JP3400283B2 - 電力変換装置 - Google Patents

電力変換装置

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JP3400283B2
JP3400283B2 JP04351597A JP4351597A JP3400283B2 JP 3400283 B2 JP3400283 B2 JP 3400283B2 JP 04351597 A JP04351597 A JP 04351597A JP 4351597 A JP4351597 A JP 4351597A JP 3400283 B2 JP3400283 B2 JP 3400283B2
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    • H02J3/00—Circuit arrangements for ac mains or ac distribution networks
    • H02J3/18—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks
    • H02J3/1821—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators
    • H02J3/1835—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control
    • H02J3/1842—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters
    • H02J3/1857—Arrangements for adjusting, eliminating or compensating reactive power in networks using shunt compensators with stepless control wherein at least one reactive element is actively controlled by a bridge converter, e.g. active filters wherein such bridge converter is a multilevel converter
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M7/00—Conversion of ac power input into dc power output; Conversion of dc power input into ac power output
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E40/00—Technologies for an efficient electrical power generation, transmission or distribution
    • Y02E40/20—Active power filtering [APF]

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、複数の変換器の交
流出力を変圧器で直列接続して出力を取り出す電力変換
装置において、変換器を構成する自己消弧形スイッチン
グ素子のスイチング回数を必要最低限に押さえることで
スイッチングに伴う損失を最低限におさえながら、出力
電圧を正弦波状に制御する電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２０は、本発明が適用できる従来から
使われている電力変換装置の主回路構成図である。図に
おいて１は系統に接続されている変圧器の一次巻線、２
Ａから２Ｄは変圧器一次巻線１に結合された変圧器二次
巻線、３Ａ〜３Ｄはゲートターンオフサイリスタ（以下
単にＧＴＯと記す）とダイオードで構成された変換器、
４は直流電源である。又、５〜１０は変換器３ＡのＧＴ
Ｏである。
【０００３】図２１は、図２０に示す電力変換装置を制
御する従来の制御装置の構成図である。図２１におい
て、図２０と同一の記号は同一の機能を備えたものであ
って、その説明は省略する。
【０００４】図２１において，１１は交流系統、１２は
交流系統１１の線間電圧を検出する電圧検出器、１３は
線間電圧→相電圧変換回路、１４は線間電圧→相電圧変
換回路１３の出力が印可される三相→二相変換回路、１
５は位相角算出回路で三相→二相変換回路１４の出力の
二相交流信号を位相角に変換する。１６は三角波発生回
路で位相の０°から３６０°に対応した三角波を発生す
る。１７は電流制御回路で変換器３Ａ〜３Ｄの出力電流
を制御する。１８は加算器で三相→二相変換回路１４と
電流制御回路１７の出力を加算する。１９は加算器１８
の出力が印可される二相→三相変換回路である。２０は
クロスポイント検出回路で二相→三相変換回路１９の出
力と、三角波発生回路１６の出力が印可され、三角波と
各三相電圧指令との交点を検出して変換器３Ａ〜３Ｄの
ＧＴＯをオンオフする信号を発生する。２１はゲートパ
ルス発生回路で変換器３Ａ〜３ＤのＧＴＯをオンオフす
るゲートパルスを発生する。
【０００５】図２２は、図２１に示す従来の制御装置に
よって制御した場合の作用を説明するための波形であ
る。以下、図２０、図２１、図２２を参照しながら説明
する。
【０００６】図２２のＶＬＵＶ，ＶＬＶＷ，ＶＬＷＵは
電圧検出器１２で検出される系統の線間電圧である。線
間電圧→相電圧変換回路１３は下式の演算を行い線間電
圧ＶＬＵＶ、ＶＬＶＷ，ＶＬＷＵを相電圧ＶＬＵ，ＶＬ
Ｖ，ＶＬＷに変換する。
【０００７】
【数１】ＶＬＵ＝（２×ＶＬＵＶ＋ＶＬＶＷ）／３ ＶＬＶ＝（２×ＶＬＶＷ＋ＶＬＷＵ）／３ ＶＬＷ＝（２×ＶＬＷＵ＋ＶＬＵＶ）／３ 三相→二相変換回路１４は下式の演算を行い、相電圧Ｖ
ＬＵ，ＶＬＶ，ＶＬＷを直交ＡＢ座標系の二相信号ＶＬ
Ａ，ＶＬＢに変換する。ただし、Ａ軸をＵ相方向にと
り、Ｂ軸をＡ軸より９０°進んだ軸とする。
【０００８】
【数２】ＶＬＡ＝ＶＬＵ−（ＶＬＶ＋ＶＬＷ）／２ ＶＬＢ＝（ＶＬＶ−ＶＬＷ）×√３／２ 三相→二相変換回路１４の出力ＶＬＡ、ＶＬＢと電流制
御回路１７の出力は加算器１８によって加算されるが、
以下説明を容易にするため、電流制御回路１７の出力は
零と仮定する。即ち、変換器３Ａ〜３Ｄが電源系統１１
の電圧に等しい電圧を発生し、出力電圧が零の状態につ
いて説明する。従って、加算器１８の出力はＶＡ、ＶＢ
はＶＬＡ、ＶＬＢに等しい。位相角算出回路１５は下式
の演算を行い、三相→二相変換回路１４の出力ＶＬＡ，
ＶＬＢから位相各信号ＴＨＬを算出する。
【０００９】
【数３】ＶＬＢが正でＶＬＡが（ＶＬＢの絶対値）より
大きいとき ＴＨＬ＝ ｔａｎ−１（ＶＬＢ／ＶＬＡ） ＶＬＢが（ＶＬＡの絶対値）より大きいとき ＴＨＬ＝−ｔａｎ−１（ＶＬＡ／ＶＬＢ）＋９０° ＶＬＡが−（ＶＬＢの絶対値）より小さいとき ＴＨＬ＝ｔａｎ−１（ＶＬＢ／ＶＬＡ）＋１８０° ＶＬＢが−（ＶＬＡの絶対値）より小さいとき ＴＨＬ＝−ｔａｎ−１（ＶＬＢ／ＶＬＡ）＋２７０° ＶＬＢが負でＶＬＡが（ＶＬＢの絶対値）より大きいと
き ＴＨＬ＝ ｔａｎ−１（ＶＬＢ／ＶＬＡ）＋３６０° ＴＨＬの波形を図２２に示す。三角波発生回路１６は下
式の演算を行い、位相角信号ＴＨＬを三角波信号ＴＲＩ
ＵＡに変換する。
【００１０】ＴＨＯ＝ＴＨＬ×９−９０° ＴＨＯが３６０°×ｎ（ｎは０以上の整数）より大きく
３６０°×ｎ＋１８０°より小さいとき ＴＲＩＵＡ＝−１＋（ＴＨＯ−ｎ×３６０°）／９０° ＴＨＯが３６０°×ｎ（ｎは０以上の整数）＋１８０°
より大きく、３６０°×ｎ＋３６０°より小さいとき ＴＲＩＵＡ＝３−（ＴＨＯ−ｎ×３６０°）／９０° ＴＲＩＵＡの波形を図２２に示す。ＴＲＩＵＡは変換器
３ＡのＵ相ＧＴＯ５〜１０を制御する三角波信号であ
る。同時に三角波発生回路１６は、
【００１１】
【数４】ＴＨＯ＝ＴＨＬ×９−９０°−１５° ＴＨＯ＝ＴＨＬ×９−９０°−３０° ＴＨＯ＝ＴＨＬ×９−９０°−４５° として同様の演算を行いＴＲＩＵＢ、ＴＲＩＵＣ、ＴＲ
ＩＵＤを発生する。
【００１２】ＴＲＩＵＢ、ＴＲＩＵＣ、ＴＲＩＵＤは図
示していないが変換器３Ｂ、３Ｃ、３ＤのＵ相ＧＴＯを
制御する三角波信号である。同時に三角波信号発生回路
