JP2019176708A - 電力変換装置、発電システム、負荷システム及び送配電システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも容易に制御できる電力変換装置、発電システム、負荷システム及び送配電システムを提供する。【解決手段】電力変換装置１０１は、所定電圧を出力する複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅを有するマルチレベル電力変換装置であって、交流電圧入出力部（端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔ）を介して直列に接続された２つのアーム（正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮ）を備え、アームは、複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅが直列に接続されており、少なくとも１つのアームは、少なくとも１つの単位変換器１０８ａのコンデンサのコンデンサ電圧が他の単位変換器１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅと異なる。【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置、発電システム、負荷システム及び送配電システムに関する。

電力系統に連系する電力変換装置として、オン・オフ制御が可能なスイッチング素子（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴなど）を使用し、当該スイッチング素子の耐圧を超える高電圧を出力できるモジュラー・マルチレベル変換器（以下、ＭＭＣと呼ぶ。）が知られている（非特許文献１）。

ＭＭＣでは、少なくとも０と所定電圧との２つの電圧をスイッチングにより出力できる単位変換器を直列に接続し、電圧を出力する単位変換器の数を調整することで、出力電圧を多段階に変更できる。そのため、ＭＭＣでは、直列に接続された単位変換器の数を多くするほど、出力電圧をより多段階に調整でき、例えば、出力波形をより正弦波に近づけることができる。

萩原誠・赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻７号、ｐｐ．９５７−９６５

しかしながら、ＭＭＣでは、出力電圧の階調を増やそうとすると、単位変換器の数、そして、当該単位変換器を制御する制御回路の数を増やさざるを得ず、同期制御などＭＭＣの制御が難しく、コストも増大するという問題があった。

そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、従来よりも容易に制御できる電力変換装置、発電システム、負荷システム及び送配電システムを提供することを目的とする。

本発明による電力変換装置は、所定電圧を出力する複数の単位変換器を有するマルチレベル電力変換装置であって、交流電圧入出力部を介して直列に接続された２つのアームを備え、前記アームは、複数の前記単位変換器が直列に接続されており、少なくとも１つの前記アームは、少なくとも１つの前記単位変換器のコンデンサのコンデンサ電圧が他の前記単位変換器と異なる。

本発明の発電システムは、上記の電力変換装置を備える。

本発明の負荷システムは、上記の電力変換装置を備える。

本発明の送配電システムは、上記の電力変換装置を電力系統に連系する。

本発明によれば、アームにコンデンサ電圧が異なる複数の単位変換器を含むようにすることで、コンデンサ電圧の異なる単位変換器を組み合わせて、すべて同じ単位変換器を用いる場合と比較して、単位変換器の数は同じままで、出力電圧の階調を増やすことができ、同じ階調の出力電圧を実現するのに必要な単位変換器の数を減らすことができる。その結果、単位変換器の数と単位変換器を制御する制御回路の数を減らすことができ、電力変換装置を従来よりも容易に制御できる。

本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の実施形態の単位変換器を示す概略図である。 本発明のコンデンサ電圧のバランスについて説明する概略図である。 本発明の他の実施形態の単位変換器を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の単位変換器を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。

（１）本発明の実施形態の電力変換装置の全体構成
図１に示すように、電力変換装置１０１は、交流電圧入出力部（Ｒ相交流電圧入出力部、Ｓ相交流電圧入出力部、Ｔ相交流電圧入出力部）としての端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔと変圧器（図１には図示せず）のＲ相、Ｓ相、Ｔ相とがそれぞれ接続され、変圧器を介して電力系統１１１に連系している。電力変換装置１０１は、端子Ｐと端子Ｎとの間に、直流装置１１０が接続されている。直流装置１１０は、抵抗器のような直流負荷や、直流電源、他の電力変換装置などを代表して描いたものである。このように電力変換装置１０１は、電力系統１１１の交流電力を直流電力に変換して直流装置１１０に供給したり、直流装置１１０が出力した直流電力を交流電力に変換して電力系統１１１に供給したりできる階調マルチレベルコンバータ(以下、ＫＭＣと略す)である。

電力変換装置１０１は、２つのアーム（正側変換器アーム、負側変換器アーム）が直列に接続された構成を有する３つのレグ１０７Ｒ（Ｒ相レグともいう）、レグ１０７Ｓ（Ｓ相レグともいう）、レグ１０７Ｔ（Ｔ相レグともいう）を備えている。３つのレグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔは、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で並列に接続されている。レグ１０７Ｒは、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で、正側変換器アーム１０７ＲＰと、リアクトル１１２と、端子１０２Ｒと、リアクトル１１２と、負側変換器アーム１０７ＲＮとがこの順に直列に接続された構成をしている。

同様に、レグ１０７Ｓは、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で、正側変換器アーム１０７ＳＰと、リアクトル１１２と、端子１０２Ｓと、リアクトル１１２と、負側変換器アーム１０７ＳＮとがこの順に直列に接続された構成をしている。レグ１０７Ｔは、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で、正側変換器アーム１０７ＴＰと、リアクトル１１２と、端子１０２Ｔと、リアクトル１１２と、負側変換器アーム１０７ＴＮとがこの順に直列に接続された構成をしている。

電力変換装置１０１は、これらの端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔを介して、三相交流の各相が接続されており、接続点ＮＰ１、ＮＰ２で三相交流の各相がスター結線された構成である。そのため、接続点ＮＰ１、ＮＰ２は、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔの接続点となっているだけでなく、スター結線の中性点（以下、接続点ＮＰ１を第１中性点ＮＰ１、接続点ＮＰ２を第２中性点ＮＰ２とも呼ぶ。）ともなっている。そのため、正側変換器アーム１０７ＲＰ、正側変換器アーム１０７ＳＰ、正側変換器アーム１０７ＴＰを流れるアーム電流をそれぞれＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰとすると、アーム電流の合計値（ＩＲＰ＋ＩＳＰ＋ＩＴＰ）が直流装置１１０を流れる電流となる。同様に、負側変換器アーム１０７ＲＮ、負側変換器アーム１０７ＳＮ、負側変換器アーム１０７ＴＮを流れるアーム電流をそれぞれＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮとすると、アーム電流の合計値（ＩＲＮ＋ＩＳＮ＋ＩＴＮ）も直流装置１１０流れる電流と等しい。

端子Ｐは、第１中性点ＮＰ１から引き出され、端子Ｎは、第２中性点から引き出されている。なお、図１では、便宜上、端子Ｐ、端子Ｎを第１中性点又は第２中性点と同電位の場所から引き出している。本実施形態では、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔ、図示しない電流センサを、例えば、第１中性点ＮＰ１と、後述する電圧制御用単位変換器１０との間に備えており、各正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰを流れるアーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰを検出し、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔを流れる電流が正か負かを検出する。電流センサは第１中性点ＮＰ１から第２中性点ＮＰ２へと各正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰを流れる電流を正の電流として検出する。

