JP2006288099A

JP2006288099A - 直流送電システムの保護装置

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Publication number: JP2006288099A
Application number: JP2005105606A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Konishi; 博雄小西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-04-01
Filing date: 2005-04-01
Publication date: 2006-10-19
Anticipated expiration: 2025-04-01
Also published as: JP4339810B2

Abstract

【課題】
本発明の目的は直流送電系統の事故を確実に検出して故障区間を除去し、健全な送電線から負荷に電力供給することができる直流送電システムの保護装置を提供することにある。
【解決手段】
電源側変換器５の直流出力端と負荷側変換器８ａ、８ｂの直流入力端に直流電流を電流方向により正負に検出する電源側および負荷側の電流検出器１２，１３を設ける。事故検出装置１４は両電流検出器１２，１３の電流検出値の電流差が規定値を超えたときに直流送電区間事故と判定する。
【選択図】図１

Description

本発明は電源側と負荷側の電力変換器として電圧型電力変換器を用いた直流送電システムの保護装置に関する。

近年、太陽光発電システムや燃料電池等の直流分散電源の導入が進められている。一方、ＩＴ技術や情報産業の進展に伴ってデータセンタ等の直流負荷が増加しつつある。これらの分散電源や負荷は既設の交流送電設備を使って電力の需給が行われる為，電源側では直流を交流に変換する電力変換装置、また、負荷側では交流を直流に変換する電力変換装置が使われている。

しかし、分散電源の直流出力を直流負荷に直接電力供給できる、いわゆる直流多端子送電(配電)システムが実現できれば直流を交流に、交流を直流に変換するプロセスが省略でき、効率の良い電力送電が行えると考えられる。このような直流送電システムには電源側と負荷側の電力変換装置として有効電力と無効電力を独立に制御できる自励式の電圧型電力変換器を用いることが考えられている。

一方、直流多端子送電(配電)システムにおいても直流送電系統の地絡事故を検出し、事故を検出したならば健全な他系統から情報産業等の直流負荷に給電するようにして信頼度を高くして電力供給を行う必要がある。

直流送電系統の地絡事故を検出には両端の電流差により検出する差動継電方式が知られている。差動継電方式は、例えば、下記の特許文献１に記載されている。

特開平８−１６８１７９号公報

従来技術は直流送電系統の両端電流における絶対値の電流差により地絡事故を検出している。電圧型電力変換器は直流側に平滑コンデンサを備えている。直流送電系統に地絡事故が発生しても電源側と負荷側の電力変換器の平滑コンデンサから放電電流が流れるために電流差を生じなくなる。このため、送電線事故を検出できないという事態が惹起するという問題点を有する。

本発明の目的は直流送電系統の事故を確実に検出して故障区間を除去し、健全な送電線から負荷に電力供給することができる直流送電システムの保護装置を提供することにある。

本発明の特徴とするところは、電源側変換器の直流出力端と負荷側変換器の直流入力端に直流電流を電流方向により正負に検出する電源側および負荷側の電流検出器を設け、両電流検出器の電流検出値の電流差が規定値を超えたときに直流送電区間事故と判定するようにしたことにある。

本発明は電源側変換器の直流出力端と負荷側変換器の直流入力端の直流電流を電流方向により正負に検出する電流検出器で検出するようにしているので、直流送電系統の事故を確実に検出して故障区間を除去し、健全な送電線から負荷に電力供給することができる。

電圧型電力変換器の電源側変換器は交流を直流に変換する。平滑コンデンサは電源側変換器の直流出力を平滑する。電圧型電力変換器で構成される複数台の負荷側変換器は電源側変換器の直流出力を交流あるいは直流に変換する。複数台の負荷側変換器はそれぞれ直流入力を平滑する平滑コンデンサが設けられている。直流送電系統は電源側変換器の直流端子を複数台の負荷側変換器の直流端子に多端子に分岐して接続する。電源側電流検出器は電源側変換器の直流出力端の直流電流を電流方向により正負に検出する。また、負荷側電流検出器は直流送電系統の多端子分岐端の直流電流を電流方向により正負に検出する。事故検出手段は両電流検出器の電流検出値の電流差が規定値を超えたときに直流送電系統区間事故と判定する。

