(57)【要約】  三相電力系統（１００）に連系する三相変圧器（１０５）を備え、三相変圧器（１０５）は、三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループ（２００）と、一次巻線グループから転送される電力を受ける第１の二次巻線グループ（２０１Ａ）および第２の二次巻線グループ（２０１Ｂ）と、第１〜第２の二次巻線グループ（２０１Ａ，２０１Ｂ）にそれぞれ対応して接続される第１の変換器グループ（１１２）および第２の変換器グループ（１１６）とを含み、第１の変換器グループ（１１２）に設けられる第１〜第３の変換器アーム（１１３〜１１５）の他方端のうち少なくとも一つと第２の変換器グループ（１１６）に設けられる第４〜第６の変換器アーム（１１７〜１１９）の他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群（１２１，１２２）とを備える。
2013108376.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
三相電力系統（１００）に連系する三相変圧器（１０５）を備え、
前記三相変圧器（１０５）は、
前記三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループ（２００）と、
前記一次巻線グループから転送される電力を受ける第１の二次巻線グループ（２０１Ａ）および第２の二次巻線グループ（２０１Ｂ）と、
前記第１〜第２の二次巻線グループ（２０１Ａ，２０１Ｂ）にそれぞれ対応して接続される第１の変換器グループ（１１２）および第２の変換器グループ（１１６）とを含み、
前記一次巻線グループ（２００）は、第１〜第３の一次巻線（２０５〜２０７）を有し、
前記第１の二次巻線グループ（２０１Ａ）は、各々の一方端が中性点でスター結線される第１〜第３の二次巻線（２０８Ａ〜２１０Ａ）を有し、
前記第２の二次巻線グループ（２０１Ｂ）は、各々の一方端が中性点でスター結線される第４〜第６の二次巻線（２０８Ｂ〜２１０Ｂ）を有し、
前記第１および第２の二次巻線グループ（２０１Ａ、２０１Ｂ）の各々の中性点は、互いに接続され、
前記第１の変換器グループ（１１２）は、前記第１〜第３の二次巻線（２０８Ａ〜２１０Ａ）の他方端がそれぞれの一方端に接続される第１〜第３の変換器アーム（１１３〜１１５）を有し、
前記第２の変換器グループ（１１６）は、前記第４〜第６の二次巻線（２０８Ｂ〜２１０Ｂ）の他方端がそれぞれの一方端に接続される第４〜第６の変換器アーム（１１７〜１１９）を有し、
前記第１〜第３の変換器アーム（１１３〜１１５）の他方端のうち少なくとも一つと前記第４〜第６の変換器アーム（１１７〜１１９）の他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群（１２１，１２２）とを備える、電力変換装置。
【請求項２】
前記直流出力端子群（１２１，１２２）は、
正側直流出力端子（１２１）と、
負側直流出力端子（１２２）とを含み、
前記第１〜第３の変換器アーム（１１３〜１１５）の他方端はともに前記正側直流出力端子（１２１）に接続され、
前記第４〜第６の変換器アーム（１１７〜１１９）の他方端はともに前記負側直流出力端子（１２２）に接続される、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記直流出力端子群と接続される負荷装置（１２３）に電力を供給し、
前記電力変換装置は、
前記負荷装置に電力を授受するための制御回路（５００）をさらに備え、
前記制御回路（５００）は、前記第１〜第６の変換器アーム（１１３〜１１５，１１７〜１１９）の電圧を調整し、前記直流出力端子群（１２１，１２２）に印加される電圧を制御する、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第１〜第６の変換器アーム（１１３〜１１５，１１７〜１１９）の各々は、カスケード接続された複数の単位変換器（１２０）を有する、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記単位変換器（１２０）は、
フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路を含む、請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記単位変換器（１２０）は、
前記フルブリッジ回路または前記双方向チョッパ回路の出力を平滑化させるための直流コンデンサ（３０６、４０５）を有する、請求項５に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、電力変換装置に関し、特に変圧器を介して三相系統と連系する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特開２０１０−２３３４１１号公報（特許文献１）に記載された発明は、変圧器を介して電力系統に連系する，単位変換器をカスケード接続して構成される電力変換装置において、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減できる電力変換装置を提供することを目的としている。【０００３】
