JP2021141799A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供する。【解決手段】一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器を備え、前記複数のセル変換器は、それぞれ、コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記コンデンサからの電力に基づいて前記駆動回路に電力を供給する給電回路とを有し、前記電力変換回路は、複数の上アームと複数の下アームとを有するフルブリッジ回路であり、前記駆動回路は、前記複数のセル変換器のうち自身のセル変換器の前記コンデンサの電圧値に基づいて、前記上アームがオンで前記下アームがオフの第１状態又は前記上アームがオフで前記下アームがオンの第２状態を、前記電力変換回路のキャリア周期よりも長く維持する、電力変換装置。【選択図】図２

Description

本開示は、電力変換装置に関する。

電力変換装置の回路構成の一つに、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）がある。ＭＭＣは、直列に接続される複数のセルを備え、複数のセルは、それぞれ、コンデンサが接続されるフルブリッジ変換回路と、フルブリッジ変換回路内の複数のアームをオンまたはオフにする駆動回路とを有する。セルには複数の動作モードがあり、その一つとして、全ての上アームをオン状態にすることで、セルから零電圧を出力させる動作モードが存在する（例えば、特許文献１の図４Ｃのモード１参照）。

特許第６４１６４１１号公報

零電圧を出力するために全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態にすると、コンデンサの充電ができなくなるので、コンデンサの電圧が次第に低下する。しかしながら、各アームを駆動する駆動回路がコンデンサから供給される電力を利用する構成では、コンデンサから駆動回路に供給される電力が不足すると、全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態に維持できなくなる。その結果、零電圧を継続的に出力できなくなるおそれがある。

本開示は、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供する。

本開示は、
一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器を備え、
前記複数のセル変換器は、それぞれ、
コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記コンデンサからの電力に基づいて前記駆動回路に電力を供給する給電回路とを有し、
前記電力変換回路は、複数の上アームと複数の下アームとを有するフルブリッジ回路であり、
前記駆動回路は、前記複数のセル変換器のうち自身のセル変換器の前記コンデンサの電圧値に基づいて、前記上アームがオンで前記下アームがオフの第１状態又は前記上アームがオフで前記下アームがオンの第２状態を、前記電力変換回路のキャリア周期よりも長く維持する、電力変換装置を提供する。

本開示によれば、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供できる。

一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。 セル変換器の第１構成例を示す図である。 第１状態又は第２状態の場合の動作モードを示す図である。 第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする動作モードを示す図である。 コンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下すると、図４の動作モードに従ってオンからオフにする一方のアームを交互に切り替える動作モードを示す図である。 第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームをいずれもオフにする動作モードを示す図である。 上アーム及び下アームが全てオフの状態から出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧にする場合、上アーム及び下アームが全てオフする前にオンしていたアームとは反対側のアームをオンにする動作モードを示す。 系統から電力変換装置に流れる電流と、上下アームのオン又はオフ状態と、セル変換器の出力電圧との関係を示す図である。 系統から電力変換装置に流れる電流と、上下アームのオン又はオフ状態と、セル変換器の出力電圧との関係を示す図である。 上アーム及び下アームが全てオフの状態の期間を導出する制御部の機能ブロックを例示する図である。 上アーム及び下アームが全てオフの状態の期間を導出する制御部の機能ブロックを例示する図である。 上アーム及び下アームが全てオフの状態にするタイミングを決定する制御部の機能ブロックを例示する図である。 給電回路の構成例を示す図である。 セル変換器の第２構成例を示す図である。

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。

図１は、一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図であり、ＭＭＣの回路構成の一例を示す。ＭＭＣは、例えば、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や直流送電システム（ＨＶＤＣ）に適用可能である。図１に示す電力変換装置４００は、複数のクラスタ５０（５０ＵＶ，５０ＶＷ，５０ＷＵ）、複数のリアクトル５１（５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵ）及び制御部４０１を備える。

Ｕ相のクラスタ５０ＵＶは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，・・・５２ＵＶ_ｘを有する。Ｖ相のクラスタ５０ＶＷは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，・・・５２ＶＷ_ｘを有する。Ｗ相のクラスタ５０ＷＵは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，・・・５２ＷＵ_ｘを有する。ｘは、各クラスタにおいてセル変換器が直列に接続される個数を表し、２以上の整数である。

