JP2015220991A - モジュール型マルチレベルコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】多数のサブモジュールを効率的に制御するモジュール型マルチレベルコンバータを提供する。【解決手段】実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータは、スイッチング素子を含む複数のサブモジュールと、複数のサブモジュールを区分するためのアドレスをそれぞれ割り当て、割り当てられたアドレスを基準に複数のサブモジュールのスイッチング素子を決定し、決定されたスイッチング動作条件に対応するスイッチング信号を出力する中央制御器と、を含み、中央制御器は、割り当てられたアドレスの順番通りに複数のサブモジュールに対するスイッチング順番を決定する。【選択図】図５

Description

本発明は、モジュール型マルチレベルコンバータに関するものであり、より詳しくは、複数のサブモジュールを効率的に制御するモジュール型マルチレベルコンバータに関するものである。

超高圧直流送電（ＨＩＧＨ ＶＯＬＴＡＧＥ ＤＩＲＥＣＴ ＣＵＲＲＥＮＴ，ＨＶＤＣ）とは、送電所が発電所で生産される交流電力を直流に変換させて送電した後、受電所で交流に再変換して電力を供給する送電方式をいう。

ＨＶＤＣシステムは海底ケーブル送電、大容量長距離送電、交流系統間連携などに適用される。また、ＨＶＤＣシステムは互いに異なる周波数系統連携及び非同期（ａｓｙｎｃｈｒｏｎｉｓｍ）連携を可能にする。

送電所は交流電力を直流電力に変換する。即ち、交流電力を海底ケーブルなどを利用して伝送する情況は非常に危ないため、送電所は交流電量を直流電力に変換して受電所に伝送する。

一方、ＨＶＤＣシステムに利用される電圧型コンバータには多様な種類があり、最近モジュール型マルチレベル形態の電圧型コンバータが最も注目を浴びている。

モジュール型マルチレベルコンバータ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉ−Ｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ＭＭＣ）は多数のサブモジュール（Ｓｕｂ−Ｍｏｄｕｌｅ）を利用して直流電力を交流電力に変換する装置であり、それぞれのサブモジュールを充電、放電、バイパス状態に制御して動作する。

よって、モジュール型マルチレベルコンバータで多数のサブモジュールを制御することが電力変換動作で最も重要であり、多数のサブモジュールの制御動作が出力交流電力の形態及び品質を決定する。

それによって、モジュール型マルチレベルコンバータの多数のサブモジュールを効率的に制御することができるモジュール型マルチレベルコンバータが要求されている。

本発明は、モジュール型マルチレベルコンバータに含まれる多数のサブモジュールを効率的に制御することができるモジュール型マルチレベルコンバータを提供する。

また、本発明はモジュール型マルチレベルコンバータに含まれる多数のサブモジュールのスイッチング順番を効率的に決定することができるモジュール型マルチレベルコンバータを提供する。

また、本発明はモジュール型マルチレベルコンバータに含まれる多数のサブモジュールに対するスイッチング頻度の均衡性を維持することができるモジュール型マルチレベルコンバータを提供する。

提案される実施例で成そうとする技術的課題は上述した技術的課題に制限されず、言及されていない他の技術的課題は以下の記載から提案される実施例が属する技術分野における通常の知識を有する者に明確に理解されるはずである。

実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータは、スイッチング素子を含む複数のサブモジュールと、前記複数のサブモジュールを区分するためのアドレスをそれぞれ割り当て、前記割り当てら得たアドレスを基準に前記複数のサブモジュールのスイッチング動作条件を決定し、前記決定されたスイッチング動作条件に対応するスイッチング信号を出力する中央制御器と、を含み、前記中央制御器は前記割り当てられたアドレスの順番通りに前記複数のサブモジュールに対するスイッチング順番を決定する。

また、前記中央制御器は前記複数のサブモジュールの配置された順番に応じて前から順次に前記アドレスを割り当てる。

また、前記スイッチング動作条件は充電動作条件、放電動作条件及びバイパス動作条件を含み、前記中央制御器は目標電圧及び前記複数のサブモジュールに充電されたそれぞれの充電電圧を基準に先の番号のアドレスを有するサブモジュールから順次に放電動作が行われるようにする。

また、前記放電動作を行うサブモジュールに充電された充電電圧の合計は前記目標電圧に相応し、前記中央制御器は先の番号のアドレスを有するサブモジュールから前記充電電圧を確認し、前記目標電圧に対応する出力電圧を発生するための各サブモジュールのスイッチング動作条件を決定する。

また、前記中央制御器は前記放電動作条件で動作するサブモジュールが決定されると、前記放電操作条件で動作するサブモジュールのうち最後の番号のアドレスを有するサブモジュールの情報を貯蔵する。

また、前記中央制御器は以前時点で放電動作を行った最後の番号のアドレスを有するサブモジュールを確認し、前記確認したサブモジュールの次のアドレスを有するサブモジュールから順次に放電動作が行われるようにする。

本発明の実施例によると、多数のサブモジュールに対するスイッチング順番を割り当てられたアドレスに応じて決定することで、前記サブモジュールの動作条件を決定するのにかかる時間を短縮することができる。

また、本発明の実施例によると、多数のサブモジュールをアドレスの順番通りにスイッチングして多数のサブモジュールのスイッチング頻度に対する均衡性を維持することで、特定サブモジュールのみが継続的にスイッチングする情況を事前に防止することができるだけでなく、前記特定サブモジュールの寿命が短縮する情況を防止することができる。

