特許 7456972 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(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-03-18

(45)【発行日】2024-03-27

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20240319BHJP

   H02M 7/48 20070101ALI20240319BHJP

   H02M 7/12 20060101ALI20240319BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

H02M7/48 E

H02M7/12 X

【請求項の数】 6

(21)【出願番号】P 2021075726

(22)【出願日】2021-04-28

(65)【公開番号】P2022169961

(43)【公開日】2022-11-10

【審査請求日】2023-07-14

(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】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

【審査官】麻生 哲朗

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１９－０７５８４４（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１９－１８７１５１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１６－０１０２４０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４９

Ｈ０２Ｍ ７／４８

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

交流回路と直流回路との間に接続され、前記交流回路の交流電力と前記直流回路の直流電力との間の電力変換を行う複数の電力変換器と、
前記交流回路と前記複数の電力変換器との間に設けられ、前記交流回路に接続された１次巻線内で循環電流が流れるように接続され、前記複数の電力変換器にそれぞれ接続された複数の２次巻線を有する変圧器と、
前記複数の電力変換器を制御するゲートパルスを生成して、前記複数の電力変換器に供給する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記交流回路の交流電圧、前記交流回路の交流電流およびあらかじめ設定された電流指令値にもとづいて、第１制御量を生成し、
前記複数の電力変換器のそれぞれの前記直流回路の側の直流電圧平均値およびあらかじめ設定された直流電圧平均指令値にもとづいて、第２制御量を生成し、
前記第１制御量および前記第２制御量にもとづいて、直流電圧指令値を生成し、
前記複数の電力変換器のそれぞれの前記直流回路の側の直流電圧および前記直流電圧平均値にもとづいて、前記複数の電力変換器のそれぞれのための第３制御量を生成し、
所定の条件を満たした場合に、前記複数の電力変換器のそれぞれについて、あらかじめ設定された零相電流指令値にもとづいて、第４制御量を生成し、
前記直流電圧指令値、前記第３制御量および前記第４制御量にもとづいて、前記ゲートパルスを生成する電力変換装置。

【請求項2】

前記所定の条件は、前記複数の電力変換器のそれぞれの前記直流回路側の直流電圧が、あらかじめ設定されたしきい値を超えた場合である請求項１記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記所定の条件は、前記複数の電力変換器の前記交流回路側の電流が、あらかじめ設定されたしきい値を下回った場合である請求項１または２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記複数の電力変換器の直流回路側は、互いに絶縁された請求項１～３のいずれか１つに記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記複数の電力変換器の直流回路側は、直列接続された請求項１～３のいずれか１つの記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記複数の電力変換器の前記直流電圧の設定値のうち、１つの電力変換器の直流電圧の設定値が他の電力変換器の直流電圧の設定値と異なる値とされた場合には、
前記制御装置は、前記１つの電力変換器の直流電圧の設定値は、あらかじめ設定された定数で正規化されて、前記第３制御量を生成する請求項１～５のいずれか１つ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、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

交流－直流間の電力変換装置において、交流側で共通の交流回路に接続され、直流側で、異なる直流回路に接続されたり、直列接続されたりする電力変換装置がある。電力変換装置が異なる直流回路に接続される場合には、各電力変換器を柔軟に組み合せて、所望の直流電圧を得たいときもある。これらのような場合には、電力変換器の直流回路は、実質的に分割、分離され、直流回路同士で電力の融通ができないことがある。

【0003】

このような電力変換装置では、各直流電力変換器の直流電圧間のバランスを制御する必要がある。しかし、交流側や直流側に流れる電流がゼロであったり、非常に小さい値であったりする場合には、各電力変換器の直流電圧のバランスを維持する制御を安定に行うことが困難である。直流電圧のバランスを維持する制御の中には、複数電力変換器間の直流電圧を維持する制御と、マルチレベル変換器の場合は各電力変換器の内部に存在する複数の直流回路相互のバランスを維持する制御を含む。

【0004】

たとえば、電力変換装置が接続される交流回路や直流回路に強制的に電流を流すように電流指令値を設定することによって、電力変換器の安定動作を確保することは可能になる。一方で、たとえば、交流回路が電力系統等の場合には、電力変換器によって不必要な有効電力の変動や無効電力の発生をもたらすこととなり、電力系統に電圧の変動をもたらすとの問題がある。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第３９２３７５６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

