特許 6987315 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B1)

(11)【特許番号】6987315

(24)【登録日】2021年12月2日

(45)【発行日】2021年12月22日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/49 20070101AFI20211213BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/49

【請求項の数】7

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2021-537144(P2021-537144)

(86)(22)【出願日】2021年3月29日

(86)【国際出願番号】JP2021013339

【審査請求日】2021年6月24日

【早期審査対象出願】

(73)【特許権者】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】特許業務法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】伊戸 靖則

【審査官】 東 昌秋

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１７−６０３５８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１９−４１５５６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特許第６７５５４３６（ＪＰ，Ｂ１）

【文献】 国際公開第２０１９／１４２３６１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／００−７／９８

Ｈ０２Ｍ １／００−１／４４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

電力変換装置であって、
各々が単位変換器として用いられ互いにカスケード接続された複数のサブモジュールを含むアームと、
各々が第１の受信機および第１の送信機を含む複数の無線ノードとを備え、
前記複数の無線ノードの各々は、前記アームを構成する前記複数のサブモジュールのうちの対応する複数のサブモジュールと有線通信により接続され、
前記複数の無線ノードの各々は、前記第１の受信機を介して受信した制御保護指令に基づくゲート制御信号を前記対応する複数のサブモジュールの各々に送信し、前記対応する複数のサブモジュールから受信した個別情報を前記第１の送信機を介して送信し、
前記複数の無線ノードは、複数のグループに分割され、
前記複数のグループの各々には、第１の多元接続方式の複数のチャネルのそれぞれが割り当てられ、前記複数のグループの各々に含まれる複数の無線ノードの各々には、前記第１の多元接続方式の対応するチャネルを分割した第２の多元接続方式の複数のサブチャネルのそれぞれが割り当てられ、
前記複数の無線ノードの各々の前記第１の送信機は、割り当てられたチャネルおよびサブチャネルを介して前記個別情報を送信し、
前記電力変換装置は、制御保護装置をさらに備え、
前記制御保護装置は、
前記第１の多元接続方式の前記複数のチャネルと異なるチャネルを介して、前記複数の無線ノードの各々の前記第１の受信機に共通の前記制御保護指令を同時送信する第２の送信機と、
各々が前記複数のグループのそれぞれに対応し、対応するグループに含まれる前記複数の無線ノードから前記対応するグループに割り当てられたチャネルを介して前記個別情報を受信する複数の第２の受信機とを含む、電力変換装置。

【請求項2】

前記第１の多元接続方式は周波数分割多元接続であり、前記第２の多元接続方式は時分割多元接続である、請求項１に記載の電力変換装置。

【請求項3】

前記複数のグループの各々に含まれる前記複数の無線ノードには、個別のタイムスロットが割り当てられ、前記複数の無線ノードの各々の前記第１の送信機は、割り当てられた前記タイムスロットにおいて前記個別情報を送信する、請求項２に記載の電力変換装置。

【請求項4】

前記複数の無線ノードの各々は、前記制御保護装置から受信したタイミング信号に基づいて時刻同期を行う、請求項２または３に記載の電力変換装置。

【請求項5】

前記複数の無線ノードの各々は、前記制御保護指令に含まれる電圧指令値をキャリア信号と比較することによって位相シフトパルス幅変調方式による前記ゲート制御信号を生成する、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【請求項6】

前記複数の無線ノードの各々は、前記対応する複数のサブモジュールのうちで故障したサブモジュールが存在する場合には、前記対応する複数のサブモジュールから前記故障したサブモジュールを除いた残りの複数のサブモジュールに対応する位相シフト量が均等になるように、局所的に位相シフト量を調整する、請求項５に記載の電力変換装置。

【請求項7】

前記複数のグループの各々を構成する複数の無線ノードとこれらの無線ノードに接続された複数のサブモジュールは、前記複数の無線ノードにそれぞれ対応して設けられて上下方向に積み上げられた複数の絶縁性容器に収納され、
前記複数の絶縁性容器の各々には、対応する無線ノードと前記対応する無線ノードに接続された複数のサブモジュールとが収納される、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置に関する。

【背景技術】

【0002】

モジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Modular Multilevel Converter）方式の電力変換装置では、従来から、制御保護装置と多数のサブモジュールとの間の通信に光ファイバ通信が用いられている。

【0003】

特許文献１（特開２０１７−６０３５８号公報）は、コスト低減のために無線通信によって中央制御装置から各サブモジュールの子制御装置に電圧指令値を送信する方法を開示する。さらに、各サブモジュールの子制御装置は、コンデンサ電圧検出値を無線通信によって中央制御装置に送信する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２０１７−６０３５８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記の特許文献１（特開２０１７−６０３５８号公報）は、中央制御装置側の無線装置と複数の子制御装置側の無線通信装置とが、どのように通信信号の衝突を避けるかについて詳細に開示していない。もし、電波が到達する範囲内にある複数のサブモジュール側の無線装置が同時に送信を行うと、送信電波が衝突して通信データが破損する。これにより、破損した通信データを送り直すための再送処理が必要となり、通信効率が悪化し通信周期が長くなるという問題が生じる。

【0006】

また、衝突の回避策として、他の無線装置が発した電波を検出し通信終了を待って自らの無線装置の送信を開始する方法が考えられる。この場合、各無線装置の通信頻度が均一にならず、送信待ち時間が短い無線装置と、待ち時間が長い無線装置が存在することとなる。このため、全体の通信周期は、待ち時間が長いケースに合わせて設定する必要が生じるために長くなる。

【0007】

上記の特許文献１の第１０の実施形態では、コンデンサ電圧の時定数が十分に大きいという前提でコンデンサ電圧の検出値を複数無線通信周期に一度のみ送信することを開示している。しかしながら、この方法ではコンデンサ電圧の制御を十分に行えず、通信周期を短縮するための本質的な解決策になっていない。

【0008】

本開示は、上記の課題を考慮してなされたものであり、その目的の１つは、ＭＭＣ方式の電力変換装置において、制御保護装置と各サブモジュールとの間で短周期の双方向通信を行うことが可能な無線通信方式を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0009】

一実施形態の電力変換装置は、各々が単位変換器として用いられ互いにカスケード接続された複数のサブモジュールを含むアームと、各々が第１の受信機および第１の送信機を含む複数の無線ノードと、制御保護装置とを備える。複数の無線ノードの各々は、アームを構成する複数のサブモジュールのうちの対応する複数のサブモジュールと有線通信により接続される。複数の無線ノードの各々は、第１の受信機を介して受信した制御保護指令に基づくゲート制御信号を対応する複数のサブモジュールの各々に送信し、対応する複数のサブモジュールから受信した個別情報を第１の送信機を介して送信する。複数の無線ノードは、複数のグループに分割される。複数のグループには、第１の多元接続方式の複数のチャネルがそれぞれ割り当てられ、複数のグループの各々に含まれる複数の無線ノードには、第１の多元接続方式の対応するチャネルを分割した第２の多元接続方式の複数のサブチャネルがそれぞれ割り当てられる。複数の無線ノードの各々の第１の送信機は、割り当てられたチャネルおよびサブチャネルを介して個別情報を送信する。制御保護装置は、第２の送信機と複数の第２の受信機とを含む。第２の送信機は、第１の多元接続方式の複数のチャネルと異なるチャネルを介して、複数の無線ノードの各々の第１の受信機に共通の制御保護指令を同時送信する。複数の第２の受信機は、複数のグループにそれぞれ対応し、各第２の受信機は、対応するグループに含まれる複数の無線ノードから対応するグループに割り当てられたチャネルを介して個別情報を受信する。

