(57)【要約】【課題】小型で安価に構成できる電力変換装置を実現する。【解決手段】電力変換装置（１００）は、１次側系統（６０）と、Ｎ相（Ｎは３以上の自然数）の交流系統である２次側系統（７０）との間に接続され、各々が一対の１次側端子（２５，２６）と、一対の２次側端子（２７，２８）とを有する第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）を備え、第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）の１次側端子は直列接続されるとともに、１次側系統（６０）に接続され、第１の電力変換セル（２０−１，２０−２）の２次側端子は２次側第１相（２次側Ｖ相）に係る箇所に接続され、第２の電力変換セル（２０−３，２０−４）の２次側端子は２次側第２相（２次側Ｕ相）に係る箇所に接続され、第３の電力変換セル（２０−５，２０−６）の２次側端子は２次側第３相（２次側Ｗ相）に係る箇所に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１次側系統と、Ｎ相（Ｎは３以上の自然数）の交流系統である２次側系統との間に接続され、各々が一対の１次側端子と、一対の２次側端子とを有する第１〜第３の電力変換セルを備え、
前記第１〜第３の電力変換セルの前記１次側端子は直列接続されるとともに、前記１次側系統に接続され、
前記第１の電力変換セルの前記２次側端子は２次側第１相に係る箇所に接続され、
前記第２の電力変換セルの前記２次側端子は２次側第２相に係る箇所に接続され、
前記第３の電力変換セルの前記２次側端子は２次側第３相に係る箇所に接続されている
ことを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
前記第１〜第３の電力変換セルは、それぞれ、
１次巻線と、前記１次巻線に対して絶縁された２次巻線とを有するトランスを備える
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記１次側系統は、Ｍ相（Ｍは３以上の自然数）の交流系統であり、
各々が一対の前記１次側端子と、一対の前記２次側端子とを有する第４〜第９の電力変換セルをさらに備え、
前記第１〜第３の電力変換セルの前記１次側端子は直列接続されるとともに、１次側第１相に係る箇所に接続され、
前記第４〜第６の電力変換セルの前記１次側端子は直列接続されるとともに、１次側第２相に係る箇所に接続され、
前記第７〜第９の電力変換セルの前記１次側端子は直列接続されるとともに、１次側第３相に係る箇所に接続され、
前記第１の電力変換セル、前記第６の電力変換セル、および前記第８の電力変換セルの前記２次側端子は直列接続されるとともに、前記２次側第１相に係る箇所に接続され、
前記第２の電力変換セル、前記第４の電力変換セル、および前記第９の電力変換セルの前記２次側端子は直列接続されるとともに、前記２次側第２相に係る箇所に接続され、
前記第３の電力変換セル、前記第５の電力変換セル、および前記第７の電力変換セルの前記２次側端子は直列接続されるとともに、前記２次側第３相に係る箇所に接続されている
ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記トランスは前記１次巻線と前記２次巻線との間で１００Ｈｚ以上の周波数で電力を伝送するものであり、
前記第１〜第３の電力変換セルは、それぞれ、
前記１次側端子と前記１次巻線との間で電力を伝送する１次側回路と、
前記２次側端子と前記２次巻線との間で電力を伝送する２次側回路と、をさらに備える
ことを特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記１次側回路は、一対の前記１次側端子と１次側直流電圧との間で電力を伝送する第１の交直変換器と、前記１次側直流電圧と前記１次巻線との間で電力を伝送する第２の交直変換器と、を有し、
前記２次側回路は、２次側直流電圧と前記２次巻線との間で電力を伝送する第３の交直変換器と、一対の前記２次側端子と前記２次側直流電圧との間で電力を伝送する第４の交直変換器と、を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記１次側回路は、一対の前記１次側端子と前記１次巻線との間で電力を伝送する第２の交直変換器を有し、
前記２次側回路は、２次側直流電圧と前記２次巻線との間で電力を伝送する第３の交直変換器と、一対の前記２次側端子と前記２次側直流電圧との間で電力を伝送する第４の交直変換器と、を有する
ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第１〜第３の電力変換セルのうち、前記１次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、前記２次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルとは、異なる電力変換セルである
ことを特徴とする請求項３に記載の電力変換装置。
【請求項８】
各々が一対の１次側端子と、一対の２次側端子とを有する第１〜第９の電力変換セルを備える電力変換装置を、Ｍ相（Ｍは３以上の自然数）の１次側系統と、Ｎ相（Ｎは３以上の自然数）の２次側系統との間に接続する電力変換装置の接続方法であって、
前記第１〜第３の電力変換セルの前記１次側端子を直列接続するとともに、１次側第１相に係る箇所に接続し、
前記第４〜第６の電力変換セルの前記１次側端子を直列接続するとともに、１次側第２相に係る箇所に接続し、
前記第７〜第９の電力変換セルの前記１次側端子を直列接続するとともに、１次側第３相に係る箇所に接続し、
前記第１の電力変換セル、前記第６の電力変換セル、および前記第８の電力変換セルの前記２次側端子を直列接続するとともに、２次側第１相に係る箇所に接続し、
前記第２の電力変換セル、前記第４の電力変換セル、および前記第９の電力変換セルの前記２次側端子を直列接続するとともに、２次側第２相に係る箇所に接続し、