本発明の一実施例による高電圧直流送電システムの構成を説明するための図である。 本発明の一実施例によるモノポーラ方式の高電圧直流送電システムの構成を説明するための図である。 本発明の一実施例によるバイポーラ方式の高電圧直流送電システムの構成を説明するための図である。 本発明の実施例による変圧器と３相バルブブリッジの結線を説明するための図である。 本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータの構成ブロック図である。 本発明の他の実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータの構成ブロック図である。 本発明の一実施例による複数のサブモジュールの連結を示す図である。 本発明の一実施例による他のサブモジュールの構成の例示図である。 本発明の一実施例によるサブモジュールの等価モデルを示す図である。 本発明の一実施例によるサブモジュールの動作を示す図である。 本発明の一実施例によるサブモジュールの動作を示す図である。 本発明の一実施例によるサブモジュールの動作を示す図である。 本発明の一実施例によるサブモジュールの動作を示す図である。 本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定動作を示す図である。 本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定動作を示す図である。 本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定動作を示す図である。 本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定方法を段階別に説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定方法を段階別に説明するためのフローチャートである。

本発明の利点及びその特徴、そしてそれらを達成する方法は、添付した図面と共に詳細に後述されている実施例を参照すると明確になるはずである。しかし、本発明は以下で開示される実施例に限らず互いに異なる多様な形態に具現されてもよいが、但し、本実施例は本発明の開示が完全になるようにし、本発明の属する技術分野における通常の知識を有する者に発明の範疇を完全に知らせるために提供されるものであって、本発明は請求項の範疇によって定義されるのみである。明細書全体にわたって、同じ参照符号は同じ構成要素を指す。

本発明の実施例を説明するに当たって、関連する公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不明確にする恐れがあると判断される場合、その詳細な説明を省略する。そして、後述する用語は本発明の実施例における機能を考慮して定義された用語であって、これはユーザ、運用者の意図又は慣例などによって異なり得る。よって、その定義は本明細書全般にわたる内容に基づいて下されるべきである。

添付した図面の各ブロックとフローチャートの各ステップの組み合わせはコンピュータプログラムインストラクションによって行われてもよい。これらのコンピュータプログラムインストラクションは汎用コンピュータ、特殊用コンピュータ又はその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備のプロセッサに搭載可能であるため、コンピュータ又はその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備のプロセッサを介して行われるそのインストラクションが図面の各ブロック又はフローチャートの各ステップで説明された機能を行う手段を生成するようになる。これらのコンピュータプログラムインストラクションは特定方式に機能を具現するためにコンピュータ又はその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備の指向するコンピュータで利用可能な又はコンピュータで判読可能なメモリに貯蔵されることもできるため、そのコンピュータで利用可能な又はコンピュータで判読可能なメモリに貯蔵されたインストラクションは図面の各ブロック又はフローチャートの各ステップで説明された機能を行うインストラクション手段を内包する製造品目を生産することもできる。コンピュータプログラムインストラクションはコンピュータ又はその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備上に搭載することもできるため、コンピュータ又はその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備上で一連の動作ステップが行われてコンピュータで実行されるプロセスを生成してコンピュータ又はその他のプログラム可能なデータプロセッシング装備を行うインストラクションは図面の各ブロック又はフローチャートの各ステップで説明された機能を行うためのステップを提供することもできる。

また、各ブロック又は各ステップは特定の論理的機能を実行するための一つ以上の実行可能なインストラクションを含むモジュール、セグメント又はコードの一部を示す。また、いくつかの代替実施例ではブロック又はステップで言及した機能が順番を逸脱して発生することもできることに注目すべきである。例えば、引き続き図示されている２つのブロック又はステップは実は実質的に同時に行われてもよく、或いはそのブロック又はステップが時々当たる機能に応じて逆順に行われてもよい。

図１は、本発明の実施例による高電圧直流送電システムを示す。

図１に示したように、本発明の実施例によるＨＶＤＣシステム１００は発電パート１０１、送電側交流パート１１０、送電側変電パート１０３、直流送電パート１４０、需要側変電パート１０５、需要側交流パート１７０、需要パート１８０及び制御パート１９０を含む。送電側変電パート１０３は送電側変圧器パート１２０、送電側交流−直流コンバータパート１３０を含む。需要側変電パート１０５は需要側直流−交流コンバータパート１５０、需要側変圧器パート１６０を含む。

発電パート１０１は３相交流電力を生成する。発電パート１０１は複数の発電所を含む。

送電側交流パート１１０は発電パート１０１が生成した３相交流電力を送電側変圧器パート１２０と送電側交流−直流コンバータパート１３０を含むＤＣ変電所に伝達する。

送電側変圧器パート１２０は送電側交流パート１１０を送電側交流−直流コンバータパート１３０及び直流送電パート１４０から隔離する（ｉｓｏｌａｔｅ）。

送電側交流−直流コンバータパート１３０は送電側変圧器パート１２０の出力に当たる３相交流電力を直流電力に変換する。

直流送電パート１４０は送電側の直流電力を需要側に伝達する。

需要側直流−交流コンバータパート１５０は直流送電パート１４０によって伝達された直流電力を３相交流電力に変換する。

需要側変圧器パート１６０は需要側交流パート１７０を需要側直流−交流コンバータパート１５０と直流送電パート１４０から隔離する。

需要側交流パート１７０は需要側変圧器パート１６０の出力に当たる３相交流電力を需要パート１８０に提供する。

制御パート１９０は発電パート１０１、送電側交流パート１１０、送電側変電パート１０３、直流送電パート１４０、需要側変電パート１０５、需要側交流パート１７０、需要パート１８０、制御パート１９０、送電側交流−直流コンバータパート１３０、需要側直流−交流コンバータパート１５０のうち少なくとも一つを制御する。特に、制御パート１９０は送電側交流−直流コンバータパート１３０と需要側直流−交流コンバータパート１５０内の複数のバルブのターンオン及びターンオフのタイミングを制御する。この際、バルブはサイリスタ又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ｉｎｓｕｌａｔｅｄ ｇａｔｅ ｂｉｐｏｌａｒ ｔｒａｓｉｓｔｏｒ，ＩＧＢＴ）に当たる。