【発明の効果】

【0010】

上記の実施形態によれば、第１の多元接続方式の複数のチャネルおよび第２の多元接続方式の複数のサブチャネルを利用することにより、制御保護装置と各サブモジュールとの間で短周期の双方向の無線通信を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】本実施の形態に係る電力変換装置１の概略構成図である。

【図2】制御保護装置の概略構成を示すブロック図である。

【図3】図２の指令生成部のハードウェア構成例を示すブロック図である。

【図4】図２の指令生成部の機能構成例を示すブロック図である。

【図5】サブモジュール側の複数の無線ノードの構成例を示すブロック図である。

【図6】変換器バルブタワーの構成例を示す斜視図である。

【図7】図１の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。

【図8】周波数分割多元接続方式による周波数割り当て例を示す図である。

【図9】無線通信フローを示すタイミング図である。

【図10】無線ノードに設けられたＰＷＭ制御部の動作を説明するためのブロック図である。

【図11】サブモジュールの故障時の位相シフト量の再調整について説明するための図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

以下、各実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、同一または相当する部分には同一の参照符号を付して、その説明を繰り返さない場合がある。

【0013】

実施の形態１．
［電力変換装置の全体構成］
図１は、本実施の形態に係る電力変換装置１の概略構成図である。図１を参照して、電力変換装置１は、互いに直列接続された複数のサブモジュール（ＳＭ）７を含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。「サブモジュール」は、「変換器セル」または「単位変換器」とも呼ばれる。

【0014】

サブモジュール７の構成例については、図７を参照して後述するが、ここで簡単に述べる。サブモジュール７は、入出力端子８６Ｐ，８６Ｎと、蓄電素子としての直流コンデンサ８４と、直流コンデンサ８４と入出力端子８６Ｐ，８６Ｎとを接続するブリッジ回路８０ＨＢとを含む。ブリッジ回路８０ＨＢを制御することにより、入出力端子８６Ｐと入出力端子８６Ｎとの間に、直流コンデンサ８４の電圧または零電圧を出力できる。直流コンデンサ８４の電圧をキャパシタ電圧とも称する。

【0015】

電力変換装置１は、直流回路１４と交流回路１２との間で電力変換を行なう。電力変換装置１は、電力変換器２と、制御保護装置３とを含む。

【0016】

電力変換器２は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（総称する場合または任意のものを示す場合、レグ回路４と記載する）を含む。

【0017】

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、交流回路１２と直流回路１４との間に接続され、両回路間で電力変換を行なう。図１には、交流回路１２が３相交流系統の場合が示され、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられている。

【0018】

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、変圧器１３を介して交流回路１２に接続される。交流回路１２は、たとえば、交流電源などを含む交流電力系統である。図１では、図解を容易にするために、交流入力端子Ｎｖ，Ｎｗと変圧器１３との接続は図示していない。

【0019】

各レグ回路４に共通に接続された高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流回路１４に接続される。直流回路１４は、たとえば、直流送電網などを含む直流電力系統または他の電力変換装置の直流端子である。後者の場合、２台の電力変換装置を連結することによって定格周波数などが異なる交流電力系統間を接続するためのＢＴＢ（Back To Back）システムが構成される。

【0020】

図１の変圧器１３を用いる代わりに、連系リアクトルを介して交流回路１２に接続する構成としてもよい。さらに、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗに代えてレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ一次巻線を設け、この一次巻線と磁気結合する二次巻線を介してレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが変圧器１３または連系リアクトルに交流的に接続するようにしてもよい。この場合、一次巻線を下記のリアクトル８Ａ，８Ｂとしてもよい。すなわち、レグ回路４は、交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗまたは上記の一次巻線など、各レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗに設けられた接続部を介して電気的に（すなわち直流的または交流的に）交流回路１２と接続される。

【0021】

レグ回路４ｕは、高電位側直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム５と、低電位側直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム６とを含む。上アーム５および下アーム６の接続点である交流入力端子Ｎｕは、変圧器１３と接続される。高電位側直流端子Ｎｐおよび低電位側直流端子Ｎｎは、直流回路１４に接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有するので、以下、レグ回路４ｕの構成について代表的に説明する。

【0022】

上アーム５は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ａとを含む。複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ａは、直列に接続されている。同様に、下アーム６は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ｂとを含む。複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ｂは、直列に接続されている。以下の説明では、上アーム５および下アーム６の各々に含まれるサブモジュール７の数をＮｃｅｌｌとする。但し、Ｎｃｅｌｌ≧２とする。

【0023】

リアクトル８Ａが挿入される位置は、レグ回路４ｕの上アーム５のいずれの位置であってもよく、リアクトル８Ｂが挿入される位置は、レグ回路４ｕの下アーム６のいずれの位置であってもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂはそれぞれ複数個設けられてもよい。各リアクトルのインダクタンス値は互いに異なっていてもよい。さらに、上アーム５のリアクトル８Ａのみ、もしくは、下アーム６のリアクトル８Ｂのみを設けてもよい。また、変圧器結線を工夫して、直流分電流の磁束を打ち消すとともに、交流分電流に対して変圧器の漏れリアクタンスが作用することでリアクトルの代替としてもよい。リアクトル８Ａ，８Ｂを設けることにより、交流回路１２または直流回路１４等の事故時における事故電流の急激な増大を抑制することができる。

【0024】

電力変換装置１は、さらに、制御に使用される電気量（電流、電圧など）を計測する各検出器として、交流電圧検出器１０と、交流電流検出器１６と、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂと、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂと、直流電流検出器１７とを含む。これらの検出器によって検出された信号は、制御保護装置３に入力される。

【0025】

なお、図１では図解を容易にするために、各検出器から制御保護装置３に入力される信号の信号線は、一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとに設けられている。信号線は、たとえば光ファイバによって構成される。

【0026】

次に、各検出器について具体的に説明する。
交流電圧検出器１０は、交流回路１２のＵ相の交流電圧Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧Ｖａｃｖ、および、Ｗ相の交流電圧Ｖａｃｗを検出する。以下の説明では、Ｖａｃｕ、Ｖａｃｖ、および、Ｖａｃｗを総称してＶａｃとも記載する。

【0027】

交流電流検出器１６は、交流回路１２のＵ相の交流電流Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流Ｉａｃｖ、および、Ｗ相の交流電流Ｉａｃｗを検出する。以下の説明では、Ｉａｃｕ、Ｉａｃｖ、およびＩａｃｗを総称してＩａｃとも記載する。

