JP2008099400A - 直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置及び方法 - Google Patents

Abstract

【課題】直列多重型交直変換装置の変換器での変換損失を抑制しつつ出力電圧の変更に伴う高調波の抑制することである。
【解決手段】電圧指令値入力手段１８は、電力を変換する複数台の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎが三相各相にそれぞれ直列に接続されて構成された直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒを入力し、変換器電圧指令値出力手段１９は、電圧指令値入力手段１８で入力した直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒに基づいて各相の各々の変換器１２の出力電圧のベクトル和が直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒと等しくなるような各相の各々の変換器１２Ｕ１〜Ｗｎの電圧指令値を出力する。変換器制御手段２１は、変換器電圧指令値出力手段１９からの変換器１２の電圧指令値に基づいて、ゲート制御回路２２を介して各相の各々の変換器１２の出力電圧を制御する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、複数台の交直変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続されて構成された直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置及び方法に関する。

一般に、交直変換装置の出力制御装置には、搬送波比較方式によるパルス幅変調制御が用いられており、交流出力電圧を制御している。搬送波比較方式は、出力電圧指令値に基づく交流電圧波形と、スイッチング周波数を定める搬送波（キャリア）とを比較し、交流電圧波形と搬送波の値の大小によりオンオフパルス信号を生成する方式である。

例えば、交直変換装置の出力電圧を下げるには交流電圧波形の振幅（変調率）を１から下げることになるが、変調率を下げると、図１０に示すように、電圧高調波が増加して電圧歪率が増大する傾向にある。一方、キャリア周波数を上げることで波形歪みの減少や制御性能の向上を図ることができるが、交直変換器はキャリア周波数を上げるにつれロスが増えるため、特に大容量の交直変換器の場合には、実用上キャリア周波数を低めに設定している。

大容量の交直変換装置の場合、１台の変換器あたりの変換器容量を大きくすることは設計上困難であるので、変換器の多重化方式を使用している。例えば、三相各相に対して複数台の変換器を直列に接続して直列多重型交直変換装置を構成している。この多重方式の直列多重型交直変換装置では、出力電圧を低下させる場合には、各々の各変換器は、同位相で同変調率の電圧ベクトルを合成して出力している。例えば、２台の変換器で多重化している場合、従来は変調率を０．８にするには、同位相で２台の変換器ともに変調率を０．８にしていた。

図１１は、２台の変換器で多重化されている直列多重型交直変換装置の出力電圧を１ｐｕから０．８ｐｕに低下させた場合の出力電圧ベクトル図である。図１１（ａ）は直列多重型交直変換装置の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図１１（ｂ）は直列多重型交直変換装置の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

図１１（ａ）に示すように、直列多重型変換装置の三相の同相の変換器は同位相で同変調率の電圧ベクトルであり、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡している。例えば、Ｕ相では２台の変換器の出力電圧Ｕ１、Ｕ２は同じ位相で同じ電圧値（同じ変調率）である。Ｖ相についても２台の変換器の出力電圧Ｖ１、Ｖ２は同じ位相で同じ電圧値（同じ変調率）であり、Ｗ相についても２台の変換器の出力電圧Ｗ１、Ｗ２は同じ位相で同じ電圧値（同じ変調率）である。そして、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡していることから、Ｕ１〜Ｗ２の電圧値はすべて等しい。

この状態で、出力電圧を０．８ｐｕに低下させる場合には三相各相の２台の変換器の変調率を０．８にする。これにより、図１１に示すように、三相各相の２台の変換器の出力電圧はｕ１〜ｗ２は、図１１（ａ）の電圧ベクトルを０．８ｐｕに縮小した相似形の電圧ベクトルとなる。

ここで、直列多重型交直変換装置において、特定高調波次数を削減するためにスイッチング角度をあらかじめ求めておき、そのスイッチング角度で運転するようにした電力変換装置がある（例えば、特許文献１参照）。
特開平６−２７６７４７号公報

しかし、特許文献１のものでは、各次高調波含有率が最小になるスイッチング角度を求めるようにしているが、出力電圧が一定である場合の制御であり、出力電圧を可変にする場合には、そのまま適用することができない。すなわち、例えば、２台の変換器で多重化している場合、出力電圧を０．８ｐｕにするには、同位相で２台の変換器ともに変調率を０．８にしているが、この変調率の変化によって出力される波形歪みが変化するので、各次高調波含有率も変化する。

