JPWO2019156192A1 - 電力変換装置、発電システム、モータドライブシステム及び電力連系システム - Google Patents

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Abstract

小型の電力変換装置、発電システム、モータドライブシステム及び電力連系システムを提供する。電力変換装置（１０１）は、三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置（１０１）であって、直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグ（１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ）と少なくとも１つのコンデンサ（１５９）とが並列に接続されたスター変換部（１５０Ｐ、１５０Ｎ）と、各スター変換レグ（１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ）と直列に接続された単位変換器（１０８、１０９）とを備え、３つのスター変換レグ（１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ）が接続された接続点（ＮＰ１、ＮＰ２）がスター結線の中性点であり、各スター変換レグ（１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ）の２つのスイッチの間のスイッチ接続点（１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔ）に、三相交流の各相が単位変換器（１０８、１０９）を介してそれぞれ接続されている。

Description

本発明は、電力変換装置、発電システム、モータドライブシステム及び電力連系システムに関する。
フィルタなしで、正弦波に近い電圧を出力する電力変換装置として、単位変換器をカスケードに直列に接続したモジュラー・マルチレベル変換器（以下、ＭＭＣと呼ぶ。）が知られている。ＭＭＣはスイッチング素子の耐圧を超える高電圧を出力できるメリットがあり（非特許文献１）、数百ｋＶクラスの直流送電用途で広く使われている。ＭＭＣでは、少なくともゼロと所定電圧との２つの電圧をスイッチングにより出力できる単位変換器を直列に接続し、各単位変換器の出力電圧を足し合わせることで、高電圧の電力を変換できる。
萩原誠・赤木泰文：「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」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻７号、ｐｐ．９５７−９６５
ＭＭＣの各単位変換器は、コンデンサを有しており、スイッチングにより当該コンデンサ電圧もしくはゼロ電圧を出力する。コンデンサの出力が変動すると、単位変換器の出力も変動し、ＭＭＣが精度よく電力を変換できなくなる恐れがある。従来は、コンデンサの容量を大きくすることで、コンデンサの出力電圧の変動を抑制していた。そのため、容量の大きい大型のコンデンサを用いる必要があり、ＭＭＣの小型化が難しいという問題があった。さらに、このような短所を有することから、ＭＭＣの適用範囲は、事実上、数百ｋＶクラスの直流送電など素子耐圧の十倍以上の電圧用途に限られていた。
そこで、本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、小型の電力変換装置、発電システム、モータドライブシステム及び電力連系システムを提供することを目的とする。
本発明による電力変換装置は、三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置であって、直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとを含むスター変換部と、前記スター変換部の各前記スター変換レグと直列に接続された単位変換器とを備え、前記スター変換部は、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点に、前記三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続され、３つの前記スター変換レグが接続された接続点が前記スター結線の中性点であり、前記単位変換器は、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点にそれぞれ接続されている。
本発明による電力変換装置は、三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置であって、直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとを含む正側スター変換部と負側スター変換部とを備え、前記正側スター変換部は、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点に前記三相交流の各相がそれぞれ接続され、３つの前記スター変換レグが接続された接続点が前記スター結線の第１中性点であり、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点と前記第１中性点との間に、第１所定電圧又はゼロを出力し、前記負側スター変換部は、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点に前記三相交流の各相がそれぞれ接続され、３つの前記スター変換レグの接続点が前記スター結線の第２中性点であり、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点と前記第２中性点との間に、前記第１所定電圧と異なる第２所定電圧又はゼロを出力する。
本発明による電力変換装置は、三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置であって、直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとを含み、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグと前記コンデンサとが接続された接続点が前記スター結線の中性点である２つのスター変換部と、前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点を介して前記スター変換レグと直列に接続された単位変換器とを備え、一の前記スター変換部は、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点に、前記三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続されており、他の前記スター変換部は、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点に、前記三相交流とは異なる三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続されており、一の前記スター変換部と他の前記スター変換部が互いに接続されている。
本発明による発電システムは、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電力変換装置を介して、発電機と電力系統とを接続する。
本発明によるモータドライブシステムは、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電力変換装置を介して、電源とモータとを接続する。
本発明による電力連系システムは、請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電力変換装置を介して、電力系統同士を接続する。
本発明の電力変換装置では、スター変換部が３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとが並列に接続され、３つのスター変換レグの接続点が中性点である構成であるので、スター変換部の各スター変換レグを流れる交流電流の合計値がゼロであり、理想的には交流電力の変動量をほぼゼロにでき、コンデンサの電圧の変動を抑制することができる。よって、電力変換装置では、スター変換部のコンデンサの電圧の変動を抑制できるので、スター変換部のコンデンサに容量の小さいコンデンサを用いることができ、小型化でき、小型の電力変換装置、発電システム、モータドライブシステム及び電力連系システムを提供できる。
本発明の実施形態に係る電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 図２Ａ、図２Ｂは、本発明の実施形態の単位変換器を示す概略図であり、図２Ｃは本発明の他の実施形態の単位変換器を示す概略図である。 本発明の電力変換装置、スター変換レグ、及び、単位変換器の出力電圧波形を示す図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の単位変換器を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 図１４Ａは、端子１０２Ｒと端子Ｐとの間に出力したい電圧の電圧波形と、正側スター変換部１５００Ｐのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧の電圧波形とを示すグラフであり、図１４Ｂは、スター変換レグ１５３Ｒに接続された単位変換器１０８の出力電圧の電圧波形を示すグラフである。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。 本発明の他の実施形態の電力変換装置の全体構成を示す概略図である。
（１）本発明の実施形態の電力変換装置の全体構成
図１に示すように、電力変換装置１０１は、端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔが、変圧器（図１には図示せず）を介して三相交流のＲ相、Ｓ相、Ｔ相にそれぞれ接続され、三相交流系統１１１に連系している。電力変換装置１０１は、端子Ｐと端子Ｎとの間に、直流装置１１０が接続されている。直流装置１１０は、抵抗器のような直流負荷や、直流電源、他の電力変換装置などを代表して描いたものである。このように電力変換装置１０１は、三相交流系統１１１の交流電力を直流電力に変換して直流装置１１０に供給したり、直流装置１１０が出力した直流電力を交流電力に変換して三相交流系統１１１に供給したり、三相交流モータに供給したりできる電力変換装置であり、ＭＭＣと同様に正弦波に近い電圧を出力できる。
電力変換装置１０１は、正側電力変換部１３０Ｐと負側電力変換部１３０Ｎとで構成される。正側電力変換部１３０Ｐと負側電力変換部１３０Ｎとは、三相交流の各相と、交流接続部としての端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔを介して接続されている。正側電力変換部１３０Ｐは、正側スター変換部１５０Ｐと、３つの単位変換器１０８とを備え、負側電力変換部１３０Ｎは、負側スター変換部１５０Ｎと、３つの単位変換器１０９とを備えている。
正側スター変換部１５０Ｐと負側スター変換部１５０Ｎとは同様の構成であるので、ここでは、代表して正側スター変換部１５０Ｐについて説明する。正側スター変換部１５０Ｐは、三相フルブリッジ構成の電力変換器であり、３つのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔと、コンデンサ１５９とを備え、これらが接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ３との間（負側スター変換部１５０Ｎでの場合は接続点ＮＰ４と接続点ＮＰ２との間）で並列に接続された構成である。スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔは、ハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌとを備え、これらが直列に接続された構成である。
正側スター変換部１５０Ｐは、スター変換レグ１５３Ｒのハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌとの間のスイッチ接続点１５１Ｒが、後述する単位変換器１０８（負側スター変換部１５０Ｎでは単位変換器１０９）と、リアクトル１１２とを介して、端子１０２Ｒと接続され、三相交流のＲ相に接続されている。３つのスター変換レグの接続点と単位変換器が接続されたスイッチ接続点の間をアームとも呼び、各アームに１つずつスイッチを備えている。
