JP3554599B2 - 電力変換器の制御装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は直流連系設備の電力変換器の制御装置に係り，特に複数相における電力変換の転流動作が起きたことを確実に検出できる電力変換器の制御装置に関する。
【０００２】
また、本発明はさらに、電力変換器の余裕角を事故発生時等の異常時にも確実に検出できる装置に関する。
【０００３】
【従来の技術】
サイリスタを用いた他励式の変換器の場合、系統の交流電圧を用いて転流を行うため、交流系統事故時に転流失敗を起こしやすい。転流失敗を防止するためには余裕角をある一定値以上に保つことが必要で、そのため余裕角制御が実施されている。余裕角制御には、直流電流と交流電圧とから重なり角を算定して制御角を定める開ループ方式と，実余裕角を検出して制御する閉ループ方式とがある。このうち開ループ方式は、交流電圧波形が正弦波であることを前提としているため、事故等により交流電圧波形が歪んだ場合の対応が難しいが、閉ループ方式では波形歪みの影響も含まれた実際の余裕角を用いるので、必要最小限の余裕角を確保する制御が容易に実現できる。
【０００４】
閉ループ方式で用いる余裕角は、転流動作が完了してから相間電圧が反転するまでの期間に相当する電気角で定義される。余裕角の検出方法としては、バルブの両端の電圧を直接測定して検出する方法と，変換用変圧器の変換器側電流と交流系統側電圧とから間接的に検出する方法とがある。前者の方法ではバルブの電圧検出値を制御装置に取り込む必要があるのに対して、後者の方法では通常の制御装置で用いる検出値をそのまま用いることができる。
【０００５】
変圧器電流と交流系統電圧とを用いて余裕角を検出する方法としては、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ａｐｐａｒａｔｕｓ Ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，８７巻，３号，８５９〜８６５頁に記載されているような方法がある。これは、たとえばＵ相からＶ相に転流する場合は、Ｕ相の電流の大きさが０またはある一定値より小さくなったことをもって転流動作が完了したと判定し、転流動作完了からＵＶ相間の交流電圧が０になるまでの時間から余裕角を算定するというものである。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上記の方法で余裕角を検出する場合、変圧器電流の大きさが一定値より小さくなったことだけで転流動作完了と判定すると、事故などにより直流短絡状態になった際に変圧器に流れる電流が０となり、実際は転流が行われていないのに転流動作が完了したと判定してしまうことがある。
【０００７】
本発明の目的は、直流短絡時などの異常時にも確実に転流動作完了の有無が判定ができ、確実に余裕角を検出して転流失敗を防止できる電力変換器の制御装置を提供することにある。
【０００８】
また、余裕角状態を検出する時に、転流失敗が生じてしまった場合には、余裕角制御を正しく行うことが困難であった。
【０００９】
本発明の目的は、直流短絡時などの異常時にも確実に転流動作完了の有無が判定できる電力変換器の制御装置を提供することにある。
【００１０】
さらに本発明の他の目的は、確実に余裕角を検出して、転流失敗を防止できる電力変換器の制御装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、直流電力系統と複数相の交流電力系統の間で、交流電力と直流電力との電力変換を行う電力変換器の制御装置において、第１の交流相と第２の交流相との間で転流動作を行う際に、第１の交流電流と，第２の交流電流とを検出する第１，第２の電流検出手段とを有し、第１の相の電流値が第１の規定値よりも小さくなり、かつ第２の相の電流値が第２の規定値よりも大きくなることをもって転流動作を検出するようにしたものである。
【００１２】
