WO2024038520A1

WO2024038520A1 - 電力変換装置

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Publication number: WO2024038520A1
Application number: PCT/JP2022/031087
Authority: WO
Inventors: 暁斗中山
Original assignee: 三菱電機株式会社
Priority date: 2022-08-17
Filing date: 2022-08-17
Publication date: 2024-02-22

Abstract

複数の単位変換器（１２２）を接続した単位変換器群（１２０）を複数直列接続したアームを複数個有する電力変換器（１０）と、制御装置（２０）と、を備えた電力変換装置であって、単位変換器（１２２）はスイッチング素子（ＳＷｐ，ＳＷｎ）を有し、単位変換器群（１２０）は搬送波生成部（１２６２）を有するゲート制御部（１２６）を備え、制御装置（２０）からの変調指令（ｋ_ｒｅｆ）と搬送波（ｋ_ｃａｒ）とを比較してスイッチング素子（ＳＷｐ，ＳＷｎ）のオンオフを制御する。搬送波は（ｋ_ｃａｒ）、単位変換器（１２２）に対応する各々の位相が搬送波（ｋ_ｃａｒ）の１周期（２π）を単位変換器群（１２０）の単位変換器（１２２）の数（Ｍ）で等分した第１の位相シフト量でシフトされ、アーム内の単位変換器群間においては、第１の位相シフト量（φａ）をアーム内の単位変換器群の数で等分した第２の位相シフト量（φｂ）でシフトされている。

Description

電力変換装置

　本願は、電力変換装置に関する。

　直流送電システムにおいて用いられる自励式の電力変換装置として、モジュラーマルチレベル変換器が知られている。モジュラーマルチレベル変換器は、三相交流から直流への変換、またはその逆変換に用いられる。このモジュラーマルチレベル変換器は、コンデンサとスイッチング素子を有するセルが複数直列接続されたサブモジュールを複数備えている。モジュラーマルチレベル変換器が接続される交流電圧系統の電圧及び電流に高調波成分が多く含まれていると、コンデンサの電圧バランスが崩れ、合成される交流電圧の波形歪が大きくなるという問題がある。

　これに対し、複数のセルの位相情報とセルの固有情報に基づき、各セル内のスイッチング素子のオンオフ動作を制御するための搬送波を生成し、各サブモジュールを構成するセルのスイッチング素子は位相の異なる搬送波によりオンオフ動作を行うことが知られている（例えば、特許文献１参照）。

　特許文献１に開示された技術においては、セルが複数直列接続された１つのサブモジュール内のセルに対し、位相の異なる搬送波に基づいてオンオフ動作が行われるため、波形歪を小さくすることが可能である。また、位相をずらして搬送波を生成すればよいので、制御装置の構成が簡素化でき、装置の小型化に寄与する。

特開２０１９―７５８４４号公報

　一方、大容量の電力変換に対応するために、サブモジュール内部にさらにセルが直列接続したセルグループを有するようなモジュラーマルチレベル変換器が知られている。特許文献１においては、１つのサブモジュールのセルグループ毎に搬送波を生成し、１つのサブモジュール内の複数のセルグループに対し位相の異なる搬送波を送信するようにしている（特許文献１の実施の形態３参照）。セルグループ内の各セルの搬送波をすべて等しくすることで、データ量を削減しているが、１つサブモジュール内に位相の等しい搬送波が存在し、位相の等しい搬送波により動作するスイッチング素子により、高調波歪が増加してしまう虞がある。この問題を解決するために、サブモジュール内の各セルに対し位相をずらした搬送波を生成することが考えらえるが、搬送波のデータ量の増加及び演算量の増加等により制御装置が大型化してしまう、という課題があった。

　本願は、上記の課題を解決するための技術を開示するものであり、大容量の電力変換に対応したモジュラーマルチレベル変換器を備えた電力変換装置であって、制御装置を大型化することなく、簡便な構成で、高調波歪の少ない電圧及び電流出力を可能とする電力変換装置を提供することを目的とする。

　本願に開示される電力変換装置は、
　複数の単位変換器を接続した単位変換器群を、複数直列接続したアームを複数個有する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御装置と、を備えた電力変換装置であって、
　前記単位変換器は、２つのスイッチング素子が直列接続された直列体と、前記直列体と並列に接続されたコンデンサと、を有し、
　前記単位変換器群は、前記単位変換器群内の複数の前記スイッチング素子のオンオフを制御するゲート信号を生成するゲート制御部を有し、
　前記ゲート制御部は、前記単位変換器群内の前記単位変換器の数に対応する複数の搬送波を生成する搬送波生成部と、前記制御装置から受信した変調指令と前記搬送波生成部で生成された前記搬送波とを比較し、その結果に基づいてゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を有し、
　前記搬送波生成部で生成される複数の前記搬送波は、各々の位相が前記制御装置から受信した搬送波基準位相を基準に、前記搬送波の1周期を前記単位変換器群の前記単位変換器の数で等分した値である第１の位相シフト量でシフトされるとともに、前記アーム内の前記単位変換器群間においては前記制御装置から受信した前記搬送波基準位相を基準に、前記第１の位相シフト量を前記アーム内の前記単位変換器群の数で等分した値である第２の位相シフト量でシフトさせて生成される、ように構成されている。

