(57)【要約】【課題】半導体素子を直列に接続して出力電圧を高電圧化することにより、変圧器を用いないで配電系統に連系可能な電力変換装置の研究開発がなされてきた。しかし、この電力変換装置の場合、出力電圧はパルス状となるため出力電流の高調波成分が大きく、配電系統のリアクトル等で起磁力の変動が発生し、これに伴い、リアクトルが振動して騒音が発生していた。【解決手段】騒音の周波数を人間の可聴域の最大周波数以上にすることにより電力変換装置から発生する騒音を抑制する。そのために、騒音源である出力電流高調波成分の周波数が人間の可聴域の最大周波数を超えるためには、単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の位相を単位変換器の間で所定の値だけ相互にシフトさせた電力変換装置において、各単位変換器の駆動用搬送波の周波数を下記の式を満たすようにすれば良い。    ｆcarrier＞ｆaudibility_max÷Ｎ【選択図】  図１
2011024390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームを複数備えた電力変換装置において、
前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の位相を前記アーム内単位変換器の間で所定の値だけ相互にシフトさせる手段と、
前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の周波数を、人間の可聴周波数帯域の最大周波数を前記アーム内の単位変換器の数で割った値よりも大きい状態で動作させる手段を備えたこと、を特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１の電力変換装置において、
連系リアクトルと、
バッファリアクトルと、
複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームと、
前記単位変換器を制御する制御装置と、
前記制御装置から前記単位変換器へ制御信号を伝送する信号線と、を備えて、
前記アームを３相の各相の正側，負側にそれぞれ配置することを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項１，２の電力変換装置において、
前記単位変換器は、電力を貯蔵するコンデンサと、
過電流時に電流を遮断するヒューズと、
複数のスイッチング素子をハーフブリッジ状に接続して構成されるセルと、
前記スイッチング素子の制御信号を出力する単位変換器制御回路と、
前記単位変換器制御回路から出力された制御信号に基づいて、前記スイッチング素子へ電圧を印加するゲートドライバと、
前記ゲートドライバに必要な電力を供給するゲート電源と、
前記ゲート電源と前記単位変換器制御回路に必要な電力を供給する自給電源と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項１から３のうちの１つの電力変換装置において、
所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、
前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、
互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する各相電圧指令生成器と、
を備えることを特徴する電力変換装置。
【請求項５】
請求項１から４のうちの１つの電力変換装置において、
前記単位変換器制御回路は、前記電圧指令と前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を前記ゲートドライバへ出力する比較器と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１，２の電力変換装置において、
前記単位変換器は、電力を貯蔵するコンデンサと、
過電流時に電流を遮断するヒューズと、
複数のスイッチング素子を直列に接続して構成される第一のレグおよび第二のレグをフルブリッジ状に接続して構成されるセルと、
前記スイッチング素子の制御信号を出力する単位変換器と制御回路と、
単位変換器制御回路から出力された制御信号に基づいて、前記スイッチング素子へ電圧を印加するゲートドライバと、
前記ゲートドライバに必要な電力を供給するゲート電源と、
前記ゲート電源と前記単位変換器制御回路に必要な電力を供給する自給電源と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１，２および６の電力変換装置において、
所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、
前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、
互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する第一の各相電圧指令生成器と、
前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令に対して、位相が１／２周期シフトされた電圧指令を出力する第二の各相電圧指令生成器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項１，２，６及び７の電力変換装置において、