同様に、正側スター変換部１５０Ｐは、スター変換レグ１５３Ｓのハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌとの間の中間にあるスイッチ接続点１５１Ｓが、単位変換器１０８と、リアクトル１１２と、端子１０２Ｓとを介して、三相交流のＳ相に接続され、スター変換レグ１５３Ｔのハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌとの間のスイッチ接続点１５１Ｔが、単位変換器１０８と、リアクトル１１２と、端子１０２Ｔとを介して、三相交流のＴ相に接続されている。
ここで、電力変換装置１０１では、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で、スター変換レグ１５３Ｒ、単位変換器１０８、リアクトル１１２、端子１０２Ｒ、リアクトル１１２、単位変換器１０９、スター変換レグ１５３Ｒがこの順に直列に接続されている。同様に、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で、スター変換レグ１５３Ｓ、単位変換器１０８、リアクトル１１２、端子１０２Ｓ、リアクトル１１２、単位変換器１０９、スター変換レグ１５３Ｓが直列に接続され、スター変換レグ１５３Ｔ、単位変換器１０８、リアクトル１１２、端子１０２Ｔ、リアクトル１１２、単位変換器１０９、スター変換レグ１５３Ｔが直列に接続されている。このように、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔと、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔとの間に、単位変換器１０８、１０９が直列に接続されている。本実施形態では、接続点ＮＰ１と接続点ＮＰ２との間で直列に接続されたこれらの構成要素群をレグ１０７Ｒ、レグ１０７Ｓ、レグ１０７Ｔとも呼ぶ。レグ１０７Ｒ、レグ１０７Ｓ、レグ１０７Ｔは並列に接続されている。
電力変換装置１０１の正側電力変換部１３０Ｐでは、スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの接続点ＮＰ１で三相交流の各相が接続されており、三相交流の各相がスター結線された構成である。このことは、負側電力変換部１３０Ｎでも同様であり、接続点ＮＰ２で三相交流の各相がスター結線された構成となっている。接続点ＮＰ１、ＮＰ２は、並列に接続された各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ（レグ１０７Ｒ、レグ１０７Ｓ、レグ１０７Ｔ）の接続点となっているだけでなく、スター結線の中性点（以下、接続点ＮＰ１を第１中性点ＮＰ１、接続点ＮＰ２を第２中性点ＮＰ２とも呼ぶ。）ともなっている。
ここで、端子１０２Ｒと第１中性点ＮＰ１の間を流れる電流をアーム電流ＩＲＰ、端子１０２Ｓと第１中性点ＮＰ１の間を流れる電流をアーム電流ＩＳＰ、端子１０２Ｔと第１中性点ＮＰ１の間を流れる電流をアーム電流ＩＴＰとすると、電力変換装置１０１の正側電力変換部１３０Ｐ側では、第１中性点ＮＰ１で三相交流の各相がスター結線されているので、正側電力変換部１３０Ｐ側のアーム電流（正相交流成分）の合計値はゼロ（ＩＲＰ＋ＩＳＰ＋ＩＴＰ＝０）となる。そのため、正側スター変換部１５０Ｐのコンデンサ１５９を流れる交流電流成分も理想的にはゼロとなる。
同様に、端子１０２Ｒと第２中性点ＮＰ２の間を流れる電流をアーム電流ＩＲＮ、端子１０２Ｓと第２中性点ＮＰ２の間を流れる電流をアーム電流ＩＳＮ、端子１０２Ｔと第２中性点ＮＰ２の間を流れる電流をアーム電流ＩＴＮとすると、電力変換装置１０１の負側電力変換部１３０Ｎ側では、第２中性点ＮＰ２で三相交流の各相がスター結線されているので、負側電力変換部１３０Ｎ側のアーム電流（正相交流成分）の合計値はゼロ（ＩＲＮ＋ＩＳＮ＋ＩＴＮ＝０）となる。そのため、負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサ１５９を流れる交流電流も理想的にはゼロとなる。なお、端子Ｐは、第１中性点ＮＰ１から引き出され、端子Ｎは、第２中性点ＮＰ２から引き出されている。なお、図１では、便宜上、端子Ｐ、端子Ｎを第１中性点ＮＰ１又は第２中性点ＮＰ２と同電位の場所から引き出している。
続いて、図２Ａ、２Ｂを用いて単位変換器１０８、１０９について説明する。図２Ａに示すように、単位変換器１０８は、例えばＩＧＢＴでなるハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ及びハイサイド還流ダイオード２０２Ｈで構成されたハイサイドスイッチ２００Ｈと、例えばＩＧＢＴでなるローサイドスイッチング素子２０１Ｌ及びローサイド還流ダイオード２０２Ｌで構成されたローサイドスイッチ２００Ｌと、コンデンサ２０４とを備える双方向チョッパ回路である。ハイサイドスイッチ２００Ｈは、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈの正極（ＩＧＢＴではコレクタ）側とハイサイド還流ダイオード２０２Ｈの負極側とが接続され、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈの負極（ＩＧＢＴではエミッタ）側とハイサイド還流ダイオード２０２Ｈの正極側とが接続されて、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ及びハイサイド還流ダイオード２０２Ｈが逆並列に接続された構成である。ローサイドスイッチ２００Ｌでも同様に、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌ及びローサイド還流ダイオード２０２Ｌが逆並列に接続された構成である。
このように、ハイサイドスイッチ２００Ｈ、ローサイドスイッチ２００Ｌは、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌにハイサイド還流ダイオード２０２Ｈ、ローサイド還流ダイオード２０２Ｌを逆並列に接続することで、ＩＧＢＴの負極側から正極側に電圧が印加されたとき、ハイサイド還流ダイオード２０２Ｈ、ローサイド還流ダイオード２０２Ｌに電流が流れるようにし、ＩＧＢＴの負極から正極に電流が流れることを防止して、ＩＧＢＴを保護できる。なお、ハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ、ローサイドスイッチング素子２０１Ｌの正極側を、それぞれハイサイドスイッチ２００Ｈ、ローサイドスイッチ２００Ｌの正極側とする。なお、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎのハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌも、単位変換器１０８のハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌと同様の構成である。
単位変換器１０８は、ハイサイドスイッチ２００Ｈの負極側と、ローサイドスイッチ２００Ｌの正極側とが接続されて、ハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌとが直列に接続されている。ハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌは、図示しない制御回路に接続されており、制御回路からの制御信号によってオン・オフされるようになされている。コンデンサ２０４は、直列に接続されたハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌと並列に接続されている。
単位変換器１０８は、コンデンサ２０４とハイサイドスイッチ２００Ｈとの接続点Ｘから正極端子が引き出され、ハイサイドスイッチ２００Ｈとローサイドスイッチ２００Ｌとのスイッチ接続点Ｙから負極端子が引き出されている。
単位変換器１０８は、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオフで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオンのとき、正極端子と負極端子間（単位変換器内のレグの両端）に、アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰに依存せずコンデンサ２０４の電圧と概ね等しい電圧を出力する。本明細書ではこの状態を、単位変換器１０８がハイであると称する。なお、特に断りがない限り、本明細書でコンデンサの電圧といった場合、コンデンサが充電されたときのコンデンサの電圧を指し、単位変換器の出力電圧といった場合はハイである場合の出力を指す。
単位変換器１０８は、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオンで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオフのとき、正極端子と負極端子間が短絡されて、端子間電圧がアーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰに依存せず概ねゼロと等しくなる。本明細書ではこの状態を、単位変換器１０８がローであると称する。
単位変換器１０８は、ハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌが共にオンの場合、コンデンサ２０４が短絡されてしまう。そのため、このような動作は禁止する。
単位変換器１０８は、ハイサイドスイッチ２００Ｈと、ローサイドスイッチ２００Ｌが共にオフの場合、正極端子と負極端子間の電圧が、単位変換器１０８を流れる電流の極性に依存する。電流が正の場合（正極端子から負極端子に電流が流れる場合）、出力電圧はコンデンサ２０４の電圧に概ね等しい。また、電流が負の場合（負極端子から正極端子に電流が流れる場合）、端子間の出力電圧は概ねゼロに等しい。このように単位変換器１０８は、スイッチの制御により、ハイと、ローとに制御できる。
図２Ｂに示す単位変換器１０９は、単位変換器１０８とは正極端子及び負極端子が引き出された位置のみが異なり、他の構成は単位変換器１０８と同様である。単位変換器１０９では、正極端子がスイッチ接続点Ｙから引き出され、負極端子がローサイドスイッチ２００Ｌとコンデンサ２０４との接続点Ｚから引き出されている。単位変換器１０９も、スイッチングの操作により、ハイとローとに制御できる。
単位変換器１０９は、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオンで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオフのとき、正極端子と負極端子間（単位変換器内のレグの両端）に、アーム電流ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮに依存せずコンデンサ２０４の電圧と概ね等しい電圧を出力し、ハイとなる。
単位変換器１０９は、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオフで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオンのとき、正極端子と負極端子間が短絡されて、端子間電圧がアーム電流ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮに依存せず概ねゼロと等しくなり、ローとなる。各スイッチが共にオンのときと、共にオフのときとの動作は単位変換器１０８と同様である。なお、図２Ｃに示す単位変換器１０８ａのように、ハイサイドスイッチング素子２０５Ｈ、ローサイドスイッチング素子２０５Ｌとして双方向導通可能なＦＥＴやＭＯＳ−ＦＥＴを用い、所謂同期整流をすれば、単位変換器１０８、１０９から還流ダイオード（ハイサイド還流ダイオード２０２Ｈ、ローサイド還流ダイオード２０２Ｌ）を省略できる。
このような単位変換器１０８は、正極端子が正側スター変換部１５０Ｐのスイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔに接続され、負極端子がリアクトル１１２に接続されている。単位変換器１０９は、正極端子がリアクトル１１２に接続され、負極端子が負側スター変換部１５０Ｎのスイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔにされている。
