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マルチレベル電力変換器及びマルチレベル電力変換器の制御方法

国内特許コード P170014116
整理番号 (S2014-0475-N0)
掲載日 2017年5月10日
出願番号 特願2016-508741
出願日 平成27年3月17日(2015.3.17)
国際出願番号 JP2015057911
国際公開番号 WO2015141681
国際出願日 平成27年3月17日(2015.3.17)
国際公開日 平成27年9月24日(2015.9.24)
優先権データ
  • 特願2014-055788 (2014.3.19) JP
発明者
  • 赤木 泰文
  • 萩原 誠
出願人
  • 国立大学法人東京工業大学
発明の名称 マルチレベル電力変換器及びマルチレベル電力変換器の制御方法
発明の概要 1次側に交流入出力端子(T1-1,2)、2次側巻線上に中間端子(T2-3)を有する変圧器(14)であって、2次側の両端(T2-1,2)には半導体スイッチと直流コンデンサ(C)と充放電電流用の入出力端子とを有してカスケード接続された複数の単位セル(11-1,…M)を備えた第1と第2のアーム(12-P,N)が接続され、中間端子(T2-3)には直流電源(Vdc)が接続された変圧器(14)を備え、第1と第2のアーム(12-P,N)と直流電源(Vdc)の自由端がアーム結合部(13)で接続されたマルチレベル電力変換器(1)において、第1のアーム(12-P)と第2のアーム(12-N)を流れる循環電流(iZP,iZN)を別々に定義して、各アームの直流電圧平均値を独立に制御することにより、アームバランス制御を不要としたマルチレベル電力変換器である。
従来技術、競合技術の概要

風力発電や太陽光発電の導入機会の増大に伴い、電池電力貯蔵装置の重要性が増している。図20は、電池電力貯蔵装置の一般的な構成を示す図である。電池電力貯蔵装置1000は、NAS電池(登録商標)やリチウムイオン電池などのバッテリ100と、バッテリ100の直流電圧を交流電圧に変換する連系変換器200と、連系変換器200と電力系統400とを連系する連系変圧器300と、を備える。電池電力貯蔵装置1000においては、バッテリ100の直流電圧は、電力系統400の電圧実効値に対して相対的に低いため、連系変換器200には高い昇圧比が求められる。このため、従来より、数Mワット級の連系変換器において変換器用変圧器を使用することで高圧化及び大容量化を実現してきた。しかしながら、このような変換器用変圧器の使用は、装置の大型化及び高重量化をもたらす要因となる。


このような問題を解決するために、実装が容易で大容量・高圧用途に適した次世代トランスレス電力変換器として、モジュラー・マルチレベル変換器(Modular Multilevel Converter:MMC)が提案されている。


モジュラー・マルチレベル変換器は、複数の双方向チョッパセルもしくはフルブリッジ変換器セルを直列接続したモジュールでアームを構成する点に特徴がある。絶縁等の問題を除けば、直列セル数を増やすことにより、半導体スイッチを高耐圧化することなく、交流出力電圧の増大を図るとともに電圧及び電流のリプルを抑制することが可能であり、高電圧かつ大容量の電力変換器として期待されている。モジュラー・マルチレベル変換器は、実装が容易で、冗長性に富み、装置の小型軽量化を実現できることから、系統連系用電力変換器や、誘導電動機のためのモータドライブ装置などに適用できる。


モジュラー・マルチレベル変換器として、例えばカスケード型のモジュラー・マルチレベル変換器(Modular Multilevel Cascade Converter:MMCC)が提案されている(例えば、特許文献1及び非特許文献1~4参照。)。


しかし、電池電力貯蔵装置の直流電圧を交流電圧に変換する連系変換器の高昇圧比を変換器用変圧器で実現すると、装置の大型化及び高重量化をもたらす。即ち、実装が容易で大容量・高圧用途に適したモジュラー・マルチレベル変換器を用いた場合であっても、変換器用変圧器は除去できるが、電圧整合性及び電気絶縁性の観点から連系変圧器を除去できないという問題がある。


また、今後は風力発電や太陽光発電が産業界のみならず一般家庭にも普及していくことが考えられ、電池電力貯蔵装置のより一層の小型化、低価格化及び高効率化がさらに要求される。更に、特許文献1及び非特許文献1~4に記載されたカスケード型のモジュラー・マルチレベル変換器(MMCC)よりもさらに小型、低価格で高効率の電力変換器が求められる。


そこで、本発明者らは、直流と交流とを双方向に変換する、構造容易、小型、低価格で高効率のモジュラー・マルチレベルの単相電力変換器及び三相電力変換器、ならびに、三相交流と二相交流とを双方向に変換する、構造容易、小型、低価格で高効率の三相二相電力変換器を案出した(特許文献2参照)。なお、以後、モジュラー・マルチレベルの単相電力変換器及び三相電力変換器、並びに三相二相電力変換器を総称して、マルチレベル電力変換器と記す。