図２は、本発明の実施例によるモノポーラ方式の高電圧直流送電システムを示す図である。

特に、図２は単一極の直流電力を送電するシステムを示す。以下の説明では単一極は正極（ｐｏｓｉｔｉｖｅ ｐｏｌｅ）であると仮定して説明するが、それに限る必要はない。

送電側交流パート１１０は交流送電ライン１１１と交流フィルタ１１３を含む。

交流送電ライン１１１は発電パート１０１が生成した３相交流電力を送電側変電パート１０３に伝達する。

交流フィルタ１１３は直流変電パート１０３が利用する周波数成分以外の残りの周波数成分を伝達された３相交流電力から除去する。

送電側変圧器パート１２０は正極のために一つ以上の変圧器１２１を含む。正極のために送電側交流−直流コンバータパート１３０は正極直流電力を生成する交流−正極直流コンバータ１３１を含み、この交流−正極直流コンバータ１３１は一つ以上の変圧器１２１にそれぞれ対応する一つ以上の３相バルブブリッジ１３１ａを含む。

一つの３相バルブブリッジ１３１ａが利用される場合、交流−正極直流コンバータ１３１は交流電力を利用して６つのパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、その一つの変圧器１２１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、Ｙ−デルタ（Δ）形状の結線を有してもよい。

２つの３相バルブブリッジ１３１ａが利用される場合、交流−正極直流コンバータ１３１は交流電力を利用して１２個のパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、２つのうち一つの変圧器１２１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器１２１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Δ形状の結線を有してもよい。

３つの３相バルブブリッジ１３１ａが利用される場合、交流−正極直流コンバータ１３１は交流電力を利用して１８個のパルスを有する正極直流電力を生成する。正極直流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

直流送電パート１４０は送電側正極直流フィルタ１４１、正極直流送電ライン１４３、需要側正極直流フィルタ１４５を含む。

送電側正極直流フィルタ１４１はインダクタＬ１とキャパシタＣ１を含み、交流−正極直流コンバータ１３１が出力する正極直流電力を直流フィルタリングする。

正極直流送電ライン１４３は正極直流電力を伝送するための一つのＤＣラインを有し、電流の帰還通路としては大地を利用する。このＤＣラインの上には一つ以上のスイッチが配置される。

需要側正極直流フィルタ１４５はインダクタＬ２とキャパシタＣ２を含み、正極直流送電ライン１４３を介して伝達された正極直流電力を直流フィルタリングする。

需要側直流−交流コンバータパート１５０は正極直流−交流コンバータ１５１を含み、正極直流−交流コンバータ１５１は一つ以上の３相バルブブリッジ１５１ａを含む。

需要側変圧器パート１６０は正極のために一つ以上の３相バルブブリッジ１５１ａにそれぞれ対応する一つ以上の変圧器１６１を含む。

一つの３相バルブブリッジ１５１ａが利用される場合、正極直流−交流コンバータ１５１は正極直流電力を利用して６つのパルスを有する交流電力を生成する。この際、その一つの変圧器１６１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、Ｙ−デルタ（Δ）形状の結線を有してもよい。

２つの３相バルブブリッジ１５１ａが利用される場合、正極直流−交流コンバータ１５１は正極直流電力を利用して１２個のパルスを有する交流電力を生成する。この際、２つのうち一つの変圧器１６１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器１６１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Δ形状の結線を有してもよい。

３つの３相バルブブリッジ１５１ａが利用される場合、正極直流−交流コンバータ１５１は正極直流電力を利用して１８個のパルスを有する交流電力を生成する。交流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

需要側交流パート１７０は交流フィルタ１７１と交流送電ライン１７３を含む。

交流フィルタ１７１は需要パート１８０が利用する周波数成分（例えば、６０Ｈｚ）以外の残りの周波数成分を需要側変電パート１０５が生成する交流電力から除去する。

交流送電ライン１７３はフィルタリングされた交流電力を需要パート１８０に伝達する。

図３は、本発明の実施例によるバイポーラ方式の高電圧直流送電システムを示す図である。

特に、図３は２つの極の直流電力を送電するシステムを示す。以下の説明では２つの極は正極と負極（ｎｅｇａｔｉｖｅ ｐｏｌｅ）であると仮定して説明するが、それに限る必要はない。

送電側交流パート１１０は交流送電ライン１１１と交流フィルタ１１３を含む。

交流送電ライン１１１は発電パート１０１が生成した３相交流電力を送電側変電パート１０３に伝達する。

交流フィルタ１１３は変電パート１０３が利用する周波数成分以外の残りの周波数成分を伝達された３相交流電力から除去する。

送電側変圧器パート１２０は正極のための一つ以上の変圧器１２１を含み、負極のための一つ以上の変圧器１２２を含む。送電側交流−直流コンバータパート１３０は正極直流電力を生成する交流−正極直流コンバータ１３１と負極直流電力を生成する交流−負極直流コンバータ１３２を含み、交流−正極直流コンバータ１３１は正極のための一つ以上の変圧器１２１にそれぞれ対応する一つ以上の３相バルブブリッジ１３１ａを含み、交流−負極直流コンバータ１３２は負極のための一つ以上の変圧器１２２にそれぞれ対応する一つ以上の３相バルブブリッジ１３２ａを含む。

正極のために一つの３相バルブブリッジ１３１ａが利用される場合、交流−正極直流コンバータ１３１は交流電力を利用して６つのパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、その一つの変圧器１２１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、Ｙ−デルタ（Δ）形状の結線を有してもよい。

正極のために２つの３相バルブブリッジ１３１ａが利用される場合、交流−正極直流コンバータ１３１は交流電力を利用して１２個のパルスを有する正極直流電力を生成する。この際、２つのうち一つの変圧器１２１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器１２１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Δ形状の結線を有してもよい。