　本開示による電力変換装置によれば、制御装置を大型化することなく、簡便な構成で、高調波歪の少ない電圧及び電流出力が可能となる。

実施の形態１に係る電力変換装置の構成を示す概略図である。実施の形態１に係る電力変換装置を構成する１つのアームの概略構成図である。単位変換器の構成を示す図である。アームを構成する単位変換器群の一例を示す構成図である。アームを構成する単位変換器群の一例を示す別の構成図である。アームを構成する単位変換器群の一例を示すさらに別の構成図である。単位変換器群の具備するゲート制御部の構成を示す図である。単位変換器群の具備するゲート制御部の別の構成を示す図である。単位変換器群における搬送波の位相シフトを説明するための図である。１つのアーム内において、単位変換器群間における搬送波の位相シフトを説明するための図である。実施の形態２に係る電力変換装置における搬送波を説明するための図である。実施の形態２に係るゲート制御部の構成を示す図である。実施の形態２に係るアームを構成する単位変換器群の一例を示す構成図である。各実施の形態に係る制御装置及びゲート制御部の一例であるハードウエア構成図である。

　以下、本実施の形態について図を参照して説明する。なお、各図中、同一符号は、同一または相当する部分を示すものとする。
　以下、図面を参照しながら、本開示の実施の形態について詳細に説明する。

実施の形態１．
　以下、実施の形態１に係る電力変換装置について、図を用いて説明する。
＜電力変換装置の構成＞
　図１は、実施の形態１に係るＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ　Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ　Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ：モジュラーマルチレベルコンバータ）と呼ばれる電力変換装置の概略構成を示す図である。図１において、電力変換装置は電力変換器１０と電力変換器１０を制御する制御装置２０とを備え、交流と直流との間に相互に電力変換を行う。電力変換器１０は、三相の交流系統である交流電源１と、直流系統である正側直流端子６Ｐ、負側直流端子６Ｎを介して直流電力が供給される電力機器、直流電源あるいは他の電力変換器等との間に接続されている。なお、直流電力が供給される電力機器、直流電源あるいは他の電力変換器等は図示していない。交流電源１と電力変換器１０との間には電流センサ２、電圧センサ３及び変圧器４等が接続され、電流センサ２で検出された交流電流Ｉａｃ及び電圧センサ３で検出された交流電圧Ｖａｃは制御装置２０に出力される。また、直流系統には直流電圧Ｖｄｃを検出する電圧センサ１４ｐ、１４ｎが設けられている。

　電力変換器１０は、三相交流のｕ相、ｖ相、ｗ相のそれぞれに対応した３つのレグ回路を有し、３つのレグ回路は正側直流端子６Ｐと負側直流端子６Ｎとの間に並列接続されている。
　ｕ相のレグ回路は、正側ｕ相アーム１２ｐｕと負側ｕ相アーム１２ｎｕとが直列接続されて構成されている。正側ｕ相アーム１２ｐｕの一端は正側直流端子６Ｐに接続され、負側ｕ相アーム１２ｎｕの一端は負側直流端子６Ｎに接続され、正側ｕ相アーム１２ｐｕと負側ｕ相アーム１２ｎｕとの接続点ｕは変圧器４のｕ相端子に接続されている。

　ｖ相のレグ回路は、正側ｖ相アーム１２ｐｖと負側ｖ相アーム１２ｎｖとが直列接続されて構成されている。正側ｖ相アーム１２ｐｖの一端は正側直流端子６Ｐに接続され、負側ｖ相アーム１２ｎｖの一端は負側直流端子６Ｎに接続され、正側ｖ相アーム１２ｐｖと負側ｖ相アーム１２ｎｖとの接続点ｖは変圧器４のｖ相端子に接続されている。

　ｗ相のレグ回路は、正側ｗ相アーム１２ｐｗと負側ｗ相アーム１２ｎｗとが直列接続されて構成されている。正側ｗ相アーム１２ｐｗの一端は正側直流端子６Ｐに接続され、負側ｗ相アーム１２ｎｗの一端は負側直流端子６Ｎに接続され、正側ｗ相アーム１２ｐｗと負側ｗ相アーム１２ｎｗとの接続点ｗは変圧器４のｗ相端子に接続されている。

＜アーム１２の構成＞
　次に、電力変換器１０の各アームの構成について図２を用いて説明する。
　図２は、アーム１２（アームを総称する場合またはいずれかのアームを例にして説明する場合、アーム１２と称す。）の概略構成を示す図である。図において、アーム１２は図１で示した６つのアームのいずれか１つである。

　図２において、アーム１２は直列に接続されたＮ個（Ｎは２以上の整数）の単位変換器群１２０＿１，・・・，１２０＿ｋ，・・・１２０＿Ｎ（単位変換器群を総称する場合は、単位変換器群１２０と称す。）、及びこれに直列に接続されたリアクトル１２Ｌ、アーム内の電流ｉ_ａｒｍを検出する電流センサ１２ｄｉを有する。アーム１２が図１の正側ｕ相アーム１２ｐｕである場合、単位変換器群１２０＿１の一端は正側直流端子６Ｐに接続され、他端は単位変換器群１２０＿２接続される。また、単位変換器群１２０＿Ｎの一端は、単位変換器群１２０＿Ｎ―１に接続され、他端はリアクトル１２Ｌ、アーム内の電流ｉ_ａｒｍを検出する電流センサ１２ｄｉを介して接続点ｕに接続される。

