(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
エネルギー蓄積要素と複数の半導体素子とを有する変換器セルを複数直列して備える一対のアームが互いに直列接続されたレグ回路を交流の各相にそれぞれ備え、該レグ回路が正負の直流端子間に並列接続されて、交流と直流との間で電力変換を行う電力変換器と、該電力変換器を制御する制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記制御部は、
前記アーム内の各前記変換器セルの出力を制御する、前記アームに対するアーム電圧指令値を、零相電圧指令値により補正する指令値補正部を備え、
前記指令値補正部は、
少なくとも一つの前記アーム電圧指令値が、前記アームの出力電圧範囲の限界値と同等になるように、前記零相電圧指令値を調整する調整制御を行い、
前記制御部は、
複数の前記アーム電圧指令値の内、前記限界値に対する裕度が最小となる前記アーム電圧指令値において、該アーム電圧指令値の該裕度を用いて前記指令値補正部により前記零相電圧指令値を調整する前記調整制御を行う、
電力変換装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記調整制御において、
前記アーム電圧指令値の制御周期毎の前記裕度を用いて、前記零相電圧指令値を調整する、
請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記変換器セルは、
上アーム、下アーム共に前記半導体素子としての半導体スイッチング素子を有する直列体を有し、該直列体と前記エネルギー蓄積要素とが並列接続して構成され、
前記制御部は、前記調整制御において、
前記限界値と同等になるように調整された前記アーム電圧指令値により制御される前記アームにおいて、該アームの各前記変換器セルにおける前記上アーム、前記下アームの前記半導体スイッチング素子の内、一方を、オン状態に固定し、他方をオフ状態に固定する、
請求項１または請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記裕度は、
前記アーム電圧指令値と前記限界値の上限値との差分である第１偏差、あるいは、前記アーム電圧指令値と前記限界値の下限値との差分である第２偏差、である、
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記制御部は、
前記限界値としての、各前記アームにおける全ての前記エネルギー蓄積要素の電圧値の合計値、を用いて前記調整制御を実行するか否かを判定する判定制御を行う、
請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記判定制御において、
少なくとも一つの前記アーム電圧指令値における前記裕度が、第１閾値以下となると前記調整制御の実行を決定する、
請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第１閾値以下の値が、前記限界値に対する前記アーム電圧指令値の超過を示すように該第１閾値が設定される、
請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記裕度は、
前記限界値の上限値から前記アーム電圧指令値を減算した差分である第１偏差、あるいは、前記アーム電圧指令値から前記限界値の下限値を減算した第２偏差、であり、
前記第１閾値は、０未満の値に設定される、
請求項７に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御部は、
前記零相電圧指令値を、Ｐ×（２Ｎ−１）により示される周波数で振動する正弦波となるように調整する高調波制御を実行し、前記高調波制御の実行中において前記判定制御を行う、
但し、前記Ｐは前記交流の相数、前記Ｎは１以上の整数である、
請求項５から請求項８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記制御部は、
前記電力変換器の電力変換動作が行われる全ての動作期間中に前記調整制御を実行し、
前記電力変換器の動作期間中の各時点において少なくとも一つの前記アーム電圧指令値が前記限界値と同等に調整される、
請求項１から請求項４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】
本願は、電力変換装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電力系統などの高圧用途に用いられる電力変換装置においては、半導体スイッチング素子をそれぞれ有する複数台の変換器セルを直列多重接続して構成するマルチレベル変換器の実用化が図られている。これらの変換器はモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ  Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）方式、または、カスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ：Ｃａｓｃａｄｅｄ  Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ  Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）方式などと呼ばれ、三相交流から直流への変換、またはその逆変換に用いられる。このマルチレベル変換器は非常に大型のため、各変換器セルの小型化が求められていると共に、電力変換効率の高効率化が求められている。【０００３】
ところで、上記のような複数台の変換器セルを直列多重接続する構成ではない一般的なインバータ、コンバータを用いて多相交流を変換する電力変換装置において、その電圧利用率を大きくして高効率化を図りつつ、コンデンサの静電容量を小さくすることで小型化を図ることを目的として、以下のような制御が開示されている。【０００４】
即ち、従来の電動機制御装置としての電力変換装置では、相電圧指令信号に対して三次高調波信号を加算することで変調信号を生成する生成手段と、三次高調波信号の振幅を調整する調整手段とを備え、調整手段は、三次高調波信号の振幅が調整される場合の平滑コンデンサの端子間電圧のピーク値が、三次高調波の振幅が調整されない場合の端子間電圧のピーク値よりも小さくなるように、三次高調波の振幅を統制する（例えば、特許文献１参照）。【０００５】
上記特許文献１に記載の電力変換装置では、コンデンサの端子間電圧のリプルを抑制することで、電圧利用率を改善して高効率化を図りつつ、コンデンサの静電容量を小さくし、小型化を図っている。しかしながら、直流コンデンサをそれぞれ備える複数の変換器セルを直列多重接続して構成されるマルチレベル変換器においてコンデンサの静電容量を小さくすると、各コンデンサの電圧変動が大きくなる。そのため、上記特許文献１に記載の制御方法をマルチレベル変換器に適用した場合、電圧指令値が、交流各相のアームにおけるコンデンサ電圧の合計値（変換器が出力可能な電圧範囲）を超過して電圧が出力できなくなる場合があった。そのため、電力変換装置の動作安定性が確保できず、電力変換効率の高効率化が図れない場合が生じるという課題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】国際公開番号ＷＯ２０１５／０２５４３７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、動作安定性が確保され、且つ、高効率の電力変換装置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】
【０００８】
本願に開示される電力変換装置は、
エネルギー蓄積要素と複数の半導体素子とを有する変換器セルを複数直列して備える一対のアームが互いに直列接続されたレグ回路を交流の各相にそれぞれ備え、該レグ回路が正負の直流端子間に並列接続されて、交流と直流との間で電力変換を行う電力変換器と、該電力変換器を制御する制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記制御部は、
前記アーム内の各前記変換器セルの出力を制御する、前記アームに対するアーム電圧指令値を、零相電圧指令値により補正する指令値補正部を備え、
前記指令値補正部は、
少なくとも一つの前記アーム電圧指令値が、前記アームの出力電圧範囲の限界値と同等になるように、前記零相電圧指令値を調整する調整制御を行い、
前記制御部は、
複数の前記アーム電圧指令値の内、前記限界値に対する裕度が最小となる前記アーム電圧指令値において、該アーム電圧指令値の該裕度を用いて前記指令値補正部により前記零相電圧指令値を調整する前記調整制御を行う、
ものである。
【発明の効果】
【０００９】
本願に開示される電力変換装置によれば、動作安定性が確保され、且つ、高効率の電力変換装置を得られる。
【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が適用される電力系統の一例の概略構成を示す図である。
【図２】実施の形態１によるハーフブリッジ構成の変換器セルの構成の一例を示す回路図である。
【図３】実施の形態１によるハーフブリッジ構成の変換器セルの構成の一例を示す回路図である。
【図４】実施の形態１によるフルブリッジ構成の変換器セルの構成例を示す回路図である。
【図５】実施の形態１による制御装置の概略構成を示すブロック図である。
【図６】実施の形態１による制御装置の第１の制御におけるアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図７】実施の形態１による制御装置の第１の制御におけるアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図８】実施の形態１による制御装置の第２の制御において高調波制御実行時のアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図９】実施の形態１による制御装置の第２の制御において高調波制御実行時のアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図１０】実施の形態１による制御装置の制御フロー図である。
【図１１】実施の形態１による制御装置の制御フロー図である。
【図１２】実施の形態１による制御装置の第１の制御におけるアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図１３】実施の形態１による制御装置の第２の制御において調整制御実行時のアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図１４】交流系統で地絡が発生した場合の交流系統電圧と、その際の電力変換器のアーム電圧と、アーム電流の波形の一例を示す図である。
【図１５】直流コンデンサ電圧に電圧脈動が生じる場合における、アーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図１６】実施の形態２によるアーム電圧指令値と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【図１７】実施の形態２による制御装置の制御を示すフロー図である。
