JP2023521454A - カスケード型電力電子変圧器及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

本出願は、異なる１次側の巻線間の電力バランスを実現するカスケード型電力電子変圧器及びその制御方法を開示する。当該方法は、ｓ番目の変圧器のθi1とθkps、及びｊ番目の変圧器のθjを計算するステップであって、ｓ＝１、２、・・・、ｎであり、同一変圧器において、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準とし、ｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧と当該基準の間の電気角はθi1であり、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と当該基準との間の電気角はθkpsであり、ｋ＝１、２、・・・、ｒであり、ｊ番目の変圧器の１次側、２次側変換器のブリッジアーム電圧の間の補償電気角はθjであり、ｊ＝２、３、・・・、ｎであるステップと、ｊ番目の変圧器のθkpsにθjを重ね合わせて、補償後のθkpsを得るステップと、補償後、ｓ番目の変圧器のθi1及びθkpsを使用に投入するステップと、を含む。

Description

本出願は、２０２０年０９月３０日に中国専利局に提出した、出願番号が２０２０１１０６９５６４．２であって、発明の名称が「カスケード型電力電子変圧器及びその制御方法」である中国特許出願の優先権を主張し、その全内容が援用により本明細書に組み込まれる。

本出願は、電力電子技術分野に関し、より具体的に、カスケード型電力電子変圧器及びその制御方法に関する。

図１は、カスケード型電力電子変圧器を示し、その単相トポロジ構造は、以下のとおりであり、各相は、ｎ個の変圧器を含み、各変圧器がｍ個の１次側巻線とｒ個の２次側巻線を有し、ｎ＋ｍ≧３であり、ｒ≧１であり、各１次側巻線は、１つのＤＣ／ＡＣ変換器と直列に接続され、各２次側巻線は、１つのＡＣ／ＤＣ変換器と直列に接続され、ｎ＊ｍ個の前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側はそれぞれ１つの前段変換器を経た後、直列に接続されて、前記カスケード型電力電子変圧器の入力ポートを得て、前記カスケード型電力電子変圧器は、１つ又は複数の出力ポートを有し、各前記出力ポートはいずれも各変圧器の２次側から少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ変換器を選択し、これらのＡＣ／ＤＣ変換器の直流側を直並列することによって得られる。

しかしながら、現在、前記カスケード型電力電子変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力バランス制御を実現できる制御方式はない。

これに鑑みて、本出願は、カスケード型電力電子変圧器及びその制御方法を提供し、前記カスケード型電力電子変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力バランス制御を実現する。

カスケード型電力電子変圧器制御方法であって、前記カスケード型電力電子変圧器の各相は、ｎ個の変圧器を含み、各変圧器は、ｍ個の１次側巻線とｒ個の２次側巻線を有し、ｎ≧２、ｍ≧２、ｒ≧１であり、各１次側巻線は、１つのＤＣ／ＡＣ変換器と直列に接続され、各２次側巻線は、１つのＡＣ／ＤＣ変換器と直列に接続され、ｎ＊ｍ個の前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側は、それぞれ１つの前段変換器を経た後、直列に接続されて、前記カスケード型電力電子変圧器の入力ポートを構成し、前記カスケード型電力電子変圧器は、１つ又は複数の出力ポートを有し、各前記出力ポートは、いずれも各変圧器の２次側からそれぞれ少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ変換器を選択し、そして、これらのＡＣ／ＤＣ変換器の直流側を直並列することによって得られ、
前記カスケード型電力電子変圧器制御方法は、
ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1とθ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償電気角θ_jを計算するステップであって、ｓ＝１、２、・・・、ｎであり、
ここで、同一変圧器において、ｉ番目の１次側巻線が直列に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器をｉ番目の１次側変換器と略称し、ｋ番目の２次側巻線が直列に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器をｋ番目の２次側変換器と略称し、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準電圧とし、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_i1と表記し、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_kpsと表記し、ｋ＝１、２、・・・、ｒであり、同相の各変圧器に対応する前記基準電圧は等しく、三相の同一位置にある変圧器に対応する前記基準電圧同士は電気角で２π／３ずれており、ｊ番目の変圧器の１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧との間の補償角度をθ_jと表記し、ｊ＝２、３、・・・、ｎであると、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線に対応するバランス制御電流ループは、ｓ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器の直流リンク電流の合計をｍで割った値を、電流所定値とし、それをｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電流Ｉ_dcisと減算した後、第１のレギュレータによってｓ番目の変圧器の電気角θ_i1を計算して出力し、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する前提で、ｊ番目の変圧器に対応する変圧器バランス制御電流ループは、各相ｍ＊ｎ個の１次側変換器直流リンク電流の合計をｎで割った値を電流所定値とし、それをｊ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器直流リンク電流の合計と減算した後、第２のレギュレータによって補償電気角θ_jを計算して出力するステップと、
ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θ_jを重ね合わせて、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得るステップと、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器制御方法において、補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算する前記ステップは、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ₁を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ_iを計算するステップであって、θ₁₁は、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と自体との間の電気角を示し、即ち、ゼロであるステップと、
ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及びデューティ比Ｄ₁に基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及びデューティ比Ｄ_iに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の補償後の電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器制御方法において、ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算するステップは、
ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行するステップと、
同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップと、
前記直流リンク電圧ループの出力と前記制御ループの出力とを加算して、補償前の電気角θ_kpsを得るステップと、を含み、
ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行する前記ステップは、具体的に、
全ての変圧器の１次側のＤＣ／ＡＣ変換器の直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefはいずれも等しく、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電圧ループが、直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefを当該１次側変換器の直流リンク電圧Ｕ_dcisと減算した後、第３のレギュレータによって計算して出力し、当該直流リンク電圧ループの出力とするステップを含み、
同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップは、具体的に、
同一出力ポートで、当該出力ポートが定電圧出力を要求するかそれとも定電流出力を要求するかを判断するステップと、
定電圧出力を要求する場合、当該出力ポートの電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った値を各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、各直列分岐の電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った後、電圧実際値ｕ_ohと減算して、第４のレギュレータによって計算して出力し、出力結果に１／ｐを乗算して各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと比較し、その偏差値を第５のレギュレータによって計算して出力し、前記制御ループの出力とし、ｇ＝１、２、・・・、ｐ、ｈ＝１、２、・・・、ｑであるステップと、
定電流出力を要求する場合、当該出力ポートの出力電力所定値Ｐｏｒｅｆをｐ＊ｑ＊Ｕ_oで割って、各直列分岐の各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと減算した後、第６のレギュレータによって計算して出力し、同時に、ｑ個の直列分岐電圧を合計した後ｑで割って各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、前記電圧所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電圧Ｕ_oghと減算した後、第７のレギュレータによって計算して出力し、前記第６のレギュレータの出力との合計を前記制御ループの出力とするステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器制御方法において、前記カスケード型電力電子変圧器制御方法は、
それぞれ各変圧器の各１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うステップをさらに含み、
単一の変圧器の単一の１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うことは、具体的に、１次側変換器の直流電流を１００ｈｚの２次帯域通過フィルタに通過させ、そのうちの電力周波数の２次高調波成分を抽出し、当該電力周波数の２次高調波成分をフィードバックし、０を所定値とし、両者を減算した後、共振周波数が１００ｈｚである比例共振コントローラによって計算して出力され、その出力結果を本変換器の補償前の電気角θ_kpsに重ね合わせる。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器制御方法において、ｎ≧２且つｍ＝１の場合、上記のθ_i1に対する計算を省略する。

