JPH1189242A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高調波を低減できる単相電力変換装置を提供
する。 【解決手段】 ３レベル出力が可能な単相出力インバー
タブリッジ１〜４をｎ個備え前記インバータブリッジの
出力端子を直列接続した直列ｎ段の単相出力の電力変換
装置において、ｎ個の前記インバータブリッジの各出力
電圧の振幅Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 およびＶn の振幅比をＶ1
：Ｖ2 ：Ｖ3 ：Ｖn ＝１：２：４：２^{(n-1 )} とする電
圧振幅比配分手段１０、１５と、電力変換装置に与える
出力電圧指令に最も近い電圧を前記インバータブリッジ
２〜４の出力電圧の組合わせにより発生する指令電圧発
生手段１０、１５と、前記インバータブリッジ１をパル
ス幅変調して電力変換装置全体の出力電圧の平均値が電
圧指令と等しくなるように発生電圧を調整する出力電圧
調整手段１０、１５とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電力を交流電
力に変換する電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より比較的電圧歪みの少ないインバ
ータとして、一般に多重パルス幅変調方式の単相電力変
換装置が良く知られている。従来のバッテリを電源とす
る多重パルス幅変調方式の単相電力変換装置は、図７に
示すような構成であり、単相出力インバータブリッジで
構成される各パワーセル７０、７１、７２、７３の入力
電圧はほぼ等しく、電圧指令として正弦波を与えた場合
に、この多重パルス幅変調方式の単相電力変換装置の出
力電圧は図８に示すような段幅の等しい階段波となる。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記従
来例では、図８に示すような多重パルス幅変調方式の単
相電力変換装置における出力電圧波形のＦＦＴ解析は、
図９に示すようなスペクトラムになる。図９は出力周波
数１００Ｈｚ、三角キャリア周波数が１０ＫＨｚのパワ
ーセル４段の場合のスペクトラムであって、このような
４段のパワーセルで構成する多重インバータの場合に
は、キャリア周波数×８×ｍ（ｍ＝１、２、３、・・
・）の高調波が発生してしまうという問題がある。そこ
で、本発明は、多重パルス幅変調方式の単相電力変換装
置は元来、一般的な電力変換装置に比べて出力電圧の高
調波は少なくなっているが、厳しい使用環境からの要望
に応えて従来の多重パルス幅変調方式の電力変換装置よ
り、更に高調波を低減できる電力変換装置を提供するこ
とを目的としている。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の発明は、それぞれ絶縁された入力を
持つ３レベル出力が可能な単相出力インバータブリッジ
をｎ個備え前記単相出力インバータブリッジの出力端子
を直列接続した直列ｎ段の単相出力の電力変換装置にお
いて、ｎ個の前記単相出力インバータブリッジの各出力
電圧の振幅Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 およびＶn の振幅比を、 Ｖ1 ：Ｖ2 ：Ｖ3 ：・・・：Ｖn ＝１：２：４：・・・：２^(n-1) ・・・（１） とする電圧振幅比配分手段と、前記直列ｎ段の電力変換
装置に与える出力電圧指令に最も近い電圧を前記Ｖ2 乃
至Ｖn の出力電圧振幅を持つ単相出力インバータブリッ
ジの出力電圧の組合わせによって発生する指令電圧発生
手段と、前記Ｖ1の出力電圧振幅を持つ単相出力インバ
ータブリッジをパルス幅変調して前記直列ｎ段の電力変
換装置全体の出力電圧の平均値が前記電圧指令と等しく
なるように前記指令電圧発生手段の発生電圧を調整する
出力電圧調整手段とを備えたことを特徴としている。ま
た、請求項２記載の発明は、前記Ｖ1 の出力電圧振幅を
持つ単相出力インバータブリッジをパルス幅変調して前
記直列ｎ段の電力変換装置全体の出力電圧の平均値が前
記電圧指令と等しくなるように前記指令電圧発生手段の
発生電圧を微調整する出力電圧調整手段を備えたことを
特徴としている。そして、請求項３記載の発明は、請求
項１又は２記載の単相出力の電力変換装置を複数組備
え、各組の前記単相出力の電力変換装置の出力端子の一
端をそれぞれ接続して星形結線とし、各単相出力の電力
変換装置の出力は前記指令電圧発生手段および前記出力
電圧調整手段により電圧指令に等しくなるように調整し
た出力電圧として、前記各単相出力の電力変換装置の出
力電圧の電気角をそれぞれ等間隔ずつずれるように制御
し電力変換装置の前記結線されていない方の各端子から
多相電圧として出力する多相電圧出力手段を備えたこと
を特徴としている。この構成によれば電圧振幅比配分手
段により各単相出力インバータブリッジの電圧振幅（Ｖ
1 ：Ｖ2 ：Ｖ3 ：・・・：Ｖn ）が１：２：４：・・
・：２^(n-1)の配分比で分散出力されることになるの
で、単相出力インバータを４段直列に組合わせた構成の
電力変換装置では、各単相出力インバータブリッジが正
電圧、負電圧、０電圧の３レベル出力から、Ｖ1 を単位
ステップとして４段の単相出力インバータブリッジ接続
の電力変換装置全体では（２⁵ −１＝３１）段の電圧を
発生することができ、最適な組み合わせにより所望の出
力電圧がえられる。さらに、Ｖ1 をＰＷＭ調整できるよ
うにしておくことで微調整が可能となり、電圧指令Ｖre
f に忠実な正弦波出力が得られ、高調波を低減できる。

