JP6111031B2 - 自励式電力変換装置 - Google Patents

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、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。

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、直流電力を三相交流電力に変換する電力変換回路の各相の正極及び負極のそれぞれを直列に接続された複数の単位変換器で構成する複数のアームと、前記各アームを構成する前記複数の単位変換器を運転継続に必要最低限の個数で分け、前記必要最低限の個数毎に前記単位変換器をシリアル通信するために接続する複数の伝送路とを備える。

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。 第１の実施形態に係るセルの回路について示す回路図。 第１の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。 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。

以下図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。

（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。以降の実施形態も同様にして重複する説明を省略する。

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Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ２１，Ｌ２２，Ｌ３１，Ｌ３２，Ｌ４１，Ｌ４２，Ｌ５１，Ｌ５２，Ｌ６１，Ｌ６２を介して、アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する各セル（単位変換器）ＣＬ１１〜ＣＬ６８とシリアル通信する。伝送路Ｌ１１〜Ｌ６２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、シリアル通信により、各セルＣＬ１１〜ＣＬ６８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、８つの直列に接続されたセルＣＬ１１，ＣＬ１２，ＣＬ１３，ＣＬ１４，ＣＬ１５，ＣＬ１６，ＣＬ１７，ＣＬ１８で、電力変換回路のＵ相の正極側を構成する。アーム４ｕｍは、８つの直列に接続されたセルＣＬ２１，ＣＬ２２，ＣＬ２３，ＣＬ２４，ＣＬ２５，ＣＬ２６，ＣＬ２７，ＣＬ２８で、電力変換回路のＵ相の負極側を構成する。アーム４ｖｐは、８つの直列に接続されたセルＣＬ３１，ＣＬ３２，ＣＬ３３，ＣＬ３４，ＣＬ３５，ＣＬ３６，ＣＬ３７，ＣＬ３８で、電力変換回路のＶ相の正極側を構成する。アーム４ｖｍは、８つの直列に接続されたセルＣＬ４１，ＣＬ４２，ＣＬ４３，ＣＬ４４，ＣＬ４５，ＣＬ４６，ＣＬ４７，ＣＬ４８で、電力変換回路のＶ相の負極側を構成する。アーム４ｗｐは、８つの直列に接続されたセルＣＬ５１，ＣＬ５２，ＣＬ５３，ＣＬ５４，ＣＬ５５，ＣＬ５６，ＣＬ５７，ＣＬ５８で、電力変換回路のＷ相の正極側を構成する。アーム４ｗｍは、８つの直列に接続されたセルＣＬ６１，ＣＬ６２，ＣＬ６３，ＣＬ６４，ＣＬ６５，ＣＬ６６，ＣＬ６７，ＣＬ６８で、電力変換回路のＷ相の負極側を構成する。

各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、最低４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８が正常に動作すれば、通常の電圧を出力することができる。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７ｕ，７ｖ，７ｗから要求されている電圧などである。

伝送路Ｌ１１は、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐを構成する４つの正極側のセルＣＬ１１〜ＣＬ１４をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ１２は、Ｕ相の正極側のアーム４ｕｐを構成する４つの負極側のセルＣＬ１５〜ＣＬ１８をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ２１は、Ｕ相の負極側のアーム４ｕｍを構成する４つの正極側のセルＣＬ２１〜ＣＬ２４をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ２２は、Ｕ相の負極側のアーム４ｕｍを構成する４つの負極側のセルＣＬ２５〜ＣＬ２８をデイジーチェーン接続する。

伝送路Ｌ３１は、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐを構成する４つの正極側のセルＣＬ３１〜ＣＬ３４をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ３２は、Ｖ相の正極側のアーム４ｖｐを構成する４つの負極側のセルＣＬ３５〜ＣＬ３８をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ４１は、Ｖ相の負極側のアーム４ｖｍを構成する４つの正極側のセルＣＬ４１〜ＣＬ４４をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ４２は、Ｖ相の負極側のアーム４ｖｍを構成する４つの負極側のセルＣＬ４５〜ＣＬ４８をデイジーチェーン接続する。

