JP2020086781A

JP2020086781A - 電力変換装置および電力変換装置の制御方法

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Publication number: JP2020086781A
Application number: JP2018218480A
Authority: JP
Inventors: マハルジャンラクスマン; Maharjan Laxman; 稔久田重田; Toshihisa Tashigeta
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2018-11-21
Filing date: 2018-11-21
Publication date: 2020-06-04
Anticipated expiration: 2038-11-21
Also published as: JP7395822B2

Abstract

【課題】コンデンサの電圧がアンバランスになることに起因して、コンデンサが劣化するかまたは破損するのを抑制することが可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供する。【解決手段】この電力変換装置１００は、変換部電流（Ｉuv、Ｉvw、Ｉwu）のうちのいずれかの実効値Ｉeが、少なくとも零となった場合に、デルタ結線部１１〜１３において基本周波数以外の周波数を有する零相電流ＩZHを循環させることにより、実効値Ｉeを大きくした状態で、デルタ結線部１１〜１３の各相における複数の直流コンデンサ１の電圧（ＶCuj、ＶCvj、ＶCwj）を均一化させる制御を行う段間バランス制御部２３を含む、制御部２０を備える。【選択図】図４

Description

この発明は、電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関し、特に、複数のコンバータセルのコンデンサの電圧を均一化させる調整部を含む制御部を備える電力変換装置および電力変換装置の制御方法に関する。

従来、複数のコンバータセルのコンデンサの電圧を均一化させる調整部を含む制御部を備える電力変換装置および電力変換装置の制御方法が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１の電力変換器は、交流電源から電力を供給されている負荷の付近に設けられている。上記電力変換器は、無効電力を調整し、連系点の電圧変動を抑制するように構成されている。上記電力変換器は、直流コンデンサと、互いに直列接続された２つの半導体スイッチを有する半導体スイッチ群とが並列に接続されたブリッジセルを含む。また、上記電力変換器では、Ｕ相、Ｖ相、および、Ｗ相の各々において、３つのブリッジセルが互いに直列に接続されている。

また、上記電力変換器には、各相の３つのブリッジセルの半導体スイッチのスイッチング動作の制御に用いられるスイッチング信号を生成する統括制御部が設けられている。また、統括制御部は、各相の３つの直流コンデンサの電圧を均一化させるバランス制御部を備えている。バランス制御部は、各相のブリッジセルに流入する電流（以下、「変換部電流」という）に基づいて電圧指令値を出力するように構成されている。そして、電圧指令値生成部により、各相の３つのブリッジセルの電圧指令値が、バランス制御部により出力された上記電圧指令値に基づいて生成される。

国際公開第２０１２／０９９１７６号

しかしながら、上記特許文献１の電力変換器では、バランス制御部は、変換部電流に基づいて電圧指令値を出力するように構成されているため、３相の変換部電流のうちのいずれかの電流値（実効値）が零となった場合（変換部電流がブリッジセルに流入していない場合）、変換部電流に基づいて制御を行うバランス制御部が、正常に動作しないという不都合がある。この場合、上記特許文献１の電力変換器では、各相において直流コンデンサの電圧がアンバランスになることに起因して、直流コンデンサに過電圧が印加され、直流コンデンサが劣化するかまたは破損するという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、コンデンサの電圧がアンバランスになることに起因して、コンデンサが劣化するかまたは破損するのを抑制することが可能な電力変換装置および電力変換装置の制御方法を提供することである。

上記目的を達成するために、この発明の第１の局面による電力変換装置は、コンデンサと、互いに直列接続された複数の半導体スイッチを有する半導体スイッチ群とが、並列接続された複数のコンバータセルが、互いに直列接続されて構成されている３相の変換部が、デルタ結線されて構成されているデルタ結線電力変換部と、３相の変換部の各相に流入する電流である変換部電流のうちのいずれかの実効値が、少なくとも零となった場合に、デルタ結線された３相の変換部において基本周波数以外の周波数を有する零相電流を循環させることにより、実効値を大きくした状態で、３相の変換部の各相における複数のコンデンサの電圧を均一化させる制御を行う調整部を含む、制御部とを備える。

この発明の第１の局面による電力変換装置では、上記のように、調整部を、３相の変換部電流のうちのいずれかの実効値が少なくとも零となった場合に、３相の変換部に零相電流を循環させることにより、実効値を零よりも大きくした状態で、３相の変換部の各相における複数のコンデンサの電圧を均一化させる制御を行うように構成する。これにより、一旦、３相の変換部のうちのいずれかに変換部電流が略流れていない状態（電流値の実効値が零）になった場合でも、基本周波数以外の周波数を有する零相電流を流すことにより、３相の変換部に流れる変換部電流の実効値を零でない状態にすることができる。このため、変換部電流に基づいて制御を行う調整部を正常に動作させることができる。その結果、正常に動作する調整部により、複数のコンデンサの電圧を均一化（バランス）することができるので、コンデンサに過電圧が印加されるのを抑制することができる。これにより、コンデンサが劣化するかまたは破損するのを抑制することができる。ここで、基本周波数の零相電流を３相の変換部に循環させた場合には、各相に定常的に零でない有効電力が流入するため、複数のコンデンサの電圧値を同相内で均一化することは可能であっても、異相間での電圧値のバランスが崩れてしまうという不都合がある。これに対して、本発明では、上記のように、３相の変換部を循環させる電流として、基本周波数以外の周波数を有する零相電流を使用することにより、各相に定常的に零でない有効電力が流入することを防止することができる。この結果、異相間のコンデンサの電圧のバランス（均一性）を維持しながら、同相間のコンデンサの電圧をバランスする（均一化する）ことが可能になる。