【0028】

直流電圧検出器１１Ａは、直流回路１４に接続された高電位側直流端子Ｎｐの直流電圧Ｖｄｃｐを検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流回路１４に接続された低電位側直流端子Ｎｎの直流電圧Ｖｄｃｎを検出する。直流電圧Ｖｄｃｐと直流電圧Ｖｄｃｎとの差を直流電圧Ｖｄｃとする。直流電流検出器１７は、高電位側直流端子Ｎｐまたは低電位側直流端子Ｎｎを流れる直流電流Ｉｄｃを検出する。

【0029】

Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム５に流れる上アーム電流Ｉｐｕ、および、下アーム６に流れる下アーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｖおよび下アーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム電流Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。以下の説明では、上アーム電流Ｉｐｕ、Ｉｐｖ、Ｉｐｗを総称して上アーム電流Ｉａｒｍｐとも記載し、下アーム電流Ｉｎｕ、Ｉｎｖ、Ｉｎｗを総称して下アーム電流Ｉａｒｍｎとも記載し、上アーム電流Ｉａｒｍｐと下アーム電流Ｉａｒｍｎとを総称してＩａｒｍとも記載する。

【0030】

「制御保護装置の概略構成］
図２は、制御保護装置の概略構成を示すブロック図である。図２を参照して、制御保護装置３は、指令生成部２０と、無線通信モジュール２１〜２７とを含む。双方向通信（デュープレックス）および多元接続のために、各無線通信モジュールには複数のチャネルが割り当てられる。

【0031】

指令生成部２０は、図１の各検出器によって検出された電圧値および電流値と、各サブモジュール７から収集したキャパシタ電圧とに基づいて、各アームの電圧指令値を生成する。さらに、指令生成部２０は、電力変換器２を保護するためのゲートブロックなどの保護指令を生成する。指令生成部２０のハードウェア構成例および機能構成例については、図３および図４を参照して後述する。

【0032】

無線通信モジュール２１は、サブモジュール側の各無線ノードに電圧指令値を同時送信（ブロードキャスト）する。図２の場合には、無線通信モジュール２１は、アンテナ２８を介して無線通信を行う３台の送信機３０〜３２を含む。送信機３０、３１，３２には、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｕ，ＢＣ＿Ｖ，ＢＣ＿Ｗがそれぞれ割り当てられる。ここで、第１の多元接続方式は、周波数分割多元接続、時分割多元接続、符号分割多元接続などのうちの１つであるが、典型的には周波数分割多元接続が用いられる。

【0033】

具体的に、制御保護装置３の無線通信モジュール２１に設けられた送信機３０は、チャネルＢＣ＿Ｕを介して、Ｕ相上アームのサブモジュール側に配置されたｎ×ｍ個の無線ノードにＵ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｕおよびＵ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕを同時送信する。送信機３１は、チャネルＢＣ＿Ｖを介して、Ｖ相サブモジュール側に配置された複数の無線ノード６２にＶ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｖおよびＶ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｖを同時送信する。送信機３２は、チャネルＢＣ＿Ｗを介して、Ｗ相サブモジュール側に配置された複数の無線ノード６２にＷ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｗおよびＷ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｗを同時送信する。送信機３０〜３２は、さらに、対応するアームの各サブモジュール７を保護するための保護指令を送信する。

【0034】

なお、上アーム電圧指令値と下アーム電圧指令値とに別個のチャネルを割り当てるために全部で６個の送信機を設けてもよく、ブロードキャスト用のチャネルの割り当て方は特に限定されない。

【0035】

無線通信モジュール２２〜２７は、サブモジュール側に設けられた複数の無線ノードから個別の情報を受信する。この通信には、第１の多元接続方式による複数のチャネルと、各チャネルをさらに分割した第２の多元接続方式の複数のサブチャネルとが用いられる。無線通信モジュール２２〜２７に用いられる第１の多元接続方式は、上記の無線通信モジュール２１の場合と同じ多元接続方式であるが、割り当てられるチャネルが異なる。

【0036】

典型的には、第１の多元接続方式には周波数分割多元接続が用いられ、第２の多元接続方式には時分割多元接続が用いられる。時分割多元接続を用いることにより、サブモジュール７側の各無線ノード６２ではタイムスロット管理が必要になる。一方、制御保護装置３の無線通信モジュール２２〜２７の各々では、タイムスロット管理が必要でなく、第１の多元接続方式の周波数チャネルの管理のみでよいというメリットがある。

【0037】

具体的に、無線通信モジュール２２は、Ｕ相上アーム用に設けられ、アンテナ２８を介して無線通信を行うｎ個の受信機３３＿１〜３３＿ｎを含む。ｎ個の受信機３３＿１〜３３＿ｎには、第１の多元接続方式のｎ個のチャネルＵ１＿１〜Ｕ１＿ｎがそれぞれ割り当てられる。無線通信モジュール２３は、Ｕ相下アーム用に設けられ、ｎ個の受信機３４＿１〜３４＿ｎを含む。ｎ個の受信機３４＿１〜３４＿ｎには、第１の多元接続方式のｎ個のチャネルＵ２＿１〜Ｕ２＿ｎがそれぞれ割り当てられる。

【0038】

以下同様に、Ｖ相上アーム用の無線通信モジュール２４は、第１の多元接続方式のｎ個のチャネルＶ１＿１〜Ｖ１＿ｎがそれぞれ割り当てられたｎ個の受信機を含む。Ｖ相下アーム用の無線通信モジュール２５は、第１の多元接続方式のｎ個のチャネルＶ２＿１〜Ｖ２＿ｎがそれぞれ割り当てられたｎ個の受信機を含む。Ｗ相上アーム用の無線通信モジュール２６は、第１の多元接続方式のｎ個のチャネルＷ１＿１〜Ｗ１＿ｎがそれぞれ割り当てられたｎ個の受信機を含む。Ｗ相下アーム用の無線通信モジュール２７は、第１の多元接続方式のｎ個のチャネルＷ２＿１〜Ｗ２＿ｎがそれぞれ割り当てられたｎ個の受信機を含む。

【0039】

したがって、図２に示す無線通信モジュール２１〜２７には、第１の多元接続方式の６×ｎ＋３［個］のチャネルが割り当てられる。制御保護装置３側のより詳細な通信方式ならびにサブモジュール７側の通信方式およびハードウェア構成については、図５および図６を参照して後述する。

【0040】

［指令生成部のハードウェア構成例］
図３は、図２の指令生成部のハードウェア構成例を示すブロック図である。図３には、コンピュータによって指令生成部２０を構成する例が示される。

【0041】

図３を参照して、指令生成部２０は、１つ以上の入力変換器４０と、１つ以上のサンプルホールド（Ｓ／Ｈ）回路４１と、マルチプレクサ（ＭＵＸ）４２と、Ａ／Ｄ（Analog to Digital）変換器４３とを含む。さらに、指令生成部２０は、１つ以上のＣＰＵ（Central Processing Unit）４４と、ＲＡＭ（Random Access Memory）４５と、ＲＯＭ（Read Only Memory）４６とを含む。さらに、指令生成部２０は、１つ以上の入出力インターフェイス（Ｉ／Ｆ）４７と、補助記憶装置４８と、上記の構成要素間を相互に接続するバス４９を含む。

