(57)【要約】 【課題】  所望の電力変換が可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】  実施形態による電力変換装置は、第１および第２コンデンサＣ１、Ｃ２と、第１コンデンサＣ１に並列に接続した第１レグＬ１と、第２コンデンサＣ２に並列に接続した第２レグＬ２と、第１レグＬ１の出力端子と交流負荷と接続する交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器Ｃを含む正側アームＡ１と、第２レグＬ２の出力端子と交流端子との間に直列に接続した複数の単位変換器Ｃを含む負側アームＡ２と、交流端子から流出せず、正側アームＡ１と負側アームＡ２とに流れる循環電流成分Ｉｚを制御し、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサ２の電圧との差に基づく第１交流電流を循環電流成分Ｉｚに重畳する制御回路ＣＮＴと、を備える。【選択図】図１
2020102934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
正側直流端子と一端にて電気的に接続した第１コンデンサと、
前記第１コンデンサの他端と負側直流端子との間に電気的に接続した第２コンデンサと、
前記正側直流端子とドレインにて電気的に接続した第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子のソースとドレインにて電気的に接続し、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に電気的に接続した中性点とソースにて電気的に接続した第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間の第１出力端子と、を備えた第１スイッチングレグと、
前記中性点とドレインにて電気的に接続した第３スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子のソースとドレインにて電気的に接続し、前記負側直流端子とソースにて電気的に接続した第４スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間の第２出力端子と、を備えた第２スイッチングレグと、
交流負荷と接続される交流端子と前記第１出力端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む正側アームと、
前記交流端子と前記第２出力端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む負側アームと、
前記交流端子から流出せず前記正側アームと前記負側アームとを貫く循環電流成分を制御し、前記第１コンデンサの電圧と前記第２コンデンサの電圧との差に基づく第１交流電流を前記循環電流成分に重畳する制御回路と、を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記単位変換器は、第１端子とソースにて電気的に接続した第１セルスイッチング素子と、前記第１セルスイッチング素子のソースとドレインにて電気的に接続しソースにて第２端子と電気的に接続した第２セルスイッチング素子と、前記第１セルスイッチング素子のドレインと前記第２セルスイッチング素子のソースとの間に電気的に接続したセルコンデンサと、を備え、
前記制御回路は、前記正側アームの複数の前記セルコンデンサの電圧の平均値と前記負側アームの複数の前記セルコンデンサの電圧の平均値との差に基づく、前記第１交流電流と周波数の異なる第２交流電流を前記循環電流成分に重畳することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記単位変換器は、第１端子とドレインにて電気的に接続した第１セルスイッチング素子と、前記第１セルスイッチング素子のソースおよび第２端子とドレインにて電気的に接続した第２セルスイッチング素子と、前記第１セルスイッチング素子のドレインと前記第２セルスイッチング素子のソースとの間に電気的に接続したセルコンデンサと、を備え、
前記制御回路は、前記正側アームの複数の前記セルコンデンサの電圧の平均値と前記負側アームの複数の前記セルコンデンサの電圧の平均値との差に基づく、前記第１交流電流と周波数の異なる第２交流電流を前記循環電流成分に重畳することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記制御回路は、前記第１コンデンサの電圧の移動平均と前記第２コンデンサの電圧の移動平均とを一致させるように制御するコンデンサバランス制御部を備えることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御回路は、前記正側アームの複数の前記セルコンデンサの電圧の平均値の移動平均と前記負側アームの複数の前記セルコンデンサの電圧の平均値の移動平均とを一致させるように制御するセルコンデンサ電圧バランス制御部を備えることを特徴とする請求項２又は請求項３記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記第１スイッチングレグと、前記第２スイッチングレグと、前記正側アームと、前記負側アームとを含む相を複数備え、
前記セルコンデンサ電圧バランス制御部は、複数相の前記セルコンデンサの電圧の平均値と、各相の前記セルコンデンサの電圧の平均値の移動平均とを一致させる相間セルコンデンサ電圧バランス制御部を更に備えることを特徴とする請求項５記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記循環電流成分に重畳される電流の周波数は、前記交流端子に出力する交流電圧の周波数の奇数倍であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記循環電流成分に重畳される電流の周波数は、前記交流端子に出力する交流電圧の周波数の３倍ではないことを特徴とする請求項７記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記第１スイッチングレグと、前記第２スイッチングレグと、前記正側アームと、前記負側アームとを含む相を複数備え、
前記循環電流成分に重畳される電流の位相は、各相の出力する交流電圧の位相と同期していることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記第１乃至第４スイッチング素子において、前記ドレインはコレクタであり、前記ソースはエミッタであることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか１項記載の電力変換装置。
【請求項１１】
前記第１乃至第４スイッチング素子のそれぞれは、直列に接続された複数のスイッチング素子を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項１０のいずれか１項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】
従来、交流電力を直流電力へ、または、直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置は、三相２レベル変換器が適用されてきた。三相２レベル変換器は、直流電力を三相交流電力へ変換して出力する電力変換装置を構成する上で、必要最小限の６つの半導体スイッチング素子で構成することができるため、電力変換装置の小型化および低コスト化を実現することができる。
【０００３】
一方、その出力電圧波形は、例えば入力直流電圧をＶｄｃとしたとき、相ごとに、＋Ｖｄｃ／２と、−Ｖｄｃ／２の２値の切替（スイッチング）をＰＷＭ（パルス幅変調）で行うことにより、擬似的に生成された交流波形となっており、多分にスイッチングに起因する高調波電圧を含んでいる。このため、電力変換装置の三相交流電力の出力経路にリアクトルやコンデンサで構成されるフィルタを挿入し、スイッチングによる高調波を低減する対策が取られている。
【０００４】
しかしながら、電力系統と電力変換装置とを接続する場合、電力系統へ流れ出す高調波成分が他の機器に悪影響を及ぼさないレベルまで低減するためには、高調波を低減するためのフィルタ容量を大きくする必要があり、電力変換装置のコスト上昇と、重量増加とを招いていた。
【０００５】