【図１８】実施の形態２による制御装置の制御を示すフロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
実施の形態１．
図１は、実施の形態１による電力変換装置１００が適用される電力系統の一例の概略構成を示す図である。
図１に示すように、電力変換装置１００は、主回路である電力変換器１と、この電力変換器１を制御する制御部としての制御装置５０と、を備える。
電力変換器１は、交流と直流との間で相互に電力変換を行うものであり、その交流側が変圧器３を介して複数相交流としての三相交流系統である交流電源２に接続され、その直流側が正側直流端子６Ｐ、負側直流端子６Ｎを介して図示しない直流送電網あるいは直流電力を出力する電力変換装置等に接続される。
【００１２】
電力変換器１は、三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれに対応して備えられる３個のレグ回路９ｕ、９ｖ、９ｗを、正側直流端子６Ｐ、負側直流端子６Ｎ間に並列接続して備える。
レグ回路９ｕは、一対のアームとしての正側アーム１０ｕＰと負側アーム１０ｕＮとを有し、これら正側アーム１０ｕＰと負側アーム１０ｕＮとは互いに直列接続される。
正側アーム１０ｕＰの一端は正側直流端子６Ｐに接続され、負側アーム１０ｕＮの一端は負側直流端子６Ｎに接続される。また、正側アーム１０ｕＰと負側アーム１０ｕＮとの接続点４ｕは変圧器３のｕ相端子に接続される。
【００１３】
レグ回路９ｖは、一対のアームとしての正側アーム１０ｖＰと負側アーム１０ｖＮとを有し、これら正側アーム１０ｖＰと負側アーム１０ｖＮとは互いに直列接続される。
正側アーム１０ｖＰの一端は正側直流端子６Ｐに接続され、負側アーム１０ｖＮの一端は負側直流端子６Ｎに接続される。また、正側アーム１０ｖＰと負側アーム１０ｖＮとの接続点４ｖは変圧器３のｖ相端子に接続される。
【００１４】
レグ回路９ｗは、一対のアームとしての正側アーム１０ｗＰと負側アーム１０ｗＮとを有し、これら正側アーム１０ｗＰと負側アーム１０ｗＮとは互いに直列接続される。
正側アーム１０ｗＰの一端は正側直流端子６Ｐに接続され、負側アーム１０ｗＮの一端は負側直流端子６Ｎに接続される。また、正側アーム１０ｗＰと負側アーム１０ｗＮとの接続点４ｗは変圧器３のｗ相端子に接続される。
【００１５】
以下、各レグ回路９ｕ、９ｖ、９ｗの構成について説明する。
ｖ相、ｗ相のレグ回路９ｖ、９ｗは、ｕ相のレグ回路９ｕと同様の構成を有しているため、代表してｕ相のレグ回路９ｕを用いて説明する。
レグ回路９ｕの正側アーム１０ｕＰは、直列接続された複数の変換器セル１１と、リアクトル１５ｕＰとを有し、これら複数の変換器セル１１とリアクトル１５ｕＰとが互いに直列接続されて構成される。
同様に、レグ回路９ｕの負側アーム１０ｕＮは、直列接続された複数の変換器セル１１と、リアクトル１５ｕＮを有し、これら変換器セル１１とリアクトル１５ｕＮとが互いに直列接続されて構成される。
【００１６】
なお、リアクトル１５ｕＰは正側アーム１０ｕＰ内であればいずれの位置であってもよく、同様にリアクトル１５ｕＮも負側アーム１０ｕＮ内であればいずれの位置であってもよい。リアクトル１５ｕＰ、１５ｕＮのインダクタンス値は互いに異なってもよく、他の相のリアクトルと結合されたものでも良い。さらに、正側アーム１０ｕＰ内にのみリアクトル１５ｕＰを設ける構成でもよく、もしくは、負側アーム１０ｕＮ内にのみリアクトル１５ｕＮを設ける構成でもよい。
なお、以降の説明において、正側アーム１０ｕＰ、１０ｖＰ、１０ｗＰ、負側アーム１０ｕＮ、１０ｖＮ、１０ｗＮのそれぞれを区別する必要がない場合は、アーム１０あるいは、正側アーム１０Ｐ、負側アーム１０Ｎと称して用いる。
【００１７】
以下、各レグ回路９ｕ、９ｖ、９ｗを構成する変換器セル１１の構成について説明する。
図２は、実施の形態１による、ハーフブリッジ構成の変換器セル１１の構成の一例を示す回路図である。
図３は、実施の形態１による、図２とは異なる構成の、ハーフブリッジ構成の変換器セル１１を示す回路図である。
図４は、実施の形態１による、フルブリッジ構成の変換器セル１１の構成例を示す回路図である。
なお、変換器セル１１は、図２〜図４に示すいずれの回路構成を用いても良く、正側アーム１０ｕＰ、負側アーム１０ｕＮ内で各回路構成を組み合わせても良い。
【００１８】
図２に示す変換器セル１１は、互いに直列接続された半導体素子としての半導体スイッチング素子１２（１２Ｕ、１２Ｌ）の直列体と、この直列体に並列接続されて直流電圧を平滑化するエネルギー蓄積要素としての直流コンデンサ１３と、直流コンデンサ１３の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐを検出する電圧センサ１４とを有する。また、半導体スイッチング素子１２Ｕ、１２Ｌにはそれぞれ、ダイオード素子１５Ｕ、１５Ｌが逆並列（並列かつ逆バイアス方向）に接続される。
半導体スイッチング素子１２Ｕと１２Ｌとの接続ノードは正側の入出力端子１２ａに接続され、半導体スイッチング素子１２Ｌと直流コンデンサ１３との接続ノードは負側の入出力端子１２ｂに接続される。
【００１９】
この図２に示す構成の変換器セル１１において、半導体スイッチング素子１２Ｕ、１２Ｌは、一方がオン状態となり、他方がオフ状態になるように制御される。半導体スイッチング素子１２Ｕがオン状態であり、半導体スイッチング素子１２Ｌがオフ状態の時、入出力端子１２ａと１２ｂとの間には直流コンデンサ１３の両端電圧が印加される。なお、入出力端子１２ａ側に正側電圧、１２ｂ側に負側電圧が印加される。
【００２０】
図３に示す変換器セル１１は、互いに直列接続された半導体素子としての半導体スイッチング素子１２Ｕ、１２Ｌの直列体と、この直列体に並列接続されて直流電圧を平滑化するエネルギー蓄積要素としての直流コンデンサ１３と、直流コンデンサ１３の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐを検出する電圧センサ１４とを有する。半導体スイッチング素子１２Ｕと１２Ｌの接続点は負側の入出力端子１２ｂに接続され、半導体スイッチング素子１２Ｕと直流コンデンサ１３との接続点は正側の入出力端子１２ａに接続される。
【００２１】
図３に示す構成の変換器セル１１において、半導体スイッチング素子１２Ｕ、１２Ｌは、一方がオン状態となり、他方がオフ状態になるように制御される。半導体スイッチング素子１２Ｕがオフ状態であり、半導体スイッチング素子１２Ｌがオン状態の時、入出力端子１２ａと１２ｂとの間には直流コンデンサ１３の両端電圧が印加される。なお、入出力端子１２ａ側に正側電圧、１２ｂ側に負側電圧が印加される。また、半導体スイッチング素子１２Ｕ、１２Ｌにはそれぞれ、ダイオード素子１５Ｕ、１５Ｌが逆並列（並列かつ逆バイアス方向）に接続される。
【００２２】
図４に示す構成の変換器セル１１は、互いに直列接続された半導体素子としての半導体スイッチング素子１２Ｕ１、１２Ｌ１の直列体と、同じく互いに直列接続された半導体素子としての半導体スイッチング素子１２Ｕ２、１２Ｌ２の直列体と、エネルギー蓄積要素としての直流コンデンサ１３と、直流コンデンサ１３の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐを検出する電圧センサ１４とを有する。そして、これら、半導体スイッチング素子１２Ｕ１、１２Ｌ１の直列体と、半導体スイッチング素子１２Ｕ２、１２Ｌ２の直列体と、直流コンデンサ１３とが、並列接続される。
また、半導体スイッチング素子１２Ｕ１、１２Ｌ１にはそれぞれ、ダイオード素子１５Ｕ１、１５Ｌ１が逆並列（並列かつ逆バイアス方向）に接続される。また、半導体スイッチング素子１２Ｕ２、１２Ｌ２にはそれぞれ、ダイオード素子１５Ｕ２、１５Ｌ２が逆並列（並列かつ逆バイアス方向）に接続される。
【００２３】
この図４に示す構成の変換器セル１１において、半導体スイッチング素子１２Ｕ１、１２Ｌ１は、一方がオン状態となり、他方がオフ状態になるように制御される。同様に半導体スイッチング素子１２Ｕ２、１２Ｌ２は、一方がオン状態となり、他方がオフ状態になるように制御される。半導体スイッチング素子１２Ｕ１がオン状態であり、半導体スイッチング素子１２Ｌ１がオフ状態の時、かつ半導体スイッチング素子１２Ｕ２がオフ状態であり、半導体スイッチング素子１２Ｌ２がオン状態の時、入出力端子１２ａと１２ｂとの間には直流コンデンサ１３の両端電圧が印加される。なお、入出力端子１２ａ側に正側電圧、１２ｂ側に負側電圧が印加される。
【００２４】
さらに、電力変換装置１００は、上記の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐを検出する電圧センサ１４以外に、電力変換器１の電圧、電流を検出する複数の検出器を備える。
図１に示すように、制御装置５０には、これらの検出器により検出された、電力変換器１の交流端の相電圧Ｖａｃｕ、Ｖａｃｖ、Ｖａｃｗ、交流端の電流Ｉａｃｕ、Ｉａｃｖ、Ｉａｃｗ、正側直流端子６Ｐと負側直流端子６Ｎとの間の直流電圧Ｖｄｃ、正側直流端子６Ｐまたは負側直流端子６Ｎを流れる直流電流Ｉｄｃ、正側アーム１０ｕＰ、１０ｖＰ、１０ｗＰを流れる電流ＩｕＰ、ＩｖＰ、ＩｗＰ、負側アーム１０ｕＮ、１０ｖＮ、１０ｗＮを流れる電流ＩｕＮ、ＩｖＮ、ＩｗＮ、直流コンデンサ１３の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐ、がそれぞれ制御装置５０に入力される。
以下、制御装置５０の構成について説明する。
【００２５】
図５は、実施の形態１による制御装置５０の概略構成を示すブロック図である。
なお、制御装置５０は、専用回路によって構成しても良いし、その一部または全部を、ＦＰＧＡ（Ｆｅｉｌｄ  Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ  Ｇａｔｅ  Ａｒｒａｙ）、マイクロプロセッサの少なくとも一方を用いて構成しても良い。
【００２６】
以下、図５を参照して、制御装置５０の構成と、各要素の概略動作について説明する。
制御装置５０は、各検出器により検出された検出値に基づいて、電力変換器１の各々の変換器セル１１内の各々の半導体スイッチング素子１２を駆動するゲート信号Ｇを生成する。
図５に示すように、制御装置５０は、直流制御部５１と、交流制御部５２と、正側アーム変調指令生成部５３ｐと、負側アーム変調指令生成部５３ｎと、循環電流制御部５４と、ゲート信号生成部５５ｐ、５５ｎと、零相電圧指令値生成部５６と、電圧指令生成部５７と、位相同期回路５８と、を備える。
【００２７】
位相同期回路５８は、交流電圧Ｖａｃの位相と同期する基本波の位相θ（＝ωｔ）を示す位相信号５８ａを生成して出力する。
【００２８】
