JP2010233411A - 電力変換装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】本発明は、変圧器を介して電力系統に連系する，単位変換器をカスケード接続して構成される電力変換装置において、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減できる電力変換装置を提供するものである。
【解決手段】変圧器を介して三相電力系統に連系し、該三相電力系統と有効または無効電力を授受する電力変換装置であって、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の３つの端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、該二次巻線の３つの端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループを接続し、第１の変換器グループの中性点（スター結線した点）と第２の変換器グループの中性点（スター結線した点）を、それぞれ該電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電力変換装置に関し、特に変圧器を介して三相系統と連系する電力変換装置に関する。
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など）を使用し、該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の一方式として、モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）を提案している。
ＭＭＣの回路構成を説明するために、まず、ＭＭＣの各部分の名称を定義する。
ＭＭＣでは、図４に示す双方向チョッパ回路が単位変換器となっている。
各単位変換器は、少なくとも２つの端子を介して外部回路と接続する。本実施例では、該２端子をそれぞれｘ端子，ｙ端子と呼ぶことにする。また。ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧をセル電圧と呼ぶことにする。
図４に示す双方向チョッパ回路のエネルギー蓄積素子４０５の電圧をＶＣとすると、セル電圧の取りうる値は、ＶＣと零の２つである。
本実施例では、１つまたは複数の前記単位変換器のｘ端子とｙ端子をカスケード接続した回路を、変換器アームと呼ぶことにする。
各変換器アームは、少なくとも２つの端子を持つ。本実施例では、該２端子をそれぞれａ端子，ｂ端子と呼ぶことにする。また、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。アーム電圧は、該変換器アームに含まれる単位変換器のセル電圧の和である。
アーム電圧は、セル電圧の和であるため、各セルが備えているエネルギー蓄積素子の電圧ＶＣを単位とする電圧となる。
本実施例では、第１の変換器アームのｂ端子に第１のリアクトルの一方の端子を直列接続し、第１のリアクトルの他方の端子に第２のリアクトルの一方の端子を直列接続し、第２のリアクトルの他方の端子に第２の変換器アームのａ端子を直列接続した回路をレグと呼ぶことにする。
第１の変換器アームのａ端子をレグのＰ端子と呼び、前記２台のリアクトルの接続点をレグのＭ端子と呼び、第２の変換器アームのｂ端子をレグのＮ端子と呼ぶことにする。したがって、各レグはＰ端子，Ｍ端子，Ｎ端子の少なくとも３端子を持つ。また、本実施例では、レグに含まれる２台の変換器アームのアーム電圧の和をレグ電圧と呼ぶことにする。
レグ電圧はアーム電圧の和であるため、やはり、各単位変換器が備えているエネルギー蓄積素子の電圧ＶＣを単位とする電圧となる。
次に、ＭＭＣの回路構成を説明する。ここでは一例として三相ＭＭＣについて述べる
３台のレグのＰ端子を相互に接続して、その接続点から一方の端子を引き出し、同様に、該３台のレグのＮ端子を相互に接続し、その接続点から他方の端子を引き出すことで、三相ＭＭＣを構成できる。本実施例では、相互に接続された３つの前記Ｐ端子から引き出した端子をＭＭＣの正側出力端子、相互に接続された３つの前記Ｎ端子から引き出した端子をＭＭＣの負側出力端子と呼ぶことにする。
ＭＭＣの正側出力端子と負側出力端子との間には直流負荷を接続できる。
また、前記３台のレグの合計３つのＭ端子には、三相電力系統を接続できる。本実施例では、前記３台のレグの合計３つのＭ端子を総称して、三相端子と呼ぶことにする。
以下、ＭＭＣの動作についてごく簡単に説明する。前記三相端子は、変圧器または、連系リアクトルを介して三相電力系統に連系しているものとする。
ＭＭＣを構成する各変換器アームのアーム電圧を制御することにより、三相端子間の電圧を制御できる。
例えば、三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数、同振幅に制御しつつ、位相のみを系統線間電圧の位相よりもわずかに遅らせると、電力系統から三相ＭＭＣに有効電力が流入する。
また、三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数と同振幅に制御しつつ、位相のみを系統線間電圧の位相よりもわずかに進ませると、三相ＭＭＣから電力系統に有効電力が流出する。
三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数、同位相に制御しつつ、振幅のみを系統線間電圧の振幅よりもわずかに増加すると、電力系統と三相ＭＭＣの間に進相無効電力が発生する。
三相端子間の電圧の系統周波数成分を、系統線間電圧と同周波数、同位相に制御しつつ、振幅のみを系統線間電圧の振幅よりもわずかに減少すると、電力系統と三相ＭＭＣの間に遅相無効電力が発生する。
しかし、ＭＭＣには以下で述べる２つの課題がある。
第１の課題は、各レグにリアクトルが必要である点である。
前記三相ＭＭＣにおいて、各単位変換器に含まれるエネルギー蓄積素子が理想的な直流電圧源であり、かつ、全て理想直流電圧源の電圧が等しい場合、各単位変換器のスイッチング・タイミングを適切に制御することにより、３台のレグのレグ電圧を一致させることができる。
しかし、実際のＭＭＣでは、エネルギー蓄積素子として、電解コンデンサや蓄電池を使用する。
各単位変換器は、単相変換器として動作するため、各単位変換器に流入出する瞬時電力は、三相端子に接続された電力系統または三相負荷の周波数の２倍周波数の脈動成分を持つ。
また、ＭＭＣは、正側出力端子と負側出力端子の間に接続された直流負荷と直流電力を授受するため、各単位変換器に流入出する瞬時電力には、該直流負荷との電力授受に伴う電力脈動成分も存在する。
したがって、各単位変換器に含まれるエネルギー蓄積素子（電解コンデンサや蓄電池など）の両端電圧は脈動しており、しかも、その脈動成分の瞬時値は、レグごとに異なる。
前述のように、レグ電圧は、そのレグに含まれる単位変換器のエネルギー蓄積素子の電圧ＶＣを単位とする電圧となる。
エネルギー蓄積素子の電圧ＶＣがレグごとに異なる場合、単位変換器のスイッチング・タイミングを適切に制御しても、３台のレグのレグ電圧を常時完全に一致させることは不可能である。
３台のレグのレグ電圧が不一致である期間において、レグ電圧の差は、各レグに含まれる２台のリアクトルのみが分担する。
各レグに含まれる２台のリアクトルのインダクタンスが零であった場合、該期間において、レグ電圧の差を分担するのは、レグ間を接続する配線のみとなる。該配線のインピーダンスは小さいため、前記３台のレグに過電流が流れてしまう。
このため、この過電流を制御するために、各レグにリアクトルが必須である。
第２の課題は、ＭＭＣが直流電力を直流負荷に伝送する場合、前記リアクトルが大型化する点である。
ＭＭＣが直流電力を負荷負荷に伝送する場合、各相の変換器アームとリアクトルに零相直流電流を流す必要がある。このため、前記リアクトルには零相直流電流と正相・逆相電流が重畳した電流が流れる。
この場合、該リアクトルに正相・逆相電流のみが流れる場合に比較して電流最大値が大きくなる。該電流最大値においても磁気飽和を起こさないためには、該リアクトルの鉄心断面積を大きくする必要があり、前記リアクトルの大型化を招く。
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。
通常、各種電力変換装置を特別高圧系統に連系する場合、電圧の昇降圧や電気的絶縁確保の目的で、変圧器を設置することが一般的である。
そして、本発明は、変圧器を介して電力系統に連系する，単位変換器をカスケード接続して構成される電力変換装置において、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減できる電力変換装置を提供するものである。
