JP2024047909A - Power Conversion Equipment - Google Patents

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卓郎 新井
尚史 窓岩
彰 田中
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Toshiba IT and Control Systems Corp
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Abstract

【課題】直流電圧が交流電圧の波高値より小さい状態であっても、所望の電力変換動作を実現できる電力変換装置を提供する。
【解決手段】電力変換装置1は、第1直流コンデンサC1と、第2直流コンデンサC2と、第1スイッチングレグ5と、第2スイッチングレグ6と、を有する。正側アーム9と負側アーム10は、複数の両極性単位変換器Hを含む。制御装置20は、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の合計電圧が交流電源ACの波高値より小さいとき、後記する(1)(2)の制御を行う。(1)正側アーム9は、第1スイッチングレグ5が正出力しているときは両極性、負出力しているときは正極性の電圧を出力する。(2)負側アーム10は、第2スイッチングレグ6が正出力しているときは正極性、負出力しているときは両極性の電圧を出力する。
【選択図】図1

A power conversion device capable of achieving a desired power conversion operation even in a state in which a DC voltage is smaller than the peak value of an AC voltage is provided.
[Solution] A power conversion device 1 has a first DC capacitor C1, a second DC capacitor C2, a first switching leg 5, and a second switching leg 6. A positive side arm 9 and a negative side arm 10 include a plurality of bipolar unit converters H. A control device 20 performs controls (1) and (2) described below when the total voltage of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 is smaller than the peak value of the AC power source AC. (1) The positive side arm 9 outputs a bipolar voltage when the first switching leg 5 is outputting a positive voltage, and outputs a positive voltage when the first switching leg 5 is outputting a negative voltage. (2) The negative side arm 10 outputs a positive voltage when the second switching leg 6 is outputting a positive voltage, and outputs a bipolar voltage when the second switching leg 6 is outputting a negative voltage.
[Selected Figure] Figure 1

Description

本発明の実施形態は、交流電力と直流電力とを変換する電力変換装置に関する。 An embodiment of the present invention relates to a power conversion device that converts AC power and DC power.

交流電力と直流電力とを相互に変換する電力変換装置として、複数の単位変換器を多段に接続したモジュラー・マルチレベル変換器(MMC)の研究開発が進められている。MMCは、出力電圧を多レベル化することで半導体スイッチのスイッチングに伴う高調波電圧を低減することができる。これにより、電力変換装置のコスト上昇と、重量増加を招いていた大容量のフィルタを小さくすることができる。 Research and development is underway on modular multilevel converters (MMCs), which are power conversion devices that convert AC power to DC power and vice versa, and which connect multiple unit converters in multiple stages. MMCs can reduce harmonic voltages that accompany the switching of semiconductor switches by providing multiple levels of output voltage. This makes it possible to reduce the size of large-capacity filters, which increase the cost and weight of power conversion devices.

さらなる小型化に向けて、MMCの単位変換器の数を減らす回路構成として、中性点クランプ形モジュラー・マルチレベル変換器(NPC-MMC)が提案されている(特許文献1)。NPC-MMCは、直流電圧を分圧する2つのコンデンサと、それぞれのコンデンサに並列に接続した半導体スイッチで構成されるスイッチングレグを備え、スイッチングレグの交流出力に単位変換器を多段に接続した回路構成である。これにより、従来のMMCのおよそ半分の単位変換器で同等の電力変換動作が可能になる。 To further miniaturize the device, the neutral-point clamped modular multilevel converter (NPC-MMC) has been proposed as a circuit configuration that reduces the number of unit converters in an MMC (Patent Document 1). The NPC-MMC has a switching leg consisting of two capacitors that divide the DC voltage and semiconductor switches connected in parallel to each capacitor, and has a circuit configuration in which unit converters are connected in multiple stages to the AC output of the switching leg. This makes it possible to achieve the same power conversion operation with roughly half the number of unit converters as conventional MMCs.

しかし、NPC-MMCを畜電池や太陽光パネルなど直流電圧が比較的大きく変化する機器(電源若しくは負荷)と連系させると、運転中の状況によって直流端子の電圧が低下し、正常な運転を継続することができない。そのため、直流電源電圧が変動した場合でも、電力変換装置が運転し続けることが重要である。 However, when the NPC-MMC is connected to a device (power source or load) whose DC voltage fluctuates relatively greatly, such as a storage battery or solar panel, the voltage at the DC terminal drops depending on the operating conditions, making it impossible to continue normal operation. For this reason, it is important that the power conversion device continues to operate even if the DC power supply voltage fluctuates.

特開2015-146692Patent Publication 2015-146692 特開2021-87262Patent Publication No. 2021-87262

赤木泰文・萩原 誠:「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器(MMCc)の分類と名称」,電気学会全国大会,4-043(2010)Hirofumi Akagi and Makoto Hagiwara: "Classification and Name of Modular Multilevel Cascade Converters (MMCc)", The Institute of Electrical Engineers of Japan National Convention, 4-043 (2010)

従来は、変換器と蓄電池等の間に昇圧チョッパを接続し、変換器の直流電圧をある程度の値まで昇圧していた。しかし、昇圧チョッパの損失や大きさが問題で、NPC-MMCによる小型・高効率化を十分生かすことができなかった。 Conventionally, a boost chopper was connected between the converter and a storage battery, etc., to boost the converter's DC voltage to a certain level. However, the loss and size of the boost chopper were problems, and it was not possible to fully utilize the small size and high efficiency of the NPC-MMC.

また、特許文献2や非特許文献1では、負の電圧を出力できる両極性のブリッジ回路を単位変換器に採用したMMC(もしくはMMCc Double Star Bridge Cellと呼ばれる)を利用することで、直流端子の電圧が低下しても運転し続けられる構成が開示されている。しかしながら、NPC-MMCは、単位変換器の数を削減するために、直流側に2つのスイッチングレグと直流コンデンサを有する。スイッチングレグの動作や直流電圧が単位変換器の制御に影響を与えるため、単位変換器を両極性に変えるだけでは、直流電圧が低下した場合において所望の電力変換動作を実現することができない。 Patent Document 2 and Non-Patent Document 1 disclose a configuration that uses an MMC (or called MMCc Double Star Bridge Cell) that employs a bipolar bridge circuit capable of outputting a negative voltage as the unit converter, allowing operation to continue even if the voltage at the DC terminal drops. However, the NPC-MMC has two switching legs and a DC capacitor on the DC side to reduce the number of unit converters. Because the operation of the switching legs and the DC voltage affect the control of the unit converter, simply changing the unit converter to bipolarity does not allow the desired power conversion operation to be achieved when the DC voltage drops.

本発明の実施形態は、上記課題を解決するためになされたものであり、直流電圧が交流電圧の波高値より小さい状態であっても、所望の電力変換動作を実現できる電力変換装置を提供することを目的とする。 The embodiment of the present invention has been made to solve the above problem, and aims to provide a power conversion device that can achieve the desired power conversion operation even when the DC voltage is smaller than the peak value of the AC voltage.

