JP2004524795A - Vscコンバータ - Google Patents
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Abstract
本発明は、高圧直流電圧と交流電圧間の双方向の変換を行うVSCコンバータに関係する。該コンバータは、コンバータの直流電圧側の正及び負の2電極(4、5)間に、直列接続された少なくとも2つの電流バルブを有する。各電流バルブは、ターンオフ型の半導体素子(9)と、それと逆並列に接続された整流部材(10)とを有する。交流電圧位相線(12)が位相出力部と称される中間点(11)に結線され、2つの電流バルブ間の直列接続部を等分する。本発明によれば、コンバータは、位相出力部(11)における対アース電圧誘導の制限手段を有し、該手段は1又は複数の容量性部材(20、22、23、24、36、37、38)を有し、それを介して位相出力部(11)が接地される。前記容量性部材(20、22、23、24、36、37、38)は、位相出力部(11)における有害な大容量の対アース電圧誘導を防止するのに適したキャパシンタンスで構成される。本発明は、前記VSCコンバータを有する高圧直流電流(HVDC)用の直流電圧網を介して送電するプラントにも関係する。
【選択図】図1
【選択図】図1
Description
【技術分野】
【0001】
本発明は、請求項1の前提部分に記載のVSCコンバータに関する。また、本発明は、高圧直流電圧(HVDC)の直流電圧網を通じて電力を送電するプラントにも関わる。
【背景技術】
【0002】
直流電圧網と交流電圧網間を接続するVSCコンバータは非特許文献1などから公知である。この刊行物には、前記コンバータを利用して高圧直流電流(HVDC)の直流電圧網を通じて電力を送電するプラントが記述されている。この論文の発表前は、直流電圧網と交流電圧網間に電力を送電するプラントは、送電所で網の転流を行うCSC(電流源コンバータ)コンバータの使用に基づいていた。しかし、この論文には全く新しい概念が開示されている。該概念は、高電圧直流電流の場合に過大電圧となる直流電圧網とそこに接続される交流電圧網との間の送電を行うために、強制転流するVSC(電圧源コンバータ)コンバータを代用することに基づいており、HVDCにおける網転流CSCコンバータの使用と比較して複数の大きな利点を提供する。その中でも、有効電力と無効電力の消費を互いに独立に制御できることと、網転流CSCでは発生する場合がある、コンバータ内における転流不良のリスクがなく、よって異なるHVDCリンク間に転流不良が発生するリスクがなくなることは注目に値する。さらに、弱い交流電圧網又はそれ自身が何も生成しない網(不通交流電圧網)に給電することが可能である。その他にも利点を有する。
【0003】
本発明のVSCコンバータは、高圧直流電流(HVDC)の直流電圧網を通じて送電するプラント内に具備され、例えば、直流電圧網から交流電圧網に対して送電することができる。この場合、コンバータは直流電圧網に接続される直流電圧側と交流電圧網に接続される交流電圧側とを有する。しかし、本発明のVSCコンバータは、高圧ジェネレータ又はモータ等の負荷に直接的に接続することもできる。その場合、コンバータの直流電圧側か交流電圧側のいずれかを、ジェネレータ又はモータに接続する。本発明はこれらの用途に限定されるものではなく、逆に本コンバータは、同様にSVC(静止形無効電力補償装置)又はバックツーバック局(back to back station)における変換にも使用できる。コンバータの直流電圧側の電圧は有利には高く、10−400kV、好ましくは130−400kVである。本発明のコンバータは、上述の装置以外の他の種類のFACTS(Flexible Alternating Current Transmission)装置に具備することもできる。
【0004】
PWM(パルス幅変調)技術を用いて制御されることの多い今日の高圧用VSCコンバータは、コンバータがスイッチングしているとき位相出力部上に非常に大きい対アース電圧誘導(dV/dt)を示す。この接続部に続いて発生する過渡電圧は、通常約1μs間存続する。例えば、位相出力が+300kVから−300kVに切り替わる場合、結果的に約600kV/μsに相当する電圧誘導が発生する場合がある。この非常に大きな電圧誘導により、特にリードスルー及びリアクタ、更にはフィルタ、ケーブル、計測センサ、変圧器及びVSCコンバータに接続される他の電気設備にも大きな容量性電流が発生する。このような容量性電流は、前記装置に局部加熱及び過熱を発生させる。当該電流はまた、リアクタ及び変圧器に局部的に高い電界を発生させ、それにより、例えば、機能停止、又は長期的には絶縁系に損傷を与える部分放電が引起される。さらに、過渡電圧は、コンバータ本体及びコンバータに接続される電気設備から放出される無線妨害を引起す。位相出力部の高速過渡電圧はまた、コンバータに接続される電気設備内部又はその間で様々な共振を起こし始め、それにより加熱、高い絶縁負担又は共振周波数について高レベル無線妨害を誘発する。
【非特許文献1】
Anders Lindbergによる論文"PWM and control of two and three level High Power Voltage Source Converters" (Royal Institute of Technology, Stockholm, 1995 )
【特許文献1】
米国特許第5047913号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的
本発明の目的は、上述の課題を解決する請求項1の前提部分に記載のVSCコンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明によれば、前記目的は、請求項1の特徴を有するVSCコンバータにより達成される。
【0007】