実施形態は、外部の回路に影響を与えずに、安定に動作す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】

【0007】

実施形態に係る電力変換装置は、交流回路と直流回路との間に接続され、前記交流回路の交流電力と前記直流回路の直流電力との間の電力変換を行う複数の電力変換器と、前記交流回路と前記複数の電力変換器との間に設けられ、前記交流回路に接続された１次巻線内で循環電流が流れるように接続され、前記複数の電力変換器にそれぞれ接続された複数の２次巻線を有する変圧器と、前記複数の電力変換器を制御するゲートパルスを生成して、前記複数の電力変換器に供給する制御装置と、を備える。前記制御装置は、前記交流回路の交流電圧、前記交流回路の交流電流およびあらかじめ設定された電流指令値にもとづいて、第１制御量を生成し、前記複数の電力変換器のそれぞれの前記直流回路の側の直流電圧平均値およびあらかじめ設定された直流電圧平均指令値にもとづいて、第２制御量を生成し、前記第１制御量および前記第２制御量にもとづいて、直流電圧指令値を生成し、前記複数の電力変換器のそれぞれの前記直流回路の側の直流電圧および前記直流電圧平均値にもとづいて、前記複数の電力変換器のそれぞれのための第３制御量を生成し、所定の条件を満たした場合に、前記複数の電力変換器のそれぞれについて、あらかじめ設定された零相電流指令値にもとづいて、第４制御量を生成し、前記直流電圧指令値、前記第３制御量および前記第４制御量にもとづいて、前記ゲートパルスを生成する。

【発明の効果】

【0008】

本実施形態では、外部の回路に影響を与えずに、安定に動作する電力変換装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１の実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。

【図2】第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【図3】第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【図4】第２の実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。

【図5】第２の実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
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を適宜省略する。

【0011】

（第１の実施形態）
図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図１に示すように、電力変換装置１０は、変圧器２を介して、交流回路１に接続される。交流回路１は、交流電源、交流負荷および交流送電線等を含むことができる。交流回路１は、たとえば、交流の電力系統である。変圧器２は、１次側がΔ結線された変圧器であり、たとえば、三相変圧器である。変圧器２は、１次側に循環する電流が流れるように閉じた回路となるように構成されていれば、三相に限らずさらに多相であってもよい。変圧器２の２次側は、複数の巻線が設けられており、複数の巻線は、互いに絶縁されている。

【0012】

電力変換装置１０は、直流回路３に接続される。直流回路３は、直流電源、直流負荷および直流送電線等を含むことができる。この例では、電力変換器２０が３レベル中性点クランプ形コンバータであり、直流回路３には、中性点から正負の端子間にコンデンサが設けられている。この例では、直流回路３は、複数の直流負荷を含んでいる。複数の電力変換器２０は、それぞれの直流側で、複数の直流負荷にそれぞれ接続される。以下の説明では、これらの直流負荷同士は、電気的に絶縁されていたり、互いに高抵抗を介して接続されていたりしており、互いに直流電力を融通できないものとする。電力変換器２０が出力する直流電圧値は、この例では、同一とされているが、同一に限らず、それぞれ異なる値としてもよい。

【0013】

電力変換装置１０は、複数の電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。複数の電力変換器２０の交流側は、変圧器２の複数の２次側巻線にそれぞれ接続されている。複数の電力変換器２０の直流側は、直流回路３に接続されている。この例において、複数の電力変換器２０は、直流回路３に応じた台数が設けられており、９台を超えて設けられている。なお、電力変換器２０の台数は、この例の場合に限らず、２台以上であればよい。

【0014】

制御装置５０は、複数の電力変換器２０に接続されている。制御装置５０は、交流回路１の相電圧ｖ１、交流回路１の線電流ｉ１、複数の電力変換器２０の交流側に流れる交流電流ｉ２および複数の電力変換器２０の直流側の直流電圧Ｖ３のそれぞれの検出値を入力し、複数の電力変換器２０の動作のためのゲートパルスＧＰを生成して、複数の電力変換器２０にそれぞれに供給する。

【0015】

なお、図では、相電圧ｖ１および線電流ｉ１は、各相の電圧および電流を表しており、交流回路１が三相交流の場合には、三相分の相電圧および線電流の検出値が制御装置５０に入力される。また、交流電流ｉ２および直流電圧Ｖ３は、複数の電力変換器２０のそれぞれの検出値であり、１０台の電力変換器２０の場合には、１０組の交流電流ｉ２および直流電圧Ｖ３の検出値が制御装置５０に入力される。

