(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正極側に一方の端子が接続される第１のコンデンサと、前記直流電源の負極側に一方の端子が接続される第２のコンデンサと、を有し、前記第１及び第２のコンデンサの他方の端子が互いに接続され、該第１及び第２のコンデンサの接続点を中性点とするコンデンサ直列接続体と、
前記直流電源の出力と並列にそれぞれ接続され、前記直流電源の正極側の電圧、負極側の電圧、及び前記中性点の電圧の３レベルの電圧を出力する交流出力端子をそれぞれ有する第１及び第２のアームと、
前記中性点の電圧及び前記直流電源の電圧に基づいて３相電圧補正指令を求める中性点電圧制御器及び該３相電圧補正指令をｄ−ｑ軸上の電圧補正指令に変換する座標変換器が設けられ、該ｄ−ｑ軸上の該電圧補正指令に基づいて該ｄ−ｑ軸上の電圧指令を補正して、前記中性点の電圧の変動を抑制する制御部と、を備え、
前記中性点が、１相が接地された３相電力系統の接地相に接続され、前記第１及び第２のアームの前記交流出力端子が、それぞれ前記３相電力系統の非接地相に接続される３レベルインバータ。
【請求項２】
請求項１記載の３レベルインバータにおいて、前記アームは直列に接続された第１、第２、第３、及び第４の半導体スイッチング素子と、
前記第１の半導体スイッチング素子及び前記第２の半導体スイッチング素子の接続点と前記中性点との間に接続された第１のダイオードと、
前記第３の半導体スイッチング素子及び前記第４の半導体スイッチング素子の接続点と前記中性点との間に接続された第２のダイオードと、を有し、
前記第２の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子の接続点を前記交流出力端子とする３レベルインバータ。
【請求項３】
請求項１記載の３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記非接地相の成分を０とし、前記接地相の成分を前記中性点の電圧及び前記直流電源の電圧に基づいて決定する３レベルインバータ。
【請求項４】
請求項３記載の３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記接地相の成分は、前記直流電源が出力する直流電圧及び前記中性点の電圧から中性点の電圧の偏差を求め、該偏差に調整ゲインＫ１を乗じて決定される３レベルインバータ。
【請求項５】
請求項３記載の３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記接地相の成分は、前記直流電源が出力する直流電圧及び前記中性点の電圧から中性点の電圧の偏差を求め、該偏差をＰＩ増幅して決定される３レベルインバータ。
【請求項６】
請求項３記載の３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記接地相の成分は、前記直流電源が出力する直流電圧の２分の１と前記中性点の電圧との偏差に基づいて決定される３レベルインバータ。
【請求項７】
直流電圧を昇圧する昇圧器と、
前記昇圧器に接続された３レベルインバータと、を備え、
前記３レベルインバータは、１）前記昇圧器の出力の正極側に一方の端子が接続される第１のコンデンサと、前記昇圧器の前記出力の負極側に一方の端子が接続される第２のコンデンサと、を有し、前記第１及び第２のコンデンサの他方の端子が互いに接続され、該第１及び第２のコンデンサの接続点を中性点とするコンデンサ直列接続体と、
２）前記昇圧器の前記出力と並列にそれぞれ接続され、該出力の正極側の電圧、負極側の電圧、及び前記中性点の電圧の３レベルの電圧を出力する交流出力端子をそれぞれ有する第１及び第２のアームと、
３）前記中性点の電圧の偏差量に基づいて３相電圧補正指令を求める中性点電圧制御器及び該３相電圧補正指令をｄ−ｑ軸上の電圧補正指令に変換する座標変換器が設けられ、該ｄ−ｑ軸上の該電圧補正指令に基づいて該ｄ−ｑ軸上の電圧指令を補正して、前記中性点の電圧の変動を抑制する制御部と、を備え、
前記中性点が、１相が接地された３相電力系統の接地相に接続され、前記第１及び第２のアームの前記交流出力端子が、それぞれ前記３相電力系統の非接地相に接続されるパワーコンディショナ。
【請求項８】
直流電圧を出力する発電装置と、
前記直流電圧を昇圧する昇圧器と、
前記昇圧器に接続された３レベルインバータと、を備え、
前記３レベルインバータは、１）前記昇圧器の出力の正極側に一方の端子が接続される第１のコンデンサと、前記昇圧器の前記出力の負極側に一方の端子が接続される第２のコンデンサと、を有し、前記第１及び第２のコンデンサの他方の端子が互いに接続され、該第１及び第２のコンデンサの接続点を中性点とするコンデンサ直列接続体と、
