WO2013073678A1 - 中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置 - Google Patents

中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置 Download PDF

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正太 漆畑
正和 宗島
フィ チャン
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Definitions

  • the present invention relates to a neutral point clamp type multi-level power conversion device (hereinafter referred to as an NPC power conversion device), and in particular, prevents a decrease in the response of neutral point potential fluctuation suppression control while ensuring an on-pulse of a switching element.
  • the present invention relates to an NPC power conversion device.
  • the DC voltages V C1 and V C2 of both the positive and negative capacitors C 1 and C 2 are detected, and the bias voltage calculated from the difference (for example, calculated by PID control or the like) is used.
  • the bias voltage calculated from the difference for example, calculated by PID control or the like.
  • Non-Patent Document 1 a method of detecting the operation mode based on the power factor polarity and switching the polarity of the bias voltage based on the detection result is known (see Non-Patent Document 1).
  • an even-order wave of the output frequency of the inverter is applied to the bias value calculated from the difference between the capacitor voltages C 1 and C 2 , and this is applied to the voltage command value V * (V U * , V V * , V W * ).
  • a method of adding is disclosed (for example, see Patent Document 2). This method eliminates the need for power factor polarity detection.
  • JP 05-268773 A (paragraphs [0002] to [0005], FIG. 20) Japanese Patent Laid-Open No. 07-079574 (paragraphs [0037] to [0039], FIG. 1) Japanese Patent Laid-Open No. 06-261551 (paragraphs [0018] to [0044] JP 09-84360 A (paragraphs [0010] to [0015], [0016] to [0018])
  • FIG. 5 is a configuration diagram showing an example of a voltage command value control circuit 3 that combines two conventional control methods (minimum on-pulse width control, neutral point potential fluctuation suppression control).
  • the neutral point potential fluctuation suppression control unit 4 Sex point potential fluctuation suppression control is performed, and finally the minimum on pulse width control is performed in the minimum on pulse control unit 5.
  • the bias voltage (hereinafter referred to as neutral point bias voltage) V NPC added by the neutral point potential fluctuation suppression control unit 4 and the bias voltage (hereinafter referred to as on-pulse bias) added by the minimum on-pulse control unit 5.
  • neutral point bias voltage the bias voltage
  • on-pulse bias the bias voltage added by the minimum on-pulse control unit 5.
  • the range of the voltage command value is divided into a plurality of regions, and the voltage vector of the inverter and its output order are determined and stored in advance according to this region, and are read out corresponding to the region of the voltage command value
  • a method of driving a switching element according to a modulation method and controlling a neutral voltage without being affected by a pulse width limitation is known (for example, see Patent Document 3).
  • this method is an invention for a single-phase NPC power converter, and is limited to permitting only one switching for each change of the output vector, and therefore cannot be used for a three-phase NPC power converter. There was a problem.
  • the present invention has been devised in view of the conventional problems, and one aspect thereof is a gate signal generated by comparing a positive / negative triangular wave carrier and a voltage command value output from a voltage command value control circuit.
  • the neutral point clamp type multi-level power that converts the DC voltage output from a DC power source having a neutral point into an AC voltage that is pulse-width modulated to one of the positive, negative, and neutral potentials
  • the voltage command value control circuit calculates a neutral point potential fluctuation to be added to the voltage command value in order to suppress a voltage fluctuation at a neutral point of the DC power supply.
  • a neutral point bias voltage is determined to determine a suppression control unit, a polarity determination unit that determines the polarity of the neutral point bias voltage, and outputs a polarity signal.
  • Added voltage finger Is a value added to the value, characterized in that and a minimum on-pulse control section for calculating an ON pulse bias voltage polarity is determined based on the polarity signal.
  • the minimum on-pulse control unit when the voltage command value is subjected to pulse width modulation, all phases have a pulse width larger than a preset minimum on-pulse width. It is a “positive” value that should be added to the added voltage command value, and a positive side calculation unit that calculates the minimum positive side bias voltage, and when the voltage command value is subjected to pulse width modulation, all Since the phase has a pulse width greater than the preset minimum on-pulse width, it is a “negative” value to be added to the voltage command value to which the neutral point bias voltage has been added, and the minimum negative A negative-side arithmetic unit that calculates a side bias voltage; and a selection unit that selects and outputs one of the positive-side bias voltage and the negative-side bias voltage based on the polarity signal.
  • one aspect of the neutral point potential fluctuation suppression control unit is a subtraction unit that calculates a deviation voltage between the voltage between the positive electrode and the neutral point of the DC power supply and the voltage between the negative electrode and the neutral point,
  • the power factor polarity of the NPC power converter is determined from the proportional control unit that performs proportional control of the deviation voltage and calculates the magnitude of the neutral point bias voltage, and the output current and output voltage of the NPC power converter.
  • a power polarity determination unit that outputs a power polarity signal, and a switching unit that switches the polarity of the neutral point bias voltage based on the power polarity signal.
  • the present invention it is possible to provide a power conversion device in which the on-pulse bias voltage and the neutral point bias voltage do not interfere with each other.
