JP6817163B2

JP6817163B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP6817163B2
Application number: JP2017136549A
Authority: JP
Inventors: 裕史児山
Original assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Current assignee: Toshiba Corp; Toshiba Energy Systems and Solutions Corp
Priority date: 2017-07-12
Filing date: 2017-07-12
Publication date: 2021-01-20
Anticipated expiration: 2037-07-12
Also published as: JP2019022267A

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

単位変換器を複数台直列接続することによって、多レベルの階段状の電圧波形を出力できるマルチレベル電力変換器（Modular Multilevel Converter、ＭＭＣ）は、高電圧化、大容量化が容易である。そのため、ＭＭＣは、直流送電変換器や無効電力補償装置などの高電圧、大容量の電力変換装置へ適用が進められている。

ＭＭＣでは、多レベル化によって出力電圧波形を正弦波に近づけ、高調波を低減することができる。そのため、ＭＭＣでは、高重量で、体積が大きく、コストへの影響が大きい高調波フィルタを小型化、または不要にできるメリットがある。

このようなＭＭＣでは、直列接続された多数の単位変換器をそれぞれ適切に制御し、駆動する必要がある。高電圧・大容量に対応したＭＭＣでは、装置の体積が大きいため、単位変換器と単位変換器を制御する制御装置との間の距離が長くなる傾向にある。単位変換器と制御装置とを接続するため、長い配線が増加する場合があり、コストの増大をもたらす。

単位変換器と制御装置との間では、相互に信号を伝送するので、伝送通信のための信号変換にもとづく遅延を生ずるおそれがある。このような遅延を生じた場合には、電力変換装置の制御特性に影響を及ぼし、出力波形歪等を生じ得る。

萩原誠、赤木泰文著、「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」、電気学会論文集Ｄ，１２８巻７号，２００８年

実施形態は、出力波形の歪が少ない電力変換装置を提供することを目的とする。

実施形態に係る電力変換装置は、スイッチング素子と前記スイッチング素子のオンオフによって充放電するコンデンサとをそれぞれ含み直列に接続された複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器に流れる電流の方向である電流方向にもとづいて前記コンデンサの電圧に対する指令値を生成するセル制御器と、を含む電力変換器と、前記セル制御器から前記コンデンサの電圧を取得し、前記コンデンサの電圧にもとづいて、前記コンデンサの電圧の平均値を前記セル制御器に供給する制御装置と、を備える。前記複数の単位変換器に流れる電流は、前記複数の単位変換器のうちの１つに流れるセル電流であり、前記セル制御器は、前記複数の単位変換器ごとに設けられ、前記制御装置との間で、前記コンデンサの電圧のデータを伝送通信する。

第１の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。第１の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第１の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。図４（ａ）〜図４（ｃ）は、電力変換装置の動作原理を説明するための動作波形の例である。第１の実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図の例である。比較例の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第１の実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第２の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第３の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第４の実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。第４の実施形態の電力変換装置の動作を説明するための表である。第４の実施形態の電力変換装置の動作原理を説明する動作波形の例である。

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。

（第１の実施形態）
図１は、本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、電力変換装置２０は、変圧器４を介して電力系統５に連系されている。電力系統５は、この例では、５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの周波数の三相交流を供給する交流電源である。電力変換装置２０は、電力系統５の各相の系統電圧ｖｓｒ，ｖｓｓ，ｖｓｔを検出し、電力系統５の各相に交流電流ｉｒ，ｉｓ，ｉｔを供給する。この例では、電力変換装置２０は、電力系統に無効電力を注入する無効電力補償装置である。

電力変換装置２０は、電力変換器１と、制御装置２と、を備える。電力変換器１は、相ごとにバッファリアクトル３を介して、電力系統５に接続される。バッファリアクトル３は、電力変換器１においてスイッチングに伴って瞬時に生じる線間短絡の際の電流増加を抑制する。制御装置２は、電力変換器１に接続されている。

電力変換器１は、アーム１４を含む。アーム１４は、各相に対応して設けられている。三相交流の電力系統５では、電力変換器１は、３つのアーム１４を含む。この例では、３つのアーム１４は、バッファリアクトル３を介してデルタ結線されている。

各アーム１４は、複数の単位変換器１１を含む。この例では、各相のアーム１４は、ｍ個の単位変換器１１を含んでいる。複数の単位変換器１１は、アーム１４内で直列にｍ個接続されている。

