JP2018191485A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】中性点制御が難しいような状況においても、連続運転状態を継続することが可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置１は、２レベルのスイッチング動作と３レベルのスイッチング動作との切り替えが可能な電力変換器２と、電力変換器２の入力側に設けられた第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２の電圧を測定する電圧測定部４と、第１の平滑コンデンサの電圧と第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値をクロスした回数が所定回数以上になったとき、電力変換器２が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御するコントローラ５とを備えている。【選択図】図１

Description

本発明は、直流入力電力を交流電力に変換する電力変換装置に関する。

３レベルインバータは、高調波を低減できる利点を有する一方で、入力端子間に直列接続された平滑コンデンサ間の中性点が脈動するという課題がある。そこで、特許文献１のように、３レベルインバータの平滑コンデンサの中性点電圧を一定に制御する、いわゆる中性点制御の技術が知られている。このような、中性点制御を行うことで平滑コンデンサの中性点電圧の脈動を抑制することができる。

特開２００５−１１０３３６号公報

しかしながら、インバータに接続される負荷によって、中性点制御が十分に効果を発揮しない場合がある。例えば、インバータに比較的に軽い負荷が接続された場合には、中性点制御をしているにも拘わらず、平滑コンデンサの中性点電圧が不安定になる場合がある。

対策として、平滑コンデンサのサイズを大きくすることが考えられるが、接続する負荷によって必要なコンデンサの容量が異なるため、汎用性や安定性の確保とコストとの両立を考えた場合に、適切なコンデンサの容量値の設定が困難な場合がある。また、上記のとおり、インバータに接続される負荷によっては中性点制御をしても中性点電圧が不安定になり、電力変換装置から適切な出力が得られないような場合がある。

上記問題に鑑み、本発明は、上記課題を解決し、中性点制御が難しいような状況においても、連続運転状態を継続することが可能な電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明の第１態様に係る電力変換装置は、入力端子間に直列に設けられた第１及び第２の平滑コンデンサを有し、２レベルのスイッチング動作と３レベルのスイッチング動作との切り替えができるように構成された電力変換部と、前記第１及び第２の平滑コンデンサの電圧を測定する電圧測定部と、前記電圧測定部の測定電圧に基づいて、前記電力変換部の前記スイッチング動作のレベル切り替えを制御する制御部とを備えている。そして、前記制御部は、所定の計測時間内に前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値をクロスした回数をカウントし、当該カウント数が所定回数以上になったとき、前記電力変換部が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御する、ことを特徴とする。

本願発明者らは、検討を重ねた結果、第１の平滑コンデンサの電圧と第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値をクロスした回数が所定の閾値を超えるような場合に、３レベルのスイッチング動作における中性点制御が困難になることが分かった。そこで、そのような中性点制御が困難になるような状態を検知するようにし、その状態が検知された場合には、制御部が電力変換部を２レベルでスイッチング動作させるようにしている。これにより、中性点制御が難しいような状況においても、電力変換装置を連続運転させることができる。

前記制御部は、前記第１及び第２の平滑コンデンサの少なくとも一方の電圧が、所定の最大許容電圧を超えたとき、前記電力変換部が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御するようにしてもよい。

この態様によると、第１及び第２の平滑コンデンサに過大な電圧がかかることを防ぐことができる。また、第１及び第２の平滑コンデンサの少なくとも一方の電圧が所定の最大許容電圧を超えるような場合には、第１の平滑コンデンサと第２の平滑コンデンサとの間の中性点電圧が所望の電圧から逸脱している場合がある。そのような場合に、電力変換部を２レベルのスイッチング動作させることにより、電力変換装置を連続運転させることができる。

前記制御部は、前記所定の計測時間内において、前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値を連続して所定の切替判定時間以上超えているとき、前記電力変換部が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御するようにしてもよい。

このように、第１の平滑コンデンサの電圧と第２の平滑コンデンサの電圧との差が広がっている状態が継続するのは好ましくないため、そのような場合に、電力変換器を２レベルのスイッチング動作させることにより、電力変換装置の安定した運転を実現することができる。

前記制御部は、３レベルのスイッチング動作をしている場合において、前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値をクロスしたときを前記所定の計測時間の起点とするようにしてもよい。