伝送路Ｌ５１は、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐを構成する４つの正極側のセルＣＬ５１〜ＣＬ５４をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ５２は、Ｗ相の正極側のアーム４ｗｐを構成する４つの負極側のセルＣＬ５５〜ＣＬ５８をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ６１は、Ｗ相の負極側のアーム４ｗｍを構成する４つの正極側のセルＣＬ６１〜ＣＬ６４をデイジーチェーン接続する。伝送路Ｌ６２は、Ｗ相の負極側のアーム４ｗｍを構成する４つの負極側のセルＣＬ６５〜ＣＬ６８をデイジーチェーン接続する。

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〜ＣＬ６８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〜ＣＬ６８にゲート信号を送信する構成について説明する。

各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、４つずつに分けられた２組のセルＣＬ１１〜ＣＬ６８毎に、伝送路Ｌ１１〜Ｌ６２で接続されている。ここで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで分けるセルＣＬ１１〜ＣＬ６８の個数は、通常の電圧を出力できる最低限の個数と同じにする。従って、ここでは、最低限の個数は、４つである。

図３は、本実施形態に係るシリアル通信により各セルＣＬ１１〜ＣＬ６８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、シリアル通信を行う４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８に対応した４つのデータＤＴ１，ＤＴ２，ＤＴ３，ＤＴ４が格納されている。

制御装置３は、伝送路Ｌ１１〜Ｌ６２毎にシリアル通信用のデータＤＴを送信する。各セルＣＬ１１〜ＣＬ６８は、伝送路Ｌ１１〜Ｌ６２から受信したデータＤＴの中から自己に対応するデータＤＴ１〜ＤＴ４を取り出す。各セルＣＬ１１〜ＣＬ６８が取り出したデータＤＴ１〜ＤＴ４には、ゲート信号が含まれている。各セルＣＬ１１〜ＣＬ６８は、取り出した自己のゲート信号により駆動する。

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Ｌ１１〜Ｌ６２又はセルＣＬ１１〜ＣＬ６８など）及びあらゆるソフトウェアを含むものとする。

各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、制御装置３と２回線の伝送路Ｌ１１〜Ｌ６２で接続されている。また、制御装置３は、１回線辺り４つのセルと接続されている。従って、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、１回線が正常であれば、通常の電圧を出力するために必要な４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を駆動させることができる。

本実施形態によれば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成するセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を運転継続に必要最低限の個数単位で分け、分けられたセルＣＬ１１〜ＣＬ６８毎にシリアル通信をすることで、全てのアーム４ｕｐ〜４ｗｍで２回線のうち少なくとも１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。

（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。

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、制御装置３とセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を接続する回線の構成が異なる点以外は、第１の実施形態と同様である。

制御装置３は、伝送路Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４を介して、アーム４ｕｐ〜４ｗｍを構成する各セルＣＬ１１〜ＣＬ６８とシリアル通信する。伝送路Ｌ１〜Ｌ４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、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの正極側から１番目と２番目のセルＣＬ１１，ＣＬ１２，ＣＬ２１，ＣＬ２２，ＣＬ３１，ＣＬ３２，ＣＬ４１，ＣＬ４２，ＣＬ５１，ＣＬ５２，ＣＬ６１，ＣＬ６２をデイジーチェーン接続する。

伝送路Ｌ２は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの正極側から３番目と４番目のセルＣＬ１３，ＣＬ１４，ＣＬ２３，ＣＬ２４，ＣＬ３３，ＣＬ３４，ＣＬ４３，ＣＬ４４，ＣＬ５３，ＣＬ５４，ＣＬ６３，ＣＬ６４をデイジーチェーン接続する。

伝送路Ｌ３は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの正極側から５番目と６番目のセルＣＬ１５，ＣＬ１６，ＣＬ２５，ＣＬ２６，ＣＬ３５，ＣＬ３６，ＣＬ４５，ＣＬ４６，ＣＬ５５，ＣＬ５６，ＣＬ６５，ＣＬ６６をデイジーチェーン接続する。

