(57)【要約】  中電圧システム４０は、グリッド接続部４６に接続されて、グリッド接続部４６で供給される第１の多相電流を第２の電流に変換するようになったマルチレベルコンバータ４２と、第１の電流の各位相４４に対してそれぞれの位相４４に接続された位相フィルタ５４を含むコモンモードフィルタ３０とを含む。各位相フィルタ５４は、接地１８に接続されたコモンフィルタスターポイント３２に接続される。各位相フィルタ５４は、容量部Ｃfを含む。【選択図】図３
2014522226.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中電圧システム（４０）であって、
グリッド接続部（４６）に接続され、該グリッド接続部（４６）で供給された第１の多相電流を第２の電流に変換するようになったマルチレベルコンバータ（４２）と、
前記第１の電流の各位相（４４）に対して該それぞれの位相（４４）に接続された位相フィルタ（５４）を含むコモンモードフィルタ（３０）と、
を含み、
各位相フィルタ（５４）が、接地（１８）に接続されたコモンフィルタスターポイント（３２）に接続され、
各位相フィルタ（５４）が、容量部（Ｃf）を含む、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
各位相フィルタ（５４）が、前記容量部（Ｃf）と直列に接続された誘導部（Ｌf2）を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項３】
各位相フィルタ（５４）が、前記容量部（Ｃf）と直列に接続された抵抗器（Ｒf）を含む、
ことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項４】
前記コモンモードフィルタ（３０）は、前記フィルタスターポイント（３２）と前記接地（１８）の間にインピーダンス（ＺN）を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項５】
前記コモンモードフィルタ（３０）は、各位相（４４）に対して、前記グリッド接続部（４６）と前記マルチレベルコンバータ（４２）の間に接続された誘導部（Ｌf）を含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項６】
前記それぞれの位相（４４）に対する位相フィルタ（５４）の接続ポイントが、前記グリッド接続部（４６）と該グリッド接続部及び前記マルチレベルコンバータ（４２）間にある前記誘導部（Ｌf）との間にある、
ことを特徴とする請求項５に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項７】
前記第２の電流を受電するための電気モータ（６０）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項８】
前記第２の電流を発生させるための発電機（６８）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項９】
前記第２の電流を供給するためのＤＣ源（７０、１２０）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１０】
前記第２の電流を変換するための変圧器（６４）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１１】
前記第１の多相電流は、２つ又は３つの位相（４４）を有する、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１２】
前記マルチレベルコンバータ（４２）は、ＡＮＰＣＭＬコンバータを含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１３】
前記マルチレベルコンバータ（４２）は、間接ＭＭＬＣコンバータを含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１４】
前記マルチレベルコンバータ（４２）は、直接ＭＭＬＣコンバータを含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、パワーエレクトロニクス回路の分野に関する。本発明は、マルチレベルコンバータを有する中電圧システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
マルチレベルコンバータを有する中電圧システムは、送電グリッドからの第１の電流を更に別のグリッド又は電気モータに供給することができ、又は発電機から送電グリッドに供給することができる第２の電流に変換するのに使用される。
【０００３】
今日の汎用中電圧システムの殆どは、費用及びサイズ要件のために多くの場合に非常に低い効率（１ＭＶＡで９７％という低さ）を有する絶縁変圧器を使用している。
【０００４】
ＵＳ  ５，６２５，５４５において、これは、グリッド電圧が電気モータに供給される電圧に適合する場合には、当て嵌まることさえある場合があることが示されている。
【０００５】
無変圧器中電圧システムにおいて、絶縁変圧器の本質的利用可能コモンモードインピーダンスは、典型的には、様々なコモンモードインピーダンスに取って代わられ、例えば、Ｂｉｎ  Ｗｕ、Ｓ．Ｒｉｚｚｏ、Ｎ．Ｚａｒｇａｒｉ、及びＹ．Ｘｉａｏ著「中電圧ドライブ内のモータコモンモード電圧排除のための一体型ＤＣリンクチョーク」、ＩＡＳ  ２００１、及び「中電圧ＡＣドライブ、ＡＣＳ  ２０００」、ＡＢＢ製品パンフレット、２０１０を参照されたい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】ＵＳ  ５，６２５，５４５
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Ｂｉｎ  Ｗｕ、Ｓ．Ｒｉｚｚｏ、Ｎ．Ｚａｒｇａｒｉ、及びＹ．Ｘｉａｏ著「中電圧ドライブ内のモータコモンモード電圧排除のための一体型ＤＣリンクチョーク」、ＩＡＳ  ２００１
【非特許文献２】「中電圧ＡＣドライブ、ＡＣＳ  ２０００」、ＡＢＢ製品パンフレット、２０１０
