專利名稱：電力變換裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電力變換裝置以及對其使用的控制/通信裝置和通信用光纖電纜。
背景技術(shù)：
模塊化多電平變換器(MMC)是使用hsulated Gate Bipolar Transistor(IGBT) (絕緣柵雙極晶體管)等可以進(jìn)行ON(導(dǎo)通)/0FF(斷開)控制的開關(guān)元件，并可以輸出上述開關(guān)元件的耐壓以上的電壓的變換器，期待應(yīng)用于直流送電系統(tǒng)(HVDC)、無效電力補(bǔ)償裝置(STATC0M)、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器逆變器等。非專利文獻(xiàn)1公開了 MMC的電路方式。根據(jù)非專利文獻(xiàn)1，MMC是對多個(gè)單位變換器(以下，稱為單元)進(jìn)行串聯(lián)(級聯(lián)) 連接而構(gòu)成的。各單元是例如雙向斬波器電路，具備開關(guān)元件和直流電容器。各單元經(jīng)由至少2個(gè)端子與外部連接，可以將上述2個(gè)端子之間的電壓控制為該單元具有的直流電容器的電壓、或者零。在對各單元進(jìn)行PWM控制的情況下，通過使對各單元提供的三角波載波的相位適合地切換，可以使MMC的輸出電壓波形成為多電平波形。由此，相比于2電平變換器，可以降低高次諧波分量。作為MMC的特征，可以舉出各單元的電位相互不同，存在對地電位高的單元的點(diǎn)。 特別在將MMC應(yīng)用于HVDC等的情況下，單元的對地電位達(dá)到幾IOkV 幾100kV。進(jìn)而，各單元的對地電位時(shí)刻變化。但是，在非專利文獻(xiàn)1中，以實(shí)驗(yàn)室電平下的裝置為對象，所以沒有考慮控制裝置與各開關(guān)元件之間的絕緣耐壓。非專利文獻(xiàn)2公開了在與各單元相同電位的附近搭載信號處理電路，并用光纖電纜連接了處于接地電位的中央控制裝置與各信號處理電路之間的結(jié)構(gòu)。非專利文獻(xiàn)1 萩原誠、赤木泰文「 夕^，一· -TAtU^ >変換器(MMC) ^ PWM制御法i動(dòng)作検証」、電気學(xué)會(huì)論文誌D、U8卷7號、pp. 957-965。非專利文獻(xiàn) 2 :Β· Gemmell 等「Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission」、 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition 2008、1 16 頁。

發(fā)明內(nèi)容
在非專利文獻(xiàn)2中，示出了從上述中央控制裝置對1個(gè)單元連接了至少1根光纖電纜的結(jié)構(gòu)。即，從上述中央控制裝置對各單元星型連接了上述光纖電纜。因此，在非專利文獻(xiàn)2中至少需要與單元的數(shù)量相同數(shù)量的光纖電纜。在該情況下，所有光纖電纜需要具備處于接地電位的上述中央控制裝置、和可以經(jīng)得住各單元之間的電位差的絕緣強(qiáng)度。即，需要使所有光纖電纜成為具有針對沿面放電等的絕緣強(qiáng)度的特殊的光纖電纜(以下，稱為高耐壓光纖電纜)。
另外，在高耐壓光纖電纜中，需要使用特殊的外皮材料，制造工序變得復(fù)雜。進(jìn)而，在如非專利文獻(xiàn)2那樣，用光纖電纜對控制裝置和各單元進(jìn)行星型連接的情況下，各個(gè)光纖的長度變長。本發(fā)明的目的在于在由級聯(lián)連接的多個(gè)單元構(gòu)成的電力變換裝置中，縮短控制/ 通信中使用的光纖電纜的必要的長度。為了實(shí)現(xiàn)上述課題，本發(fā)明提供一種電力變換裝置，具有級聯(lián)連接的多個(gè)單元，其特征在于，該電力變換裝置的控制裝置包括中央控制裝置、和設(shè)置成與各單元相同電位的附近的單元控制裝置，所述中央控制裝置和各單元控制裝置通過光纖電纜進(jìn)行雛菊鏈連接。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述單元具備主電路，包括導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件和直流電容器；直流電壓傳感器，檢測所述直流電容器的電壓；單元控制裝置，承擔(dān)接收來自所述中央控制裝置的信號并生成所述導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件的柵極脈沖的作用、和將來自所述直流電壓傳感器的信號傳送到中央控制裝置的作用；柵極驅(qū)動(dòng)器，接收來自所述單元控制裝置的柵極脈沖，使導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件成為導(dǎo)通/斷開； 以及自給電源，對所述單元控制裝置和柵極驅(qū)動(dòng)器供給電源。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，連接所述中央控制裝置和單元控制裝置的光纖電纜是具備針對多個(gè)單元的輸出端子的電壓之和的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，連接級聯(lián)連接的2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜是具備針對1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，連接某單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方、和其他單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方被電連接的所述2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜是具備針對1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，連接所述級聯(lián)連接的2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜通過所述級聯(lián)連接的2個(gè)單元之間的電氣布線或者與所述電氣布線相同電位的部件支撐。