具体的には、特開２０１０−２３３４１１号公報（特許文献１）に記載された電力変換装置は、変圧器を介して三相電力系統に連系し、該三相電力系統と有効または無効電力を授受する電力変換装置であって、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の３つの端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、該二次巻線の３つの端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを接続し、第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）を、それぞれ該電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−２３３４１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特開２０１０−２３３４１１号公報（特許文献１）に記載された電力変換装置において、変圧器に、負荷１２３に流れる電流ＩＤの直流電流成分の３分の１が励磁電流として流れてしまい、この直流電流分の磁束を通す必要があるため、変圧器の鉄心断面積を大きくする必要があった。その結果、変圧器の寸法が大きくなり、変圧器のコストが増大する問題があった。【０００６】
それゆえに、この発明の主たる目的は、鉄心の断面積を減少でき、低コスト化が可能な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】
【０００７】
本発明に係る電力変換装置は、三相電力系統に連系する三相変圧器を備え、三相変圧器は、三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループと、一次巻線グループから転送される電力を受ける第１の二次巻線グループおよび第２の二次巻線グループと、第１〜第２の二次巻線にそれぞれ対応して接続される第１の変換器グループおよび第２の変換器グループとを含み、一次巻線グループは、第１〜第３の一次巻線を有し、第１の二次巻線グループは、各々の一方端が中性点でスター結線される第１〜第３の二次巻線を有し、第２の二次巻線グループは、各々の一方端が中性点でスター結線される第４〜第６の二次巻線を有し、第１および第２の二次巻線グループの各々の中性点は、互いに接続され、第１の変換器グループは、第１〜第３の二次巻線の他方端がそれぞれの一方端に接続される第１〜第３の変換器アームを有し、第２の変換器グループは、第４〜第６の二次巻線の他方端がそれぞれの一方端に接続される第４〜第６の変換器アームを有し、第１〜第３の変換器アームの他方端のうち少なくとも一つと第４〜第６の変換器アームの他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群とを備える。【０００８】
好ましくは、直流出力端子群は、正側直流出力端子と、負側直流出力端子とを含み、第１〜第３の変換器アームの他方端はともに正側直流出力端子に接続され、第４〜第６の変換器アームの他方端はともに負側直流出力端子に接続される。【０００９】
好ましくは、直流出力端子群と接続される負荷装置に電力を供給し、電力変換装置は、負荷装置に電力を授受するための制御回路をさらに備え、制御回路は、第１〜第６の変換器アームの電圧を調整し、直流出力端子群に印加される電圧を制御する。【００１０】
また、好ましくは、第１〜第６の変換器アームの各々は、カスケード接続された複数の単位変換器を有する。【００１１】
さらに好ましくは、単位変換器は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路を含む。【００１２】
さらに好ましくは、単位変換器は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路の出力を平滑化させるための直流コンデンサを有する。
【発明の効果】
【００１３】
発明に係る電力変換装置では、２つの二次巻線グループに流れる直流電流による磁束をキャンセルするので、鉄心の断面積を減少でき、コストが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態における変圧器１０５の構成を示す図である。
【図３】単位変換器１２０の内部構成の一例を示す図である。
【図４】単位変換器１２０の内部構成の別の一例を示す図である。
【図５】電力変換装置の交流成分に対する等価回路を示す図である。
【図６】電力変換装置の直流成分に対する等価回路を示す図である。
【図７】アーム電圧Ｖａｒｍｕｐ，Ｖａｒｍｕｎを制御する制御回路５００の主要な構成を示す図である。
【図８】電力変換装置による電力変換動作を説明するための図である。
【図９】検討例の電力変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。
【００１６】
［実施の形態］
本発明の電力変換装置の構成について、図１を用いて説明する。
【００１７】
図１は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図１を参照して、電力変換装置は、三相変圧器１０１を含む。三相変圧器１０１は、変圧器１０５と正側変換器グループ１１２と，負側変換器グループ１１６と、制御回路５００とを含む。
【００１８】
