JP6394401B2 - ５レベル電力変換器および制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、多相の５レベル電力変換器に係り、特に、各相の５レベル電力変換器が直流接続部のコンデンサを共通して用いたマルチレベル電力変換器に関する。

図７は、ダイオードクランプ型の５レベル電力変換器を示す回路図である。図７に示すように、ダイオードクランプ型の５レベル電力変換器は、直流接続部を４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４で４分割しており、４分割したコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧をそれぞれ等しく制御することで５レベルの電圧を出力することが可能となる。

例えば、コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧をＥとした場合、中性点Ｎを基準とした出力相電圧のレベルは、スイッチＳ_p1〜Ｓ_p4、Ｓ_n1〜Ｓ_n4のオンオフ動作によって、２Ｅ，Ｅ，０，−Ｅ，−２Ｅの５レベルとなる。

非特許文献１は、そのコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧バランス制御に関して記載したものである。非特許文献１は、図７に示すように、インバータとコンバータとを一体構成とした５レベル電力変換器であり、三相共通のオフセット（零相電圧）を出力電圧指令値に重畳することにより、４分割したコンデンサ電圧を一定範囲内に制御している。

図８は、非特許文献１におけるオフセット波形例を示すタイムチャートである。上部波形がオフセット重畳前の出力電圧指令値（正弦波状）Ｖｒｅｆとオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔである。下部波形がオフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔ重畳後の出力電圧指令値Ｖｒｅｆである。また、左側波形と右側波形では、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔのｄｕｔｙ（オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔが零以外の期間の比率）が異なっている。左側波形はｄｕｔｙ＝１００％，右側波形はｄｕｔｙ≒５０％である。このｄｕｔｙを調整することによって、コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧をバランス制御する。

また、この５レベル電力変換器の出力電圧を生成するＰＷＭ制御構成を、図９に示す。図９の出力電圧指令値Ｖｒｅｆと４種類のキャリア信号ｃａｒｒｉｅｒ１，ｃａｒｒｉｅｒ２，ｃａｒｒｉｅｒ３，ｃａｒｒｉｅｒ４とを比較することより、５レベル電力変換器内におけるインバータの各スイッチＳ_p1〜Ｓ_p4，Ｓ_n1〜Ｓ_n4のオンオフ動作を決定し、ＰＷＭ波形の出力電圧を生成する。

図７の各コンデンサＣ１〜Ｃ４における印加電圧をＥとすると、各信号と出力電圧との関係は表１のようになる。

オフセットＶｏｆｆｓｅｔ（零相電圧）重畳時、図９の出力電圧指令値Ｖｒｅｆは、図８の下部のような波形となる。

"Ａ Ｓｉｎｕｓｏｉｄａｌ ＰＷＭ Ｍｅｔｈｏｄ Ｗｉｔｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｂａｌａｎｃｉｎｇ Ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｆｏｒ Ｄｉｏｄｅ−Ｃｌａｍｐｅｄ Ｆｉｖｅ−Ｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ"ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＩＮＤＵＳＴＲＹ ＡＰＰＬＩＣＡＴＩＯＮＳ，ＶＯＬ４５，Ｎｏ３，ＭＡＹ／ＪＵＮＥ ２００９

非特許文献１の制御方法は、変調率に応じてオフセット量を決定し、４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧バランスを制御している。しかし、その具体的な制御方法に関する記述はない。また、コンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧を検出しフィードバックした制御構成をとらない場合、外乱に対する応答性が悪くなる等の問題が生じる。

また、オフセット電圧Ｖｏｆｆｓｅｔの波形が急峻に変化するため、図１０に示すように、２段分の電圧変化が発生する。図１０に示すように、出力電圧指令値Ｖｒｅｆに急峻な変化があると、表１のｍｏｄｅ３→ｍｏｄｅ１のようなレベルスキップが発生する。これにより、出力電圧値が０→２Ｅと変化する２段分の電圧変化が発生する。この２段分の電圧変化は、モータなどの負荷の絶縁劣化・絶縁破壊をもたらす問題がある。