従って、本発明による解決法では、VSCコンバータは該コンバータの位相出力部が接地される1又は複数の容量性部材を具備することを開示している。前記容量性部材は、位相出力部における有害で多大な対アース電圧誘導を防止するのに適したキャパシタンスを有する。位相出力部に比較的高い対アースキャパシタンスを配設することにより、コンバータでは、高い対アース誘導電圧の発生が防止される。それにより上述の課題を本質的に軽減することができる。位相出力部とアース間のキャパシタンスは、状況に応じて、つまり、コンバータの電圧及びスイッチング周波数に応じて決定される。
【0008】
VSCコンバータは、通常、位相出力部のアースに対して非常に低いキャパシタンスを有し、それがアースに対して素早く電圧変化させる前提条件である。本発明による解決法では、VSCコンバータを構成する一般的な原理とは逆行する当該技術分野における新しい技術的思想を開示している。位相出力部とアース間のキャパシタンスはスイッチング時間を延長する。例えば、HVDC(高圧直流電流)、SVC及びバックツーバック等の応用分野では、PWM技術を用いて制御されるコンバータは、位相出力部が切換わる周波数であるスイッチング周波数を1kHzオーダーで使用していることが多い。しかし、より高い及びより低いスイッチング周波数が発生することもある。例えば1kHzのスイッチング周波数における位相出力部とアース間の容量性部材(適当であれば複数も可)が、位相出力部が代表的な位相電流で例えば10−20μs間スイッチがオンとなるように設計されている場合、このスイッチング時間はPWM周期全体の一部に相当するにすぎない。従って、変調角度が高くなる可能性は、このように構成されたVSCコンバータではあまり影響されない。しかし、位相出力部とアース間のキャパシタンスにより延長されたスイッチング時間は、位相出力部の対アース電圧誘導をかなり減少させ、それにより、従来型のVSCコンバータを用いた場合と比較して、また非常に高い電圧用のVSCコンバータの場合も、かなり容易に対処できるレベルまで上記課題が軽減される。
【0009】
本発明による解決法は、VSCコンバータが、例えば、130〜400kVの網電圧で高圧網に接続されると特に有利であるが、例えば、10〜130kVオーダーの低い網電圧でも有利である。
【0010】
本発明の好ましい実施形態によると、コンバータはアースに接続される導電材料の外部筐体を有し、前記容量性部材は、位相出力部と前記筐体との間に接続される。これにより、コンバータの筐体外部のリードスルー又は電気設備での高過渡電流誘導が回避される。当該筐体は、アルミニウム等の金属で形成されるのが好ましい。
【0011】
本発明の別の好ましい実施形態によると、当該コンバータは、前記容量性部材を再充電する共振回路を有する。位相出力部とアース間に配設される容量性部材を再充電する共振回路を使用することにより、位相出力部の対アース電圧誘導の制限に加えて、コンバータのターンオフ型の半導体素子内のスイッチング損失を制限することができる。共振回路は、いわゆるARCP回路(補助共振転流ポール(Auxiliary Resonant Commutation Pole)回路)であることが好ましい。該ARCP回路は、コンバータのメインバルブの半導体素子のターンオンに接続する位相出力部とアース間の容量性部材を再充電するのに適しているので、前記半導体素子は、高圧の代わりに低圧でオン状態に切換えることができる。それによりメインバルブの半導体素子のターンオン損失が制限される。共振回路は、位相電流が低いために位相出力部での電圧のスイッチング時間が法外に長くなる場合に、コンバータのメインバルブの半導体素子のターンオフにも使用される。
【0012】
本発明のVSCコンバータのさらに好ましい実施形態は、特許請求の範囲及び以下の説明から明らかにする。
【0013】
本発明は、請求項14の記載に従い、高圧直流電流(HVDC)の直流電圧網を通じて電力を送電するプラントにも関わる。
【0014】
添付図を参照して実施例により本発明をさらに詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
好ましい実施形態の詳細な説明
VSCコンバータには複数の構成が知られている。全ての構成において、VSCコンバータは、複数のいわゆる電流バルブを備え、各電流バルブはIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)又はGTO(ゲートターンオフサイリスタ)等のターンオフ型の半導体素子と、それと逆並列に接続された転流ダイオードと呼ばれるダイオードからなる整流部材とを備える。ターンオフ型の各半導体素子は、通常、複数の独立したIGBT又はGTO等、複数の直列接続されて同時制御されるターンオフ型半導体構成要素で構築される。高圧用途においては、各電流バルブが保持する電圧をブロッキング状態に維持するため、比較的多数の前記半導体構成要素を必要とする。これと対応して、各整流部材は複数の直列接続された整流構成要素で構築される。ターンオフ型の半導体構成要素と整流構成要素は直列接続された複数の回路内に配設された電流バルブ内に存在する。つまり、各回路は、1つのターンオフ型の半導体構成要素とそれと逆並列に接続された1つの整流構成要素とを備える。
【0016】
本発明の複数の選択的な実施形態によるVSCコンバータが図1ないし図5に示されている。図1ないし図5では、交流電圧の位相線(phase line)の一相に接続されるコンバータの一部分のみが図示されている。相の数は通常3つであるが、これが単相交流電圧網に接続される場合は完全なコンバータを構成する場合もある。コンバータの図示された部分は、いわゆる位相脚(phase leg)を構成し、例えば三相交流電圧網に適したVSCコンバータは、図示されたような位相脚を3つ有する。
【0017】
