JP7615714B2

JP7615714B2 - Power Conversion Equipment

Info

Publication number: JP7615714B2
Application number: JP2021013326A
Authority: JP
Inventors: 稔久田重田; 宏二丸山; マハルジャンラクスマン
Original assignee: Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2020-03-04
Filing date: 2021-01-29
Publication date: 2025-01-17
Anticipated expiration: 2041-01-29
Also published as: JP2021141799A

Description

本開示は、電力変換装置に関する。 This disclosure relates to a power conversion device.

電力変換装置の回路構成の一つに、モジュラーマルチレベルコンバータ（ＭＭＣ）がある。ＭＭＣは、直列に接続される複数のセルを備え、複数のセルは、それぞれ、コンデンサが接続されるフルブリッジ変換回路と、フルブリッジ変換回路内の複数のアームをオンまたはオフにする駆動回路とを有する。セルには複数の動作モードがあり、その一つとして、全ての上アームをオン状態にすることで、セルから零電圧を出力させる動作モードが存在する（例えば、特許文献１の図４Ｃのモード１参照）。 One of the circuit configurations of a power conversion device is the modular multilevel converter (MMC). The MMC has multiple cells connected in series, and each of the multiple cells has a full-bridge conversion circuit to which a capacitor is connected, and a drive circuit that turns on or off multiple arms in the full-bridge conversion circuit. The cell has multiple operating modes, one of which is an operating mode in which all upper arms are turned on to cause the cell to output zero voltage (see, for example, mode 1 in Figure 4C of Patent Document 1).

特許第６４１６４１１号公報Patent No. 6416411

零電圧を出力するために全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態にすると、コンデンサの充電ができなくなるので、コンデンサの電圧が次第に低下する。しかしながら、各アームを駆動する駆動回路がコンデンサから供給される電力を利用する構成では、コンデンサから駆動回路に供給される電力が不足すると、全ての上アーム又は全ての下アームをオン状態に維持できなくなる。その結果、零電圧を継続的に出力できなくなるおそれがある。 When all upper arms or all lower arms are turned on to output zero voltage, the capacitor cannot be charged, and the voltage of the capacitor gradually drops. However, in a configuration in which the drive circuit that drives each arm uses power supplied from a capacitor, if the power supplied from the capacitor to the drive circuit is insufficient, it is not possible to maintain all upper arms or all lower arms in the on state. As a result, there is a risk that zero voltage cannot be output continuously.

本開示は、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供する。 This disclosure provides a power conversion device that can continuously output zero voltage.

本開示は、
一対の交流出力端子をそれぞれ有し、前記一対の交流出力端子を介して直列に接続される複数のセル変換器を備え、
前記複数のセル変換器は、それぞれ、
コンデンサと、前記コンデンサと前記一対の交流出力端子との間に接続される電力変換回路と、前記電力変換回路を駆動する駆動回路と、前記コンデンサからの電力に基づいて前記駆動回路に電力を供給する給電回路とを有し、
前記電力変換回路は、複数の上アームと複数の下アームとを有するフルブリッジ回路であり、
前記駆動回路は、前記複数のセル変換器のうち自身のセル変換器の前記コンデンサの電圧値に基づいて、前記上アームがオンで前記下アームがオフの第１状態又は前記上アームがオフで前記下アームがオンの第２状態を、前記電力変換回路のキャリア周期よりも長く維持する、電力変換装置を提供する。 The present disclosure relates to
a plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals;
Each of the plurality of cell converters comprises:
a capacitor; a power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals; a drive circuit that drives the power conversion circuit; and a power supply circuit that supplies power to the drive circuit based on power from the capacitor;
the power conversion circuit is a full-bridge circuit having a plurality of upper arms and a plurality of lower arms,
The drive circuit provides a power conversion device that maintains a first state in which the upper arm is on and the lower arm is off, or a second state in which the upper arm is off and the lower arm is on, for a period longer than the carrier period of the power conversion circuit, based on the voltage value of the capacitor of a cell converter among the multiple cell converters.

本開示によれば、零電圧を継続的に出力可能な電力変換装置を提供できる。 This disclosure provides a power conversion device that can continuously output zero voltage.

一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図である。1 is a diagram illustrating a configuration example of a power conversion device according to an embodiment; セル変換器の第１構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a first configuration example of a cell converter. 第１状態又は第２状態の場合の動作モードを示す図である。FIG. 2 is a diagram showing an operation mode in the first state or the second state. 第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする動作モードを示す図である。FIG. 13 is a diagram showing an operation mode in which one of the two arms that are turned on is turned off when the voltage value of the capacitor falls below a predetermined voltage value in the first state or the second state. コンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下すると、図４の動作モードに従ってオンからオフにする一方のアームを交互に切り替える動作モードを示す図である。5 is a diagram showing an operation mode in which one arm is alternately switched from on to off according to the operation mode of FIG. 4 when the voltage value of the capacitor drops below a predetermined voltage value. FIG. 第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームをいずれもオフにする動作モードを示す図である。13 is a diagram showing an operation mode in which both of the on-state arms are turned off when the voltage value of the capacitor falls below a predetermined voltage value in the first state or the second state. FIG. 上アーム及び下アームが全てオフの状態から出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧にする場合、上アーム及び下アームが全てオフする前にオンしていたアームとは反対側のアームをオンにする動作モードを示す。This indicates an operation mode in which, when the output voltage Vout is set to zero voltage from a state in which the upper and lower arms are all off, the arm opposite to the arm that was on before the upper and lower arms were all turned off is turned on. 系統から電力変換装置に流れる電流と、上下アームのオン又はオフ状態と、セル変換器の出力電圧との関係を示す図である。1 is a diagram showing the relationship between the current flowing from the grid to the power conversion device, the on/off state of the upper and lower arms, and the output voltage of the cell converter. 系統から電力変換装置に流れる電流と、上下アームのオン又はオフ状態と、セル変換器の出力電圧との関係を示す図である。1 is a diagram showing the relationship between the current flowing from the grid to the power conversion device, the on/off state of the upper and lower arms, and the output voltage of the cell converter. 上アーム及び下アームが全てオフの状態の期間を導出する制御部の機能ブロックを例示する図である。13 is a diagram illustrating an example of functional blocks of a control unit that derives a period during which the upper arm and the lower arm are all in an off state. FIG. 上アーム及び下アームが全てオフの状態の期間を導出する制御部の機能ブロックを例示する図である。13 is a diagram illustrating an example of functional blocks of a control unit that derives a period during which the upper arm and the lower arm are all in an off state. FIG. 上アーム及び下アームが全てオフの状態にするタイミングを決定する制御部の機能ブロックを例示する図である。11 is a diagram illustrating an example of a functional block of a control unit that determines the timing when all of the upper arms and the lower arms are turned off. FIG. 給電回路の構成例を示す図である。FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration example of a power supply circuit. セル変換器の第２構成例を示す図である。FIG. 13 is a diagram illustrating a second configuration example of a cell converter.

以下、本開示に係る実施形態について図面を参照して説明する。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings.

図１は、一実施形態における電力変換装置の構成例を示す図であり、ＭＭＣの回路構成の一例を示す。ＭＭＣは、例えば、無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）や直流送電システム（ＨＶＤＣ）に適用可能である。図１に示す電力変換装置４００は、複数のクラスタ５０（５０ＵＶ，５０ＶＷ，５０ＷＵ）、複数のリアクトル５１（５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵ）及び制御部４０１を備える。 Figure 1 is a diagram showing an example of the configuration of a power conversion device in one embodiment, and shows an example of the circuit configuration of an MMC. The MMC can be applied to, for example, a static var compensator (STATCOM) or a high voltage direct current (HVDC) transmission system. The power conversion device 400 shown in Figure 1 includes multiple clusters 50 (50UV, 50VW, 50WU), multiple reactors 51 (51UV, 51VW, 51WU), and a control unit 401.

Ｕ相のクラスタ５０ＵＶは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，・・・５２ＵＶ_ｘを有する。Ｖ相のクラスタ５０ＶＷは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，・・・５２ＶＷ_ｘを有する。Ｗ相のクラスタ５０ＷＵは、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される複数のセル変換器５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，・・・５２ＷＵ_ｘを有する。ｘは、各クラスタにおいてセル変換器が直列に接続される個数を表し、２以上の整数である。 The U-phase cluster 50UV has a plurality of cell converters _52UV1 , _52UV2 , ... 52UVx connected in series via a pair of AC output terminals a, b. The V-phase cluster 50VW has a plurality of cell converters _52VW1 , _52VW2 , ... _52VWx connected in series via a pair of AC output terminals a, _b . The W-phase cluster 50WU has a plurality of cell converters _52WU1 , _52WU2 , ... 52WUx connected in series via a pair of AC output terminals a, b. _x represents the number of cell converters connected in series in each cluster and is an integer of 2 or more.

