JP2015091210A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電力変換装置に於いて、リアクトル無しに零相電流を限流する。
【解決手段】６個の単位セル１２１が直列に接続されたクラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕと、各一次巻線１１１ｕｖ，１１１ｖｗ，１１１ｗｕと各二次巻線１１２ｕｖ，１１２ｖｗ，１１２ｗｕとが巻回されて磁気結合した各脚１１３ｕｖ，１１３ｖｗ，１１３ｗｕを有する変圧器１１とを備えており、二次巻線１１２ｕｖ，１１２ｖｗ，１１２ｗｕの両端は、それぞれ各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕの両端に接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、１または複数の単位セルが直列接続されたクラスタを複数備えた電力変換装置に関する。

モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子を使用して、これらスイッチング素子の耐圧以上の電圧を、出力側に印加することが可能な電力変換器である。

特許文献１の明細書の段落０００２には、「デルタ結線カスケード・マルチレベル変換器（以下、ＣＭＣと称す）は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子を使用し、このスイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる回路方式である。〔非特許文献１〕によれば、デルタ結線ＣＭＣは複数の単位セルの直列体であるクラスタと単相リアクトルとの直列体３つをデルタ結線して構成される。」と記載されている。
特許文献１の明細書の段落０００３には、「各単位セルは単相フルブリッジ回路であり、スイッチング素子と直流コンデンサを備えている。単位セルはスイッチング素子のオン・オフを制御することによって、直流コンデンサ電圧，直流コンデンサ電圧の逆極性の電圧、または零電圧を出力する。」と記載されている。

特許文献１の明細書の段落０００４には、「各クラスタは１つまたは複数の単位セルの直列体であるため、各クラスタの出力電圧（以下、クラスタ電圧と呼称）は該クラスタに含まれる１つまたは複数の単位セルの出力電圧の和となる。各クラスタが複数の単位セルを含む場合、該クラスタ内の各単位セルのスイッチング・タイミングを適切にシフトすることによって、クラスタ電圧をマルチレベル波形とすることができる。したがって、各クラスタに含まれる単位セルの個数を増加することによって、クラスタ電圧の高調波成分を低減できる。」と記載されている。

特許文献１の明細書の段落０００５には、「電力系統と連系したデルタ結線ＣＭＣを、例えば自励式無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）として運転することが可能である。」と記載されている。
デルタ結線ＭＭＣは、３つのクラスタが各々単位セルの出力電圧の和を印加する三相電圧源と見做すことができる。デルタ結線ＭＭＣを電力系統に連系する場合、電力系統の系統電圧とデルタ結線ＭＭＣの出力電圧の差電圧が、電力系統とデルタ結線ＭＭＣとの間のインピーダンスに印加され、電流が流れる。これにより、電力系統とデルタ結線ＭＭＣの間で、有効電力や無効電力を授受できる。

特開２０１１−１７６９５５号公報

デルタ結線ＭＭＣの各クラスタ電圧は、理想的な正弦波ではなく、各クラスタに含まれる単位セルのスイッチングによって生成されるマルチレベル波形となる。
特許文献１の図４、または、本願の図３に示されるように、単位セルのスイッチングによって生成されるマルチレベル波形は、３つのクラスタ電圧の和が零にならない成分を含んでいる。以下、３つのクラスタ電圧の和を、零相電圧という。

特許文献１に記載の電力変換装置は、図１に示されるように、各クラスタと単相リアクトルから構成される循環回路が存在する。この電力変換装置は、単相リアクトルを接続していない場合、零相電圧に起因して、３つのクラスタを循環する電流（以下、零相電流という。）が過大となり、各クラスタの単位セルを構成するＩＧＢＴが破壊される虞がある。このため、特許文献１に記載の電力変換装置は、零相電流を限流するため、単相リアクトルを設ける必要があった。

そこで、本発明は、リアクトル無しに零相電流を限流できる電力変換装置を提供することを課題とする。

前記した課題を解決するため、本発明の電力変換装置は、以下のように構成した。
すなわち、請求項１に記載の電力変換装置は、１または複数の単位セルが直列に接続されたクラスタと、一次巻線と二次巻線とが巻回されて磁気結合した脚を少なくとも３つ有する変圧器とを備えており、前記二次巻線の両端は、それぞれ前記クラスタの両端に接続されていることを特徴とする。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。

本発明によれば、リアクトル無しに零相電流を限流する電力変換装置を提供することが可能となる。

第１の実施形態に於ける電力変換装置を示す概略の構成図である。 第１の実施形態に於ける単位セルの構成と動作とを示す図である。 第１の実施形態に於けるクラスタ電圧の波形例を示す図である。 第１の実施形態に於ける零相電流の経路を示す図である。 第２の実施形態に於ける電力変換装置を示す概略の構成図である。 第２の実施形態に於ける単位セルの構成と動作とを示す図である。 第３の実施形態に於ける電力変換装置を示す概略の構成図である。

以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
第１の実施形態では、特許文献１の発明から単相リアクトルを不要とし、電力変換装置１の部品点数を削減している。