スイッチング周波数を高くすることにより、高調波を低減するためのフィルタを小型化することが可能であるが、スイッチング周波数が高くなることによりスイッチングに伴う損失が増大し、電力ロスが大きくなるのみならず、電力変換装置の冷却性能を向上させる必要が生じる。屋外等で使用される電力変換装置は、冷却ファンを設置することが困難である可能性がある。その場合には、冷却部が大型化するために電力変換装置全体を小型化することが困難となる。
【０００６】
これに対し、コンデンサと半導体スイッチとを有した単位変換器を多段接続した構成を備え電力変換器であって、電力系統電圧や配電系統電圧と同等の高電圧を変換可能なモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）の研究開発が進められている。
【０００７】
この電力変換器が実用化されると、多レベル化により、出力電圧波形および出力電流波形が正弦波波形に近づくため、高調波フィルタが不要になるメリットが得られる。さらに、複数の単位変換器のスイッチングタイミングを互いにずらすことにより、低いスイッチング周波数で従来と同じ出力波形を得ることが可能となるため、スイッチング損失を低減することも可能になる。
【０００８】
ＭＭＣの単位変換器の数を減らす回路として、例えば、中性点クランプ形モジュラー・マルチレベル変換器（以下、ＮＰＣ−ＭＭＣ（Neutral Point Clamped Modular Multilevel Converter）という。）が提案されている。ＮＰＣ−ＭＭＣは、直流側の電圧を２つのコンデンサで分圧し、それぞれのコンデンサと並列に接続した半導体スイッチで構成されるレグを含む高圧チョッパを備え、高圧チョッパの交流端子に単位変換器を多段接続して構成される。この構成により、従来のＭＭＣと比較して、単位変換器の数をおよそ半分に削減することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２０１５−１４６６９２号公報
【非特許文献】
【００１０】
【非特許文献１】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
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記のように、ＮＰＣ−ＭＭＣは直流側に２つのコンデンサ（第１コンデンサおよび第２コンデンサ）を有する。２つのコンデンサの中間の電位、いわゆる中性点電位は、コンデンサやスイッチング素子の漏れ電流、放電電流の不平衡により変動する。そのため、例えば、第１コンデンサの電圧と第２コンデンサの電圧とのバランスが崩れて、スイッチング素子に耐電圧を超えた電圧が印加され、スイッチング素子が故障し、その結果電力変換装置自体の故障に繋がり、信頼性の低下に繋がる可能性があった。
【００１２】
例えば、正側アームと負側アームとを貫く循環電流成分に、２つのコンデンサの電圧差から求められる中性点電流を重畳させる方法が提案されている。この方法によれば、意図的に中性点電流を流し込むことで、２つのコンデンサの電圧のバランスを保つことができる。しかし、中性点電流を流し込むためには、電力変換装置は三相であり、かつ、演算されたバランスに必要な中性点電流を交流電圧の位相によって、循環電流成分に重畳する電流を瞬時に切り替える必要があった。このため、切り替え時に急変する循環電流成分の指令値に追従することは難しく、不要なオーバーシュート電流などが発生し、精度よくコンデンサの不均衡を制御できないことがあった。さらに、上記の方法は単相の電力変換装置に適用することが困難であり、循環電流成分に重畳する電流を切り替える演算を位相ごと行う必要があり、高機能な演算装置を用いる必要があった。
【００１３】
本発明の実施形態は、上記事情を鑑みて成されたものであって、スイッチングによる高調波および損失を抑制するとともに、所望の電力変換が可能な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】
【００１４】
実施形態による電力変換装置は、正側直流端子と一端にて電気的に接続した第１コンデンサと、前記第１コンデンサの他端と負側直流端子との間に電気的に接続した第２コンデンサと、前記正側直流端子とドレインにて電気的に接続した第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子のソースとドレインにて電気的に接続し、前記第１コンデンサと前記第２コンデンサとの間に電気的に接続した中性点とソースにて電気的に接続した第２スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子と前記第２スイッチング素子との間の第１出力端子と、を備えた第１スイッチングレグと、前記中性点とドレインにて電気的に接続した第３スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子のソースとドレインにて電気的に接続し、前記負側直流端子とソースにて電気的に接続した第４スイッチング素子と、前記第３スイッチング素子と前記第４スイッチング素子との間の第２出力端子と、を備えた第２スイッチングレグと、交流負荷と接続される交流端子と前記第１出力端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む正側アームと、前記交流端子と前記第２出力端子との間に直列に接続した複数の単位変換器を含む負側アームと、前記交流端子から流出せず前記正側アームと前記負側アームとを貫く循環電流成分を制御し、前記第１コンデンサの電圧と前記第２コンデンサの電圧との差に基づく第１交流電流を前記循環電流成分に重畳する制御回路と、を備える。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】図１は、一実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
【図２Ａ】図２Ａは、図１に示す電力変換装置の単位変換器の一構成例を概略的に示す図である。
【図２Ｂ】図２Ｂは、図１に示す電力変換装置の単位変換器の他の構成例を概略的に示す図である。
【図３】図３は、一実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。
【図４】図４は、一実施形態の電力変換装置の制御回路の一構成例を概略的に示す図である。
【図５】図５は、図４に示すコンデンサ電圧バランス制御部の一構成例を概略的に示すブロック図である。
【図６】図６は、一実施形態の電力変換装置における中性点電流と循環電流成分との一例について説明するための図である。
【図７】図７は、一実施形態の電力変換装置における中性点電流と循環電流成分との一例について説明するための図である。
【図８】図８は、スイッチング素子のそれぞれの接続状態における、循環電流成分と中性点電流との波形の一例を示す図である。
【図９】図９は、スイッチング素子のそれぞれの接続状態における、循環電流成分と中性点電流との波形の一例を示す図である。
【図１０】図１０は、図４に示すセルコンデンサ電圧バランス制御部の一構成例を概略的に示すブロック図である。
【図１１】図１１は、一実施形態の電力変換装置の動作の一例について説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、実施形態の電力変換装置について、図面を参照して説明する。
図１は、一実施形態の電力変換装置の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態の電力変換装置２０は、正側直流端子ＴＡと、負側直流端子ＴＢと、三相交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷと、を備え、交流負荷１０（又は交流電源）と直流負荷（図示せず）との間に接続可能である。直流負荷は、例えば、太陽光発電システムや、ＵＰＳ（Uninterruptible Power Supply：無停電電源装置）のような直流電源や、バッテリや、他の電力変換装置等である。
【００１７】
電力変換装置２０は、第１コンデンサＣ１と、第２コンデンサＣ２と、第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗと、第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗと、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと、第１バッファリアクトルＬＡＵ、ＬＡＶ、ＬＡＷと、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗと、第２バッファリアクトルＬＢＵ、ＬＢＶ、ＬＢＷと、計器用変圧器２２と、制御装置ＣＮＴと、を備えている。
