JP2013123330A - Electric power conversion system - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a small-sized electric power conversion system capable of outputting voltage and current waveforms with small harmonic components without a harmonic suppression filter.SOLUTION: A phase unit 13 is constituted of: a switching unit 12P including a leg constituted of switching elements SuP and SxP and diodes D1 and D2 and a capacitor C1; and a switching unit 12N including a leg constituted of switching elements SuN and SxN and diodes D3 and D4 and a capacitor C2. A junction point between the switching units 12P and 12N is connected to an output terminal 10. A series circuit of two power sources Vs1 and Vs2 is connected in parallel to a series circuit of the switching units 12P and 12N. A junction point between the power sources Vs1 and Vs2 is connected to a ground point. A control section 20 controls ON/OFF of the switching elements SuP, SxP, SuN and SxN such that integrated values of charging/discharging currents of the capacitors C1 and C2 become zero throughout one cycle of an AC power source voltage.

Description

本発明は、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に関する。   The present invention relates to a power converter that converts power from direct current to alternating current or from alternating current to direct current.

従来、電力系統の交流を直流に変換するコンバータや、直流を交流に変換してモータを駆動するインバータには、図14に示すような3相2レベルコンバータ、3相2レベルインバータが適用されてきた。例えば3相2レベルインバータは、直流から3相交流を出力する電力変換装置を構成する上で、必要最小限の半導体スイッチング素子6個で構成されるため、小型低コスト化を図ることが出来る。   Conventionally, a three-phase two-level converter and a three-phase two-level inverter as shown in FIG. 14 have been applied to converters that convert AC in the power system into DC and inverters that convert DC into AC and drive the motor. It was. For example, a three-phase two-level inverter is configured with six semiconductor switching elements that are the minimum necessary for configuring a power conversion device that outputs three-phase alternating current from direct current, and thus can be reduced in size and cost.

3相2レベルインバータの出力電圧波形は、入力直流電圧をVdcとしたとき、各相ごとに、+Vdc/2と、−Vdc/2の2値の切替をPWM(パルス幅変調)で行うので、擬似的な交流波形となっている。高耐圧のスイッチング素子を使用する高電圧モータドライブ用インバータ及び長距離海底ケーブルのように直流で伝送された電力を交流に変換する電力系統接続用インバータ等では、スイッチング高調波低減のために、3相交流出力にリアクトルやコンデンサで構成されたフィルタが挿入される。このような電力変換装置では、電力系統に流れ出す高調波成分を他の機器に悪影響を及ぼさないレベルまで低減するために、このフィルタ容量が大きくなっており、コスト上昇と重量増加を招いていた。   The output voltage waveform of the three-phase two-level inverter is such that, when the input DC voltage is Vdc, the binary switching between + Vdc / 2 and -Vdc / 2 is performed by PWM (pulse width modulation) for each phase. It is a pseudo AC waveform. In order to reduce switching harmonics, high-voltage motor drive inverters that use high-voltage switching elements and power system-connected inverters that convert direct-current power, such as long-distance submarine cables, to AC A filter composed of a reactor and a capacitor is inserted into the phase AC output. In such a power conversion device, the filter capacity is increased in order to reduce the harmonic component flowing out to the power system to a level that does not adversely affect other devices, leading to an increase in cost and weight.

更に、文献で発表されている回路方式では、図15のように、電力系統、配電系統電圧に、従来一般的に用いられているトランスによる電圧降圧なしに、直接接続することの出来る電力変換装置の研究開発も進められている。この電力変換装置は例えばCVCF(constant voltage constant frequency)インバータとして動作する。   Further, in the circuit system disclosed in the literature, as shown in FIG. 15, a power converter that can be directly connected to the power system and distribution system voltage without voltage step-down by a transformer generally used conventionally. R & D is also underway. This power converter operates as, for example, a CVCF (constant voltage constant frequency) inverter.

これが実用化されると、重量・体積が大きく、システム全体に占めるコストも比較的大きいトランスが不用になるほかに、出力電圧・電流波形が多レベル化により正弦波に近づくため、高調波フィルタが不要になるメリットも享受することができる。   When this is put to practical use, transformers that are large in weight and volume and relatively costly to the entire system are not required, and the output voltage / current waveform approaches a sine wave due to multi-leveling. You can also enjoy the benefits that are no longer needed.

2009年cigre論文予稿集Paper401(Multilevel Voltage-Sourced Converters for HVDC and FACTS Applications:Siemens AG2009 cigre Papers Paper 401 (Multilevel Voltage-Sourced Converters for HVDC and FACTS Applications: Siemens AG

しかしながら、このような回路方式は、各スイッチングユニットの構成要素である直流コンデンサの電圧値を一定に制御するために、直流電源を還流させる還流電流を常時流すことが原理的に必要である。3相を同一の直流電源に接続しているので、各相の直流電圧合成値がわずかでも異なると、相間に過大な短絡電流が流れてしまい機器を破壊してしまう危険がある。これを防止するために、各相にバッファリアクトルを挿入し、短絡電流が過大にならないように制限を加えている。このようなバッファリアクトルは装置の大型化、高コスト化を招く。   However, in such a circuit system, in order to constantly control the voltage value of the DC capacitor, which is a component of each switching unit, it is necessary in principle to constantly flow a reflux current that circulates the DC power supply. Since the three phases are connected to the same DC power source, if the DC voltage composite value of each phase is slightly different, there is a risk that an excessive short circuit current flows between the phases and the device is destroyed. In order to prevent this, a buffer reactor is inserted in each phase to limit the short-circuit current. Such a buffer reactor increases the size and cost of the apparatus.

実施形態は、高調波抑制フィルタ無しに高調波成分が小さい電圧電流波形を出力することができるとともに、バッファリアクトルのような高コスト・大型のリアクトルが不要な小型の電力変換装置を提供することを目的とする。   The embodiment provides a small-sized power conversion device that can output a voltage-current waveform with a small harmonic component without a harmonic suppression filter and does not require a high-cost, large-sized reactor such as a buffer reactor. Objective.

実施形態に係る電力変換装置は、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において、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、該レグに並列に接続されたコンデンサを含む構成要素をスイッチングユニットとしたとき、1以上の前記スイッチングユニットを直列に接続した単位アームを2回路直列に接続した相ユニットと、前記相ユニット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、前記相ユニットの最上端が直流電源の正側、最下端が直流電源の負側に接続され、前記直列接続された単位アームの相互接続点が交流端子として交流電源に接続される電力変換装置であって、前記制御部は、交流電源電圧の正負半波ごとの期間を、負側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子をすべてオフ状態にしたうえで、正側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間と、前記正側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子を全てオフ状態にしたうえで、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間とに分割し、分割された各期間で制御を切替え、前記交流電源電圧の一周期を通して、前記スイッチングユニットのコンデンサの充放電電流の積算値がゼロとなるように、交流電源電圧の一周期において前記制御の切替タイミングを設定して、前記スイッチング素子のオンオフを制御する。   The power conversion device according to the embodiment is a power conversion device that converts power from direct current to alternating current or from alternating current to direct current, a leg in which two switching elements having self-extinguishing capability are connected in series, and a parallel connection to the leg When the constituent element including the capacitor is a switching unit, the phase unit in which two or more unit arms in which the switching units are connected in series are connected in series and the switching elements constituting the phase unit are controlled. A control unit, the uppermost end of the phase unit is connected to the positive side of the DC power supply, the lowermost end is connected to the negative side of the DC power supply, and the interconnection point of the series-connected unit arms serves as an AC terminal to the AC power supply. A power conversion device to be connected, wherein the control unit switches a period for each positive and negative half wave of the AC power supply voltage to constitute a negative unit arm. After all the switching elements of the knit are turned off, the period for controlling on / off of the switching elements of the switching unit constituting the positive unit arm and all the switching elements of the switching unit constituting the positive unit arm are turned off. The state is divided into a period for controlling on / off of the switching element of the switching unit constituting the negative unit arm, the control is switched in each divided period, and through one cycle of the AC power supply voltage, The switching timing of the control is set in one cycle of the AC power supply voltage so that the integrated value of the charge / discharge current of the capacitor of the switching unit becomes zero, and the on / off of the switching element is controlled.

