JP7193248B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力に変換し、あるいは、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置では、高電圧化の試みがなされている。中性点クランプ形の電力変換装置は、３レベルの相電圧を出力することができる高電圧対応可能な電力変換装置の形式の１つである。

中性点クランプ形の電力変換装置では、コンデンサによって直流電圧を高電位側と低電位側とに均等に分割し、高電位側直流電圧と低電位側直流電圧とを均等に保持する中性点電位制御が必要になる。

中性点電位制御の方式にはさまざま提案されているが、中性点電位制御には、変換器に流れる電流を検出する必要があるため、交流側において無負荷や軽負荷となる状態では、中性点電位制御を安定に実行することが困難である。そのため、交流側に強制的に交流電流を供給して変換器に電流を流すことによって、中性点電位制御を安定化させる場合がある。しかしながら、交流側に供給する交流電流によって、電力系統等の交流回路に影響を及ぼす懸念がある。

特開平１１－１１３２６３号公報

実施形態は、安定して中性点電位制御することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、交流回路の各相に応じて設けられたフルブリッジ構成の中性点クランプ方式の変換器と、前記交流回路と前記変換器との間に接続され、前記変換器の交流電圧を変圧して前記交流回路に供給する変圧器と、前記変換器の動作を制御する制御装置と、を備える。前記変圧器は、前記交流回路の側でデルタ結線される。前記制御装置は、中性点電位制御を行うために前記変圧器のデルタ結線内に還流する零相電流を積極的に供給するように変換器を制御する。

本実施形態では、各相に応じてフルブリッジ構成の変換器を設けているので、一次側をΔ結線することができる変圧器を備えることができ、零相電流をΔ結線内に還流させることができるので、交流回路側に影響を与えることなく、安定して中性電位制御することができる。

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ｕ～２１ｗを介して、交流回路に接続される。たとえば、交流回路は、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの交流電源１や変圧器２を含む構成とすることができる。交流回路は、誘導電動機等の交流負荷や交流送電線等を含んでもよい。電力変換装置１０は、直流端子２１ｐ，２１ｎを介して、直流回路３に接続される。直流回路３は、たとえば直流送電線や蓄電池、太陽電池等を含む。直流回路３は、他の電力変換装置によって生成される直流電源等を含んでもよい。

電力変換装置１０は、交流電圧を直流電圧に変換し、あるいは直流電圧を交流電圧に変換する。電力変換装置１０は、このような双方向の電力変換を行ってもよいし、一方向の電力変換を行ってもよい。

電力変換器２０は、交流端子２１ｕ～２１ｗと、直流端子２１ｐ，２１ｎと、を含む。交流端子２１ｕ～２１ｗと直流端子２１ｐ，２１ｎとの間には、交流回路の各相に対応して、変換器２３ｕ～２３ｗが接続されている。交流端子２１ｕ～２１ｗと変換器２３ｕ～２３ｗとの間には、変圧器２２ｕ～２２ｗがそれぞれ接続されている。変圧器２２ｕ～２２ｗは、交流端子２１ｕ～２１ｗの側でΔ（デルタ）結線されている。なお、本明細書では、変圧器２２ｕ～２２ｗについて、交流回路に接続された巻線を一次巻線と呼び、変換器２３ｕ～２３ｗに接続された巻線を二次巻線と呼ぶこととする。一次巻線の側を単に一次側、二次巻線の側を単に二次側とも呼ぶこととする。

より具体的には、交流回路のＵ相に対応して、変圧器２２ｕおよび変換器２３ｕが設けられ、Ｖ相に対応して、変圧器２２ｖおよび変換器２３ｖが設けられ、Ｗ相に対応して、変圧器２２ｗおよび変換器２３ｗが設けられている。

変換器２３ｕは、交流端子２４ｕａ，２４ｕｂと、直流端子２４ｕｐ，２４ｕｎと、中性点端子２４ｕｏと、を含む。交流端子２４ｕａ，２４ｕｂは、変圧器２２ｕの二次巻線に接続されている。直流端子２４ｕｐ，２４ｕｎは、電力変換器２０の直流端子２１ｐ，２１ｎに接続されている。直流端子２４ｕｐと中性点端子２４ｕｏとの間にはコンデンサ２５ｐが接続されている。中性点端子２４ｕｏと直流端子２４ｕｎとの間には、コンデンサ２５ｎが接続されている。

変換器２３ｖは、上述の変換器２３ｕと同様に構成されており、交流端子２４ｖａ，２４ｖｂによって、変圧器２２ｖの二次巻線に接続され、直流端子２４ｖｐ，２４ｖｎによって、電力変換器２０の直流端子２１ｐ，２１ｎに接続されている。