本実施の形態では、三相電力系統１００の各相をＵ相，Ｖ相，Ｗ相と呼ぶことにする。また、相電圧をＶＵ，ＶＶ，ＶＷと表記する。さらに、三相電力系統１００の各相に流れる電流を系統電流と呼び、ＩＵ，ＩＶ，ＩＷと表わすことにする。
【００１９】
次に、変圧器１０５の構成について説明する。図２は、本発明の実施の形態における変圧器１０５の構成を示す図である。図１、図２を参照して、変圧器１０５は、一次巻線グループ２００と、２つの二次巻線グループ２０１Ａ，２０１Ｂとを含む。
【００２０】
ここで、一次巻線グループ２００は、Ｕ相端子１０２と、Ｖ相端子１０３と、Ｗ相端子１０４とを含む。一方、二次巻線グループ２０１Ａ，２０１Ｂは、ｕ相正側端子１０６と、ｖ相正側端子１０７と、ｗ相正側端子１０８と、ｕ相負側端子１０９と、ｖ相負側端子１１０と、ｗ相負側端子１１１とを含む。
【００２１】
ここで、一次巻線グループ２００と二次巻線グループ２０１Ａ，２０１Ｂの巻数比は１：ｎ／２：ｎ／２である。
【００２２】
図２には、変圧器１０５の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線とが示される。さらに、変圧器１０５は、鉄心２０２〜２０４を有している。一次巻線グループ２００はデルタ結線されており、Ｕ相−Ｖ相間，Ｖ相−Ｗ相間，Ｗ相−Ｕ相間のそれぞれの一次巻線２０５，２０６，２０７はそれぞれ鉄心２０２，２０３，２０４に巻回されている。一次巻線２０５〜２０７の巻数は略等しくなる。
二次巻線グループ２０１Ａはスター結線されており、ｕ相巻線２０８Ａと、ｖ相巻線２０９Ａと、ｗ相巻線２１０Ａとを含む。巻線２０８Ａ〜２１０Ａの巻数は略等しくなる。二次巻線グループ２０１Ｂはスター結線されており、ｕ相巻線２０８Ｂと、ｖ相巻線２０９Ｂと、ｗ相巻線２１０Ｂとを含む。巻線２０８Ｂ〜２１０Ｂの巻数は略等しくなる。さらに、二次巻線グループ２０１Ａと二次巻線グループ２０１Ｂのそれぞれの中性点同士が接続される。二次巻線２０８Ａ，２０８Ｂは鉄心２０２に、二次巻線２０９Ａ，２０９Ｂに鉄心２０３に、二次巻線２１０Ａ，２１０Ｂに鉄心２０４に巻回する。
【００２３】
本実施の形態では、ｕ相巻線２０８Ａの両端電圧をＶｕと、ｖ相巻線２０９Ａの両端電圧をＶｖと、ｗ相巻線２１０Ａの両端電圧をＶｗと表わすことにする。
【００２４】
一方、本実施の形態では、ｕ相巻線２０８Ｂの両端電圧をＶｕと、ｖ相巻線２０９Ｂの両端電圧をＶｖと、ｗ相巻線２１０Ｂの両端電圧をＶｗと表わすことにする。
【００２５】
電力変換装置の正側直流出力端子１２１と負側直流出力端子１２２の間には、負荷装置１２３が接続されている。負荷装置１２３に印加される電圧をＶｄｃと、負荷装置１２３に流れる電流をＩｄｃと表わすことにする。
【００２６】
次に、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の構成について説明する。
【００２７】
正側変換器グループ１１２は、ｕ相正側変換器アーム１１３と、ｖ相正側変換器アーム１１４と、ｗ相正側変換器アーム１１５とを含む。また、負側変換器グループ１１６は、ｕ相負側変換器アーム１１７と、ｖ相負側変換器アーム１１８と、ｗ相負側変換器アーム１１９とを含む。
【００２８】
なお、変換器アームとは、１つまたは複数の単位変換器をカスケード接続した回路のことをいう。ここで、単位変換器として、例えば、後に説明する図４のような双方向チョッパ回路が挙げられる。各変換器アームは、少なくとも２つの端子を持つ。本実施の形態では、この２端子をそれぞれａ端子，ｂ端子と呼ぶことにする。また、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。アーム電圧は、この変換器アームに含まれる単位変換器の両端の電圧差（以下、セル電圧という。）の和で表される。
【００２９】
各変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９は、ａ端子（図示せず）とｂ端子（図示せず）とを備えている。また、各変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９は１台または複数台の単位変換器１２０をカスケード接続した回路である。
【００３０】
ｕ相正側変換器アーム１１３のａ端子を正側直流出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｕ相正側端子１０６に接続する。また、本実施の形態ではｕ相正側変換器アーム１１３のアーム電圧をＶｕｐと表わすことにする。
【００３１】
ｖ相正側変換器アーム１１４のａ端子を正側直流出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｖ相正側端子１０７に接続する。また、本実施の形態はｖ相正側変換器アーム１１４のアーム電圧をＶｖｐと表わすことにする。
【００３２】
ｗ相正側変換器アーム１１５のａ端子を正側直流出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｗ相正側端子１０８に接続する。また、本実施の形態ではｗ相正側変換器アーム１１５のアーム電圧をＶｗｐと表わすことにする。
【００３３】
ｕ相負側変換器アーム１１７のａ端子を変圧器１０５のｕ相負側端子１０９に接続し、ｂ端子を負側直流出力端子１２２に接続する。また、本実施の形態ではｕ相負側変換器アーム１１７のアーム電圧をＶｕｎと表わすことにする。
