JP6707298B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

直流電力を交流電力に変換し、あるいは、交流電力を直流電力に変換する電力変換装置では、高電圧化の試みがなされている。中性点クランプ形の電力変換装置は、３レベルの相電圧を出力することができる高電圧対応可能な電力変換装置の形式の１つである。

中性点クランプ式形の電力変換装置では、コンデンサによって直流電圧を高電位側と低電位側とに均等に分割し、高電位側直流電圧と低電位側直流電圧とを均等に保持する中性点電位制御が必要になる。

各相の電圧指令値と各相の線電流とから演算された零相電圧を各相に印加して中性点電位制御が行われる。しかし、演算された零相電圧の符号を正確に設定しない場合には、制御系が正帰還となり、不安定動作となる懸念がある。

特開２０１６−０８２７８６号公報

実施形態は、零相電圧の符号を正確に計算して、零相電圧指令値を生成することができる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、３レベルの電圧出力をする電力変換装置である。前記電力変換装置は、電力変換器と、制御装置と、を備える。前記電力変換器は、中性点と、前記中性点よりも高電位の第１直流端子と、前記中性点よりも低電位の第２直流端子と、交流回路を接続し得る交流端子と、を含む。前記制御装置は、前記第１直流端子と前記中性点との間の直流電圧と、前記中性点と前記第２直流端子との間の第１直流電圧と、の偏差にもとづいて零相電圧指令値を生成するフィードバック制御部と、各相の電圧指令値の符号と各相の線電流とにもとづいて前記中性点に流れる中性点電流を計算し、前記零相電圧指令値の符号を生成する制御方向検出部と、を含む。

本実施形態では、各相の線電流と各相の電圧指令値の符号とにもとづいて前記中性点に流れる中性点電流を計算し、前記中性点電流の符号を生成する制御方向検出部と、を含む制御装置を備えているので、零相電圧の符号を正確に計算することができ、零相電圧指令値の制御方向を設定することができる。

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための特性図の例である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ａ〜２１ｃを介して、たとえば図示しない交流系統に接続される。たとえば、交流系統は、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電源、負荷および交流送電線を備える構成とすることができる。電力変換装置１０は、直流端子２１ｄ，２１ｅを介して、たとえば図示しない直流系統に接続される。直流系統は、たとえば直流送電線や蓄電池、太陽電池等を含む。

電力変換装置１０は、交流電力を直流電力に変換し、あるいは直流電力を交流電力に変換する。電力変換装置１０は、このような双方向の電力変換を行ってもよいし、一方向の電力変換を行ってもよい。

電力変換器２０は、交流端子２１ａ〜２１ｃと、直流端子２１ｄ，２１ｅと、を含む。直流端子２１ｄ，２１ｅ間には、三相交流の各相に対応するアーム２２ｕ〜２２ｘが接続されている。アーム２２ｕ，２２ｘは、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。アーム２２ｖ，２２ｙは、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。アーム２２ｗ，２２ｚは、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。

アーム２２ｕ，２２ｘの接続ノードＮｕには、交流端子２１ａが接続されている。アーム２２ｖ，２２ｙの接続ノードＮｖには、交流端子２１ｂが接続されている。アーム２２ｗ，２２ｚの接続ノードＮｗには、交流端子２１ｃが接続されている。

アーム２２ｕは、スイッチング素子２３ｕ１，２３ｕ２を含む。スイッチング素子２３ｕ１，２３ｕ２は直列に接続されている。アーム２２ｘは、スイッチング素子２３ｘ１，２３ｘ２を含む。スイッチング素子２３ｘ１，２３ｘ２は、直列に接続されている。同様に、アーム２２ｖは、直列接続されたスイッチング素子２３ｖ１，２３ｖ２を含み、アーム２２ｙは、直列接続されたスイッチング素子２３ｙ１，２３ｙ２を含む。アーム２２ｗは、直列接続されたスイッチング素子２３ｗ１，２３ｗ２を含み、アーム２２ｚは、直列接続されたスイッチング素子２３ｚ１，２３ｚ２を含む。

スイッチング素子２３ｕ１〜２３ｚ２は、自己消弧型の半導体素子であり、たとえばＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）やＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）等である。各スイッチング素子２３ｕ１〜２３ｚ２には、還流ダイオードが逆並列にそれぞれ接続されている。