２）前記昇圧器の前記出力と並列にそれぞれ接続され、該出力の正極側の電圧、負極側の電圧、及び前記中性点の電圧の３レベルの電圧を出力する交流出力端子をそれぞれ有する第１及び第２のアームと、
３）前記中性点の電圧の偏差量に基づいて３相電圧補正指令を求める中性点電圧制御器及び該３相電圧補正指令をｄ−ｑ軸上の電圧補正指令に変換する座標変換器が設けられ、該ｄ−ｑ軸上の該電圧補正指令に基づいて該ｄ−ｑ軸上の電圧指令を補正して、前記中性点の電圧の変動を抑制する制御部と、を備え、
前記中性点が、１相が接地された３相電力系統の接地相に接続され、前記第１及び第２のアームの前記交流出力端子が、それぞれ前記３相電力系統の非接地相に接続される発電システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、出力の１相が接地された３レベルインバータ、パワーコンディショナ及び発電システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、３レベルインバータに用いられ、その正母線と負母線との間に直列に接続された２つのコンデンサの接続点（中性点）と負母線との間の電圧（中性点電圧）を制御する中性点電圧制御装置が開示されている。中性点電圧が変動すると、出力電流に直流成分が重畳することから、この変動を抑制することが望ましい。
特許文献１に記載の中性点電圧制御装置は、中性点電圧の値から、正母線と負母線との間の電圧の２分の１の電圧値である第１の基準電圧値を減算した値を出力する減算手段と、減算手段から出力された値が、負の値である第２の基準電圧値より小さい場合に、中性点電圧を上昇させるための第１の信号をオンする第１の比較手段と、減算手段から出力された値が、正の値である第３の基準電圧値より大きい場合に、中性点電圧を下降させるための第２の信号をオンする第２の比較手段と、第１及び第２の信号を２ビットのディジタル信号に絶縁変換する絶縁手段と、ディジタル信号に基づいて中性点電圧制御指令を計算して出力する計算手段とを備えている。この特許文献１に記載の中性点電圧制御装置を備える３レベルインバータは、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相のいずれも接地されておらず、各相の電圧を出力するＵ相アーム、Ｖ相アーム、及びＷ相アームの３アームを有する。そのため、この３レベルインバータが備える計算手段は、中性点電圧制御指令を固定座標系にて直接生成し、生成された中性点電圧制御指令に基づいて、中性点電圧を出力するアームを制御して、中性点電圧変動を抑制することが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００２−１７６７８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ここで、一般に、３相の出力のうち、例えばＶ相が接地される３レベルインバータは、Ｕ相アーム及びＷ相アームの２つのアームのみを有し、Ｖ相アームが設けられていないため、Ｖ相電圧（中性点電圧）を直接制御することができない。そのため、Ｖ相が接地されるこの３レベルインバータに対して、特許文献１に記載の技術をそのまま適用することは困難であった。
本発明は、出力電流に重畳する直流成分を抑制することができる、出力の１相が接地された３レベルインバータ、パワーコンディショナ及び発電システム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】
前記目的に沿う第１の発明に係る３レベルインバータは、直流電源の正極側に一方の端子が接続される第１のコンデンサと、前記直流電源の負極側に一方の端子が接続される第２のコンデンサと、を有し、前記第１及び第２のコンデンサの他方の端子が互いに接続され、該第１及び第２のコンデンサの接続点を中性点とするコンデンサ直列接続体と、
前記直流電源の出力と並列にそれぞれ接続され、前記直流電源の正極側の電圧、負極側の電圧、及び前記中性点の電圧の３レベルの電圧を出力する交流出力端子をそれぞれ有する第１及び第２のアームと、
前記中性点の電圧及び前記直流電源の電圧に基づいて３相電圧補正指令を求める中性点電圧制御器及び該３相電圧補正指令をｄ−ｑ軸上の電圧補正指令に変換する座標変換器が設けられ、該ｄ−ｑ軸上の該電圧補正指令に基づいて該ｄ−ｑ軸上の電圧指令を補正して、前記中性点の電圧の変動を抑制する制御部と、を備え、
前記中性点が、１相が接地された３相電力系統の接地相に接続され、前記第１及び第２のアームの前記交流出力端子が、それぞれ前記３相電力系統の非接地相に接続される。
【０００６】
第１の発明に係る３レベルインバータにおいて、前記アームは直列に接続された第１、第２、第３、及び第４の半導体スイッチング素子と、
