JP7415837B2

JP7415837B2 - 電力変換装置の光通信システムおよび光通信方法

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Publication number: JP7415837B2
Application number: JP2020132792A
Authority: JP
Inventors: 一徳森田; 正太漆畑
Original assignee: Meidensha Corp
Current assignee: Meidensha Corp
Priority date: 2020-08-05
Filing date: 2020-08-05
Publication date: 2024-01-17
Anticipated expiration: 2040-08-05
Also published as: JP2022029510A

Description

本発明は、光信号による同期通信制御装置を備える電力変換装置に関する。

特許文献１では、モジュラーマルチレベル変換器と呼ばれる単相電力変換器（セル）をカスケード接続して構成する電力変換装置の光通信システムについて提案している。中央制御装置と、複数のセルが有する制御装置を光ケーブルで数珠つなぎし（デイジーチェーン接続し）、いわゆるループ型の通信経路を構成することで、従来一般的に用いられていた、中央演算装置からすべてのセルの制御装置に向かって通信線を配置するスター型の通信経路構成と比較し、ケーブル数、ケーブル長を少なくする事ができ、またケーブルに必要な耐電圧をより小さくすることができる特長がある。

特許文献１の段落番号「００９１」～「０１１２」にかけて、各セルの制御装置に中央制御装置からデータ（各セルの電圧指令値など）を送信し、かつ通信にともなう伝送遅延を補償する（データの更新するタイミングを変換器が正しく動作するように所望のタイミングになるように同期する）手法が述べられている。

また段落番号「０１１３」から「０１１４」にかけて、ループ状の通信経路を２重にし、一つのループで故障等により通信が途絶した場合にももう一つのループで同様の通信を行うことで、変換器の冗長性を確保する方法について述べられている。

特許文献１では、各セルの通信を同期する方法として、
・中央制御装置からデータ送信（どのようなデータでも良い）を実施し、各セルを介してデータが中央制御装置に帰ってくるまでの時間を測定する。

各制御装置間の通信において発生する遅延時間は均等という想定の下で、セル毎に適切な遅延時間を計算・設定する。

・中央制御装置から各セルの制御装置に遅延時間を送信し設定する。もしくは、事前に測定および設定を行う。

・受信した通信フレームの最後（信号終了マーク）の受信タイミングを基準に、設定された遅延時間ＴＢが経過した後、受信したデータを更新・ラッチする。

という方法で、データ更新タイミングを同期している。

２重ループとした場合の同期についても上記と同様と考えられる。

また、非特許文献１においても同様のシステム構成、および同様の通信方法、データ同期方法が、以下のように述べられている。

・中央制御装置からデータを送信し、各セルを介してデータが中央制御装置に帰ってくるまでの時間を測定する。

・各セルの制御装置が、通信フレームを受信してから、次のセルにフレーム送信を開始するまでの遅延時間（制御装置内で信号処理や送受信動作にかかる時間）をそれぞれ計測し、そのデータを中央制御装置に通信によって送信する。

・中央制御装置で、中央制御装置から各セルを介して中央制御装置まで通信フレームが戻ってくる時間と、各セルの制御装置が測定した遅延時間から、光ケーブル中を信号伝送するために要する時間を計算する。

・全てのセルに光ケーブルによる遅延時間と、各セルで発生する遅延時間を送信する。

・各セルが受信した通信フレームの最後の時刻を基準に、受信した遅延データから計算される遅延時間が経過した後に受信したデータを更新・ラッチする。

特許５４４９８９３号公報

Ｈ．ＴｕａｎｄＳ．Ｌｕｋｉｃ、"ＣｏｍｐａｒａｔｉｖｅＳｔｕｄｙｏｆＰＥＳＮｅｔａｎｄＳｙＣＣｏＢｕｓ：ＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎＰｒｏｔｏｃｏｌｓｆｏｒＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉｌｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ"、２０１７ＩＥＥＥＥｎｅｒｇｙＣｏｎｖｅｒｓｉｏｎＣｏｎｇｒｅｓｓａｎｄＥｘｐｏｓｉｔｉｏｎ（ＥＣＣＥ）、Ｃｉｎｃｉｎｎａｔｉ，ＯＨ、２０１７、ｐｐ．１４８７－１４９２．

＜特許文献１の手法の問題点＞
・装置の始動開始時に初期化手段が必要。事前にループ状の通信経路１周の通信にかかる遅延時間を中央制御装置で計測する必要がある。また、１周に必要な時間からセル毎の遅延時間を計算する必要がある。加えてその遅延時間をセル毎内のコントローラに伝達（通信などの手段）する必要がある。

計測、計算、伝達を手動で行う場合には、人間がそれぞれ実施する手間が掛かる。装置を始動させる毎にそれら手間が掛かる。装置が自力で行う場合、中央制御装置にそのようなシステムを組む必要があり、中央制御装置が複雑化する。各セルに通信する別の手段が必要になる。計測モード、伝達モードなど、装置始動時に追加の動作モードを用意する必要がある。