【００１８】
第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とは、正側直流端子ＴＡと負側直流端子ＴＢとの間において、直列に接続されている。第１コンデンサＣ１は、正側直流端子ＴＡと一端にて電気的に接続している。第２コンデンサＣ２は、第１コンデンサＣ１の他端と負側直流端子ＴＢとの間に電気的に接続している。第１コンデンサＣ１と第２コンデンサとの間は中性点電位となる。
【００１９】
第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗは、第１コンデンサＣ１と並列に接続している。第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗは、第２コンデンサＣ２と並列に接続している。
【００２０】
なお、本実施形態の電力変換装置２０では、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２とは、三相に共有されているが、三相それぞれに２つのコンデンサが並列接続されていてもよい。
【００２１】
第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗのそれぞれは、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗと、第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗと、を備えている。
なお、以下の説明において、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗおよび第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２ＷはＭＯＳＦＥＴであるものとして説明するが、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗおよび第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗは例えばＩＧＢＴであってもよく、ＩＧＢＴを採用する場合には、以下の説明におけるドレインはコレクタであり、ソースはエミッタであるものとして読み替えることができる。
【００２２】
第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗは、正側直流端子ＴＡとドレインにて電気的に接続する。第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗは、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗのソースとドレインにて電気的に接続し、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との間に電気的に接続した中性点とソースにて電気的に接続する。第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗは、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗとの間に設けられる。  
【００２３】
第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗのそれぞれは、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗと、第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗと、を備えている。
なお、以下の説明において、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗおよび第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４ＷはＭＯＳＦＥＴであるものとして説明するが、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗおよび第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗは例えばＩＧＢＴであってもよく、ＩＧＢＴを採用する場合には、以下の説明におけるドレインはコレクタであり、ソースはエミッタであるものとして読み替えることができる。
【００２４】
第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗは、中性点とドレインにて電気的に接続する。第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗは、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗのソースとドレインにて電気的に接続し、負側直流端子ＴＢとソースにて電気的に接続する。第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗは、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗとの間に設けられる。
【００２５】
第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗとは、正側直流端子ＴＡと中性点電位との間において、直列に接続されている。すなわち、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗとは第１コンデンサＣ１と並列に接続されている。
【００２６】
第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗとは、負側直流端子ＴＢと中性点電位との間において、直列に接続されている。すなわち、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗとは第２コンデンサＣ２と並列に接続されている。
【００２７】
第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗと、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗとは、例えば、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等の自己消弧型素子である。
【００２８】
正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗとのそれぞれは、直列に接続された複数の単位変換器Ｃを備えている。正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗは、交流負荷１０と接続される交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷと第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗとの間に直列に接続した複数の単位変換器Ｃを含む。負側アームは、交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷと第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗとの間に直列に接続した複数の単位変換器を含む。
【００２９】
正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗとは、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗとの間の第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗと、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗとの間の第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗとの間において、第１バッファリアクトルＬＡＵ、ＬＡＶ、ＬＡＷ、および第２バッファリアクトルＬＢＵ、ＬＢＶ、ＬＢＷを介して直列に接続している。
【００３０】