前記単位変換器制御回路は、前記第一の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第一のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第一の比較器と、
前記第二の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第二のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第二の比較器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項１から３のうちの１つの電力変換装置において、
所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、
互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する各相電圧指令生成器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１０】
請求項１から３及び９の電力変換装置において、
前記単位変換器制御回路は、前記同期信号生成器より出力された前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を出力する搬送波生成器と、
前記搬送波生成器より出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波と前記各相電圧指令生成器より出力された電圧指令の大小関係に基づき、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する比較器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１１】
請求項１，２および６の電力変換装置において、
前記制御装置は、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、
互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する第一の各相電圧指令生成器と、
前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令に対して、位相が１／２周期シフトされた電圧指令を出力する第二の各相電圧指令生成器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１２】
請求項１，２，６及び１１の電力変換装置において、
前記単位変換器制御回路は、前記同期信号生成器から出力された前記同期信号を入力として、前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を出力する搬送波生成器と、
前記第一の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第一のセルを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第一の比較器と、
前記第二の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第二のセルを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第二の比較器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１３】
請求項１から３の電力変換装置において、
前記制御装置は、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する各相電圧指令生成器と、
所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、
前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、
前記電圧指令と前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を前記単位変換器制御回路へ出力する比較器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１４】
請求項１、２および６の電力変換装置において、
前記制御装置は、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する第一の各相電圧指令生成器と、
前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令に対して、位相が１／２周期シフトされた電圧指令を出力する第二の各相電圧指令生成器と、
所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、
前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、
前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令と前記搬送波生成器から出力されるスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、第一のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第一の比較器と、
