(57)【要約】【課題】  より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぐことを可能にする。【解決手段】  実施形態の電力変換装置は、中性点クランプ型の電力変換器と、前記電力変換器の零相電圧を所定の計算式を用いて計算し、当該零相電圧を各相の電圧指令値に重畳することで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行う制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がある場合、当該電圧指令値の符号を反転させて前記零相電圧の再計算を行い、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳する。【選択図】図３
2019187121.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中性点クランプ型の電力変換器と、
前記電力変換器の零相電圧を所定の計算式を用いて計算し、当該零相電圧を各相の電圧指令値に重畳することで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行う制御手段と
を具備し、
前記制御手段は、前記零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がある場合、当該電圧指令値の符号を反転させて前記零相電圧の再計算を行い、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳する、
電力変換装置。
【請求項２】
前記制御手段は、各相の電圧指令値のうちの中間値を求め、前記零相電圧の重畳によって当該中間値の符号が変化する場合に、当該中間値の符号を反転させて前記零相電圧の再計算を行う、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がない場合であっても、前記計算式の分母が０を跨いで符号が変化する場合には、電圧指令値の符号を反転させて前記零相電圧の再計算を行う、
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
中性点を共有する第１の電力変換器および第２の電力変換器と、
前記第２の電力変換器の零相電圧を所定の計算式を用いて求めるとともに、測定により得られる又は計算により得られる前記中性点の電流と所定の計算式とを用いて前記第１の電力変換器の零相電圧を求め、求めた前記第１の電力変換器の零相電圧を前記第１の電力変換器の各相の電圧指令値に重畳するとともに、求めた前記第２の電力変換器の零相電圧を前記第２の電力変換器の各相の電圧指令値に重畳する制御を行う制御装置と、
を具備する電力変換装置。
【請求項５】
前記制御装置は、各相の電圧指令値に対する変調率が所定値を越えないように零相電圧に制限を加える、
請求項１乃至４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
中性点クランプ型の電力変換器を有する電力変換装置の制御方法であって、
制御手段により、前記電力変換器の零相電圧を所定の計算式を用いて計算し、当該零相電圧を各相の電圧指令値に重畳することで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行うこと
を含み、
前記制御は、前記零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がある場合、当該電圧指令値の符号を反転させて前記零相電圧の再計算を行い、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳することを含む、電力変換装置の制御方法。
【請求項７】
中性点を共有する第１の電力変換器および第２の電力変換器を有する電力変換装置の制御方法であって、
制御手段により、前記第２の電力変換器の零相電圧を所定の計算式を用いて求めるとともに、測定により得られる又は計算により得られる前記中性点の電流と所定の計算式とを用いて前記第１の電力変換器の零相電圧を求め、求めた前記第１の電力変換器の零相電圧を前記第１の電力変換器の各相の電圧指令値に重畳するとともに、求めた前記第２の電力変換器の零相電圧を前記第２の電力変換器の各相の電圧指令値に重畳する制御を行う、
ことを含む、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、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
直流と交流を変換する電力変換器は、インバータやコンバータとも呼ばれ、社会の中で幅広い分野で用いられている。最も基本的なインバータは、２つの半導体スイッチング素子による２レベルインバータであり、１つのレグで２つの電圧レベルを出力する。
【０００３】
一方、図１２に示すように、相毎に、１のレグに４つ半導体スイッチング素子と２つのダイオード（半導体スイッチング素子でも良い）を備え、各相に共通する直流分圧コンデンサを有する、中性点クランプ型（ＮＰＣ（Neutral-Point-Clamped））インバータが存在する。図１２では三相のＮＰＣインバータ１００からなる電力変換装置１の例を示している。ＮＰＣインバータ１００は１レグで３つの電圧レベルを出力することができ、高耐圧化、損失低減、高調波低減に寄与するため、様々なインバータに用いられている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第５６２２４３７号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】電気学会論文誌D, vol. 113, No. 1, 1993年, 中性点クランプ電圧形PWMインバータの中性点電位変動の解析