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，連接某單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方、和其他單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方被電連接的所述2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜通過對所述2個(gè)單元進(jìn)行級聯(lián)連接的電氣布線或者與所述電氣布線相同電位的部件支撐。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述單元控制裝置具備通信管理部， 管理與所述中央控制裝置的通信；調(diào)制率緩沖器，保存從所述中央控制裝置接收到的、用于所述主電路的調(diào)制率；數(shù)字模擬變換部，將來自所述直流電壓傳感器的模擬信號變換為數(shù)字信號；直流電壓緩沖器，保存所述數(shù)字信號；三角波載波發(fā)生部，生成三角波載波；柵極脈沖發(fā)生部，對所述三角波載波和所述調(diào)制率緩沖器中保存的調(diào)制率進(jìn)行比較，生成對所述導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件提供的柵極脈沖。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述單元控制裝置具備向所述調(diào)制率緩沖器、所述三角波載波發(fā)生部、以及所述柵極脈沖發(fā)生部提供動(dòng)作定時(shí)的指令的定時(shí)控制部。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述中央控制裝置按照大致一定周期，發(fā)送包括信號開始標(biāo)志、同步對象載波編號、由附加了成為對象的單元編號的調(diào)制率信號和直流電容器電壓偽信號構(gòu)成的信號的串、以及信號結(jié)束標(biāo)志的光串行信號幀。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述單元控制裝置接收從所述中央控制裝置經(jīng)由雛菊鏈了的其他單元控制裝置接收到的所述光串行信號幀的所述同步對象載波編號，在所述同步對象載波編號與自身的載波編號一致的情況下，在接收到所述光串行信號幀中包含的所述信號結(jié)束標(biāo)志的時(shí)間點(diǎn)，經(jīng)由所述定時(shí)控制部對三角波載波發(fā)生部進(jìn)行復(fù)位。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述單元控制裝置接收從所述中央控制裝置經(jīng)由雛菊鏈了的其他單元控制裝置接收到的所述光串行信號幀中包含的附加了所述單元編號的調(diào)制率信號，在附加的單元編號與自身的單元編號一致的情況下，將所述接收到的調(diào)制率信號保存到所述調(diào)制率緩沖器。另外，在上述電力變換裝置中，其特征在于，所述單元控制裝置接收從所述中央控制裝置經(jīng)由雛菊鏈了的其他單元控制裝置接收到的所述光串行信號幀中包含的附加了所述單元編號的直流電容器電壓偽信號，在所附加的單元編號與自身的單元編號一致的情況下，將所述接收到的直流電容器電壓偽信號置換為所述直流電壓緩沖器中保存的信號。本發(fā)明在由級聯(lián)連接的多個(gè)單元構(gòu)成的電力變換裝置中，可以削減控制/通信中使用的光纖中的、具備針對多個(gè)單元的輸出電壓之和的絕緣強(qiáng)度的高耐壓光纖電纜的至少大部分，可以使用具備針對1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。另外，縮短光纖電纜的必要的長度。本發(fā)明的其他目的、特征以及優(yōu)點(diǎn)根據(jù)與附圖相關(guān)的以下的本發(fā)明的實(shí)施例的記載將更加明確。


圖1示出通過光纖電纜對所有單元進(jìn)行了雛菊鏈連接的MMC。圖2示出斬波器單元。圖3示出單元控制裝置。圖4示出光串行信號幀。圖5示出使第K單元的載波同步的方法。圖6A示出高耐壓光纖的實(shí)施例。圖6B示出高耐壓光纖的施加電壓例。圖7A示出將同一變換器臂內(nèi)的鄰接單元連接的低耐壓光纖的實(shí)施例。圖7B示出將同一變換器臂內(nèi)的鄰接單元連接的低耐壓光纖的施加電壓例。圖8A示出將其他變換器臂的鄰接單元連接的低耐壓光纖的實(shí)施例。圖8B示出將其他變換器臂的鄰接單元連接的低耐壓光纖的施加電壓例。圖9示出針對每個(gè)相通過光纖電纜進(jìn)行了雛菊鏈連接的MMC。圖10示出通過光纖電纜對所有單元進(jìn)行了雛菊鏈連接的CMC。圖11示出全橋單元。圖12A示出將同一集群內(nèi)的鄰接全橋單元連接的低耐壓光纖的實(shí)施例。圖12B示出將同一集群內(nèi)的鄰接全橋單元連接的低耐壓光纖的施加電壓例。