電力変換装置の第1実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 1st Embodiment of a power converter device. 相ユニット13が2個のスイッチングユニット12P、12Nの直列回路で構成されている電力変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the power converter device with which the phase unit 13 was comprised by the series circuit of two switching units 12P and 12N. 図2の電力変換装置をCVCFインバータとして機能させる場合の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement in the case of functioning the power converter device of FIG. 2 as a CVCF inverter. 変調率αに対する最適な切替位相角θchgを示す図である。It is a figure which shows the optimal switching phase angle (theta) chg with respect to modulation factor (alpha). 制御モード切替のタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of control mode switching. 電力変換装置の第2実施形態の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of 2nd Embodiment of a power converter device. 第2実施形態の変形例を示す図である。It is a figure which shows the modification of 2nd Embodiment. 電力変換装置の第3実施形態の構成をに示す図である。It is a figure which shows the structure of 3rd Embodiment of a power converter device. 電力変換装置の第4実施形態の構成をに示す図である。It is a figure which shows the structure of 4th Embodiment of a power converter device. 第4実施形態における変調率αに対する最適な切替位相角θchgを示す図である。It is a figure which shows the optimal switching phase angle (theta) chg with respect to the modulation factor (alpha) in 4th Embodiment. 第4実施形態における制御モード切替のタイミングを示す図である。It is a figure which shows the timing of the control mode switch in 4th Embodiment. 第4実施形態の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of 4th Embodiment. 第5実施形態の動作を示す図である。It is a figure which shows operation | movement of 5th Embodiment. 従来の3相2レベルコンバータ及び3相2レベルインバータの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional 3 phase 2 level converter and 3 phase 2 level inverter. 従来の電力変換装置の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the conventional power converter device.

以下、実施形態を図面を参照して説明する。   Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.

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。第1実施形態に係る電力変換装置は、例えば単相50Hzの交流電力を、絶縁トランスを介して直流電力に変換、または直流電力を単相50Hzの交流電力に変換し絶縁トランスを介して出力する。交流/直流変換と直流/交流変換は、電力変換装置の制御方法に依存して変更できる。これは本実施例及び後述する他の実施例についても同様に言える。   FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration of a first embodiment of a power converter. The power conversion device according to the first embodiment converts, for example, single-phase 50 Hz AC power into DC power via an insulating transformer, or converts DC power into single-phase 50 Hz AC power and outputs it via an insulating transformer. . AC / DC conversion and DC / AC conversion can be changed depending on the control method of the power converter. The same applies to this embodiment and other embodiments described later.

図1に示す電力変換装置は、自己消弧能力を持つスイッチング素子Q1とダイオードD1を逆並列接続した回路を直列に接続したレグ11に、コンデンサC1を並列に接続してなるチョッパブリッジ単位変換器がスイッチングユニット12として構成されている。2×N個のスイッチングユニットを直列に接続して相ユニット13を構成する。図1の例ではN=2の例について示し、U相と、V相の2つの相ユニット13が並列に接続され直流側に接続されている。   The power converter shown in FIG. 1 is a chopper bridge unit converter in which a capacitor C1 is connected in parallel to a leg 11 in which a circuit in which a switching element Q1 having a self-extinguishing capability and a diode D1 are connected in antiparallel is connected in series. Is configured as a switching unit 12. The phase unit 13 is configured by connecting 2 × N switching units in series. In the example of FIG. 1, an example of N = 2 is shown, and two phase units 13 of U phase and V phase are connected in parallel and connected to the DC side.

第1実施形態の制御動作を図2及び図3を用いて説明する。図2の電力変換装置は相ユニット13が2個のスイッチングユニット12P、12Nの直列回路で構成されている。スイッチングユニット12Pは、スイッチング素子SuP、SxP、ダイオードD1,D2で構成されるレグと、このレグに並列接続されたコンデンサC1を含む。スイッチングユニット12Nは、スイッチング素子SuN、SxN、ダイオードD3,D4で構成されるレグと、このレグに並列接続されたコンデンサC2を含む。スイッチングユニット12P及び12Nの接続点は、出力端10に接続される。   The control operation of the first embodiment will be described with reference to FIGS. In the power conversion device of FIG. 2, the phase unit 13 is configured by a series circuit of two switching units 12P and 12N. The switching unit 12P includes a leg composed of switching elements SuP and SxP and diodes D1 and D2, and a capacitor C1 connected in parallel to the leg. The switching unit 12N includes a leg composed of switching elements SuN and SxN, diodes D3 and D4, and a capacitor C2 connected in parallel to the leg. The connection point of the switching units 12P and 12N is connected to the output terminal 10.

相ユニット13には、2つの電源Vs1,Vs2の直列回路が並列に接続される。2つの電源Vs1,Vs2の出力電圧はそれぞれVdcであり、電源Vs1とVs2の接続点は接地点に接続される。制御部20は、三角波発生部21からの三角波と電圧指令値との比較に基づいて、スイッチングユニット12P、12Nを構成するスイッチング素子に対するゲート指令を生成する。   The phase unit 13 is connected in parallel with a series circuit of two power sources Vs1, Vs2. The output voltages of the two power sources Vs1 and Vs2 are Vdc, and the connection point between the power sources Vs1 and Vs2 is connected to the ground point. The control unit 20 generates a gate command for the switching elements constituting the switching units 12P and 12N based on the comparison between the triangular wave from the triangular wave generation unit 21 and the voltage command value.

直流電源の中性点を電圧基準の接地点(端子11)として、接地点からみた交流出力端10の電圧をVuとする。直流電源の正負それぞれの電圧をVdc、スイッチングユニットのコンデンサ電圧をVcとし、正側電源に接続されるスイッチングユニット12Pの出力電圧をVuP、負側電源に接続されるスイッチングユニット12Nの出力電圧をVuNとする。   Let the neutral point of the DC power source be a voltage-referenced ground point (terminal 11), and let the voltage at the AC output terminal 10 seen from the ground point be Vu. The positive and negative voltages of the DC power supply are Vdc, the capacitor voltage of the switching unit is Vc, the output voltage of the switching unit 12P connected to the positive power supply is VuP, and the output voltage of the switching unit 12N connected to the negative power supply is VuN. And

図3は図2の電力変換装置をCVCFインバータとして機能させる場合の動作を示し、縦軸は電圧、電流または電力の大きさを示し、横軸は交流出力の周期を示す。   FIG. 3 shows the operation when the power conversion device of FIG. 2 is made to function as a CVCF inverter, the vertical axis shows the magnitude of voltage, current or power, and the horizontal axis shows the cycle of AC output.

図2の回路で交流出力電圧として単相50Hzの交流を出力する動作は、以下の2つの動作モード、モードM1、モードM2からなる。   The operation of outputting a single-phase 50 Hz alternating current as an alternating current output voltage in the circuit of FIG. 2 includes the following two operation modes, mode M1 and mode M2.