なお、図１に示す電力変換装置２０の例では、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗとは、第１バッファリアクトルＬＡＵ、ＬＡＶ、ＬＡＷ、および第２バッファリアクトルＬＢＵ、ＬＢＶ、ＬＢＷを介して接続しているが、例えば、結合リアクトルや変圧器を介して接続してもよく、直接接続してもよい。
【００３１】
正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗとは、バッファリアクトルＬＡＵ、ＬＡＶ、ＬＡＷとバッファリアクトルＬＢＵ、ＬＢＶ、ＬＢＷとの間の交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷにおいて、交流負荷１０と電気的に接続される。
【００３２】
計器用変圧器２２は、交流負荷１０と電力変換装置２０との間を接続する交流ラインの交流電圧を制御回路ＣＮＴで利用可能な電圧に変換して、制御回路ＣＮＴへ出力する。
【００３３】
制御回路ＣＮＴは、外部から供給される指令値にしたがって、電力変換装置２０の出力電力が所定の値となるように、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗと、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗと、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗと、の動作を制御する。
【００３４】
制御回路ＣＮＴは、例えば、ＣＰＵ（central processing unit）やＭＰＵ（micro processing unit）などのプロセッサを少なくとも１つと、プロセッサにより実行されるプログラムが記録されるメモリと、を備え、ソフトウエアにより動作するように構成されてもよい。制御回路ＣＮＴの構成については、後に図面を参照して詳細に説明する。
【００３５】
図２Ａは、図１に示す電力変換装置の単位変換器の一構成例を概略的に示す図である。
単位変換器Ｃは、第１セルスイッチング素子ＳＡと、第２セルスイッチング素子ＳＢと、セルコンデンサＣＡと、コンデンサ電圧検出回路ＶＳと、を備えている。
【００３６】
第１セルスイッチング素子ＳＡと第２セルスイッチング素子ＳＢとは直列に接続されている。第１セルスイッチング素子ＳＡは、第１端子Ｔ１とドレインにて電気的に接続する。第２セルスイッチング素子ＳＢは、第１セルスイッチング素子ＳＡのソースとドレインにて電気的に接続し、ソースにて第２端子Ｔ２と電気的に接続する。
【００３７】
第１セルスイッチング素子ＳＡと第２セルスイッチング素子ＳＢとは、例えば、ＩＧＢＴ（insulated gate bipolar transistor）やＭＯＳＦＥＴ（metal-oxide-semiconductor field-effect transistor）等の自己消弧型素子である。
セルコンデンサＣＡは、第１セルスイッチング素子ＳＡのドレインと第２セルスイッチング素子ＳＢのソースとの間に電気的に接続している。
【００３８】
単位変換器Ｃは、第１セルスイッチング素子ＳＡのソースと第２セルスイッチング素子ＳＢのドレインとの間（第１端子Ｔ１）にて、高電位側に接続する単位変換器Ｃの第２セルスイッチング素子ＳＢのソース（第２端子Ｔ２）と電気的に接続する。最も高電位側の単位変換器Ｃの第１端子Ｔ１は、第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗと電気的に接続される。最も低電位側の単位変換器Ｃの第２端子Ｔ２は、第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗと電気的に接続される。
【００３９】
コンデンサ電圧検出回路ＶＳは、セルコンデンサＣＡの電圧を検出し、電圧値（又は電圧相当値）を制御回路ＣＮＴへ出力する。
セルコンデンサＣＡの電圧をＶｃとすると、第１セルスイッチング素子ＳＡをオン、第２セルスイッチング素子ＳＢをオフしたときに、単位変換器Ｃの出力はＶｃ[Ｖ]となり、第１セルスイッチング素子ＳＡをオフ、第２セルスイッチング素子ＳＢをオンしたときに、単位変換器Ｃの出力は０[Ｖ]となる。
【００４０】
なお、単位変換器Ｃの構成は図２Ａに示したものに限定されるものではなく、スイッチング素子とセルコンデンサとを有し、スイッチ状態で出力電圧を切り替えられるものであれば他の構成でも構わない。例えば、単位変換器Ｃは、４つのスイッチング素子とセルコンデンサとを備えたフルブリッジ回路であってもよい。
【００４１】
図２Ｂは、図１に示す電力変換装置の単位変換器の他の構成例を概略的に示す図である。
単位変換器Ｃは、第１セルスイッチング素子ＳＡと、第２セルスイッチング素子ＳＢと、セルコンデンサＣＡと、コンデンサ電圧検出回路ＶＳと、を備えている。
【００４２】
第１セルスイッチング素子ＳＡと第２セルスイッチング素子ＳＢとは直列に接続されている。第１セルスイッチング素子ＳＡは、第１端子Ｔ１とドレインにて電気的に接続する。第２セルスイッチング素子ＳＢは、第１セルスイッチング素子ＳＡのソースおよび第２端子Ｔ２とドレインにて電気的に接続する。第１セルスイッチング素子ＳＡと第２セルスイッチング素子ＳＢとは、例えば、ＩＧＢＴやＭＯＳＦＥＴ等の自己消弧型素子である。
セルコンデンサＣＡは、第１セルスイッチング素子ＳＡのドレインと第２セルスイッチング素子ＳＢのソースとの間に電気的に接続している。
【００４３】
単位変換器Ｃは、第１セルスイッチング素子ＳＡのドレインとセルコンデンサＣＡとの間（第１端子Ｔ１）にて、高電位側に接続する単位変換器Ｃの第２セルスイッチング素子ＳＢのドレイン（第２端子Ｔ２）と電気的に接続する。最も高電位側の単位変換器Ｃの第１端子Ｔ１は、第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗと電気的に接続される。最も低電位側の単位変換器Ｃの第２端子Ｔ２は、第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗと電気的に接続される。
コンデンサ電圧検出回路ＶＳは、セルコンデンサＣＡの電圧を検出し、電圧値（又は電圧相当値）を制御回路ＣＮＴへ出力する。
【００４４】
セルコンデンサＣＡの電圧をＶｃとすると、第１セルスイッチング素子ＳＡをオフ、第２セルスイッチング素子ＳＢをオンしたときに、単位変換器Ｃの出力はＶｃ[Ｖ]となり、第１セルスイッチング素子ＳＡをオン、第２セルスイッチング素子ＳＢをオフしたときに、単位変換器Ｃの出力は０[Ｖ]となる。
【００４５】
次に、本実施形態の電力変換装置２０の動作の一例について説明する。  
図３は、一実施形態の電力変換装置の動作の一例を説明するための図である。
ここでは、電力変換装置２０が出力する交流相電圧Ｖａｃ、第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗの出力電圧Ｖｐ、第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗの出力電圧Ｖｎ、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの出力電圧Ｖａｒｍｐ、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの出力電圧Ｖａｒｍｎ、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの電流Ｉｐ、および、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの電流Ｉｎについて、時系列に沿った変化の一例を示している。
【００４６】
なお、Ｉａｃは、交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷの電流（または交流電流成分）であり、Ｖｄｃは、直流側の電圧（正側直流端子ＴＡと負側直流端子ＴＢとの間の電圧）であり、Ｉｄｃは、直流側の電流である。
【００４７】
第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗおよび第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗは、電力変換装置２０の出力交流電圧Ｖａｃが正である１／２周期（０＜ωｔ＜π）にてオンとなり、出力交流電圧Ｖａｃが負である１／２周期（π＜ωｔ＜２π）にてオフとなる。
【００４８】