【0016】

図２は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図２には、電力変換器２０の主回路の部分が示されている。
図２に示すように、電力変換器２０は、この例では、３レベル中性点クランプ式のコンバータ回路を主回路とする。電力変換器２０は、スイッチング素子２２ａ～２２ｈと、ダイオード２４ａ～２４ｄと、を含む。スイッチング素子２２ａ～２２ｈは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor）等の自己消弧型の半導体素子であり、ダイオードが逆並列に接続されている。電力変換器２０は、交流側の端子２１ａ，２１ｂと、直流側の端子２１ｃ，２１ｄ，２１ｅと、を含む。端子２１ａ，２１ｂには、変圧器２の２次巻線が接続される。端子２１ｃ，２１ｄには、コンデンサが接続され、端子２１ｄ，２１ｅにもコンデンサが接続される。これらのコンデンサは、この例では、直流回路３を構成する回路素子とされている。

【0017】

スイッチング素子２２ａ，２２ｂは、接続ノードｎ１で直列に接続されている。スイッチング素子２２ｃ，２２ｄは、接続ノードｎ２で直列に接続されている。スイッチング素子２２ｅ，２２ｆは、接続ノードｎ３で直列に接続されている。スイッチング素子２２ｇ，２２ｈは、接続ノードｎ４で直列に接続されている。スイッチング素子２２ａ，２２ｂ、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄ、スイッチング素子２２ｅ，２２ｆおよびスイッチング素子２２ｇ，２２ｈそれぞれの直列接続回路をアームと呼ぶ。

【0018】

スイッチング素子２２ａ，２２ｂによるアームは、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄによるアームと直列に接続されている。スイッチング素子２２ａ，２２ｂによるアームおよびスイッチング素子２２ｃ，２２ｄによるアームの接続ノードは、交流側の端子２１ａに接続されている。

【0019】

接続ノードｎ１，ｎ２の間には、直列に接続されたダイオード２４ａ，２４ｂが接続されている。ダイオード２４ａ，２４ｂの直列接続回路の接続ノードは、直流側の中性点である端子２１ｄに接続されている。

【0020】

スイッチング素子２２ｅ，２２ｆによるアームは、スイッチング素子２２ｇ，２２ｈによるアームと直列に接続されている。スイッチング素子２２ｅ，２２ｆによるアームおよびスイッチング素子２２ｇ，２２ｈによるアームの接続ノードは、交流側の端子２１ｂに接続されている。

【0021】

接続ノードｎ３，ｎ４の間には、直列に接続されたダイオード２４ｃ，２４ｄが接続されている。ダイオード２４ｃ，２４ｄの直列接続回路の接続ノードは、端子２１ｄに接続されている。

【0022】

スイッチング素子２２ａ～２２ｄの直列回路およびスイッチング素子２２ｅ～２２ｈの直列回路は、直流側の端子２１ｃ，２１ｅの間で並列に接続されている。スイッチング素子２２ａ，２２ｂによるアーム、スイッチング素子２２ｃ，２２ｄによるアーム、スイッチング素子２２ｅ，２２ｆによるアーム、およびスイッチング素子２２ｇ，２２ｈによるアームは、交流側の端子２１ａ，２１ｂおよび直流側の端子２１ｃ，２１ｅを有するフルブリッジ回路である。このフルブリッジ回路は、ダイオード２４ａ～２４ｃｄによって、端子２１ｄの電位にクランプされる。端子２１ｄの電位が中性点である。

【0023】

電力変換器２０は、端子２１ａ，２１ｂを介して、変圧器２の２次巻線に接続される。電力変換器２０は、端子２１ｃ～２１ｅを介して、直流回路３に接続される。端子２１ｃ，２１ｄ間にはコンデンサが接続され、端子２１ｄ，２１ｅ間にもコンデンサが接続される。に図１に示したように、複数の電力変換器２０の中性点の端子２１ｄは、相互に接続されていなくてもよいし、相互に接続されてもよい。相互に接続された場合には、端子２１ｄは、たとえば大地等に接地するようにしてもよい。