直流制御部５１には、電力変換器１の正側直流端子６Ｐと負側直流端子６Ｎとの間の直流電圧Ｖｄｃと、正側直流端子６Ｐまたは負側直流端子６Ｎを流れる直流電流Ｉｄｃとが入力される。直流制御部５１は、この入力された直流電圧Ｖｄｃと直流電流Ｉｄｃとに基づいて、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊を生成する。生成された直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は、電圧指令生成部５７に入力される。
ここで、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊は、正側アーム１０Ｐ内に含まれるすべての変換器セル１１および負側アーム１０Ｎ内に含まれるすべての変換器セル１１が出力すべき直流電圧成分を表している。
【００２９】
交流制御部５２には、電力変換器１の交流端の相電圧Ｖａｃｕ、Ｖａｃｖ、Ｖａｃｗ（総称する場合、交流電圧Ｖａｃと称して用いる）、交流端の電流Ｉａｃｕ、Ｉａｃｖ、Ｉａｃｗ（総称する場合、交流電流Ｉａｃと称して用いる）、直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐ、正側直流端子６Ｐと負側直流端子６Ｎとの間の直流電圧Ｖｄｃ、位相同期回路５８から出力された位相信号５８ａ、が入力される。
【００３０】
交流制御部５２は、入力された交流電圧Ｖａｃと交流電流Ｉａｃと位相信号５８ａとに基づいて、ｕ相、ｖ相、ｗ相それぞれの交流電圧を制御する交流電圧指令値Ｖａｃｕ＊、Ｖａｃｖ＊、Ｖａｃｗ＊（総称する場合、交流電圧指令値Ｖａｃ＊と称して用いる）を生成する。この交流電圧指令値Ｖａｃ＊は、正側アーム１０Ｐ内に含まれるすべての変換器セル１１および負側アーム１０Ｎ内に含まれるすべての変換器セル１１が出力すべき交流電圧成分を表している。
【００３１】
循環電流制御部５４には、位相信号５８ａ、各アーム１０に含まれる直流コンデンサ１３の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐをアーム１０間でバランスさせる循環電流指令値Ｉｚ＊、循環電流Ｉｚ、が入力される。ここで、循環電流Ｉｚは電力変換器１において、交流端および直流端には流れず、各レグ９ｕ、９ｖ、９ｗ間で流れる電流を示す。
【００３２】
循環電流制御部５４は、交流電圧Ｖａｃの位相と同期する基本波の位相θを示す位相信号５８ａに基づいて、循環電流Ｉｚを、循環電流指令値Ｉｚ＊に追従させる制御における循環電流制御用の電圧指令値Ｖｚ＊を出力する。出力された循環電流制御用の電圧指令値Ｖｚ＊は、電圧指令生成部５７に入力される。
【００３３】
電圧指令生成部５７は、直流制御部５１が出力する直流電圧指令値Ｖｄｃ＊と、交流制御部５２が出力する交流電圧指令値Ｖａｃ＊と、循環電流制御部５４が出力する循環電流制御用の電圧指令値Ｖｚ＊とを合成して、正側アーム１０Ｐに対する正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊（Ｖａｒｍｐｕ＊、Ｖａｒｍｐｖ＊、Ｖａｒｍｐｗ＊）と、負側アーム１０Ｎに対する負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊（Ｖａｒｍｎｕ、Ｖａｒｍｎｖ、Ｖａｒｍｎｗ）を生成して出力する。
なお、正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊、負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊をそれぞれ区別しない場合は、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と称して用いる。
【００３４】
電圧指令生成部５７から出力された正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊、負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊は、指令値補正部としての零相電圧指令値生成部５６から出力された零相電圧指令値Ｖо＊と合成されて補正された後、正側アーム変調指令生成部５３ｐと負側アーム変調指令生成部５３ｎとにそれぞれ入力される。
なお、零相電圧指令値生成部５６および零相電圧指令値Ｖｏ＊の詳細は後述する。
【００３５】
正側アーム変調指令生成部５３ｐは、正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊と零相電圧指令値Ｖｏ＊とを合成した補正後の正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊を、対応する正側アーム１０ｕＰ、１０ｖＰ、１０ｗＰに含まれる直流コンデンサ１３の電圧値合計に相当する値Ｖｃｐで除することによって、正側変調指令ｋａｒｍｐ＊を生成して出力する。
【００３６】
同様に、負側アーム変調指令生成部５３ｎは、負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊と零相電圧指令値Ｖｏ＊とを合成した補正後の負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊を、対応する負側アーム１０ｕＮ、１０ｖＮ、１０ｗＮに含まれる直流コンデンサ１３の電圧値合計に相当する値Ｖｃｎで除することによって、負側変調指令ｋａｒｍｎ＊を生成して出力する。
なお、正側変調指令ｋａｒｍｐ＊と負側変調指令ｋａｒｍｎ＊をそれぞれ区別しない場合は、変調指令ｋａｒｍ＊と称して用いる。
【００３７】
生成された変調指令ｋａｒｍｐ＊、ｋａｒｍｐｎ＊は、それぞれゲート信号生成部５５ｐ、５５ｎに入力される。
ゲート信号生成部５５ｐ、５５ｎは、例えば、入力された変調指令ｋａｒｍ＊と搬送波との大小比較によってゲート信号Ｇを得るＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｗｉｄｔｈ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式が用いられる。また、マルチレベル変換器のように複数の変換器セル１１が直列接続されるような構成の場合、アーム１０内において、３６０度をアーム１０内に含まれる変換器セル１１の数で割った値でそれぞれの搬送波の位相をシフトする位相シフトＰＷＭ方式が用いられる。
こうして生成されたゲート信号Ｇにより、電力変換器１の各アーム１０内の各変換器セル１１が出力制御される。
なお、ゲート信号生成部５５ｐ、５５ｎは、制御装置５０に含まれるものとして説明したが、ゲート信号生成部５５ｐ、５５ｎは、変換器セル１１に含まれる構成としてもよい。
【００３８】
次に、アームに対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値との関係について説明する。
【００３９】
前述のように、交流制御部５２は、位相同期回路５８から出力された位相信号５８ａと、交流電圧Ｖａｃと、交流電流Ｉａｃと、に基づいて、交流電圧指令値Ｖａｃ＊を生成する。
生成される交流電圧指令値Ｖａｃ＊は、例えばｕ相の場合、交流電圧Ｖａｃの振幅をＶｐとすると、位相信号５８ａにおいて示される交流電圧Ｖａｃの位相と同期する基本波の位相θ（＝ωｔ）を用いて以下（式１）により表される。
Ｖａｃｕ＊  ＝  Ｖｐ  ×  ｓｉｎωｔ  ・・・（式１）
【００４０】
零相電圧指令値生成部５６は、上記（式１）に示される交流電圧指令値Ｖａｃ＊に基づき生成されたアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、交流電圧Ｖａｃと、位相信号５８ａと、に基づき零相電圧を調整するための零相電圧指令値Ｖｏ＊を生成して出力する。
【００４１】
生成される零相電圧指令値Ｖｏ＊は、１つの例として、交流電圧指令値Ｖａｃｕ＊の振幅Ｖｐの１／６の振幅を有し、位相θ（ωｔ）の３倍の周波数を有する正弦波であり、以下（式２）により表される。
Ｖｏ＊  ＝  Ｖｐ／６  ×  ｓｉｎ３ωｔ  ・・・  （式２）
【００４２】
前述のように零相電圧指令値Ｖｏ＊は、電圧指令値生成部５７が出力したアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊（正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊、負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊）に合成されて、このアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正するものである。
ここで、本実施の形態の制御装置５０は、零相電圧指令値Ｖｏ＊を無効にして、零相電圧指令値Ｖｏ＊によるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の補正を行わず、電圧指令値生成部５７が出力したアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊のまま変調指令ｋａｒｍ＊を生成する第１の制御を行う場合と、電圧指令値生成部５７が出力したアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊に零相電圧指令値Ｖо＊を合成して補正して、変調指令ｋａｒｍ＊を生成する第２の制御を行う場合と、を切り替え可能に構成される。
【００４３】
以下、零相電圧指令値Ｖｏ＊によりアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正しない第１の制御を行う場合と、零相電圧指令値Ｖｏ＊によりアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正する第２の制御を行う場合との、それぞれの場合におけるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊について説明する。
【００４４】
図６は、実施の形態１による制御装置５０において、零相電圧指令値Ｖｏ＊によりアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正しない第１の制御を行う場合の、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
本図で示されるＶｃ（コンデンサ電圧Ｖｃ）は各相のアーム１０の、正側アーム１０Ｐに含まれる直流コンデンサ１３の電圧値合計に相当する値Ｖｃｐ、負側アーム１０Ｎに含まれる直流コンデンサ１３の電圧値合計に相当する値Ｖｃｎ、を総称した値であり、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値の上限値である。また、本図で示される０は、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値の下限値である。
【００４５】
なお、図６では、各アーム１０内のすべての直流コンデンサの直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐの合計値であるコンデンサ電圧Ｖｃが一定である場合を示しており、直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐの合計値であるコンデンサ電圧Ｖｃ＝直流電圧Ｖｄｃとしている。また、交流変調率ｋａｃを０．４とし、循環電流制御用の電圧指令値Ｖｚ＊≒０としている。
