JP6415539B2 - 電力変換器 - Google Patents

Description

本発明は、電力変換器に関し、特に、モジュラー・マルチレベル・カスケード型の電力変換器に関する。

近年、高圧大容量用途に適した次世代トランスレス電力変換器として、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ：Modular Multilevel Cascade Converter）がある。ＭＭＣＣは、変換器を構成する「クラスタ（Cluster）」（アーム又はレッグと呼ばれることもある）を単位セルのカスケード接続により形成する点に特徴がある。代表的な単位セルとしては、図１Ａに示すチョッパセルＣＣと、図１Ｂに示すブリッジセルＢＣがある。

図１Ａに示すチョッパセルＣＣは双方向チョッパの一部と見なすことができ、直列接続された２つの半導体スイッチＳＷと、２つの半導体スイッチＳＷに並列接続された直流コンデンサＣと、半導体スイッチＳＷのスイッチング動作に応じて直流コンデンサＣから放電若しくは直流コンデンサＣへ充電される電流の入出力端子Ｔ１，Ｔ２とを有する。この例の半導体スイッチＳＷは、ＩＧＢＴから構成されている。図１Ｃは図１Ａに示したチョッパセルＣＣを複数個カスケード接続したクラスタＣＬを示す。

図１Ｂに示すブリッジセルＢＣは単相フルブリッジ変換器と等価であり、直列接続された２つの半導体スイッチＳＷを２組並列接続した半導体スイッチＳＷの組と、２組の半導体スイッチＳＷの組に並列に接続された直流コンデンサＣと、２つの半導体スイッチＳＷの各組の直列接続点と、直流コンデンサＣから放電若しくは直流コンデンサＣへ充電される電流の入出力端子Ｔ１，Ｔ２とを有する。

ＭＭＣＣは、結線方法によりスター結線形ＭＭＣＣとデルタ結線形ＭＭＣＣに大別できる。現在までに、以下のような６種類のスター結線形ＭＭＣＣとデルタ結線形ＭＭＣＣが知られているが、このうちの４種類のスター結線形ＭＭＣＣとデルタ結線形ＭＭＣＣが非特許文献１に開示されている。
１．シングルスター結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＳＳＢＣ）
２．ダブルスター結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＤＳＢＣ）
３．ダブルスター結線形チョッパセルＭＭＣＣ（ＤＳＣＣ）
４．トリプルスター結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＴＳＢＣ）
５．シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＳＤＢＣ）
６．ダブルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＤＤＢＣ）

ここで、スター結線形のＭＭＣＣの用途について説明する。ＳＳＢＣは、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や、電池電力貯蔵装置への適用が可能である。ＤＳＢＣとＤＳＣＣは、スター結線の中性点間に直流電源を接続できるので、直流−３相交流電力変換が実現できる。ＤＳＢＣを用いた場合は、直流電源を単相交流電源に置き換えることが可能であり、単相交流−３相交流電力変換が実現可能である。ＴＳＢＣは、スター結線の中性点間に３相電源（又は３相負荷）を接続できるので、３相交流−３相交流電力変換が実現可能である。スター結線形のＭＭＣＣは本発明には関係しないので、これ以上の説明は省略する。

次に、デルタ結線形のＭＭＣＣの用途について説明する。ＳＤＢＣは、図２Ａに示すように、複数のブリッジセルＢＣがカスケード接続された３つのクラスタＣＬがデルタ結線され、デルタ結線の３つの接続点が３相交流電源の各相に接続されたものである。また、図３は、図２Ａに示したＳＤＢＣの各クラスタ内の回路構成を詳細に示したものである。ＳＤＢＣは、デルタ結線内の循環電流を制御することにより、逆相無効電力を制御できるので、アーク炉用逆相無効電力補償装置への適用が期待されている。

