JP7054311B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

交流を直流に変換し、あるいは直流を交流に変換する電力変換装置がある。自己消弧形の半導体スイッチング素子を用いることによって小型化をはかりつつ、大容量化を実現することができる電力変換方式として、モジュラーマルチレベルコンバータ（Modular Multilevel Converter、ＭＭＣ）の実用化が進められている。

ＭＭＣは、交直電力変換装置に限らず、交流の電力系統に無効電力を注入する無効電力変換装置等にも応用が進められている。

ＭＭＣでは、電力変換器に多数の単位変換器が実装されており、それぞれが高電圧を取り扱うため、制御装置とのデータの伝送に光ファイバケーブルを用いる。制御装置と単位変換器との通信を１対多で行うと、単位変換器の台数分だけ光ファイバケーブルを必要とすることとなり、高コストとなる。これを回避するために、制御装置と各単位変換器とをループ状にデイジーチェーン接続することがある。

デイジーチェーン接続された通信経路では、途中の単位変換器に異常が生じた場合には、そこで通信経路が切断され、通信異常となり、運転を継続することができない。

大電力を扱う基幹系の電力系統に用いられる場合を含め、電力変換装置の運転を継続させることは、優先事項である。そこで、このような通信経路の切断を生じても、運転の継続が可能なように、単位変換器の制御用電源を冗長化したり、通信経路を多重化したりといった対策が一般に採用されている。

しかしながら、いずれの対策においても、単位変換器の回路規模が増大し、大型化、高コスト化が避けられない。

特開２０１１－２４３９３号公報

実施形態は、単位変換器の異常によって通信経路が切断されても、運転を継続できる電力変換装置を提供する。

実施形態に係る電力変換装置は、カスケードに接続された複数の単位変換器を含む電力変換器と、前記複数の単位変換器のそれぞれの状態にもとづいて更新された状態データを受信して前記複数の単位変換器のそれぞれの動作を制御するための制御データを生成し前記更新された状態データとともに伝送する制御装置と、を備える。前記複数の単位変換器のそれぞれおよび前記制御装置は、光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続され前記制御データを前記状態データとともに伝送する。前記複数の単位変換器のそれぞれは、自己の単位変換器が正常な場合に、前記制御データを受信し自己の単位変換器の状態にもとづいて前記状態データを更新し、自己の単位変換器が異常の場合に、前記自己の単位変換器の通信経路をバイパスする光バイパススイッチを含む。

本実施形態では、単位変換器の異常によって通信経路が切断されても、運転を継続できる電力変換装置が実現される。

実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。 実施形態の電力変換装置の一部を例示するブロック図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。 比較例の電力変換装置の動作を説明するために一部が省略されたブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図１は、本実施形態に係る電力変換装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電力変換装置１０は、電力変換器２０と、制御装置５０と、を備える。電力変換装置１０は、交流端子２１ａ～２１ｃを介して、交流回路１に接続され得る。この例のように、電力変換装置１０は、変圧器２を介して、交流回路１に接続されてもよい。たとえば、交流回路１は、三相または単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの交流電源、交流負荷および交流の送電線を備える電力系統とすることができる。

電力変換装置１０は、直流端子２１ｄ，２１ｅを介して、直流回路（図示せず）に接続され得る。直流回路は、たとえば直流送電線等を含む直流の電力系統である。

電力変換装置１０は、交流回路１と直流回路との間に接続されて、交流電圧を直流電圧に変換する。また、電力変換装置１０は、直流電圧を交流電圧に変換する。電力変換装置１０は、一方向の電力変換を行ってもよいし、双方向の電力変換を行うようにすることもできる。

電力変換器２０は、交流の各相に対応したアーム２２を含む。この例のように、交流回路１が三相交流の場合には、電力変換器２０は、６つのアーム２２を含む。相ごとに設けられた２つのアーム２２は、直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されている。

直流端子２１ｄ，２１ｅ間で直列に接続されるアーム２２には、バッファリアクトル２４がそれぞれ直列に接続されている。

各相に対応した高電位側および低電位側のアーム２２に接続されたバッファリアクトル２４の接続ノードは、交流端子２１ａ～２１ｃに接続されている。

アーム２２は、カスケード接続された単位変換器３０を含む。単位変換器３０は、アーム２２当たりｎ台直列接続されているものとする（ｎは２以上の整数）。

この例では、Ｕ相の高電位側のアーム２２には、高電位側から低電位側に向かって、ＵＰ１，ＵＰ２，…，ＵＰｎのように、ｎ台の単位変換器３０がカスケード接続されている。Ｕ相の低電位側のアーム２２にも高電位側から低電位側に向かって、ＵＮ１，ＵＮ２，…，ＵＮｎのように、ｎ台の単位変換器３０がカスケード接続されている。Ｖ相およびＷ相についても同様に、それぞれの高電位側のアームおよび低電位側のアームには、ｎ台の単位変換器３０がカスケード接続されている。