図1ないし図5に示されたVSCコンバータの位相脚は、コンバータの直流電圧側の2電極4、5間に直列接続された2つの電流バルブ2、3を有する。本明細書では中間リンクキャパシタと称する2つの直列接続されたキャパシタ6、7が、2電極4、5間に配設され、その間の地点8は通常、各電極の電位がそれぞれ+U/2と−U/2となるように接地される。Uは2電極4、5間の電圧である。
【0018】
上記の通り、各電流バルブ2、3は、IGBT又はGTOといったターンオフ型の半導体素子9と、それと逆並列に接続された転流ダイオード等のダイオードからなる整流部材10とからなる。各電流バルブ2、3には、ターンオフ型の1つの半導体素子9と1つの整流部材10の記号のみ図示されているが、これらの記号は、上記の通りそれぞれ複数のターンオフ型の半導体構成要素と整流構成要素とを示す場合もある。
【0019】
コンバータの位相出力部をなす、2つの電流バルブ2、3間の直列接続部の中間点11は交流電圧位相線12に結線される。このように、前記直列接続は電流バルブ2と3の各部分に等分される。
【0020】
図1では、VSCコンバータの位相出力部11が、リードスルー14、リアクタ15、電流及び/又は電圧を測定するセンサ16、フィルタ17、ケーブル18及び変圧器19で形成される電気設備を介して配電網又は送電網13に接続される様子を図示している。
【0021】
本発明によると、VSCコンバータ1には、位相出力部11における対アース電圧誘導の制限手段が具備され、前記手段は1又は複数の容量性部材を具備し、該部材を介して位相出力部11は接地されている。前記容量性部材は、位相出力部11における、有害な大容量の対アース電圧を防止するようなキャパシタンスで構成される。前記容量性部材は、VSCコンバータの外部筐体21内に配設されるのが好ましく、該筐体は好ましくは金属の導電材製であり、接地されている。その結果、筐体21は適切に画成された接地点を構成するので、前記容量性部材は筐体21を介して有効に接地することができる。
【0022】
図1の実施形態では、前記手段は、位相出力部11とアース間で結線されたキャパシタからなる容量性部材20からなる。容量性部材20は中間リンクキャパシタ6、7の上記直列接続部の中間点8に結線され、さらに、当該中間点8は筐体21を介して接地されている。
【0023】
コンバータの直流電圧側がいわゆるDC中間リンクにより構成されるSVC及びバックツーバックに適用する場合、中間リンクキャパシタ6、7の直列接続部の中間点8を接地しないことが有利な場合がある。位相出力部11とアース間に直接容量性部材を配設する別の解決法は、図5に示されたように、DC中間リンクの中間点8とアース間にキャパシタ22を配設することにより位相出力部11とアース間に静電結合を達成することである。
【0024】
図2は、上記手段に含まれる2つ容量性部材23、24の選択的な配設箇所を示している。一方の容量性部材は、位相出力部11とコンバータの接地された筐体21との間に直接接続されるキャパシタ23である。発生した交流電圧に対して有害な作用をもたないよう、キャパシタは低誘導型でなければならない。他方の容量性部材24は、交流電圧位相線12と筐体の間に配設されたリードスルー14により形成される。そのリードスルーはその構成を適切に調整することにより目的に適したキャパシタンスを取得することができる。容量性部材24は、同様に位相出力部11とコンバータの接地された筐体21との間にも直接接続されており、キャパシタンス23と同様に低誘導でなければならない。図2には、リードスルー14の詳細な拡大図も示され、破線で示す線がリードスルー内を通ってコンバータの筐体21に静電結合されている様子が図示されている。
【0025】
本発明によるコンバータは、位相出力部11における対アース電圧誘導の上記制限手段に含まれる容量性部材を再充電するための共振回路を適宜備えている。ここでは、それ自体は周知の異なる種類の共振回路が使用されている。しかし、当該共振回路は、ここで問題とする目的に非常に適していると実証されている、いわゆるARCP回路(補助共振転流ポール回路)であることが好ましい。
【0026】
このようなARCP回路の好ましい実施形態が図3と図4に示されている。ここでは、ARCP回路は、直列接続された2つ1組の補助バルブ回路31、32を有し、それぞれがIGBT又はGTO等のターンオフ型の半導体構成要素33と、それと逆並列に接続された転流ダイオード等のダイオードからなる整流構成要素34とを有する。当該2つの補助バルブ回路31、32のターンオフ型の半導体素子33は、相互に対極に配設される。ARCP回路は、さらに、前記補助バルブ30と直列接続された少なくとも1つのインダクタ35を有する。また、ARCP回路は、適切な場合には直列接続された複数組の補助バルブ回路を有することもできるし、当然、その他の点についても図3と図4に示された以外の別の構成を有することもできる。
【0027】
図3と図4の種類のARCP回路の機能は当業者には周知であり、例えば、特許文献1に記載されているので、本明細書では詳述しない。
【0028】
図3の実施形態では、位相出力部11における対アース電圧誘導の前記制限手段は、位相出力部11とアース間に接続され、かつ共振回路の補助バルブ30及びインダクタ35と並列接続されるキャパシタからなる容量性部材36を有する。
【0029】
図4の実施形態では、位相出力部11における対アース電圧誘導の前記制限手段は、補助バルブ30及びインダクタ35と直列に、かつ各電流バルブ2、3と並列に接続されるキャパシタ37、38からなる容量性部材を有する。また、前記電流バルブはしばしばメインバルブとも称される。各キャパシタ37、38は、中間リンクキャパシタ6、7の一方と中間リンクキャパシタ6、7間の接地された中間点8とを介して接地される。また、これらのキャパシタ37、38は、電流バルブの半導体素子9のターンオフに関するターンオフ損失を低減する、いわゆるスナバキャパシタにもなる。
【0030】
