JP2015220495A

JP2015220495A - 電力変換装置

Info

Publication number: JP2015220495A
Application number: JP2014100573A
Authority: JP
Inventors: 木村　一秋; Kazuaki Kimura; 一秋木村; 紀子川上; Noriko Kawakami; 由紀久飯島; Yukihisa Iijima
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-05-14
Filing date: 2014-05-14
Publication date: 2015-12-07

Abstract

【課題】シリアル通信での回線異常に対する運転継続性の高い電力変換装置を提供することにある。
【解決手段】シリアル通信を行うセル１ａ〜１ｃは、制御に用いる第１の受信データＤｒ１を受信し、受信した第１の受信データＤｒ１を第１の送信データＤｔ１として送信し、制御に用いる第２の受信データＤｒ２を受信し、受信した第２の受信データＤｒ２を第２の送信データＤｔ２として送信し、第１の受信データＤｒ１の受信による異常を検出した場合、受信した第２の受信データＤｒ２を、第１の送信データＤｔ１として送信するように経路を切り替え、第２の受信データＤｒ２の受信による異常を検出した場合、受信した第１の受信データＤｒ１を、第２の送信データＤｔ１として送信するように経路を切り替える。
【選択図】図１

Description

本発明は、電力変換装置に関する。

一般に、自励式電力変換装置として、ＭＭＣ(modular multilevel converter)が知られている。ＭＭＣは、複数のセル（単位変換器）で構成された電力変換装置である。ＭＭＣは、各セルに入力されるゲートパルス（ゲート信号）により制御される。ゲートパルスの伝送には、光ファイバケーブルが用いられる。この光ファイバケーブルを短縮するために、各セルを光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続して、各セルに光シリアル信号を伝送することが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１１−２４３９３号公報

しかしながら、複数のセルにゲート信号をシリアル通信すると、伝送する回線に異常が生じた場合、自励式電力変換装置の運転継続に対する支障が大きくなる。例えば、全てのセルに１回線でゲート信号をシリアル通信していた場合、この１回線が異常になると、全てのセルと通信できなくなる。従って、自励式電力変換装置の運転が継続できなくなる。

そこで、本発明の目的は、シリアル通信での回線異常に対する運転継続性の高い電力変換装置を提供することにある。

本発明の観点に従った電力変換装置は、シリアル通信を行う電力変換装置であって、制御に用いる第１の受信データを受信する第１の受信手段と、前記第１の受信手段により受信した前記第１の受信データを第１の送信データとして送信する第１の送信手段と、制御に用いる第２の受信データを受信する第２の受信手段と、前記第２の受信手段により受信した前記第２の受信データを第２の送信データとして送信する第２の送信手段と、前記第１の受信手段による受信の異常を検出する第１の異常検出手段と、前記第１の異常検出手段により異常を検出した場合、前記第２の受信手段により受信した前記第２の受信データを、前記第１の送信手段により、前記第１の送信データとして送信するように経路を切り替える第１の切替手段と、前記第２の受信手段による受信の異常を検出する第２の異常検出手段と、前記第２の異常検出手段により異常を検出した場合、前記第１の受信手段により受信した前記第１の受信データを、前記第２の送信手段により、前記第２の送信データとして送信するように経路を切り替える第２の切替手段とを備える。

本発明によれば、シリアル通信での回線異常に対する運転継続性の高い電力変換装置を提供することにある。

本発明の実施形態に係る自励式電力変換装置の通信回路の構成を示す構成図。実施形態に係る自励式電力変換装置の電気回路の構成を示す構成図。実施形態に係るセルの回路の構成を示す回路図。実施形態に係る自励式電力変換装置に回線異常が生じた場合の通信状態を示す概略図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る自励式電力変換装置１０の通信回路の構成を示す構成図である。図２は、本実施形態に係る自励式電力変換装置１０の電気回路の構成を示す構成図である。なお、図面における同一部分には同一符号を付してその詳しい説明を省略し、異なる部分について主に述べる。

自励式電力変換装置１０は、直流電源２、制御装置３、６つのアーム４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ、三相分のリアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗ、及び三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗを備えている。自励式電力変換装置１は、交流電源及び交流負荷を備える交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗに三相交流電力を供給する。