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図１２の例では、ＮＰＣインバータ１００は、相毎に、１つのレグに６つ半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を備え、直流電圧ｖＰＮを分圧する直流分圧コンデンサＣ１，Ｃ２を有する。ここで、直流分圧コンデンサＣ１，Ｃ２の中性点ＮＰの電位をｖｎとする。ＮＰＣインバータの中性点電位ｖｎはインバータの動作に従い基本波の３倍で変動する性質を持つ。この中性点電位ｖｎの変動が大きいと、半導体スイッチング素子にかかる電圧が変動し、電圧が高い時には耐圧超過で素子が破損する可能性があり、電圧が低い時には所望の電圧が出せず過変調となる可能性がある。
【０００７】
中性点電位ｖｎの変動の大きさは、変調率と力率、コンデンサ容量、負荷電流が関係する。コンデンサ容量と負荷電流を一定値とし、変調率と力率による中性点電位ｖｎの変動の大きさを計算すると、図１３のグラフのように表される。図１３では、力率は、電圧と電流との位相差として表している。変調率が高いほど、また力率が低いほど（位相差＝π／２に近いほど）、中性点電位ｖｎの変動は大きいことが分かる。
【０００８】
中性点電位ｖｎの変動を抑える最も単純な方法は、コンデンサ容量を増加させることである。しかし、コンデンサ容量の増加はインバータの体積、コストの増加を招き、事故時のエネルギーも大きくなる。
【０００９】
一方、中性点電位ｖｎの変動は、制御によってある程度抑制することができる。具体的には下記の式（１）に示す零相電圧ｖ０を各相の指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに重畳することで、中性点電位ｖｎの変動を抑制できる。
【００１０】
【数１】
2019187121.tif 000003
【００１１】
ここで、ｖｕ，ｖｖ，ｖｗは１で規格化された各相のレグの電圧指令値を表し、ｉｕ，ｉｖ，ｉｗは各相のレグから出力される電流を表す。signは符号関数を表す。
【００１２】
しかしながら、これらの手法では、変動を抑制しきれない動作領域が存在する。非特許文献１または特許文献１の制御を適用した場合の中性点電位ｖｎの変動を同様に計算すると図１４のようになる。すなわち、変調率が低く力率が低い動作領域（位相差＝π／２に近い動作領域）では変動を大幅に抑制できているが、それ以外の領域では依然変動が存在する。
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぐことを可能にする電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
実施形態の電力変換装置は、中性点クランプ型の電力変換器と、前記電力変換器の零相電圧を所定の計算式を用いて計算し、当該零相電圧を各相の電圧指令値に重畳することで前記電力変換器の中性点電位の変動を抑制する制御を行う制御手段とを具備し、前記制御手段は、前記零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がある場合、当該電圧指令値の符号を反転させて前記零相電圧の再計算を行い、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳する。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】第１の実施形態におけるＮＰＣインバータの一例を示す図。
【図２】同実施形態における中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図。
【図３】同実施形態における中性点電位変動抑制制御の動作の一例を示す図。
【図４】同実施形態における過変調リミット制御の機能構成の一例を示す図。
【図５】同の実施形態における中性点電位の変動の一例を示す図。
【図６】第２の実施形態における中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図。
【図７】同実施形態における中性点電位変動抑制制御の動作の一例を示す図。
【図８】同実施形態における中性点電位の変動の一例を示す図。
【図９】第３の実施形態におけるインバータ・コンバータ構成のＮＰＣ回路の一例を示す図。
【図１０】同実施形態における中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図。
【図１１】同実施形態における中性点電位の変動の一例を示す図。
【図１２】従来技術におけるＮＰＣインバータの回路の一例を示す図。
【図１３】従来技術における中性点電位の変動の一例を示す図。
【図１４】従来技術における中性点電位変動抑制制御を適用した場合の中性点電位の変動の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。
【００１８】
［第１の実施形態］
最初に、第１の実施形態について説明する。以下では、前述した従来の構成と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００１９】
図１は、第１の実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。なお、この図１では、前述した図１２と共通する要素に同一の符号を付している。
【００２０】
電力変換装置１を構成するＮＰＣインバータ１００は、図１２に示したものと同様の一般的な三相のＮＰＣインバータである。但し、この例に限定されるものではない。例えば、本実施形態では中性点クランプ型の電力変換器としてＮＰＣインバータを例示するが、これをＮＰＣコンバータに代えて実施してもよい。また、中性点クランプは、Ｔ型中点クランプであってもよいし、それ以外のタイプであってもよい。
【００２１】
