(57)【要約】【課題】多重化の三相変換器の出力電圧の数を増加させることができ、特定領域の出力電圧の数を増やすことができる電力変換装置を提供することである。【解決手段】直流電圧が異なる複数台の三相変換器１１を多重変圧器１２で直列多重化して電力系統に三相電圧を出力する。複数台の三相変換器１１の直流電圧は、複数台の各々の三相変換器１１の出力電圧を順次ベクトル加算して得られる空間ベクトル電圧が重ならないように定められ、制御装置１４は、多重変圧器１２の出力電圧が平衡三相電圧になるように、複数台の三相変換器１１を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧が異なる複数台の三相変換器と、
複数台の前記三相変換器を直列多重化して三相電圧を出力する多重変圧器と、
前記多重変圧器の出力電圧が平衡三相電圧になるように複数台の前記三相変換器を制御する制御装置とを備え、
複数台の前記三相変換器の直流電圧は、複数台の各々の三相変換器の出力電圧を順次ベクトル加算して得られる空間ベクトル電圧が重ならないように定めたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記制御装置は、複数台の前記三相変換器のうち直流電圧が最も高い三相変換器の出力電圧に、残りの三相変換器の出力電圧を順次ベクトル加算した空間ベクトル電圧を求めることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は直流を三相交流に変換する三相変換器を多重接続した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流を交流に変換するには、インバータを構成するパワー半導体スイッチング素子（例えば、ＩＧＢＴ）をオンオフ制御して直流を切り刻み擬似的な正弦波交流を発生させる。これにより、発生した交流は高調波電圧歪みを多量に含んでいるため、この高調波電圧歪みをいかにして低減させるかについて、パワーエレクトロニクス技術分野においては様々な対策が提案されている。
【０００３】
高調波を低減する対策の一つとしてＰＷＭ制御を行うことがあるが、ＰＷＭ制御の場合には、スイッチング周波数が増加するにつれて変換器の損失が増大する。そこで、複数のインバータの出力を組み合わせて、より正弦波に近づける多重化方式が大容量インバータの高調波の低減に用いられている。さらには、また、多重インバータとＰＷＭ制御とを併用し、インバータおよび多重変圧器を同一容量、同一仕様にすることができるようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
また、最近、単相インバータを直列に組み合わせることによって、デジタル的に電圧パルスを発生し高調波を低減する方式が開発されている（例えば、特許文献２参照）。これは、単相インバータを複数直列接続し、発生電圧が逆極性のものを含むことを可能にして複数の単相インバータの中から選択された所定の組み合わせによる各発生電圧の総和により出力電圧を階調制御し、各単相インバータにおける電圧出力時の発生電圧値（絶対値）の比は、１：２：４または１：３：Ｋ（Ｋ；４〜９の整数）とし、インバータ装置の出力側に大容量の出力フィルタを必要とせずに滑らかな交流出力波形を得ることを可能にして、装置構成の簡略化、小型化、低コスト化を図るものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平６−２４５５３２号公報
【特許文献１】特開２００４−７９４１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、インバータを多重化しても出力電圧のレベル数には限界がある。図８は、１台の三相変換器の瞬時空間ベクトルを表した瞬時空間ベクトル図である。１台の三相変換器では０Ｖを除き、図８に示すように、正六角形Ａ１の頂点に位置する電圧の出力が可能である。すなわち、１台の三相変換器が出力し得る出力電圧は正六角形Ａ１の頂点に位置する６個の電圧である。以下の説明では、出力電圧が０Ｖである場合は除いて説明する。
【０００７】
次に、２重化三相変換器では、図９に示すように、単独の三相変換器の６個の出力電圧に加え、正六角形Ａ２の線上に位置する１２個の電圧が追加された１８個の出力電圧となる。すなわち、２台の三相変換器のいずれか一方の三相変換器１１のみの運転の場合は、１台の三相変換器の場合と同様に、正六角形Ａ１の頂点に位置する６個の電圧となる。一方、２台の三相変換器の双方を運転したときは、正六角形Ａ１の頂点を中心とする６個の正六角形の頂点の電圧が追加されることになるが、そのうち、頂点が重複する部分があるので、１２個の電圧が追加して出力可能となる。追加された１２個の電圧は、図９に示すように、正六角形Ａ２の線上に位置する。これにより、三相変換器を２重化することにより、１８個の出力電圧を出力可能となる。
【０００８】
次に、３重化三相変換器では、図１０に示すように、２重化の三相変換器の１８個の出力電圧に加え、正六角形Ａ３の線上に位置する１８個の電圧が追加された３６個の出力電圧となる。すなわち、３台の三相変換器のいずれかの三相変換器のみの運転の場合は、１台の三相変換器の場合と同様に、正六角形Ａ１の頂点に位置する６個の電圧となる。いずれか２台の三相変換器を運転したときは、それに加えて正六角形Ａ２の線上に位置する１２個の電圧が出力可能となる。さらに、３台の三相変換器を運転したときはそれに加えて正六角形Ａ３の線上に位置する１８個の電圧が出力可能となる。これにより、三相変換器１１を３重化することにより、２重化三相変換器に比較し１８個の電圧の出力レベルを増加させることができる。