単位変換器１１は、４つのスイッチング素子１２と、コンデンサ１３と、を含む。スイッチング素子１２は、自己消弧型のスイッチング素子とダイオードとが逆並列に接続されている。２つのスイッチング素子１２は、直列に接続されている。直列に接続されたスイッチング素子１２の直列接続回路は、並列に２つ接続されている。つまり、４つのスイッチング素子１２は、フルブリッジ接続されている。単位変換器１１は、フルフリッジ回路の出力を介して互いに直列に接続されている。

コンデンサ１３は、４つのスイッチング素子１２によって構成されたフルブリッジ回路に並列に接続されている。コンデンサ１３は、直流電圧源として機能する。スイッチング素子１２がスイッチングすることによって、コンデンサ１３にエネルギを供給し、コンデンサ１３からエネルギを外部に供給する。単位変換器１１の出力は、フルブリッジ回路の出力である。

図示しないが、単位変換器１１は電圧検出器を含む。電圧検出器は、各コンデンサ１３の両端の電圧であるコンデンサ電圧ｖｃｒ１〜ｖｃｒｍ，ｖｃｓ１〜ｖｃｓｍ，ｖｃｔ１〜ｖｃｔｍを検出する。なお、以下の説明では、特に断らない限り、各相（各アーム）のコンデンサ電圧ｖｃｒ１〜ｖｃｒｍ，ｖｃｓ１〜ｖｃｓｍ，ｖｃｔ１〜ｖｃｔｍを、ｖｃ１〜ｖｃｍ、またはｖｃｎと表すこととする。単位変換器１１の出力電圧ｖｒ１〜ｖｒｍ，ｖｓ１〜ｖｓｍ，ｖｔ１〜ｖｔｍを、ｖ１〜ｖｍ、またはｖｎと表すこととする。ここで、ｎ＝１〜ｍの整数である。

制御装置２は、各相の系統電圧ｖｓｒ，ｖｓｓ，ｖｓｔおよび電力変換器１の相間に流れる電流ｉｒｓ，ｉｓｔ，ｉｔｒにもとづいて、各相の電圧指令値ｖｒ＊，ｖｓ＊，ｖｔ＊を演算する。制御装置２は、演算された電圧指令値ｖｒ＊，ｖｓ＊，ｖｔ＊を電力変換器１に伝送する。制御装置２は、単位変換器１１を制御するためのいくつかの操作量や制御信号等を生成する。後に詳述するように、単位変換器１１のための制御機能は、たとえば階層的に分割されており、その機能のうちの一部は、電力変換器１に設けられ、残りの部分は、制御装置２に設けられる。

図２に示すように、本実施形態の電力変換装置２０では、単位変換器１１の制御機能は、中央制御器３０と、相制御器４０と、セル制御器５０と、に分割されている。中央制御器３０は、電力変換器１が有するすべてのコンデンサ１３の両端電圧の平均値であるコンデンサ電圧平均値ｖｃを電圧指令値ｖ＊に一致させるように制御して、電力系統５と電力変換器１との間の有効電流指令値を生成する。

中央制御器３０では、生成された有効電流指令値および各相に流れるアーム電流ｉａｒｍにもとづいて、各相の出力電圧のための指令値を生成する。中央制御器３０は、各相のアーム１４内のコンデンサ電圧の平均値のバランスも制御する。コンデンサ電圧の平均値のバランスを制御するとは、ある相のコンデンサ電圧の平均値を他の相のコンデンサ電圧の平均値と等しくなるように制御することをいう。

相制御器４０は、コンデンサ電圧平均値演算器４１を含む。コンデンサ電圧平均値演算器４１は、すべての単位変換器１１からコンデンサ電圧ｖｃｎを取得し、それらの平均値であるコンデンサ電圧平均値ｖｃを計算する。相制御器４０は、コンデンサ電圧平均値ｖｃを中央制御器３０に送り、中央制御器３０は、コンデンサ電圧の平均値のバランス制御結果を電圧指令値ｖ＊に反映させる。

セル制御器５０は、たとえば単位変換器１１ごとに設けられている。直列にｍ個接続された単位変換器１１のうちｎ番目の単位変換器１１をｎ段目の単位変換器１１のようにいうことがある。また、ｎ段目の単位変換器１１を制御するセル制御器５０をｎ段目のセル制御器５０ということもある。セル制御器５０は、同一のアーム１４内のコンデンサ電圧ｖｃｎのバランスを制御する。コンデンサ電圧のバランスを制御するとは、同一アーム内のコンデンサ電圧をコンデンサ電圧平均値ｖｃに一致させることによって、各コンデンサ電圧が等しくなるように制御することをいう。

