CN106575929A

CN106575929A - 功率转换装置

Info

Publication number: CN106575929A
Application number: CN201580045581.3A
Authority: CN
Inventors: 长谷川隆太; 铃木大地
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2014-08-25
Filing date: 2015-07-21
Publication date: 2017-04-19
Anticipated expiration: 2035-07-21
Also published as: WO2016031430A1; CN106575929B; EP3188356A1; JP6253548B2; JP2016046955A; EP3188356A4

Abstract

本发明提供一种能够将中性点电位保持恒定的功率转换装置。在交流与直流之间进行功率转换的功率转换装置具备：串联连接的电容器(2a、2b)，与直流电源(20)并联连接，用于对直流电源(20)的输入直流电压进行分割并生成中性点电位；多个支路(3)，分别与多个直流电源(20)并联连接，并包含用于将直流转换为交流的斩波单元(C)；控制部，为了使各相支路(3)的斩波单元输出电压平衡，对在各相支路(3)内流动的循环电流进行控制，控制部具有使用于将中性点电位控制为恒定的中性点电流叠加于在各相直流端子间流动的直流循环电流的中性点电位控制部，中性点电位控制部使叠加了中性点电流的循环电流在电容器(2a、2b)的至少任一个流动。

Description

功率转换装置

技术领域

本发明的实施方式涉及在直流与交流之间相互进行功率转换的功率转换装置。

背景技术

近年，风力发电和太阳光发电、太阳能发电等可再生能源的普及得以促进，而为了通过可再生能源来维持更大电力，则开始探讨海上风力发电和沙漠地带的太阳光、太阳热发电。在海上风力发电中，需要通过海底电缆将所发出的电力大功率输送至作为消耗地的城市，或者从非洲或中国内陆的沙漠地带至欧洲或沿海地带的大城市，跨越较长距离高效地输送大功率。针对这样的要求，由于与通过以往的三相交流实现的功率输电相比，直流输电更加高效，并能够在抑制成本的同时进行设置，因此，开始探讨直流输电网的构筑。

在直流输电中，需要将所发出的交流电力转换为直流输电用的直流的变换器或将被输送来的直流转换为城市内的交流的逆变器等功率转换装置。能够以与变换器、逆变器的切换相伴的高次谐波不流出至交流系统的方式，输出接近正弦波的电压波形并能够减少输出滤波器的MMC(Modular Multi-level Converter：模块化多电平变换器)得到实际应用。

图10中示出用于以往的直流输电用途的MMC的一例。如图10(a)所示，MMC101具备分别与直流电源120并联连接的、生成交流电压的U相、V相以及W相支路103。各支路103与将所生成的交流电压转换为所希望的交流电压的三相变压器121连接，该三相变压器121与电力系统122连接。

由于各相支路103的构成均相同，因此，若对U相支路103加以说明，则U相支路103用于从输入直流电压生成交流电压，并具有12个串联连接的斩波单元C。即，U相支路103由6个斩波单元C串联连接而成的正侧的上臂104a和6个斩波单元C串联连接而成的负侧的下臂104b构成。

在上分路臂104a以及下分路臂104b之间设有与三相变压器121连接的交流输出端子139，在上分路臂104a以及端子139之间配置有电抗器lb_up，在下分路臂104b以及端子139之间配置有电抗器lb_un。如图10(b)所示，斩波单元C由具备自关断能力的二个开关sw_ch1、sw_ch2串联连接而成的支路105和与支路105并联连接的电容器c_ch构成。斩波单元C将电容器c_ch作为直流电压源，在开关sw_ch1打开接通时输出电容器c_ch的电压v_ch，在开关sw_ch2打开接通时，斩波单元C的两端子成为相同电位。多个斩波单元C串联连接的U相支路103通过错开向各斩波单元C的切换定时，生成多级的台阶状交流电压波形。

对于该MMC101的动作，若以U相支路103为例加以说明，则从直流电源120的输入直流电压v_dc减去正侧斩波单元ch_up1～6的合计电压v_up，从基准电位加上负侧斩波单元ch_un1～6的合计电压v_un，由此获得交流电压，进而通过三相变压器121被转换为所希望的交流电压。

此外，通过电抗器lb_up以及lb_un，抑制由输入直流电压v_dc和斩波单元输出电压v_up+v_un的短路所引起的电流的增大。对于V相支路103以及W相支路103也是相同的。

