電力変換装置
【課題】各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、低コストで容易に行う電力変換器構成を提供する。
【解決手段】 カスケード接続された複数の単相電力変換器と該複数の単相電力変換器を制御する中央制御装置とを備えた電力変換装置であって、前記複数の単相電力変換器はそれぞれに単相電力変換器制御装置を有し、前記中央制御装置と前記複数の単相電力変換器制御装置はデイジーチェーン構造の通信手段で接続され、前記単相電力変換器制御装置が前記デイジーチェーン構造の通信手段を介して制御信号を送受信するとともに、制御信号フレーム以外に前記制御信号フレームとは区別できる特定パターンの信号を送受信し、前記単相電力変換器制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常を判定する。
【解決手段】 カスケード接続された複数の単相電力変換器と該複数の単相電力変換器を制御する中央制御装置とを備えた電力変換装置であって、前記複数の単相電力変換器はそれぞれに単相電力変換器制御装置を有し、前記中央制御装置と前記複数の単相電力変換器制御装置はデイジーチェーン構造の通信手段で接続され、前記単相電力変換器制御装置が前記デイジーチェーン構造の通信手段を介して制御信号を送受信するとともに、制御信号フレーム以外に前記制御信号フレームとは区別できる特定パターンの信号を送受信し、前記単相電力変換器制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置、およびこれに用いる制御・通信装置と通信異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電に代表される分散型電源の配電系統への導入が積極的に進められているが、これに伴い、配電系統の電圧変動が大きくなることが問題になりつつある。このような配電系統の安定度向上対策には無効電力補償装置の適用が有効であり、その中でもカスケード接続型の自励式無効電力補償装置を適用することが提案されている。
特許文献１では、１相あたりＮ台の単相電力変換器がその交流側において直列接続されて多レベル電圧出力が可能な構成のカスケード接続型の自励式無効電力補償装置の技術が開示されている。
この単相電力変換器（以下、セルと適宜、表記する）をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）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させることができれば、自励式無効電力補償装置の出力電力波形をマルチレベルで正弦波に近づけて、高調波成分を抑制することができる。
特許文献２では、複数のセルをＰＷＭ制御するために、各セルから離れた位置に設置される中央制御装置と各セル近傍に設置されるセル制御装置からなる分散制御システムを構成し、マスタからスレーブへ送信される信号に電圧指令値やＰＷＭパターン指令とともにＰＷＭ同期信号を含めて、この同期信号の出力毎にＰＷＭ生成部をリセットする運転方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８０３５８号公報
【特許文献２】特開２００２−３４５２５２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、カスケード接続型の自励式無効電力補償装置は、各セルの電位がお互いに異なっており、対地電位の高いセルも存在するため、接地電位の中央制御装置と各セル制御装置は、両者の間の電位差に耐え得る絶縁耐力を備えた特殊な光ファイバケーブルで接続する必要がある。
さらに、絶縁劣化によるケーブル短絡といった通信異常が発生する可能性があるため、このような通信異常を検出する機能を備えておくことも必要である。しかし、この通信異常検出機能を制御信号フレームに組み込むと制御信号フレームのビット数が増え、時間的長さも長くなる、という課題がある。
絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルは、絶縁性能が高いほど高価である。したがって、中央制御装置と各セル制御装置との間を、光通信手段を介してデイジーチェーン（数珠つなぎ）で接続し、システム全体で、高い絶縁性能が必要な光ファイバケーブル長を短くすることが想定される。
デイジーチェーン接続では、中央制御装置から送信される制御信号フレームには、すべてのセル制御に関する情報が含まれるため、制御信号フレームの時間的長さは、より長くなり、前記の課題もより顕著に現れる。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、低コストで容易に行う電力変換器構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、カスケード接続された複数の単相電力変換器と該複数の単相電力変換器を制御する第１制御装置とを備えた電力変換装置であって、前記複数の単相電力変換器はそれぞれに第２制御装置を有し、前記第１制御装置と前記複数の第２制御装置はデイジーチェーン構造の通信手段で接続され、前記第２制御装置が前記デイジーチェーン構造の通信手段を介して制御信号を送受信するとともに、制御信号フレーム以外に前記制御信号フレームとは区別できる特定パターン信号を送受信し、前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、低コストで容易に行う電力変換器構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の制御信号と特定パターン信号とを備えた光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるカスケード接続型自励式無効電力補償装置の回路構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるカスケード接続型自励式無効電力補償装置に備えた単相電力変換器（セル）の回路構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態における上流セルでの通信異常有無信号と通信異常セル番号とを含む光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態における全セル共通制御信号を含む光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図６】参考比較としての光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図７】参考としてモジュラー・マルチレベル変換器の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。
【００１０】
(第１実施形態)
本発明の第１実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態で用いる制御信号と特定パターン信号とを備えた光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
図２、図３は本発明の第１実施形態で用いる光シリアル信号フレームを適用する電力変換装置であるカスケード接続型自励式無効電力補償装置の回路構成を示す図である。
本発明の第１実施形態の特徴は、図１における制御信号と特定パターン信号とを備えた光シリアル信号フレームの構成にあるが、何故そのような信号フレームの構成にするかを解りやすくするために、まず、本発明の第１実施形態で用いる光シリアル信号フレームを適用する電力変換装置の回路構成を図２、図３を参照して先に説明し、その後で図１の光シリアル信号フレームの構成を説明する。
【００１１】
＜電力変換装置の回路構成＞
図２において、第１実施形態の電力変換装置（カスケード接続型自励式無効電力補償装置）２３は、変圧器２２を介して三相電力系統２１に連系しており、両者（２３、２１）の間で交流電力を授受する。電力変換装置２３の各変換器アームは複数の単相電力変換器であるセル２４をカスケード接続して構成されている。
【００１２】
つまり第１の変換器アームはセルＣ１１〜セルＣ１ｎをカスケード接続し、第２の変換器アームはセルＣ２１〜セルＣ２ｎをカスケード接続し、第３の変換器アームはセルＣ３１〜セルＣ３ｎをカスケード接続し、第１〜第３の変換器アームによって３相の変換器アームを構成している。
また、第１〜第３の変換器アームは、それぞれの一端を、交流リアクトル２９を介して変圧器２２の二次側に接続されている。また、第１〜第３の変換器アームのそれぞれの他端は共通接続されている。
なお、図２の電力変換装置２３の回路構成はカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ：Cascade-Multilevel Converter）と呼ばれている。
【００１３】
中央制御装置（第１制御装置）２６は中央制御部２７と光通信マスタ２８を備えて構成され、電力変換装置２３を制御する。
複数の単相電力変換器であるセル２４は、後記するように、セル制御装置（第２制御装置、単相電力変換器制御装置）３７（図３）と光通信スレーブ３８（図３）とを備えている。