この電力変換装置１には、更に、ＮＰＣインバータ１００の通常動作の制御と中性点電位ｖｎの変動を抑制する制御（以下、「中性点電位変動抑制制御」と呼ぶ。）を行う制御装置１０が備えられる。
【００２２】
制御装置１０は、ＮＰＣインバータ１００の零相電圧を所定の計算式を用いて計算し、当該零相電圧を各相の電圧指令値に重畳することでＮＰＣインバータ１００の中性点電位ｖｎの変動を抑制する制御を行うものである。特に、この制御装置１０は、零相電圧の重畳によって符号が変化する電圧指令値がある場合、当該電圧指令値の符号を反転させて零相電圧の再計算を行い、再計算後の零相電圧を各相の電圧指令値に重畳する機能を有する。
【００２３】
一般的な中性点電位変動抑制制御では、式（１）で零相電圧ｖ０を求め、各相の電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに重畳する。これにより中性点電位ｖｎの変動はある程度抑制される。しかし、式（１）中の各電圧指令値には符号があり、零相電圧を重畳することで符号が変化する場合がある。その場合、零相電圧の計算元の条件が変わってしまうので、この零相電圧により中性点電位ｖｎの変動抑制効果が発揮されない。そこで、本実施形態では、零相電圧を重畳することで符号が変わる場合には、符号を反転させて零相電圧の再計算を行い、零相電圧ｖ０ｒｅを得る。この零相電圧ｖ０ｒｅを各相の電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに重畳することで、変動抑制効果が適正に発揮される。
【００２４】
図２は、本実施形態に係る電力変換装置１に備えられる制御装置１０によるＮＰＣインバータ１００の中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図である。
【００２５】
制御装置１０は、図２に示されるように、各種の機能として演算部１１〜１７、判定部１８、演算部１９〜２１、切替部ＳＷ１１を有する。
【００２６】
演算部１１は、ＮＰＣインバータ１００に対する基準の電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗとＮＰＣインバータ１００から得られる出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとを入力し、式（１）を用いて零相電圧の計算を行い、その演算結果を零相電圧ｖ０として出力する。
【００２７】
演算部１２は、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのそれぞれに、演算部１１から出力される零相電圧ｖ０を加算し、その演算結果を電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０として出力する。
【００２８】
演算部１３は、演算部１２から出力される零相電圧ｖ０加算後の電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の中の中間値を求めて出力する。ここでいう中間値は、例えば零相電圧ｖ０加算後の電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を値の高い順に（もしくは低い順に）並べた場合に、２番目に値の高い（もしくは値の低い）電圧指令値を指す。
【００２９】
演算部１４は、演算部１３から出力される中間値の符号の判定を行い、その符号が例えば正である場合には「１」の値を出力し、一方、その符号が例えば負である場合には「０」の値を出力する。
【００３０】
演算部１５は、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中の中間値を求めて出力する。ここでいう中間値は、例えば電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗを値の高い順に（もしくは低い順に）並べた場合に、２番目に値の高い（もしくは値の低い）電圧指令値を指す。
【００３１】
演算部１６は、演算部１５から出力される中間値の符号の判定を行い、その符号が例えば正である場合には「１」の値を出力し、一方、その符号が例えば負である場合には「０」の値を出力する。
【００３２】
演算部１７は、演算部１４から出力される値から、演算部１６から出力される値を減算し、その演算結果を出力する。
【００３３】
判定部１８は、演算部１７から出力される値が「０」であるか否かを判別し、その値が「０」である場合には、中間値の符号が変化していないものとみなし、演算部１２から出力される電圧指令値が切替部ＳＷ１１により選択されて電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０として出力されるように切替部ＳＷ１１を操作する信号を出力し、一方、その値が「１」である場合には、中間値の符号が変化したものとみなし、後述する演算部２１から出力される零相電圧ｖ０ｒｅ加算後の電圧指令値が切替部ＳＷ１１により選択されて電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０として出力されるように切替部ＳＷ１１を操作する信号を出力する。
【００３４】
演算部１９は、演算部１６から出力される値の正負を反転させて出力する。
【００３５】
演算部２０は、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗと演算部１９から出力される符号を反転させた中間値とを入力し、再び式（１）を用いて零相電圧の再計算を行い、その演算結果を零相電圧ｖ０ｒｅとして出力する。
【００３６】
演算部２１は、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのそれぞれに、演算部２０から出力される零相電圧ｖ０ｒｅを加算し、その演算結果を出力する。
【００３７】