正極のために３つの３相バルブブリッジ１３１ａが利用される場合、交流−正極直流コンバータ１３１は交流電力を利用して１８個のパルスを有する正極直流電力を生成する。正極直流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

負極のために一つの３相バルブブリッジ１３２ａが利用される場合、交流−負極直流コンバータ１３２は６つのパルスを有する負極直流電力を生成する。この際、その一つの変圧器１２２の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、Ｙ−デルタ（Δ）形状の結線を有してもよい。

負極のために２つの３相バルブブリッジ１３２ａが利用される場合、交流−負極直流コンバータ１３２は１２個のパルスを有する負極直流電力を生成する。この際、２つのうち一つの変圧器１２２の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器１２２の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Δ形状の結線を有してもよい。

負極のために３つの３相バルブブリッジ１３２ａが利用される場合、交流−負極直流コンバータ１３２は１８個のパルスを有する負極直流電力を生成する。負極直流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

直流送電パート１４０は送電側正極直流フィルタ１４１、送電側負極直流フィルタ１４２、正極直流送電ライン１４３、負極直流送電ライン１４４、需要側正極直流フィルタ１４５、需要側負極直流フィルタ１４６を含む。

送電側正極直流フィルタ１４１はインダクタＬ１とキャパシタＣ１を含み、交流−正極直流コンバータ１３１が出力する正極直流電力を直流フィルタリングする。

送電側負極直流フィルタ１４２はインダクタＬ３とキャパシタＣ３を含み、交流−負極直流コンバータ１３２が出力する負極直流電力を直流フィルタリングする。

正極直流送電ライン１４３は正極直流電力を伝送するための一つのＤＣラインを有し、電流の帰還通路としては大地を利用する。このＤＣラインの上には一つ以上のスイッチが配置される。

負極直流送電ライン１４４は負極直流電力を伝送するための一つのＤＣラインを有し、電流の帰還通路としては大地を利用する。このＤＣラインの上には一つ以上のスイッチが配置される。

需要側正極直流フィルタ１４５はインダクタＬ２とキャパシタＣ２を含み、正極直流送電ライン１４３を介して伝達された正極直流電力を直流フィルタリングする。

需要側負極直流フィルタ１４６はインダクタＬ４とキャパシタＣ４を含み、負極直流送電ライン１４４を介して伝達された負極直流電力を直流フィルタリングする。

需要側直流−交流コンバータパート１５０は正極直流−交流コンバータ１５１と負極直流−交流コンバータ１５２を含み、正極直流−交流コンバータ１５１は一つ以上の３相バルブブリッジ１５１ａを含み、負極直流−交流コンバータ１５２は一つ以上の３相バルブブリッジ１５２ａを含む。

需要側変圧器パート１６０は正極のために一つ以上の３相バルブブリッジ１５１ａにそれぞれ対応する一つ以上の変圧器１６１を含み、負極のために一つ以上の３相バルブブリッジ１５２ａにそれぞれ対応する一つ以上の変圧器１６２を含む。

正極のために一つの３相バルブブリッジ１５１ａが利用される場合、正極直流−交流コンバータ１５１は正極直流電力を利用して６つのパルスを有する交流電力を生成する。この際、その一つの変圧器１６１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、Ｙ−デルタ（Δ）形状の結線を有してもよい。

正極のために２つの３相バルブブリッジ１５１ａが利用される場合、正極直流−交流コンバータ１５１は正極直流電力を利用して１２個のパルスを有する交流電力を生成する。この際、２つのうち一つの変圧器１６１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器１６１の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Δ形状の結線を有してもよい。

正極のために３つの３相バルブブリッジ１５１ａが利用される場合、正極直流−交流コンバータ１５１は正極直流電力を利用して１８個のパルスを有する交流電力を生成する。交流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

負極のために一つの３相バルブブリッジ１５２ａが利用される場合、負極直流−交流コンバータ１５２は負極直流電力を利用して６つのパルスを有する交流電力を生成する。この際、その一つの変圧器１６２の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、Ｙ−デルタ（Δ）形状の結線を有してもよい。

負極のために２つの３相バルブブリッジ１５２ａが利用される場合、負極直流−交流コンバータ１５２は負極直流電力を利用して１２個のパルスを有する交流電力を生成する。この際、２つのうち一つの変圧器１６２の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Ｙ形状の結線を有してもよく、残りの一つの変圧器１６２の１次側のコイルと２次側のコイルはＹ−Δ形状の結線を有してもよい。

負極のために３つの３相バルブブリッジ１５２ａが利用される場合、負極直流−交流コンバータ１５２は負極直流電力を利用して１８個のパルスを有する交流電力を生成する。交流電力のパルスの数が多いほどフィルタの価格が下がる。

需要側交流パート１７０は交流フィルタ１７１と交流送電ライン１７３を含む。

交流フィルタ１７１は需要パート１８０が利用する周波数成分（例えば、６０Ｈｚ）以外の残りの周波数成分を需要側変電パート１０５が生成する交流電力から除去する。

交流送電ライン１７３はフィルタリングされた交流電力を需要パート１８０に伝達する。

図４は、本発明の実施例による変圧器と３相バルブブリッジの結線を示す図である。

特に、図４は正極のための２つの変圧器１２１と正極のための２つの３相バルブブリッジ１３１ａの結線を示す。負極のための２つの変圧器１２２と負極のための２つの３相バルブブリッジ１３２ａの結線、正極のための２つの変圧器１６１と正極のための２つの３相バルブブリッジ１５１ａの結線、負極のための２つの変圧器１６２と負極のための２つの３相バルブブリッジ１５２ａの結線、正極のための１つの変圧器１２１と正極のための１つの３相バルブブリッジ１３１ａ、正極のための１つの変圧器１６１と正極のための１つの３相バルブブリッジ１５１ａの結線などは図４の実施例から容易に導出されるため、その図面と説明は省略する。

