JP2015226387A

JP2015226387A - 電力変換装置

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Publication number: JP2015226387A
Application number: JP2014110132A
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; 吉野　輝雄; Teruo Yoshino; 輝雄吉野
Original assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Current assignee: Toshiba Mitsubishi Electric Industrial Systems Corp
Priority date: 2014-05-28
Filing date: 2014-05-28
Publication date: 2015-12-14
Anticipated expiration: 2034-05-28
Also published as: JP6214092B2

Abstract

【課題】複数の単位変換器がシリアル通信し、シリアル通信する回線の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】自励式電力変換装置１０は、セル１１１〜１１４を制御する情報が含まれる光信号の送信信号をシリアル通信で送信する制御装置１と、アーム毎に設けられ、送信信号をアーム３ｕｐのセル１１１〜１１４に分配する光カプラ３１ｒと、アーム毎に設けられ、送信信号に基づいて決定されたセル１１１〜１１４から返信される光信号の返信信号をアーム毎に合成して、制御装置１にシリアル通信で送信する光カプラ３１ｔとを備える。【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、デイジーチェーン接続されたセルにシリアル通信でゲート信号を送信すると、伝送する回線に異常が生じた場合、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伝送していた場合、この１回線の何処か（例えば、セル）で異常になると、全てのセルに伝送できなくなる。従って、このような構成の場合、１回線の異常で、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、複数の単位変換器がシリアル通信し、シリアル通信する回線の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、電力変換回路を構成する複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器を制御する情報が含まれる光信号の送信信号をシリアル通信で送信する制御手段と、前記複数の単位変換器が複数に分けられたグループ毎に設けられ、前記制御手段から受信した前記送信信号を前記グループの前記単位変換器に分配する光信号分配手段と、前記グループ毎に設けられ、前記送信信号に基づいて決定された前記単位変換器から返信される光信号の返信信号を前記グループ毎に合成して、前記制御手段にシリアル通信で送信する光信号合成手段とを備える。

本発明によれば、複数の単位変換器がシリアル通信し、シリアル通信する回線の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ができる。

本発明の第１の実施形態に係る自励式電力変換装置の通信回路を示す構成図。第１の実施形態に係る自励式電力変換装置の構成を示す構成図。第１の実施形態に係るセルの電気回路を示す回路図。第１の実施形態に係る制御装置から送信される送信信号と各セルから返信される返信信号との関係を示すタイミングチャート。第２の実施形態に係る自励式電力変換装置の通信回路を示す構成図。第２の実施形態に係る自励式電力変換装置の構成を示す構成図。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る自励式電力変換装置１０の通信回路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、制御装置１、直流電源２、６つのアーム３ｕｐ，３ｕｍ，３ｖｐ，３ｖｍ，３ｗｐ，３ｗｍ、三相分のリアクトル４ｕ，４ｖ，４ｗ、及び三相分の連系リアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗを備える。自励式電力変換装置１０は、三相交流系統６と連系する。

６つのアーム３ｕｐ〜３ｗｍ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。電力変換回路のＵ相は、Ｕ相の上アーム（正極側アーム）３ｕｐとＵ相の下アーム（負極側アーム）３ｕｍで構成される。電力変換回路のＶ相は、Ｖ相の上アーム（正極側アーム）３ｖｐとＶ相の下アーム（負極側アーム）３ｖｍで構成される。電力変換回路のＷ相は、Ｗ相の上アーム（正極側アーム）３ｗｐとＷ相の下アーム（負極側アーム）３ｗｍで構成される。各アーム３ｕｐ〜３ｗｍは、４つの直列に接続されたセル１１１〜１１４，１１５〜１１８，１２１〜１２４，１２５〜１２８，１３１〜１３４，１３５〜１３８で構成されている。セル１１１〜１１４は、Ｕ相の上アーム３ｕｐを構成する。セル１１５〜１１８は、Ｕ相の下アーム３ｕｍを構成する。セル１２１〜１２４は、Ｖ相の上アーム３ｖｐを構成する。セル１２５〜１２８は、Ｖ相の下アーム３ｖｍを構成する。セル１３１〜１３４は、Ｗ相の上アーム３ｗｐを構成する。セル１３５〜１３８は、Ｗ相の下アーム３ｗｍを構成する。