【０００５】

【発明の実施の形態】

（第１の実施の形態）以下、本発明の第１の実施の形態
について図を参照して説明する。図１〜図５は本発明の
第１の実施の形態に係る図である。図１は本発明の第１
の実施の形態に係る単相電力変換装置の構成図である。
図２は図１に示す単相パワーセルの出力電圧のステップ
を示す図である。図３は図１に示す単相電力変換装置の
出力電圧のステップを示す図である。図４は図１に示す
単相電力変換装置の出力電圧波形図である。図５は図４
に示す出力電圧波形のＦＦＴ解析スペクトルを示す図で
ある。図１において、ここではｎ＝４の場合であり、４
段直列接続の単相パワーセル１〜４によって単相電力変
換装置を構成し、各単相パワーセル１〜４にはバッテリ
電源５、６、７、８が接続されている。このパワーセル
の構成そのものは従来例と同一である。単相パワーセル
１は、半導体スイッチ１１〜１４で構成する単相インバ
ータブリッジを内部に持ち、電圧指令発生器１５の指令
に基づきパワーセルコントローラ１０が、コンデンサ９
を介して直流電圧Ｖ1 が印加される半導体スイッチ１１
〜１４をＯＮ／ＯＦＦしてＰＷＭ制御を行う。以下の単
相パワーセル２、３、４も同一構成なので、以降は代表
して単相パワーセル１について説明する。なお、請求項
に提示した電圧振幅比配分手段、指令電圧発生手段、出
力電圧調整手段とは、電圧指令発生器１５とパワーセル
コントローラ１０上で分担機能する、ソフトウェア部分
である。単相パワーセル１は、図２に示すＰＷＭ出力波
形のように、縦軸の振幅値として、０電圧、正電圧、負
電圧の３レベルの電圧を出力することができる。又、横
軸には０〜１０ｍｓの１周期を示し、これは周波数に直
すと１００Ｈｚ相当の例を示している。一般的にパワー
セルの出力電圧の振幅はパワーセルの入力電圧に比例
し、パワーセル内の電圧ロスを無視すればパワーセルの
入力電圧に等しくなる。ここで、一般にｎ段のパワーセ
ルが次のような電圧振幅を持つ場合（次式のｎ＝２以上
の整数と置いて）、 Ｖ1 ：Ｖ2 ：Ｖ3 ：・・・：Ｖn ＝１：２：４：・・・：２^(n-1) ・・・（１） このようなｎ段直列に接続されたパワーセル全体で出力
できる電圧は、各パワーセルの３レベル、０電圧、正電
圧、負電圧との組合わせによって、Ｖ1 を単位ステップ
として正側、負側に、それぞれ

