(57)【要約】【課題】高い信頼性の電力変換装置及びその制御方法を提供する。【解決手段】実施形態によれば、中性点クランプ型の変換器と、第１及び第２電圧検出器と、制御部と、を備えた電力変換装置が提供される。変換器は、正電位端子、負電位端子、及び中性点端子と、複数の交流端子と、複数のスイッチング素子と、を有し、各スイッチング素子のスイッチングにより、各交流端子から供給された交流電力を、３レベルの直流電力に変換する。第１電圧検出器は、正電位端子と中性点端子との間の第１直流電圧を検出する。第２電圧検出器は、負電位端子と中性点端子との間の第２直流電圧を検出する。制御部は、直流電圧が所定の指令値と等しくなり、かつ、第１及び第２直流電圧が等しくなるように、各スイッチング素子を制御する。また、第１及び第２直流電圧の電圧差が所定値以上である場合に、指令値を変動させる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
正電位端子、負電位端子、及び中性点端子の３つの直流端子と、複数の交流端子と、複数のスイッチング素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記複数の交流端子から供給された交流電力を、正電位、負電位、及び中性点電位の３レベルを有する直流電力に変換する中性点クランプ型の変換器と、
前記正電位端子と前記中性点端子との間の第１直流電圧を検出する第１電圧検出器と、
前記負電位端子と前記中性点端子との間の第２直流電圧を検出する第２電圧検出器と、
前記第１電圧検出器の検出結果及び前記第２電圧検出器の検出結果を基に、前記直流電力の直流電圧が所定の直流電圧指令値と等しくなり、かつ、前記第１直流電圧と前記第２直流電圧とが互いに等しくなるように、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、前記第１直流電圧と前記第２直流電圧との電圧差の絶対値が所定値以上である場合に、前記直流電圧指令値を変動させる電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、
第１直流電圧指令値と、前記第１直流電圧指令値と異なる第２直流電圧指令値と、を有し、
前記電圧差の絶対値が前記所定値未満である場合には、前記第１直流電圧指令値を用い、
前記電圧差の絶対値が前記所定値以上である場合には、前記第１直流電圧指令値と前記第２直流電圧指令値とを交互に切り替える請求項１記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第２直流電圧指令値は、前記第１直流電圧指令値よりも小さい請求項２記載の電力変換装置。
【請求項４】
正電位端子、負電位端子、及び中性点端子の３つの直流端子と、複数の交流端子と、複数のスイッチング素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記複数の交流端子から供給された交流電力を、正電位、負電位、及び中性点電位の３レベルを有する直流電力に変換する中性点クランプ型の変換器と、
前記正電位端子と前記中性点端子との間の第１直流電圧を検出する第１電圧検出器と、
前記負電位端子と前記中性点端子との間の第２直流電圧を検出する第２電圧検出器と、
を備えた電力変換装置の制御方法であって、
前記第１電圧検出器の検出結果及び前記第２電圧検出器の検出結果を基に、前記直流電力の直流電圧が所定の直流電圧指令値と等しくなり、かつ、前記第１直流電圧と前記第２直流電圧とが互いに等しくなるように、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御し、前記交流電力を前記直流電力に変換する工程と、
前記第１直流電圧と前記第２直流電圧との電圧差の絶対値が所定値以上である場合に、前記直流電圧指令値を変動させる工程と、
を有する電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、電力変換装置及びその制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
交流電力を、正電位、負電位、及び中性点電位の３レベルの直流電力に変換する中性点クランプ型の変換器を用いた電力変換装置がある。中性点クランプ型の変換器において、正電位と中性点電位との間の直流電圧と、負電位と中性点電位との間の直流電圧と、の電圧差が大きくなると、交流側及び直流側の電圧の変動や不要な高調波の発生の要因となる。このため、中性点クランプ型の変換器を用いた電力変換装置では、中性点電位の変動を抑制し、各直流電圧が等しくなるように変換器の動作を制御（以下、バランス制御と称す）することが行われている。
【０００３】
例えば、無効電流を交流側に流すことにより、各直流電圧のバランス制御を行うことが提案されている。この方法では、各直流電圧の電圧値を変動させることなく、各直流電圧のバランス制御を行うことができる。
【０００４】
