JP2006014456A - Dc multitermial distribution system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流多端子配電システムに係り、特に直流配電線の事故時の保護に関する。 The present invention relates to a DC multi-terminal distribution system, and more particularly to protection of a DC distribution line in the event of an accident.
燃料電池、太陽光発電システム等、直流の分散電源の普及に伴う一方で、情報化社会の進展に伴ってIT関連施設等で使用される直流電力量も増加の一途をたどっている。このような背景から、直流電源から直流電力を直接配電して直流負荷に電力を供給する直流多端子配電システムを採用することが検討されている。 Along with the spread of DC distributed power sources such as fuel cells and solar power generation systems, the amount of DC power used in IT-related facilities is constantly increasing with the progress of the information society. From such a background, it has been studied to adopt a DC multi-terminal distribution system that directly distributes DC power from a DC power source and supplies power to a DC load.
つまり、従来は、直流電源の出力をDC/AC変換器で3相交流に変換して交流配電線により配電し、負荷側においてAC/DC変換器で直流電力に戻して直流負荷に給電するのが一般であった。このような従来の交流配電システムによると、3相に合わせて配電線が3本必要になるだけでなく、浮遊容量による電力損失がある。これに対し、直流配電は正負2本の配電線で送電できるので、配電線を簡素化できるとともに、浮遊容量による電力損失を軽減できるという利点がある。 In other words, conventionally, the output of a DC power source is converted into a three-phase AC by a DC / AC converter, distributed by an AC distribution line, and returned to DC power by an AC / DC converter on the load side to supply power to the DC load. Was common. According to such a conventional AC distribution system, not only three distribution lines are required in accordance with the three phases, but there is a power loss due to stray capacitance. On the other hand, direct current distribution can transmit power with two positive and negative distribution lines, and therefore has the advantage of simplifying the distribution line and reducing power loss due to stray capacitance.
一方、直流は交流のように自由に電圧を変えられないという欠点の他に、直流は交流のように周期的に零になる点がないことから、従来の交流遮断器の遮断容量では直流電流を遮断できない。そこで、事故時の直流電流を遮断するための直流遮断器が大形になったり、大きな遮断容量を有する新たな直流遮断器の開発が必要になるという問題がある。 On the other hand, in addition to the disadvantage that the voltage cannot be changed freely as in the case of alternating current, there is no point where the direct current becomes zero as in the case of alternating current. Cannot be blocked. Therefore, there is a problem that a DC circuit breaker for interrupting a DC current at the time of an accident becomes large, or it is necessary to develop a new DC circuit breaker having a large breaking capacity.
このような事故時の直流電流を効果的に遮断可能にするため、直流多端子配電システムではないが、直流式電気鉄道の給電システムにおいて、き電線の短絡事故にAC/DC変換器を構成する半導体素子を制御して、事故電流を遮断することが提案されている(特許文献1)。これによれば、事故電流が過大な値にならないうちに遮断できるので、直流遮断器の遮断容量を大きくする必要がなくなる。 In order to effectively cut off the DC current at the time of such an accident, it is not a DC multi-terminal distribution system, but an AC / DC converter is configured for a feeder short circuit accident in a DC electric railway power supply system. It has been proposed to control a semiconductor element to cut off an accident current (Patent Document 1). According to this, since it can interrupt before the accident current becomes an excessive value, it is not necessary to increase the breaking capacity of the DC breaker.
しかし、特許文献1に記載の従来技術では、直流配電線にDC/DC変換器が接続される場合の問題について考慮されていない。すなわち、直流多端子配電システムを構成する場合、一般に、直流電源または直流負荷は直流配電線にDC/DC変換器を介して接続される。このDC/DC変換器は、一般に、入出力端に平滑コンデンサを備えた電圧型の変換器が用いられる。したがって、DC/DC変換器の半導体素子を制御して電流を絞っても、直流配電線側に接続された平滑コンデンサの蓄積電荷が事故点に流れるので、事故点を切り離すため直流遮断器の遮断容量を下げることはできない。
However, in the prior art described in
本発明は、DC/DC変換器の平滑コンデンサの蓄積電荷を速やかに放出させて、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器で事故点を切り離すことができるようにすることを課題とする。 It is an object of the present invention to quickly discharge accumulated charges of a smoothing capacitor of a DC / DC converter so that an accident point can be isolated by a disconnector or a load switch having a small breaking capacity.