運転中の環境の変化やシステムの状態（劣化などを含む）によって通信時間が微妙に変化した場合、運転を中断するなどをして同様の初期化手段を実施し、再度遅延時間を調整する必要がある。

・二重ループ構成で冗長化した場合の遅延時間調整方法については特別な方法は言及されておらず、上記初期化手段が同様に適用される。従って一重ループの場合と課題は同様であり、例えばループ毎に遅延が異なる等の課題が考えられる。

＜非特許文献１の手法の問題点＞
・特許文献１の方式と同様に、複雑な初期化手続き（計測、計算、伝達）が必要になる。セル毎に設定すべき遅延時間を中央制御装置および各セルの制御装置が測定し、各セルにおける遅延時間を中央制御装置に送信し、中央制御装置で各セルのデータ更新時間を同期するための遅延時間を計算するために必要なデータを計算し、セル毎にそれらデータを送信し、同期を実現する。

非常に複雑かつ手間の掛かる初期化手段が必要で、中央制御装置および各セルの制御装置が複雑化し、システムコストが増加する。遅延時間が変化した場合に再度調整（初期化動作）が必要になる点も同様である。

また、二重ループ構成については言及されていない。

本発明は、上記課題を解決するものであり、その目的は、二重ループで構成された、中央制御装置と、複数の電力変換回路および制御器を備えた電力変換装置において、簡単な構成により、全ての電力変換回路に送信するデータの更新タイミングを同期させることができる光通信システムを提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の電力変換装置の光通信システムは、
複数の電力変換回路と、
前記複数の電力変換回路を各々制御する複数の制御器と、
前記各電力変換回路用の変換回路制御信号を含むシリアル通信用通信フレームを生成し、それをデジタル変換して伝送する機能を有した中央制御装置と、
前記中央制御装置と複数の制御器各々に設けられた第１光送受信器および第２光送受信器と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第１光送受信器から前記各制御器の第１光送受信器および第２光送受信器を介して中央制御装置の第２光送受信器に至る第１のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第１の光ケーブル群と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第２光送受信器から前記各制御器の第２光送受信器および第１光送受信器を介して中央制御装置の第１光送受信器に至る第２のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第２の光ケーブル群と、を備え、
前記各制御器は、
伝送されるシリアル通信用通信フレームを、第１光送受信器および第２光送受信器を介して受信し、再送信する回路と、
前記受信したシリアル通信用通信フレーム内の変換回路制御信号を復調し、保持するデジタル復調バッファ回路と、
前記第１のループ又は第２のループで伝送されるシリアル通信用通信フレームのうち、後に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻から、先に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻を減算し、その時間差の半分を遅延時間として求める遅延時間演算部と、
前記シリアル通信用通信フレームの受信時刻と前記遅延時間に基づいてデータ更新タイミングを決定し、その決定されたデータ更新タイミングで前記デジタル復調バッファ回路に保持されている変換回路制御信号を電力変換回路へ出力するデータ更新タイミング調整回路と、を有し、
前記データ更新タイミング調整回路は、
第１のループ又は第２のループのいずれか一方で通信異常が発生した場合、第１のループおよび第２のループにより伝送されたシリアル通信用通信フレームを両方とも正常受信した際の、どちらか先にシリアル通信用通信フレームを受信した時刻を基準時刻とし、該基準時刻に、前記遅延時間演算部で求められた遅延時間と、シリアル通信用通信フレームのフレーム間周期とを加算した時刻をデータ更新タイミングに決定することを特徴とする。

請求項２に記載の電力変換装置の光通信方法は、
複数の電力変換回路と、
前記複数の電力変換回路を各々制御する複数の制御器と、
前記各電力変換回路を制御する制御装置であって、各電力変換回路用の変換回路制御信号を含むシリアル通信用通信フレームを生成し、それをデジタル変換して伝送する機能を有した中央制御装置と、
前記中央制御装置と複数の制御器各々に設けられた第１光送受信器および第２光送受信器と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第１光送受信器から前記各制御器の第１光送受信器および第２光送受信器を介して中央制御装置の第２光送受信器に至る第１のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第１の光ケーブル群と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第２光送受信器から前記各制御器の第２光送受信器および第１光送受信器を介して中央制御装置の第１光送受信器に至る第２のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第２の光ケーブル群と、を備えた電力変換装置において、
中央制御装置が、前記第１のループおよび第２のループでシリアル通信用通信フレームを伝送するステップと、
前記各制御器が、伝送されるシリアル通信用通信フレームを、第１光送受信器および第２光送受信器を介して受信し、再送信するステップと、
前記各制御器のデジタル復調バッファ回路が、前記受信したシリアル通信用通信フレーム内の変換回路制御信号を復調し、保持するステップと、
前記各制御器の遅延時間演算部が、前記第１のループ又は第２のループで伝送されるシリアル通信用通信フレームのうち、後に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻から、先に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻を減算し、その時間差の半分を遅延時間として求めるステップと、
前記各制御器のデータ更新タイミング調整回路が、前記シリアル通信用通信フレームの受信時刻と前記遅延時間に基づいてデータ更新タイミングを決定し、その決定されたデータ更新タイミングで前記デジタル復調バッファ回路に保持されている変換回路制御信号を電力変換回路へ出力するステップであり、第１のループ又は第２のループのいずれか一方で通信異常が発生した場合、第１のループおよび第２のループにより伝送されたシリアル通信用通信フレームを両方とも正常受信した際の、どちらか先にシリアル通信用通信フレームを受信した時刻を基準時刻とし、該基準時刻に、前記遅延時間演算部で求められた遅延時間と、シリアル通信用通信フレームのフレーム間周期とを加算した時刻をデータ更新タイミングに決定するステップと、を有していることを特徴とする。