しかしながら、無効電流を交流側に供給する方法では、交流電圧を変動させてしまう場合がある。例えば、交流側が電力系統である場合に、系統電圧の変動を招いてしまう。このため、電力変換装置では、各直流電圧のバランス制御を行う際の交流側の電圧変動を抑制し、信頼性を向上させることが望まれる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１４３８３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の実施形態は、高い信頼性の電力変換装置及びその制御方法を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の実施形態によれば、中性点クランプ型の変換器と、第１電圧検出器と、第２電圧検出器と、制御部と、を備えた電力変換装置が提供される。前記変換器は、正電位端子、負電位端子、及び中性点端子の３つの直流端子と、複数の交流端子と、複数のスイッチング素子と、を有し、前記複数のスイッチング素子のスイッチングにより、前記複数の交流端子から供給された交流電力を、正電位、負電位、及び中性点電位の３レベルを有する直流電力に変換する。前記第１電圧検出器は、前記正電位端子と前記中性点端子との間の第１直流電圧を検出する。前記第２電圧検出器は、前記負電位端子と前記中性点端子との間の第２直流電圧を検出する。前記制御部は、前記第１電圧検出器の検出結果及び前記第２電圧検出器の検出結果を基に、前記直流電力の直流電圧が所定の直流電圧指令値と等しくなり、かつ、前記第１直流電圧と前記第２直流電圧とが互いに等しくなるように、前記複数のスイッチング素子のスイッチングを制御する。前記制御部は、前記第１直流電圧と前記第２直流電圧との電圧差の絶対値が所定値以上である場合に、前記直流電圧指令値を変動させる。
【発明の効果】
【０００８】
各直流電圧のバランス制御を行う際の交流側の電圧変動を抑制し、高い信頼性の電力変換装置及びその制御方法が提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。
【図２】実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。
【００１０】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。  
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。  
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【００１１】
図１は、実施形態に係る電力変換装置を模式的に表すブロック図である。  
図１に表したように、電力変換装置１０は、第１変換器１１と、第２変換器１２と、制御部１４と、一対の直流コンデンサ１６、１８と、電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗと、電圧検出器２１、２２と、を備える。
【００１２】
第１変換器１１は、３つの交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗと、３つの直流端子１１ｐ、１１ｎ、１１ｃと、を有する。各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗは、例えば、連系リアクトル４ｕ、４ｖ、４ｗ、及び遮断器６ｕ、６ｖ、６ｗを介して交流電源２に接続される。これにより、第１変換器１１には、交流電源２からの交流電力が供給される。各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗのそれぞれは、交流電源２の三相交流電力の各相のそれぞれに接続される。
【００１３】
交流電源２は、例えば、種々の発電装置や商用の電力系統などである。交流電源２から供給される交流電力は、例えば、三相交流電力である。交流電源２の交流電力は、三相に限ることなく、単相などでもよい。連系リアクトル４ｕ、４ｖ、４ｗ、及び遮断器６ｕ、６ｖ、６ｗは、必要に応じて設けられ、省略可能である。連系リアクトル４ｕ、４ｖ、４ｗ、及び遮断器６ｕ、６ｖ、６ｗは、電力変換装置１０に設けてもよいし、電力変換装置１０とは別に設けてもよい。
【００１４】
第１変換器１１は、入力された三相交流電力（第１三相交流電力）を正電位Ｐ、負電位Ｎ及び中性点電位Ｏの３レベルを有する直流電力に変換にする。以下では、各直流端子１１ｐ、１１ｎ、１１ｃを、それぞれ正電位端子１１ｐ、負電位端子１１ｎ、中性点端子１１ｃと称す。
【００１５】
第１変換器１１は、正電位端子１１ｐを正電位Ｐに設定し、負電位端子１１ｎを負電位Ｎに設定し、中性点端子１１ｃを中性点電位Ｏに設定する。中性点電位Ｏは、正電位Ｐと負電位Ｎとの中間の電位である。これにより、第１変換器１１は、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間に直流電圧ＶＰＯ（第１直流電圧）を発生させ、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間に直流電圧ＶＯＮ（第２直流電圧）を発生させる。従って、正電位端子１１ｐと負電位端子１１ｎとの間の直流電圧ＶＤＣは、ＶＤＣ＝ＶＰＯ＋ＶＯＮである。
【００１６】