１６は、
【００１３】
【数５】ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−１２０°）×９−９０° ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−１２０°）×９−９０°−１５° ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−１２０°）×９−９０°−３０° ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−１２０°）×９−９０°−４５° として同様の演算を行いＴＲＩＶＡ、ＴＲＩＶＢ、ＴＲ
ＩＶＣ、ＴＲＩＶＤを発生する。
【００１４】ＴＲＩＶＡ、ＴＲＩＶＢ、ＴＲＩＶＣ、Ｔ
ＲＩＶＤは図示していないが変換器３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、
３ＤのＶ相ＧＴＯを制御する三角波信号である。同時に
三角波信号発生回路１６は、
【００１５】
【数６】ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−２４０°）×９−９０° ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−２４０°）×９−９０°−１５° ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−２４０°）×９−９０°−３０° ＴＨＯ＝（ＴＨＬ−２４０°）×９−９０°−４５° として同様の演算を行いＴＲＩＷＡ、ＴＲＩＷＢ、ＴＲ
ＩＷＣ、ＴＲＩＷＤを発生する。
【００１６】ＴＲＩＷＡ、ＴＲＩＷＢ、ＴＲＩＷＣ、Ｔ
ＲＩＷＤは図示していないが変換器３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、
３ＤのＷ相ＧＴＯを制御する三角波信号である。図２２
において、ＶＵＲはＵ相電圧指令である。ＶＵＶＡは変
換器３ＡのＵＶ相線間出力電圧である。
【００１７】ＴＲＩＵＡとＶＵＲをクロスポイント検出
回路２０で比較し、ＶＵＲがＴＲＩＵＡより大きいとき
ＧＴＯ５をオンし、ＶＵＲがＴＲＩＵＡより小さいとき
ＧＴＯ８をオンする。同様にして、Ｖ相電圧指令ＶＶＲ
とＴＲＩＶＡを比較して、ＧＴＯ６、ＧＴＯ９のオンオ
フを決定し、Ｗ相電圧指令ＶＶＲとＴＲＩＷＡを比較し
て、ＧＴＯ７、ＧＴＯ１０のオンオフを決定する。同様
に、ＶＵＶＢ、ＶＵＶＣ、ＶＵＶＤは変換器３Ｂ、３
Ｃ、３ＤのＵＶ相の出力電圧である。ＶＵＶＡ、ＶＵＶ
Ｂ、ＶＵＶＣ、ＶＵＶＤはそれぞれ変圧器二次巻線２
Ａ、２Ｂ、２Ｃ、２ＤのＵＶ相に加わり、変圧器一次巻
線１のＵ相には正弦波状の電圧が発生する。同様に変圧
器一次巻線のＶ相にはＵ相に対して１２０°位相の遅れ
た電圧が発生しＵ相とＶ相の線間にはＶＵＶの電圧が発
生する。ＶＵＶは系統の線間電圧ＶＬＵＶと基本波が等
しい電圧となるが、変換器３Ａから３Ｄを構成するＧＴ
ＯはＶＵＶＡ〜ＶＵＶＤのＰＷＭ波形に対応する多数の
スイッチングを繰り返している。
【００１８】
【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、変
換器３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄは正弦波状の電圧を発生す
るのにともなって、変換器３Ａ，３Ｂ，３Ｃ，３Ｄの自
己消弧形素子は一周期あたり９回のオンオフを繰り返し
ており、スイッチングに伴う損失が大きく、変換器の効
率が低下する。
【００１９】そこで、本発明は複数の変換器の交流出力
を変圧器により、直列に接続して運転する電力変換器に
おいて、自己消弧形素子のスイッチング回数を押さえな
がら、変圧器の一次巻線に発生する電圧が正弦波状にな
るように変換器を制御することを第１の目的とする。ま
た、上記の構成において、変圧器の巻線にかかる電圧に
直流分が生じないように制御することを第２の目的とす
る。
【００２０】
【課題を解決するための手段】上記第１の目的を達成す
るために、本発明の請求項１の電力変換装置では、複数
の単位変換器の出力電圧の和に対応する電圧指令ベクト
ルを求め、この電圧指令ベクトルが、電力変換装置の出
力可能な出力可能電圧ベクトルの終点を１つずつ含む領
域のいずれの領域に含まれるかを判別し、該領域の出力
可能電圧ベクトルを実際値ベクトルとして選択し、この
実際値ベクトルを基に単位変換器が出力する単位変換器
電圧ベクトルを求め単位変換器を制御することで、変換
器の出力電圧を指令値に追従させることができ、また、
電圧指令ベクトルが出力可能電圧ベクトルを含む領域か
ら別の出力可能電圧ベクトルを含む領域に移った時にの
みにしか実際値ベクトルは変化しないので、スイッチン
グ素子のスイッチング回数を低く押さえることができ
る。
【００２１】上記第１の目的を達成するために、本発明
の請求項２の電力変換装置では、複数の単位変換器の出
力電圧の和に対応する電圧指令ベクトルを求め、この電
圧指令ベクトルが、電力変換装置の出力可能な出力可能
電圧ベクトルの終点を１つずつ含む正六角形の領域のい
ずれの領域に含まれるかを判別し、該領域の出力可能電
圧ベクトルを実際値ベクトルとして選択し、この実際値
ベクトルを基に単位変換器が出力する単位変換器電圧ベ
クトルを求め単位変換器を制御することで、変換器の出
力電圧を指令値に追従させることができ、また、電圧指
令ベクトルが出力可能電圧ベクトルを含む領域から別の
出力可能電圧ベクトルを含む領域に移った時にのみにし
か実際値ベクトルは変化しないので、スイッチング素子
のスイッチング回数を低く押さえることができる。
【００２２】上記第１の目的を達成するために、本発明
の請求項３の電力変換装置では、複数の単位変換器の出
力電圧の和に対応する電圧指令ベクトルを求め、この電
圧指令ベクトルが、電力変換装置の出力可能な出力可能
電圧ベクトルの終点を１つずつ含む菱形の領域のいずれ
の領域に含まれるかを判別し、該領域の出力可能電圧ベ
クトルを実際値ベクトルとして選択し、この実際値ベク
トルを基に単位変換器が出力する単位変換器電圧ベクト
ルを求め単位変換器を制御することで、変換器の出力電
圧を指令値に追従させることができ、また、電圧指令ベ
クトルが出力可能電圧ベクトルを含む領域から別の出力
可能電圧ベクトルを含む領域に移った時にのみにしか実
際値ベクトルは変化しないので、スイッチング素子のス
イッチング回数を低く押さえることができる。
【００２３】上記第１の目的と第２の目的を達成するた
めに、本発明の請求項４の電力変換装置では、複数の単
位変換器の出力電圧の和に対応する電圧指令ベクトルを
求め、この電圧指令ベクトルが、電力変換装置の出力可
能な出力可能電圧ベクトルの終点を１つずつ含む領域の
いずれの領域に含まれるかを判別し、該領域の出力可能
電圧ベクトルを実際値ベクトルとして選択し、更に変圧
器の二次巻線に鎖交する磁束に相当する量を検出し、こ
の実際値ベクトルと変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に
相当する量とを基に単位変換器が出力する単位変換器電
圧ベクトルを求め単位変換器を制御することで、変換器
の出力電圧を指令値に追従させることができ、また、電
圧指令ベクトルが出力可能電圧ベクトルを含む領域から
別の出力可能電圧ベクトルを含む領域に移った時にのみ
にしか実際値ベクトルは変化しないので、スイッチング
素子のスイッチング回数を低く押さえることができる。
更に、二次巻線にかかる電圧に直流分が生じないように
制御することができる。
【００２４】上記第１の目的と第２の目的を達成するた
めに、本発明の請求項５の電力変換装置では、複数の単
位変換器の出力電圧の和に対応する電圧指令ベクトルを
求め、この電圧指令ベクトルが、電力変換装置の出力可
能な出力可能電圧ベクトルの終点を１つずつ含む正六角
形の領域のいずれの領域に含まれるかを判別し、該領域
の出力可能電圧ベクトルを実際値ベクトルとして選択
し、更に変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に相当する量
を検出し、この実際値ベクトルと変圧器の二次巻線に鎖
交する磁束に相当する量とを基に単位変換器が出力する
単位変換器電圧ベクトルを求め単位変換器を制御するこ
