JP2019054641A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流事故発生時には直流電圧指令値の制約を解除して直流電圧出力を低下させることにより、事故除去及び高速な運転再開が可能である、信頼性及び経済性に優れた電力変換装置を提供する。【解決手段】電力変換装置３Ａ、３Ｂには、検知部４Ａ、４Ｂと制御部５Ａ、５Ｂが設置されている。検知部４Ａ、４Ｂは、電力変換装置３Ａ、３Ｂから直流電流値を入力し当該直流電流値に基づいて直流事故の発生を検知する。制御部５Ａ、５Ｂは、検知部４Ａ、４Ｂが直流事故の発生を検知すると、零ないし逆極性の直流電圧指令値を出力可能とする。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、電力変換装置に関する。

近年、大電力を再生可能エネルギーで賄うために、洋上風力発電や、太陽光発電、太陽熱発電などの発電設備は、大規模化する傾向にある。例えば、風力発電機群が洋上の沖合に設置されたり、多数の太陽光発電装置が大陸内部の砂漠地帯に設置されたりしている。このような発電設備の設置場所は、電力の需要地である都市部からは遠く離れている。

したがって、発電設備から需要地までの長距離を、大電力で送電する必要がある。大電力の長距離送電に適したシステムとしては、設備コストが低く、送電損失が少ないといったメリットを持つ直流送電システムが提案されている。直流送電システムには、コンバータあるいはインバータとなる電力変換装置が設けられている。電力変換装置は、変圧器や交流電流遮断器を介して交流系統に接続されている。

電力変換装置としては、例えばモジュラーマルチレベル変換器（ＭＭＣ：Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ、以下、ＭＭＣと称する）の実用化が進められている。ＭＭＣは、正弦波に近い電圧波形を出力でき、コンバータ又はインバータのスイッチングに伴う高調波が交流系統に流出しない。

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影響を最小化する必要がある。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、健全系統から事故発生点が切り離される。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５０ Ｈｚまたは６０ Ｈｚ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に関しては、零点生成のための機構を工夫した直流遮断器が多数報告されている。

特開２０１４−１１２９８４号公報 特開２０１３−１７９７８１号公報

電力中央研究所、「フルブリッジセルを用いたモジュラーマルチレベル変換器による直流送電システムの制御保護方式-直流事故時の事故電流を抑制可能な制御方式の提案-」、２０１４年研究報告Ｒ１１０２１

直流送電システムの直流系統に直流事故が発生して、必要な送電が長時間停止すると、連系している交流系統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、直流事故が発生しても、健全端の電力変換装置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ことが望まれている。

しかし、電流の減衰に数秒程度かかるＭＭＣの交流側に配置した交流電流遮断器の低速な遮断動作では、高速な運転再開は難しい。また、直流遮断器を直流送電システムへ導入する場合、その零点生成機構のためにコスト高を招くおそれがある。さらに、直流事故検知のために、直流電圧の検出系などを設けることもコスト高につながる。そこで、交流電流遮断器や直流電流遮断器、直流電圧検出系を利用することなく、電力変換装置の制御によって事故除去を行い高速な運転再開を実現することが求められている。

本実施形態は、直流事故発生時には直流電圧指令値の制約を解除して直流電圧出力を低下させることにより、事故除去及び高速な運転再開が可能である、信頼性及び経済性に優れた電力変換装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本実施形態は、直流電流指令値を入力して直流電流値を出力する電力変換装置であって、次の構成要素(ａ)、(ｂ)を備えている。
(ａ)前記直流電流値に基づいて直流事故の発生を検知する検知部。
(ｂ)前記検知部が直流事故の発生を検知すると、零ないし逆極性の直流電圧指令値を出力可能とする制御部。

第１の実施形態を適用した直流送電システムのブロック図。 第１の実施形態の回路構成図。 第１の実施形態の一部の回路構成図。 第１の実施形態の一部の回路構成図。 第１の実施形態の一部の回路構成図。 第１の実施形態の一部の回路構成図。 第１の実施形態の波形図。 第１の実施形態の波形図。 第１の実施形態の波形図。 第２の実施形態の制御図。 第２の実施形の波形図。 第２の実施形態の波形図。

(第１の実施形態)
第１の実施形態について、図１〜図９を参照して具体的に説明する。
(構成)
(構成の概要)
図１を用いて第１の実施形態を適用した直流送電システム１０について説明する。図１は直流送電システム１０のブロック図である。