この構成によると、３レベルのスイッチング動作が安定的に行われている場合には、計測時間及び回数のカウント機能を停止させることができるとともに、より的確にスイッチング動作のレベル切り替えが判断できるようになる。

前記制御部は、前記電力変換部を２レベルのスイッチング動作状態にした後、前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値以内の状態が所定の時間以上継続した場合に、前記変換部を２レベルのスイッチング動作状態から３レベルのスイッチング動作状態にする。

第１の平滑コンデンサの電圧と第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値以内の状態が継続することが確認できた場合、電力変換部の動作が安定状態になっていると判断できるため、電力変換部を３レベルのスイッチング動作状態に戻すようにしている。スイッチング損失の低減、出力波形形状が正弦波により近くできる等の観点から、２レベル動作よりも３レベル動作の方が好ましく、上記のような制御を行うことにより、３レベル動作期間を長くさせることができるメリットがある。

本発明によると、中性点制御が難しいような状態を検知し、そのような状態が検知された場合に、電力変換部に２レベルのスイッチング動作をさせるようにしたので、中性点制御が難しいような状況においても、連続運転状態を継続することができる。

本実施形態に係る電力変換装置を示す概略構成図である。 本実施形態に係る電力変換装置を示す概略構成図である。 スイッチング動作の切り替え制御フローを示すフローチャートである。 スイッチング動作の切り替え制御フローを示すフローチャートである。 スイッチング動作の切り替え動作の一例を示すタイミングチャートである。 スイッチング動作の切り替え動作の一例を示すタイミングチャートである。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

＜電力変換装置の構成＞
図１及び図２は本実施形態に係る電力変換装置の概略構成図である。図１と図２では、電力変換器２の回路構成が異なっており、それ以外の点で両者は同じ構成となっている。

図１及び図２に示すように、電力変換装置１は、電源ＰＳから入力端子ＰＩＮに供給された直流入力電力を交流電力に変換する電力変換部としての電力変換器２と、電力変換器２の後段に接続されたフィルタ３と、電圧測定部４と、コントローラ５とを備えている。

電力変換器２は、入力端子ＰＩＮ間に直列に接続された第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２を有し、２レベルのスイッチング動作（以下、省略して２レベル動作ともいう）と、３レベルのスイッチング動作（以下、省略して３レベル動作ともいう）との切り替えができるように構成されている。

なお、電力変換器２は、２レベル動作と３レベル動作とが切り替え可能に構成されていればよく、具体的な回路構成は特に限定されない。具体的に、例えば、図１では、ＮＰＣ(Neutral-Point-Clamp）方式（Ｉ型）の電力変換器２１の例を示しており、図２はＡ−ＮＰＣ(Advanced-NPC）方式（Ｔ型）の電力変換器２２の例を示している。図１の構成は、スイッチング素子の耐圧を下げることができるメリットがあり、図２の構成は、スイッチング損失を低減することができるメリットがある。

第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２は、図１及び図２の構成で共通であり、入力端子ＰＩＮに与えられる入力電圧Ｖｉｎ（直流バス電圧Ｖｃ）から中性点電圧Ｖｃｏ（例えば、Ｖｃｏ＝Ｖｉｎ／２）を形成するためのものである。さらに、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２は、ＰＷＭ変調における電圧の平滑化を行うためのものである。以下の説明では、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２の間のノードを中性点ノードＮｃと呼ぶものとする。

図１に示す電力変換器２１は、３対のアームが並列接続されたブリッジ構成となっている。各アームは、４つのスイッチング素子ＳＷ１が直列接続された構成となっている。なお、図１の４つのスイッチング素子ＳＷ１を区別して説明する場合、直流電源の高電位側に接続された素子から直流電源の低電位側に接続された素子に向かって、順に第１、第２、第３及び第４スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２，ＳＷ１３，ＳＷ１４と呼ぶものとする。

具体的に、電力変換器２１において、第２スイッチＳＷ１２と第３スイッチＳＷ１３との間のノードＮ２３がフィルタ３を構成するインダクタＬ３に接続されている。さらに、中性点ノードＮｃとノードＮ１２（第１スイッチＳＷ１１−第２スイッチＳＷ１２間のノード）との間が順方向のダイオードＤ１１を介して接続されている。同様に、中性点ノードＮｃとノードＮ３４（第３スイッチＳＷ１３−第４スイッチＳＷ１４間のノード）との間が逆方向のダイオードＤ１２を介して接続されている。スイッチング素子ＳＷ１は、ＩＧＢＴ等の半導体素子と還流ダイオードとの並列接続構造となっており、半導体素子のゲートには、後述するコントローラ５のＰＷＭ制御部５５から出力されたスイッチング制御信号が与えられている。