【0042】

入力変換器４０は、入力チャンネルごとに補助変成器（図示せず）を有する。各補助変成器は、図１の各電気量検出器による検出信号を、後続する信号処理に適した電圧レベルの信号に変換する。

【0043】

サンプルホールド回路４１は、入力変換器４０ごとに設けられる。サンプルホールド回路４１は、対応の入力変換器４０から受けた電気量を表す信号を規定のサンプリング周波数でサンプリングして保持する。

【0044】

マルチプレクサ４２は、複数のサンプルホールド回路４１に保持された信号を順次選択する。Ａ／Ｄ変換器４３は、マルチプレクサ４２によって選択された信号をデジタル値に変換する。なお、複数のＡ／Ｄ変換器４３を設けることによって、複数の入力チャンネルの検出信号に対して並列的にＡ／Ｄ変換を実行するようにしてもよい。

【0045】

ＣＰＵ４４は、指令生成部２０の全体を制御し、プログラムに従って演算処理を実行する。揮発性メモリとしてのＲＡＭ４５および不揮発性メモリとしてのＲＯＭ４６は、ＣＰＵ４４の主記憶として用いられる。ＲＯＭ４６は、プログラムおよび信号処理用の設定値などを収納する。補助記憶装置４８は、ＲＯＭ４６に比べて大容量の不揮発性メモリであり、プログラムおよび電気量検出値のデータなどを格納する。

【0046】

入出力インターフェイス４７は、ＣＰＵ４４と図２の無線通信モジュール２１〜２７との間およびＣＰＵ４４と外部装置との間で通信する際のインターフェイス回路である。

【0047】

なお、図３の例とは異なり、指令生成部２０の少なくとも一部をＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）および、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の回路を用いて構成することも可能である。すなわち、図３に記載された各機能ブロックの機能は、図３に例示されたコンピュータをベースに構成することもできるし、その少なくとも一部をＦＰＧＡおよびＡＳＩＣなどの回路を用いて構成することができる。また、各機能ブロックの機能の少なくとも一部は、アナログ回路によって構成することも可能である。

【0048】

［指令生成部の機能構成例］
図４は、図２の指令生成部の機能構成例を示すブロック図である。図４を参照して、指令生成部２０は、直流電圧指令生成部５０と、交流電圧指令生成部５１と、循環電流指令生成部５２と、コンデンサ電圧指令生成部５３と、アーム電圧指令生成部５４とを含む。

【0049】

直流電圧指令生成部５０は、アーム電流検出器９Ａで検出された各相の上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗと、アーム電流検出器９Ｂで検出された各相の下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗと、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂで検出された直流電圧値Ｖｄｃｐ，Ｖｄｃｎと、直流電流検出器１７で検出された直流電流値Ｉｄｃとに基づいて、直流電圧指令値を生成する。直流電圧指令生成部５０は、たとえば、ＰＩＤ制御器（Proportional-Integral-Differential Controller）などのフィードバック制御器によって構成される。

【0050】

交流電圧指令生成部５１は、交流電圧検出器１０によって検出された各相の交流電圧値Ｖａｃｕ，Ｖａｃｖ，Ｖａｃｗと、交流電流検出器１６によって検出されたＵ相、Ｖ相、Ｗ相の交流電流値Ｉａｃｕ，Ｉａｃｖ，Ｉａｃｗとに基づいて、各相の交流電圧指令値を生成する。交流電圧指令生成部５１は、たとえば、ＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器によって構成される。

【0051】

循環電流指令生成部５２は、まず、レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ流れる循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗを各相の上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗに基づいて計算する。循環電流は、複数のレグ回路４の間を循環する電流である。たとえば、Ｕ相レグ回路４ｕを流れる循環電流Ｉｃｃｕは、
Ｉｃｃｕ＝（Ｉｐｕ＋Ｉｎｕ）／２−Ｉｄｃ／３ …(1)
によって計算できる。循環電流Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗについても同様に計算できる。

【0052】

循環電流指令生成部５２は、算出された各相の循環電流Ｉｃｃｕ，Ｉｃｃｖ，Ｉｃｃｗと、アーム回路ごとに平均化されたキャパシタ電圧Ｖｃａｐとに基づいて各相の循環電流の指令値を算出する。ここで、キャパシタ電圧とは、各サブモジュール７に設けられている直流コンデンサ（蓄電素子とも称する）の電圧である（詳細は、図７を参照して後述する）。循環電流指令生成部５２は、たとえば、ＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器によって構成される。

【0053】

コンデンサ電圧指令生成部５３は、アーム回路ごとに平均化されたキャパシタ電圧Ｖｃａｐと、各相の上アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗおよび下アーム電流Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗに基づいて、各サブモジュール７の直流コンデンサの電圧指令値を生成する。コンデンサ電圧指令生成部５３は、たとえば、ＰＩＤ制御器などのフィードバック制御器によって構成される。

【0054】

アーム電圧指令生成部５４は、上記の各指令生成部を合成することによって、各相の上アーム５用のアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕ，Ｖｎｒｅｆｕ，Ｖｐｒｅｆｖおよび各相の下アーム６用のアーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｖ，Ｖｐｒｅｆｗ，Ｖｎｒｅｆｗを生成する。各相のアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕ，Ｖｎｒｅｆｕ，Ｖｐｒｅｆｖ，Ｖｎｒｅｆｖ，Ｖｐｒｅｆｗ，Ｖｎｒｅｆｗは、電圧指令としてブロードキャスト用の無線通信モジュール２１に伝送される。以下の説明において、いずれの相であるかを特定しない場合には、単にアーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆ，Ｖｎｒｅｆと記載する場合がある。

【0055】

なお、上記で説明した指令生成部２０の機能構成は一例であって、他の構成の指令生成部を本実施の形態に適用することができる。

【0056】

［サブモジュール側の無線ノードの構成例］
図５は、サブモジュール側の複数の無線ノードの構成例を示すブロック図である。図５には、Ｕ相上アーム側の無線ノードの構成と、対応する制御保護装置３側の無線通信モジュール２１，２２とが示されている。他のアーム用の無線ノードの構成も同様である。

【0057】

図２を参照して説明したように、制御保護装置３とサブモジュール７側の複数の無線ノードとの間の通信に用いられる無線周波数帯域は、第１の多元接続方式により３＋６ｎ個のチャネルに分割される。３個のチャネルは、制御保護装置３からサブモジュール７側に電圧指令値を含む制御保護指令を同時送信するのに用いられる。アームごとのｎ個のチャネルは、各アームのサブモジュール７側から制御保護装置３にサブモジュール７の個別情報を送信するのに用いられる。

【0058】

アームごとに割り当てられた第１の多元接続方式のｎ個のチャネルの各々は、第１の多元接続方式と異なる第２の多元接続方式によりｍ個のサブチャネルにさらに分割される。第１の多元接続方式および第２の多元接続方式は、周波数分割多元接続、時分割多元接続、符号分割多元接続などのうちの異なる２つである。典型的には、第１の多元接続方式として周波数分割多元接続が用いられ、第２の多元接続方式として時分割多元接続が用いられる。

