JP5449893B2 - 電力変換装置 - Google Patents

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Description

本発明は、電力変換装置およびこれに用いる制御・通信装置と通信用光ファイバケーブルに関する。
モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）は、Insulated Gate Bipolar Transistor（ＩＧＢＴ）などのオン・オフ制御可能なスイッチング素子を使用し、前記スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力できる変換器であり、直流送電システム（ＨＶＤＣ）や無効電力補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ），モータドライブインバータなどへの応用が期待されている。
非特許文献１は、ＭＭＣの回路方式について開示している。
非特許文献１によれば、ＭＭＣは、複数の単位変換器（以下、セルと呼ぶことにする）を直列（カスケード）接続して構成されている。各セルは、例えば双方向チョッパ回路であり、スイッチング素子と直流コンデンサを備えている。各セルは、少なくとも２端子を介して外部と接続しており、前記２端子間の電圧を、該セルの有する直流コンデンサの電圧か、または零に制御できる。
各セルをＰＷＭ制御している場合、各セルに与える三角波キャリアの位相を適切にシフトすることによって、ＭＭＣの出力電圧波形をマルチレベル波形にできる。これによって、２レベル変換器に比較して高調波成分を低減できる。
ＭＭＣの特徴として、各セルの電位は互いに異なっており、対地電位の高いセルが存在する点が挙げられる。特に、ＭＭＣをＨＶＤＣなどに応用した場合、セルの対地電位が数１０ｋＶ〜数１００ｋＶに及ぶ。さらに、各セルの対地電位は時々刻々と変化する。
しかしながら、非特許文献１では、実験室レベルでの装置を対象としているため、制御装置と各スイッチング素子の間の絶縁耐圧についての考慮はされていない。
非特許文献２は、各セルと同電位の近傍に信号処理回路を搭載し、接地電位にある中央制御装置と各信号処理回路の間を光ファイバケーブルで接続した構成が示されている。
萩原誠・赤木泰文：「モジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ）のＰＷＭ制御法と動作検証」、電気学会論文誌Ｄ、１２８巻７号、pp.９５７−９６５。
B. Gemmell他：「Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission」、 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition ２００８、１〜１６ページ。
非特許文献２では、前記中央制御装置から１つのセルに対して少なくとも１本の光ファイバケーブルが接続されている構成が示されている。すなわち、前記中央制御装置から各セルに前記光ファイバケーブルがスター接続されている。したがって、非特許文献２では少なくともセルの数と同数の光ファイバケーブルが必要である。
この場合、全ての光ファイバケーブルは、接地電位にある前記中央制御装置と、各セルの間の電位差に耐える絶縁耐力を備えている必要がある。すなわち、すべての光ファイバケーブルを沿面放電などに対する絶縁耐力を持った特殊な光ファイバケーブル（以下、高耐圧光ファイバケーブルと呼ぶことにする）とする必要がある。
なお、高耐圧光ファイバケーブルには、特殊なシース材料を用いる必要があり、製造工程が複雑になる。
さらに、非特許文献２のように、制御装置と各セルを光ファイバケーブルでスター接続する場合、個々の光ファイバの長さが長大になる。
本発明は、カスケード接続された複数のセルから構成される電力変換装置において、制御・通信に用いる光ファイバケーブルの必要な長さを短縮することを目的とするものである。
上記課題を実現するために、本発明はカスケード接続された複数のセルから構成される電力変換装置において、該電力変換装置の制御装置は、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ていることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記セルは、オン・オフ制御スイッチング素子と直流コンデンサで構成された主回路と、前記直流コンデンサの電圧を検出する直流電圧センサと、前記中央制御装置からの信号を受信し、前記オン・オフ制御スイッチング素子のゲートパルスを生成する働きと、前記直流電圧センサからの信号を中央制御装置に伝送する働きとを担当するセル制御装置と、前記セル制御装置からのゲートパルスを受信し、オン・オフ制御スイッチング素子をオン・オフさせるゲートドライバと、前記セル制御装置とゲートドライバに電源を供給する自給電源とを備えることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記中央制御装置とセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、複数セルの出力端子の電圧の和に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルであることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、カスケード接続された２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、１つのセルの出力電圧に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルであることