JP2000037078A - Multilevel power converter - Google Patents

Multilevel power converter

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JP2000037078A
JP2000037078A JP10201857A JP20185798A JP2000037078A JP 2000037078 A JP2000037078 A JP 2000037078A JP 10201857 A JP10201857 A JP 10201857A JP 20185798 A JP20185798 A JP 20185798A JP 2000037078 A JP2000037078 A JP 2000037078A
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To balance the voltage of respective capacitors quickly while reducing the facility capacity by providing a plurality of auxiliary AC/DC power converters having DC side connected between the terminals of each capacitor and a transformer having a plurality of windings coupled magnetically each other and connected with AC side of the auxiliary AC/DC power converters. SOLUTION: Auxiliary AC/DC power converters CONVj, CONVk are switched while shifting the phase by an angle α. A trapezoidal AC current flows because of the leakage inductance between the windings Wj, Wk of the transformer TR. Power is conducted between the phase lead side and the phase lag side and a DC current produced through synchronous rectification of the trapezoidal current is fed from the auxiliary AC/DC power converters CONVj, CONVk. Consequently, power can be interchanged between arbitrary DC stages and the DC voltage can be balanced quickly. Furthermore, capacity of the transformer TR can be reduced by a factor (Ip/ΔI) in the formula representing the size of transformer, or the like, Φm (number of crossing flux of winding).Irms (effective current value of winding)=(E.Irms/(4/f))/(Ip/ΔI).

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば、直流系
の電源と交流系の電源との間で電力の融通を行うマルチ
レベルAC/DC間電力変換装置等の改良に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an improvement of a multi-level AC / DC power converter for interchanging power between a DC power supply and an AC power supply.

【0002】[0002]

【従来の技術】この種の従来のマルチレベルAC/DC
間電力変換装置の一般化回路図を図10に示す。図にお
いて、E1ないしEnは直流電源、C1ないしCnはn個
の直流電源の総端子PPとNNとの間に直列接続された
n個の直流キャパシタ(以下単にキャパシタと呼ぶ)、
P1ないしSPnおよびSN1ないしSNnは総直流端子P
P,NNと交流端子ACとの間にそれぞれ直列接続され
たそれぞれn個のスイッチング素子である固体スイッチ
(以下単にスイッチと呼ぶ)、D1P,D1NないしD(
-1)P,D(-1)Nはスイッチの直列接続点P1ないしPn
-1およびN1ないしNn-1に接続されるクランプダイオ
ード(以下単にダイオードと呼ぶ)である。
2. Description of the Related Art A conventional multi-level AC / DC of this kind is used.
FIG. 10 shows a generalized circuit diagram of the inter-power converter. In the figure, E 1 to En are DC power supplies, C 1 to Cn are n DC capacitors (hereinafter simply referred to as capacitors) connected in series between the total terminals PP and NN of the n DC power supplies,
S P1 to S P n and S N1 through S N n is the total DC terminals P
A solid state switch which is n switching elements respectively connected in series between P and NN and an AC terminal AC
(Hereinafter simply referred to as a switch), D 1P , D 1N to D ( n
-1) P, D (n -1 ) N is the series connection point of the switch P 1 to Pn
-1 and a clamp diode (hereinafter simply referred to as a diode) connected to N 1 to Nn -1 .

【0003】上記従来の回路において、合計2n個のス
イッチのうち、互いに直列に連続するn個のスイッチを
導通させ、且つ他のスイッチを非導通とさせる。上記導
通させる直列スイッチ群を正電位側から順次負電位側へ
変えて行くと、交流端子ACの電位がn+1段階に変わ
る。このため、マルチ(n+1)レベル変換器と呼ばれ
ている。上記マルチレベルAC/DC間電力変換器(以
下単に変換器と呼ぶ)において、交流端子ACに出入り
する電流は両極性に変わり、且つ、出力端子は総直流端
子PP、NNに繋がっているとは限らない。従って、各
直流電源に流れる直流電流は均一ではない。繋がるスイ
ッチが導通しなければ、直流電流がゼロまたはダイオー
ドから帰ってくる電流により負になる。即ち、各DC段
間の電力や直流電流が不均一になる。このため、各DC
段に独立な直流電源E1ないしEnがなく、キャパシタ
のみで電圧を分担させて動作させることが出来なかっ
た。通常、直流電源はまとめて2端子や2線路で供給さ
れ、中性線路を持つ3線給電法もDC送電や多電圧電源
が必要な場合に限られる。DC送電でも、1極側が独立
に運転できることが必要である。このため、使用法が極
めて制限されていた。
In the above-mentioned conventional circuit, out of a total of 2n switches, n switches connected in series with each other are turned on, and the other switches are turned off. When the series switch group to be turned on is sequentially changed from the positive potential side to the negative potential side, the potential of the AC terminal AC changes to n + 1 levels. For this reason, it is called a multi (n + 1) level converter. In the multi-level AC / DC power converter (hereinafter simply referred to as a converter), the current flowing into and out of the AC terminal AC changes to bipolar, and the output terminal is connected to the total DC terminals PP and NN. Not exclusively. Therefore, the DC current flowing through each DC power supply is not uniform. If the associated switch is not conducting, the DC current will be negative due to zero or current returning from the diode. That is, the power and DC current between the DC stages become uneven. Therefore, each DC
There is no independent DC power supply E 1 to En in the stage, and the operation cannot be performed by sharing the voltage only by the capacitor. Normally, DC power is supplied collectively by two terminals or two lines, and a three-wire power supply method having a neutral line is also limited to a case where DC power transmission or a multi-voltage power supply is required. Even in DC transmission, it is necessary that one pole side can operate independently. For this reason, the usage has been extremely limited.

【0004】図10の原理的回路の問題点を改良する対
策回路を図11に示す。この回路は、前記図10の変換
器回路とは別にキャパシタC1ないしCnに対応して設
けられている。なお、図11では変換器回路は省略して
示す。図において、Sa1ないしSanおよびSb1ない
しSb(-1)はチョッパ用スイッチ、L1ないしL(
-1)は直流リアクトルである。DC段数nが偶数であれ
ばa群のスイッチSanで終端され、DC段数nが奇数
であればb群のスイッチSb(-1)で終端される。
FIG. 11 shows a countermeasure circuit for improving the problem of the basic circuit shown in FIG. This circuit is provided to not the capacitor C 1 separately from the converter circuit of FIG. 10 corresponding to Cn. In FIG. 11, the converter circuit is omitted. In the figure, to no San and Sb 1 to no Sa 1 Sb (n -1) is a chopper switch, to no L 1 L (n
-1) is a DC reactor. If the DC stage number n is an even number, termination is performed at the switch San of the group a, and if the DC stage number n is odd, the termination is performed at the switch Sb ( n− 1) of the group b.

【0005】上記先行技術による対策回路の作用を説明
するための原理図を図12に示す。図12(a)におい
て、スイッチS1,S2は定常状態において同一時間比率
で交互にon−offさせる。過渡的又はリアクトルの
損失が無視できない場合±△tだけ時間を変えた状態で
制御され得る。リアクトルLに印加される電圧VLは同
図(b)に示す波形で表される。ここに、t1,t2はス
イッチS1,S2の導通時間、E1、E2はキャパシタ
1,C2の電圧,Tはスイッチング周期である。ここ
で、直流電圧が不平衡になると、リアクトルLに直流電
圧成分が現れ、直流電流Idcが流れる。今、E1>E2
とすると、図示矢印の方向に直流電流Idcが流れ、こ
の時のリアクトルLの電流波形を同図(c)に示す。こ
れにより、キャパシタC1はスイッチS1の平均電流I1
(約Idc/2)だけ放電し、キャパシタC2はスイッ
チS2の平均電流I2(約−Idc/2)だけ放電される
(極性が負になっているので充電される)。以上の作用
により、直流電圧が平衡化される。E1<E2の場合はリ
アクトルLに流れる電流の極性が変わり、同様にDC電
圧が平衡化される。換言すれば、変換器がキャパシタの
直列接続点に対して不平衡直流電流Idc’を必要とす
ると、これに必要な直流電流Idcがチョッパおよび直
流リアクトルを介して供給される訳である。
FIG. 12 is a principle diagram for explaining the operation of the countermeasure circuit according to the prior art. In FIG. 12A, the switches S 1 and S 2 are alternately turned on and off at the same time ratio in a steady state. If the transient or reactor loss is not negligible, control can be performed with the time changed by ± Δt. Voltage V L applied to the reactor L is expressed by a waveform shown in FIG. (B). Here, t 1 and t 2 are the conduction times of the switches S 1 and S 2 , E 1 and E 2 are the voltages of the capacitors C 1 and C 2 , and T is the switching period. Here, when the DC voltage becomes unbalanced, a DC voltage component appears in the reactor L, and the DC current Idc flows. Now, E 1 > E 2
Then, the DC current Idc flows in the direction of the arrow shown in the figure, and the current waveform of the reactor L at this time is shown in FIG. Thus, the capacitor C 1 is the average current I 1 of the switch S 1
(About Idc / 2) by discharging, the capacitor C 2 is (are charged the polarity becomes negative) is discharged by the average current I 2 of the switch S 2 (about -Idc / 2). With the above operation, the DC voltage is balanced. When E 1 <E 2 , the polarity of the current flowing through the reactor L changes, and the DC voltage is similarly balanced. In other words, if the converter requires an unbalanced DC current Idc 'for the series connection of the capacitors, the necessary DC current Idc is supplied via a chopper and a DC reactor.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】この従来の対策回路
は、隣り合うキャパシタ間でDC電圧平衡化作用が働く
ので、離れた電位にあるキャパシタとの間で不平衡が生
じている場合、直ぐ電力のやりとりが出来ず、何段もの
チョッパの作用を経て平衡化されることになり、応答速
度が悪くなる場合がある。特に正の総端子PPに近いキ
ャパシタと負の総端子NNに近いキャパシタとの間の平
衡を取る応答速度が遅いという問題がある。また、同一
動作周波数条件の下での所要直流リアクトルが大きくな
り、スイッチの所要容量も大きくなるという問題があ
る。なお、この容量の具体的な算出内容については、説
明の便宜上、後述する。
In this conventional countermeasure circuit, since a DC voltage balancing operation is performed between adjacent capacitors, when an imbalance occurs between capacitors at distant potentials, the power is immediately reduced. Cannot be exchanged, and balancing is effected through the action of multiple stages of choppers, which may result in poor response speed. In particular, there is a problem that the response speed for balancing the capacitor close to the positive total terminal PP and the capacitor close to the negative total terminal NN is low. Further, there is a problem that the required DC reactor under the same operating frequency condition increases, and the required capacity of the switch also increases. The specific calculation contents of this capacity will be described later for convenience of explanation.

【0007】この他、変圧器の省略化による簡易化を図
るため、交流電力系統に直接接続すると、DC送電やB
TBなどAC/DC−DC/AC変換系においてゼロ相
電流が発生する問題がある。此の問題は、先行技術が見
つからないので詳細説明は後で述べるが、簡単に言え
ば、三相変換器が線間で高調波を消去する作用を多用し
てきたが、交流系統が接地されていると接地系に障害が
生じるという問題が発生する。以上のような問題がある
ため、マルチレベルAC/DC間電力変換装置の出力電
圧波形が良好であるにも拘わらず、応用範囲が限られて
いた。
In addition, in order to simplify the operation by omitting the transformer, if it is directly connected to an AC power system, DC transmission and B
There is a problem that a zero-phase current is generated in an AC / DC-DC / AC conversion system such as a TB. This problem will not be described in detail because no prior art can be found, but in short, three-phase converters have often used the action of eliminating harmonics between lines, but the AC system is grounded. If this is the case, a problem arises in that a failure occurs in the grounding system. Due to the above problems, the range of application has been limited despite the good output voltage waveform of the multilevel AC / DC power converter.

