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公開番号2024089031
公報種別公開特許公報(A)
公開日2024-07-03
出願番号2022204125
出願日2022-12-21
発明の名称セル多重インバータ
出願人株式会社明電舎
代理人個人,個人,個人,個人
主分類H02M 7/49 20070101AFI20240626BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】セル多重インバータにおいて、定常時におけるスイッチング回数の増加を抑制し、かつ系統電圧や出力電流が急変した際の過電流を抑える。
【解決手段】セル多重インバータは、交流系統ACの各相にスター結線で多重に接続した複数のセルcellu1～cellw4と、複数のセルのスイッチング素子のゲート指令を生成するゲート指令生成部と、を備える。複数のセルのうち一部のセルは商用周波数または出力周波数の1周期に1回のスイッチングを行う商用周波数駆動セルとして駆動し、複数のセルのうち残りのセルは商用周波数駆動セルよりも高い周波数で駆動する高周波駆動セルとして駆動する。ゲート指令生成部において、商用周波数駆動セルは、電圧指令値の傾きが傾き閾値よりも小さいときはスイッチング回数の増加を抑制し、電圧指令値の傾きが傾き閾値よりも大きいときはスイッチング回数の増加を許容する。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
交流系統の各相にスター結線で多重に接続した複数のセルと、複数の前記セルのスイッチング素子のゲート指令を生成するゲート指令生成部と、を備え、
複数の前記セルのうち一部の前記セルは商用周波数または出力周波数の１周期に１回のスイッチングを行う商用周波数駆動セルとして駆動し、
複数の前記セルのうち残りの前記セルは前記商用周波数駆動セルよりも高い周波数で駆動する高周波駆動セルとして駆動するセル多重インバータであって、
前記ゲート指令生成部は、
前記商用周波数駆動セルは、電圧指令値の傾きが傾き閾値よりも小さいときはスイッチング回数の増加を抑制し、前記電圧指令値の傾きが前記傾き閾値よりも大きいときはスイッチング回数の増加を許容し、前記傾き閾値は、前記高周波駆動セルのゲート指令生成に使用するキャリア三角波の傾きの半分以下とすることを特徴とするセル多重インバータ。
続きを表示（約 3,800 文字）【請求項２】
前記ゲート指令生成部は、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が変化してから所定時間、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１の時は固定閾値から第１ヒステリシス幅を減算し、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０の時は前記固定閾値に前記第１ヒステリシス幅を加算し、
それ以外の時は前記固定閾値をそのままとし、
前記電圧指令値と、前記商用周波数駆動セルのゲート指令の条件に応じて前記第１ヒステリシス幅を加算減算した前記固定閾値またはそのままの前記固定閾値と、の比較に基づいて前記商用周波数駆動セルのゲート指令を生成することを特徴とする請求項１記載のセル多重インバータ。
【請求項３】
前記ゲート指令生成部は、
前記電圧指令値の傾きが前記傾き閾値よりも小さいときは前記商用周波数駆動セルの１台がスイッチングした場合において前記高周波駆動セルも１台スイッチングするようにし、かつ、前記商用周波数駆動セルと前記高周波駆動セルの出力電圧レベルの変化が互いに打ち消し合うように制限し、
前記電圧指令値の傾きが前記傾き閾値よりも大きいときは上記制限を無くすことを特徴とする請求項１記載のセル多重インバータ。
【請求項４】
前記ゲート指令生成部は、
高周波駆動セル電圧指令値とＰＤ方式のキャリア三角波の比較に基づいて前記高周波駆動セルのゲート指令を生成し、
前記電圧指令値の傾きが前記傾き閾値よりも小さい時は、前記キャリア三角波の傾きがプラスの時に前記商用周波数駆動セルの出力電圧レベルの増加を許容し、前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時に前記商用周波数駆動セルの出力電圧レベルの減少を許容することを特徴とする請求項３記載のセル多重インバータ。
【請求項５】
前記ゲート指令生成部は、
高周波駆動セル電圧指令値とＰＳ方式のキャリア三角波の比較に基づいて前記高周波駆動セルのゲート指令を生成し、
前記電圧指令値の傾きが前記傾き閾値よりも小さい時は、
前記電圧指令値がプラスの時は最も大きい前記キャリア三角波の傾きがプラスの時に前記商用周波数駆動セルの出力電圧レベルの増加を許容し、前記電圧指令値がマイナスの時は最も小さい前記キャリア三角波の傾きがプラスの時に前記商用周波数駆動セルの出力電圧レベルの増加を許容し、
前記電圧指令値がプラスの時は最も大きい前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時に前記商用周波数駆動セルの出力電圧レベルの減少を許容し、前記電圧指令値がマイナスの時は最も小さい前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時に前記商用周波数駆動セルの出力電圧レベルの減少を許容することを特徴とする請求項３記載のセル多重インバータ。