　単位変換器群１２０から制御装置２０へは、後述する単位変換器群１２０を構成する単位変換器の具備するコンデンサの電圧値ｖｃまたは単位変換器群１２０内の単位変換器の具備するコンデンサ電圧値の合計値Σｖｃ、後述する単位変換器群１２０内に設けられたバイパススイッチの投入信号が送信される。

　また、制御装置２０から単位変換器群１２０へは、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆ、アーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍ、アーム電流検出値ｉ_ａｒｍ、搬送波基準位相θｃ、搬送波周波数ｆｃが送信される。

＜単位変換器の構成＞
　次に、単位変換器群１２０の具備する単位変換器の構成について図３を用いて説明する。
　図３は、単位変換器の構成の一例を示す回路図で、単位変換器はスイッチング素子として例えば半導体スイッチング素子ＳＷｐ、ＳＷｎが直列に接続された直列体と、この直列体に並列接続されたエネルギー蓄積要素としての直流コンデンサとを有する。単位変換器には、図示していないが、後述する直流コンデンサの電圧ｖｃを検出する電圧センサ、Ｐ側半導体スイッチング素子ＳＷｐ及びＮ側半導体スイッチング素子ＳＷｎのオンオフを制御するゲートドライバをさらに備えている。

＜単位変換器群１２０の構成＞
　次に、単位変換器群１２０の構成について図４から図６を用いて説明する。
　図４から図６は、それぞれアームを構成する単位変換器群の例を示す構成図で、単位変換器群内の単位変換器の数Ｍ（Ｍは２以上の整数）がいずれも４の例である。

＜１．単位変換器群１２０Ａの構成＞
　図４において、単位変換器群１２０Ａは、直列に接続された４つの単位変換器１２２＿１、１２２＿２、１２２＿３、１２２＿４（単位変換器を総称する場合は、単位変換器１２２と称す。）を有し、それぞれの単位変換器１２２はそれぞれが具備するコンデンサの電圧ｖｃｉ（ｉは１からＭまでの整数、ここではＭは４であり、ｖｃｉはｉ番目の単位変換器が具備するコンデンサの電圧）を検出する電圧センサ１２４＿１、１２４＿２、１２４＿３、１２４＿４（電圧センサを総称する場合は、電圧センサ１２４と称す。）を備えている。また、単位変換器群１２０Ａは各電圧センサ１２４で検出されたコンデンサの電圧ｖｃｉが入力され、各単位変換器１２２の具備する半導体スイッチング素子ＳＷｐｉ、ＳＷｎｉを駆動するためのゲート信号を生成するゲート制御部１２６を備える。ゲート制御部１２６は単位変換器群毎に１つ設けられている。

　単位変換器群１２０Ａ内で一端に位置する単位変換器１２２＿１のＡＣ端子が単位変換器群１２０Ａの一方の端子である。単位変換器１２２＿１のＮ端子が単位変換器１２２＿２のＡＣ端子に接続され、単位変換器１２２＿２のＮ端子が単位変換器１２２＿３のＡＣ端子に、単位変換器１２２＿３のＮ端子が単位変換器１２２＿４のＡＣ端子に接続される。単位変換器群１２０Ａ内で他端に位置する単位変換器１２２＿４のＮ端子は単位変換器群１２０Ａの他方の端子である。単位変換器群１２０Ａの端子間、すなわち単位変換器１２２＿１のＡＣ端子と単位変換器１２２＿４のＮ端子との間にはバイパススイッチ１２８が設けられている。単位変換器群１２０Ａが故障した場合等、バイパススイッチ１２８を投入する（閉とする）ことで、単位変換器群１２０Ａには電流が流れず、電力変換装置から切り離すことが可能となる。

　単位変換器１２２＿ｉの半導体スイッチング素子ＳＷｐｉ、ＳＷｎｉにはそれぞれゲートドライバＧＤｐｉ、ＧＤｎｉが設けられており、ゲート制御部１２６から送信されるゲート信号ｇｉＰ、ｇｉＮを受信し、半導体スイッチング素子ＳＷｐｉ、ＳＷｎｉのオンオフ制御を行う。オンオフ制御により、単位変換器１２２＿ｉが出力する電圧はコンデンサ電圧ｖｃｉ、または０となる。

＜２．単位変換器群１２０Ｂの構成＞
　図５において、個々の単位変換器の符号は省略しているが、図５においても４つの単位変換器１２２＿１、１２２＿２、１２２＿３、１２２＿４が直列に接続されている。図４の構成と異なる点は、単位変換器間の接続箇所である。図５では、単位変換器群１２０Ｂ内で一端に位置する単位変換器１２２＿１のＰ端子が単位変換器群１２０Ｂの一方の端子である。単位変換器１２２＿１のＡＣ端子が単位変換器１２２＿２のＰ端子に接続され、単位変換器１２２＿２のＡＣ端子が単位変換器１２２＿３のＰ端子に、単位変換器１２２＿３のＡＣ端子が単位変換器１２２＿４のＰ端子に接続される。単位変換器群１２０Ｂ内で他端に位置する単位変換器１２２＿４のＡＣ端子は単位変換器群１２０Ｂの他方の端子である。単位変換器群１２０Ｂの端子間、すなわち単位変換器１２２＿１のＰ端子と単位変換器１２２＿４のＡＣ端子との間には図４と同様に、バイパススイッチ１２８が設けられている。

