(57)【要約】【課題】直列コンデンサのバランス制御を行う電力変換器を使い分けて高効率の電力変換装置を提供すると共に、コモンモード循環電流を低減する。【解決手段】３レベル回路であるコンバータ１０２及びインバータ１０５と、コンデンサ１０３，１０４を含む直流中間回路と、チョッパ１１１とからなる電力変換ユニットを、三相交流電源２００と負荷３００との間に複数台並列に接続し、制御回路が、コンバータ１０２またはインバータ１０５に流れる零相電流が所定値未満である時は、コンデンサ１０３，１０４の電圧偏差に基づきコンバータ１０２の零相電圧を変化させてバランス制御を行い、零相電流が所定値以上である時は、チョッパ１１１の動作を制御してバランス制御を行う。また、交流電源２００の正常時にはコンバータ１０２により、交流電源２００の停電等の異常時にはチョッパ１１１によってバランス制御を行う。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体スイッチング素子の動作により、交流電圧と直流電圧とを相互に変換可能な第１，第２の電力変換器と、
前記第１，第２の電力変換器相互間に形成される直流中間回路の正電位点と中間電位点との間に接続された第１のコンデンサと、前記直流中間回路の負電位点と前記中間電位点との間に接続された第２のコンデンサと、からなるコンデンサ直列回路と、
半導体スイッチング素子の動作により、前記直流中間回路における各電位点の間の直流電圧と直流電圧源の直流電圧とを相互に変換可能な第３の電力変換器と、を備え、
前記第１，第２の電力変換器が、直流電圧と３つの電圧レベルに変化する交流電圧とを相互に変換可能な３レベル回路として構成され、
交流電源が供給される前記第１の電力変換器と、前記コンデンサ直列回路を含む前記直流中間回路と、負荷に交流電圧を供給する前記第２の電力変換器と、前記第３の電力変換器と、により１台の電力変換ユニットを構成し、前記電力変換ユニットを、前記交流電源と前記負荷との間に複数台並列に接続して構成される電力変換装置において、
前記電力変換ユニットは、前記第１，第２，第３の電力変換器をそれぞれ制御するための制御回路を備え、
前記制御回路は、
前記第１または前記第２の電力変換器に流れる零相電流が所定値未満である時は、前記第１，第２のコンデンサの電圧の偏差に基づき前記第１の電力変換器の零相電圧を変化させて前記中性点の電位変動を抑制し、前記第１または前記第２の電力変換器に流れる零相電流が所定値以上である時は、前記第３の電力変換器の動作を制御して前記中性点の電位変動を抑制することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記第３の電力変換器は、
前記第１のコンデンサに並列に接続された第１，第２の半導体スイッチング素子の直列回路と、
前記第２のコンデンサに並列に接続された第３，第４の半導体スイッチング素子の直列回路と、
前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の直列接続点から前記直流電圧源を介して前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の直列接続点に至る経路に接続されたリアクトルと、を備え、
前記制御回路は、
前記交流電源が正常または前記零相電流が所定値未満である時は前記第１，第４の半導体スイッチング素子をスイッチングさせ、前記交流電源が異常または前記零相電流が所定値以上である時は、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子を全てスイッチングさせることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、前記交流電源に異常が発生した時に前記第３の電力変換器の動作を制御して前記中性点の電位変動を抑制することを特徴とする電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体スイッチング素子からなる電力変換器を複数用いて交流−直流−交流変換を行う電力変換装置に関し、例えば無停電電源装置等に適用可能な技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術を、無停電電源装置を例に挙げて説明する。