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の目的は、マルチレベルコンバータを有する無変圧器中電圧システムのための簡単なコモンモード接地を提供することと考えられる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的は、独立請求項の主題によって達成される。更に別の例示的な実施形態は、従属請求項及び以下の説明から明らかである。
【００１０】
本発明は、中電圧システムに関する。中電圧システムは、１ｋＶよりも高く及び／又は５０ｋＶよりも低い、例えば、１５ｋＶよりも低い電圧を処理するようになった電気システムであると考えられることを理解しなければならない。
【００１１】
本発明の実施形態により、中電圧システムは、グリッド接続部に接続され、グリッド接続部で供給された第１の多相電流を第２の電流に変換するようになったマルチレベルコンバータと、第１の電流の各位相に対してそれぞれの位相に接続された位相フィルタを含むコモンモードフィルタとを含む。コモンモードフィルタの位相フィルタは、接地に接続されたコモンフィルタスターポイントに接続される。各位相フィルタは、容量、すなわち、少なくとも１つのコンデンサを含む。中電圧システムは、コモンフィルタスターポイントを通じてグリッド側でのみ接地に接続される場合がある。
【００１２】
マルチレベルコンバータは、２つ又は３つよりも多い出力電圧レベル、例えば、５、７、又はそれよりも多くの電圧出力レベルを生成するようになった電気コンバータとすることができる。換言すると、第２の電流は、３つよりも多い出力電圧レベルを有することができる。
【００１３】
第１の多相電流は、２つよりも多い位相を有するＡＣ電流とすることができる。例えば、第１の多相電流は、２つ又は３つの位相を有することができる。
【００１４】
マルチレベルコンバータは、特に変圧器なしでグリッド接続部に直接に接続することができる。マルチレベルシステムは、グリッド側で無変圧器とすることができる。
【００１５】
グリッド接続部は、ローカル電力システムとしての中電圧システムを大きい（非ローカル）送電グリッドに接続されたポイントとして定義することができるコモンカプリングのポイント（ＰＣＣ）とすることができる。
【００１６】
コモンモードフィルタを用いると、無変圧器中電圧システムにおいて、あらゆるコモンモード誘導子を回避することができる。スターポイントでの低いインピーダンス接地接続を有する中電圧システムのグリッド側に小さい容量性コモンモードフィルタを導入することにより、接地との支配的コモンモード電圧容量結合を達成することができる。低及び高インピーダンス接地システムにおいて、グリッドに到達することができる有意なコモンモード電圧又は電流はない。
【００１７】
中電圧システムが第２の電流が供給される電気機械を含む時に、中電圧機械巻線に対する付加的なコモンモードストレス及び関連の軸受電流効果は、標準的な電気機械及び換装用途に対してさえも十分に制御下にある場合がある。
【００１８】
この解決法は、ＰＣＣ（コモンカプリングのポイント）の近くでシステムを接地するコモンモードにより、あらゆるマルチレベルトポロジー（７レベル又はそれよりも多くのＶＳＩ）を有するあらゆるマルチレベルコンバータに適用することができる。コモンモードインピーダンスは、巻線絶縁又は電気機械の軸受寿命、又はグリッド接続部の要件を脅かすことなく排除することができる。
【００１９】
２相又は３相システムにおいて、低インピーダンス接地を与えることができるコモンモードフィルタは、グリッド側で幾分小さい２相又は３相容量性フィルタを含むことができる。容量性フィルタは、等しい容量がスターポイントで接続された２つ又は３つのコンデンサを含むことができる。
【００２０】
コモンモードフィルタは、機械側フィルタ、機械側ケーブル、又は接地に対する機械巻線キャパシタンスとすることができるあらゆる機械側容量性接地インピーダンスよりも約１０倍大きい容量を有することができる。
【００２１】
更に、グリッド側の小さい容量性コモンモードフィルタは、同調フィルタとすることができ、かつ更に別の誘導部及び／又は抵抗器を含むことができる。
【００２２】
本発明の実施形態により、各位相フィルタは、容量と直列に接続された誘導部及び／又は容量と直列に接続された抵抗器を含む。誘導部及び抵抗器は、並列に接続することができる。このような同調フィルタ設計は、グリッド側の得られる差動モード共振の変化をより小さくすることができるという付加的な利点を有することができ、この利点は、コンバータによるグリッド側共振の能動減衰のロバストな実現又は高調波除去を容易にすることができる。
【００２３】
本発明の実施形態により、コモンモードフィルタは、フィルタスターポイントと接地の間にインピーダンスを含む。接地とのフィルタスターポイント又はコモンポイントのソリッドな接続は、何らかの付加的なインピーダンスを含む場合がある。このインピーダンスは、抵抗性、容量性、又は誘導性タイプとすることができ、及び／又はコンデンサ、誘導部、及び抵抗器を直列又は並列で含むことができる。このような付加的なインピーダンスは、特に並列接続システムのためのより低い接地電流又は接地不良選択性に関して一部の付加的な利益を提供することができる。
【００２４】
本発明の実施形態により、コモンモードフィルタは、各位相に関して、グリッド接続部とマルチレベルコンバータの間に接続された誘導部を含む。コモンモードフィルタは、接地されていないグリッド側の他のフィルタと組み合わせることができる。
【００２５】
本発明の実施形態により、それぞれの位相に対する位相フィルタの接続ポイントは、グリッド接続部とグリッド接続部及びマルチレベルコンバータ間の誘導部との間にある。これらの付加的なフィルタは、基本的なコモンモードフィルタとマルチレベルコンバータの間にある場合がある。コモンモードフィルタの接続は、直接にグリッド接続部でのものとすることができ、及び／又はコモンカプリングのポイント（ＰＣＣ）の近くにある場合がある。
【００２６】
コモンモードフィルタは、無変圧器中電圧ドライブ、無変圧器風力発電システム、無変圧器ソーラーシステム、及び／又は無変圧器インタータイに適用することができる。
【００２７】