又は、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器制御方法において、ｎ＝１且つｍ≧２の場合、上記のθ_jに対する計算を省略する。

主回路とコントローラとを含むカスケード型電力電子変圧器であって、前記主回路の各相は、ｎ個の変圧器を含み、各変圧器は、ｍ個の１次側巻線とｒ個の２次側巻線を有し、ｎ≧２、ｍ≧２、ｒ≧１であり、各１次側巻線は、１つのＤＣ／ＡＣ変換器と直列に接続され、各２次側巻線は、１つのＡＣ／ＤＣ変換器と直列に接続され、ｎ＊ｍ個の前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側はそれぞれ１つの前段変換器を経た後、直列に接続されて、前記カスケード型電力電子変圧器の入力ポートを構成し、前記カスケード型電力電子変圧器は、１つ又は複数の出力ポートを有し、各前記出力ポートは、いずれも各変圧器の２次側からそれぞれ少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ変換器を選択し、そして、これらのＡＣ／ＤＣ変換器の直流側を直並列することによって得られ、
前記コントローラは、プロセッサと、メモリと、メモリに記憶されプロセッサで実行されるプログラムとを含み、プロセッサは、プログラムを実行する場合、
ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1とθ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償電気角θ_jを計算するステップであって、ｓ＝１、２、・・・、ｎであり、
ここで、同一変圧器において、ｉ番目の１次側巻線が直列に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器をｉ番目の１次側変換器と略称し、ｋ番目の２次側巻線が直列に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器をｋ番目の２次側変換器と略称し、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準電圧とし、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_i1と表記し、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_kpsと表記し、ｋ＝１、２、・・・、ｒであり、同相の各変圧器に対応する前記基準電圧は等しく、三相の同一位置にある変圧器に対応する前記基準電圧同士は電気角で２π／３ずれており、ｊ番目の変圧器の１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧との間の補償角度をθ_jと表記し、ｊ＝２、３、・・・、ｎであると、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線に対応するバランス制御電流ループは、ｓ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器の直流リンク電流の合計をｍで割った値を、電流所定値とし、それをｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電流Ｉ_dcisと減算した後、第１のレギュレータによってｓ番目の変圧器の電気角θ_i1を計算して出力し、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する前提で、ｊ番目の変圧器に対応する変圧器バランス制御電流ループは、各相ｍ＊ｎ個の１次側変換器直流リンク電流の合計をｎで割った値を電流所定値とし、それをｊ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器直流リンク電流の合計と減算した後、第２のレギュレータによって補償電気角θ_jを計算して出力するステップと、
ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θｊを重ね合わせて、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得るステップと、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を実現する。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、前記プロセッサにより実現される、補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップは、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ₁を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ_iを計算するステップであって、θ₁₁は、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と自体との間の電気角を示し、即ち、ゼロであるステップと、
ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及びデューティ比Ｄ₁に基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及びデューティ比Ｄ_iに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の補償後の電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、前記プロセッサにより実現される、ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算するステップは、
ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行するステップと、
同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップと、
前記直流リンク電圧ループの出力と前記制御ループの出力とを加算して、補償前の電気角θ_kpsを得るステップとを含み、
ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行する前記ステップは、具体的に、
全ての変圧器の１次側のＤＣ／ＡＣ変換器の直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefはいずれも等しく、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電圧ループが、直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefを当該１次側変換器の直流リンク電圧Ｕ_dcisと減算した後、第３のレギュレータによって計算して出力し、当該直流リンク電圧ループの出力とするステップを含み、
同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行する前記ステップは、具体的に、
同一出力ポートで、当該出力ポートが定電圧出力を要求するかそれとも定電流出力を要求するかを判断するステップと、
定電圧出力を要求する場合、当該出力ポートの電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った値を各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、各直列分岐の電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った後、電圧実際値ｕ_ohと減算して、第４のレギュレータによって計算して出力し、出力結果に１／ｐを乗算して各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと比較し、その偏差値を第５のレギュレータによって計算して出力し、前記制御ループの出力とし、ｇ＝１、２、・・・、ｐ、ｈ＝１、２、・・・、ｑであるステップと、
定電流出力を要求する場合、当該出力ポートの出力電力所定値Ｐｏｒｅｆをｐ＊ｑ＊Ｕ_oで割って、各直列分岐の各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと減算した後、第６のレギュレータによって計算して出力し、同時に、ｑ個の直列分岐電圧を合計した後、ｑで割って各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、前記電圧所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電圧Ｕ_oghと減算した後、第７のレギュレータによって計算して出力し、前記第６のレギュレータの出力との合計を前記制御ループの出力とするステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、前記プロセッサは、各変圧器の１次側変換器直流リンクごとに電力周波数の２次高調波の抑制を行うステップも実現し、
単一の変圧器の単一の１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うことは、具体的に、
１次側変換器の直流電流を１００ｈｚの２次帯域通過フィルタに通過させ、そのうちの電力周波数の２次高調波成分を抽出し、この電力周波数の２次高調波成分をフィードバックし、０を所定値とし、両者を減算した後、共振周波数が１００ｈｚである比例共振コントローラによって計算して出力され、その出力結果を補償前の電気角θ_kpsに重ね合わせることを含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、ｎ≧２且つｍ＝１の場合、前記プロセッサにより実行されるプログラムから上記のθ_i1に対する計算を省略する。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、ｎ＝１且つｍ≧２の場合、前記プロセッサにより実行されるプログラムから上記のθ_jに対する計算を省略する。