前記第１の半導体スイッチング素子及び前記第２の半導体スイッチング素子の接続点と前記中性点との間に接続された第１のダイオードと、
前記第３の半導体スイッチング素子及び前記第４の半導体スイッチング素子の接続点と前記中性点との間に接続された第２のダイオードと、を有し、
前記第２の半導体スイッチング素子と前記第３の半導体スイッチング素子の接続点を前記交流出力端子とすることができる。
【０００７】
第１の発明に係る３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記非接地相の成分を０とし、前記接地相の成分を前記中性点の電圧及び前記直流電源の電圧に基づいて決定することができる。
【０００８】
第１の発明に係る３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記接地相の成分を、前記直流電源が出力する直流電圧及び前記中性点の電圧から中性点の電圧の偏差を求め、該偏差に調整ゲインＫ１を乗じて決定することができる。
【０００９】
第１の発明に係る３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記接地相の成分を、前記直流電源が出力する直流電圧及び前記中性点の電圧から中性点の電圧の偏差を求め、該偏差をＰＩ増幅して決定することができる。
【００１０】
第１の発明に係る３レベルインバータにおいて、前記３相電圧補正指令の前記接地相の成分を、前記直流電源が出力する直流電圧の２分の１と前記中性点の電圧との偏差に基づいて決定することができる。
【００１１】
前記目的に沿う第２の発明に係るパワーコンディショナは、直流電圧を昇圧する昇圧器と、
前記昇圧器に接続された３レベルインバータと、を備え、
前記３レベルインバータは、１）前記昇圧器の出力の正極側に一方の端子が接続される第１のコンデンサと、前記昇圧器の前記出力の負極側に一方の端子が接続される第２のコンデンサと、を有し、前記第１及び第２のコンデンサの他方の端子が互いに接続され、該第１及び第２のコンデンサの接続点を中性点とするコンデンサ直列接続体と、
２）前記昇圧器の前記出力と並列にそれぞれ接続され、該出力の正極側の電圧、負極側の電圧、及び前記中性点の電圧の３レベルの電圧を出力する交流出力端子をそれぞれ有する第１及び第２のアームと、
３）前記中性点の電圧の偏差量に基づいて３相電圧補正指令を求める中性点電圧制御器及び該３相電圧補正指令をｄ−ｑ軸上の電圧補正指令に変換する座標変換器が設けられ、該ｄ−ｑ軸上の該電圧補正指令に基づいて該ｄ−ｑ軸上の電圧指令を補正して、前記中性点の電圧の変動を抑制する制御部と、を備え、
前記中性点が、１相が接地された３相電力系統の接地相に接続され、前記第１及び第２のアームの前記交流出力端子が、それぞれ前記３相電力系統の非接地相に接続される。
【００１２】
前記目的に沿う第３の発明に係る発電システムは、直流電圧を出力する発電装置と、
前記直流電圧を昇圧する昇圧器と、
前記昇圧器に接続された３レベルインバータと、を備え、
前記３レベルインバータは、１）前記昇圧器の出力の正極側に一方の端子が接続される第１のコンデンサと、前記昇圧器の前記出力の負極側に一方の端子が接続される第２のコンデンサと、を有し、前記第１及び第２のコンデンサの他方の端子が互いに接続され、該第１及び第２のコンデンサの接続点を中性点とするコンデンサ直列接続体と、
２）前記昇圧器の前記出力と並列にそれぞれ接続され、該出力の正極側の電圧、負極側の電圧、及び前記中性点の電圧の３レベルの電圧を出力する交流出力端子をそれぞれ有する第１及び第２のアームと、
３）前記中性点の電圧の偏差量に基づいて３相電圧補正指令を求める中性点電圧制御器及び該３相電圧補正指令をｄ−ｑ軸上の電圧補正指令に変換する座標変換器が設けられ、該ｄ−ｑ軸上の該電圧補正指令に基づいて該ｄ−ｑ軸上の電圧指令を補正して、前記中性点の電圧の変動を抑制する制御部と、を備え、
前記中性点が、１相が接地された３相電力系統の接地相に接続され、前記第１及び第２のアームの前記交流出力端子が、それぞれ前記３相電力系統の非接地相に接続される。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１〜６記載の３レベルインバータにおいては、出力電流に重畳する直流成分を抑制することが可能である。
請求項７記載のパワーコンディショナにおいては、出力電流に重畳する直流成分を抑制することが可能である。
請求項８記載の発電システムにおいては、出力電流に重畳する直流成分を抑制することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の一実施の形態に係る３レベルインバータの説明図である。
