JP7010162B2 - Modular multi-level cascade converter - Google Patents
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Description
本発明は、シングルスター・ブリッジセル(SSBC)のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器(MMCC)に係り、特に、各セルのコンデンサ電圧を一定に保つ技術に関する。 The present invention relates to a modular multi-level cascade transducer (MMCC) for a single star bridge cell (SSBC) and, in particular, relates to a technique for keeping the capacitor voltage of each cell constant.
非特許文献1,2には、トランスレスの高圧用途向けの回路として、シングルスター・ブリッジセル(SSBC)のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器(MMCC)が紹介されている。図10にMMCC-SSBCの構成を示す。
Non-Patent
この回路の特徴は図11に示すブリッジセルBをカスケード接続したモジュール25u,25v,25wで各アームを構成する点にあり、セル接続台数を増加することでより高い電圧を扱うことができる。MMCC-SSBCは無効電力補償装置としての応用が想定されている。
The feature of this circuit is that each arm is composed of
図12にMMCC-SSBC用の従来の制御ブロック構成を示す。図12の制御ブロックは図10の回路に適用することを想定している。1相あたりn台のブリッジセルBが接続され、3相合計では3n台のブリッジセルBが用いられている。 FIG. 12 shows a conventional control block configuration for MMCC-SSBC. The control block of FIG. 12 is intended to be applied to the circuit of FIG. N bridge cells B are connected to each phase, and 3n bridge cells B are used in total for three phases.
まず、全セルコンデンサ電圧平均値をセルコンデンサ電圧指令値に制御するブロック28を説明する。加算器1において、U相第1セルコンデンサ電圧検出値Vcu1~U相第nセルコンデンサ電圧検出値Vcunをすべて足し合わせる。次に、徐算器2において、加算器1の出力に1/nをかけ、U相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVGを求める。
First, the
図12では省略しているが、同様に、V相のセルコンデンサ電圧平均値VcvAVG,W相のセルコンデンサ電圧平均値VcwAVGを求める。加算器3において、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGを足し合わせる。乗算器4において、加算器3の出力に1/3をかけ、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGを求める。
Although omitted in FIG. 12, similarly, the V-phase cell capacitor voltage average value VcvAVG and the W-phase cell capacitor voltage average value VcwAVG are obtained. In the
減算器5において、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGとセルコンデンサ電圧指令値VcAVG*との偏差を求める。第1PIアンプPI1において、減算器5の出力を増幅する。この第1PIアンプPI1の出力が、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器のd軸電流指令値Id*となる。
In the
次に、電流制御部29を説明する。これは、一般的なインバータの電流制御ブロックとほぼ同じ構成である。PLLブロックPLLは、系統電圧検出値Vsを入力し、系統電圧に同期した系統位相θを出力する。
Next, the
出力電流検出値Iu,Iv,IwはローパスフィルタLPFにおいて、スイッチングリプルやノイズが除去され、dq変換器6に入力される。dq変換器6は、ローパスフィルタLPFの出力を、系統位相θに同期した回転座標上のd軸,q軸電流検出値に変換する。
The output current detection values Iu, Iv, and Iw are input to the
減算器7d,7qは、前述のd軸電流指令値Id*および任意のq軸電流指令値Iq*と、d軸,q軸電流検出値との偏差を求める。q軸電流指令値Iq*は自由に設定できるほか、上位からの指令や、系統電圧Vsの振幅を一定に保つ制御により決定される場合もある。第2,第3PIアンプPI2,PI3は、減算器7d,7qの出力を増幅し、d軸,q軸電圧指令値として出力する。
The
dq逆変換器8は、位相θに同期した回転座標上のd軸,q軸電圧指令値から固定座標上のU相出力,V相出力,W相出力に変換する。dq逆変換器8の出力には、後述する係数を乗算する乗算器9u,9v,9wが接続される。
The dq inverse converter 8 converts the d-axis and q-axis voltage command values on the rotating coordinates synchronized with the phase θ into U-phase output, V-phase output, and W-phase output on the fixed coordinates.
乗算器9u,9v,9wの出力が電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*となり、キャリア三角波との比較およびデッドタイムの付加を経てゲート信号に変換され、図10の各ブリッジセルBの第1~第4半導体スイッチS1~S4(IGBT)に入力される(図示省略)。
The outputs of the
最後に、電圧指令値の補正ブロック30を説明する。除算器10は、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGの逆数1/VcAVGを求める。そして、乗算器9uにおいて、逆数1/VcAVGとdq逆変換器8のU相出力を乗算し、U相電圧指令値Vu*を得る。また、乗算器9vにおいて、逆数1/VcAVGとdq逆変換器8のV相出力を乗算し、V相電圧指令値Vv*を得る。また、逆数1/VcAVGとdq逆変換器8のW相出力を乗算し、W相電圧指令値Vw*を得る。
Finally, the voltage command
全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGをセルコンデンサ電圧指令値に制御するブロック28は、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGとセルコンデンサ電圧指令値VcAVG*とを比較し、偏差を第1PIアンプPI1により増幅し、d軸電流指令値Id*とする。
The
全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGがセルコンデンサ電圧指令値VcAVG*に対して過剰ならばd軸電流指令値Id*はプラスになり、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器はプラスのd軸電流を出力する。すなわち、有効電力を出力し、セルコンデンサCの放電を行う。 If the average value VcAVG of all cell capacitors is excessive with respect to the cell capacitor voltage command value VcAVG *, the d-axis current command value Id * becomes positive, and the modular multi-level cascade converter outputs a positive d-axis current. .. That is, the active power is output and the cell capacitor C is discharged.
全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGがセルコンデンサ電圧指令値VcAVG*に対して不足していれば、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器は有効電力を入力し、セルコンデンサの充電を行う。 If the average value VcAVG of all cell capacitors is insufficient for the cell capacitor voltage command value VcAVG *, the modular multi-level cascade converter inputs active power and charges the cell capacitors.
次に、電流制御部29を説明する。これは、一般的なインバータの電流制御部とほぼ同じ構成である。出力電流検出値Iu,Iv,Iwを検出し、回転座標上でd軸,q軸電流指令値Id*,Iq*と比較し、偏差をPIアンプ処理してd軸,q軸電圧指令値を得る。
Next, the
d軸,q軸電圧指令値を固定座標上に戻し、キャリア三角波との比較を行うPWM変調により、ゲート信号に変換する。このゲート信号を各ブリッジセルBの第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)に入力し、第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)をオンオフさせることで、電圧指令値通りの電圧を出力する。以上により、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器はd軸,q軸電流指令値Id*,Iq*にほぼ一致した電流を出力することができる。 The d-axis and q-axis voltage command values are returned to the fixed coordinates and converted into a gate signal by PWM modulation for comparison with the carrier triangle wave. This gate signal is input to the first to fourth semiconductor switching elements S1 to S4 (IGBT) of each bridge cell B, and the first to fourth semiconductor switching elements S1 to S4 (IGBT) are turned on and off to turn on and off the voltage command value. Outputs the street voltage. As described above, the modular multi-level cascade converter can output a current that substantially matches the d-axis and q-axis current command values Id * and Iq *.
最後に、電圧指令値の補正ブロック30について説明する。モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の出力電圧は全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGに依存する。電圧指令値が同じでも、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGが小さくなるとモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の出力電圧も減少する。そこで、dq逆変換器8の出力に全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGの逆数1/VcAVGをかけ、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGが小さければ電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を増加させる。これにより、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の出力電圧は全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGに依存しなくなり、常に電圧指令値Vu*,Vv*,Vwに等しくさせることができる。
Finally, the voltage command
U相電圧指令値Vu*からゲート信号を生成するまでの動作を説明する。ここでは、図13に示すように1相あたり2台(n=2)のブリッジセルBが接続されている場合を想定する。 The operation from the U-phase voltage command value Vu * to the generation of the gate signal will be described. Here, as shown in FIG. 13, it is assumed that two (n = 2) bridge cells B are connected to each phase.
