(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換装置であって、
複数のレグ回路を備え、
各前記レグ回路は、互いにカスケード接続された複数の変換器セルを含み、各前記変換器セルは、エネルギー蓄積器とスイッチング素子とを含み、
前記電力変換装置は、さらに、
前記複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づかない第１の電圧指令値および前記循環電流に基づく第２の電圧指令値を、前記レグ回路ごとに生成する制御装置と、
前記複数の変換器セルにそれぞれ対応して設けられ、前記第１の電圧指令値および前記第２の電圧指令値に基づいて対応の変換器セルの前記スイッチング素子の開閉を制御するゲート制御信号を生成する複数の個別制御器とを備え、
各前記個別制御器は、
前記第１の電圧指令値とキャリア信号との比較によるパルス幅変調を用いて前記ゲート制御信号を生成するコンパレータと、
前記ゲート制御信号のパルス幅が前記第２の電圧指令値に応じて変化するように、前記第２の電圧指令値によって変調された前記キャリア信号を生成するキャリア生成器とを含む、電力変換装置。
【請求項２】
前記キャリア生成器は、生成する前記キャリア信号の基準電位を前記第２の電圧指令値に応じて変化させることによって前記キャリア信号を変調する、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記キャリア生成器は、生成する前記キャリア信号の周波数を前記第２の電圧指令値に応じて変化させることによって前記キャリア信号を変調する、請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項４】
電力変換装置であって、
複数のレグ回路を備え、
各前記レグ回路は、互いにカスケード接続された複数の変換器セルを含み、各前記変換器セルは、エネルギー蓄積器とスイッチング素子とを含み、
前記電力変換装置は、さらに、
前記複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づかない第１の電圧指令値および前記循環電流に基づく第２の電圧指令値を、前記レグ回路ごとに生成する制御装置と、
前記複数の変換器セルにそれぞれ対応して設けられ、前記第１の電圧指令値および前記第２の電圧指令値に基づいて対応の変換器セルの前記スイッチング素子の開閉を制御するゲート制御信号を生成する複数の個別制御器とを備え、
各前記個別制御器は、
前記第１の電圧指令値とキャリア信号との比較によってパルス幅変調信号を生成するコンパレータと、
前記キャリア信号を生成するキャリア生成器と、
前記第２の電圧指令値に応じて前記パルス幅変調信号を補正することによって前記ゲート制御信号を生成するパルス幅補正器とを含む、電力変換装置。
【請求項５】
前記電力変換装置は、直流回路と交流回路との間で電力変換を行い、
前記制御装置は、前記直流回路の直流電圧および直流電流と前記交流回路の交流電圧および交流電流に基づいて、前記第１の電圧指令値を生成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御装置は、光通信路を介して前記第１の電圧指令値および前記第２の電圧指令値を各前記個別制御器に送信する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項７】
各前記個別制御器は、光通信路を介して対応する前記変換器セルの前記スイッチング素子に前記ゲート制御信号を送信する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第２の電圧指令値の計算周期は、前記第１の電圧指令値の計算周期よりも短い、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、電力変換装置に関し、高圧直流送電、周波数変換器、無効電力補償装置などに用いられる。
【背景技術】
【０００２】
電力系統に設置される大容量の電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular  Multilevel  Converter）が知られている。【０００３】
モジュラーマルチレベル変換器では、外部に流出することなく複数のレグ間を循環する循環電流が流れることがあり、この循環電流を０または一定値になるように制御する必要がある。循環電流を制御するための従来技術として、たとえば、特許第５１８９１０５号公報（特許文献１）に記載された方法が知られている。【０００４】
特許文献１に開示された電力変換装置によれば、「制御機構は希望する循環電圧目標値を設定し、該循環電圧目標値が、割り当てられた相モジュール分岐の制御時に、例えば当該相モジュール分岐の他の目標電圧に、目標値としてアドオンされる」と記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特許第５１８９１０５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
通常、各相の電圧目標値の大きさに比べて循環電圧の目標値の大きさはかなり小さい。このため、上記特許文献１に開示されるように各相の電圧目標値に循環電圧目標値を加算することによって最終的な制御信号を生成すると、循環電流の制御性が悪くなる。なぜなら、制御信号のダイナミックレンジはハードウェアによって制限されるので、循環電圧目標値に対応する量子化ビット数が小さくなるからである。【０００７】
本開示は、上記の問題点を考慮してなされたものである。本開示の目的は、循環電流を精度良く制御することが可能なＭＭＣ方式の電力変換装置を提供することである。本開示のその他の目的及び特徴については実施の形態において明らかにする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
一実施形態の電力変換装置は、複数のレグ回路を備える。各レグ回路は、互いにカスケード接続された複数の変換器セルを含み、各変換器セルは、エネルギー蓄積器とスイッチング素子とを含む。電力変換装置は、さらに、制御装置と複数の個別制御器とを備える。制御装置は、複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づかない第１の電圧指令値および循環電流に基づく第２電圧指令値を、レグ回路ごとに生成する。複数の個別制御器は、複数の変換器セルにそれぞれ対応して設けられ、第１の電圧指令値および第２の電圧指令値に基づいて対応の変換器セルのスイッチング素子の開閉を制御するためのゲート制御信号を生成する。各個別制御器は、第１の電圧指令値とキャリア信号との比較によるパルス幅変調を用いてゲート制御信号を生成するコンパレータと、ゲート制御信号のパルス幅が第２の電圧指令値に応じて変化するように、第２の電圧指令値によって変調されたキャリア信号を生成するキャリア生成器とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
上記の実施形態の電力変換装置によれば、循環電流に基づく第２の電圧指令値によってキャリア信号を変調することによって、循環電流を精度良く制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】実施の形態１による電力変換装置の概略構成図である。
【図２】図１の変換器セルの構成例を示すブロック図である。
【図３】図２の変換器セルの主回路の変形例を示す回路図である。
【図４】図１の制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図５】図１および図４に示す制御装置５のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
【図６】図４の全アーム共通制御器の動作を示すブロック図である。
【図７】図６の全アーム共通制御器における平均値演算器の動作について説明するための図である。
【図８】図６の全アーム共通制御器における交流制御部の動作について説明するための図である。
【図９】図６の全アーム共通制御器における直流制御部の動作について説明するための図である。
【図１０】ｕ相アーム個別制御器の動作を示すブロック図である。
【図１１】ｕ相正側アーム用のサブモジュール個別制御器の動作を示すブロック図である。
【図１２】キャリア信号の第１の変調方法を説明するための図である。
【図１３】キャリア信号の第２の変調方法を説明するための図である。
【図１４】実施の形態２の電力変化装置によるサブモジュール個別制御器９０の構成を示すブロック図である。
【図１５】実施の形態３における電力変換装置において、制御装置の全体構成を示すブロック図である。
【図１６】Δ結線方式のＳＴＡＴＣＯＭの構成例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない。
【００１２】
実施の形態１．
［電力変換装置の概略構成］
図１は、実施の形態１による電力変換装置の概略構成図である。図１の電力変換装置は、たとえば、高圧直流送電に用いられる電力変換装置、または周波数変換器における順変換用もしくは逆変換用の電力変換装置を示す。