（１）請求項１、２に記載の発明によれば、簡単な構成により、全ての電力変換回路に送信するデータの更新タイミングを同期させることができる。電力変換回路とその制御器からなる電力変換セルの信号の同期タイミングを、各セルの受信信号を用いて各セル内で計算し設定することができ、システムをセットアップするもしくは始動する際に必要な、手動もしくは専用プログラムによる測定手段による同期タイミングの調整が不要となり、セットアップ・始動時間の短縮、プログラムの簡素化、演算装置のコスト低減が可能となる。

また、運転中に装置の特性が変化し、それぞれ通信における遅延時間などに変化が生じても、上記特別な手段を執る必要がなくなるため、調整時間の短縮、運転継続性の向上、装置性能低下の防止などが可能となる。
（２）前記（１）の効果に加えて、同期タイミングの基準となる時刻を、正常に受信できた受信フレームの受信開始時刻もしくは受信終了時刻を基準に設定することで、一つのループにおいて通信異常や断線などが発生した場合でも、中央制御装置とやりとりするなどの特別な処理をする事無く、直ちに、同期タイミングを維持し続けることが可能となり、装置の運転継続性を高めることが可能となる。

本発明の実施形態例で用いる電力変換回路の一例を示す構成図。本発明の実施形態例による電力変換装置の全体構成図。図２の中央制御装置の構成図。図２の１つの電力変換セルの構成図。本発明の実施形態例のシリアル通信用通信フレームの構成を示す説明図。本発明の実施例１におけるデータ更新タイミングの説明図。本発明の実施例２におけるデータ更新タイミングの説明図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。

図２は、本実施形態例による電力変換装置の全体構成を示している。図２の電力変換装置は、中央制御装置２００と、制御器（３０１）および電力変換回路（３０２）から成る電力変換セル（３００）を複数個、本例では５個（３００₁～３００₅）備えて構成されている。

中央制御装置２００は、各電力変換回路（３０２₁～３０２₅）用の変換回路制御信号を含むシリアル通信用通信フレームを生成し、それをデジタル変換して伝送する機能を有し、光送受信器２０２ａ（第１光送受信器）および光送受信器２０２ｂ（第２光送受信器）が設けられている。

電力変換回路３０２₁～３０２₅を各々制御する制御器３０１₁～３０１₅には、光送受信器３０３ａ（第１光送受信器）および光送受信器３０３ｂ（第２光送受信器）が各々設けられている。

中央制御装置２００と複数の制御器３０１₁～３０１₅の間を数珠つなぎ、すなわちデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置２００の光送受信器２０２ａから前記各制御器３０１₁～３０１₅の光送受信器３０３ａ，３０３ｂを介して中央制御装置２００の光送受信器２０２ｂに至るループ１（第１のループ）で、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第１の光ケーブル群が設けられている。

この第１の光ケーブル群は、中央制御装置２００の光送受信器２０２ａと制御器３０１₁の光送受信器３０３ａを結ぶ光ケーブル１０₀₁と、制御器３０１₁の光送受信器３０３ｂと制御器３０１₂の光送受信器３０３ａを結ぶ光ケーブル１０₁₂と、制御器３０１₂の光送受信器３０３ｂと制御器３０１₃の光送受信器３０３ａを結ぶ光ケーブル１０₂₃と、制御器３０１₃の光送受信器３０３ｂと制御器３０１₄の光送受信器３０３ａを結ぶ光ケーブル１０₃₄と、制御器３０１₄の光送受信器３０３ｂと制御器３０１₅の光送受信器３０３ａを結ぶ光ケーブル１０₄₅と、制御器３０１₅の光送受信器３０３ｂと中央制御装置２００の光送受信器２０２ｂを結ぶ光ケーブル１０₅₀とで構成されている。