(1)モードM1:負側スイッチングユニット12Nをゲートブロック、即ちスイッチング素子SuN,SxNのゲートを共にオフして正側スイッチングユニット12Pの出力電圧VuPを以下のように制御する。   (1) Mode M1: The negative side switching unit 12N is gate-blocked, that is, the gates of the switching elements SuN and SxN are both turned off, and the output voltage VuP of the positive side switching unit 12P is controlled as follows.

VuP=Vdc−VuRef
(VuRef:出力したい交流電圧指令)
この時、出力電圧Vuは以下のように出力される。
VuP = Vdc−VuRef
(VuRef: AC voltage command to be output)
At this time, the output voltage Vu is output as follows.

Vu=Vdc−VuP=Vdc−(Vdc−VuRef)=VuRef
図3(a)は出力電圧Vuおよび出力電流Iuを示す。図3(a)において、縦軸の10の大きさは電源電圧Vdcに相当し、モード1は期間T2,T4,T6のときのモードであり、電圧VuPは上側の斜線部に相当する。このモードM1のとき、スイッチングユニット12Pのスイッチング素子SuP、SxPは、図3(b)の上図に示すように、制御部20からのゲート指令に基づきスイッチングを行い、出力電圧VuPが発生される。モード切り替えのタイミングは後述される。
Vu = Vdc−VuP = Vdc− (Vdc−VuRef) = VuRef
FIG. 3A shows the output voltage Vu and the output current Iu. In FIG. 3A, the magnitude of 10 on the vertical axis corresponds to the power supply voltage Vdc, the mode 1 is a mode during periods T2, T4, and T6, and the voltage VuP corresponds to the upper shaded portion. In this mode M1, the switching elements SuP and SxP of the switching unit 12P perform switching based on the gate command from the control unit 20, as shown in the upper diagram of FIG. 3B, and the output voltage VuP is generated. . The mode switching timing will be described later.

(2)モードM2:正側スイッチングユニット12Pをゲートブロックして、負側スイッチングユニット12Nの出力電圧VuNを以下のように制御する。   (2) Mode M2: The positive side switching unit 12P is gate-blocked and the output voltage VuN of the negative side switching unit 12N is controlled as follows.

VuN=Vdc+VuRef
(VuRef:出力したい交流電圧指令)
この時、出力電圧Vuは以下のように出力される。
VuN = Vdc + VuRef
(VuRef: AC voltage command to be output)
At this time, the output voltage Vu is output as follows.

Vu=−Vdc+VuN=−Vdc+(Vdc+VuRef)
=VuRef
図3(a)において、モード2は期間T1,T3,T5のときのモードであり、電圧VuNは下側の斜線部に相当する。このモードM2のとき、スイッチングユニット12Nのスイッチング素子SuN、SxNは、図3(b)の下図に示すように、制御部20からのゲート指令に基づきスイッチングを行い、出力電圧VuNが発生される。
Vu = −Vdc + VuN = −Vdc + (Vdc + VuRef)
= VuRef
In FIG. 3A, mode 2 is a mode during periods T1, T3, and T5, and voltage VuN corresponds to the lower shaded portion. In this mode M2, the switching elements SuN and SxN of the switching unit 12N perform switching based on the gate command from the control unit 20, as shown in the lower diagram of FIG. 3B, and the output voltage VuN is generated.

図3(c)はスイッチングユニット12Pの出力端子間電圧VuP(太い実線),スイッチングユニット12Nの出力端子間電圧VuN(太い点線)を示す。図3(c)に示す電圧VuP、VuNの大きさは、図3(a)の斜線部の電圧VuP、VuNと同一である。制御部20は、図3(c)に示すような電圧指令値と、三角波発生器21により発生された三角波との比較に基づいて、スイッチングユニット12P,12Nに対するゲート指令を生成する。   FIG. 3C shows the voltage VuP between the output terminals of the switching unit 12P (thick solid line) and the voltage VuN between the output terminals of the switching unit 12N (thick dotted line). The magnitudes of the voltages VuP and VuN shown in FIG. 3C are the same as the voltages VuP and VuN in the shaded area in FIG. The control unit 20 generates a gate command for the switching units 12P and 12N based on the comparison between the voltage command value as shown in FIG. 3C and the triangular wave generated by the triangular wave generator 21.

図3(d)はスイッチングユニット12Pの入出力電流IuP(実線)及びスイッチングユニット12Nの入出力電流IuN(点線)を示す。図3(e)はコンデンサC1の充放電電力PowerP(実線)及びコンデンサC2の充放電電力PowerN(点線)を示し、プラス側の特性は充電電力を示し、マイナス側の特性は放電電力を示す。   FIG. 3D shows the input / output current IuP (solid line) of the switching unit 12P and the input / output current IuN (dotted line) of the switching unit 12N. FIG. 3E shows the charge / discharge power PowerP (solid line) of the capacitor C1 and the charge / discharge power PowerN (dotted line) of the capacitor C2, where the positive characteristic indicates the charge power and the negative characteristic indicates the discharge power.

上記モードM1においては、負側スイッチングユニット12Nはゲートブロック状態で動作停止しているため、交流負荷電流Iuは正側スイッチングユニット12Pを常に流れる。例えば期間T2のとき、スイッチング素子SuPがオン、SxPがオフであれば、電流は電源Vs1、ダイオードD1,コンデンサC1を介して出力端10から出力される。また期間T2のとき、スイッチング素子SuPがオフ、SxPがオンであれば、電流は電源Vs1、スイッチング素子SxPを介して出力端10から出力される。   In the mode M1, since the negative side switching unit 12N is stopped in the gate block state, the AC load current Iu always flows through the positive side switching unit 12P. For example, during the period T2, if the switching element SuP is on and SxP is off, current is output from the output terminal 10 via the power source Vs1, the diode D1, and the capacitor C1. In the period T2, if the switching element SuP is off and SxP is on, the current is output from the output terminal 10 via the power source Vs1 and the switching element SxP.

更に、期間T4又はT6のとき、スイッチング素子SuPがオン、SxPがオフであれば、電流は出力端10(負荷)から、コンデンサC1,スイッチング素子SuPを介して電源Vs1に流れ込む。また期間T4又はT6のとき、スイッチング素子SuPがオフ、SxPがオンであれば、電流は出力端10(負荷)から、ダイオードD2を介して電源Vs1に流れ込む。   Further, during the period T4 or T6, if the switching element SuP is on and SxP is off, current flows from the output terminal 10 (load) into the power source Vs1 via the capacitor C1 and the switching element SuP. In the period T4 or T6, if the switching element SuP is off and SxP is on, current flows from the output terminal 10 (load) to the power source Vs1 via the diode D2.

この時正側スイッチングユニット12PのコンデンサC1は、以下の式で表される電力PowerPによって充放電がなされる。   At this time, the capacitor C1 of the positive switching unit 12P is charged / discharged by the electric power PowerP expressed by the following equation.