図１は、第１の実施形態に於ける電力変換装置１を示す概略の構成図である。
電力変換装置１は、電力系統２に接続されており、この電力系統２と連系している。
電力変換装置１は、変圧器１１と、ｕｖ相のクラスタ１２ｕｖと、ｖｗ相のクラスタ１２ｖｗと、ｗｕ相のクラスタ１２ｗｕと、制御部１３と、電圧計１４ｕｖ，１４ｖｗ，１４ｗｕとを備えている。電力変換装置１は、三相のＭＭＣである。
以下、変圧器１１の接続に於いて、電力系統２などが接続されている方を「一次側」とし、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕが接続されている方を「二次側」として説明する。

変圧器１１は、三相変圧器であり、三脚鉄心が使用されている。変圧器１１は、脚１１３ｕｖ，１１３ｖｗ，１１３ｗｕを備えている。脚１１３ｕｖには、ｕｖ相の一次巻線１１１ｕｖと二次巻線１１２ｕｖとが巻回されて磁気結合している。脚１１３ｖｗには、ｖｗ相の一次巻線１１１ｖｗと二次巻線１１２ｖｗとが巻回されて磁気結合している。脚１１３ｗｕには、ｗｕ相の一次巻線１１１ｗｕと二次巻線１１２ｗｕとが巻回されて磁気結合している。

ｕｖ相のクラスタ１２ｕｖと、ｖｗ相のクラスタ１２ｖｗと、ｗｕ相のクラスタ１２ｗｕとは、それぞれ６個の単位セル１２１が直列接続されている。図１では、２個の単位セル１２１が代表して示されている。しかし、これに限られず、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕは、それぞれ１以上の任意個数の単位セル１２１が接続されていてもよい。
変圧器１１のｕｖ相の二次巻線１１２ｕｖの両端は、ｕｖ相のクラスタ１２ｕｖの両端と接続されている。変圧器１１のｖｗ相の二次巻線１１２ｖｗの両端は、ｖｗ相のクラスタ１２ｖｗの両端と接続されている。変圧器１１のｗｕ相の二次巻線１１２ｗｕの両端は、ｗｕ相のクラスタ１２ｗｕの両端と接続されている。

変圧器１１のｕｖ相の一次巻線１１１ｕｖは、電力系統２のｕ相とｖ相との間に接続されている。変圧器１１のｖｗ相の一次巻線１１１ｖｗは、電力系統２のｖ相とｗ相との間に接続されている。変圧器１１のｗｕ相の一次巻線１１１ｗｕは、電力系統２のｗ相とｕ相との間に接続されている。すなわち、変圧器１１の一次巻線１１１ｕｖ，１１１ｖｗ，１１１ｗｕは、デルタ結線されて電力系統２に接続される。
電圧計１４ｕｖは、電力系統２のｕ相とｖ相との間に接続されて、その線間電圧Ｖｓｕｖを計測するものである。電圧計１４ｖｗは、電力系統２のｖ相とｗ相との間に接続されて、その線間電圧Ｖｓｖｗを計測するものである。電圧計１４ｗｕは、電力系統２のｗ相とｕ相との間に接続されて、その線間電圧Ｖｓｗｕを計測するものである。各電圧計１４ｕｖ，１４ｖｗ，１４ｗｕは更に、光ファイバ（不図示）によって制御部１３に接続され、計測した電圧情報を送信する。
制御部１３は、光ファイバ（不図示）によって電圧計１４ｕｖ，１４ｖｗ，１４ｗｕおよび各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕを構成する単位セル１２１に接続されている。制御部１３は、各電圧計１４ｕｖ，１４ｖｗ，１４ｗｕが計測した各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕに基づいて、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを制御するものである。

ここで、各電圧と各電流とを以下のように定義する。
ｕｖ相のクラスタ１２ｕｖの両端の電圧は、クラスタ電圧Ｖｕｖである。ｖｗ相のクラスタ１２ｖｗの両端の電圧は、クラスタ電圧Ｖｖｗである。ｗｕ相のクラスタ１２ｗｕの両端の電圧は、クラスタ電圧Ｖｗｕである。

ｕｖ相のクラスタ１２ｕｖと、変圧器１１のｕｖ相の二次巻線１１２ｕｖとの間には、二次側電流Ｉｕｖ２が流れる。ｖｗ相のクラスタ１２ｖｗと、変圧器１１のｖｗ相の二次巻線１１２ｖｗとの間には、二次側電流Ｉｖｗ２が流れる。ｗｕ相のクラスタ１２ｗｕと、変圧器１１のｗｕ相の二次巻線１１２ｗｕとの間には、二次側電流Ｉｗｕ２が流れる。

