(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自励式のスイッチング素子および当該スイッチング素子のオン、オフに応じて電力を蓄積、放出するコンデンサを含み３相交流の電力系統のＲ、Ｓ、Ｔ相毎に設けられた回路をＹ結線したＹ結線回路が２重に設けられ、電力変換を行う電力変換部と、
前記電力変換部の２重のＹ結線回路のうち、一方のＹ結線回路のＲ、Ｓ、Ｔ相の前記回路を流れる電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔおよび当該回路の電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔと、他のＹ結線回路のＲ、Ｓ、Ｔ相の前記回路を流れる電流ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔおよび当該回路の電圧ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔを検出する検出部と、
前記電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、前記電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔから、前記電力変換部の２重のＹ結線回路を、２つのＹ結線部分を結ぶ直流部分による直流回路、交流回路および循環回路による等価回路で示した場合の前記交流回路のＲ、Ｓ、Ｔ相を流れる電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔおよび電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔと、前記循環回路のＲ、Ｓ、Ｔ相を流れる電流ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔおよび電圧ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔと、前記直流回路の電流ｉｄおよび電圧Ｖｄと、を導出する式（１）、（２）に示す第１の変換情報、および、前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄから、前記電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、前記電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔを導出する式（３）、（４）に示す第２の変換情報を記憶した記憶部と、
前記記憶部に記憶された前記第１の変換情報に基づいて、前記検出部による検出結果から前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄを導出し、導出された前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄに所定の条件を満たさない電圧、電流がある場合、前記第２の変換情報を用いて、条件を満たさない電圧、電流に影響を与える相を特定し、条件を満たすように前記電力変換部の特定した相の前記スイッチング素子を制御する制御手段と、
を有することを特徴とする変換器。 
【数１】
0005957191.tif 000018
【請求項２】
前記制御手段は、前記記憶部に記憶された前記第１の変換情報および前記第２の変換情報に基づいて、前記直流回路の電圧および電流の少なくとも一方を一定に維持しつつ、交流回路および循環回路の電圧および電流がそれぞれ所定の条件を満たすように、前記電力変換部の前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする請求項１記載の変換器。 
【請求項３】
自励式のスイッチング素子および当該スイッチング素子のオン、オフに応じて電力を蓄積、放出するコンデンサを含み３相交流の電力系統のＲ、Ｓ、Ｔ相毎に設けられた回路をＹ結線したＹ結線回路が２重に設けられ、電力変換を行う電力変換部を有する変換器の制御方法であって、
前記電力変換部の２重のＹ結線回路のうち、一方のＹ結線回路のＲ、Ｓ、Ｔ相の前記回路を流れる電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔおよび当該回路の電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔと、他のＹ結線回路のＲ、Ｓ、Ｔ相の前記回路を流れる電流ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔおよび当該回路の電圧ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔを検出し、
前記電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、前記電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔから、前記電力変換部の２重のＹ結線回路を、２つのＹ結線部分を結ぶ直流部分による直流回路、交流回路および循環回路による等価回路で示した場合の前記交流回路のＲ、Ｓ、Ｔ相を流れる電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔおよび電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔと、前記循環回路のＲ、Ｓ、Ｔ相を流れる電流ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔおよび電圧ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔと、前記直流回路の電流ｉｄおよび電圧Ｖｄと、を導出する式（５）、（６）に示す第１の変換情報に基づいて、検出結果から前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄを導出し、
