JP6091781B2 - 半導体電力変換装置 - Google Patents

Description

実施形態は、チョッパセルを多段接続して出力交流電圧を発生する半導体電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力へ変換する電力変換装置として、Modular Multilevel Converter（以下ＭＭＣ）の回路構成及び制御法が開示されている。このような電力変換装置は、コンデンサ等のエネルギーバッファを直流部に持ち、ＩＧＢＴやダイオードなどの半導体素子から構成されるチョッパセルを複数個用い、それらを各アームに多段接続することによって高耐圧化を実現し、交流電圧を出力する。各チョッパセルは、スイッチング素子とダイオードを逆並列接続した回路を２回路直列に接続し、この直列回路にコンデンサを並列に接続して構成される。

チョッパセルを直列に接続して多段化することによって、それぞれのチョッパセルが負担する電圧を低く設定することができ、比較的耐圧が低くこれまで適用困難であった自己消弧素子の適用が可能となる。又従来素子では実現不可能だった高圧用途にも、チョッパセルの段数を増やすことで構成可能である。

特表２００９−５０６７３６号公報

"New transformerless, scalable Modular Multilevel Converters for HVDC-transmission", Allebrod, S.; Hamerski, R.; Marquardt, R.; Power Electronics Specialists Conference, 2008. 萩原 誠、 前田 亮、 赤木 泰文: "二重スター・チョッパセル方式のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣC-DSCC）の理論解析と制御"、 電学論Ｄ、Vol.131、No.1、pp.84-92(2011).

ＭＭＣでは、各チョッパセルにコンデンサ等の蓄電要素があり、その電圧を利用して出力電圧を成形する。そのため、出力電圧を得るためには各チョッパセルの蓄電要素の電圧を保持する必要がある。そこで従来では、チョッパセルに接続されたコンデンサの電圧を保持する制御法が提案されている。

ＭＭＣは、３相用の３つのレグを含み、各レグは上下アームを含む。各アームはチョッパセルを複数個多段化（直列接続）し負荷側にリアクトルが直列に接続される。上下アーム接続点（リアクトル相互接続点）が出力端となっている。このような回路構成のため電流経路としては、正負電源の直流端から出力端への電流経路、そして正負電源の直流端の間をレグを介して循環する循環電流の経路がある。

従来のＭＭＣでは、各チョッパセルのコンデンサ電圧のレグ内平均値を演算し、その平均値とチョッパセルのコンデンサ電圧指令値の差分に応じた直流循環電流を流すことで、チョッパセルのコンデンサ電圧のレグ内平均値を一定値に制御している。又、レグ内コンデンサ電圧平均値と、各チョッパセルのコンデンサ電圧の差分に応じて各チョッパセルの出力電圧を操作することで、レグ内の各チョッパセルのコンデンサ電圧をバランス、すなわち入出力電荷量を一致させている。この平均値制御とバランス制御を併用することで、各チョッパセルのコンデンサ電圧を所定値に制御している。

しかしながらこの制御法では、各チョッパセルのコンデンサ電圧をバランスさせるために、コンデンサ電圧平均値と各チョッパセルのコンデンサ電圧の差分に応じた電圧を各チョッパセルが出力するように、各スイッチング素子を制御する。このため、チョッパセルの出力電圧の大きさを等価的に可変できるＰＷＭ制御を適用する必要がある。すなわち全てのチョッパセルがＰＷＭ制御される。ＰＷＭ制御を適用する場合、各スイッチング素子のスイッチング周波数を出力電圧周波数よりも十分高く設定する必要があり、スイッチング損失が増大する課題が生じる。

実施形態は上述した課題を解決するためになされたものであり、チョッパセルを多段接続したＭＭＣ回路において、各半導体スイッチング素子をワンパルス運転可能にするとともに、各チョッパのコンデンサ電圧のバランスを実現するものである。