【図２】同３レベルインバータの制御部のブロック図である。
【図３】同３レベルインバータの中性点電圧制御器のブロック図である。
【図４】同３レベルインバータの各アームのスイッチング状態と電圧指令ベクトルの関係を示すベクトル図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
続いて、添付した図面を参照しつつ、本発明を具体化した実施の形態につき説明し、本発明の理解に供する。
【００１６】
図１に示すように、本発明の一実施の形態に係る３レベルインバータ１０は、第１の平滑コンデンサ３５及び第２の平滑コンデンサ３６を直列に接続したコンデンサ直列接続体１２と、３つの異なる電圧レベルを出力する電力変換部５０とを備えている。なお、図１に示す３レベルインバータ１０は、その一部の構成のみを示している。
【００１７】
図１において、昇圧チョッパ１１は、太陽電池パネル（発電装置の一例）１５に接続されている。太陽電池パネル１５は、太陽光を受け、例えば１００〜６００Ｖの直流電圧を出力する。
昇圧チョッパ（昇圧器の一例）１１は、太陽電池パネル１５が出力した直流電圧を昇圧する。昇圧後の出力電圧は、例えば７００Ｖである。昇圧チョッパ１１は、リアクトル２０及び半導体スイッチング素子２１、２２から少なくとも構成されている。また、太陽電池パネル１５が出力した直流電圧は、フィルタ２５及び配線用遮断機ＭＣＣＢを介して昇圧チョッパ１１に入力される。フィルタ２５及び配線用遮断器ＭＣＣＢは、本実施の形態の３レベルインバータが適用される用途において、必要に応じて設けられるもので、本実施の形態はこれらの有無に関係するものではない。なお、太陽電池パネル、フィルタ２５、ＭＣＢ及び昇圧チョッパ１１は、直流電源の一例を構成する。
【００１８】
３レベルインバータ１０は、昇圧チョッパ１１が出力した直流電力を、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の３相交流電力に変換する。この３相交流電力は、電力系統に供給される。なお、図１では、３レベルインバータ１０の出力であるＵ相、Ｖ相、及びＷ相が、電力系統側のそれぞれＲ相、Ｓ相、及びＴ相に接続される一例を示している。
【００１９】
３レベルインバータ１０の入力側には、第１の平滑コンデンサ３５及び第２の平滑コンデンサ３６が直列に接続されたコンデンサ直列接続体１２が設けられている。第１の平滑コンデンサ３５は昇圧チョッパ１１が出力した直流電圧Ｖｄｃの正極側（図１に示す点ｐ）に接続され、第２の平滑コンデンサ３６は、昇圧チョッパ１１が出力した直流電圧Ｖｄｃの負極側（図１に示す点ｎ）に接続されている。３レベルインバータ１０に入力された直流電圧Ｖｄｃは、第１の平滑コンデンサ３５及び第２の平滑コンデンサ３６によって、中性点ｃ（第１の平滑コンデンサ３５及び第２の平滑コンデンサ３６の接続点）において、この直流電圧Ｖｄｃの実質的に半分の大きさの中性点電圧Ｖｃに分圧される。
３レベルインバータ１０の出力側には、Ｕ相電圧を出力するＵ相アーム（第１のアーム）３７及びＷ相電圧を出力するＷ相アーム（第２のアーム）３８の２つのアームが設けられている。各アーム３７、３８は、それぞれ直列接続された第１の半導体スイッチング素子４０、第２の半導体スイッチング素子４１、第３の半導体スイッチング素子４２、及び第４の半導体スイッチング素子４３を有している。第１のダイオード４５は、第１の半導体スイッチング素子及び第２の半導体スイッチング素子の接続点ｅと中性点ｃとの間に接続されている。第１のダイオード４５のカソード側は接続点ｅに接続され、アノード側は中性点ｃに接続されている。第２のダイオード４６は、第３の半導体スイッチング素子及び第４の半導体スイッチング素子の接続点ｆと中性点ｃとの間に接続されている。第２のダイオード４６のアノード側は接続点ｆに接続され、カソード側は中性点ｃに接続されている。前記第２の半導体スイッチング素子４１と前記第３の半導体スイッチング素子４２の接続点ｇは、交流出力端子となる。なお、第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３には、それぞれ第３のダイオード４７が逆並列に接続されている。
第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３は、後述する制御部５５（図２参照）によりオン、オフタイミングが制御される。その結果、Ｕ相アーム及びＷ相アームの交流出力端子から、それぞれ昇圧チョッパ出力の正極側の電圧、負極側の電圧、及び中性点の電圧の３レベルの電圧が出力される。
３レベルインバータ１０の電力変換部５０には、Ｖ相電圧を出力するＶ相アームは設けられていない。つまり、３レベルインバータ１０のアームは、Ｕ相アーム３７及びＷ相アーム３８の２つのアームのみである。Ｖ相は中性点ｃに接続されている。また、Ｖ相は、Ｓ相として電力系統側にて接地されている。