以上示したようなことから、５レベル電力変換器において、コンデンサの電圧バランス制御を簡潔にし、さらに外乱に対する応答性を向上させることが課題となる。

本発明は、前記従来の問題に鑑み、案出されたもので、その一態様は、交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、コンバータの直流側に直列数２以上かつ並列数１以上のコンデンサが接続された直流接続部と、前記直流接続部の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、前記コンデンサの電圧検出値に基づいてオフセット指令値を演算するオフセット制御回路と、前記オフセット指令値にコンバータ電圧指令値を加算した値、および、前記オフセット指令値にインバータ電圧指令値を加算した値に基づいて、ＰＷＭ制御を行うＰＷＭ発生回路と、を備えた５レベル電力変換器の制御方法であって、前記オフセット制御回路は、コンデンサ電圧指令値と、前記コンデンサの電圧検出値の平均値と、の偏差に基づいてＰＩ制御した値にオフセット波形を乗算した値をオフセット指令値として出力することを特徴とする。

また、その一態様として、前記直流接続部は、４つのコンデンサが直列接続されたことを特徴とする。

また、その一態様として、前記オフセット波形は、１または−１をｄｕｔｙ５０％で出力する方形波に、オフセット波形がキャリア信号の傾き以下となる変化率制限を掛けた信号であることを特徴とする。

また、その一態様として、オフセット指令値の周波数を、５レベル電力変換器の出力周波数の３倍以上、かつ、キャリア周波数の１／２以下とすることを特徴とする。

また、出力相数が３相であってもよい。

本発明によれば、５レベル電力変換器において、コンデンサの電圧バランス制御を簡潔にし、さらに外乱に対する応答性を向上させることが可能となる。

実施形態１における５レベル電力変換器のシステム全体のブロック図。 実施形態１におけるオフセット制御回路を示すブロック図。 実施形態２におけるオフセット波形生成例を示すブロック図。 実施形態２における出力電圧と電圧指令値を示すタイムチャート。 オフセット指令値の周波数を３ｆとした場合のコンデンサ電圧を示すタイムチャート。 オフセット指令値の周波数をｆとした場合のコンデンサ電圧を示すタイムチャート。 非特許文献１の５レベル電力変換器を示す図。 出力電圧指令値とオフセット電圧を示すタイムチャート。 ＰＷＭ制御構成例を示すタイムチャート。 レベルスキップ発生例を示すタイムチャート。

本発明は、コンデンサ電圧を検出しフィードバックループを形成することにより、外乱に対する応答性を向上させるものである。さらに、重畳するオフセットの振幅を調整することにより、コンデンサ電圧のバランスを制御し、オフセットの生成を簡単化する。

以下、本発明に係る５レベル電力変換器の実施形態を図１〜図６に基づいて詳述する。

［実施形態１］
図１は本実施形態１における５レベル電力変換器のシステム全体のブロック図を示し、図２はコンデンサ電圧のオフセット制御回路のブロック図を示す。なお、本実施形態１の５レベル電力変換器は、出力相数を三相とする。

まず、５レベル電力変換器の主回路を簡単に説明する。図１に示すように、本実施形態１における５レベル電力変換器は、系統１と、系統１から出力された交流電圧を直流電圧に変換するコンバータＣＯＮＶと、コンバータＣＯＮＶの直流側に、直列数２以上かつ並列数１以上のコンデンサが接続された直流接続部と、直流接続部の直流電圧を交流電圧に変換するインバータＩＮＶと、インバータＩＮＶから出力された交流電圧が供給される負荷ＬＯＡＤと、系統１とコンバータＣＯＮＶとの間に介挿されたインプットフィルタ２と、インバータＩＮＶと負荷ＬＯＡＤとの間に介挿されたアウトプットフィルタと３と、を備える。なお、本実施形態１では、直流接続部の直流電圧を４つのコンデンサＣ１〜Ｃ４で４分割している。