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、あるセルの出力端子の２端子の一方と、他のセルの出力端子の２端子の一方が電気的に接続されている前記２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、１つのセルの出力電圧に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルであることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記カスケード接続された２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、前記カスケード接続された２つのセルの間の電気配線または前記電気配線と同電位の部材によって支持されていることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、あるセルの出力端子の２端子の一方と、他のセルの出力端子の２端子の一方が電気的に接続されている前記２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、前記２つのセルをカスケード接続する電気配線または前記電気配線と同電位の部材によって支持されていることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記セル制御装置は、前記中央制御装置との通信を管理する通信管理手段と、前記中央制御装置から受信した、前記主回路のための変調率を格納する変調率バッファと、前記直流電圧センサからのアナログ信号をディジタル信号に変換するディジタル・アナログ変換手段と、前記ディジタル信号を格納する直流電圧バッファと、三角波キャリアを生成する三角波キャリア発生手段と、前記三角波キャリアと前記変調率バッファに格納された変調率を比較し、前記オン・オフ制御スイッチング素子に与えるゲートパルスを生成するゲートパルス発生手段と、を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記セル制御装置は、前記変調率バッファと前記三角波キャリア発生手段と前記ゲートパルス発生手段に動作タイミングの指令を与えるタイミング制御手段を備えることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記中央制御装置は、信号開始マークと、同期対象キャリア番号と、対象となるセル番号を付した変調率信号と直流コンデンサ電圧ダミー信号からなる信号の列と、信号終了マークと、からなる光シリアル信号フレームを、大略一定周期で送信することを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記セル制御装置は、前記中央制御装置からデイジーチェーンされた他のセル制御装置を介して受信した前記光シリアル信号フレームの前記同期対象キャリア番号を受信し、前記同期対象キャリア番号が、自身のキャリア番号と一致した場合、前記光シリアル信号フレームに含まれる前記信号終了マークを受信した時点で、前記タイミング制御手段を介して三角波キャリア発生手段をリセットすることを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記セル制御装置は、前記中央制御装置からデイジーチェーンされた他のセル制御装置を介して受信した前記光シリアル信号フレームに含まれる前記セル番号を付した変調率信号を受信し、付記されたセル番号が自身のセル番号と一致する場合に、前記の受信した変調率信号を前記変調率バッファに格納することを特徴とするものである。
また、本発明は電力変換装置において、前記セル制御装置は、前記中央制御装置からデイジーチェーンされた他のセル制御装置を介して受信した前記光シリアル信号フレームに含まれる前記セル番号を付した直流コンデンサ電圧ダミー信号を受信し、付記されたセル番号が自身のセル番号と一致する場合に、前記の受信した直流コンデンサ電圧ダミー信号を、前記直流電圧バッファに格納されている信号と置き換えすることを特徴とするものである。
本発明は、カスケード接続された複数のセルから構成される電力変換装置において、制御・通信に用いる光ファイバのうち、複数セルの出力電圧の和に対する絶縁耐力を備えた高耐圧光ファイバケーブルの少なくとも大部分を削減し、１つのセルの出力電圧に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルの使用を可能とする。また、光ファイバケーブルの必要な長さを短縮することを実現したものである。
全セルを光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続したＭＭＣ。 チョッパセル。 セル制御装置。 光シリアル信号フレーム。 第Ｋセルのキャリアを同期させる手法。 高耐圧光ファイバの実施例。 高耐圧光ファイバの印加電圧例。 同一変換器アーム内の隣接セルを接続する低耐圧光ファイバの実施例。 同一変換器アーム内の隣接セルを接続する低耐圧光ファイバの印加電圧例。 他変換器アームの隣接セルを接続する低耐圧光ファイバの実施例。 他変換器アームの隣接セルを接続する低耐圧光ファイバの印加電圧例。 相毎に光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続したＭＭＣ。 全セルを光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続したＣＭＣ。 フルブリッジセル。 同一クラスタ内の隣接フルブリッジセルを接続する低耐圧光ファイバの実施例。 同一クラスタ内の隣接フルブリッジセルを接続する低耐圧光ファイバの印加電圧例。 相毎に光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続したＣＭＣ。