【００２０】
３レベルインバータ１０により出力された３相交流電力は、出力フィルタ３０、フィルタ３１、及び配線用遮断機ＭＣＣＢを介して、Ｓ相が接地された３相電力系統（例えば、電圧２００Ｖ、５０／６０Ｈｚ）に供給される。
【００２１】
次に、３レベルインバータ１０について、詳細に説明する。
図２に示すように、３レベルインバータ１０は、前述のコンデンサ直列接続体１２及び電力変換部５０に加え、第１のＡ／Ｄ変換部５１、第２のＡ／Ｄ変換部５２、制御部５５、及びＰＷＭ信号生成部５６を備えている。
【００２２】
電力変換部５０は、昇圧チョッパ１１から出力された直流電力を、ＰＷＭ信号生成部５６が出力するＰＷＭ信号に応じて、各スイッチング素子４０（図１参照）を開閉することにより、３相交流電力に変換する。第１のＡ／Ｄ変換部５１は、電流検出センサ５９によって検出された３相電流値Ｉｕ、ＩｗをＡ／Ｄ変換する。
第２のＡ／Ｄ変換部５２は、例えば、抵抗で構成される分圧回路（不図示）が、直流電圧Ｖｄｃ及び中性点電圧Ｖｃを各々分圧することにより検出した直流電圧Ｖｐｎ及び中性点電圧ＶｃｎをＡ／Ｄ変換する。
第１のＡ／Ｄ変換部５１及び第２のＡ／Ｄ変換部５２は、例えば、Ａ／Ｄ変換ＩＣにより構成される。
【００２３】
制御部５５は、第１のＡ／Ｄ変換部５１によって出力された電流値Ｉｕｄ、Ｉｗｄ、を、各々ｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆ及びｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆから減算する。また、制御部５５は、第２のＡ／Ｄ変換部５２によって出力された直流電圧Ｖｐｎｄ、中性点電圧Ｖｃｎｄに基づいて、後述するようにｑ軸電圧指令値Ｖｑ及びｄ軸電圧指令値Ｖｄを補正する。制御部５５は、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ及びｄ軸電圧指令値Ｖｄを補正することによって、Ｖ相に重畳する直流成分が抑制された３相交流電力を出力するように、ＰＷＭ指令を生成する。制御部５５は、例えば、３レベルインバータ１０に搭載されたＣＰＵ（不図示）が実行するソフトウェアにより実現される。制御部５５の詳細については後述する。
【００２４】
ＰＷＭ信号生成部５６は、制御部５５が出力したＰＷＭ指令に従って、ＰＷＭ信号を生成し、電力変換部５０に設けられた半導体スイッチング素子４０〜４３を駆動する。ＰＷＭ信号生成部５６は、例えば、ＰＷＭ  ＩＣにより構成される。
【００２５】
次に、制御部５５について詳細に説明する。制御部５５は、座標変換器６０、中性点電圧制御器６１、座標変換器６２、ｑ軸電流制御器６３、ｄ軸電流制御器６４、リミッタ６５、６６、及び指令演算器６７を有している。
座標変換器６０は、α−β変換器６０ａ及びｄ−ｑ変換器６０ｂを有している。
α−β変換器６０ａは、第１のＡ／Ｄ変換部５１によって出力された電流値Ｉｕｄ、Ｉｗｄから演算により電流値Ｉｖｄを求める。電流検出センサ５９をＶ相にも設け、第１のＡ／Ｄ変換部５１によって電流値Ｉｖｄを出力する構成とすることも可能である。更に、α−β変換器６０ａは、三相電流値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ、Ｉｗｄを二相電流値に変換するα−β変換を行う。α−β変換された電流値Ｉｕｄ、Ｉｖｄ、Ｉｗｄは、電流値Ｉα、Ｉβとして出力される。
ｄ−ｑ変換器６０ｂは、位相検出器７０が出力する電源の位相θに基づいて、α−β変換器６０ａが出力した電流値Ｉα、Ｉβをｄ−ｑ変換する。ｄ−ｑ変換された電流値Ｉα、Ｉβは、フィードバック電流値Ｉｄ、Ｉｑとして出力される。
【００２６】
中性点電圧制御器６１は、直流電圧Ｖｐｎｄ及び中性点電圧Ｖｃｎｄがそれぞれ入力され、これら電圧値から、Ｖ相電圧補正指令値ΔＶｖを求める。具体的には、中性点電圧制御器６１は、直流電圧Ｖｐｎｄ及び中性点電圧Ｖｃｎｄから中性点電圧の偏差ΔＶＣＮＤを求め、この偏差ΔＶＣＮＤに調整ゲインＫ１を乗じたものを接地相であるＶ相の電圧補正指令値ΔＶｖとして求める。更に具体的には、中性点電圧制御器６１は、図３に示すように、中性点電圧Ｖｃｎｄから直流電圧Ｖｐｎｄの半分の電圧を減算して中性点電圧の偏差ΔＶＣＮＤを求め、この偏差ΔＶＣＮＤに調整ゲインＫ１を乗じたものをＶ相電圧補正指令値ΔＶｖとして求める。なお、偏差ΔＶＣＮＤをＰＩ（比例積分）増幅してＶ相電圧補正指令値ΔＶｖとして求める構成とすることも可能である。
中性点電圧制御器６１は、更に、非接地相であるＵ相の電圧補正指令値ΔＶｕ、及び同じく非接地相であるＷ相の電圧補正指令値ΔＶＷを０とみなし、３相電圧補正指令（ΔＶｕ、ΔＶｖ、ΔＶＷ）を３相電圧補正指令（０、ΔＶｖ、０）として出力する。