特許文献2に記載のマルチレベル電力変換器では、プッシュプル・インバータの各アームをセルを使用してモジュール化した回路構成のモジュラー・プッシュプル・変換器(MPC:Modular Push-pull Converter)が使用される。モジュラー・プッシュプル・変換器は以後、MPCと記す。


そして、MPCの正常動作を実現するために、各セルに使用している直流コンデンサ電圧を一定にする制御として、特許文献2には、平均値制御、アームバランス制御、循環電流制御及び個別バランス制御の4つの制御が開示されている。

産業上の利用分野

本発明は、直流と交流とを双方向に変換する単相電力変換器及び三相電力変換器並びに三相交流と二相交流とを双方向に変換する三相二相電力変換器を含むマルチレベル電力変換器及びマルチレベル電力変換器の制御方法に関する。

特許請求の範囲 【請求項1】
直列接続された2つの半導体スイッチと、前記2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有する単位セルと、
1つの前記単位セル、又は前記入出力端子を介して互いにカスケード接続された複数の前記単位セルからなる第1及び第2のアームであって、前記第1及び第2のアームは同数の前記単位セルを有する第1及び第2のアームと、
前記第1のアームの一端が接続される第1の端子と、前記第2のアームの一端が接続される第2の端子と、直流電源の一端が接続される第3の端子とを有するアーム結合部と、
1次側に交流入出力端子、2次側巻線上に中間端子を有する変圧器であって、前記2次側巻線の2つの末端端子には、前記第1のアームの、前記第1の端子が接続されない側の端子と、前記第2のアームの、前記第2の端子が接続されない側の端子とがそれぞれ接続され、前記中間端子には、前記直流電源の、前記第3の端子が接続されない側の端子が接続される変圧器と、
前記第1のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値と前記第2のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値とに基づいて、前記第1のアームの循環電流指令値と前記第2のアームの循環電流指令値とを作成する指令値作成手段と、
前記第1と第2のアームの循環電流指令値に対して、前記第1と第2のアームを流れる電流に、前記変圧器の巻線比と前記交流入出力端子に印加される交流電流とを考慮した交流分を加えた、若しくは引いた、前記第1と第2のアームをそれぞれ流れる循環電流が追従するよう制御する制御手段とを備えることを特徴とするマルチレベル電力変換器。

【請求項2】
前記アーム結合部は、前記第1の端子と、前記第2の端子と、前記第1の端子と前記第2の端子との間の巻線上に位置する中間タップである前記第3の端子とを有する3端子結合リアクトル、からなる請求項1に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項3】
前記アーム結合部は、互いに直列接続された2つのリアクトルであって、前記直列接続された2つのリアクトルの一方の端子である前記第1の端子と、前記直列接続された2つのリアクトルの他方の端子である前記第2の端子と、前記直列接続された2つのリアクトルの直列接続点である前記第3の端子とを有する2つのリアクトルからなる請求項1に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項4】
前記第1のアーム及び前記第2のアームそれぞれにおいて、互いにカスケード接続された前記単位セル間の任意の位置に接続されるリアクトルを備え、
前記アーム結合部において、前記第1の端子と、前記第2の端子と、前記第3の端子とは互いに接続される請求項1に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項5】
直列接続された2つの半導体スイッチと、前記2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有する単位セルと、
1つの前記単位セル、又は前記入出力端子を介して互いにカスケード接続された複数の前記単位セルからなる第1及び第2のアームであって、前記第1及び第2のアームは同数の前記単位セルを有する第1及び第2のアームと、
前記第1のアームの一端との間で直流電源が接続される第1の端子と、前記第2のアームの一端との間でさらに別の直流電源が接続される第2の端子と、前記第1の端子及び前記第2の端子に接続される第3の端子とを有するアーム結合部と、
1次側に交流入出力端子、2次側巻線上に3端子結合リアクトルを有する変圧器であって、前記2次側巻線の2つの末端端子には、前記第1のアームの、前記直流電源が接続されない側の端子と、前記第2のアームの、前記さらに別の直流電源が接続されない側の端子とがそれぞれ接続され、前記3端子結合リアクトルの両端端子間の巻線上に位置する中間端子には、前記第3の端子が接続される変圧器と、
前記第1のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値と前記第2のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値とに基づいて、前記第1のアームの循環電流指令値と前記第2のアームの循環電流指令値とを作成する指令値作成手段と、
前記第1と第2のアームの循環電流指令値に対して、前記第1と第2のアームを流れる電流に、前記変圧器の巻線比と前記交流入出力端子に印加される交流電流とを考慮した交流分を加えた、若しくは引いた、前記第1と第2のアームをそれぞれ流れる循環電流が追従するよう制御する制御手段とを備えることを特徴とするマルチレベル電力変換器。