次に、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの動作について説明する。スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔのハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌは、図示しない制御回路に接続されており、制御回路によりオン・オフ制御できる。スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの動作は、同様であるので、スター変換レグ１５３Ｒを代表として説明する。
スター変換レグ１５３Ｒの動作は、単位変換器１０８と同様である。スター変換レグ１５３Ｒは、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオフで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオンのとき、第１中性点ＮＰ１とスイッチ接続点１５１Ｒ（スター変換レグ１５３Ｓではスイッチ接続点１５１Ｓで、スター変換レグ１５３Ｔではスイッチ接続点１５１Ｔ）との間に、アーム電流ＩＲＰ（スター変換レグ１５３Ｓではアーム電流ＩＳＰ、スター変換レグ１５３Ｔではアーム電流ＩＴＰ）に依存せずコンデンサ１５９の電圧と概ね等しい第１所定電圧を出力し、ハイとなる。
スター変換レグ１５３Ｒは、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオンで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオフのとき、第１中性点ＮＰ１とスイッチ接続点１５１Ｒ（スター変換レグ１５３Ｓではスイッチ接続点１５１Ｓで、スター変換レグ１５３Ｔではスイッチ接続点１５１Ｔ）との間が短絡されて、ローとなる。ハイサイドスイッチ２００Ｈとローサイドスイッチ２００Ｌとが他の状態のときの動作も単位変換器１０８と同様である。
負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの動作は、単位変換器１０９と同様である。すなわち、スター変換レグ１５３Ｒは、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオンで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオフのとき、スイッチ接続点１５１Ｒ（スター変換レグ１５３Ｓではスイッチ接続点１５１Ｓで、スター変換レグ１５３Ｔではスイッチ接続点１５１Ｔ）と第２中性点ＮＰ２との間に、アーム電流ＩＲＮ（スター変換レグ１５３Ｓではアーム電流ＩＳＮ、スター変換レグ１５３Ｔではアーム電流ＩＴＮ）に依存せずコンデンサ１５９の電圧と概ね等しい第２所定電圧を出力し、ハイとなる。スター変換レグ１５３Ｒは、ハイサイドスイッチ２００Ｈがオフで、ローサイドスイッチ２００Ｌがオンのとき、スイッチ接続点１５１Ｒ（スター変換レグ１５３Ｓではスイッチ接続点１５１Ｓで、スター変換レグ１５３Ｔではスイッチ接続点１５１Ｔ）と第２中性点ＮＰ２との間が短絡されて、ローとなる。ハイサイドスイッチ２００Ｈとローサイドスイッチ２００Ｌとが他の状態のときの動作も単位変換器１０９と同様である。なお、本実施形態では、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサ１５９と、単位変換器１０８、１０９のコンデンサ２０４とを同じものを用いているので、第１所定電圧及び第２所定電圧と、単位変換器１０８、１０９とがハイのときの出力電圧は概略等しい値である。
このように、正側スター変換部１５０Ｐでは、第１中性点ＮＰ１が正極端子となり、スイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔが負極端子となり、負側スター変換部１５０Ｎでは、スイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔが正極端子となり、第２中性点ＮＰ２が負極端子となる。正側スター変換部１５０Ｐのスイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔには、単位変換器１０８が接続され、負側スター変換部１５０Ｎのスイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔには、単位変換器１０９が接続されている。このとき、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔでは、各構成要素がすべて順方向に直列に接続されている。ここで、「順方向に」とは、構成要素に正極と負極の区別がある場合に、一の構成要素の正極端子と他の構成要素の負極端子とが接続され、構成要素の正極端子同士、又は、構成要素の負極端子同士が接続されていないことを意味している。
ＭＭＣの単位変換器のコンデンサは、コンデンサを流れる電流が変動すると、コンデンサに流入する電力も変動し、それに伴いコンデンサの出力電圧が変動する。そのため、従来、ＭＭＣでは、単位変換器のコンデンサの容量を大きくして、コンデンサに蓄えられた電荷総量に対する電荷の変動量の割合を小さくすることで、出力電圧の変動を抑制していた。これに対して、本発明の電力変換装置１０１では、正側スター変換部１５０Ｐを流れる各アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰの合計値、及び、負側スター変換部１５０Ｎを流れる各アーム電流ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮ合計値は理想的にはゼロ（交流基本波正相成分の和がゼロ）であるので、理想的には交流電力の変動量をほぼゼロにでき、コンデンサの電圧の変動を抑制することができる。そのため、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎでは、コンデンサ１５９の電圧の変動を抑制できるので、コンデンサ１５９として容量の小さいコンデンサを用いることができる。よって、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎは、ＭＭＣの単位変換器よりもコンデンサが小さく、装置を小型化できる。
リアクトル１１２は、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔの第１中性点ＮＰ１、第２中性点ＮＰ２間の電圧であるレグ電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴが不一致である期間において、レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔに過電流が流れてしまうことを抑制するために、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔにそれぞれ設けている。また、リアクトル１１２は、レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔで発生するスイッチング周波数の信号を減衰させる。リアクトル１１２は、単位変換器１０８、１０９と端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔとの間にそれぞれ設けているが、単位変換器１０８、１０９と各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔのスイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔとの間に設けることもできる。
続いて、このような電力変換装置１０１の動作を、直流から交流に変換する場合と、交流から直流に変換する場合とに分けて説明する。まずは、電力変換装置１０１によって直流から交流に変換する場合について説明する。この場合、直流装置１１０は、直流送電線（電力変換装置１０１が直流送電線から見て受電側の電力変換装置である場合）や、直流電源、回生制動しているモータドライブ用インバータなどを想定している。
各レグの動作は同様であるので、ここではレグ１０７Ｒに注目して説明する。そして、コンデンサ１５９、２０４は予め定められた直流電圧Ｖに充電済みであり、直流装置１１０により、端子Ｐには正の直流電圧＋Ｖが印加され、端子Ｎには負の直流電圧−Ｖが印加されている（レグ電圧ＶＲ＝２Ｖ）ものとする。
ここで、図３には、端子１０２Ｒから出力される電圧の電圧波形１１１２（但し、端子１０２Ｒに接続される外部回路のインピーダンスが十分に大きい場合。インピーダンスが小さいと外部の交流電圧源とインピーダンス分圧した電圧となる）と、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧の電圧波形１１１１ｐｓと、単位変換器１０８の出力電圧の電圧波形１１１１ｐｃと、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧の電圧波形１１１１ｎｓと、単位変換器１０９の出力電圧の電圧波形１１１１ｎｃとを示している。図３の横方向は時間であり、縦方向は出力電圧である。端子１０２Ｒからの出力電圧値（交流相電圧）は、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧値と単位変換器１０９の出力電圧値との合計値から、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧値と単位変換器１０８の出力電圧値との合計値を減算した値となる。
具体的には、電力変換装置１０１は、例えば、単位変換器１０９のみハイのとき、端子１０２Ｒは＋Ｖを出力でき、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒと単位変換器１０９とがハイのとき、端子１０２Ｒから＋２Ｖを出力できる。一方で、電力変換装置１０１は、例えば、単位変換器１０８のみハイのとき、端子１０２Ｒは−Ｖを出力でき、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒと単位変換器１０９とがハイのとき、端子１０２Ｒから−２Ｖを出力できる。正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒと単位変換器１０８、１０９とがすべてハイ又はすべてローのとき、電力変換装置１０１は、端子１０２Ｒから０を出力する。
したがって、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒと、単位変換器１０８と、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒと、単位変換器１０９とが、図３に示す電圧波形１１１１ｐｓ、１１１１ｐｃ、１１１１ｎｓ、１１１１ｎｃを出力できるように、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒ、単位変換器１０８、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、及び、単位変換器１０９のハイ、ローを制御することで、電力変換装置１０１は、端子１０２Ｒから図３の電圧波形１１１２のような交流電圧を出力できる。なお、図３に示す電圧波形１１１１ｐｓ、１１１１ｐｃ、１１１１ｎｓ、１１１１ｎｃは、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒと、単位変換器１０８と、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒと、単位変換器１０９の出力電圧をＰＷＭ（Pulse Width Modulation:パルス幅変調）制御することで得ることができる。
次に、電力変換装置１０１によって交流から直流に変換する場合ついて説明する。この場合、直流装置１１０は、直流送電線（電力変換装置１０１が直流送電線から見て送電側の電力変換装置である場合）や、直流負荷、駆動しているモータドライブ用インバータなどを想定している。