セル制御器５０は、電流検出器１５と、ＰＷＭ制御器５１と、段間バランス制御器５２と、を含む。電流検出器１５によって検出された単位変換器１１に流れるセル電流ｉｃｅｌｌは、段間バランス制御器５２に供給される。単位変換器１１はアーム１４内で直列に接続されているので、単位変換器１１に流れるセル電流ｉｃｅｌｌは、その単位変換器１１が属するアームに流れるアーム電流ｉａｒｍに等しい。段間バランス制御器５２は、電圧指令値ｖ＊、コンデンサ電圧平均値ｖｃおよびセル電流ｉｃｅｌｌにもとづいて、セル電圧指令値ｖｃｎ＊を生成する。なお、ここでは、電圧指令値ｖ＊は、三相交流である電力系統５の三相のうちの１つの相の１セルあたりの電圧指令値である。

セル制御器５０は、このようにして直列に接続された単位変換器１１のコンデンサ電圧ｖｃ１〜ｖｃｍをバランスさせるとともに、単位変換器１１の出力電圧を制御する。

本実施形態の電力変換装置２０では、たとえば、中央制御器３０および相制御器４０は、制御装置２に実装され、セル制御器５０は、電力変換器１に実装される。

中央制御器３０、相制御器４０およびセル制御器５０は、相互に金属導線や光ファイバ等のケーブルによって接続されている。中央制御器３０、相制御器４０およびセル制御器５０は、ケーブルによって電圧指令値等のデータを伝送することができる。データの伝送を行う場合には、通信プロトコルに応じて、それぞれの制御器において信号変換を行い伝送通信する。データの伝送通信には、図示しないが、通信のためのプロトコル変換や、データの変換を行うＣＰＵ等のプログラマブルな演算器が用いられる。

セル制御器５０は、相制御器４０を介して中央制御器３０から電圧指令値ｖ＊のデータを受信する。セル制御器５０は、コンデンサ電圧ｖｃｎを相制御器４０に供給する。相制御器４０では、各セル制御器５０から取得したコンデンサ電圧ｖｃｎを用いてコンデンサ電圧平均値ｖｃを計算して、中央制御器３０およびセル制御器５０に供給する。

セル制御器５０は、相制御器４０からコンデンサ電圧平均値ｖｃのデータを受信する。セル制御器５０は、受信した電圧指令値ｖ＊、コンデンサ電圧平均値ｖｃ、および、自己が検出したコンデンサ電圧ｖｃｎ、流れているセル電流ｉｃｅｌｌにもとづいて、コンデンサ電圧ｖｃｎのための指令値であるセル電圧指令値ｖｃｎ＊を生成する。

ＰＷＭ制御器５１は、セル電圧指令値ｖｃｎ＊にもとづいて、コンデンサの充放電のデューティを設定し、各スイッチング素子を駆動するためのゲート信号を出力する。

図３に示すように、ｎ段目の段間バランス制御器５２は、加減算器５３と、比例制御器５４と、乗算器５５と、符号器５６と、を含む。加減算器５３は、コンデンサ電圧平均値ｖｃおよびコンデンサ電圧ｖｃｎを入力して、これらの偏差を出力する。

比例制御器５４は、加減算器５３から出力されたコンデンサ１３の両端電圧ｖｃｎのコンデンサ電圧平均値ｖｃからの偏差を比例制御演算して制御量を出力する。比例係数Ｋｐはあらかじめ設定されている。

単位変換器１１に流れるセル電流ｉｃｅｌｌは、単位変換器１１に設けられた電流検出器１５によって検出され、段間バランス制御器５２に入力される。各段のセル電流ｉｃｅｌｌの流れる方向は、同じ符号になるように設定されている。たとえば、各単位変換器１１から流れ出る方向（アーム１４から流れ出る方向）を正とし、単位変換器１１に流れ込む方向を負とする。セル電流ｉｃｅｌｌのデータは、符号器５６に入力される。符号器５６は、セル電流ｉｃｅｌｌの向きに応じた係数を出力する。セル電流ｉｃｅｌｌが正の場合には、符号器５６は“＋１”を出力し、セル電流ｉｃｅｌｌが負の場合には、符号器５６は“−１”を出力する。