とで、変換器の出力電圧を指令値に追従させることがで
き、また、電圧指令ベクトルが出力可能電圧ベクトルを
含む領域から別の出力可能電圧ベクトルを含む領域に移
った時にのみにしか実際値ベクトルは変化しないので、
スイッチング素子のスイッチング回数を低く押さえるこ
とができる。更に、二次巻線にかかる電圧に直流分が生
じないように制御することができる。
【００２５】上記第１の目的と第２の目的を達成するた
めに、本発明の請求項６の電力変換装置では、複数の単
位変換器の出力電圧の和に対応する電圧指令ベクトルを
求め、この電圧指令ベクトルが、電力変換装置の出力可
能な出力可能電圧ベクトルの終点を１つずつ含む菱形の
領域のいずれの領域に含まれるかを判別し、該領域の出
力可能電圧ベクトルを実際値ベクトルとして選択し、更
に変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に相当する量を検出
し、この実際値ベクトルと変圧器の二次巻線に鎖交する
磁束に相当する量とを基に単位変換器が出力する単位変
換器電圧ベクトルを求め単位変換器を制御することで、
変換器の出力電圧を指令値に追従させることができ、ま
た、電圧指令ベクトルが出力可能電圧ベクトルを含む領
域から別の出力可能電圧ベクトルを含む領域に移った時
にのみにしか実際値ベクトルは変化しないので、スイッ
チング素子のスイッチング回数を低く押さえることがで
きる。更に、二次巻線にかかる電圧に直流分が生じない
ように制御することができる。
【００２６】本発明の請求項７の電力変換装置は、請求
項４乃至請求項６の電力変換装置の制御装置において、
変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に相当する量を変圧器
の二次巻線の磁路に設置した磁束センサーで直接検出す
るようにする。
【００２７】本発明の請求項８の電力変換装置は、請求
項４乃至請求項６の電力変換装置の制御装置において、
変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に相当する量を変圧器
の二次巻線に印可される電圧を検出し、その検出された
電圧を不完全積分することで間接的に検出する。
【００２８】本発明の請求項９の電力変換装置は、請求
項４乃至請求項６の電力変換装置の制御装置において、
変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に相当する量を電力変
換装置の直流電圧を検出し、この直流電圧を単位変換器
の自己消弧形スイッチング素子のオンオフ指令とから単
位変換器の交流出力電圧に相当する量を演算して、この
交流出力電圧に相当する量を不完全積分することで間接
的に検出する。
【００２９】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施
の形態の構成図である。図１において１、２Ａ〜２Ｄ、
３Ａ〜３Ｄ、４、１１、１２、１７、２１は従来の説明
ですでに述べたので、ここでは説明を省略する。
【００３０】第１の実施の形態では、系統電圧検出回路
１２で検出された系統電圧と変換器の出力電流を所定の
値に制御する電流制御回路の出力は電圧指令値ベクトル
演算回路３０に送られ、単位変換器３Ａ〜３Ｄが出力す
べき電圧に対応する電圧指令値ベクトルが算出される。
電圧実際値ベクトル選択回路４０は電圧指令値ベクトル
演算回路３０によって算出された電圧指令値ベクトルか
ら、変換器が実際に出力する電圧に対応する電圧実際値
ベクトルを選択する。単位変換器電圧ベクトル決定回路
５０は、電圧実際値ベクトルを各単位変換器が出力すべ
き電圧ベクトルに分解し、各単位変換器のスイッチング
状態を決定する。オン・オフパターン生成回路６０は、
単位電圧ベクトル決定回路５０の出力する各単位変換器
のスイッチング状態に応じて各単位変換器の自己消弧形
素子をオンオフする信号を発生する。
【００３１】更に、図１乃至図８を用いて、第１の実施
の形態の動作を説明する。図２は、図１の電圧指令値ベ
クトル演算回路３０の動作説明図である。電圧検出器１
２で検出した交流系統の線間電圧ＶＬＵＶ，ＶＬＶＷ，
ＶＬＷＵは線間→相変換回路３１によって、以下の演算
がなされ、相電圧ＶＬＵ，ＶＬＶ，ＶＬＷに変換され
る。
【００３２】
【数７】ＶＬＵ＝（２×ＶＬＵＶ＋ＶＬＶＷ）÷３ ＶＬＶ＝（２×ＶＬＶＷ＋ＶＬＷＵ）÷３ ＶＬＷ＝（２×ＶＬＷＵ＋ＶＬＵＶ）÷３ さらに、線間→相変換回路３１によって求められた相電
圧ＶＬＵ，ＶＬＶ，ＶＬＷは三相→二相変換回路３２に
おいて、次式にしたがってＶＬＡとＶＬＢに変換され
る。ただし、Ａ軸をＵ相方向にとり、Ｂ軸をＡ軸より９
０°進んだ軸とする。
【００３３】
【数８】ＶＬＡ＝ＶＬＵ−（ＶＬＶ＋ＶＬＷ）／２ ＶＬＢ＝（ＶＬＶ−ＶＬＷ）×√３／２ 三相→二相変換回路３２の出力ＶＬＡ、ＶＬＢと電流制
御回路１７の出力ＶＣＡ，ＶＣＢは加算器３３において
次式にしたがって加算され、電圧指令値ベクトルのＡ，
Ｂ軸方向成分ＲＶＡ，ＲＶＢが算出される。
【００３４】
【数９】ＲＶＡ＝ＶＬＡ＋ＶＣＡ ＲＶＢ＝ＶＬＢ＋ＶＣＢ 以上の結果として、図３に示す電圧指令値ベクトルが決
定される。
【００３５】図４は単位変換器１台が発生できる出力電
圧で、Ｖ０からＶ６の７通りのベクトルで表すことがで
きる。各ベクトルに対応する自己消弧形スイッチング素
子のスイッチング状態の関係は下記のようになる。
【００３６】 ＧＴＯ５ ＧＴＯ６ ＧＴＯ７ ＧＴＯ８ ＧＴＯ９ ＧＴＯ10 ベクトルＶ０ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ＯＮ ＯＮ または ＯＮ ＯＮ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ベクトルＶ１ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ＯＮ ベクトルＶ２ ＯＮ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ベクトルＶ３ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ ＯＮ ベクトルＶ４ ＯＦＦ ＯＮ ＯＮ ＯＮ ＯＦＦ ＯＦＦ ベクトルＶ５ ＯＦＦ ＯＦＦ ＯＮ ＯＮ ＯＮ ＯＦＦ ベクトルＶ６ ＯＮ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ ＯＮ ＯＦＦ 図５は電力変換器３Ａ〜３Ｄが変圧器１の一次側に発生
できる電圧に対応する実際値電圧ベクトルを表す図であ
る。図５において原点と各黒丸を結ぶベクトルが実際値
ベクトルを表しており、図５では６１通りのベクトルを
表している。
【００３７】図５は、４台の電力変換器３Ａ〜３Ｄが直
列接続された場合の実際値ベクトルを表しているが、直
列接続される電力変換器の台数がことなる場合も、図５
と同様の図で表現することができる。
【００３８】図６は電圧実際値ベクトル選択回路４０の
動作を説明するための図である。電圧指令ベクトル演算
回路３０から出力された電圧指令ベクトルのＡ軸方向成
分ＲＶＡ，Ｂ軸方向成分ＲＶＢは位相角算出回路４１に
入力され、電圧指令ベクトルの位相角ＴＨが下式で演算
される
【００３９】
【数１０】ＲＶＢが正でＲＶＡが（ＲＶＢの絶対値）よ
り大きいとき ＴＨ＝ ｔａｎ−１（ＲＶＢ／ＲＶＡ） ＲＶＢが（ＲＶＡの絶対値）より大きいとき ＴＨ＝−ｔａｎ−１（ＲＶＡ／ＲＶＢ）＋９０° ＲＶＡが−（ＲＶＢの絶対値）より小さいとき ＴＨ＝ｔａｎ−１（ＲＶＢ／ＲＶＡ）＋１８０° ＲＶＢが−（ＲＶＡの絶対値）より小さいとき ＴＨ＝−ｔａｎ−１（ＲＶＢ／ＲＶＡ）＋２７０° ＲＶＢが負でＲＶＡが（ＲＶＢの絶対値）より大きいと
き ＴＨ＝ ｔａｎ−１（ＲＶＢ／ＲＶＡ）＋３６０° 位相角判別回路４２は電圧指令ベクトルの位相角ＴＨを
以下の大小比較により、電圧指令ベクトルが属する６０
度区間を表すＩＴＨを算出する。
【００４０】
【数１１】０°≦ＴＨ＜６０°のとき ＩＴＨ＝０ ６０°≦ＴＨ＜１２０°のとき ＩＴＨ＝１ １２０°≦ＴＨ＜１８０°のとき ＩＴＨ＝２ １８０°≦ＴＨ＜２４０°のとき ＩＴＨ＝３ ２４０°≦ＴＨ＜３００°のとき ＩＴＨ＝４ ３００°≦ＴＨ＜３６０°のとき ＩＴＨ＝５ 位相角判別回路４２の出力ＩＴＨと対応する６０°期間
を表したのが図７である。ＩＴＨは電圧実際値ベクトル
