JP5176710B2 - 中性点クランプ電力変換装置とその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、バッテリや発電機等を組み合わせた3値をもつ直流電源から任意の周波数へ電力変換をする中性点クランプ電力変換装置に関する。

３値の電位を持つ直流電源から、３相交流へ変換する電力変換装置の回路構成は、中性点クランプ式電力変換装置（例えば、特許文献１の中性点固定型電力変換装置 図１）が一般的である。バッテリや燃料電池などを直流電源として、３相交流へ変換する電力変換装置としては、マトリクスコンバータを応用した回路構成（例えば、特許文献２ 図１や特許文献３ 図４）などがある。
中性点クランプ式電力変換装置は２つの直流電源を直列接続し、電源の高圧電位、低圧電位および、その接続点である中間電位をスイッチ素子により選択出力してＰＷＭ変調を行い３相交流へ電力変換している。中性点の電位を制御するために出力するベクトルを変えてＰＷＭを行っている（特許文献４参照）
特許文献２の電力変換装置では、高圧の燃料電池と低圧のバッテリを使って、モータ駆動し、回生電力はバッテリへ充電し、チョッパ回路によって、燃料電池からバッテリへの充電ができるような回路構成になっている。
特許文献３の電力変換装置では、燃料電池とバッテリを切替えてモータ駆動し、モータの回生電力をバッテリに充電している。
マトリクスコンバータにはスイッチ素子の保護回路や複雑な保護動作が必須である（特許文献５ 図８）。
特開２００３−８８１２８号公報（第８頁、図１） 特開２００６−６０９１２号公報（第１５頁、図１） 特開２００６−１２９６４４号公報（第１２頁、図４） 特開２００１−５７７８４号公報 特開２０００−１３９０７６号公報（第１１頁、図８）

従来のマトリクスコンバータを利用した電力変換装置は、双方向スイッチを用いて電流を切替える際には、複雑なスイッチングシーケンスが必要であるという問題がある。また、直流電源からの電力を切替えるのに、それぞれの直流電源に応じて電圧指令を補正するといった複雑な補正処理が必要であるといった問題があった。更に、マトリクスコンバータは、双方向スイッチを使用するので、負荷電流を完全に遮断してしまう場合があり、双方向スイッチに使用される半導体素子を保護するために、別途、負荷電流を還流させてサージ電圧を抑制するのためのスナバ回路が必要であるという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、空間ベクトルを利用し、ＰＷＭ演算を簡単化するとともに、燃料電池からバッテリを充電することができ、追加のスナバ回路が不要な小形・低コストの中性点クランプ電力変換装置とその制御方法を提供することを目的とする。

上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１記載の発明は、３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧の指令値を決定する出力電圧指令演算部と、前記３値の電位をもつ直流電源の３つの異なる電位差に基づき、当該３つの電位差のそれぞれに対応する長さの出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備えることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記３値の電位をもつ直流電源は直流発電機およびバッテリで構成されることを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記誘導性負荷は、電動機であることを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とするものである。
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ充電することを特徴とするものである。

請求項６記載の発明は、請求項１または２記載の中性点クランプ電力変換装置において、前記誘導性負荷は交流系統電源であることを特徴とするものである。
請求項７記載の発明は、請求項６記載の中性点クランプ電力変換装置において、出力に誘導性フィルタリアクトルを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタリアクトルのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ充電することを特徴とするものである。
請求項８記載の発明は、３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、前記３値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、前記誘導性負荷は、電動機であり、前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、の和は零であることを特徴とするものである。
請求項９記載の発明は、３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、前記３値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、前記誘導性負荷は、電動機であり、前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とするものである。
請求項１０記載の発明は、３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、前記３値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、前記誘導性負荷は系統交流電源であり、出力に誘導性フィルタを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、の和は零であることを特徴とするものである。
請求項１１記載の発明は、３値の電位をもつ直流電源と、前記直流電源が直流発電機およびバッテリで構成され、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置の制御方法において、出力３相電圧またはベクトルの電圧指令を演算するステップと、電圧指令のａ，ｂベクトル方向の成分と電圧指令の存在する領域を演算するステップと、外部から入力されるバッテリを充電するか否かの指令に基づいて、出力する電圧ベクトルを選択し、スイッチング回数が少なくなるよう決定するステップと、電圧ベクトルの出力時間を演算するステップと、出力電圧ベクトルの順序と時間に基づいて電力変換部のスイッチをオンオフ駆動させるステップと、を備えることを特徴とするものである。