前記第３の電力変換セル、前記第５の電力変換セル、および前記第７の電力変換セルの前記２次側端子を直列接続するとともに、２次側第３相に係る箇所に接続し、かつ、
前記第１〜第３の電力変換セルのうち、前記１次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、前記２次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、が異なり、前記第４〜第６の電力変換セルのうち、前記１次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、前記２次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、が異なり、前記第７〜第９の電力変換セルのうち、前記１次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、前記２次側端子における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セルと、が異なるように、各々の前記２次側端子を前記２次側系統に接続する
ことを特徴とする電力変換装置の接続方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置および電力変換装置の接続方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
本技術分野の背景技術として、下記特許文献１には、「図示のように、本発明の第１の態様において、複数のコンバータセル２０−１、２０−２、…、２０−Ｎ（ただし、Ｎは２以上の自然数）を備える電力変換装置１は、複数のコンバータセル２０−１、２０−２、…、２０−Ｎの各第１の交直変換器１１の交流側どうしが直列接続され、かつ、この複数のコンバータセルの各第４の交直変換器１４の交流側どうしが直列接続される。直列接続するコンバータセルの段数が増加するほど、交流電圧は多レベル（マルチレベル）化される。」と記載されている（明細書の段落００１９参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００５−７３３６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１に記載されたコンバータセルは、例えば、１次側または２次側のうち一方の交流電圧を直流電圧に変換し、この直流電圧を他方の交流電圧に変換するものである。ここで、直流電圧には１次側または２次側周波数で変動する脈流成分が重畳する。この脈流成分が大きければ、１次側または２次側の電圧変動が大きくなるという問題が生じる。そこで、脈流成分を抑制しようとすると、コンバータセルに含まれるコンデンサ等の部品を大型化せざるを得ず、その結果、電力変換装置やコンバータセルが大型化し高価になるという問題があった。
この発明は上述した事情に鑑みてなされたものであり、小型で安価に構成できる電力変換装置および電力変換装置の接続方法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】
【０００５】
上記課題を解決するため本発明の電力変換装置にあっては、１次側系統と、Ｎ相（Ｎは３以上の自然数）の交流系統である２次側系統との間に接続され、各々が一対の１次側端子と、一対の２次側端子とを有する第１〜第３の電力変換セルを備え、前記第１〜第３の電力変換セルの前記１次側端子は直列接続されるとともに、前記１次側系統に接続され、前記第１の電力変換セルの前記２次側端子は２次側第１相に係る箇所に接続され、前記第２の電力変換セルの前記２次側端子は２次側第２相に係る箇所に接続され、前記第３の電力変換セルの前記２次側端子は２次側第３相に係る箇所に接続されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電力変換装置を小型で安価に構成できる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】本発明の第１実施形態による電力変換装置の結線図である。
【図２】コンバータセルのブロック図である。
【図３】比較例による電力変換装置の結線図である。
【図４】本発明の第２実施形態による電力変換装置の結線図である。
【図５】本発明の第３実施形態による電力変換装置の結線図である。
【図６】本発明の第４実施形態による電力変換装置の結線図である。
【図７】コンバータセルの変形例のブロック図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は、他の変形例に適用される高周波トランス周辺の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
［第１実施形態］
〈第１実施形態の構成〉
まず、本発明の第１実施形態による電力変換装置１００の構成を説明する。
図１は、電力変換装置１００の結線図である。図示のように、電力変換装置１００は、１８台のコンバータセル２０−１〜２０−１８を有している。そして、コンバータセル２０−１は、１次側回路２１と、２次側回路２２と、高周波トランス１５と、を有している。コンバータセル２０−２〜２０−１８の構成も、コンバータセル２０−１のものと同様である。以下、コンバータセル２０−１〜２０−１８を総称して「コンバータセル２０」と表記することがある。
【０００９】
電力変換装置１００は、何れも３相交流系統である１次側系統６０と、２次側系統７０との間で、双方向または一方向の電力変換を行うものである。ここで、１次側系統６０は、中性線６０Ｎと、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相電圧が現れるＲ相線６０Ｒ、Ｓ相線６０Ｓ、Ｔ相線６０Ｔと、を有している。また、２次側系統７０は、中性線７０Ｎと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧が現れるＵ相線７０Ｕ、Ｖ相線７０Ｖ、Ｗ相線７０Ｗと、を有している。
【００１０】
