JP5517911B2

JP5517911B2 - 電力変換システム

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Publication number: JP5517911B2
Application number: JP2010289104A
Authority: JP
Inventors: 修治加藤; 重徳井上
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2010-12-27
Filing date: 2010-12-27
Publication date: 2014-06-11
Anticipated expiration: 2030-12-27
Also published as: JP2012139015A; WO2012090634A1

Description

本発明は、交流を交流に変換する電力変換システムに係り、特に、三相の交流電圧を単相の交流電圧に変換する電力変換システムに関わる。

非特許文献１は、オン・オフ制御が可能なスイッチング素子（Insulated-gate bipolar transistor：ＩＧＢＴ）を使用し、スイッチング素子の耐圧を超える高電圧を出力できる電力変換装置として、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）を提案している。

ＭＭＣは、直流コンデンサに接続された双方向チョッパ回路を単位セルとして、その入出力端子をカスケードに接続した変換器である。ＭＭＣは、単位セルのパルス・ウイルス・モジュレーション（ＰＷＭ）制御用搬送波の位相を単位セル毎にずらすことにより、出力電圧高調波を抑制できるという特徴を有する。

ＭＭＣは、直流伝送（ＨＶＤＣ）等の異なる交流系統を接続する系統連系変換器として使用できることが知られている。

また、特許文献１には、単位セルをカスケードに接続した構成を有し、単位セルをカスケードに接続したカスケードレッグの中点に交流電圧を入力し、単位セルをカスケードに接続したカスケードレッグの両端の端子から直流電圧を出力する電力変換システムが記載されている。

また、特許文献２には、単位インバータをカスケードに接続した構成を有し、単位インバータがフルブリッチ構成を有する電力変換システムが記載されている。

特表２００９−５０７４６２号公報特開２００９−１８３０８２号公報

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。

ＭＭＣは、交流を直流に変換した後、再び、直流を交流に変換する。

ＭＭＣは、交直変換のためのレッグと直交変換のためのレッグとがそれぞれ必要になり、レッグ数が多くなる。例えば、三相を単相に変換する電力変換システムでは五つ〜六つのレッグが必要であり、単相を単相に変換する電力変換システムでは四つのレッグが必要である。

また、直流へ変換せずに、交流電圧を交流電圧に変換する電力変換システムは未だ十分な検討がされていない。

そこで、本発明は、少ないレッグ数（例えば三つ以下）で交流電圧を交流電圧に変換する電力変換システムを供給することを目的とする。

本発明の一実施態様である電力変換システムは、単位セルをカスケードに接続した構成を有するものであって、単位セルはフルブリッジ構成であり、単位セルをカスケードに接続したカスケードレッグの中点に交流電圧を入力し、単位セルをカスケードに接続したカスケードレッグの両端の端子から交流電圧を出力することを特徴としたものである。

なお、本発明における中点は、カスケードレッグを構成する二つのカスケードアームの間であればよい。

そして、複数の単位セルをカスケードに直列接続したカスケードレッグを有するマルチレベルシステムであって、複数のカスケードレッグの両端がそれぞれ電気的に接続されていることが好ましい。

ここで、マルチレベルシステムとは、複数の電圧レベルを出力する変換器であり、複数の単位セルを接続したものである。マルチレベルシステムは、接続した単位セルの数に応じて、段階的に電圧レベルを変更することができるマルチレベル変換器である。

そして、本発明の一実施態様である電力変換システムは、入力される交流電圧は三相の交流電圧であって、出力される交流電圧は単相の交流電圧であるものに適用することが、特に、有効である。

なお、本発明の一実施態様である電力変換システムは、入力される交流電圧は第一の単相の交流電圧であって、出力される交流電圧は第一の単相の交流電圧と異なる第二の単相の交流電圧であるものにも適用することができる。

なお、本発明の一実施態様である電力変換システムは、入力される交流電圧は第一の三相の交流電圧であって、出力される交流電圧は第一の三相の交流電圧と異なる第二の三相の交流電圧であるものにも適用することができる。

また、本発明の一実施態様である電力変換システムは、ＩＧＢＴとダイオードとを有し、正負のいずれの極性の電圧も出力できる複数の単位セルをカスケード（直列）に接続したカスケードレッグを有することを特徴とする。

そして、特に、カスケードレッグの中点に三相の交流電圧を入力し、カスケードレッグの両端の端子から単相の交流電圧を出力することが好ましく、三相の交流電圧に対応した三つのカスケードレッグを有することが好ましい。

なお、三相の交流電圧の各相の交流電圧と単相の交流電圧との差電圧をそれぞれのカスケードレッグの両端の端子から出力することが、特に好ましい。

また、本発明の一実施態様電力変換システムにおいて使用する単位セルは、正負のいずれの極性の電圧も出力できるフルブリッチ構成を有するものであって、ＩＧＢＴとダイオードとを組み合わせたＩＧＢＴ並列体（スイッチング素子）を直列に二つ接続（ＩＧＢＴレッグを形成）し、これらを並列に二つ接続したものである。そして、ＩＧＢＴレッグに並列に直列コンデンサを接続したものである。

なお、それぞれのＩＧＢＴレッグのＩＧＢＴ並列体の間に入出力端子を接続する。

ここでカスケードレッグやＩＧＢＴレッグにおけるレッグとは、正のアームと負のアームとの集合体である。

なお、本発明の一実施態様である電力変換システムは、例えば、鉄道変電システムに適用可能である。

また、本発明の一実施態様である電力変換システムは、三相の交流電圧を任意の周波数，任意の振幅の単相の交流電圧に変更するものである。変換に際して、三相の交流電力と単相の交流電力は等しく、単相交流は、三相に比して、相数が少ないので、三相の交流電圧に比較して単相の交流電圧もしくは電流をは三相交流の電圧もしくは電流のいずれかは大きい。

