(57)【要約】【課題】瞬時空間ベクトルの空間ベクトル電圧が多い場合であっても、三相平衡電圧を出力するのに必要な空間ベクトル電圧を迅速に選択できる電力変換装置を提供することである。【解決手段】多重変圧器１２は、複数の空間ベクトル電圧を出力する複数台の三相変換器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。制御装置１４は、複数の空間ベクトル電圧で形成される瞬時空間ベクトルから、平衡三相電圧を表す円形の軌跡を辿った出力電圧の指令値Ｖｒを満たすように空間ベクトル電圧を選択して多重変圧器１２の出力電圧を制御する際に、出力電圧の指令値Ｖｒに対し瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成し、バンド幅内の空間ベクトル電圧を選択して、選択した空間ベクトル電圧を多重変圧器１２の出力電圧として制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の空間ベクトル電圧を出力す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、
複数の空間ベクトル電圧で形成される瞬時空間ベクトルから平衡三相電圧を表す円形の軌跡を辿った出力電圧の指令値を満たすように空間ベクトル電圧を選択して前記多重変圧器の出力電圧を制御する制御装置とを備え、
前記制御装置は、前記出力電圧の指令値に対し前記瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成し、前記バンド幅内の空間ベクトル電圧を選択して、選択した空間ベクトル電圧を前記多重変圧器の出力電圧として制御することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記バンド幅は、前記バンド幅内に存在する空間ベクトルの個数が所定個数になるように定められ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３】
前記バンド幅は、前記多重変圧器の出力電圧の電圧歪み率に応じて可変とした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。
【０００５】
また、本出願人は、３台のハーフブリッジインバータのそれぞれの電圧が完全には一致しない直流電圧の中性点同士を接続線で接続し、３台のハーフブリッジインバータのそれぞれの上下アームの接続点から３相の出力端子を引き出して、出力電圧のレベル数を増加させた三相変換器を形成し、その三相変換器を直列多重化して平衡三相電圧を出力するようにした直列多重変換器を開発し、特願２００８−６１１３４号として出願している。すなわち、これは、出力電圧のレベル数を増加させることにより、多重化の三相変換器の数を増やすことなく高調波の低減を図ることができ、しかも電力損失が少なく平衡三相電圧を出力できるものである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平６−２４５５３２号公報
【特許文献２】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】
【０００７】
しかしながら、出力電圧のレベル数を増加させて数多くの空間ベクトル電圧を有した瞬時空間ベクトルを得たとしても、その瞬時空間ベクトルから円形の軌跡を辿る空間ベクトル電圧の組み合わせを迅速に選択しなければリアルタイムで三相平衡電圧を出力することができない。すなわち、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空間ベクトル電圧の組み合わせとする必要があり、その空間ベクトル電圧の組み合わせをリアルタイムで選択しなければならない。
【０００８】
例えば、特許文献１のものでは、三相変換器を多重化して出力電圧のレベル数を増加させ、六角形の頂点だけでなく六角形の各辺に位置する空間ベクトル電圧も選択できるようにしているので、六角形の頂点及び各辺の空間ベクトル電圧を選択すれば迅速に空間ベクトル電圧を選択できる。なお、その場合は、六角形を円形の軌跡に近似した特性となるので、高調波や電力損失を低減することが容易でなかった。
【０００９】
一方、特願２００８−６１１３４号のものでは、六角形の頂点及び各辺の空間ベクトル電圧といった規則性を有した空間ベクトル電圧ではなく、不規則な数多くの空間ベクトル電圧を有した瞬時空間ベクトルであるので、出力レベル数が多いことから、円形の軌跡を辿った空間ベクトル電圧の組み合わせを得ることができる。この場合、迅速に空間ベクトル電圧を選択することが必要となる。
【００１０】
本発明の目的は、瞬時空間ベクトルの空間ベクトル電圧が多い場合であっても、三相平衡電圧を出力するのに必要な空間ベクトル電圧を迅速に選択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】
【００１１】
請求項１の発明に係わる電力変換装置は、複数の空間ベクトル電圧を出力す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、複数の空間ベクトル電圧で形成される瞬時空間ベクトルから平衡三相電圧を表す円形の軌跡を辿った出力電圧の指令値を満たすように空間ベクトル電圧を選択して前記多重変圧器の出力電圧を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記出力電圧の指令値に対し前記瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成し、前記バンド幅内の空間ベクトル電圧を選択して、選択した空間ベクトル電圧を前記多重変圧器の出力電圧として制御することを特徴とする。