以下、本発明の実施例を図面を用いて説明する。
本発明を実施する第１の形態について説明する。
実施例１では、非特許文献１で少なくともセルと同数だけ必要であった高耐圧光ファイバケーブルの本数を削減できる。
以下、図１を用いて実施例１の全体構成について述べる。
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。
本実施例における電力変換装置１０３は、三相電力系統１０１と交流電力授受を行う。また、電力変換装置１０３は、負荷装置１１５と直流電力授受を行う。ここで、負荷装置１１５は、直流負荷，モータドライブインバータの直流リンク，直流電源などを代表したものである。
本実施例では、三相電力系統１０１の相電圧をそれぞれＶＲ，ＶＳ，ＶＴと呼ぶことにする。変圧器１０２の２次側を流れる各相の電流をそれぞれＩＵ，ＩＶ，ＩＷと呼ぶことにする。
本実施例では、変圧器１０２の２次側（電力変換装置１０３が接続している側）の中性点は、接地されている。
本実施例では、電力変換装置１０３として三相電力系統に連系する三相ＭＭＣを取り上げる。ただし、本発明は、単相系統に連系する単相ＭＭＣや、モータを駆動するＭＭＣにも適用可能である。また、本発明はＣＭＣにも適用可能であり、これについては実施例３，４で述べる。
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。
詳細は後述するが、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（図２参照）。各セル１０５は、少なくとも２端子を介して外部回路と接続しており、前記２端子の間の電圧を、直流コンデンサ電圧か、または零に制御できる。
本実施例では、前記２端子の間の電圧を、セルの出力電圧またはセル電圧と呼ぶことにする。
図１に示すように、１つまたは複数のセル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と呼ぶ。本実施例では、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。また、各変換器アーム１０４を流れる電流をアーム電流と呼ぶことにし、図１の通り、ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬと定義することにする。
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。
電力変換装置１０３を制御する目的で、中央制御装置１０７を設置している。中央制御装置１０７は図１中にＧ点で表わした接地電位にある。
交流電圧センサ１０８は、系統相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴを検出し、その瞬時値信号を中央制御装置１０７に伝送する。
また、電流センサ１０９は、各アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬを検出し、その瞬時値信号を中央制御装置１０７に伝送する。
中央制御装置１０７は、２つの光トランシーバ１１０を備えており、光トランシーバ１１０を介して、各セル１０５と通信する。
中央制御装置１０７は、系統相電圧ＶＲ，ＶＳ，ＶＴ，アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬ，各セル１０５の直流コンデンサ電圧ＶＣを検出し、これらの情報に基づいて、各セル１０５に送信する変調率ＭＯＤを決定し、変調率ＭＯＤを各セルに送信する。中央制御装置１０７はこの一連の動作を大略一定周期で行う。この周期を制御周期と呼ぶことにする。
中央制御装置１０７は、上記の一連の動作を行うことにより、アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬを制御することで、三相電力系統１０１と授受する電力を制御する。また、各セル１０５の直流コンデンサ電圧ＶＣを適正範囲内に維持する。
中央制御装置１０７は、光トランシーバ１１０と光ファイバケーブル１１１〜１１４を介して、各セル１０５に変調率ＭＯＤを送信し、また、各セル１０５から直流コンデンサ電圧ＶＣの情報を受信する。通信の詳細については後述する。
本実施例では、全てのセル１０５を、中央制御装置１０７から光ファイバケーブル１１１〜１１４を用いてデイジーチェーン接続している。
中央制御装置１０７とセル１０５を接続する光ファイバケーブル１１１は、複数のセルの出力電圧の和に耐える絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルである。
同一の変換器アーム１０４の内部で隣接するセル２つのセル１０５を接続する光ファイバケーブル１１２は、１つのセルのセル電圧に耐える絶縁耐力を備えた光ファイバケーブル１１２である。
異なる変換器アーム１０４に属する２つのセルであって、Ｐ点に接続する２つのセルを接続する光ファイバケーブル１１３は、１つのセルの出力電圧に耐える絶縁耐力を備えた光ファイバケーブル１１３である。
異なる変換器アーム１０４に属する２つのセルであって、Ｎ点に接続する２つのセルを接続する光ファイバケーブル１１３は、１つのセルの出力電圧に耐える絶縁耐力を備えた光ファイバケーブル１１３である。
同一相に属する２つの変換器アーム１０４に属する２つのセルを接続する光ファイバケーブル１１４は、複数のセルの出力電圧の和に耐える絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルである。
本実施例では、光ファイバケーブル１１１と１１４とを高耐圧光ファイバケーブル，光ファイバケーブル１１２と１１３とを低耐圧光ファイバケーブルと呼ぶことにする。
図１において、大部分の光ファイバケーブルは低耐圧光ファイバケーブル１１２，１１３であり、高耐圧光ファイバケーブル１１１，１１４は合計５本のみである。
