JP2014042390A - 自励式電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の単位変換器にシリアル通信し、シリアル通信するための回線の異常に対する運転継続性の高い自励式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１は、複数のセルＣＬ１１〜ＣＬ６４が直列に接続された複数のアーム４ｕｐ〜４ｗｍと、複数のセルＣＬ１１〜ＣＬ６４をシリアル通信するためにループ状に接続する伝送路Ｌ１，Ｌ２と、複数のセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の受信する順番が互いに逆になるように２つのデータＤＴを伝送路Ｌ１，Ｌ２に送信する制御装置３とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、自励式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、複数のセルにゲート信号をシリアル通信すると、シリアル通信するための回線の途中でセルなどに異常が生じた場合、異常が生じた箇所から先のセルにゲート信号が送信されない。従って、シリアル通信では、１箇所でも回線に異常が生じると、駆動できなくなるセルが生じる恐れがある。

そこで、本発明の目的は、複数の単位変換器にシリアル通信し、シリアル通信するための回線の異常に対する運転継続性の高い自励式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自励式電力変換装置は、複数の単位変換器が直列に接続された複数のアームと、前記複数の単位変換器をシリアル通信するためにループ状に接続する伝送路と、前記複数の単位変換器の受信する順番が互いに逆になるように２つのデータを前記伝送路に送信するデータ送信手段とを備える。

本発明によれば、複数の単位変換器にシリアル通信し、シリアル通信するための回線の異常に対する運転継続性の高い自励式電力変換装置を提供することができる。

本発明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。 本実施形態に係るセルの回路について示す回路図。 本実施形態に係るシリアル通信により各セルに送信するデータの構造を簡易的に示した構造図。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（実施形態）
図１は、本発明の実施形態に係る自励式電力変換装置１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１は、直流電源２、制御装置３、６つのアーム４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ、三相分のリアクトル５ｕ，５ｖ，５ｗ、及び三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗを備えている。自励式電力変換装置１は、交流電源及び交流負荷を備える交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗに三相交流電力を供給する。

直流電源２は、発電した直流電力を６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍ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。

制御装置３は、伝送路Ｌ１，Ｌ２を介して、アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する各セル（単位変換器）ＣＬ１１〜ＣＬ６４とシリアル通信する。制御装置３は、シリアル通信により、各セルＣＬ１１〜ＣＬ６４にゲート信号を送信することで、電力変換回路を制御する。

６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍ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。アーム４ｕｐは、４つの直列に接続されたセルＣＬ１１，ＣＬ１２，ＣＬ１３，ＣＬ１４で、電力変換回路のＵ相の正極側を構成する。アーム４ｕｍは、４つの直列に接続されたセルＣＬ２１，ＣＬ２２，ＣＬ２３，ＣＬ２４で、電力変換回路のＵ相の負極側を構成する。アーム４ｖｐは、４つの直列に接続されたセルＣＬ３１，ＣＬ３２，ＣＬ３３，ＣＬ３４で、電力変換回路のＶ相の正極側を構成する。アーム４ｖｍは、４つの直列に接続されたセルＣＬ４１，ＣＬ４２，ＣＬ４３，ＣＬ４４で、電力変換回路のＶ相の負極側を構成する。アーム４ｗｐは、４つの直列に接続されたセルＣＬ５１，ＣＬ５２，ＣＬ５３，ＣＬ５４で、電力変換回路のＷ相の正極側を構成する。アーム４ｗｍは、４つの直列に接続されたセルＣＬ６１，ＣＬ６２，ＣＬ６３，ＣＬ６４で、電力変換回路のＷ相の負極側を構成する。

セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、２つの伝送路Ｌ１，Ｌ２で接続されている。伝送路Ｌ１，Ｌ２は、光ファイバケーブル及び中継器などにより構成される。