本発明の実施形態により、中電圧システムは、第２の電流を受電するための電気モータを含む。中電圧システムは、中電圧ドライブとすることができる。
【００２８】
本発明の実施形態により、中電圧システムは、第２の電流を受電するための発電機を含む。例えば、中電圧システムは、潮力発電所又は風力発電所の一部とすることができる。
【００２９】
本発明の実施形態により、中電圧システムは、第２の電流を供給するためのＤＣ源を含む。例えば、ＤＣ源は、ＤＣリンク又は少なくとも１つの太陽電池パネルとすることができる。中電圧システムは、太陽光発電所とすることができる。
【００３０】
本発明の実施形態により、中電圧システムは、第２の電流を変換するための変圧器を含む。中電圧システムは、グリッド側でのみ無変圧器とすることができることを理解しなければならない。機械側では、中電圧システムは、マルチレベルコンバータと第２の電流に接続された電気機械又は発電機との間に１つ又はそれよりも多くの変圧器を含むことができる。
【００３１】
中電圧システムは、例えば、ＡＮＰＣＭＬコンバータ、連鎖タイプのＳＴＡＴＣＯＭ（フルブリッジ付き）のような直接及び間接ＭＭＬＣコンバータのためなどのあらゆる種類のＶＳＩベースのマルチレベルコンバータを含むことができる。
【００３２】
本発明の実施形態により、マルチレベルコンバータは、ＡＮＰＣＭＬ（アクティブ中立ポイントクランプ式マルチレベル）コンバータである。
【００３３】
本発明の実施形態により、マルチレベルコンバータは、間接ＭＭＬＣ（モジュール式マルチレベル）コンバータである。コモンモードフィルタは、２象限（２Ｑ）又は４象限（４Ｑ）中電圧電力変換と共に、すなわち、整流器とインバータとを含むマルチレベルコンバータと共に使用することができ、インバータ及び任意的に整流器は、ＭＭＬＣコンバータの電力モジュールを含む。しかし、整流器は、パッシブ整流器又はダイオードフロントエンドとすることができる。
【００３４】
本発明の実施形態により、マルチレベルコンバータは、直接ＭＭＬＣコンバータである。
【００３５】
本発明の上記及び他の態様は、以下に説明する実施形態から明らかであり、かつそれを用いて以下に説明する。
【００３６】
本発明の主題を添付図面に示す例示的な実施形態を参照して以下の本文でより詳細に説明する。
【００３７】
原則的に、同一部分は、図において同じ参照記号が与えられている。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】グリッド内の低インピーダンス接地を有する回路図である。
【図２】グリッド内の高抵抗接地を有する回路図である。
【図３】本発明の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図４】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図５】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図６】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図７】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図８】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図９】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図１０】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図１１】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図１２】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムのコモンモード等価回路を示す図である。
【図１３】本発明の実施形態による中電圧システムを模擬するのに使用することができるケーブルモデルの回路図である。
【図１４】本発明の実施形態による中電圧システムを模擬するのに使用することができる電気機械のモデルの回路図である。
【図１５】本発明の実施形態による中電圧システムのＡＮＰＣＭＬインバータの回路図である。
【図１６】本発明の実施形態による中電圧システムの間接ＭＭＬＣインバータの回路図である。
【図１７】本発明の実施形態による中電圧システムの直接ＭＭＬＣコンバータの回路図である。
【図１８】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図１９】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図２０】本発明の更に別の実施形態による中電圧システムの概略図である。
【図２１】本発明の実施形態による低インピーダンス接地システムのグリッド側でのコモンモード電圧を用いた図である。
【図２２】本発明の実施形態による高インピーダンス接地システムのグリッド側でのコモンモード電圧を用いた図である。
【図２３】本発明の実施形態によるシステムのＰＣＣでのコモンモード電圧を用いた図である。
【図２４】本発明の実施形態によるシステムの機械スターポイントでのコモンモード電圧を用いた図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
中電圧グリッドにおける接地概念
例えば、一過性の過電圧を低減するために、ソリッドな接地又はインピーダンス接地のいずれかが使用される。接地されたシステムは、接地不良の位置特定が可能であるという更に別の利点を有することができる。
【００４０】
図１は、グリッド内の低インピーダンス接地を有する回路図を示している。システム１０は、スターポイント１４において相互接続された巻線を有する変圧器１２を含む。スターポイント１４は、低インピーダンス１６を通じて接地１８に接続される。接地不良２０の場合に、接地電流ＩGは、低インピーダンス１６を通じて等化することができる。
【００４１】
図２は、グリッドにおける高抵抗（すなわち、高インピーダンス）接地に関する回路図を示している。システム１０’において、変圧器１２のスターポイント１４は、高インピーダンス１６’を通じて接地１８に接続される。