続いて、正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮについて説明する。これらのアームは、構成が同じであるので、代表して正側変換器アーム１０７ＲＰについて説明する。正側変換器アーム１０７ＲＰは、電圧制御用単位変換器１０と、５つの単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eとを備えている。正側変換器アーム１０７ＲＰには直流電流が流れる。電圧制御用単位変換器１０、及び、５つの単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eは、スイッチ操作により、出力電圧を所定電圧とゼロとに切り替えることができる。

図２に示すように、電圧制御用単位変換器１０は、例えばＩＧＢＴでなるハイサイドスイッチング素子２０１Ｈと、ハイサイド還流ダイオード２０２Ｈと、例えばＩＧＢＴでなるローサイドスイッチング素子２０１Ｌと、ローサイド還流ダイオード２０２Ｌと、コンデンサ１５とを備える双方向チョッパ回路である。ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ及びハイサイド還流ダイオード２０２Ｈは、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈの正極（ＩＧＢＴではコレクタ）側とハイサイド還流ダイオード２０２Ｈの負極側とが接続され、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈの負極（ＩＧＢＴではエミッタ）側とハイサイド還流ダイオード２０２Ｈの正極側とが接続されて、逆並列に接続されている。ローサイドスイッチング素子２０１Ｌ及びローサイド還流ダイオード２０２Ｌも、同様に逆並列に接続されている。このように、スイッチング素子に還流ダイオードを逆並列に接続することで、スイッチング素子であるＩＧＢＴの負極側から正極側に電圧が印加されたとき、還流ダイオードに電流が流れるようにし、ＩＧＢＴの負極から正極に電流が流れることを防止して、ＩＧＢＴを保護できる。

電圧制御用単位変換器１０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈの負極側と、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌの正極側とが接続されて、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈと、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌとが直列に接続されている。ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ及びローサイドスイッチング素子２０１Ｌは、図示しない制御回路が接続されており、制御回路からの制御信号によってオン・オフされるようになされている。コンデンサ１５は、直列に接続されたハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ及びローサイドスイッチング素子２０１Ｌと並列に接続されている。また、電圧制御用単位変換器１０では、コンデンサ１５の両端に電圧センサ２０４が接続されており、この電圧センサ２０４によってコンデンサ１５の電圧が検出される。

電圧制御用単位変換器１０は、コンデンサ１５とハイサイドスイッチング素子２０１Ｈとの接続点Ｘから正極端子が引き出され、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈとローサイドスイッチング素子２０１Ｌとの接続点Ｙから負極端子が引き出されている。

電圧制御用単位変換器１０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈがオフで、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌがオンのとき、正極端子と負極端子間に、レグ電流に依存せずコンデンサ１５のコンデンサ電圧と概ね等しい電圧を出力する。本明細書ではこの状態を、ハイ状態と称する。このように、コンデンサ１５のコンデンサ電圧と電圧制御用単位変換器１０の出力電圧とがほぼ等しいので、以下では、電圧センサ２０４で検出したコンデンサ１５のコンデンサ電圧を電圧制御用単位変換器１０の出力電圧とする。

電圧制御用単位変換器１０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈがオンで、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌがオフのとき、正極端子と負極端子間が短絡されて、端子間電圧がレグ電流に依存せず概ねゼロと等しくなる。本明細書ではこの状態を、ロー状態と称する。

電圧制御用単位変換器１０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈと、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌが共にオンの場合、コンデンサ１５が短絡されてしまう。そのため、このような動作は禁止する。

電圧制御用単位変換器１０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈと、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌが共にオフの場合、正極端子と負極端子間の電圧が、電圧制御用単位変換器１０を流れる電流の極性に依存する。電流が正の場合（正極端子から負極端子に電流が流れる場合）、出力電圧はコンデンサ１５のコンデンサ電圧に概ね等しい。また、電流が負の場合（負極端子から正極端子に電流が流れる場合）、端子間の出力電圧は概ねゼロに等しい。このように電圧制御用単位変換器１０は、スイッチの操作により、ハイ状態と、ロー状態とに制御される。

単位変換器１０８aは、図２に示す電圧制御用単位変換器１０と同様の構成である。単位変換器１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eは、電圧制御用単位変換器１０とはコンデンサの定格電圧が異なるが、他の構成は同様である。単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eは、ハイ状態のときに、各々のコンデンサ２０３a、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３eのコンデンサ電圧と概ね等しい電圧を正極端子と負極端子の間に出力し、ロー状態のとき正極端子と負極端子の間が短絡されて電圧がゼロとなる。電圧制御用単位変換器１０と同様に、電圧センサで検出したコンデンサ２０３a、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３eのコンデンサ電圧を、各単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eの出力電圧とする。

正側変換器アーム１０７ＲＰでは、このような電圧制御用単位変換器１０と、単位変換器１０８aと、単位変換器１０８ｂと、単位変換器１０８ｃと、単位変換器１０８ｄと、単位変換器１０８eとが順方向に直列に接続された構成となっている。ここで、「順方向に」とは、正極端子と負極端子とが接続され、正極端子同士、又は、負極端子同士が接続されていないことを意味している。

本実施形態では、単位変換器１０８ａがハイ状態のときに電圧Ｖ（Ｖは任意の電圧である）を出力できるように、（すなわち、コンデンサ電圧がＶとなるように）コンデンサ２０３aの定格電圧を選定している。そして、単位変換器１０８ｂが単位変換器１０８ａの出力電圧Ｖの２倍の電圧２Ｖをハイ状態のときに出力できるようにコンデンサ２０３ｂの定格電圧を選定し、単位変換器１０８ｃが単位変換器１０８ｂの出力電圧２Ｖの２倍の電圧４Ｖをハイ状態のときに出力できるようにコンデンサ２０３ｃの定格電圧を選定している。さらに、単位変換器１０８ｄが単位変換器１０８ｃの出力電圧４Ｖの２倍の電圧８Ｖをハイ状態のときに出力できるようにコンデンサ２０３ｄの定格電圧を選定し、単位変換器１０８ｅが単位変換器１０８ｄの出力電圧８Ｖの２倍の電圧１６Ｖをハイ状態のときに出力できるようにコンデンサ２０３ｅの定格電圧を選定している。

このように、本実施形態では、正側変換器アーム１０７ＲＰが、単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eのコンデンサ電圧が、最もコンデンサ電圧の低い単位変換器１０８aのコンデンサ電圧を基準にして、当該単位変換器１０８aのコンデンサ電圧の２倍、４倍、８倍、１６倍というように、等比的に異なるようにしている。その結果、単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eの出力電圧も、概ね２倍、４倍、８倍、１６倍というように、等比的に異なるようになる。ここでいう「等比的に異なる」とは、３つの単位変換器があるときに、二の単位変換器のコンデンサ電圧又は出力電圧が一の単位変換器のコンデンサ電圧又は出力電圧の２倍であり、三の単位変換器のコンデンサ電圧又は出力電圧が二の単位変換器のコンデンサ電圧又は出力電圧の２倍であるように、コンデンサ電圧又は出力電圧が等倍ずつ異なることを意味している。なお、コンデンサ電圧は、概ね等倍となっていればよい。