一実施形態に係る電力変換装置は、直列接続された複数のチョッパ回路で２つのアームを構成するとともに、第１のアームの一方の端部を正側直流端とし他方の端部を交流出力端とし、第２のアームの一方の端部を交流出力端とし他方の端部を負側直流端とし、第１のアームの交流出力端と第２のアームの交流出力端とを直列接続してレグを構成する電力変換手段と、各チョッパ回路を制御する制御手段とを具備し、各チョッパ回路は、半導体スイッチング素子とダイオードをそれぞれ並列接続した第１及び第２スイッチング回路の直列回路と、該直列回路に並列に接続されたコンデンサとを具備し、前記制御手段は、各アーム毎のチョッパ回路の直列数に等しい数の電圧閾値と、前記電力変換手段の各アームの全体で出力する電圧である出力電圧指令値とを比較し、当該比較の結果に基づいて、第１および第２のアームの一方の各チョッパ回路に対するオン・オフ指令を行ない、また、オン・オフ指令の波形が第１および第２のアームの一方の各チョッパ回路に対するオン・オフ指令の波形を上下反転した波形となるように第１および第２のアームの他方の各チョッパ回路に対するオン・オフ指令を行なうことで、各電圧闘値に対応するチョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子をスイッチングする。

第１実施形態に係る制御が適用される電力変換装置の構成を示す図である。 直列接続したチョッパセルの５回路で各アームを構成した場合の動作を示す図である。 アームを構成する各チョッパ回路のコンデンサ電圧エネルギーの時間的変化を示す図である。 全てのチョッパがオフされる時刻ｔａ付近で、チョッパＣＨ１とチョッパＣＨ３の閾値を切り替えた場合の動作を示す図である。

以下、実施形態について図面を参照して説明する。

[第１実施形態]
先ず、第１実施形態について説明する。図１は第１実施形態に係る制御が適用される電力変換装置としてＭＭＣ回路の構成を示す図である。

この第１実施形態は、チョッパセルを多直列して構成された電力変換装置の各スイッチング素子のスイッチング動作をワンパルス化し、スイッチング素子のスイッチング周波数を電力変換装置の出力電圧周波数以下の周波数に低下してスイッチング素子を動作する。

ＭＭＣ回路は図１のようにチョッパセル１を複数個多直列してレグ４を構成している。各チョッパセル１は、半導体スイッチング素子Ｑ１とダイオードＤ１を逆並列接続した第１スイッチング回路ＳＷ１と、スイッチング素子Ｑ２とダイオードＤ２を逆並列接続した第２スイッチング回路ＳＷ２との直列回路と、該直列回路に並列に接続されたコンデンサＣｐを含む。レグ４の構成はＵ相、Ｖ相、Ｗ相で同一である。レグ４は上アーム２と下アーム３を含む。上アーム２と下アーム３は、それぞれ負荷６側にリアクトルＬが接続される。上アーム２と下アーム３の接続点が交流出力端として負荷６に接続される。制御部１０は入力される出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊、各コンデンサ電圧、各電流値等に基づいてゲートパルスを生成し、各スイッチング素子のゲートへ出力する。

次に図１のＭＭＣ回路の動作を詳細に説明する。以下の説明では、３相の各相を特定せずに動作を説明するが、制御部１０は、各相のレグを構成するチョッパセルを各相について同様に制御する。

各チョッパセル１の出力電圧は直流電圧であり、チョッパで構成されたアーム全体の出力電圧も直流電圧となるため、アーム４の出力電圧は次式で与えられるものとする。

ここで、Ｖ_{ａｒｍ＿Ｐ}は上アームの出力電圧指令、Ｖ_{ａｒｍ＿Ｎ}は下アームの出力電圧指令、Ｖ_ＰＮは図１に示すＰ−Ｎ間直流電圧である。

（１）式で示された多直列したチョッパで構成されたアーム全体で出力する電圧、すなわち出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ＊に対して、各アーム内のチョッパ段数と等しい数の電圧閾値を設ける。図２は一例として、直列接続したチョッパセル５回路で各アームを構成した場合の動作を示している。図２（ａ）のように、出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ＊に対して、各閾値ＴＨ１−ＴＨ５が設定される。図２（ｂ）は例えば上アームの各チョッパＣＨ１−ＣＨ５の出力電圧（オン・オフ指令）波形を示す。図２（ｃ）はアーム全体の出力電圧を示す。尚、下アームのオン・オフ指令の波形は、上アーム波形を例えば上下反転した波形となる。