ここで、図３を参照して、図２に示した中性点電位変動抑制制御に基づく動作の一例を説明する。
【００３８】
制御装置１０は、演算部１１により、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗとＮＰＣインバータ１００から得られる出力電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗとに基づき、式（１）を用いて零相電圧の計算を行って零相電圧ｖ０を求める（Ｓ１１）。なお、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗは、この後、中間値の算出のほか零相電圧ｖ０ｒｅの再計算などにも使用する場合があるため、所定の記憶領域に一旦保存しておく（Ｓ１２）。
【００３９】
また、制御装置１０は、演算部１５により、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中間値を求める（Ｓ１３）。
【００４０】
一方で、制御装置１０は、演算部１２により、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのそれぞれに、演算部１１により求めた零相電圧ｖ０を加算し、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を求める（Ｓ１４）。これら電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０についても、演算部１３により、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の中間値を求めておく。
【００４１】
次に、制御装置１０は、零相電圧ｖ０を加算する前と後とで中間値が変化したか否かを判定する（Ｓ１５）。すなわち、演算部１５により求めた中間値の符号と、演算部１３により求めた中間値の符号とが一致するか否かを、演算部１４、１６、１７、および判定部１８を通じて判定する。判定部１８での判定結果が「０」の場合は、双方の間で符号が一致しており、零相電圧ｖ０を加算する前と後とで中間値の符号が変化していないとみなすことができる（Ｓ１５のＮｏ）。一方、判定部１８での判定結果が「０」でない場合は、双方の間で符号が一致しておらず、零相電圧ｖ０を加算する前と後とで中間値の符号が変化したとみなすことができる（Ｓ１５のＹｅｓ）。
【００４２】
中間値が変化していなければ（Ｓ１５のＮｏ）、制御装置１０は、演算部１２により求めた電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０が切替部ＳＷ１１を通じて出力されるようにする。
【００４３】
一方、中間値が変化していれば（Ｓ１５のＹｅｓ）、制御装置１０は、演算部１５により求めた電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中間値の符号を、演算部１６，１９を通じて反転させた上で、演算部２０により零相電圧の再計算を行って零相電圧ｖ０ｒｅを求め（Ｓ１６）、求めた零相電圧ｖ０ｒｅを、演算部２１により電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのそれぞれに加算して、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を求める（Ｓ１７）。そして、この演算部２１により求めた電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０が切替部ＳＷ１１を通じて出力されるようにする。
【００４４】
このように、零相電圧を重畳することで中間値の符号が変わる場合には、符号を反転させて零相電圧の再計算を行い、零相電圧ｖ０ｒｅを得て、この零相電圧ｖ０ｒｅを各相の電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに重畳する。これにより、変動抑制効果が適正に発揮される。
【００４５】
次に、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗが変調率１を超えて過変調になる場合に備え、当該電圧指令値の過変調を抑制する過変調リミット制御の一例について説明する。但し、この過変調リミット制御は、必ずしも必要とされるものではなく、その実施を省略してもよい。
【００４６】
図４は、図２の制御で生成された電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０に対して施される過変調リミット制御の機能構成の一例を示す図である。なお、ここでは電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗが変調率１を超えて過変調にならないように、電圧指令値の変調を変調率１にて制限する場合の例を挙げる。
【００４７】
図４の例では、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０を入力し、補正零相電圧ｖ０ｍｏｄを得る。補正零相電圧ｖ０ｍｏｄは、零相電圧ｖ０の補正値であり、過変調を防ぐために使用される。この補正零相電圧ｖ０ｍｏｄを電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０に重畳することで、過変調を防ぎつつ、変動抑制効果を最大限に発揮させることができる。
【００４８】
制御装置１０は、図４に示されるように、演算部３１〜３９、切替部ＳＷ２１，ＳＷ２２を有する。
【００４９】
演算部３１は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の最大値を求めて出力する。
【００５０】
演算部３２は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０の最小値を求めて出力する。
