JP2022127885A - 電力変換装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直流連系時の突入電流を抑制することができる電力変換装置を提供することである。【解決手段】実施形態の電力変換装置は、交直変換器と、交流遮断器と、直流スイッチと、制御装置とを持つ。交直変換器は、交流線路を介して交流系統に連系し、直流系統と連系する複数の直流線路を集約する直流母線に接続され、交流電力から直流電力へ、又は直流電力から交流電力へ電力変換する。交流遮断器は、前記交流線路上に設けられる。直流スイッチは、前記直流線路状に設けられる。制御装置は、前記交流遮断器を導通状態に制御することで前記交直変換器と前記交流系統との交流連系を行い、前記直流スイッチを導通状態に制御することで前記交直変換器と前記直流系統との直流連系を行う。突入電流抑制回路は、前記直流連系の際に流れる突入電流を抑制する。【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、再生可能エネルギーとして洋上での風力発電技術の開発が盛んに行われている。洋上に建設された風力発電所で発電した電力は、陸上の交流系統に送電される。この送電が長距離での送電となる場合には、高圧直流（HVDC：High Voltage Direct Current）送電が適用されることで、風力発電所から交流系統へ効率的に交流電力が送電される。この場合、風力発電所で発電した交流電力は、交直変換所（端子ともいう。）で直流電力に電力変換される。変換所で電力変換された直流電力は、直流電力系統に連系し、陸上の交流系統と連系している他の変換所に送電される。

従来では、距離の離れた２つの変換所を１組の直流送電線で結び、一対一の送受電を行う二端子直流送電が採用されていたが、近年の技術向上により複数の交直変換所間で電力融通を行う多端子直流送電システムの導入が世界的に加速している。多端子直流送電システムでは、１つの交直変換所が他の複数の交直変換所と直流系統を介して接続され、洋上風力発電所と交流系統の送電ループを複数確保することができ、送電ルートが多様となる。

多端子直流送電システムでは交直変換所の拡充やメンテナンス等で、運転中の多端子直流送電システムに新たに交直変換所を連系する状況が想定される。この場合、多端子直流送電システムを停止すれば簡単に交直変換所を連系することができるが、この場合には、長時間にわたって多端子直流送電システムを停止する必要があり、発電機会の損失となる。これを避けるためには、運転中の多端子直流送電システムに安全に交直変換所を連系する技術が必要となる。

多端子直流送電システムの各直流線路には、直流事故時の保護を目的として直流遮断器（DCCB：Direct Current Circuit Breaker）の設置が想定される。運転中の多端子直流送電システムに新たに交直変換所を連系するために、直流線路の片側が課電された状態で直流遮断器を投入して直流連系を実行すると直流線路に大きな突入電流が流れる可能性がある。突入電流が直流線路に接続される機器の電流耐量を超過した場合等には機器の破損が懸念される。

特開２０１６－１７４４９５号公報

小熊,他「モジュラー・マルチレベル・カスケード変換器を用いたFTF（Front-To-Front）システムの実験検証」,電学論D, Vol.135, No.7, pp.794-801, 2015.

本発明が解決しようとする課題は、直流連系時の突入電流を抑制することができる電力変換装置を提供することである。

実施形態の電力変換装置は、交直変換器と、交流遮断器と、直流スイッチと、制御装置とを持つ。交直変換器は、交流線路を介して交流系統に連系し、直流系統と連系する複数の直流線路を集約する直流母線に接続され、交流電力から直流電力へ、又は直流電力から交流電力へ電力変換する。交流遮断器は、前記交流線路上に設けられる。直流スイッチは、前記直流線路上に設けられる。突入電流抑制回路は、前記直流スイッチと直列接続される。制御装置は、前記交直変換器、前記交流遮断器、前記直流スイッチ及び前記突入電流抑制回路のそれぞれを制御する。前記制御装置は、前記交流遮断器を導通状態に制御することで前記交直変換器と前記交流系統との交流連系を行い、前記直流スイッチを導通状態に制御することで前記交直変換器と前記直流系統との直流連系を行う。前記突入電流抑制回路は、前記直流連系の際に流れる突入電流を抑制する。

第１の実施形態の多端子直流送電システムの概略構成図。 第１の実施形態に係る直流連系の処理のフローチャート。 第１の実施形態における直流スイッチ、バイパススイッチ、及び直流コンデンサ電圧を示す図。 第２の実施形態の多端子直流送電システムの概略構成図。 第２の実施形態に係る直流連系の処理のフローチャート。 第２の実施形態における直流スイッチ、バイパススイッチ、及び直流コンデンサ電圧を示す図。 第３の実施形態の多端子直流送電システムの概略構成図。 第３の実施形態に係る直流連系の処理のフローチャート。 第３の実施形態における直流スイッチ、バイパススイッチ、及び直流コンデンサ電圧を示す図。

