電力轉換裝置的制作方法

本發明的實施方式涉及在交流與直流之間相互轉換電力的電力轉換裝置。

背景技術：

近年來，海底電纜等大規模的直流輸電的需要性增大，電力轉換裝置的需求提高。作為這樣的電力轉換裝置，在將電力系統的交流轉換成直流的轉換器應用3相2電平轉換器，在將直流轉換成交流而用于馬達驅動的逆變器應用3相2電平逆變器。

這些3相2電平的電力轉換裝置能夠由最小限度的6個半導體開關元件構成，在3相交流與直流之間相互轉換電力的情況下需要該半導體開關元件。因而，在3相2電平的電力轉換裝置中，能夠實現小型化以及低成本化。因此，3相2電平的電力轉換裝置被寄予較大的期待，被要求進一步的性能提高。

作為3相2電平的電力轉換裝置的控制方法，通過脈沖寬度的控制對輸出電壓的大小進行控制的pwm控制較為普遍。具體而言，在3相2電平逆變器的情況下，在將所輸入的直流電壓設為vdc時，按照每相在規定的定時通過pwm(脈沖寬度調制)進行+vdc/2與-vdc/2的2值的切換。由此，能夠使從3相2電平逆變器輸出的輸出波形成為模擬地生成的交流的波形。

一般情況下，在以往的電力轉換裝置中，在3相交流輸出中插入有吸收高次諧波的濾波器。其原因在于，在直流輸電等的電力系統連接設備中，要求降低由于開關而產生的畸變波中所包含的高次諧波成分。尤其是，在使用高耐壓的開關頻率的高電壓馬達驅動器等中，由于無法提高pwm開關頻率，因此不可缺少高次諧波吸收用的濾波器。

這樣的濾波器通常由抑制高次諧波成分的電抗器、電容器等構成，具有使向電力系統流出的高次諧波成分降低至不對其他設備造成不良影響的水平的任務。因此，高次諧波抑制用的電抗器、電容器的容量較大、高價、重量也較重的情況較多。因而，通過插入吸收高次諧波的濾波器，會導致電力轉換裝置的成本提高、重量增加這樣的不良情況。

因此，作為不需要上述濾波器的技術，發表了非專利文獻2所記載的電路方式等。例如，在圖9所示的電路構成中，不進行以往普遍使用的通過變壓器的電壓降壓，就能夠對于電力系統以及配電系統電壓直接連接電力轉換裝置。另外，在圖9中，符號up、vp、wp是正側的單位臂，un、vn、wn是負側的單位臂，單位臂將由斬波橋單位轉換器等構成的單位單元作為構成要素。

根據圖9所示的具有變壓器的電力轉換裝置，輸出電壓以及電流波形通過多電平化而接近正弦波，因此，不需要用于吸收高次諧波的濾波器，能夠享有低成本化以及輕量化這樣的優點。而且，通過實現圖9的電路構成，能夠容易地簡化變壓器的構成。變壓器的重量以及體積較大，并且在系統整體中所占的成本也比較大，因此，通過推進其簡化，能夠得到廉價且小型的電力轉換裝置。

在圖9所示的電力轉換裝置中，作為根據開關來對電壓輸出的有無進行切換的電壓源，具備與開關元件并聯連接的直流電容器。該直流電容器用于將電壓值始終控制為恒定，因此在原理上需要始終流動使直流電源回流的回流電流，在各相設置有用于充放電的短路路徑。

但是，在3相用的電力轉換裝置中，將3相與相同的直流電源連接，因此，當各相的直流電壓合成值即使稍微不同時，在相間就會流動過大的短路電流，有可能對設備造成不良影響。此外，即便假設各相的直流電壓合成值的平均值一致，如果接通斷開的定時、周期不同，則仍舊會流動過大的短路電流。