複数のセル変換器５２（５２ＵＶ_１～５２ＵＶ_ｘ，５２ＶＷ_１～５２ＶＷ_ｘ，５２ＷＵ_１～５２ＷＵ_ｘ）は、それぞれ、一対の交流出力端子ａ，ｂをそれぞれ有し、一対の交流出力端子ａ，ｂを介して直列に接続される。複数のセル変換器５２は、それぞれ、自身の第１の交流出力端子ａが、自身に隣接する一方のセル変換器の第２の交流出力端子ｂに接続され、自身の第２の交流出力端子ｂが、自身に隣接する他方のセル変換器の第１の交流出力端子ａに接続される。 Each of the multiple cell converters 52 (52UV ₁ to 52UV _x , 52VW ₁ to 52VW _x , 52WU ₁ to 52WU _x ) has a pair of AC output terminals a, b, and is connected in series via the pair of AC output terminals a, b. Each of the multiple cell converters 52 has its first AC output terminal a connected to the second AC output terminal b of an adjacent cell converter, and its second AC output terminal b connected to the first AC output terminal a of the other adjacent cell converter.

クラスタ５０ＵＶ、クラスタ５０ＶＷ、クラスタ５０ＷＵは、リアクトル５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵを介してデルタ結線されており、系統３００に連系している。系統３００への連系は、図示しない変圧器を介してもよい。デルタ結線は、デルタ結線内に循環電流が流れるので、制御部４０１は、この循環電流を複数のセル変換器５２によって制御することにより、逆相無効電流を調整できる。なお、図１は、デルタ結線を例示するが、クラスタ５０ＵＶ、クラスタ５０ＶＷ、クラスタ５０ＷＵは、スター結線されてもよいし、他の結線方式で結線されてもよい。 Cluster 50UV, cluster 50VW, and cluster 50WU are delta-connected via reactors 51UV, 51VW, and 51WU, and are connected to grid 300. Connection to grid 300 may be via a transformer (not shown). Since a circulating current flows within the delta connection, control unit 401 can adjust the negative-phase reactive current by controlling this circulating current using multiple cell converters 52. Note that while FIG. 1 illustrates a delta connection, cluster 50UV, cluster 50VW, and cluster 50WU may be star-connected or may be connected using another connection method.

複数のセル変換器５２は、それぞれ、複数のスイッチング素子を有する電力変換回路と、その電力変換回路を動作させる駆動回路部とを有する。複数のセル変換器５２は、互いに同一の構成を有する。スイッチング素子は、例えば、トランジスタと、そのトランジスタに逆並列に接続されるダイオードとを有する。トランジスタの具体例として、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）などが挙げられる。 Each of the multiple cell converters 52 has a power conversion circuit having multiple switching elements and a drive circuit unit that operates the power conversion circuit. The multiple cell converters 52 have the same configuration. The switching element has, for example, a transistor and a diode connected in anti-parallel to the transistor. Specific examples of transistors include an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) and a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor).

電力変換装置４００は、制御部４０１が複数のセル変換器５２のそれぞれに互いに異なる位相で電圧波形を出力させることで、スイッチング素子の耐圧以上の電圧を有し、且つ、高調波が低減されたマルチレベル電圧波形を出力できる。そのため、電力変換装置４００は、例えば、特別高圧系統に直接連系する無効電力補償装置や直流送電システムなどに適用可能である。 The power conversion device 400 can output a multilevel voltage waveform with reduced harmonics and a voltage equal to or higher than the withstand voltage of the switching element by causing each of the multiple cell converters 52 to output a voltage waveform with a different phase from the others using the control unit 401. Therefore, the power conversion device 400 can be applied to, for example, a reactive power compensation device or a DC transmission system that is directly connected to an extra-high voltage system.

図２は、セル変換器の第１構成例を示す図であり、複数のセル変換器５２ＵＶ_１～５２ＵＶ_ｘ，５２ＶＷ_１～５２ＶＷ_ｘ，５２ＷＵ_１～５２ＷＵ_ｘのそれぞれの構成例を示す。図２に示すセル変換器５２は、コンデンサ６００における直流電力を交流電力に変換して一対の交流出力端子ａ，ｂに出力する機能と、一対の交流出力端子ａ，ｂから入力される交流電力を直流電力に変換してコンデンサ６００に供給する機能とを有する。 2 is a diagram showing a first configuration example of a cell converter, and shows configuration examples of each of a plurality of cell converters 52UV ₁ to 52UV _x , 52VW ₁ to 52VW _x , and 52WU ₁ to 52WU _x . The cell converter 52 shown in FIG. 2 has a function of converting DC power in a capacitor 600 into AC power and outputting it to a pair of AC output terminals a, b, and a function of converting AC power input from the pair of AC output terminals a, b into DC power and supplying it to the capacitor 600.

セル変換器５２は、一対の交流出力端子ａ，ｂ、コンデンサ６００、電力変換回路５３、ＧＤＵ（Gate Drive Unit）５０２ａ～５０２ｄ及び給電回路６３０を備える。 The cell converter 52 includes a pair of AC output terminals a, b, a capacitor 600, a power conversion circuit 53, GDUs (Gate Drive Units) 502a to 502d, and a power supply circuit 630.

コンデンサ６００は、一対の交流出力端子ａ，ｂに電力変換回路５３を介して接続される容量素子である。Ｅｄｃは、コンデンサ６００の電圧値を表す。 Capacitor 600 is a capacitive element connected to a pair of AC output terminals a and b via power conversion circuit 53. Edc represents the voltage value of capacitor 600.

電力変換回路５３は、コンデンサ６００と一対の交流出力端子ａ，ｂとの間に接続され、直流と交流との間で双方向に電力を変換するインバータ回路である。電力変換回路５３は、コンデンサ６００に並列に接続されている。図２には、複数のスイッチング素子５０１（５０１ａ～５０１ｄ）を有するフルブリッジ回路が例示されている。電力変換回路５３は、スイッチング素子５０１ａ，５０１ｂが直列に接続される回路と、スイッチング素子５０１ｃ，５０１ｄが直列に接続される回路とが並列に接続されたフルブリッジ構成を有する。第１上アームのスイッチング素子５０１ａと第１下アームのスイッチング素子５０１ｂとの間の接続点に、第１の交流出力端子ａが接続されている。第２上アームのスイッチング素子５０１ｃと第２下アームのスイッチング素子５０１ｄとの間の接続点に、第２の交流出力端子ｂが接続されている。 The power conversion circuit 53 is an inverter circuit that is connected between the capacitor 600 and a pair of AC output terminals a, b and converts power bidirectionally between DC and AC. The power conversion circuit 53 is connected in parallel to the capacitor 600. FIG. 2 illustrates a full bridge circuit having a plurality of switching elements 501 (501a to 501d). The power conversion circuit 53 has a full bridge configuration in which a circuit in which switching elements 501a and 501b are connected in series and a circuit in which switching elements 501c and 501d are connected in series are connected in parallel. A first AC output terminal a is connected to the connection point between the switching element 501a of the first upper arm and the switching element 501b of the first lower arm. A second AC output terminal b is connected to the connection point between the switching element 501c of the second upper arm and the switching element 501d of the second lower arm.

図２に例示する複数のスイッチング素子５０１は、ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴであるが、ＭＯＳＦＥＴやサイリスタ等のスイッチング機能を有するスイッチング素子でもよい。 The multiple switching elements 501 illustrated in FIG. 2 are IGBTs with diodes connected in inverse parallel, but they may also be switching elements with switching functions such as MOSFETs or thyristors.