【0024】

図３は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図３には、図１に示した電力変換装置１０の制御装置５０の詳細な構成例が示されている。
図３に示すように、制御装置５０は、ｄｑ変換部５１と、電流制御器５３と、平均値演算部５４と、直流電圧制御器５５と、逆ｄｑ変換部６１と、ゲートパルス生成部６２と、直流電圧バランス制御部６４と、零相電流制御器６５と、中性点電位制御部６６と、を含む。

【0025】

ｄｑ変換部５１、電流制御器５３、平均値演算部５４および直流電圧制御器５５は、複数の電力変換器２０に共通に用いられる。逆ｄｑ変換部６１、ゲートパルス生成部６２、直流電圧バランス制御部６４、零相電流制御器６５および中性点電位制御部６６は、複数の電力変換器２０のそれぞれのために設けられている。つまり、電流制御器５３の出力は、電力変換器２０ごとに、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５の出力が加算され、逆ｄｑ変換部６１に入力される。

【0026】

ｄｑ変換部５１には、電圧検出器４および電流検出器５によって、交流回路１の相電圧ｖ１の検出値および線電流ｉ１の検出値が入力される。ｄｑ変換部５１は、入力された相電圧ｖ１の検出値および線電流ｉ１の検出値をｄｑ変換し、ｄ軸成分およびｑ軸成分を出力する。

【0027】

電流制御器５３は、電流指令値演算回路５２から出力される電流指令値およびｄｑ変換部５１の出力値を入力し、ｄｑ変換部５１の出力が電流指令値に追従するように制御量（第１制御量）を出力する。電流指令値演算回路５２は、外部から与えれる電流指令値を出力してもよいし、与えられた電力指令値にもとづいて電流指令値を演算し、出力する。なお、図示しないが、ｄｑ変換部５１は、有効電流に対応するｄ軸出力値および無効電流に対応するｑ軸出力値をそれぞれ出力する。したがって、電流制御器５３および電流指令値演算回路５２は、ｄ軸出力およびｑ軸出力に対応するように２組設けられている。

【0028】

平均値演算部５４は、複数の各電力変換器２０のそれぞれが出力する直流電圧Ｖ３の検出値を入力する。平均値演算部５４は、入力した複数の直流電圧Ｖ３の平均値を計算して出力する。電力変換器２０がｎ台設けられており、ｎ台の電力変換器２０が出力する直流電圧をＶ１，Ｖ２，…，Ｖｎとすると、平均値演算部５４が出力する直流電圧平均値Ｖａｖｅは、（Ｖ１＋Ｖ２＋…＋Ｖｎ）／ｎで計算される。

【0029】

直流電圧制御器５５は、平均値演算部５４によって計算された直流電圧平均値Ｖａｖｅを入力し、直流電圧平均値Ｖａｖｅがあらかじめ設定された直流電圧指令値Ｖ３＊に追従するように制御量（第２制御量）を生成して出力する。直流電圧制御器５５が出力する制御量は、電流制御器５３が出力する制御量に加算されて、各電力変換器２０のための逆ｄｑ変換部６１に供給される。

【0030】

直流電圧バランス制御部６４には、直流電圧平均値Ｖａｖｅが入力される。直流電圧バランス制御部６４には、各電力変換器２０の直流回路側に設けられた電圧検出器７によって検出された直流電圧Ｖｉ（ｉ＝１～ｎ）の検出値が入力される。つまり、ｉ番目の電力変換器２０が出力する直流電圧Ｖｉは、ｉ番目の電力変換器２０に対応して設けられた直流電圧バランス制御部６４に入力される。直流電圧バランス制御部６４は、直流電圧Ｖｉの検出値が直流電圧平均値Ｖａｖｅに追従するように、制御量（第３制御量）を生成し出力する。出力された制御量は、電流制御器５３が出力する制御量に加算される。

【0031】

零相電流制御器６５には、交流回路１に設けられた電圧検出器４による相電圧ｖ１の検出値および電力変換器２０の交流側に設けられた電流検出器６による交流電流ｉ２の検出値が入力される。この例では、零相電流制御器６５は、直流電圧バランス検出機能を有している。直流電圧バランス検出機能は、電力変換器２０の直流側に設けられた電圧検出器７によって直流電圧Ｖｉの検出値が入力され、直流電圧Ｖｉの検出値があらかじめ設けられた直流電圧バランスしきい値を超えると、零相電流制御器６５に零相電流指令値を供給する。つまり、零相電流制御器６５は、いずれかの電力変換器２０の直流電圧Ｖｉの検出値が直流電圧バランスしきい値を超えたときに、零相電流指令値に応じた制御量（第４制御量）を生成し出力し、すべての電力変換器２０の直流電圧Ｖｉの検出値が、直流電圧バランスしきい値よりも低いときには、零相電流指令値に応じた制御を出力しない。