圖13示出針對每個(gè)相通過光纖電纜進(jìn)行了雛菊鏈連接的CMC。(符號說明)101 三相電力系統(tǒng)；102 變壓器;103、1001 電力變換裝置；104 變換器臂；105 單元；106 電抗器；107 中央控制裝置；108 交流電壓傳感器；109 電流傳感器；110、205 光收發(fā)器；111 114、1004 光纖電纜；115 :負(fù)載裝置；201、1101、1103 高端開關(guān)元件； 202、1102、1104 低端開關(guān)元件；203 直流電容器；204 單元控制裝置；206 柵極驅(qū)動(dòng)器； 207 直流電壓傳感器；208 自給電源；301 通信管理部；302 調(diào)制率緩沖器；303 脈沖寬度調(diào)制部；304 三角波載波發(fā)生部；305 定時(shí)控制部；306 模擬數(shù)字變換部；307 直流電壓緩沖器；401 光串行信號幀；402 信號開始標(biāo)志；403 同步對象載波編號；404 對象單元編號；405 調(diào)制率；406 直流電容器電壓信息或者直流電容器電壓偽信息；407 信號結(jié)束標(biāo)志；1002 全橋單元；1003 集群。
具體實(shí)施例方式
以下，使用附圖，說明本發(fā)明的實(shí)施例。實(shí)施例1說明實(shí)施本發(fā)明的第1方式。在實(shí)施例1中，可以削減在非專利文獻(xiàn)1中至少需要與單元相同數(shù)量的高耐壓光纖電纜的根數(shù)。以下，使用圖1，敘述實(shí)施例1的整體結(jié)構(gòu)。電力變換裝置103經(jīng)由變壓器102與三相電力系統(tǒng)101互聯(lián)。電力變換裝置103的U點(diǎn)、V點(diǎn)、W點(diǎn)與變壓器102的2次側(cè)連接。另外，在電力變換裝置103的P點(diǎn)與N點(diǎn)之間，連接了負(fù)載裝置115。本實(shí)施例中的電力變換裝置103與三相電力系統(tǒng)101進(jìn)行交流電力交換。另外， 電力變換裝置103與負(fù)載裝置115進(jìn)行直流電力交換。此處，負(fù)載裝置115代表直流負(fù)載、 馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器逆變器的直流鏈接、直流電源等。在本實(shí)施例中，將三相電力系統(tǒng)101的相電壓分別稱為VR、VS、VT0將在變壓器 102的2次側(cè)流過的各相的電流分別稱為IU、IV、IW。在本實(shí)施例中，變壓器102的2次側(cè)(電力變換裝置103連接的一側(cè))的中性點(diǎn)被接地。在本實(shí)施例中，作為電力變換裝置103，采用與三相電力系統(tǒng)互聯(lián)的三相MMC。但是，本發(fā)明還可以應(yīng)用于與單相系統(tǒng)互聯(lián)的單相MMC、驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的MMC。另外，本發(fā)明還可以應(yīng)用于CMC，將在實(shí)施例3、4中對此進(jìn)行敘述。電力變換裝置103是對多個(gè)單元105進(jìn)行級聯(lián)連接而構(gòu)成的。各單元105是具備直流電容器的雙向斬波器電路，詳細(xì)將后述(參照圖2、。各單元105經(jīng)由至少2個(gè)端子與外部電路連接，將上述2個(gè)端子之間的電壓控制為直流電容器電壓、或者零。在本實(shí)施例中，將上述2個(gè)端子之間的電壓稱為單元的輸出電壓或者單元電壓。如圖1所示，將對1個(gè)或者多個(gè)單元105進(jìn)行級聯(lián)連接而構(gòu)成的電路稱為變換器臂104。在本實(shí)施例中，1個(gè)變換器臂104包括N個(gè)單元105。另外，將各變換器臂104中流過的電流稱為臂電流，如圖1所示，定義為IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、IffL0電力變換裝置103是通過如圖1所示連接6個(gè)變換器臂104和6個(gè)電抗器106而構(gòu)成的。以控制電力變換裝置103的目的，設(shè)置了中央控制裝置107。中央控制裝置107處于在圖1中用G點(diǎn)表示的接地電位。交流電壓傳感器108檢測系統(tǒng)相電壓VR、VS、VT，將其瞬時(shí)值信號傳送到中央控制裝置107。另夕卜，電流傳感器109檢測各臂電流IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、IWL，將其瞬時(shí)值信號傳送到中央控制裝置107。中央控制裝置107具備2個(gè)光收發(fā)器110，經(jīng)由光收發(fā)器110，與各單元105進(jìn)行
ififn。中央控制裝置107檢測系統(tǒng)相電壓VR、VS、VT、臂電流IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、IffL, 各單元105的直流電容器電壓VC，根據(jù)這些信息，決定向各單元105發(fā)送的調(diào)制率MOD，將調(diào)制率MOD發(fā)送到各單元。中央控制裝置107以大致一定周期進(jìn)行該一系列的動(dòng)作。將該周期稱為控制周期。中央控制裝置107進(jìn)行上述一系列的動(dòng)作，從而控制臂電流IUH、IVH、IWH、IUL、 IVL, IWL，從而控制與三相電力系統(tǒng)101交換的電力。另外，將各單元105的直流電容器電壓VC維持于適合范圍內(nèi)。中央控制裝置107經(jīng)由光收發(fā)器110和光纖電纜111 114，向各單元105發(fā)送調(diào)制率MOD，并且，從各單元105接收直流電容器電壓VC的信息。在后面詳述通信。在本實(shí)施例中，針對所有單元105，從中央控制裝置107，使用光纖電纜111 114， 進(jìn)行了雛菊鏈連接。