因此，為了應對在相間流動的過大的短路電流，可以考慮在各相插入緩沖電抗器那樣的大型的電抗器，對短路電流施加限制。但是，緩沖電抗器等電抗器為大型且高價。

即，在圖9所示的現有技術中，雖然不需要吸收高次諧波的濾波器，但是必須插入緩沖電抗器等大型的電抗器。因此，電力轉換裝置變大，且成本也上升。其結果，通過取消上述濾波器所產生的優點與通過插入緩沖電抗器所產生的缺點相抵消，難以實現廉價且小型的電力轉換裝置。

因此，作為將用于應對過大的短路電流的電抗器取消的方式，提出了圖8所示那樣的電力轉換裝置。在具有圖8的電路構成的電力轉換裝置中，成為通過星形繞組構成二次繞組以及三次繞組的變壓器，并連接二次繞組以及三次繞組的中性點。根據具備這樣的變壓器的電力轉換裝置，不插入緩沖電抗器就能夠抑制過大的短路電流的產生。因而，能夠取消大型且高價的電抗器，并且不設置高次諧波吸收用的濾波器就能夠輸出低高次諧波的電壓電流波形，能夠實現裝置的低成本化以及小型化。

現有技術文獻

專利文獻

專利文獻1：日本特開2013-115837號公報

非專利文獻

非專利文獻1：2009年cigre論文預稿集paper401(multilevelvoltage-sourcedconvertersforhvdcandfactsapplications：siemensag)

技術實現要素：

發明要解決的課題

然而，在電力轉換裝置中，有時會非意圖地輸出3次高次諧波電流等高次諧波電流。高次諧波電流成為電力轉換裝置中所組裝的變壓器的勵磁電流，成為使正弦波電壓即系統電壓畸變的主要原因。因而，在電力轉換裝置中，強烈期望在取消吸收高次諧波的濾波器、大型的電抗器的基礎上，還能夠抑制高次諧波電流的輸出。

本發明的實施方式是為了解決以上的課題而提出的，其目的在于提供一種電力轉換裝置，通過具備二次繞組以及三次繞組分別被三角形聯結的變壓器，由此能夠抑制非意圖地輸出的高次諧波電流的產生，無需擔心引發電力系統的電壓的畸變，能夠發揮較高的可靠性。

用于解決課題的手段

為了解決上述那樣的課題，本實施方式的電力轉換裝置的特征在于，具有以下的構成。

(1)具備二次繞組以及三次繞組分別被三角形聯結的3相3繞組變壓器。

(2)將上述3相3繞組變壓器的二次繞組與三次繞組各自的相同相彼此的各相繞組的中性點相互連接。

(3)還具備將單位單元串聯連接而成的正側和負側的單位臂，將串聯連接了2個具有自消弧能力的開關元件的支路與電容器并聯連接而作為上述單位單元。

(4)上述正側的單位臂的一端與直流電源的正側連接，另一端與上述3相3繞組變壓器的二次繞組的各相輸出端連接。

(5)上述負側的單位臂的一端與直流電源的負側連接，另一端與上述3相3繞組變壓器的三次繞組的各相輸出端連接。

附圖說明

圖1是第1實施方式的電路構成圖。

圖2是表示第1實施方式的單位單元的電路構成圖。

圖3是表示第1實施方式的變壓器的繞組構成的電路構成圖。

圖4是表示第1實施方式的變壓器、單位臂以及直流電源的連接關系的電路構成圖。

圖5是簡要地表示第1實施方式的一相的電路構成圖。

圖6中(a)是正側的單位單元的電壓波形圖，(b)是負側的單位單元的電壓波形圖，(c)是變壓器的二次繞組的電壓波形圖，(d)是變壓器三次繞組的電壓波形圖，(e)是變壓器的輸出電壓波形圖。

圖7是表示其他實施方式的變壓器的繞組構成的電路構成圖。

圖8是以往的電力轉換裝置的電路構成圖。

圖9是以往的電力轉換裝置的電路構成圖。

具體實施方式

[1]第1實施方式

[構成]