図４は、特許文献１に記載された無停電電源装置の構成図である。この無停電電源装置１００は、三相交流電源２００に入力フィルタ１０１を介して接続された交流−直流変換用のコンバータ１０２と、コンデンサ１０３，１０４の直列回路を有する直流中間回路を介して接続された直流−交流変換用のインバータ１０５と、その交流出力側と負荷３００との間に接続された出力フィルタ１０６と、交流入力電圧を検出する電圧検出器１０７と、交流入力電流を検出する電流検出器１０８と、蓄電池等の直流電圧源１２０の電流を検出する電流検出器１０９と、直流電圧源１２０の電圧を検出する電圧検出器１１０と、直流−直流変換用のチョッパ１１１と、コンデンサ１０３，１０４の電圧を検出する電圧検出器１１２と、三相交流電源２００の停電を検出する停電検出回路１１３と、各検出器１０７〜１１０，１１２及び停電検出回路１１３の出力に基づいてコンバータ１０２、インバータ１０５及びチョッパ１１１内の半導体スイッチング素子を制御する制御回路１１４と、を備えている。
【０００３】
図５は、図４のコンバータ１０２及びインバータ１０５の具体的な構成図であり、これらは何れも３レベル回路によって構成されている。ここで、３レベル回路とは、半導体スイッチング素子の動作により、直流電圧と３つの電圧レベルに変化する交流電圧とを相互に変換可能な電力変換器である。
図５において、１０２Ｒ，１０２Ｓ，１０２Ｔはコンバータ１０２の各相アーム部、１０５Ｕ，１０５Ｖ，１０５Ｗはインバータ１０５の各相アーム部、Ｐは直流母線の正電位点、Ｎは同じく負電位点、Ｍは中性点（中間電位点）を示す。
【０００４】
図５に示すように、コンバータ１０２及びインバータ１０５を３レベル回路により構成し、これらの３レベル回路を、直流中間回路の正負電位点Ｐ，Ｎ及び中性点Ｍを介して接続する場合、コンデンサ１０３，１０４の容量やスイッチング素子の特性の違い等に起因してコンデンサ１０３，１０４の電圧がアンバランスになることがある。この電圧アンバランスが発生すると、インバータ１０５から負荷２００へ指令値通りの電圧、電流を出力できなくなるだけでなく、スイッチング素子に過電圧が印加され、最悪の場合には装置の破壊に至るおそれもある。
【０００５】
従って、何らかの方法により、コンデンサ１０３，１０４が分担する直流電圧を等しくして中性点Ｍの電位変動を抑制する制御（以下では、単にバランス制御という）を行うことが必要である。
そこで、特許文献１においては、図４に示した制御回路１１４が、コンバータ１０２の運転中にコンデンサ１０３，１０４の電圧偏差に応じて零相電圧を調整することにより、バランス制御を行っている。また、チョッパ１１１を、図６に示すように４個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４からなるアーム部１１１ａ及びリアクトル１１１ｂにて構成し、交流電源２００の停電時には、コンデンサ１０３，１０４の電圧に応じてスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を制御することにより、バランス制御を行っている。
上記のように零相電圧を調整してバランス制御を行う技術は、特許文献２にも記載されている。
【０００６】
なお、３レベル回路は、図７に示すように構成することも可能である。この回路は、例えば特許文献３に記載されている。
すなわち、一相分の３レベル回路は、直流電源の正電位点Ｐと負電位点Ｎとの間に半導体スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を直列に接続してその直列接続点を交流端子Ｕとし、直流電源の中間電位点Ｍと交流端子Ｕとの間に、２個の逆阻止形ＩＧＢＴ（ＲＢ−ＩＧＢＴ）の逆並列回路からなる双方向スイッチＳ３を接続して構成される。
この回路では、スイッチング素子Ｓ１のオンにより直流電源の正電位が、スイッチング素子Ｓ２のオンにより直流電源の負電位が、双方向スイッチＳ３のオンにより直流電源の中間電位が、それぞれ交流端子Ｕに現れることになる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第５４６３２８９号公報（図１，図２，図４、段落[００２９]〜[００３９]等）