【００３４】
ｖ相負側変換器アーム１１８のａ端子を変圧器１０５のｖ相負側端子１１０に接続し、ｂ端子を負側直流出力端子１２２に接続する。また、本実施の形態ではｖ相負側変換器アーム１１８のアーム電圧をＶｖｎと表わすことにする。
【００３５】
ｖ相負側変換器アーム１１９のａ端子を変圧器１０５のｗ相負側端子１１１に接続し、ｂ端子を負側直流出力端子１２２に接続する。また、本実施の形態ではｗ相負側変換器アーム１１９のアーム電圧をＶｗｎと表わすことにする。
【００３６】
また、本実施の形態では、ｕ相正側変換器アーム１１３を流れる電流をｕ相アーム電流Ｉｕとし、ｖ相正側変換器アーム１１４を流れる電流をｖ相アーム電流Ｉｖとし、ｗ相正側変換器アーム１１５を流れる電流をｗ相アーム電流Ｉｗと表わすことにする。
【００３７】
一方、ｕ相負側変換器アーム１１７を流れる電流をｕ相アーム電流Ｉｘとし、ｖ相負側変換器アーム１１８を流れる電流をｖ相アーム電流Ｉｙとし、ｗ相負側変換器アーム１１９を流れる電流をｗ相アーム電流Ｉｚと表わすことにする。
【００３８】
ｕ相正側端子１０６と、ｖ相正側端子１０７と、ｗ相正側端子１０８とに供給される電圧をそれぞれ電圧Ｖｕと、電圧Ｖｖと、電圧Ｖｗと表わすことにする。また、同様に、ｕ相負側端子１０９と、ｖ相負側端子１１０と、ｗ相負側端子１１１とに供給される電圧をそれぞれ電圧Ｖｕと、電圧Ｖｖと、電圧Ｖｗと表わすことにする。
【００３９】
なお、本実施の形態では、変換器アーム１１３〜１１５の一方端はともに正側直流出力端子１２１に接続され、変換器アーム１１７〜１１９の一方端はともに前記負側直流出力端子１２２に接続される。しかしながら、これに限定されることなく、変換器アーム１１３〜１１５の一方端のうち少なくとも一つが正側直流出力端子１２１に接続され、変換器アーム１１７〜１１９の一方端のうち少なくとも一つが負側直流出力端子１２２に接続されてもよい。
【００４０】
また、制御回路５００は、詳しくは後ほど説明するが、直流電流Ｉｄｃと、交流電流Ｉを所望の値に制御するために、各相の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊と、直流電流指令値Ｉｄｃ＊と交流電流指令値Ｉ＊とを受けて制御する。
【００４１】
次に、図３と図４を用いて、単位変換器１２０の構成について説明する。
図３は、単位変換器１２０の内部構成の一例を示す図である。図３を参照して、単位変換器はフルブリッジ回路である。単位変換器１２０は、ｘ端子３００とｙ端子３０１とを有する２端子回路であり、ｘ相正側スイッチング素子３０２と、ｘ相負側スイッチング素子３０３と、ｙ相正側スイッチング素子３０４と、ｙ相負側スイッチング素子３０５と、エネルギー蓄積素子３０６とを含む。スイッチング素子３０２〜３０５は、ＩＧＢＴに代表される自己消弧形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子３０６は、コンデンサや蓄電池などである。本実施の形態では、ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧を、単位変換器のセル電圧Ｖｃｅｌｌと呼ぶことにする。
【００４２】
一方、単位変換器１２０を双方向チョッパ回路とすることもできる。
図４は、単位変換器１２０の内部構成の別の一例を示す図である。図４を参照して、双方向チョッパは、正側スイッチング素子４０３と、負側スイッチング素子４０４と、エネルギー蓄積素子４０５とを含む。スイッチング素子４０３，４０４は、ＩＧＢＴに代表される自己消弧形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子４０５は、コンデンサや蓄電池などである。本実施の形態では、図４におけるこの電圧もセル電圧Ｖｃｅｌｌと表わすことにする。
【００４３】
次に、アーム電圧は単位変換器１２０を構成するスイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。
【００４４】
まず、単位変換器１２０がフルブリッジ回路（図３）である場合について述べる。
ｘ相スイッチング素子３０２，３０３はそれぞれ交互にオン・オフする。また、ｙ相スイッチング素子３０４，３０５はそれぞれ交互にオン・オフする。
【００４５】
ｘ相スイッチング素子３０２，３０３がそれぞれオン、オフし、ｙ相スイッチング素子３０４，３０５がそれぞれオフ、オンする場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣと略等しい。
【００４６】
ｘ相スイッチング素子３０２，３０３がそれぞれオン、オフし、ｙ相スイッチング素子３０４，３０５がそれぞれオン、オフする場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。
【００４７】
ｘ相スイッチング素子３０２，３０３がそれぞれオフ、オンし、ｙ相スイッチング素子３０４，３０５がそれぞれオフ、オンする場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。
【００４８】
ｘ相スイッチング素子３０２，３０３がそれぞれオフ、オンし、ｙ相スイッチング素子３０４，３０５がそれぞれオン、オフする場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に略等しい。