ここで、正側変換器アーム１０７ＲＰの出力電圧は、各単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eが直列に接続されているので、ハイ状態となった単位変換器の出力電圧、すなわち、コンデンサ電圧を加算した値となる。このように正側変換器アーム１０７ＲＰの出力電圧が、ハイ状態の単位変換器のコンデンサ電圧を加算した値となるので、各単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eのハイ状態・ロー状態を制御して、ハイ状態の単位変換器を組み合わせることで、０〜３１ＶまでＶ刻みの３２階調の電圧を出力できる。例えば、正側変換器アーム１０７ＲＰは、単位変換器１０８ａのみをハイ状態にすることでＶを出力でき、単位変換器１０８ａと単位変換器１０８ｃのみをハイ状態にすることで５Ｖを出力でき、すべての単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eをハイ状態にすることで３１Ｖを出力できる。

さらに正側変換器アーム１０７ＲＰは、電圧制御用単位変換器１０を備えている。電圧制御用単位変換器１０は、負極端子が単位変換器１０８ａの正極端子と接続されている。このように、正側変換器アーム１０７ＲＰでは、すべての単位変換器（電圧制御用単位変換器１０及び単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８e）が直列に接続されている。電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ１５は、ハイ状態のときに、単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eのいずれかと出力電圧が等しくなるように、すなわち、他の単位変換器のいずれかとコンデンサ電圧が等しくなるように、定格電圧を選定する。本実施形態では、上記の通り、電圧制御用単位変換器１０と単位変換器１０８ａとが同様の構成であるので、コンデンサ１５は、単位変換器１０８aのコンデンサ２０３ａと同じコンデンサである。電圧制御用単位変換器１０は、ハイ状態のとき、電圧Ｖを出力する。

そして、レグ１０７Ｒでは、このような正側変換器アーム１０７ＲＰの負極側と、正側変換器アーム１０７ＲＰと同じ構成の負側変換器アーム１０７ＲＮの正極側とが、リアクトル１１２などを介して接続されている。このように、レグ１０７Ｒでは、すべての単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８e及び電圧制御用単位変換器１０が、順方向に直列に接続されている。

リアクトル１１２は、レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔのレグ電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴが不一致である期間において、レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔに過電流が流れてしまうことを抑制するために、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔにそれぞれ設けている。また、リアクトル１１２は、レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔで発生するスイッチングによるリプル電流を減衰させる。

電力変換装置１０１は、さらに、図示しない制御部を有している。制御部は、各レグの電流センサ、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、電圧制御用単位変換器１０にそれぞれ設けられた電圧センサ２０４、及び、これらの単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、電圧制御用単位変換器１０の制御回路に接続されている。制御部は、制御回路に制御信号を送信し、制御回路が単位変換器のスイッチング素子を制御することで、単位変換器のハイ状態・ロー状態を制御する。

続いて、このような電力変換装置１０１の動作を説明する。電力変換動作を説明し、その後、電圧制御用単位変換器１０を用いたコンデンサ電圧バランス制御を説明する。電力変換動作は、直流から交流に変換する場合と、交流から直流に変換する場合とに分けて説明する。まずは、電力変換装置１０１によって直流から交流に変換する場合について説明する。この場合、直流装置１１０は、直流送電線（電力変換装置１０１が直流送電線から見て受電側の電力変換装置である場合）や、直流電源、回生制動しているモータドライブ・インバータなどを想定している。

各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔの動作は同様であるので、ここではレグ１０７Ｒに着目して説明する。ここで、コンデンサ１５、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３ｅは上述の動作時の直流電圧に充電済みであり、直流装置１１０により、端子Ｐと端子Ｎの間には３１Ｖが印加されているものとする。なお、電力変換動作の説明時は、電圧制御用単位変換器１０は常にロー状態として説明するが、電圧制御用単位変換器１０を用いても交流電圧を階調的に出力できる。

Ｐ端子と端子Ｎ間の直流電圧をほぼ一定にするために、理想的には、正側変換器アーム１０７ＲＰと負側変換器アーム１０７ＲＮのうちハイ状態の単位変換器のコンデンサ電圧の合計値を一定に保つ必要がある。また、交流電力系統に対する動作を正側変換器アーム１０７ＲＰと負側変換器アーム１０７ＲＮで対称動作にするには、端子Ｐを基準電位とした正側変換器アーム１０７ＲＰの電圧、特に交流電圧成分と端子Ｎを基準電位とした負側変換器アーム１０７ＲＮの電圧、特に交流電圧成分はほぼ等しくする必要がある。

ここで、レグ１０７Ｒの端子１０２Ｒの出力電圧は、端子１０２Ｒ、端子１０２Ｓ、端子１０２Ｔの中性点を基準電位とした電圧で表現する。但し、説明では簡単のために、他のレッグのスイッチングは無視して、中性点の電位変動がない前提で説明する。負側変換器アーム１０７ＲＮの単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅの内、ハイ状態である単位変換器のコンデンサ電圧の合計値から、正側変換器アーム１０７ＲＰの単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅの内、ハイ状態である単位変換器のコンデンサ電圧の合計値を引いた値を１／２にした値と大略等しい。例えば、端子Ｐと端子Ｎの間の直流電圧を３１Ｖとした場合において、正側変換器アーム１０７ＲＰの単位変換器１０８ａのみハイ状態の場合、負側変換器アーム１０７ＲＮは、負側変換器アーム１０７ＲＮの単位変換器１０８ａのみロー状態とする。負側変換器アーム１０７ＲＮのハイ状態の単位変換器のコンデンサ電圧の合計値３０Ｖから、正側変換器アーム１０７ＲＰのハイ状態の単位変換器のコンデンサ電圧の合計値Ｖを引いた値、２９Ｖの１／２の電圧、１４．５Ｖが端子１０２Ｒから出力される。同様に、負側変換器アーム１０７ＲＮにおいて単位変換器１０８ａのみハイ状態で、正側変換器アーム１０７ＲＰにおいて単位変換器１０８ａのみロー状態とした場合、端子１０２Ｒから−１４．５Ｖが出力される。前記−１４．５Ｖ出力状態から、負側変換器アーム１０７ＲＮの単位変換器１０８ａをロー状態にし、単位変換器１０８ｂをハイ状態にし、正側変換器アーム１０７ＲＰの単位変換器１０８ｂのみロー状態とすることで、端子１０２Ｒから−１３．５Ｖが出力される。さらに、−１３．５Ｖ出力状態から、負側変換器アーム１０７ＲＮの単位変換器１０８ａと単位変換器１０８ｂとをハイ状態にし、正側変換器アーム１０７ＲＰの単位変換器１０８ａと単位変換器１０８ｂのみロー状態とすると、−１２．５Ｖが端子１０２Ｒから出力される。