図３に示すシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ１００（以後電力変換器１００と記す）において、系統側の電源電圧の各相の相電圧がｖ_Su、ｖ_Sv及びｖ_Swであり、各相の電流（以下、「電源電流」と称する。）がｉ_u、ｉ_v及びｉ_wである。また、電力変換器１００のデルタ結線部から各相のクラスタＣＬにそれぞれ流入する電流（以下、「変換器電流」と記す）が、それぞれｉ_uv、ｉ_vw及びｉ_wu、である。また、電力変換器１００のデルタ結線部の各相のクラスタＣＬの出力電圧、即ち電力変換器１００の出力端子間Ｔ_U１−Ｔ_U２，Ｔ_V１−Ｔ_V２及びＴ_W１−Ｔ_W２における線間電圧がそれぞれｖ_uv、ｖ_vw及びｖ_wu、である。また、各ブリッジセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ内の直流コンデンサの電圧がｖ_Cju、ｖ_Cjv及びｖ_Cjw（ただし、ｊ＝１〜３）である。

一方、ＤＤＢＣは、図２Ｂに示すように、複数のブリッジセルＢＣがカスケード接続された６つのクラスタＣＬを備えている。ダブルデルタ結線では、直列接続された２つのクラスタＣＬの組がデルタ結線され、デルタ結線された組の３つの接続点が３相交流電源のＵ相、Ｖ相及びＷ相にそれぞれ接続されている。そして、直列接続されたクラスタＣＬの中間点が、それぞれＲ相、Ｓ相及びＴ相として取り出される。従って、ＤＤＢＣは、ＴＳＢＣと同様に、３相交流−３相交流電力変換が実現可能である。

赤木泰文、萩原誠著、「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ）の分類と名称」、電気学会全国大会、ｎｏ．４−０４３、ｐｐ７１〜７２、２０１０年３月

しかしながら、既存のデルタ結線形ＭＭＣＣは、スター結線形ＭＭＣＣでは実現可能な直流−３相交流電力変換と、単相交流−３相交流電力変換が実現できないという問題点がある。この結果、既存のデルタ結線形ＭＭＣＣは、既存のスター結線形ＭＭＣＣと比較して、応用分野が限られるという課題があった。

従って本発明の目的は、上記問題に鑑み、既存のデルタ結線形ＭＭＣＣにおいて、直流−３相交流電力変換と単相交流−３相交流電力変換を実現することにより、応用分野を広げることができる、モジュラー・マルチレベル・カスケード型の電力変換器を提供することにある。

上記目的を実現する本発明の電力変換器の第１の形態は、単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、３つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、３つのクラスタの非電源接続側の端子が、他のクラスタに接続された電源の他端に接続されることでデルタ結線が構成され、デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、電源と３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器である。

電源を直流電源とした場合は、単位セルを、直列接続された２つの半導体スイッチとこれに並列接続された直流コンデンサとを備えるチョッパセル、又は直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組とこれに並列に接続された直流コンデンサとを備えるブリッジセルとすることができる。また、電源を同相の交流電源とした場合に、単位セルをブリッジセルとすることができる。

上記目的を実現する本発明の電力変換器の第２の形態は、単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、３つのクラスタ内の複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された直流電源とを備え、前記直流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記直流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、直流電源と３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器である。

上記目的を実現する本発明の電力変換器の第３の形態は、単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、３つのクラスタ内の複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された同相の交流電源とを備え、前記交流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記交流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、交流電源と３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器である。

複数の単位セルの任意の接続点の間に直流電源を挿入した場合は、単位セルをチョッパセル又はブリッジセルとすることができる。また、複数の単位セルの任意の接続点の間に同相の交流電源を挿入した場合は、単位セルをブリッジセルとすることができる。

本発明によれば、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線の各辺内に直流電源を組み込むことにより直流−３相交流電力変換を実現することができる。また、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線された各辺内に同相の交流電源を組み込むことによりと単相交流−３相交流電力変換を実現することができる。更に、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣのブリッジセルをチョッパセルに置き換え、デルタ結線された各辺内に直流電源を組み込むことにより直流−３相交流電力変換を実現することができる。そして、これらの構成により、ＭＭＣＣの応用分野を広げることができるという効果がある。

