JP7127671B2 - 電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Description

本開示は、電力変換装置及び電力変換方法に関する。

特許文献１には、電力変換部から負荷への出力電圧の周波数と、交流電源の周波数との差が所定範囲内となった場合に、電力変換部により出力電圧を上昇させる電圧上昇制御と、電力変換部により出力電圧の位相を交流電源の電圧位相に追従させる追従制御とを行い、これらの制御が終了した場合に、電力変換部により交流電源を負荷に直結させるマトリクスコンバータが開示されている。

特開２０１５－８２９４９号公報

本開示は、マトリクスコンバータ回路による制御の自由度と、マトリクスコンバータ回路におけるスイッチング素子の発熱抑制との両立に有効な電力変換装置を提供する。

本開示の一側面に係る電力変換装置は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路と、マトリクスコンバータ回路の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御部と、マトリクスコンバータ回路の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御部と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御部による制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御部による制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路の制御モードを切り替えるモード切替部と、を備える。

本開示の他の側面に係る電力変換方法は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路により、マトリクスコンバータ回路の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御と、マトリクスコンバータ回路により、マトリクスコンバータ回路の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路の制御モードを切り替えるモード切替と、を含む。

本開示によれば、マトリクスコンバータ回路による制御の自由度と、マトリクスコンバータ回路におけるスイッチング素子の発熱抑制との両立に有効な電力変換装置を提供することができる。

電力変換装置の構成を例示する模式図である。 双方向スイッチの具体例を示す模式図である。 一次側電圧及び二次側電流の推移を例示するグラフである。 第１モード制御部の構成を例示するブロック図である。 第２モード制御部の構成を例示するブロック図である。 劣化検出部の構成を例示するブロック図である。 係数プロファイルを例示するグラフである。 劣化プロファイルを例示するグラフである。 制御回路のハードウェア構成を例示するブロック図である。 制御モード切替手順を例示するフローチャートである。 第１モード制御手順を例示するフローチャートである。 第２モード制御手順を例示するフローチャートである。 位相追従制御手順を例示するフローチャートである。 劣化検出手順を例示するフローチャートである。

以下、実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

〔電力変換装置〕
図１に示す電力変換装置１は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行う装置である。例えば電力変換装置１は、電源９１から供給された一次側電力を二次側電力に変換して電動機９２に供給する。また、電力変換装置１は、電動機９２が発生した二次側電力（回生電力）を一次側電力に変換して電源９１に供給する。

一次側電力及び二次側電力は、単相交流電力であってもよいし、３相交流電力であってもよい。また、一次側電力及び二次側電力は直流電力であってもよい。以下においては、一次側電力及び二次側電力がいずれも３相交流電力である場合について説明する。例えば一次側電力は、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相の３相を含み、二次側電力は、Ｕ相、Ｖ相及びＷ相の３相を含む。

電力変換装置１は、マトリクスコンバータ回路１０と、フィルタ３０と、電圧検出回路４０と、電流センサ５０と、制御回路１００とを備える。以下、各要素の構成を詳細に例示する。

（マトリクスコンバータ回路）
マトリクスコンバータ回路１０は、複数のスイッチング素子を有し、直流化する過程を経ることなく、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行う。例えばマトリクスコンバータ回路１０は、一次側のパワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔと、二次側のパワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗと、９組の双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷとを有する。パワーライン１１ＲはＲ相の送電ラインであり、パワーライン１１ＳはＳ相の送電ラインであり、パワーライン１１ＴはＴ相の送電ラインである。パワーライン１２ＵはＵ相の送電ラインであり、パワーライン１２ＶはＶ相の送電ラインであり、パワーライン１２ＷはＷ相の送電ラインである。

双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのそれぞれは、一次側から二次側に電流を流す状態と、二次側から一次側に電流を流す状態と、電流を流さない状態との３状態を切り替える。

双方向スイッチ２ＲＵは、パワーライン１１Ｒとパワーライン１２Ｕとの間に介在し、パワーライン１１Ｒからパワーライン１２Ｕに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｕからパワーライン１１Ｒに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＳＵは、パワーライン１１Ｓとパワーライン１２Ｕとの間に介在し、パワーライン１１Ｓからパワーライン１２Ｕに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｕからパワーライン１１Ｓに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＴＵは、パワーライン１１Ｔとパワーライン１２Ｕとの間に介在し、パワーライン１１Ｔからパワーライン１２Ｕに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｕからパワーライン１１Ｔに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。

双方向スイッチ２ＲＶは、パワーライン１１Ｒとパワーライン１２Ｖとの間に介在し、パワーライン１１Ｒからパワーライン１２Ｖに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｖからパワーライン１１Ｒに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＳＶは、パワーライン１１Ｓとパワーライン１２Ｖとの間に介在し、パワーライン１１Ｓからパワーライン１２Ｖに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｖからパワーライン１１Ｓに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＴＶは、パワーライン１１Ｔとパワーライン１２Ｖとの間に介在し、パワーライン１１Ｔからパワーライン１２Ｖに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｖからパワーライン１１Ｔに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。

双方向スイッチ２ＲＷは、パワーライン１１Ｒとパワーライン１２Ｗとの間に介在し、パワーライン１１Ｒからパワーライン１２Ｗに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｗからパワーライン１１Ｒに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＳＷは、パワーライン１１Ｓとパワーライン１２Ｗとの間に介在し、パワーライン１１Ｓからパワーライン１２Ｗに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｗからパワーライン１１Ｓに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。双方向スイッチ２ＴＷは、パワーライン１１Ｔとパワーライン１２Ｗとの間に介在し、パワーライン１１Ｔからパワーライン１２Ｗに電流を流す第１オン状態と、パワーライン１２Ｗからパワーライン１１Ｔに電流を流す第２オン状態と、電流を流さない双方向オフ状態とを切り替える。

図２に例示するように、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷは、２個のスイッチ２１，２２を有する。スイッチ２１は、オン状態において、二次側から一次側への電流を通さずに一次側から二次側に電流を通す。スイッチ２２は、オン状態において、一次側から二次側への電流を通さずに二次側から一次側に電流を通す。また、スイッチ２１、２２は、オフ状態では、上記オン状態の通流方向とは逆方向の電圧印加に対してオフ状態を維持できる逆阻止能力をもつスイッチである。

双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷは、スイッチ２１をオン状態としてスイッチ２２をオフ状態とすることで上記第１オン状態となり、スイッチ２１をオフ状態としてスイッチ２２をオン状態とすることで上記第２オン状態となり、スイッチ２１，２２をオフ状態とすることで上記双方向オフ状態となる。なお、図２において、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷは、逆阻止能力のないスイッチ２１，２２のそれぞれに直列に接続されたダイオードを含んだ構成であってもよい。この場合、スイッチ２１とダイオードとの接続点と、スイッチ２２とダイオードとの接続点とが接続されていてもよい。

図１に戻り、フィルタ３０は、その一次側における電圧又は電流の高調波成分を低減させる。例えばフィルタ３０は、インダクタ３１Ｒ，３１Ｓ，３１Ｔと、コンデンサ３４Ｒ，３４Ｓ，３４Ｔとを有する。インダクタ３１Ｒ，３１Ｓ，３１Ｔは、パワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔにそれぞれ設けられている。コンデンサ３４Ｒは、インダクタ３１Ｒよりも二次側において（インダクタ３１Ｒと双方向スイッチ２ＲＵ，２ＲＶ，２ＲＷとの間において）パワーライン１１Ｒと中性点３５との間に設けられている。コンデンサ３４Ｓは、インダクタ３１Ｓよりも二次側において（インダクタ３１Ｓと双方向スイッチ２ＳＵ，２ＳＶ，２ＳＷとの間において）パワーライン１１Ｓと中性点３５との間に設けられている。コンデンサ３４Ｔは、インダクタ３１Ｔよりも二次側において（インダクタ３１Ｔと双方向スイッチ２ＴＵ，２ＴＶ，２ＴＷとの間において）パワーライン１１Ｔと中性点３５との間に設けられている。このように、フィルタ３０が電源９１とマトリクスコンバータ回路１０との間に設けられることで、電源９１の電圧又は電流は、フィルタ３０により高調波成分が低減されることとなる。