複数のセル変換器５２（５２ＵＶ_１〜５２ＵＶ_ｘ，５２ＶＷ_１〜５２ＶＷ_ｘ，５２ＷＵ_１〜５２ＷＵ_ｘ）は、それぞれ、一対の交流出力端子ａ，ｂをそれぞれ有し、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される。複数のセル変換器５２は、それぞれ、自身の第１の交流出力端子ａが、自身に隣接する一方のセル変換器の第２の交流出力端子ｂに接続され、自身の第２の交流出力端子ｂが、自身に隣接する他方のセル変換器の第１の交流出力端子ａに接続される。

クラスタ５０ＵＶ、クラスタ５０ＶＷ、クラスタ５０ＷＵは、リアクトル５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵを介してデルタ結線されており、系統３００に連系している。系統３００への連系は、図示しない変圧器を介してもよい。デルタ結線は、デルタ結線内に循環電流が流れるので、制御部４０１は、この循環電流を複数のセル変換器５２によって制御することにより、逆相無効電流を調整できる。なお、図１は、デルタ結線を例示するが、クラスタ５０ＵＶ、クラスタ５０ＶＷ、クラスタ５０ＷＵは、スター結線されてもよいし、他の結線方式で結線されてもよい。

複数のセル変換器５２は、それぞれ、複数のスイッチング素子を有する電力変換回路と、その電力変換回路を動作させる駆動回路部とを有する。複数のセル変換器５２は、互いに同一の構成を有する。スイッチング素子は、例えば、トランジスタと、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードとを有する。トランジスタの具体例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などが挙げられる。

電力変換装置４００は、制御部４０１が複数のセル変換器５２のそれぞれに互いに異なる位相で電圧波形を出力させることで、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を有し、且つ、高調波が低減されたマルチレベル電圧波形を出力できる。そのため、電力変換装置４００は、例えば、特別高圧系統に直接連系する無効電力補償装置や直流送電システムなどに適用可能である。

図２は、セル変換器の第１構成例を示す図であり、複数のセル変換器５２ＵＶ_１〜５２ＵＶ_ｘ，５２ＶＷ_１〜５２ＶＷ_ｘ，５２ＷＵ_１〜５２ＷＵ_ｘのそれぞれの構成例を示す。図２に示すセル変換器５２は、コンデンサ６００における直流電力を交流電力に変換して一対の交流出力端子ａ，ｂに出力する機能と、一対の交流出力端子ａ，ｂから入力される交流電力を直流電力に変換してコンデンサ６００に供給する機能とを有する。

セル変換器５２は、一対の交流出力端子ａ，ｂ、コンデンサ６００、電力変換回路５３、ＧＤＵ（Gate Drive Unit）５０２ａ〜５０２ｄ及び給電回路６３０を備える。

コンデンサ６００は、一対の交流出力端子ａ，ｂに電力変換回路５３を介して接続される容量素子である。Ｅｄｃは、コンデンサ６００の電圧値を表す。

電力変換回路５３は、コンデンサ６００と一対の交流出力端子ａ，ｂとの間に接続され、直流と交流との間で双方向に電力を変換するインバータ回路である。電力変換回路５３は、コンデンサ６００に並列に接続されている。図２には、複数のスイッチング素子５０１（５０１ａ〜５０１ｄ）を有するフルブリッジ回路が例示されている。電力変換回路５３は、スイッチング素子５０１ａ，５０１ｂが直列に接続される回路と、スイッチング素子５０１ｃ，５０１ｄが直列に接続される回路とが並列に接続されたフルブリッジ構成を有する。第１上アームのスイッチング素子５０１ａと第１下アームのスイッチング素子５０１ｂとの間の接続点に、第１の交流出力端子ａが接続されている。第２上アームのスイッチング素子５０１ｃと第２下アームのスイッチング素子５０１ｄとの間の接続点に、第２の交流出力端子ｂが接続されている。

図２に例示する複数のスイッチング素子５０１は、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴやサイリスタ等のスイッチング機能を有するスイッチング素子でもよい。

スイッチング素子と逆並列ダイオードとのうち少なくとも一方は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａ_２Ｏ_３（酸化ガリウム）やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を含む素子であることが好ましい。ワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子に適用することにより、スイッチング素子の損失低減の効果が高まる。なお、スイッチング素子は、Ｓｉ（シリコン）などの半導体を含む素子でもよい。同様に、ワイドバンドギャップ半導体を含む素子をダイオードに適用することにより、ダイオードの損失低減の効果が高まる。なお、ダイオードは、Ｓｉ（シリコン）などの半導体を含む素子でもよい。