請求項１、２、３に記載の発明によると、電圧指令のベクトル成分を利用しＰＷＭするので、直流電圧の変動が大きい場合でもＰＷＭの発生回路を簡単にした中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項４に記載の発明によると、発電機からバッテリへ充電する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項５に記載の発明によると負荷運転中にも発電機からバッテリへ充電する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項６、７に記載の発明によると、系統連系した状態で発電機からバッテリへ充電する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項８〜１０に記載の発明によると、発電機からバッテリに充電しても零ベクトルを生成する中性点クランプ電力変換装置を提供できる。
請求項１１に記載の発明によると、電圧指令のベクトル成分を利用しＰＷＭするので、直流電圧の変動が大きい場合でもＰＷＭの発生回路を簡単にした中性点クランプ電力変換装置の制御方法を提供することができる。
本発明によると、保護回路や複雑な保護動作がないので装置の小形化・低コスト化ができる。

以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の電力変換装置の概略構成図である。図において、１はバッテリ、２は燃料電池、３は中性点クランプインバータ主回路、４は制御装置、５は負荷である。また、４１は出力電圧指令演算部、４２は電圧ベクトル演算部、４３は電圧ベクトル出力時間演算部、４４はＰＷＭ出力部である。回路構成上バッテリ１の電圧Ｖ１と燃料電池２の電圧Ｖ２との関係は常にＶ１＞Ｖ２でなければならない。以下の実施例では直流発電機として燃料電池２を用いて説明するが，本発明は燃料電池に限定するものではなく，風力発電装置や太陽光発電装置などの直流出力を利用してもよい。本発明は主回路の構成をマトリクスコンバータではなく、中性点クランプインバータの構成とすることで、小容量の場合には、中性点クランプインバータのスイッチ素子と並列に接続される環流ダイオードを利用することによって、別途スナバ回路を必要としない。しかし、電力変換装置の出力容量が大きくなるに伴って、装置が大形化し配線長が長くなる場合には、別途スナバ装置が必要となるが、一般的なＲＣＤスナバ回路などを、中性点クランプインバータ主回路の個々のスイッチ素子に適用できるので、適用できないマトリクスコンバータよりも低コスト化が可能である。

図３は、本発明の中性点クランプインバータが出力できる２７の電圧ベクトルを空間ベクトル図に示した例である。各ベクトルは長さと位相によってａ，ｂ，ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ，ｃｍ，Ｏｐ，Ｏｍ，Ｏｎの１０種のベクトルに分類される。また、各ベクトルとインバータ出力電圧との対応をＵ，Ｖ，Ｗ相の順でＰＮＮなどのように図３に示している。図１の構成ではインバータが出力できる電圧の最大値はバッテリ１の電圧Ｖ１であり、この電圧を出力するベクトルはａベクトル及びｂベクトルであり、これらのベクトルの長さはＶ１に一致する。

ａｎ，ｂｎベクトルの長さは、それらのスイッチ状態（ＭＮＮなど）から燃料電池２の電圧Ｖ２である。ａｐ，ｂｐベクトルの長さは、それらのスイッチ状態（ＰＭＭなど）から、バッテリ１の電圧Ｖ１と燃料電池２の電圧Ｖ２の差分（Ｖ１−Ｖ２）である。ｃｍベクトルはａｐベクトルとｂｎベクトルの合成と等しく、その長さは、ＰＰＰ，ＰＮＮ，ＰＭＮの点で作られ三角形を考えると余弦定理から、√［Ｖ１＾２＋（Ｖ１−Ｖ２）＾２−２×Ｖ１×（Ｖ１−Ｖ２）ｃｏｓ６０°］＝√（Ｖ１＾２−Ｖ１×Ｖ２＋Ｖ２＾２）である。Ｏｐ，Ｏｍ，Ｏｎベクトルは零ベクトルと呼ばれ、それらの長さは零である。ｃｍベクトルはバッテリ１の電圧Ｖ１と燃料電池の電圧Ｖ２によって角度が変化し、近接するａベクトルからのなす角θｍは、正弦定理から｜ｂｎ｜／ｓｉｎθｍ＝｜ｃｍ｜／ｓｉｎ６０°よって（１）式で表される
θｍ＝ａｓｉｎ［ｓｉｎ６０°×Ｖ２／√（Ｖ１＾２−Ｖ１×Ｖ２＋Ｖ２＾２）］・・・（１）