図４において、Ｙ−Ｙ形状の結線を有する変圧器１２１を上側変圧器、Ｙ−Δ形状の結線を有する変圧器１２１を下側変圧器、上側変圧器に連結される３相バルブブリッジ１３１ａを上側３相バルブブリッジ、下側変圧器に連結される３相バルブブリッジ１３１ａを下側３相バルブブリッジと称する。

上側３相バルブブリッジと下側３相バルブブリッジは直流電力を出力する２つの出力端である第１出力端ＯＵＴ１と第２出力端ＯＵＴ２を有する。

上側３相バルブブリッジは６つのバルブＤ１−Ｄ６を含み、下側３相バルブブリッジは６つのバルブＤ７−Ｄ１２を含む。

バルブＤ１は第１出力端ＯＵＴ１に連結されるカソードと上側変圧器の２次側コイルの第１端子に連結されるアノードを有する。

バルブＤ２はバルブＤ５のアノードに連結されるカソードとバルブＤ６のアノードに連結されるアノードを有する。

バルブＤ３は第１出力端ＯＵＴ１に連結されるカソードと上側変圧器の２次側コイルの第２端子に連結されるアノードを有する。

バルブＤ４はバルブＤ１のアノードに連結されるカソードとバルブＤ６のアノードに連結されるアノードを有する。

バルブＤ５は第１出力端ＯＵＴ１に連結されるカソードと上側変圧器の２次側コイルの第３端子に連結されるアノードを有する。

バルブＤ６はバルブＤ３のアノードに連結されるカソードを有する。

バルブＤ７はバルブＤ６のアノードに連結されるカソードと下側変圧器の２次側コイルの第１端子に連結されるアノードを有する。

バルブＤ８はバルブＤ１１のアノードに連結されるカソードと第２出力端ＯＵＴ２に連結されるアノードを有する。

バルブＤ９はバルブＤ６のアノードに連結されるカソードと下側変圧器の２次側コイルの第２端子に連結されるアノードを有する。

バルブＤ１０はバルブＤ７のアノードに連結されるカソードと第２出力端ＯＵＴ２に連結されるアノードを有する。

バルブＤ１１はバルブＤ６のアノードに連結されるカソードと下側変圧器の２次側コイルの第３端子に連結されるアノードを有する。

バルブＤ１２はバルブＤ９のアノードに連結されるカソードと第２出力端ＯＵＴ２に連結されるアノードを有する。

一方、需要側直流−交流コンバータパート１５０はモジュール型マルチレベルコンバータ２００で構成される。

モジュール型マルチレベルコンバータ２００は複数のサブモジュール２１０を利用して直流電力を交流電力に変換する。

図５及び図６を参照してモジュール型マルチレベルコンバータ２００の構成を説明する。

図５及び図６は、モジュール型マルチレベルコンバータ２００の構成ブロック図である。

モジュール型マルチレベルコンバータ２００は中央制御器２５０、複数のサブ制御器２３０、複数のサブモジュール２１０を含む。

中央制御器２５０は複数のサブ制御器２３０を制御し、それぞれのサブ制御器２３０は自らと連結されたそれぞれのサブモジュール２１０を制御する。

この際、図５でのように一つのサブ制御器２３０は一つのサブモジュール２１０と連結され、それによって中央制御器２５０を介して伝送される制御信号を基準に自らと連結された一つのサブモジュール２１０のスイッチング動作を制御する。

また、それとは異なって図６でのように一つのサブ制御器２３０は複数のサブモジュール２１０と連結され、それによって中央制御器２５０を介して伝送される複数の制御信号を利用して自らと連結された複数のサブモジュール２１０に対するそれぞれの制御信号を確認し、確認した制御信号を基準に複数のサブモジュール２１０をそれぞれ制御する。

中央制御器２５０は複数のサブモジュール２１０の動作条件を決定し、決定した動作条件に応じて複数のサブモジュール２１０の動作を制御するための制御信号を生成する。

動作条件は放電動作、充電動作及びバイパス動作を含む。

この際、複数のサブモジュール２１０それぞれには互いに異なるアドレスが割り当てられている。

好ましくは、複数のサブモジュール２１０それぞれには配置された順番通りに前から順次に増加するアドレスが割り当てられる。

即ち、サブモジュール２１０は直流電力を入力されて充電、放電及びバイパス動作のうちいずれか一つの動作を行う。

サブモジュール２１０はダイオードを含むスイッチング素子で構成され、それによってスイッチング動作とダイオードの整流動作でサブモジュール２１０の充電、放電及びバイパス動作のうちいずれか一つの動作を行う。

サブ制御器２３０それぞれは中央制御器２５０を介して複数のサブモジュール２１０を制御するためのスイッチング信号を伝達され、伝達されたスイッチング信号に応じてサブモジュール２１０のスイッチング動作を制御する。

即ち、中央制御器２５０はモジュール型マルチレベルコンバータ２００の全般的な動作を制御する。

中央制御器２５０は自らと連携された交流パート１１０，１７０及び直流送電パート１４０の電流、電圧を測定する。

また、中央制御器２５０は全体制御値を算出する。

ここで、全体制御値とはモジュール型マルチレベルコンバータ２００の出力交流電力の電圧、電流、周波数の大きさに対する目標値であり得る。

中央制御器２５０はモジュール型マルチレベルコンバータ２００と連携された交流パート１１０，１７０の電流、電圧及び直流送電パート１４０の電流、電圧のうち一つ以上に基づいて全体制御値を算出する。

一方、中央制御器２５０は通信装置（図示せず）を介して上位制御器（図示せず）から受信した基準有効電力、基準無効電力、基準電流、基準電圧のうち一つ以上に基づいてモジュール型マルチレベルコンバータ２００の動作を制御してもよい。