直流電源２は、発電した直流電力を６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成される電力変換回路に供給する。直流電源２は、自ら発電する装置に限らず、交流電力を直流電力に変換するコンバータ又は二次電池等でもよい。

制御装置３は、アーム４ｕｐ〜４ｗｍ毎に、アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成するセル１ａ，１ｂ，１ｃとシリアル通信する。制御装置３は、アーム４ｕｐ〜４ｗｍ毎にそれぞれゲート信号を含むデータＤ１，Ｄ２を送信することで、電力変換回路を制御する。

６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍは、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換回路を構成する。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、直列に接続された３つのセル１ａ〜１ｃで構成されている。セル１ａ〜１ｃは、電力変換回路を構成する最小単位の電力変換装置（単位変換器）である。アーム４ｕｐは、電力変換回路のＵ相の正極側を構成する。アーム４ｕｍは、電力変換回路のＵ相の負極側を構成する。アーム４ｖｐは、電力変換回路のＶ相の正極側を構成する。アーム４ｖｍは、電力変換回路のＶ相の負極側を構成する。アーム４ｗｐは、電力変換回路のＷ相の正極側を構成する。アーム４ｗｍは、電力変換回路のＷ相の負極側を構成する。各セル１ａ〜１ｃは、制御装置３から受信したデータＤ１，Ｄ２に含まれるゲート信号で動作する。

ここで、図３を参照して、本実施形態に係るセル１の回路について説明する。図３に示すセル１の回路は、各アームを構成するセル１ａ〜１ｃの回路と同一である。以降では、全てのセル１ａ〜１ｃに共通する事項については、セル１として説明する。

セル１は、二重スターチョッパである。セル１は、２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２、２つの逆並列ダイオードＤＩ１，ＤＩ２、及びコンデンサＣＤにより構成された回路である。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、制御装置３から受信したゲート信号により、スイッチング（駆動）する。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２には、それぞれ逆並列ダイオードＤＩ１，ＤＩ２が接続されている。コンデンサＣＤは、２つの直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と並列に接続されている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の接続点がセル１の正極端子となる。負極側に位置するスイッチング素子ＳＷ２の負極側の端子（エミッタ）は、セル１の負極端子となる。

Ｕ相のリアクトル５ｕは、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐとＵ相の負極側のアーム４ｕｍとの間に設けられている。リアクトル５ｕの中間点は、交流電力のＵ相の出力点となる。リアクトル５ｕの中間点は、連系リアクトル６ｕを介して、交流系統７ｕのＵ相に接続される。リアクトル５ｕは、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐ及びＵ相の負極側のアーム４ｕｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。

Ｖ相のリアクトル５ｖは、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐとＶ相の負極側のアーム４ｖｍとの間に設けられている。リアクトル５ｖの中間点は、交流電力のＶ相の出力点となる。リアクトル５ｖの中間点は、連系リアクトル６ｖを介して、交流系統７ｖのＶ相に接続される。リアクトル５ｖは、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐ及びＶ相の負極側のアーム４ｖｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。

Ｗ相のリアクトル５ｗは、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐとＷ相の負極側のアーム４ｗｍとの間に設けられている。リアクトル５ｗの中間点は、交流電力のＷ相の出力点となる。リアクトル５ｗの中間点は、連系リアクトル６ｗを介して、交流系統７ｗのＷ相に接続される。リアクトル５ｗは、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐ及びＷ相の負極側のアーム４ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。

連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗは、交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗと系統連系するために設けられたリアクトルである。Ｕ相の連系リアクトル６ｕは、Ｕ相の交流系統７ｕとＵ相のリアクトル５ｕの中間点との間に設けられている。Ｖ相の連系リアクトル６ｖは、Ｖ相の交流系統７ｖとＶ相のリアクトル５ｖの中間点との間に設けられている。Ｗ相の連系リアクトル６ｗは、Ｗ相の交流系統７ｗとＷ相のリアクトル５ｗの中間点との間に設けられている。なお、三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗの代わりに、三相分の連系変圧器を設けてもよい。