本発明図１の制御回路はインバータが出力すべき３相の電圧指令を発生し、電圧指令が持つａおよびｂベクトル方向の成分を演算する。電圧指令が（θ，ｋ）の成分で示されるベクトルの場合は図４のようにａベクトル成分Ｖａ，ｂベクトル成分Ｖｂを演算する。電圧指令ベクトルと近接のａベクトルとのなす角がθ’であると場合は、（２）式で表される。
｜Ｖａ｜＝ｋ×２×ｓｉｎ（６０°−θ’）／√３
｜Ｖｂ｜＝ｋ×２×ｓｉｎ（θ’）／√３ ・・・（２）
電圧指令が３相交流電圧の場合は、図５のように、インバータ出力電圧の最大値Ｖ１の０．５倍となる振幅を持つ三角波（ＰＷＭ搬送波）との対比をイメージし、相電圧の最大値と中間値の差分を｜Ｖａ｜、中間値と最低値との差分を｜Ｖｂ｜として演算してもよい。また、この場合の指令が図３の領域の何処に存在するかの判定は、電圧指令の大小と相との対応によって決定される。Ｕ相電圧指令をＶｕ、Ｖ相電圧指令をＶｖ，Ｗ相電圧指令をＶｗとすると、
Ａ領域：Ｖｕ＞Ｖｖ＞Ｖｗ
Ｂ領域：Ｖｖ＞Ｖｕ＞Ｖｗ
Ｃ領域：Ｖｖ＞Ｖｗ＞Ｖｕ
Ｄ領域：Ｖｗ＞Ｖｖ＞Ｖｕ
Ｅ領域：Ｖｗ＞Ｖｕ＞Ｖｖ
Ｆ領域：Ｖｕ＞Ｖｗ＞Ｖｖ
である。

制御回路４は電圧指令のａおよびｂベクトル成分と２７個の電圧ベクトルのａおよびｂベクトル成分が一致するよう電圧ベクトルを選択・時分割出力することでＰＷＭを行う。
最も簡単なＰＷＭ変調は、電圧指令のベクトルに近接するａおよびｂベクトルと零ベクトルを使ってＰＷＭを行う。この場合はＰＷＭ周期をＴｃ、ａベクトルの出力時間をＴａとｂベクトルの出力時間をＴｂ、零ベクトルの出力時間をＴｏとすると、（３）式のように表される。
Ｔａ＝Ｔｃ×｜Ｖａ｜／Ｖ１
Ｔｂ＝Ｔｃ×｜Ｖｂ｜／Ｖ１ ・・・（３）
Ｔｏ＝Ｔｃ−Ｔａ−Ｔｂ
図１の構成ではａベクトル、ｂベクトルのみを使う場合はバッテリから負荷へ電力が供給される。零ベクトルはＯｐ，Ｏｍ，Ｏｎのいずれを利用しても良いが、出力するａ，ｂベクトルから最低のスイッチング回数で移行できる零ベクトルを利用するとスイッチング損失が低減できる。

燃料電池２から負荷へ電力を供給する場合は、電圧指令のベクトルに近接するａｎおよびｂｎベクトルと零ベクトルを使ってＰＷＭを行う。この場合はＰＷＭ周期をＴｃ、ａｎベクトルの出力時間をＴａｎとｂベクトルの出力時間をＴｂｎ、零ベクトルの出力時間をＴｏとすると、（４）式のように表される。
Ｔａｎ＝Ｔｃ×｜Ｖａ｜／Ｖ２、Ｔｂｎ＝Ｔｃ×｜Ｖｂ｜／Ｖ２、Ｔｏ
＝Ｔｃ−Ｔａｎ−Ｔｂｎ ・・・（４）
以上のように。本発明の電力変換装置では、電圧指令のベクトル成分と電圧指令に近接するベクトルを利用し出力時間の演算を行うことで簡単にＰＷＭができる。