上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、調整部は、３相の変換部電流のうちのいずれかの実効値が、零よりも大きい値である所定の値以下となった場合に、３相の変換部において零相電流を循環させる制御を行う。このように構成すれば、実効値と所定の値とを比較するという比較的簡易な処理によって、適切な場合に零相電流を循環させることができる。この結果、制御部の制御負荷を軽減しながら、複数のコンデンサの電圧を均一化する制御を行うことができる。

この場合、好ましくは、所定の値は、調整部が正常に動作するために必要な最小の値である。このように構成すれば、調整部が正常に動作するために必要な最小の値以下となり、零相電流を循環させることが必要な場合に、零相電流を循環させることができる。すなわち、適切な場合に零相電流を循環させることができるので、より効果的に複数のコンデンサの電圧を均一化する制御を行うことができる。

上記実効値が所定の値以下となった場合に零相電流を循環させる電力変換装置において、好ましくは、調整部は、３相の変換部電流の全ての実効値が、所定の値よりも大きい場合に、３相の変換部において零相電流を循環させない制御を行う。このように構成すれば、３相の変換部において不要な零相電流が循環されるのを抑制することができる。これにより、不要な零相電流を含む変換部電流に基づく、複数のコンデンサの電圧を均一化する制御が行われるのを抑制することができるので、より適切に複数のコンデンサの電圧を均一化する制御を行うことができる。

上記第１の局面による電力変換装置において、好ましくは、調整部は、３相の変換部電流のうちのいずれかの実効値が、少なくとも零となった場合に、３相の変換部の各相の出力電圧に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧を重畳することにより、３相の変換部において零相電流を循環させる制御を行う。このように構成すれば、３相の変換器における電圧を制御することにより、３相の変換部において零相電流を循環させることができる。これにより、コンデンサの電圧値を電圧指令値に追従させるように電圧を制御する調整部によって、容易に３相の変換部において零相電流を循環させることができる。

この場合、好ましくは、調整部は、同相の複数のコンデンサの電圧値の平均値に対する、複数のコンデンサのうちの一のコンデンサの電圧値の偏差と、一のコンデンサと同相の変換部電流の電流値とを乗算した値に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧指令値を加算して得られる電圧指令値に基づいて、変換部を制御することによって、零相電圧を出力電圧に重畳させて、３相の変換部において零相電流を循環させる制御を行う。このように構成すれば、変換部電流の電流値が零となった場合でも、零ではない電圧指令値を生成し、この電圧指令値に基づいて、変換部を制御することができる。この結果、変換部電流の電流値が零となった場合でも、複数のコンデンサの電圧を均一化（バランス）することができる。

この発明の第２の局面による電力変換装置の制御方法は、コンデンサと、互いに直列接続された複数の半導体スイッチを有する半導体スイッチ群とが、並列接続された複数のコンバータセルが、互いに直列接続されて構成され、デルタ結線された３相の変換部に流入する電流である変換部電流の実効値を取得し、３相の変換部電流のうちのいずれかの実効値が、少なくとも零となった場合に、デルタ結線された３相の変換部において基本周波数以外の周波数を有する零相電流を循環させることにより、実効値を大きくした状態で、３相の変換部の各相における複数のコンデンサの電圧を均一化させる。

この発明の第２の局面による電力変換装置の制御方法では、上記のように構成することにより、第１の局面による電力変換装置と同様に、コンデンサの電圧がアンバランスになることに起因して、コンデンサが劣化するかまたは破損するのを抑制することができる。

本発明によれば、上記のように、コンデンサの電圧がアンバランスになることに起因して、コンデンサが劣化するかまたは破損するのを抑制することができる。

一実施形態による負荷、交流電源、および、電力変換装置の配置構成を示した図である。一実施形態による電力変換装置の構成を示した図である。一実施形態による電力変換装置の制御部の構成を示した図である。一実施形態による電力変換装置の段間バランス制御部の構成を示した図である。一実施形態による電力変換装置の実効値と所定の値との関係を説明するための模式図であり、（ａ）実効値が所定の値よりも大きい場合の図、および、（ｂ）実効値が所定の値以下の場合、（ｃ）零相電流を示す図である。一実施形態による電力変換装置の制御部（段間バランス制御部）による制御処理を説明するための図（フローチャート）である。