このように、正側変換器アーム１０７ＲＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮの単位変換器１０８a、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eのハイ状態・ロー状態を制御することで、端子１０２Ｒの出力電圧を、−１５．５Ｖから＋１５．５Ｖまで、Ｖ刻みで変化させることができる。そして、レグ１０７Ｒは、端子１０２Ｒの出力を所定時間間隔で、Ｖ刻みで変化させることで、−１５．５Ｖから＋１５.５Ｖまでの間でＶ刻みの３２階調で表された正弦波の交流電圧を出力できる。レグ１０７Ｓでは、端子１０２Ｒから出力される交流電圧より位相が２π／３遅れた正弦波を端子１０２Ｓから出力できるようにスイッチ操作をし、レグ１０７Ｔでは、端子１０２Ｒから出力される交流電圧より位相が４π／３遅れた正弦波を端子１０２Ｔから出力できるようにスイッチ操作をすることで、電力変換装置１０１は三相交流を出力することができ、マルチレベルの電力変換装置として機能する。

従来は、レグからＶ刻みの３２階調で表された正弦波の交流電圧を出力するためには、コンデンサ電圧がＶの単位変換器を３１個以上直列に接続した構成の正側変換器アーム及び負側変換器アームを用いていた。そのため、１つのレグに対して、単位変換器が６２個以上、制御回路が６２個以上必要であり、電力変換装置が複雑で、多数の単位変換器を同期して制御するのが難しいといった問題があった。

これに対して、電力変換装置１０１では、コンデンサ電圧が異なる複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eを含むようにしているので、すべて同じコンデンサの単位変換器を用いる場合と比較して、少ない単位変換器でＶ刻みのほぼ同等の階調の電圧を出力でき、単位変換器と制御回路の数が減った分だけ小型化でき、単位変換器の同期制御を容易に行える。特に、電力変換装置１０１では、コンデンサ電圧が等比的に異なる単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８eを用いているので、正側変換器アーム１０７ＲＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮが５個の単位変換器と５個の制御回路とで３１階調の電圧を出力することができ、各アームに単位変換器と制御回路とが３１個ずつ以上必要であった従来と比べて、単位変換器と制御回路の数を大幅に減らすことができ、同期制御などの制御がさらに容易になる。

次に、電力変換装置１０１によって交流から直流に変換する場合について説明する。この場合、直流装置１１０は、直流送電線（電力変換装置１０１が直流送電線から見て送電側の電力変換装置である場合）や、直流負荷、駆動しているモータドライブ・インバータなどを想定している。このとき、電力変換装置１０１は、レグ１０７Ｒに含まれる単位変換器の内、ハイ状態である単位変換器の出力電圧の合計値を、直流電圧として端子Ｐと端子Ｎとの間に出力する。

続いて、電圧制御用単位変換器１０を用いたコンデンサ電圧バランス制御について図３を参照しながら説明する。コンデンサ電圧バランス制御の方法は、各正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び各負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮで同じであるので、以下では正側変換器アーム１０７ＲＰを代表して説明する。

本実施形態の正側変換器アーム１０７ＲＰは、電圧制御用単位変換器１０を備えているので、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅのいずれか１つのコンデンサ電圧に大略等しい電圧を出力するとき、２通りの方法で電圧を出力できるという特徴を有している。例えば、正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖを出力するとき、通常は、単位変換器１０８ｅのみハイ状態とし、電圧制御用単位変換器１０、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄをロー状態とする。ちなみに、このとき、負側変換器アーム１０７ＲＮでは、電圧制御用単位変換器１０と単位変換器１０８ｅのみロー状態とする。端子Ｐと端子Ｎ間の直流電圧が３１Ｖとして、端子１０２Ｒ、端子１０２Ｓ、端子１０２Ｔの中性点を基準電位とした電圧で表現する。但し、説明では簡単のために、他のレッグのスイッチングは無視して、中性点の電位変動がない前提で説明する。この場合、端子１０２Ｒから−０．５Ｖが出力される。実際には、正側変換器アーム１０７ＲＰの出力電圧に応じて、負側変換器アーム１０７ＲＮも制御されるが、制御方法は上記の階調電圧を出力する場合と同様であるので、以下では説明を省略する。

ここで、本実施形態では、正側変換器アーム１０７ＲＰが、コンデンサ電圧がＶの電圧制御用単位変換器１０を有しているので、電圧制御用単位変換器１０と、コンデンサ電圧が単位変換器１０８ｅより低い単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄとのコンデンサ電圧の合計値が１６Ｖとなり、単位変換器１０８ｅのコンデンサ電圧１６Ｖと等しい（図３中の１６Ｖ出力時参照）。よって、単位変換器１０８ｅをロー状態とし、その代わりに、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと電圧制御用単位変換器１０とをハイ状態としても、正側変換器アーム１０７ＲＰは、１６Ｖを出力できる。

同様に、正側変換器アーム１０７ＲＰは、コンデンサ電圧が８Ｖの単位変換器１０８ｄのみをハイ状態にすることで、８Ｖを出力できる。一方で、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧と、単位変換器１０８ｄよりもコンデンサ電圧が低い単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃのコンデンサ電圧との合計値が８Ｖであるので（図３中の８Ｖ出力時参照）、電圧制御用単位変換器１０と、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃとをハイ状態とし、単位変換器１０８ｄ、１０８ｅをロー状態としても、正側変換器アーム１０７ＲＰが８Ｖを出力できる。

また、正側変換器アーム１０７ＲＰは、コンデンサ電圧が４Ｖの単位変換器１０８ｃのみをハイ状態にすることで、４Ｖを出力できる。一方で、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧と、単位変換器１０８ｃよりもコンデンサ電圧が低い単位変換器１０８ａ、１０８ｂのコンデンサ電圧との合計値が４Ｖであるので（図３中の４Ｖ出力時参照）、電圧制御用単位変換器１０と、単位変換器１０８ａ、１０８ｂとをハイ状態とし、単位変換器１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅをロー状態としても、正側変換器アーム１０７ＲＰが４Ｖを出力できる。

さらに、正側変換器アーム１０７ＲＰは、コンデンサ電圧が２Ｖの単位変換器１０８ｂのみをハイ状態にすることで、２Ｖを出力できる。一方で、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧と、単位変換器１０８ｂよりもコンデンサ電圧が低い単位変換器１０８ａのコンデンサ電圧との合計値が２Ｖであるので（図３中の２Ｖ出力時参照）、電圧制御用単位変換器１０と、単位変換器１０８ａとをハイ状態とし、単位変換器１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅをロー状態としても、正側変換器アーム１０７ＲＰが２Ｖを出力できる。

加えて、正側変換器アーム１０７ＲＰは、コンデンサ電圧がＶの単位変換器１０８ａのみをハイ状態にすることで、Ｖを出力できる。一方で、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧がＶであるので（図３中のＶ出力時参照）、電圧制御用単位変換器１０をハイ状態とし、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅをロー状態としても、正側変換器アーム１０７ＲＰがＶを出力できる。

