(57)【要約】【課題】直列に接続される単位変換器で構成され、出力電圧を低くしても高調波の増加を抑制する電力変換装置を提供することにある。【解決手段】ＭＭＣ１０は、電力変換回路を構成し、直列に接続される複数のチョッパーセル１と、チョッパーセル１を駆動し、電力変換回路の出力電力を制御し、電力変換回路の出力電圧に応じて、チョッパーセル１の直流電圧を制御する制御装置３とを備える。【選択図】図１
2017175863.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力変換回路を構成し、直列に接続される複数の単位変換器と、
前記複数の単位変換器を駆動し、前記電力変換回路の出力電力を制御する出力電力制御手段と、
前記電力変換回路の出力電圧に応じて、前記複数の単位変換器の直流電圧を制御する直流電圧制御手段と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
電力系統の系統電圧を検出する系統電圧検出手段を備え、
前記出力電力制御手段は、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧に基づいて、前記電力変換回路の出力電力を前記電力系統に供給する電力に制御し、
前記直流電圧制御手段は、前記系統電圧検出手段により検出された前記系統電圧に基づいて、前記複数の単位変換器の直流電圧を制御すること
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
直列に接続される複数の単位変換器で構成される電力変換回路の出力電力を制御する出力電力制御手段と、
前記電力変換回路の出力電圧に応じて、前記複数の単位変換器の直流電圧を制御する直流電圧制御手段と
を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
【請求項４】
直列に接続される複数の単位変換器で構成される電力変換回路の出力電力を制御し、
前記電力変換回路の出力電圧に応じて、前記複数の単位変換器の直流電圧を制御すること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）が知られている。ＭＭＣは、直列に接続されたセル（単位変換器）で構成される電力変換装置である。セルは、ＩＧＢＴ(insulated gate bipolar transistor)などのスイッチング素子とコンデンサで構成されている。
【０００３】
例えば、ＭＭＣとしては、セルに異常が生じた場合、各アームで動作させるセルが同数になるようにセルを停止し、出力電圧のアンバランスを抑制することが開示されている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−０４２３９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、公知のＭＭＣは、出力電圧が低いときは、出力電圧波形の段数を少なくする。段数が減ると、高調波が増加するため、出力電圧が低いときは高調波が多くなる。高調波の増加は、電力系統に影響を及ぼす可能性があり、好ましくない。
【０００６】
そこで、本発明の目的は、直列に接続される単位変換器で構成され、出力電圧を低くしても高調波の増加を抑制する電力変換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の観点に従った電力変換装置は、電力変換回路を構成し、直列に接続される複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器を駆動し、前記電力変換回路の出力電力を制御する出力電力制御手段と、前記電力変換回路の出力電圧に応じて、前記複数の単位変換器の直流電圧を制御する直流電圧制御手段とを備える。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、直列に接続される単位変換器で構成され、出力電圧を低くしても高調波の増加を抑制する電力変換装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係るＭＭＣの構成を示す構成図。
【図２】本実施形態に係るチョッパーセルの回路の構成を示す回路図。
【図３】本実施形態に係るアームの出力電圧の系統電圧が定格時の波形を示す波形図。
【図４】本実施形態に係るアームの出力電圧の系統電圧が電圧降下時の波形を示す波形図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１１】
（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係るＭＭＣ１０の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。
【００１２】
ＭＭＣ１０は、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換装置である。ＭＭＣ１０は、三相交流の電力系統８ｕ，８ｖ，８ｗに三相交流電力を供給する。
【００１３】
ＭＭＣ１０は、直流電源２、制御装置３、６つのアーム４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ、三相分のリアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗ、三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗ、及び三相分の交流電圧検出器７ｕ，７ｖ，７ｗを備える。
【００１４】
ＭＭＣ１０の電力変換回路は、Ｕ相の上（正極側）アーム４ｕｐ、Ｕ相の下（負極側）アーム４ｕｍ、Ｖ相の上アーム４ｖｐ、Ｖ相の下アーム４ｖｍ、Ｗ相の上アーム４ｗｐ、及びＷ相の下アーム４ｗｍで構成される。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、５つのチョッパーセル（単位変換器）１が直列に接続（カスケード接続）された回路である。