導出された前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄに所定の条件を満たさない電圧、電流がある場合、前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄから、前記電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、前記電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔを導出する式（７）、（８）に示す第２の変換情報を用いて、条件を満たさない電圧、電流に影響を与える相を特定し、条件を満たすように前記電力変換部の特定した相の前記スイッチング素子を制御する
ことを特徴とする変換器の制御方法。 
【数２】
0005957191.tif 000019
【請求項４】
自励式のスイッチング素子および当該スイッチング素子のオン、オフに応じて電力を蓄積、放出するコンデンサを含み３相交流の電力系統のＲ、Ｓ、Ｔ相毎に設けられた回路をＹ結線したＹ結線回路が２重に設けられ、電力変換を行う電力変換部を有する変換器の制御プログラムであって、
前記電力変換部の２重のうち、一方のＹ結線回路のＲ、Ｓ、Ｔ相の前記回路を流れる電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔおよび当該回路の電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔと、他のＹ結線回路のＲ、Ｓ、Ｔ相の前記回路を流れる電流ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔおよび当該回路の電圧ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔの検出結果を取得し、
前記電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、前記電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔから、前記電力変換部の２重のＹ結線回路を、２つのＹ結線部分を結ぶ直流部分による直流回路、交流回路および循環回路による等価回路で示した場合の前記交流回路のＲ、Ｓ、Ｔ相を流れる電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔおよび電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔと、前記循環回路のＲ、Ｓ、Ｔ相を流れる電流ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔおよび電圧ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔと、前記直流回路の電流ｉｄおよび電圧Ｖｄと、を導出する式（９）、（１０）に示す第１の変換情報に基づいて、前記検出結果から前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄを導出し、
導出された前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄに所定の条件を満たさない電圧、電流がある場合、前記電流ｉｒ、ｉｓ、ｉｔ、ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｉｄ、前記電圧ｖｒ、ｖｓ、ｖｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔ、Ｖｄから、前記電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、前記電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔを導出する式（１１）、（１２）に示す第２の変換情報を用いて、条件を満たさない電圧、電流に影響を与える相を特定し、条件を満たすように前記電力変換部の特定した相の前記スイッチング素子を制御する
各処理を実行させることを特徴とする変換器の制御プログラム。
【数３】
0005957191.tif 000020
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換器、変換器の制御方法および変換器の制御プログラムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、自励式素子の性能向上が急速に進み、自励式のスイッチング素子を用いた自励式の変換器が提案されている。この自励式の変換器は、連携する交流系統に依存することなく任意の有効・無効電力を供給できるなど、サイリスタ等の他励式のスイッチング素子を用いた他励式の変換器にはない多数のメリットを有する。
【０００３】