この場合、直流装置１１０に直流電力が出力される。直流装置１１０にかかる直流電圧は、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧と、単位変換器１０８の出力電圧と、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧と、単位変換器１０９の出力電圧との合計値である。よって、正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒと単位変換器１０８、１０９とのハイ、ローを制御することで、直流装置１１０にかかる直流電圧を調整できる。
一方、直流装置１１０を流れる電流は、各レグ１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔを流れるアーム電流の和である。実際上、正側電力変換部１３０Ｐ側のアーム電流和（ＩＲＰ＋ＩＳＰ＋ＩＴＰ）と負側電力変換部１３０Ｎ側のアーム電流和（ＩＲＮ＋ＩＳＮ＋ＩＴＮ）は同じ値になり、各アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ、ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮが零相直流成分を含まない場合には、ＩＲＰ＋ＩＳＰ＋ＩＴＰ＝０であり、ＩＲＮ＋ＩＳＮ＋ＩＴＮ=０であるので、直流装置１１０に電力を伝送できない。そのため、直流装置１１０に電力を供給するために、レグ電圧ＶＲ、ＶＳ、ＶＴの直流電圧成分を調節し、アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰ、ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮの零相成分、特に直流電流成分を制御する。
（２）作用及び効果
以上の構成において、電力変換装置１０１は、三相交流の各相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）がスター結線された構成を有し、直列に接続された２つのスイッチ（ハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌ）を含むスター変換レグ（１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ）と、少なくとも１つのコンデンサ１５９とを含むスター変換部（正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎ）と、スター変換部の各スター変換レグと直列に接続された単位変換器１０８、１０９とを備え、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎは、３つのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔと、コンデンサ１５９とが並列に接続され、各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの２つのスイッチの間のスイッチ接続点１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔに三相交流の各相が単位変換器１０８、１０９を介してそれぞれ接続され、３つのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔが接続された接続点ＮＰ１がスター結線の中性点であり、Ｒ相に接続された単位変換器１０８、１０９がスター変換レグ１５３Ｒのスイッチ接続点１５１Ｒに接続され、Ｓ相に接続された単位変換器１０８、１０９がスター変換レグ１５３Ｓのスイッチ接続点１５１Ｓ、に接続され、Ｔ相に接続された単位変換器１０８、１０９がスター変換レグ１５３Ｔのスイッチ接続点１５１Ｔに接続されているように構成した。
電力変換装置１０１では、正側スター変換部１５０Ｐを流れる各アーム電流ＩＲＰ、ＩＳＰ、ＩＴＰの合計値、及び、負側スター変換部１５０Ｎを流れる各アーム電流ＩＲＮ、ＩＳＮ、ＩＴＮ合計値がゼロであるので、理想的には正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサ１５９の交流電力の変動量をほぼゼロにでき、コンデンサ１５９の電圧の変動を抑制することができる。よって、電力変換装置１０１では、正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサ１５９の電圧の変動を抑制できるので、正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサに容量の小さいコンデンサを用いることができる。よって、小さいコンデンサを用いることで小型化でき、コンデンサの物量を削減すると、それを支える架台も削減でき、電力変換装置１０１を小型化できる。
（３）他の実施形態
なお、本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が可能である。例えば、上記の実施形態では、正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎが、３つのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔとコンデンサ１５９とが並列に接続された構成をしている場合について説明したが、本発明はこれに限られず、図４に示す電力変換装置１０１０のように、正側電力変換部１３１Ｐの正側スター変換部１６０Ｐ、及び、負側電力変換部１３１Ｎの負側スター変換部１６０Ｎが、３つのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔと３つのコンデンサ２０３とが並列に接続された構成をしていてもよい。電力変換装置１０１０は、コンデンサ２０３の電圧を、電力変換装置１０１のコンデンサ１５９の電圧に設定することで、電力変換装置１０１と概略等価である。
電力変換装置１０１０では、スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔのハイサイドスイッチ２００Ｈ側の端子にコンデンサ２０３の正側を接続し、スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔのローサイドスイッチ２００Ｌ側の端子にコンデンサ２０３の負側を接続し、並列に接続されたスター変換レグ１５３Ｒ及びコンデンサ２０３と、並列に接続されたスター変換レグ１５３Ｓ及びコンデンサ２０３と、並列に接続されたスター変換レグ１５３Ｔ及びコンデンサ２０３と、をさらに並列に接続している。このようにして、各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔと各コンデンサ２０３とがそれぞれ交互に並列となるようにしている。電力変換装置１０１０では、スター変換レグ１５３Ｒ、コンデンサ２０３、スター変換レグ１５３Ｓ、コンデンサ２０３、スター変換レグ１５３Ｔ、コンデンサ２０３という並びで並列に接続することで、各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの近傍にコンデンサ２０３をそれぞれ配置できるようにしている。このように電力変換装置１０１０では、各コンデンサ２０３と各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔを近接配置できるので、各コンデンサ２０３と各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの間の寄生インダクタンスを小さくでき、各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔのハイサイドスイッチ２００Ｈ、ローサイドスイッチ２００Ｌをスイッチングする際のサージ電圧を抑制できるというメリットがある。
また、上記の実施形態では、正側スター変換部１５０Ｐ及び負側スター変換部１５０Ｎの各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの出力電圧と、単位変換器１０８、１０９の出力電圧とを等しくした場合について説明したが、本発明はこれに限られない。正側スター変換部及び負側スター変換部のコンデンサの定格電圧を、単位変換器のコンデンサの定格電圧と異なるようにして、各スター変換レグの出力電圧と、単位変換器の出力電圧とを異なるようにしてもよい。この場合、コンデンサをより削減できるという効果を奏する。さらに、正側スター変換部１５０Ｐのコンデンサの定格電圧と、負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサの定格電圧とを異なるようにし、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグの出力電圧と、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグの出力電圧も異なるようにしてもよい。
上記の実施形態で説明した電力変換装置１０１及び上記の変形例の電力変換装置１０１０では、端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔと正側スター変換部１５０Ｐ（１６０Ｐ）との間には単位変換器１０８が、端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔと負側スター変換部１５０Ｎ（１６０Ｎ）との間には単位変換器１０９が、それぞれ１つずつ接続されるように構成したが、本発明はこれに限られない。単位変換器１０８、１０９の数は適宜変更することができる。
例えば、図５に示す電力変換装置３０１のように、正側電力変換部１３２Ｐ、負側電力変換部１３２Ｎが、それぞれ正側スター変換部１６０Ｐ及び負側スター変換部１６０Ｎのみを有し、正側スター変換部１６０Ｐ、負側スター変換部１６０Ｎに接続された単位変換器１０８、１０９を有していないようにしてもよい。単位変換器１０８、１０９は単相変換器なので、低周波ではコンデンサ２０４の電圧変動が大きくなるが、単位変換器１０８、１０９を接続しないと、単相変換器が存在しないので低周波で駆動してもコンデンサ電圧変動に与える影響が軽微であるというメリットがある。
さらに、電力変換装置３０１では、正側スター変換部１６０Ｐのコンデンサ２０３と、負側スター変換部１６０Ｎのコンデンサ２０３とを、定格電圧が異なるコンデンサに変えて、コンデンサの出力電圧が異なるようにし、正側スター変換部の各スター変換レグが、ハイとローとで、第１所定電圧及びゼロを出力し、負側スター変換部の各スター変換レグが、ハイとローとで、第１所定電圧とは異なる第２所定電圧及び０を出力するようにしてもよい。このようにすることで、電力変換装置３０１は、従来よりも多レベルで電圧を出力することができ、従来の方法で同じレベル数の電圧を出力しようとする場合と比較して、装置を小型化できる。
また、図６に示す電力変換装置４０１のように、正側電力変換部１３３Ｐが、端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔと正側スター変換部１６０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの間にそれぞれ３つの単位変換器１０８（スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔに近い方から第１単位変換器１０８、第２単位変換器１０８、第３単位変換器１０８ともいう。）が直列に接続された構成にし、負側電力変換部１３３Ｎが、端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔと負側スター変換部１６０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔの間にそれぞれ３つの単位変換器１０９（スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔに近い方から第１単位変換器１０９、第２単位変換器１０９、第３単位変換器１０９ともいう。）が直列に接続された構成にしてもよい。