【００１３】
図１を参照して、電力変換装置は、主回路であるレグ回路８ａ，８ｂ，８ｃと、これらのレグ回路８を制御する制御装置５とを備える。以下、レグ回路８ａ，８ｂ，８ｃについて、総称する場合または不特定のものを示す場合、レグ回路８と記載する。
【００１４】
レグ回路８は、多相交流の各相ごとに設けられ、交流回路２と直流回路４との間に接続され、両回路間で電力変換を行う。図１には交流回路２が三相交流の場合が示され、ｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路８ａ，８ｂ，８ｃが設けられる。なお、単相交流の場合には、２個のレグ回路が設けられる。
【００１５】
レグ回路８ａ，８ｂ，８ｃにそれぞれ設けられた交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器３を介して交流回路２に接続される。交流回路２は、たとえば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流端子Ｎｖ，Ｎｗと連系変圧器３との接続は図示していない。各レグ回路８に共通に設けられた直流端子Ｎｐ，Ｎｎ（すなわち、正側直流端子Ｎｐ，負側直流端子Ｎｎ）は、直流回路４に接続される。直流回路４は、たとえば、直流送電網および直流出力を行う他の電力変換装置などを含む直流電力系統である。
【００１６】
図１の連系変圧器３を用いる代わりに、レグ回路８ａ，８ｂ，８ｃは、連系リアクトルを介して交流回路２に接続した構成としても良い。さらに、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路８ａ，８ｂ，８ｃにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路８ａ，８ｂ，８ｃが連系変圧器３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル７ａ，７ｂとしてもよい。すなわち、レグ回路８は、交流端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路８ａ，８ｂ，８ｃに設けられた接続部を介して電気的（すなわち、直流的または交流的）に交流回路２に接続される。
【００１７】
レグ回路８ａは、正側直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの正側アーム１３ａと、負側直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの負側アーム１４ａとに区分される。正側アーム１３ａを上アームまたは１次アームとも称し、負側アーム１４ａを下アームまたは２次アームとも称する。正側アーム１３ａと負側アーム１４ａとの接続点が、ｕ相交流端子Ｎｕとして変圧器３と接続される。正側直流端子Ｎｐおよび負側直流端子Ｎｎが直流回路４に接続される。
【００１８】
同様に、レグ回路８ｂは正側アーム１３ｂと負側アーム１４ｂとを含み、レグ回路８ｃは正側アーム１３ｃと負側アーム１４ｃとを含む。レグ回路８ｂ，８ｃはレグ回路８ａと同様の構成を有しているので、以下、レグ回路８ａを代表として説明する。
【００１９】
レグ回路８ａにおいて、正側アーム１３ａは、カスケード接続された複数の変換器セル１と、リアクトル７ａとを含む。複数の変換器セル１とリアクトル７ａとは互いに直列接続されている。以下、簡単のために変換器セルをセルと称する場合がある。また、変換器セル１をサブモジュール（ＳＭ）と称する場合がある。同様に、負側アーム１４は、カスケード接続された複数の変換器セル１と、リアクトル７ｂとを含む。複数の変換器セル１とリアクトル７ｂとは互いに直列接続されている。
【００２０】
リアクトル７ａが挿入される位置は、レグ回路８ａの正側アーム１３のいずれの位置であってもよく、リアクトル７ｂが挿入される位置は、レグ回路８ａの負側アーム１４のいずれの位置であってもよい。リアクトル７ａ，７ｂはそれぞれ複数個あってもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、正側アーム１３のリアクトル７ａのみ、もしくは、負側アーム１４のリアクトル７ｂのみを設けてもよい。
【００２１】
図１の電力変換装置は、さらに、交流電圧検出器１０と、交流電流検出器１５と、直流電圧検出器１１ａ，１１ｂと、各レグ回路８に設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂとを含む。これらの検出器は、電力変換装置の制御に使用される電気量（すなわち、電流、電圧）を計測する。これらの検出器によって検出された信号は、制御装置５に入力される。
【００２２】
具体的に、交流電圧検出器１０は、交流回路２のｕ相の電圧値Ｖａｃｕ、ｖ相の電圧値Ｖａｃｖ、およびｗ相の電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器１５は、交流回路２のｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ設けられ、各相の交流電流値を検出する。直流電圧検出器１１ａは、直流回路４に接続された正側直流端子Ｎｐの電圧を検出する。直流電圧検出器１１ｂは、直流回路４に接続された負側直流端子Ｎｎの電圧を検出する。ｕ相用のレグ回路８ａに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、正側アーム１３ａに流れるアーム電流Ｉｕｐおよび負側アーム１４ａに流れるアーム電流Ｉｕｎをそれぞれ検出する。同様に、ｖ相用のレグ回路８ｂに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、正側アーム電流Ｉｖｐおよび負側アーム電流Ｉｖｎをそれぞれ検出する。ｗ相用のレグ回路８ｃに設けられたアーム電流検出器９ａ，９ｂは、正側アーム電流Ｉｗｐおよび負側アーム電流Ｉｗｎをそれぞれ検出する。ここで、アーム電流Ｉｕｐ，Ｉｕｎ，Ｉｖｐ，Ｉｖｎ，Ｉｗｐ，Ｉｗｎは、正側直流端子Ｎｐから負側直流端子Ｎｎの方向に流れる電流を正とする。
【００２３】
［変換器セルの構成］
図２は、図１の変換器セルの構成例を示すブロック図である。図２を参照して、一例としての変換器セル１は、主回路６０Ｈと、変換器セル用の個別制御器６１と、通信装置６２とを備える。変換器セルの主回路をサブモジュール主回路とも称する。変換器セル用の個別制御器６１をサブモジュール個別制御器６１とも称する。
【００２４】
図２では、主回路６０Ｈとしてハーフブリッジ型の主回路６０Ｈの構成が示されている。図３を参照して後述するように、主回路６０Ｈに代えて他の構成のブリッジ回路を用いてもよい。
【００２５】
図２に示すように、ハーフブリッジ型の主回路６０Ｈは、互いに直列接続された半導体スイッチング素子１ａ，１ｂと、ダイオード１ｃ，１ｄと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ１ｅとを含む。半導体スイッチング素子を単にスイッチング素子とも称する。ダイオード１ｃ，１ｄは、スイッチング素子１ａ，１ｂとそれぞれ逆並列（並列かつ逆バイアス方向）に接続される。直流コンデンサ１ｅは、スイッチング素子１ａ，１ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を平滑化する。スイッチング素子１ａ，１ｂの接続ノードは正側の入出力端子１ｐと接続され、スイッチング素子１ｂと直流コンデンサ１ｅの接続ノードは負側の入出力端子１ｎと接続される。
【００２６】
主回路６０Ｈにおいて、スイッチング素子１ａ，１ｂは、一方がオン状態となり他方がオフ状態となるように制御される。スイッチング素子１ａがオン状態であり、スイッチング素子１ｂがオフ状態のとき、入出力端子１ｐ，１ｎ間には直流コンデンサ１ｅの両端間の電圧が印加される。この場合、入出力端子１ｐが正側電圧となり、入出力端子１ｎが負側電圧となる。一方、スイッチング素子１ａがオフ状態であり、スイッチング素子１ｂがオン状態のとき、入出力端子１ｐ，１ｎ間は０Ｖとなる。
【００２７】
すなわち、図２に示す主回路６０Ｈは、スイッチング素子１ａ，１ｂを交互にオン状態とすることによって、零電圧または正電圧を出力することができる。正電圧の大きさは、直流コンデンサ１ｅの電圧に依存する。ダイオード１ｃ，１ｄは、スイッチング素子１ａ，１ｂに逆方向電圧が印加されたときの保護のために設けられている。
【００２８】
個別制御器６１は、図１の制御装置５から受信したアーム電圧指令値および循環電圧指令値に基づいて、主回路６０Ｈに設けられたスイッチング素子１ａ，１ｂのオンおよびオフを制御する。具体的に、個別制御器６１は、スイッチング素子１ａ，１ｂの制御電極にゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂをそれぞれ出力する。
【００２９】
さらに、個別制御器６１は、直流コンデンサ１ｅの電圧値を検出し、検出した電圧値をＡ／Ｄ（Analog  to  Digital）変換する。個別制御器６１は、検出したキャパシタ電圧実測値Ｖｃｉを直流コンデンサ１ｅの電圧制御に用いる。さらに、サブモジュール個別制御器６１は、検出したキャパシタ電圧実測値Ｖｃｉを、通信装置６２によって制御装置５に送信する。