また、交流電圧を交流電圧に変換する場合の周波数成分ついても任意の周波数に変換できる。例えば、５０Ｈｚを６０Ｈｚに、６０Ｈｚを５０Ｈｚに変更することができる。

以上、本発明の一実施態様である電力変換システムは、少ないカスケードレッグ数（例えば三つ以下）で三相の交流電圧を単相の交流電圧に変換が可能である。

つまり、単位セルのそれぞれが単相側に正負の両極性を有する電圧を出力できるため、直流に変換することなく、交流電圧を交流電圧に変換が可能である。

Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相の三相の各相のそれぞれにカスケードレッグを接続し、三つのカスケードレッグを用い、単相側にはこの三つの合成電圧を出力すればよく、三つのカスケードレッグで交流電圧を交流電圧に変換が可能である。

ちなみに、単相／単相の変換の場合は、二つのカスケードレッグで変換が可能である。

本発明は、少ないカスケードレッグ数（例えば三つ以下）で三相の交流電圧を単相の交流電圧に変換する電力変換システムを実現できる。

本発明の第１の電力変換システムの実施形態を示す回路図。本発明の第２の電力変換システムの実施形態を示す回路図。本発明の単位セルの実施形態を示す回路図。本発明の第３の電力変換システムの実施形態を示す回路図。シミュレーション波形を示す図。シミュレーション波形を示す図。シミュレーション波形を示す図。シミュレーション波形を示す図。

以下、図面を用いて実施例を説明する。

本発明を実施する第１の実施形態について説明する。

本実施形態の電力変換システムは、三つのカスケードレッグで三相の交流電圧（以下「三相交流」と称する場合がある）を単相の交流電圧（以下「単相交流」と称する場合がある）に変換することができるものである。

本実施形態の電力変換システムは、ＩＧＢＴとダイオードと直流コンデンサとを有し、正負のいずれの極性の電圧も出力できるフルブリッジ構成の複数の単位セルをカスケードに直列接続した三つのカスケードレッグを有し、三相の交流電圧を単相の交流電圧に変換する電力変換システムであって、三つのカスケードレッグの中点にＵ相，Ｖ相，Ｗ相のそれぞれの交流電圧を入力し、三つのカスケードレッグの両端がそれぞれ電気的に接続され、両端の端子から交流電圧を出力するものである。

そして、三つのそれぞれのカスケードレッグは、それぞれＵ相，Ｖ相，Ｗ相として入力される交流電圧と出力される単相の交流電圧との差電圧を、それぞれのカスケードレッグの両端の端子から出力するものである。

そして、それぞれのカスケードレッグは、カスケードレッグの中点の両側に、複数の前記単位セルを有するカスケードアームを有し、中点とそれぞれのカスケードアームとの間にそれぞれアームリアクトルを有するものである。

そして、単位セルは、正負のいずれの極性の電圧も出力できるフルブリッチ構成を有するものであって、ＩＧＢＴとダイオードとを組み合わせたＩＧＢＴ並列体を直列に二つ接続したＩＧＢＴレッグを並列に二つ接続し、ＩＧＢＴレッグに並列に直列コンデンサを接続し、二つのＩＧＢＴレッグ並列体の間に入出力端子を接続するものである。

図１は、本発明の電力変換システムの実施形態を示す回路図である。

本実施形態の電力変換システムは、三相交流を単相交流に変換する機能を有する。

まず、図１を用いて、本実施形態の電力変換システム１０１の構成を説明する。

電力変換システム１０１の主要部は、三つのカスケードレッグ２０（２０_Ｕ，２０_Ｖ，２０_Ｗ）で構成される。各カスケードレッグ２０（２０_Ｕ，２０_Ｖ，２０_Ｗ）の両端の端子は、それぞれ電気的に接続され、それぞれ単相交流出力端子２５（２５Ｃ，２５Ｄ）として機能する。

なお、各カスケードレッグ２０の２０_Ｕはカスケードレッグ（Ｕ相）、各カスケードレッグ２０の２０_Ｖはカスケードレッグ（Ｖ相）、各カスケードレッグ２０の２０_Ｗはカスケードレッグ（Ｗ相）を示す。

また、単相交流出力端子２５の単相交流出力端子２５Ｃは第一の単相交流出力端子を、単相交流出力端子２５の単相交流出力端子２５Ｄは第二の単相交流出力端子を示す。

また、各カスケードレッグ２０（２０_Ｕ，２０_Ｖ，２０_Ｗ）のカスケードレッグの中点６（６_Ｕ，６_Ｖ，６_Ｗ）は、それぞれ交流入力端子として機能し、図１では、三相交流系統７に接続される。

なお、６_Ｕはカスケードレッグの中点（Ｕ相）、６_Ｖはカスケードレッグの中点（Ｖ相）、６_Ｗはカスケードレッグの中点（Ｗ相）を示す。

各カスケードレッグ２０（２０_Ｕ，２０_Ｖ，２０_Ｗ）は、カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＰ，２_ＵＮ〜２ＷＮ）とアームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＰ，５_ＵＮ〜５ＷＮ）とで構成される。

各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相毎に、カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＰ）とアームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＰ）、および、カスケードアーム２（２_ＵＮ〜２ＷＮ）とアームリアクトル５（５_ＵＮ〜５ＷＮ）が直列に接続される。

なお、２_ＵＰはカスケードアーム（Ｕ相の一方のアーム）、２_ＵＮはカスケードアーム（Ｕ相の他方のアーム）、２_ＶＰはカスケードアーム（Ｖ相の一方のアーム）、２_ＶＮはカスケードアーム（Ｖ相の他方のアーム）、２_ＷＰはカスケードアーム（Ｗ相の一方のアーム）、２_ＷＮはカスケードアーム（Ｗ相の他方のアーム）を示す。

また、５_ＵＰはアームリアクトル（Ｕ相の一方のアーム）、５_ＵＮはアームリアクトル（Ｕ相の他方のアーム）、５_ＶＰはアームリアクトル（Ｖ相の一方のアーム）、５_ＶＮはアームリアクトル（Ｖ相の他方のアーム）、５_ＷＰはアームリアクトル（Ｗ相の一方のアーム）、５_ＷＮはアームリアクトル（Ｗ相の他方のアーム）を示す。

