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公開番号2025044473
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-04-02
出願番号2023152050
出願日2023-09-20
発明の名称モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器およびその制御方法
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 20070101AFI20250326BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】逆相電流を流すことなく各相の電力責務に意図的にアンバランスを生じさせることができるモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器を提供する。
【解決手段】セルコンデンサの両端間に複数の半導体スイッチング素子をブリッジ接続したブリッジセルを複数台直列接続して1相のモジュールを構成し、このモジュールを3相分備え、3相交流の系統に連系される装置において、系統側の相電圧検出信号と各相の出力電力指令値に基づいて零相電圧を演算し(演算器44)、前記演算された零相電圧を相電圧検出信号に重畳し(加算器58)、電流指令値に基づいて電流制御を行って出力された相電圧に、前記零相電圧が重畳された相電圧を加算器59で加算して各相の出力電圧指令値を求め、前記各相の出力電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成する制御部を備えた。
【選択図】図5
特許請求の範囲【請求項１】
セルコンデンサの両端間に複数の半導体スイッチング素子をブリッジ接続したブリッジセルを複数台直列接続して１相のモジュールを構成し、このモジュールを３相分備え、３相交流の系統に連系される３相のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器であって、
系統側の相電圧検出信号と各相の出力電力指令値に基づいて零相電圧を演算し、前記演算された零相電圧を相電圧検出信号に重畳し、電流指令値に基づいて電流制御を行って出力された相電圧に、前記零相電圧が重畳された相電圧を加算して各相の出力電圧指令値を求め、前記各相の出力電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成する制御部を備えたことを特徴とするモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
続きを表示（約 5,200 文字）【請求項２】
前記制御部は、
系統電圧の正相ｄ軸成分の振幅Ｖ
１ｄ
と各相の出力電力指令値Ｐ
Ｕ
＊
，Ｐ
Ｖ
＊
，Ｐ
Ｗ
＊
に基づいて（７）式を演算して零相電圧Ｖ
０ｄ
, Ｖ
０ｑ
を求める零相電圧演算部と、
TIFF
2025044473000039.tif
50
166
（Ｖ
１ｄ
は系統側相電圧を、系統に同期した位相ωｔでｄｑ変換した正相のｄ軸成分の振幅、Ｐ
Ｕ
＊
はＵ相の出力電力指令値、Ｐ
Ｖ
＊
はＶ相の出力電力指令値、Ｐ
Ｗ
＊
はＷ相の出力電力指令値）
系統側の相電圧検出信号に前記零相電圧Ｖ
０ｄ
, Ｖ
０ｑ
を重畳する零相電圧重畳部と、
正相ｄ軸成分の出力電流指令値Ｉ
１ｄ
＊
および無効電力成分の出力電流指令値Ｉ
１ｑ
＊
に基づいて電流制御を行う電流制御部と、
前記電流制御部から出力される相電圧に、前記零相電圧重畳部の出力電圧を加算して各相の出力電圧指令値を求める加算部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
【請求項３】
前記制御部は、
系統電圧の正相ｄ軸成分の振幅Ｖ
１ｄ
、系統電圧の逆相ｄ軸成分の振幅Ｖ
２ｄ
、系統電圧の逆相ｑ軸成分の振幅Ｖ
２ｑ
、無効電力成分の出力電流指令値Ｉ
１ｑ
＊
および各相の出力電力指令値Ｐ
Ｕ
＊
，Ｐ
Ｖ
＊
，Ｐ
Ｗ
＊
に基づいて（１１）式、（１２）式、又は（１３）式を演算して零相電圧Ｖ
０ｄ
, Ｖ
０ｑ
を求める零相電圧演算部と、
TIFF
2025044473000040.tif
50
166
TIFF
2025044473000041.tif
50
166
TIFF
2025044473000042.tif
50
166
（Ｉ
１ｑ
は出力電流の正相ｑ軸成分の振幅（無効電力成分の出力電流）、Ｉ
１ｄ
は出力電流の正相ｄ軸成分の振幅、Ｐ
Ｕ
はＵ相の出力電力、Ｐ
Ｖ
はＶ相の出力電力、Ｐ
Ｗ
はＷ相の出力電力）
系統側の相電圧検出信号に前記零相電圧Ｖ
０ｄ
, Ｖ
０ｑ
を重畳する零相電圧重畳部と、
正相ｄ軸成分の出力電流指令値Ｉ
１ｄ
＊
、無効電力成分の出力電流指令値Ｉ
１ｑ
＊
および逆相出力電流指令値Ｉ
２ｄ
＊
, Ｉ
２q
＊
に基づいて電流制御を行う電流制御部と、
前記電流制御部から出力される相電圧に、前記零相電圧重畳部の出力電圧を加算して各相の出力電圧指令値を求める加算部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
【請求項４】
前記制御部は、
系統電圧の正相ｄ軸成分の振幅Ｖ
１ｄ
、無効電力成分の出力電流指令値Ｉ
１ｑ
＊
、逆相出力電流指令値Ｉ
２ｄ
＊
, Ｉ
２q
＊
および各相の出力電力指令値Ｐ
Ｕ
＊
，Ｐ
Ｖ
＊
，Ｐ
Ｗ
＊
に基づいて（１６）式、（１７）式、又は（１８）式を演算して零相電圧Ｖ
０ｄ
, Ｖ
０ｑ
を求める零相電圧演算部と、
TIFF
2025044473000043.tif
50
166
TIFF
2025044473000044.tif
50
166
TIFF
2025044473000045.tif