【００２７】
座標変換器６２は、中性点電圧制御器６１によって出力された３相電圧補正指令（０、ΔＶｖ、０）をα−β変換した後、更に位相検出器７０が出力する電源の位相θに基づいてｄ−ｑ変換する。その結果、３相電圧補正指令（０、ΔＶｖ、０）は、ｄ−ｑ軸上の電圧補正指令（ΔＶｄ、ΔＶｑ）に変換される。
【００２８】
ｑ軸電流制御器（ＡＣＲｑ）６３は、ｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆと座標変換器６０が出力したフィードバック電流値Ｉｑとの偏差が入力され、ＰＩ制御によりｑ軸電圧を制御する。ｑ軸電流制御器６３の出力は、リミッタ６５を介して、ｑ軸電圧指令値Ｖｑとして出力される。ｑ軸電圧指令値Ｖｑは、電圧補正指令ΔＶｑが加えられることにより補正され、補正後のｑ軸電圧指令値Ｖｑ１となる。
ｄ軸電流制御器（ＡＣＲｄ）６４は、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆと座標変換器６０が出力したフィードバック電流値Ｉｄとの偏差が入力され、ＰＩ制御によりｄ軸電圧を制御する。ｄ軸電流制御器６４の出力は、リミッタ６６を介して、ｄ軸電圧指令値Ｖｄとして出力される。ｄ軸電圧指令値Ｖｄは、電圧補正指令ΔＶｄが加えられることにより補正され、補正後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ１となる。
ここで、ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値については、本実施の形態の３レベルインバータ１０が適用される用途に応じていろいろな決め方がある。例えば、３レベルインバータ１０を本実施の形態に示した太陽電池パネル１５から出力された電力を系統に供給するパワーコンディショナに適用した場合は、ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値を直流電圧Ｖｐｎｄによって決めることができる。具体的に説明すると、制御部５５に対して図示しない設定器等を用いて、直流電圧Ｖｄｃの値（例えば１００〜６００Ｖ）を設定し、設定した値を直流電圧Ｖｐｎｄと尺度を合せた設定値に変換する。例えばＶｐｎｄが６００Ｖが１００００というディジタル値となるような尺度の数値になっていれば、６００Ｖが設定されたときに１００００が設定値となるように比例計算により数値を変換する。このＶｄｃの設定値とフィードバック値となる直流電圧Ｖｐｎｄの偏差をＰＩ増幅してｑ軸電流指令値Ｉｑｒｅｆとし、ｄ軸電流指令値Ｉｄｒｅｆをゼロとする。その結果、直流電圧Ｖｄｃの変動が過大とならない程度に、電力系統への電力供給の過不足が抑制される。なお、前述の通り、ｑ軸電流指令値及びｄ軸電流指令値の決め方は本方法に限定されるものではない。
【００２９】
指令演算器６７は、１）補正後のｑ軸電圧指令値Ｖｑ１、２）補正後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ１、及び３）電圧指令の位相θ１に基づいて、ＰＷＭ信号生成部５６に対するＰＷＭ指令を出力する。ここで、電圧指令の位相θ１は、位相検出部７０が検出した３相電力系統の位相θが、出力電圧の位相を調整する位相調整器７１により調整された後の位相に、ｄ−ｑ座標軸上での位相を加算したものである。位相調整器７１は、一例として、３相電力系統のＲ相の電圧が正の最大値となる場合に、電源位相θから減算する値（出力値）を、減算結果が０°を含む３６０°の整数倍となるように決定して、出力電圧の位相を調整する。
指令演算器６７は、第１の演算部６７ａ、第２の演算部６７ｂ、及び第３の演算部６７ｃを有している。
第１の演算部６７ａは、補正後のｑ軸電圧指令値Ｖｑ１及び補正後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ１に基づいて、電圧指令の大きさを演算する。第２の演算部６７ｂは、補正後のｑ軸電圧指令値Ｖｑ１及び補正後のｄ軸電圧指令値Ｖｄ１に基づいて、電圧指令のｄ−ｑ座標軸上での位相（ｄ軸を基準とした位相）を演算する。第３の演算部６７ｃは、電圧指令の大きさと電圧指令の位相θ１とによって定まる電圧指令ベクトルＶｒｅｆに基づいて、電力変換部５０の第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３のオン、オフパターンであるＰＷＭ信号を決定する。ＰＷＭ信号の生成方法の一例としては、ＰＷＭのキャリア１周期Ｔの間に、平均的に電圧指令ベクトルが与えられるように、第１〜第４の半導体スイッチング素子４０〜４３のオンする時間を決定する方法がある。その具体的方法について、図４を用いて説明する。