燃料電池２からバッテリ１へ充電を行うには、まず負荷のモータが停止している状態とすると、例えばａｎ（ＭＮＮ）ベクトルを出力し、燃料電池２からモータのインダクタンスへエネルギーを印加して電流をチャージ、次に、すべてのスイッチ素子をオフにして、スイッチ素子と逆並列に接続されている環流ダイオードの整流動作によってモータのインダクタンスにチャージされた電流（エネルギー＝インダクタンス＊電流^２／２）をバッテリにディスチャージして充電する。この動作はＶ１＞Ｖ２の場合、昇圧チョッパと同じ動作であり、モータのインダクタンスに電流を流し（モータインダクタンスにエネルギーを印加し）、次にオフ動作を行い整流によってバッテリを充電する。モータインダクタンスにエネルギーを印加する際のベクトルはａｎまたはｂｎベクトルを利用することで燃料電池２からモータへのエネルギーが移動する。充電電流の制御は、ａｎ（ＭＮＮ）ベクトルの出力時間を調整することで可能であり、これも昇圧チョッパの動作と同等である。

次に、モータ回転状態では、例えば電圧指令ベクトルがＡ領域にあり、燃料電池２から負荷へ電力を供給しているとすると、モータはＡ領域のａｎ（ＭＮＮ）、ｂｎ（ＭＭＮ）ベクトルおよび零ベクトルによって、ＰＷＭ駆動されている。この時、ａｎ（ＭＮＮ）の出力時間がＴａｎ、ｂｎ（ＭＭＮ）ベクトルの出力時間がＴｂｎ、零ベクトルの時間をＴｏとすると、ＴｏをＶ１，Ｖ２の値に基づいて分割し、Ｔａｎを（５）式のように補正する
Ｔａｎ’＝Ｔａｎ＋Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（５）
更に、ａｎ（ＭＮＮ）と逆向きのｂ（ＮＰＰ）ベクトルの出力時間をＴｂｘとするとｔｂｘは（６）式のようになる。
Ｔｂｘ＝Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（６）
ＰＷＭ周期中に零ベクトルを出力せずにａｎ（ＭＮＮ）ベクトルの出力時間を増加させ、ｂ（ＮＰＰ）ベクトルを出力する。この動作により、モータにａｎ（ＭＮＮ）ベクトルの出力増加分Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）の電圧が印加され、モータへエネルギーが蓄えられる。そのエネルギーをｂ（ＮＰＰ）ベクトルを出力することによって、バッテリへ充電できる。モータへ印加される電圧の平均値は、ａｎ（ＭＮＮ）ベクトルの増加分Ｖ２×Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）、ｂ（ＮＰＰ）ベクトルによる逆電圧−Ｖ１×Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）なので、その和は零となり、負荷モータに印加される平均電圧は変化しない。
このようにすることでモータを通常に駆動しつつ燃料電池からバッテリに充電することができる。この例はａｎベクトルを増加させ逆向きのｂベクトルを出力する例を示したが、ｂｎベクトルを増加させ、ｂｎベクトルと逆向きのａベクトルを出力するようにしても良く、更にａｎ，ｂｎベクトル両方を増加させ、逆向きのａ，ｂベクトルを出力するようにしても良い。

充電電流を減少させる場合は、０＜α＜１として（７）（８）式のように出力するベクトルの時間を減少させ、時間の減少分を零ベクトルを出力しその出力時間Ｔｏ’を（９）式のように補正する。
Ｔａｎ’＝Ｔａｎ＋α×Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（７）
Ｔｂｘ ＝α×Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（８）
Ｔｏ’＝（１−α）×Ｔｏ ・・・（９）
このようにαを用いて制御することで、充電電流の制御も可能となる。

図２は、本発明の第２の実施例の電力変換装置の概略構成図である。図において、１はバッテリ、２は燃料電池、３は中性点クランプインバータ主回路、４は制御装置、５は負荷となっている。回路構成上、燃料電池２の電圧Ｖ１とバッテリ１の電圧Ｖ２との関係は常にＶ１＞Ｖ２でなければならない。制御回路４はＰＷＭを実施例１の電力変換装置と同様におこなうが、ベクトルの対応が以下のように異なってくる。

燃料電池から負荷へ電力を供給する場合には、電圧指令のベクトルに近接するａおよびｂベクトルと零ベクトルを使ってＰＷＭを行う。この場合はＰＷＭ周期をＴｃ、ａベクトルの出力時間をＴａとｂベクトルの出力時間をＴｂ、零ベクトルの出力時間をＴｏとすると、（１０）式のようになる。
Ｔａ＝Ｔｃ×｜Ｖａ｜／Ｖ１、Ｔｂ＝Ｔｃ×｜Ｖｂ｜／Ｖ１、Ｔｏ＝Ｔｃ−Ｔａ−Ｔｂ
・・・（１０）
零ベクトルはＯｐ，Ｏｍ，Ｏｎのいずれを利用しても良いが、出力するａ，ｂベクトルから最低のスイッチング回数で移行できる零ベクトルを利用するとスイッチング損失が低減できる。