制御装置１は、各アーム３ｕｐ〜３ｗｍとそれぞれループ状に形成された伝送路ＬＰ１〜ＬＰ６で接続されている。制御装置１は、伝送路ＬＰ１〜ＬＰ６を介して、各アーム３ｕｐ〜３ｗｍを構成する各セル（単位変換器）１１１〜１３８とゲート信号などの情報が含まれるデータをシリアル通信することで、電力変換回路を制御する。伝送路ＬＰ１〜ＬＰ６は、主に光ファイバケーブルで構成されている。

直流電源２は、発電した直流電力をアーム３ｕｐ〜３ｗｍ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。

Ｕ相のリアクトル４ｕは、Ｕ相の上アーム３ｕｐとＵ相の下アーム３ｕｍとの間に設けられている。リアクトル４ｕは、Ｕ相の上アーム３ｕｐ及びＵ相の下アーム３ｕｍに流れる循環電流の直流成分を抑制する。リアクトル４ｕの中間点は、交流電力のＵ相の出力点となる。リアクトル４ｕの中間点は、連系リアクトル５ｕを介して、交流系統６のＵ相に接続される。

Ｖ相のリアクトル４ｖは、Ｖ相の上アーム３ｖｐとＶ相の下アーム３ｖｍとの間に設けられている。リアクトル４ｖは、Ｖ相の上アーム３ｖｐ及びＶ相の下アーム３ｖｍに流れる循環電流の直流成分を抑制する。リアクトル４ｖの中間点は、交流電力のＶ相の出力点となる。リアクトル４ｖの中間点は、連系リアクトル５ｖを介して、交流系統６のＶ相に接続される。

Ｗ相のリアクトル４ｗは、Ｗ相の上アーム３ｗｐとＷ相の下アーム３ｗｍとの間に設けられている。リアクトル４ｗは、Ｗ相の上アーム３ｗｐ及びＷ相の下アーム３ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制する。リアクトル４ｗの中間点は、交流電力のＷ相の出力点となる。リアクトル４ｗの中間点は、連系リアクトル５ｗを介して、交流系統６のＷ相に接続される。

連系リアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗは、交流系統６と系統連系するために設けられたリアクトルである。連系リアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗは、自励式電力変換装置１０の交流出力と交流系統６との間に相毎に設けられている。なお、連系リアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗは、連系変圧器に代えてもよい。

図３は、本実施形態に係るセル１００の電気回路を示す回路図である。全てのセル１１１〜１３８は、セル１００と同一構成の電気回路である。

セル１００は、二重スターチョッパである。セル１００は、２つのスイッチング素子１０１，１０２、２つの逆並列ダイオード１０３，１０４、及びコンデンサ１０５により構成された回路である。セル１００は、制御装置１から送信されるゲート信号により、２つのスイッチング素子１０１，１０２がスイッチングすることで駆動する。

２つのスイッチング素子１０１，１０２は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子１０１，１０２には、それぞれ逆並列ダイオード１０３，１０４が接続されている。コンデンサ１０５は、２つの直列に接続されたスイッチング素子１０１，１０２と並列に接続されている。２つのスイッチング素子１０１，１０２の接続点は、セル１００の正極端子となる。負極側に位置するスイッチング素子１０２の負極側の端子（エミッタ）は、セル１００の負極端子となる。

図１を参照して、アーム３ｕｐと制御装置１が通信する通信回路の構成について説明する。なお、その他のアーム３ｕｍ〜３ｗｍと制御装置１が通信する通信回路の構成については、アーム３ｕｐの構成と同様であるため、説明を省略する。

アーム３ｕｐは、２つの伝送路ＬＰ１１，ＬＰ１２で構成されるループ状の伝送路ＬＰ１で制御装置１と接続されている。アーム３ｕｐは、各セル１１１〜１１４が共通に使用する２つの光カプラ３１ｒ，３１ｔを備える。アーム３ｕｐを構成するセル１１１〜１１４は、それぞれ１組の受光回路Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４と発光回路Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ１３，Ｔ１４を備える。

