JP2018046642A - 直流送電システム - Google Patents

Abstract

【課題】系統事故発生時において、健全端の高速な潮流制御運転再開または潮流制御運転継続を、低コストで実現する信頼性の高い直流送電システムを提供する。
【解決手段】直流送電システムは、直流送電網の各端子に接続される電流検出器を内蔵した電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３と、電力変換器の交流側に接続される交流電流遮断器１３、２３、３３と、直流送電網の節点に接続される直流電流遮断器１１、２１、３１及び電流検出器１２、２２、３２と、電力変換器と節点を接続する直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、直流送電システムに関する。

近年、風力発電や太陽光発電、太陽熱発電などの再生可能エネルギーの普及が促進されている。そして、より大電力を再生可能エネルギーでまかなうために、洋上風力発電や、砂漠地帯での太陽光発電、太陽熱発電が検討され始めている。そこで、洋上風力発電所から電力消費地である都市までの海底ケーブルを用いた直流の大電力送電や、たとえばアフリカや中国奥部の砂漠地帯からヨーロッパや沿岸地帯の大都市までの高効率な直流の長距離大電力送電が要求されている。

直流送電システムを長距離大電力送電に適用した場合、従来の三相交流による送電システムと比較して、設備の低コスト化や送電損失の少ない高効率システムの構築が可能となる。但し、直流送電においては、発電された交流電力を直流送電用の直流に変換するコンバータや、送電されてきた直流を都市内の交流に変換するインバータなどの電力変換器が必要となる。そして、交流系統にコンバータ、インバータのスイッチングに伴う高調波が流出しないように、正弦波に近い電圧波形を出力できるモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）の検討・実用化が進められている。

電力送電網を構築する場合、落雷などに起因した系統事故の発生点を、高速に送電網から切り離す必要がある。直流送電網においても、必要な送電が長時間停止すると、連系している交流送電網の周波数安定性に影響を与え、大規模停電につながる可能性がある。したがって、事故発生時にその影響を極小化し、健全端の電力変換器は潮流制御運転を継続するか、できるだけ高速に潮流制御運転を再開する必要がある。特に３端子以上の多端子直流送電網において、その重要性は高い。

三相交流による送電システムでは、交流電流遮断器により、事故発生点が健全な送電網から切り離される。一般に、交流電流遮断器は機械接点から構成され、交流周波数５０Ｈｚまたは６０Ｈｚの半サイクルごとの電流零点で遮断する。一方、電流零点が存在しない直流電流の遮断は困難であった。しかし、近年では、事故発生から数ｍｓ以内で遮断を実現する半導体式や、数ｍｓ〜数１０ｍｓで遮断を実現する機械接点と半導体を組み合わせたハイブリッド式の直流電流遮断器が発表されている。このことから、電力変換器と直流電流遮断器を組み合わせて信頼性の高い直流送電システムを構築することが検討されている。

電力変換器にＭＭＣを採用した直流送電システムとして、直流電流遮断器の代わりに電流遮断能力を有せず、低コストな断路器を採用したものがある。この技術では、健全な直流送電網から事故発生点を切り離すために、電力変換器の高速制御または交流電流遮断器の開放によって電流が零になった後、断路器を開放している。つまり、直流電流遮断器が有する２つの機能である電流遮断と事故発生点の切り離しを電力変換器か交流電流遮断器と断路器が分担している。

ＭＭＣには、基本単位をハーフブリッジ回路（チョッパセル）としたハーフブリッジＭＭＣとフルブリッジ回路（ブリッジセル）としたフルブリッジＭＭＣがあるが、ハーフブリッジＭＭＣは直流事故時に直流電流を零に制御することが困難で、変換器制御と比較し低速な交流周波数数サイクルを要する交流電流遮断器の開放動作が必要である。