【００４６】
ここで、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、電圧指令生成部５７により生成されるＵ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊を例に示すと、零相電圧指令値Ｖｏ＊により補正されない場合は、交流電圧指令値Ｖａｃ＊、直流電圧指令値Ｖｄｃ＊、循環電流指令値Ｖｚ＊により以下（式３）で表される。
Ｖａｒｍｐｕ＊＝−Ｖａｃ＊／２＋Ｖｄｃ＊／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式３）
【００４７】
交流変調率ｋａｃは以下（式４）で与えられる。
ｋａｃ＝Ｖｐ÷（２×Ｖｃ）  ・・・  （式４）
【００４８】
交流変調率ｋａｃが０．４かつ循環電流制御用の電圧指令値Ｖｚ＊≒０の場合、上記（式１）、（式３）、及び（式４）より、以下（式５）が成り立つ。
Ｖａｒｍｐｕ＊＝−０．４Ｖｃ×ｓｉｎωｔ＋Ｖｃ／２  ・・・（式５）
【００４９】
したがって、この場合、Ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊は、０．１Ｖｃ≦Ｖａｒｍｐｕ＊≦０．９Ｖｃとなり、Ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊は、アーム１０が出力可能な限界値である０、Ｖｃを超えない。よって、対応するＵ相正側のアーム１０ｕＰは、Ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊通りの値を出力でき、Ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊に追従するように交流電圧を出力できる。
【００５０】
図７は、図６と同様に、零相電圧指令値Ｖｏ＊によりアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正しない第１の制御を行う場合の、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アーム１０が出力可能な限界値とを示す波形図である。
図６と同様に、各アーム１０内のすべての直流コンデンサの直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐの合計値Ｖｃが一定であり、交流変調率ｋａｃが０．５より大きい場合を示している。
【００５１】
ここで、Ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊を例に示すと、例えば交流変調率ｋａｃを０．５５とし、循環電流制御出力Ｖｚ＊≒０、Ｖｃ＝Ｖｄｃとした場合、（式１）、（式３）、及び（式４）より、以下（式６）が成り立つ。
Ｖａｒｍｐｕ＊＝−０．５５Ｖｃ×  ｓｉｎωｔ  ＋  Ｖｃ／２  ・・・（式６）
【００５２】
この場合、−０．０５Ｖｃ≦Ｖａｒｍｐｕ＊≦１．０５Ｖｃの範囲となり、図７に示すように、Ｕ相正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊がコンデンサ電圧Ｖｃを上回る部分が存在し、０を下回る部分も存在する。マルチレベル変換器は、０以下Ｖｃ以上の電圧を出力できないため、電流波形が歪むことになる。
【００５３】
図８は、実施の形態１による制御装置５０において、図６、図７と同じアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を用い、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を、上記（式２）に示した零相電圧指令値Ｖо＊により補正する第２の制御を行う場合におけるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アームが出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。本図では、さらに零相電圧指令値Ｖо＊の波形を示している。
【００５４】
図８に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃが一定である条件下において、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を上記零相電圧指令値Ｖо＊により補正した場合、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊はコンデンサ電圧Ｖｃを上回らず、０を下回らない。この場合、各アーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、交流電圧指令値Ｖａｃ＊の基本波周波数ｆの３倍の周波数で歪むが、三相全てに共通する零相電圧指令値Ｖｏ＊を与えているため線間で出力される電圧は等しく、交流端に影響を与えない。
【００５５】
従って、このように、（式２）に示す交流電圧指令値Ｖａｃ＊の基本波周波数ｆの３倍の周波数の正弦波の零相電圧指令値Ｖｏ＊を与えることで、交流系統側に影響を与えることなく、対応するアーム１０はアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊通りの値を出力できる。すなわち必要とする電圧値合計相当値Ｖｃを小さくでき、直流コンデンサ１３を小型化できる。
【００５６】
しかしながら、直流コンデンサをそれぞれ備える複数の変換器セルを直列多重接続して構成するマルチレベル変換器では、各アームの電圧は一定ではなく、電力脈動により電圧リップルが生じる。
例えば、マルチレベル変換器の正側アーム電圧Ｖａｒｍｐ及び電流Ｉａｒｍｐは、以下（式７）、（式８）で表される。
【００５７】
Ｖａｒｍｐ＝−Ｖｐ×ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄｃ／２−ω（Ｌａｃ＋Ｌ／２）Ｉｐ×ｃｏｓ（ωｔ）  ・・・（式７）
【００５８】
Ｉａｒｍｐ＝−Ｉｐ／２×ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｉｄｃ／３  ・・・（式８）
【００５９】
但し、Ｖｐ：交流電圧Ｖａｃの振幅、Ｖｄｃ：直流電圧、Ｌａｃ：交流インダクタンス、Ｌ：アームインダクタンス、Ｉｐ：交流電流振幅、Ｉｄｃ：直流電流、ω：交流系統電圧と同期する角周波数、ｔ：時刻。
【００６０】
上記（式７）、（式８）よりマルチレベル変換器の正側アームの瞬時電力は、以下（式９）で表される。
【００６１】
Ｖａｒｍｐ＊Ｉａｒｍｐ＝Ｖｐ×Ｉｐ／２×ｓｉｎ２（ωｔ）
−Ｖｄｃ／２×Ｉｐ／２×ｓｉｎ（ωｔ）
＋１／２×ω×（Ｌａｃ＋Ｌ／２）Ｉｐ２×ｃｏｓ（ωｔ）×ｓｉｎ（ωｔ）
−Ｖｐ×Ｉｄｃ／３×ｓｉｎ（ωｔ）＋Ｖｄｃ／２×Ｉｄｃ／３
−ω（Ｌａｃ＋Ｌ／２）×Ｉｐ×Ｉｄｃ／３×ｃｏｓ（ωｔ）  ・・・（式９）
【００６２】
上記（式９）を周波数成分で整理すると、マルチレベル変換器の正側アーム１０Ｐの瞬時電力は、以下（式１０）で表される。
【００６３】
Ｖａｒｍｐ＊Ｉａｒｍｐ＝−１／４×Ｖｐ×Ｉｐ＋１／２×Ｖｄｃ×Ｉｄｃ／３
−（１／４×Ｖｄｃ×Ｉｐ＋Ｖｐ×Ｉｄｃ／３）×ｓｉｎ（ωｔ）
−ω（Ｌａｃ＋Ｌ／２）×Ｉｐ×Ｉｄｃ／３×ｃｏｓ（ωｔ）
−１／４×Ｖｐ×Ｉｐ×ｃｏｓ（２ωｔ）
＋１／４×ω×（Ｌａｃ＋Ｌ／２）×Ｉｐ２×ｓｉｎ（２ωｔ）  ・・・（式１０）
【００６４】
上記（式１０）に示すように、マルチレベル変換器の正側アーム１０Ｐの瞬時電力は、直流成分と交流系統周波数成分と交流系統の基本波周波数ｆの２倍の周波数成分をもつ。このため、マルチレベル変換器では、アーム１０の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐに脈動が生じる。マルチレベル変換器の直流コンデンサ１３を小型化するために静電容量を低減させると、この直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐの脈動はより大きくなる。
【００６５】
図９は、図８と同じアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、零相電圧指令値Ｖｏ＊とを用いた場合で、直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐ（コンデンサ電圧Ｖｃ）に電圧脈動が生じる場合における、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
この場合、直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐの電圧脈動が影響して、上記（式２）で表される零相電圧指令値Ｖｏ＊によるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の補正を行っても、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊がコンデンサ電圧Ｖｃを上回る部分が存在する。そのため、対応するアーム１０はアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊通りの値を出力できない。コンデンサ電圧Ｖｃの脈動が大きい場合、各アーム１０の電圧制御余裕が異なってくる。
よって、本実施の形態の交流制御部５２は、このような、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値（Ｖｃ、０）に干渉することを防止するために、この出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕に基づいた、以下に説明する制御を行う。
【００６６】
ここで、前述のように電力変換装置１００は、零相電圧指令値Ｖｏ＊によるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の補正を行わない第１の制御と、零相電圧指令値Ｖｏ＊によるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の補正を行う第２の制御と、を切り替え可能に構成されている。
さらに電力変換装置１００は、第２の制御において、前記（式２）に示すような交流電圧Ｖａｃの３倍の周波数の正弦波の零相電圧指令値Ｖｏ＊を用いる制御（以降、高調波制御と称す）と、以下に説明するようなアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕に基づいた零相電圧指令値Ｖｏ＊を用いる制御（以降、調整制御と称す）と、を有する。
【００６７】
図１０、図１１は、実施の形態１による制御装置５０の、第２の制御における調整制御を示すフロー図である。