以下、本発明を具体化した一実施形態を図面に基づいて説明する。

［本実施形態］
図１〜図５を参照して、本実施形態による電力変換装置１００の構成について説明する。

（電力変換装置の全体構成）
電力変換装置１００は、図１に示すように、交流電源１０１と、負荷１０２との間に接続されている。３相の交流電源１０１と電力変換装置１００との間には、系統インピーダンスのリアクトル成分１０３が存在する。また、電力変換装置１００と負荷１０２との間には、たとえば、変圧器１０４が設けられている。負荷１０２は、たとえば、アーク炉等である。

そして、電力変換装置１００は、負荷１０２に起因する電圧降下および電圧変動を抑制するために、高速な正相および逆相の無効電力制御、および、低周波数の有効電力制御を実行するように構成されている。負荷１０２に流れ込む負荷電流（図１では、電流ｉ_L）には、正相の有効電流の他に、電圧フリッカ（電圧の繰り返しの変動）を誘発する、正相無効電流、逆相無効電流、および、低周波数の有効電流が含まれる。ここで、電力変換装置１００が設けられていない場合には、これらの電流が電源電流（図１では電流ｉ_s）に現われるので、電圧フリッカが発生する。電力変換装置１００は、電圧フリッカを抑制するために、補償電流（図１では、電流ｉ_c）を生成する。なお、電流ｉ_cは、後述する補償電流（Ｉ_u、Ｉ_v、Ｉ_w）に対応する。

電力変換装置１００は、図２に示すように、ＭＭＣ（ＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）の無効電力補償装置である。具体的には、電力変換装置１００は、内部に３つのデルタ結線点１０を介して、デルタ結線されたＵ相用のデルタ結線部１１、Ｖ相用のデルタ結線部１２、および、Ｗ相用のデルタ結線部１３が設けられている。また、電力変換装置１００は、デルタ結線部１１〜１３の動作（駆動）を制御する制御部２０を備える。なお、デルタ結線部１１〜１３は、特許請求の範囲の「変換部」および「デルタ結線電力変換部」の一例である。

（デルタ結線部の構成）
デルタ結線部１１は、交流電源１０１と負荷１０２とを接続するＵ相用の配線１０１ａに接続されている。デルタ結線部１２は、交流電源１０１と負荷１０２とを接続するＶ相用の配線１０１ｂに接続されている。デルタ結線部１３は、交流電源１０１と負荷１０２とを接続するＷ相用の配線１０１ｃに接続されている。デルタ結線点１０と、デルタ結線部１１、デルタ結線部１２、および、デルタ結線部１３の各々の間には、リアクトル１００ａが設けられている。配線１０１ａに印加される電源電圧、配線１０１ｂに印加される電源電圧、および、配線１０１ｃに印加される電源電圧を、それぞれ、Ｖ_Su、Ｖ_Sv、および、Ｖ_Swと表記する。また、配線１０１ａと配線１０１ｂとの間の線間電圧（電圧差）、配線１０１ｂと配線１０１ｃとの間の線間電圧、および、配線１０１ｃと配線１０１ａとの間の線間電圧を、それぞれ、Ｖ_Suv、Ｖ_Svw、および、Ｖ_Swuと表記する。

この場合、下記の数式（１）、（２）、および、（３）が成り立つ。
Ｖ_Suv＝Ｖ_Su−Ｖ_Sv・・・（１）
Ｖ_Svw＝Ｖ_Sv−Ｖ_Sw・・・（２）
Ｖ_Swu＝Ｖ_Sw−Ｖ_Su・・・（３）

また、配線１０１ａから電力変換装置１００に流れる補償電流、配線１０１ｂから電力変換装置１００に流れる補償電流、および、配線１０１ｃから電力変換装置１００に流れる補償電流を、それぞれ、Ｉ_u、Ｉ_v、および、Ｉ_wと表記する。また、デルタ結線部１１、デルタ結線部１２、および、デルタ結線部１３に流入する電流（変換部電流）を、それぞれ、Ｉ_uv、Ｉ_vw、および、Ｉ_wuと表記する。

この場合、下記の数式（４）、（５）、および、（６）が成り立つ。
Ｉ_u＝Ｉ_uv−Ｉ_wu・・・（４）
Ｉ_v＝Ｉ_vw−Ｉ_uv・・・（５）
Ｉ_w＝Ｉ_wu−Ｉ_vw・・・（６）

また、デルタ結線部１１は、コンバータセル１１ａ、１１ｂ、および、１１ｃが互いに直列に接続されて構成されている。また、デルタ結線部１２は、コンバータセル１２ａ、１２ｂ、および、１２ｃが互いに直列に接続されて構成されている。また、デルタ結線部１３は、コンバータセル１３ａ、１３ｂ、および、１３ｃが互いに直列に接続されて構成されている。コンバータセル１１ａ〜１１ｃ、コンバータセル１２ａ〜１２ｃ、および、コンバータセル１３ａ〜１３ｃの各々には、直流コンデンサ１と、直流コンデンサ１に並列に接続されている２つの半導体スイッチ群２とが設けられている。半導体スイッチ群２は、互いに直列に接続された２つの半導体スイッチ２ａを有する。半導体スイッチ２ａは、互いに逆並列に接続されたバイポーラ素子とダイオード素子とにより構成されている。なお、直流コンデンサ１は、特許請求の範囲の「コンデンサ」の一例である。