上記課題を達成するために、本発明は電圧源と制御電流源の直列回路を備えた電力変換装置において、前記電圧源と前記制御電流源の直列回路を少なくとも２組並列接続し、該並列接続した前記直列回路の並列接続点をそれぞれ出力端子とすることを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は三相電圧源の中性点を引き出した三相電圧源の各相に３つの制御電流源をスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置において、前記制御電流源の中性点と前記三相電圧源の中性点とを出力端子とすることを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、前記電圧源はディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分のみを含んでおり、前記制御電流源は、ディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分を制御することで、前記電圧源と電力授受を行い、前記制御電流源は、コモンモード（または零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は単相または多相変圧器と変換器アームとを備えた電力変換装置において、該電力変換装置は前記単相または多相変圧器の一次巻線の各相が入力端子であり、前記単相または多相変圧器の二次巻線は中性点を引き出した構造となっており、前記変圧器の二次巻線と変換器アームとの直列回路を並列接続し、該並列接続点と前記二次巻線の中性点とをそれぞれ出力端子とすることを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は二次巻線から中性点を引き出した三相変圧器と、前記二次巻線の各相に、３台の変換器アームをスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置において、前記三相変圧器の一次巻線の各相を入力端子とし、前記変換器アームの中性点と前記二次巻線の中性点とを出力端子とすることを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１〜第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４〜第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点と第２の変換器グループの中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とするものである。
また、上記課題を達成するために、本発明は変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線の中性点を引き出して４端子とし、該二次巻線の中性点以外の各相に３台の変換器アームをスター結線した回路を接続し、前記３台の変換器アーム中性点と前記二次巻線の中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、前記変換器アームは、ディファレンシャルモード（正相・逆相）電流を制御することで、前記変圧器の一次巻線に接続した単相または多相電力系統と電力授受を行い、コモンモード（零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、前記変圧器は、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とする手段を備えていることを特徴とするものである。
更に、本発明は電力変換装置において、一次巻線と二次巻線を入れ替えたことを特徴とするものである。
そして、本発明の電力変換装置によれば、変圧器の励磁インダクタンスと漏れインダクタンスが、非特許文献１のＭＭＣにおけるリアクトルの役割を兼ねるため、リアクトルが不要となり、このため、電力変換装置を小形・軽量化できる。
本発明によれば、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減した電力変換装置を提供することが出きる。
また、本発明の電力変換装置は、電力系統と有効電力を授受する場合、変圧器二次巻線に零相直流電流が流れるが、これに起因する起磁力は零となるため、磁束を生じない効果が得られる。
本発明の第１の実施形態を示す回路図。 本発明の第１の実施形態における変圧器。 フルブリッジ形の単位変換器。 双方向チョッパ形の単位変換器。 本発明の第１の実施形態を無効電力補償装置として応用した例。 本発明の第２の実施形態を示す回路図。 本発明の第２の実施形態における変圧器。 本発明の第３の実施形態を示す回路図。 本発明の第３の実施形態における変圧器。 本発明の第４の実施形態を示す回路図。 本発明の第４の実施形態における変圧器。 本発明の第５の実施形態を示す回路図。 本発明の第５の実施形態における変圧器。 本発明の第５の実施形態における電圧フェーザ図。 本発明の第５の実施形態における概略動作波形。 本発明の第５の実施形態を直流送電システムに応用した例。 本発明の第６の実施形態を示す回路図。 本発明の第６の実施形態における変圧器。 本発明の第７の実施形態を示す回路図。 本発明の第７の実施形態における変圧器。 本発明の第８の実施形態を示す回路図。 本発明の第８の実施形態における変圧器。 本発明の第９の実施形態を示す回路図。 本発明の第９の実施形態における変圧器。 本発明の第１０の実施形態を示す回路図。 本発明の第１０の実施形態における変圧器。 本発明の第１１の実施形態を示す回路図。
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
本発明を実施する第１の形態について説明する。
本発明の電力変換装置１０１の構成について、図１を用いて説明する。
電力変換装置１０１は、変圧器１０５と正側変換器グループ１１２，負側変換器グループ１１６とから構成される。
本実施例では、三相電力系統１００の各相をＲ相，Ｓ相，Ｔ相と呼ぶことにする。また、線間電圧をＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲと表記する。さらに、三相電力系統１００の各相に流れる電流を系統電流と呼び、ＩＲ，ＩＳ，ＩＴと表記することにする。
次に、図１と図２を用いて、変圧器１０５の構成について説明する。
変圧器１０５は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相正側端子１０６，ｖ相正側端子１０７，ｗ相正側端子１０８，ｕ相負側端子１０９，ｖ相負側端子１１０，ｗ相負側端子１１１、の合計９端子を備えている。
図２は、変圧器１０５の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１０５は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線２００はデルタ結線されており、Ｒ相−Ｓ相間，Ｓ相−Ｔ相間，Ｔ相−Ｒ相間の各巻線２０５，２０６，２０７はそれぞれ鉄心２０２，２０３，２０４に巻回されている。巻線２０５〜２０７の巻数は大略等しい。
二次巻線２０１は、ｕ相巻線２０８，ｖ相巻線２０９，ｗ相巻線２１０を備えている。巻線２０８〜２１０の巻数は大略等しい。
実施例１では、ｕ相巻線２０８の両端電圧をＶｕ、ｖ相巻線２０９の両端電圧をＶｖ、ｗ相巻線２１０の両端電圧をＶｗと表記することにする。
電力変換装置の正側出力端子１２１と負側出力端子１２２の間には、負荷装置１２３を接続している。本明細書では、負荷装置１２３に印加される電圧をＶＤ、負荷装置１２３に流れる電流をＩＤと表記することにする。
次に、正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１６の構成について説明する。
正側変換器グループ１１２は、ｕ相正側変換器アーム１１３，ｖ相正側変換器アーム１１４，ｗ相正側変換器アーム１１５とからなる。また、該負側変換器グループ１１６は、ｕ相負側変換器アーム１１７，ｖ相負側変換器アーム１１８，ｗ相負側変換器アーム１１９からなる。
各変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１８は、ａ端子とｂ端子とを備えている。本実施例では、ｂ端子を基準としたａ端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。また、各変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１８は１台または複数台の単位変換器１２０をカスケード接続した回路である。