【請求項6】
直列接続された2つの半導体スイッチと、前記2つの半導体スイッチに並列接続された直流コンデンサと、前記半導体スイッチのスイッチング動作に応じて前記直流コンデンサから放電若しくは前記直流コンデンサへ充電される電流の入出力端子とを有する単位セルと、
1つの前記単位セル、又は前記入出力端子を介して互いにカスケード接続された複数の前記単位セルからなる第1及び第2のアームであって、前記第1及び第2のアームは同数の前記単位セルを有し、前記第1のアームの一端と前記第2のアームとの間に直流電源が接続される第1及び第2のアームと、
前記第1のアームの、前記直流電源が接続される側の端子に接続される第1のコンデンサと、
前記第2のアームの、前記直流電源が接続される側の端子に接続される第2のコンデンサと、
前記第1のコンデンサの、前記第1のアームが接続されない側の端子が接続される第1の端子と、前記第2のコンデンサの、前記第2のアームが接続されない側の端子が接続される第2の端子と、前記第1の端子及び前記第2の端子に接続される第3の端子とを有するアーム結合部と、
1次側に交流入出力端子、2次側巻線上に3端子結合リアクトルを有する変圧器であって、前記2次側巻線の2つの末端端子には、前記第1のアームの、前記第1のコンデンサが接続されない側の端子と、前記第2のアームの、前記第2のコンデンサが接続されない側の端子と、がそれぞれ接続され、前記3端子結合リアクトルの両端端子間の巻線上に位置する中間端子には、前記第3の端子が接続される変圧器と、
前記第1のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値と前記第2のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値とに基づいて、前記第1のアームの循環電流指令値と前記第2のアームの循環電流指令値とを作成する指令値作成手段と、
前記第1と第2のアームの循環電流指令値に対して、前記第1と第2のアームを流れる電流に、前記変圧器の巻線比と前記交流入出力端子に印加される交流電流とを考慮した交流分を加えた、若しくは引いた、前記第1と第2のアームをそれぞれ流れる循環電流が追従するよう制御する制御手段とを備えることを特徴とするマルチレベル電力変換器。

【請求項7】
前記指令値生成手段は、前記第1のアーム内及び前記第2のアーム内の全ての前記直流コンデンサの電圧値を平均して得られた値が,所定の直流電圧指令値に追従するよう制御するための前記第1と第2のアーム毎に循環電流指令値を生成する請求項1,5,6の何れか1項に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項8】
前記制御手段は、前記第1のアーム内の全ての前記直流コンデンサの電圧値を平均して得られた値に、前記第1のアーム内の各前記直流コンデンサの電圧値をそれぞれ追従させる制御、及び、前記第2のアーム内の全ての前記直流コンデンサの電圧値を平均して得られた値に、前記第2のアーム内の各前記直流コンデンサの電圧値をそれぞれ追従させる制御を更に実行する請求項7に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項9】
前記制御手段は、前記追従させる制御に対応して前記半導体スイッチをスイッチング動作させるスイッチング指令手段を有する請求項8に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項10】
各前記半導体スイッチは、
オン時に一方向に電流を通す半導体スイッチング素子と、
該半導体スイッチング素子に逆並列に接続された帰還ダイオードと、
を有する請求項1~9の何れか1項に記載のマルチレベル電力変換器。

【請求項11】
請求項1~10の何れか1項に記載のマルチレベル電力変換器を3相分備える三相マルチレベル電力変換器であって、
各前記マルチレベル電力変換器内の前記変圧器は、1次側にスター結線を有し2次側にオープンスター結線を有する三相変圧器における各相をそれぞれ構成し、
各前記マルチレベル電力変換器には共通の前記直流電源が接続される、
ことを特徴とする三相マルチレベル電力変換器。

【請求項12】
請求項1~10の何れか1項に記載のマルチレベル電力変換器を2相分備える三相二相マルチレベル電力変換器であって、
各前記マルチレベル電力変換器内の前記変圧器の2次側巻線は、スコット変圧器の2次側における各相の巻線をそれぞれ構成し、
各前記マルチレベル電力変換器には共通の前記直流電源が接続される、
ことを特徴とする三相二相マルチレベル電力変換器。

【請求項13】
請求項1,5,6の何れか1項に記載のマルチレベル電力変換器において、
前記変圧器の1次側と2次側の巻線比をN1/N2、変圧器の交流入力端子に入力される電流をiacとした時に、第1のアームの循環電流と第2のアームの循環電流を、
ZP=iP+(N1/N2)×iac
ZN=iN-(N1/N2)×iac
で定義し、
前記第1のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値と前記第2のアーム内の前記直流コンデンサの電圧値とに基づいて、前記第1のアームの循環電流指令値と前記第2のアームの循環電流指令値とを作成し、
前記第1と第2のアームの循環電流指令値に対して、前記第1と第2のアームを流れる電流に、前記変圧器の巻線比と前記交流入出力端子に印加される交流電流とを考慮した交流分を加えた、若しくは引いた、前記第1と第2のアームをそれぞれ流れる循環電流が追従するよう制御することを特徴とするマルチレベル電力変換器の制御方法。
国際特許分類(IPC)
Fターム
  • 5H770BA11
  • 5H770CA04
  • 5H770CA05
  • 5H770CA06
  • 5H770DA01
  • 5H770DA03
  • 5H770DA10
  • 5H770DA11
  • 5H770DA23
  • 5H770DA31
  • 5H770HA03
画像

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