JP2016019297A - 直列多重マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】電力系統側の力率を適切に制御することができる直列多重マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法を提供すること。【解決手段】実施形態に係る直列多重マトリクスコンバータは、電力変換部および制御部を備える。電力変換部は、電力系統と回転電機との間に設けられ、直列接続された複数の電力変換セルを有する。制御部は、複数の電力変換セルのうち一部の電力変換セルから回転電機側へ電流が流れるように一部の電力変換セルを制御し、回転電機側に流れる電流が残りの電力変換セルから電力系統側へ無効電流として流れるように残りの電力変換セルを制御する。【選択図】図１

Description

開示の実施形態は、直列多重マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法に関する。

マトリクスコンバータは、高調波電流の抑制や回生電力の有効利用が可能であることから、新しい電力変換装置として注目されている。かかるマトリクスコンバータとして、複数の双方向スイッチを有する電力変換セルを直列に複数段接続して構成した直列多重マトリクスコンバータが知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−１７４５５９号公報

しかしながら、マトリクスコンバータは、電力系統側の力率を適切に制御することが難しい場合がある。例えば、電力系統の電圧を変換して発電機へ出力することにより発電機の電力を電力系統へ提供するマトリクスコンバータにおいて、電力系統側にフィルタが設けられていると、フィルタに含まれるコンデンサの進み電流により電力系統側の力率を１に保つことが難しい場合がある。

実施形態の一態様は、上記に鑑みてなされたものであって、電力系統側の力率を適切に制御することができる直列多重マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法を提供することを目的とする。

実施形態の一態様に係る直列多重マトリクスコンバータは、電力変換部および制御部を備える。前記電力変換部は、電力系統と回転電機との間に設けられ、直列接続された複数の電力変換セルを有する。前記制御部は、前記複数の電力変換セルのうち一部の電力変換セルから前記回転電機側へ電流が流れるように前記一部の電力変換セルを制御し、前記回転電機側に流れる電流が残りの電力変換セルから前記電力系統側へ無効電流として流れるように前記残りの電力変換セルを制御する。

実施形態の一態様によれば、電力系統側の力率を適切に制御することができる直列多重マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法を提供することができる。

図１は、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。 図２は、単相電力変換セルユニットの構成の一例を示す図である。 図３は、双方向スイッチの一例を示す図である。 図４は、入力力率角を調整した場合の、回転速度、有効電力、無効電力および系統側力率との関係例を示す図である。 図５は、主制御部による第１モードでの系統側力率の制御例の説明図である。 図６は、主制御部の構成の一例を示す図である。 図７は、セル制御部の構成の一例を示す図である。 図８は、力率設定部の構成の一例を示す図である。 図９は、回転電機に出力される電圧の切り替わりの一例を示す図である。 図１０は、制御部の処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下に、本願の開示する直列多重マトリクスコンバータ、発電システムおよび力率制御方法の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

［１．発電システム］
図１は、実施形態に係る発電システムの構成の一例を示す図である。図１に示すように、実施形態に係る発電システム１００は、直列多重マトリクスコンバータ１と、回転電機２とを備える。直列多重マトリクスコンバータ１は、回転電機２と３相交流の電力系統３との間に設けられ、回転電機２と電力系統３との間の電力変換を行う。

以下の実施形態では、回転電機２の一例として、例えば、同期電動機などの交流発電機（ＡＣＧ）について説明するが、回転電機２は、交流発電機に限らず、例えば、交流電動機であってもよい。また、回転電機２の回転軸Ａｘには、回転電機２の回転子位置（機械角）を示す回転位置θ_Ｇを検出する位置検出器４が設けられており、かかる位置検出器４によって検出された回転位置θ_Ｇは直列多重マトリクスコンバータ１へ入力される。

［２．直列多重マトリクスコンバータ１］
図１を参照して直列多重マトリクスコンバータ１の構成の一例を説明する。以下においては、直列多重マトリクスコンバータ１の制御部を、便宜上、主制御部とセル制御部に分けて説明するが、主制御部の中にセル制御部を設けるようにしてもよい。また、主制御部の一部の処理をセル制御部が行うようにしてもよく、セル制御部の一部の処理を主制御部が行うようにしてもよい。

図１に示すように、直列多重マトリクスコンバータ１は、多重変圧器１０と、電力変換部１３と、電圧位相検出部１５と、電流検出部１６、１７と、主制御部１８と、端子Ｔ_Ｒ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｔと、端子Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ、Ｔ_Ｗとを備える。回転電機２は、端子Ｔ_Ｕ、Ｔ_Ｖ、Ｔ_Ｗに接続され、電力系統３は、端子Ｔ_Ｒ、Ｔ_Ｓ、Ｔ_Ｔに接続される。

多重変圧器１０は、１次巻線１１と、９つの２次巻線１２ａ〜１２ｉ（以下、２次巻線１２と総称する場合がある）とを備え、電力系統３から１次巻線１１に入力される３相交流電圧を９つの２次巻線１２ａ〜１２ｉに変圧して出力する。

多重変圧器１０は、例えば、同一出力相に対応する２次巻線１２間で電圧位相差を発生させる移相変圧器である。例えば、位置Ｕ２、Ｖ２、Ｗ２に対応する２次巻線１２ｄ〜１２ｆは、位置Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１に対応する２次巻線１２ａ〜１２ｃに対して、２０度の電圧位相差を有する。また、位置Ｕ３、Ｖ３、Ｗ３に対応する２次巻線１２ｇ〜１２ｉは、位置Ｕ１、Ｖ１、Ｗ１に対応する２次巻線１２ａ〜１２ｃに対して、４０度の電圧位相差を有する。このように電圧位相差を設けることにより、１次巻線１１側に流れる高調波電流を低減することができる。なお、多重変圧器１０は、移相変圧器でなくてもよい。

電力変換部１３は、単相電力変換セルユニット群１４ａ〜１４ｃ（以下、単相電力変換セルユニット群１４と総称する場合がある）を備える。単相電力変換セルユニット群１４ａ〜１４ｃは、一端が互いに中性点Ｎに接続され、他端がそれぞれ回転電機２のＵ相、Ｖ相およびＷ相に接続される。

単相電力変換セルユニット群１４ａは、２次巻線１２ａ、１２ｄ、１２ｇにそれぞれ接続される単相電力変換セルユニット２０ａ、２０ｄ、２０ｇを有する。単相電力変換セルユニット２０ａ、２０ｄ、２０ｇの出力は直列接続される。単相電力変換セルユニット２０ａの端子Ｔ２が中性点Ｎに接続され、単相電力変換セルユニット２０ｇの端子Ｔ１が回転電機２のＵ相に接続される。

