JP6293423B2 - Multi-level power converter and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、三台の単相インバータの各出力を三相出力とするマルチレベル電力変換装置に関する。   The present invention relates to a multilevel power conversion device that uses three single-phase inverter outputs as three-phase outputs.

近年、単相インバータをY接続するマルチレベルインバータが産業応用分野で多用されている。この方式のマルチレベルインバータは、比較的容易にマルチレベル化が図れるとともに単相インバータをモジュールとして簡易な構成で実現できるというメリットがある。しかしながら従来の方式を用いたマルチレベルインバータでは個々の単相インバータの電力の最大値を低減するような制御が必ずしもなされているとは限らない。このため、個々の単相インバータの装置容量のみならず、個々の単相インバータに与える電源を生成するための変圧器及び整流器が大型化する。   In recent years, multi-level inverters that Y-connect single-phase inverters are widely used in industrial application fields. This type of multi-level inverter has the advantage that it can be made relatively multi-level relatively easily and a single-phase inverter can be realized as a module with a simple configuration. However, in a multilevel inverter using a conventional method, control for reducing the maximum value of power of each single-phase inverter is not always performed. For this reason, not only the apparatus capacity | capacitance of each single phase inverter but the transformer and rectifier for producing | generating the power supply given to each single phase inverter become large.

このような問題に関連する従来技術の一つとして、変調率に三次調波を用いて単相インバータの有する直流電圧を有効利用する方法がある(非特許文献1を参照)。   As one of conventional techniques related to such a problem, there is a method of effectively using a DC voltage of a single-phase inverter by using a third harmonic as a modulation factor (see Non-Patent Document 1).

岩路、奥山、金子、岡松、「高圧ダイレクトインバータのPWM制御法」、社団法人電気学会、論文誌D、Vol.121(2001)、No.4、p.476-483Iwaji, Okuyama, Kaneko, Okamatsu, “PWM Control Method for High Voltage Direct Inverters”, The Institute of Electrical Engineers of Japan, Journal D, Vol. 121 (2001), No. 4, p. 476-483

しかしながら、非特許文献1に記載の電力変換装置は、本来の目的は電圧利用率の向上であるため、負荷の電流が不平衡である場合、正弦波ではない場合、あるいは負荷力率が変動するような場合には個々の単相インバータの出力電力を低減することができない。その結果、三台の単相インバータの出力電力が不均等になってしまい、装置の必要な定格容量が増大してしまうという課題がある。   However, since the original purpose of the power conversion device described in Non-Patent Document 1 is to improve the voltage utilization factor, the load current is unbalanced, not a sine wave, or the load power factor varies. In such a case, the output power of each single-phase inverter cannot be reduced. As a result, there is a problem that the output power of the three single-phase inverters becomes uneven and the required rated capacity of the device increases.

本発明は以上のような課題を解決するためになされたものであり、三台の単相インバータを含む三相のマルチレベル電力変換装置において単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and in a three-phase multilevel power conversion device including three single-phase inverters, the output power of the single-phase inverter is equalized, The purpose is to reduce the rated capacity.

上記の課題を解決するために、本発明のある態様に係るマルチレベル電力変換装置は、3つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ3つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部と、各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する制御部と、を備える。   In order to solve the above problems, a multilevel power conversion device according to an aspect of the present invention includes three single-phase inverters, one output terminal of each single-phase inverter is connected to a load, and the three Compared to the case where the other output terminals of the single-phase inverter are connected to each other to form a neutral point, and a three-phase power converter, and the output power of each single-phase inverter does not change the potential of the neutral point And a control unit that controls the output voltage of each single-phase inverter so that the potential of the neutral point changes so as to decrease.

ここで「単相インバータの出力電圧」とは、単相インバータが負荷に印加したい相電圧と中性点電位の和とする。また、これは、単相インバータの一方の出力端子の電位と、他方のY接続された出力端子の電位との差に等しい。   Here, the “output voltage of the single-phase inverter” is the sum of the phase voltage that the single-phase inverter wants to apply to the load and the neutral point potential. This is also equal to the difference between the potential of one output terminal of the single-phase inverter and the potential of the other Y-connected output terminal.

一般に、三相の負荷電力は線間電圧で決まり、中性点電位については自由度がある。また、いわゆるY接続(スター結線)マルチレベル電力変換器では、この自由度を用いて3つの単相インバータの負荷分担を変えることができる。そこで、上記構成によれば、制御部が、適宜な最適化方法を用いて、各単相インバータの出力電力が中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各単相インバータの出力電圧を制御するので、単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することができる。   In general, three-phase load power is determined by line voltage, and there is a degree of freedom with respect to neutral point potential. In a so-called Y connection (star connection) multilevel power converter, the load sharing of the three single-phase inverters can be changed using this degree of freedom. Therefore, according to the above configuration, the control unit uses an appropriate optimization method so that the output power of each single-phase inverter is reduced as compared to the case where the neutral point potential is not changed. Since the output voltage of each single-phase inverter is controlled so that the potential changes, the output power of the single-phase inverter can be equalized and the rated capacity of the device can be reduced.

前記制御部は、3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御してもよい。   The control unit may control the output voltage of each single-phase inverter so that the potential at the neutral point changes so that the maximum value of the output power of the three single-phase inverters is minimized.

上記構成によれば、各単相インバータの出力電力の最大値を中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように中性点の電位を最適化することできる。   According to the above configuration, the neutral point potential can be optimized so that the maximum value of the output power of each single-phase inverter is reduced as compared with the case where the neutral point potential is not changed.

3つの前記単相インバータの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する3つの相電流検出器をさらに備え、前記制御部は、前記単相インバータが前記負荷に与えたい相電圧と3つの前記相電流検出器でそれぞれ検出される相電流とに基づいて3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる又は3つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように前記中性点の電位である中性点電位を算出し、この算出した中性点電位を前記相電圧に加算して各前記単相インバータの出力電圧を制御するための指令値を生成してもよい。   Three phase current detectors that respectively detect phase currents that are output currents of one output terminal of the three single-phase inverters, and the control unit includes a phase voltage that the single-phase inverter wants to give to the load and Based on the phase current detected by each of the three phase current detectors, the maximum value of the output power of the three single-phase inverters is minimized, or the sum of squares of the DC section currents of the three single-phase inverters is minimized. Command value for controlling the output voltage of each single-phase inverter by calculating the neutral point potential which is the potential of the neutral point so as to be, and adding the calculated neutral point potential to the phase voltage May be generated.

上記構成によれば、中性点の電位を好適に最適化する構成を具体的に実現できる。   According to the above configuration, a configuration that suitably optimizes the neutral point potential can be specifically realized.

前記制御器は、前記単相インバータが前記負荷に印加したい相電圧と前記中性点電位との和の絶対値が、各単相インバータの入力電圧以下であるという制約条件をさらに満たす前記中性点電位を算出してもよい。   The controller further satisfies the constraint that the absolute value of the sum of the phase voltage that the single-phase inverter wants to apply to the load and the neutral point potential is less than or equal to the input voltage of each single-phase inverter. A point potential may be calculated.

上記構成によれば、単相インバータの出力電圧が単相インバータの入力電圧を上限又は下限としてカットされることを防止できる。   According to the said structure, it can prevent that the output voltage of a single phase inverter is cut by making the input voltage of a single phase inverter into an upper limit or a minimum.

前記制御部は、前記中性点電位が前記制約条件を満たさない場合には、当該制約条件を満たす最大値及び最小値のうち近い値を、3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる又は3つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となる値としてもよい。   When the neutral point potential does not satisfy the constraint condition, the control unit sets a close value between the maximum value and the minimum value satisfying the constraint condition, and the maximum value of the output power of the three single-phase inverters. It is good also as a value which becomes the minimum or the sum of squares of the DC part current of the three single phase inverters becomes the minimum.

上記構成によれば、中性点電位が前記制約条件を満たさない場合でも、単相インバータの出力電圧が単相インバータの入力電圧を上限又は下限としてカットされることを好適に防止できる。   According to the above configuration, even when the neutral point potential does not satisfy the constraint condition, it is possible to suitably prevent the output voltage of the single-phase inverter from being cut with the input voltage of the single-phase inverter as the upper limit or the lower limit.

