特許 7460788 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】2024-03-25

(45)【発行日】2024-04-02

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20240326BHJP

【ＦＩ】

H02M7/49

【請求項の数】 12

(21)【出願番号】P 2022555469

(86)(22)【出願日】2021-10-04

(86)【国際出願番号】 JP2021036629

(87)【国際公開番号】W WO2022075262

(87)【国際公開日】2022-04-14

【審査請求日】2022-12-02

(31)【優先権主張番号】P 2020168285

(32)【優先日】2020-10-05

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】505461072

【氏名又は名称】東芝キヤリア株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001737

【氏名又は名称】弁理士法人スズエ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】新井 卓郎

(72)【発明者】

【氏名】餅川 宏

(72)【発明者】

【氏名】久保田 洋平

(72)【発明者】

【氏名】金森 正樹

(72)【発明者】

【氏名】石田 圭一

(72)【発明者】

【氏名】温品 治信

【審査官】赤穂 嘉紀

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１６／２０３５１７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１３－２７２６０（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ７／４２－７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

それぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の単位変換器を直列接続し、これら単位変換器の出力電圧を足し合わせて出力するマルチレベル変換器と、
前記各単位変換器の駆動を制御する制御部と、
前記制御部の動作用電圧を出力する制御用電源部と、
を備え、
前記各単位変換器は、第１および第２出力端子、複数のスイッチ素子、これらスイッチ素子を介して前記第１および第２出力端子に接続されたコンデンサ、このコンデンサの電圧により動作し前記制御部からの駆動信号に応じて前記各スイッチ素子をオン，オフ駆動する駆動部、前記制御用電源部から出力される前記動作用電圧により動作し前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部を含み、前記各スイッチ素子のオン，オフによる複数の通電路の選択的な形成により前記複数レベルの直流電圧を出力する、
前記制御部は、前記各単位変換器の前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記駆動部に駆動信号を出力する、
電力変換装置。

【請求項2】

前記マルチレベル変換器は、その一端が交流系統の各系統ラインに接続され、各マルチレベル変換器の他端が相互接続された中性点を備え、
前記制御用電源部の出力の一端は、前記マルチレベル変換器の中性点と接続されている、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記各単位変換器は、前記コンデンサの電圧を前記駆動部の動作用電圧に変換する自給電源部を含む、
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記自給電源部は、前記コンデンサの電圧をスイッチングにより前記駆動部の動作に必要な所定レベルの直流電圧に変換するＤＣ－ＤＣコンバータである、
請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記自給電源部は、前記駆動部の動作に必要な所定レベルの直流電圧に変換する可変抵抗回路である、
請求項３に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記駆動部は、前記制御部に接続される入力端子およびこの入力端子とは絶縁された状態で前記各スイッチ素子に接続される出力端子を有する絶縁型の増幅回路であり、
前記電圧検出部は、前記コンデンサの一端に第１分圧抵抗器を介して接続される反転入力端子、前記コンデンサの他端に第２分圧抵抗器を介して接続されかつ第３分圧抵抗器を介して前記制御用電源部から出力される前記動作用電圧の基準となる共通電位に接続される非反転入力端子、前記反転入力端子に第４分圧抵抗器を介して接続される出力端子を有する演算増幅器を含み、前記反転入力端子の電位と前記非反転入力端子の電位との差に対応するレベルの電圧を出力する非絶縁型の差動増幅回路である、
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記各単位変換器は、前記コンデンサに並列接続され、前記各分圧抵抗器の抵抗値の和より小さい抵抗値を有する放電用抵抗器を含む、
請求項６に記載の電力変換装置。

【請求項8】

前記マルチレベル変換器は、前記各単位変換器の出力電圧を足し合わせることにより正弦波に近い波形の交流電圧を生成しそれを交流系統に供給する、
前記制御部は、前記交流系統の交流電圧とほぼ同じ波形の交流電圧を前記マルチレベル変換器で生成させるための交流電圧指令値を設定し、前記各単位変換器の個数と同じ個数で互いに位相が異なる三角波状の複数のキャリア信号を前記交流電圧指令値でパルス幅変調することにより前記各単位変換器に対するスイッチング用の駆動信号を生成する、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項9】

さらに、前記制御部は、前記各単位変換器における全ての前記各電圧検出部の検出結果と一致するように、前記交流電圧指令値を補正する、
請求項８に記載の電力変換装置。

【請求項10】

前記制御部は、前記各電圧検出部の検出結果のうち、前記各キャリア信号の三角波が頂点となるタイミングの検出結果を取り込む、
請求項９に記載の電力変換装置。

【請求項11】

前記各単位変換器は、前記第１および第２出力端子の相互間を導通して前記コンデンサをバイパスする第１通電路、前記第１出力端子と前記コンデンサの一端とを導通して前記第２出力端子と前記コンデンサの他端とを導通する第２通電路、前記第２出力端子と前記コンデンサの一端とを導通して前記第１出力端子と前記コンデンサの他端とを導通する第３通電路を、前記各スイッチ素子のオン，オフで選択的に形成することにより、前記複数レベルの直流電圧を出力する、
請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項12】