中央制御装置２６は、中央制御部２７と光通信マスタ２８によって、光ファイバケーブル２５を介して光シリアル信号（フレーム）を各セル２４の光通信スレーブ３８（図３）に送信し、また各セル２４の光通信スレーブ３８（図３）からの信号を受信する。
ただし、光通信マスタ２８と各セル２４の光通信スレーブ３８（図３）は直接、光ファイバケーブル２５によって接続されている訳ではない。どのような構成で接続されているかを次に述べる。
【００１４】
図２において、光通信マスタ２８から光ファイバケーブル２５はセル２４であるセルＣ１１に接続され、またセルＣ１１からセルＣ１２に光ファイバケーブル（２５）で接続され、同様に第１の変換器アームの末端であるセルＣ１ｎまで光ファイバケーブル（２５）によって直列に接続されている。
さらに、第２の変換器アームの末端であるセルＣ２ｎにセルＣ１ｎから光ファイバケーブル（２５）が接続され、セルＣ２ｎから第２の変換器アームの最初のセルＣ２１まで順に光ファイバケーブル（２５）によって直列に接続されている。
さらに、第３の変換器アームの最初のセルＣ３１にセルＣ２１から光ファイバケーブル（２５）が接続され、セルＣ３１から第３の変換器アームの末端であるセルＣ３ｎまで順に光ファイバケーブル（２５）によって直列に接続されている。
そして、セルＣ３ｎから光ファイバケーブル（２５）が光通信マスタ２８に接続されている。
【００１５】
このように中央制御装置２６の光通信マスタ２８によって、複数のセル２４の光通信スレーブ３８（図３）を制御することによって、中央制御装置２６と複数の単相電力変換器であるセル２４の関係はデイジーチェーン（数珠つなぎ）を構成している。
なお、中央制御装置２６は、変圧器２２の二次側の中性点とともに接地電位にするのが一般的であるが、必ずしも接地電位にする必要はない。
【００１６】
＜セル・単相電力変換器の回路構成＞
図３は単相電力変換器であるセル２４の回路構成を示した図である。
図３において、単相電力変換器としての主回路３４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）からなるスイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂでフルブリッジ構成された回路である。また、主回路３４には直流コンデンサ３９が備えられている。
スイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂがオン・オフすることにより、フルブリッジ構成からなる主回路３４の第１端子２４１、第２端子２４２から、それぞれの単相電力変換器であるセル２４が受け持つ交流電圧を出力する。
【００１７】
セル制御装置３７は主回路３４のスイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂをオン・オフする制御信号のパルス（ゲートパルス）を生成する。セル制御装置３７においては、正弦波の変調波形を三角波のキャリア信号（三角波キャリア）と比較して、ＰＷＭパルスに変換されたデジタル信号を出力する。つまりＡ−Ｄ変換（Analog/Digital Conversion）とＰＷＭ変換の機能を備えている。
【００１８】
ゲートドライバ３３は、セル制御装置３７の信号を受けて、主回路３４のスイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂを制御している。
また、ドライバ電源３１は、ゲートドライバ３３とセル制御装置３７に電源を供給している。
また、電圧センサ３２は、主回路３４の直流コンデンサ３９の両端の電圧を検出して、セル制御装置３７に検出信号を送る。セル制御装置３７は、電圧センサ３２の情報を、後記する光シリアル信号フレームに含まれる制御信号フレーム８Ａ（図１）の直流コンデンサ電圧６（図１）の項目として、光通信スレーブ３８を介して送信する。
【００１９】
光通信スレーブ３８は、光ファイバケーブル２５を介して、中央制御装置２６の光通信マスタ２８から送信された光シリアル信号（フレーム）を受信する。それとともにセル制御装置３７に光シリアル信号（フレーム）に含まれる制御信号を送るとともに、前記したように、セル制御装置３７の状態を示す信号を受信する。また、光ファイバケーブル２５を介して、他のセル（２４）もしくは中央制御装置２６に情報を送信する。
【００２０】
以上のように、中央制御装置２６の制御のもとに、複数の単相電力変換器であるセル２４（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ）が連携して動作することにより、電力変換装置２３は無効電力補償装置として機能する。
【００２１】
＜光シリアル信号フレームの構成＞
図１は光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
中央制御装置２６（図２）からセル制御装置３７（図２）に送信される信号は、光シリアル信号フレームによって行なわれる。光シリアル信号フレームは、制御信号フレーム８Ａと特定パターン１を備えて構成されている。
図１において、制御信号フレーム８Ａには、例えば信号開始マーク（ＳＴＡＲＴ）２、同期対象キャリア番号（同期対象キャリア番号）３、対象セル番号（対象セル番号）４、各セルの変調率（変調率）５、各直流コンデンサの電圧信号あるいは電圧ダミー情報（直流コンデンサ電圧）６、信号終了マーク（ＥＮＤ）７が含まれている。
【００２２】
なお、上記の制御信号フレーム８Ａに含まれる各項目（２〜７）は、図１では前記のように括弧内で示した文言で表記している。また、前記の各項目は（１〜ｋ〜Ｎ）個あるので、それぞれの該当する添え字を付記している。
また、前記制御信号フレーム８Ａと特定パターン１とが、おおよそ一定周期で中央制御装置２６から送信される。
【００２３】
≪通信が正常な場合≫
通信が正常な場合においては、図１の制御信号フレーム８Ａによって、各セル制御装置（３７、図３）あるいは各セル２４（図２）は、次のような動作をする。
中央制御装置２６（図２）からｋ番目に制御信号を受信するセル２４（図２）を第ｋセルとすると、第ｋセルは第ｋ−１セルから受信した制御信号フレーム８Ａの対象セル番号４を参照することで自分自身に対する変調率５を読み込む。
さらに自分自身に対する直流コンデンサ電圧のダミー情報（直流コンデンサ電圧６）を実際の直流コンデンサ電圧信号に書き換えて新たな制御信号フレーム８Ａを生成し、その新たな制御信号フレーム８Ａを第ｋ＋１セルに送信する。
なお、読み込んだ変調率５で第ｋセル（２４、図３）の主回路（３４、図３）を動作させる。また、前記したように電圧センサ（３２、図３）で直流コンデンサ（３９、図３）の電圧を検出している。
【００２４】
また、もし第ｋ−１セルから受信した同期対象キャリア番号３と自分自身のキャリア番号が一致している場合には、信号終了マーク（ＥＮＤ７）を受信してから、各セル毎に異なる調整時間（中央制御装置２６から各セルＣ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎまでの信号伝送遅延時間をおおよそ揃えるための時間）経過後、自身から発生させる三角波キャリアを強制的に所定の値にリセットする。
【００２５】
以上のように、図１の制御信号フレーム８Ａを用いて、中央制御装置（２６、図２）の光通信マスタ（２８、図２）から各セル（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）の各光通信スレーブ（３８、図３）を介して各セル制御装置（３７、図３）に光シリアル信号フレームからなる制御信号を送信する。この制御信号フレーム８Ａの制御信号の送受信によって、単相電力変換器である各セル（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）は連携して統一的な動作をする。これにより電力変換装置（２３、図２）が機能する。
【００２６】
≪通信異常の検出≫
セル制御装置３７に正しく光シリアル信号フレームが送信されない原因として、光ファイバケーブル２５の断線や光通信スレーブ３８におけるトランシーバ部（不図示）の故障による通信異常が考えられる。
図２の回路構成の場合、各セル２４の電位がお互いに異なるため、光ファイバケーブル２５は各セル２４間の電位差、あるいは各セル２４と中央制御装置２６間の電位差に耐えうる絶縁耐力を持つ必要があり、断線のみならず絶縁劣化による短絡の可能性も考えなければならない。
【００２７】
参考として示した図６の制御信号フレーム８Ｄでは、同期パターン１１を含め、同期パターン１１の未受信あるいは不一致によって同期外れ、すなわち前セルからの送信不能や光ファイバケーブル２５（図２）の断線などの通信異常が発生したものとしていた。
しかし、同期パターン１１は、その送信に要する時間（同期時間）が長く、制御信号フレーム８Ｄが長くなる原因でもあった。
【００２８】
そこで、図１に示すように同期パターン１１（図６）に代えて、制御信号フレーム８Ａ以外の時間に特定パターン１の信号を含み、この特定パターン１の未受信あるいは受信信号と特定パターン１との不一致があれば、同期外れに起因する通信異常が発生したと判断するものとした。
なお、特定パターン１とは制御信号フレーム８Ａと区別できる所定のパターンである。
【００２９】
このように元々、空き時間であった制御信号フレーム８Ａ間に特定パターン１を挿入することで、同期外れを確認することにより、制御信号フレーム８Ａの時間的長さを短くすることが可能になる。