伝送路Ｌ１は、三相の正極側のアーム４ｕｐ，４ｖｐ，４ｗｐを構成する全てのセルＣＬ１１〜ＣＬ１４，ＣＬ３１〜ＣＬ３４，ＣＬ５１〜ＣＬ５４をループ状にデイジーチェーン接続する。両端にそれぞれ位置する２つのセルＣＬ１１，ＣＬ５４は、伝送路Ｌ１ａ，Ｌ１ｂで制御装置３と接続されている。伝送路Ｌ１ａ，Ｌ１ｂは、伝送路Ｌ１の一部である。

伝送路Ｌ２は、三相の負極側のアーム４ｕｍ，４ｖｍ，４ｗｍを構成する全てのセルＣＬ２１〜ＣＬ２４，ＣＬ４１〜ＣＬ４４，ＣＬ６１〜ＣＬ６４をループ状にデイジーチェーン接続する。両端にそれぞれ位置する２つのセルＣＬ２１，ＣＬ６４は、伝送路Ｌ２ａ，Ｌ２ｂで制御装置３と接続されている。伝送路Ｌ２ａ，Ｌ２ｂは、伝送路Ｌ２の一部である。

図２は、本実施形態に係るセルＣＬの回路について示す回路図である。全てのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の構成は、図２に示すセルＣＬと同一である。

セルＣＬは、二重スターチョッパである。セルＣＬは、２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２、２つの逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２、及びコンデンサＣＤにより構成された回路である。セルＣＬは、制御装置３から送信されるゲート信号で、２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２がスイッチングすることにより、駆動する。

２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２は、直列に接続されている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２には、それぞれ逆並列ダイオードＤ１，Ｄ２が接続されている。コンデンサＣＤは、２つの直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２と並列に接続されている。２つのスイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２の接続点がセルＣＬの正極端子となる。セルＣＬの正極端子は、正極側に隣接するセルＣＬの負極端子又は直流電源２の正極側と接続されている。負極側に位置するスイッチング素子ＳＷ２の負極側の端子（エミッタ）は、セルＣＬの負極端子となる。セルＣＬの負極端子は、負極側に隣接するセルＣＬの正極端子又は直流電源２の負極側と接続されている。

Ｕ相のリアクトル５ｕは、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐとＵ相の負極側のアーム４ｕｍとの間に設けられている。リアクトル５ｕの中間点は、交流電力のＵ相の出力点となる。リアクトル５ｕの中間点は、連系リアクトル６ｕを介して、交流系統７ｕのＵ相に接続される。リアクトル５ｕは、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐ及びＵ相の負極側のアーム４ｕｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。

Ｖ相のリアクトル５ｖは、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐとＶ相の負極側のアーム４ｖｍとの間に設けられている。リアクトル５ｖの中間点は、交流電力のＶ相の出力点となる。リアクトル５ｖの中間点は、連系リアクトル６ｖを介して、交流系統７ｖのＶ相に接続される。リアクトル５ｖは、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐ及びＶ相の負極側のアーム４ｖｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。

Ｗ相のリアクトル５ｗは、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐとＷ相の負極側のアーム４ｗｍとの間に設けられている。リアクトル５ｗの中間点は、交流電力のＷ相の出力点となる。リアクトル５ｗの中間点は、連系リアクトル６ｗを介して、交流系統７ｗのＷ相に接続される。リアクトル５ｗは、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐ及びＷ相の負極側のアーム４ｗｍに流れる循環電流の直流成分を抑制するために設けられている。

連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗは、交流系統７ｕ，７ｖ，７ｗと系統連系するために設けられたリアクトルである。Ｕ相の連系リアクトル６ｕは、Ｕ相の交流系統７ｕとＵ相のリアクトル５ｕの中間点との間に設けられている。Ｖ相の連系リアクトル６ｖは、Ｖ相の交流系統７ｖとＶ相のリアクトル５ｖの中間点との間に設けられている。Ｗ相の連系リアクトル６ｗは、Ｗ相の交流系統７ｗとＷ相のリアクトル５ｗの中間点との間に設けられている。なお、三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗの代わりに、三相分の連系変圧器を設けてもよい。