【0008】この発明は、以上のような問題点を解消す
るためになされたもので、各DC段の電圧平衡化が速や
かになされ、また、リアクトル、スイッチ容量の低減が
可能で、更に応用可能範囲の拡大が可能なマルチレベル
電力変換装置を得ることを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems. The voltage of each DC stage can be quickly balanced, and the capacity of a reactor and a switch can be reduced. It is an object of the present invention to obtain a multilevel power converter capable of expanding a range.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】この発明に係るマルチレ
ベル電力変換装置は、直流系の第1の電源に接続される
正極および負極端子、交流系または直流系の第2の電源
に接続される出力端子、上記正極端子と出力端子との間
および上記出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続
された複数のスイッチング素子の直列接続体、上記正極
端子と負極端子との間に接続された複数のキャパシタの
直列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続点
と上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるクラ
ンプダイオードを備え、上記スイッチング素子をオンオ
フ制御することにより、上記出力端子から、上記正極端
子の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電
位出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置にお
いて、直流側が上記各キャパシタの端子間に接続された
複数の補助AC/DC間電力変換器、および互いに磁気
的に結合され上記各補助AC/DC間電力変換器の交流
側に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えたもの
である。
SUMMARY OF THE INVENTION A multi-level power converter according to the present invention is connected to positive and negative terminals connected to a first power supply of a DC system, and to a second power supply of an AC or DC system. An output terminal, a series-connected body of a plurality of switching elements connected between the positive terminal and the output terminal and between the output terminal and the negative terminal, connected between the positive terminal and the negative terminal A series connection of a plurality of capacitors, and a clamp diode connected between the series connection point of the switching element and the series connection point of the capacitor, by turning on and off the switching element, from the output terminal, In a multi-level power conversion device configured to obtain a plurality of levels of potential output between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal, A plurality of auxiliary AC / DC power converters connected between terminals of each capacitor; and a plurality of windings magnetically coupled to each other and connected to the AC side of each of the auxiliary AC / DC power converters. It is equipped with a transformer.

【0010】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置の変圧器は、補助AC/DC間電力変換器の交流
側に接続された複数の一次巻線、および上記複数の一次
巻線を複数のグループに分けこれら各グループの一次巻
線と磁気的に結合し互いに接続された複数の二次巻線を
備えたものである。
The transformer of the multi-level power converter according to the present invention includes a plurality of primary windings connected to the AC side of the auxiliary AC / DC power converter, and a plurality of primary windings connected to the plurality of primary windings. Each of the groups is provided with a plurality of secondary windings which are magnetically coupled to the primary windings of these groups and connected to each other.

【0011】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その各キャパシタの電圧を検出しその総和か
ら各キャパシタの直流電圧指令値を演算する手段、およ
び上記各キャパシタの電圧検出値と直流電圧指令値とが
一致するように、各補助AC/DC間電力変換器の動作
位相を所定の基準位相に対してシフトさせる手段を備え
たものである。
Further, the multi-level power converter according to the present invention comprises: means for detecting the voltage of each capacitor and calculating a DC voltage command value for each capacitor from the sum thereof; Means are provided for shifting the operation phase of each auxiliary AC / DC power converter with respect to a predetermined reference phase so that the command value matches.

【0012】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、直流系の第1の電源に接続される正極および
負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続され
る出力端子、上記正極端子と出力端子との間および上記
出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された複数
のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と負極
端子との間に接続された4以上の複数のキャパシタの直
列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続点と
上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるクラン
プダイオードを備え、上記スイッチング素子をオンオフ
制御することにより、上記出力端子から、上記正極端子
の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電位
出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置におい
て、互いに隣合う上記キャパシタの一対をキャパシタ対
とし、互いに直列に接続された一対のスイッチング素子
からなり、その直流側が上記各キャパシタ対の両端子間
に接続された複数の補助AC/DC間電力変換器、およ
び互いに磁気的に結合され上記各キャパシタ対の中間接
続点と上記各スイッチング素子対の中間接続点の交流端
との間に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えた
ものである。
Further, the multi-level power converter according to the present invention comprises: a positive terminal and a negative terminal connected to a first DC power supply; an output terminal connected to a second AC or DC power supply; A serially connected body of a plurality of switching elements connected between the positive terminal and the output terminal and between the output terminal and the negative terminal, four or more connected between the positive terminal and the negative terminal A series connected body of capacitors, and a clamp diode connected between the series connection point of the switching element and the series connection point of the capacitor, and by controlling the on / off of the switching element, from the output terminal, In a multi-level power converter configured to obtain a plurality of levels of potential output between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal, adjacent to each other A plurality of auxiliary AC / DC power converters each including a pair of switching elements connected in series with each other and having a DC side connected between both terminals of each of the capacitor pairs; A transformer having a plurality of windings that are magnetically coupled and connected between an intermediate connection point of each of the capacitor pairs and an AC terminal of the intermediate connection point of each of the switching element pairs.

【0013】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、そのキャパシタの直列数が奇数の場合、この
うち1個のキャパシタとこのキャパシタの一方に隣合う
キャパシタとでキャパシタ対を構成するとともに上記1
個のキャパシタとこのキャパシタの他方に隣合うキャパ
シタとでキャパシタ対を構成するようにしたものであ
る。
Further, in the multilevel power conversion device according to the present invention, when the number of series of the capacitors is an odd number, a capacitor pair is constituted by one of the capacitors and a capacitor adjacent to one of the capacitors, and 1
In this configuration, a capacitor pair is constituted by the capacitors and the capacitor adjacent to the other of the capacitors.

【0014】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、直流系の第1の電源に接続される正極および
負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続され
る出力端子、上記正極端子と出力端子との間および上記
出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された複数
のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と負極
端子との間に接続された5以上の奇数個のキャパシタの
直列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続点
と上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるクラ
ンプダイオードを備え、上記スイッチング素子をオンオ
フ制御することにより、上記出力端子から、上記正極端
子の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電
位出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置にお
いて、上記キャパシタのうち接続方向中央の1個を除く
キャパシタは、互いに隣合うキャパシタの一対をキャパ
シタ対とし、互いに直列に接続された一対のスイッチン
グ素子からなり、その直流側が上記各キャパシタ対の両
端子間に接続された複数の第1の補助AC/DC間電力
変換器、その直流側が上記1個のキャパシタの端子間に
接続された第2の補助AC/DC間電力変換器、および
互いに磁気的に結合され上記各キャパシタ対の中間接続
点と上記各スイッチング素子対の中間接続点の交流端と
の間ならびに上記第2のAC/DC間電力変換器の交流
側に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えたもの
である。
Further, the multi-level power converter according to the present invention comprises: a positive terminal and a negative terminal connected to a first DC power supply; an output terminal connected to a second AC or DC power supply; A series connection of a plurality of switching elements connected between the positive terminal and the output terminal and between the output terminal and the negative terminal, and an odd number of 5 or more connected between the positive terminal and the negative terminal A series connection of the capacitors, and a clamp diode connected between the series connection point of the switching element and the series connection point of the capacitor, and by controlling the switching element on and off, from the output terminal, In a multi-level power conversion device configured to obtain a plurality of levels of potential output between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal, The capacitors except for the one at the center in the connection direction of the capacitors are formed by a pair of capacitors adjacent to each other and a pair of switching elements connected in series, and the DC side thereof is connected between both terminals of each of the capacitor pairs. A plurality of connected first auxiliary AC / DC power converters, a second auxiliary AC / DC power converter whose DC side is connected between terminals of the one capacitor, and magnetically coupled to each other And a plurality of windings connected between the intermediate connection point of each of the capacitor pairs and the AC terminal of the intermediate connection point of each of the switching element pairs and on the AC side of the second AC / DC power converter. It is equipped with a transformer.

【0015】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その変圧器を構成する磁路にギャップを設け
たものである。
Further, in the multilevel power converter according to the present invention, a gap is provided in a magnetic path constituting the transformer.

【0016】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その各キャパシタ対(キャパシタ対以外に個
別のキャパシタが存在するときは当該キャパシタも含
む、以下同じ)の電圧を検出しその総和から各キャパシ
タ対の直流電圧指令値を演算する手段、および上記各キ
ャパシタ対の電圧検出値と直流電圧指令値とが一致する
ように、各補助AC/DC間電力変換器の動作位相を所
定の基準位相に対してシフトさせる手段を備えたもので
ある。
Further, the multi-level power converter according to the present invention detects the voltage of each capacitor pair (including individual capacitors other than the capacitor pair, including the capacitor, the same applies hereinafter) and detects each voltage from the sum thereof. Means for calculating the DC voltage command value of the capacitor pair, and the operation phase of each auxiliary AC / DC power converter is set to a predetermined reference phase so that the detected voltage value of each capacitor pair matches the DC voltage command value. Means for shifting with respect to.

【0017】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、マルチレベル電力変換装置を複数台備え、直
流系の第1の電源を共通にして異なる複数の交流系の第
2の電源の相互間で電力の融通を行うマルチレベル電力
変換装置において、補助AC/DC間電力変換器および
変圧器を、上記各マルチレベル電力変換装置で共用する
ようにしたものである。
Further, the multi-level power converter according to the present invention includes a plurality of multi-level power converters, and uses a common DC system first power source to interconnect a plurality of different AC system second power sources. In the multi-level power converter that performs power interchange in the above, the auxiliary AC / DC power converter and the transformer are shared by each of the multi-level power converters.

【0018】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その補助AC/DC間電力変換器を方形波モ
ードで運転するようにしたものである。
Further, in the multilevel power converter according to the present invention, the auxiliary AC / DC power converter is operated in a square wave mode.

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】実施の形態1.この発明の実施の
形態1におけるマルチレベルAC/DC間電力変換装置
の回路図を図1に示す。なお、マルチレベルAC/DC
間電力変換装置の一般形については図10で詳しく述べ
たので、主変換回路部分はそれを引用して省略して示
す。図1において、Cj,Ckは任意のj番目およびk
番目のDC段に接続されているキャパシタ、CONV
j,CONVkはキャパシタCj,Ckに直流端子が接
続された補助AC/DC間電力変換器(以下単に補助変
換器と呼ぶ)、TRは補助変換器の交流端子に接続され
互いに磁気的に結合された巻線Wj、Wkを持つ変圧器
である。なお、S11,S12,S21,S22は補助変換器の
スイッチである。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Embodiment 1 FIG. 1 is a circuit diagram of a multilevel AC / DC power converter according to Embodiment 1 of the present invention. Note that multi-level AC / DC
Since the general form of the inter-power conversion device has been described in detail in FIG. 10, the main conversion circuit portion is omitted from the description. In FIG. 1, Cj and Ck are arbitrary j-th and k
The capacitor connected to the DC stage, CONV
j and CONVk are auxiliary AC / DC power converters (hereinafter simply referred to as auxiliary converters) in which DC terminals are connected to capacitors Cj and Ck, and TR is connected to an AC terminal of the auxiliary converter and magnetically coupled to each other. A transformer having windings Wj and Wk. Incidentally, S 11, S 12, S 21, S 22 is a switch of the auxiliary transformer.