參照圖1～圖6對第1實施方式的構成進行說明。圖1～圖5是第1實施方式的電路構成圖，圖6是第1實施方式的電壓波形圖。第1實施方式為一種電力轉換裝置，連接于3相的交流系統與直流系統之間，經由絕緣變壓器即3相3繞組變壓器a，將3相50hz的電源電力轉換成直流。

如圖1所示，在第1實施方式中，設置有3相3繞組變壓器a、直流電源b、以及將兩個單位單元c串聯連接而成的正側的單位臂up、vp、wp以及負側的單位臂un、vn、wn。在圖1的例子中，將單位單元c設為2個，但只要為1個以上，則設置數量為任意。

(單位臂)

首先，對單位臂進行說明。如圖1所示，在第1實施方式中設置有6個單位臂。正側的單位臂up、vp、wp以及負側的單位臂un、vn、wn分別各設置有三個。對于正側的單位臂up、vp、wp，一端與直流電源b的正側連接，另一端與3相3繞組變壓器a的二次繞組的各相輸出端連接。對于負側的單位臂un、vn、wn，一端與直流電源b的負側連接，另一端與3相3繞組變壓器a的三次繞組的各相輸出端連接。

(單位單元)

使用圖2的電路圖對構成單位臂up、vp、wp、un、vn、wn的單位單元c進行說明。單位單元c由斬波橋單位轉換器構成，如圖2所示，支路20(由虛線表示)與電容器30并聯連接。在支路20上串聯連接有具有自消弧能力的開關元件21u、21x。這些開關元件21u、21x，使用額定為6500v左右的igbт，并且反并聯連接有回流二極管22u、22x。

(3相3繞組變壓器)

如圖1所示，3相3繞組變壓器a的一次繞組被星形聯結，并與50hz電源的3相即r相、s相、t相連接。此外，3相3繞組變壓器a的二次繞組與三次繞組分別三角形聯結。

3相3繞組變壓器a構成為，按照一次繞組的每相分割變壓器鐵芯，使二次繞組的鐵芯與三次繞組的鐵芯相獨立。此外，一次繞組與二次繞組之間的繞組比為1：1。3相3繞組變壓器a在各相分開為正側與負側而設置。帶有在各繞組所示的黑點的一側為正側。

在3相3繞組變壓器a中，二次繞組與三次繞組各自的各相繞組的中性點為，相同相彼此相互連接。即，二次繞組的r相中性點np_r2與三次繞組的r相中性點np_r3連接，二次繞組的s相中性點np_s2與三次繞組的s相中性點np_s3連接，二次繞組的t相中性點np_t2與三次繞組的t相中性點np_t3連接。

(各部分的連接關系)

在圖3中，將3相3繞組變壓器a的三角形聯結構造分開地表示繞組構成。由于二次繞組以及三次繞組分別被三角形聯結，因此，各單位臂與3相3繞組變壓器a的兩個繞組連接。即，正側的單位臂up、vp、wp與二次繞組側連接，更詳細來說，單位臂up與繞組rp1以及繞組tp2連接，單位臂vp與繞組sp1以及繞組rp2連接，單位臂wp與繞組tp1以及繞組sp2連接。

此外，負側的單位臂un、vn、wn與三次繞組側連接，更詳細來說，單位臂un與繞組rn1以及繞組tn2連接，單位臂vn與繞組sn1以及繞組rn2連接，單位臂wn與繞組tn1以及繞組sn2連接。

在圖4中表示這樣的3相3繞組變壓器a、單位臂up、vp、wp、un、vn、wn以及直流電源b的連接關系。正側的各相的單位臂up、vp、wp的一端分別與直流電源b的正側連接。此外，負側的各相的單位臂wp、un、vn的一端分別與直流電源b的負側連接。

[作用]

(高次諧波的抑制)

已知在基于半導體元件的開關中會產生畸變波，該畸變波所包含的高次諧波成分會對設備造成影響。如上所述，為了應對該高次諧波成分，可以考慮插入吸收所產生的高次諧波的濾波器。

高次諧波吸收用的濾波器能夠由抑制高次諧波成分的電抗器、電容器構成，但必須使向電力系統流出的高次諧波成分降低至不對其他設備造成影響的水平。因此，需要具有較大容量的濾波器，導致大型化等不良情況。

