大値が大きいほど前記正相無効電流指令値をより制限する、請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記出力電流制御部は、前記電流許容最大値から前記逆相電流指令値の最大値を減算した値を上限値とし、前記上限値の符号を反転した値を下限値として、前記正相無効電流指令値を制限する、請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記出力電流制御部は、大きさが制限された前記正相無効電流指令値に前記第１の逆相無効電流指令値および前記第２の逆相無効電流指令値を加算することにより、無効電流指令値を演算し、
前記出力電流制御部は、前記交流電力系統の交流電流の検出値に基づく正相無効電流が前記無効電流指令値に追従するように前記正相無効電流を制御する、請求項５～７のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電力系統に設置される大容量の電力変換装置として、複数の単位変換器（以下、「変換器セル」と称する）がカスケードに接続されたモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）が知られている。各変換器セルは、複数の半導体スイッチング素子と蓄電素子（代表的には、キャパシタ）とを備える。各変換器セルは、半導体スイッチング素子をオンオフさせることにより、キャパシタの両端の電圧及びゼロ電圧を出力する。

【0003】

ＭＭＣでは、所望の制御出力を得るために、個々の変換器セルの蓄電素子の電圧（すなわち、キャパシタ電圧）を目標値近辺に維持する必要がある。しかしながら、キャパシタ間の電圧ばらつきにより、相間のキャパシタの電圧が不平衡となる場合がある。相間のキャパシタ電圧が不平衡になると、意図しない循環電流の発生等によってＭＭＣの制御特性が悪化することが懸念される。そのため、この不平衡を抑制するためのキャパシタ電圧の相バランス制御が重要となる。

【0004】

ＭＭＣの過負荷状態とは、ＭＭＣを構成するいずれかの変換器セルにおいて、キャパシタ電圧が、過電圧保護機能が動作するレベルまで過上昇すること、またはキャパシタ電圧が、低電圧保護機能が動作するレベルまたは過低下することをいう。ＭＭＣが過負荷状態になると、上記の保護機能が動作する結果、ＭＭＣの動作が停止する虞がある。

【0005】

電力系統の安定化のために設置される無効電力補償装置は、系統事故時の場合においても無効電力出力を継続することが要求される。ＭＭＣによって構成された無効電力補償装置においても、系統事故時にＭＭＣが過負荷状態になることを防止して無効電力出力を継続する必要がある。

【0006】

たとえば、特許文献１（国際公開第２０２２／０８５１０１号）は、過電圧または過電流によってＭＭＣ方式の無効電力補償装置が保護停止することを防止するための構成を開示する。具体的にこの文献に開示された無効電力補償装置の「変換器制御部は、交流電圧検出部と出カリミット部とを備える。交流電圧検出部は、電力変換器が接続されている交流電力系統の電圧情報を検出する。出カリミット部は、交流電圧検出部が検出する電圧情報に基づいて、電力変換器の出力無効電力の制限の要否を判断し、出力無効電力の制限が必要な場合、電力変換器の出力無効電力を制限する」（特許文献１の要約を参照）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】国際公開第２０２２／０８５１０１号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１に開示された無効電力補償装置は、系統事故により系統電圧の不平衡率が高くなった場合には、過電圧、過電流によるＭＭＣの保護停止を有効に防止し得る。しかしながら、系統電圧の不平衡率が低い場合にＭＭＣが過負荷運転状態になったとしても、出力無効電力は制限されない。このため、過電圧保護または低電圧保護が機能してＭＭＣが運転停止になる場合があり得る。

【0009】

本開示は、上記の問題点を考慮したものであり、その目的の一つは、過負荷状態に起因した過電圧および低電圧によって自装置が保護停止することを確実に防止可能な電力変換装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

一実施形態の電力変換装置は、交流電力系統に接続され、複数のアームを含む電力変換器と、電力変換器を制御する制御装置とを備える。各アームは、カスケードに接続された複数の変換器セルを含む。各変換器セルは、一対の入出力端子と、複数の半導体スイッチング素子と、複数の半導体スイッチング素子を介して一対の入出力端子に接続された蓄電素子とを含む。制御装置は、交流電圧制御部と、直流電圧制御部と、相バランス制御部と、第１の逆相電流指令値演算部と、出力電流制御部とを含む。交流電圧制御部は、交流電力系統の交流電圧の検出値に基づいて正相無効電流指令値を演算する。直流電圧制御部は、電力変換器を構成する各変換器セルの蓄電素子の電圧の代表値に基づいて正相有効電流指令値を演算する。相バランス制御部は、複数のアーム間での蓄電素子の電圧のアンバランスを抑制するために、複数のアームのそれぞれのアーム電流指令値を生成する。第１の逆相電流指令値演算部は、それぞれのアーム電流指令値に基づいて第１の逆相無効電流指令値および第１の逆相有効電流指令値を演算する。出力電流制御部は、正相無効電流指令値、正相有効電流指令値、第１の逆相無効電流指令値、および第１の逆相有効電流指令値に基づいて、交流電力系統の交流電流を制御する。出力電流制御部は、複数のアームをそれぞれ流れるアーム電流の大きさが電流許容最大値以上の場合に、アーム電流の大きさが電流許容最大値未満の場合に比べて、正相無効電流を制限する。

【発明の効果】

【0011】

上記の実施形態によれば、アーム電流の大きさが電流許容最大値以上の場合に正相無効電流指令値の大きさを制限することによって、過負荷状態に起因した過電圧および低電圧によって自装置が保護停止することを確実に防止可能な電力変換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【0012】

【図1】実施の形態１による電力変換装置の概略構成図である。

【図2】ハーフブリッジ型の変換器セルの構成を示す回路図である。

【図3】フルブリッジ型の変換器セルの構成を示す回路図である。

【図4】図１の制御装置の概略構成を示すブロック図である。

【図5】図４の直流電圧制御部の構成例を示すブロック図である。

【図6】図４の相バランス制御部の構成例を示すブロック図である。

【図7】図４の逆相電流指令値演算部の構成例を示すブロック図である。

【図8】図４の循環電流制御部の構成例を示すブロック図である。

【図9】図４の交流電圧制御部の構成例を示すブロック図である。

【図10】図４の出力電流制御部の構成例を示すブロック図である。

【図11】実施の形態２の電力変換装置における制御装置の構成例を示すブロック図である。

【図12】図１１に示す逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部の構成例を示すブロック図である。

【図13】図１１の出力電流制御部の構成例を示すブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0013】

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。なお、以下の説明では、無効電力補償装置を例に挙げて説明するが、本開示のＭＭＣ型の電力変換装置はＨＶＤＣ（High Voltage Direct Current：高圧直流送電）にも適用可能である。

【0014】

実施の形態１．
［三相デルタ結線ＭＭＣ型の電力変換装置の概略構成］
図１は、実施の形態１による電力変換装置１の概略構成図である。電力変換装置１は、デルタ結線カスケード方式の三相ＭＭＣ型の電力変換器２と、その制御装置３とを備える。

【0015】

電力変換器２は、変圧器４と、三相の交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬとを含む。変圧器４の一次巻き線は交流電力系統１２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の送電線にそれぞれ接続される。変圧器４の二次巻き線は、交流ラインＵＬ，ＶＬ，ＷＬの第一端子にそれぞれ接続される。