デルタ結線部１１、デルタ結線部１２、および、デルタ結線部１３の出力電圧を、それぞれ、Ｖ_uv、Ｖ_vw、および、Ｖ_wuと表記する。コンバータセル１１ａ〜１１ｃの出力電圧を、それぞれ、Ｖ_ua、Ｖ_ub、および、Ｖ_ucと表記する。また、コンバータセル１２ａ〜１２ｃの出力電圧を、それぞれ、Ｖ_va、Ｖ_vb、および、Ｖ_vcと表記する。また、コンバータセル１３ａ〜１３ｃの出力電圧を、それぞれ、Ｖ_wa、Ｖ_wb、および、Ｖ_wcと表記する。なお、以下の記載では、必要に応じて（図３および図４では）、Ｖ_ua、Ｖ_ub、および、Ｖ_ucを「Ｖ_uj」（ｊは、ａ、ｂ、または、ｃ）として記載する。これと同様に、Ｖ_va、Ｖ_vb、および、Ｖ_vcを「Ｖ_vj」として、Ｖ_wa、Ｖ_wb、および、Ｖ_wcを「Ｖ_wj」として記載する。

この場合、下記の数式（７）、（８）、および、（９）が成り立つ。
Ｖ_uv＝Ｖ_ua＋Ｖ_ub＋Ｖ_uc・・・（７）
Ｖ_vw＝Ｖ_va＋Ｖ_vb＋Ｖ_vc・・・（８）
Ｖ_wu＝Ｖ_wa＋Ｖ_wb＋Ｖ_wc・・・（９）

コンバータセル１１ａ〜１１ｃ、コンバータセル１２ａ〜１２ｃ、および、コンバータセル１３ａ〜１３ｃの各々を、ＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ−ＷｉｄｔｈＭｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御することによって、電力変換装置１００のデルタ結線部１１〜１３の各相の出力電圧Ｖ_uv、Ｖ_vw、および、Ｖ_wuを制御することが可能である。

なお、コンバータセル１１ａ〜１１ｃの直流コンデンサ１の電圧（直流電圧）を、それぞれ、Ｖ_Cua、Ｖ_Cub、および、Ｖ_Cucと表記する。また、コンバータセル１２ａ〜１２ｃの直流コンデンサ１の電圧（直流電圧）を、それぞれ、Ｖ_Cva、Ｖ_Cvb、および、Ｖ_Cvcと表記する。また、コンバータセル１３ａ〜１３ｃの直流コンデンサ１の電圧（直流電圧）を、それぞれ、Ｖ_Cwa、Ｖ_Cwb、および、Ｖ_Cwcと表記する。なお、以下の記載では、必要に応じて（図３および図４では）、Ｖ_Cua、Ｖ_Cub、および、Ｖ_Cucを「Ｖ_Cuj」、Ｖ_Cva、Ｖ_Cvb、および、Ｖ_Cvcを「Ｖ_Cvj」として、Ｖ_Cwa、Ｖ_Cwb、および、Ｖ_Cwcを「Ｖ_Cwj」として記載する。

（制御部の構成）
制御部２０は、図３に示すように、電力制御部２１と、相間バランス制御部２２と、段間バランス制御部２３と、電圧指令値生成部２４とを含む。なお、電力制御部２１と、相間バランス制御部２２と、段間バランス制御部２３と、電圧指令値生成部２４との機能は、プログラムなどのソフトウェアにより実現することが可能である。なお、段間バランス制御部２３は、特許請求の範囲の「調整部」の一例である。

電力制御部２１は、正相無効電力制御および逆相無効電力制御を実行するための線間電圧指令値である指令値（Ｖ_uv ^*、Ｖ_vw ^*、Ｖ_wu ^*）を生成する。具体的には、電力制御部２１は、瞬時有効電力指令値ｐ^*、瞬時無効電力指令値ｑ^*、直流コンデンサ１の電圧指令値Ｖ_c ^*、線間電圧（Ｖ_suv、Ｖ_svw、Ｖ_swu、図２参照）、デルタ結線部１１〜１３に流入する変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）、および、基本周波数の零相電流Ｉ_ZF ^*を入力値として、指令値（Ｖ_uv ^*、Ｖ_vw ^*、Ｖ_wu ^*）を生成する。電力制御部２１は、三相分の直流コンデンサ１の平均電圧値Ｖ_Caveを直流コンデンサ１の電圧指令値Ｖ_c ^*に追従させるフィードバックループを備えている。

相間バランス制御部２２は、Ｕ相の３つの直流コンデンサ１の平均電圧値Ｖ_Cuave、Ｖ相の３つの直流コンデンサ１の平均電圧値Ｖ_Cvave、および、Ｗ相の３つの直流コンデンサ１の平均電圧値Ｖ_Cwaveを均一化させるように構成されている。具体的には、相間バランス制御部２２は、三相分の直流コンデンサ１の平均電圧値Ｖ_Cave、平均電圧値Ｖ_Cuave、平均電圧値Ｖ_Cvave、および、平均電圧値Ｖ_Cwaveを入力値として、デルタ結線点１０に流すべき基本周波数の零相電流Ｉ_ZF ^*を算出する。