前記マルチレベル変換器は、
それぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する第１～第Ｎの複数の単位変換器を直列接続し、これら第１単位変換器の出力電圧を足し合わせることにより正弦波に近い波形の交流電圧を生成しそれを３相交流系統のＵ相に供給する第１マルチレベル変換器、
それぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第２単位変換器を直列接続し、これら第２単位変換器の出力電圧を足し合わせることにより正弦波に近い波形の交流電圧を生成しそれを前記３相交流系統のＶ相に供給する第２マルチレベル変換器、
それぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の第３単位変換器を直列接続し、これら第３単位変換器の出力電圧を足し合わせることにより正弦波に近い波形の交流電圧を生成しそれを前記３相交流系統のＷ相に供給する第３マルチレベル変換器、
であり、
前記第１，第２，第３マルチレベル変換器のそれぞれ一端が第１，第２，第３バッファリアクトルを介して前記３相交流系統の各系統ラインに接続され、前記第１，第２，第３マルチレベル変換器のそれぞれ他端が相互接続（星形結線）された、
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、複数の単位変換器を直列接続してなるマルチレベル変換器を備えた電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

それぞれが複数レベル（マルチレベル）の直流電圧を出力する複数の単位変換器(ブリッジセルやチョッパーセルともいう)を直列接続（カスケード接続）し、これら単位変換器の出力電圧を足し合わせることで、高調波抑制用の交流電圧を生成し出力する電力変換器としてモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ；Modular Multilevel Converter）の開発および実用化が進んでいる。このモジュラー・マルチレベル変換器（単にマルチレベル変換器という）の出力を系統ラインに供給することにより、その系統ラインに流れる高調波を抑制することができる。

【0003】

マルチレベル変換器の各単位変換器は、一対の出力端子、複数のスイッチ素子、これらスイッチ素子を介して各出力端子に接続されるコンデンサ、上記各スイッチ素子を駆動する駆動部、上記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部などを含み、上記各スイッチ素子のオン，オフにより複数レベルの直流電圧を選択的に出力する。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【文献】萩原 誠、赤木泰文 著、「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ，１２８巻７号，２００８

【特許文献】

【0005】

【文献】特許第５３７８２７４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

上記電力変換装置では、数多くの単位変換器を備えるため、各単位変換器における駆動部および電圧検出部の動作用電圧をどのように確保するかが構成の簡略化およびコストの低減を図る上で大きな課題となっている。

【0007】

本発明の実施形態の目的は、マルチレベル変換器の各単位変換器における駆動部および電圧検出部の動作用電圧を適切に確保することができ、これにより構成の簡略化およびコスト低減が図れる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】

【0008】

請求項１の電力変換装置は、それぞれが複数レベルの直流電圧を選択的に出力する複数の単位変換器を直列接続し、これら単位変換器の出力電圧を足し合わせて出力するマルチレベル変換器と；前記各単位変換器の駆動を制御する制御部と；前記制御部の動作用電圧を出力する制御用電源部と；を備える。前記各単位変換器は、第１および第２出力端子、複数のスイッチ素子、これらスイッチ素子を介して前記第１および第２出力端子に接続されるコンデンサ、このコンデンサの電圧により動作し前記制御部からの駆動信号に応じて前記各スイッチ素子をオン，オフ駆動する駆動部、前記制御用電源部から出力される前記動作用電圧により動作し前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出部を含み、前記各スイッチ素子のオン，オフによる複数の通電路の選択的な形成により前記複数レベルの直流電圧を出力する。前記制御部は、前記各単位変換器の前記電圧検出部の検出結果に基づいて前記駆動部に駆動信号を出力する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は一実施形態の構成を示すブロック図である。

【図2】図２は一実施形態における各単位変換器の構成を示す図である。

【図3】図３は一実施形態におけるスイッチングパターンを示す図。

【図4】一実施形態におけるＰＷＭ制御を示す図。

【図5】一実施形態における自給電源部の構成の一例を示す図。

【図6】一実施形態における自給電源部の構成の他の例を示す図。

【図7】一実施形態における各単位変換器の変形例の構成を示す図。

【図8】一実施形態における各マルチレベル変換器の変形例の構成を示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１に示すように、３相交流系統（電力系統や配電系統を含む）１の系統ラインＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに本実施形態の電力変換装置１０を介して負荷２が接続されている。負荷２は、ダイオード３ａ～３ｆをブリッジ接続してなる３相整流回路３、この３相整流回路３の出力端に直流リアクトル４を介して接続された直流コンデンサ５、この直流コンデンサ５に接続された電気機器６である。電気機器６は、例えばモータを駆動するインバータ等である。