本発明の他の態様に係るマルチレベル電力変換装置の制御方法は、3つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ3つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部を備えるマルチレベル電力変換装置の制御方法であって、各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する。   The control method of the multilevel power conversion device according to another aspect of the present invention includes three single-phase inverters, one output terminal of each single-phase inverter is connected to a load, and the other of the three single-phase inverters The output terminals of the single-phase inverter are connected to each other to form a neutral point. The output voltage of each single-phase inverter is controlled so that the potential at the neutral point changes so as to decrease as compared with the case where the potential is not changed.

上記構成によれば、制御部が、適宜な最適化方法を用いて、各単相インバータの出力電力が中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各単相インバータの出力電圧を制御するので、単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の必要な定格容量を低減することができる。   According to the above configuration, the neutral point potential is reduced by the control unit using an appropriate optimization method so that the output power of each single-phase inverter is reduced as compared with the case where the neutral point potential is not changed. Since the output voltage of each single-phase inverter is controlled so as to change, the output power of the single-phase inverter can be equalized, and the required rated capacity of the device can be reduced.

本発明によれば、三台の単相インバータを有する三相出力電圧変換装置において単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することが可能となる。   According to the present invention, in a three-phase output voltage converter having three single-phase inverters, it is possible to equalize the output power of the single-phase inverter and reduce the rated capacity of the device.

本発明の実施の形態1に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole structure of the power converter device which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1の電力変換装置の電力変換部の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the power converter of the power converter device of FIG. 図1の電力変換装置の制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the control part of the power converter device of FIG. 図2の単相インバータの直流電圧に対する相電圧及び中性点電位の関係を示すベクトル図である。It is a vector diagram which shows the relationship between the phase voltage with respect to the DC voltage of the single phase inverter of FIG. 2, and a neutral point electric potential. 図3の制御部における演算処理の流れの一例を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows an example of the flow of the arithmetic processing in the control part of FIG. 図2の電力変換部のY接続点における中性点電位に対する各相の電力を示したグラフである。It is the graph which showed the electric power of each phase with respect to the neutral point electric potential in the Y connection point of the power conversion part of FIG. 変調率1.0の場合のミニマックス法による相電圧及び中性点電位の関係を示すベクトル図である。It is a vector diagram which shows the relationship between the phase voltage and neutral point potential by the minimax method in the case of the modulation factor 1.0. 変調率0.8の場合のミニマックス法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。It is the graph which showed the time change of the phase voltage, neutral point potential, and phase electric power by the minimax method in the case of the modulation factor 0.8. 変調率1.0の場合のミニマックス法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。It is the graph which showed the time change of the phase voltage by the minimax method in the case of the modulation factor 1.0, a neutral point electric potential, and phase electric power. 変調率0.8の場合の最小二乗法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。It is the graph which showed the time change of the phase voltage, neutral point potential, and phase electric power by the least square method in the case of the modulation factor 0.8. 変調率1.0の場合の最小二乗法による相電圧、中性点電位及び相電力の時間変化を示したグラフである。It is the graph which showed the time change of the phase voltage, neutral point potential, and phase electric power by the least square method in case of the modulation factor 1.0. 変調率1.0の場合のミニマックス法及び最小二乗法による直流電力の二乗和の平均値を示したグラフである。It is the graph which showed the average value of the square sum of direct-current power by the minimax method and the least square method in the case of the modulation factor 1.0. ミニマックス法及び最小二乗法による電力の二乗和及びピーク電力を比較したグラフである。It is the graph which compared the square sum of the electric power and peak electric power by the minimax method and the least square method. 変調率0.8、力率0.5の場合のミニマックス法による相電圧及び中性点電位を示したグラフである。It is the graph which showed the phase voltage and neutral point potential by the minimax method in the case of the modulation factor 0.8 and the power factor 0.5.

本発明の実施の形態を、図面を参照しつつ説明する。以下では、全ての図面を通じて同一又は相当する要素には同じ符号を付して、重複する説明は省略する。   Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. Below, the same code | symbol is attached | subjected to the element which is the same or it corresponds through all the drawings, and the overlapping description is abbreviate | omitted.

(実施の形態1)
[構成]
図1は、本実施の形態1に係る電力変換装置の全体構成を示すブロック図である。本実施の形態1の電力変換装置100は、特に用途は限定されない。電力変換装置100は、例えば船内における電力システムにおいて実装され、船内の電気系統から供給された交流電力を高電圧の可変電圧可変周波数の交流電力に変換し、船舶推進用のモータを駆動する。図1に示すように、電力変換装置100は、入力側の三相変圧器2を介して三相交流電源1に接続され、出力線30を介して三相交流モータ(負荷)4に接続された電力変換部3と、電力変換部3をPWM制御する制御部7を備える。
(Embodiment 1)
[Constitution]
FIG. 1 is a block diagram showing an overall configuration of the power conversion device according to the first embodiment. The use of power converter 100 of the first embodiment is not particularly limited. The power conversion apparatus 100 is mounted in, for example, an on-board power system, converts AC power supplied from an on-board electrical system into high voltage variable voltage variable frequency AC power, and drives a marine propulsion motor. As shown in FIG. 1, the power conversion device 100 is connected to a three-phase AC power source 1 via an input-side three-phase transformer 2 and connected to a three-phase AC motor (load) 4 via an output line 30. The power conversion unit 3 and the control unit 7 that performs PWM control on the power conversion unit 3 are provided.

電力変換部3は、a相〜c相の3つの単相インバータ3a〜3cを含み、各単相インバータ3a〜3cの一方の出力端子が出力線30を介して負荷4に接続され、他方の出力端子が中性点Nを形成すべく互いにY接続された三相出力を有する。本実施の形態では、出力線30には電流センサ5が設けられている。電流センサ5は、3つの単相インバータ3a〜3cの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する3つの相電流検出器を含む。電流センサ5は検出した相電流を制御部7へ出力するようになっている。   The power conversion unit 3 includes three single-phase inverters 3a to 3c of a phase to c phase, and one output terminal of each of the single phase inverters 3a to 3c is connected to the load 4 via the output line 30, and the other The output terminals have three-phase outputs that are Y-connected to each other to form a neutral point N. In the present embodiment, the output line 30 is provided with the current sensor 5. Current sensor 5 includes three phase current detectors that respectively detect a phase current that is an output current of one output terminal of three single-phase inverters 3a to 3c. The current sensor 5 outputs the detected phase current to the control unit 7.

制御部7は、各単相インバータ3a〜3cの出力電力が中性点Nの電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点Nの電位が変化するよう各単相インバータ3a〜3cの出力電圧を制御するものである。本実施の形態では、制御部7は、3つの単相インバータ3a〜3cの出力電力の最大値が最小となるように中性点Nの電位が変化するよう各単相インバータ3a〜3cの出力電圧va、vb、vcを制御する。 The control unit 7 controls the single-phase inverters 3a to 3c so that the potential at the neutral point N changes so that the output power of the single-phase inverters 3a to 3c decreases as compared with the case where the potential at the neutral point N is not changed. The output voltage of 3c is controlled. In the present embodiment, the control unit 7 outputs the outputs of the single-phase inverters 3a to 3c so that the potential at the neutral point N changes so that the maximum value of the output power of the three single-phase inverters 3a to 3c is minimized. The voltages v * a, v * b, and v * c are controlled.