図１では１制御周期に対して制御信号フレーム８Ａが１つの場合を示しているが、１制御周期に対して制御信号フレーム８Ａが複数あってもよく、この場合には、より本発明を適用する効果が現れる。
さらに、制御信号フレーム８Ａの無い時間に、特定パターン１の信号を送受信することになるため、常に何らかの信号を通信していることになり、同期外れが起こりにくくなるという利点も生じる。
【００３０】
(第２実施形態)
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態における光シリアル信号フレームと、それに含まれる制御信号フレーム８Ｂを図４に示すが、この制御信号フレーム８Ｂ（図４）の用い方には様々な方法がある。次に第２実施形態の第１使用方法と第２使用方法について順に述べる。
【００３１】
＜第２実施形態の第１使用方法＞
図４は、第１実施形態で示した同期パターンを含まない制御信号フレーム８Ａ（図１）に、上流セルでの通信異常有無を示す信号（通信異常有無信号）１２と通信異常セル番号１３を付加したものである。
図４においては、通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３によって、セル２４（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）に異常が起きた場合には、異常がどのようなものであったとしても、異常の有無（通信異常有無信号１２）と異常が起きたセル番号（通信異常セル番号１３）とは、共通の情報として表記されるものである。
なお、通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３とを併せて、適宜、通信異常診断情報信号と表記する。
【００３２】
第ｋセルにおいて、特定パターン１の未受信、あるいは受信信号と特定パターン１との不一致による通信異常を検出した場合、第ｋ−１セルでの送信から第ｋセルでの受信までの間で通信異常が発生したものと判断し、上流セルでの通信異常有無信号１２を通信異常有りとし、さらに通信異常セル番号１３をダミー情報から第ｋ−１セルを示す信号に書き換えて、新たな制御信号フレームを生成する。
そして、その新たな制御信号フレームを第ｋ＋１セルに送信する。
第ｋ＋１セル以降では、特定パターン１での通信異常検出結果によらず、上流セルでの通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３とを、そのまま次のセルに送信する。
【００３３】
これによって、中央制御装置２６で「通信異常有り」と「そのセル番号」の信号を受信することになり、この情報を基に、装置保護のために各セル２４にスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする信号を送信したり、何らかの方法でユーザが見える形で出力して、修理すべき箇所を明確にしたりすることができる。
【００３４】
＜第２実施形態の第２使用方法＞
次に、第２実施形態の第２使用方法について説明する。第２実施形態の第２使用方法における制御信号フレーム８Ｂは、第２実施形態の第１使用方法と同じく、図４に示す構成である。
第２実施形態の第１使用方法では、上流セルでの通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３は、第ｋ＋１セル以降の特定パターン１での通信異常検出結果によらず同じ信号とした。
しかし、第２実施形態の第２使用方法においては、第ｋセルから送信する新たな制御信号フレームの特定パターン１を、通信異常が無い場合に送信する特定パターンと同一にして、第ｋ＋１セル以降での特定パターン１の未受信あるいは不一致によって検出した通信異常を、通信異常セル番号１３に含めるものとする。
【００３５】
すなわち、第ｋセルでは、上流セルでの通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３以外の信号は、仮想的に通信異常が無かったものとして送信する。そして、第ｋ＋１セル以降で新たに特定パターン１の未受信あるいは不一致によって通信異常を検出した場合、通信異常セル番号１３として送信されてきた情報に、今回の異常セル番号の情報を独立して含めることによって、通信異常が発生したセル番号を、すべて中央制御装置２６（図１）に送信することができ、複数のセル２４または光ファイバケーブル２５で同時に故障した場合に非常に有用である。
【００３６】
この方法は、セル（２４、図１）数が多くなるほど通信異常セル番号１３に割り当てるビット数を増やす必要があり、セル（２４、図２）数が多い場合には、制御信号フレーム８Ａ（図１）、８Ｂ（図４）の時間的長さが長くなることが課題となるが、通信異常検出を制御信号フレーム８Ａ、８Ｂに含まれない特定パターン１によって行っているため、後記する比較参考としての図６の方法に比べて制御信号フレーム８Ａ、８Ｂの時間的長さは短くなり、制御周期時間９が短い場合でも実現できる可能性は高くなる。
【００３７】
(第３実施形態)
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図５の制御信号フレーム８Ｃは、第１実施形態で示した同期パターンを含まない制御信号フレーム８Ａに、全セル共通制御信号１４を含めたものである。また、複数の制御信号フレーム８Ｃの間に特定パターン１を備えている。
第ｋセルにおいて、特定パターン１の未受信、あるいは受信信号と特定パターン１との不一致による通信異常を検出した場合に、全セル共通制御信号１４に各セル（２４、図２）のスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする制御信号を設定し、新たな制御信号フレームを生成し、その新たな制御信号フレームを第ｋ＋１セルに送信する。
【００３８】
さらに、自分自身（第ｋセル）のスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をすべてオフにする。第ｋ＋１セル以降では、スイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする制御信号を含んだ全セル共通制御信号１４を受信することで、自分自身のスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をすべてオフにする制御を実施し、制御信号フレーム８Ｃを、そのまま次のセルに送信する。
これにより、第ｋセルから第Ｎセルまでのセルは、スイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）がすべてオフになる。
【００３９】
また、スイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする制御信号を含んだ全セル共通制御信号１４を第Ｎセルから受信した中央制御装置２６（図２）もまた、全セル共通制御信号１４の部分をそのまま第１セルに送信する。
第１セルから第ｋ−１セルも、第ｋセルから第Ｎセルと同じく、スイッチング素子をオフにする制御信号を含んだ全セル共通制御信号１４を受信することで、自分自身のスイッチング素子をすべてオフにする制御を実施し、制御信号フレーム８Ｃをそのまま次のセルに送信する。
【００４０】
以上により、第ｋ−１セルまで制御信号フレーム８Ｃが伝送されれば、すべてのスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）がオフになり、装置（電力変換装置２３、図２）を保護することができる。
本実施形態では、特定パターン１を用いて、すべてのスイッチング素子をオフにするため、同期パターン１１（図６）が不要である。したがって、制御信号フレーム８Ｃに同期パターン１１（図６）が含まれていないため、後記する参考比較としての図６の方法に比べて、短い時間で全セル２４（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）に対して、すべてのスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする信号を送信できる。つまり、通信異常検出から短時間で装置（電力変換装置２３）の保護ができるようになる効果がある。
【００４１】
（その他の実施形態）
なお、本発明の第１実施形態では、自励式無効電力補償装置を想定した回路構成で示しているが、本発明の適用範囲は自励式無効電力補償装置に限られたものではなく、カスケード接続された電力変換装置全般に適用できる。すなわち、電力変換装置２３の回路構成は、図２で示したカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）のみでなく、図７に示すモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converters）などの回路構成でもよい。
【００４２】
図７はモジュラー・マルチレベル変換器７３の概略の構成を示している。図７（ａ）において、モジュラー・マルチレベル変換器７３は、変圧器７２を介して三相電力系統７１に連系している。モジュラー・マルチレベル変換器７３は、図７（ａ）における上下２組のマルチレベル変換器で構成されている。それぞれのマルチレベル変換器においては、複数の単相電力変換器であるセル７４を、３相を構成する第１〜第３アーム毎に直列に接続（カスケード接続）して、第１〜第３アームの各一端を、変圧器７２の二次側に接続している。また、第１〜第３アームの各他端を、それぞれ交流リアクトル７９介して共通線７０Ａもしくは共通線７０Ｂに接続している。また、共通線７０Ａと共通線７０Ｂは直流リンクしている。
なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）に用いられるセル７４の回路構成を示したもので、ＩＧＢＴ７５、７６と直流コンデンサ７８で構成されている。
【００４３】
また、第１実施形態として示した図２、図３におけるセル２４において、用いられる直流コンデンサ３９（図３）の代わりに蓄電池を備えたものでもよい。また図７（ｂ）における直流コンデンサ７８の代わりに蓄電池を備えたものでもよい。
【００４４】
また、第１実施形態では単相電力変換器であるセル２４において、主回路３４（図３）の変換器部分をＩＧＢＴによるフルブリッジ回路構成で説明したが、このフルブリッジ回路（主回路３４）の代わりに双方向チョッパ回路を用いてもよい。ただし、ゲートドライバ３３の制御回路（図３）は双方向チョッパ回路に対応するものに変える。
【００４５】
また、第１実施形態では単相電力変換器であるセル２４において、主回路３４の変換器部分をＩＧＢＴからなるスイッチング素子を用いる説明をしたが、他のスイッチング素子でもよい。
すなわち、ＧＴＯ（Gate-Turn-Off thyristor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などのオン・オフ制御のスイッチング素子の場合でも適用可能である。
【００４６】
また、図１には示していないが、チェックサム（Check Sum、誤り検出符号の一種）やＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check、巡回冗長検査）などを、制御信号フレーム８Ａ（８Ｂ、８Ｃ）に含んでも構わない。
【００４７】
また、第２実施形態の制御信号フレーム８Ｂにおいて、通信異常診断情報信号としては、通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３とを用いていることを述べたが、通信異常診断情報信号として別の要素を加えてもよい。例えば、異常原因や重大度や日時などをデジタル信号で付加してもよい。
【００４８】
また、図１の制御信号フレーム８Ａ（８Ｂ、８Ｃ）と特定パターン１によって制御される図２の本実施形態の電力変換装置は無効電力補償装置として用いられると説明したが、用途はそれに限らない。信号の制御方法を変えれば電力用のインバータやコンバータにも適用が可能であり、その際に、図１の制御信号フレーム８Ａ（８Ｂ、８Ｃ）と特定パターン１とを用いる方法は有効である。
【００４９】
（比較参考としての光シリアル信号フレーム）
図６に比較参考として、制御信号フレーム８Ｄを備える光シリアル信号フレームの構成を示す。
図６の制御信号フレーム８Ｄにおいては、同期パターン１１を含んでいる。また、信号を送らない「信号なし」の区間１０１が光シリアル信号フレームにある。この制御信号フレーム８Ｄは、同期パターン１１の未受信あるいは不一致によって同期外れ、すなわち前セルからの送信不能や光ファイバケーブル２５（図２）の断線などの通信異常が発生したものとして構成している。
しかし、前記したように、このように同期パターン１１を制御信号フレーム８Ｄに含めると、制御信号フレーム８Ｄが長くなり、その送信に要する時間（同期時間）が長くなるという問題がある。
【００５０】
（本発明、実施形態の補足）
本実施形態の概略は、無効電力補償装置の機能を果たす電力変換装置を、カスケード接続された複数の単相電力変換器（セル）と、それを制御する中央制御装置とを備えて構成する。さらに前記中央制御装置と複数の単相電力変換器（制御装置）をデイジーチェーン構造で構成する。そして、前記複数の単相電力変換器を制御する光シリアル信号フレームを、制御信号フレームと、この前記制御信号フレームとは区別できる特定パターンの信号とで構成して、送受信することにより、通信異常を判定するものである。
以上の構成と方法により、各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、制御信号フレームを長くすることなく、容易にかつ低コストで行うことができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 特定パターン、（通信異常を判定する特定パターン）
２ ＳＴＡＲＴ、信号開始マーク
３ 同期対象キャリア番号
４ 対象セル番号、（対象となるセル番号）
５ 変調率、（変調率信号）
６ 直流コンデンサ電圧、（直流コンデンサ電圧信号あるいは直流コンデンサ電圧ダミー情報）、（直流コンデンサ電圧信号または直流コンデンサ電圧のダミー信号からなる信号の列）
７ ＥＮＤ、信号終了マーク
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ 制御信号フレーム（１フレーム分）
９ 制御周期時間
１０ 制御信号フレームの無い時間
１１ 同期パターン
１２ 通信異常有無信号、上流セルでの通信異常有無を示す信号、（通信異常診断情報信号）
１３ 通信異常セル番号、通信異常セルダミー情報、（通信異常診断情報信号）
１４ 全セル共通制御信号
１０１ 信号なし
２１、７１ 三相電力系統
２２、７２ 変圧器
２３ 電力変換装置、カスケード・マルチレベル変換器、無効電力補償装置、自励式無効電力補償装置、カスケード接続型自励式無効電力補償装置
２４、７４ 単相電力変換器、セル
２５ 光ファイバケーブル
２６ 中央制御装置、第１制御装置
２７ 中央制御部
２８ 光通信マスタ
２９、７９ 交流リアクトル
３１ ドライバ電源
３２ 電圧センサ
３３ ゲートドライバ
３４ 主回路、ブリッジ構成の主回路
３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、７５、７６ スイッチング素子、ＩＧＢＴ
３７ セル制御装置、単相電力変換器制御装置、第２制御装置
３８ 光通信スレーブ
３９、７８ 直流コンデンサ
７０Ａ、７０Ｂ 共通線
７３ 電力変換装置、モジュラー・マルチレベル変換器
【技術分野】
【０００１】
本発明は電力変換装置、およびこれに用いる制御・通信装置と通信異常検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、太陽光発電に代表される分散型電源の配電系統への導入が積極的に進められているが、これに伴い、配電系統の電圧変動が大きくなることが問題になりつつある。このような配電系統の安定度向上対策には無効電力補償装置の適用が有効であり、その中でもカスケード接続型の自励式無効電力補償装置を適用することが提案されている。
特許文献１では、１相あたりＮ台の単相電力変換器がその交流側において直列接続されて多レベル電圧出力が可能な構成のカスケード接続型の自励式無効電力補償装置の技術が開示されている。
この単相電力変換器（以下、セルと適宜、表記する）をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）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させることができれば、自励式無効電力補償装置の出力電力波形をマルチレベルで正弦波に近づけて、高調波成分を抑制することができる。
特許文献２では、複数のセルをＰＷＭ制御するために、各セルから離れた位置に設置される中央制御装置と各セル近傍に設置されるセル制御装置からなる分散制御システムを構成し、マスタからスレーブへ送信される信号に電圧指令値やＰＷＭパターン指令とともにＰＷＭ同期信号を含めて、この同期信号の出力毎にＰＷＭ生成部をリセットする運転方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００７−２８０３５８号公報
【特許文献２】特開２００２−３４５２５２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、カスケード接続型の自励式無効電力補償装置は、各セルの電位がお互いに異なっており、対地電位の高いセルも存在するため、接地電位の中央制御装置と各セル制御装置は、両者の間の電位差に耐え得る絶縁耐力を備えた特殊な光ファイバケーブルで接続する必要がある。
さらに、絶縁劣化によるケーブル短絡といった通信異常が発生する可能性があるため、このような通信異常を検出する機能を備えておくことも必要である。しかし、この通信異常検出機能を制御信号フレームに組み込むと制御信号フレームのビット数が増え、時間的長さも長くなる、という課題がある。
絶縁耐力を備えた光ファイバケーブルは、絶縁性能が高いほど高価である。したがって、中央制御装置と各セル制御装置との間を、光通信手段を介してデイジーチェーン（数珠つなぎ）で接続し、システム全体で、高い絶縁性能が必要な光ファイバケーブル長を短くすることが想定される。
デイジーチェーン接続では、中央制御装置から送信される制御信号フレームには、すべてのセル制御に関する情報が含まれるため、制御信号フレームの時間的長さは、より長くなり、前記の課題もより顕著に現れる。
【０００５】