以下、実施形態の電力変換装置を、図面を参照して説明する。

＜第１の実施形態＞
図１は、第１の実施形態の電力変換装置を備える多端子直流送電システム１の構成例を示す図である。多端子直流送電システム１は、高圧直流送電が適用されたシステムである。多端子直流送電システム１は、例えば、交流系統１０と、直流系統２０と、１つ以上の電力変換装置３０とを備える。

交流系統１０は、例えば、交流電源を含む。直流系統２０は、例えば、複数の直流線路などを含む。

多端子直流送電システム１では、長距離範囲に点在する交流系統１０のそれぞれが交流線路１１を介して各電力変換装置３０と連系する。また、電力変換装置３０は、直流線路２１を介して直流系統２０と連系する。例えば、電力変換装置３０は、交直変換所又は端子の一例である。

電力変換装置３０は、直流系統２０と交流系統１０との境界に設置される。多端子直流送電システム１では、電力変換装置３０のそれぞれが、互いに電力を他の電力変換装置３０に供給したり、電力を他の電力変換装置３０から受け取ったりするなどの電力融通の機能を有する。

電力変換装置３０は、例えば、交直変換器４０と、交流遮断器４１と、直流母線４２と、直流スイッチ４３と、限流器４４と、突入電流抑制回路４５と、制御装置４６とを備える。

交直変換器４０は、交流線路１１を介して交流系統１０に連系する。交直変換器４０は、複数の直流線路２１を集約する直流母線４２に接続される。交直変換器４０は、交流電力から直流電力へ、又は直流電力から交流電力へ電力変換する。例えば、交直変換器４０は、交流系統１０からの交流電力を直流電力に変換し、その直流電力を直流母線４２に供給する。また、例えば、交直変換器４０は、直流母線４２からの直流電力を交流電力に変換して交流系統１０に供給する。

交直変換器４０は、直流側に直流コンデンサＣを備える。直流コンデンサＣは、１つの直流コンデンサを示すものであってもよいし、交直変換器４０内の複数の直流コンデンサを一つのコンデンサとして示すものであってもよい。例えば、直流コンデンサＣは、電解コンデンサやフィルムコンデンサである。直流コンデンサＣの電圧である直流コンデンサ電圧Ｖｃは、制御装置４６に送信される。

交流遮断器４１は、交流線路１１上に設けられる。例えば、交流遮断器４１は、交流線路１１のそれぞれに対して直列に接続される。交流遮断器４１は、交流系統１０と交直変換器４０との間に直列接続される。交流遮断器４１が導通状態である場合には、交直変換器４０と交流系統１０とが連系（以下、「交流連系」という。）する。交流遮断器４１が遮断状態である場合には、交直変換器４０と交流系統１０との交流連系が解消し、交直変換器４０から交流系統１０が切り離される。

直流母線４２には、複数の直流線路２１が接続される。直流母線４２は、複数の直流線路２１を介して直流系統２０に電気的に接続される。

直流スイッチ４３は、直流線路２１上に設けられる。本実施形態では、直流スイッチ４３は、直流母線４２に接続される複数の直流線路２１のそれぞれに対して直列に接続される。直流スイッチ４３は、直流母線４２と各直流線路２１の間に直列接続される。直流スイッチ４３が導通状態である場合には、交直変換器４０と直流系統２０との直流連系が行われる。直流スイッチ４３が遮断状態である場合には、交直変換器４０と直流系統２０との直流連系が解消されて、交直変換器４０又は直流母線４２から直流系統２０が電気的に切り離される。直流スイッチ４３は、例えば、直流遮断器、直流開閉器及び直流断路器のいずれかである。

限流器４４は、直流線路２１に直列に接続される。本実施形態では、限流器４４は、直流母線４２に接続される複数の直流線路２１のそれぞれに対して直列に接続される。限流器４４は、直流スイッチ４３と直列接続され、直流線路２１に流れる電流の急峻な変化を抑制する。例えば、限流器４４は、直流母線４２と直流スイッチ４３との間に直列接続され、直流スイッチ４３に流れる電流の急峻な変化を抑制する。

