专利名称：电力变换装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及电力变换装置以及对其使用的控制/通信装置和通信用光纤电缆。
背景技术：
模块化多电平变换器(MMC)是使用hsulated Gate Bipolar Transistor(IGBT) (绝缘栅双极晶体管)等可以进行ON(导通)/0FF(断开)控制的开关元件，并可以输出上述开关元件的耐压以上的电压的变换器，期待应用于直流送电系统(HVDC)、无效电力补偿装置(STATC0M)、马达驱动器逆变器等。非专利文献1公开了 MMC的电路方式。根据非专利文献1，MMC是对多个单位变换器(以下，称为单元)进行串联(级联) 连接而构成的。各单元是例如双向斩波器电路，具备开关元件和直流电容器。各单元经由至少2个端子与外部连接，可以将上述2个端子之间的电压控制为该单元具有的直流电容器的电压、或者零。在对各单元进行PWM控制的情况下，通过使对各单元提供的三角波载波的相位适合地切换，可以使MMC的输出电压波形成为多电平波形。由此，相比于2电平变换器，可以降低高次谐波分量。作为MMC的特征，可以举出各单元的电位相互不同，存在对地电位高的单元的点。 特别在将MMC应用于HVDC等的情况下，单元的对地电位达到几IOkV 几100kV。进而，各单元的对地电位时刻变化。但是，在非专利文献1中，以实验室电平下的装置为对象，所以没有考虑控制装置与各开关元件之间的绝缘耐压。非专利文献2公开了在与各单元相同电位的附近搭载信号处理电路，并用光纤电缆连接了处于接地电位的中央控制装置与各信号处理电路之间的结构。非专利文献1 萩原誠、赤木泰文「 夕^，一· -TAtU^ >変換器(MMC) ^ PWM制御法i動作検証」、電気学会論文誌D、U8卷7号、pp. 957-965。非专利文献 2 :Β· Gemmell 等「Prospects of multilevel VSC technologies for power transmission」、 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition 2008、1 16 页。
发明内容
在非专利文献2中，示出了从上述中央控制装置对1个单元连接了至少1根光纤电缆的结构。即，从上述中央控制装置对各单元星型连接了上述光纤电缆。因此，在非专利文献2中至少需要与单元的数量相同数量的光纤电缆。在该情况下，所有光纤电缆需要具备处于接地电位的上述中央控制装置、和可以经得住各单元之间的电位差的绝缘强度。即，需要使所有光纤电缆成为具有针对沿面放电等的绝缘强度的特殊的光纤电缆(以下，称为高耐压光纤电缆)。
另外，在高耐压光纤电缆中，需要使用特殊的外皮材料，制造工序变得复杂。进而，在如非专利文献2那样，用光纤电缆对控制装置和各单元进行星型连接的情况下，各个光纤的长度变长。本发明的目的在于在由级联连接的多个单元构成的电力变换装置中，缩短控制/ 通信中使用的光纤电缆的必要的长度。为了实现上述课题，本发明提供一种电力变换装置，具有级联连接的多个单元，其特征在于，该电力变换装置的控制装置包括中央控制装置、和设置成与各单元相同电位的附近的单元控制装置，所述中央控制装置和各单元控制装置通过光纤电缆进行雏菊链连接。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述单元具备主电路，包括导通/断开控制开关元件和直流电容器；直流电压传感器，检测所述直流电容器的电压；单元控制装置，承担接收来自所述中央控制装置的信号并生成所述导通/断开控制开关元件的栅极脉冲的作用、和将来自所述直流电压传感器的信号传送到中央控制装置的作用；栅极驱动器，接收来自所述单元控制装置的栅极脉冲，使导通/断开控制开关元件成为导通/断开； 以及自给电源，对所述单元控制装置和栅极驱动器供给电源。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，连接所述中央控制装置和单元控制装置的光纤电缆是具备针对多个单元的输出端子的电压之和的绝缘强度的光纤电缆。