【０００９】
このように、三相変換器を多重化すると出力電圧のレベル数は増加するが、正弦波に近似した出力電圧にするには、瞬時空間ベクトル図で円形の軌跡を辿った電圧ベクトルの組み合わせとする必要があるので、円形の軌跡を辿って電圧を出力するには出力電圧のレベル数はまだ不足している。一方、ＰＷＭ制御によりスイッチング素子のスイッチング周波数を高くすると高調波を低減できるが、スイッチング周波数が増加するにつれて三相変換器の損失が増大する。
【００１０】
図１１は、特許文献２における電力変換装置で各単相インバータにおける電圧出力時の発生電圧値（絶対値）の比を１：２：４とした場合の瞬時空間ベクトル図である。図１１に示すように、１６８個の出力電圧となる。すなわち、１辺が４である正六角形Ａ１１の頂点の電圧（６個）、正六角形Ａ１１の６個の頂点を中心とする１辺が２である６個の正六角形Ａ１２の各々の頂点の電圧（３６個）、正六角形Ａ１２の６個の頂点を中心とする１辺が１である３６個の正六角形Ａ１３の各々の頂点の電圧（２１６個）が出力可能となるが、そのうち、頂点が重複する部分があるので、重複しない頂点の１６８個の電圧が追加して出力可能となる。
【００１１】
このように、特許文献２の電力変換装置では、０から１ＰＵまで均等に空間ベクトル電圧が分布しているので、インバータの交流電圧が低いときから高いときまで平均的に高調波を減らす用途、例えば、モータ駆動等の用途には適しているが、系統連系など出力電圧がほぼ所定値の近傍しか変動しないような場合においては、所定値近傍以外の領域での出力電圧は必要としないので、必ずしも最適な空間ベクトル電圧を生成するものとはいえない。
【００１２】
本発明の目的は、多重化の三相変換器の出力電圧の数を増加させることができ、特定領域の出力電圧の数を増やすことができ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】
【００１３】
請求項１の発明に係わる電力変換装置は、直流電圧が異なる複数台の三相変換器と、複数台の前記三相変換器を直列多重化して三相電圧を出力する多重変圧器と、前記多重変圧器の出力電圧が平衡三相電圧になるように複数台の前記三相変換器を制御する制御装置とを備え、複数台の前記三相変換器の直流電圧は、複数台の各々の三相変換器の出力電圧を順次ベクトル加算して得られる空間ベクトル電圧が重ならないように定めたことを特徴とする。
【００１４】
請求項２の発明に係わる電力変換装置は、請求項１の発明において、前記制御装置は、複数台の前記三相変換器のうち直流電圧が最も高い三相変換器の出力電圧に、残りの三相変換器の出力電圧を順次ベクトル加算した空間ベクトル電圧を求めることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、複数台の各々の三相変換器の出力電圧を順次ベクトル加算して得られる空間ベクトル電圧が重ならないように、複数台の各々の三相変換器の直流電圧を定めているので、瞬時空間ベクトルの空間ベクトル電圧の数を増やすことができる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、複数台の三相変換器のうち直流電圧が最も高い三相変換器の出力電圧に、残りの三相変換器の出力電圧を順次ベクトル加算した空間ベクトル電圧を求めるので、空間ベクトルの分布を不均一にすることができ、特定領域（例えば、標準電圧領域）の出力電圧の数を増やすことができる。これにより、滑らかな交流出力波形を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の構成図。
【図２】本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の直流電圧が最も高い三相変換器の瞬時空間ベクトルを表した瞬時空間ベクトル図。
【図３】図２に示した空間ベクトル電圧に対し直流電圧が２番目に高い三相変換器による出力電圧をベクトル加算した瞬時空間ベクトル図。
【図４】図３に示した空間ベクトル電圧に対し直流電圧が３番目に高い三相変換器による出力電圧をベクトル加算した瞬時空間ベクトル図。
【図５】図４に示す瞬時空間ベクトルから電力変換装置の出力電圧を選択する場合の説明図。
【図６】直流電圧が２番目に高い三相変換器と直流電圧が３番目に高い三相変換器との２台を運転した場合の瞬時空間ベクトル図。
【図７】本発明の実施の形態に係わる電力変換装置が取り得る瞬時空間ベクトル図。
【図８】１台の三相変換器の瞬時空間ベクトルを表した瞬時空間ベクトル図。
【図９】従来の２重化三相変換器の瞬時空間ベクトルを表した瞬時空間ベクトル図。
【図１０】従来の３重化三相変換器の瞬時空間ベクトルを表した瞬時空間ベクトル図。
【図１１】特許文献２における電力変換装置で各単相インバータにおける電圧出力時の発生電圧値（絶対値）の比を１：２：４とした場合の瞬時空間ベクトル図。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の構成図である。本発明の実施の形態に係わる電力変換装置は、３個の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを多重変圧器１２で直列接続して３重化されて構成され、３個の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、多重変圧器１２を介して電力系統１３に接続されている。多重変圧器１２は３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを直列多重化して三相電圧を電力系統１３に出力する。