【００４２】
システム１０’は、３つのコンデンサＸCOがコモンフィルタスターポイント３２により相互接続されたコモンモードフィルタ３０を更に含む。接地２０によって生成されたコモンモード電流ＩCOは、コモンモードフィルタ３０により等化することができる。
【００４３】
抵抗器１６’は、抵抗器を通る電流ＩR、接地電流ＩG、及びコモンモード電流ＩCOが互いに相殺するように選択される。
【００４４】
一般的に、以下のインピーダンス接地概念が、１５ｋＶまでの中電圧配電グリッドに典型的に用いられる：
−低インピーダンス接地（接地不良電流ＩGを１００Ａから１０００Ａの間に制限するため）、
−高インピーダンス接地（抵抗器電流ＩRを典型的には１０Ａ又はそれ未満に制限するため）、
−リアクタンス接地（望ましい電流の大きさが数千アンペアである場合）、及び
−共振接地（接地不良中和器）。
【００４５】
以下では、以下の図に示す無変圧器中電圧システムに関して、低及び高インピーダンス接地は接地インピーダンスに関して両極端として見ることができるのでそれらを調査する。
【００４６】
マルチレベルコンバータを有する中電圧システム
以下の図は、全てがコモンモードフィルタ３０を含むマルチレベルコンバータ４２を有する中電圧システム４０を示している。
【００４７】
特に、図３のシステム４０は、３つの位相４４を通じてグリッド接続部４６に接続されたマルチレベルコンバータ４２を含む。グリッド接続部４６は、中電圧システム４０を電気システム４８と相互接続するコモンカプリングのポイントとすることができる。
【００４８】
マルチレベルコンバータ４２は、位相４４の第１の多相電流を更に別の電気接続部５０に供給される第２の電流に変換するようになっている。
【００４９】
グリッド側では、システム４０は、コモンモードフィルタ３０を含み、これは、一端でそれぞれの位相４４に接続され、別の端部でスターポイント３２に共通して接続された３つのコンデンサＣfを含む。システム４０のスターポイント３２のみが接地される。各コンデンサＣfは、それぞれの位相５２の位相フィルタ５４と見ることができる。
【００５０】
システム４０は、グリッド接続部４６に１組の中電圧ケーブル５２により接続することができる。フィルタ３０は、ケーブル５２の後に位相４４に接続することができる。更に、システム４０は、更に別のグリッド側フィルタ５６を含むことができ、これは、各位相４４に対して誘導部Ｌfを含み、かつコモンモードフィルタ３０とマルチレベルコンバータ４２の間に相互接続される。誘導部Ｌfは、それぞれの位相フィルタ５４の一部と見ることができる。
【００５１】
図４は、システム４０の更に別の実施形態を示している。コモンモードフィルタ３０は、スターポイント３２と接地１８の間に接続されたインピーダンスＺNを更に含むことができる。
【００５２】
この場合に、フィルタスターポイント３２又はコモンポイント３２の接地１８へのソリッドな接続は、何らかの付加的なインピーダンスＺNを含む場合がある。このインピーダンスＺNは、抵抗性、容量性、誘導性のタイプとすることができ、又は直列又は並列の複数のこのような要素の組合せとすることができる。
【００５３】
図５は、システム４０の更に別の実施形態を示している。コモンモードフィルタ３０は、グリッド側での同調フィルタ３０とすることができる。コンデンサＣfと直列に接続されたコモンモードフィルタ３０の各位相フィルタ５４は、並列に接続された誘導部Ｌf2と抵抗器Ｒfとを含む。
【００５４】
小さい容量性コモンモードフィルタ３０は、グリッド側の得られる差動モード共振をより変化が少ないように保ち、かつコンバータ４２によるグリッド側共振の能動減衰のロバストな実現又は高調波除去を容易にするように同調させることができる。
【００５５】
図６は、システム４０の更に別の実施形態を示している。同調コモンモードフィルタ３０は、接地接続においてインピーダンスＺNと組み合わせることができる。
【００５６】
コモンモードフィルタ３０は、再生可能エネルギ源のための無変圧器グリッドカプリング又は無変圧器グリッドインタフェースのような無変圧器パワーエレクトロニクスシステムに適用することができる。
【００５７】
図７は、システム４０の更に別の実施形態を示している。システム４０は、マルチレベルコンバータ４２に第２の接続部５０を通じて接続された電気モータ６０を含むことができる。第２の接続部５０は、１組の中電圧ケーブル６２を含む多相接続（この場合は３相接続）とすることができる。
【００５８】
図８は、システム４０の更に別の実施形態を示している。システム４０は、マルチレベルコンバータ４２に第２の接続部５０を通じて接続された変圧器６４を含むことができる。例えば、システム４０は、電気システム４８と電気システム６６の間のインタータイとすることができる。
【００５９】
図８は、更に、グリッド４８とマルチレベルコンバータ４２の間の接続部を２相接続とすることができることを示している。コモンモードフィルタ３０は、２相フィルタ５４のみを含むことができる。
【００６０】
図８のシステム４０は、３相から１相又は２相への無変圧器グリッドカプリングと見ることができる。システム４０は、コモンモードフィルタ３０を有する側で無変圧器であるに過ぎないことに注意しなければならない。
【００６１】
図９は、３相から３相への無変圧器グリッドカプリングとして見ることができるシステム４０の更に別の実施形態を示している。
【００６２】
図１０は、（回転）発電機６８を有するシステム４０の更に別の実施形態を示している。例えば、発電機４０は、水力発電所又は潮力発電所のタービン、又は風力タービンに接続することができる。
【００６３】
図１１は、マルチレベルコンバータ５０が太陽電池パネル７０に接続されたシステム４０の更に別の実施形態を示している。接続部５０は、ＤＣ電流接続とすることができる。
【００６４】
無変圧器中電圧ドライブの接地
図１２は、中電圧システムのコモンモード等価回路を示している。コモンモード効果に関して、中電圧システム４０という接地概念自体が非常に興味深い。中電圧システム４０の関連のコモンモード調査に向けて、図１２に示すように対応するコモンモード等価回路を使用することができる。
【００６５】