電圧検出回路４０（電圧センサ）は、マトリクスコンバータ回路１０の一次側における電圧の瞬時値を検出する。例えば電圧検出回路４０は、フィルタ３０の一次側それぞれの相電圧の瞬時値を検出する。なお、電圧検出回路４０は、フィルタ３０の二次側それぞれの相電圧の瞬時値を検出してもよい。以下、マトリクスコンバータ回路１０の一次側における電圧を「一次側電圧」という。また、マトリクスコンバータ回路１０の一次側における電流を「一次側電流」という。

電流センサ５０は、マトリクスコンバータ回路１０の二次側における電流（マトリクスコンバータ回路１０と電動機９２との間に流れる電流）の瞬時値を検出する。例えば電流センサ５０は、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流の瞬時値を検出する。以下、マトリクスコンバータ回路１０の二次側における電流を「二次側電流」という。また、マトリクスコンバータ回路１０の二次側における電圧を「二次側電圧」という。電流センサ５０は、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの全相の二次側電流値を検出するように構成されていてもよいし、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗのいずれか２相の二次側電流値を検出するように構成されていてもよい。零相電流が生じない限り、Ｕ相、Ｖ相、及びＷ相の電流値の合計はゼロなので、２相の二次側電流値を検出する場合にも全相の二次側電流値の情報が得られる。

（制御回路）
制御回路１００は、一次側電力と二次側電力との間の電力変換を行うようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。マトリクスコンバータ回路１０において、二次側位相と一次側位相とが揃った状態が維持されると、マトリクスコンバータ回路１０のいずれかのスイッチング素子に電流が集中し、当該スイッチング素子における発熱が大きくなる。また、二次側周波数が一次側周波数に近付くにつれてこの現象が二次側周波数と一次側周波数の差の周波数で繰り返し生じる。

これに対し、制御回路１００は、マトリクスコンバータ回路１０により、マトリクスコンバータ回路１０の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御と、マトリクスコンバータ回路１０により、マトリクスコンバータ回路１０の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路１０の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路１０の制御モードを切り替えるモード切替と、を実行するように構成されていてもよい。これにより、二次側位相と一次側位相とが揃った状態が回避されるので、スイッチング素子の発熱が抑制される。なお、差が所定の閾値を下回るとは、差が正の値であるか負の値であるかによらず、その大きさ（絶対値）が所定の閾値を下回ることを意味する。同様に、差が所定の閾値を超えるとは、差の大きさが所定の閾値を超えることを意味する。以下においても同様である。

例えば制御回路１００は、機能上の構成（以下、「機能ブロック」という。）として、位相・振幅算出部１１１と、電力変換制御部１１２と、電流情報取得部１１３と、第１モード制御部１１４と、第２モード制御部１１５と、モード切替部１１６と、劣化検出部１１７とを有する。

位相・振幅算出部１１１は、電圧検出回路４０が取得したパワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔの相電圧に基づいて、一次側電圧の位相、振幅及び周波数を算出する。以下、位相、振幅及び周波数の算出結果を「一次側電圧の情報」という。

電力変換制御部１１２は、マトリクスコンバータ回路１０の二次側に制御指令に対応する交流電圧又は交流電流を出力させるように、キャリア波に連動して双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。例えば電力変換制御部１１２は、一次側電圧情報と、電圧指令とに基づいて、電圧指令に対応する二次側電圧を出力させるように、キャリア波に連動して双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。

より具体的に、電力変換制御部１１２は、一次側電圧情報に基づいて、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相のそれぞれを順次基準相として選択し、基準相と他の２相との電位差によって、電圧指令に対応する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。例えば電力変換制御部１１２は、一次側電圧の各相のうち、Ｒ相の電圧が最大となる第１区間においてＲ相を正の基準相とし、Ｔ相の電圧が最小となる第２区間においてＴ相を負の基準相とし、Ｓ相の電圧が最大となる第３区間においてＳ相を正の基準相とし、Ｒ相の電圧が最小となる第４区間においてＲ相を負の基準相とし、Ｔ相の電圧が最大となる第５区間においてＴ相を正の基準相とし、Ｓ相の電圧が最小となる第６区間においてＳ相を負の基準相とすることを、一次側電圧の周波数にて繰り返す。

電力変換制御部１１２は、基準相が二次側に接続された状態を保ちながら、他の２相と二次側との間のオン・オフを切り替える。例えば第１区間において、電力変換制御部１１２は、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＲＶ，２ＲＷのいずれかをオン状態に保ちながら、双方向スイッチ２ＳＵ，２ＴＵ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。第２区間において、電力変換制御部１１２は、双方向スイッチ２ＳＵ，２ＳＶ，２ＳＷのいずれかをオン状態に保ちながら、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。第３区間において、電力変換制御部１１２は、双方向スイッチ２ＴＵ，２ＴＶ，２ＴＷのいずれかをオン状態に保ちながら、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＲＷ，２ＳＷのオン・オフを切り替える。第４区間において、電力変換制御部１１２は、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＲＶ，２ＲＷのいずれかをオン状態に保ちながら、双方向スイッチ２ＳＵ，２ＴＵ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。第５区間において、電力変換制御部１１２は、双方向スイッチ２ＳＵ，２ＳＶ，２ＳＷのいずれかをオン状態に保ちながら、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替える。第６区間において、電力変換制御部１１２は、双方向スイッチ２ＴＵ，２ＴＶ，２ＴＷのいずれかをオン状態に保ちながら、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＲＷ，２ＳＷのオン・オフを切り替える。第１区間～第６区間のそれぞれの長さ（位相角）は、１／６周期（６０°）である。以下、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相のいずれかが正の基準相となる期間（上記第１区間、第３区間、及び第５区間）を正基準期間といい、Ｒ相、Ｓ相及びＴ相のいずれかが負の基準相となる期間（上記第２区間、第４区間、及び第６区間）を負基準期間という。

電力変換制御部１１２は、通常は一次側電圧の二次側電圧への利用率を最大にするため、一次側の力率が１となるように、一次側電流の位相を制御している。電力変換制御部１１２は、第１区間においてＲ相の電圧が正のピーク値となり、第２区間においてＴ相の電圧が負のピーク値となり、第３区間においてＳ相の電圧が正のピーク値となり、第４区間においてＲ相の電圧が負のピーク値となり、第５区間においてＴ相の電圧が正のピーク値となり、第６区間においてＳ相の電圧が負のピーク値となる範囲内で、第１区間～第６区間をずらして一次側の力率を調節してもよい。例えば電力変換制御部１１２は、第１区間、第３区間及び第５区間の中心位相を、Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相の電圧が正のピーク値となる位相に対して－３０°超、３０°未満の範囲でずらす。また、電力変換制御部１１２は、第２区間、第４区間及び第６区間の中心位相を、Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相の電圧が負のピーク値に対して－３０°超、３０°未満の範囲でずらす。以下、第１区間、第３区間及び第５区間の中心位相を正基準位相という。第２区間、第４区間及び第６区間の中心位相を負基準位相という。Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相の電圧が正のピーク値となる位相を「一次側の正ピーク位相」という。Ｒ相、Ｓ相、及びＴ相の電圧が負のピーク値となる位相を「一次側の負ピーク位相」という。

電圧指令は、振幅指令値と位相指令値とを含む。振幅指令値は、二次側電圧の振幅に対する指令値である。位相指令値は、二次側電圧の位相に対する指令値である。一例として、振幅指令値は、固定座標系における電圧指令ベクトルの大きさに対応し、位相指令値は、固定座標系における電圧指令ベクトルの回転角度に対応する。固定座標系は、電動機９２のステータに固定された座標系である。固定座標系の具体例としては、直交するα軸及びβ軸を座標軸とするαβ座標系が挙げられる。