【特許文献２】特許第２８８８１０４号公報（図１〜図３、段落[００３６]〜[００３９]等）
【特許文献３】特開２０１３−２４０２５２号公報（図１等）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
さて、無停電電源装置では、信頼性向上や容量増加を目的として、図８に示すように、交流電源２００と負荷３００との間に複数台の装置を並列に接続して使用することがある。図８では、２台の無停電電源装置１００Ａ，１００Ｂを並列接続した例を示しているが、並列台数は２以上になる場合もある。
ここで、無停電電源装置１００Ａ，１００Ｂの構成は図４に示した無停電電源装置１００と同一であり、図８では主要部のみを表わしている。
【０００９】
図８に示すように、複数台の無停電電源装置を並列に接続したシステムにおいて、コンバータ１０２がバランス制御を行っている時に負荷急変等の過渡現象が発生すると、いわゆるコモンモード循環電流が流れることがある。このコモンモード循環電流は、一方の無停電電源装置１００Ａの零相電圧と他方の無停電電源装置１００Ｂの零相電圧とが逆位相になり、コンバータ１０２及びインバータ１０５を有する２台の無停電電源装置１００Ａ，１００Ｂからなるループ内に零相電圧源が形成されることによるものである。
【００１０】
上記のコモンモード循環電流は、装置効率の低下や電源品質の低下を招くおそれがあるため、低減する必要があり、例えば、コンバータ１０２による零相電圧の制御に代えて、チョッパ１１１を常に動作させることによりバランス制御を行う方法が考えられる。
しかし、３レベル回路に対応させるためのチョッパ１１１は、図６に示したアーム部１１１ａのように４個の半導体スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４によって構成する必要があり、このチョッパ１１１を常に動作させてバランス制御を行うと、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４やリアクトル１１１ｂにおける損失が増大して装置効率の低下を招くという問題がある。
【００１１】
そこで、本発明の解決課題は、交流−直流−交流変換を行う電力変換ユニットを交流電源と負荷との間に複数台、並列に接続して使用する場合に、直列中間回路のコンデンサのバランス制御を高効率にて実現すると共に、コモンモード循環電流を低減可能とした電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、請求項１に係る発明は、半導体スイッチング素子の動作により、交流電圧と直流電圧とを相互に変換可能な第１，第２の電力変換器と、
前記第１，第２の電力変換器相互間に形成される直流中間回路の正電位点と中間電位点との間に接続された第１のコンデンサと、前記直流中間回路の負電位点と前記中間電位点との間に接続された第２のコンデンサと、からなるコンデンサ直列回路と、
半導体スイッチング素子の動作により、前記直流中間回路における各電位点の間の直流電圧と直流電圧源の直流電圧とを相互に変換可能な第３の電力変換器と、を備え、
前記第１，第２の電力変換器が、直流電圧と３つの電圧レベルに変化する交流電圧とを相互に変換可能な３レベル回路として構成され、
交流電源が供給される前記第１の電力変換器と、前記コンデンサ直列回路を含む前記直流中間回路と、負荷に交流電圧を供給する前記第２の電力変換器と、前記第３の電力変換器と、により１台の電力変換ユニットを構成し、前記電力変換ユニットを、前記交流電源と前記負荷との間に複数台並列に接続して構成される電力変換装置において、
前記電力変換ユニットは、前記第１，第２，第３の電力変換器をそれぞれ制御するための制御回路を備え、
前記制御回路は、
前記第１または前記第２の電力変換器に流れる零相電流が所定値未満である時は、前記第１，第２のコンデンサの電圧の偏差に基づき前記第１の電力変換器の零相電圧を変化させて前記中性点の電位変動を抑制し、前記第１または前記第２の電力変換器に流れる零相電流が所定値以上である時は、前記第３の電力変換器の動作を制御して前記中性点の電位変動を抑制するものである。
