(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
【公報種別】再公表特許(A1)
(11)【国際公開番号】WO2013108376
(43)【国際公開日】20130725
【発行日】20150511
(54)【発明の名称】電力変換装置
(51)【国際特許分類】
   H02M 7/12 20060101AFI20150414BHJP
【FI】
   !H02M7/12 T
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
【全頁数】18
【出願番号】2013554145
(21)【国際出願番号】JP2012050917
(22)【国際出願日】20120118
(81)【指定国】 AP(BW,GH,GM,KE,LR,LS,MW,MZ,NA,RW,SD,SL,SZ,TZ,UG,ZM,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),EP(AL,AT,BE,BG,CH,CY,CZ,DE,DK,EE,ES,FI,FR,GB,GR,HR,HU,IE,IS,IT,LT,LU,LV,MC,MK,MT,NL,NO,PL,PT,RO,RS,SE,SI,SK,SM,TR),OA(BF,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GQ,GW,ML,MR,NE,SN,TD,TG),AE,AG,AL,AM,AO,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BH,BR,BW,BY,BZ,CA,CH,CL,CN,CO,CR,CU,CZ,DE,DK,DM,DO,DZ,EC,EE,EG,ES,FI,GB,GD,GE,GH,GM,GT,HN,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,KE,KG,KM,KN,KP,KR,KZ,LA,LC,LK,LR,LS,LT,LU,LY,MA,MD,ME,MG,MK,MN,MW,MX,MY,MZ,NA,NG,NI,NO,NZ,OM,PE,PG,PH,PL,PT,QA,RO,RS,RU,RW,SC,SD,SE,SG,SK,SL,SM,ST,SV,SY,TH,TJ,TM,TN,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VC,VN
(71)【出願人】
【識別番号】501137636
【氏名又は名称】東芝三菱電機産業システム株式会社
【住所又は居所】東京都中央区京橋三丁目1番1号
(74)【代理人】
【識別番号】110001195
【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】細川 靖彦
【住所又は居所】東京都中央区京橋三丁目1番1号 東芝三菱電機産業システム株式会社内
【テーマコード(参考)】
5H006
【Fターム(参考)】
5H006CA01
5H006CB01
5H006DB01
5H006DC07
(57)【要約】
三相電力系統(100)に連系する三相変圧器(105)を備え、三相変圧器(105)は、三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループ(200)と、一次巻線グループから転送される電力を受ける第1の二次巻線グループ(201A)および第2の二次巻線グループ(201B)と、第1〜第2の二次巻線グループ(201A,201B)にそれぞれ対応して接続される第1の変換器グループ(112)および第2の変換器グループ(116)とを含み、第1の変換器グループ(112)に設けられる第1〜第3の変換器アーム(113〜115)の他方端のうち少なくとも一つと第2の変換器グループ(116)に設けられる第4〜第6の変換器アーム(117〜119)の他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群(121,122)とを備える。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
三相電力系統(100)に連系する三相変圧器(105)を備え、
前記三相変圧器(105)は、
前記三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループ(200)と、
前記一次巻線グループから転送される電力を受ける第1の二次巻線グループ(201A)および第2の二次巻線グループ(201B)と、
前記第1〜第2の二次巻線グループ(201A,201B)にそれぞれ対応して接続される第1の変換器グループ(112)および第2の変換器グループ(116)とを含み、
前記一次巻線グループ(200)は、第1〜第3の一次巻線(205〜207)を有し、
前記第1の二次巻線グループ(201A)は、各々の一方端が中性点でスター結線される第1〜第3の二次巻線(208A〜210A)を有し、
前記第2の二次巻線グループ(201B)は、各々の一方端が中性点でスター結線される第4〜第6の二次巻線(208B〜210B)を有し、
前記第1および第2の二次巻線グループ(201A、201B)の各々の中性点は、互いに接続され、
