JP5176006B2 - 電圧形コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、広くには、電圧形コンバータに関する。より詳しくは、本発明は、送電システムに関して送電要素の間に接続される電圧形コンバータに関する。

相レグに設けられた縦列の電圧形コンバータに基づく電圧形コンバータが、最近では発展してきている。これらは、ＡＣおよびＤＣの間の変換のために組み合わせることができる不連続な電圧レベルをもたらす。ここで、各々のセルは、ハーフブリッジ・コンバータ・セルを形成するように２つのスイッチング素子と直列に接続されるエネルギー貯蔵要素（典型的には、コンデンサ）で構成される。これらのセルは、典型的には２つの接続端子を有し、第１の接続端子が、２つのスイッチング素子の間の接続点に設けられ、第２の接続端子が、一方のスイッチング素子と、エネルギー貯蔵要素との間の接続点に設けられる。ハーフブリッジセルに第２の端子を配置することが、セルの種類を定め、一方のスイッチング素子とエネルギー貯蔵要素との間の接続点に配置することが可能である。したがって、第１のそのような接続点へ第２の端子を配置することが、第１の種類のハーフブリッジセルを定める一方で、第２の接続点へ第２の接続端子を配置することが、第２の種類のセルを定める。

これらの種類のセルは、独国特許発明第１０１０３０３１号明細書の電圧形コンバータに関して概ね説明されている。さらに、この文献は、どのようにして同じ種類のハーフブリッジセルを相レグにペアにて設けることができるのかを開示しており、ペアの一方のセルが或る向きを有し、ペアの他方のセルが反対の向きを有している。これは、ペアの第１のセルの第１の端子が、このペアの第２のセルの第２の端子へと接続されることを意味する。

同じ原理を説明している他の文献が、「Ａ ｎｅｗ ｍｏｄｕｌａｒ ｖｏｌｔａｇｅ ｓｏｕｒｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏｐｏｌｏｇｙ」，ｂｙ Ａ Ｌｅｓｎｉｃａｒ ａｎｄ Ｒ Ｍａｒｑｕａｒｄｔ，ＵＮＩＶ．ＢＵＮＤＥＳＷ．ＮＥＵＢＩＢＥＲＧ ２００３，ＸＰ００２４４７３６５，１０^ｔｈ Ｅｕｒｏｐｅａｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２−４ Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ，２００３，Ｔｏｕｌｏｕｓｅ，Ｆｒａｎｃｅ、ならびに「Ｍｏｄｕｌａｒｅｓ Ｓｔｒｏｍｒｉｃｈｔｅｒｋｏｎｚｅｐｔ ｆｉｉｒ Ｎｅｔｚｋｕｐｐｌｕｎｇｓａｎｗｅｎｄｕｎｇ ｂｅｉ ｈｏｈｅｎ Ｓｐａｎｎｕｎｇｅｎ」 ｂｙ Ｒａｉｎｅｒ Ｍａｒｑｕａｒｄｔ，Ａｎｔｏｎ Ｌｅｓｎｉｃａｒ ａｎｄ Ｊｉｉｒｇｅｎ Ｈｉｌｄｉｎｇｅｒ，ＵＮＩＶ．ＢＵＮＤＥＳＷ．ＮＥＵＢＩＢＥＲＧ ２００２，ＸＰ００２４４７３６０，Ｂａｄ−Ｎａｕｅｎｈｅｉｍ，Ｇｅｒｍａｎｙである。

この分野を説明しているさらなる文献が、電力コンバータにおけるバルブレグ電流の制御に関する国際公開第２００７／０３３８５２号パンフレット、ならびに循環電流を規制する電圧形コンバータにおける制御を説明している国際公開第２００８／０６７７８５号パンフレットである。これら後者の文献の両方において、お互いに対して同じ向きを有する同じ種類のセルが使用されている。

上述のモジュール式のコンバータ構造は、適切な変換能力を提供する。しかしながら、少ない追加のコストで向上した機能が可能であり、簡素化されるようにこの構造を変更することが、有利であると考えられる。

本発明の１つの目的は、簡単なやり方で向上した機能の提供を可能にする変更された構造を有する電圧形コンバータを提供することにある。

この目的は、本発明の第１の態様によれば、送電システムに関する送電要素の間に接続される電圧形コンバータであって、
各々が第１および第２の端点を有しており、第１および第２の端点を介して互いに接続されている一群の相レグと、
相レグを送電要素へと接続するための少なくとも３つの接続端子と、
各々の相レグに関するセルの第１のグループと、
セルの第２のグループと
を備え、
第１のグループのセルが、コンバータの動作に単極性の電圧寄与だけをもたらすことができ、そのような単極性の電圧寄与だけをもたらすことができるように相レグにも接続され、
第２のグループのセルが、第１のグループの対応するセルへと接続され、コンバータの動作に両極性の電圧寄与をもたらすことができるように構成される電圧形コンバータによって達成される。

本発明は、いくつかの利点を有する。本発明によれば、コンバータの動作の基本的な機能には直接関与しないが、コンバータの問題のうちのいくつかを取り除き、またはコンバータの機能を向上させるセルを、基本的な機能をもたらすセルとともに設けることができる。このやり方で、電圧形コンバータをモジュール式の電圧形コンバータとして提供することが可能である。したがって、一方のグループのセルを必要とされる基本的な機能に基づいて選択し、他方のグループのセルを所望の追加の機能に基づいて選択することが可能である。これは、制御信号の生成も簡単にする可能性がある。なぜならば、基本的なコンバータの機能または任意の他の追加の機能を考慮する必要なく、制御信号を、追加の機能を取り扱うためだけに形成することができ、あるいは逆もまた然りであるからである。このようにして、実際のコンバータの設計、ならびにそれに使用される制御の仕組みの両方が簡単化される。さらに、これは追加の構成要素およびソフトウェアの形態のわずかな追加のコストで行われる。

第２のグループは、両極性の電圧寄与能力を有する少なくとも１つのセルを含むことができる。また、第２のグループは、少なくとも２つのセルを含んでもよく、少なくとも２つのセルの各々が、単極性の電圧寄与能力を有するとともに、第１のグループのセルへの接続において互いに反対の向きを有する。

