JPWO2019138550A1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[電力変換装置の概略構成]
図1は、実施の形態1による電力変換装置の概略構成図である。図1を参照して、電力変換装置は、主回路であるレグ回路8a,8b,8c(総称する場合または不特定のものを示す場合、レグ回路8と記載する)と、これらのレグ回路8を制御する制御装置5とを備える。
図2は、セル群6a,6b,6c,6dを構成する変換器セルの一例を示す回路図である。図2(A)に示す変換器セル1は、ハーフブリッジ構成を採用した例を示し、互いに直列接続された半導体スイッチング素子1a,1b(以下、単にスイッチング素子と称する場合がある)と、ダイオード1c,1dと、エネルギー蓄積器としての直流コンデンサ1eとを含む。ダイオード1c,1dは、スイッチング素子1a,1bとそれぞれ逆並列(並列かつ逆バイアス方向)に接続される。直流コンデンサ1eは、スイッチング素子1a,1bの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を平滑化する。スイッチング素子1a,1bの接続ノードは正側の入出力端子1pと接続され、スイッチング素子1bと直流コンデンサ1eの接続ノードは負側の入出力端子1nと接続される。
図3は、図1の制御装置のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。
図4は、図1の制御装置の機能的構成を示すブロック図である。以下、図1および図4を参照して、制御装置5の構成と各要素の概略動作について説明する。
図5は、図4のゲート制御部の詳細な動作を示す機能ブロック図である。図5(A)にはゲート制御部5k,5mの機能ブロック図が示され、図5(B)にはゲート制御部5n,5oの動作の機能ブロック図が示される。
(ゲート制御部5k,5mの動作)
図4で説明したように、ゲート制御部5kは、指令値合成部5eで合成されたU相、V相、W相の電圧指令値Vprefu,Vprefv,Vprefwに基づいて、各相の正側セル群6aを構成するセル1のスイッチング素子に、対応するゲート信号Gpu,Gpv,Gpwを与える。ゲート制御部5mは、指令値合成部5fで合成されたU相、V相、W相の電圧指令値Vnrefu,Vnrefv,Vnrefwに基づいて、各相の負側セル群6bを構成するセル1のスイッチング素子に、対応するゲート信号Gnu,Gnv,Gnwを与える。
ゲート制御部5nは、加算器5iから出力されたU相、V相、W相の電圧指令値Vpref2u,Vpref2v,Vpref2wに基づいて、対応する相の正側セル群6cを構成するセル1のスイッチング素子に、対応するゲート信号Gp2u,Gp2v,Gp2wを与える。ゲート制御部5oは、加算器5jから出力されたU相、V相、W相の電圧指令値Vnref2u,Vnref2v,Vnref2wに基づいて、各相の負側セル群6dを構成するセル1のスイッチング素子に、対応するゲート信号Gn2u,Gn2v,Gn2wを与える。ゲート制御部5n,5oは、ゲート制御部5k,5mと同様にパルス幅変調方式によって動作する。
上記のとおり、実施の形態1の電力変換装置では、三相交流の各相に対応するレグ回路8には、アーム電圧の制御に用いられるセル群6a,6bと、アーム電圧の制御以外の目的(たとえば、循環電流の制御)に用いられるセル群6c,6dとが設けられる。そして、セル群6c,6dを構成する各変換器セル1の制御用のPWM信号の周波数を、セル群6a,6bを構成する各変換器セル1の制御用のPWM信号の周波数よりも高い値に設定する。これによって、セル群6c,6dを構成する変換器セル1の個数を少なくした場合でも、循環電流などの制御性を高めることができる。
図4では、ゲート制御部5k,5m,5n,5oが、制御装置5に設けられる場合について説明した。これに対して、ゲート制御部5k,5m,5n,5oを、対応するセル群6a,6b,6c,6dを構成する各変換器セル1の内部に設けてもよい。この場合、図4の電圧指令値生成部5zは、電圧指令値Vpref,Vnrefを、対応するセル群6a,6bを構成する各変換器セル1に送信し、電圧指令値Vpref2,Vnref2を、対応するセル群6c,6dを構成する各変換器セル1に送信する。この場合の変換器セル1の構成を次に説明する。
各レグ回路8において、リアクトル7a,7bのうち、正側のリアクトル7aのみを設けてもよいし、負側のリアクトル7bのみを設けてもよい。負側のリアクトル7bのみを設けた場合には、循環電流制御用の正側セル群6cが不要になり、さらに、それに関係するゲート制御部5n、加算器5i、およびゲイン回路5gも不要となるので、制御装置5の構成を簡素化できる利点がある。同様に、正側のリアクトル7aのみを設けた場合には、循環電流制御用の負側セル群6dが不要になり、さらにそれに関係するゲート制御部5o、加算器5j、およびゲイン回路5hも不要になるので、制御装置5の構成を簡素化できる利点がある。
実施の形態2では、アーム電圧制御用の制御装置と、アーム電圧制御以外の目的(たとえば、循環電流の制御)用の制御装置とを分離した場合について説明する。