チョッパセルの構成を示す回路図である。 ブリッジセルの構成を示す回路図である。 複数のチョッパセルをカスケード接続して形成されたクラスタの一例を示す回路図である。 既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＳＤＢＣ）の構成を示す回路図である。 既存のダブルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ（ＤＤＢＣ）の構成を示す回路図である。 図２Ａに示したＳＤＢＣの、各クラスタ内の回路を詳細に示す回路図である。 本発明の第１の実施例の電力変換器の回路図である。 図４に示す回路図の各クラスタ内の単位セルとリアクトルと直流電源の位置を示すものであって、カスケード接続された複数の単位セルの両端部にリアクトルと直流電源が配置された例の回路図である。 図４に示す回路図の各クラスタ内の単位セルとリアクトルと直流電源の位置を示すものであって、図５Ａに示す回路とリアクトルと直流電源の位置が逆に配置された例の回路図である。 図４に示す回路図の各クラスタ内の単位セルとリアクトルと直流電源の位置を示すものであって、カスケード接続された複数の単位セルの何れかの単位セルと単位セルの間にリアクトルと直流電源が配置された例の回路図である。 本発明の第１の実施例による電力変換器を用いて行った実験の実験結果の波形を示す図である。 本発明の第２の実施例の電力変換器の回路図である。 本発明の第３の実施例の電力変換器の回路を示す部分回路図である。 本発明の第２の実施例の電力変換器の交流電源の一例の回路図である。 本発明の第２の実施例による電力変換器を用いて行ったシミュレーション結果の波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態をいくつかの実施例に基づいて説明する。なお、図３で説明した既存のＳＤＢＣの回路における構成要素と同じ構成要素には同じ参照符号を付して説明する。

図４は、本発明の第１の実施例の電力変換器１０１の構成を示す回路図である。図３に示した既存の電力変換器１００では、デルタ結線された３つのクラスタＣＬに、単位セルとしてブリッジセルが使用されていたが、第１の実施例の電力変換器１０１では、デルタ結線された３つのクラスタＣＬに、単位セルとしてチョッパセルが使用されている。即ち、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗにおいて、チョッパセルは複数個がカスケード接続されて設けられる。

図４に示す第１の実施例の電力変換器１０１では、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、単位セルとしてカスケード接続された３つのチョッパセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ（ただし、ｊ＝１〜３）がそれぞれ設けられている。以下、本発明の実施例においては各クラスタ内の単位セルの個数を３個として説明するが、各クラスタ内の単位セルの個数は本発明を限定するものではない。なお、図４において、電力変換器１０１の各クラスタの結合リアクトルはＬで表しており、黒丸（・）は、結合リアクトルＬの極性を示している。

各チョッパセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ（ただし、ｊ＝１〜３）の構造は図１Ａで説明した通りである。図４においては、３系統側の電源電圧の各相の系統電圧をｖ_Suv、ｖ_Svw及びｖ_Swu、系統電流をｉ_Su、ｉ_Sv及びｉ_Swとする。また、電力変換器１０１の各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、それぞれ流入する変換器電流をｉ_uv、ｉ_vw及びｉ_wuとする。また、各ブリッジセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ内の直流コンデンサの電圧をｖ_Cju、ｖ_Cjv及びｖ_Cjw（ただし、ｊ＝１〜３）とする。

図４における結合リアクトルＬは３巻線を有し、巻線数はそれぞれ等しい。結合リアクトルＬは、各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗを流れる変換器電流ｉ_uv、ｉ_vw及びｉ_wuに含まれる循環電流に対してのみインピーダンスを有し、系統電流成分（５０Ｈｚ）に対するインピーダンスはゼロである。循環電流ｉ_Zは以下の式で定義される。
ｉ_Z＝（ｉ_UV＋ｉ_VW＋ｉ_WU）÷３

第１の実施例の電力変換器１０１では、Ｕ相のクラスタＣＬｕの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｕ２と反対側の端子Ｔｕ１に直列に直流電源Ｖｄｃｕの負極を接続し、直流電源Ｖｄｃｕの正極は、３相交流のＶ相に接続するＶ相のクラスタＣＬｖのデルタ結線部に接続している。また、Ｖ相のクラスタＣＬｖの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｖ２と反対側の端子Ｔｖ１に直列に直流電源Ｖｄｃｖの負極を接続し、直流電源Ｖｄｃｖの正極は、３相交流のＷ相に接続するＷ相のクラスタＣＬｗのデルタ結線部に接続している。同様に、Ｗ相のクラスタＣＬｗの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｗ２と反対側の端子Ｔｗ１に直列に直流電源Ｖｄｃｗの負極を接続し、直流電源Ｖｄｃｗの正極は、３相交流のＵ相に接続するＵ相のクラスタＣＬｕのデルタ結線部に接続している。

