JP2009507463A - 電気エネルギー伝送のための装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）を備えた電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）であって、各電力変換器（４，６，４０）が相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５，２７，２８，２９）を有し、相要素がスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ'〜１２ｉ'）の直列回路をそれぞれ少なくとも１つ持ち、スイッチ要素が、それぞれ少なくとも２つのターンオフ制御可能な電力用半導体（２２，２３）と、これらのそれぞれに並列に接続された少なくとも２つのフリーホイールダイオード（２４，２５）と、エネルギー蓄積手段（２６）とを含む電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）に関する。配電系統内または配電系統間における送電特性を改善するために、相要素（２７，２８，２９）がそれぞれ少なくとも２つの互いに並列に接続された並列分枝（７，７’）を有し、並列分枝がそれぞれスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ'〜１２ｉ'）の直列回路からなることが提案されている。

Description

本発明は、少なくとも１つの電力変換器を備えた電気エネルギー伝送のための装置であって、各電力変換器が相要素を有し、相要素がスイッチ要素の直列回路をそれぞれ少なくとも１つ持ち、スイッチ要素が、それぞれ少なくとも２つのターンオフ制御可能な電力用半導体と、これらのそれぞれに並列に接続された少なくとも２つのフリーホイールダイオードと、エネルギー蓄積手段とを含む電気エネルギー伝送のための装置に関する。

このような装置は独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書から既に公知である。そこには個々のスイッチ要素のそれぞれに付設された多数のコンデンサをエネルギー蓄積器として有する電力変換器が開示されている。スイッチ要素は並列接続されたフリーホイールダイオードを備えたターンオフ制御可能な電力用半導体を持っている。個別に投入可能な多数のコンデンサの使用によって、電力変換器によって発生可能な電圧を調整することができる。この電圧調整は、スイッチ要素が全てのスイッチ要素に共通な１つの中央のエネルギー蓄積器と共に動作する電力変換器の電圧調整に比べて、正確であり、あるいは換言すれば微細調整可能である。

配電の分野において、近接結合変換設備を構成するように、電力変換器を直流側で互いに接続し、かつ交流側で第１もしくは第２の伝送系統に結合することは普通のことである。近接結合変換設備を介して互いに接続される伝送系統は、例えば異なる電圧レベル、周波数、位相角または中性点接地方式を有する。近接結合変換設備の適切な調整によって、有効電力および／または無効電力を第１および第２の電力系統へまたは相互間で狙いどおりに伝送することができる。

送電および配電の分野における電力変換器は、近接結合変換設備ほかに、いわゆる直流送電（ＨＶＤＣＴ）設備およびいわゆるフレキシブル交流送電システム（ＦＡＣＴＳ）において使用される。電力変換器は、この種の用途の場合に、他例式変換技術にて動作する例えばサイリスタの如き電力用半導体を有する。しかしながら、自励式変換トポロジーにて使用される例えばいわゆる絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）の如きターンオフ制御可能な電力用半導体も使用される。ターンオフ制御可能な電力用半導体を有するいわゆる電圧型自励式変換器の場合にはエネルギー蓄積器、一般にはコンデンサが必要である。自励式変換器とエネルギー蓄積器としてのコンデンサとを有する装置の欠点は、使用されるコンデンサの大きさによって送電電力が制限されることにある。故障時に極めて大きな短絡電流が設備の破壊をもたらすことがある。したがって、この種の装置はこれまで実践において約±１５０ｋＶまでの送電電圧および約３００〜５００メガワットの送電電力しか達成されていない。

本発明の課題は、電力変換器によって発生可能な電圧のなおも細かい調整が可能にされている冒頭に述べた如き装置を提供することにある。

本発明は、この課題を、相要素がそれぞれ少なくとも２つの互いに並列に接続された並列分枝を有し、並列分枝がそれぞれスイッチ要素の直列回路からなることによって解決する。

本発明によれば、各相要素が少なくとも２つの並列分枝を有する。各並列分枝は、それぞれエネルギー蓄積手段が付設されているスイッチ要素の直列回路からなる。電力変換器のために必要な容量は、本発明によれば、個別に投入可能である非常に多数のエネルギー蓄積手段に配分される。このやり方では、電力変換器から発生可能な電圧のなおも正確な調整、換言すればより細かい段階化が可能である。細かく段階化可能な電圧は、本発明の枠内において、任意の用途に使用可能である。例えば、本発明による装置は負荷端子または送電系統に接続されている。送電系統は１つ以上の相を有し、交流電圧を導くために設けられている。交流電圧に関しては、請求される本発明の枠内では、基本波が交流電圧であると同様に、時間的に任意に変化する電圧経過も交流電圧であると理解すべきである。