段間バランス制御部２３は、デルタ結線部１１〜１３の各々に流入する変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）に基づいて、同相の複数のコンバータセルの（たとえば、コンバータセル１１ａ、１１ｂ、１１ｃの各々において）直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化させるように構成されている。

具体的には、段間バランス制御部２３は、図４に示すように、平均電圧値Ｖ_Cuave、および、コンバータセル１１ａ〜１１ｃのそれぞれの直流コンデンサ１の電圧Ｖ_Cujを入力値として、指令値Ｖ_Buj ^*を生成する。また、段間バランス制御部２３は、平均電圧値Ｖ_Cvave、および、コンバータセル１２ａ〜１２ｃのそれぞれの直流コンデンサ１の電圧Ｖ_Cvjを入力値として、指令値Ｖ_Bvj ^*を生成する。また、段間バランス制御部２３は、平均電圧値Ｖ_Cwave、および、コンバータセル１３ａ〜１３ｃのそれぞれの直流コンデンサ１の電圧Ｖ_Cwjを入力値として、指令値Ｖ_Bwj ^*を生成する。

そして、段間バランス制御部２３は、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）を用いた指令値（Ｖ_Buj ^*、Ｖ_Bvj ^*、Ｖ_Bwj ^*）が算出されることにより、指令値（Ｖ_Buj ^*、Ｖ_Bvj ^*、Ｖ_Bwj ^*）は変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）と同位相または逆位相となる。その結果、指令値（Ｖ_Buj ^*、Ｖ_Bvj ^*、Ｖ_Bwj ^*）に基づいて生成される各コンバータセルの出力電圧（Ｖ_ua〜Ｖ_uc、Ｖ_va〜Ｖ_vc、Ｖ_wa〜Ｖ_wc）にも、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）と同位相または逆位相の成分が含まれるので、各コンバータセルの出力電圧（Ｖ_ua〜Ｖ_uc、Ｖ_va〜Ｖ_vc、Ｖ_wa〜Ｖ_wc）と変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）との間で有効電力が生成される。これにより、各相内で、直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）が、直流コンデンサ１の平均電圧値（Ｖ_Cuave、Ｖ_Cvave、Ｖ_Cwave）に追従されて、互いに均一化される。

電圧指令値生成部２４は、電力制御部２１により生成された指令値（Ｖ_uv ^*、Ｖ_vw ^*、Ｖ_wu ^*）と、段間バランス制御部２３により生成された指令値（Ｖ_Buj ^*、Ｖ_Bvj ^*、Ｖ_Bwj ^*）（図３参照）とに基づいて、各コンバータセルの電圧指令値（Ｖ_uj ^*、Ｖ_vj ^*、Ｖ_wj ^*）を生成する。電圧指令値生成部２４（制御部２０）により生成された電圧指令値（Ｖ_uj ^*、Ｖ_vj ^*、Ｖ_wj ^*）により、各コンバータセル（１１ａ〜１１ｃ、１２ａ〜１２ｃ、１３ａ〜１３ｃ）の各々の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）が均一化される。すなわち、電力変換装置１００の９つの直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）が、互いに略同等になるように制御される。

具体的には、電圧指令値生成部２４は、電力制御部２１からの指令値Ｖ_uv ^*を１／３倍した値に、段間バランス制御部２３からの指令値（Ｖ_Buj ^*）を加算することにより、デルタ結線部１１のコンバータセル１１ａ〜１１ｃの電圧指令値（Ｖ_uj ^*）を生成する。また、電圧指令値生成部２４は、指令値Ｖ_vw ^*を１／３倍した値に、指令値（Ｖ_Bvj ^*）を加算することにより、デルタ結線部１２のコンバータセル１２ａ〜１２ｃの電圧指令値（Ｖ_vj ^*）を生成する。また、電圧指令値生成部２４は、指令値Ｖ_wu ^*を１／３倍した値に、指令値（Ｖ_Bwj ^*）を加算することにより、デルタ結線部１３のコンバータセル１３ａ〜１３ｃの電圧指令値（Ｖ_wj ^*）を生成する。

電圧指令値（Ｖ_uj ^*、Ｖ_vj ^*、Ｖ_wj ^*）は、各直流コンデンサ１のスイッチング指令値として利用される。図示しないスイッチング制御部は、上記スイッチング指令値と、キャリア周波数の三角波キャリア信号とを比較することにより、ＰＷＭスイッチング信号を生成する。スイッチング制御部により生成されたＰＷＭスイッチング信号は、対応するコンバータセル内の半導体スイッチ２ａのスイッチング制御に用いられる。

（基本周波数以外の周波数を有する零相電流を循環させるための構成）
本実施形態では、段間バランス制御部２３は、図４および図５に示すように、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、少なくとも零（略零）となった場合（図５（ｂ）参照）に、デルタ結線部１１〜１３において基本周波数以外の周波数を有する零相電流Ｉ_ZHを循環させることにより、実効値Ｉ_eを大きくした状態（図５（ｃ）参照）で、デルタ結線部１１〜１３の各相における複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化させる制御を行うように構成されている。ここで、基本周波数以外の周波数とは、たとえば、高調波であり、２倍波または３倍波等である。なお、図５（ｃ）では、高調波の例として２倍波を図示しているが、この例には限られない。また、実効値Ｉ_eは、図５に示すように、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の最大値Ｉ_p（振幅）を√２により除算した値である。また、略零とは、所定の値Ｉ_tよりも小さい値（絶対値）である。