また、１次側系統６０と２次側系統７０とは、電圧振幅、周波数および位相が相互に独立している。そして、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相電圧は、１次側周波数において相互に「２π／３」の位相差を有し、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧は、２次側周波数において相互に「２π／３」の位相差を有する。１次側，２次側系統６０，７０としては、例えば商用電源系統、太陽光発電システム、モータ等、様々な発電設備や受電設備を採用することができる。
【００１１】
図２は、コンバータセル２０のブロック図である。
上述した１次側回路２１は、交直変換器１１，１２と、コンデンサ１７とを有している。また、２次側回路２２は、交直変換器１３，１４と、コンデンサ１８とを有している。交直変換器１１〜１４は、各々Ｈブリッジ状に接続された４個のスイッチング素子と、これらスイッチング素子に逆並列に接続されたＦＷＤ（Free Wheeling Diode）とを有している（共に符号なし）。なお、本実施形態において、これらスイッチング素子は、例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）である。コンデンサ１７の両端の間に現れる電圧を１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1（１次側直流電圧）と呼ぶ。また、１次側端子２５，２６の間に現れる電圧を１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ1と呼ぶ。そして、交直変換器１１は、１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ1と、１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。
【００１２】
高周波トランス１５は、１次巻線１５ａと、２次巻線１５ｂとを有し、１次巻線１５ａと２次巻線１５ｂとの間で、所定の周波数で電力を伝送する。交直変換器１２および１３が高周波トランス１５との間で入出力する電流は、高周波である。ここで、高周波とは、例えば１００Ｈｚ以上の周波数であるが、１ｋＨｚ以上の周波数を採用することが好ましく、１０ｋＨｚ以上の周波数を採用することがより好ましい。交直変換器１２は、１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1と、１次巻線１５ａに現れる電圧とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。
【００１３】
また、コンデンサ１８の両端の間に現れる電圧を２次側ＤＣリンク電圧Ｖdc2（２次側直流電圧）と呼ぶ。交直変換器１３は、２次側ＤＣリンク電圧Ｖdc2と、２次巻線１５ｂに現れる電圧とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。また、２次側端子２７，２８の間に現れる電圧を２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2と呼ぶ。そして、交直変換器１４は、２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2と、２次側ＤＣリンク電圧Ｖdc2とを双方向または一方向に変換しつつ電力を伝送する。
【００１４】
図１に戻り、コンバータセル２０−１の１次側端子２５，２６および２次側端子２７，２８は図示するが、他のコンバータセル２０−２〜２０−１８のものについては、図示を省略する。コンバータセル２０−１〜２０−６の１次側端子２５，２６は、Ｒ相線６０Ｒと中性線６０Ｎとの間に、順次直列に接続されている。同様に、コンバータセル２０−７〜２０−１２の１次側端子２５，２６は、Ｔ相線６０Ｔと中性線６０Ｎとの間に、順次直列に接続されている。同様に、コンバータセル２０−１３〜２０−１８の１次側端子２５，２６は、Ｓ相線６０Ｓと中性線６０Ｎとの間に、順次直列に接続されている。
【００１５】
図１において、２次側回路２２のうち、Ｕ相線７０Ｕと中性線７０Ｎとの間に接続されているものにはドット網掛けを付している。すなわち、Ｕ相線７０Ｕと中性線７０Ｎとの間には、コンバータセル２０−１７，１０−１８（第９の電力変換セル）と、２０−３，２０−４（第２の電力変換セル）と、２０−７，２０−８（第４の電力変換セル）と、が直列に接続されている。
【００１６】
また、２次側回路２２のうち、Ｖ相線７０Ｖと中性線７０Ｎとの間に接続されているものにはハッチングを付している。すなわち、Ｖ相線７０Ｖと中性線７０Ｎとの間には、コンバータセル２０−１１，２０−１２（第６の電力変換セル）と、２０−１５，２０−１６（第８の電力変換セル）と、２０−１，２０−２（第１の電力変換セル）と、が直列に接続されている。
【００１７】
また、２次側回路２２のうち、Ｗ相線７０Ｗと中性線７０Ｎとの間に接続されているものは白ヌキになっている。すなわち、Ｗ相線７０Ｗと中性線７０Ｎとの間には、コンバータセル２０−５，２０−６（第３の電力変換セル）と、２０−９，２０−１０（第５の電力変換セル）と、コンバータセル２０−１３，２０−１４（第７の電力変換セル）と、が直列に接続されている。このように、電力変換装置１００は、１次側系統６０と２次側系統７０とをＹ−Ｙ結線にて接続するものである。
【００１８】
〈第１実施形態の動作〉
次に、再び図２を参照し、コンバータセル２０−１の動作を説明する。
図２に示すコンバータセル２０が図１におけるコンバータセル２０−１であった場合、１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ1は、１次側のＲ相電圧を分圧した電圧になり、２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2は、２次側のＶ相電圧を分圧した電圧になる。電力潮流が１次側から２次側に向かって流れているとすると、１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ1は、交直変換器１１によって整流され、コンデンサ１７によって平滑化される。すなわち、コンデンサ１７の両端には、平滑化された１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1が現れる。