【0016】

電力変換器２は、交流電力系統１２に対して、変圧器４を介して無効電力を注入または吸収する無効電力補償装置として機能する。具体的には、交流電力系統１２の三相交流電圧（以下、「系統電圧」ともいう）が低くなった場合には、電力変換器２は、系統電圧を上げるように交流電力系統１２に無効電力を注入する。一方、系統電圧が高くなった場合には、電力変換器２は、系統電圧を下げるように交流電力系統１２から無効電力を吸収する。すなわち、電力変換器２は、交流電力系統１２に対して、系統電圧と直交する電流を注入または吸収することで、無効電力を補償できる。

【0017】

電力変換器２は、アームＡ１～Ａ３をさらに含む。アームＡ１は、Ｕ相の交流ラインＵＬの第二端子とＶ相の交流ラインＶＬの第二端子との間に接続される。アームＡ２は、Ｖ相の交流ラインＶＬの第二端子とＷ相の交流ラインＷＬの第二端子との間に接続される。アームＡ３はＷ相の交流ラインＷＬの第二端子とＵ相交流ラインＵＬの第二端子との間に接続される。すなわち、アームＡ１～Ａ３はデルタ結線で接続されている。

【0018】

なお、アームＡ１～Ａ３は、スター結線で接続されていてもよい。この場合、アームＡ１は、Ｕ相の交流ラインＵＬの第二端子と共通の中性点との間に接続される。アームＡ２は、Ｖ相の交流ラインＶＬの第二端子と上記の共通の中性点との間に接続される。アームＡ３は、Ｗ相の交流ラインＷＬの第二端子と上記の共通の中性点との間に接続される。

【0019】

アームＡ１～Ａ３の各々は、リアクトル５とＮ個（Ｎは２以上の整数）の変換器セル６とを有する。したがって、電力変換器２は合計３Ｎ個の変換器セル６を有している。図１の例では、Ｎ＝３の場合が例示的に示されている。Ｎ個の変換器セル６は互いに直列接続されている。リアクトル５はデルタ結線内を流れる循環電流を抑制するために、各アーム（Ａ１～Ａ３）においてＮ個の変換器セル６と直列に接続される。

【0020】

複数の変換器セル６の各々は、制御装置３からの制御信号に従って双方向の電力変換を行なう。変換器セル６の構成例については、図２および図３を参照して後述する。

【0021】

電力変換装置１は、さらに、各アーム（Ａ１～Ａ３）に配置されたアーム電流検出部１３と、交流電力系統１２に配置された交流電流検出部１４および交流電圧検出部１５とを備える。

【0022】

アーム電流検出部１３は、アームＡ１に流れる電流Ｉｕｖ、アームＡ２に流れる電流Ｉｖｗ、およびアームＡ３に流れる電流Ｉｗｕを検出する。交流電流検出部１４は、交流電力系統１２のＵ相交流電流Ｉｕ、Ｖ相交流電流Ｉｖ、およびＷ相交流電流Ｉｗを検出する。交流電圧検出部１５は、交流電力系統１２のＵ相交流電圧Ｖｕ、Ｖ相交流電圧Ｖｖ、およびＷ相交流電圧Ｖｗを検出する。検出されたこれらの電流および電圧を表す信号は、制御装置３に入力される。

【0023】

［変換器セル６の構成例］
以下、図２および図３を参照して変換器セル６の構成例について説明する。図２ではハーフブリッジ型の構成例を示し、図３ではフルブリッジ型の構成例を示す。変換器セル６の構成として、図２および図３以外の構成であっても構わない。

【0024】

図２は、ハーフブリッジ型の変換器セル６の構成を示す回路図である。図２の変換器セル６は、２つの半導体スイッチング素子８ｐ，８ｎを直列接続して形成した直列体と、整流素子９ｐ，９ｎ（典型的にはダイオード）と、蓄電素子７（典型的にはキャパシタ）と、電圧検出部１１と、入出力端子Ｐ１，Ｐ２とを備える。

【0025】

整流素子９ｐ，９ｎは、半導体スイッチング素子８ｐ，８ｎと逆並列に（すなわち、並列かつ逆バイアス方向に）接続される。半導体スイッチング素子８ｐおよび８ｎの直列体と蓄電素子７とは並列接続される。電圧検出部１１は、蓄電素子７の両端間の電圧Ｖｃａｐ（キャパシタ電圧Ｖｃａｐとも称する）を検出する。

【0026】

半導体スイッチング素子８ｐ，８ｎの直列体と、整流素子９ｐ，９ｎとによってハーフブリッジ回路１０Ｈが構成される。半導体スイッチング素子８ｎの両端子は、入出力端子Ｐ１，Ｐ２とそれぞれ接続される。したがって、蓄電素子７は、ハーフブリッジ回路１０Ｈを介して入出力端子Ｐ１，Ｐ２に接続される。

【0027】

変換器セル６は、半導体スイッチング素子８ｐ，８ｎのスイッチング動作により、蓄電素子７の電圧Ｖｃａｐまたはゼロ電圧を、入出力端子Ｐ１およびＰ２の間に出力する。半導体スイッチング素子８ｐがオン、かつ半導体スイッチング素子８ｎがオフとなったときに、変換器セル６からは、蓄電素子７の電圧Ｖｃａｐが出力される。半導体スイッチング素子８ｐがオフ、かつ半導体スイッチング素子８ｎがオンとなったときに、変換器セル６は、ゼロ電圧を出力する。

【0028】

なお、半導体スイッチング素子８ｐの両端子が、入出力端子Ｐ１，Ｐ２とそれぞれ接続されていてもよい。この場合も、半導体スイッチング素子８ｐ，８ｎのオンオフ動作により、変換器セル６は、入出力端子Ｐ１，Ｐ２から蓄電素子７の電圧Ｖｃａｐおよびゼロ電圧を出力する。

【0029】

図３は、フルブリッジ型の変換器セル６の構成を示す回路図である。図３の変換器セル６は、２つの半導体スイッチング素子８ｐ１，８ｎ１を直列接続して形成された第１の直列体と、２つ半導体スイッチング素子８ｐ２，８ｎ２を直列接続して形成された第２の直列体と、整流素子９ｐ１，９ｎ１，９ｐ２，９ｎ２と、蓄電素子７と、電圧検出部１１と、入出力端子Ｐ１，Ｐ２とを備える。

【0030】

第１の直列体と、第２の直列体と、蓄電素子７とが並列接続される。整流素子９ｐ１，９ｎ１は、半導体スイッチング素子８ｐ１，８ｎ１とそれぞれ逆並列に接続される。整流素子９ｐ２，９ｎ２は、半導体スイッチング素子８ｐ２，８ｎ２とそれぞれ逆並列に接続される。半導体スイッチング素子８ｐ１，８ｎ１，８ｐ２，８ｎ２および整流素子９ｐ１，９ｎ１，９ｐ２，９ｎ２によってフルブリッジ回路１０Ｆが構成される。電圧検出部１１は、蓄電素子７の両端間の電圧Ｖｃａｐを検出する。

【0031】

半導体スイッチング素子８ｐ１および半導体スイッチング素子８ｎ１の中点は、入出力端子Ｐ１と接続される。同様に、半導体スイッチング素子８ｐ２および半導体スイッチング素子８ｎ２の中点は、入出力端子Ｐ２と接続される。したがって、蓄電素子７は、フルブリッジ回路１０Ｆを介して入出力端子Ｐ１，Ｐ２に接続される。変換器セル６は、半導体スイッチング素子８ｐ１，８ｎ１，８ｐ２，８ｎ２のスイッチング動作により、蓄電素子７の電圧Ｖｃａｐもしくは－Ｖｃａｐまたはゼロ電圧を、入出力端子Ｐ１，Ｐ２の間に出力する。