【0011】

電力変換装置１０は、バッファリアクトル１１ｕ，１１ｖ，１１ｗ、これらバッファリアクトル１１ｕ，１１ｖ，１１ｗをそれぞれ介して系統ラインＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗに一端が接続され他端が相互接続（星形結線）されたマルチレベル変換器（第１，第２，第３マルチレベル変換器）１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ、上記系統ラインＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗにおけるバッファリアクトル１１ｕ，１１ｖ，１１ｗの接続位置より負荷２側の位置に配置され３相交流系統１の交流電圧（系統電圧ともいう）Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗおよび負荷２に流れる電流（負荷電流という）ＩLu，ＩLv，ＩLwを検出する検出器１３、バッファリアクトル１１ｕ，１１ｖ，１１ｗとマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗとの間の通電路に配置されそのマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗから系統ラインＬｕ，Ｌｖ，Ｌｗ(主回路ともいう)に供給される補償電流（出力電流ともいう）Ｉcu，Ｉcv，Ｉcwを検出する検出器１４、これら検出器１３，１４の検出結果に応じてマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗを制御する制御部１５、この制御部１５の動作に必要な直流電圧（動作用電圧という）Ｖｄｄを出力する制御用電源部１６を含む。この動作用電圧Ｖｄｄは、例えば5Vまたは15Vであり、マルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ内の後述する電圧検出部３４，４４，５４の動作用電圧としても用いられる。

【0012】

制御用電源部１６の出力電圧の基準となる共通電位Ｇの端子は、例えば、マルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの他端の相互接続（星形結線）されている中性点Ｋに接続されている。また、共通電位Ｇの端子は、さらに電位固定のために直流コンデンサ５の負側端子に接続される場合もある。

【0013】

系統ラインＬｕに接続されたマルチレベル変換器１２ｕは、それぞれが複数レベル（マルチレベル）の直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する第１～第Ｎの複数の単位変換器（第１単位変換器；チョッパセル、ブリッジセルまたはＰＷＭコンバータともいう）２１ｕ，２２ｕ，２３ｕを直列接続してなるいわゆる多直列変換器クラスタであり、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの出力電圧（セル出力電圧）Ｖcu1，Ｖcu2，Ｖcu3を足し合わせることにより高調波を低減するための交流電圧Ｖcu0を生成し出力する。本実施形態では単位変換器の個数が３つの例を示している。系統ラインＬｖ，Ｌｗに各々接続されるマルチレベル変換器１２ｖ，１２ｗもマルチレベル変換器１２ｕと同じ構成を有している。

【0014】

制御部１５は、負荷電流ＩLu，ＩLv，ＩLwをできるだけ交流電圧Ｅｕ，Ｅｖ，Ｅｗと同期した正弦波に近づけるために、その負荷電流ＩLu，ＩLv，ＩLwに足し合わせるべき補償電流Ｉcu，Ｉcv，Ｉcwをそれぞれ算出する。さらに、制御部１５は、算出した補償電流Ｉcu，Ｉcv，Ｉcwを供給するのに必要な交流電圧Ｖcu0，Ｖcv0，Ｖcw0を算出し、その交流電圧Ｖcu0を得るための単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの出力電圧Ｖcu1，Ｖcu2，Ｖcu3を決定する。そして、制御部１５は、決定した出力電圧Ｖcu1，Ｖcu2，Ｖcu3が得られるように各単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕ、２１ｖ，２２ｖ，２３ｖ、２１ｗ，２２ｗ，２３ｗの動作を制御する。

【0015】

一般的に、３相交流系統１に接続されたマルチレベル変換器では、上述のように算出される出力電圧Ｖcu0，Ｖcｖ0，Ｖcｗ0はほぼ正弦波に近い波形となる。

【0016】

マルチレベル変換器１２ｖは、それぞれが複数レベル（マルチレベル）の直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数の単位変換器（第２変換器）２１ｖ，２２ｖ，２３ｖを直列接続してなる多直列変換器クラスタであり、単位変換器２１ｖ，２２ｖ，２３ｖの出力電圧（セル出力電圧）Ｖcv1，Ｖcv2，Ｖcv3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Ｖcv0を生成し出力する。

【0017】

マルチレベル変換器１２ｗは、それぞれが複数レベル（マルチレベル）の直流電圧をスイッチングにより選択的に生成し出力する複数の単位変換器（第３変換器）２１ｗ，２２ｗ，２３ｗを直列接続してなる多直列変換器クラスタであり、単位変換器２１ｗ，２２ｗ，２３ｗの出力電圧（セル出力電圧）Ｖcw1，Ｖcw2，Ｖcw3を足し合わせることにより高調波を低減するための正弦波に近い波形の交流電圧Ｖcw0を生成し出力する。