図１に本発明の一実施例を示す。図１は直流三端子送電（配電）システムの例を示す。
図１において、交流母線１には交流系統２が接続されている。交流系統２は太陽光発電システム、燃料電池等の分散電源が繋がれている。交流母線１は交流遮断器３と変換用変圧器４を介して電源側変換器５の交流端子に接続されている。電源側変換器５は交流を直流に変換する電力変換器で、有効電力と無効電力を独立して制御できる自励式の電圧型電力変換器で構成されている。電源側変換器５は変換器制御装置１７によって制御される。電源側変換器５の直流出力端には平滑コンデンサ６が設けられている。

２台（複数台）の負荷側変換器７ａ、７ｂは自励式の電圧型電力変換器を含んで構成され、負荷側変換器７ａ、７ｂ毎に直流入力を平滑する平滑コンデンサ８ａ，８ｂが設けられている。負荷側変換器７ａ、７ｂは直流入力を交流あるいは直流に変換する。平滑コンデンサ８ａ、８ｂの容量は８ａと８ｂの加算値が平滑コンデンサ６と略等しくなっている。負荷側変換器７ａ、７ｂは変換器制御装置１８ａ，１８ｂによって制御される。

電源側変換器５の直流端子と負荷側変換器７ａ、７ｂの直流端子は直流送電系統９で接続されている。１０ａ、１０ｂは負荷側変換器７ａ、７ｂの負荷を示している。負荷１０ａは直流負荷あるいは交流負荷を示し、負荷１０ｂは回生負荷、燃料電池、二次電池等を示している。

直流送電系統９は多端子分岐端Ａで三端子に分岐されている。直流送電系統９は電源側変換器５の直流端子と多端子分岐端Ａの間を直流送電線区間９ａ、負荷側変換器７ａの直流端子と多端子分岐端Ａの間を直流送電線区間９ｂ、負荷側変換器７ｂの直流端子と多端子分岐端Ａの間を直流送電線区間９ｃに区分されている。直流送電線区間９ａ、９ｂ、９ｃの変換器側の負側母線はそれぞれ接地インピーダンス１１ａ、１１ｂ、１１ｃで接地されている。

電源側変換器５の直流出力端と直流送電系統の多端子分岐端Ａ、つまり直流送電線区間９ａの両端には直流電流を電流方向により正負に検出する直流変流器１２，１３（電源側電流検出器１２と負荷側電流検出器１３）が設けられている。

直流変流器１２，１３の電流検出特性は図３（ａ）に示すようになる。直流変流器１２，１３は電流方向が変わると符号の反転した電流を出力する。ちなみに、従来の差動保護に用いられている直流電流検出装置の電流検出特性は図３（ｂ）のように電流方向に拘らず電流の大きさに比例した電流を出力するものになっている。
両電流検出器１２，１３の電流検出値は減算器１５で電流差が求められ、比較器１６に入力される。比較器１６は電流差が規定値Ｉｓを超えたときに直流送電区間事故と判定し事故信号を出力する。減算器１５と比較器１６は事故検出装置１４を構成する。

なお、直流送電線区間９ｂと直流送電線区間９ｃの両端にも直流変流器が設けられ、それぞれの区間の事故を検出するようにしているが、図示が複雑になるので省略している。

図２に負荷側変換器７の一例構成図を示す。図２は負荷側変換器７として直流／直流変換器の例を示している。
図２において、自励式の電圧型電力変換器２０は直流送電系統９からの直流入力を交流に変換する。電圧型電力変換器２０の交流端子は高周波用変圧器２１と遮断器２２を介して自励式の電圧型電力変換器２３の交流端子に接続されている。

負荷１０が直流負荷の場合には、電力変換器２０が直流を交流に変換する高周波インバータ、電力変換器２３が交流を直流に変換する整流器（順変換器）となる。また、負荷１０が回生負荷である場合、あるいは燃料電池や二次電池等の直流電圧源の場合は電力変換器２３が高周波インバータ、電力変換器２０が整流器となる。
なお、負荷１０が交流負荷の場合は、電力変換器２０を商用周波のインバータとして運転して、高周波用変圧器３２１が通常の商用周波の変換用変圧器となり、その後に交流負荷が繋がることになる。
また、直流／直流変換器の場合、インバータを高周波化することによって、絶縁を兼ねた昇圧用（降圧用）変圧器２１のコンパクト化を図ることが可能となる。
次に、図４を参照して送電線地絡事故検出の動作を説明する。

