JP2019193377A - Series multiple power converter - Google Patents

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直樹 森島
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Abstract

To realize high operating efficiency and high voltage utilization while reducing a harmonic component contained in an AC output voltage in a series multiple power converter.SOLUTION: A series multiple power converter 1 includes: first to M-th stage converters 28 to 25 connected in series by M transformers 21 to 24; and a control device 11 for performing PWM control of an AC output voltage of the converter at each stage so that a voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the converters at each stage matches an AC voltage command value. The PWM control includes: a multi-pulse mode for generating a control command for the converter so as to output multiple pulse voltages in a half cycle of the AC voltage command value; and a single pulse mode for generating a control command for the converter so as to output a single pulse voltage in the above section. The control device 11 controls the converters 28 to 26 from the first stage to the (M-1)-th stage in the single pulse mode and controls the M-th stage converter 25 in the multi-pulse mode.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

この発明は、直列多重電力変換装置に関する。   The present invention relates to a serial multiple power converter.

特開2013−258841号公報(特許文献1)には、複数の変換器を直列に多重化した直列多重電力変換装置が開示されている。特許文献1では、交流側を変圧器で多重化する方法を採用している。この方法では、各変換器の交流電圧端子が各変圧器の二次巻線に接続されるとともに、各変圧器の一次巻線が直列接続されて電力系統に接続される。各変換器の交流出力電圧が直列合成された電圧が電力系統に出力される。   Japanese Patent Laying-Open No. 2013-258841 (Patent Document 1) discloses a serial multiple power conversion device in which a plurality of converters are multiplexed in series. In patent document 1, the method of multiplexing the alternating current side with a transformer is employ | adopted. In this method, the AC voltage terminal of each converter is connected to the secondary winding of each transformer, and the primary winding of each transformer is connected in series and connected to the power system. A voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the converters is output to the power system.

特開2013−258841号公報JP2013-258841A

直列多重電力変換装置は、複数の変換器の出力電圧を合成することで、装置全体の交流出力電圧波形に含まれる高調波成分を低減することができ、結果的に電力系統に流出する高調波電流を低減することができる。しかしながら、多重化される変換器の台数が増えることで、装置体格が大型化することが懸念される。また、各変換器が発生する電力損失によって装置全体の電力損失が増えるため、直列多重電力変換装置の動作効率が低下することが懸念される。   The serial multiple power converter can reduce the harmonic components contained in the AC output voltage waveform of the entire device by combining the output voltages of a plurality of converters, resulting in harmonics flowing into the power system. The current can be reduced. However, there is a concern that the size of the apparatus increases as the number of converters to be multiplexed increases. Moreover, since the power loss of the entire device increases due to the power loss generated by each converter, there is a concern that the operation efficiency of the serial multiple power conversion device may be reduced.

この発明は、上記の問題点を考慮してなされたものであって、その目的は、直列多重電力変換装置において、交流出力電圧に含まれる高調波成分を低減しつつ、高い動作効率および高い電圧利用率を実現することである。   The present invention has been made in consideration of the above-described problems, and an object of the present invention is to reduce high-frequency components contained in an AC output voltage and achieve high operating efficiency and high voltage in a series multiple power converter. It is to realize the utilization rate.

この発明のある局面に従う直列多重電力変換装置は、交流電力系統に連系される直列多重電力変換装置であって、一次巻線が交流電力系統に直列に多重接続されるM台(Mは2以上の整数)の変圧器と、M台の変圧器の二次巻線にそれぞれ接続され、交流電力および直流電力の間で双方向の電力変換を行なう第1段から第M段の変換器と、各段の変換器の交流出力電圧を直列合成した電圧が交流電圧指令値に一致するように、各段の変換器の交流出力電圧のPWM制御を行なう制御装置とを備える。各段の変換器は、単相フルブリッジ回路により構成される。PWM制御は、交流電圧指令値の半周期において複数のパルス電圧を出力するように変換器の制御指令を生成する多パルスモードと、上記区間において単一のパルス電圧を出力するように変換器の制御指令を生成する単一パルスモードとを有している。制御装置は、第1段から第(M−1)段の変換器を単一パルスモードによって制御するとともに、第M段の変換器を多パルスモードによって制御する。   A serial multiple power conversion device according to an aspect of the present invention is a serial multiple power conversion device linked to an AC power system, and M units (M is 2) in which primary windings are multiplexed and connected in series to the AC power system. And the first to M-th stage converters connected to the secondary windings of the M transformers and performing bidirectional power conversion between AC power and DC power, respectively. And a control device that performs PWM control of the AC output voltage of the converter at each stage so that the voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the converters at each stage matches the AC voltage command value. The converter at each stage is configured by a single-phase full bridge circuit. The PWM control includes a multi-pulse mode for generating a control command for the converter so as to output a plurality of pulse voltages in a half cycle of the AC voltage command value, and a converter for outputting a single pulse voltage in the above interval. And a single pulse mode for generating a control command. The control device controls the first to (M−1) th stage converters in the single pulse mode, and controls the Mth stage converter in the multi-pulse mode.

この発明によれば、直列多重電力変換装置において、交流出力電圧に含まれる高調波成分を低減しつつ、高い動作効率および高い電圧利用率を実現することができる。   According to the present invention, in the serial multiple power conversion device, high operating efficiency and high voltage utilization can be realized while reducing harmonic components contained in the AC output voltage.

本発明の実施の形態1に係る直列多重電力変換装置1の主回路構成を示す概略ブロック図である。It is a schematic block diagram which shows the main circuit structure of the serial multiple power converter device 1 which concerns on Embodiment 1 of this invention. 図1に示した変換器の具体的な回路構成を示す図である。It is a figure which shows the specific circuit structure of the converter shown in FIG. 変換器に含まれるx相の単相フルブリッジ3レベル回路の回路構成を示す図である。It is a figure which shows the circuit structure of the x phase single phase full bridge | bridging 3 level circuit contained in a converter. 多パルスモード適用時の変換器の制御を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating control of the converter at the time of multipulse mode application. 単一パルスモード適用時の変換器の制御を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating control of the converter at the time of single pulse mode application. 4段直列多重変換器のPWM制御を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the PWM control of a 4-stage serial multiple converter. 系統電圧の低下時における4段直列多重変換器のPWM制御を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the PWM control of a 4 step | paragraph serial multiple converter at the time of the fall of a system voltage. 系統電圧の低下時における4段直列多重変換器のPWM制御を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the PWM control of a 4 step | paragraph serial multiple converter at the time of the fall of a system voltage. 系統電圧の低下時における4段直列多重変換器のPWM制御を説明するための波形図である。It is a wave form diagram for demonstrating the PWM control of a 4 step | paragraph serial multiple converter at the time of the fall of a system voltage. 単一長パルスモードおよび単一短パルスモードの切り替えを概念的に説明するための概略図である。FIG. 5 is a schematic diagram for conceptually explaining switching between a single long pulse mode and a single short pulse mode. 図1に示した制御装置のうちの4段直列多重変換器の制御に関す部分を示す回路ブロック図である。It is a circuit block diagram which shows the part regarding control of a 4-stage serial multiple converter of the control apparatus shown in FIG. 図11に示したPWM制御部の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the PWM control part shown in FIG. 図12に示した第4段制御部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the 4th stage control part shown in FIG. 図12に示した第1段制御部から第3段制御部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the 1st step control part shown in FIG. 12 to a 3rd step control part. 図14に示した単一長パルスモード制御部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the single long pulse mode control part shown in FIG. 図14に示した単一短パルスモード制御部の構成例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structural example of the single short pulse mode control part shown in FIG. 定格出力時の4段直列多重変換器の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram of the 4-stage serial multiple converter at the time of a rated output. 二相変調適用時における4段直列多重変換器の動作波形図である。It is an operation | movement waveform diagram of the 4-stage serial multiple converter at the time of two-phase modulation application.

以下において、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分には同一符号を付してその説明は繰返さない。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and the description thereof will not be repeated.

[実施の形態1]
図1は、本発明の実施の形態1に係る直列多重電力変換装置1の主回路構成を示す概略ブロック図である。直列多重電力変換装置1は、代表的には、非同期交流系統や異周波交流系統の電力授受に用いられるBTB(Back to Back)システムに適用される。具体例では、50−60Hz周波数変換装置などがある。
[Embodiment 1]
FIG. 1 is a schematic block diagram showing a main circuit configuration of serial multiple power conversion device 1 according to Embodiment 1 of the present invention. The serial multiple power conversion apparatus 1 is typically applied to a BTB (Back to Back) system used for power transfer in an asynchronous AC system or a different frequency AC system. Specific examples include a 50-60 Hz frequency converter.

図1を参照して、直列多重電力変換装置1は、交流周波数が互いに異なる電力系統2および電力系統3の間に接続される。電力系統2および3は複数の相(例えば三相)を有する。直列多重電力変換装置1は、交流電圧検出器12,52と、電流検出器13,53と、直流電圧検出器14と、電力変換部10と、制御装置11とを備える。   Referring to FIG. 1, serial multiple power conversion device 1 is connected between power system 2 and power system 3 having different AC frequencies. Power systems 2 and 3 have a plurality of phases (for example, three phases). The serial multiple power conversion device 1 includes AC voltage detectors 12 and 52, current detectors 13 and 53, a DC voltage detector 14, a power conversion unit 10, and a control device 11.

交流電圧検出器12は、電力系統2の交流電圧を検出し、検出値を示す信号を制御装置11へ出力する。電流検出器13は、電力系統2を流れる電流を検出し、検出値を示す信号を制御装置11へ出力する。交流電圧検出器52は、電力系統3の交流電圧を検出し、検出値を示す信号を制御装置11へ出力する。電流検出器53は、電力系統3を流れる電流を検出し、検出値を示す信号を制御装置11へ出力する。   The AC voltage detector 12 detects an AC voltage of the power system 2 and outputs a signal indicating the detected value to the control device 11. The current detector 13 detects a current flowing through the power system 2 and outputs a signal indicating the detected value to the control device 11. The AC voltage detector 52 detects the AC voltage of the power system 3 and outputs a signal indicating the detected value to the control device 11. The current detector 53 detects a current flowing through the power system 3 and outputs a signal indicating the detected value to the control device 11.

電力変換部10は、電力系統2および電力系統3の間に接続される。具体的には、電力変換部10は、一方の電力系統2に変圧器21〜24を介して連系され、他方の電力系統3に変圧器61〜64を介して連系される。電力変換部10は、変圧器21〜24と、変換器25〜28と、直流母線15〜17と、平滑コンデンサC1,C2と、変換器65〜68と、変圧器61〜64とを含む。直流母線15〜17および平滑コンデンサC1,C2は各変換器の直流回路を構成する。   The power conversion unit 10 is connected between the power system 2 and the power system 3. Specifically, the power conversion unit 10 is connected to one power system 2 via transformers 21 to 24 and connected to the other power system 3 via transformers 61 to 64. Power conversion unit 10 includes transformers 21 to 24, converters 25 to 28, DC buses 15 to 17, smoothing capacitors C1 and C2, converters 65 to 68, and transformers 61 to 64. DC buses 15 to 17 and smoothing capacitors C1 and C2 constitute a DC circuit of each converter.

変圧器21〜24の一次巻線は電力系統2に接続される。変圧器21〜24の各々の一次巻線は、各相直列接続されて星型結線されている。これにより、変換器25〜28の各々の交流出力電圧を各相直列合成した電圧が電力系統2に出力される。変圧器21〜24の各相二次巻線の一方端33には、変換器25〜28の各相電力変換回路の交流端子がそれぞれ接続される。変圧器21〜24の各相二次巻線の他方端34には、平滑コンデンサC1,C2に接続された別の各相電力変換回路の交流端子がそれぞれ接続される。変換器25〜28は多相フルブリッジ回路を構成している。   The primary windings of the transformers 21 to 24 are connected to the power system 2. The primary windings of the transformers 21 to 24 are connected in series with each other and are star-connected. As a result, a voltage obtained by combining the AC output voltages of converters 25 to 28 in series with each other is output to power system 2. The AC terminal of each phase power conversion circuit of converters 25-28 is connected to one end 33 of each phase secondary winding of transformers 21-24, respectively. AC terminals of other phase power conversion circuits connected to the smoothing capacitors C1 and C2 are connected to the other ends 34 of the phase secondary windings of the transformers 21 to 24, respectively. Converters 25-28 constitute a polyphase full bridge circuit.

例えば、変圧器21の各相二次巻線の一方端33には、直流正母線15および直流負母線17間の直流電圧を各相交流電圧に変換する変換器25の電力変換回路が接続される。変圧器21の各相二次巻線の他方端34には、直流正母線15および直流負母線17間の直流電圧を各相交流電圧に変換する電力変換回路が接続される。各相二次巻線に接続される2つの電力変換回路の直流回路は共通である。   For example, a power conversion circuit of a converter 25 that converts a DC voltage between the DC positive bus 15 and the DC negative bus 17 into each phase AC voltage is connected to one end 33 of each phase secondary winding of the transformer 21. The Connected to the other end 34 of each phase secondary winding of the transformer 21 is a power conversion circuit that converts a DC voltage between the DC positive bus 15 and the DC negative bus 17 into an AC voltage of each phase. The DC circuit of the two power conversion circuits connected to each phase secondary winding is common.

変換器25〜28の各々は、GCT(Gate Commutated Turn-Off thyristor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などの自己消弧型素子を用いた電力変換器で構成されている。本実施の形態では、変換器25〜28はいずれも3レベル回路として構成される。変換器25〜28の各々の3つの直流電圧端子は、直流正母線15、直流中性点母線16および直流負母線17にそれぞれ接続される。   Each of converters 25 to 28 is composed of a power converter using a self-extinguishing element such as GCT (Gate Commutated Turn-Off thyristor) or IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In the present embodiment, converters 25 to 28 are each configured as a three-level circuit. Three DC voltage terminals of each of converters 25 to 28 are connected to DC positive bus 15, DC neutral point bus 16 and DC negative bus 17, respectively.

平滑コンデンサC1,C2は、直流正母線15および直流負母線17の間に直列に接続され、直流正母線15および直流負母線17の間の電圧を平滑化する。平滑コンデンサC1およびC2の接続点には直流中性点母線16が接続される。   Smoothing capacitors C1 and C2 are connected in series between DC positive bus 15 and DC negative bus 17, and smooth the voltage between DC positive bus 15 and DC negative bus 17. A DC neutral point bus 16 is connected to a connection point between the smoothing capacitors C1 and C2.

直流電圧検出器14は、平滑コンデンサC1の端子間電圧および平滑コンデンサC2の端子間電圧を検出し、検出値を示す信号を制御装置11に出力する。   The DC voltage detector 14 detects the voltage between the terminals of the smoothing capacitor C1 and the voltage between the terminals of the smoothing capacitor C2, and outputs a signal indicating the detected value to the control device 11.

変換器65〜68の各々は、変換器25〜28と同様、GCTやIGBT等の自己消弧型素子を用いた電力変換器で構成されている。変換器65〜68はいずれも3レベル回路として構成される。変換器65〜68の各々の3つの直流電圧端子は、直流正母線15、直流中性点母線16および直流負母線17にそれぞれ接続される。   Each of converters 65 to 68 is configured by a power converter using a self-extinguishing element such as GCT or IGBT, similarly to converters 25 to 28. Converters 65-68 are all configured as a three-level circuit. Three DC voltage terminals of each of converters 65 to 68 are connected to DC positive bus 15, DC neutral point bus 16 and DC negative bus 17, respectively.

変換器65〜68の交流端子は変圧器61〜64の二次巻線にそれぞれ接続されている。具体的には、変圧器61〜64の二次巻線の各相の一方端69には、変換器65〜68の各相電力変換回路の交流端子がそれぞれ接続される。変圧器61〜64の二次巻線の各相の他方端70には、平滑コンデンサC1,C2に接続された別の各相電力変換回路の交流端子がそれぞれ接続される。変換器65〜68の各々は多相フルブリッジ回路を構成している。   The AC terminals of converters 65-68 are connected to the secondary windings of transformers 61-64, respectively. Specifically, the AC terminal of each phase power conversion circuit of converters 65-68 is connected to one end 69 of each phase of the secondary windings of transformers 61-64, respectively. AC terminals of other phase power conversion circuits connected to the smoothing capacitors C1 and C2 are connected to the other ends 70 of the phases of the secondary windings of the transformers 61 to 64, respectively. Each of converters 65-68 constitutes a polyphase full bridge circuit.

変圧器61〜64の一次巻線は電力系統3に接続されている。変圧器61〜64の各々の一次巻線は、各相直列接続されて星型結線されている。これにより、変換器65〜68の各々の交流出力電圧を各相直列合成した電圧が電力系統3に出力される。   The primary windings of the transformers 61 to 64 are connected to the power system 3. The primary windings of the transformers 61 to 64 are connected in series with each other and are star-connected. As a result, a voltage obtained by combining each AC output voltage of converters 65 to 68 in series with each other is output to power system 3.