前記第二の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令と前記搬送波生成器から出力されるスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、第二のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第二の比較器と、
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１５】
請求項１の電力変換装置において、
変圧器と、
バッファリアクトルと、
複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームと、
前記単位変換器を制御する制御装置と、
前記制御装置から前記単位変換器へ制御信号を伝送する信号線と、
を備えて、
前記アームを３相の各相にそれぞれ配置することを特徴とする電力変換装置。
【請求項１６】
請求項１から１５の電力変換装置において、
前記制御装置と前記単位変換器制御回路との間の制御信号の伝送を、
信号線に変えて無線を利用して実行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】
単位変換器がカスケード接続により構成された電力変換装置に関し、特に出力電流高調波に起因する問題を抑制する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電力変換装置は昇降圧変圧器を利用して出力電圧の高電圧化を図り、交流系統に連系している。この昇降圧変圧器は重量，容積が大きいため、装置全体の重量，容積の増大に繋がっていた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】J.Narushima，“Series Connection of Snubberless IGBTs for 6.6kV Transformerless Converter”，IEEE/PCC Nagoya 2007.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電力変換装置は高電圧出力が難しく、交流系統に連系するのに昇降圧変圧器を用いているため、装置全体の重量，容積が増大する原因のひとつとなっていた。特に配電用の場合、柱上に設置するため、装置の重量，容積の増大は大きな課題であった。これを解決するため、〔非特許文献１〕で開示されているような、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）を初めとする素子を直列に接続して出力電圧を高電圧化することにより、変圧器を用いないで配電系統に連系可能な電力変換装置の研究開発がなされてきた。しかし、この電力変換装置の場合、出力電圧はパルス状となるため高調波成分が大きい出力電流が発生してしまう。電流高調波が大きいと、配電系統のリアクトル等で起磁力の変動が発生し、これに伴い、リアクトルが振動して騒音が発生する。また、このリアクトルは配電系統と電線で直接接続しているため、配電線，電柱等にも上記の振動が伝播し、これらも騒音源となる。配電用の場合には住宅地に設置されるために、特に騒音の発生は大きな問題であり、上記の騒音抑制が大きな技術課題となっていた。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を達成するために、本発明は複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームを複数備えた電力変換装置において、前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の位相を前記アーム内単位変換器の間で所定の値だけ相互にシフトさせる手段と、前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の周波数を、人間の可聴周波数帯域の最大周波数を前記アーム内の単位変換器の数で割った値よりも大きい状態で動作させる手段を備えたことを特徴とするものである。
【０００６】
更に、本発明は電力変換装置において、連系リアクトルと、バッファリアクトルと、複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームと、前記単位変換器を制御する制御装置と、前記制御装置から前記単位変換器へ制御信号を伝送する信号線と、を備えて、前記アームを３相の各相の正側，負側にそれぞれ配置することを特徴とするものである。
【０００７】
更に、本発明は電力変換装置において、前記単位変換器は、電力を貯蔵するコンデンサと、過電流時に電流を遮断するヒューズと、複数のスイッチング素子をハーフブリッジ状に接続して構成されるセルと、前記スイッチング素子の制御信号を出力する単位変換器制御回路と、前記単位変換器制御回路から出力された制御信号に基づいて、前記スイッチング素子へ電圧を印加するゲートドライバと、前記ゲートドライバに必要な電力を供給するゲート電源と、前記ゲート電源と前記単位変換器制御回路に必要な電力を供給する自給電源と、を備えることを特徴とするものである。
【０００８】
更に、本発明は電力変換装置において、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する各相電圧指令生成器と、を備えることを特徴するものである。
【０００９】
更に、本発明は電力変換装置において、前記単位変換器制御回路は、前記電圧指令と前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を前記ゲートドライバへ出力する比較器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１０】