図１を参照して、自励式電力変換装置１０の通信回路について説明する。ここで、制御装置３と各アーム４ｕｐ〜４ｗｍとをそれぞれ接続する通信回路の構成は、全て同じである。従って、ここでは、制御装置３と各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを代表する１つのアーム４との通信回路の構成について説明する。

制御装置３とアーム４は、２重ループ回線を構成する伝送路Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ１４，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ２３，Ｌ２４で接続されている。伝送路Ｌ１１〜Ｌ２４は、光ファイバケーブル及び中継器などにより構成される。

第１のループ回線は、４つの伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４で構成されている。伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４は、各セル１ａ〜１ｃをデイジーチェーン接続する。第１のループ回線では、セル１ａ、セル１ｂ及びセル１ｃの順に、第１のデータＤ１が伝送される。伝送路Ｌ１１は、制御装置３からセル１ａにデータを伝送する経路である。伝送路Ｌ１２は、セル１ａからセル１ｂにデータを伝送する経路である。伝送路Ｌ１３は、セル１ｂからセル１ｃにデータを伝送する経路である。伝送路Ｌ１４は、セル１ｃから制御装置３にデータを伝送する経路である。

第２のループ回線は、４つの伝送路Ｌ２１〜Ｌ２４で構成されている。伝送路Ｌ２１〜Ｌ２４は、各セル１ａ〜１ｃをデイジーチェーン接続する。第２のループ回線では、第１のループ回線とは逆の順番で、セル１ｃ、セル１ｂ及びセル１ａの順に、第２のデータＤ２が伝送される。第２のデータＤ２の内容は、第１のデータＤ１の内容と基本的に同じである。伝送路Ｌ２１は、制御装置３からセル１ｃにデータを伝送する経路である。伝送路Ｌ２２は、セル１ｃからセル１ｂにデータを伝送する経路である。伝送路Ｌ２３は、セル１ｂからセル１ａにデータを伝送する経路である。伝送路Ｌ２４は、セル１ａから制御装置３にデータを伝送する経路である。

次に、セル１ａの内部の通信回路について説明する。なお、他のセル１ｂ，１ｃについては、セル１ａと同様に構成されているため、詳しい説明を省略する。

セル１ａには、２つの異常検出部１１ａ，１２ａ及び２つの切替スイッチ１３ａ，１４ａが設けられている。２つの切替スイッチ１３ａ，１４ａは、正常時（通常）は開いている。第１の異常検出部１１ａにより異常を検出すると、第１の切替スイッチ１３ａが閉じる。第２の異常検出部１２ａにより異常を検出すると、第２の切替スイッチ１４ａが閉じる。

セル１ｃにおいて、２つの異常検出部１１ｃ，１２ｃは、それぞれセル１ａの２つの異常検出部１１ａ，１２ａに相当し、２つの切替スイッチ１３ｃ，１４ｃは、それぞれセル１ａの２つの切替スイッチ１３ａ，１４ａに相当する。

自励式電力変換装置１０が正常の場合について説明する。

セル１ａは、伝送路Ｌ１１からデータＤ１を受信すると、第１の受信データＤｒ１として受信する。セル１ａは、受信した第１の受信データＤｒ１を第１の送信データＤｔ１として伝送路Ｌ１２に出力する。

セル１ａは、伝送路Ｌ２３からデータＤ２を受信すると、第２の受信データＤｒ２として受信する。セル１ａは、受信した第２の受信データＤｒ１を第２の送信データＤｔ２として伝送路Ｌ２４に出力する。

第１の異常検出部１１ａにより異常を検出した場合について説明する。

第１の異常検出部１１ａは、第２の受信データＤｒ２を監視している。第１の異常検出部１１ａは、第２の受信データＤｒ２が異常であると判断した場合、異常を検出する。例えば、第１の異常検出部１１ａは、第２の受信データＤｒ２を受信しない場合又は受信した第２の受信データＤｒ２に異常が見られる場合に、異常を検出する。第１の異常検出部１１ａは、異常を検出すると、第１の切替スイッチ１３ａを閉じる。