種類および向きごとのセルの数が、すべての相レグにおいて同じであってもよい。各々の相レグが正および負のアームを備える場合には、種類および向きごとのセルの数は、各々の相レグの２つのアームにおいても同じであってもよい。

さらに、相レグに組み合わせられた第２のグループの少なくとも１つのセルを、対応する相レグの端点の間に接続することが可能である。ここで、このセルを、問題の相レグ内に接続することができる。接続ブランチを介して相レグに接続することも可能である。

相レグをコンバータの２つの直流端子の間に並列に接続してもよく、各々の相レグが、正および負のアームを備えてもよい。

第２のグループの少なくとも１つのセルを、接続端子と相レグの中間点との間を延びる接続ブランチを介して第１のグループのセルへと接続することができる。第２のグループの少なくとも１つのセルを、接続端子を少なくとも１つの相レグの一端に接続する接続ブランチを介して第１のグループのセルへと接続することができる。

この電圧形コンバータは、電圧形コンバータの動作を制御すべくセルへと制御信号をもたらすように構成された制御ユニットをさらに備えることができる。制御ユニットを、第２のグループのセルへと制御信号をもたらして、これらのセルにコンバータの動作を向上させるための追加のＡＣ電圧の供給を実行させるように構成してもよい。接続端子のうちの３つがＡＣ接続端子であってもよく、また、制御ユニットを、第２のグループの少なくとも一部のセルへと制御信号をもたらして、これらのセルにすべてのＡＣ接続端子への第３高調波零相の提供を実行させるように構成することができる。制御信号を、コンバータの無効電力能力を向上させるように第２のグループの少なくとも一部のセルへともたらすこともできる。さらに、これらのセルに相レグ間の電流循環を相殺する共通のＡＣ電圧寄与の供給を実行させるように、制御信号を第２のグループの少なくとも一部のセルへともたらしてもよい。

各々のセルは、１つのエネルギー貯蔵要素に並列なスイッチング素子の第１のグループを含んでもよく、この第１のグループのスイッチング素子を、互いに直列に接続してもよい。さらに、各々のスイッチング素子は、トランジスタを逆並列ダイオードとともに備えることができる。第２のグループのセルが、またエネルギー貯蔵要素に並列なスイッチング素子の第２のグループを含んでもよい。

以下に、本発明を、添付の図面を参照しつつ説明する。

本発明による電圧形コンバータを備えてもよい直流送電システムを概略的に示している。 共通の制御ユニットによって制御される４つの可変の電圧源を各々が備えている、いくつかの並列の相レグを有している本発明の第１の実施形態による第１の種類の電圧形コンバータを概略的に示している。 制御される電圧源がいくつかのセルとして実現されている第１の種類による電圧形コンバータを概略的に示している。 第１の種類のセルの構造を概略的に示している。 第２の種類のセルの構造を概略的に示している。 第３の種類のセルの構造を概略的に示している。 接続端子を相レグに接続するブランチに接続された可変の電圧源を有している本発明の第２の実施形態による第１の種類の電圧形コンバータを概略的に示している。

以下に、本発明による装置および方法の好ましい実施形態を詳細に説明する。

図１に、本発明による電圧形コンバータを使用してもよい簡単な高電圧送電システム１０が概略的に示されている。送電システム１０は、直流送電システム１０であってもよく、したがって例えばＨＶＤＣ（高電圧直流）送電システムであってもよい。本発明が、そのようなシステムに限られず、他の種類の送電システムに関して使用してもよいことを理解すべきである。

図において、第１の変圧器１４へとつながる第１のＡＣ電力線１２が存在している。第１の変圧器１４が、ＡＣ電圧をＤＣ電圧へと整流する整流装置１６に接続されている。さらに、この整流装置１６が、ＤＣ送電線２０へと接続され、さらにＤＣ送電線２０が、ＤＣ電力をＡＣ電力へと変換するインバータ１８につながっている。さらに、インバータ１８が、第２の変圧器２２へと接続されている。さらに、第２の変圧器２２が、第２のＡＣ電力線２４へと接続されている。整流装置１６およびインバータ１８は、さらに接地へと接続されている。

図１に示されているシステムは、いわゆる単極システムであってよい。しかしながら、以下の説明においては、両極システムに関して説明を行う。ここで、インバータおよび整流装置の両方を、本発明による電圧形コンバータとして設けることが可能である。

ここで、本発明による電圧形コンバータを設けることができる環境が、図１のシステムに限られないことを理解すべきである。このシステムは、あくまでも例示にすぎない。例えば、本発明による電圧形コンバータを、例えば２つのＡＣ送電システムの位相を互いに合わせるために使用されるＨＶＤＣ折り返しシステム、グリッド型のＤＣ送電システム、およびＦＡＣＴＳ（フレキシブルＡＣ送電システム）システムのためのＳＶＣ（静止型無効電力補償装置）に設けることも可能である。

上述のように、図１のシステムは、本発明の原理に従って設けられる１つまたは複数の電圧形コンバータを備える。

図２が、図１の整流装置１６またはインバータ１８のいずれかまたは両方として設けてもよい本発明の第１の実施形態による第１の種類の電圧形コンバータ２６の実施例を概説する概略ブロック図を示している。ここで、電圧形コンバータ２６は、相互接続された一群の相レグを備えている。相レグは、より詳しくは、２つのＤＣ端子ＤＣ＋およびＤＣ−の間に並列に接続されている。ここに示されている実施例では、ＡＣ系統が三相ＡＣ送電システムであるため、そのような相レグが３つ存在している。しかしながら、例えば相レグが２つだけでもよいことを理解すべきである。各々の相レグは、上述の相互接続が達成されるための第１および第２の端点を有している。これらの種類のコンバータにおいて、すべての相レグの第１の端点が、第１の接続ブランチを介して第１のＤＣ端子ＤＣ＋へと接続され、第２の端点が、第２の接続ブランチを介して第２のＤＣ端子ＤＣ−へと接続されている。このように、電圧形コンバータが、変圧器および電力線など、送電システムに関する送電要素の間に接続されるように設けられることが明らかである。