中央制御器２５０はサブ制御器２３０とデータを交換する。

この際、本発明の中央制御器２５０は複数のサブモジュール２１０が配置された順番通りにアドレスを割り当て、割り当てられたアドレスを利用して複数のサブモジュール２１０のスイッチング順番を決定する。

即ち、一般に複数のサブモジュール２１０は全て同じスイッチング条件内で動作するのではなく、現在必要な目標電圧に応じて特定サブモジュールは充電又はバイパス動作を行い、残りのサブモジュールは放電動作を行う。

それによって、中央制御器２５０は放電動作を行うサブモジュールを優先的に決定すべきである。

この際、放電動作を行うことによって複数のサブモジュール２１０が互いに均衡性のある頻度内で放電動作を行わなければ複数のサブモジュール２１０の寿命を増加させることはできない。

言い換えると、特定サブモジュールの放電動作頻度が高ければ、特定サブモジュールの寿命は放電動作頻度が低い他のサブモジュールの寿命より低く示される。

よって、複数のサブモジュール２１０のスイッチング頻度の均衡性を維持しながらより速い時間に複数のサブモジュール２１０のスイッチング条件を決定することは非常に重要な要素である。

それによって、本発明では順次に割り当てられたアドレスの順番通りに複数のサブモジュール２１０のスイッチング順番を決定する。

例えば、１番から５番までのアドレスがそれぞれ割り当てられたサブモジュールが存在する場合、中央制御器２５０は１番から放電動作が行われるようにする。この際、放電動作が行われるサブモジュールの数は複数のサブモジュールがそれぞれ充電した電圧値と目標値を基準に決定される。

即ち、中央制御器２５０は複数のサブモジュールが有する充電電圧値の合計が目標値に到達するようにスイッチング条件を決定する。言い換えると、１番のアドレスが割り当てられたサブモジュールと２番のアドレスが割り当てられたサブモジュールのみが放電しても目標値に対応する電力を出力することができれば、中央制御器２５０は１番及び２番のアドレスが割り当てられたサブモジュールのみが放電動作を行うようにする。

そして、中央制御器２５０は次のスイッチング条件を決定する際、以前時点で放電動作を行ったサブモジュールのうち最後のアドレスを有するサブモジュールの次のサブモジュールから放電動作を行うサブモジュールを決定する。

それについては下記でより詳細に説明する。

図７を参照してモジュール型マルチレベルコンバータ２００に含まれる複数のサブモジュール２１０の連結を説明する。

図７は、３相モジュール型マルチレベルコンバータ２００に含まれる複数のサブモジュール２１０の連結を示す。

図７を参照すると複数のサブモジュール２１０は直列に連結され、一つの相（Ｐｈａｓｅ）の正極又は負極に連結された複数のサブモジュール２１０を一つのアーム（Ａｒｍ）として構成する。

３相モジュール型マルチレベルコンバータ２００は一般的に６つのアームで構成され、Ａ，Ｂ，Ｃの３相それぞれに対して正極と負極で構成されて６つのアームで構成される。

それによって、３相モジュール型マルチレベルコンバータ２００はＡ相正極に対する複数のサブモジュールで構成される第１アーム２２１、Ａ相負極に対する複数のサブモジュール２１０で構成される第２アーム２２２、Ｂ相正極に対する複数のサブモジュールで構成される第３アーム２２３、Ｂ相負極に対する複数のサブモジュール２１０で構成される第４アーム２２４、Ｃ相正極に対する複数のサブモジュールで構成される第５アーム２２５、Ｃ相負極に対する複数のサブモジュール２１０で構成される第６アーム２２６で構成される。

そして、一つの相に対する複数のサブモジュール２１０はレッグ（Ｌｅｇ）を構成する。

それによって、３相モジュール型マルチレベルコンバータ２００はＡ相に対する複数のサブモジュール２１０を含むＡ相レッグ２２７と、Ｂ相に対する複数のサブモジュール２１０を含むＢ相レッグ２２８と、Ｃ相に対する複数のサブモジュール２１０を含むＣ相レッグ２２９で構成される。

よって、第１アーム２２１乃至第６アーム２２６はそれぞれＡ，Ｂ，Ｃ相レッグ２２７，２２８，２２０に含まれる。

詳しくは、Ａ相レッグ２２７にはＡ相の正極アームである第１アーム２２１と負極アームである第２アーム２２２が含まれ、Ｂ相レッグ２２８にはＢ相の正極アームである第３アーム２２３と負極アームである第４アーム２２４が含まれる。そして、Ｃ相レッグ２２９にはＣ相の正極アームである第５アーム２２５と負極アームである第６アーム２２６が含まれる。

また、複数のサブモジュール２１０は極性に応じて正極アーム２２７と負極アーム２２８を構成する。

詳しくは、図７を参照するとモジュール型マルチレベルコンバータ２００に含まれる複数のサブモジュール２１０は中性線ｎを基準に正極に対応する複数のサブモジュール２１０と負極に対応する複数のサブモジュール２１０とで分類される。

よって、モジュール型マルチレベルコンバータ２００は正極に対応する複数のサブモジュール２１０で構成される正極アーム２２７、負極に対応する複数のサブモジュール２１０で構成される負極アーム２２８で構成される。

よって、正極アーム２２７は第１アーム２２１、第３アーム２２３、第５アーム２２５で構成され、負極アーム２２８は第２アーム２２２、第４アーム２２４、第６アーム２２６で構成される。

次に、図８を参照してサブモジュール２１０の構成を説明する。

図８は、サブモジュール２１０の構成に関する例示図である。

図８を参照すると、サブモジュール２１０は２つのスイッチ、２つのダイオード、キャパシタを含む。このようなサブモジュール２１０の形態をハーフブリッジ（ｈａｌｆ−ｂｒｉｄｇｅ）形態又はハーフブリッジインバータ（ｈａｌｆ ｂｒｉｄｇｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ）とも称する。