したがって、高速な事故発生点の切り離しには、フルブリッジＭＭＣが有利であるが、フルブリッジＭＭＣは半導体素子がハーフブリッジＭＭＣの２倍必要であるため、通常時の導通損失が大きく、コストも高くなる。そのため、以降は、高速な切り離しを可能とする直流電流遮断器と、低損失かつ低コストであるハーフブリッジＭＭＣを組み合わせて採用した場合について論じる。また、単にＭＭＣとした場合、ハーフブリッジＭＭＣを指すこととする。

多数の半導体素子から構成される直流電流遮断器は高コストであるが、ハーフブリッジＭＭＣを採用したうえで、配置する直流電流遮断器の数を最適化すれば、フルブリッジＭＭＣを採用した場合と比較して全体として低コストにできる。

特公昭６０-１４８３２１号公報

上記のような先行技術では、直流事故時における潮流経路の冗長性を確保するためにループを有する直流送電網を構築している。直流電流遮断器を採用する場合、各回線の切り離しに対応するため、電力変換器の直流側には各回線に対して個別に直流電流遮断器が接続される。したがって、１端子の電力変換器に対して複数の直流電流遮断器が必要であり、システムの高コスト化を招く。また、直流事故発生時に代替回線から電力を伝送する場合も、事故発生点の切り離しまでに過電流などで事故を検知した電力変換器は自身の保護のために潮流制御運転を一時的に停止する必要がある。ループを有しない直流送電網の場合も、事故発生点から切り離されていない電力変換器の潮流制御運転は停止する必要がある。

以上より、ループの有無にかかわらず、直流事故発生時には確実かつ高速に事故発生点を切り離すことが必要である。電力変換器の事故検知に至るレベルまで電流が増大するよりも先に切り離しが完了すれば、当該電力変換器は潮流制御運転を継続できる。また、一時的に潮流制御運転を停止した場合も、切り離しが高速であれば素早く電力変換器の潮流制御運転を再開できる。

さらに、先行技術では、各直流送電線路両端など複数の遠隔地に電流検出器が配置され、それらの検出値情報(電流の方向変化など)を集約することで事故発生点を特定している。したがって、通信手段が故障した場合は事故発生点の特定と遮断ができず、遠距離の場合は通信遅延も無視できない。

このように、たとえば２端子の直流送電システムにおいても、直流送電線路両端の電流値を比較することで事故発生を検知する手法を用いた保護システムの例は多数存在する。しかし、遠隔地間の通信手段に頼ることから信頼性が低い。さらに、通信遅延は事故発生点の切り離しの遅れにつながり、電力変換器の潮流制御運転継続が困難になったり、潮流制御運転再開に時間がかかったりする原因となる。

本実施形態は、上記のような課題を解決するために提案されたものであり、系統事故発生時において、健全端の高速な潮流制御運転再開または潮流制御運転継続を、低コストで実現する信頼性の高い直流送電システムを提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、実施形態の直流送電システムは、以下のような構成を有する。
(a) 直流送電網の各端子に接続される電流検出器を内蔵した電力変換器
(b) 前記電力変換器の交流側に接続される交流電流遮断器
(c) 前記直流送電網の節点に接続される直流電流遮断器及び電流検出器
(d) 前記電力変換器と前記節点を接続する直流送電線路

第１及び第２の実施形態の直流送電システムを示す構成図。 第１及び第２の実施形態の電力変換器の回路例を示す構成図。 第１及び第２の実施形態の電力変換器の一部を示す構成図。 第１の実施形態の直流送電システムの動作を示すタイムチャート。 第２の実施形態の直流送電システムの動作を示すタイムチャート。

［第１の実施形態］
［構成］
本実施形態の構成を、図１及び図２を参照して説明する。本実施形態が適用される送電システムは、図１に示すように、複数の直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…を有する直流送電網の各端子に、各直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…を交流系統Ａ１、Ａ２、Ａ３、…に連系する電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…が接続されている。直流送電網における直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…は、１か所の節点ｎｐで接続されている。なお、以下の説明では、直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…、交流系統Ａ１、Ａ２、Ａ３、…、電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…は、それぞれを区別しない場合には、直流送電線路Ｓ、交流系統Ａ、電力変換器Ｃとする場合がある。