自励式の変換器には、チョッパもしくは単相インバータのセル（ｃｅｌｌ）と呼ばれる回路モジュールを電力系統の各相に多段接続した、所謂、ＭＭＣ（Modular  Multilevel  Converter）方式の回路構成のものが実用化されている。ＭＭＣ方式の変換器は、セルの段数分の合成電圧が交流電圧として出力されるので、スイッチング素子の直列接続数を減らしつつ、高い交流電圧を出力できる。ＭＭＣ方式の中でも有効電力を扱える回路方式として、セルを多段接続した各相の回路をＹ結線したＹ結線回路を２重に設けた２重Ｙ結線ＭＭＣ方式がある。非特許文献１には、２重Ｙ結線ＭＭＣの２つのＹ結線部分に直流電源を接続してモータドライブ回路において、２重Ｙ結線ＭＭＣの各相の回路に流れる電流を循環電流と交流電流に分解し取り扱う技術が記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】藤田  英明ら、“ＭＭＣＣ−ＤＳＣＣの直流コンデンサ電圧の解析と制御”、平成２２年電気学会産業応用部門大会講演論文集、２０１０年８月、Ｐ２５９−２６４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記の従来技術は、２重Ｙ結線ＭＭＣのＹ結線部分の間に直流電源を設けており、Ｙ結線部分の間の直流を制御していない。このため、直流電圧を安定化させる装置（直流電源やコンデンサなど）なしにＢＴＢ（Back  To  Back）システムや直流送電などの直流システムに用いることができなかった。
【０００６】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、直流線路の電圧、又は電流の制御を行うことができる変換器、変換器の制御方法および変換器の制御プログラム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】
【０００７】
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の変換器は、自励式のスイッチング素子および当該スイッチング素子のオン、オフに応じて電力を蓄積、放出するコンデンサを含み３相交流の電力系統の各相毎に設けられた回路をＹ結線したＹ結線回路が２重に設けられ、電力変換を行う電力変換部と、前記電力変換部の２重のＹ結線回路の各相の電圧および電流を検出する検出部と、前記電力変換部の２重のＹ結線回路の各相の電圧および電流と、当該２重のＹ結線回路を、直流回路を含む等価回路で示した場合の当該直流回路の電圧および電流との関係を示す関係情報を記憶した記憶部と、前記記憶部に記憶された関係情報に基づいて前記検出部による検出結果から導出される前記直流回路の電圧および電流の少なくとも一方が一定となるように前記電力変換部の前記スイッチング素子を制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、電力変換部の２重のＹ結線回路を等価回路として示した直流回路の電圧および電流の少なくとも一方が一定となるように電力変換部のスイッチング素子を制御することにより、直流線路の電圧、又は電流の制御を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本実施例にかかる変換器を含む電力系統の概念的な構成の一例を示す図である。
【図２】図２は、搬送波と変調波の一例を示す図である。
【図３】図３は、変換器を含む電力系統の等価回路の一例を示す図である。
【図４】図４は、等価回路の各アームの各アーム電流、アーム電圧を示す図である。
【図５Ａ】図５Ａは、交流回路の電流、電圧を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ｂは、相間循環回路の電流、電圧を示す図である。
【図５Ｃ】図５Ｃは、直流回路の電流、電圧を示す図である。
【図５Ｄ】図５Ｄは、循環回路の電流、電圧を示す図である。
【図６】図６は、交流回路の経路（Ａ）、（Ｂ）を示す図である。
【図７】図７は、循環回路の経路（Ｃ）、（Ｄ）を示す図である。
【図８】図８は、直流回路の経路（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）を示す図である。
【図９Ａ】図９Ａは、交流回路を示す図である。
【図９Ｂ】図９Ｂは、循環回路を示す図である。
【図９Ｃ】図９Ｃは、直流回路を示す図である。
【図１０】図１０は、変換器を制御する制御系の概略的な構成の一例を示す図である。
【図１１】図１１は、制御処理の手順を示すフローチャートである。
【図１２】図１２は、シミュレーションに使用したＢＴＢシステムの概略的な構成を示す図である。
【図１３】図１３は、シミュレーションを行ったＢＴＢシステムの主な仕様を示す図である。
【図１４Ａ】図１４Ａは、Ｒ相の上側アームと下側アームの電流波形を示す図である。
【図１４Ｂ】図１４Ｂは、３相の交流電流の電流波形を示す図である。
【図１４Ｃ】図１４Ｃは、上側アームと下側アームの回路モジュールでの電圧波形を示す図である。
【図１４Ｄ】図１４Ｄは、変換器の各相の電圧波形を示す図である。
【図１４Ｅ】図１４Ｅは、直流電流の電流波形を示す図である。
【図１４Ｆ】図１４Ｆは、３相の循環電流の電流波形を示す図である。
【図１５】図１５は、制御プログラムを実行するコンピュータを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下に、本発明にかかる変換器の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。
【実施例１】
【００１１】
図１は、本実施例にかかる変換器を含む電力系統の概念的な構成の一例を示す図である。図１に示す例では、電力系統１２の末端に変換器１０が接続されている。なお、本実施例では、変換器１０がＹ−Δ変圧器１３を介して電力系統１２と接続されているものとする。変換器１０は、電力系統１２の何れかに設けられていればよく、必ずしも末端に設ける必要はない。
【００１２】
電力系統１２には、上位系統から３相交流の電力が供給される。変換器１０は、自励式半導体素子を使って電力系統１２との間で高速かつ連続的に有効電力、無効電力の授受が可能な機器である。
【００１３】