通过以上说明的动作，生成三相交流电压，通过三相变压器121转换为所希望的交流电压，并将三相交流电压供给至电力系统122。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特表2010－512134号公报

专利文献2：日本特开2013－198389号公报

发明内容

发明所要解决的课题

MMC中，在斩波单元的电容器中，原理上会产生与输出交流频率等同的功率脉动。为了将该电容器电压的变动抑制为恒定的值，需要增大电容器的容量，装置自身也会变大。例如，在直流电压达到数十kV～数百kV的直流输电的情况下，斩波单元的数量变多，与此成比例地电容器体积变大，功率转换装置的体积也变大。

因此，开始探讨将开关(阀)和斩波单元组合而成的中性点钳位形模块化多电平变换器(以下，称为NPC－MMC)，其中，该开关(阀)由IGBT等自励式切换元件和与其反接的二极管构成。该NPC－MMC例如通过二个电容器将直流电源的输入直流电压分割成一半，在电容器间形成中性点电位。即，对于输入直流电压，将串联连接的二个电容器并联连接。NPC－MMC能够在继承MMC的优点、即能够通过错开各斩波单元的动作定时来输出台阶状的多电平电压波形并能够使输出交流电压大致成为正弦波的优点的同时，减少斩波单元数量，因此，存在能够减少功率转换装置的设置空间的可能性。

但是，中性点电位会由于电容器或切换元件的泄漏电流、放电电流的不平衡而变动。因此，恐怕会产生以下情况：例如，正侧的电容器和负侧的电容器的放电电压的平衡被破坏，超过耐电压的电压施加于切换元件，切换元件发生故障，结果，导致功率转换装置自身的故障。

本发明的实施方式的功率转换装置是为了解决上述课题而完成的，其目的在于提供一种能够将中性点电位保持恒定的功率转换装置。

用于解决课题的方法

为了达成上述目的，本实施方式的功率转换装置在交流与直流之间进行功率转换，其特征在于，具备：串联连接的第一及第二电容器，与直流电源并联连接，用于对上述直流电源的输入直流电压进行分割并生成中性点电位；多个支路，分别与上述直流电源并联连接，并包含用于将直流转换为交流的斩波单元；和，控制部，为了使各相支路的上述斩波单元输出电压平衡，对在各相支路内流动的循环电流进行控制，上述控制部具有使用于将中性点电位控制为恒定的中性电流叠加于在各相直流端子间流动的直流循环电流的中性点电位控制部，上述中性点电位控制部使叠加了上述中性点电流的循环电流在上述第一及第二电容器的至少任一个流动。

附图说明

图1(a)为第一实施方式的功率转换装置的电路图，图1(b)为斩波单元的电路图。

图2为第一实施方式的功率转换装置的控制部的内部构成框图。

图3为表示中性点电位控制部的控制构成的示意图。

图4为表示向一个周期内的各相叠加的中性点电流的表。

图5为表示臂间电容器电压平衡控制部的控制构成的示意图。

图6为表示斩波单元群输出电压指令值的生成方法的示意图。

图7为表示斩波单元群输出电压指令值生成部的控制构成的示意图。

图8为表示单个电容器电压平衡控制部的控制构成的示意图。

图9为用于说明斩波单元的电压输出方法的图。

图10(a)为用于说明以往的MMC的图，图10(b)为斩波单元的电路图。

具体实施方式

(1、第一实施方式)

(1－1、概略构成)

以下，参照图1～图9，对本实施方式的功率转换装置加以说明。图1为本实施方式的功率转换装置的电路图，图2为本实施方式的功率转换装置的控制部的内部构成框图。

如图1(a)所示，本实施方式的功率转换装置1与直流电源20连接，将输入直流电压v_dc转换为三相的交流电压v_ac，经由三相变压器21将交流电输出至电力系统22。

本功率转换装置1具备：相互串联连接的电容器2a、2b，与直流电源20并联连接，用于对其输入直流电压v_dc进行分割并生成中性点电位；U相、V相以及W相的支路3，分别与直流电源20并联连接，并包含将直流电源20的直流转换为交流的、作为单位转换器的斩波单元C；和，控制部5，为了使各支路3的斩波单元C的输出电压平衡，对在各相的支路3内流动的循环电流进行控制。

