JP7249929B2 - 電力変換装置 - Google Patents
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Description
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。
<電力変換装置の構成、動作>
図1は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図1に示すように、本実施形態の電力変換装置10は、複数の電力変換器(図中、変換器と表記)30と、光信号分配回路素子40a,40bと、制御装置50と、を備える。
図2に示すように、上り信号および下り信号は、単一の光通信路で伝送することができる。電力変換装置110は、複数の電力変換器130と、光信号分配回路素子40と、制御装置150と、を備える。本変形例では、上り信号および下り信号は、異なる波長の光信号をそれぞれ有する。たとえば、上り信号の波長は、λuであり、下り信号の波長は、λdであり、λu≠λdとされている。
図3は、本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タイミングチャートの例である。
図3の最上段の図には、下り信号が示されている。
図3の2段目の図には、電力変換器1からの上り信号が示されている。
図3の3段目の図には、電力変換器2からの上り信号が示されている。
図3の4段目の図には、電力変換器3からの上り信号が示されている。
図3の最下段の図には、電力変換器nからの上り信号が示されている。
なお、電力変換装置10は、n台の電力変換器30を備えているので、この図では、電力変換器4から電力変換器n-1の上り信号については省略されている。
図4(a)および図4(b)は、本実施形態の電力変換装置において伝送されるデータの構成を例示する模式図である。
図4(a)に示すように、下り信号中のひとまとまりの信号102(第2シリアル信号の部分)は、すべての電力変換器30のための制御指令等を表すデータを含んでいる。図4(a)の例では、信号102は、上り通信許可信号、制御信号1~3およびCRC信号等を含んでいる。信号102のうち、制御信号1~3は、その電力変換器30固有の制御指令を表すデータを含んでおり、上り通信許可信号とともに制御データと呼ぶことがある。
図5には、図3に示したタイミングチャートの一部がより詳細に示されている。以下では、下り信号による上り信号の通信許可およびガードタイムtgの確保についてより具体的に説明する。
図5に、下り信号を構成する各信号Ddi,Di+1,…について、CRC信号によるチェック結果により生成されるチェックビットのタイミングを示す。CRC信号は、信号Ddi中のあらかじめ定められた位置に設けられているので、チェックビットは、CRC信号の読み込みが完了した直後に生成される。次の信号Ddi+1についても、CRC信号は同じ位置に設けられているので、そのチェック結果により生成されるチェックビットのタイミングも信号Ddiの場合と同じタイミングとなる。信号Ddi+2,Ddi+3についても同様である。
本実施形態の電力変換装置10では、制御装置50は、各電力変換器30から受信した上り信号に含まれるデータにもとづいて、たとえば、各電力変換器30のための制御指令等を生成し、各電力変換器30に割り当てられた下り信号に含まれるデータの配列の該当箇所に配置して下り信号として送信する。各電力変換器30は、受信した下り信号から自己の制御データを抽出し、たとえば自己の制御のための制御指令を作成する。このような動作シーケンス等の制御は、制御装置50および各電力変換器30において、それぞれの制御回路を用いて実行される。たとえば、制御回路は、あらかじめ記憶装置等に記憶されたプログラムにしたがって、上述の動作をする。また、制御回路および電力変換器は、あらかじめ定められた通信プロトコル(下り信号の形式、あるいは、上り信号の形式、および各々の信手順のための信号)にしたがって通信する。本実施形態の電力変換装置10は、以下に説明するような通信機能を有する。
上述したように、制御装置からの下り信号および電力変換器からの上り信号には、各データの末尾にCRC信号が付加される。制御装置50および電力変換器30の制御回路は、受信したデータのCRCチェックをすることによって、受信データが正常か否かを判断することができる。
本実施形態では、各電力変換器30の通信部31は、制御装置50から送信されてくる制御データにもとづいて、クロック信号を上り信号の伝送用の通信クロックとすることができる。そうすることで、n台の電力変換器からの上り信号の通信クロックが同期されるので、電力変換装置10は、全体として通信を同期させて動作することができる。
本実施形態の電力変換装置10では、制御装置50の用いるクロックと各電力変換器30のクロックにはばらつきがあり、制御装置50と電力変換器30との間で、完全に同一のタイミングで通信データを送信回路に書き込んだり、受信回路から読み取ったりすることは、現実的には困難な場合が多い。