共振回路の補助バルブ30とインダクタ35は、周知の方法でそれぞれキャパシタ36(図3)及びスナバキャパシタ37と38(図4)と協働し、ターンオンされる各半導体素子9全体に亘り実質的にゼロ電圧又は少なくとも非常に低い電圧で、電流バルブの半導体素子9のターンオンを可能にする。この機能は、「ソフトスイッチング」と称され、電流バルブ2、3のターンオン損失を非常に低く保つことができることを意味している。
【0031】
位相出力部11とアース間に配設された容量性部材20、22、23、24、36、37、38のキャパシタンスは、場合に応じて適切に選定されるか、或いはコンバータの電圧及びスイッチング周波数に依存する。しかし、あらゆる場合において、各容量性部材のキャパシタンスは、中間リンクキャパシタ6、7のキャパシタンスより十分に小さい。
【0032】
共振回路の共振周波数は、共振周期が約20〜40μsとなるように適宜選定され、それにより約10〜20μsで電極電圧の一方から他方に対して容量性部材36、37、38を再充電することができる。
【0033】
本発明のVSCコンバータはPWM技術で制御されることが好ましく、その場合、前記容量性部材の再充電時間がPWM周期の1〜10%、好ましくはその1〜5%になるように共振回路と前記容量性部材を適合させるべきである。
【0034】
図1ないし図5に示す種類のVSCコンバータの機能は当業者には周知であるので、本明細書では詳述しない。
【0035】
本発明のVSCコンバータは、網電圧130〜400kVに合わせて構成されるのが好ましいが、例えば、10〜130kVのオーダの電圧に合わせて構成されてもよい。
【0036】
本発明のVSCコンバータは、例えば直流電圧網から交流電圧網に対して電力を送電するために、高圧直流電流(HVDC)用の直流電圧網を通じて電力を送電するプラント内に有効に設置することができる。この場合、2本の直流電圧用ケーブルがコンバータの直流電圧側に結線され、第1の直流電圧ケーブルがコンバータの一方の電極4に結線され、第2の直流電圧ケーブルがコンバータの他方の電極5に結線される。
【0037】
位相出力部における対アース電圧誘導の制限手段は、図1ないし5に示した容量性部材20、22、23、24、36又は37と38のいずれか、或いは、これらの部材の任意の組合わせを備えることができる。異なる種類の複数の容量性部材を有する手段を設けることの利点は、例えば、個々の部材をそれぞれ特定の周波数レベルの無線妨害を制限するように適合させることができる点である。また、当然のことながら、本発明に具備された前記手段は図1ないし図5以外の他の任意の構成で位相出力部11とアース間に配設される容量性部材を有することもできる。
【0038】
本発明は位相脚ごとに直列接続された2つの電流バルブのみを有するVSCコンバータに限定されず、もっと多数の電流バルブを有する、及び電流バルブが図1ないし図5に示された以外の構成で配設されるコンバータも含んでいることに注意されたい。また、本発明によるコンバータは、その直流電圧側を図1ないし図5に示された以外の方法で構成することができ、例えば、3以上の直列接続された中間リンクキャパシタを含んでもよい。
【0039】
当然ながら、本発明はその他の点に関しても上述の好ましい実施形態に限定されず、逆に特許請求の範囲に記載された本発明の基本的概念から逸脱することなく多くの変更例が可能であることは当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】図1は、本発明の第1実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図2】図2は、本発明の第2実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図3】図3は、本発明の第3実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図4】図4は、本発明の第4実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図5】図5は、本発明の第5実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【0001】
本発明は、請求項1の前提部分に記載のVSCコンバータに関する。また、本発明は、高圧直流電圧(HVDC)の直流電圧網を通じて電力を送電するプラントにも関わる。
【背景技術】
【0002】
直流電圧網と交流電圧網間を接続するVSCコンバータは非特許文献1などから公知である。この刊行物には、前記コンバータを利用して高圧直流電流(HVDC)の直流電圧網を通じて電力を送電するプラントが記述されている。この論文の発表前は、直流電圧網と交流電圧網間に電力を送電するプラントは、送電所で網の転流を行うCSC(電流源コンバータ)コンバータの使用に基づいていた。しかし、この論文には全く新しい概念が開示されている。該概念は、高電圧直流電流の場合に過大電圧となる直流電圧網とそこに接続される交流電圧網との間の送電を行うために、強制転流するVSC(電圧源コンバータ)コンバータを代用することに基づいており、HVDCにおける網転流CSCコンバータの使用と比較して複数の大きな利点を提供する。その中でも、有効電力と無効電力の消費を互いに独立に制御できることと、網転流CSCでは発生する場合がある、コンバータ内における転流不良のリスクがなく、よって異なるHVDCリンク間に転流不良が発生するリスクがなくなることは注目に値する。さらに、弱い交流電圧網又はそれ自身が何も生成しない網(不通交流電圧網)に給電することが可能である。その他にも利点を有する。
【0003】