【００１９】
３個の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃは同一構成で、直流電圧はそれぞれ異なっている。すなわち、三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの直流電圧Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３は、複数台の各々の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの出力電圧を順次ベクトル加算して得られる空間ベクトル電圧が重ならないように定められている。本発明の実施の形態では、三相変換器１１ａの直流電圧Ｅ１はＥ、三相変換器１１ｂの直流電圧Ｅ２は（Ｅ／３）、三相変換器１１ｃの直流電圧Ｅ３は（２Ｅ／９）に定められている。
【００２０】
そして、３個の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の三相に対して、それぞれ各相の上下アーム（各相のレグ）にスイッチング素子Ｓを有している。すなわち、三相変換器１１ａは、Ｕ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｕ１１、Ｓｕ１２、Ｖ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｖ１１、Ｓｖ１２、Ｗ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｗ１１、Ｓｗ１２をそれぞれ有する。三相変換器１１ｂは、Ｕ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｕ２１、Ｓｕ２２、Ｖ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｖ２１、Ｓｖ２２、Ｗ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｗ２１、Ｓｗ２２をそれぞれ有する。同様に、三相変換器１１ｃは、Ｕ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｕ３１、Ｓｕ３２、Ｖ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｖ３１、Ｓｖ３２、Ｗ相に対して一対のスイッチング素子Ｓｗ３１、Ｓｗ３２をそれぞれ有する。
【００２１】
制御装置１４は、３個の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各スイッチング素子Ｓをオンオフ制御する図示省略のゲート制御回路に制御指令を出力し、多重変圧器１２の出力電圧が滑らかな平衡三相電圧になるように３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを制御する。
【００２２】
図２は、直流電圧が最も高い三相変換器１１ａの瞬時空間ベクトルを表した瞬時空間ベクトル図である。出力電圧のうち０Ｖを除くと、正六角形Ｘ１の頂点に位置する電圧の出力が可能である。すなわち、直流電圧が最も高い三相変換器１１ａが出力し得る出力電圧は正六角形Ｘ１の頂点に位置する６個の電圧であり、０点からの距離及び正六角形Ｘ１の各辺の長さは、三相変換器１１ａの直流電圧Ｅ１（＝Ｅ）に相当する値である。
【００２３】
図３は、図２に示した空間ベクトル電圧に対し、直流電圧が２番目に高い三相変換器１１ｂによる出力電圧をベクトル加算した瞬時空間ベクトル図である。図３に示すように、正六角形Ｘ１の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ２の頂点の電圧が追加されている。
【００２４】
すなわち、直流電圧が最も高い三相変換器１１ａの出力電圧に、直流電圧が２番目に高い三相変換器１１ｂの出力電圧がベクトル加算され、図３に示すように、正六角形Ｘ１の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ２の頂点の３６個（６×６個）の電圧が追加されている。
【００２５】
正六角形Ｘ１の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ２の頂点の電圧は、三相変換器１１ｃによる出力電圧に、三相変換器１１ｂによる出力電圧をベクトル加算した電圧であり３６個の電圧である。正六角形Ｘ２の中心点からの距離及び正六角形Ｘ２の各辺の長さは、三相変換器１１ｂの直流電圧Ｅ２（＝Ｅ／３）に相当する値である。
【００２６】
このように、２台の三相変換器１１ａ、１１ｂを運転すると、三相変換器１１ａによる正六角形Ｘ１の頂点に位置する６個の電圧と、正六角形Ｘ１の頂点を中心とする三相変換器１１ｂによる６個の正六角形Ｘ２の頂点に位置する３６個の電圧とが得られる。この場合、正六角形Ｘ１の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ２の頂点の電圧は、重複する部分がないので、６個の電圧及び３６個の電圧がそのまま得られる。従って、全体として、図３に示すように、合計４２個の出力電圧が得られる。
【００２７】
図４は、図３に示した空間ベクトル電圧に対し、直流電圧が３番目に高い三相変換器１１ａによる出力電圧をベクトル加算した瞬時空間ベクトル図である。図４に示すように、図３に示した空間ベクトル電圧に対し、正六角形Ｘ２の頂点を中心とする３６個の正六角形Ｘ３の頂点の２１６個（３６×６個）の出力電圧が追加されている。