このように、正側変換器アーム１０７ＲＰは、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅのいずれかのコンデンサ電圧と大略等しい電圧を出力するとき、２通りの方法で電圧を出力することができる。正側変換器アーム１０７ＲＰは、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅと電圧制御用単位変換器１０とを組み合わせて、所定電圧を出力し、かつ、当該所定電圧を出力できる単位変換器の組み合わせが複数存在する。例えば、正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖを出力できる単位変換器の組み合わせが、単位変換器１０８ｅ（組み合わせ１）と、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、電圧制御用単位変換器１０（組み合わせ２）との２通り存在する。

端子Ｐ側から端子Ｎ側に向かうアーム電流の向きを正とすると、電力変換装置１０１では、正側変換器アーム１０７ＲＰを流れるアーム電流ＩＲＰが正のとき、ハイ状態となっている単位変換器のコンデンサが充電され、アーム電流ＩＲＰが負のとき、ハイ状態となっている単位変換器のコンデンサが放電される。そのため、例えば、単位変換器１０８ａのコンデンサ２０３ａのコンデンサ電圧が基準電圧より低い場合、アーム電流ＩＲＰが正のときに、単位変換器１０８ａをハイ状態とすることで、単位変換器１０８ａのコンデンサ２０３ａが充電され、コンデンサ電圧をバランスできる。一方、コンデンサ電圧が基準電圧より高い場合、アーム電流ＩＲＰが負のときに、単位変換器１０８ａをハイ状態とすることで、コンデンサ２０３ａが放電され、コンデンサ電圧をバランスできる。

ここで、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと電圧制御用単位変換器１０の中に、コンデンサ電圧が基準電圧より低い単位変換器が１つ以上存在するとする（例えば単位変換器１０８ａ）。この場合、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ及び電圧制御用単位変換器１０の各々のコンデンサ電圧の合計値と、単位変換器１０８ｅのコンデンサ電圧とを比較すると前者の方が低くなる。このような場合に、電力変換装置１０１は、正側変換器アーム１０７ＲＰのアーム電流ＩＲＰが正で、図３中の１６Ｖ出力時、ハイ状態にすべき単位変換器１０８ｅ（組み合わせ１）の代わりに、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、電圧制御用単位変換器１０（組み合わせ２）をすべてハイ状態にし、正側変換器アーム１０７ＲＰの出力電圧を１６Ｖとしつつ、コンデンサ電圧が基準電圧より低い単位変換器１０８ａのコンデンサ２０３ａを充電する。このようにすることで、電力変換装置１０１は、単位変換器１０８ｅをハイ状態にしたときと同様に、正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖを出力できるので、電力変換装置１０１の出力電圧の波形をゆがめることなく、出力電圧が基準電圧より低い単位変換器のコンデンサを充電し、コンデンサの電圧を歪みなしでバランスすることができる。このように、電力変換装置１０１が、−０．５Ｖ（所定電圧）出力するとき、一の単位変換器の組み合わせ（組み合わせ１）から、他の単位変換器の組み合わせ（組み合わせ２）に変更し、複数の単位変換器（単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ）のコンデンサ電圧をバランスし、コンデンサ電圧の差を制御する。

また、単位変換器１０８ｅのコンデンサ２０３ｅのコンデンサ電圧が基準電圧を下まわった場合は、正側変換器アーム１０７ＲＰのアーム電流ＩＲＰが正で且つ、正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖ出力時、正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖを出力する時間は変えずに、単位変換器１０８ｅをハイ状態にする時間割合を増やすことにより、単位変換器１０８ｅのコンデンサ電圧を上昇させてコンデンサ電圧をバランスできる。また、正側変換器アーム１０７ＲＰのアーム電流ＩＲＰが負の場合は、単位変換器１０８ｅがハイ状態の時間比率を減らすことにより、各コンデンサ電圧を適正化する。

また、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと電圧制御用単位変換器１０の中に、コンデンサ電圧が基準電圧より高い単位変換器が１つ以上存在するとする（例えば単位変換器１０８ａ）。この場合、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ及び電圧制御用単位変換器１０の各々のコンデンサ電圧の合計値と、単位変換器１０８ｅのコンデンサ電圧とを比較すると後者の方が低くなる。このような場合に、電力変換装置１０１は、正側変換器アーム１０７ＲＰのアーム電流ＩＲＰが負で、図３中の１６Ｖ出力時、ハイ状態にすべき単位変換器１０８ｅの代わりに、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄと電圧制御用単位変換器１０とをすべてハイ状態にし、コンデンサ電圧が基準電圧より高い単位変換器１０８ａのコンデンサを放電する。このようにすることで、同様にコンデンサの電圧を歪みなしでバランスすることができる。

従来は、アームが電圧制御用単位変換器１０を備えていなかったので、例えば、ある単位変換器の出力電圧が基準電圧よりも低かった場合、当該単位変換器の出力電圧を基準電圧内にするために、その単位変換器をハイ状態とする時間を通常よりも長くしてコンデンサの充電時間を長くし、コンデンサ電圧をバランスさせていた。そのため、単位変換器がハイ状態となった時間が通常よりも長くなった分だけ電力変換装置の出力波形が歪んでしまっていた。

一方で、本実施形態の電力変換装置１０１では、正側変換器アーム１０７ＲＰが電圧制御用単位変換器１０を備えているので、一の単位変換器（例えば、単位変換器１０８ｅ）のみハイ状態とすべきタイミングで、ハイ状態とすべき単位変換器と同じコンデンサ電圧を、ハイ状態とすべき単位変換器よりコンデンサ電圧が低い単位変換器（この場合、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ）と電圧制御用単位変換器１０とをすべてハイ状態とすることで実現できる。そのため、一の単位変換器のみハイ状態とすべきタイミングで、当該ハイ状態とすべき単位変換器よりコンデンサ電圧が低い単位変換器と電圧制御用単位変換器１０とをすべてハイ状態とすることで、正側変換器アーム１０７ＲＰを流れるアーム電流ＩＲＰの正負に応じて、ハイ状態にした単位変換器と電圧制御用単位変換器１０の内、コンデンサ電圧が基準電圧よりも低い又は高い単位変換器のコンデンサを充放電でき、コンデンサ電圧を歪みなしでバランスできる。

単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧の合計値と、単位変換器１０８ｄのコンデンサ電圧とのバランスが崩れた場合を想定する。この場合、単位変換器１０８ｄをハイ状態にするタイミング（図３中の正側変換器アーム１０７ＲＰが８Ｖ出力時。あるいは、正側変換器アーム１０７ＲＰが２４Ｖ出力時）で、単位変換器１０８ｄの代わりに、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃと、電圧制御用単位変換器１０とをすべてハイ状態にする。このようにすることで、アーム電流ＩＲＰの正負に応じて、コンデンサ２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃとコンデンサ１５とを充放電でき、コンデンサ２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃとコンデンサ１５のコンデンサ電圧を歪なしでバランスさせることができる。