【００５１】
演算部３３は、変調率の上限閾値「１」から電圧指令値の最大値を減算して得られる差分値を出力する。
【００５２】
演算部３４は、変調率の下限閾値「−１」から、電圧指令値の最小値を減算して得られる差分値を出力する。
【００５３】
演算部３５は、演算部３２から出力される電圧指令値の最小値の絶対値を求めて出力する。
【００５４】
演算部３６は、演算部３１から出力される電圧指令値の最大値（以下「Ａ」）と、演算部３５から出力される電圧指令値電圧指令値の最小値の絶対値（以下「Ｂ」）とを比較し、ＡがＢ以上である場合には、演算部３３から出力される差分値が選択されるように切替部ＳＷ２１を操作する信号を出力し、一方、ＡがＢ未満である場合には、演算部３４から出力される差分値が選択されるように切替部ＳＷ２１を操作する信号を出力する。
【００５５】
演算部３７は、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０のそれぞれの絶対値を求めて出力する。
【００５６】
演算部３８は、演算部３７から出力されるそれぞれの値が閾値「１」を超えたか否かを判別し、それぞれの判別結果を出力する。
【００５７】
演算部３９は、演算部３８から出力される判別結果のうちのいずれかが閾値「１」を超えたことを示しているか否かを判別し、閾値「１」を超えたことを示している場合には、ＳＷ２１から出力される値が切替部ＳＷ２２により選択されて補正零相電圧ｖ０ｍｏｄとして出力されるように切替部ＳＷ２２を操作する信号を出力し、一方、閾値「１」を超えたことを示していない場合には、固定値「０」が切替部ＳＷ２２により選択されて補正零相電圧ｖ０ｍｏｄとして出力されるように切替部ＳＷ２２を操作する信号を出力する。
【００５８】
このような構成において、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０のいずれも、変調率の上限閾値「１」と変調率の下限閾値「１」の間に収まっているときは、演算部３７から出力される絶対値はいずれも閾値「１」を超えておらず、演算部３８から出力される判別結果はいずれも閾値「１」を超えたことを示さない。
【００５９】
このとき、演算部３９は、固定値「０」が選択されるように切替部ＳＷ２２を操作する。これにより、固定値「０」が切替部ＳＷ２２を通り、補正零相電圧ｖ０ｍｏｄとして出力される。この補正零相電圧ｖ０ｍｏｄ（＝０）で補正量を０とすることにより、過変調の発生が防止される。
【００６０】
一方、電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０のいずれかが、変調率の上限閾値「１」を上回る又は下限閾値「−１」を下回るときは、演算部３７から出力される絶対値のいずれかが閾値「１」を超え、演算部３８から出力される判別結果のいずれかが閾値「１」を超えたことを示す。
【００６１】
このとき、演算部３９は、ＳＷ２１から出力される値が選択されるように切替部ＳＷ２２を操作する。また、演算部３１〜３６により、電圧指令値の最大値「Ａ」と最小値（絶対値）「Ｂ」のうち、値が大きい方（即ち、上限閾値「１」又は変調率の下限閾値「１」より近い方）が選択され、選択された値「Ａ」又は「Ｂ」と対応する閾値との差分値が切替部ＳＷ２１を通り、さらに切替部ＳＷ２２を通り、補正零相電圧ｖ０ｍｏｄとして出力される。この補正零相電圧ｖ０ｍｏｄは電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０に重畳されることになる。これにより、過変調を抑制しつつ、中性点電位ｖｎの変動抑制効果を最大限に発揮させることが可能となる。
【００６２】
制御装置１０は、図４の制御で得られた補正零相電圧ｖ０ｍｏｄから、下記の式（２）を用いて、最終的な電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を得る。
【００６３】
【数２】
2019187121.tif 000004
【００６４】
電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊を得るために電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗに対して重畳された零相電圧は、下記の式（３）に示す通り、零相電圧ｖ０と補正零相電圧ｖ０ｍｏｄとを合わせた零相電圧ｖｏ’である。
【００６５】
【数３】
2019187121.tif 000005
【００６６】
制御装置１０は、上記電圧指令値ｖｕ＊，ｖｖ＊，ｖｗ＊をＮＰＣインバータ１００に与えることによりＮＰＣインバータ１００を制御する。
【００６７】
本実施形態を適用した場合の中性点電位ｖｎの変動を、変調率、力率（電圧と電流との位相差）ごとに計算し、グラフ化すると、図５のようになる。
【００６８】
図１４に表された従来技術の変動と比較すると、図５では変調率が低く力率が低い動作領域（位相差＝π／２に近い領域）での変動がより抑制されていることが分かる。
【００６９】
第１の実施形態によれば、より広い動作領域で中性点電位ｖｎの変動を抑制でき、コンデンサ容量の増加を防ぎ、小型・低コストで安全な電力変換装置を提供することができる。
【００７０】
なお、本実施形態では、零相電圧を重畳する際に電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのうち中間値の符号が変化することから、当該中間値を対象に符号の変化を判定する場合を例示したが、この例に限定されるものではない。例えば、電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの中間値を判定する処理を行うことなく、各相の電圧指令値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗのそれぞれについて、符号の変化を判定するようにしてもよい。また、符号が変化する電圧指令値の判定を上記以外の手法で行うようにしても構わない。