【0032】

図２および図３において、半導体スイッチング素子８ｐ，８ｎ，８ｐ１，８ｎ１，８ｐ２，８ｎ２は、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off）サイリスタなどの自己消弧型の半導体スイッチング素子によって構成される。

【0033】

なお、以下の説明において、半導体スイッチング素子を総称する場合または任意の一つを示す場合に、半導体スイッチング素子８と記載する。また、整流素子を総称する場合または任意の一つを示す場合に、整流素子９と記載する。

【0034】

図１に示されるように、変換器セル６はカスケード接続されている。したがって、図２および図３の各々において、入出力端子Ｐ１は、隣接する一方の変換器セル６の入出力端子Ｐ２又は対応する一方の交流ラインの第二端子に接続される。入出力端子Ｐ２は、隣接する他方の変換器セル６の入出力端子Ｐ１又は対応する他方の交流ラインの第二端子に接続される。

【0035】

［制御装置の概略構成］
図４は、図１の制御装置３の概略構成を示すブロック図である。図４に示すように、制御装置３は、直流電圧制御部２０と、相バランス制御部２１と、逆相電流指令値演算部２２と、循環電流制御部２３と、交流電圧制御部２４と、出力電流制御部２５と、電圧指令値演算部２６と、ゲート信号生成部２７とを備える。これらの構成要素のより詳細な構成および動作について以下、順に説明する。

【0036】

なお、制御装置３は、少なくとも１つのＣＰＵ（Central Processing Unit）および少なくとも１つのメモリを含む少なくとも１つのコンピュータに基づいて構成できる。もしくは、制御装置３の少なくとも一部をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などのＰＬＤ（Programmable Logic Device）、およびＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の専用回路を用いて構成することも可能である。

【0037】

［直流電圧制御部２０］
図５は、図４の直流電圧制御部２０の構成例を示すブロック図である。図５を参照して、直流電圧制御部２０は、全電圧代表値演算部３１と、減算器３２と、制御器３３とを備える。直流電圧制御部２０には、変換器セル６ごとに電圧検出部１１で検出された全て（ここでは３Ｎ個）の変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐと、直流全電圧指令値Ｖｄｃ＊とが入力される。

【0038】

全電圧代表値演算部３１は、全変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐから全キャパシタ電圧Ｖｃａｐを代表する全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐを演算する。全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐは、全変換器セル６のうちの少なくとも一部のキャパシタ電圧の平均値であってもよいし、中央値であってもよく、全ての変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの大きさを反映するものであれば、特に限定されない。

【0039】

減算器３２は、直流全電圧指令値Ｖｄｃ＊から、全電圧代表値演算部３１によって演算された全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐを減算することにより偏差ΔＶｄｃを演算する。

【0040】

制御器３３は、減算器３２によって算出された偏差ΔＶｄｃをゼロにするためのフィードバック制御演算を実行することにより、正相有効電流指令値Ｉｑ＊を生成する。制御器３３は、比例演算（Ｐ）および積分演算（Ｉ）の実行結果を加算するＰＩ制御器であってもよいし、その他の制御器であってもよい。

【0041】

なお、本開示では、電圧ベクトルの方向をｑ軸とし、有効電力成分をｑ軸成分で表し、無効電力成分をｄ軸成分で表す。

【0042】

［相バランス制御部２１］
図６は、図４の相バランス制御部２１の構成例を示すブロック図である。図６を参照して、相バランス制御部２１は、電圧演算部５１と、減算器５２～５７と、制御器５８～６０と、乗算器６１～６３とを備える。

【0043】

相バランス制御部２１は、電圧検出部１１で検出された全ての変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの検出値の入力を受ける。相バランス制御部２１は、全キャパシタ電圧Ｖｃａｐの検出値に基づいて、各相間で変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐを均衡化するためのアーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊を生成する。

【0044】

具体的に、電圧演算部５１は、全ての変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの検出値から、全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐ、ＵＶ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｕｖ、ＶＷ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｖｗ、およびＷＵ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｗｕを演算する。

【0045】

ここで、全電圧代表値は、Ｖｄｃ＿ｐは、全ての変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの代表値である。ＵＶ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｕｖは、アームＡ１を構成する変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの代表値である。ＶＷ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｖｗは、アームＡ２を構成する変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの代表値である。ＷＵ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｗｕは、アームＡ３を構成する変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの代表値である。これらの代表値は、たとえば、該当する変換器セル６の少なくとも一部のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの平均値または中央値など、該当する変換器セル６のキャパシタ電圧Ｖｃａｐの大きさを反映するものであれば、特に限定されない。

【0046】

減算器５２は、全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐとＵＶ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｕｖとの偏差ΔＶｕｖを求める。減算器５３は、全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐとＶＷ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｖｗとの偏差ΔＶｖｗを求める。減算器５４は、全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐとＷＵ相電圧代表値Ｖｄｃ＿ｗｕとの偏差ΔＶｗｕを求める。

【0047】

減算器５５は、偏差ΔＶｕｖから、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊と全電圧代表値Ｖｄｃ＿ｐとの偏差ΔＶｄｃを減算する。減算器５６は、偏差ΔＶｖｗから偏差ΔＶｄｃを減算する。減算器５７は、偏差ΔＶｗｕから偏差ΔＶｄｃを減算する。これにより、偏差ΔＶｕｖ，ΔＶｖｗ，ΔＶｗｕの各々から、各相の共通成分である零相成分が除去される。

【0048】

制御器５８は、減算器５５によって算出された偏差ΔＶｕｖ－ΔＶｄｃをゼロにするためのフィードバック制御演算を実行する。制御器５８は、ＰＩ制御器であってもよいし、その他の制御器であってもよい。同様に、制御器５９は、減算器５６によって算出された偏差ΔＶｖｗ－ΔＶｄｃをゼロにするためのフィードバック制御演算を実行する。制御器６０は、減算器５７によって算出された偏差ΔＶｗｕ－ΔＶｄｃをゼロにするためのフィードバック制御演算を実行する。制御器５９，６０についても、ＰＩ制御器であってもよいし、その他の制御器であってもよい。

【0049】

乗算器６１は、制御器５８の出力とアーム電圧Ｖｕｖとを乗算して、ＵＶ相アーム電流指令値Ｉｕｖ＊を求める。乗算器６２は、制御器５９の出力とアーム電圧Ｖｖｗとを乗算して、ＶＷ相アーム電流指令値Ｉｖｗ＊を求める。乗算器６３は、制御器６０の出力とアーム電圧Ｖｗｕとを乗算して、ＷＵ相アーム電流指令値Ｉｗｕ＊を求める。相バランス制御部２１は、以上によって生成されたアーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊を逆相電流指令値演算部２２に出力する。

【0050】

「逆相電流指令値演算部２２］
図７は、図４の逆相電流指令値演算部２２の構成例を示すブロック図である。図７を参照して、逆相電流指令値演算部２２は、加算器６５と、定数乗算器６６と、減算器６７～６９と、三相／二相座標変換部７０と、フィルタ７１，７２と、減算器７３，７４とを備える。

【0051】

逆相電流指令値演算部２２は相バランス制御部２１から出力されたアーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊に含まれる逆相電流成分を抽出することにより、逆相電流指令値Ｉｄｎ＊，Ｉｑｎ＊を生成する。以下、逆相電流指令値演算部２２の各構成要素の動作について説明する。