【0020】補助変換器CONVj,CONVkは周知
な単相ブリッジ形方形波インバータ・コンバータであ
る。DC段間で電力の融通を行うため、僅かな角度αだ
け位相をずらせてスイッチングさせ、この時の波形を同
図(b)に示す。j番の補助変換器CONVjの電圧V
jがk番の補助変換器CONVkの電圧Vkより角度α
だけ位相が進んでいる場合を示している。変圧器TRの
巻線Wj,Wk間にはリーケジインダクタンスがあるた
め、上記位相ズレ期間中の電圧差により交流電流が変化
し、台形波状の交流電流が流れる。位相が進んでいる側
が電力を供給し、位相が遅れている側が電力を受け取
り、それぞれ補助変換器の直流電流は台形波電流を同期
整流した電流となる。その値は、交流電流の波高値にほ
ぼ等しい。以上のごとくして、任意のDC段間で電力の
融通が出来、DC電圧の速やかな平衡化が出来ることと
なる。
The auxiliary converters CONVj and CONVk are well-known single-phase bridge-type square-wave inverter converters. In order to exchange power between the DC stages, switching is performed by shifting the phase by a slight angle α, and the waveform at this time is shown in FIG. The voltage V of the j-th auxiliary converter CONVj
j is the angle α from the voltage Vk of the kth auxiliary converter CONVk.
Only the case where the phase is advanced is shown. Since there is leakage inductance between the windings Wj and Wk of the transformer TR, the AC current changes due to the voltage difference during the phase shift period, and the trapezoidal AC current flows. The phase leading side supplies power and the phase lagging side receives power, and the DC current of the auxiliary converter is a current obtained by synchronously rectifying the trapezoidal wave current. Its value is approximately equal to the peak value of the alternating current. As described above, power can be interchanged between arbitrary DC stages, and DC voltage can be quickly balanced.

【0021】次に、この発明で必要となる変圧器TR
(従来は直流リアクトルLが相当)およびスイッチS11
等の容量を従来の場合と比較して説明する。先ず、従来
の場合(図12参照)直流リアクトルの大きさや等価k
VAは巻線の最大磁束鎖交数Фmと巻線電流実効値Ir
msにより決まる。前者はインダクタンスLと電流波高
値Ipとの積で表される。即ち、 Фm・Irms=L・Ip・Irms ……………(1) 所要インダクタンスLはリアクトル電流の脈動分±△I
と動作周波数fとDC1段当たりの直流電圧Eとにより
決まり、次式で表される。 L・△I=(T/4)・E=E/(4・f) ∴L=E/(4・f・△I) …………………………(2) 式(1)(2)より、変圧器類の大きさを表すФm・I
rmsは次式で表される。 Фm・Irms=(E・Irms/(4・f))・(Ip/△I)…(3)
Next, the transformer TR required for the present invention
(Conventionally, DC reactor L is equivalent) and switch S 11
And the like will be described in comparison with the conventional case. First, in the conventional case (see FIG. 12), the size of the DC reactor and the equivalent k
VA is the maximum number of flux linkages of the winding Δm and the winding current effective value Ir
ms. The former is represented by the product of the inductance L and the current peak value Ip. That is, Фm · Irms = L · Ip · Irms (1) The required inductance L is a pulsating component of the reactor current ± △ I
And the operating frequency f and the DC voltage E per DC stage, and are expressed by the following equation. L △ I = (T / 4) ・ E = E / (4 ・ f) ∴L = E / (4 ・ f △△ I) (2) Equation (1) From (2), it is possible to express the size of transformers,
rms is represented by the following equation. Фm · Irms = (E · Irms / (4 · f)) · (Ip / △ I) (3)

【0022】これに対し、この発明について、変圧器の
大きさに関わる磁束鎖交数Фmと実効値電流Irmsの
積を計算すると次のようになる。なお、△PはDC段間
で授受される電力である。 巻線の磁束鎖交数 Фm=(T/4)・E=E/(4・f) 巻線電流実効値 Irms=△P/E=I 従って、Фm・Irmsは次式で与えられる。 Фm・Irms=E・Irms/(4・f) ………………(4) 従って、従来技術の方式では(Ip/△I)倍されてい
た(式(3))が、この発明では、この倍率がかからな
い。従って、従来方式において、△I/Idcを20%
程度にしようとすると、6倍の係数がかかるのに対し、
この発明では、1倍で済む。即ち、この発明の変圧器
は、従来技術の直流リアクトルに比べて、数分の1に低
減されると言う極めて顕著な効果が得られる。
On the other hand, according to the present invention, the product of the flux linkage number Δm related to the size of the transformer and the effective current Irms is calculated as follows. Note that ΔP is electric power transferred between DC stages. Number of magnetic flux linkages of winding Фm = (T / 4)) E = E / (4 ・ f) Effective value of winding current Irms = △ P / E = I Accordingly, ФmФIrms is given by the following equation. Фm · Irms = E · Irms / (4 · f) (4) Therefore, in the method of the related art, it was multiplied by (Ip / △ I) (Equation (3)). , This magnification is not applied. Therefore, in the conventional method, ΔI / Idc is 20%
If you try to make it about, it will take 6 times the coefficient,
In the present invention, only one time is required. That is, the transformer of the present invention has a remarkable effect of being reduced to a fraction of that of the DC reactor of the prior art.

【0023】他方、従来の場合における、スイッチに加
わる電圧Voffと電流の半周期平均値(約波高値)I
sと所要数とを掛けた容量VAsでスイッチの所要容量
を評価するため、次のように計算しておく。その際、一
方のDC段から供給する電力を△P,他方のDC段が必
要とする電力も△Pとし、各段のDC電圧をEとする。 DC1段の直流電流 I=△P/E リアクトル電流平均値 Idc=2・I スイッチの電流半周期平均値 Is=Idc=2・△P/E スイッチのoff状態電圧 Voff=2・E スイッチの必要数(n:偶数の場合) Ns=n+(n−2) 従って、スイッチ所要容量VAsは次式で与えられる。 VAs={n+(n−2)}・2・E・2・△P/E =8・(n−1)・△P…………………………………(5)
On the other hand, in the conventional case, the voltage Voff applied to the switch and the half-period average value (approximate peak value) I of the current I
In order to evaluate the required capacity of the switch with the capacity VAs obtained by multiplying the required number by s, the following calculation is made. At this time, the power supplied from one DC stage is ΔP, the power required by the other DC stage is ΔP, and the DC voltage of each stage is E. DC 1-stage DC current I = △ P / E Reactor current average value Idc = 2 ・ I Switch current half-cycle average value Is = Idc = 2 △△ P / E switch off state voltage Voff = 2 ・ E switch required Number (n: even number) Ns = n + (n−2) Accordingly, the required switch capacitance VAs is given by the following equation. VAs = {n + (n−2)} · 2 · E · 2 · △ P / E = 8 · (n−1) · △ P ················ (5)

【0024】これに対し、この発明について、スイッチ
の所要容量を計算すると次のようになる。 スイッチの電流半周期平均値 Is=I=△P/E スイッチのoff時電圧 Vs=E スイッチの所要数 Ns=4n 従って、スイッチ所要容量VAsは次式で与えられる。 VAs=4・n・△P ……………………………………(6) 即ち、段数nが多い場合、スイッチ容量が従来技術の場
合(式(5))の約半分に軽減されると言う極めて顕著
な効果が得られる。また、補助変換器をPWM制御正弦
波出力変換器とせず方形波モードで運転することによ
り、直流側電流の脈動が軽減され、スイッチング損失も
低減される効果が得られる。
On the other hand, according to the present invention, the required capacity of the switch is calculated as follows. Switch average half-cycle average value Is = I = △ P / E Switch off voltage Vs = E Required number of switches Ns = 4n Accordingly, required capacitance VAs is given by the following equation. VAs = 4 · n · ΔP (6) That is, when the number of stages n is large, the switch capacity is reduced to about half of the case of the conventional technology (Equation (5)). A very remarkable effect of being reduced is obtained. Further, by operating the auxiliary converter in the square wave mode without using the PWM control sine wave output converter, pulsation of the DC side current is reduced, and an effect of reducing switching loss is obtained.

【0025】実施の形態2.この発明による実施の形態
2の回路図を図2に示す。なお、マルチレベルAC/D
C間電力変換装置の一般形については図10で詳しく述
べたので、主変換回路部分はそれを引用して省略して示
す。図において、CONVj,CONVkは三相の補助
変換器である。変圧器は同図(c)に示す様に、一次巻
線W1,W2,W3,W4・・を複数のグループに分け、こ
こでは、W1とW2、W3とW4をそれぞれ1グループと
し、各グループ毎に二次巻線W11,W12・・を設けて、
複数の変圧器TR1,TR2・・で構成し、各二次巻線
を相互に接続するようにしてもよい。この(c)図に示
す二次巻線を介した巻線間の結合法は単相補助変換器で
も実施できる。これにより、多数の巻線を用いる場合の
リーケージインダクタンスを合わせ易くなる。
Embodiment 2 FIG. 2 is a circuit diagram of a second embodiment according to the present invention. Note that multi-level AC / D
The general form of the C-to-C power converter has been described in detail with reference to FIG. In the figure, CONVj and CONVk are three-phase auxiliary converters. Transformer as shown in FIG. (C), divided into a primary winding W 1, W 2, W 3 , W 4 ·· into a plurality of groups, where, W 1 and W 2, W 3 and W 4 Are defined as one group, and the secondary windings W 11 , W 12 ,.
.. May be constituted by a plurality of transformers TR1, TR2,... And the respective secondary windings may be connected to each other. The method of coupling between the windings via the secondary winding shown in FIG. (C) can also be implemented with a single-phase auxiliary converter. This makes it easier to adjust the leakage inductance when a large number of windings are used.

【0026】三相補助変換器を方形波で運転すると、そ
のY相電圧は同図(b)の上段波形のようになる。j番
の補助変換器の電圧Vjがk番の補助変換器の電圧Vk
より角度αだけ位相が進んでいる場合を示している。変
圧器の巻線Wj,Wk間にはリーケージインダクタンス
があるため、上記位相ズレ期間中の電圧差により交流電
流が変化し、2段階の台形波状の交流電流が流れる。位
相が進んでいる側が電力を供給し、位相が遅れている側
が電力を受け取り、それぞれ補助変換器の直流電流は台
形波電流を同期整流した電流となる。この時、三相分の
同期整流された直流電流になるので、1相分の交流電流
が脈動していても直流電流の脈動は極めて小さくなる。
以上のごとくにして、任意のDC段間で電力の融通が出
来、DC電圧の速やかな平衡化が出来ることは、前記の
実施の形態1と同様である。また、三相変換器も単相変
換器とそのVA容量が同じならばスイッチ容量も同じに
なる。変圧器も容量が同じならば、Фm・Irmsの総
和が同じになる。従って、前記と同様の効果が得られ
る。
When the three-phase auxiliary converter is operated with a square wave, the Y-phase voltage is as shown in the upper waveform of FIG. The voltage Vj of the j-th auxiliary converter is the voltage Vk of the k-th auxiliary converter
The case where the phase is further advanced by the angle α is shown. Since there is leakage inductance between the windings Wj and Wk of the transformer, the alternating current changes due to the voltage difference during the phase shift period, and a two-step trapezoidal alternating current flows. The phase leading side supplies power and the phase lagging side receives power, and the DC current of the auxiliary converter is a current obtained by synchronously rectifying the trapezoidal wave current. At this time, since the DC current is synchronously rectified for three phases, the pulsation of the DC current is extremely small even if the AC current for one phase pulsates.
As described above, power can be interchanged between arbitrary DC stages and DC voltage can be quickly balanced as in the first embodiment. Also, if the three-phase converter has the same VA capacity as the single-phase converter, the switch capacity is also the same. If the transformers have the same capacity, the sum of Δm · Irms will be the same. Therefore, the same effect as described above can be obtained.