図１に示すように、直流送電システム１０は交流系統Ａ、Ｂを連系させるシステムであり、直流系統Ｄを有している。交流系統Ａ、Ｂと直流系統Ｄとの間には電力変換装置３Ａ、３Ｂが接続されている。交流系統Ａには交流電流遮断器１Ａ及び変圧器２Ａを介して、電力変換装置３Ａが接続され、交流系統Ｂには交流電流遮断器１Ｂ及び変圧器２Ｂを介して、電力変換装置３Ｂが接続されている。

電力変換装置３Ａ、３Ｂは直流電流指令値Ｉ＊を入力して直流電流値Ｉを出力する。図１に示す符号のうち、Ｉａは電力変換装置３Ａから流出する向きに流れる直流電流値、Ｉｂは電力変換装置３Ｂから流出する向きに流れる直流電流値である。また、Ｖａ、Ｖｂは電力変換装置３Ａ、３Ｂの直流電圧値、Ｖｆは直流系統Ｄにて直流事故Ｅが発生した時の事故点電圧値である。

電力変換装置３Ａ、３Ｂには検知部４Ａ、４Ｂ及び制御部５Ａ、５Ｂが設置されている。検知部４Ａ、４Ｂは、電力変換装置３Ａ、３Ｂから入力する直流電流値Ｉに基づいて直流事故の発生を検知する。制御部５Ａ、５Ｂは、検知部４Ａ、４Ｂが直流事故Ｅの発生を検知すると、零ないし逆極性の直流電圧指令値Ｖ＊を電力変換装置３Ａ、３Ｂに出力する可能とする。

電力変換装置３Ａ、３Ｂのうち、一方が直流系統Ｄの直流電圧を制御する直流電圧制御端の状態となり、他方が直流系統Ｄの直流電流を制御する直流電流制御端の状態となる。以下の説明では、電力変換装置３Ａを直流電圧制御端、電力変換装置３Ｂを直流電流制御端とする。

(電力変換装置)
電力変換装置３Ａ、３ＢにはフルブリッジＭＭＣが適用されている。フルブリッジＭＭＣについて図２及び図３を用いて説明する。図２はフルブリッジＭＭＣの回路構成図、図３はフルブリッジＭＭＣの基本単位であるブリッジセルの回路構成図である。

図２に示すように、フルブリッジＭＭＣには、正側アーム３１及び負側アーム３２が設けられている。正側アーム３１と負側アーム３２には各々、短絡電流抑制のためのリアクトル３３、３４が接続されている。リアクトル３３、３４は互いに接続されている。リアクトル３３、３４を介して接続される側のアーム３１、３２の一方の端子は三相の端子Ｒ、Ｓ、Ｔとなる。そのため、正側アーム３１及び負側アーム３２は３個づつ、合計６個のアームとなる。

正側アーム３１及び負側アーム３２の一方の端子Ｒ、Ｓ、Ｔは交流系統Ａ、Ｂ側に接続される。正側アーム３１及び負側アーム３２の他方の端子は、三相で接続することにより２端子の端子Ｐ、Ｎとなり、端子Ｐ、Ｎは直流側に接続される。アーム３１、３２は、ブリッジセル３０を少なくとも２つ直列接続される。

図３に示すように、各ブリッジセル３０は、４個のスイッチング素子３６、４個のダイオード３７およびコンデンサ３８を有する。スイッチング素子３６はＩＧＢＴなどの自己消弧能力を持つ素子であり、２個のスイッチング素子３６が直列に接続される。各スイッチング素子３６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。

各ブリッジセル３０は、４個のスイッチング素子３６のスイッチング制御によって、出力端子に正負の電圧と零電圧を発生させる。ダイオード３７は、各スイッチング素子３６に逆並列に接続された整流素子である。コンデンサ３８は、２組のスイッチング素子３６からなる直列回路に並列に接続されており、コンデンサ電圧を検出する電圧検出器(図示せず)が設けられている。

(検知部)
図４を用いて検知部４Ａ、４Ｂについて説明する。図４は検知部４Ａ、４Ｂの回路構成図である。図４に示すように、検知部４Ａ、４Ｂは、直流電流値Ｉ、変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈ、電流指令値Ｉ＊、差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈという４つの信号を入力して、直流事故Ｅを検知する。

検知部４Ａ、４Ｂは、直流事故Ｅを検知すると、直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを制御部５Ａ、５Ｂに出力する。変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈにおいて、ΔＩ／Δｔは単位時間あたりの電流変化率であり、ΔＩは所定の時間Δｔでの直流電流値Ｉの電流変化量である。また、差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈにおいて、Ｉ−Ｉ＊は指令値差分であり、直流電流値Ｉと電流指令値Ｉ＊との差分である。