更に、本発明は電力変換装置において、前記単位変換器は、電力を貯蔵するコンデンサと、過電流時に電流を遮断するヒューズと、複数のスイッチング素子を直列に接続して構成される第一のレグおよび第二のレグをフルブリッジ状に接続して構成されるセルと、前記スイッチング素子の制御信号を出力する単位変換器と制御回路と、単位変換器制御回路から出力された制御信号に基づいて、前記スイッチング素子へ電圧を印加するゲートドライバと、前記ゲートドライバに必要な電力を供給するゲート電源と、前記ゲート電源と前記単位変換器制御回路に必要な電力を供給する自給電源と、を備えることを特徴とするものである。
【００１１】
更に、本発明は電力変換装置において、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する第一の各相電圧指令生成器と、前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令に対して、位相が１／２周期シフトされた電圧指令を出力する第二の各相電圧指令生成器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１２】
更に、本発明は電力変換装置において、前記単位変換器制御回路は、前記第一の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第一のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第一の比較器と、前記第二の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第二のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第二の比較器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１３】
更に、本発明は電力変換装置において、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する各相電圧指令生成器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
更に、本発明は電力変換装置において、前記単位変換器制御回路は、前記同期信号生成器より出力された前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を出力する搬送波生成器と、前記搬送波生成器より出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波と前記各相電圧指令生成器より出力された電圧指令の大小関係に基づき、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する比較器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１５】
更に、本発明は電力変換装置において、前記制御装置は、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する第一の各相電圧指令生成器と、前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令に対して、位相が１／２周期シフトされた電圧指令を出力する第二の各相電圧指令生成器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
更に、本発明は電力変換装置において、前記単位変換器制御回路は、前記同期信号生成器から出力された前記同期信号を入力として、前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を出力する搬送波生成器と、前記第一の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第一のセルを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第一の比較器と、前記第二の各相電圧指令生成器から出力された電圧指令と前記搬送波生成器から出力された前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記第二のセルを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第二の比較器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１７】
更に、本発明は電力変換装置において、前記制御装置は、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する各相電圧指令生成器と、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、前記電圧指令と前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を前記単位変換器制御回路へ出力する比較器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