前記第1の変換器グループ(112)は、前記第1〜第3の二次巻線(208A〜210A)の他方端がそれぞれの一方端に接続される第1〜第3の変換器アーム(113〜115)を有し、
前記第2の変換器グループ(116)は、前記第4〜第6の二次巻線(208B〜210B)の他方端がそれぞれの一方端に接続される第4〜第6の変換器アーム(117〜119)を有し、
前記第1〜第3の変換器アーム(113〜115)の他方端のうち少なくとも一つと前記第4〜第6の変換器アーム(117〜119)の他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群(121,122)とを備える、電力変換装置。
【請求項2】
前記直流出力端子群(121,122)は、
正側直流出力端子(121)と、
負側直流出力端子(122)とを含み、
前記第1〜第3の変換器アーム(113〜115)の他方端はともに前記正側直流出力端子(121)に接続され、
前記第4〜第6の変換器アーム(117〜119)の他方端はともに前記負側直流出力端子(122)に接続される、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項3】
前記直流出力端子群と接続される負荷装置(123)に電力を供給し、
前記電力変換装置は、
前記負荷装置に電力を授受するための制御回路(500)をさらに備え、
前記制御回路(500)は、前記第1〜第6の変換器アーム(113〜115,117〜119)の電圧を調整し、前記直流出力端子群(121,122)に印加される電圧を制御する、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項4】
前記第1〜第6の変換器アーム(113〜115,117〜119)の各々は、カスケード接続された複数の単位変換器(120)を有する、請求項1に記載の電力変換装置。
【請求項5】
前記単位変換器(120)は、
フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路を含む、請求項4に記載の電力変換装置。
【請求項6】
前記単位変換器(120)は、
前記フルブリッジ回路または前記双方向チョッパ回路の出力を平滑化させるための直流コンデンサ(306、405)を有する、請求項5に記載の電力変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電力変換装置に関し、特に変圧器を介して三相系統と連系する電力変換装置に関する。
【背景技術】
【0002】
特開2010−233411号公報(特許文献1)に記載された発明は、変圧器を介して電力系統に連系する,単位変換器をカスケード接続して構成される電力変換装置において、リアクトルを不要とし、体積・重量を低減できる電力変換装置を提供することを目的としている。
【0003】
具体的には、特開2010−233411号公報(特許文献1)に記載された電力変換装置は、変圧器を介して三相電力系統に連系し、該三相電力系統と有効または無効電力を授受する電力変換装置であって、該変圧器の二次巻線をオープン巻線として6端子とし、該二次巻線の3つの端子に3台の変換器アームをスター結線した回路からなる第1の変換器グループを接続し、該二次巻線の3つの端子に別の3台の変換器アームをスター結線した回路からなる第2の変換器グループを接続し、第1の変換器グループの中性点(スター結線した点)と第2の変換器グループの中性点(スター結線した点)を、それぞれ該電力変換装置の出力端子とすることを特徴とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2010−233411号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
特開2010−233411号公報(特許文献1)に記載された電力変換装置において、変圧器に、負荷123に流れる電流IDの直流電流成分の3分の1が励磁電流として流れてしまい、この直流電流分の磁束を通す必要があるため、変圧器の鉄心断面積を大きくする必要があった。その結果、変圧器の寸法が大きくなり、変圧器のコストが増大する問題があった。
【0006】
それゆえに、この発明の主たる目的は、鉄心の断面積を減少でき、低コスト化が可能な電力変換装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明に係る電力変換装置は、三相電力系統に連系する三相変圧器を備え、三相変圧器は、三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループと、一次巻線グループから転送される電力を受ける第1の二次巻線グループおよび第2の二次巻線グループと、第1〜第2の二次巻線にそれぞれ対応して接続される第1の変換器グループおよび第2の変換器グループとを含み、一次巻線グループは、第1〜第3の一次巻線を有し、第1の二次巻線グループは、各々の一方端が中性点でスター結線される第1〜第3の二次巻線を有し、第2の二次巻線グループは、各々の一方端が中性点でスター結線される第4〜第6の二次巻線を有し、第1および第2の二次巻線グループの各々の中性点は、互いに接続され、第1の変換器グループは、第1〜第3の二次巻線の他方端がそれぞれの一方端に接続される第1〜第3の変換器アームを有し、第2の変換器グループは、第4〜第6の二次巻線の他方端がそれぞれの一方端に接続される第4〜第6の変換器アームを有し、第1〜第3の変換器アームの他方端のうち少なくとも一つと第4〜第6の変換器アームの他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群とを備える。