本発明のVSCコンバータは、高圧直流電流(HVDC)の直流電圧網を通じて送電するプラント内に具備され、例えば、直流電圧網から交流電圧網に対して送電することができる。この場合、コンバータは直流電圧網に接続される直流電圧側と交流電圧網に接続される交流電圧側とを有する。しかし、本発明のVSCコンバータは、高圧ジェネレータ又はモータ等の負荷に直接的に接続することもできる。その場合、コンバータの直流電圧側か交流電圧側のいずれかを、ジェネレータ又はモータに接続する。本発明はこれらの用途に限定されるものではなく、逆に本コンバータは、同様にSVC(静止形無効電力補償装置)又はバックツーバック局(back to back station)における変換にも使用できる。コンバータの直流電圧側の電圧は有利には高く、10−400kV、好ましくは130−400kVである。本発明のコンバータは、上述の装置以外の他の種類のFACTS(Flexible Alternating Current Transmission)装置に具備することもできる。
【0004】
PWM(パルス幅変調)技術を用いて制御されることの多い今日の高圧用VSCコンバータは、コンバータがスイッチングしているとき位相出力部上に非常に大きい対アース電圧誘導(dV/dt)を示す。この接続部に続いて発生する過渡電圧は、通常約1μs間存続する。例えば、位相出力が+300kVから−300kVに切り替わる場合、結果的に約600kV/μsに相当する電圧誘導が発生する場合がある。この非常に大きな電圧誘導により、特にリードスルー及びリアクタ、更にはフィルタ、ケーブル、計測センサ、変圧器及びVSCコンバータに接続される他の電気設備にも大きな容量性電流が発生する。このような容量性電流は、前記装置に局部加熱及び過熱を発生させる。当該電流はまた、リアクタ及び変圧器に局部的に高い電界を発生させ、それにより、例えば、機能停止、又は長期的には絶縁系に損傷を与える部分放電が引起される。さらに、過渡電圧は、コンバータ本体及びコンバータに接続される電気設備から放出される無線妨害を引起す。位相出力部の高速過渡電圧はまた、コンバータに接続される電気設備内部又はその間で様々な共振を起こし始め、それにより加熱、高い絶縁負担又は共振周波数について高レベル無線妨害を誘発する。
【非特許文献1】
Anders Lindbergによる論文"PWM and control of two and three level High Power Voltage Source Converters" (Royal Institute of Technology, Stockholm, 1995 )
【特許文献1】
米国特許第5047913号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明の目的
本発明の目的は、上述の課題を解決する請求項1の前提部分に記載のVSCコンバータを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明によれば、前記目的は、請求項1の特徴を有するVSCコンバータにより達成される。
【0007】
従って、本発明による解決法では、VSCコンバータは該コンバータの位相出力部が接地される1又は複数の容量性部材を具備することを開示している。前記容量性部材は、位相出力部における有害で多大な対アース電圧誘導を防止するのに適したキャパシタンスを有する。位相出力部に比較的高い対アースキャパシタンスを配設することにより、コンバータでは、高い対アース誘導電圧の発生が防止される。それにより上述の課題を本質的に軽減することができる。位相出力部とアース間のキャパシタンスは、状況に応じて、つまり、コンバータの電圧及びスイッチング周波数に応じて決定される。
【0008】
VSCコンバータは、通常、位相出力部のアースに対して非常に低いキャパシタンスを有し、それがアースに対して素早く電圧変化させる前提条件である。本発明による解決法では、VSCコンバータを構成する一般的な原理とは逆行する当該技術分野における新しい技術的思想を開示している。位相出力部とアース間のキャパシタンスはスイッチング時間を延長する。例えば、HVDC(高圧直流電流)、SVC及びバックツーバック等の応用分野では、PWM技術を用いて制御されるコンバータは、位相出力部が切換わる周波数であるスイッチング周波数を1kHzオーダーで使用していることが多い。しかし、より高い及びより低いスイッチング周波数が発生することもある。例えば1kHzのスイッチング周波数における位相出力部とアース間の容量性部材(適当であれば複数も可)が、位相出力部が代表的な位相電流で例えば10−20μs間スイッチがオンとなるように設計されている場合、このスイッチング時間はPWM周期全体の一部に相当するにすぎない。従って、変調角度が高くなる可能性は、このように構成されたVSCコンバータではあまり影響されない。しかし、位相出力部とアース間のキャパシタンスにより延長されたスイッチング時間は、位相出力部の対アース電圧誘導をかなり減少させ、それにより、従来型のVSCコンバータを用いた場合と比較して、また非常に高い電圧用のVSCコンバータの場合も、かなり容易に対処できるレベルまで上記課題が軽減される。
【0009】
本発明による解決法は、VSCコンバータが、例えば、130〜400kVの網電圧で高圧網に接続されると特に有利であるが、例えば、10〜130kVオーダーの低い網電圧でも有利である。
【0010】
本発明の好ましい実施形態によると、コンバータはアースに接続される導電材料の外部筐体を有し、前記容量性部材は、位相出力部と前記筐体との間に接続される。これにより、コンバータの筐体外部のリードスルー又は電気設備での高過渡電流誘導が回避される。当該筐体は、アルミニウム等の金属で形成されるのが好ましい。
【0011】
