(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流と直流との間で電力変換を行う複数の変換器の交流側を変換装置用変圧器の直流巻線に印加し、該変圧器の交流巻線を直列に接続して多重化し、前記複数の各変換器の直流側が直列に接続された電圧形自励多重変換装置において、
前記各変換器ごとに、各変換器の直流電圧と、全変換器の直流電圧の平均値との差電圧を求め、前記各変換器が発生する交流電圧を交流電流の位相に合わせて補正する補正信号を生成する手段と、
該補正信号を前記各変換器の制御信号に加算する手段と、
該加算により各変換器が発生する交流電圧を補正して各変換器の直流電圧を前記平均値に一致させる制御を行う手段と
を備えることを特徴とする電圧形自励多重変換装置。
【請求項２】
請求項１において、前記直列接続した変圧器の交流巻線側の交流電流の位相を検出する手段と、前記補正信号の位相を前記検出した位相と同相にする手段とを備えることを特徴とする電圧形自励多重変換装置。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかにおいて、前記直列接続した変圧器の交流巻線側の交流電流の振幅を検出する手段と、前記補正信号の振幅を前記検出した振幅に反比例させる手段とを備えることを特徴とする電圧形自励多重変換装置。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれか１項において、前記補正信号を生成する手段は前記補正信号を正弦波として出力することを特徴とする電圧形自励多重変換装置。
【請求項５】
交流と直流との間で電力変換を行う複数の変換器の交流側を変換装置用変圧器の直流巻線に印加し、該変圧器の交流巻線を直列に接続して多重化し、前記複数の各変換器の直流側が直列に接続された電圧形自励多重変換装置の電力変換方法において、
前記各変換器ごとに、各変換器の直流電圧と、全変換器の直流電圧の平均値との差電圧を求め、前記各変換器が発生する交流電圧を交流電流の位相に合わせて補正する補正信号を生成し、
該補正信号を前記各変換器の制御信号に加算し、
該加算により各変換器が発生する交流電圧を補正して各変換器の直流電圧を前記平均値に一致させる制御を行う
ことを特徴とする電圧形自励多重変換装置の電力変換方法。
【請求項６】
請求項５において、前記直列接続した変圧器の交流巻線側の交流電流の位相を検出し、前記補正信号の位相を前記検出した位相と同相にしたことを特徴とする電圧形自励多重変換装置の電力変換方法。
【請求項７】
請求項５または請求項６のいずれかにおいて、前記直列接続した変圧器の交流巻線側の交流電流の振幅を検出し、前記補正信号の振幅を前記検出した振幅に反比例させたことを特徴とする電圧形自励多重変換装置の電力変換方法。
【請求項８】
請求項５乃至請求項７のいずれか１項において、前記補正信号を正弦波としたことを特徴とする電圧形自励多重変換装置の電力変換方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は半導体電力変換装置に係り、特に、複数の電圧形自励変換器の交流電圧を変換装置用変圧器の交流巻線で直列に接続して加算することにより多重化した電圧形自励多重変換装置とその電力変換方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図９は、複数の電圧形自励変換器を用いて多重化した電圧形自励多重変換装置の構成図である。すなわち、各変換器４１，４２の直流回路は並列に接続されており、一方、各変換器の交流側は変換装置用変圧器５１，５２に接続されており、この変換装置用変圧器５１，５２の交流巻線は直列に接続されている。従って、交流電圧は加算される。
【０００３】