さらに、低耐圧光ファイバケーブル１１２，１１３の物理的な長さは、セル１０５の物理的な寸法とほぼ等しい長さまで縮減できる。
低耐圧光ファイバケーブル１１２，１１３を採用できる理由については、各セル１０５の説明および通信方式の説明の後で詳述することにする。
以下、図２を用いて、セル１０５の構成を説明する。
セル１０５の主回路は、ハイサイド・スイッチング素子２０１とローサイド・スイッチング素子２０２と直流コンデンサ２０３とからなる双方向チョッパ回路である。直流コンデンサ２０３の電圧をＶＣと呼ぶことにする。
また、ハイサイド・スイッチング素子２０１とローサイド・スイッチング素子２０２を総称して、スイッチング素子と呼ぶことにする。
本実施例では、スイッチング素子２０１と２０２とをＩＧＢＴとしているが、本発明はスイッチング素子２０１と２０２とがGate-Turn-Off Thyristor（ＧＴＯ），Gate-Commutated Turn-off Thyristor（ＧＣＴ），Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor（ＭＯＳＦＥＴ）、その他のオン・オフ制御素子の場合にも適用可能である。
各セル１０５はセル制御装置２０４を備えており、セル制御装置２０４は２つの光トランシーバ２０５と光ファイバケーブル１１１，１１２，１１３、または１１４を介して接続する。
セル制御装置２０４は、スイッチング素子２０１と２０２とのためのゲートパルスを生成し、これをゲートドライバ２０６に送信する。
ゲートドライバ２０６は、スイッチング素子２０１と２０２とのゲート・エミッタ間に適切な電圧を印加し、スイッチング素子２０１と２０２とをターンオンまたはターンオフさせる。
直流電圧センサ２０７は直流コンデンサ電圧ＶＣを検出し、その瞬時値信号をセル制御装置２０４に伝送する。
自給電源２０８は、セル制御装置２０４とゲートドライバ２０６に電源を供給する。
各セル制御装置２０４の電位は、各セルのローサイド・スイッチング素子２０２のエミッタ端子と同電位であり、図２ではこの点をＧ（ＣＥＬＬ）点で表わしている。なお、図２中のＧ（ＣＥＬＬ）点は図１中のＧ点とは異なる電位の点である。
以下、図３を用いて、セル制御装置２０４の内部構成について説明する。図３は、例えば、第Ｋセルに属するセル制御装置２０４の内部構成を図示したものである。
セル制御装置２０４は、通信管理手段３０１と、変調率バッファ３０２とパルス幅変調（ＰＷＭ）手段３０３と、三角波キャリア発生手段３０４と、タイミング制御手段３０５と、アナログ・ディジタル変換手段３０６と、直流電圧バッファ３０７とを備えている。
通信管理手段３０１は、光トランシーバ２０５を介して中央制御装置１０７または隣接セルから受信した自セルに対する変調率ＭＯＤ（Ｋ）を、変調率バッファ３０２に格納する。ただし、ＭＯＤ（Ｋ）とは、第Ｋセルの変調率ＭＯＤを表わす記号である。
パルス幅変調（ＰＷＭ）手段３０３は、変調率バッファ３０２に格納されている変調率ＭＯＤ（Ｋ）と、三角波キャリア発生手段３０４が発生する三角波キャリアを比較し、スイッチング素子２０１と２０２とのためのゲートパルスを生成する。
アナログ・ディジタル変換手段３０６は、直流電圧センサ２０７からの直流コンデンサ電圧のアナログ信号をディジタル化し、この情報ＶＣ（Ｋ）を直流電圧バッファ３０７に格納する。ただし、ＶＣ（Ｋ）とは、第Ｋセルの直流コンデンサ電圧を表わす記号である。
通信管理手段３０１は直流電圧バッファ３０７に格納されている直流コンデンサ電圧の情報ＶＣ（Ｋ）を、光トランシーバ２０５を介して中央制御装置１０７または隣接セルに送信する。
タイミング制御手段３０５は、変調率バッファ３０２とパルス幅変調（ＰＷＭ）手段３０３と三角波キャリア発生手段３０４とを制御する。
以下、タイミング制御手段３０５の必要性について説明する。
各セル１０５の各セル制御装置２０４は互いに異なるクロック源を供給されているため、三角波キャリアの初期の位相シフト関係は、クロック源のわずかな誤差によって時間とともに変化し、適切な位相シフト関係を維持できない。
各セル１０５の三角波キャリアの位相シフト関係が維持できない場合、電力変換装置１０３のＵ点−Ｖ点間，Ｖ点−Ｗ点間，Ｗ点−Ｕ点の電圧に、過大な高調波成分が含まれてしまうことになる。これによって、アーム電流ＩＵＨ，ＩＶＨ，ＩＷＨ，ＩＵＬ，ＩＶＬ，ＩＷＬや系統電流ＩＵ，ＩＶ，ＩＷに、過大な高調波成分が含まれてしまうという問題を生じる。
したがって、三角波キャリアの位相シフト関係を適切に維持する手段が必要である。
また、本実施例では光ファイバケーブルをデイジーチェーン接続しているため、あるセル制御装置２０４が隣接する他のセル制御装置２０４に信号を伝送するまでに遅延時間が生じる。
全てのセル１０５は光ファイバケーブルを用いてデイジーチェーン接続されているため、中央制御装置１０７から遠いセル１０５では、セル間の信号伝送の遅延が蓄積する。したがって、中央制御装置１０７から各セル１０５へ制御信号が伝達されるまでの遅延時間は、セル毎に異なる。
したがって、タイミング制御手段３０５を備えることで三角波キャリアの位相シフト関係を維持し、また、デイジーチェーン接続に起因してセル毎に異なる遅延時間のバランスを確保することが重要である。タイミング制御手段３０５の詳しい動作については、後述する。
ここで、セル番号とキャリア番号を定義する。セル番号とキャリア番号は、各セル１０５のセル制御装置２０４がその内部に保存している情報である。
セル番号とは、中央制御装置１０７から該セル１０５までの、光ファイバケーブル１１１〜１１４によるデイジーチェーン接続の順番である。そのセル番号がＫであるセル１０５を第Ｋセルと呼ぶことにする。第Ｋセルは、中央制御装置１０７からＫ番目に情報を受信するセルである。
キャリア番号とは、ある変換器アーム１０４における、該セル１０５の三角波キャリアの位相シフト番号である。