主回路を接地（高周波均等物）に近づけている給送中電圧グリッド４８の中性接地抵抗１６、１６’及び容量性インピーダンス８２が重要であると考えられる。関連の容量性インピーダンス８２は、典型的には、電気機械６０、６８の電力ケーブル５２、６２及び機械巻線のそれである。
【００６６】
図１２は、更に、グリッド側フィルタ５６、及びｄｖ／ｄｔフィルタとすることができる機械側フィルタ８８を示している。
【００６７】
他の差動モード高調波要件はマルチレベルコンバータ４２により満たされると仮定することができる。
【００６８】
図１２に示すように、中電圧システム４０を接地する３つの可能性がある：
−グリッド側（ＣＭ１）、
−コンバータの中性ポイント（ＣＭ２）、又は
−機械側（ＣＭ３）。
【００６９】
従来、電力変換システムのＤＣリンクにおけるＣＭ２接地が好ましく、その理由は、ＡＣ／ＤＣ電力変換（整流器）段８４又はＤＣ／ＡＣ電力変換（インバータ）段８６のコモンモード実効電圧源が分離され、接地への移動が、１つの実効コモンモード電圧源の振幅（その和ではなく）に限定されるからである。ＣＭ３接地は、主な目的があらゆるコモンモード電圧移動を電気機械６０、６８から遠ざけておくことであった場合に典型的に好まれてきた。
【００７０】
無変圧器中電圧ドライブシステム４０の実現に向けて、グリッド４８との電気的カプリングは基本的に変わっていることに注意しなければならない。高いコモンモードインピーダンスをグリッド４８に対して有する絶縁変圧器は、姿を消している。グリッド４８にコンバータ４２によって印加されるコモンモードストレス（電圧、電流）が、より重要になってきている。
【００７１】
これは、中電圧グリッドに到達するコモンモード電圧及び／又は電流の量を制限するためにＣＭ３又はＣＭ２での接地により、かつコンバータ４２とグリッド４８の間に付加的なコモンモードインピーダンスを使用することによって解決することができる。
【００７２】
しかし、図３から図１１に示す中電圧システム４０では、ＣＭ１が接地ポイントとして使用される。これは、グリッド４８に到達するあらゆるコモンモード電圧又は電流ストレスを効率的に制限することができる。更に、この新規の概念により、あらゆるコモンモードリアクトルが回避され、これは、費用及びサイズに関して利点とすることができる。
【００７３】
大きなコンピュータ巻線キャパシタンス８２、機械側ケーブルキャパシタンス８２、及び機械側（ｄｖ／ｄｔ）フィルタ８８は、接地に対する支配的コモンモード容量性インピーダンスである場合がある。それらは、従って、特により高い周波数に向けて機械側でコモン電圧システムを接地することができる。このような全ての場合に、コモンモード電圧（及びその結果として生成されるコモンモード電流）は、グリッド側で現われる。
【００７４】
これは、グリッド側のＣＭ１での接地１８に対する支配的コモンモード容量性インピーダンス３０により回避される。この手段を用いて、コモンモードストレスを機械側に移すことができ、これは、グリッド側のコモンモードストレスを制限することができる。この付加的な機械側コモンモードストレスは、換装用途を含む標準的な電気機械６０、６８に対してさえも満足できるものである。
【００７５】
中電圧システム４０をＣＭ１で接地することにより、あらゆる付加的なコモンモードインピーダンスを回避することができる。図３から図１１に関して上述したように、（低インピーダンス）接地は、小さい３相容量性フィルタＣfのスターポイント３２でグリッド側で行うことができる。この３相容量性フィルタ３０は、３×Ｃfの接地に対するコモンモードインピーダンスを生成する。
【００７６】
接地１８に対するグリッド側ケーブルキャパシタンス８２を含むことができる設置されたグリッド側コモンモードキャパシタンス（＝３×Ｃf）は、機械６０、８６の巻線、ケーブル６２、及び／又はｄｖ／ｄｔフィルタ８８のキャパシタンスを含むことができる接地に対する機械側キャパシタンス８２よりも実質的に大きいとすることができる。これは、グリッド側で支配的コモンモード接地をもたらすことを可能にすることができ、これは、コモンモード高調波歪みをグリッド４８から遠ざけておくことを助ける。
【００７７】
中電圧ケーブル
中電圧システム４０の調査に向けて、有意なキャパシタンス及び付加的な共振周波数を導入する場合があるので代表的な中電圧ケーブル５２、６２のデータを知ることが有用である。より高い電圧の設計は、ケーブル５２、６２の影響の最悪の場合を表すように選択することができる。他方、ケーブル５２、６２の長さは、通常はマルチレベルコンバータ４２の両側で２００ｍに制限される。より長いケーブル５２、６２が可能である場合がある。
【００７８】
次表は、１２／２０ｋＶ  ＸＰＬＥケーブルのための中電圧データを示している。
【表１】
2014522226.tif 000003
【００７９】
２００ｍケーブル（２００Ａ電流定格のための）に関して、単相ケーブルに関して以下の値が得られる：
Ｒ＿ｃａｂｌｅ＝１００ｍＯｈｍ＝０．５Ｏｈｍ／５
Ｌ＿ｃａｂｌｅ＝８７μＨ＝０．４４ｍＨ／５
Ｃ＿ｃａｂｌｅ＝３４ｎＦ＝０．１７μＨ／５
【００８０】
図４は、中電圧ケーブルシミュレーションに使用することができる１相等価ケーブルモデルの回路図を示している。ケーブル５２、６２は、直列に接続された複数の区画９０を含む。各区画は、ケーブル５２、６２の２つの線９４、９６を相互接続するコンデンサ９２と、線９４の１つの抵抗器１００と直列に接続された誘導部９８とを含む。
【００８１】
中電圧機械
一例として、２つの中電圧電気機械６０、６８のデータが以下に示されている。図示の巻線キャパシタンスは、電気ＡＣ機械６０、６８の３相全てに対して与えられた合計値である。
【００８２】
次表は、２ＭＶＡ、６極、５０Ｈｚ電気機械６０、６８のデータを示している。
【表２】
2014522226.tif 000004
【００８３】
次表は、４．７５ＭＶＡ、６極、５０Ｈｚ電気機械６０、６８のデータを示している。
【表３】
2014522226.tif 000005
【００８４】
特に興味深いのは、機械内部漂遊インピーダンスＬ＿ｓｔｒａｙ（高い周波数に対する）及び巻線キャパシタンスＣｗｉｎｄ＿ｔｏｔにより与えられた電気機械６０、６８内の得られる共振周波数ｆｒｅｓ（これは、機械巻線共振である）である。