上記の技術案から分かるように、同一変圧器内の各１次側巻線の間はＤＣ／ＡＣ変換器及び前段変換器を介して電気的接続を形成するため、本出願は、電気角θ₂₁、θ₃₁、・・・、θ_m1を調整することによって同一変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力流れを実現し、さらに、同一変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力バランスを実現する。カスケード型電力電子変圧器のいずれかの出力ポートについて、各変圧器内にいずれも少なくとも１つの２次側巻線がＡＣ／ＤＣ変換器を介して電気的接続を形成するため、本出願は、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって、同一出力ポートでの異なる２次側巻線の間の電力流れを実現し、さらに、同一出力ポートでの異なる２次側変換器の間の電力バランスを実現し、そして、本出願は、異なる変圧器の１次側変換器ブリッジアーム電圧と２次側変換器ブリッジアーム電圧との間の電気角に補償電気角θ₂、θ₃、・・・、θ_nを重ね合わせることにより、異なる変圧器の間のバランス制御を実現する。本出願が同一変圧器内の異なる１次側巻線の間、異なる変圧器の間の電力バランスを実現した場合、カスケード型電力電子変圧器全体の異なる１次側巻線の間の電力バランスを実現した。
本出願の実施例又は従来技術における技術案をより明確に説明するために、以下、実施例又は従来技術の説明に必要な図面について簡単に説明する。以下で説明される図面は本発明のいくつかの実施例であり、当業者にとっては、創造的な労力を要することなく、これらの図面から他の図面を得ることができることは自明である。

カスケード型電力電子変圧器の構造概略図である。 本出願の実施例に開示されるカスケード型電力電子変圧器制御方法のフローチャートである。 本出願の実施例に開示されるカスケード型電力電子変圧器の制御ブロック図である。 デューティ比Ｄ_iを計算する制御ブロック図である。 電気角θ_i1、デューティ比Ｄ_i、電気角θ_kpsと変換器との対応関係のブロック図である。 同一変圧器における各異なる巻線間の電圧タイミング図である。 本出願の実施例に開示されるｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算する方法フローチャートである。

以下、本出願の実施例における図面を併せて、本出願の実施例における技術案を明確かつ完全に説明し、説明される実施例は本出願の実施例の一部に過ぎず、全ての実施例ではないことは自明である。本出願における実施例に基づいて、当業者が創造的な労力をしない前提で取得した全ての他の実施例は、いずれも本出願の保護範囲に属する。

本出願の実施例は、カスケード型電力電子変圧器制御方法を開示し、図１に示すカスケード型電力電子変圧器に適用する。ｎ≧２、且つ、ｍ≧２の場合、図２を参照して、前記カスケード型電力電子変圧器制御方法は、以下のステップを含む。
ステップＳ０１：ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1とθ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償電気角θ_jを計算し、ｓ＝１、２、・・・、ｎである。
ステップＳ０２：ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θ_jを重ね合わせて、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得る。

具体的に、説明の便宜上、カスケード型電力電子変圧器の単相トポロジ構造では、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線が直列に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器をｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器と略称し、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側巻線が直列に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器をｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器と略称する。

同一変圧器内の各１次側巻線の間は、ＤＣ／ＡＣ変換器及び前段変換器を介して電気的接続を形成するため、同一変圧器内の異なる１次側変換器ブリッジアーム電圧の間の電気角を調整することによって同一変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力流れを実現し、さらに、同一変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力バランスを実現することができる。

また、カスケード型電力電子変圧器のいずれかの出力ポートについて、各変圧器内にいずれも少なくとも１つの２次側巻線がＡＣ／ＤＣ変換器を介して電気的接続を形成するため、同一出力ポートでの異なる２次側変換器ブリッジアーム電圧の間の電気角を調整することによって同一出力ポートでの異なる２次側巻線の間の電力流れを実現し、さらに、同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現することができる。

カスケード型電力電子変圧器の単相トポロジ構造における各変圧器について、本出願の実施例は、同一変圧器において、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準電圧とし、（同相の各変圧器に対応する前記基準電圧は等しく、三相の同一位置にある変圧器に対応する前記基準電圧同士は電気角で２π／３ずれており）、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_i1と表記し、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_kpsと表記し、ｋ＝１、２、・・・、ｒであると、同一変圧器内の異なる１次側変換器のブリッジアーム電圧の間の電気角を調整する上記の過程は、電気角θ₂₁、θ₃₁、・・・、θ_m1を調整することによって同一変圧器内の異なる１次側巻線の間のバランス制御を行うことであり、同一出力ポートで異なる２次側変換器のブリッジアーム電圧の間の電気角を調整する上記の過程は、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間のバランス制御を行うことである。