【0027】実施の形態3.この発明による実施の形態
3の回路図を図3に示す。なお、マルチレベルAC/D
C間電力変換装置の一般形については図10で詳しく述
べたので、主変換回路部分はそれを引用して省略して示
す。図3において、キャパシタC1〜C4は、互いに隣り
合う一対のキャパシタC1とC2およびC3とC4をそれぞ
れキャパシタ対とする。そして、CONV21およびCO
NV43は、それぞれその直流側が各キャパシタ対
(C1,C2)および(C3,C4)の両端子間に接続され
た補助AC/DC間電力変換器(以下単に補助変換器と
呼ぶ)で、それぞれ2個の互いに直列に接続されたスイ
ッチS1,S2およびS3,S4からなるいわゆるハーフブ
リッジ形に構成されている。TRは、各キャパシタ対
(C1,C2)および(C3,C4)の中間接続点と補助変
換器のスイッチ対(S1,S2)および(S3,S4)の中
間接続点の交流端との間に接続され互いに磁気的に結合
された巻線W1およびW2を有する変圧器である。以上の
ごとく、DC2段毎にハーフブリッジ形補助変換器を設
ける。従来の場合、図11で分かるように左側のb群の
スイッチが必要であったが、本案では不要である。ま
た、巻線が磁心を介して結合されている。
Embodiment 3 Third Embodiment FIG. 3 shows a circuit diagram of a third embodiment according to the present invention. Note that multi-level AC / D
The general form of the C-to-C power converter has been described in detail with reference to FIG. 3, the capacitor C 1 -C 4 is a pair of capacitors C 1 and each capacitor pair C 2 and C 3 and C 4 adjacent to each other. And CONV 21 and CO
The NV 43 has an auxiliary AC / DC power converter (hereinafter simply referred to as an auxiliary converter) whose DC side is connected between both terminals of each of the capacitor pairs (C 1 , C 2 ) and (C 3 , C 4 ). ) To form a so-called half-bridge comprising two switches S 1 and S 2 and two switches S 3 and S 4 connected in series. TR is an intermediate connection point between each pair of capacitors (C 1 , C 2 ) and (C 3 , C 4 ) and an intermediate connection between the switch pair (S 1 , S 2 ) and (S 3 , S 4 ) of the auxiliary converter. a transformer having a winding W 1 and W 2 which are connected magnetically coupled to each other between the AC end of the point. As described above, a half-bridge type auxiliary converter is provided for every two DC stages. In the conventional case, as shown in FIG. 11, the switch of the group b on the left side is necessary, but it is not necessary in the present invention. Further, the windings are connected via a magnetic core.

【0028】次に動作について説明する。スイッチ対
(S1,S2)と巻線W1により、DC電圧E1,E2に差
が発生すると巻線W1に直流電流成分Idc1が流れる。
同様に、スイッチ対(S3,S4)と巻線W2により、D
C電圧E4,E3に差が発生すると巻線W2に直流電流成
分Idc2が流れる。このため、従来技術の例と同じく
キャパシタC1,C2の直流電圧E1,E2が平衡化され
る。また、同様にキャパシタC4,C3の直流電圧E4
3も平衡化される。この時、マルチレベルAC/DC
間電力変換器の動作原理上、正負対称動作になるので、
全体の直流電圧の中間電位点C0(又は中間直流段)を
挟んで対称な位置関係の巻線では直流電流成分Idc1
とIdc2とは互いに逆方向に流れる。即ち、交流側へ
電力を送る動作の場合には、電力が余る正負の端部から
電力が不足する中央部に送る必要があり、回生動作の場
合には電力が余る中央部から電力が不足する正負の端部
に送る必要がある。したがって、チョッパ動作による電
力融通を正側半分と負側半分とが互いに対称に作用する
ように、スイッチS1とスイッチS4とを同相で動作さ
せ、スイッチS2とスイッチS3とを同相で動作させる。
これに伴い、変圧器の巻線W1とW2も正側半分と負側半
分とで極性を逆にしてある。
Next, the operation will be described. The switch pairs (S 1, S 2) and the winding W 1, direct current component Idc 1 flows through the windings W 1 when the difference is generated in the DC voltage E 1, E 2.
Similarly, by the switch pair (S 3 , S 4 ) and the winding W 2 , D
When a difference occurs between the C voltages E 4 and E 3 , a DC current component Idc 2 flows through the winding W 2 . Thus, DC voltage E 1 of the example of the prior art and also the capacitor C 1, C 2, E 2 is equilibrated. Similarly, the DC voltage E 4 of the capacitors C 4 and C 3 ,
E 3 is also equilibrated. At this time, multi-level AC / DC
The operation principle of the power converter between
In a winding having a symmetrical positional relationship with respect to the intermediate potential point C 0 (or the intermediate DC stage) of the entire DC voltage, the DC current component Idc 1
And Idc 2 flow in opposite directions. That is, in the case of the operation of sending power to the AC side, it is necessary to send power from the positive and negative ends where surplus power is supplied to the central portion where power is insufficient, and in the case of regenerative operation, power is insufficient from the central portion where power is excessive. Must be sent to the positive and negative ends. Therefore, the power interchange by chopper operation as the positive side half and the negative half acts symmetrically, a switch S 1 and switch S 4 is operated in phase, in phase with the switch S 2 and the switch S 3 Make it work.
Accordingly, the windings W 1 and W 2 of the transformer also are the polarity reversed and the negative half positive half.

【0029】他方、巻線W1、W2を介して交流で結合し
た補助変換器動作として、位相差αを付けて運転するこ
とにより、交流電流成分Iac1,Iac2がそれぞれ巻
線W1,巻線W2に流れる。この交流変換動作により、キ
ャパシタ対(C1,C2)のグループとキャパシタ対(C
3,C4)のグループとの間で電力の融通ができる。これ
らの結果、二つの補助変換器で4つの直流段間の電力融
通及び直流電圧平衡化作用が実現される。
[0029] On the other hand, as the auxiliary converter operation coupled with the AC through a winding W 1, W 2, by operating with a phase difference alpha, alternating current component Iac 1, Iac 2 each winding W 1 , it flows through the winding W 2. By this AC conversion operation, a group of the capacitor pair (C 1 , C 2 ) and the capacitor pair (C
Electricity can be exchanged between the groups 3 and C 4 ). As a result, power interchange and DC voltage balancing between the four DC stages are realized with the two auxiliary converters.

【0030】次に、以上の動作を、スイッチ関数を導入
することにより下式で求められるスイッチ電流(キャパ
シタ電流に相当)Is1〜Is4に基づき説明する。この
関係はスイッチの電流Is1ないしIs4からも知れる。
此の式を、次に示す。 Is1=St1Idc1+St1Iac1 Is2=−St2Idc1−St2Iac1 Is3=−St3Idc2−St3Iac2 Is4=St4Idc2+St4Iac2 ここに、St1ないしSt4はそれぞれのスイッチS1
いしS4が導通時“1”となるスイッチ関数である。ま
た、Idc1、Idc2は、既述した通り、巻線W1,W2
に流れる直流電流成分で、キャパシタC1−C2間および
3−C4間での電圧平衡化に寄与する。Iac1,Iac
2は、同交流電流成分で、キャパシタ対(C1,C2)と
(C3,C4)と間での電圧平衡化に寄与するものであ
る。
Next, the above operation will be described based on switch currents (corresponding to capacitor currents) Is 1 to Is 4 determined by the following equation by introducing a switch function. This relationship is to no current Is 1 of the switch become known from Is 4.
This equation is shown below. Is 1 = St 1 Idc 1 + St 1 Iac 1 Is 2 = -St 2 Idc 1 -St 2 Iac 1 Is 3 = -St 3 Idc 2 -St 3 Iac 2 Is 4 = St 4 Idc 2 + St 4 Iac 2 , St 1 to St 4 are switch functions that become “1” when the respective switches S 1 to S 4 are turned on. Further, Idc 1 and Idc 2 are the windings W 1 and W 2 as described above.
And contributes to voltage balancing between the capacitors C 1 and C 2 and between C 3 and C 4 . Iac 1 , Iac
Reference numeral 2 denotes the same alternating current component, which contributes to voltage balancing between the pair of capacitors (C 1 , C 2 ) and (C 3 , C 4 ).

【0031】先ず、図4を参照してキャパシタC1とC2
との電圧平衡化の動作について説明する。両スイッチS
1とS2との通電時間を等しく(t1=t2)動作させる場
合は、実質的に従来技術で説明したものと同一であるの
で、ここでは、t1=t2の拘束を解除しこの導通時間比
を能動的に変えて制御する場合を想定して説明する。図
4(c)に示すように、t11>t22のときは、巻線
1には、図3に示す向きにその直流電流成分Idc1
流れ、スイッチ電流Is1によりキャパシタC1が放電
し、スイッチ電流Is2によりキャパシタC2が充電され
る。これによって、キャパシタC1,C2の電圧E1,E2
が平衡化する。ここで着目すべきは、t1,t2比を能動
的に変化させることにより電圧平衡化の応答を高めるこ
とができる点である。図4(d)は、t11<t22
ときのスイッチ電流Is1,Is2を示し、この場合は、
キャパシタC1が充電され、キャパシタC2が放電して、
両電圧E1,E2が急速に平衡化する。
First, referring to FIG. 4, capacitors C 1 and C 2
The operation of voltage balancing with the above will be described. Both switches S
When the operation is performed with the energization time of 1 and S 2 equal (t 1 = t 2 ), the operation is substantially the same as that described in the related art, so that the constraint of t 1 = t 2 is released here. The description will be made on the assumption that the conduction time ratio is actively changed for control. As shown in FIG. 4 (c), when the t 1 E 1> t 2 E 2, the windings W 1, the direct current component Idc 1 flows in the direction shown in FIG. 3, the switch current Is 1 capacitor C 1 is discharged, the capacitor C 2 is charged by the switch current is 2. Thereby, the voltages E 1 and E 2 of the capacitors C 1 and C 2 are obtained.
Equilibrates. It should be noted here that the voltage balancing response can be enhanced by actively changing the ratios t 1 and t 2 . FIG. 4D shows the switch currents Is 1 and Is 2 when t 1 E 1 <t 2 E 2. In this case,
The capacitor C 1 is charged, the capacitor C 2 is discharged,
The two voltages E 1 and E 2 equilibrate rapidly.

【0032】次に、図5を参照してキャパシタ対
(C1,C2)とキャパシタ対(C3,C4)との間におけ
る電圧平衡化の動作について説明する。同図は、(E1
+E2)>(E3+E4)を示しており、補助変換器CO
NV43をCONV21に対してαだけ位相を遅らせて動作
させて、Iac1>0、Iac2<0にする。従って、同
図(g)に示すように、スイッチ電流Is1によりキャ
パシタC1は放電し、スイッチ電流Is2によりキャパシ
タC2は放電する。即ち、キャパシタC1,C2は共に放
電してその電圧が降下する。また、同図(h)に示すよ
うに、スイッチ電流Is4によりキャパシタC4は充電さ
れ、スイッチ電流Is3によりキャパシタC3は充電され
る。即ち、キャパシタC3,C4は共に充電され、その電
圧が上昇する。従って、両キャパシタ対の電圧が平衡化
する訳である。
Next, the operation of voltage balancing between the capacitor pair (C 1 , C 2 ) and the capacitor pair (C 3 , C 4 ) will be described with reference to FIG. The figure shows (E 1
+ E 2 )> (E 3 + E 4 ) and the auxiliary converter CO
The NV 43 is operated with the phase delayed by α with respect to the CONV 21 so that Iac 1 > 0 and Iac 2 <0. Accordingly, as shown in FIG. (G), the capacitor C 1 is discharged by the switch current Is 1, capacitor C 2 by the switch current Is 2 discharges. That is, the capacitors C 1 and C 2 are both discharged, and the voltage drops. Further, as shown in FIG. (H), the capacitor C 4 by the switch current Is 4 is charged, the capacitor C 3 by the switch current Is 3 is charged. That is, the capacitors C 3 and C 4 are both charged, and their voltages rise. Therefore, the voltages of both capacitor pairs are balanced.