図14にPWM波形を示す。セルU1とセルU2のキャリア三角波(以下、U1キャリア,U2キャリアと称する)の位相差を90deg(180/n)に設定する。U相電圧指令値Vu*とU1キャリアを比較し、Vu*>U1キャリアならばGU1=1,GX1=0、Vu*<U1キャリアならばGU1=0,GX1=1とする。比較結果にデッドタイムを付加し、ゲート信号としてセルU1の対応する第1,第2半導体スイッチング素子S1,S2(IGBT)に入力する。 FIG. 14 shows a PWM waveform. The phase difference between the carrier triangle wave of cell U1 and cell U2 (hereinafter referred to as U1 carrier and U2 carrier) is set to 90 deg (180 / n). The U-phase voltage command value Vu * and the U1 carrier are compared, and if Vu *> U1 carrier, GU1 = 1, GX1 = 0, and if Vu * <U1 carrier, GU1 = 0, GX1 = 1. A dead time is added to the comparison result, and the gate signal is input to the corresponding first and second semiconductor switching elements S1 and S2 (IGBT) of the cell U1.
符号を反転したU相電圧指令値-Vu*とU1キャリアを比較し、-Vu*>U1キャリアならばGV1=1,GY1=0、-Vu*<U1キャリアならばGV1=0,GY1=1とする。これもデッドタイムを付加し、ゲート信号として対応する第3,第4半導体スイッチング素子S3,S4に入力する。 Comparing the U-phase voltage command value -Vu * with the inverted sign and the U1 carrier, GV1 = 1, GY1 = 0 if -Vu *> U1 carrier, GV1 = 0, GY1 = 1 if -Vu * <U1 carrier. And. This also adds a dead time and is input to the corresponding third and fourth semiconductor switching elements S3 and S4 as a gate signal.
同様に、U相電圧指令値Vu*(-Vu*)とU2キャリアを比較してGU2,GX2,GV2,GY2を導出し、デッドタイムを付加し、ゲート信号としてセルU2の対応する第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)に入力する。最終的な電圧出力Vuは、セルU1のコンデンサ電圧VCU1とセルU2のコンデンサ電圧VCU2が等しい場合、図14の最下段に示す波形となる。 Similarly, the U-phase voltage command value Vu * (-Vu *) is compared with the U2 carrier to derive GU2, GX2, GV2, GY2, a dead time is added, and the corresponding first to second cells U2 are used as gate signals. Input to the fourth semiconductor switching elements S1 to S4 (IGBT). The final voltage output Vu has the waveform shown at the bottom of FIG. 14 when the capacitor voltage VCU1 of the cell U1 and the capacitor voltage VCU2 of the cell U2 are equal.
図15に、図14の期間(a)~(d)におけるブリッジセルB(セルU1)のスイッチングパターンを示す。期間(a)ではセルコンデンサ電圧(+Vc)が出力され、期間(b),(c)の出力電圧は零である。期間(d)ではセルコンデンサ電圧(-Vc)が出力される。 FIG. 15 shows the switching pattern of the bridge cell B (cell U1) during the periods (a) to (d) of FIG. The cell capacitor voltage (+ Vc) is output in the period (a), and the output voltages in the periods (b) and (c) are zero. In the period (d), the cell capacitor voltage (-Vc) is output.
ブリッジセルBの1台の出力電圧は3レベルである。図13では2台のカスケード接続構成であるため、出力電圧のレベル数は図14に示すように5となる。なお、1相あたりのブリッジセルBの台数nが3以上の場合においても、位相差が(180/n)degであるn種類の三角波キャリアを用いて、同様にゲート信号を生成する。 The output voltage of one bridge cell B is three levels. In FIG. 13, since the two units are connected in cascade, the number of output voltage levels is 5 as shown in FIG. Even when the number n of bridge cells B per phase is 3 or more, a gate signal is similarly generated by using n types of triangular wave carriers having a phase difference of (180 / n) deg.
しかし、セルモジュールをカスケード接続した構成では、負荷などの条件、スイッチング素子やセルコンデンサの特性のばらつきなどによりセルコンデンサ電圧Vcにアンバランスが生じることがある。 However, in the configuration in which the cell modules are connected in cascade, the cell capacitor voltage Vc may be unbalanced due to conditions such as load and variations in the characteristics of the switching element and the cell capacitor.
このアンバランスは、半導体スイッチング素子やセルコンデンサに印加される電圧が過大になる、インバータから出力する電圧・電流波形にひずみが生じトランスの焼損、力率改善用コンデンサの過熱や絶縁破壊、電動機のうなりや遮断器の誤動作など、同じ系統に接続している他の機器への悪影響といった問題を引き起こす。そのため、制御によりセルコンデンサ電圧を均一に保つことが重要となる。 This imbalance causes the voltage applied to the semiconductor switching element and cell capacitor to become excessive, the voltage and current waveforms output from the inverter to be distorted, the transformer burns out, the power factor improving capacitor overheats and dielectric breakdown, and the electric machine. It causes problems such as groaning and malfunction of the breaker, which adversely affect other devices connected to the same system. Therefore, it is important to keep the cell capacitor voltage uniform by control.
非特許文献1には、各相のセルコンデンサ電圧平均値を均一に制御する方法として、不平衡電流を出力する方法が開示されている。しかし、不要な不平衡電流を出力することは系統に擾乱を与えるため、無効電力補償装置の動作として望ましくない。また、出力する不平衡電流を抑えるほど制御の効果も低下するという問題点もある。
非特許文献2には、各相のセルコンデンサ電圧平均値を均一に制御する方法として、零相電圧を重畳することで出力電圧を不平衡にし、電流は平衡を保ちながら不平衡電力を入出力させる方法が開示されている。この方法は、系統への擾乱が生じないという特長がある。しかし、この制御の効果は不平衡電力の大きさ、すなわち電流の大きさに比例する。軽負荷や無負荷においてモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器に電流がほとんど流れない条件では、セルコンデンサのバランス制御が困難になる。
In
特許文献1には、セルコンデンサ電圧の低いセルのデッドタイムを長く設定することで、セルコンデンサの充電を促しセルコンデンサ電圧を均一にする制御法が開示されている。しかし、デッドタイムを長くするとモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の出力電圧・電流がひずみやすくなるという問題がある。
特許文献2の実施形態4には、3レベルインバータにおいて無負荷や軽負荷でも有効電力の出力(または入力)があると仮定し、中性点電位の制御を行う方法が開示されている。特許文献2では、無負荷や軽負荷においても中性点電位をバランスさせることができる。しかし、特許文献2は3レベルインバータの中性点電位制御に関する技術である。そのため、図10のMMCC-SSBCにはそのまま適用することができない。
The fourth embodiment of
特許文献3には、3レベル整流器において中性点電位のバランスが崩れてしまった場合でも出力電圧・電流のひずみを低減する制御法が開示されている。また、特許文献3は、同時に中性点電位をバランスさせることができる。しかし、特許文献3も図10のMMCC-SSBCにそのまま適用することができない。
以上示したようなことから、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器において、出力電圧のひずみを低減し、各相のコンデンサ電圧平均値を均一にすることが課題となる。 From the above, it is a problem in the modular multi-level cascade converter to reduce the distortion of the output voltage and make the average value of the capacitor voltage of each phase uniform.