上記課題を解決するため、本発明の直流多端子配電システムは、直流配電線に断路器または負荷開閉器を介して接続された複数の電力変換器と、該各電力変換器に接続された直流電源と負荷とを備え、前記電力変換器は、前記直流配電線側の直流部に平滑コンデンサが接続され、かつ前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記平滑コンデンサの蓄積電荷を前記直流電源側または前記負荷側に放出させる制御回路を備えてなることを特徴とする。 In order to solve the above problems, a DC multi-terminal distribution system according to the present invention includes a plurality of power converters connected to a DC distribution line via a disconnector or a load switch, and a DC connected to each of the power converters. A power source and a load; and the power converter includes a smoothing capacitor connected to a direct current portion on the direct current distribution line side, and based on an accident detection signal of the direct current distribution line, stores the accumulated charge of the smoothing capacitor in the direct current line. A control circuit for discharging to the power supply side or the load side is provided.
すなわち、事故検出信号に基づき、直流配電線側の直流部に接続された平滑コンデンサを有する電力変換器をインバータ運転することにより、その平滑コンデンサに蓄積されていた電荷を、直流電源側または負荷側に速やかに放出する。その結果、直流配電線側に接続された平滑コンデンサから事故点に流れ込む電流を抑制でき、事故点に流れ込む電流が減少に転ずる。電流が減少に転ずれば、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器により、電力変換器を事故点から切り離すことができる。 That is, based on the accident detection signal, by operating an inverter of a power converter having a smoothing capacitor connected to the DC section on the DC distribution line side, the electric charge accumulated in the smoothing capacitor is changed to the DC power supply side or the load side. Release promptly. As a result, the current flowing into the accident point from the smoothing capacitor connected to the DC distribution line side can be suppressed, and the current flowing into the accident point starts to decrease. If the current starts to decrease, the power converter can be disconnected from the accident point by a disconnector or a load switch having a small breaking capacity.
この場合において、直流電源または直流負荷用の電力変換器は、インバータ/コンバータ運転可能な2組の変換器を変圧器を介して接続してなる電圧型のDC/DC変換器を適用できる。この場合は、事故検出信号に基づいて、直流配電線側に接続された平滑コンデンサを有するインバータ/コンバータ運転可能な変換器をインバータ運転し、直流電源側または直流負荷側に接続されたインバータ/コンバータ運転可能な変換器をコンバータ運転する。これにより、直流電源からの充電電流が断たれ、直流配電線側に接続された平滑コンデンサに蓄積されていた電荷は、直流電源側または直流負荷側に速やかに放出または吸収されて減衰する。これにより、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器により、DC/DC変換器を事故点から切り離すことができる。 In this case, a voltage type DC / DC converter in which two sets of converters capable of inverter / converter operation are connected via a transformer can be applied to the DC power supply or DC load power converter. In this case, based on the accident detection signal, an inverter / converter operable converter having a smoothing capacitor connected to the DC distribution line side is inverter-operated, and the inverter / converter is connected to the DC power supply side or DC load side Operate converters that can be operated. As a result, the charging current from the DC power supply is cut off, and the charge accumulated in the smoothing capacitor connected to the DC distribution line side is quickly released or absorbed to the DC power supply side or DC load side and attenuates. Thereby, the DC / DC converter can be separated from the accident point by the disconnector or the load switch having a small breaking capacity.
一方、負荷が交流負荷の場合は、電力変換器として、直流配電線側に接続された前記平滑コンデンサを備えてなるDC/AC変換器を用いることができ、この場合は、通常の電力変換と同様に運転して、平滑コンデンサの蓄積電荷を負荷に吸収させる。 On the other hand, when the load is an AC load, a DC / AC converter including the smoothing capacitor connected to the DC distribution line side can be used as a power converter. In the same manner, the load accumulated in the smoothing capacitor is absorbed by the load.
また、直流配電線に交流電源に接続された電流型のAC/DC変換器を、断路器または負荷開閉器を介して接続する場合は、そのAC/DC変換器は、前記直流配電線の事故検出信号に基づいて、前記直流配電線に流入する電流を零に絞る制御回路を備えて構成することができる。これにより、交流電源から事故点に流れ込む電流を零にできるから、事故点に流れる電流に加えて交流電源からの電流が加えられることがなく、事故点に流れる電流が減衰に転じた時点で、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器により、AC/DC変換器を事故点から切り離すことができる。 Further, when a current-type AC / DC converter connected to an AC power source is connected to a DC distribution line via a disconnector or a load switch, the AC / DC converter may cause an accident in the DC distribution line. A control circuit for reducing the current flowing into the DC distribution line to zero based on the detection signal can be provided. As a result, since the current flowing from the AC power source to the accident point can be made zero, the current from the AC power source is not added in addition to the current flowing to the accident point, and when the current flowing to the accident point starts to decay, The AC / DC converter can be disconnected from the accident point by a disconnector or a load switch having a small breaking capacity.