【0052】

加算器６５は、アーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊を加算する。定数乗算器６６は、加算器６５の加算結果を１／３倍することにより、循環電流指令値Ｉｚ＊を求める。

【0053】

減算器６７は、ＵＶ相アーム電流指令値Ｉｕｖ＊から循環電流指令値Ｉｚ＊を減算した偏差ΔＩｕｖ＊を求める。減算器６８は、ＶＷ相アーム電流指令値Ｉｖｗ＊から循環電流指令値Ｉｚ＊を減算した偏差ΔＩｖｗ＊を求める。減算器６９は、ＷＵ相アーム電流指令値Ｉｗｕ＊から循環電流指令値Ｉｚ＊を減算した偏差ΔＩｗｕ＊を求める。これにより、アーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊から、正相成分および逆相成分が抽出される。

【0054】

三相／二相座標変換部７０は、抽出した正相成分および逆相成分（すなわち、偏差ΔＩｕｖ＊，ΔＩｖｗ＊，ΔＩｗｕ＊）を、正相座標系で三相／二相変換する。すなわち、三相／二相座標変換部７０は、偏差ΔＩｕｖ＊，ΔＩｖｗ＊，ΔＩｗｕ＊に対して、ＵＶＷ座標からαβ座標に三相／二相変換し、さらに、基準位相θを用いてαβ座標から正相ｄｑ座標に回転座標変換する。

【0055】

ここで、基準位相θは、系統電圧に同期する位相θであり、ＰＬＬ回路（位相同期回路）（不図示）によって系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ．Ｖｗの検出値から抽出される。上記の三相／二相変換および回転座標変換の各変換行列は、後述する式（４Ａ），（４Ｂ）の変換行列と同様である。

【0056】

フィルタ７１，７２は、三相／二相座標変換部７０の出力から正相成分を抽出する。具体的には、フィルタ７１，７２は、フィルタへの入力値から逆相成分を除き、正相成分を抽出するように構成される。正相座標系では、正相成分は直流成分となり、逆相成分は基本波周波数の２倍周波数成分（２ｆ）となる。よって、フィルタ７１，７２には、一次遅れ、２ｆ移動平均、および２ｆのノッチフィルタ等が用いられる。

【0057】

減算器７３は、三相／二相座標変換部７０から出力されたｑ軸成分からフィルタ７１の出力（すなわち、正相成分）を減算することにより、逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊を生成する。減算器７４は、三相／二相座標変換部７０から出力されたｄ軸成分からフィルタ７２の出力（すなわち、正相成分）を減算することにより、逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊を生成する。逆相電流指令値演算部２２は、以上によって生成された逆相電流指令値Ｉｑｎ＊，Ｉｄｎ＊を出力電流制御部２５へ出力し、循環電流指令値Ｉｚ＊を循環電流制御部２３に出力する。

【0058】

［循環電流制御部２３］
図８は、図４の循環電流制御部２３の構成例を示すブロック図である。図８に示すように、循環電流制御部２３は、加算器８１と、定数乗算器８２と、減算器８３と、制御器８４とを備える。以下、これらの構成要素の動作を説明する。

【0059】

加算器８１は、アーム電流検出部１３によって検出されたアーム電流値Ｉｕｖ、Ｉｖｗ、Ｉｗｕを加算する。定数乗算器８２は、加算器８１の出力を３分の１倍することにより、循環電流Ｉｚを演算する。

【0060】

減算器８３は、循環電流指令値Ｉｚ＊と循環電流Ｉｚとの偏差ΔＩｚを演算する。制御器８４は、この偏差ΔＩｚをゼロにするため、すなわち、循環電流Ｉｚを循環電流指令値Ｉｚ＊に追従させるための制御演算を実行して、零相電圧指令値Ｖｚ＊を生成する。制御器８４は、ＰＩ制御器であってもよいし、その他の制御器であってもよい。

【0061】

［交流電圧制御部２４］
図９は、図４の交流電圧制御部２４の構成例を示すブロック図である。図９に示すように、交流電圧制御部２４は、正相電圧検出部９１と、減算器９２と、制御器９３とを備える。交流電圧制御部２４には、電力変換装置１の電圧指令値Ｖｒｅｆ（すなわち、電圧実効値の指令値）と、交流電圧検出部１５によって検出された系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの検出値が入力される。

【0062】

正相電圧検出部９１は、交流電圧検出部１５によって検出された系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗより正相電圧Ｖｓを算出する。交流電力系統１２はＵ相、Ｖ相、Ｗ相の三相からなり、瞬時電圧をＶｕ、Ｖｖ、Ｖｗとすると、正相電圧検出部９１は次式（１）に基づいて正相電圧Ｖｓを算出する。

【0063】

【数1】

【0064】

減算器９２は、電圧指令値Ｖｒｅｆから正相電圧検出部９１で算出された正相電圧Ｖｓを減算することにより、偏差ΔＶを算出し、算出した偏差ΔＶを制御器９３へ入力する。制御器９３は、入力された偏差ΔＶをゼロにするためのフィードバック制御演算を実行することにより、正相無効電流指令値Ｉｄ＊を演算する。制御器９３は、たとえばＰＩ制御器で構成されていてもよいし、その他の制御器で構成されていてもよい。

【0065】

［出力電流制御部２５］
図１０は、図４の出力電流制御部２５の構成例を示すブロック図である。図１０を参照して、出力電流制御部２５は、逆相電流指令の大きさ演算部１０１、正相無効電流制限部１０２、制御器１０３、三相／二相座標変換部１０４、電流制限判定部１０６、加算部１０７ａ，１０７ｂ、減算部１０８ａ，１０８ｂ、および乗算部１０９を備える。以下、これらの構成要素の動作について順に説明する。

【0066】

逆相電流指令の大きさ演算部１０１には、逆相電流指令値演算部２２より出力された相バランス用の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊および逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊が入力される。大きさ演算部１０１は、これらの値に基づいて、次式（２）に従って逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇを演算する。

【0067】

【数2】

【0068】

電流制限判定部１０６には、アーム電流検出部１３で検出したアーム電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕと電流許容最大値Ｉｍａｘとが入力される。電流制限判定部１０６は、まず、アーム電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕのそれぞれの大きさを表す実効値Ｉｕｖｍａｇ，Ｉｖｗｍａｇ，Ｉｗｕｍａｇを演算する。なお、実効値に代えてその他の大きさを表す指標であってもよい。

【0069】

具体的に、アーム電流Ｉｕｖの実効値Ｉｕｖｍａｇは、アーム電流Ｉｕｖを２乗した値を交流系統周波数の２倍周波数の移動平均フィルタでフィルタリングし、２倍して平方根をとることにより算出される。同様に、アーム電流Ｉｖｗの実効値Ｉｖｗｍａｇは、アーム電流Ｉｖｗを２乗した値を交流系統周波数の２倍周波数の移動平均フィルタでフィルタリングし、２倍して平方根をとることにより算出される。アーム電流Ｉｗｕの実効値Ｉｗｕｍａｇは、アーム電流Ｉｗｕを２乗した値を交流系統周波数の２倍周波数の移動平均フィルタでフィルタリングし、２倍して平方根をとることにより算出される。