スイッチング素子と逆並列ダイオードとのうち少なくとも一方は、ＳｉＣ（炭化ケイ素）やＧａＮ（窒化ガリウム）やＧａ_２Ｏ_３（酸化ガリウム）やダイヤモンドなどのワイドバンドギャップ半導体を含む素子であることが好ましい。ワイドバンドギャップ半導体をスイッチング素子に適用することにより、スイッチング素子の損失低減の効果が高まる。なお、スイッチング素子は、Ｓｉ（シリコン）などの半導体を含む素子でもよい。同様に、ワイドバンドギャップ半導体を含む素子をダイオードに適用することにより、ダイオードの損失低減の効果が高まる。なお、ダイオードは、Ｓｉ（シリコン）などの半導体を含む素子でもよい。 At least one of the switching element and the anti-parallel diode is preferably an element including a wide band gap semiconductor such as SiC (silicon carbide), GaN (gallium nitride), Ga ₂ O ₃ (gallium oxide), or diamond. By applying a wide band gap semiconductor to the switching element, the effect of reducing loss in the switching element is enhanced. The switching element may be an element including a semiconductor such as Si (silicon). Similarly, by applying an element including a wide band gap semiconductor to a diode, the effect of reducing loss in the diode is enhanced. The diode may be an element including a semiconductor such as Si (silicon).

ＧＤＵ５０２（５０２ａ～５０２ｄ）は、電力変換回路５３を駆動する駆動回路であり、具体的には、電力変換回路５３に構成される複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄのゲートを駆動するゲート駆動回路である。ＧＤＵ５０２は、コンデンサ６００から給電回路６３０を介して供給される電力に基づいて、電力変換回路５３に構成される複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄを駆動する。 The GDU 502 (502a to 502d) is a drive circuit that drives the power conversion circuit 53, and more specifically, is a gate drive circuit that drives the gates of multiple switching elements 501a to 501d that are configured in the power conversion circuit 53. The GDU 502 drives the multiple switching elements 501a to 501d that are configured in the power conversion circuit 53 based on the power supplied from the capacitor 600 via the power supply circuit 630.

給電回路６３０は、コンデンサ６００からの電力に基づいてＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄに電力を供給する自己給電回路（電源回路）である。図２に示す例では、給電回路６３０は、コンデンサ６００に並列に接続されている。ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄへの電力供給は、給電回路６３０を介して行われる。コンデンサ６００から供給される電力が給電回路６３０に供給され、給電回路６３０からＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄのそれぞれに必要な電力が供給される。 The power supply circuit 630 is a self-powered circuit (power supply circuit) that supplies power to the GDUs 502a to 502d based on the power from the capacitor 600. In the example shown in FIG. 2, the power supply circuit 630 is connected in parallel to the capacitor 600. Power is supplied to the GDUs 502a to 502d via the power supply circuit 630. Power supplied from the capacitor 600 is supplied to the power supply circuit 630, and the power supply circuit 630 supplies the necessary power to each of the GDUs 502a to 502d.

ＧＤＵ５０２ａ～５０２ｄは、制御部４０１（図１参照）からの制御信号に従って、複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄのうち対応するスイッチング素子のゲート－エミッタ間に電圧を印加することで、当該対応するスイッチング素子をオン又はオフにする。このような動作によって、セル変換器５２の一対の交流出力端子ａ，ｂ間に矩形波状の電圧が発生する。 The GDUs 502a to 502d apply a voltage between the gate and emitter of a corresponding one of the multiple switching elements 501a to 501d in accordance with a control signal from the control unit 401 (see FIG. 1), thereby turning the corresponding switching element on or off. This operation generates a square-wave voltage between a pair of AC output terminals a and b of the cell converter 52.

制御部４０１（図１参照）は、複数のセル変換器５２に共通のキャリア周期Ｔｃ（キャリア周波数の逆数）に従って、複数のスイッチング素子５０１ａ～５０１ｄをオン又はオフにする制御信号（例えば、パルス幅変調された信号）を生成するコントローラである。制御部４０１は、メモリとプロセッサ（例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit））を有し、制御部４０１の各機能は、メモリに記憶されたプログラムによって、プロセッサが動作することにより実現される。 The control unit 401 (see FIG. 1) is a controller that generates control signals (e.g., pulse-width modulated signals) that turn on or off the multiple switching elements 501a to 501d in accordance with a carrier period Tc (the inverse of the carrier frequency) common to the multiple cell converters 52. The control unit 401 has a memory and a processor (e.g., a CPU (Central Processing Unit)), and each function of the control unit 401 is realized by the processor operating according to a program stored in the memory.

制御部４０１は、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃを監視し、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃに基づいて、複数のセル変換器５２の中から一つ以上のセル変換器を選択する。例えば、制御部４０１は、複数のセル変換器５２のそれぞれのコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃがいずれも正常な場合、複数のセル変換器５２はいずれも健全であると判定し、複数のセル変換器５２の中から一つ以上の特定のセル変換器を選択する。制御部４０１は、例えば、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが所定の電圧範囲ＶＡにあるとき、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃは正常と判定し、当該コンデンサ６００を有するセル変換器は健全と判定する。制御部４０１は、選択されるセル変換器が固定されることを避けるため、複数のセル変換器５２の中から特定のセル変換器として選択される一つ以上のセル変換器を順次切り替えてもよい。 The control unit 401 monitors the voltage value Edc of the capacitor 600 of each of the multiple cell converters 52, and selects one or more cell converters from the multiple cell converters 52 based on the voltage value Edc of the capacitor 600 of each of the multiple cell converters 52. For example, when the voltage value Edc of each of the capacitors 600 of the multiple cell converters 52 is normal, the control unit 401 determines that all of the multiple cell converters 52 are healthy and selects one or more specific cell converters from the multiple cell converters 52. For example, when the voltage value Edc of the capacitor 600 is within a predetermined voltage range VA, the control unit 401 determines that the voltage value Edc of the capacitor 600 is normal and determines that the cell converter having the capacitor 600 is healthy. The control unit 401 may sequentially switch one or more cell converters selected as specific cell converters from the multiple cell converters 52 to avoid fixing the selected cell converter.

図３は、特定のセル変換器の動作モードを示す図である。制御部４０１は、複数のセル変換器５２がいずれも健全であると判定した場合、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態又は第２状態に維持させる。第１状態とは、全ての上アームがオンで全ての下アームがオフの状態を表し、第２状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオンの状態を表す。この例では、全ての上アームとは、スイッチング素子５０１ａ，５０１ｃであり、全ての下アームとは、スイッチング素子５０１ｂ，５０１ｄである。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号により指示される図３に示す動作モードに従って、第１状態又は第２状態を維持する。特定のセル変換器が第１状態又は第２状態に維持されることで、一対の交流出力端子ａ，ｂからの出力電圧Ｖｏｕｔは、零電圧になり、一対の交流出力端子ａ，ｂの間は、オン状態の全ての上アーム又は全ての下アームを介して、短絡される。その結果、特定のセル変換器を除く複数のセル変換器５２を用いて電力変換装置４００の運転を継続できる。 3 is a diagram showing the operation mode of a specific cell converter. When the control unit 401 determines that all of the multiple cell converters 52 are healthy, it maintains one or more specific cell converters selected from the multiple cell converters 52 in the first state or the second state. The first state represents a state in which all upper arms are on and all lower arms are off, and the second state represents a state in which all upper arms are off and all lower arms are on. In this example, all upper arms are switching elements 501a and 501c, and all lower arms are switching elements 501b and 501d. The GDU 502 of one or more specific cell converters selected by the control unit 401 maintains the first state or the second state according to the operation mode shown in FIG. 3 instructed by a control signal from the control unit 401. By maintaining the specific cell converter in the first state or the second state, the output voltage Vout from the pair of AC output terminals a and b becomes zero voltage, and the pair of AC output terminals a and b is short-circuited via all upper arms or all lower arms in the on state. As a result, the power conversion device 400 can continue to operate using multiple cell converters 52, excluding certain cell converters.

電力変換装置４００に構成される複数のクラスタ５０のそれぞれには、いずれかのセル変換器の異常発生に備えて、一つ以上のセル変換器が冗長に設けられている場合が多い。一つ以上の冗長なセル変換器が存在することで、いずれかのセル変換器が故障しても、電力変換装置４００は定格無効電力を出力できる。しかしながら、複数のセル変換器５２がいずれも健全である場合、一つ以上の冗長なセル変換器内の複数のスイッチング素子もスイッチングさせると、それらの冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失が発生してしまう。 Each of the multiple clusters 50 configured in the power conversion device 400 often has one or more redundant cell converters provided in preparation for an abnormality in any of the cell converters. The presence of one or more redundant cell converters allows the power conversion device 400 to output the rated reactive power even if any of the cell converters fails. However, if all of the multiple cell converters 52 are healthy, switching the multiple switching elements in one or more redundant cell converters will result in unnecessary switching loss in those redundant cell converters.