【００４９】
ｘ相スイッチング素子３０２，３０３およびｙ相スイッチング素子３０４，３０５が全てオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣに略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に略等しい。
【００５０】
次に、単位変換器１２０が双方向チョッパ（図４）である場合について述べる。
スイッチング素子４０３，４０４がそれぞれオン、オフする場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子４０５の電圧ＶＣに略等しい。
【００５１】
スイッチング素子４０３，４０４がそれぞれオフ、オンする場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。
【００５２】
スイッチング素子４０３，４０４が共にオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子４０５の電圧ＶＣに略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは零に略等しい。
【００５３】
以下、電力変換装置が三相電力系統１００から有効電力を受電し、負荷装置１２３に単相交流電力または直流電力を供給する場合の動作について説明する。
【００５４】
図５は、電力変換装置の電力系統１００の周波数を持つ交流成分に対する等価回路を示す図である。ここでは、理解を容易にするために、ｕ相での交流成分に対する等価回路を示して説明する。図５を参照して、等価回路１０１０は、リアクタンス５０２、６０２（変圧器の巻線リアクタンスをＸｕとする）と、正側電力変換器５０３および負側電力交換器６０３と、電圧Ｖｕを供給する電源５０１，６０１（電圧Ｖｕは変圧器無負荷二次電圧である）、直流電圧Ｖｄｃ／２を供給するＶ１，Ｖ２とを含む。
【００５５】
電源Ｖ１は、正側直流出力端子１２１とノードＮ２との間に接続され、この間の電源Ｖ１の電圧値はＶｄｃ／２となる。一方、電源Ｖ２は、ノードＮ２と負側直流出力端子１２２との間に接続され、この間の電源Ｖ２の電圧値はＶｄｃ／２となる。
【００５６】
また、正側直流出力端子１２１とノードＮ１との間に、正側電力変換器５０３、リアクタンス５０２、電源５０１の順に直列に接続される。一方、ノードＮ１と負側直流出力端子１２２との間に、電源６０１、リアクタンス６０２、負側電力交換器６０３の順に直列接続される。
【００５７】
ここで、仮想中性点をとして、ノードＮ１，Ｎ２を取り、交流電流Ｉとすると、式（１）、式（２）が成立する。
【００５８】
Ｖｕ−ｊ・Ｘｕ・Ｉ＋Ｖａｒｍｕｐ＝Ｖｄｃ／２      （１）
−Ｖｕ＋ｊ・Ｘｕ・Ｉ＋Ｖａｒｍｕｎ＝Ｖｄｃ／２    （２）
なお、ｊは虚数を示す。これらを変形すると、式（１ａ）、式（２ａ）が成立する。
【００５９】
Ｖａｒｍｕｐ＝Ｖｄｃ／２−Ｖｕ＋ｊ・Ｘｕ・Ｉ      （１ａ）
Ｖａｒｍｕｎ＝Ｖｄｃ／２＋Ｖｕ−ｊ・Ｘｕ・Ｉ      （２ａ）
ここで、電圧Ｖｄｃ，Ｖｕおよび抵抗Ｘｕは一定値であるため、正側アーム電圧Ｖａｒｍｕｐと負側アーム電圧Ｖａｒｍｕｎとをそれぞれ所定値に制御することにより交流電流Ｉを所望の値に制御することができる。
【００６０】
正側アーム電圧Ｖａｒｍｕｐを増加すると同時に負側アーム電圧Ｖａｒｍｕｎを同量だけ減少させれば交流電流Ｉは増加する。逆に正側アーム電圧Ｖａｒｍｕｐを減少すると同時に負側アーム電圧Ｖａｒｍｕｎを同量だけ増加させれば交流電流Ｉは減少する。
【００６１】
次に、図６は、電力変換装置の直流成分に対する等価回路を示す図である。ここでは、理解を容易にするために、ｕ相での直流成分に対する等価回路を示して説明する。図６を参照して、等価回路１０２０の構成は、図５で示した等価回路１０１０の巻線リアクタンス５０２，６０２に代え、巻線抵抗５０２Ａ，６０２Ａを含む。等価回路１０２０の他の構成は等価回路１０１０の構成と同様なため、ここでは説明は繰返さない。
【００６２】
ここで、等価回路１０２０から式（３）が成立する。
Ｖａｒｍｕｐ＋Ｖａｒｍｕｎ−２Ｒｕ・Ｉｄｃ／３＝Ｖｄｃ    （３）
この式（３）で明らかなようにｕ相電圧（変圧器無負荷二次電圧）Ｖｕはキャンセルされて、式（３）には現れない。さらに式（３）を変形すると以下の式（３ａ）が得られる。
【００６３】
Ｖａｒｍｕｐ＋Ｖａｒｍｕｎ＝２Ｒｕ・Ｉｄｃ／３＋Ｖｄｃ    （３ａ）
そうすると、直流電圧Ｖｄｃ、巻線抵抗Ｒｕは一定値なので、正側アーム電圧Ｖａｒｍｕｐと負側アーム電圧Ｖａｒｍｎとの和を所定値に制御することにより直流電流Ｉｄｃを所望の値に制御することができる。
【００６４】
アーム電圧Ｖａｒｍｕｐ，Ｖａｒｍｕｎを増加させれば直流電流Ｉｄｃは増加し、アーム電圧Ｖａｒｍｕｐ，Ｖａｒｍｕｎを減少させれば直流電流Ｉｄｃが減少する。
【００６５】
図５、図６を用いて、ｕ相についての電力変換の動作を説明したが、ｖ相、ｗ相についても同様な構成および動作となるため、ここでは説明は繰返さない。
【００６６】