【００３０】
通信装置６２は、図１の制御装置５に設けられた通信回路（図１０の５２）と通信を行うことにより、制御装置５からアーム電圧指令値および循環電圧指令値を受信する。さらに、通信装置６２は、個別制御器６１によって検出されたＡ／Ｄ変換後のキャパシタ電圧実測値Ｖｃｉを制御装置５に送信する。通信装置６２と制御装置５との間の通信方式には、耐ノイズ性の観点から光通信方式を用いるのが望ましい。
【００３１】
［変換器セルの主回路の変形例］
図３は、図２の変換器セルの主回路の変形例を示す回路図である。図３（Ａ）に示す変換器セル１は、フルブリッジ型の主回路６０Ｆを含む。主回路６０Ｆは、直列接続されたスイッチング素子１ｆ，１ｇと、スイッチング素子１ｆ，１ｇに逆並列にそれぞれ接続されたダイオード１ｈ，１ｉとをさらに含む点で、図３（Ａ）の主回路６０Ｈと異なる。スイッチング素子１ｆ，１ｇの全体は、スイッチング素子１ａ，１ｂの直列接続回路と並列に接続されるとともに、直流コンデンサ１ｅと並列に接続される。入出力端子１ｐは、スイッチング素子１ａ，１ｂの接続ノードと接続され、入出力端子１ｎは、スイッチング素子１ｆ，１ｇの接続ノードと接続される。
【００３２】
図３（Ａ）に示す主回路６０Ｆは、通常動作時には、スイッチング素子１ｇを常時オンとし、スイッチング素子１ｆを常時オフとし、スイッチング素子１ａ，１ｂを交互にオン状態とするように制御される。これにより、主回路６０Ｆは、入出力端子１ｐ，１ｎ間に零電圧または正電圧を出力することができる。
【００３３】
一方、図３（Ａ）に示す主回路６０Ｆは、通常動作時と異なる制御によって、入出力端子１ｐ，１ｎ間に零電圧または負電圧を出力することができる。具体的には、スイッチング素子１ｇをオフし、スイッチング素子１ｆをオンし、スイッチング素子１ａ，１ｂを交互にオン状態にすることによって、零電圧または負電圧の出力が可能である。
【００３４】
図３（Ｂ）に示す変換器セル１は、混合型の主回路６０Ｈｙｂを含む。主回路６０Ｈｙｂは、図３（Ａ）の主回路６０Ｆからスイッチング素子１ｆを除去した構成を有し、主回路６０Ｈｙｂのその他の点は図３（Ａ）の場合と同じである。
【００３５】
図３（Ｂ）の主回路６０Ｈｙｂは、通常動作時には、スイッチング素子１ｇを常時オンとし、スイッチング素子１ａ，１ｂを交互にオン状態とするように制御される。これにより、主回路６０Ｈｙｂは、入出力端子１ｐ，１ｎ間に零電圧または正電圧を出力することができる。一方、主回路６０Ｈｙｂは、スイッチング素子１ａ，１ｇをオフし、スイッチング素子１ｂをオンし、かつ電流が入出力端子１ｎから入出力端子１ｐの方向に流れる場合には、負電圧を出力することができる。
【００３６】
図２、図３（Ａ）、および図３（Ｂ）に示す各スイッチング素子１ａ，１ｂ，１ｆ，１ｇには、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated  Gate  Bipolar  Transistor）またはＧＣＴ（Gate  Commutated  Turn-off  thyristor）などがスイッチング素子１ａ，１ｂ，１ｆ，１ｇとして用いられる。
【００３７】
以下では、主回路６０Ｈ，６０Ｈ，６０Ｈｙｂを総称して主回路６０と記載する場合がある。なお、変換器セル１を構成する主回路６０は、図２、図３（Ａ）、および図３（Ｂ）に示す以外の構成であってもよい。
【００３８】
［制御装置の全体構成］
図４は、図１の制御装置の全体構成を示すブロック図である。図４には、各変換器セル１に設けられた主回路６０および個別制御器６１も併せて示されている。なお、図解を容易にするために通信装置６２の図示は省略されている。
【００３９】
図４を参照して、制御装置５は、全アーム共通制御器２０と、ｕ相アーム個別制御器４０ａと、ｖ相アーム個別制御器４０ｂと、ｗ相アーム個別制御器４０ｃとを含む。
【００４０】
全アーム共通制御器２０は、アーム電流実測値および交流電圧実測値に基づいて、各相の交流電圧指令値Ｖａｃｕｒｅｆ，Ｖａｃｖｒｅｆ，Ｖａｃｗｒｅｆを生成する。さらに、全アーム共通制御器２０は、直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆを出力する。さらに、全アーム共通制御器２０は、各変換器セル１のキャパシタ電圧実測値からキャパシタ電圧の平均値＜Ｖｃｉ＞を生成する。図７を参照して説明するように、キャパシタ電圧の平均値＜Ｖｃｉ＞は種々の単位ごとに計算される。
【００４１】
ｕ相アーム個別制御器４０ａは、全アーム共通制御器２０から受信したｕ相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒｅｆおよび直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆに基づいて、ｕ相アーム電圧指令値を生成する。ここで、ｕ相アーム電圧指令値は、ｕ相正側アーム１３ａに出力するｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆと、ｕ相負側アーム１４ａに出力するｕ相負側アーム電圧指令値Ｖｕｎｒｅｆとを含む。
【００４２】
ｕ相アーム個別制御器４０ａは、さらに、全アーム共通制御器２０から受信したキャパシタ電圧平均値＜Ｖｃｉ＞と現時点のｕ相循環電流値とに基づいて、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆを生成する。ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆとは、ｕ相の循環電流を制御するためにｕ相正側アーム１３ａおよびｕ相負側アーム１４ａの各変換器セル１に共通に出力する電圧指令値である。
【００４３】
ｕ相アーム個別制御器４０ａは、さらに、ｕ相正側アーム１３ａの各個別制御器６１に、ｕ相正側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｐを出力する。また、ｕ相アーム個別制御器４０ａは、ｕ相負側アーム１４ａの各個別制御器６１に、ｕ相負側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｎを出力する。
【００４４】
同様に、ｖ相アーム個別制御器４０ｂは、ｖ相交流電圧指令値Ｖａｃｖｒｅｆおよび直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆに基づいてｖ相アーム電圧指令値を生成する。ｖ相アーム電圧指令値は、ｖ相正側アーム１３ｂに出力するｖ相正側アーム電圧指令値Ｖｖｐｒｅｆと、ｖ相負側アーム１４ｂに出力するｖ相負側アーム電圧指令値Ｖｖｎｒｅｆとを含む。ｖ相アーム個別制御器４０ｂは、さらに、全アーム共通制御器２０から受信したキャパシタ電圧平均値＜Ｖｃｉ＞と現時点のｖ相循環電流値とに基づいて、ｖ相循環電圧指令値Ｖｃｃｖｒｅｆを生成する。ｖ相循環電圧指令値Ｖｃｃｖｒｅｆとは、ｖ相の循環電流を制御するためにｖ相正側アーム１３ｂおよびｖ相負側アーム１４ｂの各変換器セル１に共通に出力する電圧指令値である。ｖ相アーム個別制御器４０ｂは、さらに、ｖ相正側アーム１３ｂの各個別制御器６１に、ｖ相正側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｖｐを出力する。また、ｖ相アーム個別制御器４０ｂは、ｖ相負側アーム１４ｂの各個別制御器６１に、ｖ相負側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｖｎを出力する。
【００４５】
同様に、ｗ相アーム個別制御器４０ｃは、ｗ相交流電圧指令値Ｖａｃｗｒｅｆおよび直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆに基づいてｗ相アーム電圧指令値を生成する。ｗ相アーム電圧指令値は、ｗ相正側アーム１３ｃに出力するｗ相正側アーム電圧指令値Ｖｗｐｒｅｆと、ｗ相負側アーム１４ｃに出力するｗ相負側アーム電圧指令値Ｖｗｎｒｅｆとを含む。ｗ相アーム個別制御器４０ｃは、さらに、全アーム共通制御器２０から受信したキャパシタ電圧平均値＜Ｖｃｉ＞と現時点のｗ相循環電流値とに基づいて、ｗ相循環電圧指令値Ｖｃｃｗｒｅｆを生成する。ｗ相循環電圧指令値Ｖｃｃｗｒｅｆとは、ｗ相の循環電流を制御するためにｗ相正側アーム１３ｃおよびｗ相負側アーム１４ｃの各変換器セル１に共通に出力する電圧指令値である。ｗ相アーム個別制御器４０ｃは、さらに、ｗ相正側アーム１３ｃの各個別制御器６１に、ｗ相正側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｗｐを出力する。また、ｗ相アーム個別制御器４０ｃは、ｗ相負側アーム１４ｃの各個別制御器６１に、ｗ相負側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｗｎを出力する。
【００４６】
各相のアーム個別制御器４０ａ，４０ｂ，４０ｃは、対応する変換器セル１のサブモジュール個別制御器６１へ、光通信路を介してアーム電圧指令値、循環電圧指令値、およびキャパシタ電圧平均値を送信する。また、本開示において、アーム電圧指令値を第１の電圧指令値とも称し、循環電圧指令値を第２の電圧指令値とも称する。