【0033】(E1+E2)<(E3+E4)のときは、上
記とは逆に、補助変換器CONV43の動作位相をCON
21のそれより進ませることにより、キャパシタC1
2を共に充電させ、キャパシタC3,C4を共に放電さ
せることで両キャパシタ対の電圧を平衡化させる。
When (E 1 + E 2 ) <(E 3 + E 4 ), the operation phase of the auxiliary converter CONV 43 is changed to CON.
By going beyond that of V 21 , the capacitors C 1 ,
Both were charged C 2, thereby balancing the voltages of both capacitors pairs by which both discharge the capacitor C 3, C 4.

【0034】以上のように、各スイッチS1〜S4のオン
オフ制御により、直流電流ひいては電力の融通が4つの
直流段間で行えることが理解される。そして、交流を介
した電力の融通とチョッパ作用による電力融通の両者が
出来るので、補助変換器回路が簡単化される効果が得ら
れる。なお、直流電流成分Idcによる電力融通を考慮
すると、磁心は励磁電流を意図的に大きくして磁気エネ
ルギーを蓄積できる方がよく、チョッパ作用による電力
融通能力と交流動作による電力の融通能力を安全に維持
できる。具体的には、変圧器TRを構成する鉄心の磁路
にギャップを設ける等の構造を採用する。
As described above, it is understood that the on / off control of each of the switches S 1 to S 4 allows the DC current and thus the power to be interchanged between the four DC stages. Since both power exchange through AC and power exchange through chopper action can be performed, the effect of simplifying the auxiliary converter circuit can be obtained. In consideration of the power interchange by the DC current component Idc, it is better that the magnetic core can intentionally increase the exciting current to store the magnetic energy, and the power interchange ability by the chopper effect and the power interchange ability by the AC operation can be safely achieved. Can be maintained. Specifically, a structure in which a gap is provided in the magnetic path of the iron core forming the transformer TR is adopted.

【0035】実施の形態4.この発明による実施の形態
4の回路図を図6に示す。なお、マルチレベルAC/D
C間電力変換装置の一般形については図10で詳しく述
べたので、主変換回路部分はそれを引用して省略して示
す。この実施の形態4は、一般にDCがn段に分割され
ている場合の実施形態を示す。スイッチは各段当たり1
つ設け、変圧器TRの巻線Wは2段当たりに1つずつ備
え、全て結合させる。この時、正負半分が対称になるよ
うに配置構成する。段数nが奇数(5以上)の場合、中
央段のキャパシタCcが繋がる直流段には、前記実施の
形態1,実施の形態2の交流結合による電力融通を図る
ため、ブリッジ形補助変換器CONVcを設け、変圧器
巻線Wcを他の巻線と結合させる。これにより、大きな
電力を扱う中央段の電力融通を全てのDC段との間で実
行できる。段数nが偶数の場合は図3と同様に正負半分
間で対称にできる。
Embodiment 4 FIG. FIG. 6 is a circuit diagram of a fourth embodiment according to the present invention. Note that multi-level AC / D
The general form of the C-to-C power converter has been described in detail with reference to FIG. Embodiment 4 shows an embodiment in which DC is generally divided into n stages. One switch per stage
And one winding W of the transformer TR is provided for every two stages, and they are all coupled. At this time, the arrangement is made so that the positive and negative halves are symmetrical. When the number of stages n is an odd number (5 or more), a bridge-type auxiliary converter CONVc is provided in the DC stage to which the central capacitor Cc is connected in order to achieve power interchange by the AC coupling of the first and second embodiments. To couple the transformer winding Wc with other windings. As a result, power interchange in the central stage that handles large power can be executed with all DC stages. When the number of stages n is an even number, the symmetry can be made in positive and negative half-minutes as in FIG.

【0036】段数nが奇数の場合の図6とは異なる構成
として、例えば、中央段のキャパシタCcとその1つ上
段のキャパシタCc-1とでキャパシタ対(Cc-1,C
c)を形成し、かつ、上記中央段のキャパシタCcとそ
の1つ下段のキャパシタCc+1とでキャパシタ対(C
c,Cc+1)を形成し、これら両キャパシタ対(C
-1,Cc)および(Cc,Cc+1)のそれぞれに対し
て前記実施の形態3のハーフブリッジ形の補助変換器お
よび巻線を設けるようにしてもよい。
As a configuration different from that in FIG. 6 when the number of stages n is an odd number, for example, a capacitor pair (Cc -1 , Cc -1) is composed of a capacitor Cc in the center stage and a capacitor Cc -1 one stage above it
c), and the capacitor Cc in the center stage and the capacitor Cc + 1 one stage below it form a capacitor pair (C
c, Cc +1 ), and these two capacitor pairs (C
The half-bridge type auxiliary converter and the winding according to the third embodiment may be provided for each of (c −1 , Cc) and (Cc, Cc +1 ).

【0037】このほか、スイッチS1ないしSnの導通
時間比を能動的に変えて、チョッパ動作による電力融通
を制御する事もできる。
In addition, it is possible to control the power interchange by the chopper operation by actively changing the conduction time ratio of the switches S 1 to Sn.

【0038】作用は前記実施の形態3と同様で、多段間
で電力の融通が出来る。当然同じ効果が得られ、任意の
直流段数nに対処できる効果が得られる。
The operation is the same as that of the third embodiment, and electric power can be exchanged between multiple stages. Naturally, the same effect is obtained, and an effect that can cope with an arbitrary number n of DC stages is obtained.

【0039】実施の形態5.次に、一般にn段のキャパ
シタを備えたマルチレベルAC/DC間電力変換装置に
おける直流電圧平衡化制御装置を実施の形態5として図
7により説明する。なお、マルチレベルAC/DC間電
力変換装置の一般形については図10や前記実施の形態
で詳しく述べたので、主変換回路部分および補助変換器
はそれらを引用して省略して示す。この実施の形態5
は、実施の形態1および実施の形態2の様に、各直流段
毎に補助変換器CONVを備える場合に適した直流電圧
平衡化制御ブロック図示す。図において、Vc1,V
2,Vck,・・Vcnは各直流段の電圧、REFは
各直流段の電圧Vc1,Vc2,Vck,・・Vcnから
例えば総和手段SUMにより和を取り、例えば割り算手
段DIVで平均値を算出して各直流段の直流電圧指令値
Vcrを出力する指令値発生手段である。AVR1,A
VR2,AVRk,・・AVRnは上記直流電圧指令値
Vcrと各直流段の直流電圧をそれぞれ比較する比較調
整手段、δ1,δ2,δk,・・δnは比較調整手段の出
力で、各補助変換器の位相加減信号(基準位相θに対す
る変化分)である。A1,A2,Ak,・・Anは補助変
換器CONV1,CONV2,CONVk,・・CONV
n(図示せず)が所定周波数で動作している基準位相θ
に対して上記位相加減信号δ1,δ2,δk,・・δnに
より加減する加減手段である。
Embodiment 5 Next, a DC voltage balancing control device in a multi-level AC / DC power converter generally including an n-stage capacitor will be described as a fifth embodiment with reference to FIG. Since the general form of the multilevel AC / DC power converter has been described in detail in FIG. 10 and the above-described embodiment, the main conversion circuit portion and the auxiliary converter will be omitted with reference to them. Embodiment 5
FIG. 9 is a DC voltage balancing control block diagram suitable for a case where an auxiliary converter CONV is provided for each DC stage as in the first and second embodiments. In the figure, Vc 1 , V
c 2, Vck, ·· Vcn the voltage of each DC stage, REF voltage Vc 1, Vc 2 of the DC stage, Vck, a sum from · · Vcn example by summation means SUM, for example, an average value in the division unit DIV And outputs a DC voltage command value Vcr of each DC stage. AVR 1 , A
VR 2, AVRk, ·· AVRn comparison adjustment means for comparing each DC voltage of the DC voltage command value Vcr and the DC stage, δ 1, δ 2, δk , ·· δn is the output of the comparison adjusting means, each It is a phase adjustment signal (change from the reference phase θ) of the auxiliary converter. A 1 , A 2 , Ak,... An are auxiliary converters CONV 1 , CONV 2 , CONVk,.
n (not shown) is a reference phase θ operating at a predetermined frequency
... Δn with respect to the phase adjustment signals δ 1 , δ 2 , δk,.

【0040】以上の構成により、各段の直流電圧の平均
値を指令として各段の直流電圧を比較し、各段の直流電
圧の不平衡分に応じた位相加減信号δ1,δ2,δk,・
・δnが得られる。これらを加減手段A1,A2,Ak,
・・Anに入力し、基準位相θを基にして加減し、θ+
δ1,θ+δ2,θ+δk,・・θ+δnなる位相で前述
のそれぞれの補助変換器を動作させる。この結果、補助
変換器間の融通電力が調整され、各段の直流電圧が平均
化できる。即ち、平衡化できる。
With the above configuration, the DC voltages of the respective stages are compared by using the average value of the DC voltages of the respective stages as a command, and the phase adjustment signals δ 1 , δ 2 , δk corresponding to the unbalance of the DC voltages of the respective stages are obtained. ,
・ Δn is obtained. These are adjusted by A 1 , A 2 , Ak,
··· Input to An and add or subtract based on the reference phase θ,
The above-mentioned auxiliary converters are operated at the phases of δ 1 , θ + δ 2 , θ + δk,. As a result, the interchange power between the auxiliary converters is adjusted, and the DC voltage at each stage can be averaged. That is, it can be balanced.

【0041】上記説明で直流電圧が平衡化されるが、直
流電圧の総和は別途独立に制御可能な量として自由度が
残されている。従って、別途行われる本変換器の主たる
制御(例えば総直流電圧制御)に対して干渉せず、主た
る制御が別途自由に出来る効果が得られる。
Although the DC voltage is balanced in the above description, the total sum of the DC voltages has a degree of freedom as an independently controllable amount. Therefore, there is obtained an effect that the main control (for example, total DC voltage control) of the converter which is performed separately does not interfere with the main control and the main control can be freely performed separately.