【0008】
好ましくは、直流出力端子群は、正側直流出力端子と、負側直流出力端子とを含み、第1〜第3の変換器アームの他方端はともに正側直流出力端子に接続され、第4〜第6の変換器アームの他方端はともに負側直流出力端子に接続される。
【0009】
好ましくは、直流出力端子群と接続される負荷装置に電力を供給し、電力変換装置は、負荷装置に電力を授受するための制御回路をさらに備え、制御回路は、第1〜第6の変換器アームの電圧を調整し、直流出力端子群に印加される電圧を制御する。
【0010】
また、好ましくは、第1〜第6の変換器アームの各々は、カスケード接続された複数の単位変換器を有する。
【0011】
さらに好ましくは、単位変換器は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路を含む。
【0012】
さらに好ましくは、単位変換器は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路の出力を平滑化させるための直流コンデンサを有する。
【発明の効果】
【0013】
発明に係る電力変換装置では、2つの二次巻線グループに流れる直流電流による磁束をキャンセルするので、鉄心の断面積を減少でき、コストが低減できる。
【図面の簡単な説明】
【0014】
【図1】本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。
【図2】本発明の実施の形態における変圧器105の構成を示す図である。
【図3】単位変換器120の内部構成の一例を示す図である。
【図4】単位変換器120の内部構成の別の一例を示す図である。
【図5】電力変換装置の交流成分に対する等価回路を示す図である。
【図6】電力変換装置の直流成分に対する等価回路を示す図である。
【図7】アーム電圧Varmup,Varmunを制御する制御回路500の主要な構成を示す図である。
【図8】電力変換装置による電力変換動作を説明するための図である。
【図9】検討例の電力変換装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0015】
以下、本発明について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一又は相当部分には同一の符号を付してその説明は繰返さない。
【0016】
[実施の形態]
本発明の電力変換装置の構成について、図1を用いて説明する。
【0017】
図1は、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の構成を示す回路図である。図1を参照して、電力変換装置は、三相変圧器101を含む。三相変圧器101は、変圧器105と正側変換器グループ112と,負側変換器グループ116と、制御回路500とを含む。
【0018】
本実施の形態では、三相電力系統100の各相をU相,V相,W相と呼ぶことにする。また、相電圧をVU,VV,VWと表記する。さらに、三相電力系統100の各相に流れる電流を系統電流と呼び、IU,IV,IWと表わすことにする。
【0019】
次に、変圧器105の構成について説明する。図2は、本発明の実施の形態における変圧器105の構成を示す図である。図1、図2を参照して、変圧器105は、一次巻線グループ200と、2つの二次巻線グループ201A,201Bとを含む。
【0020】
ここで、一次巻線グループ200は、U相端子102と、V相端子103と、W相端子104とを含む。一方、二次巻線グループ201A,201Bは、u相正側端子106と、v相正側端子107と、w相正側端子108と、u相負側端子109と、v相負側端子110と、w相負側端子111とを含む。
【0021】
ここで、一次巻線グループ200と二次巻線グループ201A,201Bの巻数比は1:n/2:n/2である。
【0022】
図2には、変圧器105の各巻線が各鉄心に生じる起磁力の極性と、各巻線の結線とが示される。さらに、変圧器105は、鉄心202〜204を有している。一次巻線グループ200はデルタ結線されており、U相−V相間,V相−W相間,W相−U相間のそれぞれの一次巻線205,206,207はそれぞれ鉄心202,203,204に巻回されている。一次巻線205〜207の巻数は略等しくなる。
二次巻線グループ201Aはスター結線されており、u相巻線208Aと、v相巻線209Aと、w相巻線210Aとを含む。巻線208A〜210Aの巻数は略等しくなる。二次巻線グループ201Bはスター結線されており、u相巻線208Bと、v相巻線209Bと、w相巻線210Bとを含む。巻線208B〜210Bの巻数は略等しくなる。さらに、二次巻線グループ201Aと二次巻線グループ201Bのそれぞれの中性点同士が接続される。二次巻線208A,208Bは鉄心202に、二次巻線209A,209Bに鉄心203に、二次巻線210A,210Bに鉄心204に巻回する。