另外，U相、V相、W相的功率转换装置的构成是相同的，因此适当地以U相为代表加以说明。此外，通过未图示的电流检测器以及电压检测器来检测以下所示的电流、电压，并以构成为其检测值能够输入至控制部5为前提。

对于本功率转换装置1，例如，在U相交流电压为正、V相交流电压以及W相交流电压为负的情况下，在U相支路3，将开关31、33设为接通，形成直流正端子－开关31－斩波单元群电路35－斩波单元群电路36－开关33－直流中性点N的路线，从电容器2a供给使斩波单元群电路35、36的斩波单元C的电压恒定的U相循环电流。在V相支路3以及W相支路3，将开关32、34设为接通，形成直流中性点N－开关32－斩波单元群电路35－斩波单元群电路36－开关34－直流负端子的路线，从电容器2b供给使斩波单元群电路35、36的斩波单元C的电压恒定的V相循环电流以及W相循环电流。

在本实施方式中，通过控制部5对电容器2a、2b进行控制，将使中性点电位恒定的中性点电流叠加于各相的循环电流，将直流中性点N的电位控制为恒定。例如，在电容器2a的电压比电容器2b的电压大的情况下，为了取得平衡，使中性点电流i叠加并在U相支路3内流动，以便使高电压的电容器2a的多余的电力放电。另一方面，使－(1/2)i叠加于V相支路3以及W相支路3内，多余的量的中性点电流i被充电至低电压的电容器2b。这样来谋求电容器2a、2b的平衡，将中性点电位控制为恒定。

(1－2、详细构成)

(电容器)

电容器2a、2b为直流电容器，相互串联连接，在直流电源20的正端子以及负端子之间排列配置。在两电容器2a、2b之间形成有直流中性点N。本实施方式的基准电位设为通过电容器2a、6b将输入直流电压v_dc分割而生成的直流中性点N的电位，中性点电位为输入直流电压v_dc的大致1/2。有时以直流中性点N为基准，将电容器2a称为正侧电容器2a，将电容器2b称为负侧电容器2b。另外，电容器2a、2b的容量比后述的斩波单元C的电容器小。

(支路)

各相的支路3分别与直流电源20并联连接。任一支路3的构成均相同，因此，以U相支路3的构成为例加以说明。U相支路3具有：开关31～34；具备用于将直流转换为交流的斩波单元C的斩波单元群电路35、36；和，电抗器37、38。

(开关)

开关31～34是由切换元件和反馈二极管构成的反向导通开关，该切换元件具有在接通时使电流向一个方向流动的IGBT或MOSFET等自关断能力，该反馈二极管与该切换元件反向并联连接。开关31～34由直流电源20的输入直流电压v_dc决定耐电压。对于输入直流电压v_dc，考虑切换时电涌电压与v_dc/2的电压的叠加来决定所使用的元件。若直流电压达到数十kV以上，则难以通过一个元件来保持耐电压，需要串联多个元件。在本实施方式中，一个开关包含一个元件，但在一个开关上串联多个元件的情况也称为开关31～34。

开关31～34按该顺序串联连接于直流正端子以及直流负端子之间。在直流正端子连接有开关31的集电极(C)，在直流负端子连接有开关34的发射极(E)。开关32的发射极(E)以及开关33的集电极(C)连接于由电容器2a、2b分割的直流中性点N。通过开关31～34的接通(ON)/断开(OFF)，形成直流循环电流的路线。

(斩波单元群电路)

将N个(N≥1)斩波单元C串联连接来构成斩波单元群电路35、36，以斩波单元C作为单位转换器，将直流电压转换为阶梯状的交流电压。如图1(b)所示，斩波单元C是将串联连接有开关sw_ch1、sw_ch2的支路和直流电容器c_ch并联连接而成的。开关sw_ch1、sw_ch2的构成与上述开关31～34的构成相同。斩波单元C在开关sw_ch1接通时，输出直流电容器c_ch的电压v_ch，在开关sw_ch2接通时成为零电压。斩波单元群电路35、36的斩波单元C的数量由输入直流电压v_dc、斩波单元电容器电压v_ch决定，大致为(v_dc/2)/v_ch。在本实施方式中，将斩波单元C的数量设为3。