PowerP=VuP×Iu=(Vdc−VuRef)×Iu
VuRefとIuが同位相すなわち力率1で動作し、例えばスイッチンユニット12Pのみで動作させた場合について計算すると、交流1周期でのPowerP(コンデンサC1の充放電電力)の平均値はマイナスとなる。すなわち、上記モードM1の動作のみで出力電圧制御を行うと、正側スイッチングユニット12Pのコンデンサ電圧平均値を一定に保つことができず、運転継続が不可能となる。
PowerP = VuP × Iu = (Vdc−VuRef) × Iu
When VuRef and Iu are operated in the same phase, that is, with a power factor of 1, for example, when operated with only the switching unit 12P, the average value of PowerP (charge / discharge power of the capacitor C1) in one AC cycle is negative. . That is, if the output voltage control is performed only by the operation of the mode M1, the capacitor voltage average value of the positive side switching unit 12P cannot be kept constant, and the operation cannot be continued.

同様に上記モードM2の動作のみで出力電圧制御行った場合、つまりスイッチンユニット12Nのみで動作した時も同様に、力率1で動作した時のPowerNは、交流1周期での平均値がプラスとなり、コンデンサ電圧平均値を一定に保つことができずに、運転継続が不可能となる。   Similarly, when the output voltage control is performed only by the operation of the mode M2, that is, when only the switching unit 12N is operated, the power N when operating at the power factor of 1 has a positive average value in one AC cycle. Thus, the capacitor voltage average value cannot be kept constant, and the operation cannot be continued.

本実施形態においては、この問題を解決するために、既に図3(b)に示したように、交流50Hzの1周期の正の半波と負の半波ごとに、上記モードM1の動作モードとモードM2の動作モードを切り替える。更に、動作モードの切り替えタイミング(位相角)が固定されていると、スイッチングユニットのコンデンサの充放電電力は、振幅指令変調率(以下変調率α)の増加(または減少)に応じてマイナス側(プラス側)に移行する。この変調率αとは、入力直流電圧と出力交流電圧の振幅比を示し、変調率が「1」のとき、入力直流電圧Vdcと出力交流電圧Vuの振幅は同一である。   In the present embodiment, in order to solve this problem, as already shown in FIG. 3 (b), the operation mode of the mode M1 is performed for each positive half wave and negative half wave of one cycle of AC 50 Hz. And the operation mode of mode M2 is switched. Further, when the operation mode switching timing (phase angle) is fixed, the charging / discharging power of the capacitor of the switching unit is negative (in accordance with the increase (or decrease) of the amplitude command modulation factor (hereinafter, modulation factor α) ( Move to the plus side). The modulation rate α indicates the amplitude ratio between the input DC voltage and the output AC voltage. When the modulation rate is “1”, the amplitudes of the input DC voltage Vdc and the output AC voltage Vu are the same.

そこで本実施形態では、交流電圧(交流電圧指令)の位相θに対して、出力電圧の変調率αに応じて図4に示すような最適な切替位相角θchgを予め演算にて求めておく。この切替位相角θchgは、変調率が大きいほど小さい値に設定されている。切替の位相角θchgに基づいて、図5に示すようにモード切替を行う。   Therefore, in the present embodiment, an optimum switching phase angle θchg as shown in FIG. 4 is previously obtained by calculation according to the modulation rate α of the output voltage with respect to the phase θ of the AC voltage (AC voltage command). The switching phase angle θchg is set to a smaller value as the modulation rate is larger. Based on the switching phase angle θchg, mode switching is performed as shown in FIG.

モード切替は、以下のようにして行う。   Mode switching is performed as follows.

1)θ<θchgのとき、モードM2
2)θchg<θ<π−θchgのとき、モードM1
3)π−θchg<θ<πのとき、モードM2
4)π<θ<π+θchgのとき、モードM1
5)π+θchg<θ<2π−θchgのとき、モードM2
6)2π−θchg<θ<2πのとき、モードM1
変調率αと切替位相角θとの関係は、以下のように示すことが出来る。すなわち、U相電圧Vu、U相電流Iuが以下のように表される時、
Vu=Vdc×(1+α・sinθ)
Iu=I×sinθ
以下の式を満たすように、θを決定する。

Figure 2013123330
1) Mode M2 when θ <θchg
2) Mode M1 when θchg <θ <π−θchg
3) Mode M2 when π−θchg <θ <π
4) Mode M1 when π <θ <π + θchg
5) When π + θchg <θ <2π−θchg, mode M2
6) Mode M1 when 2π−θchg <θ <2π
The relationship between the modulation factor α and the switching phase angle θ can be expressed as follows. That is, when the U-phase voltage Vu and the U-phase current Iu are expressed as follows:
Vu = Vdc × (1 + α · sin θ)
Iu = I × sin θ
Θ is determined so as to satisfy the following equation.
Figure 2013123330

これを満たすαとθの関係を示したのが図4である。   FIG. 4 shows the relationship between α and θ satisfying this.

尚、図3及び図5は共に、変調率として0.8が指令され、図4の点線で示すように、対応する切替位相角θchgを36゜に設定して動作させた場合を示している。   3 and 5 both show a case where 0.8 is commanded as the modulation rate and the operation is performed with the corresponding switching phase angle θchg set to 36 ° as shown by the dotted line in FIG. .

以上の構成により、高調波抑制フィルタなしに高調波レベルが低い電圧電流波形を力することができると共に、直流循環電流を流すことなくスイッチングユニットのコンデンサ電圧の平均値を一定に制御することが可能になる。従って、バッファリアクトルのような高コスト・大型のリアクトルを使用する必要がなく、小型の電力変換装置を提供することが可能になる。   With the above configuration, a voltage current waveform with a low harmonic level can be applied without a harmonic suppression filter, and the average value of the capacitor voltage of the switching unit can be controlled to be constant without flowing a DC circulating current. become. Therefore, it is not necessary to use a high-cost and large-sized reactor such as a buffer reactor, and it becomes possible to provide a small-sized power conversion device.

尚、モードM1とモードM2との切替は瞬時に行うものとして説明を行ったが、一方のスイッチングユニットをゲートブロックに制御した直後、回路のインダクタンス成分により、当該ユニットに電流が流れ続け、2つのスイッチングユニットが短絡状態となり過電流が流れることがある。この場合は2つのユニットを共にゲートブロックするデッドタイムを設けることで、このような過電流を防止できる。
次に、第2実施形態について説明する。図6は電力変換装置の第2実施形態の構成を示す図である。
The switching between the mode M1 and the mode M2 has been described as being instantaneous. However, immediately after one of the switching units is controlled to the gate block, the current continues to flow through the unit due to the inductance component of the circuit. The switching unit may be short-circuited and overcurrent may flow. In this case, such an overcurrent can be prevented by providing a dead time for gate-blocking the two units together.
Next, a second embodiment will be described. FIG. 6 is a diagram illustrating a configuration of the second embodiment of the power conversion device.

この電力変換装置は、電力系統で一般的な3相交流(R相、S相、T相)を、トランスTr1を介して変換器(1)〜(3)に入力し、直流に変換するコンバータを示す。トランスTr1の一次側は3相スター結線またはデルタ結線として、二次側を単相×3の合計6線に分割し、各相について図1に示す電力変換装置が変換器として設けられる。変換器(1)〜(3)の出力端を互いに並列に接続した上で直流電源(コンデンサC3)に接続される。   This power converter is a converter that inputs three-phase alternating current (R-phase, S-phase, T-phase), which is common in a power system, to converters (1) to (3) via a transformer Tr1 and converts it into direct current Indicates. The primary side of the transformer Tr1 is a three-phase star connection or a delta connection, the secondary side is divided into a total of six lines of single phase × 3, and the power conversion device shown in FIG. 1 is provided as a converter for each phase. The output terminals of the converters (1) to (3) are connected in parallel to each other and then connected to a DC power supply (capacitor C3).