ここでアームリアクトルは、過電流を抑制するものであり、例えば、三相交流系統とカスケードアームとを接続する際に生じる過電流や各Ｕ相，Ｖ相，Ｗ相間の電圧バランスによって生じる過電流を抑制するものである。

各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＰ，２_ＵＮ〜２ＷＮ）は、それぞれ単位セル１２０がカスケードに接続された構造である。

なお、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＰ，２_ＵＮ〜２_ＷＮ）の両端の単相交流出力端子２５間（２５Ｃと２５Ｄとの間）の電圧を内側カスケード電圧Ｖ２（Ｖ２ＵＰ，Ｖ２ＶＰ，Ｖ２ＷＰ，Ｖ２ＵＮ，Ｖ２ＶＮ，Ｖ２ＷＮ）と定義する。但し、内側カスケード電圧Ｖ２（Ｖ２ＵＰ，Ｖ２ＶＰ，Ｖ２ＷＰ，Ｖ２ＵＮ，Ｖ２ＶＮ，Ｖ２ＷＮ）は、図１で下側に描いた第二の単相交流出力端子（２５Ｄ）を基準とした電圧とする。

なお、Ｖ２ＵＰは内側カスケード電圧（Ｕ相の一方の電圧）、Ｖ２ＵＮは内側カスケード電圧（Ｕ相の他方の電圧）、Ｖ２ＶＰは内側カスケード電圧（Ｖ相の一方の電圧）、Ｖ２ＶＮは内側カスケード電圧（Ｖ相の他方の電圧）、Ｖ２ＷＰは内側カスケード電圧（Ｗ相の一方の電圧）、Ｖ２ＷＮは内側カスケード電圧（Ｗ相の他方の電圧）を示す。

例えば、カスケードアーム２_ＵＰの内側カスケード電圧Ｖ２ＵＰの基準電位は５０_ＵＰの電位であり、カスケードアーム２_ＵＮの内側カスケード電圧Ｖ２ＵＮの基準電位は５１_ＵＮの電位である。

なお、Ｖ５０_ＵＰは端子５０_ＵＰの電位、Ｖ５０_ＵＮは端子５０_ＵＮの電位、Ｖ５０_ＶＰは端子５０_ＶＰの電位、Ｖ５０_ＶＮは端子５０_ＶＮの電位、Ｖ５０_ＷＰは端子５０_ＷＰの電位、Ｖ５０_ＷＮは端子５０_ＷＮの電位である。

また、各相のアーム電圧、すなわち、カスケードレッグの中点６（６_Ｕ〜６_Ｗ）とカスケードレッグ２０の両側の一方の端子との間に印加される電圧のことを、カスケードアーム電圧Ｖ２（Ｖ２ＵＰ〜Ｖ２ＷＮ）と呼ぶ。

なお、Ｖ２ＵＰはカスケードアーム電圧（Ｕ相の一方の電圧）、Ｖ２ＵＮはカスケードアーム電圧（Ｕ相の他方の電圧）、Ｖ２ＶＰはカスケードアーム電圧（Ｖ相の一方の電圧）、Ｖ２ＶＮはカスケードアーム電圧（Ｖ相の他方の電圧）、Ｖ２ＷＰはカスケードアーム電圧（Ｗ相の一方の電圧）、Ｖ２ＷＮはカスケードアーム電圧（Ｗ相の他方の電圧）を示す。

また、リアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＮ）の両端に印加される電圧を、それぞれリアクトル電圧Ｖ５（Ｖ５_ＵＰ〜Ｖ５_ＷＮ）と呼ぶ。但し、カスケードアーム電圧Ｖ２（Ｖ２ＵＰ〜Ｖ２ＷＮ）やリアクトル電圧Ｖ５（Ｖ５_ＵＰ〜Ｖ５_ＷＮ）も、内側カスケード電圧Ｖ２（Ｖ２ＵＰ，Ｖ２ＶＰ，Ｖ２ＷＰ，Ｖ２ＵＮ，Ｖ２ＶＮ，Ｖ２ＷＮ）と同様に、基準電位は図１で下側に描いた第二の単相交流出力端子（２５Ｄ）を基準とした電圧とする。

なお、Ｖ５ＵＰはリアクトル５_ＵＰに印加される電圧、Ｖ５ＵＮはリアクトル５_ＵＮに印加される電圧、Ｖ５ＶＰはリアクトル５_ＶＰに印加される電圧、Ｖ５ＶＮはリアクトル５_ＶＮに印加される電圧、Ｖ５ＷＰはリアクトル５_ＷＰに印加される電圧、Ｖ５ＷＮはリアクトル５_ＷＮに印加される電圧を示す。

一方、各カスケードレッグ２０（２０_Ｕ〜２０_Ｗ）の一方の端子は、単相交流出力端子２５Ｃと電気的に接続されているので、単相交流出力端子２５Ｃと同電位であり、単相交流出力端子２５Ｃの電位をＶ２５Ｃ呼ぶ。

また、各カスケードレッグ２０（２０_Ｕ〜２０_Ｗ）の他方の端子は、単相交流出力端子２５Ｄと電気的に接続されているので、単相交流出力端子２５Ｄと同電位であり、単相交流出力端子２５Ｄの電位をＶ２５Ｄと呼ぶ。

また、三相交流端子として機能するカスケードレッグの中点（以下「中点」と称する）（６_Ｕ〜６_Ｗ）の各電位をＶ６_Ｕ〜Ｖ６_Ｗと呼ぶ。

つまり、Ｖ６_Ｕは交流出力端子として機能する中点６_Ｕの電位、Ｖ６_Ｖは交流出力端子として機能する中点６_Ｖの電位、Ｖ６_Ｗは交流出力端子として機能する中点６_Ｗの電位を示す。

但し、各交流出力端子として機能する中点（６_Ｕ〜６_Ｗ）の各電位の基準電位は三相交流系統７の仮想中性点の電位とする。なお、三相交流系統７，単相交流出力電圧Ｖ２５は、それぞれの基本波に対する仮想中性点の電位は等しい。