斩波单元群电路35的正端子与开关32的集电极(C)连接，斩波单元群电路36的负端子与开关33的发射极(E)连接。此外，斩波单元群电路35的负端子经由电抗器37与输出交流电压端子连接，斩波单元群电路36的正端子经由电抗器38与输出交流电压端子连接。

另外，斩波单元群电路35为从直流侧观察连接于正侧的正侧臂，有时称为上臂。此外，斩波单元群电路36为从直流侧观察连接于负侧的负侧臂，有时称为下臂。

(电抗器)

若使本功率转换装置1动作，则在输出交流电压v_ac_u为正时，接通开关31、33，斩波单元群电路35的输出电压v_up与斩波单元群电路36的输出电压v_un的合计电压v_up+v_un和电容器2a的电压v_dc_p通过开关31、33被短路。此外，在输出交流电压v_ac_u为负时，接通开关32、34，合计电压v_up+v_un和电容器2b的电压v_dc_n通过开关32、34被短路。

此时，为了抑制电流增大，在斩波单元群电路35与输出交流电压端子39之间插入电抗器37，在斩波单元群电路36与输出交流电压端子39之间插入电抗器38。

(控制部)

控制部5为了使各斩波单元C的输出电压恒定而对各相的支路3内流动的循环电流进行控制。因此，对各相支路3的开关31～34以及斩波单元C的开关sw_ch1、sw_ch2输出接通或者断开的指令。如图2所示，控制部5具备：通过搭载有CPU等的计算机的软件处理等实现的各相输出电压控制部51、各相电容器电压平衡控制部52、中性点电位控制部53、臂间电容器电压平衡控制部54、循环电流ACR部55、斩波单元群输出电压指令值生成部56以及单个电容器电压平衡控制部57。

(控制动作)

以下，对各部分51～57的控制动作和控制构成一并进行说明。

各相输出电压控制部51根据各相的输出交流电流i_u、i_v、i_w计算出各相的电压指令值v_u＊、v_v＊、v_w＊。即，各相输出电压控制部51具有三相/DQ转换部511、ACR部512以及DQ/三相转换部513，若以U相为例加以说明，则向各相输出电压控制部51输入所检测出的U相上臂电流i_up以及U相下臂电流i_un，计算出i_up－i_un＝U相电流i_u。同样计算出i_v、i_w。接着，三相/DQ转换部511将所计算出的i_u、i_v、i_w进行三相/DQ转换，计算出D轴电流i_d以及Q轴电流i_q，输出至ACR部512。

ACR部512接受D轴电流i_d以及Q轴电流i_q和D轴电流指令值i_d＊以及Q轴电流指令值i_q＊的输入，以D轴电流i_d以及Q轴电流i_q跟踪D轴电流指令值i_d＊以及Q轴电流指令值i_q＊的方式进行PI控制，计算出D轴电压指令值v_d＊以及Q轴电压指令值v_q＊，输出至DQ/三相转换部513。然后，DQ/三相转换部513将所输入的D轴电压指令值v_d＊以及Q轴电压指令值v_q＊进行DQ/三相转换，计算出各相的电压指令值v_u＊、v_v＊、v_w＊。

各相电容器电压平衡控制部52为了使各相的斩波单元群电路35、36电压的平均值恒定而进行控制。为此，若以U相为例加以说明，则在输出交流电压v_ac_u大于直流中性点电压时，接通开关31、33，以直流正端子－开关31－斩波单元群电路35－斩波单元群电路36－开关33－直流中性点N的路线使直流循环电流流动。另一方面，在输出交流电压v_ac_u小于直流中性点电压时，接通开关32、34，以直流中性点N－开关32－斩波单元群电路35－斩波单元群电路36－开关34－直流负端子的路线使直流循环电流流动。

为了实现这样的控制动作，各相电容器电压平衡控制部52计算U相支路3的斩波单元群电路35、36的电压v_up、v_un的平均值v_ch_u(＝(v_up+v_un)/2)，以跟踪所希望的指令值的方式进行PI控制，计算循环电流指令值i_c_u0＊。对于V相、W相也进行相同的控制，各相电容器电压控制部52将所获得的各相的循环电流指令值i_c_u0＊、i_c_v0＊、i_c_w0＊输出至中性点电位控制部53。