  • the voltage command value control circuit of the power converter includes a polarity determination unit that determines the polarity of the neutral point bias voltage V NPC calculated by the neutral point potential fluctuation suppression control unit, and this neutral point bias. Based on the polarity of the voltage V NPC , the on-pulse control unit selects the polarity of the on-pulse bias voltage V MPC . As a result, the neutral point bias voltage V NPC and the on-pulse bias voltage V MPC have different polarities, and the mutual bias voltages are prevented from interfering with each other.
  • the NPC power conversion device 2 sequentially includes first, second, third, and fourth switching elements (for example, S U1 , S U2 , S U3) between a positive electrode and a negative electrode of a DC power supply having a neutral point output terminal. , S U4 ) are connected in series, and the connection points of the first and second switching elements S U1 , S U2 and the connection points of the third and fourth switching elements S U3 , S U4 are respectively diodes D, etc.
  • first, second, third, and fourth switching elements for example, S U1 , S U2 , S U3
  • S U4 are connected in series, and the connection points of the first and second switching elements S U1 , S U2 and the connection points of the third and fourth switching elements S U3 , S U4 are respectively diodes D, etc.
  • FIG. 3 shows a three-phase NPC power converter provided with three sets of this single-phase circuit.
  • the switching element includes a gate generated by comparing positive and negative triangular wave carriers output from a carrier generation unit (not shown) with a voltage command value output from a voltage command value control circuit 3 (see FIG. 1). A signal is output.
  • a normal two-level inverter can output only two levels, positive and negative, but the NPC power conversion device 2 can output three voltage levels as follows. (A) When switching elements S U1 and S U2 are on: positive potential of DC power supply (b) When switching elements S U2 and S U3 are on: Zero potential of DC power supply (c) Switching element S U3 When S U4 is on: DC power source is negative potential As a result, the NPC power converter 2 can reduce the harmonics of the output voltage compared to the two-level inverter.
  • the voltage command value control circuit 3 ′ of the power conversion device 1 in the present embodiment includes a current control circuit 7, a neutral point potential fluctuation suppression control unit 4, a polarity determination unit 8, And a control unit 5.
  • the current control circuit 7 outputs the first voltage command value V * to the first adder 9.
  • the neutral point potential fluctuation suppression control unit 4 inputs the capacitor voltages V C1 and V C2 (the voltage between the positive and negative points in the DC power supply, the voltage between the neutral and negative points), and the neutral point bias voltage V Output NPC .
  • the neutral point bias voltage V NPC is added to the first voltage command value V * output from the current control circuit 7 in the first addition unit 9 and is output to the polarity determination unit 8.
  • the first voltage command value V * to which the neutral point bias voltage V NPC is added by the first adder 9 is output to the second adder 10 and the minimum on-pulse controller 5 as the second voltage command value V ** . .
  • the polarity discriminating unit 8 discriminates the polarity (positive / negative) of the neutral point bias voltage V NPC and outputs the polarity signal P NPC to the minimum on-pulse control unit 5.
  • the minimum on-pulse controller 5 calculates an on-pulse bias voltage V MPC based on the second voltage command value V ** and the polarity signal P NPC and outputs it to the second adder 10.
  • the second addition unit 10 adds the on-pulse bias voltage V MPC to the second voltage command value V **, and outputs it as the third voltage command value V *** .
  • the third voltage command value V *** is a voltage command value that is compared with the positive and negative triangular wave carriers when the gate signal is generated.
  • the neutral point potential fluctuation suppression control unit 4 includes the detected capacitor voltages V C1 and V C2 of the capacitors C1 and C2 (the voltage between the positive and negative points in the DC power supply, the voltage between the neutral and negative points), and The inverter output voltage Vout and the inverter output current Iout are input.
  • the capacitor voltages V C1 and V C2 are deviated by the subtractor 11 and output to the proportional controller 12 as a deviation voltage ⁇ V C.
  • the deviation voltage ⁇ V C is calculated (eg, PID control) by the proportional control unit 12, and the calculation result is output as the magnitude of the neutral point bias voltage V NPC .
  • the direction of the neutral point potential that is changed by applying the neutral point bias voltage V NPC depends on the polarity of the power factor. Therefore, the power polarity determination unit 13 determines the force from the load or the inverter output voltage Vout and the output current Iout. It performs polarity determination of a rate, and outputs to the switching unit 14 of the determination result as a power polarity signal P D.
  • the switching unit 14 based on the polarity of the power polarity signal P D and the neutral point difference voltage [Delta] V C, selects the polarity of the neutral point bias voltage V NPC.
  • the power polarity signal P D is the value -1 to the output from the proportional controller 12 values are multiplied in the case of "negative” is selected as the neutral point bias voltage V NPC.
  • the polarity signal P D is "positive"
  • the value output from the proportional controller 12 is output as a neutral point bias voltage V NPC.
  • the neutral point bias voltage V NPC generated as described above is converted into the first voltage command values V U * , V V * , and V W * of each phase in the first adder 9. These are added and output as second voltage command values V U ** , V V ** , V W ** . Further, the polarity determination unit 8 determines the polarity of the neutral point bias voltage V NPC .