【0018】

交流電圧Ｖcu0，Ｖcv0，Ｖcw0がマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗから系統ラインＬｕ、Ｌｖ，Ｌｗに供給されることにより、負荷電流ＩLu，ＩLv，ＩLwに含まれる高調波を補償して抑制することができる。

【0019】

単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの回路構成を図２に示す。
単位変換器２１ｕは、出力端子（第１出力端子）Ｐ１、出力端子（第２出力端子）Ｎ１、スイッチ素子（第１スイッチ素子）Ｑ１ａおよびスイッチ素子（第２スイッチ素子）Ｑ１ｂを直列接続してなる第１スイッチングレグ、スイッチ素子（第３スイッチ素子）Ｑ１ｃおよびスイッチ素子（第４スイッチ素子）Ｑ１ｄを直列接続してなり上記第１スイッチングレグに並列接続された第２スイッチングレグ、これらスイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ１ｄを介して出力端子Ｐ１，Ｎ１に接続されるコンデンサＣ１、制御部１５からの駆動信号に応じてスイッチ素子Ｑ１ａ，Ｑ１ｂをオン，オフ駆動する駆動部（ゲートアンプ）３１、制御部１５からの駆動信号に応じてスイッチ素子Ｑ１ｃ，Ｑ１ｄをオン，オフ駆動する駆動部３２、コンデンサＣ１の電圧（コンデンサ電圧という）Ｖｃ１を駆動部３１，３２の動作に必要な直流電圧（動作用電圧という）に変換する自給電源部３３、制御用電源部１６から出力される動作用電圧Ｖddにより動作しコンデンサ電圧Ｖｃ１を検出する電圧検出部３４を含み、スイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ１ｄのオン，オフによる複数の通電路の選択的な形成により複数レベル（正レベル・零レベル・負レベル）の直流電圧Ｖcu1を生成し出力する。

【0020】

単位変換器２２ｕは、出力端子（第１出力端子）Ｐ２、出力端子（第２出力端子）Ｎ２、スイッチ素子（第１スイッチ素子）Ｑ２ａおよびスイッチ素子（第２スイッチ素子）Ｑ２ｂを直列接続してなる第１スイッチングレグ、スイッチ素子（第３スイッチ素子）Ｑ２ｃおよびスイッチ素子（第４スイッチ素子）Ｑ２ｄを直列接続してなり上記第１スイッチングレグに並列接続された第２スイッチングレグ、これらスイッチ素子Ｑ２ａ～Ｑ２ｄを介して出力端子Ｐ２，Ｎ２に接続されるコンデンサＣ２、制御部１５からの駆動信号に応じてスイッチ素子Ｑ２ａ，Ｑ２ｂをオン，オフ駆動する駆動部（ゲートアンプ）４１、制御部１５からの駆動信号に応じてスイッチ素子Ｑ２ｃ，Ｑ２ｄをオン，オフ駆動する駆動部４２、コンデンサＣ２の電圧（コンデンサ電圧という）Ｖｃ２を駆動部４１，４２の動作に必要な直流電圧（動作用電圧という）に変換する自給電源部４３、制御用電源部１６から出力される動作用電圧Ｖddにより動作しコンデンサ電圧Ｖｃ２を検出する電圧検出部４４を含み、スイッチ素子Ｑ２ａ～Ｑ２ｄのオン，オフによる複数の通電路の選択的な形成により複数レベル（正レベル・零レベル・負レベル）の直流電圧Ｖcu2を生成し出力する。

【0021】

単位変換器２３ｕは、出力端子（第１出力端子）Ｐ３、出力端子（第２出力端子）Ｎ３、スイッチ素子（第１スイッチ素子）Ｑ３ａおよびスイッチ素子（第２スイッチ素子）Ｑ３ｂを直列接続してなる第１スイッチングレグ、スイッチ素子（第３スイッチ素子）Ｑ３ｃおよびスイッチ素子（第４スイッチ素子）Ｑ３ｄを直列接続してなり上記第１スイッチングレグに並列接続された第２スイッチングレグ、これらスイッチ素子Ｑ３ａ～Ｑ３ｄを介して出力端子Ｐ３，Ｎ３に接続されるコンデンサＣ３、制御部１５からの駆動信号に応じてスイッチ素子Ｑ３ａ，Ｑ３ｂをオン，オフ駆動する駆動部（ゲートアンプ）５１、制御部１５からの駆動信号に応じてスイッチ素子Ｑ３ｃ，Ｑ３ｄをオン，オフ駆動する駆動部５２、コンデンサＣ３の電圧（コンデンサ電圧という）Ｖｃ３を駆動部５１，５２の動作に必要な直流電圧（動作用電圧という）に変換する自給電源部５３、制御用電源部１６から出力される動作用電圧Ｖddにより動作しコンデンサ電圧Ｖｃ３を検出する電圧検出部５４を含み、スイッチ素子Ｑ３ａ～Ｑ３ｄのオン，オフによる複数の通電路の選択的な形成により複数レベル（正レベル・零レベル・負レベル）の直流電圧Ｖcu3を生成し出力する。