図２に示す電力変換器２２は、ブリッジ構成が図１の回路と異なっている。具体的には、図２において、各アームは、２つのスイッチング素子ＳＷ２が直列接続された構成になっており、スイッチング素子ＳＷ２間の中間ノードＮｍがフィルタ３を構成するインダクタＬ３に接続されている。また、中間ノードＮｍと中性点ノードＮｃの間には、２つのスイッチング素子ＳＷ３（互いの還流ダイオードの向きが逆）が直列接続されている。図２においても、各スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３は、ＩＧＢＴ等の半導体素子と還流ダイオードとの並列接続構造となっており、半導体素子のゲートには、後述するコントローラ５のＰＷＭ制御部５５から出力されたスイッチング制御信号が与えられている。

図１及び図２において、電圧測定部４は、第１の平滑コンデンサＣ１１の電圧Ｖｃ１１（以下、第１電圧Ｖｃ１１という）及び第２の平滑コンデンサＣ１２の電圧Ｖｃ１２（以下、第２電圧Ｖｃ１２という）を測定するためのものである。図１及び図２では、電圧測定部４が、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２のそれぞれから第１及び第２電圧Ｖｃ１１，Ｖｃ１２を直接測定する例を示している。なお、電圧測定部４は、入力端子ＰＩＮ間の電圧（直流バス電圧Ｖｃ）と一方の平滑コンデンサ（例えば、Ｃ１１）の電圧とを測定し、他方の平滑コンデンサ（例えば、Ｃ１２）の電圧を算出するようにしてもよい。ここで、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２の容量は、互いに等しいものとする。したがって、第１電圧Ｖｃ１１と第２電圧との間には、以下の式（１）の条件が成り立つ。

Ｖｃ１１＝Ｖｃ１２＝Ｖｉｎ／２ ・・・（１）

コントローラ５は、電力変換器２をはじめとする電力変換装置１全体の動作を制御する機能を有し、判定部５１とＰＷＭ制御部５５とを含んでいる。また、コントローラ５は、３レベル動作のとき、前述の中性点制御を実施する。この３レベル動作における中性点制御は、一般的な従来技術を適用することができる。

判定部５１は、変動カウンタ５２、リセットタイマ５３及び切替判定タイマ５４を備えており、電圧測定部４から第１及び第２電圧Ｖｃ１１，Ｖｃ１２の測定結果を受け、その測定結果に基づいて、電力変換器２（電力変換装置１）を２レベル動作と３レベル動作とのどちらの動作モードで駆動制御するかを判定する。

変動カウンタ５２は、下式（２）で示される差電圧ΔＶｃが、所定の上側閾値電圧Ｖｔｈ１（Ｖｔｈ１＞ΔＶｃ）及び下側閾値電圧Ｖｔｈ２（Ｖｔｈ２＜ΔＶｃ）を、第１電圧Ｖｃ１１と第２電圧Ｖｃ１２との差が広がる方向（以下、離間方向という）にクロスした回数をカウントし、そのカウント値をＰＷＭ制御部５５に出力する。

ΔＶｃ＝Ｖｃ１１−Ｖｃ１２ ・・・（２）

なお、以下の説明では、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１または下側閾値電圧Ｖｔｈ２を離間方向にクロスすることを「差電圧ΔＶｃが閾値をクロスする」と呼び、差電圧ΔＶｃが閾値とクロスした時間を「差電圧ΔＶｃの閾値クロス時間」と呼ぶものとする。さらに、差電圧が閾値をクロスする回数を「差電圧ΔＶｃの閾値クロス回数」と呼ぶものとする。

リセットタイマ５３は、変動カウンタ５２によるカウント期間を規定するためのタイマである。具体的には、リセットタイマ５３は、電力変換器２が３レベル動作で運転している期間（以下、３レベル動作期間という）において、初めに差電圧ΔＶｃが閾値をクロスしたときを起点に、所定のリセット時間Ｔｒｓをカウントする。そして、所定のリセット時間Ｔｒｓが経過すると、変動カウンタ５２のカウント値をリセットする。

