JP2014112984A - 直流送電制御システム。 - Google Patents

Abstract

【課題】
従来電力変換器では直流事故時に交流系統から事故電流流入することから、直流事故時にMMCCを全停止・再起動する必要があった。直流系統に耐えうる遮断器無は商用ベースでは存在せず。全停止、再起動を行うとすると高速復帰ができないという課題があった。
【解決手段】
本発明は，複数のフルブリッジ回路の直列体アームを複数備えた複数の電力変換装置と複数の断路器と直流系統側に設置した複数の電流センサより構成されることを特徴とする直流送電システムにおいて、直流系統事故が発生したときには，上記電流センサからの異常信号により前記電力変換装置がIdc=0にする。数秒後前記電力変換装置が再立ち上げ時に直流側系統事故が継続しているか否かの判定後，前記事故が除去されていれば前記電力変換装置は運転継続，否であれば再びMMCCはIdc=0にすることを特徴とする直流送電システムを提供する。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流送電制御システムに係り，特に，電力変換装置を用いるに好的な直流送電制御システムに関する。

近年、送電の効率化のために直流送電が多く用いられるようになってきた。一般の電力系統は交流であるので、そのために、直流送電のためには、交流系統の電力を電力変換装置で直流に変換して送電する。
ここで、交流系統或いは直流送電線に落雷などによる事故が発生することがある。事故発生のまま直流送電を継続すると、例えば、電力変換装置が事故で発生した電圧に絶えられない等、送電システム全体に影響が及ぶので、一旦、送電を停止する必要がある。
そのため、例えば、事故発生の場合には、全ての電力変換装置の動作を停止する。また、各電力変換装置間において直流送電線に直流遮断器を設け、事故が発生した場合に、電力変換装置の動作が停止となった後、直流送電線の直流電流が零になった時点で、直流遮断器により直流送電を切離す。このような技術は、例えば、特開２００８−２９０４４号公報に記載されている。
また、直流送電システムにおいて直流電流センサを備え、事故時に電力変換装置の運転を停止し、事故原因の除去と同時にシステムを再起動する。このような技術は、例えば、特開２０００−５０４９８号公報に記載されている。

特開２００８−２９０４４号公報 特開２０００−５０４９８号公報

上記の特許文献１の技術では、事故発生の場合には、電力変換装置を全て停止して直流電流が零になった時点で切離すので、１対複数を有する端子構成に応用できる余地がなかった。また、上記の特許文献２の技術では、直流送電線に全ての変換装置が接続されているので、直流送電線に事故が発生した場合には、やはり、全ての変換装置を停止させなければならなかった。

特許文献１ならびに特許文献２はいずれも直流送電システムにおける端子数が少数の端子から構成されており、更に端子が増えることによる系統事故時の対応に関する意識がされていない。
さらには、自励式直流送電であるＶＳＣ−ＨＶＤＣとして高電圧、低歪み波形を出力可能なＭＭＣＣ（Ｍｕｌｔｉ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｃａｓｃａｄｅ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）方式が有力だが、系統事故時の復旧には時間を要しており、上記従来技術では対応ができなかった。

本発明の目的は、上記問題点のうち、少なくとも１を解決することにある。

上記目的を達成するために、本発明では、第１の送電路の一方側に第１の電力変換装置の直流側を接続し、第２の送電路の一方側に第２の電力変換装置の直流側を接続し、前記第１の送電路の他方側と前記第２の送電路の他方側に第３の電力変換装置の直流側を接続し、前記第１の送電路と第２の送電路の各々に遮断手段を配置した直流送電システムの送電を制御するものでであって、前記送電路の事故を検出し、前記事故の検出された送電路に接続される直流を出力している変換装置の出力を停止させ、その後、前記事故の検出された送電路の遮断手段を作動させるように構成した。

本発明の構成によれば、事故発生の場合には、電力系統に接続する一部の電力変換装置を停止させつつ、他の電力変換器の運転を継続することができる。

高圧直流多端子システムの全体図 断路器１０６の詳細図 直流事故が発生した時の動作フロー図 直流事故が発生した場合の動作状況を示す図 直流事故が発生した場合の動作状況を示す図 電力変換器１０６の構成図