実施形態の電力変換装置は、次のような構成を備える。
(1)第1直流コンデンサ。
(2)前記第1直流コンデンサと直列に接続した第2直流コンデンサ。
(3)前記第1直流コンデンサに並列に接続した第1スイッチングレグ。
(4)前記第2直流コンデンサに並列に接続した第2スイッチングレグ。
(5)交流電源と接続する交流端子と前記第1スイッチングレグの出力端子との間に直列に接続した複数の両極性単位変換器を含む正側アーム。
(6)前記交流端子と前記第2スイッチングレグの出力端子との間に直列に接続した複数の両極性単位変換器を含む負側アーム。
(7)前記第1直流コンデンサ、前記第2直流コンデンサ、前記第1スイッチングレグ、前記第2スイッチングレグ、前記正側アーム及び前記負側アームに接続され、これらの機器の入出力を検出又は制御する制御回路。
(8)前記制御回路は、前記第1直流コンデンサと第2直流コンデンサの合計電圧が前記交流電源の波高値より小さいとき、
前記正側アームは前記第1スイッチングレグが正出力しているときは両極性、負出力しているときは正極性の電圧を出力し、
前記負側アームは前記第2スイッチングレグが正出力しているときは正極性、負出力しているときは両極性の電圧を出力する制御を行う。
The power conversion device of the embodiment has the following configuration.
(1) First DC capacitor.
(2) a second DC capacitor connected in series with the first DC capacitor;
(3) a first switching leg connected in parallel with the first DC capacitor;
(4) a second switching leg connected in parallel with the second DC capacitor;
(5) A positive arm including a plurality of bipolar unit converters connected in series between an AC terminal connected to an AC power source and an output terminal of the first switching leg.
(6) a negative arm including a plurality of bipolar unit converters connected in series between the AC terminal and the output terminal of the second switching leg;
(7) A control circuit connected to the first DC capacitor, the second DC capacitor, the first switching leg, the second switching leg, the positive arm, and the negative arm, for detecting or controlling input/output of these devices.
(8) When the total voltage of the first DC capacitor and the second DC capacitor is smaller than a peak value of the AC power supply, the control circuit
the positive arm outputs a bipolar voltage when the first switching leg is outputting a positive voltage, and outputs a positive voltage when the first switching leg is outputting a negative voltage,
The negative arm performs control so as to output a voltage of positive polarity when the second switching leg is outputting a positive output, and a voltage of both polarities when the second switching leg is outputting a negative output.

実施形態の電力変換装置は、次のような構成を採用することができる。
(1)前記単位変換器はセルコンデンサを含み、前記セルコンデンサの電圧×前記両極性単位変換器数は前記交流電源の波高値より大きい。
The power conversion device according to the embodiment may employ the following configuration.
(1) The unit converter includes a cell capacitor, and the voltage of the cell capacitor multiplied by the number of bipolar unit converters is greater than the peak value of the AC power supply.

(2)前記制御回路は、前記単位変換器を制御するゲート信号を生成するにあたり、前記正側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する正側キャリア群と、前記負側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する負側キャリア群の位相を、前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの合計電圧に基づいて決定する。 (2) When generating a gate signal to control the unit converter, the control circuit determines the phase of a positive carrier group that generates the gate signal for the unit converter in the positive arm and a negative carrier group that generates the gate signal for the unit converter in the negative arm based on the total voltage of the first DC capacitor and the second DC capacitor.

(3)前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの合計電圧は前記交流電源の波高値より小さいとき、前記正側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する正側キャリア群と前記負側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する負側キャリア群の位相を90度ずらす。 (3) When the total voltage of the first DC capacitor and the second DC capacitor is smaller than the peak value of the AC power supply, the phase of the positive carrier group that generates the gate signal of the unit converter in the positive arm and the phase of the negative carrier group that generates the gate signal of the unit converter in the negative arm are shifted by 90 degrees.

(4)前記第1スイッチングレグに与えるゲート信号のデューティ比と前記第2スイッチングレグに与えるゲート信号のデューティ比を変更する。 (4) Change the duty ratio of the gate signal provided to the first switching leg and the duty ratio of the gate signal provided to the second switching leg.

(5)前記制御回路は、前記単位変換器と前記第1スイッチングレグと前記第2スイッチングレグとを制御するゲート信号を生成する回路であって、
前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの電圧を検出し、
前記第1スイッチングレグが正出力のとき、前記正側アームが出力する電圧は前記第1直流コンデンサの電圧を含むように、前記第2スイッチングレグが負出力のとき、前記負側アームが出力する電圧は前記第2直流コンデンサの電圧を含むように、
前記単位変換器のゲート信号を生成する。
(5) The control circuit is a circuit that generates gate signals to control the unit converter, the first switching leg, and the second switching leg,
Detecting a voltage across the first DC capacitor and the second DC capacitor;
When the first switching leg has a positive output, a voltage output from the positive side arm includes a voltage of the first DC capacitor, and when the second switching leg has a negative output, a voltage output from the negative side arm includes a voltage of the second DC capacitor.
A gate signal for the unit converter is generated.

(6)前記制御回路は、前記第1スイッチングレグと、前記第2スイッチングレグと、複数の前記単位変換器とのゲート信号を生成する回路であって、
セルコンデンサ電圧の平均値制御部と、
前記平均値制御部から出力されたフィードバック操作量電流値に基づいて、電圧指令値を出力する循環電流制御部とを備え、
前記第1直流コンデンサの正側端子と前記第2直流コンデンサの負側端子に直流電圧源が接続されたとき、
前記平均値制御により、複数の前記単位変換器のそれぞれに含まれるセルコンデンサ電圧の平均値を所定の値とするフィードバック操作量電流値を演算し、
前記循環電流制御部からの前記電圧指令値に基づいて、前記正側アームと前記負側アームとを貫く方向の循環電流が前記フィードバック操作量電流値を含む循環電流指令値に追従するように制御する。
(6) The control circuit is a circuit that generates gate signals for the first switching leg, the second switching leg, and the plurality of unit converters,
A cell capacitor voltage average value control section;
a circulating current control unit that outputs a voltage command value based on the feedback manipulated variable current value output from the average value control unit,
When a DC voltage source is connected to the positive terminal of the first DC capacitor and the negative terminal of the second DC capacitor,
Calculating a feedback control amount current value that sets an average value of the cell capacitor voltages included in each of the plurality of unit converters to a predetermined value by the average value control;
Based on the voltage command value from the circulating current control unit, a circulating current passing through the positive arm and the negative arm is controlled to follow a circulating current command value including the feedback manipulated variable current value.

(7)前記制御回路は、直流コンデンサ電圧制御部を更に備え、
前記第1直流コンデンサの正側端子と前記第2直流コンデンサの負側端子に直流電流源が接続されたとき、
複数の前記単位変換器のそれぞれに含まれる前記セルコンデンサ電圧の平均値を所定の値とする第1フィードバック操作量電流値と、
前記第1直流コンデンサ及び前記第2直流コンデンサの電圧の合計値を所定の値とする第2フィードバック操作量電流値と、の和を演算し、
前記正側アームと前記負側アームとを貫く方向の循環電流が前記和を含む循環電流指令値に追従するように制御する。
(7) The control circuit further includes a DC capacitor voltage control unit,
When a DC current source is connected to the positive terminal of the first DC capacitor and the negative terminal of the second DC capacitor,
a first feedback manipulated variable current value that sets an average value of the cell capacitor voltages included in each of the plurality of unit converters as a predetermined value;
a second feedback manipulated variable current value that sets the sum of the voltages of the first DC capacitor and the second DC capacitor to a predetermined value;
The circulating current passing through the positive arm and the negative arm is controlled so as to follow a circulating current command value including the sum.