変換器１０は、電力変換部２０を有する。電力変換部２０は、電力系統１２との間で電力の授受を行う。電力変換部２０は、電力系統１２の各相毎にセル（Ｃｅｌｌ）と呼ばれる回路モジュール２１を直列に３段接続した直列回路２２をＹ結線したＹ結線回路２３を２重に設けた、所謂、２重Ｙ結線ＭＭＣの回路構成とされている。以下では、Ｙ結線回路２３の各相の直列回路２２をアームとも言う。また、以下では、図１の上側のＹ結線回路２３のアームを上側アームとも言い、図１の下側のＹ結線回路２３のアームを下側アームとも言う。回路モジュール２１は、例えば、コンデンサ２４に対して、２つのスイッチング素子２５を直列接続した２つの直列回路２６がそれぞれ並列に接続された所謂、インバータセルタイプの回路構成としてもよい。また、例えば、コンデンサ２４に対して、２つのスイッチング素子２５を直列接続した、所謂、チョッパセルタイプの回路構成としてもよい。回路モジュール２１の各スイッチング素子２５には両端を接続するダイオード２７が設けられている。
【００１４】
各回路モジュール２１は、入力される搬送波と変調波を比較してスイッチング素子２５のオン、オフするＰＷＭ（pulse  width  modulation）制御を行っている。図２は、搬送波と変調波の一例を示す図である。素子を有効利用するため、通常、変調波は、ピークが１付近になるように波形が定められる。しかし、電力変換部２０は、ピークが１付近になるように変調波の波形を定めた場合、後述するように変調波全体の電圧レベルを上げたことにより変調波の大きさが１を上回るようになった場合、正常なＰＷＭ制御が行えなくなる。このため、本実施例にかかる変調波は、ある程度の大きさに抑えられている。
【００１５】
ここで、本実施例に係る変換器１０の制御について説明する。２重Ｙ結線ＭＭＣの回路構成は、理想的には図３に示すような等価回路で置き換えることができる。図３に示す等価回路では、２重Ｙ結線ＭＭＣの各アームの３つの回路モジュール２１を交流電圧源３０として示している。各アームは、それぞれインピーダンスＬを有する。２重Ｙ結線ＭＭＣの各アームは、Ｙ−Δ変圧器１３の漏れインピーダンスＬＴＦを介して、電力系統１２を模擬的に示した電圧源３１と接続される。図３に示す等価回路では、２重Ｙ結線ＭＭＣの２つのＹ結線部分を結ぶ直流回路側に直流電圧Ｖｄｃの直流電圧源が存在するものとして示している。この直流電圧Ｖｄｃは、ＢＴＢシステムや直流送電などの直流システムにおいて、出力する直流電圧を表している。
【００１６】
この図３に示す等価回路を用いて２重Ｙ結線ＭＭＣの電圧、電流を解析する。図３に示す等価回路では、Ｙ−Δ変圧器１３のΔ結線を等価回路上でＹ結線に置き換えている。図３に示す等価回路において、以下の式（１）を満たす点を仮想中性点３２とする。
ｅｒ＋ｅＳ＋ｅｔ＝０          （１）
【００１７】
また、図４に示すように、ＲＳＴ相の各上側アームを流れる電流をｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔと表し、ＲＳＴ相の各上側アームの電圧をｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔと表す。また、ＲＳＴ相の各下側アームを流れる電流をｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔと表し、ＲＳＴ相の各下側アームの電圧をｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔと表し、それぞれアーム電流、アーム電圧と呼ぶ。
【００１８】
ここで、変換器１０の状態をあらわす電流状態量として、以下の式（２−１）〜（２−６）に示す各変数を定義する。
ｉｒ＝ｉｐｒ−ｉｎｒ          （２−１）
ｉｓ＝ｉｐｓ−ｉｎｓ          （２−２）
ｉｔ＝ｉｐｔ−ｉｎｔ          （２−３）
ｉｄ＝１／２×（ｉｐｒ＋ｉｐｓ＋ｉｐｔ＋ｉｎｒr＋ｉｎｓ＋ｉｎｔ）    （２−４）
ｉＣｒｓ＝１／３×（ｉｐｒ＋ｉｎｒ）−１／６
×（ｉｐｓ＋ｉｐｔ＋ｉｎｓ＋ｉｎｔ）    （２−５）
ｉＣｓｔ＝−１／３×（ｉｐｔ＋ｉｎｔ）−１／６
×（ｉｐｒ＋ｉｐｓ＋ｉｎｒ＋ｉｎｓ）    （２−６）
【００１９】
そして、図５Ａに示すように、式（２−１）〜（２−３）に示したｉｒ、ｉｓ、ｉｔを交流回路に出力されるＲＳＴ相の各交流電流と定義する。また、図５Ｂに示すように、式（２−５）、（２−６）に示したｉＣｒｓ、ｉＣｓｔをＲＳ相、ＳＴ相の間の相間循環回路を流れる相間循環電流と定義する。また、図５Ｃに示すように、式（２−４）に示したｉｄを直流回路に出力される直流電流として定義する。ここで、本実施例では、交流側を非接地としているため、以下の式（３）に示す関係が成り立つ。ｉｄは、実際に直流線路を流れる電流と一致する。
ｉｒ＋ｉｓ＋ｉｔ＝０    （３）
【００２０】
電流と同様にして、変換器１０の状態をあらわす電圧状態量として、以下の式（４−１）〜（４−６）に示す各変数を定義する。
ｖｒ＝１／２×（−ｖｐｒ＋ｖｎｒ）          （４−１）
ｖｓ＝１／２×（−ｖｐｓ＋ｖｎｓ）          （４−２）
ｖｔ＝１／２×（−ｖｐｔ＋ｖｎｔ)          （４−３）
ｖｄ＝１／３×（ｖｐｒ＋ｖｐｓ＋ｖｐｔ＋ｖｎｒ＋ｖｎｓ＋ｖｎｔ）    （４−４）
ｖＣｒｓ＝２／３×（ｖｐｒ＋ｖｎｒ)−１／３
×（ｖｐｓ＋ｖｐｔ＋ｖｎｓ＋ｖｎｔ）      （４−５）
ｖＣｓｔ＝−２／３×（ｖｐｔ＋ｖｎｔ)＋１／３
×（ｖｐｒ＋ｖｐｓ＋ｖｎｒ＋ｖｎｓ）      （４−６）
【００２１】
そして、図５Ａに示すように、式（４−１）〜（４−３）に示したｖｒ、ｖｓ、ｖｔを交流回路に出力されるＲＳＴ相の各交流電圧と定義する。また、図５Ｂに示すように、式（４−５）、（４−６）に示したｖＣｒｓ、ｖＣｓｔをＲＳ相、ＳＴ相の間の相間循環回路の相間循環電圧と定義する。また、図５Ｃに示すように、式（４−４）に示したｖｄを直流回路に出力される直流電流として定義する。
【００２２】