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、 系統と負荷との間の各相(3相)に複数のブリッジセルが直列接続され、前記ブリッジセルは、一方の接続端子に一端が接続された第1半導体スイッチング素子と、前記第1半導体スイッチング素子の一端に一端が接続された第2半導体スイッチング素子と、前記第1半導体スイッチング素子の他端と他方の接続端子との間に接続された第3半導体スイッチング素子と、前記第2半導体スイッチング素子の他端と他方の接続端子との間に接続された第4半導体スイッチング素子と、前記第1,第3半導体スイッチング素子の共通接続点と前記第2,第4半導体スイッチング素子の共通接続点との間に接続されたセルコンデンサと、を備えたモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器であって、全セルコンデンサ電圧平均値とセルコンデンサ電圧指令値との偏差に応じたd軸電流指令値とq軸電流指令値とに基づいて電流制御を行う電流制御部と、前記電流制御部のU相出力,V相出力,W相出力にU相,V相,W相セルコンデンサ電圧平均値の逆数をそれぞれ乗算し、各相の電圧指令値として出力する第1乗算器と、を備え、各相の電圧指令値に基づいて前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする。 The present invention has been devised in view of the above-mentioned conventional problems, and one aspect thereof is that a plurality of bridge cells are connected in series to each phase (three phases) between the system and the load, and the bridge cell is A first semiconductor switching element having one end connected to one of the connection terminals, a second semiconductor switching element having one end connected to one end of the first semiconductor switching element, and the other end and the other of the first semiconductor switching element. A third semiconductor switching element connected between the connection terminals of the second semiconductor, a fourth semiconductor switching element connected between the other end of the second semiconductor switching element and the other connection terminal, and the first and first semiconductor switching elements. 3 A modular multi-level cascade converter comprising a cell capacitor connected between a common connection point of a semiconductor switching element and a common connection point of the second and fourth semiconductor switching elements, and all cells. The current control unit that controls the current based on the d-axis current command value and the q-axis current command value according to the deviation between the capacitor voltage average value and the cell capacitor voltage command value, and the U-phase output, V of the current control unit. It is equipped with a first multiplier that multiplies the phase output and W phase output by the inverse of the U-phase, V-phase, and W-phase cell capacitor voltage average values and outputs them as the voltage command values for each phase. It is characterized in that a gate signal of the first to fourth semiconductor switching elements in each of the bridge cells is generated based on the value.
また、その一態様として、d軸として1,q軸として0を入力し、系統位相に基づいて、U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波を出力する第1dq逆変換器と、全セルコンデンサ電圧平均値と各相のセルコンデンサ電圧平均値との偏差をそれぞれ算出する第1減算器と、前記第1減算器の出力に前記U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波をそれぞれ乗算する第2乗算器と、前記第2乗算器の出力を全て足し合わせる第1加算器と、前記第1加算器の出力にゲインGpを乗算し、零相電圧として出力する第3乗算器と、前記各相の電圧指令値に前記零相電圧をそれぞれ加算し、補正後電圧指令値として出力する第2加算器と、を備え、前記補正後電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする。
Further, as one aspect thereof, a first dq inverse converter that
また、他の態様として、q軸電流指令値の絶対値が第1閾値以下の場合は1を出力し、前記q軸電流指令値の絶対値が前記第1閾値よりも大きい場合0を出力し、または、前記q軸電流指令値の絶対値が前記第1閾値以下の場合は1を出力し、前記q軸電流指令値の絶対値が前記第1閾値よりも大きく第4閾値よりも小さい場合、前記q軸電流指令値の絶対値が前記第1閾値から前記第4閾値に増加するに従って1から0に減少するように変化して出力し、前記q軸電流指令値の絶対値が前記第4閾値以上の場合は0を出力する第1テーブルと、前記q軸電流指令値が第2閾値よりも小さければ1を出力し、前記q軸電流指令値が前記第2閾値以上第3閾値以下であれば0を出力し、前記q軸電流指令値が前記第3閾値より大きければ-1を出力し、または、前記q軸電流指令値が第5閾値以下の場合1を出力し、前記q軸電流指令値が前記第5閾値よりも大きく前記第2閾値よりも小さい場合、前記q軸電流指令値が前記第5閾値から前記第2閾値に増加するに従って1から0に減少するように変化して出力し、前記q軸電流指令値が前記第2閾値以上前記第3閾値以下であれば0を出力し、前記q軸電流指令値が前記第3閾値よりも大きく第6閾値よりも小さい場合前記q軸電流指令値が前記第3閾値から前記第6閾値に増加するに従って0から-1に減少するように変化して出力し、前記q軸電流指令値が前記第6閾値以上の場合-1を出力する第2テーブルと、d軸として第1テーブルの出力を入力し、q軸として第2テーブルの出力を入力し、系統位相に基づいて、U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波を出力する第1dq逆変換器と、全セルコンデンサ電圧平均値と各相のセルコンデンサ電圧平均値との偏差を算出する第1減算器と、前記第1減算器の出力に前記U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波をそれぞれ乗算する第2乗算器と、前記第2乗算器の出力を全て足し合わせる第1加算器と、前記第1加算器の出力にゲインGpを乗算し、零相電圧として出力する第3乗算器と、前記各相の電圧指令値に前記零相電圧をそれぞれ加算し、補正後電圧指令値として出力する第2加算器と、を備え、前記補正後電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする。 As another embodiment, 1 is output when the absolute value of the q-axis current command value is equal to or less than the first threshold value, and 0 is output when the absolute value of the q-axis current command value is larger than the first threshold value. Or, when the absolute value of the q-axis current command value is equal to or less than the first threshold value, 1 is output, and when the absolute value of the q-axis current command value is larger than the first threshold value and smaller than the fourth threshold value. , The absolute value of the q-axis current command value is changed and output so as to decrease from 1 to 0 as the absolute value of the q-axis current command value increases from the first threshold value to the fourth threshold value, and the absolute value of the q-axis current command value is the first. A first table that outputs 0 when 4 thresholds or more, and 1 is output if the q-axis current command value is smaller than the second threshold, and the q-axis current command value is equal to or greater than the second threshold and equal to or less than the third threshold. If, 0 is output, if the q-axis current command value is larger than the third threshold value, -1 is output, or if the q-axis current command value is equal to or less than the fifth threshold value, 1 is output and the q is output. When the axis current command value is larger than the fifth threshold value and smaller than the second threshold value, the q-axis current command value changes from 1 to 0 as the fifth threshold value increases to the second threshold value. If the q-axis current command value is equal to or greater than the second threshold and equal to or less than the third threshold, 0 is output, and the q-axis current command value is larger than the third threshold and smaller than the sixth threshold. Case: When the q-axis current command value changes from 0 to -1 as it increases from the third threshold value to the sixth threshold value and is output, and when the q-axis current command value is equal to or higher than the sixth threshold value. Input the output of the first table as the d-axis and the output of the second table as the q-axis, and input the output of the second table as the q-axis. The first dq inverse converter that outputs a W-phase sine wave, the first subtractor that calculates the deviation between the average value of the cell capacitor voltage of all cells and the average value of the cell capacitor voltage of each phase, and the output of the first subtractor A second multiplier that multiplies a U-phase sine wave, a V-phase sine wave, and a W-phase sine wave, a first adder that adds all the outputs of the second multiplier, and a gain on the output of the first adder. It includes a third multiplier that multiplies Gp and outputs it as a zero-phase voltage, and a second adder that adds the zero-phase voltage to the voltage command value of each phase and outputs it as a corrected voltage command value. It is characterized in that the gate signal of the first to fourth semiconductor switching elements in each of the bridge cells is generated based on the corrected voltage command value.
また、その一態様として、各相のセルコンデンサ電圧平均値と各セルコンデンサ電圧検出値との偏差を算出する第2減算器と、前記第2減算器の出力にゲインGiを乗算した前記U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波をそれぞれ乗算する第4乗算器と、前記補正後電圧指令値に前記第4乗算器の出力をそれぞれ加算し、各セルの電圧指令値として出力する第3加算器と、を備え、各セルの電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする。 Further, as one aspect thereof, a second subtractor for calculating the deviation between the cell capacitor voltage average value of each phase and the cell capacitor voltage detection value, and the U phase obtained by multiplying the output of the second subtractor by the gain Gi. A fourth multiplier that multiplies a sine wave, a V-phase sine wave, and a W-phase sine wave, respectively, and the output of the fourth multiplier are added to the corrected voltage command value, respectively, and output as the voltage command value of each cell. A third adder is provided, and the gate signal of the first to fourth semiconductor switching elements in each bridge cell is generated based on the voltage command value of each cell.
本発明によれば、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器において、出力電圧のひずみを低減し、各相のコンデンサ電圧平均値を均一にすることが可能となる。 According to the present invention, in a modular multi-level cascade converter, it is possible to reduce the distortion of the output voltage and make the average value of the capacitor voltage of each phase uniform.