本発明の別の好ましい実施形態によると、当該コンバータは、前記容量性部材を再充電する共振回路を有する。位相出力部とアース間に配設される容量性部材を再充電する共振回路を使用することにより、位相出力部の対アース電圧誘導の制限に加えて、コンバータのターンオフ型の半導体素子内のスイッチング損失を制限することができる。共振回路は、いわゆるARCP回路(補助共振転流ポール(Auxiliary Resonant Commutation Pole)回路)であることが好ましい。該ARCP回路は、コンバータのメインバルブの半導体素子のターンオンに接続する位相出力部とアース間の容量性部材を再充電するのに適しているので、前記半導体素子は、高圧の代わりに低圧でオン状態に切換えることができる。それによりメインバルブの半導体素子のターンオン損失が制限される。共振回路は、位相電流が低いために位相出力部での電圧のスイッチング時間が法外に長くなる場合に、コンバータのメインバルブの半導体素子のターンオフにも使用される。
【0012】
本発明のVSCコンバータのさらに好ましい実施形態は、特許請求の範囲及び以下の説明から明らかにする。
【0013】
本発明は、請求項14の記載に従い、高圧直流電流(HVDC)の直流電圧網を通じて電力を送電するプラントにも関わる。
【0014】
添付図を参照して実施例により本発明をさらに詳述する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0015】
好ましい実施形態の詳細な説明
VSCコンバータには複数の構成が知られている。全ての構成において、VSCコンバータは、複数のいわゆる電流バルブを備え、各電流バルブはIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)又はGTO(ゲートターンオフサイリスタ)等のターンオフ型の半導体素子と、それと逆並列に接続された転流ダイオードと呼ばれるダイオードからなる整流部材とを備える。ターンオフ型の各半導体素子は、通常、複数の独立したIGBT又はGTO等、複数の直列接続されて同時制御されるターンオフ型半導体構成要素で構築される。高圧用途においては、各電流バルブが保持する電圧をブロッキング状態に維持するため、比較的多数の前記半導体構成要素を必要とする。これと対応して、各整流部材は複数の直列接続された整流構成要素で構築される。ターンオフ型の半導体構成要素と整流構成要素は直列接続された複数の回路内に配設された電流バルブ内に存在する。つまり、各回路は、1つのターンオフ型の半導体構成要素とそれと逆並列に接続された1つの整流構成要素とを備える。
【0016】
本発明の複数の選択的な実施形態によるVSCコンバータが図1ないし図5に示されている。図1ないし図5では、交流電圧の位相線(phase line)の一相に接続されるコンバータの一部分のみが図示されている。相の数は通常3つであるが、これが単相交流電圧網に接続される場合は完全なコンバータを構成する場合もある。コンバータの図示された部分は、いわゆる位相脚(phase leg)を構成し、例えば三相交流電圧網に適したVSCコンバータは、図示されたような位相脚を3つ有する。
【0017】
図1ないし図5に示されたVSCコンバータの位相脚は、コンバータの直流電圧側の2電極4、5間に直列接続された2つの電流バルブ2、3を有する。本明細書では中間リンクキャパシタと称する2つの直列接続されたキャパシタ6、7が、2電極4、5間に配設され、その間の地点8は通常、各電極の電位がそれぞれ+U/2と−U/2となるように接地される。Uは2電極4、5間の電圧である。
【0018】
上記の通り、各電流バルブ2、3は、IGBT又はGTOといったターンオフ型の半導体素子9と、それと逆並列に接続された転流ダイオード等のダイオードからなる整流部材10とからなる。各電流バルブ2、3には、ターンオフ型の1つの半導体素子9と1つの整流部材10の記号のみ図示されているが、これらの記号は、上記の通りそれぞれ複数のターンオフ型の半導体構成要素と整流構成要素とを示す場合もある。
【0019】
コンバータの位相出力部をなす、2つの電流バルブ2、3間の直列接続部の中間点11は交流電圧位相線12に結線される。このように、前記直列接続は電流バルブ2と3の各部分に等分される。
【0020】
図1では、VSCコンバータの位相出力部11が、リードスルー14、リアクタ15、電流及び/又は電圧を測定するセンサ16、フィルタ17、ケーブル18及び変圧器19で形成される電気設備を介して配電網又は送電網13に接続される様子を図示している。
【0021】
本発明によると、VSCコンバータ1には、位相出力部11における対アース電圧誘導の制限手段が具備され、前記手段は1又は複数の容量性部材を具備し、該部材を介して位相出力部11は接地されている。前記容量性部材は、位相出力部11における、有害な大容量の対アース電圧を防止するようなキャパシタンスで構成される。前記容量性部材は、VSCコンバータの外部筐体21内に配設されるのが好ましく、該筐体は好ましくは金属の導電材製であり、接地されている。その結果、筐体21は適切に画成された接地点を構成するので、前記容量性部材は筐体21を介して有効に接地することができる。
【0022】
図1の実施形態では、前記手段は、位相出力部11とアース間で結線されたキャパシタからなる容量性部材20からなる。容量性部材20は中間リンクキャパシタ6、7の上記直列接続部の中間点8に結線され、さらに、当該中間点8は筐体21を介して接地されている。
【0023】
コンバータの直流電圧側がいわゆるDC中間リンクにより構成されるSVC及びバックツーバックに適用する場合、中間リンクキャパシタ6、7の直列接続部の中間点8を接地しないことが有利な場合がある。位相出力部11とアース間に直接容量性部材を配設する別の解決法は、図5に示されたように、DC中間リンクの中間点8とアース間にキャパシタ22を配設することにより位相出力部11とアース間に静電結合を達成することである。
【0024】
図2は、上記手段に含まれる2つ容量性部材23、24の選択的な配設箇所を示している。一方の容量性部材は、位相出力部11とコンバータの接地された筐体21との間に直接接続されるキャパシタ23である。発生した交流電圧に対して有害な作用をもたないよう、キャパシタは低誘導型でなければならない。他方の容量性部材24は、交流電圧位相線12と筐体の間に配設されたリードスルー14により形成される。そのリードスルーはその構成を適切に調整することにより目的に適したキャパシタンスを取得することができる。容量性部材24は、同様に位相出力部11とコンバータの接地された筐体21との間にも直接接続されており、キャパシタンス23と同様に低誘導でなければならない。図2には、リードスルー14の詳細な拡大図も示され、破線で示す線がリードスルー内を通ってコンバータの筐体21に静電結合されている様子が図示されている。