そこで、本発明はこのような問題点を解決するもので、その目的とするところは、各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、低コストで容易に行う電力変換器構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の課題を解決して、本発明の目的を達成するために、以下のように構成した。
すなわち、カスケード接続された複数の単相電力変換器と該複数の単相電力変換器を制御する第１制御装置とを備えた電力変換装置であって、前記複数の単相電力変換器はそれぞれに第２制御装置を有し、前記第１制御装置と前記複数の第２制御装置はデイジーチェーン構造の通信手段で接続され、前記第２制御装置が前記デイジーチェーン構造の通信手段を介して制御信号を送受信するとともに、制御信号フレーム以外に前記制御信号フレームとは区別できる特定パターン信号を送受信し、前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常を判定することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、低コストで容易に行う電力変換器構成を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本発明の第１実施形態の制御信号と特定パターン信号とを備えた光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図２】本発明の第１実施形態におけるカスケード接続型自励式無効電力補償装置の回路構成を示す図である。
【図３】本発明の第１実施形態におけるカスケード接続型自励式無効電力補償装置に備えた単相電力変換器（セル）の回路構成を示す図である。
【図４】本発明の第２実施形態における上流セルでの通信異常有無信号と通信異常セル番号とを含む光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図５】本発明の第３実施形態における全セル共通制御信号を含む光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図６】参考比較としての光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
【図７】参考としてモジュラー・マルチレベル変換器の回路構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下、本発明を実施するための形態を、図面を用いて説明する。
【００１０】
(第１実施形態)
本発明の第１実施形態を図１〜図３を参照して説明する。
図１は、本発明の第１実施形態で用いる制御信号と特定パターン信号とを備えた光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
図２、図３は本発明の第１実施形態で用いる光シリアル信号フレームを適用する電力変換装置であるカスケード接続型自励式無効電力補償装置の回路構成を示す図である。
本発明の第１実施形態の特徴は、図１における制御信号と特定パターン信号とを備えた光シリアル信号フレームの構成にあるが、何故そのような信号フレームの構成にするかを解りやすくするために、まず、本発明の第１実施形態で用いる光シリアル信号フレームを適用する電力変換装置の回路構成を図２、図３を参照して先に説明し、その後で図１の光シリアル信号フレームの構成を説明する。
【００１１】
＜電力変換装置の回路構成＞
図２において、第１実施形態の電力変換装置（カスケード接続型自励式無効電力補償装置）２３は、変圧器２２を介して三相電力系統２１に連系しており、両者（２３、２１）の間で交流電力を授受する。電力変換装置２３の各変換器アームは複数の単相電力変換器であるセル２４をカスケード接続して構成されている。
【００１２】
つまり第１の変換器アームはセルＣ１１〜セルＣ１ｎをカスケード接続し、第２の変換器アームはセルＣ２１〜セルＣ２ｎをカスケード接続し、第３の変換器アームはセルＣ３１〜セルＣ３ｎをカスケード接続し、第１〜第３の変換器アームによって３相の変換器アームを構成している。
また、第１〜第３の変換器アームは、それぞれの一端を、交流リアクトル２９を介して変圧器２２の二次側に接続されている。また、第１〜第３の変換器アームのそれぞれの他端は共通接続されている。
なお、図２の電力変換装置２３の回路構成はカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ：Cascade-Multilevel Converter）と呼ばれている。
【００１３】
中央制御装置（第１制御装置）２６は中央制御部２７と光通信マスタ２８を備えて構成され、電力変換装置２３を制御する。
複数の単相電力変換器であるセル２４は、後記するように、セル制御装置（第２制御装置、単相電力変換器制御装置）３７（図３）と光通信スレーブ３８（図３）とを備えている。
中央制御装置２６は、中央制御部２７と光通信マスタ２８によって、光ファイバケーブル２５を介して光シリアル信号（フレーム）を各セル２４の光通信スレーブ３８（図３）に送信し、また各セル２４の光通信スレーブ３８（図３）からの信号を受信する。
ただし、光通信マスタ２８と各セル２４の光通信スレーブ３８（図３）は直接、光ファイバケーブル２５によって接続されている訳ではない。どのような構成で接続されているかを次に述べる。
【００１４】
図２において、光通信マスタ２８から光ファイバケーブル２５はセル２４であるセルＣ１１に接続され、またセルＣ１１からセルＣ１２に光ファイバケーブル（２５）で接続され、同様に第１の変換器アームの末端であるセルＣ１ｎまで光ファイバケーブル（２５）によって直列に接続されている。
さらに、第２の変換器アームの末端であるセルＣ２ｎにセルＣ１ｎから光ファイバケーブル（２５）が接続され、セルＣ２ｎから第２の変換器アームの最初のセルＣ２１まで順に光ファイバケーブル（２５）によって直列に接続されている。
さらに、第３の変換器アームの最初のセルＣ３１にセルＣ２１から光ファイバケーブル（２５）が接続され、セルＣ３１から第３の変換器アームの末端であるセルＣ３ｎまで順に光ファイバケーブル（２５）によって直列に接続されている。
そして、セルＣ３ｎから光ファイバケーブル（２５）が光通信マスタ２８に接続されている。
【００１５】
このように中央制御装置２６の光通信マスタ２８によって、複数のセル２４の光通信スレーブ３８（図３）を制御することによって、中央制御装置２６と複数の単相電力変換器であるセル２４の関係はデイジーチェーン（数珠つなぎ）を構成している。
なお、中央制御装置２６は、変圧器２２の二次側の中性点とともに接地電位にするのが一般的であるが、必ずしも接地電位にする必要はない。
【００１６】
＜セル・単相電力変換器の回路構成＞
図３は単相電力変換器であるセル２４の回路構成を示した図である。
図３において、単相電力変換器としての主回路３４は、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）からなるスイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂでフルブリッジ構成された回路である。また、主回路３４には直流コンデンサ３９が備えられている。
スイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂがオン・オフすることにより、フルブリッジ構成からなる主回路３４の第１端子２４１、第２端子２４２から、それぞれの単相電力変換器であるセル２４が受け持つ交流電圧を出力する。
【００１７】
セル制御装置３７は主回路３４のスイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂをオン・オフする制御信号のパルス（ゲートパルス）を生成する。セル制御装置３７においては、正弦波の変調波形を三角波のキャリア信号（三角波キャリア）と比較して、ＰＷＭパルスに変換されたデジタル信号を出力する。つまりＡ−Ｄ変換（Analog/Digital Conversion）とＰＷＭ変換の機能を備えている。
【００１８】
ゲートドライバ３３は、セル制御装置３７の信号を受けて、主回路３４のスイッチング素子３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂを制御している。
また、ドライバ電源３１は、ゲートドライバ３３とセル制御装置３７に電源を供給している。
また、電圧センサ３２は、主回路３４の直流コンデンサ３９の両端の電圧を検出して、セル制御装置３７に検出信号を送る。セル制御装置３７は、電圧センサ３２の情報を、後記する光シリアル信号フレームに含まれる制御信号フレーム８Ａ（図１）の直流コンデンサ電圧６（図１）の項目として、光通信スレーブ３８を介して送信する。
【００１９】
光通信スレーブ３８は、光ファイバケーブル２５を介して、中央制御装置２６の光通信マスタ２８から送信された光シリアル信号（フレーム）を受信する。それとともにセル制御装置３７に光シリアル信号（フレーム）に含まれる制御信号を送るとともに、前記したように、セル制御装置３７の状態を示す信号を受信する。また、光ファイバケーブル２５を介して、他のセル（２４）もしくは中央制御装置２６に情報を送信する。
【００２０】