第２変換器１２は、各直流端子１１ｐ、１１ｎ、１１ｃに接続されるとともに、交流負荷８に接続される。交流負荷８は、例えば、交流電源２とは異なる電力系統である。第２変換器１２は、第１変換器１１から入力された直流電力を、交流負荷８に応じた所望の周波数及び電圧値の三相交流電力（第２三相交流電力）に変換し、その三相交流電力を交流負荷８に供給する。
【００１７】
このように、電力変換装置１０は、交流電源２の三相交流電力を一度直流電力に変換し、その直流電力を別の三相交流電力に変換して交流負荷８に供給する。電力変換装置１０は、例えば、ＢＴＢ（Back To Back）方式の系統連系設備に用いられる。第１変換器１１は、いわゆる３レベル式のコンバータである。第２変換器１２は、３レベル式のインバータである。
【００１８】
また、電力変換装置１０では、交流負荷８側の交流電力を交流電源２に応じた交流電力に変換して交流電源２に供給することもできる。この場合には、第１変換器１１がインバータとして機能し、第２変換器１２がコンバータとして機能する。
【００１９】
交流負荷８は、電力系統に限ることなく、例えば、誘導電動機などでもよい。電力変換装置１０は、誘導電動機の駆動制御などに用いてもよい。
【００２０】
直流コンデンサ１６は、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間に設けられる。直流コンデンサ１６は、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間に電気的に接続される。直流コンデンサ１８は、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間に設けられる。直流コンデンサ１８は、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間に電気的に接続される。直流コンデンサ１６、１８は、直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮを平滑化する。直流コンデンサ１６、１８は、換言すれば、平滑コンデンサである。
【００２１】
各電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗは、第１変換器１１の各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに流れる交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗのそれぞれの電流値を検出する。各電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗは、換言すれば、交流電源２の各相の線電流を検出する。各電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗは、各交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの電流値を制御部１４に入力する。
【００２２】
電圧検出器２１は、直流コンデンサ１６の直流電圧ＶＰＯの電圧値を検出し、検出した直流電圧ＶＰＯの電圧値を制御部１４に入力する。電圧検出器２２は、直流コンデンサ１８の直流電圧ＶＯＮの電圧値を検出し、検出した直流電圧ＶＯＮの電圧値を制御部１４に入力する。
【００２３】
制御部１４は、各電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ、及び各電圧検出器２１、２２の各検出結果を基に、第１変換器１１及び第２変換器１２の動作を制御する。制御部１４は、第１変換器１１による三相交流電力から直流電力への変換を制御する。制御部１４は、第２変換器１２による直流電力から三相交流電力への変換を制御する。第２変換器１２の動作は、制御部１４とは別のコントローラなどによって制御してもよい。
【００２４】
第１変換器１１は、複数のスイッチング素子４１と、複数の整流素子４２、４３と、を有する。この例において、第１変換器１１は、１２個のスイッチング素子４１と、１２個の整流素子４２と、６個の整流素子４３と、を有する。各スイッチング素子４１は、三相ブリッジ接続されている。各整流素子４２は、各スイッチング素子４１に逆並列に接続されている。
【００２５】
スイッチング素子４１は、一対の主端子と、制御端子と、を有する。制御端子は、各主端子間に電流が流れるオン状態と、各主端子間に実質的に電流が流れないオフ状態と、の切り替えに用いられる。スイッチング素子４１には、例えば、ＧＴＯ（Gate Turn Off thyristor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの自己消弧素子が用いられる。制御端子は、例えば、ゲート端子である。
【００２６】
第１変換器１１は、三相ブリッジ型であり、６つのアームＡＵ、ＡＶ、ＡＷ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺを有する。各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに接続される各相のアームＡＵ、ＡＶ、ＡＷ、ＡＸ、ＡＹ、ＡＺのそれぞれの構成は、実質的に同じである。従って、ここでは例示として交流端子１１ｕ（Ｕ相）に接続される２つのアームＡＵ、ＡＸについて説明する。