ｕ相正側変換器アーム１１３のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｕ相正側端子１０６に接続する。また、本実施例ではｕ相正側変換器アーム１１３のアーム電圧をＶａｒｍｕＨと表記することにする。
ｖ相正側変換器アーム１１４のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｖ相正側端子１０７に接続する。また、本実施例はｖ相正側変換器アーム１１４のアーム電圧をＶａｒｍｖＨと表記することにする。
ｗ相正側変換器アーム１１５のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器１０５のｗ相正側端子１０８に接続する。また、本実施例ではｗ相正側変換器アーム１１５のアーム電圧をＶａｒｍｗＨと表記することにする。
ｕ相負側変換器アーム１１７のａ端子を変圧器１０５のｕ相負側端子１０９に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本実施例ではｕ相負側変換器アーム１１７のアーム電圧をＶａｒｍｕＬと表記することにする。
ｖ相負側変換器アーム１１８のａ端子を変圧器１０５のｖ相負側端子１１０に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本実施例ではｖ相負側変換器アーム１１８のアーム電圧をＶａｒｍｖＬと表記することにする。
ｖ相負側変換器アーム１１９のａ端子を変圧器１０５のｗ相負側端子１１１に接続し、ｂ端子を負側出力端子１２２に接続する。また、本実施例ではｗ相負側変換器アーム１１９のアーム電圧をＶａｒｍｗＬと表記することにする。
実施例１では、ＶａｒｍｕＨとＶａｒｍｕＬの和をｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。また、ＶａｒｍｖＨとＶａｒｍｖＬの和をｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。同様に、ＶａｒｍｗＨとＶａｒｍｗＬの和をｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｕと表記することにする。
また、実施例１では、ｕ相正側変換器アーム１１３とｕ相負側変換器アーム１１７を流れる電流をｕ相アーム電流Ｉｕ、ｖ相正側変換器アーム１１４とｖ相負側変換器アーム１１８を流れる電流をｖ相アーム電流Ｉｖ、ｗ相正側変換器アーム１１５とｗ相負側変換器アーム１１９を流れる電流をｗ相アーム電流Ｉｗと表記することにする。
次に、図３と図４を用いて、単位変換器１２０の構成について説明する。
図３は、単位変換器１２０の内部構成の一例を示す。図３の単位変換器はフルブリッジ回路である。単位変換器１２０は、ｘ端子３００とｙ端子３０１を有する２端子回路であり、ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５，エネルギー蓄積素子３０６とからなる。スイッチング素子３０２〜３０５は、ＩＧＢＴに代表されるオン・オフ制御形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子３０６は、コンデンサや蓄電池などである。本実施例では、ｙ端子を基準としたｘ端子までの電圧を、単位変換器のセル電圧Ｖｃｅｌｌと呼ぶことにする。
一方、単位変換器１２０を図４のように双方向チョッパとすることもできる。
図４に示す双方向チョッパは、ハイサイド・スイッチング素子４０３，ローサイド・スイッチング素子４０４，エネルギー蓄積素子４０５で構成されている。スイッチング素子４０３，４０４は、ＩＧＢＴに代表されるオン・オフ制御形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子４０５は、コンデンサや蓄電池などである。本実施例では、図４における該電圧もセル電圧Ｖｃｅｌｌと表記することにする。
次に、電力変換装置１０１の動作を、以下の３ケースについて説明する。
（１）三相電力系統１００から有効電力を受電し、負荷装置１２３に単相交流電力または直流電力を供給する場合
（２）負荷装置１２３から単相交流電力または直流電力を受電し、三相電力系統１００に有効電力を供給する場合
（３）三相電力系統１００と無効電力を授受する場合
以下、電力変換装置１０１が三相電力系統１００から有効電力を受電し、負荷装置１２３に単相交流電力または直流電力を供給する場合の動作について説明する。ここでは、負荷装置１２３が直流送電線であり、該電力変換装置１０１は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、負荷装置１２３がモータドライブ・インバータであり、該モータドライブ・インバータが力行運転している場合、または負荷装置１２３が単相交流負荷である場合などを想定している。
本実施例では、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲを変圧器二次側に換算した電圧をａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲと表記することにする。ここで、ａは変圧器一次巻線に対する二次巻線の巻数比である。
ここで、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗと、負荷装置１２３の電圧ＶＤの関係を説明する。
Ｖｕ，Ｖａｒｍｕ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。
（数１）
Ｖｕ＝ＶＤ−Ｖａｒｍｕ
Ｖｖ，Ｖａｒｍｖ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。
（数２）
Ｖｖ＝ＶＤ−Ｖａｒｍｖ
Ｖｗ，Ｖａｒｍｗ，ＶＤの関係は、次式で表わされる。
（数３）
Ｖｗ＝ＶＤ−Ｖａｒｍｗ
以上、数１〜３より、ｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕ，ｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｖ，ｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｗを制御することによって、変圧器の二次巻線の電圧Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗを制御できる。
ここで，実施例１においてリアクトルが不要となる理由について説明する。
三相電力系統１００のＲ相−Ｓ相間の線間電圧ＶＲＳを変圧器二次側に換算した電圧ａＶＲＳとｕ相アーム電圧Ｖａｒｍｕの和ａＶＲＳ＋Ｖａｒｍｕと，三相電力系統１００のＳ相−Ｔ相間の線間電圧ＶＳＴを変圧器二次側に換算した電圧ａＶＳＴとｖ相アーム電圧Ｖａｒｍｖの和ａＶＳＴ＋Ｖａｒｍｖと，三相電力系統１００のＴ相−Ｒ相間の線間電圧ＶＴＲを変圧器二次側に換算した電圧ａＶＴＲとｗ相アーム電圧Ｖａｒｍｗの和ａＶＴＲ＋Ｖａｒｍｗとは，相互に異なる可能性がある。
ａＶＲＳ＋ＶａｒｍｕとａＶＳＴ＋ＶａｒｍｖとａＶＴＲ＋Ｖａｒｍｗとの差は，変圧器１０５の漏れインダクタンスによって分担される。
したがって，実施例１においてリアクトルは不要である。
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに遅らせると、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に有効電力を流入させることができる。
次に、アーム電圧は単位変換器１２０を構成するスイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。
まず、単位変換器１２０がフルブリッジ回路（図３）である場合について述べる。
ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２とｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３を交互にオン・オフする。また、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４とｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５を交互にオン・オフする。
ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣと大略等しい。
ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオン、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３がオフ、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。
ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子５０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオフ、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。
ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２がオフ、ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３がオン、ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４がオン、ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。
ｘ相ハイサイド・スイッチング素子３０２，ｘ相ローサイド・スイッチング素子３０３，ｙ相ハイサイド・スイッチング素子３０４，ｙ相ローサイド・スイッチング素子３０５が全てオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣの極性を反転させた電圧に大略等しい。
次に、単位変換器１２０が双方向チョッパ（図４）である場合について述べる。
ハイサイド・スイッチング素子４０３がオン、ローサイド・スイッチング素子６０４がオフの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌは直流コンデンサ６０４の電圧ＶＣに大略等しい。
ハイサイド・スイッチング素子４０３がオフ、ローサイド・スイッチング素子４０４がオンの場合、電流Ｉｃｅｌｌに依存することなく、セル電圧Ｖｃｅｌｌはほぼ零である。
ハイサイド・スイッチング素子４０３，ローサイド・スイッチング素子６０４が共にオフの場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは電流Ｉｃｅｌｌの極性に依存して決まる。Ｉｃｅｌｌが正である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌはエネルギー蓄積素子３０６の電圧ＶＣに大略等しい。Ｉｃｅｌｌが負である場合、セル電圧Ｖｃｅｌｌは零に大略等しい。
次に、負荷装置１２３に電力を供給する方法について説明する。
負荷装置１２３を流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、負荷装置１２３に電力を伝送できない。
この場合、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に流入した有効電力は、各単位変換器１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）に蓄積される。
負荷装置１２３に電力を供給するためには、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。
なお、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に流入する有効電力と、負荷装置１２３が消費する有効電力が等しい場合、各単位変換器１２０に流入出するエネルギーは、三相電力系統の１周期平均でほぼ零となる。
また、電流ＩＤとして、直流電流，交流電流または両者の重畳した電流を流すことができる。
電力変換装置１０１と負荷装置１２３が単相無効電力のみを授受する場合、三相電力系統１００から電力変換装置１０１に流入する有効電力を零とするように制御する。
以下、電力変換装置１０１が負荷装置１２３から有効電力を受電し、三相電力系統１００に有効電力を供給する場合の動作について説明する。ここでは、負荷装置１２３が直流送電線であり、該電力変換装置１０１は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、負荷装置１２３がモータドライブ・インバータであり、該モータドライブ・インバータが回生制動している場合、または負荷装置１２３が単相交流電源である場合などを想定している。
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と振幅を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と振幅に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの位相のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの位相よりもわずかに進ませると、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に有効電力を供給できる。
次に、負荷装置１２３から電力を受電する方法について説明する。
負荷装置１２３から流れる電流ＩＤは、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの和（Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ）である。アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗが零相成分を含まない場合、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗも零相成分を含まない。アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗが零相成分を含まない場合には、Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗ＝ＩＤ＝０となり、負荷装置１２３から電力が供給できない。
この場合、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に流出する有効電力は、各単位変換器１２０の内部のエネルギー蓄積素子（電解コンデンサなど）から供給される。
負荷装置１２３から電力変換装置１００に電力を流入させるために、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｖの零相成分を調節し、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を制御する。キルヒホッフの電流則から、ＩＤ＝Ｉｕ＋Ｉｖ＋Ｉｗとなるため、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分を調節することにより、電流ＩＤを供給できる。
なお、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に流出する有効電力と、負荷装置１２３から電力変換装置に流入する有効電力が等しい場合、各単位変換器１２０に流入出するエネルギーは、三相電力系統の１周期平均でほぼ零となる。
以下、電力変換装置１０１が三相電力系統１００から無効電力を授受し、なおかつ負荷装置１２３が開放である場合（ＩＤ＝０）について説明する。ここでは、電力変換装置１０１が無効電力補償装置として動作している場合などを想定している。
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と位相を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と位相に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの振幅よりもわずかに増加させると、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に進相無効電力を供給できる。
また、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの周波数と位相を、ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの周波数と位相に一致させつつ、Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗの振幅のみをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲの振幅よりもわずかに減少させると、電力変換装置１０１から三相電力系統１００に遅相無効電力を供給できる。