選択回路４０の出力となるとともに、乗算器４３に入力
され、下式でＮＴＨが算出される。
【００４１】
【数１２】ＮＴＨ＝６０°×ＩＴＨ 回転変換回路４４は乗算器４３の出力ＮＴＨに従って、
電圧指令ベクトル（ＲＶＡ、ＲＶＢ）を次式で座標変換
する。
【００４２】
【数１３】ＲＶＡ２＝ ＲＶＡ×ＣＯＳ（ＮＴＨ）＋
ＲＶＢ×ＳＩＮ（ＮＴＨ） ＲＶＢ２＝−ＲＶＡ×ＳＩＮ（ＮＴＨ）＋ ＲＶＢ×Ｃ
ＯＳ（ＮＴＨ） 領域判別回路４５は、回転変換回路４４の出力ＲＶＡ
２，ＲＶＢ２であわらされる電圧指令ベクトルの終点
が、電圧実際値ベクトルの終点を１点ずつ含むように区
分された領域のどこに属するか判別する。図８は電圧実
際値ベクトルの終点を区分した様子を示している。図８
に示したように、原点から順に各終点に座標値（０，
０），（０，１）…（ｉ，ｊ）…を割り振り、各点の属
する領域を区分する直線を次式で表す。
【００４３】
【数１４】ａｉ×Ａ＋ｂｉ×Ｂ＝０ ａｉ＋１×ｂｉ＋１×Ｂ＝０ ａｊ×Ａ＋ｂｊ×Ｂ＝０ ａｊ＋１×ｂｊ＋１＋１×Ｂ＝０ 各領域に対して、境界を区分する直線と（ＲＶＡ２，Ｒ
ＶＢ２）の位置関係を以下の計算により算出する。
【００４４】境界線ａｉ×Ａ＋ｂｉ×Ｂ＝０に対しては
ａｉ×ＲＶＡ２＋ｂｉ×ＲＶＢ２が０より大きければ、
（ＲＶＡ２，ＲＶＢ２）が境界線の上側にある。
【００４５】ａｉ×ＲＶＡ２＋ｂｉ×ＲＶＢ２が０より
小さければ、（ＲＶＡ２，ＲＶＢ２）が境界線の下側に
ある。以上の処理を各境界線について繰り返すことで、
（ＲＶＡ２，ＲＶＢ２）が各領域のどちら側に位置する
かが判明し、最終的に（ＲＶＡ２，ＲＶＢ２）が属する
領域が決定される。決定された領域に含まれる電圧実際
値ベクトルの終点の座標値（ＶＡ，ＶＢ）を選択結果と
して出力する。
【００４６】以上は境界線を直線とし、各終点が４つの
境界線で区分されるとして説明したが、境界線は曲線で
もよく、各終点を区分する境界線も４本でなくてもよ
い。単位変換器電圧ベクトル決定回路５０は電圧実際値
ベクトル選択回路４０の出力であるＶＡ，ＶＢ，ＩＴＨ
から各単位変換器に割り付ける単位変換器電圧ベクトル
のを以下の手順で決定する。
【００４７】ＳＴＥＰ１）単位電圧ベクトルの種類決定 ＩＴＨが５より小さいとき Ｊ＝ＩＴＨ＋１ Ｋ＝ＩＴＨ＋２ ＩＴＨが５に等しいとき Ｊ＝ＩＴＨ＋１ Ｋ＝１ とし、割り付けられる単位変換器電圧ベクトルの種類を
表す数（Ｊ，Ｋ）を決定する。
【００４８】ＳＴＥＰ２）単位変換器電圧ベクトルの数
決定 ベクトルＶＪをＶＡ個 ベクトルＶＫをＶＢ個 とする。ここで、Ｊ、ＫはＳＴＥＰ１で求められた１か
ら６の整数値となり、ＶＪ、ＶＫは図４に示した単位変
換器の発生できる電圧ベクトルのうちの隣り合った２つ
のベクトルを表し、ＶＡ、ＶＢは電圧実際値ベクトル選
択回路４０の出力である電圧実際値ベクトルの終点の座
標値である。以下、簡単のため、Ｊ＝１，Ｋ＝２，ＶＡ
＝１，ＶＢ＝３、つまり、電圧ベクトルの数は、ベクト
ルＶ１が１個、ベクトルＶ２が３個とし、現状の単位変
換器３Ａ〜３Ｄの出力電圧ベクトルが、 単位変換器３Ａ Ｖ１ 単位変換器３Ｂ Ｖ２ 単位変換器３Ｃ Ｖ２ 単位変換器３Ｄ Ｖ１ である場合について説明する。
【００４９】ＳＴＥＰ３）単位変換器電圧ベクトルの指
令の組み生成 単位変換器３Ａ〜３Ｄに割り付ける電圧ベクトルを順に
ならべて単位変換器電圧ベクトルの指令の組みを（Ｖ
１，Ｖ２，Ｖ２，Ｖ２）とする。
【００５０】ＳＴＥＰ４）各単位変換器に割り付けるベ
クトルの決定 単位変換器３Ａの現在の出力電圧ベクトルはＶ１であ
り、単位変換器電圧ベクトルの指令の組みに含まれるの
で、単位変換器３Ａの次回の出力ベクトルをＶ１とし、
単位変換器電圧ベクトル指令の組みからＶ１を除く。 （単位変換器電圧ベクトル指令の組みは（Ｖ２，Ｖ２，
Ｖ２）となる。） 単位変換器３Ｂの現在の出力電圧ベクトルはＶ２であ
り、単位変換器電圧ベクトルの指令の組みに含まれるの
で、単位変換器３Ｂの次回の出力ベクトルをＶ２とし、
単位変換器電圧ベクトル指令の組みからＶ２を除く。 （単位変換器電圧ベクトル指令の組みは（Ｖ２，Ｖ２）
となる。） 単位変換器３Ｃの現在の出力電圧ベクトルはＶ２であ
り、単位変換器電圧ベクトルの指令の組みに含まれるの
で、単位変換器３Ｃの次回の出力ベクトルをＶ２とし、
単位変換器電圧ベクトル指令の組みからＶ２を除く。 （単位変換器電圧ベクトル指令の組みは（Ｖ２）とな
る。） 単位変換器３Ｄの現在の出力電圧ベクトルはＶ１であ
り、単位変換器電圧ベクトルの指令の組みに含まれな
い。単位変換器電圧ベクトルの指令の組みに残っている
電圧ベクトルＶ２を次回の出力ベクトルとしてを割り付
ける。
【００５１】この例では単位変換器電圧ベクトル指令の
組には１つのベクトルしか残っていないが、複数の電圧
ベクトルが残っている場合には最初のベクトルを割り付
ける。
【００５２】オンオフパターン生成回路６０は、前述の
電圧ベクトルとＧＴＯとのスイッチング状態の対応を示
した関係に従って、単位変換器電圧ベクトル決定回路５
０によって出力された単位変換器電圧ベクトルの組を各
ＧＴＯのオンオフパターンに変換する。
【００５３】各ＧＴＯのオンオフパターンはゲートパル
ス発生装置２１に送られ、各ＧＴＯをオンオフさせる。
第１の実施の形態によれば、正弦波状に変化する交流系
統電圧に応じて決まる電圧ベクトルに対して、そのベク
トルの近傍の電圧ベクトルを出力するように変換器が制
御されるので、変圧器１の１次側に正弦波状の電圧を発
生させることができる。また、電圧指令に対応する電圧
ベクトルの終点が、電圧実際値ベクトルの終点を区分す
る領域から別の電圧実際値ベクトルの終点を区分する領
域に移った時だけ変換器のスイッチング動作が起こるの
で、スイッチング動作を必要最低限におさえることがで
き、スイッチング損失を低減した高効率な電力変換器を
実現できる。
【００５４】次に本発明の第２の実施の形態について説
明する。本発明の第２の実施の形態については、電圧実
際値ベクトル選択回路４０以外の構成および動作は、本
発明の第１の実施の形態と同一であり、同一要素につい
てはその説明を省略する。
【００５５】以下、本発明の第２の実施の形態の電圧実
際値ベクトル選択回路４０について説明する。図９は第
２の実施の形態における電圧実際値ベクトル選択回路４
０の構成図である。
【００５６】電圧指令ベクトル演算器３０の出力から、
位相角算出回路４１、位相角判別回路４２、乗算器４
３、回転変換回路４４によって、電圧指令ベクトルに対
応する座標ＲＶＡ２、ＲＶＢ２を得るまでの処理は第１
の実施の形態と同一である。
【００５７】図１０は、電圧実際値ベクトルの選択に用
いる電圧実際値ベクトルの終点を１つずつ含むように分
割された正六角形の領域をしめしている。各領域に電圧
指令ベクトルの終点が含まれた場合、その領域の中心に
位置する電圧実際値ベクトルが電圧指令ベクトルに最も
近いベクトルとなる。この領域分割にもとずいて、電圧
実際値ベクトルの選択を行うための処理について説明す
る。先ず、座標変換回路４６は回転変換回路４４の出力
ＲＶＡ２、ＲＶＢ２を、下式にしたがって座標変換をお
こなう。
【００５８】
【数１５】Ｐ＝２×ＲＶＡ２ Ｑ＝ＲＶＡ２＋√３×ＲＶＢ２ 座標値（Ｐ，Ｑ）は電圧指令ベクトルのそれを含む６０
°区間をなす２つの電圧ベクトルの方向成分に対応して
いる。領域算出回路４７は、座標値（Ｐ，Ｑ）をもとに
下式にしたがって電圧指令ベクトルの先端が存在する領
域を算出する。
【００５９】
【数１６】ＩＰ＝ＩＮＴ（Ｐ） ＩＱ＝ＩＮＴ（Ｑ） ＩＲ＝ＩＮＴ（Ｑ−ＩＱ−Ｐ＋ＩＰ） 上式でＩＮＴ（＊）は整数化演算をあらわす。
【００６０】ＩＰ、Ｑ、ＩＲは、図１０の正六角形の領
域をその領域の中心にある電圧実際値ベクトルの終点と
各頂点をむすんで決まる正三角形の領域（図１１）に１
対１に対応している。したがって、上記演算により、電
圧指令ベクトルの終点が図１１のどの正三角形の領域に
存在するかが算出されたことになる。
【００６１】実際値ベクトル座標算出回路４８はＩＰ，
ＩＱ，ＩＲにもとずいて、実際値ベクトル座標データテ
ーブルを参照し、電圧実際値ベクトルの座標値ＶＡおよ
びＶＢを算出する。
【００６２】以下、第１の実施の形態と同様にして、Ｖ
Ａ、ＶＢ、ＩＴＨが単位変換器電圧ベクトル決定回路５
０、オンオフパターン発生回路６０、ゲート発生回路７
０を経て、各単位変換器のＧＴＯがオンオフされ、変圧