また、カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＰ）の内側の端子（５０_ＵＰ〜５０_ＷＰ）の電位（Ｖ５０_ＵＰ〜Ｖ５０_ＷＰ），カスケードアーム２（２_ＵＮ〜２_ＷＰ）の内側の端子（５０_ＵＮ〜５０_ＷＮ）の電位（Ｖ５０_ＵＮ〜Ｖ５０_ＷＮ）の基準電位は三相交流系統７の仮想中性点の電位とする。

なお、たとえば、三相交流系統７から入力される交流電圧が、６０Ｈｚまたは５０Ｈｚの交流電圧である場合、カスケードレッグ（Ｕ相）２０_Ｕ，カスケードレッグ（Ｖ相）２０_Ｖ，カスケードレッグ（Ｗ相）２０_Ｗから出力される交流電圧は、それぞれ１２０度の位相差を有し、その周波数は等しい。カスケードレッグ（Ｕ相）２０_Ｕ，カスケードレッグ（Ｖ相）２０_Ｖ，カスケードレッグ（Ｗ相）２０_Ｗの電圧の値は、それぞれが等しいことが好ましい。

そして、単相交流出力端子２５から出力される単相の交流電圧と、カスケードレッグ（Ｕ相）２０_Ｕ，カスケードレッグ（Ｖ相）２０_Ｖ，カスケードレッグ（Ｗ相）２０_Ｗが有する交流電圧と、の差電圧が、それぞれカスケードレッグ（Ｕ相）２０_Ｕ，カスケードレッグ（Ｖ相）２０_Ｖ，カスケードレッグ（Ｗ相）２０_Ｗから出力される。

なお、入力される三相の交流電圧と電流との周波数は等しく、出力される単相の交流電圧と電流との周波数は等しい。

図３は、本発明の単位セルの実施形態を示す回路図である。

図３に示すように、単位セル１２０は、チョッパ構成ではなく、フルブリッジ構成である。

図３を用いて、本実施形態の単位セル１２０の構成を説明する。

フルブリッジ構成である単位セル１２０は、ＩＧＢＴレッグ４１１（４１１Ｌ，４１１Ｒ）を２並列にして、直流コンデンサ４０６と並列接続した構成である。

各ＩＧＢＴレッグ４１１は、ＩＧＢＴ並列体４０２（４０２Ｐ，４０２Ｎ）を直列に接続した構成である。

ＩＧＢＴ並列体４０２ＰとＩＧＢＴ並列体４０２Ｎとの接続部に、入出力端子４００（４００Ｌ，４００Ｒ）を設け、単位セル１２０の入出力端子４００（４００Ｌ，４００Ｒ）がカスケード接続され、カスケードレッグが構成される。

なお、４１１Ｌは第一ＩＧＢＴレッグ、４１１Ｒは第二ＩＧＢＴレッグであり、４０２Ｐは第一ＩＧＢＴ並列体、４０２Ｎは第二ＩＧＢＴ並列体である。

また、４００Ｌは第一の単位セル入出力端子、４００Ｒは第二の単位セル入出力端子である。

各ＩＧＢＴ並列体４０２（４０２Ｐ，４０２Ｎ）は、ゲート信号により駆動されるが、ゲート信号を作成するゲートドライバや制御回路などは図示していない。

各ＩＧＢＴ並列体４０２（４０２Ｐ，４０２Ｎ）は、ＩＧＢＴ４５１とダイオード４５２とが並列接続される。

次に、電力変換システム１０１の動作について説明する。

図１に示すように、電力変換システム１０１は、カスケードレッグの中点６（６_Ｕ，６_Ｖ，６_Ｗ）に入力された三相の交流電圧を、電力変換して、単相交流出力端子２５（２５_Ｃ，２５_Ｄ）に単相の交流電圧を出力するものである。

電力変換システム１０１は、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）のそれぞれに、カスケードレッグの中点６（６_Ｕ，６_Ｖ，６_Ｗ）と単相交流出力端子２５（２５_Ｃ，２５_Ｄ）との差電圧に等しい電圧を出力させることにより、三相交流を単相交流に変換する。

なお、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）は、交流電圧と交流電圧との差電圧を出力するので正負の両極性を有する電圧を出力する必要がある。

各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）は、このような差電圧を出力するため、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）を構成する単位セル１２０に出力電圧を分担させる。つまり、単位セル１２０も正負の両極性を有する電圧を出力する必要があり、単位セル１２０をフルブリッチ構成とすることにより達成される。

また、通常は、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）を構成する単位セル１２０に同じ電圧を出力させる。すなわち、各単位セル１２０は、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）の電圧を単位セル１２０の数で除した電圧を出力する。

なお、前述のように、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）の電圧は、正負電圧を出力する必要があるので、各単位セル１２０も正負電圧を出力する必要がある。

単位セル１２０がチョッパ構成の場合、正電圧（０Ｖか正電圧）か負電圧（０Ｖか負電圧）かの一方の極性の電圧のみしか出力できないので、単位セル１２０の構成は、図３に示すような正負電圧を出力することができるフルブリッジ構成にする必要がある。

また、図３に示すような単位セル１２０の各ＩＧＢＴレッグ４１１（４１１Ｌ，４１１Ｒ）は、上アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＰのＩＧＢＴ４５１と下アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＮのＩＧＢＴ４５１との間で、それぞれ相補的にスイッチングを行う。

各ＩＧＢＴレッグ４１１（４１１Ｌ，４１１Ｒ）の入出力端子４００（４００Ｌ，４００Ｒ）には、ＩＧＢＴ４５１がオン・オフすることにより、次の電位が印加される。

上アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＰのＩＧＢＴ４５１がオンしている時は、直流コンデンサ４０６の高電位側の電位が出力され、下アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＮのＩＧＢＴ４５１がオンしている時は、直流コンデンサ４０６の低電位側の電位が出力される。

単位セル１２０は、第一の単位セル入出力端子４００Ｌと第二の単位セル入出力端子４００Ｒと間の電圧を出力する。

第二の単位セル入出力端子４００Ｒを基準電位とすると、第一の単位セル入出力端子４００Ｌの電位を第二の単位セル入出力端子４００Ｒより高くすることにより正電圧を出力でき、第一の単位セル入出力端子４００Ｌの電位を第二の単位セル入出力端子４００Ｒより低くすることにより負電圧を出力できる。