スイッチ要素の構成および動作は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書に記載されていて、当該明細書はこれをもって本発明の開示の完全な一部分となる。このようなスイッチ要素の直列回路の場合には、好ましいことに、蓄積されるエネルギーがそれぞれ小さい多数のエネルギー蓄積手段に配分されるので、１つの単独のエネルギー蓄積手段、例えば１つのコンデンサを配置した場合における電圧もしくは出力の限界が克服される。更に、分散配置されたエネルギー蓄積手段によって、１つののみの共通なエネルギー蓄積器を有する装置に比べて、電力変換器から供給される電圧の細かい段階化が可能にされるので、装置接続点での平滑およびフィルタ処理のための費用が低減される。例えば、送電系統または負荷への電力変換器の結合が著しく簡単になる。例えば変圧器巻線の直列接続による費用のかかる磁気的結合措置が本発明の枠内において省略可能である。更に、本発明によれば、例えば短絡による１つの個別スイッチ要素の故障時に、他のスイッチ要素が依然として動作する能力を維持していることから、高められた動作安定性が保証される。相要素の個々のスイッチ要素は制御可能な電圧源のように作用し、３つの可能な状態を有する。第１の状態ではスイッチ要素の端子電圧がコンデンサ電圧に等しい。第２の状態ではスイッチ要素の端子電圧がターンオフ制御可能な電力用半導体またはフリーホイールダイオードの導通状態電圧を除いてほとんど０に等しく、そして第３の状態は障害時のために設けられている。

装置は、本発明によれば、モジュール構成されている。モジュール構成は、ここでもスイッチ要素に細分されている相要素によって行なわれる。スイッチ要素は同一に構成され、特に同じのエネルギー蓄積手段でもって、それゆえ同じ蓄積容量を持ったエネルギー蓄積手段でもって構成されている。しかしながら、これとは違って、異なる容量設計との組み合わせも本発明の枠内において考慮される。

本発明の適切な発展形態では、各並列分枝が偶数個のスイッチ要素を持ち、負荷または送電系統へのそれぞれの相要素の接続のための接続端子が並列分枝の中央に配置されている。直列回路において中央に配置される接続端子は偶数個のスイッチ要素を前提とする。この場合に全てのスイッチ要素が同一に設計されている。換言するならば、各相要素が接続端子に関して対称に構成されている。対称に構成された相要素の一方の側の直列回路のスイッチ要素は、例えば先に説明した第１の状態にあり、他方の側の直列回路のスイッチ要素は同様に先に説明した第２の状態にある。あるいは相互に逆の状態にある。この制御により、最大の電圧値が到達される。それぞれの側における１つ以上のスイッチ要素がその都度異なった状態に制御されるならば、個々のスイッチ要素の電圧の段階高さによる電圧の段階化がもたらされる。

しかしながら、本発明の枠内において、奇数個のスイッチ要素を有する相要素および／または中央に置かれていない負荷接続端子または系統接続端子を有する相要素も可能である。個々のスイッチ要素は、例えば等しい電圧または等しくない電圧に対して設計され、望ましくは２進化法またはほかの方法で異なった段階づけされ、それによって同じ個数のスイッチ要素において等しい電圧に対する設計の場合よりも細かい調整が可能にされる。

適切な発展形態では、電力変換器の多数の相要素が互いに並列に接続されている。この場合に相要素はブリッジ接続回路を構成する。電力変換器は、このような電力変換器として知られたいわゆる電圧型自励式変換器（ＶＳＣ）のように動作し、したがって無効電力および／または有効電力のための制御可能な多相交流電圧を投入するために有利なやり方で送電系統、直流電圧線または負荷に接続可能である。この場合に電力変換器は多相交流電圧を発生する。適切な閉ループ制御手段によって、選択的に零位相角および／または送電系統に投入すべき交流電圧の振幅が、しかも互いに独立に、影響を及ぼされ得る。零位相角なる概念は交流電圧と本発明による装置にその都度設定される要求に依存した基準量との間の位相差であると理解すべきである。したがって、例えば、ここでは接続点における送電系統の交流電流が基準量として挙げられる。したがって、このような電力変換器は、例えば、ＲＣ要素のような受動的なフィルタの代わりにまたはそれとの組み合わせで、能動的なフィルタ要素として、系統周波数の下および／または上の周波数範囲（副調波、超副調波）の電圧歪の能動的フィルタリングおよび／または電圧非対称補償のために使用されるとよい。この場合に、正弦波形からの電圧偏差が例えば負方向の干渉によって消去されるような電圧が電力変換器によって投入される。

互いに並列に接続された相要素を有する本発明による電力変換器を使用する場合には、直流電圧側ではエネルギー蓄積手段が直流電圧線に接続されていないことが好ましい。なぜならば、相要素の個々のスイッチ要素自体が、エネルギー蓄積器として役立つと同様に直流電圧側における電圧平滑用としても役立つエネルギー蓄積手段を持っているからである。第２の電力変換器における互いに並列に接続された３つの相要素の使用は、エネルギー蓄積手段を有するスイッチ要素によって、例えば接続された交流電圧系統への投入のための細かく段階化された多相交流電圧の発生を可能にする。