電力変換制御部１１２は、振幅指令値と位相指令値を取得し、振幅指令値と位相指令値とに対応する振幅と位相とを有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。電流情報取得部１１３は、二次側電流の情報を取得する。例えば電流情報取得部１１３は、電流センサ５０から、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流値を取得する。

第１モード制御部１１４は、マトリクスコンバータ回路１０の二次側周波数を指令周波数に追従させる。二次側周波数は、二次側電圧又は二次側電流の周波数を意味する。例えば第１モード制御部１１４は、二次側電圧の周波数を指令周波数に追従させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。また、二次側電流の周波数は、二次側電圧の周波数に追従する。このため、二次側電圧の周波数を指令周波数に追従させることは、二次側電流の周波数を指令周波数に追従させることと同義である。以下においては、第１モード制御部１１４による制御を「第１モード制御」という。

第２モード制御部１１５は、マトリクスコンバータ回路１０の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する。二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持することは、当該差の大きさを６０°の奇数倍±３０°に維持することを意味する。例えば、二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持することは、当該差が正の値である場合には当該差を６０°の奇数倍±３０°に維持し、当該差が負の値である場合には当該差を－３０～－９０°に維持することを意味する。第２モード制御部１１５は、二次側位相と一次側位相との差を４５～７５°に維持してもよく、二次側位相と一次側位相との差を５５～６５°に維持してもよく、二次側位相と一次側位相との差を実質的に６０°に維持してもよい。

二次側位相とは、二次側電圧又は二次側電流の位相である。一次側位相とは、一次側電圧又は一次側電流の位相である。例えば第２モード制御部１１５は、電流情報取得部１１３が取得した二次側電流の位相と、位相・振幅算出部１１１が算出した一次側電圧の位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持するようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。以下においては、第２モード制御部１１５による制御を「第２モード制御」という。

モード切替部１１６は、指令周波数と一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御部１１４による制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御部１１５による制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路１０の制御モードを切り替える。例えばモード切替部１１６は、指令周波数と一次側周波数との差が所定の第１閾値以下となるのに応じて、第１モード制御部１１４による制御を第２モード制御部１１５による制御に移行させる。モード切替部１１６は、指令周波数と一次側周波数との差が所定の第２閾値を超えるのに応じて、第２モード制御部１１５による制御を第１モード制御部１１４による制御に移行させてもよい。一次側周波数は、一次側電圧又は一次側電流の周波数を意味する。

例えばモード切替部１１６は、指令周波数と一次側電圧の周波数との差が第１閾値を下回るのに応じて第１モード制御部１１４による制御を第２モード制御部１１５による制御に移行させ、指令周波数と一次側電圧の周波数との差が第２閾値を超えるのに応じて第２モード制御部１１５による制御を第１モード制御部１１４による制御に移行させる。第１閾値と第２閾値とは等しくてもよく、互いに異なっていてもよい。例えば第２閾値が第１閾値より大きくてもよい。

なお、一次側電圧の周波数と、一次側電流の周波数とは実質的に等しい。このため、指令周波数と一次側電圧の周波数との差が第１閾値を下回ることは、指令周波数と一次側電流の周波数との差が第１閾値を下回ることと同義である。指令周波数と一次側電圧の周波数との差が第２閾値を超えることは、指令周波数と一次側電流の周波数との差が第２閾値を超えることと同義である。

モード切替部１１６が、第１モード制御部１１４による制御を第２モード制御部１１５による制御に移行させた後に、第２モード制御部１１５は、二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する前に、二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°の範囲外から当該範囲内まで徐々に変化させてもよい。

図３は、モード切替部１１６が第１モード制御部１１４による制御を第２モード制御部１１５による制御に移行させる前後における、一次側電圧及び二次側電流の推移を例示するグラフである。このグラフにおいて、横軸は経過時間を表し、縦軸は一次側電圧又は二次側電流の大きさを表し、実線のプロットは一次側電圧の推移を表し、破線のプロットは二次側電流の推移を表す。

グラフの原点に対応する時刻ｔ０から時刻ｔ１にかけては、第１モード制御部１１４による制御が行われている。この制御においては、指令周波数が徐々に上昇しており、時刻ｔ１において、指令周波数と一次側電圧の周波数との差が第１閾値を下回っている。モード切替部１１６は、この時点で第１モード制御部１１４による制御を第２モード制御部１１５による制御に移行させる。

第２モード制御部１１５は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差を６０°まで徐々に変化させる。その後、第２モード制御部１１５は、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差を実質的に６０°に維持している。二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差が６０°に保たれることによって、二次側周波数は一次側周波数に等しくなるが、二次側電流の位相と一次側電圧の位相とが揃った状態は回避される。

劣化検出部１１７は、一次側周波数と、二次側周波数と、二次側電流と、キャリア波の周波数（以下、「キャリア周波数」という。）とに基づいてスイッチング素子の劣化レベルを評価し、劣化レベルの評価結果が所定レベルを超えた場合には劣化を報知する。例えば劣化検出部１１７は、位相・振幅算出部１１１が算出した一次側電圧の情報と、指令周波数と、電流情報取得部１１３が取得した二次側電流の情報と、電力変換制御部１１２におけるキャリア周波数とに基づいてスイッチング素子の劣化レベルを評価する。以下、第１モード制御部１１４、第２モード制御部１１５、及び劣化検出部１１７の構成をより詳細に例示する。

（第１モード制御部）
第１モード制御部１１４は、モード切替部１１６により第１モード制御が選択されている場合に、上位コントローラ２００から指令周波数を取得し、二次側周波数を指令周波数に追従させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。一例として、図４に示すように、第１モード制御部１１４は、電圧指令生成部１２１と、振幅指令値算出部１２２と、位相指令値算出部１２３とを有し、これらによる一連の制御サイクルを繰り返す。

電圧指令生成部１２１は、指令周波数ω＊に基づいて、二次側電圧に対する電圧指令を算出する。例えば電圧指令生成部１２１は、Ｖ／ｆ方式により、回転座標系における電圧指令ベクトルを算出する。回転座標系は、指令周波数に同期して回転する座標系である。回転座標系の具体例としては、ロータの磁極方向を目標方向とするγ軸と、γ軸に垂直なδ軸とを座標軸とするγδ座標系が挙げられる。電圧指令生成部１２１は、二次側電流の検出値、トルク指令等に基づいて電圧指令ベクトルを算出してもよい。

振幅指令値算出部１２２は、二次側電圧の振幅に対する指令値を算出する。以下、二次側電圧の振幅に対する指令値を「振幅指令値」という。例えば振幅指令値算出部１２２は、電圧指令ベクトルの大きさを振幅指令値｜Ｖ｜として算出する。

位相指令値算出部１２３は、二次側電圧の位相に対する指令値を算出する。以下、二次側電圧の位相に対する指令値を「位相指令値」という。例えば位相指令値算出部１２３は、固定座標系に対する回転座標系の回転角度と、回転座標系における電圧指令ベクトルの位相角度とに基づいて、位相指令値θ_ＰＷＭを算出する。

振幅指令値算出部１２２は振幅指令値｜Ｖ｜を電力変換制御部１１２に出力し、位相指令値算出部１２３は位相指令値θ_ＰＷＭを電力変換制御部１１２に出力する。電力変換制御部１１２は、振幅指令値｜Ｖ｜に対応する振幅と、位相指令値θ_ＰＷＭに対応する位相とを有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。

（第２モード制御部）
第２モード制御部１１５は、モード切替部１１６により第２モード制御が選択されている場合に、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°の値となるように二次側電圧の目標位相を生成し、目標位相と二次側電圧の位相との偏差を縮小するようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。例えば第２モード制御部１１５は、上記偏差に基づいて位相指令値を生成し、振幅指令値に対応する振幅と、位相指令値に対応する位相とを有する二次側電圧を出力するようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。第２モード制御部１１５は、振幅指令値を、一次側電圧の振幅と異なる値としてもよい。