【００７１】
また、零相電圧を重畳する前後の電圧指令値の符号の変化の有無は、零相電圧を重畳する前後の２つの電圧指令値の減算結果をもとに判定してもよいが、これに限らず、別の手法（例えば他の種類の論理回路など）を用いて判定してもよい。
【００７２】
［第２の実施形態］
次に、第２の実施形態について説明する。以下では、第１の実施形態と共通する部分の説明を省略し、異なる部分を中心に説明する。
【００７３】
第２の実施形態に係る電力変換装置の構成は、図１に示したものと同様である。但し、第２の実施形態における制御装置１０は、零相電圧の重畳によって符号が変化した電圧指令値がない場合であっても、前述した式（１）の分母が０を跨いで変化する場合には、中間値の電圧指令値の符号を反転させて零相電圧の再計算を行う機能を更に備えている。これにより、式（１）の分母が０を跨ぐことで過大な零相電圧が生じることを防ぎ、変動抑制制御を正常に作用させる。
【００７４】
図６は、本実施形態に係る電力変換装置１に備えられる制御装置１０によるＮＰＣインバータ１００の中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図である。なお、この図６では、前述した図２と共通する要素に同一の符号を付している。
【００７５】
図６に示される通り、基本的な構成は第１の実施形態で説明した図２の構成と同じであるが、判定部１８の代わりに判定部１８’が設けられている点が異なる。
【００７６】
前述した式（１）には分母があり、分母が０付近になると零相電圧ｖ０は過大な値を取る。すると電圧指令値も過変調となり正しい制御ができなくなる。そこで、本実施形態では、式（１）分母が０を跨いで過大な零相電圧となることを防ぎ、変動抑制制御を正常に作用させる。分母が正の値か負の値かは力率で異なるので、判定部１８’において力率の正負を判定することによって、０またぎの有無を判定する。
【００７７】
判定部１８’は、前述した判定部１８と同様に、演算部１７から出力される値が「０」であるか否かを判別し、その値が「０」である場合には、中間値の符号が変化していないものとみなすが、この後の処理が判定部１８とは異なる。
【００７８】
演算部１７から出力される値が「０」である場合、判定部１８’は、演算部１２から出力される電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０が選択されるように切替部ＳＷ１１を操作する信号を出力するとは限らない。もし式（１）の分母が０を跨いで変化した場合には、符号を反転させた中間値に基づく零相電圧の再計算を行って得られる零相電圧ｖ０ｒｅを加算した後の電圧指令値が電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０として出力されるようにする。すなわち、判定部１８’は、式（１）の分母が０を跨いで変化した場合、演算部２１から出力される零相電圧ｖ０ｒｅ加算後の電圧指令値が切替部ＳＷ１１により選択されて電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０として出力されるように切替部ＳＷ１１を操作する信号を出力する。
【００７９】
式（１）の分母が０を跨いで変化していていない場合は、演算部１２から出力される電圧指令値が切替部ＳＷ１１により選択されて電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０として出力されるように切替部ＳＷ１１を操作する信号を出力する。
【００８０】
ここで、図７を参照して、図６に示した中性点電位変動抑制制御に基づく動作の一例を説明する。なお、この図７では、前述した図３と共通する要素に同一の符号を付している。
【００８１】
図７中の枠Ａは、判定部１８’による判定処理を表している。
【００８２】
ステップＳ１１〜Ｓ１４，Ｓ１６〜Ｓ１７の処理は、図３で説明した通りである。
【００８３】
ステップＳ１５では、制御装置１０は、零相電圧ｖ０を加算する前と後とで中間値が変化したか否かを判定する（Ｓ１５）。すなわち、演算部１５により求めた中間値の符号と、演算部１３により求めた中間値の符号とが一致するか否かを、演算部１４、１６、１７、および判定部１８’を通じて判定する。判定部１８’での判定結果が「０」の場合は、双方の間で符号が一致しており、零相電圧ｖ０を加算する前と後とで中間値の符号が変化していないとみなすことができる（Ｓ１５のＮｏ）。
【００８４】
ステップＳ１５において、中間値が変化していなければ（Ｓ１５のＮｏ）、制御装置１０は、式（１）の分母が０を跨いで変化したか否かの判定を実施する（Ｓ２１〜Ｓ２３）。
【００８５】
ここで、力率が０より大で、かつ、分母が０以下でなければ（Ｓ２１のＹｅｓ，Ｓ２２のＮｏ）、制御装置１０は、分母が０を跨いで変化していないとみなし、演算部１２により求めた電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０が切替部ＳＷ１１を通じて出力されるようにする。一方、力率が０より大で、かつ、分母が０以下であれば（Ｓ２１のＹｅｓ，Ｓ２２のＹｅｓ）、制御装置１０は、分母が０を跨いで変化したとみなし、ステップＳ１６の処理へと進む。
【００８６】
また、力率が０より大ではなく、かつ、分母が０以上でなければ（Ｓ２１のＮｏ，Ｓ２３のＮｏ）、制御装置１０は、分母が０を跨いで変化していないとみなし、演算部１２により求めた電圧指令値ｖｕ０，ｖｖ０，ｖｗ０が切替部ＳＷ１１を通じて出力されるようにする。一方、力率が０より大ではなく、かつ、分母が０以上であれば（Ｓ２１のＮｏ，Ｓ２３のＹｅｓ）、制御装置１０は、分母が０を跨いで変化したとみなし、ステップＳ１６の処理へと進む。
【００８７】