中性点电位控制部53将直流中性点N的中性点电位控制为恒定。一般而言，在电容器、切换元件个体之间存在不均，因此实际上正侧电容器2a与负侧电容器2b的充放电电流不同，中性点电压并不保持在输入直流电压v_dc的正好1/2。因此，本实施方式中，有意地使电流i_np流入中性点电位，由此，将中性点电压保持恒定。为了实现这一点，在本实施方式中，使中性点电流指令值i_np＊叠加于各相的直流循环电流。

更详细而言，如图3所示，中性点电位控制部53具备中性点电流指令值计算部531和中性点电流叠加部532。中性点电流指令值计算部531接受电容器2a的电压v_dc_p和电容器2b的电压v_dc_n的输入，计算出它们的差电压并乘以1/2。进而，使差电压从移动平均滤波器通过，以差电压为零的方式进行PI控制，计算出中性点电流指令值i_np＊。

例如在电容器2a的电压v_dc_p上升的情况下，电容器2b的电压v_dc_n与前述上升的量相应地降低，因此,对差电压乘以1/2是为了正确地获得上升的量。

具有移动平均滤波器是为了排除对控制的影响。即，三相NPC－MMC中，正侧电容器2a以及负侧电容器2b所供给的电流以交流电压频率的3倍的频率变动，因此，中性点电位以交流电压频率的3倍变动。这样的高次谐波成分包含于电容器2a、2b的电压差，为了去除振荡等对控制的影响，取移动平均。

移动平均的周期设为输出交流电压周期的支路的数量倍以上(在此为3倍)，由此，能够进一步排除对控制的影响。此外，也可以取代移动平均滤波器，通过低通滤波器来去除高次谐波成分。而且，即使不设置这些滤波器，通过提高PI控制时的增益并加快PI控制应答速度，能够抑制正侧电容器2a、负侧电容器2b的3倍频率变动。所谓提高增益是指例如使增益大于在插入至少任一个滤波器的情况下的PI控制所使用的增益。

中性点电流叠加部532将通过中性点电流指令值计算部531获得的中性点电流指令值i_np＊叠加于各相的循环电流指令值。以U相交流电压的相位θ＝π/3～2π/3时为例对此方法加以说明。此时，U相交流电压为正，V、W相交流电压为负。由此，从正侧电容器2a供给U相循环电流，从负侧电容器2b供给V、W相循环电流。

为了使中性点电流指令值i_np＊反映于电容器2a、2b所供给的循环电流，对U相循环电流指令值i_c_u0＊加上i_np＊，对V、W相循环电流指令值i_c_v0＊、i_c_w0＊分配i_np＊/2并相减。由此，计算出用于使中性点电位恒定的各相的循环电流指令值i_c_u1＊、i_c_v1＊、i_c_w1＊。

U相交流电压的相位θ＝π/3～2π/3以外的中性点电流指令值i_np＊的叠加方法相同，其叠加量如图4所示。即，在三相之中，二相为正，一相为负的情况下，在正的二相分别加上i_np＊/2，在负的一相加上－i_np＊。在一相为正，二相为负的情况下，在正的一相加上i_np＊，在负的二相分别加上－i_np＊/2。另外，若求三相的中性点电流指令值的合计，则为零。

另外，在二相构成的功率转换装置的情况下，也能够以相同的控制方法使中性点电压恒定。

中性点电位控制部53将用于使所获得的中性点电位恒定的各相的循环电流指令值i_c_u1＊、i_c_v1＊、i_c_w1＊输出至臂间电容器电压控制部54。

臂间电容器电压平衡控制部54使斩波单元群电路35的电容器电压平均值v_ch_up以及斩波单元群电路36的电容器电压平均值v_ch_un相同。为了实现这一点，在输出交流电压大于直流中性点电压时，在直流正端子－开关31－斩波单元群电路35－斩波单元群电路36－开关33－直流中性点N的路线中流动与输出交流电压相同频率的交流循环电流。在输出交流电压小于直流中性点电压时，在直流中性点N－开关32－斩波单元群电路35－斩波单元群电路36－开关34－直流负端子的路线中流动与输出交流电压相同频率的交流循环电流。