また、端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔと、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎ、正側スター変換部１６０Ｐ、負側スター変換部１６０Ｎ（正側スター変換部及び負側スター変換部のコンデンサの電圧をＶとする）との間に直列に接続する単位変換器１０８、１０９の数をそれぞれｎ個（第１単位変換器１０８、１０９〜第ｎ単位変換器１０８、１０９までのｎ個）にし、各単位変換器１０８、１０９の出力電圧（すなわち、コンデンサの電圧）をすべて同じ電圧Ｖに設定することで、本発明の電力変換装置から出力される交流電圧を０から±（ｎ＋１）Ｖまでの多レベルの任意の波形に制御でき、ｎの数を増やすことにより、電力変換装置から出力される交流電圧の波形をより正弦波に近づけることができる。また、電力変換装置４０１では、直列に接続された単位変換器１０８、１０９は、すべて同じコンデンサ２０４を有し、同じ電圧を出力するようにしているが、直列に接続された単位変換器１０８、１０９内で、各単位変換器のコンデンサの定格電圧を異なるようにし、各単位変換器の出力電圧が異なるようにしてもよい。
また、上記の電力変換装置４０１では、正側スター変換部１６０Ｐ、負側スター変換部１６０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔで使用するスイッチング素子を高い電圧でも使用できる高圧スイッチング素子（例えば、後述の高耐圧ＩＧＢＴ）とし、単位変換器１０８、１０９で使用するスイッチング素子を低圧低損失スイッチング素子としてもよい。この場合、スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔで使用するスイッチング素子の耐圧が単位変換器１０８、１０９で使用するスイッチング素子の耐圧よりも高い。このように、正側スター変換部１６０Ｐ、負側スター変換部１６０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔで使用するスイッチング素子を高圧スイッチング素子とすることで、正側スター変換部１６０Ｐ、負側スター変換部１６０Ｎで使用するコンデンサ２０３の出力電圧を高く設定し、その分、単位変換器１０８、１０９のコンデンサ２０４の出力電圧を低く設定することができる。その結果、単位変換器１０８、１０９では、コンデンサ２０４のサイズを小さくできると共に、スイッチング素子も低圧低損失スイッチング素子に変えることができるので、電力変換装置４０１をさらに小型化することができる。高圧スイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴ、ＧＣＴ、ＳｉＣで形成されたＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いることができ、低圧低損失スイッチング素子としては、ＧａＮで形成されたＦＥＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いることができる。
さらに、本発明の電力変換装置は、図７に示す電力変換装置５０１のように、正側スター変換部１６１Ｐ、負側スター変換部１６１Ｎが、直列に接続された２つコンデンサ２０３と、スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔとがそれぞれ並列に接続された構成であってもよい。スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔは、スイッチとしてのハイハイサイドスイッチＳＡ及びハイローサイドスイッチＳＢ（ハイサイドスイッチ直列体ともいう）と、ローハイサイドスイッチＳＣ及びローローサイドスイッチＳＤ（ローサイドスイッチ直列体ともいう）の４つが直列に接続された構成である。そのため、各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔにおいて、直列に接続されたスイッチを構成するスイッチング素子の耐圧の総和が、上記の実施形態より高く、さらには、単位変換器１０８、１０９のスイッチを構成するスイッチング素子の耐圧より高くできる。スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔは、ハイサイドスイッチ直列体及びローサイドスイッチ直列体のスイッチ接続点、すなわち、ハイローサイドスイッチＳＢと、ローハイサイドスイッチＳＣとのスイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔが単位変換器１０８、１０９に接続されている。各アームがスイッチを直列に接続された構成である。電力変換装置５０１は、このようにすることで、より高い電圧を出力でき、且つ、正側スター変換部１６１Ｐ（負側スター変換部１６１Ｎ）の出力電圧範囲と直列に接続された３つの単位変換器１０８（単位変換器１０９）の出力電圧の合計値の範囲をほぼ同じにできる。すなわち、スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔの内の少なくとも１つ以上の出力電圧の最大値と、当該スター変換レグに接続された単位変換器１０８（単位変換器１０９）（この実施例では３つの単位変換器）の出力電圧の合計値の最大値とを略同じにすることができる。これは、各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔにおいて直列に接続されたスイッチの数が増えたことで、スイッチの耐圧の総和が増え、より高い直流の電圧にも耐えられるようになり、コンデンサ２０３としてより容量の大きいコンデンサを用いることができるようになったからである。そして、正側スター変換部１６１Ｐ（負側スター変換部１６１Ｎ）のコンデンサのコンデンサ電圧（この変形例の場合、直列に接続された２つのコンデンサ２０３の合計電圧）、すなわち、スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔの内の少なくとも１つ以上の両端の直流電圧と、当該スター変換レグに接続された３つの単位変換器１０８（単位変換器１０９）内のレグの両端の直流電圧の合計値とを略等しくできる。本実施例は、スイッチを直列にすることにより高電圧を出力できるというメリットがある。より高い電圧を出力するために、直列に接続したコンデンサ２０３やアームにおいて直列に接続したスイッチの数をさらに増やしてもよい。正側スター変換部１６１Ｐ、負側スター変換部１６１Ｎは、ＮＰＣ３レベル変換器とは異なり、２レベルの電圧を出力する。
上記の実施形態では、正側スター変換部１５０Ｐ（負側スター変換部１５０Ｎ）が第１所定電圧（第２所定電圧）とゼロとを出力できる２レベル変換器である場合について説明したが、本発明はこれに限られず、例えば、図８に示す電力変換装置６０１のように、正側スター変換部１６２Ｐ、負側スター変換部１６２Ｎが、各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔがスイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔと中性点との間に後述する３種類の電圧を出力する３レベル変換器であってもよい。
この場合、例えば、正側スター変換部１６２Ｐは、スイッチとしてのハイハイサイドスイッチＳＡ、ハイローサイドスイッチＳＢ、ローハイサイドスイッチＳＣ、ローローサイドスイッチＳＤの４つが直列に接続された構成のスター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔと、直列に接続されたハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌとでなる３つのコンデンサ直列体とが並列に接続された構成である。さらに正側スター変換部１６２Ｐは、２つのダイオードＤを直列に接続した３つのダイオード直列体が、各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４ＴのハイハイサイドスイッチＳＡとハイローサイドスイッチＳＢの接続点及びローハイサイドスイッチＳＣとローローサイドスイッチＳＤの接続点の間に、それぞれ逆並列に接続され、ダイオード直列体の各ダイオードＤの接続点と、ハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌの接続点とが導線１２０によって接続されている。負側スター変換部１６２Ｎも同様の構成である。
正側スター変換部１６２Ｐの各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔは、制御回路によるスイッチの制御によって、スイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔと第１中性点ＮＰ１との間に、第１所定電圧としてハイサイドコンデンサ２０３Ｈの出力電圧を出力し、第３所定電圧としてハイサイドコンデンサ２０３Ｈとローサイドコンデンサ２０３Ｌの出力電圧の合計値を出力できる。同様に、負側スター変換部１６２Ｎの各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔは、制御回路によるスイッチの制御によって、スイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔと第２中性点ＮＰ２との間に、第２所定電圧としてハイサイドコンデンサ２０３Ｈの出力電圧を出力し、第４所定電圧としてハイサイドコンデンサ２０３Ｈとローサイドコンデンサ２０３Ｌの出力電圧の合計値を出力できる。このようにすることで、電力変換装置６０１は、正側スター変換部及び負側スター変換部が２レベル変換器である場合よりも多レベルの電圧を出力することができ、２レベル変換器のみを用いて同じレベル数の電圧を出力しようとする場合と比較して、装置を小型化できる。
また、図９に示す電力変換装置６０２のように、図１に示す電力変換装置１０１の正側スター変換部１５０Ｐと負側スター変換部１５０Ｎとを、上述の３レベル変換器である正側スター変換部１６２Ｐ及び負側スター変換部１６２Ｎに変えた構成としてもよい。この場合、正側電力変換部１３８Ｐは、正側スター変換部１６２Ｐと３つの単位変換器１０８とを備え、正側スター変換部１６２Ｐの各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔのスイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔに、単位変換器１０８がそれぞれ直列に接続された構成である。そして、負側電力変換部１３８Ｎは、負側スター変換部１６２Ｎと３つの単位変換器１０９とを備え、負側スター変換部１６２Ｎの各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔのスイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔに、単位変換器１０９がそれぞれ直列に接続された構成である。正側スター変換部１６２Ｐの各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔには、単位変換器１０８がそれぞれ１つ直列に接続されているが、本発明はこれに限られず、各スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔに直列に接続される単位変換器１０８の数は２つでもよく、３つ以上でもよい。負側スター変換部１６２Ｎと単位変換器１０９についても同様である。
この実施形態の場合、正側スター変換部１６２Ｐ及び負側スター変換部１６２Ｎのハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌとを同じコンデンサで構成しているので、第１所定電圧と第２所定電圧は等しく、第３所定電圧と第４所定電圧は等しい。なお、３レベル変換器としての正側スター変換部１６２Ｐ、負側スター変換部１６２Ｎの構成は、特に限定されない。正側スター変換部１６２Ｐ、負側スター変換部１６２Ｎの３つのコンデンサ直列体を１つのコンデンサ直列体に統合してもよい。
また、第１所定電圧と第２所定電圧とを異なるようにし、第３所定電圧と第４所定電圧とを異なるようにしてもよい。この場合、正側スター変換部１６２Ｐのハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌと、負側スター変換部１６２Ｎのハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌとを定格電圧が異なるコンデンサを用いて構成し、出力電圧を異なるようにする。例えば、正側スター変換部１６２Ｐのハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌの出力電圧が１．８ｋＶとなるようにし、負側スター変換部１６２Ｎのハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌの出力電圧が０．６ｋＶとなるようにする。このようにすることで、正側スター変換部１６２Ｐが、１．８ｋＶ（第１所定電圧）、３．６ｋＶ（第３所定電圧）、０を出力し、負側スター変換部１６２Ｎが、１．２ｋＶ（第２所定電圧）、０．６ｋＶ（第４所定電圧）、０を出力できる。その結果、電力変換装置６０１は、０．６ｋＶ刻みの９レベルで表された交流電圧を出力できる。