器１の一次巻線１Ｐに系統電圧に対応した正弦波状の電
圧が発生する。
【００６３】図１２は、本実施の形態による変換器の動
作波形を示している。ＶＬＵ、ＶＬＶ、ＶＬＷはそれぞ
れＵＶ相、ＶＷ相、ＷＵ相の系統線間電圧波形、ＶＵＶ
Ａ〜ＶＵＶＤは単位変換器３Ａ〜３ＤのＵＶ相出力電
圧、ＶＵ０はＶＵＶＡ〜ＶＵＶＤを加算した波形、ＶＵ
０は変圧器１の一次巻線１Ｐに発生する相電圧に相当
し、正弦波状の電圧が発生していることがわかる。ま
た、各単位変換器３Ａ〜３Ｄの各ＧＴＯが１周期に１回
だけスイッチング動作を行っており、スイッチングが最
小限となっている。図１２では電流制御系の出力が零の
場合の動作は波形だが、電流制御系を動作させることで
ＰＷＭ動作が付加され、スイッチングが若干ことなる。
【００６４】本発明の第２の実施の形態によれば、正弦
波状に変化する交流系統電圧に応じて決まる電圧指令ベ
クトルに対して、最も近い電圧ベクトルを出力するよう
に変換器が制御されるので、変圧器１の１次側に正弦波
状の電圧を発生させることができる。また、電圧実際値
ベクトルを区分する正六角形の領域を考えることで、煩
雑な距離計算をすることなく、電圧指令ベクトルに最も
近いベクトルを高速に算出することができる。変換器の
スイッチング動作は、電圧指令に対応する電圧ベクトル
の終点が、電圧実際値ベクトルの終点を区分する正六角
形の領域から別の正六角形の領域に移った時だけ起こる
ので、スイッチング動作を必要最低限におさえることが
でき、スイッチング損失を低減した高効率な電力変換器
を実現できる。
【００６５】次に本発明の第３の実施の形態について説
明する。本発明の第３の実施の形態については、電圧実
際値ベクトル選択回路４０以外の構成および動作は、本
発明の第１の実施の形態と同一であり、同一要素につい
てはその説明を省略する。
【００６６】以下、本発明の第３の実施の形態の電圧実
際値ベクトル選択回路４０について説明する。図１３は
第３の実施の形態における電圧実際値ベクトル選択回路
４０の構成図である。
【００６７】電圧指令ベクトル演算器３０の出力から、
位相角算出回路４１、位相角判別回路４２、乗算器４
３、回転変換回路４４によって、電圧指令ベクトルに対
応する座標ＲＶＡ２、ＲＶＢ２を得るまでの処理は第１
の実施の形態と同一である。
【００６８】図１４は、電圧実際値ベクトルの選択に用
いる電圧実際値ベクトルの終点を１つずつ含むように分
割された菱形の領域をしめしている。各領域に電圧指令
ベクトルの終点が含まれた場合、その領域の中心に位置
する電圧実際値ベクトルが電圧指令ベクトルに最も近い
ベクトルとなる。この領域分割にもとずいて、電圧実際
値ベクトルの選択を行うための処理について説明する。
先ず、座標変換回路４６１は下式にしたがって座標変換
をおこなう。
【００６９】
【数１７】ＲＶＡ３＝ＲＶＡ２−１／√３×ＲＶＢ２ ＲＶＢ３＝２／√３×ＲＶＢ２ 座標値（ＲＶＡ３，ＲＶＢ３）は電圧指令ベクトルのそ
れを含む６０°区間をなす２つの電圧ベクトル方向の直
線に対して、電圧指令ベクトルの終点から、その２つの
電圧ベクトル方向の直線に平行な直線をひくことできま
る交点の原点からの距離にあたる。領域算出および実際
値ベクトル座標算出回路４８１は下式で電圧実際値ベク
トル座標値ＶＡ，ＶＢを算出する。
【００７０】
【数１８】ＶＡ＝ＩＮＴ（ＲＶＡ３＋０．５） ＶＢ＝ＩＮＴ（ＲＶＢ３＋０．５） 上式でＩＮＴ（＊）は整数化演算をあらわす。
【００７１】以下、第１の実施の形態と同様にして、Ｖ
Ａ，ＶＢ、ＩＴＨが単位変換器電圧ベクトル決定回路５
０、オンオフパターン発生回路６０、ゲート発生回路７
０を経て、各単位変換器のＧＴＯがオンオフされ、変圧
器１の一次巻線１Ｐに系統電圧に対応した正弦波状の電
圧が発生する。
【００７２】本発明の第３の実施の形態によれば、正弦
波状に変化する交流系統電圧に応じて決まる電圧指令ベ
クトルに対して、その電圧ベクトルの近傍の電圧ベクト
ルを出力するように変換器が制御されるので、変圧器１
の１次側に正弦波状の電圧を発生させることができる。
また、電圧実際値ベクトルを区分する菱形の領域を考え
ることで、煩雑な距離計算もデータテーブルも必要とせ
ず、電圧指令ベクトルに対応した実際値ベクトルを高速
に算出することができる。また、菱形の領域を用いた場
合、電圧指令ベクトルの振幅が微小に変化しても、それ
に応じて得られるスイッチングパターンが変化し、良好
な電流制御特性が得られる。
【００７３】さらに、電圧指令に対応する電圧ベクトル
の終点が、電圧実際値ベクトルの終点を区分する領域か
ら別の領域に移った時だけ変換器のスイッチング動作が
起こるので、スイッチング動作を必要最低限におさえる
ことができ、スイッチング損失を低減した高効率な電力
変換器を実現できる。
【００７４】次に本発明の第４の実施の形態について説
明する。図１５は本発明の第４の実施の形態の構成図で
ある。図において７０は変圧器二次巻線２Ａから変圧器
二次巻線２Ｄの各々の巻線に鎖交する磁束がバランスす
るように制御する磁束バランス制御回路である。８０は
変圧器二次巻線２Ａから２Ｄに鎖交する磁束に相当する
量を検出する磁束検出回路である。
【００７５】図１６は磁束検出回路８０の構成図であ
る。磁束検出回路８０は磁束センサ８０１〜磁束センサ
８０３と、磁束センサ８０１〜磁束センサ８０３の出力
の差を算出する減算器８０４〜８０６とからなる。ここ
では変圧器二次巻線２Ａについてのみの結果を示した
が、変圧器二次巻線２Ｂ〜２Ｄに対しても同様の構成と
する。
【００７６】次に、第４の実施の形態の動作を説明す
る。図１５において、電圧実際値ベクトル選択回路４０
によって、出力すべき電圧実際値ベクトルが決定される
までの動作は第１の実施の形態と同一であるため説明を
省略する。
【００７７】磁束バランス制御回路７０は、先ず、磁束
検出回路から出力されたＵＶ相磁束とＶＷ相磁束の差に
相当する量、ＶＷ相磁束とＷＵ相磁束の差に相当する
量、ＷＵ相磁束とＵＶ相磁束の差に相当する量それぞれ
の大小の順序を決定し、次に、第１の実施の形態で説明
したのと同様にして、ベクトル選択回路の出力ＶＡ、Ｖ
Ｂ、ＩＴＨから、各単位変換器が出力すべき単位変換器
電圧ベクトルの指令の組を算出する。次に以下の論理に
したがって、単位変換器の出力すべき単位変換器電圧ベ
クトルの組を単位変換器３Ａ〜３Ｄに割り付ける。
【００７８】ＳＴＥＰ０）電圧ベクトル指令の組の最初
のベクトルをチェックし、出力電圧ベクトルの組が空な
らば終了する。あるいは、単位変換器電圧ベクトルの指
令の組みの最初のベクトルがベクトルＶ０である場合
は、出力が割り当てられていない残りの変換器にすべて
ベクトルＶ０を割り付け、終了する。
【００７９】ＳＴＥＰ１）ＩＴＨが前回の単位変換器電
圧ベクトル割付け時と同じ場合は、電圧ベクトル指令の
組の最初のベクトルをチェックし、現在の割り付けられ
ているベクトルの中に同じベクトルがあれば、その変換
器の次回の出力も同じベクトルとし、単位変換器電圧ベ
クトルの指令の組からそのベクトルを除く。
【００８０】ＳＴＥＰ２）ＩＴＨが前回の単位変換器電
圧ベクトル時から変化した場合は、電圧ベクトル指令の
組の最初のベクトルをチェックし、そのベクトルがベク
トルＶ１である時、３Ａから３Ｄの変換器のうち、それ
ぞれの変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄに鎖交するＵＶ相磁束
とＷＵ相磁束の差に相当する量ＦＵＶＡ−ＦＷＵＡ、Ｆ
ＵＶＢ−ＦＷＵＢ、ＦＵＶＣ−ＦＷＵＣ、ＦＵＶＤ−Ｆ
ＷＵＤが最小の変換器にベクトルＶ１を割り付ける。
【００８１】ベクトルＶ２である時、３Ａから３Ｄの変
換器のうち、それぞれの変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄに鎖
交するＷＵ相磁束とＵＶ相磁束の差に相当する量ＦＶＷ
Ａ−ＦＷＵＡ、ＦＶＷＢ−ＦＷＵＢ、ＦＶＷＣ−ＦＷＵ
Ｃ、ＦＶＷＤ−ＦＷＵＤが最大の変換器にベクトルＶ２
を割り付ける。
【００８２】ベクトルＶ３である時、３Ａから３Ｄの変
換器のうち、それぞれの変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄに鎖
交するＶＷ相磁束とＵＶ相磁束の差に相当する量ＦＶＷ
Ａ−ＦＵＶＡ、ＦＶＷＢ−ＦＵＶＢ、ＦＶＷＣ−ＦＵＶ
Ｃ、ＦＶＷＤ−ＦＵＶＤが最小の変換器にベクトルＶ３
を割り付ける。