変換器２３ｗも、上述の変換器２３ｕ，２３ｖと同様に構成されており、交流端子２４ｗａ，２４ｗｂによって、変圧器２２ｗの二次巻線に接続され、直流端子２４ｗｐ，２４ｗｎによって、電力変換器２０の直流端子２１ｐ，２１ｎに接続されている。

すべての変換器２３ｕ～２３ｗの直流側は、並列に接続されている。すなわち、直流端子２４ｕｐ，２４ｖｐ，２４ｗｐは、電力変換器２０の直流端子２１ｐに接続されている。直流端子２４ｕｎ，２４ｖｎ，２４ｗｎは、電力変換器２０の直流端子２１ｎに接続されている。中性点端子２４ｕｏ，２４ｖｏ，２４ｗｏは、相互に接続されている。

直流端子２１ｐと中性点Ｏとの間の電圧をＶＰＯとし、中性点Ｏと直流端子２１ｎとの間の電圧をＶＯＮとする。なお、直流端子２１ｐの電位は、直流端子２１ｎの電位よりも高い値に設定されている。直流端子２１ｐの電位は、中性点Ｏの電位から見て正であり、直流端子２１ｎの電位は、中性点Ｏから見て負である。

制御装置５０は、直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮ、各相電流ｉｕ～ｉｗ、および交流各相に応じた電圧ｖｕ～ｖｗを入力して、変換器２３ｕ～２３ｗを構成するスイッチング素子を駆動する駆動信号ｖｇｕ～ｖｇｗを生成し、各変換器２３ｕ～２３ｗに供給する。後に詳述するように、制御装置５０は、入力した直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮ、各相の電流ｉｕ～ｉｗ、および交流の電圧ｖｕ～ｖｗにもとづいて、各種指令値を生成し、またあらかじめ設定された指令値にもとづいて駆動信号ｖｇｕ～ｖｇｗを生成する。

図２は、図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図２には、変換器２３ｕの簡略化された回路構成が示されている。この例では、ダイオードクランプ式の中性点クランプ回路が示されている。

図２に示すように、変換器２３ｕは、スイッチング素子３１～３８と、ダイオード３９～４２と、を含む。スイッチング素子３１は、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）であり、ダイオードが逆並列に接続されている。

スイッチング素子３１，３２は、接続ノードｎ１で直列に接続されている。スイッチング素子３３，３４は、接続ノードｎ２で直列に接続されている。スイッチング素子３５，３６は、接続ノードｎ３で直列に接続されている。スイッチング素子３７，３８は、接続ノードｎ４で直列に接続されている。スイッチング素子３１，３２、スイッチング素子３３，３４、スイッチング素子３５，３６およびスイッチング素子３７，３８それぞれの直列接続回路をアームと呼ぶ。

スイッチング素子３１，３２によるアームは、スイッチング素子３３，３４によるアームと直列に接続されている。スイッチング素子３１，３２によるアームおよびスイッチング素子３３，３４によるアームの接続ノードは、交流端子２４ｕａに接続されている。

接続ノードｎ１，ｎ２の間には、直列に接続されたダイオード３９，４０が接続されている。ダイオード３９，４０の直列接続回路の接続ノードは、中性点端子２４ｕｏに接続されている。

スイッチング素子３５，３６によるアームは、スイッチング素子３７，３８によるアームと直列に接続されている。スイッチング素子３５，３６によるアームおよびスイッチング素子３７，３８によるアームの接続ノードは、交流端子２４ｕｂに接続されている。

接続ノードｎ３，ｎ４の間には、直列に接続されたダイオード４１，４２が接続されている。ダイオード４１，４２の直列接続回路の接続ノードは、中性点端子２４ｕｏに接続されている。

スイッチング素子３１～３４の直列回路およびスイッチング素子３５～３８の直列回路は、直流端子２４ｕｐ，２４ｕｎの間で並列に接続されている。スイッチング素子３１，３２によるアーム、スイッチング素子３３，３４によるアーム、スイッチング素子３５，３６によるアーム、およびスイッチング素子３７，３８によるアームは、交流端子２４ｕａ，２４ｕｂおよび直流端子２４ｕｐ，２４ｕｎを有するフルブリッジ回路である。このフルブリッジ回路は、ダイオード３９～４２によって、中性点端子２４ｕｏの電位（中性点電位）にクランプされる。