本構成を用いることにより、3相交流から直流への電力変換においても、第1実施形態と同一の効果を得ることが可能になる。   By using this configuration, the same effect as in the first embodiment can be obtained even in power conversion from three-phase alternating current to direct current.

また、従来の図14に示すような直流/3相交流変換装置の回路から、バッファリアクトルを取り除いただけの図7のような回路の各相の制御に上記実施形態と同様の制御を施してもよい。   Further, the same control as in the above embodiment is applied to the control of each phase of the circuit as shown in FIG. 7 in which the buffer reactor is removed from the circuit of the conventional DC / 3-phase AC converter as shown in FIG. Also good.

次に第3実施形態を説明する。図8は電力変換装置の第3実施形態の構成をに示す図である。   Next, a third embodiment will be described. FIG. 8 is a diagram showing the configuration of the third embodiment of the power converter.

この電力変換装置は、電力系統で一般的な3相交流(R相、S相、T相)を上記第2実施形態のように、トランスTr2を介して変換器(1)〜(3)に入力し、直流に変換するコンバータを示す。トランスTr2の一次側は3相スター結線またはデルタ結線として、二次側を単相×3の合計6線に分割し、各相について図1に示す電力変換装置が変換器として設けられる。変換器(1)〜(3)の出力端を互いに直列に接続した上で直流電源(コンデンサC4)に接続する。   This power conversion device converts three-phase alternating current (R-phase, S-phase, T-phase) common in the power system to the converters (1) to (3) via the transformer Tr2 as in the second embodiment. The converter which inputs and converts into direct current is shown. The primary side of the transformer Tr2 is a three-phase star connection or a delta connection, the secondary side is divided into a total of six lines of single phase × 3, and the power conversion device shown in FIG. 1 is provided as a converter for each phase. The output terminals of the converters (1) to (3) are connected in series with each other and then connected to a DC power supply (capacitor C4).

次に、第4実施形態について説明する。図9は電力変換装置の第4実施形態の構成を示す図である。   Next, a fourth embodiment will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating a configuration of a fourth embodiment of the power conversion device.

第4実施形態における電力変換装置は、単相50Hzの電源を、絶縁トランスを介して直流に電力変換するコンバータである。   The power conversion device according to the fourth embodiment is a converter that converts a single-phase 50 Hz power source into direct current through an insulating transformer.

U相ユニットは、自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に2個接続したレグを1つと、コンデンサとを並列に接続してなるチョッパブリッジ単位変換器をスイッチングユニット12として、2×N個のスイッチングユニット12を直列に接続した相ユニットを構成する。図9の例ではN=2の例を示している。   The U-phase unit has 2 × N pieces of chopper bridge unit converters, each of which has two legs connected in series with a self-extinguishing capability and a capacitor connected in parallel. The phase unit which connected the switching unit 12 in series is comprised. In the example of FIG. 9, an example of N = 2 is shown.

V相ユニットは、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Sv、Syを2個直列接続した、従来の2レベルインバータと同様の構成である。U相とV相の2つの相ユニットを並列に接続した上で、直流電源(コンデンサC5)に接続する。   The V-phase unit has the same configuration as a conventional two-level inverter in which two legs Sv and Sy in which two switching elements having a self-extinguishing capability are connected in series are connected in series. Two phase units of U phase and V phase are connected in parallel and then connected to a DC power supply (capacitor C5).

U相の各スイッチングユニットの動作は、第1実施形態と基本的に同様であるが、モード切替のタイミング位相θchgは、V相の構成が異なることに起因して第1実施形態とは異なり、図10のグラフで示すことのできる関数で動作させる。   The operation of each U-phase switching unit is basically the same as in the first embodiment, but the mode switching timing phase θchg is different from that in the first embodiment due to the different V-phase configuration. It is operated by a function that can be shown by the graph of FIG.

V相のスイッチング動作は、いわゆる1パルス動作で、以下の条件分岐でスイッチングする。   The V-phase switching operation is a so-called one-pulse operation, and switching is performed according to the following conditional branch.

(1)VuRef>0の時、上側素子Svオン、下側素子Syオフ
(2)VuRef<0の時、上側素子Svオフ、下側素子Syオン
図11及び図12は、変調率として0.8が指令され、図10の点線で示すように、対応する切替位相角θchgを51゜に設定して動作させた場合を示している。
(1) When VuRef> 0, upper element Sv on, lower element Sy off (2) When VuRef <0, upper element Sv off, lower element Sy on FIG. 11 and FIG. 8 is commanded, and as shown by the dotted line in FIG. 10, the corresponding switching phase angle θchg is set to 51 ° to operate.

以上の構成によっても、第1実施形態と同様に、高調波抑制フィルタを用いずに高調波レベルの低い電圧電流波形を出力することができるとともに、直流循環電流を流すことなくスイッチングユニットのコンデンサ電圧の平均値を一定に制御することが可能になる。その結果、バッファリアクトルのような高コスト・大型のリアクトルを使用する必要がなく、小型の電力変換装置を提供することが可能になり、さらに図1の構成よりも少ない構成要素(スイッチング素子及びダイオード等)で実現が可能になる。   Even with the above configuration, a voltage current waveform having a low harmonic level can be output without using a harmonic suppression filter, and the capacitor voltage of the switching unit can be output without flowing a DC circulating current, as in the first embodiment. It becomes possible to control the average value of. As a result, it is not necessary to use a high-cost and large-sized reactor such as a buffer reactor, and it is possible to provide a small-sized power converter, and further, there are fewer components (switching elements and diodes) than the configuration of FIG. Etc.) can be realized.

次に、第5実施形態を図7および図13を参照して説明する。第5実施形態における電力変換装置は、3相50Hzの電源を、絶縁トランスを介して直流に電力変換する電力変換器(コンバータ)である。   Next, a fifth embodiment will be described with reference to FIGS. The power conversion device according to the fifth embodiment is a power converter (converter) that converts a three-phase 50 Hz power source into direct current through an insulating transformer.

図7のように、自己消弧能力を持つスイッチング素子を直列に2個接続したレグを1つと、コンデンサとを並列に接続してなるチョッパブリッジ単位変換器をスイッチングユニット12として、2×N個のスイッチングユニットを直列に接続した相ユニット14を構成する。U相、V相、W相の3つの相ユニット14を直流部で並列に接続した上で、直流側に接続される。   As shown in FIG. 7, a switching unit 12 is a 2 × N chopper bridge unit converter having one leg connected in series with two switching elements having self-extinguishing capability and a capacitor connected in parallel. The phase unit 14 in which the switching units are connected in series is configured. The three phase units 14 of U phase, V phase, and W phase are connected in parallel at the DC section and then connected to the DC side.

第5実施形態における制御動作を説明する。簡単のため、相ユニットは図2と同様に2個のスイッチングユニット12P、12Nで構成された場合を説明する。   A control operation in the fifth embodiment will be described. For simplicity, the case where the phase unit is composed of two switching units 12P and 12N as in FIG. 2 will be described.

直流電源の中性点を接地点として電圧基準とし、接地点からみた交流出力点の電圧をVuとする。直流電源の正負それぞれの電圧をVdc,スイッチングユニットのコンデンサ電圧をVcとし、電源正側に接続されるスイッチングユニットの出力電圧をVuP、電源負側に接続されるスイッチングユニットの出力電圧をVuNとする。   Let the neutral point of the DC power supply be the ground point and use the voltage as a reference, and let the voltage at the AC output point viewed from the ground point be Vu. The positive and negative voltages of the DC power supply are Vdc, the capacitor voltage of the switching unit is Vc, the output voltage of the switching unit connected to the positive side of the power supply is VuP, and the output voltage of the switching unit connected to the negative side of the power supply is VuN. .

