JP2013081309A - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】実施形態に係る電力変換装置は、1以上のスイッチングユニット12を直列に接続したマルチレベルレグ13aと、自己消弧能力を持つ1以上のスイッチング素子Q1を直列に接続したオンオフレグ14aとが直列接続された相アーム11aと、前記相アームを構成する各スイッチング素子を制御する制御部15とを具備し、前記相アームの最端部スイッチングユニット12aにおける直流側端部aが直流電源(C5、Vdc)の正負一方の側、前記相アームの最端部オンオフレグ14aの直流側端部bが前記直流電源の正負他方側に接続され、前記マルチレベルレグ13aと前記オンオフレグ11aの接続点が交流端子Tacとして交流電源Vsに接続されている。
【選択図】 図1
Description
図1は電力変換装置の第1実施形態の構成を示す図である。
Vu=V0×sin(ω・t) (1)
ここで、ωは50Hzの角周波数、V0は振幅最大値、tは時間である。
オンオフレグ14a、14bのオンとオフの切替は、交流出力電圧指令Vuの正負符号に応じて以下の条件分岐で決定する。
オンオフレグ14aのスイッチング素子は全てオフ
オンオフレグ14bのスイッチング素子は全てオン
[2] Vu<0のとき
オンオフレグ14aのスイッチング素子は全てオン
オンオフレグ14bのスイッチング素子は全てオフ
マルチレベルレグ13a、13bに対する電圧指令VU_multi1、VU_multi2は、交流電圧指令Vuに応じて以下の条件分岐で決定され、一般的な三角波比較PWM(Pulse Width Modulation)に基づくチョッパスイッチング動作または1パルススイッチングにより、平均電圧が指令値通りになるように出力される。
VU_multi1=Vdc−Vu (2)
VU_multi2=VCcontrol2 (3)
ここで、Vdcは直流電源電圧指令である。
図2(b)〜2(d)は、電圧指令Vuが正の半波のとき(図中Tpの期間)の電圧、電流、電力波形を示す図である。
VU_multi1=VCcontrol1 (4)
VU_multi2=Vdc+Vu (5)
図2(f)〜2(g)は、電圧指令Vuが負の半波のときの(図中Tnの期間)電圧、電流、電力波形を示す図である。
VCcontrol2=Vdc+G(s)×(VCref−VC2) (7)
ここで、G(s)は制御ゲイン、sはラプラス演算子であって、例えば比例積分制御の演算子である。指令値VCrefは、スイッチング素子等の耐圧に応じて予め設定された固定値である。VC1はコンデンサC1、C2のコンデンサ電圧Vca、Vcbの平均値であって、このコンデンサ電圧Vca、Vcbは測定により得られる検出値である。VC2はコンデンサC3、C4のコンデンサ電圧Vcc、Vcdの平均値であって、このコンデンサ電圧Vcc、Vcdは測定により得られる検出値である。
次に、第2実施形態について説明する。
図5は第3実施形態の構成を示す図である。
VV_multi=Vdc−(Vv−MIN(Vu、Vv、Vw)) (9)
VW_multi=Vdc−(Vw−MIN(Vu、Vv、Vw)) (10)
ここで、Vdcは、直流電源電圧指令であり、式(8)のVCcontrolUは、マルチレベルレグ20a(U_multi)のコンデンサ電圧一定制御の結果出力される電圧指令で、後述の演算式で演算する。
ここで、G(s)は制御ゲイン、sはラプラス演算子であって、例えば比例積分制御の演算子である。
VU_multi=Vdc−(Vu−MIN(Vu、Vv、Vw)) (12)
VV_multi=VCcontrolV (13)
VW_multi=Vdc−(Vw−MIN(Vu、Vv、Vw)) (14)
[3] Vw=MIN(Vu、Vv、Vw)のとき、
VU_multi=Vdc−(Vu−MIN(Vu、Vv、Vw)) (15)
VV_multi=Vdc−(Vv−MIN(Vu、Vv、Vw)) (16)
VW_multi=VCcontrolW (17)
同様に、電圧指令VCcontrolV、VCcontrolWが、それぞれV_multiレグ、W_multiレグのコンデンサ電圧一定制御の結果出力される。
VCcontrolW=Vdc+G(s)×(VCref−VCW) (19)
以上のように本実施形態に係る電力変換装置は、相アームが3回路並列に直流電源(C5、Vdc)に接続され、前記3回路の交流端子Tacが3相交流電源U、V、Wに接続され、制御部15は、3相電圧指令のうち最も値が小さい相の相アームを構成するオンオフレグ21のスイッチング素子をオンにし、残り2相のオンオフレグ21のスイッチング素子をオフにした上で、前記残り2相の交流電圧指令相互の差電圧に基づいて、当該2相の相アームを構成するマルチレベルレグ20のスイッチング素子を制御する。
図7はこの変形例の構成を示す図である。図7の構成では、マルチレベルレグ20とオンオフレグ21の配置が図5の配置と比べ逆になっている。
VV_multi=Vdc-(MAX(Vu、Vv、Vw)−Vv) (21)
VW_multi=Vdc−(MAX(Vu、Vv、Vw)-Vw) (22)
ここで、Vdcは、直流電源電圧指令であり、式(20)のVCcontrolUは、マルチレベルレグ20aのコンデンサ電圧一定制御の結果出力される電圧指令である。
ここで、G(s)は制御ゲイン、sはラプラス演算子であって、例えば比例積分制御の演算子である。
VU_multi=Vdc−(Vu−MIN(Vu、Vv、Vw)) (24)
VV_multi=VCcontrolV (25)
VW_multi=Vdc−(Vw−MIN(Vu、Vv、Vw)) (26)
[3] Vw=MIN(Vu、Vv、Vw)のとき、 オンオフレグ21cをオン、
VU_multi=Vdc−(Vu−MIN(Vu、Vv、Vw)) (27)