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，连接级联连接的2个单元的单元控制装置的光纤电缆是具备针对1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，连接某单元的输出端子的2个端子的一方、和其他单元的输出端子的2个端子的一方被电连接的所述2个单元的单元控制装置的光纤电缆是具备针对1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，连接所述级联连接的2个单元的单元控制装置的光纤电缆通过所述级联连接的2个单元之间的电气布线或者与所述电气布线相同电位的部件支撑。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，连接某单元的输出端子的2个端子的一方、和其他单元的输出端子的2个端子的一方被电连接的所述2个单元的单元控制装置的光纤电缆通过对所述2个单元进行级联连接的电气布线或者与所述电气布线相同电位的部件支撑。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述单元控制装置具备通信管理部， 管理与所述中央控制装置的通信；调制率缓冲器，保存从所述中央控制装置接收到的、用于所述主电路的调制率；数字模拟变换部，将来自所述直流电压传感器的模拟信号变换为数字信号；直流电压缓冲器，保存所述数字信号；三角波载波发生部，生成三角波载波；栅极脉冲发生部，对所述三角波载波和所述调制率缓冲器中保存的调制率进行比较，生成对所述导通/断开控制开关元件提供的栅极脉冲。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述单元控制装置具备向所述调制率缓冲器、所述三角波载波发生部、以及所述栅极脉冲发生部提供动作定时的指令的定时控制部。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述中央控制装置按照大致一定周期，发送包括信号开始标志、同步对象载波编号、由附加了成为对象的单元编号的调制率信号和直流电容器电压伪信号构成的信号的串、以及信号结束标志的光串行信号帧。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述单元控制装置接收从所述中央控制装置经由雏菊链了的其他单元控制装置接收到的所述光串行信号帧的所述同步对象载波编号，在所述同步对象载波编号与自身的载波编号一致的情况下，在接收到所述光串行信号帧中包含的所述信号结束标志的时间点，经由所述定时控制部对三角波载波发生部进行复位。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述单元控制装置接收从所述中央控制装置经由雏菊链了的其他单元控制装置接收到的所述光串行信号帧中包含的附加了所述单元编号的调制率信号，在附加的单元编号与自身的单元编号一致的情况下，将所述接收到的调制率信号保存到所述调制率缓冲器。另外，在上述电力变换装置中，其特征在于，所述单元控制装置接收从所述中央控制装置经由雏菊链了的其他单元控制装置接收到的所述光串行信号帧中包含的附加了所述单元编号的直流电容器电压伪信号，在所附加的单元编号与自身的单元编号一致的情况下，将所述接收到的直流电容器电压伪信号置换为所述直流电压缓冲器中保存的信号。本发明在由级联连接的多个单元构成的电力变换装置中，可以削减控制/通信中使用的光纤中的、具备针对多个单元的输出电压之和的绝缘强度的高耐压光纤电缆的至少大部分，可以使用具备针对1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆。另外，缩短光纤电缆的必要的长度。本发明的其他目的、特征以及优点根据与附图相关的以下的本发明的实施例的记载将更加明确。
图1示出通过光纤电缆对所有单元进行了雏菊链连接的MMC。图2示出斩波器单元。图3示出单元控制装置。图4示出光串行信号帧。图5示出使第K单元的载波同步的方法。图6A示出高耐压光纤的实施例。图6B示出高耐压光纤的施加电压例。图7A示出将同一变换器臂内的邻接单元连接的低耐压光纤的实施例。图7B示出将同一变换器臂内的邻接单元连接的低耐压光纤的施加电压例。图8A示出将其他变换器臂的邻接单元连接的低耐压光纤的实施例。图8B示出将其他变换器臂的邻接单元连接的低耐压光纤的施加电压例。图9示出针对每个相通过光纤电缆进行了雏菊链连接的MMC。图10示出通过光纤电缆对所有单元进行了雏菊链连接的CMC。图11示出全桥单元。图12A示出将同一集群内的邻接全桥单元连接的低耐压光纤的实施例。图12B示出将同一集群内的邻接全桥单元连接的低耐压光纤的施加电压例。