ＧＤＵ５０２（５０２ａ〜５０２ｄ）は、電力変換回路５３を駆動する駆動回路であり、具体的には、電力変換回路５３に構成される複数のスイッチング素子５０１ａ〜５０１ｄのゲートを駆動するゲート駆動回路である。ＧＤＵ５０２は、コンデンサ６００から給電回路６３０を介して供給される電力に基づいて、電力変換回路５３に構成される複数のスイッチング素子５０１ａ〜５０１ｄを駆動する。

給電回路６３０は、コンデンサ６００からの電力に基づいてＧＤＵ５０２ａ〜５０２ｄに電力を供給する自己給電回路（電源回路）である。図２に示す例では、給電回路６３０は、コンデンサ６００に並列に接続されている。ＧＤＵ５０２ａ〜５０２ｄへの電力供給は、給電回路６３０を介して行われる。コンデンサ６００から供給される電力が給電回路６３０に供給され、給電回路６３０からＧＤＵ５０２ａ〜５０２ｄのそれぞれに必要な電力が供給される。

ＧＤＵ５０２ａ〜５０２ｄは、制御部４０１（図１参照）からの制御信号に従って、複数のスイッチング素子５０１ａ〜５０１ｄのうち対応するスイッチング素子のゲート−エミッタ間に電圧を印加することで、当該対応するスイッチング素子をオン又はオフにする。このような動作によって、セル変換器５２の一対の交流出力端子ａ，ｂ間に矩形波状の電圧が発生する。

制御部４０１（図１参照）は、複数のセル変換器５２に共通のキャリア周期Ｔｃ（キャリア周波数の逆数）に従って、複数のスイッチング素子５０１ａ〜５０１ｄをオン又はオフにする制御信号（例えば、パルス幅変調された信号）を生成するコントローラである。制御部４０１は、メモリとプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））を有し、制御部４０１の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。

制御部４０１は、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃを監視し、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃに基づいて、複数のセル変換器５２の中から一つ以上のセル変換器を選択する。例えば、制御部４０１は、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃがいずれも正常な場合、複数のセル変換器５２はいずれも健全であると判定し、複数のセル変換器５２の中から一つ以上の特定のセル変換器を選択する。制御部４０１は、例えば、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが所定の電圧範囲ＶＡにあるとき、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃは正常と判定し、当該コンデンサ６００を有するセル変換器は健全と判定する。制御部４０１は、選択されるセル変換器が固定されることを避けるため、複数のセル変換器５２の中から特定のセル変換器として選択される一つ以上のセル変換器を順次切り替えてもよい。

図３は、特定のセル変換器の動作モードを示す図である。制御部４０１は、複数のセル変換器５２がいずれも健全であると判定した場合、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態又は第２状態に維持させる。第１状態とは、全ての上アームがオンで全ての下アームがオフの状態を表し、第２状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオンの状態を表す。この例では、全ての上アームとは、スイッチング素子５０１ａ，５０１ｃであり、全ての下アームとは、スイッチング素子５０１ｂ，５０１ｄである。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号により指示される図３に示す動作モードに従って、第１状態又は第２状態を維持する。特定のセル変換器が第１状態又は第２状態に維持されることで、一対の交流出力端子ａ，ｂからの出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧になり、一対の交流出力端子ａ，ｂの間は、オン状態の全ての上アーム又は全ての下アームを介して、短絡される。その結果、特定のセル変換器を除く複数のセル変換器５２を用いて電力変換装置４００の運転を継続できる。

電力変換装置４００に構成される複数のクラスタ５０のそれぞれには、いずれかのセル変換器の異常発生に備えて、一つ以上のセル変換器が冗長に設けられている場合が多い。一つ以上の冗長なセル変換器が存在することで、いずれかのセル変換器が故障しても、電力変換装置４００は定格無効電力を出力できる。しかしながら、複数のセル変換器５２がいずれも健全である場合、一つ以上の冗長なセル変換器内の複数のスイッチング素子もスイッチングさせると、それらの冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失が発生してしまう。