直流送電線区間９ａのｆ点で時刻ｔ１において地絡事故が発生したとする。地絡事故時、電源側の電流検出器１２には図４（ａ）に示すように電源側変換器５からの送電電流に平滑コンデンサ６の放電電流が重畳した過電流が流れる。一方、負荷側の電流検出器１３には図４（ｂ）に示すように事故前と逆方向に平滑コンデンサ８ａ，８ｂの放電電流が流れる。平滑コンデンサ６と平滑コンデンサ８ａ，８ｂの放電電流は定格電流に比べて数倍になる。

地絡事故発生前における電流検出装置１２，１３の電流検出値は同一方向で同一値であり、減算器１５の出力も零になっている。また、直流送電線区間９ａの外部事故の場合にも電流検出器１２，１３の電流検出値は等しくなる。

その後、電源側変換器５及び負荷側変換器７ａ，７ｂから事故点ｆに向かって地絡電流が流れることになる。電流検出器１２と１３には互いに向きが反対の過電流が検出される。電流検出器１２と１３は電流の正負を検出できるので、図４（ｃ）に示すように放電電流により電流検出値に電流差が生じ、規定値Ｉｓを越えるようになる。したがって、事故検出装置１４は送電線地絡事故を確実に検出できることになる。
このようにして直流送電線の事故が検出されると、事故送電線に接続された電力変換器は停止（ゲートパルスをブロック）され、事故区間を遮断器で開放した後に健全な直流送電線を使って電力変換器を再起動して再送電する。
次に、直流送電線９が高抵抗で地絡して地絡時に直流電圧が残っている場合に付いて説明する。
電源側変換器５は交流母線１から電力を給電され直流送電系統９の直流電圧を一定に保つように変換器制御装置１７によって制御される。従って、電源側変換器５は直流送電線９で地絡事故が発生し直流電圧が低下すると、直流電流を増加させて直流電圧を一定値に保つように動作する。
このような状況において電流検出装置１２は電源側変換器５で許容される最大電流まで増加する電流を検出することになる。一方、負荷側変換器７（７ａ，７ｂ）は負荷１０に要求された電力を受電するように変換器制御装置１８によって定電力制御される。

直流送電区間９ａで地絡事故が発生し直流電圧が低下すると、電源側変換器５が制御できる直流電圧低下の範囲、例えば定格直流電圧の７０％以上であれば電源側変換器５の出力電力を一定に保つように電流を増加させることになる。電源側の電流検出装置１２はこの電流増加を検出することになる。一方，負荷側の電流検出装置１３も電源側とは異なるが、若干の電流増加を検出することになる。
従って、直流送電線９で高抵抗接地の地絡事故が発生した場合、電源側と負荷側で地絡事故に伴う電圧変化に応じた平滑コンデンサ６，８の放電電流が電源電流及び負荷電流に重畳することになる。平滑コンデンサ６，８の容量が大きいので、電圧変化が小さくても放電電流は大きくなる。

この場合にも正負の向きを検出できる電流検出器１２，１３には異なった電流が流れることになる。したがって、両電流検出器１２，１３の電流検出値に差が生じ送電線事故を検出することができる。
ここで、高速に事故を検出する必要性は、事故発生による健全な系統への事故波及を最小限にとどめると共に送電線事故を検出したのち事故の送電線区間を遮断器等で除去すれば健全な送電線は運転が行えるし，健全な自励式変換器は単独で無効電力制御運転が行え、自励式変換器が接続された交流系統や分散電源の電圧安定化制御等によって系統強化が行えるからである。

このようにして直流送電系統の地絡事故を検出して保護を行うのであるが、電源側変換器の直流出力端と負荷側変換器の直流入力端の直流電流を電流方向により正負に検出する電流検出器で検出するようにしているので、直流送電系統の事故を確実に検出して故障区間を除去し、健全な送電線から負荷に電力供給することができる。