【００１２】
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、前記バンド幅は、前記バンド幅内に存在する空間ベクトルの個数が所定個数になるように定められることを特徴とする。
【００１３】
請求項３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、前記バンド幅は、前記多重変圧器の出力電圧の電圧歪み率に応じて可変としたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、出力電圧の指令値に対し瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成し、バンド幅内の空間ベクトル電圧を選択して、選択した空間ベクトル電圧を多重変圧器の出力電圧として出力するので、出力指令値の近傍の空間ベクトル電圧を迅速に選択できる。
【００１５】
また、バンド幅内に存在する空間ベクトルの個数が所定個数になるようにバンド幅を定めるので、平衡三相電圧に含まれる高調波や電力損失の発生量を所定量以下に抑制できる。さらに、多重変圧器の出力電圧の電圧歪み率に応じて可変とするので平衡三相電圧に含まれる高調波を制御できる。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図１は本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の一例の構成図である。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。直列多重化された３個の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃは、出力電圧のレベル数が多くなるように構成されている。すなわち、三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの出力電圧は、多重変圧器１２でベクトル加算されるので、多重変圧器１２で得られた空間ベクトル電圧の数が多くなるように、各々の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの直流電圧がそれぞれ異なるように構成されている。
【００１７】
制御装置１４は、３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを制御して多重変圧器１２の出力電圧を制御するものであり、複数の空間ベクトル電圧で形成される瞬時空間ベクトルから、出力電圧の指令値Ｖｒを満たすように、空間ベクトル電圧を選択して多重変圧器１２から出力される出力電圧を制御する。
【００１８】
すなわち、制御装置１４は、出力電圧の指令値Ｖｒに対し瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成するバンド幅設定手段１５を有し、空間ベクトル電圧選択手段１６は、バンド幅設定手段１５で設定されたバンド幅内の空間ベクトル電圧を選択して出力制御手段１７に出力する。出力制御手段１７は、３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの出力電圧が空間ベクトル電圧選択手段１６で選択された空間ベクトル電圧となるように３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃを制御する。これにより、多重変圧器１２からの出力電圧は空間ベクトル電圧選択手段１６で選択された空間ベクトル電圧となり、出力電圧の指令値Ｖｒに従った出力となる。
【００１９】
図２は、多重化接続された３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃの一例を示す構成図である。この一例では３台の三相変換器１１ａ、１１ｂ、１１ｃは同一構成で、直流電圧Ｅ１、Ｅ２、Ｅ３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。これにより、多数の空間ベクトル電圧が得られるようにしている。
【００２０】
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を有しており、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】
図３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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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４に示すように、合計４２個の出力電圧が得られる。
【００２６】
図５は、図４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１１ｃ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５に示すように、図４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。
【００２７】