更に、このような電圧型自励変換器が直流送電においてもコンバータとして使用されるとよい。電力変換器が、すなわちより正確にはコンバータが、例えば互いに並列に接続された３つの相要素を公知のブリッジ接続回路にて含む。並列接続された２つの相要素を有する装置も、例えば結合用変圧器を介する唯一の相のみを有する送電系統または多相を有する送電系統に接続するように直流送電用のコンバータを構成する簡単な可能性を提供する。直流送電の概念は、本発明の枠内において、高電圧直流送電も中間電圧直流送電および低電圧直流送電も含む。

異なる実施形態においては多数の相要素が互いに直列に接続されている。このような装置は同様に電圧型自励変換器として動作し、例えば直流送電設備におけるコンバータとして動作する。この場合に直列回路は、予め与えられた出力においてより高い直流電圧による送電、したがってより小さい電流による送電、それゆえ損失の少ない送電を可能にする。

有利な発展形態では、相要素に対して並列にエネルギー蓄積器が配置されている。このような付加的なエネルギー蓄積手段は更なる平滑化および安定化のために使用される。

他の構成形態では、各相要素が少なくとも１つのインピーダンスを有するか、またはインピーダンスを介して他の相要素に接続されている。最も簡単な場合にリアクトルとして構成されるこのようなインピーダンスは、有利なやり方では、個々の相要素の間において例えば電圧変動または電圧非対称に基づいて発生し得る短絡電流を制限するように作用する。更に、インピーダンスは、故障時に電流上昇勾配および／または電流振幅が制限されるように設計されるとよい。この場合にインピーダンスは、例えば相要素または相要素の個々のスイッチ要素に直列に接続されるか、あるいはスイッチ要素に、例えば有利なモジュール構造様式にて組み込まれる。

有利な実施形態では、少なくとも１つの電力変換器が送電系統または直流電圧線に並列に接続可能である。このような装置は無効電力および／または有効電力制御のためのいわゆる並列補償に用いられ、例えば願わしくない電力動揺および／または副同期振動および／または副調波もしくは超副調波の抑制のために動的な制御機能を発揮する。有利な発展形態は、例えば電圧対称化のために用いられる。

公知の並列補償装置に比べて特に有利であるのは、本発明にしたがって発展させられた装置において、スイッチ要素の既述の直列回路によって、細かく段階化可能な交流電圧が送電線に投入可能であり、その際に交流電圧の発生のためのエネルギーが個々のスイッチ要素の分散配置されたエネルギー蓄積手段に蓄積されていることであり、これが公知の装置とは違っているところである。すなわち、公知の装置の場合には１つの単独のコンデンサがエネルギー蓄積器として使用され、単独のコンデンサがそれの大きさに基づいて送電電圧および装置出力を制限する要因として影響を及ぼす。したがって、各スイッチ要素内にエネルギー蓄積手段を有する本発明による装置によれば、投入される電圧が細かく調整可能である。

他の構成においては、少なくとも１つの電力変換器が送電系統に直列に接続可能である。このような接続は、同様に、大きさおよび／または位相が動的に可変である電圧の能動的な重畳および／または投入によって、既述の動的な制御機能を含めて、送電系統の無効電力および／または有効電力制御に役立つ。本発明による装置は、送電系統に並列に接続されている電力変換器と直列に接続されている電力変換器との複数の電力変換器を含むことが好ましい。送電系統の無効電力および／または有効電力制御が、あるいは前述の動的な制御機能も、大きさおよび位相が動的に可変である２つの電圧の能動的な投入によって改善される。送電系統は、例えば単相または多相の送電線である。

異なる実施形態では各電力変換器が直流電圧源に接続されている。この適切な発展形態では、直流電圧源と電力変換器との間において直流電圧が発生可能である。その際に電力変換器、すなわちより正確にはインバータが直流電圧を交流電圧へ変換するために用いられる。電力変換器の動作態様は整流器またはインバータとして任意に選択可能である。

これに関して適切な発展形態によれば、電圧源が整流動作をする電力変換器である。この有利な発展形態によれば、例えば２つの電力変換器が設けられている。その際に両電力変換器は、直流送電設備または近接結合変換設備の直流電圧側で互いに接続されたコンバータとして動作する。電力変換器の適切な閉ループ制御によって伝送すべき有効電力および／または無効電力および／またはそれらのそれぞれの成分が決定される。

整流作用をする電力変換器は少なくとも２つの電力変換器に接続されているとよい。このような装置はマルチターミナル装置とも呼ばれる。

電力変換器は近接結合変換設備を構成するように直接的に接続されているとよい。このような設備はＢＴＢ（ｂａｃｋ−ｔｏ−ｂａｃｋ）直流送電システムともよばれる。近接結合変換設備は、本発明の枠内において、例えば直流電圧側で互いに接続されている２つの電力変換器も含む。これとは異なって、近接結合変換設備は直流電圧側で互いに接続された多数の電力変換器を有する。このようなマルチターミナル近接結合変換設備は、例えば多数の送電系統の接続を可能にし、系統間の電力潮流が制御可能である。

