JP2016015847A - マルチレベル電力変換器 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチレベル電力変換器において、演算負荷を軽減し、定常的に中性点電位の変動を抑制する。
【解決手段】第１中性点電位に影響を与えるスイッチングパターンＶ３，Ｖ４，Ｖ５，電圧指令値Ｖ_i ^*＝Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*，出力電流検出値Ｉ_i＝Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗおよび第２中性点ＮＰ’に接続されたキャパシタＣ１，Ｃ２が放電する条件に基づいて、中性点電流推定値Ｉ＾_NPを算出し、中性点電流推定値Ｉ＾_NPに第１伝達関数Ｆ（ｓ）を乗じた値と、直流電圧源Ｖ_DCの正極と第１中性点ＮＰ間の電圧と直流電圧源Ｖ_DCの負極と第１中性点ＮＰ間の電圧との偏差に第２伝達関数Ｇ（ｓ）を乗じた値を足し合わせて、電圧オフセット成分Ｖ_OFSを算出し、電圧オフセット成分Ｖ_OFSを電圧指令値Ｖ_i ^*＝Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*に加算して電圧指令値を補正する。
【選択図】図１

Description

本発明は、 マルチレベル電力変換器における中性点電位制御に関する。

特許文献１には、三相電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*と直流電圧Ｖ_dcから三相変調率指令値Ａｕ^*，Ａｖ^*，Ａｗ^*を求め、この三相変調率指令値Ａｕ^*，Ａｖ^*，Ａｗ^*と三相電流指令値Ｉｕ^*，Ｉｖ^*，Ｉｗ^*から中性点電流を予測し、さらに前記三相変調率指令値Ａｕ^*，Ａｖ^*，Ａｗ^*の符号と三相電流指令値Ｉｕ^*，Ｉｖ^*，Ｉｗ^*から零相電圧の変動でどれだけ中性点電流を変化させられるか（特許文献１では「中性点電流変化量」と呼称）を求め、中性点電圧の変動を抑制する方式が開示されている。

特開２０１１−２３９５６４号公報

しかしながら、 特許文献１には以下（１）〜（３）に示す問題点がある。

（１）三相すべての電圧指令値Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*と電流指令値Ｉｕ^*，Ｉｖ^*，Ｉｗ^*を用いて演算を行うため、演算負荷が高く、高価なＣＰＵが必要となる。

（２）除算の演算が必要であり、ＣＰＵでの除算は演算負荷が高い。ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ−Ｐｒｏｇｒｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ ａｒｒａｙ）などの書き換え可能な集積回路のプログラムにおいて、多くのロジックセルと演算時間が必要となり、除算の実装が困難または制御性能が低下し、デジタル化の設計が難しい。

（３）フィルタコンデンサ４−１、４−２の正極Ｐ、中性点ＮＰ、負極Ｎ間の定常的な電圧変動の抑制制御の機能がないため、スイッチング素子の特性にばらつきがある場合や電圧・電流検出値にオフセットが重畳している場合には、電流推定値もオフセットが重畳してしまう恐れがある。その結果、間違った電圧変動の抑制制御を行う可能性があり、時間経過によりフィルタコンデンサ４−１、４−２の電圧変動（アンバランス）が拡大するおそれがある。また、スイッチング素子の特性や各種検出器の特性が時間経過により変化することもあり、この場合も誤った電圧変動の抑制制御でフィルタコンデンサ４−１、４−２の電圧変動（アンバランス）が拡大するおそれがある。

以上示したようなことから、マルチレベル電力変換器において、演算負荷を軽減し、定常的に中性点電位の変動を抑制することが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、直流電圧源の両端子間に直列接続され、両端子間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第１中性点とする複数の直流電圧源側コンデンサと、前記直流電圧源の両端子に一端が接続されたスイッチング素子の他端間に直列接続され、スイッチング素子の他端間の電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第２中性点とし、第１中性点と第２中性点とがスイッチング素子を介して接続された複数のキャパシタと、を備え、直流電圧を電圧指令値に基づいて複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力または交流電圧を直流電圧に変換するマルチレベル電力変換器であって、前記第１中性点電位に影響を与えるスイッチングパターン，電圧指令値，出力電流検出値および第２中性点に接続されたキャパシタが放電する条件に基づいて、中性点電流推定値を算出し、中性点電流推定値に第１伝達関数を乗じた値と、直流電圧源の正極と第１中性点間の電圧と直流電圧源の負極と第１中性点間の電圧との偏差に第２伝達関数を乗じた値を足し合わせて、電圧オフセット成分を算出する中性点電位制御器と、前記電圧オフセット成分を電圧指令値に加算して電圧指令値を補正する加算器と、を備えたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記キャパシタが放電する条件は、以下の式により算出することを特徴とする。

さらに、その一態様として、前記中性点電流推定値は、以下の式により算出することを特徴とする。

また、その一態様として、前記第１伝達関数は帯域フィルタと比例ゲインとから成る制御器で構成し、前記第２伝達関数はローパスフィルタと比例ゲインとから成る制御器で構成したことを特徴とする。