【００４７】
［制御装置のハードウェア構成例］
図５は、図１および図４に示す制御装置５のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。図５の場合の制御装置５は、コンピュータに基づいて構成される。具体的に図５を参照して、制御装置５は、１つ以上の入力変換器７０と、１つ以上のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路７１と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）７２と、Ａ／Ｄ変換器７３とを含む。さらに、制御装置５は、１つ以上のＣＰＵ（Central  Processing  Unit）７４と、ＲＡＭ（Random  Access  Memory）７５と、ＲＯＭ（Read  Only  Memory）７６とを含む。さらに、制御装置５は、１つ以上の入出力インターフェイス７７と、補助記憶装置７８と、上記の構成要素間を相互に接続するバス７９を含む。
【００４８】
入力変換器７０は、入力チャンネルごとに補助変成器（不図示）を備える。各補助変成器は、図１の各電気量検出器による検出信号を、後続する信号処理に適した電圧レベルの信号に変換する。
【００４９】
サンプルホールド回路７１は、入力変換器７０ごとに設けられる。サンプルホールド回路７１は、対応の入力変換器７０から受けた電気量を表す信号を規定のサンプリング周波数でサンプリングして保持する。
【００５０】
マルチプレクサ７２は、複数のサンプルホールド回路７１に保持された信号を順次選択する。Ａ／Ｄ変換器７３は、マルチプレクサ７２によって選択された信号をデジタル値に変換する。なお、複数のＡ／Ｄ変換器７３を設けることによって、複数の入力チャンネルの検出信号に対して並列的にＡ／Ｄ変換を実行するようにしてもよい。
【００５１】
ＣＰＵ７４は、制御装置５の全体を制御し、プログラムに従って演算処理を実行する。揮発性メモリとしてのＲＡＭ７５および不揮発性メモリとしてのＲＯＭ７６は、ＣＰＵ７４の主記憶として用いられる。ＲＯＭ７６は、プログラムおよび信号処理用の設定値などを収納する。補助記憶装置７８は、ＲＯＭ７６に比べて大容量の不揮発性メモリであり、プログラムおよび電気量検出値のデータなどを格納する。
【００５２】
入出力インターフェイス７７は、ＣＰＵ７４と外部装置との間で通信する際のインターフェイス回路である。入出力インターフェイス７７の１つは、図１０に示す通信装置５２と接続される。
【００５３】
図５の例とは異なるが、制御装置５の少なくとも一部をＦＰＧＡ（Field  Programmable  Gate  Array）およびＡＳＩＣ（Application  Specific  Integrated  Circuit）などの回路を用いて構成することができる。また、各変換器セル用の個別制御器６１も、制御装置５の場合と同様にコンピュータをベースに構成することもできるし、その少なくとも一部をＦＰＧＡおよびＡＳＩＣなどの回路を用いて構成することができる。もしくは、制御装置５の少なくとも一部およびサブモジュール個別制御器６１の少なくとも一部は、アナログ回路によって構成することもできる。
【００５４】
［全アーム共通制御器の動作］
図６は、図４の全アーム共通制御器の動作を示すブロック図である。図６を参照して、全アーム共通制御器２０は、交流制御部３５と、直流制御部３６と、電流演算器２１と、平均値演算器２２とを含む。これらの構成要素の機能は、たとえば、図５のＣＰＵ７４によって実現される。
【００５５】
交流制御部３５は、各相の交流電圧実測値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗと、交流電流検出器１５で検出された各相の交流電流実測値と、交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗとに基づいて、交流電圧指令値Ｖａｃｕｒｅｆ，Ｖａｃｖｒｅｆ，Ｖａｃｗｒｅｆを生成する。交流制御部３５の詳細な動作については、図８を参照して後述する。
【００５６】
直流制御部３６は、直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆを生成する。直流制御部３６の構成は、交流回路から直流回路に電力を供給する整流器として電力変換装置が動作する場合とその逆にインバータとして電力変換装置が動作する場合とで異なる。電力変換装置が整流器として動作する場合、直流制御部３６は、直流電圧実測値Ｖｄｃｐ，Ｖｄｃｎに基づいて直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆを生成する。一方、電力変換装置がインバータとして動作する場合、直流制御部３６は、交流電圧実測値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗ、交流電流検出器１５で検出された各相の交流電流実測値、および直流電流値Ｉｄｃに基づいて直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆを生成する。直流制御部３６の詳細な動作については、図９を参照して後述する。
【００５７】
（電流演算器の動作）
電流演算器２１は、アーム電流実測値に基づいて、直流電流値Ｉｄｃ、交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗ、および循環電流値Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗを演算する。具体的には以下の手順による。
【００５８】
まず、図１を参照して、ｕ相レグ回路８ａの正側アーム１３ａと負側アーム１４ｂとの接続点がｕ相交流端子Ｎｕである。ｕ相交流端子Ｎｕは変圧器３に接続されている。ｕ相交流端子Ｎｕから変圧器３に向かって流れる電流をｕ相交流電流Ｉａｃｕとする。そうすると、ｕ相交流電流Ｉａｃｕは、電流検出器９ａで計測された正側アーム１３ａを流れる電流値Ｉｕｐから電流検出器９ｂで計測された負側アーム１４ｂを流れる電流値Ｉｐｎを減算した電流値に等しい。すなわち、ｕ相交流電流Ｉａｃｕは、
Ｉａｃｕ＝Ｉｕｐ−Ｉｕｎ      …(1)
に等しくなる。
【００５９】
ｕ相正側アーム電流Ｉｕｐとｕ相負側アーム電流Ｉｕｎとの平均値を、両方のアーム１３ａ，１４ｂに流れる共通の電流をＩｃｏｍｕとする。この共通の電流Ｉｃｏｍｕはレグ回路８ａの直流端子を流れるｕ相レグ電流である。すなわち、ｕ相レグ電流Ｉｃｏｍｕは、
Ｉｃｏｍｕ＝（Ｉｕｐ＋Ｉｕｎ）／２      …(2)
として演算できる。
【００６０】
ｖ相についても同様に、ｖ相正側アーム電流Ｉｖｐおよびｖ相負側アーム電流Ｉｖｎを用いて、
Ｉａｃｖ＝Ｉｖｐ−Ｉｖｎ      …(3)
Ｉｃｏｍｖ＝（Ｉｖｐ＋Ｉｖｎ）／２      …(4)
に従って、ｖ相交流電流Ｉａｃｖおよびｖ相レグ電流Ｉｃｏｍｖを算出することができる。
【００６１】
ｗ相についても同様に、ｗ相正側アーム電流Ｉｗｐおよびｗ相負側アーム電流Ｉｗｎを用いて、
Ｉａｃｗ＝Ｉｗｐ−Ｉｗｎ      …(5)
Ｉｃｏｍｗ＝（Ｉｗｐ＋Ｉｗｎ）／２      …(6)
に従って、ｗ相交流電流Ｉａｃｗおよびｗ相レグ電流Ｉｃｏｍｗを算出することができる。
【００６２】
各相のレグ回路８ａ，８ｂ，８ｃの正側の直流端子は正側直流端子Ｎｐとして共通に接続され、負側の直流端子は負側直流端子Ｎｎとして共通に接続されている。この構成から、各相のレグ電流Ｉｃｏｍｕ，Ｉｃｏｍｖ，Ｉｃｏｍｗを加算した電流値は、直流回路４の正側端子から流れ込み、負側端子を介して直流回路４に帰還する直流電流Ｉｄｃとなる。したがって、直流電流Ｉｄｃは、
Ｉｄｃ＝Ｉｃｏｍｕ＋Ｉｃｏｍｖ＋Ｉｃｏｍｗ      …(7)
として演算できる。
【００６３】
レグ電流に含まれる直流電流成分は、各相で均等に分担するとセルの電流容量を均等にすることができ適当である。このことを考慮すると、レグ電流と直流電流値の１／３との差分が、直流回路４に流れないが各相のレグ間に流れる循環電流の電流値として演算できる。具体的に、ｕ相、ｖ相、ｗ相の循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗは、
Ｉｃｃｕ＝Ｉｃｏｍｕ−Ｉｄｃ／３      …(8)
Ｉｃｃｖ＝Ｉｃｏｍｖ−Ｉｄｃ／３      …(9)
Ｉｃｃｗ＝Ｉｃｏｍｗ−Ｉｄｃ／３      …(10)
として演算できる。
【００６４】
（平均値演算器の動作）
図７は、図６の全アーム共通制御器における平均値演算器の動作について説明するための図である。平均値演算器２２は、各変換器セル１において検出された個々のキャパシタ電圧実測値Ｖｃｉから、種々のユニットごとの平均値＜Ｖｃｉ＞を計算する。
【００６５】
具体的に、平均値演算器２２は、電力変換装置全体での全キャパシタ電圧平均値Ｖｃａｌｌを計算する。
【００６６】