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。
【００２８】
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５に示すように、合計２５８個の出力電圧が得られる。
【００２９】
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。
【００３０】
一方、図５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５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。図７では合計で３００個という出力電圧のレベル数が多い空間ベクトル電圧が得られている。
【００３１】
図８は、図７に示す瞬時空間ベクトルから電力変換装置の出力電圧がその指令値Ｖｒに従った出力電圧となるように空間ベクトル電圧を選択する場合の説明図である。いま、出力電圧の指令値Ｖｒが与えられたとする。出力電圧の指令値Ｖｒは、平衡三相電圧を表す円形の軌跡を辿った特性で示される。
【００３２】
制御装置のバンド幅設定手段１５は円形の出力電圧の指令値Ｖｒに対し、瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成する。上限値ＵＬ及び下限値ＬＬは円形特性であり、上限値ＵＬは出力電圧の指令値Ｖｒの外側に形成され、下限値ＬＬは出力電圧の指令値Ｖｒの内側に形成される。制御装置１４の空間ベクトル電圧選択手段１６は、上限値ＵＬ及び下限値ＬＬで形成される円環状のバンド幅内に存在する空間ベクトル電圧（二重丸）を選択して出力制御手段１７に出力する。
【００３３】
ここで、上限値ＵＬ及び下限値ＬＬは出力電圧の指令値Ｖｒに対して予め定めた値ｄを加減算して設定する。例えば、上限値ＵＬ（Ｖｒ＋ｄ）とし、下限値ＬＬ（Ｖｒ−ｄ）としてバンド幅を定める。また、バンド幅は、出力電圧の指令値Ｖｒを中心として定めたバンド幅内に存在する空間ベクトルの個数が所定個数となるように定めることも可能である。例えば、空間ベクトルの個数が３０個とか５０個とか予め定めた個数としてバンド幅を定める。また、季節、昼夜、電力需要等に応じて可変とするようにしてもよい。これにより、電力系統が高調波を許容するときは、バンド幅を広くして出力電圧の指令値Ｖｒからのずれを許容した出力電圧での運転とすることが可能となる。
【００３４】
さらには、多重変圧器１２の出力電圧の電圧歪み率に応じて可変とするようにしてもよい。図９は出力電圧の電圧歪み率に応じてバンド幅を可変にする場合の電力変換装置の構成図である。制御装置１４に電圧歪み率算出手段１８を設け、電圧検出器１９で検出された多重変圧器１２の出力電圧の電圧歪み率を計算し、バンド幅設定手段１５は出力電圧の電圧歪み率が所定範囲になるようにハンド幅を定めることになる。これにより、平衡三相電圧に含まれる高調波を制御できる。
【００３５】
本発明の実施の形態によれば、制御装置１４のバンド幅設定手段１５は、出力電圧の指令値Ｖｒに対して瞬時空間ベクトル上で上下限値を設定した円環状のバンド幅を形成し、制御装置１４の空間ベクトル電圧選択手段１６は、バンド幅内の空間ベクトル電圧を選択するだけであるので、出力電圧の指令値Ｖｒの近傍の空間ベクトル電圧を迅速に選択できる。そして、出力制御手段１７は、その選択した空間ベクトル電圧を多重変圧器１２の出力電圧として制御して出力するので、多重化の三相変換器の数を増やすことなく高調波の低減を図ることができ、しかも電力損失が少なく平衡三相電圧を出力できる。
【００３６】
また、バンド幅内に存在する空間ベクトルの個数が所定個数になるようにバンド幅を定めるので、平衡三相電圧に含まれる高調波や電力損失の発生量を所定量以下に抑制できる。さらに、多重変圧器１２の出力電圧の電圧歪み率に応じて可変とした場合には平衡三相電圧に含まれる高調波を制御できる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の一例の構成図。
【図２】本発明の実施の形態における多重化接続された３台の三相変換器の一例を示す構成図。
【図３】本発明の実施の形態における多重化接続された３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瞬時空間ベクトルを表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５】図４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６】本発明の実施の形態における多重化接続された３台の三相変換器のうち直流電圧が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おける多重化接続された３台の三相変換器が取り得る瞬時空間ベクトル図。
【図８】図７に示す瞬時空間ベクトルから電力変換装置の出力電圧の指令値Ｖｒを満たすように空間ベクトル電圧を選択する場合の説明図。
【図９】本発明の実施の形態に係わる電力変換装置の他の一例の構成図。
【符号の説明】
【００３８】
１１…三相変換器、１２…多重変圧器、１３…電力系統、１４…制御装置、１５…バンド幅設定手段、１６…空間ベクトル電圧選択手段、１７…出力制御手段、１８…電圧歪み算出手段、１９…電圧検出器
【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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