また、他の目的を達成するために、直流電力系統と複数相の交流電力系統の間で、交流電力と直流電力との電力変換を行う電力変換器の制御装置において、第１の交流相と第２の交流相との間で転流動作を行う際に、第１の交流電圧と，第２の交流電圧とを検出する第１，第２の電圧検出手段とを有し、かつ、第１の交流電流と，第２の交流電流とを検出する第１，第２の電流検出手段とを有し、これら、第１，第２の電圧検出手段からの電圧信号と，第１，第２の電流検出手段からの電流信号とを入力して、第１，第２の交流相との間で転流動作を行う電力変換器の余裕角を検出する余裕角検出手段を備えたものである。
【００１３】
また、本発明の電力変換器の制御装置においては、余裕角検出手段が第１の電流検出値が第１の規定値よりも小さくなり、かつ第２の電流検出値が第２の規定値よりも大きくなる条件と、第２の電圧検出値が第１の電圧検出値よりも小さくなる条件とを用いて余裕角を検出するようにしたものである。
【００１４】
さらに、本発明の電力変換器の制御装置においては、余裕角検出手段が第２の交流相を転流する電力変換器への制御信号を検出して、電力変換器の余裕角を求めるようにしたものである。
【００１５】
また、余裕角検出手段は電力変換器への制御信号を検出してから所定の位相期間中であることを条件に余裕角を検出するようにしたものである。
【００１６】
また、余裕角検出手段は、第２の電圧検出値が第１の電圧検出値よりも小さくなることを検出して、余裕角をサンプリングするようにしたものである。
【００１７】
さらに、余裕角検出手段は第２の交流相の電圧値の零点を検出した後で余裕角をサンプリングするようにしたものである。
【００１８】
そして、余裕角検出手段は電力変換器への制御信号を検出してから、所定の位相期間後又は、所定の時間後に余裕角をサンプリングするようにしたものである。
【００１９】
【作用】
従来の電力変換器の制御装置においては、たとえば電力変換器が直流短絡状態になると、電力変換器を通る電流は外部の交流系統、特に変換用の変圧器には正常に流れなくなる。従来の方法では、電流の大きさがある値より小さくなったことで転流動作を判定するため、このような場合でも転流動作が完了したと判定してしまう。
【００２０】
本発明によれば、第１の交流相から第２の交流相へと転流する場合、第２の交流相による電流がある値より大きくならないと転流動作完了と判定しないため、上記のような場合には転流していたいと判定することが可能となる。したがって、余裕角がないことを確実に検出することができる。
【００２１】
また、別の本発明によれば、第１の交流相と第２の交流相との間で転流動作を行う時に、第１，第２の交流相の第１，第２の交流電圧信号と、第１，第２の交流電流信号とを入力して、電力変換器の余裕角を検出する余裕角検出手段を備えたものである。
【００２２】
また、本発明の電力変換器の制御装置においては、余裕角検出手段が第１の電流検出値が第１の規定値よりも小さくなり、かつ第２の電流検出値が第２の規定値よりも大きくなること、そして、第２の電圧値が第１の電圧値よりも小さくなる条件を用いて余裕角を検出するようにしているので、転流動作が完了していることを確実に判断した上で、余裕角検出を行っているので、短絡寸法等により余裕角検出失敗を起こすことがなくなる。
【００２３】
さらに、本発明の余裕角検出手段によれば、電力変換器への制御信号である点弧パルスが発生したことを条件に電力変換器の余裕角を検出するので転流動作と関係のないところで誤った余裕角を検出することがなくなる。
【００２４】
そして、第２の交流相の電圧が零点になったことを検出した時点、または、第２の交流相の電圧検出値が第１の交流相の電圧値よりも小さくなったことを検出した時点、または第２の交流相を転流させる電力変換器の制御信号としての点弧パルス信号を検出してから所定の期間後に余裕角のサンプリングを行うので、異常時に余裕角信号がゼロのままの場合でも余裕角がないことを確実に検出できる。
【００２５】
【実施例】
以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
