JP6755436B1 - 電力変換システム - Google Patents

Abstract

電力変換システムは、互いに直列接続された複数のサブモジュール（７）を含む電力変換回路部（２）と、電力変換回路部に含まれる各サブモジュールを制御する上位装置（１０１，１０２）と、各サブモジュールの内部情報を表示する端末装置（１１０）と、上位装置と各サブモジュールとの間の通信、および端末装置と各サブモジュールとの間の通信を中継する少なくとも１つの中継装置（３２）とを備える。中継装置は、中継装置と通信する１以上のサブモジュールから、当該サブモジュールの内部情報を受信し、受信した各内部情報を集約した集約情報を含む第１通信フレーム（７１，７２）を、第１周期で上位装置へ送信し、受信した各内部情報の中から選択された内部情報を含む第２通信フレーム（７３）を、第１周期よりも長い第２周期で端末装置へ送信する。

Description

本開示は、交流と直流との間で電力変換を行なう電力変換システムに関する。

直流送電システムにおいて用いられる自励式の電力変換器としてモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）が知られている。モジュラーマルチレベル変換器は、交流の各相について、高電位側直流端子に接続された上アームと低電位側直流端子に接続された下アームとを有する。各アームは、複数のサブモジュールがカスケードに接続されることによって構成されている。「サブモジュール」は、「変換器セル」とも称される。

国際公開第２０１８／２３０３２７号（特許文献１）は、各変換器セルに設けられたエネルギー蓄積器の両端間の電圧のばらつきが限界を超えたために運転継続が困難になるという事態を防止するためのＭＭＣ方式の電力変換装置を開示している。

国際公開第２０１８／２３０３２７号

保守員は、ヒューマンマシンインターフェース（ＨＭＩ：Human Machine Interface）装置等の端末装置を利用して電力変換器の監視を行なっている。例えば、保守員は、ＨＭＩ装置に表示されたサブモジュールに関する情報を確認し、電力変換器を監視する。

サブモジュールを制御する上位装置（例えば、サブモジュールを運転制御する制御装置、サブモジュールを保護する保護装置等）では高速処理が求められており、当該制御に必要な情報の収集周期を短くする必要がある。一方、ＨＭＩ装置では、保守員向けに一定間隔での画面更新を実現できればよいため、ＨＭＩ装置での表示に必要な情報の収集周期は長くてもよい。しかし、ＨＭＩ装置は保守員に各種情報を提供する役割を担っているため、一度の通信で収集できる情報量が多いことが望ましい。

しかしながら、従来、ＨＭＩ装置は、情報の収集周期の短い上位装置を介してサブモジュールに関する情報を受信しているため、一度の通信で収集できる情報量が制限されていた。その結果、ＨＭＩ装置は保守員に対して詳細な情報を提供できないという課題があった。特許文献１は、上記課題に対する解決策を何ら教示も示唆もしていない。

本開示のある局面における目的は、上位装置に対しては短い周期で情報を送信し、端末装置に対しては一度により多くの情報を送信することが可能な電力変換システムを提供することである。

ある実施の形態に従う電力変換システムは、互いに直列接続された複数のサブモジュールを含む電力変換回路部と、電力変換回路部に含まれる各サブモジュールを制御する上位装置と、各サブモジュールの内部情報を表示する端末装置と、上位装置と各サブモジュールとの間の通信、および端末装置と各サブモジュールとの間の通信を中継する少なくとも１つの中継装置とを備える。中継装置は、中継装置と通信する１以上のサブモジュールから、当該サブモジュールの内部情報を受信し、受信した各内部情報を集約した集約情報を含む第１通信フレームを、第１周期で上位装置へ送信し、受信した各内部情報の中から選択された内部情報を含む第２通信フレームを、第１周期よりも長い第２周期で端末装置へ送信する。

本開示によると、上位装置に対しては短い周期で情報を送信し、端末装置に対しては一度により多くの情報を送信することができる。

電力変換装置の概略構成図である。 図１の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。 指令生成装置の概略構成を示すブロック図である。 制御装置および端末装置と、各中継装置との間のネットワーク構成の一例を示す図である。 制御装置および端末装置と、各中継装置との間のネットワーク構成の他の例を示す図である。 中継装置の機能構成の一例を示すブロック図である。 各通信フレームの構成例を模式的に示す図である。 中継装置の内部処理を説明するための図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

＜電力変換装置の構成＞
図１は、電力変換装置の概略構成図である。図１を参照して、電力変換装置１は、互いに直列接続された複数のサブモジュール（sub module）（図１中の「ＳＭ」に対応）７を含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。「サブモジュール」は、「変換器セル」あるいは「単位変換器」とも呼ばれる。電力変換システムは、電力変換装置１と、保守員に対する情報表示機能を有する端末装置１１０とを含む。電力変換装置１は、直流回路１４と交流回路１２との間で電力変換を行なう。具体的には、電力変換装置１は、電力変換回路部２と、指令生成装置３とを含む。