これに対し、本実施形態では、複数のセル変換器５２がいずれも健全である場合、一つ以上の特定のセル変換器が第１状態又は第２状態に維持されるので、一つ以上の冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失を抑制できる。

制御部４０１は、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態又は第２状態に少なくともキャリア周期Ｔｃよりも長く維持させる。これにより、コンデンサ６００から給電回路６３０を介してＧＤＵ５０２に供給される電力が不足しない限り、ＧＤＵ５０２は、キャリア周期Ｔｃよりも長い期間、出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧に維持できる。

図３において、電流ｉの極性が"正"とは、電流ｉが図２に示す向きで一方の交流出力端子ａから流出する状況を示し、電流ｉの極性が"負"とは、電流ｉが図２に示す向きとは逆向きで一方の交流出力端子ａから流入する状況を示す（後述の図４等も同様）。

図３は、第１状態又は第２状態の場合の動作モードを示す図である。制御部４０１は、例えば、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上のとき、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態又は第２状態にキャリア周期Ｔｃよりも長く維持させる。閾値Ｖｔｈは、所定の電圧値の一例であり、上述の所定の電圧範囲ＶＡ（例えば、電圧範囲ＶＡの下限値）に設定される。一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上のとき、第１状態又は第２状態を、キャリア周期Ｔｃよりも長く維持する。これにより、給電回路６３０を介してＧＤＵ５０２に供給する電力がコンデンサ６００に比較的残っているので、ＧＤＵ５０２は、出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧に継続的に維持できる。

第１状態では、正の電流ｉは、端子ｂ、スイッチング素子５０１ｃ、スイッチング素子５０１ａ、端子ａの順路で還流し（動作モードＡ）、負の電流ｉは、端子ａ、スイッチング素子５０１ａ、スイッチング素子５０１ｃ、端子ｂの順路で還流する（動作モードＢ）。一方、第２状態では、正の電流ｉは、端子ｂ、スイッチング素子５０１ｄ、スイッチング素子５０１ｂ、端子ａの順路で還流し（動作モードＣ）、負の電流ｉは、端子ａ、スイッチング素子５０１ｂ、スイッチング素子５０１ｄ、端子ｂの順路で還流する（動作モードＤ）。動作モードＡ〜Ｄのいずれのモードでも、電流ｉはこのように還流するので、コンデンサ６００は電流ｉにより充電されない。

図４は、第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする動作モードを示す図である。制御部４０１は、第１状態又は第２状態で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする制御信号を、特定のセル変換器のＧＤＵ５０２に出力する。ＧＤＵ５０２は、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする。

例えば、図４において、ＧＤＵ５０２は、第１状態で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、図３に示した状態（前回動作モード）でオンしている２つのアーム（素子５０１ａ，５０１ｂ）のうち、一方のアーム（素子５０１ａ）をオフする。これにより、正の電流ｉは、端子ｂ、素子５０１ｃ、コンデンサ６００、素子５０１ｂの並列ダイオード、端子ａの順路で流れるので、動作モードＡ１では、コンデンサ６００を充電でき、出力電圧Ｖｏｕｔは−Ｅｄｃとなる。その結果、コンデンサ６００を閾値Ｖｔｈ以上の電圧値まで充電できる。同様に、ＧＤＵ５０２は、第２状態で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、図３に示した状態（前回動作モード）でオンしている２つのアーム（素子５０１ｂ，５０１ｄ）のうち、一方のアーム（素子５０１ｂ）をオフする。これにより、負の電流ｉは、端子ａ、素子５０１ａの並列ダイオード、コンデンサ６００、素子５０１ｄ、端子ｂの順路で流れるので、動作モードＣ２では、コンデンサ６００を充電でき、出力電圧ＶｏｕｔはＥｄｃとなる。その結果、コンデンサ６００を閾値Ｖｔｈ以上の電圧値まで充電できる。同様に、動作モードＢ２，Ｄ１でも、コンデンサ６００を閾値Ｖｔｈ以上の電圧値まで充電できる。なお，動作モードＡ２，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ２のように、電流ｉの極性によっては、コンデンサ６００を充電しないモードも存在する。

図５は、コンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下すると、図４の動作モードに従ってオンからオフにする一方のアームを交互に切り替える動作モードを示す図である。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、図５に示す動作モードで複数のスイッチング素子５０１をオン状態又はオフ状態にする。