本発明を実施する形態について説明する。

図１は、高圧直流多端子システム全体を示している。この高圧直流多端子システムは、交流系統１０１が4か所に存在し、各々には連系変圧器１０３を介して交流を直流へ変換する電力変換器１０２a、１０２b、１０２c、１０２dと電気的に接続している。交流系統１０１の数は例示的に示したのであり、４か所より多くあったも良い。
電力変換器１０２a、１０２b、１０２c、１０２dが、直流送電網５００４にメッシュ状に接続している状況を示している。電力変換器１０２aを例にとると、電力変換器１０２aは各々の対応する直流送電網５００４の送電線を介して、電力変換器１０２b、１０２c、１０２dと電気的に接続している。すなわち、１対Ｎ（電力変換器１０２aでは１対３）の接続となっている。図１においては、各機器を接続する線において、太線は電力送電としての接続を意味し、一方、細線は通信としての接続を意味している。
ここで直流送電網５００４は単線表現をしているが実際にはそれぞれ、図２の直流送電網５００４ｐ、５００４ｎとして示されているように、２本のケーブルから構成される。直流送電網５００４上にはそれぞれ断路器と直流センサ（後述）を含む装置１０６を配置し、装置１０６と電力変換器１０２は其々通信線１０４によって接続している。さらに電力変換器１０２a、１０２b、１０２c、１０２dはDC指令所４０００と通信線４００２によって接続している。

図２は、装置１０６の詳細を示している。この装置は直流送電線５００４ｐ、５００４ｎに対してそれぞれ断路器１０６４と直流センサ１０６２が設置されており、断路器１０６４および直流センサ１０６２は通信線１０４と接続している。装置１０６は、各直流送電線５００４毎に２つ、各直流送電線５００４の両端付近に設けられている。なお、断路器１０６４の代わりに直流遮断器としても良い。本実施例は、断路器を用いるのが望ましい例である。
直流センサ１０６２は通信線１０４を介して直近の電力変換器１０２に接続されて、直流センサ１０６２の検出情報は該直近の電力変換器１０２に送信される。また、断路器１０６４は通信線１０４を介して直近の電力変換器１０２に接続されて、該直近の電力変換器１０２の指令により、クローズ・オープンの動作をする。
ここで断路器１０６４が開放動作する前提として直流電流が零となっている必要がある。
直流電流を零とする動作は本実施例では、電力変換器１０２a、１０２b、１０２c、１０２dが担う。また直流センサ１０６２は直流送電網５００４ｐ、５００４ｎ上の電流値を測定しており、逐次電力変換器へ送信する役割を担っている。断路器１０６４は、電力変換器１０２a、１０２b、１０２c、１０２dからの指令により開閉動作をする機能を有する。