異なる変圧器の線路パラメータの違いにより、異なる変圧器は１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧の間に同じ電気角を印加する場合、電力不均衡につながる可能性があるため、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間のバランス制御を行う場合、１番目の変圧器を基準とし、残りのｎ－１変圧器の電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsに１つの補償電気角を重ね合わせ（同一変圧器で対応する電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsに重ね合わせる補償電気角は等しく、異なる変圧器で対応する電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsに重ね合わせる補償電気角は、当該変圧器自体の電力オフセット程度に応じて決定される）、これにより、異なる変圧器の間の電力バランスを実現する。説明の便宜上、以下、ｊ番目の変圧器の１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧との間の補償電気角をθ_jと表記し、ｊ＝２、３、・・・、ｎである。

同一変圧器内の異なる１次側巻線の間、異なる変圧器の間の電力バランスを実現した場合、カスケード型電力電子変圧器全体内の異なる１次側巻線の間の電力バランスを実現した。

以上の説明に基づき、本出願の実施例では、各変圧器におけるｍ－１個の１次側巻線に対して１つの１次側巻線バランス制御電流ループをそれぞれ設計し（図３における符号１００を参照）、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する前提で、各相におけるｎ－１個の変圧器に対して１つの変圧器バランス制御電流ループをそれぞれ設計する（図３における符号２００を参照）。以下、図３に基づいてその動作原理を説明する。

ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線に対応するバランス制御電流ループはｓ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器の直流リンク電流の合計をｍで割った値を、電流所定値とし、それをｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電流Ｉ_dcisと減算した後、第１のレギュレータ（例えば、ＰＩレギュレータ）によってｓ番目の変圧器の電気角θ_i1を計算して出力する。

ｊ番目の変圧器に対応する変圧器バランス制御電流ループは、各相ｍ＊ｎ個の１次側変換器直流リンク電流の合計をｎで割った値を電流所定値とし、それをｊ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器直流リンク電流の合計と減算した後、第２のレギュレータ（例えばＰＩレギュレータ）によって電気角θ_jを計算して出力する。そして、ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θ_jを重ね合わせることで、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得ることができる。

ステップＳ０３：補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算する。

具体的に、ステップＳ０３で与えられる方式に従って、ステップＳ０１～ステップＳ０２で計算したｓ番目の変圧器の電気角θ_i1、１番目の変圧器の電気角θ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償後の電気角θ_kpsを使用に投入し、カスケード型電力電子変圧器に対する実行制御を完了する。この時、同一変圧器内の異なる１次側巻線の間、異なる変圧器の間の電力バランス制御を実現することができる。

補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算する前記ステップは、具体的に、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁（θ₁₁は、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と自体との間の電気角を示し、即ち、ゼロである）、及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ₁を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ_iを計算し、対応する制御ブロック図が図４に示し、そして、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及びデューティ比Ｄ₁に基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及びデューティ比Ｄ_iに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、対応する制御ブロック図が図５に示すことを含む。

同一変圧器における各異なる巻線の間の電圧タイミングは、図６に示すように、上から順に、１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧波形、１番目の２次側変換器ブリッジアーム電圧波形、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧波形、ｋ番目の２次側変換器ブリッジアーム電圧波形である。

以上の本出願の実施例の技術案への全ての説明から分かるように、同一変圧器内の各１次側巻線の間はＤＣ／ＡＣ変換器及び前段変換器を介して電気的接続を形成しているため、本出願の実施例では、電気角θ₂₁、θ₃₁、・・・、θ_m1を調整することによって同一変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力流れを実現し、さらに、同一変圧器内の異なる１次側巻線の間の電力バランスを実現することが分かる。カスケード型電力電子変圧器のいずれかの出力ポートについて、各変圧器内にいずれも少なくとも１つの２次側巻線がＡＣ／ＤＣ変換器を介して電気的接続を形成しているため、本出願の実施例では、さらに、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートでの異なる２次側巻線の間の電力流れを実現し、さらに、同一出力ポートでの異なる２次側変換器の間の電力バランスを実現する。そして、本出願の実施例では、異なる変圧器の１次側変換器ブリッジアーム電圧と２次側変換器ブリッジアーム電圧との間の電気角に補償電気角θ₂、θ₃、・・・、θ_nを重ね合わせることによって、異なる変圧器の間のバランス制御を実現する。本出願の実施例が同一変圧器内の異なる１次側巻線の間、異なる変圧器の間の電力バランスを実現した場合、カスケード型電力電子変圧器全体の異なる１次側巻線の間の電力バランスを実現した。

なお、ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算する方式、つまり、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって、同一出力ポートでの異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する方式は、従来の計算方式を直接採用して実現することができる。

同一出力ポートで全てのＡＣ／ＤＣ変換器が直並列結合によってｐ個の並列分岐及びｑ個の直列分岐を得て、ｐ≧１、ｑ≧１であると仮定すると、同一出力ポートでのｐ個の並列分岐の均流とｑ個の直列分岐の均圧を実現する必要がある場合、次のような計算方式を採用してｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算することができる。図７に示すように、次のステップを含む。

ステップＳ０１１：ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行する。
具体的に、全ての変圧器の１次側のＤＣ／ＡＣ変換器の直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefはいずれも等しい。ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電圧ループ（対応する制御ブロック図について、図３における符号３００参照）は、直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefを当該１次側変換器の直流リンク電圧Ｕ_dcisと減算した後、第３のレギュレータ（例えば、ＰＩレギュレータ）によって計算して出力し、当該直流リンク電圧ループの出力とする。