【0022】

なお、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの各スイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ３ｄには例えばＩＧＢＴを用いることができる。

【0023】

単位変換器２１ｕにおけるスイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ１ｄのオン，オフにより形成される複数の通電路として第１通電路、第２通電路、第３通電路がある。同様に、単位変換器２２ｕにおけるスイッチ素子Ｑ２ａ～Ｑ２ｄのオン，オフにより形成される複数の通電路として第１通電路、第２通電路、第３通電路があり、単位変換器２３ｕにおけるスイッチ素子Ｑ３ａ～Ｑ３ｄのオン，オフにより形成される複数の通電路として第１通電路、第２通電路、第３通電路がある。

【0024】

例えば、図２の単位変換器２１ｕにおいて示すように、交流電圧Ｅｕの正レベル期間において、スイッチ素子Ｑ１ｂ，Ｑ１ｄをオンしてスイッチ素子Ｑ１ａ，Ｑ１ｃをオフする動作により、出力端子Ｐ１，Ｎ１の相互間を導通してコンデンサＣ１をバイパスする第１通電路が実線矢印のように形成され、零レベルのセル出力電圧Ｖcu1（＝０）が出力端子Ｐ１，Ｎ１間に生じる。

【0025】

図２の単位変換器２２ｕにおいて示すように、交流電圧Ｅｕの正レベル期間において、スイッチ素子Ｑ２ａ，Ｑ２ｃをオンしてスイッチ素子Ｑ２ｂ，Ｑ２ｄをオフする動作によっても、同様に出力端子Ｐ２，Ｎ２の相互間を導通してコンデンサＣ２をバイパスする第１通電路が実線矢印のように形成され、零レベルのセル出力電圧Ｖcu2（＝０）が出力端子Ｐ２，Ｎ２間に生じる。零レベルのセル出力電圧については、単位変換器２１ｕにおいて示す動作と単位変換器２２ｕにおいて示す動作のどちらを用いてもよい。

【0026】

図２の単位変換器２３ｕにおいて示すように、交流電圧Ｅｕの正レベル期間において、スイッチ素子Ｑ３ａ，Ｑ３ｄをオンしてスイッチ素子Ｑ３ｂ，Ｑ３ｃをオフする動作により、出力端子Ｐ３とコンデンサＣ３の一端とを導通して出力端子Ｎ３とコンデンサＣ３の他端とを導通する第２通電路が実線矢印のように形成され、コンデンサ電圧Ｖｃ３に基づく正レベルのセル出力電圧Ｖcu3（＝＋Ｖｃ）が出力端子Ｐ３，Ｎ３間に生じる。

【0027】

図２の同じく単位変換器２３ｕにおいて示すように、交流電圧Ｅｕの正レベル期間において、スイッチ素子Ｑ３ａ，Ｑ３ｄをオンしてスイッチ素子Ｑ３ｂ，Ｑ３ｃをオフする動作により、出力端子Ｎ３とコンデンサＣ３の一端とを導通して出力端子Ｐ３とコンデンサＣ３の他端とを導通する第３通電路が破線矢印のように形成され、コンデンサ電圧Ｖｃ３に基づく負レベルのセル出力電圧Ｖcu3（＝－Ｖｃ）が出力端子Ｐ３，Ｎ３間に生じる。

【0028】

単位変換器２１ｕの出力端子Ｐ１が上記バッファリアクトル１１ｕを介して系統ラインＬｕに接続され、単位変換器２１ｕの出力端子Ｎ１に単位変換器２２ｕの出力端子Ｐ２が接続され、単位変換器２２ｕの出力端子Ｎ２に単位変換器２３ｕの出力端子Ｐ３が接続され、単位変換器２３ｕ出力端子Ｎ３が当該マルチレベル変換器１２ｕの他端として他のマルチレベル変換器１２ｖ，１２ｗの他端と相互接続（星形結線）されている。この単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの直列接続（カスケード接続）により、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのセル出力電圧Ｖcu1，Ｖcu2，Ｖcu3を足し合わせた電圧Ｖcu0が系統ラインＬｕに供給される。図２の例ではＶcu0＝“０”＋“０”＋“＋Ｖｃ”＝＋Ｖｃとなる。