単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧の合計値と、単位変換器１０８ｃのコンデンサ電圧とのバランスが崩れた場合を想定する。このとき、単位変換器１０８ｃをハイ状態にするタイミング（図３中の正側変換器アーム１０７ＲＰが４Ｖ出力時。あるいは、正側変換器アーム１０７ＲＰが１２Ｖ、２０Ｖ、２８Ｖ出力時）で、単位変換器１０８ｃの代わりに、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ及び電圧制御用単位変換器１０をハイ状態とする。その結果、アーム電流ＩＲＰの正負に応じて、コンデンサ２０３ａ、２０３ｂと、コンデンサ１５とを充放電でき、コンデンサ電圧を歪なしでバランスさせることができる。

単位変換器１０８ａ、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧の合計値と、単位変換器１０８ｂのコンデンサ電圧とのバランスが崩れた場合を想定する。単位変換器１０８ｂをハイ状態にするタイミング（図３中の正側変換器アーム１０７ＲＰが２Ｖ出力時。あるいは、正側変換器アーム１０７ＲＰが６Ｖ、１０Ｖ、１４Ｖ、１８Ｖ、２２Ｖ、３０Ｖ出力時）で、単位変換器１０８ｂの代わりに、単位変換器１０８ａ及び電圧制御用単位変換器１０をハイ状態にする。その結果、アーム電流ＩＲＰの正負に応じて、コンデンサ２０３ａ、コンデンサ１５を充放電でき、コンデンサ電圧を歪なしでバランスさせることができる。

単位変換器１０８ａのコンデンサ電圧と、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧とのバランスが崩れた場合を想定する。単位変換器１０８ａをハイ状態にするタイミング（例えば、図３中の正側変換器アーム１０７ＲＰがＶ出力時）で、電圧制御用単位変換器１０をハイ状態とする。その結果、アーム電流ＩＲＰの正負に応じて、コンデンサ１５を充放電でき、コンデンサ１５のコンデンサ電圧を歪なしでバランスさせることができる。このとき、電圧制御用単位変換器１０の代わりに単位変換器１０８ａをハイ状態にすることで、コンデンサ２０３ａのコンデンサ電圧をバランスできる。

次いで、コンデンサ電圧のバランス制御の手順をより具体的に説明する。ここでも、正側変換器アーム１０７ＲＰでの制御を例にして説明する。制御部が正側変換器アーム１０７ＲＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮの単位変換器の制御回路に制御信号を送信して単位変換器のハイ状態とロー状態とを制御していき、例えば、正側変換器アーム１０７ＲＰの単位変換器１０８ｅのみハイ状態とするタイミング（正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖ出力時）になったとする。このとき、制御部は電流センサによって正側変換器アーム１０７ＲＰを流れる電流（アーム電流ＩＲＰ）を検出する。続いて、制御部は、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、電圧制御用単位変換器１０にそれぞれ設けられた電圧センサ２０４によって、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧を検出する。

制御部は、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧の合計値を算出し、コンデンサ電圧の合計値と単位変換器１０８ｅのコンデンサ電圧と比較する。制御部は、アーム電流ＩＲＰが正であり、算出したコンデンサ電圧の合計値が単位変換器１０８ｅのコンデンサ電圧よりも低い場合、次回の正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖ出力時、単位変換器１０８ｅに変えて、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、電圧制御用単位変換器１０をハイ状態にするように制御する。一方で、制御部は、アーム電流ＩＲＰが正であり、算出した合計値が単位変換器１０８ｅの出力電圧よりも高い場合、次回の正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖ出力時、単位変換器１０８ｅをハイ状態にする。

また、制御部は、アーム電流ＩＲＰが負であり、算出した合計値が単位変換器１０８ｅの出力電圧よりも高い場合、次回の正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖ出力時、単位変換器１０８ｅに変えて、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、電圧制御用単位変換器１０をハイ状態にするように制御する。その他の場合、制御部は、次回の正側変換器アーム１０７ＲＰが１６Ｖ出力時、通常通り、単位変換器１０８ｅをハイ状態にする。

このようにコンデンサ電圧をバランスされると、各単位変換器のコンデンサ電圧の差が維持される、すなわち、コンデンサ電圧の等比性が維持される。このように制御部は、複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧の差を維持する。

（２）作用及び効果
以上の構成において、電力変換装置１０１は、所定電圧を出力する複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅを有するマルチレベル電力変換装置であって、交流電圧入出力部（端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔ）を介して直列に接続された２つのアーム（正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮ）を備え、アーム（正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮ）は、複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅが直列に接続されており、少なくとも１つのアームは、少なくとも１つの単位変換器のコンデンサのコンデンサ電圧が他の単位変換器と異なるように構成した。

よって、電力変換装置１０１は、コンデンサ電圧が異なる単位変換器を含むようにすることで、コンデンサ電圧の異なる単位変換器を組み合わせて、すべて同じ単位変換器を用いるＭＭＣと比較して、単位変換器の数は同じままで、出力電圧の階調を増やすことができ、同じ階調の出力電圧を実現するのに必要な単位変換器の数を減らすことができる。その結果、電力変換装置１０１は、単位変換器の数と単位変換器を制御する制御回路の数を減らすことができ、従来よりも容易に制御できる。

また電力変換装置１０１は、正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮの各々が電圧制御用単位変換器１０を有するように構成したので、一の単位変換器（例えば、単位変換器１０８ｅ）の機能を、当該一の単位変換器より動作時のコンデンサ電圧が小さい単位変換器（例えば、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ）と電圧制御用単位変換器１０とで代替でき、当該一の単位変換器を充放電するタイミングで、当該一の単位変換器よりコンデンサ電圧が小さい単位変換器と電圧制御用単位変換器１０を充放電することができるので、コンデンサの電圧をバランスさせることができる。

さらに電力変換装置１０１は、正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ及び負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮの各々が、コンデンサ電圧が異なる複数の単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ及び電圧制御用単位変換器１０を含むように構成したので、装置を同期制御などの制御を容易にできると共に、コンデンサの電圧をバランスさせることができる。すなわち、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ及び電圧制御用単位変換器１０のコンデンサ電圧のバランス制御も容易に行える。

（３）他の実施形態
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記の実施形態においては、正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰと、負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮとが共にコンデンサ電圧の異なる単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅを備える場合について説明してきたが、本発明はこれに限られない。例えば、正側変換器アームが単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅを有し、負側変換器アームが単位変換器１０８ａを３１個有するようにしてもよく、各変換器アームが有する単位変換器の数は必ずしも同じである必要はない。また、各変換器アームが、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅに加えて、６４Ｖを出力する単位変換器や、同様に等比的に異なるコンデンサ電圧の単位変換器をさらに備えていてもよい。

上記の実施形態では、各正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ、負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮ内で電圧制御用単位変換器１０、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅがこの順に直列に接続された場合について説明したが、本発明はこれに限られず、すべての単位変換器が直列に接続されていれば、その並び順は適宜変更してもよい。