このように、電力変換部10は、変換器25〜28の直流端子と変換器65〜68の直流端子とを直流母線15〜17を介して接続した構成となっている。なお、図1の例では、変換器25〜28の直流端子を共通の直流回路に接続した構成としているが、変換器25〜28の直流端子を互いに独立した直流回路に接続する構成としてもよい。同様に、変換器65〜68の直流端子を互いに独立した直流回路に接続する構成としてもよい。   Thus, the power conversion unit 10 has a configuration in which the DC terminals of the converters 25 to 28 and the DC terminals of the converters 65 to 68 are connected via the DC buses 15 to 17. In the example of FIG. 1, the DC terminals of the converters 25 to 28 are connected to a common DC circuit, but the DC terminals of the converters 25 to 28 may be connected to independent DC circuits. . Similarly, the DC terminals of the converters 65 to 68 may be connected to independent DC circuits.

電力変換部10は、一方の電力系統2(または電力系統3)から他方の電力系統3(または電力系統2)へ電力を融通する。具体的には、電力系統2から電力系統3へ電力を融通する場合、変換器25〜28は、変圧器21〜24からそれぞれ供給される交流電圧を所望の直流電圧に変換し、変換した直流電圧を直流母線15〜17を介して変換器65〜68へ供給する。変換器65〜68は、変換器25〜28から直流母線15〜17を介して供給される直流電圧を所望の交流電圧にそれぞれ変換する。変圧器61〜64は、変換器65〜68の各々の交流出力電圧を直列合成した電圧を電力系統3に出力する。   The power conversion unit 10 accommodates power from one power system 2 (or power system 3) to the other power system 3 (or power system 2). Specifically, in the case where power is interchanged from the power system 2 to the power system 3, the converters 25 to 28 convert the AC voltages supplied from the transformers 21 to 24 to desired DC voltages, respectively, and convert the converted DC voltages. Voltage is supplied to converters 65-68 via DC buses 15-17. Converters 65 to 68 convert the DC voltages supplied from converters 25 to 28 via DC buses 15 to 17 into desired AC voltages, respectively. The transformers 61 to 64 output a voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the converters 65 to 68 to the power system 3.

また、電力系統3から電力系統2へ電力を融通する場合には、変換器65〜68は、変圧器61〜64からそれぞれ供給される交流電圧を所望の直流電圧に変換し、変換した直流電圧を直流母線15〜17を介して変換器25〜28へ供給する。変換器25〜28は、変換器65〜68から直流母線15〜17を介して供給される直流電圧を所望の交流電圧にそれぞれ変換する。変圧器21〜24は、変換器25〜28の各々の交流出力電圧を直列合成した電圧を電力系統2に出力する。   In addition, when the electric power is transferred from the electric power system 3 to the electric power system 2, the converters 65 to 68 convert the AC voltages respectively supplied from the transformers 61 to 64 into desired DC voltages, and the converted DC voltages. Is supplied to converters 25-28 via DC buses 15-17. Converters 25 to 28 convert the DC voltage supplied from converters 65 to 68 via DC buses 15 to 17 into desired AC voltages, respectively. The transformers 21 to 24 output a voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the converters 25 to 28 to the power system 2.

ここで、本願明細書では、交流側が変圧器21〜24で直列に多重化されている4台の変換器25〜28を互いに区別するために、変換器28を「第1段変換器28」と称し、変換器27を「第2段変換器27」と称し、変換器26を「第3段変換器26」と称し、変換器25を「第4段変換器25」と称する場合がある。また、変換器25〜28全体を「4段直列多重変換器20」と称する場合がある。   Here, in this specification, in order to distinguish the four converters 25-28 in which the alternating current side is multiplexed in series by the transformers 21-24, the converter 28 is referred to as "first stage converter 28". The converter 27 may be referred to as a “second stage converter 27”, the converter 26 may be referred to as a “third stage converter 26”, and the converter 25 may be referred to as a “fourth stage converter 25”. . In addition, the entire converters 25 to 28 may be referred to as “four-stage serial multiple converter 20”.

また、交流側が変圧器61〜64で直列に多重化されている4台の変換器65〜68を互いに区別するために、変換器68を「第1段変換器68」と称し、変換器67を「第2段変換器67」と称し、変換器66を「第3段変換器66」と称し、変換器65を「第4段変換器65」と称する場合がある。また、変換器65〜68全体を「4段直列多重変換器60」と称する場合がある。   Further, in order to distinguish the four converters 65 to 68 multiplexed on the AC side in series by the transformers 61 to 64 from each other, the converter 68 is referred to as a “first stage converter 68”, and the converter 67 Are referred to as “second stage converter 67”, converter 66 may be referred to as “third stage converter 66”, and converter 65 may be referred to as “fourth stage converter 65”. Further, the entire converters 65 to 68 may be referred to as “four-stage serial multiple converter 60”.

なお、4段直列多重変換器20,60の各々において、第1段変換器から第4段変換器は直列多重接続されていればよく、特にこの並び順に限定されることはない。   In each of the four-stage serial multiple converters 20 and 60, the first-stage converter to the fourth-stage converter need only be serially multiplexed, and the order of arrangement is not particularly limited.

図2は、図1に示した変換器25〜28および変換器65〜68の具体的な回路構成を示す図である。変換器25〜28および変換器65〜68は回路構成が同じであるため、図2では代表的に変換器25の回路構成を説明する。   FIG. 2 is a diagram showing a specific circuit configuration of converters 25 to 28 and converters 65 to 68 shown in FIG. Since the converters 25 to 28 and the converters 65 to 68 have the same circuit configuration, FIG. 2 representatively illustrates the circuit configuration of the converter 25.

図2を参照して、変換器25は、3レベル回路として構成され、スイッチング素子S1R〜S8R,S1S〜S8S,S1T〜S8Tと、ダイオードD1R〜D12R,D1S〜D12S,D1T〜D12Tとを有する。スイッチング素子は、例えばGCTであるが、自己消弧型のスイッチング素子であれば、これに限定されるものではない。   Referring to FIG. 2, converter 25 is configured as a three-level circuit, and includes switching elements S1R to S8R, S1S to S8S, S1T to S8T, and diodes D1R to D12R, D1S to D12S, and D1T to D12T. The switching element is, for example, a GCT, but is not limited to this as long as it is a self-extinguishing type switching element.

ここで、変換器25の各相の構成を総括的に説明するため、符号R,S,Tをまとめて符号「x」と示す。スイッチング素子S1xのアノードは、直流正母線15に接続され、そのカソードはスイッチング素子S2xのアノードに接続される。スイッチング素子S2xのカソードはx相二次巻線の一方端33に接続される。スイッチング素子S3xのアノードはx相二次巻線の一方端33に接続され、そのカソードはスイッチング素子S4xのアノードに接続される。スイッチング素子S4xのカソードは直流負母線17に接続される。ダイオードD1x〜D4xは、スイッチング素子S1x〜S4xにそれぞれ逆並列接続される。ダイオードD9xのカソードはスイッチング素子S1xおよびS2xの接続点に接続され、そのアノードは直流中性点母線16に接続される。ダイオードD10xのカソードは直流中性点母線16に接続され、そのアノードはスイッチング素子S3xおよびS4xの接続点に接続される。   Here, in order to comprehensively describe the configuration of each phase of the converter 25, the symbols R, S, and T are collectively denoted by a symbol “x”. The anode of switching element S1x is connected to DC positive bus 15 and the cathode is connected to the anode of switching element S2x. The cathode of the switching element S2x is connected to one end 33 of the x-phase secondary winding. The anode of the switching element S3x is connected to one end 33 of the x-phase secondary winding, and the cathode is connected to the anode of the switching element S4x. The cathode of the switching element S4x is connected to the DC negative bus 17. The diodes D1x to D4x are connected in antiparallel to the switching elements S1x to S4x, respectively. The cathode of diode D9x is connected to the connection point of switching elements S1x and S2x, and its anode is connected to DC neutral point bus 16. The cathode of diode D10x is connected to DC neutral point bus 16, and its anode is connected to the connection point of switching elements S3x and S4x.

スイッチング素子S5xのアノードは、直流正母線15に接続され、そのカソードはスイッチング素子S6xのアノードに接続される。スイッチング素子S6xのカソードはx相二次巻線の他方端34に接続される。スイッチング素子S7xのアノードはx相二次巻線の他方端34に接続され、そのカソードはスイッチング素子S8xのアノードに接続される。スイッチング素子S8xのカソードは直流負母線17に接続される。ダイオードD5x〜D8xは、スイッチング素子S5x〜S8xにそれぞれ逆並列接続される。ダイオードD11xのカソードはスイッチング素子S5xおよびS6xの接続点に接続され、そのアノードは直流中性点母線16に接続される。ダイオードD12xのカソードは直流中性点母線16に接続され、そのアノードはスイッチング素子S7xおよびS8xの接続点に接続される。ダイオードD1x〜D4x,D5x〜D8xは還流ダイオードとして機能し、ダイオードD9x〜12xはクランプダイオードとして機能する。   The anode of switching element S5x is connected to DC positive bus 15, and the cathode is connected to the anode of switching element S6x. The cathode of the switching element S6x is connected to the other end 34 of the x-phase secondary winding. The anode of the switching element S7x is connected to the other end 34 of the x-phase secondary winding, and the cathode is connected to the anode of the switching element S8x. The cathode of the switching element S8x is connected to the DC negative bus 17. The diodes D5x to D8x are connected in antiparallel to the switching elements S5x to S8x, respectively. The cathode of diode D11x is connected to the connection point of switching elements S5x and S6x, and its anode is connected to DC neutral point bus 16. The cathode of diode D12x is connected to DC neutral point bus 16, and the anode thereof is connected to the connection point of switching elements S7x and S8x. The diodes D1x to D4x and D5x to D8x function as freewheeling diodes, and the diodes D9x to 12x function as clamp diodes.

すなわち、スイッチング素子S1x〜S4xおよびダイオードD1x〜D4x,D9x,D10xによって1つの電力変換回路が構成されており、スイッチング素子S2xおよびS3xの接続点が交流端子として、変圧器のx相の二次巻線の一方端33に接続される。また、スイッチング素子S5x〜S8xおよびダイオードD5x〜D8x,D11x,D12xによって別の電力変換回路が構成されており、スイッチング素子S6xおよびS7xの接続点が交流端子として、変圧器のx相の二次巻線の他方端34に接続される。したがって、x相の二次巻線の両端には2つの電力変換回路の交流端子がそれぞれ接続されており、この2つの電力変換回路によって単相フルブリッジ3レベル回路が構成される。   That is, the switching elements S1x to S4x and the diodes D1x to D4x, D9x, D10x constitute one power conversion circuit, and the connection point of the switching elements S2x and S3x serves as an AC terminal, and the secondary winding of the x-phase of the transformer Connected to one end 33 of the line. Further, another power conversion circuit is configured by the switching elements S5x to S8x and the diodes D5x to D8x, D11x, and D12x, and the connection point of the switching elements S6x and S7x serves as an AC terminal, and the secondary winding of the x-phase of the transformer Connected to the other end 34 of the line. Therefore, the AC terminals of the two power conversion circuits are respectively connected to both ends of the x-phase secondary winding, and a single-phase full-bridge three-level circuit is configured by the two power conversion circuits.

そして、電力系統2,3が三相である場合、合計6つの電力変換回路が直流母線15および直流母線17の間に並列に接続される。言い換えれば、3つの単相フルブリッジ3レベル回路が直流母線15および直流母線17の間に並列に接続される。   When power systems 2 and 3 are three-phase, a total of six power conversion circuits are connected in parallel between DC bus 15 and DC bus 17. In other words, three single-phase full-bridge three-level circuits are connected in parallel between the DC bus 15 and the DC bus 17.

図1に戻って、制御装置11は、変換器25〜28および変換器65〜68の動作を制御する。本実施の形態では、制御装置11は、各変換器を構成するスイッチング素子の制御方式として、PWM(Pulse Width Modulation)制御を適用する。制御装置11は、交流電圧検出器12,52、電流検出器13,53および直流電圧検出器14からの信号等を受けて、PWM制御を実行する。制御装置11は、PWM制御によって、変換器25〜28を制御するための制御指令であるゲートパルス信号GC1〜GC4を生成し、その生成したゲートパルス信号GC1〜GC4を変換器25〜28にそれぞれ出力する。また、制御装置11は、PWM制御によって、変換器65〜68を制御するための制御指令であるゲートパルス信号GC5〜GC8を生成し、その生成したゲートパルス信号GC5〜GC8を変換器65〜68にそれぞれ出力する。   Returning to FIG. 1, the control device 11 controls the operations of the converters 25 to 28 and the converters 65 to 68. In the present embodiment, the control device 11 applies PWM (Pulse Width Modulation) control as a control method for the switching elements constituting each converter. The control device 11 receives signals from the AC voltage detectors 12 and 52, the current detectors 13 and 53, and the DC voltage detector 14 and executes PWM control. The control device 11 generates gate pulse signals GC1 to GC4 which are control commands for controlling the converters 25 to 28 by PWM control, and the generated gate pulse signals GC1 to GC4 to the converters 25 to 28, respectively. Output. Further, the control device 11 generates gate pulse signals GC5 to GC8 which are control commands for controlling the converters 65 to 68 by PWM control, and the generated gate pulse signals GC5 to GC8 are converted into the converters 65 to 68. Respectively.

次に、制御装置11における各変換器のPWM制御について説明する。以下の説明では、図3に示すx相の単相フルブリッジ3レベル回路を用いて、変換器のPWM制御を説明する。   Next, PWM control of each converter in the control device 11 will be described. In the following description, PWM control of the converter will be described using the x-phase single-phase full-bridge three-level circuit shown in FIG.

図3を参照して、単相フルブリッジ3レベル回路は、直流正母線15および直流負母線17の間に並列に接続される、a相の電力変換回路(以下、a相アームとも称する)と、b相の電力変換回路(以下、b相アームとも称する)とを有する。a相アームの交流端子(スイッチング素子S2xおよびS3xの接続点)はx相の二次巻線の一方端33に接続され、b相アームの交流端子(スイッチング素子S6xおよびS7xの接続点)はx相の二次巻線の他方端34に接続される。   Referring to FIG. 3, the single-phase full-bridge three-level circuit is an a-phase power conversion circuit (hereinafter also referred to as an a-phase arm) connected in parallel between DC positive bus 15 and DC negative bus 17. And b-phase power conversion circuit (hereinafter also referred to as b-phase arm). The AC terminal of the a-phase arm (connection point of the switching elements S2x and S3x) is connected to one end 33 of the secondary winding of the x-phase, and the AC terminal of the b-phase arm (connection point of the switching elements S6x and S7x) is x Connected to the other end 34 of the phase secondary winding.

ここで、本実施の形態において、変換器のPWM制御には、交流電圧指令値の半周期(電気角0°〜180°の区間または電気角180°〜360°の区間)において複数のパルス電圧を出力するように変換器の制御指令(ゲートパルス信号GC)を生成する制御モードと、交流電圧指令値の半周期において単一のパルス電圧を出力するように変換器の制御指令を生成する制御モードとがある。本願明細書では、前者の制御モードを「多パルスモード」と称し、後者の制御モードを「単一パルスモード」と称する。以下では、多パルスモードおよび単一パルスモードの各々について詳細に説明する。   Here, in the present embodiment, the PWM control of the converter includes a plurality of pulse voltages in a half cycle of the AC voltage command value (section of electrical angle 0 ° to 180 ° or section of electrical angle 180 ° to 360 °). A control mode for generating a control command (gate pulse signal GC) of the converter so as to output a signal, and a control for generating a control command for the converter so as to output a single pulse voltage in a half cycle of the AC voltage command value There is a mode. In the present specification, the former control mode is referred to as “multi-pulse mode”, and the latter control mode is referred to as “single pulse mode”. Hereinafter, each of the multi-pulse mode and the single pulse mode will be described in detail.

図4は、多パルスモード適用時の変換器の制御を説明するための波形図である。図4は、x相の交流電圧Vxとスイッチング素子S1x〜S8xのオンオフ関係を示している。図中のVaはa相アームの交流端子における出力電圧であり、Vbはb相アームの交流端子における出力電圧であり、線間出力電圧Vab(電圧Vaと電圧Vbとの差分)はx相の交流出力電圧に対応する。   FIG. 4 is a waveform diagram for explaining control of the converter when the multi-pulse mode is applied. FIG. 4 shows an on / off relationship between the x-phase AC voltage Vx and the switching elements S1x to S8x. Va in the figure is the output voltage at the AC terminal of the a-phase arm, Vb is the output voltage at the AC terminal of the b-phase arm, and the line output voltage Vab (difference between the voltage Va and the voltage Vb) is the x-phase output voltage. Corresponds to AC output voltage.

多パルスモードでは、交流電圧指令値Vx*(線間電圧指令値)と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。また、交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。   In the multi-pulse mode, the level of the AC voltage command value Vx * (line voltage command value) and the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S1x to S4x are determined based on the comparison result. . Further, the AC voltage command value -Vx * and the levels of the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result.