上記の実施形態では、単位変換器１０８、１０９として双方向チョッパ回路を用いた場合について説明したが、本発明はこれに限られず、コンデンサやバッテリなどのエネルギー貯蔵素子を備え、少なくとも２端子の回路で、かつ、２端子間に少なくとも正又はゼロの電圧を出力できる回路であってもよい。例えば、図１０に示す単位変換器７０８のように、フルブリッジ回路方式であってもよい。この単位変換器は、今まで説明してきたいずれの電力変換装置にも適用できる。単位変換器７０８は、ハイサイドスイッチ７０２ＸＨ、７０２ＹＨ、ローサイドスイッチ７０２ＸＬ、７０２ＹＬを制御することで、正負の所定電圧±Ｖとゼロとの３種類の電圧を出力できる３レベル変換器である。本発明の電力変換装置は、単位変換器７０８を用いることで端子Ｐ、端子Ｎ間の極性を逆転させることができる。このフルブリッジ回路構成は、正側スター変換部及び負側スター変換部のスター変換レグにも適用でき、その場合、直列に接続されたハイサイドスイッチ７０２ＸＨ及びローサイドスイッチ７０２ＸＬと、直列に接続されたハイサイドスイッチ７０２ＹＨ及びローサイドスイッチ７０２ＹＬとを並列に接続した構成がスター変換レグとなる。例えば、ハイサイドスイッチ７０２ＸＨ及びローサイドスイッチ７０２ＸＬの接続点Ｘを第１中性点ＮＰ１又は第２中性点ＮＰ２に接続し、ハイサイドスイッチ７０２ＹＨ及びローサイドスイッチ７０２ＹＬのスイッチ接続点Ｙを三相交流の各相のいずれかに接続するようにする。そして、このようなスター変換レグ３つと、コンデンサ７０３を少なくとも１つ以上並列となるように接続する。このようなスター変換レグを３つ、少なくとも１つのコンデンサと共に並列に接続することで、スイッチ接続点Ｙと中性点との間に３種類の電圧を出力できる３レベル変換器である正側スター変換部及び負側スター変換部を構成できる。
上記の実施形態では、電力変換装置１０１で変換した三相交流を図示しない変圧器を介して三相交流系統１１１に連系する場合について説明したが、本発明はこれに限られず、電力変換装置１０１が変圧器を備えるようにしてもよい。例えば、図１１に示す電力変換装置８０１では、交流接続部として、特許第６１２１５８２号に開示されている変圧器と同様の変圧器１０３を備えるようにし、電力の変換に加えて電力変換装置８０１で変圧もして、直流電力から変換した交流電力を三相交流系統１１１に直接連系するようにしている。電力変換装置８０１は、変圧器１０３を設けることで、リアクトル１１２を省略することができる。電力変換装置８０１は、正側スター変換部１６０Ｐの各スター変換レグのスイッチ接続点が、変圧器１０３の端子ＲＰ、ＳＰ、ＴＰにそれぞれ接続され、各スイッチ接続点と端子ＲＰ、ＳＰ、ＴＰとの間に単位変換器１０８が設けられている。さらに、電力変換装置８０１は、負側スター変換部１６０Ｎの各スター変換レグのスイッチ接続点が、変圧器１０３の端子ＲＮ、ＳＮ、ＴＮにそれぞれ接続され、各スイッチ接続点と端子ＲＮ、ＳＮ、ＴＮとの間に単位変換器１０９が設けられている。
このようにして、正側スター変換部１６０Ｐのスター変換レグと、負側スター変換部１６０Ｎのスター変換レグとの間に、各スター変換レグに電圧を出力する変圧器１０３が直列に接続されている。なお、変圧器１０３に変えて、電力変換装置に交流接続部として、交流電圧源を挿入するようにしてもよい。この場合、後述する正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮとの6つの巻き線に換えて、交流電圧源をそれぞれ接続する。
電力変換装置８０１に設ける変圧器１０３の構成の一例を説明する。電力変換装置８０１は、図４に示す電力変換装置１０１０に変圧器１０３を設けたものである。変圧器１０３は、鉄心１０４Ｒ、１０４Ｓ、１０４Ｔと、１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲと、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮとを備えている。
正側２次巻線１０６ＲＰは、鉄心１０４Ｒに巻回され、正側２次巻線１０６ＳＰは、鉄心１０４Ｓに巻回され、正側２次巻線１０６ＴＰは、鉄心１０４Ｔに巻回されている。正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰは、一端が端子ＲＰ、ＳＰ、ＴＰを介して、正側電力変換部１３１Ｐの単位変換器１０８と接続され、他端が負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮに接続されている。さらに、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰの他端は、接続点Ｍに接続されてＹ結線されている。
負側２次巻線１０６ＲＮは、鉄心１０４Ｒに巻回され、負側２次巻線１０６ＳＮは、鉄心１０４Ｓに巻回され、負側２次巻線１０６ＴＮは、鉄心１０４Ｔに巻回されている。負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮは、一端が端子ＲＮ、ＳＮ、ＴＮを介して、負側電力変換部１３１Ｎの単位変換器１０９と接続され、他端が正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰに接続されている。さらに、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮの他端は、接続点Ｍに接続されてＹ結線されている。
このようにＹ結線された正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰの中性点と、Ｙ結線された負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮの中性点とが、接続点Ｍで電気的に接続されている。そして、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮとは、相毎に互いに逆極性となるように磁気結合している。このようにすることで、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰが発生する直流起磁力と、負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮが発生する直流起磁力とを相殺でき、鉄心１０４Ｒ、１０４Ｓ、１０４Ｔに直流磁束が発生しないようにできる。
さらに、鉄心１０４Ｒ、１０４Ｓ、１０４Ｔには１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲが巻回されている。１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲはΔ結線され、三相交流系統１１１に接続されている。
図１１に示す変圧器１０３では、１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲは正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと同極性となるように磁気結合しているが、１次巻線１０５ＲＳ、１０５ＳＴ、１０５ＴＲが負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮと同極性となるように磁気結合させた場合も、同様の効果を得ることができる。
また、交流接続部として、変圧器１０３に変えて、図１２に示す電力変換装置９０１のように、国際公開第ＷＯ２０１０／１１６８０６号に開示されている変圧器と同様の変圧器８００を備えるようにしてもよい。変圧器８００は、変圧器１０３とは、正側２次巻線１０６ＲＰ、１０６ＳＰ、１０６ＴＰと負側２次巻線１０６ＲＮ、１０６ＳＮ、１０６ＴＮとの間の結線が異なり、互いに違う相の巻線と磁気的に結合している点が異なる。変圧器８００では、正側２次巻線１０６ＲＰと負側２次巻線１０６ＴＮとが結線され、正側２次巻線１０６ＳＰと負側２次巻線１０６ＲＮとが結線され、正側２次巻線１０６ＴＰと負側２次巻線１０６ＳＮとが結線された変圧器となっている。このような結合形態にすることにより、直流磁束を相殺して変圧器８００が飽和することを防止できる。
図１２に示す電力変換装置９０１は、正側電力変換部１３０Ｐと、負側電力変換部１３６Ｎとの間に、変圧器８００が挿入された構成をしている。負側電力変換部１３６Ｎは、図１に示す負側電力変換部１３０Ｎとは、単位変換器１０９を有していない点が異なっているが、他の構成は同じである。上記の実施形態では、正側電力変換部及び負側電力変換部から出力される交流電圧波形が逆極性であった。一方で、電力変換装置９０１のような構成とすることで、正側電力変換部１３０Ｐ及び負側電力変換部１３６Ｎから出力される交流電圧波形が同極性となる。
例えば、電力変換装置９０１では、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒと単位変換器１０８が、端子Ｐと端子Ｎとの間に出力したい直流電圧と、変圧器８００の２次巻線１０６ＲＮに出力したい電圧の差分の電圧を出力するように制御する。このような出力形態に制御することにより、電力変換装置９０１は、任意の交流電圧と任意の直流電圧を出力できる。なお、電力変換装置９０１では、正側電力変換部１３０Ｐが単位変換器１０８を有しているが、正側電力変換部１３０Ｐから単位変換器１０８を除去し、負側電力変換部１３６Ｎを、単位変換器１０９を有する負側電力変換部１３０Ｎに置き換えてもよい。
また、２つの正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎの出力電圧を違えてもよい。この場合、例えば、正側スター変換部１５０Ｐのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔを６．５ｋＶ耐圧のパワー半導体素子（スイッチング素子）２直列構成、負側スター変換部１５０Ｎのスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔを６．５ｋＶ耐圧のパワー半導体素子（スイッチング素子）１直列構成、単位変換器１０８のスイッチを３．３ｋＶ耐圧のパワー半導体素子１直列構成として、それぞれのコンデンサの出力電圧を約７．２ｋＶ（正側スター変換部１５０Ｐのコンデンサ１５９）、約３．６ｋＶ（負側スター変換部１５０Ｎのコンデンサ１５９）、約１.８ｋＶ（単位変換器１０８のコンデンサ）にすれば、少ない段数で８レベルの電圧出力が可能なほか、変圧器８００の各２次巻線に国内配電系統や、モータの主要定格電圧である６．６ｋＶを出力することができる。なお、本明細書における変圧器とは２次巻線が交流磁束と鎖交する構造を有することを持って、変圧器の要件とする。
上記の実施形態では、本発明の電力変換装置で、交流電力から直流電力に変換する場合、直流電力から交流電力に変換する場合について説明したが、これに限られず、交流電圧から交流電圧に変換する（ＡＣ／ＡＣコンバータ）場合にも適用できる。実際上、図１に示す電力変換装置１０１を２つ用意し、２つの電力変換装置１０１の端子Ｐ同士と端子Ｎ同士とを接続することで、電力が交流―直流−交流の順に変換され、ＡＣ／ＡＣコンバータを構成することができる。
この場合、２つの電力変換装置１０１の正側スター変換部１５０Ｐのコンデンサ１５９同士の間に導線を設け、コンデンサ１５９同士を電気的に並列に接続しても他の電力変換装置１０１の正側スター変換部１５０Ｐのコンデンサ１５９の間に導線を設け、コンデンサ１５９同士が電気的に並列になるようにしても、２つの電力変換装置１０１の端子Ｐ同士、端子Ｎ同士を接続した場合と等価である。そして、このような並列に接続された２つコンデンサ１５９は、１つのコンデンサ１５９に置き換えることができる。
図１３に示す電力変換装置１００１は、このように２つの電力変換装置の端子Ｐ同士、端子Ｎ同士を接続し、２つの正側スター変換部１５０Ｐ、１５０Ｐ’のコンデンサを導線６１１で並列に接続し、並列接続の２つのコンデンサを１つのコンデンサ１５９に置き換えた構成である。電力変換装置１００１では、同様に、２つ負側スター変換部１５０Ｎ、１５０Ｎ’のコンデンサを導線６１１で並列に接続し、並列接続の２つのコンデンサ１５９を１つのコンデンサ１５９に置き換えている。