比例制御器５４から出力された操作量は、符号器５６から出力された正または負の符号を有する係数と乗算器５５によって乗算される。乗算器５５は、ｎ番目のコンデンサ１３のコンデンサ電圧ｖｃｎのための段間バランス操作量ｖｉｎを出力する。

電圧指令値ｖ＊は、加算器５７によって段間バランス操作量ｖｉｎに加算され、単位変換器１１のためのセル電圧指令値ｖｃｎ＊が生成される。つまり、段間バランス制御器５２は、コンデンサ電圧平均値ｖｃを指令値として、各段の単位変換器１１のコンデンサ電圧ｖｃｎをコンデンサ電圧平均値ｖｃに一致するように制御する。この制御を行う際に、単位変換器１１のコンデンサ１３にエネルギを投入するか、エネルギを引き出すかを判定して制御する。

中央制御器３０、相制御器４０およびセル制御器５０は、たとえばＣＰＵ等のプログラム可能なデバイスによって構成される。プログラムは、たとえば図示しない記憶部あるいは記憶装置に格納されており、必要に応じて読み出され、あるいはＣＰＵ等の内部メモリ上に展開されて、そのプログラムの各ステップが実行される。中央制御器３０、相制御器４０、およびセル制御器５０について、上述した各ブロックの機能の一部または全部は、ＣＰＵ上で動作するプログラムを実行することによって実現されてもよい。

このようなＣＰＵは、たとえば、中央制御器３０、相制御器４０、およびセル制御器５０ごとにそれぞれ設けられており、それぞれに必要な機能を実行する。必要な機能には、相互にプロトコル変換等のデータの伝送通信等のための処理も含まれる。

図４（ａ）〜図４（ｃ）は、電力変換装置の動作原理を説明するための動作波形の例である。
図４（ａ）〜図４（ｃ）のそれぞれにおいて、最上段の図は、アーム電流ｉａｒｍの位相θに対する変化を表す動作波形である。２段目の図は、ｎ段目の単位変換器１１の段間バランス操作量ｖｉｎの位相θに対する変化を表す動作波形である。最下段の図は、ｎ段目の単位変換器１１のコンデンサ１３に流入する電力ｐｎの位相θに対する変化を表す動作波形である。

図４（ａ）には、アーム電流ｉａｒｍの位相が段間バランス操作量ｖｉｎの位相と一致する場合の動作波形例が示されている。コンデンサ電圧ｖｃｎがコンデンサ電圧平均値ｖｃよりも低い場合には、コンデンサ電圧ｖｃｎとコンデンサ電圧平均値ｖｃとの差分は、正となる。段間バランス操作量ｖｉｎは、この差分にアーム電流ｉａｒｍの正負符号を乗じて求められる。

コンデンサ電圧ｖｃｎがコンデンサ電圧平均値ｖｃよりも高い場合には、コンデンサ電圧ｖｃｎとコンデンサ電圧平均値ｖｃとの差分は、負となる。アーム電流ｉａｒｍは負のため、段間バランス操作量ｖｉｎは、正の値となる。このように、段間バランス操作量ｖｉｎの正負符号は、アーム電流ｉａｒｍの正負符号と一致する。

図４（ａ）に示すように、アーム電流ｉａｒｍおよび段間バランス操作量ｖｉｎのそれぞれの位相が一致する場合には、コンデンサ１３へ流入する電力ｐｎは、半端整流波形のようになる。つまり、流入電力ｐｎは、０または正の値を有する。したがって、流入電力ｐｎの１周期の時間平均は、正の値となり、コンデンサ１３への流入電力によって、コンデンサ電圧は上昇する。なお、図示しないが、流入電力ｐｎが０または負の値を有する場合には、コンデンサ１３への負の流入電力、つまり流出電力によってコンデンサ電圧が下降する。

このように、段間バランス制御器５２は、単位変換器１１の出力電圧を操作することによって、単位変換器１１に流入する電力を調整し、コンデンサ電圧をフィードバック制御する。

図４（ｂ）に示すように、アーム電流ｉａｒｍの位相が、段間バランス操作量ｖｉｎの位相とずれている場合には、これらを乗じて計算されるコンデンサ１３への流入電力ｐｎに負の値を有する区間が生じるので、バランス制御の制御量が実質的に低下する。