以下、本願発明におけるモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の実施形態1~4を図1~図11に基づいて詳述する。
Hereinafter,
以下に示す実施形態1~4では、ブリッジセルB内での導通損やスイッチング損、セルコンデンサの漏れ電流、IGBT駆動用電源の確保などによりわずかな損失が発生し、それを補填するためモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器は常に微量の有効電力を系統から入力していることを想定している。
In the following
[実施形態1]
以下に示す本実施形態1は、図10の回路に適用することを想定している。図10では、系統26と負荷27との間の各相(3相)に1相あたりn台のブリッジセルBが接続される。3相合計では3n台のブリッジセルBが接続されている。
[Embodiment 1]
The
図11に示すように、ブリッジセルBは、第1半導体スイッチング素子S1の一端が、一方の接続端子に接続される。第2半導体スイッチング素子S2の一端は第1半導体スイッチング素子S1の一端に接続される。第3半導体スイッチング素子S3は、第1半導体スイッチング素子S1の他端と他方の接続端子との間に接続される。第4半導体スイッチング素子S4は、第2半導体スイッチング素子S2の他端と他方の接続端子との間に接続される。セルコンデンサCは、第1,第3半導体スイッチング素子S1,S3の共通接続点と第2,第4半導体スイッチング素子S2,S4の共通接続点との間に接続される。 As shown in FIG. 11, in the bridge cell B, one end of the first semiconductor switching element S1 is connected to one of the connection terminals. One end of the second semiconductor switching element S2 is connected to one end of the first semiconductor switching element S1. The third semiconductor switching element S3 is connected between the other end of the first semiconductor switching element S1 and the other connection terminal. The fourth semiconductor switching element S4 is connected between the other end of the second semiconductor switching element S2 and the other connection terminal. The cell capacitor C is connected between the common connection point of the first and third semiconductor switching elements S1 and S3 and the common connection point of the second and fourth semiconductor switching elements S2 and S4.
図1に本実施形態1の制御ブロックを示す。図1は、従来構成である図12に対して電圧指令値の補正ブロック30が異なる。図12と同様の箇所は、同じ符号を付し、その説明を省略する。
FIG. 1 shows the control block of the first embodiment. FIG. 1 is different from FIG. 12, which has a conventional configuration, in the voltage command
除算器10u,10v,10wは、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGの逆数1/VcuAVG,1/VcvAVG,1/VcwAVGを求める。第1乗算器9uは、逆数1/VcuAVGとdq逆変換器8のU相出力を乗算し、U相電圧指令値Vu*を得る。第1乗算器9vは、逆数1/VcvAVGとdq逆変換器8のV相出力を乗算し、V相電圧指令値Vv*を得る。第1乗算器9wは、逆数1/VcwAVGとdq逆変換器8のW相出力を乗算し、W相電圧指令値Vw*を得る。
The
従来法では、補正に全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGを使用していた。そのため、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGは指令値通りだが各相のセルモジュール25u,25v,25wのセルコンデンサ電圧平均値(例えば、各相のセル数=2の場合、U相のセルコンデンサ電圧平均値は(Vcu1+Vcu2)/2となる)がセルコンデンサ電圧指令値VcAVG*からずれた場合は対応できず、各相セルモジュール出力電圧の振幅は電圧指令値からずれ、不平衡電流を出力するなど系統に擾乱を与えてしまう問題があった。しかし、本実施形態1では各相のセルモジュール25u,25v,25w個別に補正を行うため、上記の場合でも各セルモジュール25u,25v,25wは電圧指令値通りの電圧を出力することができる。
In the conventional method, the average value VcAVG of all cell capacitors is used for the correction. Therefore, the average value VcAVG of all cell capacitors is as instructed, but the average cell capacitor voltage of each
また、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGとは異なり、各相セルコンデンサ電圧は電力の入出力により系統電圧の2倍の周波数で脈動する。そこで、この補正を行うことにより出力電圧・電流はセルコンデンサ電圧の脈動の影響を受けなくなり、ひずみの小さな出力電圧・電流波形を得ることができる。 Further, unlike the average value VcAVG of all cell capacitors, each phase cell capacitor voltage pulsates at a frequency twice the system voltage due to the input / output of electric power. Therefore, by performing this correction, the output voltage / current is not affected by the pulsation of the cell capacitor voltage, and an output voltage / current waveform with small distortion can be obtained.
電圧指令値V*がプラスの条件では図15に示す(a),(b),(c)の3つのスイッチングパターンが現れる。ここでは、有効電力を系統26から入力していることを想定しているため電流経路は図15に示すとおりとなる。図15(a)ではセルコンデンサCが充電される。
Under the condition that the voltage command value V * is positive, the three switching patterns (a), (b), and (c) shown in FIG. 15 appear. Here, since it is assumed that the active power is input from the
ここで、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGが全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGよりも小さいセルモジュールに対して上記補正を行うと、対応する相の電圧指令値(Vu*,Vv*,Vw*のいずれか)が増加するため図15(a)のスイッチングパターンが長時間現れるようになり、セルコンデンサCの充電が促される。 Here, when the above correction is performed for a cell module in which the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase are smaller than the all-cell capacitor voltage average value VcAVG, the voltage command values (Vu *, Vv) of the corresponding phases are applied. Since either * or Vw *) increases, the switching pattern of FIG. 15A appears for a long time, and charging of the cell capacitor C is promoted.
各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGが全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGよりも大きいセルモジュールに対して上記補正を行うと、図15の(b)や(c)のパターンの発生頻度が増加し、セルコンデンサが充電されなくなる。このため上記補正を行うことで、ひずみの低減だけでなく各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGを均一に揃えることもできる。 When the above correction is performed for a cell module in which the average cell capacitor voltage values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase are larger than the average cell capacitor voltage VcAVG, the frequency of occurrence of the patterns (b) and (c) in FIG. Will increase and the cell capacitor will not be charged. Therefore, by performing the above correction, not only the strain can be reduced, but also the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase can be uniformly aligned.
以上示したように、本実施形態1によれば、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGはセルコンデンサ電圧指令値VcAVG*に一致しているが、各相のセルコンデンサ平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGにずれが生じた場合において、出力電圧・電流のひずみを低減することができる。 As shown above, according to the first embodiment, the average cell capacitor voltage VcAVG matches the cell capacitor voltage command value VcAVG *, but deviates from the average cell capacitor VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase. When this occurs, the distortion of the output voltage and current can be reduced.
また、各相のセルコンデンサ平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGには原理上系統周波数の2倍の脈動が生じるが、出力電圧・電流はこの脈動の影響を受けなくなり、ひずみをより小さくすることができる。 In principle, the average cell capacitor values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase generate pulsations twice the system frequency, but the output voltage and current are not affected by these pulsations, and the strain can be further reduced. ..
さらに、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGを均一に揃えることができる。特に、従来の制御では非常に困難であった無負荷・軽負荷において各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGの均一化を図ることが可能となる。 Further, the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase can be uniformly aligned. In particular, it is possible to make the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase uniform in the no-load / light load, which is very difficult with the conventional control.
[実施形態2]
図2に本実施形態2の制御ブロックを示す。dq逆変換器11は、固定値1,0をそれぞれd軸,q軸として入力する。dq逆変換器11は、系統位相θを入力し、系統相電圧に同期したU相正弦波,V相正弦波,W相正弦波を出力する。
[Embodiment 2]
FIG. 2 shows the control block of the second embodiment. The dq
ローパスフィルタLPFは、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVG、全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGから、原理上重畳する系統の2倍の周波数の脈動を除去する。全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGには脈動は重畳しないが、遅延をあわせるためLPF処理を行う。 The low-pass filter LPF removes pulsations at twice the frequency of the system superimposed in principle from the cell capacitor voltage mean values VcuAVG, VcvAVG, VcwAVG, and all cell capacitor voltage mean values VcAVG of each phase. No pulsation is superimposed on the average value VcAVG of all cell capacitors, but LPF processing is performed to match the delay.
第1減算器12u,12v,12wは、脈動除去後の全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGと各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGとの偏差を求める。 The first subtractors 12u, 12v, 12w obtain the deviation between the average cell capacitor voltage VcAVG after pulsation removal and the average cell capacitor voltage VcuAVG, VcvAVG, VcwAVG of each phase.