搬送波CW1,CW2は、例えば三角波信号である。搬送波CW1は最大値が+Vdであり、最小値が0である。搬送波CW2は最大値が0であり、最小値が−Vdである。なお、Vdは直流正母線15および直流負母線17間の直流電圧に対応する。搬送波CW1,CW2の周波数および位相は同じである。搬送波CW1,CW2は、交流電圧指令値Vx*の2N倍(例えばN=8)の周波数を有しており、交流電圧指令値Vx*に同期した信号である。   Carrier waves CW1 and CW2 are triangular wave signals, for example. The carrier wave CW1 has a maximum value of + Vd and a minimum value of 0. The carrier wave CW2 has a maximum value of 0 and a minimum value of -Vd. Vd corresponds to the DC voltage between the DC positive bus 15 and the DC negative bus 17. The frequencies and phases of the carriers CW1 and CW2 are the same. The carrier waves CW1 and CW2 have a frequency 2N times the AC voltage command value Vx * (for example, N = 8), and are signals synchronized with the AC voltage command value Vx *.

a相アームのスイッチング素子S1x〜S4xは、交流電圧指令値Vx*と搬送波CW1,CW2との振幅が一致するタイミングでオンオフされる。b相アームのスイッチング素子S5x〜S8xは、交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW1,CW2との振幅が一致するタイミングでオンオフされる。なお、a相アームでは、交流電圧指令値Vx*の極性が正のときにスイッチング素子S1xおよびS3xのスイッチングが行なわれ、交流電圧指令値Vx*の極性が負のときにスイッチング素子S2xおよびS4xのスイッチングが行なわれる。b相アームでは、交流電圧指令値−Vx*の極性が正のときにスイッチング素子S5xおよびS7xのスイッチングが行なわれ、交流電圧指令値−Vx*の極性が負のときにスイッチング素子S6xおよびS8xのスイッチングが行なわれる。   The switching elements S1x to S4x of the a-phase arm are turned on / off at a timing at which the amplitudes of the AC voltage command value Vx * and the carrier waves CW1 and CW2 coincide. The b-phase arm switching elements S5x to S8x are turned on and off at the timing when the amplitudes of the AC voltage command value -Vx * and the carrier waves CW1 and CW2 coincide. In the a-phase arm, switching elements S1x and S3x are switched when the polarity of AC voltage command value Vx * is positive, and switching elements S2x and S4x are switched when the polarity of AC voltage command value Vx * is negative. Switching is performed. In the b-phase arm, the switching elements S5x and S7x are switched when the polarity of the AC voltage command value -Vx * is positive, and the switching elements S6x and S8x are switched when the polarity of the AC voltage command value -Vx * is negative. Switching is performed.

これにより、図4に示すように、出力電圧Va,Vbの各々は±Vd/2,0の3値をとり、線間出力電圧Vabは±Vd,±Vd/2,0の5値をとる。なお、図示は省略するが、交流電圧指令値Vx*,−Vx*の振幅が搬送波CW1,CW2の振幅の1/2以下の場合には、線間出力電圧Vabは±Vd/2,0の3値をとる。   Accordingly, as shown in FIG. 4, each of the output voltages Va and Vb takes three values of ± Vd / 2, 0, and the line-to-line output voltage Vab takes five values of ± Vd, ± Vd / 2, 0. . Although illustration is omitted, when the amplitude of the AC voltage command values Vx * and -Vx * is ½ or less of the amplitude of the carrier waves CW1 and CW2, the line output voltage Vab is ± Vd / 2,0. Takes 3 values.

図5は、単一パルスモード適用時の変換器の制御を説明するための波形図である。図5は、x相の交流電圧Vxとスイッチング素子S1x〜S8xのオンオフ関係を示している。図中のVaはa相アームの交流端子における出力電圧であり、Vbはb相アームの交流端子における出力電圧であり、線間出力電圧Vab(電圧Vaと電圧Vbとの差分)はx相の交流出力電圧に対応する。   FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the control of the converter when the single pulse mode is applied. FIG. 5 shows an on / off relationship between the x-phase AC voltage Vx and the switching elements S1x to S8x. Va in the figure is the output voltage at the AC terminal of the a-phase arm, Vb is the output voltage at the AC terminal of the b-phase arm, and the line output voltage Vab (difference between the voltage Va and the voltage Vb) is the x-phase output voltage. Corresponds to AC output voltage.

単一パルスモードでは、交流電圧指令値Vx*(線間電圧指令値)と閾値電圧Vthとの高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。また、交流電圧指令値−Vx*と閾値電圧/Vthとの高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。なお、閾値電圧Vthは0<Vth≦Vd/2である。閾値電圧/Vthは、閾値電圧Vthを−Vdだけオフセットさせた電圧である。   In the single pulse mode, the level of the AC voltage command value Vx * (line voltage command value) and the threshold voltage Vth are compared, and on / off combinations of the switching elements S1x to S4x are determined based on the comparison result. . Further, the AC voltage command value -Vx * and the threshold voltage / Vth are compared, and based on the comparison result, the on / off combination of the switching elements S5x to S8x is determined. The threshold voltage Vth is 0 <Vth ≦ Vd / 2. The threshold voltage / Vth is a voltage obtained by offsetting the threshold voltage Vth by −Vd.

a相アームのスイッチング素子S1x〜S4xは、交流電圧指令値Vx*の振幅と閾値電圧Vthとが一致するタイミングでオンオフされる。b相アームのスイッチング素子S5x〜S8xは、交流電圧指令値−Vx*の振幅と閾値電圧/Vthとが一致するタイミングでオンオフされる。なお、a相アームでは、交流電圧指令値Vx*の極性が正のときにスイッチング素子S1xおよびS3xのスイッチングが行なわれ、交流電圧指令値Vx*の極性が負のときにスイッチング素子S2xおよびS4xのスイッチングが行なわれる。b相アームでは、交流電圧指令値−Vx*の極性が正のときにスイッチング素子S5xおよびS7xのスイッチングが行なわれ、交流電圧指令値−Vx*の極性が負のときにスイッチング素子S6xおよびS8xのスイッチングが行なわれる。   The switching elements S1x to S4x of the a-phase arm are turned on / off at the timing when the amplitude of the AC voltage command value Vx * matches the threshold voltage Vth. The switching elements S5x to S8x of the b-phase arm are turned on / off at the timing when the amplitude of the AC voltage command value −Vx * matches the threshold voltage / Vth. In the a-phase arm, switching elements S1x and S3x are switched when the polarity of AC voltage command value Vx * is positive, and switching elements S2x and S4x are switched when the polarity of AC voltage command value Vx * is negative. Switching is performed. In the b-phase arm, the switching elements S5x and S7x are switched when the polarity of the AC voltage command value -Vx * is positive, and the switching elements S6x and S8x are switched when the polarity of the AC voltage command value -Vx * is negative. Switching is performed.

図5に示すように、単一パルスモードにおいても、図4に示した多パルスモードと同様に、出力電圧Va,Vbは±Vd/2,0の3値をとり、線間出力電圧Vabは±Vd,±Vd/2,0の5値をとる。ただし、多パルスモードでは、交流電圧指令値Vxの半周期間に、a相アームおよびb相アームの各々から複数のパルス電圧が出力されるのに対し、単一パルスモードでは、交流電圧指令値Vxの半周期間に、a相アームおよびb相アームの各々から単一のパルス電圧が出力される。   As shown in FIG. 5, even in the single pulse mode, the output voltages Va and Vb take the three values ± Vd / 2 and 0, and the line output voltage Vab is the same as in the multi-pulse mode shown in FIG. Five values of ± Vd, ± Vd / 2, 0 are taken. However, in the multi-pulse mode, a plurality of pulse voltages are output from each of the a-phase arm and the b-phase arm during a half cycle of the AC voltage command value Vx, whereas in the single pulse mode, the AC voltage command value Vx is output. A single pulse voltage is output from each of the a-phase arm and the b-phase arm during the half cycle.

図4および図5から明らかなように、多パルスモードでは、1キャリア周期(搬送波1パルスの周期)間に4つのスイッチング素子のうち2つが1回ずつオンオフし、残りの2つがオンオフしないため、スイッチング素子1個当たりの平均スイッチング周波数は、搬送波CW1,CW2の周波数の1/2となる。これに対し、単一パルスモードでは、交流電圧指令値Vx*の半周期間に4つのスイッチング素子のうちの2つが1回ずつオンオフし、残りの2つがオンオフしないため、スイッチング素子1個当たりの平均スイッチング周波数は、交流電圧指令値Vx*の周波数の1/2となる。このように、単一パルスモードは、多パルスモードに比べて、スイッチング素子1個当たりの平均スイッチング周波数が低いため、スイッチング素子に発生する電力損失(スイッチング損失)を低減することができる。よって、単一パルスモードは多パルスモードよりも、変換器の動作効率を高めることができる。   As is clear from FIGS. 4 and 5, in the multi-pulse mode, two of the four switching elements are turned on and off once during one carrier period (period of one pulse of the carrier wave), and the remaining two are not turned on and off. The average switching frequency per switching element is 1/2 of the frequency of the carrier waves CW1 and CW2. On the other hand, in the single pulse mode, two of the four switching elements are turned on / off once during a half cycle of the AC voltage command value Vx *, and the remaining two are not turned on / off. The switching frequency is ½ of the frequency of the AC voltage command value Vx *. Thus, since the single pulse mode has a lower average switching frequency per switching element than the multi-pulse mode, it is possible to reduce power loss (switching loss) generated in the switching element. Thus, the single pulse mode can increase the operating efficiency of the converter than the multi-pulse mode.

また、多パルスモードでは、図4のような正弦波比較PWM方式の場合、線間出力電圧の基本波成分の最大値がVdcのため、変換器の交流出力電圧の基本波成分を高めることができず、電圧利用率に限界がある。なお、電圧利用率とは、同じ直流成分に対して交流電圧が最大どこまで出せるのかを示す尺度である。これに対し、単一パルスモードでは、交流電圧指令値Vx*の振幅を搬送波の振幅よりも高くすれば、変換器の交流出力電圧の基本波成分を高めることができるため、電圧利用率を高めることができる。   In the multi-pulse mode, in the case of the sine wave comparison PWM method as shown in FIG. 4, the maximum value of the fundamental wave component of the line-to-line output voltage is Vdc, so that the fundamental wave component of the AC output voltage of the converter can be increased. There is a limit to the voltage utilization rate. The voltage utilization rate is a scale indicating how much an AC voltage can be generated with respect to the same DC component. On the other hand, in the single pulse mode, if the amplitude of the AC voltage command value Vx * is made higher than the amplitude of the carrier wave, the fundamental wave component of the AC output voltage of the converter can be increased, thus increasing the voltage utilization rate. be able to.

その一方で、単一パルスモードでは、交流出力電圧の高調波成分が増加するという問題がある。これに対し、多パルスモードは、単一パルスモードに比べて、交流出力電圧の波形が細かく変化するので、その波形を正弦波に近づけることができ、結果的に変換器の動作により発生する高調波成分を小さくできる。よって、多パルスモードは単一パルスモードよりも、交流出力電圧に含まれる高調波成分の含有率を低減することができる。   On the other hand, the single pulse mode has a problem that the harmonic component of the AC output voltage increases. On the other hand, in the multi-pulse mode, the waveform of the AC output voltage changes more finely than in the single-pulse mode, so that the waveform can be made closer to a sine wave, resulting in harmonics generated by the operation of the converter. Wave components can be reduced. Therefore, the multipulse mode can reduce the content rate of the harmonic component contained in the AC output voltage as compared with the single pulse mode.

本実施の形態に係る直列多重電力変換装置1では、直列多重接続される複数台(図1では4台)の変換器のPWM制御において、多パルスモードと単一パルスモードとを併用することで、装置全体で交流出力電圧に含まれる高調波成分を低減しつつ、高い動作効率および高い電圧利用率を実現する。   In the serial multiple power conversion device 1 according to the present embodiment, the multi-pulse mode and the single pulse mode are used together in the PWM control of a plurality of converters (four in FIG. 1) connected in series. The entire apparatus realizes high operating efficiency and high voltage utilization rate while reducing harmonic components contained in the AC output voltage.

以下、変換器25〜28からなる4段直列多重変換器20のPWM制御について説明する。なお、変換器65〜68からなる4段直列多重変換器60に対しても以下に説明するPWM制御を適用することが可能である。   Hereinafter, PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 including the converters 25 to 28 will be described. Note that the PWM control described below can also be applied to the four-stage serial multiple converter 60 including the converters 65 to 68.

図6は、4段直列多重変換器20のPWM制御を説明するための波形図である。図6には、x相(xはR,S,T)の交流電圧指令値Vx*が、および第1段変換器28から第4段変換器25の交流出力電圧Vxの半周期(電気角0°〜180°の区間)の波形が示されている。なお、図中の点線は電力系統2の系統電圧の波形を示している。   FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20. FIG. 6 shows that the x-phase (x is R, S, T) AC voltage command value Vx * and the half cycle (electrical angle) of the AC output voltage Vx from the first stage converter 28 to the fourth stage converter 25. A waveform of 0 ° to 180 °) is shown. In addition, the dotted line in a figure has shown the waveform of the system voltage of the electric power grid | system 2. FIG.

図6を参照して、本実施の形態においては、交流電圧指令値Vx*は、電力系統2の周波数を基本周波数とする正弦波に正弦波の3次高調波成分を重畳することによって生成される。正弦波に3次高調波成分を重畳することによって、交流電圧指令値Vx*の振幅は搬送波CW1,CW2の振幅以下となり、全期間でPWM制御が可能となる。さらに、3次高調波成分は線間電圧に影響を及ぼさないため、この成分を基本波成分に重畳させることで、線間電圧の基本波振幅の最大値が2/√3倍のVdとなり、正弦波比較方式と比較して約15%高い電圧利用率が得られる。   Referring to FIG. 6, in the present embodiment, AC voltage command value Vx * is generated by superimposing a third harmonic component of a sine wave on a sine wave having the frequency of power system 2 as a fundamental frequency. The By superimposing the third-order harmonic component on the sine wave, the amplitude of the AC voltage command value Vx * becomes equal to or less than the amplitude of the carrier waves CW1 and CW2, and PWM control is possible over the entire period. Furthermore, since the third harmonic component does not affect the line voltage, by superimposing this component on the fundamental wave component, the maximum value of the fundamental wave amplitude of the line voltage becomes 2 / √3 times Vd, Compared with the sine wave comparison method, a voltage utilization factor about 15% higher can be obtained.

制御装置11は、第1段変換器28から第4段変換器25の交流出力電圧を直列合成した電圧が交流電圧指令値Vxに一致するように、各段変換器の交流出力電圧のPWM制御を行なう。具体的には、制御装置11は、第1段変換器28、第2段変換器27および第3段変換器26の各々を単一パルスモードによって制御するとともに、第4段変換器25を多パルスモードによって制御する。   The control device 11 performs PWM control of the AC output voltage of each stage converter so that the voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the first stage converter 28 to the fourth stage converter 25 matches the AC voltage command value Vx. To do. Specifically, the control device 11 controls each of the first-stage converter 28, the second-stage converter 27, and the third-stage converter 26 in a single pulse mode, and includes the fourth-stage converter 25. Control by pulse mode.

第1段変換器28の制御では、交流電圧指令値Vx*と第1閾値電圧Vth1との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。第1閾値電圧Vth1は0<Vth1≦Vd/2である。また、交流電圧指令値Vx*と第1閾値電圧/Vth1との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。第1閾値電圧/Vth1=Vd−Vth1である。なお、図6中の交流電圧指令値Vx*と第1閾値電圧/Vth1との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せは、図5に示した交流電圧指令値−Vx*と閾値電圧/Vthとの比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xの組合せと実質的に同じである。単一パルスモードの適用により、第1段変換器28の交流出力電圧は、電気角0°〜180°の区間において高さがVdの台形形状の単一パルス電圧となる。単一パルス電圧は、0,Vd/2,Vdの3値をとる。   In the control of the first stage converter 28, the level of the AC voltage command value Vx * and the first threshold voltage Vth1 are compared, and on / off combinations of the switching elements S1x to S4x are determined based on the comparison result. The first threshold voltage Vth1 is 0 <Vth1 ≦ Vd / 2. Further, the levels of the AC voltage command value Vx * and the first threshold voltage / Vth1 are compared, and an on / off combination of the switching elements S5x to S8x is determined based on the comparison result. The first threshold voltage / Vth1 = Vd−Vth1. Note that the on / off combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result of the AC voltage command value Vx * and the first threshold voltage / Vth1 in FIG. 6 is the AC voltage command value −Vx * shown in FIG. This is substantially the same as the combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result with the threshold voltage / Vth. By applying the single pulse mode, the AC output voltage of the first stage converter 28 becomes a trapezoidal single pulse voltage having a height of Vd in the section of the electrical angle of 0 ° to 180 °. The single pulse voltage takes three values of 0, Vd / 2, and Vd.