50
166
（Ｉ
２ｑ
は出力電流の逆相ｑ軸成分の振幅、Ｉ
２ｄ
は出力電流の逆相ｄ軸成分の振幅）
系統側の相電圧検出信号に前記零相電圧Ｖ
０ｄ
, Ｖ
０ｑ
を重畳する零相電圧重畳部と、
正相ｄ軸成分の出力電流指令値Ｉ
１ｄ
＊
、無効電力成分の出力電流指令値Ｉ
１ｑ
＊
および逆相出力電流指令値Ｉ
２ｄ
＊
, Ｉ
２q
＊
に基づいて電流制御を行う電流制御部と、
前記電流制御部から出力される相電圧に、前記零相電圧重畳部の出力電圧を加算して各相の出力電圧指令値を求める加算部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
【請求項５】
前記系統のＵ相に直列接続されたＵ相側奇数台のブリッジセルと、前記系統のＶ相に直列接続されたＶ相側奇数台のブリッジセルと、前記系統のＷ相に直列接続されたＷ相側奇数台のブリッジセルとを備え、
前記各ブリッジセルの直流側には双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが各々接続され、
前記Ｕ相側奇数台のブリッジセルと、前記Ｖ相側奇数台のブリッジセルを設定した台数に２分割した一方のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第１の直流電力系統を構成し、
前記Ｖ相側奇数台のブリッジセルのうち、分割した他方のブリッジセルと、前記Ｗ相側奇数台のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第２の直流電力系統を構成し、
前記第１の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ１
、第２の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ２
から、各直流電力系統の電圧指令値Ｖ
ＤＣ
＊
／２を各々減算して第１の直流電力系統の電力指令Ｐ
１
＊
、第１の直流電力系統の電力指令Ｐ
２
＊
を求め、Ｖ相の出力電力指令Ｐ
Ｖ
＊
を任意に設定し、前記Ｐ
１
＊
から２Ｐ
Ｖ
＊
／３を減算してＵ相の出力電力指令値Ｐ
Ｕ
＊
を求め、前記Ｐ
２
＊
からＰ
Ｖ
＊
／３を減算してＷ相の出力電力指令値Ｐ
Ｗ
＊
を求める出力電力指令値演算部を備えたことを特徴とする請求項２又は３又は４に記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
【請求項６】
前記系統のＵ相に直列接続されたＵ相側複数台のブリッジセルと、前記系統のＶ相に直列接続されたＶ相側複数台のブリッジセルと、前記系統のＷ相に直列接続されたＷ相側複数台のブリッジセルとを備え、
前記各ブリッジセルの直流側には双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが各々接続され、
前記Ｕ相側複数台のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第１の直流電力系統を構成し、
前記Ｖ相側複数台のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第２の直流電力系統を構成し、
前記Ｗ相側複数台のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第３の直流電力系統を構成し、
前記第１の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ１
、第２の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ２
、第３の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ３
から、各直流電力系統の電圧指令値Ｖ
ＤＣ
＊
／３を各々減算して第１、第２、第３の直流電力系統の電力指令Ｐ
１
＊
、Ｐ
２
＊
、Ｐ
３
＊
を各々求め、前記Ｐ
１
＊
、Ｐ
２
＊
、Ｐ
３
＊
をＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電力指令値Ｐ
Ｕ
＊
、Ｐ
Ｖ
＊
、Ｐ
Ｗ
＊
とする出力電力指令値演算部を備えたことを特徴とする請求項２又は３又は４に記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
【請求項７】
前記系統のＵ相に直列接続されたＵ相側第１、第２のブリッジセルと、前記系統のＶ相に直列接続されたＶ相側第１、第２のブリッジセルと、前記系統のＷ相に直列接続されたＷ相側第１、第２のブリッジセルとを備え、
前記各ブリッジセルの直流側には双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが各々接続され、
前記Ｕ相側第１のブリッジセルとＶ相側第１のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第１の直流電力系統を構成し、
前記Ｗ相側第１のブリッジセルとＵ相側第２のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第２の直流電力系統を構成し、
前記Ｖ相側第２のブリッジセルとＷ相側第２のブリッジセルに各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの直流出力側端を各々並列に接続して第３の直流電力系統を構成し、
前記第１の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ１
、第２の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ２
、第３の直流電力系統の電圧検出値Ｖ