第2乗算器13uはU相の第1減算器12uの出力とU相正弦波とを乗算する。第2乗算器13vはV相の第1減算器12vの出力とV相正弦波とを乗算する。第2乗算器13wはW相の第1減算器12wの出力とW相正弦波とを乗算する。第1加算器14は第2乗算器13u,13v,13wの出力をすべて足し合わせる。
The
第3乗算器15は、第1加算器14の出力にゲインGpを乗算する。第3乗算器15の出力が零相電圧Vcp*となる。第2加算器16u,16v,16wは、実施形態1の電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*と零相電圧Vcp*とをそれぞれ加算し、補正後電圧指令値Vu*’,Vv*’,Vw*’として出力する。補正後電圧指令値Vu*’、Vv*’、Vw*’は、キャリア三角波との比較およびデッドタイム付加を経てゲート信号に変換され、図10,図11の各ブリッジセルBの第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)に入力される(図示省略)。
The
本実施形態2は、実施形態1に対し各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGを全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGに合わせる制御機能を追加したものである。 In the second embodiment, a control function for adjusting the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase to the cell capacitor voltage average values VcAVG of each phase is added to the first embodiment.
まず、dq逆変換器11により系統相電圧に同期したU相正弦波,V相正弦波,W相正弦波を生成する。モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器は微量の有効電力を系統26から入力しているため、U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波はモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の入力電流の有効電力成分に対して同位相である。
First, the dq
次に、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGと全セルコンデンサ電圧平均値VcAVGとの偏差を求め、偏差に各相のU相正弦波,V相正弦波,W相正弦波を乗算する。これをすべて足し合わせゲインGpをかけることで、零相電圧Vcp*を求める。 Next, the deviation between the cell capacitor voltage average value VcuAVG, VcvAVG, VcwAVG of each phase and the cell capacitor voltage average value VcAVG of each phase is obtained, and the U-phase sine wave, V-phase sine wave, and W-phase sine wave of each phase are used as the deviations. Multiply. The zero-phase voltage Vcp * is obtained by adding all of these and applying the gain Gp.
図3に零相電圧Vcp*の例を示す。この例では、VcuAVG<VcAVG<VcvAVG=VcwAVGであることを想定している。図3(a)に系統電圧のフェーザー図、図3(b)に出力電流のフェーザー図、図3(c)に零相電圧Vcp*のフェーザー図、図3(d)に電圧指令値のフェーザー図を示す。 FIG. 3 shows an example of the zero-phase voltage Vcp *. In this example, it is assumed that VcuAVG <VcAVG <VcvAVG = VcwAVG. FIG. 3A is a phaser diagram of the system voltage, FIG. 3B is a phaser diagram of the output current, FIG. 3C is a phaser diagram of the zero-phase voltage Vcp *, and FIG. 3D is a phaser of the voltage command value. The figure is shown.
モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器は有効電力を系統から入力していることを想定しているため、図3(a)と図3(b)は逆向きである。U相については偏差VcAVG-VcuAVGはプラスであり、U相正弦波は系統相電圧Vuと同じ位相となる。V相,W相については偏差VcAVG-VcvAVGとVcAVG-VcwAVGはマイナスであり、系統相電圧Vv,Vwとは逆向き(位相差が180°ある)の正弦波となる。 Since the modular multi-level cascade converter assumes that the active power is input from the grid, FIGS. 3 (a) and 3 (b) are in opposite directions. For the U phase, the deviation VcAVG-VcuAVG is positive, and the U phase sine wave has the same phase as the system phase voltage Vu. With respect to the V phase and the W phase, the deviations VcAVG-VcvAVG and VcAVG-VcwAVG are negative, and the sine waves are in the opposite directions to the system phase voltages Vv and Vw (the phase difference is 180 °).
これをすべて足し合わせると、図3(c)の零相電圧Vcp*が得られる。この零相電圧Vcp*と電圧指令値Vu*,Vv*,Vw*を加算した補正後電圧指令値Vu*’、Vv*’、Vw*’のフェーザー図は図3(d)となる。U相電圧を見ると振幅が増加しており、これにより流入する有効電力が増加するためセルコンデンサの充電が促される。V相,W相電圧についてはIv,Iwと同位相の成分の振幅が減少しているため、流入する有効電力が減少し、セルコンデンサの充電が抑制される。 When all of these are added together, the zero-phase voltage Vcp * shown in FIG. 3C is obtained. The phaser diagram of the corrected voltage command values Vu *', Vv *', and Vw *', which is the sum of the zero-phase voltage Vcp * and the voltage command values Vu *, Vv *, and Vw *, is shown in FIG. 3 (d). Looking at the U-phase voltage, the amplitude increases, which increases the inflowing active power and promotes charging of the cell capacitor. As for the V-phase and W-phase voltages, since the amplitudes of the components having the same phase as Iv and Iw are reduced, the inflowing active power is reduced and the charging of the cell capacitor is suppressed.
以上により、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG、VcvAVG、VcwAVGを均一に揃えることができる。また、図3(d)の線間電圧は図3(a)の線間電圧Vu-Vv,Vv-Vw,Vw-Vuと等しいため、系統電圧に擾乱を与えたり不要な電流を発生させたりすることがない。 As described above, the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase can be uniformly aligned. Further, since the line voltage in FIG. 3 (d) is equal to the line voltage Vu-Vv, Vv-Vw, Vw-Vu in FIG. 3 (a), the system voltage may be disturbed or an unnecessary current may be generated. There is nothing to do.
この制御法自体は非特許文献2の図6により公知である。しかし、非特許文献2の図6ではtan-1や平方根の演算を使用しているため、演算負荷が高いという問題がある。
This control method itself is known from FIG. 6 of
非特許文献2の図6を簡単な演算のみで実現した場合は図4の構成となる。乗算器17において、q軸電流指令値Iq*に-1を乗算し、符号を反転させる(入力電流に変更)。符号検出器18は乗算器17の出力の符号を検出し、出力する。すなわち、Iq*>0ならば-1,Iq*<0ならば1をdq逆変換器11のq軸入力端子に入力する。しかし、無負荷ではIq*=0となり、重畳すべき正弦波の位相を決定することができない。そのため制御が停止してしまう。
When FIG. 6 of
本実施形態2では、入力電流が零の場合を含めすべての条件において微量の有効電力の入力があることを想定し、入力電流の有効電力成分に同期した正弦波を重畳する。そのため、無負荷においてもセルコンデンサ電圧を制御することができる。 In the second embodiment, it is assumed that there is a small amount of active power input under all conditions including the case where the input current is zero, and a sine wave synchronized with the active power component of the input current is superimposed. Therefore, the cell capacitor voltage can be controlled even when there is no load.
モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器が大きな無効電力を出力する条件においては、制御効果は非特許文献2よりも低下する。しかし、大きな無効電力を扱う場合は半導体スイッチング素子の導通損やスイッチング損が増加しモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器に入力される有効電力も増加するため、十分なセルコンデンサ電圧の制御効果を得ることができる。
Under the condition that the modular multi-level cascade converter outputs a large amount of reactive power, the control effect is lower than that of
また、重畳する正弦波の位相は固定でよいため、制御ブロック構成をシンプルにすることができる。 Further, since the phase of the superposed sine wave may be fixed, the control block configuration can be simplified.
本実施形態2は、実施形態1に対し電圧指令値をさらに大きく補正することで、実施形態1よりも各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGをバランスさせることが可能となる。実施形態1だけではブリッジセルBの特性(コンデンサ容量、漏れ電流など)のばらつきが大きく偏差が残るまたは増加する場合でも、本実施形態2ならば偏差を低減することができる。 In the second embodiment, by further correcting the voltage command value with respect to the first embodiment, it is possible to balance the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase as compared with the first embodiment. Even if the variation in the characteristics of the bridge cell B (capacitor capacity, leakage current, etc.) is large and the deviation remains or increases in the first embodiment alone, the deviation can be reduced in the second embodiment.