以上のように、中央制御装置２６の制御のもとに、複数の単相電力変換器であるセル２４（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ）が連携して動作することにより、電力変換装置２３は無効電力補償装置として機能する。
【００２１】
＜光シリアル信号フレームの構成＞
図１は光シリアル信号フレームの構成を示す図である。
中央制御装置２６（図２）からセル制御装置３７（図２）に送信される信号は、光シリアル信号フレームによって行なわれる。光シリアル信号フレームは、制御信号フレーム８Ａと特定パターン１を備えて構成されている。
図１において、制御信号フレーム８Ａには、例えば信号開始マーク（ＳＴＡＲＴ）２、同期対象キャリア番号（同期対象キャリア番号）３、対象セル番号（対象セル番号）４、各セルの変調率（変調率）５、各直流コンデンサの電圧信号あるいは電圧ダミー情報（直流コンデンサ電圧）６、信号終了マーク（ＥＮＤ）７が含まれている。
【００２２】
なお、上記の制御信号フレーム８Ａに含まれる各項目（２〜７）は、図１では前記のように括弧内で示した文言で表記している。また、前記の各項目は（１〜ｋ〜Ｎ）個あるので、それぞれの該当する添え字を付記している。
また、前記制御信号フレーム８Ａと特定パターン１とが、おおよそ一定周期で中央制御装置２６から送信される。
【００２３】
≪通信が正常な場合≫
通信が正常な場合においては、図１の制御信号フレーム８Ａによって、各セル制御装置（３７、図３）あるいは各セル２４（図２）は、次のような動作をする。
中央制御装置２６（図２）からｋ番目に制御信号を受信するセル２４（図２）を第ｋセルとすると、第ｋセルは第ｋ−１セルから受信した制御信号フレーム８Ａの対象セル番号４を参照することで自分自身に対する変調率５を読み込む。
さらに自分自身に対する直流コンデンサ電圧のダミー情報（直流コンデンサ電圧６）を実際の直流コンデンサ電圧信号に書き換えて新たな制御信号フレーム８Ａを生成し、その新たな制御信号フレーム８Ａを第ｋ＋１セルに送信する。
なお、読み込んだ変調率５で第ｋセル（２４、図３）の主回路（３４、図３）を動作させる。また、前記したように電圧センサ（３２、図３）で直流コンデンサ（３９、図３）の電圧を検出している。
【００２４】
また、もし第ｋ−１セルから受信した同期対象キャリア番号３と自分自身のキャリア番号が一致している場合には、信号終了マーク（ＥＮＤ７）を受信してから、各セル毎に異なる調整時間（中央制御装置２６から各セルＣ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎまでの信号伝送遅延時間をおおよそ揃えるための時間）経過後、自身から発生させる三角波キャリアを強制的に所定の値にリセットする。
【００２５】
以上のように、図１の制御信号フレーム８Ａを用いて、中央制御装置（２６、図２）の光通信マスタ（２８、図２）から各セル（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）の各光通信スレーブ（３８、図３）を介して各セル制御装置（３７、図３）に光シリアル信号フレームからなる制御信号を送信する。この制御信号フレーム８Ａの制御信号の送受信によって、単相電力変換器である各セル（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）は連携して統一的な動作をする。これにより電力変換装置（２３、図２）が機能する。
【００２６】
≪通信異常の検出≫
セル制御装置３７に正しく光シリアル信号フレームが送信されない原因として、光ファイバケーブル２５の断線や光通信スレーブ３８におけるトランシーバ部（不図示）の故障による通信異常が考えられる。
図２の回路構成の場合、各セル２４の電位がお互いに異なるため、光ファイバケーブル２５は各セル２４間の電位差、あるいは各セル２４と中央制御装置２６間の電位差に耐えうる絶縁耐力を持つ必要があり、断線のみならず絶縁劣化による短絡の可能性も考えなければならない。
【００２７】
参考として示した図６の制御信号フレーム８Ｄでは、同期パターン１１を含め、同期パターン１１の未受信あるいは不一致によって同期外れ、すなわち前セルからの送信不能や光ファイバケーブル２５（図２）の断線などの通信異常が発生したものとしていた。
しかし、同期パターン１１は、その送信に要する時間（同期時間）が長く、制御信号フレーム８Ｄが長くなる原因でもあった。
【００２８】
そこで、図１に示すように同期パターン１１（図６）に代えて、制御信号フレーム８Ａ以外の時間に特定パターン１の信号を含み、この特定パターン１の未受信あるいは受信信号と特定パターン１との不一致があれば、同期外れに起因する通信異常が発生したと判断するものとした。
なお、特定パターン１とは制御信号フレーム８Ａと区別できる所定のパターンである。
【００２９】
このように元々、空き時間であった制御信号フレーム８Ａ間に特定パターン１を挿入することで、同期外れを確認することにより、制御信号フレーム８Ａの時間的長さを短くすることが可能になる。
図１では１制御周期に対して制御信号フレーム８Ａが１つの場合を示しているが、１制御周期に対して制御信号フレーム８Ａが複数あってもよく、この場合には、より本発明を適用する効果が現れる。
さらに、制御信号フレーム８Ａの無い時間に、特定パターン１の信号を送受信することになるため、常に何らかの信号を通信していることになり、同期外れが起こりにくくなるという利点も生じる。
【００３０】
(第２実施形態)
次に、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態における光シリアル信号フレームと、それに含まれる制御信号フレーム８Ｂを図４に示すが、この制御信号フレーム８Ｂ（図４）の用い方には様々な方法がある。次に第２実施形態の第１使用方法と第２使用方法について順に述べる。
【００３１】
＜第２実施形態の第１使用方法＞
図４は、第１実施形態で示した同期パターンを含まない制御信号フレーム８Ａ（図１）に、上流セルでの通信異常有無を示す信号（通信異常有無信号）１２と通信異常セル番号１３を付加したものである。
図４においては、通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３によって、セル２４（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）に異常が起きた場合には、異常がどのようなものであったとしても、異常の有無（通信異常有無信号１２）と異常が起きたセル番号（通信異常セル番号１３）とは、共通の情報として表記されるものである。
なお、通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３とを併せて、適宜、通信異常診断情報信号と表記する。
【００３２】
第ｋセルにおいて、特定パターン１の未受信、あるいは受信信号と特定パターン１との不一致による通信異常を検出した場合、第ｋ−１セルでの送信から第ｋセルでの受信までの間で通信異常が発生したものと判断し、上流セルでの通信異常有無信号１２を通信異常有りとし、さらに通信異常セル番号１３をダミー情報から第ｋ−１セルを示す信号に書き換えて、新たな制御信号フレームを生成する。
そして、その新たな制御信号フレームを第ｋ＋１セルに送信する。
第ｋ＋１セル以降では、特定パターン１での通信異常検出結果によらず、上流セルでの通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３とを、そのまま次のセルに送信する。
【００３３】
これによって、中央制御装置２６で「通信異常有り」と「そのセル番号」の信号を受信することになり、この情報を基に、装置保護のために各セル２４にスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする信号を送信したり、何らかの方法でユーザが見える形で出力して、修理すべき箇所を明確にしたりすることができる。
【００３４】
＜第２実施形態の第２使用方法＞
次に、第２実施形態の第２使用方法について説明する。第２実施形態の第２使用方法における制御信号フレーム８Ｂは、第２実施形態の第１使用方法と同じく、図４に示す構成である。
第２実施形態の第１使用方法では、上流セルでの通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３は、第ｋ＋１セル以降の特定パターン１での通信異常検出結果によらず同じ信号とした。
しかし、第２実施形態の第２使用方法においては、第ｋセルから送信する新たな制御信号フレームの特定パターン１を、通信異常が無い場合に送信する特定パターンと同一にして、第ｋ＋１セル以降での特定パターン１の未受信あるいは不一致によって検出した通信異常を、通信異常セル番号１３に含めるものとする。
【００３５】
すなわち、第ｋセルでは、上流セルでの通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３以外の信号は、仮想的に通信異常が無かったものとして送信する。そして、第ｋ＋１セル以降で新たに特定パターン１の未受信あるいは不一致によって通信異常を検出した場合、通信異常セル番号１３として送信されてきた情報に、今回の異常セル番号の情報を独立して含めることによって、通信異常が発生したセル番号を、すべて中央制御装置２６（図１）に送信することができ、複数のセル２４または光ファイバケーブル２５で同時に故障した場合に非常に有用である。
【００３６】