さらに、平均値演算器２２は、ｕ相正側アーム１３ａにおけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｐと、ｕ相負側アーム１４ａにおけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｎと、ｕレグ回路８ａ全体におけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｕを計算する。
【００６７】
同様に、平均値演算器２２は、ｖ相正側アーム１３ｂにおけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｖｐと、ｖ相負側アーム１４ｂにおけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｖｎと、ｖレグ回路８ｂ全体におけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｖとを計算する。
【００６８】
同様に、平均値演算器２２は、ｗ相正側アーム１３ｃにおけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｗｐと、ｗ相負側アーム１４ｃにおけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｗｎと、ｗレグ回路８ｃ全体におけるキャパシタ電圧平均値Ｖｃｗを計算する。本明細書において、平均値＜Ｖｃｉ＞は、上記の種々の平均値の総称として用いられる。
【００６９】
（交流制御部の詳細な動作）
図８は、図６の全アーム共通制御器における交流制御部の動作について説明するための図である。図８を参照して、交流制御部３５は、演算器２３、無効電力制御器２５、無効電流制御器２７、直流キャパシタ電圧制御器２９、および有効電流制御器３１を含む。交流制御部３５は、さらに、減算器２４，２６，２８，３０と、２相／３相変換器３２とを含む。
【００７０】
演算器２３は、各相の交流電圧実測値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗと、交流電流検出器１５で検出された交流回路２の各相の交流電流実測値と、図６の電流演算器２１で算出された交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗとを受け取る。演算器２３は、各相の交流電圧実測値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗと各相の交流電流実測値とに基づいて、無効電力値Ｐｒを計算する。さらに、演算器２３は、各相の交流電圧実測値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗと算出された交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗとに基づいて、有効電流値Ｉａおよび無効電流値Ｉｒを計算する。
【００７１】
減算器２４は、与えられた無効電力指令値Ｐｒｒｅｆと、演算器２３で算出された無効電力値Ｐｒとの偏差を計算する。
【００７２】
無効電力制御器２５は、減算器２４によって算出された偏差に対して演算を施すことによって無効電流指令値Ｉｒｒｅｆを生成する。無効電力制御器２５は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、無効電力制御器２５として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００７３】
なお、図８では、交流制御部３５の構成を、無効電力制御器２５を含む構成にて説明した。無効電力制御器２５に代えて、系統電圧指令値と系統電圧実測値との偏差に対して演算を施す系統電圧制御器を設けてもよい。この結果、系統電圧実測値が系統電圧指令値に等しくなるようにフィードバック制御される。
【００７４】
減算器２６は、無効電流指令値Ｉｒｒｅｆと、演算器２３で算出された無効電流値Ｉｒとの偏差を計算する。
【００７５】
無効電流制御器２７は、減算器２６によって算出された偏差に対して演算を施すことによって無効電圧指令値Ｖｒｒｅｆを生成する。無効電流制御器２７は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、無効電流制御器２７として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００７６】
減算器２８は、全キャパシタ電圧平均値について与えられた指令値Ｖｃａｌｌｒｅｆと、全キャパシタ電圧平均値Ｖｃａｌｌとの偏差を演算する。図７を参照して説明したように、全キャパシタ電圧平均値Ｖｃａｌｌは、個々のサブモジュールのキャパシタ電圧実測値Ｖｃｉを電力変換装置全体で平均化したものである。
【００７７】
直流キャパシタ電圧制御器２９は、減算器２８によって算出された偏差に対して演算を施すことによって有効電流指令値Ｉａｒｅｆを生成する。直流キャパシタ電圧制御器２９は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、直流キャパシタ電圧制御器２９として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００７８】
減算器３０は、有効電流指令値Ｉａｒｅｆと、演算器２３で算出された有効電流値Ｉａとの偏差を計算する。
【００７９】
有効電流制御器３１は、減算器３０によって算出された偏差に対して演算を施すことによって有効電圧指令値Ｖａｒｅｆを生成する。有効電流制御器３１は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、有効電流制御器３１として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００８０】
２相／３相変換器３２は、有効電圧指令値Ｖａｒｅｆおよび無効電圧指令値Ｖｒｒｅｆから座標変換によって、ｕ相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒｅｆ、ｖ相交流電圧指令値Ｖａｃｖｒｅｆ、およびｗ相交流電圧指令値Ｖａｃｗｒｅｆを生成する。２相／３相変換器３２による座標変換は、たとえば、逆パーク（Park）変換と逆クラーク（Clarke）変換とによって実現することができる。もしくは、２相／３相変換器３２による座標変換は、逆パーク変換と空間ベクトル変換とによって実現することもできる。
【００８１】
（直流制御部の詳細な動作）
図９は、図６の全アーム共通制御器における直流制御部の動作について説明するための図である。図９（Ａ）は、交流回路から直流回路に電力を供給する整流器として電力変換装置が動作する場合における機能ブロック図を示す。図９（Ｂ）は、直流回路から交流回路に有効電力を供給するインバータとして電力変換装置が動作する場合における機能ブロック図を示す。直流送電線路の一端に設けられた電力変換装置は、図９（Ａ）の構成の直流制御部を含み、直流送電線路の他端に設けられた電力変換装置は、図９（Ｂ）の構成の直流制御部を含む。
【００８２】
図９（Ａ）を参照して、整流器用の直流制御部３６は、減算器８０と、直流制御器８１とを含む。減算器８０は、与えられた直流端子電圧指令値と直流端子電圧実測値（Ｖｄｃｐ−Ｖｄｃｎ）との偏差を計算する。直流端子電圧実測値は、直流電圧検出器１１ａ，ｂによって検出された直流電圧実測値Ｖｄｃｐ，Ｖｄｃｎから求められる送電端電圧である。直流制御器８１は、上記の偏差に対して定められた演算を施すことにより、直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆを生成する。たとえば、直流制御器８１は、上記の偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、直流制御器８１として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００８３】
図９（Ｂ）を参照して、インバータ用の直流制御部３６は、演算器８２と、減算器８３，８５と、有効電力制御器８４と、直流電流制御器８６とを含む。
【００８４】
演算器８２は、各相の交流電圧実測値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗと、交流電流検出器１５で検出された交流回路２の各相の交流電流実測値とを受け取る。演算器８２は、これらの電圧値および電流値に基づいて、有効電力値Ｐａを計算する。減算器８３は、与えられた有効電力指令値Ｐａｒｅｆと算出された有効電力値Ｐａとの偏差を計算する。
【００８５】
有効電力制御器８４は、減算器８３によって算出された偏差に対して演算を施すことによって直流電流指令値Ｉｄｃｒｅｆを生成する。有効電力制御器８４は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、有効電力制御器８４として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００８６】
減算器８５は、直流電流指令値Ｉｄｃｒｅｆと直流電流値Ｉｄｃとの偏差を演算する。図６を参照して説明したように、直流電流値Ｉｄｃは、アーム電流実測値Ｉｕｐ，Ｉｕｎ，Ｉｖｐ，Ｉｖｎ，Ｉｗｐ，Ｉｗｎを用いて電流演算器２１によって計算される。