【００１９】
しかし、１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1は完全な直流ではなく、１次側周波数の脈流成分、すなわちＲ相電圧に同期する脈流成分を有している。交直変換器１２は、１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1を高周波で変調し、変調波は高周波トランス１５を介して交直変換器１３にて整流される。コンデンサ１８は、整流された電力によって充電され、その両端には２次側ＤＣリンク電圧Ｖdc2が現れる。この２次側ＤＣリンク電圧Ｖdc2も、１次側周波数の脈流成分、すなわちＲ相電圧に同期する脈流成分を有している。交直変換器１４は、脈流成分を含む２次側ＤＣリンク電圧Ｖdc2をスイッチングし、２次側周波数で交番する２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2を出力する。
【００２０】
これにより、２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2は、１次側周波数で脈動する変動成分を含むことになる。そして、コンデンサ１７，１８の容量が小さいほど、この変動成分が大きくなる。コンデンサ１７，１８の容量を大きくすると、この変動成分を抑制できるが、これによってコンバータセル２０が大型化し、高価になるという問題が生じる。
【００２１】
図１に戻り、Ｖ相に係るコンバータセル、すなわち２次側回路２２にハッチングを付したコンバータセル２０−１，２０−２，２０−１１，２０−１２，２０−１５，２０−１６の各２次側端子２７，２８に現れる２次側電圧は、何れも１次側周波数で脈動する変動成分を含んでいる。ここで、コンバータセル２０−１，２０−２の２次側電圧に現れる変動成分は、１次側Ｒ相電圧に同期する。また、コンバータセル２０−１１，２０−１２の２次側電圧に現れる変動成分は、１次側Ｔ相電圧に同期する。また、コンバータセル２０−１５，２０−１６の２次側電圧に現れる変動成分は、１次側Ｓ相電圧に同期する。
【００２２】
これらＲ相電圧、Ｓ相電圧、Ｔ相電圧に同期する個々の変動成分は、略同一形状の波形であり、相互に「２π／３」の位相差を有する。これらＶ相に係る６台のコンバータセルが直列接続されると、Ｖ相電圧においてＲ相電圧、Ｓ相電圧、Ｔ相電圧に同期する個々の変動成分は相殺され、そのレベルは抑制される。これにより、個々のコンバータセルにおける２次側電圧の電圧変動率と比較して、Ｖ相電圧の電圧変動率を低くすることができる。以上Ｖ相電圧について説明したが、Ｕ相電圧およびＷ相電圧についても同様に、個々のコンバータセルよりも電圧変動率を低くすることができる。また、１次側のＲ相電圧、Ｓ相電圧およびＴ相電圧についても同様に、電圧変動率を低くすることができる。
【００２３】
このように、本実施形態によれば、コンデンサ１７，１８の容量が小さい場合であっても、１次側電圧および２次側電圧の電圧変動率を抑制できるため、コンデンサ１７，１８として容量の小さなものを適用することができ、小型かつ安価な電力変換装置１００を実現できる。
【００２４】
ここで、各コンバータセル２０の１次側および２次側電位について検討する。まず、中性線６０Ｎの電位を１次側基準電位と呼び、中性線７０Ｎの電位を２次側基準電位と呼ぶ。１次側および２次側基準電位は、例えば接地電位であるが、必ずしも接地電位でなくてもよい。以下、各コンバータセル２０の１次側および２次側電位について検討するが、これらは、何れも１次側および２次側基準電位を基準とした電位である。
【００２５】
図１において、各コンバータセル２０の、１次側基準電位（中性線６０Ｎの電位）に対する１次側回路２１の電位（絶対値）を「１次側電位」と呼ぶ。また、２次側基準電位（中性線７０Ｎの電位）に対する２次側回路２２の電位（絶対値）を「２次側電位」と呼ぶ。１次側電位は、中性線６０Ｎから離れるほど（Ｒ相線６０Ｒ、Ｓ相線６０Ｓ、Ｔ相線６０Ｔに近づくほど）高くなる。同様に、２次側電位は、中性線７０Ｎから離れるほど（Ｕ相線７０Ｕ、Ｖ相線７０Ｖ、Ｗ相線７０Ｗに近づくほど）高くなる。
【００２６】
例えば、２次側回路２２にハッチングを付したＶ相に係るコンバータセルについて、検討すると、これらの１次側電位は、２０−１２，２０−１１，２０−１６，２０−１５，２０−２，２０−１の順に高くなる。また、これらの２次側電位は、２０−１，２０−２，２０−１６，２０−１５，２０−１１，２０−１２の順に高くなる。このように、１次側電位の高いコンバータセル２０ほど２次側電圧は低くなる傾向を有している。これは、Ｕ相およびＷ相に係るコンバータセル２０についても同様である。
【００２７】
高周波トランス１５（図２参照）の１次巻線１５ａと２次巻線１５ｂとの間の電圧を「トランス電位差」と呼ぶ。本実施形態によれば、各コンバータセル２０のトランス電位差を均等化でき、トランス電位差の最大値を比較的低くすることができる。これにより、高周波トランス１５の耐圧を下げることができ、高周波トランス１５として、小型かつ安価なものを適用することができ、電力変換装置１００を一層小型かつ安価に構成することができる。
【００２８】
〈比較例〉
次に、本実施形態の効果を明らかにするため、比較例の構成を説明する。
図３は、比較例における電力変換装置の結線図である。本比較例の電力変換装置１０１は、Ｐ台のコンバータセル２０−１〜２０−Ｐを有している。各コンバータセル２０の構成は第１実施形態のもの（図２参照）と同様である。本比較例において、コンバータセル２０−１〜２０−Ｐの１次側端子２５，２６（図２参照）は、１次側のＲ相線６０Ｒと中性線６０Ｎとの間に順次直列に接続されている。また、２次側端子２７，２８（図２参照）は、２次側のＵ相線７０Ｕと中性線７０Ｎとの間に順次直列に接続されている。１次側Ｓ相、Ｔ相および２次側Ｖ相、Ｗ相については図示を省略するが、１次側Ｒ相と同様に電力変換装置１０１が接続されている。