次に，本実施例において、前記変圧器の二次巻線と前記変換器アームとの直列回路は、電圧源と制御電流源とみなすことができることについて説明する。
前記変圧器の一次巻線には三相電力系統１００が接続されている。電力系統１００は電圧源とみなすことができるため、電力系統１００が二次巻線に誘起する電圧も電圧源とみなすことができる。
また、前記変換器アームは、前記変換器アームのアーム電圧を適切に調節することによって、前記変圧器の二次巻線の漏れインダクタンスおよび励磁インダクタンスに印加される電圧を調節することができる。
該漏れインダクタンスおよび該励磁インダクタンスに流れる電流は、前記漏れインダクタンスおよび前記励磁インダクタンスに印加される電圧の時間積分に比例する。したがって、前記変換器アームは、前記変換器アームのアーム電圧を介して、前記漏れインダクタンスおよび前記励磁インダクタンスに流れる電流を制御できる。
このため、前記変換器アームと前記励磁インダクタンスおよび前記漏れインダクタンスとの直列回路は、制御電流源とみなすことができる。
本実施例では三相電力系統に連系する電力変換装置について述べた。三相回路において、正相・逆相電流がディファレンシャルモード電流に相当し、零相電流がコモンモード電流に相当する。
また、本実施例は、変換器アームの数を増減することにより、三相電力系統のみならず、単相や多相系統に連系する電力変換装置にも適用できる。
本実施例の応用例として、電力変換器１００を無効電力補償装置として応用した例を示す。図５は、電力変換装置１０１を設置した変電所の例である。変電所５０１は、三相電力系統５００に連系している。変電所母線５０２には負荷５０３と本実施例に基づく電力変換装置１０１を接続している。前述の方法で電力変換装置１０１と三相電力系統５００の間の無効電力Ｑを適切に調節することにより、変電所母線５０２の電圧Ｖの振幅を一定に保つように制御する。
本発明を実施する第２の形態について説明する。実施例１では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施例２では変圧器の一次巻線をスター結線としている。
以下では、実施例２の構成において、実施例１の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図６は、本発明の第２の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置６００は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置６００は、変圧器６０１と正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３とからなる。
本実施例では、三相電力系統１００のＲ相，Ｓ相，Ｔ相それぞれの相電圧をＶＲ，ＶＳ，ＶＴと表記することにする。
図６の正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３は、それぞれ実施例１（図１）の正側変換器グループ１１２と負側変換器グループ１１３と同一である。
図７は、変圧器６０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器６０１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線７００はスター結線されており、Ｒ相，Ｓ相，Ｔ相の各巻線７０１，７０２，７０３はそれぞれ鉄心２０２，２０３，２０４に巻回されている。
図７の二次巻線２０１は、実施例１の図２の二次巻線２０１と同一である。そして、実施例２では、実施例１と同様の効果を得られるようになっている。
本発明を実施する第３の形態について説明する。実施例３は実施例１の変形である。実施例１では正側と負側の２つの変換器グループを用いていたが、実施例３では、１つの変換器グループのみを用いている。
実施例３では、実施例１と同様の効果を得られる他、変圧器の端子数を９端子から７端子に減少させることができる。
以下では、実施例３の構成において、実施例１の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図８は、本発明の第３の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置８００は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置８００は、変圧器８０１と変換器グループ８０６からなる。
変圧器８０１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子８０２，ｖ相端子８０３，ｗ相端子８０４，中性点端子８０５の合計７端子を備えている。
したがって，実施例１，２に比較して，変圧器の端子数を９端子から７端子に減少できる。
図９は、変圧器８０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器８０１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。一次巻線２００は実施例１（図２）と同一構成である。
二次巻線９００は、ｕ相巻線９０１，ｖ相巻線９０２，ｗ相巻線９０３を備えている。巻線９０１〜９０３の巻数は大略等しい。ｕ相巻線９０１，ｖ相巻線９０３，ｗ相巻線９０３はスター結線されており、中性点ｎが中性点端子８０５に引き出されている。
変換器グループ８０６は、ｕ相変換器アーム８０７，ｖ相正側変換器アーム８０８，ｗ相正側変換器アーム８０９とからなる。
ｕ相変換器アーム８０６のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器８０１のｕ相端子８０２に接続する。また、実施例３ではｕ相変換器アーム１１３のアーム電圧をＶａｒｍｕと表記することにする。
ｖ相変換器アーム８０７のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器８０１のｖ相端子８０３に接続する。また、実施例３ではｖ相変換器アーム８０７のアーム電圧をＶａｒｍｖと表記することにする。
ｖ相変換器アーム８０８のａ端子を正側出力端子１２１に接続し、ｂ端子を変圧器８０１のｗ相端子８０４に接続する。また、実施例３ではｗ相変換器アーム８０７のアーム電圧をＶａｒｍｗと表記することにする。
実施例３（図８）における変換器アーム８０６〜８０８は、実施例１の図１、および実施例２の図３における変換器アーム１１３〜１１５，１１７〜１１９とほぼ同一であるが、内包する単位変換器１２０の台数が約２倍となっている点が異なる。
本発明を実施する第４の形態について説明する。実施例４は実施例２の変形である。実施例２では正側と負側の２つの変換器グループを用いていたが、実施例４では、１つの変換器グループのみを用いた構成で、実施例３と同様の効果を得ている。また、実施例３では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施例４では変圧器の一次巻線をスター結線としている。
以下では、実施例４の構成において、実施例３の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図１０は、本発明の第４の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置１０００は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置１０００は、変圧器１００１と変換器グループ８０５からなる。
変圧器１００１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子１１０，ｖ相端子１１１，ｗ相端子１１２，中性点端子７０５の合計７端子を備えている。
図１１は、変圧器１００１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１００１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図１０の一次巻線７００は実施例２の図７における一次巻線７００と同一である。
また、二次巻線９００は実施例３の図９における二次巻線９００と同一であり、図９の変換器グループ７０６は実施例３の図７における変換器グループ７０６と同一である。