直流端子２１ｄ，２１ｅの間には、コンデンサ２６ａ，２６ｂが接続されている。コンデンサ２６ａ，２６ｂは、直列に接続されており、その接続ノードが中性点２１ｆである。つまり、高電位側の直流端子２１ｄと中性点２１ｆとの間には、コンデンサ２６ａが接続されている。中性点２１ｆと低電位側の直流端子２１ｅとの間には、コンデンサ２６ｂが接続されている。なお、図示しないが、コンデンサ２６ａ，２６ｂの両端の電圧を検出する電圧検出器によって、それぞれの直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ），Ｖｄｃ（ＯＮ）が検出される。検出された直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ），Ｖｄｃ（ＯＮ）は、制御装置５０に供給される。

直列に接続されたスイッチング素子２３ｕ１，２３ｕ２の接続ノードと中性点２１ｆとの間にはクランプダイオード２５ｕが接続されている。中性点２１ｆとスイッチング素子２３ｘ１，２３ｘ２の接続ノードとの間には、クランプダイオード２５ｘが接続されている。同様に、クランプダイオード２５ｖは、スイッチング素子２３ｖ１，２３ｖ２の接続ノードと中性点２１ｆとの間に接続され、クランプダイオード２５ｙは、中性点２１ｆとスイッチング素子２３ｙ１，２３ｙ２の接続ノードとの間に接続されている。クランプダイオード２５ｗは、スイッチング素子２３ｗ１，２３ｗ２の接続ノードと中性点２１ｆとの間に接続され、クランプダイオード２５ｚは、中性点２１ｆとスイッチング素子２３ｚ１，２３ｚ２の接続ノードとの間に接続されている。

中性点２１ｆの電位は、コンデンサ２６ａ，２６ｂそれぞれの両端の直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ），Ｖｄｃ（ＯＮ）および三相各相の線電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗにもとづいて計算される零相電圧に関する指令値（操作量）によって設定される。

制御装置５０は、フィードバック制御部５１と、制御方向検出部５５と、を含む。制御方向検出部５５の出力は、フィードバック制御部５１に入力される。

制御装置５０は、直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ），Ｖｄｃ（ＯＮ）および各相の線電流ｉｕ〜ｉｗにもとづいて、各相の電圧指令値ｖｕ＊〜ｖｗ＊を生成する。

制御装置５０は、直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ），Ｖｄｃ（ＯＮ）、各相の線電流ｉｕ〜ｉｗ、および生成された各相の電圧指令値ｖｕ＊〜ｖｗ＊にもとづいて、零相電圧指令値ｖｚ＊を生成する。零相電圧指令値ｖｚ＊は、電力変換器２０の中性点の電位を制御するのに用いられる。

制御装置５０は、各相の電圧指令値ｖｕ＊〜ｖｗ＊および零相電圧指令値ｖｕｚ＊にもとづいて、ゲート信号Ｖｇを生成し、電力変換器２０に供給する。

フィードバック制御部５１は、零相電圧の指令値の絶対値を生成する。制御方向検出部５５は、直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ），Ｖｄｃ（ＯＮ）、各相の線電流ｉｕ〜ｉｗ、および生成された各相の電圧指令値ｖｕ＊〜ｖｗ＊を入力して、零相電圧の指令値の符号を検出する。

図２は、図１の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図２には制御装置５０の構成例が示されている。図２に示すように、フィードバック制御部５１は、加減算器５２と、ＰＩ制御器５３と、乗算器５４と、を含む。

ＰＩ制御器５３は、高電位側の直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ）と低電位側の直流電圧Ｖｄｃ（ＯＮ）との偏差を制御量として入力し、比例積分を行って出力する。この例では、ＰＩ制御器５３の比例ゲインはｋｐ、積分ゲインはｋｉとしている。比例ゲインｋｐおよび積分ゲインｋｉは、あらかじめ設定されている。ＰＩ制御器５３の出力は、後述する符号器６４によって設定される正または負の符号を乗じられ、制御の方向が決定されて零相電圧指令値ｖｚ＊として出力される。