本発明によれば、DC/DC変換器の平滑コンデンサの蓄積電荷を速やかに放出させて、事故点に流れる電流を減衰に転じさせることにより、遮断容量の小さな断路器または負荷開閉器で事故点を切り離すことができるから、高効率の直流配電システムを実現できる。 According to the present invention, the accumulated charge of the smoothing capacitor of the DC / DC converter is quickly discharged, and the current flowing through the accident point is turned to attenuation, so that the fault point can be obtained with the disconnector or the load switch having a small breaking capacity. Therefore, a highly efficient DC power distribution system can be realized.
以下、本発明を実施の形態に基づいて説明する。図1は、本発明の一実施の形態の直流多端子配電システムの一部を示す系統構成図である。図示のように、直流多端子配電システムは、2回線の直流配電線1A、1Bと、これらの直流配電線1A、1Bに交流電源2および分散電源として燃料電池3が連係されている。交流電源2は、変圧器4と交流を直流に変換するAC/DC変換器5を介して断路器6A、6Bに接続されている。断路器6A、6Bは、対応する直流配電線1A、1Bに接続されている。また、燃料電池3は、直流を異なる電圧の直流に変換するDC/DC変換器7と断路器8A、8Bを介して直流配電線1A、1Bに接続されている。
Hereinafter, the present invention will be described based on embodiments. FIG. 1 is a system configuration diagram showing a part of a DC multi-terminal distribution system according to an embodiment of the present invention. As shown in the figure, in the DC multi-terminal distribution system, two lines of DC distribution lines 1A and 1B, and an
一方、直流配電線1A、1Bには、断路器9A、9Bを介してDC/DC変換器10が接続され、DC/DC変換器10には直流負荷11が接続されている。直流負荷11としては、例えば、インターネットデータセンタ等の直流負荷がある。なお、断路器6A、6B、8A、8B、9A、9Bに代えて、一定の直流電流を遮断できる負荷開閉器を用いることもできる。
On the other hand, a DC /
DC/DC変換器7、10は、基本的に同一の構成を有しており、図2に、DC/DC変換器7の具体的な一実施形態を示す。同図に示すように、DC/DC変換器7は、2組の電圧型の変換器21、22を高周波リンクの変圧器23を介して接続してなるDC/DC変換器である。変圧器23は、電圧の昇圧/降圧を行えるようになっている。それぞれの変換器21、22は、自己消弧型の半導体スイッチ素子25とダイオード26を逆並列に接続した4つのアームをブリッジ接続して構成され、それぞれインバータ/コンバータ運転可能になっている。変換器21の直流端子27は、断路器8A、8Bを介して直流配電線1A、1Bに接続可能になっている。また、変換器22の直流端子28は、燃料電池3に接続されている。各変換器21、22の直流端子27、28には、それぞれ平滑コンデンサ29、30が並列に接続されている。各変換器21、22は、制御回路31により制御されるようになっている。
The DC /
このように構成されるDC/DC変換器7は、図中の矢印37の方向に電力変換を行う場合は、変換器22をインバータ運転し、変換器21をコンバータ(ダイオード整流)運転するように、制御回路31により制御される。例えば、制御回路31は、平滑コンデンサ29の電圧が規定電圧になるように変換器22をインバータ運転する。矢印37と逆の方向に電力変換を行う場合は、平滑コンデンサ30の電圧を規定電圧とするように変換器21をインバータ運転する。つまり、直流端子27を直流配電線に接続した場合は、DC/DC変換器7の電圧指令値を直流配電系統の電圧に設定して制御する。なお、DC/DC変換器10の場合は、直流端子28を直流負荷に繋ぐことになり、DC/DC変換器10の電圧指令値を負荷の定格直流電圧に設定して制御する。
In the DC /