図５（ａ）に示すように、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の実効値Ｉ_eは、通常、零よりも大きく所定の値Ｉ_tよりも大きい値である。しかしながら、図５（ｂ）に示すように、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の実効値Ｉ_eは、零（略零）となり、所定の値Ｉ_t以下となる場合ある。ここで、本実施形態では、段間バランス制御部２３は、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、零よりも大きい値である所定の値Ｉ_t以下となった場合に、図５（ｃ）に示すように、デルタ結線部１１〜１３において、零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成されている。一方、段間バランス制御部２３は、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の全ての実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_tよりも大きい場合には、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させない制御を行うように構成されている。

所定の値Ｉ_tは、段間バランス制御部２３が正常に動作するために必要な最小の値である。言い換えると、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のいずれかの実効値Ｉ_eが所定の値Ｉ_t以下の場合は、段間バランス制御部２３が正常に動作せず、各相における３つの直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）がアンバランスになる。詳細には、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のいずれかの実効値Ｉ_eが所定の値Ｉ_t以下の場合は、後述する零相電流Ｉ_ZHがなければ、指令値Ｖ_Buj ^*（Ｖ_Bvj ^*またはＶ_Bwj ^*）が十分な大きさにならない。それに伴って、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の大きさも十分な大きさにならず（略零になり）、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）が入力されている段間バランス制御部２３から正常な（適切な）指令値が出力されなくなる。一方で、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のいずれかの実効値Ｉ_eが所定の値Ｉ_tよりも大きい場合は、後述する零相電流Ｉ_ZHがなくても、一定の大きさの変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）が流れるので、段間バランス制御部２３から正常な（適切な）指令値が出力される。

また、段間バランス制御部２３は、図２に示すように、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、少なくとも零となった場合に、デルタ結線部１１〜１３の各相の出力電圧（Ｖ_uj、Ｖ_vj、Ｖ_wj）に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧Ｖ_ZHを重畳することにより、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成されている。

詳細には、段間バランス制御部２３は、平均電圧値Ｖ_Cvaveに対する、直流コンデンサ１の電圧Ｖ_Cujの電圧値の偏差と、この直流コンデンサ１と同相の変換部電流Ｉ_uvとを乗算した値に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*を加算して得られる電圧指令値Ｖ_Buj ^*に基づいて、デルタ結線部１１を制御することによって、零相電圧Ｖ_ZHを出力電圧Ｖ_ujに重畳させて、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成されている。また、Ｖ相およびＷ相においても同様に、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*を加算して得られる電圧指令値Ｖ_Bvj ^*（Ｖ_Bwj ^*）に基づいて、デルタ結線部１１を制御することによって、零相電圧Ｖ_ZHを出力電圧Ｖ_vj（_Vwｊ）に重畳させて、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成されている。なお、平均電圧値Ｖ_Cvaveに対する、直流コンデンサ１の電圧Ｖ_Cujの電圧値の偏差とは、たとえば、平均電圧値Ｖ_Cvaveと直流コンデンサ１の電圧Ｖ_Cuaとの差分にＫ倍のゲインをかける処理を含む。

すなわち、下記の数式（１０）、（１１）、および、（１２）が成り立つ。
Ｖ_Buj ^*＝Ｋ×（Ｖ_Cuave−Ｖ_Cuj）×Ｉ_uv＋Ｖ_ZH ^*・・・（１０）
Ｖ_Bvj ^*＝Ｋ×（Ｖ_Cvave−Ｖ_Cvj）×Ｉ_vw＋Ｖ_ZH ^*・・・（１１）
Ｖ_Bwj ^*＝Ｋ×（Ｖ_Cwave−Ｖ_Cwj）×Ｉ_wu＋Ｖ_ZH ^*・・・（１２）

そして、段間バランス制御部２３は、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_tが所定の値Ｉ_t以下（少なくとも零）となった場合に、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*≠０とするとともに、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の全ての実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_tが所定の値Ｉ_tよりも大きい場合に、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*＝０とするように構成されている。

これにより、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_tが所定の値Ｉ_t以下（少なくとも零）となった場合でも、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*≠０によりデルタ結線部１１〜１３に零相電流Ｉ_ZHを含む変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）が流れることにより、段間バランス制御部２３が正常に動作する状態を維持することが可能となる。

［本実施形態による電力変換装置の制御方法］
次に、図６を参照して、本実施形態による電力変換装置１００の制御方法について説明する。なお、電力変換装置１００の制御処理は、制御部２０（段間バランス制御部２３）により実行される。