キャリア番号がＱであるセル１０５は、基準位相に対してＮ・（Ｑ−１）／３６０°だけ位相シフトされた三角波キャリアに基づいて、ゲートパルスを生成する。そのキャリア番号がＱである三角波キャリアを第Ｑキャリアと呼ぶことにする。
以下、本実施例における中央制御装置１０７と各セル１０５の間の通信方式と、各セル制御装置２０４の動作について、図４と図５を用いて述べる。
中央制御装置１０７は、２つの光トランシーバ１１０のうちの一方から、大略一定周期（制御周期）で光シリアル信号フレームを送信する。
図４は、中央制御装置１０７が送信する光シリアル信号フレーム４０１と、これを受信した第Ｋセルの動作を説明した図である。光シリアル信号フレーム４０１に含まれる情報は、例えば、信号開始マーク４０２，同期対象キャリア番号４０３，対象セル番号４０４，各セルの変調率４０５，各セルの直流コンデンサ電圧のダミー情報または実際の直流コンデンサ電圧情報４０６，信号終了マーク４０７である。
この他、パリティ，チェックサム，Cyclic Redundancy Check（ＣＲＣ）などを含ませることも可能であるが、本実施例では簡易な例として、チェックサムやＣＲＣを含まない光シリアル信号フレーム４０１を例示した。
第Ｋセルは、第Ｋ−１セルから受信した同期対象キャリア番号４０３、すなわちＱ（Ｓｙｎｃ）を自身のキャリア番号Ｑと比較する。図５に示す通り、同期対象キャリア番号Ｑ（Ｓｙｎｃ）とＱとが等しい場合に、自身の三角波キャリアを強制的にある値にリセットする。
また、第Ｋセルは、受信した光シリアル信号フレームから、対象セル番号４０４を参照することで自身に対する変調率４０５、すなわちＭＯＤ（Ｋ）を抽出し、これを変調率バッファ３０２に格納する。
さらに、第Ｋセルは、自身に対する直流コンデンサ電圧ダミー情報４０６を、実際の直流コンデンサ電圧情報ＶＣ（Ｋ）に置き換えて、新たな光シリアル信号フレームを生成する。
第Ｋセルは、新たに生成した光シリアル信号フレームを、第Ｋ＋１セルに送信する。
本実施例において、セル台数がＮである場合、第Ｎセルが送信した光シリアル信号フレームは、中央制御装置１０７に戻される。
中央制御装置は、第Ｎセルから戻された光シリアル信号フレームに含まれる、各セルの直流コンデンサ電圧情報を取得する。
以下、タイミング制御手段３０５の動作について説明する。
タイミング制御手段３０５は、通信管理手段３０１が光シリアル信号フレームの信号終了マークを受信した時刻から遅延バランス時間ＴＢが経過した時点で、変調率バッファ３０２にラッチ信号を与える。
また、タイミング制御手段３０５は、同期対象キャリア番号Ｑ（Ｓｙｎｃ）が自身が属するセルのキャリア番号Ｑと等しい場合、通信管理手段３０１が光シリアル信号フレームの信号終了マークを受信した時刻から遅延バランス時間ＴＢが経過した時点で、三角波キャリア発生手段３０４にリセット信号を与え、三角波キャリアを強制的にある値にリセットする（図５）。
以下、遅延バランス時間ＴＢについて説明する。
遅延バランス時間ＴＢとは、中央制御装置１０７から各セル１０５への信号伝送遅延時間を大略等しくするための時間であり、セル毎に異なる値をもつ。
実施例１では、中央制御装置１０７から送信された光シリアル信号は、Ｎ台のセル１０５を通り、再び中央制御装置１０７に戻される。
したがって、中央制御装置１０７は、Ｎ台のセルを光シリアル信号が通過する時間（全遅延時間）ＴＤを計測できる。
例えば、中央制御装置１０７および各セル制御装置２０４の初期化時において、中央制御装置１０７が遅延時間測定のための試験用光シリアル信号フレームを使用して全遅延時間ＴＤを計測し、ＴＤのディジタル値を、全セル１０５に光シリアル伝送することができる。
これにより、全てのセル１０５は、全セル（Ｎ台）分の全遅延時間ＴＤの情報を持っている。また、各セルは、自セルが第何セルかという情報（セル番号Ｋ）を持っている。
ここで、第Ｋセルの遅延バランス時間をＴＢ（Ｋ）とすると、ＴＢ（Ｋ）を次式で与えることにより、中央制御装置１０７から各セル１０５への信号伝送遅延時間を大略等しくすることができる。
〔数１〕
ＴＢ（Ｋ）＝（１−Ｋ／Ｎ）・ＴＤ
以上の説明では、中央制御装置１０７からの光シリアル信号フレームが、第１から第Ｎセルへ一方向に伝送される場合について述べた。
しかし、中央制御装置が光トランシーバ１１０を２つ有している場合には、同一の光通信フレームを同時に逆方向、すなわち第Ｎセルから第１セルへ伝送することも可能である。
これによって、同一の光シリアル信号フレームの伝送路が２つになり、伝送路の冗長性を確保できる。
以上で、中央制御装置１０７と各セル１０５を、光ファイバケーブルを用いてデイジーチェーン接続して構成した制御装置を備えた電力変換装置１０３の制御について述べた。
前述の制御法で電力変換装置１０３を運転した場合における、光ファイバケーブル１１１〜１１４に印加される電圧波形について説明し、光ファイバケーブル１１２，１１３に低耐圧光ファイバケーブルを採用できる理由について述べる。
図６（ａ）は、図１においてＰ点に接続しているセル１０５と中央制御装置１０７とを接続する高耐圧光ファイバケーブル１１１と、その周辺を抜き出して図示したものである。
変圧器１０２の２次側の中性点と中央制御装置１０７が、Ｇ点で接地されている。
この場合、高耐圧光ファイバケーブルに印加される電圧ＶＯＰＴ１は、大略、図６（ｂ）下段に示すような波形となる。ただし、図６（ａ），図６（ｂ）では例として、各変換器アーム１０４に含まれるセル１０５の数Ｎを８つとしている。
図６（ｂ）に示すように、高耐圧光ファイバには１つのセルの直流コンデンサ電圧を超える電圧が印加されている。１つの変換器アーム１０４に含まれるセル１０５の数をＮとすれば、高耐圧光ファイバケーブルに印加される電圧ＶＯＰＴ１の平均値は（Ｎ−１）・ＶＣ／２で表わされる。