連接中央控制裝置107和單元105的光纖電纜111是具備可以經(jīng)得住多個(gè)單元的輸出電壓之和的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。在同一變換器臂104的內(nèi)部將鄰接的單元2個(gè)單元105連接的光纖電纜112是具備可以經(jīng)得住1個(gè)單元的單元電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜112。屬于不同的變換器臂104的2個(gè)單元、且將與P點(diǎn)連接的2個(gè)單元連接的光纖電纜113是具備可以經(jīng)得住1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜113。將屬于不同的變換器臂104的2個(gè)單元、且與N點(diǎn)連接的2個(gè)單元連接的光纖電纜113是具備可以經(jīng)得住1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜113。將屬于同一相的2個(gè)變換器臂104中所屬的2個(gè)單元連接的光纖電纜114是具備可以經(jīng)得住多個(gè)單元的輸出電壓之和的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。在本實(shí)施例中，將光纖電纜111和114稱為高耐壓光纖電纜、將光纖電纜112和 113稱為低耐壓光纖電纜。在圖1中，大部分的光纖電纜是低耐壓光纖電纜112、113，高耐壓光纖電纜111、 114合計(jì)僅5根。進(jìn)而，低耐壓光纖電纜112、113的物理性的長度可以縮減至與單元105的物理性的尺寸大致相等的長度。對于可以采用低耐壓光纖電纜112、113的理由，在各單元105的說明以及通信方式的說明將之后詳述。以下，使用圖2，說明單元105的結(jié)構(gòu)。單元105的主電路是包括高端開關(guān)元件201、低端開關(guān)元件202、以及直流電容器 203的雙向斬波器電路。將直流電容器203的電壓稱為VC。另外，將高端開關(guān)元件201和低端開關(guān)元件202總稱為開關(guān)元件。在本實(shí)施例中，使開關(guān)元件201和202成為IGBT，但本發(fā)明還可以應(yīng)用于開關(guān)元件 201 和 202 是 Gate-Turn-Off Thyristor (柵極可關(guān)斷晶閘管)(GTO)、Gate-Commutated Turn-off Thyristor 柵極換流可關(guān)斷晶閘管(GCT)、Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET)(金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)、其他0N/0FF控制元件的情況。各單元105具備單元控制裝置204，單元控制裝置204與2個(gè)光收發(fā)器205經(jīng)由光纖電纜111、112、113、或者114連接。單元控制裝置204生成用于開關(guān)元件201和202的柵極脈沖，將其發(fā)送到柵極驅(qū)動(dòng)器206。柵極驅(qū)動(dòng)器206對開關(guān)元件201與202的柵極/發(fā)射極之間施加適合的電壓，使開關(guān)元件201和202成為導(dǎo)通或者斷開。直流電壓傳感器207檢測直流電容器電壓VC，將其瞬時(shí)值信號傳送到單元控制裝置 204。自給電源208對單元控制裝置204和柵極驅(qū)動(dòng)器206供給電源。各單元控制裝置204的電位是與各單元的低端開關(guān)元件202的發(fā)射極端子相同的電位，在圖2中用G(CELL(單元))點(diǎn)表示該點(diǎn)。另外，圖2中的G(CELL)點(diǎn)是與圖1中的 G點(diǎn)不同的電位的點(diǎn)。以下，使用圖3，說明單元控制裝置204的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。圖3是例如圖示了屬于第K 單元的單元控制裝置204的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖。單元控制裝置204具備通信管理部301、調(diào)制率緩沖器302、脈沖寬度調(diào)制(PWM) 部303、三角波載波發(fā)生部304、定時(shí)控制部305、模擬數(shù)字變換部306、以及直流電壓緩沖器 307。通信管理部301將經(jīng)由光收發(fā)器205從中央控制裝置107或者鄰接單元接收到的針對本單元的調(diào)制率MOD (K)保存到調(diào)制率緩沖器302。其中，MOD(K)是指，表示第K單元的調(diào)制率MOD的記號。脈沖寬度調(diào)制(PWM)部303對調(diào)制率緩沖器302中保存的調(diào)制率MOD (K)、和三角波載波發(fā)生部304產(chǎn)生的三角波載波進(jìn)行比較，生成用于開關(guān)元件201和202的柵極脈沖。模擬數(shù)字變換部306對來自直流電壓傳感器207的直流電容器電壓的模擬信號進(jìn)行數(shù)字化，將該信息VC(K)保存到直流電壓緩沖器307。其中，VC(K)是指，表示第K單元的直流電容器電壓的記號。通信管理部301將直流電壓緩沖器307中保存的直流電容器電壓的信息VC⑷，經(jīng)由光收發(fā)器205發(fā)送到中央控制裝置107或者鄰接單元。定時(shí)控制部305控制調(diào)制率緩沖器302、脈沖寬度調(diào)制(PWM)部303、以及三角波載波發(fā)生部304。