【0029】

以下、単位変換器２１ｕを例にとって説明するが、他の単位変換器２１ｖ，２１ｗも同様である。さらに、他のマルチレベル変換器１２ｖ，１２ｗ内の各単位変換器も同様の動作を行う。

【0030】

単位変換器２１ｕから複数レベル（正レベル・零レベル・負レベル）のセル出力電圧Ｖcu1を得るためのスイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ１ｄのオン，オフパターンとセル出力電圧Ｖcu1との関係を図３に示す。所望のレベルを得るには、三角波変調波と目標とする出力電圧を指示する指令値信号によって、パルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を用いれば良い。

【0031】

また、特殊な変調方式（疑似３レベル変調ともいう）を用いたスイッチングを行うための制御部１５のパルス幅変調制御（ＰＷＭ制御）を図４に示す。
すなわち、制御部１５は、３相交流系統１の交流電圧Ｅｕとほぼ同じ波形の交流電圧をマルチレベル変換器１２ｕで生成させるための交流電圧指令値Ｖcu sinθを設定し、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの個数と同じ個数で互いに位相が異なる三角波状のキャリア信号Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３の電圧レベルとその交流電圧指令値Ｖcu sinθの電圧レベルとを比較するパルス幅変調により、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのスイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ３ｄに対するスイッチング用の駆動信号（ゲート信号ともいう）を生成する。これら駆動信号の生成に際し、制御部１５は、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの各スイッチングレグにおいて直列に配置されているスイッチ素子Ｑ１ａ，Ｑ１ｂのオンとオフの間、スイッチ素子Ｑ２ａ，Ｑ２ｂのオンとオフの間、スイッチ素子Ｑ３ａ，Ｑ３ｂのオンとオフの間にそれぞれ短絡防止のためにオフ状態となるデッドタイムを確保する。

【0032】

また、制御部１５は、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのコンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３をバランスさせるバランス制御を実行する。具体的には、マルチレベル変換器１２ｕの単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのうち、互いに隣り合う２つの単位変換器２１ｕ，２２ｕにおけるコンデンサＣ１，Ｃ２の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２の平均値、互いに隣り合う２つの単位変換器２２ｕ，２３ｕにおけるコンデンサＣ２，Ｃ３の電圧Ｖｃ２，Ｖｃ３の平均値、Ｎ番目と１番目の２つの単位変換器２３ｕ，２１ｕにおけるコンデンサＣ３，Ｃ１の電圧Ｖｃ３，Ｖｃ１の平均値が、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのすべてのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３の平均値Ｖcaveに一致するように、交流電圧指令値Ｖcu sinθを補正する。なお、３つのマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗに対して制御部１５が設定する交流電圧指令値Ｖcu sinθは、互いに１２０°位相がずれている。

【0033】

[自給電源部の構成]
単位変換器２１ｕの自給電源部３３は、図５のＤＣ－ＤＣコンバータ（チョッパー回路ともいう）または図６の可変抵抗回路（シリーズレギュレータともいう）を用いることができる。

【0034】

図５のＤＣ－ＤＣコンバータは、入力コンデンサ６０，スイッチ素子６１，６２、リアクトル６３、出力コンデンサ６４を含み、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１をスイッチングにより駆動部３１，３２の動作に必要な所定レベル（例えば10V）の直流電圧Ｖｄ１に変換（降圧）する。このＤＣ－ＤＣコンバータは、構成する部品の価格は高いが、大きな電力を扱うことができ、しかも効率がよいという利点がある。

【0035】

一方、図６の可変抵抗回路は、入力コンデンサ７０，可変抵抗器７１、出力コンデンサ７２を含み、コンデンサＣ１の電圧Ｖｃ１を可変抵抗器７１により上記駆動部３１，３２の動作に必要な所定レベルの直流電圧Ｖｄ１に変換する。この可変抵抗回路は、抵抗による電力消費によって効率が低下するが、構成が簡素でしかも部品の価格が安いという利点がある。なお、一般的には可変抵抗器７１はトランジスタ等の半導体素子で構成される。

【0036】

図５のＤＣ－ＤＣコンバータおよび図６の可変抵抗回路の直列回路を１つの自給電源部３３とする構成を採用し、コンデンサ電圧Ｖｃ１をＤＣ－ＤＣコンバータで降圧してから可変抵抗回路で所定レベルの直流電圧に変換する構成としてもよい。

【0037】

単位変換器２２ｕ，２３ｕの自給電源部４３，５３も、コンデンサＣ２，Ｃ３の電圧Ｖｃ２，Ｖｃ３をスイッチングにより駆動部４１，４２，５１，５２の動作に必要な所定レベルの直流電圧Ｖｄ２，Ｖｄ３に変換するＤＣ－ＤＣコンバータまたは可変抵抗回路である。