【0070】

さらに、電流制限判定部１０６は、上記で演算された各アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘを決定する。電流制限判定部１０６は、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合に電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇを１に設定する。一方、電流制限判定部１０６は、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ未満の場合に電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇを０に設定する。

【0071】

乗算部１０９は、逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇに電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇを乗算することにより、電流制限量Ｉｌｉｍｉｔを演算する。乗算部１０９は、算出した電流制限量Ｉｌｉｍｉｔを正相無効電流制限部１０２に出力する。

【0072】

正相無効電流制限部１０２には、正相無効電流指令値Ｉｄ＊と、電流許容最大値Ｉｍａｘと、電流制限量Ｉｌｉｍｉｔとが入力される。正相無効電流制限部１０２は、電流許容最大値Ｉｍａｘおよび電流制限量Ｉｌｉｍｉｔに基づいて、正相無効電流指令の上限値Ｕｐｌｍｔを次式（３Ａ）に従って演算し、正相無効電流指令の下限値Ｌｏｗｌｍｔを式（３Ｂ）に従って演算する。すなわち、上限値Ｕｐｌｍｔは、電流許容最大値Ｉｍａｘから電流制限量Ｉｌｉｍｉｔ（電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇが１の場合、逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇに等しい）を減算した値である。下限値Ｌｏｗｌｍｔは、上限値Ｕｐｌｍｔの符号を反転した値である。

【0073】

【数3】

【0074】

正相無効電流制限部１０２は、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合、すなわち、いずれかの相のアーム電流の実効値が電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合に、逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇに応じた下限値Ｌｏｗｌｍｔから上限値Ｕｐｌｍｔの範囲内に正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限する。正相無効電流制限部１０２は、制限された正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊を出力する。

【0075】

一方、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ未満の場合、すなわち、いずれの相のアーム電流の実効値も電流許容最大値Ｉｍａｘ未満の場合に、電流制限量Ｉｌｉｍｉｔは０になる。この場合、正相無効電流指令の下限値Ｌｏｗｌｍｔは－Ｉｍａｘになり、正相無効電流指令の上限値ＵｐｌｍｔはＩｍａｘになる。したがって、正相無効電流制限部１０２は、正相無効電流指令値Ｉｄ＊を－ＩｍａｘからＩｍａｘの範囲に制限し、制限された正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊を出力する。

【0076】

加算部１０７ａは、正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊と逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊とを加算することにより、無効電流指令値Ｉｄ２＊を生成する。加算部１０７ｂは、正相有効電流指令値Ｉｑ＊と、逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊とを加算することにより、有効電流指令値Ｉｑ２＊を生成する。

【0077】

三相／二相座標変換部１０４は、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを正相座標系で三相／二相変換した正相無効電流Ｉｄ、正相有効電流Ｉｑを演算する。すなわち、三相／二相座標変換部１０４は、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに対して次式（４Ａ）に従ってＵＶＷ座標からαβ座標の出力電流Ｉα，Ｉβに三相／二相変換する。三相／二相座標変換部１０４は、さらに、基準位相θを用いて次式（４Ｂ）に従ってαβ座標の出力電流Ｉα，Ｉβから正相ｄｑ座標に回転座標変換する。ここで、基準位相θは、系統電圧に同期する位相θである。

【0078】

【数4】

【0079】

減算部１０８ａは、無効電流指令値Ｉｄ２＊と、三相／二相座標変換部１０４から出力された正相無効電流Ｉｄとの誤差ΔＩｄを演算する。減算部１０８ｂは、有効電流指令値Ｉｑ２＊と、三相／二相座標変換部１０４から出力された正相有効電流Ｉｑとの誤差ΔＩｑを演算する。

【0080】

制御器１０３は、減算部１０８ａ，１０８ｂによって演算された誤差ΔＩｄ、ΔＩｑがゼロとなるよう、すなわち、正相無効電流Ｉｄおよび正相有効電流Ｉｑを電流指令値Ｉｄ２＊およびＩｑ２＊にそれぞれ追従させるためのフィードバック制御演算を実行する。この結果、制御器１０３は、無効電流制御用の出力電圧指令値Ｖｄ＊および有効電力制御用の出力電圧指令値Ｖｑ＊を生成して出力する。制御器１０３は、たとえばＰＩ制御器で構成されていてもよいし、その他の制御器で構成されていてもよい。

【0081】

このように出力電流制御部２５は、いずれかの相のアーム電流の実効値の大きさが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上になった場合に、逆相電流指令値の大きさに応じて正相無効電流指令値を制限することにより、逆相電流を優先して流すように電力変換器２を制御する。これにより、電力変換器が過負荷状態になることを防止するとともに、電力変換器の各相電圧のバランスをとることができる。

【0082】

［電圧指令値演算部２６］
再び図４を参照して、電圧指令値演算部２６は、出力電流制御部２５が出力したｄ軸上の電圧指令値Ｖｄ＊およびｑ軸上の電圧指令値Ｖｑ＊を受け、電圧指令値Ｖｄ＊，Ｖｑ＊に対して二相／三相変更を行うことにより、各相（Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）の交流電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊を求める。二相／三相変換は、三相／二相変換の逆変換として構成することができる。すなわち、電圧指令値演算部２６は、ｄｑ座標をαβ座標に変換し、次にαβ座標を三相座標に変換する。

【0083】

電圧指令値演算部２６は、求めた各相の電圧指令値Ｖｕ＊，Ｖｖ＊，Ｖｗ＊に、循環電流制御部２３から出力された零相電圧指令値Ｖｚ＊を加算することにより、各相の出力電圧指令値Ｖｕｏ*，Ｖｖｏ*，Ｖｗｏ*を演算する。

【0084】

［ゲート信号生成部２７］
図４を参照して、ゲート信号生成部２７は、電圧指令値演算部２６から出力された各相の出力電圧指令値Ｖｕｏ*，Ｖｖｏ*，Ｖｗｏ*に従うＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって、各アームの各変換器セル６の各半導体スイッチング素子８をオンオフ制御するためのゲート信号Ｇを生成する。ゲート信号生成部２７からのゲート信号Ｇは、それぞれの変換器セル６の各半導体スイッチング素子８へ入力される。

【0085】

［実施の形態１のまとめと効果］
以上のとおり、実施の形態１の電力変換装置１の制御装置３において、交流電圧制御部２４は、交流電力系統１２の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの検出値に基づいて正相無効電流指令値Ｉｄ＊を演算する。直流電圧制御部２０は、電力変換器２を構成する各変換器セル６の蓄電素子７の電圧の代表値Ｖｄｃ＿ｐに基づいて正相有効電流指令値Ｉｑ＊を演算する。相バランス制御部２１は、複数のアームＡ１～Ａ３間での蓄電素子７の電圧のアンバランスを抑制するために、複数のアームＡ１～Ａ３のそれぞれのアーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊を生成する。逆相電流指令値演算部２２は、それぞれのアーム電流指令値Ｉｕｖ＊，Ｉｖｗ＊，Ｉｗｕ＊に基づいて第１の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊および第１の逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊を演算する。出力電流制御部２５は、正相無効電流指令値Ｉｄ＊、正相有効電流指令値Ｉｑ＊、第１の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊、および第１の逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊に基づいて、交流電力系統１２の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを制御する。ここで、出力電流制御部２５は、複数のアームＡ１～Ａ３をそれぞれ流れるアーム電流の実効値の大きさＩｕｖｍａｇ，Ｉｖｗｍａｇ，Ｉｗｕｍａｇが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合に、アーム電流の実効値の大きさが電流許容最大値未満の場合に比べて、正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限する。この結果、正相無効電流（Ｉｄ）が制限される。