【0059】

各サブチャネルに１つの無線ノード６２が対応する。各無線ノード６２は、ｐ個のサブモジュール７と光ファイバ６８を介して接続される。１個の無線ノード６２とｐ個のサブモジュール７とによって変換器モジュール６１が構成される。したがって、電力変換器２の各アームは、ｎ×ｍ個の変換器モジュール６１（すなわち、ｎ×ｍ個の無線ノード６２）を含み、ｎ×ｍ×ｐ個のサブモジュール７を含む。第１の多元接続方式の１つのチャネルにｍ個の変換器モジュール６１（すなわち、ｍ個の無線ノード６２）が対応する。

【0060】

以下、第１の多元接続方式の１つのチャネルに対応するｍ個の変換器モジュール６１をグループと称する。電力変換器２の各アームは、ｎ個のグループを含む。図６を参照して後述するように、各グループは変換器バルブタワーに対応する。

【0061】

図５に示すように、各無線ノード６２は、受信機６３と、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御部６６と、収集部６７と、送信機６５とを含む。これらは、専用回路によって構成してもよいし、ＦＰＧＡなどを利用して構成してもよい。受信機６３および送信機６５の各々はアンテナ６４を介して無線通信を行う。

【0062】

受信機６３は、制御保護装置３のブロードキャスト用の無線通信モジュール２１の対応する相の送信機（３０または３１または３２）から、当該送信機に対応する第１の多元接続方式のチャネルを介して電圧指令値を受信する。

【0063】

ＰＷＭ制御部６６は、受信機６３によって受信した電圧指令値をキャリア信号と比較することにより、位相シフトＰＷＭ制御に従うゲート制御信号（ゲート制御パルスとも称する）をサブモジュール７ごとに生成する。生成されたゲート制御信号は、対応するサブモジュール７に光ファイバ６８を介して転送される。

【0064】

収集部６７は、ｐ個のサブモジュール７の各々から蓄電素子の電圧値（すなわち、キャパシタ電圧）および装置状態などの個別情報を取得する。装置状態は、たとえば、各サブモジュール７の正常または異常の状態および異常要因を示すフラグ値である。

【0065】

送信機６５は、取得した個別情報を、制御保護装置３の対応する無線通信モジュールに設けられた対応する受信機に送信する。この情報送信には、当該送信機６５の属する無線ノード６２に割り当てられた第１の多元接続方式のチャネルおよび第２の多元接続方式のサブチャネルが用いられる。

【0066】

以下、図５を参照して、制御保護装置３の無線通信モジュール２１および２２とＵ相上アーム側の無線ノード６２との間のデータ転送について具体的に説明する。

【0067】

制御保護装置３の無線通信モジュール２１に設けられた送信機３０は、第１の多元接続方式のチャネル（"ch"とも記載する）ＢＣ＿Ｕを介して、Ｕ相上アームのサブモジュール側に配置されたｎ×ｍ個の無線ノードにＵ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｕおよびＵ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕを同時送信する。

【0068】

グループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各受信機６３は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｕを介して無線通信モジュール２１に設けられた送信機３０から、Ｕ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｕおよびＵ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕを受信する。

【0069】

グループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各送信機６５は、無線通信モジュール２２に設けられた第ｉ番目の受信機３３＿ｉにキャパシタ電圧およびサブモジュール７の故障情報などの個別情報を送信する。この送信には、第１の多元接続方式のチャネルＵ１＿ｉおよび第２の多元接続方式の各無線ノード６２に対応するサブチャネルが用いられる。

【0070】

Ｕ相下アーム側、Ｖ相上アーム側、Ｖ相下アーム側、Ｗ相上アーム側、Ｗ相下アーム側のそれぞれの無線ノード６２についても同様である。以下、簡単に説明する。

【0071】

Ｕ相下アームのグループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各々には、受信機６３および送信機６５が設けられる。各無線ノード６２の受信機６３は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｕを介して無線通信モジュール２１に設けられた送信機３０から、Ｕ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｕおよびＵ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕを受信する。各無線ノード６２の送信機６５は、第１の多元接続方式のチャネルＵ２＿ｉおよび第２の多元接続方式の各無線ノード６２に対応するサブチャネルを介して、無線通信モジュール２３に設けられた第ｉ番目の受信機３３＿ｉにサブモジュール７の個別情報を送信する。

【0072】

Ｖ相上アームのグループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各々には、受信機６３および送信機６５が設けられる。各無線ノード６２の受信機６３は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｖを介して無線通信モジュール２１に設けられた送信機３１から、Ｖ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｖおよびＶ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｖを受信する。各無線ノード６２の送信機６５は、第１の多元接続方式のチャネルＶ１＿ｉおよび第２の多元接続方式の各無線ノード６２に対応するサブチャネルを介して、無線通信モジュール２４に設けられた第ｉ番目の受信機にサブモジュール７の個別情報を送信する。

【0073】

Ｖ相下アームのグループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各々には、受信機６３および送信機６５が設けられる。各無線ノード６２の受信機６３は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｖを介して無線通信モジュール２１に設けられた送信機３１から、Ｖ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｖおよびＶ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｖを受信する。各無線ノード６２の送信機６５は、第１の多元接続方式のチャネルＶ２＿ｉおよび第２の多元接続方式の各無線ノード６２に対応するサブチャネルを介して、無線通信モジュール２５に設けられた第ｉ番目の受信機にサブモジュール７の個別情報を送信する。

【0074】

Ｗ相上アームのグループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各々には、受信機６３および送信機６５が設けられる。各無線ノード６２の受信機６３は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｗを介して無線通信モジュール２１に設けられた送信機３２から、Ｗ相上アーム電圧指令値ＷｐｒｅｆｗおよびＷ相下アーム電圧指令値Ｗｎｒｅｆｗを受信する。各無線ノード６２の送信機６５は、第１の多元接続方式のチャネルＷ１＿ｉおよび第２の多元接続方式の各無線ノード６２に対応するサブチャネルを介して、無線通信モジュール２６に設けられた第ｉ番目の受信機にサブモジュール７の個別情報を送信する。

【0075】

Ｗ相下アームのグループ＃ｉ（ｉ＝１〜ｎ）に設けられたｍ個の無線ノード６２＿１〜６２＿ｍの各々には、受信機６３および送信機６５が設けられる。各無線ノード６２の受信機６３は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｗを介して無線通信モジュール２１に設けられた送信機３２から、Ｗ相上アーム電圧指令値ＷｐｒｅｆｗおよびＷ相下アーム電圧指令値Ｗｎｒｅｆｗを受信する。各無線ノード６２の送信機６５は、第１の多元接続方式のチャネルＷ２＿ｉおよび第２の多元接続方式の各無線ノード６２に対応するサブチャネルを介して、無線通信モジュール２７に設けられた第ｉ番目の受信機にサブモジュール７の個別情報を送信する。

【0076】

図５では、制御保護装置３の無線通信モジュール２１に設けられた送信機３０は、第１の多元接続方式のチャネルＢＣ＿Ｕを介して、Ｕ相の全ての無線ノードに対してＵ相上アーム電圧指令値ＶｐｒｅｆｕおよびＵ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕを同時送信しているが、ＢＣ＿Ｕを２つのチャネルに分け、１方をＵ相上アーム用チャネル、他方をＵ相下アーム用チャネルとしてもよい。この場合、Ｕ相上アーム用チャネルはＵ相上アーム電圧指令値Ｖｐｒｅｆｕのみを、Ｕ相下アーム用チャネルはＵ相下アーム電圧指令値Ｖｎｒｅｆｕのみを送信する。