本実施形態の直流送電システムは、直流送電網の節点ｎｐに直接接続される直流電流遮断器１１、２１、３１、…と電流検出器１２、２２、３２、…および電力変換器Ｃ１Ｃ２、Ｃ３、…の交流側に接続される交流電流遮断器１３、２３、３３、…を備える。本実施形態では、直流電流遮断器１１、２１、３１、…を事故発生から遮断まで、事故検知などを含めて数ｍｓ〜１０ｍｓの時間を要するハイブリッド遮断器とする。

また、直流送電網の節点ｎｐの近傍には、直流送電網保護装置４０が配置され、各直流電流遮断器１１、２１、２２、…と各電流検出器１２、２２、３２、…および各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と各交流電流遮断器１３、２３、３３、…に、信号線Ｌを介して接続されている。ここで、電流検出器１２、２２、３２、…は必ずしも節点ｎｐに接続される直流送電線路数だけ必要なわけではない。たとえば、キルヒホッフの電流則を用いると、１個の電流検出器を削減しても対応する電流値は他の電流検出値から演算できる。なお、図１では、直流電流遮断器１１、２１、３１、…、電流検出器１２、２２、３２、…、交流電流遮断器１３、２３、３３、…への信号線は図示を省略している。

直流送電網保護装置４０は、判定部４１、指令部４２、通知部４３を有する。判定部４１は、電流検出器１２、２２、３２、…により検出される電流に基づいて、事故発生点を判定する。なお、直流送電網保護装置４０には、図示はしないが、メモリ等の記憶部に、事故発生点を判定するために、あらかじめ事故検知閾値が設定されている。指令部４２は、直流電流遮断器１１、２１、３１、…、交流電流遮断器１３、２３、３３、…に、遮断指令又は再閉路指令を送信する。通知部４３は、遮断が完了したことを示す情報を電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…に送信する。

次に、本実施形態の電力変換器Ｃの回路構成例を、図２及び図３に示す。電力変換器Ｃは、ＭＭＣ（Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）である。この電力変換器Ｃは、三相の交流送電系統Ａと直流送電線路Ｓとの間に接続されている。

図２に示すように、電力変換器Ｃは、チョッパセルＣＥを複数個直列接続した正側と負側の合計６個のアームＡｍｐ、Ａｍｎ、および短絡電流抑制のための６個のリアクトルＲｅを有する。正側のアームＡｍｐと負側のアームＡｍｎには、各々リアクトルＲｅを接続し、これらを互いに接続する。互いのアームＡｍｐ、Ａｍｎの接続点は、三相で出力端子Ｒ、Ｓ、Ｔとなり、交流側に接続される。正側のアームＡｍｐと負側のアームＡｍｎのもう１方の端子は、三相で接続することにより２端子の出力端子Ｐ、Ｎとなり、直流側に接続される。各アームＡｍｐ、Ａｍｎには、電力変換器制御用の電流検出器Ｃｒｐ、Ｃｓｐ、Ｃｔｐ、電流検出器Ｃｒｎ、Ｃｓｎ、Ｃｔｎが設けられている。

各チョッパセルＣＥは、２個のスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２、２個のダイオードＤｉ１、Ｄｉ２及びコンデンサＣｏを有する。スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２は、ＩＧＢＴなどの自己消弧能力を持つ素子であり、直列に接続される。各スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２には、図示はしないが、オン・オフ切り替え用の制御信号を入力するための信号線が接続されている。ダイオードＤｉ１、Ｄｉ２は、各スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２に逆並列に接続された整流素子である。ダイオードＤｉ２の耐電流容量は、電流遮断器による遮断が完了するまでの事故電流の通流に耐え得る値とする。そのため、たとえばダイオードＤｉ２の耐電流容量をダイオードＤｉ１よりも大きく設計してもよい。コンデンサＣｏは、直列接続されたスイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２に並列に接続され、図示はしないが、コンデンサ電圧を検出する電圧検出器が設けられている。直流側の電圧検出器は、電力変換器Ｃの近傍に設けられ、これにより、直流送電網の電圧回復を観測することができる。