突入電流抑制回路４５は、直流線路２１に直列に接続される。本実施形態では、突入電流抑制回路４５は、直流母線４２に接続される複数の直流線路２１のそれぞれに対して直列に接続される。突入電流抑制回路４５は、直流スイッチ４３と直列接続される。突入電流抑制回路４５は、直流連系が行われる際に、例えば直流系統２０と直流母線４２との間に流れる突入電流を抑制する。例えば、突入電流抑制回路は、直流スイッチ４３が遮断状態から導通状態になることで発生する突入電流を抑制する。

突入電流抑制回路４５は、例えば、インピーダンス素子５０と、バイパススイッチ５１とを備える。

インピーダンス素子５０は、抵抗成分を含む。例えば、インピーダンス素子５０は、抵抗器や、抵抗器とリアクトルとを直列接続したものなどである。

バイパススイッチ５１は、インピーダンス素子５０に対して並列に接続される。バイパススイッチ５１は、トランジスタなどの電気的なスイッチ（無接点リレーを含む）であってもよいし、有接点リレーなどの機械スイッチであってもよい。バイパススイッチ５１は、制御装置４６によって導通状態又は遮断状態に制御される。バイパススイッチ５１は、導通状態に制御されることで、インピーダンス素子５０をバイパスする電流経路を形成する。図１に示す例では、バイパススイッチ５１は、直流スイッチ４３と限流器４４との間において、インピーダンス素子５０をバイパスする電流経路を形成する。

制御装置４６は、交直変換器４０、交流遮断器４１、複数の直流スイッチ４３及び各突入電流抑制回路４５内のバイパススイッチ５１のそれぞれと信号授受する。制御装置４６は、交直変換器４０から直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する。制御装置４６は、交直変換器４０の起動や運転の停止などの動作を制御する。制御装置４６は、交流遮断器４１を遮断状態又は導通状態に制御する。制御装置４６は、各直流スイッチ４３を遮断状態又は導通状態に制御する。制御装置４６は、各バイパススイッチ５１を遮断状態又は導通状態に制御する。

制御装置４６は、交流遮断器４１を導通状態に制御することで交直変換器４０と交流系統１０との交流連系を行い、直流スイッチ４３を導通状態に制御することで交直変換器４０と直流系統２０との直流連系を行う。制御装置４６は、直流連系よりも先に交流連系を行ってもよい。制御装置４６は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）等のハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。また、これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Large Scale Integrated circuit）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）、ＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）、ＧＰＵ（Graphics Processing Unit）等のハードウェア（回路部；circuitryを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予めＨＤＤ（Hard Disk Drive）やフラッシュメモリ等の記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭ等の着脱可能な記憶媒体（非一過性の記憶媒体）に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。記憶装置は、例えば、ＨＤＤ、フラッシュメモリ、ＥＥＰＲＯＭ（Electrically Erasable Programmable Read Only Memory）、ＲＯＭ（Read Only Memory）、またはＲＡＭ（Random Access Memory）等により構成される。

以下、電力変換装置３０の直流連系の処理の流れを、図２を用いて説明する。図２は、第１の実施形態に係る直流連系の処理のフローチャートである。図２では、交流連系よりも先に直流連系を行う場合を想定している。なお、ハイフン以下の符号は、複数の同じ種類の構成要素を互いに区別するものである。複数の同じ種類の構成を互いに区別しない場合には、ハイフン以下の符号を省略する場合がある。

電力変換装置３０－ｍが起動する場合には、制御装置４６－ｍは、直流スイッチ４３－ｍを投入することで直流スイッチ４３－ｍを遮断状態から導通状態に制御する（ステップＳ１０１）。この際、図１に示すように電力変換装置３０－ｍに直流スイッチ４３－ｍが複数存在する場合には、直流スイッチ４３－ｍを投入する順序は特に限定されない。例えば、制御装置４６－ｍは、電力変換装置３０－ｍに複数の直流スイッチ４３－ｍが設置されている場合には、複数の直流スイッチ４３－ｍを全て同時に導通状態に制御してもよいし、導通状態に制御するタイミングを直流スイッチ４３－ｍごとに全て異なるように制御してもよい。

直流スイッチ４３－ｍが投入されると、電力変換装置３０－ｍに接続されている直流線路２１と交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣとが直流系統２０からの直流電力によって所定値まで充電される。この際、直流スイッチ４３－ｍの投入によって直流線路２１に接続された突入電流抑制回路４５－ｍでは、バイパススイッチ５１が遮断状態であるため、インピーダンス素子５０によって突入電流が抑制される。