この方法は、セル（２４、図１）数が多くなるほど通信異常セル番号１３に割り当てるビット数を増やす必要があり、セル（２４、図２）数が多い場合には、制御信号フレーム８Ａ（図１）、８Ｂ（図４）の時間的長さが長くなることが課題となるが、通信異常検出を制御信号フレーム８Ａ、８Ｂに含まれない特定パターン１によって行っているため、後記する比較参考としての図６の方法に比べて制御信号フレーム８Ａ、８Ｂの時間的長さは短くなり、制御周期時間９が短い場合でも実現できる可能性は高くなる。
【００３７】
(第３実施形態)
次に、本発明の第３実施形態について説明する。
図５の制御信号フレーム８Ｃは、第１実施形態で示した同期パターンを含まない制御信号フレーム８Ａに、全セル共通制御信号１４を含めたものである。また、複数の制御信号フレーム８Ｃの間に特定パターン１を備えている。
第ｋセルにおいて、特定パターン１の未受信、あるいは受信信号と特定パターン１との不一致による通信異常を検出した場合に、全セル共通制御信号１４に各セル（２４、図２）のスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする制御信号を設定し、新たな制御信号フレームを生成し、その新たな制御信号フレームを第ｋ＋１セルに送信する。
【００３８】
さらに、自分自身（第ｋセル）のスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をすべてオフにする。第ｋ＋１セル以降では、スイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする制御信号を含んだ全セル共通制御信号１４を受信することで、自分自身のスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をすべてオフにする制御を実施し、制御信号フレーム８Ｃを、そのまま次のセルに送信する。
これにより、第ｋセルから第Ｎセルまでのセルは、スイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）がすべてオフになる。
【００３９】
また、スイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする制御信号を含んだ全セル共通制御信号１４を第Ｎセルから受信した中央制御装置２６（図２）もまた、全セル共通制御信号１４の部分をそのまま第１セルに送信する。
第１セルから第ｋ−１セルも、第ｋセルから第Ｎセルと同じく、スイッチング素子をオフにする制御信号を含んだ全セル共通制御信号１４を受信することで、自分自身のスイッチング素子をすべてオフにする制御を実施し、制御信号フレーム８Ｃをそのまま次のセルに送信する。
【００４０】
以上により、第ｋ−１セルまで制御信号フレーム８Ｃが伝送されれば、すべてのスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）がオフになり、装置（電力変換装置２３、図２）を保護することができる。
本実施形態では、特定パターン１を用いて、すべてのスイッチング素子をオフにするため、同期パターン１１（図６）が不要である。したがって、制御信号フレーム８Ｃに同期パターン１１（図６）が含まれていないため、後記する参考比較としての図６の方法に比べて、短い時間で全セル２４（Ｃ１１〜Ｃ１ｎ、Ｃ２１〜Ｃ２ｎ、Ｃ３１〜Ｃ３ｎ、図２）に対して、すべてのスイッチング素子（３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、図３）をオフにする信号を送信できる。つまり、通信異常検出から短時間で装置（電力変換装置２３）の保護ができるようになる効果がある。
【００４１】
（その他の実施形態）
なお、本発明の第１実施形態では、自励式無効電力補償装置を想定した回路構成で示しているが、本発明の適用範囲は自励式無効電力補償装置に限られたものではなく、カスケード接続された電力変換装置全般に適用できる。すなわち、電力変換装置２３の回路構成は、図２で示したカスケード・マルチレベル変換器（ＣＭＣ）のみでなく、図７に示すモジュラー・マルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converters）などの回路構成でもよい。
【００４２】
図７はモジュラー・マルチレベル変換器７３の概略の構成を示している。図７（ａ）において、モジュラー・マルチレベル変換器７３は、変圧器７２を介して三相電力系統７１に連系している。モジュラー・マルチレベル変換器７３は、図７（ａ）における上下２組のマルチレベル変換器で構成されている。それぞれのマルチレベル変換器においては、複数の単相電力変換器であるセル７４を、３相を構成する第１〜第３アーム毎に直列に接続（カスケード接続）して、第１〜第３アームの各一端を、変圧器７２の二次側に接続している。また、第１〜第３アームの各他端を、それぞれ交流リアクトル７９介して共通線７０Ａもしくは共通線７０Ｂに接続している。また、共通線７０Ａと共通線７０Ｂは直流リンクしている。
なお、図７（ｂ）は、図７（ａ）に用いられるセル７４の回路構成を示したもので、ＩＧＢＴ７５、７６と直流コンデンサ７８で構成されている。
【００４３】
また、第１実施形態として示した図２、図３におけるセル２４において、用いられる直流コンデンサ３９（図３）の代わりに蓄電池を備えたものでもよい。また図７（ｂ）における直流コンデンサ７８の代わりに蓄電池を備えたものでもよい。
【００４４】
また、第１実施形態では単相電力変換器であるセル２４において、主回路３４（図３）の変換器部分をＩＧＢＴによるフルブリッジ回路構成で説明したが、このフルブリッジ回路（主回路３４）の代わりに双方向チョッパ回路を用いてもよい。ただし、ゲートドライバ３３の制御回路（図３）は双方向チョッパ回路に対応するものに変える。
【００４５】
また、第１実施形態では単相電力変換器であるセル２４において、主回路３４の変換器部分をＩＧＢＴからなるスイッチング素子を用いる説明をしたが、他のスイッチング素子でもよい。
すなわち、ＧＴＯ（Gate-Turn-Off thyristor）、ＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）などのオン・オフ制御のスイッチング素子の場合でも適用可能である。
【００４６】
また、図１には示していないが、チェックサム（Check Sum、誤り検出符号の一種）やＣＲＣ（Cyclic Redundancy Check、巡回冗長検査）などを、制御信号フレーム８Ａ（８Ｂ、８Ｃ）に含んでも構わない。
【００４７】
また、第２実施形態の制御信号フレーム８Ｂにおいて、通信異常診断情報信号としては、通信異常有無信号１２と通信異常セル番号１３とを用いていることを述べたが、通信異常診断情報信号として別の要素を加えてもよい。例えば、異常原因や重大度や日時などをデジタル信号で付加してもよい。
【００４８】
また、図１の制御信号フレーム８Ａ（８Ｂ、８Ｃ）と特定パターン１によって制御される図２の本実施形態の電力変換装置は無効電力補償装置として用いられると説明したが、用途はそれに限らない。信号の制御方法を変えれば電力用のインバータやコンバータにも適用が可能であり、その際に、図１の制御信号フレーム８Ａ（８Ｂ、８Ｃ）と特定パターン１とを用いる方法は有効である。
【００４９】
（比較参考としての光シリアル信号フレーム）
図６に比較参考として、制御信号フレーム８Ｄを備える光シリアル信号フレームの構成を示す。
図６の制御信号フレーム８Ｄにおいては、同期パターン１１を含んでいる。また、信号を送らない「信号なし」の区間１０１が光シリアル信号フレームにある。この制御信号フレーム８Ｄは、同期パターン１１の未受信あるいは不一致によって同期外れ、すなわち前セルからの送信不能や光ファイバケーブル２５（図２）の断線などの通信異常が発生したものとして構成している。
しかし、前記したように、このように同期パターン１１を制御信号フレーム８Ｄに含めると、制御信号フレーム８Ｄが長くなり、その送信に要する時間（同期時間）が長くなるという問題がある。
【００５０】
（本発明、実施形態の補足）
本実施形態の概略は、無効電力補償装置の機能を果たす電力変換装置を、カスケード接続された複数の単相電力変換器（セル）と、それを制御する中央制御装置とを備えて構成する。さらに前記中央制御装置と複数の単相電力変換器（制御装置）をデイジーチェーン構造で構成する。そして、前記複数の単相電力変換器を制御する光シリアル信号フレームを、制御信号フレームと、この前記制御信号フレームとは区別できる特定パターンの信号とで構成して、送受信することにより、通信異常を判定するものである。
以上の構成と方法により、各単相電力変換器の制御装置からの送信不能や光ファイバケーブルの断線や短絡などによる通信不通といった異常の検出を、制御信号フレームを長くすることなく、容易にかつ低コストで行うことができる。
【符号の説明】
【００５１】
１ 特定パターン、（通信異常を判定する特定パターン）
２ ＳＴＡＲＴ、信号開始マーク
３ 同期対象キャリア番号
４ 対象セル番号、（対象となるセル番号）
５ 変調率、（変調率信号）
６ 直流コンデンサ電圧、（直流コンデンサ電圧信号あるいは直流コンデンサ電圧ダミー情報）、（直流コンデンサ電圧信号または直流コンデンサ電圧のダミー信号からなる信号の列）
７ ＥＮＤ、信号終了マーク