一方、ステップＳ１５において、中間値が変化していれば、図３の場合と同様にステップＳ１６の処理へと進む。
【００８８】
本実施形態を適用した場合の中性点電位ｖｎの変動を、変調率、力率（電圧と電流との位相差）ごとに計算し、グラフ化すると、図８のようになる。
【００８９】
図５に表された第１の実施形態による変動と比較すると、図８では変調率が低く力率が低い動作領域（位相差＝π／２に近い領域）での変動が完全に抑制されていることが分かる。
【００９０】
第２の実施形態によれば、第１の実施形態で得られる効果のほか、式（１）の分母が０を跨ぐことで過大な零相電圧が生じることを防ぎ、変動抑制制御を正常に作用させることができ、より広い動作領域で中性点電位ｖｎの変動を抑制することができる。
【００９１】
［第３の実施形態］
次に、第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態では、前述した各実施形態で説明した技術の一部を使用する。
【００９２】
図９は、第３の実施形態に係る電力変換装置の構成の一例を示す図である。
【００９３】
本実施形態の電力変換装置１は、相毎に直流電圧部が共通するインバータ・コンバータ構成のＮＰＣ変換器を有する。
【００９４】
図９の例では、当該ＮＰＣ変換器を構成する各相のコンバータ１０１とインバータ１０２とがそれぞれ、１つのレグに６つ半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ６を備え、直流電圧ｖＰＮを分圧する直流分圧コンデンサＣ１，Ｃ２を共有する。ここで、直流分圧コンデンサＣ１，Ｃ２の中性点ＮＰの電位をｖｎとする。
【００９５】
この電力変換装置１には、更に、２つの当該ＮＰＣ変換器の通常動作の制御と中性点電位ｖｎの変動を抑制する制御を行う制御装置１０’が備えられる。
【００９６】
制御装置１０’は、インバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉを前述した式（１）を用いて求めるとともに、測定により得られる又は計算により得られる中性点ＮＰの電流と式（１）とを用いて（もしくは式（１）に類似する数式を用いて）コンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃを求め、求めたコンバータ１０１の零相電圧をコンバータ１０１の各相の電圧指令値に重畳するとともに、求めたインバータ１０２の零相電圧をインバータ１０２の各相の電圧指令値に重畳する制御を行う機能を有する。
【００９７】
中性点電位ｖｎには、インバータ１０２から流れ込む中性点電流ｉｎｉとコンバータ１０１から流れ込む中性点電流ｉｎｃとが影響する。Ｉｎｉ，ｉｎｃは、それぞれ、下記の式（４），（５）で表される。
【００９８】
【数４】
2019187121.tif 000006
【００９９】
【数５】
2019187121.tif 000007
【０１００】
ここで、上添え字ｉはインバータ１０２を表し、下添え字ｃはコンバータ１０１を表す。
【０１０１】
この２つの中性点電流の総和は、コンデンサＣ１，Ｃ２に流れ込む電流ｉｎなので、下記の式（６）で表される。
【０１０２】
【数６】
2019187121.tif 000008
【０１０３】
式（６）がゼロであれば中性点電位ｖｎは変動しないため、下記の式（７）が成立すればよい。
【０１０４】
【数７】
2019187121.tif 000009
【０１０５】
ここで、式（５）を式（７）に代入すると、下記の式（８）が得られる。
【０１０６】
【数８】
2019187121.tif 000010
【０１０７】
この式（８）を変形すると、下記の式（９）が得られる。
【０１０８】
【数９】
2019187121.tif 000011
【０１０９】
これにより、コンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃが求まる。
【０１１０】
なお、インバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉを求めた後、およびコンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃを求めた後には、ｖ０ｉおよびｖ０ｃに対してそれぞれ前述した第１の実施形態の図４で説明した過変調リミット制御の処理を行ってもよい。但し、過変調リミット制御の処理は、必ずしも必要とされるものではない。
【０１１１】
コンバータ１０１の各相の電圧指令値に零相電圧ｖ０ｃを重畳することで、インバータ１０２が発生させる中性点電位ｖｎの変動をコンバータ１０１も協調して抑制することができる。
【０１１２】
なお、式（９）はインバータ１０２の中性点電流ｉｎｉを含んでいる。このｉｎｉは式（４）の計算で求められる。この式（４）の計算に使われるインバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉはインバータ１０２の各相の電圧指令値に実際に重畳される零相電圧である。これは、前述の第１の実施形態や第２の実施形態におけるＮＰＣインバータの零相電圧計算で得られた値ｖ０に相当する。すなわち、インバータ１０２の零相電圧計算で零相電圧ｖ０ｉを得た後に、コンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃを計算する。
【０１１３】
インバータ１０２の周波数よりコンバータ１０１の周波数が早い時などは、インバータ１０２が支配的に中性点電位ｖｎの変動を引き起こす。コンバータ１０１の周波数が十分高ければ中性点電位変動への影響は小さいので、式（９）に示す零相電圧ｖ０ｃをコンバータ１０１の各相の電圧指令値に重畳することで中性点電位ｖｎの変動を効果的に抑制できる。
【０１１４】
図１０は、本実施形態に係る電力変換装置１に備えられる制御装置１０’によるＮＰＣ変換器の中性点電位変動抑制制御の機能構成の一例を示す図である。