検知部４Ａ、４Ｂが入力する４つの信号のうちの１つ、直流電流値Ｉは、電力変換装置３Ａ、３Ｂから入力する。検知部４Ａ、４Ｂが入力する残り３つの信号、変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈ、電流指令値Ｉ＊、差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈは外部から入力する。なお、直流電流値Ｉは、正側アーム３１または負側アーム３２の３相の合計値として演算できる(図５参照)。そのため、別途、直流電流検出系を追加して設ける必要が無い。

検知部４Ａ、４Ｂが入力する信号のうち、変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈと差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈは、電力変換装置３Ａ、３Ｂから直流系統Ｄに流出する向きに流れる直流電流を検知する極性に予め設定されている。また、変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈと差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈは、通常運転時の電流リプルやオーバーシュートによって誤検知しないレベルに設定される。

検知部４Ａ、４Ｂは、比較器４１、４２、ＯＲ回路４３、状態保持回路４４、遅延回路４５、演算回路４７、減算器４６、４８から構成される。このうち、遅延回路４５、減算器４６及び演算回路４７は所定の時間Δｔでの直流電流値Ｉの変化率を演算する演算部である。

遅延回路４５は、電力変換装置３Ａ、３Ｂから直流電流値Ｉを入力して所定の時間Δｔだけ遅れた直流電流値Ｉを求めて、これを減算器４６に出力する。減算器４６は、直流電流値Ｉと、遅延回路４５から所定の時間Δｔだけ遅れた直流電流値Ｉを入力して、所定の時間Δｔでの直流電流値Ｉの電流変化量ΔＩを演算し、比較器４１に出力する。演算回路４７は、外部から変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈを入力して、所定の時間Δｔでの電流変化量ΔＩの閾値ΔＩ＿ｔｈを比較器４１に出力する。

減算器４８は、直流電流値Ｉの出力値と直流電流指令値Ｉ＊との差分を演算する演算部である。減算器４８は、電力変換装置３Ａ、３Ｂから直流電流値Ｉを、外部から電流指令値Ｉ＊をそれぞれ入力して、指令値差分Ｉ−Ｉ＊を比較器４２に出力する。

比較器４１、４２は、上記の演算部である遅延回路４５、演算回路４７、減算器４６、４８の演算結果が予め設定された閾値を上回ることを判定する判定部である。比較器４１は、減算器４６から電流変化量ΔＩを、演算回路４７から電流変化量ΔＩの閾値ΔＩ＿ｔｈをそれぞれ入力して、所定の時間Δｔでの電流変化量ΔＩとその閾値ΔＩ＿ｔｈを比較する。

比較部４１は、電流変化率ΔＩ／Δｔが変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈを上回ったときに変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴをＯＲ回路４３に出力する。比較器４２は、減算器４８にて求めた指令値差分Ｉ−Ｉ＊と、外部から入力した差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈとを比較して、前者が後者を上回ったときに差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲをＯＲ回路４３に出力する。

ＯＲ回路４３は、変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴと差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲとを入力して、両者の論理和をとって直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを有効にし、状態保持回路回路４４に出力する。状態保持回路４４では、ＯＲ回路４３からの信号が有効になっている場合に、直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴの有効状態を保持する。また、状態保持回路４４は、リセット信号ＲＥＳＥＴを、タイマーや保護リレー系からの指令として入力して、電力変換装置３Ａ、３Ｂの再起動時に直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴの有効状態をリセットする。

(制御部)
図６を用いて制御部５Ａ、５Ｂについて説明する。図６は、制御部５Ａ、５Ｂの回路構成図である。制御部５Ａ、５Ｂは、３つの信号を入力する。３つの入力信号とは、電力変換装置３Ａ、３Ｂからの直流電流値Ｉと、検知部４Ａ、４Ｂからの直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴと、外部からの直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊である。また、制御部５Ａ、５Ｂは、直流事故時に零ないし逆極性の直流電圧指令値Ｖ＊を電力変換装置３Ａ、３Ｂに出力可能とする。

制御部５Ａ、５Ｂには、直流電流制御系であるゲイン増加部５１と、電圧リミッタ５２と、加算器５３と、ＮＯＴ回路５４と、乗算器５５と、が設けられている。直流事故Ｅが発生していない電力変換装置３Ａ、３Ｂの通常運転時には、ゲイン増加部５１は、乗算器５５からの出力Ｉ＊＿ＩＮと直流電流値Ｉとを入力して、その差分に応じて直流電圧の操作量ΔＶ１を求め、これを電圧リミッタ５２に出力する。ゲイン増加部５１は、検知部４Ａ、４Ｂが直流事故Ｅの発生を検知すると、直流電流値Ｉの制御ゲインを増加させる。