単相電力変換セルユニット群１４ｂは、２次巻線１２ｂ、１２ｅ、１２ｈにそれぞれ接続される単相電力変換セルユニット２０ｂ、２０ｅ、２０ｈを有する。単相電力変換セルユニット２０ｂ、２０ｅ、２０ｈの出力は直列接続される。単相電力変換セルユニット２０ｂの端子Ｔ２が中性点Ｎに接続され、単相電力変換セルユニット２０ｈの端子Ｔ１が回転電機２のＶ相に接続される。

単相電力変換セルユニット群１４ｃは、２次巻線１２ｃ、１２ｆ、１２ｉにそれぞれ接続される単相電力変換セルユニット２０ｃ、２０ｆ、２０ｉを有する。単相電力変換セルユニット２０ｃ、２０ｆ、２０ｉの出力は直列接続される。単相電力変換セルユニット２０ｃの端子Ｔ２が中性点Ｎに接続され、単相電力変換セルユニット２０ｉの端子Ｔ１が回転電機２のＷ相に接続される。

各単相電力変換セルユニット２０は、端子Ｔ３（後述する端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔ）と端子Ｔ１、Ｔ２とを有し、２次巻線１２を介して端子Ｔ３に入力される３相交流電圧を単相交流電圧へ変換して端子Ｔ１、Ｔ２から出力する。

例えば、単相電力変換セルユニット群１４ａは、単相電力変換セルユニット２０ａ、２０ｄ、２０ｇの出力電圧を加算した電圧を回転電機２のＵ相へ出力する。また、単相電力変換セルユニット群１４ｂは、単相電力変換セルユニット２０ｂ、２０ｅ、２０ｈの出力電圧を加算した電圧を回転電機２のＶ相へ出力する。また、単相電力変換セルユニット群１４ｃは、単相電力変換セルユニット２０ｃ、２０ｆ、２０ｉの出力電圧を加算した電圧を回転電機２のＷ相へ出力する。

図２は、単相電力変換セルユニット２０の構成の一例を示す図である。図２に示すように、単相電力変換セルユニット２０は、単相電力変換セル２１（電力変換セルの一例）と、フィルタ２２と、電圧検出部２３と、セル制御部２４とを備える。

単相電力変換セル２１は、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６（以下、双方向スイッチＳｗと総称する場合がある）を備える。かかる双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６は、端子Ｔ１、Ｔ２と端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔ（端子Ｔ３）との間にフィルタ２２を介してそれぞれ接続される。

双方向スイッチＳｗは、例えば、図３に示すような構成を有する。図３は、各双方向スイッチＳｗの構成の一例を示す図である。図３に示すように、各双方向スイッチＳｗは、スイッチング素子５とダイオード７とによる直列接続体と、スイッチング素子６とダイオード８とによる直列接続体とが、逆方向に並列に接続されて構成される。

スイッチング素子５、６は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などの半導体スイッチング素子である。また、スイッチング素子５、６は、次世代半導体スイッチング素子のＳｉＣ、ＧａＮであってもよい。

なお、双方向スイッチＳｗは、図３に示す構成に限られない。例えば、図３に示す例では、ダイオード７、８のカソード同士が接続されていないが、双方向スイッチＳｗは、ダイオード７、８のカソード同士が接続された構成でもよい。また、スイッチング素子５、６が逆阻止ＩＧＢＴの場合、ダイオード７、８を設けなくてもよい。

フィルタ２２は、単相電力変換セル２１と端子Ｔｒ、Ｔｓ、Ｔｔとの間に設けられ、単相電力変換セル２１によって発生する高周波成分の電力系統３への影響を抑制する。かかるフィルタ２２は、３つのリアクトルＬ１、Ｌ２、Ｌ３と、３つのコンデンサＣ１、Ｃ２、Ｃ３によって構成される。 なお、フィルタ２２は、図２に示すＬＣフィルタ構成に限定されず、他の構成であってもよい。

電圧検出部２３は、多重変圧器１０とフィルタ２２との間に設けられ、２次巻線１２の各相（ｒ相、ｓ相およびｔ相）の瞬時電圧値Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔ（以下、系統側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと記載する）を検出する。

セル制御部２４は、主制御部１８からの制御信号に基づいて、単相電力変換セル２１の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６を制御する。これにより、単相電力変換セル２１は、例えば、端子Ｔ３から入力される３相交流電圧を単相交流電圧に変換し、かかる単相交流電圧を端子Ｔ１、Ｔ２から出力する。なお、セル制御部２４については、後で詳述する。

図１に戻って直列多重マトリクスコンバータ１の構成の説明を続ける。電圧位相検出部１５は、電力系統３と多重変圧器１０との間に設けられ、電力系統３の電圧位相θ_ＲＳＴ（以下、系統側電圧位相θ_ＲＳＴと記載する）を検出する。

電流検出部１６は、電力系統３と多重変圧器１０との間に設けられ、電力系統３のＲ相、Ｓ相、Ｔ相の各相と多重変圧器１０との間に流れる電流の瞬時電流値Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔ（以下、系統側電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔと記載する）を検出する。なお、電流検出部１６は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。

電流検出部１７は、電力変換部１３と回転電機２との間に設けられ、電力変換部１３と回転電機２のＵ相、Ｖ相、Ｗ相の各相との間に流れる電流の瞬時電流値Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗ（以下、回転電機側電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗと記載する）を検出する。なお、電流検出部１７は、例えば、磁電変換素子であるホール素子を利用して電流を検出する電流センサである。

主制御部１８は、各単相電力変換セルユニット２０を制御する。例えば、主制御部１８は、回転位置θ_Ｇ、系統側電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔ、系統側電圧位相θ_ＲＳＴおよび、回転電機側電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗに基づき、各単相電力変換セルユニット２０を制御する。

主制御部１８は、電力系統３側の力率λｇｒｉｄ（以下、系統側力率λｇｒｉｄと記載する）を制御する制御モードとして、第１モードおよび第２モードを有する。かかる主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇに基づき、第１モードおよび第２モードのうちいずれかの制御モードを選択して系統側力率λｇｒｉｄの制御を行う。これにより、主制御部１８は、系統側力率λｇｒｉｄを適切に制御することができる。なお、主制御部１８は、回転位置θ_Ｇに基づき、回転速度ω_Ｇを求める。また、系統側力率λｇｒｉｄは、直列多重マトリクスコンバータ１から電力系統３側へ供給される電力の力率角であり、電力系統３から見た力率である。

主制御部１８は、第１モードにおいて、入力力率角θｉｎを調整することにより、系統側力率λｇｒｉｄを制御する。入力力率角θｉｎは、単相電力変換セル２１から電力系統３側へ供給される電力の力率角である。回転電機２の回転速度ω_Ｇが低いと、入力力率角θｉｎの調整では、系統側力率λｇｒｉｄの調整が難しい場合がある。以下、この点について説明する。