この図９に示す従来の変換装置の構成では、変換器４１，４２の直流回路を並列に接続するため、直流電圧を高くすることが困難である。このため、直流電圧を高くする必要のある場合には、図８または図７に示す様に、直流回路を直列接続する構成が考えられる。しかしこれらの構成によると、変換器４１と変換器４２の変換電力が制御の誤差などの影響によって必ずしも等しくなくなり、直流電圧の分担ができなくなる問題が発生する。この問題を解決するため、直流電圧分担を均一化する制御が必要となる。
【０００４】
図８の構成の場合、二つの変換器は変換装置用変圧器の交流側が並列接続となっているため独立に制御が可能であり、それぞれで電圧分担を制御することは容易に可能である。しかしながら、交流側が並列接続であることから、変換装置用変圧器５１，５２を介して２台の変換器間で横流が発生する欠点がある。特に大電力の変換器では、パルス数を低くするため、横流抑制が困難であり採用には多くの問題がある。
【０００５】
図７の構成の場合、変換装置用変圧器５１，５２の交流巻線が直列に接続されており、交流電流が共通になるため、２台の変換器を独立に制御できず、電圧分担制御を行うことが困難である。このため、例えば昭和６３年電気学会全国大会Ｓ．７−５新エネルギーとパワーエレクトロニクスに示されるような構成があるが、回路が複雑化するという問題がある。また直列数が３以上の場合には採用できないという問題もある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
高い直流電圧を取り扱うには直流回路を３つ以上直列に接続する必要が生じるが、実機に適用するには、回路構成を簡単にし、しかも直流分圧分担を均一化しなければならないという問題がある。この問題は上述した従来技術では解決できず、新たな技術を開発する必要がある。
【０００７】
本発明の目的は、直流回路が直列接続され、変換装置用変圧器の交流巻線が直列接続された多重の電圧形自励多重変換装置において、簡単な回路構成で直流電圧の均一化を可能とする電圧形自励多重変換装置とその電力変換方法を提供することにある。
【０００８】
【問題を解決するための手段】
上記目的は、複数の変換器の交流電圧が変換装置用変圧器の交流巻線側で直列に接続されて多重化され、各変換器の直流回路が直列に接続された電圧形自励多重変換装置において、各変換器ごとにその直流電圧と全変換器の直流電圧の平均値との差電圧とから各変換器の交流電圧を補正する補正信号を生成し、該補正信号を変換装置の制御信号に加算し、該加算により各変換器の交流電圧を補正して直流電圧の調整を行い直流電圧を平均値に一致させることで、達成される。
【０００９】
上記目的は、好適には、交流電流の位相を検出し、前記補正信号の位相を前記検出した位相と同相とすることで、達成される。
【００１０】
上記目的は、好適には、交流電流の振幅を検出し、前記補正信号の振幅を前記検出した振幅に反比例させることで、達成される。
【００１１】
上記目的は、好適には、前記補正信号を正弦波とすることで、達成される。
【００１２】
【作用】
各変換器の交流電流は共通であり、各変換器の交流電圧を補正することにより、各変換器の変換電力を補正して電圧分担の均一化を図ることができる。その際、補正電圧は全変換器分の合計では０となるようにして、電圧分担制御と変換装置の制御との干渉がないようにできる。
【００１３】
また、補正電圧を交流電流位相に同期させると、各変換器の変換電力の方向によらず補正が可能となる。
【００１４】
更に、補正電圧の大きさを交流電流の大きさに反比例させることにより、補正制御が電流の大きさの影響を受けないようにして電圧分担の均等化を図ることが可能となる。
【００１５】
更にまた、補正電圧波形を正弦波とすることにより、出力電圧のひずみを発生させず電圧分担の均一化が可能となる。
【００１６】
【実施例】
以下、本発明の一実施例を図面を参照して説明する。
まず、実施例の説明の前に、電圧分担の問題について詳細に検討してみる。簡単化のため図７のように２台の変換器が直列接続されている場合を考える。制御装置も含めた構成を図６に示す。装置全体は制御装置２０からの信号Ｖｃにより制御される。各変換器のパルス制御は、通常はＰＷＭ（パルス幅変調）制御が用いられる。すなわち、Ｖｃは各変換器のＰＷＭパルス発生器２１，２２に入力され、そこで変換器のオン，オフパルスが発生され、それに従って変換器４１，４２が動作する。