更に、本発明は電力変換装置において、前記制御装置は、互いの位相が１／３周期ずつシフトされた３相各相の電圧指令を生成する第一の各相電圧指令生成器と、前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令に対して、位相が１／２周期シフトされた電圧指令を出力する第二の各相電圧指令生成器と、所定の時間毎に同期信号を生成する同期信号生成器と、前記同期信号生成器から出力される前記同期信号を入力として前記単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を生成する搬送波生成器と、前記第一の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令と前記搬送波生成器から出力されるスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、第一のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第一の比較器と、前記第二の各相電圧指令生成器から出力される電圧指令と前記搬送波生成器から出力されるスイッチング駆動用搬送波の大小関係に基づいて、第二のレグを構成する前記スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ信号を生成する第二の比較器と、を備えることを特徴とするものである。
【００１９】
更に、本発明は電力変換装置において、変圧器と、バッファリアクトルと、複数の単位変換器をカスケード状に接続して構成されるアームと、前記単位変換器を制御する制御装置と、前記制御装置から前記単位変換器へ制御信号を伝送する信号線と、を備えて、前記アームを３相の各相にそれぞれ配置することを特徴とするものである。
【００２０】
更に、本発明は電力変換装置において、前記制御装置と前記単位変換器制御回路との間の制御信号の伝送を、信号線に変えて無線を利用して実行することを特徴とするものである。
【００２１】
本発明の電力変換装置においては、配電系統の連系リアクトル等で発生する騒音を抑制するために、ＩＧＢＴ等で構成される単位変換器を各相毎に複数カスケード接続した電力変換装置を配電系統に連系し、その間に連系リアクトルを設ける。この時、騒音の周波数が人間の可聴域の最大周波数以上にすることにより、上記の電力変換装置から発生する騒音を抑制する。そのためには、上記の騒音源である出力電流高調波成分の周波数が人間の可聴域の最大周波数を超える必要がある。出力電流高調波成分の周波数が人間の可聴域の最大周波数を超えるためには、単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の位相を単位変換器の間で所定の値だけ相互にシフトさせた電力変換装置において、各単位変換器の駆動用搬送波の周波数を下記の式（１）を満たすようにすれば良い。
ｆcarrier＞ｆaudibility_max÷Ｎ          …（１）
ただし、ｆcarrier：単位変換器スイッチング駆動用搬送波の周波数，ｆaudibility_max：人間の可聴域の最大周波数，各相毎にカスケード接続した単位変換器の個数Ｎである。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の電力変換装置によれば、騒音の原因となっていた出力電流の高調波成分の周波数が人間の可聴域を超えるため、人間には音を認識できず、その結果として騒音の抑制が実現可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】実施例１における配電系統に連系された電力変換装置の構成図。
【図２】実施例１における電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図３】制御装置による単位変換器間の同期処理の様子を示した図。
【図４】実施例１における電力変換装置を構成する単位変換器の構成図。
【図５】実施例１における単位変換器を構成する単位変換器制御回路の構成概略図。
【図６】実施例１における各相アーム内の単位変換器搬送波と電圧指令波形図、および単位変換器の端子間電圧波形図。
【図７】アームの合成パルス電圧波形の例。
【図８】電力変換装置の出力電流波形の例。
【図９】実施例２における電力変換装置を構成する単位変換器の構成図。
【図１０】実施例２における電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図１１】実施例２における単位変換器を構成する単位変換器制御回路の構成概略図。
【図１２】実施例２における各相アーム内の単位変換器搬送波と電圧指令波形図、および単位変換器にかかる電圧波形図。
【図１３】実施例３における電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図１４】実施例３における単位変換器を構成する単位変換器制御回路の構成概略図。
【図１５】実施例４における電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図１６】実施例４における単位変換器を構成する単位変換器制御回路の構成概略図。
【図１７】実施例５おいて単位変換器の回路構成がハーフブリッジ型の場合の電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図１８】実施例５おいて単位変換器の回路構成がフルブリッジ型の場合の電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図１９】実施例６における配電系統に連系された電力変換装置の構成図。
