(57)【要約】【課題】複数の単位変換器がシリアル通信し、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、直列に接続されたセルＣ１〜Ｃ８と、セルＣ１〜Ｃ８をグループＧ１〜Ｇ４に分け、グループＧ１〜Ｇ４毎にセルＣ１〜Ｃ８がシリアル通信するための伝送路ＬＰ１〜ＬＰ４と、セルＣ１〜Ｃ８をそれぞれ制御する信号を含む合成されたデータＤＴを出力する制御装置３と、制御装置３から出力されたデータＤＴを複数のグループＧ１〜Ｇ４に分配する分配器７ｕｐ〜７ｗｍとを備える。【選択図】図１
2015220783.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直列に接続された複数の単位変換器と、
前記複数の単位変換器を複数のグループに分け、前記グループ毎に前記単位変換器がシリアル通信するための複数の伝送路と、
前記複数の単位変換器をそれぞれ制御する信号を含む合成されたデータを出力する制御手段と、
前記制御手段から出力された前記合成されたデータを、前記複数のグループに分配する分配手段と
を備えることを特徴とする自励式電力変換装置。
【請求項２】
前記分配手段は、前記グループ毎に設けられたこと
を特徴とする請求項１に記載の自励式電力変換装置。
【請求項３】
前記複数の単位変換器でそれぞれ構成された複数のアーム
を備えることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の自励式電力変換装置。
【請求項４】
前記複数の単位変換器は、運転継続に必要最低限の個数で前記複数のグループに分けること
を特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の自励式電力変換装置。
【請求項５】
直列に接続された複数の単位変換器を備える自励式電力変換装置を制御する自励式電力変換装置の制御方法であって、
前記複数の単位変換器を複数のグループに分け、前記グループ毎に前記単位変換器がシリアル通信し、
前記複数の単位変換器をそれぞれ制御する信号を含む合成されたデータを制御装置から出力し、
前記制御装置から出力された前記合成されたデータを、前記複数のグループに分配すること
を含むことを特徴とする自励式電力変換装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、自励式電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２４３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
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、伝送する回線に異常が生じた場合、自励式電力変換装置の運転継続に対する支障が大きくなる。例えば、全てのセルに１回線でゲート信号をシリアル通信していた場合、この１回線が異常になると、全てのセルと通信できなくなる。従って、自励式電力変換装置の運転が継続できなくなる。
【０００５】
そこで、本発明の目的は、複数の単位変換器がシリアル通信し、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。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の観点に従った自励式電力変換装置は、直列に接続された複数の単位変換器と、前記複数の単位変換器を複数のグループに分け、前記グループ毎に前記単位変換器がシリアル通信するための複数の伝送路と、前記複数の単位変換器をそれぞれ制御する信号を含む合成されたデータを出力する制御手段と、前記制御手段から出力された前記合成されたデータを、前記複数のグループに分配する分配手段とを備える。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、複数の単位変換器がシリアル通信し、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。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１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。
【図２】第１の実施形態に係るセルの回路を示す回路図。
【図３】第１の実施形態に係る制御装置から各分配器に送信するデータの構造を簡易的に示した構造図。
【図４】本発明の第２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。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
【００１０】
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１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。
【００１１】
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、三相分の連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗ、及び分配器７ｕｐ，７ｕｍ，７ｖｐ，７ｖｍ，７ｗｐ，７ｗｍ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８ｕ，８ｖ，８ｗに三相交流電力を供給する。
【００１２】
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。
【００１３】
制御装置３は、伝送路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を介して、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍに対応して設けられた分配器７ｕｐ〜７ｗｍと通信をする。伝送路Ｌ１〜Ｌ６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。制御装置３は、伝送路Ｌ１〜Ｌ６及び分配器７ｕｐ〜７ｗｍを介して、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する各セル（単位変換器）Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８と通信をすることで、電力変換回路を制御する。
【００１４】
６つのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで構成される電力変換回路は、直流電力を三相交流電力に変換する。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、８つの直列に接続されたセルＣ１〜Ｃ８で構成されている。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、同様に構成されている。電力変換回路のＵ相は、Ｕ相の上（正極側）アーム４ｕｐとＵ相の下（負極側）アーム４ｕｍで構成される。電力変換回路のＶ相は、Ｖ相の上（正極側）アーム４ｖｐとＶ相の下（負極側）アーム４ｖｍで構成される。電力変換回路のＷ相は、Ｗ相の上（正極側）アーム４ｗｐとＷ相の下（負極側）アーム４ｗｍで構成される。
【００１５】
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Ｃ１〜Ｃ８の構成は、図２に示すセルＣＬと同一である。
【００１６】
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。
【００１７】
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の接続点は、セルＣＬの正極端子となる。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。
【００１８】
各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成するセルＣ１〜Ｃ８は、４つのグループＧ１，Ｇ２，Ｇ３，Ｇ４に分けられている。各グループＧ１〜Ｇ４は、通常の電圧を出力できる最低限の個数のセルＣ１〜Ｃ８で構成されている。通常の電圧とは、例えば、自励式電力変換装置１の定格電圧、又は交流系統８ｕ，８ｖ，８ｗから要求されている電圧などである。ここでは、この最低限の個数を２つとしている。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、４つのグループＧ１〜Ｇ４のうち１つでも正常であれば、正常に機能する。各グループＧ１〜Ｇ４を構成する各セルＣ１〜Ｃ８は、ループ状の伝送路ＬＰ１〜ＬＰ４で、デイジーチェーン接続されている。各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの各グループＧ１〜Ｇ４の伝送路ＬＰ１〜ＬＰ４は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍに対応して設けられた分配器７ｕｐ〜７ｗｍと接続されている。各グループＧ１〜Ｇ４のセルＣ１〜Ｃ８は、それぞれでシリアル通信を行う。
【００１９】
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８ｕ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。
【００２０】
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８ｖ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。
【００２１】
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８ｗ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。
【００２２】
連系リアクトル６ｕ，６ｖ，６ｗは、交流系統８ｕ，８ｖ，８ｗ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８ｕ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８ｖ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８ｗ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。
【００２３】
図３は、本実施形態に係る制御装置３から各分配器７ｕｐ〜７ｗｍ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。データＤＴには、各分配器７ｕｐ〜７ｗｍに接続された８つのセルＣ１〜Ｃ８に対応した８つのデータＤＴ１〜ＤＴ８が合成されて格納されている。
【００２４】
制御装置３は、それぞれの伝送路Ｌ１〜Ｌ６にデータＤＴを送信する。各分配器７ｕｐ〜７ｗｍは、制御装置３から伝送路Ｌ１〜Ｌ６を介して受信したデータＤＴを、各グループＧ１〜Ｇ４の伝送路ＬＰ１〜ＬＰ４にそれぞれ送信して、各グループＧ１〜Ｇ４でシリアル通信を行う。各グループＧ１〜Ｇ４を構成する各セルＣ１〜Ｃ８は、伝送路ＬＰ１〜ＬＰ４から受信した合成されたデータＤＴの中から自己に対応するデータＤＴ１〜ＤＴ８を取り出す。各セルＣ１〜Ｃ８が取り出したデータＤＴ１〜ＤＴ８には、ゲート信号が含まれている。各セルＣ１〜Ｃ８は、取り出した自己のゲート信号により駆動する。
【００２５】
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ＬＰ１〜ＬＰ４又はセルＣ１〜Ｃ８など）及びあらゆるソフトウェアを含むものとする。
【００２６】
各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成するセルＣ１〜Ｃ８は、グループＧ１〜Ｇ４毎に分けられている。各グループＧ１〜Ｇ４は、それぞれが単独でアーム４ｕｐ〜４ｗｍとして運転継続に必要最低限の個数のセルＣ１〜Ｃ８を備える。セルＣ１〜Ｃ８は、グループＧ１〜Ｇ４毎にシリアル通信を行う。従って、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、少なくとも１つのグループＧ１〜Ｇ４の回線が正常であれば、正常に動作する。
【００２７】
本実施形態によれば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成するセルＣ１〜Ｃ８を運転継続に必要最低限の個数を備えるグループＧ１〜Ｇ４に分け、分けられたグループＧ１〜Ｇ４毎にシリアル通信をすることで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで、少なくとも１つのグループＧ１〜Ｇ４の回線が正常であれば、自励式電力変換装置１は、運転を継続することができる。従って、制御装置３が全てのセルＣ１〜Ｃ８とシリアル通信を行う場合と比べて、冗長性を高めることができる。