【0023】
本実施の形態では、u相巻線208Aの両端電圧をVuと、v相巻線209Aの両端電圧をVvと、w相巻線210Aの両端電圧をVwと表わすことにする。
【0024】
一方、本実施の形態では、u相巻線208Bの両端電圧をVuと、v相巻線209Bの両端電圧をVvと、w相巻線210Bの両端電圧をVwと表わすことにする。
【0025】
電力変換装置の正側直流出力端子121と負側直流出力端子122の間には、負荷装置123が接続されている。負荷装置123に印加される電圧をVdcと、負荷装置123に流れる電流をIdcと表わすことにする。
【0026】
次に、正側変換器グループ112と負側変換器グループ116の構成について説明する。
【0027】
正側変換器グループ112は、u相正側変換器アーム113と、v相正側変換器アーム114と、w相正側変換器アーム115とを含む。また、負側変換器グループ116は、u相負側変換器アーム117と、v相負側変換器アーム118と、w相負側変換器アーム119とを含む。
【0028】
なお、変換器アームとは、1つまたは複数の単位変換器をカスケード接続した回路のことをいう。ここで、単位変換器として、例えば、後に説明する図4のような双方向チョッパ回路が挙げられる。各変換器アームは、少なくとも2つの端子を持つ。本実施の形態では、この2端子をそれぞれa端子,b端子と呼ぶことにする。また、b端子を基準としたa端子までの電圧をアーム電圧と呼ぶことにする。アーム電圧は、この変換器アームに含まれる単位変換器の両端の電圧差(以下、セル電圧という。)の和で表される。
【0029】
各変換器アーム113〜115,117〜119は、a端子(図示せず)とb端子(図示せず)とを備えている。また、各変換器アーム113〜115,117〜119は1台または複数台の単位変換器120をカスケード接続した回路である。
【0030】
u相正側変換器アーム113のa端子を正側直流出力端子121に接続し、b端子を変圧器105のu相正側端子106に接続する。また、本実施の形態ではu相正側変換器アーム113のアーム電圧をVupと表わすことにする。
【0031】
v相正側変換器アーム114のa端子を正側直流出力端子121に接続し、b端子を変圧器105のv相正側端子107に接続する。また、本実施の形態はv相正側変換器アーム114のアーム電圧をVvpと表わすことにする。
【0032】
w相正側変換器アーム115のa端子を正側直流出力端子121に接続し、b端子を変圧器105のw相正側端子108に接続する。また、本実施の形態ではw相正側変換器アーム115のアーム電圧をVwpと表わすことにする。
【0033】
u相負側変換器アーム117のa端子を変圧器105のu相負側端子109に接続し、b端子を負側直流出力端子122に接続する。また、本実施の形態ではu相負側変換器アーム117のアーム電圧をVunと表わすことにする。
【0034】
v相負側変換器アーム118のa端子を変圧器105のv相負側端子110に接続し、b端子を負側直流出力端子122に接続する。また、本実施の形態ではv相負側変換器アーム118のアーム電圧をVvnと表わすことにする。
【0035】
v相負側変換器アーム119のa端子を変圧器105のw相負側端子111に接続し、b端子を負側直流出力端子122に接続する。また、本実施の形態ではw相負側変換器アーム119のアーム電圧をVwnと表わすことにする。
【0036】
また、本実施の形態では、u相正側変換器アーム113を流れる電流をu相アーム電流Iuとし、v相正側変換器アーム114を流れる電流をv相アーム電流Ivとし、w相正側変換器アーム115を流れる電流をw相アーム電流Iwと表わすことにする。
【0037】
一方、u相負側変換器アーム117を流れる電流をu相アーム電流Ixとし、v相負側変換器アーム118を流れる電流をv相アーム電流Iyとし、w相負側変換器アーム119を流れる電流をw相アーム電流Izと表わすことにする。
【0038】
u相正側端子106と、v相正側端子107と、w相正側端子108とに供給される電圧をそれぞれ電圧Vuと、電圧Vvと、電圧Vwと表わすことにする。また、同様に、u相負側端子109と、v相負側端子110と、w相負側端子111とに供給される電圧をそれぞれ電圧Vuと、電圧Vvと、電圧Vwと表わすことにする。
【0039】
なお、本実施の形態では、変換器アーム113〜115の一方端はともに正側直流出力端子121に接続され、変換器アーム117〜119の一方端はともに前記負側直流出力端子122に接続される。しかしながら、これに限定されることなく、変換器アーム113〜115の一方端のうち少なくとも一つが正側直流出力端子121に接続され、変換器アーム117〜119の一方端のうち少なくとも一つが負側直流出力端子122に接続されてもよい。
【0040】
また、制御回路500は、詳しくは後ほど説明するが、直流電流Idcと、交流電流Iを所望の値に制御するために、各相の電圧Vu,Vv,Vwと、直流電圧指令値Vdc*と、直流電流指令値Idc*と交流電流指令値I*とを受けて制御する。
【0041】