【0086】

具体的には、出力電流制御部２５は、第１の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊および第１の逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊に基づいて第１の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇを演算する。出力電流制御部２５は、アーム電流の実効値の大きさが電流許容最大値以上の場合に、第１の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇが大きいほど正相無効電流指令値Ｉｄ＊をより制限する。一例として、出力電流制御部２５は、電流許容最大値Ｉｍａｘから第１の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇを減算した値を上限値Ｕｐｌｍｔとし、上限値Ｕｐｌｍｔの符号を反転した値を下限値Ｌｏｗｌｍｔとして、正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限する。

【0087】

ここで、出力電流制御部２５は、大きさが制限された正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊に第１の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊を加算することにより、無効電流指令値Ｉｄ２＊を演算する。出力電流制御部２５は、交流電力系統１２の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値に基づく正相無効電流Ｉｄが無効電流指令値Ｉｄ２＊に追従するように正相無効電流Ｉｄを制御する。

【0088】

以上のように、実施の形態１の電力変換装置１において制御装置３は、いずれかの相のアーム電流の実効値の大きさＩｕｖｍａｇ，Ｉｖｗｍａｇ，Ｉｗｕｍａｇが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上になった場合に、相バランス用の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇに応じて正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限することにより、逆相電流を優先して流すように電力変換器２を制御する。これにより、ＭＭＣ型の電力変換器２が過負荷状態になることを防止するとともに、電力変換器２の各相のキャパシタ電圧Ｖｃａｐのバランスをとることができるので、電力変換器２の運転継続性を高めることができる。

【0089】

実施の形態２．
実施の形態１では、相バランス用の逆相電流指令値の大きさに応じて正相無効電流指令値を制限する例を示した。実施の形態２では、実施の形態１の制御に、系統電圧の不平衡を緩和するために逆相電圧を補償する制御を追加した例について説明する。

【0090】

概略的に、実施の形態２の電力変換装置は、交流電力系統の不平衡成分（逆相電圧）を抽出し、抽出した逆相電圧を補償するための電流を交流電力系統に流すことにより、系統電圧の不平衡を緩和する。ここで注意すべき点は、電力系統の逆相電圧の増加によりその補償電流の大きさが増えるほど、ＭＭＣのキャパシタ電圧の相間のバランスが崩れやすくなる点である。特に逆相電圧が大きくなる系統事故時において、キャパシタ電圧の相間のアンバランスが顕著になる。

【0091】

そこで、本実施の形態の制御装置は、交流電力系統の交流電圧の不平衡の程度に関係する評価値を閾値と比較することにより不平衡が小さいと判定される状態が一定時間以上継続している場合に、逆相電圧補償を実行する。これにより、キャパシタ電圧が相間でアンバランスにならないようにしながら、逆相電圧補償によって系統電圧を安定化できる。

【0092】

［電力変換装置の概略構成］
図１１は、実施の形態２の電力変換装置における制御装置３Ａの構成例を示すブロック図である。

【0093】

図１１の制御装置３Ａは、逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８をさらに備える点で図４の制御装置３と異なる。さらに、図１１の制御装置３Ａにおいて、出力電流制御部２５Ａの動作が図４の出力電流制御部２５の動作と異なる。以下、図１２および図１３を参照して実施の形態１と異なる上記の点を主に説明し、実施の形態１と共通する部分については同一の参照符号を付して説明を繰り返さない。

【0094】

なお、逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８は、交流電力系統の交流電圧の不平衡が小さいと判定される状態が一定時間以上継続している場合に動作する。逆相電流指令値演算部２８は、交流電力系統の交流電圧の不平衡が大きいと判定される場合には動作しない。
［逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８］
図１２は、図１１に示す逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８の構成例を示すブロック図である。逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８は、正相座標変換部１３０と、逆相座標変換部１３１と、フィルタ（filter）１３２～１３５と、比較器１３６，１３７と、論理積回路１３８と、オンディレイ（On Delay）回路１３９と、減算器１４０，１４１と、乗算器１４２，１４３と、制御器１４４，１４５と、座標変換部１４６とを備える。以下、図１２を参照して、逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８の各構成要素の動作について説明する。

【0095】

正相座標変換部１３０は、交流電圧検出部１５で検出した系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ、Ｖｗの入力を受ける。正相座標変換部１３０は、式（５Ａ）にてＵＶＷ座標からαβ座標に、系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ、Ｖｗの検出値を三相／二相変換（ＵＶＷ／αβ変換）する。正相座標変換部１３０は、三相／二相変換により得られたαβ座標の系統電圧Ｖα、Ｖβを式（５Ｂ）に代入して、交流系統電圧の基準位相θによってαβ座標からｄｑ座標に回転座標変換（αβ／ｄｑ変換）する。これにより、正相電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐが得られる。

【0096】

【数5】

【0097】

逆相座標変換部１３１は、系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ、Ｖｗの検出値の入力を受ける。逆相座標変換部１３１は、式（５Ａ）にてＵＶＷ座標からαβ座標に、系統電圧Ｖｕ，Ｖｖ、Ｖｗの検出値を三相／二相変換（ＵＶＷ／αβ変換）する。逆相座標変換部１３１は、三相／二相変換により得られたαβ座標の系統電圧Ｖα、Ｖβを式（６）に代入して、交流系統電圧の基準位相の逆位相－θによってαβ座標からｄｑ座標に回転座標変換（αβ／ｄｑ変換）する。これにより、逆相電圧Ｖｄｎ，Ｖｑｎが得られる。

【0098】

【数6】

【0099】

上記の演算によって得られた正相電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐおよび逆相電圧Ｖｄｎ，Ｖｑｎは、２ｆ（ｆは系統周波数）の周波数成分をもつ。このため、フィルタ１３２～１３５によって２ｆ成分が除去される。

【0100】

比較器１３６は、２ｆの周波数成分がフィルタ１３２，１３３で除去された正相電圧Ｖｄｐ，Ｖｑｐを用いて式（７）により正相電圧の大きさ｜Ｖｐ｜を演算する。比較器１３６は、得られた正相電圧の大きさ｜Ｖｐ｜と第１の閾値Ｖｔｈ１とを比較し、正相電圧の大きさ｜Ｖｐ｜が第１の閾値Ｖｔｈ１以上の場合に１を出力する。比較器１３６は、正相電圧の大きさ｜Ｖｐ｜が第１の閾値Ｖｔｈ１未満の場合に０を出力する。なお、比較器１３６では、系統電圧が定常状態の値であるか否かを判定することを想定しているため、第１の閾値Ｖｔｈ１は、たとえば、０．９ｐｕ以上の値である。

【0101】

【数7】

【0102】

一方、比較器１３７は、２ｆの周波数成分がフィルタ１３４，１３５で除去された逆相電圧Ｖｄｎ，Ｖｑｎを用いて式（８）により逆相電圧の大きさ｜Ｖｎ｜を演算する。比較器１３７は、得られた逆相電圧の大きさ｜Ｖｎ｜と第２の閾値Ｖｔｈ２とを比較し、逆相電圧の大きさ｜Ｖｎ｜が第２の閾値Ｖｔｈ２以下の場合に１を出力する。比較器１３７は、逆相電圧の大きさ｜Ｖｎ｜が第２の閾値Ｖｔｈ２より大きい場合に０を出力する。なお、比較器１３７では、系統電圧が定常状態の値であるか否かを判定することを想定しているため、第２の閾値Ｖｔｈ２は、たとえば、０．０５ｐｕ以下の値である。