  • the minimum on-pulse control unit 5 includes a positive side calculation unit 15, a negative side calculation unit 16, and a selection unit 17, and the second voltage command value V ** and the polarity signal P NPC output from the polarity determination unit 8 are Entered.
  • the second voltage command value V ** is input to the positive side calculation unit 15 and the negative side calculation unit 16.
  • the positive-side arithmetic unit 15 has a pulse width larger than the set minimum on-pulse width, so that the second voltage command value V ** Calculate a “minimum” positive bias voltage V PMPC that is a “positive” value to be added to (V U ** , V V ** , V W ** ).
  • the negative-side arithmetic unit 16 has a pulse width larger than the minimum on-pulse width that has been set. “Negative” value to be added to the command value V ** (V U ** , V V ** , V W ** ), and “min” negative bias voltage V NMPC is calculated. .
  • the positive bias voltage V PMPC and the negative bias voltage V NMPC obtained as described above are selected by the selector 17 based on the polarity signal P NPC and output as the on-pulse bias voltage V NPC .
  • the positive side bias voltage V PMPC is selected and output as the on-pulse bias value V MPC .
  • the negative side bias voltage V NMPC is selected and output as the on-pulse bias voltage V MPC .
  • the positive side calculation unit 15 and the negative side calculation unit 16 set the three-phase values of the second voltage command value V ** from the largest to the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin.
  • the positive side calculation unit 15 is a “positive” value to be added because the absolute values of the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin are all equal to or greater than the threshold value, and the minimum positive side A bias voltage V PMPC is calculated.
  • the negative side calculation unit 16 is a “negative” value to be added because the absolute values of the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin are all equal to or greater than the threshold value, and the minimum negative side The bias voltage V NMPC is calculated.
  • one of the positive side bias voltage V PMPC calculated by the positive side arithmetic unit 15 and the negative side bias voltage V NMPC calculated by the negative side arithmetic unit 16 is selected based on the polarity signal P NPC. Select with.
  • the positive side calculation unit 15 has an absolute value of the maximum value Vmax equal to or less than a threshold value (threshold of a voltage command value set so that the gate signal does not become less than the minimum on-pulse width based on the minimum on-pulse width and the carrier frequency). Determine whether or not.
  • a threshold value threshold of a voltage command value set so that the gate signal does not become less than the minimum on-pulse width based on the minimum on-pulse width and the carrier frequency.
  • the absolute value of the intermediate value Vmid is equal to or smaller than the threshold value. If the absolute value of the intermediate value Vmid is equal to or smaller than the threshold value, the absolute value of the intermediate value Vmid is equal to or larger than the threshold value. Therefore, a minimum bias value that is a “positive” value to be added is calculated and added to all of the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin.
  • the absolute value of the minimum value Vmin is equal to or less than the threshold value. If the absolute value of the minimum value Vmin is equal to or less than the threshold value, the absolute value of the minimum value Vmin is equal to or greater than the threshold value. Yes, the minimum bias value is calculated and added to all of the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin.
  • the negative side calculation unit 16 first determines whether or not the absolute value of the maximum value Vmax is equal to or less than a threshold value.
  • the absolute value of the maximum value Vmax is equal to or smaller than the threshold value, the absolute value of the maximum value Vmax is equal to or greater than the threshold value, and is a “negative” value to be added, and the minimum bias value is calculated. Add to all of the intermediate value Vmid and the minimum value Vmin.
  • the absolute value of the intermediate value Vmid is less than or equal to the threshold value. If the absolute value of the intermediate value Vmid is less than or equal to the threshold value, the absolute value of the intermediate value Vmid is greater than or equal to the threshold value. Therefore, a minimum bias value which is a “negative” value to be added is calculated and added to all of the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin.
  • the absolute value of the minimum value Vmin is equal to or smaller than a threshold value.
  • the absolute value of the minimum value Vmin is equal to or greater than the threshold value.
  • the minimum bias value is calculated and added to all of the maximum value Vmax, the intermediate value Vmid, and the minimum value Vmin.
  • one of the positive side bias voltage V PMPC calculated by the positive side arithmetic unit 15 and the negative side bias voltage V NMPC calculated by the negative side arithmetic unit 16 is selected based on the polarity signal P NPC. Select with.
  • V ** and V W ** an on-pulse bias voltage V MPC in the same direction as the neutral point bias voltage V NPC is added. It will be.
  • neutral point bias voltage V NPC and reverse on-pulse bias voltage V MPC are added to weaken the effect of neutral point potential fluctuation suppression control or to increase neutral point potential fluctuation. It is possible to suppress the system from operating.
  • the neutral point by the minimum on-pulse width securing control is determined. It is possible to prevent a decrease in response of the potential fluctuation suppression control (a weakening of the neutral point potential fluctuation suppression control or an increase in the neutral point potential fluctuation due to the on-pulse bias voltage V MPC ).
  • neutral point potential fluctuation control and minimum on-pulse width ensuring control can be performed without increasing the number of times of switching, and increase in power loss due to switching loss or the like can be suppressed. It becomes.
  • the calculation method of the on-pulse bias voltage V MPC and the neutral point bias voltage V NPC has been described in detail using a specific example.