一例として、図５に示すように、第２モード制御部１１５は、電圧指令生成部１３６と、振幅指令値算出部１３１と、電流・電圧位相差検出部１３３と、目標位相算出部１３２と、位相指令値算出部１３４とを有し、これらによる一連の制御サイクルを繰り返す。

電圧指令生成部１３６は、電圧指令生成部１２１と同様に、指令周波数ω＊に基づいて、二次側電圧に対する電圧指令を算出する。例えば電圧指令生成部１３６は、Ｖ／ｆ方式により、回転座標系における電圧指令ベクトルを算出する。電圧指令生成部１３６は、二次側電流の検出値、トルク指令等に基づいて電圧指令ベクトルを算出してもよい。

振幅指令値算出部１３１は、振幅指令値算出部１２２と同様に振幅指令値を算出する。例えば振幅指令値算出部１３１は、電圧指令ベクトルの大きさを振幅指令値｜Ｖ｜として算出する。振幅指令値｜Ｖ｜は、一次側電圧の振幅と異なっていてもよい。電流・電圧位相差検出部１３３は、二次側電流の位相に対する二次側電圧の位相差を算出する。以下、電流・電圧位相差検出部１３３が算出する差を「電流・電圧位相差」という。

例えば電流・電圧位相差検出部１３３は、二次側電圧の位相を表す情報として、一つ前の制御サイクルにおいて電力変換制御部１１２に出力された位相指令値を取得する。以下、この位相指令値を、「前サイクルの位相指令値」という。また、電流・電圧位相差検出部１３３は、電流情報取得部１１３が取得したパワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流値Ｉｕ，Ｉｖ，Ｉｗに基づいて二次側電流の位相を算出する。そして、電流・電圧位相差検出部１３３は、前サイクルの位相指令値と、算出した二次側電流の位相とに基づいて、電流・電圧位相差を算出する。

目標位相算出部１３２は、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°の値となるように二次側電圧の目標位相を生成する。例えば目標位相算出部１３２は、一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°である電流目標位相を算出する。二次側電流の位相が一次側電圧の位相より進んでいる場合、目標位相算出部１３２は、一次側電圧の位相に対し６０°の奇数倍±３０°を加算して電流目標位相を算出してもよい。二次側電流の位相が一次側電圧の位相より遅れている場合、目標位相算出部１３２は、一次側電圧の位相から６０°の奇数倍±３０°を減算して電流目標位相を算出してもよい。目標位相算出部１３２は、電流・電圧位相差検出部１３３が算出した電流・電圧位相差を、電流目標位相に加算して二次側電圧の目標位相を生成する。

位相指令値算出部１３４は、目標位相と二次側電圧の位相との偏差に基づいて位相指令値を算出する。例えば位相指令値算出部１３４は、目標位相と上記前サイクルの位相指令値との偏差を算出し、当該偏差を縮小するように位相指令値を算出する。例えば位相指令値算出部１３４は、加え合わせ点１４１に示されるように、目標位相と前サイクルの位相指令値との偏差を算出する。位相指令値算出部１３４は、伝達関数１４２に示されるように、上記偏差に比例・積分演算を行う。更に位相指令値算出部１３４は、伝達関数１４３に示されるように、上記比例・積分演算の結果に１制御サイクルの周期Ｔｓを乗算し、位相変更量を算出する。更に位相指令値算出部１３４は、加え合わせ点１４４に示されるように、前サイクルの位相指令値に位相変更量を加算して、位相指令値θ_ＰＷＭ２を算出する。

振幅指令値算出部１３１は振幅指令値｜Ｖ｜を電力変換制御部１１２に出力し、位相指令値算出部１３４は位相指令値θ_ＰＷＭ２を電力変換制御部１１２に出力する。電力変換制御部１１２は、振幅指令値｜Ｖ｜に対応する振幅と、位相指令値θ_ＰＷＭ２に対応する位相とを有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。

上述のように、電流・電圧位相差検出部１３３は、前サイクルの位相指令値に位相変更量を加算しているので、位相指令値θ_ＰＷＭ２には１サイクル分の遅れが含まれることとなり、その分上記偏差の縮小が遅れることとなる。そこで、第２モード制御部１１５は、一次側周波数に基づいて遅れ補償値を算出し、遅れ補償値を位相指令値に加算することで、偏差の縮小の遅れを補償してもよい。例えば第２モード制御部１１５は、補償値算出部１３５を更に有する。

補償値算出部１３５は、一次側周波数ωｉｎに基づいて遅れ補償値を算出する。例えば補償値算出部１３５は、一次側周波数ωｉｎに上記周期Ｔｓを乗算して遅れ補償値を算出する。位相指令値算出部１３４は、加え合わせ点１４７に示されるように、前サイクルの位相指令値に遅れ補償値を加算して現在の二次側電圧の位相推定値を算出し、この位相推定値を上記加え合わせ点１４４に入力する。これにより、現在の二次側電圧の位相推定値に、位相変更量を加算した位相指令値θ_ＰＷＭ２が算出される。

第１モード制御から第２モード制御に移行するのに伴い、指令周波数ω＊が一次側周波数ωｉｎに接近するのに合わせ、補償値算出部１３５は、指令周波数ω＊と、一次側周波数ωｉｎとの重み付き平均値に基づいて遅れ補償値を算出してもよい。例えば補償値算出部１３５は、上記重み付き平均値に周期Ｔｓを乗算して遅れ補償値を算出する。モード切替部１１６が第１モード制御を第２モード制御に移行させた後に、補償値算出部１３５は、遅れ補償値における一次側周波数ωｉｎの重みを徐々に大きくし、指令周波数ω＊の重みを徐々に小さくする。これにより、二次側周波数が指令周波数ω＊から一次側周波数ωｉｎに移行し、第１モード制御から第２モード制御への移行がよりスムーズになるとともに、第２モードにてより安定した制御が可能となる。

また、補償値算出部１３５は、モード切替部１１６が第２モード制御を第１モード制御に移行させる前に、遅れ補償値における指令周波数ω＊の重みを徐々に大きくし、一次側周波数ωｉｎの重みを徐々に小さくしてもよい。例えばモード切替部１１６は、指令周波数と一次側電圧の周波数との差が上記第２閾値を超えるのに応じて第２モード制御部１１５に移行準備指令を出力する。これに応じ、補償値算出部１３５は、遅れ補償値における指令周波数ω＊の重みを徐々に大きくし、一次側周波数ωｉｎの重みを徐々に小さくする。この間は、第２モード制御が継続される。第２モード制御部１１５は、遅れ補償値における一次側周波数ωｉｎの重みがゼロになったときに、モード切替部１１６に準備完了通知を出力する。これに応じ、モード切替部１１６が第２モード制御を第１モード制御に移行させる。

なお、第２モード制御部１１５は、二次側電圧に対する目標位相に代えて、二次側電流に対する目標位相を生成し、目標位相と二次側電流の位相との偏差を縮小するようにマトリクスコンバータ回路１０を制御してもよい。例えば第２モード制御部１１５は、目標位相と二次側電流の位相との偏差に対して比例・積分演算等を行って位相変更量を算出し、これを上記二次側電圧の位相推定値に加算して位相指令値θ_ＰＷＭ２を算出してもよい。

（劣化検出部）
劣化検出部１１７は、二次側電流とキャリア周波数とに基づいて平均昇温値（平均昇温レベル）を推定することと、一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて電流の集中係数を算出することと、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定することと、局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出することと、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知することと、を実行する。