【００１７】
これにより、各変換器４１，４２は、変換装置用変圧器５１，５２の直流巻線にそれぞれ交流電圧ｖ１とｖ２とを発生する。基本波成分だけを取出してそれを
ｖ１＝√２・Ｖ１・ｓｉｎ（ωｔ）                    （１）
ｖ２＝√２・Ｖ２・ｓｉｎ（ωｔ）                    （２）
とする。Ｖ１，Ｖ２は、交流電圧実効値、ωは角周波数、ｔは時間である。なお図では三相変換装置であるが、その場合は上記電圧はその正相成分と考えればよい。
【００１８】
変換装置用変圧器の交流巻線は直列に接続されており、各変換器の交流電流ｉは共通の値
ｉ＝√２・Ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）                （３）
となっている。Ｉは交流電流の実効値、φは電圧に対する位相である。各変換器の出力電力は
変換器４１    Ｐ１＝Ｖ１・Ｉ・ｃｏｓφ                        （４）
変換器４２    Ｐ２＝Ｖ２・Ｉ・ｃｏｓφ                        （５）
となる。
【００１９】
ところで変換器の出力電圧は前述のように一般にはＰＷＭで制御される。各変換器の直流電圧をＥｄ１，Ｅｄ２とし、ＰＷＭの変調率をｋとしたとき、各変換器の交流電圧実効値は
Ｖ１＝Ａ・ｋ・Ｅｄ１                          （６）
Ｖ２＝Ａ・ｋ・Ｅｄ２                          （７）
となる。ただしＡは比例定数である。これを（４）（５）式に代入して
Ｐ１＝Ａ・ｋ・Ｅｄ１・Ｉ・ｃｏｓφ                  （８）
Ｐ２＝Ａ・ｋ・Ｅｄ２・Ｉ・ｃｏｓφ                  （９）
各変換器の直流電流は
Ｉｄ１＝Ｐ１／Ｅｄ１＝Ａ・ｋ・Ｉ・ｃｏｓφ          （１０）
Ｉｄ２＝Ｐ２／Ｅｄ２＝Ａ・ｋ・Ｉ・ｃｏｓφ          （１１）
となる。これから直流電圧が異なっていても基本的にはＩｄ１とＩｄ２とは等しくなることが分かる。
【００２０】
実際には、変換器はＰＷＭの誤差などの影響を受け、上記の理想的な値から異なってくる。このためＩｄ１とＩｄ２とに差が発生し、電圧分担の不平衡が発生する。不平衡が発生しても、上記結果のように電圧が高い方が電流が低減して電圧分担を補正するという機能はなく、不平衡は補正されないまま拡大していくことになる。
【００２１】
また別の方式として、図５に示すように、各変換器の交流電圧が直流電圧の影響を受けないように、制御信号ＶｃをＰＷＭパルス発生器入力において基準直流電圧Ｅｄに正規化する方式がある。これは、各変換器の直流電圧を直流電圧検出器７１，７２で検出し、Ｖｃを演算器２６，２７で（Ｅｄ／Ｅｄｎ）倍（ｎ＝１，２）する方式である。この場合、各変換器の変調率がｋ（Ｅｄ／Ｅｄ１）、ｋ（Ｅｄ／Ｅｄ２）となるため
Ｖ１＝Ａ・ｋ・Ｅｄ                                  （１２）
Ｖ２＝Ａ・ｋ・Ｅｄ                                  （１３）
Ｉｄ１＝Ｐ１／Ｅｄ１＝Ａ・ｋ（Ｅｄ／Ｅｄ１）Ｉ・ｃｏｓφ    （１４）
Ｉｄ２＝Ｐ２／Ｅｄ２＝Ａ・ｋ（Ｅｄ／Ｅｄ２）Ｉ・ｃｏｓφ    （１５）
となり、直流電圧が高くなると電流の絶対値が小さくなり、順変換（ｃｏｓφが正）の場合にはかえって電圧分担不平衡を増大させてしまう。
【００２２】
そこで、本発明の第１実施例では、図１に示す構成とすることで、電圧分担の平衡を図っている。図１において、２台の変換器４１，４２の直流回路は直列に接続され、また各変換器４１，４２に接続される変換装置用変圧器５１，５２の交流巻線も直列に接続されている。
【００２３】