ここで、図１のＶｄｃ１は直流接続部のＰアームと中性点間の電圧，Ｖｄｃ２は直流接続部の中性点とＮアーム間の電圧、Ｖｃ１，Ｖｃ２はコンデンサＣ３，Ｃ２のコンデンサ電圧、Ｖｕ＿ｃｍｄ，Ｖｖ＿ｃｍｄ，Ｖｗ＿ｃｍｄはインバータＩＮＶのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値、Ｖｕｃ＿ｃｍｄ，Ｖｖｃ＿ｃｍｄ，Ｖｗｃ＿ｃｍｄはコンバータＣＯＮＶのＵ相、Ｖ相、Ｗ相の電圧指令値である。

また、コンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２からコンバータＣＯＮＶのオフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄを演算するオフセット制御回路４と、コンバータＣＯＮＶの電圧指令値Ｖｕｃ＿ｃｍｄ，Ｖｖｃ＿ｃｍｄ，Ｖｗｃ＿ｃｍｄとオフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄを加算した値に基づいてＰＷＭ制御を行うコンバータＣＯＮＶ側のＰＷＭ発生回路５と、コンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２からインバータＩＮＶのオフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄを演算するオフセット制御回路６と、インバータＩＮＶの電圧指令値Ｖｕ＿ｃｍｄ，Ｖｖ＿ｃｍｄ，Ｖｗ＿ｃｍｄとオフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄを加算した値に基づいてＰＷＭ制御を行うインバータＩＮＶ側のＰＷＭ発生回路７と、を備える。

図２は、本実施形態１におけるオフセット制御回路４，６を示すブロック図である。図２のＶｃ＿ｃｍｄはコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧指令値、Ｋｐは比例ゲイン、Ｋｉは積分ゲイン、Ｚ^-1は１サンプル遅延を表す。

図２に示すように、加算器１１によりコンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ２を加算し、平均値演算部１２で０．５倍して、コンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ２の平均値を算出する。減算器１３で、このコンデンサ電圧Ｖｃ１とＶｃ２の平均値とコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＿ｃｍｄの偏差を算出し、ＰＩ演算部１４で当該偏差に基づいてＰＩ演算を行う。

ＰＩ演算部１４は、乗算部１５によりコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧指令値Ｖｃ＿ｃｍｄとコンデンサ電圧検出値Ｖｃ１，Ｖｃ２の平均値との偏差に比例ゲインＫｐを乗算する。減算部１６では、乗算部１５の出力と除算部１７の出力との偏差を演算し、乗算部１８でこの偏差に積分ゲインＫｉを乗算する。加算部１９では乗算部１８の出力と乗算部１８の１サンプル前の出力とを加算する。加算部２０で乗算部１５の出力と加算部１９との出力とを加算する。リミッタ２１では、加算部２０の出力をリミッタ処理し、ＡＭＰとして出力する。減算部２２は加算部２０の１サンプル前の出力とリミッタ２１の１サンプル前の出力との偏差を演算する。除算部１７は減算部２２の出力を比例ゲインＫｐで除算し、減算部１６に出力する。

乗算器２３はＰＩ演算部１４の出力であるＡＭＰにオフセット波形ｏｆｆｓｅｔ＿ｗａｖｅ＿ｆｏｒｍを乗算し、オフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄとして出力する。なお、ここでのオフセット波形ｏｆｆｓｅｔ＿ｗａｖｅ＿ｆｏｒｍは、１または−１を出力するｄｕｔｙ５０％の方形波である。

このオフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄを図１に示すように、コンバータＣＯＮＶの電圧指令値Ｖｕｃ＿ｃｍｄ，Ｖｖｃ＿ｃｍｄ，Ｖｗ＿ｃｍｄ、インバータＩＮＶの電圧指令値Ｖｕ＿ｃｍｄ，Ｖｖ＿ｃｍｄ，Ｖｗ＿ｃｍｄにそれぞれ重畳する。