バッテリから負荷へ電力を供給する場合は、電圧指令のベクトルに近接するａｎおよびｂｎベクトルと零ベクトルを使ってＰＷＭを行う。この場合はＰＷＭ周期をＴｃ、ａｎベクトルの出力時間をＴａｎとｂｎベクトルの出力時間をＴｂｎ、零ベクトルの出力時間をＴｏとすると、（１１）式になる。
Ｔａｎ＝Ｔｃ×｜Ｖａ｜／Ｖ２
Ｔｂｎ＝Ｔｃ×｜Ｖｂ｜／Ｖ２ ・・・（１１）
Ｔｏ＝Ｔｃ−Ｔａｎ−Ｔｂｎ
以上のように。本発明の電力変換装置では、電圧指令のベクトル成分と電圧指令に近接するベクトルを利用し出力時間の演算を行うことで簡単にＰＷＭができる。

燃料電池２からバッテリ１へ充電を行うには、まず負荷のモータが停止している状態とすると、例えばａ（ＰＮＮ）ベクトルを出力し、燃料電池２からモータのインダクタンスへエネルギーを印加し、次に、ｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルを出力し、モータに蓄えられたエネルギーをバッテリに充電する。この動作はＶ１＞Ｖ２の場合、降圧チョッパと同じ動作であり、モータインダクタンスに電流を流し（モータインダクタンスにエネルギーを印加し）、次にバッテリへの電流経路を作ってバッテリを充電する。モータインダクタンスにエネルギーを印加する際のベクトルはａまたはｂベクトルを利用することで燃料電池２からモータへのエネルギーが移動する。充電電流の制御は、ａ（ＰＮＮ）ベクトルの出力時間を調整することで可能であり、これも降圧チョッパの動作と同等である。
この動作の場合、ｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルを出力するので、充電電流が少ない場合、バッテリからモータへのエネルギーが環流電流として戻る場合がある。これを防ぐには、例えばｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルではなく、Ｕ相のスイッチ素子はすべてオフ、Ｖ相，Ｗ相をＭへ接続することで、Ｕ相の環流ダイオードの整流動作により、バッテリからモータへの電流を阻止できる。

次に、モータ回転状態では、例えば電圧指令ベクトルがＡ領域にあり、燃料電池２から負荷へ電力を供給しているとすると、モータはＡ領域のａ（ＰＮＮ）、ｂ（ＰＰＮ）ベクトルおよび零ベクトルによって、ＰＷＭ駆動されている。この時、ａ（ＰＮＮ）の出力時間がＴａ、ｂ（ＰＰＮ）ベクトルの出力時間がＴｂ、零ベクトルの時間をＴｏとすると。ＴｏをＶ１、Ｖ２の値に基づいて分割し、Ｔａを（１２）式のように補正する。
Ｔａ’＝Ｔａ＋Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（１２）
更に、ａ（ＰＮＮ）と逆向きのｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルの出力時間をＴｂｎｘとすると（１３）式になる。
Ｔｂｎｘ＝Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（１３）
ＰＷＭ周期中に零ベクトルを出力せずにａベクトルの出力時間を増加させ、ｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルを出力する。この動作により、モータにａ（ＰＮＮ）ベクトルの出力増加分Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）の電圧が印加され、モータへエネルギーが蓄えられる。そのエネルギーをｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルを出力することによって、バッテリへ充電できる。

モータへ印加される電圧の平均値は、ａ（ＰＮＮ）ベクトルの増加分Ｖ１×Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）、ｂｎ（ＮＭＭ）ベクトルによる逆電圧−Ｖ２×Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２）なので、その和は零となり、負荷モータに印加される平均電圧は変化しない。このようにすることでモータを通常に駆動しつつ燃料電池からバッテリに充電することができる。この例はａベクトルを増加させ逆向きのｂｎベクトルを出力する例を示したが、ｂベクトルを増加させ、ｂベクトルと逆向きのａｎベクトルを出力するようにしても良く、更にａ，ｂベクトル両方を増加させ、逆向きのａｎ，ｂｎベクトルを出力するようにしても良い。