これに対し、本実施形態では、複数のセル変換器５２がいずれも健全である場合、一つ以上の特定のセル変換器が第１状態又は第２状態に維持されるので、一つ以上の冗長なセル変換器の無駄なスイッチング損失を抑制できる。 In contrast, in this embodiment, when all of the multiple cell converters 52 are healthy, one or more specific cell converters are maintained in the first state or the second state, thereby suppressing unnecessary switching losses in one or more redundant cell converters.

制御部４０１は、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態又は第２状態に少なくともキャリア周期Ｔｃよりも長く維持させる。これにより、コンデンサ６００から給電回路６３０を介してＧＤＵ５０２に供給される電力が不足しない限り、ＧＤＵ５０２は、キャリア周期Ｔｃよりも長い期間、出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧に維持できる。 The control unit 401 maintains one or more specific cell converters selected from the multiple cell converters 52 in the first state or the second state for at least longer than the carrier period Tc. As a result, unless there is a shortage of power supplied from the capacitor 600 to the GDU 502 via the power supply circuit 630, the GDU 502 can maintain the output voltage Vout at zero voltage for a period longer than the carrier period Tc.

図３において、電流ｉの極性が"正"とは、電流ｉが図２に示す向きで一方の交流出力端子ａから流出する状況を示し、電流ｉの極性が"負"とは、電流ｉが図２に示す向きとは逆向きで一方の交流出力端子ａから流入する状況を示す（後述の図４等も同様）。 In FIG. 3, the polarity of current i is "positive" indicates that current i flows out of one AC output terminal a in the direction shown in FIG. 2, and the polarity of current i is "negative" indicates that current i flows in from one AC output terminal a in the opposite direction to that shown in FIG. 2 (the same applies to FIG. 4, etc., described below).

図３は、第１状態又は第２状態の場合の動作モードを示す図である。制御部４０１は、例えば、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上のとき、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第１状態又は第２状態にキャリア周期Ｔｃよりも長く維持させる。閾値Ｖｔｈは、所定の電圧値の一例であり、上述の所定の電圧範囲ＶＡ（例えば、電圧範囲ＶＡの下限値）に設定される。一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上のとき、第１状態又は第２状態を、キャリア周期Ｔｃよりも長く維持する。これにより、給電回路６３０を介してＧＤＵ５０２に供給する電力がコンデンサ６００に比較的残っているので、ＧＤＵ５０２は、出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧に継続的に維持できる。 Figure 3 is a diagram showing the operation mode in the first state or the second state. For example, when the voltage value Edc of the capacitor 600 is equal to or greater than the threshold value Vth, the control unit 401 maintains one or more specific cell converters selected from the multiple cell converters 52 in the first state or the second state for longer than the carrier period Tc. The threshold value Vth is an example of a predetermined voltage value, and is set to the above-mentioned predetermined voltage range VA (for example, the lower limit value of the voltage range VA). When the voltage value Edc of the capacitor 600 is equal to or greater than the threshold value Vth, the GDU 502 of one or more specific cell converters maintains the first state or the second state for longer than the carrier period Tc. As a result, since the power supplied to the GDU 502 via the power supply circuit 630 remains relatively in the capacitor 600, the GDU 502 can continuously maintain the output voltage Vout at zero voltage.

第１状態では、正の電流ｉは、端子ｂ、スイッチング素子５０１ｃ、スイッチング素子５０１ａ、端子ａの順路で還流し（動作モードＡ）、負の電流ｉは、端子ａ、スイッチング素子５０１ａ、スイッチング素子５０１ｃ、端子ｂの順路で還流する（動作モードＢ）。一方、第２状態では、正の電流ｉは、端子ｂ、スイッチング素子５０１ｄ、スイッチング素子５０１ｂ、端子ａの順路で還流し（動作モードＣ）、負の電流ｉは、端子ａ、スイッチング素子５０１ｂ、スイッチング素子５０１ｄ、端子ｂの順路で還流する（動作モードＤ）。動作モードＡ～Ｄのいずれのモードでも、電流ｉはこのように還流するので、コンデンサ６００は電流ｉにより充電されない。 In the first state, the positive current i flows through the terminal b, switching element 501c, switching element 501a, and terminal a (operation mode A), and the negative current i flows through the terminal a, switching element 501a, switching element 501c, and terminal b (operation mode B). On the other hand, in the second state, the positive current i flows through the terminal b, switching element 501d, switching element 501b, and terminal a (operation mode C), and the negative current i flows through the terminal a, switching element 501b, switching element 501d, and terminal b (operation mode D). In any of operation modes A to D, the current i flows in this manner, so the capacitor 600 is not charged by the current i.

図４は、第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする動作モードを示す図である。制御部４０１は、第１状態又は第２状態で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする制御信号を、特定のセル変換器のＧＤＵ５０２に出力する。ＧＤＵ５０２は、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、オンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフにする。 Figure 4 shows an operating mode in which one of the two arms that are turned on is turned off when the capacitor voltage value drops below a predetermined voltage value in the first or second state. When the voltage value Edc drops below a threshold value Vth in the first or second state, the control unit 401 outputs a control signal to the GDU 502 of a specific cell converter to turn off one of the two arms that are turned on. When the voltage value Edc drops below the threshold value Vth, the GDU 502 turns off one of the two arms that are turned on.

例えば、図４において、ＧＤＵ５０２は、第１状態で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、図３に示した状態（前回動作モード）でオンしている２つのアーム（素子５０１ａ，５０１ｂ）のうち、一方のアーム（素子５０１ａ）をオフする。これにより、正の電流ｉは、端子ｂ、素子５０１ｃ、コンデンサ６００、素子５０１ｂの並列ダイオード、端子ａの順路で流れるので、動作モードＡ１では、コンデンサ６００を充電でき、出力電圧Ｖｏｕｔは－Ｅｄｃとなる。その結果、コンデンサ６００を閾値Ｖｔｈ以上の電圧値まで充電できる。同様に、ＧＤＵ５０２は、第２状態で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈよりも低下すると、図３に示した状態（前回動作モード）でオンしている２つのアーム（素子５０１ｂ，５０１ｄ）のうち、一方のアーム（素子５０１ｂ）をオフする。これにより、負の電流ｉは、端子ａ、素子５０１ａの並列ダイオード、コンデンサ６００、素子５０１ｄ、端子ｂの順路で流れるので、動作モードＣ２では、コンデンサ６００を充電でき、出力電圧ＶｏｕｔはＥｄｃとなる。その結果、コンデンサ６００を閾値Ｖｔｈ以上の電圧値まで充電できる。同様に、動作モードＢ２，Ｄ１でも、コンデンサ６００を閾値Ｖｔｈ以上の電圧値まで充電できる。なお，動作モードＡ２，Ｂ１，Ｃ１，Ｄ２のように、電流ｉの極性によっては、コンデンサ６００を充電しないモードも存在する。 For example, in FIG. 4, when the voltage value Edc falls below the threshold value Vth in the first state, the GDU 502 turns off one of the two arms (elements 501a, 501b) that are on in the state shown in FIG. 3 (previous operating mode). As a result, the positive current i flows in the following order: terminal b, element 501c, capacitor 600, the parallel diode of element 501b, and terminal a. In operation mode A1, the capacitor 600 can be charged, and the output voltage Vout becomes -Edc. As a result, the capacitor 600 can be charged to a voltage value equal to or greater than the threshold value Vth. Similarly, when the voltage value Edc falls below the threshold value Vth in the second state, the GDU 502 turns off one of the two arms (elements 501b, 501d) that are on in the state shown in FIG. 3 (previous operating mode). As a result, the negative current i flows in the following order: terminal a, the parallel diode of element 501a, capacitor 600, element 501d, and terminal b. In operation mode C2, capacitor 600 can be charged, and output voltage Vout becomes Edc. As a result, capacitor 600 can be charged to a voltage value equal to or greater than threshold value Vth. Similarly, in operation modes B2 and D1, capacitor 600 can be charged to a voltage value equal to or greater than threshold value Vth. Note that there are also modes in which capacitor 600 is not charged, such as operation modes A2, B1, C1, and D2, depending on the polarity of current i.