次に、図７は、アーム電圧Ｖａｒｍｕｐ，Ｖａｒｍｕｎを制御する制御回路５００の主要な構成を示す図である。ここでは、理解を容易にするために、ｕ相の場合について説明する。図７を参照して、制御回路５００は、加算器７０１Ａ〜７０１Ｄと、減算器７０２Ａ〜７０２Ｄと、直流電流コントローラ７１０と、交流電流コントローラ７２０と、増幅器７３０とを含む。
【００６７】
まず、減算器７０２Ａは、直流電流指令値Ｉｄｃ＊から直流電流（検出値）Ｉｄｃを減算した直流電流値（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）を、直流電流コントローラ７１０（増幅率ｇ１）に供給する。
【００６８】
一方、減算器７０２Ｂは、交流電流指令値Ｉ＊から交流電流（検出値）Ｉを減算した交流電流値（Ｉ＊−Ｉ）を交流電流コントローラ７２０（増幅率ｇ２）に供給する。
【００６９】
加算器７０１Ａは、直流電流コントローラ７１０によって増幅された直流電流（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ））と、交流電流コントローラ７２０によって増幅された交流電流（ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））とを加算する。
【００７０】
一方、減算器７０２Ｃは、直流電流コントローラ７１０によって増幅された直流電流（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ））から交流電流コントローラ７２０によって増幅された交流電流（ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））を減算する。
【００７１】
すなわち、加算器７０１Ａの出力電流は（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）＋ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））／２となり、減算器７０２Ｃの出力電流は（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）−ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））／２となる。
【００７２】
次に、減算器７０２Ｄは、加算器７０１Ａから出力された電流から変圧器二次電圧検知値を減算する。一方、加算器７０１Ｂは、減算器７０２Ｃから出力された電流と変圧器二次電圧検知値とを加算する。
【００７３】
すなわち、減算器７０２Ｄの出力電流は、（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）＋ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））／２−Ｖｕとなり、一方、加算器７０１Ｂの出力電流は、（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）−ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））／２＋Ｖｕとなる。
【００７４】
次に、加算器７０１Ｃは、減算器７０２Ｄから出力された電流と直流電圧指令値Ｖｄｃ＊が増幅器７３０（増幅率１／２）によって増幅された出力電圧とを加算し、正側アーム電圧指令値として正側アーム電圧Ｖａｒｍｕｐを出力する。一方、加算器７０１Ｄは、加算器７０１Ｂから出力された電流と直流電圧指令値Ｖｄｃ＊が増幅器７３０（増幅率１／２）によって増幅された出力電圧とを加算し、負側アーム電圧指令値として負側アーム電圧Ｖａｒｍｕｎを出力する。
【００７５】
すなわち、正側アーム電圧指令値として正側アーム電圧Ｖａｒｍｕｐは、（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）＋ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））／２−Ｖｕ＋Ｖｄｃ＊／２となり、一方、負側アーム電圧指令値として負側アーム電圧Ｖａｒｍｕｎは、（ｇ１×（Ｉｄｃ＊−Ｉｄｃ）−ｇ２×（Ｉ＊−Ｉ））／２＋Ｖｕ＋Ｖｄｃ＊／２となる。
【００７６】
従って、アーム電圧を設定することで、直流電流・交流電流を調整することができる。
なお、ｖ相、ｗ相においてもそれぞれ同様な動作をさせることにより直流電流・交流電流を調整することができるため、ここでは説明は繰返さない。
【００７７】
次に、図８は、電力変換装置による電力変換動作を説明するための図である。ただし、図８を参照して、これらは電力変換装置の動作波形例であり、三相電力系統１００の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷおよび相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷと、各相の二次電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、ｕ相のアーム電圧Ｖｕｐ，Ｖｕｎおよびアーム電流ＩｕおよびＩｘと、直流電流Ｉｄｃと、直流電圧Ｖｄｃの概略波形を描いている。
【００７８】
図１に示す電力変換装置は力率１で系統から有効電力を受電し、負荷装置１２３に直流電圧（Ｖｄｃ）を印加し、直流電流（Ｉｄｃ）を流している。ここで、直流電圧Ｖｄｃおよび直流電流Ｉｄｃは一定値に設定する。
【００７９】