直列多重マトリクスコンバータ１には、図２に示すように、各単相電力変換セル２１と電力系統３との間にフィルタ２２が設けられており、かかるフィルタ２２により、電力系統３に進み無効電流が流れ、進み無効電力Ｑｉｎｉが発生する。かかる進み無効電力Ｑｉｎｉは、回転電機２の回転速度ω_Ｇが低いと、入力力率角θｉｎを変更しても、進み無効電力Ｑｉｎｉをキャンセルする遅れ無効電流を単相電力変換セル２１から電力系統３側へ流せない場合がある。

例えば、回転電機２から直列多重マトリクスコンバータ１へ供給される発電電力Ｐ_Ｇと、直列多重マトリクスコンバータ１から電力系統３へ供給される無効電力Ｑｇｒｉｄと、入力力率角θｉｎと、進み無効電力Ｑｉｎｉとは、下記式（１）に示す関係にある。なお、多重変圧器１０や電力変換部１３での損失は無視できるものとする。
Ｑｇｒｉｄ＝Ｐ_Ｇ×ｔａｎ（θｉｎ）−Ｑｉｎｉ ・・・（１）

回転電機２の回転速度ω_Ｇが低い場合、発電電力Ｐ_Ｇが小さいため、入力力率角θｉｎを調整しても、上記式（１）においてＰ_Ｇ×ｔａｎ（θｉｎ）が進み無効電力Ｑｉｎｉよりも大きくならない場合がある。この場合、無効電力Ｑｇｒｉｄが負の状態である。そのため、入力力率角θｉｎの調整では系統側力率λｇｒｉｄを「１」に制御したり、遅れ力率に制御したりすることが難しい。

図４は、入力力率角θｉｎを調整した場合の、回転速度ω_Ｇ、発電電力（有効電力）Ｐ_Ｇ、無効電力Ｑｇｒｉｄおよび系統側力率λｇｒｉｄとの関係例を示す図である。図４に示す例では、入力力率角θｉｎを調整する力率制御では、回転電機２の定格の約３１％以上の回転速度ω_Ｇで系統側力率λｇｒｉｄを「１」にできている。一方、回転電機２の定格の約３１％未満の回転速度ω_Ｇでは系統側力率λｇｒｉｄを「１」にできていない。

そこで、主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇが予め設定された閾値ωｔｈ（第１閾値および第２閾値の一例）以上である場合、第１モードにより系統側力率λｇｒｉｄを制御する。また、主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満である場合、第２モードにより系統側力率λｇｒｉｄを制御する。

閾値ωｔｈは、上記式（１）において、入力力率角θｉｎの調整によって無効電力Ｑｇｒｉｄをゼロにできる発電電力Ｐ_Ｇを得るために必要な回転速度ω_Ｇよりも大きい値に設定される。直列多重マトリクスコンバータ１が入力力率角θｉｎの調整により図４に示す特性になる場合、閾値ωｔｈは、例えば、回転電機２の定格速度の３１％〜３３％の範囲内に設定される。

なお、主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇが上昇する場合と、回転電機２の回転速度ω_Ｇが低下する場合とで、モードを切り替える閾値を変更することができる。例えば、主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇが上昇する場合、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ１（第１閾値の一例）未満である場合には第２モードが選択され、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ１以上になると第２モードから第１モードに切り替える。

また、主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇが下降する場合、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ２（第２閾値の一例）以上である場合には第１モードが選択され、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ２未満になると第１モードから第２モードに切り替える。なお、ωｔｈ２＜ωｔｈ１の関係になるように閾値ωｔｈ１、ωｔｈ２が設定される。

主制御部１８は、第２モードにおいて、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相毎に直列に接続される複数の単相電力変換セル２１を、回転電機２側の電流制御を担当する単相電力変換セル２１と、系統側力率λｇｒｉｄの制御を担当する単相電力変換セル２１とに分けて制御する。なお、以下において、回転電機２側の電流制御を担当する単相電力変換セル２１を電流制御担当セルと記載し、系統側力率λｇｒｉｄの制御を担当する単相電力変換セル２１を力率制御担当セルと記載する場合がある。

例えば、主制御部１８は、第２モードにおいて、直列接続された複数の単相電力変換セル２１のうち一部の単相電力変換セル２１から回転電機２へ電流が流れるように一部の単相電力変換セル２１を制御する。また主制御部１８は、第２モードにおいて、回転電機２に流れる電流を残りの単相電力変換セル２１から無効電流として電力系統３側へ流すように残りの単相電力変換セル２１を制御する。これにより、主制御部１８は、系統側力率λｇｒｉｄを「１」に制御したり、遅れ力率に制御したりすることができる。

図５は、主制御部１８による第２モードでの系統側力率λｇｒｉｄの制御例の説明図である。図５に示す例では、主制御部１８は、１段目の単相電力変換セルユニット２０ａ〜２０ｃの単相電力変換セル２１から回転電機２に電流が流れるように、単相電力変換セルユニット２０ａ〜２０ｃの単相電力変換セル２１を制御する。

また、主制御部１８は、回転電機２に流れる電流が、２段目、３段目の単相電力変換セルユニット２０ｄ〜２０ｉの単相電力変換セル２１から電力系統３側に無効電流として流れるように、単相電力変換セルユニット２０ｄ〜２０ｉの単相電力変換セル２１を制御する。

このように、主制御部１８は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相毎に、複数の単相電力変換セル２１を、電流制御担当セルと、力率制御担当セルとに分けて制御する。これにより、主制御部１８は、回転電機２の回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満である場合であっても、系統側力率λｇｒｉｄを精度よく制御することができる。

例えば、発電システム１００が風力発電であり、回転電機２にロータ（例えば、風車のプロペラ）が接続されている場合、風が弱いと、ロータの回転速度が低いため、回転電機２の回転速度ω_Ｇが低い。このような場合であっても、発電システム１００は、電流制御担当セルから回転電機２に流れる電流を力率制御担当セルから無効電流として電力系統３側へ流すように制御することで、系統側力率λｇｒｉｄを制御する。そのため、系統側力率λｇｒｉｄを精度よく調整することができ、例えば、電力系統３側によって要求される力率に系統側力率λｇｒｉｄを合せることができる。

［３．主制御部１８の構成］
以下、主制御部１８についてさらに詳細に説明する。なお、以下においては、主制御部１８が図５に示す制御を行う場合について説明するが、電流制御担当セルの数と力率制御担当セルの数は、図５に示す例に限定されるものではない。

図６は、主制御部１８の構成の一例を示す図である。図６に示すように、主制御部１８は、位相検出部３０と、第１の電流制御部３１と、第２の電流制御部３２と、出力部３３とを備える。