图13示出针对每个相通过光纤电缆进行了雏菊链连接的CMC。(符号说明)101 三相电力系统；102 变压器;103、1001 电力变换装置；104 变换器臂；105 单元；106 电抗器；107 中央控制装置；108 交流电压传感器；109 电流传感器；110、205 光收发器；111 114、1004 光纤电缆；115 :负载装置；201、1101、1103 高端开关元件； 202、1102、1104 低端开关元件；203 直流电容器；204 单元控制装置；206 栅极驱动器； 207 直流电压传感器；208 自给电源；301 通信管理部；302 调制率缓冲器；303 脉冲宽度调制部；304 三角波载波发生部；305 定时控制部；306 模拟数字变换部；307 直流电压缓冲器；401 光串行信号帧；402 信号开始标志；403 同步对象载波编号；404 对象单元编号；405 调制率；406 直流电容器电压信息或者直流电容器电压伪信息；407 信号结束标志；1002 全桥单元；1003 集群。
具体实施例方式
以下，使用附图，说明本发明的实施例。实施例1说明实施本发明的第1方式。在实施例1中，可以削减在非专利文献1中至少需要与单元相同数量的高耐压光纤电缆的根数。以下，使用图1，叙述实施例1的整体结构。电力变换装置103经由变压器102与三相电力系统101互联。电力变换装置103的U点、V点、W点与变压器102的2次侧连接。另外，在电力变换装置103的P点与N点之间，连接了负载装置115。本实施例中的电力变换装置103与三相电力系统101进行交流电力交换。另外， 电力变换装置103与负载装置115进行直流电力交换。此处，负载装置115代表直流负载、 马达驱动器逆变器的直流链接、直流电源等。在本实施例中，将三相电力系统101的相电压分别称为VR、VS、VT0将在变压器 102的2次侧流过的各相的电流分别称为IU、IV、IW。在本实施例中，变压器102的2次侧(电力变换装置103连接的一侧)的中性点被接地。在本实施例中，作为电力变换装置103，采用与三相电力系统互联的三相MMC。但是，本发明还可以应用于与单相系统互联的单相MMC、驱动马达的MMC。另外，本发明还可以应用于CMC，将在实施例3、4中对此进行叙述。电力变换装置103是对多个单元105进行级联连接而构成的。各单元105是具备直流电容器的双向斩波器电路，详细将后述(参照图2、。各单元105经由至少2个端子与外部电路连接，将上述2个端子之间的电压控制为直流电容器电压、或者零。在本实施例中，将上述2个端子之间的电压称为单元的输出电压或者单元电压。如图1所示，将对1个或者多个单元105进行级联连接而构成的电路称为变换器臂104。在本实施例中，1个变换器臂104包括N个单元105。另外，将各变换器臂104中流过的电流称为臂电流，如图1所示，定义为IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、IffL0电力变换装置103是通过如图1所示连接6个变换器臂104和6个电抗器106而构成的。以控制电力变换装置103的目的，设置了中央控制装置107。中央控制装置107处于在图1中用G点表示的接地电位。交流电压传感器108检测系统相电压VR、VS、VT，将其瞬时值信号传送到中央控制装置107。另夕卜，电流传感器109检测各臂电流IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、IWL，将其瞬时值信号传送到中央控制装置107。中央控制装置107具备2个光收发器110，经由光收发器110，与各单元105进行
ififn。中央控制装置107检测系统相电压VR、VS、VT、臂电流IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、IffL, 各单元105的直流电容器电压VC，根据这些信息，决定向各单元105发送的调制率MOD，将调制率MOD发送到各单元。中央控制装置107以大致一定周期进行该一系列的动作。将该周期称为控制周期。中央控制装置107进行上述一系列的动作，从而控制臂电流IUH、IVH、IWH、IUL、 IVL, IWL，从而控制与三相电力系统101交换的电力。另外，将各单元105的直流电容器电压VC维持于适合范围内。中央控制装置107经由光收发器110和光纤电缆111 114，向各单元105发送调制率MOD，并且，从各单元105接收直流电容器电压VC的信息。在后面详述通信。