アーム電流ｉａｒｍが段間バランス操作量ｖｉｎに対して、位相差φ１だけずれるのは、実際のアーム電流ｉａｒｍに対して、伝送通信等によって遅延したアーム電流ｉａｒｍ’（破線）に応じて、段間バランス操作量ｖｉｎが計算されることによるものである。つまり、実際のアーム電流ｉａｒｍに対して、位相差φ１だけ遅延したアーム電流ｉａｒｍ’に応じて、段間バランス操作量ｖｉｎの正負が反転するので、実際のアーム電流ｉａｒｍと段間バランス操作量ｖｉｎとでは、位相差φ１が生じる。

図４（ｃ）では、実際のアーム電流ｉａｒｍと段間バランス操作量ｖｉｎとの間で、図４（ｂ）の場合よりも大きい位相差φ２（たとえばπ／２）が生じている。このように大きな位相差を生じた場合には、コンデンサ１３への流入電力ｐｎは正負の値をとり得、この例では、１周期平均をとると、流入電力ｐｎはほぼ０になる。この例のように、本来、コンデンサ電圧を上昇させるようにフィードバック制御をすべきところ、流入電力ｐｎが０であることから、制御量がゼロとなる。このため、コンデンサ１３ごとに正常なフィードバック制御が行われないので、コンデンサ電圧を所望の値に制御することができず、出力の波形に歪みが生じることとなる。

なお、図示はしないが、実際のアーム電流ｉａｒｍと段間バランス操作量ｖｉｎとの間の位相差がさらに大きく、π／２を超える場合には、コンデンサ１３への流入電力ｐｎが負の値となる期間が長くなり、１周期平均は負となる。このような場合には、フィードバック制御は、発散してしまい、制御不能となってしまうおそれがある。

本実施形態の電力変換装置１０では、アーム電流ｉａｒｍに等しいセル電流ｉｃｅｌｌを用いて、段間バランス制御を行う。セル電流ｉｃｅｌｌは、単位変換器１１ごとに、コンデンサ１３に流入する電流を検出する電流検出器１５によって検出される。セル電流ｉｃｅｌｌは、制御対象の単位変換器１１で検出されるので、遅延を生ずることがないので、正しい制御量が生成される。

図５は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するためのブロック図の例である。
図５に示すように、セル制御器５０の段間バランス制御器５２には、アーム電流ｉａｒｍに等しいセル電流ｉｃｅｌｌが入力される。セル電流ｉｃｅｌｌは、電流検出器１５によって検出され、電流検出器１５は、セル制御器５０によって制御される単位変換器１１に設けられている。そのため、段間バランス制御器５２は、遅延のない実際のアーム電流ｉにもとづいて、コンデンサ１３への流入電力ｐｎを計算することができる。なお、電圧指令値ｖ＊やコンデンサ電圧ｖｃｎについては、遅延要素Ｄによって遅延を生じ得るが、この遅延は、上述のフィードバック制御には、ほとんど影響しない。

本実施形態の電力変換装置２０の作用および効果について説明する。
まず、比較例の電力変換装置について説明する。

図６は、比較例の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
なお、図６および後述する図７は、各制御機能および単位変換器の階層関係を表すことに主眼があるため、信号の接続等について概略が示された模式図である。

図６に示すように、比較例の電力変換装置では、すべての制御機能が、たとえば制御装置内に実装されている。つまり、制御装置は、各種制御機能を含んだ中央制御器１３０を含んでいる。各種制御機能は、全体のコンデンサ電圧を制御する一括コンデンサ電圧制御、有効電流等を制御する電流制御、相間バランス制御、および段間バランス制御である。一括コンデンサ電圧制御、電流制御、相間バランス制御、および段間バランス制御は、たとえば同一の基板上やモジュールとして構成されており、たとえば１つのＣＰＵのプログラム動作として実行される。

ＭＭＣで系統電圧のように高電圧を取り扱う場合には、１つのアーム１４中に数十個から百個を超える数の単位変換器１１を設ける必要がある。単位変換器１１には、たとえば４つのスイッチング素子１２が設けられているので、単位変換器１１当たり４本のゲート信号線が必要となる。そして、そのようなアーム１４は相数分用意される。単位変換器１１は各段で絶縁してゲート信号を送信する必要があるため、光ファイバ等を用いる場合には、多数の光ファイバを用いることとなり、コストの上昇が著しい。光ファイバに代えて、金属導線を用いた場合には、絶縁確保や高重量の問題等を生じ得る。