受信側の光カプラ３１ｒは、制御装置１から送信された情報が含まれた光信号を分岐して、各セル１１１〜１１４に分岐した光信号を分配する。各セル１１１〜１１４は、光カプラ３１ｒから分配された光信号を受光回路Ｒ１１〜Ｒ１４で受信する。各セル１１１〜１１４は、受光回路Ｒ１１〜Ｒ１４で受信した光信号から自己のセルに関する情報（例えば、ゲート信号）を取り出す。

また、制御装置１は、送信する光信号に含めた情報により、返信を担当するセル１１１〜１１４を順番に繰り返し指定する。指定された返信するセル１１１〜１１４は、自己のセルに関する情報（例えば、予め決められた箇所の電圧又は電流などのアナログデータ）を光信号に含めて、発光回路Ｔ１１〜Ｔ１４から光カプラ３１ｔに光信号を出力する。

送信側の光カプラ３１ｔは、各セル１１１〜１１４からそれぞれ光信号を受信すると、１つの光信号に合成する。光カプラ３１ｔは、合成した光信号を制御装置１に送信（返信）する。これにより、光カプラ３１ｔは、１つの光信号を時分割して各セル１１１〜１１４の返信信号を制御装置１に順次に返信する。

図４は、制御装置１から送信される送信信号Ｓ１と各セル１１１，１１２，１１３，１１４から返信される返信信号Ｓ１１１，Ｓ１１２，Ｓ１１３，Ｓ１１４との関係を示すタイミングチャートである。送信信号Ｓ１は、制御装置１からアーム３ｕｐに送信される信号を示している。返信信号Ｓ１１１〜Ｓ１１４は、送信信号Ｓ１の受信に対して、制御装置１に返信する信号を示している。

ここでは、制御装置１から４つのデータＤ１〜Ｄ４が送信信号Ｓ１で送信された場合について説明する。

制御装置１から伝送路ＬＰ１１を介してアーム３ｕｐに送信された４つのデータＤ１〜Ｄ４は、アーム３ｕｐを構成する全てのセル１１１〜１１４で受信される。各データＤ１〜Ｄ４には、それぞれ返信を担当するセル１１１〜１１４を指定する情報Ｄｔ１，Ｄｔ２，Ｄｔ３，Ｄｔ４が含まれている。ここで、各情報Ｄｔ１〜Ｄｔ４では、それぞれセル１１１〜１１４が順次に指定されているものとする。

セル１１１は、データＤ１を受信すると、データＤ１に含まれる情報Ｄｔ１により、自己が返信を担当することを認識する。返信を担当することを認識したセル１１１は、自己に関する情報（アナログデータなど）が含まれたデータＤｒ１を返信信号Ｓ１１１として光カプラ３１ｔに送信する。セル１１１は、データＤ１に含まれる情報から返信信号Ｓ１１１を送信するタイミングを決定する。これにより、他のセル１１２〜１１４から出力される返信信号Ｓ１１２〜Ｓ１１４と順番が入れ替わったりしないようにする。

なお、このデータＤ１に含まれる情報は、制御装置１からの送信前から含まれているものに限らない。例えば、この情報は、制御装置１からデータＤ１を送信した時間又はセル１１１がデータＤ１を受信した時間など、ネットワークのプロトコルなどにより自動的に付加される情報又は伝送途中で自動的に付加するようにした情報でもよい。

同様に、他のセル１１２〜１１４も、自己が返信を担当するデータＤ２〜Ｄ４をそれぞれ受信すると、自己に関する情報が含まれたデータＤｒ２〜Ｄｒ４を返信信号Ｓ１１２〜Ｓ１１４として光カプラ３１ｔに送信する。

光カプラ３１ｔは、各セル１１１〜１１４から受信した順番に伝送路ＬＰ１２を介して制御装置１に返信信号Ｓ１１１〜Ｓ１１４を送信（返信）する。これにより、アーム３ｕｐは、返信信号Ｓ１１１〜Ｓ１１４を制御装置１に時分割で送信（返信）する。制御装置１は、アーム３ｕｐから送信された返信信号Ｓ１１１〜Ｓ１１４を順次に受信することで、各セル１１１〜１１４の通信異常の有無などの健全性を判断する。