【0103】

【数8】

【0104】

比較器１３６，１３７の比較結果は論理積回路１３８へ入力される。比較器１３６，１３７から論理積回路１３８へ入力される値が共に１となった状態で、オンディレイ回路１３９に設定された時間が経過した場合に、逆相電圧補償のオン／オフ切り替えフラグＮｅｇＡｖｒＯｎに１が入る。オンディレイ回路１３９に設定される時間は、瞬時的に系統不平衡状態になる場合に逆相電圧補償が有効化されるのを避けるため、たとえば、０．１［ｓ］以上の値に設定される。

【0105】

上記の構成により、系統電圧が正常な状態が一定時間継続した場合に、逆相電圧制御のＯＮ／ＯＦＦ切り替えフラグＮｅｇＡｖｒＯｎが１となり、逆相電圧補償が有効になる。一方、系統事故時などのように系統電圧の不平衡が大きい場合には、即座に逆相電圧補償が無効になる。

【0106】

減算器１４０は、電力系統の逆相電圧補償用の逆相電圧指令値Ｖｄｎｃ＊（典型的には、０に等しい）と逆相電圧Ｖｄｎとの差分を演算する。乗算器１４２は、この差分の演算結果にフラグＮｅｇＡｖｒＯｎの値を乗算する。したがって、フラグＮｅｇＡｖｒＯｎが１の場合に、制御器１４４は、差分の演算結果をゼロにするため、すなわち、逆相電圧Ｖｄｎを逆相電圧指令値Ｖｄｎｃ＊（＝０）に追従させるための制御演算を実行することにより、逆相電圧補償電流Ｉｄｎ１を生成する。制御器１４４として、ＰＩ制御器を用いてもよいし、その他の制御器を用いてもよい。

【0107】

同様に減算器１４１は、電力系統の逆相電圧補償用の逆相電圧指令値Ｖｑｎｃ＊（典型的には、０に等しい）と逆相電圧Ｖｑｎとの差分を演算する。乗算器１４３は、この差分の演算結果にフラグＮｅｇＡｖｒＯｎの値を乗算する。したがって、ＮｅｇＡｖｒＯｎが１の場合に、ＰＩ制御器１４５は、差分の演算結果をゼロにするため、すなわち、逆相電圧Ｖｑｎを逆相電圧指令値Ｖｑｎｃ＊（＝０）に追従させるための制御演算を実行することにより、逆相電圧補償電流Ｉｑｎ１を生成する。なお、制御器１４５は、ＰＩ制御器であってもよいし、その他の制御器であってもよい。上記のように逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８では逆相ｄｑ軸上で逆相電圧制御が実行される。

【0108】

座標変換部（逆相ｄｑ／正相ｄｑ）１４６は、式（９）で表されるように、交流系統電圧の基準位相θの２倍（すなわち、２θ）を用いた回転座標変換により、逆相電圧補償電流Ｉｄｎ１、Ｉｑｎ１を逆相ｄｑ軸上から正相ｄｑ軸上に座標変換する。座標変換部１４６は、この座標変換により、逆相電圧補償用の逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊および逆相有効電流指令値Ｉｑｎａｖｒ＊を生成して出力電流制御部２５Ａへ出力する。

【0109】

【数9】

【0110】

［出力電流制御部２５Ａ］
図１３は、図１１の出力電流制御部２５Ａの構成例を示すブロック図である。図１３に示すように、出力電流制御部２５Ａは、逆相電流指令の最大値演算部１１０、正相無効電流制限部１０２、制御器１０３、三相／二相座標変換部１０４、電流制限判定部１０６、加算部１０７ａ，１０７ｂ、減算部１０８ａ，１０８ｂ、および乗算部１０９を備える。

【0111】

図１３の出力電流制御部２５Ａは、逆相電流指令の大きさ演算部１０１に代えて逆相電流指令の最大値演算部１１０を備える点で図１０の出力電流制御部２５と異なる。

【0112】

具体的に、逆相電流指令の最大値演算部１１０には、逆相電流指令値演算部２２より出力された相バランス用の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊および逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊と、逆相電圧補償用の逆相電流指令値演算部２８から出力された逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊および逆相有効電流指令値Ｉｑｎａｖｒ＊とが入力される。

【0113】

最大値演算部１１０は、実施の形態１で説明した式（２）により逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇを演算する。さらに、最大値演算部１１０は、式（１０）により逆相電圧補償用の逆相電流指令値の大きさＩｎａｖｒｍａｇを演算する。

【0114】

【数10】

【0115】

最大値演算部１１０は、相バランス用の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇと逆相電圧補償用の逆相電流指令値の大きさＩｎａｖｒｍａｇとのうち、大きい方を逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘとして乗算部１０９に出力する。

【0116】

図１０を参照して説明したように、電流制限判定部１０６には、アーム電流検出部１３で検出したアーム電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕと電流許容最大値Ｉｍａｘとが入力される。電流制限判定部１０６は、アーム電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕのそれぞれの実効値Ｉｕｖｍａｇ，Ｉｖｗｍａｇ，Ｉｗｕｍａｇを演算し、演算した各アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘを決定する。そして、電流制限判定部１０６は、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合に電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇを１に設定する。一方、電流制限判定部１０６は、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ未満の場合に電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇを０に設定する。

【0117】

乗算部１０９は、逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘに電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇを乗算することにより、電流制限量Ｉｌｉｍｉｔを演算する。乗算部１０９は、算出した電流制限量Ｉｌｉｍｉｔを正相無効電流制限部１０２に出力する。

【0118】

図１０を参照して説明したように、正相無効電流制限部１０２には、正相無効電流指令値Ｉｄ＊と、電流許容最大値Ｉｍａｘと、電流制限量Ｉｌｉｍｉｔとが入力される。正相無効電流制限部１０２は、電流許容最大値Ｉｍａｘおよび電流制限量Ｉｌｉｍｉｔに基づいて、正相無効電流指令の上限値Ｕｐｌｍｔを前述の式（３Ａ）に従って演算し、正相無効電流指令の下限値Ｌｏｗｌｍｔを前述の式（３Ｂ）に従って演算する。すなわち、上限値Ｕｐｌｍｔは、電流許容最大値Ｉｍａｘから電流制限量Ｉｌｉｍｉｔ（電流制限フラグｌｉｍｉｔｆｌｇが１の場合、逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘに等しい）を減算した値である。下限値Ｌｏｗｌｍｔは、上限値Ｕｐｌｍｔの符号を反転した値である。

【0119】

正相無効電流制限部１０２は、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合に、逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘに応じた下限値Ｌｏｗｌｍｔから上限値Ｕｐｌｍｔの範囲内に正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限する。一方、アーム電流の実効値の最大値Ｉｍａｇｍａｘが電流許容最大値Ｉｍａｘ未満の場合に、電流制限量Ｉｌｉｍｉｔは０になる。この場合、正相無効電流制限部１０２は、正相無効電流指令値Ｉｄ＊を－ＩｍａｘからＩｍａｘの範囲に制限する。正相無効電流制限部１０２は、制限された正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊を加算部１０７ａに出力する。