ＧＤＵ５０２は、図４の動作モードに従ってオン状態からオフ状態にする半導体素子を図５の動作モードに従って切り替える。ＧＤＵ５０２は、第１状態の前の状態ＳＴＥＰ１が上アームのうち一方のアームがオフ状態である場合、第１状態の後の状態ＳＴＥＰ３で上アームのうち他方のアームをオフ状態にする。あるいは、ＧＤＵ５０２は、第２状態の前の状態ＳＴＥＰ１が下アームのうち一方のアームがオフ状態である場合、第２状態の後の状態ＳＴＥＰ３で下アームのうち他方のアームをオフ状態にする。

例えば、動作モードＡ３では、ＧＤＵ５０２は、ＳＴＥＰ１で図４の動作モードＡ１，Ａ２に従って素子５０１ａをオフしていたので、ＳＴＥＰ２で図３の動作モードＡ，Ｂに従って素子５０１ａをオンした後、ＳＴＥＰ３で図４の動作モードＢ１，Ｂ２に従って素子５０１ｃをオフする。これにより、前々回の動作モードＳＴＥＰ１と今回の動作モードＳＴＥＰ３との間で、コンデンサ６００を充電する電流ｉが流れる素子が素子５０１ａと素子５０１ｄとで切り替わる。したがって、特定の半導体素子への電流集中による発熱を低減でき、特定の半導体素子の劣化又は破損を抑制できる。

図６は、第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームをいずれもオフにする動作モードを示す図である。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、図６に示す動作モードで複数のスイッチング素子５０１をオン状態又はオフ状態にする。制御部４０１は、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第３状態に維持させる。第３状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオフの状態を表す。

図４，５の動作モードでは、ＧＤＵ５０２は、前回の動作モードでオンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフ状態にする。これに対して，図６の動作モードでは、ＧＤＵ５０２は、前回の動作モードでオンしている２つのアームを両方ともオフ状態にする。これにより、今回の動作モードでは、４つの素子５０１ａ〜５０１ｄが全てオフ状態になるので、制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器は、４つの素子５０１ａ〜５０１ｄのそれぞれに並列接続されるダイオードによる整流器として動作する。その結果、電流ｉの極性に依存なく、コンデンサ６００を充電できる。

図７は、上アーム及び下アームが全てオフの状態から出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧にする場合、上アーム及び下アームが全てオフする前にオンしていたアームとは反対側のアームをオンにする動作モードを示す。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、図７に示す動作モードで複数のスイッチング素子５０１をオン状態又はオフ状態にする。

ＧＤＵ５０２は、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２になる前の状態ＳＴＥＰ１が第１状態の場合、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上になると、ＳＴＥＰ３で第２状態に切り替える。一方、ＧＤＵ５０２は、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２になる前の状態ＳＴＥＰ１が第２状態の場合、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上になると、ＳＴＥＰ３で第１状態に切り替える。

例えば、動作モードＡ５では、ＧＤＵ５０２は、ＳＴＥＰ１で上アーム（素子５０１ａ，５０１ｃ）をオンしていたので、ＳＴＥＰ２で全ての半導体素子をオフした後、ＳＴＥＰ３で下アーム（素子５０１ｂ，５０１ｄ）をオンする。これにより、特定の半導体素子への電流集中による発熱を防ぎ，素子の劣化・破損を回避する。これにより、前々回の動作モードＳＴＥＰ１と今回の動作モードＳＴＥＰ３との間で、コンデンサ６００を充電する電流ｉが流れる素子が上アーム（素子５０１ａ，５０１ｃ）と下アーム（素子５０１ｂ，５０１ｄ）とで切り替わる。したがって、特定の半導体素子への電流集中による発熱を低減でき、特定の半導体素子の劣化又は破損を抑制できる。

制御部４０１は、例えば、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上か否かを一定周期で判定する。制御部４０１は、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上という条件が成立すると、選択した一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２に対して、第１状態又は第２状態を維持するように指令する。一方、制御部４０１は、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ未満という条件が成立すると、選択した一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２に対して、コンデンサ６００を充電するための上述のいずれかの動作モードで動作するように指令する。

図３〜図７に示す動作モードをリアルタイムで判定すると、コンデンサ６００を充電するために半導体素子がスイッチングする回数が増え、スイッチング損失が増加する。これに対し、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上か否かの判定を一定周期で行うことで、スイッチング損失の過剰な増加を抑制できる。