図2の回路で交流出力電圧として単相50Hzの交流を出力するには、以下の3つの動作モードがある。   To output a single-phase 50 Hz alternating current as an alternating current output voltage in the circuit of FIG. 2, there are the following three operation modes.

(1)モードM1:負側スイッチングユニット12Nをゲートブロックして正側スイッチングユニット12Pの出力電圧VuPを以下のように制御する。   (1) Mode M1: The negative side switching unit 12N is gate-blocked and the output voltage VuP of the positive side switching unit 12P is controlled as follows.

正側スイッチングユニットVuP=Vdc−VuRef
(VuRefは、出力したい交流電圧指令)
この時、出力電圧Vuは以下のように出力される。
Positive side switching unit VuP = Vdc−VuRef
(VuRef is the AC voltage command you want to output)
At this time, the output voltage Vu is output as follows.

Vu=Vdc−VuP=Vdc−(Vdc−VuRef)=VuRef
(2)モードM2:正側スイッチングユニット12Pをゲートブロックして負側スイッチングユニット12Nの出力電圧VuNを以下のように制御する。
Vu = Vdc−VuP = Vdc− (Vdc−VuRef) = VuRef
(2) Mode M2: The positive side switching unit 12P is gate-blocked and the output voltage VuN of the negative side switching unit 12N is controlled as follows.

負側スイッチングユニットVuN=Vdc+VuRef
(VuRefは、出力したい交流電圧指令)
この時、出力電圧Vuは以下のように出力される。
Negative switching unit VuN = Vdc + VuRef
(VuRef is the AC voltage command you want to output)
At this time, the output voltage Vu is output as follows.

Vu=−Vdc+VuN=−Vdc+(Vdc+VuRef)=VuRef
(3)モードM3:正側スイッチングユニット12Pと負側スイッチングユニット12Nの出力電圧VuP、VuNを以下のように制御する。
Vu = −Vdc + VuN = −Vdc + (Vdc + VuRef) = VuRef
(3) Mode M3: The output voltages VuP and VuN of the positive side switching unit 12P and the negative side switching unit 12N are controlled as follows.

正側スイッチングユニットVuP=Vdc−VuRef
負側スイッチングユニットVuN=Vdc+VuRef
(VuRefは、出力したい交流電圧指令)
この時、出力電圧Vuは以下のように出力される。
Positive side switching unit VuP = Vdc−VuRef
Negative switching unit VuN = Vdc + VuRef
(VuRef is the AC voltage command you want to output)
At this time, the output voltage Vu is output as follows.

Vu=−Vdc+VuN=−Vdc+(Vdc+VuRef)=VuRef
=Vdc−VuP=Vdc−(Vdc−VuRef)=VuRef
このモードM3においては、正負両スイッチングユニットがスイッチング動作しているので、直流電源から、正側スイッチングユニット、負側スイッチングユニットの両方を通過して直流電流を流す経路が成立する。この経路を利用して、スイッチングユニットのコンデンサ電圧が低下した時には、充電する方向に電流Ichargeを流し、電圧が上昇した時には放電する方向に電流Ichargeを流すことにより、コンデンサ電圧の平均値を一定に保つことが出来る。
Vu = −Vdc + VuN = −Vdc + (Vdc + VuRef) = VuRef
= Vdc-VuP = Vdc- (Vdc-VuRef) = VuRef
In this mode M3, since both the positive and negative switching units perform the switching operation, a path for allowing a direct current to flow from the DC power source through both the positive switching unit and the negative switching unit is established. Using this path, when the capacitor voltage of the switching unit decreases, the current Icharge flows in the charging direction, and when the voltage increases, the current Icharge flows in the discharging direction, thereby making the average value of the capacitor voltage constant. I can keep it.

上記動作モードM1においては、負側スイッチングユニットはゲートブロックで動作停止しているため、交流負荷電流Iuは正側スイッチングユニットを常に通過する。   In the operation mode M1, since the negative side switching unit is stopped by the gate block, the AC load current Iu always passes through the positive side switching unit.

この時正側スイッチングユニットのコンデンサは、以下の式で表される電力PowerPによって充放電がなされる。   At this time, the capacitor of the positive side switching unit is charged / discharged by electric power PowerP expressed by the following equation.

PowerP=VuP×Iu=(Vdc−VuRef)×Iu
VuRefとIuが同位相すなわち力率1動作している場合について計算すると、交流1周期でのPowerPの平均値はマイナスとなる。すなわち、上記動作モードM1のみで出力電圧制御を行うと、正側スイッチングユニットのコンデンサ電圧平均値は一定に保つことができず、運転継続ができない。
PowerP = VuP × Iu = (Vdc−VuRef) × Iu
When calculating for the case where VuRef and Iu are operating in the same phase, that is, a power factor of 1, the average value of PowerP in one AC cycle is negative. That is, when the output voltage control is performed only in the operation mode M1, the capacitor voltage average value of the positive side switching unit cannot be kept constant, and the operation cannot be continued.

同様に上記動作モードM2のみで出力電圧制御行った場合も同様に、力率1時のPowerNは、交流1周期での平均値がプラスとなり、コンデンサ電圧平均値を一定に保つことができずに、運転継続できない。   Similarly, when the output voltage control is performed only in the operation mode M2, PowerN with a power factor of 1 has a positive average value in one AC cycle, and the capacitor voltage average value cannot be kept constant. The operation cannot be continued.

そこで本実施形態においては、この問題を解決するために、図13(a)、(b)のグラフで示すとおり、交流50Hzの1周期の正の半波と負の半波ごとの上記動作モードM1と動作モードM2の他に、動作モードM3を挿入して切り替える。電源交流と同期した位相θに対してモード切替を行う。   Therefore, in the present embodiment, in order to solve this problem, as shown in the graphs of FIGS. 13A and 13B, the operation mode for each positive half-wave and negative half-wave of AC 50 Hz is as described above. In addition to M1 and operation mode M2, operation mode M3 is inserted and switched. The mode is switched for the phase θ synchronized with the power supply AC.

1)0<θ<π/6のとき、モードM3
2)π/6<θ<π−π/6のとき、モードM1
3)π-π/6<θ<π+π/6のとき、モードM3
4)π+π/6<θ<2π−π/6のとき、モードM2
5)2π−π/6<θ<2πのとき、モードM3
モードM3は直流電源の正と負をつなぐ電流経路を形成するので、U相、V相、W相で同時にモードM3で動作させると相の間で短絡経路が形成され、過電流保護動作や過電流による素子破壊が発生してしまうが、上記のようにπ/6ごとにモードを切り替えることにより、モードM3となるタイミングがU相、V相、W相でずれるため、相間での短絡経路形成を防止できる。
1) Mode M3 when 0 <θ <π / 6
2) Mode M1 when π / 6 <θ <π−π / 6
3) Mode M3 when π-π / 6 <θ <π + π / 6
4) Mode M2 when π + π / 6 <θ <2π−π / 6
5) Mode M3 when 2π−π / 6 <θ <2π
Since the mode M3 forms a current path that connects the positive and negative of the DC power supply, if the U phase, V phase, and W phase are operated simultaneously in the mode M3, a short circuit path is formed between the phases, and overcurrent protection operation and overcurrent Although element destruction due to current occurs, the timing of switching to mode M3 is shifted between the U phase, V phase, and W phase by switching the mode every π / 6 as described above, so that a short circuit path is formed between the phases. Can be prevented.