変換装置全体は制御装置２０により制御される。この制御として、例えば変換装置の有効・無効電力制御や、直列合計での直流電圧制御がある。各変換器４１，４２の制御用パルスは、ＰＷＭパルス発生器２１，２２で発生する。各変換器４１，４２の直流電圧は、直流電圧分担制御装置１０によって均一化される。直流電圧を検出するために、直流電圧検出器７１，７２が用いられる。交流電流位相検出器３０は、交流電流検出器８１，８２，８３で検出された交流電流の位相と振幅とを算出する。
【００２４】
次に、図１に示す電圧形自励多重変換装置の動作を説明する。
制御装置の出力信号Ｖｃは、大きさは変調度ｋに比例しかつ交流電圧位相に同期しており、正弦波変調では
Ｖｃ＝ｋ・ｓｉｎ（ωｔ）                      （１６）
である。
【００２５】
直流電圧分担制御装置１０には、直流電圧検出器７１，７２から各変換器の直流電圧Ｅｄ１，Ｅｄ２が入力される。差電圧制御回路１１は、直流電圧の差Ｅｄ１−Ｅｄ２を求め、偏差分を０にするための制御演算を行い、演算出力ΔＵを出力する。
【００２６】
交流電流位相検出器３０は、交流電圧の基準位相信号ωｔを用いて、交流電流検出器８１，８２，８３で検出された交流電流を例えばフーリエ変換することにより、交流電流の位相φと振幅（実効値）Ｉとを求める。
【００２７】
補正信号発生器１２は、ΔＵとφとＩとから
Ｃ＝（ΔＵ／Ｉ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）                        （１７）
の補正信号を発生させ、これを制御装置の出力信号Ｖｃに加減算する。ＰＷＭ制御装置２１にはＶｃ＋Ｃが、ＰＷＭ制御装置２２にはＶｃ−Ｃが入力される。すなわち各入力信号は
Ｖｃ１＝ｋ・ｓｉｎ（ωｔ）＋（ΔＵ／Ｉ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）    （１８）
Ｖｃ２＝ｋ・ｓｉｎ（ωｔ）−（ΔＵ／Ｉ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）    （１９）
となる。各変換器の交流電圧は、基本波分だけ取出すと、ＰＷＭ制御装置の入力に対して振幅が√２・Ａ・Ｅｄｎ（ｎ＝１，２）倍となり、基本波分は、瞬時値では
ｖ１＝√２・Ａ・Ｅｄ１｛ｋ・ｓｉｎ（ωｔ）＋（ΔＵ／Ｉ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）｝    （２０）
ｖ２＝√２・Ａ・Ｅｄ２｛ｋ・ｓｉｎ（ωｔ）−（ΔＵ／Ｉ）ｓｉｎ（ωｔ＋φ）｝    （２１）
となる。合計電圧は
0003557687.tif 000002
となり、Ｅｄ１≒Ｅｄ２であるので、合計電圧は補正信号の影響をほとんど受けない。
【００２８】
交流電流が
ｉ＝√２・Ｉ・ｓｉｎ（ωｔ＋φ）                        （２３）
であることから、変換電力は
Ｐ１＝Ａ・Ｅｄ１（ｋ・Ｉ・ｃｏｓφ＋ΔＵ）                  （２４）
Ｐ２＝Ａ・Ｅｄ２（ｋ・Ｉ・ｃｏｓφ−ΔＵ）                  （２５）
となる。各変換器の直流電流は
Ｉｄ１＝Ｐ１／Ｅｄ１＝Ａ（ｋ・Ｉ・ｃｏｓφ＋ΔＵ）            （２６）
Ｉｄ２＝Ｐ２／Ｅｄ２＝Ａ（ｋ・Ｉ・ｃｏｓφ−ΔＵ）            （２７）
となる。これからΔＵによって各変換器の直流電流を補正でき、ΔＵは直流電圧の差電圧から差電圧制御回路１１で制御されているので、電圧分担の均一化が図れる。
【００２９】
本実施例では、補正を行っても、合計電圧は補正の影響をほとんど受けない。補正信号は、交流電流の位相に同期させているので、交流電流の位相すなわち電力変換の方向，有効・無効電力の状況によらず、同じ極性で補正が可能である。補正信号は、電流の振幅に反比例させたので、電流の大きさによらず一定の補正が可能である。補正信号は、正弦波としたので、出力電圧にひずみを発生させない。
【００３０】