【0032】

零相電流制御器６５が零相電流指令値に応じた制御量を生成し出力するかどうかは、上述に限らず、交流側の電流検出器５によって検出される交流電流ｉ２の検出値を用いてもよい。たとえば、零相電流制御器６５は、交流電流検出機能を有しており、交流電流ｉ２の検出値が交流電流検出機能にあらかじめ設定された交流電流しきい値を下回ったときに、零相電流指令値に応じた制御量を生成し出力する。零相電流制御器６５は、交流電流ｉ２の検出値が交流電流しきい値よりも大きいときには、零相電流指令値に応じた制御量は出力しない。

【0033】

逆ｄｑ変換部６１は、各電力変換器２０に応じて設けられており、電流制御器５３が出力する制御量に、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５から出力される制御量を加算して、入力する。逆ｄｑ変換部６１は、これらの制御量の加算値を逆ｄｑ変換して、電圧指令値を生成し出力する。

【0034】

中性点電位制御部６６は、逆ｄｑ変換部６１の出力および電力変換器２０の交流側の交流電流ｉ２の検出値を入力して、各電力変換器２０の直流側の中性点である端子２１ｄの電位を維持する中性点電位制御のための制御量を生成し出力する。中性点電位制御部６６から出力される制御量は、逆ｄｑ変換部６１が出力する電圧指令値に加算される。

【0035】

ゲートパルス生成部６２は、ｉ番目の電力変換器２０に応じた位相を有する三角波発信器を有している。ゲートパルス生成部６２は、三角波発信器が生成する三角波と、逆ｄｑ変換部６１および中性点電位制御部６６によって生成された電圧指令値とを比較することによって、ｉ番目の電力変換器２０に応じたゲートパルスを生成し出力する。

【0036】

上述の例では、各電力変換器２０の直流電圧Ｖ３は、同一であるものとしたが、直流電圧の設定値の異なるものを含む場合には、各直流電圧の値を直流電圧指令値Ｖ３＊について正規化して用いる必要がある。単純化のために３台の電力変換器２０の場合について説明する。

【0037】

３台の電力変換器２０の直流電圧の設定値が、１００Ｖ，２００Ｖ，３００Ｖの場合に、直流電圧指令値Ｖ３＊を２００Ｖとすると、直流電圧の設定値が１００Ｖ，２００Ｖ，３００Ｖの電力変換器２０の正規化定数は、それぞれ“２”，“１”，“２／３”とされる。

【0038】

各電力変換器２０の電圧検出器６によって検出された直流電圧には、正規化定数が乗じられて、平均値演算部５４、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５に入力される。これによって、制御装置５０は、上述と同様に、直流電圧バランス制御を行い、零相電流制御器６５の直流電圧バランス検出機能を動作させることが可能になる。

【0039】

なお、直流電圧指令値Ｖ３＊は、各直流電圧の設定値の平均値としたが、任意の値とすることができるのは、言うまでもない。また、上述に限らず、電圧検出器６によって検出された直流電圧をそのまま入力し、電力変換器２０ごとに直流電圧平均値Ｖａｖｅを正規化定数で除した値を用いてもよい。この場合には、直流電圧指令値Ｖ３＊は、各電力変換器２０の直流電圧の設定値の平均値とされる。

【0040】

本実施形態の電力変換装置１０の動作および効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０では、ｄｑ変換部５１、電流制御器５３、平均値演算部５４および直流電圧制御器５５によって生成され出力された、ｄ軸およびｑ軸に対応する制御量を、ｎ台すべての電力変換器２０のための電流指令値として出力する。そして、電力変換装置１０では、各電力変換器２０に対応して設けられた、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５によって、各電力変換器２０に応じた制御量を生成し出力して、すべての電力変換器２０のための制御量に加算して、電流指令値を補正して出力する。