制御装置４６－ｍは、直流スイッチ４３－ｍの投入後に、交直変換器４０－ｍから直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する（ステップＳ１０２）。制御装置４６－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得すると、直流コンデンサ電圧Ｖｃと既定の閾値Ｖｔｈとを比較する（ステップＳ１０３）。閾値Ｖｔｈは、直流系統２０から直流コンデンサＣを充電したときの最大電圧よりも低い値である。例えば、閾値Ｖｔｈは、直流線路２１の電圧や直流コンデンサＣの直列数に応じて変化してもよい。

制御装置４６－ｍは、ステップＳ１０３において、直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈ以上か否かを判定する。制御装置４６－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈ未満である場合には、再度ステップＳ１０２に戻り、直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する。制御装置４６－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈ以上である場合には、バイパススイッチ５１－ｍを導通状態に制御することでバイパススイッチ５１－ｍを投入する（ステップＳ１０４）。これにより、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０を両端が短絡する。なお、突入電流抑制回路４５－ｍ内にバイパススイッチ５１－ｍが複数存在する場合は、バイパススイッチ５１を投入する順序は、特に限定されない。例えば、制御装置４６－ｍは、電力変換装置３０－ｍに複数のバイパススイッチ５１－ｍが設置されている場合には、複数のバイパススイッチ５１－ｍを全て同時に導通状態に制御してもよいし、導通状態に制御するタイミングをバイパススイッチ５１－ｍごとに全て異なるように制御してもよい。電力変換装置３０－ｍ内のすべてのバイパススイッチ５１－ｍの投入が完了した場合には、直流連系が完了する。

図３は、第１の実施形態における直流スイッチ４３の状態、バイパススイッチ５１の状態、及び直流コンデンサ電圧Ｖｃの波形例を示す。ステップＳ１０１によって直流スイッチ４３が投入されると、直流線路２１と交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣが充電される。このとき、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０－ｍや限流器４４－ｍなどの直流側のインピーダンス成分を介して充電電流が流れるために、突入電流が抑制され緩やかな充電波形となる。

ステップＳ１０２及びステップＳ１０３によって直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈ以上になったと判定された場合には、ステップＳ１０４でバイパススイッチ５１－ｍが投入される。バイパススイッチ５１－ｍが投入されると、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０－ｍをバイパスする電流経路が形成されるため、直流線路２１の電圧と直流コンデンサ電圧Ｖｃは若干上昇する。この際、直流連系が完了する。

以上説明した第１の実施形態の電力変換装置３０は、直流線路２１に接続される突入電流抑制回路４５を備えることで、直流連系時の突入電流を抑制し安全に直流連系することができる。

＜第２の実施形態＞
第２の実施形態の電力変換装置３０Ａについて説明する。以下の説明において、第１の実施形態で説明した内容と同様の機能を有する部分については、同様の名称および符号を付するものとし、その機能に関する具体的な説明は省略する。

図４は、第２の実施形態の電力変換装置３０Ａを備える多端子直流送電システム１Ａの構成例を示す図である。電力変換装置３０Ａは、図１に示した第１の実施形態の電力変換装置３０と比較すると、直流コンデンサＣを直流系統２０ではなく交流系統１０から充電する点が異なる。

多端子直流送電システム１Ａは、高圧直流送電が適用されたシステムである。多端子直流送電システム１Ａは、例えば、交流系統１０と、直流系統２０と、１つ以上の電力変換装置３０Ａとを備える。例えば、電力変換装置３０Ａは、交直変換所又は端子の一例である。

電力変換装置３０Ａは、例えば、交直変換器４０と、交流遮断器４１と、直流母線４２と、直流スイッチ４３と、限流器４４と、突入電流抑制回路４５と、制御装置４６Ａとを備える。

制御装置４６Ａは、交直変換器４０、交流遮断器４１、複数の直流スイッチ４３及び各突入電流抑制回路４５内のバイパススイッチ５１にそれぞれ接続される。制御装置４６Ａは、交直変換器４０から直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する。制御装置４６Ａは、交直変換器４０の起動や運転の停止などの動作を制御する。制御装置４６Ａは、交流遮断器４１を遮断状態又は導通状態に制御する。制御装置４６Ａは、各直流スイッチ４３を遮断状態又は導通状態に制御する。制御装置４６Ａは、各バイパススイッチ５１を遮断状態又は導通状態に制御する。

制御装置４６Ａは、交流遮断器４１を導通状態に制御することで交直変換器４０と交流系統１０との交流連系を行い、直流スイッチ４３を導通状態に制御することで交直変換器４０と直流系統２０との直流連系を行う。