因此，在第1實施方式中，構成將單位單元c串聯地多級連接的多電平的電力轉換裝置。由此，能夠使第1實施方式的輸出波形更接近正弦波。因而，不設置吸收高次諧波的濾波器，就能夠將高次諧波可靠地抑制至高次諧波成分不對其他設備造成影響的水平。

而且，在第1實施方式中，在3相3繞組變壓器a中，二次繞組、三次繞組分別成為三角形聯結構成。并且，將二次繞組與三次繞組各自的相同相彼此的各相繞組的中性點在二次繞組與三次繞組中相互連接。因此，能夠在原理上抑制非意圖地輸出的高次諧波電流的產生。因而，無需擔心高次諧波電流成為3相3繞組變壓器a的勵磁電流而使系統電壓畸變。

(交流電壓輸出動作)

使用圖5以及圖6對本實施方式的交流波形的輸出動作進行說明。在圖5中，是單位臂由2個單位單元c構成的情況。將直流電源b的中性點作為接地點并作為電壓基準，將從接地點觀察的交流輸出點的電壓設為vu。

vu是對50hz交流電源r、s、t相電壓進行了三角形星形轉換時的3相交流電壓vu、vv、vw，該三角形星形轉換是在一般的交流理論中已有的技術，因此省略說明。將直流電源b的正負各自的電壓設為vdc，將單位單元c的電容器電壓設為vc，將與正側電源側連接的單位單元c的輸出電壓設為vup、將與負側電源側連接的單位單元c的輸出電壓設為vun。此外，將在上位的系統中運算出的想要輸出的交流電壓指令設為vuref。

(數式1)

正側單位單元vup＝vdc-vuref

該vup的電壓波形在圖6(a)中表示。此外，3相3繞組變壓器a中的二次繞組的電壓vu2的波形在圖6(c)中表示。

此時，輸出電壓vu如以下那樣輸出。

(數式2)

vu＝vdc-vup＝vdc-(vdc-vuref)＝vuref

(數式3)

負側單位單元vun＝vdc-vuref

該vun的電壓波形在圖6(b)中表示。此外，3相3繞組變壓器a中的三次繞組的電壓vu3的波形在圖6(d)中表示。

此時，輸出電壓vu如以下那樣輸出。

(數式4)

vu＝-vdc+vun＝-vdc+(vdc-vuref)＝-vuref

在3相3繞組變壓器a中，二次繞組為減極性，三次繞組為加極性，因此，輸出圖6(e)所示那樣的電壓vtr1。

(直流充放電動作)

交流負載電流iu分別向正側的單位單元c以及負側的單位單元c流動。此時，正側的單位單元c的電容器30通過由以下的公式表示的電力powerp進行充放電。

(數式5)

powerp＝vup×iu＝(vdc-vuref)×iu

當對于以輸出電壓vuref與交流負載電流iu為相同相位即功率因數為1進行動作的情況進行計算時，交流一個周期中的powerp的平均值成為負。即，當僅以上述動作模式進行輸出電壓控制時，正側的單位單元c的電容器電壓平均值無法保持恒定，而無法持續運轉。同樣，負側的單位單元c的電容器電壓也是，以功率因數為1進行動作時的powern在交流一個周期中的平均值成為正，負側的單位單元c的電容器電壓平均值無法保持恒定，而無法持續運轉。

在用于解決該問題的第1實施方式中，在從直流電源b的正側經由正側的單位單元c、3相3繞組變壓器a、負側的單位單元c而到達直流電源b的負側這樣的路徑中，以直流流動充放電電流。由此，能夠使電容器電壓的平均值恒定。

具體而言，通過以下的公式對直流電容器電壓平均值的恒定控制修正值δvfccontrol進行運算，對正側的單位單元c的輸出電壓指令vup、vun進行修正輸出。

(數式6)