正側ユニット12P、負側ユニット12Nに流す電流IuP、IuNは次の式で表す値に制御する。   The currents IuP and IuN that flow through the positive unit 12P and the negative unit 12N are controlled to values represented by the following equations.

1) 0<θ<π/6のとき、
IuP=Iu−Icharge
IuN=Icharge
2)π/6<θ<π−π/6のとき、
IuP=Iu
IuN=0
3)−1 π−π/6<θ<πのとき、
IuP=Iu−Icharge
IuN=Icharge
3)−2 π<θ<π+π/6のとき、
IuP=−Icharge
IuN=Iu+Icharge
4)π+π/6<θ<2π−π/6のとき
IuP=0
IuN=Iu
5)2π−π/6<θ<2πのとき、モードM3
IuP=−Icharge
IuN=Iu+Icharge
以上の構成により、高調波抑制フィルタなしに低高調波の電圧電流波形を出力することができるとともに、直流循環電流を流さなくてもスイッチングユニットのコンデンサ電圧の平均値を一定に制御することが可能になり、バッファリアクトルのような高コスト・大型のリアクトルをなくしても、小型の電力変換器を提供することが可能になる。
1) When 0 <θ <π / 6,
IuP = Iu-Icharge
IuN = Icharge
2) When π / 6 <θ <π−π / 6,
IuP = Iu
IuN = 0
3) -1 When π-π / 6 <θ <π,
IuP = Iu-Icharge
IuN = Icharge
3) -2 When π <θ <π + π / 6,
IuP = -Icharge
IuN = Iu + Icharge
4) When π + π / 6 <θ <2π−π / 6 IuP = 0
IuN = Iu
5) Mode M3 when 2π−π / 6 <θ <2π
IuP = -Icharge
IuN = Iu + Icharge
With the above configuration, it is possible to output a low-harmonic voltage current waveform without a harmonic suppression filter, and to control the average value of the capacitor voltage of the switching unit to a constant level without passing a DC circulating current. Thus, it is possible to provide a small power converter without the need for a high-cost and large-sized reactor such as a buffer reactor.

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、その他の様々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とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

11…レグ、12…スイッチングユニット、13…相ユニット、Vs1、Vs2…直流電源、Q1、SuP、SxP、SuN、SxN…スイッチング素子、Tr1,Tr2…トランス、C1〜C3…コンデンサ、D1〜D4…ダイオード。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Leg, 12 ... Switching unit, 13 ... Phase unit, Vs1, Vs2 ... DC power supply, Q1, SuP, SxP, SuN, SxN ... Switching element, Tr1, Tr2 ... Transformer, C1-C3 ... Capacitor, D1-D4 ... diode.

Claims (11)