  • the on-state bias voltage V NPC is turned on based on the polarity of the neutral point bias voltage V NPC.
  • Other calculation methods can be applied as long as the polarity of the pulse bias voltage V MPC is selected.

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Abstract

　オンパルスバイアス電圧と中性点バイアス電圧とが互いに干渉しない電力変換装置を提供する。　本発明における電力変換装置１は、電圧指令値制御回路３の中性点電位変動抑制制御部３によって演算された中性点バイアス電圧ＶNPCの極性を判定する極性判別部８を備え、この中性点バイアス電圧ＶNPCの極性に基づいて、オンパルス制御部５によりオンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性を選択するものである。これによって、中性点バイアス電圧ＶNPCとオンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性が異なり、互いのバイアス電圧が干渉することを抑制する。

Description

中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置
　本発明は、中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置（以下、ＮＰＣ電力変換装置と称する）に係り、特に、スイッチング素子のオンパルスを確保しつつ、中性点電位変動抑制制御の応答低下を防止するＮＰＣ電力変換装置に関する。
　従来の一般的なＮＰＣ電力変換装置の構成を図３に示す。以下、図３に基づきＮＰＣ電力変換装置の最小オンパルス幅制御，中性点電位変動抑制制御について説明する。
　〔最小オンパルス幅制御〕
　三相ＮＰＣ電力変換装置２のスイッチング素子ＳU1～ＳU4，ＳV1～ＳV4，ＳW1～ＳW4に、オンパルス幅（時間）の最小値に制限があるスイッチング素子（例えば、ＧＴＯ等）を用いた場合、電圧指令値が零電圧付近に存在する期間では、前記オンパルス幅の最小値の制限よりも短いパルス信号になることがある。このような場合、電圧指令値が零電圧付近に存在する期間、ＧＴＯ等のスイッチング素子ではスイッチングを行うことができず電圧制御が不能となる。
　また、三相ＮＰＣ電力変換装置２に、オンパルス幅の制限が無いスイッチング素子を用いた場合でも、インバータの上下アームの短絡を防止するために設定されたデッドタイムによって、該デッドタイム幅以下の出力パルスは消滅し、その期間においては電圧制御が不能となってしまう。
　上記問題の解決策として、三相電圧指令値の全ての相が予め設定された最小オンパルス幅以上になるように、三相電圧指令値の全ての相に対して、バイアス電圧を加算する方法が知られている（特許文献１参照）。ここで加えられるバイアス電圧は、三相の線間電圧に影響を与えないように三相全て同じ値に設定される。また、このバイアス電圧は、この制御によって中性点電位が変動するのを抑制するため、最小となるように演算される方法が一般的である。
　〔中性点電位変動抑制制御〕
　図３に示すような電力変換装置１において、三相のＮＰＣ電力変換装置２に、直流の中性点の電圧を出力する際、直流中性点には中性点電流Ｉｏが流れる。そのため、この中性点電流Ｉｏによって、中性点を作り出している正側・負側の２つの直流コンデンサ成分の電圧が偏り、中性点電位ＶOに変動が生じる。一般的に、出力交流周波数の３倍の周期で中性点電位ＶOが変動することが知られている。
　これを解決する手段として、正側・負側の両コンデンサＣ1，Ｃ2の直流電圧ＶC1，ＶC2を検出し、その差分から計算（例えば、ＰＩＤ制御等により計算）されたバイアス電圧を三相電圧指令値に等しく加算する方法が知られている。
　例えば、インバータ出力の運転モードが力行時と回生時とで、加算すべきバイアス電圧の方向が入れ替わることを考慮し、図４の中性点電位変動抑制制御部に示すように、インバータ出力（Ｖｏｕｔ，Ｉｏｕｔ）の力率の極性により運転モードを検出し、その検出結果によりバイアス電圧の極性を切り換える方法が知られている（非特許文献１参照）。
　また、コンデンサ電圧Ｃ1，Ｃ2の差分から演算されたバイアス値にインバータの出力周波数の偶数次数波をかけ、それを電圧指令値Ｖ*（ＶU *，ＶV *，ＶW *）に加算する方法が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この方法では、力率極性の検出が不要になる。
特開平０５－２６８７７３号公報（段落［０００２］～［０００５］，図２０） 特開平０７－０７９５７４号公報（段落［００３７］～［００３９］，図１） 特開平０６－２６１５５１号公報（段落［００１８］～［００４４］ 特開平０９－８４３６０号公報（段落［００１０］～［００１５］，［００１６］～［００１８］）
電気学会　半導体電力変換研究会資料　ＳＰＣ－９１－３７
　上記従来の２つの制御方法（最小オンパルス幅制御，中性点電位変動抑制制御）は、共に電圧指令値に対してバイアス値を加算する方法となっている。そのため、両者のバイアス値が互いに干渉することとなる。
　図５は、従来の２つの制御方法（最小オンパルス幅制御，中性点電位変動抑制制御）を組み合わせた電圧指令値制御回路３の一例を示す構成図である。