さらに、この第１の種類の電圧形コンバータ２６の各々の相レグは、互いに接続された正および負のアームを備えており、これらのアームが出会う接続点（相レグの中間点）に、ＡＣ端子が設けられている。ここで、この例示の電圧形コンバータ２６においては、正のアームｐ１および負のアームｎ１を有する第１の相レグと、正のアームｐ２および負のアームｎ２を有する第２の相レグと、正のアームｐ３および負のアームｎ３を有する第３の相レグとが存在している。第１の相レグの正および負のアームの間の接続点に、第１のＡＣ端子ＡＣ１が設けられている。第２の相レグの正および負のアームの間の接続点に、第２のＡＣ端子ＡＣ２が設けられ、第３の相レグの正および負のアームの間の接続点に、第３のＡＣ端子ＡＣ３が設けられている。ここで、各々のＡＣ端子が、インダクタＬＡＣ１、ＬＡＣ２、ＬＡＣ３を含む接続ブランチを介して対応する相レグへと接続されている。ここで、各々のアームは、１つのインダクタＬｐ１、Ｌｎ１、Ｌｐ２、Ｌｎ２、Ｌｐ３、およびＬｎ３をさらに備えている。この実施形態においては、これらのインダクタが、対応するＤＣ端子のＤＣ＋およびＤＣ−へと接続されている。さらに、各々のアームが、制御のための共通の制御ユニット２８へと接続された２つの可変電圧源Ｕ１ｐ１、Ｕ２ｐ１、Ｕ１ｎ１、Ｕ２ｎ１、Ｕ１ｐ２、Ｕ２ｐ２、Ｕ１ｎ２、Ｕ２ｎ２、Ｕ１ｐ３、Ｕ２ｐ３、Ｕ１ｎ３、およびＵ２ｎ３を備えている。ここでは、これらの電圧源の制御が、制御ユニット２８から可変電圧源へと延びている破線の一方向の矢印によって示されている。

時間変化する電圧を、通常は、ＤＣ成分およびＡＣ成分などの種々の成分へと分けることができる。ここで、ＡＣ成分は、基本ＡＣ成分ならびに高調波ＡＣ成分を含むことができる。制御可能な電圧源を使用して相レグにおいてそのような電圧成分をもたらすことが可能である。

共通の制御ユニット２８が、必要とされる機能を得るために電圧源を制御する。ここで、可変電圧源は、単極性の電圧寄与能力を有する第１の種類の電圧源および両極性の電圧寄与能力を有する第２の種類の電圧源である。ここで、単極性の電圧寄与能力は、ただ１つの極性（負または正のいずれかの極性）を有する電圧の供給を意味する。単極性の電圧寄与能力を有する制御された電圧形コンバータは、常にＤＣの寄与をもたらし、したがってＡＣ／ＤＣ変換などのＤＣ成分に関するコンバータの応用に使用することができる。ここで、両極性の電圧寄与能力は、２つの極性の電圧（すなわち、正および負の両方の電圧）を供給する能力を意味する。これにより、この種の制御可能な電圧源を、ＤＣ電圧の寄与が存在しないコンバータの応用に使用することが可能になる。両方の種類の可変電圧源は、コンデンサなどのエネルギー貯蔵要素に蓄えられたエネルギーに基づいて電圧をもたらし、したがってコンデンサを囲んでいる円で象徴的に表わされている。第１の種類の制御可能な電圧源は、１つの極性の電圧の寄与しかもたらすことができないため、円の左側に位置して第１のＤＣ端子ＤＣ＋の方を向いている一方向の矢印の使用によって象徴的に表わされている。しかしながら、第２の種類の制御可能な電圧源は、両極性の電圧寄与能力を有するため、円の左側の両方向の矢印の使用によって象徴的に表わされている。見て取ることができるとおり、電圧形コンバータ２６は、各々のアームに第１の種類の可変電圧源（すなわち、単極性の電圧寄与能力を有する可変電圧源）Ｕ１ｐ１、Ｕ１ｎ１、Ｕ１ｐ２、Ｕ１ｎ２、Ｕ１ｐ３、およびＵ１ｎ３を備えており、各々のアームに第２の種類の可変電圧源（すなわち、両極性の電圧寄与能力を有する可変電圧源）Ｕ２ｐ１、Ｕ２ｎ１、Ｕ２ｐ２、Ｕ２ｎ２、Ｕ２ｐ３、およびＵ２ｎ３を備えている。

さらに、可変の電圧源は、本発明によれば、電圧形コンバータセル、または（例えば、直列に）互いに接続された電圧形コンバータセルの形態で実現される。このことは、図３によって例示されているが、この図３は、図２の第１の種類の電圧形コンバータの相レグと同じ相レグを示しているが、各々のレグの電圧源がいくつかの電圧形コンバータセルまたは一続きの電圧形コンバータセルによって置き換えられていることを示している。さらに、この実施例では、レグが対称である、すなわちレグが、レグ間、およびレグのアーム間でも同じやり方で分布した同数のコンバータセルを備えている。さらに、セルは、異なる種類のセルでもよい。セルの種類の混合は、相レグ同士で同じであってもよく、ここでは各々の相レグのアーム同士でも同じであってもよい。しかしながら、アームにおけるセルの位置は、アームごとに異なってもよい。したがって、種類および向きごとのセルの数が、すべての相レグについて同じである。種類および向きごとのセルの数は、さらに相レグのすべてのアームについても同じであってよい。