電力変換回路部２は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（以下、「レグ回路４」とも総称する。）を含む。

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、交流回路１２と直流回路１４との間に接続され、両回路間で電力変換を行なう。図１には、交流回路１２が３相交流系統の場合が示され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられている。

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、連系変圧器１３を介して交流回路１２に接続される。交流回路１２は、例えば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流入力端子Ｎｖ，Ｎｗと連系変圧器１３との接続は図示していない。

各レグ回路４に共通に接続された高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流回路１４に接続される。直流回路１４は、例えば、直流送電網などを含む直流電力系統または他の電力変換装置の直流端子である。

図１の連系変圧器１３を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流回路１２に接続した構成としてもよい。さらに、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが連系変圧器１３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル８Ａ，８Ｂとしてもよい。すなわち、レグ回路４は、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗに設けられた接続部を介して電気的に（すなわち、直流的または交流的に）交流回路１２と接続される。

レグ回路４ｕは、高電位側直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム５と、低電位側直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム６とを含む。上アーム５と下アーム６との接続点である交流入力端子Ｎｕが連系変圧器１３と接続される。高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎが直流回路１４に接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有しているので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。

上アーム５は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ａとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ａは互いに直列接続されている。下アーム６は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ｂとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ｂは互いに直列接続されている。

リアクトル８Ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの上アーム５のいずれの位置であってもよく、リアクトル８Ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの下アーム６のいずれの位置であってもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂはそれぞれ複数個あってもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。上アーム５のリアクトル８Ａのみ、もしくは、下アーム６のリアクトル８Ｂのみを設けてもよい。

リアクトル８Ａ，８Ｂは、交流回路１２または直流回路１４などの事故時に事故電流が急激に増大しないように設けられている。しかし、リアクトル８Ａ，８Ｂのインダクタンス値を過大なものにすると電力変換器の効率が低下するという問題が生じる。したがって、事故時においては、各サブモジュール７の全てのスイッチング素子をできるだけ短時間で停止（すなわち、オフ）することが好ましい。

電力変換装置１は、制御に使用される電気量（例えば、電流、電圧など）を計測する各検出器として、交流電圧検出器１０と、交流電流検出器１６と、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂとを含む。これらの検出器によって検出された信号は、指令生成装置３に入力される。

指令生成装置３は、これらの検出信号に基づいて各サブモジュール７の運転状態を制御するための運転指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗを出力する。また、指令生成装置３は、各サブモジュール７から情報１７を受信する。情報１７は、サブモジュール７の内部情報（以下、「ＳＭ内部情報」とも称する。）であり、サブモジュール７のコンデンサ２４の電圧値、サブモジュール７の状態を示す状態情報等を含む。

本実施の形態の場合、運転指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗは、Ｕ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相上アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相上アーム、およびＷ相下アームにそれぞれ対応して生成されている。以下の説明では、運転指令１５ｐｕ，１５ｎｕ，１５ｐｖ，１５ｎｖ，１５ｐｗ，１５ｎｗについて、総称する場合または任意のものを示す場合、運転指令１５と記載する。

図１では図解を容易にするために、各検出器から指令生成装置３に入力される信号の信号線と、指令生成装置３および各サブモジュール７間で入出力される信号の信号線とは、一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびサブモジュール７ごとに設けられている。また、本実施の形態の場合、これらの信号は、耐ノイズ性の観点から光ファイバを介して伝送される。

交流電圧検出器１０は、交流回路１２のＵ相の交流電圧値Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧値Ｖａｃｖ、およびＷ相の交流電圧値Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器１６は、交流回路１２のＵ相の交流電流値Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流値Ｉａｃｖ、およびＷ相の交流電流値Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器１１Ａは、直流回路１４に接続された高電位側直流端子Ｎｐの直流電圧値Ｖｄｃｐを検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流回路１４に接続された低電位側直流端子Ｎｎの直流電圧値Ｖｄｃｎを検出する。

Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム５に流れる上アーム電流Ｉｐｕおよび下アーム６に流れる下アーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｖおよび下アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。

端末装置１１０は、例えば、ＨＭＩ装置であり、サブモジュール７に関する各種情報（例えば、ＳＭ内部情報）を表示する。詳細は後述するが、端末装置１１０は、指令生成装置３内の中継装置を介して、サブモジュール７のＳＭ内部情報を取得する。端末装置１１０は、例えば、パーソナルコンピュータであり、ハードウェア構成として、プロセッサと、メモリと、通信インターフェイスと、ディスプレイと、入力装置（例えば、キーボード、マウス等）とを含む。