第1実施形態の全体構成を示す回路図である。1 is a circuit diagram showing an overall configuration of a first embodiment. 第1実施形態におけるブリッジセルを示す回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram showing a bridge cell according to the first embodiment. 第1実施形態における各モードを示す回路図である。3 is a circuit diagram showing each mode in the first embodiment. FIG. 第1実施形態の動作波形を示すグラフである。4 is a graph showing operational waveforms according to the first embodiment; 第2実施形態において、直流電圧<交流電圧波高値の状態の交流電圧に含まれる高調波を示すグラフである。13 is a graph showing harmonics contained in an AC voltage in a state where the DC voltage is smaller than the AC voltage peak value in the second embodiment. 第2実施形態において、直流電圧>交流電圧波高値の状態の交流電圧に含まれる高調波を示すグラフ図である。FIG. 11 is a graph showing harmonics contained in an AC voltage in a state where a DC voltage is greater than a peak value of an AC voltage in the second embodiment. 第3実施形態の動作波形を示すグラフである。13 is a graph showing operational waveforms according to the third embodiment. 第4実施形態における制御回路の構成を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a control circuit in a fourth embodiment. 第5実施形態における制御回路の構成を示す回路図である。FIG. 13 is a circuit diagram showing a configuration of a control circuit in a fifth embodiment.

[1.第1実施形態]
[1-1.構成]
本発明の第1実施形態を図1により説明する。本実施形態の電力変換装置1は、交流電源ACと直流電圧源DCとの間に接続されている。電力変換装置1は、正側直流端子2と負側直流端子3を分割して中性点4電位を作るための直列接続された第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2を有する。第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2と並列に、第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6が接続されている。第1スイッチングレグ5は2つのスイッチング素子S1,S2を直列に接続し、第2スイッチングレグ6は2つのスイッチング素子S3,S4を直列に接続して構成される。
[1. First embodiment]
[1-1. Configuration]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to Fig. 1. A power conversion device 1 of this embodiment is connected between an AC power source AC and a DC voltage source DC. The power conversion device 1 has a first DC capacitor C1 and a second DC capacitor C2 connected in series to divide a positive side DC terminal 2 and a negative side DC terminal 3 to create a neutral point 4 potential. A first switching leg 5 and a second switching leg 6 are connected in parallel to the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2. The first switching leg 5 is configured by connecting two switching elements S1 and S2 in series, and the second switching leg 6 is configured by connecting two switching elements S3 and S4 in series.

本実施形態では、3相一括の第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2が記載されているが、3相個別に設け、それぞれが並列接続されていても良い。 In this embodiment, the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 are described as being connected together for the three phases, but they may also be provided separately for the three phases and connected in parallel.

第1直流コンデンサC1と並列に接続された第1スイッチングレグ5の第1出力端子7と第2直流コンデンサC2と並列に接続された第2スイッチングレグ6の第2出力端子8との間に、単位変換器Hを直列接続して構成される正側アーム9及び負側アーム10を有するレグを接続する。単位変換器Hの直列数は、従来のMMCと比較して1/2でよい。正側アーム9と負側アーム10の接続点が交流端子11である。図1では、スイッチングに伴うリプル電流を抑制するために、バッファリアクトル12を介して、正側アーム9と負側アーム10を接続しているが、結合リアクトルや変圧器を介して接続しても良い。 A leg having a positive arm 9 and a negative arm 10 formed by connecting unit converters H in series is connected between the first output terminal 7 of the first switching leg 5 connected in parallel with the first DC capacitor C1 and the second output terminal 8 of the second switching leg 6 connected in parallel with the second DC capacitor C2. The number of unit converters H connected in series can be half that of a conventional MMC. The connection point between the positive arm 9 and the negative arm 10 is the AC terminal 11. In FIG. 1, the positive arm 9 and the negative arm 10 are connected via a buffer reactor 12 to suppress ripple current associated with switching, but they may be connected via a coupling reactor or a transformer.

第1直流コンデンサC1、第2直流コンデンサC2、第1スイッチングレグ5、第2スイッチングレグ6、正側アーム9及び負側アーム10は、制御回路20に接続されている。制御回路20は、これらの機器の入出力を検出又は制御するもので、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の合計電圧が交流電源ACの波高値より小さいときにおいて、次のような制御を行う。 The first DC capacitor C1, the second DC capacitor C2, the first switching leg 5, the second switching leg 6, the positive arm 9, and the negative arm 10 are connected to a control circuit 20. The control circuit 20 detects or controls the input and output of these devices, and performs the following control when the total voltage of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 is smaller than the peak value of the AC power source AC.

(1)正側アーム9は第1スイッチングレグ5が正出力しているときは両極性、負出力しているときは正極性の電圧を出力する。
(2)負側アーム10は第2スイッチングレグ6が正出力しているときは正極性、負出力しているときは両極性の電圧を出力する。
(1) The positive arm 9 outputs a bipolar voltage when the first switching leg 5 outputs a positive voltage, and outputs a positive voltage when the first switching leg 5 outputs a negative voltage.
(2) The negative arm 10 outputs a voltage of positive polarity when the second switching leg 6 outputs a positive voltage, and outputs a voltage of both polarities when the second switching leg 6 outputs a negative voltage.

図2に両極性単位変換器Hの一例であるブリッジセル13を示す。ブリッジセル13は4つのスイッチング素子Sb1~Sb4とセルコンデンサCcによって構成される。セルコンデンサCcの電圧をVcとすると、図2の単位変換器Hの出力は、スイッチング素子Sb1~Sb4のスイッチング状態によって、Vc、―Vc、0の電圧を出力できる。正極性のVcと負極性の―Vcが出力できることから、この構成の単位変換器Hを両極性単位変換器と呼んでいる。セルコンデンサ電圧Vcを一定に制御するため、単位変換器Hはコンデンサ電圧検出回路14を有し、電圧検出信号Vsを制御回路20に送信する。 Figure 2 shows a bridge cell 13, which is an example of a bipolar unit converter H. The bridge cell 13 is composed of four switching elements Sb1 to Sb4 and a cell capacitor Cc. If the voltage of the cell capacitor Cc is Vc, the output of the unit converter H in Figure 2 can output voltages of Vc, -Vc, or 0 depending on the switching state of the switching elements Sb1 to Sb4. Since it can output positive polarity Vc and negative polarity -Vc, the unit converter H of this configuration is called a bipolar unit converter. To keep the cell capacitor voltage Vc constant, the unit converter H has a capacitor voltage detection circuit 14 and sends a voltage detection signal Vs to the control circuit 20.

各スイッチング素子Sb1~Sb4は制御回路20から送信されるゲート信号Gsにもとづいて駆動される。すなわち、制御回路20は正側アーム9の単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する正側キャリア群と、負側アーム10の単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する負側キャリア群の位相を、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の合計電圧に基づいて決定する。なお、位相の決定の具体例については、第2実施形態に記載する。 Each switching element Sb1 to Sb4 is driven based on a gate signal Gs sent from the control circuit 20. That is, the control circuit 20 determines the phase of the positive carrier group that generates the gate signal Gs of the unit converter H in the positive arm 9 and the negative carrier group that generates the gate signal Gs of the unit converter H in the negative arm 10 based on the total voltage of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2. A specific example of phase determination will be described in the second embodiment.