＜３．単位変換器群１２０Ｃの構成＞
　図６において、図４、図５の構成と異なる点は、単位変換器間の接続箇所である。図６では、単位変換器群１２０Ｃ内で一端に位置する単位変換器１２２＿１のＡＣ端子が単位変換器群１２０Ｃの一方の端子である。単位変換器１２２＿１のＮ端子が単位変換器１２２＿２のＰ端子に接続され、単位変換器１２２＿２のＡＣ端子が単位変換器１２２＿３のＡＣ端子に、単位変換器１２２＿３のＮ端子が単位変換器１２２＿４のＰ端子に接続される。単位変換器群１２０Ｃ内で他端に位置する単位変換器１２２＿４のＡＣ端子は単位変換器群１２０Ｃの他方の端子である。単位変換器群１２０の端子間、すなわち単位変換器１２２＿１のＡＣ端子と単位変換器１２２＿４のＡＣ端子との間には図４、図５と同様に、バイパススイッチ１２８が設けられている。

　図２で示したアーム１２を構成する単位変換器群１２０＿ｋは図４から図６で示した単位変換器群Ａ、Ｂ、Ｃのいずれかで構成され、アーム１２内及び電力変換装置内は同じ種類、同じ個数の単位変換器群で構成されるのが望ましい。

＜ゲート制御部１２６の構成＞
　次に、単位変換器群１２０の具備するゲート制御部１２６について説明する。
　図７は、実施の形態１に係るゲート制御部１２６の構成を示す機能ブロック図である。ゲート制御部１２６は、単位変換器群内のＭ個の単位変換器１２２のそれぞれに対応するゲート信号生成部１２６４（各ゲート信号生成部はゲート信号生成部１２６４＿ｉ、総称する場合はゲート信号生成部１２６４と称する。）及びゲート信号を発生させるための搬送波を生成する搬送波生成部１２６２（各搬送波生成部は搬送波生成部１２６２＿ｉ、総称する場合は搬送波生成部１２６２と称する。）を備える。第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉのゲートドライバＧＤｐｉ，ＧＤｎｉのそれぞれに送信するゲート信号ｇｉＰ，ｇｉＮを生成し、第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉは、第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉに三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉを送信する。

　第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉは、制御装置２０から受信した搬送波周波数ｆｃと搬送波基準位相θｃとに基づいて、三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉを生成する。第２搬送波生成部１２６２＿２から第Ｍ搬送波生成部１２６２＿Ｍの前段には加算器１２６１がそれぞれ設けられている。第２搬送波生成部１２６２＿２には、加算器１２６１＿２により、搬送波基準位相θｃ＋２π／Ｍの位相が入力されるので、第１搬送波生成部１２６２＿１とは位相が２π／Ｍ遅れた位相で三角波搬送波ｋ_ｃａｒ２を生成する。順次、位相が２π／Ｍずつずれた三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉが生成されることになる。すなわち、単位変換器群１２０内のＭ個の単位変換器１２２にはすべて位相の異なる三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉが送信されることになる。以下、位相が２π／Ｍずつずれた搬送波を生成することを位相シフトと呼ぶ。

　第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉは、制御装置２０から受信したアーム変調指令ｋ_ｒｅｆと第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉから受信した三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉとを比較し、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が大きいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉの出力する電圧がコンデンサ電圧ｖｃｉとなるように、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が小さいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉの出力する電圧が０となるように、ゲートドライバＧＤｐｉ、ＧＤｎｉのそれぞれにゲート信号ｇｉＰ、ｇｉＮを出力する。

　すなわち、図４で示した単位変換器群１２０Ａの各単位変換器１２２＿１、１２２＿２、１２２＿３、１２２＿４、および図６で示した単位変換器群１２０Ｃの単位変換器１２２＿１、１２２＿３に対しては、第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉは、制御装置２０から受信したアーム変調指令ｋ_ｒｅｆと第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉから受信した三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉとを比較し、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が大きいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉのＰ側半導体スイッチング素子をオンするようにゲートドライバＧＤｐｉにゲート信号ｇｉＰを出力する。一方、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が小さいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉのＮ側半導体スイッチング素子をオンするようにゲートドライバＧＤｎｉにゲート信号ｇｉＮを出力する。

　図５で示した単位変換器群１２０Ｂの各単位変換器１２２＿１、１２２＿２、１２２＿３、１２２＿４、および図６で示した単位変換器群１２０Ｃの単位変換器１２２＿２、１２２＿４に対しては、第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉは、制御装置２０から受信したアーム変調指令ｋ_ｒｅｆと第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉから受信した三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉとを比較し、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が大きいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉのＮ側半導体スイッチング素子をオンするようにゲートドライバＧＤｎｉにゲート信号ｇｉＮを出力する。一方、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が小さいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉのＰ側半導体スイッチング素子をオンするようにゲートドライバＧＤｐｉにゲート信号ｇｉＰを出力する。