＜サブモジュールの構成例＞
図２は、図１の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。図２を参照して、サブモジュール７は、ハーフブリッジ型の変換回路２５と、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ２４と、ゲート制御部２１と、電圧検出部２７と、送受信部２８とを含む。ゲート制御部２１、電圧検出部２７、および送受信部２８は、専用回路によって構成してもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを利用して構成してもよい。

変換回路２５は、互いに直列接続されたスイッチング素子２２Ａ，２２Ｂと、ダイオード２３Ａ，２３Ｂとを含む。ダイオード２３Ａ，２３Ｂは、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂとそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続される。コンデンサ２４は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を保持する。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの接続ノードは高電位側の入出力端子２６Ｐと接続される。スイッチング素子２２Ｂとコンデンサ２４の接続ノードは低電位側の入出力端子２６Ｎと接続される。

ゲート制御部２１は、図１の指令生成装置３から受信した運転指令１５に従って動作する。ゲート制御部２１は、通常動作時（すなわち、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間に零電圧または正電圧を出力する場合）には、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂの一方をオン状態とし、他方をオフ状態となるように制御を行なう。スイッチング素子２２Ａがオン状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオフ状態のとき、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間にはコンデンサ２４の両端間の電圧が印加される。スイッチング素子２２Ａがオフ状態であり、スイッチング素子２２Ｂがオン状態のとき、入出力端子２６Ｐ，２６Ｎ間は０Ｖとなる。

したがって、サブモジュール７は、スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂを交互にオン状態とすることによって、零電圧またはコンデンサ２４の電圧に依存した正電圧を出力する。

電圧検出部２７は、コンデンサ２４の両端２４Ｐ，２４Ｎの間の電圧を検出する。送受信部２８は、図１の指令生成装置３から受信した運転指令１５をゲート制御部２１に伝達するとともに、電圧検出部２７によって検出されたコンデンサ２４の電圧（以下、単に「コンデンサ電圧」とも称する。）を含む情報１７（すなわち、ＳＭ内部情報）を指令生成装置３に送信する。

各スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂには、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子２２Ａ，２２Ｂは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）である。

上記で説明したサブモジュール７の構成は一例であって、他の構成のサブモジュール７を本実施の形態に適用してもよい。例えば、サブモジュール７は、フルブリッジ型の変換回路、またはスリークオーターブリッジ型の変換回路を用いて構成されていてもよい。

＜指令生成装置の構成＞
図３は、指令生成装置の概略構成を示すブロック図である。図３を参照して、指令生成装置３は、制御装置１０１と、保護装置１０２と、複数の中継装置から構成される中継装置群３２０とを含む。制御装置１０１および保護装置１０２の各々は、中継装置群３２０に含まれる各中継装置の上位装置に相当し、電力変換回路部２に含まれる各サブモジュール７を制御する。各中継装置は、上位装置と各サブモジュール７との間の通信と、端末装置１１０と各サブモジュール７との間の通信とを中継する。図３では、図１の電力変換回路部２のうちＵ相用のレグ回路４ｕのみが代表的に示されているが、他のレグ回路４ｖ，４ｗについても同様である。

各中継装置は、通信周期Ｔ１（例えば、１００μｓ）で制御装置１０１および保護装置１０２と通信する。各中継装置は、通信周期Ｔ２（例えば、１０ｍｓ）で端末装置１１０と通信する。中継装置群３２０は、通信周期Ｔ３（例えば、数μｓ）で各サブモジュール７と通信する。このことから、各中継装置と端末装置１１０間の通信周期Ｔ２は、他の通信周期Ｔ１，Ｔ３よりもかなり長いことが理解される。

制御装置１０１は、各サブモジュール７を運転制御する装置である。制御装置１０１は、図１の各検出器で検出された交流電圧値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗ、交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗ、直流電圧値Ｖｄｃｐ，Ｖｄｃｎ、上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ、下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗおよびコンデンサ電圧Ｖｃａｐの入力を受け付ける。典型的には、コンデンサ電圧Ｖｃａｐは、各サブモジュール７において検出されたコンデンサ２４の電圧値がアーム回路ごとに平均化されたものである。

制御装置１０１は、当該受け付けた各検出値に基づいて、通信周期Ｔ１ごとに、通常の運転制御期間において各サブモジュール７を運転制御するための制御指令を生成し、当該生成した制御指令を中継装置群３２０に出力する。

制御指令は、電圧指令、電流指令等を含む。電圧指令は、例えば、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにおける上アーム５の出力電圧指令値および下アーム６の出力電圧指令値である。電流指令は、例えば、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにおける上アーム５の出力電流指令値および下アーム６の出力電流指令値である。

制御装置１０１は、典型的には、ハードウェア構成として、補助変成器、ＡＤ（Analog to Digital）変換部、演算部等を含む。演算部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。ＡＤ変換部は、アナログフィルタ、サンプルホールド回路、マルチプレクサ等を含む。制御装置１０１は、例えば、ディジタル保護制御装置で構成されていてもよい。