[1-2.作用]
本実施形態の電力変換装置1の動作について説明する。図1に示す回路は第1スイッチングレグ5及び第2スイッチングレグ6の動作によって、両極性の単位変換器Hが出力すべき電圧が変わる。
[1-2. Action]
The operation of the power conversion device 1 of this embodiment will be described below. In the circuit shown in Fig. 1, the voltage to be output by the bipolar unit converter H changes depending on the operation of the first switching leg 5 and the second switching leg 6.

図3(1)~(4)にスイッチングレグの動作状態で分類したモード1~4を示す。モード1は、第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6が正出力の場合である。このとき、正側アーム9はVdc/2-Vacの電圧を、負側アーム10はVacの電圧を出力する必要がある。モード2は、第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6が負出力の場合である。このとき、正側アーム9は-Vacの電圧を、負側アーム10はVdc/2+Vacの電圧を出力する必要がある。モード3は、第1スイッチングレグ5が正出力で第2スイッチングレグ6が負出力の場合である。このとき、正側アーム9はVdc/2-Vacの電圧を、負側アーム10はVdc/2+Vacの電圧を出力する必要がある。モード4は、第1スイッチングレグ5が負出力で第2スイッチングレグ6が正出力の場合である。このとき、正側アーム9は-Vacの電圧を、負側アーム10はVacの電圧を出力する必要がある。 Figures 3 (1) to (4) show modes 1 to 4 classified according to the operating state of the switching legs. Mode 1 is when the first switching leg 5 and the second switching leg 6 are positive outputs. At this time, the positive arm 9 needs to output a voltage of Vdc/2-Vac, and the negative arm 10 needs to output a voltage of Vac. Mode 2 is when the first switching leg 5 and the second switching leg 6 are negative outputs. At this time, the positive arm 9 needs to output a voltage of -Vac, and the negative arm 10 needs to output a voltage of Vdc/2+Vac. Mode 3 is when the first switching leg 5 is a positive output and the second switching leg 6 is a negative output. At this time, the positive arm 9 needs to output a voltage of Vdc/2-Vac, and the negative arm 10 needs to output a voltage of Vdc/2+Vac. Mode 4 is when the first switching leg 5 is a negative output and the second switching leg 6 is a positive output. At this time, the positive arm 9 needs to output a voltage of -Vac, and the negative arm 10 needs to output a voltage of Vac.

図4は、直流電圧が交流電圧の波高値より小さい状態で、モード1とモード2を使用した波形である。交流電圧が正の半周期では、正側アーム9は両極性、負側アーム10は正極性の電圧を出力することで、モード1の状態を実現する。交流電圧が負の半周期では、正側アーム9は正極性、負側アーム10は両極性の電圧を出力することで、モード2の状態を実現する。これにより、直流電圧が交流電圧の波高値より小さい状態であっても、適切なモードを選択することができ、所望の電力変換動作を実現できる。各アーム9,10の電圧は最大でも交流電圧の波高値となるため、各アーム9,10のセルコンデンサ電圧Vcの合計値は、交流電圧の波高値以上とすることが望ましい。 Figure 4 shows waveforms using modes 1 and 2 when the DC voltage is smaller than the peak value of the AC voltage. In a positive half cycle of the AC voltage, the positive arm 9 outputs a bipolar voltage and the negative arm 10 outputs a positive voltage, thereby realizing the state of mode 1. In a negative half cycle of the AC voltage, the positive arm 9 outputs a positive voltage and the negative arm 10 outputs a bipolar voltage, thereby realizing the state of mode 2. This makes it possible to select an appropriate mode even when the DC voltage is smaller than the peak value of the AC voltage, and to achieve the desired power conversion operation. Since the voltage of each arm 9, 10 is at most the peak value of the AC voltage, it is desirable for the total value of the cell capacitor voltages Vc of each arm 9, 10 to be equal to or greater than the peak value of the AC voltage.

また、運転中のセルコンデンサ電圧Vcは上述の値以上で一定に保つ必要がある。しかしながら、直流電圧が低下し、各アーム9,10が両極性の電圧を出力すると、各アーム9,10が出力する電圧平均値が低下する。そのため、各アーム9,10が出力する電圧平均値の低下に応じて、正側負側アーム9,10を貫く循環電流Izを増加させるように制御する必要がある。循環電流IzはたとえばIz=(Ip+In)/2に従って計算できる。 In addition, the cell capacitor voltage Vc during operation must be kept constant at or above the above-mentioned value. However, when the DC voltage drops and each arm 9, 10 outputs voltages of both polarities, the average voltage output by each arm 9, 10 drops. Therefore, it is necessary to control the circulating current Iz passing through the positive and negative arms 9, 10 to increase in accordance with the drop in the average voltage output by each arm 9, 10. The circulating current Iz can be calculated, for example, according to Iz = (Ip + In) / 2.

[1-3.効果]
本実施形態によれば、制御回路20は、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の合計電圧が交流電源ACの波高値より小さいときにおいて、前記4つのモードを実行するように、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の合計電圧、及び第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6の出力の正負を監視し、正側アーム9及び負側アーム10の出力電圧の極性を制御する。その結果、直流電圧が交流電圧の波高値より小さい状態であっても、適切なモードを選択することができ、所望の電力変換動作を実現できる。
[1-3. Effects]
According to this embodiment, when the total voltage of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 is smaller than the peak value of the AC power supply AC, the control circuit 20 monitors the total voltage of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 and the positive and negative of the outputs of the first switching leg 5 and the second switching leg 6, and controls the polarities of the output voltages of the positive side arm 9 and the negative side arm 10, so as to execute the four modes. As a result, even if the DC voltage is smaller than the peak value of the AC voltage, an appropriate mode can be selected, and a desired power conversion operation can be realized.

[2.第2実施形態]
本実施形態は、複数の単位変換器Hを有するマルチレベル変換器の一例を示すものである。マルチレベル変換器は、基本的に高調波が少ない変換器であるが、その運転状態や変調方法によって高調波の低減率が変わる。図5は、図1の回路で直流電圧源DCの電圧が交流電源ACの電圧の波高値より小さい状態における、高調波電圧を示した図である。
[2. Second embodiment]
This embodiment shows an example of a multilevel converter having a plurality of unit converters H. A multilevel converter is a converter that basically has few harmonics, but the reduction rate of harmonics varies depending on the operating state and modulation method. Fig. 5 is a diagram showing harmonic voltages in a state where the voltage of the direct current voltage source DC is smaller than the peak value of the voltage of the alternating current power source AC in the circuit of Fig. 1.

本実施形態において、各アーム9,10は、3つの単位変換器Hで構成されており、それぞれ120度ずつずれた三角波キャリア群と電圧指令値Vaとを比較してゲート信号を生成している、いわゆる位相シフトPWM変調法を採用している。 In this embodiment, each arm 9, 10 is composed of three unit converters H, and uses the so-called phase-shift PWM modulation method, in which a gate signal is generated by comparing a group of triangular wave carriers shifted by 120 degrees with a voltage command value Va.