次に、制御装置３が各セルＣＬ１１〜ＣＬ６４にゲート信号を送信する構成について説明する。

図３は、本実施形態に係るシリアル通信により各セルＣＬ１１〜ＣＬ６４に送信するデータＤＴの構造を簡易的に示した構造図である。１つのデータＤＴには、１つの伝送路Ｌ１，Ｌ２で、シリアル通信を行う１２個のセルＣＬ１１〜ＣＬ６４に対応した１２のデータＤＴ１〜ＤＴ１２が格納されている。

制御装置３は、１つの伝送路Ｌ１，Ｌ２にそれぞれシリアル通信用のデータＤＴを２つずつ送信する。１つの伝送路Ｌ１，Ｌ２に送信する２つのデータＤＴは、互いに逆回りになるように同時に送信される。従って、２つのデータＤＴは、受信するセルＣＬ１１〜ＣＬ６４の順番が互いに逆になるように送信される。

伝送路Ｌ１では、制御装置３は、１つのデータＤＴを、セルＣＬ１１に直接接続されている伝送路Ｌ１ａに送信し、もう１つのデータを、セルＣＬ５４に直接接続されている伝送路Ｌ１ｂに送信する。伝送路Ｌ２では、制御装置３は、１つのデータＤＴを、セルＣＬ２１に直接接続されている伝送路Ｌ２ａに送信し、もう１つのデータＤＴを、セルＣＬ６４に直接接続されている伝送路Ｌ２ｂに送信する。

セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、１つの伝送路Ｌ１，Ｌ２から２つのデータＤＴを別々に受信する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、伝送路Ｌ１，Ｌ２から受信した２つのデータＤＴにそれぞれ含まれる自己に対応するデータＤＴ１〜ＤＴ１２を取り出す。従って、セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、自己に対応する２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２を受信する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４が取り出したデータＤＴ１〜ＤＴ１２には、ゲート信号が含まれている。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、取り出した自己のゲート信号により駆動する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、予め決められた時間内に１つのデータＤＴしか受信しなかった場合、受信したデータＤＴに基づいて動作する。２つのデータＤＴの受信を待つ予め決められた時間は、２つのデータが伝送されてくる伝送経路の違いによる時間差に基づいて決定される。

次に、セルＣＬ１１〜ＣＬ６４の２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２の受信後の動作について説明する。

セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、受信した２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２を比較して、２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２の内容が一致しているか否かを判断する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２の内容が一致していると判断した場合、取り出したゲート信号により駆動する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、受信した２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２に含まれる内容が同一でないと判断した場合、２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２に誤りがないかパリティチェックなどにより個別に判断する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２を個別に判断した結果、いずれか一方のみが正常であると判断した場合、正常と判断したデータＤＴ１〜ＤＴ１２に含まれるゲート信号により駆動する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２が共に異常であると判断した場合、制御装置３に異常を知らせる信号を出力する。セルＣＬ１１〜ＣＬ６４は、２つのデータＤＴ１〜ＤＴ１２が共に正常であると判断した場合、予め決められた優先順位の高い伝送路Ｌ１，Ｌ２から受信したデータＤＴ１〜ＤＴ１２を採用してもよいし、制御装置３に異常を知らせる信号を出力してもよい。

次に、自励式電力変換装置１の回線異常に対する運転継続性について説明する。ここで、回線とは、シリアル通信をするために必要なハードウェア（例えば、伝送路Ｌ１，Ｌ２又はセルＣＬ１１〜ＣＬ６４など）及びあらゆるソフトウェアを含むものとする。

Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐのセルＣＬ３１を例として説明する。

セルＣＬ３１は、２つのデータＤＴのうち１つのデータＤＴをセルＣＬ１１，ＣＬ１２，ＣＬ１３，ＣＬ１４を順次に介して受信する。セルＣＬ３１は、セルＣＬ１４から受信したデータＤＴをセルＣＬ３２に送信する。セルＣＬ３１は、もう１つのデータＤＴをセルＣＬ５４，ＣＬ５３，ＣＬ５２，ＣＬ５１，ＣＬ３４，ＣＬ３３，ＣＬ３２を順次に介して受信する。セルＣＬ３１は、セルＣＬ３２から受信したデータＤＴをセルＣＬ１４に送信する。