保護装置１０２は、各サブモジュール７を保護する装置である。保護装置１０２は、各アーム電流の少なくとも１つが閾値を超えている場合には、各サブモジュール７の動作を停止させるための停止指令を含む保護指令を生成し、当該保護指令を各中継装置３２に送信する。一方、保護装置１０２は、すべてのアーム電流が閾値未満である場合には、保護指令を生成しないか、あるいは、制御指令に基づいて各サブモジュール７を動作させる通常指令を含む保護指令を生成してもよい。保護装置１０２は、通信周期Ｔ１ごとに保護指令を送信する。なお、保護装置１０２のハードウェア構成は、例えば、制御装置１０１のハードウェア構成と同様であってもよい。

中継装置群３２０は、制御装置１０１から制御指令を受信し、保護装置１０２から保護指令を受信する。中継装置群３２０は、制御指令および保護指令の少なくとも一方を含む運転指令１５を各サブモジュール７に出力する。各サブモジュール７は、運転指令１５に従って動作する。また、中継装置群３２０は、通信周期Ｔ３ごとに各サブモジュール７からＳＭ内部情報を受信する。中継装置群３２０は、各サブモジュール７のＳＭ内部情報を集約した情報を通信周期Ｔ１で制御装置１０１および保護装置１０２に送信する。中継装置群３２０は、各サブモジュール７のＳＭ内部情報から選択されたＳＭ内部情報を通信周期Ｔ２で端末装置１１０に送信する。

＜ネットワーク構成＞
図４は、制御装置１０１および端末装置１１０と、各中継装置３２との間のネットワーク構成の一例を示す図である。図４を参照して、制御装置１０１は、電力変換回路部２に含まれる各アームに対応して設けられた通信ポートを含む。具体的には、制御装置１０１は、Ｕ相上アーム用の通信ポート３４Ａと、Ｕ相下アーム用の通信ポート３４Ｂと、Ｖ相上アーム用の通信ポート３４Ｃと、Ｖ相下アーム用の通信ポート３４Ｄと、Ｗ相上アーム用の通信ポート３４Ｅと、Ｗ相下アーム用の通信ポート３４Ｆとを含む。

通信ポート３４Ａは、Ｕ相上アーム用のデータを中継する中継装置３２（図中の「ＨＵＢ」に対応）と接続される。中継装置３２は、各サブモジュール７とスター接続される。同様に、各通信ポート３４Ｂ〜３４Ｆは、対応するアーム用のデータを中継する中継装置３２と接続される。端末装置１１０は、通信機器１２０を介して、各アーム用の中継装置３２と通信する。通信機器１２０は、例えば、Ｌ３スイッチであり、各アーム用の中継装置３２とスター接続される。端末装置１１０と中継装置３２との間の通信は、汎用のネットワーク（例えば、ＩＰネットワーク）を利用して実現される。

図５は、制御装置１０１および端末装置１１０と各中継装置３２との間のネットワーク構成の他の例を示す図である。図５を参照して、複数の通信ポート３４Ａ〜３４Ｆは、リング型のネットワークを介して、複数の中継装置３２と接続されている。例えば、通信ポート３４Ａは、Ｕ相上アーム用の４つの中継装置３２（図中のＨＵＢ♯１〜♯４に対応）とリング接続されている。各中継装置３２は、複数のサブモジュール７とスター接続されている。通信ポート３４Ａから出力された通信フレームは、図５における括弧内の数字（１）、（２）、（３）、（４）、（５）の順に送信される。各通信ポート３４Ｂ〜３４Ｆから出力される通信フレームの送信方式は、通信ポート３４Ａから出力される通信フレームの送信方式と同様である。

端末装置１１０は、通信機器１２０を介して、各アーム用の中継装置３２と通信する。通信機器１２０は、各アーム用の４つの中継装置３２とスター接続される。端末装置１１０は、制御装置１０１および保護装置１０２と通信可能に構成されていてもよい。この場合、例えば、端末装置１１０は、保守員からの指示を示す情報を制御装置１０１および保護装置１０２に送信する。

なお、保護装置１０２と各中継装置３２とのネットワーク構成は、上記の図４，図５に示す制御装置１０１と各中継装置３２とのネットワーク構成と同様である。

＜中継装置の構成＞
図６は、中継装置３２の機能構成の一例を示すブロック図である。図６を参照して、中継装置３２は、制御装置１０１用の通信インターフェイス部（図中の「制御Ｉ／Ｆ」に対応）２０１と、保護装置１０２用の通信インターフェイス部（図中の「保護Ｉ／Ｆ」に対応）２０２と、端末装置１１０用の通信インターフェイス部（図中の「端末Ｉ／Ｆ」に対応）２１０と、データ集約部２２０と、データ選択部２３０と、受信データメモリ２４０と、送信データメモリ２５０と、各サブモジュール７用の通信インターフェイス群２６０とを含む。中継装置３２の各機能は、例えば、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）などを利用して実現されてもよいし、ＣＰＵがＲＯＭに格納されたプログラムを実行することによって実現されてもよい。