変圧器１１のｕｖ相の二次巻線１１２ｕｖの両端には、二次側電圧Ｖｕｖ２が印加される。二次側電圧Ｖｕｖ２と、クラスタ電圧Ｖｕｖとは同一である。
変圧器１１のｖｗ相の二次巻線１１２ｖｗの両端には、二次側電圧Ｖｖｗ２が印加される。二次側電圧Ｖｖｗ２と、クラスタ電圧Ｖｖｗとは同一である。
変圧器１１のｗｕ相の二次巻線１１２ｗｕの両端には、二次側電圧Ｖｗｕ２が印加される。二次側電圧Ｖｗｕ２と、クラスタ電圧Ｖｗｕとは同一である。
変圧器１１のｕｖ相の一次巻線１１１ｕｖの両端の電圧は、一次側電圧Ｖｕｖ１である。変圧器１１のｖｗ相の一次巻線１１１ｖｗの両端の電圧は、一次側電圧Ｖｖｗ１である。変圧器１１のｗｕ相の一次巻線１１１ｗｕの両端の電圧は、一次側電圧Ｖｗｕ１である。

変圧器１１のｕｖ相の一次巻線１１１ｕｖには、一次側電流Ｉｕｖ１が流れる。一次側電流Ｉｕｖ１が流れる方向と、一次側電圧Ｖｕｖ１の正方向とは同一である。
変圧器１１のｖｗ相の一次巻線１１１ｖｗには、一次側電流Ｉｖｗ１が流れる。一次側電流Ｉｖｗ１が流れる方向と、一次側電圧Ｖｖｗ１の正方向とは同一である。
変圧器１１のｗｕ相の一次巻線１１１ｗｕには、一次側電流Ｉｗｕ１が流れる。一次側電流Ｉｗｕ１が流れる方向と、一次側電圧Ｖｗｕ１の正方向とは同一である。

電力系統２のｕ相には、電力変換装置１から電力系統２への方向に、系統電流Ｉｓｕが流れる。電力系統２のｖ相には、電力変換装置１から電力系統２への方向に、系統電流Ｉｓｖが流れる。電力系統２のｗ相には、電力変換装置１から電力系統２への方向に、系統電流Ｉｓｗが流れる。
電力系統２のｕ相とｖ相との間の電圧は、線間電圧Ｖｓｕｖである。線間電圧Ｖｓｕｖは、電圧計１４ｕｖによって計測される。
電力系統２のｖ相とｗ相との間の電圧は、線間電圧Ｖｓｖｗである。線間電圧Ｖｓｖｗは、電圧計１４ｖｗによって計測される。
電力系統２のｗ相とｕ相との間の電圧は、線間電圧Ｖｓｗｕである。線間電圧Ｖｓｗｕは、電圧計１４ｗｕによって計測される。

図２（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に於ける単位セル１２１の構成と動作とを示す図である。
図２（ａ）は、第１の実施形態に於ける単位セル１２１を示す概略の構成図である。
単位セル１２１は、ｘ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１１と、ｘ相のローサイド側のスイッチング素子１２１２と、ｙ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１３と、ｙ相のローサイド側のスイッチング素子１２１４と、直流コンデンサ１２１５と、電圧計１２１６と、ゲートドライバ１２１７とを備えている。スイッチング素子１２１１〜１２１４は、ＩＧＢＴやＧＴＯ（Gate Turn-Off thyristor）などに代表される自己消弧素子であり、更にダイオードが逆方向に接続されている。

ｘ相は、この単位セル１２１の正側端子１２１８に接続され、更にスイッチング素子１２１１のエミッタと、スイッチング素子１２１２のコレクタに接続されている。
ｙ相は、この単位セル１２１の負側端子１２１９に接続され、更にスイッチング素子１２１３のエミッタと、スイッチング素子１２１４のコレクタに接続されている。
スイッチング素子１２１１のコレクタと、スイッチング素子１２１３のコレクタとは、直流コンデンサ１２１５の一端に接続されている。スイッチング素子１２１２のエミッタと、スイッチング素子１２１４のエミッタとは、電圧印加手段である直流コンデンサ１２１５の他端に接続されている。
すなわち、スイッチング素子１２１１〜１２１４は、フルブリッジ回路を構成している。このフルブリッジ回路の直流側には、電圧印加手段である直流コンデンサ１２１５が接続されている。直流コンデンサ１２１５は、その両端に電圧ｖｃｋｊを印加する電圧印加手段である。ここでｋはｕｖ相、ｖｗ相、ｗｕ相のいずれかを示し、ｊは単位セル１２１の番号を示す。
このフルブリッジ回路の交流側は、ｘ相およびｙ相である。ｘ相は、正側端子１２１８に接続されている。ｙ相は、負側端子１２１９に接続されている。正側端子１２１８と負側端子１２１９との間の電圧は、単位セル電圧ｖｋｊである。
各スイッチング素子１２１１〜１２１４のゲートは、それぞれゲートドライバ１２１７に接続されている。ゲートドライバ１２１７は、光ファイバ（不図示）を介して制御部１３（図１参照）に接続されている。制御部１３は、光ファイバ（不図示）を介して、制御信号をゲートドライバ１２１７に送信することにより、各スイッチング素子１２１１〜１２１４のオン・オフ制御を行う。
電圧計１２１６は、直流コンデンサ１２１５の両端に接続されて電圧ｖｃｋｊを計測し、光ファイバ（不図示）を介して、計測した電圧ｖｃｋｊの情報を制御部１３に出力するものである。