図5(1)は、正側と負側のアーム9,10で使用しているキャリア群の位相を一致させた場合で、図5(2)は、正側と負側のアーム9,10で使用しているキャリア群の位相を90度ずらした場合である。位相を一致させた場合より、位相をずらした場合の方が高調波が低減できていることが分かる。なお、位相角度はキャリア周期での角度であることに注意されたい。 Figure 5 (1) shows the case where the phases of the carrier groups used in the positive and negative arms 9, 10 are aligned, and Figure 5 (2) shows the case where the phases of the carrier groups used in the positive and negative arms 9, 10 are shifted by 90 degrees. It can be seen that harmonics are reduced more when the phases are shifted than when the phases are aligned. Note that the phase angle is the angle in the carrier period.

図6は、図1の回路で直流電圧が交流電圧の波高値より大きい状態における、高調波電圧を示した図で、図6(1)は、正側と負側のアームで使用しているキャリア群の位相を一致させた場合で、図6(2)は、正側と負側のアームで使用しているキャリア群の位相をずらした場合である。この場合は、図5の場合と異なり、位相を一致させた場合より位相をずらした方が高調波が大きい。つまり、高調波を低減するには、直流電圧の大きさによって、位相のずらし方を変える必要があることを示している。 Figure 6 shows the harmonic voltages in the circuit of Figure 1 when the DC voltage is greater than the peak value of the AC voltage. Figure 6 (1) shows the case where the phases of the carrier groups used in the positive and negative arms are aligned, while Figure 6 (2) shows the case where the phases of the carrier groups used in the positive and negative arms are shifted. In this case, unlike the case of Figure 5, the harmonics are larger when the phases are shifted than when the phases are aligned. In other words, this shows that in order to reduce harmonics, the way the phase is shifted needs to be changed depending on the magnitude of the DC voltage.

たとえば、直流電圧が交流電圧の波高値より小さいとき、正側アーム9の単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する正側キャリア群と負側アーム10の単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する負側キャリア群の位相を90度ずらすことが望ましい。 For example, when the DC voltage is smaller than the peak value of the AC voltage, it is desirable to shift the phase of the positive carrier group that generates the gate signal Gs of the unit converter H in the positive arm 9 and the negative carrier group that generates the gate signal Gs of the unit converter H in the negative arm 10 by 90 degrees.

前記の知見に基づき、第2実施形態では、制御回路20において、単位変換器Hを制御するゲート信号Gsを生成するにあたって、正側アーム9の単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する正側キャリア群と負側アーム10の単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する負側キャリア群の位相を、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の合計電圧に基づいて90度ずらすように決定する。 Based on the above findings, in the second embodiment, when the control circuit 20 generates the gate signal Gs that controls the unit converter H, the phases of the positive carrier group that generates the gate signal Gs of the unit converter H in the positive arm 9 and the negative carrier group that generates the gate signal Gs of the unit converter H in the negative arm 10 are determined to be shifted by 90 degrees based on the total voltage of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2.

このような構成を有する第2実施形態によれば、直流電圧が交流電圧の波高値を比較して、両者の大小に応じて、正側アーム9と負側フレーム10の単位変換器Hのゲート信号Gsの位相のずらし方を変えることによって、交流電圧における高調波が少なくなり、交流電圧の安定化が可能となる。 According to the second embodiment having such a configuration, the DC voltage is compared with the peak value of the AC voltage, and depending on the magnitude of the two, the phase shift of the gate signal Gs of the unit converter H of the positive arm 9 and the negative frame 10 is changed, thereby reducing harmonics in the AC voltage and enabling the AC voltage to be stabilized.

[3.第3実施形態]
直流電圧の低下に伴い、各アーム9,10が出力する電圧平均値の低下に応じて、循環電流Izが増加すると、損失が増大する。第3実施形態では、第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6のオンオフデューティを変化させることで、モード3を利用できるようにする。
[3. Third embodiment]
As the DC voltage decreases, the loss increases when the circulating current Iz increases in response to a decrease in the average voltage value output from each arm 9, 10. In the third embodiment, the on/off duties of the first switching leg 5 and the second switching leg 6 are changed to enable use of mode 3.

すなわち、、第3実施形態では、制御回路20は、第1スイッチングレグ5に与えるゲート信号Gsのデューティ比を増加させ、第2スイッチングレグ6に与えるゲート信号Gsのデューティ比を低下させるというように、両者のデューティ比をを変更する制御を行う。例えば、第1実施形態では、図4の通り、スイッチング素子S1,S3のどちらもデューティ比0.5であるが、第3実施形態では、図7の通り、スイッチング素子S1のデューティ比を0.5より大きくし、スイッチング素子S3のデューティ比を0.5より小さくすることで、循環電流の増加を抑制する。 That is, in the third embodiment, the control circuit 20 performs control to change the duty ratio of both the gate signal Gs provided to the first switching leg 5 by increasing the duty ratio of the gate signal Gs provided to the second switching leg 6 and decreasing the duty ratio of the gate signal Gs provided to the first switching leg 5. For example, in the first embodiment, as shown in FIG. 4, both switching elements S1 and S3 have a duty ratio of 0.5, but in the third embodiment, as shown in FIG. 7, the duty ratio of switching element S1 is made larger than 0.5 and the duty ratio of switching element S3 is made smaller than 0.5 to suppress an increase in the circulating current.

図7に、第3実施形態における第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6のオンオフデューティを変化させた場合の波形を示す。図7では、制御回路20により、スイッチング素子S1のオン期間を交流電圧の正の半周期より長く、スイッチング素子S3のオン期間を交流電圧の正の半周期より短くしている。これにより、各アーム9,10が出力する電圧平均値の低下が抑制でき、循環電流Izの増加を抑制することができる。 Figure 7 shows waveforms when the on-off duties of the first switching leg 5 and the second switching leg 6 in the third embodiment are changed. In Figure 7, the control circuit 20 makes the on-period of switching element S1 longer than the positive half cycle of the AC voltage, and makes the on-period of switching element S3 shorter than the positive half cycle of the AC voltage. This makes it possible to suppress a decrease in the average voltage value output by each arm 9, 10, and to suppress an increase in the circulating current Iz.

[4.第4実施形態]
図8は、蓄電池等の電圧源が直流端子に接続された場合の制御回路20の一例を示す。前記実施形態で説明したように、各アーム9,10は、単位変換器Hと第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6とを有しているので、本実施形態の制御回路20は、各アーム9,10に設けられた単位変換器Hに与えるゲート信号Gsを作成する回路を有する。
[4. Fourth embodiment]
8 shows an example of the control circuit 20 when a voltage source such as a storage battery is connected to the DC terminals. As described in the above embodiment, each of the arms 9 and 10 has a unit converter H, a first switching leg 5, and a second switching leg 6, so that the control circuit 20 of this embodiment has a circuit that creates a gate signal Gs to be provided to the unit converter H provided in each of the arms 9 and 10.