δvfccontrol＝g(s)×(vcref-vcu_ave)

vcref是單位單元電容器電壓指令值，且是預先設定的值。

vcu_ave是u相正負全部單位單元的電容器電壓平均值。

g(s)是控制增益，s是拉普拉斯算符。適合比例積分控制。

這樣的動作與現有技術相同，但是在現有技術中，需要特別設置用于防止直流循環電流的激增的緩沖電抗器等大型的電抗器。

(漏電感的利用)

與此相對，在第1實施方式的電路方式中，在直流循環電流的路徑中組裝有作為絕緣變壓器的3相3繞組變壓器a。因此，在原理上不會由于該變壓器a的漏電感成分而產生直流循環電流的激增。通常，在實際的變壓器中必然存在由磁泄漏引起的漏磁通。該漏磁通無助于變壓作用，作為一次繞組以及二次繞組的漏電感起作用。

即，在第1實施方式中，在流動直流循環電流時，作為絕緣變壓器的3相3繞組變壓器a包含于直流循環電流的路徑，因此，能夠使3相3繞組變壓器a的漏電感成分作為電抗器起作用。由此，能夠抑制直流循環電流的激增，且不需要緩沖電抗器等高成本且大型的電抗器。

[效果]

如以上所述那樣，根據第1實施方式，不需要高次諧波吸收用的濾波器就能夠輸出低高次諧波的電壓電流波形。此外，不設置緩沖電抗器那樣的高成本且大型的電抗器，就能夠抑制直流循環電流的激增而將單位單元c的電容器電壓的平均值控制為恒定。因而，能夠省去高次諧波吸收用的濾波器、高成本且大型的電抗器，能夠提高廉價且小型的電力轉換裝置。

并且，在第1實施方式中，使3相3繞組變壓器a的二次繞組以及三次繞組分別成為三角形聯結構成，且將二次繞組與三次繞組各自的相同相彼此的各相繞組的中性點相互連接。因而，能夠抑制非意圖地輸出的高次諧波電流的產生。其結果，高次諧波電流不會成為3相3繞組變壓器a的勵磁電流，系統電壓能夠維持正弦波電壓，無需擔心成為畸變的電壓。由此，能夠提高不僅廉價且小型、而且具有較高的可靠性的電力轉換裝置。

[2]其他實施方式

本發明的實施方式并不限定于上述方式。

(1)例如，如圖7所示，3相3繞組變壓器a’也可以構成為，按照一次繞組的每相分割變壓器鐵芯，將二次繞組與三次繞組卷繞于同一鐵芯。在這樣的其他實施方式中，使各相各自的二次繞組與三次繞組的鐵芯共用化，因此能夠消除直流成分，能夠使由于電容器的直流充放電電流而產生的直流磁通相互抵消。因此，能夠防止鐵芯磁飽和而減小飽和磁通密度，能夠實現變壓器鐵芯的進一步的小型化。

(2)也可以構成為，使3相3柱變壓器a的各柱作為一次1繞組、二次1繞組、三次1繞組。由此，與上述實施方式相同，能夠使各相直流磁通相互抵消。進而，還能夠實現與基于3相3柱鐵芯化的通常3相變壓器相同的小型化。

(3)上述實施方式通過相同的構成也能夠進行從直流向交流的轉換，并能夠相反地進行從交流向直流的轉換。即，本實施方式的電力轉換裝置既能夠構成為逆變器也能夠構成為轉換器。

(4)對本發明的幾個實施方式進行了說明，這些實施方式作為例子而提示的，并不意圖對發明的范圍進行限定。這些實施方式能夠以其他各種方式加以實施，在不脫離發明的主旨的范圍內能夠進行各種省略、置換、變更。這些實施方式及其變形包含于發明的范圍及主旨中，并且包含于請求范圍所記載的發明和與其等同的范圍中。

符號的說明

a、a’：3相3繞組變壓器；b：直流電源；c：單位單元；up、vp、wp：正負側的單位臂；un、vn、wn：正負側的單位臂；20：支路；21u、21x：開關元件；22u、22x：回流二極管；30：電容器。