図３以降において、直流送電網５００４上における直流事故が発生した時の電力変換器１０２、直流送電網５００４、DC指令所４０００におけるそれぞれの動作フローを示す。
直流送電網５００４において直流事故５０００が発生すると（Ｓ１）、直流センサ１０６２から通信線１０４により接続した電力変換器１０２に対して直流電流方向、電流変化率値を送信する（ｍ１）。送信を受けた電力変換器１０２は、直流電流方向、電流変化率値の許容閾値を超えた場合に直流事故を検出し（Ｓ４）、直流電流方向、電流変化率値、直流事故判定結果をＤＣ指令所４０００へ送信する（ｍ２）。その後、事故区間に属する電力変換器１０２は、電力変換器１０２の直流電圧を零に制御し、直流電流が零となるようにする。もちろん直流送電網５００４上における電力変換器１０２のうちの、直流電力を送電している方の電力変換器１０２が直流電流が零となるようにすれば良い。
ｍ２を受信したＤＣ指令所４０００は、配下にある電力変換器１０２からの直流センサ１０６２の情報を収集し（Ｓ３）、直流事故発生前の直流送電網５００４上の電流値並びに電流方向と比較し、事故区間を特定し（Ｓ６）、直流送電網５００４上の事故地点を含む区間情報を電力変換器１０２へ送信する（ｍ３）。なお、電力変換器１０２からＤＣ指令所４０００への送信は、電力変換器１０２が直流事故を検出したときに行っても良いし、また、所定時間毎に定期的に、直流電流方向、電流変化率値、直流事故の有無を含めて行っても良い。
その後、事故区間に属する電力変換器１０２は、事故区間に該当する断路器１０６４をオープンにする指令を該当する断路器１０６４に対して送信し（ｍ４）、直流送電網上では事故区間切離しが実行される（Ｓ７）。事故区間切離しが完了すると、断路器１０６４は開放動作が正常完了したことを電力変換器１０２へ戻し（ｍ５）、電力変換器１０２は数秒ウェイト後、電力変換器１０２は当該電力変換器１０２の配下の断路器１０６４の開放動作が完了したことをＤＣ指令所４０００へ送信する（ｍ６）。その後ＤＣ指令所４０００では、事故区間切離し後の直流送電網上の各々の断路器１０６４の開閉状況を集計し、事故区間切離し後の直流系統が確定する（Ｓ８）。その後、電力潮流最適計算を実施し、電力変換器１０２毎の電圧値ΔＶを決定したのちに、直流電流が零となっている電力変換器１０２へ送信する（ｍ７）。その後ｍ７を受信した電力変換器１０２は、事故区間に該当するオープンとなっていた断路器１０６４をクローズにする指令を該当断路器１０６４に対して送信し、直流電流が零の状態から電流を徐々に直流送電網５００４へ流れるよう立ち上げる（Ｓ１１）。もしも直流電圧が上昇しない場合には、直流事故が継続していると判断し（Ｓ１２）、再度Ｓ５の処理へ戻る。ここで、数回、この処理を行って、なお直流電圧が上昇しない場合には、断路器１０６４をクローズにしたまま、電力変換器１０２は運転を実施する。すなわち、直流事故が起きた事故区間を迂回して、他の直流送電網を用いて、直流送電を行う。例えば、事故点５００２について、いま、電力変換器１０２aが直流送電を行い、電力変換器１０２dが受電しており、電力変換器１０２aから電力変換器１０２dへ送電すると仮定すると、電力変換器１０２b近傍の送電線或いは、電力変換器１０２c近傍の送電線を介して、電力変換器１０２aから電力変換器１０２dへの送電が可能となる。
一方、もしも直流事故が継続していないと判断したならば（Ｓ１２），電力変換器１０２は運転継続を実施する。このように、ＤＣ指令所４０００が、事故区間切離し後の直流送電網上の直流系統を確定するので、各電力変換器１０２及び各断路器１０６４に対して再開の指令が可能となる。

図４、図５において、前述図３の説明のごとく直流送電網上５００４で直流事故が発生した場合の動作の状況を示す。
図４について説明する。直流事故５０００が直流送電網５００４上で発生すると（Ｓ１）、装置１０６内に備えてある直流センサがそれぞれ電力変換器１０２へ直流電流方向、電流変化率値を送信する（Ｓ２，ｍ１）。その後、電力変換器１０２は直流系統上での事故を検出したのちに直流電流を零となるよう制御する（Ｓ４）。
ここで、仮に、電力変換器１０２aが直流送電網５００４に対して直流電力を出力し、一方、電力変換器１０２b、１０２c、１０２ｄは直流電力を交流電力に変換して交流系統に出力したとする。各電力変換器１０２は、自己が直流送電網５００４に対して直流電力を出力しているか、或いは、直流送電網５００４から直流電力を受け取っているかを認識できる。そのため、この場合には、電力変換器１０２aが直流電流を零となるよう制御することとなる。
その後ＤＣ指令所４０００へ直流電流方向、電流変化率値、電力変換器１０２毎の直流事故判定結果が通信線４００２を介して集約される（ｍ２）。その後ＤＣ指令所４０００では、其々の電力変換器１０２から送信されてきた直流センサ１０６２の情報を収集し（Ｓ３）、直流事故発生前の直流送電網上の電流値並びに電流方向と比較し、事故区間５００２を特定する（Ｓ６）。また電力変換器２０１は、直流事故検出後（Ｓ４），直流事故を検出した電力変換器１０２の直流電流を零にする（Ｓ５）。
ここで、仮に事故が継続した場合に、電力変換器１０２aが直流送電網５００４に対して直流電力を出力し、一方、電力変換器１０２b、１０２c、１０２ｄは直流電力を交流電力に変換して交流系統に出力した場合には、電力変換器１０２ｄは、電力変換器１０２c、１０２ｄの近傍を通る直流送電網５００４から直流電力を受け取とることで、交流系統への電力供給を継続することができる。
もちろん他の場合にも、基本的には、事故が起きた場合には、メッシュ上に構成された直流送電網５００４の一部で直流送電が中断するが、他の健全な直流送電網５００４を介して直流電力の継続が可能となる。
図５について説明する。直流電流方向、電流変化率値、電力変換器１０２毎の直流事故判定結果を受信したＤＣ指令所４０００は、事故区間切離し後の直流送電網上の各々の断路器１０６４の開閉状況を集計し、事故区間切離し後の直流系統が確定したのちに、電力変換器１０２へ事故区間情報を送信する（ｍ３）。電力変換器２０１は、装置１０６Ｘ１、１０６Ｘ２それぞれに断路器を開放動作する指令を通信線１０４を介して送信する。その後、事故区間５００２は分離される。電力潮流最適計算を実施し、電力変換器１０２毎の電圧値ΔＶを決定し通信線４００２を介して電力変換器１０２へ各々送信する。事故区間５００２が分離された後の直流送電網に対して電力変換器１０２は、徐々に直流電流を流すことで立ち上げ動作を行う。
図４，５動作において、電力変換器１０２は、交流側電圧を保持する。