電圧リミッタ５２は、入力した操作量ΔＶ１にリミッタ幅−ΔＶｌ〜＋ΔＶｕの幅で制限を施し、直流電圧の操作量ΔＶ２を出力する。電圧リミッタ５２におけるリミッタ幅−ΔＶｌ〜＋ΔＶｕは直流電圧出力の許容変動幅（一般に、電圧マージン）である。電圧リミッタ５２は、検知部４Ａ、４Ｂが直流事故Ｅの発生を検知すると、リミッタ幅−ΔＶｌ〜＋ΔＶｕの幅を拡大させる。例えば、電圧リミッタ５２は、電圧リミッタ下限値の絶対値Ｖｌを直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊の絶対値以上に設定する。

加算器５３は、外部から入力した直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊を操作量ΔＶ２に加算する。したがって、制御部５Ａ、５Ｂから出力される直流電圧指令値Ｖ＊は、直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊と操作量ΔＶ２との和になる。ＮＯＴ回路５４は検知部４Ａ、４Ｂから直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを入力して、その論理反転信号を乗算器５５に出力し、乗算器５５は直流電流指令値Ｉ＊＿ＩＮをゲイン増加部５１に出力する。

直流送電システム１０では、直流電圧制御と直流電流制御が互いに干渉することなく、直流系統Ｄでの直流電圧を維持する必要がある。そのため、直流電圧制御端(電力変換装置３Ａ)は、直流電圧出力の許容変動幅や直流電流の制御ゲインは、直流系統Ｄでの直流電圧を維持すべく小さく設定され、直流電圧出力が変動しないように制御されている。

例えば、電圧リミッタ５２のリミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕは、零ないし定格電圧より小さい値に小さく設定されている。また、ゲイン増加部５１のゲインが小さければ、ゲイン増加部５１が出力する直流電圧の操作量ΔＶ１もゲインの大きな電力変換装置の端子と比較して小さくなる。そのため、加算器５３において直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊に加算される操作量ΔＶ２の大きさも制限されている。これによって、直流電圧制御端(電力変換装置３Ａ)側の直流電圧値Ｖａは、直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊近傍の値に維持されることになる。

一方、直流電流制御端(電力変換装置３Ｂ)では、ゲイン増加部５１のゲインや、電圧リミッタ５２のリミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕは大きく設定される。これにより、直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊に加算される操作量ΔＶ２は電流制御に必要な値をとることができる。定常状態における操作量ΔＶ２は、たとえば電力変換装置３Ａの直流電圧値ＶａがＶｇｒｉｄ＊に制御されているとき、電力変換装置３Ａ、３Ｂ間の抵抗による電圧降下に相当する。

ただし、前述したように、直流電圧出力の安定性を維持すべく、電圧リミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕは定格電圧より小さい値に設定されている。特に多端子の場合は、直流電圧制御端(電力変換装置３Ａ)の脱落時に別の端子が直流電圧制御を担えるように電圧リミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕを小さく設定しておく必要がある。そのため、直流電流制御端(電力変換装置３Ｂ)であっても、電圧リミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕは定格電圧より小さく設定されている。

(作用)
直流送電システム１０において、直流事故Ｅが発生した場合、直流系統Ｄの事故点電圧Ｖｆは急激に低下する。事故点電圧Ｖｆの低下によって、電力変換装置３Ａ、３Ｂの端子から事故点の向きに流れる直流電流値Ｉａ、Ｉｂは共に増大する。このとき、電力変換装置３Ａ、３Ｂの直流電圧値Ｖａ、Ｖｂと直流電流値Ｉａ、Ｉｂの関係は、次式に近似できる。

Ｖａ−Ｖｆ＝Ｌａ＊ｄＩａ／ｄｔ＋Ｒａ＊Ｉａ・・・（１）
Ｖｂ−Ｖｆ＝Ｌｂ＊ｄＩｂ／ｄｔ＋Ｒｂ＊Ｉｂ・・・（２）
Ｌａ及びＲａは電力変換装置３Ａと事故点間の直流回路上のインダクタンス及び抵抗、
Ｌｂ及びＲｂは電力変換装置３Ｂと事故点間の直流回路上のインダクタンス及び抵抗である。

上記の（１）、（２）式から明らかなように、直流電圧値Ｖａ、Ｖｂを低下させることで、直流電流値Ｉａ、Ｉｂの増大は抑えられる。直流電流値Ｉａ、Ｉｂを、変換器保護停止レベル(定格値の２倍程度で、素子耐量などから決まる)まで抑制することができれば、電力変換装置３Ａ、３Ｂが運転を継続しつつ、電力変換装置３Ａ、３Ｂによって事故除去を行うことができる。