【００８５】
図１４は、上述の表のデータから導出された電気機械６０、６８の略示高周波数モデルを示している。漂遊インピーダンスＬ＿ｓｔｒａｙ及び全巻線キャパシタンスＣｗｉｎｄ＿ｔｏｔは、図１３に示すケーブルモデルと酷似である高周波数モデル内に分散される。
【００８６】
位相ｐｈを接地ポイントｇｎｄと相互接続する電気機械６０、６８の巻線の簡単なモデル１０２は、並列に接続された抵抗部Ｒｗｐ及び誘導部Ｌｗを含む。各端部で、抵抗部Ｒｗｐ及び誘導部Ｌｗは、接地ポイントＣｇに容量部Ｃｇを通じて接続される。一端で、接続は、接地抵抗部Ｒｇを通じたものである。
【００８７】
簡単なモデル１０２から、簡単なモデルの下に示すシミュレーションのための回路モデル１０４が導出される。回路モデル１０４は、直列に接続された複数の区画１０６を含む。各区画１０６は、第１の抵抗器１１０と直列に接続された誘導部１０８を含み、これは、両方とも第２の抵抗器１１２と並列に接続される。各区画１０６は、構成要素１０８、１１０、１１２を接地ポイントｇｎｄと相互接続するコンデンサ１１４を含む。
【００８８】
中電圧マルチレベルコンバータ
中電圧電力変換に向けて、コンバータ４２のいくつかのマルチレベルトポロジーを用いることができる。
【００８９】
以下の例は、５レベルコンバータ４２として示されているが、その全てをより高い数のレベルに拡張することができる。
【００９０】
図１２に示すように、コンバータ４２は、無変圧器中電圧ドライブシステム４０のマルチレベルコンバータ４２に使用することができる背中合わせＡＣ／ＤＣ／ＡＣシステムのための整流器８４と組み合わせることができるインバータ８６を含むことができる。
【００９１】
図１５は、ＤＣリンク１２０と、５レベル出力電圧をそれぞれの位相出力１２４で生成するようになった３相分岐１２２とを含むＡＮＰＣＭＬ（アクティブ中性ポイントクランプ形マルチレベル）インバータ８６を示している。各位相分岐１２４は、内部のコンデンサ１２８、すなわち、ＤＣリンク入力１３０又は中性ポイント１３２に直接に接続されないコンデンサ１２８を含むことができるインバータセル１２６を含む。
【００９２】
図１６は、それぞれの位相出力１２４で５レベル出力電圧を生成するようになった３つのマルチレベル位相分岐１２２を含むＭＭＬＣ（モジュールマルチレベル）インバータ８６を示している。各分岐は、直列に接続される複数のインバータセル１２６を含む。各インバータセル１２６は、２つの半導体スイッチ１３４に並列に接続された内部コンデンサ１２８を含む。
【００９３】
ＭＭＬＣインバータ８６は、間接ＭＭＬＣコンバータ４２に対して整流器８４と組み合わせることができる。
【００９４】
図１７は、直接に位相４４からの位相電圧を位相出力１２４での電圧に変換するようになった９つのマルチレベル分岐１２２を含む直接ＭＭＬＣコンバータ４２を示している。各分岐は、直列に接続された複数のインバータセル１２６を含む。各インバータセル１２６は、２つ対の半導体スイッチ１３４に並列に接続された内部コンデンサ１２８を含む。
【００９５】
図１８は、図１６に示すようなＭＭＬＣインバータ８６を有する中電圧システム４０を示している。コンバータ４２は、インバータ１２６のマルチレベル分岐１２２に供給されるＤＣ電流を生成するために位相４４によって電力供給されるパッシブダイオード整流器４２を含む。図１８のコンバータ４２は、２象限（２Ｑ）コンバータ４２である。
【００９６】
図１９は、図１６に示すようなＭＭＬＣインバータ８６を有する中電圧システム４０を示している。図１８に反して、図１９では、整流器は、図１６に示すようなＭＭＬＣインバータでもある。３つの更に別のマルチレベル分岐１２２は、位相４４からの電流を整流するのに使用される。図１８のコンバータ４２は、４象限（４Ｑ）コンバータ４２である。
【００９７】
図２０は、図１７に示すような直接ＭＭＬＣインバータ８６を有する中電圧システム４０を示している。
【００９８】
無変圧器中電圧マルチレベルシステム
支配的容量性フィルタネットワークを有するコモンモードフィルタ３０のスターポイント３２でグリッド側に接地された無変圧器中電圧システム４０の調査及びシミュレーションに向けて、４象限７レベルコンバータ４２が選択された。
【００９９】
次表は、システム４０及びコモンモードフィルタ３０のデータを示している。
【表４】
2014522226.tif 000006
【０１００】
表に示すように、３３００Ｖのシステム電圧が選択された。
【０１０１】
グリッド側フィルタＬfは、８％のフィルタリアクトル及び５％のフィルタコンデンサＣfで設計されたものである（表ＩＶを参照されたい）。
【０１０２】
グリッド側に対して何らかの付加的な電流制限インピーダンスを実施するために、コモンモードフィルタ３０が同調フィルタとして設計された。これは、低インピーダンス接地中電圧グリッド４８の場合に特に興味深いと考えられる。更に、この手段は、適度に低いスイッチング周波数を有する全ての条件下でグリッド側共振周波数のロバストな能動減衰及び高調波除去を可能にすることができる。
【０１０３】
次表は、同調フィルタ３０のデータを示している。
【表５】
2014522226.tif 000007
【０１０４】
電圧レベルの数及びケーブル６２の長さに応じて、機械側でのｄｖ／ｄｔフィルタ８８が必要であり、又はそうではない場合もある。調査に向けて、機械側の小さいｄｖ／ｄｔフィルタ８８が実施される。ＭＭＬＣコンバータ４２の場合に、位相又は分岐リアクトルは、ｄｖ／ｄｔフィルタ８８の主な誘導子として機能することができ、それによって容量性要素及び抵抗性要素の追加のみが要求される。ＡＮＰＣＭＬコンバータ４２の場合に、別々の誘導部要素を必要とする場合がある。ｄｖ／ｄｔフィルタ８８は、接地に対する機械側キャパシタンスを増大させることができる。
【０１０５】
次表は、ｄｖ／ｄｔフィルタ８８のデータを示している。
【表６】
2014522226.tif 000008
【０１０６】
上述の選択されたデータを有するシステム４０の性能は、特にコモンモード効果に関して、低及び高インピーダンス接地中電圧グリッド４８に対して研究されている。
【０１０７】
低インピーダンス接地を有するグリッド側