制御方向検出部５５は、乗算器５６〜５８と、加算器５９，６０と、符号器６１〜６４と、を含む。本実施形態の電力変換装置１０では、三相交流の各相の電流を検出し、中性点２１ｆに流れる中性点電流を計算し、中性点電流の方向によって、零相電圧出力の制御方向を決定する。

より具体的には、Ｕ相の線電流ｉｕは、乗算器５６の一方の入力に入力される。Ｕ相−零相間の電圧指令値（以下、単にＵ相の電圧指令値という。）ｖｕ＊は、符号器６１に入力され、Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊の符号が検出される。符号器６１の出力は乗算器５６の他方の入力に入力される。

符号器６１〜６４は、正の値が入力された場合には、「＋１」を出力し、負の値が入力された場合には、「−１」を出力する。

乗算器５６は、Ｕ相の線電流ｉｕに、Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊の符号を乗じて出力する。

Ｖ相の線電流ｉｖおよびＷ相の線電流ｉｗについても同様である。すなわち、乗算器５７は、Ｖ相の線電流ｉｖに、Ｖ相−零相間の電圧指令値（以下、単にＶ相の電圧指令値という。）ｖｖ＊の符号を乗じて出力する。乗算器５８は、Ｗ相の線電流ｉｗに、Ｗ相−零相間の電圧指令値（以下、単にＷ相の電圧指令値という。）ｖｗ＊の符号を乗じて出力する。

乗算器５６〜５８からの出力はすべて加算されて符号器６４に入力される。符号器６４は、入力された中性点電流ｉｎの符号を判定値として出力する。

なお、各相の線電流ｉｕ，ｉｖ，ｉｗについては、各相からすべての相の線電流を検出してもよいし、三相のうち二相分を検出して、残り一相分は計算された値を用いるようにしてもよい。上述では三相交流の場合について説明したが、交流回路は、単相であってもよいし、四相以上の多相交流であってもよい。また、電力変換器の構成は、ダイオードクランプ式に限らず、Ｔ型変換器等であってもかまわない。

本実施形態の電力変換装置１０の動作について説明する。
図３は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するための特性図の例である。
図３は、中性点ＯからＵ相の交流端子２１ａまでの電圧（以下、Ｕ相電圧ともいう。）ｖｕに対する、Ｕ相のアームから中性点Ｏに流れる中性点電流ｉｎｕの特性を模式的に表したグラフである。なお、Ｖ相、Ｗ相についても同様であり、以下では、Ｕ相について説明する。

図３に示すように、ｖｕ軸で中性点電流ｉｎｕが０になる電圧は、中性点Ｏよりも高電位側が直流電圧Ｖｄｃ（ＰＯ）であり、中性点Ｏよりも低電位側が直流電圧Ｖｄｃ（ＯＮ）である。つまり、たとえばＵ相の電圧ｖｕがＶｄｃ（ＰＯ）に等しい場合には、Ｕ相の中性点電流ｉｎｕは０となる。また、ｉｎｕ軸上のＵ相電圧ｖｕが０になる電圧が交流端子２１ａに流れる線電流ｉｕである。つまり、たとえばＵ相の電圧ｖｕが０のときには、Ｕ相の中性点電流ｉｎｕはＵ相の線電流ｉｕに等しい。

零相電圧ｖｚにより、各相の電圧ｖｕ，ｖｖ，ｖｗはそれぞれ０でない値をとり得る。零相電圧ｖｚに対する指令値を設定するには、これらの電圧値ｖｕ，ｖｖ，ｖｗの符号と、各相の中性点電流ｉｎｕ，ｉｎｖ，ｉｎｗの値を知る必要がある。

ある場合におけるＵ相の電圧ｖｕが図３の〇印で、Ｕ相電圧指令値ｖｕ＊が●印のときには、Ｕ相の中性点電流ｉｎｕは、減少するように遷移する。つまり、Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊が中性点Ｏよりも高電位の場合には、Ｕ相の中性点電流ｉｎｕの変化は負の係数を有する。Ｕ相の電圧指令値ｖｕ＊が中性点Ｏよりも低電位の場合には、Ｕ相の中性点電流ｉｎｕの変化は正の係数を有する。