図２（ｂ）は、単位セル１２１に正電圧を印加させる方法を説明した図である。
図２（ｂ）に示す場合は、ｘ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１１がオン、ｘ相のローサイド側のスイッチング素子１２１２がオフ、ｙ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１３がオフ、ｙ相のローサイド側のスイッチング素子１２１４がオンである。このとき、単位セル電圧ｖｋｊは、この単位セル１２１に流れる電流に関係なく、ほぼ、直流コンデンサ１２１５が印加する電圧ｖｃｋｊと等しくなる。ここでは、直流コンデンサ１２１５が印加する電圧ｖｃｋｊを、正電圧という。

図２（ｃ）は、単位セル１２１に零電圧を印加させる方法を説明した図である。
図２（ｃ）に示す場合は、ｘ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１１がオン、ｘ相のローサイド側のスイッチング素子１２１２がオフ、ｙ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１３がオン、ｙ相のローサイド側のスイッチング素子１２１４がオフである。このとき、単位セル電圧ｖｋｊは、この単位セル１２１に流れる電流に関係なく、ほぼ０［Ｖ］となる。
同様に、ｘ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１１がオフ、ｘ相のローサイド側のスイッチング素子１２１２がオン、ｙ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１３がオフ、ｙ相のローサイド側スイッチング素子１２１４がオンの場合にも、単位セル電圧ｖｋｊは、各単位セル１２１に流れる電流に関係なく、ほぼ０［Ｖ］となる。

図２（ｄ）は、単位セル１２１に負電圧を印加させる方法を説明した図である。
図２（ｄ）に示す場合は、ｘ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１１がオフ、ｘ相のローサイド側のスイッチング素子１２１２がオン、ｙ相のハイサイド側のスイッチング素子１２１３がオン、ｙ相のローサイド側のスイッチング素子１２１４がオフである。このとき、単位セル電圧ｖｋｊは、この単位セル１２１に流れる電流に関係なく、ほぼ、直流コンデンサ１２１５が印加する電圧の逆である負電圧（−ｖｃｋｊ）と等しくなる。
よって、各単位セル１２１は、この単位セル１２１に流れる電流に関係なく、正電圧ｖｃｋｊ、零電圧（０）、または、負電圧（−ｖｃｋｊ）を印加する電圧源と見做すことができる。

次に、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕについて説明する。
第１の実施形態の電力変換装置１の制御部１３は、キャリア位相シフトＰＷＭ（Pulse-Width Modulation）により、各単位セル１２１に含まれる各スイッチング素子１２１１〜１２１４のオン・オフ制御を行う。
第１の実施形態の電力変換装置１は、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕのそれぞれが６個の単位セル１２１を含み、各単位セル１２１の三角波キャリア信号の周波数は、基本波周波数の９倍である。しかし、これに限られず、単位セル１２１の個数や、キャリア信号の周波数は、他の値であってもよい。

図３（ａ）〜（ｄ）は、第１の実施形態に於ける各クラスタ電圧の波形例を示す図である。
図３（ａ）は、クラスタ電圧Ｖｕｖの波形を示している。図の縦軸は、クラスタ電圧Ｖｕｖを任意の単位［ａ．ｕ．］（Arbitrary Unit）で表わしている。
図３（ｂ）は、クラスタ電圧Ｖｖｗの波形を示している。図の縦軸は、クラスタ電圧Ｖｖｗを任意の単位［ａ．ｕ．］で表わしている。
図３（ｃ）は、クラスタ電圧Ｖｗｕの波形を示している。図の縦軸は、クラスタ電圧Ｖｗｕを任意の単位［ａ．ｕ．］で表わしている。
図３（ｄ）は、和電圧Ｖｕｖ＋Ｖｖｗ＋Ｖｗｕの波形を示している。図の縦軸は、和電圧Ｖｕｖ＋Ｖｖｗ＋Ｖｗｕを任意の単位［ａ．ｕ．］で表わしている。
図３（ａ）〜（ｄ）の横軸は、πを単位として位相角をラジアン［ｒａｄ］で表わしている。
第１の実施形態の電力変換装置１は、クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の振幅を等しく設定し、基本波成分の位相を互いに（２π／３）［ｒａｄ］ずつシフトさせている。
図３（ａ）〜（ｃ）に示すように、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕは、正負２レベル×単位セル１２１の個数（６）＋１（零電圧のレベル）＝１３レベルの波形となる。
ここで、１または複数の単位セル１２１が直列接続されている各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕは、これらに流れる二次側電流Ｉｕｖ２，Ｉｖｗ２，Ｉｗｕ２に関係なく、１または複数の単位セル１２１の出力電圧の和を印加する電圧源と見做すことができる。
各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕは、基本波成分と高調波成分とを含んでいる。

図３（ｄ）に示すクラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの和電圧Ｖｕｖ＋Ｖｖｗ＋Ｖｗｕには基本波成分が含まれていない。しかし、和電圧Ｖｕｖ＋Ｖｖｗ＋Ｖｗｕは、０にはならず、零相成分を含んでいる。この零相成分の時間積分に比例した電流は、零相電流Ｉ０である。ただし、図３（ａ）〜（ｄ）の波形は一例であり、クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕが零相基本波成分や、スイッチング周波数以下の任意の次数の高調波成分を含むように制御することも可能である。