図７は、図１において、同一変換器アーム内で隣接する２つのセル１０５と、前記２つのセルを接続する低耐圧光ファイバケーブル１１２と、その周辺を抜き出して図示したものである。
図７（ａ）において、低耐圧光ファイバケーブル１１２に印加される電圧ＶＯＰＴ２は、下側のセル１０５のローサイド・スイッチング素子２０２のエミッタ端子から、上側のセル１０５のローサイド・スイッチング素子２０２のエミッタ端子からまでの電位差である。
２つのセル１０５はカスケード接続されているため、上側のセル１０５のローサイド・スイッチング素子２０２のエミッタ端子の電位は、下側のセル１０５のローサイド・スイッチング素子２０２のコレクタ端子の電位に等しい。
したがって、低耐圧光ファイバケーブル１１２に印加される電圧ＶＯＰＴ２は、大略、下側のセル１０５の出力電圧ＶＣＥＬＬ２に大略等しい。
ＶＯＰＴ２の波形は、大略、図７（ｂ）のようになる。ＶＯＰＴ２の振幅はＶＣに大略等しい。
光ファイバケーブル１１２は、１つのセルの出力電圧振幅、すなわちＶＣに耐える絶縁耐力を備えていれば十分であり、したがって、低耐圧光ファイバを採用できる。
図８（ａ）は、図１において、異なる変換器アーム１０４に属する２つのセル１０５であって、Ｐ点に接続する２つのセルを接続する低耐圧光ファイアバケーブル１１３と、その周辺を抜き出して図示したものである。
光ファイバケーブル１１３に印加される電圧ＶＯＰＴ３の波形は、大略、図８（ｂ）のようになり、その振幅はＶＣに大略等しい。
光ファイバケーブル１１３は、１つのセルの出力電圧振幅、すなわちＶＣに耐える絶縁耐力を備えていれば十分であり、したがって、低耐圧光ファイバを採用できる。
なお、図１において、異なる変換器アーム１０４に属する２つのセル１０５であって、Ｎ点に接続する２つのセルにおいても、該２つのセルを接続する光ファイバケーブル１１３に印加される波形は図８下段と大略同様となる。したがって、前記光ファイバケーブル１１３には低耐圧光ファイバケーブルを採用できる。
同一相に属する異なる変換器アーム１０４に属する２つのセルを接続する光ファイバケーブル１１４に印加される電圧は、通常運転状態において、最大で直流コンデンサ電圧ＶＣの２直列分である。
しかし、一相地絡などの系統事故が三相電力系統１０１において発生した場合には、光ファイバケーブル１１４に印加される電圧が増加する場合が考えられるため、光ファイバケーブル１１４には高耐圧光ファイバケーブルを採用する。
以上のように、本実施例では、大部分の光ファイバケーブルに、低耐圧光ファイバケーブルを採用することができ、高耐圧光ファイバケーブルを５本に削減できる。
次に、本発明を実施する第２の形態について説明する。
実施例１では全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いたが、実施例２では、各セルを相毎に光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続している。
実施例２では、実施例１に比較して高耐圧光ファイバの本数が増加する。
しかし、各変換器アーム１０４構成は実施例１と同一であるので、実施例１と同様に、各変換器アーム１０４の内部で隣接するセルを接続する大部分の光ファイバケーブル１１２には、低耐圧光ファイバケーブルを採用できる。
また、実施例１の場合と比較して、通信時間を短縮できるという効果が得られる。
図６に、実施例２の全体構成を示す。
実施例２では、中央制御装置１０７が６つの光トランシーバ１１０を有しており、相毎に光ファイバケーブルをデイジーチェーン接続している。
これにより、１つの光トランシーバ１１０と通信するセルの数が、実施例１のＮ台から、Ｎ／３台となる。これによって、図４に示した光シリアル信号フレームの長さも、実施例１と比較して大略１／３に短縮できる。これにより、実施例１の場合と比較して、通信時間を短縮できる。
そして、上記の点以外は、実施例１と同様である。
本発明を実施する第３の形態について説明する。
実施例３は、カスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）に本発明を適用した場合の実施例である。
実施例３では、従来技術において少なくともセルと同数だけ必要であった、高耐圧光ファイバケーブルを３本に削減することが可能となり、大部分の光ファイバケーブルに低耐圧光ファイバケーブルを採用できるという効果が得られる。
図１０は、実施例３の全体構成を示す。
電力変換装置１００１が変圧器１０２を介して三相電力系統１０１に連系している。
実施例１，２との相違点は、電力変換装置１００１がカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）である点である。
電力変換装置１００１の各セルは、フルブリッジ回路（図１１）である。複数のフルブリッジセル１００２がカスケード接続された回路を、クラスタ１００３と呼ぶことにする。
図１１にフルブリッジセル１００２の内部構成を示す。
セル制御装置２０４は、スイッチング素子１１０１〜１１０４のためのゲートパルスを生成し、これをゲートドライバ２０６に送信する。
ゲートドライバ２０６は、スイッチング素子１１０１〜１１０４のゲート・エミッタ間に適切な電圧を印加し、スイッチング素子１１０１〜１１０４をターンオンまたはターンオフさせる。
自給電源２０８は、セル制御装置２０４とゲートドライバ２０６に電源を供給する。
実施例３では、実施例１と同様に、中央制御装置１０７が２つの光トランシーバ１１０を備えており、全てのフルブリッジセル１００２が光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続され、この前記２つの光トランシーバ１１０と通信する。
以下、同一のクラスタ１００３内で隣接する２つのフルブリッジセル１００２を接続する光ファイバケーブル１１２に印加される電圧波形を示し、低耐圧光ファイバケーブルを採用できる理由を説明する。