【0077】

［変換器バブルタワーの構成例］
図６は、変換器バルブタワーの構成例を示す斜視図である。図６の斜視図は、図５のＵ相上アーム用の第１番目のグループ６０＿Ｕ１＿１に対応する変換器バブルタワーの物理的な構成例を示す。図６では、第１番目のグループ６０＿Ｕ１＿１に属する変換器モジュール６１の個数ｍを５とし、各変換器モジュール６１に属するサブモジュール７の個数ｐを８としている。

【0078】

図６に示すように、１つの変換器モジュール６１を構成するｐ個（ｐ＝８）のサブモジュール７は、Ｙ方向に一列に並べられ、トレイ（tray）状の絶縁性容器７０内に配置される。一例として示した図６の絶縁性容器７０は、略長方形状の底板７１と、底板７１の周縁部から起立する側板７２とによって構成される。手前側（−Ｙ方向側）の側板７２には、変換器モジュール６１を構成する無線ノード６２が取り付けられる。そして、ｍ個（ｍ＝５）の絶縁性容器７０が、支柱７３によって支持されて上下方向（Ｚ方向）に積み上げられることによって、変換器バブルタワーが構成される。上下方向に隣接する絶縁性容器７０の端部に配置されたサブモジュール７は、ブスバーなどの配線（不図示）によって相互に接続される。

【0079】

上記のように、同一の変換器モジュール６１を構成するｐ個のサブモジュール７と無線ノード６２とは同一の絶縁性容器７０に取り付けられる。これによって、無線ノード６２と各サブモジュール７との光ファイバ６８（図６では不図示）による接続を簡単化できる。

【0080】

［サブモジュールの構成例］
図７は、図１の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。図７に示すサブモジュール７は、ハーフブリッジ型のブリッジ回路８０ＨＢと、ゲート駆動部８１と、蓄電素子としての直流コンデンサ８４と、電圧検出部８７と、通信部８８とを含む。

【0081】

ハーフブリッジ型のブリッジ回路８０ＨＢは、互いに直列接続されたスイッチング素子８２Ａ，８２Ｂと、ダイオード８３Ａ，８３Ｂとを含む。ダイオード８３Ａ，８３Ｂは、スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂとそれぞれ逆並列（すなわち、並列かつ逆バイアス方向）に接続される。直流コンデンサ８４は、スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂの直列接続回路と並列に接続され、直流電圧を保持する。スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂの接続ノードは高電位側の入出力端子８６Ｐと接続される。スイッチング素子８２Ｂと直流コンデンサ８４の接続ノードは低電位側の入出力端子８６Ｎと接続される。

【0082】

典型的には、入出力端子８６Ｐは、正極側に隣接するサブモジュール７の入出力端子８６Ｎと接続される。入出力端子８６Ｎは、負極側に隣接するサブモジュール７の入出力端子８６Ｐと接続される。

【0083】

各スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂには、オン動作とオフ動作の両方を制御可能な自己消弧型のスイッチング素子が用いられる。スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂは、たとえば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）またはＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off thyristor）である。

【0084】

バイパススイッチＳＷは、入出力端子８６Ｐ，８６Ｎ間に接続される。バイパススイッチＳＷは、接点を閉じることによりスイッチング素子８２Ｂの両端を短絡可能に構成されるスイッチであり、事故電流の通電が可能である。すなわち、バイパススイッチＳＷは、サブモジュール７を短絡することにより、サブモジュール７に含まれる各素子（スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂ、ダイオード８３Ａ，８３Ｂおよび直流コンデンサ８４）を事故時に発生する過電流から保護する。

【0085】

また、バイパススイッチＳＷは、サブモジュール７の各素子が故障した場合に、当該サブモジュール７を短絡させる際にも利用される。これにより、複数のサブモジュール７のうちの任意のサブモジュール７が故障しても、他のサブモジュール７を利用することにより電力変換装置１の運転継続が可能となる。

【0086】

電圧検出部８７は、直流コンデンサ８４の両端８４Ｐ，８４Ｎの間の電圧（すなわち、キャパシタ電圧）を検出する。

【0087】

通信部８８は、対応する無線ノード６２のＰＷＭ制御部６６から受信したスイッチング素子８２Ａ，８２Ｂのオン／オフ指令をゲート駆動部８１に伝達する。通信部８８は、さらに、サブモジュール７の異常判定情報と、電圧検出部８７によって検出されたキャパシタ電圧の情報とを、対応する無線ノード６２の収集部６７に送信する。

【0088】

ゲート駆動部８１は、通信部８８から受信したオン／オフ指令に従って、各スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂのゲート電圧を制御する。スイッチング素子８２Ａがオン状態であり、スイッチング素子８２Ｂがオフ状態のとき、入出力端子８６Ｐ，８６Ｎ間には直流コンデンサ８４の両端間の電圧が印加される。逆に、スイッチング素子８２Ａがオフ状態であり、スイッチング素子８２Ｂがオン状態のとき、入出力端子８６Ｐ，８６Ｎ間は０Ｖとなる。

【0089】

ダイオード８３Ａ，８３Ｂは、スイッチング素子８２Ａ，８２Ｂに逆方向電圧が印加されたときの保護のために設けられている。

【0090】

上記のゲート駆動部８１、電圧検出部８７、および通信部８８は、専用回路によって構成してもよいし、ＦＰＧＡなどを利用して構成してもよい。

【0091】

上記では、サブモジュール７のブリッジ回路がハーフブリッジ型のブリッジ回路である構成について説明したが、当該構成に限られない。たとえば、サブモジュール７は、フルブリッジ型のブリッジ回路、またはスリークオーターブリッジ型のブリッジ回路を用いて構成されていてもよい。

【0092】

［実施の形態１の効果］
以下、実施の形態１の電力変換装置において、通信接続形態の特徴および効果についてまとめる。

【0093】

電力変換器２の各アーム側に複数台のサブモジュール７を接続可能な無線ノード６２が複数設けられる。各無線ノード６２は、複数のサブモジュール７のＰＷＭ制御機能を有するＰＷＭ制御部６６を含む。これにより、制御保護装置３側に各サブモジュールのＰＷＭ制御機能を持たせる場合よりも、制御保護装置３から各サブモジュール側への通信量を減らすことができる。

【0094】

各無線ノード６２は、制御保護装置３からの制御保護指令のブロードキャスト送信を受信するための受信機６３と、対応するサブモジュール７の個別情報（たとえば、キャパシタ電圧および装置状態など）を送信するための送信機６５とを独立して搭載する。受信機６３および送信機６５には、第１の多元接続方式の異なるチャネルが割り当てられる。これによって、双方向の同時通信（デュープレックス）が可能になる。