【0041】

零相電流制御器６５では、通常の運転において、零相電流制御器６５は、零相電流指令値に応じた制御量を出力しない。そのため、各電力変換器２０の交流側に不必要な零相電流を流すことがないので、電力変換装置１０自体の変換効率等の性能を向上させることができる。

【0042】

零相電流制御器６５では、いずれかの電力変換器２０が出力する直流電圧Ｖ３が、他の電力変換器２０が出力する直流電圧とバランスがくずれた場合に、制御装置５０は、その電力変換器２０の動作のための入力または出力電流が不足し、安定した制御を維持することが困難であると判断し、変圧器２の１次側に零相電流を循環電流として流すように動作する。

【0043】

このように、本実施形態では、各電力変換器２０と交流回路１との間に、１次巻線がΔ結線された変圧器２を用いる。これによって、制御装置５０の零相電流制御器６５が零相電流指令値を出力したときに、変圧器２のΔ結線内に零相電流を循環電流として流すことができる。Δ結線内に流れる零相電流は、Δ結線から外部に流れ出したり、Δ結線内に流れ込んだりしないので、零相電流を流している間でも、交流回路１に影響を与えることなく、動作を継続することができる。

【0044】

零相電流制御器６５では、ｉ番目の電力変換器２０の直流電圧Ｖｉの検出値を比較して、直流電圧バランスしきい値と比較して、直流電圧Ｖｉの検出値が直流電圧バランスしきい値以上のときに、零相電流指令値に応じた制御量を出力するようにできる。そのため、電力変換器２０ごとに制御に必要な電流が不足しているか否かを判定することができ、確実に零相電流指令値に応じた制御量を出力して、安定した制御を実現することができる。

【0045】

本実施形態の電力変換装置１０では、零相電流制御器６５が制御出力を出力するための条件として、上述に代えて、交流回路１の交流電流ｉ２を検出するようにすることもできる。零相電流制御器６５が制御出力を出力するための交流電流しきい値を適切に設定することによって、安定な制御動作を確実に実現することができる。

【0046】

（第２の実施形態）
図４は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
本実施形態では、複数の電力変換器２２０は、直流側で直列に接続されている。複数の電力変換器２２０は、上述の他の実施形態の場合とは異なり、２レベルフルブリッジ回路である。フルブリッジ回路については、図示しないが、スイッチング素子の直列回路が２つ並列に接続され、コンデンサがスイッチング素子の直列回路に並列に接続されている。交流回路１は、スイッチング素子の直列回路の接続ノードに接続される。直流回路２０３は、コンデンサの両端に接続される。コンデンサの両端の電圧が直流電圧Ｖ３である。

【0047】

本実施形態では、電力変換器２２０を２レベルフルブリッジ形式としたことによって、制御装置２５０の構成が上述の他の実施形態の場合と相違する。上述の他の実施形態の場合と構成要素が同一の場合には、同一の符号を付して、詳細な説明を適宜省略する。なお、電力変換器の主回路では、フルブリッジ回路に代えて、ハーフブリッジ回路としてもよい。上述の他の実施形態の場合と同様に、中性点クランプ式の３レベル変換器としてももちろん構わない。

【0048】

図４に示すように、本実施形態の電力変換装置２１０は、複数の電力変換器２２０と、制御装置２５０と、を備える。
複数の電力変換器２２０は、直流回路２０３で直列に接続されている。複数の電力変換器２２０は、変圧器２の２次巻線にそれぞれ接続されている。ｎ台の電力変換器２２０が同一の直流電圧Ｖ３とされている場合には、電力変換装置２１０が直流回路２０３に供給し、直流回路２０３から供給される直流電圧は、ｎ×Ｖ３となる。なお、各電力変換器２２０の直流回路２０３側の直流電圧は、上述のように同一値であってもよいし、異なる値であってもよい。

【0049】

制御装置２５０には、交流回路１の相電圧ｖ１の検出値、交流回路１の線電流ｉ１の検出値、複数の電力変換器２２０の交流電流ｉ２の検出値および複数の電力変換器２２０の直流側の直流電圧Ｖ３の検出値が入力される。制御装置２５０は、ｖ１，ｉ１，ｉ２，Ｖ３にもとづいて、ゲートパルスＧＰを生成して、複数の電力変換器２２０に供給する。