上記の実施形態では、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅのコンデンサ電圧が、Ｖ、２Ｖ、４Ｖ、８Ｖ、１６Ｖである場合について説明したが、本発明はこれに限らず、最もコンデンサ電圧が低い単位変換器の出力をＶとすると、各単位変換器の出力をＶ、Ｖ、３Ｖ、３Ｖ、９Ｖ、９Ｖ、２７Ｖ、２７Ｖとしてもよく、Ｖ、Ｖ、Ｖ、４Ｖ、４Ｖ、４Ｖとしてもよい。これらの場合も電力変換装置は、Ｖ刻みの階調の電圧を出力できる。

上記の実施形態では、コンデンサ電圧が単位変換器１０８ａと同じＶである電圧制御用単位変換器１０を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、電圧制御用単位変換器のコンデンサ電圧は、アームが有するいずれかの単位変換器のコンデンサ電圧と等しければよく、電力変換装置１０１の場合、例えば、２Ｖであってもよく４Ｖであってもよい。

上記の実施形態では、各変換器アームに１つずつ電圧制御用単位変換器１０を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、各アーム２つずつ備えてもよく、すべての単位変換器に対して、同じコンデンサ電圧の電圧制御用単位変換器を備えるようにしてもよい。例えば、アームが、コンデンサ電圧がＶ、２Ｖ、４Ｖ、８Ｖ、１６Ｖの５つの単位変換器と、コンデンサ電圧がＶ、２Ｖ、４Ｖ、８Ｖ、１６Ｖの５つの単位変換器とを有するようにしてもよい。

また上記の実施形態では、３つのレグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔを有する三相交流用の電力変換装置１０１に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えばレグ１０７Ｒを１つだけ有する単相交流用の電流変換器に適用してもよい。

上記の実施形態では、一の単位変換器が電圧を出力するタイミングで、当該一の単位変換器のコンデンサの電圧と、同じアーム内で当該一の単位変換器よりもコンデンサ電圧が低い他の単位変換器及び電圧制御用単位変換器のコンデンサ電圧の合計値とを比較して、電圧制御用単位変換器をハイ状態にするか否か決定する場合について説明してきたが、本発明はこれに限られない。例えば、当該他の単位変換器と電圧制御用単位変換器とのそれぞれを、コンデンサ電圧が基準電圧内にあるか否か判定し、他の単位変換器と電圧制御用単位変換器とのいずれかに、コンデンサ電圧が基準電圧外である単位変換器又は電圧制御用単位変換器がある場合、当該他の単位変換器と共に電圧制御用単位変換器をハイ状態にすると決定してもよい。

例えば、アーム電流が正で、他の単位変換器と電圧制御用単位変換器とのいずれかのコンデンサ電圧が基準電圧よりも低い場合、他の単位変換器と電圧制御用単位変換器とをハイ状態とし、コンデンサ電圧が基準電圧より低い単位変換器のコンデンサを充電するようにする。そして、アーム電流が負で、他の単位変換器と電圧制御用単位変換器とのいずれかのコンデンサ電圧が基準電圧よりも高い場合、他の単位変換器と電圧制御用単位変換器とをハイ状態とし、コンデンサ電圧が基準電圧より高いコンデンサを放電するようにする。なお、上記の実施形態では、単位変換器のコンデンサ電圧を比較して、コンデンサ電圧をバランスさせるか否か決定していたが、単位変換器の出力電圧を比較してコンデンサ電圧をバランスさせるか否か決定してもよい。

上記の実施形態では、図２に示す電圧制御用単位変換器１０を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば図４に示すような電圧制御用単位変換器２０を用いてもよい。電圧制御用単位変換器２０は、電圧制御用単位変換器１０とは正極端子及び負極端子が引き出された位置のみが異なり、他の構成は電圧制御用単位変換器１０と同様である。電圧制御用単位変換器２０では、正極端子がハイサイドスイッチング素子２０１Ｈとローサイドスイッチング素子２０１Ｌとの接続点Ｙから引き出され、負極端子がローサイドスイッチング素子２０１Ｌとコンデンサ１５との接続点Ｚから引き出されている。電圧制御用単位変換器２０も、スイッチング操作により、ハイ状態とロー状態を制御できる。

電圧制御用単位変換器２０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈがオンで、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌがオフのとき、正極端子と負極端子間に、レグ電流に依存せずコンデンサ１５の電圧と概ね等しい電圧を出力し、ハイ状態となる。

電圧制御用単位変換器２０は、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈがオフで、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌがオンのとき、正極端子と負極端子間が短絡されて、端子間電圧がレグ電流に依存せず概ねゼロと等しくなり、ロー状態となる。各スイッチが共にオンのときと、共にオフのときとの動作は電圧制御用単位変換器１０と同様である。また、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅの構成を、電圧制御用単位変換器２０のようにしてもよい。

上記の実施形態では、単位変換器１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ、電圧制御用単位変換器１０として双方向チョッパ回路を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば図５に示す単位変換器７０のように、構成がフルブリッジ回路方式であってもよい。単位変換器７０は、スイッチング素子７０２ＸＨ、７０２ＸＬ、７０２ＹＨ、７０２ＹＬを制御することで、正負の所定電圧±Ｖとゼロとを出力できる３レベル変換器である。このような単位変換器７０８を用いることで、電力変換装置は、端子Ｐ、端子Ｎ間の極性を逆転させることもできる。

上記の実施形態では、電力変換装置１０１で変換した三相交流を図示しない変圧器を介して電力系統１１１に連系する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、図６に示す電力変換装置５０１のように、交流電圧入出力部として変圧器１０３を備えるようにし、電力の変換に加えて電力変換装置５０１で変圧もして、直流電力から変換した交流電力を電力系統１１１に直接連系するようにしてもよい。電力変換装置１０１に変圧器１０３を設けることで、リアクトル１１２を省略することができる。

この変圧器１０３としては、例えば、特許第６１２１５８２号に開示されている変圧器を用いることができる。変圧器１０３は、鉄心１０４Ｒ、１０４Ｓ、１０４Ｔと、１次巻線１０５Ｒ、１０５Ｓ、１０５Ｔと、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮとを備えている。鉄心１０４Ｒ、１次巻線１０５Ｒ、正側２次巻線１０６ＲＰ、負側２次巻線１０６ＲＮは、電力系統１１１のＲ相と電力変換装置５０１との間で交流電圧を入出力させるＲ相交流電圧入出力部として機能する。鉄心１０４Ｓ、１次巻線１０５Ｓ、正側２次巻線１０６ＳＰ、負側２次巻線１０６ＳＮは、電力系統１１１のＳ相と電力変換装置５０１との間で交流電圧を入出力させるＳ相交流電圧入出力部として機能する。鉄心１０４Ｔ、１次巻線１０５Ｔ、正側２次巻線１０６ＴＰ、負側２次巻線１０６ＴＮは、電力系統１１１のＴ相と電力変換装置５０１との間で交流電圧を入出力させるＴ相交流電圧入出力部として機能する。