第2段変換器27の制御では、交流電圧指令値Vx*と第2閾値電圧Vth2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。第2閾値電圧Vth2は第1閾値電圧Vth1よりVd大きい(Vth2=Vth1+Vd)。また、交流電圧指令値Vx*と第2閾値電圧/Vth2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。第2閾値電圧/Vth2=Vd×2−Vth1である。なお、図6中の交流電圧指令値Vx*と第2閾値電圧/Vth2との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せは、図5に示した交流電圧指令値−Vx*と閾値電圧/Vth1との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xの組合せと実質的に同じである。単一パルスモードの適用により、第2段変換器27の交流出力電圧は、電気角0°〜180°の区間において振幅Vdの台形形状の単一パルス電圧となる。単一パルス電圧は、0,Vd/2,Vdの3値をとる。   In the control of the second stage converter 27, the level of the AC voltage command value Vx * and the second threshold voltage Vth2 are compared, and an on / off combination of the switching elements S1x to S4x is determined based on the comparison result. The second threshold voltage Vth2 is Vd larger than the first threshold voltage Vth1 (Vth2 = Vth1 + Vd). Further, the levels of the AC voltage command value Vx * and the second threshold voltage / Vth2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result. The second threshold voltage / Vth2 = Vd × 2-Vth1. Note that the on / off combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result between the AC voltage command value Vx * and the second threshold voltage / Vth2 in FIG. 6 is the AC voltage command value −Vx * shown in FIG. This is substantially the same as the combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result with the threshold voltage / Vth1. By applying the single pulse mode, the AC output voltage of the second stage converter 27 becomes a trapezoidal single pulse voltage having an amplitude Vd in the section of the electrical angle of 0 ° to 180 °. The single pulse voltage takes three values of 0, Vd / 2, and Vd.

第3段変換器26の制御では、交流電圧指令値Vx*と第3閾値電圧Vth3との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。第3閾値電圧Vth3は、第2閾値電圧Vth2よりVd大きく、第1閾値電圧Vth1よりVd×2大きい(Vth3=Vth1+Vd×2)。また、交流電圧指令値Vx*と第3閾値電圧/Vth3との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。第3閾値電圧/Vth3=Vd×3−Vth1である。なお、図6中の交流電圧指令値Vx*と第3閾値電圧/Vth3との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せは、図5に示した交流電圧指令値−Vx*と閾値電圧/Vth1との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xの組合せと実質的に同じである。単一パルスモードの適用により、第3段変換器26の交流出力電圧は、電気角0°〜180°の区間において振幅Vdの台形形状の単一パルス電圧となる。単一パルス電圧は、0,Vd/2,Vdの3値をとる。   In the control of the third stage converter 26, the level of the AC voltage command value Vx * and the third threshold voltage Vth3 are compared, and an on / off combination of the switching elements S1x to S4x is determined based on the comparison result. The third threshold voltage Vth3 is Vd larger than the second threshold voltage Vth2, and Vd × 2 larger than the first threshold voltage Vth1 (Vth3 = Vth1 + Vd × 2). Further, the levels of the AC voltage command value Vx * and the third threshold voltage / Vth3 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result. The third threshold voltage / Vth3 = Vd × 3-Vth1. The combination of ON / OFF of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result between the AC voltage command value Vx * and the third threshold voltage / Vth3 in FIG. 6 is the AC voltage command value −Vx * shown in FIG. This is substantially the same as the combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result with the threshold voltage / Vth1. By applying the single pulse mode, the AC output voltage of the third stage converter 26 becomes a trapezoidal single pulse voltage having an amplitude Vd in the section of the electrical angle of 0 ° to 180 °. The single pulse voltage takes three values of 0, Vd / 2, and Vd.

第4段変換器25の制御では、交流電圧指令値Vxと搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。また、交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。ただし、この比較には、交流電圧指令値VxからVd×3を減じたものが用いられるとともに、交流電圧指令値−VxにVd×3を足したものが用いられる。このVd×3は第1段から第3段の変換器28〜26の交流出力電圧の合成電圧に値する。   In the control of the fourth stage converter 25, the level of the AC voltage command value Vx and the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and the combination of ON / OFF of the switching elements S1x to S4x is determined based on the comparison result. Further, the AC voltage command value -Vx * and the levels of the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result. However, for this comparison, a value obtained by subtracting Vd × 3 from the AC voltage command value Vx is used, and a value obtained by adding Vd × 3 to the AC voltage command value −Vx is used. This Vd × 3 is equivalent to the combined voltage of the AC output voltages of the converters 28 to 26 in the first to third stages.

なお、図6の搬送波CW1,CW2は、図4の搬送波CW1,CW2と振幅および周波数が同じである。図6では搬送波CW2を正負反転させたものを示している。   Note that the carrier waves CW1 and CW2 in FIG. 6 have the same amplitude and frequency as the carrier waves CW1 and CW2 in FIG. In FIG. 6, the carrier wave CW2 is inverted between positive and negative.

第4段変換器25において、スイッチング素子S1x〜S4xは、交流電圧指令値(Vx*−Vd×3)と搬送波CW1,CW2との振幅が一致するタイミングでオンオフされ、スイッチング素子S5x〜S8xは、交流電圧指令値(−Vx*+Vd×3)と搬送波CW1,CW2との振幅が一致するタイミングでオンオフされる。なお、図6中の交流電圧指令値Vx*と搬送波CW2との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せは、図4に示した交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW2との比較結果に基づいたスイッチング素子S5x〜S8xの組合せと実質的に同じである。多パルスモードの適用により、第4段変換器25の交流出力電圧は、電気角0°〜180°の区間において、+Vd,+Vd/2,0の3値をとる。   In the fourth stage converter 25, the switching elements S1x to S4x are turned on and off at the timing when the amplitudes of the AC voltage command values (Vx * −Vd × 3) and the carrier waves CW1 and CW2 match, and the switching elements S5x to S8x are The AC voltage command value (−Vx * + Vd × 3) and the carrier waves CW1 and CW2 are turned on and off at the same timing. Note that the on / off combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result between the AC voltage command value Vx * and the carrier wave CW2 in FIG. 6 is the combination of the AC voltage command value −Vx * and the carrier wave CW2 shown in FIG. This is substantially the same as the combination of the switching elements S5x to S8x based on the comparison result. By applying the multi-pulse mode, the AC output voltage of the fourth stage converter 25 takes three values of + Vd, + Vd / 2, 0 in the section of the electrical angle of 0 ° to 180 °.

4段直列多重変換器20の交流出力電圧は、第1段変換器28から第4段変換器25の交流出力電圧を直列合成したものとなる。したがって、図6に示すように、電気角0°〜180°の区間において、交流出力電圧は、第1段変換器28から第3段変換器26の台形形状の単一パルス電圧を積み上げたものに、第4段変換器25の交流出力電圧をさらに足したものとなる。   The AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 is obtained by combining the AC output voltages of the first-stage converter 28 to the fourth-stage converter 25 in series. Therefore, as shown in FIG. 6, the AC output voltage is obtained by accumulating trapezoidal single pulse voltages from the first stage converter 28 to the third stage converter 26 in the section of the electrical angle 0 ° to 180 °. Further, the AC output voltage of the fourth stage converter 25 is further added.

言い換えれば、第1段変換器28から第3段変換器26の単一パルス電圧を積み上げることで、Vd×3の高さを有する台形形状の土台が形成される。この土台は、0,Vd/2,Vd,Vd×3/2,Vd×2,Vd×5/2,Vd×3の7値をとる。そして、この土台の上に第4段変換器25の複数パルス電圧を載せることによって、交流出力電圧の値はさらに、Vd×3,Vd×7/2,Vd×4の3値をとることになる。   In other words, by accumulating single pulse voltages from the first stage converter 28 to the third stage converter 26, a trapezoidal base having a height of Vd × 3 is formed. This base has seven values of 0, Vd / 2, Vd, Vd × 3/2, Vd × 2, Vd × 5/2, and Vd × 3. Then, by placing a plurality of pulse voltages of the fourth stage converter 25 on this base, the value of the AC output voltage further takes three values of Vd × 3, Vd × 7/2, and Vd × 4. Become.

図6に示すように、交流電圧指令値Vx*は、電気角0°〜180°の区間において、電圧値が0からVd×3まで単調増加する区間Iと、電圧値がVd×3以上Vd×4以下の範囲内で変動する区間IIと、電圧値がVd×3から0まで単調減少する区間IIIとに大きく区分することができる。4段直列多重変換器20の交流出力電圧は、このうちの区間Iおよび区間IIIが第1段変換器28から第3段変換器26の単一パルス電圧で形成され、区間IIにおける電圧値の起伏が第4段変換器25の複数のパルス電圧で形成される。   As shown in FIG. 6, the AC voltage command value Vx * is divided into an interval I in which the voltage value monotonously increases from 0 to Vd × 3 in the interval of electrical angle 0 ° to 180 °, and the voltage value is Vd × 3 or more Vd. It can be roughly divided into a section II that fluctuates within a range of × 4 or less and a section III in which the voltage value monotonously decreases from Vd × 3 to 0. Among the AC output voltages of the four-stage serial multiple converter 20, the section I and the section III are formed by a single pulse voltage from the first stage converter 28 to the third stage converter 26, and the voltage value in the section II The undulation is formed by a plurality of pulse voltages of the fourth stage converter 25.

以上のように、4段直列多重変換器20の交流出力電圧のPWM制御において、第1段変換器28から第3段変換器26には単一パルスモードを適用し、かつ、第4段変換器25には多パルスモードを適用することで、各段変換器に多パルスモードを適用する場合に比べて、第1段変換器28から第3段変換器26のスイッチング素子に発生する電力損失(スイッチング損失)を低減することができる。   As described above, in the PWM control of the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20, the single-pulse mode is applied to the first-stage converter 28 to the third-stage converter 26, and the fourth-stage conversion is performed. By applying the multi-pulse mode to the converter 25, the power loss generated in the switching elements of the first-stage converter 28 to the third-stage converter 26, compared to the case where the multi-pulse mode is applied to each stage converter. (Switching loss) can be reduced.

また、第1段変換器28から第3段変換器26に単一パルスモードを適用したことで、高さがVd×3の台形形状の土台を3台の変換器の出力電圧で形成することができる。各段変換器を多パルスモードで制御することによって同じ高さの土台を形成する場合には、4台以上の変換器を多重化することが必要となる。これに対し、本実施の形態では、より少ない台数の変換器で足りるため、交流電圧指令値Vx*に一致した交流電圧を出力するために必要となる変換器の段数を減らすことができる。これは、直列多重変換器20の電圧利用率を向上させるものであり、直列多重変換器20の装置体格の小型化、軽量化およびコスト低減に寄与し得る。   Further, by applying the single pulse mode from the first stage converter 28 to the third stage converter 26, a trapezoidal base having a height of Vd × 3 is formed by the output voltages of the three converters. Can do. When forming the same height base by controlling each stage converter in the multi-pulse mode, it is necessary to multiplex four or more converters. On the other hand, in the present embodiment, since a smaller number of converters are sufficient, it is possible to reduce the number of converter stages required to output an AC voltage that matches the AC voltage command value Vx *. This improves the voltage utilization factor of the serial multiple converter 20, and can contribute to a reduction in size, weight, and cost of the device structure of the serial multiple converter 20.

また、第4段変換器25に多パルスモード適用したことで、土台に載せられる交流出力電圧の波形を交流電圧指令値Vx*に近づけることができる。したがって、4段直列多重変換器20の交流出力電圧に含まれる高調波成分の含有率を、交流電圧指令値Vx*の高調波成分の含有率と同等レベルに近づけることができる。   Further, by applying the multi-pulse mode to the fourth stage converter 25, the waveform of the AC output voltage placed on the base can be brought close to the AC voltage command value Vx *. Therefore, the content rate of the harmonic component contained in the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 can be brought close to the same level as the content rate of the harmonic component of the AC voltage command value Vx *.

この結果、本実施の形態に係るPWM制御によれば、直列多重電力変換装置1全体として、交流出力電圧に含まれる高調波成分を低減しつつ、高い動作効率および電圧利用率を実現することができる。   As a result, according to the PWM control according to the present embodiment, the series multiple power conversion device 1 as a whole can achieve high operating efficiency and voltage utilization rate while reducing harmonic components contained in the AC output voltage. it can.

なお、実施の形態1では4段直列多重変換器20のPWM制御について説明したが、本実施の形態に係るPWM制御は、第1段から第M段(Mは2以上の整数)の変換器からなるM段直列多重変換器に一般的に適用することができる。この場合、制御装置11は、第1段から第(M−1)段の変換器を単一パルスモードによって制御するとともに、第M段の変換器を多パルスモードによって制御する。交流電圧指令値Vx*の電気角0°〜180°の区間において、M段直列多重変換器の交流出力電圧は、第1段から第(M−1)段の変換器の台形形状の単一パルス電圧を積み上げることで、Vd×(M−1)の高さを有する土台が形成される。そして、この土台に第M段の変換器の複数パルス電圧が載せられることで、交流出力電圧は、Vd×(M−1),Vd×(M−1)+Vd/2,Vd×Mの3値をとることになる。   Although the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 has been described in the first embodiment, the PWM control according to the present embodiment is performed from the first stage to the Mth stage (M is an integer of 2 or more). It can be generally applied to an M-stage serial multiple converter consisting of In this case, the control device 11 controls the first to (M−1) th stage converters in the single pulse mode and controls the Mth stage converter in the multi-pulse mode. In the section of the AC voltage command value Vx * with an electrical angle of 0 ° to 180 °, the AC output voltage of the M-stage serial multiple converter is a single trapezoidal shape of the converter from the first stage to the (M−1) -th stage. A base having a height of Vd × (M−1) is formed by accumulating pulse voltages. The AC output voltage is 3 (Vd × (M−1), Vd × (M−1) + Vd / 2, Vd × M) by placing a plurality of pulse voltages of the M-th stage converter on this base. Will take the value.

[実施の形態2]
実施の形態2では、上述した実施の形態1で示したPWM制御に用いられる交流電圧指令値Vx*の生成方法について説明する。以下の説明では、搬送波CW1,CW2は、図4および図6の例に倣って、交流電圧指令値Vx*の16倍の周波数を有するものとする。
[Embodiment 2]
In the second embodiment, a method for generating the AC voltage command value Vx * used for the PWM control shown in the first embodiment will be described. In the following description, it is assumed that carrier waves CW1 and CW2 have a frequency that is 16 times the AC voltage command value Vx *, following the example of FIGS.

搬送波CW1,CW2が交流電圧指令値Vx*の16倍の周波数を有する場合、図4に示すように、交流電圧指令値Vx*の電気角0°〜180°の区間には合計8パルスの搬送波が含まれることになる。すなわち、電気角0°〜180°の区間には8キャリア周期が含まれている。   When the carrier waves CW1 and CW2 have a frequency 16 times as high as the AC voltage command value Vx *, as shown in FIG. 4, the carrier wave of a total of 8 pulses in the section of the AC voltage command value Vx * with an electrical angle of 0 ° to 180 °. Will be included. That is, the 8-carrier cycle is included in the section of the electrical angle of 0 ° to 180 °.

本実施の形態では、この8キャリア周期のうちの最初の1.5キャリア周期(1.5パルス分)を区間Iに割り当て、最後の1.5キャリア周期(1.5パルス分)を区間IIIに割り当て、これらの中間の5キャリア周期(5パルス分)を区間IIに割り当てる。すなわち、区間Iは電気角0°〜33.75°の区間に相当し、区間IIは33.75°〜146.25°の区間に相当し、区間IIIは146.25°〜180°の区間に相当する。   In the present embodiment, the first 1.5 carrier period (1.5 pulses) of these 8 carrier periods is assigned to section I, and the last 1.5 carrier period (1.5 pulses) is assigned to section III. These five intermediate carrier periods (5 pulses) are assigned to section II. That is, section I corresponds to a section of electrical angle 0 ° to 33.75 °, section II corresponds to a section of 33.75 ° to 146.25 °, and section III corresponds to a section of 146.25 ° to 180 °. It corresponds to.

3次高調波は、電気角33.75°および146.25°において、交流電圧指令値Vx*がVd×3となるように重畳される。例えば、電力系統2の交流電圧が公称定格電圧(系統電圧1p.u.、変換器無負荷)である場合、3次高調波の重畳比率(基本波成分に対する3次高調波の振幅の比率)は、約19%となる。   The third harmonic is superimposed so that the AC voltage command value Vx * is Vd × 3 at electrical angles of 33.75 ° and 146.25 °. For example, when the AC voltage of the power system 2 is the nominal rated voltage (system voltage 1 p.u., no load on the converter), the third harmonic superposition ratio (ratio of the third harmonic amplitude to the fundamental component) Is about 19%.