これとは異なる実施例によれば電力変換器が直流電圧線により互いに接続されている。このやり方でいわゆる直流遠隔送電設備が提供される。直流遠隔送電設備は、同様に２つのみの電力変換器またはそれよりも多い電力変換器を有することができる。互いに離されて設置された電力変換器の場合には、閉ループ制御の目標パラメータが適切なデータ遠隔伝送によって電力変換器間で伝送される。より好ましくは、このような直流遠隔送電設備の電力変換器は数キロメートル互いに離されて設置されている。

適切な発展形態では、直流電圧線が１極または２極である。２極の直流電圧線は高電力の伝送を可能にする。直流電流の帰路として大地、または海底ケーブルの場合には水が利用される１極の直流電圧線は低コストの装置をもたらす。本発明による直流遠隔送電設備の交流側における単相または多相の送電系統は、例えば電車給電のための特殊電源系統の接続を可能にする。もちろん本発明の枠内において多極の直流電圧線も可能である。直流電圧伝送は基本的には任意に構成された直流電圧線により行なわれる。

しかしながら、直流電圧線は少なくとも部分的にガス絶縁された送電線、ケーブルおよび／または架空電線であることが好ましい。もちろん本発明の枠内においてこれらの線路の組み合わせも可能である。架空電線と組み合わせも含めたケーブルに対するガス絶縁送電線（ＧＩＬ）の特別な利点は、ガス絶縁線の少ない充電容量に基づく動的な制御および保護機能の改善された支配性にある。このやり方で発展させられた本発明による装置は、例えば単相または多相の交流電圧から第１の整流器により直流電圧を発生させるために、直流遠隔送電に用いられる。

この発展形態の他の実施形態においては直流電圧線が、最も簡単な場合にリアクトルであるインピーダンスによって構成されている。直流電圧線としてのリアクトルは、例えばそのようなものとして知られているいわゆる近接結合変換設備が構成されているとよい。リアクトルは、平滑、電流制限および／または上昇勾配制限のような機能を引き受ける。

好ましい形態では電力変換器の1つが他励式の電力用半導体を含む。ターンオフ制御可能な電力用半導体の代わりの、例えばサイリスタの如きまたは最も簡単な場合にはダイオードの如き他励式の電力用半導体からなるブリッジ接続回路を有する電力変換器を用いた装置の実施は設備コストの低減を可能にする。

好ましい形態ではスイッチ要素にそれぞれ他のダイオードが並列接続されている。このような他のダイオード、例えば平形ダイオードのような公知の圧力接触形ダイオードまたは圧力接触形電子モジュールに組み込まれたダイオードが、１つ以上のスイッチ要素の故障時にフィードバック制御による適切な制御において、欠陥のあるスイッチ要素の橋絡を形成し、それによって電力変換器の継続動作が可能にされる。その際に、なおも健全なスイッチ要素の適切な制御によって欠陥のあるスイッチ要素に集中的に短時間の過電圧が形成されるので、並列接続されたダイオードがブレークダウンし、欠陥のあるスイッチ要素が次のメンテナンス周期において交換されるまで永久的に橋絡されたままとなる。更に、電力用半導体に組み込まれたフライホイールダイオードも、故障時におけるスイッチ要素のこの種の橋絡機能を持つことができる。

エネルギー蓄積手段は、ここに選ばれた述語にしたがって、例えばバッテリー、はずみ車または高出力コンデンサ蓄電装置（Ｓｕｐｅｒ-Ｃａｐｓ）のようなエネルギー蓄積器およびコンデンサを含む。エネルギー蓄積器はコンデンサに比べて著しく高いエネルギー密度を有する。これは、既に述べた動的な制御機能を含む無効電力および／または有効電力制御が送電系統または直流電圧線における比較的長い電圧低下または電圧喪失の際にも使用可能なまま保たれるという利点を有する。高いエネルギー密度を有するエネルギー蓄積手段の使用は、結果としてシステムの改善された可用性を持つ。

エネルギー蓄積手段が少なくとも部分的にコンデンサであることが好ましい。コンデンサは今日公知のエネルギー蓄積器と比べて低コストである。

少なくとも２つの並列分枝が変圧器巻線を介して互いに接続されていることは好ましいことである。これとは異なって少なくとも２つの並列分枝が並列分枝接続部を介して直接的に互いに接続されていてもよい。並列分枝接続部による直接的な接続は、送電系統または負荷への本発明による装置の接続のために使用される変圧器の低コストの構造様式を可能にする。

有利な実施形態では、電力変換器と直流電圧線との接続がエネルギー蓄積器により行なわれる。高いエネルギー密度を有するエネルギー蓄積器を使用する場合に、このような接続はシステムの改善された可用性をもたらす。エネルギー蓄積器として、本発明による発展形態においても、例えば高出力コンデンサ蓄電装置を除いた上述のエネルギー蓄積器が考慮の対象となる。直流電圧線へのエネルギー蓄積器の接続は直列または並列に行なわれる。

装置は、直流送電設備および／またはいわゆるフレキシブル交流送電システム（ＦＡＣＴＳ＝Ｆｌｅｘｉｂｌｅ ＡＣ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ）を構成し、細かく段階化された出力電圧を供給することは好ましいことである。他の利点は、高価な磁気結合なしの無効電力および／または有効電力の伝送にある。この場合に本発明による装置はモジュール構造様式にて構成されていることが好ましい。本発明による装置が特に有利であるのは、直流送電に使用すること、および／またはいわゆる静止形同期補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）、静止形同期直列補償装置（ＳＳＳＣ）または統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ）を構成するために使用することである。