実施形態1ではV*>0において、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGが大きいセルモジュールに対して図15(b)や図15(c)のパターンの発生頻度を増加させていた。しかし、本実施形態2では電圧指令値V*を大きく調整できるため、V*>0の条件においても図15(d)のパターンを発生させることができ、セルコンデンサを放電することができる。そのため、本実施形態2は実施形態1よりも高い効果が得られる。 In the first embodiment, when V *> 0, the frequency of occurrence of the patterns of FIGS. 15 (b) and 15 (c) is increased for a cell module in which the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase are large. rice field. However, in the second embodiment, since the voltage command value V * can be largely adjusted, the pattern shown in FIG. 15 (d) can be generated even under the condition of V *> 0, and the cell capacitor can be discharged. Therefore, the second embodiment is more effective than the first embodiment.
本実施形態2は、実施形態1の各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGの均一化の効果を引き上げ、偏差を小さくすることができる。また、ブリッジセルBの第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4やセルコンデンサCの特性に大きなばらつきがある場合でも安定して運転を継続することができる。 In the second embodiment, the effect of equalizing the cell capacitor voltage average values VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase of the first embodiment can be enhanced and the deviation can be reduced. Further, even when the characteristics of the first to fourth semiconductor switching elements S1 to S4 of the bridge cell B and the cell capacitor C have large variations, stable operation can be continued.
[実施形態3]
図5に本実施形態3の制御ブロックを示す。本実施形態3は実施形態2に対しdq逆変換器11の入力を変更したものである。
[Embodiment 3]
FIG. 5 shows the control block of the third embodiment. In the third embodiment, the input of the dq
第1テーブル19は、q軸電流指令値Iq*の絶対値が第1閾値以下の場合は1を出力し、q軸電流指令値Iq*の絶対値が第1閾値よりも大きい場合0を出力する。第2テーブル20は、q軸電流指令値Iq*が第2閾値よりも小さければ1、第2閾値以上第3閾値以下であれば0、第3閾値より大きければ-1を出力する。また、前記第2閾値は前記第1閾値の符号(極性)を変えた値となる。
The first table 19
なお、第1,第2テーブル19,20の出力を0,1(または-1)で切り換えるのではなく、徐々に切り換えても良い。例えば、第1テーブル19は、q軸電流指令値Iq*の絶対値が第1閾値以下の場合は1を出力し、q軸電流指令値Iq*の絶対値が第1閾値よりも大きく第4閾値よりも小さい場合、q軸電流指令値Iq*の絶対値が第1閾値から第4閾値に増加するに従って1から0に減少するように変化して出力し、q軸電流指令値Iq*の絶対値が第4閾値以上の場合は0を出力する。
The outputs of the first and second tables 19 and 20 may be gradually switched instead of being switched by 0, 1 (or -1). For example, the first table 19
第2テーブル20は、q軸電流指令値Iq*が第5閾値以下の場合1を出力し、q軸電流指令値Iq*が第5閾値よりも大きく第2閾値よりも小さい場合、q軸電流指令値Iq*が第5閾値から第2閾値に増加するに従って1から0に減少するように変化して出力し、q軸電流指令値Iq*が第2閾値以上第3閾値以下であれば0を出力し、q軸電流指令値Iq*が第3閾値よりも大きく第6閾値よりも小さい場合q軸電流指令値Iq*が第3閾値から第6閾値に増加するに従って0から-1に減少するように変化して出力し、q軸電流指令値Iq*が第6閾値以上の場合-1を出力する。また、前記第5閾値は前記第4閾値の符号(極性)を変えた値となる。
The second table 20
本実施形態3について説明する。系統26に接続する負荷27が無負荷または軽負荷の場合、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器が出力する無効電力は微量となるため、Iq*≒0となる。そこで、q軸電流指令値Iq*が零付近ならば、実施形態2と全く同じ動作をする。
The third embodiment will be described. When the
一方、q軸電流指令値Iq*の絶対値がある程度大きい場合は、q軸電流指令値Iq*とは逆向きの正弦波(入力電流と同位相)を重畳し、セルコンデンサ電圧平均値の一定制御を行う。これは非特許文献2の動作である。
On the other hand, when the absolute value of the q-axis current command value Iq * is large to some extent, a sine wave (in phase with the input current) in the opposite direction to the q-axis current command value Iq * is superimposed and the cell capacitor voltage average value is constant. Take control. This is the operation of
本実施形態3は、無負荷においては実施形態2と同等、大きな無効電力を出力する条件においては非特許文献2と同等のセルコンデンサ電圧平均値一定制御の効果を得ることができる。
The third embodiment can obtain the same effect of constant control of the cell capacitor voltage average value as that of the second embodiment under no load and the same as that of the
以上示したように、本実施形態3により、実施形態2に加えて大電流を入出力する条件においても従来法(非特許文献2)と同等のセルコンデンサ電圧平均値の均一化の効果を得ることができる。 As shown above, according to the third embodiment, the same effect of equalizing the cell capacitor voltage average value as that of the conventional method (Non-Patent Document 2) can be obtained even under the condition that a large current is input / output in addition to the second embodiment. be able to.
[実施形態4]
図6に本実施形態4のU相の制御ブロックを示す。なお、V相,W相の制御ブロックも図6と同様となる。本実施形態4は実施形態2に対し、以下のブロックを追加したものである。
[Embodiment 4]
FIG. 6 shows the U-phase control block of the fourth embodiment. The control blocks for the V phase and the W phase are the same as in FIG. In the fourth embodiment, the following blocks are added to the second embodiment.
dq逆変換器11は実施形態2の零相電圧Vcp*を求めるためのdq逆変換器11と共通とする。また、dq逆変換器11への入力も実施形態2と同様である。dq逆変換器11へ入力する位相θは、U相系統電圧と同期した位相とする。乗算器21は、dq逆変換器11が出力するU相正弦波にゲインGiを乗算する。
The dq
ローパスフィルタLPFは、U相第1セルコンデンサ電圧検出値Vcu1~U相第nセルコンデンサ電圧検出値VcunおよびU相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVGから、原理上重畳する系統の2倍の周波数の脈動を除去する。 The low-pass filter LPF is based on the U-phase 1st cell capacitor voltage detection value Vcu1 to U-phase n-cell capacitor voltage detection value Vkun and the U-phase cell capacitor voltage average value VcuAVG. To remove.
第2減算器22a~22nは、脈動除去後のU相第1セルコンデンサ電圧検出値Vcu1~U相第nセルコンデンサ電圧検出値VcunとU相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVGとの偏差をそれぞれ求める。第4乗算器23a~23nは、ゲインGiを乗したU相正弦波と第2減算器22a~22nの出力との積を求める。
The
第2加算器24a~24nは、実施形態2で求めた補正後U相電圧指令値Vu*’=Vu*+Vcp*と第4乗算器23a~23nの出力とを加算し、対応するブリッジセルBの電圧指令値Vu1*~Vun*として出力する。対応するブリッジセルBの電圧指令値Vu1*~Vun*は、キャリア三角波との比較およびデッドタイム付加を経てゲート信号に変換され、図10の対応するブリッジセルBの第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)に入力される(図示省略)。
The
本実施形態4は、実施形態3と組み合わせることもできる。その際の制御ブロックを図7に示す。なお、V相、W相の制御ブロックも、図7と同様となる。V相,W相の制御ブロックの場合、制御に使用する(乗算器21に入力する)正弦波はdq逆変換器11が出力するV相、W相正弦波となる。
The fourth embodiment can also be combined with the third embodiment. The control block at that time is shown in FIG. The control blocks for the V phase and the W phase are the same as in FIG. 7. In the case of the V-phase and W-phase control blocks, the sine wave used for control (input to the multiplier 21) is the V-phase and W-phase sine wave output by the dq
実施形態1~3は、各相のセルコンデンサ電圧平均値VcuAVG,VcvAVG,VcwAVGを均一に制御することはできるが、個別のセルコンデンサ電圧を揃えることができない。本実施形態4は、実施形態2や実施形態3に個別のセルコンデンサ電圧制御機能を追加した。動作原理はこれまでの実施形態と同じである。 In the first to third embodiments, the average cell capacitor voltages VcuAVG, VcvAVG, and VcwAVG of each phase can be uniformly controlled, but the individual cell capacitor voltages cannot be made uniform. In the fourth embodiment, an individual cell capacitor voltage control function is added to the second and third embodiments. The operating principle is the same as in the previous embodiments.