通信インターフェイス部２０１は、制御装置１０１用の通信フレームを送受信し、通信インターフェイス部２０２は、保護装置１０２用の通信フレームを送受信し、通信インターフェイス部２１０は、端末装置１１０用の通信フレームを送受信する。通信インターフェイス部２０１，２０２は、自励式ＨＶＤＣ専用のインターフェイスを用いて実現され、典型的には、有線通信方式が採用される。

一方、通信インターフェイス部２１０は、汎用のインターフェイス（例えば、ＩＰネットワーク用のインターフェイス）を用いて実現される。通信インターフェイス部２１０で採用される通信方式は、有線通信方式であってもよいし、無線ＬＡＮ（Local Area Network）等による無線通信方式であってもよい。

また、通信インターフェイス部２０１は、中継装置３２と制御装置１０１との間で送受信される情報を格納する内部メモリ４１を有する。通信インターフェイス部２０２は、中継装置３２と保護装置１０２との間で送受信される情報を格納する内部メモリ４２を有する。通信インターフェイス部２１０は、中継装置３２と端末装置１１０との間で送受信される情報を格納する内部メモリ５１を有する。

図７は、各通信フレームの構成例を模式的に示す図である。図７（ａ）は制御装置１０１用の通信フレーム７１の構成を示し、図７（ｂ）は保護装置１０２用の通信フレーム７２の構成を示し、図７（ｃ）は端末装置１１０用の通信フレーム７３の構成を示す。

通信フレーム７１は、フラグ領域３０１と、ヘッダ領域３０２と、制御用データ領域３０３と、誤り検出情報が格納されるＦＣＳ（Frame Check Sequence）領域３０４とを含む。ヘッダ領域３０２には、通信コマンド、シーケンス番号、ペイロード長等の情報が格納される。制御用データ領域３０３には、制御指令、各サブモジュール７のＳＭ内部情報を集約した集約情報Ｚｃ等が含まれる。集約情報Ｚｃは、中継装置３２と通信する各サブモジュール７のコンデンサ電圧（以下、「ＳＭ電圧」とも称する。）の集約値と、当該各サブモジュール７の状態情報の集約値とを含む。また、例えば、フラグ領域３０１、ヘッダ領域３０２、制御用データ領域３０３、およびＦＣＳ領域３０４のサイズは、それぞれ２バイト、４バイト、最大６４バイト、２バイトである。

通信フレーム７２は、フラグ領域３１１と、ヘッダ領域３１２と、保護用データ領域３１３と、ＦＣＳ領域３１４とを含む。保護用データ領域３１３には、停止指令を含む保護指令、各サブモジュール７のＳＭ内部情報を集約した集約情報Ｚｈ等が含まれる。集約情報Ｚｈは、各サブモジュール７の状態情報の集約値を含み、ＳＭ電圧は含まれない。例えば、フラグ領域３１１、ヘッダ領域３１２、保護用データ領域３１３、およびＦＣＳ領域３１４のサイズは、それぞれ２バイト、４バイト、最大３２バイト、２バイトである。

通信フレーム７３は、例えば、イーサネット（登録商標）フレームであり、プリアンブル／フラグ領域３２１と、イーサネットヘッダ領域３２２と、ＩＰヘッダ領域３２３と、ＴＣＰヘッダ領域３２４と、端末用データ領域３２５と、ＦＣＳ領域３２６とを含む。

端末用データ領域３２５には、各サブモジュール７のＳＭ内部情報の中から選択された１以上のサブモジュール７のＳＭ内部情報が含まれる。換言すると、端末用データ領域３２５には、各ＳＭ内部情報が集約された情報ではなく、個々のＳＭ内部情報自体が格納される。例えば、プリアンブル／フラグ領域３２１、イーサネットヘッダ領域３２２、ＩＰヘッダ領域３２３、ＴＣＰヘッダ領域３２４、端末用データ領域３２５、およびＦＣＳ領域３２６のサイズは、それぞれ、８バイト、１４バイト、２０バイト、２０バイト、最大１４６０バイト、および４バイトである。

上記のように、端末装置１１０用の通信フレーム７３は、制御装置１０１用の通信フレーム７１および保護装置１０２用の通信フレーム７２と比較して、フレームサイズが大きい。そのため、通信フレーム７３にはより多くの情報を一度に格納することができる。

再び、図６を参照して、通信インターフェイス部２０１は、制御装置１０１から受信した通信フレーム７１の中から制御指令を抽出して、当該制御指令を送信データメモリ２５０に格納する。送信データメモリ２５０は、サブモジュール７に送信される情報を格納するためのメモリである。典型的には、通信インターフェイス部２０１は、受信した通信フレーム７１を内部メモリ４１に格納する。