各単位変換器３０は、光バイパススイッチ３２を含み、各単位変換器３０は、光バイパススイッチ３２を介して、ループ状にデイジーチェーン接続されている。

この例では、Ｕ相～Ｗ相の相ごとに光ファイバケーブル６０ｕ～６０ｗが設けられている。たとえば、Ｕ相では、光ファイバケーブル６０ｕは、制御装置５０、単位変換器ＵＰ１，ＵＰ２，…，ＵＰｎ、ＵＮ１，ＵＮ２，…，ＵＮｎ、制御装置５０の順にデイジーチェーン接続のループで通信経路を形成し、この順でデータを伝送する。Ｖ相およびＷ相についても同様に、光ファイバケーブル６０ｖ，６０ｗによって、制御装置５０と各単位変換器３０とがデイジーチェーン接続されている。

デイジーチェーンのループは、上述に限らず、すべての相を１つのデイジーチェーンのループで接続してもよいし、アーム２２ごとにデイジーチェーンのループを形成するようにしてもよい。デイジーチェーンの構成は、アーム２２内の単位変換器３０の台数等に応じて、適切かつ任意に設定することができる。

実施形態では、いずれかの単位変換器３０が故障等した場合に、光バイパススイッチ３２によって、故障等した単位変換器３０の通信経路をバイパスして、データの転送を保証する。これによって、電力変換装置１０の運転の継続を可能にする。

上述は、交直電力変換器に適用する場合についての構成であるが、無効電力変換装置に適用する場合には、たとえば交流の相数に応じたアームをスター結線することと等によって実現される。

図２は、電力変換装置の一部を例示するブロック図である。
図２に示すように、単位変換器３０は、端子３１ａ，３１ｂを含む。単位変換器３０は、端子３１ａ，３１ｂによって、他の単位変換器３０等と電気的に接続されている。単位変換器３０は、光コネクタ３２ａ，３２ｂを介して、光ファイバケーブル６０に接続される。

単位変換器（以下、セルともいう）３０の構成について説明する。
セル３０は、光バイパススイッチ３２と、制御回路３３と、主回路３４と、電源回路３５と、を含む。光バイパススイッチ３２は、光ファイバケーブル６０と制御回路３３との間に設けられている。光バイパススイッチ３２および制御回路３３は、光ファイバケーブルによって接続されており、光ファイバケーブルを介して、データを送受信する。
電源回路３５は、光バイパススイッチ３２および制御回路３３に接続されている。

光バイパススイッチ３２は、光コネクタ３２ａ～３２ｄを含む。光コネクタ（第１端子）３２ａは、光ファイバケーブル６０から送信されてくるデータの受信端子である。光コネクタ（第４端子）３２ｂは、光ファイバケーブルへ送信するデータの送信端子である。光コネクタ（第２端子）３２ｃは、制御回路３３の光コネクタ３３ａにデータを送信する送信端子である。光コネクタ（第３端子）３２ｄは、制御回路３３からの光データを受信する受信端子である。

光バイパススイッチ３２は、光スイッチ３２ｅ，３２ｆを含む。光スイッチ（第１光スイッチ）３２ｅは、光コネクタ３２ａ，３２ｂ間に接続されている。光スイッチ（第２、第３光スイッチ）３２ｆは、光コネクタ３２ａ，３２ｃ間および光コネクタ３２ｂ，３２ｄ間にそれぞれ接続されている。

光バイパススイッチ３２は、制御回路３３に電気的に接続されている。光バイパススイッチ３２は、制御回路３３から、変換器正常信号Ｄｈを供給される。光バイパススイッチ３２は、電源回路３５から正常な電源を供給され、かつ、制御回路３３から有効な変換器正常信号Ｄｈを供給されている場合には、光スイッチ３２ｅを開放し、光スイッチ３２ｆを閉じる。したがって、光ファイバケーブル６０から供給されるデータは、光バイパススイッチ３２を介して、制御回路３３に到達することができる。また、制御回路３３は、光バイパススイッチ３２を介して、主回路３４等に関するデータを、光ファイバケーブル６０に送信することができる。