例えば図６に示すように、劣化検出部１１７は、平均昇温推定部１５１と、係数算出部１５２と、局所昇温推定部１５３と、劣化レベル算出部１５４と、比較部１５７と、報知部１５８とを有する。平均昇温推定部１５１は、二次側電流と、キャリア周波数とに基づいて平均昇温値を推定する。例えば平均昇温推定部１５１は、次式に基づいて平均昇温値を算出する。
ΔＴ＝Ａ・Ｉ^２＋（Ｂ＋Ｃ・ｆｃ＋Ｄ）・Ｉ・・・（１）
ΔＴ：平均昇温値
Ｉ：二次側電流の振幅
ｆｃ：キャリア周波数
Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ：係数

係数Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、実機試験又はシミュレーションなどにより予め求められている。式（１）により算出される平均昇温値は、二次側電流の導通により生じる定常ロスと、スイッチング素子のオン・オフによるスイッチングロスとを含む。

係数算出部１５２は、一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出する。例えば係数算出部１５２は、一次側周波数と指令周波数との差の情報をモード切替部１１６から取得し、これに基づいて集中係数を算出する。具体的に、係数算出部１５２は、一次側周波数と指令周波数との差の絶対値が小さくなるにつれて集中係数を大きくする。例えば劣化検出部１１７は、係数プロファイル記憶部１６１を更に有する。

係数プロファイル記憶部１６１は、一次側周波数と指令周波数との差の絶対値が小さくなるにつれて集中係数が大きくなるように、差の絶対値と集中係数との関係を表す係数プロファイルを記憶する。係数プロファイル記憶部１６１が記憶する係数プロファイルは、離散的なデータ列であってもよいし、関数であってもよい。

係数算出部１５２は、一次側周波数と指令周波数との差の絶対値と、係数プロファイルとに基づいて集中係数を算出する。例えば係数算出部１５２は、係数プロファイルにおいて、一次側周波数と指令周波数との差の絶対値に対応する集中係数を導出する。

図７は、係数プロファイルを例示するグラフであり、横軸は差の絶対値の大きさを表し、縦軸は集中係数を表す。この係数プロファイルは、差の絶対値が所定の閾値ｆ１以上である場合には集中係数がゼロとなり、差の絶対値が閾値ｆ１未満である場合には、差の絶対値が小さくなるにつれて徐々に集中係数が大きくなるように定められている。

局所昇温推定部１５３は、平均昇温値（平均昇温レベル）と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定する。例えば局所昇温推定部１５３は、平均昇温値に集中係数を乗算して局所昇温レベルを算出する。係数プロファイルが図７のように定められている場合、差の絶対値が閾値ｆ１以上である場合には、局所昇温レベルはゼロとされ、昇温に起因する劣化進行は無視される。

劣化レベル算出部１５４は、局所昇温レベルに基づきスイッチング素子の劣化レベルを算出する。例えば劣化レベル算出部１５４は、局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、劣化進行度を積算することとを上記制御サイクルで繰り返して劣化レベルを算出する。

昇温によりスイッチング素子が劣化する一因としては、昇温と降温とに伴う導電部の収縮が挙げられるので、スイッチング素子の劣化レベルには、昇温と降温とを繰り返す頻度も影響する。そこで劣化レベル算出部１５４は、局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、一次側周波数と指令周波数との差に基づいて昇温頻度を算出することと、劣化進行度を昇温頻度にて積算することとを繰り返して劣化レベルを算出してもよい。例えば劣化レベル算出部１５４は、劣化プロファイル記憶部１６２と、劣化進行度算出部１５５と、頻度算出部１５６と、積算部１５９とを有し、これらにより劣化進行度の積算を繰り返す。

劣化プロファイル記憶部１６２は、局所昇温レベルと、劣化進行度との関係を表す劣化プロファイルを記憶する。図８は、劣化プロファイルを例示するグラフであり、横軸は局所昇温レベルを表し、縦軸は劣化進行度を表す。この劣化プロファイルは、局所昇温レベルが所定の閾値Ｔ１以下である場合には劣化進行度がゼロとなり、局所昇温レベルが閾値Ｔ１を超えている場合には、局所昇温レベルが大きくなるにつれて劣化進行度が大きくなるように定められている。更に、この劣化プロファイルは、局所昇温レベルが閾値Ｔ１よりも大きい閾値Ｔ２以上である場合には劣化進行度が一定値となるように定められていてもよい。

劣化進行度は、スイッチング素子の劣化を昇温・降温の繰り返し回数に換算した値であってもよい。スイッチング素子の寿命（許容劣化レベル）は、昇温・降温の繰り返し回数で定められる場合があるので、劣化進行度が昇温・降温の繰り返し回数で表されている場合、劣化レベルと寿命との比較が容易となる。

劣化進行度算出部１５５は、局所昇温レベルと、劣化プロファイルとに基づいて劣化進行度を算出する。例えば劣化進行度算出部１５５は、劣化プロファイルにおいて、局所昇温レベルに対応する劣化進行度を導出する。

頻度算出部１５６は、単位時間あたり（例えば１秒あたり）に生じる局所昇温の頻度を算出する。スイッチング素子の温度は、一次側電圧の位相と二次側電流の位相とが揃っている期間に局所的に上昇し、一次側電圧の位相と二次側電流の位相とのずれが拡大するに従って徐々に低下する。このため、単位時間あたりに、一次側電圧の位相と二次側電流の位相とが揃う頻度が、局所昇温の頻度に相当するといえる。そこで、頻度算出部１５６は、一次側周波数と二次側周波数との差を、局所昇温の頻度として算出する。例えば頻度算出部１５６は、一次側周波数と指令周波数との差の絶対値を局所昇温の頻度として算出する。

積算部１５９は、劣化進行度算出部１５５が算出した劣化進行度を、頻度算出部１５６が算出した頻度にて積算する。例えば積算部１５９は、上記劣化進行度に上記頻度を乗算して、単位時間当たりの劣化進行度を算出し、更にこれに制御サイクルの周期Ｔｓを乗算して１サイクルあたりの劣化進行度を算出する。そして、一つ前の制御サイクルにおいて算出された劣化レベルに、上記１サイクルあたりの劣化進行度を加算する。

比較部１５７は、劣化レベル算出部１５４が算出した劣化レベルと、所定レベルとを比較する。報知部１５８は、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知する。例えば報知部１５８は、劣化レベルが所定レベルを超えたことを液晶モニタ等の表示デバイスに表示する。報知部１５８は、劣化レベルが所定レベルを超えたことの通知信号を上位コントローラ２００に出力してもよい。

上述したように、一次側周波数と二次側周波数との差が小さくなるにつれて、一次側電圧の位相と二次側電流の位相とが揃った状態が継続する時間が長くなる。このため、一次側周波数と二次側周波数との差が小さくなるにつれて、マトリクスコンバータ回路１０のいずれかのスイッチング素子の局所的な昇温値が大きくなり、これによる温度の変動幅も大きくなる。劣化検出部１１７によれば、この温度変動を加味してスイッチング素子の劣化レベルを評価し、適切なタイミングでスイッチング素子の劣化を報知することができる。

ここで、上記第１モード制御においては、マトリクスコンバータ回路１０の二次側位相と一次側位相との差が無制限に変化し得る。一方、第２モード制御においては、二次側位相と一次側位相との差が６０°の奇数倍±３０°に保たれる。モード切替部１１６が第１モード制御を第２モード制御に移行させると、一次側電圧の位相と二次側電流の位相とが揃った状態が強制的に回避されるので、局所的な昇温の発生が抑制される。これに対応し、係数算出部１５２は、第１モード制御が第２モード制御に移行するのに応じて集中係数を小さくしてもよい。例えば係数算出部１５２は、第１モード制御が第２モード制御に移行するのに応じて集中係数をゼロにしてもよい。

第１モード制御を第２モード制御に移行させることは、マトリクスコンバータ回路１０におけるスイッチング状態を、第１状態から、第１状態よりもスイッチングロスと定常ロスとの合計ロスが小さい第２状態に移行させることの一例だといえる。そこで、モード切替部１１６は、一次側周波数と二次側周波数との差が所定レベルを下回るのに応じて、上記第１状態を上記第２状態に移行させる状態移行部に相当する。