セルには損失の補填のため微量の有効電力を系統26から入力していることを想定し、コンデンサ電圧の低いセルに対しては、系統相電圧と同位相(入力電流の有効電力成分と同位相)の正弦波を加算し、入力有効電力を増加させセルコンデンサの充電を促す。
Assuming that a small amount of active power is input to the cell from the
コンデンサ電圧の高いセルに対しては、系統相電圧と同位相(入力電流の有効電力成分と同位相)の正弦波を減算し、入力有効電力を減少させセルコンデンサの充電を抑制する。または有効電力を出力させ、セルコンデンサを放電させる。 For a cell with a high capacitor voltage, a sine wave having the same phase as the grid phase voltage (in phase with the active power component of the input current) is subtracted to reduce the input active power and suppress the charging of the cell capacitor. Alternatively, the active power is output and the cell capacitor is discharged.
実施形態3と組み合わせた場合、大きな無効電力を出力する条件においては入力電流と同位相の正弦波を加算または減算する。 When combined with the third embodiment, a sine wave having the same phase as the input current is added or subtracted under the condition of outputting a large reactive power.
以上の動作により、従来の制御では不可能であった、無負荷・軽負荷時においても個別のセルコンデンサ電圧を一定に揃えることができる。 By the above operation, it is possible to make the individual cell capacitor voltages constant even at the time of no load and light load, which was impossible by the conventional control.
以上示したように、本実施形態4によれば、個別のセルコンデンサ電圧を均一に揃えることができる。特に、従来の制御では非常に困難であった無負荷・軽負荷におけるセルコンデンサ電圧の均一化ができる。 As shown above, according to the fourth embodiment, the individual cell capacitor voltages can be uniformly aligned. In particular, it is possible to equalize the cell capacitor voltage under no load and light load, which was very difficult with conventional control.
図8に本実施形態4のPWM波形を示す。図8では、図13に示すように1相あたり2台(n=2)のブリッジセルBが接続されており、かつ、Vcu1<Vcu2の場合を想定する。セルU1とセルU2のキャリア三角波の位相差は、図14同様に90deg(180/n)である。 FIG. 8 shows the PWM waveform of the fourth embodiment. In FIG. 8, as shown in FIG. 13, it is assumed that two (n = 2) bridge cells B are connected to each phase and Vcu1 <Vcu2. The phase difference between the carrier triangle wave of the cell U1 and the cell U2 is 90 deg (180 / n) as in FIG.
セルU1はコンデンサ電圧が低いため、電圧指令値Vu*に系統相電圧と同位相の正弦波が加算されVu1*となる。セルU2は逆にコンデンサ電圧が高いため正弦波が減算されVu2*となる。そのため、振幅はVu1*>Vu2*である。 Since the capacitor voltage of the cell U1 is low, a sine wave having the same phase as the system phase voltage is added to the voltage command value Vu * to obtain Vu1 *. On the contrary, since the capacitor voltage of the cell U2 is high, the sine wave is subtracted to obtain Vu2 *. Therefore, the amplitude is Vu1 *> Vu2 *.
セルU1では、電圧指令値Vu1*および-Vu1*とU1キャリアが比較され、GU1,GX1,GV1,GY1が得られる。GU1,GX1,GV1,GY1は、デッドタイムが付加され、ゲート信号として、セルU1の第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)に入力される。セルU2ではVu2*および-Vu2*とU2キャリアが比較され、GU2,GX2,GV2,GY2が得られる。GU2,GX2,GV2,GY2はデッドタイムが付加され、ゲート信号としてセルGU2の第1~第4半導体スイッチング素子S1~S4(IGBT)に入力される。最終的な電圧出力Vuは、図8の最下段に示す波形となる。 In the cell U1, the voltage command values Vu1 * and −Vu1 * are compared with the U1 carrier, and GU1, GX1, GV1, GY1 are obtained. A dead time is added to the GU1, GX1, GV1, and GY1, and they are input as gate signals to the first to fourth semiconductor switching elements S1 to S4 (IGBT) of the cell U1. In cell U2, Vu2 * and −Vu2 * are compared with U2 carriers to obtain GU2, GX2, GV2, GY2. A dead time is added to the GU2, GX2, GV2, and GY2, and the gate signal is input to the first to fourth semiconductor switching elements S1 to S4 (IGBT) of the cell GU2. The final voltage output Vu has the waveform shown at the bottom of FIG.
以上の実施形態1~4の効果を実験により確認した。実験条件を図9に示す。系統26には負荷は接続しない。系統電圧415V,系統周波数50Hz,変換器容量15kVAである。モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の1相あたりのブリッジセルBを4台、合計12台としている。
The effects of the
セルコンデンサ電圧に与える漏れ電流外乱として、(a)ではV相,W相のセル1~4に150kΩの抵抗をセルコンデンサに並列に接続し、U相のセル1~4は漏れ電流を大きくしセルコンデンサ電圧をばらつかせるため15kΩの抵抗をセルコンデンサに並列に接続した。
As a leakage current disturbance applied to the cell capacitor voltage, in (a), a 150 kΩ resistor is connected in parallel to the
(b)ではU相のセル1にのみ15kΩの抵抗を接続、他のセルには150kΩの抵抗を接続した。以上の条件で、U相セル1とV相セル1のコンデンサ電圧を測定し、差分を確認した。(c)にブリッジセルBの構成を示す。コンデンサ容量は5,600μF、セルコンデンサ電圧の指令値を91.625Vに設定した。
In (b), a resistance of 15 kΩ was connected only to the
表1に図9の(a)相間バランス外乱を与えた場合の結果を示す。モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器が停止した状態ではU相コンデンサ電圧の放電が続き、U相セル1とV相セル1のコンデンサ電圧差分は140Vにまで達した。しかし、実施形態1を適用すればモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器を運転するだけでIq*=0において電圧差分を2.1Vに抑えることができた。
Table 1 shows the results when (a) interphase balance disturbance of FIG. 9 is applied. When the modular multi-level cascade converter was stopped, the U-phase capacitor voltage continued to be discharged, and the capacitor voltage difference between the
実施形態3も適用すれば、さらに0.1V電圧差分を小さくすることができた。また、|Iq*|を大きくすることによってモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の出力電流を増加させれば、電圧差分をより小さくすることができる。 If the third embodiment is also applied, the voltage difference of 0.1 V can be further reduced. Further, if the output current of the modular multi-level cascade converter is increased by increasing | Iq * |, the voltage difference can be further reduced.
表2に図9の(b)個別バランス外乱を与えた場合の結果を示す。モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器が停止した状態では外乱を与えたときと同様にU相セル1コンデンサ電圧の放電が続いた。図9の(b)個別バランス外乱では、実施形態1単独では無負荷において電圧差分の拡大は抑えられるものの、差分は5.1Vに達した。実施形態3と4を適用することで、電圧差分を3.5Vに低減することができた。図9の(b)個別バランス外乱においても、モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の出力電流を増加させれば電圧差分をより小さくすることができた。
Table 2 shows the results when (b) individual balance disturbance of FIG. 9 is applied. In the state where the modular multi-level cascade converter was stopped, the
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。 Although the above description has been made in detail only for the specific examples described in the present invention, it is obvious to those skilled in the art that various modifications and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention. It goes without saying that such modifications and modifications fall within the scope of the claims.
1…加算器
2…除算器
3…加算器
4…乗算器
5…減算器
6…dq変換器
7d,7q…減算器
8…dq逆変換器
9u,9v,9w…第1乗算器
10u,10v,10w…徐算器
26…系統
27…負荷
B…ブリッジセル
1 ...