3次高調波の重畳比率は、電力系統2の交流電圧の振幅値に応じて変化させることができる。例えば、電力系統2が周波数60Hzでの定常運転時であって、最大電圧である場合、3次高調波の重畳比率を約12%とすることで、電気角33.75°および146.25°での交流電圧指令値Vx*をVd×3とすることができる。また、電力系統2の交流電圧が最小電圧(系統電圧0.9p.u.,変換器無負荷)である場合、3次高調波の重畳比率を約27%とすることで、電気角33.75°および146.25°での交流電圧指令値Vx*をVd×3とすることができる。   The superposition ratio of the third harmonic can be changed according to the amplitude value of the AC voltage of the power system 2. For example, when the power system 2 is in steady operation at a frequency of 60 Hz and is at the maximum voltage, the electrical angle is 33.75 ° and 146.25 ° by setting the superposition ratio of the third harmonic to about 12%. The AC voltage command value Vx * at can be set to Vd × 3. Further, when the AC voltage of the power system 2 is the minimum voltage (system voltage 0.9 p.u., no load on the converter), the electrical angle 33. The AC voltage command value Vx * at 75 ° and 146.25 ° can be set to Vd × 3.

このように3次高調波の重畳比率は、電力系統2の交流電圧が大きいほど小さくなる。電力系統2の交流電圧の振幅値に応じて予め3次高調波の重畳比率を算出し、得られた交流電圧の振幅値と3次高調波の重畳比率との関係をテーブル化しておくことができる。   Thus, the superposition ratio of the third harmonic becomes smaller as the AC voltage of the power system 2 is larger. The superimposition ratio of the third harmonic is calculated in advance according to the amplitude value of the AC voltage of the power system 2, and the relationship between the obtained AC voltage amplitude value and the third harmonic superposition ratio is tabulated. it can.

本実施の形態によれば、区間Iおよび区間IIIを合わせた3キャリア周期間において、第1段変換器28から第3段変換器26に1キャリア周期(1パルス分)ずつ割り当てられ、1キャリア周期間にいずれかの変換器の4つのスイッチング素子のうち2つが1回ずつオンオフすることになる。   According to the present embodiment, one carrier period (one pulse) is allocated from the first stage converter 28 to the third stage converter 26 for each of three carrier periods including the sections I and III. Two of the four switching elements of any converter are turned on and off once during the period.

また、区間IIでは、5キャリア周期間に第4段変換器25の4つのスイッチング素子のうち2つが5回ずつオンオフすることになる。したがって、第4段変換器25は、交流電圧指令値Vx*の電気角0°〜180°の区間において5キャリア周期間(5パルス分)に5つのパルス電圧を出力するように、5パルスモードで制御されることになる。   In section II, two of the four switching elements of the fourth stage converter 25 are turned on and off five times every five carrier periods. Accordingly, the fourth-stage converter 25 outputs the five pulse voltages for five carrier periods (for five pulses) in the section of the electrical angle 0 ° to 180 ° of the AC voltage command value Vx *. It will be controlled by.

この結果、4段直列多重変換器20全体で見た場合、8キャリア周期間に、1キャリア周期ごとに4台の変換器25〜28のいずれかの4つのスイッチング素子のうちの2つが1回ずつオンオフされることとなる。これは、4段直列多重変換器20全体に多パルスモード(図6では、8パルスモード)が適用されている場合の動作と実質的に等価であるとみなすことができる。したがって、多パルスモードによる制御の利点である、交流出力電圧に含まれる高調波成分の含有率の低減という効果を得ることができる。   As a result, when viewed as a whole of the four-stage serial multiple converter 20, two of the four switching elements of the four converters 25 to 28 are once in every eight carrier periods for every one carrier period. It will be turned on and off one by one. This can be regarded as substantially equivalent to the operation in the case where the multi-pulse mode (8-pulse mode in FIG. 6) is applied to the entire four-stage serial multiple converter 20. Therefore, it is possible to obtain the effect of reducing the content rate of the harmonic component included in the AC output voltage, which is an advantage of the control by the multi-pulse mode.

なお、上述した交流電圧指令値Vx*の生成方法を、M段直列多重変換器のPWM制御に適用した場合には、搬送波が交流電圧指令値Vxの2N倍(Nは2以上の整数)の周波数を有するとき、区間Iは電気角0°〜180×(M−1)/2N°の区間となり、区間IIは電気角180×(M−1)/2N°〜180×{1−(M−1)/2N}°の区間となり、区間IIIは180×{1−(M−1)/2N}°〜180°の区間となる。第M段の変換器は、区間IIにおいて、多パルスモードによって制御される。第M段の変換器は、この区間IIに{N−(M−1)}個のパルス電圧を出力する{N−(M−1}パルスモードで制御される。   When the above-described method for generating the AC voltage command value Vx * is applied to the PWM control of the M-stage serial multiple converter, the carrier wave is 2N times the AC voltage command value Vx (N is an integer of 2 or more). When having a frequency, the section I is an section of electrical angle 0 ° to 180 × (M−1) / 2N °, and the section II is an electrical angle 180 × (M−1) / 2N ° to 180 × {1- (M -1) / 2N} [deg.], And section III is a section of 180 * {1- (M-1) / 2N} [deg.] To 180 [deg.]. The M-th stage converter is controlled by the multi-pulse mode in section II. The M-th stage converter is controlled in a {N- (M-1} pulse mode that outputs {N- (M-1)} pulse voltages in the section II.

[実施の形態3]
上述した実施の形態1および2では、電力系統2の交流電圧が公称定格電圧(1p.u.)である場合の4段直列多重変換器20のPWM制御について説明した。実施の形態3では、電力系統2の事故発生等によって系統電圧が公称定格電圧よりも低下している状態での4段直列多重変換器20のPWM制御について説明する。
[Embodiment 3]
In the first and second embodiments described above, the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 when the AC voltage of the power system 2 is the nominal rated voltage (1 p.u.) has been described. In the third embodiment, PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 in a state where the system voltage is lower than the nominal rated voltage due to the occurrence of an accident in the power system 2 will be described.

図7から図9に示すように、制御装置11は、電力系統2の電圧低下度合いに応じて、4段直列多重変換器20のPWM制御を変化させる。図7は、系統電圧が公称定格電圧の約5/8まで低下した場合の4段直列多重変換器20のPWM制御を説明するための波形図である。図8は、系統電圧が公称定格電圧の約3/8まで低下した場合の4段直列多重変換器20のPWM制御を説明するための波形図である。図9は、系統電圧が公称定格電圧の約1/10まで低下した場合の4段直列多重変換器20のPWM制御を説明するための波形図である。なお、図7から図9のいずれにも、x相の交流電圧指令値Vx*および第1段変換器28から第4段変換器25の交流出力電圧の半周期(電気角0°〜180°の区間)の波形が示されている。図中の破線は系統電圧の波形を示している。   As shown in FIGS. 7 to 9, the control device 11 changes the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 according to the voltage drop degree of the power system 2. FIG. 7 is a waveform diagram for explaining the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 when the system voltage drops to about 5/8 of the nominal rated voltage. FIG. 8 is a waveform diagram for explaining the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 when the system voltage drops to about 3/8 of the nominal rated voltage. FIG. 9 is a waveform diagram for explaining the PWM control of the four-stage serial multiple converter 20 when the system voltage drops to about 1/10 of the nominal rated voltage. 7 to 9, the x-phase AC voltage command value Vx * and the half cycle of the AC output voltage from the first stage converter 28 to the fourth stage converter 25 (electrical angle 0 ° to 180 °). The waveform of (section) is shown. The broken line in the figure shows the waveform of the system voltage.

まず、図7を参照して、系統電圧が公称定格電圧の約5/8に低下している場合には、交流電圧指令値Vx*は、系統電圧に3次高調波成分を重畳することで、図7に示すような波形となる。図7の例では、3次高調波成分の重畳比率は約38%である。   First, referring to FIG. 7, when the system voltage is lowered to about 5/8 of the nominal rated voltage, the AC voltage command value Vx * is obtained by superimposing the third harmonic component on the system voltage. The waveform is as shown in FIG. In the example of FIG. 7, the superposition ratio of the third harmonic component is about 38%.

制御装置11は、4段直列多重変換器20の交流出力電圧が交流電圧指令値Vx*に一致するように、第1段変換器28から第4段変換器25の各々の交流出力電圧をPWM制御する。具体的には、制御装置11は、第1段変換器28、第2段変換器27および第3段変換器26の各々を単一パルスモードによって制御するとともに、第4段変換器25を多パルスモード(図7では5パルスモード)によって制御する。   The control device 11 PWMs each AC output voltage from the first stage converter 28 to the fourth stage converter 25 so that the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 matches the AC voltage command value Vx *. Control. Specifically, the control device 11 controls each of the first-stage converter 28, the second-stage converter 27, and the third-stage converter 26 in a single pulse mode, and includes the fourth-stage converter 25. Control is performed in a pulse mode (5 pulse mode in FIG. 7).

ただし、制御装置11は、第1段変換器28および第2段変換器27については、電気角0°〜180°の区間において単一のパルス電圧を出力するように制御する一方で、第3段変換器26については、1キャリア周期間にのみパルス電圧を出力するように制御する。   However, the control device 11 controls the first stage converter 28 and the second stage converter 27 so as to output a single pulse voltage in the section of the electrical angle of 0 ° to 180 °, while The stage converter 26 is controlled to output a pulse voltage only during one carrier period.

第3段変換器26の制御は、区間Iにおける電気角22.5°〜33.75°の区間(0.5キャリア周期分)と、区間IIIにおける電気角146.25°〜157.5°の区間(0.5キャリア周期分)とにおいて行なわれる。これらの区間では、交流電圧指令値Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。また、交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。ただし、この比較には、交流電圧指令値VxからVd×2を減じたものが用いられるとともに、交流電圧指令値−VxにVd×2を足したものが用いられる。このVd×2は第1段変換器28および第2段変換器27の交流出力電圧の合成電圧に値する。これによると、電気角22.5°〜33.75°の区間および電気角146.25°〜157.5°の区間の各々において、第3段変換器26は1パルス電圧を出力する。   The control of the third stage converter 26 includes a section (0.5 carrier period) of electrical angle 22.5 ° to 33.75 ° in section I and an electrical angle 146.25 ° to 157.5 ° in section III. In the interval (for 0.5 carrier period). In these sections, the levels of the AC voltage command value Vx * and the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S1x to S4x are determined based on the comparison result. Further, the AC voltage command value -Vx * and the levels of the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result. However, for this comparison, a value obtained by subtracting Vd × 2 from the AC voltage command value Vx is used, and a value obtained by adding Vd × 2 to the AC voltage command value −Vx is used. This Vd × 2 is worth the combined voltage of the AC output voltages of the first stage converter 28 and the second stage converter 27. According to this, the third stage converter 26 outputs one pulse voltage in each of the section of electrical angle 22.5 ° to 33.75 ° and the section of electrical angle 146.25 ° to 157.5 °.

本実施の形態では、単一パルスモードのうち、交流電圧指令値Vx*の半周期(電気角0°〜180°の区間または電気角180°〜360°の区間)において単一のパルス電圧を出力するように変換器の制御指令を生成する制御モードを「単一長パルスモード」と称する。その一方で、交流電圧指令値Vx*の半周期のうちの1キャリア周期間のみにおいてパルス電圧を出力するように変換器の制御指令を生成する制御モードを「単一短パルスモード」と称する。単一短パルスモードでは、図7中に斜線で示すように、区間Iおよび区間IIIの各々において、0.5キャリア周期につき1パルス電圧が出力されるため、交流電圧指令値Vx*の半周期において2パルス電圧が出力されることになる。   In the present embodiment, in the single pulse mode, a single pulse voltage is applied in the half cycle of the AC voltage command value Vx * (section of electrical angle 0 ° to 180 ° or section of electrical angle 180 ° to 360 °). A control mode for generating a control command for the converter so as to output is referred to as a “single-length pulse mode”. On the other hand, a control mode for generating a converter control command so as to output a pulse voltage only during one carrier cycle of the half cycle of the AC voltage command value Vx * is referred to as a “single short pulse mode”. In the single short pulse mode, as indicated by hatching in FIG. 7, one pulse voltage is output per 0.5 carrier period in each of the sections I and III, so that the half period of the AC voltage command value Vx * 2 pulse voltage is output.

図7の例では、第1段変換器28および第2段変換器27を単一長パルスモードによって制御し、第3段変換器26を単一短パルスモードによって制御し、第4段変換器25を多パルスモードによって制御することで、4段直列多重変換器20の交流出力電圧は、第1段変換器28および第2段変換器27の単一パルス電圧を積み上げたものに、第3段変換器26および第4段変換器25の複数パルス電圧を足したものとなる。   In the example of FIG. 7, the first stage converter 28 and the second stage converter 27 are controlled by a single long pulse mode, the third stage converter 26 is controlled by a single short pulse mode, and the fourth stage converter 25 is controlled by the multi-pulse mode, the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 is obtained by adding the single pulse voltage of the first-stage converter 28 and the second-stage converter 27 to the third A plurality of pulse voltages of the stage converter 26 and the fourth stage converter 25 are added.

次に、図8を参照して、系統電圧が公称定格電圧の約3/8に低下している場合には、交流電圧指令値Vx*は、系統電圧に3次高調波成分を重畳することで、図8に示すような波形となる。図8の例では、3次高調波成分の重畳比率は約38%である。   Next, referring to FIG. 8, when the system voltage is reduced to about 3/8 of the nominal rated voltage, the AC voltage command value Vx * is obtained by superimposing the third harmonic component on the system voltage. Thus, the waveform is as shown in FIG. In the example of FIG. 8, the superposition ratio of the third harmonic component is about 38%.

制御装置11は、4段直列多重変換器20の交流出力電圧が交流電圧指令値Vx*に一致するように、第1段変換器28から第4段変換器25の各々の交流出力電圧をPWM制御する。具体的には、制御装置11は、第1段変換器28を単一長パルスモードによって制御し、第2段変換器27および第3段変換器26の各々を単一短パルスモードによって制御し、第4段変換器25を多パルスモード(図8では5パルスモード)によって制御する。   The control device 11 PWMs each AC output voltage from the first stage converter 28 to the fourth stage converter 25 so that the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 matches the AC voltage command value Vx *. Control. Specifically, the control device 11 controls the first stage converter 28 in the single long pulse mode, and controls each of the second stage converter 27 and the third stage converter 26 in the single short pulse mode. The fourth stage converter 25 is controlled by the multi-pulse mode (5-pulse mode in FIG. 8).

図8では、図7と比較して、第2段変換器27の制御が単一長パルスモードから単一短パルスモードに切り替えられている点が異なる。第2段変換器27の制御は、区間Iにおける電気角11.25°〜22.5°の区間(0.5キャリア周期分)と、区間IIIにおける電気角157.5°〜168.75°の区間(0.5キャリア周期分)とにおいて行なわれる。これらの区間では、交流電圧指令値Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。また、交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。ただし、この比較には、交流電圧指令値VxからVdを減じたものが用いられるとともに、交流電圧指令値−VxにVdを足したものが用いられる。このVdは第1段変換器28の交流出力電圧に値する。これによると、図8中に斜線で示すように、電気角11.25°〜22.5°の区間および電気角157.5°〜168.75°の区間の各々において、第2段変換器27は1パルス電圧を出力する。   FIG. 8 is different from FIG. 7 in that the control of the second stage converter 27 is switched from the single long pulse mode to the single short pulse mode. The control of the second-stage converter 27 is performed in the section of electrical angle 11.25 ° to 22.5 ° in section I (for 0.5 carrier period) and the electrical angle in section III of 157.5 ° to 168.75 °. In the interval (for 0.5 carrier period). In these sections, the levels of the AC voltage command value Vx * and the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S1x to S4x are determined based on the comparison result. Further, the AC voltage command value -Vx * and the levels of the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result. However, for this comparison, a value obtained by subtracting Vd from the AC voltage command value Vx is used, and a value obtained by adding Vd to the AC voltage command value -Vx is used. This Vd is equivalent to the AC output voltage of the first stage converter 28. According to this, as indicated by hatching in FIG. 8, the second stage converter in each of the section of electrical angle 11.25 ° to 22.5 ° and the section of electrical angle 157.5 ° to 168.75 °. 27 outputs one pulse voltage.

第3段変換器26の制御は、図7と同様に、区間Iにおける電気角22.5°〜33.75°の区間(0.5キャリア周期分)と、区間IIIにおける電気角146.25°〜157.5°の区間(0.5キャリア周期分)とにおいて行なわれる。図8中に斜線で示すように、電気角22.5°〜33.75°の区間および電気角146.25°〜157.5°の区間の各々において、第3段変換器26は1パルス電圧を出力する。   The control of the third stage converter 26 is performed in the same manner as in FIG. 7. The electrical angle in the section I is 22.5 ° to 33.75 ° (0.5 carrier period) and the electrical angle 146.25 in the section III. It is performed in a section (for 0.5 carrier period) of ° to 157.5 °. As indicated by diagonal lines in FIG. 8, the third stage converter 26 has one pulse in each of the section of electrical angle 22.5 ° to 33.75 ° and the section of electrical angle 146.25 ° to 157.5 °. Output voltage.