本発明によれば、マルチレベル電力変換器において、演算負荷を軽減し、定常的に中性点電位の変動を抑制することが可能となる。

実施形態におけるマルチレベル電力変換器のシステム構成図。 中性点電位に影響を与えるスイッチングパターンを示す回路図。

以下、本願発明に係るマルチレベル電力変換器における実施形態を図１〜図２に基づいて詳述する。

［実施形態］
図１に本実施形態におけるマルチレベル変換器のシステム構成を示す。本実施形態のマルチレベル電力変換器は、図１に示すように、三相の５レベル電力変換器である。負荷の代わりに三相交流電源を用いて整流器動作する場合も同様のシステム構成が可能である。

本実施形態におけるマルチレベル電力変換器は、図１に示すように、直流電圧源Ｖ_DCの正負極ＰＮ間に直流電圧源側コンデンサＣ３，Ｃ４が順次直列接続されている。直流電圧源Ｖ_DCは、整流器によって整流された直流電圧源、または、電池などの直流電圧源で、正極Ｐ，負極Ｎの端子を有する。直流電圧源側コンデンサＣ３，Ｃ４は、直流電圧源Ｖ_DCの正負極ＰＮ間の直流電圧を１／２に分圧する。この分圧点を第１中性点ＮＰとする。

直流電圧源Ｖ_DCの正負極ＰＮに第５，第８スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８の一端が接続され、第５，第８スイッチング素子Ｓ５，Ｓ８の他端間にキャパシタＣ１，Ｃ２が直列接続される。キャパシタＣ１，Ｃ２は第５，第８スイッチング素子の他端間の電圧を１／２に分圧する。この分圧点を第２中性点ＮＰ’とする。

キャパシタＣ１，Ｃ２に対して並列に第１〜第４スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４が順次直列接続される。また、直流電圧源側コンデンサＣ３，Ｃ４の共通接続点とキャパシタＣ１，Ｃ２の共通接続点との間に双方向スイッチが介挿され、第１，第２スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の共通接続点と第３，第４スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の共通接続点との間に第１，第２ダイオードＤ１，Ｄ２が介挿される。前記双方向スイッチは、第６，第７スイッチング素子Ｓ６，Ｓ７を逆接続して構成されている。なお、第２，第３スイッチング素子Ｓ２，Ｓ３の共通接続点を出力端子Ｏとする。

中性点電位制御器１は、出力電流検出値Ｉ_o＝Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗと、電圧指令値Ｖ^*＝Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*と、直流電圧源側コンデンサＣ３，Ｃ４の電圧偏差（直流電圧源Ｖ_DCの正極と第１中性点ＮＰ間の電圧と直流電圧源ＶＤＣの負極と第１中性点ＮＰ間の電圧）を入力して、電圧オフセット成分Ｖ_OFSを出力する。

本実施形態１におけるマルチレベル電力変換器は、表１のスイッチングパターンＶ１〜Ｖ７を用いることで、５レベルの電圧を出力することができる。

図１のシステム構成において、中性点電位Ｖ_NPは直流電圧源側コンデンサＣ３とＣ４の電圧の差分である。直流電圧源側コンデンサＣ３，Ｃ４の静電容量をＣ_NP，中性点電流をＩ_NP，図２に示す中性点電位に影響を与えるスイッチングパターン（第１中性点ＮＰと第２中性点ＮＰ’との間に電流が流れている状態）Ｖ３，Ｖ４またはＶ５のＯＮ状態時間をＤとすると、中性点電位の変動量ΔＶ_NPは以下の（１）式となる。

次に、三相の５レベル電力変換器において、各相のスイッチングパターンＶ₃とＶ₆となる条件（キャパシタＣ１，Ｃ２が放電となる条件）を、電圧指令値Ｖ_i ^*＝Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*と、各相の直流電圧源側コンデンサＣ３とＣ４の電圧検出値Ｖ_CI3，Ｖ_Ci4から判別する。今、直流電圧源側コンデンサＣ３とＣ４のコンデンサ電圧指令値をＶ_FC ^*とすると、コンデンサ電圧指令値Ｖ_FC ^*と直流電圧源側コンデンサＣ３の電圧検出値Ｖ_Ci3との偏差，電圧指令値Ｖ_FC ^*と直流電圧源側コンデンサＣ４の電圧検出値Ｖ_Ci3との偏差，および電圧指令値Ｖｉ^*＝Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*の正負から、スイッチングパターンがＶ₃またはＶ₆ならば１，それ以外なら０とした判別量ｋを以下の（２）式のように表せる。

そして、スイッチングパターンＶ₃，Ｖ₄，Ｖ₅のときの出力電流検出値Ｉ_i＝Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗとすると、各相の中性点電流推定値Ｉ＾_NPiは前記の判別量ｋ_i，電圧指令値Ｖ_i ^*＝Ｖｕ^*，Ｖｖ^*，Ｖｗ^*を用いて、以下の（３）式のように表せる。

三相の中性点電流Ｉ_NPU，Ｉ_NPV，Ｉ_NPWの和Ｉ_NPがキャパシタＣ１とＣ２の第２中性点ＮＰ’に流れることから、中性点電流Ｉ_NPの推定値は以下の（４）式となる。