制御装置５０の零相電圧指令値生成部５６は、調整制御において、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、各々のアーム１０に含まれる全ての変換器セル１１内の直流コンデンサ１３の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐと、交流電圧Ｖａｃと、位相信号５８ａとを入力として、出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の裕度（制御余裕）に基づき零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する。
【００６８】
図１０を参照して、先ず、ステップＳ１にて、零相電圧指令値生成部５６は、各アーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を受け取る。
このアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、以下（式１１）〜（式１６）を用いて電圧指令値生成部５７より生成されている。
【００６９】
Ｖａｒｍｐｕ＊＝−Ｖａｃｕ＊／２＋Ｖｄｃ／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式１１）
Ｖａｒｍｎｕ＊＝  Ｖａｃｕ＊／２＋Ｖｄｃ／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式１２）
Ｖａｒｍｐｖ＊＝−Ｖａｃｖ＊／２＋Ｖｄｃ／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式１３）
Ｖａｒｍｎｖ＊＝  Ｖａｃｖ＊／２＋Ｖｄｃ／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式１４）
Ｖａｒｍｐｗ＊＝−Ｖａｃｗ＊／２＋Ｖｄｃ／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式１５）
Ｖａｒｍｎｗ＊＝  Ｖａｃｗ＊／２＋Ｖｄｃ／２＋Ｖｚ＊  ・・・（式１６）
【００７０】
次に、ステップＳ２にて、零相電圧指令値生成部５６は、各変換器セル１１内の電圧センサ１４より検出された直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐを受け取り、各アーム１０内の全ての直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐを加算する。こうして零相電圧指令値生成部５６は、各アーム１０毎のコンデンサ電圧合計値ΣＶｃａｐ（ΣＶｃａｐｐｕ、ΣＶｃａｐｐｖ、ΣＶｃａｐｐｗ、ΣＶｃａｐｎｕ、ΣＶｃａｐｎｖ、ΣＶｃａｐｎｗ）を求める。
【００７１】
次に、ステップＳ３にて、零相電圧指令値生成部５６は、各アーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の、対応するアーム１０内の直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐに対する制御余裕を示す差電圧である第１偏差ΔＶａｒｍを算出する。この第１偏差電圧ΔＶａｒｍは、正側アーム１０Ｐの交流電圧指令値の場合、（式１７）〜（式１９）により算出し、負側アーム１０Ｎの交流電圧指令の場合、（式２０）〜（式２２）により算出する。
【００７２】
ΔＶａｒｍｐｕ＝ΣＶｃａｐｐｕ−Ｖａｒｍｐｕ＊  ・・・（式１７）
ΔＶａｒｍｐｖ＝ΣＶｃａｐｐｖ−Ｖａｒｍｐｖ＊  ・・・（式１８）
ΔＶａｒｍｐｗ＝ΣＶｃａｐｐｗ−Ｖａｒｍｐｗ＊  ・・・（式１９）
ΔＶａｒｍｎｕ＝ΣＶｃａｐｎｕ−Ｖａｒｍｎｕ＊  ・・・（式２０）
ΔＶａｒｍｎｖ＝ΣＶｃａｐｎｖ−Ｖａｒｍｎｖ＊  ・・・（式２１）
ΔＶａｒｍｎｗ＝ΣＶｃａｐｎｗ−Ｖａｒｍｎｗ＊  ・・・（式２２）
【００７３】
更に、出力電圧範囲の下限値０に対する各アーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕は、アーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、出力電圧範囲の下限値０との差電圧である第２偏差Ｖａｒｍ＊とする。即ち、各アーム１０の第２偏差Ｖａｒｍ＊の値は、その値の極性を考慮しない場合、各アーム１０の電圧指令値Ｖａｒｍ＊そのものの値となる。
【００７４】
ステップＳ４以降では、各アーム１０の内、第１偏差ΔＶａｒｍあるいは第２偏差Ｖａｒｍ＊が最小となるアーム１０におけるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊、即ち、出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕が最も小さいアーム１０におけるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊に基づいて零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する。
【００７５】
まず、ステップＳ４にて、Ｕ相正側アーム１０ｕＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｕあるいは第２偏差Ｖａｒｍｐｕ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内で最小値をとる場合では（ステップＳ４、Ｙｅｓ）、ステップＳ５に移り、零相電圧指令値Ｖｏ＊を以下（式２３）または（式２４）に従い調整する。
【００７６】
Ｕ相正側アーム１０ｕＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｕが最小となった場合、
Ｖо＊＝Ｖａｒｍｐｕ＊−ΣＶｃａｐｐｕ  ・・・（式２３）
【００７７】
Ｕ相正側アーム１０ｕＰの第２偏差Ｖａｒｍｐｕ＊が最小となった場合、
Ｖо＊＝Ｖａｒｍｐｕ＊  ・・・（式２４）
【００７８】
また、ステップＳ６にて、Ｕ相負側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｎｕあるいは第２偏差Ｖａｒｍｎｕ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内で最小値をとる場合では（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、ステップＳ７に移り、零相電圧指令値Ｖｏ＊を以下（式２５）または（式２６）に従い調整する。
【００７９】
Ｕ相負側アーム１０ｕＮで第１偏差ΔＶａｒｍｎｕが最小となった場合、
Ｖо＊＝−Ｖａｒｍｎｕ＊＋ΣＶｃａｐｎｕ  ・・・（式２５）
【００８０】
Ｕ相負側アーム１０ｕＮの第２偏差Ｖａｒｍｎｕ＊が最小となった場合、
Ｖо＊＝−Ｖａｒｍｎｕ＊  ・・・（式２６）
【００８１】
また、ステップＳ８にて、Ｖ相正側アーム１０ｖＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｖあるいは第２偏差Ｖａｒｍｐｖ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内で最小値をとる場合では（ステップＳ１０、Ｙｅｓ）、ステップＳ９に移り、零相電圧指令値Ｖо＊を以下（式２７）または（式２８）に従い調整する。
【００８２】
Ｖ相正側アーム１０ｖＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｖが最小となった場合、
Ｖо＊＝Ｖａｒｍｐｖ＊−ΣＶｃａｐｐｖ・・・（式２７）
【００８３】
Ｖ相正側アーム１０ｖＰの第２偏差Ｖａｒｍｐｖ＊が最小となった場合、
Ｖо＊＝Ｖａｒｍｐｖ＊・・・・・・・・・・・（式２８）
【００８４】
また、図１１を参照して、ステップＳ１０にて、Ｖ相負側アームｖＮの第１偏差ΔＶａｒｍｎｖあるいは第２偏差Ｖａｒｍｎｖ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内で最小値をとる場合では（ステップＳ１０、Ｙｅｓ）、ステップＳ１１に移り、零相電圧指令値Ｖо＊を（式２９）または（式３０）に従い調整する。
【００８５】
Ｖ相負側アーム１０ｖＮで第１偏差ΔＶａｒｍｎｖが最小となった場合、
Ｖо＊＝−Ｖａｒｍｎｖ＊＋ΣＶｃａｐｎｖ  ・・・（式２９）
【００８６】
Ｖ相負側アーム１０ｖＮの第２偏差Ｖａｒｍｎｖ＊が最小となった場合、
Ｖо＊＝−Ｖａｒｍｎｖ＊  ・・・（式３０）
【００８７】
また、ステップＳ１２にて、Ｗ相正側アームｗＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｗあるいは第２偏差Ｖａｒｍｐｗ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内で最小値をとる場合では（ステップＳ１２でＹｅｓ）、ステップＳ１３に移り、零相電圧指令値Ｖо＊を（式３１）または（式３２）に従い調整する。
【００８８】
Ｗ相正側アーム１０ｗＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｗが最小となった場合、
Ｖо＊＝Ｖａｒｍｐｗ＊−ΣＶｃａｐｐｗ  ・・・（式３１）
【００８９】
Ｗ相正側アーム１０ｗＰの第２偏差Ｖａｒｍｐｗ＊が最小となった場合、
Ｖо＊＝Ｖａｒｍｐｗ＊  ・・・（式３２）
【００９０】
また、ステップＳ１４にて、Ｗ相負側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｎｗあるいは第２偏差Ｖａｒｍｎｗ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内で最小値をとる場合では（ステップＳ１４、Ｙｅｓ）、ステップＳ１５移り、零相電圧指令値Ｖо＊を（式３３）または（式３４）に従い調整する。
【００９１】
Ｗ相負側アーム１０で第１偏差ΔＶａｒｍｎｗが最小となった場合、
Ｖо＊＝−Ｖａｒｍｎｗ＊＋ΣＶｃａｐｎｗ  ・・・（式３３）
【００９２】
Ｗ相負側アーム１０の第２偏差Ｖａｒｍｎｗ＊が最小となった場合、
Ｖо＊＝−Ｖａｒｍｎｗ＊  ・・・（式３４）
【００９３】
上記のような調整制御により調整された零相電圧指令値Ｖｏ＊は、図５に示したように、正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊から減算され、負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊に加算されて、これら正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊と負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊を補正する。補正後の正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐ＊と負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎ＊は、正側アーム変調指令生成部５３ｐと負側アーム変調指令生成部５３ｎへそれぞれ入力される。
【００９４】