充電電流を減少させる場合は、０＜α＜１として（１４）、（１５）式のようにする。
Ｔａ’＝Ｔａ＋α×Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（１４）
Ｔｂｎｘ＝α×Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（１５）
出力するベクトルの時間を減少させ、時間の減少分を零ベクトルの出力時間Ｔｏ’を（１６）式のように補正する。
Ｔｏ’＝（１−α）×Ｔｏ ・・・（１６）
このようにαを用いて制御することで、充電電流の制御も可能となる。

図６は、本発明の第３の実施例の電力変換装置の概略構成図である。図において、１はバッテリ、２は燃料電池、３は中性点クランプインバータ主回路、４は制御装置、５は負荷である。制御回路４はモータ駆動および中性点クランプインバータが出力するａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎ電圧ベクトルの選択によってバッテリの充電制御を行う。図８はａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎベクトルが出力された際に、負荷電流方向とバッテリの充電電流の対応例を示す図である。

燃料電池から負荷へ電力を供給する場合には、電圧指令のベクトルに近接するａｎおよびｂｎベクトルと零ベクトルを使ってＰＷＭを行う。この場合はＰＷＭ周期をＴｃ、ａｎベクトルの出力時間をＴａｎとｂｎベクトルの出力時間をＴｂｎ、零ベクトルの出力時間をＴｏとすると、（１７）式になる。
Ｔａｎ＝Ｔｃ×｜Ｖａ｜／Ｖ４
Ｔｂｎ＝Ｔｃ×｜Ｖｂ｜／Ｖ４ ・・・（１７）
Ｔｏ＝Ｔｃ−Ｔａｎ−Ｔｂｎ
となる。零ベクトルはＯｐ，Ｏｍ，Ｏｎのいずれを利用しても良いが、出力するａｎ，ｂｎベクトルから最低のスイッチング回数で移行できる零ベクトルを利用するとスイッチング損失が低減できる。

バッテリから負荷へ電力を供給する場合は、電圧指令のベクトルに近接するａｐおよびｂｐベクトルと零ベクトルを使ってＰＷＭを行う。この場合はＰＷＭ周期をＴｃ、ａｐベクトルの出力時間をＴａｐとｂｐベクトルの出力時間をＴｂｐ、零ベクトルの出力時間をＴｏとすると、（１８）式になる。
Ｔａｐ＝Ｔｃ×｜Ｖａ｜／Ｖ３
Ｔｂｐ＝Ｔｃ×｜Ｖｂ｜／Ｖ３ ・・・（１８）
Ｔｏ＝Ｔｃ−Ｔａｐ−Ｔｂｐ
以上のように、本発明の電力変換装置では、電圧指令のベクトル成分と電圧指令に近接するベクトルを利用し出力時間の演算を行い、ベクトルの選択によって簡単に燃料電池駆動とバッテリ駆動を切替えることができる。

燃料電池２からバッテリ１へ充電を行うには、まず負荷のモータが停止している状態とすると、例えばａｎ（ＭＮＮ）ベクトルを出力し、図８ａｎ（ＭＮＮ）の電流を流し燃料電池２からモータのインダクタンスへエネルギーを印加し、次に、ｂｐ（ＭＰＰ）ベクトルを出力し、モータに蓄えられたエネルギーを図８ｂｐ（ＭＰＰ）のようにバッテリに充電する。この動作はフライバックコンバータと同じ動作であり、モータインダクタンスに電流を流し（モータインダクタンスにエネルギーを印加し）、次にバッテリへの電流経路を作ってバッテリを充電する。モータインダクタンスにエネルギーを印加する際のベクトルはａｎまたはｂｎベクトルを利用することで燃料電池２からモータへのエネルギーが移動する。

燃料電池からモータへ電流を流す場合はベクトルを利用するが、モータからバッテリへ電流を流す場合は、中性点Ｍに接続するスイッチのみオンとし、Ｎ側のスイッチをオフとして環流ダイオードの整流動作によってバッテリへの電流経路を作ってもよい。この動作は充電電流が少ない際に、バッテリからモータへの環流電流の発生を抑制できる利点がある。