図１２（ａ）は、図１０（ｂ）において、同一クラスタ内で隣接する２つのフルブリッジセル１００２と、前記２つのフルブリッジセル１００２を接続する低耐圧光ファイバケーブル１１２と、その周辺を抜き出して図示したものである。
また、図１２（ｂ）に、低耐圧光ファイバケーブル１１２に印加される電圧ＶＯＰＴ４に印加される電圧の波形を示す。
図１２（ａ）において、上側のフルブリッジセル１００２の一方のレグと、下側のフルブリッジセル１００２の一方のレグが、電気的に接続（カスケード接続）されている。光ファイバケーブル１１２に印加される電圧ＶＯＰＴ４は、前記２つのフルブリッジセルを接続している前記２つのレグに含まれる合計４つのスイッチング素子のスイッチング状態に依存して決定する。
前記合計４つのスイッチング素子がどのようなスイッチング状態をとっても、ＶＯＰＴ４に現れる電圧は、下側のフルブリッジセル１００２の直流コンデンサ電圧ＶＣか、上側のフルブリッジセル１００２の直流コンデンサ電圧ＶＣの極性を反転した電圧−ＶＣか、零かのいずれかしかとりえない。したがって、ＶＯＰＴ４の振幅は、ＶＣである。
したがって、光ファイバケーブル１１２は、１つのセルの出力電圧振幅、すなわちＶＣに耐える絶縁耐力を備えていれば十分であり、したがって、低耐圧光ファイバを採用できる。
なお、Ｕ相クラスタとＶ相クラスタを接続する光ファイバケーブル１００４に印加される電圧は、変圧器１０２の２次側の線間電圧と、１つのフルブリッジセルの出力電圧が重畳した波形となる。したがって、光ファイバケーブル１００４には高耐圧光ファイバを適用する。
実施例３は、上記に説明した点以外、実施例１と大略同様である。
本発明を実施する第４の形態について説明する。
実施例３では全フルブリッジ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いたが、実施例４では、各セルフルブリッジを相毎に光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続している。
実施例４は、実施例３に比較して高耐圧光ファイバの本数が増加する。
しかし、各クラスタ１００３構成は実施例１と同一であるので、実施例３と同様に、各クラスタ１００３の内部で隣接するフルブリッジセル１００２を接続する大部分の光ファイバケーブル１１２には、低耐圧光ファイバケーブルを採用できる。
また、実施例３の場合と比較して、通信時間を短縮できるという効果が得られる。
図１３に実施例４の電力変換器の全体構成を示す。
実施例４では、実施例２と同様に、中央制御装置が６つの光トランシーバ１１０を有しており、相毎に光ファイバケーブルをデイジーチェーン接続している。
また、各光トランシーバ１１０と通信するセルの数が、実施例３のＮ台から、Ｎ／３台となり、光シリアル信号フレームの長さも、実施例３と比較して１／３に短縮できる。
上記の点以外は、実施例３と同様の全体構成である。
本発明の電力変換装置は交流系統と交流電力授受を行う直流負荷，モータドライブインバータの直流リンク，直流電源等に用いることが可能である。
１０１ 三相電力系統
１０２ 変圧器
１０３，１００１ 電力変換装置
１０４ 変換器アーム
１０５ セル
１０６ リアクトル
１０７ 中央制御装置
１０８ 交流電圧センサ
１０９ 電流センサ
１１０，２０５ 光トランシーバ
１１１〜１１４，１００４ 光ファイバケーブル
１１５ 負荷装置
２０１，１１０１，１１０３ ハイサイド・スイッチング素子
２０２ ，１１０２，１１０４ ローサイド・スイッチング素子
２０３ 直流コンデンサ
２０４ セル制御装置
２０６ ゲートドライバ
２０７ 直流電圧センサ
２０８ 自給電源
３０１ 通信管理手段
３０２ 変調率バッファ
３０３ パルス幅変調手段
３０４ 三角波キャリア発生手段
３０５ タイミング制御手段
３０６ アナログ・ディジタル変換手段
３０７ 直流電圧バッファ
４０１ 光シリアル信号フレーム
４０２ 信号開始マーク
４０３ 同期対象キャリア番号
４０４ 対象セル番号
４０５ 変調率
４０６ 直流コンデンサ電圧情報あるいは直流コンデンサ電圧ダミー情報
４０７ 信号終了マーク
１００２ フルブリッジセル
１００３ クラスタ

Claims (13)

  1. カスケード接続された複数のセルから構成される電力変換装置において、前記各々のセルは、スイッチング素子及びコンデンサを有して前記スイッチング素子の動作により前記コンデンサに充電及び前記コンデンサの電圧を出力可能に構成されるものであって、前記セルが複数カスケード接続されてアームとして構成され、前記アームを複数有し、前記複数のアームの少なくとも一方は互いに接続され、中央制御装置と、前記各々のセルと同電位の近傍に前記各々のセルに対応づけたセル制御装置を有しており、前記アーム毎に前記セル制御装置はセル間光ファイバケーブルでデイジーチェーン接続されており、前記各アームにおいて前記セル制御装置の接続順序は、前記対応するセルの接続順と同じであり、前記各アームのデイジーチェーン接続された光ファイバケーブルは、制御用光ファイバケーブルにより前記中央制御装置と接続され、前記制御用光ファイバケーブルは、前記セル間光ファイバケーブルよりも耐圧が高いことを特徴とする電力変換装置。
  2. 請求項１に記載の電力変換装置において、前記セルは、オン・オフ制御スイッチング素子と直流コンデンサで構成された主回路と、前記直流コンデンサの電圧を検出する直流電圧センサと、前記中央制御装置からの信号を受信し、前記オン・オフ制御スイッチング素子のゲートパルスを生成する働きと、前記直流電圧センサからの信号を中央制御装置に伝送する働きとを担当するセル制御装置と、前記セル制御装置からのゲートパルスを受信し、オン・オフ制御スイッチング素子をオン・オフさせるゲートドライバと、前記セル制御装置とゲートドライバに電源を供給する自給電源とを備えることを特徴とする電力変換装置。