このように制御装置５０は、第２の制御における調整制御において、アーム１０の出力電圧範囲の限界値に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の裕度を示す制御余裕である第１偏差ΔＶａｒｍあるいは第２偏差Ｖａｒｍ＊を、アーム１０ごとに算出する。そして制御装置５０は、これら算出された各相アーム１０の第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍ＊の内、最小値となる第１偏差ΔＶａｒｍあるいは第２偏差Ｖａｒｍ＊を用いて、上記（式２３）〜（式３４）に示す零相電圧指令値Ｖо＊の調整を行う。そして、制御装置５０は、この調整された零相電圧指令値Ｖо＊をアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊に加算、減算して、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正する。これにより、制御装置５０は、制御余裕が最も小さいアーム１０におけるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を、出力電圧範囲の限界値と一致するように調整する。こうして、電力変換装置１００が有する全てのアーム１０に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、出力電圧範囲の限界値を超えないように調整される。
【００９５】
よって、図９を用いて示したような、基本波周波数ｆの３倍の周波数の正弦波の零相電圧指令値Ｖｏ＊を用いた第２の制御における高調波制御を行ったとしても、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値Ｖｃを超えるような構成、仕様、動作条件等の場合の電力変換装置であっても、定常的にこの第２の制御における調整制御を実行することで、電力変換器１の全ての動作期間中においてアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値を超えず、この限界値と一致するように調整される。
【００９６】
以下、電力変換装置１００が、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正しない第１の制御を定常的に行う場合と、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を補正する第２の制御における調整制御を定常的に行う場合と、を図を用いて説明する。
【００９７】
なお、以上では、図９を用いて示したような、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値を超えるような構成、仕様、動作条件等の場合の電力変換装置１００に対して、第２の制御における調整制御を行う場合を挙げて説明した。
以下では、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値を超えていない構成、仕様、動作条件等の電力変換装置１００に対し調整制御を行う場合について、第１の制御を行う場合と比較して説明する。
【００９８】
図１２は、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０を超えていない構成、仕様、動作条件等の場合の電力変換装置１００に対して、零相電圧指令値Ｖｏ＊の調整をしない第１の制御を定常的に行う場合の、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
図１３は、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値を超えていない構成、仕様、動作条件等の場合の電力変換装置１００に対して、零相電圧指令値Ｖｏ＊の調整をする第２の制御における調整制御を定常的に行う場合の、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
【００９９】
なお、両図において、図示の便宜上、出力電圧範囲の上限値であるコンデンサ電圧Ｖｃにおいて脈動が生じていない状態を図示している。
【０１００】
図１２において、０〜π／３の位相区間においては、各相Ｕ、Ｖ、Ｗのアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の、出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０に対する制御余裕の内、Ｕ相のアーム電圧指令値Ｖａｒｍｐｕ＊、Ｖａｒｍｎｕ＊の制御余裕（上アームの第１偏差ΔＶａｒｍｐｕあるいは下アームの第２偏差Ｖａｒｍｎｕ＊）が最小となる。
ここで、Ｕ相の正側アーム１０ｕＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｕと、負側アーム１０ｕＮの第２偏差Ｖａｒｍｎｕ＊とがほぼ同じ値であるとする。この場合、制御装置５０は、前記（式２３）あるいは（式２４）に基づき零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する。
【０１０１】
これにより、図１３に示すように、０〜π／３の位相区間において、Ｕ相のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊（Ｖａｒｍｐｕ＊、Ｖａｒｍｎｕ＊）が、出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０を超えず、この限界値と一致するように制御される。
なお、図１２に示したように、補正前のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、０〜π／３の位相区間において、位相の変化に伴い制御余裕（第１偏差ΔＶａｒｍ、第２偏差Ｖａｒｍ＊）が変化する。本実施の形態の制御装置５０は、制御周期内の位相変化に伴い制御余裕が変化する場合でも、制御周期毎の制御余裕に基づき零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する。こうして、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、常に出力電圧範囲の限界値と同等になるように精度良く調整される。
【０１０２】
また、図１２を参照して、π／３〜２π／３の位相区間においては、Ｗ相のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕（上アームの第２偏差Ｖａｒｍｐｗ＊あるいは下アームの第１偏差ΔＶａｒｍｎｗ）が最小となる。また、２π／３〜πの位相区間においては、Ｖ相の制御余裕（上アームの第１偏差ΔＶａｒｍｐｖあるいは下アームの第２偏差Ｖａｒｍｎｖ＊）が最小となる。
この場合、前述のＵ相と同様に、図１３に示すように、π／３〜２π／３の位相区間においては、Ｗ相のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊（Ｖａｒｍｐｗ＊、Ｖａｒｍｎｗ＊）が、出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０と一致するように調整される。また、２π／３〜πの位相区間においては、Ｖ相のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊（Ｖａｒｍｐｖ＊、Ｖａｒｍｎｖ＊）が、出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０と一致するように調整される。
【０１０３】
このように、電力変換器１の制御周期（図１３では０〜２πの位相区間）毎に、常に調整制御が実行される。即ち、電力変換器１の動作期間の、どの動作時点においても、少なくとも一つのアーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値Ｖｃ、０と同等に制御される。
【０１０４】
ここで、制御装置５０は、上記のようなアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を、出力電圧範囲の限界値と一致させる調整制御において、変換器セル１１が図２〜図４に示したような上アーム、下アーム共に半導体スイッチング素子１２を有する直列体を備えた構成である場合、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊がＶｃまたは０となる区間では、上アーム、下アームの半導体スイッチング素子１２の内、一方をオン状態に固定し、他方をオフ状態に固定して、スイッチングを行わない制御とする。
よって、電力変換器１の動作期間の、どの動作時点においても、半導体スイッチング素子１２のスイッチングが行われないアーム１０が少なくとも１相分存在するように制御される。よって、電力変換器１の全動作期間に渡って、少なくとも１相分の変換器セルの半導体スイッチング素子のスイッチング損失が低減されるため、電力変換器１の高効率化が可能となる。
【０１０５】
なお、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の、出力電圧範囲の限界値に対する制御余裕は、上記のようなアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と限界値との差電圧（第１偏差ΔＶａｒｍ、第２偏差Ｖａｒｍ＊）に限定するものではない。例えば、当該制御余裕として、アーム１０の出力電圧範囲の限界値に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍの比率を用いてもよい。その場合、零相電圧指令値Ｖｏ＊は、この制御余裕としての比率を用いた調整とすればよい。
【０１０６】
また、（式２）に示した零相電圧指令値Ｖｏ＊は、交流電圧指令値Ｖａｃ＊の３倍の周波数を有する正弦波を示したが、（Ｐ×（２Ｎ−１））により示される周波数で振動する正弦波であればよい。但し、Ｐは交流の相数、Ｎは１以上の整数である。
【０１０７】
なお、上記では、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を、アーム１０が出力可能な限界値と一致するように制御する例を示したが、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、限界値と同等となる電圧範囲内に制御されればよい。この限界値と同等となるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の電圧範囲とは、変換器セル１１が有する上アーム、下アームの半導体スイッチング素子１２の内、一方がオン状態に固定され、他方はオフ状態に固定されて、スイッチングが行われない状態が確保できる電圧範囲である。
【０１０８】