伝送路Ｌ４は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの正極側から７番目と８番目のセルＣＬ１７，ＣＬ１８，ＣＬ２７，ＣＬ２８，ＣＬ３７，ＣＬ３８，ＣＬ４７，ＣＬ４８，ＣＬ５７，ＣＬ５８，ＣＬ６７，ＣＬ６８をデイジーチェーン接続する。

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。ここで、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、第１の実施形態と同様に、最低４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８が正常に動作すれば、通常の電圧を出力することができるものとする。

制御装置３は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍと４回線の伝送路Ｌ１〜Ｌ４により接続されている。また、制御装置３は、１回線辺り全てアーム４ｕｐ〜４ｗｍの２つのセルと接続されている。従って、制御装置３は、２回線が正常であれば、全てのアーム４ｕｐ〜４ｗｍから通常の電圧を出力するために必要な４つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を駆動させることができる。

本実施形態によれば、各伝送路Ｌ１〜Ｌ４を、全てのアーム４ｕｐ〜４ｗｍの２つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８と制御装置３との間でシリアル通信をするように接続することで、４回線の伝送路Ｌ１〜Ｌ４のうち少なくとも２回線が正常であれば、自励式電力変換装置１Ａは、運転を継続することができる。

このように、全ての伝送路Ｌ１〜Ｌ４を、全てのアーム４ｕｐ〜４ｗｍに跨って、セルＣＬ１１〜ＣＬ６８と制御装置３との間でシリアル通信をするように接続することで、少ない回線数の伝送路Ｌ１〜Ｌ４で、自励式電力変換装置１Ａの回線異常に対する運転継続性を効率的に高めることができる。

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。

また、各実施形態において、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍは、８つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８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１，１Ａ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。

さらに、各実施形態において、セルＣＬ１１〜ＣＬ６８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。全てのアーム４ｕｐ〜４ｗｍを跨るように接続するのであれば、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの何処に位置するセルＣＬ１１〜ＣＬ６８と接続してもよい。

また、第２の実施形態では、４回線の伝送路Ｌ１〜Ｌ４について説明したが、２回線以上の伝送路Ｌ１〜Ｌ４であれば、いくつの伝送路Ｌ１〜Ｌ４で構成してもよい。また、１つの伝送路Ｌ１〜Ｌ４で、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍの２つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を接続するように構成したが、これに限らない。各伝送路Ｌ１〜Ｌ４は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで１つのセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を接続するように構成してもよいし、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで３つ以上のセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を接続するように構成してもよい。また、各伝送路Ｌ１〜Ｌ４は、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで同数のセルＣＬ１１〜ＣＬ６８を接続するように構成することで、いずれか１つの伝送路Ｌ１〜Ｌ４が回線異常になった場合、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍで駆動できなくなるセルＣＬ１１〜ＣＬ６８の個数が同数になるため、各アーム４ｕｐ〜４ｗｍから出力させる電圧のバランスをとる制御をし易くできる。

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〜ＣＬ６８…セル、Ｌ１１〜Ｌ６２…伝送路。

Claims (2)

1. 直流電力を三相交流電力に変換する電力変換回路の各相の正極及び負極のそれぞれを直列に接続された複数の単位変換器で構成する複数のアームと、
   前記各アームを構成する前記複数の単位変換器を運転継続に必要最低限の個数で分け、前記必要最低限の個数毎に前記単位変換器をシリアル通信するために接続する複数の伝送路と
   を備えることを特徴とする自励式電力変換装置。
2. 直流電力を三相交流電力に変換する電力変換回路の各相の正極及び負極のそれぞれを直列に接続された複数の単位変換器で構成する複数のアームで構成され、前記単位変換器をシリアル通信するために複数の伝送路で接続する自励式電力変換装置の製造方法であって、
   前記各アームを構成する前記複数の単位変換器を運転継続に必要最低限の個数で分け、
   前記必要最低限の個数毎に前記単位変換器を前記伝送路で接続すること
   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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