電力変換器が故障等によって、正常な上り信号を制御装置に送信できない場合がある。そのような場合であっても、制御装置は、その電力変換器への通信許可信号を含む制御データを送信し続ける。送信した制御データに含まれるリセット信号等によって、その電力変換器の動作が復帰した場合には、その電力変換器は、送信されてきた制御データにもとづいて動作を開始、継続することができる。なお、上り信号に電力変換器の識別する信号を付加することで、電力変換器が故障などで通信断になった場合は、該当の識別信号が制御装置で受信されないので、その情報により、動作停止した電力変換器を制御装置で特定できる。いずれかの電力変換器が動作停止状態となった場合には、制御装置は、電力変換部の構成に応じて、適切な処理を行う。たとえば、停止した電力変換器に隣接する電力変換器の電圧データや電流データを用いたり、停止直前の電圧データ等を用いたりすることによって、各電力変換器から収集したデータにもとづく新たな制御データを生成することができる。
図6は、本実施形態に係る電力変換装置をより具体的に例示する模式的なブロック図である。
図6の例は、上述した通信方式をモジュラーマルチレベルコンバータ(Modular Multi Converter、MMC)に適用したものである。
図6に示すように、電力変換装置10は、電力変換部20と、制御装置50と、を備える。電力変換部20は、複数の電力変換器30と、光信号分配回路素子40と、を含む。この例では、制御装置50は、光信号分配回路素子40を介して、各電力変換器30と双方向にデータの送受信を行う。
図7に示すように、電力変換器30は、端子31a,31bを含む。電力変換器30は、端子31a,31bによって、他の電力変換器30等と直列に接続される。電力変換器30は、光電変換部32と、制御回路33と、ゲートドライバ34と、主回路35と、主回路給電部36と、電圧検出器37と、を含む。
本実施形態の電力変換装置10では、光信号分配回路素子40により、制御装置50からの下り信号を、すべての電力変換器30にほぼ同時に配信することができる。同時配信時には、デイジーチェーンによらないので、いずれかの電力変換器30が故障等により動作を停止しても、下り信号は、他の残りの電力変換器30に配信される。そのため、電力変換装置10としては、運転を継続することができる。
上述した他の実施形態では、交流-直流間を相互に変換する電力変換装置に適用するものである。本実施形態では、交流の電力系統に連系して用いられる無効電力補償装置に適用する。
図8は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図8に示すように、電力変換装置210は、電力変換部220と、制御装置250と、を備える。電力変換部220は、端子21a~21cを介して、交流回路1に接続される。交流回路1は、電力系統である。この例のように、電力系統は、典型的には三相交流系統である。電力系統は、一般に、複数の発電機、交流送電線、配電線、負荷などが多数、複雑に接続された構成であり、また、無効電力補償装置と交流系統の間には、変圧器が設置される場合もあるが、図8では単純化して電源のシンボルだけで表している。
図9には、電力変換器230に主回路235の部分が示されている。本実施形態では、主回路235は、正負の極性を有する交流電圧を入力するため、フルブリッジ形式とされる。主回路235以外の他の構成は、上述の図7に示した構成と同様とすることができる。なお、本実施形態では、主回路235をフルブリッジ構成とすることにより、制御回路によって生成されるゲート駆動信号は、フルブリッジに対応するものとされる。また、これに応じて、下り信号には、4つのスイッチング素子35S1~35S4のためのゲート駆動信号に関するデータが含まれる。なお、スイッチング素子35S1~35S4には、逆並列にダイオード35D1~35D4がそれぞれ接続されている。
上述の他の実施形態では、複数の電力変換器は、主として直列に接続されているものであるが、本実施形態では、複数の電力変換器は、並列に接続される。
図10は、本実施形態に係る電力変換装置を例示する模式的なブロック図である。
図10に示すように、本実施形態の電力変換装置310は、電力変換部320と、制御装置350と、を備える。
Claims (17)
- 自己の状態を表す複数の変換器状態データをそれぞれ生成し、前記複数の変換器状態データを複数の光信号にそれぞれ変換して送信する複数の電力変換器と、
前記複数の変換器状態データを含む第1シリアル信号を入力し、前記複数の変換器状態データにもとづいて前記複数の電力変換器の複数の制御データをそれぞれ生成し、前記複数の制御データを第2シリアル信号にして送信する制御装置と、
前記複数の変換器が送信した前記複数の光信号を入力し、前記第1シリアル信号として前記制御装置に配信し、前記第2シリアル信号を入力し前記第2シリアル信号を分岐して前記複数の電力変換器に配信する光信号分配回路素子と、