図２（ａ）に示すように、電圧閾値ＴＨ１−ＴＨ５はそれぞれ一定の電位差を持っている。電圧閾値ＴＨ１−ＴＨ５は、それぞれチョッパＣＨ１〜ＣＨ５に対応している。制御部１０は、電圧閾値ＴＨ１−ＴＨ５とアーム出力電圧指令Ｖ_ｏｕｔ＊の振幅をそれぞれ比較し、電圧閾値よりアーム出力電圧指令値が大きい場合に比較結果を’１’、そうでない場合’０’を、対応するチョッパに出力する。制御部１０は、比較結果が１の場合にチョッパの上側スイッチング素子を点弧、下側スイッチング素子を消弧、比較結果が０の場合にチョッパの上側スイッチング素子を消弧、下側スイッチング素子を点弧というように、各スイッチング素子にゲートパルスを出力する。

このように、一定電圧の閾値と交流電圧である出力電圧指令を比較するため、閾値と電圧指令の大小関係が入れ替わるのは、図２（ｂ）のように電圧指令一周期内で２回以下となる。従って、チョッパの各スイッチング素子のスイッチング周波数は必ず出力電圧周波数以下となり、チョッパ回路はワンパルス動作となる。又、それぞれ異なる電圧閾値と、出力電圧指令値との比較結果により得られるゲートパルスで駆動されたチョッパ回路の出力電圧は、それぞれ異なるパルス幅となる。チョッパの出力を直列して構成されたアームの出力電圧は、図２（ｃ）のように各チョッパの出力を加算した階段状の波形となり、閾値と比較対象である出力電圧指令値と近似な波形が得られる。このように、各チョッパがワンパルス動作であっても良好な出力電圧が得られていることが分かる。

[第２実施形態]
次に、第２実施形態について説明する。第１実施形態では、各チョッパをワンパルス化する手法について述べた。第２実施形態では第１実施形態において、図１のＰ−Ｎ間で循環する直流電流（循環電流ｉ_ｃｉｒ）の制御法について述べる。

図１に示すようなＭＭＣ回路において、ＭＭＣを構成する各チョッパ１に接続されたコンデンサの電圧を一定に保持するために、先ずレグ４を構成する複数チョッパのレグ内でのコンデンサ電圧Ｖ_ＣＰ１〜Ｖ_ＣＰｎ、Ｖ_ＣＮ１〜Ｖ_ＣＮｎの平均値を求める。次に該平均値とコンデンサ電圧指令値の差分に基づいて循環電流ｉ_ｃｉｒを制御し、レグ内のコンデンサ電圧平均値がコンデンサ電圧指令値に一致するよう各チョッパを制御する。このコンデンサ電圧指令値は、例えば直流端Ｐ−Ｎ間電圧Ｖ_ＰＮをアーム内チョッパ直列数（図では５）で割った値である。以下、ワンパルス制御において循環電流ｉ_ｃｉｒを制御する手法について説明する。

上下アームをそれぞれ構成するチョッパが出力する電圧の総和と電圧Ｖ_ＰＮの差分が、上下アームに挿入されたインダクタンスＬ１、Ｌ２に印加され、その差電圧に応じてＰ−Ｎ間に循環する電流ｉ_ｃｉｒが流れる。そのため操作可能な量である各チョッパが出力する直流電圧を制御することで循環電流制御を行う。そこで、各チョッパの直流出力電圧の制御法について述べる。

第１実施形態では、出力電圧指令値と、各アームのチョッパセル直列数と同数の電圧閾値とを比較して、各チョッパのスイッチング状態を決定した。第２実施形態では、そのスイッチング状態を決定する電圧閾値全てに、循環電流ｉ_ｃｉｒと循環電流指令値ｉ_ｃｉｒ＊の差分に応じた電圧を重畳する。そうすることで、多直列チョッパ全体で出力する直流電圧（コンデンサ電圧合計値）を操作でき、その結果循環電流を制御することが可能になる。