　図５に示す電圧指令値制御回路３では、最終の（第３）電圧指令値Ｖ***による出力パルスのオンパルス幅を確保するために、まず、中性点電位変動抑制制御部４において中性点電位変動抑制制御を行い、最後に最小オンパルス制御部５において最小オンパルス幅制御を行う。
　その結果、中性点電位変動抑制制御部４で加算されるバイアス電圧（以下、中性点バイアス電圧と称する）ＶNPCと、最小オンパルス制御部５で加算されるバイアス電圧（以下、オンパルスバイアス電圧と称する）ＶMPCと、の極性が異なる場合、中性点バイアス電圧ＶNPCの効果を弱めることや、中性点電位変動を大きくする方向に最小オンパルス幅制御が行われてしまう問題があった。
　また、電圧指令値の範囲を複数の領域に分け、この領域に応じてインバータの電圧ベクトルと、その出力順序を予め決定，記憶しておき、電圧指令値の領域に対応して読み出された変調方法に従って、スイッチング素子を駆動し、パルス幅制限の影響を受けずに、中性点電圧を制御する方法が知られている（例えば、特許文献３参照）。しかし、この方法は、単相ＮＰＣ電力変換装置についての発明であり、出力ベクトルの変更ごとに１回のスイッチングしか許容しないという制限があるため、３相ＮＰＣ電力変換装置には用いることができないという問題があった。
　さらに、キャリア信号にＰｂｉａｓおよびＮｂｉａｓを加え、最小オンパルス幅を確保する方法が知られている（例えば、特許文献４参照）。しかしながら、Ｐｂｉａｓ，Ｎｂｉａｓを加えた期間において、零電圧に近い電圧指令値では上下両方のキャリア信号と交差する可能性があり、スイッチング回数がその期間２倍になるため、スイッチング損失や高調波が増加する恐れがあった。
　また、インバータから出力される相電圧がゼロクロスする時点の前後で、該相電圧が所定期間ゼロ電圧となるように、電圧基準を補正するものが知られている（例えば、特許文献４参照）。この方法の場合、最小オンパルス幅を確保でき、中性点電位変動がおきにくい変調率の大きな時の制御ではあるが、中性点電位変動抑制制御とは異なる方向にバイアスがかかり、中性点電位変動抑制制御の効果が弱まる恐れがあった。
　以上示したようなことから、オンパルスバイアス電圧と中性点バイアス電圧とが互いに干渉しない電力変換装置を提供することが主な課題となる。
　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、正負の三角波キャリアと電圧指令値制御回路から出力された電圧指令値とを比較して生成されたゲート信号に基づいて、中性点を有する直流電源から出力された直流電圧を、正極，負極，中性点のいずれかの電位にパルス幅変調された交流電圧に変換する中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置であって、前記電圧指令値制御回路は、前記直流電源の中性点の電圧変動を抑制するために、電圧指令値に加算される中性点バイアス電圧を算出する中性点電位変動抑制制御部と、前記中性点バイアス電圧の極性を判定し、極性信号を出力する極性判定部と、前記ゲート信号が予め設定された最小オンパルス幅を確保するために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算される値であり、前記極性信号に基づいて正負が決定されたオンパルスバイアス電圧を算出する最小オンパルス制御部と、を備えたことを特徴とする。
　また、前記最小オンパルス制御部の一態様は、電圧指令値をパルス幅変調した際に、全ての相が予め設定された最小オンパルス幅よりも大きなパルス幅となるために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算すべき「正」の値であり、かつ、最小の正側バイアス電圧を算出する正側演算部と、電圧指令値をパルス幅変調した際に、全ての相が予め設定された最小オンパルス幅よりも大きなパルス幅となるために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算すべき「負」の値であり、かつ、最小の負側バイアス電圧を算出する負側演算部と、前記正側バイアス電圧と負側バイアス電圧から一方を前記極性信号に基づいて選択し出力する選択部と、を備えたことを特徴とする。
　また、前記中性点電位変動抑制制御部の一態様は、記直流電源の正極と中性点間の電圧と、負極と中性点間の電圧と、の偏差電圧を演算する減算部と、前記偏差電圧の比例制御を行い、中性点バイアス電圧の大きさを演算する比例制御部と、ＮＰＣ電力変換装置の出力電流と出力電圧とから、ＮＰＣ電力変換装置の力率の極性を判定し、電力極性信号を出力する電力極性判定部と、前記電力極性信号に基づき、中性点バイアス電圧の極性を切り換える切替部と、を備えたことを特徴とする。
　本発明によれば、オンパルスバイアス電圧と中性点バイアス電圧とが互いに干渉しない電力変換装置を提供することが可能となる。
実施形態における電力変換装置の電圧指令値制御回路の一例を示すブロック図である。 実施形態における最小オンパルス制御部のブロック図である。 一般的なＮＰＣ電力変換装置が適用された電力変換装置の一例を示す回路構成図である。 中性点電位変動抑制制御部の一例を示す制御ブロック図である。 従来の電力変換装置における電圧指令値制御回路の一例を示すブロック図である。