【００２８】
６個の正六角形Ｘ２の頂点を中心とする３６個の正六角形Ｘ３の頂点の電圧は、三相変換器１１ｂによる出力電圧に、三相変換器１１ｃによる出力電圧をベクトル加算した電圧であり２１６個（３６×６個）の電圧である。正六角形Ｘ３の中心点からの距離及び正六角形Ｘ３の各辺の長さは、三相変換器１１ｃの直流電圧Ｅ３（＝２Ｅ／９）に相当する値である。
【００２９】
このように、３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを運転すると、三相変換器１１ａによる正六角形Ｘ１の頂点に位置する６個の電圧と、正六角形Ｘ１の頂点を中心とする三相変換器１１ｂによる６個の正六角形Ｘ２の頂点に位置する３６個の電圧と、正六角形Ｘ２の頂点を中心とする三相変換器１１ｃによる３６個の正六角形Ｘ３の頂点に位置する２１６個の電圧とが得られる。この場合、正六角形Ｘ１の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ２の頂点の３６個の電圧、及び正六角形Ｘ２の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ３の頂点の２１６個の電圧は、重複する部分がないので、６個の電圧、３６個の電圧及び２１６個の電圧がそのまま得られる。従って、全体として、図４に示すように、合計２５８個の出力電圧が得られる。
【００３０】
しかも、三相変換器１１ａによる正六角形Ｘ１の頂点に位置する６個の電圧の近傍領域（標準電圧領域）において、空間ベクトル電圧が密となる瞬時空間ベクトルを得ることができるので、瞬時空間ベクトルの分布を不均一にすることができ、特定領域（例えば、標準電圧領域）の出力電圧の数を増やすことができる。これにより、滑らかな交流出力波形を得ることができる。
【００３１】
図５は、図４に示す瞬時空間ベクトルから電力変換装置の出力電圧を選択する場合の説明図である。図４に示す瞬時空間ベクトルでは２５８個の空間ベクトル電圧が得られている。この２５８個の空間ベクトル電圧のうち、黒丸を頂点とする空間ベクトル電圧を選択すると、半径がＥの円に近い特性が得られる。また、黒四角を頂点とする空間ベクトル電圧を選択すると、半径が４Ｅ／３の円に近い特性が得られ、黒三角を頂点とする空間ベクトル電圧を選択すると、半径が２Ｅ／３の円に近い特性が得られる。
【００３２】
ここで、３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃのうち直流電圧が最も高い三相変換器１１ａを停止し、直流電圧が２番目に高い三相変換器１１ｂと直流電圧が３番目に高い三相変換器１１ｃとの２台を運転した場合には、図６に示すように、正六角形Ｘ２の頂点の６個の電圧、正六角形Ｘ２の頂点を中心とする６個の正六角形Ｘ３の頂点の３６個の電圧が得られる。つまり、０点を除くと、合計４２個の電圧が得られる。なお、図６では０点を大きい黒丸で示している。
【００３３】
一方、図４に示すように、３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを運転した場合には、０Ｖ付近の中心部には空間ベクトル電圧が存在しない瞬時空間ベクトルとなるが、三相変換器１１ａを停止し、２台の三相変換器１１ｂ、１１ｃを運転すると、０Ｖ付近の中心部にも空間ベクトル電圧が存在する瞬時空間ベクトルを得ることができる。従って、図４の瞬時空間ベクトルと図６の瞬時空間ベクトルとを合体すると、図７に示すように、半径がＥの円に近い標準電圧領域だけでなく、０Ｖ付近の中心部にも空間ベクトル電圧が存在する瞬時空間ベクトルを得ることができる。
【００３４】
本発明の実施の形態によれば、各々の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの出力電圧を順次ベクトル加算して得られる空間ベクトル電圧が重ならないように、各々の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの直流電圧Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３を定めているので、瞬時空間ベクトルの空間ベクトル電圧の数を増やすことができる。例えば、ｎ台の三相変換器１１とした場合には、６＋６２＋…６ｎ個の空間ベクトル電圧が得られる。従って、多重化の三相変換器の出力電圧の数を増やすことができ、系統連系インバータにおいて同じパルス数で高調波を抑制することができる。
【００３５】
また、３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃのうち直流電圧が最も高い三相変換器１１ａの出力電圧に、残りの三相変換器１１ｂ、１１ｃの出力電圧を順次ベクトル加算した空間ベクトル電圧を求めるので、空間ベクトル電圧の分布を不均一にすることができ、特定領域（例えば、標準電圧領域）の出力電圧の数を増やすことができる。これにより、滑らかな交流出力波形を得ることができる。
【符号の説明】
【００３６】
１１…三相変換器、１２…多重変圧器、１３…電力系統、１４…制御装置
【図１】
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【図２】
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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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