【0042】実施の形態6.この発明による実施の形態
6の回路図を図に示す。なお、マルチレベルAC/DC
間電力変換装置の一般形については図10や前記実施の
形態で詳しく述べたので、主変換回路部分および補助変
換器はそれらを引用して省略して示す。この実施の形態
6は、実施の形態3および実施の形態4の様に、隣り合
う直流段毎にハーフブリッジ形の補助変換器CONVを
備える場合に適した直流電圧平衡化制御ブロック図を示
す。図において、A21,A43,・・・,An(-1)は隣
り合う直流段のキャパシタの電圧の和を取る手段(例え
ばキャパシタ対の両端間電圧の電圧検出手段、またはそ
れぞれのキャパシタの電圧検出値を加える手段),RE
Fは電圧検出手段A21,A43,・・・An(-1)の出力
を総和手段SUMにより和を取り、割り算手段DIVで
平均値を算出して各キャパシタ対の直流電圧指令値Vc
rを出力する指令値発生手段である。AVR21,AVR
43,・・・AVRn(-1)は隣り合う直流段のキャパ
シタの電圧の和を直流電圧指令値Vcrとそれぞれ比較
する比較調整手段、δ21,δ43,・・δn(-1)は比較
調整手段の出力で、各補助変換器の位相加減信号(基準
位相θに対する変化分)である。A21b,A43b,・・A
(-1)bは補助変換器CONV21,CONV43,・・
CONVn(-1)(図示せず)が所定周波数で動作して
いる基準位相θに対して上記位相加減信号δ21,δ43
・・δn(-1)により加減する加減手段である。
Embodiment 6 FIG. A circuit diagram of a sixth embodiment according to the present invention is shown in FIG. Note that multi-level AC / DC
Since the general form of the inter-power converter has been described in detail in FIG. 10 and the above-described embodiment, the main conversion circuit portion and the auxiliary converter will be omitted by quoting them. The sixth embodiment shows a DC voltage balancing control block diagram suitable for a case where a half-bridge type auxiliary converter CONV is provided for each adjacent DC stage as in the third and fourth embodiments. In the drawing, A 21 , A 43 ,..., An ( n −1) are means for calculating the sum of the voltages of the capacitors of adjacent DC stages (for example, means for detecting the voltage between both ends of a capacitor pair, or each capacitor). Means for adding the voltage detection value of
F is the sum of the outputs of the voltage detecting means A 21 , A 43 ,... An ( n -1) by the summing means SUM, calculates the average value by the dividing means DIV, and calculates the DC voltage command value Vc of each capacitor pair.
Command value generating means for outputting r. AVR 21 , AVR
A 43, ··· AVRn (n -1 ) is comparable means for comparing each of the sums of voltages of the DC stage capacitor and the DC voltage command value Vcr adjacent, δ 21, δ 43, ·· δn (n -1 ) Is the output of the comparison and adjustment means, which is the phase adjustment signal (change from the reference phase θ) of each auxiliary converter. A 21b , A 43b , A
n (n -1) b auxiliary converter CONV 21, CONV 43, ··
CONVn ( n −1) (not shown) is operated at a predetermined frequency with respect to a reference phase θ, and the phase adjustment signals δ 21 , δ 43 ,
... An adjusting means for adjusting by .delta.n ( n- 1) .

【0043】なお、指令値発生手段REFの中の平均値
を計算する総和手段SUMおよび割り算手段DIVにお
いて、直流段数nが偶数の場合は、電圧の平衡化をする
直流段数がnであるから分母Mはnである。nが奇数の
場合、中間段の平衡化が不要である場合が多いので、こ
の場合、平衡化対象になる直流段数Mはn−1であれば
よい。
In the summation means SUM and the dividing means DIV for calculating the average value in the command value generation means REF, when the number of DC stages n is even, the denominator is used because the number of DC stages for voltage balancing is n. M is n. When n is an odd number, it is often unnecessary to balance the intermediate stage. In this case, the number M of DC stages to be balanced may be n-1.

【0044】以上の構成により、2段分(1キャパシタ
対に相当する)の直流電圧の平均値を指令として2段毎
の直流電圧を比較し、各段の直流電圧の不平衡分に応じ
た位相加減信号δ21,δ43,・・δn(-1)が得られ
る。これらを加減手段A21b,A43b,・・An(-1)b
に入力し、基準位相θを基にして加減し、θ+δ21,θ
+δ43,・・θ+δn(-1)なる位相で前述のそれぞれ
の補助変換器を動作させる。この結果、補助変換器間の
融通電力が調整され、各段の直流電圧が平均化できる。
即ち、平衡化できる。なお、隣り合う直流段内の電圧平
衡化は、前述の通り変圧器巻線Wに流れる直流電流の変
化自体で行われるので、フィードバック制御は不要であ
る。勿論アクティブに帰還制御しても良い。
With the above configuration, the DC voltages of the two stages are compared using the average value of the DC voltages of the two stages (corresponding to one capacitor pair) as a command, and the unbalanced DC voltage of each stage is determined. The phase adjustment signals δ 21 , δ 43 ,... Δn ( n −1) are obtained. These are added and subtracted by A 21b , A 43b ,... An ( n -1) b
And add or subtract based on the reference phase θ, θ + δ 21 , θ
The respective auxiliary converters are operated at a phase of + δ 43 ,... Θ + δn ( n -1) . As a result, the interchange power between the auxiliary converters is adjusted, and the DC voltage at each stage can be averaged.
That is, it can be balanced. Note that the voltage balancing in the adjacent DC stages is performed by the change in the DC current flowing through the transformer winding W itself as described above, so that the feedback control is unnecessary. Of course, active feedback control may be performed.

【0045】上記説明で直流電圧が平衡化されるが、直
流電圧の総和は別途独立に制御可能な量として自由度が
残されている。従って、別途行われる本変換器の主たる
制御(例えば総直流電圧制御)に対して干渉せず、主た
る制御が別途自由に出来る効果が得られる点、上記実施
の形態6と同じ効果が得られる。
In the above description, the DC voltages are balanced, but the total sum of the DC voltages has a degree of freedom as an independently controllable amount. Therefore, the same effect as in the sixth embodiment can be obtained in that the main control (for example, total DC voltage control) of the present converter which is performed separately does not interfere with the main control and the main control can be performed freely.

【0046】実施の形態7.この発明による実施の形態
7の回路図を図9に示す。なお、マルチレベルAC/D
C間電力変換装置の一般形については図10や前記実施
の形態で詳しく述べたので、主変換回路部分および補助
変換器はそれらを引用して省略または概念図で示す。こ
の実施の形態7は、交流電動機の駆動制御等負荷Loa
dへ給電するAC/DC−DC/AC変換システムへの
応用例を示すものである。図において、Vsは交流電源
系統、Xsは図に示さない変圧器のリアクタンスまたは
交流リアクトル、MLC1は交流電源系統Vsに交流端
子が接続された第1のマルチレベルAC/DC間電力変
換装置、MLC2は各段の直流線路が上記変換器MLC1
の各段の直流線路に並列接続された第2のマルチレベル
AC/DC間電力変換装置、C1ないしCnは両変換装
置MLC1,MLC2に共通に使用する直流各段のキャパ
シタ、CONV1ないしCONVnは前述の補助変換
器、AVRは補助変換器による各段の直流電圧の平衡化
制御手段、PT1ないしPTnは各段の直流電圧検出手
段、Loadは第2の変換装置MLC2の交流端子に接
続される交流負荷である。
Embodiment 7 FIG. FIG. 9 shows a circuit diagram of a seventh embodiment according to the present invention. Note that multi-level AC / D
Since the general form of the C-to-C power converter has been described in detail in FIG. 10 and the above-described embodiment, the main conversion circuit portion and the auxiliary converter are omitted or conceptually shown with reference to them. In the seventh embodiment, a load Loa such as drive control of an AC motor is used.
9 shows an example of application to an AC / DC-DC / AC conversion system for supplying power to a power supply d. In the drawing, Vs is an AC power supply system, Xs is a reactance or AC reactor of a transformer not shown, MLC 1 is a first multi-level AC / DC power converter in which an AC terminal is connected to the AC power supply system Vs, In the MLC 2, the DC line of each stage has the converter MLC 1.
Second multilevel AC / DC between the power converter, C 1 to Cn are DC each stage to be used in common to both converter MLC 1, MLC 2 capacitors connected in parallel to the DC line of each stage of the, CONV 1 to CONVn the above auxiliary converter, AVR equilibration control means of the DC voltage of each stage by the auxiliary transducer, PT 1 to PTn is DC voltage detection means for each stage, Load AC of the second converter MLC 2 This is an AC load connected to the terminal.

【0047】キャパシタ及び各段の直流電圧の平衡化用
補助変換器とその制御は両変換装置で共用化できる。各
段の直流線路が並列接続されるので、各段毎に両変換装
置間で直接電力融通が出来る分、電圧平衡化用補助変換
器の段間電力融通容量が軽減される。第2の変換装置M
LC2は交流負荷に対して良好な出力電圧波形を出力で
き、絶縁が問題になる高電圧の負荷への給電に適する。
また、第1の変換装置MLC1も交流電源系統に対して
良好な電圧波形を維持し易いので、高調波障害が軽減さ
れる。負荷交流系が点線図示の第2の交流電源系統Vs
2の場合、両交流系統間で電力融通をしたり、交流系統
に対する無効電力の調整をするのに適する。
The capacitor and the auxiliary converter for balancing the DC voltage of each stage and its control can be shared by both converters. Since the DC lines of each stage are connected in parallel, the power interchange capacity of the auxiliary converter for voltage balancing can be reduced because power can be interchanged directly between the two converters for each stage. Second converter M
The LC 2 can output a good output voltage waveform to an AC load, and is suitable for supplying power to a high-voltage load where insulation is a problem.
Further, since the first converter MLC 1 also maintaining good voltage waveform to the AC power supply system easy, harmonic failure is reduced. The load AC system is a second AC power supply system Vs indicated by a dotted line.
In the case of 2 , it is suitable for providing power interchange between both AC systems and adjusting reactive power for the AC system.

【0048】この場合既述した通り、直列段のキャパシ
タに対称的に現れる電力偏在の分布が、電力の流れの方
向によってその対称性が逆に現れる。従って、図9に示
すように、AC/DC間の電力の流れが逆の方向になる
2台のマルチレベルAC/DC間電力変換装置の直流系
を共用することにより、各キャパシタの電圧平衡化がよ
り容易となる。
In this case, as described above, the distribution of the power distribution unevenly appearing in the capacitors in the series stage has the opposite symmetry depending on the direction of the power flow. Therefore, as shown in FIG. 9, by sharing the DC system of the two multi-level AC / DC power converters in which the power flow between AC / DC is in the opposite direction, the voltage balancing of each capacitor is achieved. Becomes easier.

【0049】なお、図9は2台のマルチレベルAC/D
C間電力変換装置MLC1およびMLC2を備え、その直
流系を共用の構成とし、2つの交流系の間で電力融通を
行うものであるが、3台以上の複数のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置を備え、同じくその直流系を共用
し、異なる複数の交流系での電力融通を行うこともでき
る。
FIG. 9 shows two multi-level AC / D units.
It is provided with inter-C power converters MLC 1 and MLC 2 , and the DC system is shared, and power is exchanged between two AC systems.
/ DC power converter, and the DC system can be shared, and power can be interchanged in a plurality of different AC systems.

【0050】また、上記各実施の形態では、直流系の第
1の電源と交流系の第2の電源との間で電力変換を行う
マルチレベルAC/DC間電力変換装置について説明し
たが、この発明は、既述した中央段に対する対称性は存
在しなくなるが、直流系の第1の電源と直流系の第2の
電源との間で電力変換を行う場合にも適用することがで
き同等の効果を奏する。
In each of the above embodiments, the multi-level AC / DC power converter for performing power conversion between the first power supply of the DC system and the second power supply of the AC system has been described. Although the present invention no longer has the symmetry with respect to the center stage described above, the present invention can be applied to the case where power conversion is performed between the first power supply of the DC system and the second power supply of the DC system. It works.