図9は、実施の形態2による電力変換装置の概略構成図である。図9の電力変換装置は、セル群6a,6bを制御するための制御装置50と、セル群6c,6dを制御するための制御装置51とを含む点で、図1の電力変換装置と異なる。
図12は、図9の制御装置50,51を構成するCPUの演算処理内容を示す模式的なタイミング図である。図12(A)は、制御装置50の演算処理内容を示す模式的なタイミング図であり、図12(C)は、制御装置51の演算処理内を示す模式的なタイミング図である。図12(B)は、制御装置51の演算処理内容を制御装置50で行った場合のタイミング図である。
図1の制御装置5内に複数のCPUを設け、図10の制御装置50の機能を少なくとも1つの第1のCPUによって実行し、図11の制御装置51の機能を第1のCPUとは別の少なくとも1つの第2のCPUによって実行するようにしてもよい。さらに、第2のCPUに代えてPLDを用いるようにしてもよい。このように同一の制御装置内で別個のハードウェア構成にすることによっても、上記の実施の形態2と同様の作用効果を奏する。
図8で説明したように、ゲート制御部5k,5m,5n,5oは、対応するセル群6a,6b,6c,6dを構成する各変換器セル1の内部に設けられていてもよい。この場合、図9の制御装置50は、電圧指令値Vpref,Vnrefを、対応するセル群6a,6b,6c,6dを構成する各変換器セル1に送信する。制御装置51は、Vpref2,Vnref2を、対応するセル群6c,6dを構成する各変換器セル1に送信する。この場合の変換器セル1の構成は図8で説明したものと同様である。
実施の形態3では、図1の電力変換装置のセル群6c,6dを構成する変換器セルとしてフルブリッジ型のものを用い、循環電流制御とコンデンサ電圧の制御を行う場合について説明する。以下では、電力変換装置の全体構成は図1で説明したものと同様であるとして説明する。
図13は、図1の上アーム13の他方のセル群6cおよび下アーム14の他方のセル群6dをそれぞれ構成する変換器セル1の構成を示す回路図である。変換器セル1は、自セルに設けられた直流コンデンサ1eの電圧(セルコンデンサ電圧Vccell)を検出し、検出値を制御装置5に送信するように構成される。
図14は、図1の制御装置5の構成図である。図14に示す制御装置5は、専用回路によって構成してもよいし、その一部または全部をFPGA(Field Programmable Gate Array)および/またはマイクロプロセッサによって構成してもよい。以下、図1および図14を参照して、制御装置5の構成と各要素の概略動作について説明する。
(ゲート制御部5k,5mの動作)
ゲート制御部5kは、指令値合成部5eで合成されたU相、V相、W相の電圧指令値Vprefu,Vprefv,Vprefwに基づいて、各相の正側セル群6aを構成するセル1のスイッチング素子に、対応するゲート信号Gpu,Gpv,Gpwを与える。ゲート制御部5mは、指令値合成部5fで合成されたU相、V相、W相の電圧指令値Vnrefu,Vnrefv,Vnrefwに基づいて、各相の負側セル群6bを構成するセル1のスイッチング素子に、対応するゲート信号Gnu,Gnv,Gnwを与える。
ゲート制御部5n,5oは、電圧指令値Vccrefとバイアス値Vbias1との加算結果に従って、セル群6c,6dの各セル1に設けられたスイッチング素子1a、1bのスイッチングを制御するためのゲート信号を出力する。ゲート制御部5n,5oは、ゲート制御部5k,5mと同様にパルス幅変調方式によって動作させることができる。
ゲート制御部5vは、電圧指令値Vcprefとバイアス値Vbias2との加算結果に従って、セル群6cの各セル1に設けられたスイッチング素子1f,1gのスイッチングを制御するためのゲート信号を出力する。ゲート制御部5vは、ゲート制御部5k,5mと同様にパルス幅変調方式によって動作させることができる。
実施の形態2で説明したように、図1の制御装置5内に複数のCPUを設け、電圧指令値Vpref,Vnrefに関わる演算を少なくとも1つ第1のCPUで実行し、電圧指令値Vccref,Vcpref,Vcnrefに関わる演算を少なくとも1つの第2のCPUで実行するようにしてもよい。さらに、第2のCPUの演算能力を第1のCPUの演算能力よりも高くなるようにしてもよく、第2のCPUに代えてPLDを用いるようにしてもよい。
図14では、ゲート制御部5k,5m,5n,5o,5v,5wが、制御装置5に設けられる場合について説明したが、ゲート制御部5k,5m,5n,5o,5v,5wは、対応するセル群6a,6b,6c,6dを構成する各変換器セル1の内部に設けられていてもよい。この場合、図14の電圧指令値生成部5zは、電圧指令値Vpref,Vnrefを、対応するセル群6a,6bを構成する各変換器セル1に送信し、電圧指令値Vccref,Vcpref,Vcnrefを、対応するセル群6c,6dを構成する各変換器セル1に送信する。この場合の変換器セル1の構成を次に説明する。
Claims (13)
- 直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