VV_multi=Vdc−(Vv−MIN(Vu、Vv、Vw)) (28)
VW_multi=VCcontrolW (29)
同様に、電圧指令VCcontrolV、VCcontrolWが、それぞれV_multiレグ、W_multiレグのコンデンサ電圧一定制御の結果出力される。
VCcontrolW=Vdc+G(s)×(VCref−VCW) (31)
以上のように本実施形態に係る電力変換装置は、相アームが3回路並列に直流電源(C5、Vdc)に接続され、前記3回路の交流端子Tacが3相交流電源U、V、Wに接続され、制御部15は、3相電圧指令のうち最も値が大きい相の相アームを構成するオンオフレグ21のスイッチング素子をオンにし、残り2相のオンオフレグ21のスイッチング素子をオフにした上で、前記残り2相の交流電圧指令相互の差電圧に基づいて、当該2相の相アームを構成するマルチレベルレグ20のスイッチング素子を制御する。
次に、第4実施形態について説明する。
次に、第5実施形態について説明する。
Claims (8)
- 直流から交流または交流から直流へ電力を変換する電力変換装置であって、
自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に2個接続したレグと、前記レグに並列に接続されたコンデンサを含む回路要素がスイッチングユニットとして構成され、
1以上の前記スイッチングユニットを直列に接続したマルチレベルレグと、自己消弧能力を持つ1以上のスイッチング素子を直列に接続したオンオフレグとが直列接続された相アームと、
前記相アームを構成する各スイッチング素子を制御する制御部とを具備し、
前記相アームの最端部スイッチングユニットにおける直流側端部が直流電源の正負一方の側、前記相アームの最端部オンオフレグの直流側端部が前記直流電源の正負他方側に接続され、前記マルチレベルレグと前記オンオフレグの接続点が交流端子として交流電源に接続されていることを特徴とする電力変換装置。 - 前記相アームが6回路並列に直流電源に接続され、前記交流端子が3相交流を3つの単相交流に分割する変圧器の単相交流側に接続され、直流と3相交流との電力変換を行うことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
- 前記相アームが2回路並列に前記直流電源に接続され、
前記制御部は、
交流電圧指令の正負符号に応じて、前記オンオフレグのスイッチング素子を各相アームごとに交互にオンオフ切替を行い、
一方のオンオフレグをオフとした時に、前記2回路の相アームにおけるマルチレベルレグとオンオフレグの接続点間の電圧差が交流電圧指令に一致するように、当該オフとしたオンオフレグと同一相アームを構成するマルチレベルレグのスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記制御部は、一方のオンオフレグをオンとした時に、当該オンとしたオンオフレグと同一相アームを構成するスイッチングユニットのコンデンサ電圧が、予め設定した電圧指令値に追従するような充放電電流が当該コンデンサに流れるように、当該スイッチングユニットのスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項3記載の電力変換装置。
- 前記相アームが3回路並列に前記直流電源に接続され、前記3回路の交流端子が3相交流電源に接続され、
前記制御部は、3相電圧指令のうち最も値が小さい相の相アームを構成するオンオフレグのスイッチング素子をオンにし、残り2相のオンオフレグのスイッチング素子をオフにした上で、前記残り2相の交流電圧指令相互の差電圧に基づいて、当該2相の相アームを構成するマルチレベルレグのスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記相アームが3回路並列に前記直流電源に接続され、前記3回路の交流端子が3相交流電源に接続され、
前記制御部は、3相電圧指令のうち最も値が大きい相の相アームを構成するオンオフレグのスイッチング素子をオンにして、残り2相のオンオフレグのスイッチング素子をオフにした上で、前記残り2相の交流電圧指令相互の差電圧に基づいて、当該2相の相アームを構成するマルチレベルレグのスイッチング素子を制御することを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。 - 前記3回路並列に接続された相アームの相互接続点の一方と前記直流電源との間に直流電流制限レグが接続され、前記直流電流制限レグは、自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に2個接続したレグの2回路が共にコンデンサに並列接続された回路要素を含み、当該回路要素が複数直列に接続されていることを特徴とする請求項5記載の電力変換装置。
- 直流から交流または交流から直流へ電力を変換する電力変換装置であって、
自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に2個接続したレグの2回路がコンデンサに並列接続された回路要素がスイッチングユニットとして構成され、
1以上の前記スイッチングユニットを直列に接続したマルチレベルレグと、自己消弧能力を持つ1以上のスイッチング素子を直列に接続したオンオフレグとが直列接続された相アームを具備し、
前記相アームの最端部スイッチングユニットにおける直流側端部が直流電源の正負一方の側、前記相アームの最端部オンオフレグの直流側端部が前記直流電源の正負他方側に接続され、前記相アームのマルチレベルレグとオンオフレグの接続点が交流端子として交流電源に接続された構成を特徴とする電力変換装置。
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