在本实施例中，针对所有单元105，从中央控制装置107，使用光纤电缆111 114， 进行了雏菊链连接。连接中央控制装置107和单元105的光纤电缆111是具备可以经得住多个单元的输出电压之和的绝缘强度的光纤电缆。在同一变换器臂104的内部将邻接的单元2个单元105连接的光纤电缆112是具备可以经得住1个单元的单元电压的绝缘强度的光纤电缆112。属于不同的变换器臂104的2个单元、且将与P点连接的2个单元连接的光纤电缆113是具备可以经得住1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆113。将属于不同的变换器臂104的2个单元、且与N点连接的2个单元连接的光纤电缆113是具备可以经得住1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆113。将属于同一相的2个变换器臂104中所属的2个单元连接的光纤电缆114是具备可以经得住多个单元的输出电压之和的绝缘强度的光纤电缆。在本实施例中，将光纤电缆111和114称为高耐压光纤电缆、将光纤电缆112和 113称为低耐压光纤电缆。在图1中，大部分的光纤电缆是低耐压光纤电缆112、113，高耐压光纤电缆111、 114合计仅5根。进而，低耐压光纤电缆112、113的物理性的长度可以缩减至与单元105的物理性的尺寸大致相等的长度。对于可以采用低耐压光纤电缆112、113的理由，在各单元105的说明以及通信方式的说明将之后详述。以下，使用图2，说明单元105的结构。单元105的主电路是包括高端开关元件201、低端开关元件202、以及直流电容器 203的双向斩波器电路。将直流电容器203的电压称为VC。另外，将高端开关元件201和低端开关元件202总称为开关元件。在本实施例中，使开关元件201和202成为IGBT，但本发明还可以应用于开关元件 201 和 202 是 Gate-Turn-Off Thyristor (栅极可关断晶闸管)(GTO)、Gate-Commutated Turn-off Thyristor 栅极换流可关断晶闸管(GCT)、Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor (MOSFET)(金属氧化物半导体场效应晶体管)、其他0N/0FF控制元件的情况。各单元105具备单元控制装置204，单元控制装置204与2个光收发器205经由光纤电缆111、112、113、或者114连接。单元控制装置204生成用于开关元件201和202的栅极脉冲，将其发送到栅极驱动器206。栅极驱动器206对开关元件201与202的栅极/发射极之间施加适合的电压，使开关元件201和202成为导通或者断开。直流电压传感器207检测直流电容器电压VC，将其瞬时值信号传送到单元控制装置 204。自给电源208对单元控制装置204和栅极驱动器206供给电源。各单元控制装置204的电位是与各单元的低端开关元件202的发射极端子相同的电位，在图2中用G(CELL(单元))点表示该点。另外，图2中的G(CELL)点是与图1中的 G点不同的电位的点。以下，使用图3，说明单元控制装置204的内部结构。图3是例如图示了属于第K 单元的单元控制装置204的内部结构的图。单元控制装置204具备通信管理部301、调制率缓冲器302、脉冲宽度调制(PWM) 部303、三角波载波发生部304、定时控制部305、模拟数字变换部306、以及直流电压缓冲器 307。通信管理部301将经由光收发器205从中央控制装置107或者邻接单元接收到的针对本单元的调制率MOD (K)保存到调制率缓冲器302。其中，MOD(K)是指，表示第K单元的调制率MOD的记号。脉冲宽度调制(PWM)部303对调制率缓冲器302中保存的调制率MOD (K)、和三角波载波发生部304产生的三角波载波进行比较，生成用于开关元件201和202的栅极脉冲。模拟数字变换部306对来自直流电压传感器207的直流电容器电压的模拟信号进行数字化，将该信息VC(K)保存到直流电压缓冲器307。其中，VC(K)是指，表示第K单元的直流电容器电压的记号。通信管理部301将直流电压缓冲器307中保存的直流电容器电压的信息VC⑷，经由光收发器205发送到中央控制装置107或者邻接单元。定时控制部305控制调制率缓冲器302、脉冲宽度调制(PWM)部303、以及三角波载波发生部304。