主制御部１８は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータやＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）やＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の集積回路により実現される。

マイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、位相検出部３０、第１の電流制御部３１、第２の電流制御部３２および出力部３３の一部または全部の機能を実行することができる。また、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどの回路によって、位相検出部３０、第１の電流制御部３１、第２の電流制御部３２および出力部３３の一部または全部の機能を実行することもできる。

位相検出部３０は、例えば、位置検出器４によって検出された回転位置θ_Ｇに回転電機２の極数を乗算することにより、回転電機２の電気角位相θを検出する。

第１の電流制御部３１は、単相電力変換セル２１から回転電機２へ電流を流すための電圧指令Ｖ^*を生成する。かかる第１の電流制御部３１は、電流指令生成器４１と、ｄｑ座標変換器４２と、減算器４３、４４と、ｑ軸電流制御器４５と、ｄ軸電流制御器４６と、座標変換器４７とを備える。

電流指令生成器４１は、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*およびｄ軸電流指令Ｉｄ^*を生成する。ｑ軸電流指令Ｉｑ^*は、回転電機２に流すトルク電流の目標値であり、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*は、回転電機２に流す励磁電流の目標値である。

電流指令生成器４１は、例えば、トルク指令Ｔ^*に応じたｑ軸電流指令Ｉｑ^*を生成する。電流指令生成器４１は、例えば、トルク−電流換算係数Ｋを用いて、トルク指令Ｔ^*に対応するｑ軸電流指令Ｉｑ^*を求める。

また、電流指令生成器４１は、例えば、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態（例えば、「０」）である場合、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*を所定値（例えば、ゼロ）に設定する。一方、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態（例えば、「１」）である場合、電流指令生成器４１は、回転電機２に流れる電流が定格電流になるようにｄ軸電流指令Ｉｄ^*を生成する。

ｄｑ座標変換器４２は、例えば、回転電機側電流Ｉ_Ｕ、Ｉ_Ｖ、Ｉ_Ｗを固定座標上の直交した２軸のαβ成分へ変換し、電気角位相θに基づき、αβ軸座標系の成分をｄｑ軸座標系の成分へ変換することでｄ軸電流Ｉｄとｑ軸電流Ｉｑとを求める。なお、ｄ軸は、回転電機２の磁束に平行な軸であり、ｑ軸は、ｄ軸に直交する軸である。

減算器４３は、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*からｑ軸電流Ｉｑを減算し、減算器４４は、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*からｄ軸電流Ｉｄを減算する。ｑ軸電流制御器４５は、例えば、ＰＩ（比例積分）制御器であり、比例積分制御により、ｑ軸電流指令Ｉｑ^*とｑ軸電流Ｉｑとの偏差がゼロになるように、ｑ軸電圧指令Ｖｑ^*を生成する。

また、ｄ軸電流制御器４６は、例えば、ＰＩ制御器であり、比例積分制御により、ｄ軸電流指令Ｉｄ^*とｄ軸電流Ｉｄとの偏差がゼロになるように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^*を生成する。なお、ｑ軸電流制御器４５およびｄ軸電流制御器４６は、ＰＩ制御器に代えて、例えば、ＰＩＤ制御器を有してもよい。

座標変換器４７は、ｑ軸電流制御器４５のｑ軸電圧指令Ｖｑ^*とｄ軸電流制御器４６のｄ軸電圧指令Ｖｄ^*とに基づき、電圧指令の振幅Ｍおよび位相指令θａ^*を求める。座標変換器４７は、例えば、下記式（２）を用いて、電圧指令の振幅Ｍを求め、下記式（３）を用いて、位相指令θａ^*を求める。
Ｍ＝（Ｖｄ^*2＋Ｖｑ^*2）^1/2 ・・・（２）
θａ^*＝ｔａｎ^-1（Ｖｑ^*／Ｖｄ^*） ・・・（３）

座標変換器４７は、電圧指令の振幅Ｍ、位相指令θａ^*および電気角位相θに基づいて、電圧指令Ｖ^*を生成する。電圧指令Ｖ^*には、例えば、Ｕ相の電圧指令Ｖｕ^*、Ｖ相の電圧指令Ｖｖ^*、Ｗ相の電圧指令Ｖｗ^*が含まれる。座標変換器４７は、例えば、下記式（４）〜（６）を用いて、電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を求める。
Ｖｕ^*＝Ｍ×ｓｉｎ（θ＋θａ^*） ・・・（４）
Ｖｖ^*＝Ｍ×ｓｉｎ（θ＋θａ^*−２π／３） ・・・（５）
Ｖｗ^*＝Ｍ×ｓｉｎ（θ＋θａ^*＋２π／３） ・・・（６）

第２の電流制御部３２は、単相電力変換セル２１から電力系統３側へ無効電流を流すための電圧指令Ｖ^*を生成する。かかる第２の電流制御部３２は、無効電流指令出力器５１と、無効電流抽出器５２と、減算器５３と、ＰＩ制御器５４と、ｑ軸電圧指令生成器５５と、座標変換器５６とを備える。

無効電流指令出力器５１は、無効電流指令ＩＱ^*（目標値の一例）を出力する。かかる無効電流指令ＩＱ^*が例えばゼロである場合、第２の電流制御部３２において、系統側力率λｇｒｉｄが「１」になるように電圧指令Ｖ^*が生成される。

また、無効電流指令出力器５１は、目標とする系統側力率λｇｒｉｄ（以下、目標力率と記載する）が「１」以外の場合、例えば、目標力率に応じた電力系統３側の無効電流ＩＱの値を無効電流指令ＩＱ^*とする。例えば、無効電流指令出力器５１は、目標力率が設定された場合、設定された目標力率と、発電電力Ｐ_Ｇとから、目標力率に応じた電力系統３側の無効電流ＩＱの値を無効電流指令ＩＱ^*とする。なお、無効電流指令出力器５１は、例えば、振幅Ｍやｑ軸電流指令Ｉｑ^*などから発電電力Ｐ_Ｇを検出または推定する。

無効電流抽出器５２は、系統側電圧位相θ_ＲＳＴに基づき、系統側電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔに含まれる無効電流ＩＱ_ＲＳＴを抽出する。無効電流抽出器５２は、例えば、系統側電流Ｉ_Ｒ、Ｉ_Ｓ、Ｉ_Ｔの実効値Ｉ_ＲＳＴを検出し、下記式（７）を用いて、無効電流ＩＱ_ＲＳＴを求めることができる。また、無効電流抽出器５２は、例えば、オブザーバを用いた推定結果を無効電流ＩＱ_ＲＳＴの検出値として取得することもできる。
ＩＱ_ＲＳＴ＝Ｉ_ＲＳＴ×ｓｉｎ（θ_ＲＳＴ） ・・・（７）