第１の実施例の電力変換器１０１は、この構成により、直流電源と３相系統間で定常的な電力の授受が可能になり、直流−３相交流電力変換が実現できる。なお、この構成において、各クラスタに直流電源を接続する必要があるため、必要な直流電源数は３となる。

なお、図４に示した第１の実施例の電力変換器１０１では、直流電源Ｖｄｃｕ、直流電源Ｖｄｃｖ及び直流電源Ｖｄｃｗが、それぞれ各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗの端子Ｔｕ１、端子Ｔｖ１及び端子Ｔｗ１の外部に接続されている。クラスタＣＬｕにおけるこの構成のみを図５Ａに示す。図５Ａに示す構成では、結合リアクトルＬがクラスタＣＬｕの端子Ｔｕ２に接続され、直流電源Ｖｄｃｕが端子Ｔｕ１に接続されているが、結合リアクトルＬと直流電源Ｖｄｃｕの、クラスタＣＬｕの端子Ｔｕ１、Ｔｕ２への接続は、図５Ｂに示すように逆でも良い。Ｖ相とＷ相についても同様である。

また、結合リアクトルＬと直流電源Ｖｄｃｕは、図５Ｃに示すように、クラスタＣＬｕ内のチョッパセルとチョッパセルの間の任意の場所に挿入することができる。Ｖ相とＷ相についても同様である。

結合リアクトルＬは、３個の非結合リアクトルに置き換えることが可能である。非結合リアクトルも結合リアクトルＬと同様、クラスタ内の任意の箇所に挿入することが可能である。非結合リアクトルを使用した場合は、連系リアクトルの役割を兼ねるため、図４に示した連系リアクトルを除去することができる。

図４に示した第１の実施例の電力変換器１０１を正常動作させるためは、各チョッパセルの直流コンデンサ電圧を一定に制御する必要がある。直流電圧制御には、平均値制御、相間バランス制御、循環電流制御及び個別バランス制御の４種類を併用する。平均値制御は、全直流コンデンサの算術平均電圧を制御する。相間バランス制御は、クラスタ間で授受する電力を制御する。循環電流制御は、デルタ結線内を循環する電流を制御する。個別バランス制御は、各チョッパセルの直流コンデンサ電圧を個別にバランスさせる。各制御法の詳細に関しては、下記文献に記載されており、本願発明の電力変換器の構成には直接関係しないので、制御法についてはこれ以上の説明は省略する。

『萩原誠、赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電学論Ｄ，１２８，７、ｐｐ．９５７−９６５（２００８−７）』
『萩原誠、前田亮、赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ−ＳＤＢＣ）のＳＴＡＴＣＯＭへの応用―有効電力・逆相無効電力制御―」電学論Ｄ，１３１，１２、ｐｐ．１４３３−１４４１（２０１１−１２）』

次に、本発明の第１の実施例による電力変換器１０１を用いた実験結果について説明する。表１に、実験に用いた回路定数を示す。実験には２００Ｖ，６ｋＷのモデルを使用した。但し、各相のクラスタに挿入するチョッパセルの個数を３個ではなく８個とした。このように、各相のクラスタを８個のチョッパセルで構成すると、使用セルの総和は２４個である。そして、各クラスタと直列に３２０Ｖの直流電圧Ｖｄｃｕ，Ｖｄｕｖ，Ｖｄｃｗを挿入する。

図６に第１の実施例による電力変換器１０１を用いた実験結果（６ｋＷ、インバータ動作、力率―１）を示す。電圧ｖ_uvは線間１７レベルのマルチレベル波形となり、高調波電圧の影響は少ない。電源電圧（系統電圧）ｖ_Suvに対して電源電流ｉ_uは１５０°進んでおり、力率−１のインバータ動作を実現している。電流ｉ_uの電流ＴＨＤ値（全高調波歪率）は３．６％であり、高調波電流の影響は少ない。循環電流の実効値はＩ_Z＝６．２５Ａ（＝６ｋＷ／（３×３２０Ｖ））となる。直流コンデンサ電圧ｖ_C1u，ｖ_C1v，ｖ_C1wに着目すると、その直流分は８０Ｖに制御されていることが分かる。