【００８３】ベクトルＶ４である時、３Ａから３Ｄの変
換器のうち、それぞれの変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄに鎖
交するＷＵ相磁束とＵＶ相磁束の差に相当する量ＦＷＵ
Ａ−ＦＵＶＡ、ＦＷＵＢ−ＦＵＶＢ、ＦＷＵＣ−ＦＵＶ
Ｃ、ＦＷＵＤ−ＦＵＶＤが最大の変換器にベクトルＶ４
を割り付ける。
【００８４】ベクトルＶ５である時、３Ａから３Ｄの変
換器のうち、それぞれの変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄに鎖
交するＷＵ相磁束とＶＷ相磁束の差に相当する量ＦＷＵ
Ａ−ＦＶＷＡ、ＦＷＵＢ−ＦＶＷＢ、ＦＷＵＣ−ＦＶＷ
Ｃ、ＦＷＵＤ−ＦＶＷＤが最小の変換器にベクトルＶ５
を割り付ける。
【００８５】ベクトルＶ６である時、３Ａから３Ｄの変
換器のうち、それぞれの変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄに鎖
交するＵＶ相磁束とＶＷ相磁束の差に相当する量ＦＵＶ
Ａ−ＦＶＷＡ、ＦＵＶＢ−ＦＶＷＢ、ＦＵＶＣ−ＦＶＷ
Ｃ、ＦＵＶＤ−ＦＶＷＤが最大の変換器にベクトルＶ６
を割り付ける。
【００８６】ＳＴＥＰ３）ＳＴＥＰ０へ戻る。そして、
オンオフパターン生成回路６０は、磁束バランス制御回
路７０によって出力された単位変換器電圧ベクトルの組
を各ＧＴＯのオンオフパターンに変換する。
【００８７】各ＧＴＯのオンオフパターンはゲートパル
ス発生装置２１に送られ、各ＧＴＯをオンオフさせる。
図１７は系統事故等により、系統電圧が高調波により歪
んだ場合の、本実施の形態の運転波形を示す。図１７に
おいて、ＶＬＵ，ＶＬＶ，ＶＬＷは各系統相電圧を、Ｆ
ＵＶＡ，ＦＶＷＡ，ＦＷＵＡは１段目の単位変換器の磁
束をあらわしている。磁束の量に応じて単位変換器の電
圧ベクトルを決定しているので、系統電圧が大きく歪ん
でも、磁束が一定値以下に制御されている。
【００８８】このように本発明の第４の実施の形態によ
れば、正弦波状に変化する交流系統電圧に応じて決まる
電圧ベクトルに対して、そのベクトルの近傍の電圧ベク
トルを出力するように変換器が制御されるので、変圧器
１の１次側に正弦波状の電圧を発生させることができ
る。また、電圧指令に対応する電圧ベクトルの終点が、
電圧実際値ベクトルの終点を区分する領域から別の電圧
実際値ベクトルの終点を区分する領域に移った時だけ変
換器のスイッチング動作が起こるので、スイッチング動
作を必要最低限におさえることができ、スイッチング損
失を低減した高効率な電力変換器を実現できる。さら
に、変圧器二次巻線に鎖交する磁束に相当する量にもと
ずいて、変圧器二次巻線に鎖交する磁束が各単位変換器
間でバランスするように制御しているため、二次巻線に
かかる電圧に直流分が生じないように制御できる。従っ
て、系統事故等により系統電圧が大きく歪んだときも、
変圧器が飽和することなく変換器の運転を継続できる。
【００８９】次に本発明の第５の実施の形態について説
明する。本発明の第５の実施の形態は、本発明の第２の
実施の形態に本発明の第４の実施の形態と同一の磁束バ
ランス制御回路を付加したものである。
【００９０】第５の実施の形態によれば、正弦波状に変
化する交流系統電圧に応じて決まる電圧指令ベクトルに
対して、最も近い電圧ベクトルを出力するように変換器
が制御されるので、変圧器１の１次側に正弦波状の電圧
を発生させることができる。また、電圧実際値ベクトル
を区分する正六角形の領域を考えることで、煩雑な距離
計算をすることなく、電圧指令ベクトルに最も近いベク
トルを高速に算出することができる。変換器のスイッチ
ング動作は、電圧指令に対応する電圧ベクトルの終点
が、電圧実際値ベクトルの終点を区分する正六角形の領
域から別の正六角形の領域に移った時だけ起こるので、
スイッチング動作を必要最低限におさえることができ、
スイッチング損失を低減した高効率な電力変換器を実現
できる。さらに、変圧器二次巻線に鎖交する磁束に相当
する量にもとずいて、変圧器二次巻線に鎖交する磁束が
各単位変換器間でバランスするように制御しているた
め、二次巻線にかかる電圧に直流分が生じないように制
御できる。したっがて、系統事故等により系統電圧が大
きく歪んだときも、変圧器が飽和することなく変換器の
運転を継続できる。
【００９１】次に本発明の第６の実施の形態について説
明する。本発明の第６の実施の形態は本発明の第３の実
施の形態に本発明の第４の実施の形態と同一の磁束バラ
ンス制御回路を付加したものである。
【００９２】第６の実施の形態によれば、正弦波状に変
化する交流系統電圧に応じて決まる電圧指令ベクトルに
対して、その電圧ベクトルの近傍の電圧ベクトルを出力
するように変換器が制御されるので、変圧器１の１次側
に正弦波状の電圧を発生させることができる。また、電
圧実際値ベクトルを区分する菱形の領域を考えること
で、煩雑な距離計算もデータテーブルも必要とせず、電
圧指令ベクトルに対応した実際値ベクトルを高速に算出
することができる。また、菱形の領域を用いた場合、電
圧指令ベクトルの振幅が微小に変化しても、それに応じ
て得られるスイッチングパターンが変化し、良好な電流
制御特性が得られる。
【００９３】さらに、電圧指令に対応する電圧ベクトル
の終点が、電圧実際値ベクトルの終点を区分する領域か
ら別の領域に移った時だけ変換器のスイッチング動作が
起こるので、スイッチング動作を必要最低限におさえる
ことができ、スイッチング損失を低減した高効率な電力
変換器を実現できる。さらに、変圧器二次巻線に鎖交す
る磁束に相当する量にもとずいて、変圧器二次巻線に鎖
交する磁束が各単位変換器間でバランスするように制御
しているため、二次巻線にかかる電圧に直流分が生じな
いように制御できる。したっがて、系統事故等により系
統電圧が大きく歪んだときも、変圧器が飽和することな
く変換器の運転を継続できる。
【００９４】以上、変圧器二次巻線に鎖交する磁束に相
当する量を検出する手段として、請求項７の磁束センサ
を用いる方式について説明したが、以下に述べる請求項
８〜９の磁束に相当する量を検出する方式を用いてもよ
い。
【００９５】図１８は請求項８に記載の変圧器二次巻線
に鎖交する磁束に相当する量を検出する手段を用いた場
合の構成図である。電圧検出回路９１は変圧器二次巻線
２Ａ〜２Ｄの各相巻線に印可される電圧を検出し、磁束
演算回路９２は、その電圧をそれぞれ不完全積分する。
不完全積分の時定数は変圧器二次巻線に鎖交する磁束の
消失特性に合わせておく。
【００９６】本実施の形態によれば、磁束センサに比べ
て設置の容易な電圧検出器をもちいて変圧器二次巻線に
鎖交する磁束に相当する量をえることができ、請求項４
〜６の効果を得ることができる。
【００９７】図１９は請求項９に記載の変圧器二次巻線
に鎖交する磁束に相当する量を検出する手段を用いた場
合の構成図である。直流電圧検出器９３は直流電源４の
出力電圧を検出し、出力電圧演算回路９４は直流電圧検
出器９５の出力とオンオフ生成回路６０の出力であるス
イッチングパターンから変圧器二次巻線２Ａ〜２Ｄの各
相巻線に印可される電圧を算出する。その演算結果は、
磁束演算回路９２におくられ、変圧器二次巻線に鎖交す
る磁束に相当する量が算出される。
【００９８】本実施の形態によれば、直流電圧制御のた
めに通常設置ずみの電圧検出器を用いて磁束に相当する
量を算出することができ、新たに電圧検出器を設置する
こと無しに、請求項４〜請求項６の効果を得ることがで
きる。また、直流電源４の直流電圧を制御する直流電圧
制御が十分速い応答を持っている場合は、直流電圧検出
値の代わりに直流電圧指令値を用いてもよい。
【００９９】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次巻線が接
続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接続して出
力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変換装置に
おいて、変圧器の一次巻線が接続される交流系統電圧を
検出し、その交流系統電圧に応じて決定される電圧指令
ベクトルに近接する電圧ベクトルを電力変換器が出力す
るように制御されるので、交流系統電圧に対応した正弦
波状の出力電圧を得ることができる。さらに、電力変換
器が出力できる電圧ベクトルの終点を１つずつ含む領域