第1の直流端子と第2の直流端子との間に互いに並列に接続され、前記交流回路と電気的に接続される複数のレグ回路を備え、
前記複数のレグ回路の各々は、
少なくとも1つの第1の変換器セルと、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルを除く複数の第2の変換器セルとを含み、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルおよび前記複数の第2の変換器セルの各々は、コンデンサおよび複数の半導体スイッチング素子を含み、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルに含まれる半導体スイッチング素子をスイッチング制御する第1の制御信号の周波数は、前記複数の第2の変換器セルに含まれる半導体スイッチング素子をスイッチング制御する第2の制御信号の周波数よりも大きい、電力変換装置。 - 前記第1の制御信号と前記第2の制御信号とは、互いに異なる電圧指令値に基づいて生成される、請求項1に記載の電力変換装置。
- 前記第1の制御信号は、前記複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づいて生成され、前記第2の制御信号は、前記循環電流に基づかずに生成される、請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記少なくとも1つの第1の変換器セルは、フルブリッジ型の変換器セルであり、
前記コンデンサの第1端に接続される第1の半導体スイッチング素子および第2の半導体スイッチング素子と、
前記コンデンサの第2端に接続される第3の半導体スイッチング素子および第4の半導体スイッチング素子とを含み、
前記第1の半導体スイッチング素子および前記第3の半導体スイッチング素子は、前記第1の制御信号によってスイッチング制御され、
前記第2の半導体スイッチング素子および前記第4の半導体スイッチング素子は、前記第1の制御信号とは周波数が同一または異なる第3の制御信号によってスイッチング制御される、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記第1の制御信号と前記第3の制御信号とは、互いに異なる電圧指令値に基づいて生成される、請求項4に記載の電力変換装置。
- 前記第1の制御信号は、前記複数のレグ回路間を循環する循環電流に基づいて生成され、前記第3の制御信号は、前記少なくとも1つの第1の変換器セルのコンデンサ電圧に基づいて生成される、請求項5に記載の電力変換装置。
- 前記少なくとも1つの第1の変換器セルの種類と前記複数の第2の変換器セルの種類とは、ハーフブリッジ型、混合型、およびフルブリッジ型のうちの同じ種類である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記少なくとも1つの第1の変換器セルの種類と前記複数の第2の変換器セルの種類とは、ハーフブリッジ型、混合型、およびフルブリッジ型のうちの異なる種類である、請求項1〜3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第1の制御信号の周波数は、前記交流回路の基本周波数の4倍より大きい、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記第2の制御信号の周波数は、前記交流回路の基本周波数の3倍よりも大きく、4倍よりも小さい、請求項9に記載の電力変換装置。
- 直流回路と交流回路との間で電力変換を行う電力変換装置であって、
第1の直流端子と第2の直流端子との間に互いに並列に接続され、前記交流回路と電気的に接続される複数のレグ回路を備え、
前記複数のレグ回路の各々は、
少なくとも1つの第1の変換器セルと、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルを除く複数の第2の変換器セルとを含み、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルおよび前記複数の第2の変換器セルの各々は、コンデンサおよび複数の半導体スイッチング素子を含み、
前記電力変換装置は、さらに、
前記少なくとも1つの第1の変換器セルに含まれる半導体スイッチング素子をスイッチング制御する第1の制御信号を、第1の電圧指令値に基づいて生成する第1の制御部と、
前記複数の第2の変換器セルに含まれる半導体スイッチング素子をスイッチング制御する第2の制御信号を、第2の電圧指令値に基づいて生成する第2の制御部とを備え、
前記第1の電圧指令値の演算周期は、前記第2の電圧指令値の演算周期よりも短い、電力変換装置。 - 前記第1の制御部と前記第2の制御部とは別個のハードウェアによって構成される、請求項11に記載の電力変換装置。
- 前記第1の制御部の演算能力は、前記第2の制御部の演算能力よりも高い、請求項12に記載の電力変換装置。
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