図２１は、システム４０のグリッド側でのコモンモード電圧１３０及びコモンモード電流１３２に関する図を示している。システム４０に関して、中性ポイント接地抵抗器１６を伴う図１による低インピーダンス接地が選択された。図２１では、以下におけるように、電流１３２及び電圧１３０が時間と共に示されている。
【０１０８】
低インピーダンス接地システム４０においては、主としてコモンモード電流１３２の振幅を観測しなければならない。
【０１０９】
電流１３２は、中性ポイント接地抵抗器１６上を流れてもこの抵抗器を熱的に過負荷にすることは許容されない。同調フィルタ３０を用いて、以下のコモンモード電流１３２及び電圧１３０が、フィルタ３０のスターポイント３２のグリッド側でかつグリッド４８の中性ポイント接地抵抗器８０において観測される：
ｕ＿ＣＭ＿ｆｉｌｔｅｒ＿ｓｔａｒ＿ｐｏｉｎｔ＝１６．８Ｖ  ｒｍｓ（０．９％）
ｉ＿ＣＭ＿ｆｉｌｔｅｒ＿ｓｔａｒ＿ｐｏｉｎｔ＝１１．０Ａ  ｒｍｓ（５．５％）
ｉ＿ＣＭ＿ｎｅｕｔｒａｌ＿ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ＝２．１Ａ  ｒｍｓ（１．１％）
【０１１０】
コモンモード電圧１３０は、低く、かつ規格により与えられるあらゆる限界未満である。フィルタスターポイント３２内のコモンモード電流１３２は、かなり高く見えるが、この電流の８０％は、ケーブル６２、ｄｖ／ｄｔフィルタ８８、及び機械６０のキャパシタンスにわたってループを閉じていることを考慮に入れるべきである。実際には、コモンモード電流１３２の２０％のみが、グリッド４８の方向に流れている。この２０％という値は、低インピーダンス接地抵抗器８０のために選択された値によって定義される。低インピーダンス接地抵抗器の熱負荷は、許容可能であるべきである。
【０１１１】
高インピーダンス接地を有するグリッド側
図２２は、システム４０のグリッド側でのコモンモード電圧１３０及びコモンモード電流１３２に関する図を示している。システム４０に関して、中性ポイント接地抵抗器１６’による図２による高インピーダンス接地が選択された。
【０１１２】
高インピーダンス接地システムにおいては、主としてコモンカプリングのポイント４６又はグリッド接続部４６での他の並列接続の負荷部に対して存在するコモンモード電圧１３０の振幅を観測しなければならない。
【０１１３】
同調フィルタ３０を用いて、グリッド側での以下のコモンモード電流及び電圧が、フィルタ３０のスターポイント３２でかつグリッド４８の中性接地抵抗器１６’において観測される：
ｕ＿ＣＭ＿ｆｉｌｔｅｒ＿ｓｔａｒ＿ｐｏｉｎｔ＝１８Ｖ  ｒｍｓ（１％）
ｉ＿ＣＭ＿ｆｉｌｔｅｒ＿ｓｔａｒ＿ｐｏｉｎｔ＝１１．１Ａ  ｒｍｓ（５．５％）
ｉ＿ＣＭ＿ｎｅｕｔｒａｌ＿ｇｒｏｕｎｄｉｎｇ＝０．０４Ａ  ｒｍｓ（０．０２％）
【０１１４】
フィルタスターポイント３２内のコモンモード電流１３２は、ケーブル６２及び機械６０のキャパシタンスにわたってループを閉じている。コモンモード電流１３２の０．０２％のみが、グリッド４８の方向に流れている（高インピーダンス中性ポイント接地抵抗器１６’により制限されて）。同じくこの場合に、高インピーダンス接地抵抗器１６’の熱負荷は許容可能である。
【０１１５】
図２３は、位相電圧１３４をコモンモード電圧１３２と比較する図を示している。コモンモード電圧１３０は、低く、かつ規格により与えられるあらゆる限界未満である。
【０１１６】
機械側
低及び高インピーダンス接地システム４０において類似の小さいコモンモード電圧１３０がグリッド側にあるので、電気機械６０に掛かるコモンモードストレスに関して大きな差も２つの場合の間にはない。
【０１１７】
図２４は、電気機械６０のスターポイントでの位相電圧１３４及びコモンモード電圧ストレス１３６に関する図を示している。
【０１１８】
図２４は、調査された７レベルコンバータ４２に関する機械側に掛かる結果的に生じたコモン電圧ストレスを示している。機械６０のスターポイントに関連するコモンモード電圧ストレス１３６は、グリッド側での同調フィルタ３０のスターポイント３２よりも実質的に高い。これは、設計により意図されたものであり、以下に説明するように、あらゆる標準的な機械６０に対して許容可能である。
【０１１９】
固定子巻線内のコモンモードピーク電圧１３６は、５００Ｖよりも低い。固定子巻線上に出現する全コモンモード電圧１３６の低周波数及び高周波数コモンモード電圧コンテンツを分離することが重要である。固定子巻線の低周波数コモンモード電圧の移動は、回転子シャフトには伝達されず、従って、軸受電流を生成していない。低周波数では、回転子との容量結合は十分に有効なものではない。これは、例えば、５０又は６０Ｈｚの給電グリッド４８のあらゆる３次高調波に対して関連がある。より高い周波数では、回転子シャフトとの有効な容量結合が得られ、１ＭＶＡ機械に関して０．０２（又は１：５０）の伝達比が仮定される。
【０１２０】
図２４により、約１００Ｖが、低周波数第三調波成分により引き起こされ、それによって最大４００Ｖ高周波数ピーク電圧が得られる。回転子シャフトでの誘発ピーク電圧に対する１：５０の比を考慮すると、潜在的に危険な軸受電流に関して安全な設計ポイント内にある１０Ｖ未満の回転子シャフトにおけるコモンモードピーク電圧がある。機械側に掛かる付加的な低周波数コモンモード電圧ストレスを生成するモジュール式マルチレベルコンバータ４２の低出力周波数作動の場合でさえも、コモンモード電圧及び電流に関する機械側及びグリッド側で軸受電流効果を含む良好な挙動を達成することができる。
【０１２１】
要約すると、ＡＮＰＣＭＬコンバータ４２及びＭＭＬＣコンバータ４２のような複数のＶＳＩベースのマルチレベルコンバータ４２を含むことができる新規の費用効率の高い無変圧器中電圧システム４０を提案する。付加的なコモンモードインピーダンスは、許容不能コモンモード電圧１３０又は電流１３２をグリッド側で生成することなく回避することができる。機械側の高周波数コモン電圧１３６が少量であるために、あらゆる危険な軸受電流を回避することができる。
【０１２２】