前述したように、通常時の直流送電システム１０では、直流系統Ｄでの直流電圧を維持するために、直流電圧制御端は、直流電流制御ゲインや直流電圧出力の許容変動幅を、零または直流電流制御端よりも小さく設定している。事故点電圧Ｖｆに追従させて直流電圧値Ｖａ、Ｖｂを低下させるためには、直流事故Ｅを検出した際、直流電圧制御端(電力変換装置３Ａ)において小さく設定されたゲイン増加部５１のゲインや、電圧リミッタ５２のリミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕに関する制約を、解消しなくてはならない。すなわち、電力変換装置３Ａ、３Ｂが零または逆極性の直流電圧を出力するために、直流電流制御ゲインを増加させて、直流電圧出力の許容変動幅を拡大する必要がある。

まず、検知部４Ａ、４Ｂの動作について図７及び図８を用いて説明する。図７及び図８は検知部４Ａ、４Ｂの動作波形図である。図７は至近端や零抵抗地絡の直流事故Ｅが発生したことで直流電流値Ｉが急峻に増加するケースである。

図７に示すように、時刻ｔ０で直流事故Ｅが発生すると、直流電流値Ｉは急激に増加する。電流変化率ΔＩ／Δｔは時刻ｔ１で変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈを上回る。そのため、比較器４１にて変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴは有効となる。時刻ｔ１では、指令値差分Ｉ−Ｉ＊はその閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈを上回っていない。そのため、比較器４２では差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲは有効になっていない。

しかし、変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴが有効であるために、ＯＲ回路４３では直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴが有効になる。したがって、状態保持回路４４では、直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴの有効状態を保持する。すなわち、検知部４Ａ、４Ｂでは、差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲが有効になる時刻ｔ２よりも前に、高速に直流事故Ｅを検知することができる。

上記の図７のケースは直流電流値Ｉが急峻に増加する場合であったのに対して、図８は遠方や高抵抗地絡の直流事故Ｅが発生したことで、直流電流値Ｉが緩やかに増加するケースである。図８では、時刻ｔ０で直流事故Ｅが発生すると、直流電流値Ｉは緩やかに増加する。電流変化率ΔＩ／Δｔはいつまでも変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈを上回ることがなく、比較器４１では変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴは有効とならない。

しかし、時刻ｔ１にて指令値差分Ｉ−Ｉ＊はその閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈを上回り、比較器４２では指令値差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲが有効になる。そのため、ＯＲ回路４３では直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを有効化することができる。したがって、状態保持回路４４では、直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴの有効状態を保持する。図８の場合、図７と比較して直流事故検知が遅れるが、直流電流の増加が緩やかであり、運転継続可能な直流電流の上限値（変換器保護停止レベル）に対して余裕をもって、直流事故Ｅを検知することができる。

第１の実施形態では、以上のようにして検知部４Ａ、４Ｂが直流事故Ｅを検知すると、検知部４Ａ、４Ｂは出力信号を直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴに切り替える。直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを入力した制御部５Ａ、５Ｂでは、ゲイン増加部５１にて直流電流値Ｉの制御ゲインを増加し、電圧リミッタ５２にて電圧リミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕを拡大して、前記制約を解消する。

例えば、電圧リミッタ５２では、電圧リミッタ下限値の絶対値ΔＶｌを直流系統電圧指令値Ｖｇｒｉｄ＊の絶対値以上に設定する。そのため、直流電圧値Ｖａを零ないし逆極性にして出力できる。また、直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴは、ＮＯＴ回路５４及び乗算器５５を経由することで、ゲイン増加部５１への直流電流指令値の入力をＩ＊＿ＩＮ＝０とし、直流零電流制御に切り替える。

図９に第１の実施形態の動作波形を示す。時刻Ｔ０で直流事故Ｅが発生すると、直流系統Ｄの事故点電圧値Ｖｆは急激に低下して、電力変換装置３Ａ、３Ｂから事故点の向きに流れる直流電流値Ｉａ、Ｉｂが増加する。検知部４Ａ、４Ｂが時刻Ｔ１で直流事故を検知すると、制御部５Ａ、５Ｂは、ゲイン増加部５１にて制御ゲインを増加し、電圧リミッタ５２にて電圧リミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕを拡大する。

これにより、制御部５Ａ、５Ｂは、零ないし逆極性の直流電圧指令値Ｖ＊を電力変換装置３Ａ、３Ｂに出力することができ、且つ直流零電流制御を実施することができる。フルブリッジＭＭＣを用いた電力変換装置３Ａ、３Ｂでは、直流零電圧を出力して運転継続することが可能である。