以下，說明定時(shí)控制部305的必要性。各單元105的各單元控制裝置204供給了相互不同的時(shí)鐘源，所以三角波載波的初始的相位偏移關(guān)系由于時(shí)鐘源的微小的誤差而隨時(shí)間變化，無法維持適合的相位偏移關(guān)系。在無法維持各單元105的三角波載波的相位偏移關(guān)系的情況下，在電力變換裝置 103的U點(diǎn)-V點(diǎn)間、V點(diǎn)-W點(diǎn)間、W點(diǎn)-U點(diǎn)的電壓中，包含過大的高次諧波分量。由此，產(chǎn)生在臂電流IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、BVL、系統(tǒng)電流IU、IV、IW中，包含過大的高次諧波分量這樣的問題。因此，需要適合地維持三角波載波的相位偏移關(guān)系的部。另外，在本實(shí)施例中對光纖電纜進(jìn)行了雛菊鏈連接，所以直至某單元控制裝置204 向鄰接的其他單元控制裝置204發(fā)送信號，產(chǎn)生延遲時(shí)間。所有單元105由于使用光纖電纜進(jìn)行了雛菊鏈連接，所以在遠(yuǎn)離中央控制裝置 107的單元105中，積蓄單元之間的信號傳送的延遲。因此，直至從中央控制裝置107向各單元105傳達(dá)控制信號為止的延遲時(shí)間針對每個(gè)單元不同。因此，通過具備定時(shí)控制部305，維持三角波載波的相位偏移關(guān)系，并且，確保起因于雛菊鏈連接而針對每個(gè)單元不同的延遲時(shí)間的平衡是重要的。對于定時(shí)控制部305的詳細(xì)動(dòng)作，將后述。此處，定義單元編號和載波編號。單元編號和載波編號是各單元105的單元控制裝置204保存于其內(nèi)部的信息。單元編號是指，從中央控制裝置107至該單元105的、利用光纖電纜111 114連接的雛菊鏈連接的順序。將其單元編號是K的單元105稱為第K單元。第K單元是從中央控制裝置107起第K個(gè)接收信息的單元。載波編號是指，某變換器臂104中的、該單元105的三角波載波的相位偏移編號。載波編號是Q的單元105根據(jù)相對基準(zhǔn)相位相位偏移了 N · (Q-I)/360°的三角波載波，生成柵極脈沖。將其載波編號是Q的三角波載波稱為第Q載波。以下，使用圖4和圖5，敘述本實(shí)施例中的中央控制裝置107與各單元105之間的通信方式、和各單元控制裝置204的動(dòng)作。中央控制裝置107從2個(gè)光收發(fā)器110中的一方，以大致一定周期(控制周期) 發(fā)送光串行信號幀。圖4是說明中央控制裝置107發(fā)送的光串行信號幀401、和接收到其的第K單元的動(dòng)作的圖。光串行信號幀401中包含的信息例如是信號開始標(biāo)志402、同步對象載波編號 403、對象單元編號404、各單元的調(diào)制率405、各單元的直流電容器電壓的偽信息或者實(shí)際的直流電容器電壓信息406、信號結(jié)束標(biāo)志407。另外，還可以包含奇偶性、校驗(yàn)和、Cyclic Redundancy Check(CRC)(循環(huán)冗余碼校驗(yàn))等，但在本實(shí)施例中，作為簡易的例子，例示了不包含校驗(yàn)和、CRC的光串行信號幀 401。第K單元將從第K-I單元接收到的同步對象載波編號403、即Q(Sync (同步))與自身的載波編號Q進(jìn)行比較。如圖5所示，在同步對象載波編號Q(Sync)和Q相等的情況下，將自身的三角波載波強(qiáng)制地復(fù)位為某值。
另外，第K單元從所接收到的光串行信號幀，通過參照對象單元編號404而抽出針對自身的調(diào)制率405、即MOD(K)，將其保存到調(diào)制率緩沖器302。進(jìn)而，第K單元將針對自身的直流電容器電壓偽信息406置換為實(shí)際的直流電容器電壓信息VC(K)，生成新的光串行信號幀。第K單元將新生成的光串行信號幀發(fā)送到第K+1單元。在本實(shí)施例中，在單元臺數(shù)是N的情況下，第N單元發(fā)送的光串行信號幀返回到中央控制裝置107。中央控制裝置取得從第N單元返回的光串行信號幀中包含的、各單元的直流電容器電壓信息。以下，說明定時(shí)控制部305的動(dòng)作。定時(shí)控制部305在從通信管理部301接收到光串行信號幀的信號結(jié)束標(biāo)志的時(shí)刻起經(jīng)過了延遲平衡時(shí)間TB的時(shí)間點(diǎn)，對調(diào)制率緩沖器302提供鎖存信號。另外，定時(shí)控制部305在同步對象載波編號Q(Sync)等于自身所屬的單元的載波編號Q的情況下，在從通信管理部301接收到光串行信號幀的信號結(jié)束標(biāo)志的時(shí)刻起經(jīng)過了延遲平衡時(shí)間TB的時(shí)間點(diǎn)，對三角波載波發(fā)生部304提供復(fù)位信號，將三角波載波強(qiáng)制地復(fù)位為某值(圖5)。以下，說明延遲平衡時(shí)間TB。延遲平衡時(shí)間TB是指，用于使從中央控制裝置107向各單元105的信號傳送延遲時(shí)間大致相等的時(shí)間，針對每個(gè)單元具有不同的值。在實(shí)施例1中，從中央控制裝置107發(fā)送的光串行信號通過N臺單元105，再次返回到中央控制裝置107。因此，中央控制裝置107可以測量光串行信號通過N臺單元的時(shí)間(全部延遲時(shí)間)TD。例如，在中央控制裝置107以及各單元控制裝置的初始化時(shí)，中央控制裝置107可以使用用于延遲時(shí)間測定的試驗(yàn)用光串行信號幀測量全部延遲時(shí)間TD，向所有單元105， 對TD的數(shù)字值進(jìn)行光串行傳送。由此，所有單元105具有所有單元(N臺)量的全部延遲時(shí)間TD的信息。另外，各單元具有本單元是第幾單元這樣的信息(單元編號K)。此處，如果將第K單元的延遲平衡時(shí)間設(shè)成TB (K)，則通過用下式提供TB (K)，可以使從中央控制裝置107向各單元105的信號傳送延遲時(shí)間大致相等。〔式1〕TB(K) = (1-K/N) · TD在以上的說明中，敘述了來自中央控制裝置107的光串行信號幀從第1向第N單元單向傳送的情況。但是，在中央控制裝置具有2個(gè)光收發(fā)器110的情況下，還可以使同一光通信幀同時(shí)成為逆向、即從第N單元向第1單元傳送。由此，同一光串行信號幀的傳送路徑成為2個(gè)，可以確保傳送路徑的冗長性。以上，敘述了具備使用光纖電纜對中央控制裝置107和各單元105進(jìn)行雛菊鏈連接而構(gòu)成的控制裝置的電力變換裝置103的控制。