尚、交流電流は、検出値の代わりに設定値を用いてもよい。交流電流が０の場合には制御ができなくなるので、最小電流にリミッタを設定する。この場合、力率を０とすれば、有効電力は出力させないでおくことができる。
【００３１】
尚、本実施例では、直流電圧の差電圧から制御するようにしたが、平均直流電圧
ＥｄＡＶ＝（Ｅｄ１＋Ｅｄ２）／２                            （２８）
を算出し、各変換器ごとに直流電圧と平均電圧との差電圧から制御しても同じである。例えば、ゲインＫの比例制御では、各変換器の制御演算結果は
ΔＵ１＝Ｋ（Ｅｄ１−ＥｄＡＶ）＝Ｋ（Ｅｄ１−Ｅｄ２）／２              （２９）
ΔＵ２＝Ｋ（Ｅｄ２−ＥｄＡＶ）＝Ｋ（Ｅｄ２−Ｅｄ１）／２＝−ΔＵ１    （３０）
となり、ゲインが二分の一となることを除けば上記と同じである。
【００３２】
図２は、本発明の第２実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。本実施例では、平均直流電圧検出器１３で平均直流電圧を算出し、制御信号を平均直流電圧で正規化しており、図５の従来例のように、電力変換の極性の影響を受けずに補正制御が可能であり、かつ正規化の機能も可能である。
【００３３】
図３は、本発明の第３実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。本実施例では、４台の変換器を直列に接続した場合を示すが、一般に３台以上の変換器を直列接続した場合に適用可能である。本実施例では、平均直流電圧検出器１３で各変換器の直流電圧の平均値
ＥｄＡＶ＝（Ｅｄ１＋Ｅｄ２＋Ｅｄ３＋Ｅｄ４）／４                    （３１）
を算出し、各変換器を、直流電圧Ｅｄｎ（ｎ＝１〜４）と平均値ＥｄＡＶとの差電圧で制御している。その他の構成は、前述した実施例と同様である。
【００３４】
図４は、本発明の第４実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。本実施例では、変換器の直流回路４１，４２が並列接続され、直流回路４３，４４が並列接続され、これら２つの並列回路が直列接続されている。その他の構成は、上述した他の実施例と同様である。
【００３５】
【発明の効果】
本発明によれば、直列に接続された変換器の間での電圧分担が制御されるため、電圧分担を均等化できる効果がある。またその結果、変換器の直列接続が容易に可能となり、直列接続によって直流電圧を高電圧とした変換装置を容易に提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。
【図２】本発明の第２実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。
【図３】本発明の第３実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。
【図４】本発明の第４実施例に係る電圧形自励多重変換装置の構成図である。
【図５】従来の半導体電力変換装置を示す図である。
【図６】従来の他の半導体電力変換装置を示す図である。
【図７】従来の他の半導体電力変換装置を示す図である。
【図８】従来の他の半導体電力変換装置を示す図である。
【図９】従来の他の半導体電力変換装置を示す図である。
【符号の説明】
１０…電圧分担制御装置、１１…差電圧制御回路、１１１，１１２，１１３，１１４…差電圧制御回路、１２…補正信号発生器、１２１，１２２，１２３，１２４…補正信号発生器、１３…平均直流電圧検出器、２０…制御装置、２１〜２４…ＰＷＭ制御装置、２６，２７…演算器、３０…交流電流振幅・位相検出器、４１〜４４…変換器、５１〜５４…変換装置用変圧器、６０〜６４…コンデンサ、７０…直流電源、７１〜７４…直流電圧検出器、８１〜８３…交流電流検出器。
【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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