図４は、第１の実施形態に於ける零相電圧Ｖ０と零相電流Ｉ０の経路を示す図である。図１と同一の要素には同一の符号を付与している。
ｕｖ相のクラスタ１２ｕｖの零相電圧Ｖ０は、変圧器１１の二次巻線１１２ｕｖに印加され、この零相成分の時間積分に比例して、零相電流Ｉ０が流れる。ｕｖ相の零相電流Ｉ０は、クラスタ１２ｕｖと、変圧器１１の二次巻線１１２ｕｖとが作る閉回路を流れるので、二次巻線１１２ｕｖのインダクタンスによって限流される。
同様にｖｗ相のクラスタ１２ｖｗの零相電圧Ｖ０は、変圧器１１の二次巻線１１２ｖｗに印加され、この零相成分の時間積分に比例して、零相電流Ｉ０が流れる。ｖｗ相の零相電流Ｉ０は、クラスタ１２ｖｗと、変圧器１１の二次巻線１１２ｖｗとが作る閉回路を流れるので、二次巻線１１２ｖｗのインダクタンスによって限流される。
同様にｗｕ相のクラスタ１２ｗｕの零相電圧Ｖ０は、変圧器１１の二次巻線１１２ｗｕに印加され、この零相成分の時間積分に比例して、零相電流Ｉ０が流れる。ｗｕ相の零相電流Ｉ０は、クラスタ１２ｗｕと、変圧器１１の二次巻線１１２ｗｕとが作る閉回路を流れるので、二次巻線１１２ｗｕのインダクタンスによって限流される。
このようにすることで、第１の実施形態の電力変換装置１は、変圧器１１の二次巻線１１２ｕｖ，１１２ｖｗ，１１２ｗｕのインダクタンスによって零相電流Ｉ０を限流することができる。これにより、電力変換装置１は、単層リアクトルを削減することができ、装置の小型化と低コスト化を実現することができる。

以下、適宜図１、図２を参照しつつ、第１の実施形態に於ける電力変換装置１の電流Ｉｕｖ，Ｉｖｗ，Ｉｗｕの制御方法を説明する。
電力変換装置１の制御部１３は、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕの各単位セル１２１の直流コンデンサ１２１５の電圧、および、単位セル１２１に含まれる各スイッチング素子１２１１〜１２１４のオン・オフ制御によって、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを決定する。すなわち、制御部１３は、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕの各単位セル１２１の直流コンデンサ１２１５の電圧を検出し、所望の電圧値になるように、単位セル１２１に含まれるスイッチング素子１２１１〜１２１４をオン・オフさせて、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを制御する。

先ず、電力変換装置１が自励式無効電力補償装置として、電力系統２に進相無効電力を供給する場合について説明する。
電力変換装置１の制御部１３は、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕを検出し、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の周波数と位相を各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの周波数と位相に一致させ、かつ、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の振幅が各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの振幅よりも小さくなるように制御する。
この場合、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１の位相は、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの位相に対して９０度進んでいる。よって、電力変換装置１は、電力系統２に対して進相無効電力を供給することができる。

次に、電力変換装置１が自励式無効電力補償装置として、電力系統２に遅相無効電力を供給する場合について説明する。
電力変換装置１の制御部１３は、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕを検出し、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の周波数と位相とを各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの周波数と位相に一致させ、かつ、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の振幅が各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの振幅よりも大きくなるように制御する。
この場合、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１の位相は、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの位相に対して９０度遅れている。よって、電力変換装置１は、電力系統２に対して遅相無効電力を供給することができる。
以上、電力変換装置１が自励式無効電力補償装置として、電力系統２に進相または遅相無効電力を供給する場合の制御方法について説明した。

他の制御方法として、電力変換装置１は、変圧器１１の正相インダクタンスに印加される電圧を検出して各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを制御することにより、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１を制御してもよい。

他の制御方法として、電力変換装置１は、電流計などによって一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１を直接に検出し、これらが所望の電流値になるようにフィードバック制御してもよい。

他の制御方法として、電力変換装置１は、電流計などによって二次側電流Ｉｕｖ２，Ｉｖｗ２，Ｉｗｕ２を検出し、これらが所望の電流値になるようにフィードバック制御を行ってもよい。一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１と二次側電流Ｉｕｖ２，Ｉｖｗ２，Ｉｗｕ２とは、変圧器１１の巻数比で変流される。そのため、二次側電流Ｉｕｖ２，Ｉｖｗ２，Ｉｗｕ２を制御することで、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１を制御することができる。
電力変換装置１は、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１の基本波電流に代えて、逆相電流や高調波電流を制御してもよい。

電力変換装置１は、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕが零相電圧Ｖ０を含むように制御してもよい。各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕを流れる零相電流Ｉ０は、和電圧Ｖｕｖ＋Ｖｖｗ＋Ｖｗｕの時間積分に比例する。そのため、電力変換装置１は、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの制御により、零相電流Ｉ０を制御することができる。電力変換装置１は、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕに流れる二次側電流Ｉｕｖ２，Ｉｖｗ２，Ｉｗｕ２を制御することができる。