通信インターフェイス部２０２は、保護装置１０２から受信した通信フレーム７２の中から保護指令を抽出して、当該保護指令を送信データメモリ２５０に格納する。典型的には、通信インターフェイス部２０２は、受信した通信フレーム７２を内部メモリ４２に格納する。

通信インターフェイス群２６０は、サブモジュール７と通信するＭ個（ただし、Ｍ≧１の整数）のＳＭインターフェイス（図中の「ＳＭ Ｉ／Ｆ」に対応）６０を含む。Ｍ個のＳＭインターフェイスに対して、便宜上、＃１〜＃Ｍの番号を付与してそれぞれを区別する。各ＳＭインターフェイス６０は、スター型のネットワークを介して、予め定められた数のサブモジュール７に接続される。

各ＳＭインターフェイス６０は、送信データメモリ２５０に含まれる制御指令および保護指令を取り出して、当該制御指令および保護指令を含む通信フレームを、自身と接続されている各サブモジュール７に送信する。また、各ＳＭインターフェイス６０は、自身と接続されている各サブモジュール７からＳＭ内部情報を含む通信フレームを受信して、各ＳＭ内部情報を受信データメモリ２４０に格納する。

典型的には、ＳＭインターフェイス６０とサブモジュール７との１回の通信で、制御指令および保護指令を含む通信フレームの送信と、ＳＭ内部情報を含む通信フレームとの受信とが同時に行われる。ＳＭインターフェイス６０は、サブモジュール７と通信周期Ｔ３で通信する。

受信データメモリ２４０には、中継装置３２と接続されている各サブモジュール７のＳＭ内部情報が格納される。典型的には、通信周期Ｔ３ごとに、最新のＳＭ内部情報が受信データメモリ２４０に格納されることで、古いＳＭ内部情報が上書きされる。

データ集約部２２０は、受信データメモリ２４０に格納されている各ＳＭ内部情報を集約することにより集約情報を生成する。上述したように、ＳＭ内部情報は、ＳＭ電圧と、サブモジュール７の状態情報とを含む。

状態情報は、例えば、サブモジュール７の稼働状態を示す稼働情報と、故障の程度を示す故障ランク情報と、故障の種別を示す故障種別情報とを含む。サブモジュール７の稼働情報は、起動中か否かを示す起動ビットと、故障中か否かを示す故障ビットと、故障状態を示す故障ビットに従属する分離ビットとを含む。分離ビットは、故障中のサブモジュール７がアームから分離されたか否かを示す情報である。故障ランク情報は、サブモジュール７が運転可能か否かを示す情報を含む。なお、稼働情報は、運転制御中か否かを示す制御ビットと、停止中か否かを示す停止ビットとを含んでもよい。

データ集約部２２０は、各ＳＭ内部情報に含まれるＳＭ電圧を加算して、ＳＭ電圧の集約情報に対応する電圧集約値を生成する。データ集約部２２０は、状態情報の集約値として、起動ビット集約値と、起動ＳＭ数集約値と、故障ビット集約値とを生成する。

起動ビット集約値は、各サブモジュール７から受信した各起動ビットの論理積である。例えば、中継装置３２に接続されたすべてのサブモジュール７が起動している場合には論理積は“１”となり、少なくとも１つのサブモジュール７が起動していない場合には論理積は“０”となる。論理積の値により、中継装置３２に接続されたすべてのサブモジュール７が起動しているか否かを判断できる。

起動ＳＭ数集約値は、各サブモジュール７から受信した各起動ビットの加算値である。この加算値は、中継装置３２に接続された各サブモジュール７のうち起動完了したサブモジュール７の数に相当する。

故障ビット集約値は、各サブモジュール７から受信した各故障ビットの論理和である。例えば、中継装置３２に接続されたすべてのサブモジュール７が故障していない場合には論理和は“０”となり、少なくとも１つのサブモジュール７が故障している場合には論理和は“１”となる。論理和の値により、中継装置３２に接続された各サブモジュール７の中に、故障中のサブモジュール７が存在するか否かを判断できる。

データ集約部２２０は、電圧集約値と、状態情報の集約値とを含む集約情報Ｚｃを通信インターフェイス部２０１の内部メモリ４１に格納する。データ集約部２２０は、状態情報の集約値を含む集約情報Ｚｈを通信インターフェイス部２０２の内部メモリ４２に格納する。通信インターフェイス部２０１は、集約情報Ｚｃを含む通信フレーム７１を通信周期Ｔ１で制御装置１０１に送信する。通信インターフェイス部２０２は、集約情報Ｚｈを含む通信フレーム７２を保護装置１０２に送信する。