第１状態は、マトリクスコンバータ回路１０の一次側と二次側との間の接続状態を切り替えるスイッチングが行われる状態であり、第２状態は、第１状態に比較してマトリクスコンバータ回路１０の一次側と二次側との間の接続状態の切り替え頻度が低いスイッチングが行われる状態であってもよい。例えば第２状態は、第１状態に比較してキャリア周波数が低い状態であってもよい。

また、第２状態は、マトリクスコンバータ回路１０により一次側と二次側とを直結した状態であってもよい。例えば第２状態は、パワーライン１１Ｒ，１１Ｓ，１１Ｔと、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗとをマトリクスコンバータ回路１０によりそれぞれ直結した状態であってもよい。

（制御回路のハードウェア構成）
図９は、制御回路１００のハードウェア構成を例示するブロック図である。図９に示すように、制御回路１００は、プロセッサ１９１と、メモリ１９２と、ストレージ１９３と、通信ポート１９４と、入出力ポート１９５と、スイッチ制御回路１９６とを有する。プロセッサ１９１は、複数のプロセッシングデバイスを含んでいてもよく、メモリ１９２は複数のメモリデバイスを含んでいてもよく、ストレージ１９３は複数のストレージデバイスを含んでいてもよい。

ストレージ１９３は、例えば不揮発性の半導体メモリ等、コンピュータによって読み取り可能な記憶媒体を有する。ストレージ１９３は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０により、マトリクスコンバータ回路１０の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御と、マトリクスコンバータ回路１０により、マトリクスコンバータ回路１０の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路１０の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路１０の制御モードを切り替えるモード切替と、を含む電力変換方法を制御回路１００に実行させるためのプログラムを記憶している。ストレージ１９３は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０の二次側電流に基づいて平均昇温値（平均昇温レベル）を推定することと、マトリクスコンバータ回路１０の一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出することと、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定することと、局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出することと、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知することと、含む電力変換方法を制御回路１００に実行させるためのプログラムを記憶していてもよい。例えばストレージ１９３は、上記各機能ブロックを制御回路１００に構成させるためのプログラムを記憶している。

メモリ１９２は、ストレージ１９３の記憶媒体からロードしたプログラム及びプロセッサ１９１による演算結果を一時的に記憶する。プロセッサ１９１は、メモリ１９２と協働して上記プログラムを実行することで、制御回路１００の各機能ブロックを構成する。入出力ポート１９５は、プロセッサ１９１からの指令に従って、電圧検出回路４０及び電流センサ５０との間で電気信号の入出力を行う。通信ポート１９４は、プロセッサ１９１からの指令に従って、上位コントローラ２００との間で情報通信を行う。スイッチ制御回路１９６は、プロセッサ１９１からの指令に従って、マトリクスコンバータ回路１０に、双方向スイッチ２ＲＵ，２ＳＵ，２ＴＵ，２ＲＶ，２ＳＶ，２ＴＶ，２ＲＷ，２ＳＷ，２ＴＷのオン・オフを切り替えるための駆動信号を出力する。

なお、制御回路１００は、必ずしもプログラムにより各機能を構成するものに限られない。例えば制御回路１００は、専用の論理回路又はこれを集積したＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）により少なくとも一部の機能を構成してもよい。

〔電力変換手順〕
続いて、電力変換方法の一例として、制御回路１００が実行するマトリクスコンバータ回路１０の制御手順を例示する。この制御手順は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０により、マトリクスコンバータ回路１０の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御と、マトリクスコンバータ回路１０により、マトリクスコンバータ回路１０の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路１０の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路１０の制御モードを切り替えるモード切替と、を含む。この制御手順は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０の二次側電流に基づいて平均昇温値（平均昇温レベル）を推定することと、マトリクスコンバータ回路１０の一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出することと、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定することと、局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出することと、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知することと、を更に含んでいてもよい。

例えば制御回路１００は、制御モード切替手順と、第１モード制御手順と、第２モード制御手順と、劣化検出手順とを並行して実行する。以下、各手順を詳細に例示する。

（制御モード切替手順）
図１０に示すように、制御回路１００は、ステップＳ０１，Ｓ０２，Ｓ０３，Ｓ０４，Ｓ０５，Ｓ０６を順に実行する。ステップＳ０１では、モード切替部１１６が、第１モード制御部１１４に第１モード指令を出力する。これに応じ、第１モード制御部１１４が第１モード制御手順を開始する。ステップＳ０２では、指令周波数と一次側周波数との差が第１閾値を下回るのを、モード切替部１１６が待機する。ステップＳ０３では、モード切替部１１６が、第２モード制御部１１５に第２モード指令を出力する。これに応じ、第２モード制御部１１５が第２モード制御手順を開始する。ステップＳ０４では、指令周波数と一次側周波数との差が第２閾値を超えるのを、モード切替部１１６が待機する。

ステップＳ０５では、モード切替部１１６が、第２モード制御部１１５に、第１モード制御への移行準備指令を出力する。これに応じ、第２モード制御部１１５は、後述のように第１モード制御への移行準備を開始する。ステップＳ０６では、モード切替部１１６が、第２モード制御部１１５による上記移行準備の完了を待機する。その後、制御回路１００は処理をステップＳ０１に戻す。これにより、再度第１モード制御部１１４による第１モード制御手順が再開される。制御回路１００は、以上の手順を繰り返す。

（第１モード制御手順）
図１１に示すように、制御回路１００は、ステップＳ１１～Ｓ１６を順に実行する。ステップＳ１１では、第１モード制御部１１４が、モード切替部１１６からの上記第１モード指令の出力を待機する。ステップＳ１２では、電圧指令生成部１２１が、指令周波数ω＊に基づいて、二次側電圧に対する電圧指令ベクトルを算出する。ステップＳ１３では、振幅指令値算出部１２２が、電圧指令ベクトルの大きさを振幅指令値として算出する。ステップＳ１４では、位相指令値算出部１２３が、固定座標系に対する回転座標系の回転角度と、回転座標系における電圧指令ベクトルの位相角度とに基づいて、位相指令値を算出する。ステップＳ１５では、振幅指令値算出部１２２が振幅指令値を電力変換制御部１１２に出力し、位相指令値算出部１２３が位相指令値を電力変換制御部１１２に出力する。電力変換制御部１１２は、二次側電圧の振幅に対応する振幅と、位相指令値に対応する位相とを有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。

ステップＳ１６では、第１モード制御部１１４が、モード切替部１１６から上記第２モード指令が出力されているか否かを確認する。ステップＳ１６において第２モード指令が出力されていないと判定した場合、制御回路１００は処理をステップＳ１２に戻す。以後、モード切替部１１６から第２モード指令が出力されるまでは、第１モード制御手順が繰り返される。ステップＳ１６において第２モード指令が出力されていると判定した場合、制御回路１００は第１モード制御手順を完了する。

（第２モード制御手順）
図１２に示すように、制御回路１００は、まずステップＳ２１，Ｓ２２，Ｓ２３，Ｓ２４を実行する。ステップＳ２１では、第２モード制御部１１５が、モード切替部１１６からの第２モード指令の出力を待機する。ステップＳ２２では、補償値算出部１３５が、遅れ補償値における一次側周波数の重みを徐々に大きくし、指令周波数の重みを徐々に小さくすることを開始する。ステップＳ２３では、第２モード制御部１１５が、二次側電流の位相と、一次側電圧の位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する位相追従制御を実行する。ステップＳ２３の具体的内容については後述する。ステップＳ２４では、モード切替部１１６から上記第１モード制御への移行準備指令が出力されているか否かを、第２モード制御部１１５が確認する。

ステップＳ２４において移行準備指令が出力されていないと判定した場合、制御回路１００は処理をステップＳ２３に戻す。以後、上記移行準備指令が出力されるまでは、上記位相追従制御が継続される。