（第１の実施形態の効果）
以上説明した第１の実施形態では、次の（Ａ）〜（Ｄ）のような効果がある。

（Ａ） 電力変換装置１は、変圧器１１の二次巻線１１２ｕｖ，１１２ｖｗ，１１２ｗｕのインダクタンスによって零相電流Ｉ０を限流する。これにより、電力変換装置１は、源流用の単層リアクトルを削減することができ、装置の小型化と低コスト化を実現することができる。

（Ｂ） 各単位セル１２１は、フルブリッジ構成されたスイッチング素子１２１１〜１２１４を備え、フルブリッジ回路の直流側に直流コンデンサ１２１５を備えている。各単位セル１２１は、正側端子１２１８および負側端子１２１９に、直流コンデンサ１２１５の両端の電圧である正電圧、直流コンデンサ１２１５の両端の電圧の逆である負電圧、零電圧のいずれかを印加できる。これにより、Ｍ個の単位セル１２１が直列接続されたクラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕは、（１＋２×Ｍ）レベルの各電圧を印加することができる。

（Ｃ） 変圧器１１は、脚１１３ｕｖ，１１３ｖｗ，１１３ｗｕを備えた三相変圧器である。これにより、電力変換装置１は、三相交流の電力系統２に連系することができる。

（Ｄ） 電力変換装置１は、電力系統２に接続されて連系し、この電力系統２に進相無効電力や遅相無効電力を供給することができる。これにより、電力変換装置１は、自励式無効電力補償装置として動作することができる。

（第２の実施形態）

図５は、第２の実施形態に於ける電力変換装置１Ａを示す概略の構成図である。図１に示す第１の実施形態の電力変換装置１と同一の要素には同一の符号を付与している。
第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、図１に示す第１の実施形態の電力変換装置１とは異なり、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕに含まれる６個の単位セル１２１を、それぞれ単位セル１２１Ａに置換した構成としている。第２の実施形態の電力変換装置１は、電力系統２との間で有効電力の継続的な授受を可能としている。

図６（ａ）〜（ｄ）は、第２の実施形態に於ける単位セル１２１Ａの構成と動作とを示す図である。図２に示す第１の実施形態の単位セル１２１と同一の要素には同一の符号を付与している。
図６（ａ）は、第２の実施形態に於ける単位セル１２１Ａの構成を示す図である。
第２の実施形態の単位セル１２１Ａは、第１の実施形態の単位セル１２１（図２参照）とは異なり、直流コンデンサ１２１５（図２参照）の代わりに、二次電池１２１５Ａを備えている。二次電池１２１５Ａは、その両端に電圧ｖｃｋｊを印加する電圧印加手段であり、かつ、有効な電力を供給する有効電力供給手段である。ここでｋはｕｖ相、ｖｗ相、ｗｕ相のいずれかを示し、ｊは単位セル１２１Ａの番号を示す。
図６（ｂ）は、単位セル１２１Ａに正電圧を印加させる方法を説明した図である。
図２（ｂ）に示す方法と同様に、単位セル１２１Ａは、各スイッチング素子１２１１〜１２１４をオン・オフ制御している。このとき、単位セル電圧ｖｋｊは、この単位セル１２１Ａに流れる電流に関係なく、ほぼ、二次電池１２１５Ａが印加する電圧ｖｃｋｊと等しくなる。
図６（ｃ）は、単位セル１２１Ａに零電圧を印加させる方法を説明した図である。
図２（ｃ）に示す方法と同様に、単位セル１２１Ａは、各スイッチング素子１２１１〜１２１４をオン・オフ制御している。このとき、単位セル電圧ｖｋｊは、この単位セル１２１Ａに流れる電流に関係なく、ほぼ０［Ｖ］となる。
図６（ｄ）は、単位セル１２１Ａに負電圧を印加させる方法を説明した図である。
図２（ｄ）に示す方法と同様に、各スイッチング素子１２１１〜１２１４をオン・オフ制御している。このとき、単位セル電圧ｖｋｊは、この単位セル１２１Ａに流れる電流に関係なく、ほぼ、二次電池１２１５Ａが印加する電圧の逆である負電圧（−ｖｃｋｊ）と等しくなる。
よって、各単位セル１２１Ａは、この単位セル１２１Ａに流れる電流に関係なく、正電圧ｖｃｋｊ、零電圧（０）、または、負電圧（−ｖｃｋｊ）を印加する電圧源と見做すことができる。

第２の実施形態の電力変換装置１Ａは、第１実施形態の電力変換装置１と同様に、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕ内の各単位セル１２１Ａの二次電池１２１５Ａの電圧を検出し、単位セル１２１Ａに含まれるスイッチング素子１２１１〜１２１４のオン・オフ制御を行う。これにより、電力変換装置１Ａは、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕが所望の電圧値となるように制御することができる。

以下、電力変換装置１Ａが電力系統２から有効電力を受電する場合の制御方法について、適宜図５を参照しながら説明する。
電力変換装置１Ａの制御部１３は、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕを検出し、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の周波数と振幅を各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの周波数と振幅に一致させ、かつ、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の位相を各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの位相よりも遅らせる。
この場合、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１には、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕより位相が遅れた電流が流れる。よって、電力変換装置１Ａは、電力系統２から有効電力を受電することができる。