以下，说明定时控制部305的必要性。各单元105的各单元控制装置204供给了相互不同的时钟源，所以三角波载波的初始的相位偏移关系由于时钟源的微小的误差而随时间变化，无法维持适合的相位偏移关系。在无法维持各单元105的三角波载波的相位偏移关系的情况下，在电力变换装置 103的U点-V点间、V点-W点间、W点-U点的电压中，包含过大的高次谐波分量。由此，产生在臂电流IUH、IVH、IWH、IUL、IVL、BVL、系统电流IU、IV、IW中，包含过大的高次谐波分量这样的问题。因此，需要适合地维持三角波载波的相位偏移关系的部。另外，在本实施例中对光纤电缆进行了雏菊链连接，所以直至某单元控制装置204 向邻接的其他单元控制装置204发送信号，产生延迟时间。所有单元105由于使用光纤电缆进行了雏菊链连接，所以在远离中央控制装置 107的单元105中，积蓄单元之间的信号传送的延迟。因此，直至从中央控制装置107向各单元105传达控制信号为止的延迟时间针对每个单元不同。因此，通过具备定时控制部305，维持三角波载波的相位偏移关系，并且，确保起因于雏菊链连接而针对每个单元不同的延迟时间的平衡是重要的。对于定时控制部305的详细动作，将后述。此处，定义单元编号和载波编号。单元编号和载波编号是各单元105的单元控制装置204保存于其内部的信息。单元编号是指，从中央控制装置107至该单元105的、利用光纤电缆111 114连接的雏菊链连接的顺序。将其单元编号是K的单元105称为第K单元。第K单元是从中央控制装置107起第K个接收信息的单元。载波编号是指，某变换器臂104中的、该单元105的三角波载波的相位偏移编号。载波编号是Q的单元105根据相对基准相位相位偏移了 N · (Q-I)/360°的三角波载波，生成栅极脉冲。将其载波编号是Q的三角波载波称为第Q载波。以下，使用图4和图5，叙述本实施例中的中央控制装置107与各单元105之间的通信方式、和各单元控制装置204的动作。中央控制装置107从2个光收发器110中的一方，以大致一定周期(控制周期) 发送光串行信号帧。图4是说明中央控制装置107发送的光串行信号帧401、和接收到其的第K单元的动作的图。光串行信号帧401中包含的信息例如是信号开始标志402、同步对象载波编号 403、对象单元编号404、各单元的调制率405、各单元的直流电容器电压的伪信息或者实际的直流电容器电压信息406、信号结束标志407。另外，还可以包含奇偶性、校验和、Cyclic Redundancy Check(CRC)(循环冗余码校验)等，但在本实施例中，作为简易的例子，例示了不包含校验和、CRC的光串行信号帧 401。第K单元将从第K-I单元接收到的同步对象载波编号403、即Q(Sync (同步))与自身的载波编号Q进行比较。如图5所示，在同步对象载波编号Q(Sync)和Q相等的情况下，将自身的三角波载波强制地复位为某值。
另外，第K单元从所接收到的光串行信号帧，通过参照对象单元编号404而抽出针对自身的调制率405、即MOD(K)，将其保存到调制率缓冲器302。进而，第K单元将针对自身的直流电容器电压伪信息406置换为实际的直流电容器电压信息VC(K)，生成新的光串行信号帧。第K单元将新生成的光串行信号帧发送到第K+1单元。在本实施例中，在单元台数是N的情况下，第N单元发送的光串行信号帧返回到中央控制装置107。中央控制装置取得从第N单元返回的光串行信号帧中包含的、各单元的直流电容器电压信息。以下，说明定时控制部305的动作。定时控制部305在从通信管理部301接收到光串行信号帧的信号结束标志的时刻起经过了延迟平衡时间TB的时间点，对调制率缓冲器302提供锁存信号。另外，定时控制部305在同步对象载波编号Q(Sync)等于自身所属的单元的载波编号Q的情况下，在从通信管理部301接收到光串行信号帧的信号结束标志的时刻起经过了延迟平衡时间TB的时间点，对三角波载波发生部304提供复位信号，将三角波载波强制地复位为某值(图5)。以下，说明延迟平衡时间TB。延迟平衡时间TB是指，用于使从中央控制装置107向各单元105的信号传送延迟时间大致相等的时间，针对每个单元具有不同的值。在实施例1中，从中央控制装置107发送的光串行信号通过N台单元105，再次返回到中央控制装置107。因此，中央控制装置107可以测量光串行信号通过N台单元的时间(全部延迟时间)TD。例如，在中央控制装置107以及各单元控制装置的初始化时，中央控制装置107可以使用用于延迟时间测定的试验用光串行信号帧测量全部延迟时间TD，向所有单元105， 对TD的数字值进行光串行传送。由此，所有单元105具有所有单元(N台)量的全部延迟时间TD的信息。