　なお、図７で示したゲート制御部１２６は、単位変換器群１２０が具備する各単位変換器１２２のコンデンサ電圧ｖｃｉのばらつきが小さいことを前提としており、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆを用いて生成したゲート信号を各単位変換器１２２に出力する。
　単位変換器群１２０が具備する各単位変換器１２２のコンデンサ電圧ｖｃｉがばらつく場合は、コンデンサ電圧ｖｃｉがアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍに近づくように、コンデンサ電圧ｖｃｉとアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍとの偏差及びアーム電流検出値ｉ_ａｒｍを用いてアーム変調指令ｋ_ｒｅｆを補正し、各単位変換器の変調指令ｋ_ｒｅｆｉとして各ゲート信号生成部１２６４＿ｉに出力するようにするのが望ましい。

　図８は、実施の形態１に係る別のゲート制御部１２６の構成を示す機能ブロック図である。図８において、ゲート制御部１２６はさらにバランス制御部１２６６を備えている。第ｉバランス制御部１２６６＿ｉには、制御装置２０から送信されたアーム変調指令ｋ_ｒｅｆ、アーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍ及びアーム電流検出値ｉ_ａｒｍが入力され、各単位変換器１２２＿ｉから受信したコンデンサ電圧ｖｃｉが入力される。そして、コンデンサ電圧ｖｃｉがアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍに近づくように、それぞれ単位変換器に対応した変調指令バランス補正量を算出し、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆに加算する。補正されたアーム変調指令は各単位変換器の変調指令ｋ_ｒｅｆｉとして第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉに送信される。ここで、単位変換器群１２０内の単位変換器１２２に対応して単位変換器１２２の数のバランス制御部１２６６を備えている。

　図８において、第ｉゲート信号生成部１２６４＿ｉは、第ｉバランス制御部１２６６＿ｉから送信された変調指令ｋ_ｒｅｆｉと第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉから送信された三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉとを比較する。図７において説明したと同様に、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が大きいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉの出力する電圧がコンデンサ電圧ｖｃｉとなるように、アーム変調指令ｋ_ｒｅｆの方が小さいときはｉ番目の単位変換器１２２＿ｉの出力する電圧が０となるように、ゲートドライバＧＤｐｉ、ＧＤｎｉのそれぞれにゲート信号ｇｉＰ、ｇｉＮを出力する。

　なお、単位変換器群１２０毎にゲート制御部１２６が設けられているので、制御装置２０からアーム変調指令ｋ_ｒｅｆ、アーム電流検出値ｉ_ａｒｍ及びアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍのデータを単位変換器群１２０毎に送れば良いので、従来よりも送信データ量を削減可能となる。すなわち、各単位変換器のゲートドライバ毎に送信するよりもデータ量は大幅に削減できる。

＜位相シフトによる動作説明＞
　次に、ゲート信号生成部１２６４に入力される搬送波の位相シフトについて説明する。単位変換器群１２０内の単位変換器数Ｍは予め決まっており、電力変換装置の運転途中で変化することがない。そのため、ゲート制御部１２６内に予め２π／Ｍ［ｒａｄ］の値を保持しておき、制御装置２０から受信した搬送波基準位相θｃに基づいて各搬送波生成部１２６２は各搬送波の基準位相を生成することができる。２π／Ｍは搬送波の１周期（２π）を単位変換器群１２０内の単位変換器数Ｍで除した値、すなわち、π／Ｍは搬送波の１周期（２π）を単位変換器群１２０内の単位変換器数Ｍで等分した値である。

　図９は、単位変換器群内における単位変換器数Ｍ＝４の時の搬送波の位相シフトを説明するための三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉの波形図である。図９において、各三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉに対し、第１搬送波生成部１２６２＿１で生成される三角波搬送波にはｉ＝１と付し、順次ｉ＝４まで符号を付している。上述したように、第ｉ搬送波生成部１２６２＿ｉは、制御装置２０から受信した搬送波周波数ｆｃと搬送波基準位相θｃとに基づいて、三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉを生成し、各三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉの位相差φａは２π／Ｍである。位相の異なる各三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉは単位変換器群１２０内の単位変換器数Ｍに基づいて、予めゲート制御部１２６内に２π／Ｍ［ｒａｄ］の値が記憶されているので、制御装置２０から受信した搬送波基準位相θｃに基づいて各搬送波生成部１２６２は各搬送波の基準位相を容易に生成することができる。そのため、制御装置２０から送信されるデータ量を削減することが可能となる。

　次に、アーム１２内に単位変換器群１２０が３個ある場合（Ｎ＝３）の時の搬送波の位相シフトについて、図１０を用いて説明する。
　図１０は、アーム１２内における単位変換器群数Ｎ＝３の時の搬送波の位相シフトを説明するための三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉの波形図で、各単位変換器群は図９と同様に単位変換器を４個有する。上から順に第１の単位変換器群１２０＿１、第２の単位変換器群１２０＿２、第３の単位変換器群１２０＿３内の三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉの波形図である。各単位変換器群の１番目の搬送波生成部で生成される三角波搬送波ｋ_ｃａｒ１の波形に着目すると、単位変換器群間での位相差がφｂである。この位相差φｂは単位変換器群内の第１の位相シフト量φａ（＝２π／Ｍ［ｒａｄ］）をアーム内の単位変換器群の数Ｎで除した値であり、φａをＮで等分した値である。すなわち、アーム内の搬送波生成部で生成される三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉは３６０°（＝２π）をアーム内の単位変換器の総数（Ｍ×Ｎ）で等分した位相差を有することになり、搬送波が同位相であることによる高調波の発生を抑制できる。