本発明の他の適切な構成および利点は、図面の図を参照した以下における本発明実施例の説明の対象である。これらの図において同じ符合は同じ作用を有する構成部分を示している。図１は本発明による装置の実施例の概略図を示し、図２は図１による装置のスイッチ要素の回路装置を示し、図３は図１の回路要素の他の実施例を示し、図４は本発明による装置の相要素の直列回路を有する電力変換器の模範的な概略図を示し、図５は本発明による装置の相要素の並列回路を有する電力変換器の模範的な概略図を示し、図６は本発明による装置の他の実施例を示す。

図１には、電気エネルギー伝送のための装置として、伝送系統または交流電圧系統２から他の交流電圧系統３への双方向の電力伝送のための高電圧近接結合変換設備１が示されている。交流電圧系統２もしくは３は、図示されていない変圧器および／またはリアクトルを介してまたは直結にて高電圧近接結合変換設備１に接続されている。高電圧近接結合変換設備１は、交流電圧を直流電圧に変換するための電力変換器としての第１のコンバータ４と、直流電圧接続部５と、直流電圧を交流電圧に変換するための電力変換器としての第２のコンバータ６とを含む。第１のコンバータ４は３つの相要素１０，１１，１２を有し、これらの相要素はそれぞれ２つの並列分枝７，７’から構成されている。各並列分枝はまたしても多数の直列に配置されたスイッチ要素１０ａ〜１０ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’
，１１ａ〜１１ｉ，１１ａ’〜１１ｉ’，１２ａ〜１２ｉ，１２ａ’〜１２ｉ’から構成されている。この場合に各相要素１０，１１，１２は、対称性の理由からスイッチ要素の直列回路の中央において、それぞれ交流電圧系統２の交流電圧の１つの相に接続されている。接続のために並列分枝接続部８が役立ち、並列分枝接続部８は図示されていない変圧器を介して交流電圧系統に結合されている。並列分枝接続部８と正の接続線５との間には、並列分枝接続部８と負の接続線５’との間におけるのとちょうど同数のスイッチ要素が配置されている。したがって、交流電圧系統２への相要素の接続は中央において行なわれる。

第２のコンバータ６は同様に３つの相要素１３，１４，１５を含み、これらの相要素は同様に２つの並列分枝７，７’を有する。各並列分枝７，７’は、それぞれ直列接続された偶数個のスイッチ要素１３ａ〜１３ｉ，１３ａ’〜１３ｉ’，１４ａ〜１４ｉ，１４ａ’〜１４ｉ’，１５ａ〜１５ｉ，１５ａ’〜１５ｉ’から構成されている。これらの直列接続された偶数個のスイッチ要素は、それぞれ直列回路の中央に交流電圧系統３の１つの相のための接続端子を有する。この場合にも接続は図示されていない変圧器を介して実現されている。

高電圧近接結合変換設備１は、更に直流電圧接続部５，５’の各端部に、付加的な直流電圧平滑および電力伝送安定化のために配置されたコンデンサおよび／またはリアクトルおよび／または抵抗および／またはアレスタからなる符号９もしくは９’を付された他の回路装置を持っている。

電圧変成器１６，１６'ならびに変流器１７，１７'が、電圧もしくは電流の測定のために、直流電圧接続部５にもそれぞれの交流電圧系統２，３にも設けられている。ただし、交流側の電圧変成器および変流器は図の見易さの理由から図示されていない。電圧変成器１６，１６'および変流器１７，１７'の出力信号はその都度監視すべき高電圧構成部分の測定量に相当する。検出された量は最終的に測定値として高電圧近接結合変換設備１の閉ループ制御ユニット１８，１９に伝送される。閉ループ制御ユニット１８，１９において、信号がその都度割り付けられるサンプル値の獲得のためにサンプリングされ、そしてサンプル値がディジタル測定値の獲得のめにディジタル化される。測定されてディジタル化された測定電流Ｉ_DCおよび／またはＩ_ACならびに測定電圧Ｕ_DCおよび／またはＵ_ACが、それぞれ予め与えられた目標値Ｉ_SollもしくはＵ_Sollと比較される。装置の自動制御手段が開ループ制御および／または閉ループ制御方法に基づいてコンバータ４および６を制御する。

相要素１０，１１，１２もしくは１３，１４，１５の直流側の接続間に、またはそれぞれの相要素の交流側の中央の接続端子に、図示されていない他のリアクトルを配置するとよい。これらのリアクトルは相要素間において生じ得る循環電流を制限する。