図8において、交流電流指令値は、交流電流制御部21に入力され、コンパレータ22を経由して、スイッチング素子S1~S4のゲート信号Gsとして出力される。交流電流制御部21からは、正側アーム9と、負側アーム10のモード1及び2の制御信号が出力される。そのうち、正側アーム9のモード1及び2の制御信号は、反転器23、モード切換スイッチ24及び位相シフトPWM25を介して、正側アーム9の単位変換器ゲート信号Gsとして出力される。負側アーム10のモード1及び2の制御信号は、モード切換スイッチ24及び位相シフトPWM25を介して、正側アーム9の単位変換器ゲート信号Gsとして出力される。負側アーム10の位相シフトPWM25には、予め設定された正負キャリアの位相差が入力される。 In FIG. 8, the AC current command value is input to the AC current control unit 21, and is output as the gate signal Gs of the switching elements S1 to S4 via the comparator 22. The AC current control unit 21 outputs control signals for modes 1 and 2 of the positive arm 9 and the negative arm 10. Of these, the control signals for modes 1 and 2 of the positive arm 9 are output as the unit converter gate signal Gs of the positive arm 9 via the inverter 23, the mode changeover switch 24, and the phase shift PWM 25. The control signals for modes 1 and 2 of the negative arm 10 are output as the unit converter gate signal Gs of the positive arm 9 via the mode changeover switch 24 and the phase shift PWM 25. A preset phase difference between the positive and negative carriers is input to the phase shift PWM 25 of the negative arm 10.

一方、循環電流Izの制御のため、セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26が設けられ、そこから出力されたフィードバック操作量電流値Fiが循環電流制御部27に入力される。循環電流制御部27から出力された電圧指令値Vaは、1/2演算器28を経由して、交流電流制御部21から出力された正側アーム9及び負側アーム10のモード1及び2の制御信号に加算器29を経由して加算される。この場合、正側アーム9のモード1の制御信号には第1直流コンデンサ電圧が加算され、負側アーム10のモード2の制御信号には第2直流コンデンサ電圧が加算される。すなわち、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の電圧を検出し、第1スイッチングレグ5が正出力のとき、正側アーム9が出力する電圧は第1直流コンデンサC1の電圧を含むように、第2スイッチングレグ6が負出力のとき、負側アーム10が出力する電圧は第2直流コンデンサC2の電圧を含むように、単位変換器Hのゲート信号Gsを生成する。 On the other hand, in order to control the circulating current Iz, an average value control unit 26 of the cell capacitor voltage Vc is provided, and the feedback manipulated variable current value Fi output from there is input to the circulating current control unit 27. The voltage command value Va output from the circulating current control unit 27 is added to the control signals of modes 1 and 2 of the positive arm 9 and the negative arm 10 output from the AC current control unit 21 via an adder 29 via a 1/2 calculator 28. In this case, the first DC capacitor voltage is added to the control signal of mode 1 of the positive arm 9, and the second DC capacitor voltage is added to the control signal of mode 2 of the negative arm 10. That is, the voltages of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 are detected, and a gate signal Gs of the unit converter H is generated so that when the first switching leg 5 is a positive output, the voltage output by the positive arm 9 includes the voltage of the first DC capacitor C1, and when the second switching leg 6 is a negative output, the voltage output by the negative arm 10 includes the voltage of the second DC capacitor C2.

本実施形態において、セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26は、すべての単位変換器Hのセルコンデンサ電圧Vcの平均値を所定の値に制御するフィードバック操作量電流値Fiを演算する。循環電流制御部27はフィードバック操作量電流値Fiを含む循環電流指令値に追従するように、電圧指令値Vaを生成する。 In this embodiment, the average value control unit 26 of the cell capacitor voltage Vc calculates the feedback control amount current value Fi that controls the average value of the cell capacitor voltages Vc of all the unit converters H to a predetermined value. The circulating current control unit 27 generates a voltage command value Va so as to follow the circulating current command value including the feedback control amount current value Fi.

モード1のときは、図3(1)に示すように、正側アーム9は第1直流コンデンサC1の電圧を電圧指令値Vaに加算して出力する。また、モード2のときは、図3(2)に示すように、負側アーム10は第2直流コンデンサC2の電圧を電圧指令値Vaに加算して出力する。これにより、直流電圧が低下した場合においても、セルコンデンサ電圧Vcを適切な値に制御することができる。 In mode 1, as shown in FIG. 3(1), the positive arm 9 adds the voltage of the first DC capacitor C1 to the voltage command value Va and outputs the result. In mode 2, as shown in FIG. 3(2), the negative arm 10 adds the voltage of the second DC capacitor C2 to the voltage command value Va and outputs the result. This makes it possible to control the cell capacitor voltage Vc to an appropriate value even if the DC voltage drops.

すなわち、セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26により、第1直流コンデンサC1の正側端子と第2直流コンデンサC2の負側端子に直流電圧源DCが接続されたとき、複数の単位変換器Hのそれぞれに含まれるセルコンデンサCcの電圧の平均値を所定の値とするフィードバック操作量電流値Fiを演算する。そして、正側アーム9と負側アーム10とを貫く方向の循環電流Izが、フィードバック操作量電流値Fiを含む循環電流指令値に追従するように、第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6と、複数の単位変換器Hとのゲート信号Gsを生成する。 That is, when a DC voltage source DC is connected to the positive terminal of the first DC capacitor C1 and the negative terminal of the second DC capacitor C2, the average value control unit 26 of the cell capacitor voltage Vc calculates a feedback control amount current value Fi that sets the average value of the voltages of the cell capacitors Cc included in each of the multiple unit converters H to a predetermined value. Then, a gate signal Gs is generated for the first switching leg 5, the second switching leg 6, and the multiple unit converters H so that the circulating current Iz passing through the positive arm 9 and the negative arm 10 follows the circulating current command value including the feedback control amount current value Fi.

このような構成を有する本実施形態においては、直流端子に電圧源が接続された場合は、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の電圧は維持されるため、交流電流指令値は自由に与えることができる。交流電流が流れることでセルコンデンサ電圧Vcが低下するが、上述の通り、セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26と循環電流制御部27によって、交流電流指令値は適切な値に制御される。 In this embodiment having such a configuration, when a voltage source is connected to the DC terminal, the voltages of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 are maintained, so the AC current command value can be freely given. When an AC current flows, the cell capacitor voltage Vc decreases, but as described above, the AC current command value is controlled to an appropriate value by the average value control unit 26 of the cell capacitor voltage Vc and the circulating current control unit 27.

[5.第5実施形態]
図9に太陽光発電等の電流源が直流端子に接続された場合の制御ブロックを示す。電流源が接続される場合、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の電圧を積極的に制御する必要がある。そのため、本実施形態では、制御回路20として、図8に示すセルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26に加えて、交流電流制御部21の前段に直流コンデンサ電圧制御部30が設けられている。
[5. Fifth embodiment]
Fig. 9 shows a control block when a current source such as a solar power generation is connected to the DC terminal. When a current source is connected, it is necessary to actively control the voltages of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2. Therefore, in this embodiment, the control circuit 20 includes a DC capacitor voltage control unit 30 in the front stage of the AC current control unit 21 in addition to the average value control unit 26 of the cell capacitor voltage Vc shown in Fig. 8.

セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26は、すべての単位変換器Hのセルコンデンサ電圧Vcの平均値を所定の値に制御する第1フィードバック操作量電流値Fi1を演算する。直流コンデンサ電圧制御部30は、第1直流コンデンサC1及び第2直流コンデンサC2の電圧の平均値を所定の値とする第2フィードバック操作量電流値Fi2を演算する。循環電流制御部27は、第1フィードバック操作量電流値Fi1と第2フィードバック操作量電流値Fi2との和を加算器29により演算し、この和の値を含む循環電流指令値に追従するように、電圧指令値Vaを生成する。 The cell capacitor voltage Vc average value control unit 26 calculates a first feedback control amount current value Fi1 that controls the average value of the cell capacitor voltages Vc of all unit converters H to a predetermined value. The DC capacitor voltage control unit 30 calculates a second feedback control amount current value Fi2 that sets the average value of the voltages of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 to a predetermined value. The circulating current control unit 27 calculates the sum of the first feedback control amount current value Fi1 and the second feedback control amount current value Fi2 using an adder 29, and generates a voltage command value Va to follow the circulating current command value including the value of this sum.