そのため、電力変換装置３Ａ、３Ｂは、零ないし逆極性の直流電圧指令値Ｖ＊を入力すると、直流事故Ｅの発生後に、事故点電圧Ｖｆに追従して直流電圧値Ｖａ、Ｖｂを低下させることができる。その結果、直流電流値Ｉａ、Ｉｂの増大を変換器制御によって高速に、目標値である零に制御することが可能となり、高速な運転再開が実現して、送電停止時間を短縮可能である。

その後、電力変換装置３Ａ、３Ｂは、時刻Ｔ２からスイッチング制御を停止したゲートブロック状態で待機する。次に、直流電流値Ｉと直流系統Ｄでの直流電圧が共に零の状態を維持する消イオン時間（たとえば数１００ｍｓ）が経過して、事故点の絶縁回復が完了した後にゲートブロックを解除して、電力変換装置３Ａ、３Ｂは運転再開が可能となる。時刻Ｔ３から直流線路の再充電を開始し、時刻Ｔ４までに直流電流値Ｉが事故前のレベルに回復する。

(効果)
第１の実施形態では、検知部４Ａ、４Ｂが、電力変換装置３Ａ、３Ｂから入力した直流電流値Ｉに基づき直流事故Ｅの発生を検知すると、ゲイン増加部５１にて直流電流制御ゲインを増加させ、電圧リミッタ５２にて直流電圧出力の許容変動幅を拡大させる直流事故時運転を行う。この直流事故時運転では、制御部５Ａ、５Ｂは零ないし逆極性の直流電圧指令値Ｖ＊を出力する。

電力変換装置３Ａ、３Ｂでは、フルブリッジＭＭＣを用いているので、直流零電圧を出力して運転継続することが可能であり、事故点電圧値Ｖｆに追従して、零ないし逆極性の直流電圧指令値Ｖ＊を入力し、直流電圧値Ｖａ、Ｖｂを低下させることができる。したがって、電力変換装置３Ａ、３Ｂから事故点の向きに流れる直流電流値Ｉａ、Ｉｂの増大を抑えることができる。

直流電流のエネルギーは直流回路上のインダクタンスに蓄積されるので、零電流までの減衰時間は直流電流値Ｉが大きいほど長くなる。したがって、第１の実施形態では、直流事故Ｅの発生により増大した直流電流値Ｉａ、Ｉｂを小さくすることで、零電流までの減衰時間を短縮化し、これにより、電力変換装置３Ａ、３Ｂの運転再開の高速化を図ることができる。

また、電力変換装置３Ａ、３Ｂでは、検知部４Ａ、４Ｂが出力する直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを、ＮＯＴ回路５４及び乗算器５５を経由させてゲイン増加部５１への直流電流指令値の入力をＩ＊＿ＩＮ＝０とし、直流零電流制御に切り替えることが可能である。したがって、直流電流値Ｉを、目標値である零電流に、高速に制御することが可能であり、直流電流値Ｉの減衰時間をさらに短縮化することができる。このような第１の実施形態によれば、直流事故Ｅが発生した際、高速に潮流制御運転を再開することができ、送電停止時間は短くなり、系統信頼性を高めることができる。

第１の実施形態では、検知部４Ａ、４Ｂが直流事故Ｅの発生を検知すれば、制御部５Ａ、５Ｂが直流電流値Ｉを自動的に零に制御可能である。そのため、電力変換装置３Ａと電力変換装置３Ｂや保護システムが直流系統Ｄを挟んで遠隔地に配置されている場合に、直流事故Ｅの発生を知らせるための通信装置は不要である。

また、直流事故Ｅの発生を検知するために、電力変換装置３Ａ、３Ｂの直流電圧値Ｖａ、Ｖｂを直接検出する必要も無い。したがって、通信装置や直流電圧検出系を設置するための追加コストを省くことができる。その結果、経済性が向上する。しかも、第１の実施形態では、自端側の情報のみで直流事故時運転が可能なので、遠距離の場合の通信遅延を考慮する必要もなく、優れた制御信頼性を発揮することができる。

第１の実施形態では、電力変換装置３Ａ、３ＢにフルブリッジＭＭＣを採用している。フルブリッジＭＭＣでは、直流事故Ｅが発生した時でも直流零電圧を出力して運転継続することが可能である。したがって、直流事故Ｅの発生後に高速に直流電圧出力を低下させることができ、直流電流値Ｉａ、Ｉｂの増大を変換器制御によって抑制可能である。

また、フルブリッジＭＭＣでは、変換器制御のみで高速に事故除去することができるので、低速な交流遮断器による遮断器動作が不要である。さらに、ハーフブリッジＭＭＣと比較しても、直流電流値Ｉの減衰時間を削減することができる。したがって、電力変換装置３Ａ、３Ｂの再起動を高速化することができ、送電停止時間はより短くなって系統信頼性が一層向上する。