また、電力変換器Ｃには、図示はしないが、メモリ等の記憶部に、あらかじめ事故検知閾値が設定されている。そして、電力変換器Ｃは、電流検出器Ｃｒｐ〜Ｃｔｎの検出値と事故検知閾値との比較に従って、過電流保護のために全スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２をオフとするゲートブロック（ＧＢ）状態とするように設定されている。

［動作］
本実施形態の保護システムの動作を、図４を参照して説明する。本実施形態では、図１に示すように、直流送電線路Ｓ１の途中の地点Ｆで地絡事故が発生した場合を例として説明する。直流送電網で事故が発生すると（図４［１］）、各直流電流は電力変換器Ｃから流出し、事故発生点に流入する向きに増大する。電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…の端子Ｐが図１の直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…に接続され、端子Ｎが基準電位に接続されている場合、図２の直流電流ＤＣは、全電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…において、負の向きに増大する。

各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…の電流検出器Ｃｒｐ〜Ｃｔｎによって検出される電流は、たとえば、事故発生点直近の電力変換器Ｓ１では数１００μｓ、それ以外の健全端の電力変換器Ｓ２、Ｓ３、…では数ｍｓで、あらかじめ設定した事故検知閾値を上回る。各電力変換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…は、過電流保護のため、前記の時間で全スイッチング素子Ｔｒ１、Ｔｒ２をオフとし、ゲートブロック（ＧＢ）状態となる（図４［２］）。

つまり、電力変換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…に内蔵された電流検出器Ｃｒｐ〜Ｃｔｎによって検出される電流値が、あらかじめ設定した事故検知閾値を上回ることで、当該電力変換器Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…が事故発生を検知して、ゲートブロック状態に移行する。

一方、図１に示すように、直流送電網の節点ｎｐにおいては、直流電流遮断器１１の電流Ｄ１は節点ｎｐから流出する向きに、直流電流遮断器２１、３１、…の電流Ｄ２、Ｄ３、…は節点ｎｐに流入する向きに増大する。つまり、直流電流遮断器１１に接続された電流検出器Ｄ１のみが、節点ｎｐから流出する向きの電流増大を検出する。直流送電網保護装置４０の判定部４１は、電流検出器１２の節点ｎｐから流出する向きの検出値またはその時間変化率が事故検知閾値を上回ると、直流送電線路Ｓ１側に事故発生点が存在すると判断し、指令部４２が、直流電流遮断器１１に遮断の指令を与える（図４［３］）。

つまり、直流送電網の節点に配置された電流検出器１２、２２、３２、…によって検出される節点ｎｐから流出する向きの電流値またはその時間変化率が、あらかじめ設定した事故検知閾値を上回ることで、当該電流検出器１２、２２、３２、…に対応する直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…側に事故発生点が存在すると判断する。

直流電流遮断器１１は、たとえば事故発生から数ｍｓ〜１０ｍｓで遮断動作を行い、含まれるアレスタで事故電流のエネルギーが消費されると遮断が完了する。遮断が完了したことを示す情報は、直流送電網保護装置４０の通知部４３から、各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…に送信される。

事故発生点の位置とその切り離しが完了したことを示す情報を受信した健全端の電力変換器２、３、…は、ゲートブロック状態を解除し（図４［４］）、電圧が低下した直流送電線路Ｓ２、Ｓ３、…を再充電する。これによって、たとえば事故発生から数１０ｍｓで、潮流制御運転を再開できる（図４［５］）。遮断完了に要する時間が短いほど、直流送電線路Ｓの電圧低下を小さくできるため、高速に潮流制御運転を再開できる。