を考え、交流系統電圧に対応した電圧指令ベクトルの終
点が属する領域に対応する出力電圧を選択するので、電
圧指令ベクトルの終点がある領域から別の領域に移った
時だけスイッチング動作がおこり、スイッチング動作が
最低限に押さえられる。したがって、スイッチング損失
を低減した高効率な電力変換装置がえられる。
【０１００】また、変圧器の二次巻線に鎖交する磁束に
相当する量を検出して、磁束に相当する量の大きさに応
じて単位変換器の自己消弧形スイッチング素子のオンオ
フ制御を行うことで、変圧器の二次巻線に鎖交する磁束
がバランスするように制御しているため、二次巻線にか
かる電圧に直流分が生じないように制御できる。したが
って、系統の地絡事故などにより系統電圧が大幅に歪ん
でも、変圧器が飽和することなく変換器の運転を継続す
ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電力変換装置のブ
ロック図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の指令値電圧ベクト
ル演算回路のブロック図。
【図３】電圧指令値ベクトルを表す図。
【図４】単位変換器が発生できる電圧ベクトルを表す
図。
【図５】変圧器一次巻線１Ｐに変換器３Ａ〜３Ｄが発生
できる出力可能電圧ベクトルを表す図。
【図６】第１の実施の形態の電圧実際値ベクトル選択回
路のブロック図。
【図７】位相角判別回路の出力ＩＴＨと電圧ベクトルの
存在する領域の対応を表す図。
【図８】第１の実施の形態で使用する電圧実際値ベクト
ルの区分領域図。
【図９】第２の実施の形態の電圧実際値ベクトル選択回
路のブロック図。
【図１０】第２の実施の形態で使用する電圧実際値ベク
トルの区分領域図。
【図１１】第２の実施の形態の領域算出回路の動作説明
図。
【図１２】第２の実施の形態の動作波形図。
【図１３】第３の実施の形態の電圧実際値ベクトル選択
回路のブロック図。
【図１４】第３の実施の形態で使用する電圧実際値ベク
トルの区分領域図。
【図１５】第４の実施の形態の電力変換装置のブロック
図。
【図１６】請求項７の磁束検出回路のブロック図。
【図１７】第４の実施の形態の動作波形図。
【図１８】請求項８の磁束演算器を用いた場合の実施の
形態を表すブロック図。
【図１９】請求項９の磁束演算器を用いた場合の実施の
形態を表すブロック図。
【図２０】本発明が適用できる主回路構成の一例を示す
図。
【図２１】従来の電力変換装置のブロック図。
【図２２】従来の動作波形図。
【符号の説明】
１・・・・変圧器 １Ｐ・・・・変圧器一次巻線 ２Ａ〜２Ｄ・・・・変圧器二次巻線 ３Ａ〜３Ｄ・・・・単位変換器 ４・・・・直流電源 ５〜１０・・・・ＧＴＯ １１・・・・電源系統 １２・・・・系統電圧検出器 １３、３１・・・・線間電圧相電圧変換回路 １４、３２・・・・三相二相変換回路 １５、４１・・・・位相角算出回路 １６・・・・三角波発生回路 １７・・・・電流制御回路 １８、３３、３４・・・・加算器 １９・・・・二相三相変換回路 ２０・・・・クロスポイント検出回路 ２１・・・・ゲートパルス発生回路 ３０・・・・電圧指令ベクトル演算回路 ４０・・・・電圧実際値ベクトル選択回路 ４２・・・・位相角判別回路 ４３・・・・乗算器 ４４・・・・回転変換回路 ４５・・・・領域判別回路 ４６・・・・座標変換回路 ４７・・・・領域算出回路 ４８・・・・実際値ベクトル座標算出回路 ４６１・・・座標変換回路 ４８１・・・領域および実際値ベクトル座標算出回路 ５０・・・・単位変換器電圧ベクトル決定回路 ６０・・・・オン・オフパタン生成回路 ７０・・・・磁束バランス制御回路 ８０・・・・磁束検出回路 ８０１、８０２、８０３・・・・磁束センサ ８０４、８０５、８０６・・・・減算器 ９１・・・・電圧検出回路 ９２・・・・磁束演算回路 ９３・・・・直流電圧検出回路 ９４・・・・出力電圧演算回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 7/21 H02J 3/18

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 自己消弧形スイッチング素子をブリッジ
    接続して成り、直流を交流に変換する複数の単位変換器
    と、前記複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次
    巻線が接続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接
    続して出力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変
    換装置において、 前記直列接続された一次巻線に接続される交流系統の電
    圧を検出し、この検出電圧にもとづいて、前記一次巻線
    に出力すべき電圧の電圧指令値ベクトルを演算する手段
    と、 前記一次巻線に出力できる出力可能電圧ベクトルの始点
    を原点にとり、前記出力可能電圧ベクトルの終点で各ベ
    クトルを表現した平面を前記出力可能電圧ベクトルの終
    点を１つずつ含む領域に分割し、前記いずれかの領域に
    前記電圧指令値ベクトルの終点が含まれる場合、その領
    域にふくまれる終点で表される出力可能電圧ベクトル
    を、実際に出力する電圧の電圧実際値ベクトルとして選
    択する手段と、 前記電圧実際値ベクトルにもとづいて、前記複数の単位
    変換器それぞれが出力する電圧の単位変換器電圧ベクト
    ルを決定する手段と、 前記単位変換器電圧ベクトルにもとづいて、自己消弧形
    スイッチング素子のオンオフ指令を演算する手段を備え
    たことを特徴とする電力変換装置。
  2. 【請求項２】 自己消弧形スイッチング素子をブリッジ
    接続して成り、直流を交流に変換する複数の単位変換器
    と、前記複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次
    巻線が接続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接
    続して出力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変
    換装置において、 前記直列接続された一次巻線に接続される交流系統の電
    圧を検出し、この検出電圧にもとづいて、前記一次巻線
    に出力すべき電圧の電圧指令値ベクトルを演算する手段
    と、 前記一次巻線に出力できる出力可能電圧ベクトルの始点
    を原点にとり、前記出力可能電圧ベクトルの終点で各ベ
    クトルを表現した平面を前記出力可能電圧ベクトルの終
    点を１つずつ含む正六角形の領域に分割し、前記いずれ
    かの正六角形の領域に前記電圧指令値ベクトルの終点が
    含まれる場合、その領域にふくまれる終点で表される出
    力可能電圧ベクトルを、実際に出力する電圧の電圧実際
    値ベクトルとして選択する手段と、 前記電圧実際値ベクトルにもとづいて、前記複数の単位
    変換器それぞれが出力する電圧の単位変換器電圧ベクト
    ルを決定する手段と、 前記単位変換器電圧ベクトルにもとづいて、自己消弧形
    スイッチング素子のオンオフ指令を演算する手段を備え
    たことを特徴とする電力変換装置。
  3. 【請求項３】 自己消弧形スイッチング素子をブリッジ
    接続して成り、直流を交流に変換する複数の単位変換器
    と、前記複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次
    巻線が接続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接
    続して出力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変
    換装置において、 前記直列接続された一次巻線に接続される交流系統の電
    圧を検出し、この検出電圧にもとづいて、前記一次巻線
    に出力すべき電圧の電圧指令値ベクトルを演算する手段
    と、 前記一次巻線に出力できる出力可能電圧ベクトルの始点
    を原点にとり、前記出力可能電圧ベクトルの終点で各ベ