【0025】
本発明によるコンバータは、位相出力部11における対アース電圧誘導の上記制限手段に含まれる容量性部材を再充電するための共振回路を適宜備えている。ここでは、それ自体は周知の異なる種類の共振回路が使用されている。しかし、当該共振回路は、ここで問題とする目的に非常に適していると実証されている、いわゆるARCP回路(補助共振転流ポール回路)であることが好ましい。
【0026】
このようなARCP回路の好ましい実施形態が図3と図4に示されている。ここでは、ARCP回路は、直列接続された2つ1組の補助バルブ回路31、32を有し、それぞれがIGBT又はGTO等のターンオフ型の半導体構成要素33と、それと逆並列に接続された転流ダイオード等のダイオードからなる整流構成要素34とを有する。当該2つの補助バルブ回路31、32のターンオフ型の半導体素子33は、相互に対極に配設される。ARCP回路は、さらに、前記補助バルブ30と直列接続された少なくとも1つのインダクタ35を有する。また、ARCP回路は、適切な場合には直列接続された複数組の補助バルブ回路を有することもできるし、当然、その他の点についても図3と図4に示された以外の別の構成を有することもできる。
【0027】
図3と図4の種類のARCP回路の機能は当業者には周知であり、例えば、特許文献1に記載されているので、本明細書では詳述しない。
【0028】
図3の実施形態では、位相出力部11における対アース電圧誘導の前記制限手段は、位相出力部11とアース間に接続され、かつ共振回路の補助バルブ30及びインダクタ35と並列接続されるキャパシタからなる容量性部材36を有する。
【0029】
図4の実施形態では、位相出力部11における対アース電圧誘導の前記制限手段は、補助バルブ30及びインダクタ35と直列に、かつ各電流バルブ2、3と並列に接続されるキャパシタ37、38からなる容量性部材を有する。また、前記電流バルブはしばしばメインバルブとも称される。各キャパシタ37、38は、中間リンクキャパシタ6、7の一方と中間リンクキャパシタ6、7間の接地された中間点8とを介して接地される。また、これらのキャパシタ37、38は、電流バルブの半導体素子9のターンオフに関するターンオフ損失を低減する、いわゆるスナバキャパシタにもなる。
【0030】
共振回路の補助バルブ30とインダクタ35は、周知の方法でそれぞれキャパシタ36(図3)及びスナバキャパシタ37と38(図4)と協働し、ターンオンされる各半導体素子9全体に亘り実質的にゼロ電圧又は少なくとも非常に低い電圧で、電流バルブの半導体素子9のターンオンを可能にする。この機能は、「ソフトスイッチング」と称され、電流バルブ2、3のターンオン損失を非常に低く保つことができることを意味している。
【0031】
位相出力部11とアース間に配設された容量性部材20、22、23、24、36、37、38のキャパシタンスは、場合に応じて適切に選定されるか、或いはコンバータの電圧及びスイッチング周波数に依存する。しかし、あらゆる場合において、各容量性部材のキャパシタンスは、中間リンクキャパシタ6、7のキャパシタンスより十分に小さい。
【0032】
共振回路の共振周波数は、共振周期が約20〜40μsとなるように適宜選定され、それにより約10〜20μsで電極電圧の一方から他方に対して容量性部材36、37、38を再充電することができる。
【0033】
本発明のVSCコンバータはPWM技術で制御されることが好ましく、その場合、前記容量性部材の再充電時間がPWM周期の1〜10%、好ましくはその1〜5%になるように共振回路と前記容量性部材を適合させるべきである。
【0034】
図1ないし図5に示す種類のVSCコンバータの機能は当業者には周知であるので、本明細書では詳述しない。
【0035】
本発明のVSCコンバータは、網電圧130〜400kVに合わせて構成されるのが好ましいが、例えば、10〜130kVのオーダの電圧に合わせて構成されてもよい。
【0036】
本発明のVSCコンバータは、例えば直流電圧網から交流電圧網に対して電力を送電するために、高圧直流電流(HVDC)用の直流電圧網を通じて電力を送電するプラント内に有効に設置することができる。この場合、2本の直流電圧用ケーブルがコンバータの直流電圧側に結線され、第1の直流電圧ケーブルがコンバータの一方の電極4に結線され、第2の直流電圧ケーブルがコンバータの他方の電極5に結線される。
【0037】
位相出力部における対アース電圧誘導の制限手段は、図1ないし5に示した容量性部材20、22、23、24、36又は37と38のいずれか、或いは、これらの部材の任意の組合わせを備えることができる。異なる種類の複数の容量性部材を有する手段を設けることの利点は、例えば、個々の部材をそれぞれ特定の周波数レベルの無線妨害を制限するように適合させることができる点である。また、当然のことながら、本発明に具備された前記手段は図1ないし図5以外の他の任意の構成で位相出力部11とアース間に配設される容量性部材を有することもできる。
【0038】
本発明は位相脚ごとに直列接続された2つの電流バルブのみを有するVSCコンバータに限定されず、もっと多数の電流バルブを有する、及び電流バルブが図1ないし図5に示された以外の構成で配設されるコンバータも含んでいることに注意されたい。また、本発明によるコンバータは、その直流電圧側を図1ないし図5に示された以外の方法で構成することができ、例えば、3以上の直列接続された中間リンクキャパシタを含んでもよい。
【0039】