即，图5所示，接受上臂35的电容器电压平均值v_ch_up以及下臂36的电容器电压平均值v_ch_un的输入，将从v_ch_up减去v_ch_un并进行比例积分控制后的值代入正弦函数，将如此获得的值设为交流循环电流指令值i_c_ac＊。通过将其与用于使中性点电位恒定的U相的循环电流指令值i_c_u1＊相加，计算出U相循环电流指令值i_c_u＊。因此，U相循环电流指令值i_c_u＊是将交流循环电路加至直流循环电流后的值。臂间电容器电压控制部54同样对V相、W相也计算出循环电流指令值，将所计算出的各相循环电流指令值i_c_u＊、i_c_v＊、i_c_w＊输出至循环电流ACR部55。

循环电流ACR部55以U相循环电流i_c_u跟踪所输入的U相循环电流指令值i_c_u＊的方式进行比例积分控制，生成U相循环电压指令值v_c_u＊。相同地，对于V相、W相，也生成循环电流ACR55，将各相的循环电压指令值v_c_u＊，v_c_v＊，v_c_w＊输出至斩波单元群输出电压指令值生成部56。

接着，斩波单元群输出电压指令值生成部56生成供各斩波单元群电路35、36输出的电压指令值。若以U相为例通过图6加以说明，则如图6的定时t1那样，在交流电压指令值v_u＊大于直流中性点电压v_dc_n时，接通开关31、33，断开开关32、34。斩波单元群电路35输出输入直流电压v_dc与输出交流电压v_ac_u的差电压，斩波单元群电路36输出输出交流电压v_ac_u与直流中性点电压v_dc_n的差电压。如图6的定时t2那样，在交流电压指令值v_u＊小于直流中性点电压v_dc_n时，接通开关32、34，断开开关31、33。斩波单元群电路35输出直流中性点电压v_dc_n与输出交流电压v_ac_u的差电压，斩波单元群电路36输出输出交流电压v_ac_u与直流负电压的差电压。

这些差电压通过图7所示的斩波单元群输出电压指令值生成部56来实现。U相上臂电压指令值v_up＊在交流电压指令值v_u＊为直流中性点电压v_dc_n以上的时候，设为v_up＊＝v_dc－v_u＊－v_c_u＊，在交流电压指令值v_u＊小于直流中性点电压v_dc_n的时候，以v_up＊＝v_dc_n－v_u＊－v_c_u＊进行运算。U相下臂电压指令值v_un＊在交流电压指令值v_u＊为直流中性点电压v_dc_n以上的时候，设为v_un＊＝v_u＊－v_dc_n－v_c_u＊，在交流电压指令值v_u＊小于直流中性点电压v_dc_n的时候，以v_un＊＝v_u＊－v_c_u＊进行运算。

单个电容器电压平衡控制部57将斩波单元群电路35、36的各斩波单元C的输出电压调整为相同。即，U相上臂电流i_up为正时，电容器被充电，因此，增大电容器电压小的斩波单元C的输出电压，减小电容器电压大的斩波单元C的输出电压。在U相上臂电流i_up为负时，电容器被放电，因此，减小电容器电压小的斩波单元C的输出电压，增大电容器电压大的斩波单元C的输出电压。

为了实现这样的控制动作，对于单个电容器电压平衡控制部57，若以U相的斩波单元群电路35为例加以说明，则如图8所示，从电容器电压v_ch_up1减去斩波单元群电路35的电容器电压平均值v_ch_up，并对其乘以比例增益，对这样所得的值乘以使U相臂电流i_up的符号反转的值－sign(i_up)，加上U相臂电压指令值v_up＊，计算出各斩波单元的电压指令值v_up1＊、v_up2＊、v_up3＊。

接下来，对斩波单元C的电压输出方法加以说明。该方法在所有斩波单元C是相同的，因此，以斩波单元ch_up1为例，使用图9加以说明。另外，将构成斩波单元ch_up1的二个开关设为sw_ch_up11、sw_ch_up12。

为了输出斩波单元ch_up1的输出电压指令值v_up1＊，与载波三角波car_up1进行比较，在输出电压指令值v_up1＊大于载波三角波car_up1时，接通开关sw_ch_up11，断开sw_ch_up12。在输出电压指令值v_up1＊小于载波三角波car_up1时，断开开关sw_ch_up11，接通sw_ch_up12。