本実施形態では、平均値制御部26及び直流コンデンサ電圧制御部30の出力側には、乗算器31を設け、交流電流制御部21及び循環電流制御部27に入力する交流電流・循環電流に対して、所定の定数であるゲインK1~K4を乗算する。すなわち、直流コンデンサ電圧とセルコンデンサ電圧をそれぞれ制御するために必要な交流電流・循環電流は異なるため、乗算器31によりK1~K4で表される所定のゲインをかけることで、精度よく直流コンデンサ電圧とセルコンデンサ電圧を制御することができる。 In this embodiment, a multiplier 31 is provided on the output side of the average value control unit 26 and the DC capacitor voltage control unit 30, and the AC current and circulating current input to the AC current control unit 21 and the circulating current control unit 27 are multiplied by gains K1 to K4, which are predetermined constants. In other words, since the AC current and circulating current required to control the DC capacitor voltage and the cell capacitor voltage are different, the DC capacitor voltage and the cell capacitor voltage can be controlled with high precision by multiplying them by predetermined gains represented by K1 to K4 using the multiplier 31.

すなわち、制御回路20は、セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御部26と直流コンデンサ電圧制御部30により、第1直流コンデンサC1の正側端子と第2直流コンデンサC2の負側端子に直流電流源DCが接続されたとき、複数の単位変換器Hのそれぞれに含まれるセルコンデンサCcの電圧の平均値を所定の値とする第1フィードバック操作量電流値Fi1と、第1直流コンデンサC1及び第2直流コンデンサC2の電圧の平均値を所定の値とする第2フィードバック操作量電流値Fi2との和を、加算器29により演算する。そして、正側アーム9と負側アーム10とを貫く方向の循環電流Izが前記和を含む循環電流指令値に追従するように、第1スイッチングレグ5と第2スイッチングレグ6と、複数の単位変換器Hとのゲート信号Gsを生成する。 That is, when a DC current source DC is connected to the positive terminal of the first DC capacitor C1 and the negative terminal of the second DC capacitor C2, the control circuit 20 uses the average value control unit 26 of the cell capacitor voltage Vc and the DC capacitor voltage control unit 30 to calculate the sum of the first feedback control amount current value Fi1, which sets the average value of the voltages of the cell capacitors Cc included in each of the multiple unit converters H to a predetermined value, and the second feedback control amount current value Fi2, which sets the average value of the voltages of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2 to a predetermined value, by the adder 29. Then, the control circuit 20 generates gate signals Gs for the first switching leg 5, the second switching leg 6, and the multiple unit converters H so that the circulating current Iz passing through the positive arm 9 and the negative arm 10 follows the circulating current command value including the sum.

このような構成を有する本実施形態では、モード1のときは、図3(1)に示すように、正側アーム9は第1直流コンデンサC1の電圧を電圧指令値Vaに加算して出力する。また、モード2のときは、図3(2)に示すように、負側アーム10は第2直流コンデンサC2の電圧を電圧指令値Vaに加算して出力する。これにより、直流電圧が低下した場合においても、セルコンデンサ電圧Vcを適切な値に制御することができる。 In this embodiment having such a configuration, in mode 1, as shown in FIG. 3 (1), the positive arm 9 adds the voltage of the first DC capacitor C1 to the voltage command value Va and outputs it. In mode 2, as shown in FIG. 3 (2), the negative arm 10 adds the voltage of the second DC capacitor C2 to the voltage command value Va and outputs it. This makes it possible to control the cell capacitor voltage Vc to an appropriate value even if the DC voltage drops.

また、直流端子に電流源が接続された場合は、第1直流コンデンサC1と第2直流コンデンサC2の電圧も制御する必要がある。このため、セルコンデンサ電圧Vcの平均値制御と直流コンデンサ電圧制御部30の操作量に適切なゲインを乗じて加算した交流電流指令値に追従するよう交流電流制御をおこなう。これにより、セルコンデンサ電圧Vc及び直流コンデンサ電圧を適切な値に制御することができる。 In addition, when a current source is connected to the DC terminal, it is also necessary to control the voltages of the first DC capacitor C1 and the second DC capacitor C2. For this reason, the average value of the cell capacitor voltage Vc is controlled, and the AC current is controlled to follow the AC current command value obtained by multiplying and adding an appropriate gain to the operation amount of the DC capacitor voltage control unit 30. This makes it possible to control the cell capacitor voltage Vc and the DC capacitor voltage to appropriate values.

[6.他の実施形態]
本発明は、前記実施形態に限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
6. Other embodiments
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and in the implementation stage, the components can be modified and embodied without departing from the gist of the invention. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining the multiple components disclosed in the above-described embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, components from different embodiments may be appropriately combined.

S1~S4…スイッチング素子
C1…第1直流コンデンサ
C2…第2直流コンデンサ
Cc…セルコンデンサ
H…単位変換器
Vs…電圧検出信号
Va…電圧指令値
Gs…ゲート信号
Fi…フィードバック操作量電流値
1…電力変換装置
2…正側直流端子
3…負側直流端子
4…中性点
5…第1スイッチングレグ
6…第2スイッチングレグ
7…第1出力端子
8…第2出力端子
9…正側アーム
10…負側アーム
11…交流端子
12…バッファリアクトル
13…ブリッジセル
14…コンデンサ電圧検出回路
20…制御回路
21…交流電流制御部
22…コンパレータ
23…反転器
24…モード切換スイッチ
25…位相シフトPWM
26…平均値制御部
27…循環電流制御部
28…1/2演算器
29…加算器
30…直流コンデンサ電圧制御部
31…乗算器

S1 to S4...Switching element C1...First DC capacitor C2...Second DC capacitor Cc...Cell capacitor H...Unit converter Vs...Voltage detection signal Va...Voltage command value Gs...Gate signal Fi...Feedback operation amount current value 1...Power conversion device 2...Positive side DC terminal 3...Negative side DC terminal 4...Neutral point 5...First switching leg 6...Second switching leg 7...First output terminal 8...Second output terminal 9...Positive side arm 10...Negative side arm 11...AC terminal 12...Buffer reactor 13...Bridge cell 14...Capacitor voltage detection circuit 20...Control circuit 21...AC current control unit 22...Comparator 23...Inverter 24...Mode changeover switch 25...Phase shift PWM
26: Average value control unit 27: Circulating current control unit 28: 1/2 calculator 29: Adder 30: DC capacitor voltage control unit 31: Multiplier

Claims (8)