ここで、電力系統の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷの振幅が互いに略等しい。さらに電力系統の電圧ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、互いに１２０度の位相差を有する。
【００８０】
このときの相電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷも同様に振幅が互いに略等しい。さらに電流ＶＵ，ＶＶ，ＶＷは、互いに１２０度の位相差を有する。
【００８１】
一方、このとき、各相の二次電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅は互いに略等しい。さらに各相の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗは互いに１２０度の位相差を有する。また、電力系統の電圧ＶＵとｕ相の二次電圧Ｖｕとは、略３０度の位相差を有する。他の電圧ＶＶ，ＶＷと二次電圧Ｖｖ，Ｖｗとの関係もそれぞれ同様に略同じである。
【００８２】
次に、ｕ相のアーム電圧について、正側変換器アーム１１３のアーム電圧Ｖｕｐは、Ｖｄｃ／２に略等しい直流成分とｕ相の二次電圧Ｖｕと略１８０度の位相差を有する交流成分とを持つ。一方、負側変換器アーム１１７の電圧Ｖｕｎは、Ｖｄｃ／２に略等しい直流成分と、ｕ相の二次電圧Ｖｕと略１８０度の位相差を有する交流成分とを有する。
【００８３】
これに対応して、正側変換器アーム１１３に流れるアーム電流Ｉｕは、二次電圧Ｖｕと略１８０度の位相差を有する交流成分とＩｄｃ／３に略等しい直流成分とを有する。
【００８４】
一方、負側変換器アーム１１７に流れるアーム電流Ｉｘは、二次電圧Ｖｕと位相が略等しい交流成分とＩｄｃ／３に略等しい直流成分とを有する。また、アーム電流Ｉｕとアーム電流Ｉｘとの振幅は、略等しい。
【００８５】
ここでは、理解を容易にするために、ｕ相に限定して説明したが、ｖ相、ｗ相についてもそれぞれ同様であるため、ここでは説明を繰返さない。
［検討例］
図９は、検討例の電力変換装置の構成を示す図である。
【００８６】
図９を参照して、実施の形態の電力変換装置との比較のために、検討例の電力変換装置を説明する。検討例の電力変換装置の構成は、本実施の形態の電力変換装置の構成のうち二次巻線グループ２０１Ａ、２０１Ｂの代わりに、二次巻線グループ２０１Ｘを含む。なお、検討例の電力変換装置の他の構成は本実施の形態の電力変換装置と同様なため、ここでは説明は繰返さない。
【００８７】
この検討例の電力変換装置では、正側変換器グループ１１２および負側変換器グループ１１６に対して、１つの二次巻線グループ２０１Ｘを設けて、負荷装置１２３に電力を供給したり、負荷装置１２３から電力を受電したりする。
【００８８】
ここで、一次巻線グループ２００のｕ相の電流ＩＵＸについて考える。
正側直流出力端子１２１と負側直流出力端子１２２との間に流れる直流電流Ｉｄｃとし、交流電流Ｉの交流電流波高値（Ｉ）とし、周波数ωを電源角周波数とすると、二次巻線のｕ相電流Ｉｕは式（４）のように表される。
【００８９】
Ｉｕ＝１／３・Ｉｄｃ＋Ｉ・ｓｉｎωｔ            （４）
式（４）の右辺の第１項は電流Ｉｕの直流成分を示し、式（４）の右辺の第２項は電流Ｉｕの交流成分を示す。ここで、一次巻線グループ２００の一次巻線と二次巻線グループ２０１Ｘにおいて対応する二次巻線との巻数比が１：ｎであり、伝達される電流は交流電流のみであるため、一次巻線グループ２００のｕ相の電流ＩＵＸは次式のように表される。
【００９０】
ＩＵＸ＝ｎ・Ｉｕ＝ｎ・Ｉ・ｓｉｎωｔ            （５）
一方、電流Ｉｕの直流電流分の１／３・Ｉｄｃは、この一次巻線グループ２００の励磁電流として流れる。この電流によって発生するであろう磁束が変圧器を通過するために、変圧器の鉄心の断面積は増加する必要がある。
【００９１】
一方、本実施の形態の電力変換装置は、二次巻線の正側のｕ相電流Ｉｕは次式のように表される。
【００９２】
Ｉｕ＝１／３・Ｉｄｃ＋Ｉ・ｓｉｎωｔ            （６）
上記から右辺の第１項は、直流成分を示し、右辺の第２項は、交流成分を示す。次に、二次巻線の負側のｕ相電流Ｉｘは次式のように表される。
【００９３】
Ｉｘ＝１／３・Ｉｄｃ−Ｉ・ｓｉｎωｔ            （７）
式（７）の右辺の第１項は直流成分を示し、式（７）の右辺の第２項は交流成分を示す。ここで、一次巻線グループ２００の一次巻線と、二次巻線グループ２０１Ａにおいて対応する二次巻線と、二次巻線グループ２０１Ｂにおいて対応する二次巻線との巻数比が１：ｎ／２：ｎ／２であり、伝達される電流は交流電流のみであるため、一次巻線グループ２００のｕ相の電流ＩＵＸは次式のように表される。
【００９４】
ＩＵＸ＝ｎ／２・（Ｉｕ−Ｉｘ）＝ｎ・Ｉ・ｓｉｎωｔ  （８）
ここで、検討例の電力変換装置で問題となった直流成分の励磁電流は、本実施の形態の電力変換装置においては同一鉄心に巻回された２つの二次巻線で直流の起磁力の成分がキャンセルされるため、励磁電流は流れない。したがって、変圧器の鉄心の断面積を増加させる必要なく、実装面積およびコストを削減することができる。
【００９５】