本発明を図面に示して以上の説明で詳細に説明したが、このような図及び説明は、解説のためのもの又は例示的であり制限ではないと見なさなければならず、本発明は、開示する実施形態に限定されない。開示する実施形態の他の変形は、例えば、図面、本発明の開示、及び特許請求の範囲を精査することにより、主張する本発明を実施する際に当業者が理解かつ達成することができる。特許請求の範囲における「含む」という語は、他の要素又は段階を除外せず、冠詞「ａ」又は「ａｎ」は、複数を除外しない。単一のプロセッサ又はコントローラ又は他のユニットは、特許請求の範囲に説明するいくつかの項目の機能を満足させることができる。ある一定の手段が相互に異なる従属請求項に説明されたという単なる事実は、これらの手段の組合せを有利に使用することができないことを示すものではない。特許請求の範囲のいずれの参照符号も本発明の範囲を制限しないと解釈しなければならない。
【符号の説明】
【０１２３】
３０  コモンモードフィルタ
３２  スターポイント
４２  マルチレベルコンバータ
４４  位相
４６  コモンカプリングのポイント
【図１】
2014522226.tif 000009
【図２】
2014522226.tif 000010
【図３】
2014522226.tif 000011
【図４】
2014522226.tif 000012
【図５】
2014522226.tif 000013
【図６】
2014522226.tif 000014
【図７】
2014522226.tif 000015
【図８】
2014522226.tif 000016
【図９】
2014522226.tif 000017
【図１０】
2014522226.tif 000018
【図１１】
2014522226.tif 000019
【図１２】
2014522226.tif 000020
【図１３】
2014522226.tif 000021
【図１４】
2014522226.tif 000022
【図１５】
2014522226.tif 000023
【図１６】
2014522226.tif 000024
【図１７】
2014522226.tif 000025
【図１８】
2014522226.tif 000026
【図１９】
2014522226.tif 000027
【図２０】
2014522226.tif 000028
【図２１】
2014522226.tif 000029
【図２２】
2014522226.tif 000030
【図２３】
2014522226.tif 000031
【図２４】
2014522226.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】平成26年4月8日(2014.4.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中電圧システム（４０）であって、
グリッド接続部（４６）に接続され、該グリッド接続部（４６）で供給された第１の多相電流を第２の電流に変換するようになったマルチレベルコンバータ（４２）と、
前記第１の電流の各位相（４４）に対して該それぞれの位相（４４）に接続された位相フィルタ（５４）を含むコモンモードフィルタ（３０）と、
を含み、
各位相フィルタ（５４）が、接地（１８）に接続されたコモンフィルタスターポイント（３２）に接続され、
各位相フィルタ（５４）が、容量部（Ｃｆ）を含み、
各位相フィルタ（５４）が、前記容量部（Ｃｆ）と直列に接続された誘導部（Ｌｆ２）を含み、
各位相フィルタ（５４）が、前記容量部（Ｃｆ）と直列に接続された抵抗器（Ｒｆ）を含み、それによって前記誘導部（Ｌｆ２）及び該抵抗器（Ｒｆ）は、並列に接続され
前記コモンモードフィルタ（３０）は、前記フィルタスターポイント（３２）と前記接地（１８）の間にインピーダンス（ＺＮ）を含む、
ことを特徴とするシステム。
【請求項２】
前記コモンモードフィルタ（３０）は、各位相（４４）に対して、前記グリッド接続部（４６）と前記マルチレベルコンバータ（４２）の間に接続された誘導部（Ｌｆ）を含む、
ことを特徴とする請求項１に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項３】
前記それぞれの位相（４４）に対する位相フィルタ（５４）の接続ポイントが、前記グリッド接続部（４６）と該グリッド接続部及び前記マルチレベルコンバータ（４２）間にある前記誘導部（Ｌｆ）との間にある、
ことを特徴とする請求項２に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項４】
前記第２の電流を受電するための電気モータ（６０）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項５】
前記第２の電流を発生させるための発電機（６８）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項６】
前記第２の電流を供給するためのＤＣ源（７０、１２０）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項７】
前記第２の電流を変換するための変圧器（６４）、
を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項８】
前記第１の多相電流は、２つ又は３つの位相（４４）を有する、
ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項９】
前記マルチレベルコンバータ（４２）は、ＡＮＰＣＭＬコンバータを含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１０】
前記マルチレベルコンバータ（４２）は、間接ＭＭＬＣコンバータを含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【請求項１１】
前記マルチレベルコンバータ（４２）は、直接ＭＭＬＣコンバータを含む、
ことを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の中電圧システム（４０）。
【国際調査報告】
2014522226.tif 000033
2014522226.tif 000034
2014522226.tif 000035