典型的には、通信インターフェイス部２０１は、通信周期Ｔ１で、制御装置１０１から制御指令を含む通信フレーム７１を受信し、集約情報Ｚｃを含む通信フレーム７１を制御装置１０１へ送信する。通信インターフェイス部２０２は、通信周期Ｔ１で、保護装置１０２から保護指令を含む通信フレーム７２を受信し、集約情報Ｚｈを含む通信フレーム７２を保護装置１０２へ送信する。このように、通信フレーム７１は、通信インターフェイス部２０１を介して通信周期Ｔ１で制御装置１０１へ送信され、通信フレーム７２は通信インターフェイス部２０２を介して通信周期Ｔ１で保護装置１０２へ送信される。

データ選択部２３０は、受信データメモリ２４０に格納されている各ＳＭ内部情報の中から少なくとも１つの内部情報を選択する。典型的には、データ選択部２３０は、端末装置１１０からの要求に応じたＳＭ内部情報を選択する。具体的には、通信インターフェイス部２１０は、通信機器１２０を介して、端末装置１１０からＳＭ内部情報の選択要求情報を受信し、選択要求情報に従うＳＭ内部情報を選択するようにデータ選択部２３０へ指示する。データ選択部２３０は、当該指示に従ってＳＭ内部情報を選択し、選択したＳＭ内部情報を通信インターフェイス部２１０の内部メモリ５１に格納する。

通信インターフェイス部２１０は、通信機器１２０を介して、選択されたＳＭ内部情報を含む通信フレーム７３を端末装置１１０へ送信する。典型的には、通信インターフェイス部２１０は、通信周期Ｔ１よりも長い通信周期Ｔ２で、端末装置１１０からの要求に応じて選択したＳＭ内部情報を含む通信フレーム７３を端末装置１１０へ送信する。

図８は、中継装置３２の内部処理を説明するための図である。図８を参照して、中継装置３２の内部処理の処理周期はＴｃ（例えば、２０μｓ）である。中継装置３２の内部処理は、制御装置１０１および保護装置１０２用の処理Ｐ１，Ｐ２と、端末装置１１０用の処理Ｐ３とに分割される。処理Ｐ１および処理Ｐ２の合計処理時間はＴａ（例えば、１７μｓ）であり、処理Ｐ３の処理時間はＴｂ（例えば、３μｓ）である。制御装置１０１および保護装置１０２用の処理Ｐ１，Ｐ２にはリアルタイム性が確保される必要があるため、端末装置１１０用の処理Ｐ３よりも多くの時間が割り当てられる。

処理Ｐ１は、中継装置３２が、制御装置１０１から受信した制御指令と保護装置１０２から受信した保護指令とを送信データメモリ２５０に格納する処理である。処理Ｐ２は、受信データメモリ２４０に格納されたＫ個（ただし、Ｋ≧１の整数）のＳＭ内部情報（図中の「ＳＭ♯１データ」，「ＳＭ♯Ｋデータ」に対応）に基づいて集約情報Ｚｃ，Ｚｈを生成し、生成した集約情報Ｚｃ，Ｚｈを内部メモリ４１，４２にそれぞれ格納する処理である。

処理Ｐ３は、中継装置３２が、端末装置１１０の要求に応じて、Ｋ個のＳＭ内部情報の中から少なくとも１つのＳＭ内部情報を選択するデータ選択処理を実行し、当該選択したＳＭ内部情報を内部メモリ５１に格納する処理である。このように、処理Ｐ３では、制御装置１０１および保護装置１０２用の処理Ｐ２のようにデータ集約処理は行われない。

制御装置１０１および保護装置１０２では高速処理が必要なため、中継装置３２は、非常に短い通信周期Ｔ１（例えば、１００μｓ）で制御装置１０１および保護装置１０２と通信する。短い通信周期Ｔ１を実現するため、中継装置３２は、各ＳＭ内部情報のデータ集約処理によりデータサイズの小さい集約情報（例えば、集約情報Ｚｃ，Ｚｈ）を生成し、この集約情報を含む通信フレーム（例えば、通信フレーム７１，７２）のサイズを小さくする。換言すると、サイズの小さい通信フレームを用いた短周期での通信を実現するために、中継装置３２は、各ＳＭ内部情報のデータ集約処理を実行する。これにより、制御装置１０１および保護装置１０２と、中継装置３２との間での高速通信が実現される。

一方、中継装置３２は、比較的長い通信周期Ｔ２（例えば、１０ｍｓ）で端末装置１１０と通信する。端末装置１１０は、保守員向けの情報表示を目的とした装置であり、数秒周期の画面更新ができればよいため、中継装置３２と端末装置１１０との間の通信周期は１０ｍｓ程度で十分である。例えば、中継装置３２と通信するサブモジュール７の台数が１００であり、通信フレーム７３に１台分のサブモジュール７のＳＭ内部情報しか格納できないものとする。この場合、１００台のすべてのサブモジュール７のＳＭ内部情報の取得に要する時間は１秒となる。