このように電力変換装置１００１では、一の正側スター変換部１５０Ｐと他の正側スター変換部１５０Ｐ’とがコンデンサ１５９を共有し、一の負側スター変換部１５０Ｎと他の負側スター変換部１５０Ｎ’とがコンデンサ１５９を共有しているような構成となっている。実際には、電力変換装置１００１は、入力側の三相交流系統１１１のＲ相、Ｓ相、Ｔ相がハイサイドスイッチとローサイドスイッチのスイッチ接続点にそれぞれ接続されたスター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔと、出力側の三相交流系統１１１ａのｕ相、ｖ相、ｗ相がハイサイドスイッチとローサイドスイッチのスイッチ接続点にそれぞれ接続されたスター変換レグ１５３Ｒ’、１５３Ｓ’、１５３Ｔ’と、コンデンサ１５９とが並列に接続された正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎとを有する構成となっている。この場合、コンデンサ１５９を１つに集約できるので装置を小型化できる。スター変換レグ１５３Ｒ’、１５３Ｓ’、１５３Ｔ’のハイサイドスイッチとローサイドスイッチのスイッチ接続点が出力側の三相交流系統１１１ａのｕ相、ｖ相、ｗ相に接続されている場合について説明したが、例えば三相交流モータのｕ相、ｖ相、ｗ相にそれぞれ接続されるようにしてもよい。
さらに、電力変換装置１００１では、正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎに入力される交流電力が、出力側の三相交流系統１１１ａに接続されたスター変換レグ１５３Ｒ’、１５３Ｓ’、１５３Ｔ’を介して出力側の三相交流系統１１１ａに供給されて相殺される。したがって、コンデンサ１５９を個別設置した際のコンデンサ容量よりもさらにコンデンサ容量の削減が可能である。
さらに、上記の実施形態では、レグ１０７Ｒを流れるアーム電流ＩＲＰの直流電流成分は、正側スター変換部１５０Ｐと単位変換器１０８とで共通であり、アーム電流ＩＲＮの直流電流成分は、負側スター変換部１５０Ｎと単位変換器１０８とで共通であった。レグ１０７Ｓ、レグ１０７Ｔについても同様である。したがって、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎと単位変換器１０８、１０９とが出力する直流電力の比は正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎと単位変換器１０８、１０９と出力する直流電圧比に等しい。定常状態では、受け取る交流電力と出力する直流電力は等しいので、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎと単位変換器１０８、１０９と受け取る交流電力の比は、正側スター変換部１５０Ｐ、負側スター変換部１５０Ｎと単位変換器１０８、１０９との出力する直流電圧比と大略同じである必要があった。しかし、本実施例の電力変換装置１００１では、導線６１１が直流電流成分をバイパスする経路となるため、その制約に縛られる必要がない。したがって、正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎでより多くの交流電力を受け取り、単位変換器１０８、１０９の交流電力を少なくすることによって、直流電流を削減できるという効果がある。
図１４Ａは、横軸が時間で縦軸が電圧であり、端子１０２Ｒと端子Ｐとの間に出力したい電圧の電圧波形１０１１と、正側スター変換部１５００Ｐのスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧の電圧波形１０１２とを示すグラフであり、図１４Ｂは、横軸が時間で縦軸が電圧であり、スター変換レグ１５３Ｒに接続された単位変換器１０８の出力電圧の電圧波形１０１３を示すグラフである。端子１０２Ｒと端子Ｐとの間に電圧波形１０１１のような電圧を出力しようとする場合、スター変換レグ１５３Ｒは、出力電圧の波形が単パルス波形となるのが望ましいので、例えば電圧波形１０１２のような単パルスを出力する。実際上、スター変換レグ１５３Ｒの制御回路（不図示）が、スター変換レグ１５３Ｒのスイッチを制御し、スター変換レグ１５３Ｒに単パルスを出力させる。そのため、単位変換器１０８は、例えば電圧波形１０１３のように、端子１０２Ｒと端子Ｐとの間に出力したい電圧とスター変換レグ１５３Ｒの出力電圧との差電圧を出力するように制御される。単位変換器１０８が複数個直列に接続されている場合は、各単位変換器１０８の出力電圧の合計値をこのように制御する。
電力変換装置１００１では、このように、スター変換レグ１５３Ｒと単位変換器１０８が大略同じ電圧波形を出力する場合、単位変換器１０８の出力電圧は出力したい出力電圧の１／２となる。電圧波形１０１３の交流基本波成分は、出力したい電圧波形１０１１の１／２の電圧より明らかに小さい。単位変換器１０８の交流電力が小さくなるので、単位変換器１０８出力直流電力が小さくすみ、単位変換器１０８直流電流を小さくできる。さらに、スター変換レグ１５３Ｒは、１パルススイッチングとなるのでスイッチング損失を低減できるメリットがある。さらに、力率１運転においては、スター変換レグ１５３Ｒはゼロ電流スイッチングとなり、理想的にはスイッチング損失が発生しない。以上のように、電力変換装置１００１では、さらに損失低減効果が期待できる。
また、図１５に示す電力変換装置１１０１のように、正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎの各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔを構成するハイサイドスイッチ２００Ｈ及びローサイドスイッチ２００Ｌのハイサイドスイッチング素子２０１Ｈ及びローサイドスイッチング素子２０１Ｌを高耐圧ＩＧＢＴにし、ハイサイドスイッチ２００Ｈ、ローサイドスイッチ２００Ｌを、Ｓｉ基板上にＧａＮで形成されたＦＥＴなどの低圧低損失スイッチング素子２５０Ｈ、２５０Ｌで構成するようにした単位変換器１８８、１８９で単位変換器１０８、１０９を置き換えてもよい。電力変換装置１１０１では、リアクトルの代わりに変圧器１０３が設けられている。
このように電力変換装置１１０１では、上記のように出力電圧として単パルスを順次出力していく１パルス駆動となるように制御するため、スイッチング回数が比較的少ない各スター変換レグ１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔのスイッチとして、導通損失は小さいがスイッチング損失が大きい高耐圧ＩＧＢＴ（スイッチング素子）を用い、比較的にスイッチング回数の多い単位変換器１８８、１８９のスイッチとして、スイッチング損失の小さな低圧低損失スイッチング素子を用いているので、パワー半導体素子の直列接続などの特殊な技術を用いることなく低損失な電力変換ができる。さらに、ＧａＮで形成されたＦＥＴがダブルゲート型の双方向導通型のＦＥＴであれば、さらに低損失を実現できる。さらに、当該ＦＥＴが安価なＳｉ上に形成されていれば経済的な負担も小さい。
電力変換装置１００１の正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎは、２レベル変換器であるが、上記の実施形態と同様に、電力変換装置１００１の正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎを３レベル変換器にすることもできる。例えば図１６に示す電力変換装置１３０１は、３レベル変換器である正側スター変換部１５００Ｐ、負側スター変換部１５００Ｎと、正側の変圧器１０３と、負側の変圧器１０３とを備えている。
電力変換装置１３０１では、正側スター変換部１８００Ｐが、スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔと、スター変換レグ１５４Ｒ’、１５４Ｓ’、１５４Ｔ’と、ハイサイドコンデンサ１５９Ｈとローサイドコンデンサ１５９Ｌとが直列に接続されたコンデンサ直列体とが並列に接続された構成を有する。スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔは、ハイハイサイドスイッチＳＡ、ハイローサイドスイッチＳＢ、ローハイサイドスイッチＳＣ、ローローサイドスイッチＳＤの４つが直列に接続された構成を有し、ハイローサイドスイッチＳＢ及びローハイサイドスイッチＳＣ間のスイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔが入力側の変圧器１０３の端子ＲＰ、ＳＰ、ＴＰにそれぞれ接続され、入力側の三相交流系統１１１のＲ相、Ｓ相、Ｔ相が入力側の変圧器１０３を介して、スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔのスイッチ接続点１５２Ｒ、１５２Ｓ、１５２Ｔにそれぞれ接続されている。
スター変換レグ１５４Ｒ’、１５４Ｓ’、１５４Ｔ’は、ハイハイサイドスイッチＳＡ、ハイローサイドスイッチＳＢ、ローハイサイドスイッチＳＣ、ローローサイドスイッチＳＤの４つが直列に接続された構成を有し、ハイローサイドスイッチＳＢ及びローハイサイドスイッチＳＣ間のスイッチ接続点１５２Ｒ’、１５２Ｓ’、１５２Ｔ’が出力側の変圧器１０３の端子ＲＰ、ＳＰ、ＴＰにそれぞれ接続され、出力側の三相交流系統１１１のｕ相、ｖ相、ｗ相が出力側の変圧器１０３を介して、スター変換レグ１５４Ｒ’、１５４Ｓ’、１５４Ｔ’のスイッチ接続点１５２Ｒ’、１５２Ｓ’、１５２Ｔ’にそれぞれ接続されている。さらに、スター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔと、スター変換レグ１５４Ｒ’、１５４Ｓ’、１５４Ｔ’とは、２つのダイオードＤを直列に接続したダイオード直列体が、ハイハイサイドスイッチＳＡとハイローサイドスイッチＳＢの接続点及びローハイサイドスイッチＳＣとローローサイドスイッチＳＤの接続点の間に、それぞれ逆並列に接続されている。そして、各ダイオード直列体のダイオードＤ同士の接続点とハイサイドコンデンサ１５９Ｈ及びローサイドコンデンサ１５９Ｌの接続点とが導線６１１ｂによって接続されている。負側スター変換部１８００Ｎも同様の構成である。
このように構成することで、正側スター変換部１８００Ｐのスター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔ、１５４Ｒ’、１５４Ｓ’、１５４Ｔ’は、第１所定電圧、第３所定電圧、又はゼロを出力でき、負側スター変換部１８００Ｎのスター変換レグ１５４Ｒ、１５４Ｓ、１５４Ｔ、１５４Ｒ’、１５４Ｓ’、１５４Ｔ’は、第２所定電圧、第３所定電圧、又はゼロを出力できる。第１所定電圧及び第２所定電圧が同じ電圧で、第３所定電圧及び第４所定電圧が同じ電圧となるようにしてもよく、第１所定電圧、第２所定電圧、第３所定電圧、第４所定電圧が、異なる値となるようにしてもよい。
例えば、正側スター変換部１８００Ｐのハイサイドコンデンサ１５９Ｈ及びローサイドコンデンサ１５９Ｌの出力電圧が１．８ｋＶとなるようにし、負側スター変換部１８００Ｎのハイサイドコンデンサ２０３Ｈ及びローサイドコンデンサ２０３Ｌの出力電圧が０．６ｋＶとなるようにする。このようにすることで、正側スター変換部１８００Ｐが、１．８ｋＶ（第１所定電圧）、３．６ｋＶ（第３所定電圧）、０を出力し、負側スター変換部１８００Ｎが、１．２ｋＶ（第２所定電圧）、０．６ｋＶ（第４所定電圧）、０を出力できる。その結果、電力変換装置１３０１は、三相交流系統１１１の交流電圧を変換し、０．６ｋＶ刻みの９レベルで表された交流電圧を出力側の三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相の各相に出力できる。
（４）本発明の電力変換装置の用途
本発明の電力変換装置は、例えば、太陽光や風力などの発電機で発電した電力を電力系統へと供給するための発電システム、交流モータや直流モータを駆動するためのモータドライブシステム、電力系統同士を接続するための電力連系システムなどに用いられる。発電システムでは、例えば、発電機で発電した直流電力を交流電力に変換するインバータとして用いる。
発電システムでは、例えば、図１に示す電力変換装置１０１の端子Ｐと端子Ｎとの間にコンデンサを挿入し、端子Ｐと端子Ｎとを発電機で発電された直流電圧の入力端子とする。そして、端子Ｐと端子Ｎとに発電機を接続し端子１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔを電力系統に接続し、電力変換装置を介して、発電機と電力系統とを接続する。発電システムは、電力変換装置１０１に、電力変換装置１０１に入力された直流電圧を、系統電圧に所定電圧を加えた電圧に変換させ、電力変換装置１０１から電力系統に出力させる制御装置を備えていてもよい。