切替判定タイマ５４は、電力変換器２が２レベルのスイッチング動作をしている期間（以下、２レベル動作期間という）において、３レベル動作に切り替えるかどうかを判定するためのタイマである。具体的には、切替判定タイマ５４は、電力変換器２の２レベル動作期間中において、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１と下側閾値電圧Ｖｔｈ２との間にある時間をカウントする。そして、所定の切替判定時間Ｔｃｘを経過すると、ＰＷＭ制御部５５に対して判定トリガ信号ＴＧを出力する。

ＰＷＭ制御部５５は、変動カウンタ５２から差電圧ΔＶｃの閾値クロス回数を、切替判定タイマ５４から判定トリガ信号ＴＧを受け、これらに基づいて、電力変換器２のスイッチング素子ＳＷ（図１ではＳＷ１、図２ではＳＷ２及びＳＷ３）に対して、対応する動作モードのスイッチング制御信号を出力する。

具体的には、図１の電力変換器２１を２レベル動作させる場合、ＰＷＭ制御部５５は、第１及び第２スイッチＳＷ１１，ＳＷ１２を２レベル動作に係る上側のバルブ、第３，４スイッチＳＷ１３，１４を２レベル動作に係る下側のバルブとして動作させる。具体的なスイッチング制御信号は、一般的な２レベル動作に係る制御信号と同様であり、ここではその詳細な説明を省略する。図１の電力変換器２１を３レベル動作させる場合における各スイッチング素子ＳＷ１の駆動制御方式は、一般的なＮＰＣ方式に係るＰＷＭ制御と同様であり、ここではその詳細な説明を省略する。

次に、図２の電力変換器２１を２レベル動作させる場合、ＰＷＭ制御部５５は、中間ノードＮｍと中性点ノードＮｃの間に接続された両スイッチング素子ＳＷ３をオフ制御する。これにより、一般的な２レベルのスイッチング動作をする電力変換器と同様の構成となり、ＰＷＭ制御部５５は、アームを構成する２つのスイッチング素子ＳＷ２に対して、一般的な２レベル動作に係る制御信号と同様の信号を出力する。図２の電力変換器２２を３レベル動作させる場合における各スイッチング素子ＳＷ２，ＳＷ３の駆動制御方式は、一般的なＡ−ＮＰＣ方式に係るＰＷＭ制御と同様であり、ここではその詳細な説明を省略する。

−スイッチング動作の切り替え制御−
次に、本実施形態に係る電力変換装置１の２レベル動作と３レベル動作との切り替え制御について、図３から図６を用いて詳細に説明する。ここで、コントローラ５は、スイッチング損失の低減等の観点から、電源投入後に、電力変換装置１に３レベル動作をさせるものとする。また、以下の切り替え制御の説明において、特に明記していない場合における制御の主体はコントローラ５であるものとする。

−３レベル動作から２レベル動作への切り替え制御−
まず、電力変換装置１の３レベル動作から２レベル動作への切り替え制御について、図３のフローチャート及び図５のタイミングチャートを用いて具体的に説明する。

図３に示すように、電力変換装置１の３レベル動作期間中において、第１電圧Ｖｃ１１及び第２電圧Ｖｃ１２が両方ともに所定の最大バス電圧Ｖｃｍａｘ未満で（Ｓ１０でＹＥＳ）、かつ、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１と下側閾値電圧Ｖｔｈ２との間にある場合（Ｓ１１でＮＯ）、電力変換装置１は３レベル動作を継続する。一方で、第１電圧Ｖｃ１１または第２電圧Ｖｃ１２の少なくとも一方が、所定の最大バス電圧Ｖｃｍａｘ以上になった場合（Ｓ１０でＮＯ）、コントローラ５は、ＰＷＭ制御部５５を介して、電力変換装置１（電力変換器２）の動作を３レベル動作から２レベル動作に切り替える（Ｓ１７）。