さらに、中性点電流Ｉ_NPを打ち消す方向に第１伝達関数Ｆ（ｓ）を乗じた項と、直流電圧源側コンデンサＣ３，Ｃ４の電圧（直流電圧源Ｖ_DCの正極と第１中性点ＮＰ間の電圧と直流電圧源Ｖ_DCの負極と第１中性点ＮＰ間の電圧）の偏差に第２伝達関数Ｇ（ｓ）を乗じた項を足し合わせることにより、電圧オフセット成分Ｖ_OFSを以下の（５）式のように演算する。

各相の電圧指令値Ｖ_i ^*と電圧オフセット成分Ｖ_OFSとを加算器３で加算して電圧指令値Ｖ_i ^*を補正し、この加算値をゲート信号作成部２に入力し、図示しない搬送波との振幅比較によりスイッチング素子Ｓ１〜Ｓ８のゲート信号を出力することにより、中性点の電圧変動の抑制制御ができる。

また、例えば、中性点電位制御器１では、上記（５）式に示す第１伝達関数Ｆ（ｓ）は帯域通過フィルタと比例ゲインから成る制御器で構成し、第２伝達関数Ｇ（ｓ）はローパスフィルタと比例ゲインから成る制御器で構成することによって、第１伝達関数Ｆ（ｓ）の通過周波数と第２伝達関数Ｇ（ｓ）の遮断周波数を揃えて帯域を分離でき、高周波成分は中性点電流Ｉ_NPの推定値によるフィードフォワード補償、低周波数成分は中性点電位検出値Ｖ_NPのフィードバックによる補償とすることで、安定した制御を実現できる。

本実施形態に示すように、マルチレベル電力変換器における中性点電位に影響を与えるスイッチングパターン，電圧指令値Ｖ_U ^*，Ｖ_V ^*，Ｖ_W ^*，出力電流検出値Ｉｕ，Ｉｖ、Ｉｗおよび第２中性点ＮＰ’に接続されるキャパシタＣ１，Ｃ２が放電する条件から中性点電流Ｉ_NPを推定して、中性点電流推定値Ｉ＾_NPおよび中性点電位検出値Ｖ_NPをそれぞれ利用して電圧オフセット成分Ｖ_OFSが算出できる。この電圧オフセット成分Ｖ_OFSを電圧指令値Ｖ_i ^*に加算することにより、中性点電位の変動抑制制御ができるため、従来技術に比べて演算負荷の軽減および定常的な中性点電位の変動抑制制御が可能となる。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、本実施形態では、図１に示す回路構成で説明したが、実施形態の回路構成に限定されず、以下のパラメータを利用できるマルチレベル電力変換器の回路構成であればよい。
・中性点電位に影響を与えるスイッチングパターン
・第２中性点に接続されるコンデンサが放電する条件
・電圧指令値Ｖ_i ^*
・出力電流検出値Ｉ_i
・中性点電位検出値Ｖ_NP

Ｖ_DC…直流電圧源
ＮＰ…第１中性点
ＮＰ’…第２中性点
Ｓ１〜Ｓ８…スイッチング素子
Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ
Ｃ３，Ｃ４…直流電圧源側コンデンサ
１…中性点電位制御器
２…ゲート信号作成部
３…加算器

Claims (4)

1. 直流電圧源の両端子間に直列接続され、両端子間の直流電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第１中性点とする複数の直流電圧源側コンデンサと、
   前記直流電圧源の両端子に一端が接続されたスイッチング素子の他端間に直列接続され、スイッチング素子の他端間の電圧を１／２に分圧し、この分圧点を第２中性点とし、第１中性点と第２中性点とをスイッチング素子を介して接続された複数のキャパシタと、を備え、
   直流電圧を電圧指令値に基づいて複数の電圧レベルに変換した交流電圧を出力または交流電圧を直流電圧に変換するマルチレベル電力変換器であって、
   前記第１中性点電位に影響を与えるスイッチングパターン，電圧指令値，出力電流検出値および第２中性点に接続されたキャパシタが放電する条件に基づいて、中性点電流推定値を算出し、中性点電流推定値に第１伝達関数を乗じた値と、直流電圧源の正極と第１中性点間の電圧と直流電圧源の負極と第１中性点間の電圧との偏差に第２伝達関数を乗じた値を足し合わせて、電圧オフセット成分を算出する中性点電位制御器と、
   前記電圧オフセット成分を電圧指令値に加算して電圧指令値を補正する加算器と、を備えたことを特徴とするマルチレベル電力変換器。
2. 前記キャパシタが放電する条件は、以下の式により算出することを特徴とする請求項１記載のマルチレベル電力変換器。
   

   
3. 前記中性点電流推定値は、以下の式により算出することを特徴とする請求項２記載のマルチレベル電力変換器。
   

   
4. 前記第１伝達関数は帯域フィルタと比例ゲインとから成る制御器で構成し、前記第２伝達関数はローパスフィルタと比例ゲインとから成る制御器で構成したことを特徴とする請求項１〜３のうち何れか１項に記載のマルチレベル電力変換器。

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