循環電流ｉ_ｃｉｒは、インダクタンスＬ１、Ｌ２を図中下向きに流れる電流をＩ_Ｌ１、Ｉ_Ｌ２とすると、（Ｉ_Ｌ１＋Ｉ_Ｌ２）／２で求めることができる。例えば、循環電流ｉ_ｃｉｒが図１のように上から下へ流れているとき、閾値を下げると充電電流が流れる時間が増加する（図２（ｂ）のパルス幅が広がる）。その結果、コンデンサの充電時間が増加し、コンデンサ電圧は上昇する。逆に、循環電流ｉ_ｃｉｒが下から上に流れているとき、閾値を上げると放電電流が流れる時間が増加するので、コンデンサの放電時間が増加し、コンデンサ電圧は低下する。

従って制御部１０は、レグ内コンデンサの平均電圧がコンデンサ電圧指令値より小さい時、循環電流ｉ_ｃｉｒが図１のように上から下へ流れている場合は全閾値を下げ、コンデンサ電圧を上げる。逆に、レグ内コンデンサの平均電圧がコンデンサ電圧指令値より大きい時、循環電流ｉ_ｃｉｒが図１のように下から上へ流れている場合は、全閾値を上げてコンデンサ電圧を下げる。
以上のようにレグ内コンデンサの平均電圧とコンデンサ電圧指令値との比較、及び循環電流ｉ_ｃｉｒの流れる方向に応じて、各レグに設定された全ての閾値に同値の電圧操作量を重畳して直流電流を制御することで、レグ内コンデンサの平均電圧を、コンデンサ電圧指令値に一致させることができる。

[第３実施形態]
次に、第３実施形態について説明する。第１実施形態では、電圧指令値と各アームのチョッパセル直列数と同数の電圧閾値とを比較して、各電圧閾値に対応するチョッパのスイッチング状態を決定していた。しかし図３に示すように、各チョッパが常に同じ電圧閾値によってスイッチング状態を決定されている場合、チョッパのコンデンサ電圧がそれぞれ一定にならず、電圧閾値の値によって上昇もしくは下降し続けるため運転継続が困難になる。図３は時刻ｔ１のとき、各コンデンサ電圧が同一の値Ｖ１と仮定して、時間の経過と共に各コンデンサ電圧（図３では一例としてＶ_ＣＰ１〜Ｖ_ＣＰ５）がそれぞれ別々に変化していく様子を示している。そこで、第３実施形態では各チョッパのコンデンサ電圧を各々バランスする手法について述べる。

チョッパに設けられたコンデンサ電圧のレグ内平均値は、第２実施形態で述べたようにワンパルス制御においても一定値（コンデンサ電圧指令値）に制御される。そのため、レグを構成する各チョッパのコンデンサ電圧をそれぞれバランスさせる、つまり同一にすることで、個々のコンデンサ電圧をコンデンサ電圧指令値に制御することができる。第１実施形態ではチョッパのスイッチング状態を決定する電圧閾値と、それと対応するチョッパは常に固定されていた。しかし、コンデンサのエネルギー（電荷量）をレグ内のチョッパで一致させるために、チョッパで構成されたＭＭＣ回路の出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊の各周期ごとに電圧閾値と対応するチョッパを変更する。各チョッパが、チョッパ段数あるすべての電圧閾値と対応するように、電圧閾値を順次切り替えを行うことで各コンデンサエネルギーをバランスさせる。この結果、各コンデンサ電圧が同一となるよう制御される。

図４は、全てのチョッパがオフされる時刻ｔａ付近で、チョッパＣＨ１とチョッパＣＨ３の閾値を切り替えた場合の実施形態を示す。このような閾値の切り替えは、全てのチョッパがオンされる時刻ｔｂで行ってもよい。又、このような閾値の切り替えは、時刻ｔａとｔｂの両方で行ってもよい。つまり閾値の切り替えは、出力電圧指令値Ｖｏｕｔ＊の一周期に２回行ってもよい。

以上本実施形態によれば、各チョッパに対する電圧閾値の切り替え、すなわち電圧閾値とチョッパ回路の組み合わせの変更を、出力電圧交流指令値Ｖｏｕｔ＊の一周期ごとに行うことで、各コンデンサ電圧を同一に制御することができる。