【0038】

[駆動部の構成]
単位変換器２１ｕの駆動部３１，３２は、制御部１５からの駆動信号が入力される入力端子およびこの入力端子とは電気的に絶縁された状態でスイッチ素子Ｑ１ａ～Ｑ１ｄのゲートに接続される出力端子を有する絶縁型の増幅回路（ゲートアンプ）である。単位変換器２２ｕの駆動部４１，４２および単位変換器２３ｕの駆動部５１，５２も絶縁型の増幅回路である。

【0039】

これら駆動部３１～５２から各スイッチ素子のゲートに供給するオン，オフ駆動用の駆動信号（ゲート信号）の分解能は1μs程度であり、これに伴い、ゲートアンプである駆動部３１～５２には数MHz程度の応答性が必要になる。これら駆動部３１～５２として、例えばフォトカプラやレベルシフタなどが用いられる。

【0040】

[電圧検出部の構成]
単位変換器２１ｕの電圧検出部３４は、コンデンサＣ１の一端に第１分圧抵抗器Ｒ１を介して接続される反転入力端子（－）、コンデンサＣ１の他端に第２分圧抵抗器Ｒ２を介して接続されかつ第３分圧抵抗器Ｒ３を介して共通電位Ｇに接続される非反転入力端子（＋）、上記反転入力端子（－）に第４分圧抵抗器Ｒ４を介して接続される出力端子を有する演算増幅器（オペアンプという）Ａを含み、反転入力端子（－）の電位と非反転入力端子（＋）の電位との差、すなわちコンデンサＣ１の両端間電圧Ｖｃ１に対応するレベルの電圧Ｖｘ１をオペアンプＡから出力する差動増幅回路である。

【0041】

単位変換器２２ｕの電圧検出部４４及び単位変換器２３ｕの電圧検出部５４も、同様に、それぞれコンデンサＣ２，Ｃ３の両端間電圧に対応するレベルの電圧Ｖｘ２，Ｖｘ３をそれぞれのオペアンプＡから出力する。

【0042】

単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの各オペアンプＡは、図１に示す制御用電源部１６から出力される動作用電圧Ｖddに基づく正電圧＋Ｖddが印加される正側電源端子、および動作用電圧Ｖddに基づく負電圧－Ｖddが印加される負側電源端子を備える。

【0043】

負側電源端子の電位の変動を取り除くオフセット回路を設ける構成を採用すれば、正電圧＋Ｖddのみを動作用電圧としてオペアンプＡに加えてもよい。

【0044】

以上のように、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの駆動部３１～５２の動作用電圧についてはコンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ２を用いながら、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの電圧検出部３４，４４，５４の動作用電圧については特別の電源を設けることなく制御部１５用の動作用電圧Ｖddを流用する構成なので、構成の簡略化およびコスト低減が図れる。

【0045】

なお、制御部１５用の動作用電圧Ｖddを電圧検出部３４，４４，５４の各オペアンプＡに共通に加える構成の場合、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕの相互間の電位差（例えば50V）が各オペアンプＡに加わるので、各オペアンプＡが破壊に至る可能性がある。また、電圧検出部３４，４４，５４の各オペアンプＡの共通電源となる制御用電源部１６の共通電位Ｇと、主回路であるマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの中性点Ｋの電位が同じなので、主回路の電源電圧（例えば200V）が各オペアンプＡに加わり、各オペアンプＡが破壊する可能性もある。

【0046】

このような各オペアンプＡの破壊が生じないよう、本実施形態では、電圧検出部３４，４４，５４のそれぞれ分圧抵抗器Ｒ１，Ｒ２として抵抗値の大きいものを採用し、各オペアンプＡに加わる電圧を抑制する。

【0047】

一方、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端の電位が各スイッチ素子のオン,オフに伴って急峻に変動する。この電位変動については電圧検出部３４，４４，５４の各分圧抵抗器によって取り除くことができると考えられるが、実際には、各分圧抵抗器の抵抗値のばらつきや誤差あるいは各オペアンプＡの漏れ電流の影響により、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端に生じる急峻な電位変動を完全には取り除くことができない。

【0048】

そこで、本実施形態では、図２に示すように、電圧検出部３４，４４，５４の各オペアンプＡの出力端子と制御部１５との間の各信号線にフィルタ３５，４４，５５を配置している。フィルタ３５，４４，５５は、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端に生じる電位変動のうち、数MHzの急峻な電位変動をノイズとして取り除く。これにより、誤差のない適正なコンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３を検出して制御部１５に知らせることができる。