図６において、電力変換器１０２の内部構成について説明する。電力変換器１０２は、交流側３相分のそれぞれに対応させて３つのレグを構成している。この各々のレグは、上アーム及び下アームから構成される。単位変換器１０２４を交流側３相分のそれぞれの上下アームに直列に並べて接続している。単位変換器１０２４は、ＩＧＢＴとダイオード、ならびにコンデンサにより構成される。これらの要素により構成される回路は、コンデンサ電圧を順方向及び逆方向に端子に出力するフルブリッジ回路であってもよいし、或いは、コンデンサ電圧を一方向に端子に出力するチョッパ回路であってもよい。このように、単位変換器１０２４はフルブリッジ回路またはチョッパ回路であり、各アームは、単位変換器１０２４群でフルブリッジ回路とチョッパ回路の混在としていてもよい。
また、単位変換器１０２４には、光通信等の通信線１０２６を介して中央制御装置１０２２と接続している。中央制御装置１０２２は、直流電圧から交流電流、或いは、交流電圧から直流電圧へ電力変換をするための波形制御計算を逐次行い、ＩＧＢＴのオン・オフ動作を行うための指令値を生成し、前述の通信線１０２６を介してオン・オフ指令を各単位変換器１０２４へ送信する。このオン・オフ指令により、各単位変換器１０２４の各ＩＧＢＴがオン・オフ動作を行い、各単位変換器１０２４の出力が上下アームにおいて重畳され、直流電圧を３相交流電流に、或いは、３相交流電圧を直流電圧に電力変換される。また、中央制御装置１０２２に通信１０４が接続されており、断路器１０６４、ならびに直流センサ１０６２からの情報を受信できる形になっている。さらに通信線４００２が中央制御装置１０２２と接続しており、ＤＣ指令所４０００と通信が出来るようになっている。
以上の実施例について纏めると、自励式直流送電システムにおいて、ＡＤ／ＤＣ変換器が１対１ばかりでなく、１対Ｎに広がる多端子構成が今後欧州の洋上ウィンドファームプロジェクトを軸に世界に拡大する可能性があるところ、その際の直流事故が発生した場合の復帰のためのシーケンスについて、直流送電システムが大規模化し直流系統によるメッシュトポロジーが構築されると、直流事故時に全変換器から電流が事故個所に対して流入することになり、直流送電システムにおける直流系統上の直流電圧が低下し零にまで推移することになる。すると全変換器が一挙に停止し、系統崩壊に至ることになることからこの課題を最小限に抑えるための保護方式を検討する必要がある。
ここで直流遮断器による直流系統事故除去方式では、こうした高い直流電圧値に耐えうる直流遮断器はまだ商用ベースの製品は存在せず、現在の技術では直流遮断器の構成に相当数の半導体スイッチを使用する必要があり膨大なコストを要するが、本実施例では、高価な直流遮断器を用いることなく事故区間を切り離す多端子ＨＶＤＣシステムを実現する（もちろん、現実には、直流遮断器を用いる選択肢もある）。すなわち、電源またはエネルギー貯蔵素子を備えた単位変換器を少なくとも２つ直列接続して構成した単位変換器を複数備え持つ交流と直流を変換する電力変換装置において，前述の電力変換装置は、中央制御装置を備え、電力変換装置からみた直流系統側には断路器と直流センサが備えられているものである。
この直流送電システムにおいて、直流センサは中央制御装置に通信線を介して接続しており、もしも電流センサが直流事故を検出した場合には、中央制御装置にその情報が伝達され前記電力変換装置が直流電圧を０または負に絞ると同時に断路器を開放し、直流系統内で事故区間の特定と事故区間切り離し後、電力変換装置は直流電流０から立ち上げることを特徴とする復帰のためのシーケンスを実行する。