これにより、第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗの出力電圧Ｖｐは、出力交流電圧Ｖａｃが正となる１／２周期では、第１コンデンサＣ１の電圧と等しくなり、出力交流電圧Ｖａｃが負となる１／２周期ではゼロとなる。
【００４９】
第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗおよび第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗは、電力変換装置２０の出力交流電圧Ｖａｃが負である１／２周期にてオンとなり、出力交流電圧Ｖａｃが正である１／２周期にてオフとなる。
【００５０】
これにより、第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗの出力電圧Ｖｎは、出力交流電圧Ｖａｃが正となる１／２周期ではゼロとなり、出力交流電圧Ｖａｃが負となる１／２周期では第２コンデンサＣ２の電圧と等しくなる。
【００５１】
第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗと第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗとの間には、交流電圧が正の１／２周期では、第１コンデンサＣ１の電圧が出力され、負の１／２周期では、第２コンデンサＣ２の電圧が出力される。
【００５２】
第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とは、正側直流端子ＴＡと負側直流端子ＴＢとの間の直流電圧Ｖｄｃのおよそ１／２の電圧であるため、第１出力端子Ｏ１Ｕ、Ｏ１Ｖ、Ｏ１Ｗと第２出力端子Ｏ２Ｕ、Ｏ２Ｖ、Ｏ２Ｗとの間電圧は、直流電圧Ｖｄｃのおよそ１／２となる。
【００５３】
すなわち、第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗの出力電圧Ｖｐは、下記式にて表すことができる。
Ｖｐ＝Ｖｄｃ／２    （０＜ｗｔ＜π）
＝０            （π＜ｗｔ＜２π）
また、第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗの出力電圧Ｖｎは、下記式にて表すことができる。
Ｖｎ＝０            （０＜ｗｔ＜π）
＝−Ｖｄｃ／２  （π＜ｗｔ＜２π）
【００５４】
一方、単位変換器Ｃから構成される正側アームおよび負側アームは、図３に示すような所望の電圧Ｖａｒｍｐ、Ｖａｒｍｎが出力できるように、単位変換器Ｃのオンオフ時比率（デューティ）が適宜調整される。たとえば、制御回路ＣＮＴは、単位変換器Ｃの出力指令値と三角波とを比較するＰＷＭ（Pulse Width Modulation）技術を用いることにより、単位変換器Ｃの第１セルスイッチング素子ＳＡと第２セルスイッチング素子ＳＢとのゲート信号を生成することができる。このとき、各単位変換器Ｃの三角波キャリアの位相を適切にずらすことにより、高調波が少ない電圧を出力させることができる。
【００５５】
ここで、説明のため、直流側の基準電位を正側直流端子ＴＡと負側直流端子ＴＢの中性点電位とすると、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの出力電圧Ｖａｒｍｐは、下記式にて表すことができる。
Ｖａｒｍｐ＝Ｖｄｃ／２−Ｖａｃ  （０＜ｗｔ＜π）
＝−Ｖａｃ            （π＜ｗｔ＜２π）
【００５６】
また、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの出力電圧Ｖａｒｍｎは、下記式にて表すことができる。
Ｖａｒｍｎ＝Ｖａｃ              （０＜ｗｔ＜π）
＝Ｖｄｃ／２＋Ｖａｃ  （π＜ｗｔ＜２π）
【００５７】
上記のように第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗ、第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗ、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗ、および、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗを動作させることにより、電力変換装置２０の交流相電圧Ｖａｃを所望の値とすることができる。
【００５８】
次に、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの電流Ｉｐと、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの電流Ｉｎとについて説明する。
本実施形態の電力変換装置２０は、例えば、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの電流Ｉｐと負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの電流Ｉｎとを検出する電流検出器を備えている。
【００５９】
正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの電流Ｉｐと、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの電流Ｉｎとは、下記変数変換式により、交流電流成分Ｉａｃと循環電流成分Ｉｚとに分離することができる。
Ｉａｃ＝Ｉｐ−Ｉｎ
Ｉｚ  ＝（Ｉｐ＋Ｉｎ）／２
【００６０】
交流電流成分Ｉａｃは、交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷから外に出る成分である。一方、循環電流成分Ｉｚは、交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷから外に出ない成分で、仮想的な電流である。本実施形態では、交流電流成分Ｉａｃは、外部から交流端子ＴＵ、ＴＶ、ＴＷへ向かって流れる方向を正とし、循環電流成分Ｉｚは、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗから正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗへ向かって流れる方向を正とする。
【００６１】
正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの電流Ｉｐと、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの電流Ｉｎとは、交流電流成分Ｉａｃと循環電流成分Ｉｚとを用いて、下記式で表すことができる。
Ｉｐ＝Ｉａｃ／２＋Ｉｚ
Ｉｎ＝−Ｉａｃ／２＋Ｉｚ
【００６２】
次に、本実施形態の電力変換装置２０の制御回路ＣＮＴの構成例について説明する。  
制御回路ＣＮＴは、循環電流成分Ｉｚを制御し、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧との差に基づく第１交流電流を循環電流成分Ｉｚに重畳する。
また、制御回路ＣＮＴは、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの複数のセルコンデンサＣＡの電圧の平均値と負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの複数のセルコンデンサＣＡの電圧の平均値との差に基づき、第１交流電流と周波数の異なる第２交流電流を循環電流成分Ｉｚに重畳する。
【００６３】
図４は、一実施形態の電力変換装置の制御回路の一構成例を概略的に示す図である。
本実施形態では、制御回路ＣＮＴは、セルコンデンサ電圧平均値制御部３１と、コンデンサ電圧制御部３２と、交流電流制御部３３と、循環電流制御部３４と、コンパレータＣＯＭと、ＰＷＭ制御部３５、３６と、切替器ＳＰ、ＳＮと、セルコンデンサ電圧バランス制御部３７と、コンデンサ電圧バランス制御部３８と、加算器ＡＤ１−ＡＤ５と、乗算器Ｍ１、Ｍ２と、を備えている。
【００６４】
また、制御回路ＣＮＴは、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の電圧を検出する検出器と、コンデンサ電圧検出回路ＶＳの出力値から複数のセルコンデンサＣＡの電圧を検出する検出器とを備えていてもよい。また、制御回路ＣＮＴは、外部の検出器にて検出された第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２および複数のセルコンデンサＣＡの電圧値を取得するよう構成されてもよい。