また、ステップＳ１１において、第１電圧Ｖｃ１１と第２電圧Ｖｃ１２との差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１及び下側閾値電圧Ｖｔｈ２を離間方向にクロスしたとき（Ｓ１１でＹＥＳ）、コントローラ５は、リセットタイマ５３をＯＮ制御してリセット時間Ｔｒｓのカウントを始める（Ｓ１２)。図５では、上記差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１を離間方向（電圧が高くなる方向）にクロスするように変動した後、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１を超えた状態と下側閾値電圧Ｖｔｈ２を下回った状態との間で、所定の期間Ｘ１にわたって往復変動している例を示している。

ステップＳ１３からステップＳ１５において、コントローラ５は、リセットタイマ５３がリセット時間Ｔｒｓになるまでの間に、変動カウンタ５２のカウント値が所定のカウント数Ｎ（Ｎは任意の整数）以上になるか否かを判定する。すなわち、リセット時間Ｔｒｓが経過するまでの間に、差電圧ΔＶｃの閾値クロス回数があらかじめ定められた所定のカウント数Ｎ以上になるかどうかを判断する。ここで、所定のリセット時間Ｔｒｓ及び所定のカウント数Ｎは、電力変換装置１の実機評価やシミュレーション等で得られた数値等に基づいてあらかじめ設定され、コントローラ５のメモリ（図示省略）等に記憶されている。また、電力変換装置１を構成した後に、外付けの入力操作部（図示省略）等からリセット時間Ｔｒｓ及び所定のカウント数Ｎの入力・変更等ができるようにしてもよい。なお、図５及び図６では、説明及び図示の便宜上、所定のカウント数Ｎは６回以上であるものとして説明する。ただし、所定のカウント数Ｎは６回未満であってもかまわない。

図５に示すように、リセットタイマ５３がＯＮ制御されてからリセット時間Ｔｒｓが経過するまでの間（Ｓ１４でＮｏ）に、変動カウンタ５２が所定のカウント数Ｎになった場合（Ｓ１５でＹｅｓ）、コントローラ５は、ＰＷＭ制御部５５を介して、電力変換装置１（電力変換器２）の動作を３レベル動作から２レベル動作に切り替える（Ｓ１７）。

一方で、図６に示すように、変動カウンタ５２が所定のカウント数Ｎになる前に（Ｓ１５でＮＯ）、リセット時間Ｔｒｓが経過した場合（Ｓ１４でＹＥＳ）、コントローラ５は、変動カウンタ５２をリセットし、電力変換装置１に３レベル動作を継続させる。また、リセットタイマ５３をリセットするとともにオフ制御して、リセット時間Ｔｒｓの計測を終了し、フローはステップＳ１０に戻る。

なお、ステップＳ１３において、隣接する「差電圧ΔＶｃの閾値クロス時間」の時間間隔が所定の最小時間Ｔｃｍｉｎ未満のものは、変動カウンタ５２で計数しないようにしてもよい。これにより、例えば、上側閾値電圧Ｖｔｈ１または下側閾値電圧Ｖｔｈ２の近傍の電圧において、差電圧ΔＶｃがそれらの閾値電圧Ｖｔｈ１、Ｖｔｈ２をまたぐように細かく変動し、変動カウンタ５２のカウント数が急増することを防ぐことができる。

−２レベル動作から３レベル動作への切り替え制御−
次に、図４のフローチャート及び図５のタイミングチャートを用いて、２レベル動作から３レベル動作への切り替え制御について詳細に説明する。

コントローラ５は、３レベル動作から２レベル動作への切り替え制御の後（ステップＳ１７の後）、中性点電圧Ｖｃｏの変動がおさまったか否かを継続的に観察し、中性点電圧Ｖｃｏの変動がおさまった場合には、３レベル動作に戻す制御を行う。

図４では、差電圧ΔＶｃが閾値をクロスしない状態で所定時間が経過したか否かに基づいて、中性点電圧Ｖｃｏの変動がおさまったか否かを判断している例を示している。以下において、図４及び図５を参照しながら詳細に説明する。

まず、図４のステップＳ２０では、図３のステップＳ１０と同様に、第１電圧Ｖｃ１１及び第２電圧Ｖｃ１２が両方ともに所定の最大バス電圧Ｖｃｍａｘ未満であるか否かを確認する。また、ステップＳ２１では、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１と下側閾値電圧Ｖｔｈ２との間にあるか否かを確認する。