当然ながら、本発明はその他の点に関しても上述の好ましい実施形態に限定されず、逆に特許請求の範囲に記載された本発明の基本的概念から逸脱することなく多くの変更例が可能であることは当業者には自明である。
【図面の簡単な説明】
【0040】
【図1】図1は、本発明の第1実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図2】図2は、本発明の第2実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図3】図3は、本発明の第3実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図4】図4は、本発明の第4実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
【図5】図5は、本発明の第5実施形態によるVSCコンバータを示した簡略回路図である。
Claims (13)
- 高圧直流電圧と交流電圧間の双方向の変換を行うVSCコンバータであって、
−コンバータの直流電圧側の正及び負の2つの電極(4、5)間に配設された少なくとも2つの電流バルブ(2、3)の直列接続部であり、各電流バルブがターンオフ型の半導体素子(9)と、それと逆並列に接続された整流部材(10)とを有し、交流電圧位相線(12)が、2つの電流バルブ間の直列接続の位相出力部と称される中間点(11)に接続されて前記直列接続部を等分している直列接続部と、
−1又は複数の容量性部材(20、22、23、24、36、37、38)を有する、位相出力部(11)の対アース電圧誘導を制限する手段であり、該容量性部材を介して位相出力部(11)がアースに接続され、また該容量性部材(20、22、23、24、36、37、38)が位相出力部(11)の有害で多大な対アース電圧誘導を防止するのに適したキャパシタンスで形成される、手段とを具備し、
接地される、望ましくは金属の導電材製の筐体(21)を有することと、前記容量部材(20、22、23、24、36、37、38)が位相出力部(11)と筐体(21)間に接続されることとを特徴とするVSCコンバータ。 - 前記容量部材の少なくとも1つが位相出力部(11)と筐体(21)間に直接接続される低誘導キャパシタ(23)であることを特徴とする請求項1に記載のVSCコンバータ。
- 交流電圧位相線(12)が筐体内に配設されたリードスルー(14)を介して筐体内を通って延在するように配設され、
前記リードスルー(14)が前記容量性部材の一つ(24)をなすことを特徴とする請求項1又は2に記載のVSCコンバータ。 - 前記容量性部材(36;37、38)を再充電する共振回路を具備することを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のVSCコンバータ。
- 前記電極(4、5)間の直流電圧側に少なくとも2つの中間リンクキャパシタ(6、7)の直列接続部を有し、
前記共振回路がARCP(補助共振転流ポール)回路であることを特徴とする請求項4に記載のVSCコンバータ。 - ARCP回路が、各々がターンオフ型の半導体構成要素(33)と、それと逆並列に接続された整流構成要素(34)とを有する直列接続された2つの補助バルブ回路(31、32)を少なくとも1組有する補助バルブ(30)を有し、2つの補助バルブ回路のターンオフ型の半導体構成要素(33)が相互に対極に配設されることと、ARCP回路が前記補助バルブ(30)と直列接続されたインダクタ(35)をさらに有することとを特徴とする請求項5に記載のVSCコンバータ。
- 少なくとも1つの前記容量性部材は、ARCP回路内に具備された補助バルブ(30)とインダクタ(35)の直列接続部と並列接続されるキャパシタ(36)であることを特徴とする請求項6に記載のVSCコンバータ。
- 前記容量性部材の少なくとも一部は、ARCP回路に具備される補助バルブ(30)とインダクタ(35)の直列接続部と直列に、及び、各電流バルブ(2、3)と並列に接続されるキャパシタ(37、38)であることを特徴とする請求項6又は7に記載のVSCコンバータ。
- 前記電極(4、5)間の直列電圧側に少なくとも2つの中間リンクキャパシタ(6、7)の直列接続部を有し、
少なくとも1つの前記容量性部材が、位相出力部(11)と中間リンクキャパシタ(6、7)の前記直列接続部の中間点(8)との間に接続されるキャパシタ(20)であり、中間リンクキャパシタ(6、7)の前記直列接続部が接地されていることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のVSCコンバータ。 - 前記電極(4、5)間の直列電圧側に少なくとも2つの中間リンクキャパシタ(6、7)の直列接続部を有し、
少なくとも1つの前記容量性部材が、中間リンクキャパシタ(6、7)の前記直列接続部の中間点(8)とアースとの間に接続されるキャパシタ(22)であることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載のVSCコンバータ。 - PWM技術で制御されることを特徴とする請求項1ないし10のいずれかに記載のVSCコンバータ。
- 共振回路と前記容量性部材は、前記容量性部材の充電時間がPWM周期の1〜10%、好ましくはPWM周期の1〜5%であるように適合していることを特徴とする請求項11に記載のVSCコンバータ。
- 高圧直流電流(HVDC)用の直流電圧網を通じて送電するプラントであって、直流電圧網と交流電圧網間で双方向の電力変換を行う請求項1ないし12のいずれかに記載のVSCコンバータを具備し、該コンバータの一方の電極(4)が直流電圧網に具備される第1の直流電圧ケーブルに接続され、該コンバータの他方の電極(5)が直流電圧網に具備される第2の直流電圧ケーブルに接続されることを特徴とするプラント。
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