また、調整制御により補正されるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊は、１つのアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊に限定するものではない。限界値に対する裕度が最小となるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が複数ある場合は、限界値が最小となるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の全てに対して調整制御を行うとよい。
【０１０９】
上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
エネルギー蓄積要素と複数の半導体素子とを有する変換器セルを複数直列して備える一対のアームが互いに直列接続されたレグ回路を交流の各相にそれぞれ備え、該レグ回路が正負の直流端子間に並列接続されて、交流と直流との間で電力変換を行う電力変換器と、該電力変換器を制御する制御部と、を備えた電力変換装置において、
前記制御部は、
前記アーム内の各前記変換器セルの出力を制御する、前記アームに対するアーム電圧指令値を、零相電圧指令値により補正する指令値補正部を備え、
前記指令値補正部は、
少なくとも一つの前記アーム電圧指令値が、前記アームの出力電圧範囲の限界値と同等になるように、前記零相電圧指令値を調整する調整制御を行う、
ものである。
【０１１０】
直流コンデンサをそれぞれ備える複数の変換器セルを直列多重接続して構成するマルチレベル変換器では、各アームにおけるコンデンサ電圧には脈動が生じる。そこで、上記のように、少なくとも一つのアーム電圧指令値が、アームの出力電圧範囲の限界値と同等になるように零相電圧指令値を調整する調整制御を行う指令値補正部を備える構成とする。
これにより、アーム電圧指令値が、出力電圧範囲の限界値を大幅に超過して電圧が出力できなくなることを抑止して動作安定性を確保できると共に、電圧利用率を最大限に高めて高効率化を図れる。また、アーム電圧指令値が、出力電圧範囲の限界値未満となる構成、仕様、動作条件の電力変換装置においても、アーム電圧指令値を出力電圧範囲の限界値と同等に調整することで、電圧利用率を最大限に活用できる。
【０１１１】
更に、アーム電圧指令値が、出力電圧範囲の限界値と同等に調整されることで、この調整されたアーム電圧指令値により制御されるアームの各変換器セル内の半導体スイッチング素子をほぼスイッチングさせない状態とすることができる。半導体スイッチング素子を有する変換器セルを多重接続して構成するマルチレベル変換器において、このように各変換器セルにおけるスイッチングを減らすことで、電力変換装置におけるスイッチング損失の大幅な低減を図ることが可能となる。
【０１１２】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、
複数の前記アーム電圧指令値の内、前記限界値に対する裕度が最小となる前記アーム電圧指令値において、該アーム電圧指令値の該裕度を用いて前記指令値補正部により前記零相電圧指令値を調整する前記調整制御を行う、
ものである。
【０１１３】
このように、制御余裕が最も小さいアームにおけるアーム電圧指令値の裕度を用いて調整制御を行うことで、全てのアームにおけるアーム電圧指令値を、出力電圧範囲の限界値を超えないように調整できる。これにより、電力変換装置の更なる動作安定性が確保できる。
【０１１４】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、前記調整制御において、
前記アーム電圧指令値の制御周期毎の前記裕度を用いて、前記零相電圧指令値を調整する、
ものである。
【０１１５】
これにより、出力電圧範囲の限界値に対するアーム電圧指令値の制御余裕が、制御周期内の位相変化に伴い変化する場合でも、制御周期毎の制御余裕に応じて、零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する。こうして、電力変換器の動作期間中において、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を、出力電圧範囲の限界値と同等となるように精度良く調整できる。
【０１１６】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記変換器セルは、
上アーム、下アーム共に前記半導体素子としての半導体スイッチング素子を有する直列体を有し、該直列体と前記エネルギー蓄積要素とが並列接続して構成され、
前記制御部は、前記調整制御において、
前記限界値と同等になるように調整された前記アーム電圧指令値により制御される前記アームにおいて、該アームの各前記変換器セルにおける前記上アーム、前記下アームの前記半導体スイッチング素子の内、一方を、オン状態に固定し、他方をオフ状態に固定する、
ものである。
【０１１７】
このように、調整制御が行われるアームにおけるアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊がＶｃまたは０となる区間では、当該アームの各変換器セルにおける直列体を構成する上アーム、下アームの半導体スイッチング素子の内、一方をオン状態に固定し、他方をオフ状態に固定することで出力限界値の電圧を出力する。こうして、電力変換装置におけるスイッチング損失の大幅な低減を確実に図ることが可能となる。
【０１１８】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記裕度は、
前記アーム電圧指令値と前記限界値の上限値との差分である第１偏差、あるいは、前記アーム電圧指令値と前記限界値の下限値との差分である第２偏差、である、
ものである。
【０１１９】
このように、調整制御において用いる制御余裕としての裕度を、出力電圧範囲の上限値および下限値からの差分により算出することで、裕度の算出の簡素化を図り、上限値および下限値の両限界値に対してアーム電圧指令値が超過することを防止できる。
【０１２０】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、
前記限界値としての、各前記アームにおける全ての前記エネルギー蓄積要素の電圧値の合計値、を用いて前記調整制御を実行するか否かを判定する判定制御を行う、
ものである。
【０１２１】
マルチレベル変換器では、上アーム、下アーム間におけるエネルギーの授受等に起因して、各アームにおいてエネルギー変動が生じる。そしてそれに伴って各アームにおけるコンデンサ電圧も変化する。よって、電力変換装置の動作中における各アームにおける全てのエネルギー蓄積要素の電圧値の合計値を監視して調整制御を行うか否かを判定することで、動作中において適切な調整制御の実行が可能となる。
【０１２２】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、
前記電力変換器の電力変換動作が行われる全ての動作期間中に前記調整制御を実行し、
前記電力変換器の動作期間中の各時点において少なくとも一つの前記アーム電圧指令値が前記限界値と同等に調整される、
ものである。
【０１２３】
このように電力変換器の全動作期間中に定常的に調整制御を実行することで、電力変換器の動作期間の、どの動作時点においても、半導体スイッチング素子のスイッチングが行われないアームが少なくとも１相分存在するように制御される。そのため、電力変換器の全動作期間に渡って、少なくとも１相分の半導体スイッチング素子のスイッチング損失が低減できる。これにより、電力変換器の高効率化が図れる。
【０１２４】
実施の形態２．
以下、本願の実施の形態２を、上記実施の形態１と異なる箇所を中心に図を用いて説明する。上記実施の形態１と同様の部分は同一符号を付して説明を省略する。
本実施の形態２では、例えば交流系統の地絡等の不具合に影響され、過変調になった場合の、制御装置５０による制御について説明する。
【０１２５】
図１４は、交流系統でＵ相地絡が発生した場合の交流系統電圧と、その際の電力変換器１の正側アーム電圧と、正側アーム電流の波形の一例を示す図である。
図１４に示すように、三相交流系統のＵ相において地絡が発生すると、正側アーム電圧は３相不平衡となり、Ｕ相のアーム電圧、Ｖ相のアーム電圧が低下し、Ｖ相の電流が過電流となる。この場合、電力変換装置１００は、過電流を検出してゲートブロックを行う。このような交流系統の地絡発生時には、３相のアーム電圧がアンバランスするため、零相電圧が大きく変動する。
【０１２６】
実施の形態１の制御装置５０では、電力変換器１の動作期間中に定常的に調整制御を実行していた。しかしながら、常に零相電圧指令値Ｖｏ＊の調整を行うと、このような零相電圧が急変した場合において、この急変に応じた適切な零相電圧指令値Ｖｏ＊の調整ができず、不要の対地電流を生じさせてしまう恐れがある。
本実施の形態では、制御装置５０は、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、出力電圧範囲の限界値を超過して過変調になった場合にのみ調整制御を実行する。
【０１２７】
図１５は、交流系統の地絡等の影響により、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、アームが出力可能な電圧範囲の限界値を超過した例を示す波形図である。
本図において、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が出力電圧範囲の限界値Ｖｃを上回り、過変調となる区間が存在する。
図１６は、図１５に示したアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊に対して、第２の制御における調整制御を行った場合の、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊と、アーム１０が出力可能な電圧範囲の限界値とを示す波形図である。
図１７、図１８は、実施の形態２による制御装置５０の制御を示すフロー図である。
図１７、図１８において、ステップＳ２０３ａ、Ｓ２１６以外のステップは、実施の形態１と同様である。
【０１２８】
図１７を参照して、実施の形態１と同様に、制御装置５０は、ステップＳ１〜Ｓ３を経て、出力電圧範囲の限界値に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕を示す第１偏差ΔＶａｒｍ、第２偏差Ｖａｒｍ＊を算出する。
【０１２９】
ステップＳ２０３ａにて、制御装置５０は、アームの電圧指令値Ｖａｒｍ＊が０以上かつ直流コンデンサ電圧Ｖｃａｐの合計値ΣＶｃａｐ以下であるかを判定する。
制御装置５０は、ΣＶｃａｐ≧Ｖａｒｍ＊≧０である場合は（ステップＳ２０３ａ、Ｙｅｓ）、ステップＳ２１６に移り、第２の制御における調整制御は行わない。この場合、制御装置５０は、零相電圧指令値Ｖｏ＊を補正しない第１の制御、あるいは（式２）に示す零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する第２の制御における高調波制御を実行する。
【０１３０】
ステップＳ２０３ａにて、電圧指令値Ｖａｒｍ＊がΣＶｃａｐを上回るか、０を下回る場合（ステップＳ４、Ｙｅｓ）、制御装置５０は、調整制御の実行を決定する。
このように、制御装置５０が、調整制御を実行するか否かを決定する制御を判定制御と称す。