【００２６】
図１は本発明を直流送電システムに適用した場合の構成図である。電力変換器３１は変換用変圧器２１を介して交流系統１１に、電力変換器３２は変換用変圧器２２を介して交流系統１２に接続されている。電力変換器３１と３２は直流送電線５１，５２を介して接続されており、直流送電線５１，５２の線路中には直流リアクトル４１，４２が設けられている。
【００２７】
各電力変換器は、サイリスタ等の半導体素子を用いた他励式の半導体素子からなる変換器で、それぞれ制御装置から与えられる制御信号であるパルス点弧信号に応じて半導体素子のサイリスタをＯＮ，ＯＦＦし、交流電力を直流電力に、あるいは直流電力を交流電力に変換する。簡単のため図１には変換器３１の制御装置７０のみを示すが、変換器３２用の制御装置も全く同様に構成されているものとする。
【００２８】
制御装置７０は、定電圧制御回路７１，定電流制御回路７２，余裕角制御回路７４の３つから成り、最小値選択回路７５によって最も小さい値が選択されて制御角が決定される。位相制御回路７６は、決定された制御角をもとに各サイリスタバルブの点弧信号を作成する。
【００２９】
定電流制御回路７２は直流電流検出器６４の出力をもとに、直流電流の検出値と設定した指令値との差を零にするような制御信号である制御角信号を出力する。定電圧制御回路７１は直流電圧検出器６３の出力をもとに、直流電圧の検出値と指令値との差が零になるように同様に制御を行う。通常、平常時には順変換器側は定電流制御、逆変換器側は定電圧制御が選択されるようにそれぞれ制御信号の指令値を設定する。
【００３０】
余裕角制御回路７４は余裕角検出手段７３から出力される余裕角検出値をもとに、余裕角と指令値との差が零になるように制御を行うもので、特に交流系統の事故などにより余裕角が不足した場合に余裕角を確保し、転流失敗を防止するのが主な目的である。
【００３１】
余裕角検出手段７３は、変圧器電流検出器６２が検出する変換用変圧器２１の変換器側に流れる電流の値を電流検出手段により、交流電圧検出器６１が検出する交流電圧の値を電圧検出手段により取り込み、これらの値をもとに余裕角を算出して余裕角制御回路７４に出力する。
【００３２】
図２に示すように、電力変換器３１は６つのサイリスタバルブ群（これらは１個又は複数のサイリスタ素子によって構成が可能）から成り、電流検出手段である変圧器電流検出器６２と電圧検出手段である交流電圧検出器６１は、それぞれ３相の電流，電圧値を検出する。なお、これらの電流，電圧値は通常の変換器の制御・保護回路で検出している値を用いても構成することができる。
【００３３】
以下、図２に示した３相交流電力を使用した場合に第１の交流相としてバルブＵから第２の交流相としてバルブＶに転流する場合を例にとって、余裕角の検出方法を説明する。
【００３４】
バルブＵからバルブＶに転流する場合、図３に示すように、まず、バルブＶに点弧パルスが入りバルブＶがＯＮとなる。このとき、交流電圧はＵ相よりもＶ相の方が高いためバルブＵには逆電圧がかかり、Ｕ相に流れていた電流がＶ相に移る。バルブＵの電流が零となった時点でバルブＵはＯＦＦとなって、転流動作が完了する。転流動作が完了してからバルブＵにかかる逆電圧がなくなるまで、すなわちＵ相電圧よりもＶ相電圧が低くなるまでの期間に相当する電気角が余裕角となる。
【００３５】
図４は、余裕角を検出するための回路例を示したものである。まず、転流動作完了を判定するために、Ｕ相電流Ｉｕの大きさが第１の規定値のしきい値Ｉ１よりも小さくなったかどうかを調べ、小さければ出力Ｓ１＝１，そうでなければ Ｓ１＝０とする。また、実際に転流したことを確認するため、Ｖ相電流Ｉｖの大きさが第２の規定値のしきい値Ｉ２よりも大きくなったかどうかを調べ、大きければ出力Ｓ２＝１，そうでなければＳ２＝０とする。Ｓ１とＳ２のＡＮＤをとって転流動作完了の信号Ｓ３を出力する。
【００３６】