ＤＣ３
から、各直流電力系統の電圧指令値Ｖ
ＤＣ
＊
／３を各々減算して第１、第２、第３の直流電力系統の電力指令Ｐ
１
＊
、Ｐ
２
＊
、Ｐ
３
＊
を各々求め、前記Ｐ
１
＊
、Ｐ
２
＊
、Ｐ
３
＊
を用いて（２５）式
TIFF
2025044473000046.tif
50
166
を演算してＵ相、Ｖ相、Ｗ相の出力電力指令値Ｐ
Ｕ
＊
、Ｐ
Ｖ
＊
、Ｐ
Ｗ
＊
を求める出力電力指令値演算部を備えたことを特徴とする請求項２又は３又は４に記載のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器。
【請求項８】
セルコンデンサの両端間に複数の半導体スイッチング素子をブリッジ接続したブリッジセルを複数台直列接続して１相のモジュールを構成し、このモジュールを３相分備え、３相交流の系統に連系される３相のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の制御方法であって、
制御部が、系統側の相電圧検出信号と各相の出力電力指令値に基づいて零相電圧を演算するステップと、前記演算された零相電圧を相電圧検出信号に重畳するステップと、電流指令値に基づいて電流制御を行うステップと、前記電流制御を行って出力された相電圧に、前記零相電圧が重畳された相電圧を加算して各相の出力電圧指令値を求めるステップと、前記求められた各相の出力電圧指令値に基づいて、前記各ブリッジセル内の各半導体スイッチング素子のゲート信号を生成するステップと、を備えたことを特徴とするモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器の制御方法。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、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（以下、ＳＳＢＣと称することもある）のモジュラー・マルチレベル・カスケード変換器（以下、ＭＭＣＣと称することもある）において、変換器を構成する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であり、逆相電流を流すことなく各相の電力責務に意図的にアンバランスを生じさせる技術に関する。
続きを表示（約 1,400 文字）【背景技術】
【０００２】
モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器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（以下、ＳＳＴと称することもある）がある。
【０００３】
図１～図３にＭＭＣＣ－ＳＳＢＣと双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを組み合わせた１相あたり複数台のセルからなるＳＳＴを示す。図１はＭＭＣＣ－ＳＳＢＣ側セル９台で２つの直流電力系統を用意する場合のＳＳＴ主回路構成であり、図２はＭＭＣＣ－ＳＳＢＣ側セル６台で３つの直流電力系統を用意する場合のＳＳＴ主回路構成の一例であり、図３はＭＭＣＣ－ＳＳＢＣ側セル６台で３つの直流電力系統を用意する場合のＳＳＴ主回路構成の他の例（図２とは接続が異なる例）である。
【０００４】
図１～図３中の１０は３相交流の系統電源、ｖ
Ｕ
，ｖ
Ｖ
，ｖ
Ｗ
は系統側の各相電圧、ｉ
Ｕ
，ｉ
Ｖ
，ｉ
Ｗ
は各相のリアクトルを介して流れるＳＳＴの出力電流を各々示している。
【０００５】
図１において系統のＵ相には、Ｕ相側の第１，第２，第３のブリッジセル２０Ｕ１，２０Ｕ２，２０Ｕ３がリアクトルを介して直列に接続されている（Ｕ相モジュール）。系統のＶ相には、Ｖ相側の第１，第２，第３のブリッジセル２０Ｖ１，２０Ｖ２，２０Ｖ３がリアクトルを介して直列に接続されている（Ｖ相モジュール）。系統のＷ相には、Ｗ相側の第１，第２，第３のブリッジセル２０Ｗ１，２０Ｗ２，２０Ｗ３がリアクトルを介して直列に接続されている（Ｗ相モジュール）。
【０００６】
前記各ブリッジセル２０Ｕ１～２０Ｕ３、２０Ｖ１～２０Ｖ３、２０Ｗ１～２０Ｗ３の各直流側には、双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３０…が各々接続されている。
【０００７】
Ｕ相側第１，第２，第３のブリッジセル２０Ｕ１，２０Ｕ２，２０Ｕ３およびＶ相側第１，第２のブリッジセル２０Ｖ１，２０Ｖ２に各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３０…の各直流出力端は各々並列に接続され、第１の直流電力系統Ｐ１（直流電圧はＶ
ＤＣ
／２）が構成されている。
【０００８】
Ｖ相側第３のブリッジセル２０Ｕ３およびＷ相側第１，第２，第３のブリッジセル２０Ｗ１，２０Ｗ２，２０Ｗ３に各々接続されている双方向絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータ３０…の各直流出力端は各々並列に接続され、第２の直流電力系統Ｐ２（直流電圧はＶ
ＤＣ
／２）が構成されている。
【０００９】
前記ブリッジセル２０（２０Ｕ１～２０Ｕ３、２０Ｖ１～２０Ｖ３、２０Ｗ１～２０Ｗ３）は、セル１台あたりの回路を示す図４のように、セルコンデンサＣの両端間に半導体スイッチング素子Ｓ１～Ｓ４をブリッジ接続して構成されている。
【００１０】
半導体スイッチング素子Ｓ１およびＳ２の共通接続点を一方の接続端子とし、半導体スイッチング素子Ｓ３およびＳ４の共通接続点を他方の接続端子とし、これら一方の接続端子と他方の接続端子によって、各相側第１～第３のブリッジセルが直列に接続される。
（【００１１】以降は省略されています）

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