在斩波单元群电路35由N个斩波单元C构成的情况下，使载波三角波的相位分别错开360°/N，由此，能够将等价等效载波频率增大到载波三角波频率的N倍，更精密精细地进行各开关的接通/断开。因此，能够减少输出交流电压的高阶谐波高次谐波电压并使输出交流电压平滑。此外，通过使用于斩波单元群电路36的载波三角波相位与斩波单元群电路35相同，能够进一步减少输出交流电压的高阶谐波高次谐波电压。

(1－3.作用、效果)

(1)本实施方式的功率转换装置1是在交流与直流之间进行功率转换的功率转换装置，具备：串联连接的电容器2a、2b，与直流电源20并联连接，用于对直流电源20的输入直流电压进行分割并生成中性点电位；多个支路3，分别与直流电源20并联连接，包含多个用于将直流转换为交流的斩波单元C；控制部5，为了使各相支路3的斩波单元输出电压平衡，对在各相的支路3内流动的循环电流进行控制，控制部5具有向在各相直流端子间流动的直流循环电流叠加用于将中性点点位控制为恒定的中性点电流的中性点电位控制部53，中性点电位控制部53使叠加了中性点电流后的循环电流流过电容器2a、2b的至少任一个。

由此，可获得能够将中性点电位保持恒定的中性点钳位形的功率转换装置。此外，还考虑了为了将中性点电位保持恒定，而还考虑了施加零相电压的方法，但该情况下，控制应答速度依赖于输出交流电压的频率，结果，中性点电位变动变大，担心直流电容器容量恐怕会变大。与此相对，根据本实施方式，能够在一个周期中的任意时刻使中性点电流流动，因此，能够实现不依赖于输出交流电压的频率的控制应答速度。

此外，支路3具有多个串联连接的开关31～34和串联连接有一个或二个以上的斩波单元C的一对斩波单元群电路35、36，开关31～34以此顺序设于与直流电源20连接的直流正端子至直流负端子之间，在开关32以及开关33之间与直流中性点N连接，一对斩波单元群电路35、36与开关32、33并联连接。由此，与以往的MMC相比较，能够将斩波单元数减少至一半，并能够减小功率转换装置尺寸。此外，能够使直流电容器容量小于斩波单元的电容器容量，减小功率转换装置尺寸。此外，由于斩波单元数的减少，切换损失减少，能够提高转换效率。

(2)中性点电位控制部53使从电容器2a、2b中的高电压电容器放出的电充电至低电压电容器。由此，能够易于将中性点电位控制为恒定。例如，在正侧电容器2a为高电压，负侧电容器2b为低电压的情况下，正侧电容器2a的放电电流经由其他二相的支路3被充电至负侧电容器2b，为了取得电容器2a、2b的平衡，控制双方的电容器2a、2b更易于将中性点电位保持恒定。

(3)中性点电位控制部53将中性点电流分配并叠加于各相支路3。由此，被叠加的中性点电流分散于各相支路3，因此，能够减少与开关31～34中流动的电流增大相伴的热量负担等负担。作为不进行分配叠加的方法，例如，也能够以使中性点电流仅在U相支路3流动，使正侧电容器2a放电并充电至斩波单元群电路35的电容器，而不使中性点电流在V相、W相支路3流动的方式进行控制，但该情况下，由于将中性点电流仅叠加于U相，因此，对于U相支路3的开关31～34，热量负担增大。与此相对，根据本实施方式的方法，能够将此负担分散至各相支路3。

(4)中性点电位控制部53通过对电容器2a、2b的电压差进行比例积分控制来计算出中性点电流的指令值i_np＊。由此，电容器2a、2b的电压变得相同，能够将中性点电位控制为恒定。

(5)中性点电位控制部53具有去除电容器2a、2b的电压差中所含的高频率成分的低通滤波器。由此，能够生成稳定的中性点电流指令值，因此，能够排除因具有高频率成分而引起的对控制的影响。

(6)中性点电位控制部53具有去除电容器2a、2b的电压差中所含的高频率成分的移动平均滤波器。由此，能够生成稳定的中性点电流指令值，因此，能够排除因具有高频率成分而引起的对控制的影响。

(7)将移动平均滤波器的移动平均周期设为输出交流电压周期的支路数量倍以上。由此，能够从用于计算出中性点电流指令值的电容器2a、2b的电压差去除输出交流电压周期的支路数量倍的高次谐波成分，因此，能够高效地排除对控制的影响。