転流失敗などにより直流短絡（たとえば図２でバルブＵとバルブＸが共にＯＮ）となった場合、変圧器に流れる電流は０となり、Ｓ１＝１となるが、Ｓ２が０のためＳ３は１とならない。このように転流動作完了の判定にＳ２を設けたことにより、直流短絡等の異常時にも適切に転流動作完了したかどうかを判定できる。しきい値Ｉ１については任意の値を取ることが可能であり、電流検出の精度をもとに値を決める。電流検出値の誤差が±４０Ａ程度であれば、マージンをとって例えば５０Ａとする。Ｉ２についても任意の値を取ることが可能であり、たとえば運転状態として定格の１０％程度が最小であれば、マージンをとって定格電流の５％程度とする。定格電流が２０００Ａであれば１００Ａとなる。
【００３７】
次に、逆電圧期間の判定を行う。第１の交流相の電圧値であるＵ相電圧Ｅｕと第２の交流相の電圧値であるＶ相電圧Ｅｖとを比較し、Ｅｖの方が大きければ出力Ｓ４＝１，そうでなければＳ４＝０とする。
【００３８】
信号Ｓ５は、バルブＶ点弧パルスをもとに作成する信号で、たとえば点弧パルス発生から任意の電気角、例えば電気角９０゜の期間だけ１とする。これは、バルブＵからバルブＶへの転流に際しての余裕角だけを検出するために設けたもので、これにより、事故等の異常時に転流と全く関係ないところでＳ３やＳ４が１となった場合に、それを誤って余裕角として検出するのを防止することができる。
【００３９】
Ｓ３，Ｓ４，Ｓ５の３つのＡＮＤをとって余裕角信号Ｓ６とする。Ｓ６を積分したのがＳ７で、これをサンプリングし、周波数×３６０゜倍することにより余裕角（電気角度）の値が算定できる。サンプリングのタイミングは、たとえば Ｅｖ相の電圧がＥｕ相の電圧よりも小さくなることを示すＳ６が１から０になるとき、または点弧パルスから任意の電気角を示す信号Ｓ５が１から０になるときとする。通常はＳ６が０になったときだけで十分だが、転流失敗などで余裕角が０の場合はＳ６が０のままなので、サンプリングのタイミングが得られない。 Ｓ５が０になるときにもサンプリングをするようにすれば、そのような場合にも対応できる。
【００４０】
さらにはＥｖの電圧の零点を検出した後でサンプリングを行うことによっても余裕角の値を算定することができる。
【００４１】
なお、信号Ｓ７は適当なタイミング、たとえばＳ５が０になるとき、または Ｓ５が１になるときに０にリセットしておく。
【００４２】
以上、バルブＵの余裕角検出方法について述べたが、他の５つのバルブについても同様に検出する。６つのバルブの余裕角が余裕角制御回路７４に送られて、余裕角制御が行われる。
【００４３】
このように、本発明によれば、通常の制御・保護で用いる観測値のみを用いて容易に余裕角が検出でき、しかも、直流短絡時等の異常時にも確実に余裕角が検出できる効果がある。
【００４４】
【発明の効果】
本発明によれば、変換用変圧器の変換器側電流と，交流系統の電圧を用いるだけで、特別な検出器を設けることなく容易に余裕角が検出でき、しかも、直流短絡等の異常時にも確実に余裕角の有無，大きさを検出できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を直流送電システムに適用したときの全体構成図。
【図２】電力変換器と変換用変圧器の詳細図。
【図３】余裕角検出のタイミングを表す図。
【図４】余裕角検出回路例を示す図。
【符号の説明】
２１，２２…変換用変圧器、３１，３２…電力変換器、６１…交流電圧検出器、６２…変圧器電流検出器、７０…制御装置、７１…定電圧制御回路、７２…定電流制御回路、７３…余裕角検出回路、７４…余裕角制御回路、７５…最小値選択回路、７６…位相制御回路。

Claims (12)

1. 直流電力系統と複数相を有する交流電力系統の間で、交流電力と直流電力との電力変換を行う電力変換器の制御装置において、
   前記複数交流相の内の第１の交流相の電流を検出する第１の電流検出手段と、
   第２の交流相の電流を検出する第２の電流検出手段とを有し、
   前記第１の交流相と前記第２の交流相との間で転流動作を行う際に、前記第１の電流検出手段からの第１の電流検出値が第１の規定値より小さくなり、かつ前記第２の電流検出手段からの第２の電流検出値が第２の規定値より大きくなることをもって第１の交流相と前記第２の交流相との間の転流動作を検出する転流動作検出手段を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