【００６５】
セルコンデンサ電圧平均値制御部３１は、減算器（第１減算器）ＳＢ１と、乗算器（第１乗算器）Ｇ１と、を備えている。
減算器ＳＢ１は、外部から入力されるセルコンデンサ電圧指令値から、セルコンデンサ電圧Ｖｃの平均値Ｖｃａｖｅを引いた差を出力する。
【００６６】
なお、セルコンデンサ電圧の平均値Ｖｃａｖｅは、制御回路ＣＮＴにて演算することができる。セルコンデンサ電圧平均値Ｖｃａｖｅは、たとえば、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗと負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２ＷとのそれぞれがＮ個の単位変換器Ｃを備えるとき、全部で６Ｎ個の単位変換器ＣのセルコンデンサＣＡの電圧Ｖｃの平均値であって、下記式のように表すことができる。
Ｖｃａｖｅ＝（（Ｖｃｕｐ１＋…ＶｃｕｐＮ）＋（Ｖｃｕｎ１＋…ＶｃｕｎＮ）＋…＋（Ｖｃｗｎ１＋…ＶｃｗｎＮ））／（６Ｎ）
【００６７】
乗算器Ｇ１は、減算器ＳＢ１から出力された値と所定のゲインとの積を出力する。乗算器Ｇ１の出力値は、セルコンデンサ電圧のフィードバック操作量電流（第１フィードバック操作量電流）の値である。乗算器Ｇ１で乗じられるゲインは、応答性や安定性を鑑みて設定される。
【００６８】
セルコンデンサ電圧平均値制御部３１は、例えば、セルコンデンサ電圧指令値と、セルコンデンサ電圧平均値との差がゼロとなるように制御する比例制御回路又は比例積分回路である。
【００６９】
コンデンサ電圧制御部３２は、減算器（第２減算器）ＳＢ２と、乗算器（第２乗算器）Ｇ２と、を備えている。  
減算器ＳＢ２は、外部から入力されるコンデンサ電圧指令値から、コンデンサ電圧平均値を引いた差を出力する。なお、コンデンサ電圧の平均値は、制御回路ＣＮＴにて演算することができる。
【００７０】
乗算器Ｇ２は、減算器ＳＢ２から出力された値と所定のゲインとの積を出力する。乗算器Ｇ２の出力値は、コンデンサ電圧のフィードバック操作量電流（第２フィードバック操作量電流）の値である。乗算器Ｇ２にて乗じられるゲインは、応答性や安定性を鑑みて設定される。
【００７１】
コンデンサ電圧制御部３２は、例えば、コンデンサ電圧指令値と、コンデンサ電圧平均値との差がゼロとなるように操作量を出力する比例制御回路又は比例積分制御回路である。
【００７２】
コンデンサ電圧バランス制御部３８は、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧値を一致させる、つまりバランスさせる操作量を出力する。例えば、コンデンサ電圧バランス制御部３８は、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧値との差がゼロとする操作量を出力する。
【００７３】
セルコンデンサ電圧バランス制御部３７は、すべてのセルコンデンサＣＡの電圧Ｖｃを一致させる、つまりバランスさせる操作量を出力する。例えば、セルコンデンサ電圧バランス制御部３７は、正側アームの単位変換器ＣのセルコンデンサＣＡと、負側アームの単位変換器ＣのセルコンデンサＣＡとの差をゼロとする操作量を出力する。
【００７４】
加算器ＡＤ１は、コンデンサ電圧制御部３２の出力（コンデンサ電圧フィードバック操作量電流）と、セルコンデンサ電圧平均値制御部３１の出力（セルコンデンサ電圧フィードバック操作量電流）との値を加算した和を交流電流制御部３３へ出力する。
【００７５】
なお、コンデンサ電圧制御部３２は、直流端子ＴＡ、ＴＢ間に電圧源（若しくは電圧源動作する回路）が接続されるときには、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧のフィードバック操作量電流をゼロとする。
【００７６】
交流電流制御部３３は、検出された正側アーム電流Ｉｐと負側アーム電流Ｉｎとの値から演算される交流電流成分Ｉａｃ（＝Ｉｐ−Ｉｎ）を演算し、交流電流成分Ｉａｃが入力される電流指令値（加算器ＡＤ１の出力値）に一致するように、電圧指令値Ｖａｃを演算する。
【００７７】
交流電流制御部３３の出力値（電圧指令値Ｖａｃ）は、コンパレータＣＯＭと、乗算器Ｍ２と、切替器ＳＮと、加算器ＡＤ３とに入力される。
加算器ＡＤ５は、コンデンサ電圧制御部３２の出力値（コンデンサ電圧のフィードバック操作量電流）と、加算器ＡＤ４の出力値とを加算して循環電流制御部３４へ出力する。
加算器ＡＤ４は、セルコンデンサ電圧バランス制御部３７の出力値と、コンデンサ電圧バランス制御部３８の出力値とを加算して出力する。
【００７８】
循環電流制御部３４は、検出された正側アーム電流Ｉｐと負側アーム電流Ｉｎとの値から循環電流成分Ｉｚ（＝（Ｉｐ＋Ｉｎ）／２）を演算し、外部から入力される指令値電流を満たす循環電流成分Ｉｚを実現するように、電圧指令値Ｖｄｃを出力する。
【００７９】
コンパレータＣＯＭは、電圧指令値Ｖａｃと基準電位とを比較して、第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗと、第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗと、第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗと、第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗとのゲート信号を出力する。
【００８０】
すなわち、コンパレータＣＯＭは、電圧指令値Ｖａｃが正（基準電圧より大きい）ときに第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗおよび第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗをオンし、電圧指令値Ｖａｃが負（基準電圧より小さい）ときに第１スイッチング素子Ｓ１Ｕ、Ｓ１Ｖ、Ｓ１Ｗおよび第３スイッチング素子Ｓ３Ｕ、Ｓ３Ｖ、Ｓ３Ｗをオフするゲート信号を出力する。
【００８１】
また、コンパレータＣＯＭは、電圧指令値Ｖａｃが負（基準電圧より小さい）ときに第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗおよび第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗをオンし、電圧指令値Ｖａｃが正（基準電圧より大きい）ときに第２スイッチング素子Ｓ２Ｕ、Ｓ２Ｖ、Ｓ２Ｗおよび第４スイッチング素子Ｓ４Ｕ、Ｓ４Ｖ、Ｓ４Ｗをオフするゲート信号を出力する。
【００８２】
乗算器Ｍ２は、交流電流制御部３３から入力された電圧指令値Ｖａｃに−１を乗じた値を、加算器ＡＤ２および切替器ＳＰへ出力する。
乗算器Ｍ１は、循環電流制御部３４から入力された電圧指令値Ｖｄｃに１／２を乗じた値を、加算器ＡＤ２、ＡＤ３および切替器ＳＮへ出力する。
【００８３】
加算器ＡＤ２は、乗算器Ｍ２から入力された値（−Ｖａｃ）と乗算器Ｍ１から入力された値（Ｖｄｃ／２）とを加算して切替器ＳＰへ出力する。
加算器ＡＤ３は、交流電流制御部３３から出力された電圧指令値Ｖａｃと、乗算器Ｍ１から入力された値（Ｖｄｃ／２）とを加算して、切替器ＳＮへ出力する。
【００８４】
切替器ＳＰ、ＳＮは、コンパレータＣＯＭの出力値が切り替わるタイミングと同期して、出力値が切り替わるように構成されている。
例えば、切替器ＳＰは、電圧指令値Ｖａｃが正（基準電圧より大きい）とき、出力値（正側アームの電圧Ｖａｒｍｐの指令値）が、加算器ＡＤ２の出力値（＝Ｖｄｃ／２−Ｖａｃ）となり、電圧指令値Ｖａｃが負（基準電圧より小さい）とき、出力値（正側アームの電圧Ｖａｒｍｐの指令値）が、乗算器Ｍ２の出力値（＝−Ｖａｃ）となるように切り替わる。
【００８５】
また、切替器ＳＮは、電圧指令値Ｖａｃが正（基準電圧より大きい）とき、出力値（負側アームの電圧Ｖａｒｍｎの指令値）が、交流電流制御部３３の出力値（＝Ｖａｃ）となり、電圧指令値Ｖａｃが負（基準電圧より小さい）とき、出力値（負側アームの電圧Ｖａｒｍｐの指令値）が、加算器ＡＤ３の出力値（＝Ｖｄｃ／２＋Ｖａｃ）となるように切り替わる。
【００８６】
ＰＷＭ制御部３５は、切替器ＳＰから入力された値を電圧指令値として、電圧指令値とキャリア波とを比較して、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの単位変換器Ｃのスイッチング素子ＳＡ、ＳＢのゲート信号を生成し、出力する。
【００８７】