図２および図３は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書から公知であり、かつ図１による装置においてスイッチ要素１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉもしくは１０ａ’〜１０ｉ ’，１１ａ’〜１１ｉ '，１２ａ'〜１２ｉ '，１３ａ'〜１３ｉ '，１４ａ'〜１４ｉ '，１５ａ'〜１５ｉ 'として使用されている同等の回路装置を示す。スイッチ要素は、２つの接続端子２０，２１と、２つの電力用半導体２２，２３と、２つのダイオード２４，２５と、エネルギー蓄積手段としてのコンデンサ２６とを含む。電力用半導体２２および２３は、図示の例では、ターンオフ制御可能な電子スイッチであり、ここではＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）である。しかしながら、電力用半導体として、ＩＧＣＴ（絶縁ゲート制御サイリスタ）、ＭＯＳ電界効果トランジスタ等も使用可能である。回路装置ならびに多数のこのようなスイッチ要素の直列回路の作用は、独国特許出願公開第１０１０３０３１号明細書に記載されていて、これはこの関連付けによって今ここで問題にしている開示の対象である。個々のスイッチ要素は同じ電圧範囲または異なる電圧範囲に設計されていてよく、例えば２進法または他の方法にて異ならせて段階化可能である。接続端子２０，２１には、必要ならば、故障時におけるスイッチ要素の橋絡に役立つ図示されていない付加的なダイオードが接続される。

図４には、本発明による装置に使用するためのいわゆるＨ接続された他の電力変換器の実施例が示されている。この実施例では、図２によるスイッチ要素１０ａ〜１０ｉもしくは１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ〜１１ｉもしくは１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ〜１２ｉもしくは１２ａ'〜１２ｉ'が相要素２７，２８，２９に対して配置されている。各相要素２７，２８，２９は、またしても、それぞれ直列接続されたスイッチ要素を有する２つの並列分枝７，７'を含む。並列分枝は、それぞれ図４に上側および下側に示された２つの外側の接続線および中央の接続線を介して互いに接続されている。中央の接続線と各外側の接続線との間には同数のスイッチ要素が直列に接続されている。中央の接続線はそれぞれ、接続される交流電圧の２つの相との接続のための相接続端子３０，３１，３２を有する。相接続端子３０，３１，３２は概略的に変圧器３０，３１，３２の２次側接続端子として示されている。変圧器３０，３１，３２の図示されていない１次側にはその都度の交流電圧が取り出されるか、または印加される。互いに直列に接続されているそれぞれの相要素２７，２８，２９にはコンデンサ３３，３４，３５が並列接続されている。交流電圧の発生のために図示の装置が作動させられる際に、各相要素によって、個々のスイッチ要素が適切に制御されることにより、直流側で結合された直流電圧から多相交流電圧の１相に交流電圧が供給される。コンデンサ３３，３４，３５は、付加的な安定化および平滑に役立ち、オプションとして設けられているだけである。この装置は、電圧型自励式変換器の原理にしたがって動作し、直流電圧側に印加される直流電圧または電力変換器自体によって発生させられた直流電圧から３相交流電圧を発生する。それゆえ、装置は、もちろん３相交流電圧の直流電圧への変換およびその逆の変換をするコンバータとしても使用される。

図５は、図４の直列回路に比べて大きい送電電流が実現される相要素２７，２８，２９の並列回路を有する電力変換器を示す。相要素２７，２８，２９は、この実施形態では模範的に、リアクトル３６，３７，３８もしくは３６'，３７'，３８'により双極性の直流回路に接続されていて、この直流回路には送電線、ケーブルまたはＧＩＬ（ガス絶縁送電線）またはこれらのうちの任意の組み合わせを接続することができる。

図６は、電気エネルギー伝送のための装置３９の本発明による他の実施例を概略的に示す。装置３９は、送電系統の送電線４１に接続されている電力変換器４０を含み、電力変換器４０の直流電圧側はコンデンサ４２およびオプションとしての直流電圧源４２に接続されている。送電線４１は、送電系統として、負荷接続端子を有するエネルギー供給系統の一部である。

電力変換器４０の開ループ制御および閉ループ制御のために、図示の本発明による装置３９を制御する他の手段のほかに、開ループ制御および閉ループ制御ユニット４３が使用される。制御ユニット４３には電流測定ユニット４４により検出される測定交流電流Ｉ_ACおよび電圧測定ユニット４５により得られる測定交流電圧Ｕ_ACが伝送され、制御ユニット４３において、適切な制御方法により送電線４１の交流電圧を動的にかつ位相調整して制御するために、予め与えられた目標値と比較される。ここでもう一度指摘しておくに、交流電圧という概念は、送電線４１を送電系統として作動させる電圧の任意の時間経過を含み、正弦波または高調波の電圧経過に限定されていない。

電力変換器４０はオプションとしてのリアクトル４６ならびに同様にオプションとしての変圧器４７を介して送電線４１に接続されている。電力変換器４０の助けによって、動的に大きさおよび位相が変化する電圧の能動的な結合により、無効電力および／または有効電力制御が可能にされ、あるいは電力動揺および／または副同期振動および／または副調波および／または超副調波の抑制および／または電圧対称化のような動的な制御機能が可能にされている。