次に、電力変換装置１Ａが電力系統２に有効電力を送電（供給）する場合の制御方法について、適宜図５を参照しながら説明する。
電力変換装置１Ａは、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕを検出し、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の周波数と振幅とを各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの周波数と振幅に一致させ、かつ、各クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの基本波成分の位相を各線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕの位相よりも進ませる。
この場合、一次側電流Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１には、線間電圧Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕより位相が進んだ電流が流れる。よって、電力変換装置１Ａは、電力系統２に対して有効電力を送電（供給）することができる。

以上で説明したように、電力変換装置１Ａは、二次電池１２１５Ａを接続した単位セル１２１Ａにより、電力系統２との間で、有効電力を継続的に授受することができる。よって、電力変換装置１Ａは、電力系統２と連系した電力貯蔵システムとして使用することができる。

（第２の実施形態の効果）
以上説明した第２の実施形態では、次の（Ｅ）のような効果がある。

（Ｅ） 電力変換装置１Ａの単位セル１２１Ａは、二次電池１２１５Ａを備えている。これにより、電力変換装置１Ａは、電力系統２との間で、有効電力を継続的に授受することができる。

（Ｆ） 電力変換装置１Ａは、電力系統２の有効電力を二次電池１２１５Ａに蓄えることができ、二次電池１２１５Ａが蓄えた有効電力を電力系統２に供給することができるので、電力貯蔵システムとして機能することができる。

（第３の実施形態）
第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、図５に示すような有効電力供給手段である二次電池１２１５Ａを接続した単位セル１２１Ａを使用し、電動機３や、その他の交流負荷などに電力を供給するものである。これにより、第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、任意の振幅、かつ、任意の周波数の交流電圧を、電動機３や、その他の交流負荷などに印加することができる。

図７は、第３の実施形態に於ける電力変換装置１Ｂを示す概略の構成図である。図５に示す第２の実施形態の電力変換装置１Ａと同一の要素には同一の符号を付与している。
図７に於いて、第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、第２の実施形態とは異なり、電動機３に接続されている。それ以外の構成は、第２の実施形態の電力変換装置１Ａと同様である。
第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、電動機３と直接に接続されている。しかし、これに限られず、電力変換装置１Ｂは、他の変圧器、リアクトル、またはフィルタなどを介して、電動機３に接続されてもよい。

以下、適宜図７を参照しつつ、電力変換装置１Ｂの制御方法について説明する。
第１の実施形態で述べたように、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕに含まれる単位セル１２１Ａのスイッチング素子１２１１〜１２１４をオン・オフ制御することで、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕの両端電圧であるクラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを制御できる。
クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの振幅は、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕに含まれる単位セル１２１Ａの台数をＭとし、各単位セル１２１Ａの二次電池１２１５Ａが印加する電圧を、電圧ｖｃｋｊとすれば、（−ｖｃｋｊ×Ｍ）［Ｖ］から（ｖｃｋｊ×Ｍ）［Ｖ］の範囲で、０［Ｖ］を含むｖｃｋｊ［Ｖ］ごとの任意の値に制御可能である。
また、クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕの周波数は、スイッチング周波数よりも低い範囲で、任意の値に制御可能である。クラスタ電圧Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕを介して、電動機３に流れる電流Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗを直接、または座標変換を施した電流信号を介してフィードバック制御することによって、電動機３のトルク、回転速度、回転位置を制御可能である。
以上のように、第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、任意振幅、任意周波数の交流電圧を印加する装置として動作させることで、電動機３のトルク、回転速度、回転位置の制御が可能となる。

（第３の実施形態の効果）
以上説明した第３の実施形態では、次の（Ｇ），（Ｈ）のような効果がある。

（Ｇ） 電力変換装置１Ｂは、電動機３に接続されており、この電動機３に任意の振幅、任意の周波数の交流電圧を印加できる。これにより、電力変換装置１Ｂは、電動機３のトルク、回転速度、回転位置を制御可能である。

（Ｈ） 電力変換装置１Ｂの制御部１３は、各クラスタ１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕの零相電圧Ｖ０や、これらに流れる零相電流Ｉ０を制御可能である。これにより、電動機３や交流負荷の各相が不平衡であっても、これを制御することができる。

（変形例）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば上記した実施形態は、本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。ある実施形態の構成の一部を他の実施形態の構成に置き換えることが可能であり、ある実施形態の構成に他の実施形態の構成を加えることも可能である。また、各実施形態の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることも可能である。

上記の各構成、機能、処理部、処理手段などは、それらの一部または全部を、例えば集積回路などのハードウェアで実現してもよい。上記の各構成、機能などは、プロセッサがそれぞれの機能を実現するプログラムを解釈して実行することにより、ソフトウェアで実現してもよい。各機能を実現するプログラム、テーブル、ファイルなどの情報は、メモリ、ハードディスク、ＳＳＤ（Solid State Drive）などの記録装置、または、フラッシュメモリカード、ＤＶＤ（Digital Versatile Disk）などの記録媒体に置くことができる。