[第４実施形態]
第１実施形態および第３実施形態においては、チョッパのスイッチング状態を決定する電圧閾値の値は基本的に不変であった。第４実施形態では各電圧閾値に対応するチョッパのコンデンサ電圧と、コンデンサ電圧のレグ内での平均値との差分に応じて、当該チョッパのスイッチング状態を決定する電圧閾値の大きさを変化させ、コンデンサ各々のエネルギーを調整する。

すなわち本実施形態では、レグ内でのコンデンサ電圧平均値と、各チョッパのコンデンサ電圧との差分に応じて、当該電圧閾値を調整する。この場合、レグ全体として各電圧閾値調整に伴う出力電圧変化量が相殺されるため、ＭＭＣの出力電圧に干渉せずに個々のチョッパのエネルギーを調整できる。このように本実施形態によれば、各コンデンサ電圧が、レグ内コンデンサ電圧平均値に一致するよう個別に制御される。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…チョッパセル、２…上アーム、３…下アーム、４…レグ、５…リアクトル、６…三相負荷、１０…制御部。

Claims (5)

1. 直列接続された複数のチョッパ回路で２つのアームを構成するとともに、
   第１のアームの一方の端部を正側直流端とし他方の端部を交流出力端とし、
   第２のアームの一方の端部を交流出力端とし他方の端部を負側直流端とし、
   前記第１のアームの交流出力端と前記第２のアームの交流出力端とを直列接続してレグを構成する電力変換手段と、各チョッパ回路を制御する制御手段とを具備し、
   各チョッパ回路は、半導体スイッチング素子とダイオードをそれぞれ並列接続した第１及び第２スイッチング回路の直列回路と、該直列回路に並列に接続されたコンデンサとを具備し、
   前記制御手段は、前記各アーム毎のチョッパ回路の直列数に等しい数の電圧閾値と、前記電力変換手段の前記各アームの全体で出力する電圧である出力電圧指令値とを比較し、当該比較の結果に基づいて、前記第１および第２のアームの一方の各チョッパ回路に対するオン・オフ指令を行ない、また、前記オン・オフ指令の波形が前記第１および第２のアームの一方の各チョッパ回路に対するオン・オフ指令の波形を上下反転した波形となるように前記第１および第２のアームの他方の各チョッパ回路に対するオン・オフ指令を行なうことで、各電圧闘値に対応するチョッパ回路を構成する半導体スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする電力変換装置。
2. 前記制御手段は、前記電力変換手段内のコンデンサの平均電圧とコンデンサ電圧指令値との比較に基づいて、
   前記正側直流端と前記負側直流端との間を前記レグを介して循環する循環電流が前記第１のアームから前記第２のアームへ流れているとき、前記コンデンサへの充電電流が流れる時間が増加するように前記電圧閾値を下げ、
   前記循環電流が前記第２のアームから前記第１のアームに流れているとき、前記コンデンサの放電時間が増加するように前記電圧閾値を上げ、
   前記平均電圧と前記コンデンサ電圧指令値とを一致させることを特徴とする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記制御手段は、前記電力変換手段内のコンデンサの平均電圧とコンデンサ電圧指令値との比較に基づいて、
   前記レグ内のコンデンサの平均電圧が前記コンデンサ電圧指令値より小さい時、前記循環電流が前記第１のアームから前記第２のアームに流れている場合は前記電圧閾値を下げ、
   前記レグ内のコンデンサの平均電圧が前記コンデンサ電圧指令値より大きい時、前記循環電流が前記第２のアームから前記第１のアームへ流れている場合は前記電圧閾値を上げ、
   前記平均電圧と前記コンデンサ電圧指令値とを一致させることを特徴とする請求項２記載の電力変換装置。
4. 前記制御手段は、出力電圧交流指令値の毎周期ごとに、前記電圧閾値と前記チョッパ回路との組み合わせを変更して、前記半導体スイッチング素子のスイッチングを制御することを特徴とする請求項１乃至３のうち一項記載の電力変換装置。
5. 前記制御手段は、前記電力変換手段内のコンデンサの平均電圧と、各チョッパ回路のコンデンサ電圧との差分に応じて、前記電圧閾値を調整することを特徴とする請求項１乃至４のうち一項記載の電力変換装置。

Images