この実施例では、各々のアームに３つのセルが存在する。すなわち、第１の相レグの正のアームが、３つのセルＣ１ｐ１、Ｃ２ｐ１、およびＣ３ｐ１を備える一方で、第１の相レグの負のアームが、３つのセルＣ１ｎ１、Ｃ２ｎ１、およびＣ３ｎ１を備えている。同様のやり方で、第２の相レグの正のアームが、３つのセルＣ１ｐ２、Ｃ２ｐ２、およびＣ３ｐ２を備える一方で、第２の相レグの負のアームが、３つのセルＣ１ｎ２、Ｃ２ｎ２、およびＣ３ｎ２を備えている。最後に、第３の相レグの正のアームが、３つのセルＣ１ｐ３、Ｃ２ｐ３、およびＣ３ｐ３を備える一方で、第３の相レグの負のアームが、３つのセルＣ１ｎ３、Ｃ２ｎ３、およびＣ３ｎ３を備えている。数は、ここでは本発明の原理を例示するために選ばれているにすぎない。各々の相レグにさらに多くのセルを有することも、多くの場合に一般的である。

セルは、単極性の電圧成分寄与能力を有し、すなわち一方の極性（正または負）の電圧の寄与だけをもたらすことができ、この単極性の電圧寄与能力だけが有効にされるように接続されている第１のグループのセルであってよい。また、セルは、両極性の電圧寄与能力を有するように接続され、すなわち正および負の両方となることができる電圧の寄与をもたらすことができるように接続された第２のグループのセルであってよい。このグループのセルは、両極性の電圧寄与能力を有するセルを含むことができる。しかしながら、このグループは、単極性の電圧寄与能力を有するが、両極性の電圧寄与能力を有するように相レグの端点の間に接続されるセルも含んでもよい。そのような接続は、典型的には、単極性の電圧寄与能力を有するが、相レグまたは相レグのアームにおいても、同じ種類であるが反対の向きを有する２つまたは１対のセルを配置することによって実施される。図３に示されているセルの各々は、共通の制御ユニット（図示されていない）によって制御される。したがって、各々が電圧形コンバータの全体としての動作に寄与するための制御信号を受信する。

図４が、第１の種類の制御可能な電圧源をもたらすために使用してもよい第１の種類のコンバータセルＣＣＡを概略的に示している。セルＣＣＡは、ハーフブリッジ・コンバータ・セルであり、２つのスイッチング素子を含むブランチに並列に接続されたコンデンサＣ１Ａの形態のエネルギー貯蔵要素を含んでおり、半導体素子の形態で実現することができる。その半導体素子はトランジスタで、好ましくは、逆並列ダイオードを備えるＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）であってもよい。したがって、図４においては、第１のスイッチング素子が、第１のトランジスタＴ１Ａを有しており、図において上向きである第１のダイオードＤ１Ａが、トランジスタＴ１Ａのエミッタとコレクタとの間に並列に接続されている。また、第２のスイッチング素子が、第１のスイッチング素子に直列に接続され、また、第１のダイオードＤ１Ａと同じ向きを有するとともに、第２のトランジスタＴ２Ａのエミッタとコレクタとの間に並列に接続された第２のダイオードＤ２Ａを有している。このセルは、このセルに電圧形コンバータの相レグへの接続をそれぞれもたらす第１の接続端子ＴＥ１Ａ、および第２の接続端子ＴＥ２Ａを有している。より詳しくは、この第１の種類のセルにおいて、第１の接続端子ＴＥ１Ａが、相レグから第１および第２のスイッチング素子の間の接続点への接続を提供する一方で、第２の端子ＴＥ２Ａが、相レグから第２のスイッチング素子とコンデンサＣ１Ａとの間の接続点への接続を提供する。

図５が、第１の種類と同じ種類の構成要素を有しており、同じやり方で相互接続されている第２の種類のハーフブリッジ・コンバータ・セルＣＣＢを概略的に示している。すなわち、ここでは、第１のトランジスタＴ１Ｂと第１の逆並列ダイオードＤ１Ｂとを有する第１のスイッチング素子が、第２のトランジスタＴ２Ｂと第２の逆並列ダイオードＤ２Ｂとを有する第２のスイッチング素子に直列に存在している。これらのスイッチング素子に並列に、コンデンサＣ１Ｂが存在し、ブランチにおいて、この第２の種類のセルの第１のスイッチング素子は、第１の種類のセルの第１のスイッチング素子と同じ位置および向きを有し、この第２の種類の第２のスイッチング素子は、第１の種類のセルの第２のスイッチング素子と同じ位置および向きを有している。さらに、ここでは、第１の端子ＴＥ１Ｂが、相レグと、第１および第２のスイッチング素子の間の接続点との間の接続をもたらしている。しかしながら、第１の種類のセルとは反対に、第２の端子ＴＥ２Ｂが、ここでは相レグと、第１のスイッチング素子とコンデンサＣ１Ｂとの間の接続点との間の接続をもたらしている。

第１および第２の種類のセルは、常にＤＣ成分を供給し、したがってＡＣおよびＤＣの間の変換に使用してもよい。したがって、これらのセルは両方とも、単極性の電圧寄与能力を有し、実際の電圧の寄与は、どのようにスイッチが動作させられるか、およびセルが相レグにおいてどのように向けられているかに依存する。これらのセルにおいて、一度に１つのスイッチング素子だけがオンにされるべきであり、それが行われるとき、特定の種類のセルが、或る向きで接続されているとき、正の寄与をもたらし、あるいはいかなる寄与ももたらさず（すなわち、ゼロの電圧の寄与をもたらし）、反対の向きで接続されているとき、負の寄与をもたらす。ここで、寄与は、コンデンサの両端間の電圧である。