【００８７】
直流電流制御器８６は、減算器８５によって算出された偏差に対して演算を施すことによって直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆを生成する。直流電流制御器８６は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、直流電流制御器８６として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００８８】
［各相のアーム個別制御器の機能］
次に、図４の各相のアーム個別制御器４０ａ，４０ｂ，４０ｃの動作について説明する。以下では、ｕ相アーム個別制御器４０ａの動作について代表的に説明する。ｖ相アーム個別制御器４０ｂおよびｗ相アーム個別制御器４０ｃの動作は、以下の説明のｕ相をｖ相およびｗ相にそれぞれ読み替えたものと同じである。
【００８９】
図１０は、ｕ相アーム個別制御器の動作を示すブロック図である。図１０を参照して、ｕ相アーム個別制御器４０ａは、正側指令生成器４１、負側指令生成器４２、相間バランス制御器４３、正負バランス制御器４４、循環電流制御器５１を含む。ｕ相アーム個別制御器４０ａは、さらに、加算器４５，４６，４７と、減算器４８，４９，５０とを含む。
【００９０】
加算器４５は、直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆと、正側指令生成器４１によってｕ相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒｅｆを−１倍した値とを加算する。これによって、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆが生成される。
【００９１】
加算器４６は、直流電圧指令値Ｖｄｃｒｅｆと、負側指令生成器４２によってｕ相交流電圧指令値Ｖａｃｕｒｅｆを＋１倍した値とを加算する。これによって、ｕ相負側アーム電圧指令値Ｖｕｎｒｅｆが生成される。
【００９２】
減算器４８は、全キャパシタ電圧平均値Ｖｃａｌｌとｕ相キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕとの偏差を計算する。この偏差は、異なる相の間でのキャパシタ電圧のばらつきを意味している。
【００９３】
相間バランス制御器４３は、減算器４８によって算出された偏差に対して演算を施す。具体的に、相間バランス制御器４３は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、相間バランス制御器４３として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００９４】
減算器４９は、ｕ相正側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｐとｕ相負側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｎとの偏差を計算する。この偏差は、ｕ相正側アーム１３ａとｕ相負側アーム１４ａとの間でのキャパシタ電圧のばらつきを意味している。
【００９５】
正負バランス制御器４４は、減算器４９によって算出された偏差に対して演算を施す。具体的に、正負バランス制御器４４は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、正負バランス制御器４４として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００９６】
加算器４７は、相間バランス制御器４３による演算結果と正負バランス制御器４４による演算結果とを加算することによって、ｕ相循環電流指令値Ｉｃｃｕｒｅｆを生成する。
【００９７】
減算器５０は、ｕ相循環電流指令値Ｉｃｃｕｒｅｆとｕ相循環電流Ｉｃｃｕとの偏差を計算する。循環電流制御器５１は、減算器５０よって算出された偏差に対して演算を施すことにより、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆを生成する。循環電流制御器５１は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、循環電流制御器５１として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【００９８】
通信装置５２は、ｕ相正側アーム１３ａを構成する各変換器セル１の個別制御器６１に対して、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆ、およびｕ相正側キャパシタ平均値Ｖｃｕｐを送信する。通信装置５２は、さらに、ｕ相負側アーム１４ａを構成する各変換器セル１の個別制御器６１に対して、ｕ相負側アーム電圧指令値Ｖｕｎｒｅｆ、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆ、およびｕ相負側キャパシタ平均値Ｖｃｕｎを送信する。
【００９９】
上記において、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆおよびｕ相負側アーム電圧指令値Ｖｕｎｒｅｆの計算と、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆの計算とは互いに独立している。したがって、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆの計算周期は、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆおよびｕ相負側アーム電圧指令値Ｖｕｎｒｅｆの計算周期よりも短くすることができる。この結果、交流回路２の交流電流および直流回路４の直流電流に比べて変化が速い循環電流の制御性を良くすることができる。
【０１００】
［サブモジュール個別制御器の動作］
次に、各変換器セルに設けられたサブモジュール個別制御器６１の動作について説明する。以下では、ｕ相正側アーム１３ａ用のサブモジュール個別制御器６１の動作について代表的に説明する。ｕ相負側アーム１４ａ用のサブモジュール個別制御器６１の動作は、以下の説明の正側を負側に読み替えたものと同じである。ｖ相およびｗ相用のサブモジュール個別制御器６１の動作は、以下の説明のｕ相をｖ相またはｗ相と読み替えたものと同じである。
【０１０１】
図１１は、ｕ相正側アーム用のサブモジュール個別制御器の動作を示すブロック図である。図１１では、キャパシタ電圧実測値Ｖｃｉをデジタル値に変換するためのＡ／Ｄ変換器の図示が省略されている。さらに、図１１では、サブモジュール個別制御器６１と制御装置５との間での通信を行う通信装置６２の図示が省略されている。
【０１０２】
図１１を参照して、サブモジュール個別制御器６１は、キャパシタ電圧制御器６４、キャリア発生器６５、コンパレータ６７、減算器６３、および加算器６６を含む。
【０１０３】
減算器６３は、キャパシタ電圧指令値としてのｕ相正側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｐと、キャパシタ電圧実測値Ｖｃｉとの間の偏差を計算する。図１０で説明したように、ｕ相正側キャパシタ電圧平均値Ｖｃｕｐは、対応するｕ相アーム個別制御器４０ａから受信される。キャパシタ電圧実測値Ｖｃｉは、対応するサブモジュール主回路６０において検出される。
【０１０４】
キャパシタ電圧制御器６４は、減算器６３によって算出された偏差に対して演算を施す。具体的に、キャパシタ電圧制御器６４は、この偏差に対して比例演算および積分演算を行うＰＩ制御器として構成することもできるし、さらに微分演算を行うＰＩＤ制御器として構成することもできる。もしくは、キャパシタ電圧制御器６４として、フィードバック制御に用いられる他の制御器の構成を用いてもよい。
【０１０５】
加算器６６は、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆとキャパシタ電圧制御器６４の出力とを加算することによって、最終的なｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊を生成する。
【０１０６】
キャリア発生器６５は、位相シフトＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御で用いられるキャリア信号ＣＳを生成する。位相シフトＰＷＭ制御とは、ｕ相正側アーム１３ａを構成する複数の各変換器セル１に出力されるＰＷＭ信号のタイミングを相互にずらすものである。これによって、各変換器セル１の出力電圧の合成電圧に含まれる高調波成分を削減することができる。たとえば、各変換器セル１に設けられたサブモジュール個別制御器６１は、制御装置５から受信した共通の基準位相θｉに基づいて、相互に位相のずれたキャリア信号ＣＳを生成する。
【０１０７】