次に、モータ回転状態では、例えば電圧指令ベクトルがＡ領域にあり、燃料電池２から負荷へ電力を供給しているとすると、モータはＡ領域のａｎ（ＭＮＮ）、ｂｎ（ＭＭＮ）ベクトルおよび零ベクトルによって、ＰＷＭ駆動されている。この時、ａｎ（ＭＮＮ）の出力時間がＴａｎ、ｂｎ（ＭＭＮ）ベクトルの出力時間がＴｂｎ、零ベクトルの時間をＴｏとすると。ＴｏをＶ３，Ｖ４の値に基づいて分割し、（１９）式のようにＴａｎを補正する
Ｔａ’＝Ｔａ＋Ｔｏ×Ｖ３／（Ｖ３＋Ｖ４） ・・・（１９）
更に、ａｎ（ＭＮＮ）と逆向きのｂｐ（ＭＰＰ）ベクトルの出力時間をＴｂｐｘとすると（２０）式になる。
Ｔｂｐｘ＝Ｔｏ×Ｖ４／（Ｖ３＋Ｖ４） ・・・（２０）
ＰＷＭ周期中に零ベクトルを出力せずにａｎベクトルの出力時間を増加させ、ｂｐ（ＭＰＰ）ベクトルを出力する。この動作により、モータにａｎ（ＭＮＮ）ベクトルの出力増加分Ｔｏ×Ｖ３／（Ｖ３＋Ｖ４）の電圧が印加され、モータへエネルギーが蓄えられる。そのエネルギーをｂｐ（ＭＰＰ）ベクトルを出力することによって、バッテリへ充電できる。
モータへ印加される電圧の平均値は、ａｐ（ＭＮＮ）ベクトルの増加分Ｖ４×Ｔｏ×Ｖ３／（Ｖ３＋Ｖ４）、ｂｐ（ＭＰＰ）ベクトルによる逆電圧−Ｖ３×Ｔｏ×Ｖ４／（Ｖ３＋Ｖ４）なので、その和は零となり、負荷モータに印加される平均電圧は変化しない。このようにすることでモータを通常に駆動しつつ燃料電池からバッテリに充電することができる。この例はａｎベクトルを増加させ逆向きのｂｐベクトルを出力する例を示したが、ｂｎベクトルを増加させ、ｂｎベクトルと逆向きのａｐベクトルを出力するようにしても良く、更にａｎ，ｂｎベクトル両方を増加させ、逆向きのａｐ，ｂｐベクトルを出力するようにしても良い。

充電電流を減少させる場合は、０＜α＜１として（２１）式のようにする。
Ｔａ’＝Ｔａ＋α×Ｔｏ×Ｖ２／（Ｖ１＋Ｖ２）
Ｔｂｎｘ＝α×Ｔｏ×Ｖ１／（Ｖ１＋Ｖ２） ・・・（２１）
出力するベクトルの時間を減少させ、時間の減少分を零ベクトルの出力時間Ｔｏ’を（２２）式のように補正する。
Ｔｏ’＝（１−α）×Ｔｏ ・・・（２２）
このようにαを用いて制御することで、充電電流の制御も可能となる。

図７は、本発明の第３の実施例の電力変換装置の概略構成図である。図において、１はバッテリ、２は燃料電池、３は中性点クランプインバータ主回路、４は制御装置、５は負荷となっている。これは図６の燃料電池とバッテリの位置が逆になっている回路であり、この回路構成でも、実施例３の動作例と同様に導出できる。

以上の説明では負荷にモータを用いて説明したが、図９の例のように電力変換装置に出力に誘導性の３相フィルタを備え系統連系する構成としてもよい。この場合、バッテリへの充電は、 ３相フィルタリアクトルのインダクタンスに一旦エネルギーを蓄えて、バッテリへ電流を流すことで行い、電力変換装置の動作はモータ駆動と同等である。しかし、系統と連系している場合、系統に直流成分を流せないのでモータ停止状態と同等の動作はできない。

図１０に本発明の電力変換装置の動作フローを示す。
ステップＳＴ１で出力すべき３相電圧またはベクトルの電圧指令を演算して発生し、ステップＳＴ２で電圧指令のａ，ｂベクトル方向の成分と電圧指令の存在する領域を演算する。次に、ステップＳＴ３で外部から入力されるバッテリを充電するか否かの指令に基づいて、電力変換装置が出力する電圧ベクトルを選択し、その出力順序をなるべくスイッチング回数が少なくなるよう決定する。次に、ステップＳＴ４で出力する電圧ベクトルの出力時間を演算する。（αを用いる場合はそれに応じて補正も行う）次に、ステップ５で出力する電圧ベクトルの順序と時間に基づいて電力変換装置のスイッチをオンオフ駆動させる。