【0049】

また、上記のように、電圧検出部３４，４４，５４の各オペアンプＡの共通電源となる制御用電源部１６の共通電位Ｇと、主回路であるマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの中性点Ｋの電位が同じとなる構成なので、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３がそれぞれ分圧抵抗器Ｒ２，Ｒ３を介して主回路に接続される。このような状況において、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのセル出力電圧Ｖcu1，Ｖcu2，Ｖcu3が互いに異なると、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３から分圧抵抗器Ｒ２，Ｒ３を介して放電される電荷量が異なる。一方、交流系統の電圧に対抗するべく、コンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３の和はある一定以上の電圧となるように制御される。したがって、中性点Ｋから最も離れた位置に存する単位変換器２１ｕのコンデンサＣ１が最も多く放電し、中性点Ｋに最も近い位置に存する単位変換器２１ｗのコンデンサＣ３が充電され続ける事態が生じ、コンデンサＣ３に加わる電圧がコンデンサＣ３の定格電圧を超過する可能性がある。

【0050】

そこで、本実施形態では、分圧抵抗器Ｒ２，Ｒ３の抵抗値の和より小さい抵抗値を有する放電用抵抗器３６，４６，５６を単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕのコンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３にそれぞれ並列接続している。これら放電用抵抗器３６，４６，５６の並列接続により、コンデンサＣ３に加わる電圧がコンデンサＣ３の定格電圧を超過する不具合を解消するとともに各コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３のコンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３を互いに近い値に維持することができる。

【0051】

なお、以上は系統ラインＬｕに接続された単位変換器２１ｕを主体に詳細に説明したが、系統ラインＬｖ，Ｌｗにそれぞれ接続される単位変換器２１ｖ，２１ｗも上述の単位変換器２１ｕ同一の構成となっており、同様の動作を行う。

【0052】

[変形例１]
上記実施形態では、コンデンサＣ１，Ｃ２，Ｃ３の両端に生じる急峻な電位変動を取り除くため、電圧検出部３４，４４，５４の各オペアンプＡの出力端子と制御部１５との間の各信号線にフィルタ３５，４４，５５を配置する構成としたが、それに代えて、電圧検出部３４，４４，５４の各オペアンプＡの出力信号（検出結果）のうち、図４に示すパルス幅変調用のキャリア信号Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３のそれぞれ三角波が頂点となるタイミングの出力信号を、電圧検出結果として制御部１５に取り込む構成としてもよい。

【0053】

コンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３は、基本的に三角波状のキャリア信号Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３の電圧レベルと交流電圧指令値Ｖcu sinθとが交差する点で変化するので、キャリア信号Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３のそれぞれ三角波が頂点となるタイミングでは変化が少ない。したがって、キャリア信号Ｖｔ１，Ｖｔ２，Ｖｔ３のそれぞれ三角波が頂点となるタイミングの出力信号を電圧検出結果として制御部１５が取り込む構成であれば、ノイズの影響が少なく、誤差のない適正なコンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２，Ｖｃ３を制御部１５において認識することができる。

【0054】

[変形例２]
上記実施形態では、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕがそれぞれ４つのスイッチ素子と２つの駆動部３１，３２を含む場合を例に説明したが、図７に示すように、単位変換器２１ｕ，２２ｕ，２３ｕがそれぞれ２つのスイッチ素子と１つの駆動部３１を含む場合についても同様に実施できる。

【0055】

[変形例３]
上記実施形態では、マルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの一端をバッファリアクトル１１ｕ，１１ｖ，１１ｗを介して交流系統ラインに接続し、マルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの他端を相互接続（星形結線）する構成の電力変換装置について説明したが、図８に示すように、それぞれ一対のマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの一端をそれぞれバッファリアクトル１１ｕ，１１ｖ，１１ｗを介して交流系統ラインに接続し、それぞれマルチレベル変換器１２ｕ，１２ｖ，１２ｗの他端を直流系統ラインに接続する構成の電力変換装置においても同様に実施できる。この場合、直流系統ラインの負側が共通電位Ｇに接続される。

【0056】

その他、上記実施形態および変形例は、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。これら実施形態および変形例は、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、書き換え、変更を行うことができる。これら実施形態および変形例は、発明の範囲は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】

【0057】

１…３相系統電源、２…負荷、１０…電力変換装置、１２ｕ，１２ｖ，１２ｗ…マルチレベル変換器、１５…制御部、１６…制御用電源部、２１ｕ，２２ｕ，２３ｕ…単位変換器、２１ｖ，２２ｖ，２３ｖ…単位変換器、２１ｗ，２２ｗ，２３ｗ…単位変換器、Ｑ１ａ～Ｑ３ｄ…スイッチ素子、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３…コンデンサ、Ｇｕ１～Ｇｕ３´…駆動信号、系統ラインＬｕ,Ｌｖ，Ｌｗ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】