図７は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
本実施形態の場合には、段間バランス制御器５２が電力変換器１に分散配置されている。つまり、ゲート信号線は電力変換器１内に収納される。中央制御器３０、相制御器４０およびセル制御器５０は、伝送通信によって互いにデータを伝送し、交換する。ここで、アーム電流ｉａｒｍをアーム１４ごとに検出し、一旦制御装置２に送信してから、他のデータのように各段間バランス制御器に配信した場合には、アーム電流ｉａｒｍのデータに遅延が生じることになる。

そこで、本実施形態の電力変換装置２０では、アーム１４に流れる電流は、単位変換器１１ごとに設けられた電流検出器１５によって検出されたセル電流ｉｃｅｌｌを用いる。セル電流ｉｃｅｌｌは、アーム電流ｉａｒｍに等しく、段間バランス制御器５２が属する単位変換器１１ごとに検出され、段間バランス制御器５２に入力されるため、遅延を考慮することなく、段間バランス制御を行うことができる。したがって、段間バランス制御器５２において、正確に制御量を与えてコンデンサ電圧をバランスさせることが可能になり、アーム電流ｉａｒｍの遅延にもとづく波形歪みを防止することができる。

本実施形態の電力変換装置１０では、アーム電流ｉａｒｍの遅延にもとづく出力電圧波形の歪みを防止することができるので、各制御器を必要に応じて、分散配置することが可能になる。相制御器４０を電力変換器１の側に配置することによって、単位変換器１１のための配線数や交換するデータ数を低減することができ、実装をより容易にすることが可能になる。

（変形例）
上述では、段間バランス制御器５２では、電流検出器１５によって検出されたセル電流ｉｃｅｌｌを入力し、符号器によってセル電流ｉｃｅｌｌの向きを判定した。段間バランス制御器が必要とするのは、セル電流ｉｃｅｌｌの方向であるため、電流検出器に代えて、電流方向を検出することができる電流方向検出器を用いてもよい。

このような変形例の電力変換装置によれば、電流検出器を小型化することが可能になり、装置の小型化、低コスト化に寄与することができる。

（第２の実施形態）
図８は、本実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図８は、上述した図５と同様に、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。上述の他の実施形態において説明したように、段間バランス制御は、単位変換器１１ごとのセル電流ｉｃｅｌｌを用いれば安定した制御を実現することができるので、段間バランス制御のためのすべての要素をセル制御器にもたせる必要はない。本実施形態では、段間バランス制御器の一部を相制御器にもたせている。

すなわち、本実施形態の電力変換装置は、相制御器２４０と、セル制御器２５０と、を含む。相制御器２４０は、コンデンサ電圧平均値演算器４１と、加減算器５３および比例制御器５４を含む段間バランス制御器２５２ａと、を含む。セル制御器２５０は、符号器５６および乗算器５５を含む段間バランス制御器２５２ｂを含む。たとえば、相制御器２４０は、制御装置に実装され、セル制御器２５０は、電力変換器に実装されている。相制御器２４０およびセル制御器２５０は、ケーブルによって接続されており、互いにデータを伝送通信する。伝送通信には、データ通信のためのプロトコル変換や、シリアルデータ・パラレルデータの相互の変換等が含まれる。伝送通信による遅延は、これらのデータ変換やケーブルによる信号遅延等を含んでいる。図８では、これらの遅延を一括して遅延要素Ｄと表している。

この例では、セル制御器２５０は、電力変換器内に設けられており、単位変換器１１ごとに設けられた電流検出器によって検出されたセル電流ｉｃｅｌｌが供給される。

アーム電流ｉａｒｍに等しいセル電流ｉｃｅｌｌをセル制御器２５０に供給することによって、遅延のない電流信号を得ることができる。したがって、セル電流ｉｃｅｌｌおよび段間バランス操作量ｖｉｎの位相を一致させることができ、正確な制御雨量でコンデンサ電圧ｖｃｎを制御することが可能になる。

本実施形態では、相制御器２４０およびセル制御器２５０のそれぞれにおいて、段間バランス制御に関して、実装する回路やプログラムの規模を調整することができる。たとえば、双方のデータ変換を含むデータ処理にＣＰＵ等のプログラムで動作するデバイスを用いる場合には、他の処理に要する規模との兼ね合いによって、段間バランス制御の一部を一方に実装するか、全部を一方に実装するか、等を選択することが可能になり、設計の自由度が向上する。