2. 直流電力系統と複数相を有する交流電力系統の間で、交流電力と直流電力との電力変換を行う電力変換器の制御装置において、
   前記複数交流相の内の第１の交流相の電圧を検出する第１の電圧検出手段と、第２の交流相の電圧を検出する第２の電圧検出手段とを有し、
   かつ前記第１の交流相の電流を検出する第１の電流検出手段と、前記第２の交流相の電流を検出する第２の電流検出手段とを有し、
   前記第１，第２の電圧検出手段からの電圧信号と前記第１，第２の電流検出手段からの電流信号とを入力して、前記第１の交流相と前記第２の交流相との間で転流動作を行う前記電力変換器の余裕角を検出する余裕角検出手段を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
3. 特許請求の範囲第２項の電力変換器の制御装置において、
   前記余裕角検出手段は前記第１の電流検出手段からの第１の電流検出値が第１の規定値より小さくなり、かつ前記第２の電流検出手段からの第２の電流検出値が第２の規定値より大きくなる条件と、前記第２の電圧検出手段からの第２の電圧検出値が前記第１の電圧検出手段からの第１の電圧検出値よりも小さくなる条件とを用いて前記電力変換器の余裕角を検出することを特徴とする電力変換器の制御装置。
4. 特許請求の範囲第３項の電力変換器の制御装置において、
   前記余裕角検出手段は前記第２の交流相を転流する電力変換器への制御信号を検出して前記電力変換器の余裕角を検出することを特徴とする電力変換器の制御装置。
5. 特許請求の範囲第４項の電力変換器の制御装置において、
   前記余裕角検出手段は前記制御信号を検出してから所定の位相期間中であることを条件に前記電力変換器の余裕角を検出することを特徴とする電力変換器の制御装置。
6. 特許請求の範囲第４，５項の電力変換器の制御装置において、
   前記制御信号として前記第２の交流相を転流する電力変換に入力される点弧パルスを用いたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
7. 特許請求の範囲第２，３項の電力変換器の制御装置において、
   前記余裕角検出手段は前記第２の電圧検出手段からの第２の電圧検出値が前記第１の電圧検出手段からの第１の電圧検出値よりも小さくなることを検出し、余裕角値をサンプリングすることを特徴とする電力変換器の制御装置。
8. 特許請求の範囲第２項、又は３項の電力変換器の制御装置において、
   前記余裕角検出手段は前記第２の交流相の電圧値の零点を検出した後で余裕角をサンプリングすることを特徴とする電力変換器の制御装置。
9. 特許請求の範囲第２，３項の電力変換器の制御装置において、
   前記余裕角検出手段は前記制御信号を検出してから所定の位相期間後に余裕角値をサンプリングすることを特徴とする電力変換器の制御装置。
10. 特許請求の範囲第１，２項の電力変換器の制御装置において、
    前記電力変換器として他励式の電力変換素子を備えたことを特徴とする電力変換器の制御装置。
11. 特許請求の範囲第１，２項の電力変換器の制御装置において、
    前記第１，第２の電流検出手段は前記電力変換器と，外部からの複数相交流が伝達されうる変圧器との間に流れる電流状態を検出することを特徴とする電力変換器の制御装置。
12. 特許請求の範囲第２，３項の電力変換器の制御装置において、
    前記第１，第２の電流検出手段は前記電力変換器と，外部からの複数相交流が伝達されうる変圧器との間に流れる電流状態を検出すること、
    前記第１，第２の電圧検出手段は外部から前記変圧器にかかりうる電圧状態を検出することを特徴とする電力変換器の制御装置。

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