制御装置４６Ａは、直流連系よりも先に交流連系を行う。例えば、制御装置４６Ａは、交流遮断器４１を遮断状態から導通状態にした後の直流コンデンサ電圧Ｖｃが予め設定された第１閾値Ｖｔｈ１以上の場合には、直流スイッチ４３を遮断状態から導通状態に制御する。そして、制御装置４６Ａは、直流スイッチ４３を導通状態にした後の直流コンデンサ電圧Ｖｃが予め設定された第２閾値Ｖｔｈ２以上の場合には、バイパススイッチ５１を遮断状態から導通状態に制御する。第２閾値Ｖｔｈ２は、第１閾値Ｖｔｈ１よりも高い電圧であって、例えば、直流系統２０から直流コンデンサＣを充電したときの最大電圧よりも低い値である。例えば、第２閾値Ｖｔｈ２は、第１の実施形態の閾値Ｖｔｈに相当する。

以下、電力変換装置３０Ａの直流連系の処理の流れを、図５を用いて説明する。図５は、第２の実施形態に係る直流連系の処理のフローチャートである。

電力変換装置３０Ａ－ｍが起動する場合には、制御装置４６Ａ－ｍは、交流遮断器４１－ｍを投入することで交流遮断器４１－ｍを遮断状態から導通状態に制御する（ステップＳ２０１）。交流遮断器４１が投入されると、交流系統１０から交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣ及び直流母線４２－ｍに接続されている直流線路２１が所定値まで充電される。

制御装置４６Ａ－ｍは、交流遮断器４１－ｍの投入後に、交直変換器４０－ｍから直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する（ステップＳ２０２）。制御装置４６Ａ－ｍは、ステップＳ２０２において直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得すると、直流コンデンサ電圧Ｖｃと既定の第１閾値Ｖｔｈ１とを比較する（ステップＳ２０３）。制御装置４６Ａ－ｍは、ステップＳ２０３において、直流コンデンサ電圧Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上か否かを判定する。制御装置４６Ａ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１未満である場合には、再度ステップＳ２０２に戻り直流コンデンサＶｃを取得する。

制御装置４６Ａ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが第１閾値Ｖｔｈ１以上である場合には、直流スイッチ４３－ｍを投入することで直流スイッチ４３－ｍを遮断状態から導通状態に制御する（ステップＳ２０４）。この際、図４に示すように電力変換装置３０Ａ－ｍに直流スイッチ４３－ｍが複数存在する場合には、直流スイッチ４３－ｍを投入する順序は特に限定されない。例えば、制御装置４６Ａ－ｍは、電力変換装置３０Ａ－ｍに複数の直流スイッチ４３－ｍが設置されている場合には、複数の直流スイッチ４３－ｍを全て同時に導通状態に制御してもよいし、導通状態に制御するタイミングを直流スイッチ４３－ｍごとに全て異なるように制御してもよい。

直流スイッチ４３－ｍが投入されると、電力変換装置３０Ａ－ｍに接続されている直流線路２１と交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣとが直流系統２０からの直流電力によって所定値まで充電される。この際、直流スイッチ４３－ｍの投入によって直流線路２１に接続した突入電流抑制回路４５－ｍでは、バイパススイッチ５１が遮断状態であるため、インピーダンス素子５０によって突入電流が抑制される。

制御装置４６Ａ－ｍは、直流スイッチ４３－ｍの投入後に、交直変換器４０－ｍから直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する（ステップＳ２０５）。制御装置４６Ａ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得すると、直流コンデンサ電圧Ｖｃと第２閾値Ｖｔｈ２とを比較する（ステップＳ２０６）。

制御装置４６Ａ－ｍは、ステップＳ２０６において、直流コンデンサ電圧Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以上か否かを判定する。制御装置４６Ａ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２未満である場合には、再度ステップＳ２０５に戻り、直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する。制御装置４６Ａ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以上である場合には、バイパススイッチ５１－ｍを導通状態に制御することでバイパススイッチ５１－ｍを投入する（ステップＳ２０７）。これにより、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０の両端が短絡する。なお、突入電流抑制回路４５－ｍ内にバイパススイッチ５１－ｍが複数存在する場合は、バイパススイッチ５１を投入する順序は、特に限定されない。例えば、制御装置４６Ａ－ｍは、電力変換装置３０Ａ－ｍに複数のバイパススイッチ５１－ｍが設置されている場合には、複数のバイパススイッチ５１－ｍを全て同時に導通状態に制御してもよいし、導通状態に制御するタイミングをバイパススイッチ５１－ｍごとに全て異なるように制御してもよい。電力変換装置３０Ａ－ｍ内のすべてのバイパススイッチ５１－ｍの投入が完了した場合には、直流連系が完了する。

