(In Japanese)電力変換器

• P2014-055793 (Mar 19, 2014) JP

• (In Japanese)赤木 泰文
• (In Japanese)萩原 誠

• (In Japanese)国立大学法人東京工業大学

近年、高圧大容量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・カスケード変換器（MMCC：Modular Multilevel Cascade Converter）がある。MMCCは、変換器を構成する「クラスタ（Cluster）」（アーム又はレッグと呼ばれることもある）を単位セルのカスケード接続により形成する点に特徴がある。代表的な単位セルとしては、図1Aに示すチョッパセルCCと、図1Bに示すブリッジセルBCがある。

図1Aに示すチョッパセルCCは双方向チョッパの一部と見なすことができ、直列接続された2つの半導体スイッチSWと、2つの半導体スイッチSWに並列接続された直流コンデンサCと、半導体スイッチSWのスイッチング動作に応じて直流コンデンサCから放電若しくは直流コンデンサCへ充電される電流の入出力端子T1，T2とを有する。この例の半導体スイッチSWは、IGBTから構成されている。図1Cは図1Aに示したチョッパセルCCを複数個カスケード接続したクラスタCLを示す。

図1Bに示すブリッジセルBCは単相フルブリッジ変換器と等価であり、直列接続された2つの半導体スイッチSWを2組並列接続した半導体スイッチSWの組と、2組の半導体スイッチSWの組に並列に接続された直流コンデンサCと、2つの半導体スイッチSWの各組の直列接続点と、直流コンデンサCから放電若しくは直流コンデンサCへ充電される電流の入出力端子T1，T2とを有する。

MMCCは、結線方法によりスター結線形MMCCとデルタ結線形MMCCに大別できる。現在までに、以下のような6種類のスター結線形MMCCとデルタ結線形MMCCが知られているが、このうちの4種類のスター結線形MMCCとデルタ結線形MMCCが非特許文献1に開示されている。
1．シングルスター結線形ブリッジセルMMCC（SSBC）
2．ダブルスター結線形ブリッジセルMMCC（DSBC）
3．ダブルスター結線形チョッパセルMMCC（DSCC）
4．トリプルスター結線形ブリッジセルMMCC（TSBC）
5．シングルデルタ結線形ブリッジセルMMCC（SDBC）
6．ダブルデルタ結線形ブリッジセルMMCC（DDBC）

ここで、スター結線形のMMCCの用途について説明する。SSBCは、無効電力補償装置（STATCOM）や、電池電力貯蔵装置への適用が可能である。DSBCとDSCCは、スター結線の中性点間に直流電源を接続できるので、直流－3相交流電力変換が実現できる。DSBCを用いた場合は、直流電源を単相交流電源に置き換えることが可能であり、単相交流－3相交流電力変換が実現可能である。TSBCは、スター結線の中性点間に3相電源（又は3相負荷）を接続できるので、3相交流－3相交流電力変換が実現可能である。スター結線形のMMCCは本発明には関係しないので、これ以上の説明は省略する。

次に、デルタ結線形のMMCCの用途について説明する。SDBCは、図2Aに示すように、複数のブリッジセルBCがカスケード接続された3つのクラスタCLがデルタ結線され、デルタ結線の3つの接続点が3相交流電源の各相に接続されたものである。また、図3は、図2Aに示したSDBCの各クラスタ内の回路構成を詳細に示したものである。SDBCは、デルタ結線内の循環電流を制御することにより、逆相無効電力を制御できるので、アーク炉用逆相無効電力補償装置への適用が期待されている。

図3に示すシングルデルタ結線形ブリッジセルMMCC100（以後電力変換器100と記す）において、系統側の電源電圧の各相の相電圧がv_Su、v_Sv及びv_Swであり、各相の電流（以下、「電源電流」と称する。）がi_u、i_v及びi_wである。また、電力変換器100のデルタ結線部から各相のクラスタCLにそれぞれ流入する電流（以下、「変換器電流」と記す）が、それぞれi_uv、i_vw及びi_wu、である。また、電力変換器100のデルタ結線部の各相のクラスタCLの出力電圧、即ち電力変換器100の出力端子間T_U1－T_U2，T_V1－T_V2及びT_W1－T_W2における線間電圧がそれぞれv_uv、v_vw及びv_wu、である。また、各ブリッジセル11u－j、11v－j及び11w－j内の直流コンデンサの電圧がv_Cju、v_Cjv及びv_Cjw（ただし、j＝1～3）である。

一方、DDBCは、図2Bに示すように、複数のブリッジセルBCがカスケード接続された6つのクラスタCLを備えている。ダブルデルタ結線では、直列接続された2つのクラスタCLの組がデルタ結線され、デルタ結線された組の3つの接続点が3相交流電源のU相、V相及びW相にそれぞれ接続されている。そして、直列接続されたクラスタCLの中間点が、それぞれR相、S相及びT相として取り出される。従って、DDBCは、TSBCと同様に、3相交流－3相交流電力変換が実現可能である。

本発明は、電力変換器に関し、特に、モジュラー・マルチレベル・カスケード型の電力変換器に関する。

• H02M   7/49      Combination of the output voltage waveforms of a plurality of converters
• H02M   7/797     using semiconductor devices only
• H02M   5/293     using semiconductor devices only

• 5H750AA03 Suppression of harmonics
• 5H750BA01 Stationary types
• 5H750BA06 Cycloconverters
• 5H750CC02 Diodes
• 5H750CC06 Transistors
• 5H750CC11 Transformers
• 5H750CC14 Capacitors
• 5H750CC16 Reactors
• 5H750DD13 Single-phase or two-phase types
• 5H750DD14 Three-phase types
• 5H750DD17 Single-phase or two-phase types
• 5H750DD18 Three-phase types
• 5H770DA03
• 5H770DA10
• 5H770DA11
• 5H770DA23
• 5H770DA37
• 5H770JA13
• 5H770JA16