図６が、同じ種類の構成要素を備えており、すなわち第１および第２のスイッチング素子（逆並列の第１および第２のダイオードＤ１ＣおよびＤ２Ｃを備える第１および第２のトランジスタＴ１ＣおよびＴ２Ｃをそれぞれ含んでいる）をコンデンサＣ１Ｃに並列に設けられたブランチに備えている第３の種類のコンバータセルＣＣＣを概略的に示している。これらは、第１および第２の種類のセルと同じやり方で設けられている。しかしながら、ここでは、互いに直列の第３および第４のスイッチング素子が存在し、これらのスイッチング素子が、コンデンサＣ１Ｃに並列に設けられたさらなるブランチの、逆並列の第３のダイオードＤ３Ｃを備える第３のトランジスタＴ３Ｃ、および逆並列の第４のダイオードＤ４Ｃを備える第４のトランジスタＴ４Ｃによってもたらされている。上述のように、ここでも第１の端子ＴＥ１Ｃが、相レグと、第１および第２のスイッチング素子の間の接続点との間の接続をもたらしている。しかしながら、第２の端子ＴＥ２Ｃは、ここでは相レグと、第３および第４のスイッチング素子の間の接続点との間の接続をもたらしている。第１および第２の種類の要素と反対に、このセルＣＣＣは、単極性の電圧寄与能力ではなく、両極性の電圧寄与能力を有している。ここで、このセルは、スイッチング素子の切り換えに基づき、正、負、またはゼロの電圧の寄与をもたらす。例えば、第１および第４のスイッチング素子が同時にオンにされる場合、或る１つの極性を有する電圧の寄与がもたらされる一方で、第２および第３のスイッチング素子が同時にオンにされる場合、反対の極性を有する電圧の寄与がもたらされる。ここでも、寄与はコンデンサの両端間の電圧である。第１および第３のスイッチング素子、または第２および第４のスイッチング素子が同時にオンにされる場合、電圧の寄与は存在しない。

さらに、第１および第２の種類のセルを、上述の意味での両極性の電圧寄与能力をもたらすように接続することができる。これは、同じアームにおいて同じ種類の２つのセルを接続することを必要とし、すなわち２つのセルがペアを形成することを必要とする。そのとき、２つのセルは反対の向きを有する。これは、ペアの一方のセルの第１の端子ＴＥ１を、このセルの第２の端子ＴＥ２よりも、相レグの一方の端点の近くに接続することができる一方で、ペアの他方のセルの第２の端子ＴＥ２が、この他方のセルの第１の端子ＴＥ１と比べ、相レグの同じ端点の近くに接続されることを意味する。

このセルの組み合わせは、事実上、第３の種類のセルの機能と同じ機能をもたらす。ここで、ペアのセルが必ずしも互いに直接接続される必要がなく、間に他のセルが接続されてもよいことを理解すべきである。しかしながら、それらを互いに接続された状態に保つことが好ましいかもしれない。

本発明は、電圧形コンバータにおけるセルの組み合わせに関する。これは、電圧形コンバータの機能の改善を可能にする。この改善された機能は、好都合なことに、追加のＡＣ電圧の供給を含むことができる。ここで、電圧形コンバータは、図２に示したとおりの第１の種類の電圧形コンバータであってもよい。

本発明によれば、電圧形コンバータの各々の相レグに、２つのグループの少なくとも一方のセルが設けられる。本発明によれば、各々の相レグが、単極性の電圧寄与だけが可能な単極性セルの第１のグループのセルを含む。それらは、さらに、単極性の電圧寄与だけを作り出すことができるように相レグにおいて接続されている。本発明によれば、電圧形コンバータが、第２のグループのセルも含み、それらのセルが、第１のグループのセルへと接続され、両極性の電圧寄与能力を有するように配置される。したがって、セルの第１のグループが、第１の種類の制御可能な電圧源を形成するために使用される一方で、セルの第２のグループが、第２の種類の制御可能な電圧源を形成するために使用される。すでに述べたように、これらのグループが、電圧形コンバータにおいて組み合わせられる。これは、本発明のいくつかの実施形態によれば、ＡＣおよびＤＣの間の変換のための第１の種類の電圧形コンバータにおいて、各々の相レグ、およびここでは、各々の相レグの各々のアームもが、第１のグループの少なくとも１つのセルを含んでいる。さらに、第２のグループの少なくとも１つのセルが、第１のグループのセルに接続されて存在する。ここで、第２のグループのセルは、第３の種類の少なくとも１つのセルを含むことができる。第２のグループのセルは、さらに、第１のグループのセルへの接続においてお互いに関して反対の向きを有する第１または第２の種類の少なくとも２つのセルを含むことができる。

次に、本発明の第１の実施形態による電圧形コンバータにおけるセルの使用を、図２および図３を参照してさらに詳しく説明する。

この第１の実施形態においては、第２のグループの少なくとも１つのセルが、相レグの２つの端点の間に接続される。本発明の第１の実施形態においては、この接続が、第２のグループのそのようなセルを相レグへと実際に接続することを含む。コンバータの種類および必要とされる環境に応じて、異なるグループのセルの数は、さまざまであってよい。例えば、電圧形コンバータが、ＨＶＤＣシステムのインバータまたは整流装置として備えられる場合、通常は第１のグループに多数のセルが存在すると考えられ、通常の基本的な変換動作に必要な数が存在する一方で、所望される追加の機能の種類に応じた第２のグループのいくつかのセルが存在する。

これは、本発明の第１の実施形態のように、電圧形コンバータがＨＶＤＣコンバータである場合、第１のグループのセルが基本的な機能のために設けられる一方で、第２のグループが性能の向上のために設けられることを意味する。例えばＨＶＤＣインバータにおいて、電圧の実際の変換／整流に寄与しないが、むしろ性能を向上させるセルを備えてもよい。

本発明の変形形態によるコンバータのあくまでも一実施例として、正のアームが、第１の種類の第１のセルと、第２の種類の第２のセルと、第３の種類の第３のセルとを含んでもよく、第１および第２のセルが、第１のグループにあって、通常の動作、すなわち通常の変換／整流動作に関与する。したがって、これらのセルは、第１の種類の制御可能な電圧源をもたらす。しかしながら、第３のセルは、電圧形コンバータの動作を向上させるための第２のグループに備えられる。したがって、ここでは、このセルが、第２の種類の制御可能な電圧形コンバータをもたらす。ここで、負のアームのセルも、正のアームのセルと同じ種類であってよく、通常は同じ種類であり、同じグループにて設けられてよく、通常は同じグループにて設けられることを述べるべきである。