図６は、第２の実施形態における直流スイッチ４３の状態、バイパススイッチ５１の状態、及び直流コンデンサ電圧Ｖｃの波形例を示す。ステップＳ２０１で交流遮断器４１－ｍが投入されると、交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣと直流母線４２が充電される。このとき、交流線路１１に挿入された充電回路等（図示せず）のインピーダンス成分を介して充電電流が流れるために、緩やかな充電波形となる。ステップＳ２０２及びステップＳ２０３によって直流コンデンサ電圧Ｖｃが第１閾値電圧Ｖｔｈ１以上になったと判定された場合にステップＳ２０４で直流スイッチ４３－ｍが投入される。直流スイッチ４３－ｍが投入されると、直流線路２１と直流コンデンサＣが充電される。このとき、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０や限流器４４などの直流側のインピーダンス成分を介して充電電流が流れるために、突入電流が抑制され緩やかな充電波形となる。

ステップＳ２０５及びステップＳ２０６によって直流コンデンサ電圧Ｖｃが第２閾値Ｖｔｈ２以上になったと判定された場合にはステップＳ２０７でバイパススイッチ５１－ｍが投入される。バイパススイッチ５１－ｍが投入されると、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０－ｍをバイパスする電流経路が形成されるため、直流線路２１の電圧と直流コンデンサ電圧Ｖｃは若干上昇する。この際、直流連系が完了する。

以上説明した第２の実施形態の電力変換装置３０Ａでは、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、交流系統１０から直流回路（直流コンデンサＣ及び直流線路２１）を予め第１閾値Ｖｔｈ１まで充電しておくことで直流スイッチ４３の投入時に流れる電流が小さくなり、安全に直流連系することができるだけでなく、突入電流抑制回路４５の仕様を軽減することができる。

＜第３の実施形態＞
第３の実施形態の電力変換装置３０Ｂについて説明する。以下の説明において、第１の実施形態で説明した内容と同様の機能を有する部分については、同様の名称および符号を付するものとし、その機能に関する具体的な説明は省略する。

図７は、第３の実施形態の電力変換装置３０Ｂを備える多端子直流送電システム１Ｂの構成例を示す図である。電力変換装置３０Ｂは、図１に示した第１の実施形態の電力変換装置３０と比較すると、直流線路２１及び直流コンデンサＣへの充電を直流連系の前に完了し、且つ交流系統１０から行う点が異なる。

多端子直流送電システム１Ｂは、高圧直流送電が適用されたシステムである。多端子直流送電システム１Ｂは、例えば、交流系統１０と、直流系統２０と、１つ以上の電力変換装置３０Ｂとを備える。例えば、電力変換装置３０Ｂは、交直変換所又は端子の一例である。

電力変換装置３０Ｂは、例えば、交直変換器４０と、交流遮断器４１と、直流母線４２と、直流スイッチ４３と、限流器４４と、突入電流抑制回路４５と、制御装置４６Ｂとを備える。

制御装置４６Ｂは、交直変換器４０、交流遮断器４１、複数の直流スイッチ４３及び各突入電流抑制回路４５内のバイパススイッチ５１にそれぞれ接続される。制御装置４６Ｂは、交直変換器４０から直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する。制御装置４６Ｂは、交直変換器４０の起動や運転の停止などの動作を制御する。制御装置４６Ｂは、交流遮断器４１を遮断状態又は導通状態に制御する。制御装置４６Ｂは、各直流スイッチ４３を遮断状態又は導通状態に制御する。制御装置４６Ｂは、各バイパススイッチ５１を遮断状態又は導通状態に制御する。

制御装置４６Ｂは、交流遮断器４１を導通状態に制御することで交直変換器４０と交流系統１０との交流連系を行い、直流スイッチ４３を導通状態に制御することで交直変換器４０と直流系統２０との直流連系を行う。

制御装置４６Ｂは、直流連系よりも先に交流連系を行う。例えば、制御装置４６Ｂは、交流遮断器４１を遮断状態から導通状態にした後の直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈｘ以上の場合には、交直変換器４０における有効電力の目標値（以下、「有効電力目標値Ｐｒｅｆ」という。）を既定値（例えば、ゼロ）とした状態で交直変換器４０を起動する。制御装置４６Ｂは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが基準値Ｖｃｒｅｆ（第１基準値）に達し、直流線路２１の電圧（以下、「直流線路電圧Ｖｄｃ」）が基準値Ｖｄｃｒｅｆ（第２基準値）に達するまで充電させる。制御装置４６Ｂは、充電後において直流スイッチ４３を遮断状態から導通状態に制御し、その後にバイパススイッチ５１を遮断状態から導通状態に制御する。ここで、直流コンデンサ電圧Ｖｃの基準値Ｖｃｒｅｆは、例えば直流コンデンサ電圧の定格値である。直流線路電圧Ｖｄｃの基準値Ｖｄｃｒｅｆは、例えば直流線路電圧の定格値である。