図５は、コンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下すると、図４の動作モードに従ってオンからオフにする一方のアームを交互に切り替える動作モードを示す図である。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、図５に示す動作モードで複数のスイッチング素子５０１をオン状態又はオフ状態にする。 Figure 5 is a diagram showing an operation mode in which one arm is alternately switched from on to off according to the operation mode of Figure 4 when the capacitor voltage value drops below a predetermined voltage value. The GDU 502 of one or more specific cell converters selected by the control unit 401 turns multiple switching elements 501 on or off in the operation mode shown in Figure 5 according to the control signal from the control unit 401.

ＧＤＵ５０２は、図４の動作モードに従ってオン状態からオフ状態にする半導体素子を図５の動作モードに従って切り替える。ＧＤＵ５０２は、第１状態の前の状態ＳＴＥＰ１が上アームのうち一方のアームがオフ状態である場合、第１状態の後の状態ＳＴＥＰ３で上アームのうち他方のアームをオフ状態にする。あるいは、ＧＤＵ５０２は、第２状態の前の状態ＳＴＥＰ１が下アームのうち一方のアームがオフ状態である場合、第２状態の後の状態ＳＴＥＰ３で下アームのうち他方のアームをオフ状態にする。 The GDU 502 switches the semiconductor element from the on state to the off state according to the operation mode of FIG. 4 in accordance with the operation mode of FIG. 5. If one of the upper arms is in the off state in state STEP 1 before the first state, the GDU 502 turns the other of the upper arms to the off state in state STEP 3 after the first state. Alternatively, if one of the lower arms is in the off state in state STEP 1 before the second state, the GDU 502 turns the other of the lower arms to the off state in state STEP 3 after the second state.

例えば、動作モードＡ３では、ＧＤＵ５０２は、ＳＴＥＰ１で図４の動作モードＡ１，Ａ２に従って素子５０１ａをオフしていたので、ＳＴＥＰ２で図３の動作モードＡ，Ｂに従って素子５０１ａをオンした後、ＳＴＥＰ３で図４の動作モードＢ１，Ｂ２に従って素子５０１ｃをオフする。これにより、前々回の動作モードＳＴＥＰ１と今回の動作モードＳＴＥＰ３との間で、コンデンサ６００を充電する電流ｉが流れる素子が素子５０１ａと素子５０１ｄとで切り替わる。したがって、特定の半導体素子への電流集中による発熱を低減でき、特定の半導体素子の劣化又は破損を抑制できる。 For example, in operation mode A3, GDU 502 turns off element 501a in STEP 1 according to operation modes A1 and A2 in FIG. 4, then turns on element 501a in STEP 2 according to operation modes A and B in FIG. 3, and then turns off element 501c in STEP 3 according to operation modes B1 and B2 in FIG. 4. As a result, between the operation mode STEP 1 before last and the current operation mode STEP 3, the element through which current i flows to charge capacitor 600 switches between element 501a and element 501d. Therefore, heat generation due to current concentration in a specific semiconductor element can be reduced, and deterioration or damage to the specific semiconductor element can be suppressed.

図６は、第１状態又は第２状態でコンデンサの電圧値が所定の電圧値よりも低下した場合に、オンしている２つのアームをいずれもオフにする動作モードを示す図である。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、図６に示す動作モードで複数のスイッチング素子５０１をオン状態又はオフ状態にする。制御部４０１は、複数のセル変換器５２の中から選択した一つ以上の特定のセル変換器を第３状態に維持させる。第３状態とは、全ての上アームがオフで全ての下アームがオフの状態を表す。 Figure 6 is a diagram showing an operation mode in which both of the on-state arms are turned off when the capacitor voltage value drops below a predetermined voltage value in the first or second state. The GDU 502 of one or more specific cell converters selected by the control unit 401 turns multiple switching elements 501 on or off in the operation mode shown in Figure 6 according to a control signal from the control unit 401. The control unit 401 maintains one or more specific cell converters selected from the multiple cell converters 52 in the third state. The third state refers to a state in which all upper arms are off and all lower arms are off.

図４，５の動作モードでは、ＧＤＵ５０２は、前回の動作モードでオンしている２つのアームのうち、一方のアームをオフ状態にする。これに対して，図６の動作モードでは、ＧＤＵ５０２は、前回の動作モードでオンしている２つのアームを両方ともオフ状態にする。これにより、今回の動作モードでは、４つの素子５０１ａ～５０１ｄが全てオフ状態になるので、制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器は、４つの素子５０１ａ～５０１ｄのそれぞれに並列接続されるダイオードによる整流器として動作する。その結果、電流ｉの極性に依存なく、コンデンサ６００を充電できる。 In the operating modes of Figures 4 and 5, the GDU 502 turns off one of the two arms that were on in the previous operating mode. In contrast, in the operating mode of Figure 6, the GDU 502 turns off both of the two arms that were on in the previous operating mode. As a result, in the current operating mode, all four elements 501a to 501d are turned off, and one or more specific cell converters selected by the control unit 401 operate as rectifiers using diodes connected in parallel to each of the four elements 501a to 501d. As a result, the capacitor 600 can be charged regardless of the polarity of the current i.

図７は、上アーム及び下アームが全てオフの状態から出力電圧Ｖｏｕｔを零電圧にする場合、上アーム及び下アームが全てオフする前にオンしていたアームとは反対側のアームをオンにする動作モードを示す。制御部４０１により選択された一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、図７に示す動作モードで複数のスイッチング素子５０１をオン状態又はオフ状態にする。 Figure 7 shows an operation mode in which, when the output voltage Vout is set to zero voltage from a state in which the upper and lower arms are all off, the arm opposite to the arm that was on before the upper and lower arms were all turned off is turned on. The GDU 502 of one or more specific cell converters selected by the control unit 401 turns multiple switching elements 501 on or off in the operation mode shown in Figure 7 according to the control signal from the control unit 401.

ＧＤＵ５０２は、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２になる前の状態ＳＴＥＰ１が第１状態の場合、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上になると、ＳＴＥＰ３で第２状態に切り替える。一方、ＧＤＵ５０２は、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２になる前の状態ＳＴＥＰ１が第２状態の場合、上アーム及び下アームが全てオフ状態ＳＴＥＰ２で電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上になると、ＳＴＥＰ３で第１状態に切り替える。 When the state STEP1 before the upper and lower arms all become the off state STEP2 is the first state, GDU502 switches to the second state in STEP3 when the voltage value Edc becomes equal to or greater than the threshold value Vth when the upper and lower arms are all in the off state STEP2. On the other hand, when the state STEP1 before the upper and lower arms all become the off state STEP2 is the second state, GDU502 switches to the first state in STEP3 when the voltage value Edc becomes equal to or greater than the threshold value Vth when the upper and lower arms are all in the off state STEP2.

例えば、動作モードＡ５では、ＧＤＵ５０２は、ＳＴＥＰ１で上アーム（素子５０１ａ，５０１ｃ）をオンしていたので、ＳＴＥＰ２で全ての半導体素子をオフした後、ＳＴＥＰ３で下アーム（素子５０１ｂ，５０１ｄ）をオンする。これにより、特定の半導体素子への電流集中による発熱を防ぎ，素子の劣化・破損を回避する。これにより、前々回の動作モードＳＴＥＰ１と今回の動作モードＳＴＥＰ３との間で、コンデンサ６００を充電する電流ｉが流れる素子が上アーム（素子５０１ａ，５０１ｃ）と下アーム（素子５０１ｂ，５０１ｄ）とで切り替わる。したがって、特定の半導体素子への電流集中による発熱を低減でき、特定の半導体素子の劣化又は破損を抑制できる。 For example, in operation mode A5, GDU 502 turns on the upper arm (elements 501a, 501c) in STEP 1, turns off all semiconductor elements in STEP 2, and then turns on the lower arm (elements 501b, 501d) in STEP 3. This prevents heat generation due to current concentration in a specific semiconductor element, and avoids deterioration or damage to the element. As a result, between the operation mode STEP 1 before last and the current operation mode STEP 3, the element through which the current i that charges capacitor 600 flows is switched between the upper arm (elements 501a, 501c) and the lower arm (elements 501b, 501d). Therefore, heat generation due to current concentration in a specific semiconductor element can be reduced, and deterioration or damage to the specific semiconductor element can be suppressed.