電力変換器４０は、図１に示されたコンバータ４，６に示されたような、または図４または図５に示されたような図示されていない相要素を有する。装置３９は他の補償用のモジュール４８，４９を含み、これらのモジュールは固定の要素ならびに投入可能または制御可能な電力用半導体５０，５１を有し、かつ同様に送電線４１に接続されている。補償用のモジュール４８，４９の受動的な構成要素はリアクトル、コンデンサ、抵抗およびアレスタの任意の組み合わせおよび／またはこれらの単独の要素からなる。例えば、送電線４１における有効電力余剰の低減のために投入または制御される制動抵抗が実現されるように、モジュール４９が抵抗を装備することが有利である。このような有効電力余剰は、送電線４１に接続された負荷または高電圧直流送電設備の遮断時に有害な過電圧をもたらすことがある。

モジュール４９が少なくとも１つのアレスタを持っていると有利である。このアレスタ装備によって対比可能な電圧低減が達成可能である。電力変換器４０および補償用のモジュール４８，４９と多相送電線４１との接続は変圧器４７またはインピーダンスを介して行なわれるとよく、あるいは直接に行なわれてもよい。この種の補償および制御要素は、ＦＡＣＴＳの呼称のもとでの補償および制御要素として知られている。ここに示された本発明による装置の場合には、電力変換器４０において発生させられた交流電圧が能動的に送電線４１に供給される。この場合に送電要求に応じて電力変換器４０が制御されるので、作用させられる信号は細かい段階づけにて送電要求に適合させられ得る。電力用半導体５０，５１の代わりに、例えば電力用開閉器のような機械式の開閉器も使用することができる。本発明による装置は、このような公知のＦＡＣＴＳとして、例えば静止形同期補償装置（ＳＴＡＴＣＯＭ）を含み、送電線への直列結合の場合に静止形同期直列補償装置（ＳＳＳＣ）を含み、あるいは並列結合および直列結合の組み合わせの場合に統合電力潮流制御装置（ＵＰＦＣ）を含む。

図１、図４、図５および図６に示された装置は、本発明の枠内において、図示の３相交流電圧系統もしくは３相送電線４１とは違って、単相、２相または多相の交流電圧系統もしくは送電線に、それぞれ適切な接続手段により接続可能である。

更に、図１による高電圧近接結合変換設備１は、そこに示された相要素の並列回路のほかに、本発明の枠内において、図４にしたがって直列に接続されたスイッチ要素も有する。電力変換器間に延びる直流電圧線の使用によって高電圧直流送電設備を得ることもできる。高電圧直流送電設備も近接結合変換設備も、本発明の枠内において、２つよりも多い電力変換器を有することでき、この場合はマルチターミナル動作に適している。電力変換器間の送電線は、例えばケーブルとして、またはガス絶縁された送電線によって実現されている。電力変換器の直接的接続によって、既述の近接結合変換設備が得られる。

コンデンサ５２を含めて、図１に示された回路装置９，９’のコンデンサ、図２および図３によるコンデンサ２６、図４によるコンデンサ３３，３４，３５および図６のコンデンサは、例えばはずみ車、バッテリー、高出力コンデンサ蓄電装置（Ｓｕｐｅｒ-Ｃａｐｓ）のようなエネルギー蓄積器と一緒に組み合わせることができ、あるいはこれらのエネルギー蓄積器によって置き換えることもできる。このためにエネルギー蓄積器は上述のコンデンサに対して並列にまたは上述のコンデンサの代わりに配置される。例えば回路装置９におけるように１つの共通なモジュール内に空間的に集中させられた配置も、エネルギー蓄積器の分散された配置、すなわち異なるモジュールへの空間的配分も可能である。

本発明による装置の実施例を示す概略図 図１の装置のスイッチ要素の実施例を示す回路図 図１の装置のスイッチ要素の他の実施例を示す回路図 本発明による装置の相要素の直列回路を有する電力変換器の模範的な概略図 本発明による装置の相要素の並列回路を有する電力変換器の模範的な概略図 本発明による装置の他の実施例を示す概略図

符号の説明

１ 近接結合変換設備
２，３ 交流電圧系統
４ 第１のコンバータ
５，５’ 直流電圧線
６ 第２のコンバータ
７，７’ 並列分枝
８， 並列分枝接続部
９，９’ 回路装置
１０，１１，１２ 相要素
１０ａ〜１０ｉ スイッチ要素
１１ａ〜１１ｉ スイッチ要素
１２ａ〜１２ｉ スイッチ要素
１０ａ’〜１０ｉ’ スイッチ要素
１１ａ’〜１１ｉ’ スイッチ要素
１２ａ’〜１２ｉ’ スイッチ要素
１３，１４，１５ 相要素
１３ａ〜１３ｉ スイッチ要素
１４ａ〜１４ｉ スイッチ要素
１５ａ〜１５ｉ スイッチ要素
１６，１６’ 電圧変成器
１７，１７’ 変流器
１８，１９ 閉ループ制御ユニット
２０，２１ 接続端子
２２，２３ 電力用半導体
２４，２５ ダイオード
２６ コンデンサ
２７，２８，２９ 相要素
３０，３１，３２ 相端子
３３，３４，３５ コンデンサ
３６，３７，３８ リアクトル
３６’，３７’，３８’リアクトル
３９ 電気エネルギー伝送システム
４０ 電力変換器
４１ 送電線
４２ エネルギー蓄積手段
４３ 開ループ制御および閉ループ制御ユニット
４４ 電流測定ユニット
４５ 電圧測定ユニット
４６ リアクトル
４７ 変圧器
４８，４９ 補償用のモジュール
５０，５１ サイリスタ
５２ コンデンサ