中性点電位に対する交流端子２４ｕａ，２４ｕｂのそれぞれの電位Ｖｕ（Ａ），Ｖｕ（Ｂ）は、中性点電位制御のために変換器ごとに制御される電位であり、後に詳述する。

中性点クランプ方式の変換器では、中性点の電圧に対する正負の直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差にもとづいて、零相電圧指令値を生成し、中性点電位を制御する。本実施形態の電力変換装置１０では、変換器２３ｕ～２３ｗと交流回路との間に変圧器２２ｕ～２２ｗが接続されている。変圧器２２ｕ～２２ｗの一次側は、Δ結線されている。

交流回路側において無負荷や軽負荷の場合であっても、電力変換装置１０は、指令値に応じた零相電圧を生成するので、Δ結線された一次側には零相電圧に応じた零相電流が流れる。変圧器２２ｕ～２２ｗの一次側に零相電流を流すことによって、各変換器２３ｕ～２３ｗには、電流が流れるので、安定して変換器動作を継続することができる。また、変圧器２２ｕ～２２ｗの一次側に流れる零相電流はΔ結線内を還流するので、電力系統等の交流回路側には電流が流出しないようにすることができる。

本実施形態の電力変換装置１０では、零相電圧指令値の生成とは別に、交流の相ごとに中性点電位を制御する電圧指令値を生成する。
図３は、図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図３には、Ｕ相の変換器２３ｕに対して、中性点電位を制御する構成例が示されている。Ｖ相およびＷ相の変換器２３ｖ，２３ｗに対しても、制御装置５０は同じ構成を有しており、詳細な説明を省略する。

図３に示すように、制御装置５０は、加減算器５１と、係数器５２，５９と、ＰＩ制御器５３と、乗算器５４，５７と、符号器５５，５６と、加算器５８，６０と、を含む。制御装置５０は、加減算器５１、係数器５２およびＰＩ制御器５３によって、中性点電位制御のための制御出力（中性点電位制御出力）を生成する。直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差を加減算器５１および係数器５２によって演算し、ＰＩ制御器５３によって中性点電位制御出力を生成する。

制御装置５０は、乗算器５４および符号器５５，５６によって、中性点電位制御の方向を設定する。符号器５５，５６は、入力された信号の符号が正の場合には、“＋１”を出力し、入力された信号の符号が負の場合には、“－１”を出力する。乗算器５４には、変換器２３ｕから出力または変換器２３ｕに入力する電流ｉｕおよび符号器５５の出力が入力される。符号器５５には、Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊が入力される。符号器５６は、変換器２３ｕの線電流ｉｕおよびＵ相の電圧指令値ｖｕ＊の符号を考慮して、中性点電位を制御する方向を決定する。

乗算器５７によって、中性点電位制御出力ｖ０は、符号が付与されて、電圧指令値ｖｕ＊に加算される。正側の電圧指令値Ｖｕ（Ａ）＊は、加算器５８によって乗算器５７の出力に加算されて生成される。負側の電圧指令値Ｖｕ（Ｂ）＊は、係数器５９によって反転された後に加算器６０によって乗算器の出力に加算されて生成される。

上述では、中性点クランプ方式の回路構成として、ダイオードクランプ方式の場合について説明したが、中性点電位制御を行う中性点クランプ方式の変換器であれば、他の回路方式にも適用することができる。たとえば、変換器のスイッチング素子の一部およびダイオードを双方向スイッチに置き換えて、変換器の構成をＴ型中性点クランプ方式等としてもよい。

また、上述の例では、交流回路は、三相の場合について説明したが、交流回路の相数はこれに限定されず、四相以上であってもよい。

本実施形態の電力変換装置１０の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０では、交流回路の各相に対応するフルブリッジ回路と、交流回路とフルブリッジ回路との間にΔ結線された変圧器を備えている。交流回路の側が無負荷や軽負荷状態であっても、制御装置５０が零相電圧指令値を生成し、変圧器の一次側に零相電流を流すことによって、変換器の電流を継続して流すことができる。そのため、電力変換装置１０は、無負荷や軽負荷の場合であっても、安定して中性点電位制御出力を行うことができる。

変圧器の一次側は、Δ結線されているので、変換器によって出力された零相電流は、Δ結線内を還流して、交流回路側に流出することがない。そのため、電力変換装置１０は、交流回路側に影響を与えることなく、安定して中性点電位制御を行うことができる。

交流回路は、電力系統等の交流電源に限らず、電動機等の交流負荷であってもかまわない。本実施形態の電力変換装置１０では、交流回路が交流負荷の場合に、交流負荷への電力供給を遮断する必要があるときでも、安定して中性点電位制御することができる。そのため、電力変換装置１０を停止させずに動作を継続することができる。