制御部４０１は、例えば、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上か否かを一定周期で判定する。制御部４０１は、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上という条件が成立すると、選択した一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２に対して、第１状態又は第２状態を維持するように指令する。一方、制御部４０１は、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ未満という条件が成立すると、選択した一つ以上の特定のセル変換器のＧＤＵ５０２に対して、コンデンサ６００を充電するための上述のいずれかの動作モードで動作するように指令する。 For example, the control unit 401 periodically determines whether the voltage value Edc is equal to or greater than the threshold value Vth. When the condition that the voltage value Edc is equal to or greater than the threshold value Vth is met, the control unit 401 instructs the GDU 502 of the selected one or more specific cell converters to maintain the first state or the second state. On the other hand, when the condition that the voltage value Edc is less than the threshold value Vth is met, the control unit 401 instructs the GDU 502 of the selected one or more specific cell converters to operate in one of the above-mentioned operating modes for charging the capacitor 600.

図３～図７に示す動作モードをリアルタイムで判定すると、コンデンサ６００を充電するために半導体素子がスイッチングする回数が増え、スイッチング損失が増加する。これに対し、電圧値Ｅｄｃが閾値Ｖｔｈ以上か否かの判定を一定周期で行うことで、スイッチング損失の過剰な増加を抑制できる。 When the operating modes shown in Figures 3 to 7 are determined in real time, the number of times the semiconductor element switches to charge the capacitor 600 increases, and switching loss increases. In contrast, by periodically determining whether the voltage value Edc is equal to or greater than the threshold value Vth, excessive increases in switching loss can be suppressed.

半導体素子が全てオフの第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔは、電流ｉの極性によって決まり、電流ｉの極性が正のときは－Ｅｄｃ、負のときはＥｄｃとなる（例えば、図６参照）。したがって、コンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃの増減を判定するタイミングによっては、あるいは、第３状態の期間の長さによっては、半導体素子が全てオフの状態での出力電圧Ｖｏｕｔの極性が、正又は負の一方に偏る可能性がある。つまり、出力電圧Ｖｏｕｔは、－Ｅｄｃ又はＥｄｃにオフセット電圧が重畳した電圧となる。オフセット電圧は、変圧器を偏磁させるため、系統擾乱が生じる可能性がある。一般に、電力変換装置４００には、系統３００の周波数と同じ周波数を持つ交流の電流ｉが流れる。 The output voltage Vout in the third state in which all semiconductor elements are off is determined by the polarity of the current i, and is -Edc when the polarity of the current i is positive, and Edc when the polarity of the current i is negative (see, for example, FIG. 6). Therefore, depending on the timing of determining whether the voltage value Edc of the capacitor 600 increases or decreases, or depending on the length of the period of the third state, the polarity of the output voltage Vout in the state in which all semiconductor elements are off may be biased toward either positive or negative. In other words, the output voltage Vout is -Edc or a voltage in which an offset voltage is superimposed on Edc. The offset voltage may cause the transformer to become biased, resulting in system disturbance. In general, an AC current i having the same frequency as the frequency of the system 300 flows through the power conversion device 400.

そこで、ＧＤＵ５０２は、制御部４０１からの制御信号に従って、複数のセル変換器５２が接続される系統３００に流れる交流の半周期（つまり、電流ｉの半周期）ごとに、上アーム及び下アームが全てオフの状態に切り替える（図８参照）。これにより、電流ｉの１周期では、半導体素子が全てオフの状態での出力電圧Ｖｏｕｔが相殺されるので、オフセット電圧を零に近づけることができる。 The GDU 502 switches all of the upper and lower arms to the off state in accordance with a control signal from the control unit 401 for each half cycle of the AC current flowing through the system 300 to which the multiple cell converters 52 are connected (i.e., half cycle of the current i) (see FIG. 8). As a result, during one cycle of the current i, the output voltage Vout with all the semiconductor elements in the off state is cancelled out, allowing the offset voltage to approach zero.

例えば図８に示すように、ＧＤＵ５０２は、上アーム及び下アームが全てオフの状態の期間を、電流ｉの前半の半周期と後半の半周期とで同じ長さ（ｔ１＝ｔ２）にする。これにより、半導体素子が全てオフの状態での出力電圧Ｖｏｕｔを相殺する精度が向上し、オフセット電圧を零に高精度に近づけることができる。 For example, as shown in FIG. 8, the GDU 502 sets the period during which the upper arm and the lower arm are all off to the same length (t1 = t2) in the first and second half cycles of the current i. This improves the accuracy of canceling the output voltage Vout when all the semiconductor elements are off, and makes it possible to bring the offset voltage close to zero with high precision.

あるいは、例えば図９に示すように、ＧＤＵ５０２は、一対の交流出力端子ａ，ｂから電流ｉの半周期に出力される電圧実効値の絶対値が、電流ｉの前半の半周期と後半の半周期とで一致するように上アーム及び下アームを駆動する。つまり、制御部４０１は、電流ｉの前半の半周期における出力電圧Ｖｏｕｔの実効値（電圧実効値Ｖｏｕｔ１）の絶対値と電流ｉの後半の半周期における出力電圧Ｖｏｕｔの実効値（電圧実効値Ｖｏｕｔ２）の絶対値とが一致するように、ＧＤＵ５０２を制御する。これにより、半導体素子が全てオフの第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔを相殺する精度が向上し、オフセット電圧を零に高精度に近づけることができる。 Alternatively, as shown in FIG. 9, for example, the GDU 502 drives the upper arm and the lower arm so that the absolute value of the effective voltage output from a pair of AC output terminals a, b in a half cycle of the current i is equal to the absolute value of the effective voltage Vout in the first half cycle of the current i in the first and second half cycles. In other words, the control unit 401 controls the GDU 502 so that the absolute value of the effective value of the output voltage Vout in the first half cycle of the current i (effective voltage Vout1) is equal to the absolute value of the effective value of the output voltage Vout in the second half cycle of the current i (effective voltage Vout2). This improves the accuracy of offsetting the output voltage Vout in the third state in which all semiconductor elements are off, and the offset voltage can be brought close to zero with high accuracy.

例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが零電圧の期間をモードＸ、電流ｉの前半の半周期の第３状態の期間をモードＹ、電流ｉの後半の半周期の第３状態の期間をモードＺとする。図１０に示すように、制御部４０１は、コンデンサ６００のコンデンサ電圧の指令値Ｅｒと検出値Ｅｄｃの平均値Ｅａとの差分ΔＥをＰＩ調節器４１２によりＰＩ調節演算することで、モードＹでの第３状態の期間Ｔ１を導出できる。図１０には、コンデンサ６００のコンデンサ電圧の検出値Ｅｄｃを交流ｉの１周期で移動平均することで平均値Ｅａを求めるフィルタ４１１を例示されているが、制御部４０１は、平均値Ｅａを一次遅れフィルタなどの別の手段で求めてもよい。制御部４０１は、ＰＩ調節器４１２により演算されたＰＩ調節演算出力値の下限を制限する機能を備えることで、期間Ｔ１の極性がマイナスになることを防ぐ。 For example, the period when the output voltage Vout is zero voltage is mode X, the period in the third state in the first half cycle of the current i is mode Y, and the period in the third state in the second half cycle of the current i is mode Z. As shown in FIG. 10, the control unit 401 can derive the period T1 of the third state in mode Y by performing a PI adjustment calculation of the difference ΔE between the command value Er of the capacitor voltage of the capacitor 600 and the average value Ea of the detection value Edc by the PI adjuster 412. FIG. 10 illustrates a filter 411 that calculates the average value Ea by moving the detection value Edc of the capacitor voltage of the capacitor 600 over one cycle of the AC i, but the control unit 401 may calculate the average value Ea by another means such as a first-order lag filter. The control unit 401 has a function of limiting the lower limit of the PI adjustment calculation output value calculated by the PI adjuster 412, thereby preventing the polarity of the period T1 from becoming negative.