ＰＷＭ制御部３６は、切替器ＳＮから入力された値を電圧指令値として、電圧指令値とキャリア波とを比較して、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの単位変換器Ｃのスイッチング素子ＳＡ、ＳＢのゲート信号を生成し、出力する。
【００８８】
図５は、図４に示すコンデンサ電圧バランス制御部の一構成例を概略的に示すブロック図である。
コンデンサ電圧バランス制御部３８は、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との電圧を一致させる、つまり電圧不均衡を解消し、バランスさせる制御を行う。
コンデンサ電圧バランス制御部３８は、移動平均算出部３８Ａ、３８Ｂと、減算器３８Ｃと、乗算器３８Ｄ、３８Ｅ、３８Ｇと、正弦波演算部３８Ｆと、を備えている。
【００８９】
移動平均算出部３８Ａは移動平均フィルタを備え、第１コンデンサＣ１の電圧の移動平均値を算出し、減算器３８Ｃへ出力する。
移動平均算出部３８Ｂは移動平均フィルタを備え、第２コンデンサＣ２の電圧の移動平均値を算出し、減算器３８Ｃへ出力する。
【００９０】
移動平均の値を用いることにより、第１コンデンサＣ１および第２コンデンサＣ２の電圧に含まれる高調波電圧を除去することができる。三相の電力変換装置に適用する場合には、移動平均算出部３８Ａ、３８Ｂでは、例えば、交流電圧の周波数の３倍で移動平均をとることが望ましい。
【００９１】
減算器３８Ｃは、移動平均算出部３８Ａの出力値を移動平均算出部３８Ｂの出力値から減算して、乗算器３８Ｄへ出力する。
なお、減算器３８Ｃの後段に移動平均算出部を配置し、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧との差の移動平均値を算出してもよい。
乗算器３８Ｄは、減算器３８Ｃから出力された値に所定のゲインを乗算して乗算器３８Ｇへ出力する。ゲインの値は応答性や安定性を鑑みて設定され、例えば、比例制御や比例積分制御が用いられる。
【００９２】
乗算器３８Ｅは、出力する交流電圧位相ωｔを奇数（＝２ｍ−１）倍した値を、正弦波演算部３８Ｆへ出力する。なお、乗算器３８Ｅで用いるｍは自然数である。
正弦波演算部３８Ｆは、乗算器３８Ｅの出力値を位相とする正弦波の値（＝ｓｉｎ（２ｍ−１）ωｔ）を乗算器３８Ｇへ出力する。
【００９３】
乗算器３８Ｇは、乗算器３８Ｄから出力された値と、正弦波演算部３８Ｆから出力された値とを乗算した値を出力する。
例えば、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧とに偏差ｅｄｃが生じると、コンデンサ電圧バランス制御部３８から、偏差ｅｄｃに比例した値（＝ｅｄｃ×Ｇ×ｓｉｎ（２ｍ−１）ωｔ）が出力される。
【００９４】
ここで、ωｔは出力する交流電圧位相である。乗算器３８Ｇから出力された値は加算器ＡＤ４、ＡＤ５を介して循環電流制御部３４に入力される。循環電流制御部３４は、上式の偏差ｅｄｃに比例した値（＝ｅｄｃ×Ｇ×ｓｉｎ（２ｍ−１）ωｔ）に対応する交流電流（第１交流電流）を含む循環電流成分Ｉｚが流れるように、電力変換装置２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４、第１セルスイッチング素子ＳＡおよび第２セルスイッチング素子ＳＢのそれぞれを制御する。すなわち、制御回路ＣＮＴは、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧との差に基づく第１交流電流を循環電流成分Ｉｚに重畳する。
【００９５】
図６および図７は、一実施形態の電力変換装置における中性点電流と循環電流成分との一例について説明するための図である。
ここでは、中性点電流Ｉｍの向きと循環電流成分Ｉｚとの向きを図６および図７に示す方向を正として説明する。すなわち、循環電流成分Ｉｚは、負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗから正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗに向かって流れる方向を正とする。中性点電流Ｉｍは、第１スイッチングレグＬ１Ｕ、Ｌ１Ｖ、Ｌ１Ｗと第２スイッチングレグＬ２Ｕ、Ｌ２Ｖ、Ｌ２Ｗとの間から、第１コンデンサＣ１と第２コンデンサＣ２との間に向かって流れる方向を正とする。
【００９６】
中性点電流Ｉｍは、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４の接続状態によって切り替わる。  
たとえば、図６に示すように、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ３とがオン、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ４とがオフのときには、循環電流成分Ｉｚと中性点電流Ｉｍとは逆向きになる。
【００９７】
一方、スイッチング素子Ｓ１とスイッチング素子Ｓ３とがオフ、スイッチング素子Ｓ２とスイッチング素子Ｓ４とがオンのときには、図７に示すように、循環電流成分Ｉｚと中性点電流Ｉｍとは同方向になる。
【００９８】
図８および図９は、スイッチング素子のそれぞれの接続状態における、循環電流成分と中性点電流との波形の一例を示す図である。
ここでは、説明上融通する電力はゼロとしているため、循環電流成分Ｉｚに直流分は重畳されていない。また、図８は、上記乗算器３８Ｅにて用いたｍを２としたときの例であり、図９は、上記乗算器３８Ｅにて用いたｍを３としたときの例である。なお、ｍを４以上としたときも同様である。また、第１コンデンサＣ１の電圧より第２コンデンサＣ２の電圧のほうが大きいことを仮定し、偏差ｅｄｃは正であるものとする。
【００９９】
中性点電流Ｉｍは、交流電圧の正の半周期の期間において循環電流成分Ｉｚを折り返した波形となる。ここで、中性点電流Ｉｍの直流分に注目すると、中性点電流Ｉｍには負の直流分が現れる。負の直流分を持つ中性点電流Ｉｍが流れると、第１コンデンサＣ１は充電され、第２コンデンサＣ２は放電する。したがって、第１コンデンサＣ１の電圧と第２コンデンサＣ２の電圧との偏差を低減するように働く。
【０１００】
図１０は、図４に示すセルコンデンサ電圧バランス制御部の一構成例を概略的に示すブロック図である。
セルコンデンサ電圧バランス制御部３７は、電力変換装置２０のすべてのセルコンデンサ電圧を一致させる、つまり電圧不均衡を解消し、バランスさせる制御を行う。なお、ここでは、Ｕ相のセルコンデンサの電圧をバランスさせる制御について説明し、Ｖ相、Ｗ相についての説明は省略する。Ｖ相およびＷ相についても、Ｕ相と同様に制御することが可能である。
【０１０１】
セルコンデンサ電圧バランス制御部３７は、正負間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７１と、相間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７２と、加算器３７Ｋと、を備える。
【０１０２】
正負間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７１では、各相について、正側アームのセルコンデンサＣＡの電圧と負側アームのセルコンデンサＣＡの電圧とをバランスさせる。
正負間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７１は、移動平均算出部３７Ａ、３７Ｂと、減算器３７Ｃと、乗算器３７Ｄ、３７Ｅ、３７Ｇと、正弦波演算部３７Ｆと、を備える。
【０１０３】
移動平均算出部３７Ａは移動平均フィルタを備え、Ｕ相の正側アームＡ１ＵのセルコンデンサＣＡの電圧平均値の移動平均値を算出し、減算器３７Ｃへ出力する。
移動平均算出部３７Ｂは移動平均フィルタを備え、Ｕ相の負側アームＡ２ＵのセルコンデンサＣＡの電圧平均値の移動平均値を算出し、減算器３８Ｃへ出力する。
移動平均の値を用いることにより、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧に含まれる高調波電圧を除去することが可能であり、交流電圧の周波数で移動平均をとることが望ましい。
【０１０４】
減算器３７Ｃは、移動平均算出部３７Ａの出力値を移動平均算出部３７Ｂの出力値から減算して、乗算器３７Ｄへ出力する。
なお、減算器３７Ｃの後段に移動平均算出部を配置し、正側アームＡ１ＵのセルコンデンサＣＡの電圧平均値と負側アームＡ２ＵのセルコンデンサＣＡの電圧平均値との差の移動平均値を算出してもよい。
【０１０５】