減算器５３は、無効電流指令ＩＱ^*から無効電流ＩＱ_ＲＳＴを減算する。ＰＩ制御器５４は、比例積分制御により、無効電流指令ＩＱ^*と無効電流ＩＱ_ＲＳＴとの偏差がゼロになるように、ｄ軸電圧指令Ｖｄ^*を生成する。ｑ軸電圧指令生成器５５は、ゼロであるｑ軸電圧指令Ｖｑ^*を生成する。なお、第２の電流制御部３２は、ＰＩ制御器５４に代えて、例えば、ＰＩＤ制御器を有してもよい。

座標変換器５６は、ｑ軸電圧指令生成器５５のｑ軸電圧指令Ｖｑ^*、ＰＩ制御器５４のｄ軸電圧指令Ｖｄ^*および電気角位相θに基づき、座標変換器４７と同様の処理により、電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*を含む電圧指令Ｖ^*を生成する。

出力部３３は、第１モードの場合に、各単相電力変換セル２１を制御する各セル制御部２４に対して第２の電流制御部３２の電圧指令Ｖ^*を出力する。これにより、トルク指令Ｔ^*に応じたトルク電流が各セル制御部２４から回転電機２へ供給される。

また、出力部３３は、第２モードの場合に、一部のセル制御部２４に対して第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を出力し、残りのセル制御部２４に対して第２の電流制御部３２の電圧指令Ｖ^*を出力する。

例えば、出力部３３は、第２モードにおいて、１段目の単相電力変換セルユニット２０ａ〜２０ｃのセル制御部２４に対して第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を出力する。また、出力部３３は、第２モードにおいて、２段目、３段目の単相電力変換セルユニット２０ｄ〜２０ｉのセル制御部２４に対して第２の電流制御部３２の電圧指令Ｖ^*を出力する。

この場合、Ｕ相に関し、１段目の単相電力変換セルユニット２０ａは、第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*に基づき、単相電力変換セル２１から回転電機２のＵ相に電流を流す。かかる電流は、トルク指令Ｔ^*に応じたトルク電流と、回転電機２のＵ相に流れる電流が定格電流になるように流れる励磁電流とを含む。

また、２段目、３段目の単相電力変換セルユニット２０ｄ、２０ｇは、第２の電流制御部３２の電圧指令Ｖ^*に基づき、単相電力変換セル２１から電力系統３側に無効電流を流す。これにより、１段目の単相電力変換セルユニット２０ａの単相電力変換セル２１から回転電機２のＵ相に流れる励磁電流が、２段目、３段目の単相電力変換セルユニット２０ｄ、２０ｇの単相電力変換セル２１から電力系統３側に無効電流として流れる。

また、Ｖ相（Ｗ相）についても同様に、第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*に基づき、１段目の単相電力変換セルユニット２０ｂ（２０ｃ）は、第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*に基づき、単相電力変換セル２１から回転電機２のＶ相（Ｗ相）に電流を流す。また、２段目、３段目の単相電力変換セルユニット２０ｅ、２０ｈ（２０ｆ、２０ｉ）は、第２の電流制御部３２の電圧指令Ｖ^*に基づき、単相電力変換セル２１から電力系統３側に無効電流を流す。

これにより、１段目の単相電力変換セルユニット２０ｂ（２０ｃ）の単相電力変換セル２１から回転電機２のＶ相（Ｗ相）に流れる励磁電流が、２段目、３段目の単相電力変換セルユニット２０ｅ、２０ｈ（２０ｆ、２０ｉ）の単相電力変換セル２１から電力系統３側に無効電流として流れる。

このように、主制御部１８は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相の相毎に、複数の単相電力変換セル２１を、回転電機２側の電流制御を行う単相電力変換セル２１と、電力系統３側の力率制御を行う単相電力変換セル２１とに分けて制御する。これにより、主制御部１８は、系統側力率λｇｒｉｄを精度よく制御することができる。

出力部３３は、回転速度検出器６１と、判定器６２と、増幅器６３と、可変増幅器６４、６５と、切替器６６、６７とを備える。回転速度検出器６１は、回転位置θ_Ｇに基づき、回転電機２の回転速度ω_Ｇを検出する。例えば、回転速度検出器６１は、回転位置θ_Ｇを微分して回転速度ω_Ｇを求めることができる。

判定器６２は、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈであるか否かを判定する。判定器６２は、回転速度ω_Ｇが予め設定された閾値ωｔｈ以上であると判定すると、第１モードを示す状態のモード情報Ｓｍを可変増幅器６４、６５および切替器６６、６７へ出力する。

また、判定器６２は、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満であると判定すると、第２モードを示す状態のモード情報Ｓｍを可変増幅器６４、６５および切替器６６、６７へ出力する。なお、閾値ωｔｈは、上述したように、例えば、入力力率角θｉｎの調整によって無効電力Ｑｇｒｉｄをゼロにできる発電電力Ｐ_Ｇを得るために必要な回転速度ω_Ｇよりも大きい値に設定される。

また、判定器６２は、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満であると判定すると、第２モードを示す状態のモード情報Ｓｍを、第２モードにおいて系統側力率λｇｒｉｄの制御を担当する単相電力変換セルユニット２０へ出力する。一方、判定器６２は、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ以上であると判定すると、第１モードを示す状態のモード情報Ｓｍを、第２モードにおいて系統側力率λｇｒｉｄの制御を担当する単相電力変換セルユニット２０へ出力する。

また、判定器６２は、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満であるか否かにかかわらず、第１モードを示す状態のモード情報Ｓｍを、第２モードにおいて電流制御を担当する単相電力変換セルユニット２０へ出力する。

増幅器６３は、第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を３倍に増幅する。これにより、第２モードにおいて、回転電機２の各相に対して電圧を適切に出力することができる。

例えば、第１モードでは、回転電機２の各相に対して電圧を出力する機能を１〜３段目の単相電力変換セルユニット２０ａ〜２０ｉの単相電力変換セル２１が担う。一方、図５に示す状態である場合、第２モードでは、回転電機２の各相に対して電圧を出力する機能を１段目の単相電力変換セルユニット２０ａ〜２０ｃの単相電力変換セル２１のみが担う。そのため、第１モードに比べ、３倍の電圧が出力できるように、増幅器６３において第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を３倍に増幅している。

可変増幅器６４、６５は、第１モードと第２モードとの間での切り替えをスムーズに行うために、第１モードと第２モードとの切り替えタイミングで、電圧指令Ｖ^*に対する増幅率を徐々に変化させる。これにより、モード切り替え時のショックを低減することができる。