上述の定義では、相間循環電流ｉＣｒｓ、ｉＣｓｔ、相間循環電圧ｖＣｒｓ、ｖＣｓｔは、３相対称になっていない。対称性を持たせるため、ｉＣｒｓ、ｉＣｓｔ、ｖＣｒｓ、ｖＣｓｔの４つの変数を用いて、図５Ｄに示すｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔ、ｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔを以下の式（５）〜（１０）のように定める。
ｉＬｒ＝ｉＣｒｓ
＝１／３×（ｉｐｒ＋ｉｎｒ)−１／６
×（ｉｐｓ＋ｉｐｔ＋ｉｎｓ＋ｉｎｔ）  （５）
ｉＬｓ＝−ｉＣｒｓ＋ｉＣｓｔ
＝１／３×（ｉｐｓ＋ｉｎｓ）−１／６
×（ｉｐｔ＋ｉｐｒ＋ｉｎｔ＋ｉｎｒ）  （６）
ｉＬｔ＝−ｉＣｓｔ
＝１／３×（ｉｐｔ＋ｉｎｔ）−１／６
×（ｉｐｒ＋ｉｐｓ＋ｉｎｒ＋ｉｎｓ）  （７）
ｖＬｒ＝２／３×（ｖｐｒ＋ｖｎｒ）−１／３
×（ｖｐｓ＋ｖｐｔ＋ｖｎｓ＋ｖｎｔ）  （８）
ｖＬｓ＝２／３×（ｖｐｓ＋ｖｎｓ）−１／３
×（ｖｐｔ＋ｖｐｒ＋ｖｎｔ＋ｖｎｒ）  （９）
ｖＬｔ＝２／３×（ｖｐｔ＋ｖｎｔ）−１／３
×（ｖｐｒ＋ｖｐｓ＋ｖｎｒ＋ｖｎｓ）  （１０）
【００２３】
そして、式（５）〜（７）に示したｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔを循環電流と定義する。また、式（８）〜（１０）に示したｖＬｒ、ｖＬｓ、ｖＬｔを循環電圧と定義する。この循環電流および相間循環電圧には、以下の式（１１）（１２）に示す関係が成り立つ。
ｉＬｒ＋ｉＬｓ＋ｉＬｔ＝０      （１１）
ｖＬｒ＋ｖＬｓ＋ｖＬｔ＝０      （１２）
【００２４】
以上より、各変数を導出するための式は、変換行列を用いて、以下の式（１３）（１４）のように表現できる。
【数１】
0005957191.tif 000002
【００２５】
よって、交流回路、循環回路、直流回路の各状態量は、以下の式（１５）（１６）に示すように、上側アームの各アーム電流ｉｐｒ、ｉｐｓ、ｉｐｔ、各アーム電圧ｖｐｒ、ｖｐｓ、ｖｐｔ、および下側アームの各アーム電流ｉｎｒ、ｉｎｓ、ｉｎｔ、各アーム電圧ｖｎｒ、ｖｎｓ、ｖｎｔに復元することができる。
【数２】
0005957191.tif 000003
【００２６】
ここで、式（１３）は、６×７の行列を用いて６個の変数を７個に変換しており、変換の前後で次数が上昇している。これは３相の対称性を保つために、相間循環電流ｉＣｒｓ、ｉＣｓｔの２つの変数を式（１１）の拘束条件のもとに循環電流ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔの３変数に展開したことによるものである。循環電流ｉＬｒ、ｉＬｓ、ｉＬｔに関して３相２相変換を行い、以下の式（１７）のように表現することも可能である。
【数３】
0005957191.tif 000004
【００２７】
この式（１７）の場合、変換の前後で次数は上がらないが、行列が３相対称とならない。式（１４）に示す行列についても同様に３相２相変換を行って表現することが可能である。
【００２８】
次に、交流回路の状態方程式について説明する。図６に示すように等価回路において、交流回路を構成する（Ａ）、（Ｂ）の経路にそれぞれキルヒホッフの法則を適用すると、以下の式（１８）（１９）に示す関係が成り立つ。
【数４】
0005957191.tif 000005
【００２９】
式（１８）から式（１９）の差分を求めた場合、以下の式（２０）のように表される。
【数５】
0005957191.tif 000006
【００３０】
また、式（２０）から３相の対称性により以下の式（２１）（２２）が求まる。
【数６】
0005957191.tif 000007
【００３１】
そして、式（１）、（３）、（２０）、（２２）から以下の式（２３）も求まる。
【数７】
0005957191.tif 000008
【００３２】
ここで、Ｌａｃ＝Ｌ／２＋ＬＴＦとし、ｖｒ＋ｖｓ＋ｖｔ＝３Ｖ０とすると、以下の式（２４）のように表される。
【数８】
0005957191.tif 000009
【００３３】
また、式（２４）から３相の対称性により以下の式（２５）（２６）も求まる。
【数９】
0005957191.tif 000010
【００３４】
この式（２４）〜（２６）は、非接地系統における３相インバータの一般式であり、２重Ｙ結線ＭＭＣでもＤＱ変換による非干渉制御が行えることを示している。なお、上記は、図１に示すように変換器１０が系統にＹ-Δ変圧器１３で連系されており、非接地であるものとした場合である。接地されている場合は、接地による影響を加味することにより、同様に扱うことができる。
【００３５】
次に、循環回路の状態方程式について説明する。図７に示すように等価回路において、循環回路を構成する（Ｃ）、（Ｄ）の経路にそれぞれキルヒホッフの法則を適用すると、以下の式（２７）（２８）に示す関係が成り立つ。
【数１０】
0005957191.tif 000011
【００３６】
式（２７）から式（２８）の差分を求めた場合、以下の式（２９）のように表される。
【数１１】
0005957191.tif 000012
【００３７】
ここで、２・Ｌ＝ＬＬとすると、以下の式（３０）のように表される。
【数１２】
0005957191.tif 000013
【００３８】
また、式（３０）から３相の対称性により、Ｓ相、Ｔ相についても以下の式（３１）（３２）のように求まる。
【数１３】
0005957191.tif 000014
【００３９】
次に、直流回路の状態方程式について説明する。図８に示すように等価回路において、直流回路を構成する（Ｅ）、（Ｆ）、（Ｇ）の経路にそれぞれキルヒホッフの法則を適用すると、以下の式（３３）に示す関係が成り立つ。
【数１４】
0005957191.tif 000015
【００４０】
式（３３）に示した３つの式を足して整理すると以下の式（３４）のように表される。
【数１５】
0005957191.tif 000016