例えば、「ＩＧＢＴレッグ４１１Ｌの上アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＰのＩＧＢＴ４５１」と「ＩＢＧＴレッグ４１１Ｒの下アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＮのＩＧＢＴ４５１」とがオンの時は、単位セル１２０は正電圧を出力する。一方、「ＩＧＢＴレッグ４１１Ｌの下アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＮのＩＧＢＴ４５１」と「ＩＧＢＴレッグ４１１Ｒの上アームとしてのＩＧＢＴ並列体４０２ＰのＩＧＢＴ４５１」とがオンの時は、単位セル１２０は負電圧を出力する。

各単位セル１２０の出力電圧は、いわゆるＰＷＭ制御を実施することにより任意の電圧を出力できるため、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）も任意の電圧を出力することができる。

なお、三相側の交流電圧を基準に単相側の交流電圧を出力する方法を説明したが、各カスケードアーム２（２_ＵＰ〜２_ＷＮ）が、次のような電圧を出力することにより、三相の交流電圧と単相の交流電圧とを互いに干渉することなく制御することも可能である。

各カスケードレッグ２０が有する単位セル１２０のＩＧＢＴ並列体（上アーム）４０２ＰとＩＧＢＴ並列体（下アーム）４０２Ｎとの出力電圧の和電圧が単相交流の出力電圧になり、各カスケードレッグ２０が有する単位セル１２０のＩＧＢＴ並列体（上アーム）４０２ＰとＩＧＢＴ並列体（下アーム）４０２Ｎとの出力電圧の差電圧が三相交流の各相の出力電圧になる。

したがって、ＩＧＢＴ並列体（上アーム）４０２Ｐは、出力したい三相交流の各相の出力電圧の半電圧と出力したい単相交流の出力電圧の半電圧との和電圧を出力すればよい。

また、ＩＧＢＴ並列体（下アーム）４０２Ｎは、出力したい単相交流の出力電圧の半電圧と出力したい三相交流の各相の出力電圧の半電圧との差電圧を出力すればよい。

カスケードレッグ２０_Ｕを例にとり、図１、および、図３を用いて、本実施形態の電力変換システムの電流制御方法を説明する。

カスケードレッグ２０_Ｖやカスケードレッグ２０_Ｗも電流制御方法はカスケードレッグ２０_Ｕと同じである。但し、各相の三相交流端子として機能するカスケードレッグの中点６（６_Ｕ〜６Ｗ）の電位（Ｖ６_Ｕ〜Ｖ６_Ｗ）は、それぞれ１２０度ずつ位相が異なる。

三相交流系統７のＵ相から中点６_Ｕに流れる電流成分をｉ７Ｕとする。

また、三相交流系統７からＵ相のリアクトル５Ｕ_Ｐとリアクトル５Ｕ_Ｎとに流れる電流成分を、それぞれｉ５Ｕ_Ｐ７とｉ５Ｕ_Ｎ７とする。

当然、ｉ７Ｕは電流ｉ５Ｕ_Ｐ７と電流ｉ５Ｕ_Ｎ７とに等しい。

ここでは、三相交流系統７からリアクトル５Ｕ_Ｐに流れる電流ｉ５Ｕ_Ｐ７と三相交流系統７からリアクトル５Ｕ_Ｎに流れる電流ｉ５Ｕ_Ｎ７が等しくなるように制御することにする。

なお、ｉ５Ｕ_Ｐ７は三相交流系統７からリアクトル５Ｕ_Ｐに流れる電流成分、ｉ５Ｕ_Ｎ７は三相交流系統７からリアクトル５Ｕ_Ｎに流れる電流成分、ｉ５Ｖ_Ｐ７は三相交流系統７からリアクトル５Ｖ_Ｐに流れる電流成分、ｉ５Ｖ_Ｎ７は三相交流系統７からリアクトル５Ｖ_Ｎに流れる電流成分、ｉ５Ｗ_Ｐ７は三相交流系統７からリアクトル５Ｗ_Ｐに流れる電流成分、ｉ５Ｗ_Ｎ７は三相交流系統７からリアクトル５Ｗ_Ｎに流れる電流成分を示す。

また、ｉ７Ｕは三相交流系統７から中点６_Ｕに流れる電流成分、ｉ７Ｖは三相交流系統７から中点６_Ｖに流れる電流成分、ｉ７Ｗは三相交流系統７から中点６_Ｗに流れる電流成分を示す。

一方、単相交流出力端子２５Ｃから単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流をｉ２５とする。なお、単相交流出力端子２５Ｃから単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流経路は図示していない。

ここでは、各カスケードレッグ２０（２０_Ｕ〜２０_Ｗ）におけるＵ相のカスケードレッグ２０_Ｕ，Ｖ相のカスケードレッグ２０_Ｖ，Ｗ相のカスケードレッグ２０_Ｗに、それぞれ流れる電流ｉ２５の電流成分の大きさが等しくなるように制御するものとする。

なお、ｉ２０_Ｕは単相交流出力端子２５ＤからＵ相のカスケードレッグ２０_Ｕを経由して単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流成分、ｉ２０_Ｖは単相交流出力端子２５ＤからＶ相のカスケードレッグ２０_Ｖを経由して単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流成分、ｉ２０_Ｗは単相交流出力端子２５ＤからＷ相のカスケードレッグ２０_Ｗを経由して単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流成分を示す。

また、電力変換システム１０１から、三相交流系統７や電力変換システム１０１の単相交流出力端子２５（２５Ｃ，２５Ｄ）に流入出する電流は、アームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＮ）に印加する電圧を調整することにより制御できる。

アームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＮ）に印加する電圧Ｖと電流ｉとの関係は、式（０）で表すことができる。
Ｖ＝ｊωＬ＊ｉ …（０）

任意の電流ｉを流すには、アームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＮ）にｊωＬ＊ｉの電圧を印加すればよい。但し、ωは交流角速度、Ｊは複素数、Ｌはリアクトルのインダクタンスである。