ステップＳ０１２：同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行する。
具体的に、同一出力ポートで、当該出力ポートが定電圧出力を要求するかそれとも定電流出力を要求するかを判断し、定電圧出力下の対応する前記制御ループの制御ブロック図について、図３における符号４００を参照し、定電流出力下の対応する前記制御ループの制御ブロック図について、図３における符号５００を参照する。

定電圧出力（即ち、電圧モード）を要求すると、当該出力ポートの電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った値を各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、各直列分岐の電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った後、電圧実際値ｕ_ohと減算し、第４のレギュレータ（例えば、ＰＩレギュレータ）によって計算して出力し、出力結果に１／ｐを乗算して各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと比較すると、その偏差値を第５のレギュレータ（例えば、ＰＩレギュレータ）によって計算して出力し、前記制御ループの出力とし、ｇ＝１、２、・・・、ｐ、ｈ＝１、２、・・・、ｑである。

定電流出力（即ち、電流モード）を要求すると、当該出力ポートの出力電力所定値Ｐｏｒｅｆをｐ＊ｑ＊Ｕ_oで割って各直列分岐の各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと減算した後、第６のレギュレータ（例えば、ＰＩレギュレータ）によって計算して出力し、同時に、ｑ個の直列分岐電圧を合計した後、ｑで割って各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、前記電圧所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電圧Ｕ_oghと減算した後、第７のレギュレータ（例えば、ＰＩレギュレータ）によって計算して出力し、前記第６のレギュレータの出力との合計を前記制御ループの出力とする。

ステップＳ０１３：前記直流リンク電圧ループの出力と前記制御ループの出力とを加算して、補償前の電気角θ_kpsを得る。
任意選択で、上記に開示した実施例のいずれかにおいて、前記制御方法は、各変圧器の１次側変換器直流リンクごとに電力周波数の２次高調波抑制を行うことをさらに含む（対応する制御ブロック図について、図３における符号６００参照）。さらに、単一の変圧器の単一の１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うことは、具体的に、
１次側変換器の直流電流を１００ｈｚの２次帯域通過フィルタに通過させ、そのうちの電力周波数の２次高調波成分を抽出し、当該電力周波数の２次高調波成分をフィードバックし、０を所定値とし、両者を減算した後、共振周波数が１００ｈｚである比例共振コントローラによって計算して出力し、その出力結果を当該変換器の補償前の電気角θ_kpsに重ね合わせることである。

上記のいずれかの実施例は、いずれもｎ≧２、且つ、ｍ≧２の場合に提案される。ｎ≧２、且つ、ｍ＝１の場合、上記のθ_i1に対する計算を直接省略すればよい。ｎ＝１、且つ、ｍ≧２の場合、上記のθ_jに対する計算を直接省略すればよい。

上記の方法の実施例に対応して、本出願の実施例は、主回路とコントローラとを含むカスケード型電力電子変圧器をさらに開示する。前記主回路の各相は、ｎ個の変圧器を含み、各変圧器は、ｍ個の１次側巻線とｒ個の２次側巻線を有し、ｎ≧２、ｍ≧２、ｒ≧１であり、各１次側巻線は、１つのＤＣ／ＡＣ変換器と直列に接続され、各２次側巻線は、１つのＡＣ／ＤＣ変換器と直列に接続され、ｎ＊ｍ個の前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側はそれぞれ１つの前段変換器を経た後、直列に接続されて、前記カスケード型電力電子変圧器の入力ポートを構成し、前記カスケード型電力電子変圧器は、１つ又は複数の出力ポートを有し、各前記出力ポートは、いずれも各変圧器の２次側からそれぞれ少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ変換器を選択し、そして、これらのＡＣ／ＤＣ変換器の直流側を直並列することによって得られ、
前記コントローラは、プロセッサと、メモリと、メモリに記憶されプロセッサで実行されるプログラムとを含み、プロセッサは、プログラムを実行する場合、
ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1とθ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償電気角θ_jを計算するステップであって、ｓ＝１、２、・・・、ｎであり、
ここで、同一変圧器において、ｉ番目の１次側巻線が直列に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器をｉ番目の１次側変換器と略称し、ｋ番目の２次側巻線が直列に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器をｋ番目の２次側変換器と略称し、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準電圧とし、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_i1と表記し、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_kpsと表記し、ｋ＝１、２、・・・、ｒであり、同相の各変圧器に対応する前記基準電圧は等しく、三相の同一位置にある変圧器に対応する前記基準電圧同士は電気角で２π／３ずれており、ｊ番目の変圧器の１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧との間の補償角度をθ_jと表記し、ｊ＝２、３、・・・、ｎであると、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線に対応するバランス制御電流ループは、ｓ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器の直流リンク電流の合計をｍで割った値を、電流所定値とし、それをｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電流Ｉ_dcisと減算した後、第１のレギュレータによってｓ番目の変圧器の電気角θ_i1を計算して出力し、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する前提で、ｊ番目の変圧器に対応する変圧器バランス制御電流ループは、各相ｍ＊ｎ個の１次側変換器直流リンク電流の合計をｎで割った値を電流所定値とし、それをｊ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器直流リンク電流の合計と減算した後、第２のレギュレータによって補償電気角θ_jを計算して出力するステップと、
ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θｊを重ね合わせて、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得るステップと、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を実現する。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、前記プロセッサにより実現される、補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップは、
補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ₁を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ_iを計算するステップであって、θ₁₁は、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と自体との間の電気角を示し、即ち、ゼロであるステップと、
ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及びデューティ比Ｄ₁に基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及びデューティ比Ｄ_iに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の補償後の電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、前記プロセッサにより実現される、ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算するステップは、
ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行するステップと、
同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップと、
前記直流リンク電圧ループの出力と前記制御ループの出力とを加算して、補償前の電気角θ_kpsを得るステップとを含み、
ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行する前記ステップは、具体的に、
全ての変圧器の１次側のＤＣ／ＡＣ変換器の直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefはいずれも等しく、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電圧ループが、直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefを当該１次側変換器の直流リンク電圧Ｕ_dcisと減算した後、第３のレギュレータによって計算して出力し、当該直流リンク電圧ループの出力とするステップを含み、
同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行する前記ステップは、具体的に、
同一出力ポートで、当該出力ポートが定電圧出力を要求するかそれとも定電流出力を要求するかを判断するステップと、
定電圧出力を要求する場合、当該出力ポートの電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った値を各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、各直列分岐の電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った後、電圧実際値ｕ_ohと減算して、第４のレギュレータによって計算して出力し、出力結果に１／ｐを乗算して各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと比較し、その偏差値を第５のレギュレータによって計算して出力し、前記制御ループの出力とし、ｇ＝１、２、・・・、ｐ、ｈ＝１、２、・・・、ｑであるステップと、
定電流出力を要求する場合、当該出力ポートの出力電力所定値Ｐｏｒｅｆをｐ＊ｑ＊Ｕ_oで割って、各直列分岐の各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと減算した後、第６のレギュレータによって計算して出力し、同時に、ｑ個の直列分岐電圧を合計した後ｑで割って各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、前記電圧所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電圧Ｕ_oghと減算した後、第７のレギュレータによって計算して出力し、前記第６のレギュレータの出力との合計を前記制御ループの出力とするステップと、を含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、前記プロセッサは、各変圧器の１次側変換器直流リンクごとに電力周波数の２次高調波の抑制を行うステップも実現し、
単一の変圧器の単一の１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うステップは、具体的に、
１次側変換器の直流電流を１００ｈｚの２次帯域通過フィルタに通過させ、そのうちの電力周波数の２次高調波成分を抽出し、当該電力周波数の２次高調波成分をフィードバックし、０を所定値とし、両者を減算した後、共振周波数が１００ｈｚである比例共振コントローラによって計算して出力し、その出力結果を補償前の電気角θ_kpsに重ね合わせることを含む。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、ｎ≧２、且つ、ｍ＝１の場合、前記プロセッサにより実行されるプログラムから上記のθ_i1に対する計算を省略する。