【００４１】
ここで、Ｌｄ＝２／３×Ｌとすると、以下の式（３５）のように表される。
【数１６】
0005957191.tif 000017
【００４２】
このように、二重Ｙ結線ＭＭＣの状態方程式は、式（２４）〜（２６）、（３０）〜（３２）、（３５）で表すことができる。このことは、２重Ｙ結線ＭＭＣの回路構成は、式（１３)、（１４）の変数変換を行うことにより、回路の状態方程式を、図９Ａ〜図９Ｃに示すように、１つの直流回路と、３つの循環回路と、３つの交流回路の合計７つの回路に分けて考えることができ、また直流回路、循環回路、交流回路が独立に制御できることを示している。交流回路、循環回路、直流回路は、独立であるので、交流回路や循環回路の制御が直流回路に影響を与えることはない。直流送電やＢＴＢシステムなどの直流システムを行う場合、変換器１０は、直流回路の電流、電圧を一定に保つ必要があるが、交流回路や循環回路の様々な制御を行いつつ直流電流、電圧を一定に保つことが可能である。
【００４３】
次に、本実施例に係る変換器１０を制御する制御系の構成ついて説明する。図１０は、変換器を制御する制御系の概略的な構成の一例を示す図である。図１０に示す例では、変換器１０は、検出部４１と、記憶部４２と、制御部４３と、信号生成部４４とを有する。
【００４４】
検出部４１は、電力変換部２０の各相の電流および各相毎に接続された回路モジュール２１全体でのコンデンサ電圧を検出する。
【００４５】
記憶部４２は、電力変換部２０の回路構成を直流回路、循環回路、交流回路に分けて等価回路で示した場合の当該直流回路、循環回路、交流回路の電圧および電流と、電力変換部２０の２重のＹ結線回路２３の各相の電圧および電流との関係を示す関係情報を記憶している。例えば、記憶部４２は、関係情報として、式（１３）（１４）に示す情報、および式（１５）（１６）に示す情報を記憶する。
【００４６】
制御部４３は、検出部４１による検出結果から記憶部４２に記憶された関係情報に基づいて、直流回路、循環回路、交流回路の電圧および電流がそれぞれ所定の条件を満たすように、電力変換部２０の各回路モジュール２１のスイッチング素子を制御する。具体的には、制御部４３は、検出部４１による検出結果から電力変換部２０の各相のアーム毎に、アーム電流およびアーム電圧を求め、式（１３）（１４）を用いて相毎の交流電流および交流電圧、相毎の循環電流および循環電圧、直流電圧および直流電流を導出する。制御部４３は、導出された相毎の交流電流および交流電圧、相毎の循環電流および循環電圧、直流電圧、直流電流がそれぞれ所定の条件を満たすか判定する。制御部４３は、条件を満たさない電圧、電流がある場合、式（１５）（１６）を用いて、条件を満たさない電圧、電流に影響を与えるアーム電圧を特定し、条件を満たすように特定したアーム電圧の変更を指示する。例えば、制御部４３は、直流電圧が所定の条件とされた電圧より低い場合、全てのアーム電圧あるいはいずれかのアーム電圧を所定量だけ上昇させる指示を行い、直流電圧が所定の条件とされた電圧より高い場合、全てのアーム電圧あるいはいずれかのアーム電圧を所定量だけ低下させる指示を行う。なお、制御部４３は、相毎の交流電流および交流電圧、相毎の循環電流および循環電圧、直流電圧、直流電流の何れかが条件を満たしている場合、条件を満たした電圧、電流が極力変動しないようにアーム電圧を変更する。例えば、いずれかの相で交流電流や交流電圧が所定の条件を満たしており、直流電圧を上昇させる場合、式（１５）（１６）を用いて、交流電流や交流電圧が条件を満たす相に影響を与えるアーム電圧と影響を与えないアーム電圧を特定し、影響を与えないアーム電圧を上昇させる指示を行う。また、例えば、いずれかの相で循環電流や循環電圧が所定の条件を満たしており、直流電圧を上昇させる場合、式（１５）（１６）を用いて、各アーム電圧の変化による循環電流や循環電圧の変化度合いと直流電圧の上昇度合いを求め、循環電流や循環電圧の変化が相殺され、直流電圧が上昇するようにアーム電圧を変化させる指示を行う。また、例えば、直流電圧が条件を満たしており、交流電流や交流電圧、循環電流や循環電圧を変化させる場合、直流電圧の変化が相殺され、交流電流や交流電圧、循環電流や循環電圧が変化するようにアーム電圧を変化させる指示を行う。
【００４７】
信号生成部４４は、電力変換部２０の各相の各アームの回路モジュール２１に対して搬送波と変調波を供給しており、制御部４３からの指示に応じて、供給する変調波に重畳させる定電圧の電圧レベルを変更して変調波全体の電圧レベルを上下させる。これにより、電力変換部２０では、各相のアーム毎に、回路モジュール２１のスイッチング素子２５のオン、オフの期間を変更することにより、各相のアーム毎にアーム電圧が変化する。
【００４８】
制御部４３は、例えば、ＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）やＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）などの集積回路を用いた回路構成により制御を実現してもよい。また、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）やＭＰＵ（Micro  Processing  Unit）などの電子回路とプログラムを記憶した記憶部を設け、電子回路によりプログラムの処理を実行することにより制御を実現してもよい。
【００４９】
次に、本実施例に係る制御部４３による制御処理の流れを説明する。図１１は、制御処理の手順を示すフローチャートである。この制御処理は、制御部４３が起動した後、常時実行される。
【００５０】