　本実施形態における電力変換装置の電圧指令値制御回路は、中性点電位変動抑制制御部によって演算された中性点バイアス電圧ＶNPCの極性を判定する極性判別部を備え、この中性点バイアス電圧ＶNPCの極性に基づいて、オンパルス制御部によりオンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性を選択するものである。これによって、中性点バイアス電圧ＶNPCとオンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性が異なり、互いのバイアス電圧が干渉することを抑制する。
　［実施形態］
　まず、図３に基づき、一般的なＮＰＣ電力変換装置２が適用された電力変換装置１の構成を説明する。ＮＰＣ電力変換装置２は、中性点出力端子を有する直流電源の正極と負極間に、順次、第１，第２，第３，第４のスイッチング素子（例えば、ＳU1，ＳU2，ＳU3，ＳU4）を直列接続すると共に、第１と第２のスイッチング素子ＳU1，ＳU2の接続点および、第３と第４のスイッチング素子ＳU3，ＳU4の接続点がそれぞれダイオードＤなどのクランプ素子を介して前記中性点出力端子に接続されており、第２と第３のスイッチング素子ＳU2，ＳU3の接続点が出力端子とされたものである。図３は、この単相回路を３組設けた３相ＮＰＣ電力変換装置を示している。
　前記スイッチング素子には、キャリア発生部（図示省略）から出力された正負の三角波キャリアと、電圧指令値制御回路３（図１参照）から出力された電圧指令値とを比較して生成されたゲート信号が出力される。通常の２レベルインバータは正負２つのレベルしか出力できないが、このＮＰＣ電力変換装置２では、次のように、３つの電圧レベルを出力することができる。
（ａ）スイッチング素子ＳU1とＳU2がオンの時：直流電源の正の電位
（ｂ）スイッチング素子ＳU2とＳU3がオンの時：直流電源の零の電位
（ｃ）スイッチング素子ＳU3とＳU4がオンの時：直流電源が負の電位
　その結果、ＮＰＣ電力変換装置２は、２レベルインバータと比較して、出力電圧の高調波を少なくすることができる。
　次に、図１に基づき、本実施形態における電力変換装置１の電圧指令値制御回路３´を説明する。図１に示すように、本実施形態における電力変換装置１の電圧指令値制御回路３´は、電流制御回路７と、中性点電位変動抑制制御部４と、極性判別部８と、最小オンパルス制御部５と、を備える。
　前記電流制御回路７は、第１電圧指令値Ｖ*を第１加算部９に出力する。中性点電位変動抑制制御部４は、コンデンサ電圧ＶC1，ＶC2（直流電源における正極と中性点間の電圧，中性点と負極間の電圧）を入力し、中性点バイアス電圧ＶNPCを出力する。この中性点バイアス電圧ＶNPCは、第１加算部９において電流制御回路７から出力された第１電圧指令値Ｖ*に加算されると共に、極性判別部８に出力される。
　前記第１加算部９で中性点バイアス電圧ＶNPCが加算された第１電圧指令値Ｖ*は第２電圧指令値Ｖ**として第２加算部１０および最小オンパルス制御部５に出力される。極性判別部８は、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性（正負）を判別し、極性信号ＰNPCとして、最小オンパルス制御部５に出力する。
　最小オンパルス制御部５は、前記第２電圧指令値Ｖ**と極性信号ＰNPCに基づいて、オンパルスバイアス電圧ＶMPCを算出し、第２加算部１０に出力する。第２加算部１０は、第２電圧指令値Ｖ**にオンパルスバイアス電圧ＶMPCを加算し、第３電圧指令値Ｖ***として出力する。この第３電圧指令値Ｖ***はゲート信号が生成される際に、正負の三角波キャリアと比較される電圧指令値となる。
　次に、図４に基づき本実施形態における中性点電位変動抑制制御部４について説明する。中性点電位変動抑制制御部４には、検出されたコンデンサＣ１，Ｃ２のコンデンサ電圧ＶC1，ＶC2（直流電源における正極と中性点間の電圧，中性点と負極間の電圧）と、インバータ出力電圧Ｖｏｕｔ，インバータ出力電流Ｉｏｕｔと、が入力される。
　前記コンデンサ電圧ＶC1，ＶC2は減算部１１により偏差がとられ、偏差電圧ΔＶCとして比例制御部１２に出力される。この偏差電圧ΔＶCは比例制御部１２により、演算（例えば、ＰＩＤ制御等）が行われ、その演算結果が中性点バイアス電圧ＶNPCの大きさとして出力される。
　中性点バイアス電圧ＶNPCを加えることによって変動する中性点電位の方向は、力率の極性に依存するため、負荷もしくは、インバータ出力電圧Ｖｏｕｔ，出力電流Ｉｏｕｔから、電力極性判定部１３において力率の極性の判定を行い、判定結果を電力極性信号ＰDとして切替部１４に出力する。
　切替部１４では、前記電力極性信号ＰDおよび中性点の偏差電圧ΔＶCの極性に基づいて、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性を選択する。ここでは、電力極性信号ＰDが「負」の場合は比例制御部１２から出力された値に－１が乗算された値が中性点バイアス電圧ＶNPCとして選択される。一方、極性信号ＰDが「正」の場合は、比例制御部１２から出力された値が中性点バイアス電圧ＶNPCとして出力される。
　上記のように生成された中性点バイアス電圧ＶNPCは、図１に示すように、第１加算部９において、各相の第１電圧指令値ＶU *，ＶV *，ＶW *に加算され、第２電圧指令値ＶU **，ＶV **，ＶW **として出力される。また、極性判別部８により、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性が判定される。