任意選択で、上記に開示したいずれかのカスケード型電力電子変圧器において、ｎ＝１、且つ、ｍ≧２の場合、前記プロセッサにより実行されるプログラムから上記のθ_jに対する計算を省略する。

本明細書における各実施例は、漸進の方式を採用して説明され、各実施例の重点的に説明するのは、他の実施例との相違点であり、各実施例の間の同じ又は類似部分については、互いに参照すればよい。実施例に開示したカスケード型電力電子変圧器の実施例について、それは、実施例に開示した方法に対応するため、説明は比較的簡単であり、関連する箇所は、方法部分の説明を参照すればよい。

本出願の明細書、特許請求の範囲及び図面における「第１」、「第２」などの用語は、異なる対象を区別するためのものであり、特定の順序や前後順序を説明するためのものではない。また、「含む」及び「有する」という用語及びそれらの任意の変形は、排他的でないものをカバーすることを意図していることで、一連の要素の過程、方法、製品又は装置は、それらの要素だけでなく、明確に列挙されていない他の要素をさらに含み、又は、このような過程、方法、製品、又はデバイスに固有の要素をさらに含む。それ以上の制限がない場合、「１つの・・・を含む」という語句によって限定される要素は、その要素を含む過程、方法、製品、又はデバイスに別の同じ要素がさらに存在することを排除するものではない。

開示した実施例に対する上記の説明は、当業者が本出願を実現又は使用することを可能にする。これらの実施例に対する様々な修正は、当業者にとって明らかであり、本明細書で定義された一般的な原理は、本出願の実施例の精神又は範囲から逸脱することなく、他の実施例で実現することができる。従って、本出願の実施例は、本明細書に示すこれらの実施例に限定されず、本明細書に開示される原理及び新規の特徴と一致する最も広い範囲が与えられるべきである。

Claims (12)