光バイパススイッチ３２は、電源回路３５から正常な電源の供給がない場合、または、制御回路３３から有効な変換器正常信号Ｄｈを供給されない場合、つまり変換器正常信号Ｄｈが無効な場合には、光スイッチ３２ｅを閉じて、光スイッチ３２ｆを開放する。したがって、光ファイバケーブル６０から供給される光データは、光バイパススイッチ３２を介して、次のセル３０に伝送される。

光スイッチ３２ｅは、たとえば電源供給がない場合には、常時、光経路を閉じている構成を有する。光スイッチ３２ｆは、たとえば電源供給がない場合には、常時、光経路を開いている構成を有する。このような光バイパススイッチ３２の構成とすることによって、電源供給がある場合に、光ファイバケーブル６０との間でデータを送受信し、電源供給がない場合に、光ファイバケーブル６０からのデータをバイパスしてそのまま転送することができる。

制御回路３３は、光ファイバケーブル６０によって伝送されてくるデータを受信する。このデータは、自己のセル３０を動作させるための制御データを含んでいる。制御回路３３は、光信号からなるこのデータを電気信号に変換し、変換された制御データに含まれる自己のセル３０に関するデータを読み出して、たとえば主回路３４を動作させるためのゲート駆動信号を生成する。

制御回路３３は、自己のセル３０の状態を表す状態データで、伝送されてくるデータを更新し、光信号に変換して伝送する。

制御回路３３は、セル３０の状態が正常であるか否かを表す変換器正常信号Ｄｈを生成して、光バイパススイッチ３２に供給する。変換器正常信号Ｄｈは、セル３０の状態が正常な場合には、有効な値を示す。有効な値とは、たとえばハイレベルのロジック信号またはローレベルのロジック信号である。変換器正常信号Ｄｈは、セル３０の状態が異常な場合には、無効な値を示す。無効な値とは、たとえばハイレベルのロジック信号の範囲およびローレベルのロジック信号の範囲と異なる値や、ハイインピーダンスにより不定となっている値である。

主回路３４は、スイッチング素子３４ａと、ダイオード３４ｂと、コンデンサ３４ｃと、を含む。スイッチング素子３４ａは直列に接続されている。ダイオード３４ｂは、スイッチング素子３４ａに逆並列に接続されている。コンデンサ３４ｃは、直列に接続されたスイッチング素子３４ａと並列に接続されている。スイッチング素子３４ａは、制御回路３３によって生成されたゲート駆動信号によって駆動され、コンデンサ３４ｃを充放電するようにスイッチング動作する。ダイオード３４ｂは還流ダイオードである。

なお、セル３０の状態が異常とは、後述するように、セル３０内の一部の回路等が故障により、機能不良となったり、本来の範囲とは異なる出力を供給したり等となる場合である。

実施形態の電力変換装置１０の動作について詳細に説明する。
図３および図４は、実施形態の電力変換装置の動作を説明するための模式的なブロック図である。
図３および図４には、カスケード接続された複数のセル３０が示されている。各セル３０は、光ファイバケーブル６０によって接続されており、データを順次伝送する。以下の説明では、（ｉ－１）番目のセル３０をセル（ｉ－１）といい、ｉ番目のセル３０をセル（ｉ）といい、（ｉ＋１）番目のセル３０をセル（ｉ＋１）ということとする。

データは、セル（ｉ－１）、セル（ｉ）、セル（ｉ＋１）の順に伝送される。伝送されるデータには、各セル３０の駆動に関するデータが含まれている。各セル３０は、伝送されてきたデータから自己の駆動に関するデータを読み出して、たとえばゲート駆動信号に変換して主回路を駆動する。

また、各セル３０は、自己のコンデンサ電圧のデータ等で伝送されてきたデータを更新して、制御装置に自己の状態を伝送する。

図３には、セル（ｉ）が正常な運転を行える場合の例が示されている。すなわち、電源回路３５は、正常な電源を光バイパススイッチ３２および制御回路３３に供給する。制御回路３３は、有効な変換器正常信号Ｄｈを光バイパススイッチ３２に供給している。セル（ｉ）の光バイパススイッチ３２では、光スイッチ３２ｅが開放され、光スイッチ３２ｆが閉じている。したがって、セル（ｉ－１）から伝送されてきたデータは、光バイパススイッチ３２を介して、制御回路３３に到達することができる。