【0095】

１台の無線ノード６２で複数のサブモジュール７のＰＷＭ制御が可能である。無線ノード６２と複数のサブモジュール７とは光ファイバで接続される。無線ノード６２は、対応する複数のサブモジュール７にＰＷＭ制御に基づくゲート制御信号（ゲート制御パルスとも称する）を送信する。これにより、電力変換器２全体として搭載する無線ノード６２の個数を少なくできる。

【0096】

各無線ノード６２の収集部６７は、接続されたサブモジュール７のキャパシタ電圧および装置状態などの個別情報を収集する。各無線ノード６２の送信機６５に割り当てられた第１の多元接続方式のチャネルは、第２の多元接続方式の複数のサブチャネルにさらに分割される。各無線ノード６２は、第１の多元接続方式の対応するチャネルおよび第２の多元接続方式の対応するサブチャネルを用いて送信信号を生成する。このように第１の多元接続方式および第２の多元接続方式を用いて通信に用いる周波数帯域を分割することにより、時間ロスの少ない低遅延通信を実現できる。

【0097】

制御保護装置３は、サブモジュール７側の複数の無線ノード６２との通信用に複数の無線通信モジュール２１〜２７を搭載する。制御保護装置３は、制御保護指令の配信用にブロードキャスト通信用の無線通信モジュール２１を搭載する。無線通信モジュール２１は、相ごと又はアームごとに設けられ、第１の多元接続方式の異なるチャネルが割り当てられる。さらに、アーム毎に設けられた無線通信モジュール２２〜２７の各々にも、第１の多元接続方式の異なる複数のチャネルが割り当てられる。

【0098】

図２および図５の例では、各アームの複数のサブモジュールおよび複数の無線ノード６２は、ｎ個の変換器バブルタワー６０に分割して搭載される。変換器バブルタワー６０は、上下方向にｍ段の絶縁性容器７０を有し、各絶縁性容器７０に１個の無線ノード６２とｐ個のサブモジュール７とが収納される。変換器バブルタワー６０に第１の多元接続方式の１チャネルが割り当てられ、各々の絶縁性容器７０の無線ノード６２に第２の多元接続方式の１つのサブチャネルが割り当てられる。このような構成により、無線ノード６２と各サブモジュール７との光ファイバ６８による接続を簡単化できる。また、制御保護装置３と各変換器バブルタワー６０との通信を無線化することにより、光ファイバ敷設コストを削減できる。

【0099】

実施の形態２．
実施の形態２では、実施の形態１で示した第１の多元接続方式として周波数分割多元接続を用い、第２の多元接続方式として時分割多元接続方式を用いる例について説明する。

【0100】

［無線周波数の割り当て例］
図８は、周波数分割多元接続方式による周波数割り当て例を示す図である。図８では、ブロードキャスト通信用に３個の周波数チャネルが割り当てられ、各アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルを割り当てられる。これにより、通信の衝突を避け、多数チャネルの双方向の同時通信が可能になる。

【0101】

具体的に図８に示すように、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相の制御保護指令のブロードキャスト通信用に周波数チャネルＢＣ＿Ｕ，ＢＣ＿Ｖ，ＢＣ＿Ｗがそれぞれ割り当てられる。Ｕ相上アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルＵ１＿１〜Ｕ１＿ｎが割り当てられる。Ｕ相下アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルＵ２＿１〜Ｕ２＿ｎが割り当てられる。Ｖ相上アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルＶ１＿１〜Ｖ１＿ｎが割り当てられる。Ｖ相下アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルＶ２＿１〜Ｖ２＿ｎが割り当てられる。Ｗ相上アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルＷ１＿１〜Ｗ１＿ｎが割り当てられる。Ｗ相下アームの個別情報の通信用にｎ個の周波数チャネルＷ２＿１〜Ｗ２＿ｎが割り当てられる。

【0102】

［無線通信フロー］
図９は、無線通信フローを示すタイミング図である。図９には、制御保護周期の１周期分のタイミングチャートが示されている。

【0103】

まず、制御保護装置３から各サブモジュール側への下り方向の通信には、電圧指令値などの制御指令値およびゲートブロック指令などの保護指令値が、ブロードキャスト通信用の周波数チャネル（ＢＣ＿Ｕ，ＢＣ＿Ｖ，ＢＣ＿Ｗ）を用いて、全サブモジュールに同時通知される。

【0104】

次に、各サブモジュールから制御保護装置３への上り方向の通信には、サブモジュール７の個別情報（キャパシタ電圧および装置状態など）が、周波数分割多元接続と時分割多元接続とを併用することにより伝達される。

【0105】

具体的に、周波数チャネルごとに、複数台（図９ではｍ台）の無線ノード６２が接続される。接続される複数の無線ノード６２ごとに個別のタイムスロットが割り当てられる。すなわち、Ｕ相上アーム用の周波数チャネルＵ１＿１〜Ｕ１＿ｎ、Ｕ相下アーム用の周波数チャネルＵ２＿１〜Ｕ２＿ｎ、Ｖ相上アーム用の周波数チャネルＶ１＿１〜Ｖ１＿ｎ、Ｖ相下アーム用の周波数チャネルＶ２＿１〜Ｖ２＿ｎ、Ｗ相上アーム用の周波数チャネルＷ１＿１〜Ｗ１＿ｎ、Ｗ相下アーム用の周波数チャネルＷ２＿１〜Ｗ２＿ｎの各々ごとに、複数個（図９ではｍ個）のタイムスロットが割り当てられる。

【0106】

各無線ノード６２は、時計機能を有する。無線ノード６２は、制御保護装置３から定期的にタイミング信号を受信することにより、時刻同期を行う。

【0107】

各無線ノード６２と制御保護装置３の無線通信モジュール２２〜２７との間の通信には、ＴＳＮ（Time-Sensitive Networking）など、時刻同期性が保証されたネットワーク技術が用いられ、これによりタイムスロット管理が行われる。具体的に、各無線ノード６２は、ノード番号と時計機能により、自身に割り当てられたタイムスロットを認識し、当該タイムスロットでサブモジュール７の個別情報を送信する。これにより、通信の優先順位の調停または通信衝突後の再送信による時間ロスを回避でき、無駄時間の少ない低遅延通信を実現できる。

【0108】

なお、各無線ノード６２にｐ台のサブモジュール７を接続する場合、１アームあたりのサブモジュール７の総台数は、ｎ×ｍ×ｐとなる。

【0109】

［実施の形態２の効果］
上記のとおり実施の形態２の電力変換装置によれば、実施の形態１で示した第１の多元接続方式として周波数分割多元接続が用いられ、第２の多元接続方式として時分割多元接続方式が用いられる。具体的に、サブモジュール７側から制御保護装置３への上り方向の通信では、アームごとに複数（ｎ個）の周波数チャネルが割り当てられ、各周波数チャネルに複数台（ｍ台）の無線ノード６２が割り当てられる。さらに、各周波数チャネルに割り当てられた無線ノード６２ごとに個別のタイムスロットが割り当てられる。これにより、通信の調停または通信衝突後の再送信による時間ロスを回避でき、無駄時間の少ない低遅延通信を実現できる。

【0110】

実施の形態３．
実施の形態３では、各無線ノード６２のＰＷＭ制御部６６の動作について説明する。特に、位相シフトＰＷＭ制御において、サブモジュール７が故障した場合の位相シフト量の再調整について説明する。