【0050】

本実施形態では、上述した他の実施形態の場合と同じく、変圧器２は、交流回路１側でΔ結線されており、制御装置２５０によって生成され出力されたゲートパルスＧＰによって駆動された複数の電力変換器２２０は、変圧器２のΔ結線内に零相電流を循環させ、電力変換器２２０に流れる負荷電流が小さい場合であっても、安定して動作を継続することができる。

【0051】

図５は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示する模式的なブロック図である。
図５には、本実施形態の電力変換装置２１０が備える制御装置２５０の構成を示している。図５では、制御装置２５０に入力される相電圧ｖ１、線電流ｉ１、交流電流ｉ２および直流電圧Ｖ３のそれぞれの検出が示され、電力変換器２２０側のブロックが示されていないが、上述の他の実施形態の場合の図３と同様である。

【0052】

本実施形態では、電力変換器２２０の構成が２レベルフルブリッジ回路であるため、中性点電位制御を行うブロックが設けられていない点で、上述の他の実施形態の場合と相違する。他の点では、制御装置２５０は、第１の実施形態の場合の制御装置５０と同様の構成を有している。すなわち、制御装置２５０は、ｄｑ変換部５１と、電流制御器５３と、平均値演算部５４と、直流電圧制御器５５と、逆ｄｑ変換部６１と、ゲートパルス生成部６２と、直流電圧バランス制御部６４と、零相電流制御器６５と、を含む。

【0053】

ｄｑ変換部５１、電流制御器５３、平均値演算部５４および直流電圧制御器５５は、複数の電力変換器２２０に共通に用いられ、逆ｄｑ変換部６１、ゲートパルス生成部６２、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５は、複数の電力変換器２２０のそれぞれのために設けられている。つまり、電流制御器５３の出力は、電力変換器２０ごとに、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５の出力が加算され、逆ｄｑ変換部６１に入力される。

【0054】

本実施形態の電力変換器２２０の制御装置２５０では、直流電圧バランス制御部６４が生成し出力する制御量は、逆ｄｑ変換部６１が出力する制御量に加算される。また、零相電流制御器６５が生成し出力する制御量も、逆ｄｑ変換部６１が出力する制御量に加算される。

【0055】

これらにより、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５にそれぞれ設定されるゲインが適切に調整される。なお、第１の実施形態の場合の制御装置５０の構成と同じにすることもできる。また、第１の実施形態の場合においても、制御装置５０の直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５の出力は、電流制御器５３から出力される制御量に代えて、逆ｄｑ変換部６１から出力される制御量に加算されるようにしてもよい。

【0056】

直流電圧バランス制御部６４は、入力される直流電圧Ｖ３の検出値が平均値演算部５４から供給される直流電圧平均値Ｖａｖｅに追従するように制御量を生成し出力する。

【0057】

零相電流制御器６５は、対象とする電力変換器２２０の直流電圧Ｖ３が他の電力電力変換器の直流電圧とのバランスがくずれた場合に、零相電流指令値に追従するように制御量を生成し出力する。

【0058】

このようにして、本実施形態の電力変換装置２１０では、零相電流制御器６５によって、変圧器２のΔ結線内に零相電流を流すことができる。そのため、外部回路によって、電力変換器２２０に流れる電流が無負荷となったり、小さな値となったりするような場合であっても、安定して電力変換装置２１０を動作させることができる。

【0059】

各実施形態において、電力変換器の回路構成は、３レベル中性点クランプ式であってもよいし、２レベルのフルブリッジ形式やハーフブリッジ形式であってもよい。また、３レベル中性点クランプ式の場合であっても、上述の一般的な回路形式に限らず、各種改良型等であってもよい。制御装置では、直流電圧バランス制御部６４および零相電流制御器６５を含むほかは、電力変換器の回路構成に応じて、適切な構成が選択される。

【0060】

このようにして、外部の回路に影響を与えずに、安定に動作する電力変換装置を実現することができる。

【0061】

以上、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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

【符号の説明】

【0062】

１ 交流回路、２ 変圧器、３ 直流回路、１０，２１０ 電力変換装置、２０，２２０ 電力変換器、５０，２５０ 制御装置、５１ ｄｑ変換部、５３ 電流制御器、５４ 平均値演算部、５５ 直流電圧制御器、６１ 逆ｄｑ変換部、６２ ゲートパルス生成部、６４ 直流電圧バランス制御部、６５ 零相電流制御器、６６ 中性点電位制御部

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】