【０１１５】
制御装置１０’は、図１０に示されるように、各種の機能として演算部４１〜４５を有する。
【０１１６】
演算部４１は、インバータ１０２に対する基準の電圧指令値ｖｕｉ，ｖｖｉ，ｖｗｉ（ここでは「ｖｘｉ」と略称）とインバータ１０２から得られる出力電流ｉｕｉ，ｉｖｉ，ｉｗｉ（ここでは「ｉｘｉ」と略称）とを入力し、前述した第１及び第２の実施形態で説明した零相電圧計算と同様の処理、即ち、式（１）を用いたインバータ１０２の零相電圧計算および電圧指令値の符号を反転させた再計算を行い、インバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉを出力する機能である。
【０１１７】
演算部４２は、演算部４１により計算されたインバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉを入力し、前述した第１の実施形態で説明した過変調リミット制御と同様の処理を行い、インバータ１０２の補正零相電圧ｖ０ｉ’を出力する機能である。但し、これは必須の要素ではない。
【０１１８】
演算部４３は、インバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉもしくは補正零相電圧ｖ０ｉ’を入力し、式（４）を用いてインバータ１０２の中性点電流ｉｎｉを計算する機能である。
【０１１９】
演算部４４は、演算部４３により計算されたインバータ１０２の中性点電流ｉｎｉを入力するとともに、コンバータ１０１に対する基準の電圧指令値ｖｕｃ，ｖｖｃ，ｖｗｃ（ここでは「ｖｘｃ」と略称）とコンバータ１０１から得られる出力電流ｉｕｃ，ｉｖｃ，ｉｗｃ（ここでは「ｉｘｃ」と略称）とを入力し、式（１）を用いたコンバータ１０１の零相電圧計算および電圧指令値の符号を反転させた再計算、より具体的には、変数ｉｎｉを含む式（９）を用いた零相電圧計算および電圧指令値の符号を反転させた再計算を行い、インバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉを出力する機能である。
【０１２０】
演算部４５は、演算部４４により計算されたコンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃを入力し、前述した第１の実施形態で説明した過変調リミット制御と同様の処理を行い、コンバータ１０１の補正零相電圧ｖ０ｃ’を出力する機能である。但し、これは必須の要素ではない。
【０１２１】
このような機能構成において、制御装置１０’は、演算部４１〜４３により、インバータ１０２の電圧指令値ｖｘｉとインバータ１０２の出力電流ｉｘｉとから、式（１）等を用いたインバータ１０２の零相電圧計算および電圧指令値の符号を反転させた再計算を行い、インバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉや補正零相電圧ｖ０ｉ’を求めるとともに、インバータ１０２の中性点電流ｉｎｉを求める。
【０１２２】
次いで、制御装置１０’は、演算部４４，４５により、インバータ１０２の中性点電流ｉｎｉと、コンバータ１０１の電圧指令値ｖｘｃとコンバータ１０１の出力電流ｉｘｃとから、式（１）等を用いたコンバータ１０１の零相電圧計算および電圧指令値の符号を反転させた再計算を行い、コンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃや補正零相電圧ｖ０ｃ’を求める。
【０１２３】
そして、制御装置１０’は、求めたインバータ１０２の零相電圧ｖ０ｉや補正零相電圧ｖ０ｉ’をインバータ１０２の電圧指令値ｖｘｉに重畳してインバータ１０２に与えると共に、求めたコンバータ１０１の零相電圧ｖ０ｃや補正零相電圧ｖ０ｃ’をコンバータ１０１の電圧指令値ｖｘｃに重畳してコンバータ１０１に与える。
【０１２４】
本実施形態を適用した場合の中性点電位ｖｎの変動を、変調率、力率ごとに計算しグラフにすると図１１のようになる。図１１を図８と比較すると、変調率が高く力率が低い動作領域（位相差＝π／２に近い領域）での変動が全体的に低下していることが分かる。変動が低下する度合はインバータ１０２とコンバータ１０１の運転条件に依存するが、変動が低下する傾向は変わらない。
【０１２５】
本実施形態によれば、より広い動作領域で中性点電位ｖｎの変動を抑制でき、コンデンサ容量の増加を防ぎ小型・低コストで安全な電力変換装置を提供することができる。
【０１２６】
なお、本実施形態ではインバータ１０２の中性点電流ｉｎｉは計算で求めたが、電流センサなどを使って実際のインバータ１０２の中性点電流を測定した値を用いて式（９）の計算をしても良い。
【０１２７】
以上詳述したように、各実施形態によれば、より広い動作領域で中性点電位の変動を抑制し、コンデンサ容量の増加を防ぐことが可能になる。
【０１２８】
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】
【０１２９】
１０，１０’…制御装置、１１〜１７，１９〜２１，４１〜４５…演算部、１８，１８’…判定部、１００…ＮＰＣインバータ、１０１…コンバータ、１０２…インバータ。
３１〜３９…演算部、ＳＷ１１，ＳＷ２１，ＳＷ２２…切替部。
【図１】
2019187121.tif 000012
【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】
2019187121.tif 000019
【図９】
2019187121.tif 000020
【図１０】
2019187121.tif 000021
【図１１】
2019187121.tif 000022
【図１２】
2019187121.tif 000023
【図１３】
2019187121.tif 000024
【図１４】
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