次に、例えば、セル１１１を経由する２つの光カプラ３１ｒ，３１ｔの間で通信異常が生じた場合（例えば、セル１１１が故障した場合）の制御装置１の動作について説明する。

セル１１１が故障した状態で、制御装置１がセル１１１を返信担当として指定したデータを送信しても、セル１１１は、返信信号Ｓ１１１を送信できない。そこで、制御装置１は、セル１１１を返信担当とするデータを送信後、予め決められた時間内に返信信号Ｓ１１１を受信しないとき、制御装置１は、セル１１１が接続されている伝送路に通信異常が生じていると判断する。なお、例えば、予め決められた時間内とは、固定された時間に限らず、他のセル１１２〜１１４からの返信信号Ｓ１１２〜Ｓ１１４を受信するまでとしてもよい。

制御装置１は、セル１１１の伝送路に通信異常が生じていると判断すると、セル１１１を除外して、残りのセル１１２〜１１４で、自励式電力変換装置１０の運転を継続するように制御する。これにより、３つのセル１１２〜１１４で、アーム３ｕｐが担当する交流側の電圧を出力する。

本実施形態によれば、光カプラ３１ｒ，３１ｔで制御装置１からのデータをアーム３ｕｐ〜３ｗｍ毎に各セル１１１〜１３８に分配するように構成することで、制御装置１と各セル１１１〜１３８が等価的に１対１で通信するように接続される構成にすることができる。これにより、各アーム３ｕｐ〜３ｗｍで一部のセル１１１〜１３８に通信異常が生じても、シリアル通信を継続することができる。従って、制御装置１は、自励式電力変換装置１０の運転継続性を向上することができる。

また、電源が不要な光カプラ３１ｒ，３１ｔを用いて、各セル１１１〜１３８にデータを伝送することで、電源が要因となる通信異常を無くすことができる。

（第２の実施形態）
図５は、本発明の第２の実施形態に係る自励式電力変換装置１０Ａの通信回路を示す構成図である。図６は、本実施形態に係る自励式電力変換装置１０Ａの構成を示す構成図である。

自励式電力変換装置１０Ａは、図１及び図２に示す第１の実施形態に係る自励式電力変換装置１０において、Ａ系とＢ系からなる二重系の構成にしたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。

図５を参照して、自励式電力変換装置１０Ａの二重系の構成について説明する。ここでは、Ｕ相の上アーム３ｕｐＡについて説明するが、他のアーム３ｕｍＡ，３ｖｐＡ，３ｖｍＡ，３ｗｐＡ，３ｗｍＡも同様である。

自励式電力変換装置１０Ａは、２つの制御装置１ａ，１ｂを備える。各制御装置１ａ，１ｂは、第１の実施形態に係る制御装置１と同等のものである。２つの制御装置１ａ，１ｂのどちらの制御でも、自励式電力変換装置１０Ａを運転でき、かつ任意に切り替えられる。例えば、Ａ系及びＢ系のいずれかに故障が発生すると、自動的に正常な系に切り替わるように構成してもよいし、任意のタイミングで手動で切り替えるように構成してもよい。また、両系が正常な場合、予め決められた優先順位に従って、どちらの系で動作するかが決定されてもよい。

アーム３ｕｐＡは、２組の受信側の光カプラ３１ｒａ，３１ｒｂと送信側の光カプラ３１ｔａ，３１ｔｂ、及び４つのセル１１１Ａ〜１１４Ａを備える。その他の点は、第１の実施形態に係るアーム３ｕｐと同様である。

各セル１１１Ａ〜１１４Ａは、２組の受光回路Ｒ１１ａ〜Ｒ１４ａ，Ｒ１１ｂ〜Ｒ１４ｂと発光回路Ｔ１１ａ〜Ｔ１４ａ，Ｔ１１ｂ〜Ｔ１４ｂを備える。その他の点は、第１の実施形態に係るセル１１１〜１１４と同様である。

Ａ系の構成は、制御装置１ａ、光カプラ３１ｒａ、各セル１１１Ａ〜１１４Ａの１組の受光回路Ｒ１１ａ〜Ｒ１４ａと発光回路Ｔ１１ａ〜Ｔ１４ａ、光カプラ３１ｔａ、及び２つの伝送路ＬＰ１１ａ，ＬＰ１２ａを含むループ状の伝送路ＬＰ１ａを備える。