　また、アーム内の単位変換器群数Ｎも予め決まっており、電力変換装置の運転途中で変化することがない。そのため、ゲート制御部１２６内に予め第１の位相シフト量φａ（＝２π／Ｍ［ｒａｄ］）の値とともに第２の位相シフト量φｂ（＝φａ／Ｎ［ｒａｄ］）を保持しておけば、制御装置２０から受信した搬送波基準位相θｃに基づいてアーム内の各搬送波生成部１２６２は各搬送波の基準位相を生成することができる。そのため、制御装置２０から送信されるデータ量を削減することが可能となる。

　さらに、単位変換器群１２０のいずれかに故障または異常が生じた場合、あるいは単位変換器群１２０内のいずれかの単位変換器１２２に故障または異常が生じたことにより、故障または異常が生じた単位変換器１２２を含む単位変換器群のバイパススイッチ１２８が投入された場合は、バイパススイッチ１２８が投入された単位変換器群の数を考慮して、単位変換器群間の位相シフト量を変更するだけで良い。すなわち、バイパススイッチ１２８が投入された単位変換器群の個数が１の場合は、新たなφｂをφａ／（Ｎ―１）で簡単に変更することができる。この時、単位変換器群内の第１の位相シフト量φａを変更しなくて良いので、変更すべきデータ量を少なくすることができる。

　以上のように、本実施の形態１に係る電力変換装置によれば、複数（Ｍ個）の単位変換器１２２が接続された単位変換器群１２０毎にゲート制御部１２６を有し、複数（Ｎ個）の単位変換器群１２０が直列接続されたアームを複数備えた電力変換器１０とそれを制御する制御装置２０とを備えたＭＭＣにおいて、単位変換器１２２の半導体スイッチング素子のオンオフを制御するゲート信号を生成する基準となる三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉの位相を、アームを構成する複数の単位変換器１２２の半導体スイッチング素子に対し、全てずれるように生成するので、高調波歪の少ない電圧及び電流出力が可能となる。単位変換器群１２０内においては、制御装置２０から受信した搬送波基準位相θｃに基づいて、ゲート制御部１２６の各搬送波生成部１２６２が順次２π／Ｍずれた基準位相を容易に生成することができ、２π／Ｍずつ位相のシフトした三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉが順次ゲート信号生成部１２６４に送信される。単位変換器群１２０間においては、２π／Ｍを単位変換器群の数Ｎで除算した位相でシフトした基準位相を生成する。そのため、制御装置２０からはアーム毎に搬送波基準位相θｃを送信すれば、それをもとに予め個数の決まっている単位変換器１２２の数Ｍ、単位変換器群１２０の数Ｎを用いれば、少ない信号数でアーム内の単位変換器に対して異なる位相の三角波搬送波を生成することができる。従って、制御装置２０を大型化することなく、簡便な構成で、高調波歪の少ない電圧及び電流出力が可能となる。

　なお、削減される信号数は搬送波基準位相θｃに限るものではない。単位変換器群１２０毎にゲート制御部１２６が設けられているので、制御装置２０からアーム変調指令ｋ_ｒｅｆ、アーム電流検出値ｉ_ａｒｍ及びアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍのデータを単位変換器群１２０毎に送れば良いので、従来よりも送信データ量を削減可能となる。すなわち、各単位変換器のゲートドライバ毎に送信するよりもデータ量は大幅に削減でき、データの遅延等の発生も低減できる。

　さらに、単位変換器群１２０毎にゲート制御部１２６が設けられているので、単位変換器群１２０毎にメンテナンス及び試験を実施することが可能となる。

　また、図９及び図１０において、搬送波を三角波の例で説明したが、三角波に限るものではなく、鋸波等であってもよい。

実施の形態２．
　以下、実施の形態２に係る電力変換装置について図を用いて説明する。
　実施の形態２に係る電力変換装置は単位変換器群の有する単位変換器の数が２（Ｍ＝２）の例について、実施の形態１とは異なる搬送波の生成方法及び単位変換器群の構成について説明する。

　図１１は、単位変換器群１２０内における単位変換器数Ｍ＝２の時の搬送波の位相シフトを説明するための三角波搬送波ｋ_ｃａｒｉの波形図である。図１１は、図９においてＭ＝２とした図に相当する。単位変換器数Ｍ＝２の場合は、２つの搬送波は位相が半周期である１８０°（π）ずれた三角波搬送波となる。そのため、三角波搬送波の頂点ＣａｒＴｏｐの値から第１の搬送波ｋ_ｃａｌ１の値を減算することで、第２の搬送波ｋ_ｃａｒ２を生成できる。

　図１２は、実施の形態２に係る電力変換装置における単位変換器群１２０内のゲート制御部１２６の構成を示す図である。図７及び図８と対比すると、図１２においては単位変換器群内に単位変換器数Ｍと同じ２つの搬送波生成部を備えておらず、１つの搬送波生成部１２６２を備えていればよい。図１２において、搬送波生成部１２６２は、制御装置２０から送信された搬送波周波数ｆｃと搬送波基準位相θｃとに基づいて、三角波搬送波ｋ_ｃａｒ１を生成する。生成された三角波搬送波ｋ_ｃａｒ１は第１のゲート信号生成部１２６４＿１に送信されるとともに、加算器１２６８に入力され、三角波搬送波の頂点ＣａｒＴｏｐの値から減算される。加算器１２６８から出力された三角波搬送波ｋ_ｃａｒ２は三角波搬送波ｋ_ｃａｒ１と位相が１８０°ずれており、第２のゲート信号生成部１２６４＿２に送信される。