中性点電位制御の応答は、変換器から出力する直流電流または変換器に入力する直流電流に応じて変化することが知られている。中性点電位制御の応答は、以下の式（１）のように表される。

中性点電位制御の応答∝直流中性点電流の変化量
＝±（ｖ０×変換器電流）／ＰＮ間直流電圧 （１）
ここで、ｖ０は、中性点電位制御出力（図３）、変換器電流はｉｕ～ｉｗである。

式（１）に示すように、直流の中性点電位の変化量は、各相に対応した変換器２３ｕ～２３ｗの電流ｉｕ～ｉｗの大きさにそれぞれ比例する。そのため、変圧器の一次側の零相電流を還流させるために各相に流す電流を適切な値に設定することによって、中性点電位の制御応答も向上させることができる。つまり、本実施形態の電力変換装置１０では、各相に対応した中性点電位制御を実行することによって、安定して中性点電位制御を行うとともに、中性点電位制御の応答を速くすることができる。

（変形例）
上述の実施形態では、変圧器の一次側に常時零相電流を流すことによって、交流回路側が無負荷や軽負荷の場合を含めて、安定して中性点電位制御を行う。一方で、常時零相電流を還流させることによって、変圧器や変換器には常時損失が発生し、変換器動作にともなうノイズ等が発生する。そこで、本変形例では、あらかじめ設定された条件を満たした場合に、電力変換装置１０は、変圧器の一次側に零相電流を流すようにし、零相電流による安定化の必要がない場合には、零相電流を流さないようにする。

図４は、図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図４には、零相電流通電回路７０が示されている。零相電流通電回路７０は、たとえば制御装置５０内に設けられる。

図４に示すように、零相電流通電回路７０は、比較器７１，７５と、加減算器７２と、係数器７３と、演算器７４と、ＡＮＤ回路７６，８０と、オフディレイ回路７７と、反転回路７８と、ワンショット回路７９と、を含む。零相電流通電回路７０は、変換器の交流電流が所定の低下レベルを下回り、かつ、中性点電位を基準とした直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差が所定のアンバランスレベルを超過した場合に、変圧器の一次側に零相電流を通電するように、零相電流指令値を制御装置に供給する。

以下では、各相の変換器２３ｕ～２３ｗの電流ｉｕ～ｉｗのうち、いずれか１つでも所定の低下レベルを下回ったことを検出する場合について説明するが、電流の検出条件についてはこれに限らず適切な任意の条件としてもよい。たとえば、電流ｉｕ～ｉｗのそれぞれの実効値の平均値が所定の低下レベルを下回ったことを検出するようにしてもよいし、他の適切な条件であってもよい。

直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差が所定のアンバランスレベルを超えた場合に、一定期間の零相電流を通電するように零相電流指令値を供給する。直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮのアンバランスが解消した場合には、零相電流を遮断する。

比較器７１には、あらかじめ設定された変換器電流低下レベルｉＴ１が入力されている。比較器７１は、変換器２３ｕの電流ｉｕを、変換器電流低下レベルｉＴ１と比較する。比較器７１は、電流ｉｕが変換器電流低下レベルｉＴ１よりも低下した場合に、ＡＮＤ回路８０にＨレベルの信号を供給する。

直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮは、加減算器７２および係数器７３に入力されて、偏差（中性点電位からの電圧の算術平均）が演算される。係数器７３の出力は、絶対値を演算する演算器７４に入力され、比較器７５によって直流電圧アンバランスレベルＶＵＢと比較される。直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差の絶対値が直流電圧アンバランスレベルＶＵＢ以上の場合には、ＡＮＤ回路７６にＨレベルの信号を供給し得る状態となる。

ＡＮＤ回路７６の他方の入力には、ＡＮＤ回路７６の出力に接続されたオフディレイ回路７７の出力が反転回路７８によって反転されて供給される。オフディレイ回路７７は、あらかじめ設定されたオフディレイ時間を有している。オフディレイ回路７７は、ＡＮＤ回路７６の出力がＬレベル（オフ）になっても、設定されているオフディレイ時間の経過後にＬレベルとなる。つまり、ＡＮＤ回路７６は、直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差が瞬時的にアンバランスレベルＶＵＢを超過した場合に、ＡＮＤ回路７６がＨレベルを出力できるようにする。