Ｂ系の構成は、制御装置１ｂ、光カプラ３１ｒｂ、各セル１１１Ａ〜１１４Ａの１組の受光回路Ｒ１１ｂ〜Ｒ１４ｂと発光回路Ｔ１１ｂ〜Ｔ１４ｂ、光カプラ３１ｔｂ、及び２つの伝送路ＬＰ１１ｂ，ＬＰ１２ｂを含むループ状の伝送路ＬＰ１ｂを備える。

Ａ系及びＢ系のそれぞれの構成は、第１の実施形態で説明した、制御装置１、光カプラ３１ｒ、各セル１１１〜１１４の１組の受光回路Ｒ１１〜Ｒ１４と発光回路Ｔ１１〜Ｔ１４、光カプラ３１ｔ、２つの伝送路ＬＰ１１，ＬＰ１２を含むループ状の伝送路ＬＰ１による構成と同様である。Ａ系及びＢ系のそれぞれの構成は、それぞれ独立して動作し、Ａ系又はＢ系のうち少なくとも一方が正常であれば、自励式電力変換装置１０Ａが正常に運転できるように構成されている。

本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、通信回路を二重系にすることで、シリアル通信での通信異常による運転継続性をより向上させることができる。なお、ここでは、二重系の構成について説明したが、三重系以上の多重系で構成してもよい。

なお、各実施形態において、ループ状の伝送路をアーム毎に構築したが、これに限らない。セル１１１〜１３８をどのようにグループ分けして、ループ状の伝送路を構築してもよく、１つのグループは、複数のアームに跨るようにしてもよい。

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。

１…制御装置、３ｕｐ…アーム、１０…自励式電力変換装置、３１ｒ，３１ｔ…光カプラ、１１１〜１１４…セル、ＬＰ１，ＬＰ１１，ＬＰ１２…伝送路、Ｒ１１〜Ｒ１４…受光回路、Ｔ１１〜Ｔ１４…発光回路。

Claims

電力変換回路を構成する複数の単位変換器と、
前記複数の単位変換器を制御する情報が含まれる光信号の送信信号をシリアル通信で送信する制御手段と、
前記複数の単位変換器が複数に分けられたグループ毎に設けられ、前記制御手段から受信した前記送信信号を前記グループの前記単位変換器に分配する光信号分配手段と、
前記グループ毎に設けられ、前記送信信号に基づいて決定された前記単位変換器から返信される光信号の返信信号を前記グループ毎に合成して、前記制御手段にシリアル通信で送信する光信号合成手段と
を備えることを特徴とする電力変換装置。
前記グループは、前記電力変換回路を構成するアーム毎に分けられたこと
を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
前記光信号分配手段及び前記光信号合成手段は、電源を要しない光カプラであること
を特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電力変換装置。
前記制御手段を複数備え、
前記制御手段は、それぞれ前記複数の単位変換器を制御すること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の電力変換装置。
構成する複数の単位変換器で構成される電力変換装置を制御する制御装置であって、
前記複数の単位変換器を制御する情報が含まれる光信号の送信信号をシリアル通信で送信する制御手段と、
前記複数の単位変換器が複数に分けられたグループ毎に設けられ、前記制御手段から受信した前記送信信号を前記グループの前記単位変換器に分配する光信号分配手段と、
前記グループ毎に設けられ、前記送信信号に基づいて決定された前記単位変換器から返信される光信号の返信信号を前記グループ毎に合成し、前記制御手段にシリアル通信で送信する光信号合成手段と
を備えることを特徴とする電力変換装置の制御装置。
複数の単位変換器で構成される電力変換装置を制御する制御方法であって、
前記複数の単位変換器を制御する情報が含まれる光信号の送信信号をシリアル通信で制御部から送信し、
前記複数の単位変換器が複数に分けられたグループ毎に、前記送信信号を前記グループの前記単位変換器に分配し、
前記グループ毎に、前記送信信号に基づいて決定された前記単位変換器から返信される光信号の返信信号を前記グループ毎に合成して、前記制御部にシリアル通信で送信すること
を含むことを特徴とする電力変換装置の制御方法。