そこで、高調波フィルタを設けて波形歪みを除去することが行われているが、高調波フィルタを設計する場合には、波形歪みの最大値をある制限値まで抑制するようにフィルタ設計する必要があるので、高調波フィルタのコンパクト化ができない。

本発明の目的は、変換器での変換損失を抑制しつつ出力電圧の変更に伴う高調波の抑制ができる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置及び方法を提供することである。

請求項１の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置は、電力を変換する複数台の変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続されて構成された直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置において、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を入力する電圧指令値入力手段と、前記電圧指令値入力手段で入力した前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力する変換器電圧指令値出力手段と、前記変換器電圧指令値出力手段からの変換器の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧を制御する変換器制御手段とを備えたことを特徴とする。

請求項２の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置は、請求項１の発明において、前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値を入力したときは、各相の各々の変換器の出力電圧の電圧値を一定とし位相を変化させた状態で、各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力することを特徴とする。

請求項３の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置は、請求項１の発明において、前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値を入力したときは、各相の各々の変換器の出力電圧の位相を一定とし少なくとも１台の変換器の出力電圧の電圧値を変化させた状態で、各相の各々の変換器の出力電圧値の和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の出力電圧の電圧値指令値を出力することを特徴とする。

請求項４の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置は、請求項１の発明において、前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げ及び位相変化の電圧指令値を入力したときは、各相の各々の変換器のうち少なくとも１台の変換器の出力電圧の電圧値及び位相を一定とし残りのいずれかの変換器の出力電圧の電圧値及び位相を変化させた状態で、各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるように各相の各々の変換器の電圧指令値を出力することを特徴とする。

請求項５の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置は、請求項３または４の発明において、前記変換器制御手段は、電圧指令値に基づく交流電圧波形と搬送波とを比較しそれらの値の大小により各相の各々の変換器を制御する搬送波比較制御方式が採用され、電圧指令値を変化させた変換器に対して、搬送波の周波数を変えることを特徴とする。

請求項６の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置は、請求項１ないし５のいずれか１項の発明において、前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値を入力したときは、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を直列接続された変換器の何台で分担できるか否かを判定し、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を分担するに必要な台数分の変換器の出力電圧値の和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるように各相の各々の変換器の出力電圧の電圧値指令値を演算することを特徴とする。

請求項７の発明に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御方法は、電力を変換する複数台の変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続されて構成された直列多重型交直変換装置の出力電圧制御方法において、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を入力し、入力した前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力し、出力された変換器の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧を制御することを特徴とする。

本発明によれば、各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力するので、直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値に対しても変調率を変化させることなく、各相の各々の変換器の電圧指令値を出力できる。従って、変調率を下げることに伴う電圧高調波の増加を防止でき電圧歪率が増大することを防止できる。また、高調波フィルタの容量を削減でき高調波フィルタのコンパクト化やフィルタ損失の低減を図ることができる。また、発生高調波の減少により、変圧器で発生する高調波ロスを減少できる。

図１は本発明の実施の形態に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置の構成図である。直列多重型変換装置１１は、三相各相に対してそれぞれ複数台の変換器１２が設けられる。図１では三相各相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相に対して、それぞれｎ台の変換器１２が設けられた場合を示している。すなわち、Ｕ相には変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２〜１２Ｕｎが設けられ、Ｖ相には変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２〜１２Ｖｎが設けられ、Ｗ相には変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２〜１２Ｗｎが設けられている。

図２は、変換器１２の一例を示す回路構成図である。変換器１２は、例えば絶縁ゲート形半導体素子である４個のＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）１３を直並列に接続して構成され、直流電源１４からの直流電力を交流電力に変換して巻線１５に出力するようになっている。

そして、図１に示すように、変換器１２の巻線１５を変圧器１６の一次巻線に磁気結合させ、三相各相にｎ個ずつ直列に配置する。これにより、変圧器１６の各々の一次巻線からは、各相につき、直列接続されたｎ個の変換器１２の出力電圧が出力される。