しかし、アームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＮ）に流れる電流には、三相交流から流入する電流成分と単相交流に流出する電流成分とが存在する。

したがって、アームリアクトル５（５_ＵＰ〜５_ＷＮ）には、二つの電流成分について、式（０）で演算した電圧の位相を考慮したベクトル和を印加すれば、任意の交流電流を流すことができる。

電力変換システム１０１に流入出する電流と各電流成分との関係について説明する。三相交流の周波数が５０Ｈｚと単相交流の周波数が６０Ｈｚと仮定して説明する。

単相交流出力端子２５Ｄから流れる電流ｉ２５は、三つのレッグに分配されるので、単相交流出力端子２５ＤからＵ相のカスケードレッグ２０_Ｕを経由して単相交流出力端子２５Ｃに流れる電流成分ｉ２０_Ｕは、式（１）で表すことができる。
ｉ２０_Ｕ＝１／３＊ｉ２５ …（１）

リアクトル５_ＵＰ，リアクトル５_ＵＮに流れる電流を、それぞれｉ５_ＵＰ，ｉ５_ＵＮと呼び、図１の下から上に流れる電流を正にすると、
ｉ５_ＵＰ＝ｉ２０_Ｕ＋ｉ５Ｕ_Ｐ７ …（２）
ｉ５_ＵＮ＝ｉ２０_Ｕ−ｉ５Ｕ_Ｎ７ …（３）
と表すことができる。但し、ｉ２５とｉ２０_Ｕ，ｉ５_ＵＰ，ｉ５_ＵＮは電流ベクトルとする。

なお、ｉ５Ｕ_Ｐはリアクトル５Ｕ_Ｐに流れる電流、ｉ５Ｕ_Ｎはリアクトル５Ｕ_Ｎに流れる電流、ｉ５Ｖ_Ｐはリアクトル５Ｖ_Ｐに流れる電流、ｉ５Ｖ_Ｎはリアクトル５Ｖ_Ｎに流れる電流、ｉ５Ｗ_Ｐはリアクトル５Ｗ_Ｐに流れる電流、ｉ５Ｗ_Ｎはリアクトル５Ｗ_Ｎに流れる電流である。

ｉ２０_Ｕの基本波成分は６０Ｈｚ，ｉ５Ｕ_Ｐ７，ｉ５Ｕ_Ｎ７の基本波成分は５０Ｈｚなので、リアクトル５_ＵＰを流れる電流ｉ５_ＵＰ，リアクトル５_ＵＮを流れる電流ｉ５_ＵＮは、５０Ｈｚ成分と６０Ｈｚ成分とを併せ持つ。

リアクトル５_ＵＰとリアクトル５_ＵＮとのインダクタンスが大略等しいと仮定して、そのインダクタンス値をＬで表すと、リアクトル５_ＵＰに印加される電圧Ｖ５_ＵＰとリアクトル５_ＵＮに印加される電圧Ｖ_５ＵＮとは、それぞれ式（４），（５）で表すことができる。

なお、ｉ５_ＵＰはｉ５_ＷＰの実効値、ｉ５_ＵＮはｉ５_ＶＰの実効値である。
Ｖ５_ＵＰ＝ｊＬ＊ω₅₀＊ｉ２０_Ｕ＋ｊＬ＊ω₅₀＊ｉ５Ｕ_Ｐ７ …（４）
Ｖ５_ＵＮ＝ｊＬ＊ω₅₀＊ｉ２０_Ｕ−ｊＬ＊ω₅₀＊ｉ５Ｕ_Ｐ７ …（５）

なお、ω₅₀は５０Ｈｚの交流角速度である。

ここで、図１から明らかなように、リアクトル５_ＵＰの端子電圧Ｖ５_ＵＰは、式（６）で表すことができる。
Ｖ５_ＵＰ＝Ｖ２５Ｃ−Ｖ２_ＵＰ−Ｖ６_Ｕ …（６）

式（６）より、本実施形態の電力変換システム１０１の交流出力であるＶ２５ＣとＶ６_Ｕとの電圧が、外部回路により、所定の交流電圧に拘束されているとすると、リアクトル５_ＵＰの端子電圧Ｖ５_ＵＰは、内側カスケード電圧Ｖ２_ＵＰを、各周波数成分毎に、調整することにより制御できる。

したがって、式（４）から内側カスケード電圧Ｖ２_ＵＰを調整することにより、リアクトル５_ＵＰに流れる電流ｉ５_ＵＰを制御できる。

同様に、式（５）から内側カスケード電圧Ｖ２_ＵＮを調整することにより、リアクトル５_ＵＮに流れる電流ｉ５_ＵＮを制御できる。

次に、内側カスケード電圧Ｖ２の電圧制御について説明する。

各カスケードアーム２は、単位セル１２０がカスケードに直列接続した構成であるので、内側カスケードアーム電圧Ｖ２（Ｖ２ＵＰ，Ｖ２ＶＰ，Ｖ２ＷＰ，Ｖ２ＵＮ，Ｖ２ＶＮ，Ｖ２ＷＮ）は、各カスケードアーム２（２ＵＰ，２ＶＰ，２ＷＰ，２ＵＮ，２ＶＮ，２ＷＮ）を構成する各単位セル１２０の出力電圧の合成電圧である。

したがって，内側カスケード電圧Ｖ２は、各カスケードアーム２を構成する各単位セル１２０の出力電圧を調整することにより制御できる。

各単位セル１２０の出力電圧は、いわゆるＰＷＭ制御により制御する。各単位セル１２０は、出力したい内側カスケードアーム電圧Ｖ２を単位セル数で除した電圧指令によりＰＷＭ制御を行う。

なお、リアクトル５_ＵＰに交流電流を流すと、リアクトル５_ＵＰの両端には交流電圧が印加される。中点６_Ｕの電圧は交流電圧であり、リアクトル５_ＵＰに印加される電圧も交流電圧であるので、内側カスケード電圧Ｖ２ＵＰも交流電圧であり、カスケードアーム２_ＵＰは正負両方の電圧を出力する。