【0051】以上のように、この発明を応用すれば、直
流各段間での電力融通による各段直流電圧の平衡化を効
率的に行えるので、直流電圧の分割数を増加させやす
い。これにより、変換器の出力電圧レベルを多くし易
く、良好な交流出力波形や、多レベルの良好な直流出力
波形が得られる。これらのため、マルチレベル電力変換
装置の応用可能範囲が拡大できる効果が得られる。
As described above, by applying the present invention, it is possible to efficiently balance the DC voltage of each stage by accommodating the power between the DC stages, so that it is easy to increase the number of divisions of the DC voltage. As a result, the output voltage level of the converter can be easily increased, and a good AC output waveform or a multilevel good DC output waveform can be obtained. For these reasons, the effect that the applicable range of the multilevel power converter can be expanded is obtained.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上のように、この発明に係るマルチレ
ベル電力変換装置は、直流系の第1の電源に接続される
正極および負極端子、交流系または直流系の第2の電源
に接続される出力端子、上記正極端子と出力端子との間
および上記出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続
された複数のスイッチング素子の直列接続体、上記正極
端子と負極端子との間に接続された複数のキャパシタの
直列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続点
と上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるクラ
ンプダイオードを備え、上記スイッチング素子をオンオ
フ制御することにより、上記出力端子から、上記正極端
子の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電
位出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置にお
いて、直流側が上記各キャパシタの端子間に接続された
複数の補助AC/DC間電力変換器、および互いに磁気
的に結合され上記各補助AC/DC間電力変換器の交流
側に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えたの
で、各キャパシタの電圧平衡化が速やかになされ、全体
として必要となるスイッチング素子や変圧器の設備容量
も低減できる。
As described above, the multi-level power converter according to the present invention is connected to the positive and negative terminals connected to the first power supply of the DC system, and to the second power supply of the AC or DC system. An output terminal, a series connection of a plurality of switching elements respectively connected between the positive terminal and the output terminal and between the output terminal and the negative terminal, and connected between the positive terminal and the negative terminal. A series connection of a plurality of capacitors, and a clamp diode connected between a series connection point of the switching element and a series connection point of the capacitor, and by controlling on / off of the switching element, from the output terminal. A multi-level power converter configured to obtain a plurality of levels of potential output between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal; A plurality of auxiliary AC / DC power converters connected between terminals of each capacitor; and a plurality of windings magnetically coupled to each other and connected to the AC side of each of the auxiliary AC / DC power converters. Since the transformer is provided, the voltage of each capacitor is quickly balanced, and the required capacity of the switching element and the transformer as a whole can be reduced.

【0053】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置の変圧器は、補助AC/DC間電力変換器の交流
側に接続された複数の一次巻線、および上記複数の一次
巻線を複数のグループに分けこれら各グループの一次巻
線と磁気的に結合し互いに接続された複数の二次巻線を
備えたので、変圧器が多数の巻線を用いる場合にそのリ
ーケージインダクタンスの調整が容易となる。
Further, the transformer of the multilevel power converter according to the present invention includes a plurality of primary windings connected to the AC side of the auxiliary AC / DC power converter, and a plurality of the primary windings connected to the plurality of primary windings. Divided into groups, each group has a plurality of secondary windings that are magnetically coupled to and connected to the primary windings, making it easy to adjust the leakage inductance when a transformer uses many windings. Become.

【0054】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その各キャパシタの電圧を検出しその総和か
ら各キャパシタの直流電圧指令値を演算する手段、およ
び上記各キャパシタの電圧検出値と直流電圧指令値とが
一致するように、各補助AC/DC間電力変換器の動作
位相を所定の基準位相に対してシフトさせる手段を備え
たので、複数段のキャパシタの電圧を速やかに平衡化で
きるとともに、直流電圧の総和は別途独立に制御が可能
となる。
Further, the multi-level power converter according to the present invention includes means for detecting the voltage of each capacitor and calculating a DC voltage command value for each capacitor from the sum thereof, and detecting the voltage detection value of each capacitor and the DC voltage. Means for shifting the operation phase of each auxiliary AC / DC power converter with respect to a predetermined reference phase so that the command value coincides with the reference value is provided, so that the voltages of the capacitors in a plurality of stages can be quickly balanced. And the sum of the DC voltages can be separately and independently controlled.

【0055】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、直流系の第1の電源に接続される正極および
負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続され
る出力端子、上記正極端子と出力端子との間および上記
出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された複数
のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と負極
端子との間に接続された4以上の複数のキャパシタの直
列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続点と
上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるクラン
プダイオードを備え、上記スイッチング素子をオンオフ
制御することにより、上記出力端子から、上記正極端子
の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電位
出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置におい
て、互いに隣合う上記キャパシタの一対をキャパシタ対
とし、互いに直列に接続された一対のスイッチング素子
からなり、その直流側が上記各キャパシタ対の両端子間
に接続された複数の補助AC/DC間電力変換器、およ
び互いに磁気的に結合され上記各キャパシタ対の中間接
続点と上記各スイッチング素子対の中間接続点の交流端
との間に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えた
ので、各キャパシタの電圧平衡化が速やかになされ、全
体として必要となるスイッチング素子や変圧器の設備容
量も低減できる。
Further, the multi-level power converter according to the present invention comprises: a positive terminal and a negative terminal connected to a first DC power supply; an output terminal connected to an AC or DC second power supply; A serially connected body of a plurality of switching elements connected between the positive terminal and the output terminal and between the output terminal and the negative terminal, four or more connected between the positive terminal and the negative terminal A series connected body of capacitors, and a clamp diode connected between the series connection point of the switching element and the series connection point of the capacitor, and by controlling the on / off of the switching element, from the output terminal, In a multi-level power converter configured to obtain a plurality of levels of potential output between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal, adjacent to each other A plurality of auxiliary AC / DC power converters each including a pair of switching elements connected in series with each other and having a DC side connected between both terminals of each of the capacitor pairs; A transformer having a plurality of windings that are magnetically coupled and connected between an intermediate connection point of each of the capacitor pairs and an AC terminal of the intermediate connection point of each of the switching element pairs; Balancing is quickly performed, and the required capacity of switching elements and transformers as a whole can be reduced.

【0056】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、そのキャパシタの直列数が奇数の場合、この
うち1個のキャパシタとこのキャパシタの一方に隣合う
キャパシタとでキャパシタ対を構成するとともに上記1
個のキャパシタとこのキャパシタの他方に隣合うキャパ
シタとでキャパシタ対を構成するようにしたので、キャ
パシタの直列数が奇数の場合にも、そのすべてをキャパ
シタ対として構成することができ、この方式のマルチレ
ベル電力変換装置を確実に実現することができる。
Further, in the multilevel power converter according to the present invention, when the number of series of the capacitors is odd, one of the capacitors and a capacitor adjacent to one of the capacitors form a capacitor pair, and 1
Since a capacitor pair is formed by the number of capacitors and a capacitor adjacent to the other of the capacitors, even when the number of series of capacitors is an odd number, all of them can be configured as a capacitor pair. A multi-level power converter can be reliably realized.

【0057】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、直流系の第1の電源に接続される正極および
負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続され
る出力端子、上記正極端子と出力端子との間および上記
出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された複数
のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と負極
端子との間に接続された5以上の奇数個のキャパシタの
直列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続点
と上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるクラ
ンプダイオードを備え、上記スイッチング素子をオンオ
フ制御することにより、上記出力端子から、上記正極端
子の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電
位出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置にお
いて、上記キャパシタのうち接続方向中央の1個を除く
キャパシタは、互いに隣合うキャパシタの一対をキャパ
シタ対とし、互いに直列に接続された一対のスイッチン
グ素子からなり、その直流側が上記各キャパシタ対の両
端子間に接続された複数の第1の補助AC/DC間電力
変換器、その直流側が上記1個のキャパシタの端子間に
接続された第2の補助AC/DC間電力変換器、および
互いに磁気的に結合され上記各キャパシタ対の中間接続
点と上記各スイッチング素子対の中間接続点の交流端と
の間ならびに上記第2のAC/DC間電力変換器の交流
側に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えたの
で、各キャパシタの電圧平衡化が速やかになされ、全体
として必要となるスイッチング素子や変圧器の設備容量
も低減できる。
Further, the multi-level power converter according to the present invention comprises: a positive terminal and a negative terminal connected to a first DC power supply; an output terminal connected to a second AC or DC power supply; A series connection of a plurality of switching elements connected between the positive terminal and the output terminal and between the output terminal and the negative terminal, and an odd number of 5 or more connected between the positive terminal and the negative terminal A series connection of the capacitors, and a clamp diode connected between the series connection point of the switching element and the series connection point of the capacitor, and by controlling the switching element on and off, from the output terminal, In a multi-level power conversion device configured to obtain a plurality of levels of potential output between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal, The capacitors except for the one at the center in the connection direction of the capacitors are formed by a pair of capacitors adjacent to each other and a pair of switching elements connected in series, and the DC side thereof is connected between both terminals of each of the capacitor pairs. A plurality of connected first auxiliary AC / DC power converters, a second auxiliary AC / DC power converter whose DC side is connected between terminals of the one capacitor, and magnetically coupled to each other And a plurality of windings connected between the intermediate connection point of each of the capacitor pairs and the AC terminal of the intermediate connection point of each of the switching element pairs and on the AC side of the second AC / DC power converter. Since the transformer is provided, the voltage of each capacitor is quickly balanced, and the required capacity of the switching element and the transformer as a whole can be reduced.

【0058】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その変圧器を構成する磁路にギャップを設け
たので、各巻線に流れる直流電流成分による電力融通が
より円滑になされる。
Further, in the multi-level power converter according to the present invention, since a gap is provided in the magnetic path constituting the transformer, the power can be more smoothly exchanged by the DC current component flowing through each winding.

【0059】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その各キャパシタ対(キャパシタ対以外に個
別のキャパシタが存在するときは当該キャパシタも含
む、以下同じ)の電圧を検出しその総和から各キャパシ
タ対の直流電圧指令値を演算する手段、および上記各キ
ャパシタ対の電圧検出値と直流電圧指令値とが一致する
ように、各補助AC/DC間電力変換器の動作位相を所
定の基準位相に対してシフトさせる手段を備えたので、
複数段のキャパシタの電圧を速やかに平衡化できるとと
もに、直流電圧の総和は別途独立に制御が可能となる。
Further, the multi-level power converter according to the present invention detects the voltage of each capacitor pair (including individual capacitors other than the capacitor pair, including the capacitor, the same applies hereinafter) and detects each voltage from the sum thereof. Means for calculating the DC voltage command value of the capacitor pair, and the operation phase of each auxiliary AC / DC power converter is set to a predetermined reference phase so that the detected voltage value of each capacitor pair matches the DC voltage command value. With means for shifting
The voltages of the capacitors in the plurality of stages can be quickly balanced, and the sum of the DC voltages can be separately and independently controlled.

【0060】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、マルチレベル電力変換装置を複数台備え、直
流系の第1の電源を共通にして異なる複数の交流系の第
2の電源の相互間で電力の融通を行うマルチレベル電力
変換装置において、補助AC/DC間電力変換器および
変圧器を、上記各マルチレベル電力変換装置で共用する
ようにしたので、交流電流間の効率的で経済的な電力融
通を行うことができる。
Further, the multi-level power converter according to the present invention includes a plurality of multi-level power converters, and uses a common first power supply of the DC system to interconnect a plurality of different second power supplies of the AC system. In the multi-level power converter that exchanges power in the above-described manner, the auxiliary AC / DC power converter and the transformer are shared by each of the above-mentioned multi-level power converters. Power interchange can be performed.

【0061】また、この発明に係るマルチレベル電力変
換装置は、その補助AC/DC間電力変換器を方形波モ
ードで運転するようにしたので、直流側電流の脈動が軽
減され、スイッチング損失も低減される。
In the multi-level power converter according to the present invention, the auxiliary AC / DC power converter is operated in the square wave mode, so that the pulsation of the DC current is reduced and the switching loss is also reduced. Is done.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】 この発明の実施の形態1のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置の要部を示す回路図および動作波
形図である。
FIG. 1 shows a multilevel AC according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram and an operation waveform diagram showing a main part of the / DC power converter.

【図2】 この発明の実施の形態2のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置の要部を示す回路図および動作波
形図である。
FIG. 2 shows a multilevel AC according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram and an operation waveform diagram showing a main part of the / DC power converter.

【図3】 この発明の実施の形態3のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置の要部を示す回路図である。
FIG. 3 shows a multi-level AC according to Embodiment 3 of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of the / DC power converter.

【図4】 図3の動作を説明するための図である。FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of FIG. 3;

【図5】 図3の動作を説明するための図である。FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of FIG. 3;

【図6】 この発明の実施の形態4のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置の要部を示す回路図である。
FIG. 6 shows a multilevel AC according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of the / DC power converter.

