(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。