さらに、二重のループを構成するために、前記中央制御装置２００と複数の制御器３０１₁～３０１₅の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置２００の光送受信器２０２ｂから前記各制御器３０１₁～３０１₅の光送受信器３０３ｂ、３０３ａを介して中央制御装置２００の光送受信器２０２ａに至るループ２（ループ１とは逆の信号伝送方向の第２のループ）で、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第２の光ケーブル群が設けられている。

この第２の光ケーブル群は、中央制御装置２００の光送受信器２０２ｂと制御器３０１₅の光送受信器３０３ｂを結ぶ光ケーブル１０₀₅と、制御器３０１₅の光送受信器３０３ａと制御器３０１₄の光送受信器３０３ｂを結ぶ光ケーブル１０₅₄と、制御器３０１₄の光送受信器３０３ａと制御器３０１₃の光送受信器３０３ｂを結ぶ光ケーブル１０₄₃と、制御器３０１₃の光送受信器３０３ａと制御器３０１₂の光送受信器３０３ｂを結ぶ光ケーブル１０₃₂と、制御器３０１₂の光送受信器３０３ａと制御器３０１₁の光送受信器３０３ｂを結ぶ光ケーブル１０₂₁と、制御器３０１₁の光送受信器３０３ａと中央制御装置２００の光送受信器２０２ａを結ぶ光ケーブル１０₁₀とで構成されている。

尚、以下、制御器３０１₁～３０１₅を制御器１～５と称し、電力変換回路３０２₁～３０２₅を電力変換回路１～５と称することもある。

電力変換回路１～５の出力は、例えば図１の電力変換装置１０３のように、互いに接続する構成として良い。図１は特許文献１の図１に記載されたＭＭＣ（ＭｏｄｕｌａｒＭｕｌｔｉ－ＬｅｖｅｌＣｏｎｖｅｒｔｅｒ）と呼ばれる電力変換回路構成であり、単相インバータと電圧源から構成される電力変換回路の出力を直列に数珠つなぎにすることで一相の電力変換回路レグが構成される。このように一つの電力変換装置を実現する回路構成でも良いし、電力変換回路を並列構成とした電力変換装置を構成したり、複数の電力変換装置を構成したりしても良い。

図１の電力変換装置１０３は次のように構成されている。電力変換装置１０３は、変圧器１０２を介して三相電力系統１０１に連系している。電力変換装置１０３のＵ点、Ｖ点、Ｗ点は変圧器１０２の２次側に接続されている。また、電力変換装置１０３のＰ点とＮ点の間に、負荷装置１１５を接続している。

電力変換装置１０３は、複数のセル１０５をカスケード接続して構成されている。各セル１０５は、直流コンデンサを備えた双方向チョッパ回路である。１つ又は複数のセル１０５をカスケード接続して構成した回路を、変換器アーム１０４と呼び、図１では、１つの変換器アーム１０４がＮ個のセル１０５を含んでいるとする。

電力変換装置１０３は、６つの変換器アーム１０４と６つのリアクトル１０６を、図１に示すように接続することによって構成されている。

尚、１０７は電力変換装置１０３を制御する中央制御装置である。

図２の中央制御装置２００は図３のように構成されている。図３において、図２の電力変換セル（３００）内の各電力変換回路１～５に送信する変換回路制御信号（例えばインバータであれば電圧指令値や電流指令値など）を電力変換装置制御器２１０で生成する。

その変換回路制御信号を、デジタル変調回路２０１に入力し、デジタル変調回路２０１では、その制御信号を含むシリアル通信用通信フレーム（後述する図５）を生成し、そのフレームをデジタル通信で送受信を行うための伝送路符号変調を施したデジタル通信信号に変換する。

デジタル通信信号は、ループ１の光送信器２０２ａａとループ２の光送信器２０２ｂａに同じものが入力され、これら光送信器２０２ａａ，２０２ｂａを介して同時に光ケーブル１０₀₁（ループ１用の光ケーブル）と光ケーブル１０₀₅（ループ２用の光ケーブル）から光信号として送信される。

ループ１の経路で各電力変換セルを通過して戻ってきた信号は、光ケーブル１０₅₀を通って光受信器２０２ｂｂで受信され、ループ２の経路で各電力変換セルを通過して戻ってきた信号は、光ケーブル１０₁₀を通って光受信器２０２ａｂで受信される。

これら光受信器２０２ｂｂ，２０２ａｂで受信された信号は、図３に示すようにデジタル復調回路２０３で復調してもよい。各電力変換セル（３００）内の制御器３０１₁～３０１₅内を信号が通過する際に、シリアル通信用通信フレーム内の当該セル用のデータ部に、セル情報（例えば電圧・電流値や、セル内の状態を示す信号など）を埋め込む処理をした場合、ここでそのデータを復調し、電力変換回路状態信号として電力変換装置制御器２１０に取り込むことができる。ループ１、ループ２それぞれのデータは、基本的に同じとなるため、どちらのループから受け取った電力変換回路状態信号を使用しても良い。