そして、第１電圧Ｖｃ１１及び第２電圧Ｖｃ１２が両方ともに所定の最大バス電圧Ｖｃｍａｘ未満であり、かつ、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１と下側閾値電圧Ｖｔｈ２との間にある場合（Ｓ２０及びＳ２１でＹＥＳ）、フローはステップＳ２２に進む。

ステップＳ２２では、切替判定タイマ５４がオン制御される。切替判定タイマ５４は、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１と下側閾値電圧Ｖｔｈ２との間にある切替判定時間Ｔｃのカウントを開始する。

ステップＳ２３及びＳ２４において、コントローラ５は、差電圧ΔＶｃが閾値をクロスしない状態が所定の切替時間Ｔｃｘ以上、継続するか否かを判定する。例えば、所定の切替時間Ｔｃｘが経過する前（Ｓ２４でＮＯ）に、差電圧ΔＶｃが閾値電圧Ｖｔｈ（上側閾値電圧Ｖｔｈ１または下側閾値電圧Ｖｔｈ２）をクロスした場合（Ｓ２３でＹＥＳ）、フローはステップＳ２５に進む。ステップＳ２５では、コントローラ５は、切替判定タイマ５４をオフ制御（切替判定時間Ｔｃのリセットを含む）して、フローはステップＳ２０に戻る。

一方で、差電圧ΔＶｃが閾値電圧Ｖｔｈをクロスしない状態が所定の切替時間Ｔｃｘ継続した場合（Ｓ２３でＮｏかつＳ２４でＹｅｓ）、コントローラ５は、ＰＷＭ制御部５５を介して、電力変換装置１（電力変換器２）の動作を２レベル動作から３レベル動作に切り替える（Ｓ２６）。図５の期間Ｘ２では、３レベル動作から２レベル動作になった後、直流バス電圧Ｖｃの変動がおさまって電力変換装置１の動作が２レベル動作から３レベル動作に制御された例を示している。そして、その後、フローは図３のステップＳ１０に戻る。

なお、所定の切替時間Ｔｃｘは任意に設定することができる時間である。例えば、平滑コンデンサＣ１１の容量値やフィルタ３を構成するコンデンサＣ３の容量値に応じて定めることが可能な値であり、例えば、数秒程度の値である。この所定の切替時間Ｔｃｘは、リセット時間Ｔｒｓ等と同様に、コントローラ５のメモリ（図示省略）等に記憶されていてもよいし、外付けの入力操作部（図示省略）等から入力・変更等ができるようにしてもよい。

本願発明者らは、検討を重ねた結果、所定のリセット時間Ｔｒｓの間に、差電圧ΔＶｃの閾値クロス回数が所定回数以上になった場合に、３レベル動作では、電力変換装置１の動作が不安定になり、中性点制御が困難になることが分かった。そこで、本実施形態では、上記閾値クロス回数が所定回数以上になった場合に、３レベル動作から２レベル動作に切り替えるようにしている。これにより、電力変換装置１の連続運転状態を維持することができる。

このように、本実施形態では、直流バス電圧Ｖｃの変動量と、所定の変動量での変動回数の両方を満たした場合に、電力変換装置のレベルを変換するようにしたので、判断精度を高めたレベル変換が可能となる。換言すると、本開示の技術では、電力変換装置１に、３レベル動作をより長く継続させることができるメリットがある。具体的には、例えば、直流バス電圧Ｖｃが大きく変動した場合（例えば、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈを超えた場合）でも、電力変換装置１の動作が安定している場合があり、そのような場合に、３レベル動作をより長く継続させることができる。スイッチング損失の低減の観点や、出力波形形状が正弦波により近くできる等の観点から、２レベル動作よりも３レベル動作が継続できた方が好ましく、本開示の技術は、３レベル動作をより長く継続させることができるメリットがある。

さらに、本実施形態では、直流バス電圧Ｖｃの変動量と変動回数に加えて、第１及び第２の平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２の少なくとも一方の電圧が、所定の最大許容電圧を超えたときに、２レベル動作を実施するようにしている。これにより、平滑コンデンサＣ１１，Ｃ１２に過大な電圧がかかることを防ぐことができる。さらに、例えば、３レベル動作における中性点制御が機能しなくなった場合（例えば、第１電圧Ｖｃ１１と第２電圧Ｖｃ１２とのバランスが大きく崩れるような場合や、中性点電圧がＶｉｎ／２の値から逸脱するような場合）に、速やかに２レベル動作に移行させることができる。