【００２９】
本比較例においては、１次側のＲ相に係るコンバータセル２０−１〜２０−Ｐは、全てが２次側のＵ相に係るコンバータセルになる。第１実施形態と同様に、コンバータセル２０内のコンデンサ１７の両端に現れる１次側ＤＣリンク電圧Ｖdc1には、Ｒ相電圧に同期する脈流成分が発生する。従って、個々のコンバータセルにおける２次側電圧の電圧変動率と、Ｕ相電圧の電圧変動率とは同等の値になる。Ｖ相電圧およびＷ相電圧についても同様である。従って、本比較例は、２次側電圧の電圧変動率を抑制するために、コンデンサ１７，１８（図２参照）の容量を大きくせざるを得ず、第１実施形態と比較すると、電力変換装置１０１が大型化し、高価になる。
【００３０】
また、本比較例において、１次側電圧Ｅ１が正のピーク値になり、２次側電圧Ｅ２が負のピーク値になった場合、または、１次側電圧Ｅ１が負のピーク値になり、２次側電圧Ｅ２が正のピーク値になった場合に、コンバータセル２０−１のトランス電位差が最大になる。すなわち、コンバータセル２０−１のトランス電位差は、１次側電圧Ｅ１および２次側電圧Ｅ２の振幅値の合計にほぼ等しくなり、第１実施形態のものよりも高くなる。逆に、コンバータセル２０−Ｐのトランス電位差は、１次側電圧Ｅ１および２次側電圧Ｅ２の振幅値の合計の「１／Ｐ」にほぼ等しくなり、第１実施形態のものよりも低くすることができる。
【００３１】
しかし、コンバータセル２０−１〜２０−Ｐとして同一仕様のものを適用しようとすると、トランス電位差が最も高いものに合わせて仕様を決定しなければならない。これにより、本比較例のコンバータセル２０は、第１実施形態のものと比較すると、高周波トランス１５として耐圧の高いものを適用せざるを得ず、これによって高周波トランス１５および電力変換装置１０１が一層大型化し、高価になる。
【００３２】
〈第１実施形態の効果〉
以上のように、本実施形態によれば、１次側系統（６０）と、Ｎ相（Ｎは３以上の自然数）の交流系統である２次側系統（７０）との間に接続され、各々が一対の１次側端子（２５，２６）と、一対の２次側端子（２７，２８）とを有する第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）を備え、第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）の１次側端子は直列接続されるとともに、１次側系統（６０）に接続され、第１の電力変換セル（２０−１，２０−２）の２次側端子は２次側第１相（２次側Ｖ相）に係る箇所に接続され、第２の電力変換セル（２０−３，２０−４）の２次側端子は２次側第２相（２次側Ｕ相）に係る箇所に接続され、第３の電力変換セル（２０−５，２０−６）の２次側端子は２次側第３相（２次側Ｗ相）に係る箇所に接続されている。これにより、１次側電圧に基づく２次側電圧の変動成分、または２次側電圧に基づく１次側電圧の変動成分を小型の部品で抑制することができ、電力変換装置（１００）を小型かつ安価に構成できる。
【００３３】
また、第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）は、それぞれ、１次巻線（１５ａ）と、１次巻線（１５ａ）に対して絶縁された２次巻線（１５ｂ）とを有するトランス（１５）を備える。これにより、１次側と２次側とを適切に絶縁できる。
【００３４】
また、本実施形態によれば、１次側系統（６０）は、Ｍ相（Ｍは３以上の自然数）の交流系統であり、電力変換装置（１００）は、各々が一対の１次側端子（２５，２６）と、一対の２次側端子（２７，２８）とを有する第４〜第９の電力変換セル（２０−７〜２０−１８）をさらに備え、第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）の１次側端子は直列接続されるとともに、１次側第１相（１次側Ｒ相）に係る箇所に接続され、第４〜第６の電力変換セル（２０−７〜２０−１２）の１次側端子は直列接続されるとともに、１次側第２相（１次側Ｔ相）に係る箇所に接続され、第７〜第９の電力変換セル（２０−１３〜２０−１８）の１次側端子は直列接続されるとともに、１次側第３相（１次側Ｓ相）に係る箇所に接続され、第１の電力変換セル（２０−１，２０−２）、第６の電力変換セル（２０−１１，２０−１２）、および第８の電力変換セル（２０−１５，２０−１６）の２次側端子は直列接続されるとともに、２次側第１相（２次側Ｖ相）に係る箇所に接続され、第２の電力変換セル（２０−３，２０−４）、第４の電力変換セル（２０−７，２０−８）、および第９の電力変換セル（２０−１７，１０−１８）の２次側端子は直列接続されるとともに、２次側第２相（２次側Ｕ相）に係る箇所に接続され、第３の電力変換セル（２０−５，２０−６）、第５の電力変換セル（２０−９，２０−１０）、および第７の電力変換セル（２０−１３，２０−１４）の２次側端子は直列接続されるとともに、２次側第３相（２次側Ｗ相）に係る箇所に接続されている。
これにより、多相交流同士を変換する場合においても、１次側電圧に基づく２次側電圧の変動成分、または２次側電圧に基づく１次側電圧の変動成分を小型の部品で抑制することができ、電力変換装置（１００）を小型で安価に構成できる。
【００３５】
また、トランス（１５）は１次巻線（１５ａ）と２次巻線（１５ｂ）との間で１００Ｈｚ以上の周波数で電力を伝送するものであり、第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）は、それぞれ、１次側端子（２５，２６）と１次巻線（１５ａ）との間で電力を伝送する１次側回路（２１）と、２次側端子（２７，２８）と２次巻線（１５ｂ）との間で電力を伝送する２次側回路（２２）と、をさらに備える。これにより、１次側回路（２１）および２次側回路（２２）において、電力を適切に変換できる。
【００３６】