第１の実施形態では、検知部４Ａ、４Ｂにて直流事故Ｅを検出する際、指令値差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈを導入して、指令値差分検知を実施している。指令値差分検知では、直流電流値Ｉの事故発生前の初期値の変化に合わせて閾値を変更することが可能であり、閾値を固定する場合と比べて、初期値に対する事故検知時間を均一化することができる。特に、初期値が電力変換装置３Ａ、３Ｂへ流入する向きであった場合に、高速な事故検知が可能である。

(第２の実施形態)
(構成)
第２の実施形態について、図１０〜図１２を参照して具体的に説明する。第２の実施形態は、直流事故の検知部の構成が第１の実施形態１と異なる。そのため、構成が異なる部分のみを説明し、第１の実施形態と同一の構成要素に関しては同一符号を付して説明は省略する。

図１０は、検知部４１Ａ、４１Ｂの回路構成図である。検知部４１Ａ、４１Ｂは、第１の実施形態にて図４で示した構成に、事故検知閾値Ｉ＿ｔｈの入力をさらに加え、事故検知条件を追加した構成である。事故検知閾値Ｉ＿ｔｈは、電力変換装置３Ａ、３Ｂから直流系統Ｄに流出する向きに増加する直流電流値Ｉａ、Ｉｂを検知する極性で、且つ通常の潮流制御運転時の電流リプルやオーバーシュートを考慮して、定格値よりも大きな値に設定する。

事故検知閾値Ｉ＿ｔｈは、通常流れる電流以上の値のため、事故検知閾値Ｉ＿ｔｈと定格直流電流値との差分は、指令値差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈよりも小さく設定することが可能である。第１の実施形態にて用いた指令値差分閾値（Ｉ−Ｉ＊）＿ｔｈは、通常の潮流制御運転時に発生する制御偏差（主に過渡時）以上の値に設定する必要がある。これに対して、事故検知閾値Ｉ＿ｔｈは、通常の潮流制御運転時に発生する制御偏差を超えることを考慮する必要がなく、異常時のみを考慮すればよい。したがって、事故検知閾値Ｉ＿ｔｈは、設定自由度が高く、検知部４１Ａ、４１Ｂの動作信頼性が向上する。

検知部４１Ａ、４１Ｂは、比較器４９及びＯＲ回路５０を備えている。比較器４９は、直流電流値Ｉが事故検知閾値Ｉ＿ｔｈを上回ったときに電流値検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＩを有効にする。ＯＲ回路５０は、差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲと電流値検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＩを入力して、両者の論理和をとってＯＲ回路４３に出力する。ＯＲ回路４３は、変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴと、ＯＲ回路５０からの信号を入力して論理和をとり、直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを有効化する。

(作用)
図１１、１２に検知部４１Ａ、４１Ｂの動作波形を示す。図１１は直流事故前に電力変換装置から流出する向き、かつ定格値に近い直流電流が流れているケースを示す。図１１において時刻ｔ０で直流事故Ｅが発生すると、直流電流値Ｉは緩やかに増加する。電流変化率ΔＩ／Δｔは変化率閾値（ΔＩ／Δｔ）＿ｔｈを上回ることがなく、比較器４１にて変化率検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＴは有効にならない。

事故検知閾値Ｉ＿ｔｈを導入せず電流値検知を行わない場合、直流事故Ｅの検知は指令値差分による検知時刻ｔ２となる。しかし、事故検知閾値Ｉ＿ｔｈを導入して電流値検知を行った場合、ｔ２より前の時刻ｔ１にて、直流電流値Ｉが電流値閾値Ｉ＿ｔｈを上回り、ＯＲ回路５０には有効化された電流値検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＩが入力される。その結果、ＯＲ回路４３では信号直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴを有効化し、状態保持回路４４では直流事故時運転信号ＤＣ＿ＦＬＴの有効状態を保持する。

一方、図１２は直流事故前に電力変換装置に流入する向きに直流電流が流れているケースを示している。図１２においては、比較器４２での差分検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＲは、時刻ｔ１にて有効化され、図示はしないが、ｔ１以降となる電流値検知信号ＤＥＴＥＣＴ＿ＤＩよりも、高速に直流事故Ｅを検知することができる。図１２の場合、図１１と比較すれば直流事故Ｅの検知は遅れるものの、運転継続可能な直流電流の上限値（変換器保護停止レベル）に対しては余裕がある。