次に、図3と図4を用いて、単位変換器120の構成について説明する。
図3は、単位変換器120の内部構成の一例を示す図である。図3を参照して、単位変換器はフルブリッジ回路である。単位変換器120は、x端子300とy端子301とを有する2端子回路であり、x相正側スイッチング素子302と、x相負側スイッチング素子303と、y相正側スイッチング素子304と、y相負側スイッチング素子305と、エネルギー蓄積素子306とを含む。スイッチング素子302〜305は、IGBTに代表される自己消弧形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子306は、コンデンサや蓄電池などである。本実施の形態では、y端子を基準としたx端子までの電圧を、単位変換器のセル電圧Vcellと呼ぶことにする。
【0042】
一方、単位変換器120を双方向チョッパ回路とすることもできる。
図4は、単位変換器120の内部構成の別の一例を示す図である。図4を参照して、双方向チョッパは、正側スイッチング素子403と、負側スイッチング素子404と、エネルギー蓄積素子405とを含む。スイッチング素子403,404は、IGBTに代表される自己消弧形電力用半導体素子である。また、エネルギー蓄積素子405は、コンデンサや蓄電池などである。本実施の形態では、図4におけるこの電圧もセル電圧Vcellと表わすことにする。
【0043】
次に、アーム電圧は単位変換器120を構成するスイッチング素子のスイッチング状態によって制御できることについて述べる。
【0044】
まず、単位変換器120がフルブリッジ回路(図3)である場合について述べる。
x相スイッチング素子302,303はそれぞれ交互にオン・オフする。また、y相スイッチング素子304,305はそれぞれ交互にオン・オフする。
【0045】
x相スイッチング素子302,303がそれぞれオン、オフし、y相スイッチング素子304,305がそれぞれオフ、オンする場合、電流Icellに依存することなく、セル電圧Vcellはエネルギー蓄積素子306の電圧VCと略等しい。
【0046】
x相スイッチング素子302,303がそれぞれオン、オフし、y相スイッチング素子304,305がそれぞれオン、オフする場合、電流Icellに依存することなく、セル電圧Vcellはほぼ零である。
【0047】
x相スイッチング素子302,303がそれぞれオフ、オンし、y相スイッチング素子304,305がそれぞれオフ、オンする場合、電流Icellに依存することなく、セル電圧Vcellはほぼ零である。
【0048】
x相スイッチング素子302,303がそれぞれオフ、オンし、y相スイッチング素子304,305がそれぞれオン、オフする場合、電流Icellに依存することなく、セル電圧Vcellはエネルギー蓄積素子306の電圧VCの極性を反転させた電圧に略等しい。
【0049】
x相スイッチング素子302,303およびy相スイッチング素子304,305が全てオフの場合、セル電圧Vcellは電流Icellの極性に依存して決まる。Icellが正である場合、セル電圧Vcellはエネルギー蓄積素子306の電圧VCに略等しい。Icellが負である場合、セル電圧Vcellはエネルギー蓄積素子306の電圧VCの極性を反転させた電圧に略等しい。
【0050】
次に、単位変換器120が双方向チョッパ(図4)である場合について述べる。
スイッチング素子403,404がそれぞれオン、オフする場合、電流Icellに依存することなく、セル電圧Vcellはエネルギー蓄積素子405の電圧VCに略等しい。
【0051】
スイッチング素子403,404がそれぞれオフ、オンする場合、電流Icellに依存することなく、セル電圧Vcellはほぼ零である。
【0052】
スイッチング素子403,404が共にオフの場合、セル電圧Vcellは電流Icellの極性に依存して決まる。Icellが正である場合、セル電圧Vcellはエネルギー蓄積素子405の電圧VCに略等しい。Icellが負である場合、セル電圧Vcellは零に略等しい。
【0053】
以下、電力変換装置が三相電力系統100から有効電力を受電し、負荷装置123に単相交流電力または直流電力を供給する場合の動作について説明する。
【0054】
図5は、電力変換装置の電力系統100の周波数を持つ交流成分に対する等価回路を示す図である。ここでは、理解を容易にするために、u相での交流成分に対する等価回路を示して説明する。図5を参照して、等価回路1010は、リアクタンス502、602(変圧器の巻線リアクタンスをXuとする)と、正側電力変換器503および負側電力交換器603と、電圧Vuを供給する電源501,601(電圧Vuは変圧器無負荷二次電圧である)、直流電圧Vdc/2を供給するV1,V2とを含む。
【0055】
電源V1は、正側直流出力端子121とノードN2との間に接続され、この間の電源V1の電圧値はVdc/2となる。一方、電源V2は、ノードN2と負側直流出力端子122との間に接続され、この間の電源V2の電圧値はVdc/2となる。
【0056】
また、正側直流出力端子121とノードN1との間に、正側電力変換器503、リアクタンス502、電源501の順に直列に接続される。一方、ノードN1と負側直流出力端子122との間に、電源601、リアクタンス602、負側電力交換器603の順に直列接続される。