なお、上述の実施例は負荷側変換器が複数台の例を挙げているが、１台であっても同様にして保護できるのは明らかなことである。

図５に本発明の他の実施例を示す。

図５において図１と同一符号は相当物を示し、電源側変換器５の直流出力端の直流電圧を検出する直流変成器（電圧検出器）２６が設けられている。電圧検出器２６で検出された直流電圧は定格電圧より小さくなったことを検出する電圧低下検出回路２７に入力される。電流増加検出回路２５は電流検出器１２の出力を入力して電流検出値の電流増加を検出する。電流増加検出回路２５の出力と電圧低下検出回路２７の出力はアンド回路２８に入力される。
このような電圧検出器２６、電圧低下検出回路２７、電流増加検出回路２５、アンド回路２８から構成される保護装置は負荷側変換器７ａ、７ｂにも設けられる。

この構成おいて、前述したように直流送電線９ａで地絡事故が発生すると直流電流が増加し、直流電圧が低下するので送電線地絡事故の検出が高信頼度で行える。ただし、直流電圧検出は直流電流検出に比べて検出速度が遅いので、検出に時間遅れを生じる。

図５の実施例では送電線事故区間を判定できないが、地絡事故を検出することが可能で、検出装置を直流送電系統の一端に設けるだけであり信号授受を簡単に行える。

図６に本発明の他の実施例を示す。図６の実施例は図１の実施例に図５に示した電圧検出器２６と電圧低下検出回路２７を追加し、アンド回路２９で事故検出装置１４と電圧低下検出回路２７のアンド条件を採り送電線事故を検出するものである。

実施例３においても送電線事故により直流電圧低下を検出しているので実施例２と同様に検出の高信頼度化が図れる。

本発明の一実施例を示す構成図である。本発明の負荷側変換器の一例構成図である。本発明の電流検出器の入出力特性図である。本発明の動作を説明するための波形図である。本発明の他の実施例を示す構成図である。本発明の他の実施例を示す要部構成図である。

符号の説明

１：交流母線、２：交流系統、３：遮断器、４：変圧器、５：電源側変換器、６、８：平滑コンデンサ、９：直流送電系統、１０：負荷、１１：接地インピーダンス、１２，１３：電流検出器、１４：事故検出装置、１５：減算器、１６：比較器、１７、１８：変換器制御装置。

Claims

交流を直流に変換する電圧型の電源側変換器と、前記電源側変換器の直流出力を平滑する平滑コンデンサと、前記電源側変換器の直流出力を交流あるいは直流に変換する電圧型の負荷側変換器と、前記負荷側変換器の直流入力を平滑する平滑コンデンサと、前記電源側変換器と前記負荷側変換器の直流端子を接続する直流送電系統と、前記電源側変換器の直流出力端の直流電流を電流方向により正負に検出する電源側電流検出器と、前記負荷側変換器の直流入力端の直流電流を電流方向により正負に検出する負荷側電流検出器と、前記両電流検出器の電流検出値の電流差が規定値を超えたときに前記直流送電系統区間事故と判定する事故検出手段とを具備することを特徴とする直流送電システムの保護装置。
交流を直流に変換する電圧型の電源側変換器と、前記電源側変換器の直流出力を平滑する平滑コンデンサと、前記電源側変換器の直流出力を交流あるいは直流に変換する複数台の電圧型負荷側変換器と、前記複数台の負荷側変換器毎に設けられ、直流入力を平滑する平滑コンデンサと、前記電源側変換器の直流端子を前記複数台の負荷側変換器の直流端子に多端子に分岐して接続する直流送電系統と、前記電源側変換器の直流出力端の直流電流を電流方向により正負に検出する電源側電流検出器と、前記直流送電系統の多端子分岐端の直流電流を電流方向により正負に検出する負荷側電流検出器と、前記両電流検出器の電流検出値の電流差が規定値を超えたときに前記直流送電系統区間事故と判定する事故検出手段とを具備することを特徴とする直流送電システムの保護装置。
請求項１、２のいずれか１項において、前記電源側変換器の直流出力端の直流電圧を検出する電圧検出器を設け、前記事故検出手段は前記両電流検出器の電流検出値の電流差が規定値を超えると共に前記電圧検出器で検出した直流電圧が低下したときに前記直流送電系統区間事故と判定することを特徴とする直流送電システムの保護装置。