1. カスケード型電力電子変圧器の制御方法であって、前記カスケード型電力電子変圧器の各相は、ｎ個の変圧器を含み、各変圧器は、ｍ個の１次側巻線とｒ個の２次側巻線を有し、ｎ≧２、ｍ≧２、ｒ≧１であり、各１次側巻線は、１つのＤＣ／ＡＣ変換器と直列に接続され、各２次側巻線は、１つのＡＣ／ＤＣ変換器と直列に接続され、ｎ＊ｍ個の前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側は、それぞれ１つの前段変換器を経た後、直列に接続されて、前記カスケード型電力電子変圧器の入力ポートを構成し、前記カスケード型電力電子変圧器は、１つ又は複数の出力ポートを有し、各前記出力ポートは、いずれも各変圧器の２次側からそれぞれ少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ変換器を選択し、そして、これらのＡＣ／ＤＣ変換器の直流側を直並列することによって得られ、
   前記カスケード型電力電子変圧器制御方法は、
   ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1とθ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償電気角θ_jを計算するステップであって、ｓ＝１、２、・・・、ｎであり、
   ここで、同一変圧器において、ｉ番目の１次側巻線が直列に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器をｉ番目の１次側変換器と略称し、ｋ番目の２次側巻線が直列に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器をｋ番目の２次側変換器と略称し、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準電圧とし、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_i1と表記し、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_kpsと表記し、ｋ＝１、２、・・・、ｒであり、同相の各変圧器に対応する前記基準電圧は等しく、三相の同一位置にある変圧器に対応する前記基準電圧同士は電気角で２π／３ずれており、ｊ番目の変圧器の１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧との間の補償角度をθ_jと表記し、ｊ＝２、３、・・・、ｎであると、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線に対応するバランス制御電流ループは、ｓ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器の直流リンク電流の合計をｍで割った値を、電流所定値とし、それをｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電流Ｉ_dcisと減算した後、第１のレギュレータによってｓ番目の変圧器の電気角θ_i1を計算して出力し、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する前提で、ｊ番目の変圧器に対応する変圧器バランス制御電流ループは、各相ｍ＊ｎ個の１次側変換器直流リンク電流の合計をｎで割った値を電流所定値とし、それをｊ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器直流リンク電流の合計と減算した後、第２のレギュレータによって補償電気角θ_jを計算して出力するステップと、
   ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θ_jを重ね合わせて、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得るステップと、
   補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含むことを特徴とするカスケード型電力電子変圧器制御方法。
2. 補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算する前記ステップは、
   補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ₁を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ_iを計算するステップであって、θ₁₁は、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と自体との間の電気角を示し、即ち、ゼロであるステップと、
   ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及びデューティ比Ｄ₁に基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及びデューティ比Ｄ_iに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の補償後の電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のカスケード型電力電子変圧器制御方法。
3. ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算するステップは、
   ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行するステップと、
   同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップと、
   前記直流リンク電圧ループの出力と前記制御ループの出力とを加算して、補償前の電気角θ_kpsを得るステップと、を含み、
   ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行する前記ステップは、具体的に、
   全ての変圧器の１次側のＤＣ／ＡＣ変換器の直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefはいずれも等しく、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電圧ループが、直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefを当該１次側変換器の直流リンク電圧Ｕ_dcisと減算した後、第３のレギュレータによって計算して出力し、当該直流リンク電圧ループの出力とするステップを含み、
   同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップは、具体的に、
   同一出力ポートで、当該出力ポートが定電圧出力を要求するかそれとも定電流出力を要求するかを判断するステップと、
   定電圧出力を要求する場合、当該出力ポートの電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った値を各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、各直列分岐の電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った後、電圧実際値ｕ_ohと減算して、第４のレギュレータによって計算して出力し、出力結果に１／ｐを乗算して各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと比較し、その偏差値を第５のレギュレータによって計算して出力し、前記制御ループの出力とし、ｇ＝１、２、・・・、ｐ、ｈ＝１、２、・・・、ｑであるステップと、
   定電流出力を要求する場合、当該出力ポートの出力電力所定値Ｐｏｒｅｆをｐ＊ｑ＊Ｕ_oで割って、各直列分岐の各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと減算した後、第６のレギュレータによって計算して出力し、同時に、ｑ個の直列分岐電圧を合計した後ｑで割って各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、前記電圧所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電圧Ｕ_oghと減算した後、第７のレギュレータによって計算して出力し、前記第６のレギュレータの出力との合計を前記制御ループの出力とするステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載のカスケード型電力電子変圧器制御方法。
4. それぞれ各変圧器の各１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うステップをさらに含み、
   単一の変圧器の単一の１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うことは、具体的に、１次側変換器の直流電流を１００ｈｚの２次帯域通過フィルタに通過させ、そのうちの電力周波数の２次高調波成分を抽出し、当該電力周波数の２次高調波成分をフィードバックし、０を所定値とし、両者を減算した後、共振周波数が１００ｈｚである比例共振コントローラによって計算して出力し、その出力結果を本変換器の補償前の電気角θ_kpsに重ね合わせることを特徴とする請求項１に記載のカスケード型電力電子変圧器制御方法。
5. ｎ≧２、且つ、ｍ＝１の場合、前記θ_i1に対する計算を省略することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のカスケード型電力電子変圧器制御方法。