例えば、可変増幅器６４は、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態から第１モードを示す状態へ変化した場合、予め設定された時間Ｔ１で第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*に対する増幅率を３倍から１倍へと徐々に変化させる。また、可変増幅器６４は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態から第２モードを示す状態へ変化した場合、時間Ｔ１で増幅率を１倍から３倍へと徐々に変化させる。

可変増幅器６５は、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態から第１モードを示す状態へ変化した場合、時間Ｔ１で第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*に対する増幅率を０倍から１倍へと徐々に変化させる。また、可変増幅器６５は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態から第２モードを示す状態へ変化した場合、時間Ｔ１で増幅率を１倍から０倍へと徐々に変化させる。

切替器６６は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態である場合、可変増幅器６４により増幅される第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を出力する。また、切替器６６は、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態である場合、増幅器６３により増幅される第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を出力する。

切替器６７は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態である場合、第２の電流制御部３２の電圧指令Ｖ^*を出力し、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態である場合、可変増幅器６５により増幅される第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*を出力する。

単相電力変換セルユニット２０のセル制御部２４は、主制御部１８から出力される電圧指令Ｖ^*に基づき、単相電力変換セル２１を制御する。以下、セル制御部２４について詳細に説明する。

［４．セル制御部２４］
図７は、セル制御部２４の構成の一例を示す図である。図７に示すように、セル制御部２４は、位相検出部７１と、力率制御部７２と、力率設定部７３と、駆動信号生成部７４とを備える。

セル制御部２４は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、入出力ポートなどを有するマイクロコンピュータやＡＳＩＣやＦＰＧＡ等の集積回路により実現される。 マイクロコンピュータのＣＰＵは、ＲＯＭに記憶されたプログラムを読み出して実行することにより、位相検出部７１、力率制御部７２、力率設定部７３および駆動信号生成部７４の一部または全部の機能を実行することができる。また、ＡＳＩＣやＦＰＧＡなどの回路によって、位相検出部７１、力率制御部７２、力率設定部７３および駆動信号生成部７４の一部または全部の機能を実行することもできる。

位相検出部７１は、電圧検出部２３によって検出された系統側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔから系統側電圧位相θ_ＲＳＴを検出する。力率制御部７２は、力率設定部７３から通知される力率角指令φ^*に基づいて、系統側電圧位相θ_ＲＳＴを調整し、入力力率角指令θｉｎ^*として駆動信号生成部７４へ出力する。駆動信号生成部７４は、入力力率角θｉｎが入力力率角指令θｉｎ^*と一致するように単相電力変換セル２１を生成する。

力率設定部７３は、モード情報Ｓｍに応じた力率角指令φ^*を力率制御部７２へ出力する。例えば、力率設定部７３は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態の場合、無効電流ＩＱ_ＲＳＴをゼロにするように力率角指令φ^*を力率制御部７２へ出力する。この力率角指令φ^*により、力率制御部７２は、無効電流ＩＱ_ＲＳＴをゼロにする入力力率角指令θｉｎ^*を駆動信号生成部７４へ出力する。

また、力率設定部７３は、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態の場合、９０度遅れに設定された力率角指令φ^*を力率制御部７２へ出力する。この力率角指令φ^*により、力率制御部７２は、系統側電圧位相θ_ＲＳＴを９０度遅れにした入力力率角指令θｉｎ^*を駆動信号生成部７４へ出力する。

このように、第２モードでは、入力力率角指令θｉｎ^*が系統側電圧位相θ_ＲＳＴに対して９０度遅れに設定される。そのため、第２モードにおいて、駆動信号生成部７４から出力されるゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１２によって双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６のスイッチングが行われた場合、単相電力変換セル２１から回転電機２へ出力される電圧は平均して０Ｖになる。そのため、主制御部１８は、上述したように、電流制御担当セルを制御するセル制御部２４へ出力する電圧指令Ｖ^*を３倍に増幅するようにしている。

また、第２モードにおいても、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６のスイッチングが行われるため、電流制御担当セルから回転電機２に流れる電流のうち励磁電流を単相電力変換セル２１から電力系統３へ無効電流として流すことができる。なお、第２モードにおいて、第２の電流制御部３２が生成する電圧指令Ｖ^*が高いほど双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６がオンになる時間が大きくなり、これにより、単相電力変換セル２１から電力系統３へ流れる無効電流が多くなる。

図８は、力率設定部７３の構成の一例を示す図である。図８に示すように、力率設定部７３は、無効電流指令出力器８０と、減算器８１と、ＰＩ制御器８２と、リミッタ８３と、力率角指令出力器８４と、切替器８５とを備える。無効電流指令出力器８０は、無効電流指令ＩＱ^*（例えば、ゼロ）を出力する。減算器８１は、無効電流指令ＩＱ^*から無効電流ＩＱ_ＲＳＴを減算する。

ＰＩ制御器８２は、比例積分制御により、無効電流指令ＩＱ^*と無効電流ＩＱ_ＲＳＴとの偏差がゼロになるように、力率角指令φ^*を生成する。リミッタ８３は、力率角指令φ^*が所定範囲内（例えば、−３０度〜＋３０度の範囲）になるように、力率角指令φ^*を制限する。

力率角指令出力器８４は、９０度遅れに設定された力率角指令φ^*を出力する。切替器８５は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態である場合、リミッタ８３からの力率角指令φ^*を出力し、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態である場合、力率角指令出力器８４からの力率角指令φ^*を出力する。

図７に戻ってセル制御部２４の説明を続ける。セル制御部２４の駆動信号生成部７４は、主制御部１８から取得した電圧指令Ｖ^*と、系統側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔと入力力率角指令θｉｎ^*とに基づいて、ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１２を生成する。ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１２は、双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６の複数のスイッチング素子のゲートにそれぞれ入力され、これにより、単相電力変換セル２１が制御される。

例えば、駆動信号生成部７４は、系統側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔの大きさの大小関係が変化しない期間において、系統側電圧Ｖｒ、Ｖｓ、Ｖｔの大きさが大きい順に入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎとする。駆動信号生成部７４は、電圧指令Ｖｕ^*、Ｖｖ^*、Ｖｗ^*のうち単相電力変換セル２１に対応する電圧指令（例えば、単相電力変換セルユニット２０ａの場合、電圧指令Ｖｕ^*）を、入力力率角指令θｉｎ^*に基づき、入力相電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの各電圧値に対応したＰＷＭ（Pulse Width Modulation）信号に変換する。駆動信号生成部７４は、ＰＷＭ信号に転流制御処理を施し、ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１２を生成する。