【００３０】
図４において、電圧ベクトルＵ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｗ−はそれぞれ順に６０°ずつずれた位相差をもつ。電圧ベクトルＵ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｗ−の大きさは、第１の平滑コンデンサ３５及び第２の平滑コンデンサ３６での電圧変動が無ければ昇圧チョッパ１１の出力電圧に２分の１に等しい。ベクトルＯは原点上の大きさゼロの零電圧ベクトルである。これらベクトルは第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３によって出力される７つの電圧ベクトルである。各ベクトルを表す記号とともに示した例えば（Ｐ，０）との表記は、第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３のスイッチング状態を表しており、ここではスイッチング状態表記と呼ぶ。スイッチング状態表記にて、カンマによって区切られた二つの記号のうち、前側（カンマの左側）の記号はＵ相アーム３７の第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３のスイッチング状態を表し、後側（カンマの右側）の記号はＷ相アーム３８の第１〜４の半導体スイッチング素子４０〜４３のスイッチング状態を表す。記号Ｐはアームから正の電圧が出力される状態に対応し、第１及び第２の半導体スイッチング素子４０、４１がオン、第３及び第４の半導体スイッチング素子４２、４３がオフしている状態を表す。記号０はアームから零電圧が出力されている状態に対応し、第２及び第３の半導体スイッチング素子４１、４２がオン、第１及び第４の半導体スイッチング素子４０、４３がオフしている状態を表す。記号Ｎはアームから負の電圧が出力されている状態に対応し、第３及び第４の半導体スイッチング素子４２、４３がオン、第１及び第２の半導体スイッチング素子４０、４１がオフしている状態を表す。図４に示した７つのベクトルは、各ベクトルの記号とともに示したスイッチング状態表記によって指定されるスイッチング状態によって実現される。また、図４に示されるベクトル平面は、６つのベクトルＵ＋、Ｕ−、Ｖ＋、Ｖ−、Ｗ＋、Ｗ−によって、６つの領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１に分けられる。
【００３１】
先に例示した通り、位相調整器７１は位相検出部７０が検出した３相電力系統の位相θを、３相電力系統Ｒ相の電圧が正の最大値となる場合に０°を含む３６０°の整数倍となるような値に調整すると、電圧指令の位相θ１（図２参照）は、Ｒ相に接続されるＵ相に対して正の最大電圧を出力するベクトルＵ＋と、電圧指令ベクトルＶｒｅｆとの成す角となる。従って、位相θ１の値により、電圧指令ベクトルＶｒｅｆが６つの領域Ａ１、Ｂ１、Ｃ１、Ｄ１、Ｅ１、Ｆ１のどの領域にあるかが容易に判定される。第３の演算部６７ｃには、カウント値が３６０°になるたびに０°にリセットされるリングカウンタ（不図示）が設けられている。電圧指令の位相θ１はこのリングカウンタに入力され、このリングカウンタからはθ１ａが出力される。そして位相θ１ａが、０°以上６０°未満であれば領域Ａ１、６０°以上１２０°未満であれば領域Ｂ１、１２０°以上１８０°未満であれば領域Ｃ１、１８０°以上２４０°未満であれば領域Ｄ１、２４０°以上３００°未満であれば領域Ｅ１、３００°以上３６０°未満であれば領域Ｆ１に電圧指令ベクトルＶｒｅｆが有ると判定する。
【００３２】
各領域Ａ１〜Ｆ１は三角形状の領域となるが、各々の領域Ａ１〜Ｆ１にあるベクトルは、その領域の三つの頂点に終点が有る三つのベクトルを、ＰＷＭキャリア１周期Ｔの間にある時間幅をもって順次出力することにより、ＰＷＭキャリア１周期Ｔの間の時間平均として作り出すことができる。図４には電圧指令ベクトルＶｒｅｆが領域Ｂ１にある瞬間を示している。図４に示す状態においては、ベクトルＯ、Ｗ−、Ｖ＋の三つのベクトルを使用する。ベクトルＯを出力する時間をＴ１、ベクトルＷ−を出力する時間をＴ２、ベクトルＶ＋を出力する時間をＴ３とし、こうしてＰＷＭキャリア１周期Ｔの間の時間平均として作られる電圧ベクトルをＶｍｅａｎとし、電圧ベクトルＶｍｅａｎが電圧指令ベクトルＶｒｅｆと一致する条件からＴ１、Ｔ２、Ｔ３が求められる。電圧ベクトルＶｍｅａｎの電圧指令ベクトルＶｒｅｆに平行な成分は、電圧指令ベクトルの大きさ｜Ｖｒｅｆ・Ｔ｜であり、電圧ベクトルＶｍｅａｎの電圧指令ベクトルＶｒｅｆに垂直な成分はゼロとなることから、以下の式（１）〜（３）が成り立つ。
【００３３】