一方、制御部４０１は、期間Ｔ１における電圧実効値Ｖｏｕｔ１の絶対値と期間Ｔ２における電圧実効値Ｖｏｕｔ２の絶対値とが等しくなるように、モードＺでの第３状態の期間Ｔ２の長さを決定すればよい。例えば，図１１のように、制御部４０１は、モードＹでの期間Ｔ１に検出値Ｅｄｃを積分器４１３で積分した結果とモードＺでの期間Ｔ２に検出値Ｅｄｃを積分器４１４で積分した結果とが一致したか否かを判定部４１５で判定する。制御部４０１は、両結果が一致したときに期間Ｔ２を終了する（期間Ｔ２の終了タイミングを決定する）。なお、制御部４０１は、パルスモード又は出力電圧Ｖｏｕｔの参照結果に基づき、出力電圧モードを判断できる。 On the other hand, the control unit 401 may determine the length of the period T2 of the third state in mode Z so that the absolute value of the effective voltage value Vout1 in period T1 is equal to the absolute value of the effective voltage value Vout2 in period T2. For example, as shown in FIG. 11, the control unit 401 determines in the determination unit 415 whether the result of integrating the detection value Edc by the integrator 413 in period T1 in mode Y matches the result of integrating the detection value Edc by the integrator 414 in period T2 in mode Z. The control unit 401 ends the period T2 (determines the end timing of the period T2) when the two results match. The control unit 401 can determine the output voltage mode based on the pulse mode or the reference result of the output voltage Vout.

制御部４０１がこのように制御することで、ＧＤＵ５０２は、電流ｉの前半の半周期で上アーム及び下アームが全てオフの第３状態の期間、電圧値Ｅｄｃを積分した値である第１積分値と、電流ｉの後半の半周期で上アーム及び下アームが全てオフの第３状態の期間、電圧値Ｅｄｃを積分した値である第２積分値とが等しくなるように、上アーム及び下アームを駆動する。これにより、半導体素子が全てオフの第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔを相殺する精度が向上し、オフセット電圧を零に高精度に近づけることができる。 By controlling in this manner by the control unit 401, the GDU 502 drives the upper arm and the lower arm so that a first integral value, which is the value obtained by integrating the voltage value Edc during the third state in which the upper arm and the lower arm are all off in the first half cycle of the current i, is equal to a second integral value, which is the value obtained by integrating the voltage value Edc during the third state in which the upper arm and the lower arm are all off in the second half cycle of the current i. This improves the accuracy of canceling out the output voltage Vout in the third state in which all semiconductor elements are off, and makes it possible to accurately approach the offset voltage to zero.

また、コンデンサ６００は、上アーム及び下アームを全てオフの第３状態で充電される。しかしながら、第３状態での出力電圧Ｖｏｕｔは、電力変換回路５３の制御に対しての外乱となるので、コンデンサ６００を充電する期間Ｔ１，Ｔ２は、極力短くなることが望ましい。コンデンサ６００に充電される電荷量は、コンデンサ６００への充電電流の大きさによって決まる。すなわち、交流出力端子ａ，ｂに流れる電流値の絶対値が所定値以上の期間でコンデンサ６００が充電されることで、期間Ｔ１，Ｔ２を短縮できる。 The capacitor 600 is charged in the third state with both the upper and lower arms off. However, since the output voltage Vout in the third state is a disturbance to the control of the power conversion circuit 53, it is desirable to make the periods T1 and T2 during which the capacitor 600 is charged as short as possible. The amount of charge stored in the capacitor 600 is determined by the magnitude of the charging current to the capacitor 600. In other words, the periods T1 and T2 can be shortened by charging the capacitor 600 during a period during which the absolute value of the current flowing through the AC output terminals a and b is equal to or greater than a predetermined value.

例えば図１２のように、制御部４０１は、電流ｉの電流値の絶対値を絶対値回路４１６で演算し、演算した絶対値をメモリ４１７に格納する。制御部４０１は、メモリ４１７に格納された前回値と絶対値回路４１６で今回演算された絶対値（今回値）との大小を比較器４１８により比較する。比較器４１８は、今回値より前回値が小さい場合、今回値より前回値が小さいことを表す第１判定値（例えば、１）を出力し、今回値より前回値が大きい場合、今回値より前回値が大きいこと表す第２判定値（例えば、０）を出力する。電流ｉの極大値又は極小値のタイミングは、第１判定値から第２判定値に又は第２判定値から第１判定値に切り替わるときである。したがって、制御部４０１は、第１判定値から第２判定値に又は第２判定値から第１判定値に切り替わったことを検出すると、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を開始させてもよい。 12, the control unit 401 calculates the absolute value of the current value of the current i in the absolute value circuit 416 and stores the calculated absolute value in the memory 417. The control unit 401 compares the previous value stored in the memory 417 with the absolute value (current value) calculated this time in the absolute value circuit 416 by the comparator 418. If the previous value is smaller than the current value, the comparator 418 outputs a first judgment value (e.g., 1) indicating that the previous value is smaller than the current value, and if the previous value is larger than the current value, the comparator 418 outputs a second judgment value (e.g., 0) indicating that the previous value is larger than the current value. The timing of the maximum or minimum value of the current i is when the first judgment value switches to the second judgment value or when the second judgment value switches to the first judgment value. Therefore, when the control unit 401 detects that the first judgment value switches to the second judgment value or when the second judgment value switches to the first judgment value, the control unit 401 may start the period T1 and the period T2.

制御部４０１がこのように制御することで、ＧＤＵ５０２は、交流出力端子ａ，ｂに流れる電流ｉの値に応じたタイミングで、上アーム及び下アームを全てオフの状態にすることができ、期間Ｔ１，Ｔ２を短縮できる。 By controlling the control unit 401 in this manner, the GDU 502 can turn off all of the upper and lower arms at a timing according to the value of the current i flowing through the AC output terminals a and b, thereby shortening the periods T1 and T2.

なお、制御部４０１は、電流ｉの電流値の絶対値が所定値以上になったことを検出すると、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を開始させてもよい。また、制御部４０１は、第１判定値から第２判定値に又は第２判定値から第１判定値に切り替わったことを検出すると、期間Ｔ１及び期間Ｔ２を終了させてもよい。制御部４０１がこのように制御することで、ＧＤＵ５０２は、交流出力端子ａ，ｂに流れる電流ｉの値に応じたタイミングで、上アーム及び下アームを全てオフの状態にすることができ、期間Ｔ１，Ｔ２を短縮できる。 The control unit 401 may start the periods T1 and T2 when it detects that the absolute value of the current value of the current i has reached a predetermined value or more. The control unit 401 may also end the periods T1 and T2 when it detects that the first judgment value has been switched to the second judgment value, or that the second judgment value has been switched to the first judgment value. By controlling in this way by the control unit 401, the GDU 502 can turn off all of the upper and lower arms at a timing according to the value of the current i flowing through the AC output terminals a and b, thereby shortening the periods T1 and T2.

図１３は、給電回路の構成例を示す図である。図１３に示す給電回路６３０は、抵抗１０ａ，１０ｂと、ダイオード１０ｃと、容量素子１０ｄとを有する。容量素子１０ｄは、ＧＤＵ５０２が複数のスイッチング素子５０１のオンに必要な電力を保持できる程度の容量を有し、コンデンサ６００からの電力で充電される。 Figure 13 is a diagram showing an example of the configuration of a power supply circuit. The power supply circuit 630 shown in Figure 13 has resistors 10a and 10b, a diode 10c, and a capacitance element 10d. The capacitance element 10d has a capacity sufficient to hold the power required for the GDU 502 to turn on the multiple switching elements 501, and is charged with power from the capacitor 600.

なお、各ＧＤＵへの給電方式は、図２に示す給電回路６３０に限られない。図１４は、セル変換器の第２構成例を示す図である。図１４に示すセル変換器５２Ａは、ＧＤＵ５０２のそれぞれに対して設けられた給電回路２１～２４を備える。給電回路２１～２４は、それぞれ、対応するスイッチング素子５０１に対して並列に接続される回路であり、コンデンサ６００からの電力供給を、対応するスイッチング素子５０１の素子端を介して受ける。 The power supply method for each GDU is not limited to the power supply circuit 630 shown in FIG. 2. FIG. 14 is a diagram showing a second configuration example of a cell converter. The cell converter 52A shown in FIG. 14 includes power supply circuits 21 to 24 provided for each GDU 502. Each of the power supply circuits 21 to 24 is a circuit connected in parallel to the corresponding switching element 501, and receives power supply from the capacitor 600 via the element terminal of the corresponding switching element 501.