なお、図１のＰＷＭ発生回路５，７は、図９と同じ構成をとり、コンバータＣＯＮＶおよびインバータＩＮＶの各スイッチのオンオフ信号を生成する。

図２に示すように、コンデンサ電圧Ｖｃ１，Ｖｃ２の電圧の平均値とコンデンサ電圧指令値Ｖｃ＿ｃｍｄとの差をとり、ＰＩ制御した出力値ＡＭＰをオフセット指令値ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄの波形の振幅とすることでコンデンサＣ１〜Ｃ４の電圧をバランス制御することができる。また、フィードバックによる構成であるため、コンデンサ電圧が外乱により変動した場合においても安定性向上できる。また、上記のような簡単な制御ブロックでコンデンサ電圧のバランスをとることができる。

［実施形態２］
本実施形態２では、出力線間電圧のレベルスキップが発生しないオフセット波形の生成方法に関して説明する。図３にオフセットの波形生成例を示す。ここで、図３のｆｏはオフセット波形の周波数、ｐｈｉはオフセット波形の位相を表す。方形波生成部３１は、周波数ｆｏ，位相ｐｈｉに基づいて方形波を生成する。この方形波は、１または−１をｄｕｔｙ５０％で出力する波形である。（１）式に方形波（ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ）を表す式を示す。

図３に示すように、変化率制限部３２により、周波数ｆｏ、位相ｐｈｉの方形波（ｓｑｕａｒｅ ｗａｖｅ）に制限を掛けることによりオフセット波形が生成される。

ここで、変化率制限部３２により、オフセット波形の傾きが、コンバータＣＯＮＶ，インバータＩＮＶのキャリア信号ｃａｒｒｉｅｒ１〜ｃａｒｒｉｅｒ４の傾き以下となるように設定する。これにより、ＰＷＭ発生回路５，７内の出力電圧指令値Ｖｒｅｆは、図９のような急峻な電圧の変化がなくなり、レベルスキップを防止することができる。

具体的には、図４のようになる。実線が変化率制限部３２を設けた場合の出力電圧指令値Ｖｒｅｆと出力電圧の波形を示している。（図４上部の破線は、変化率制限部３２を設けない場合の出力電圧指令値、すなわち、方形波生成部３１の出力である。）変化率制限部３２では、図４に示すように、破線（方形波生成部３１の出力）のステップ変化時に出力電圧指令値Ｖｒｅｆは傾きをもって上昇している。この出力電圧指令値Ｖｒｅｆの傾きはキャリア信号の傾きよりも低い。したがって、出力電圧波形では、２Ｅ分の電圧変化が発生していない。

次に、実施形態１，実施形態２においてのオフセット周波数ｆｏの決定方法に関して説明する。

５レベル電力変換器の出力周波数が低いときオフセット周波数ｆｏを高くすることにより、コンデンサ電圧の変動を低減することができる。この時、オフセット周波数ｆｏは、（２）式の範囲で設定する。ここでｆは５レベル電力変換器の出力周波数、ｆｃは５レベル電力変換器のキャリア周波数で示す。

オフセット周波数ｆｏは高いほどコンデンサ電圧変動を小さくすることができるが、キャリア周波数ｆｃの半分よりも高い周波数は制御できないため、ｆｏ＜ｆｃ／２としている。

また、３相電力変換器の場合、出力周波数の３倍の３ｆ成分の高調波電流が電力変換器内に発生する。この３ｆ成分の高調波電流を抑制するため、３ｆ≦ｆｏとしている。ｆ成分の高調波電流の抑制は、コンデンサ電圧変動の抑制につながるからである。

図５に、ｆｏ＝３ｆ＝１．５Ｈｚ時のシミュレーション結果、図６に高周波数のｆｏ＝１８０Ｈｚ適用後のシミュレーション結果をそれぞれ示す。図５と図６を比較すると高周波を適用した図６の方がコンデンサ電圧変動を８５％程度低減できていることがわかる。