ここで、事故発生端に接続された交流電流遮断器１３には、直流送電網保護装置４０の指令部４２から、直流電流遮断器１への遮断の指令と同時に、同様の遮断の指令が送信される。交流電流遮断器１は、たとえば事故発生から数１０ｍｓ〜１００ｍｓで遮断動作を行う（図４［６］）。遮断完了後、直流送電線路Ｓ１と電力変換器Ｃ１は健全な送電網から切り離されるため、事故除去が可能となる。事故除去が完了すると、図示はしないが、たとえば数秒で交流電流遮断器１３と直流電流遮断器１１を再閉路することができ、電力変換器Ｃ１も潮流制御運転を再開できる。

［作用効果］
（１）本実施形態は、直流送電網の各端子に接続される電流検出器Ｃｒｐ〜Ｃｔｎを内蔵した電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と、電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…の交流側に接続される交流電流遮断器１３、２３、３３、…と、直流送電網の節点ｎｐに接続される直流電流遮断器１１、２１、３１、…及び電流検出器１２、２２、３２、…と、電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と節点ｎｐを接続する直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…とを有する。

ここで、本実施形態のように、直流送電網の節点に各端子に対応する複数の電流検出器を配置する場合を考える。この場合、これらの電流検出器からの検出値情報(電流の方向変化など)のみで事故発生点の方向が特定できるため、電流検出器と併せて各端子に対応する直流電流遮断器を配置すれば、遠隔地間の通信手段に頼ることなく、確実かつ高速に健全な送電網から事故発生点を切り離すことが可能となる。

しかし、本実施形態と対比して、各電力変換器と直流送電網(直流送電線路)の間にも直流電流遮断器を挿入する場合、保護システムにコストがかかるとともに、設置面積が増大することになる。本実施形態の直流送電システムでは、直流送電網の節点ｎｐ以外の箇所に、直流電流遮断器を配置する必要がなく、保護システムのコストおよび設置面積を低減できる。

（２）本実施形態は、直流送電網の事故発生点を交流側に接続された交流電流遮断器１３、２３、３３、…、と直流送電網の節点に直接接続された直流電流遮断器１１、２１、３１、…、によって、健全な送電網から切り離す。これにより、健全端の高速な潮流制御運転再開を低コストで実現する信頼性の高い直流送電システムを提供できる。

より具体的には、直流送電網の節点に配置された電流検出器１２、２２、３２、…によって検出または演算される節点ｎｐから流出する向きの電流値またはその時間変化率があらかじめ設定した事故検知閾値を上回ることで，電流検出器１２、２２、３２、…、に対応する直流送電線路側に事故発生点が存在すると判断する直流送電網保護装置４０を有する。

このため、本実施の形態では、遠隔地間の通信手段に頼ることなく事故発生点を特定できる。遠隔地間の通信手段は、交流電流遮断器と電力変換器への指令に使用され、事故発生点の直流送電網からの切り離しには使用されない。したがって、事故発生点の特定に遠隔地間の通信手段を利用する保護システムと比較して、通信手段が故障した場合でも切り離しが可能で信頼性が高く、遅延時間の短縮が可能で全体として高速化できる。

特に、直流送電網保護装置４０は、直流送電網の節点ｎｐ近傍に配置され、信号線によって節点ｎｐの各直流電流遮断器１１、２１、３１、…、と各電流検出器１２、２２、３２、…、および各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…、と各交流電流遮断器１３、２３、３３、…、に接続されているので、節点ｎｐ近傍での処理が可能となる。

（３）本実施形態では、健全端の電力変換器Ｃがその近傍に配置した電圧検出器によって、直流側の電圧回復を観測することにより、事故発生点の切り離し完了を確認する。つまり、健全端の電力変換器Ｃは、直流送電網保護装置４０からの情報を受信するほかに、電圧検出器によって直流側の電圧回復を観測することからも事故発生点の切り離し完了を確認し、潮流制御運転を再開できる。

このように、電力変換器Ｃの近傍に配置した電圧検出器からの情報を利用することで、事故発生点の切り離し完了後の潮流制御運転再開にも遠隔地間の通信手段を利用しないで済む。たとえば、直流送電網保護装置４０と健全端の電力変換器Ｃ間の通信障害発生時にも潮流制御運転を再開できる。