ここで、本実施の形態における単相インバータ3a〜3cの出力電圧について説明する。図7は、後述する本実施の形態のミニマックス法による出力電圧の関係を示すベクトル図である。図7(a)は中性点電位v0がゼロの場合の単相インバータが負荷に印加したい相電圧va、vb、vcのベクトル図である。図7(b)は中性点電位v0がゼロ以上の場合の単相インバータが負荷に印加したい相電圧va、vb、vc及び出力電圧vaのベクトルを示している。図7(b)に示すように、例えば、単相インバータ3aの出力電圧vaは、単相インバータ3aが負荷4に印加したい相電圧vaと後述する中性点電位演算部72で演算された中性点電位v0の和として表現される。中性点電位v0は、中性点Nの電位と所定の基準電位の差で表現される。このように、単相インバータ3a〜3cの出力電圧va、vb、vcとは、単相インバータ3a〜3cが負荷4に印加したい相電圧va、vb、vcと中性点電位v0の和とする。また、所定の基準電位は、ここでは、負荷4の中性点電位である、従って、ここでの中性点電位v0とは、負荷4の中性点電位と単相インバータ3a〜3cの中性点Nとの差となる。また、相電圧va、vb、vcは、例えば一定の周波数信号とし本実施の形態では、外部から制御部7へ入力される。 Here, output voltages of single-phase inverters 3a to 3c in the present embodiment will be described. FIG. 7 is a vector diagram showing the relationship of the output voltage by the minimax method of the present embodiment described later. FIG. 7A is a vector diagram of phase voltages va, vb, and vc that the single-phase inverter wants to apply to the load when the neutral point potential v0 is zero. FIG. 7B shows vectors of phase voltages va, vb, vc and output voltage v * a that the single-phase inverter wants to apply to the load when the neutral point potential v0 is zero or more. As shown in FIG. 7B, for example, the output voltage v * a of the single-phase inverter 3a is calculated by a phase voltage va that the single-phase inverter 3a wants to apply to the load 4 and a neutral point potential calculation unit 72 described later. It is expressed as the sum of neutral point potentials v0. The neutral point potential v0 is expressed by the difference between the potential at the neutral point N and a predetermined reference potential. Thus, the output voltages v * a, v * b, and v * c of the single-phase inverters 3a to 3c are the neutral voltages of the phase voltages va, vb, and vc that the single-phase inverters 3a to 3c want to apply to the load 4. The sum of potentials v0. Further, the predetermined reference potential here is the neutral point potential of the load 4, and therefore the neutral point potential v0 here is the neutral point potential of the load 4 and the single-phase inverters 3a to 3c. This is a difference from the sex point N. Further, the phase voltages va, vb, and vc are, for example, constant frequency signals, and are input to the control unit 7 from the outside in the present embodiment.

次に単相インバータ3a〜3cの構成について具体的に説明する。単相インバータ3a〜3cの各構成は同様であるので、ここでは単相インバータ3aについてのみ説明する。図2は、図1の電力変換部3の構成を示す回路図である。図2に示すように、単相インバータ3aは、三相変圧器2から供給された交流電圧を直流電圧に変換する順変換器11と、順変換器11で変換された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ12と、パルス幅変調(PWM)した電力を出力する逆変換器13とを備える。なお、単相インバータ3aが逆変換器13のみで構成され、順変換器11がこれと別体の整流器を構成してもよい。この場合、単相インバータ3aの直流部電流(後述する最小二乗法において使用する)は、単相インバータ3aへの入力電流となる。   Next, the configuration of single phase inverters 3a to 3c will be specifically described. Since the single-phase inverters 3a to 3c have the same configuration, only the single-phase inverter 3a will be described here. FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of the power conversion unit 3 of FIG. As shown in FIG. 2, the single-phase inverter 3 a includes a forward converter 11 that converts an AC voltage supplied from the three-phase transformer 2 into a DC voltage, and a smoothing that smoothes the DC voltage converted by the forward converter 11. The capacitor | condenser 12 and the inverse converter 13 which outputs the electric power which carried out pulse width modulation (PWM) are provided. Note that the single-phase inverter 3a may be configured only by the inverse converter 13, and the forward converter 11 may configure a rectifier separate from this. In this case, the direct current of the single-phase inverter 3a (used in the least square method described later) is an input current to the single-phase inverter 3a.

順変換器11は、6つの整流ダイオードにより構成されている。順変換器11には、多パルス型の整流回路やPWMコンバータを用いてもよい。逆変換器13は、それぞれ逆並列接続されたダイオードを備えた4個のスイッチング素子Q1〜Q4により構成されている。この逆変換器13は、半導体素子で形成され、各スイッチング素子Q1〜Q4には例えばIGBTが用いられる。また、他の実施例として単相インバータには、単相マルチレベルインバータを用いてもよい。   The forward converter 11 is composed of six rectifier diodes. The forward converter 11 may be a multi-pulse rectifier circuit or a PWM converter. The inverse converter 13 includes four switching elements Q1 to Q4 each having a diode connected in antiparallel. The inverse converter 13 is formed of a semiconductor element, and, for example, an IGBT is used for each of the switching elements Q1 to Q4. As another example, a single-phase multilevel inverter may be used as the single-phase inverter.

尚、本実施の形態では、電流センサ5は、a相の相電流iaを検出する相電流検出器と、b相の相電流ibを検出する相電流検出器と、相電流ia及びibを減算してc相の相電流icを演算する減算器51により構成される。このようにして電流センサ5は検出した相電流ia、ib、icを制御部7へ出力する。また、他の形態として、電流センサ5は、a相〜c相全ての相電流を検出する相電流検出器から構成されてもよい。   In this embodiment, the current sensor 5 subtracts the phase currents ia and ib, the phase current detector that detects the phase current ia of the a phase, the phase current detector that detects the phase current ib of the b phase. The subtractor 51 calculates the c-phase phase current ic. In this way, the current sensor 5 outputs the detected phase currents ia, ib, ic to the control unit 7. Moreover, as another form, the current sensor 5 may be comprised from the phase current detector which detects all the phase currents of a phase-c phase.

次に、制御部7の構成について図3のブロック図を用いて説明する。図3に示すように、制御部7は、単相インバータが負荷4に印加したい相電圧va、vb、vcと電流センサ5でそれぞれ検出される相電流ia、ib、icとに基づいて3つの単相インバータ3a〜3cの出力電力の最大値が最小となる中性点Nの電位である中性点電位v0を算出し、この算出した中性点電位v0を相電圧va、vb、vcに加算して各単相インバータ3a〜3cの出力電圧va、vb、vcを制御するための指令値を生成する電圧指令生成部70と、電圧指令信号に基づいてPWM信号を生成し、電力変換部3にPWM信号を出力するPWM信号生成部7と、を備える。 Next, the configuration of the control unit 7 will be described with reference to the block diagram of FIG. As shown in FIG. 3, the control unit 7 includes three phase voltages va, vb, vc that the single-phase inverter wants to apply to the load 4 and phase currents ia, ib, ic detected by the current sensor 5, respectively. The neutral point potential v0, which is the potential at the neutral point N at which the maximum value of the output power of the single-phase inverters 3a to 3c is minimum, is calculated, and the calculated neutral point potential v0 is converted into the phase voltages va, vb, vc. A voltage command generator 70 that generates a command value for controlling the output voltages v * a, v * b, and v * c of the single-phase inverters 3a to 3c by addition, and a PWM signal based on the voltage command signal And a PWM signal generation unit 7 that generates and outputs a PWM signal to the power conversion unit 3.

本実施の形態では、電圧指令生成部70は、中性点電位演算部72により、相電圧va、vb、vc及び相電流ia、ib、icとに基づいて3つの単相インバータ3a〜3cの出力電力の最大値が最小となる中性点Nの電圧である中性点電位v0を算出し、3つの加算器73により、中性点電位v0を単相インバータが負荷に印加したい相電圧va、vb、vcに加算して各単相インバータ3a〜3cの出力電圧va、vb、vcを制御するための指令値を生成する。 In the present embodiment, the voltage command generation unit 70 uses the neutral point potential calculation unit 72 to calculate the three single-phase inverters 3a to 3c based on the phase voltages va, vb, vc and the phase currents ia, ib, ic. The neutral point potential v0, which is the voltage at the neutral point N at which the maximum value of the output power is minimum, is calculated, and the phase voltage va that the single-phase inverter wants to apply the neutral point potential v0 to the load by the three adders 73. , Vb, and vc to generate command values for controlling the output voltages v * a, v * b, and v * c of the single-phase inverters 3a to 3c.