ワンショット回路７９は、ＡＮＤ回路７６の出力に接続されている。ワンショット回路７９は、Ｈレベルの信号が入力されると、あらかじめ設定されたパルス幅のＨレベルのワンショット信号をＡＮＤ回路に供給する。

零相電流通電回路７０の動作について説明する。
零相電流通電回路７０は、変換器が出力し、または変換器に入力される交流電流が変換器電流低下レベルｉＴ１よりも低下した場合に、動作可能となる。

零相電流通電回路７０が動作可能の状態で、電力変換器２０の直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差が、直流電圧アンバランスレベルＶＵＢ以上となったときに、ワンショット回路７９によって設定されたパルス幅で決定される期間の零相電流が変圧器の一次側に供給される。

本変形例では、変換器に流れる電流が低下したことを検出して、強制的に零相電流を変圧器に流すので、交流回路の側が無負荷等であっても、安定して中性点電位制御を行うことができる。

また、本変形例では、変換器の電流の低下に加えて、直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差のアンバランスが大きい場合に、零相電流を流すので、中性点電位制御を積極的に行うべき状態のときに限ることができる。直流電圧ＶＰＯ，ＶＯＮの偏差のアンバランスが大きいと、変換器内のスイッチング素子に印加される電圧が過大となり、スイッチング素子が破損するおそれがある。したがって、直流電圧アンバランスレベルＶＵＶを適切に設定することによって、変形例では、頻繁に零相電流を流して変換効率等を低下させることなく、スイッチング素子の破損等の事故を防止することができる。

このように、本変形例では、所定の条件が満たされない場合には、変圧器に零相電流を流すことがないので、変換器の効率が低下することはない。

中性点電位制御が必要なときに、零相電流を流すので、他の要因や、直流電圧がアンバランスになっていないときには、零相電流を流す必要がない。

このように、本変形例では、交流側の電流の状況および直流側のアンバランスの状況に応じて、変圧器の零相電流の供給を行ったり、停止したりするので、負荷条件等に応じて最適な運転条件で動作することができる。

以上説明した実施形態によれば、零相電圧の符号を正確に計算して、零相電圧の指令値を出力することができる電力変換装置を実現することができる。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流電源、２ 変圧器、３ 直流回路、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２２ｕ～２２ｗ 変圧器、２３ｕ～２３ｗ 変換器、２５ｐ，２５ｎ コンデンサ、３１～３８ スイッチング素子、３９～４２ ダイオード、５０ 制御装置、５１ 加減算器、５２，５９ 係数器、５３ ＰＩ制御器、５４，５７ 乗算器、５５，５６ 符号器、５８，６０ 加算器、７０ 零相電流通電回路、７１，７５ 比較器、７２ 加減算器、７３ 係数器、７４ 演算器、７６，８０ ＡＮＤ回路、７７ オフディレイ回路、７８ 反転回路、７９ ワンショット回路

Claims (5)

1. 交流回路の各相に応じて設けられたフルブリッジ構成の中性点クランプ方式の変換器と、
   前記交流回路と前記変換器との間に接続され、前記変換器の交流電圧を変圧して前記交流回路に供給する変圧器と、
   前記変換器の動作を制御する制御装置と、
   を備え、
   前記変圧器は、前記交流回路の側でデルタ結線され、
   前記制御装置は、中性点電位制御を行うために前記変圧器のデルタ結線内に還流する零相電流を積極的に供給するように前記変換器を制御する電力変換装置。
2. 前記変換器は、
   中性点と、
   前記中性点よりも高電位の第１直流端子と、
   前記中性点よりも低電位の第２直流端子と、
   を含み、
   前記制御装置は、
   前記第１直流端子と前記中性点との間の第１直流電圧と、前記中性点と前記第２直流端子との間の第２直流電圧と、の偏差にもとづいて、中性点の電位を制御するための中性点電位制御出力を生成し、
   前記変換器に流れる交流線電流の方向にもとづいて、前記第１直流電圧のための第１直流電圧指令値および前記第２直流電圧のための第２直流電圧指令値を生成する請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、前記交流線電流が所定のしきい値電流よりも低下した場合には、零相電流指令値を強制的に設定し、前記零相電流指令値にもとづいて零相電圧指令値を生成する請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記零相電流指令値は、前記第１直流電圧および前記第２直流電圧の偏差が所定のしきい値電圧以上の場合に強制的に設定される請求項３記載の電力変換装置。
5. 前記変換器の中性点クランプ方式は、ダイオードクランプ方式、または、Ｔ型クランプ方式のいずれかである請求項１～４のいずれか１つに記載の電力変換装置。

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