本発明を実施する第５の形態について説明する。実施例５は実施例１の変形である。変圧器の二次巻線を各相で２分割し、零相電流に起因する起磁力を零とする結線を行っている点に特徴がある。
実施例５では、実施例１と同様の効果を得られる。これに加えて、負荷装置１２３に電流ＩＤを流す場合、実施例１〜４と比較して変圧器の鉄心断面積を小さくできる。これは、前記の通り、零相電流に起因する起磁力を零としているためである。
図１２は本発明の第５の実施形態を表わした回路図である。実施例５の図１２の構成は実施例１の図１の変圧器１０５を変圧器１２０１に変更した回路構成である。
変圧器１２０１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相正側端子１２０２，ｖ相正側端子１２０３，ｗ相正側端子１２０４，ｕ相負側端子１２０６，ｖ相負側端子１２０７，ｗ相負側端子１２０８の合計９端子を備えている。
図１３は、変圧器１２０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１２０１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図１３の一次巻線２００は実施例１の図１の一次巻線２００と同一である。
二次巻線１３００は、ｕ相正側巻線１３０１，ｖ相正側巻線１３０２，ｗ相正側巻線１３０３，ｕ相負側巻線１３０４，ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６を備えている。巻線１３０１〜１３０６の巻数は大略等しい。
ｕ相正側巻線１３０１とｕ相負側巻線１３０４は電気的に直列接続されている。ｕ相正側巻線１３０１は鉄心２０２に巻回されており、ｕ相負側巻線１３０４は鉄心２０４に巻回されている。なお、ｕ相正側巻線１３０１が鉄心２０２に生じる起磁力と、ｕ相負側巻線１３０４が鉄心２０４に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。
ｖ相正側巻線１３０２とｖ相負側巻線１３０５は電気的に直列接続されている。ｖ相正側巻線１３０２は鉄心２０３に巻回されており、ｖ相負側巻線１３０５は鉄心２０２に巻回されている。なお、ｖ相正側巻線１３０２が鉄心２０３に生じる起磁力と、ｖ相負側巻線１３０５が鉄心２０２に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。
ｗ相正側巻線１３０３とｗ相負側巻線１３０６は電気的に直列接続されている。ｗ相正側巻線１３０３は鉄心２０４に巻回されており、ｗ相負側巻線１３０６は鉄心２０３に巻回されている。なお、ｗ相正側巻線１３０３が鉄心２０４に生じる起磁力と、ｗ相負側巻線１３０６が鉄心２０３に生じる起磁力とが、大略同じ大きさで逆極性となるように結線されている。
本実施例では、ｕ相正側巻線１３０１とｕ相負側巻線１３０４を総称してｕ相巻線と呼ぶことにする。また、ｖ相正側巻線１３０２とｖ相負側巻線１３０５を総称してｖ相巻線と呼ぶことにする。同様に、ｗ相正側巻線１３０４とｗ相負側巻線１３０６を総称してｗ相巻線と呼ぶことにする。
本実施例では、ｕ相正側巻線１３０１の両端電圧をＶｕＨ、ｖ相正側巻線１３０２の両端電圧をＶｖＨ、ｗ相正側巻線１３０３の両端電圧をＶｗＨ、ｕ相負側巻線１３０４の両端電圧をＶｕＬ、ｖ相負側巻線１３０５の両端電圧をＶｖＬ、ｗ相負側巻線１３０６の両端電圧をＶｗＬと表記することにする。
また、ＶｕＨとＶｕＬの和をｕ相電圧Ｖｕ，ＶｖＨとＶｖＬの和をｖ相電圧Ｖｖ，ＶｗＨとＶｗＬの和をｗ相電圧Ｖｗと呼ぶことにする。
図１４に、変圧器１２０１の一次巻線２００の電圧（すなわち、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲ）と、二次巻線１３００の電圧ＶｕＨ，ＶｖＨ，ＶｗＨ，ＶｕＬ，ＶｖＬ，ＶｗＬ，Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗのフェーザ図を示す。
図１２の正側変換器グループ１１２は実施例１の図１における変換器グループ１１２と同一である。また、図１２の負側変換器グループ１１６は実施例１図１における変換器グループ１１６と同一である。
実施例１と実施例５の相違点について、以下で説明する。実施例１で説明した通り、電力変換装置１０１が三相電力系統１００と有効電力を授受する場合、電流ＩＤが流れる。また、電力変換装置１０１が負荷装置１２３に単相無効電力を供給する場合にも電流ＩＤが流れる。電流ＩＤは各相の変換器アームに大略等しく分流し、各アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分（零相電流）となる。したがって、電流ＩＤが流れる場合、二次巻線２０１に零相電流が流れる。本実施例では、該零相電流をＩｚと表記することにする。
電流ＩＤが直流である場合、二次巻線に零相直流電流が流れ、鉄心の直流偏磁や磁気飽和を招く虞がある。
これに対して実施例５の電力変換装置１２００が負荷装置１２３に電流ＩＤを流す場合を考える。実施例１の場合と同様に、変圧器１２０１の二次巻線１３００に零相電流が流れる。
鉄心２０２において、ｕ相正側巻線１３０１を流れるＩｚが生じる起磁力と、ｖ相負側巻線１３０５を流れるＩｚが生じる起磁力は、大略同じ大きさで逆極性であり、ほぼ相殺する。
鉄心２０３において、ｖ相正側巻線１３０２を流れるＩｚが生じる起磁力と、ｗ相負側巻線１３０６を流れるＩｚが生じる起磁力は、大略同じ大きさで逆極性であり、ほぼ相殺する。
鉄心２０４において、ｗ相正側巻線１３０３を流れるＩｚが生じる起磁力と、ｕ相負側巻線１３０４を流れるＩｚが生じる起磁力は、大略同じ大きさで逆極性であり、ほぼ相殺する。
したがって、ＩＤが直流であった場合にも、直流起磁力がほぼ零となるため、鉄心の直流偏磁はほとんど発生しない。
以下、図１５を用いて、電力変換装置１２００の動作について説明する。ただし、図１５は電力変換装置１２００の動作波形例であり、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲ、系統電流ＩＲ，ＩＳ，ＩＴ、アーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗ、アーム電圧の零相成分（Ｖａｒｍｕ＋Ｖａｒｍｖ＋Ｖａｒｍｗ）／３、アーム電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗ、出力端子電流ＩＤの概略波形を描いている。
図１５において、電力変換装置１２００は力率１で系統から有効電力を受電し、負荷装置１２３に直流電圧を印加し、直流電流を流している。すなわち、ＶＤとＩＤは直流である。
図１５の説明では、単位変換器１２０を図４に示した双方向チョッパ回路としている。
各変換器アームのアーム電圧Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗは、その変換器アームに含まれる単位変換器１２０の台数と大略等しいレベル数のマルチレベル波形となる。また、Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗは三相交流成分と零相直流成分を含んでいる。Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの零相直流成分（Ｖａｒｍｕ＋Ｖａｒｍｖ＋Ｖａｒｍｗ）／３は、出力端子電圧ＶＤに大略等しい。
Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，ＶａｒｍｗがＶＤに大略等しい零相直流成分を含んでいるため、数１、数２、数３より、ｕ相電圧Ｖｕ、ｖ相電圧Ｖｖ、ｗ相電圧Ｖｗは、それぞれＶａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの交流成分と逆位相の電圧となり、直流成分をほとんど含まない。
Ｖｕ，Ｖｖ，Ｖｗと、三相電力系統１００の線間電圧ＶＲＳ，ＶＳＴ，ＶＴＲを変圧器１０１の二次側に換算した電圧ａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲとの差電圧は、一次巻線２００と二次巻線２０１の間の、変圧器１０１の漏れインダクタンスによって支持される。
Ｖｕ，Ｖｖ，ＶｗをａＶＲＳ，ａＶＳＴ，ａＶＴＲと同周波数、同振幅に制御し、かつ位相のみをわずかに遅らせるように制御すると、三相電力系統１００から電力変換装置１２００に有効電力を流入させることができる。
Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの零相成分と、出力端子の電圧ＶＤとの差電圧は、二次巻線１３００の零相成分に対するインダクタンスによって支持される。Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分Ｉｚは、該差電圧の時間積分に比例する。したがって、Ｖａｒｍｕ，Ｖａｒｍｖ，Ｖａｒｍｗの零相直流成分を制御することで、Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分Ｉｚを制御できる。Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗの零相成分の和はＩＤとなる。
図１６は、本実施例に基づく電力変換装置１２００を、直流送電システムに応用した例である。陸地Ａの電力変換装置１２００は三相電力系統１６００と連系している。陸地Ｂの電力変換装置１２００は三相電力系統１６０１と連系している。２台の電力変換装置１２００の出力端子１２０，１２１を海底ケーブルで接続し、陸地Ａと陸地Ｂの間で電力の融通を行う構成になっている。
図１７は、本発明の第６の実施形態を表わした回路図である。前述の実施例５では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施例６では変圧器の一次巻線をスター結線として、実施例５と同様の効果を得ているものである。
以下では、実施例６の構成において、実施例５の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図１７の正側変換器グループ１１２は実施例１（図１）の正側変換器グループ１１２と同一である。また、図１７の負側変換器グループ１１６は実施例（図１）の負側変換器グループ１１３と同一である。
図１８は、変圧器１７０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１７０１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図１８の一次巻線７００は実施例２の図７の一次巻線７００と同一である。また、図１８の二次巻線１３００は実施例５の図１３の二次巻線１３００と同一である。
図１９は、本発明の第７の実施形態を表わした回路図である。実施例７は実施例５の変形である。実施例５では正側と負側の２つの変換器グループを用いていたが、実施例７では、１つの変換器グループのみを用いている。
実施例７では実施例５と同様の効果を得られる他、実施例３と同様に，変圧器の端子数を９端子から７端子に減少させることができる。
以下では、実施例７の構成において、実施例５の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図１９の変換器グループ８０６は実施例３の図８の変換器グループ８０６と同一である。
変圧器１９０１は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子１９０２，ｖ相端子１９０３，ｗ相端子１９０４，中性点端子１９０５の合計７端子を備えている。
図２０は、変圧器１９０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１９０１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図２０の一次巻線２００は実施例１の図２の一次巻線２００と同一である。
図２０の二次巻線２０００を構成するｕ相正側巻線１３０１，ｖ相正側巻線１３０２，ｗ相正側巻線１３０３，ｕ相負側巻線１３０４，ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６は、それぞれ実施例５の図１３のｕ相正側巻線１３０１，ｖ相正側巻線１３０２，ｗ相正側巻線１３０３，ｕ相負側巻線１３０４，ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６と同一である。
ただし、ｕ相負側巻線１３０４の一端と、ｖ相負側巻線１３０５，ｗ相負側巻線１３０６をスター結線しており、中性点ｎを中性点端子１９０５として、変圧器１９０１の外部に引き出している。
本発明を実施する第８の形態について説明する。実施例８は実施例７の変形である。実施例７では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施例８では変圧器の一次巻線をスター結線として、実施例７と同様の効果を得ているものである。
以下では、実施例８の構成において、実施例７の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図２１は、本発明の第８の実施形態を表わした回路図である。
図２１の変換器グループ８０６は実施例３の図８の変換器グループ８０６と同一である。
変圧器２１００は、Ｒ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子１９０２，ｖ相端子１９０３，ｗ相端子１９０４，中性点端子１９０５の合計７端子を備えている。
図２２は、変圧器２１０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器１９０１は、鉄心２０２〜２０４を有しており、これらの鉄心は三脚鉄心を構成する。図２２の一次巻線７００は実施例２の図７の一次巻線７００と同一である。図２２の二次巻線２０００は実施例７の図２０の二次巻線２０００と同一である。
本発明を実施する第９の形態について説明する。実施例５〜８では、変圧器の二次巻線を各相で２分割し、零相電流に起因する起磁力を零とする結線を行っている。これに対して、実施例９では、零相電流に起因する起磁力を補償する補償巻線を用いて、実施例７と同様の効果を得ているものである。
以下では、実施例９の構成において、実施例７の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図２３は、本発明の第９の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置２３００は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置２３００は、変圧器２３０１と変換器グループ８０６とからなる。
図２３の変換器グループ８０６は、実施例３の図８の変換器グループ８０６と同一である。
変圧器２３０１はＲ相端子１０２，Ｓ相端子１０３，Ｔ相端子１０４，ｕ相端子２３０２，ｖ相端子２３０３，ｗ相端子２３０４，補償巻線端子２３０５の７端子を備えている。
図２４は、変圧器２３０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器２３０３は、鉄心２０２〜２０４，一次巻線２００，二次巻線２４００，補償巻線２４０４とを備えている。鉄心２０２〜２０４は三脚鉄心を構成する。
一次巻線２００は実施例１の図１の一次巻線２００と同一である。
二次巻線２４００はｕ相巻線２４０１，ｖ相二次巻線２４０２，ｗ相二次巻線２４０３を備えている。二次巻線２４００は実施例３の図９における二次巻線９００とほぼ同一構成であるが、中性点ｎを補償巻線２４０４に接続している点が異なる。
補償巻線２４０４は、ｕ相補償巻線２４０５，ｖ相補償巻線２４０６，ｗ相補償巻線２４０７を備えている。補償巻線２４０４の巻数は、二次巻線２４００の１／３とする。
ｕ相補償巻線２４０５は鉄心２０２に巻回されている。また、ｖ相補償巻線２４０５は鉄心２０３に巻回されている。さらに、ｗ相補償巻線２４０５は鉄心２０３に巻回されている。
ｕ相補償巻線２４０５とｖ相補償巻線２４０６とｗ相補償巻線２４０７は直列に接続されている。
補償巻線２４０４の一端は、負側出力端子１２２に接続している。したがって、補償巻線２４０４には負荷装置１２３を流れる電流ＩＤが流れる。
ｕ相補償巻線２４０５を流れる電流ＩＤが鉄心２０２に生じる起磁力と、ｖ相補償巻線２４０６を流れる電流ＩＤが鉄心２０３に生じる起磁力と、ｗ相補償巻線２４０７を流れる電流ＩＤが鉄心２０４に生じる起磁力とは、大略同じ大きさで、同極性である。
補償巻線２４０４を流れるＩＤは、中性点ｎで分流し、二次巻線２４００の零相成分Ｉｚとして流れる。すなわち、Ｉｚ＝ＩＤ／３である。
ｕ相巻線２４０１に流れるＩｚが鉄心２０２に生じる起磁力と、ｕ相補償巻線２４０５に流れるＩＤが鉄心２０２に生じる起磁力は、大略同じ大きさで、逆極性であるため、ほぼ相殺する。
ｖ相巻線２４０２に流れるＩｚが鉄心２０３に生じる起磁力と、ｖ相補償巻線２４０６に流れるＩＤが鉄心２０３に生じる起磁力は、大略同じ大きさで、逆極性であるため、ほぼ相殺する。
ｗ相巻線２４０３に流れるＩｚが鉄心２０４に生じる起磁力と、ｗ相補償巻線２４０７に流れるＩＤが鉄心２０４に生じる起磁力は、大略同じ大きさで、逆極性であるため、ほぼ相殺する。