【図２０】実施例９における電力変換装置を制御する制御装置の構成概略図。
【図２１】実施例９における単位変換器を構成する単位変換器制御回路の構成概略図。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、本発明の一実施例を図面とともに説明する。なお、以下の実施例は発明の一形態を示すものであり、本発明は要旨を逸脱しない限り、他の形態を含むものである。
【実施例１】
【００２５】
図１は本発明の一実施例である単位変換器をカスケード接続した電力変換装置の構成図であり、系統１０７と連系している状態である。電力変換装置１０１は単位変換器１０２，制御装置１０３，制御装置１０３からの制御信号を各単位変換器へ伝送する信号線１０４，バッファリアクトル１０５，連系リアクトル１０６により構成されている。なお、１０２_Ｕ，１０２_Ｖ，１０２_Ｗ，１０２_ｕ，１０２_ｖ，１０２_ｗは、それぞれ複数の単位変換器１０２をカスケード状に接続したものであり、これをアームと定義する。よって、上段アームの１０２_Ｕ，１０２_Ｖ，１０２_Ｗは、それぞれＵ相正側アーム，Ｖ相正側アーム，Ｗ相正側アームと称し、下段アームの１０２_ｕ，１０２_ｖ，１０２_ｗは、それぞれＵ相負側アーム，Ｖ相負側アーム，Ｗ相負側アームと称す。また、単位変換器１０２と制御装置１０３は、図１の通り、信号線１０４によって数珠繋ぎに接続されている。
【００２６】
図２に制御装置１０３の構成概略図を示す。制御装置１０３は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の電圧指令を出力する各相電圧指令生成器１０８，制御装置１０３で実施される所定の時間ごとの割り込み処理の実行信号（以降、同期信号と称す）を生成する同期信号生成器１０９、および電力変換装置内の全単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を出力する搬送波生成器１１０から成る。各相電圧指令生成器１０８から出力される電圧指令は、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相のものであり、これら三相の電圧指令の位相は、それぞれ１／３周期ずつシフトさせている。また、上記のアーム内の単位変換器数をＮ個とすると、搬送波生成器１１０から出力される単位変換器のスイッチング駆動用搬送波のデータ数は６Ｎである。
【００２７】
制御装置１０３では、各アーム内のｋ番目（ｋ＝１，…，Ｎ）の単位変換器同士で同期を取るために、所定の時間ΔＴ毎に単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の割り込み処理を実施しており、同期信号生成器１０９では、この所定の時間ΔＴ毎に同期信号を出力する。搬送波生成器１１０では、上記の同期信号が入力された瞬間に、図３に示すように、強制的に所定の値に修正されたスイッチング駆動用搬送波を出力する。ここで、上段アームのｋ番目（ｋ＝１，…，Ｎ）のスイッチング駆動用搬送波を所定値Ａ1に修正する場合、下段アームのｋ番目（ｋ＝１，…，Ｎ）のスイッチング駆動用搬送波は所定値−Ａ1に修正する。上記の同期信号を利用したスイッチング駆動用搬送波の同期は、搬送波生成器１１０への同期信号の入力１回につき、各アーム内の単位変換器１個の同期を取っていく。これを各アーム内の１番目からＮ番目までの単位変換器で順に実施する。上記の単位変換器間の同期を取る一連の作業について、これ以降、同期処理と称する。各相電圧指令生成器１０８，搬送波生成器１１０から出力された上記の電圧指令、およびスイッチング駆動用搬送波は、信号線１０４を通じてそれぞれ該当する単位変換器へ伝送される。
【００２８】
次に、単位変換器１０２の構成を図４に示す。単位変換器１０２は２個のＩＧＢＴ素子１１１，直流コンデンサ１１２，２個のヒューズ１１３から成るセル１１４と、単位変換器制御回路１１５，ゲートドライバ１１６，自給電源１１７，ゲート電源１１８により構成されている。なお、単位変換器制御回路１１５，ゲートドライバ１１７の電力は、直流コンデンサ１１２に充電された電力を自給電源１１７，ゲート電源１１８を通して供給される。
【００２９】
図５に単位変換器制御回路の構成概略図を示す。単位変換器制御回路１１５では、制御装置１０３より信号線１０４を通じて伝送された単位変換器のスイッチング駆動用搬送波と電圧指令を比較器１１９において大小比較を行い、生成されるスイッチのＯＮ／ＯＦＦ信号をゲートドライバ１１６に出力する。ゲートドライバ１１６では、ＯＮ／ＯＦＦ情報に基づいてゲート電源１１８からの電圧を２個のＩＧＢＴ素子１１１のゲート端子に印加することによりＩＧＢＴ素子１１１を駆動させる。このとき、２個のＩＧＢＴ素子のＯＮ／ＯＦＦ情報は、一方がＯＮの時はもう一方はＯＦＦになっている。また、正側アームのＯＮ／ＯＦＦ信号を反転させたものが負側アームのＯＮ／ＯＦＦ信号となっている。
【００３０】
ここで、出力電流高調波成分に起因して発生する騒音を抑制するため、各アームのｋ番目とｋ＋１番目（ｋ＝１，…，Ｎ−１）の単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の位相をそれぞれ所定値だけシフトさせる。この位相シフトは、上記の同期処理を利用して実施する。単位変換器のスイッチング駆動用搬送波の周波数は上記の式（１）を満たすように設定する。また、上記の同期信号の出力周期ΔＴは下記の式（２）により設定する。
ΔＴ＝１／(Ｎ×ｆcarrier)                …（２）