另外，各单元具有本单元是第几单元这样的信息(单元编号K)。此处，如果将第K单元的延迟平衡时间设成TB (K)，则通过用下式提供TB (K)，可以使从中央控制装置107向各单元105的信号传送延迟时间大致相等。〔式1〕TB(K) = (1-K/N) · TD在以上的说明中，叙述了来自中央控制装置107的光串行信号帧从第1向第N单元单向传送的情况。但是，在中央控制装置具有2个光收发器110的情况下，还可以使同一光通信帧同时成为逆向、即从第N单元向第1单元传送。由此，同一光串行信号帧的传送路径成为2个，可以确保传送路径的冗长性。以上，叙述了具备使用光纤电缆对中央控制装置107和各单元105进行雏菊链连接而构成的控制装置的电力变换装置103的控制。
说明通过上述控制法使电力变换装置103运转了的情况下的、对光纤电缆111 114施加的电压波形，叙述可以在光纤电缆112、113中采用低耐压光纤电缆的理由。图6A是图示图1中的将与P点连接的单元105和中央控制装置107连接的高耐压光纤电缆111，并去除其周边的图。变压器102的2次侧的中性点和中央控制装置107在G点接地。在该情况下，对高耐压光纤电缆施加的电压VOPTl成为大致如图6(b)下段所示那样的波形。其中，在图6A、图6B中，作为例子，将各变换器臂104中包含的单元105的数量 N设成8个。如图6B所示，对高耐压光纤施加超过1个单元的直流电容器电压的电压。如果使 1个变换器臂104中包含的单元105的数量成为N，则用(N-I) -VC/2表示对高耐压光纤电缆施加的电压VOPTl的平均值。图7是图示图1中的在同一变换器臂内邻接的2个单元105和连接上述2个单元的低耐压光纤电缆112，并去除其周边的图。在图7A中，对低耐压光纤电缆112施加的电压V0PT2是从下侧的单元105的低端开关元件202的发射极端子到上侧的单元105的低端开关元件202的发射极端子的电位差。2个单元105被级联连接，所以上侧的单元105的低端开关元件202的发射极端子的电位等于下侧的单元105的低端开关元件202的集电极端子的电位。因此，对低耐压光纤电缆112施加的电压V0PT2大致等于下侧的单元105的输出电压 VCELL2。V0PT2的波形大致如图7B所示。V0PT2的振幅大致等于VC。光纤电缆112具备可以经得住1个单元的输出电压振幅、即VC的绝缘强度即可， 因此，可以采用低耐压光纤。图8A是图示在图1中将作为属于不同的变换器臂104的2个单元105的、与P点连接的2个单元连接的低耐压光纤电缆113，并去除及其周边的图。对光纤电缆113施加的电压V0PT3的波形大致如图8B所示，其振幅大致等于VC。光纤电缆113具备可以经得住1个单元的输出电压振幅、即VC的绝缘强度即可， 因此，可以采用低耐压光纤。另外，在图1中，即使在作为属于不同的变换器臂104的2个单元105的、与N点连接的2个单元中，对连接该2个单元的光纤电缆113施加的波形也与图8下段大致相同。 因此，在上述光纤电缆113中可以采用低耐压光纤电缆。对连接属于同一相的不同的变换器臂104中所属的2个单元的光纤电缆114施加的电压在通常运转状态下，最大是直流电容器电压VC的2串联量。但是，考虑在三相电力系统101中产生了一相接地等系统事故的情况下，对光纤电缆114施加的电压增加的情况，而在光纤电缆114中采用高耐压光纤电缆。如上所述，在本实施例中，在大部分的光纤电缆中，可以采用低耐压光纤电缆，可以将高耐压光纤电缆削减为5根。实施例2接下来，说明实施本发明的第2方式。
在实施例1中用光纤电缆对所有单元进行了雏菊链连接，但在实施例2中，针对每个相通过光纤电缆对各单元进行了雏菊链连接。在实施例2中，相比于实施例1，高耐压光纤的根数增加。但是，各变换器臂104的结构与实施例1相同，所以与实施例1同样地，在各变换器臂104的内部连接邻接的单元的大部分的光纤电缆112中，可以采用低耐压光纤电缆。另外，得到相比于实施例1的情况，可以缩短通信时间这样的效果。图6示出实施例2的整体结构。在实施例2中，中央控制装置107具有6个光收发器110，针对每个相对光纤电缆进行了雏菊链连接。由此，与1个光收发器110进行通信的单元的数量从实施例1的N台成为N/3台。 由此，图4所示的光串行信号帧的长度也可以相比于实施例1缩短为大致1/3。由此，相比于实施例1的情况，可以缩短通信时间。另外，除了上述点以外与实施例1相同。实施例3说明实施本发明的第3方式。实施例3是在级联多电平变换器(CMC)中应用了本发明的情况的实施例。