PWM信号生成部71は、3つの加算器73で出力された出力電圧va、vb、vcの指令信号に基づいてPWM信号を生成し、電力変換部3にPWM信号を出力する。PWM信号は公知の方法で生成してよいが、本実施の形態では、PWM信号生成部71は、電圧指令信号の符号を反転させる符号反転器74と、搬送波である三角波を発生させる三角波発生回路78と、2つの入力信号を比較してその大小に応じてパルスを出力する比較器75と、論理反転器76と、遅延回路77を備えている。 The PWM signal generation unit 71 generates a PWM signal based on the command signals of the output voltages v * a, v * b, and v * c output from the three adders 73, and outputs the PWM signal to the power conversion unit 3. To do. Although the PWM signal may be generated by a known method, in this embodiment, the PWM signal generation unit 71 includes a sign inverter 74 that inverts the sign of the voltage command signal and a triangular wave generation circuit that generates a triangular wave that is a carrier wave. 78, a comparator 75 that compares two input signals and outputs a pulse according to the magnitude, a logic inverter 76, and a delay circuit 77.

このような構成により、制御部7は、制御信号(PWM信号)を電力変換部3内の例えば単相インバータ3aへ出力する。PWM信号は、単相セルインバータ3aのスイッチング素子Q1〜Q4の制御端子(例えばIGBTのゲート端子)に入力され、各スイッチング素子Q1〜Q4をオンオフ動作させることにより、単相インバータ3aをインバータとして機能させる。制御部7は、他の単相インバータ3b、3cについても同様にインバータとして機能させる。これにより、電力変換部3は、制御部7で演算された電圧指令値va、vb、vcに対応する電圧を出力するようにPWM制御される。 With such a configuration, the control unit 7 outputs a control signal (PWM signal) to, for example, the single-phase inverter 3 a in the power conversion unit 3. The PWM signal is input to the control terminals (for example, the gate terminals of the IGBT) of the switching elements Q1 to Q4 of the single-phase cell inverter 3a, and the single-phase inverter 3a functions as an inverter by turning on / off the switching elements Q1 to Q4. Let The control unit 7 causes the other single-phase inverters 3b and 3c to function as inverters in the same manner. Thereby, the power conversion unit 3 is PWM-controlled so as to output voltages corresponding to the voltage command values v * a, v * b, and v * c calculated by the control unit 7.

尚、本実施の形態では、制御部7の一部は、例えば、FPGA(field programmable gate array)、PLC(programmable logic controller)、マイクロコントローラ等の演算装置で構成され、特に中性点電位演算部72は、上記演算装置においてそれに内蔵されているプログラムが実行されることにより実現される機能ブロックである。制御部7は、電圧指令生成部70及びPWM信号生成部71の他、電流センサ5の検出信号を受信する機能を備えているものとする。   In the present embodiment, a part of the control unit 7 is configured by an arithmetic unit such as a field programmable gate array (FPGA), a programmable logic controller (PLC), a microcontroller, etc., and in particular, a neutral point potential arithmetic unit. Reference numeral 72 denotes a functional block realized by executing a program built in the arithmetic device. The control unit 7 is assumed to have a function of receiving a detection signal of the current sensor 5 in addition to the voltage command generation unit 70 and the PWM signal generation unit 71.

[本発明の基礎となった知見]
本発明者らは、図1、図2に示した3つの単相インバータ3a〜3cの他方の出力端子が中性点Nを形成すべく互いにY接続されている電力変換部3の出力電圧について検討した。電力変換部3の負荷4に与えたい相電圧va、vb、vc(va+vb+vc=0)、各単相インバータ3a〜3cの中性点電位v0とすると、各単相インバータ3a〜3cの出力電圧va、vb、vcは式(1)と表すことができる。
[Knowledge that became the basis of the present invention]
The inventors have described the output voltage of the power converter 3 in which the other output terminals of the three single-phase inverters 3a to 3c shown in FIGS. 1 and 2 are Y-connected to form a neutral point N. investigated. Assuming that phase voltages va, vb, vc (va + vb + vc = 0) to be applied to the load 4 of the power conversion unit 3 and the neutral point potential v0 of each single-phase inverter 3a-3c, the output voltage v of each single-phase inverter 3a-3c. * A , v * b, and v * c can be represented by Formula (1).

Figure 0006293423
Figure 0006293423

ここで各単相インバータ3a〜3cの直流電圧部の電圧をvDCとし、直流電圧vDCは互いに等しいものとする。各単相インバータ3a〜3cの出力電圧について、式(2)のような制約がある。 Here, the voltage of the DC voltage part of each of the single-phase inverters 3a to 3c is v DC , and the DC voltages v DC are equal to each other. The output voltage of each of the single-phase inverters 3a to 3c is limited as shown in Expression (2).

Figure 0006293423
Figure 0006293423

式(2)は、各単相インバータの出力端子の一端に出力される出力電圧va、vb、vcの絶対値が、各単相インバータの入力電圧vDC以下であるという制約条件を表している。 That equation (2), the absolute value of the output voltage v * a, v * b, v * c which is output to one end of the output terminal of each single-phase inverter, or less input voltage v DC for each single-phase inverter Represents a constraint condition.

図4は、単相インバータ3a〜3cの直流電圧vDCに対する単相インバータ3a〜3cが負荷4に印加したい相電圧va、vb、vc及び中性点電位v0の関係を示すベクトル図である。図4(a)及び図4(b)は、中性点電位v0=0、すなわちインバータ3a〜3cから見た中性点電位と負荷4から見た中性点電位が一致している場合において、相電圧va、vb、vcの絶対値が最小の場合、及び最大の場合のベクトル図をそれぞれ示している。 Figure 4 is a vector diagram showing the relationship between the phase voltage want single phase inverter 3 a to 3 c is applied to the load 4 va, vb, vc and neutral point potential v0 for the DC voltage v DC single-phase inverter 3 a to 3 c. 4A and 4B show the case where the neutral point potential v0 = 0, that is, the neutral point potential seen from the inverters 3a to 3c and the neutral point potential seen from the load 4 match. , Vector diagrams when the absolute values of the phase voltages va, vb, vc are minimum and maximum are respectively shown.

図4(a)に示す相電圧に対し、図4(b)に示すように相電圧va、vb、vcの絶対値は2/√3×vDC=1.15×vDCまで許容されることが知られている。すなわち最大相電圧は、単相インバータの直流電圧vDCの1.15倍となる。 With respect to the phase voltage shown in FIG. 4A, the absolute values of the phase voltages va, vb, and vc are allowed up to 2 / √3 × v DC = 1.15 × v DC as shown in FIG. 4B. It is known. That is, the maximum phase voltage is 1.15 times the DC voltage v DC of the single-phase inverter.

図4(c)及び図4(d)は、最大相電圧を出力している場合に中性点電位v0を変動させた場合のベクトル図を示している。図4(c)及び図4(d)に示すような位相角において、最大相電圧を出力している場合の中性点電位v0は、(1/√3−1)×vDCから(1−2/√3)×vDCの範囲となる。すなわち図4(c)と図4(d)を比較すれば、最大電圧を出力している状態であっても、電気角によっては、まだ中性点電位v0に自由度が残されていることが分かる。一般に、三相の負荷電力は線間電圧で決まり、中性点電位については自由度がある。また、いわゆるY接続(スター結線)マルチレベル電力変換装置100では、この自由度を用いて3つの単相インバータの負荷分担を変えることができる。そこで、本発明者らは、中性点電位v0の自由度に着目し、電力変換部3において各単相インバータの瞬時電力を平準化するための制御方法に想到した。 4 (c) and 4 (d) show vector diagrams when the neutral point potential v0 is varied when the maximum phase voltage is output. At the phase angles as shown in FIGS. 4C and 4D, the neutral point potential v0 when the maximum phase voltage is output is from (1 / √3−1) × v DC to (1 −2 / √3) × v DC . That is, when FIG. 4C and FIG. 4D are compared, there is still a degree of freedom in the neutral point potential v0 depending on the electrical angle even when the maximum voltage is being output. I understand. In general, three-phase load power is determined by line voltage, and there is a degree of freedom with respect to neutral point potential. Further, in the so-called Y connection (star connection) multilevel power conversion device 100, the load sharing of the three single-phase inverters can be changed using this degree of freedom. Therefore, the present inventors have focused on the degree of freedom of the neutral point potential v0 and have come up with a control method for leveling the instantaneous power of each single-phase inverter in the power conversion unit 3.