【００３１】
図６に単位変換器の搬送波−電圧指令の大小関係とそのときの単位変換器の出力電圧を示す。図６の上側の図は単位変換器の搬送波と電圧指令波形を示している。一方、下側の図は、単位変換器の端子間電圧をＥ［Ｖ］としたときの各単位変換器の端子間電圧波形を示している。各単位変換器では、上記の通り、電圧指令と単位変換器スイッチング駆動用搬送波の大小を比較し、電圧指令の方が大きい場合にはＩＧＢＴ素子１１１ａのスイッチをＯＮ、ＩＧＢＴ素子１１１ｂのスイッチをＯＦＦとすることで、単位変換器に電圧Ｅ［Ｖ］が発生する。逆に、電圧指令の方が各単位変換器の搬送波より小さい場合はＩＧＢＴ素子１１１ａのスイッチをＯＦＦ、ＩＧＢＴ素子１１１ｂのスイッチをＯＮとすることで、単位変換器１０２にかかる電圧は０［Ｖ］となる。これより、各相の出力電圧は単位変換器１０２にかかる電圧の総和となる。上記のように、アーム内の各単位変換器スイッチング駆動用搬送波の位相をシフトさせると、アーム内の単位変換器のＯＮ／ＯＦＦタイミングがずれることになる。
【００３２】
図７に上記のようにして電力変換器を運転させた場合のアームの合成パルス電圧波形（アーム電圧波形）を示す。
【００３３】
本発明を利用すると、出力電流波形は図８のようになり、出力電流高調波成分の周波数ｆrippleは人間の可聴域の最大周波数を超える。このため、ｆrippleに起因する連系リアクトルや配電系統等から発生する音は人間には認識することができず、その結果として騒音の抑制を図ることが可能となる。
【実施例２】
【００３４】
前述の実施例１では、単位変換器１０２を図４のような、所謂ハーフブリッジ型回路で構成していたが、図９に示すように、フルブリッジ型回路で構成するようにしても良い。図中の１１１_ＡはＩＧＢＴ素子１１１ａとＩＧＢＴ素子１１１ｂ，１１１_ＢはＩＧＢＴ素子１１１ｃとＩＧＢＴ素子１１１ｄを指しており、１１１_Ａ，１１１_Ｂをそれぞれレグと定義すると、本実施例における単位変換器２は、２個のＩＧＢＴ素子１１１を持つレグ１１１_Ａ，１１１_Ｂ，直流コンデンサ１１２，４個のヒューズ１１３からなるセル１１４と単位変換器制御回路１１５，ゲートドライバ１１６，自給電源１１７，ゲート電源１１８で構成される。
【００３５】
図１０に本実施例における制御装置１０３の構成概略図を示す。本実施例のようなフルブリッジ型回路の場合、上記のレグ１１１_Ａ，１１１_Ｂは電圧指令Ａ，Ｂという２種類の電圧指令に基づいてスイッチング動作を制御するため、制御装置１０３からは２種類の電圧指令と単位変換器スイッチング駆動用搬送波が出力される。なお、電圧指令Ａはレグ１１１_Ａの、電圧指令Ｂはレグ１１１_Ｂのスイッチング動作を制御するための電圧指令であり、電圧指令Ａ，Ｂの位相は互いに１／２周期分シフトしたものとする。
【００３６】
また、図１１に単位変換器制御回路の構成概略図を示す。制御装置１０３から出力されたスイッチング駆動用搬送波と、同じく制御装置１０３から出力された各相電圧指令Ａ，Ｂをそれぞれ比較器１１９にて大小比較して、レグ１１１_Ａ，１１１_ＢのＯＮ／ＯＦＦ信号を出力する。
【００３７】
図１２に本実施例における単位変換器の搬送波−電圧指令の大小関係とそのときの単位変換器の出力電圧を示す。本実施例の場合、電圧指令Ａと単位変換器スイッチング駆動用搬送波の大小を比較して、レグ１１１_Ａについては電圧指令Ａの方が大きい場合、ＩＧＢＴ素子１１１ａのスイッチをＯＮ、ＩＧＢＴ素子１１１ｂのスイッチをＯＦＦとする。レグ１１１_Ｂについても同様に、電圧指令Ｂの方が大きい場合、ＩＧＢＴ素子１１１ｃのスイッチをＯＮ、ＩＧＢＴ素子１１１ｄのスイッチをＯＦＦとする。図１２の下側の図は、ＩＧＢＴ素子１１１ａのスイッチをＯＮ、ＩＧＢＴ素子１１１ｂのスイッチをＯＦＦ、ＩＧＢＴ素子１１１ｃのスイッチをＯＦＦ、ＩＧＢＴ素子１１１ｄのスイッチをＯＮのとき単位変換器の端子間電圧をＥ［Ｖ］とした際の単位変換器の出力電圧波形である。ＩＧＢＴ素子１１１ａのスイッチをＯＦＦ、ＩＧＢＴ素子１１１ｂのスイッチをＯＮ、ＩＧＢＴ素子１１１ｃのスイッチをＯＮ、ＩＧＢＴ素子１１１ｄのスイッチをＯＦＦのときは、単位変換器の端子間電圧は−Ｅ［Ｖ］となり、ＩＧＢＴ素子１１１ａと１１１ｃ、および１１１ｂと１１１ｄのＯＮ／ＯＦＦが同じ場合には単位変換器の端子間電圧は０［Ｖ］となる。なお、本実施例の電力変換装置において、各単位変換器の駆動用搬送波の周波数は、式（３）を満たすようにすると良い。
ｆcarrier＞ｆaudibility_max÷２Ｎ        …（３）
【実施例３】
【００３８】
実施例１，２では、制御装置１０３の出力はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相の電圧指令、および単位変換器のスイッチング駆動用搬送波であったが、各相の電圧指令と同期信号としても良い。
【００３９】
図１３に単位変換器１０２をハーフブリッジ型回路で構成した場合の制御装置１０３の構成概略図を示す、また、図１４に、単位変換器制御回路１１４の構成概略図を示す。本実施例においては、所定時間ΔＴ毎に、該当する単位変換器制御回路１１５へ同期信号を出力する。そして、単位変換器制御回路１１５では、周期ΔＴ毎に入力される同期信号により値を強制的に修正する搬送波生成器１１０から出力されるスイッチング駆動用搬送波と、制御装置１０３から出力された電圧指令の大小を比較器１１９において比較し、その大小関係に基づきＯＮ／ＯＦＦ信号をゲートドライバ１１６に出力する。
【実施例４】
【００４０】
実施例３では、単位変換器１０２の構成は図４に示すようなハーフブリッジ型回路であったが、図９に示すようなフルブリッジ型回路としても良い。