さらに、キャリア発生器６５は、生成したキャリア信号ＣＳを、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに応じて変調する。そして、キャリア発生器６５は、変調後のキャリア信号を後段のコンパレータ６７に出力する。後段のコンパレータ６７において生成されるＰＷＭ信号（すなわち、ゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂ）のパルス幅は、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに応じて変化する。この結果、ｕ相循環電流指令値Ｉｃｃｕｒｅｆとｕ相循環電流Ｉｃｃｕとの偏差がより小さくなるように制御される。キャリア発生器６５におけるキャリア信号ＣＳの変調方法の具体例については、図１２および図１３を参照して後述する。
【０１０８】
コンパレータ６７は、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊と、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに基づく変調後のキャリア信号ＣＳとを比較する。この比較結果に従って、コンパレータ６７は、サブモジュール主回路６０を構成するスイッチング素子１ａ，１ｂを制御するためのＰＷＭ変調信号としてのゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂを生成する。ゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂは、図２のスイッチング素子１ａ，１ｂの制御電極にそれぞれ供給される。この結果、サブモジュール主回路６０の出力電圧は、ｕ相循環電流Ｉｃｃｕに応じて制御される。
【０１０９】
［キャリア信号ＣＳの変調方法の具体例］
以下、キャリア信号ＣＳの変調方法の具体例として、ベースライン変調と周波数変調とについて説明する。なお、キャリア信号ＣＳの変調方法は、以下に示す方法に限定されない。最終的に生成されるゲート制御信号のパルス幅が循環電圧指令値に応じて変化する（たとえば、循環電流指令値が大きいほどゲート制御信号のパルス幅が広くなる）ように制御可能であれば、どのような変調方法であっても構わない。
【０１１０】
（ベースライン変調）
図１２は、キャリア信号の第１の変調方法を説明するための図である。図１２の例では、キャリア信号ＣＳの基準電位であるベースラインＢＬが、循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆ，Ｖｃｃｖｒｅｆ，Ｖｃｃｗｒｅｆに応じて変化する。
【０１１１】
図１２（Ａ）は、ベースライン変調が行われない場合のキャリア信号ＣＳ、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊、および、生成されたゲート制御信号Ｇａの波形を示す。図１２（Ｂ）は、ベースライン変調が行われた場合のキャリア信号ＣＳ、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊、および、生成されたゲート制御信号Ｇａの波形を示す。図１２（Ａ）の場合と図１２（Ｂ）の場合とで、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊の波形は同一である。また、キャリア信号ＣＳとして三角波が用いられる。ベースラインＢＬ以外のキャリア信号ＣＳの特徴は、図１２（Ａ）の場合と図１２（Ｂ）の場合とで共通である。なお、図１２（Ａ）および図１２（Ｂ）に示す信号波形は説明のために誇張したものであり、実際の信号波形をそのまま示したものではない。
【０１１２】
図１２（Ａ）を参照して、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊がキャリア信号ＣＳよりも大きい場合には、ゲート制御信号Ｇａはハイレベル（Ｈレベル）を示す。この場合、ゲート制御信号Ｇｂはローレベル（Ｌレベル）を示す。図２のサブモジュール主回路６０Ｈの例では、スイッチング素子１ａがオン状態に制御され、スイッチング素子１ｂがオフ状態に制御される。この結果、入出力端子１ｐと１ｎとの間には直流コンデンサ１ｅの両端間の電圧が印加される。
【０１１３】
一方、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊がキャリア信号ＣＳよりも小さい場合には、ゲート制御信号ＧａはＬレベルを示す。この場合、ゲート制御信号ＧｂはＨレベルを示す。図２のサブモジュール主回路６０Ｈの例では、スイッチング素子１ａがオフ状態になり、スイッチング素子１ｂがオン状態になる。この結果、入出力端子１ｐと１ｎとの間の電位差は０Ｖになる。
【０１１４】
図１２（Ｂ）を参照して、ベースラインＢＬがｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに応じて変化した場合、ゲート制御信号Ｇａのパルス幅がベースラインＢＬの変化に応じて変化する。具体的に図１２（Ｂ）の例では、図１２（Ａ）の場合と比較してベースラインＢＬがより低電位になると、ゲート制御信号Ｇａのパルス幅がより大きくなる。図１２（Ａ）の場合と比較してベースラインＢＬがより高電位になると、ゲート制御信号Ｇａのパルス幅がより小さくなる。このように、循環電圧指令値に応じてベースラインＢＬを変化させることによって、ゲート制御信号Ｇａのパルス幅を変化させることができる。なお、コンパレータ６７は、ゲート制御信号Ｇａと相補的になるようにゲート制御信号Ｇｂを変化させる。
【０１１５】
（周波数変調）
図１３は、キャリア信号の第２の変調方法を説明するための図である。図１３の例では、キャリア信号ＣＳの周波数が、循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆ，Ｖｃｃｖｒｅｆ，Ｖｃｃｗｒｅｆに応じて変化する。
【０１１６】
図１３では、キャリア信号ＣＳ、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊、生成されたゲート制御信号Ｇａ、およびｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆの波形が示されている。キャリア信号ＣＳとしてのこぎり波状のパルス波形が用いられる。キャリア信号ＣＳを構成する各単一パルスの波形は同一であるが、その生成頻度（すなわち、キャリア信号ＣＳの周波数）がｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに応じて変化する。
【０１１７】
具体的に図１３の例では、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆが小さいほどキャリア信号ＣＳの周波数が高くなり、結果としてゲート制御信号Ｇａのパルス幅が小さくなる。逆に、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆが大きいほどキャリア信号ＣＳの周波数が低くなり、結果としてゲート制御信号Ｇａのパルス幅が大きくなる。このように、循環電圧指令値に応じてキャリア信号ＣＳの周波数を変化させることによって、ゲート制御信号Ｇａのパルス幅を変化させることができる。
【０１１８】
［実施の形態１の効果］
上記したような電力変換装置の構成によれば、従来よりも高速かつ高精度の循環電流制御が可能になる。以下、従来技術と比較することによって上記のメリットを具体的に説明する。
【０１１９】
循環電流制御の際に問題となる点の１つは、循環電流の大きさはアーム電流の大きさに比べてかなり小さい点にある。この結果、循環電圧指令値の大きさはアーム電圧指令値の大きさに比べてかなり小さくなる。従来技術では、循環電圧指令値をアーム電圧指令値に加算することによって、各サブモジュールに供給する電圧指令値が生成されていた。しかし、制御装置５とサブモジュール個別制御器６１との間の通信におけるダイナミックレンジには限界があるので、比較的大きいアーム電圧指令値の量子化ビット数が十分であったとしても、比較的小さい循環電圧指令値の量子化ビット数は小さい値となってしまうという問題が生じる。この結果、循環電流制御の精度が悪くなる。
【０１２０】
本実施の形態の電力変換装置によれば、アーム電圧指令値と循環電圧指令値とは別々に制御装置５からサブモジュール個別制御器６１に伝送される。したがって、アーム電圧指令値とは無関係に循環電圧指令値の大きさに応じてビット幅を小さく設定できるので、循環電圧指令値に対応する量子化ビット数を大きくすることができる。これにより、循環電流制御の精度を良くすることができる。
【０１２１】
循環電流制御の際の他の問題点は、交流電流および直流電流の変化に比べて循環電流の変化が急である点にある。従来技術では、アーム電圧指令値の計算周期は、ＣＰＵの演算時間を考慮して比較的長い時間に設定されていた。そして、この計算周期で循環電流制御も行われていた。結果として、循環電流の急変に対する応答が遅いという問題があった。この解決策として、単純に循環電圧指令値の計算周期を短くするだけでは十分ではない。循環電圧指令値とアーム電圧指令値とを単純に加算することによって最終的な電圧指令値が計算されるので、循環電圧指令値とアーム電圧指令値とが相互に干渉する場合があるからである。