また、カスケードアーム２_ＵＰと同様に、カスケードアーム２_ＶＰ，２_ＷＰ，２_ＵＮ，２_ＶＮ，２_ＷＮについても正負両方の電圧を出力する。

また、三相交流系統７の周波数と単相交流出力端子２５の周波数とが異なる場合は、各カスケードアーム２は三相交流系統７と単相交流出力端子２５との二つの周波数成分を有する。したがって、各単位セル１２０の出力電圧も三相交流系統７と単相交流出力２５との二つの周波数成分を有する。

単位セル１２０はフルブリッジ構成であるので、各ＩＧＢＴレッグ４１１をＰＷＭ制御することにより、正負電圧を出力できる。

仮に、単位セル１２０が、フルブリッジ構成でなく、チョッパ構成であるとすると、単位セル１２０は負の電圧または正の電圧のいずれかの電圧しか出力できないので、三相交流を単相交流に変換することはできない。

ところで、リアクトル５_ＵＮに流れる電流ｉ５_ＵＮも、リアクトル５_ＵＰに流れる電流ｉ５_ＵＰと同様に内側カスケードアーム電圧Ｖ２_ＵＮを調整することにより制御できる。

次に、式（２）と式（３）との差をとると、式（７）となる。
ｉ５_ＵＰ−ｉ５_ＵＮ＝ｉ５Ｕ_Ｐ７＋ｉ５Ｕ_Ｎ７ …（７）

前述のようにｉ５Ｕ_Ｐ７とｉ５Ｕ_Ｎ７との和は、三相交流系統７のＵ相から６_Ｕに流れる電流をｉ７Ｕであるので、内側カスケード電圧Ｖ２を調整することにより、三相交流系統７から流れる電流を制御できる。

より具体的には、ｉ５_ＵＰとｉ５_ＵＮとが、それぞれ、単相交流出力端子２５から出力したい電流の１／２の電流成分がｉ５_ＵＰに流れるように、それと逆極性の電流成分がｉ５_ＵＮに流れるように、内側カスケード電圧Ｖ２の三相交流周波数と等しい電圧成分を調整すればよい。

また、式（２）と式（３）との和をとると、式（８）となる。
ｉ５_ＵＰ＋ｉ５_ＵＮ＝２＊ｉ２０_Ｕ …（８）

単相交流出力端子２５Ｃから単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流ｉ２５は、式（１）の関係があるので、式（８）は式（９）に変形することができる。
（ｉ５_ＵＰ＋ｉ５_ＵＮ）＊３／２＝ｉ２５ …（９）

したがって、内側カスケード電圧Ｖ２を調整することにより、単相交流出力端子２５から流れる電流を制御できる。

より具体的には、ｉ５_ＵＰとｉ５_ＵＮとが、それぞれ、単相交流出力端子２５から出力したい電流の１／３になるように、内側カスケード電圧Ｖ２の単相交流周波数と等しい電圧成分を調整すればよい。

次に、図１の単相交流出力端子２５Ｃと単相交流出力端子２５Ｄとの間に、交流電圧源を接続して、シミュレーションを行った。三相交流の周波数が５０Ｈｚ、単相交流の周波数が６０Ｈｚと仮定した。

図５から図８は、シミュレーション波形を示す。

なお、図５から図８に示す電力変換システム１０１の電圧・電流は、基本波成分のみを抜き取って示している。

図５の一番目の図，二番目の図は、それぞれ、上アーム（２_ＵＰ）の出力電圧，下アーム（２_ＵＮ）の出力電圧を示す。三番目の図は上アーム（２_ＵＰ）と下アーム（２_ＵＮ）との差電圧を、四番目の図はカスケードレッグ２０_Ｕの出力端子である中点６_Ｕの電圧を示す。

内側カスケード電圧Ｖ２ＵＰと内側カスケード電圧Ｖ２ＵＮとの差は、三相交流系統７側の出力電位に相当し、系統電位に相当するＶ６_Ｕとほぼ等しいことがわかる。

Ｖ２ＵＰとＶ２ＵＮとの差電圧とＶ６_Ｕの電圧とのベクトルを違えることにより、三相交流系統７から流れる電流を制御できる。

また、Ｖ２ＵＰとＶ２ＵＮとには、三相側と単相側との双方の周波数成分が重畳している。

図６の一番目の図と二番目の図は、それぞれ、上アーム（２_ＵＰ）の出力電圧と下アーム（２_ＵＮ）の出力電圧を示す。三番目の図は上アーム（２_ＵＰ）と下アーム（２_ＵＮ）との和電圧を、四番目の図は単相交流出力電圧を示す。

内側カスケード電圧Ｖ２ＵＰと内側カスケード電圧Ｖ２ＵＮとの和は、単相側の単相交流出力端子間の電圧（Ｖ２５Ｃ＋Ｖ２５Ｄ）とほぼ等しいことがわかる。

この２つの和電圧を制御することにより、単相側から流れる電流を制御できる。

図７，図８は各部のリプル電流波形を示す。

図７の一番目の図と二番目の図は、それぞれ、リアクトル５_ＵＰに流れる電流とリアクトル５_ＵＮに流れる電流を示す。三番目の図はリアクトル５_ＵＰに流れる電流とリアクトル５_ＵＮに流れる電流との差電流を、四番目の図は三相交流系統７のＵ相から電力変換システム１０１のＵ相レッグ２０_Ｕに流れる電流を示す。

図８の一番目の図と二番目の図は、それぞれ、リアクトル５_ＵＰに流れる電流とリアクトル５_ＵＮに流れる電流を示す。三番目の図はリアクトル５_ＵＰに流れる電流とリアクトル５_ＵＮに流れる電流との和電流を、四番目の図は単相交流出力端子２５Ｃから単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流を示す。