中継装置３２と端末装置１１０間の通信周期は比較的長くてよいため、中継装置３２は、データサイズの大きい通信フレーム７３を利用して多くの情報を一度に端末装置１１０に送信することができる。そのため、サブモジュール７のメンテナンス用途で使われることが多い端末装置１１０において、サブモジュール７の詳細な情報を表示できる。

なお、中継装置３２の内部処理の周期Ｔｃは、中継装置３２と制御装置１０１および保護装置１０２との間の通信周期Ｔ１よりも短く設定される。これにより、制御装置１０１および保護装置１０２には、それぞれ最新の集約情報Ｚｃおよび集約情報Ｚｈが送信される。

＜利点＞
本実施の形態によると、上位装置および中継装置間の通信において重視されるレイテンシ性能と、端末装置および中継装置間の通信において重視されるスループット性能とを両立することができる。

その他の実施の形態．
上述の実施の形態として例示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

１ 電力変換装置、２ 電力変換回路部、３ 指令生成装置、４ｕ，４ｖ，４ｗ レグ回路、５ 上アーム、６ 下アーム、７ サブモジュール、８Ａ，８Ｂ リアクトル、９Ａ，９Ｂ アーム電流検出器、１０ 交流電圧検出器、１１Ａ，１１Ｂ 直流電圧検出器、１２ 交流回路、１３ 連系変圧器、１４ 直流回路、１６ 交流電流検出器、２１ ゲート制御部、２２Ａ，２２Ｂ スイッチング素子、２３Ａ，２３Ｂ ダイオード、２４ コンデンサ、２７ 電圧検出部、２８ 送受信部、３２ 中継装置、３４Ａ〜３４Ｆ 通信ポート、４１，４２，５１ 内部メモリ、７１，７２，７３ 通信フレーム、１０１ 制御装置、１０２ 保護装置、１１０ 端末装置、１２０ 通信機器、２０１，２０２，２１０ 通信インターフェイス部、２２０ データ集約部、２３０ データ選択部、２４０ 受信データメモリ、２５０ 送信データメモリ、２６０ 通信インターフェイス群、３２０ 中継装置群。

Claims (8)

1. 互いに直列接続された複数のサブモジュールを含む電力変換回路部と、
   前記電力変換回路部に含まれる各サブモジュールを制御する上位装置と、
   各前記サブモジュールの内部情報を表示する端末装置と、
   前記上位装置と各前記サブモジュールとの間の通信、および前記端末装置と各前記サブモジュールとの間の通信を中継する少なくとも１つの中継装置とを備え、
   前記中継装置は、
   前記中継装置と通信する１以上のサブモジュールから、当該サブモジュールの内部情報を受信し、
   受信した各前記内部情報を集約した集約情報を含む第１通信フレームを、第１周期で前記上位装置へ送信し、
   受信した各前記内部情報の中から選択された内部情報を含む第２通信フレームを、前記第１周期よりも長い第２周期で前記端末装置へ送信する、電力変換システム。
2. 前記第２通信フレームのサイズは、前記第１通信フレームのサイズよりも大きい、請求項１に記載の電力変換システム。
3. 前記第１通信フレームは、第１通信インターフェイスを介して、前記第１周期で前記上位装置へ送信され、
   前記第２通信フレームは、第２通信インターフェイスを介して、前記第２周期で前記端末装置へ送信される、請求項１または請求項２に記載の電力変換システム。
4. 前記中継装置は、
   受信した各前記内部情報を第１メモリに格納し、
   前記端末装置からの要求に応じた内部情報を、前記第１メモリに格納された各前記内部情報の中から選択する、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の電力変換システム。
5. 前記中継装置は、前記第１メモリに格納された各前記内部情報を集約することにより前記集約情報を生成する、請求項４に記載の電力変換システム。
6. 前記中継装置により実行される内部処理の周期は、前記第１周期よりも短く、
   前記内部処理は、
   前記中継装置が、前記上位装置から受信した指令情報を第２メモリに格納する第１処理と、
   前記中継装置が、前記第１メモリに格納された各前記内部情報に基づいて前記集約情報を生成し、前記集約情報を第３メモリに格納する第２処理と、
   前記中継装置が、前記第１メモリに格納された各前記内部情報の中から前記要求に応じた内部情報を選択し、当該選択した内部情報を第４メモリに格納する第３処理とを含む、請求項５に記載の電力変換システム。
7. 前記第２メモリは、前記１以上のサブモジュールに送信される情報を格納し、
   前記第３メモリは、前記上位装置に送信される情報を格納し、
   前記第４メモリは、前記端末装置に送信される情報を格納する、請求項６に記載の電力変換システム。
8. 前記上位装置は、前記電力変換回路部に含まれる各アームに対応して設けられた通信ポートを含み、
   複数の前記通信ポートの各々は、リング型のネットワークを介して、２以上の前記中継装置と接続されている、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力変換システム。

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