  3. 請求項１、又は２に記載の電力変換装置において、前記中央制御装置とセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、複数セルの出力端子の電圧の和に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルであることを特徴とする電力変換装置。
  4. 請求項１〜３のうちの一つに記載の電力変換装置であって、カスケード接続された２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、１つのセルの出力電圧に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルであることを特徴とする電力変換装置。
  5. 請求項１〜４のうちの一つに記載の電力変換装置であって、あるセルの出力端子の２端子の一方と、他のセルの出力端子の２端子の一方が電気的に接続されている前記２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、１つのセルの出力電圧に対する絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルであることを特徴とする電力変換装置。
  6. 請求項４に記載の電力変換装置であって、前記カスケード接続された２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、前記カスケード接続された２つのセルの間の電気配線または前記電気配線と同電位の部材によって支持されていることを特徴とする電力変換装置。
  7. 請求項５に記載の電力変換装置であって、あるセルの出力端子の２端子の一方と、他のセルの出力端子の２端子の一方が電気的に接続されている前記２つのセルのセル制御装置を接続する光ファイバケーブルは、前記２つのセルをカスケード接続する電気配線または前記電気配線と同電位の部材によって支持されていることを特徴とする電力変換装置。
  8. カスケード接続された複数のセルから構成され、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ている電力変換装置であって、前記セル制御装置は、前記中央制御装置との通信を管理する通信管理手段と、前記中央制御装置から受信した、前記主回路のための変調率を格納する変調率バッファと、前記直流電圧センサからのアナログ信号をディジタル信号に変換するディジタル・アナログ変換手段と、前記ディジタル信号を格納する直流電圧バッファと、三角波キャリアを生成する三角波キャリア発生手段と、前記三角波キャリアと前記変調率バッファに格納された変調率を比較し、前記オン・オフ制御スイッチング素子に与えるゲートパルスを生成するゲートパルス発生手段と、を備えることを特徴とする電力変換装置。
  9. カスケード接続された複数のセルから構成され、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ている電力変換装置であって、前記セル制御装置は、前記変調率バッファと前記三角波キャリア発生手段と前記ゲートパルス発生手段に動作タイミングの指令を与えるタイミング制御手段を備えることを特徴とする電力変換装置。
  10. カスケード接続された複数のセルから構成され、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ている電力変換装置であって、前記中央制御装置は、信号開始マークと、同期対象キャリア番号と、対象となるセル番号を付した変調率信号と直流コンデンサ電圧ダミー信号からなる信号の列と、信号終了マークと、からなる光シリアル信号フレームを、大略一定周期で送信することを特徴とする電力変換装置。
  11. カスケード接続された複数のセルから構成され、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ている電力変換装置であって、前記セル制御装置は、前記中央制御装置からデイジーチェーンされた他のセル制御装置を介して受信した前記光シリアル信号フレームの前記同期対象キャリア番号を受信し、前記同期対象キャリア番号が、自身のキャリア番号と一致した場合、前記光シリアル信号フレームに含まれる前記信号終了マークを受信した時点で、前記タイミング制御手段を介して三角波キャリア発生手段をリセットすることを特徴とする電力変換装置。
  12. カスケード接続された複数のセルから構成され、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ている電力変換装置であって、前記セル制御装置は、前記中央制御装置からデイジーチェーンされた他のセル制御装置を介して受信した前記光シリアル信号フレームに含まれる前記セル番号を付した変調率信号を受信し、付記されたセル番号が自身のセル番号と一致する場合に、前記の受信した変調率信号を前記変調率バッファに格納することを特徴とする電力変換装置。
  13. カスケード接続された複数のセルから構成され、中央制御装置と、各セルと同電位の近傍に設置したセル制御装置とから構成されており、前記中央制御装置と各セル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ている電力変換装置であって、前記セル制御装置は、前記中央制御装置からデイジーチェーンされた他のセル制御装置を介して受信した前記光シリアル信号フレームに含まれる前記セル番号を付した直流コンデンサ電圧ダミー信号を受信し、付記されたセル番号が自身のセル番号と一致する場合に、前記の受信した直流コンデンサ電圧ダミー信号を、前記直流電圧バッファに格納されている信号と置き換えすることを特徴とする電力変換装置。
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