（４）本実施形態では、電力変換器Ｃに内蔵された電流検出器によって検出される電流値があらかじめ設定した事故検知閾値を上回ることで、電力変換器Ｃが事故発生を検知し、ゲートブロック状態に移行する。

直流送電網保護装置４０は、事故発生時における健全端の電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…、がゲートブロック状態に移行した場合に、事故発生端に対応する直流電流遮断器１１が遮断を完了したことを示す情報を送信することにより、健全端の電力変換器がゲートブロック状態を解除させ、潮流制御運転を再開させる。

さらに、直流送電保護装置４０は、直流事故発生時における事故発生端の電力変換器Ｃ１がゲートブロック状態に移行した場合に、事故発生端に対応する直流電流遮断器１１と交流電流遮断器１３に遮断指令を送信し、事故除去が完了した後に、直流電流遮断器１１と交流電流遮断器１３が再閉路させる信号を送信し、事故発生端の電力変換器Ｃ１がゲートブロック状態を解除させ、潮流制御運転を再開させる。

このように、事故発生直後にゲートブロック状態とすることで、ＭＭＣである電力変換器Ｃにおける各チョッパセルＣＥのコンデンサＣｏからの電荷流出を防止できる。したがって、コンデンサの放電による事故電流の増大を抑制でき、コンデンサ電圧の低下も小さくできるため、従来の変換器を採用した場合と比較して、潮流制御運転再開を高速化できる。

（５）本実施形態は、電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…、は、直流電流遮断器１１、２１、３１、…、交流電流遮断器１３、２３、３３、…、による遮断が完了するまでの事故電流通流に耐え得る耐電流容量を持つ整流素子を有する。

このため、直流電流遮断器１１、２１、３１、…を直流送電網の節点ｎｐのみに配置すればよく、各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と直流送電網の直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…の間には設置する必要がない。この理由を、以下に説明する。

各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と直流送電網の直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…の間に直流電流遮断器を挿入しない場合、事故発生端では事故発生点と電力変換器が切り離されない。一般に、機械接点式の交流電流遮断器の遮断時間は数１０ｍｓ〜１００ｍｓであり、半導体遮断器やハイブリッド遮断器といった直流電流遮断器の数ｍｓ〜１０ｍｓという遮断時間には及ばない。したがって、事故発生端において、事故電流は交流電流遮断器１３による遮断が完了するまで、交流側から電力変換器に流入し続ける。

すなわち、本実施形態の動作では、健全端において直流電流遮断器１１による事故発生点の切り離しが完了するまで、また、事故発生端において交流電流遮断器１３による遮断が完了するまでは、ゲートブロック状態に移行後も各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…に事故電流が流れ続ける。これは、交流系統Ａ１、Ａ２、Ａ３、…から各チョッパセルＣＥのダイオードＤｉ２を通過して、直流送電網側の事故発生点に流入する電流経路が存在するためである。

したがって、各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…の保護のために、各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…の間にも、直流電流遮断器１１を挿入し、各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…から事故発生点に流入する電流を高速に遮断することが考えられる。これは、事故発生端における電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３…の事故電流を交流電流遮断器１３、２３、３３、…よりも高速に遮断するのに効果的である。なお、健全端においては、当該箇所に挿入した直流電流遮断器１１、２１、３１、…を作動させても、その遮断時間は、節点に接続された事故発生端の直流電流遮断器１１、２１、３１、…と同等、もしくはそれ以上の長さになるため、大きな効果はない。

本実施形態では、各電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…と直流送電網の直流送電線路Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３、…の間に直流電流遮断器を挿入する代わりに、交流電流遮断器１３、２３、３３、…による遮断が完了するまでの電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…への事故電流流入を許容できるようにする。より具体的には、図３におけるダイオードＤｉ２の耐電流容量を、事故電流に耐え得るようにする。たとえば、ダイオードＤｉ２の耐電流容量を、ダイオードＤｉ１よりも大きく設計してもよい。これにより、当該箇所に直流電流遮断器を挿入するよりも、コストを抑制した電力変換器Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、…の保護が実現できる。