第1直流コンデンサと、
前記第1直流コンデンサと直列に接続した第2直流コンデンサと、
前記第1直流コンデンサに並列に接続した第1スイッチングレグと、
前記第2直流コンデンサに並列に接続した第2スイッチングレグと、
交流電源と接続する交流端子と前記第1スイッチングレグの出力端子との間に直列に接続した複数の両極性単位変換器を含む正側アームと、
前記交流端子と前記第2スイッチングレグの出力端子との間に直列に接続した複数の両極性単位変換器を含む負側アームと、
前記第1直流コンデンサ、前記第2直流コンデンサ、前記第1スイッチングレグ、前記第2スイッチングレグ、前記正側アーム及び前記負側アームに接続され、これらの機器の入出力を検出又は制御する制御回路と、
を備え、
前記制御回路は、
前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの合計電圧が前記交流電源の波高値より小さいとき、
前記正側アームは前記第1スイッチングレグが正出力しているときは両極性、負出力しているときは正極性の電圧を出力し、
前記負側アームは前記第2スイッチングレグが正出力しているときは正極性、負出力しているときは両極性の電圧を出力する制御を行うことを特徴とする電力変換装置。
A first DC capacitor;
a second DC capacitor connected in series with the first DC capacitor;
a first switching leg connected in parallel with the first DC capacitor;
a second switching leg connected in parallel with the second DC capacitor;
a positive arm including a plurality of bipolar unit converters connected in series between an AC terminal connected to an AC power source and an output terminal of the first switching leg;
a negative arm including a plurality of bipolar unit converters connected in series between the AC terminal and an output terminal of the second switching leg;
a control circuit connected to the first DC capacitor, the second DC capacitor, the first switching leg, the second switching leg, the positive side arm, and the negative side arm, and configured to detect or control input/output of these devices;
Equipped with
The control circuit includes:
When the total voltage of the first DC capacitor and the second DC capacitor is smaller than the peak value of the AC power supply,
the positive arm outputs a bipolar voltage when the first switching leg is outputting a positive voltage, and outputs a positive voltage when the first switching leg is outputting a negative voltage,
The power conversion device according to claim 1, wherein the negative arm is controlled to output a voltage of positive polarity when the second switching leg is outputting a positive output, and a voltage of both polarities when the second switching leg is outputting a negative output.
前記単位変換器はセルコンデンサを含み、前記セルコンデンサの電圧×前記両極性単位変換器数は前記交流電源の波高値より大きいことを特徴とする請求項1に記載の電力変換装置 The power conversion device according to claim 1, characterized in that the unit converter includes a cell capacitor, and the voltage of the cell capacitor x the number of bipolar unit converters is greater than the peak value of the AC power supply. 前記制御回路は、前記単位変換器を制御するゲート信号を生成するにあたり、前記正側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する正側キャリア群と、前記負側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する負側キャリア群の位相を、前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの合計電圧に基づいて決定することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2, characterized in that, when generating a gate signal to control the unit converter, the control circuit determines the phase of a positive carrier group that generates the gate signal of the unit converter in the positive arm and a negative carrier group that generates the gate signal of the unit converter in the negative arm based on the total voltage of the first DC capacitor and the second DC capacitor. 前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの合計電圧は前記交流電源の波高値より小さいとき、前記正側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する正側キャリア群と前記負側アームの前記単位変換器のゲート信号を生成する負側キャリア群の位相を90度ずらすことを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2, characterized in that when the total voltage of the first DC capacitor and the second DC capacitor is smaller than the peak value of the AC power supply, the phases of the positive carrier group that generates the gate signal of the unit converter in the positive arm and the negative carrier group that generates the gate signal of the unit converter in the negative arm are shifted by 90 degrees. 前記第1スイッチングレグに与えるゲート信号のデューティ比と前記第2スイッチングレグに与えるゲート信号のデューティ比を変更することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。 The power conversion device according to claim 1 or 2, characterized in that the duty ratio of the gate signal provided to the first switching leg and the duty ratio of the gate signal provided to the second switching leg are changed. 前記制御回路は、前記単位変換器と前記第1スイッチングレグと前記第2スイッチングレグとを制御するゲート信号を生成する回路であって、
前記第1直流コンデンサと前記第2直流コンデンサの電圧を検出し、
前記第1スイッチングレグが正出力のとき、前記正側アームが出力する電圧は前記第1直流コンデンサの電圧を含むように、前記第2スイッチングレグが負出力のとき、前記負側アームが出力する電圧は前記第2直流コンデンサの電圧を含むように、
前記単位変換器のゲート信号を生成することを特徴とする請求項1又は2に記載の電力変換装置。
The control circuit is a circuit that generates gate signals to control the unit converter, the first switching leg, and the second switching leg,
Detecting a voltage across the first DC capacitor and the second DC capacitor;
When the first switching leg has a positive output, a voltage output from the positive side arm includes a voltage of the first DC capacitor, and when the second switching leg has a negative output, a voltage output from the negative side arm includes a voltage of the second DC capacitor.
3. The power conversion device according to claim 1, further comprising: a gate signal for the unit converter.
前記制御回路は、前記第1スイッチングレグと、前記第2スイッチングレグと、複数の前記単位変換器とのゲート信号を生成する回路であって、
セルコンデンサ電圧の平均値制御部と、
前記平均値制御部から出力されたフィードバック操作量電流値に基づいて、電圧指令値を出力する循環電流制御部とを備え、
前記第1直流コンデンサの正側端子と前記第2直流コンデンサの負側端子に直流電圧源が接続されたとき、
前記平均値制御により、複数の前記単位変換器のそれぞれに含まれるセルコンデンサ電圧の平均値を所定の値とするフィードバック操作量電流値を演算し、
前記循環電流制御部からの前記電圧指令値に基づいて、前記正側アームと前記負側アームとを貫く方向の循環電流が前記フィードバック操作量電流値を含む循環電流指令値に追従するように制御することを特徴とする請求項6に記載の電力変換装置。
The control circuit is a circuit that generates gate signals for the first switching leg, the second switching leg, and the plurality of unit converters,
A cell capacitor voltage average value control section;
a circulating current control unit that outputs a voltage command value based on the feedback manipulated variable current value output from the average value control unit,
When a DC voltage source is connected to the positive terminal of the first DC capacitor and the negative terminal of the second DC capacitor,
Calculating a feedback control amount current value that sets an average value of the cell capacitor voltages included in each of the plurality of unit converters to a predetermined value by the average value control;
7. The power conversion device according to claim 6, wherein a circulating current passing through the positive side arm and the negative side arm is controlled so as to follow a circulating current command value including the feedback control amount current value, based on the voltage command value from the circulating current control unit.
前記制御回路は、直流コンデンサ電圧制御部を更に備え、
前記第1直流コンデンサの正側端子と前記第2直流コンデンサの負側端子に直流電流源が接続されたとき、
複数の前記単位変換器のそれぞれに含まれるセルコンデンサ電圧の平均値を所定の値とする第1フィードバック操作量電流値と、
前記第1直流コンデンサ及び前記第2直流コンデンサの電圧の合計値を所定の値とする第2フィードバック操作量電流値と、の和を演算し、
前記正側アームと前記負側アームとを貫く方向の循環電流が前記和を含む循環電流指令値に追従するように制御することを特徴とする請求項7に記載の電力変換装置。

The control circuit further includes a DC capacitor voltage control unit,
When a DC current source is connected to the positive terminal of the first DC capacitor and the negative terminal of the second DC capacitor,
a first feedback manipulated variable current value that sets an average value of cell capacitor voltages included in each of the plurality of unit converters as a predetermined value;
a second feedback manipulated variable current value that sets the sum of the voltages of the first DC capacitor and the second DC capacitor to a predetermined value;
8. The power conversion device according to claim 7, wherein a circulating current passing through the positive arm and the negative arm is controlled to follow a circulating current command value including the sum.

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