尚、光送信器２０２ａａおよび光受信器２０２ａｂが図２の光送受信器２０２ａを構成し、光送信器２０２ｂａおよび光受信器２０２ｂｂが図２の光送受信器２０２ｂを構成している。

図２の電力変換セル（３００₁～３００₅）は各々図４のように構成されている。図４では１つの電力変換セル（３００）の構成を示しており、他の４つの電力変換セルも同様に構成されている。

制御器３０１には、光送信器３０３ａａ，３０３ｂａ，光受信器３０３ａｂ，３０３ｂｂと、それらに対応して送信回路３０４ａａ，３０４ｂａ，受信回路３０４ａｂ，３０４ｂｂが設けられている。

光送信器３０３ａａおよび光受信器３０３ａｂが図２の光送受信器３０３ａ（第１光送受信器）を構成し、光送信器３０３ｂａおよび光受信器３０３ｂｂが図２の光送受信器３０３ｂ（第２光送受信器）を構成している。

ループ１の光信号を光受信器３０３ａｂで受信し、受信回路３０４ａｂでデジタル通信信号を受信した上でその通信信号を送信回路３０４ｂａに送り、光送信器３０３ｂａを介してループ１上の隣の電力変換セル（又は数珠つなぎの最終端のセルの場合は中央制御装置２００）へ再送信する。

ループ２の光信号も前記と同様に、光受信器３０３ｂｂで受信し、受信回路３０４ｂｂでデジタル通信信号を受信した上でその通信信号を送信回路３０４ａａに送り、光送信器３０３ａａを介してループ２上の隣の電力変換セル（又は数珠つなぎの最終端のセルの場合は中央制御装置２００）へ再送信する。

ここで、再送信の際に、図示していない回路により、電力変換回路３０２から取得した電力変換回路の状態信号（例えば電圧・電流等の検出信号や、変換回路内部の状態信号）などを、後述する図５のシリアル通信用通信フレーム内の当該電力変換回路用のデータ格納場所にデジタル変調を施した上で入替をしてもよい。

ループ１とループ２のそれぞれの受信信号は、デジタル復調バッファ回路３０５にて、前記フレーム内の規定の位置に埋め込まれた変換回路制御信号を復調し、同時に保持する（このとき、同じ信号を受信することになるため、どちらのループの信号を復調・保持しても良い）。

また、同時にそれぞれの受信信号は、受信開始時間差測定回路３０６に入力され、２つのループの受信開始時間の差を計測する。その時間差を遅延時間演算回路３０７に入力し、受信したデータを更新するタイミングを決定する更新タイミング信号を生成する。

デジタル復調バッファ回路３０５で保持されているデータと、更新タイミング信号の両方を、データ更新タイミング調整回路３０８に入力し、更新タイミング信号のきっかけによって電力変換回路３０２に入力される変換回路制御信号を更新する。

中央制御装置２００と、各電力変換セル（３００₁～３００₅）の送信側と受信側のクロック信号を同期するため、中央制御装置および各電力変換セルは、それぞれの受信器で受信したデジタル信号を図示しないＰＬＬ回路に入力することによってクロック信号の同期をかける。

図５はシリアル通信用通信フレームの例を示し、フレームは、各電力変換セル（３００₁～３００₅）の電力変換回路１～５を制御するために必要な変換回路制御信号を含む。図５の例では８ビットの変換回路制御信号を電力変換セルの分（本例では５セル分）含んでいる。これに加え、各変換器に共通の信号や、開始フラグ、誤り訂正符号、終了フラグなどを含んでいても良い。これら信号は中央制御装置２００のデジタル変調回路２０１で生成される。その際、例えばＮＲＺ（Ｎｏｎ－Ｒｅｔｕｒｎ－ｔｏ－Ｚｅｒｏ）やＣＭＩ（ＣｏｄｅＭａｒｋＩｎｖｅｒｓｉｏｎ）などの伝送路符号変調を施しても良い。

次に通信の動作について、図６を用いて説明する。図６は、図２の装置構成の場合における、中央制御装置２００および各電力変換セル３００の制御器１～５（３０１₁～３０１₅）が送信・受信するフレームと時間の関係を示している。横軸は時間で、右に進むほど時間が経過している事を示している。中央制御装置、各制御器１～５の黒色で示す長方形がループ１の送信・受信通信フレームを示しており、白色で示す長方形がループ２の通信フレームを示している。

通信フレームは常に一定の周期で、中央制御装置２００から各ループに対して送信される。その周期の長さは、フレーム長の長さと同じか、それ以上に設定する（図６ではフレーム長より長く設定している）。シリアル通信のため、データ送信には一定の時間（図の長方形で示す時間）が掛かる。