【０１３１】
この場合、制御装置５０は、実施の形態１のステップＳ４〜ステップＳ１５と同様に、各アーム１０の内、第１偏差ΔＶａｒｍと第２偏差Ｖａｒｍ＊が最小となる、即ち、出力電圧範囲の限界値に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の制御余裕が最も小さいアーム１０のアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊に基づいて零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する。
【０１３２】
まず、ステップＳ４にて、Ｕ相正側アーム１０ｕＰの第１偏差ΔＶａｒｍｐｕあるいは第２偏差Ｖａｒｍｐｕ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍの内で最小値をとる場合では（ステップＳ４、Ｙｅｓ）、ステップＳ５に移り、零相電圧指令値Ｖｏ＊を前記（式２３）あるいは（式２４）に従い調整する。
【０１３３】
また、ステップＳ６にて、Ｕ相負側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｎｕあるいは第２偏差Ｖａｒｍｎｕ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍの内で最小値をとる場合では（ステップＳ６、Ｙｅｓ）、ステップＳ７に移り、零相電圧指令値Ｖｏ＊を前記（式２５）あるいは（式２６）に従い調整する。
【０１３４】
また、ステップＳ８にて、Ｖ相正側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｐｖあるいは第２偏差Ｖａｒｍｐｖ＊が、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍの内で最小値をとる場合では（ステップＳ８、Ｙｅｓ）、ステップＳ９に移り、零相電圧指令値Ｖｏ＊を前記（式２７）あるいは（式２８）に従い調整する。
【０１３５】
また、図１８を参照して、ステップＳ１０にて、Ｖ相負側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｎｖあるいは第２偏差Ｖａｒｍｎｖ＊が全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍの内で最小値をとる場合では（ステップＳ１０、Ｙｅｓ）ステップＳ１１に移り、零相電圧指令値Ｖо＊を前記（式２９）あるいは（式３０）に従い調整する。
【０１３６】
また、ステップＳ１２にて、Ｗ相正側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｐｗあるいは第２偏差Ｖａｒｍｐｗが、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍの内で最小値をとる場合では（ステップＳ１２、Ｙｅｓ）、ステップＳ１３に移り、零相電圧指令値Ｖо＊を前記（式３１）あるいは（式３２）に従い調整する。
【０１３７】
また、ステップＳ１４にて、Ｗ相負側アームの第１偏差ΔＶａｒｍｎｗあるいは第２偏差Ｖａｒｍｎｗが、全相のアーム１０における第１偏差ΔＶａｒｍおよび第２偏差Ｖａｒｍの内で最小値をとる場合では（ステップＳ１４、Ｙｅｓ）、ステップＳ１５に移り、零相電圧指令値Ｖо＊を前記（式３３）あるいは（式３４）に従い調整する。
【０１３８】
このように調整された零相電圧指令値Ｖｏ＊は図５に示すように、正側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｐから減算され、負側アーム電圧指令値Ｖａｒｍｎに加算されて、正側アーム変調指令生成部５３ｐ及び負側アーム変調指令生成部５３ｎへ入力される。
【０１３９】
このように、本実施の形態の制御装置５０は、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、アーム１０の出力電圧範囲の限界値を超過した否かを監視して、超過した場合にのみ調整制御を実行する判定制御を行う。これにより、不要な電流が流れることを防止して電力変換器１の動作安定性を確保できる。
【０１４０】
なお、上記では、制御装置５０が、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、出力電圧範囲の限界値を超過した場合にのみ調整制御を行う例で説明したが、制御余裕が、設定された第１閾値Ｖｔｈ未満となった場合にのみ調整制御を行うものでもよい。変換器セル１１を多重直列接続して成るマルチレベル変換器では、半導体スイッチング素子１２のスイッチングの影響により出力側のノイズが大きくなる場合がある。よって、このように、制御余裕に対してマージンとしての第１閾値Ｖｔｈを設けることで、スイッチングノイズの影響を考慮した制御が可能となる。これにより、電力変換器１の更なる動作安定性を確保できる。
【０１４１】
なお、第１閾値Ｖｔｈ以下の値が、出力電圧範囲の限界値に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊の超過を示すように第１閾値Ｖｔｈを設定すれば、第１閾値Ｖｔｈを用いて、アーム電圧指令値Ｖａｒｍが出力電圧範囲の限界値を超過したか否かの判定が行える。
この場合、例えば、第１偏差ΔＶａｒｍを、出力電圧範囲の限界値の上限値ΣＶｃａｐからアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を減算した値とし、第２偏差Ｖａｒｍ＊を、アーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊から限界値の下限値０を減算した値とする。そして、第１閾値Ｖｔｈを０未満の値に設定することで、第１閾値Ｖｔｈを用いたアーム１０の限界値の超過判定が行える。
【０１４２】
また、制御装置５０は、第２の制御における高調波制御の実行中において判定制御を行い、調整制御を実行する必要があるか否かを判定してもよい。
【０１４３】
上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、
前記限界値としての、各前記アームにおける全ての前記エネルギー蓄積要素の電圧値の合計値、を用いて前記調整制御を実行するか否かを判定する判定制御を行う、
ものである。
【０１４４】
このように、制御装置は、全てのエネルギー蓄積要素の電圧値の合計値を用いて、調整制御の実行の有無を判定する判定制御を行う。このように、出力電圧範囲の限界値に基づき、必要な場合にのみ調整制御を行う制御とすることで、電力変換器の動作安定性を確保できる。
【０１４５】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、前記判定制御において、
少なくとも一つの前記アーム電圧指令値における前記裕度が、第１閾値以下となると前記調整制御の実行を決定する、
ものである。
【０１４６】
このように、調整制御の判定において第１閾値を設けることで、限界値に対してスイッチングノイズの影響を考慮したマージンを設けられる。これにより、電力変換器の更なる動作安定性を確保できる。
【０１４７】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記第１閾値以下の値が、前記限界値に対する前記アーム電圧指令値の超過を示すように該第１閾値が設定される、
ものである。
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記裕度は、
前記限界値の上限値から前記アーム電圧指令値を減算した差分である第１偏差、あるいは、前記アーム電圧指令値から前記限界値の下限値を減算した第２偏差、であり、
前記第１閾値は、０未満の値に設定される、
ものである。
【０１４８】
このように第１閾値を用いて、アーム電圧指令値の限界値の超過判定が行える。また、第１設定値の設定値を変更することで、調整制御の実行の条件を容易に変更でき、電力変換装置の制御性を向上できる。
【０１４９】
また、上記のように構成された本実施の形態の電力変換装置は、
前記制御部は、
前記零相電圧指令値を、Ｐ×（２Ｎ−１）により示される周波数で振動する正弦波となるように調整する高調波制御を実行し、前記高調波制御の実行中において前記判定制御を行うものである。
但し、前記Ｐは前記交流の相数、前記Ｎは１以上の整数である。
【０１５０】
このように制御部は、第２の制御における高調波制御を実行して、この高調波制御の実行中において、更に調整制御を実行する必要があるか否かを判定する。このように、高調波制御を行ったとしてもアーム電圧指令値が出力電圧範囲の限界値を超過するような場合において、更に調整制御を実行可能な構成とすることで、更なる電力変換装置の動作安定性を確保できる。
【０１５１】
以上のように本実施の形態２によれば、系統の地絡等に起因して過変調になった場合にのみ、電圧指令値を変換器の出力電圧範囲の限界値と同等になるように零相電圧を調整する。これにより電圧利用率を最大限に確保でき、電圧不足等による過電流停止を防止でき、不要の電流が流れることを防止して、運転継続性を高めることができる。
【０１５２】
また、系統の地絡による影響によりアームの出力電圧レベルが変化する場合でも、調整制御により電圧利用率を最大限に活用してスイッチング損失の大幅な低減が可能なので、所望の電圧レベルまでアームの出力電圧を迅速に立ち上げることが可能となる。
【０１５３】
本願は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
【符号の説明】
【０１５４】
１  電力変換器、９，９ｕ，９ｖ，９ｗ  レグ回路、１０，１０ｕＰ，１０ｖＰ，１０ｗＰ，１０ｕＮ，１０ｖＮ，１０ｗＮ  アーム、１２，１２Ｕ，１２Ｌ，１２Ｕ１，１２Ｌ１，１２Ｕ２，１２Ｌ２  半導体スイッチング素子（半導体素子）、１３  直流コンデンサ（エネルギー蓄積要素）、５０  制御装置（制御部）、１００  電力変換装置。
【要約】
エネルギー蓄積要素（１３）を有する変換器セル（１１）を複数直列して備える一対のアームが互いに直列接続されたレグ回路（９）を交流回路の各相にそれぞれ備えた電力変換装置（１００）であって、制御部（５０）は、アーム（１０）に対するアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊を、零相電圧指令値Ｖｏ＊により補正する零相電圧指令値調整部（５６）を備え、指令値補正部（５６）は、少なくとも一つのアーム電圧指令値Ｖａｒｍ＊が、アーム１０の出力電圧範囲の限界値と同等になるように、零相電圧指令値Ｖｏ＊を調整する調整制御を行う。【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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【図１７】
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【図１８】
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