【０００６】

【数１】

【０００７】ステップ。それと０電圧となる。従って、
出力としてはＶ1 のステップで、２のｎ＋１乗、から１
を引いた段数｛２⁽ⁿ⁺¹⁾ −１｝段の電圧を出力すること
ができる。図１でバッテリ５〜８の各電圧をＶ1 、Ｖ2
、Ｖ3 、Ｖ4 とすると、各電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 、Ｖ4
の値は式（３）のような比となっている。 Ｖ1 ：Ｖ2 ：Ｖ3 ：Ｖ4 ＝１：２：４：８ ・・・（３） なお、図１には各パワーセル１〜４の入力電源にバッテ
リ５〜８を使用しているが、他にトランスで絶縁された
ＤＣ−ＡＣインバータ等からの入力形式や、太陽電池等
を入力電源としても良い。図１のように式（３）のよう
な電圧比を持つ単相パワーセルを４段直列に組合わせた
場合には、図３に示すように、正側に１５段、負側に１
５段、それと０電圧で合計（２⁵ −１＝３１）段の電圧
発生が可能になり、全体としては電圧指令発生器１５の
正弦波電圧指令に基づき、図３のような正弦波が発生す
ることになる。正弦波の電圧指令をＶref とすれば、電
圧指令発生器１５から電圧指令Ｖrefを出力し、４段の
パワーセル１〜４全体の出力として、図３に示す正弦波
出力が得られるが、これではステップのＶ1 より小さな
電圧を出力することができないので、この場合にはさら
に次のようにするとよい。すなわち、電圧指令Ｖref の
振幅がＶ1 と同程度位に小さい場合は、電圧指令Ｖref
に対応した適切な出力電圧を発生することができないた
め、特にこの対策上Ｖ1 相当の電圧振幅を持つパワーセ
ル１をパルス幅変調方式の単相インバータとして、電圧
指令発生器１５内においてパワーセル１に与える電圧指
令Ｖref1を次式（４）として定義する。 Ｖref1＝Ｖref − a1 ×( ２×a2＋４×a3＋８×a4 )×Ｖ1 ・・・・（４） 但し、各制御率ａ4 〜ａ1 は次の値を取る。 ａ4 は｜Ｖref ｜＞８×Ｖ1 のとき１、それ以外で
は０、 ａ3 は｜Ｖref ｜−８×ａ4 ＞４×Ｖ1 のとき１、
それ以外では０、 ａ2 は｜Ｖref ｜−８×ａ4 −４×ａ3 ＞２×Ｖ1
のとき１、それ以外では０、 ａ1 はＶref ≧０で１、それ以外では−１とする。 更に、指令電圧発生手段によってＶ1 、Ｖ2 、Ｖ3 、Ｖ
4 段のパワーセル１〜４の各出力を、 パワーセル４は８×ａ1 ×ａ4 ×Ｖ1 の電圧を出力
し、 パワーセル３は４×ａ1 ×ａ3 ×Ｖ1 の電圧を出力
し、 パワーセル２は２×ａ1 ×ａ2 ×Ｖ1 の電圧を出力
し、 パワーセル１はＶref1を電圧指令とするＰＷＭ出力
をするようにコントローラで制御する。 すなわち、パワーセル１ではＶref1を電圧指令とするＰ
ＷＭ出力を行い、全体の出力電圧の平均値が正弦波電圧
指令Ｖref に等しくなるように、図４に示すように図３
のＶ1 ステップにそれぞれＰＷＭを実施して微調整的な
出力調整を行うことにより、全体の出力電圧の細かな調
整を可能にして、全体の出力電圧の平均値を正弦波電圧
指令Ｖref に等しくすることにより、忠実度を向上させ
ることができる。その結果、図４のように、電圧指令が
１００Ｈｚの正弦波で、三角波のキャリア周波数が１０
ＫＨｚの当電力変換装置の出力電圧波形のＦＦＴ解析結
果のスペクトラムは図５に示すようになり、図９に示し
た従来の多重パルス幅変調方式の単相電力変換装置のＦ
ＦＴ解析結果と比較すると、高調波のピークレベルが約
６分の１（−１５ｄＢ）程度に低減していることが分か
る。

【０００８】（第２の実施の形態）次に、本発明の第２
の実施の形態について図を参照して説明する。図６は本
発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置の構成図で
ある。図６において、各々４段直列接続のパワーセルで
構成する３組の単相電力変換装置１６、１７、１８は、
それぞれ第１の実施の形態で説明した単相電力変換装置
と同一である。各単相電力変換装置１６、１７、１８の
一方の端子ｓを中性点ｂにＹ結線し、電圧指令発生器等
の制御機構を含む３相電圧出力手段２０の制御に基づい
て、各単相電力変換装置１６、１７、１８の電圧指令の
電気角を１２０°ずれるように制御すれば、各出力端子
Ｕ、Ｖ、Ｗから３相の電圧指令に忠実な高調波の少ない
出力電圧を得ることができる。各パワーセルは、図１の
パワーセル１と同じ構成で成っている。すなわち、半導
体スイッチで構成するインバータブリッジを内部に持
ち、電圧指令発生器の指令に基づきパワーセルコントロ
ーラがコンデンサを介して直流電圧が印加される半導体
スイッチをＯＮ／ＯＦＦしてＰＷＭ制御を行う。そし
て、各パワーセルは、図２に示すＰＷＭ出力波形のよう
に、縦軸の振幅値として、０電圧、正電圧、負電圧の３
レベルの電圧を出力することができる。そこで、図のよ
うに５段のパワーセルが次のような電圧振幅を持つ場
合、 Ｖ1 ：Ｖ2 ：Ｖ3 ：Ｖ4 ：Ｖ5 ＝１：２：４：８：１６ このような５段直列に接続されたパワーセル全体で出力
できる電圧は、各パワーセルの３レベル、０電圧、正電
圧、負電圧との組合わせによって、Ｖ1 を単位ステップ
として正側、負側に、それぞれ３１ステップ、それと０
電圧となる。従って、出力としては２の（５＋１）乗
（＝６４）から１を引いた６３段の電圧を出力すること
ができる。このようにして、各パワーセルの電圧を適宜
組み合わせて正弦波電圧指令に近似するように粗調整的
に可変制御し、更に、最下位電位のパワーセル内でＰＷ
Ｍ出力を行い、全体の出力電圧の平均値が正弦波電圧指
令に等しくなるように、微調整的出力調整を行うことに
より、全体の出力電圧の細かな調整が可能となる。この
ように、第１および第２の実施の形態によれば、電力変
換装置から出力される高調波が効果的に低減できるの
で、出力段に必要なフィルタを省いたり小形にすること
が可能になり、特にコー・ジェネレーション・システム
や、無停電電源設備等において、系統電源へ連系する回
生装置や、昇圧チョッパ、インバータ等を介して太陽電
池を系統電源に連系させる太陽光電力変換装置に適用す
れば、系統電源を乱すことのない良質な電力を出力させ
ることができる。