說明通過上述控制法使電力變換裝置103運(yùn)轉(zhuǎn)了的情況下的、對光纖電纜111 114施加的電壓波形，敘述可以在光纖電纜112、113中采用低耐壓光纖電纜的理由。圖6A是圖示圖1中的將與P點(diǎn)連接的單元105和中央控制裝置107連接的高耐壓光纖電纜111，并去除其周邊的圖。變壓器102的2次側(cè)的中性點(diǎn)和中央控制裝置107在G點(diǎn)接地。在該情況下，對高耐壓光纖電纜施加的電壓VOPTl成為大致如圖6(b)下段所示那樣的波形。其中，在圖6A、圖6B中，作為例子，將各變換器臂104中包含的單元105的數(shù)量 N設(shè)成8個(gè)。如圖6B所示，對高耐壓光纖施加超過1個(gè)單元的直流電容器電壓的電壓。如果使 1個(gè)變換器臂104中包含的單元105的數(shù)量成為N，則用(N-I) -VC/2表示對高耐壓光纖電纜施加的電壓VOPTl的平均值。圖7是圖示圖1中的在同一變換器臂內(nèi)鄰接的2個(gè)單元105和連接上述2個(gè)單元的低耐壓光纖電纜112，并去除其周邊的圖。在圖7A中，對低耐壓光纖電纜112施加的電壓V0PT2是從下側(cè)的單元105的低端開關(guān)元件202的發(fā)射極端子到上側(cè)的單元105的低端開關(guān)元件202的發(fā)射極端子的電位差。2個(gè)單元105被級聯(lián)連接，所以上側(cè)的單元105的低端開關(guān)元件202的發(fā)射極端子的電位等于下側(cè)的單元105的低端開關(guān)元件202的集電極端子的電位。因此，對低耐壓光纖電纜112施加的電壓V0PT2大致等于下側(cè)的單元105的輸出電壓 VCELL2。V0PT2的波形大致如圖7B所示。V0PT2的振幅大致等于VC。光纖電纜112具備可以經(jīng)得住1個(gè)單元的輸出電壓振幅、即VC的絕緣強(qiáng)度即可， 因此，可以采用低耐壓光纖。圖8A是圖示在圖1中將作為屬于不同的變換器臂104的2個(gè)單元105的、與P點(diǎn)連接的2個(gè)單元連接的低耐壓光纖電纜113，并去除及其周邊的圖。對光纖電纜113施加的電壓V0PT3的波形大致如圖8B所示，其振幅大致等于VC。光纖電纜113具備可以經(jīng)得住1個(gè)單元的輸出電壓振幅、即VC的絕緣強(qiáng)度即可， 因此，可以采用低耐壓光纖。另外，在圖1中，即使在作為屬于不同的變換器臂104的2個(gè)單元105的、與N點(diǎn)連接的2個(gè)單元中，對連接該2個(gè)單元的光纖電纜113施加的波形也與圖8下段大致相同。 因此，在上述光纖電纜113中可以采用低耐壓光纖電纜。對連接屬于同一相的不同的變換器臂104中所屬的2個(gè)單元的光纖電纜114施加的電壓在通常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)下，最大是直流電容器電壓VC的2串聯(lián)量。但是，考慮在三相電力系統(tǒng)101中產(chǎn)生了一相接地等系統(tǒng)事故的情況下，對光纖電纜114施加的電壓增加的情況，而在光纖電纜114中采用高耐壓光纖電纜。如上所述，在本實(shí)施例中，在大部分的光纖電纜中，可以采用低耐壓光纖電纜，可以將高耐壓光纖電纜削減為5根。實(shí)施例2接下來，說明實(shí)施本發(fā)明的第2方式。
在實(shí)施例1中用光纖電纜對所有單元進(jìn)行了雛菊鏈連接，但在實(shí)施例2中，針對每個(gè)相通過光纖電纜對各單元進(jìn)行了雛菊鏈連接。在實(shí)施例2中，相比于實(shí)施例1，高耐壓光纖的根數(shù)增加。但是，各變換器臂104的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，所以與實(shí)施例1同樣地，在各變換器臂104的內(nèi)部連接鄰接的單元的大部分的光纖電纜112中，可以采用低耐壓光纖電纜。另外，得到相比于實(shí)施例1的情況，可以縮短通信時(shí)間這樣的效果。圖6示出實(shí)施例2的整體結(jié)構(gòu)。在實(shí)施例2中，中央控制裝置107具有6個(gè)光收發(fā)器110，針對每個(gè)相對光纖電纜進(jìn)行了雛菊鏈連接。由此，與1個(gè)光收發(fā)器110進(jìn)行通信的單元的數(shù)量從實(shí)施例1的N臺成為N/3臺。 由此，圖4所示的光串行信號幀的長度也可以相比于實(shí)施例1縮短為大致1/3。由此，相比于實(shí)施例1的情況，可以縮短通信時(shí)間。另外，除了上述點(diǎn)以外與實(shí)施例1相同。實(shí)施例3說明實(shí)施本發(fā)明的第3方式。實(shí)施例3是在級聯(lián)多電平變換器(CMC)中應(yīng)用了本發(fā)明的情況的實(shí)施例。在實(shí)施例3中，得到可以將在以往技術(shù)中至少需要與單元相同數(shù)量的高耐壓光纖電纜削減為3根，可以在大部分的光纖電纜中采用低耐壓光纖電纜這樣的效果。圖10示出實(shí)施例3的整體結(jié)構(gòu)。電力變換裝置1001經(jīng)由變壓器102與三相電力系統(tǒng)101互聯(lián)。與實(shí)施例1、2的相異點(diǎn)是電力變換裝置1001為級聯(lián)多電平變換器(CMC)的點(diǎn)。