制御回路31は、DC/DC変換器7とDC/DC変換器10に関して同じ構成でよく、その主要部の一例を、図3に示す。同図に示すように、直流電圧制御回路32は直流電圧の指令値に応じた電流指令値を生成する。直流電圧制御回路32から出力される電流指令値は、指令値切替回路33を介して定電流制御回路34に入力される。定電流制御回路34は、入力される電流指令値に応じて変換器の半導体スイッチ素子を駆動するパルスの制御信号を生成してパルス発生回路35に出力する。パルス発生回路35は、入力されるパルス制御信号に基づいて、ブリッジ回路の上下アームをスイッチング駆動するパルスを生成して、各半導体スイッチ素子のゲートに供給する。一方、指令値切替回路33には、直流配電線系統の事故時の電流指令値Ip1が入力されている。指令値切替回路33は、直流配電線系統の事故を検出する事故検出回路36から出力される事故検出信号によって切替えられ、正常時は直流電圧制御回路32から出力される電流指令値を選択し、事故時は事故時の電流指令値Ip1を選択するようになっている。事故時の電流指令値Ip1は、事故の種類に応じて設定される。例えば、直流配電線1A、1B等の地絡事故検出の場合は、Ip1=0に設定される。これにより、定電流制御回路34は、直流電流が零となるように変換器7の出力直流電圧を制御する。これにより、DC/DC変換器7に流れる電流が零となるように、DC/DC変換器7の出力の直流電圧を制御する。この動作により、事故電流を減衰させる。
The control circuit 31 may have the same configuration with respect to the DC /
他方、既設の交流配電系統などの交流電源2に接続される交流を直流に変換するAC/DC変換器5は、図4に示すように構成されている。変圧器4を介して入力される3相交流は、交流端子41を介してサイリスタを3相ブリッジ接続して形成されたサイリスタ変換器42の交流側に入力される。サイリスタ変換器の直流側は、直流電流の平滑リアクトル43を介して直流端子44に接続され、さらに断路器6A、6Bを介して直流配電線1A,1Bに接続されている。すなわち、AC/DC変換器5は、電流型の他励式変換器として構成されている。また、サイリスタ変換器42は、制御回路45によって制御されるようになっている。
On the other hand, an AC /
制御回路45は、図5に示すように、有効電力制御回路51により生成される直流の電流指令値を、指令値切替回路52を介して定電流制御回路53に入力し、定電流制御回路53から出力される点弧位相信号に基づいてサイリスタを駆動制御するパルス発生回路55を有して構成される。一方、指令値切替回路52には、直流配電線系統の事故時の電流指令値Ip2が入力されている。指令値切替回路52は、直流配電線系統の事故を検出する事故検出回路56から出力される事故検出信号によって切替えられ、正常時は有効電力制御回路51から出力される電流指令値を選択し、事故時は事故時の電流指令値Ip2を選択するようになっている。直流配電線等の地絡事故検出により、例えばIp2=0に切り替えられると、定電流制御回路53では直流電流が零となるように他励式変換器の出力直流電圧が制御される。これにより、AC/DC変換器5から直流配電線に供給される出力電流を零にできる。なお、AC/DC変換器5に並列にDC/AC変換器を設ければ、直流配電線系統から交流系統に電力を送るようにすることができる。
As shown in FIG. 5, the
このように構成される実施の形態の直流多端子配電システムにおいて、本発明の特徴である直流配電線1Aまたは1Bの地絡事故時の動作について説明する。直流配電線1Aの回線で運用されている場合に、同回線の点Fに地絡事故が発生すると、前述したように、DC/DC変換器7は燃料電池3から直流配電線1Aに供給する直流電流を絞って出力電流を零に制御する。同様に、AC/DC変換器5は、交流電源2から直流配電線1Aに供給する直流電流を絞って零に制御する。一方、DC/DC変換器10は、直流負荷11に供給する直流電力を増やして直流配電線のエネルギーを負荷に放出する。
In the DC multi-terminal distribution system of the embodiment configured as described above, the operation at the time of a ground fault of the DC distribution line 1A or 1B, which is a feature of the present invention, will be described. When operating on the line of the DC distribution line 1A and a ground fault occurs at the point F of the line, the DC /
したがって、AC/DC変換器5の系統は、直流配電線1Aに供給する直流電力が速やかに零になるから、遮断容量が小さい断路器6AによってもAC/DC変換器5の系統を切り離すことができる。しかし、DC/DC変換器7は電圧型であるから、直流送電線側の直流部に接続された平滑コンデンサ29を有するため、電流指令値Ip2を零にしても、平滑コンデンサ29の蓄積電荷が放電されるまでは、電流が流れることになる。DC/DC変換器10は、電流指令値Ip2を事故前と同じに固定又は増加(図示していない。)して、平滑コンデンサ29の蓄積電荷を直流負荷11に放出する動作は行う。
Therefore, the AC /
すなわち、直流配電線1A側の直流部に平滑コンデンサ29が接続されているDC/DC変換器10の場合は、供給電流ないし負荷電流を絞っても、平滑コンデンサ29に蓄積された電荷が地絡事故点Fに流れ込むことになる。そのため、事故検出後に速やかに断路器8A、9Aを開放することができず、事故の保護が遅れることになる。
That is, in the case of the DC /