図１１に示すように、制御部４３は、検出部４１による検出結果から電力変換部２０の各相のアーム毎に、アーム電流およびアーム電圧を求め、相毎の交流電流および交流電圧、相毎の循環電流および循環電圧、直流電圧および直流電流を導出する（ステップＳ１００）。制御部４３は、導出された相毎の交流電流および交流電圧、相毎の循環電流および循環電圧、直流電圧、直流電流がそれぞれ所定の条件を満たすように、アーム電圧を変化させる指示を行う（ステップＳ１０１）。例えば、制御部４３は、所定の条件を満たさない電圧、電流が存在する場合、条件を満たす電圧、電流を極力変動させず、条件を満たさない電圧、電流が所定の条件を満たすように、アーム電圧を変化させる指示を行う。
【００５１】
これにより、信号生成部４４は、制御部４３からの指示に応じて、変調波に重畳させる定電圧の電圧レベルを変更して電力変換部２０の各相のアームの回路モジュール２１に搬送波と変調波を供給する。これにより、電力変換部２０では、各相のアーム毎にアーム電圧が変化する。
【００５２】
制御部４３は、変換器１０全体を制御する他の制御部などから動作停止が指示されたか否かを判定する（ステップＳ１０２）。制御部４３は、動作停止が指示された場合（ステップＳ１０２肯定）、処理を終了する。一方、制御部４３は、動作停止が指示されていない場合（ステップＳ１０２否定）、ステップＳ１００へ移行する。
【００５３】
次に、本実施例にかかる変換器１０を用いてＢＴＢシステム５０を構築した場合の動作をシミュレーションした結果について説明する。図１２は、シミュレーションに使用したＢＴＢシステムの概略的な構成を示す図である。図１３は、シミュレーションを行ったＢＴＢシステムの主な仕様を示している。
【００５４】
図１２に示すＢＴＢシステム５０は、送電側と受電側が同じ回路構成とされており、受電端と送電端にそれぞれ変換器１０が設けられている。変換器１０は、それぞれＹ−Δ変圧器１３によりそれぞれ別の交流系統と接続されている。変換器１０は、１つのアームあたりの回路モジュール２１の段数を３つとし、インバータセルタイプの回路モジュール２１を採用したものとする。
【００５５】
２つの変換器１０の間の直流回路は、一方が直接接地されており、電源やコンデンサなど直流電圧を固定するような回路素子は入っていないものとする。
【００５６】
シミュレーションでは、受電側の変換器１０が直流電圧ｖｄの一定制御を行い、送電側の変換器１０が直流電流ｉｄの一定制御を行う。図１４Ａ〜図１４Ｆには、送電側の変換器の各波形を示す。
【００５７】
図１４Ａは、Ｒ相の上側アームと下側アームの電流波形を示しており、図１４Ｂは、３相の交流電流の電流波形を示している。また、図１４Ｃは、上側アームと下側アームの回路モジュール２１での電圧波形を示しており、図１４Ｄは、変換器の各相の電圧波形を示している。シミュレーションの結果、ＢＴＢシステム５０は、安定的な運転を可能であることが示されている。
【００５８】
図１４Ｅは、直流電流の電流波形を示しており、図１４Ｆは、３相の循環電流の電流波形を示している。シミュレーションの結果、ＢＴＢシステム５０は、定常状態において直流電圧、直流電流は１．０ｐ．ｕになっており正常に電力が送電されている。定常状態では、循環電流を０に設定しており、循環電流は流れない。
【００５９】
［実施例１の効果］
上述してきたように、本実施例に係る変換器１０は、自励式のスイッチング素子２３および当該スイッチング素子２３のオン、オフに応じて電力を蓄積、放出するコンデンサ２４を含み３相交流の電力系統の各相毎に設けられた回路をＹ結線したＹ結線回路２３が電力変換部２０に２重に設けられており、電力変換部２０により電力変換を行う。また、変換器１０は、検出部４１により、電力変換部２０の２重のＹ結線回路２３の各相の電圧および電流を検出する。変換器１０は、電力変換部２０の２重のＹ結線回路２３の各相の電圧および電流と、当該２重のＹ結線回路を、直流回路を含む等価回路で示した場合の当該直流回路の電圧および電流との関係を示す関係情報を記憶部４２に記憶する。そして、変換器１０は、制御部４３により、記憶部４２に記憶された関係情報に基づいて検出部４１による検出結果から導出される直流回路の電圧および電流の少なくとも一方が一定となるように電力変換部２０のスイッチング素子２５を制御する。これにより、本実施例に係る変換器１０は、Ｙ結線部分の間の直流の制御を行うことができる。これにより、本実施例に係る変換器１０は、ＢＴＢシステムや直流送電などの直流システムに用いて、直流制御を行うことができる。
【００６０】
また、本実施例では、２重Ｙ結線ＭＭＣの各アームの電流、電圧を交流分と直流分と循環分に分解して取り扱う理論を開示した。この理論によれば、交流回路と直流回路と循環回路がそれぞれ独立に制御できる。これにより、本実施例に係る変換器１０は、各回路が独立に制御できるため、交流電流や循環電流を制御しつつも直流電圧、直流電流を一定に保つことができ、２重Ｙ結線ＭＭＣによる直流送電やＢＴＢシステムの制御が容易に行える。例えば、本実施例に係る変換器１０では、関係情報が、電力変換部２０の２重のＹ結線回路２３の各相の電圧および電流と、当該２重のＹ結線回路２３を等価回路として交流回路および循環回路で示した場合の当該交流回路の電圧および電流、当該循環回路の電圧および電流との関係を示す情報をさらに含んでいる。そして、変換器１０は、制御手段により、記憶部４２に記憶された関係情報に基づいて、直流回路の電圧および電流の少なくとも一方を一定に維持しつつ、交流回路および循環回路の電圧および電流がそれぞれ所定の条件を満たすように、電力変換部２０のスイッチング素子２５を制御する。これにより、本実施例に係る変換器１０は、交流電圧や交流電流、循環電圧、循環電流の制御を行いつつ、Ｙ結線部分の間の直流の制御を行うことができる。
【実施例２】
【００６１】
さて、これまで開示の装置に関する実施例について説明したが、本発明は上述した実施例以外にも、種々の異なる形態にて実施されてよいものである。そこで、以下では、本発明に含まれる他の実施例を説明する。
【００６２】