【請求項６】
前記ゲート指令生成部は、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０かつ前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時は固定閾値に第２ヒステリシス幅を加算し、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１かつ前記キャリア三角波の傾きがプラスの時は前記固定閾値から前記第２ヒステリシス幅を減算し、
それ以外の時は前記固定閾値をそのままとし、
前記電圧指令値と、前記商用周波数駆動セルのゲート指令および前記キャリア三角波の傾きの条件に応じて前記第２ヒステリシス幅を加算減算した前記固定閾値またはそのままの前記固定閾値と、の比較に基づいて前記商用周波数駆動セルのゲート指令を生成することを特徴とする請求項４記載のセル多重インバータ。
【請求項７】
前記ゲート指令生成部は、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０、かつ、前記電圧指令値がプラスならば最も大きい前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時および前記電圧指令値がマイナスならば最も小さい前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時は固定閾値に第２ヒステリシス幅を加算し、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１、かつ、前記電圧指令値がプラスならば最も大きい前記キャリア三角波の傾きがプラスの時および前記電圧指令値がマイナスならば最も小さい前記キャリア三角波の傾きがプラスの時は前記固定閾値から前記第２ヒステリシス幅を減算し、
それ以外の時は前記固定閾値をそのままとし、
前記電圧指令値と、前記商用周波数駆動セルのゲート指令および前記キャリア三角波の傾きの条件に応じて前記第２ヒステリシス幅を加算減算した前記固定閾値またはそのままの前記固定閾値との比較に基づいて前記商用周波数駆動セルのゲート指令を生成することを特徴とする請求項５記載のセル多重インバータ。
【請求項８】
前記ゲート指令生成部は、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が変化してから所定時間、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１の時は固定閾値から第１ヒステリシス幅を減算し、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０の時は前記固定閾値に前記第１ヒステリシス幅を加算し、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０かつ前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時は前記固定閾値に第２ヒステリシス幅を加算し、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１かつ前記キャリア三角波の傾きがプラスの時は前記固定閾値から前記第２ヒステリシス幅を減算し、
それ以外の時は前記固定閾値をそのままとし、
前記電圧指令値と、前記商用周波数駆動セルのゲート指令および前記キャリア三角波の傾き条件に応じて前記第１ヒステリシス幅、前記第２ヒステリシス幅を加算減算した前記固定閾値またはそのままの前記固定閾値と、の比較に基づいて前記商用周波数駆動セルのゲート指令を生成することを特徴とする請求項４記載のセル多重インバータ。
【請求項９】
前記ゲート指令生成部は、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が変化してから所定時間、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１の時は固定閾値から第１ヒステリシス幅を減算し、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０の時は前記固定閾値に前記第１ヒステリシス幅を加算し、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０、かつ、前記電圧指令値がプラスならば最も大きい前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時および前記電圧指令値がマイナスならば最も小さい前記キャリア三角波の傾きがマイナスの時は前記固定閾値に第２ヒステリシス幅を加算し、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１、かつ、前記電圧指令値がプラスならば最も大きい前記キャリア三角波の傾きがプラスの時および前記電圧指令値がマイナスならば最も小さい前記キャリア三角波の傾きがプラスの時は前記固定閾値から前記第２ヒステリシス幅を減算し、