以上、本発明の好ましい実施形態及びその変形例について説明したが、本開示に係る技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え等を行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態及びその変形例で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。

例えば、コントローラ５は、３レベル動作期間中において、所定のリセット時間Ｔｒｓの間に、（１）差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１を超えている状態、または、（２）差電圧ΔＶｃが下側閾値電圧Ｖｔｈ２を下回っている状態が、連続しており、かつ、その連続状態が所定の切替判定時間以上になっている場合に、電力変換器２を２レベル動作に移行させるようにしてもよい。差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１と下側閾値電圧Ｖｔｈ２との間から逸脱した状態が継続するのは好ましくないため、そのような場合に、電力変換器２を２レベルのスイッチング動作させることにより、電力変換装置１の安定した運転を実現することができる。

また、上記の実施形態では、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１及び下側閾値電圧Ｖｔｈ２を離間方向にクロスしたときリセットタイマ５３をＯＮ制御するものとしたが（図３のＳ１１，Ｓ１２参照）、これに限定されない。例えば、リセットタイマ５３を常時稼働し、所定の時間毎に、差電圧ΔＶｃが上側閾値電圧Ｖｔｈ１及び下側閾値電圧Ｖｔｈ２をクロスする回数を変動カウンタ５２でカウントするようにしてもよい。

例えば、上記の実施形態では、コントローラ５は、第１電圧Ｖｃ１１と第２電圧Ｖｃ１２との差電圧ΔＶｃの閾値クロス回数に基づいて、スイッチング動作のレベルの切り替えを制御するものとしたが、これに限定されない。例えば、上記差電圧ΔＶｃの振幅と周期に基づいて、スイッチング動作の切り替え制御を行うようにしてもよい。具体的には、コントローラ５は、直流バス電圧が所定の周期で変動し、かつ、直流バス電圧の変動成分の振幅が所定の閾値より大きい状態が、所定の期間以上継続することに基づいて、電力変換装置１（電力変換器２）の動作を３レベル動作から２レベル動作に切り替えるとよい。上記所定の周期は、あらかじめ定められていてもよく、複数回の往復変動に基づいて算出するようにしてもよい。

本発明に係る電力変換装置及びそのレベル制御方法は、中性点制御が難しいような状況においても、連続運転状態を継続することができるので、極めて有用である。

１ 電力変換装置
２ 電力変換器（電力変換部）
４ 電圧測定部
５ コントローラ（制御部）
Ｃ１１ 第１の平滑コンデンサ
Ｃ１２ 第２の平滑コンデンサ

Claims (5)

1. 入力端子間に直列に設けられた第１及び第２の平滑コンデンサを有し、２レベルのスイッチング動作と３レベルのスイッチング動作との切り替えができるように構成された電力変換部と、
   前記第１及び第２の平滑コンデンサの電圧を測定する電圧測定部と、
   前記電圧測定部の測定電圧に基づいて、前記電力変換部の前記スイッチング動作のレベル切り替えを制御する制御部とを備え、
   前記制御部は、所定の計測時間内に前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値をクロスした回数をカウントし、当該カウント数が所定回数以上になったとき、前記電力変換部が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御する
   ことを特徴とする電力変換装置。
2. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記第１及び第２の平滑コンデンサの少なくとも一方の電圧が、所定の最大許容電圧を超えたとき、前記電力変換部が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御する
   ことを特徴とする電力変換装置。
3. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記所定の計測時間内において、前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分の絶対値が所定の閾値を超えた状態が所定の切替判定時間以上連続しているとき、前記電力変換部が２レベルのスイッチング動作状態となるように制御する
   ことを特徴とする電力変換装置。
4. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記電力変換部が３レベルのスイッチング動作をしている場合において、前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値をクロスしたときを前記所定の計測時間の起点とする
   ことを特徴とする電力変換装置。
5. 請求項１記載の電力変換装置において、
   前記制御部は、前記電力変換部を２レベルのスイッチング動作状態にした後、前記第１の平滑コンデンサの電圧と前記第２の平滑コンデンサの電圧との差分が所定の閾値以内の状態が所定の時間以上継続した場合に、前記電力変換部を２レベルのスイッチング動作状態から３レベルのスイッチング動作状態にする
   ことを特徴とする電力変換装置。

Images