変換器制御装置１７は、各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎを制御するものであり、直列多重型交直変換装置の電圧指令値Ｖｒは電圧指令値入力手段１８に入力される。変換器電圧指令値出力手段１９は、電圧指令値入力手段１８で入力した直列多重型交直変換装置の電圧指令値Ｖｒに基づいて、記憶部２０に予め記憶された各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎの電圧指令値Ｖｒｕ１〜Ｖｒｗｎを取り出し変換器制御手段２１に出力する。

変換器制御手段２１は、例えば、電圧指令値に基づく交流電圧波形と搬送波とを比較しそれらの値の大小により各相の各々の変換器を制御する搬送波比較制御方式により、ゲート制御回路２２に制御指令を出力する。すなわち、変換器制御手段２１は、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎの出力電圧が変換器電圧指令値出力手段１９からの変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎの電圧指令値Ｖｒｕ１〜Ｖｒｗｎになるようにゲート制御回路２２に制御指令を出力し、ゲート制御回路２２は各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎにゲート信号を出力する。

ここで、記憶部２０には、三相各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎの出力電圧のベクトル和が直列多重型交直変換装置の電圧指令値Ｖｒと等しくなるような各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗｎの電圧指令値Ｖｒｕ１〜Ｖｒｗｎが予め記憶されている。

図３は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例１の説明図である。図３では各相の各々の変換器１２が２台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図３（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図３（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

すなわち、この実施例１は、直列多重型交直変換装置１１の電圧下げの電圧指令値Ｖｒを入力したとき、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の出力電圧Ｕ１〜Ｗ２の電圧値｜Ｕ１｜〜｜Ｗ２｜（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）を一定のまま保持し、出力電圧Ｕ１〜Ｗ２の位相を変化させるものである。

図３（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、Ｕ相では２台の変換器の出力電圧Ｕ１、Ｕ２は同じ位相で同じ電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）、Ｖ相についても同様に２台の変換器の出力電圧Ｖ１、Ｖ２は同じ位相で同じ電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）、Ｗ相についても同様に２台の変換器の出力電圧Ｗ１、Ｗ２は同じ位相で同じ電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）である。そして、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡していることから、Ｕ１〜Ｗ２の電圧値はすべて等しい。つまり、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが√３／２倍である電圧下げ指令（変調率ｍがｍ＝√３／２）であった場合には、図３（ｂ）に示すように、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の出力電圧Ｕ１〜Ｗ２の電圧値｜Ｕ１｜〜｜Ｗ２｜を一定のまま保持し、出力電圧Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の位相をπ／６だけ進め、出力電圧Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の位相をπ／６だけ遅らせる。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが√３／２倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。

ここで、変換器１２の損失について検討する。変換器１２の損失（導通損失・環流ダイオードの損失）は、変調率ｍと力率cosΦとの積で示される。図１１に示した従来方式の場合には、三相各相の位相を同一としてＵ１〜Ｗ２の電圧値｜Ｕ１｜〜｜Ｗ２｜を√３／２倍とするので変調率ｍはｍ＝√３／２であり、Φ＝０であるので力率cosΦはcos０＝１である。従って、従来方式の場合には変換器１２の損失（導通損失・環流ダイオードの損失）は、ｍcosΦ＝（√３／２）・１の積で表せる。一方、実施例１では出力電圧Ｕ１〜Ｗ２の電圧値｜Ｕ１｜〜｜Ｗ２｜を一定のまま保持するので変調率ｍはｍ＝１であり、Φ＝π／６であるので力率cosΦはcosπ／６＝√３／２である。従って、実施例１の場合には変換器１２の損失（導通損失・環流ダイオードの損失）は、ｍcosΦ＝１・（√３／２）の積で表せ、導通損失・環流ダイオードの損失は同じである。また、キャリア周波数が同じならば、スイッチング回数は同じであり、ターンオン・ターンオフ損失も同じであるので、結果として、従来方式と実施例１ともに損失に関してはほぼ同じである。

図４は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例２の説明図である。図４では各相の各々の変換器１２が２台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図４（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図４（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

この実施例２は、直列多重型交直変換装置１１の電圧下げの電圧指令値Ｖｒを入力したとき、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが１台の変換器１２の出力電圧｜Ｕ１｜〜｜Ｗ２｜（変調率ｍが１のときの出力電圧）より大きいときは、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２のうちの１台の変換器１２の出力電圧の電圧値及び位相を一定とし、残りの少なくとも１台の変換器１２の出力電圧の電圧値を変化させる（変調率ｍを１未満とする）ものである。