6. ｎ＝１、且つ、ｍ≧２の場合、前記θ_jに対する計算を省略することを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のカスケード型電力電子変圧器制御方法。
7. 主回路とコントローラとを含むカスケード型電力電子変圧器であって、前記主回路の各相は、ｎ個の変圧器を含み、各変圧器は、ｍ個の１次側巻線とｒ個の２次側巻線を有し、ｎ≧２、ｍ≧２、ｒ≧１であり、各１次側巻線は、１つのＤＣ／ＡＣ変換器と直列に接続され、各２次側巻線は、１つのＡＣ／ＤＣ変換器と直列に接続され、ｎ＊ｍ個の前記ＤＣ／ＡＣ変換器の直流側はそれぞれ１つの前段変換器を経た後、直列に接続されて、前記カスケード型電力電子変圧器の入力ポートを構成し、前記カスケード型電力電子変圧器は、１つ又は複数の出力ポートを有し、各前記出力ポートは、いずれも各変圧器の２次側からそれぞれ少なくとも１つのＡＣ／ＤＣ変換器を選択し、そして、これらのＡＣ／ＤＣ変換器の直流側を直並列することによって得られ、
   前記コントローラは、プロセッサと、メモリと、メモリに記憶されプロセッサで実行されるプログラムとを含み、プロセッサは、プログラムを実行する場合、
   ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1とθ_kps、及びｊ番目の変圧器の補償電気角θ_jを計算するステップであって、ｓ＝１、２、・・・、ｎであり、
   ここで、同一変圧器において、ｉ番目の１次側巻線が直列に接続されたＤＣ／ＡＣ変換器をｉ番目の１次側変換器と略称し、ｋ番目の２次側巻線が直列に接続されたＡＣ／ＤＣ変換器をｋ番目の２次側変換器と略称し、１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧を基準電圧とし、ｉ番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_i1と表記し、ｉ＝２、３、・・・、ｍであり、ｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧と前記基準電圧との間の電気角をθ_kpsと表記し、ｋ＝１、２、・・・、ｒであり、同相の各変圧器に対応する前記基準電圧は等しく、三相の同一位置にある変圧器に対応する前記基準電圧同士は電気角で２π／３ずれており、ｊ番目の変圧器の１次側変換器のブリッジアーム電圧と２次側変換器のブリッジアーム電圧との間の補償角度をθ_jと表記し、ｊ＝２、３、・・・、ｎであると、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側巻線に対応するバランス制御電流ループは、ｓ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器の直流リンク電流の合計をｍで割った値を、電流所定値とし、それをｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電流Ｉ_dcisと減算した後、第１のレギュレータによってｓ番目の変圧器の電気角θ_i1を計算して出力し、電気角θ_1ps、θ_2ps、・・・、θ_rpsを調整することによって同一出力ポートで異なる２次側巻線の間の電力バランスを実現する前提で、ｊ番目の変圧器に対応する変圧器バランス制御電流ループは、各相ｍ＊ｎ個の１次側変換器直流リンク電流の合計をｎで割った値を電流所定値とし、それをｊ番目の変圧器のｍ個の１次側変換器直流リンク電流の合計と減算した後、第２のレギュレータによって補償電気角θ_jを計算して出力するステップと、
   ｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsに補償電気角θｊを重ね合わせて、補償後のｊ番目の変圧器の電気角θ_kpsを得るステップと、
   補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を実現することを特徴とするカスケード型電力電子変圧器。
8. 前記プロセッサにより実現される、補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の各１次側及び２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップは、
   補償後、ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ₁を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及び電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のデューティ比Ｄ_iを計算するステップであって、θ₁₁はｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器ブリッジアーム電圧と自体との間の電気角を示し、即ち、ゼロであるステップと、
   ｓ番目の変圧器の電気角θ₁₁及びデューティ比Ｄ₁に基づいて、ｓ番目の変圧器の１番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、ｓ番目の変圧器の電気角θ_i1及びデューティ比Ｄ_iに基づいて、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算し、そして、ｓ番目の変圧器の補償後の電気角θ_kpsに基づいて、ｓ番目の変圧器のｋ番目の２次側変換器のブリッジアーム電圧方形波を計算するステップと、を含むことを特徴とする請求項７に記載のカスケード型電力電子変圧器。
9. 前記プロセッサにより実現される、ｓ番目の変圧器の電気角θ_kpsを計算するステップは、
   ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行するステップと、
   同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行するステップと、
   前記直流リンク電圧ループの出力と前記制御ループの出力とを加算して、補償前の電気角θ_kpsを得るステップとを含み、
   ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器に対応する直流リンク電圧ループを実行する前記ステップは、具体的に、
   全ての変圧器の１次側のＤＣ／ＡＣ変換器の直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefはいずれも等しく、ｓ番目の変圧器のｉ番目の１次側変換器の直流リンク電圧ループが、直流リンク電圧所定値Ｕ_dcrefを当該１次側変換器の直流リンク電圧Ｕ_dcisと減算した後、第３のレギュレータによって計算して出力し、当該直流リンク電圧ループの出力とするステップを含み、
   同一出力ポートでのｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐に対して設計された制御ループを実行する前記ステップは、具体的に、
   同一出力ポートで、当該出力ポートが定電圧出力を要求するかそれとも定電流出力を要求するかを判断するステップと、
   定電圧出力を要求する場合、当該出力ポートの電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った値を各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、各直列分岐の電圧所定値Ｕ_orefをｑで割った後、電圧実際値ｕ_ohと減算して、第４のレギュレータによって計算して出力し、出力結果に１／ｐを乗算して各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと比較し、その偏差値を第５のレギュレータによって計算して出力し、前記制御ループの出力とし、ｇ＝１、２、・・・、ｐ、ｈ＝１、２、・・・、ｑであるステップと、
   定電流出力を要求する場合、当該出力ポートの出力電力所定値Ｐｏｒｅｆをｐ＊ｑ＊Ｕ_oで割って、各直列分岐の各並列分岐の電流所定値として、各並列分岐の均流を実現し、前記電流所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電流Ｉ_oghと減算した後、第６のレギュレータによって計算して出力し、同時に、ｑ個の直列分岐電圧を合計した後ｑで割って各直列分岐の電圧所定値として、各直列分岐の均圧を実現し、前記電圧所定値をｇ番目の並列分岐のｈ番目の直列分岐の出力電圧Ｕ_oghと減算した後、第７のレギュレータによって計算して出力し、前記第６のレギュレータの出力との合計を前記制御ループの出力とするステップと、を含むことを特徴とする請求項７に記載のカスケード型電力電子変圧器。
10. 前記プロセッサは、各変圧器の各１次側変換器直流リンクに電力周波数の２次高調波抑制を行うステップも実現し、
    単一の変圧器の単一の１次側変換器直流リンクに対して電力周波数の２次高調波抑制を行うことは、具体的に、
    １次側変換器の直流電流を１００ｈｚの２次帯域通過フィルタに通過させ、そのうちの電力周波数の２次高調波成分を抽出し、当該電力周波数の２次高調波成分をフィードバックし、０を所定値とし、両者を減算した後、共振周波数が１００ｈｚである比例共振コントローラによって計算して出力し、その出力結果を補償前の電気角θ_kpsに重ね合わせることを含む、ことを特徴とする請求項７に記載のカスケード型電力電子変圧器。
11. ｎ≧２、且つ、ｍ＝１の場合、前記プロセッサによって実行されるプログラムから前記θ_i1に対する計算を省略することを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のカスケード型電力電子変圧器。
12. ｎ＝１、且つ、ｍ≧２の場合、前記プロセッサによって実行されるプログラムから前記θ_jに対する計算を省略することを特徴とする請求項７から１０のいずれか１項に記載のカスケード型電力電子変圧器。

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