在实施例3中，得到可以将在以往技术中至少需要与单元相同数量的高耐压光纤电缆削减为3根，可以在大部分的光纤电缆中采用低耐压光纤电缆这样的效果。图10示出实施例3的整体结构。电力变换装置1001经由变压器102与三相电力系统101互联。与实施例1、2的相异点是电力变换装置1001为级联多电平变换器(CMC)的点。电力变换装置1001的各单元是全桥电路(图11)。将对多个全桥单元1002进行级联连接而得到的电路称为集群1003。图11示出全桥单元1002的内部结构。单元控制装置204生成用于开关元件1101 1104的栅极脉冲，并将其发送到栅极驱动器206。栅极驱动器206对开关元件1101 1104的栅极/发射极之间施加适合的电压， 使开关元件1101 1104成为导通或者断开。自给电源208对单元控制装置204和栅极驱动器206供给电源。在实施例3中，与实施例1同样地，中央控制装置107具备2个光收发器110，所有全桥单元1002通过光纤电缆进行雏菊链连接，与该上述2个光收发器110进行通信。以下，示出对连接在同一集群1003内邻接的2个全桥单元1002的光纤电缆112 施加的电压波形，说明可以采用低耐压光纤电缆的理由。图12A是在图IOB中图示在同一集群内邻接的2个全桥单元1002和连接上述2 个全桥单元1002的低耐压光纤电缆112，并去除其周边的图。另外，图12B示出施加到对低耐压光纤电缆112施加的电压VOP1M的电压的波形。在图12A中，上侧的全桥单元1002的一方的支路、和下侧的全桥单元1002的一方的支路被电连接(级联连接)。对光纤电缆112施加的电压V0PT4依赖于连接上述2个全桥单元的上述2个支路中包含的合计4个开关元件的开关状态而决定。
不论上述合计4个开关元件成为什么样的开关状态，在V0PT4中出现的电压仅能够成为下侧的全桥单元1002的直流电容器电压VC、使上侧的全桥单元1002的直流电容器电压VC的极性反转了的电压-VC、和零中的某一个。因此，V0PT4的振幅是VC。因此，光纤电缆112具备可以经得住1个单元的输出电压振幅、即VC的绝缘强度即可，因此，可以采用低耐压光纤。另外，对连接U相集群和V相集群的光纤电缆1004施加的电压成为变压器102的 2次侧的线间电压、和1个全桥单元的输出电压重叠了的波形。因此，在光纤电缆1004中应用高耐压光纤。实施例3的上述说明的点以外与实施例1大致相同。实施例4说明实施本发明的第4方式。在实施例3中通过光纤电缆对全部全桥单元进行了雏菊链连接，但在实施例4中， 针对每个相通过光纤电缆对各单元全桥进行了雏菊链连接。实施例4相比于实施例3，高耐压光纤的根数增加。但是，各集群1003的结构与实施例1相同，所以可以与实施例3同样地，在各集群 1003的内部连接邻接的全桥单元1002的大部分的光纤电缆112中，采用低耐压光纤电缆。另外，得到相比于实施例3的情况，可以缩短通信时间这样的效果。图13示出实施例4的电力变换器的整体结构。在实施例4中，与实施例2同样地，中央控制装置具有6个光收发器110，针对每个相对光纤电缆进行了雏菊链连接。另外，与各光收发器110进行通信的单元的数量从实施例3的N台成为N/3台，光串行信号帧的长度也相比于实施例3可以缩短为1/3。上述点以外是与实施例3同样的整体结构。本领域技术人员可知，上述记载是针对实施例的记载，本发明不限于此，而可以在本发明的精神和所附的权利要求书的范围内进行各种变更以及修正。产业上的可利用性本发明的电力变换装置可以用于与交流系统进行交流电力交换的直流负载、马达驱动器逆变器的直流链接、直流电源等。
权利要求
1.一种电力变换装置，具有级联连接的多个单元，其特征在于，该电力变换装置的控制装置包括中央控制装置、和设置成与各单元相同电位的附近的单元控制装置，所述中央控制装置和各单元控制装置通过光纤电缆进行雏菊链连接。
2.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述单元具备主电路，包括导通/断开控制开关元件和直流电容器； 直流电压传感器，检测所述直流电容器的电压；单元控制装置，承担接收来自所述中央控制装置的信号并生成所述导通/断开控制开关元件的栅极脉冲的作用、和将来自所述直流电压传感器的信号传送到中央控制装置的作用；栅极驱动器，接收来自所述单元控制装置的栅极脉冲，使导通/断开控制开关元件成为导通/断开；以及自给电源，对所述单元控制装置和栅极驱动器供给电源。