【００４１】
図１５にこの場合の制御装置１０３の構成概略図を示し、図１６に単位変換器制御装置１４の構成概略図を示す。制御装置１０３の出力は、各相電圧指令生成器１０８_Ａ，１０８_Ｂから出力されるの電圧指令Ａ，Ｂと、同期信号生成器１０９から出力される同期信号である。単位変換器制御回路１１５では、制御装置１０３から出力された同期信号を入力として搬送波生成器１１０から出力されるスイッチング駆動用搬送波と、同じく制御装置１０３から出力された電圧指令Ａ，Ｂそれぞれの大小を比較器１１９で比較し、その大小関係に基づいてＯＮ／ＯＦＦ信号をゲートドライバ１１６に出力する。
【実施例５】
【００４２】
実施例１〜４では、各相電圧指令と各単位変換器のスイッチング搬送波、または同期信号を制御装置１０３から出力するようにしていたが、各単位変換器のスイッチングＯＮ／ＯＦＦ信号としても良い。
【００４３】
図１７に単位変換器１０２の構成がハーフブリッジ型回路の場合の制御装置１０３の構成概略図を示す。また、図１８に単位変換器１０２の構成がフルブリッジ回路の場合の制御装置１０３の構成概略図を示す。本実施例では、電力変換装置１０１内にある全ての単位変換器１０２のスイッチング動作に関する演算を制御装置１０３にて実施する。
【実施例６】
【００４４】
本発明の電力変換装置の構成としては、図１以外にも図１９に示すような構成とすることも可能である。本実施例の場合、電力変換装置１０１はＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各アーム１０２_Ｕ，１０２_Ｖ，１０２_Ｗ，信号線１０４，バッファリアクトル１０５，変圧器１２０で構成され、これが配電系統１０７に連系されている。単位変換器１０２と制御装置１０３は、図１９の通り、信号線１０４によって数珠繋ぎに接続されている。制御装置１０３でＵ相，Ｖ相，Ｗ相の各相電圧指令、および単位変換器のスイッチング駆動用搬送波を出力し、信号線１０４を通じて各単位変換器１０２へ伝送される。単位変換器１０２の構成としては、図４に示すようなハーフブリッジ型回路、あるいは図９に示すようなフルブリッジ型回路のどちらを用いても良い。
【実施例７】
【００４５】
実施例６において、制御装置１０３の出力は各相電圧指令、および単位変換器のスイッチング駆動用搬送波であったが、各相電圧指令と同期信号としても良い。このときの制御装置１０３，単位変換器制御回路１１５の構成は、実施例３または実施例４に記載の内容と同様である。
【実施例８】
【００４６】
実施例６，７における制御装置１０３の出力としては、各相電圧指令と各単位変換器のスイッチング搬送波の位相、または同期信号であったが、各相電圧指令と単位変換器のスイッチングＯＮ／ＯＦＦ信号としても良い。このときの制御装置１０３，単位変換器制御回路１１５の構成は、実施例５に記載の内容と同様である。
【実施例９】
【００４７】
実施例１〜８では、信号線１０４を通して制御装置１０３から単位変換器制御回路１１５への制御信号を伝送していたが、これを無線で伝送するようにしても良い。これにより電力変換装置内の信号線１０４を無くすことができ、装置の保守，点検の手間を軽減することが可能である。
【００４８】
図２０に実施例１の構成の場合における制御装置１０３の構成概略図を示し、および図２１に単位変換器制御回路１５の構成概略図を示す。制御装置１０３においてはデータの送信を行うデータ送信部１２１を、単位変換器制御回路１１５においてはデータの受信を行うデータ受信部１２２を新たに備える。データ送信部１２１より、Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の各相電圧指令と６Ｎ個の単位変換器１０２のスイッチング駆動用搬送波を送信する。受信部１２２では、該当する電圧指令とスイッチング駆動用搬送波をそれぞれ受信する。
【００４９】
実施例２〜８の場合の制御装置１０３、および単位変換器制御回路１１５の構成についても同様である。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は配電用の電力変換装置以外にも、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）やＢａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋシステム（周波数変換装置など）、直流送電システム（ＨＶＤＣ），モータドライブなどに用いることが可能である。
【符号の説明】
【００５１】
１０１  電力変換装置
１０２  単位変換器
１０２_Ｕ  Ｕ相正側アーム
１０２_Ｖ  Ｖ相正側アーム
１０２_Ｗ  Ｗ相正側アーム
１０２_ｕ  Ｕ相負側アーム
１０２_ｖ  Ｖ相負側アーム
１０２_ｗ  Ｗ相負側アーム
１０３  制御装置
１０４  信号線
１０５  バッファリアクトル
１０６  連系リアクトル
１０７  配電系統
１０８  各相電圧指令生成器
１０９  同期信号生成器
１１０  搬送波生成器
１１１  ＩＧＢＴ素子
１１２  直流コンデンサ
１１３  ヒューズ
１１４  セル
１１５  単位変換器制御回路
１１６  ゲートドライバ
１１７  自給電源
１１８  ゲート電源
１１９  比較器
１２０  データ送信部
１２１  データ受信部
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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