そして、スイッチング部２１７に含まれるスイッチは電力半導体を含む。

ここで電力半導体とは電力装置用半導体素子をいい、電力の変換や制御用に最適化されている。そして、電力半導体はバルブ装置とも称する。

それによってスイッチング部２１７に含まれるスイッチは電力半導体と構成されるが、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ（Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＩＧＣＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などで構成される。

貯蔵部２１９はキャパシタを含んでいるためエネルギーを充電又は放電する。一方、サブモジュール２１０の構成及び動作に基づいてサブモジュール２１０を等価モデルで示すことができる。

図９はサブモジュール２１０の等価モデルを示すが、図９を参照するとサブモジュール２１０はスイッチとキャパシタで構成されたエネルギーの充電及び放電装置として示される。

それによって、サブモジュール２１０は出力電圧がＶｓｍであるエネルギーの充電及び放電装置と同じであることが分かる。

次に、図１０乃至図１３を参照してサブモジュール２１０の動作を説明する。

図１０乃至図１３のサブモジュール２１０のスイッチ部２１７は複数のスイッチＴ１，Ｔ２を含み、それぞれのスイッチはそれぞれのダイオードＤ１，Ｄ２に連結される。そして、サブモジュール２１０の貯蔵部２１９はキャパシタを含む。

図１０及び図１１を参照してサブモジュール２１０の充電及び放電動作を説明する。

図１０及び図１１は、サブモジュール２１０のキャパシタ電圧Ｖｓｍの形成を示す。

図１０及び図１１を参照すると、スイッチ部２１７のスイッチＴ１はターンオン、スイッチＴ２はターンオフ状態を示す。それによってサブモジュール２１０はそれぞれのスイッチ動作に応じてキャパシタ電圧を形成する。

詳しくは、図１０を参照するとサブモジュール２１０に流入される電流はダイオードＤ１を経てキャパシタに伝達されてキャパシタ電圧を形成する。そして、形成されたキャパシタ電圧はキャパシタにエネルギーを充電する。

そして、サブモジュール２１０は充電されたエネルギーを放出する放出動作を行う。

詳しくは、図１１を参照するとサブモジュール２１０に充電されたエネルギーであるキャパシタの貯蔵エネルギーはスイッチＴ１を経て出力される。よって、サブモジュール２１０は貯蔵されたエネルギーを放出する。

図１２及び図１３を参照してサブモジュール２１０のバイパス（Ｂｙｐａｓｓ）動作を説明する。

図１２及び図１３は、サブモジュール２１０の零電圧の形成を示す。

図１２及び図１３を参照すると、スイッチ部２１７のスイッチＴ１はターンオフ、スイッチＴ２はターンオンされた状態を示す。それによってサブモジュール２１０のキャパシタに電流が流れなくなり、サブモジュール２０１は零電圧を形成する。

詳しくは、図１２を参照するとサブモジュール２１０に流入される電流はスイッチＴ２を介して出力されてサブモジュール２１０は零電圧を形成する。

そして、図１３を参照するとサブモジュール２１０に流入される電流はダイオードＤ２を介して出力されてサブモジュール２１０は零電圧を形成する。

このようにサブモジュール２１０が零電圧を形成するため、流れる電流がサブモジュール２１０に流入されずに通過するバイパス動作を行うことができる。

図１４乃至図１６は、本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定動作を示す図である。

図１４を参照すると、複数のサブモジュール２１０が第１サブモジュール、第２サブモジュール、第３サブモジュール、第４サブモジュール、第５サブモジュール、第６サブモジュール及び第７サブモジュールを含む場合、中央制御器２５０は第１サブモジュールから順次にアドレスを割り当てる。

即ち、第１サブモジュールには１番のアドレスが割り当てられ、 第２サブモジュールには２番のアドレスが割り当てられ、 第３サブモジュールには３番のアドレスが割り当てられ、 第４サブモジュールには４番のアドレスが割り当てられ、 第５サブモジュールには５番のアドレスが割り当てられ、 第６サブモジュールには６番のアドレスが割り当てられ、 第７サブモジュールには７番のアドレスが割り当てられる。

そして、中央制御器２５０は１番から順番にスイッチング順番を決定する。この際、スイッチング順番はそれぞれのサブモジュールが有する充電電圧と目標電圧を基準に決定される。

図１５を参照すると、目標電圧が６０で第１サブモジュールから第７サブモジュールに２０の電圧が同じく充電されている場合、中央制御器２５０は目標電圧に合わせるためのサブモジュールのスイッチング順番を決定する。

この際、それぞれのサブモジュールには２０の電圧が充電されているため、目標電圧に合わせるためには前から３つのサブモジュールのみが放電動作を行えばよい。

それによって、中央制御器２５０はアドレスの順番通りに第１サブモジュール、第２サブモジュール及び第３サブモジュールのみが放電動作を行うようにし、残りの他のサブモジュールはバイパス動作又は充電動作を行うようにする。

この際、中央制御器２５０は前記のようなスイッチング条件が決定された場合、放電動作を行うサブモジュールのうち最後のアドレスを有するサブモジュールを記憶する。

そして、図１６を参照すると次のスイッチング条件の決定時には記憶しているサブモジュールの次のアドレスからスイッチング順番を決定する。

即ち、前記では第３サブモジュールまで放電動作が行われたため、次のスイッチング時には第４サブモジュールから放電動作が行われる。

それによって、目標電圧が４０であれば記憶しているサブモジュールの次のサブモジュールから２つのサブモジュールのみが放電動作を行うようにする。

よって、中央制御器２５０は第４サブモジュール及び第５サブモジュールのみが放電動作を行うようにし、残りの他のサブモジュールはバイパス動作又は充電動作を行うようにする。そして、前記と同じく中央制御器は放電動作を行うサブモジュールのうち最後のアドレスが割り当てられた第５サブモジュールに関する情報を記憶し、それを後のスイッチング条件の決定時に適用する。