中央制御装置２００は時刻ｔＡにおいて、通信フレーム１の送信を開始する。ループ１では、制御器１は時刻ｔＡ１から光ケーブル１０₀₁を介して伝送されるフレームを受信開始する。ｔＡからｔＡ１までの時間差は、中央制御装置２００と制御器１の間の光通信（送信、伝搬、受信）に要した時間を示している。

受信したデータは、ほぼ同時に光ケーブル１０₁₂を介して制御器２に対して再送信される（ここで、この図では、簡略化のため受信データは同時に送信されると仮定し、図示を省略している）。

時刻ｔＡ１にループ１の制御器１の光送信器３０３ｂａから光ケーブル１０₁₂を介して送信されたフレームは、時刻ｔＡ２から制御器２の光受信器３０３ａｂで受信が開始される。同様に制御器３、制御器４、制御器５、中央制御装置２００と再送信・受信が行われ、その受信開始時刻はそれぞれ時刻ｔＡ３、時刻ｔＢ４、時刻ｔＢ５、時刻ｔＢＹとなる。

一方ループ２における通信は、ループ１と同様に時刻ｔＡにおいて図６の最下段に示すように、中央制御装置２００から光ケーブル１０₀₅を介して制御器５へのフレーム送信が開始される。制御器５は時刻ｔＡ５においてそのフレームの受信を開始し、同時に光ケーブル１０₅₄を介して制御器４へ再送信する。そして制御器４は時刻ｔＡ４にフレームの受信を開始し、同時に光ケーブル１０₄₃を介して制御器３に再送信する。

以降ループ１と同じように制御器３、制御器２、制御器１で受信・再送信が行われ、その受信開始時刻はそれぞれ時刻ｔＢ３、時刻ｔＢ２、時刻ｔＢ１、時刻ｔＢＸとなる。

各制御器１～５の受信開始時間差測定回路３０６において、２つのループのうち後に受信したフレームの受信開始時刻ｔＢｘから、先に受信したフレームの時刻ｔＡｘを減算することで、その時間差を測定する。全ての制御器（３０１₁～３０１₅）間および中央制御装置２００と制御器間の通信にかかる時間が同じと仮定すると、この時間差の中央の時刻は、全ての制御器において同じ時刻になる。

実際には受信器、送信器の動作や、制御器、光通信ケーブルの長さなどが異なるため、全く同じにはならない。しかし、例えば光通信ケーブルの長さによる影響は、通常想定される隣り合う電力変換回路間の距離（例えば数１０ｍ以下）であれば、その通過時間は数ｎｓ以下となり、ほとんど同じと考えられる。

光送受信器３０３ａ，３０３ｂやその出力から制御器１～５に用いられるＩＣなどに至るまでの配線経路・回路動作による遅延時間の差も、それぞれの機器・回路が有する特性のバラツキや環境など条件の違い、変化などによって同じにはならないが、通常は問題にならないほど小さいほか、バラツキが小さくなるような部品を選定するなどにより、遅延時間の差をさらに抑制できる。

そのため、この時間差を２で除算すると、受信開始時刻から中央の時刻までの時間ｔｄｅｌａｙｘを計算できる。

（ｔＡｘ－ｔＢｘ）／２＝ｔｄｅｌａｙｘ
例えば制御器１では（ｔＡ１－ｔＢ１）／２の演算を行い、ｔｄｅｌａｙ１を算出する。同様に全ての制御器がｔｄｅｌａｙを計算する。

次に、このｔｄｅｌａｙをデータ更新タイミング調整回路３０８で同期に用いる。中央制御装置２００から次のフレーム（通信フレーム２）が時刻ｔＣにループ１、ループ２に送信される。それに伴い、ループ１では中央制御装置２００から制御器１、制御器２、制御器３、制御器４、制御器５の順に通信フレームが送信され、一方ループ２では中央制御装置２００から、制御器５、制御器４、制御器３、制御器２、制御器１の順に通信フレームが送信される。

ここで、各制御器１～５が２つのループからそれぞれフレームを受け取るが、先に受け取るフレームの受信開始時刻をそれぞれｔＣ１、ｔＣ２、ｔＣ３、ｔＣ４、ｔＣ５とする。各制御器１～５のデータ更新は、これらフレーム受信開始時刻ｔＣｘからｔｄｅｌａｙｘ遅らせた時間を基準に更新する。これにより、全ての電力変換セル（３００₁～３００₅）がほぼ同時にデータ更新することができる。例えば電力変換セル３００₁の制御器１の場合の更新タイミングはｔＣ１＋ｔｄｅｌａｙ１となる。