電力變換裝置1001的各單元是全橋電路(圖11)。將對多個(gè)全橋單元1002進(jìn)行級聯(lián)連接而得到的電路稱為集群1003。圖11示出全橋單元1002的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。單元控制裝置204生成用于開關(guān)元件1101 1104的柵極脈沖，并將其發(fā)送到柵極驅(qū)動(dòng)器206。柵極驅(qū)動(dòng)器206對開關(guān)元件1101 1104的柵極/發(fā)射極之間施加適合的電壓， 使開關(guān)元件1101 1104成為導(dǎo)通或者斷開。自給電源208對單元控制裝置204和柵極驅(qū)動(dòng)器206供給電源。在實(shí)施例3中，與實(shí)施例1同樣地，中央控制裝置107具備2個(gè)光收發(fā)器110，所有全橋單元1002通過光纖電纜進(jìn)行雛菊鏈連接，與該上述2個(gè)光收發(fā)器110進(jìn)行通信。以下，示出對連接在同一集群1003內(nèi)鄰接的2個(gè)全橋單元1002的光纖電纜112 施加的電壓波形，說明可以采用低耐壓光纖電纜的理由。圖12A是在圖IOB中圖示在同一集群內(nèi)鄰接的2個(gè)全橋單元1002和連接上述2 個(gè)全橋單元1002的低耐壓光纖電纜112，并去除其周邊的圖。另外，圖12B示出施加到對低耐壓光纖電纜112施加的電壓VOP1M的電壓的波形。在圖12A中，上側(cè)的全橋單元1002的一方的支路、和下側(cè)的全橋單元1002的一方的支路被電連接(級聯(lián)連接)。對光纖電纜112施加的電壓V0PT4依賴于連接上述2個(gè)全橋單元的上述2個(gè)支路中包含的合計(jì)4個(gè)開關(guān)元件的開關(guān)狀態(tài)而決定。
不論上述合計(jì)4個(gè)開關(guān)元件成為什么樣的開關(guān)狀態(tài)，在V0PT4中出現(xiàn)的電壓僅能夠成為下側(cè)的全橋單元1002的直流電容器電壓VC、使上側(cè)的全橋單元1002的直流電容器電壓VC的極性反轉(zhuǎn)了的電壓-VC、和零中的某一個(gè)。因此，V0PT4的振幅是VC。因此，光纖電纜112具備可以經(jīng)得住1個(gè)單元的輸出電壓振幅、即VC的絕緣強(qiáng)度即可，因此，可以采用低耐壓光纖。另外，對連接U相集群和V相集群的光纖電纜1004施加的電壓成為變壓器102的 2次側(cè)的線間電壓、和1個(gè)全橋單元的輸出電壓重疊了的波形。因此，在光纖電纜1004中應(yīng)用高耐壓光纖。實(shí)施例3的上述說明的點(diǎn)以外與實(shí)施例1大致相同。實(shí)施例4說明實(shí)施本發(fā)明的第4方式。在實(shí)施例3中通過光纖電纜對全部全橋單元進(jìn)行了雛菊鏈連接，但在實(shí)施例4中， 針對每個(gè)相通過光纖電纜對各單元全橋進(jìn)行了雛菊鏈連接。實(shí)施例4相比于實(shí)施例3，高耐壓光纖的根數(shù)增加。但是，各集群1003的結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同，所以可以與實(shí)施例3同樣地，在各集群 1003的內(nèi)部連接鄰接的全橋單元1002的大部分的光纖電纜112中，采用低耐壓光纖電纜。另外，得到相比于實(shí)施例3的情況，可以縮短通信時(shí)間這樣的效果。圖13示出實(shí)施例4的電力變換器的整體結(jié)構(gòu)。在實(shí)施例4中，與實(shí)施例2同樣地，中央控制裝置具有6個(gè)光收發(fā)器110，針對每個(gè)相對光纖電纜進(jìn)行了雛菊鏈連接。另外，與各光收發(fā)器110進(jìn)行通信的單元的數(shù)量從實(shí)施例3的N臺成為N/3臺，光串行信號幀的長度也相比于實(shí)施例3可以縮短為1/3。上述點(diǎn)以外是與實(shí)施例3同樣的整體結(jié)構(gòu)。本領(lǐng)域技術(shù)人員可知，上述記載是針對實(shí)施例的記載，本發(fā)明不限于此，而可以在本發(fā)明的精神和所附的權(quán)利要求書的范圍內(nèi)進(jìn)行各種變更以及修正。產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的電力變換裝置可以用于與交流系統(tǒng)進(jìn)行交流電力交換的直流負(fù)載、馬達(dá)驅(qū)動(dòng)器逆變器的直流鏈接、直流電源等。
權(quán)利要求
1.一種電力變換裝置，具有級聯(lián)連接的多個(gè)單元，其特征在于，該電力變換裝置的控制裝置包括中央控制裝置、和設(shè)置成與各單元相同電位的附近的單元控制裝置，所述中央控制裝置和各單元控制裝置通過光纖電纜進(jìn)行雛菊鏈連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述單元具備主電路，包括導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件和直流電容器； 直流電壓傳感器，檢測所述直流電容器的電壓；單元控制裝置，承擔(dān)接收來自所述中央控制裝置的信號并生成所述導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件的柵極脈沖的作用、和將來自所述直流電壓傳感器的信號傳送到中央控制裝置的作用；柵極驅(qū)動(dòng)器，接收來自所述單元控制裝置的柵極脈沖，使導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件成為導(dǎo)通/斷開；以及自給電源，對所述單元控制裝置和柵極驅(qū)動(dòng)器供給電源。