【００１３】
請求項２に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、
前記第３の電力変換器は、前記第１のコンデンサに並列に接続された第１，第２の半導体スイッチング素子の直列回路と、前記第２のコンデンサに並列に接続された第３，第４の半導体スイッチング素子の直列回路と、前記第１，第２の半導体スイッチング素子同士の直列接続点から前記直流電圧源を介して前記第３，第４の半導体スイッチング素子同士の直列接続点に至る経路に接続されたリアクトルと、を備え、
前記制御回路は、前記交流電源が正常または前記零相電流が所定値未満である時は前記第１，第４の半導体スイッチング素子をスイッチングさせ、前記交流電源が異常または前記零相電流が所定値以上である時は、前記第１〜第４の半導体スイッチング素子を全てスイッチングさせるものである。
【００１４】
請求項３に係る発明は、請求項１に記載した電力変換装置において、
前記制御回路は、前記交流電源に異常が発生した時に前記第３の電力変換器の動作を制御して前記中性点の電位変動を抑制するものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明においては、第１または第２の電力変換器に流れる零相電流が小さい時には第１の電力変換器により零相電圧を変化させてバランス制御を行い、前記零相電流が大きいときには第３の電力変換器によりバランス制御を行う。このため、例えばチョッパ等からなる第３の電力変換器を常時使用してバランス制御を行う場合に比べて、損失を低減することができ、高効率の電力変換装置を提供することができる。また、第３の電力変換器によりバランス制御を行う場合には、等価的に、零相電流を流す電圧源が回路から除去されるため、コモンモード循環電流を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の実施形態における電力変換ユニット内のコンバータ及びチョッパの制御回路を示す図である。
【図２】図１における循環電流検出回路の構成図である。
【図３】本発明の実施形態の原理説明図である。
【図４】特許文献１に記載された無停電電源装置の構成図である。
【図５】図４におけるコンバータ及びインバータの構成図である。
【図６】図４におけるチョッパの構成図である。
【図７】３レベル回路の他の構成例を示す回路図である。
【図８】無停電電源装置を２台並列に接続したシステムの構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
なお、この実施形態は、図８に示したように、三相交流電源２００と負荷３００との間に、コンバータ１０２、インバータ１０５及びチョッパ１１１を備えた交流−直流−交流変換用の電力変換ユニット（図８における無停電電源装置１００Ａ，１００Ｂに相当する）が複数台、並列に接続され、コンバータ１０２及びインバータ１０５が何れも３レベル回路によって構成されている電力変換装置を対象とするものである。
ここで、コンバータ１０２は請求項における第１の電力変換器に、インバータ１０５は第２の電力変換器に、チョッパ１１１は第３の電力変換器に、それぞれ相当している。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態における電力変換ユニットのうち、インバータ１０５については図示を省略し、コンバータ１０２及びチョッパ１１１とこれらの制御回路を抜き出して示したものであり、図８と同一機能を有する部分については同一の符号を付して説明を省略し、以下では図８と異なる部分を中心に説明する。
【００１９】
図１において、直流中間回路のコンデンサ１０３，１０４の電圧検出値Ｅｄｐ，Ｅｄｎが加算器１１により加算され、その加算値（Ｅｄｐ＋Ｅｄｎ）と直流電圧目標値Ｅ＊との偏差が減算器１２により算出される。この電圧偏差が零になるように動作する調節器１３の出力とコンバータ１０２の入力電圧検出値ＶＲ，ＶＳ，ＶＴとを相ごとに乗算器１４にて乗算することにより、コンバータ１０２の各相の入力電流指令値が生成される。