Claims (21)

1. 少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）を備えた電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）であって、各電力変換器（４，６，４０）が相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５，２７，２８，２９）を有し、相要素がスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ'〜１２ｉ'）の直列回路をそれぞれ少なくとも１つ持ち、スイッチ要素が、それぞれ少なくとも２つのターンオフ制御可能な電力用半導体（２２，２３）と、これらのそれぞれに並列に接続された少なくとも２つのフリーホイールダイオード（２４，２５）と、エネルギー蓄積手段（２６）とを含む電気エネルギー伝送のための装置（１，３９）において、
   相要素（２７，２８，２９）がそれぞれ少なくとも２つの互いに並列に接続された並列分枝（７，７’）を有し、並列分枝がそれぞれスイッチ要素（１０ａ〜１０ｉ，１１ａ〜１１ｉ，１２ａ〜１２ｉ，１３ａ〜１３ｉ，１４ａ〜１４ｉ，１５ａ〜１５ｉ，１０ａ’〜１０ｉ’，１１ａ’〜１１ｉ'，１２ａ'〜１２ｉ'）の直列回路からなることを特徴とする装置（１，３９）。
2. 各並列分枝がそれぞれ偶数個のスイッチ要素を持ち、負荷または送電系統（４１）へのそれぞれの相要素（２７，２８，２９）の接続のための接続端子（３０，３１，３２）が並列分枝の中央に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 電力変換器の多数の相要素（２７，２８，２９）が互いに並列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置（１，３９）。
4. 多数の相要素（２７，２８，２９）が互いに直列に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載の装置（１，３９）。
5. 相要素（２７，２８，２９）に並列にエネルギー蓄積手段（３３，３４，３５）が配置されていることを特徴とする請求項４記載の装置（１，３９）。
6. 各相要素（１０，１１，１２，１３，１４，１５，２７，２８，２９）が少なくとも１つのインピーダンス（３６，３７，３８，３６’，３７’，３８’）を有するか、またはインピーダンス（３６，３７，３８，３６’，３７’，３８’）を介して他の相要素に接続されていることを特徴とする請求項１乃至５の１つに記載の装置（１，３９）。
7. 少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）が送電系統（４１）または直流電圧線（５）に対して並列に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至６の１つに記載の装置（１，３９）。
8. 少なくとも１つの電力変換器（４，６，４０）が送電系統（４１）または直流電圧線（５）に対して直列に接続可能であることを特徴とする請求項１乃至７の１つに記載の装置（１，３９）。
9. 各電力変換器が直流電圧源に接続されていることを特徴とする請求項１乃至８の１つに記載の装置（１，３９）。
10. 直流電圧源が整流作用をする電力変換器であることを特徴とする請求項９記載の装置（１，３９）。
11. 整流作用をする電力変換器が少なくとも２つの電力変換器に接続されていることを特徴とする請求項１乃至１０の１つに記載の装置（１，３９）。
12. 電力変換器が近接結合変換設備を構成するように直接的に互いに接続されていることを特徴とする請求項９記載の装置（１，３９）。
13. 電力変換器が直流電圧線（５）により互いに接続されていることを特徴とする請求項９乃至１１の１つに記載の装置（１，３９）。
14. 直流電圧線（５）が１極または２極であることを特徴とする請求項１３記載の装置（１，３９）。
15. 直流電圧線（５）が少なくとも部分的にガス絶縁された送電線、ケーブルおよび／または架空電線であることを特徴とする請求項１３又は１４記載の装置（１，３９）。
16. 直流電圧線（５）がインピーダンスであることを特徴とする請求項１３乃至１５の１つに記載の装置（１，３９）。
17. 電力変換器（４，６，４０）の１つが他励式の電力用半導体を有することを特徴とする請求項１乃至１６の１つに記載の装置（１，３９）。
18. スイッチ要素に少なくとも１つの他のダイオードが並列接続されていることを特徴とする請求項１乃至１７の１つに記載の装置（１，３９）。
19. エネルギー蓄積手段が少なくとも部分的にコンデンサ（９，９’，２６，３３，３４，３５，５２）であることを特徴とする請求項１乃至１８の１つに記載の装置（１，３９）。
20. 少なくとも２つの並列分枝（７，７’）が変圧器巻線（３０，３１，３２）により互いに接続されていることを特徴とする請求項１乃至１９の１つに記載の装置（１，３９）。
21. 少なくとも２つの並列分枝（７，７’）が並列分枝接続部（８）を介して直接的に互いに接続されていることを特徴とする請求項１乃至２０の１つに記載の装置（１，３９）。

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