また、上記の実施例では、電力変換部２０を、図１に示すように、電力系統１２の各相毎に回路モジュール２１を直列に３段接続した回路構成とした場合について例示したが開示の装置はこれに限定されない。例えば、各相毎に回路モジュール２１を１つ設けた回路構成としてもよい。また、各相毎に回路モジュール２１を直列に２段または４段以上接続した回路構成としてもよい。また、変換器１０がＹ−Δ変圧器１３を介して電力系統１２と接続されているものとして例示したが、開示の装置はこれに限定されない。例えば、Ｙ−Ｙ変圧器を介して電力系統１２と接続されたり、電力系統１２と直接接続されたりすることも適切な制御を行うことで可能である。
【００６３】
また、各種の負荷や使用状況などに応じて、実施例において説明した各処理の各ステップでの処理を任意に細かく分けたり、あるいはまとめたり、処理順序を入れ替えてもよい。
【００６４】
また、図示した各装置の各構成要素は機能概念的なものであり、必ずしも物理的に図示の如く構成されていることを要しない。すなわち、各装置の分散・統合の具体的状態は図示のものに限られず、その全部または一部を、各種の負荷や使用状況などに応じて、任意の単位で機能的または物理的に分散・統合して構成することができる。例えば、図１０に示す制御部４３をさらに細かい処理部に分けてもよい。
【００６５】
［制御プログラム］
また、上記の実施例で説明した制御部４３の各種の処理は、あらかじめ用意されたプログラムをコンピュータシステムで実行することによって実現することもできる。そこで、以下では、図１５を用いて、上記の実施例で説明した制御部４３と同様の機能を有する制御プログラムを実行するコンピュータの一例を説明する。図１５は、制御プログラムを実行するコンピュータを示す図である。
【００６６】
図１５に示すように、コンピュータ３００は、ＣＰＵ（Central  Processing  Unit）３１０、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）３２０、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）３４０を有する。これら３００〜３４０の各部は、バス４００を介して接続される。
【００６７】
ＲＯＭ３２０には、上記の実施例１に示す制御部４３と同様の機能を発揮する制御プログラム３２０ａが予め記憶される。すなわち、ＲＯＭ３２０には、図１５に示すように、制御プログラム３２０ａが記憶される。なお、制御プログラム３２０ａについては、適宜分離しても良い。
【００６８】
ＨＤＤ３３０には、各種の関係情報が記憶される。関係情報は、図１０に示した記憶部４２に記憶された関係情報に対応する。
【００６９】
そして、ＣＰＵ３１０は、関係情報を読み出してＲＡＭ３４０に格納する。ＣＰＵ３１０は、ＲＡＭ３４０に格納された関係情報を用いて、制御プログラム３２０ａを実行する。なお、ＲＡＭ３４０に格納される各データは、常に全てのデータがＲＡＭ３４０に格納される必要はなく、処理に必要なデータのみがＲＡＭ３４０に格納されれば良い。
【００７０】
なお、上記した制御プログラム３２０ａについては、必ずしも最初からＲＯＭ３２０に記憶させておく必要はない。
【００７１】
例えば、コンピュータ３００に挿入されるフレキシブルディスク（ＦＤ）、ＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤディスク、光磁気ディスク、ＩＣカードなどの「可搬用の物理媒体」にプログラムを記憶させておく。そして、コンピュータ３００がこれらからプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。
【００７２】
さらには、公衆回線、インターネット、ＬＡＮ、ＷＡＮなどを介してコンピュータ３００に接続される「他のコンピュータ（またはサーバ）」などにプログラムを記憶させておく。そして、コンピュータ３００がこれらからプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１０    変換器
１２    電力系統
２０    電力変換部
２１    回路モジュール
２３    Ｙ結線回路
２４    コンデンサ
２５    スイッチング素子
４１    検出部
４２    記憶部
４３    制御部
４４    信号生成部
【図１】
0005957191.tif 000021
【図２】
0005957191.tif 000022
【図３】
0005957191.tif 000023
【図４】
0005957191.tif 000024
【図５Ａ】
0005957191.tif 000025
【図５Ｂ】
0005957191.tif 000026
【図５Ｃ】
0005957191.tif 000027
【図５Ｄ】
0005957191.tif 000028
【図６】
0005957191.tif 000029
【図７】
0005957191.tif 000030
【図８】
0005957191.tif 000031
【図９Ａ】
0005957191.tif 000032
【図９Ｂ】
0005957191.tif 000033
【図９Ｃ】
0005957191.tif 000034
【図１０】
0005957191.tif 000035
【図１１】
0005957191.tif 000036
【図１２】
0005957191.tif 000037
【図１３】
0005957191.tif 000038
【図１４Ａ】
0005957191.tif 000039
【図１４Ｂ】
0005957191.tif 000040
【図１４Ｃ】
0005957191.tif 000041
【図１４Ｄ】
0005957191.tif 000042
【図１４Ｅ】
0005957191.tif 000043
【図１４Ｆ】
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【図１５】
0005957191.tif 000045