　ここで、本実施形態における最小オンパルス制御部５のブロック図を図２に示す。この最小オンパルス制御部５は、正側演算部１５，負側演算部１６，選択部１７を有し、第２電圧指令値Ｖ**と極性判別部８から出力された極性信号ＰNPCとが入力される。
　まず、第２電圧指令値Ｖ**は、正側演算部１５および負側演算部１６に入力される。正側演算部１５では、三相の電圧指令値をパルス幅（ＰＷＭ）変調した際に、全ての相が設定された最小オンパルス幅よりも大きなパルス幅となるために、第２電圧指令値Ｖ**（ＶU **，ＶV **，ＶW **）に対して加算すべき「正」の値であり、かつ、「最小」の正側バイアス電圧ＶPMPCを演算する。
　同様に、負側演算部１６では、三相の電圧指令値をパルス幅（ＰＷＭ）変調した際に、全ての相が設定された最小オンパルス幅よりも大きなパルス幅となるために、第２電圧指令値Ｖ**（ＶU **，ＶV **，ＶW**）に対して加算すべき「負」の値であり、かつ、「最小」の負側バイアス電圧ＶNMPCを演算する。
　上記のように求めた正側バイアス電圧ＶPMPCと負側バイアス電圧ＶNMPCと、を選択部１７で極性信号ＰNPCに基づいて選択し、オンパルスバイアス電圧ＶNPCとして出力する。ここでは、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性が正の場合（極性信号ＰNPCが正の場合）、正側バイアス電圧ＶPMPCが選択され、オンパルスバイアス値ＶMPCとして出力される。一方、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性が負の場合（極性信号ＰNPCが負の場合）、負側バイアス電圧ＶNMPCが選択され、オンパルスバイアス電圧ＶMPCとして出力される。
　次に、第２電圧指令値の絶対値が予め定めた値以下である時の動作について説明する。
　まず、前記正側演算部１５，負側演算部１６は、第２電圧指令値Ｖ**の三相の値を、大きい方から、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎとする。
　そして、前記正側演算部１５は、前記最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの絶対値が全て閾値以上となるために加算すべき「正」の値であり、かつ、最小の正側バイアス電圧ＶPMPCを算出する。
　一方、前記負側演算部１６は、前記最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの絶対値が全て閾値以上となるために加算すべき「負」の値であり、かつ、最小の負側バイアス電圧ＶNMPCを算出する。
　最後に、前記正側演算部１５で算出された正側バイアス電圧ＶPMPC，負側演算部１６で算出された負側バイアス電圧ＶNMPCのうち、一方を極性信号ＰNPCに基づいて選択部１７で選択する。
　以下、第２電圧指令値の絶対値が予め定めた値以下の時の具体的な前記オンパルスバイアス電圧ＶMPCの算出方法を説明する。
　正側演算部１５は、まず、最大値Ｖｍａｘの絶対値が、閾値（最小オンパルス幅およびキャリア周波数に基づいて、ゲート信号が最小オンパルス幅以下にならないように設定された電圧指令値の閾値）以下かどうか判定する。前記最大値Ｖｍａｘの絶対値が閾値以下の場合、最大値Ｖｍａｘの絶対値が前記閾値以上となるために加算すべき「正」の値であり、かつ、最小のバイアス値を算出し、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの全てに加算する。
　次に、最大値Ｖｍａｘの時と同様に、中間値Ｖｍｉｄの絶対値が閾値以下かどうか判定し、該中間値Ｖｍｉｄの絶対値が前記閾値以下の場合、中間値Ｖｍｉｄの絶対値が前記閾値以上となるために加算すべき「正」の値であり、かつ、最小のバイアス値を算出し、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの全てに加算する。
　最小値Ｖｍｉｎの絶対値が前記閾値以下かどうか判定し、該最小値Ｖｍｉｎの絶対値が閾値以下の場合、最小値Ｖｍｉｎの絶対値が閾値以上となるために加算すべき「正」の値であり、かつ、最小のバイアス値を算出し、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの全てに加算する。
　最後に、全てのバイアス値を合計した値を正側バイアス電圧ＶPMPCとして出力する。
　一方、負側演算部１６は、まず、最大値Ｖｍａｘの絶対値が閾値以下かどうか判定する。最大値Ｖｍａｘの絶対値が閾値以下の場合、最大値Ｖｍａｘの絶対値が閾値以上となるために加算すべき「負」の値であり、かつ、最小のバイアス値を算出し、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの全てに加算する。
　次に、最大値Ｖｍａｘの時と同様に、中間値Ｖｍｉｄの絶対値が閾値以下かどうか判定し、該中間値Ｖｍｉｄの絶対値が閾値以下の場合、中間値Ｖｍｉｄの絶対値が前記閾値以上となるために加算すべき「負」の値であり、かつ、最小のバイアス値を算出し、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの全てに加算する。
　最小値Ｖｍｉｎの絶対値が閾値以下かどうか判定し、該最小値Ｖｍｉｎの絶対値が閾値以下の場合、最小値Ｖｍｉｎの絶対値が閾値以上となるために加算すべき「負」の値であり、かつ、最小のバイアス値を算出し、最大値Ｖｍａｘ，中間値Ｖｍｉｄ，最小値Ｖｍｉｎの全てに加算する。
　最後に、全てのバイアス値を合計した値を、負側バイアス電圧ＶNMPCとして出力する。