制御回路３３は、主回路に関するデータを、伝送されてきたデータを自己の状態を表すデータで更新して、次のセル（ｉ＋１）に更新されたデータを伝送する。

セル（ｉ）のデータによって更新されたデータは、光バイパススイッチ３２を介して、次のセル（ｉ＋１）に伝送される。

図４には、セル（ｉ）が故障の場合の状態が示されている。この例では、電源回路３５は、光バイパススイッチ３２および制御回路３３の両方への電源の供給を遮断している。そのため、制御回路３３は、有効な変換器正常信号Ｄｈを光バイパススイッチ３２に供給することができない。光バイパススイッチ３２は、光スイッチ３２ｅを閉じて、光スイッチ３２ｆを開放する。そのため、セル（ｉ－１）から伝送されてきたデータは、セル（ｉ）の制御回路３３に到達することなく、次のセル（ｉ＋１）に転送される。

このように、セル（ｉ）に故障等の異常が発生した場合には、セル（ｉ）は、制御回路３３にデータを伝送することなく、制御回路３３によってデータを更新することなく、セル（ｉ）をバイパスしてデータを転送することができる。

なお、各セル３０を転送される光データでは、故障が発生したセル（ｉ）に関するデータの更新はされないので、制御装置５０側で光データの補償を行うようにしてもよい。光データの補償とは対象のセル（ｉ）のデータをその１サイクル前の値に設定したり、すべて０のデータを入力したりする等の適切な処理を行う。

上述では、電源回路３５から正常な電源が供給されない場合、または、制御回路３３から有効な変換器正常信号Ｄｈが供給されない場合に、光バイパススイッチ３２によって、伝送されてくる光データを何ら処理せず次のセルに転送する例を説明した。セル３０の異常判定は、上述のほか電力変換装置が設置される送配電システム等によって、適切な条件とすることができる。たとえば、電源回路３５から正常な電源が供給されず、かつ、制御回路３３から有効な変換器正常信号Ｄｈが供給されない場合に、光バイパススイッチ３２によって、伝送されてくる光データを何ら処理せず次のセルに転送する等してももちろんよい。

また、たとえば、光バイパススイッチの切り換えを、光バイパススイッチに供給される電源に異常がある場合に、制御回路も異常であると考えて、変換器正常信号によらずに光信号をバイパスするようにしてもよい。

あるいは、電源の異常判定をせずに、制御回路から供給される変換器正常信号が有効であるか否かによって、光データをバイパスするようにしてもよい。

実施形態の電力変換装置の効果について、比較例の電力変換装置と比較しつつ説明する。
図５は、比較例の電力変換装置の動作を説明するために一部が省略されたブロック図である。
図５には、カスケード接続された１相分のセル１３０および制御装置１５０が示されている。図には示していないが、他の２相も同様に構成されている。

図５に示すように、比較例の電力変換装置では、各セル１３０は、それぞれカスケードに接続され、光ファイバケーブル６０ｕによって、各セル１３０は、制御装置１５０とともに、デイジーチェーン接続されている。各セル１３０は、光バイパススイッチを有しない。

通常の運転においては、光データは、光ファイバケーブル６０ｕを介して、制御装置１５０から送信され、セル（ＵＰ１）、セル（ＵＰ２）、…セル（ＵＰｎ）、セル（ＵＮ１）、セル（ＵＮ２）、…セル（ＵＮｎ）の順に転送され、制御装置１５０に戻される。光データは、各セル１３０の状態を表すデータで逐次更新される。

この例のようにデイジーチェーンの途中のセル（ＵＰ２）が故障した場合には、光データは、以降のセル（ＵＰｎ）等には転送されず、制御装置は送信した光データを回収することができない。そのため、電力変換装置は運転を継続することができず、制御装置１５０はたとえば例外処理として、変換器の運転を停止させ、インタロック等させる。

このような事態を避けるため、基幹系の電力網に用いられる電力変換装置では、一般には、通信経路を多重化し、故障を生じ得る回路、たとえば電源回路や制御回路の通信回路部を冗長化している。

多重化、冗長化により回路規模は増大し、装置が大型化して占有面積の増大が避けられない。

これに対して、実施形態の電力変換装置１０では、各セル３０が光バイパススイッチ３２を有している。光バイパススイッチ３２は、制御回路３３や電源回路３５の異常の有無を検出して、異常が発生した場合に、伝送されてきた光データをバイパスさせて次のセルに転送する。そのため、光データには欠落したデータを含むものの、通信経路が切断されることがないので、電力変換装置１０の運転停止を回避することができる。