(2.其他实施方式)

在本说明书中，对本发明的多个实施方式进行了说明，但这些实施方式是作为例子示出的，其意图并不在于限定发明的范围。如上的实施方式可以通过其他各种方式来实施，在不脱离发明范围的范围内，能够进行各种省略、置换、变更。这些实施方式和其变形包含于发明的范围和主旨中，同样也包含于权利要求书所记载的发明及其等同范围内。

例如，在第一实施方式中，通过二个电容器2a、2b形成中性点电位，但也可以通过在正侧多串联连接的电容器和在负侧多串联连接的电容器形成中性点电位。由此，能够增大耐电压。此外，对于各电容器2a、2b，也可以将二个以上的电容器并联连接来增大电容器容量。

而且，在第一实施方式中，对于串联连接的二个电容器2a、2b，分别并联连接三相的支路3，但也可以对于各相支路3分别就近地与串联连接的二个电容器2a、2b进行并联连接。由此，能够防止在断开开关31～34时，由在各相支路间残留寄生的电感而产生的电涌电压的施加。

符号说明

1 功率转换装置

2a、2b 电容器

20 直流电源

21 三相变压器tr

22 电力系统V_S

3 支路

31～34 开关

35 斩波单元群电路(上臂)

36 斩波单元群电路(下臂)

37，38 电抗器

39 输出交流电压端子

5 控制部

51 各相输出电压控制部

511 三相/DQ转换部

512 ACR部

513 DQ/三相转换部

52 各相电容器电压平衡控制部

53 中性点电位控制部

531 中性点电流指令值计算部

532 中性点电流叠加部

54 臂间电容器电压平衡控制部

55 循环电流ACR部

56 斩波单元群输出电压指令值生成部

57 单个电容器电压平衡控制部

C 斩波单元

N 直流中性点

sw_ch1，sw_ch2 斩波单元的开关

101 MMC

103 支路

104a 上臂

104b 下臂

105 支路

120 直流电源

121 三相变压器

122 电力系统

139 交流输出端子

Claims

1.一种功率转换装置，在交流与直流之间进行功率转换，其特征在于，具备：

串联连接的第一及第二电容器，与直流电源并联连接，用于对上述直流电源的输入直流电压进行分割并生成中性点电位；

多个支路，分别与上述直流电源并联连接，包含用于将直流转换为交流的斩波单元；以及

控制部，为了使各相支路的上述斩波单元输出电压平衡，对在各相支路内流动的循环电流进行控制，

上述控制部具有中性点电位控制部，该中性点电位控制部向在各相直流端子间流动的直流循环电流叠加用于将中性点电位控制为恒定的中性点电流，

上述中性点电位控制部使叠加了上述中性点电流后的循环电流流过上述第一及第二电容器的至少任一个。

2.根据权利要求1所述的功率转换装置，其特征在于，

上述中性点电位控制部使从上述第一及第二电容器中的高电压的电容器放出的电充电至低电压的电容器。

3.根据权利要求1或2所述的功率转换装置，其特征在于，

上述中性点电位控制部将上述中性点电流分配并叠加于各相支路。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

上述中性点电位控制部通过对上述第一及第二电容器的电压差进行比例积分控制，计算出上述中性点电流的指令值。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

上述中性点电位控制部具有去除上述第一及第二电容器的电压差中所包含的高频率成分的低通滤波器。

6.根据权利要求1～4中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，

上述中性点电位控制部具有去除上述第一及第二电容器的电压差中所包含的高频率成分的移动平均滤波器。

7.根据权利要求6所述的功率转换装置，其特征在于，

将上述移动平均滤波器的移动平均周期设为输出交流电压周期的上述支路的数量倍以上。

8.根据权利要求1～7中任一项所述的功率转换装置，其特征在于，上述支路具有：

多个串联连接的第一至第四开关；以及

串联连接一个或二个以上的上述斩波单元而成的一对斩波单元群电路，

上述第一至第四开关以该顺序设于与上述直流电源连接的直流正端子与直流负端子之间，在上述第二开关以及上述第三开关之间与中性点连接，

上述一对斩波单元群电路与上述第二及第三开关并联连接。