【0057】
ここで、仮想中性点をとして、ノードN1,N2を取り、交流電流Iとすると、式(1)、式(2)が成立する。
【0058】
Vu−j・Xu・I+Varmup=Vdc/2 (1)
−Vu+j・Xu・I+Varmun=Vdc/2 (2)
なお、jは虚数を示す。これらを変形すると、式(1a)、式(2a)が成立する。
【0059】
Varmup=Vdc/2−Vu+j・Xu・I (1a)
Varmun=Vdc/2+Vu−j・Xu・I (2a)
ここで、電圧Vdc,Vuおよび抵抗Xuは一定値であるため、正側アーム電圧Varmupと負側アーム電圧Varmunとをそれぞれ所定値に制御することにより交流電流Iを所望の値に制御することができる。
【0060】
正側アーム電圧Varmupを増加すると同時に負側アーム電圧Varmunを同量だけ減少させれば交流電流Iは増加する。逆に正側アーム電圧Varmupを減少すると同時に負側アーム電圧Varmunを同量だけ増加させれば交流電流Iは減少する。
【0061】
次に、図6は、電力変換装置の直流成分に対する等価回路を示す図である。ここでは、理解を容易にするために、u相での直流成分に対する等価回路を示して説明する。図6を参照して、等価回路1020の構成は、図5で示した等価回路1010の巻線リアクタンス502,602に代え、巻線抵抗502A,602Aを含む。等価回路1020の他の構成は等価回路1010の構成と同様なため、ここでは説明は繰返さない。
【0062】
ここで、等価回路1020から式(3)が成立する。
Varmup+Varmun−2Ru・Idc/3=Vdc (3)
この式(3)で明らかなようにu相電圧(変圧器無負荷二次電圧)Vuはキャンセルされて、式(3)には現れない。さらに式(3)を変形すると以下の式(3a)が得られる。
【0063】
Varmup+Varmun=2Ru・Idc/3+Vdc (3a)
そうすると、直流電圧Vdc、巻線抵抗Ruは一定値なので、正側アーム電圧Varmupと負側アーム電圧Varmnとの和を所定値に制御することにより直流電流Idcを所望の値に制御することができる。
【0064】
アーム電圧Varmup,Varmunを増加させれば直流電流Idcは増加し、アーム電圧Varmup,Varmunを減少させれば直流電流Idcが減少する。
【0065】
図5、図6を用いて、u相についての電力変換の動作を説明したが、v相、w相についても同様な構成および動作となるため、ここでは説明は繰返さない。
【0066】
次に、図7は、アーム電圧Varmup,Varmunを制御する制御回路500の主要な構成を示す図である。ここでは、理解を容易にするために、u相の場合について説明する。図7を参照して、制御回路500は、加算器701A〜701Dと、減算器702A〜702Dと、直流電流コントローラ710と、交流電流コントローラ720と、増幅器730とを含む。
【0067】
まず、減算器702Aは、直流電流指令値Idc*から直流電流(検出値)Idcを減算した直流電流値(Idc*−Idc)を、直流電流コントローラ710(増幅率g1)に供給する。
【0068】
一方、減算器702Bは、交流電流指令値I*から交流電流(検出値)Iを減算した交流電流値(I*−I)を交流電流コントローラ720(増幅率g2)に供給する。
【0069】
加算器701Aは、直流電流コントローラ710によって増幅された直流電流(g1×(Idc*−Idc))と、交流電流コントローラ720によって増幅された交流電流(g2×(I*−I))とを加算する。
【0070】
一方、減算器702Cは、直流電流コントローラ710によって増幅された直流電流(g1×(Idc*−Idc))から交流電流コントローラ720によって増幅された交流電流(g2×(I*−I))を減算する。
【0071】
すなわち、加算器701Aの出力電流は(g1×(Idc*−Idc)+g2×(I*−I))/2となり、減算器702Cの出力電流は(g1×(Idc*−Idc)−g2×(I*−I))/2となる。
【0072】
次に、減算器702Dは、加算器701Aから出力された電流から変圧器二次電圧検知値を減算する。一方、加算器701Bは、減算器702Cから出力された電流と変圧器二次電圧検知値とを加算する。
【0073】
すなわち、減算器702Dの出力電流は、(g1×(Idc*−Idc)+g2×(I*−I))/2−Vuとなり、一方、加算器701Bの出力電流は、(g1×(Idc*−Idc)−g2×(I*−I))/2+Vuとなる。
【0074】
次に、加算器701Cは、減算器702Dから出力された電流と直流電圧指令値Vdc*が増幅器730(増幅率1/2)によって増幅された出力電圧とを加算し、正側アーム電圧指令値として正側アーム電圧Varmupを出力する。一方、加算器701Dは、加算器701Bから出力された電流と直流電圧指令値Vdc*が増幅器730(増幅率1/2)によって増幅された出力電圧とを加算し、負側アーム電圧指令値として負側アーム電圧Varmunを出力する。
【0075】
すなわち、正側アーム電圧指令値として正側アーム電圧Varmupは、(g1×(Idc*−Idc)+g2×(I*−I))/2−Vu+Vdc*/2となり、一方、負側アーム電圧指令値として負側アーム電圧Varmunは、(g1×(Idc*−Idc)−g2×(I*−I))/2+Vu+Vdc*/2となる。