また、１次側回路（２１）は、一対の１次側端子（２５，２６）と１次側直流電圧（Ｖdc1）との間で電力を伝送する第１の交直変換器（１１）と、１次側直流電圧（Ｖdc1）と１次巻線（１５ａ）との間で電力を伝送する第２の交直変換器（１２）と、を有し、２次側回路（２２）は、２次側直流電圧（Ｖdc2）と２次巻線（１５ｂ）との間で電力を伝送する第３の交直変換器（１３）と、一対の２次側端子（２７，２８）と２次側直流電圧（Ｖdc2）との間で電力を伝送する第４の交直変換器（１４）と、を有する。これにより、直流電圧を介して、安定的に電力を変換できる。
【００３７】
また、本実施形態においては、第１〜第３の電力変換セル（２０−１〜２０−６）のうち、１次側端子（２５，２６）における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セル（２０−１）と、２次側端子（２７，２８）における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セル（２０−６）と、が異なり、第４〜第６の電力変換セル（２０−７〜２０−１２）のうち、１次側端子（２５，２６）における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セル（２０−７）と、２次側端子（２７，２８）における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セル（２０−１２）と、が異なり、第７〜第９の電力変換セル（２０−１３〜２０−１８）のうち、１次側端子（２５，２６）における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セル（２０−１３）と、２次側端子（２７，２８）における対地電位の絶対値が最も高くなる電力変換セル（２０−１８）と、が異なるように、各々の２次側端子を２次側系統（７０）に接続している。
これにより、電力変換セルのトランス電位差のばらつきを小さくすることができ、耐圧の低いトランス（１５）を適用することができる。これにより、電力変換装置（１００）を一層小型かつ安価に構成できる。
【００３８】
［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態による電力変換装置１２０の構成を説明する。なお、以下の説明において、図１〜図３の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図４は、電力変換装置１２０の結線図である。電力変換装置１２０は、第１実施形態のもの（図１参照）と同様に、１８台のコンバータセル２０−１〜２０−１８を有している。各コンバータセル２０の構成は第１実施形態のもの（図２参照）と同様である。電力変換装置１２０は、何れも３相交流系統である１次側系統６２と、２次側系統７０との間で、双方向または一方向の電力変換を行うものである。
【００３９】
ここで、１次側系統６２は、Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相電圧が現れるＲ相線６２Ｒ、Ｓ相線６２Ｓ、およびＴ相線６２Ｔを有している。また、２次側系統７０の構成は、第１実施形態のものと同様である。コンバータセル２０−１〜２０−６の１次側端子２５，２６（図２参照）は、Ｒ相線６２ＲとＴ相線６２Ｔとの間に、順次直列に接続されている。同様に、コンバータセル２０−７〜２０−１２の１次側端子２５，２６は、Ｔ相線６２ＴとＳ相線６２Ｓとの間に、順次直列に接続されている。同様に、コンバータセル２０−１３〜２０−１８の１次側端子２５，２６は、Ｓ相線６２ＳとＲ相線６２Ｒとの間に、順次直列に接続されている。
【００４０】
また、各コンバータセル２０の２次側端子２７，２８と、２次側系統７０との接続関係は、第１実施形態のものと同様である。このように、電力変換装置１２０は、１次側系統６２と２次側系統７０とをΔ−Ｙ結線にて接続するものである。本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、中性線の無い、３相３線式の１次側系統６２にも適用できる点で適用範囲を広げることができる。
なお、上述した例では、１次側をＹ結線とし、２次側をΔ結線にしたが、１次側をΔ結線とし、２次側をＹ結線にしてもよい。
【００４１】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態による電力変換装置１３０の構成を説明する。なお、以下の説明において、図１〜図４の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図５は、電力変換装置１３０の結線図である。電力変換装置１３０は、第２実施形態のもの（図４参照）と同様に、１８台のコンバータセル２０−１〜２０−１８を有している。各コンバータセル２０の構成は第１実施形態のもの（図２参照）と同様である。電力変換装置１３０は、何れも３相交流系統である１次側系統６２と、２次側系統７２との間で、双方向または一方向の電力変換を行うものである。
【００４２】
ここで、１次側系統６２の構成は第２実施形態（図４参照）のものと同様である。また、コンバータセル２０−１〜２０−１８の１次側端子２５，２６と、１次側系統６２との接続関係も、第２実施形態のものと同様である。一方、２次側系統７２は、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧が現れるＵ相線７２Ｕ、Ｖ相線７２ＶおよびＷ相線７２Ｗを有している。
【００４３】
ここで、２次側回路２２にハッチングを付したコンバータセル２０−１，２０−２，２０−１６，２０−１５，２０−１１，２０−１２の各２次側端子２７，２８は、Ｕ相線７２ＵとＶ相線７２Ｖとの間に順次直列に接続されている。また、２次側回路２２が白ヌキであるコンバータセル２０−１３，２０−１４，２０−１０，２０−９，２０−５，２０−６の各２次側端子２７，２８は、Ｖ相線７２ＶとＷ相線７２Ｗとの間に順次直列に接続されている。また、２次側回路２２にドット網掛けを付したコンバータセル２０−７，２０−８，２０−４，２０−３，２０−１７，２０−１８の各２次側端子２７，２８は、Ｗ相線７２ＷとＵ相線７２Ｕとの間に順次直列に接続されている。
【００４４】