【００２７】
正側のアームＡＵは、直列に接続された２つのスイッチング素子ＳＵ１、ＳＵ２と、これらのスイッチング素子ＳＵ１、ＳＵ２のそれぞれに逆並列に接続された整流素子ＤＵ１、ＤＵ２と、各スイッチング素子ＳＵ１、ＳＵ２の直列接続点と中性点端子１１ｃとの間に接続された整流素子ＤＵ３と、を有する。
【００２８】
同様に、負側のアームＡＸは、直列に接続された２つのスイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２と、これらのスイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２のそれぞれに逆並列に接続された整流素子ＤＸ１、ＤＸ２と、各スイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２の直列接続点と中性点端子１１ｃとの間に接続された整流素子ＤＸ３と、を有する。
【００２９】
両アームＡＵ、ＡＸは、正電位端子１１ｐと負電位端子１１ｎとの間に直列に接続され、両アームＡＵ、ＡＸの直列接続点がＵ相の交流端子１１ｕに接続される。スイッチング素子ＳＵ１、ＳＵ２の直列接続点の電位は、整流素子ＤＵ３を介して中性点電位Ｏにクランプされる。同様に、スイッチング素子ＳＸ１、ＳＸ２の直列接続点の電位は、整流素子ＤＸ３を介して中性点電位Ｏにクランプされる。整流素子ＤＵ１、ＤＵ２、ＤＸ１、ＤＸ２（各整流素子４２）は、いわゆる還流ダイオードである。整流素子ＤＵ３、ＤＸ３（各整流素子４３）は、いわゆるクランプダイオードである。
【００３０】
アームＡＶ、ＡＷの構成は、アームＡＵの構成と実質的に同じである。アームＡＹ、ＡＺの構成は、アームＡＸの構成と実質的に同じである。これにより、各スイッチング素子４１のスイッチングに応じて、交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗの電位が、正電位端子１１ｐ、負電位端子１１ｎ、及び中性点端子１１ｃの３レベルのいずれかの電位にクランプされる。第１変換器１１は、いわゆる中性点クランプ（ＮＰＣ：Neutral-Point-Clamped）型の変換器（コンバータ）である。
【００３１】
第２変換器１２は、複数のスイッチング素子５１と、複数の整流素子５２、５３と、を有する。第２変換器１２は、第１変換器１１と同様に、中性点クランプ型の変換器（インバータ）である。第２変換器１２の構成は、第１変換器１１の構成と実質的に同じであるから、詳細な説明は省略する。第２変換器１２においては、各直流コンデンサ１６、１８と接続された側が直流側（正電位端子１１ｐ、負電位端子１１ｎ、中性点端子１１ｃに相当）となり、交流負荷８と接続された側が交流側（交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに相当）となる。
【００３２】
制御部１４は、直流電圧差検出器６０と、発振器６１と、切替器６２と、直流電圧制御器６３と、電流制御器６４と、直流バランス制御器６５と、符号検出器６６と、乗算器６７と、加算器６８と、ＰＷＭ制御器６９と、を有する。
【００３３】
直流電圧差検出器６０には、各電圧検出器２１、２２で検出された直流電圧ＶＰＯ及び直流電圧ＶＯＮの各電圧値が入力される。直流電圧差検出器６０は、入力された各電圧値の電圧差Ｖｄを算出する。直流電圧差検出器６０は、例えば、Ｖｄ＝ＶＰＯ−ＶＯＮにより、電圧差Ｖｄを算出する。そして、直流電圧差検出器６０は、算出した電圧差Ｖｄを発振器６１及び直流バランス制御器６５に入力する。
【００３４】
発振器６１は、直流電圧差検出器６０及び切替器６２に接続されている。発振器６１は、入力された電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上か否かを判定する。発振器６１は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値未満であると判定した場合、「０」を切替器６２に入力する。一方、発振器６１は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上であると判定した場合、「０」と「１」とを所定の周期で交互に繰り返すパルス信号を切替器６２に入力する。「０」は、例えば、「Ｌｏｗ」であり、「１」は、例えば、「Ｈｉｇｈ」である。また、「０」は、例えば、０Ｖであり、「１」は、例えば、＋５Ｖである。
【００３５】
パルス信号の周期は、例えば、１秒である。「０」及び「１」のそれぞれのデューティ比は、例えば、５０％である。すなわち、発振器６１は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上であると判定した場合、０．５秒毎に「０」及び「１」を切り替えるパルス信号を切替器６２に入力する。パルス信号の周期及びデューティ比は、上記に限ることなく、任意に設定可能である。
【００３６】
切替器６２は、発振器６１及び直流電圧制御器６３に接続されている。切替器６２は、発振器６１から「０」が入力された場合、所定の直流電圧指令値Ｅｄｃの１．０ｐｕ（per unit）を直流電圧制御器６３に入力する。一方、切替器６２は、発振器６１から「１」が入力された場合、所定の直流電圧指令値Ｅｄｃの０．９ｐｕを直流電圧制御器６３に入力する。