本発明はベクトルの選択によってバッテリを充電することできるので、電気自動車や直流発電機とバッテリを併用する系統連系装置という用途にも適用できる。

本発明の第１実施例を示す電力変換装置の構成図 本発明の第２実施例を示す電力変換装置の構成図 本発明の中性点クランプインバータが出力できる空間ベクトル図 電圧指令ベクトルと出力電圧ベクトルとの関係を示す図 ３相の電圧指令と搬送波とおよびベクトル成分の関係を示す図 本発明の第３実施例を示す電力変換装置の構成図 本発明の第４実施例を示す電力変換装置の構成図 ａｐ，ａｎ，ｂｐ，ｂｎベクトルの出力状態と直流電源の電流の関係を示す図 本発明を系統連系へ適用する場合の構成図 本発明の処理のステップを示すフロー図

符号の説明

１ バッテリ
２ 燃料電池
３ 中性点クランプインバータ主回路
４ 制御装置
４１ 出力電圧指令演算部
４２ 電圧ベクトル演算部
４３ 出力時間演算部
４４ ＰＷＭ出力部
５ 負荷（モータ）
６ ３相フィルタリアクトル
７ 交流系統電源

Claims (11)

1. ３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
   出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
   前記３値の電位をもつ直流電源の３つの異なる電位差に基づき、当該３つの電位差のそれぞれに対応する長さの出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
   前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、
   を備えることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
2. 前記３値の電位をもつ直流電源は直流発電機およびバッテリで構成されることを特徴とする請求項１記載の中性点クランプ電力変換装置。
3. 前記誘導性負荷は、電動機であることを特徴とする請求項１または２に記載の中性点クランプ電力変換装置。
4. 前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とする請求項３記載の中性点クランプ電力変換装置。
5. 前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とする請求項３または４に記載の中性点クランプ電力変換装置。
6. 前記誘導性負荷は系統交流電源であることを特徴とする請求項１または２に記載の中性点クランプ電力変換装置。
7. 出力に誘導性フィルタを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電することを特徴とする請求項６記載の中性点クランプ電力変換装置。
8. ３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
   出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
   前記３値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
   前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、
   前記誘導性負荷は、電動機であり、
   前記電圧ベクトル演算部は、前記電動機の停止中に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、
   前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
9. ３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
   出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
   前記３値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
   前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、
   前記誘導性負荷は、電動機であり、
   前記電動機を回転駆動中に、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記電動機のインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを生成し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、
   前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
10. ３値の電位をもつ直流電源と、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置において、
    出力電圧指令を決定する出力電圧指令演算部と、
    前記３値の電位をもつ直流電源の電位差に基づいて、出力電圧ベクトルを演算する電圧ベクトル演算部と、
    前記出力電圧指令のベクトル成分と前記出力電圧ベクトルに基づいて、一定周期中の出力電圧ベクトルおよび出力時間を決定する出力時間演算部と、を備え、
    前記誘導性負荷は系統交流電源であり、
    出力に誘導性フィルタを備え、前記出力電圧ベクトルが零ベクトルの出力時間の期間内に、前記直流発電機の電力を前記誘導性フィルタのインダクタンスへ印加して電流をチャージする電圧ベクトルを発生し、次に、前記インダクタンスにチャージされた電流を前記バッテリへディスチャージする電圧ベクトルを生成する動作を繰り返し、前記直流発電機から前記バッテリへ電荷を充電し、
    前記インダクタンスに電流をチャージする電圧ベクトルと出力時間の積と、ディスチャージする電圧ベクトルと出力時間の積との和は零であることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置。
11. ３値の電位をもつ直流電源と、前記直流電源が直流発電機およびバッテリで構成され、前記３値の電位を３相交流へ変換し誘導性負荷を駆動する中性点クランプ電力変換装置の制御方法において、
    出力３相電圧またはベクトルの電圧指令を演算するステップと、
    電圧指令のａ，ｂベクトル方向の成分と電圧指令の存在する領域を演算するステップと、
    外部から入力されるバッテリを充電するか否かの指令に基づいて、出力する電圧ベクトルを選択し、スイッチング回数が少なくなるよう決定するステップと、
    電圧ベクトルの出力時間を演算するステップと、
    出力電圧ベクトルの順序と時間に基づいて電力変換部のスイッチをオンオフ駆動させるステップと、
    を備えることを特徴とする中性点クランプ電力変換装置の制御方法。

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