通常のコンバータの動作は、相レグの正のアームの第１の種類の電圧源Ｕ１ｐ１、Ｕ１ｐ２、およびＵ１ｐ３を、各々が所望の正のＤＣ電圧に対応するＤＣ成分および所望のＡＣ電圧の半分に相当するＡＣ成分をもたらすように制御することを含んでもよい。ここで、各々のアームのセルＣ１ｐ１、Ｃ２ｐ１、Ｃ１ｐ２、Ｃ２ｐ２、Ｃ１ｐ３、Ｃ２ｐ３が、ＤＣ成分およびＡＣ成分に対応する電圧の寄与を協働してもたらすように時間において制御される。負のアームの第１の種類の各々の電圧源Ｕ１ｎ１、Ｕ１ｎ２、Ｕ１ｎ３が、各々が所望の負のＤＣ電圧に対応するＤＣ成分、および所望のＡＣ電圧の残りの半分に相当するＡＣ成分をもたらすように制御される。これは、セルＣ１ｎ１、Ｃ２ｎ１、Ｃ１ｎ２、Ｃ２ｎ２、Ｃ１ｎ３、およびＣ２ｎ３を上述した原理と同じ原理に従って制御することによって行われる。このやり方で、所望のＡＣ電圧がＡＣ端子ＡＣ１、ＡＣ２、およびＡＣ３にもたらされる一方で、正のＤＣ電圧を第１のＤＣ端子ＤＣ＋に、負のＤＣ電圧を第２のＤＣ端子ＤＣ−に、もたらすことができる。

コンバータ２６の第１の種類の電圧源が、ここでは、２つの方向のコンバータの動作のために制御されてもよい。ＡＣ電圧がＡＣ端子ＡＣ１、ＡＣ２、およびＡＣ３に加えられる場合に、ＤＣ電圧が生成される一方で、ＤＣ電圧がＤＣ端子ＤＣ＋およびＤＣ−の間に加えられる場合、三相のＡＣ電圧が端子ＡＣ１、ＡＣ２、およびＡＣ３に生成される。このように、第１の種類の可変の電圧源は、両方向の変換を助ける電圧をもたらし、すなわちＡＣからＤＣへの変換、およびＤＣからＡＣへの変換の両方を助ける。ここで、制御ユニット２８が、三角形の搬送波を使用するＰＷＭ変調に基づいて制御信号を生成してもよい。この形式の変換を、既知のやり方で、有効電力の双方向の移動をもたらすために使用してもよい。これが、第１の種類の電圧形コンバータにおける第１の種類の制御可能な電圧源の基本的な機能である。

図２および図３の第１の実施形態による装置の動作の第１の実施例においては、第２のセルグループのセルが、電圧形コンバータのＡＣ側へと無効電力を付加または除去するために使用されている第２の種類の制御可能な電圧源を形成する。これを、ＡＣ網を安定させるために行うことができる。これは、本発明の一変形形態によれば、制御回路がこの機能を実施するセル、すなわち第３の種類のセル（ここでは、セルＣ３ｐ１、Ｃ３ｎ１、Ｃ３ｐ２、Ｃ３ｎ２、Ｃ３ｐ３、Ｃ３ｎ３）に対して、正のアームのセルＣ３ｐ１、Ｃ３ｐ２、Ｃ３ｐ３に所望のＡＣ寄与の半分の供給を実行させ、負のアームのセルＣ３ｎ１、Ｃ３ｎ２、Ｃ３ｎ３に所望のＡＣ寄与の残りの半分の供給を実行させる制御信号を供給することによって行われる（所望のＡＣ寄与は、基本的な変換に使用されるものと同じ周波数および位相を有し、全体としての寄与が、ＡＣ端子ＡＣ１、ＡＣ２、およびＡＣ３への無効電力の寄与である。電力の寄与は、正の寄与、すなわちコンバータのＡＣ側への無効電力の付加であってよく、または負の寄与、すなわちコンバータのＡＣ側からの無効電力の除去であってよい。

別の実施例として、同じセルを、第３高調波零相に関するＡＣ電圧成分をもたらすように制御される。したがって、正のアームの第３の種類のセルが、第３高調波ＡＣ電圧の半分に相当するＡＣ寄与をもたらしてもよい一方で、負のアームの第３の種類のセルが、第３高調波ＡＣ電圧の残りの半分に相当するＡＣ寄与をもたらしてもよい。このやり方で、ＡＣ端子に第３高調波零相をもたらすことができる。これは、変調範囲の向上を可能にする。すなわち、変調指数が、そのような付加によって高められる。例えば、１つの第３高調波が加えられる場合、２／√３の変調指数を得ることができる。

本発明の別の変形形態によれば、第２のグループのセルが、相レグにおける循環ＡＣ電流を取り除くために使用される。循環電流は、セルのコンデンサのリップルによって引き起こされる。これが、本発明の一変形形態によれば、制御ユニット２８が正および負のアームのセルへと制御信号をもたらし、これらのアームに、各々の相レグに現れる補正のＡＣ電圧の寄与の供給を実行させることによって対処される。ここで、相レグのＡＣ寄与の合計はゼロであり、したがってコンバータのＤＣ側にはＡＣ寄与が現れない。また、各々の相レグのＡＣ寄与は、対応するＡＣ端子において互いに打ち消し合うように選択され、したがってＡＣ端子にもＡＣ寄与が現れない。このやり方で、ＡＣ側の電流、位相角、ならびにコンデンサのリアクタンスに依存しない共通の電圧寄与を、各々の相レグにもたらすことができる。結果として、これらの寄与が、前記セルのコンデンサのリップルによって引き起こされるＤＣ側のＡＣ信号を相殺する。

ここで、第２のグループの一部分を追加の機能のうちの１つに専用にすることができる一方で、別の一部分が別の追加の機能に専用にされることを、さらに理解すべきである。したがって、所望される追加の機能の各々について、第２のグループのセルの部分集合が存在できる。