今、セルＣＬ１３が故障し、セルＣＬ１３がシリアル通信できなくなったものとする。この場合、セルＣＬ３１は、セルＣＬ１３でシリアル通信によるデータＤＴの伝送が止まるため、セルＣＬ１４からデータＤＴを受信することができない。しかし、セルＣＬ３１は、逆回りで送信されたデータＤＴをセルＣＬ３２から受信することができる。従って、セルＣＬ１３は、セルＣＬ３２から受信したデータＤＴに基づいて、正常な動作を継続できる。

本実施形態によれば、シリアル通信をするための伝送路Ｌ１，Ｌ２をループ状にし、ループ状の伝送路Ｌ１，Ｌ２の双方向からセルＣＬ１１〜ＣＬ６４にデータＤＴを送信することで、伝送経路の途中で１箇所に回線異常が生じても、全てのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４にデータＤＴを送信することができる。

なお、本実施形態において、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６４で構成されたものに限らず、いくつのセルで構成されていてもよい。例えば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、構成の冗長性を確保するために、正常時でも出力電圧の１周期の間で使用しないセルが含まれていてもよい。また、自励式電力変換装置１は、６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成されたものに限らず、いくつのアームで構成されていてもよい。例えば、自励式電力変換装置１を直流電力から三相交流電力に変換する構成として説明したが、直流電力から単相交流電力に変換する構成でもよい。この場合、４つのアームで直流電力を単相交流電力に変換する自励式電力変換装置を構成することができる。

また、本実施形態において、伝送路Ｌ１，Ｌ２でセルＣＬ１１〜ＣＬ６４をデイジーチェーン接続する場合、どのような順番で接続してもよい。また、本実施形態では、２つのループ状の伝送路Ｌ１，Ｌ２で構成したが、ループ状の伝送路は１つでもよいし、３つ以上でもよい。

さらに、本実施形態では、１つのループ状の伝送路Ｌ１，Ｌ２に双方向からデータを送信するように構成したが、２つのループ状の伝送路を二重にし、２つのデータを別々の伝送路に互いに逆回りになるように送信する構成にしてもよい。

また、セルＣＬの構成は、図２に示したものに限らない。スイッチング素子を含む変換器であり、自励式電力変換装置の構成として機能するのであれば、どのような回路でもよい。例えば、セルＣＬは、双方向チョッパ又はフルブリッジ変換器でもよい。

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…自励式電力変換装置、２…直流電源、３…制御装置、４ｕｐ，４ｕｍ，４ｖｐ，４ｖｍ，４ｗｐ，４ｗｍ…アーム、５ｕ，５ｖ，５ｗ…リアクトル、６ｕ，６ｖ，６ｗ…連系リアクトル、７ｕ，７ｖ，７ｗ…交流系統、ＣＬ１１〜ＣＬ６４…セル、Ｌ１，Ｌ２…伝送路。

Claims (4)

1. 複数の単位変換器が直列に接続された複数のアームと、
   前記複数の単位変換器をシリアル通信するためにループ状に接続する伝送路と、
   前記複数の単位変換器の受信する順番が互いに逆になるように２つのデータを前記伝送路に送信するデータ送信手段と
   を備えることを特徴とする自励式電力変換装置。
2. 前記データ送信手段は、１つの前記伝送路に双方向から前記２つのデータを送信すること
   を特徴とする請求項１に記載の自励式電力変換装置。
3. 前記データ送信手段は、２つの前記伝送路に別々に前記２つのデータを送信すること
   を特徴とする請求項１に記載の自励式電力変換装置。
4. 複数の単位変換器が直列に接続された複数のアームで構成され、前記複数の単位変換器がシリアル通信するように構成された自励式電力変換装置の製造方法であって、
   前記複数の単位変換器の受信する順番が互いに逆になるように２つのデータを伝送するために、前記複数の単位変換器を伝送路でループ状に接続すること
   を含むことを特徴とする自励式電力変換装置の製造方法。

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