ステップＳ１において、制御部２０（段間バランス制御部２３）により、同相の複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化させるための制御が行われる。なお、ステップＳ１は、３相各相（Ｕ相、Ｖ相、および、Ｗ相）において、実行される。次に、ステップＳ２において、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_t以下か否かが判断される。変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_t以下の場合、ステップＳ３に進み、所定の値Ｉ_tよりも大きい場合には、ステップＳ４に進む。

ステップＳ３において、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*が零でない値（Ｖ_ZH ^*≠０）に設定される。また、ステップＳ４において、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*が零（Ｖ_ZH ^*＝０）に設定される。その後、ステップＳ１に戻る。

すなわち、本実施形態では、３相の変換部電流のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_t以下（少なくとも零）となった場合に、零相電圧指令値Ｖ_ZH ^*が零でない値にされることにより、出力電圧（Ｖ_uj、Ｖ_vj、Ｖ_wj）に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧Ｖ_ZHが重畳され、デルタ結線部１１〜１３において基本周波数以外の周波数を有する零相電流Ｉ_ZHが循環されることにより、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の実効値Ｉ_eを大きくした状態で、３相の変換部の各相における同相の複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化させるための制御が行われる。

［本実施形態の効果］
本実施形態では、以下のような効果を得ることができる。

本実施形態では、上記のように、段間バランス制御部２３を、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが少なくとも零となった場合に、デルタ結線部１１〜１３に零相電流Ｉ_ZHを循環させることにより、実効値Ｉ_eを零よりも大きくした状態で、デルタ結線部１１〜１３の各相における複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化させる制御を行うように構成する。これにより、一旦、デルタ結線部１１〜１３のうちのいずれかに変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）が略流れていない状態（たとえば、所定の値Ｉ_t以下）になった場合でも、零相電流Ｉ_ZHを流すことにより、デルタ結線部１１〜１３に流れる変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）を零でない状態にすることができる。このため、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）に基づいて制御を行う段間バランス制御部２３を正常に動作させることができる。その結果、正常に動作する段間バランス制御部２３により、複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化（バランス）することができるので、直流コンデンサ１に過電圧が印加されるのを抑制することができる。これにより、直流コンデンサ１が劣化するかまたは破損するのを抑制することができる。また、上記のように、デルタ結線部１１〜１３を循環させる電流として、基本周波数以外の周波数を有する零相電流Ｉ_ZHを使用することにより、各相に定常的に零でない有効電力が流入することを防止することができるので、異相間の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）のバランス（均一性）を維持しながら、同相間の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）をバランスする（均一化する）ことが可能になる。

また、本実施形態では、上記のように、段間バランス制御部２３を、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、零よりも大きい値である所定の値Ｉ_t以下となった場合に、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成する。これにより、実効値Ｉ_eと所定の値Ｉ_tとを比較するという比較的簡易な処理によって、適切な場合に零相電流Ｉ_ZHを循環させることができる。この結果、制御部２０の制御負荷を軽減しながら、複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化する制御を行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、所定の値Ｉ_tを、段間バランス制御部２３が正常に動作するために必要な最小の値とする。これにより、段間バランス制御部２３が正常に動作するために必要な最小の値以下となり、零相電流Ｉ_ZHを循環させることが必要な場合に、零相電流Ｉ_ZHを循環させることができる。すなわち、適切な場合に零相電流ｉ_ZHを循環させることができるので、より効果的に複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化する制御を行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、段間バランス制御部２３を、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の全ての実効値Ｉ_eが、所定の値Ｉ_tよりも大きい場合に、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させない制御を行うように構成する。これにより、デルタ結線部１１〜１３において不要な零相電流Ｉ_ZHが循環されるのを抑制することができる。この結果、不要な零相電流Ｉ_ZHを含む変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）に基づく、複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化する制御が行われるのを抑制することができるので、より適切に複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化する制御を行うことができる。

また、本実施形態では、上記のように、段間バランス制御部２３を、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）のうちのいずれかの実効値Ｉ_eが、少なくとも零となった場合に、デルタ結線部１１〜１３の各相の出力電圧に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧を重畳することにより、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成する。これにより、３相の変換器における電圧を制御することにより、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させることができる。この結果、直流コンデンサ１の電圧値（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を電圧指令値に追従させるように、電圧を制御する段間バランス制御部２３により、容易にデルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させることができる。

また、本実施形態では、上記のように、段間バランス制御部２３を、同相の複数の直流コンデンサ１の平均電圧値（Ｖ_Cuave、Ｖ_Cvave、Ｖ_Cwave）に対する、複数の直流コンデンサ１のうちの一の直流コンデンサ１の電圧値（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）の偏差と、一の直流コンデンサ１と同相の変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の電流値とを乗算した値に、基本周波数以外の周波数を有する零相電圧指令値を加算して得られる電圧指令値に基づいて、変換部を制御することによって、零相電圧を出力電圧に重畳させて、デルタ結線部１１〜１３において零相電流Ｉ_ZHを循環させる制御を行うように構成する。これにより、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の電流値が零となった場合でも、零ではない電圧指令値を生成し、この電圧指令値に基づいて、変換部を制御することができる。この結果、変換部電流（Ｉ_uv、Ｉ_vw、Ｉ_wu）の電流値が零となった場合でも、複数の直流コンデンサ１の電圧（Ｖ_Cuj、Ｖ_Cvj、Ｖ_Cwj）を均一化（バランス）することができる。