三相交流系統７側から５０Ｈｚの周波数の交流電流ｉ７Ｕを入力し、単相側から６０Ｈｚの周波数の交流電流ｉ２５を出力できていることがわかる。

なお、鉄道変電システムは三相交流から単相交流を生成する必要がある。

したがって、本実施形態の電力変換システム１０１は、鉄道変電システムの三相交流／単相交流変換用の電力変換システムとして利用することができる。

つまり、５０Ｈｚの三相交流系統における６０ＫＶ程度の電圧を有する三相交流を、６０Ｈｚの２０ＫＶ程度の電圧を有する単相交流に変換することができる。

第１の実施例の電力変換システム１０１は三相交流を単相交流に変換することを特徴としたが、第２の実施例は単相交流を単相交流に変換することを特徴とする。

この電力変換システムは、わずか二つのレッグ数で、単相交流を単相交流に変換することができる。

図２は第２の実施例の電力変換システム１０１の構成を示す。

第１の実施例の電力変換システム１０１は三相交流系統７に接続されており、三つのカスケードレッグ２０（２０_Ｕ，２０_Ｖ，２０Ｗ）を有していたが、第２の実施例の電力変換システム１０１は単相系統７１に接続されており、二つのカスケードレッグ２０（２０_Ｕ，２０Ｗ）を有する。

動作原理については、単相交流出力端子２５Ｃから単相交流出力端子２５Ｄに流れる電流が、二つのレッグ（２０_Ｕ，２０Ｗ）に流れる。これ以外は第１の実施例と同じである。

つまり、入力される第一の単相の交流電圧と出力される第一の単相の交流電圧と異なる第二の単相の交流電圧とは、電圧，周波数，位相の少なくとも一つを変換したものであるといえる。

第１の実施例の電力変換システム１０１は三相交流を単相交流に変換することを特徴とし、第２の実施例の電力変換システムは単相交流を単相交流に変換することを特徴としたが、第３の実施例の電力変換システムは三相交流を三相交流に変換することを特徴とする。

図４は第３の実施例の電力変換システム１０１の構成を示す。

第３の実施例の電力変換システム１０１は、第１の実施例と同様に、三相交流系統７に接続される。

ここでは、三相交流系統７の各相をＵ相，Ｖ相，Ｗ相と呼び、電力変換システム１０１のそれぞれの三相交流出力をそれぞれＲ相，Ｓ相，Ｔ相と呼ぶ。

電力変換システム１０１は、三つの単相出力電力変換器９００から構成され、Ｒ相電圧を出力する単相出力電力変換器９００を単相出力電力変換器９００Ｒ、Ｓ相電圧を出力する単相出力電力変換器９００を単相出力電力変換器９００Ｓ、Ｔ相電圧を出力する単相出力電力変換器９００を単相出力電力変換器９００Ｔと呼ぶ。

単相出力電力変換器９００のそれぞれの主要部の構成は第１の実施例の電力変換システムと同じである。

但し、単相出力電力変換器９００が出力する単相出力電力は、通常互いに１２０度ずつ相違する。第３の実施例の電力変換システム１０１のレッグ数は九と多いが、単位セル１２０を構成するＩＧＢＴ４５１に電流定格の低いＩＧＢＴを適用しても大容量の電力変換システムを実現できるというメリットがある。

つまり、入力される第一の三相の交流電圧と出力される第一の三相の交流電圧と異なる第二の三相の交流電圧とは、電圧，周波数，位相の少なくとも一つを変換したものであるといえる。

本発明の交流を交流に変換する電力変換システムは、特に、三相交流を単相交流に変換する電力変換システムに有効であり、例えば、鉄道変電システムに利用できる。

２カスケードアーム
５アームリアクトル
６カスケードレッグの中点
７三相交流系統
２０カスケードレッグ
２５単相交流出力端子
７１単相交流系統
１０１電力変換システム
１２０単位セル
４００Ｌ，４００Ｒ単位セル入出力端子
４０６直流コンデンサ
４１１ＩＧＢＴレッグ
４５１ＩＧＢＴ
４５２ダイオード

Claims

単位セルをカスケードに接続した構成を有して複数相の交流電圧を単相の交流電圧に変換する電力変換システムにおいて、前記カスケードに接続された各々の単位セルは、直列したスイッチング素子を並列接続し更に直流コンデンサを並列接続して前記直流コンデンサの電圧を正及び負として選択可能に出力するフルブリッジ構成であり、前記単位セルをカスケードに接続したカスケードレッグを３つ並列に接続し、前記カスケードレッグの各々の中点に交流電圧を位相が異なるように入力し、前記３つのカスケードレッグが並列接続した両端の端子を出力とするものであって、前記３つのカスケードレッグの各々が前記両端の端子に同じ周波数で同じ位相の交流電圧を出力し、且つ、前記前記３つのカスケードレッグの各々の中点の電圧が前記入力した交流電圧と等しくなるように、前記３つのカスケードレッグの各々のセルについて前記直流コンデンサの電圧を正として出力するか、負として出力するか、出力しないかのいずれかに制御することを特徴とした電力変換システム。
請求項１において、前記カスケードレッグは三つとして構成され、前記三つのカスケードレッグの中点にＵ相、Ｖ相、Ｗ相のそれぞれの交流電圧を入力し、前記三つのカスケードレッグの両端がそれぞれ電気的に接続され、前記両端の端子から交流電圧を出力することを特徴とした電力変換システム。
請求項２において、三つのそれぞれのカスケードレッグは、それぞれＵ相、Ｖ相、Ｗ相として入力される交流電圧と出力される単相の交流電圧との差電圧を、それぞれのカスケードレッグの両端の端子から出力することを特徴とした電力変換システム。
請求項１において、前記カスケードレッグは、前記カスケードレッグの中点の両側に、複数の前記単位セルを有するカスケードアームを有し、前記中点とそれぞれのカスケードアームとの間にそれぞれアームリアクトルを有することを特徴とした電力変換システム。
請求項１において、前記単位セルは、ＩＧＢＴとダイオードとを組み合わせたＩＧＢＴ並列体を直列に二つ接続したＩＧＢＴレッグを並列に二つ接続し、前記ＩＧＢＴレッグに並列に直列コンデンサを接続し、前記二つのＩＧＢＴレッグ並列体の間に入出力端子を接続することを特徴とした電力変換システム。