【0120】

加算部１０７ａは、正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊と、相バランス用の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊と、逆相電圧補償用の逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊とを加算することにより、無効電流指令値Ｉｄ２＊を生成する。加算部１０７ｂは、正相有効電流指令値Ｉｑ＊と、相バランス用の逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊と、逆相電圧補償用の逆相有効電流指令値Ｉｑｎａｖｒ＊とを加算することにより、有効電流指令値Ｉｑ２＊を生成する。

【0121】

図１０で説明したように、三相／二相座標変換部１０４は、出力電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを正相座標系で三相／二相変換した正相無効電流Ｉｄ、正相有効電流Ｉｑを演算する。減算部１０８ａは、無効電流指令値Ｉｄ２＊と、三相／二相座標変換部１０４から出力された正相無効電流Ｉｄとの誤差ΔＩｄを演算する。減算部１０８ｂは、有効電流指令値Ｉｑ２＊と、三相／二相座標変換部１０４から出力された正相有効電流Ｉｑとの誤差ΔＩｑを演算する。

【0122】

図１０で説明したように、制御器１０３は、減算部１０８ａ，１０８ｂによって演算された誤差ΔＩｄ、ΔＩｑがゼロとなるよう、すなわち、正相無効電流Ｉｄおよび正相有効電流Ｉｑを電流指令値Ｉｄ２＊およびＩｑ２＊にそれぞれ追従させるためのフィードバック制御演算を実行する。この結果、制御器１０３は、無効電流制御用の出力電圧指令値Ｖｄ＊および有効電力制御用の出力電圧指令値Ｖｑ＊を生成して出力する。

【0123】

［実施の形態２のまとめと効果］
上記のとおり実施の形態２の電力変換装置の制御装置３Ａは、第２の逆相電流指令値演算部２８をさらに備える。第２の逆相電流指令値演算部２８は、交流電力系統１２の交流電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗに含まれる逆相電圧Ｖｄｎ，Ｖｑｎを補償するように第２の逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊および第２の逆相有効電流指令値Ｉｑｎａｖｒ＊を演算する。出力電流制御部２５Ａは、第２の逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊および第２の逆相有効電流指令値Ｉｑｎａｖｒ＊にさらに基づいて、交流電力系統１２の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを制御する。

【0124】

具体的に、出力電流制御部２５Ａは、第１の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊および第１の逆相有効電流指令値Ｉｑｎ＊に基づいて第１の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇを演算し、第２の逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊および第２の逆相有効電流指令値Ｉｑｎａｖｒ＊に基づいて第２の逆相電流指令値の大きさＩｎａｖｒｍａｇを演算する。出力電流制御部２５Ａは、第１の逆相電流指令値の大きさＩｎｍａｇおよび第２の逆相電流指令値の大きさＩｎａｖｒｍａｇの大きい方を逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘとして決定する。出力電流制御部２５Ａは、アーム電流の実効値の大きさＩｕｖｍａｇ，Ｉｖｗｍａｇ，Ｉｗｕｍａｇが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上の場合に、逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘが大きいほど正相無効電流指令値Ｉｄ＊をより制限する。一例として、出力電流制御部２５Ａは、電流許容最大値Ｉｍａｘから逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘを減算した値を上限値Ｕｐｌｍｔとし、上限値Ｕｐｌｍｔの符号を反転した値を下限値Ｌｏｗｌｍｔとして、正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限する。

【0125】

ここで、出力電流制御部２５Ａは、大きさが制限された正相無効電流指令値Ｉｄｌ＊に第１の逆相無効電流指令値Ｉｄｎ＊および第２の逆相無効電流指令値Ｉｄｎａｖｒ＊を加算することにより、無効電流指令値Ｉｄ２＊を演算する。出力電流制御部２５Ａは、交流電力系統１２の交流電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの検出値に基づく正相無効電流Ｉｄが無効電流指令値Ｉｄ２＊に追従するように正相無効電流Ｉｄを制御する。

【0126】

以上のように、実施の形態２の電力変換装置において制御装置３Ａは、いずれかの相のアーム電流の実効値の大きさＩｕｖｍａｇ，Ｉｖｗｍａｇ，Ｉｗｕｍａｇが電流許容最大値Ｉｍａｘ以上になった場合に、逆相電圧補償用および相バランス用の逆相電流指令値の最大値Ｉｎｍａｘに応じて正相無効電流指令値Ｉｄ＊を制限することにより、逆相電流を優先して流すように電力変換器２を制御する。これにより、電力変換器２が過負荷になることを防止し、キャパシタ電圧Ｖｃａｐが相間でアンバランスにならないようにしながら、系統電圧の不平衡を緩和できるので、電力変換器２の運転継続性を高めることができる。

【0127】

今回開示された各実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本開示の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形または省略したりすることが可能である。また、上記の各実施の形態ではデルタ結線ＭＭＣ型の電力変換装置の例を示したが、スター結線ＭＭＣ型の電力変換装置およびダブルスター結線ＭＭＣ型の電力変換装置にも本開示を適用できる。

【0128】

この出願の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0129】

１ 電力変換装置、２ 電力変換器、３，３Ａ 制御装置、４ 変圧器、５ リアクトル、６ 変換器セル、７ 蓄電素子、８ 半導体スイッチング素子、９ 整流素子、１０Ｆ フルブリッジ回路、１０Ｈ ハーフブリッジ回路、１１ 電圧検出部、１２ 交流電力系統、１３ アーム電流検出部、１４ 交流電流検出部、１５ 交流電圧検出部、２０ 直流電圧制御部、２１ 相バランス制御部、２２，２８ 逆相電流指令値演算部、２３ 循環電流制御部、２４ 交流電圧制御部、２５，２５Ａ 出力電流制御部、２６ 電圧指令値演算部、２７ ゲート信号生成部、３１ 全電圧代表値演算部、３３，５８～６０，８４，９３，１０３，１４４，１４５ 制御器、５１ 電圧演算部、７０，１０４ 三相／二相座標変換部、７１，７２，１３２～１３５ フィルタ、９１ 正相電圧検出部、１０１ 逆相電圧指令の大きさ演算部、１０２ 正相無効電流制限部、１０６ 電流制限判定部、１１０ 逆相電流指令の最大値演算部、１３０ 正相座標変換部、１３１ 逆相座標変換部、１３６，１３７ 比較器、１３８ 論理積回路、１３９ オンディレイ回路、１４６ 座標変換部、Ａ１，Ａ２，Ａ３ アーム、Ｐ１，Ｐ２ 入出力端子。

【要約】

ＭＭＣ型の電力変換装置の制御装置（３）において、交流電圧制御部（２４）は、交流電力系統の交流電圧の検出値に基づいて正相無効電流指令値（Ｉｄ＊）を演算する。直流電圧制御部（２０）は、電力変換器を構成する各変換器セルの蓄電素子の電圧の代表値に基づいて正相有効電流指令値（Ｉｑ＊）を演算する。逆相電流指令値演算部（２２）は、複数のアーム間での蓄電素子の電圧のアンバランスを抑制するための逆相電流指令値（Ｉｄｎ＊，Ｉｑｎ＊）を演算する。出力電流制御部（２５）は、正相無効電流指令値（Ｉｄ＊）、正相有効電流指令値（Ｉｑ＊）、および逆相電流指令値（Ｉｄｎ＊，Ｉｑｎ＊）に基づいて、交流電力系統の交流電流を制御する。出力電流制御部（２５）は、複数のアームをそれぞれ流れるアーム電流の大きさが電流許容最大値以上の場合に、正相無効電流（Ｉｄ）を制限する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】