したがって、実施例５〜８と同様に、ＩＤが直流であった場合にも、直流起磁力がほぼ零となるため、鉄心の直流偏磁はほとんど発生しない。
本発明を実施する第１０の形態について説明する。実施例９では変圧器の一次巻線をデルタ結線としているが、実施例１０では変圧器の一次巻線をスター結線として、実施例９と同様の効果を得ているものである。
以下では、実施例１０の構成において、実施例９の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図２５は、本発明の第１０の実施形態を表わした回路図である。電力変換装置２５００は、三相交流端子１０２〜１０４を介して三相電力系統１００に連系し、三相電力系統１００と有効・無効電力を授受する。該電力変換装置２５００は、変圧器２５０１と変換器グループ８０６とからなる。
図２５の変換器グループ８０６は、実施例３の図８の変換器グループ８０６と同一である。
図２６は、変圧器２５０１の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線を示す。変圧器２３０３は、鉄心２０２〜２０４，一次巻線７００，二次巻線２４００，補償巻線２４０４とを備えている。鉄心２０２〜２０４は三脚鉄心を構成する。
図２６の一次巻線７００は実施例２の図７の一次巻線７００と同一である。
図２６の二次巻線２４００は実施例９図２４の二次巻線２４００と同一である。
本発明を実施する第１１の形態について説明する。実施例１１は実施例５の変形例であり、実施例１１では、実施例５と同様の効果を得られるものである。
以下では、実施例１１の構成において、実施例５の構成と異なる部分についてのみ説明する。
図２７は本発明の第１０の実施形態を表わした回路図である。実施例１１では、実施例５の図１２と比較して、ｕ負側変換器アーム１１７，ｖ負側変換器アーム１１８，ｗ負側変換器アーム１１８の極性を逆にしている。
実施例１，２，５，６でも同様に、ｕ負側変換器アーム１１７，ｖ負側変換器アーム１１８，ｗ負側変換器アーム１１８の極性を逆にしてもよい。
本発明の電力変換装置は、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）やBack-to-Backシステム（周波数変換装置など），直流送電システム（ＨＶＤＣ），モータドライブなどに利用可能である。
１００，５００，１６００，１６０１ 三相電力系統
１０１，６００，８００，１０００，１２００，１７００，１９００，２１００，２３００，２５００，２７００ 電力変換装置
１０２ Ｒ相端子
１０３ Ｓ相端子
１０４ Ｔ相端子
１０５，６０１，８０１，１００１，１２０１，１７０１，１９０１，２１０１，２３０１，２５０１ 変圧器
１０６，１２０２ ｕ相正側端子
１０７，１２０３ ｖ相正側端子
１０８，１２０４ ｗ相正側端子
１０９，１２０５ ｕ相負側端子
１１０，１２０７ ｗ相負側端子
１１１，１２０６ ｖ相負側端子
１１２ 正側変換器グループ
１１３ ｕ相正側変換器アーム
１１４ ｖ相正側変換器アーム
１１５ ｗ相正側変換器アーム
１１６，２７０１ 負側変換器グループ
１１７ ｕ相負側変換器アーム
１１８ ｖ相負側変換器アーム
１１９ ｗ相負側変換器アーム
１２０ 単位変換器
１２１ 正側出力端子
１２２，４０２ 負側出力端子
２００ 一次巻線
２０１，７００，９００，１３００，２０００，２４００ 二次巻線
２０２，２０３，２０４ 鉄心
２０５ Ｒ相−Ｓ相間巻線
２０６ Ｓ相−Ｔ相間巻線
２０７ Ｔ相−Ｒ相間巻線
２０８，９０１，２４０１ ｕ相巻線
２０９，９０２，２４０２ ｖ相巻線
２１０，９０３，２４０３ ｗ相巻線
３００ ｘ端子
３０１ ｙ相端子
３０２ ｘ相ハイサイド・スイッチング素子
３０３ ｘ相ローサイド・スイッチング素子
３０４ ｙ相ハイサイド・スイッチング素子
３０５ ｙ相ローサイド・スイッチング素子
３０６，４０５ 直流コンデンサ
４００ 双方向チョッパ形単位変換器
４０１ ｘ相出力端子
４０３ ハイサイド・スイッチング素子
４０４ ローサイド・スイッチング素子
５０１ 変電所
５０２ 変電所母線
５０３ 負荷
８０２，１９０２，２３０２ ｕ相端子
８０３，１９０３，２３０３ ｖ相端子
８０４，１９０４，２３０４ ｗ相端子
８０５，１９０５ 中性点端子
１３０１ ｕ相正側巻線
１３０２ ｖ相正側巻線
１３０３ ｗ相正側巻線
１３０４ ｕ相負側巻線
１３０５ ｖ相負側巻線
１３０６ ｗ相負側巻線
１６０２ 海底ケーブル
２４０４ 補償巻線
２４０５ ｕ相補償巻線
２４０６ ｖ相補償巻線
２４０７ ｗ相補償巻線

Claims (10)

  1. 電圧源と制御電流源の直列回路を備えた電力変換装置において、前記電圧源と前記制御電流源の直列回路を少なくとも２組並列接続し、該並列接続した前記直列回路の並列接続点をそれぞれ出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
  2. 三相電圧源の中性点を引き出した三相電圧源の各相に３つの制御電流源をスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置であって、
    前記制御電流源の中性点と前記三相電圧源の中性点とを出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１，２の電力変換装置において、前記電圧源はディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分のみを含んでおり、前記制御電流源は、ディファレンシャルモード（または正相・逆相）成分を制御することで、前記電圧源と電力授受を行い、前記制御電流源は、コモンモード（または零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とする電力変換装置。
  4. 単相または多相変圧器と変換器アームとを備えた電力変換装置において、該電力変換装置は前記単相または多相変圧器の一次巻線の各相が入力端子であり、前記単相または多相変圧器の二次巻線は中性点を引き出した構造となっており、前記変圧器の二次巻線と変換器アームとの直列回路を並列接続し、該並列接続点と前記二次巻線の中性点とをそれぞれ出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
  5. 二次巻線から中性点を引き出した三相変圧器と、前記二次巻線の各相に、３台の変換器アームをスター結線した回路を接続して構成した電力変換装置において、前記三相変圧器の一次巻線の各相を入力端子とし、前記変換器アームの中性点と前記二次巻線の中性点とを出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
  6. 変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として６端子とし、該二次巻線の第１〜第３の端子に３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第１の変換器グループを接続し、第４〜第６の端子に別の３台の変換器アームをスター結線した回路からなる第２の変換器グループをスター結線した回路を接続し、第１の変換器グループの中性点と第２の変換器グループの中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
  7. 変圧器を介して三相電力系統に連系する電力変換装置において、前記変圧器の一次巻線を前記三相電力系統に接続し、該変圧器の二次巻線の中性点を引き出して４端子とし、該二次巻線の中性点以外の各相に３台の変換器アームをスター結線した回路を接続し、前記３台の変換器アーム中性点と前記二次巻線の中性点とを電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする電力変換装置。
  8. 請求項４〜７の電力変換装置において、前記変換器アームは、ディファレンシャルモード（正相・逆相）電流を制御することで、前記変圧器の一次巻線に接続した単相または多相電力系統と電力授受を行い、コモンモード（零相）成分を制御することで、前記出力端子に接続された負荷装置または電源と電力の授受を行うことを特徴とする電力変換装置。
  9. 請求項４〜８の電力変換装置において、前記変圧器は、二次巻線を流れるコモンモード（零相）電流に起因する起磁力を大略零とするような巻線構造または手段を備えていることを特徴とする電力変換装置。
  10. 請求項４〜９の電力変換装置において、一次巻線と二次巻線を入れ替えたことを特徴とする電力変換装置。
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