［第２の実施形態］
［構成］
本実施形態の構成は、基本的には、図１に示した第１の実施形態と同様である。このため、第１の実施形態と同様の構成については説明を省略する。但し、本実施形態においては、直流電流遮断器１１、２１、３１、…、を事故発生から遮断まで事故検知などを含めて数ｍｓ以内である半導体遮断器とする。そして、本実施形態においては、事故発生端に対応する直流電流遮断器１１が遮断を完了し、健全端の電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…、が事故発生を検知するに至らずに、ゲートブロック状態に移行することなく、潮流制御運転を継続する。

［動作］
本実施形態の保護システムの動作を、図５を参照して説明する。図５は、図１における直流送電線路１の途中の地点で地絡事故が発生した場合であり、第１の実施形態と同様の動作は説明を省略する。

本実施形態が、第１の実施形態と異なる動作は、健全端の電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…についてゲートブロック状態に移行する必要性が生じるよりも先に、事故発生端の直流電流遮断器１１による遮断が完了することである。

たとえば、事故発生点直近の電力変換器Ｃ１における電流検出器Ｃｒｐ〜Ｃｔｎによって検出される電流は数１００μｓであらかじめ設定した事故検知閾値を上回る。しかし、それ以外の健全端の電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…、では、事故検知閾値を上回るのに、数ｍｓを要する。ここで、電力変換器Ｃ１は事故発生（図５［１］）の直後にゲートブロック状態に移行する。

一方、第１の実施形態と同様に、直流電流遮断器１１に接続された電流検出器Ｄ１のみが、節点ｎｐから流出する向きの電流増大を検出することで、直流送電網保護装置４０の判定部４１は、直流送電線路１側に事故発生点が存在すると判断する。直流電流遮断器１１は、事故発生から数ｍｓ以内で遮断を完了する（図５［２］）。これによって、健全端の電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…では事故電流の増大が止まり、電流検出器Ｃｒｐ〜Ｃｔｎによって検出される電流は、事故検知閾値を上回らない。したがって、電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…、はゲートブロック状態に移行することなく、潮流制御運転を継続できる（図５［３］）。その他の動作については、第１の実施形態と同様である。

［作用効果］
以上のような本実施形態では、第１の実施形態と同様の作用効果が得られる。さらに、第１の実施形態の場合と比較して、直流電流遮断器１１による遮断時間が高速であるため、健全端の電力変換器Ｃ２、Ｃ３、…、に流入する事故電流の最大値を小さくできる。ただし、事故発生端の電力変換器Ｃ１では交流電流遮断器による遮断が完了するまで電流が増大し続けるため、図３におけるダイオード２の耐電流容量はその通流に耐え得る値とする必要がある。

［他の実施形態］
上記の各実施形態、本明細書において一例として提示したものであって、発明の範囲を限定することを意図するものではない。すなわち、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の範囲を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことが可能である。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

たとえば、直流送電網の仕様上、遮断を行わない端子に対応する直流電流遮断器は取り除いてもよく、その直流電流遮断器も同等の遮断手段に置き換えることができる。電力変換器は、ハーフブリッジＭＭＣと、フルブリッジＭＭＣなどが混在してもよい。また、直流事故発生点の位置や送電網の状況によっては、ゲートブロック状態に移行後に潮流制御運転を再開する電力変換器とゲートブロック状態に移行せずに潮流制御運転を継続する電力変換器が混在する場合もある。また、提示した事故検知時間や遮断時間なども一例に過ぎず、これらが異なっても同様の保護動作が可能である。

１１、２１、３１ 直流電流遮断器
１２、２２、３２ 電流検出器
１３、２３、３３ 交流電流遮断器
４０ 直流送電網保護装置
４１ 判定部
４２ 指令部
４３ 通知部
Ａ１、Ａ２、Ａ３ 交流系統
Ａｍｐ、Ａｍｎ アーム
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３ 電力変換器
ＣＥ チョッパセル
Ｃｒｐ、Ｃｓｐ、Ｃｔｐ、Ｃｒｎ、Ｃｓｎ、Ｃｔｎ 電流検出器
Ｃｏ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 電流
ＤＣ 直流電流
Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３ 直流送電線路
Ｌ 信号線
Ｐ、Ｎ、Ｒ、Ｓ、Ｔ 出力端子
Ｒｅ リアクトル
Ｔｒ１、Ｔｒ２ スイッチング素子
Ｄｉ１、Ｄｉ２ ダイオード