を備え、
前記光信号分配回路素子は、前記制御装置よりも前記複数の電力変換器の近くに配置され、
前記第1シリアル信号は、前記複数の変換器状態データにそれぞれ対応する複数の上り信号を含み、
前記第2シリアル信号は、前記複数の制御データにそれぞれ対応する複数の部分を含み、
前記複数の上り信号および前記複数の部分における前記複数の電力変換器のそれぞれに対応する信号および部分について、前記複数の部分のデータ長は、前記複数の上り信号のデータ長よりもそれぞれ長いことを特徴とする電力変換装置。 - 前記光信号分配回路素子は、
前記光信号を入力して前記第1シリアル信号を出力する第1光信号分配回路素子と、
前記第2シリアル信号を入力し前記第2シリアル信号を分岐して出力する第2光信号分配回路素子と、
を含む請求項1記載の電力変換装置。 - 前記光信号分配回路素子は、前記複数の変換器状態データをそれぞれ含む複数の上り信号を合流させて前記第1シリアル信号とし、
前記第1シリアル信号は、第1波長を有する光信号であり、
前記第2シリアル信号は、前記第1波長と異なる第2波長を有する光信号である請求項1記載の電力変換装置。 - 前記複数の電力変換器のそれぞれは、直列に接続された請求項1~3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記複数の電力変換器のそれぞれは、並列に接続された請求項1~3のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記第2シリアル信号は、固定のデータ長を有する複数の部分を含み、
前記複数の部分は、前記複数の制御データにそれぞれ対応することを特徴とする請求項1~5のいずれか1つに記載の電力変換装置。 - 前記複数の制御データは、前記複数の電力変換器に共通のデータおよび前記複数の電力変換器に固有のデータをそれぞれ含むことを特徴とする請求項6記載の電力変換装置。
- 前記複数の制御データは、前記複数の変換器状態データを前記制御装置に送信することを許可することを示す複数の通信許可信号をそれぞれ含むことを特徴とする請求項1~7のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記制御装置は、前記複数の電力変換器のうちの1つである第1電力変換器から受信した前記変換器状態データに異常なデータが含まれた場合または前記複数の変換器状態データのうちの1つの変換器状態データが異常なデータを含んでいた場合であっても、前記第1電力変換器に前記複数の通信許可信号のうち前記第1電力変換器に対応する通信許可信号を与え続けることを特徴とする請求項8記載の電力変換装置。
- 前記複数の電力変換器は、それぞれを識別するための複数の識別番号をそれぞれあらかじめ設定され、
前記制御装置は、前記複数の識別番号に対応する前記複数の通信許可信号を任意の順序で生成することを特徴とする請求項8または9に記載の電力変換装置。 - 前記第1シリアル信号は、固定のデータ長を有する複数の上り信号を含み、
前記複数の上り信号は、前記複数の変換器状態データにそれぞれ対応するあることを特徴とする請求項1~10のいずれか1つに記載の電力変換装置。 - 前記複数の変換器状態データは、前記複数の電力変換器を識別する複数の識別信号をそれぞれ含むことを特徴とする請求項1~11のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記複数の電力変換器の通信部のクロックは、前記第2シリアル信号にもとづいて再生したクロックを基準として生成されることを特徴とする請求項1~12のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記光信号分配回路素子と、前記複数の電力変換器のそれぞれとの間に設けられた光ファイバーケーブルは同じ長さを有することを特徴とする請求項1~13のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記光信号分配回路素子は、複数設けられ、
前記制御装置と、前記複数の光信号分配回路素子のそれぞれと、の間に設けられた光ファイバーケーブルは、同じ長さを有することを特徴とする請求項1~14のいずれか1つに記載の電力変換装置。 - 前記制御装置は、前記複数の制御データに、伝送遅延に応じた複数のダミーデータをそれぞれ付加して前記第2シリアルデータとして送信することを特徴とする請求項1~15のいずれか1つに記載の電力変換装置。
- 前記複数のダミーデータのそれぞれは、前記制御装置と前記複数の電力変換装置のそれぞれとの間のクロック周波数の違いを補償するためのクロック補正データであることを特徴とする請求項16記載の電力変換装置。
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