【０１２２】
本実施の形態の電力変換装置によれば、循環電圧指令値は、アーム電圧指令値と独立してＰＷＭ信号生成用のキャリア信号の変調に用いられる。したがって、交流回路２の交流電流および直流回路４の直流電流に比べて変化が速い循環電流の制御性を良くするために、循環電圧指令値の計算周期は、アーム電圧指令値の計算周期よりも短くすることができる。
【０１２３】
以上により、本実施の形態の電力変換装置によれば、従来よりも高速かつ高精度の循環電流制御を実現できる。
【０１２４】
実施の形態２．
実施の形態２の電力変換装置では、サブモジュール個別制御器の構成が実施の形態１と異なる。電力変換装置のその他の構成は、実施の形態１の場合と同一または類似した構成であるので説明を繰り返さない。
【０１２５】
図１４は、実施の形態２の電力変化装置によるサブモジュール個別制御器９０の構成を示すブロック図である。図１４のサブモジュール個別制御器９０は、パルス幅補正器９１をさらに含む点で図１１のサブモジュール個別制御器６１と異なる。
【０１２６】
具体的に、サブモジュール個別制御器９０は、キャパシタ電圧制御器６４、キャリア発生器６５、コンパレータ６７、減算器６３、および加算器６６を含む。減算器６３、キャパシタ電圧制御器６４、および加算器６６の動作は、図１１の場合と同様であるので説明を繰り返さない。
【０１２７】
キャリア発生器６５は、位相シフトＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御で用いられるキャリア信号ＣＳを生成する。位相シフトＰＷＭ制御とは、ｕ相正側アーム１３ａを構成する複数の各変換器セル１に出力されるＰＷＭ信号のタイミングを相互にずらすものである。ここで、図１１の場合と異なり図１４の場合には、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに基づくキャリア信号ＣＳの変調は行われない。
【０１２８】
コンパレータ６７は、ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖｕｐｒｅｆ＊とキャリア信号ＣＳとを比較することによって、ＰＷＭ変調信号Ｇａ０，Ｇｂ０を生成する。ＰＷＭ変調信号Ｇａ０，Ｇｂ０は、それぞれ、ゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂの元になる信号である。
【０１２９】
パルス幅補正器９１は、ＰＷＭ変調信号Ｇａ０，Ｇｂ０のパルス幅をｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに応じて補正することによって、ゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂをそれぞれ生成する。たとえば、パルス幅補正器９１は、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆが大きくなるほどゲート制御信号Ｇａのパルス幅が大きくなるように、対応するＰＷＭ変調信号Ｇａ０の立ち下がりのタイミングを、ｕ相循環電圧指令値Ｖｃｃｕｒｅｆに応じて変化させる。ゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂは互いに相補的な信号であるので、ＰＷＭ変調信号Ｇａ０の立ち下がりタイミングの変化量に応じて、ＰＷＭ変調信号Ｇｂ０の立ち上がりタイミングを変化させる必要がある。
【０１３０】
パルス幅補正器９１によって生成されたゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂは、図２のスイッチング素子１ａ，１ｂの制御電極にそれぞれ供給される。この結果、サブモジュール主回路６０の出力電圧は、ｕ相循環電流Ｉｃｃｕに応じて制御される。
【０１３１】
上記の構成のサブモジュール個別制御器９０を備えた電力変換装置においても、実施の形態１の場合と同様の効果を奏する。すなわち、実施の形態２の電力変換装置によれば、従来よりも高速かつ高精度の循環電流制御を実現できる。
【０１３２】
実施の形態３．
図１５は、実施の形態３における電力変換装置において、制御装置の全体構成を示すブロック図である。図１５には、各変換器セル１に設けられたサブモジュール主回路６０も併せて示されている。
【０１３３】
図１５に示すように、実施の形態３の電力変換装置では、サブモジュール個別制御器６１の配置が実施の形態１の場合と異なる。具体的に、サブモジュール個別制御器６１は、制御装置５の内部に配置される。したがって、サブモジュール個別制御器６１とサブモジュール主回路６０との間に、ゲート制御信号Ｇａ，Ｇｂを伝送するための光通信路が設けられる。図１５では、サブモジュール個別制御器６１側の光通信装置と、サブモジュール主回路６０側の光通信装置とは図示されていない。
【０１３４】
図１５に示す構成の制御装置５を備えた電力変換装置においても、実施の形態１の場合と同様の効果を奏する。すなわち、実施の形態３の電力変換装置によれば、従来よりも高速かつ高精度の循環電流制御を実現できる。なお、実施の形態２と実施の形態３とを組み合わせることもできる。
【０１３５】
実施の形態４．
実施の形態４では、実施の形態１〜３で説明した電力変換装置をＳＴＡＴＣＯＭ（Static  Synchronous  Compensator）と称する無効電力補償装置に適用した例について説明する。
【０１３６】
図１６は、Δ結線方式のＳＴＡＴＣＯＭの構成例を示す図である。図１６を参照して、ＳＴＡＴＣＯＭ１００は、電力変換回路１１０とこれを制御する制御回路５とを含む。電力変換回路１１０は、各々が互いにカスケードに接続された複数の変換器セル１を含むレグ回路１１１，１１２，１１３を備える。レグ回路１１１，１１２，１１３は互いにデルタ結線される。各レグ回路１１１，１１２，１１３には、複数の変換器セル１と直列にリアクトル１１４が設けられていてもよい。ＳＴＡＴＣＯＭ１１０は、変圧器１０２を介して交流回路２（交流電力系統）に設けられた送電線１０１と接続される。
【０１３７】
レグ回路１１１，１１２，１１３を構成する各変換器セル１は、図２および図３で説明したいずれの構成を有していてもよい。
【０１３８】
図１６に示すＳＴＡＴＣＯＭ１００は、実施の形態１〜３で説明した制御装置５および各セル変換器１に設けられた個別制御器６１と類似の構成を含むように構成できる。したがって、実施の形態１〜３の場合と同様の効果を奏することができる。
【０１３９】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０１４０】
１  変換器セル、１ａ，１ｂ，１ｆ，１ｇ  スイッチング素子、１ｅ  直流コンデンサ、１ｎ，１ｐ  入出力端子、２  交流回路、３  連系変圧器、４  直流回路、５  制御装置、７ａ，７ｂ  リアクトル、８ａ，８ｂ，８ｃ  レグ回路、９ａ，９ｂ  アーム電流検出器、１０  交流電圧検出器、１１ａ，１１ｂ  直流電圧検出器、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ  正側アーム、１４ａ，１４ｂ，１４ｃ  負側アーム、１５  交流電流検出器、２０  全アーム共通制御器、３５  交流制御部、３６  直流制御部、４０ａ，４０ｂ，４０ｃ  アーム個別制御器、５２，６２  通信装置、６０，６０Ｆ，６０Ｈ，６０Ｈｙｂ  サブモジュール主回路、６１，９０  サブモジュール個別制御器、６４  キャパシタ電圧制御器、６５  キャリア発生器、６７  コンパレータ、９１  パルス幅補正器、ＣＳ  キャリア信号、Ｇａ，Ｇｂ  ゲート制御信号、Ｇａ０，Ｇｂ０  ＰＷＭ変調信号、Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗ  循環電流値、Ｉｄｃ  直流電流値、Ｉｕｎ，Ｉｖｎ，Ｉｗｎ  負側アーム電流値、Ｉｕｐ，Ｉｖｐ，Ｉｗｐ  正側アーム電流値、Ｖｃｃｕｒｅｆ，Ｖｃｃｖｒｅｆ，Ｖｃｃｗｒｅｆ  循環電圧指令値、Ｖｕｎｒｅｆ，Ｖｖｎｒｅｆ，Ｖｗｎｒｅｆ  負側アーム電圧指令値、Ｖｕｐｒｅｆ，Ｖｖｐｒｅｆ，Ｖｗｐｒｅｆ  正側アーム電圧指令値。
【要約】
ＭＭＣ方式の電力変換装置において、制御装置（５）は、複数のレグ回路（８）間を循環する循環電流（Ｉｃｃｕ）に基づかない第１の電圧指令値（Ｖｕｐｒｅｆ，Ｖｕｎｒｅｆ）および循環電流（Ｉｃｃｕ）に基づく第２電圧指令値（Ｖｃｃｕｒｅｆ）を、レグ回路ごとに生成する。複数の個別制御器（６１）は、複数の変換器セル（１）にそれぞれ対応して設けられ、第１の電圧指令値および第２の電圧指令値に基づいて対応の変換器セルのスイッチング素子（１ａ）の開閉を制御するためのゲート制御信号（Ｇａ）を生成する。各個別制御器は、パルス幅変調を用いてゲート制御信号を生成する際に、ゲート制御信号のパルス幅が第２の電圧指令値に応じて変化するように、第２の電圧指令値によってキャリア信号（ＣＳ）を変調する。【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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