半導体素子が全てオフの第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔは、電流ｉの極性によって決まり、電流ｉの極性が正のときは−Ｅｄｃ、負のときはＥｄｃとなる（例えば、図６参照）。したがって、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃの増減を判定するタイミングによっては、あるいは、第３状態の期間の長さによっては、半導体素子が全てオフの状態での出力電圧Ｖｏｕｔの極性が、正又は負の一方に偏る可能性がある。つまり、出力電圧Ｖｏｕｔは、−Ｅｄｃ又はＥｄｃにオフセット電圧が重畳した電圧となる。オフセット電圧は、変圧器を偏磁させるため、系統擾乱が生じる可能性がある。一般に、電力変換装置４００には、系統３００の周波数と同じ周波数を持つ交流の電流ｉが流れる。

そこで、ＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、複数のセル変換器５２が接続される系統３００に流れる交流の半周期（つまり、電流ｉの半周期）ごとに、上アーム及び下アームが全てオフの状態に切り替える（図８参照）。これにより、電流ｉの１周期では、半導体素子が全てオフの状態での出力電圧Ｖｏｕｔが相殺されるので、オフセット電圧を零に近づけることができる。

例えば図８に示すように、ＧＤＵ５０２は、上アーム及び下アームが全てオフの状態の期間を、電流ｉの前半の半周期と後半の半周期とで同じ長さ（ｔ１＝ｔ２）にする。これにより、半導体素子が全てオフの状態での出力電圧Ｖｏｕｔを相殺する精度が向上し、オフセット電圧を零に高精度に近づけることができる。

あるいは、例えば図９に示すように、ＧＤＵ５０２は、一対の交流出力端子ａ，ｂから電流ｉの半周期に出力される電圧実効値の絶対値が、電流ｉの前半の半周期と後半の半周期とで一致するように上アーム及び下アームを駆動する。つまり、制御部４０１は、電流ｉの前半の半周期における出力電圧Ｖｏｕｔの実効値（電圧実効値Ｖｏｕｔ１）の絶対値と電流ｉの後半の半周期における出力電圧Ｖｏｕｔの実効値（電圧実効値Ｖｏｕｔ２）の絶対値とが一致するように、ＧＤＵ５０２を制御する。これにより、半導体素子が全てオフの第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔを相殺する精度が向上し、オフセット電圧を零に高精度に近づけることができる。

例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが零電圧の期間をモードＸ、電流ｉの前半の半周期の第３状態の期間をモードＹ、電流ｉの後半の半周期の第３状態の期間をモードＺとする。図１０に示すように、制御部４０１は、コンデンサ６００のコンデンサ電圧の指令値Ｅｒと検出値Ｅｄｃの平均値Ｅａとの差分ΔＥをＰＩ調節器４１２によりＰＩ調節演算することで、モードＹでの第３状態の期間Ｔ１を導出できる。図１０には、コンデンサ６００のコンデンサ電圧の検出値Ｅｄｃを交流ｉの１周期で移動平均することで平均値Ｅａを求めるフィルタ４１１を例示されているが、制御部４０１は、平均値Ｅａを一次遅れフィルタなどの別の手段で求めてもよい。制御部４０１は、ＰＩ調節器４１２により演算されたＰＩ調節演算出力値の下限を制限する機能を備えることで、期間Ｔ１の極性がマイナスになることを防ぐ。

一方、制御部４０１は、期間Ｔ１における電圧実効値Ｖｏｕｔ１の絶対値と期間Ｔ２における電圧実効値Ｖｏｕｔ２の絶対値とが等しくなるように、モードＺでの第３状態の期間Ｔ２の長さを決定すればよい。例えば，図１１のように、制御部４０１は、モードＹでの期間Ｔ１に検出値Ｅｄｃを積分器４１３で積分した結果とモードＺでの期間Ｔ２に検出値Ｅｄｃを積分器４１４で積分した結果とが一致したか否かを判定部４１５で判定する。制御部４０１は、両結果が一致したときに期間Ｔ２を終了する（期間Ｔ２の終了タイミングを決定する）。なお、制御部４０１は、パルスモード又は出力電圧Ｖｏｕｔの参照結果に基づき、出力電圧モードを判断できる。