3.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，连接所述中央控制装置和单元控制装置的光纤电缆是具备针对多个单元的输出端子的电压之和的绝缘强度的光纤电缆。
4.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，连接级联连接的2个单元的单元控制装置的光纤电缆是具备针对1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆。
5.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，连接某单元的输出端子的2个端子的一方、和另一单元的输出端子的2个端子的一方被电连接的所述的2个单元的单元控制装置的光纤电缆是具备针对1个单元的输出电压的绝缘强度的光纤电缆。
6.根据权利要求4所述的电力变换装置，其特征在于，连接所述级联连接的2个单元的单元控制装置的光纤电缆通过所述级联连接的2个单元之间的电气布线或者与所述电气布线相同电位的部件支撑。
7.根据权利要求5所述的电力变换装置，其特征在于，连接某单元的输出端子的2个端子的一方、和另一单元的输出端子的2个端子的一方被电连接的所述的2个单元的单元控制装置的光纤电缆通过对所述2个单元进行级联连接的电气布线或者与所述电气布线相同电位的部件支撑。
8.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于， 所述单元控制装置具备通信管理部，管理与所述中央控制装置的通信；调制率缓冲器，保存从所述中央控制装置接收到的、用于所述主电路的调制率； 数字模拟变换部，将来自所述直流电压传感器的模拟信号变换为数字信号； 直流电压缓冲器，保存所述数字信号； 三角波载波发生部，生成三角波载波；栅极脉冲发生部，对所述三角波载波和所述调制率缓冲器中保存的调制率进行比较， 生成对所述导通/断开控制开关元件提供的栅极脉冲。
9.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述单元控制装置具备向所述调制率缓冲器、所述三角波载波发生部、以及所述栅极脉冲发生部提供动作定时的指令的定时控制部。
10.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述中央控制装置按照大致一定周期，发送包括信号开始标志、同步对象载波编号、由附加了成为对象的单元编号的调制率信号和直流电容器电压伪信号构成的信号的串、以及信号结束标志的光串行信号帧。
11.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述单元控制装置接收从所述中央控制装置经由雏菊链了的其他单元控制装置接收到的所述光串行信号帧的所述同步对象载波编号，在所述同步对象载波编号与自身的载波编号一致的情况下，在接收到所述光串行信号帧中包含的所述信号结束标志的时间点，经由所述定时控制部对三角波载波发生部进行复位。
12.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述单元控制装置接收从所述中央控制装置经由雏菊链了的其他单元控制装置接收到的所述光串行信号帧中包含的附加了所述单元编号的调制率信号，在附加的单元编号与自身的单元编号一致的情况下，将所述接收到的调制率信号保存到所述调制率缓冲器。
13.根据权利要求1所述的电力变换装置，其特征在于，所述单元控制装置接收从所述中央控制装置经由雏菊链了的其他单元控制装置接收到的所述光串行信号帧中包含的附加了所述单元编号的直流电容器电压伪信号，在所附加的单元编号与自身的单元编号一致的情况下，将所述接收到的直流电容器电压伪信号置换为所述直流电压缓冲器中保存的信号。
全文摘要
可以削减在控制/通信中使用的光纤中的、具备针对多个单元的输出电压的绝缘强度的高耐压光纤电缆的至少大部分，可以使用具备针对1个单元的输出电压的绝缘强度的低耐压光纤电缆。另外，缩短光纤电缆的必要的长度。由级联连接的多个单元构成的电力变换装置的控制装置包括中央控制装置、和设置成与各单元相同电位的附近的单元控制装置，所述中央控制装置和各单元控制装置通过光纤电缆进行雏菊链连接。
文档编号H02M7/00GK102474194SQ20108003094
公开日2012年5月23日 申请日期2010年7月13日 优先权日2009年7月21日
发明者井上重德, 加藤修治, 加藤哲也 申请人:株式会社日立制作所