【００１５】
直流電源２は、直流電力を６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成される電力変換回路に供給する。直流電源２は、直流電力を出力するものであれば、発電機、コンバータ、又は蓄電池等、なんでもよい。
【００１６】
交流電圧検出器７ｕ〜７ｗは、電力系統８ｕ〜８ｗの各相電圧（系統電圧）Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを検出するように設けられている。交流電圧検出器７ｕ〜７ｗは、検出した系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗをそれぞれ制御装置３に出力する。例えば、交流電圧検出器７ｕ〜７ｗは、計器用変圧器(VT, Voltage Transformer)である。
【００１７】
制御装置３は、交流電圧検出器７ｕ〜７ｗにより検出された系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗに基づいて、各チョッパーセル１を制御するためのゲートパルス（ゲート信号）Ｐｇを生成する。制御装置３は、系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗに応じて、チョッパーセル１の直流電圧を変化させるように制御する。制御装置３は、光ファイバケーブル等の伝送路を介して、各チョッパーセル１にゲートパルスＰｇを出力する。これにより、制御装置３は、各チョッパーセル１を駆動して、ＭＭＣ１０の出力電力を系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗと同期する電力に制御し、電力系統８ｕ〜８ｗと連系する。
【００１８】
Ｕ相のリアクトル５ｕは、Ｕ相の上アーム４ｕｐとＵ相の下アーム４ｕｍとの間に設けられる。Ｖ相のリアクトル５ｖは、Ｖ相の上アーム４ｖｐとＶ相の下アーム４ｖｍとの間に設けられる。Ｗ相のリアクトル５ｗは、Ｗ相の上アーム４ｗｐとＷ相の下アーム４ｗｍとの間に設けられる。各リアクトル５ｕ〜５ｗの中間点は、それぞれＭＭＣ１０の電力変換回路から出力される交流電力の各相の出力点となる。各リアクトル５ｕ〜５ｗの中間点は、それぞれ連系リアクトル６ｕ〜６ｗを介して、電力系統８ｕ〜８ｗの各相に接続される。各リアクトル５ｕ〜５ｗは、それぞれが設けられている相の上アーム４ｕｐ〜４ｗｐと下アーム４ｕｍ〜４ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制する。
【００１９】
連系リアクトル６ｕ〜６ｗは、それぞれの相の電力系統８ｕ〜８ｗとリアクトル５ｕ〜５ｗの中間点との間に設けられる。連系リアクトル６ｕ〜６ｗは、電力系統８ｕ〜８ｗと系統連系するために設けられるリアクトルである。なお、連系リアクトル６ｕ〜６ｗの代わりに連系変圧器を設けてもよい。
【００２０】
図２は、本実施形態に係るチョッパーセル１の回路の構成を示す回路図である。
【００２１】
チョッパーセル１は、二重スターチョッパである。チョッパーセル１は、２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍ、２つの逆並列ダイオード１３ｐ，１３ｍ、及びコンデンサ１１により構成された回路である。チョッパーセル１は、制御装置３から送信されるゲートパルスＰｇにより、２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍがスイッチングすることで駆動する。
【００２２】
２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍは、直列に接続されている。２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍには、それぞれ逆並列ダイオード１３ｐ，１３ｍが接続されている。コンデンサ１１は、２つの直列に接続されたスイッチング素子１２ｐ，１２ｍと並列に接続されている。２つのスイッチング素子１２ｐ，１２ｍの接続点は、チョッパーセル１の正極端子となる。負極側のスイッチング素子１２ｍの負極側の端子（エミッタ）は、チョッパーセル１の負極端子となる。
【００２３】
図３及び図４は、本実施形態に係るアーム４ｕｐ〜４ｗｍの出力電圧の波形を示す波形図である。図３は、電力系統８ｕ〜８ｗの系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗが定格（１［ｐ．ｕ．］）のとき、図４は、電力系統８ｕ〜８ｗの系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗが電圧降下（０．６［ｐ．ｕ．］）しているときをそれぞれ示している。縦軸が電圧を示し、横軸が位相を示している。ここでは、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの出力電圧の２分の１周期の正極電圧について説明し、負極電圧については、正極電圧の極性を反転させたものであるため、説明を省略する。
【００２４】
全てのチョッパーセル１は、同じ定格の出力電圧Ｖ１である。チョッパーセル１の直流電圧（コンデンサ１１のコンデンサ電圧）がチョッパーセル１の出力電圧となる。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、それぞれを構成する５つの直列に接続されたチョッパーセル１の総和の電圧を出力電圧として出力する。
【００２５】