図９は、回転電機２に出力される電圧Ｅｐ、Ｅｍ、Ｅｎの切り替わりの一例を示す図である。図９に示すように、ゲート信号Ｓｇ１〜Ｓｇ１２による双方向スイッチＳｗの制御により、ＰＷＭ信号の１周期Ｔｃにおいて、回転電機２に出力される入力相電圧は、例えば、Ｅｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎへと切り替わる。なお、回転電機２に出力される入力相電圧の切り替わりは、後述するようにＥｎ→Ｅｍ→Ｅｐ→Ｅｍ→Ｅｎに限定されない。

［５．制御部による処理フロー］
図１０は、主制御部１８とセル制御部２４を含む制御部の処理の流れの一例を示すフローチャートである。図１０に示す処理は、制御部により繰り返し実行される。

図１０に示すように、主制御部１８は、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満であるか否かを判定する（ステップＳ１０）。回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満であると判定すると（ステップＳ１０；Ｙｅｓ）、主制御部１８は、電流制御担当セルから回転電機２へ電流が流れるように電流制御担当セルを制御する（ステップＳ１１）。

ステップＳ１１において、主制御部１８は、電流制御担当セルから回転電機２へ電流が流れるように電圧指令Ｖ^*を生成し、かかる電圧指令Ｖ^*を電流制御担当セルに対応するセル制御部２４へ出力する。セル制御部２４は、電圧指令Ｖ^*に基づき、電流制御担当セルから回転電機２へ電流が流れるように電流制御担当セルの双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６を制御する。

また、主制御部１８は、力率制御担当セルから電力系統３へ無効電流が流れるように力率制御担当セルを制御する（ステップＳ１２）。かかる処理において、主制御部１８は、力率制御担当セルから電力系統３へ無効電流が流れるように電圧指令Ｖ^*を生成し、かかる電圧指令Ｖ^*を力率制御担当セルに対応するセル制御部２４へ出力する。セル制御部２４は、電圧指令Ｖ^*に基づき、電流制御担当セルから回転電機２への電流が力率制御担当セルから電力系統３へ無効電流として流れるように力率制御担当セルの双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６を制御する。

ステップＳ１０において、回転速度ω_Ｇが閾値ωｔｈ未満ではないと判定すると（ステップＳ１０；Ｎｏ）、主制御部１８は、すべての単相電力変換セル２１から回転電機２へ電流が流れるように単相電力変換セル２１を制御する（ステップＳ１３）。

ステップＳ１３において、主制御部１８は、各単相電力変換セル２１から回転電機２へ電流が流れるように電圧指令Ｖ^*を生成し、電圧指令Ｖ^*を各セル制御部２４へ出力する。各セル制御部２４は、電圧指令Ｖ^*に基づき、各単相電力変換セル２１から回転電機２へ電流が流れるように各単相電力変換セル２１の双方向スイッチＳｗ１〜Ｓｗ６を制御する。

［６．その他の実施形態］
上述した実施形態において、可変増幅器６４、６５は、第１モードと第２モードとの切り替えタイミングで、電圧指令Ｖ^*に対する増幅率を徐々に変化させるものとしたが、回転速度ω_Ｇの変化に応じて電圧指令Ｖ^*に対する増幅率を変化させるようにしてもよい。

例えば、可変増幅器６４は、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態から第１モードを示す状態へ変化した場合、回転速度ω_Ｇの低下速度に応じた変化率で増幅率を３倍から１倍へ変化させる。また、可変増幅器６４は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態から第２モードを示す状態へ変化した場合、回転速度ω_Ｇの増加速度に応じた変化率で増幅率を１倍から３倍へ変化させる。

また、可変増幅器６５は、モード情報Ｓｍが第２モードを示す状態から第１モードを示す状態へ変化した場合、回転速度ω_Ｇの低下速度に応じた変化率で増幅率を０倍から１倍へと変化させる。また、可変増幅器６５は、モード情報Ｓｍが第１モードを示す状態から第２モードを示す状態へ変化した場合、回転速度ω_Ｇの増加速度に応じた変化率で増幅率を１倍から０倍へ変化させる。

また、上述した実施形態においては、直列多重マトリクスコンバータ１は、単相電力変換セル２１から遅れ無効電流を電力系統３側へ流すが、単相電力変換セル２１から進み無効電流を電力系統３側へ流すこともできる。例えば、単相電力変換セル２１と電力系統３との間に配置された素子等によって遅れ無効電流が電力系統３へ流れる場合、主制御部１８は、単相電力変換セル２１から進み無効電流が電力系統３側へ流れるように電圧指令Ｖ^*を生成することができる。この場合、力率制御担当セルの力率設定部７３は、第２モードにおいて、例えば、９０度進みに設定された力率角指令φ^*を出力する。

また、上述した実施形態に係る直列多重マトリクスコンバータ１は、回転電機２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の相毎に、３個の単相電力変換セル２１が直列接続されて構成されるが、直列接続される単相電力変換セル２１の数は、２個でも４個以上でも構わない。すなわち、電力変換部１３は、回転電機２の相毎に直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の単相電力変換セル２１を有すればよい。また、電流制御担当セルは、ｎ個の単相電力変換セル２１のうちｍ個（１≦ｍ＜ｎ）の単相電力変換セル２１であり、力率制御担当セルは、ｎ個の単相電力変換セル２１のうちｎ−ｍ個の単相電力変換セル２１である。なお、増幅器６３は、第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*をｎ／ｍ倍に増幅する。また、可変増幅器６４は、第１の電流制御部３１の電圧指令Ｖ^*に対する増幅率をｎ／ｍ倍〜１倍の間で変化させる。

また、電流制御担当セルは、回転電機２の各相における直列接続の位置が相間で同一のｍ個の単相電力変換セル２１である。例えば、図５に示す例では、直列接続の位置が１段目である単相電力変換セル２１が電流制御担当セルである。また、力率制御担当セルは、回転電機２の各相における直列接続の位置が相間で同一のｎ−ｍ個の単相電力変換セル２１である。例えば、図５に示す例では、直列接続の位置が２段目および３段目である単相電力変換セル２１が力率制御担当セルである。このようにすることで、回転電機２の相間でのばらつきを低減することができる。

なお、直列接続の位置が異なる単相電力変換セル２１を電流制御担当セルとしてもよく、同様に、直列接続の位置が異なる単相電力変換セル２１を力率制御担当セルとしてもよい。例えば、位置Ｕ１、Ｖ２、Ｗ３の単相電力変換セル２１を電流制御担当セルとし、残りの単相電力変換セル２１を力率制御担当セルとすることができる。位置Ｕ１、Ｖ２、Ｗ３の単相電力変換セル２１はそれぞれ電圧位相が異なることから、１次巻線１１側に流れる高調波電流を低減することができる。