そこで、本実施の形態では、事故時に直流配電線1A(または1B)に蓄えられているエネルギーを高速に吐き出すために、DC/DC変換器7の変換器21をインバータ運転することにより、平滑コンデンサ29などの直流配電線1A(または1B)に蓄えられているエネルギーを燃料電池3側または直流負荷11側に放出して、事故点Fに流れる電流を高速に零とすることを特徴とする。なお、燃料電池3には直流電流を逆送できないから、DC/DC変換器7をインバータ運転する場合は、平滑コンデンサ29の蓄積電荷を平滑コンデンサ30に蓄えることになる。したがって、DC/DC変換器7の変換器22の出力電圧指令を規定電圧よりも過渡的に高い電圧に変更する必要がある。
Therefore, in the present embodiment, in order to discharge the energy stored in the DC distribution line 1A (or 1B) at a high speed in the event of an accident at high speed, the
なお、DC/DC変換器7の平滑コンデンサ29の電荷も、直流配電線1Aを介してDC/DC変換器10により負荷側に放出されることがあり得るが、事故保護を考慮すると、DC/DC変換器7の平滑コンデンサ29の電荷を確実に燃料電池側に回収するのが好ましい。
Note that the charge of the smoothing
上記実施の形態では、断路器又は遮断電流定格の小さい遮断器を使用した直流多端子配電システム構成について示したが、本発明はこれに限らず負荷開閉器を使用した直流多端子配電システムにおいても、DC/DC変換器およびAC/DC変換器の電流制御を行うことにより、負荷開閉器の電流遮断定格を低減できるメリットがある。 In the above embodiment, a DC multi-terminal distribution system configuration using a disconnector or a circuit breaker with a small breaking current rating has been shown, but the present invention is not limited to this, and also in a DC multi-terminal distribution system using a load switch. By performing current control of the DC / DC converter and the AC / DC converter, there is an advantage that the current interrupting rating of the load switch can be reduced.
また、負荷として直流負荷11の例を示したが、交流負荷を含めることができることはいうまでもない。この場合、DC/DC変換器10をDC/AC変換器に変えればよい。
Moreover, although the example of the DC load 11 was shown as a load, it cannot be overemphasized that an AC load can be included. In this case, the DC /
上述したように本実施形態によれば、運用中の直流配電線1Aまたは1Bで地絡事故が発生した場合、直流負荷11に電力が送れなくなるが、断路器により事故区間を遮断し、健全な回線を使って負荷に高信頼度に電力を供給することができる。つまり、直流配電線1AのF点で地絡が発生した場合は、断路器6A、8A、9Aを開放して事故回線の直流配電線1Aを切り離し、断路器6B、8B、9Bを投入して健全な直流配電線1Bを使って負荷に電力を供給することができる。
As described above, according to the present embodiment, when a ground fault occurs in the operating DC distribution line 1A or 1B, power cannot be sent to the DC load 11, but the fault section is cut off by a disconnector and is sound. Power can be reliably supplied to the load using the line. In other words, if a ground fault occurs at point F of the DC distribution line 1A, the
また、分散電源としては、燃料電池3のほか、太陽発電システムなどを適用できる。また、分散直流電源の電圧を配電システムの電圧に等しくすることにより、DC/DC変換器7を省略できる。この場合は、平滑コンデンサ29の個数を少なくできるので、事故時に放出しなければならない配電線系統の蓄積エネルギを低減できる。
In addition to the
1A、1B 直流配電線
2 交流電源
3 燃料電池
5 AC/DC変換器
6A、6B、8A、8B、9A、9B 断路器
7、10 DC/DC変換器
11 直流負荷
21、22 変換器
29、30 平滑コンデンサ
31 制御回路
1A, 1B
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