それ以外の時は前記固定閾値をそのままとし、
前記電圧指令値と、前記商用周波数駆動セルのゲート指令および前記キャリア三角波の傾きの条件に応じて前記第１ヒステリシス幅、前記第２ヒステリシス幅を加算減算した前記固定閾値またはそのままの前記固定閾値と、の比較に基づいて前記商用周波数駆動セルのゲート指令を生成することを特徴とする請求項５記載のセル多重インバータ。
【請求項１０】
１相当たりの前記セルの台数がＮ台（Ｎ≧２）、前記高周波駆動セルの台数がＭ台（Ｍ≧１）であって、
前記電圧指令値と２（Ｎ－Ｍ）個の前記固定閾値とのそれぞれの比較に基づいて前記商用周波数駆動セルのゲート指令を生成する２（Ｎ－Ｍ）個の商用セルゲート指令生成部と、
それぞれの前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１の時は１／２Ｎを出力し、０の時は－１／２Ｎを出力する第１スイッチと、
すべての前記第１スイッチの出力を加算する第１加算器と、
前記電圧指令値から前記第１加算器の出力を減算する第２減算器と、
前記第２減算器の出力とＰＳ方式またはＰＤ方式のキャリア三角波を比較し、前記高周波駆動セルのゲート指令を生成する第２比較器と、
を備え、
前記商用セルゲート指令生成部は、
前記電圧指令値から前記固定閾値を減算した値からバッファの出力を減算する第１減算器と、
前記第１減算器の出力が０よりも大きい場合は１を、それ以外の場合０を前記商用周波数駆動セルのゲート指令として出力する第１比較器と、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が１の場合はマイナスの前記第１ヒステリシス幅を出力し、前記商用周波数駆動セルのゲート指令が０の場合はプラスの前記第１ヒステリシス幅を出力する第２スイッチと、
前記商用周波数駆動セルのゲート指令が変化してから所定時間は前記第２スイッチの出力を出力し、それ以外の時は０を出力する第３スイッチと、
前記第３スイッチの出力を記憶し、１演算時間前の値を出力する前記バッファと、
を備えたことを特徴とする請求項２記載のセル多重インバータ。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流系統の各相にスター結線で複数のセルを多重に接続したセル多重インバータに関する。
続きを表示（約 1,100 文字）【背景技術】
【０００２】
セル多重インバータの一例として、三相交流の系統に連系するシングルスター・ブリッジセル（ＳＳＢＣ）のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（ＭＭＣＣ）が知られている。また、ＭＭＣＣ－ＳＳＢＣのフルブリッジセルの直流側に別途電源やＤＣ／ＤＣコンバータなどが接続された構成も知られている。
【０００３】
この構成の主な例としては、例えば特許文献１にあるようなソリッドステート・トランスフォーマー（ＳＳＴ）がある。特許文献１ではＳＳＴの主回路構成が開示されている。
【０００４】
図１にＭＭＣＣ－ＳＳＢＣと共振コンバータ方式の双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを組み合わせた１相あたりセル４台からなるＳＳＴを示す。
【０００５】
高圧の交流電力を直列接続したセルで直流電力に変換し、直流電力を高周波の交流電力に変換し、トランスで絶縁、整流することで直流電力に変換できる。逆向きの電力融通も可能である。ＳＳＴは高周波トランスを用いるため、従来の商用周波数トランスよりも小型にできる。
【０００６】
また、別の用途としては特許文献２の高圧多重インバータも該当する。特許文献２では高圧多重インバータの構成が開示されている。
【０００７】
特許文献２の実施形態１５や特許文献３では、ＭＭＣＣ－ＳＳＢＣや多重インバータを構成する各セルのスイッチング素子を駆動する方式として、大半のセルで商用周波数の１周期に１回のスイッチングを行い、一部のセルのみ高いスイッチング周波数で駆動するというものが提案されている。
【０００８】
この方式では、商用周波数で動作する多くのセル（以下、商用周波数駆動セルと称する）にはスイッチング損失は大きいが安価であるＳｉ－ＩＧＢＴといったデバイスを使用し、高いスイッチング周波数で駆動するセル（以下、高周波駆動セルと称する）には低損失だが高価であるＳｉＣ－ＭＯＳＦＥＴなどのデバイスを適用することで、高効率とコスト低減を両立できる。
【０００９】
さらに、出力電圧のマルチレベル化により、スイッチングにより出力電圧に重畳するリプルの振幅が小さくなる。このため変換器の出力端に接続するリアクトルなどのフィルタ回路の小型化・低コスト化も可能となる。特許文献３の請求項は無効電力補償装置に限定されているが、ＳＳＴにも適用することができる。
【００１０】
また、商用周波数駆動セルのゲート信号の接続を一定周期毎に切り替えて熱責務を均等にする方法も提案されている。
（【００１１】以降は省略されています）

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