(効果)
第２の実施形態によれば、上記第１の実施形態の効果に加えて、次のような効果がある。すなわち、検知部４１Ａ、４１Ｂでは事故検知閾値Ｉ＿ｔｈを導入して電流値検知を行うので、直流事故前に変換器から流出する向き、かつ定格値に近い直流電流が流れている場合に、指令値差分検知よりもさらに高速に直流事故Ｅを検知することができる。

(他の実施形態)
本発明のいくつかの複数の実施形態を説明したが、これらの実施形態は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していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略や置き換え、変更を行うことができる。これらの実施形態やその変形は、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。

例えば、直流事故の検知部では、電流値検知、指令値差分検知及び変化率検知を適宜組み合わせて構成するようにしてもよい。また、個別の直流送電システムの特性を考慮して、回路構成図にて示した各ＯＲ回路をＡＮＤ回路に置き換えることも可能である。さらに、直流送電システムが２極以上や多端子でも同様に実現でき、直流電流遮断器との併用も可能である。

また、制御部５Ａ、５Ｂの電圧リミッタ５２において、直流電圧出力の許容変動幅を拡大する範囲も適宜選択可能であり、例えば、電圧リミッタ幅ΔＶｌ、ΔＶｕを、定格直流電圧値以上に変更するようにしてもよい。このような実施形態によれば、零ないし逆極性の直流電圧値Ｖａを出力することができる。そのため、直流電圧値Ｖａ、Ｖｂを低下させて、直流電流値Ｉａ、Ｉｂの増大を抑え、直流電流値Ｉの減衰時間の短縮化を確実に実施することが可能である。

さらに、電力変換装置３Ａ、３Ｂにおいて、通常の潮流制御運転を再開するよりも前に、ＤＣ＿ＦＬＴの保持状態をリセットし、制御部５Ａ、５Ｂにおける零ないし逆極性の直流電圧出力を停止するようにしてもよい。このような実施形態によれば、潮流制御運転を再開した時点では、零ないし逆極性の直流電圧出力が確実に停止しているため、潮流制御運転を安定して行うことができる。

１Ａ、１Ｂ…交流電流遮断器
２Ａ、２Ｂ…変圧器
３Ａ、３Ｂ…電力変換装置
３０…ブリッジセル
３１…正側アーム
３２…負側アーム
３３、３４…リアクトル
３６…スイッチング素子
３７…ダイオード
３８…コンデンサ
４Ａ、４Ｂ、４１Ａ、４１Ｂ…検知部
４１、４２、４９…比較器
４３、５０…ＯＲ回路
４４…状態保持リセット回路
４５…遅延回路
４６…減算器
４７…演算回路
５Ａ、５Ｂ…制御部
５１…ゲイン増加部
５２…電圧リミッタ
５３…加算器
５４…ＮＯＴ回路
５５…乗算器
Ａ、Ｂ…交流系統

Claims (10)

1. 交流系統と直流系統との間に接続され直流電流指令値を入力して直流電流値を出力する電力変換装置であって、
   前記直流電流値に基づいて直流事故の発生を検知する検知部と、
   前記検知部が直流事故の発生を検知すると、零ないし逆極性の直流電圧指令値を出力可能とする制御部と、を備えた電力変換装置。
2. 前記検知部は、
   単位時間当たりの前記直流電流値の変化率又は前記直流電流値と前記直流電流指令値との差分を演算する演算部と、
   前記演算部の演算結果が予め設定された閾値を上回ることを判定する判定部と、を備えた請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記検知部は、前記直流電流値と予め設定された閾値とを比較する比較器を備えた請求項１又は２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御部は、前記検知部が直流事故の発生を検知すると、前記直流電流値の制御ゲインを増加させるゲイン増加部を備えた請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記制御部は、前記検知部が直流事故の発生を検知すると、直流電圧出力の許容変動幅を拡大させる電圧リミッタを備えた請求項１〜３のいずれかに記載の電力変換装置。
6. 前記電圧リミッタは、直流電圧出力の下方ないし上方の許容変動幅を定格直流電圧値以上に拡大する請求項５に記載の電力変換装置。
7. 前記制御部は、前記直流電流指令値を零に変更する請求項１〜６のいずれかに記載の電力変換装置。
8. 前記制御部は、前記直流電流値が零になった後、スイッチング制御を停止したゲートブロック状態で待機させる請求項１〜７のいずれかに記載の電力変換装置。
9. 前記制御部は、前記ゲートブロック状態を予め設定された時間継続させた後に前記スイッチング制御を再開し、零ないし逆極性の直流電圧出力が可能な状態を停止する請求項８に記載の電力変換装置。
10. 単位回路にフルブリッジ型回路を用いたモジュラーマルチレベルコンバータからなる請求項１〜９のいずれかに記載の電力変換装置。

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