Claims (11)

1. 直流送電網の各端子に接続される電流検出器を内蔵した電力変換器と、
   前記電力変換器の交流側に接続される交流電流遮断器と、
   前記直流送電網の節点に接続される直流電流遮断器及び電流検出器と、
   前記電力変換器と前記節点を接続する直流送電線路と、
   を有することを特徴とする直流送電システム。
2. 前記直流送電網の事故発生点を交流側に接続された交流電流遮断器と直流送電網の節点に直接接続された直流電流遮断器によって、健全な送電網から切り離すことを特徴とする請求項１記載の直流送電システム。
3. 前記電力変換器は、前記直流電流遮断器及び前記交流電流遮断器による遮断が完了するまでの事故電流通流に耐え得る耐電流容量を持つ整流素子を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直流送電システム。
4. 前記直流送電網の節点に配置された前記電流検出器によって検出または演算される前記節点から流出する向きの電流値またはその時間変化率があらかじめ設定した事故検知閾値を上回ることで、当該電流に対応する直流送電線路側に事故発生点が存在すると判断する直流送電網保護装置を有することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の直流送電システム。
5. 前記電力変換器に内蔵された電流検出器によって検出される電流値があらかじめ設定した事故検知閾値を上回ることで、当該電力変換器が事故発生を検知し、ゲートブロック状態に移行することを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の直流送電システム。
6. 前記直流送電網保護装置は、事故発生時における健全端の前記電力変換器がゲートブロック状態に移行した場合に、事故発生端に対応する直流電流遮断器が遮断を完了したことを示す情報を送信することにより、健全端の前記電力変換器がゲートブロック状態を解除させ、潮流制御運転を再開させることを特徴とする請求項４記載の直流送電システム。
7. 前記直流送電保護装置は、直流事故発生時における事故発生端に対応する直流電流遮断器と交流電流遮断器に遮断指令を送信し、事故除去が完了した後に、前記直流電流遮断器と前記交流電流遮断器が再閉路させる信号を送信し、事故発生端の前記電力変換器がゲートブロック状態を解除させ、潮流制御運転を再開させることを特徴とする請求項４記載の直流送電システム。
8. 前記直流送電網保護装置は、直流送電網の節点近傍に配置され、信号線によって節点の各直流電流遮断器と各電流検出器、および各電力変換器と各交流電流遮断器に接続されていることを特徴とする請求項５乃至７のいずれかに記載の直流送電システム。
9. 事故発生端に対応する直流電流遮断器が遮断を完了し、健全端の電力変換器が事故発生を検知するに至らずに、ゲートブロック状態に移行することなく潮流制御運転を継続することを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の直流送電システム。
10. 健全端の電力変換器がその近傍に配置した電圧検出器によって直流側の電圧回復を観測することにより、事故発生点の切り離し完了を確認することを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の直流送電システム。
11. 前記電力変換器は基本単位であるチョッパセルを複数個直列接続したアームとリアクトルとを有し、
    ２個の前記アームとリアクトルを接続した回路を３個並列接続した両端を直流側端子とし、前記２個のアームの接続点を交流側端子とし、
    前記チョッパセルは自己消弧能力を持つスイッチング素子にダイオードを逆並列接続した２個の回路を直列接続した回路に、さらにコンデンサを並列接続し、前記２個のスイッチング素子の接続点とコンデンサ電圧負側を出力端子とし、
    前記コンデンサ電圧の負側に接続されるダイオードを、電流遮断器による遮断が完了するまでの事故電流通流に耐え得る耐電流容量を持つダイオードとしたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の直流送電システム。

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