【0076】
従って、アーム電圧を設定することで、直流電流・交流電流を調整することができる。
なお、v相、w相においてもそれぞれ同様な動作をさせることにより直流電流・交流電流を調整することができるため、ここでは説明は繰返さない。
【0077】
次に、図8は、電力変換装置による電力変換動作を説明するための図である。ただし、図8を参照して、これらは電力変換装置の動作波形例であり、三相電力系統100の電圧VU,VV,VWおよび相電流IU,IV,IWと、各相の二次電圧Vu,Vv,Vwと、u相のアーム電圧Vup,Vunおよびアーム電流IuおよびIxと、直流電流Idcと、直流電圧Vdcの概略波形を描いている。
【0078】
図1に示す電力変換装置は力率1で系統から有効電力を受電し、負荷装置123に直流電圧(Vdc)を印加し、直流電流(Idc)を流している。ここで、直流電圧Vdcおよび直流電流Idcは一定値に設定する。
【0079】
ここで、電力系統の電圧VU,VV,VWの振幅が互いに略等しい。さらに電力系統の電圧VU,VV,VWは、互いに120度の位相差を有する。
【0080】
このときの相電流IU,IV,IWも同様に振幅が互いに略等しい。さらに電流VU,VV,VWは、互いに120度の位相差を有する。
【0081】
一方、このとき、各相の二次電圧Vu,Vv,Vwの振幅は互いに略等しい。さらに各相の電圧Vu,Vv,Vwは互いに120度の位相差を有する。また、電力系統の電圧VUとu相の二次電圧Vuとは、略30度の位相差を有する。他の電圧VV,VWと二次電圧Vv,Vwとの関係もそれぞれ同様に略同じである。
【0082】
次に、u相のアーム電圧について、正側変換器アーム113のアーム電圧Vupは、Vdc/2に略等しい直流成分とu相の二次電圧Vuと略180度の位相差を有する交流成分とを持つ。一方、負側変換器アーム117の電圧Vunは、Vdc/2に略等しい直流成分と、u相の二次電圧Vuと略180度の位相差を有する交流成分とを有する。
【0083】
これに対応して、正側変換器アーム113に流れるアーム電流Iuは、二次電圧Vuと略180度の位相差を有する交流成分とIdc/3に略等しい直流成分とを有する。
【0084】
一方、負側変換器アーム117に流れるアーム電流Ixは、二次電圧Vuと位相が略等しい交流成分とIdc/3に略等しい直流成分とを有する。また、アーム電流Iuとアーム電流Ixとの振幅は、略等しい。
【0085】
ここでは、理解を容易にするために、u相に限定して説明したが、v相、w相についてもそれぞれ同様であるため、ここでは説明を繰返さない。
[検討例]
図9は、検討例の電力変換装置の構成を示す図である。
【0086】
図9を参照して、実施の形態の電力変換装置との比較のために、検討例の電力変換装置を説明する。検討例の電力変換装置の構成は、本実施の形態の電力変換装置の構成のうち二次巻線グループ201A、201Bの代わりに、二次巻線グループ201Xを含む。なお、検討例の電力変換装置の他の構成は本実施の形態の電力変換装置と同様なため、ここでは説明は繰返さない。
【0087】
この検討例の電力変換装置では、正側変換器グループ112および負側変換器グループ116に対して、1つの二次巻線グループ201Xを設けて、負荷装置123に電力を供給したり、負荷装置123から電力を受電したりする。
【0088】
ここで、一次巻線グループ200のu相の電流IUXについて考える。
正側直流出力端子121と負側直流出力端子122との間に流れる直流電流Idcとし、交流電流Iの交流電流波高値(I)とし、周波数ωを電源角周波数とすると、二次巻線のu相電流Iuは式(4)のように表される。
【0089】
Iu=1/3・Idc+I・sinωt (4)
式(4)の右辺の第1項は電流Iuの直流成分を示し、式(4)の右辺の第2項は電流Iuの交流成分を示す。ここで、一次巻線グループ200の一次巻線と二次巻線グループ201Xにおいて対応する二次巻線との巻数比が1:nであり、伝達される電流は交流電流のみであるため、一次巻線グループ200のu相の電流IUXは次式のように表される。
【0090】
IUX=n・Iu=n・I・sinωt (5)
一方、電流Iuの直流電流分の1/3・Idcは、この一次巻線グループ200の励磁電流として流れる。この電流によって発生するであろう磁束が変圧器を通過するために、変圧器の鉄心の断面積は増加する必要がある。
【0091】
一方、本実施の形態の電力変換装置は、二次巻線の正側のu相電流Iuは次式のように表される。
【0092】
Iu=1/3・Idc+I・sinωt (6)
上記から右辺の第1項は、直流成分を示し、右辺の第2項は、交流成分を示す。次に、二次巻線の負側のu相電流Ixは次式のように表される。
【0093】
Ix=1/3・Idc−I・sinωt (7)
式(7)の右辺の第1項は直流成分を示し、式(7)の右辺の第2項は交流成分を示す。ここで、一次巻線グループ200の一次巻線と、二次巻線グループ201Aにおいて対応する二次巻線と、二次巻線グループ201Bにおいて対応する二次巻線との巻数比が1:n/2:n/2であり、伝達される電流は交流電流のみであるため、一次巻線グループ200のu相の電流IUXは次式のように表される。