図４（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、図３（ａ）と同様に、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡しており、Ｕ１〜Ｗ２の電圧値はすべて等しく、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが０．６倍である電圧下げ指令が与えられたとする。この場合には、図４（ｂ）に示すように、各相の各々の変換器１２Ｕ１、１２Ｖ１、１２Ｗ１の出力電圧Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の電圧値｜Ｕ１｜、｜Ｖ１｜、｜Ｗ１｜及び位相を一定のまま保持し、残りの各相の変換器１２Ｕ２、１２Ｖ２、１２Ｗ２の出力電圧ｕ２、ｖ２、ｗ２の位相はそのままで、電圧値｜ｕ２｜、｜ｖ２｜、｜ｗ２｜をそれぞれ０．２ｐｕに変化させる。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが０．６倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。この場合の変換器１２の損失についても従来方式とほぼ同じとなる。

図５は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例３の説明図である。図５では各相の各々の変換器１２が２台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図５（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図５（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

この実施例３は、直列多重型交直変換装置１１の電圧下げ及び位相変化の電圧指令値Ｖｒを入力したとき、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２のうち少なくとも１台の変換器１２の出力電圧の電圧値及び位相を一定とし、残りのいずれかの変換器１２の出力電圧の電圧値及び位相を変化させるものである。

図５（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、図３（ａ）と同様に、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡しており、Ｕ１〜Ｗ２の電圧値はすべて等しく、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが事前の１／√３倍で、位相がπ／６の進みの電圧指令が与えられたとする。この場合には、図５（ｂ）に示すように、各相の各々の変換器１２Ｕ１、１２Ｖ１、１２Ｗ１の出力電圧Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の電圧値｜Ｕ１｜、｜Ｖ１｜、｜Ｗ１｜及び位相を一定のまま保持し、残りの各相の変換器１２Ｕ２、１２Ｖ２、１２Ｗ２の出力電圧ｕ２、ｖ２、ｗ２の位相をπ／２だけ進め、さらに、電圧値｜ｕ２｜、｜ｖ２｜、｜ｗ２｜をそれぞれ１／√３に変化させる。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが事前の１／√３倍で位相はπ／６だけ進み元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。この場合の変換器１２の損失についても従来方式とほぼ同じとなる。

なお、図５(ａ)の電圧ベクトルにおいて、電圧の大きさを一定にした状態で位相のみを変化させることも可能である。変換器の位相をα度変更する場合、従来方法では、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜の条件で各電圧ベクトルの位相をそれぞれα度回転させていたが、本発明の場合には、電圧ベクトルＵ１、Ｖ１、Ｗ１を一定にして、Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の位相と大きさとを変化させることにより、従来と同様にα度の位相制御を行うことも可能である。 図６は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例４の説明図である。図６では各相の各々の変換器１２が２台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図６（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図６（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

この実施例４は、図３に示した実施例１に対し、搬送波比較制御方式でゲート制御回路２２に制御指令を出力する場合に、直列多重型交直変換装置１１の電圧下げの電圧指令値Ｖｒを入力したときは、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２のうちの１台の変換器１２の出力電圧の電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧）及び位相を一定とし、残りの少なくとも１台の変換器１２の出力電圧の電圧値を変化させる（変調率ｍを１未満とする）とともに、電圧値及び位相を変化させた変換器に対して、搬送波比較制御方式の搬送波の周波数（キャリア周波数）を上げるようにしたものである。

図６（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、図３（ａ）と同様に、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡しており、Ｕ１〜Ｗ２の電圧値はすべて等しく、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが事前の１／√３倍である電圧下げ指令（変調率ｍがｍ＝√３／２）であった場合には、図６（ｂ）に示すように、各相の各々の変換器１２Ｕ１、１２Ｖ１、１２Ｗ１の出力電圧Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の電圧値｜Ｕ１｜、｜Ｖ１｜、｜Ｗ１｜を一定のまま保持し、位相をπ／６だけ進める。そして、残りの各相の変換器１２Ｕ２、１２Ｖ２、１２Ｗ２の出力電圧ｕ２、ｖ２、ｗ２の位相をπ／３だけ遅らせ、さらに、電圧値｜ｕ２｜、｜ｖ２｜、｜ｗ２｜をそれぞれ１／√３に変化させる。また、電圧値｜ｕ２｜、｜ｖ２｜、｜ｗ２｜をそれぞれ１／√３に変化させた残りの各相の変換器１２Ｕ２、１２Ｖ２、１２Ｗ２の出力電圧ｕ２、ｖ２、ｗ２の搬送波の周波数（キャリア周波数）Ｆｃを上げる。

これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが√３／２倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られ、また、電圧値をそれぞれ変化させた残りの各相の変換器１２Ｕ２、１２Ｖ２、１２Ｗ２の出力電圧ｕ２、ｖ２、ｗ２の搬送波の周波数（キャリア周波数）Ｆｃを上昇させるので、波形歪みを減少した出力電圧が得られる。変調率が変化すると、発生する高調波電圧歪も増減する。

変調率に応じてキャリア周波数を変えることにより、発生高調波の変動を抑制することができる。この場合の変換器１２の損失については、キャリア周波数を上げるのでロスが増えるが、キャリア周波数を上げるのは電圧値を低下させた残りの各相の変換器１２Ｕ２、１２Ｖ２、１２Ｗ２の出力電圧ｕ２、ｖ２、ｗ２についてだけであるので、その影響は少なく従来方式とほぼ同じの損失となる。以上の説明では、実施例１に対して、搬送波比較制御方式の搬送波の周波数（キャリア周波数）を上げるようにしたが、実施例２、３に対しても同様に適用できる。

図７は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例５の説明図である。図７では各相の各々の変換器１２が３台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図７（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図７（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

この実施例５は、図３に示した実施例１に対し、直列多重型交直変換装置１１の電圧下げの電圧指令値Ｖｒを入力したときは、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒを直列接続された複数台の変換器１２の何台で分担できるか否かを判定し、直列多重型交直変換装置１２の電圧指令値Ｖｒを分担するに必要な台数分以外の残りの変換器１２を停止するかまたは出力電圧を０とし、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒを分担するに必要な台数分の変換器１２の出力電圧を調整するようにしたものである。

図７（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、Ｕ相では３台の変換器の出力電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３は同じ位相で同じ電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）、Ｖ相についても同様に３台の変換器の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は同じ位相で同じ電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）、Ｗ相についても同様に３台の変換器の出力電圧Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３は同じ位相で同じ電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）である。そして、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡していることから、Ｕ１〜Ｗ３の電圧値はすべて等しい。つまり、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｕ３｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｖ３｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜＝｜Ｗ３｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが２／３倍である電圧下げ指令が与えられたとする。この場合には、図７（ｂ）に示すように、各相の各々の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２の出力電圧Ｕ１、Ｕ２の電圧値｜Ｕ１｜、｜Ｕ２｜及び位相を一定のまま保持し、残りの各相の変換器１２Ｕ３、１２Ｖ３、１２Ｗ３を停止するかまたは出力電圧を０とする。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが２／３倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。

また、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが１台の変換器１２の出力電圧の整数倍でない電圧下げ指令であるとき、例えば、２／３倍より小さく１／３倍より大きい電圧下げ指令（例えば√３／３倍の電圧下げ指令）が与えられたときは、各相の１台の変換器１２Ｕ３、１２Ｖ３、１２Ｗ３を停止するかまたは出力電圧を０とし、残りの各相の各々の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２の出力電圧Ｕ１、Ｕ２の位相はそのままで、電圧値｜Ｕ１｜、｜Ｕ２｜を√３／２倍（変調率ｍがｍ＝√３／２）とする。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが√３／３倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。

図８は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例６の説明図である。図８では各相の各々の変換器１２が３台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図８（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図８（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

この実施例６は、図７に示した実施例５に対し、１台の変換器の出力電圧の整数倍でない電圧下げ指令が与えられたときは、停止または出力電圧を０としない変換器１２の出力電圧の電圧値を小さくすることに代えて、停止または出力電圧を０としない変換器１２の出力電圧の電圧値（変調率ｍが１のときの出力電圧の電圧値）を一定のまま保持し、出力電圧の位相を変化させるものである。