[ミニマックス法]
以下、本実施の形態1の電力変換装置100におけるピーク電力を平準化するための制御方法について図5及び図6を用いて説明する。本制御方法は、線形計画法の考え方に基づいて、3つの単相インバータ3a〜3cの出力電力の最大値を最小化する中性点電位v0を演算するというものである(以下、ミニマックス法ともいう)。
[Minimax method]
Hereinafter, a control method for leveling the peak power in the power conversion apparatus 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 5 and 6. This control method calculates a neutral point potential v0 that minimizes the maximum value of the output power of the three single-phase inverters 3a to 3c based on the concept of linear programming (hereinafter referred to as a minimax method). Also called).

図5は、制御部7による単相インバータ3a〜3cの瞬時電力の平準化処理の流れの一例を示すフローチャートである。尚、このフローチャートで実行される処理は一定の制御周期毎に行われるものとする。図5に示すように、まず、中性点電位演算部72は、単相インバータ3a〜3cが負荷に印加したい相電圧va、vb、vc及び相電流ia、ib、icとに基づいて3つの単相インバータ3a〜3cの出力電力の最大値が最小となる中性点Nの電圧である中性点電位v0を算出する(ステップ1)。ここで各相の出力電力は式(3)で表される。本実施の形態では、中性点電位演算部72は、式(3)で表される各相の電力の最大値を表す式(4)を最小化する中性点電位v0を演算する。   FIG. 5 is a flowchart illustrating an example of the flow of the instantaneous power leveling process of the single-phase inverters 3 a to 3 c by the control unit 7. It should be noted that the processing executed in this flowchart is performed every fixed control cycle. As shown in FIG. 5, first, the neutral point potential calculation unit 72 includes three phase voltages va, vb, vc and phase currents ia, ib, ic that the single-phase inverters 3a-3c want to apply to the load. A neutral point potential v0 that is a voltage at the neutral point N at which the maximum value of the output power of the single-phase inverters 3a to 3c is minimized is calculated (step 1). Here, the output power of each phase is expressed by Equation (3). In the present embodiment, the neutral point potential calculation unit 72 calculates a neutral point potential v0 that minimizes Expression (4) representing the maximum value of the power of each phase represented by Expression (3).

Figure 0006293423
Figure 0006293423

Figure 0006293423
Figure 0006293423

ここで、ステップ1で実行される式(4)の解法の一例について図6も参照しながら説明する。図6は、電力変換部3のY接点における中性点電位に対する各相の電力を示したグラフである。縦軸は各相の電力Pを示し、横軸は中性点電位v0を示している。図6(a)はa相〜c相全てを組み合わせた電力P、図6(b)はa相とb相の組み合わせた電力Pab、図6(c)はb相とc相の組み合わせた電力Pbc、図6(d)はc相とa相の組み合わせた電力Pcaをそれぞれ絶対値関数で示している。図6(a)では、絶対値関数から得られる3本の折れ線(実線、一点鎖線及び破線)は合計6個の交点をもち、そのうちの一つが解となる。今、三組の相の組み合わせ(a,b)、(b,c)、(c,a)のそれぞれについて、次式(5)で与えられる2つの相の電力の絶対値の最大を考える。 Here, an example of the solution of the equation (4) executed in step 1 will be described with reference to FIG. FIG. 6 is a graph showing the power of each phase with respect to the neutral point potential at the Y contact of the power conversion unit 3. The vertical axis represents the power P of each phase, and the horizontal axis represents the neutral point potential v0. FIG. 6A shows power P combining all the phases a to c, FIG. 6B shows power P ab combined with a phase and b phase, and FIG. 6C shows combination of b phase and c phase. The electric power P bc and FIG. 6D show the electric power P ca combining the c phase and the a phase, respectively, as an absolute value function. In FIG. 6A, three broken lines (solid line, one-dot chain line, and broken line) obtained from the absolute value function have a total of six intersections, and one of them is a solution. Now, consider the maximum absolute value of the power of the two phases given by the following equation (5) for each of the three phase combinations (a, b), (b, c), and (c, a).

Figure 0006293423
Figure 0006293423

そして、このPxyの最小を与える中性点電位v0をvxyとする。ここで添え字x,yはそれぞれa,b,cのいずれかを表すものとする。 The neutral point potential v0 that gives the minimum of P xy is defined as v xy . Here, the subscripts x and y represent one of a, b, and c, respectively.

式(4)を中性点電位v0について最小化することは比較的容易であり、図6(b)〜(d)に示すように、4本の直線の交点を求めるという問題に帰着される。交点がPxyの最小値を与えるときは、二本の直線の傾きの符号が異なっている。この性質を利用すると、(5)式の解は以下の式(6)のようになる。分子と分母にともに電流の一次の項があるので,電流についてはその位相関係によってのみ決まることに注意しなくてはならない。 It is relatively easy to minimize Equation (4) with respect to the neutral point potential v0, resulting in the problem of obtaining the intersection of four straight lines as shown in FIGS. 6 (b) to 6 (d). . When the intersection point gives the minimum value of P xy is different sign of the slope of the two straight lines. If this property is used, the solution of equation (5) is as shown in equation (6) below. Note that because both the numerator and denominator have a first-order term of current, the current is determined only by its phase relationship.

Figure 0006293423
Figure 0006293423

ここで上記三組の相の組み合わせの関係を調べる。例えば相の組み合わせ(a,b)と(b,c)を考えて、Pab>Pbcとし、対応する中性点電位v0をvabとvbcとする。中性点電位vbcはb相とc相の組合せの場合の最小電力を与えるが、除外されたa相の電力|(va+vbc)×ia|の値はPabよりも更に大きくなるので、求める解の候補から除外されてしまう。結局,三組の組合せのなかで、最大のPxyを与えるvxyが式(3)の解となる。 Here, the relationship between the above three combinations of phases is examined. For example, considering phase combinations (a, b) and (b, c), P ab > P bc and the corresponding neutral point potential v 0 is v ab and v bc . The neutral point potential v bc gives the minimum power in the case of the combination of the b phase and the c phase, but the value of the excluded a phase power | (va + vbc) × ia | is larger than P ab, and thus is obtained. It is excluded from the solution candidates. Eventually, v xy that gives the maximum P xy among the three combinations is the solution of equation (3).

次に、中性点電位演算部72は、式(2)の制約条件を満たすか否かを判定する(ステップ2)。ここで、式(2)の制約条件をv0について書き直すと次式(7)を得る。本実施の形態では、中性点電位v0が式(7)の範囲に有るか否かを判定する。   Next, the neutral point potential calculation unit 72 determines whether or not the constraint condition of Expression (2) is satisfied (step 2). Here, when the constraint condition of Expression (2) is rewritten for v0, the following Expression (7) is obtained. In the present embodiment, it is determined whether or not the neutral point potential v0 is within the range of Expression (7).

Figure 0006293423
Figure 0006293423

次に、中性点電位演算部72は、中性点電位v0が式(7)の条件を満たす場合は、ステップ1で演算した中性点電位v0を最適値とする(ステップ3)。   Next, when the neutral point potential v0 satisfies the condition of the expression (7), the neutral point potential calculation unit 72 sets the neutral point potential v0 calculated in step 1 as an optimum value (step 3).