【0094】
IUX=n/2・(Iu−Ix)=n・I・sinωt (8)
ここで、検討例の電力変換装置で問題となった直流成分の励磁電流は、本実施の形態の電力変換装置においては同一鉄心に巻回された2つの二次巻線で直流の起磁力の成分がキャンセルされるため、励磁電流は流れない。したがって、変圧器の鉄心の断面積を増加させる必要なく、実装面積およびコストを削減することができる。
【0095】
従って、図1に示した本実施の形態の電力変換装置では、検討例の電力変換装置のように二次巻線が1つである構成をとらず、その代わりに正側変換器グループ112側と負側変換器グループ116側とにそれぞれ二次巻線グループ201A,201Bを設ける構成をとることによって、起磁力の直流成分をキャンセルでき、変圧器の鉄心の断面積を増加させる必要もなく、コストを削減できる。
【0096】
最後に、再び図1等を参照して本実施の形態について総括する。
図1、図2で示されるように、本実施の形態の電力変換装置は、三相電力系統100に連系する三相変圧器105を備え、三相変圧器105は、三相電力系統の三相電力を受ける一次巻線グループ200と、一次巻線グループから転送される電力を受ける二次巻線グループ201Aおよび二次巻線グループ201Bと、二次巻線グループ201A,201Bにそれぞれ対応して接続される変換器グループ112および変換器グループ116とを含み、一次巻線グループ200は、一次巻線205〜207を有し、二次巻線グループ201Aは、各々の一方端が中性点でスター結線される二次巻線208A〜210Aを有し、二次巻線グループ201Bは、各々の一方端が中性点でスター結線される二次巻線208B〜210Bを有し、二次巻線グループ201A、201Bの各々の中性点は、互いに接続され、変換器グループ112は、二次巻線208A〜210Aの他方端がそれぞれの一方端に接続される変換器アーム113〜115を有し、変換器グループ116は、二次巻線208B〜210Bの他方端がそれぞれの一方端に接続される変換器アーム117〜119を有し、変換器アーム113〜115の他方端のうち少なくとも一つと変換器アーム117〜119の他方端のうち少なくとも一つとが接続される直流出力端子群(121,122)とを備える。
【0097】
好ましくは、図1で示されるように、直流出力端子群121,122は、正側直流出力端子121と、負側直流出力端子122とを含み、変換器アーム113〜115の他方端はともに正側直流出力端子121に接続され、変換器アーム117〜119の他方端はともに負側直流出力端子122に接続される。
【0098】
好ましくは、図1で示されるように、直流出力端子群(121,122)と接続される負荷装置123に電力を供給し、電力変換装置は、負荷装置に電力を授受するための制御回路500をさらに備え、制御回路500は、変換器アーム113〜115,117〜119の電圧を調整し、直流出力端子群(121,122)に印加される電圧を制御する。
【0099】
好ましくは、図1で示されるように、変換器アーム113〜115,117〜119の各々は、カスケード接続された複数の単位変換器120を有する。
【0100】
さらに好ましくは、図3、図4で示されるように、単位変換器120は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路を含む。
【0101】
さらに好ましくは、図3、図4で示されるように、単位変換器120は、フルブリッジ回路または双方向チョッパ回路の出力を平滑化させるための直流コンデンサ306、405を有する。
【0102】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。たとえば、変圧器105の一次巻線は、デルタ接続であっても、スター接続であってもよく、さらには、単相変圧器三台であってもよい。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【0103】
100 三相電力系統、101,101X 電力変換装置、105,105X 変圧器、106〜108 正側端子、109〜111 負側端子、112 正側変換器グループ、113〜115 正側変換器アーム、116 負側変換器グループ、117〜119 負側変換器アーム、120 単位変換器、121 正側直流出力端子、122 負側直流出力端子、N1,N2 ノード、123 負荷装置、200 一次巻線グループ、201A,201B,201X 二次巻線グループ、202〜204 鉄心、205〜207 一次巻線,208A〜210A,208B〜210B 二次巻線、302〜305,403〜404 スイッチング素子、306,405 エネルギー蓄積素子、500 制御回路、501,601,V1,V2 電源、502,602 巻線リアクタンス、502A,602A 巻線抵抗、503 正側電力変換器、603 負側電力交換器、701A〜701D 加算器、702A〜702D 減算器、710 直流電流コントローラ、720 交流電流コントローラ、730 増幅器。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】