以上の説明では受信開始時刻から時間差を測定していたが、受信終了時刻から時間差を測定しても同じである。ｔｄｅｌａｙの算出においては、複数回のフレーム受信におけるｔｄｅｌａｙの平均値をとっても良い。更新タイミングはｔＣｘとｔｄｅｌａｙｘとの和に加えて、全てのセルに一定の時間を更に追加してもよい。

以上のように実施例１によれば、各電力変換セル（３００）の信号の同期タイミングを、各セルの受信信号を用いて、各セル内で計算し設定することができ、システムをセットアップするもしくは始動する際に必要な、手動もしくは専用プログラムによる測定手段による同期タイミングの調整が不要となり、セットアップ・始動時間の短縮、プログラムの簡素化、演算装置のコスト低減が可能となる。

また、運転中に装置の特性が変化し、それぞれ通信における遅延時間などに変化が生じても、上記特別な手段を執る必要がなくなるため、調整時間の短縮、運転継続性の向上、装置性能低下の防止などが可能となる。

実施例１では、通信フレーム１の次に伝送された通信フレーム２を受信した時刻を用いてデータ更新タイミングを決定していたが、本実施例２では通信が途絶してしまうこと等を考慮し、最初のフレーム（通信フレーム１）を正常に受信した時刻を基準にデータ更新タイミングを決定するように構成した。

基本的な構成（図２～図５）は実施例１と同様である。図７は図２の装置構成の場合における、中央制御装置２００および各電力変換セル３００の制御器１～５（３０１₁～３０１₅）が送信・受信するフレームと時間の関係を示している。図６と同様に横軸は時間で、右に進むほど時間が経過している事を示している。中央制御装置、各制御器１～５の黒色で示す長方形がループ１の送信・受信通信フレームを示しており、白色で示す長方形がループ２の通信フレームを示している。

時刻ｔＡにおいて、中央制御装置２００からループ１、ループ２に対して通信フレームが送られ、制御器１～５に順に通信フレームが転送される。そして、各制御器１～５において、二つのループから到達した通信フレームの受信開始時間の差を受信開始時間差測定回路３０６で計算する。各制御器１～５は先に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻を記憶しておき、その時刻を基準にｔｄｅｌａｙｘと、一定の周期Ｔｃを足した時間分遅らせた時刻において、受信したフレームのデータを更新する。例えば、制御器１では時刻ｔＡ１を基準にし、ｔＡ１＋ｔｄｅｌａｙ１＋Ｔｃの時刻において、データを更新する。

Ｔｃは任意の時間とすれば良いが、時刻ｔＡで送信を開始した変換回路制御信号をデータ更新するためには、少なくとも片側のループのデータが全て受信完了し、復調が完了している必要があり、そのためにはＴＣをフレーム長以上に設定する必要がある。

通信中に片側のループにおいて断線等の故障が発生し、通信が途絶すると、時間差が測定できなくなるだけでなく、先に受信した通信フレームの受信開始時刻がずれてしまう。その場合は、正常に受信できた（２つのループのいずれもが受信できた）際における、先に受信した通信フレームを基準時刻とし、前記ｔｄｅｌａｙに加え、フレーム間周期を加算した時間を更新タイミングとする。その際、受信データは正常に受信できたフレームのデータを利用する。

更に次のフレームでも正常に受信できなかった場合は、フレーム間周期を更に加算した時刻を更新タイミングとする。以上のようにすると、片側のループで異常が発生しても、データの更新タイミングを同期し続けることができる。ただし、通信時間のバラツキや、計算の誤差などの影響で、次第に同期できなくなるため、その場合は停止する必要がある。しかし、しばらくの間同期できることで、安全に変換器動作を停止する等、処理を実行する時間を稼ぐことができる。

以上のように実施例２によれば、実施例１の効果に加えて、実施例１の方法に対し、同期タイミングの基準となる時刻を、正常に受信できた受信フレームの受信開始時刻もしくは受信終了時刻に設定することで、一つのループにおいて通信異常や断線などが発生した場合でも、中央制御装置２００とやりとりするなどの特別な処理をする事無く、直ちに、同期タイミングを維持し続けることが可能となり、装置の運転継続性を高めることが可能となる。

１０₀₁，１０₁₂，１０₂₃，１０₃₄，１０₄₅，１０₅₀，１０₅₄，１０₄₃，１０₃₂，１０₂₁，１０₁₀…光ケーブル
２００…中央制御装置
２０１…デジタル変調回路
２０２ａ，２０２ｂ，３０３ａ，３０３ｂ…光送受信器
２０２ａａ，２０２ｂａ，３０３ａａ，３０３ｂａ…光送信器
２０２ａｂ，２０２ｂｂ，３０３ａｂ，３０３ｂｂ…光受信器
２０３…デジタル復調回路
２１０…電力変換装置制御器
３００（３００₁～３００₅）…電力変換セル
３０１₁～３０１₅…制御器
３０２₁～３０２₅…電力変換回路
３０４ａａ，３０４ｂａ…送信回路
３０４ａｂ，３０４ｂｂ…受信回路
３０５…デジタル復調バッファ回路
３０６…受信開始時間差測定回路
３０７…遅延時間演算回路
３０８…データ更新タイミング調整回路。