また、中性点電位演算部72は、式(7)の条件を満たさない場合は、式(7)の条件を満たす最大値及び最小値のうち近い値を、3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる値とする(ステップ4)。すなわち式(4)は下に凸な関数であるので、式(4)を最小化する中性点電位が(7)式で示す範囲を逸脱する場合は、(7)式の範囲内で一番近い値を選択すればよい。本実施の形態では、中性点電位v0は、式(7)の最大値vDC−max(va、vb、vc)、式(7)の最小値−vDC−max(va、vb、vc)のうちのいずれかが選択される。これにより、中性点電位v0が制約条件(7)を満たさない場合でも、単相インバータの出力電圧が単相インバータの入力電圧を上限又は下限としてカットされることを好適に防止できる。 Further, when the condition of the equation (7) is not satisfied, the neutral point potential calculation unit 72 outputs the closest value among the maximum value and the minimum value that satisfy the condition of the equation (7) as the outputs of the three single-phase inverters. The maximum power value is set to a minimum value (step 4). That is, since the equation (4) is a downward convex function, when the neutral point potential that minimizes the equation (4) deviates from the range indicated by the equation (7), it is within the range of the equation (7). Select the closest value. In the present embodiment, the neutral point potential v0 is the maximum value v DC -max (va, vb, vc) of the equation (7), and the minimum value -v DC -max (va, vb, vc) of the equation (7). ) Is selected. Thereby, even when the neutral point potential v0 does not satisfy the constraint condition (7), it is possible to suitably prevent the output voltage of the single-phase inverter from being cut with the input voltage of the single-phase inverter as the upper limit or the lower limit.

次に、電圧指令生成部70は、中性点電位演算部72で演算した中性点電位v0と相電圧va、vb、vcを加算し、出力電圧va、vb、vcの指令信号を出力する(ステップ5)。 Next, the voltage command generator 70 adds the neutral point potential v0 calculated by the neutral point potential calculator 72 and the phase voltages va, vb, vc, and outputs the output voltages v * a, v * b, v * c. Command signal is output (step 5).

次に、PWM信号生成部71は、電圧指令信号に基づいてPWM信号を生成し、電力変換部3にPWM信号を出力する(ステップ6)。これにより、電力変換部3が、制御部7で演算された電圧指令信号に対応する電圧va、vb、vcを出力するようにPWM制御される。 Next, the PWM signal generation unit 71 generates a PWM signal based on the voltage command signal, and outputs the PWM signal to the power conversion unit 3 (step 6). As a result, the power conversion unit 3 is PWM-controlled so as to output the voltages v * a, v * b, and v * c corresponding to the voltage command signal calculated by the control unit 7.

上記構成によれば、制御部7が、ミニマックス法という最適化方法を用いて、各単相インバータ3a〜3cの出力電力va、vb、vcが中性点Nの電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点Nの電位が変化するよう各単相インバータの出力電圧を制御するので、単相インバータの出力電力の均等化を図り、装置の定格容量を低減することができる。 According to the above configuration, the control unit 7 uses the optimization method called the minimax method, and the output power v * a, v * b, v * c of each of the single-phase inverters 3a to 3c is the potential at the neutral point N. Since the output voltage of each single-phase inverter is controlled so that the potential of the neutral point N changes so as to decrease compared with the case where the voltage is not changed, the output power of the single-phase inverter is equalized, and the rated capacity of the device Can be reduced.

このように、本実施の形態によれば、従来は電圧利用率の向上や、歪み率の低減という観点から議論されることの多かった中性点電位の選択方法について相毎の瞬時電力の最大を最小化するという効果を奏するものである。このような点で、本実施の形態のピーク電力の平準化制御は、他の目的による制御とは本質的に相違しており、Y接続された3つの単相インバータを有する三相出力の電力変換装置ならではの独創的な構成である。   As described above, according to the present embodiment, the maximum instantaneous power for each phase is selected for the neutral point potential selection method that has been often discussed from the viewpoint of improving the voltage utilization rate and reducing the distortion rate. This has the effect of minimizing. In this respect, the peak power leveling control of the present embodiment is essentially different from the control for other purposes, and the power of the three-phase output having three Y-connected single-phase inverters. This is an original configuration unique to the converter.

(実施の形態2)
[最小二乗法]
次に、本発明の実施の形態2について説明する。尚、実施の形態1と共通する構成の説明は省略し、相違する構成についてのみ説明する。本実施の形態2のピーク電力の平準化するための制御方法は、最小二乗法の考え方に基づいて、3つの単相インバータ3a〜3cの直流部電流の二乗和を最小化する中性点電位v0を演算するというものである(以下、最小二乗法ともいう)。
(Embodiment 2)
[Least square method]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. The description of the configuration common to the first embodiment is omitted, and only the configuration that is different will be described. The control method for leveling the peak power according to the second embodiment is based on the idea of the least square method, and the neutral point potential that minimizes the sum of squares of the DC currents of the three single-phase inverters 3a to 3c. v0 is calculated (hereinafter also referred to as a least square method).

すなわち、本実施の形態2の電力変換装置は、実施の形態1と比較すると、中性点電位演算部72が、実施の形態1における図5のステップ1において、式(5)の制約条件を満たす中性点電位v0の最適値を、3つの単相インバータ3a〜3cの直流部電流の二乗和が最小となる中性点電位v0を最適値とする点が相違する。   That is, in the power conversion device of the second embodiment, when compared with the first embodiment, the neutral point potential calculation unit 72 satisfies the constraint condition of the expression (5) in step 1 of FIG. 5 in the first embodiment. The difference is that the optimum value of the neutral point potential v0 to be satisfied is set to the optimum value of the neutral point potential v0 at which the sum of squares of the direct currents of the three single-phase inverters 3a to 3c is minimized.

例えばa相の単相インバータ3aの直流電圧部に流れる電流は、(va+v0)ia/vDCとなる。ここで、式(8)のように、三台の単相インバータ3a〜3cの直流部電流の二乗和Wを考える。 For example, the current flowing in the DC voltage portion of the a-phase single-phase inverter 3a is (va + v0) ia / v DC . Here, as in equation (8), a square sum W of direct currents of the three single-phase inverters 3a to 3c is considered.

Figure 0006293423
Figure 0006293423

ここで、式(8)は、v0に関する下に凸な二次関数であるので、中性点電位演算部72は、式(8)を最小にするような中性点電位v0を式(9)により演算する。   Here, since the equation (8) is a downward convex quadratic function with respect to v0, the neutral point potential calculator 72 sets the neutral point potential v0 that minimizes the equation (8) to the equation (9). ).

Figure 0006293423
Figure 0006293423

前記3つの単相インバータの直流部電流の二乗和は、直流部の配線における配線抵抗による電力損失に対応するので、上記構成により、電力損失を最小化することができる。また、本実施の形態のように、インバータに変圧器が接続される場合には、変圧器の二次巻線に流れる電流と直流部電流は比例するので変圧器巻線における巻線抵抗による発熱を最小化することができる。同様な理由で、変圧器2の二次巻線の銅損や、平滑コンデンサ11の損失を最小化することができる。   Since the square sum of the direct currents of the three single-phase inverters corresponds to the power loss due to the wiring resistance in the wiring of the direct current part, the above configuration can minimize the power loss. In addition, when a transformer is connected to the inverter as in this embodiment, the current flowing through the secondary winding of the transformer is proportional to the direct current, so the heat generated by the winding resistance in the transformer winding. Can be minimized. For the same reason, the copper loss of the secondary winding of the transformer 2 and the loss of the smoothing capacitor 11 can be minimized.

尚、実施の形態1におけるミニマックス法の式(3)と同様に式(8)も下に凸な関数であるので、式(8)を最小化する中性点電位が式(5)で示す範囲を逸脱する場合は、上記実施の形態1と同様に、式(5)の範囲内で一番近い値を選べばよい。   In addition, since the expression (8) is also a downward convex function like the expression (3) of the minimax method in the first embodiment, the neutral point potential that minimizes the expression (8) is expressed by the expression (5). When deviating from the range shown, the closest value within the range of the formula (5) may be selected as in the first embodiment.