また、上述した実施形態に係る直列多重マトリクスコンバータ１は、回転電機２のＵ相、Ｖ相およびＷ相の相毎に、３個の単相電力変換セル２１が直列接続されて構成されるが、回転電機２が単相の回転電機であってもよい。この場合、例えば、単相電力変換セルユニット群１４の数は一つである。

また、上述した実施形態に係る直列多重マトリクスコンバータ１は、第２モードにおいて、直列接続された単相電力変換セル２１のうち１個の単相電力変換セル２１を電流制御担当セルにしたが、２個の単相電力変換セル２１を電流制御担当セルにすることもできる。

また、上述した実施形態に係る直列多重マトリクスコンバータ１は、回転電機２の回転速度ω_Ｇに基づき、第１モードおよび第２モードのうちいずれかを選択するものであるが、回転電機２の回転速度ω_Ｇに関わらず第２モードのみを選択することもできる。

さらなる効果や変形例は、当業者によって容易に導き出すことができる。このため、本発明のより広範な態様は、以上のように表しかつ記述した特定の詳細および代表的な実施形態に限定されるものではない。したがって、添付の特許請求の範囲およびその均等物によって定義される総括的な発明の概念の精神または範囲から逸脱することなく、様々な変更が可能である。

１ 直列多重マトリクスコンバータ
２ 回転電機
３ 電力系統
４ 位置検出器
１０ 多重変圧器
１３ 電力変換部
１４ａ〜１４ｃ 単相電力変換セルユニット群
１５ 電圧位相検出部
１６、１７ 電流検出部
１８ 主制御部
２０ａ〜２０ｉ 単相電力変換セルユニット
２１ 単相電力変換セル
２２ フィルタ
２３ 電圧検出部
２４ セル制御部
３０ 位相検出部
３１ 第１の電流制御部
３２ 第２の電流制御部
３３ 出力部
６６、６７ 切替器
７３ 力率設定部
１００ 発電システム
Ｓｗ１〜Ｓｗ６ 双方向スイッチ

Claims (11)

1. 電力系統と回転電機との間に設けられ、直列接続された複数の電力変換セルを有する電力変換部と、
   前記複数の電力変換セルのうち一部の電力変換セルから前記回転電機側へ電流が流れるように前記一部の電力変換セルを制御し、前記回転電機側に流れる電流が残りの電力変換セルから前記電力系統側へ無効電流として流れるように前記残りの電力変換セルを制御する制御部と、を備える
   ことを特徴とする直列多重マトリクスコンバータ。
2. 前記電力変換部は、
   前記直列接続された複数の電力変換セルとして、前記回転電機の相毎に直列接続されたｎ個（ｎは２以上の整数）の電力変換セルを有し、
   前記一部の電力変換セルは、前記回転電機の相毎の前記ｎ個の電力変換セルのうち前記直列接続の位置が前記相間で同一のｍ個（１≦ｍ＜ｎ）の電力変換セルであり、
   前記残りの電力変換セルは、前記回転電機の相毎の前記ｎ個の電力変換セルのうち前記直列接続の位置が前記相間で同一のｎ−ｍ個の電力変換セルである
   ことを特徴とする請求項１に記載の直列多重マトリクスコンバータ。
3. 前記制御部は、
   前記複数の電力変換セルをそれぞれ制御する複数のセル制御部と、
   前記回転電機に流す電流を制御する第１の指令を生成する第１の電流制御部と、
   前記電力系統に流す無効電流を制御する第２の指令を生成する第２の電流制御部と、
   前記第１の指令を前記一部の電力変換セルを制御する前記セル制御部へ出力し、前記第２の指令を前記残りの電力変換セルを制御する前記セル制御部へ出力する出力部と、を備える
   ことを特徴とする請求項１または２に記載の直列多重マトリクスコンバータ。
4. 前記出力部は、
   前記回転電機の回転速度が第１閾値以上になった場合、前記残りの電力変換セルを制御する前記セル制御部へ出力する指令を前記第２の指令から前記第１の指令へ切り替え、前記回転電機の回転速度が第２閾値未満になった場合、前記残りの電力変換セルを制御する前記セル制御部へ出力する指令を前記第１の指令から前記第２の指令へ切り替える切替器と、を備える
   ことを特徴とする請求項３に記載の直列多重マトリクスコンバータ。
5. 前記第１の電流制御部は、
   前記回転電機の回転速度が前記第１閾値以上になった場合、前記第１の指令の大きさを前記残りの電力変換セルの数に応じて小さくし、前記回転電機の回転速度が前記第２閾値未満になった場合、前記第１の指令の大きさを前記残りの電力変換セルの数に応じて大きくする
   ことを特徴とする請求項４に記載の直列多重マトリクスコンバータ。
6. 前記第２の電流制御部は、
   前記電力系統に流す無効電流が目標力率に応じた大きさになるように前記第２の指令を生成する指令生成器を備える
   ことを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の直列多重マトリクスコンバータ。
7. 前記セル制御部は、
   前記第２の指令に基づいて電力系統側に無効電流を流す場合、前記電力系統側の力率角指令を前記電力系統の電圧位相に対して９０度遅れに設定する力率設定部を備える
   ことを特徴とする請求項３〜６のいずれか１つに記載の直列多重マトリクスコンバータ。
8. 請求項１〜７のいずれか１つに記載の直列多重マトリクスコンバータと、前記回転電機として発電機とを備える
   ことを特徴とする発電システム。
9. 電力系統と回転電機との間に設けられ、かつ、直列接続された複数の電力変換セルのうち一部の電力変換セルが前記回転電機側へ電流を流す第１工程と、
   前記複数の電力変換セルのうち残りの電力変換セルが前記回転電機側に流れる電流を前記電力系統側へ無効電流として流す第２工程と、を含む
   ことを特徴とする力率制御方法。
10. 前記回転電機に流す電流を制御する第１の指令を生成する第３工程と、
    前記電力系統に流す無効電流を制御する第２の指令を生成する第４工程と、をと含み、
    前記第１工程は、
    前記一部の電力変換セルが前記回転電機側へ前記第１の指令に応じた電流を流す工程を含み、
    前記第２工程は、
    前記残りの電力変換セルが前記電力系統側へ前記第２の指令に応じた無効電流を流す工程を含む
    ことを特徴とする請求項９に記載の力率制御方法。
11. 前記回転電機の回転速度が第１閾値以上になった場合、前記残りの電力変換セルに対する指令を前記第２の指令から前記第１の指令へ切り替える第５工程と、
    前記回転電機の回転速度が第２閾値未満になった場合、前記残りの電力変換セルに対する指令を前記第１の指令から前記第２の指令へ切り替える第６工程と、を含む
    ことを特徴とする請求項１０に記載の力率制御方法。

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