図７Ａは、本発明の第２の実施例の電力変換器１０２の構成を示す回路図である。第２の実施例の電力変換器１０２では、デルタ結線された３つのクラスタＣＬに、単位セルとしてブリッジセルが使用されている。即ち、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗにおいて、ブリッジセルは複数個がカスケード接続されて設けられる。

図７Ａに示す第２の実施例の電力変換器１０２では、各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、単位セルとしてカスケード接続された３つのブリッジセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ（ただし、ｊ＝１〜３）がそれぞれ設けられている。各ブリッジセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ（ただし、ｊ＝１〜３）の構造は、図１Ｂで説明した通りである。図７Ａにおいては、系統側の電源電圧の各相の系統電圧をｖ_Suv、ｖ_Svw及びｖ_Swu、系統電流をｉ_Su、ｉ_Sv及びｉ_Swとする。また、電力変換器１０２の各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに、それぞれ流入する変換器電流をｉ_uv、ｉ_vw及びｉ_wuとする。更に、各ブリッジセル１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ及び１１ｗ−ｊ内の直流コンデンサの電圧をｖ_Cju、ｖ_Cjv及びｖ_Cjw（ただし、ｊ＝１〜３）とする。

結合リアクトルＬは３巻線を有し、巻線数はそれぞれ等しい。結合リアクトルＬは、各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗを流れる変換器電流ｉ_uv、ｉ_vw及びｉ_wuに含まれる循環電流に対してのみインピーダンスを有し、系統電流成分（５０Ｈｚ）に対するインピーダンスはゼロである。循環電流ｉ_Zは以下の式で定義される。
ｉ_Z＝（ｉ_UV＋ｉ_VW＋ｉ_WU）÷３

第２の実施例の電力変換器１０２では、Ｕ相のクラスタＣＬｕの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｕ２と反対側の端子Ｔｕ１に直列に、単相の交流電源Ｖ_Tuの一端を接続し、交流電源Ｖ_Tuの他端は、３相交流のＶ相に接続するＶ相のクラスタＣＬｖのデルタ結線部に接続している。また、Ｖ相のクラスタＣＬｖの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｖ２と反対側の端子Ｔｖ１に直列に、単相の交流電源Ｖ_Tvの一端を接続し、交流電源Ｖ_Tvの他端は、３相交流のＷ相に接続するＷ相のクラスタＣＬｗのデルタ結線部に接続している。同様に、Ｗ相のクラスタＣＬｗの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｗ２と反対側の端子Ｔｗ１に直列に、単相の交流電源Ｖ_Twの一端を接続し、交流電源Ｖ_Twの他端は、３相交流のＵ相に接続するＵ相のクラスタＣＬｕのデルタ結線部に接続している。なお、交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twは全て同相である。

第２の実施例の電力変換器１０２は、この構成により、単相交流電源と３相系統間で定常的な電力の授受が可能になり、単相交流−３相交流電力変換が実現できる。なお、この構成において、各クラスタに単相交流電源を接続する必要があるため、必要な交流電源数は３となる。

なお、図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２では、交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twが、それぞれ各相のクラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗの、端子Ｔｕ１、端子Ｔｖ１及び端子Ｔｗ１の外部に接続されている。しかし、第１の実施例の直流電源と同様に、結合リアクトルＬと交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twの、クラスタＣＬｕの端子Ｔｕ１、Ｔｕ２への接続は逆でも良い。更に、結合リアクトルＬと交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twは、クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗ内のブリッジセルとブリッジセルの間の任意の場所にそれぞれ挿入することが可能である。

結合リアクトルＬは、３個の非結合リアクトルに置き換えることが可能である。非結合リアクトルも結合リアクトルＬと同様、クラスタ内の任意の箇所に挿入することが可能である。非結合リアクトルを使用した場合は、連系リアクトルの役割を兼ねるため、図７Ａに示した連系リアクトルを除去することができる。