第１の切替スイッチ１３ａが閉じると、伝送路Ｌ１１から受信した第１の受信データＤｒ１を、第２の送信データＤｔ２として伝送路Ｌ２４に出力するような経路が形成される。この経路により、セル１ａは、伝送路Ｌ１１から受信したデータＤ１を折り返すように、伝送路Ｌ２４に出力する。

第２の異常検出部１２ａにより異常を検出した場合について説明する。

第２の異常検出部１２ａは、第１の受信データＤｒ１を監視している。第２の異常検出部１２ａは、第１の異常検出部１１ａと同様に、異常を検出する。第２の異常検出部１２ａは、異常を検出すると、第２の切替スイッチ１４ａを閉じる。

第２の切替スイッチ１４ａが閉じると、伝送路Ｌ２３から受信した第２の受信データＤｒ２を、第１の送信データＤｔ１として伝送路Ｌ１２に出力するような経路が形成される。この経路により、セル１ａは、伝送路Ｌ２３から受信したデータＤ２を折り返すように、伝送路Ｌ１２に出力する。

次に、自励式電力変換装置１０が正常の場合の制御装置３とアーム４との通信について説明する。自励式電力変換装置１０が正常の場合、セル１ａの２つの切替スイッチ１３ａ，１４ａ及びセル１ｃの２つの切替スイッチ１３ｃ，１４ｃは開いている。

制御装置３は、伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４で構成される第１のループ回線に、各セル１ａ〜１ｃのゲート信号を含む第１のデータＤ１を出力する。これにより、セル１ａ、セル１ｂ、セル１ｃの順に、各セル１ａ〜１ｃは、第１のデータＤ１を受信する。制御装置３は、伝送路Ｌ２１〜Ｌ２４で構成される第２のループ回線に、各セル１ａ〜１ｃのゲート信号を含む第２のデータＤ２を出力する。これにより、セル１ｃ、セル１ｂ、セル１ａの順に、各セル１ａ〜１ｃは、第２のデータＤ２を受信する。各セル１ａ〜１ｃは、第１のデータＤ１又は第２のデータＤ２に含まれる自己のゲート信号により駆動する。

次に、自励式電力変換装置１０に回線異常が生じた場合の制御装置３とアーム４との通信について説明する。ここでは、セル１ｂと通信する回線（ハードウェア又はソフトウェアのいずれでもよい）に異常が発生し、セル１ｂと通信できない状態になったものとする。

セル１ａは、回線異常により、伝送路Ｌ２３から第２の受信データＤｒ２を受信しなくなる。このため、第１の異常検出部１１ａが異常を検出して、第１の切替スイッチ１３ａが閉じられる。これにより、セル１ａは、伝送路Ｌ１１から受信した第１のデータＤ１を伝送路Ｌ２４に出力する。

セル１ｃは、回線異常により、伝送路Ｌ１３から第１の受信データＤｒ１を受信しなくなる。このため、第２の異常検出部１２ｃが異常を検出して、第２の切替スイッチ１４ｃが閉じられる。これにより、セル１ｃは、伝送路Ｌ２１から受信した第２のデータＤ２を伝送路Ｌ１４に出力する。

従って、セル１ｂと通信できない状態の場合、図４に示すように、第１のデータＤ１及び第２のデータＤ２が伝送される。即ち、制御装置３から出力された第１のデータＤ１は、セル１ａで折り返すように、制御装置３に戻ってくる。これにより、セル１ａは、第１のデータＤ１に含まれる自己のゲート信号により駆動する。また、制御装置３から出力された第２のデータＤ２は、セル１ｃで折り返すように、制御装置３に戻ってくる。これにより、セル１ｃは、第２のデータＤ２に含まれる自己のゲート信号により駆動する。

本実施形態によれば、任意のセル１ａ〜１ｃと通信できない状態になっても、自励式電力変換装置１０は、運転を継続することができる。

なお、セル１の構成は、図３に示したものに限らない。スイッチング素子を含む変換器であり、自励式電力変換装置の構成として機能するのであれば、どのような回路でもよい。例えば、セル１は、双方向チョッパ又はフルブリッジ変換器でもよい。