これらは、本発明について考えられるいくつかの変形形態にすぎなかった。得られるものは、第２のグループのセルを第１のグループのセルと組み合わせることで、コンバータの動作の基本的な機能には直接関与しないが、コンバータの問題のうちのいくつかを取り除き、またはコンバータの機能を向上させるセルを、もたらすことができることである。そのような問題の除去の実施例は、循環電流の除去である。機能の向上の実施例は、零相第３高調波の除去および付加、ならびに無効電力の除去および付加である。このやり方で、電圧形コンバータの動作における問題に対処でき、電圧形コンバータの動作を向上させることができる。さらに、これが、追加の構成要素およびソフトウェアの形態のわずかな追加のコストで行われる。セルが使用されるため、電圧形コンバータをモジュール式の電圧形コンバータとして提供することも可能である。したがって、必要とされる基本的な機能に基づいて第１のグループのセルを選択し、次いで必要とされる追加の機能の数および種類に基づいて残りのグループのセルを加えることができる。特定の機能に専用のセルを有することで、セルのグループまたはセルのグループの部分集合へともたらされる制御信号を、基本的なコンバータの機能、または任意の他の追加の機能を考慮する必要なく、この機能を取り扱うためだけに形成することができるため、制御信号が簡素化される。したがって、実際のコンバータの設計、ならびにそれに使用される制御の仕組みの両方が簡単化される。これにより、セルを、それらがもたらすべき機能に最適化することが可能になる。

ここで、第２のグループのセルで構成された第２の種類の制御可能な電圧源が、相レグに設けられることに限られないことを理解すべきである。そのような電圧源を、電圧形コンバータにおいて、相レグと端子との間の接続ブランチ（例えば、ＤＣ接続ブランチ）に設けることも可能であり、すなわちＡＣ端子と、相レグの正および負のアームの間の接続点との間を延びる接続ブランチに設けることが可能であり、またはそのような接続ブランチを介して設けることが可能であり、あるいはＤＣ端子接続ブランチに設けることが可能であり、すなわちＤＣ端子を並列な相レグの一端に接続する接続ブランチに設けることが可能である。この状況が、本発明の第２の実施形態による第２の種類のコンバータを示している図７に示されている。本発明のこの第２の実施形態によるコンバータと、本発明の第１の実施形態によるコンバータとの間の相違は、第２の種類の制御可能な電圧源ＵＡＣ１、ＵＡＣ２、およびＵＡＣ３が、ＡＣ端子ＡＣ１、ＡＣ２、およびＡＣ３につながる各々の接続ブランチに設けられると同様に、第２の種類の制御可能な電圧源ＵＤＣ＋およびＵＤＣ−が、ＤＣ端子へとつながる第１および第２の接続ブランチに設けられている点にある。したがって、ＡＣ端子へとつながる接続ブランチならびに／あるいは、むしろＤＣ端子へとつながる接続ブランチに第２のグループのセルを接続することが可能であるかもしれない。このように、第２のグループのセルを、ＡＣ端子を相レグの正および負のアームの間の接続点に接続する接続ブランチに配置できるとともに、ＤＣ端子を相レグの一端に接続する接続ブランチを介して相レグに接続することができる。これらのセルを、対称に設けてもよく、すなわちＡＣ端子へとつながる１つの接続ブランチがセルを有する場合、他のＡＣ端子に導く残りのブランチも、同じ種類のセルを有する。これを、ＤＣ端子へとつながる接続ブランチについても当てはめることができる。したがって、接続ブランチのセルを、好都合なことに、第３高調波の付加／除去、または無効電力の付加／除去を実施するために設けることができる。したがって、実施例として、ＡＣ端子へとつながる接続ブランチのセルが、第３高調波の付加／除去に使用され、ＤＣ端子へとつながる接続ブランチのセルが、無効電力の付加／除去に使用され、逆もまた然りである。相レグに配置される第２のグループのセルを、循環ＡＣ電流の除去に使用することも可能である。ここで、ＤＣ端子へとつながる接続ブランチのセルが、典型的には対応する相レグのアームのセルと同じやり方で設けられる、すなわち所望のＡＣ電圧寄与の半分に相当するＡＣ成分をもたらすと考えられることをさらに理解すべきである。しかしながら、ＡＣ端子へとつながる接続ブランチのセルは、対照的に、所望のＡＣ電圧寄与の全体をもたらすと考えられる。

すでに述べた変形形態の他に、本発明について行うことが可能ないくつかの変形形態が存在する。例えば、第２の実施形態において、相レグならびに２種類の接続ブランチのうちの一方から第２のグループのセルを省略することが可能であることを理解すべきである。また、接続ブランチならびに相レグからインダクタを省略することも可能である。相レグのインダクタが、図示の位置とは別の位置を有することもできる。例えば、むしろ中間点に接続されるように設けることが可能である。

セルに使用される半導体素子が、ＩＧＢＴとして説明された。サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴトランジスタ、ＧＴＯ（ゲート・ターンオフ・サイリスタ）、および水銀アーク整流器など、他の種類の半導体素子も使用可能であることを理解すべきである。さらに、さまざまな種類のセルの数およびそれらの向きは、所望の機能および電圧レベルに応じ、多数のやり方でさまざまであってよい。

制御ユニットは、必ずしも本発明の電圧形コンバータの一部として設けられる必要はない。制御ユニットは、電圧形コンバータへと制御信号をもたらす別の装置として設けることが可能である。さらには、この制御ユニットを、付随のプログラムメモリを備えるプロセッサの形態で実現することができ、プログラムメモリが、プロセッサ上で実行されたときに所望の制御機能を実施するコンピュータ・プログラム・コードを含むことができる。

以上の説明から、本発明を多数のやり方で変更できることが明らかである。したがって、本発明が、以下の特許請求の範囲以外の何物によっても限定されないことを理解すべきである。

Claims (14)