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，連接所述中央控制裝置和單元控制裝置的光纖電纜是具備針對多個(gè)單元的輸出端子的電壓之和的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，連接級聯(lián)連接的2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜是具備針對1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，連接某單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方、和另一單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方被電連接的所述的2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜是具備針對1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的光纖電纜。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的電力變換裝置，其特征在于，連接所述級聯(lián)連接的2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜通過所述級聯(lián)連接的2個(gè)單元之間的電氣布線或者與所述電氣布線相同電位的部件支撐。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電力變換裝置，其特征在于，連接某單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方、和另一單元的輸出端子的2個(gè)端子的一方被電連接的所述的2個(gè)單元的單元控制裝置的光纖電纜通過對所述2個(gè)單元進(jìn)行級聯(lián)連接的電氣布線或者與所述電氣布線相同電位的部件支撐。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于， 所述單元控制裝置具備通信管理部，管理與所述中央控制裝置的通信；調(diào)制率緩沖器，保存從所述中央控制裝置接收到的、用于所述主電路的調(diào)制率； 數(shù)字模擬變換部，將來自所述直流電壓傳感器的模擬信號變換為數(shù)字信號； 直流電壓緩沖器，保存所述數(shù)字信號； 三角波載波發(fā)生部，生成三角波載波；柵極脈沖發(fā)生部，對所述三角波載波和所述調(diào)制率緩沖器中保存的調(diào)制率進(jìn)行比較， 生成對所述導(dǎo)通/斷開控制開關(guān)元件提供的柵極脈沖。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，所述單元控制裝置具備向所述調(diào)制率緩沖器、所述三角波載波發(fā)生部、以及所述柵極脈沖發(fā)生部提供動(dòng)作定時(shí)的指令的定時(shí)控制部。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，所述中央控制裝置按照大致一定周期，發(fā)送包括信號開始標(biāo)志、同步對象載波編號、由附加了成為對象的單元編號的調(diào)制率信號和直流電容器電壓偽信號構(gòu)成的信號的串、以及信號結(jié)束標(biāo)志的光串行信號幀。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，所述單元控制裝置接收從所述中央控制裝置經(jīng)由雛菊鏈了的其他單元控制裝置接收到的所述光串行信號幀的所述同步對象載波編號，在所述同步對象載波編號與自身的載波編號一致的情況下，在接收到所述光串行信號幀中包含的所述信號結(jié)束標(biāo)志的時(shí)間點(diǎn)，經(jīng)由所述定時(shí)控制部對三角波載波發(fā)生部進(jìn)行復(fù)位。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，所述單元控制裝置接收從所述中央控制裝置經(jīng)由雛菊鏈了的其他單元控制裝置接收到的所述光串行信號幀中包含的附加了所述單元編號的調(diào)制率信號，在附加的單元編號與自身的單元編號一致的情況下，將所述接收到的調(diào)制率信號保存到所述調(diào)制率緩沖器。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電力變換裝置，其特征在于，所述單元控制裝置接收從所述中央控制裝置經(jīng)由雛菊鏈了的其他單元控制裝置接收到的所述光串行信號幀中包含的附加了所述單元編號的直流電容器電壓偽信號，在所附加的單元編號與自身的單元編號一致的情況下，將所述接收到的直流電容器電壓偽信號置換為所述直流電壓緩沖器中保存的信號。
全文摘要
可以削減在控制/通信中使用的光纖中的、具備針對多個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的高耐壓光纖電纜的至少大部分，可以使用具備針對1個(gè)單元的輸出電壓的絕緣強(qiáng)度的低耐壓光纖電纜。另外，縮短光纖電纜的必要的長度。由級聯(lián)連接的多個(gè)單元構(gòu)成的電力變換裝置的控制裝置包括中央控制裝置、和設(shè)置成與各單元相同電位的附近的單元控制裝置，所述中央控制裝置和各單元控制裝置通過光纖電纜進(jìn)行雛菊鏈連接。
文檔編號H02M7/00GK102474194SQ20108003094
公開日2012年5月23日 申請日期2010年7月13日 優(yōu)先權(quán)日2009年7月21日
發(fā)明者井上重德, 加藤修治, 加藤哲也 申請人:株式會(huì)社日立制作所