【００３７】
直流電圧指令値Ｅｄｃは、正電位端子１１ｐと負電位端子１１ｎとの間の直流電圧ＶＤＣの指令値である。直流電圧指令値Ｅｄｃは、正電位端子１１ｐと中性点端子１１ｃとの間の直流電圧ＶＰＯの指令値、又は、中性点端子１１ｃと負電位端子１１ｎとの間の直流電圧ＶＯＮの指令値でもよい。直流電圧指令値Ｅｄｃは、例えば、予め決められた一定値である。直流電圧指令値Ｅｄｃは、外部のコントローラなどから入力される変数でもよい。
【００３８】
このように、切替器６２は、発振器６１から「０」が入力された場合、第１直流電圧指令値を直流電圧制御器６３に入力し、発振器６１から「１」が入力された場合、第１直流電圧指令値と異なる第２直流電圧指令値を直流電圧制御器６３に入力する。切替器６２は、電圧差Ｖｄの絶対値の判定結果に応じて、直流電圧制御器６３に入力する直流電圧指令値Ｅｄｃを切り替える。
【００３９】
この例において、第２直流電圧指令値は、第１直流電圧指令値よりも低い。第２直流電圧指令値は、第１直流電圧指令値より高くてもよい。しかしながら、第２直流電圧指令値を第１直流電圧指令値よりも高くした場合には、例えば、過電圧の発生などが懸念される。従って、第２直流電圧指令値は、第１直流電圧指令値よりも低く設定することが好ましい。これにより、例えば、電力変換装置１０の信頼性を高めることができる。第２直流電圧指令値は、例えば、第１直流電圧指令値の０．９倍以上１．０倍未満であることが好ましい。より好ましくは、第２直流電圧指令値は、０．９０倍以上０．９５倍未満である。すなわち、第２直流電圧指令値は、第１直流電圧指令値に対して５％程度低下させることが好ましい。
【００４０】
このように、制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値未満である場合には、第１直流電圧指令値を用いる。そして、制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合には、第１直流電圧指令値と第２直流電圧指令値とを交互に切り替える。制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合に、直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させる。
【００４１】
電圧差Ｖｄを判定する所定値は、例えば、各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮの定格電圧の１％〜５％程度である。制御部１４は、例えば、電圧差Ｖｄが定格電圧の５％以上変動した場合に、直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させる。
【００４２】
直流電圧制御器６３には、切替器６２から直流電圧指令値Ｅｄｃが入力されるとともに、各電圧検出器２１、２２で検出された直流電圧ＶＰＯ及び直流電圧ＶＯＮの各電圧値が入力される。直流電圧制御器６３は、入力された直流電圧指令値Ｅｄｃと各電圧値とを基に、各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに流れる交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの有効電流指令値Ｉｑを算出する。有効電流指令値Ｉｑは、例えば、三相の各交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗをｄｑ変換（三相二相変換）したｑ軸成分の電流指令値である。直流電圧制御器６３は、直流電圧ＶＰＯ及び直流電圧ＶＯＮを直流電圧指令値Ｅｄｃに近付けるために必要となる各交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの有効電流指令値Ｉｑを算出する。
【００４３】
直流電圧制御器６３は、例えば、ＰＩ制御、ＰＩＤ制御、または、Ｉ−Ｐ制御などの制御手法や現代制御理論などによって、直流電圧指令値Ｅｄｃ及び各電圧値から有効電流指令値Ｉｑを算出する。そして、直流電圧制御器６３は、算出した有効電流指令値Ｉｑを電流制御器６４に入力する。
【００４４】
電流制御器６４には、有効電流指令値Ｉｑが入力されるとともに、各電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗで検出された各交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの電流値が入力される。電流制御器６４は、入力された有効電流指令値Ｉｑと各電流値とを基に、三相の各相毎の電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを算出する。
【００４５】
電流制御器６４は、例えば、二相三相変換やＰＩ制御などを行うことにより、有効電流指令値Ｉｑ及び各電流値から各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを算出する。各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗは、例えば、正弦波状の信号である。また、電流制御器６４は、算出した各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを符号検出器６６及び加算器６８に入力する。