図８（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、図７（ａ）と同様に、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡しており、Ｕ１〜Ｗ３の電圧値はすべて等しく、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｕ３｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｖ３｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜＝｜Ｗ３｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが√３／３倍である電圧下げ指令（変調率ｍがｍ＝√３／２）が与えられたとする。この場合、１台の変換器１２の出力電圧の整数倍でない電圧下げ指令であり、１台を停止または出力電圧を０として２台の変換器１２で負担できる電圧指令であるので、各相の１台の変換器１２Ｕ３、１２Ｖ３、１２Ｗ３を停止または出力電圧を０とし、Ｕ相では２台の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２、Ｖ相では２台の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２、Ｗ相では２台の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２で電圧指令値Ｖｒを出力する。

図８（ｂ）に示すように、各相の各々の変換器１２Ｕ１〜１２Ｗ２の出力電圧Ｕ１〜Ｗ２の電圧値｜Ｕ１｜〜｜Ｗ２｜を一定のまま保持し、出力電圧Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１の位相をπ／６だけ進め、出力電圧Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２の位相をπ／６だけ遅らせる。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが√３／３倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。

以上の説明では、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒに対応して、図３ないし図８に示したような各相の各々の変換器１２の電圧指令値を予め記憶部２０に記憶するようしたが、その都度演算するようにしてもよい。

本発明の形態では単相変換器を組み合わせた例を紹介しているが三相変換器あるいは三相・単相変換器を組み合わせてもよい。

また、各相の変換器１２は同じ台数で運転するようにしたが、各相ごとに異なる台数で運転するようにしてもよい。例えば、各相の各々の変換器１２が４台ずつ設けられ、合計１２台の変換器１２を有した直列多重型交直変換装置１１において、Ｕ相及びＶ相は２台で運転し、Ｗ相は３台で運転するようにしてもよい。この場合、三相各相のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電圧の電圧値は等しくなるように制御することは言うまでもない。なお、各相の変換器１２の運転台数を同じとしない場合でも、そのときの変換器１２の損失はほとんど変わらない。

また、変換器１２の出力電圧を下げる場合に、ある変換器を逆に出力することも可能である。図９は、記憶部２０に予め記憶されている各相の各々の変換器１２の電圧指令値の実施例７の説明図である。図９では各相の各々の変換器１２が３台ずつ設けられた場合の電圧ベクトルを示しており、図９（ａ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧ベクトル図、図９（ｂ）は直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させた後の出力電圧ベクトル図である。

この実施例９は、図８に示した実施例６に対し、１台の変換器の出力電圧の整数倍でない電圧下げ指令が与えられたときは、停止または出力電圧を０としない変換器１２の出力電圧の電圧値を一定のまま保持して出力電圧の位相を変化させることに代えて、いずれかの変換器１２の出力電圧の電圧値を逆に出力するようにしたものである。

図９（ａ）に示すように、直列多重型交直変換装置１１の出力電圧を低下させる前の出力電圧は、図８（ａ）と同様に、三相各相は１２０°の位相差があり三相平衡しており、Ｕ１〜Ｗ３の電圧値はすべて等しく、｜Ｕ１｜＝｜Ｕ２｜＝｜Ｕ３｜＝｜Ｖ１｜＝｜Ｖ２｜＝｜Ｖ３｜＝｜Ｗ１｜＝｜Ｗ２｜＝｜Ｗ３｜である。

いま、直列多重型交直変換装置１１の電圧指令値Ｖｒが１／２倍である電圧下げ指令（変調率ｍがｍ＝１／２）が与えられたとする。この場合、図９（ｂ）に示すように、Ｕ相の２台の変換器１２Ｕ１、１２Ｕ２の出力電圧Ｕ１、Ｕ２、Ｖ相の２台の変換器１２Ｖ１、１２Ｖ２の出力電圧Ｖ１、Ｖ２、Ｗ相の２台の変換器１２Ｗ１、１２Ｗ２の出力電圧Ｗ１、Ｗ２を一定のまま保持し、Ｕ相の変換器１２Ｕ３の出力電圧ｕ３、Ｖ相の変換器１２Ｖ３の出力電圧ｖ３、Ｗ相の変換器１２Ｗ３の出力電圧ｗ３を逆方向の０．５ｐｕの出力とする。これにより、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相につき、大きさが１／２倍で位相は元のままの１２０°ずつ変化した出力電圧が得られる。これは、Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３の位相変化範囲に制限を与えることなく逆位相の場合にも適用できるという趣旨である。さらに、Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２の出力を固定し、Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３の電圧ベクトルのみを変化させることができる。その結果、Ｕ１、Ｕ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｗ１、Ｗ２の制御回路を簡素化することができる。