（第３の実施形態）
図９は、本実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
上述の他の実施形態や変形例では、単位変換器１１ごとにアーム電流ｉａｒｍに等しいセル電流ｉｃｅｌｌを検出して、電流方向のデータとして用いたが、アーム電流ｉａｒｍの方向は、直接測定しなくても、他のパラメータを用いて推定することができる。

図９には、段間バランス制御器のブロック図の例が示されている。この例における段間バランス制御器３５２は、加減算器５３と、比例制御器５４と、乗算器５５と、ＰＬＬ３５３と、位相演算器３５４と、乗算器３５５と、を含む。本実施形態では、段間バランス制御器３５２は、ＰＬＬ３５３、位相演算器３５４および乗算器３５５を含む点で、上述の他の実施形態の場合の段間バランス制御器５２と相違する。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

ＰＬＬ３５３には、電圧指令値ｖ＊が入力される。ＰＬＬ３５３は、電圧指令値ｖ＊の位相θｖを検出して出力する。

位相演算器３５４は、ＰＬＬ３５３の出力に接続されている。位相演算器３５４は、関数ｆ（θ）にしたがって演算された結果を出力する。関数ｆ（θ）は以下の式（１）によって表される。

位相演算器３５４は、θ＝θｖを入力し、電圧指令値ｖ＊の位相θｖに応じて、“１”または“−１”を出力する。そして、段間バランス制御器３５２は、位相演算器３５４の出力に、無効電流の正負符号を乗じることによって、電圧指令値ｖ＊のπ／２［ｒａｄ］の位相差の正負符号ｓｇｎｉを推定する。無効電流には進みと遅れがあるため、乗算器３５５によって、無効電流の正負符号ｓｇｎｉｑを乗じることによって、進みか遅れかが反映され、電流符号を推定することができる。

本実施形態の電力変換装置では、セル制御器３５０において電圧指令値ｖ＊の電圧位相にもとづいて電流符号を推定して用いる。そのため、通信遅延の影響を受けず、単位変換器の最終的な電圧指令値の遅延もわずかであるため、分散制御を適用しても段間バランス制御の制御性が悪化しない。したがって、ゲート信号線を低減しつつ、コンデンサ電圧のバランスがとれ、電流の歪みが小さな電力変換装置を実現することができる。

このように、本実施形態の電力変換装置は、各単位変換器ごとに電流検出器をもつ必要がないので、装置の小型化や低コスト化を実現することができる利点がある。

なお、本実施形態の電力変換装置では、無効電力補償装置を想定し、電圧と電流の位相差をπ／２［ｒａｄ］としているが、有効電力を主に融通する変換器としてもよい。その場合には、関数によって検出する位相差は０とし、有効電流の正負符号を想定用いて電流符号を推定できる。また、無効電流ｉｑの正負符号ｓｇｎｉｑは、無効電流指令値の正負符号を用いてもかまわない。

（第４の実施形態）
本実施形態の電力変換装置では、セル制御器において、コンデンサ電圧ｖｃｎの変動および単位変換器の出力電圧の正負符号からアーム電流（セル電流）の正負符号を推定する。
図１０は、本実施形態に係る電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図１１は、本実施形態の電力変換装置の動作を説明するための表である。
図１２は、本実施形態の電力変換装置の動作原理を説明する動作波形の例である。
図１０に示すように、本実施形態では、各段間バランス制御器４５２は、セル電流方向判定部４５３を含む。ｎ段目の段間バランス制御器４５２では、セル電流方向判定部４５３は、コンデンサ電圧ｖｃｎおよび単位変換器１１の出力電圧ｖｎを入力し、これらにもとづいて、セル電流ｉｃｅｌｌの流れる方向を推定する。

セル電流方向判定部４５３は、コンデンサ電圧ｖｃｎを入力して、コンデンサ電圧ｖｃｎの時間に対する増減（傾き）を検出する。セル電流方向判定部４５３は、単位変換器１１の出力電圧ｖｎを入力して、出力電圧ｖｎの正負符号を検出する。この例では、セル電流方向判定部４５３は、テーブル４５４を含む。

図１１には、このテーブル４５４の例が示されている。テーブル４５４には、コンデンサ電圧ｖｃｎ、単位変換器１１が出力する電圧ｖｎの正負符号、およびセル電流ｉｃｅｌｌの正負符号の関係があらかじめ設定されている。