【００４６】
直流バランス制御器６５は、直流電圧差検出器６０及び乗算器６７に接続されている。直流バランス制御器６５は、直流電圧差検出器６０から入力された電圧差Ｖｄを基に、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗの補正指令値Ｖｂを算出する。直流バランス制御器６５は、例えば、ＰＩ制御により、電圧差Ｖｄから補正指令値Ｖｂを算出する。補正指令値Ｖｂは、電圧差Ｖｄを実質的に０にするための各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗの補正値である。換言すれば、補正指令値Ｖｂは、各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮが互いに等しくなるようにする直流電圧のバランス制御を行うための補正値である。直流バランス制御器６５は、算出した補正指令値Ｖｂを乗算器６７に入力する。
【００４７】
符号検出器６６は、電流制御器６４から入力された各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを基に、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗに加える補正指令値Ｖｂの符号Ｖｓを検出する。符号検出器６６は、例えば、直流電圧ＶＯＮを直流電圧ＶＰＯに対して上げる場合に、符号Ｖｓを「＋１」に設定し、直流電圧ＶＯＮを直流電圧ＶＰＯに対して下げる場合に、符号Ｖｓを「−１」に設定する。符号検出器６６は、例えば、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗの振幅や位相などから符号Ｖｓを検出する。符号検出器６６は、検出した符号Ｖｓを乗算器６７に入力する。
【００４８】
乗算器６７は、直流バランス制御器６５、符号検出器６６、及び加算器６８に接続されている。乗算器６７は、符号検出器６６から入力された符号Ｖｓを、直流バランス制御器６５から入力された補正指令値Ｖｂに乗算する。そして、乗算器６７は、乗算後の補正指令値Ｖｂ’を加算器６８に入力する。加算器６８は、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗに補正指令値Ｖｂ’を加算することにより、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを補正する。
【００４９】
直流バランス制御器６５、符号検出器６６、乗算器６７、及び加算器６８は、例えば、電圧差Ｖｄに応じた直流量を各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗに加算することによって、各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮが互いに等しくなるように、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを補正する。各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗの補正は、例えば、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗの振幅を補正するものなどでもよい。各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗの補正は、各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮが互いに等しくなるようにすることが可能な任意の手法でよい。加算器６８は、補正後の各電圧指令値ｖｅｕ’、ｖｅｖ’、ｖｅｗ’をＰＷＭ制御器６９に入力する。
【００５０】
ＰＷＭ制御器６９は、入力された各電圧指令値ｖｅｕ’、ｖｅｖ’、ｖｅｗ’を基に、第１変換器１１の各スイッチング素子４１の制御信号ＳＧ０１〜ＳＧ１２を生成する。制御信号ＳＧ０１〜ＳＧ１２は、各スイッチング素子４１のオン・オフを切り替えるための信号である。制御信号ＳＧ０１〜ＳＧ１２は、例えば、ゲート信号である。
【００５１】
ＰＷＭ制御器６９は、例えば、正弦波状の各電圧指令値ｖｅｕ’、ｖｅｖ’、ｖｅｗ’と、三角波状の搬送波と、を比較することによって、各制御信号ＳＧ０１〜ＳＧ１２を生成する。ＰＷＭ制御器６９は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御によって各スイッチング素子４１のスイッチングを制御する。
【００５２】
ＰＷＭ制御器６９は、生成した各制御信号ＳＧ０１〜ＳＧ１２を各スイッチング素子４１のそれぞれの制御端子に入力する。これにより、各制御信号ＳＧ０１〜ＳＧ１２に応じて各スイッチング素子４１のオン・オフが切り替えられる。各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮが、直流電圧指令値Ｅｄｃに応じた電圧値に制御される。さらに、各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮが、補正指令値Ｖｂ’に応じて実質的に等しくなるようにバランス制御される。