図８は、第２の実施例の電力変換器１０２の交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twの一例の回路図であり、単相変圧器を用いた絶縁交流電源を示している。１次巻線には単相交流電源又は単相交流負荷を接続する。２次巻線は３等分し、図７Ａに示した各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗに接続する。変圧器の２次巻線には，各クラスタＣＬｕ、ＣＬｖ及びＣＬｗの変換器電流ｉ_uv，ｉ_vw及びｉ_wuが流入する。変換器電流ｉ_uv，ｉ_vw及びｉ_wuに含まれる系統電流成分（５０Ｈｚ）は互いに打ち消し合うため、変圧器に起磁力が生じない。その結果、変圧器の動作周波数は変圧器の１次側の電源周波数、又は負荷周波数と等しくなる。

図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２は、電動機負荷にも適用可能である。この場合は、電動機の固定子巻線をオープン結線とし、各相の固定子巻線を，図８と同様に３等分して各クラスタに接続することができる。図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２を３台用いることにより、３相電圧を発生でき、３相電動機を駆動できる。その結果、トランスレスで３相交流−３相交流の直接変換が実現できる。

図７Ａに示した第２の実施例の電力変換器１０２を正常動作させるためは、各ブリッジセルの直流コンデンサ電圧を一定に制御する必要があるが、この制御方法は、第１の実施例の電力変換器１０１を正常動作させるための制御方法と同様で良いので、これ以上の説明は省略する。

ここで、本発明の第２の実施例による電力変換器１０２を用いて行ったシミュレーションの結果について説明する。表２に、シミュレーションに用いた回路定数を示す。シミュレーションは、図７Ａにおける各相の交流電源部に、図８に示す変圧器の２次側巻線を接続し、１次巻線には、３．３ｋＶ，２００Ｈｚの単相交流電源を直結した。なお、変圧器の巻数比はＮ₂／Ｎ₁＝３とした。シミュレーションには「ＰＳＣＡＤ／ＥＭＴＤＣ」を使用した。

図９に第２の実施例による電力変換器１０２のシミュレーション結果（１ＭＷ、インバータ動作、力率―１）を示す。電源電圧ｖ_Suvに対して電源電流ｉ_uは１５０°進んでおり、力率−１のインバータ動作を実現している。循環電流ｉ_Zは変圧器の動作周波数である２００Ｈｚ成分のみで構成され、系統周波数成分（５０Ｈｚ）を含まない。直流コンデンサ電圧ｖ_C1u，ｖ_C1v及びｖ_C1wに着目すると、その直流分は１．８ｋＶに制御できていることが分かる。交流分は系統周波数である５０Ｈｚ成分と、変圧器の動作周波数である２００Ｈｚ成分より構成する。変圧器の１次側電圧と１次側電流は同相となり、変圧器から系統に電力が伝送されている。変圧器の１次側電流には、系統周波数（５０Ｈｚ）は含まれない。

以上、図７Ａと図８を用いて、本発明の第２の実施例の電力変換器１０２の構成を説明した。第２の実施例の電力変換器１０２では、各相のクラスタの結合リアクトルＬ側の端子Ｔｕ２、Ｔｖ２及びＴｗ２に対して反対側にある端子Ｔｕ１，Ｔｖ１及びＴｗ１に直列に、単相の交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twの一端が接続され、交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twの他端が、３相交流の他の相に接続するクラスタの、デルタ結線部に接続されている。一方、この交流電源Ｖ_Tu、Ｖ_Tv及びＶ_Twの代わりに、各相のクラスタの端子Ｔｕ１，Ｔｖ１及びＴｗ１に直列に、直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ及びＶｄｃｗの負極が接続され、直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ及びＶｄｃｗの正極が、３相交流の他の相に接続するクラスタの、デルタ結線部に接続された第３の実施例の電力変換器１０３が可能である。

第３の実施例の電力変換器１０３は、図７Ａに示す破線で囲まれた部分以外の構成は、第２の実施例の電力変換器１０２と同じである。そこで、第３の実施例の電力変換器１０３の構成は、図７Ａの破線で囲まれた部分に対応する部分だけを図７Ｂに示す。第３の実施例の電力変換器１０３は、この構成により、直流電源と３相系統間で定常的な電力の授受が可能になり、直流電力−３相交流電力変換が実現できる。なお、この構成において、各クラスタに直流電源Ｖｄｃｕ，Ｖｄｃｖ及びＶｄｃｗを接続する必要があるため、必要な直流電源数は３となる。