【0111】

［ＰＷＭ制御部の動作］
図１０は、無線ノードに設けられたＰＷＭ制御部の動作を説明するためのブロック図である。図１０を参照して、ＰＷＭ制御部６６は、キャリア信号生成器９０と比較器９１とを含む。

【0112】

キャリア信号生成器９０は、サブモジュール７ごとに異なる位相シフト量のキャリア信号を出力する。キャリア信号は、たとえば三角波である。より詳細には、キャリア信号生成器９０は、グループ番号ｘ、無線ノード番号ｙ、サブモジュール番号ｚ、および故障したサブモジュール７の個数ｑに応じた位相シフト量を有するキャリア信号を生成する。ただし、ｘ＝１〜ｎ、ｙ＝１〜ｍ、ｚ＝１〜ｐであり、１アームあたりのサブモジュールの総数はｎ×ｍ×ｐである。

【0113】

比較器９１は、電圧指令値とキャリア信号とを比較する。比較器９１は、電圧指令値のほうがキャリア信号よりも大きい場合にハイレベルとなり、電圧指令値がキャリア信号以下の場合にローレベルとなるようなゲートパルス信号を生成する。

【0114】

ここで、キャリア信号の周期をＴとすると、１サブモジュールごとのキャリア信号の位相シフト量Δは、
Δ＝Ｔ／（ｎ×ｍ×ｐ） …(2)
で与えられる。

【0115】

同一の無線ノード６２に接続されるｐ個のサブモジュール７に対応するキャリア信号の位相は、上記の位相シフト量Δずつずれているとする。さらに、グループ番号ｘおよび無線ノード番号ｙが小さいほどキャリア信号の位相シフトが小さいとする。この場合、１つの無線ノード６２ごとの位相シフト量Ｄは、
Ｄ＝Ｔ／（ｎ×ｍ） …(3)
で与えられる。さらに、第ｘ番目のグループの第ｙ番目の無線ノード６２に接続されたｚ＝１番目のキャリア信号の位相シフト量は、
［ｍ（ｘ−１）＋ｙ−１］・Ｄ …(4)
のように表される。

【0116】

［サブモジュールの故障時の位相シフト量の再調整］
図７を参照して説明したように、サブモジュール７が故障した場合には、バイパススイッチＳＷの接点が閉じられることにより、当該サブモジュール７が短絡される。この場合、残りのサブモジュール７に用いられるキャリア信号の位相シフト量が不均一にならないように、位相シフト量を再調整する必要がある。

【0117】

位相シフト量を再調整する場合には、故障したサブモジュール７を除いて各アームを構成する全てのサブモジュール７で均等に位相シフト量を割り振るのが望ましい。しかし、本開示の電力変換装置１の場合には、制御保護装置３とサブモジュール７側との間で無線通信する必要があるので、位相シフト量の調整に手間と時間がかかる。

【0118】

そこで、本開示の電力変換装置１では、変換器モジュール６１ごとに局所的に位相シフト量の再調整が行われる。たとえば、ある変換器モジュール６１において、ｐ個のサブモジュール７のうちｑ個のサブモジュール７が故障したとする。この場合、当該変換器モジュール６１のＰＷＭ制御部６６は、１つのサブモジュール７ごとの位相シフト量Δを、
Δ＝Ｄ／（ｐ−ｑ） …(5)
に設定する。故障したサブモジュール７が含まれていない他の変換器モジュール６１では、位相シフト量の再調整は行われない。

【0119】

図１１は、サブモジュールの故障時の位相シフト量の再調整について説明するための図である。図１１では、変換器モジュール６１ごとに８個（ｐ＝８）のサブモジュール７が設けられている。第ｘ番目のグループの第ｙ番目の無線ノード６２に接続された８個のサブモジュール（＃１〜＃８）のうち２個（ｑ＝２）のサブモジュール（＃３，＃６）が故障したとする。

【0120】

図１１（Ａ）は、当該無線ノード６２の８個全てのサブモジュール７が正常な場合を示す。この場合、［ｍ（ｘ−１）＋ｙ−１］・Ｄから［ｍ（ｘ−１）＋ｙ］・Ｄまでの位相範囲が８等分されることによって、各サブモジュール７ごとの位相シフト量が決定される。

【0121】

図１１（Ｂ）は、＃３と＃６のサブモジュール７が故障した場合を示す。この場合、［ｍ（ｘ−１）＋ｙ−１］・Ｄから［ｍ（ｘ−１）＋ｙ］・Ｄまでの位相範囲が６等分されることによって、各サブモジュール７ごとの位相シフト量が決定される。

【0122】

［実施の形態３の効果］
実施の形態３の電力変換装置１によれば、ある変換器モジュール６１においてサブモジュール７が故障した場合には、当該変換器モジュール６１の正常なサブモジュール７について位相シフト量が均等になるように局所的に再調整される。これによって、アーム全体のサブモジュール７ごとの位相シフト量を再調整する必要がないので、制御保護装置３と各サブモジュール７側の無線ノード６２との間の無線通信量を削減できる。

【0123】

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。この出願の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【符号の説明】

【0124】

１ 電力変換装置、２ 電力変換器、３ 制御保護装置、４ レグ回路、５ 上アーム、６ 下アーム、７ サブモジュール、１２ 交流回路、１３ 変圧器、１４ 直流回路、２０ 指令生成部、２１〜２７ 無線通信モジュール、３０，３１，３２，６５ 送信機、３３，３４，６３ 受信機、５０ 直流電圧指令生成部、５１ 交流電圧指令生成部、５２ 循環電流指令生成部、５３ コンデンサ電圧指令生成部、５４ アーム電圧指令生成部、６０ グループ（変換器バブルタワー）、６１ 変換器モジュール、６２ 無線ノード、６６ 制御部、６７ 収集部、６８ 光ファイバ、７０ 絶縁性容器、７１ 底板、７２ 側板、７３ 支柱、８０ＨＢ ブリッジ回路、８１ ゲート駆動部、８２Ａ，８２Ｂ スイッチング素子、８３Ａ，８３Ｂ ダイオード、８４ 直流コンデンサ（蓄電素子）、８６Ｎ，８６Ｐ 入出力端子、８７ 電圧検出部、８８ 通信部、９０ キャリア信号生成器、９１ 比較器。

【要約】

電力変換装置において、複数のグループ（６０）には、第１の多元接続方式の複数のチャネルがそれぞれ割り当てられる。複数のグループ（６０）の各々に含まれる複数の無線ノード（６２）には、第１の多元接続方式の対応するチャネルを分割した第２の多元接続方式の複数のサブチャネルがそれぞれ割り当てられる。各無線ノード（６２）の第１の送信機（６５）は、割り当てられたチャネルおよびサブチャネルを介して、接続されたサブモジュール（７）から受信した個別情報を制御保護装置（３）の第２の受信機（３３）に送信する。制御保護装置（３）の第２の送信機（３０）は、第１の多元接続方式の複数のチャネルと異なるチャネルを介して、複数の無線ノード（６２）の各々の第１の受信機（６３）に共通の制御保護指令を同時送信する。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】