【００５３】
図２は、実施形態に係る電力変換装置の動作の一例を模式的に表すフローチャートである。  
図２に表したように、電力変換装置１０の制御部１４は、動作を開始すると、各電流検出器２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ及び各電圧検出器２１、２２の各検出結果などに基づいて第１変換器１１の各スイッチング素子４１のスイッチングを制御し、各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗから供給された交流電力を３レベルの直流電力に変換する（図２のステップＳ０１）。また、この際、制御部１４は、第２変換器１２の各スイッチング素子５１のスイッチングを制御する。これにより、制御部１４は、直流電力を交流電力に変換して交流負荷８に供給する。
【００５４】
制御部１４は、交流電力から直流電力への変換において、正電位端子１１ｐと負電位端子１１ｎとの間の直流電圧ＶＤＣが、所定の直流電圧指令値Ｅｄｃと等しくなるように、各スイッチング素子４１のスイッチングを制御する。
【００５５】
制御部１４は、例えば、直流電圧指令値Ｅｄｃと各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮの各電圧値とを基に、有効電流指令値Ｉｑを算出し、有効電流指令値Ｉｑと各交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの各電流値とを基に、電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを算出し、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗに基づいて各スイッチング素子４１のスイッチングを制御する。これにより、直流電圧ＶＤＣが直流電圧指令値Ｅｄｃと等しくなるように、各スイッチング素子４１のスイッチングを制御することができる。
【００５６】
また、制御部１４は、交流電力から直流電力への変換において、直流電圧ＶＰＯと直流電圧ＶＯＮとが互いに等しくなるように、各スイッチング素子４１のスイッチングを制御する。
【００５７】
制御部１４は、例えば、電圧差Ｖｄに応じた補正指令値Ｖｂ’を算出し、この補正指令値Ｖｂ’を加えることによって、各電圧指令値ｖｅｕ、ｖｅｖ、ｖｅｗを補正する。これにより、直流電圧ＶＰＯと直流電圧ＶＯＮとが互いに等しくなるように、各スイッチング素子４１のスイッチングを制御することができる。
【００５８】
制御部１４は、交流電力から直流電力への変換を開始した後、各電圧検出器２１、２２から各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮの各電圧値を取得する（図２のステップＳ０２）。そして、制御部１４は、各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮの電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上か否かを判定する（図２のステップＳ０３）。
【００５９】
制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値未満であると判定した場合には、第１直流電圧指令値を用いて交流電力から直流電力への変換を行う（図２のステップＳ０４）。一方、制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上であると判定した場合には、第１直流電圧指令値と第２直流電圧指令値とを交互に切り替えて、交流電力から直流電力への変換を行う（図２のステップＳ０５）。すなわち、制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上であると判定した場合には、直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させる。
【００６０】
制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値未満である場合には、例えば、発振器６１から切替器６２に「０」を出力し、切替器６２から直流電圧制御器６３に所定の直流電圧指令値Ｅｄｃの１．０ｐｕを第１直流電圧指令値として入力する。これにより、直流電圧指令値Ｅｄｃを用いて交流電力から直流電力への変換が行われる。
【００６１】
制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合には、例えば、発振器６１から切替器６２に「０」と「１」とを所定の周期で交互に繰り返すパルス信号を出力する。切替器６２は、発振器６１から「０」が入力された場合には、直流電圧指令値Ｅｄｃの１．０ｐｕを第１直流電圧指令値として直流電圧制御器６３に入力し、発振器６１から「１」が入力された場合には、直流電圧指令値Ｅｄｃの０．９ｐｕを第２直流電圧指令値として直流電圧制御器６３に入力する。これにより、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合に、第１直流電圧指令値と第２直流電圧指令値とを交互に切り替えて、交流電力から直流電力への変換を行うことができる。