以下、電力変換装置３０Ｂの直流連系の処理の流れを、図８を用いて説明する。図８は、第３の実施形態に係る直流連系の処理のフローチャートである。

電力変換装置３０－ｍが起動する場合には、制御装置４６Ｂ－ｍは、交流遮断器４１－ｍを投入することで交流遮断器４１－ｍを遮断状態から導通状態に制御する（ステップＳ３０１）。交流遮断器４１が投入されると、交流系統１０から交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣ及び直流母線４２－ｍが所定値まで充電される。

制御装置４６Ｂ－ｍは、交流遮断器４１－ｍの投入後に、交直変換器４０－ｍから直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得する（ステップＳ３０２）。制御装置４６Ｂ－ｍは、ステップＳ３０２において直流コンデンサ電圧Ｖｃを取得すると、直流コンデンサ電圧Ｖｃと既定の閾値Ｖｔｈｘとを比較する（ステップＳ３０３）。閾値Ｖｔｈｘは、交流系統１０から直流コンデンサＣを充電したときの最大電圧よりも低い値である。例えば、閾値Ｖｔｈｘは、交流線路１１の交流電圧や直流コンデンサＣの直列数に応じて変化する。

制御装置４６Ｂ－ｍは、ステップＳ３０３において、直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈｘ以上か否かを判定する。制御装置４６Ｂ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈｘ未満である場合には、再度ステップＳ３０２に戻り直流コンデンサＶｃを取得する。

制御装置４６Ｂ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈｘ以上である場合には、有効電力目標値Ｐｒｅｆを概略ゼロとした状態で交直変換器４０を起動する（ステップＳ３０４）。そして、制御装置４６Ｂ－ｍは、直流コンデンサ電圧Ｖｃが基準値Ｖｃｒｅｆになり、かつ直流線路電圧Ｖｄｃが基準値Ｖｄｃｒｅｆになるまで直流コンデンサＣ及び直流線路２１を充電する（ステップＳ３０５）。

直流コンデンサＣ及び直流母線４２－ｍへの充電が完了すると、制御装置４６Ｂ－ｍは、直流スイッチ４３－ｍを投入することで直流スイッチ４３－ｍを遮断状態から導通状態に制御する（ステップＳ３０６）。この際、図７に示すように電力変換装置３０Ｂ－ｍに直流スイッチ４３－ｍが複数存在する場合には、直流スイッチ４３－ｍを投入する順序は特に限定されない。例えば、制御装置４６Ｂ－ｍは、電力変換装置３０Ｂ－ｍに複数の直流スイッチ４３－ｍが設置されている場合には、複数の直流スイッチ４３－ｍを全て同時に導通状態に制御してもよいし、導通状態に制御するタイミングを直流スイッチ４３－ｍごとに全て異なるように制御してもよい。

制御装置４６Ｂ－ｍは、直流スイッチ４３－ｍを投入した後に、バイパススイッチ５１－ｍを投入することでバイパススイッチ５１－ｍを非導通状態から導通状態に制御する（ステップＳ３０７）。これにより、突入電流抑制回路４５－ｍのインピーダンス素子５０を両端が短絡する。なお、突入電流抑制回路４５－ｍ内にバイパススイッチ５１－ｍが複数存在する場合は、バイパススイッチ５１を投入する順序は、特に限定されない。例えば、制御装置４６Ｂ－ｍは、電力変換装置３０Ｂ－ｍに複数のバイパススイッチ５１－ｍが設置されている場合には、複数のバイパススイッチ５１－ｍを全て同時に導通状態に制御してもよいし、導通状態に制御するタイミングをバイパススイッチ５１－ｍごとに全て異なるように制御してもよい。電力変換装置３０Ｂ－ｍ内のすべてのバイパススイッチ５１－ｍの投入が完了した場合には、直流連系が完了する。