セル３０の異常検出を制御回路３３および電源回路３５それぞれの異常状態を用途に合わせて適切に設定することができるので、採用される電力網の要求等に合わせて適切な異常判定をすることができる。

以上説明した実施形態によれば、単位変換器の異常で通信経路が切断されても、運転を継続できる電力変換装置を提供する。

以上、本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 交流回路、２ 変圧器、１０ 電力変換装置、２０ 電力変換器、３０ 単位変換器、３２ 光バイパススイッチ、３３ 制御回路、３４ 主回路、３５ 電源回路、５０ 制御装置、６０ 光ファイバケーブル

Claims (6)

1. カスケードに接続された複数の単位変換器を含む電力変換器と、
   前記複数の単位変換器のそれぞれの状態にもとづいて更新された状態データを受信して前記複数の単位変換器のそれぞれの動作を制御するための制御データを生成し前記更新された状態データとともに伝送する制御装置と、
   を備え、
   前記複数の単位変換器のそれぞれおよび前記制御装置は、
   光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続され前記制御データを前記状態データとともに伝送し、
   前記複数の単位変換器のそれぞれは、
   自己の単位変換器が正常な場合に、前記制御データを受信し自己の単位変換器の状態にもとづいて前記状態データを更新し、
   自己の単位変換器が異常の場合に、前記自己の単位変換器の通信経路をバイパスする光バイパススイッチを含む電力変換装置。
2. 前記複数の単位変換器のそれぞれは、
   前記制御データにもとづいて主回路を駆動する駆動信号を生成し、自己の状態にもとづいて前記状態データを更新する制御回路と、
   前記光バイパススイッチおよび前記制御回路の動作のための電力をそれぞれ供給する電源回路と、
   を含み、
   前記光バイパススイッチは、前記制御回路または前記電源回路のうち少なくとも一方に異常が発生した場合に、前記自己の単位変換器の通信経路をバイパスする請求項１記載の電力変換装置。
3. 前記複数の単位変換器のそれぞれは、
   前記制御データにもとづいて主回路を駆動する駆動信号を生成し、自己の状態にもとづいて前記状態データを更新する制御回路と、
   前記光バイパススイッチおよび前記制御回路の動作のための電力をそれぞれ供給する電源回路と、
   を含み、
   前記光バイパススイッチは、前記制御回路に異常が発生した場合に、前記自己の単位変換器の通信経路をバイパスする請求項１記載の電力変換装置。
4. 前記複数の単位変換器のそれぞれは、
   前記制御データにもとづいて主回路を駆動する駆動信号を生成し、自己の状態にもとづいて前記状態データを更新する制御回路と、
   前記光バイパススイッチおよび前記制御回路の動作のための電力をそれぞれ供給する電源回路と、
   を含み、
   前記光バイパススイッチは、前記電源回路に異常が発生した場合に、前記自己の単位変換器の通信経路をバイパスする請求項１記載の電力変換装置。
5. 前記制御回路は、自己が正常な場合に有効であり、自己が故障の場合に無効となる変換器正常信号を生成して前記光バイパススイッチに供給し、
   前記光バイパススイッチは、前記制御データを受信して前記状態データを制御回路に送信し、前記変換器正常信号が無効な場合に、前記自己の単位変換器の通信経路をバイパスする請求項２～４のいずれか１つに記載の電力変換装置。
6. 前記光バイパススイッチは、
   前記制御データを受信するように設けられた第１端子と、
   前記第１端子によって受信された前記制御データを自己の前記制御回路に送信するように設けられた第２端子と、
   前記自己の制御回路によって更新された前記状態データとともに前記制御データを前記自己の制御回路から受信するように設けられた第３端子と、
   前記第３端子によって受信された制御データを、前記複数の単位変換器の他の単位変換器または前記制御装置に送信するように設けられた第４端子と、
   前記第１端子と前記第４端子との間に設けられた第１光スイッチと、
   前記第１端子と前記第２端子との間に設けられた第２光スイッチと、
   前記第３端子と前記第４端子との間に設けられた第３光スイッチと、
   を含み、
   自己の単位変換器が正常な場合に、前記第１光スイッチを開放し、かつ、前記第２光スイッチおよび前記第３光スイッチを閉じ、
   自己の単位変換器が故障の場合に、前記第１光スイッチを閉じ、かつ、前記第２光スイッチおよび前記第３光スイッチを開放する請求項２～５のいずれか１つに記載の電力変換装置。
   

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