1. 送電システム（１０）に関する送電要素（１４、２０、２２）の間に接続される電圧形コンバータ（２６）であって、
   各々の相レグが第１および第２の端点を有し、該端点を介して相互接続が実現される一群の相レグと、
   前記相レグを前記送電要素へと接続するための少なくとも３つの接続端子（ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３、ＤＣ＋、ＤＣ−）と、
   各々の相レグに関するセル（Ｃ１ｐ１、Ｃ２ｐ１、Ｃ１ｎ１、Ｃ２ｎ１、Ｃ１ｐ２、Ｃ２ｐ２、Ｃ１ｎ２、Ｃ２ｎ２、Ｃ１ｐ３、Ｃ２ｐ３、Ｃ１ｎ３、Ｃ２ｎ３）の第１のグループと、
   セル（Ｃ３ｐ１、Ｃ３ｎ１、Ｃ３ｐ２、Ｃ３ｎ２、Ｃ３ｐ３、Ｃ３ｎ３）の第２のグループと、
   制御装置（２８）と
   を備え、
   前記第１のグループの前記セル（Ｃ１ｐ１、Ｃ２ｐ１、Ｃ１ｎ１、Ｃ２ｎ１、Ｃ１ｐ２、Ｃ２ｐ２、Ｃ１ｎ２、Ｃ２ｎ２、Ｃ１ｐ３、Ｃ２ｐ３、Ｃ１ｎ３、Ｃ２ｎ３）が、前記コンバータの動作に単極性の電圧寄与だけをもたらすことができるとともに、そのような単極性の電圧寄与だけが可能であるように前記相レグにも接続され、
   前記第２のグループの前記セル（Ｃ３ｐ１、Ｃ３ｎ１、Ｃ３ｐ２、Ｃ３ｎ２、Ｃ３ｐ３、Ｃ３ｎ３）が、前記第１のグループの対応するセルへと接続されるとともに、前記コンバータの前記動作に両極性の電圧寄与をもたらすことができるように構成され、
   前記第２のグループの前記セルが各相レグに接続され、
   前記第１のグループの前記セルが前記コンバータの基本制御機能専用になっており、
   前記第２のグループの前記セルが追加のＡＣ電圧供給機能専用になっており、
   制御ユニット（２８）が、基本的な機能に従って、前記電圧形コンバータの前記動作を制御すべく前記第１のグループの前記セルへと制御信号をもたらすとともに、前記追加のＡＣ電圧供給機能に従って、コンバータの動作強化用の追加のＡＣ電圧を前記セルが提供できるよう前記第２グループの前記セルへと制御信号をもたらすように、さらに構成された電圧形コンバータ（２６）。
2. 前記第２のグループが、少なくとも２つのセルを含み、前記少なくとも２つのセルの各々が、単極性の電圧寄与能力を有するとともに、前記第１のグループの前記セルへの接続において互いに反対の向きを有する請求項１に記載の電圧形コンバータ（２６）。
3. 種類および向きごとのセルの数が、すべての相レグにおいて同じである請求項１または請求項２に記載の電圧形コンバータ（２６）。
4. 少なくとも１つの接続端子が、前記第２のグループの少なくとも１つのセルを含む接続ブランチを介して相レグへと接続される請求項１〜３のいずれか一項に記載の電圧形コンバータ。
5. 前記第２のグループの少なくとも１つのセルが、接続端子と相レグの中間点との間に延びる接続ブランチを介して前記第１のグループの前記セルへと接続される請求項４に記載の電圧形コンバータ。
6. 前記第２のグループの少なくとも１つのセルが、接続端子を少なくとも１つの相レグの一端に接続する接続ブランチを介して前記第１のグループの前記セルへと接続される請求項４に記載の電圧形コンバータ。
7. 前記相レグは、前記コンバータの２つの直流端子（ＤＣ＋、ＤＣ−）の間に並列に接続され、各々の相レグが正および負の２つのアームを備える、請求項１〜６のいずれか一項に記載の電圧形コンバータ。
8. 種類および向きごとのセルの数が、各々の相レグの２つのアームにおいて同じである請求項７に記載の電圧形コンバータ。
9. 前記接続端子のうちの３つが、ＡＣ接続端子（ＡＣ１、ＡＣ２、ＡＣ３）であり、前記制御ユニットが、第３高調波電圧の半分に対応するＡＣ寄与を提供する前記正のアームの前記第２のグループの少なくとも一部のセルへの制御信号と、第３高調波ＡＣ電圧の残り半分に対応するＡＣ寄与を提供する前記負のアームの前記第２のグループのセルへの制御信号とをもたらして、前記セルにすべてのＡＣ接続端子への第３高調波零相の提供を実行させるように構成される請求項７または８に記載の電圧形コンバータ（２６）。
10. 前記制御ユニットが、所望のＡＣ寄与の半分を提供する前記正のアームの前記第２のグループのセルへの制御信号と、所望のＡＣ寄与の残り半分を提供する前記負のアームの前記第２のグループのセルへの制御信号とをもたらして、前記コンバータの無効電力能力を向上させるように構成される請求項７〜９のいずれか一項に記載の電圧形コンバータ（２６）。
11. 前記制御ユニット（２８）が、前記第２のグループの少なくとも一部のセルへと制御信号をもたらして、前記セルに前記相レグ間の電流循環を相殺する共通のＡＣ電圧寄与の供給を実行し、対応するＡＣ端子上で互いに打ち消すように各相でセルのＡＣ電圧寄与を引き起こすように構成される請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電圧形コンバータ（２６）。
12. 各々のセル（ＣＣＡ、ＣＣＢ、ＣＣＣ）が、１つのエネルギー貯蔵要素（Ｃ１Ａ、Ｃ１Ｂ、Ｃ１Ｃ）に並列なスイッチング素子のグループを含む請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電圧形コンバータ（２６）。
13. 前記グループの前記スイッチング素子が、互いに直列に接続されている請求項１２に記載の電圧形コンバータ（２６）。
14. 各々のスイッチング素子が、トランジスタ（Ｔ１Ａ、Ｔ２Ａ、Ｔ１Ｂ、Ｔ２Ｂ、Ｔ１Ｃ、Ｔ２Ｃ、Ｔ３Ｃ、Ｔ４Ｃ）を逆並列ダイオード（Ｄ１Ａ、Ｄ２Ａ、Ｄ１Ｂ、Ｄ２Ｂ、Ｄ１Ｃ、Ｄ２Ｃ、Ｄ３Ｃ、Ｄ４Ｃ）とともに備える請求項１２または請求項１３に記載の電圧形コンバータ（２６）。

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