【図7】 この発明の実施の形態5のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置の要部を示す回路図である。
FIG. 7 shows a multilevel AC according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of the / DC power converter.

【図8】 この発明の実施の形態6のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置の要部を示す回路図である。
FIG. 8 shows a multilevel AC according to Embodiment 6 of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a main part of the / DC power converter.

【図9】 この発明の実施の形態7のマルチレベルAC
/DC間電力変換装置を示す回路図である。
FIG. 9 shows a multilevel AC according to a seventh embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a power converter between / DC.

【図10】 マルチレベルAC/DC間電力変換装置の
動作原理を説明するための回路図である。
FIG. 10 is a circuit diagram for explaining the operation principle of the multilevel AC / DC power converter.

【図11】 従来のマルチレベルAC/DC間電力変換
装置の要部を示す回路図である。
FIG. 11 is a circuit diagram showing a main part of a conventional multilevel AC / DC power converter.

【図12】 図11の動作を説明するための図である。FIG. 12 is a diagram for explaining the operation of FIG. 11;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

Cj,Ck キャパシタ、TR 変圧器、S11〜S22
スイッチ、CONVj,CONVk等 補助AC/D
C間電力変換器。
Cj, Ck capacitor, TR a transformer, S 11 to S 22 and the like switches, CONVj, CONVk like auxiliary AC / D
Inter-C power converter.

Claims (10)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 直流系の第1の電源に接続される正極お
よび負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続
される出力端子、上記正極端子と出力端子との間および
上記出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された
複数のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と
負極端子との間に接続された複数のキャパシタの直列接
続体、および上記スイッチング素子の直列接続点と上記
キャパシタの直列接続点との間に接続されるクランプダ
イオードを備え、上記スイッチング素子をオンオフ制御
することにより、上記出力端子から、上記正極端子の電
位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの電位出力
を得るようにしたマルチレベル電力変換装置において、 直流側が上記各キャパシタの端子間に接続された複数の
補助AC/DC間電力変換器、および互いに磁気的に結
合され上記各補助AC/DC間電力変換器の交流側に接
続された複数の巻線を有する変圧器を備えたことを特徴
とするマルチレベル電力変換装置。
A positive terminal and a negative terminal connected to a first power supply of a DC system; an output terminal connected to a second power supply of an AC or DC system; a portion between the positive terminal and the output terminal and the output; A series connection of a plurality of switching elements connected to each between a terminal and a negative terminal, a series connection of a plurality of capacitors connected between the positive terminal and the negative terminal, and a series connection of the switching elements A clamp diode connected between a point and a series connection point of the capacitor is provided, and by controlling the switching element to be turned on and off, a voltage between the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal is output from the output terminal. In a multi-level power converter configured to obtain a plurality of levels of potential outputs, a DC side is connected between a plurality of auxiliary AC / DCs connected between terminals of the capacitors. Force transducer, and a multi-level power converting apparatus characterized by comprising a transformer having a plurality of windings magnetically coupled connected to the AC side of each of the auxiliary AC / DC between the power converter to each other.
【請求項2】 変圧器は、補助AC/DC間電力変換器
の交流側に接続された複数の一次巻線、および上記複数
の一次巻線を複数のグループに分けこれら各グループの
一次巻線と磁気的に結合し互いに接続された複数の二次
巻線を備えたことを特徴とする請求項1記載のマルチレ
ベル電力変換装置。
2. The transformer comprises a plurality of primary windings connected to the AC side of the auxiliary AC / DC power converter, and the plurality of primary windings divided into a plurality of groups. The multi-level power converter according to claim 1, further comprising a plurality of secondary windings magnetically coupled to each other and connected to each other.
【請求項3】 各キャパシタの電圧を検出しその総和か
ら各キャパシタの直流電圧指令値を演算する手段、およ
び上記各キャパシタの電圧検出値と直流電圧指令値とが
一致するように、各補助AC/DC間電力変換器の動作
位相を所定の基準位相に対してシフトさせる手段を備え
たことを特徴とする請求項1または2に記載のマルチレ
ベル電力変換装置。
3. A means for detecting the voltage of each capacitor and calculating a DC voltage command value of each capacitor from the sum thereof, and each auxiliary AC voltage so that the detected voltage value of each capacitor coincides with the DC voltage command value. 3. The multi-level power converter according to claim 1, further comprising means for shifting an operation phase of the / DC power converter with respect to a predetermined reference phase.
【請求項4】 直流系の第1の電源に接続される正極お
よび負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続
される出力端子、上記正極端子と出力端子との間および
上記出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された
複数のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と
負極端子との間に接続された4以上の複数のキャパシタ
の直列接続体、および上記スイッチング素子の直列接続
点と上記キャパシタの直列接続点との間に接続されるク
ランプダイオードを備え、上記スイッチング素子をオン
オフ制御することにより、上記出力端子から、上記正極
端子の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベルの
電位出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置に
おいて、 互いに隣合う上記キャパシタの一対をキャパシタ対と
し、 互いに直列に接続された一対のスイッチング素子からな
り、その直流側が上記各キャパシタ対の両端子間に接続
された複数の補助AC/DC間電力変換器、および互い
に磁気的に結合され上記各キャパシタ対の中間接続点と
上記各スイッチング素子対の中間接続点の交流端との間
に接続された複数の巻線を有する変圧器を備えたことを
特徴とするマルチレベル電力変換装置。
4. A positive and negative terminal connected to a first power supply of a DC system, an output terminal connected to a second power supply of an AC or DC system, between the positive terminal and the output terminal, and the output. A series connection of a plurality of switching elements connected to each of a terminal and a negative terminal, a series connection of four or more capacitors connected between the positive terminal and the negative terminal, and the switching element By providing a clamp diode connected between the series connection point of the capacitor and the series connection point of the capacitor, and by controlling the switching element on and off, from the output terminal, the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal A multi-level power conversion device configured to obtain a plurality of levels of potential output between a pair of capacitors adjacent to each other as a capacitor pair, A plurality of auxiliary AC / DC power converters, each comprising a pair of switching elements connected in a row, the DC side of which is connected between both terminals of each of the capacitor pairs; A multi-level power converter, comprising: a transformer having a plurality of windings connected between an intermediate connection point and an AC terminal of the intermediate connection point of each of the switching element pairs.
【請求項5】 キャパシタの直列数が奇数の場合、この
うち1個のキャパシタとこのキャパシタの一方に隣合う
キャパシタとでキャパシタ対を構成するとともに上記1
個のキャパシタとこのキャパシタの他方に隣合うキャパ
シタとでキャパシタ対を構成するようにしたことを特徴
とする請求項4記載のマルチレベル電力変換装置。
5. When the number of series capacitors is odd, one of the capacitors and a capacitor adjacent to one of the capacitors form a capacitor pair, and
5. The multi-level power conversion device according to claim 4, wherein a capacitor pair is formed by a plurality of capacitors and a capacitor adjacent to the other of the capacitors.
【請求項6】 直流系の第1の電源に接続される正極お
よび負極端子、交流系または直流系の第2の電源に接続
される出力端子、上記正極端子と出力端子との間および
上記出力端子と負極端子との間のそれぞれに接続された
複数のスイッチング素子の直列接続体、上記正極端子と
負極端子との間に接続された5以上の奇数個のキャパシ
タの直列接続体、および上記スイッチング素子の直列接
続点と上記キャパシタの直列接続点との間に接続される
クランプダイオードを備え、上記スイッチング素子をオ
ンオフ制御することにより、上記出力端子から、上記正
極端子の電位と上記負極端子の電位との間で複数レベル
の電位出力を得るようにしたマルチレベル電力変換装置
において、 上記キャパシタのうち接続方向中央の1個を除くキャパ
シタは、互いに隣合うキャパシタの一対をキャパシタ対
とし、 互いに直列に接続された一対のスイッチング素子からな
り、その直流側が上記各キャパシタ対の両端子間に接続
された複数の第1の補助AC/DC間電力変換器、その
直流側が上記1個のキャパシタの端子間に接続された第
2の補助AC/DC間電力変換器、および互いに磁気的
に結合され上記各キャパシタ対の中間接続点と上記各ス
イッチング素子対の中間接続点の交流端との間ならびに
上記第2のAC/DC間電力変換器の交流側に接続され
た複数の巻線を有する変圧器を備えたことを特徴とする
マルチレベル電力変換装置。
6. A positive terminal and a negative terminal connected to a first power source of a DC system, an output terminal connected to a second power source of an AC system or a DC system, between the positive terminal and the output terminal, and the output. A series connection of a plurality of switching elements respectively connected between a terminal and a negative terminal, a series connection of five or more odd-numbered capacitors connected between the positive terminal and the negative terminal, and the switching A clamp diode connected between the series connection point of the element and the series connection point of the capacitor, and controlling the on / off of the switching element so that the potential of the positive terminal and the potential of the negative terminal are output from the output terminal. And a multi-level power converter configured to obtain a plurality of levels of potential outputs between the capacitor and a capacitor other than the one at the center in the connection direction. A plurality of first auxiliary AC / DC powers, each of which includes a pair of switching elements connected in series with each other and having a DC side connected between both terminals of each of the capacitor pairs. A converter, a second auxiliary AC / DC power converter having a DC side connected between terminals of the one capacitor, and an intermediate connection point of each of the capacitor pairs magnetically coupled to each other and each of the switching elements A multi-level power converter comprising a transformer having a plurality of windings connected between an AC terminal of a pair of intermediate connection points and an AC side of the second AC / DC power converter. apparatus.
【請求項7】 変圧器を構成する磁路にギャップを設け
たことを特徴とする請求項4ないし6のいずれかに記載
の記載のマルチレベル電力変換装置。
7. The multi-level power conversion device according to claim 4, wherein a gap is provided in a magnetic path constituting the transformer.
【請求項8】 各キャパシタ対(キャパシタ対以外に個
別のキャパシタが存在するときは当該キャパシタも含
む、以下同じ)の電圧を検出しその総和から各キャパシ
タ対の直流電圧指令値を演算する手段、および上記各キ
ャパシタ対の電圧検出値と直流電圧指令値とが一致する
ように、各補助AC/DC間電力変換器の動作位相を所
定の基準位相に対してシフトさせる手段を備えたことを
特徴とする請求項4ないし7のいずれかに記載のマルチ
レベル電力変換装置。
8. A means for detecting a voltage of each capacitor pair (including an individual capacitor other than the capacitor pair, including the capacitor, the same applies hereinafter) and calculating a DC voltage command value of each capacitor pair from the sum of the voltages. And means for shifting the operation phase of each auxiliary AC / DC power converter with respect to a predetermined reference phase so that the detected voltage value of each capacitor pair and the DC voltage command value match. The multi-level power converter according to any one of claims 4 to 7.
【請求項9】 請求項1ないし8のいずれかに記載のマ
ルチレベル電力変換装置を複数台備え、直流系の第1の
電源を共通にして異なる複数の交流系の第2の電源の相
互間で電力の融通を行うマルチレベル電力変換装置にお
いて、補助AC/DC間電力変換器および変圧器を、上
記各マルチレベル電力変換装置で共用するようにしたこ
とを特徴とするマルチレベル電力変換装置。
9. A plurality of multilevel power converters according to claim 1, wherein a plurality of different second AC power supplies share a common DC first power supply. In the multi-level power converter that exchanges power in the above, the auxiliary AC / DC power converter and the transformer are shared by the respective multi-level power converters.
【請求項10】 補助AC/DC間電力変換器を方形波
モードで運転するようにしたことを特徴とする請求項1
ないし9のいずれかに記載のマルチレベル電力変換装
置。
10. The auxiliary AC / DC power converter is operated in a square wave mode.
10. The multilevel power converter according to any one of claims 9 to 9.
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