以上示したように、本実施形態２によれば、レベルスキップを抑制することができ、これにより、モータなどの負荷の絶縁劣化・絶縁破壊を抑制できる。

また、オフセット周波数ｆｏを（２）式とすることにより、５レベル電力変換器の出力周波数が低い場合においても、コンデンサ電圧変動を抑制できる。

以上の実施形態１，２は、図７の３相５レベル電力変換器を用いて説明した。本発明は、インバータＩＮＶとコンバータＣＯＮＶを持つ電力変換装置で、直流部にコンデンサブロック（コンデンサ並列数が１以上ある構成）を２直列以上接続している構成であれば、図７以外の構成でも適用できる。例えば、コンデンサブロック２直列構成が２回路ある構成、さらに、その相数も３相に限らない。

以上、本発明において、記載された具体例に対してのみ詳細に説明したが、本発明の技術思想の範囲で多彩な変形および修正が可能であることは、当業者にとって明白なことであり、このような変形および修正が特許請求の範囲に属することは当然のことである。

例えば、図１では、コンバータＣＯＮＶ側のオフセット制御回路４と、インバータＩＮＶ側のオフセット制御回路６は、別々の構成となっているが、これら２つのオフセット制御回路４，６は１つに統合してもよい。

ＣＯＮＶ…コンバータ
Ｃ１〜Ｃ４…コンデンサ
ＩＮＶ…インバータ
Ｖｃ１，Ｖｃ２…コンデンサの電圧検出値
ｏｆｆｓｅｔ＿ｃｍｄ…オフセット指令値
４，６…オフセット制御回路
５，７…ＰＷＭ発生回路
Ｖｕｃ＿ｃｍｄ，Ｖｖｃ＿ｃｍｄ，Ｖｗｃ＿ｃｍｄ…コンバータ電圧指令値
Ｖｕ＿ｃｍｄ，Ｖｖ＿ｃｍｄ，Ｖｗ＿ｃｍｄ…インバータ電圧指令値
Ｖｃ＿ｃｍｄ…コンデンサ電圧指令値

Claims (6)

1. 交流電圧を直流電圧に変換するコンバータと、
   コンバータの直流側に直列数２以上かつ並列数１以上のコンデンサが接続された直流接続部と、
   前記直流接続部の直流電圧を交流電圧に変換するインバータと、
   前記コンデンサの電圧検出値に基づいてオフセット指令値を演算するオフセット制御回路と、
   前記オフセット指令値にコンバータ電圧指令値を加算した値、および、前記オフセット指令値にインバータ電圧指令値を加算した値に基づいて、ＰＷＭ制御を行うＰＷＭ発生回路と、
   を備えた５レベル電力変換器の制御方法であって、
   前記オフセット制御回路は、
   コンデンサ電圧指令値と、前記コンデンサの電圧検出値の平均値と、の偏差に基づいてＰＩ制御した値にオフセット波形を乗算した値を前記オフセット指令値として出力することを特徴とする５レベル電力変換器の制御方法。
2. 前記直流接続部は、４つの前記コンデンサが直列接続されたことを特徴とする請求項１記載の５レベル電力変換装置の制御方法。
3. 前記オフセット波形は、
   １または−１をｄｕｔｙ５０％で出力する方形波に、前記オフセット波形がキャリア信号の傾き以下となる変化率制限を掛けた信号であることを特徴とする請求項１または２記載の５レベル電力変換器の制御方法。
4. オフセット指令値の周波数を、５レベル電力変換器の出力周波数の３倍以上、かつ、キャリア周波数の１／２以下とすることを特徴とする請求項１〜３のうち何れかに記載の５レベル電力変換器の制御方法。
5. 請求項１〜４のうち何れかに記載の制御方法を用いたことを特徴とする５レベル電力変換器。
6. 出力相数が３相であることを特徴とする請求項５に記載の５レベル電力変換器。

Images