[シミュレーション結果]
本発明者等は、上記各実施の形態の効果を実証するために、ミニマックス法及び最小二乗法によるシミュレーションを行った。シミュレーションでは、負荷電流ia、ib、icを平衡した三相交流電流と仮定し、単相インバータ3a〜3cが負荷4に印加したい相電圧va、vb、vcと中性点電位v0、直流部電力の二乗和W、及び相毎の瞬時電力Pを計算した。図8〜図12は、負荷力率が1.0の場合の計算結果のグラフを示している。波形が錯綜するので、2相分についてのみ示している。尚、図中の変調率Mは負荷に与える相電圧を直流部電圧で除した値で定義され、零から2/√3の値をとる。図中には、式(7)の条件で示される解の範囲もあわせて示している。電圧利用率の向上を優先する場合には、中性点電位は式(7)の範囲内で零に近い値を選択することが多い。計算結果をみるとこの逆に、相電力の最小化をするために、中性点電位は非常に大きく動いている。
[simulation result]
In order to verify the effects of the above embodiments, the present inventors performed simulations using the minimax method and the least square method. In the simulation, it is assumed that the load currents ia, ib, and ic are balanced three-phase AC currents, and the phase voltages va, vb, vc, neutral point potentials v0, DC unit power that the single-phase inverters 3a to 3c want to apply to the load 4 are assumed. Of the squared sum W and instantaneous power P for each phase were calculated. 8 to 12 show graphs of calculation results when the load power factor is 1.0. Since the waveforms are complicated, only the two phases are shown. The modulation factor M in the figure is defined by a value obtained by dividing the phase voltage applied to the load by the DC voltage, and takes a value from zero to 2 / √3. In the figure, the range of the solution indicated by the condition of Expression (7) is also shown. When priority is given to improving the voltage utilization factor, the neutral point potential is often selected to be close to zero within the range of the equation (7). On the other hand, the calculation results show that the neutral point potential moves very greatly in order to minimize the phase power.

まず、ミニマックス法によるシミュレーション結果を示す。図8(a)及び図8(b)は、ミニマックス法による変調率Mが0.8の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図9(a)及び図9(b)は、ミニマックス法による変調率Mが1.0の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図8及び図9のグラフに示すように、ミニマックス法による結果では、中性点電位は変調率が小さいときから三角波状をなしている。変調率が大きい場合では、三角波形状を保ったまま、制限範囲内で大きく変動する。相電力の瞬時値をみると、変調率Mが1.0を超えない範囲ではミニマックス法による方法ではおよそ1/6周期の間、二つの相の瞬時電力が一致している。   First, the simulation result by the minimax method is shown. FIG. 8A and FIG. 8B are graphs showing temporal changes in the phase voltage and the neutral point potential when the modulation factor M according to the minimax method is 0.8. FIG. 9A and FIG. 9B are graphs showing temporal changes in the phase voltage and the neutral point potential when the modulation factor M by the minimax method is 1.0. As shown in the graphs of FIGS. 8 and 9, in the result of the minimax method, the neutral point potential has a triangular wave shape from the time when the modulation rate is small. When the modulation rate is large, it largely fluctuates within the limited range while maintaining the triangular wave shape. Looking at the instantaneous value of the phase power, in the range in which the modulation factor M does not exceed 1.0, the instantaneous powers of the two phases coincide with each other for approximately 1/6 period by the method of the minimax method.

次に、最小二乗法によるシミュレーション結果を示す。図10(a)及び図10(b)は、最小二乗法による変調率Mが0.8の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図11(a)及び図11(b)は、最小二乗法による変調率Mが1.0の場合の相電圧及び中性点電位の時間変化を示したグラフである。図10及び図11のグラフに示すように、二乗和の最小化による方法では、変調率が小さいとき、中性点電位が基本波の三倍の周波数をもつ正弦波をなしており、電圧利用率の向上のための三次調波と同様の動きをしている。ただし、変調率が大きくなると中性点電位は制限範囲内で大きく変動する。また、二乗和の最小化による方法では相毎の一致区間が無く、ピーク電力そのものも、ミニマックス法による結果と比べわずかながら大きくなっている。   Next, the simulation result by the least square method is shown. FIGS. 10A and 10B are graphs showing temporal changes in the phase voltage and the neutral point potential when the modulation factor M by the least square method is 0.8. FIG. 11A and FIG. 11B are graphs showing temporal changes in the phase voltage and the neutral point potential when the modulation factor M according to the least square method is 1.0. As shown in the graphs of FIGS. 10 and 11, in the method using the square sum minimization, when the modulation rate is small, the neutral point potential is a sine wave having a frequency three times that of the fundamental wave. It moves in the same way as the third harmonic to improve the rate. However, as the modulation rate increases, the neutral point potential varies greatly within the limited range. Further, in the method using the square sum minimization, there is no coincidence section for each phase, and the peak power itself is slightly larger than the result by the minimax method.

図12(a)及び図12(b)は、ミニマックス法及び最小二乗法による変調率1.0の場合の直流電力の二乗和の平均値の時間変化をそれぞれ示したグラフである。図12に示すように、ミニマックス法及び最小二乗法により、直流電力の二乗和の平均値は中性点電位の変動により、同程度抑制されていることが分かる。   12 (a) and 12 (b) are graphs showing temporal changes in the average value of the square sum of the DC power when the modulation factor is 1.0 according to the minimax method and the least square method. As shown in FIG. 12, it can be seen that the average value of the square sum of the DC power is suppressed to the same extent by the fluctuation of the neutral point potential by the minimax method and the least square method.

図8〜図12の結果をまとめたものが図13である。図13は、補正無しの場合とミニマックス法及び最小二乗法による電力の二乗和とピーク電力を比較したグラフである。図13に示すように、変調率が1.0のとき、中性点電位をまったく動かさない補正無しの場合に比べ、二乗和の最小化による方法では、最大電力がおよそ22%低減されている。また、ミニマックス法による方法では、25%改善されている。   FIG. 13 summarizes the results of FIGS. FIG. 13 is a graph comparing the peak power with the sum of squares of power by the minimax method and the least squares method without correction. As shown in FIG. 13, when the modulation factor is 1.0, the maximum power is reduced by about 22% in the method using the square sum minimization as compared with the case of no correction in which the neutral point potential is not moved at all. . In addition, the method using the minimax method is improved by 25%.

一方で、直流部電流の二乗和の平均値は、二乗和の最小化による方法がごくわずか小さいが、無視しうる範囲であり、二つの方法で大きな差異はないとみなせる。本発明者らは、最小二乗法よりもミニマックス法が望ましい結果が得られたと総合的に評価している。   On the other hand, the average value of the sum of squares of the DC section current is negligibly small by the method of minimizing the sum of squares, but it can be considered that there is no significant difference between the two methods. The present inventors comprehensively evaluate that the minimax method is preferable to the least square method.

図14(a)及び図14(b)は、負荷力率0.5及び変調率0.8の場合のミニマックス法による相電圧、中性点電位及び相電力の結果を示したグラフである。図14に示すように、中性点電位の動きは、力率が1.0の場合と大きく異なっており、力率の変化に応じて瞬時電力を最小化しようと働いていることがわかる。   FIGS. 14A and 14B are graphs showing the results of the phase voltage, neutral point potential, and phase power by the minimax method when the load power factor is 0.5 and the modulation factor is 0.8. . As shown in FIG. 14, the movement of the neutral point potential is greatly different from that in the case where the power factor is 1.0, and it can be seen that it works to minimize the instantaneous power according to the change in the power factor.

以上の二乗和の最小化による方法とミニマックス法による方法についてシミュレーション結果から、僅かながらミニマックス法による方法が優れていることが明らかになった。両方法の計算量について検討した場合、ミニマックス法の解法では、少なくとも6回の絶対値演算と3回の除算、および三つの変数の比較を必要とする。よって計算量という点では二乗和最小化法の方が有利である。しかし近年の制御装置の性能向上を考えると、この演算に要する時間の差は軽微であると考えられる。本方式は,不平衡負荷や非線形負荷にともなう電流の不平衡、高調波にも対応できるという利点がある。   From the simulation results of the above method of minimizing the sum of squares and the method using the minimax method, it was found that the method using the minimax method is slightly superior. When considering the computational complexity of both methods, the minimax solution requires at least six absolute value operations, three divisions, and a comparison of three variables. Therefore, the sum of squares minimization method is more advantageous in terms of calculation amount. However, considering the recent improvement in performance of control devices, the difference in time required for this calculation is considered to be slight. This method has the advantage of being able to handle unbalanced currents and harmonics associated with unbalanced loads and nonlinear loads.