【０００９】（第３の実施の形態）以上、図６において
は、それぞれ第１の実施の形態で説明した単相電力変換
装置を３組（１６、１７、１８）用いて３相電力系統を
構成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、
６相、１２相等の多相電力系統を構成することも可能で
ある。また、図６においては、各単相電力変換装置を５
段直列接続のパワーセルで構成しているが、本発明はこ
れに限定されるものではなく、６段以上の多段構成とす
ることも可能である。

【００１０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高調波の発生が少ない単相電力変換装置あるいは多相の
電力変換装置を提供できるので、出力部分に必要なフィ
ルタを小形化することが可能になり、系統連系する回生
コンバータあるいは太陽光発電インバータ等に適用すれ
ば、系統電源を乱すことの少ない電力変換装置を構成す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態に係る単相電力変換
装置の構成図である。

【図２】図１に示す単相パワーセルの出力電圧のステッ
プを示す図である。

【図３】図１に示す単相電力変換装置の出力電圧のステ
ップを示す図である。

【図４】図１に示す単相電力変換装置の出力電圧波形図
である。

【図５】図４に示す出力電圧波形のＦＦＴ解析スペクト
ラムを示す図である。

【図６】本発明の第２の実施の形態に係る電力変換装置
の構成図である。

【図７】従来の単相電力変換装置の構成図である。

【図８】図７に示す単相電力変換装置の出力電圧波形を
示す図である。

【図９】図８に示す出力電圧波形のＦＦＴ解析スペクト
ラムを示す図である。

【符号の説明】

１〜４ 単相パワーセル ５〜８ バッテリ ９ コンデンサ １０ パワーセルコントローラ １１〜１４ 半導体スイッチ １５ 電圧指令発生器 １６〜１８ 単相電力変換装置 ２０ ３相電圧出力手段

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 それぞれ絶縁された入力を持つ３レベル
   出力が可能な単相出力インバータブリッジをｎ個備え前
   記単相出力インバータブリッジの出力端子を直列接続し
   た直列ｎ段の単相出力の電力変換装置において、 ｎ個の前記単相出力インバータブリッジの各出力電圧の
   振幅Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3およびＶn の振幅比を、 Ｖ1 ：Ｖ2 ：Ｖ3 ：・・・：Ｖn ＝１：２：４：・・・：２^(n-1) ・・・（１） とする電圧振幅比配分手段と、 前記直列ｎ段の電力変換装置に与える出力電圧指令に最
   も近い電圧を前記Ｖ2乃至Ｖn の出力電圧振幅を持つ単
   相出力インバータブリッジの出力電圧の組合わせによっ
   て発生する指令電圧発生手段と、 を備えたことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 前記電力変換装置において、 前記Ｖ1 の出力電圧振幅を持つ単相出力インバータブリ
   ッジをパルス幅変調して前記直列ｎ段の電力変換装置全
   体の出力電圧の平均値が前記電圧指令と等しくなるよう
   に前記指令電圧発生手段の発生電圧を微調整する出力電
   圧調整手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載の単相出力の電力変
   換装置を複数組備え、各組の前記単相出力の電力変換装
   置の出力端子の一端をそれぞれ接続して星形結線とし、
   各単相出力の電力変換装置の出力は前記指令電圧発生手
   段および前記出力電圧調整手段により電圧指令に等しく
   なるように調整した出力電圧として、前記各単相出力の
   電力変換装置の出力電圧の電気角をそれぞれ等間隔ずつ
   ずれるように制御し電力変換装置の前記結線されていな
   い方の各端子から多相電圧として出力する多相電圧出力
   手段を備えたことを特徴とする電力変換装置。