本発明の実施の形態によれば、直列多重型変換装置の変換器１２の出力電圧を変更する場合に、従来のように、それぞれの変換器１２の出力電圧を同位相でかつ同変調率で運転するのではなく、複数の変換器１２の位相と電圧値（変調率）とを個別に制御し、電圧ベクトルを合成して所定の電圧ベクトルとするので、高調波による電圧歪みが少なく制御できる。このため、高調波フィルタの容量削減によるコンパクト化やフィルタ損失の低減が行える。また、発生高調波の減少により変圧器で発生する高調波ロスを減少させることができる。また、変換器１２の出力電圧の電圧値（変調率）と位相とを自由に変更ができるので、直列多重型交直変換装置の電圧指令値に柔軟に対応できる。

本発明の実施の形態に係わる直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置の構成図。 本発明の実施の形態における変換器の一例を示す回路構成図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例１の説明図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例２の説明図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例３の説明図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例４の説明図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例５の説明図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例６の説明図。 本発明の実施の形態における記憶部に予め記憶されている各相の各々の変換器の電圧指令値の実施例７の説明図。 変換器の変調率と変換器の出力電圧の電圧歪率と関係を示し特性図。 ２台の変換器で多重化されている従来の直列多重型交直変換装置の出力電圧を１から０．８に低下させた場合の出力電圧ベクトル図。

符号の説明

１１…直列多重型変換装置、１２…変換器、１３…ＩＧＢＴ、１４…直流電源、１５…巻線、１６…変圧器、１７…変換器制御装置、１８…電圧指令値入力手段、１９…変換器電圧指令値出力手段、２０…記憶部、２１…変換器制御手段、２２…ゲート制御回路

Claims (7)

1. 電力を変換する複数台の変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続されて構成された直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置において、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を入力する電圧指令値入力手段と、前記電圧指令値入力手段で入力した前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力する変換器電圧指令値出力手段と、前記変換器電圧指令値出力手段からの変換器の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧を制御する変換器制御手段とを備えたことを特徴とする直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置。
2. 前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値を入力したときは、各相の各々の変換器の出力電圧の電圧値を一定とし位相を変化させた状態で、各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力することを特徴とする請求項１記載の直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置。
3. 前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値を入力したときは、各相の各々の変換器の出力電圧の位相を一定とし少なくとも１台の変換器の出力電圧の電圧値を変化させた状態で、各相の各々の変換器の出力電圧値の和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の出力電圧の電圧値指令値を出力することを特徴とする請求項１記載の直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置。
4. 前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げ及び位相変化の電圧指令値を入力したときは、各相の各々の変換器のうち少なくとも１台の変換器の出力電圧の電圧値及び位相を一定とし残りのいずれかの変換器の出力電圧の電圧値及び位相を変化させた状態で、各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるように各相の各々の変換器の電圧指令値を出力することを特徴とする請求項１記載の直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置。
5. 前記変換器制御手段は、電圧指令値に基づく交流電圧波形と搬送波とを比較しそれらの値の大小により各相の各々の変換器を制御する搬送波比較制御方式が採用され、電圧値を変化させた変換器に対して、搬送波の周波数を変えることを特徴とする請求項１ないし４記載の直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置。
6. 前記変換器電圧指令値出力手段は、前記電圧指令値入力手段から前記直列多重型交直変換装置の電圧上げまたは下げの電圧指令値を入力したときは、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を直列接続された変換器の何台で分担できるか否かを判定し、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を分担するに必要な台数分の変換器の出力電圧値の和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるように各相の各々の変換器の出力電圧の電圧値指令値を演算することを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載の直列多重型交直変換装置の出力電圧制御装置。
7. 電力を変換する複数台の変換器が三相各相にそれぞれ直列に接続されて構成された直列多重型交直変換装置の出力電圧制御方法において、前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値を入力し、入力した前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧のベクトル和が前記直列多重型交直変換装置の電圧指令値と等しくなるような各相の各々の変換器の電圧指令値を出力し、出力された変換器の電圧指令値に基づいて各相の各々の変換器の出力電圧を制御することを特徴とする直列多重型交直変換装置の出力電圧制御方法。

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