第1段変換器28を単一長パルスモードによって制御し、第2段変換器27および第3段変換器26を単一短パルスモードによって制御し、第4段変換器25を多パルスモードによって制御することで、4段直列多重変換器20の交流出力電圧は、第1段変換器28の単一パルス電圧に、第2段変換器27から第4段変換器25の複数パルス電圧を足したものとなる。   The first stage converter 28 is controlled by the single long pulse mode, the second stage converter 27 and the third stage converter 26 are controlled by the single short pulse mode, and the fourth stage converter 25 is controlled by the multi-pulse mode. By controlling, the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 is added to the single pulse voltage of the first-stage converter 28 by adding the multiple pulse voltages of the second-stage converter 27 to the fourth-stage converter 25. Will be.

次に、図9を参照して、系統電圧が公称定格電圧の約1/10に低下している場合には、系統電圧に3次高調波成分を重畳しないため、交流電圧指令値Vx*は図9に示すような波形となる。   Next, referring to FIG. 9, when the system voltage is reduced to about 1/10 of the nominal rated voltage, the third harmonic component is not superimposed on the system voltage, so the AC voltage command value Vx * is The waveform is as shown in FIG.

制御装置11は、4段直列多重変換器20の交流出力電圧が交流電圧指令値Vx*に一致するように、第1段変換器28から第4段変換器25の各々の交流出力電圧をPWM制御する。具体的には、制御装置11は、第1段変換器28、第2段変換器27および第3段変換器26の各々を単一短パルスモードによって制御し、第4段変換器25を多パルスモード(図9では5パルスモード)によって制御する。   The control device 11 PWMs each AC output voltage from the first stage converter 28 to the fourth stage converter 25 so that the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 matches the AC voltage command value Vx *. Control. Specifically, the control device 11 controls each of the first-stage converter 28, the second-stage converter 27, and the third-stage converter 26 in a single short pulse mode, and controls the fourth-stage converter 25. Control is performed in a pulse mode (5 pulse mode in FIG. 9).

図9では、図8と比較して、第1段変換器28の制御が単一長パルスモードから単一短パルスモードに切り替えられている点が異なる。第1段変換器28の制御は、区間Iにおける電気角0°〜11.25°の区間(0.5キャリア周期分)と、区間IIIにおける電気角168.75°〜180°の区間(0.5キャリア周期分)とにおいて行なわれる。これらの区間では、交流電圧指令値Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S1x〜S4xのオンオフの組合せが決定される。また、交流電圧指令値−Vx*と搬送波CW1,CW2との高低が比較され、その比較結果に基づいて、スイッチング素子S5x〜S8xのオンオフの組合せが決定される。これによると、図9中に斜線で示すように、電気角0°〜11.25°の区間および電気角168.75°〜180°の区間の各々において、第1段変換器28は1パルス電圧を出力する。   9 differs from FIG. 8 in that the control of the first stage converter 28 is switched from the single long pulse mode to the single short pulse mode. The control of the first stage converter 28 is performed in the section of the electrical angle 0 ° to 11.25 ° in the section I (for 0.5 carrier period) and the section of the electrical angle 168.75 ° to 180 ° in the section III (0 .5 carrier period). In these sections, the levels of the AC voltage command value Vx * and the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S1x to S4x are determined based on the comparison result. Further, the AC voltage command value -Vx * and the levels of the carrier waves CW1 and CW2 are compared, and on / off combinations of the switching elements S5x to S8x are determined based on the comparison result. According to this, as indicated by hatching in FIG. 9, the first stage converter 28 has one pulse in each of the section of electrical angle 0 ° to 11.25 ° and the section of electrical angle 168.75 ° to 180 °. Output voltage.

第2段変換器27の制御は、図8と同様に、区間Iにおける電気角11.25°〜22.5°の区間(0.5キャリア周期分)と、区間IIIにおける電気角157.5°〜168.75°の区間(0.5キャリア周期分)とにおいて行なわれる。図9中に斜線で示すように、電気角11.25°〜22.5°の区間および電気角157.5°〜168.75°の区間の各々において、第2段変換器27は1パルス電圧を出力する。   The control of the second stage converter 27 is performed in the same manner as in FIG. 8, the section of electrical angle 11.25 ° to 22.5 ° in section I (for 0.5 carrier period) and the electrical angle 157.5 in section III. It is performed in a section (degree 0.5 carrier period) of ° to 168.75 °. As indicated by the oblique lines in FIG. 9, the second stage converter 27 has one pulse in each of the section of electrical angle 11.25 ° to 22.5 ° and the section of electrical angle 157.5 ° to 168.75 °. Output voltage.

第3段変換器26の制御は、図7および図8と同様に、区間Iにおける電気角22.5°〜33.75°の区間(0.5キャリア周期分)と、区間IIIにおける電気角146.25°〜157.5°の区間(0.5キャリア周期分)とにおいて行なわれる。図8中に斜線で示すように、電気角22.5°〜33.75°の区間および電気角146.25°〜157.5°の区間の各々において、第3段変換器26は1パルス電圧を出力する。   The control of the third stage converter 26 is performed in the same manner as in FIG. 7 and FIG. 8, the section of the electrical angle 22.5 ° to 33.75 ° (for 0.5 carrier period) in the section I and the electrical angle in the section III. It is performed in the interval of 146.25 ° to 157.5 ° (for 0.5 carrier period). As indicated by diagonal lines in FIG. 8, the third stage converter 26 has one pulse in each of the section of electrical angle 22.5 ° to 33.75 ° and the section of electrical angle 146.25 ° to 157.5 °. Output voltage.

第1段変換器28から第3段変換器26を単一短パルスモードによって制御し、第4段変換器25を多パルスモードによって制御することで、4段直列多重変換器20の交流出力電圧は、0.5キャリア周期ごとに出力される1パルス電圧によって、合計16個のパルス電圧で形成されることになる。   By controlling the first-stage converter 28 to the third-stage converter 26 in the single short pulse mode and the fourth-stage converter 25 in the multi-pulse mode, the AC output voltage of the four-stage serial multiple converter 20 is controlled. Is formed with a total of 16 pulse voltages by one pulse voltage output every 0.5 carrier period.

図9から明らかなように、4段直列多重変換器20全体の交流出力電圧の波形は、4段直列多重変換器20全体に多パルスモード(図9では、8パルスモード)が適用されている場合の動作と実質的に同じとなる。したがって、多パルスモードによる制御の利点である、高調波成分の含有率の低減という効果を得ることができる。   As is apparent from FIG. 9, the multi-pulse mode (8-pulse mode in FIG. 9) is applied to the entire 4-stage serial multiple converter 20 as the waveform of the AC output voltage of the entire 4-stage serial multiple converter 20. This is substantially the same as the operation of the case. Therefore, the effect of reducing the content rate of the harmonic component, which is an advantage of the control by the multi-pulse mode, can be obtained.

なお、第1段変換器28から第3段変換器26の各々においては、単一長パルスモードを単一短パルスモードよりも優先的に実行するものとする。具体的には、図10に示すように、交流電圧指令値Vx*が0から増加して閾値電圧Vthに一致するタイミングが、交流電圧指令値Vx*と搬送波CW1とが一致するタイミングよりも早いときには、単一長パルスモードが実行される。   In each of the first stage converter 28 to the third stage converter 26, the single long pulse mode is executed with priority over the single short pulse mode. Specifically, as shown in FIG. 10, the timing at which the AC voltage command value Vx * increases from 0 and matches the threshold voltage Vth is earlier than the timing at which the AC voltage command value Vx * and the carrier wave CW1 match. Sometimes a single long pulse mode is performed.

一方、系統電圧が低下し、交流電圧指令値Vx*が閾値電圧Vthに一致するタイミングよりも交流電圧指令値Vx*と搬送波CW1とが一致するタイミングが早くなると、変換器の制御は単一長パルスモードから単一短パルスモードに切り替えられる。その結果、図7から図9に示すように、電圧低下の度合いが大きくなるに従って、第3段変換器26から第1段変換器28まで順番に、単一長パルスモードから単一短パルスモードに切り替えられることになる。   On the other hand, when the system voltage decreases and the timing at which the AC voltage command value Vx * matches the carrier wave CW1 is earlier than the timing at which the AC voltage command value Vx * matches the threshold voltage Vth, the control of the converter is a single length. Switching from pulse mode to single short pulse mode. As a result, as shown in FIG. 7 to FIG. 9, as the degree of voltage drop increases, the single-stage pulse mode to the single-short pulse mode are sequentially performed from the third stage converter 26 to the first stage converter 28. It will be switched to.

これによると、系統電圧の低下時においても、4段直列多重変換器20全体としては多パルスモードによって制御することができるため、交流出力電圧における高調波の含有率を低減することができる。   According to this, even when the system voltage is lowered, the entire four-stage serial multiple converter 20 can be controlled by the multi-pulse mode, so that the harmonic content in the AC output voltage can be reduced.

[実施の形態4]
実施の形態4では、本実施の形態に従う直列多重電力変換装置1における制御装置11の制御構造について説明する。
[Embodiment 4]
In the fourth embodiment, a control structure of control device 11 in serial multiple power conversion device 1 according to the present embodiment will be described.

図11は、図1に示した制御装置11のうちの4段直列多重変換器20の制御に関す部分を示す回路ブロック図である。   FIG. 11 is a circuit block diagram showing a part related to control of the four-stage serial multiple converter 20 in the control device 11 shown in FIG.

図11において、制御装置11は、減算器110,112、電流制御部114、2相/3相変換部116、3f重畳演算部118、加算器120,122,124,132、PWM制御部126、乗算器128,130、および平方根134を含む。   In FIG. 11, the control device 11 includes subtractors 110 and 112, a current control unit 114, a two-phase / three-phase conversion unit 116, a 3f superimposition calculation unit 118, adders 120, 122, 124 and 132, a PWM control unit 126, Multipliers 128 and 130 and a square root 134 are included.

d軸電流帰還値Idおよびq軸電流帰還値Iqは、電流検出器13(図1)により検出された電力系統2を流れる交流電流のd軸成分およびq軸成分であり、三相交流電流IR,IS,ITの検出値を3相/2相変換して得られたものである。d軸電流指令Id*およびq軸電流指令Iq*は、交流電流指令のd軸成分およびq軸成分であり、三相の電流指令値IR*,IS*,IT*を3相/2相変換して得られたものである。   The d-axis current feedback value Id and the q-axis current feedback value Iq are the d-axis component and the q-axis component of the alternating current flowing through the power system 2 detected by the current detector 13 (FIG. 1), and the three-phase alternating current IR , IS, IT detected values are obtained by three-phase / two-phase conversion. The d-axis current command Id * and the q-axis current command Iq * are the d-axis component and the q-axis component of the AC current command, and the three-phase current command values IR *, IS *, and IT * are converted into three-phase / two-phase. It was obtained.

減算器110は、d軸電流帰還値Idとd軸電流指令Id*との偏差Δd(=Id−Id*)を算出する。減算器112は、q軸電流帰還値Iqとq軸電流指令Iq*との偏差Δq(=Iq−Iq*)を算出する。   The subtractor 110 calculates a deviation Δd (= Id−Id *) between the d-axis current feedback value Id and the d-axis current command Id *. The subtractor 112 calculates a deviation Δq (= Iq−Iq *) between the q-axis current feedback value Iq and the q-axis current command Iq *.

電流制御部114は、偏差Δd,Δqの各々が0となるようにd軸電圧指令Vd*とq軸電圧指令Vq*とを生成する。電流制御部114は、例えば偏差Δd,Δqを比例制御または比例積分制御に従って増幅することによりd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*を生成する。   The current control unit 114 generates the d-axis voltage command Vd * and the q-axis voltage command Vq * so that each of the deviations Δd and Δq becomes zero. The current control unit 114 generates the d-axis voltage command Vd * and the q-axis voltage command Vq * by, for example, amplifying the deviations Δd and Δq according to proportional control or proportional-integral control.

2相/3相変換部116は、d軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*を2相/3相変換することにより、三相の交流電圧指令値(R相電圧指令値VR♯、S相電圧指令値VS♯、T相電圧指令値VT♯)を生成する。   The two-phase / 3-phase converter 116 converts the d-axis voltage command Vd * and the q-axis voltage command Vq * into two-phase / 3-phase to thereby convert a three-phase AC voltage command value (R-phase voltage command value VR #, S-phase voltage command value VS #, T-phase voltage command value VT #) are generated.

3f重畳演算部118は、交流電圧指令値VR♯,VS♯,VT♯の各々に重畳する3次高調波成分の重畳比率を算出する。3f重畳演算部118は、電流制御部114により生成されたd軸電圧指令Vd*およびq軸電圧指令Vq*に基づいて、3次高調波成分の重畳比率を算出し、算出した重畳比率に基づいて、各相の3次高調波成分を生成する。具体的には、実施の形態2で説明したように、3f重畳演算部118は、交流電圧指令値Vx*の電気角33.75°および146.25°において交流電圧指令値Vx*がVd×3となるように、3次高調波の重畳比率を算出する。なお、3f重畳演算部118は、予め交流電圧の振幅値に応じて3次高調波の重畳比率を算出しておき、得られた交流電圧の振幅値と3次高調波の重畳比率との関係をテーブル化しておくことができる。   The 3f superposition calculation unit 118 calculates the superposition ratio of the third harmonic component that is superposed on each of the AC voltage command values VR #, VS #, and VT #. Based on the d-axis voltage command Vd * and the q-axis voltage command Vq * generated by the current control unit 114, the 3f superposition calculation unit 118 calculates a superposition ratio of the third harmonic component, and based on the calculated superposition ratio. Thus, the third harmonic component of each phase is generated. Specifically, as described in the second embodiment, the 3f superposition calculation unit 118 determines that the AC voltage command value Vx * is Vd × at the electrical angles of 33.75 ° and 146.25 ° of the AC voltage command value Vx *. The superposition ratio of the third harmonic is calculated so as to be 3. The 3f superimposing operation unit 118 calculates the third harmonic superposition ratio in advance according to the amplitude value of the AC voltage, and the relationship between the obtained AC voltage amplitude value and the third harmonic superposition ratio. Can be tabulated.

加算器120は、R相電圧指令値VR♯とR相の3次高調波成分とを加算して、R相電圧指令値VR*を生成する。加算器122は、S相電圧指令値VS♯とS相の3次高調波成分とを加算して、S相電圧指令値VS*を生成する。加算器124は、T相電圧指令値VT♯とT相の3次高調波成分とを加算して、T相電圧指令値VT*を生成する。   Adder 120 adds R-phase voltage command value VR # and the R-phase third harmonic component to generate R-phase voltage command value VR *. Adder 122 adds S-phase voltage command value VS # and the S-phase third harmonic component to generate S-phase voltage command value VS *. Adder 124 adds T-phase voltage command value VT # and the T-phase third harmonic component to generate T-phase voltage command value VT *.

乗算器128は、d軸電圧指令Vd*の二乗値Vd*を算出する。乗算器130は、q軸電圧指令Vq*の二乗値Vq*を算出する。加算器132は、d軸電圧指令の二乗値Vd*とq軸電圧指令の二乗値Vq*とを加算する。平方根134は、加算器132の加算結果の平方根(=(Vd*+Vq*1/2)を算出することにより、交流電圧指令値V♯の基本波の振幅を算出する。 The multiplier 128 calculates a square value Vd * 2 of the d-axis voltage command Vd *. The multiplier 130 calculates the square value Vq * 2 q-axis voltage command Vq *. The adder 132 adds the square value Vd * 2 of the d-axis voltage command and the square value Vq * 2 of the q-axis voltage command. Square root 134 calculates the amplitude of the fundamental wave of AC voltage command value V # by calculating the square root (= (Vd * 2 + Vq * 2 ) 1/2 ) of the addition result of adder 132.

PWM制御部126は、交流電圧指令値VR*,VS*,VT*に基づいて、4段直列多重変換器20を制御するためのゲートパルス信号GC1〜GC4(図1)を生成する。PWM制御部126は、線間電圧の振幅に基づいてゲートパルス信号GC1〜GC4を生成する。   The PWM control unit 126 generates gate pulse signals GC1 to GC4 (FIG. 1) for controlling the four-stage serial multiple converter 20 based on the AC voltage command values VR *, VS *, and VT *. The PWM control unit 126 generates the gate pulse signals GC1 to GC4 based on the amplitude of the line voltage.

図12は、図11に示したPWM制御部126の構成を示すブロック図である。図12を参照して、PWM制御部126は、第1段制御部141、第2段制御部142、第3段制御部143、第4段制御部144、および搬送波生成器135を含む。   FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of PWM control unit 126 shown in FIG. Referring to FIG. 12, PWM control unit 126 includes a first stage control unit 141, a second stage control unit 142, a third stage control unit 143, a fourth stage control unit 144, and a carrier wave generator 135.