尚、上記各実施の形態における電力変換部3の出力側には出力線30を介して三相交流負荷4が接続されたが、これに限られるものではなく、二相負荷であってもよい。このような場合ではあっても、上記各実施の形態で説明したような効果を奏することができる。   In addition, although the three-phase alternating current load 4 was connected to the output side of the power conversion unit 3 in each of the above embodiments via the output line 30, it is not limited to this and may be a two-phase load. . Even in such a case, the effects described in the above embodiments can be obtained.

上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び/又は機能の詳細を実質的に変更できる。   From the foregoing description, many modifications and other embodiments of the present invention are obvious to one skilled in the art. Accordingly, the foregoing description should be construed as illustrative only and is provided for the purpose of teaching those skilled in the art the best mode of carrying out the invention. The details of the structure and / or function may be substantially changed without departing from the spirit of the invention.

本発明は、三相出力の電力変換装置に用いることができる。   The present invention can be used for a three-phase output power converter.

1 三相交流電源
2 三相変圧器
3 電力変換部
3a〜3c 単相インバータ(a相〜c相)
4 モータ(負荷)
5 電流センサ
7 制御部
11 順変換器
12 平滑コンデンサ
13 逆変換器
30 出力線
70 電圧指令生成部
71 PWM信号生成部
72 中性点電位演算部
73 加算器
74 符号反転器
75 比較器
76 論理反転器
77 遅延回路
78 三角波発生回路
100 電力変換装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Three-phase alternating current power supply 2 Three-phase transformer 3 Power conversion part 3a-3c Single phase inverter (a phase-c phase)
4 Motor (load)
5 Current Sensor 7 Control Unit 11 Forward Converter 12 Smoothing Capacitor 13 Inverse Converter 30 Output Line 70 Voltage Command Generation Unit 71 PWM Signal Generation Unit 72 Neutral Point Potential Calculation Unit 73 Adder 74 Sign Inverter 75 Comparator 76 Logic Inversion 77 Delay circuit 78 Triangle wave generation circuit 100 Power converter

Claims (8)

3つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ3つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部と、
各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように又は3つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように、前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する、マルチレベル電力変換装置。
Three-phase including three single-phase inverters, one output terminal of each single-phase inverter connected to a load, and the other output terminal of the three single-phase inverters connected to each other to form a neutral point The power converter of
A control unit for controlling the output voltage of each single-phase inverter so that the potential at the neutral point changes so that the output power of each single-phase inverter is reduced as compared with the case where the output power at the neutral point is not changed; With
The control unit is configured to reduce the potential of the neutral point so that the maximum value of the output power of the three single-phase inverters is minimized or the sum of squares of the DC unit currents of the three single-phase inverters is minimized. A multi-level power conversion device that controls the output voltage of each single-phase inverter so as to change .
前記制御部は、3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する、請求項1に記載のマルチレベル電力変換装置。 Wherein the control unit controls the output voltage of each of the single-phase inverters so that the maximum value of the output power of the three said single-phase inverter changes the potential of the neutral point so as to minimize, according to claim 1 Multi-level power converter. 3つの前記単相インバータの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する3つの相電流検出器をさらに備え、
前記制御部は、単相前記インバータが前記負荷に印加したい相電圧と3つの前記相電流検出器でそれぞれ検出される相電流とに基づいて3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる前記中性点の電位である中性点電位を算出し、この算出した中性点電位を前記相電圧に加算して各前記単相インバータの出力電圧を制御するための指令値を生成する、請求項2に記載のマルチレベル電力変換装置。
Further comprising three phase current detectors respectively detecting phase currents that are output currents of one output terminal of the three single-phase inverters;
The control unit is configured to minimize the maximum output power of the three single-phase inverters based on the phase voltage that the single-phase inverter wants to apply to the load and the phase currents detected by the three phase current detectors, respectively. The neutral point potential, which is the potential of the neutral point, is calculated, and the command value for controlling the output voltage of each single-phase inverter is generated by adding the calculated neutral point potential to the phase voltage. The multilevel power conversion device according to claim 2 .
前記制御部は、3つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御する、請求項1に記載のマルチレベル電力変換装置。 Wherein the control unit controls the output voltage of each of the single-phase inverters so that the square sum of the DC portion current three said single-phase inverter changes the potential of the neutral point so as to minimize, to claim 1 The multilevel power conversion device described. 3つの前記単相インバータの一方の出力端子の出力電流である相電流をそれぞれ検出する3つの相電流検出器をさらに備え、
前記制御部は、前記単相インバータが前記負荷に印加したい相電圧と3つの前記相電流検出器でそれぞれ検出される相電流とに基づいて3つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となる前記中性点の電位である中性点電位を算出し、この算出した中性点電位を前記相電圧に加算して各前記単相インバータの出力電圧を制御するための指令値を生成する、請求項4に記載のマルチレベル電力変換装置。
Further comprising three phase current detectors respectively detecting phase currents that are output currents of one output terminal of the three single-phase inverters;
The control unit calculates the sum of squares of the DC unit currents of the three single-phase inverters based on the phase voltage that the single-phase inverter wants to apply to the load and the phase currents detected by the three phase current detectors, respectively. A neutral point potential, which is the potential of the neutral point that is minimized, is calculated, and a command value for controlling the output voltage of each single-phase inverter by adding the calculated neutral point potential to the phase voltage. The multilevel power conversion device according to claim 4 , wherein the multilevel power conversion device is generated.
前記制御部は、前記単相インバータが負荷に印加したい相電圧と前記中性点電位との和の絶対値が、各単相インバータの入力電圧以下であるという制約条件をさらに満たす前記中性点電位を算出する、請求項3又は請求項5に記載のマルチレベル電力変換装置。 The control unit, the neutral point further satisfying the constraint that the absolute value of the sum of the phase voltage that the single-phase inverter wants to apply to the load and the neutral point potential is less than or equal to the input voltage of each single-phase inverter The multilevel power conversion device according to claim 3 or 5 , which calculates a potential. 前記制御部は、前記中性点電位が前記制約条件を満たさない場合には、当該制約条件を満たす最大値及び最小値のうち近い値を、3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となる又は3つの前記単相インバータの入力電流の二乗和が最小となる値とする、請求項6に記載のマルチレベル電力変換装置。 When the neutral point potential does not satisfy the constraint condition, the control unit sets a close value between the maximum value and the minimum value satisfying the constraint condition, and the maximum value of the output power of the three single-phase inverters. The multilevel power conversion device according to claim 6 , wherein the multilevel power conversion device has a minimum value or a value that minimizes a sum of squares of input currents of the three single-phase inverters. 3つの単相インバータを含み、各単相インバータの一方の出力端子が負荷に接続され、且つ3つの前記単相インバータの他方の出力端子が中性点を形成すべく互いに接続される、三相の電力変換部を備えるマルチレベル電力変換装置の制御方法であって、
各前記単相インバータの出力電力が前記中性点の電位を変化させない場合に比べて減少するように当該中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御することを含み、
3つの前記単相インバータの出力電力の最大値が最小となるように又は3つの前記単相インバータの直流部電流の二乗和が最小となるように、前記中性点の電位が変化するよう各前記単相インバータの出力電圧を制御することを更に含む、マルチレベル電力変換装置の制御方法。
Three-phase including three single-phase inverters, one output terminal of each single-phase inverter connected to a load, and the other output terminal of the three single-phase inverters connected to each other to form a neutral point A method for controlling a multi-level power conversion device including the power conversion unit of
It comprises controlling the output voltage of each of the single-phase inverters so that the output power of each of said single-phase inverter changes the potential of the neutral point so reduced as compared with the case that does not change the potential of the neutral point ,
Each of the neutral points changes so that the maximum value of the output power of the three single-phase inverters is minimized or the sum of squares of the DC currents of the three single-phase inverters is minimized. The control method of a multilevel power converter further comprising controlling the output voltage of the single phase inverter .
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