【００６２】
このように、本実施形態に係る電力変換装置１０では、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合に、直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させる。これにより、有効電流成分の交流電流を第１変換器１１の各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに流すことができる。
【００６３】
各直流電圧ＶＰＯ、ＶＯＮのバランス制御を行うためには、例えば、各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに交流電流ｉｕ、ｉｖ、ｉｗの定格電流の１０％程度の電流を流す必要がある。このため、例えば、負荷が軽くなった場合など、各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに流れる電流が小さくなった場合に、バランス制御の効果が低くなり、電圧差Ｖｄが大きくなってしまう傾向にある。
【００６４】
電圧差Ｖｄが大きくなった場合に、各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに無効電流を流すことによって、バランス制御の効果を高めることも考えられる。しかしながら、交流電源２側に無効電流を流してしまうと、交流電源２の交流電圧が変動してしまう可能性がある。例えば、交流電源２が電力系統である場合に、系統電圧の変動を招いてしまう。
【００６５】
これに対して、本実施形態に係る電力変換装置１０では、上述のように、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合に、直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させることにより、有効電流成分の交流電流を各交流端子１１ｕ、１１ｖ、１１ｗに流す。これにより、バランス制御の効果を高め、電圧差Ｖｄを抑えることができるとともに、無効電流を流す場合に比べて、交流電源２側の電圧の変動を抑えることもできる。このように、電力変換装置１０では、各直流電圧のバランス制御を行う際の交流側の電圧変動を抑制し、信頼性を向上させることができる。
【００６６】
制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上になって直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させた後、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値未満になった場合に、直流電圧指令値Ｅｄｃの変動を停止させる。この場合、電圧差Ｖｄの絶対値の判定にヒステリシスを持たせてもよい。例えば、制御部１４は、電圧差Ｖｄの絶対値が第１所定値以上になって直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させた後、電圧差Ｖｄの絶対値が第２所定値未満になった場合に、直流電圧指令値Ｅｄｃの変動を停止させる。第２所定値は、第１所定値よりも小さくする。これにより、変動させる動作と、変動を停止させる動作と、を繰り返してしまうことを抑制することができる。
【００６７】
上記実施形態では、電圧差Ｖｄの絶対値が所定値以上である場合に、第１直流電圧指令値と第２直流電圧指令値とを交互に切り替えて、直流電圧指令値Ｅｄｃを変動させる。直流電圧指令値Ｅｄｃの変動は、これに限ることなく、例えば、周期的に３つ以上の値に変動させてもよい。例えば、電圧差Ｖｄの大きさに応じて、指令値を変化させてもよい。
【００６８】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００６９】
２…交流電源、  ４ｕ、４ｖ、４ｗ…連系リアクトル、  ６ｕ、６ｖ、６ｗ…遮断器、  ８…交流負荷、  １０…電力変換装置、  １１…第１変換器、  １１ｃ、１１ｐ、１１ｎ…直流端子、  １１ｕ、１１ｖ、１１ｗ…交流端子、  １２…第２変換器、  １４…制御部、  １６、１８…直流コンデンサ、  ２０ｕ、２０ｖ、２０ｗ…電流検出器、  ２１、２２…電圧検出器、  ４１…スイッチング素子、  ４２、４３…整流素子、  ５１…スイッチング素子、  ５２、５３…整流素子、  ６０…直流電圧差検出器、  ６１…発振器、  ６２…切替器、  ６３…直流電圧制御器、  ６４…電流制御器、  ６５…直流バランス制御器、  ６６…符号検出器、  ６７…乗算器、  ６８…加算器、  ６９…ＰＷＭ制御器
【図１】
2018019492.tif 000003
【図２】
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