本発明の実施例によると、多数のサブモジュールに対するスイッチング順番を割り当てられたアドレスに応じて決定することでサブモジュールの動作条件を決定するのにかかる時間を短縮することができる。

また、本発明の実施例によると多数のサブモジュールをアドレスの順番通りにスイッチングして多数のサブモジュールのスイッチング頻度に対する均衡性を維持することで、特定サブモジュールのみが継続的にスイッチングする状況を事前に防止することができるだけでなく、特定のサブモジュールの寿命が短縮する状況を防止することができる。

図１７乃至図１８は、本発明の一実施例によるモジュール型マルチレベルコンバータのスイッチング順番の決定方法を段階別に説明するためのフローチャートである。

まず、図１７を参照すると、中央制御器２５０はサブモジュールの配置順にアドレスを割り当てるＳ１００。即ち、サブモジュールのうち最前に配置されたサブモジュールには最低のアドレスが割り当てられ、最後に配置されたサブモジュールには最高のアドレスがあり当てられる。

次に、中央制御器２５０は目標電圧及び複数のサブモジュールがそれぞれ充電している充電電圧を確認するＳ１１０。

次に、中央制御器２５０は目標電圧及び充電電圧を基準に先の番号を有するサブモジュールから順次にスイッチング順番を決定するＳ１２０。

即ち、充電電圧を基準に目標電圧を出力するように先の番号のアドレスを有するサブモジュールから順次に放電動作を行うＳ１３０。

そして、順次に行われる放電動作を介して目標電圧に相応する出力電圧を発生するＳ１３０。

この際、中央制御器２５０は目標電圧を出力するために放電動作を行うサブモジュールのうち最後の番号を有するサブモジュールに関する情報を記憶し、後にそれを活用してサブモジュールのスイッチング条件を決定する。

即ち、図１８を参照すると中央制御器２５０は目標電圧及びサブモジュールの充電電圧を確認するＳ２００。

そして、中央制御器２５０は以前時点で放電動作を行ったサブモジュールのうち最後の番号のアドレスを有するサブモジュールを確認するＳ２１０。

次に、中央制御器２５０は確認したサブモジュールの次のアドレスを有するサブモジュールから目標電圧を出力するためのスイッチング順番を決定するＳ２２０。

例えば、以前時点で３番のアドレスを有するサブモジュールまで放電が行われたのであれば、現時点では４番のアドレスを有するサブモジュールから放電が行われる。

次に、決定されたスイッチング順番に応じてサブモジュールの放電が行われることで目標電圧に相応する出力電圧を発生するＳ２３０。

本発明による実施例によると、多数のサブモジュールに対するスイッチング順番を割り当てられたアドレスに応じて決定することでサブモジュールの動作条件を決定するのにかかる時間を短縮することができる。

また、本発明の実施例によると多数のサブモジュールをアドレスの順番通りにスイッチングして多数のサブモジュールのスイッチング頻度に対する均衡性を維持することで、特定サブモジュールのみが継続的にスイッチングする状況を事前に防止することができるだけでなく、特定サブモジュールの寿命が短縮する状況を防止することができる。

また、前記では本発明の好ましい実施例について図示し説明したが、本発明が上述した特定の実施例に限ることはなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく該当発明が属する技術分野における通常の知識を有する者によって多様な変形実施が可能であることはもちろんである。また、このような変形実施は本発明の技術的思想や展望から個別的に理解されてはならない。

Claims (6)

1. スイッチング素子を含む複数のサブモジュールと、
   前記複数のサブモジュールを区分するためのアドレスをそれぞれ割り当て、前記割り当てられたアドレスを基準に前記複数のサブモジュールのスイッチング動作条件を決定し、前記決定されたスイッチング動作条件に対応するスイッチング信号を出力する中央制御器と、を含み、
   前記中央制御器は、前記割り当てられたアドレスの順番通りに前記複数のサブモジュールに対するスイッチング順番を決定する、モジュール型マルチレベルコンバータ。
2. 前記中央制御器は、前記複数のサブモジュールが配置された順番に応じて前から順次に前記アドレスを割り当てる、請求項１に記載のモジュール型マルチレベルコンバータ。
3. 前記スイッチング動作条件は、充電動作条件、放電動作条件及びバイパス動作条件を含み、
   前記中央制御器は、目標電圧及び前記複数のサブモジュールに充電されたそれぞれの充電電圧を基準に先の番号のアドレスを有するサブモジュールから順次に放電動作が行われるようにする、請求項１又は請求項２に記載のモジュール型マルチレベルコンバータ。
4. 前記放電動作をするサブモジュールに充電された充電電圧の合計は、前記目標電圧に相応し、
   前記中央制御器は、先の番号のアドレスを有するサブモジュールから前記充電電圧を確認し、前記目標電圧に対応する出力電圧を発生するための各サブモジュールのスイッチング動作条件を決定する、請求項３に記載のモジュール型マルチレベルコンバータ。
5. 前記中央制御器は、前記放電動作条件で動作するサブモジュールが決定されれば、前記放電動作条件で動作するサブモジュールのうち最後の番号のアドレスを有するサブモジュールの情報を貯蔵する、請求項３又は請求項４に記載のモジュール型マルチレベルコンバータ。
6. 前記中央制御器は、
   以前時点で放電動作を行った最後の番号のアドレスを有するサブモジュールを確認し、
   前記確認したサブモジュールの次のアドレスを有するサブモジュールから順次に放電動作が行われるようにする、請求項４又は請求項５に記載のモジュール型マルチレベルコンバータ。

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