搬送波生成器135は、搬送波CW1,CW2として三角波信号を生成する。搬送波CW1は、図4に示されるように、最大値が+Vdであり、最小値が0である。搬送波CW2は、最大値が0であり、最小値は−Vdである。搬送波CW1,CW2の周波数および位相は同じである。搬送波CW1,CW2は、交流電圧指令値Vx*の2N倍(例えばN=8)の周波数を有しており、交流電圧指令値Vx*に同期した信号である。   Carrier wave generator 135 generates triangular wave signals as carrier waves CW1 and CW2. The carrier wave CW1 has a maximum value of + Vd and a minimum value of 0, as shown in FIG. The carrier wave CW2 has a maximum value of 0 and a minimum value of −Vd. The frequencies and phases of the carriers CW1 and CW2 are the same. The carrier waves CW1 and CW2 have a frequency 2N times the AC voltage command value Vx * (for example, N = 8), and are signals synchronized with the AC voltage command value Vx *.

第1段制御部141は、交流電圧指令値Vx*(VR*,VS*,VT*)に基づいて、第1段変換器28におけるスイッチング素子S1x〜S8xのオンオフを制御するための制御指令であるゲートパルス信号GC1を生成する。   The first stage control unit 141 is a control command for controlling on / off of the switching elements S1x to S8x in the first stage converter 28 based on the AC voltage command value Vx * (VR *, VS *, VT *). A certain gate pulse signal GC1 is generated.

第2段制御部142は、交流電圧指令値Vx*(VR*,VS*,VT*)に基づいて、第2段変換器27におけるスイッチング素子S1x〜S8xのオンオフを制御するための制御指令であるゲートパルス信号GC2を生成する。   The second stage control unit 142 is a control command for controlling on / off of the switching elements S1x to S8x in the second stage converter 27 based on the AC voltage command value Vx * (VR *, VS *, VT *). A certain gate pulse signal GC2 is generated.

第3段制御部143は、交流電圧指令値Vx*(VR*,VS*,VT*)に基づいて、第3段変換器26におけるスイッチング素子S1x〜S8xのオンオフを制御するための制御指令であるゲートパルス信号GC3を生成する。   The third stage control unit 143 is a control command for controlling on / off of the switching elements S1x to S8x in the third stage converter 26 based on the AC voltage command value Vx * (VR *, VS *, VT *). A certain gate pulse signal GC3 is generated.

第4段制御部144は、交流電圧指令値Vx*(VR*,VS*,VT*)に基づいて、第4段変換器25におけるスイッチング素子S1x〜S8xのオンオフを制御するための制御指令であるゲートパルス信号GC4を生成する。   The fourth stage control unit 144 is a control command for controlling on / off of the switching elements S1x to S8x in the fourth stage converter 25 based on the AC voltage command value Vx * (VR *, VS *, VT *). A certain gate pulse signal GC4 is generated.

図13は、図12に示した第4段制御部144の構成例を示すブロック図である。図13を参照して、第4段制御部144は、減算器150、乗算器152、比較器COM1〜COM4、および反転器I1〜I4を含む。   FIG. 13 is a block diagram illustrating a configuration example of the fourth stage control unit 144 illustrated in FIG. 12. Referring to FIG. 13, fourth stage control unit 144 includes a subtractor 150, a multiplier 152, comparators COM1 to COM4, and inverters I1 to I4.

減算器150は、交流電圧指令値Vx*からVd×3を減算する。Vd×3は第1段変換器28から第3段の変換器26の交流出力電圧の合成電圧に値する。   The subtracter 150 subtracts Vd × 3 from the AC voltage command value Vx *. Vd × 3 is equivalent to the combined voltage of the AC output voltages of the first-stage converter 28 to the third-stage converter 26.

乗算器152は、交流電圧指令値Vx*からVd×3を減じたもの(=Vx*−Vd×3)に−1を乗じる。乗算器152の乗算値は、交流電圧指令値−Vx*にVd×3を加算した者に値する。   Multiplier 152 multiplies AC voltage command value Vx * by subtracting Vd × 3 (= Vx * −Vd × 3) by −1. The multiplication value of the multiplier 152 is worth the person who added Vd × 3 to the AC voltage command value −Vx *.

比較器COM1は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値Vx*−Vd×3を受け、反転入力端子(−端子)に搬送波CW1を受ける。比較器COM1は、交流電圧指令値Vx*−Vd×3および搬送波CW1の高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM1の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S1xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM1 receives the AC voltage command value Vx * −Vd × 3 at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the carrier wave CW1 at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM1 compares the AC voltage command value Vx * −Vd × 3 with the level of the carrier wave CW1, and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM1 becomes a gate pulse signal of the switching element S1x of the fourth stage converter 25.

反転器I1は、比較器COM1の出力信号を反転する。反転器I1の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S3xのゲートパルス信号となる。   The inverter I1 inverts the output signal of the comparator COM1. The output signal of the inverter I1 becomes a gate pulse signal of the switching element S3x of the fourth stage converter 25.

比較器COM2は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値Vx*−Vd×3を受け、反転入力端子(−端子)に搬送波CW2を受ける。比較器COM2は、交流電圧指令値Vx*−Vd×3および搬送波CW2の高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM2の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S2xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM2 receives the AC voltage command value Vx * −Vd × 3 at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the carrier wave CW2 at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM2 compares the AC voltage command value Vx * −Vd × 3 and the level of the carrier wave CW2, and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM2 becomes a gate pulse signal of the switching element S2x of the fourth stage converter 25.

反転器I2は、比較器COM2の出力信号を反転する。反転器I2の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S4xのゲートパルス信号となる。   The inverter I2 inverts the output signal of the comparator COM2. The output signal of the inverter I2 becomes a gate pulse signal of the switching element S4x of the fourth stage converter 25.

比較器COM3は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値−Vx*+Vd×3を受け、反転入力端子(−端子)に搬送波CW1を受ける。比較器COM1は、交流電圧指令値−Vx*+Vd×3および搬送波CW1の高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM3の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S5xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM3 receives the AC voltage command value −Vx * + Vd × 3 at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the carrier wave CW1 at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM1 compares the AC voltage command value −Vx * + Vd × 3 with the level of the carrier wave CW1, and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM3 becomes a gate pulse signal of the switching element S5x of the fourth stage converter 25.

反転器I3は、比較器COM3の出力信号を反転する。反転器I3の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S7xのゲートパルス信号となる。   The inverter I3 inverts the output signal of the comparator COM3. The output signal of the inverter I3 becomes a gate pulse signal of the switching element S7x of the fourth stage converter 25.

比較器COM4は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値−Vx*+Vd×3を受け、反転入力端子(−端子)に搬送波CW2を受ける。比較器COM4は、交流電圧指令値−Vx*+Vd×3および搬送波CW2の高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM4の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S6xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM4 receives the AC voltage command value −Vx * + Vd × 3 at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the carrier wave CW2 at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM4 compares the AC voltage command value −Vx * + Vd × 3 with the level of the carrier wave CW2, and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM4 becomes a gate pulse signal of the switching element S6x of the fourth stage converter 25.

反転器I4は、比較器COM4の出力信号を反転する。反転器I4の出力信号は、第4段変換器25のスイッチング素子S8xのゲートパルス信号となる。   The inverter I4 inverts the output signal of the comparator COM4. The output signal of the inverter I4 becomes a gate pulse signal of the switching element S8x of the fourth stage converter 25.

図14は、図12に示した第1段制御部141から第3段制御部143の構成例を示すブロック図である。図14では、第1段制御部141から第3段制御部143の構成を総括的に説明するため、符号1,2,3をまとめて符号「i」と示す。   FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration example of the first-stage control unit 141 to the third-stage control unit 143 illustrated in FIG. In FIG. 14, reference numerals 1, 2, and 3 are collectively denoted as “i” in order to comprehensively describe the configuration of the first stage control unit 141 to the third stage control unit 143.

図14を参照して、第i段制御部14iは、単一長パルスモード制御部160と、単一短パルスモード制御部162と、スイッチ164と、モード切替部166とを含む。   Referring to FIG. 14, i-th stage control unit 14 i includes a single long pulse mode control unit 160, a single short pulse mode control unit 162, a switch 164, and a mode switching unit 166.

単一長パルスモード制御部160は、単一長パルスモードを実行することにより、交流電圧指令値Vx*に基づいてゲートパルス信号GCiを生成する。単一短パルスモード制御部162は、単一短パルスモードを実行することにより、交流電圧指令値Vx*に基づいてゲートパルス信号GCiを生成する。   The single long pulse mode control unit 160 generates the gate pulse signal GCi based on the AC voltage command value Vx * by executing the single long pulse mode. The single short pulse mode control unit 162 generates the gate pulse signal GCi based on the AC voltage command value Vx * by executing the single short pulse mode.

図15は、図14に示した単一長パルスモード制御部160の構成例を示すブロック図である。図15を参照して、単一長パルスモード制御部160は、乗算器170、比較器COM11〜COM14、および反転器I11〜I14を含む。   FIG. 15 is a block diagram illustrating a configuration example of the single long pulse mode control unit 160 illustrated in FIG. 14. Referring to FIG. 15, single-length pulse mode control unit 160 includes a multiplier 170, comparators COM11 to COM14, and inverters I11 to I14.

乗算器170は、交流電圧指令値Vx*に−1を乗じることにより、交流電圧指令値−Vx*を算出する。   Multiplier 170 calculates AC voltage command value -Vx * by multiplying AC voltage command value Vx * by -1.

比較器COM11は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値Vx*を受け、反転入力端子(−端子)に第i閾値電圧Vthiを受ける。比較器COM11は、交流電圧指令値Vx*および第i閾値電圧Vthiの高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM11の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S1xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM11 receives the AC voltage command value Vx * at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the i-th threshold voltage Vthi at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM11 compares the AC voltage command value Vx * and the i-th threshold voltage Vthi and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM11 becomes a gate pulse signal of the switching element S1x of the i-th stage converter.

反転器I11は、比較器COM11の出力信号を反転する。反転器I11の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S3xのゲートパルス信号となる。   The inverter I11 inverts the output signal of the comparator COM11. The output signal of the inverter I11 becomes a gate pulse signal of the switching element S3x of the i-th stage converter.

比較器COM12は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値Vx*を受け、反転入力端子(−端子)に第i閾値電圧/Vthiを受ける。/VthiはVthiを−Vdオフセットさせた電圧である。比較器COM12は、交流電圧指令値Vx*および第i閾値電圧/Vthiの高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM12の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S2xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM12 receives the AC voltage command value Vx * at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the i-th threshold voltage / Vthi at the inverting input terminal (−terminal). / Vthi is a voltage obtained by offsetting Vthi by −Vd. The comparator COM12 compares the AC voltage command value Vx * and the i-th threshold voltage / Vthi and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM12 becomes a gate pulse signal of the switching element S2x of the i-th stage converter.

反転器I12は、比較器COM12の出力信号を反転する。反転器I12の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S4xのゲートパルス信号となる。   The inverter I12 inverts the output signal of the comparator COM12. The output signal of the inverter I12 becomes a gate pulse signal of the switching element S4x of the i-th converter.

比較器COM13は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値−Vx*を受け、反転入力端子(−端子)に第i閾値電圧Vthiを受ける。比較器COM13は、交流電圧指令値−Vx*および第i閾値電圧Vthiの高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM13の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S5xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM13 receives the AC voltage command value −Vx * at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the i-th threshold voltage Vthi at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM13 compares the AC voltage command value -Vx * and the i-th threshold voltage Vthi and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM13 becomes a gate pulse signal of the switching element S5x of the i-th stage converter.

反転器I13は、比較器COM13の出力信号を反転する。反転器I13の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S7xのゲートパルス信号となる。   The inverter I13 inverts the output signal of the comparator COM13. The output signal of the inverter I13 becomes a gate pulse signal of the switching element S7x of the i-th stage converter.

比較器COM14は、非反転入力端子(+端子)に交流電圧指令値−Vx*を受け、反転入力端子(−端子)に第i閾値電圧/Vthiを受ける。比較器COM14は、交流電圧指令値−Vx*および第i閾値電圧/Vthiの高低を比較し、比較結果を示す信号を出力する。比較器COM14の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S6xのゲートパルス信号となる。   The comparator COM14 receives the AC voltage command value −Vx * at the non-inverting input terminal (+ terminal) and the i-th threshold voltage / Vthi at the inverting input terminal (−terminal). The comparator COM14 compares the AC voltage command value -Vx * and the i-th threshold voltage / Vthi with each other, and outputs a signal indicating the comparison result. The output signal of the comparator COM14 becomes a gate pulse signal of the switching element S6x of the i-th stage converter.

反転器I14は、比較器COM14の出力信号を反転する。反転器I14の出力信号は、第i段変換器のスイッチング素子S8xのゲートパルス信号となる。   The inverter I14 inverts the output signal of the comparator COM14. The output signal of the inverter I14 becomes a gate pulse signal of the switching element S8x of the i-th stage converter.

図16は、図14に示した単一短パルスモード制御部162の構成例を示すブロック図である。図16を参照して、単一短パルスモード制御部162は、図13に示した第4段制御部144と同じ構成を有する。ただし、単一短パルスモード制御部162は、減算器150が交流電圧指令値Vx*からVd×(i−1)を減算する点が第4段制御部144とは異なる。このVd×(i−1)は、第1段から第(i−1)段の変換器の交流出力電圧の合成電圧に値する。   FIG. 16 is a block diagram showing a configuration example of the single short pulse mode control unit 162 shown in FIG. Referring to FIG. 16, single short pulse mode control unit 162 has the same configuration as fourth stage control unit 144 shown in FIG. However, the single short pulse mode control unit 162 is different from the fourth stage control unit 144 in that the subtractor 150 subtracts Vd × (i−1) from the AC voltage command value Vx *. This Vd × (i−1) is worth the combined voltage of the AC output voltages of the first to (i−1) th stage converters.

図14に戻って、スイッチ164は、単一長パルスモード制御部160により生成されたゲートパルス信号GCiと、単一短パルスモード制御部162により生成されたゲートパルス信号GCiのうちの一方を選択して、第i段変換器に出力するように構成される。   Returning to FIG. 14, the switch 164 selects one of the gate pulse signal GCi generated by the single long pulse mode control unit 160 and the gate pulse signal GCi generated by the single short pulse mode control unit 162. Then, it is configured to output to the i-th stage converter.

モード切替部166は、スイッチ164を用いて、単一長パルスモードおよび単一短パルスモードを切り替える。モード切替部166は、平方根134(図11)により算出された交流電圧指令値V♯の基本波振幅(=(Vd*+Vq*1/2)に応じて、単一長パルスモードおよび単一短パルスモードを切り替える。 The mode switching unit 166 uses the switch 164 to switch between the single long pulse mode and the single short pulse mode. The mode switching unit 166 selects the single long pulse mode and the mode according to the fundamental wave amplitude (= (Vd * 2 + Vq * 2 ) 1/2 ) of the AC voltage command value V # calculated by the square root 134 (FIG. 11). Switch single short pulse mode.

ここで、単一長パルスモードおよび単一短パルスモードを切り替えるための判定値は、第1段変換器28、第2段変換器27および第3段変換器26の間で互いに異なるように設定される。   Here, the determination values for switching between the single long pulse mode and the single short pulse mode are set differently among the first stage converter 28, the second stage converter 27, and the third stage converter 26. Is done.

具体的には、第3段制御部143は、交流電圧指令値V♯の基本波振幅が公称定格電圧の5/8以上のときには単一長パルスモードを選択する一方で、基本波振幅が公称定格電圧の5/8未満のときには単一短パルスモードを選択する。   Specifically, the third stage control unit 143 selects the single-long pulse mode when the fundamental wave amplitude of the AC voltage command value V # is 5/8 or more of the nominal rated voltage, while the fundamental wave amplitude is nominal. When the voltage is less than 5/8, the single short pulse mode is selected.

第2段制御部142は、基本波振幅が公称定格電圧の3/8以上のときには単一長パルスモードを選択する一方で、基本波振幅が公称定格電圧の3/8未満のときには単一短パルスモードを選択する。   The second stage control unit 142 selects the single long pulse mode when the fundamental wave amplitude is 3/8 or more of the nominal rated voltage, while the single short pulse mode is selected when the fundamental wave amplitude is less than 3/8 of the nominal rated voltage. Select pulse mode.

第1段制御部141は、基本波振幅が公称定格電圧の1/8以上のときには単一長パルスモードを選択する一方で、基本波振幅が公称定格電圧の1/8未満のときには単一短パルスモードを選択する。   The first stage control unit 141 selects the single long pulse mode when the fundamental wave amplitude is 1/8 or more of the nominal rated voltage, while the single stage control unit 141 selects the single short pulse mode when the fundamental wave amplitude is less than 1/8 of the nominal rated voltage. Select pulse mode.