第３の実施例の電力変換器１０３の制御は、第２の実施例の電力変換器の制御と同じであるので、これ以上の説明は省略する。

以上説明したように、本発明によれば、シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線の各辺内に直流電源を組み込むことにより、直流−３相交流電力変換器を実現することができる。また、シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣにおいて、デルタ結線の各辺内に同相の交流電源を組み込むことにより、単相交流−３相交流電力変換器を実現することができ、この単相交流−３相交流電力変換器を３台使用すれば、３相交流−３相交流電力変換器を実現することができる。更に、既存のシングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣのブリッジセルをチョッパセルに置き換え、デルタ結線の各辺内に直流電源を組み込むことにより、直流−３相交流電力変換を実現することができる。そして、これらの構成により、ＭＭＣＣの応用分野を広げることができる。

１１ｕ−ｊ、１１ｖ−ｊ、１１ｗ−ｊ 単位セル（チョッパセル、ブリッジセル）
１００，１０１，１０２，１０３ 電力変換器
ＢＣ ブリッジセル
ＣＣ チョッパセル
Ｃ 直流コンデンサ
ＣＬ、ＣＬｕ、ＣＬｖ、ＣＬｗ クラスタ
Ｌ 結合リアクトル
ＭＭＣＣ モジュラー・マルチレベルカスケード変換器
ＳＤＢＣ シングルデルタ結線形ブリッジセルＭＭＣＣ
ＳＷ 半導体スイッチ
Ｖｄｃｕ，Ｖｄｕｖ，Ｖｄｃｗ 直流電源
Ｖ_Tu、Ｖ_Tv、Ｖ_Tw 交流電源

Claims (12)

1. 単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、
   前記３つのクラスタの各個の一端に接続された同一種類の電源とを備え、
   前記３つのクラスタの非電源接続側の端子が、他のクラスタに接続された前記電源の他端に接続されることでデルタ結線が構成され、
   前記デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、前記電源と前記３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。
2. 前記電源が直流電源であり、
   前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチと、前記２つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するチョッパセルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
3. 前記電源が直流電源であり、
   前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
4. 前記電源が同相の交流電源であり、
   前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項１に記載の電力変換器。
5. 単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、
   前記３つのクラスタ内の前記複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された直流電源とを備え、
   前記直流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記直流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、
   前記デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、前記直流電源と前記３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。
6. 単位セルがカスケード接続された３つのクラスタと、
   前記３つのクラスタ内の前記複数の単位セルの任意の接続点の間に挿入された同相の交流電源とを備え、
   前記交流電源を備える３つのクラスタの負極側の端子が、他の前記交流電源を備えるクラスタの正極側の端子に接続されることでデルタ結線が構成され、
   前記デルタ結線の３つの結線部がそれぞれ３相交流の各相に接続され、前記交流電源と前記３相交流との間で電力変換を行うようにしたことを特徴とする電力変換器。
7. 前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチと、前記２つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するチョッパセルであることを特徴とする請求項５に記載の電力変換器。
8. 前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項５に記載の電力変換器。
9. 前記単位セルが、直列接続された２つの半導体スイッチを２組並列接続した半導体スイッチの組と、前記２組の半導体スイッチの組に並列に接続された直流コンデンサと、前記２つの半導体スイッチの各組の直列接続点と、前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有するブリッジセルであることを特徴とする請求項６に記載の電力変換器。
10. 前記単位セルがブリッジセルである電力変換器を３台用いることにより、３相電圧を発生でき、３相電動機を駆動可能で、３相交流−３相交流の直接変換が実現できることを特徴とする請求項４又は６に記載の電力変換器。
11. 前記交流電源は、単相変圧器を用いた絶縁交流電源により形成されていることを特徴とする請求項４又は６に記載の電力変換器。
12. 各前記半導体スイッチは、
    オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
    該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
    を有する請求項１〜１１の何れか１項に記載の電力変換器。