　最後に、前記正側演算部１５で算出された正側バイアス電圧ＶPMPC，負側演算部１６で算出された負側バイアス電圧ＶNMPCのうち、一方を極性信号ＰNPCに基づいて選択部１７で選択する。
　なお、三相の第２電圧指令値Ｖ**の値が零近傍にはなく、三相全てのゲート信号が予め定めた最小オンパルス幅以上となるとき（すなわち、三相の第２電圧指令値Ｖ**の絶対値が前記閾値以上のとき）は、正側バイアス電圧ＶPMPCおよび負側バイアス電圧ＶNMPCの値は零となり、第２電圧指令値Ｖ**＝第３電圧指令値Ｖ***となる。
　このように、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性を考慮して最小オンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性を選択することにより、三相の第２電圧指令値Ｖ**（＝ＶU **，ＶV **，ＶW **）のうち少なくとも一相以上が零近傍にあり、最小オンパルス制御が働く時には、中性点バイアス電圧ＶNPCと同じ方向のオンパルスバイアス電圧ＶMPCが加算されることとなる。その結果、中性点バイアス電圧ＶNPCと逆方向のオンパルスバイアス電圧ＶMPCが加算されて、中性点電位変動抑制制御の効果を弱めることや、中性点電位変動が大きくなる方向に制御系が動作することを抑制することができる。
　すなわち、ＮＰＣ電力変換装置２の力率の極性と中性点の偏差電圧ΔＶCの極性により、オンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性を決定するようにしたので、最小オンパルス幅確保制御による中性点電位変動抑制制御の応答低下（オンパルスバイアス電圧ＶMPCにより、中性点電位変動抑制制御を弱める、もしくは、中性点電位変動が大きくなること）を防ぐことができる。
　また、本実施形態によれば、スイッチング回数を増やすことなく、中性点電位変動制御および最小オンパルス幅確保制御を行うことができ、スイッチング損失等により電力損失が増大することを抑制することが可能となる。
　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。
　例えば、実施形態では、オンパルスバイアス電圧ＶMPC，中性点バイアス電圧ＶNPCの演算方法について、具体例を用いて詳細に説明したが、中性点バイアス電圧ＶNPCの極性に基づいて、オンパルスバイアス電圧ＶMPCの極性を選択する方法であれば、他の演算方法でも適用可能である。

Claims (3)

  1. 　正負の三角波キャリアと電圧指令値制御回路から出力された電圧指令値とを比較して生成されたゲート信号に基づいて、中性点を有する直流電源から出力された直流電圧を、正極，負極，中性点のいずれかの電位にパルス幅変調された交流電圧に変換する中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置であって、
    　前記電圧指令値制御回路は、
    　前記直流電源の中性点の電圧変動を抑制するために、電圧指令値に加算される中性点バイアス電圧を算出する中性点電位変動抑制制御部と、
    　前記中性点バイアス電圧の極性を判定し、極性信号を出力する極性判定部と、
    　前記ゲート信号が予め設定された最小オンパルス幅を確保するために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算される値であり、前記極性信号に基づいて正負が決定されたオンパルスバイアス電圧を算出する最小オンパルス制御部と、を備えたことを特徴とする中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置。
  2. 　前記最小オンパルス制御部は、
    　電圧指令値をパルス幅変調した際に、全ての相が予め設定された最小オンパルス幅よりも大きなパルス幅となるために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算すべき「正」の値であり、かつ、最小の正側バイアス電圧を算出する正側演算部と、
    　電圧指令値をパルス幅変調した際に、全ての相が予め設定された最小オンパルス幅よりも大きなパルス幅となるために、中性点バイアス電圧が加算された電圧指令値に対して加算すべき「負」の値であり、かつ、最小の負側バイアス電圧を算出する負側演算部と、
    　前記正側バイアス電圧と負側バイアス電圧から一方を前記極性信号に基づいて選択し出力する選択部と、を備えたことを特徴とする請求項１記載の中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置。
  3. 　前記中性点電位変動抑制制御部は、
    　前記直流電源の正極と中性点間の電圧と、負極と中性点間の電圧と、の偏差電圧を演算する減算部と、
    　前記偏差電圧の比例制御を行い、中性点バイアス電圧の大きさを演算する比例制御部と、
    　前記電力変換装置の出力電流と出力電圧とから、前記電力変換装置の力率の極性を判定し、電力極性信号を出力する電力極性判定部と、
    　前記電力極性信号に基づき、中性点バイアス電圧の極性を切り換える切替部と、を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の中性点クランプ型マルチレベル電力変換装置。
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