このように、本実施形態では、ＧＤＵ５０２は、複数のセル変換器５２のうち自身のセル変換器のコンデンサ６００の電圧値Ｅｄｃに基づいて、第１状態又は第２状態を、電力変換回路５３のキャリア周期Ｔｃよりも長く維持する。これにより、ＧＤＵ５０２は、電圧値Ｅｄｃを参照して、第１状態又は第２状態を、電力変換回路５３のキャリア周期Ｔｃよりも長く維持するので、電圧値Ｅｄｃを加味して零電圧を継続的に出力できる。 In this manner, in this embodiment, the GDU 502 maintains the first state or the second state longer than the carrier period Tc of the power conversion circuit 53 based on the voltage value Edc of the capacitor 600 of its own cell converter among the multiple cell converters 52. As a result, the GDU 502 maintains the first state or the second state longer than the carrier period Tc of the power conversion circuit 53 by referring to the voltage value Edc, and can continuously output zero voltage taking into account the voltage value Edc.

以上、電力変換装置を実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。他の実施形態の一部又は全部との組み合わせや置換などの種々の変形及び改良が、本発明の範囲内で可能である。 Although the power conversion device has been described above using an embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment. Various modifications and improvements, such as combinations or substitutions with part or all of other embodiments, are possible within the scope of the present invention.

２１～２４給電回路
５０，５０ＵＶ，５０ＶＷ，５０ＷＵクラスタ
５１，５１ＵＶ，５１ＶＷ，５１ＷＵリアクトル
５２セル変換器
５２ＵＶ_１，５２ＵＶ_２，５２ＵＶ_ｘセル変換器
５２ＶＷ_１，５２ＶＷ_２，５２ＶＷ_ｘセル変換器
５２ＷＵ_１，５２ＷＵ_２，５２ＷＵ_ｘセル変換器
５３電力変換回路
３００系統
４００電力変換装置
４０１制御部
５０１，５０１ａ，５０１ｂ，５０１ｃ，５０１ｄスイッチング素子
５０２，５０２ａ，５０２ｂ，５０２ｃ，５０２ｄＧＤＵ
６００コンデンサ
６３０給電回路
ａ，ｂ交流出力端子 21 to 24 Power supply circuit 50, 50UV, 50VW, 50WU Cluster 51, 51UV, 51VW, 51WU Reactor 52 Cell converter 52UV ₁ , 52UV ₂ , 52UV _x- cell converter 52VW ₁ , 52VW ₂ , 52VW _x- cell converter 52WU ₁ , 52WU ₂ , 52WU _x- cell converter 53 Power conversion circuit 300 System 400 Power conversion device 401 Control unit 501, 501a, 501b, 501c, 501d Switching element 502, 502a, 502b, 502c, 502d GDU
600 Capacitor 630 Power supply circuit a, b AC output terminals

Claims

a plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals;
Each of the plurality of cell converters comprises:
a capacitor; a power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals; a drive circuit that drives the power conversion circuit; and a power supply circuit that supplies power to the drive circuit based on power from the capacitor;
the power conversion circuit is a full-bridge circuit having a plurality of upper arms and a plurality of lower arms,
the drive circuit maintains a first state in which the upper arm is on and the lower arm is off or a second state in which the upper arm is off and the lower arm is on for a period longer than a carrier period of the power conversion circuit based on a voltage value of the capacitor of the cell converter of the plurality of cell converters,
The drive circuit turns off one of the upper arms when the voltage value falls below a predetermined voltage value in the first state, and turns off one of the lower arms when the voltage value falls below a predetermined voltage value in the second state .

a plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals;
Each of the plurality of cell converters comprises:
a capacitor; a power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals; a drive circuit that drives the power conversion circuit; and a power supply circuit that supplies power to the drive circuit based on power from the capacitor;
the power conversion circuit is a full-bridge circuit having a plurality of upper arms and a plurality of lower arms,
the drive circuit maintains a first state in which the upper arm is on and the lower arm is off or a second state in which the upper arm is off and the lower arm is on for a period longer than a carrier period of the power conversion circuit based on a voltage value of the capacitor of the cell converter of the plurality of cell converters,
The drive circuit turns off both of the upper arms when the voltage value falls below a predetermined voltage value in the first state, and turns off both of the lower arms when the voltage value falls below a predetermined voltage value in the second state .

a plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals;
Each of the plurality of cell converters comprises:
a capacitor; a power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals; a drive circuit that drives the power conversion circuit; and a power supply circuit that supplies power to the drive circuit based on power from the capacitor;
the power conversion circuit is a full-bridge circuit having a plurality of upper arms and a plurality of lower arms,
the drive circuit maintains a first state in which the upper arm is on and the lower arm is off or a second state in which the upper arm is off and the lower arm is on for a period longer than a carrier period of the power conversion circuit based on a voltage value of the capacitor of the cell converter of the plurality of cell converters,
The drive circuit includes:
When a state before the upper arm and the lower arm are all turned off is the first state, when the upper arm and the lower arm are all turned off and the voltage value becomes equal to or greater than a predetermined voltage value, the state is switched to the second state;
A power conversion device that switches to the first state when the state before the upper arm and the lower arm are all turned off is the second state and when the upper arm and the lower arm are all turned off and the voltage value becomes equal to or greater than a predetermined voltage value .

a plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals;
Each of the plurality of cell converters comprises:
a capacitor; a power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals; a drive circuit that drives the power conversion circuit; and a power supply circuit that supplies power to the drive circuit based on power from the capacitor;
the power conversion circuit is a full-bridge circuit having a plurality of upper arms and a plurality of lower arms,
the drive circuit maintains a first state in which the upper arm is on and the lower arm is off or a second state in which the upper arm is off and the lower arm is on for a period longer than a carrier period of the power conversion circuit based on a voltage value of the capacitor of the cell converter of the plurality of cell converters,
The drive circuit switches all of the upper arms and the lower arms to an off state for each half cycle of an alternating current flowing through a system to which the multiple cell converters are connected .

a plurality of cell converters each having a pair of AC output terminals and connected in series via the pair of AC output terminals;
Each of the plurality of cell converters comprises:
a capacitor; a power conversion circuit connected between the capacitor and the pair of AC output terminals; a drive circuit that drives the power conversion circuit; and a power supply circuit that supplies power to the drive circuit based on power from the capacitor;
the power conversion circuit is a full-bridge circuit having a plurality of upper arms and a plurality of lower arms,
the drive circuit maintains a first state in which the upper arm is on and the lower arm is off or a second state in which the upper arm is off and the lower arm is on for a period longer than a carrier period of the power conversion circuit based on a voltage value of the capacitor of the cell converter of the plurality of cell converters,
A power conversion device that, when the voltage values of the capacitors of each of the multiple cell converters are all normal, selects one or more specific cell converters from the multiple cell converters, and maintains the first state or the second state of the selected specific cell converter for a period longer than the carrier period .

The power conversion device according to claim 1 , wherein the drive circuit maintains the first state or the second state for a period longer than the carrier period when the voltage value is equal to or higher than a predetermined voltage value.

The power conversion device according to claim 1 , wherein the drive circuit alternately switches the one arm from on to off when the voltage value falls below the predetermined voltage value.

The power conversion device according to claim 4 , wherein the drive circuit sets a period during which the upper arm and the lower arm are all in an off state to have the same length in a first half cycle and a second half cycle of the AC.

5. The power conversion device according to claim 4, wherein the drive circuit drives the upper arm and the lower arm so that an absolute value of an effective voltage output from the pair of AC output terminals in a half cycle of the AC is equal to an absolute value in a first half cycle of the AC and an absolute value in a second half cycle of the AC.

10. The power conversion device according to claim 4 or 9, wherein the drive circuit drives the upper arm and the lower arm so that a result of integrating the voltage value during a period in which the upper arm and the lower arm are all off in a first half cycle of the AC is equal to a result of integrating the voltage value during a period in which the upper arm and the lower arm are all off in a second half cycle of the AC.

The power conversion device according to claim 4 , 9 , or 10 , wherein the drive circuit turns off all of the upper arms and the lower arms at a timing according to a value of a current flowing through the AC output terminal.

a control unit that selects one or more cell converters from among the plurality of cell converters based on a voltage value of each of the capacitors of the plurality of cell converters;
The power conversion device according to claim 1 , wherein the control unit causes the first state or the second state of the selected cell converter to be maintained for a period longer than the carrier period.

The power conversion device according to claim 12, wherein the control unit, when the voltage values of the capacitors of the plurality of cell converters are all normal, selects one or more specific cell converters from the plurality of cell converters and maintains the first state or the second state of the selected specific cell converter for a period longer than the carrier period.