　なお、本実施の形態２において、単位変換器群１２０各単位変換器１２２のコンデンサ電圧ｖｃｉがばらつく場合は、コンデンサ電圧ｖｃｉがアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍに近づくように、コンデンサ電圧ｖｃｉとアーム内のコンデンサ電圧平均値ｖｃ_ａｒｍとの偏差及びアーム電流検出値ｉ_ａｒｍを用いてアーム変調指令ｋ_ｒｅｆを補正し、各単位変換器の変調指令ｋ_ｒｅｆｉとして各ゲート信号生成部１２６４＿ｉに出力するようにするのが望ましい。すなわち、図１２においても図８のようにバランス制御部１２６６を用いた構成とすればよい。

　次に、単位変換器群の有する単位変換器の数が２（Ｍ＝２）の例であり、実施の形態１で示したものと異なる単位変換器群の構成について図１３を用いて説明する。

　図１３において、単位変換器群１２０Ｄは、破線の楕円箇所で示すように、単位変換器１２２＿１のＮ端子が単位変換器１２２＿２のＰ端子に接続されている。すなわち、ＡＣ端子でない部分で電位が共有化されるため、装置の小型化が可能となる。その他の構成は実施の形態１の図４から図６と同様であるので説明を省略する。

　以上のように、実施の形態２に係る電力変換装置によれば、実施の形態１の効果に加え、単位変換器群１２０の有する単位変換器１２２の数が２の時は、各単位変換器群１２０のゲート制御部１２６が具備する搬送波生成部１２６２を単位変換器１２２と同数の２つ設ける必要がなく１つでよく、加算器１２６８による演算を行えばよいので、装置構成が簡略するとともに、演算量も減少する。

　また、単位変換器群の有する単位変換器の数が２（Ｍ＝２）の場合は、単位変換器群内の構成において、ＡＣ端子でない部分で電位が共有化可能となり、装置の小型化に一層寄与する。
　従って、大容量の電力変換に対応したモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ）を備えた電力変換装置であって、制御装置を大型化することなく、簡便な構成で、高調波歪の少ない電圧及び電流出力を可能とする電力変換装置を提供することが可能となる。

　なお、上述の実施の形態１及び２における制御装置２０のハードウエアの構成の一例を図１４に示す。図１４に示すように、制御装置２０は例えば処理回路として、プロセッサ１０００と記憶装置１１００とを備えている。
　プロセッサ１０００として、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ　Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ　Ｕｎｉｔ）、ＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　Ｓｐｅｃｉｆｉｃ　Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ　Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ　Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ　Ｇａｔｅ　Ａｒｒａｙ）、各種の論理回路、及び各種の信号処理回路等が備えられてもよい。また、プロセッサ１０００として、同じ種類のもの又は異なる種類のものが複数備えられ、各処理が分担して実行されてもよい。記憶装置１１００として、プロセッサ１０００からデータを読み出し及び書き込みが可能に構成されたＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ　Ａｃｃｅｓｓ　Ｍｅｍｏｒｙ）、及びプロセッサ１０００からデータを読み出し可能に構成されたＲＯＭ（Ｒｅａｄ　Ｏｎｌｙ　Ｍｅｍｏｒｙ）等が備えられている。プロセッサ１０００は、ＲＯＭ等の記憶装置１１００から入力されたプログラムを実行する。

　また、ゲート制御部１２６も制御装置２０と同様に図１４に示すハードウエアの構成を有し、ゲートを駆動制御する信号を生成するためのプログラムを実行する。

＜その他の実施の形態＞
（１）単位変換器１２２を構成するスイッチング素子として半導体スイッチング素子ＳＷｐ、ＳＷｎであるＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　Ｇａｔｅ　Ｂｉｐｏｌａｒ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：絶縁ゲートトランジスタ）を例に説明したが、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ　Ｏｘｉｄｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｆｉｅｌｄ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ：金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ）を用いてもよい。

（２）半導体スイッチング素子はＳｉ（ケイ素）半導体で構成されるものに限らず、ワイドバンドギャップ型半導体である、ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）等の半導体を用いてもよい。ワイドバンドギャップ型半導体は、より高速なスイッチングが可能、高温動作が可能、高絶縁破壊電界強度が高い等の特性から、ＭＭＣへの適用に好適である。

　本開示は、様々な例示的な実施の形態及び実施例が記載されているが、１つ、または複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
　従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。