モータドライブシステムでは、本発明の電力変換装置を介して、電源とモータとが接続され、電源としての直流電圧源の直流電圧を交流電圧に変換して交流モータに供給するためのインバータ、電源としての交流電圧源の交流電圧を直流電圧に変換して直流モータに供給するためのコンバータ、電源としての電力系統の交流電圧を所定の交流電圧に変換してモータに供給するＡＣ／ＡＣコンバータなどとして用いられる。このとき、モータドライブシステムでは、電力変換装置の出力電圧などを制御してモータの回転数を制御する制御装置を備えていてもよい。
電力連系システムでは、本発明の電力変換装置を介して、電力系統同士が接続され、電力系統間で電力の送電・受電が行われる。例えば、図１に示す電力変換装置１０１を２つ用意し、一の電力変換装置１０１と、他の電力変換装置１０１との端子Ｐ同士及び端子Ｎ同士を電線で接続し、電力変換装置１０１間を直流で送電し、２つの電力系統を連系するようにしてもよい。また、例えば、図１３に示す電力変換装置１００１のようなＡＣ／ＡＣコンバータ型の電力変換装置を用い、電力変換装置１００１を介して２つの電力系統を直接連系するようにしてもよい。
１０１ 電力変換装置
１０２Ｒ、１０２Ｓ、１０２Ｔ 端子
１０７Ｒ、１０７Ｓ、１０７Ｔ レグ
１０８、１０９ 単位変換器
１１０ 直流装置
１１１ 三相交流系統
１１２ リアクトル
１５１Ｒ、１５１Ｓ、１５１Ｔ スイッチ接続点
１５３Ｒ、１５３Ｓ、１５３Ｔ スター変換レグ
１５０Ｐ 正側スター変換部
１５０Ｎ 負側スター変換部
１５９、２０４ コンデンサ
ＮＰ１ 第１中性点
ＮＰ２ 第２中性点

Claims (28)

  1. 三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置であって、
    直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとを含むスター変換部と、
    前記スター変換部の各前記スター変換レグと直列に接続された単位変換器とを備え、
    前記スター変換部は、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点に、前記三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続され、３つの前記スター変換レグが接続された接続点が前記スター結線の中性点であり、
    前記単位変換器は、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点にそれぞれ接続されている
    電力変換装置。
  2. 前記単位変換器は、コンデンサを有し、前記単位変換器の前記コンデンサと、前記スター変換部の前記コンデンサとが前記スイッチを介して接続されている
    請求項１に記載の電力変換装置。
  3. 前記スター変換部と前記単位変換器との間で、直流電流が流れる
    請求項１又は２に記載の電力変換装置。
  4. 前記単位変換器は双方向チョッパ回路である
    請求項１〜３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  5. 前記スター変換部は、少なくとも３つのコンデンサを有し、各前記スター変換レグにそれぞれ少なくとも１つの前記コンデンサが並列に接続され、前記コンデンサが並列に接続された各前記スター変換レグを並列に接続している
    請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  6. ２つの前記スター変換部を備え、一の前記スター変換部の前記スター変換レグと、他の前記スター変換部の前記スター変換レグとの間に、前記単位変換器が直列に接続されている
    請求項１〜５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  7. 前記スター変換部は、各前記スター変換レグが前記スイッチ接続点と前記中性点との間に３種類の電圧を出力する３レベル変換器である
    請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  8. 前記スター変換レグのアームは、スイッチが直列に接続されている
    請求項１〜７のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  9. 前記スター変換レグの出力電圧の最大値と、当該スター変換レグに接続された前記単位変換器の出力電圧の合計値の最大値とが略同じである
    請求項１〜８のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  10. 前記スター変換レグの両端の直流電圧と、当該スター変換レグに接続された前記単位変換器内のレグの両端の直流電圧の合計値とが略同じである
    請求項２〜９のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  11. 前記スター変換部の前記スイッチを構成するスイッチング素子の耐圧が、当該スター変換レグに接続された前記単位変換器が有するスイッチを構成するスイッチング素子の耐圧より高い
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  12. ３つの前記スター変換レグは、直列に接続された少なくとも４つの前記スイッチを備え、少なくとも２つの前記スイッチが直列に接続されたハイサイドスイッチ直列体と、少なくとも２つの前記スイッチが直列に接続されたローサイドスイッチ直列体との間のスイッチ接続点に、前記三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続されている
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  13. 直列に接続された少なくとも２つの前記コンデンサが、前記スター変換レグと並列に接続されている
    請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  14. 前記スター変換部は、前記スイッチ接続点が出力側の三相交流の各相のいずれか１つと接続された３つの前記スター変換レグをさらに備える
    請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  15. 前記スター変換レグの前記スイッチを制御する制御回路を備え、前記制御回路が前記スター変換レグに単パルスを出力させる
    請求項１４に記載の電力変換装置。
  16. 一の前記スター変換部の前記スター変換レグと、他の前記スター変換部の前記スター変換レグとの間に、各前記スター変換レグに電圧を出力する交流接続部が直列に接続されている
    請求項６〜１５のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  17. 前記交流接続部が、交流電圧源又は変圧器である
    請求項１６に記載の電力変換装置。
  18. 一の前記スター変換部の前記コンデンサと、他の前記スター変換部の前記コンデンサとは、定格電圧が異なる
    請求項１６又は１７に記載の電力変換装置。
  19. 三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置であって、
    直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとを含む正側スター変換部と負側スター変換部とを備え、
    前記正側スター変換部は、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点に前記三相交流の各相がそれぞれ接続され、３つの前記スター変換レグが接続された接続点が前記スター結線の第１中性点であり、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点と前記第１中性点との間に、第１所定電圧又はゼロを出力し、
    前記負側スター変換部は、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点に前記三相交流の各相がそれぞれ接続され、３つの前記スター変換レグの接続点が前記スター結線の第２中性点であり、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点と前記第２中性点との間に、前記第１所定電圧と異なる第２所定電圧又はゼロを出力する
    電力変換装置。
  20. 前記正側スター変換部が、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点と前記第１中性点との間に、前記第１所定電圧、第３所定電圧、又は、ゼロを出力する３レベル変換器であり、
    前記負側スター変換部が、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点と前記第２中性点との間に、前記第２所定電圧、第４所定電圧、又は、ゼロを出力する３レベル変換器である
    請求項１９に記載の電力変換装置。
  21. 前記正側スター変換部又は前記負側スター変換部の各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点に、単位変換器が接続されている
    請求項１９又は２０に記載の電力変換装置。
  22. 前記正側スター変換部又は前記負側スター変換部の各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点に、単位変換器が接続されており、
    前記単位変換器の出力電圧が、前記第１所定電圧、前記第２所定電圧、前記第３所定電圧、前記第４所定電圧と異なる
    請求項２０に記載の電力変換装置。
  23. 前記正側スター変換部は、前記スイッチ接続点が出力側の三相交流の各相のいずれか１つと接続された３つの前記スター変換レグをさらに備え、
    前記負側スター変換部は、前記スイッチ接続点が前記出力側の前記三相交流の各相のいずれか１つと接続された３つの前記スター変換レグをさらに備える
    請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の電力変換装置。
  24. 三相交流の各相がスター結線された構成を有する電力変換装置であって、
    直列に接続された２つのスイッチを含む３つのスター変換レグと、少なくとも１つのコンデンサとを含み、３つの前記スター変換レグと、前記コンデンサとが並列に接続され、各前記スター変換レグと前記コンデンサとが接続された接続点が前記スター結線の中性点である２つのスター変換部と、
    前記スター変換レグの２つの前記スイッチの間のスイッチ接続点を介して前記スター変換レグと直列に接続された単位変換器とを備え、
    一の前記スター変換部は、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点に、前記三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続されており、
    他の前記スター変換部は、各前記スター変換レグの前記スイッチ接続点に、前記三相交流とは異なる三相交流の各相が前記単位変換器を介してそれぞれ接続されており、
    一の前記スター変換部と他の前記スター変換部が互いに接続されている
    電力変換装置。
  25. 一の前記スター変換部と他の前記スター変換部は、前記コンデンサを共有することで互いに接続されている
    請求項２４に記載の電力変換装置。
  26. 請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電力変換装置を介して、発電機と電力系統とを接続する発電システム。
  27. 請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電力変換装置を介して、電源とモータとを接続するモータドライブシステム。
  28. 請求項１〜２５のいずれか１項に記載の電力変換装置を介して、電力系統同士を接続する電力連系システム。

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