また、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、３つのセル１ａ〜１ｃで構成されたものに限らず、２つ以上であればいくつのセルで構成されていてもよい。例えば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、構成の冗長性を確保するために、正常時には使用しないセルが含まれていてもよい。また、自励式電力変換装置１０は、６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成されたものに限らず、いくつのアームで構成されていてもよい。例えば、自励式電力変換装置１０を直流電力から三相交流電力に変換する構成として説明したが、直流電力から単相交流電力に変換する構成でもよい。この場合、４つのアームで直流電力を単相交流電力に変換する自励式電力変換装置を構成することができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１ａ，１ｂ，１ｃ…セル、３…制御装置、４…アーム、１０…自励式電力変換装置、１１ａ，１１ｃ，１２ａ，１２ｃ…異常検出部、１３ａ，１３ｃ，１４ａ，１４ｃ…切替スイッチ、Ｌ１１〜Ｌ２４…伝送路

Claims

シリアル通信を行う電力変換装置であって、
制御に用いる第１の受信データを受信する第１の受信手段と、
前記第１の受信手段により受信した前記第１の受信データを第１の送信データとして送信する第１の送信手段と、
制御に用いる第２の受信データを受信する第２の受信手段と、
前記第２の受信手段により受信した前記第２の受信データを第２の送信データとして送信する第２の送信手段と、
前記第１の受信手段による受信の異常を検出する第１の異常検出手段と、
前記第１の異常検出手段により異常を検出した場合、前記第２の受信手段により受信した前記第２の受信データを、前記第１の送信手段により、前記第１の送信データとして送信するように経路を切り替える第１の切替手段と、
前記第２の受信手段による受信の異常を検出する第２の異常検出手段と、
前記第２の異常検出手段により異常を検出した場合、前記第１の受信手段により受信した前記第１の受信データを、前記第２の送信手段により、前記第２の送信データとして送信するように経路を切り替える第２の切替手段と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
シリアル通信をする複数の変換器と、
前記複数の変換器をデイジーチェーン接続して２重ループで伝送する伝送手段とを備え、
前記変換器は、
制御に用いる第１の受信データを受信する第１の受信手段と、
前記第１の受信手段により受信した前記第１の受信データを第１の送信データとして送信する第１の送信手段と、
制御に用いる第２の受信データを受信する第２の受信手段と、
前記第２の受信手段により受信した前記第２の受信データを第２の送信データとして送信する第２の送信手段と、
前記第１の受信手段による受信の異常を検出する第１の異常検出手段と、
前記第１の異常検出手段により異常を検出した場合、前記第２の受信手段により受信した前記第２の受信データを、前記第１の送信手段により、前記第１の送信データとして送信するように経路を切り替える第１の切替手段と、
前記第２の受信手段による受信の異常を検出する第２の異常検出手段と、
前記第２の異常検出手段により異常を検出した場合、前記第１の受信手段により受信した前記第１の受信データを、前記第２の送信手段により、前記第２の送信データとして送信するように経路を切り替える第２の切替手段とを備えること
を特徴とする電力変換装置。
シリアル通信を行う電力変換装置の制御方法であって、
制御に用いる第１の受信データを受信し、
受信した前記第１の受信データを第１の送信データとして送信し、
制御に用いる第２の受信データを受信し、
受信した前記第２の受信データを第２の送信データとして送信し、
前記第１の受信データによる異常を検出した場合、受信した前記第２の受信データを前記第１の送信データとして送信するように経路を切り替え、
前記第２の受信データによる異常を検出した場合、受信した前記第１の受信データを前記第２の送信データとして送信するように経路を切り替えること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。
２重ループでシリアル通信をするデイジーチェーン接続された複数の変換器を備える電力変換装置の制御方法であって、
前記変換器は、
制御に用いる第１の受信データを受信し、
受信した前記第１の受信データを第１の送信データとして送信し、
制御に用いる第２の受信データを受信し、
受信した前記第２の受信データを第２の送信データとして送信し、
前記第１の受信データによる異常を検出した場合、受信した前記第２の受信データを前記第１の送信データとして送信するように経路を切り替え、
前記第２の受信データによる異常を検出した場合、受信した前記第１の受信データを前記第２の送信データとして送信するように経路を切り替えること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。