    クトルを表現した平面を前記単位変換器が発生できる６
    種類の電圧ベクトルの方向で６つの区間に分割し、前記
    ６つの区間をその区間に隣接した２種類の電圧ベクトル
    と平行な直線をもちいて、前記出力可能電圧ベクトルの
    終点を１つずつ含む領域に分割し、前記いずれかの領域
    に前記電圧指令値ベクトルの終点が含まれる場合、その
    領域にふくまれる終点で表される出力可能電圧ベクトル
    を、実際に出力する電圧の電圧実際値ベクトルとして選
    択する手段と、 前記電圧実際値ベクトルにもとづいて、前記複数の単位
    変換器それぞれが出力する電圧の単位変換器電圧ベクト
    ルを決定する手段と、 前記単位変換器電圧ベクトルにもとづいて、自己消弧形
    スイッチング素子のオンオフ指令を演算する手段を備え
    たことを特徴とする電力変換装置。
  4. 【請求項４】 自己消弧形スイッチング素子をブリッジ
    接続して成り、直流を交流に変換する複数の単位変換器
    と、前記複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次
    巻線が接続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接
    続して出力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変
    換装置において、 前記直列接続された一次巻線に接続される交流系統の電
    圧を検出し、この検出電圧にもとづいて、前記一次巻線
    に出力すべき電圧の電圧指令値ベクトルを演算する手段
    と、 前記一次巻線に出力できる出力可能電圧ベクトルの始点
    を原点にとり、前記出力可能電圧ベクトルの終点で各ベ
    クトルを表現した平面を前記出力可能電圧ベクトルの終
    点を１つずつ含む領域に分割し、前記いずれかの領域に
    前記電圧指令値ベクトルの終点が含まれる場合、その領
    域にふくまれる終点で表される出力可能電圧ベクトル
    を、実際に出力する電圧の電圧実際値ベクトルとして選
    択する手段と、 前記複数の単位変換器に接続された前記複数の変圧器の
    二次巻線に鎖交する磁束に相当する量をえる手段と、 前記電圧実際値ベクトルと前記複数の変圧器の二次巻線
    の磁束に相当する量にもとづいて、前記複数の単位変換
    器それぞれが出力する電圧の単位変換器電圧ベクトルを
    決定する手段と、 前記単位変換器電圧ベクトルにもとづいて、自己消弧形
    スイッチング素子のオンオフ指令を演算する手段を備え
    たことを特徴とする電力変換装置。
  5. 【請求項５】 自己消弧形スイッチング素子をブリッジ
    接続して成り、直流を交流に変換する複数の単位変換器
    と、前記複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次
    巻線が接続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接
    続して出力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変
    換装置において、 前記直列接続された一次巻線に接続される交流系統の電
    圧を検出し、この検出電圧にもとづいて、前記一次巻線
    に出力すべき電圧の電圧指令値ベクトルを演算する手段
    と、 前記一次巻線に出力できる出力可能電圧ベクトルの始点
    を原点にとり、前記出力可能電圧ベクトルの終点で各ベ
    クトルを表現した平面を前記出力可能ベクトルの終点を
    １つずつ含む正六角形の領域に分割し、前記いずれかの
    正六角形の領域に前記電圧指令値ベクトルの終点が含ま
    れる場合、その領域にふくまれる終点で表される出力可
    能電圧ベクトルを、実際に出力する電圧の電圧実際値ベ
    クトルとして選択する手段と、 前記複数の単位変換器に接続された前記複数の変圧器の
    二次巻線に鎖交する磁束に相当する量をえる手段と、 前記電圧実際値ベクトルと前記複数の変圧器の二次巻線
    の磁束に相当する量にもとづいて、前記複数の単位変換
    器それぞれが出力する電圧の単位変換器電圧ベクトルを
    決定する手段と 前記単位変換器電圧ベクトルにもとづいて、自己消弧形
    スイッチング素子のオンオフ指令を演算する手段を備え
    たことを特徴とする電力変換装置。
  6. 【請求項６】 自己消弧形スイッチング素子をブリッジ
    接続して成り、直流を交流に変換する複数の単位変換器
    と、前記複数の単位変換器の交流端子にそれぞれの二次
    巻線が接続され、それぞれの一次巻線を各相毎に直列接
    続して出力を取り出す複数の変圧器で構成された電力変
    換装置において、 前記直列接続された一次巻線に接続される交流系統の電
    圧を検出し、この検出電圧にもとづいて、前記一次巻線
    に出力すべき電圧の電圧指令値ベクトルを演算する手段
    と、 前記一次巻線に出力できる出力可能電圧ベクトルの始点
    を原点にとり、前記出力可能電圧ベクトルの終点で各ベ
    クトルを表現した平面を前記単位変換器が発生できる６
    種類の電圧ベクトルの方向で６つの区間に分割し、前記
    ６つの区間をその区間に隣接した２種類の電圧ベクトル
    と平行な直線をもちいて、前記出力可能電圧ベクトルの
    終点を１つずつ含む領域に分割し、前記いずれかの領域
    に前記電圧指令値ベクトルの終点が含まれる場合、その
    領域にふくまれる終点で表される出力可能電圧ベクトル
    を、実際に出力する電圧の電圧実際値ベクトルとして選
    択する手段と、 前記複数の単位変換器が接続された前記複数の変圧器の
    二次巻線に鎖交する磁束に相当する量をえる手段と、 前記電圧実際値ベクトルと前記複数の変圧器の二次巻線
    の磁束する相当を量にもとづいて、前記複数の単位変換
    器それぞれが出力する電圧の単位変換器電圧ベクトルを
    決定する手段と前記単位変換器電圧ベクトルにもとづい
    て、自己消弧形スイッチング素子のオンオフ指令を演算
    する手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
  7. 【請求項７】 前記複数の単位変換器に接続された前記
    複数の変圧器の二次巻線に鎖交する磁束相当量をえる手
    段は、 前記複数の変圧器の各二次巻線の磁路に設置された二次
    巻線に鎖交する磁束を検出する磁束センサを用いるを特
    徴とする請求項４乃至請求項６のいずれかに記載の電力
    変換装置。
  8. 【請求項８】 前記複数の単位変換器に接続された前記
    複数の変圧器の二次巻線に鎖交する磁束相当量をえる手
    段は、 前記変圧器の各二次巻線に印加される電圧を検出する電
    圧検出手段と、前記電圧検出手段の出力を不完全積分す
    る不完全積分手段とからなり、 前記不完全積分手段の時定数を前記変圧器の各二次巻線
    の鎖交磁束の消失特性に合わせ、前記不完全積分器の出
    力から前記変圧器の各二次巻線に鎖交する磁束に相当す
    る量を得ることを特徴とする請求項４乃至請求項６のい
    ずれかに記載の電力変換装置。
  9. 【請求項９】 前記複数の単位変換器に接続された前記
    複数の変圧器の二次巻線に鎖交する磁束相当量をえる手
    段は、前記電力変換装置の直流電圧を検出する電圧検出
    手段と、この電圧検出手段の出力と前記単位変換器の自
    己消弧形スイッチング素子のオンオフ指令とから前記単
    位変換器の交流出力電圧に相当する量を演算する演算手
    段と、前記交流出力電圧に相当する量を不完全積分する
    不完全積分手段とからなり、 前記不完全積分手段の時定数を前記変圧器の各二次巻線
    の鎖交磁束の消失特性に合わせ、前記不完全積分器の出
    力から前記変圧器の各二次巻線に鎖交する磁束に相当す
    る量を得ることを特徴とする請求項４乃至請求項６のい
    ずれかに記載の電力変換装置。
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