制御部４０１がこのように制御することで、ＧＤＵ５０２は、電流ｉの前半の半周期で上アーム及び下アームが全てオフの第３状態の期間、電圧値Ｅｄｃを積分した値である第１積分値と、電流ｉの後半の半周期で上アーム及び下アームが全てオフの第３状態の期間、電圧値Ｅｄｃを積分した値である第２積分値とが等しくなるように、上アーム及び下アームを駆動する。これにより、半導体素子が全てオフの第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔを相殺する精度が向上し、オフセット電圧を零に高精度に近づけることができる。

また、コンデンサ６００は、上アーム及び下アームを全てオフの第３状態で充電される。しかしながら、第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔは、電力変換回路５３の制御に対しての外乱となるので、コンデンサ６００を充電する期間Ｔ１，Ｔ２は、極力短くなることが望ましい。コンデンサ６００に充電される電荷量は、コンデンサ６００への充電電流の大きさによって決まる。すなわち、交流出力端子ａ，ｂに流れる電流値の絶対値が所定値以上の期間でコンデンサ６００が充電されることで、期間Ｔ１，Ｔ２を短縮できる。

例えば図１２のように、制御部４０１は、電流ｉの電流値の絶対値を絶対値回路４１６で演算し、演算した絶対値をメモリ４１７に格納する。制御部４０１は、メモリ４１７に格納された前回値と絶対値回路４１６で今回演算された絶対値（今回値）との大小を比較器４１８により比較する。比較器４１８は、今回値より前回値が小さい場合、今回値より前回値が小さいことを表す第１判定値（例えば、１）を出力し、今回値より前回値が大きい場合、今回値より前回値が大きいこと表す第２判定値（例えば、０）を出力する。電流ｉの極大値又は極小値のタイミングは、第１判定値から第２判定値に又は第２判定値から第１判定値に切り替わるときである。したがって、制御部４０１は、第１判定値から第２判定値に又は第２判定値から第１判定値に切り替わったことを検出すると、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を開始させてもよい。

制御部４０１がこのように制御することで、ＧＤＵ５０２は、交流出力端子ａ，ｂに流れる電流ｉの値に応じたタイミングで、上アーム及び下アームを全てオフの状態にすることができ、期間Ｔ１，Ｔ２を短縮できる。

なお、制御部４０１は、電流ｉの電流値の絶対値が所定値以上になったことを検出すると、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を開始させてもよい。また、制御部４０１は、第１判定値から第２判定値に又は第２判定値から第１判定値に切り替わったことを検出すると、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を終了させてもよい。制御部４０１がこのように制御することで、ＧＤＵ５０２は、交流出力端子ａ，ｂに流れる電流ｉの値に応じたタイミングで、上アーム及び下アームを全てオフの状態にすることができ、期間Ｔ１，Ｔ２を短縮できる。

図１３は、給電回路の構成例を示す図である。図１３に示す給電回路６３０は、抵抗１０ａ，１０ｂと、ダイオード１０ｃと、容量素子１０ｄとを有する。容量素子１０ｄは、ＧＤＵ５０２が複数のスイッチング素子５０１のオンに必要な電力を保持できる程度の容量を有し、コンデンサ６００からの電力で充電される。

なお、各ＧＤＵへの給電方式は、図２に示す給電回路６３０に限られない。図１４は、セル変換器の第２構成例を示す図である。図１４に示すセル変換器５２Ａは、ＧＤＵ５０２のそれぞれに対して設けられた給電回路２１〜２４を備える。給電回路２１〜２４は、それぞれ、対応するスイッチング素子５０１に対して並列に接続される回路であり、コンデンサ６００からの電力供給を、対応するスイッチング素子５０１の素子端を介して受ける。

このように、本実施形態では、ＧＤＵ５０２は、複数のセル変換器５２のうち自身のセル変換器のコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃに基づいて、第１状態又は第２状態を、電力変換回路５３のキャリア周期Ｔｃよりも長く維持する。これにより、ＧＤＵ５０２は、電圧値Ｅｄｃを参照して、第１状態又は第２状態を、電力変換回路５３のキャリア周期Ｔｃよりも長く維持するので、電圧値Ｅｄｃを加味して零電圧を継続的に出力できる。