図１２と合わせて説明する。単位変換器１１の出力電圧ｖｎの符号が正であり、コンデンサ電圧ｖｃｎが時間の経過とともに増加する期間Ｔ１には、単位変換器１１に電流が流入するので、セル電流ｉｃｅｌｌの流れる方向は正となる。

単位変換器１１の出力電圧ｖｎの符号が正であり、コンデンサ電圧ｖｃｎが時間の経過とともに減少する期間Ｔ２では、単位変換器１１から電流が流出するので、セル電流ｉｃｅｌｌの符号は負となる。

単位変換器１１の出力電圧ｖｎの符号が負であり、コンデンサ電圧ｖｃｎが時間の経過とともに増加する期間Ｔ３では、単位変換器１１に電流が流入するので、セル電流ｉｃｅｌｌの流れる方向は負となる。

単位変換器の出力電圧ｖｎの正負符号が負であり、コンデンサ電圧ｖｃｎが時間の経過とともに減少する期間Ｔ４では、単位変換器１１から電流が流出するので、セル電流ｉｃｅｌｌの流れる方向は正となる。

コンデンサ電圧が増加方向か減少方向かは、前回検出値との差分をとればよい。しかし出力電圧がゼロの時はコンデンサ電圧は変化しないため、電圧出力をしている時のみ変動を判定すればよい。出力電圧の指令は段間バランス制御器４５２が与えるため、電圧出力のタイミングも既知である。

本実施形態の電力変換装置では、セル制御器においてコンデンサ電圧の変化から電流符号を推定して用いる。そのため、電流符号のための電流データを伝送通信することによる通信遅延の影響を受けることがない。また、単位変換器１１の最終的な電圧指令値の遅延についてはわずかであるため、分散制御（図７）を適用した場合であっても、段間バランス制御の制御性は悪化しない。したがって、ゲート信号線を低減しつつ、コンデンサ電圧のバランスがとれ、電流の歪みが小さな電力変換装置を実現することができる。なお、出力電圧ｖｎの代わりに、段間バランス制御器４５２内の電圧指令値ｖ＊を用いてもよい。

以上説明した実施形態によれば、各単位変換器ごとに電流検出器をもつ必要がないので、装置の小型化や低コスト化を実現することができる利点がある。

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。

１電力変換器、２制御装置、３バッファリアクトル、４変圧器、５電力系統、１１単位変換器、１２スイッチング素子、１３コンデンサ、１４アーム、１５電流検出器、２０電力変換装置、３０中央制御器、４０，２４０相制御器、５０，２５０セル制御器、５１ＰＷＭ制御器、５２，２５２ａ，２５２ｂ，３５２，４５２段間バランス制御器、５３加減算器、５４比例制御器、５５乗算器、５６符号器、５７加算器、３５３ＰＬＬ、３５４位相演算器、３５５乗算器、４５３セル電流方向判定部、４５４テーブル

Claims

スイッチング素子と前記スイッチング素子のオンオフによって充放電するコンデンサとをそれぞれ含み直列に接続された複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器に流れる電流の方向である電流方向にもとづいて前記コンデンサの電圧に対する指令値を生成するセル制御器と、を含む電力変換器と、
前記セル制御器から前記コンデンサの電圧を取得し、前記コンデンサの電圧にもとづいて、前記コンデンサの電圧の平均値を前記セル制御器に供給する制御装置と、
を備え、
前記複数の単位変換器に流れる電流は、前記複数の単位変換器のうちの１つに流れるセル電流であり、
前記セル制御器は、前記複数の単位変換器ごとに設けられ、前記制御装置との間で、前記コンデンサの電圧のデータを伝送通信する電力変換装置。
前記複数の単位変換器は、前記電流を検出する電流検出手段をそれぞれ含み、
前記セル制御器は、前記電流検出手段によって検出されたそれぞれの前記電流方向を用いる請求項１記載の電力変換装置。
前記電流検出手段は、前記電流方向を検出する電流方向検出器である請求項２記載の電力変換装置。
前記電流方向は、外部から与えられる交流電流指令値にもとづいて、推定される請求項１記載の電力変換装置。
前記電流方向は、前記コンデンサ電圧の時間変化および交流電圧の指令値の正負符号にもとづいて推定される請求項１記載の電力変換装置。
前記制御装置は、前記コンデンサの電圧のデータおよび前記コンデンサの電圧の平均値にもとづいて、前記コンデンサの電圧に関する制御量を演算し、演算結果を前記セル制御器に伝送通信する請求項１〜５のいずれか１つに記載の電力変換装置。