このように、電力変換装置１３０は、１次側系統６２と２次側系統７２をΔ−Δ結線にて接続するものである。本実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を奏するとともに、１次側系統６２および２次側系統７２が共に中性線の無い、３相３線式の系統であっても適用できる点で、適用範囲をさらに広げることができる。
【００４５】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態による電力変換装置１４０の構成を説明する。なお、以下の説明において、図１〜図５の各部に対応する部分には同一の符号を付し、その説明を省略する場合がある。
図６は、電力変換装置１４０の結線図である。電力変換装置１４０は、３台のコンバータセル２０−１０１〜２０−１０３（第１〜第３の電力変換セル）を有している。各コンバータセル２０の構成は第１実施形態のもの（図２参照）と同様である。電力変換装置１４０は、単相交流系統である１次側系統６４と、３相交流系統である２次側系統７４との間で、双方向または一方向の電力変換を行うものである。
【００４６】
ここで、１次側系統６４は、一対の線路６４Ｐ，６４Ｎを有している。また、２次側系統７４は、中性線７４Ｎと、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相電圧が現れるＵ相線７４Ｕ、Ｖ相線７４Ｖ、Ｗ相線７４Ｗと、を有している。コンバータセル２０−１０１〜２０−１０３の１次側端子２５，２６は、線路６４Ｐ，６４Ｎの間に順次直列に接続されている。
【００４７】
また、コンバータセル２０−１０１の２次側端子２７，２８は、それぞれＶ相線７４Ｖおよび中性線７４Ｎに接続されている。同様に、コンバータセル２０−１０２の２次側端子２７，２８は、それぞれＵ相線７４Ｕおよび中性線７４Ｎに接続されている。同様に、コンバータセル２０−１０３の２次側端子２７，２８は、それぞれＷ相線７４Ｗおよび中性線７４Ｎに接続されている。
【００４８】
図６において、電力潮流が２次側から１次側に向かって流れているとすると、コンバータセル２０−１０１に含まれるコンデンサ１７，１８（図２参照）の端子電圧には、Ｖ相電圧に同期する脈流成分を有している。これにより、コンバータセル２０−１０１の１次側電圧に現れる変動成分は、２次側Ｖ相電圧に同期する。同様に、コンバータセル２０−１０２の１次側電圧に現れる変動成分は、２次側Ｕ相電圧に同期する。同様に、コンバータセル２０−１０３の１次側電圧に現れる変動成分は、２次側Ｗ相電圧に同期する。
【００４９】
これらＶ相電圧、Ｕ相電圧、Ｗ相電圧に同期する個々の変動成分は、略同一形状の波形であり、相互に「２π／３」の位相差を有する。これらコンバータセル２０−１０１〜２０−１０３の１次側端子２５，２６が直列接続されると、１次側電圧においてＶ相電圧、Ｕ相電圧、Ｗ相電圧に同期する個々の変動成分は相殺され、そのレベルは抑制される。
【００５０】
このように、本実施形態は、１次側系統（６４）と、Ｎ相（Ｎは３以上の自然数）の２次側系統（７４）との間に接続され、各々が一対の１次側端子（２５，２６）と、一対の２次側端子（２７，２８）とを有する第１〜第３の電力変換セル（２０−１０１〜２０−１０３）を備え、第１〜第３の電力変換セル（２０−１０１〜２０−１０３）の１次側端子は直列接続されるとともに、１次側系統（６４）に接続され、第１の電力変換セル（２０−１０１）の２次側端子は２次側第１相（２次側Ｖ相）に係る箇所に接続され、第２の電力変換セル（２０−１０２）の２次側端子は２次側第２相（２次側Ｕ相）に係る箇所に接続され、第３の電力変換セル（２０−１０３）の２次側端子は２次側第３相（２次側Ｗ相）に係る箇所に接続されている点で、第１〜第３実施形態と同様である。
【００５１】
従って、本実施形態は、第１〜第３実施形態のものと同様に、コンデンサ１７，１８（図２参照）の容量が小さい場合であっても、電圧変動率を抑制できるため、コンデンサ１７，１８として容量の小さなものを適用することができ、小型かつ安価な電力変換装置１４０を実現できるという効果を奏する。
【００５２】
［変形例］
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。上述した実施形態は本発明を理解しやすく説明するために例示したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について削除し、もしくは他の構成の追加・置換をすることが可能である。また、図中に示した制御線や情報線は説明上必要と考えられるものを示しており、製品上で必要な全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。上記実施形態に対して可能な変形は、例えば以下のようなものである。
【００５３】
（１）上記各実施形態においては、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを適用した例を説明したが、スイッチング素子として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、バイポーラトランジスタ、サイリスタ、ＧＴＯ（Gate Turn-Off Thyristor）、ＩＥＧＴ（Injection Enhanced Gate Transistor）、あるいはサイラトロン等の真空管式の素子を適用してもよい。また、半導体を適用する場合に、その材質はＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等、任意のものを適用できる。
【００５４】
（２）図７は、コンバータセル２０の変形例のブロック図である。図２に示した交直変換器１１〜１４は、双方向に電力を変換できるようにスイッチング素子を用いたＨブリッジを適用したが、一方向に電力を変換できればよい場合は、交直変換器１１〜１４の一部において、整流素子を用いたＨブリッジを適用してもよい。図７に示す構成は、その一例として、図２における交直変換器１３を、４個の整流素子（符号なし）を適用した交直変換器１３ａに置換したものである。本変形例においても、高周波トランス１５のトランス電位差は、上記各実施形態と同様になるため、電力変換装置を小型かつ安価に構成することができる。交直変換器１３ａにおける４個の整流素子は、半導体ダイオードであってもよく、真空管式の水銀整流器等であってもよい。また、半導体を適用する場合に、その材質はＳｉ、ＳｉＣ、ＧａＮ等、任意のものを適用できる。