乗算器３７Ｄは、減算器３７Ｃから出力された値に所定のゲインを乗算して乗算器３７Ｇへ出力する。ゲインの値は応答性や安定性を鑑みて設定され、例えば、比例制御や比例積分制御が用いられる。
【０１０６】
乗算器３７Ｅは、出力する交流電圧位相ωｔを奇数（＝２ｋ−１）倍した値を、正弦波演算部３８Ｆへ出力する。なお、乗算器３７Ｅで用いるｋは、上記乗算器３８Ｅにて用いたｍとは異なる自然数である。
【０１０７】
正弦波演算部３７Ｆは、乗算器３７Ｅの出力値を位相とする正弦波の値（＝ｓｉｎ（２ｋ−１）ωｔ）を乗算器３７Ｇへ出力する。
乗算器３７Ｇは、乗算器３７Ｄから出力された値と、正弦波演算部３７Ｆから出力された値とを乗算した値を出力する。
【０１０８】
相間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７２は、移動平均算出部３７Ｈと、減算器３７Ｉと、乗算器３７Ｊと、を備えている。
移動平均算出部３７Ｈは移動平均フィルタを備え、Ｕ相のセルコンデンサＣＡの電圧平均値の移動平均値を算出して減算器３７Ｉへ出力する。
【０１０９】
減算器３７Ｉは、全てのセルコンデンサＣＡの電圧平均値から、移動平均算出部３７Ｈの出力値を減算した差を、乗算器３７Ｊへ出力する。
乗算器３７Ｊは、減算器３７Ｉの出力値に所定のゲインを乗じて出力する。
【０１１０】
加算器３７Ｋは、正負間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７１の出力値と相間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７２の出力値とを加算した和を出力する。加算器３７Ｋの出力値は、セルコンデンサ電圧バランス制御部３７の出力値として、加算器ＡＤ４、ＡＤ５を介して循環電流制御部３４へ入力される。
【０１１１】
例えば、正側セルコンデンサ電圧平均値と負側セルコンデンサ電圧平均値とに偏差ｅｃが生じると、正負間セルコンデンサ電圧バランス制御部３７１から、偏差ｅｃに比例した値（＝ｅｃ×Ｇ×ｓｉｎ（２ｋ−１）ωｔ）が出力される。ここで、ωｔは出力する交流電圧位相である。
循環電流制御部３４は、上式の偏差ｅｃに比例した値（＝ｅｃ×Ｇ×ｓｉｎ（２ｋ−１）ωｔ）に対応する交流電流（第２交流電流）を含む循環電流成分Ｉｚが流れるように、電力変換装置２０のスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４、第１セルスイッチング素子ＳＡおよび第２セルスイッチング素子ＳＢのそれぞれを制御する。すなわち、制御回路ＣＮＴは、正側アームＡ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗの複数のセルコンデンサＣＡの電圧の平均値と負側アームＡ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗの複数のセルコンデンサＣＡの電圧の平均値との差に基づき、第１交流電流と周波数の異なる第２交流電流を循環電流成分Ｉｚに重畳する。
【０１１２】
図１１は、一実施形態の電力変換装置の動作の一例について説明するための図である。
図１１には、乗算器３７Ｅで用いるｋを１としたときの循環電流成分Ｉｚ、正側アームの出力電圧Ｖａｒｍｐ、および、負側アームの出力電圧Ｖａｒｍｎの一例を示している。ここでは、正側セルコンデンサ電圧平均値より負側セルコンデンサ電圧平均値のほうが大きいと仮定し、偏差ｅｃは正である。
【０１１３】
ここで、コンデンサの電圧はコンデンサに流入する電力で変化するが、循環電流成分Ｉｚによるセルコンデンサの電圧は、正側アームの主力電圧Ｖａｒｍｐと循環電流成分Ｉｚとの積に負符号を付した値（＝−Ｖａｒｍｐ×Ｉｚ）、および、負側アーム電圧Ｖａｒｍｎと循環電流成分Ｉｚとの積に負符号を付した値（＝−Ｖａｒｍｎ×Ｉｚ）により決定される電力で変化する。
【０１１４】
正側アームの出力電圧Ｖａｒｍｐと負側アームの出力電圧Ｖａｒｍｎとをフーリエ級数展開すると、下記のように表すことができる。
Ｖａｒｍｐ＝Ｖｄｃ／４−（Ｖａｃ−Ｖｄｃ／π）×ｓｉｎωｔ＋Ｖｄｃ／π×（ｓｉｎ３ωｔ／３＋ｓｉｎ５ωｔ／５＋…）
Ｖａｒｍｎ＝Ｖｄｃ／４＋（Ｖａｃ−Ｖｄｃ／π）×ｓｉｎωｔ−Ｖｄｃ／π×（ｓｉｎ３ωｔ／３＋ｓｉｎ５ωｔ／５＋…）
また、融通する電力はゼロとし、循環電流成分Ｉｚに直流分は重畳されていないと仮定すると、Ｉｚ＝ｅｃ×Ｇ×ｓｉｎωｔである（ｋ＝１）。
【０１１５】
フーリエ級数展開した上記式において、正側アームの出力電圧Ｖａｒｍｐの第２項は負符号、負側アームの出力電圧Ｖａｒｍｎの第２項は正符号となる。したがって、−Ｖａｒｍｐ×Ｉｚにより決定される電力は正符号となり、−Ｖａｒｍｎ×Ｉｚで決定される電力は負符号となる。このことにより、正側アームのセルコンデンサの電圧平均値は増加し、負側アームのセルコンデンサの電圧平均値は低下する。すなわち、正側アームのセルコンデンサの電圧平均値と負側アームのセルコンデンサの電圧平均値との不均衡を解消することが可能になる。
【０１１６】
また、ｋ＝２以上のときについて検討すると、フーリエ級数展開した上記式の第３以降の項に基づく電力が、正側アームの出力電圧Ｖａｒｍｐと負側アームの出力電圧Ｖａｒｍｎとで符号が互いに逆となるため、ｋ＝１のときと同様に、正側アームのセルコンデンサの電圧平均値と負側アームのセルコンデンサの電圧平均値との不均衡を解消することが可能である。
【０１１７】
なお、出力したい交流電圧Ｖａｃの振幅を増加させるために一般的に用いられる３次重畳を利用した場合、ｋ＝２、つまり交流周波数の３倍の周波数を循環電流成分Ｉｚに重畳すると、運転中に出力される交流電圧Ｖａｃの大きさによっては、正側アームの出力電圧Ｖａｒｍｐと負側アームの出力電圧Ｖａｒｍｎとに含まれる３倍の周波数成分の符号が反転する可能性がある。そのため、循環電流成分Ｉｚに重畳する交流電流の符号も変える必要がある。符号を切り替えると、循環電流成分Ｉｚの指令値が不連続となる可能性があるため、３倍の周波数（ｋ＝２）を避けることが望ましい。上記のように安定性や連続性を鑑みると、ｋ＝１、ｍ＝３とすると最も精度よく制御することが可能である。
【０１１８】
上述のように、本実施形態では、２つのコンデンサＣ１、Ｃ２およびセルコンデンサＣＡの電圧の不均衡に応じて、循環電流成分Ｉｚに周波数の異なる交流２つの電流を重畳する。これにより、中性点電流Ｉｍをあらかじめ計算することなく、中性点にコンデンサＣ１、Ｃ２およびセルコンデンサＣＡのバランスを保つ電流を流すことができる。
【０１１９】
さらに、交流電圧Ｖａｃの位相によって切り替えることも不要になり、コンデンサＣ１、Ｃ２の電圧をバランスさせるための制御に必要な循環電流成分Ｉｚが不連続となることを回避できる。したがって、本実施形態によれば、応答性が向上し、コンデンサＣ１、Ｃ２の不均衡を精度よく制御できる電力変換装置を提供することができる。
すなわち、本実施形態によれば、スイッチングによる高調波および損失を抑制するとともに、所望の電力変換が可能な電力変換装置を提供することができる。
【０１２０】
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。
【０１２１】
例えば、上述の実施形態において、第１乃至第４スイッチング素子のそれぞれが１つのスイッチング素子を備えていたが、これに限定されるものではなく、第１乃至第４スイッチング素子のそれぞれが、直列に接続された複数のスイッチング素子を備えていても構わない、複数のスイッチング素子を直列に接続することにより、ここのスイッチング素子として低耐圧の素子を用いることが可能となる。
【符号の説明】
【０１２２】
１０…交流負荷、２０…電力変換装置、３１…セルコンデンサ電圧平均値制御部、３２…コンデンサ電圧制御部、３３…交流電流制御部、３４…循環電流制御部、３５、３６…ＰＷＭ制御部、３７…セルコンデンサ電圧バランス制御部、３７１…正負間セルコンデンサ電圧バランス制御部、３７２…相間セルコンデンサ電圧バランス制御部、３７Ａ、３７Ｂ、３７Ｈ…移動平均算出部、３８…コンデンサ電圧バランス制御部、３８Ａ、３８Ｂ…移動平均算出部、ＡＤ１−ＡＤ５…加算器、Ａ１Ｕ、Ａ１Ｖ、Ａ１Ｗ…正側アーム、Ａ２Ｕ、Ａ２Ｖ、Ａ２Ｗ…負側アーム、Ｃ１…第１コンデンサ、Ｃ２…第２コンデンサ、Ｇ１−Ｇ６、Ｍ１、Ｍ２…乗算器、Ｏ１Ｕ−Ｏ１Ｗ、Ｏ２Ｕ−Ｏ２Ｗ…出力端子、ＳＢ１、ＳＢ２…減算器。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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