［変形例］
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更（変形例）が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、電力変換装置１００を、ＭＭＣの無効電力補償装置として構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、本発明の電力変換装置を、ＭＭＣの無効電力補償装置以外の電力変換装置に適用してもよい。

また、上記実施形態では、デルタ結線部１１、デルタ結線部１２、および、デルタ結線部１３の各々には、３つのコンバータセル（１１ａ〜１１ｃ、１２ａ〜１２ｃ、または、１３ａ〜１３ｃ）が設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。デルタ結線部１１、デルタ結線部１２、および、デルタ結線部１３の各々には、２つまたは４つ以上の複数個のコンバータセルが設けられていてもよい。

また、上記実施形態では、コンバータセルを、１つの直流コンデンサと、互いに直列接続された２つの半導体スイッチを有する２つの半導体スイッチ群とが、並列接続することにより構成する例を示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、直流コンデンサを複数のコンデンサを組み合わせて構成してもよいし、たとえば、４つの半導体スイッチを有する３レベルの半導体スイッチ群を、２つまたは３つ以上の数で並列接続してもよい。

また、上記実施形態では、実効値と所定の値とを比較して、実効値が所定の値以下となった場合に、３相の変換部において零相電流を循環させる制御を行う例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、実効値と所定の値との比較を行わずに、実効値が零（略零）となった場合に、３相の変換部において零相電流を循環させる制御を行ってもよい。

また、上記実施形態では、所定の値を、段間バランス制御部が正常に動作するために必要な最小の値とする例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、所定の値を、段間バランス制御部が正常に動作するために必要な最小の値よりも大きい値としてもよい。

また、上記実施形態では、基本周波数以外の周波数の零相電流の例として、２倍波および３倍波を示したが、本発明はこれに限られない。すなわち、基本周波数以外の周波数の零相電流として、４倍波以上の高調波を用いてもよい。

１直流コンデンサ（コンデンサ）
２半導体スイッチ群
２ａ半導体スイッチ
１１、１２、１３デルタ結線部（変換部、デルタ結線電力変換部）
１１ａ、１１ｂ、１１ｃ、１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１３ａ、１３ｂ、１３ｃコンバータセル
２０制御部
２３段間バランス制御部（調整部）
１００電力変換装置

Claims

コンデンサと、互いに直列接続された複数の半導体スイッチを有する半導体スイッチ群とが、並列接続された複数のコンバータセルが、互いに直列接続されて構成されている３相の変換部が、デルタ結線されて構成されているデルタ結線電力変換部と、
前記３相の変換部の各相に流入する電流である変換部電流のうちのいずれかの実効値が、少なくとも零となった場合に、デルタ結線された前記３相の変換部において基本周波数以外の周波数を有する零相電流を循環させることにより、前記実効値を大きくした状態で、前記３相の変換部の各相における複数の前記コンデンサの電圧を均一化させる制御を行う調整部を含む、制御部とを備える、電力変換装置。
前記調整部は、３相の前記変換部電流のうちのいずれかの前記実効値が、零よりも大きい値である所定の値以下となった場合に、前記３相の変換部において前記零相電流を循環させる制御を行う、請求項１に記載の電力変換装置。
前記所定の値は、前記調整部が正常に動作するために必要な最小の値である、請求項２に記載の電力変換装置。
前記調整部は、前記３相の前記変換部電流の全ての前記実効値が、前記所定の値よりも大きい場合に、前記３相の変換部において前記零相電流を循環させない制御を行う、請求項２または３に記載の電力変換装置。
前記調整部は、３相の前記変換部電流のうちのいずれかの前記実効値が、少なくとも零となった場合に、前記３相の変換部の各相の出力電圧に、前記基本周波数以外の周波数を有する零相電圧を重畳することにより、前記３相の変換部において前記零相電流を循環させる制御を行う、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
前記調整部は、同相の前記複数のコンデンサの電圧値の平均値に対する、前記複数のコンデンサのうちの一の前記コンデンサの電圧値の偏差と、前記一のコンデンサと同相の前記変換部電流の電流値とを乗算した値に、前記基本周波数以外の周波数を有する零相電圧指令値を加算して得られる電圧指令値に基づいて、前記変換部を制御することによって、前記零相電圧を前記出力電圧に重畳させて、前記３相の変換部において前記零相電流を循環させる制御を行う、請求項５に記載の電力変換装置。
コンデンサと、互いに直列接続された複数の半導体スイッチを有する半導体スイッチ群とが、並列接続された複数のコンバータセルが、互いに直列接続されて構成され、デルタ結線された３相の変換部に流入する電流である変換部電流の実効値を取得し、
３相の前記変換部電流のうちのいずれかの前記実効値が、少なくとも零となった場合に、前記デルタ結線された３相の変換部において基本周波数以外の周波数を有する零相電流を循環させることにより、前記実効値を大きくした状態で、前記３相の変換部の各相における複数の前記コンデンサの電圧を均一化させる、電力変換装置の制御方法。