以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。

２１〜２４ 給電回路
５０，５０ＵＶ，５０ＶＷ，５０ＷＵ クラスタ
５１，５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵ リアクトル
５２ セル変換器
５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，５２ＵＶ_ｘ セル変換器
５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，５２ＶＷ_ｘ セル変換器
５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，５２ＷＵ_ｘ セル変換器
５３ 電力変換回路
３００ 系統
４００ 電力変換装置
４０１ 制御部
５０１，５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄ スイッチング素子
５０２，５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄ ＧＤＵ
６００ コンデンサ
６３０ 給電回路
ａ，ｂ 交流出力端子

Claims (13)

1. 一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器を備え、
   前記複数のセル変換器は、それぞれ、
   コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記コンデンサからの電力に基づいて前記駆動回路に電力を供給する給電回路とを有し、
   前記電力変換回路は、複数の上アームと複数の下アームとを有するフルブリッジ回路であり、
   前記駆動回路は、前記複数のセル変換器のうち自身のセル変換器の前記コンデンサの電圧値に基づいて、前記上アームがオンで前記下アームがオフの第１状態又は前記上アームがオフで前記下アームがオンの第２状態を、前記電力変換回路のキャリア周期よりも長く維持する、電力変換装置。
2. 前記駆動回路は、前記電圧値が所定の電圧値以上のとき、前記第１状態又は前記第２状態を、前記キャリア周期よりも長く維持する、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記駆動回路は、前記第１状態で前記電圧値が前記所定の電圧値よりも低下すると、前記上アームのうち一方のアームをオフにし、前記第２状態で前記電圧値が前記所定の電圧値よりも低下すると、前記下アームのうち一方のアームをオフにする、請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記駆動回路は、前記電圧値が前記所定の電圧値よりも低下すると、オンからオフにする前記一方のアームを交互に切り替える、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記駆動回路は、前記第１状態で前記電圧値が前記所定の電圧値よりも低下すると、前記上アームをいずれもオフにし、前記第２状態で前記電圧値が前記所定の電圧値よりも低下すると、前記下アームをいずれもオフにする、請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記駆動回路は、
   前記上アーム及び前記下アームが全てオフ状態になる前の状態が前記第１状態の場合、前記上アーム及び前記下アームが全てオフ状態で前記電圧値が前記所定の電圧値以上になると、前記第２状態に切り替え、
   前記上アーム及び前記下アームが全てオフ状態になる前の状態が前記第２状態の場合、前記上アーム及び前記下アームが全てオフ状態で前記電圧値が前記所定の電圧値以上になると、前記第１状態に切り替える、請求項２又は５に記載の電力変換装置。
7. 前記駆動回路は、前記複数のセル変換器が接続される系統に流れる交流の半周期ごとに、前記上アーム及び前記下アームが全てオフの状態に切り替える、請求項２，５，６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記駆動回路は、前記上アーム及び前記下アームが全てオフの状態の期間を、前記交流の前半の半周期と後半の半周期とで同じ長さにする、請求項７に記載の電力変換装置。
9. 前記駆動回路は、前記一対の交流出力端子から前記交流の半周期に出力される電圧実効値の絶対値が、前記交流の前半の半周期と後半の半周期とで一致するように前記上アーム及び前記下アームを駆動する、請求項７に記載の電力変換装置。
10. 前記駆動回路は、前記交流の前半の半周期で前記上アーム及び前記下アームが全てオフの状態の期間、前記電圧値を積分した結果と、前記交流の後半の半周期で前記上アーム及び前記下アームが全てオフの状態の期間、前記電圧値を積分した結果とが等しくなるように前記上アーム及び前記下アームを駆動する、請求項７又は９に記載の電力変換装置。
11. 前記駆動回路は、前記交流出力端子に流れる電流の値に応じたタイミングで、前記上アーム及び前記下アームを全てオフの状態にする、請求項７，９，１０のいずれか一項に記載の電力変換装置。
12. 前記複数のセル変換器のそれぞれの前記コンデンサの電圧値に基づいて、前記複数のセル変換器の中から一つ以上のセル変換器を選択する制御部を備え、
    前記制御部は、前記選択したセル変換器の前記第１状態又は前記第２状態を、前記キャリア周期よりも長く維持させる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
13. 前記制御部は、前記複数のセル変換器のそれぞれの前記コンデンサの電圧値がいずれも正常な場合、前記複数のセル変換器の中から一つ以上の特定のセル変換器を選択し、選択した前記特定のセル変換器の前記第１状態又は前記第２状態を、前記キャリア周期よりも長く維持させる、請求項１２に記載の電力変換装置。

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