Claims (4)
前記ブリッジセルは、
一方の接続端子に一端が接続された第1半導体スイッチング素子と、
前記第1半導体スイッチング素子の一端に一端が接続された第2半導体スイッチング素子と、
前記第1半導体スイッチング素子の他端と他方の接続端子との間に接続された第3半導体スイッチング素子と、
前記第2半導体スイッチング素子の他端と他方の接続端子との間に接続された第4半導体スイッチング素子と、
前記第1,第3半導体スイッチング素子の共通接続点と前記第2,第4半導体スイッチング素子の共通接続点との間に接続されたセルコンデンサと、を備えたモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器であって、
全セルコンデンサ電圧平均値とセルコンデンサ電圧指令値との偏差に応じたd軸電流指令値とq軸電流指令値とに基づいて電流制御を行う電流制御部と、
前記電流制御部のU相出力,V相出力,W相出力にU相,V相,W相セルコンデンサ電圧平均値の逆数をそれぞれ乗算し、各相の電圧指令値として出力する第1乗算器と、
を備え、各相の電圧指令値に基づいて前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とするモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。 Multiple bridge cells are connected in series to each phase (3 phases) between the grid and the load.
The bridge cell is
A first semiconductor switching element with one end connected to one of the connection terminals,
A second semiconductor switching element having one end connected to one end of the first semiconductor switching element,
A third semiconductor switching element connected between the other end of the first semiconductor switching element and the other connection terminal,
A fourth semiconductor switching element connected between the other end of the second semiconductor switching element and the other connection terminal,
A modular multi-level cascade converter comprising a cell capacitor connected between a common connection point of the first and third semiconductor switching elements and a common connection point of the second and fourth semiconductor switching elements. There,
A current control unit that controls current based on the d-axis current command value and the q-axis current command value according to the deviation between the average value of all cell capacitor voltages and the cell capacitor voltage command value.
A first multiplier that multiplies the U-phase output, V-phase output, and W-phase output of the current control unit by the reciprocal of the U-phase, V-phase, and W-phase cell capacitor voltage average values, and outputs them as voltage command values for each phase. When,
A modular multi-level cascade converter comprising:
全セルコンデンサ電圧平均値と各相のセルコンデンサ電圧平均値との偏差をそれぞれ算出する第1減算器と、
前記第1減算器の出力に前記U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波をそれぞれ乗算する第2乗算器と、
前記第2乗算器の出力を全て足し合わせる第1加算器と、
前記第1加算器の出力にゲインGpを乗算し、零相電圧として出力する第3乗算器と、
前記各相の電圧指令値に前記零相電圧をそれぞれ加算し、補正後電圧指令値として出力する第2加算器と、
を備え、前記補正後電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする請求項1記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。 A first dq inverse converter that inputs 1 as the d-axis and 0 as the q-axis and outputs a U-phase sine wave, a V-phase sine wave, and a W-phase sine wave based on the system phase.
The first subtractor that calculates the deviation between the average value of the cell capacitor voltage of all cells and the average value of the cell capacitor voltage of each phase, respectively.
A second multiplier that multiplies the output of the first subtractor by the U-phase sine wave, V-phase sine wave, and W-phase sine wave, respectively.
The first adder, which adds all the outputs of the second multiplier, and
A third multiplier that multiplies the output of the first adder by the gain Gp and outputs it as a zero-phase voltage.
A second adder that adds the zero-phase voltage to the voltage command value of each phase and outputs it as a corrected voltage command value.
The modular multi-level cascade according to claim 1, wherein the gate signal of the first to fourth semiconductor switching elements in each of the bridge cells is generated based on the corrected voltage command value. converter.
前記q軸電流指令値が第2閾値よりも小さければ1を出力し、前記q軸電流指令値が前記第2閾値以上第3閾値以下であれば0を出力し、前記q軸電流指令値が前記第3閾値より大きければ-1を出力し、または、前記q軸電流指令値が第5閾値以下の場合1を出力し、前記q軸電流指令値が前記第5閾値よりも大きく前記第2閾値よりも小さい場合、前記q軸電流指令値が前記第5閾値から前記第2閾値に増加するに従って1から0に減少するように変化して出力し、前記q軸電流指令値が前記第2閾値以上前記第3閾値以下であれば0を出力し、前記q軸電流指令値が前記第3閾値よりも大きく第6閾値よりも小さい場合前記q軸電流指令値が前記第3閾値から前記第6閾値に増加するに従って0から-1に減少するように変化して出力し、前記q軸電流指令値が前記第6閾値以上の場合-1を出力する第2テーブルと、
d軸として第1テーブルの出力を入力し、q軸として第2テーブルの出力を入力し、系統位相に基づいて、U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波を出力する第1dq逆変換器と、
全セルコンデンサ電圧平均値と各相のセルコンデンサ電圧平均値との偏差を算出する第1減算器と、
前記第1減算器の出力に前記U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波をそれぞれ乗算する第2乗算器と、
前記第2乗算器の出力を全て足し合わせる第1加算器と、
前記第1加算器の出力にゲインGpを乗算し、零相電圧として出力する第3乗算器と、
前記各相の電圧指令値に前記零相電圧をそれぞれ加算し、補正後電圧指令値として出力する第2加算器と、
を備え、前記補正後電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする請求項1記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。 When the absolute value of the q-axis current command value is equal to or less than the first threshold value, 1 is output, and when the absolute value of the q-axis current command value is larger than the first threshold value, 0 is output, or the q-axis current is output. When the absolute value of the command value is equal to or less than the first threshold value, 1 is output, and when the absolute value of the q-axis current command value is larger than the first threshold value and smaller than the fourth threshold value, the q-axis current command value is obtained. The absolute value of is changed from 1 to 0 as the absolute value increases from the first threshold to the fourth threshold and is output. When the absolute value of the q-axis current command value is equal to or higher than the fourth threshold, it is 0. The first table that outputs
If the q-axis current command value is smaller than the second threshold value, 1 is output, and if the q-axis current command value is equal to or greater than the second threshold value and equal to or less than the third threshold value, 0 is output. If it is larger than the third threshold value, -1 is output, or if the q-axis current command value is equal to or less than the fifth threshold value, 1 is output, and the q-axis current command value is larger than the fifth threshold value. When it is smaller than the threshold value, the q-axis current command value is changed and output so as to decrease from 1 to 0 as the q-axis current command value increases from the fifth threshold value to the second threshold value, and the q-axis current command value is the second. If it is equal to or greater than the threshold value and equal to or less than the third threshold value, 0 is output. A second table that changes and outputs from 0 to -1 as it increases to 6 thresholds and outputs -1 when the q-axis current command value is equal to or higher than the 6th threshold.
The output of the first table is input as the d-axis, the output of the second table is input as the q-axis, and the U-phase sine wave, the V-phase sine wave, and the W-phase sine wave are output based on the system phase. With a converter,
The first subtractor that calculates the deviation between the average value of the cell capacitor voltage of all cells and the average value of the cell capacitor voltage of each phase,
A second multiplier that multiplies the output of the first subtractor by the U-phase sine wave, V-phase sine wave, and W-phase sine wave, respectively.
The first adder, which adds all the outputs of the second multiplier, and
A third multiplier that multiplies the output of the first adder by the gain Gp and outputs it as a zero-phase voltage.
A second adder that adds the zero-phase voltage to the voltage command value of each phase and outputs it as a corrected voltage command value.
The modular multi-level cascade according to claim 1, wherein the gate signal of the first to fourth semiconductor switching elements in each of the bridge cells is generated based on the corrected voltage command value. converter.
前記第2減算器の出力にゲインGiを乗算した前記U相正弦波,V相正弦波,W相正弦波をそれぞれ乗算する第4乗算器と、
前記補正後電圧指令値に前記第4乗算器の出力をそれぞれ加算し、各セルの電圧指令値として出力する第3加算器と、
を備え、各セルの電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の前記第1~第4半導体スイッチング素子のゲート信号を生成することを特徴とする請求項2または3記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。 A second subtractor that calculates the deviation between the average cell capacitor voltage of each phase and the detected cell capacitor voltage,
A fourth multiplier that multiplies the output of the second subtractor by the gain Gi, and then multiplies the U-phase sine wave, V-phase sine wave, and W-phase sine wave, respectively.
A third adder that adds the output of the fourth multiplier to the corrected voltage command value and outputs it as the voltage command value of each cell.
The modular multi-level according to claim 2 or 3, wherein the gate signal of the first to fourth semiconductor switching elements in each bridge cell is generated based on the voltage command value of each cell. -Cascade converter.
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