１０１…交流系統
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ、１０２ｄ…電力変換器
１０６（１０６４）…断路器
１０６２…直流センサ
４０００…ＤＣ指令所
４００２…送電線
５００４（５００４ｎ、５００４ｐ）…直流送電線

Claims (8)

1. 第１の送電路の一方側に第１の電力変換装置の直流側を接続し、第２の送電路の一方側に第２の電力変換装置の直流側を接続し、前記第１の送電路の他方側と前記第２の送電路の他方側に第３の電力変換装置の直流側を接続し、前記第１の送電路と第２の送電路の各々に遮断手段を配置した直流送電システムの送電を制御する制御システムであって、前記送電路の事故を検出し、前記事故の検出された送電路に接続される直流を出力している変換装置の出力を停止させ、その後、前記事故の検出された送電路の遮断手段を作動させることを特徴とする直流送電制御システム。
   
2. 請求項１において、前記第１の電力変換装置の直流側と前記第３の電力変換装置の直流側は第３の送電路で接続されていることを特徴とする直流送電制御システム。
   
3. 請求項１又は２において、前記送電路にセンサが配置されており、前記事故は前記センサにより検出され、前記センサの出力に基づいて前記遮断手段が作動されることを特徴とする直流送電制御システム。
   
4. 請求項３において、前記変換装置の出力を停止させて前記事故の検出された送電路の遮断手段を作動させた後に、前記事故が継続しているか否かを判定し，前記事故が除去されていれば前記電力変換装置の変換運転をなさしめることを特徴とする直流送電制御システム。
   
5. 請求項４において、ＤＣ指令部が、前記事故の情報を収集すると共に、前記変換装置に対して変換装置の停止を指示すること特徴とする直流送電制御システム。
   
6. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記変換装置のうちの少なくとも１つは、複数のフルブリッジ回路の直列体アームを複数備えた複数の電力変換装置として構成されること特徴とする直流送電制御システム。
   
7. 請求項６において、前記変換装置は、単位変換装置を少なくとも２つ直列接続して構成した第１のアームと，第１のリアクトルと，第２のリアクトルと，単位変換装置を少なくとも２つ直列接続して構成した第２のアームとを直列接続して構成したレグを少なくとも２つ並列接続して構成されており，前記第１，第２のリアクトルの接続点を交流端子とし，前記少なくとも２つ並列接続されたレグの並列接続点を直流端子とし、前記第１，第２のアームが，片極性電圧を出力可能な第１種単位変換装置と，両極性電圧を出力可能な第２種単位変換装置の少なくとも２種類の単位変換装置とから構成されていることを特徴とする直流送電制御システム。
   
8. 請求項１乃至５のいずれかにおいて、前記電力変換装置の再立ち上げ時には，高圧直流系統を構成する電力変換装置群のうちAVR制御端子となり電圧が決定されたときに，その他の電力変換装置群がAPR制御端子となるシステムにおいて， AVR制御端子が直流電圧をランプ上に立ち上げたときに，その他APR制御端子が自端に流入してくる直流電流の立ち上がりを直流センサで検知してからAPR制御端子が直流電流=0を維持しながら直流電圧を徐々に立上ることを特徴とする直流送電制御システム。