ステップＳ２４において移行準備指令が出力されていると判定した場合、制御回路１００はステップＳ２５，Ｓ２６，Ｓ２７を実行する。ステップＳ２５では、補償値算出部１３５が、遅れ補償値における指令周波数の重みを徐々に大きくし、一次側周波数の重みを徐々に小さくすることを開始する。ステップＳ２６では、第２モード制御部１１５が、上記位相追従制御を実行する。ステップＳ２７では、遅れ補償値における一次側周波数の重みがゼロに達したか否かを、第２モード制御部１１５が確認する。

ステップＳ２７において遅れ補償値における一次側周波数の重みがゼロに達していないと判定した場合、制御回路１００は処理をステップＳ２６に戻す。以後、遅れ補償値における一次側周波数の重みがゼロに達するまでは、上記位相追従制御が継続される。ステップＳ２７において遅れ補償値における一次側周波数の重みがゼロに達したと判定した場合、制御回路１００は第２モード制御手順を完了する。

図１３は、ステップＳ２３，Ｓ２６における位相追従制御手順を例示するフローチャートである。図１３に示すように、制御回路１００は、ステップＳ３１，Ｓ３２，Ｓ３３，Ｓ３４，Ｓ３５，Ｓ３６，Ｓ３７，Ｓ３８，Ｓ３９を順に実行する。ステップＳ３１では、電圧指令生成部１３６が、指令周波数ω＊に基づいて、二次側電圧に対する電圧指令ベクトルを算出する。ステップＳ３２では、振幅指令値算出部１３１が、電圧指令ベクトルの大きさを振幅指令値として算出する。

ステップＳ３３では、電流情報取得部１１３が、二次側電流の情報を取得する。例えば電流情報取得部１１３は、電流センサ５０から、パワーライン１２Ｕ，１２Ｖ，１２Ｗの電流値を取得する。ステップＳ３４では、電流・電圧位相差検出部１３３が、二次側電流の位相に対する二次側電圧の位相差（上記電流・電圧位相差）を算出する。

ステップＳ３５では、目標位相算出部１３２が、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°となるように二次側電圧の目標位相を生成する。例えば目標位相算出部１３２は、一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°である電流目標位相を算出し、電流目標位相に電流・電圧位相差を加算して二次側電圧の目標位相を生成する。ステップＳ３６では、位相指令値算出部１３４が、目標位相と、上記前サイクルの位相指令値との偏差を算出し、当該偏差を縮小するための上記位相変更量を算出する。

ステップＳ３７では、補償値算出部１３５が、上記遅れ補償値を算出する。ステップＳ３８では、位相指令値算出部１３４が、前サイクルの位相指令値に遅れ補償値を加算して現在の二次側電圧の位相推定値を算出し、これに上記位相変更量を加算して位相指令値を算出する。

ステップＳ３９では、振幅指令値算出部１３１が、振幅指令値を電力変換制御部１１２に出力し、位相指令値算出部１３４が、位相指令値を電力変換制御部１１２に出力する。電力変換制御部１１２は、振幅指令値に対応する振幅と、位相指令値に対応する位相とを有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御する。以上で１サイクルの位相追従制御手順が完了する。なお、各ステップの実行順序は適宜変更可能である。

（劣化検出手順）
図１４に示すように、制御回路１００は、まずステップＳ４１，Ｓ４２，Ｓ４３，Ｓ４４，Ｓ４５，Ｓ４６，Ｓ４７を実行する。ステップＳ４１では、平均昇温推定部１５１が、二次側電流と、キャリア周波数とに基づいて平均昇温値を推定する。ステップＳ４２では、係数算出部１５２が、一次側周波数と二次側周波数との差に基づいて集中係数を算出する。ステップＳ４３では、局所昇温推定部１５３が、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定する。ステップＳ４４では、劣化進行度算出部１５５が、局所昇温レベルと、上記劣化プロファイルとに基づいて劣化進行度を算出する。

ステップＳ４５では、頻度算出部１５６が、一次側周波数と二次側周波数との差を、局所昇温の頻度として算出する。ステップＳ４６では、積算部１５９が、劣化進行度算出部１５５により算出された劣化進行度を、頻度算出部１５６により算出された頻度にて積算し、劣化レベルを算出する。ステップＳ４７では、劣化レベル算出部１５４が算出した劣化レベルが所定レベルを超えているか否かを、比較部１５７が確認する。

ステップＳ４７において劣化レベルが所定レベルを超えていないと判定した場合、制御回路１００は処理をステップＳ４１に戻す。以後、劣化レベルが所定レベルを超えるまでは、劣化進行度及び頻度を算出することと、頻度の算出結果にて劣化進行度を積算することとが繰り返される。

ステップＳ４７において劣化レベルが所定レベルを超えていると判定した場合、制御回路１００はステップＳ４８を実行する。ステップＳ４８では、劣化レベルが所定レベルを超えたことを、報知部１５８が報知する。以上で劣化検出手順が完了する。

〔本実施形態の効果〕
以上に説明したように、電力変換装置１は、一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路１０と、マトリクスコンバータ回路１０の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御部１１４と、マトリクスコンバータ回路１０の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御部１１５と、指令周波数とマトリクスコンバータ回路１０の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に第１モード制御部１１４による制御が実行され、上記差が上記閾値を下回っている場合に第２モード制御部１１５による制御が実行されるように、上記差と上記閾値とに基づいてマトリクスコンバータ回路１０の制御モードを切り替えるモード切替部１１６と、を備える。

マトリクスコンバータ回路において、二次側位相と一次側位相とが揃った状態が維持されると、マトリクスコンバータ回路のいずれかのスイッチング素子にスイッチングに伴うロスが集中し、当該スイッチング素子における発熱が大きくなる。

二次側位相と一次側位相とが揃った状態におけるロスを抑制するためには、マトリクスコンバータ回路により二次側と一次側とを直結させることが有効であるが、二次側と一次側とが直結した状態においては二次側振幅を制御することができない。

これに対し、本電力変換装置１によれば、二次側周波数が一次側周波数に近付くのに応じて第１モード制御部１１４による制御が第２モード制御部１１５による制御に切り替えられる。第２モード制御部１１５は、マトリクスコンバータ回路１０により、二次側位相と、一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する。これにより、二次側位相と一次側位相とが揃った状態が回避されるので、スイッチング素子の発熱が抑制される。また、第２モード制御部１１５による制御中も、二次側振幅の制御の自由度は維持される。従って、二次側電力の制御の自由度と、スイッチング素子の発熱抑制との両立に有効である。

第２モード制御部１１５は、マトリクスコンバータ回路１０の二次側電流の位相とマトリクスコンバータ回路１０の一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°となるようにマトリクスコンバータ回路１０の二次側電圧の目標位相を生成し、目標位相と二次側電圧の位相との偏差を縮小するようにマトリクスコンバータ回路１０を制御してもよい。この場合、スイッチング素子における発熱をより確実に抑制することができる。スイッチング素子におけるロスは、二次側電流が正のピーク値となる位相（以下、「二次側の正ピーク位相」という。）が上記正基準位相（上記第１区間、第３区間及び第５区間の中心位相）となる場合に最大化され、二次側の正ピーク位相と上記正基準位相との位相差が６０°の奇数倍である場合に最小化される。したがって、一次側の力率が１となっている場合（正基準位相が上記一次側の正ピーク位相に一致している場合）二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差を６０°の奇数倍±３０°にすることによって、スイッチング素子におけるロスを小さくすることができる。上述のように、電力変換制御部１１２が、一次側電力の力率調整のために正基準位相を一次側の正ピーク位相からずらすことも考えられる。この場合、位相をずらす範囲を－３０°超、３０°未満の範囲に留める場合が多い。したがって、このような場合でも、二次側電流の位相と一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°であれば、少なくとも二次側電流と一次側電圧に位相差が無い場合に比較して、スイッチング素子におけるロスは小さくなる。