８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ 制御信号フレーム（１フレーム分）
９ 制御周期時間
１０ 制御信号フレームの無い時間
１１ 同期パターン
１２ 通信異常有無信号、上流セルでの通信異常有無を示す信号、（通信異常診断情報信号）
１３ 通信異常セル番号、通信異常セルダミー情報、（通信異常診断情報信号）
１４ 全セル共通制御信号
１０１ 信号なし
２１、７１ 三相電力系統
２２、７２ 変圧器
２３ 電力変換装置、カスケード・マルチレベル変換器、無効電力補償装置、自励式無効電力補償装置、カスケード接続型自励式無効電力補償装置
２４、７４ 単相電力変換器、セル
２５ 光ファイバケーブル
２６ 中央制御装置、第１制御装置
２７ 中央制御部
２８ 光通信マスタ
２９、７９ 交流リアクトル
３１ ドライバ電源
３２ 電圧センサ
３３ ゲートドライバ
３４ 主回路、ブリッジ構成の主回路
３５Ａ、３５Ｂ、３６Ａ、３６Ｂ、７５、７６ スイッチング素子、ＩＧＢＴ
３７ セル制御装置、単相電力変換器制御装置、第２制御装置
３８ 光通信スレーブ
３９、７８ 直流コンデンサ
７０Ａ、７０Ｂ 共通線
７３ 電力変換装置、モジュラー・マルチレベル変換器
【特許請求の範囲】
【請求項１】
カスケード接続された複数の単相電力変換器と該複数の単相電力変換器を制御する第１制御装置とを備えた電力変換装置であって、
前記複数の単相電力変換器はそれぞれに第２制御装置を有し、
前記第１制御装置と前記複数の第２制御装置はデイジーチェーン構造の通信手段で接続され、
前記第２制御装置が前記デイジーチェーン構造の通信手段を介して制御信号を送受信するとともに、制御信号フレーム以外に前記制御信号フレームとは区別できる特定パターン信号を送受信し、前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御信号に通信異常に係る通信異常診断情報信号を含み、前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、該通信異常の情報を前記通信異常診断情報信号に含めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記通信異常診断情報信号が通信異常の要因の異なる他の異常診断情報信号と共通の情報を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、通信異常と判定した第２制御装置あるいは前記通信異常と判定した第２制御装置とデイジーチェーン接続された直前の第２制御装置を特定する情報を前記通信異常診断情報信号に含めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、通信異常と判定した前記第２制御装置とデイジーチェーン接続されたすべての第２制御装置が制御する単相電力変換器のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、通信異常と判定した前記第２制御装置とデイジーチェーン接続された直前の第２制御装置が制御する単相電力変換器のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記各単相電力変換器は、
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電圧センサと、
を備えて構成され、
前記第２制御装置は、前記第１制御装置からの信号受信と、前記オン・オフ制御スイッチング素子のゲートパルスの生成と、前記電圧センサから前記第１制御装置への信号送信と、を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置が前記第１制御装置から受信する信号は、
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と、前記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信号または直流コンデンサ電圧のダミー信号からなる信号の列と、信号終了マークと、を有する制御信号フレームと、
前記制御信号フレームと区別されるパターンからなる前記特定パターン信号と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記制御信号フレームがおおよそ一定周期で前記第１制御装置から送信されることを特徴とする電力変換装置。
【請求項１】
カスケード接続された複数の単相電力変換器と該複数の単相電力変換器を制御する第１制御装置とを備えた電力変換装置であって、
前記複数の単相電力変換器はそれぞれに第２制御装置を有し、
前記第１制御装置と前記複数の第２制御装置はデイジーチェーン構造の通信手段で接続され、
前記第２制御装置が前記デイジーチェーン構造の通信手段を介して制御信号を送受信するとともに、制御信号フレーム以外に前記制御信号フレームとは区別できる特定パターン信号を送受信し、前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常を判定することを特徴とする電力変換装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電力変換装置において、
前記制御信号に通信異常に係る通信異常診断情報信号を含み、前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、該通信異常の情報を前記通信異常診断情報信号に含めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項３】
請求項２に記載の電力変換装置において、
前記通信異常診断情報信号が通信異常の要因の異なる他の異常診断情報信号と共通の情報を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項４】
請求項２または請求項３に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、通信異常と判定した第２制御装置あるいは前記通信異常と判定した第２制御装置とデイジーチェーン接続された直前の第２制御装置を特定する情報を前記通信異常診断情報信号に含めることを特徴とする電力変換装置。
【請求項５】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、通信異常と判定した前記第２制御装置とデイジーチェーン接続されたすべての第２制御装置が制御する単相電力変換器のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項６】
請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置での前記特定パターン信号の未受信あるいは受信信号と前記特定パターン信号との不一致により通信異常と判定した際に、通信異常と判定した前記第２制御装置とデイジーチェーン接続された直前の第２制御装置が制御する単相電力変換器のスイッチング素子をオフにすることを特徴とする電力変換装置。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置において、
前記各単相電力変換器は、
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電圧センサと、
を備えて構成され、
前記第２制御装置は、前記第１制御装置からの信号受信と、前記オン・オフ制御スイッチング素子のゲートパルスの生成と、前記電圧センサから前記第１制御装置への信号送信と、を行うことを特徴とする電力変換装置。
【請求項８】
請求項７に記載の電力変換装置において、
前記第２制御装置が前記第１制御装置から受信する信号は、
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と、前記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信号または直流コンデンサ電圧のダミー信号からなる信号の列と、信号終了マークと、を有する制御信号フレームと、
前記制御信号フレームと区別されるパターンからなる前記特定パターン信号と、
を備えたことを特徴とする電力変換装置。
【請求項９】
請求項８に記載の電力変換装置において、
前記制御信号フレームがおおよそ一定周期で前記第１制御装置から送信されることを特徴とする電力変換装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−１００３９８（Ｐ２０１２−１００３９８Ａ）
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２４４８８４（Ｐ２０１０−２４４８８４）
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年５月２４日（２０１２．５．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月１日（２０１０．１１．１）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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