次に、これらの入力電流指令値と入力電流検出値ＩＲ，ＩＳ，ＩＴとの偏差が減算器１５によって相ごとに算出され、各相の電流偏差を零にするように動作する調節器１６の出力と入力電圧検出値ＶＲ，ＶＳ，ＶＴとを加算器１７にてそれぞれ加算することにより、コンバータ１０２の各相の入力電圧指令値が演算される。
【００２０】
また、コンデンサ１０３，１０４の電圧検出値Ｅｄｐ，Ｅｄｎが第１の中性点電位制御回路１８に入力され、両検出値の電圧偏差に応じてＥｄｐ，Ｅｄｎを等しくするための補正指令値（零相電圧指令値）Ｖ０＊が生成される。この補正指令値Ｖ０＊は、交流電源２００の正常時（健全時）にオン状態であるスイッチ１９を介して加算器２０に入力される。
【００２１】
加算器２０において、前段の加算器１７から出力される各相の電圧指令値に補正指令値Ｖ０＊をそれぞれ加算することにより、各相の電圧指令値ＶＲ＊，ＶＳ＊，ＶＴ＊が生成される。これらの電圧指令値ＶＲ＊，ＶＳ＊，ＶＴ＊は、コンバータ１０２の入出力電圧を所定値に制御し、かつ、バランス制御によってコンデンサ１０３，１０４の電圧Ｅｄｐ，Ｅｄｎを等しくするための指令値である。
ＰＷＭ回路２１は、上記の電圧指令値ＶＲ＊，ＶＳ＊，ＶＴ＊に従ってＰＷＭ演算を行い、コンバータ１０２の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するための駆動信号（ゲート信号）を生成して出力する。
【００２２】
なお、三相交流電源２００の異常時（停電時）には、停電検出回路２２から停電検出フラグが出力され、この停電検出フラグによりオアゲート２４を介して前記スイッチ１９をオフすることにより、コンバータ１０２によるバランス制御を停止すると共に、コンバータ１０１をゲートブロックする。
【００２３】
次に、チョッパ１１１の制御は、三相交流電源２００の異常時と正常時とで異なっている。ここで、三相交流電源２００の異常とは、停電だけでなく大幅な電圧低下（電圧変動）も含む概念であり、下記の停電検出回路２２は、交流電源２００の異常検出回路と考えても良い。
【００２４】
交流電源２００の停電時には、停電検出回路２２から出力される停電検出フラグによりスイッチ２８がオンし、スイッチ２６がオフする。また、直流電圧（Ｅｄｐ＋Ｅｄｎ）が目標値Ｅ＊に一致するように第１の直流電源電圧制御回路２７が動作し、その出力がスイッチ２８及び加算器２９を介して加算器３２及び減算器３３の各一端にそれぞれ入力される。
【００２５】
このとき、スイッチ３１は、停電検出回路２２及びオアゲート２４の出力によりオンしているので、第２の中性点電位制御回路３０から出力される補正指令値Ｖ０＊が加算器３２及び減算器３３の各他端に入力される。そして、これらの加算器３２及び減算器３３の出力がコンデンサ１０３，１０４の電圧指令値Ｖ１０３＊，Ｖ１０４＊としてＰＷＭ回路３４へ入力されることになる。
ここで、第２の中性点電位制御回路３０は、第１の中性点電位制御回路１８と同様に構成されている。
【００２６】
ＰＷＭ回路３４は、入力された電圧指令値Ｖ１０３＊，Ｖ１０４＊に従ってＰＷＭ演算を行い、チョッパ１１１の半導体スイッチング素子をオン・オフ制御するための駆動信号を生成して出力する。これにより、直流電圧（Ｅｄｐ＋Ｅｄｎ）を目標値Ｅ＊に一致させながらバランス制御を行う。
【００２７】
交流電源２００の正常時には、直流電圧源１２０の電圧検出値Ｖｂａｔ及び電流検出値Ｉｂａｔが入力されている第２の直流電源電圧制御回路２５により、直流電圧源１２０の充電電流を規定値以下に抑制しながら充電制御するための電圧指令値が生成される。このとき、スイッチ２６はオン、スイッチ２８，３１はオフであるため、上記電圧指令値はそのまま電圧指令値Ｖ１０３＊＝Ｖ１０４＊としてＰＷＭ回路３４に入力される。
【００２８】
ここで、チョッパ１１１がバランス制御を行わない場合は、チョッパ１１１の高効率化のため、ＰＷＭ回路３４は、図６におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４のみをスイッチングさせ、残りのスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３をゲートブロック状態とするように動作する。