正側２次巻線１０６ＲＰは、鉄心１０４Ｒに巻回され、正側２次巻線１０６ＳＰは、鉄心１０４Ｓに巻回され、正側２次巻線１０６ＴＰは、鉄心１０４Ｔに巻回されている。正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰは、一端が接続点ＲＰ、ＳＰ、ＴＰで、正側変換器アーム１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰと接続され、他端が負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮに接続されている。さらに、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰの他端は、接続点Ｍに接続されてＹ結線されている。

正側２次巻線１０６ＲＮは、鉄心１０４Ｒに巻回され、正側２次巻線１０６ＳＮは、鉄心１０４Ｓに巻回され、正側２次巻線１０６ＴＮは、鉄心１０４Ｔに巻回されている。負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮは、一端が接続点ＲＮ、ＳＮ、ＴＮで、負側変換器アーム１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮと接続され、他端が正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰに接続されている。さらに、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮの他端は、接続点Ｍに接続されてＹ結線されている。

このようにＹ結線された正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰの中性点と、Ｙ結線された負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮの中性点とが、接続点Ｍで電気的に接続されている。そして、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮとは、相毎に互いに逆極性となるように磁気結合している。このようにすることで、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰが発生する直流起磁力と、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮが発生する直流起磁力とを相殺でき、鉄心１０４Ｒ、１０４Ｓ、１０４Ｔに直流磁束が発生しないようにできる。

さらに、鉄心１０４Ｒ、１０４Ｓ、１０４Ｔには１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲが巻回されている。１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲはΔ結線され、電力系統１１１に接続されている。

図６に示す変圧器１０３では、１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲは正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと同極性となるように磁気結合しているが、１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲが負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮと同極性となるように磁気結合させた場合も、同様の効果を得ることができる。

上記の実施形態では、電力変換装置１０１が三相交流の交流電圧を直流電圧に変換したり、直流電圧を三相交流の交流電圧に変換したりする場合について説明したが、本発明は、これに限られず、単相交流の交流電圧を直流電圧に変換したり、直流電圧を単相交流の直流電圧に変換することもできる。この場合、電力変換装置１０１のレグ１０７Ｒ、レグ１０７Ｓ、レグ１０７Ｔのいずれか１つを用い、交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を交流電圧に変換するようにしてもよい。また、電力変換装置１０１からレグ１０７Ｓ、レグ１０７Ｔを除去し、電力変換装置１０１を単相交流用の電力変換装置として、交流電圧を直流電圧に変換し、直流電圧を交流電圧に変換するようにしてもよい。

上記の実施形態の電力変換装置１０１、５０１は、発電システムに用いることができる。この場合、直流装置１１０の代わりに、端子Ｐと端子Ｎに、例えば、風力発電装置や太陽光発電装置などの有効電力源を接続する。発電システムでは、電力変換装置１０１が、有効電力源で得られた直流電力を交流電力に変換して、電力系統に連系する。

また、電力変換装置１０１、５０１は、負荷システムに用いることもできる。負この場合、直流装置１１０の代わりに、端子Ｐと端子Ｎに、有効電力を消費する負荷や有効電力を出し入れする２次電池や有効電力負荷、蓄電池などの電力貯蔵システムを接続する。負荷システムでは、電力変換装置１０１、５０１が、電力系統の交流電力を直流電力に変換して、電力貯蔵システムに有効電力を供給できる。また、電力変換装置は、電力貯蔵システムから、たくわえられた有効電力を電力系統へ供給することもできる。

また、上記で説明した、電力変換装置１０１、５０１や発電システム、電力授受システム、負荷システムなどを、電線を介して電力系統に連系し、発電した電力を、種々の需要家に供給する送配電システムを構築することもできる。

１０１ 電力変換装置
１０ 電圧制御用単位変換器
１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔ 端子
１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔ レグ
１０７ＲＰ、１０７ＳＰ、１０７ＴＰ 正側変換器アーム
１０７ＲＮ、１０７ＳＮ、１０７ＴＮ 負側変換器アーム
１０８ａ、１０８ｂ、１０８ｃ、１０８ｄ、１０８ｅ 単位変換器
１１０ 直流装置
１１１ 電力系統
１１２ リアクトル
１５、２０３ａ、２０３ｂ、２０３ｃ、２０３ｄ、２０３ｅ コンデンサ
ＮＰ１ 第１中性点
ＮＰ２ 第２中性点

Claims (15)

1. 所定電圧を出力する複数の単位変換器を有するマルチレベル電力変換装置であって、
   交流電圧入出力部を介して直列に接続された２つのアームを備え、
   前記アームは、複数の前記単位変換器が直列に接続されており、
   少なくとも１つの前記アームは、少なくとも１つの前記単位変換器のコンデンサのコンデンサ電圧が他の前記単位変換器と異なる
   電力変換装置。
2. 少なくとも１つの前記アームは、コンデンサ電圧が等比的に異なる複数の前記単位変換器を含む
   請求項１に記載の電力変換装置。
3. 少なくとも１つの前記アームは、少なくとも４つの前記単位変換器を含み、４つの前記単位変換器のコンデンサ電圧が等比的に異なっている
   請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 少なくとも１つの前記アームは、少なくとも１つの電圧制御用単位変換器を備える
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 複数の前記単位変換器のコンデンサ電圧の差を制御する制御部を備える
   請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記単位変換器と前記電圧制御用単位変換器とを組み合わせて、所定電圧を出力し、
   前記所定電圧を出力できる単位変換器の組み合わせが複数存在する
   請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記所定電圧を出力するときに、一の前記単位変換器の組み合わせから、他の前記単位変換器の組み合わせに変更し、複数の前記単位変換器のコンデンサ電圧の差を制御する
   請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記電圧制御用単位変換器のコンデンサ電圧が、いずれかの前記単位変換器のコンデンサ電圧と等しい
   請求項４に記載の電力変換装置。
9. 少なくとも１つの前記アームを流れる電流を検出する電流センサと、
   複数の前記単位変換器及び前記電圧制御用単位変換器のそれぞれのコンデンサ電圧を検出する電圧センサと、
   前記電流センサが検出した電流と前記電圧センサが検出したコンデンサ電圧とに基づいて、前記電圧制御用単位変換器をハイ状態とするか否か決定する制御部とを備える
   請求項４又は８に記載の電力変換装置。
10. 前記アームには直流電流が流れる
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
11. 前記単位変換器は双方向チョッパ回路である
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
12. 前記交流電圧入出力部が、Ｒ相交流電圧入出力部と、Ｓ相交流電圧入出力部と、Ｔ相交流電圧入出力部とを備え、
    前記Ｒ相交流電圧入出力部を介して直列に接続された２つの前記アームを備えるＲ相レグと、
    前記Ｓ相交流電圧入出力部を介して直列に接続された２つの前記アームを備えるＳ相レグと、
    前記Ｔ相交流電圧入出力部を介して直列に接続された２つの前記アームを備えるＴ相レグとを備え、
    前記Ｒ相レグと、前記Ｓ相レグと、前記Ｔ相レグとが並列に接続されている
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
13. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置を備える発電システム。
14. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置を備える負荷システム。
15. 請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置を電力系統に連系した送配電システム。

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