各実施形態に於いて、制御線や情報線は、説明上必要と考えられるものを示しており、製品上必ずしも全ての制御線や情報線を示しているとは限らない。実際には、殆ど全ての構成が相互に接続されていると考えてもよい。
本発明の変形例として、例えば、次の（ａ）〜（ｅ）のようなものがある。

（ａ） 第１〜第３の実施形態では、変圧器１１の一次巻線１１１ｕｖ，１１１ｖｗ，１１１ｗｕがデルタ結線である場合について説明した。しかし、これに限られず、一次巻線１１１ｕｖ，１１１ｖｗ，１１１ｗｕがスター結線や千鳥結線など、他の結線方式であってもよい。

（ｂ） 第１〜第３の実施形態では、変圧器１１に三脚鉄心を使用している。しかし、これに限られず、三脚鉄心の代わりに四脚鉄心を使用した変圧器であってもよい。更に四脚以上の多脚鉄心を使用した変圧器であってもよい。

（ｃ） 第１〜第３の実施形態の電力変換装置は、三相ＭＭＣである。しかし、これに限られず、四相以上の多相ＭＭＣであってもよい。

（ｄ） 第２の実施形態の単位セル１２１Ａは、二次電池１２１５Ａに代えて、太陽電池、燃料電池に代表されるような有効電力を供給する他の電源装置を備えていてもよい。このようにすることで、電力変換装置１Ａは、電力系統２に対して有効電力を継続的に供給することができる。

（ｅ） 第３の実施形態の電力変換装置１Ｂは、電動機３が接続されている場合について説明した。しかし、これに限られず、電動機３に代えて、発電機や、その他の任意の交流負荷が接続されていてもよい。

１，１Ａ，１Ｂ 電力変換装置
２ 電力系統
３ 電動機
１１ 変圧器
１１２ｕｖ，１１２ｖｗ，１１２ｗｕ 二次巻線
１１１ｕｖ，１１１ｖｗ，１１１ｗｕ 一次巻線
１１３ｕｖ，１１３ｖｗ，１１３ｗｕ 脚
１２ｕｖ，１２ｖｗ，１２ｗｕ クラスタ
１２１，１２１Ａ 単位セル
１２１１〜１２１４ スイッチング素子
１２１５ 直流コンデンサ （電圧印加手段）
１２１５Ａ 二次電池 （有効電力供給手段：電圧印加手段）
１３ 制御部
１４ｕｖ，１４ｖｗ，１４ｗｕ 電圧計
Ｉ０ 零相電流
Ｖ０ 零相電圧
Ｉｕｖ１，Ｉｖｗ１，Ｉｗｕ１ 一次側電流
Ｖｕｖ１，Ｖｖｗ１，Ｖｗｕ１ 一次側電圧
Ｉｕｖ２，Ｉｖｗ２，Ｉｗｕ２ 二次側電流
Ｖｕｖ２，Ｖｖｗ２，Ｖｗｕ２ 二次側電圧
Ｉｓｕ，Ｉｓｖ，Ｉｓｗ 系統電流
Ｖｕｖ，Ｖｖｗ，Ｖｗｕ クラスタ電圧
Ｖｓｕｖ，Ｖｓｖｗ，Ｖｓｗｕ 線間電圧
ｖｋｊ 単位セル電圧

Claims (12)

1. １または複数の単位セルが直列に接続されたクラスタと、
   一次巻線と二次巻線とが巻回されて磁気結合した脚を少なくとも３つ有する変圧器とを備えており、
   前記二次巻線の両端は、それぞれ前記クラスタの両端に接続されている、
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 各前記一次巻線は、デルタ結線で接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
3. 各前記一次巻線は、スター結線、または、千鳥結線で接続されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記単位セルは、
   少なくとも４個のスイッチング素子が接続されているフルブリッジ回路と、
   前記フルブリッジ回路の直流側に接続された電圧印加手段と、
   前記フルブリッジ回路の交流側に接続された正側端子および負側端子と、
   を備えることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
5. 前記電圧印加手段は、コンデンサである、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
6. 前記変圧器は、前記脚を３本備えた三相変圧器である、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
7. 前記変圧器の前記一次巻線は、電力系統の各相に接続されて、当該電力系統と連系している、
   ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
8. 前記電力系統に、進相無効電力または遅相無効電力を供給する、
   ことを特徴とする請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記電圧印加手段は、前記フルブリッジ回路を介して有効電力を供給する有効電力供給手段である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の電力変換装置。
10. 前記有効電力供給手段は、二次電池、太陽電池、燃料電池のうちいずれかである、
    ことを特徴とする請求項９に記載の電力変換装置。
11. 前記変圧器の前記一次巻線は、交流負荷に接続されており、
    前記交流負荷に任意の振幅かつ任意の周波数の電力を供給する、
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記変圧器の前記一次巻線は、電動機に接続されており、
    前記電動機に任意の振幅かつ任意の周波数の電力を供給して、当該電動機のトルク、回転速度、位置を制御する、
    ことを特徴とする請求項９または請求項１０に記載の電力変換装置。

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