【００５５】
（３）上述した第１実施形態においては、１次側電位の高いコンバータセル２０ほど２次側電圧は低くなる傾向を有するように、各コンバータセル２０−１〜２０−１８を接続した。より詳細には、１次側端子２５，２６における対地電位の絶対値が最も高くなるコンバータセル２０と、２次側端子２７，２８における対地電位の絶対値が最も高くなるコンバータセル２０セルと、が異なるように、各コンバータセル２０−１〜２０−１８を接続した。
しかし、高周波トランス１５が、高いトランス電位差に対応できる場合は、必ずしもこのような接続方法を採らなくてもよい。すなわち、１次側端子２５，２６における対地電位の絶対値が最も高くなるコンバータセル２０と、２次側端子２７，２８における対地電位の絶対値が最も高くなるコンバータセル２０とが同一のものであってもよい。
【００５６】
また、図１において、コンバータセル２０−１〜２０−６１次側電位の高い順に列挙すると、コンバータセル２０−１，２０−２（Ｖ相）、コンバータセル２０−３，２０−４（Ｕ相）、コンバータセル２０−５，２０−６（Ｗ相）、の順になっている。しかし、この順序は、高周波トランス１５が対応可能であれば、（Ｕ，Ｖ，Ｗ）、（Ｕ，Ｗ，Ｖ）、（Ｖ，Ｕ，Ｗ）、（Ｖ，Ｗ，Ｕ）、（Ｗ，Ｕ，Ｖ）、（Ｗ，Ｖ，Ｕ）の６通りの順序のうち何れであってもよい。
【００５７】
（４）また、上記各実施形態において、図２に示す交直変換器１２，１３と、高周波トランス１５との間にコンデンサを挿入してもよい。図８（ａ）は、交直変換器１２と１次巻線１５ａとの間にコンデンサ５１を挿入するとともに、交直変換器１３と２次巻線１５ｂとの間にコンデンサ５２を挿入した例を示す。また、図８（ｂ）は、交直変換器１２と１次巻線１５ａとの間にコンデンサ５１を挿入した例であり、図８（ｃ）は、交直変換器１３と２次巻線１５ｂとの間にコンデンサ５２を挿入した例である。また、上記各実施形態に適用される高周波トランス１５は、意図的に漏れインダクタンスを発生させるように設計したものを用いてもよい。
【００５８】
（５）上記第４実施形態においては、１次側系統６４は単相交流系統であり、２次側系統７４は３相交流系統であったが、１次側を３相交流系統とし、２次側を単相交流系統にしてもよい。また、３相交流系統の側は、Δ結線にしてもよい。
【００５９】
さらに、１次側系統６４は、直流系統であってもよい。この場合、コンバータセル２０における交直変換器１１（図２参照）を削除し、コンデンサ１７の両端を１次側端子２５，２６に接続するとよい。換言すれば、本変形例は、１次側回路（２１）は、一対の１次側端子（２５，２６）と１次巻線（１５ａ）との間で電力を伝送する第２の交直変換器（１２）を有し、２次側回路（２２）は、２次側直流電圧（Ｖdc2）と２次巻線（１５ｂ）との間で電力を伝送する第３の交直変換器（１３）と、一対の２次側端子（２７，２８）と２次側直流電圧（Ｖdc2）との間で電力を伝送する第４の交直変換器（１４）と、を有するものになる。
【００６０】
（６）また、上記各実施形態において、コンバータセル２０の構成は、図２および図７に示したもの以外の、様々な構成を適用できる。すなわち、１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ1に対応する変動成分が２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2に現れ、あるいは、２次側ＡＣ端子間電圧Ｖ2に対応する変動成分が１次側ＡＣ端子間電圧Ｖ1に現れるコンバータセルであれば、その構成にかかわらず、上記各実施形態と同様の効果を奏することができる。
【００６１】
（７）上記第１〜第３実施形態は、１次側系統の相数Ｍと、２次側系統の相数Ｎとが共に「３」である例について説明したが、相数Ｍ，Ｎは「４」以上であってもよく、相数Ｍは相数Ｎとは異なる値であってもよい。また、上記各実施形態において、コンバータセル２０の数は「１８」個であったが、コンバータセル２０の数は任意である。但し、各コンバータセル２０の仕様を同一にするためには、コンバータセル２０の数は、「Ｎ×Ｍ」の自然数倍にすることが好ましい。
【符号の説明】
【００６２】
１１  交直変換器（第１の交直変換器）
１２  交直変換器（第２の交直変換器）
１３  交直変換器（第３の交直変換器）
１４  交直変換器（第４の交直変換器）
１５  高周波トランス（トランス）
１５ａ  １次巻線
１５ｂ  ２次巻線
２０  コンバータセル（電力変換セル）
２０−１，２０−２  コンバータセル（第１の電力変換セル）
２０−３，２０−４  コンバータセル（第２の電力変換セル）
２０−５，２０−６  コンバータセル（第３の電力変換セル）
２０−７，２０−８  コンバータセル（第４の電力変換セル）
２０−９，２０−１０  コンバータセル（第５の電力変換セル）
２０−１１，２０−１２  コンバータセル（第６の電力変換セル）
２０−１３，２０−１４  コンバータセル（第７の電力変換セル）
２０−１５，２０−１６  コンバータセル（第８の電力変換セル）
２０−１７，１０−１８  コンバータセル（第９の電力変換セル）
２０−１０１  コンバータセル（第１の電力変換セル）
２０−１０２  コンバータセル（第２の電力変換セル）
２０−１０３  コンバータセル（第３の電力変換セル）
２１  １次側回路
２２  ２次側回路
２５，２６  １次側端子
２７，２８  ２次側端子
６０，６２，６４  １次側系統
７０，７２，７４  ２次側系統
１００，１２０，１３０，１４０  電力変換装置
Ｖdc1  （１次側直流電圧）
Ｖdc2  （２次側直流電圧）
【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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