【００２９】
一方、コンバータ１０２がバランス制御を行わない場合は、後述する循環電流検出回路２３により一定値以上のコモンモード循環電流が検出されるとオアゲート２４の出力によりスイッチ１９がオフし、スイッチ３１がオンする。これにより、第２の直流電源電圧制御回路２５の出力に第２の中性点電位制御回路３０からの補正指令値Ｖ０＊を重畳した電圧指令値Ｖ１０３＊，Ｖ１０４＊がＰＷＭ回路３４へ入力される。この場合、ＰＷＭ回路３４は、図６における全てのスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をスイッチングさせるように動作し、チョッパ１１１がバランス制御を行う。
【００３０】
バランス制御をコンバータ１０２とチョッパ１１１とのどちらで行うかについては、オアゲート２４の入力側に設けられた停電検出回路２２と循環電流検出回路２３とによって判断する。なお、停電検出回路２２により交流電源２００の停電を検出せず、かつ循環電流検出回路２３により検出されるコモンモード循環電流が所定値より小さい場合には、常時オン状態にあるスイッチ１９を介して、第１の中性点電位制御回路１８から出力される補正指令値Ｖ０＊を用いてコンバータ１０２によりバランス制御を行い、その他の条件ではチョッパ１１１がバランス制御を行う。
【００３１】
図２は、循環電流検出回路２３の構成図である。図２において、各相（Ｒ，Ｓ，Ｔ相）の電流検出値ＩＲ，ＩＳ，ＩＴを加算器２３ａ，２３ｂにて加算することによりコモンモード循環電流（零相電流）を求め、その絶対値を絶対値演算器２３ｃにより演算する。更に、絶対値演算器２３ｃの出力を、無用な誤検出を防止するためのローパスフィルタ２３ｄに通し、その出力がコンパレータ２３ｅにおける上限レベル以上である時に循環電流検出フラグを出力する。
なお、循環電流が減少した場合に直ちにコンバータ１０２によるバランス制御を開始すると、過渡現象が終わっていない可能性もあるため、オフディレー回路２３ｆにより一定時限を経過した後に循環電流検出フラグを解除することが望ましい。
【００３２】
次に、図３は、この実施形態の原理を説明するための図である。
本実施形態において、コンバータ１０２が主体的にバランス制御を行う場合は、図３に示すスイッチ１４０がオンして零相電流を流す電圧源１５０を回路に接続することにより、コンバータ１０２が零相電圧を調整する状態となる。これに対し、チョッパ１１１が主体的にバランス制御を行う場合は、コンバータ１０２による零相電圧の調整を行わないため、スイッチ１４０をオフすることで電圧源１５０が回路から除去された状態となり、これによってコモンモード循環電流を低減することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は、３レベル回路であるコンバータ及びインバータとチョッパとを備えた電力変換ユニットを、複数台並列に接続して交流−直流−交流変換を行う無停電電源装置等に利用することができる。
【符号の説明】
【００３４】
１１，１７，２０，２９，３２：加算器
１２，１５，３３：減算器
１３，１６：調節器
１４：乗算器
１８，３０：中性点電位制御回路
１９，２６，２８，３１：スイッチ
２１，３４：ＰＷＭ回路
２２：停電検出回路
２３：循環電流検出回路
２３ａ，２３ｂ：加算器
２３ｃ：絶対値演算器
２３ｄ：ローパスフィルタ
２３ｅ：コンパレータ
２３ｆ：オフディレー回路
２４：オアゲート
２５，２７：直流電源電圧制御回路
１００Ａ，１００Ｂ：電力変換ユニット（無停電電源装置）
１０１：入力フィルタ
１０２：コンバータ（第１の電力変換器）
１０３，１０４：コンデンサ
１０５：インバータ（第２の電力変換器）
１０６：出力フィルタ
１１１：チョッパ（第３の電力変換器）
１１１ａ：アーム部
１１１ｂ：リアクトル
１２０：直流電圧源（蓄電池）
１４０：スイッチ
１５０：電圧源
２００：三相交流電源
３００：負荷
【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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