なお、第3段制御部143は、単一短パルスモードを選択した場合には、電気角22.5°〜33.75°の区間および電気角146.25°〜157.5°の区間の各々において、1パルス電圧を出力するように第3段変換器26のゲートパルス信号GC3を生成する。第2段制御部142は、単一短パルスモードを選択した場合には、電気角11.25°〜22.5°の区間および電気角157.5°〜168.75°の区間の各々において、1パルス電圧を出力するように第2段変換器27のゲートパルス信号GC2を生成する。第1段制御部141は、単一短パルスモードを選択した場合には、電気角0°〜11.25°°の区間および電気角168.75°〜180°の区間の各々において、1パルス電圧を出力するように第1段変換器28のゲートパルス信号GC1を生成する。   When the single short pulse mode is selected, the third stage control unit 143 has a section of electrical angle 22.5 ° to 33.75 ° and a section of electrical angle 146.25 ° to 157.5 °. In each, the gate pulse signal GC3 of the third stage converter 26 is generated so as to output one pulse voltage. In the case where the single short pulse mode is selected, the second stage control unit 142 is in each of the section of electrical angle 11.25 ° to 22.5 ° and the section of electrical angle 157.5 ° to 168.75 °. The gate pulse signal GC2 of the second stage converter 27 is generated so as to output one pulse voltage. When the single short pulse mode is selected, the first stage control unit 141 performs one pulse in each of the section of electrical angle 0 ° to 11.25 °° and the section of electrical angle 168.75 ° to 180 °. The gate pulse signal GC1 of the first stage converter 28 is generated so as to output a voltage.

これによると、系統電圧の低下時には、その電圧低下度合いに応じて、第1段変換器28から第3段変換器26の制御は単一長パルスモードから単一短パルスモードに切り替えられる。したがって、図7から図9で示したように、電圧低下の度合いが大きくなるに従って、第3段変換器26から第1段変換器28まで順番に、単一長パルスモードから単一短パルスモードに切り替えられることになる。これにより、系統電圧の低下時においても、4段直列多重変換器20全体としては多パルスモードによって制御することができるため、交流出力電圧における高調波の含有率を低減することができる。   According to this, when the system voltage is lowered, the control of the first stage converter 28 to the third stage converter 26 is switched from the single long pulse mode to the single short pulse mode according to the degree of voltage drop. Accordingly, as shown in FIG. 7 to FIG. 9, the single long pulse mode to the single short pulse mode are sequentially arranged from the third stage converter 26 to the first stage converter 28 as the degree of voltage drop increases. It will be switched to. Thereby, even when the system voltage is lowered, the entire four-stage serial multiple converter 20 can be controlled by the multi-pulse mode, so that the harmonic content in the AC output voltage can be reduced.

[実施の形態5]
上述した実施の形態1から4によれば、交流電圧指令値Vx*の電気角33.75°〜146.25°の区間IIにおいて、第4段変換器25のR相、S相、T相のスイッチング素子は常にオンオフするが、3相のうち2相のスイッチング素子のみをオンオフさせることができる。
[Embodiment 5]
According to the first to fourth embodiments described above, the R phase, S phase, and T phase of the fourth-stage converter 25 in the section II of the electrical angle of 33.75 ° to 146.25 ° of the AC voltage command value Vx *. These switching elements are always turned on / off, but only two-phase switching elements of the three phases can be turned on / off.

図17は、定格出力時の4段直列多重変換器20の動作波形図である。図17では、4段直列多重変換器20は最大電圧を出力している。この場合、3次高調波の重畳比率を約12%とすることで、電気角33.75°および146.25°において交流電圧指令値Vx*がVd×3とすることができる。   FIG. 17 is an operation waveform diagram of the four-stage serial multiple converter 20 at the rated output. In FIG. 17, the four-stage serial multiple converter 20 outputs the maximum voltage. In this case, by setting the superposition ratio of the third harmonic to about 12%, the AC voltage command value Vx * can be set to Vd × 3 at the electrical angles of 33.75 ° and 146.25 °.

実施の形態5では、各相の交流電圧指令値Vx*のうち、振幅が最大の相の電圧指令値をVd×4と一致させて、残りの2相の電圧指令値を変換器の出力線間電圧を維持するように補正する。図18は、このようにして各相の電圧指令値を発生させたときの4段直列多重変換器20の動作波形図である。図18において、一点鎖線は元の交流電圧指令値Vx*である。   In the fifth embodiment, among the AC voltage command values Vx * of each phase, the voltage command value of the phase having the maximum amplitude is made to coincide with Vd × 4, and the remaining two phase voltage command values are converted to the output line of the converter. Correct the voltage so that the voltage is maintained. FIG. 18 is an operation waveform diagram of the four-stage serial multiple converter 20 when the voltage command value for each phase is generated in this manner. In FIG. 18, the one-dot chain line is the original AC voltage command value Vx *.

図18に示すように、3相のうち振幅が最大の相の電圧指令値を、電気角60°〜120°の区間においてVd×4に固定する。この区間において、他の2相との線間電圧に影響がでないように、他の2相の電圧指令値を補正する。図18では、電気角0°〜60°の区間および電気角120°〜180°の区間の各々では、他の相の電圧指令値がVd×4に固定されているため、電圧指令値が補正されている。このような変調方法は、二相変調と呼ばれる。   As shown in FIG. 18, the voltage command value of the phase having the maximum amplitude among the three phases is fixed to Vd × 4 in the section of the electrical angle of 60 ° to 120 °. In this section, the voltage command values of the other two phases are corrected so that the line voltage with the other two phases is not affected. In FIG. 18, the voltage command value is corrected because the voltage command value of the other phase is fixed to Vd × 4 in each of the electrical angle interval of 0 ° to 60 ° and the electrical angle range of 120 ° to 180 °. Has been. Such a modulation method is called two-phase modulation.

本実施の形態によれば、第4段変換器25の単相フルブリッジ3レベル回路は、1周期当たり120°の期間スイッチングしないため、元の5パルスモードと比較してスイッチング素子のスイッチング回数が減少する。これにより、スイッチングによる変換器の損失を低減できる。したがって、4段直列多重変換器20全体で動作効率をより一層高めることが可能となる。   According to the present embodiment, the single-phase full-bridge three-level circuit of the fourth-stage converter 25 does not switch for a period of 120 ° per cycle, so that the switching frequency of the switching element is smaller than that of the original 5-pulse mode. Decrease. Thereby, the loss of the converter by switching can be reduced. Therefore, it is possible to further increase the operation efficiency of the entire four-stage serial multiple converter 20.

[変更例]
なお、上述した実施の形態では、本発明の直列多重電力変換装置として、BTBシステムを例示したが、この構成に限られることはない。例えば、本発明の直列多重電力変換装置は、自励式SVC(静止形無効電力補償装置)にも適用することができる。
[Example of change]
In the above-described embodiment, the BTB system is exemplified as the serial multiple power conversion device of the present invention, but the present invention is not limited to this configuration. For example, the serial multiple power converter of the present invention can also be applied to a self-excited SVC (static reactive power compensator).

また、上述した実施の形態では、直列多重変換器を構成する複数段の変換器を3レベル回路により構成する例を説明したが、各段の変換器を2レベル回路または4レベル以上のマルチレベル回路によって構成することも可能である。   In the above-described embodiment, an example in which a plurality of converters constituting a serial multiple converter are configured by a three-level circuit has been described. However, a converter of each stage may be a two-level circuit or a multilevel having four or more levels. It is also possible to configure with a circuit.

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。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

1 直列多重電力変換装置、2,3 電力系統、10 電力変換部、11 制御装置、12,52 交流電圧検出器、13,53 電流検出器、14 直流電圧検出器、15 直流正母線、16 直流中性点母線、17 直流負母線、20,60 4段直列多重変換器、25,65 第4段変換器、26,66 第3段変換器、27,67 第2段変換器、28,68 第1段変換器、110,112,150 減算器、114 電流制御部、116 二相/三相変換部、118 3f重畳演算部、120,122,124,132 加算器、126 PWM制御部、128,130,152,170 乗算器、134 平方根、135 搬送波生成器、141 第1段制御部、142 第2段制御部、143 第3段制御部、144 第4段制御部、160 単一長パルスモード制御部、162 単一短パルスモード制御部、164 スイッチ、166 モード切替部、C1,C2 平滑コンデンサ、COM1〜COM4,COM11〜COM14 比較器、CW1,CW2 搬送波、GC1〜GC8 ゲートパルス信号、I1〜I4,I11〜I14 反転器、S1R〜S8R,S1S〜S8S,S1T〜S8T スイッチング素子、D1R〜D12R,D1S〜D12S,D1T〜D12T ダイオード。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Serial multiple power converter, 2, 3 Power system, 10 Power converter, 11 Control apparatus, 12, 52 AC voltage detector, 13, 53 Current detector, 14 DC voltage detector, 15 DC positive bus, 16 DC Neutral point bus, 17 DC negative bus, 20, 60 4 stage serial multiple converter, 25, 65 4th stage converter, 26, 66 3rd stage converter, 27, 67 2nd stage converter, 28, 68 First stage converter, 110, 112, 150 Subtractor, 114 Current control unit, 116 Two-phase / three-phase conversion unit, 118 3f superimposition operation unit, 120, 122, 124, 132 Adder, 126 PWM control unit, 128 , 130, 152, 170 multiplier, 134 square root, 135 carrier generator, 141 first stage control unit, 142 second stage control unit, 143 third stage control unit, 144 fourth stage control unit, 160 unit One long pulse mode control unit, 162 Single short pulse mode control unit, 164 switch, 166 mode switching unit, C1, C2 smoothing capacitor, COM1-COM4, COM11-COM14 comparator, CW1, CW2 carrier wave, GC1-GC8 gate pulse Signal, I1-I4, I11-I14 Inverter, S1R-S8R, S1S-S8S, S1T-S8T Switching element, D1R-D12R, D1S-D12S, D1T-D12T Diode.

Claims (7)

交流電力系統に連系される直列多重電力変換装置であって、
一次巻線が前記交流電力系統に直列に多重接続されるM台(Mは2以上の整数)の変圧器と、
前記M台の変圧器の二次巻線にそれぞれ接続され、交流電力および直流電力の間で双方向の電力変換を行なう第1段から第M段の変換器と、
各段の変換器の交流出力電圧を直列合成した電圧が交流電圧指令値に一致するように、前記各段の変換器の交流出力電圧のPWM制御を行なう制御装置とを備え、
前記各段の変換器は、単相フルブリッジ回路により構成され、
前記PWM制御は、前記交流電圧指令値の半周期において複数のパルス電圧を出力するように変換器の制御指令を生成する多パルスモードと、上記区間において単一のパルス電圧を出力するように前記変換器の制御指令を生成する単一パルスモードとを有しており、
前記制御装置は、前記第1段から第(M−1)段の変換器を前記単一パルスモードによって制御するとともに、前記第M段の変換器を前記多パルスモードによって制御する、直列多重電力変換装置。
A serial multiple power conversion device linked to an AC power system,
M transformers (M is an integer of 2 or more) in which primary windings are connected in series to the AC power system;
A first to M-th converter connected to the secondary windings of the M transformers for performing bidirectional power conversion between AC power and DC power;
A control device that performs PWM control of the AC output voltage of the converter at each stage so that the voltage obtained by serially combining the AC output voltages of the converters at each stage matches the AC voltage command value;
Each stage of the converter is constituted by a single-phase full bridge circuit,
The PWM control includes a multi-pulse mode for generating a control command for the converter so as to output a plurality of pulse voltages in a half cycle of the AC voltage command value, and a single pulse voltage for outputting the single pulse voltage in the interval. A single pulse mode for generating a control command for the converter,
The control device controls the first to (M-1) th stage converters by the single pulse mode, and controls the Mth stage converters by the multipulse mode. Conversion device.
前記多パルスモードは、前記交流電圧指令値の2N倍(Nは2以上の整数)の周波数を有する搬送波と前記交流電圧指令値との比較により前記制御指令を生成するように構成され、
前記制御装置は、前記交流電圧指令値の電気角180×(M−1)/2N°以上180×{1−(M−1)/2N}°以下の区間において、前記第M段の変換器の前記多パルスモードによって制御する、請求項1に記載の直列多重電力変換装置。
The multi-pulse mode is configured to generate the control command by comparing the AC voltage command value with a carrier wave having a frequency 2N times (N is an integer equal to or greater than 2) the AC voltage command value,
The control device is configured to convert the M-th stage converter in a section of the AC voltage command value having an electrical angle of 180 × (M−1) / 2N ° or more and 180 × {1- (M−1) / 2N} ° or less. The serial multiple power conversion device according to claim 1, which is controlled by the multi-pulse mode.
前記単一パルスモードは、前記交流電圧指令値と閾値電圧との比較により前記制御指令を生成するように構成され、
前記制御装置は、前記第1段から第(M−1)段の変換器にそれぞれ対応して設定された、第1から第(M−1)の閾値電圧を有しており、
前記各段の変換器の直流電圧をVdとした場合、第Iの閾値電圧(Iは2以上M−1以下の整数)は、前記第1の閾値電圧よりVd×(I−1)だけ大きい電圧値に設定される、請求項1または2に記載の直列多重電力変換装置。
The single pulse mode is configured to generate the control command by comparing the AC voltage command value with a threshold voltage,
The control device has first to (M−1) th threshold voltages respectively set corresponding to the first to (M−1) th converters,
When the DC voltage of the converter at each stage is Vd, the Ith threshold voltage (I is an integer not smaller than 2 and not more than M-1) is larger than the first threshold voltage by Vd × (I−1). The serial multiple power conversion device according to claim 1 or 2, which is set to a voltage value.
前記制御装置は、前記交流電力系統の周波数を基本周波数とする正弦波に前記正弦波の3次高調波成分を重畳することによって前記交流電圧指令値を生成するように構成された電圧指令生成部を含み、
前記電圧指令生成部は、前記各段の変換器の直流回路の電圧をVdとした場合、前記交流電圧指令値の電気角0°から180°の区間において、以下の
(a)電気角0°以上180×(M−1)/2N°以下の区間において、電圧値が0から(M−1)×Vdまで増加し、
(b)電気角180×(M−1)/2N°以上180×{1−(M−1)/2N}°以下の区間において、電圧値が(M−1)×Vd以上M×Vd以下の範囲で変化し、
(c)電気角180×{1−(M−1)/2N}°以上180°以下の区間において、電圧値が(M−1)×Vdから0まで減少する、
を満たすように、前記交流電圧指令値を生成する、請求項1から3のいずれか1項に記載の直列多重電力変換装置。
The control device is configured to generate the AC voltage command value by superimposing a third harmonic component of the sine wave on a sine wave having the frequency of the AC power system as a fundamental frequency. Including
When the voltage of the DC circuit of the converter at each stage is set to Vd, the voltage command generator generates the following (a) electrical angle of 0 ° in a section of the AC voltage command value from 0 ° to 180 °. In the section of 180 × (M−1) / 2N ° or less, the voltage value increases from 0 to (M−1) × Vd,
(B) In a section where the electrical angle is 180 × (M−1) / 2N ° or more and 180 × {1- (M−1) / 2N} ° or less, the voltage value is (M−1) × Vd or more and M × Vd or less. In the range of
(C) The voltage value decreases from (M−1) × Vd to 0 in the section of electrical angle 180 × {1− (M−1) / 2N} ° to 180 °,
The serial multiple power converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the AC voltage command value is generated so as to satisfy
前記単一パルスモードは、前記交流電圧指令値と前記閾値電圧との比較により前記制御指令を生成する単一長パルスモードと、前記交流電圧指令値の電気角0°から180°の区間における1キャリア周期間のみに前記交流電圧指令値と前記搬送波との比較により前記制御指令を生成する単一短パルスモードとを有しており、
前記制御装置は、前記単一長パルスモードを前記単一短パルスモードよりも優先的に実行する、請求項3に記載の直列多重電力変換装置。
The single pulse mode includes a single-length pulse mode in which the control command is generated by comparing the AC voltage command value and the threshold voltage, and 1 in a section of the AC voltage command value from 0 ° to 180 °. A single short pulse mode for generating the control command by comparing the AC voltage command value and the carrier wave only during a carrier cycle;
The serial multiple power conversion device according to claim 3, wherein the control device preferentially executes the single long pulse mode over the single short pulse mode.
前記制御装置は、前記交流電圧指令値の振幅低下時において、前記第(M−1)段の変換器から前記第1段の変換器まで順番に、前記単一長パルスモードから前記単一パルスモードに切り替える、請求項5に記載の直列多重電力変換装置。   When the amplitude of the AC voltage command value is reduced, the control device sequentially starts from the single long pulse mode to the single pulse from the (M-1) th stage converter to the first stage converter. The serial multiple power converter according to claim 5 which switches to a mode. 前記交流電力系統は三相交流系統であり、
前記電圧指令生成部は、各相電圧の前記交流電圧指令値について、電気角60°以上120°以下の区間における電圧値をM×Vdに固定するとともに、電気角0°以上60°以下の区間および電気角120°以上180°以下の区間における電圧値を他の2相の電圧との線間電圧を維持するように補正する、請求項4に記載の直列多重電力変換装置。
The AC power system is a three-phase AC system,
The voltage command generation unit fixes the voltage value in the section of the electrical angle of 60 ° to 120 ° with respect to the AC voltage command value of each phase voltage to M × Vd, and the section of the electrical angle of 0 ° to 60 °. The serial multiple power conversion device according to claim 4, wherein the voltage value in the section of the electrical angle of 120 ° to 180 ° is corrected so as to maintain the line voltage with the other two-phase voltages.
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