第２モード制御部１１５は、マトリクスコンバータ回路１０の一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°である目標位相を生成し、目標位相とマトリクスコンバータ回路１０の二次側電流の位相との偏差を縮小するようにマトリクスコンバータ回路１０を制御してもよい。この場合、スイッチング素子における発熱をより確実に抑制することができる。

第２モード制御部１１５は、上記偏差に基づいて位相指令値を生成し、位相指令値に対応する位相を有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御してもよい。この場合、二次側電圧の位相を迅速に目標位相に追従させることができる。

第２モード制御部１１５は、一次側周波数に基づいて遅れ補償値を算出し、遅れ補償値を位相指令値に加算することで、上記偏差の縮小の遅れを補償してもよい。この場合、二次側電圧の位相をより迅速に目標位相に追従させることができる。

第２モード制御部１１５は、指令周波数と、一次側周波数との重み付き平均値に基づいて遅れ補償値を算出し、モード切替部１１６が第１モード制御部１１４による制御を第２モード制御部１１５による制御に移行させた後に、遅れ補償値における一次側周波数の重みを徐々に大きくしてもよい。この場合、第１モード制御部１１４による制御から第２モード制御部１１５による制御への移行をスムーズに行うことができる。

第２モード制御部１１５は、モード切替部１１６が第２モード制御部１１５による制御を第１モード制御部１１４による制御に移行させる前に、遅れ補償値における指令周波数の重みを徐々に大きくしてもよい。この場合、第２モード制御部１１５による制御から第１モード制御部１１４による制御への移行をスムーズに行うことができる。

第２モード制御部１１５は、一次側電圧の振幅と異なる振幅指令値に対応する振幅を有する二次側電圧を出力させるようにマトリクスコンバータ回路１０を制御してもよい。この場合、制御の自由度を有効活用することができる。

電力変換装置１は、二次側電流とキャリア周波数とに基づいて平均昇温値（平均昇温レベル）を推定する平均昇温推定部１５１と、一次側周波数と指令周波数との差に基づいて集中係数を算出する係数算出部１５２と、平均昇温値と集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定する局所昇温推定部１５３と、局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出する劣化レベル算出部１５４と、劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知する報知部１５８と、を更に備えていてもよい。この場合、二次側周波数が一次側周波数に近付くにつれて生じ易くなるロスの集中を考慮した劣化レベルの評価と、制御モードの切り替えによるロスの集中抑制との組み合わせにより、マトリクスコンバータ回路１０の信頼性を更に高めることができる。

劣化レベル算出部１５４は、局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、劣化進行度を積算することとを繰り返して劣化レベルを算出してもよい。この場合、劣化レベルをより適切に評価することができる。

劣化レベル算出部１５４は、局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、一次側周波数と指令周波数との差に基づいて昇温頻度を算出することと、劣化進行度を昇温頻度にて積算することとを繰り返して劣化レベルを算出してもよい。この場合、劣化レベルをより適切に評価することができる。

係数算出部１５２は、第１モード制御部１１４による制御が第２モード制御部１１５による制御に移行するのに応じて集中係数を小さくしてもよい。この場合、劣化レベルの過大評価を抑制し、マトリクスコンバータ回路１０を無駄なく使いこなすことができる。

以上、実施形態について説明したが、本発明は必ずしも上述した実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で様々な変形が可能である。

１…電力変換装置、１０…マトリクスコンバータ回路、１１４…第１モード制御部、１１５…第２モード制御部、１１６…モード切替部、１５１…平均昇温推定部、１５２…係数算出部、１５３…局所昇温推定部、１５４…劣化レベル算出部、１５８…報知部。

Claims (13)

1. 一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路と、
   前記マトリクスコンバータ回路の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御部と、
   前記マトリクスコンバータ回路の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御部と、
   前記指令周波数と前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に前記第１モード制御部による制御が実行され、前記差が前記閾値を下回っている場合に前記第２モード制御部による制御が実行されるように、前記差と前記閾値とに基づいて前記マトリクスコンバータ回路の制御モードを切り替えるモード切替部と、を備える電力変換装置。
2. 前記第２モード制御部は、前記マトリクスコンバータ回路の二次側電流の位相と前記マトリクスコンバータ回路の一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°となるように前記マトリクスコンバータ回路の二次側電圧の目標位相を生成し、前記目標位相と前記マトリクスコンバータ回路の二次側電圧の位相との偏差を縮小するように前記マトリクスコンバータ回路を制御する、請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記第２モード制御部は、前記マトリクスコンバータ回路の一次側電圧の位相との差が６０°の奇数倍±３０°である目標位相を生成し、前記目標位相と前記マトリクスコンバータ回路の二次側電流の位相との偏差を縮小するように前記マトリクスコンバータ回路を制御する、請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記第２モード制御部は、前記偏差に基づいて位相指令値を生成し、前記位相指令値に対応する位相を有する二次側電圧を出力させるように前記マトリクスコンバータ回路を制御する、請求項２又は３記載の電力変換装置。
5. 前記第２モード制御部は、前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数に基づいて遅れ補償値を算出し、前記遅れ補償値を前記位相指令値に加算することで、前記偏差の縮小の遅れを補償する、請求項４記載の電力変換装置。
6. 前記第２モード制御部は、前記指令周波数と、前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数との重み付き平均値に基づいて前記遅れ補償値を算出し、前記モード切替部が前記第１モード制御部による制御を前記第２モード制御部による制御に移行させた後に、前記遅れ補償値における前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数の重みを徐々に大きくする、請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記第２モード制御部は、前記モード切替部が前記第２モード制御部による制御を前記第１モード制御部による制御に移行させる前に、前記遅れ補償値における前記指令周波数の重みを徐々に大きくする、請求項６記載の電力変換装置。
8. 前記第２モード制御部は、前記マトリクスコンバータ回路の一次側電圧の振幅と異なる振幅指令値に対応する振幅を有する二次側電圧を出力させるように前記マトリクスコンバータ回路を制御する、請求項２～７のいずれか一項記載の電力変換装置。
9. 前記マトリクスコンバータ回路の二次側電流とキャリア周波数とに基づいて平均昇温レベルを推定する平均昇温推定部と、
   前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数と前記指令周波数との差に基づいて集中係数を算出する係数算出部と、
   前記平均昇温レベルと前記集中係数とに基づいて局所昇温レベルを推定する局所昇温推定部と、
   前記局所昇温レベルに基づき劣化レベルを算出する劣化レベル算出部と、
   前記劣化レベルが所定レベルを超えたことを報知する報知部と、を更に備える、請求項２～８のいずれか一項記載の電力変換装置。
10. 前記劣化レベル算出部は、前記局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、前記劣化進行度を積算することとを繰り返して前記劣化レベルを算出する、請求項９記載の電力変換装置。
11. 前記劣化レベル算出部は、前記局所昇温レベルに基づき劣化進行度を算出することと、前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数と前記指令周波数との差に基づいて昇温頻度を算出することと、前記劣化進行度を前記昇温頻度にて積算することとを繰り返して前記劣化レベルを算出する、請求項１０記載の電力変換装置。
12. 前記係数算出部は、前記第１モード制御部による制御が前記第２モード制御部による制御に移行するのに応じて前記集中係数を小さくする、請求項９～１１のいずれか一項記載の電力変換装置。
13. 一次側電力と二次側電力との間で双方向の電力変換を行うマトリクスコンバータ回路により、前記マトリクスコンバータ回路の二次側周波数を指令周波数に追従させる第１モード制御と、
    前記マトリクスコンバータ回路により、前記マトリクスコンバータ回路の二次側位相と一次側位相との差を６０°の奇数倍±３０°に維持する第２モード制御と、
    前記指令周波数と前記マトリクスコンバータ回路の一次側周波数との差が所定の閾値を上回っている場合に前記第１モード制御が実行され、前記差が前記閾値を下回っている場合に前記第２モード制御が実行されるように、前記差と前記閾値とに基づいて前記マトリクスコンバータ回路の制御モードを切り替えるモード切替と、を含む電力変換方法。

Images