従って、図１に示した本実施の形態の電力変換装置では、検討例の電力変換装置のように二次巻線が１つである構成をとらず、その代わりに正側変換器グループ１１２側と負側変換器グループ１１６側とにそれぞれ二次巻線グループ２０１Ａ，２０１Ｂを設ける構成をとることによって、起磁力の直流成分をキャンセルでき、変圧器の鉄心の断面積を増加させる必要もなく、コストを削減できる。
【００９６】
最後に、再び図１等を参照して本実施の形態について総括する。
図１、図２で示されるように、本実施の形態の電力変換装置は、三相電力系統１００に連系する三相変圧器１０５を備え、三相変圧器１０５は、三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループ２００と、一次巻線グループから転送される電力を受ける二次巻線グループ２０１Ａおよび二次巻線グループ２０１Ｂと、二次巻線グループ２０１Ａ，２０１Ｂにそれぞれ対応して接続される変換器グループ１１２および変換器グループ１１６とを含み、一次巻線グループ２００は、一次巻線２０５〜２０７を有し、二次巻線グループ２０１Ａは、各々の一方端が中性点でスター結線される二次巻線２０８Ａ〜２１０Ａを有し、二次巻線グループ２０１Ｂは、各々の一方端が中性点でスター結線される二次巻線２０８Ｂ〜２１０Ｂを有し、二次巻線グループ２０１Ａ、２０１Ｂの各々の中性点は、互いに接続され、変換器グループ１１２は、二次巻線２０８Ａ〜２１０Ａの他方端がそれぞれの一方端に接続される変換器アーム１１３〜１１５を有し、変換器グループ１１６は、二次巻線２０８Ｂ〜２１０Ｂの他方端がそれぞれの一方端に接続される変換器アーム１１７〜１１９を有し、変換器アーム１１３〜１１５の他方端のうち少なくとも一つと変換器アーム１１７〜１１９の他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群（１２１，１２２）とを備える。
【００９７】
好ましくは、図１で示されるように、直流出力端子群１２１，１２２は、正側直流出力端子１２１と、負側直流出力端子１２２とを含み、変換器アーム１１３〜１１５の他方端はともに正側直流出力端子１２１に接続され、変換器アーム１１７〜１１９の他方端はともに負側直流出力端子１２２に接続される。
【００９８】
好ましくは、図１で示されるように、直流出力端子群（１２１，１２２）と接続される負荷装置１２３に電力を供給し、電力変換装置は、負荷装置に電力を授受するための制御回路５００をさらに備え、制御回路５００は、変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９の電圧を調整し、直流出力端子群（１２１，１２２）に印加される電圧を制御する。
【００９９】
好ましくは、図１で示されるように、変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９の各々は、カスケード接続された複数の単位変換器１２０を有する。
【０１００】
さらに好ましくは、図３、図４で示されるように、単位変換器１２０は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路を含む。
【０１０１】
さらに好ましくは、図３、図４で示されるように、単位変換器１２０は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路の出力を平滑化させるための直流コンデンサ３０６、４０５を有する。
【０１０２】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。たとえば、変圧器１０５の一次巻線は、デルタ接続であっても、スター接続であってもよく、さらには、単相変圧器三台であってもよい。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１０３】
１００  三相電力系統、１０１，１０１Ｘ  電力変換装置、１０５，１０５Ｘ  変圧器、１０６〜１０８  正側端子、１０９〜１１１  負側端子、１１２  正側変換器グループ、１１３〜１１５  正側変換器アーム、１１６  負側変換器グループ、１１７〜１１９  負側変換器アーム、１２０  単位変換器、１２１  正側直流出力端子、１２２  負側直流出力端子、Ｎ１，Ｎ２  ノード、１２３  負荷装置、２００  一次巻線グループ、２０１Ａ，２０１Ｂ，２０１Ｘ  二次巻線グループ、２０２〜２０４  鉄心、２０５〜２０７  一次巻線，２０８Ａ〜２１０Ａ，２０８Ｂ〜２１０Ｂ  二次巻線、３０２〜３０５，４０３〜４０４  スイッチング素子、３０６，４０５  エネルギー蓄積素子、５００  制御回路、５０１，６０１，Ｖ１，Ｖ２  電源、５０２，６０２  巻線リアクタンス、５０２Ａ，６０２Ａ  巻線抵抗、５０３  正側電力変換器、６０３  負側電力交換器、７０１Ａ〜７０１Ｄ  加算器、７０２Ａ〜７０２Ｄ  減算器、７１０  直流電流コントローラ、７２０  交流電流コントローラ、７３０  増幅器。
【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】
2013108376.tif 000009
【図８】
2013108376.tif 000010
【図９】
2013108376.tif 000011
【国際調査報告】
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