各相の電圧指令値が中性点Ｏに対して正（高電位）であるか、中性点に対して負（低電位）であるかによって電圧指令値の符号を付すとすれば、各相の電圧指令値の符号を各相の線電流に乗ずることによって、中性点電流の各相成分を抽出できる。中性点電流の各相の成分を符号を含めて加算することによって中性点電流を計算し、計算された中性点電流の符号を抽出して、フィードバック制御の制御方向を検出することができる。

本実施形態の電力変換装置の効果について説明する。
本実施形態の電力変換装置１０は、制御方向検出部を含む制御装置５０を備えているので、中性点電位制御の制御方向を検出することができる。制御方向検出部は、各相の線電流に、各相の電圧指令値の符号をそれぞれ乗じた上で加算した結果から符号を抽出するので、正確に中性点電位制御の制御方向を検出することができる。したがって、さまざまな動作条件においても安定して動作することができる電力変換装置１０を実現することができる。

三相３レベル出力の電力変換器は、スイッチング素子を低耐圧にすることを可能にするとともに、交流側のフィルタを小型にすることができるので、電力変換装置の大容量化に有望な技術として用いられるようになってきた。一方で、この電力変換器は、中性点電位制御が必要であり、その制御の不安定さが課題である。本実施形態の電力変換装置１０では、上述の制御装置５０を備えることによって、容易に安定動作を実現することができる。制御装置５０に中性点電位制御のための制御方向検出部は、制御装置５０を制御するＣＰＵ等のプログラムを一部修正、追加することで、容易に実装することが可能であり、スペースの増大、コストの上昇もほとんどなく実施することが可能である。

以上説明した実施形態によれば、零相電圧の符号を正確に計算して、零相電圧の指令値を出力することができる電力変換装置を実現することができる。

以上、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、その他のさまざま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およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、２１ａ〜２１ｃ 交流端子、２１ｄ，２１ｅ 直流端子、２２ｕ〜２２ｘ アーム、２３ｕ１〜２３ｚ２ スイッチング素子、２５ｕ〜２５ｗ クランプダイオード、２６ａ，２６ｂ コンデンサ、５０ 制御装置、５１ フィードバック制御部、５２ 加減算器、５３ ＰＩ制御器、５４ 乗算器、５５ 制御方向検出部、５６〜５８ 乗算器、５９，６０ 加算器、６１〜６４ 符号器

Claims (3)

1. ３レベルの電圧出力をする電力変換装置であって、
   中性点と、
   前記中性点よりも高電位の第１直流端子と、
   前記中性点よりも低電位の第２直流端子と、
   交流回路を接続し得る交流端子と、
   を含む電力変換器と、
   前記第１直流端子と前記中性点との間の第１直流電圧と、前記中性点と前記第２直流端子との間の第２直流電圧と、の偏差にもとづいて零相電圧指令値を生成するフィードバック制御部と、
   各相の電圧指令値の符号と各相の線電流とにもとづいて前記中性点に流れる中性点電流を計算し、前記零相電圧指令値の符号を生成する制御方向検出部と、
   を含む制御装置と、
   を備えた電力変換装置。
2. 前記電力変換器は、第１交流端子と、第２交流端子と、第３交流端子と、を含み、
   前記制御方向検出部は、
   前記第１交流端子の交流電圧のための第１電圧指令値の正負を判定して符号を出力する第１符号器と、
   前記第２交流端子の交流電圧のための第２電圧指令値の正負を判定して符号を出力する第２符号器と、
   前記第３交流端子の交流電圧のための第３電圧指令値の正負を判定して符号を出力する第３符号器と、
   前記第１交流端子を流れる第１交流電流と前記第１符号器の出力とを乗算して出力する第１乗算器と、
   前記第２交流端子を流れる第２交流電流と前記第２符号器の出力とを乗算して出力する第２乗算器と、
   前記第３交流端子を流れる第３交流電流と前記第３符号器の出力とを乗算して出力する第３乗算器と、
   前記第１乗算器の出力と、前記第２乗算器の出力と、前記第３乗算器の出力と、を加算して加算値の正負を判定して符号を出力する第４符号器と、
   を含む請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第３交流電流は、前記第１交流電流および前記第２交流電流にもとづいて計算される請求項２記載の電力変換装置。

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