図９は、第３の実施形態における直流スイッチ４３の状態、バイパススイッチ５１の状態、及び直流コンデンサ電圧Ｖｃの波形例を示す。ステップＳ３０１で交流遮断器４１－ｍが投入されると、交直変換器４０－ｍの直流コンデンサＣと直流線路２１が充電される。このとき、交流線路１１に挿入された充電回路等（図示せず）のインピーダンス成分を介して充電電流が流れるために、緩やかな充電波形となる。ステップＳ３０２及びステップＳ３０３によって直流コンデンサ電圧Ｖｃが閾値Ｖｔｈｘ以上になったと判定された場合には、ステップＳ３０４で有効電力の目標値Ｐｒｅｆを概略ゼロとした状態で交直変換器４０が起動され、ステップＳ３０５で直流コンデンサＶｃ及び直流母線４２が各基準値まで充電される。その後ステップＳ３０６で直流スイッチ４３－ｍが投入され、ステップＳ３０７でバイパススイッチ５１－ｍが投入されると、直流連系が完了する。

以上説明した第３の実施形態の電力変換装置３０Ｂでは、第１の実施形態と同様の効果を奏するとともに、直流スイッチ４３の投入前に直流回路を基準値（例えば、定格値）まで充電しておくことで直流スイッチ４３の投入時に流れる電流が小さくなり、安全に直流連系することができるだけでなく、突入電流抑制回路４５の仕様を軽減することができる。

以上説明した少なくともひとつの実施形態によれば、直流スイッチ４３と直列接続される突入電流抑制回路４５を持つことにより、直流連系時の突入電流を抑制することができる。

本発明のいくつか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り、発明の範囲を限定することは意図していない。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、置き換え、変更を行うことができる。これら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。

１，１Ａ，１Ｂ…多端子直流送電システム、１０…交流系統、２０…直流系統、３０…電力変換装置、４０…交直変換器、４１…交流遮断器、４２…直流母線、４３…直流スイッチ、４４…限流器、４５…突入電流抑制回路、４６，４６Ａ，４６Ｂ…制御装置、５０…インピーダンス素子、５１…バイパススイッチ

Claims (8)

1. 交流線路を介して交流系統に連系し、直流系統と連系する複数の直流線路を集約する直流母線に接続され、交流電力から直流電力へ、又は直流電力から交流電力へ電力変換する交直変換器と、
   前記交流線路上に設けられる交流遮断器と、
   前記直流線路上に設けられる直流スイッチと、
   前記直流スイッチと直列接続される突入電流抑制回路と、
   前記交直変換器、前記交流遮断器、前記直流スイッチ及び前記突入電流抑制回路のそれぞれを制御する制御装置と、
   を備え、
   前記制御装置は、前記交流遮断器を導通状態に制御することで前記交直変換器と前記交流系統との交流連系を行い、前記直流スイッチを導通状態に制御することで前記交直変換器と前記直流系統との直流連系を行い、
   前記突入電流抑制回路は、前記直流連系の際に流れる突入電流を抑制する、
   電力変換装置。
2. 前記突入電流抑制回路は、
   抵抗成分を含むインピーダンス素子と、
   前記インピーダンス素子に対して並列に接続されるバイパススイッチと、
   を備える請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記制御装置は、前記直流スイッチを導通状態にした後に前記交直変換器内の直流コンデンサの電圧を取得し、取得した前記電圧が閾値以上の場合には、前記バイパススイッチを遮断状態から導通状態に制御する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
4. 前記制御装置は、前記交流遮断器を導通状態にした後の前記交直変換器内の直流コンデンサの電圧が第１閾値以上の場合には、前記直流スイッチを導通状態に制御し、前記直流スイッチを導通状態にした後の前記電圧が第２閾値以上の場合には、前記バイパススイッチを遮断状態から導通状態に制御する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
5. 前記制御装置は、前記交流遮断器を導通状態にした後の前記交直変換器内の直流コンデンサの電圧が閾値以上の場合には、前記交直変換器における有効電力の目標値を既定値とした状態で前記交直変換器を起動し、前記直流コンデンサの電圧が第１基準値に達し、前記直流線路の電圧が第２基準値に達するまで充電させ、充電後において前記直流スイッチを導通状態に制御して、前記バイパススイッチを遮断状態から導通状態に制御する、
   請求項２に記載の電力変換装置。
6. 前記直流スイッチと直列接続され、前記直流線路に流れる電流の急峻な変化を抑制する限流器を更に備える
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
7. 前記制御装置は、前記直流連系よりも先に前記交流連系を行う、
   請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の電力変換装置。
8. 前記直流スイッチは、直流遮断器、直流開閉器及び直流断路器のいずれかである、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の電力変換装置。

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