【００２８】
また、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍに対応して分配器７ｕｐ〜７ｗｍを設けることで、制御装置３からセルＣ１〜Ｃ８までの長い距離を接続する全ての光ファイバケーブルの総和の長さを短くして、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの冗長性を確保することができる。例えば、制御装置３と各セルＣ１〜Ｃ８を１対１で配線する場合に比べて、全ての光ファイバケーブルの総和の長さを短くすることができる。
【００２９】
（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態に係る自励式電力変換装置１Ａの構成を示す構成図である。
【００３０】
自励式電力変換装置１Ａは、図１に示す第１の実施形態に係る自励式電力変換装置１において、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍに対応して設けた分配器７ｕｐ，７ｕｍ，７ｖｐ，７ｖｍ，７ｗｐ，７ｗｍを、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの各グループＧ１〜Ｇ４に対応して設けた分配器７ｕｐ１〜７ｕｐ４，７ｕｍ１〜７ｕｍ４，７ｖｐ１〜７ｖｐ４，７ｖｍ１〜７ｖｍ４，７ｗｐ１〜７ｗｐ４，７ｗｍ１〜７ｗｍ４に代え、制御装置３を制御装置３Ａに代え、伝送路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６を伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４，Ｌ２１〜Ｌ２４，Ｌ３１〜Ｌ３４，Ｌ４１〜Ｌ４４，Ｌ５１〜Ｌ５４，Ｌ６１〜Ｌ６４に代えたものである。その他の点は、第１の実施形態と同様である。
【００３１】
ここで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、同様に構成されているため、主にＵ相の上アーム４ｕｐについて説明し、他のアーム４ｕｍ〜４ｗｍについては説明を適宜省略する。
【００３２】
Ｕ相の上アーム４ｕｐには、４つのグループＧ１〜Ｇ４毎に４つの分配器７ｕｐ１〜７ｕｐ４が設けられている。各分配器７ｕｐ１〜７ｕｐ４は、それぞれ伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４を介して制御装置３Ａと接続されている。伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４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。
【００３３】
制御装置３Ａは、伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４及び分配器７ｕｐ１〜７ｕｐ４を介して、Ｕ相の上アーム４ｕｐを構成する各セルＣ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ６，Ｃ７，Ｃ８と通信をする。その他の点は、制御装置３Ａは、第１の実施形態に係る制御装置３と同様である。
【００３４】
制御装置３Ａは、それぞれの伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４にデータＤＴを送信する。各分配器７ｕｐ１〜７ｕｐ４は、制御装置３Ａから伝送路Ｌ１１〜Ｌ１４を介して受信したデータＤＴを、それぞれ自己に対応するグループＧ１〜Ｇ４の伝送路ＬＰ１〜ＬＰ４にそれぞれ送信して、各グループＧ１〜Ｇ４でシリアル通信を行う。その他の点については、第１の実施形態と同様にして、各グループＧ１〜Ｇ４のセルＣ１〜Ｃ８が制御装置３Ａから受信したゲート信号により駆動する。
【００３５】
次に、自励式電力変換装置１Ａの回線異常に対する運転継続性について説明する。
【００３６】
各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成するセルＣ１〜Ｃ８は、第１の実施形態と同様に、グループＧ１〜Ｇ４毎に分けられているため、少なくとも１つのグループＧ１〜Ｇ４の回線が正常であれば、正常に動作する。また、分配器７ｕｐ１〜７ｗｍ４もグループＧ１〜Ｇ４毎に設けられているため、分配器７ｕｐ１〜７ｗｍ４についてもいずれか１つが正常であれば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、正常に動作する。
【００３７】
本実施形態によれば、第１の実施形態による作用効果に加え、分配器７ｕｐ１〜７ｗｍ４を各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの各グループＧ１〜Ｇ４に設けたため、分配器７ｕｐ１〜７ｗｍ４の冗長性を高めることができる。
【００３８】
なお、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。
【００３９】
各実施形態において、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、いくつのセルＣＬで構成されていてもよいし、いくつのグループＧ１〜Ｇ４に分けられていてもよい。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ＣＬが含まれていてもよい。
【００４０】
各実施形態において、自励式電力変換装置１，１Ａは、説明した構成に限らず、複数のセルＣＬが直列に接続された構成があれば、どのような構成でもよい。例えば、自励式電力変換装置１，１Ａ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１，１Ａ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。
【００４１】
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。
【符号の説明】
【００４２】
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、７ｕｐ，７ｕｍ，７ｖｐ，７ｖｍ，７ｗｐ，７ｗｍ…分配器、８ｕ，８ｖ，８ｗ…交流系統、Ｃ１〜Ｃ８…セル、Ｇ１〜Ｇ４…グループ、Ｌ１〜Ｌ６，ＬＰ１〜ＬＰ４…伝送路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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