制御装置３は、交流電圧検出器７ｕ〜７ｗによる検出信号に基づいて、電力系統８ｕ〜８ｗの系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗを検出すると、系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗと同期するようにＭＭＣ１０の出力電圧を制御する。具体的には、制御装置３は、系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗに基づいて出力電圧指令値を演算する。制御装置３は、演算した出力電圧指令値にＭＭＣ１０の出力電圧が追従するように、各チョッパーセル１を駆動する。また、制御装置３は、系統電圧に基づいて各チョッパーセル１の直流電圧指令値を演算する。制御装置３は、演算した直流電圧指令値に各チョッパーセル１の直流電圧が追従するように、各チョッパーセル１を制御する。
【００２６】
系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗが定格（１［ｐ．ｕ．］）のとき、制御装置３は、各チョッパーセル１の直流電圧を定格電圧Ｖ１に制御する。これにより、５つ全てのチョッパーセル１から電圧Ｖ１を出力させたときに（図３の位相９０度のとき）、系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗの波高値に相当する電圧（Ｖ１×５）がＭＭＣ１０から出力される。
【００２７】
系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗが電圧降下していて０．６［ｐ．ｕ．］のとき、制御装置３は、各チョッパーセル１の直流電圧を定格電圧Ｖ１の０．６倍の電圧に制御する。これにより、５つ全てのチョッパーセル１から定格電圧Ｖ１の０．６倍の電圧を出力させたときに（図４の位相９０度のとき）、系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗの波高値に相当する電圧（Ｖ１×３＝０．６Ｖ１×５）がＭＭＣ１０から出力される。
【００２８】
本実施形態によれば、ＭＭＣ１０の出力電圧が低いときでも、出力電圧に応じて各チョッパーセル１の直流電圧を低く制御することで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、全てのチョッパーセル１を駆動させて、電圧を出力することができる。これにより、ＭＭＣ１０は、出力する電圧の高低に関係なく、常に同じ段数の出力電圧波形を出力することができる。従って、ＭＭＣ１０は、出力電圧が定格の場合と比較して、出力電圧を低くしても高調波が増加することを防ぐことができる。
【００２９】
なお、実施形態では、アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、５つのチョッパーセル１で構成されているものとして説明したが、アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、２つ以上であれば、いくつのチョッパーセル１で構成されていてもよい。また、チョッパーセル１の冗長性を確保するために、アーム４ｕｐ〜４ｗｍの出力電圧の１周期の間に電圧を出力しない（駆動しない）チョッパーセル１があってもよい。
【００３０】
実施形態では、単位変換器を二重スターチョッパで説明したが、これに限らない。直列に接続されることにより、ＭＭＣ１０のような電力変換装置を構成するものであれば、どのような単位変換器でもよい。
【００３１】
実施形態において、チョッパーセル１の直流電圧の制御は、制御装置３が直流電圧指令値に応じて各チョッパーセル１を制御する制御信号（ゲート信号等）を各チョッパーセル１に出力してもよいし、各チョッパーセル１の制御部（駆動回路等）が制御装置３から受信した直流電圧指令値に基づいて、各チョッパーセル１を制御してもよい。
【００３２】
実施形態では、電力系統８ｕ〜８ｗの系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗを検出し、検出した系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗに基づいて、チョッパーセル１の直流電圧を制御（決定）する構成としたが、必ずしも系統電圧Ｖｕ〜Ｖｗを検出しなくてもよい。ＭＭＣ１０（又はアーム４ｕｐ〜４ｗｍ）の出力電圧又は出力電圧指令値に基づいて、チョッパーセル１の直流電圧を制御するのであれば、どのような構成でもよい。例えば、ＭＭＣ１０の出力電圧指令値を上位制御系などの外部の装置から受信したり、ＭＭＣ１０の出力電圧指令値が制御装置３に予め設定されていたりするのであれば、このような出力電圧指令値に基づいて、チョッパーセル１の直流電圧を制御してもよい。
【００３３】
実施形態では、出力電圧の高低に関係なく、出力電圧の１周期で常に５つのチョッパーセルを駆動して、５段の電圧波形を出力する構成としたが、これに限らない。例えば、ＭＭＣ１０（又はアーム４ｕｐ〜４ｗｍ）の出力電圧が低く、各チョッパーセル１の直流電圧を低くしても、全てのチョッパーセル１の出力電圧の総和が出力しようとする電圧（波高値）を超える場合は、出力電圧の１周期で駆動するチョッパーセルの数を減らしてもよい。この場合でも、各チョッパーセル１の直流電圧を低くすることで、少しでも段数の多い電圧波形を出力できるため、高調波の増加を抑制することができる。
【００３４】
なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【符号の説明】
【００３５】
１…チョッパーセル、２…直流電源、３…制御装置、４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ…アーム、５ｕ，５ｖ，５ｗ…リアクトル、６ｕ，６ｖ，６ｗ…連系リアクトル、７ｕ，７ｖ，７ｗ…交流電圧検出器、８ｕ，８ｖ，８ｗ…電力系統、１０…ＭＭＣ、１１…コンデンサ。
【図１】
2017175863.tif 000003
【図２】
2017175863.tif 000004
【図３】
2017175863.tif 000005
【図４】
2017175863.tif 000006