Claims

複数の電力変換回路と、
前記複数の電力変換回路を各々制御する複数の制御器と、
前記各電力変換回路用の変換回路制御信号を含むシリアル通信用通信フレームを生成し、それをデジタル変換して伝送する機能を有した中央制御装置と、
前記中央制御装置と複数の制御器各々に設けられた第１光送受信器および第２光送受信器と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第１光送受信器から前記各制御器の第１光送受信器および第２光送受信器を介して中央制御装置の第２光送受信器に至る第１のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第１の光ケーブル群と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第２光送受信器から前記各制御器の第２光送受信器および第１光送受信器を介して中央制御装置の第１光送受信器に至る第２のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第２の光ケーブル群と、を備え、
前記各制御器は、
伝送されるシリアル通信用通信フレームを、第１光送受信器および第２光送受信器を介して受信し、再送信する回路と、
前記受信したシリアル通信用通信フレーム内の変換回路制御信号を復調し、保持するデジタル復調バッファ回路と、
前記第１のループ又は第２のループで伝送されるシリアル通信用通信フレームのうち、後に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻から、先に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻を減算し、その時間差の半分を遅延時間として求める遅延時間演算部と、
前記シリアル通信用通信フレームの受信時刻と前記遅延時間に基づいてデータ更新タイミングを決定し、その決定されたデータ更新タイミングで前記デジタル復調バッファ回路に保持されている変換回路制御信号を電力変換回路へ出力するデータ更新タイミング調整回路と、を有し、
前記データ更新タイミング調整回路は、
第１のループ又は第２のループのいずれか一方で通信異常が発生した場合、第１のループおよび第２のループにより伝送されたシリアル通信用通信フレームを両方とも正常受信した際の、どちらか先にシリアル通信用通信フレームを受信した時刻を基準時刻とし、該基準時刻に、前記遅延時間演算部で求められた遅延時間と、シリアル通信用通信フレームのフレーム間周期とを加算した時刻をデータ更新タイミングに決定することを特徴とする電力変換装置の光通信システム。
複数の電力変換回路と、
前記複数の電力変換回路を各々制御する複数の制御器と、
前記各電力変換回路を制御する制御装置であって、各電力変換回路用の変換回路制御信号を含むシリアル通信用通信フレームを生成し、それをデジタル変換して伝送する機能を有した中央制御装置と、
前記中央制御装置と複数の制御器各々に設けられた第１光送受信器および第２光送受信器と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第１光送受信器から前記各制御器の第１光送受信器および第２光送受信器を介して中央制御装置の第２光送受信器に至る第１のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第１の光ケーブル群と、
前記中央制御装置と複数の制御器の間をデイジーチェーン接続する光ケーブルであって、中央制御装置の第２光送受信器から前記各制御器の第２光送受信器および第１光送受信器を介して中央制御装置の第１光送受信器に至る第２のループで、前記シリアル通信用通信フレームを伝送するための第２の光ケーブル群と、を備えた電力変換装置において、
中央制御装置が、前記第１のループおよび第２のループでシリアル通信用通信フレームを伝送するステップと、
前記各制御器が、伝送されるシリアル通信用通信フレームを、第１光送受信器および第２光送受信器を介して受信し、再送信するステップと、
前記各制御器のデジタル復調バッファ回路が、前記受信したシリアル通信用通信フレーム内の変換回路制御信号を復調し、保持するステップと、
前記各制御器の遅延時間演算部が、前記第１のループ又は第２のループで伝送されるシリアル通信用通信フレームのうち、後に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻から、先に受信した通信フレームの受信開始時刻又は受信終了時刻を減算し、その時間差の半分を遅延時間として求めるステップと、
前記各制御器のデータ更新タイミング調整回路が、前記シリアル通信用通信フレームの受信時刻と前記遅延時間に基づいてデータ更新タイミングを決定し、その決定されたデータ更新タイミングで前記デジタル復調バッファ回路に保持されている変換回路制御信号を電力変換回路へ出力するステップであり、第１のループ又は第２のループのいずれか一方で通信異常が発生した場合、第１のループおよび第２のループにより伝送されたシリアル通信用通信フレームを両方とも正常受信した際の、どちらか先にシリアル通信用通信フレームを受信した時刻を基準時刻とし、該基準時刻に、前記遅延時間演算部で求められた遅延時間と、シリアル通信用通信フレームのフレーム間周期とを加算した時刻をデータ更新タイミングに決定するステップと、を有していることを特徴とする電力変換装置の光通信方法。