（Ｖｐｎｄ／２）Ｔ２ｃｏｓθｒｅｆ+（Ｖｐｎｄ／２）Ｔ３ｃｏｓ（６０°−θｒｅｆ）
＝｜Ｖｒｅｆ・Ｔ｜  ・・・式（１）
−（Ｖｐｎｄ／２）Ｔ２ｓｉｎθｒｅｆ+（Ｖｐｎｄ／２）Ｔ３ｓｉｎ（６０°−θｒｅｆ）
＝０  ・・・式（２）
Ｔ１＋Ｔ２＋Ｔ３＝Ｔ  ・・・式（３）
ここでθｒｅｆは、領域Ｂ１ではθ１ａ−６０°として求められる（図４参照）。同様にθｒｅｆは、領域Ａ１ではθ１ａ−０°、領域Ｃ１ではθ１ａ−１２０°、領域Ｄ１ではθ１ａ−１８０°、領域Ｅ１ではθ１ａ−２４０°、領域Ｆ１ではθ１ａ−３００°として求められる。
上記式（１）〜式（３）を解いてＴ１、Ｔ２、Ｔ３を求めることにより、第３の演算部６７ｃはＰＷＭ信号のパルス幅を演算し、ＰＷＭ信号生成部５６に対してＰＷＭ指令を出力する。
【００３４】
次に、本実施の形態に係る３レベルインバータ１０の中性点電圧Ｖｃを制御する方法について説明する。
中性点電圧制御器６１は、直流電圧Ｖｐｎｄ及び中性点電圧Ｖｃｎｄがそれぞれ入力され、これら電圧値から、次式（４）〜（６）に基づいて、３相電圧補正指令（ΔＶｕ、ΔＶｖ、ΔＶＷ）を求める。
ΔＶｕ  ＝  ０  ・・・（式４）
ΔＶｖ  ＝  Ｋ１（Ｖｃｎｄ−１／２＊Ｖｐｎｄ）  ・・・（式５）
ΔＶＷ  ＝  ０  ・・・（式６）
ここで、Ｋ１は、前述の通り調整ゲインである。
【００３５】
中性点電圧制御器６１が演算した３相電圧補正指令（ΔＶｕ、ΔＶｖ、ΔＶＷ）は、座標変換器６２により座標変換（α−β変換及びｄ−ｑ変換）され、ｄ−ｑ軸上の電圧補正指令（ΔＶｄ、ΔＶｑ）に変換される。
変換された電圧補正指令（ΔＶｄ、ΔＶｑ）は、それぞれｄ軸電圧指令値Ｖｄ及びｑ軸電圧指令値Ｖｑに加えられ、中性点電圧Ｖｃの変動を抑制するように作用する。その結果、出力電流に重畳する直流成分が抑制される。
【００３６】
なお、本発明は、前述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲での変更は可能である。例えば、前述のそれぞれ実施の形態や変形例の一部又は全部を組み合わせて本発明を構成する場合も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３７】
前述の実施の形態においては、ｑ軸電圧指令値Ｖｑ及びｄ軸電圧指令値Ｖｄは、それぞれリミッタ６５、６６の後段にて電圧補正指令ΔＶｑ、ΔＶｄにより補正されていた。しかし、
ｑ軸電圧指令値Ｖｑは、ｑ軸電流制御器６３とリミッタ６５との間にて電圧補正指令ΔＶｑにより補正されてもよい。ｄ軸電圧指令値Ｖｄは、ｄ軸電流制御器６４とリミッタ６６との間にて電圧補正指令ΔＶｄにより補正されてもよい。
また、太陽電池パネル１５に代えて、直流電力を出力する任意の発電装置あるいは発電装置と整流装置の組み合わせとしてもよい。発電装置の一例として、風力発電装置や燃料電池発電装置が挙げられる。
また、昇圧チョッパ１１は、発電装置に組み込まれていてもよい。
なお、３相の各相を示すＵ相、Ｖ相、Ｗ相、Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相の名称は、慣例に従って表記したに過ぎず、これらの名称に限定されるものではない。
発電装置、昇圧器、及び３レベルインバータ１０により、これらを備えた発電システムが構成される。また、昇圧器、及び３レベルインバータにより、これらを備えたパワーコンディショナが構成される。
【符号の説明】
【００３８】
１０：３レベルインバータ、１１：昇圧チョッパ、１２：コンデンサ直列接続体、１５：太陽電池パネル、２０：リアクトル、２１、２２：半導体スイッチング素子、２５：フィルタ、３０：出力フィルタ、３１：フィルタ、３５：第１の平滑コンデンサ、３６：第２の平滑コンデンサ、３７：Ｕ相アーム、３８：Ｗ相アーム、４０：第１の半導体スイッチング素子、４１：第２の半導体スイッチング素子、４２：第３の半導体スイッチング素子、４３：第４の半導体スイッチング素子、４５：第１のダイオード、４６：第２のダイオード、４７：第３のダイオード５０：電力変換部、５１：第１のＡ／Ｄ変換部、５２：第２のＡ／Ｄ変換部、５５：制御部、５６：ＰＷＭ信号生成部、５９：電流検出センサ、６０：座標変換器、６０ａ：α−β変換器、６０ｂ：ｄ−ｑ変換器、６１：中性点電圧制御器、６２：座標変換器、６３：ｑ軸電流制御器、６４：ｄ軸電流制御器、６５：リミッタ、６６：リミッタ、６７：指令演算器、６７ａ：第１の演算部、６７ｂ：第２の演算部、６７ｃ：第３の演算部、７０：位相検出器、７１：位相調整器、ＭＣＣＢ：配線用遮断機
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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