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、該レグに並列に接続されたコンデンサを含む構成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単位アームを2回路直列に接続した相ユニットと、
前記相ユニット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、
前記相ユニットの最上端が直流電源の正側、最下端が直流電源の負側に接続され、前記直列接続された単位アームの相互接続点が交流端子として交流電源に接続される電力変換装置であって、
前記制御部は、
交流電源電圧の正負半波ごとの期間を、負側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子をすべてオフ状態にしたうえで、正側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間と、
前記正側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子を全てオフ状態にしたうえで、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間とに分割し、分割された各期間で制御を切替え、
前記交流電源電圧の一周期を通して、前記スイッチングユニットのコンデンサの充放電電流の積算値がゼロとなるように、交流電源電圧の一周期において前記制御の切替タイミングを設定して、前記スイッチング素子のオンオフを制御することを特徴とする電力変換装置。
A component including a leg in which two switching elements having a self-extinguishing capability are connected in series and a capacitor connected in parallel to the leg is configured as a switching unit,
A phase unit in which two or more unit arms in which one or more of the switching units are connected in series are connected in series;
A control unit for controlling each switching element constituting the phase unit,
A power conversion device in which the uppermost end of the phase unit is connected to the positive side of the DC power supply, the lowermost end is connected to the negative side of the DC power supply, and the interconnection point of the series-connected unit arms is connected to the AC power supply as an AC terminal. There,
The controller is
During the period of each positive and negative half wave of the AC power supply voltage, all switching elements of the switching unit that constitutes the negative unit arm are turned off, and then the switching elements of the switching unit that constitutes the positive unit arm are controlled on / off. And the period to
The switching elements of the switching units constituting the positive unit arm are all turned off and then divided into periods for controlling on / off of the switching elements of the switching units constituting the negative unit arm. Switch control in each period,
The switching timing of the control is set in one cycle of the AC power supply voltage so that the integrated value of the charge / discharge current of the capacitor of the switching unit becomes zero throughout the cycle of the AC power supply voltage, and the switching element is turned on / off. The power converter device characterized by controlling.
複数台の前記相ユニットの交流側に、前記相ユニットより出力される3相交流を3つの単相交流に分割する変圧器が接続される請求項1記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein a transformer that divides the three-phase alternating current output from the phase unit into three single-phase alternating currents is connected to the alternating-current side of the plurality of phase units. 前記相ユニットは、6台が並列接続されている請求項1又は2記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 1, wherein six of the phase units are connected in parallel. 前記相ユニットは、2台を並列に接続した相ブリッジと、
3つの前記相ブリッジの直流側が直列に接続された直列接続回路と、
前記直列接続回路の交流側に、3相交流を3つの単相交流に分割する変圧器と接続した請求項1又は2記載の電力変換装置。
The phase unit includes a phase bridge in which two units are connected in parallel;
A series connection circuit in which the DC sides of the three phase bridges are connected in series;
The power converter according to claim 1 or 2, wherein a transformer for dividing a three-phase alternating current into three single-phase alternating currents is connected to the alternating current side of the series connection circuit.
前記相ユニットが6台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。   Six of the phase units are connected in parallel to a DC power source, and the AC terminal is connected to the single-phase AC side of a transformer that divides the three-phase AC into three single-phase ACs. The power conversion device according to claim 1, wherein conversion is performed. 前記相ユニットを2台並列に接続したものを相ブリッジとして構成し、3つの相ブリッジが直列に接続され、該直列回路の両端が直流電源に接続され、
各相ブリッジの交流端子が、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に接続されることにより、直流と3相交流との電力変換が出来るようにしたことを特徴とする請求項1記載の電力変換装置。
Two phase units connected in parallel are configured as a phase bridge, three phase bridges are connected in series, and both ends of the series circuit are connected to a DC power source,
The AC terminal of each phase bridge is connected to the single-phase AC of the transformer that divides the 3-phase AC into three single-phase AC, so that power conversion between DC and 3-phase AC can be performed. The power conversion device according to claim 1.
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、該レグに並列に接続されたコンデンサを含む構成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単位アームを2回路直列に接続し、相互接続点を交流端子とした第1の相ユニットと、
直流電源の正負端子間に直列接続される少なくとも2つのスイッチング素子を含み、前記少なくとも2つのスイッチング素子の接続点を交流端子とした第二の相ユニットと、
前記第1及び第2相ユニット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、単相交流電源の一方が前記第1の相ユニットの交流端子に接続し、他方が第二の相ユニットの交流端子に接続される電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記第2の相ユニットを構成するスイッチング素子を交流電源電圧の正負と同期して1周期に1回のオンオフを行う1パルス動作で動作させ、
前記第1の相ユニットを構成するスイッチング素子については、前記交流電源電圧の正負半波ごとの期間を、負側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子をすべてオフ状態にしたうえで、正側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間と、
前記正側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子を全てオフ状態にしたうえで、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間とに分割し、分割された各期間で制御を切替え、
交流電源電圧の一周期を通して、前記スイッチングユニットのコンデンサの充放電電流の積算値がゼロとなるように、交流電源電圧の一周期において前記制御の切替タイミングを設定して、前記スイッチング素子のオンオフを制御することを特徴とする電力変換装置。
A component including a leg in which two switching elements having a self-extinguishing capability are connected in series and a capacitor connected in parallel to the leg is configured as a switching unit,
A first phase unit having two or more unit arms connected in series with one or more switching units connected in series and having an interconnection point as an AC terminal;
A second phase unit including at least two switching elements connected in series between positive and negative terminals of a DC power source, and having a connection point of the at least two switching elements as an AC terminal;
A control unit that controls each switching element constituting the first and second phase units, wherein one of the single-phase AC power supplies is connected to the AC terminal of the first phase unit, and the other is the second phase. A power converter connected to the AC terminal of the unit,
The controller is
The switching element constituting the second phase unit is operated in a one-pulse operation that is turned on and off once per cycle in synchronization with the positive and negative of the AC power supply voltage,
With respect to the switching elements constituting the first phase unit, the positive and negative half-wave periods of the AC power supply voltage are set to the positive state after all switching elements of the switching units constituting the negative unit arm are turned off. A period for controlling on / off of the switching element of the switching unit constituting the side unit arm;
The switching elements of the switching units constituting the positive unit arm are all turned off and then divided into periods for controlling on / off of the switching elements of the switching units constituting the negative unit arm. Switch control in each period,
The switching timing of the control is set in one cycle of the AC power supply voltage so that the integrated value of the charge / discharge current of the capacitor of the switching unit becomes zero throughout one cycle of the AC power supply voltage, and the switching element is turned on / off. The power converter characterized by controlling.
前記第1及び第2相ユニットが3組並列に接続され、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7記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 7, wherein three sets of the first and second phase units are connected in parallel to perform power conversion between direct current and three-phase alternating current. 前記第1及び第2相ユニットの並列回路が3組直列に接続され、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7記載の電力変換装置。   The power converter according to claim 7, wherein three sets of parallel circuits of the first and second phase units are connected in series to perform power conversion between direct current and three-phase alternating current. 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、該レグに並列に接続されたコンデンサを含む構成要素を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単位アームを2回路直列に接続し、相互接続点を交流端子とした第1の相ユニットと、直流電源の正負端子間に直列接続される少なくとも2つのスイッチング素子を含み、前記少なくとも2つのスイッチング素子の接続点を交流端子とした第二の相ユニットと、前記第1及び第2相ユニット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、単相交流電源の一方が前記第1の相ユニットの交流端子に接続し、他方が第二の相ユニットの交流端子に接続される電力変換装置であって、
前記制御部は、
前記第二の相ユニットを構成するスイッチング素子を交流電源電圧の正負と同期して1周期に1回のオンオフを行う1パルス動作で動作させ、
前記第1の相ユニットを構成するスイッチング素子については、前記交流電源電圧の正負に応じて、負側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子をすべてオフ状態にしたうえで、正側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間と、
前記正側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子を全てオフ状態にしたうえで、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間とに分割し、分割された各期間で制御を切替え、
交流電源電圧の一周期を通して、前記スイッチングユニットのコンデンサの充放電電流の積算値がゼロとなるように、交流電源電圧の半サイクルの中で前記制御の切替タイミングを設定して、前記スイッチング素子のオンオフを制御することを特徴とする電力変換装置。
A component including a leg in which two switching elements having a self-extinguishing capability are connected in series and a capacitor connected in parallel to the leg is configured as a switching unit.
At least two units connected in series between a first phase unit having two or more unit arms connected in series with one or more switching units connected in series and having an interconnection point as an AC terminal, and a positive / negative terminal of a DC power supply A second phase unit including a switching element and having the connection point of the at least two switching elements as an AC terminal; and a control unit that controls each switching element constituting the first and second phase units; One of the single-phase AC power supplies is a power converter connected to the AC terminal of the first phase unit, and the other is connected to the AC terminal of the second phase unit,
The controller is
The switching elements constituting the second phase unit are operated in a one-pulse operation that is turned on and off once per cycle in synchronization with the positive and negative of the AC power supply voltage,
With respect to the switching elements constituting the first phase unit, the switching elements of the switching unit constituting the negative unit arm are all turned off in accordance with the positive / negative of the AC power supply voltage, and then the positive unit arm A period for controlling on / off of the switching element of the switching unit constituting
The switching elements of the switching units constituting the positive unit arm are all turned off and then divided into periods for controlling on / off of the switching elements of the switching units constituting the negative unit arm. Switch control in each period,
The switching timing of the control is set in a half cycle of the AC power supply voltage so that the integrated value of the charging / discharging current of the capacitor of the switching unit becomes zero through one cycle of the AC power supply voltage. A power converter characterized by controlling on / off.
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、該レグに並列に接続されたコンデンサを含む構成要素を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単位アームを2回路直列に接続した相ユニットと、
前記相ユニット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、
前記相ユニットの最上端が直流電源の正側、最下端が直流電源の負側に接続され、前記直列接続された単位アームの相互接続点が交流端子として交流電源に接続される電力変換装置であって、
前記制御部は、
交流電源電圧の正負半波ごとの期間を、負側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子をすべてオフ状態にしたうえで、正側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間と、
前記正側の単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子を全てオフ状態にしたうえで、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子のオンオフを制御する期間と、
前記正側の単位アームを構成するスイッチングユニットと、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子の両方をオンオフ動作をさせる期間とに分割して、交流電源電圧の一周期のなかで制御動作を切替え、
前記正側の単位アームを構成する単位ユニットと、前記負側単位アームを構成するスイッチングユニットのスイッチング素子の両方をオンオフ動作をさせる期間には、前記スイッチングユニットを構成するコンデンサの電圧が平均値として一定となるように、直流電源からの電流を制御することを特徴とする電力変換装置。
A component including a leg in which two switching elements having a self-extinguishing capability are connected in series and a capacitor connected in parallel to the leg is configured as a switching unit.
A phase unit in which two or more unit arms in which one or more of the switching units are connected in series are connected in series;
A control unit for controlling each switching element constituting the phase unit,
A power conversion device in which the uppermost end of the phase unit is connected to the positive side of the DC power supply, the lowermost end is connected to the negative side of the DC power supply, and the interconnection point of the series-connected unit arms is connected to the AC power supply as an AC terminal. There,
The controller is
During the period of each positive and negative half wave of the AC power supply voltage, all switching elements of the switching unit that constitutes the negative unit arm are turned off, and then the switching elements of the switching unit that constitutes the positive unit arm are controlled on / off. And the period to
A period for controlling on / off of the switching elements of the switching unit constituting the negative unit arm, after all the switching elements of the switching unit constituting the positive unit arm are turned off,
Control is performed in one cycle of the AC power supply voltage by dividing the switching unit that constitutes the positive unit arm and the switching element of the switching unit that constitutes the negative unit arm into a period during which the on / off operation is performed. Switch operation,
During the period in which both the unit unit constituting the positive unit arm and the switching element of the switching unit constituting the negative unit arm are turned on / off, the voltage of the capacitor constituting the switching unit is averaged. A power converter that controls a current from a DC power supply so as to be constant.
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