　１：交流電源、　２：電流センサ、　３：電圧センサ、　４：変圧器、　６Ｐ：正側直流端子、　６Ｎ：負側直流端子、　１０：電力変換器、　１２，１２ｐｕ，１２ｎｕ，１２ｐｖ，１２ｎｖ，１２ｐｗ，１２ｎｗ：アーム、　１４ｐ，１４ｎ：電圧センサ、　２０：制御装置、　１２Ｌ：リアクトル、　１２ｄｉ：電流センサ、　１２０，１２０＿１，１２０＿２，１２０＿３，１２０＿ｋ，１２０＿Ｎ，１２０Ａ，１２０Ｂ，１２０Ｃ，１２０Ｄ：単位変換器群、　１２２，１２２＿１，１２２＿２，１２２＿３，１２２＿４，１２２＿ｉ：単位変換器、　１２４，１２４＿１：電圧センサ、　１２６：ゲート制御部、　１２８：バイパススイッチ、　１２６１，１２６１＿２，１２６８：加算器、　１２６２，１２６２＿１，１２６２＿２，１２６２＿ｉ，１２６２＿Ｍ：搬送波生成部、　１２６４，１２６４＿１，１２６４＿２，１２６４＿ｉ：ゲート信号生成部、　１２６６，１２６６＿ｉ：バランス制御部、　１０００：プロセッサ、　１１００：記憶装置、　Ｖａｃ：交流電圧、　Ｖｄｃ：直流電圧、　Ｉａｃ：交流電流、　ｖｃ：コンデンサの電圧値、　ｋ_ｒｅｆ，ｋ_ｒｅｆｉ：アーム変調指令、　ｖｃ_ａｒｍ：アーム内のコンデンサ電圧平均値、　ｉ_ａｒｍ：アーム電流検出値、　θｃ：搬送波基準位相、　ｆｃ：搬送波周波数、　ｋ_ｃａｒ１，ｋ_ｃａｒ２，ｋ_ｃａｒｉ：三角波搬送波、　ＧＤｐｉ，ＧＤｎｉ：ゲートドライバ、　ｇｉＰ，ｇｉＮ：ゲート信号、　ＳＷｐ，ＳＷｐｉ，ＳＷｎ，ＳＷｎｉ：半導体スイッチング素子、　ｕ，ｖ，ｗ：接続点、　φａ：第１の位相シフト量，φｂ：第２の位相シフト量。

Claims

　複数の単位変換器を接続した単位変換器群を、複数直列接続したアームを複数個有する電力変換器と、前記電力変換器を制御する制御装置と、を備えた電力変換装置であって、
　前記単位変換器は、２つのスイッチング素子が直列接続された直列体と、前記直列体と並列に接続されたコンデンサと、を有し、
　前記単位変換器群は、前記単位変換器群内の複数の前記スイッチング素子のオンオフを制御するゲート信号を生成するゲート制御部を有し、
　前記ゲート制御部は、前記単位変換器群内の前記単位変換器の数に対応する複数の搬送波を生成する搬送波生成部と、前記制御装置から受信した変調指令と前記搬送波生成部で生成された前記搬送波とを比較し、その結果に基づいてゲート信号を生成するゲート信号生成部と、を有し、
　前記搬送波生成部で生成される複数の前記搬送波は、各々の位相が前記制御装置から受信した搬送波基準位相を基準に、前記搬送波の1周期を前記単位変換器群の前記単位変換器の数で等分した値である第１の位相シフト量でシフトされるとともに、前記アーム内の前記単位変換器群間においては前記制御装置から受信した前記搬送波基準位相を基準に、前記第１の位相シフト量を前記アーム内の前記単位変換器群の数で等分した値である第２の位相シフト量でシフトさせて生成される、電力変換装置。
　前記単位変換器群はそれぞれ１つのバイパススイッチを有し、
前記バイパススイッチは、前記単位変換器群内の一端に位置する前記単位変換器の端子と他端に位置する前記単位変換器の端子との間に接続され、
　前記単位変換器群内のいずれかの前記単位変換器に故障または異常が生じた場合、故障または異常が生じた前記単位変換器を含む前記単位変換器群の前記バイパススイッチを投入し、
　前記アーム内において、前記単位変換器群の数から前記バイパススイッチが投入された前記単位変換器群の数を減算した数を用いて前記第２の位相シフト量を算出する、請求項１に記載の電力変換装置。
　前記単位変換器群は、２つの前記単位変換器を有し、
　前記搬送波生成部で生成される２つの前記搬送波のうち、一方の搬送波である第１の搬送波は、前記制御装置から受信した前記搬送波基準位相と搬送波周波数に基づいて生成された三角波であり、
他方の搬送波である第２の搬送波は、前記第１の搬送波の頂点の値から前記第１の搬送波の値を減算して生成される、請求項１または２に記載の電力変換装置。
　前記単位変換器群は、２つの前記単位変換器のうち一方の前記単位変換器のＮ端子と他方の前記単位変換器のＰ端子とが共通端子として接続されている、請求項３に記載の電力変換装置。
　前記単位変換器は前記単位変換器の具備するコンデンサの電圧を検出する電圧センサを備え、
　前記ゲート制御部は前記単位変換器群に含まれる前記単位変換器の数に対応する数のバランス制御部をさらに備え、
　それぞれの前記バランス制御部は、
前記単位変換器に対応して前記単位変換器の前記コンデンサの電圧と前記アーム内のコンデンサの電圧平均値とを比較して得られる変調指令バランス補正量を出力するとともに、前記制御装置から受信した前記変調指令に前記変調指令バランス補正量を加算して得られる補正変調指令を算出し、
　前記ゲート信号生成部は、前記補正変調指令と前記搬送波とを比較し、その結果に基づいて前記ゲート信号を出力する、
　請求項１から４のいずれか１項に記載の電力変換装置。
　前記ゲート制御部は前記単位変換器群毎に１つ備えている、請求項１から５のいずれか１項に記載の電力変換装置。