JP3700018B2

JP3700018B2 - 直流送電設備の制御装置及びその方法

Info

Publication number: JP3700018B2
Application number: JP05024199A
Authority: JP
Inventors: 裕成川添; 博雄小西; 常良大橋; 朗高浜; 孝義佐野
Original assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Current assignee: Electric Power Development Co Ltd; Hitachi Ltd
Priority date: 1999-02-26
Filing date: 1999-02-26
Publication date: 2005-09-28
Anticipated expiration: 2019-02-26
Also published as: JP2000253582A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流送電設備に係り、特に、変換器としてコンデンサ転流形変換器を用いた直流送電設備の制御装置及びその方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
直流送電設備は、順変換器により交流電力を直流電力に変換して送電し、送電された直流電力を逆変換器により再び交流電力に変換して系統に供給するシステムである。現在、順変換器及び逆変換器を他励式変換器によって構成した設備が実用化されている。他励式変換器は、サイリスタ等の自己消弧機能を持たない素子によって構成されたものであり、低コストで順変換器及び逆変換器を構成できるという利点がある。しかしながら、他励式変換器を離島送電などのように短絡容量の小さい交流系統や電源のない交流系統に適用した場合、特に直流電力を交流電力に変換する逆変換器の運転時において、変換器が交流系統の電源の力を借りて転流できなくなり（以下、「転流失敗」という。）、結果として直流送電設備全体が運転できなくなる、という問題がある。
このため、近年、他励式変換器と変換用変圧器の間に電力用コンデンサを直列に接続して構成したコンデンサ転流形変換器が見直され、直流送電設備用の変換器として適用検討が進められている。この変換器は、転流動作において無効電力を消費しないため、従来の他励式変換器に比べて転流失敗しにくく、離島送電などにおいても負荷へ安定した電力を供給できる、と言われている。
上記のような交流系統条件において、コンデンサ転流形変換器を用いた直流送電設備の制御方法としては、論文「ＡＦｏｒｃｅｄＣｏｍｍｕｔａｔｅｄＩｎｖｅｒｔｅｒａｓａＳｍａｌｌＳｅｒｉｅｓＴａｐｏｎａＤＣＬｉｎｅ」（ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＰＯＷＥＲＥＬＥＣＴＲＯＮＩＣＳ，ＶＯＬ．４，ＮＯ．２，ＡＰＲＩＬ１９８９）に記載されているように、順変換器側において直流電流を制御し、一方の逆変換器側において第１の逆変換器と第２の逆変換器との制御角偏差を調整することによって、逆変換器側交流電圧を一定に制御して電力供給を行う方法が知られている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の順変換器側において直流電流制御、逆変換器側において交流電圧制御を行う方法では、直流電流が逆変換器側負荷の必要とする電流より大きい場合には、余った電流が直流送電設備内を循環するために設備の電力変換効率が低下してしまい、逆に、直流電流が逆変換器側負荷の必要とする電流より小さい場合には、負荷に流れる電流が不足し、逆変換器側交流電圧が低下してしまうため、順変換器の直流電流制御の設定値を逆変換器側負荷量に応じて適切に設定する必要がある。しかしながら、実際には、適切に直流電流の設定を行うことは難しく、電流設定値を高めに設定して、設備の電力変換効率をある程度犠牲にした運転を行わなければならない。
【０００４】
本発明の課題は、コンデンサ転流形変換器を用いた直流送電設備の電力変換効率を低下することなく、逆変換器側交流電圧を負荷量に応じて一定に保つことによって、負荷へ安定した電力を供給し、かつ、過電流や過電圧の発生及び伝送異常など緊急時においてもこれらを回避して直流送電設備を安定に運転することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、コンデンサ転流形変換器を用いた直流送電設備の制御装置において、順変換器側には逆変換器側交流電圧を制御する手段と、逆変換器側には第１の逆変換器と第２の逆変換器の制御角を各々に調整する手段と、前記逆変換器の交流電圧を検出する手段と、検出した電圧値を順変換器側に送る手段を備え、順変換器側で逆変換器側交流電圧を一定に制御し、逆変換器側で第１の逆変換器と第２の逆変換器を逆変換運転の制御角に調整し、
逆変換器側には逆変換器の交流電圧を取り込んで過電圧を抑制する手段を備え、過電圧を抑制する手段の出力に基づいて第１の逆変換器と第２の逆変換器間の制御角差を持たせ、逆変換器側で電圧が制限値を越えないように抑制する。
または、逆変換器側交流電圧の前値保持手段を有する逆変換器側交流電圧の伝送異常を検出する手段を備え、伝送の異常検出時には、伝送異常前の保持された逆変換器側交流電圧値を使って順変換器側で交流電圧制御を行う。
ここで、順変換器側には電流を検出する手段と過電流を抑制する手段を備え、順変換器の制御角を制御して順変換器側で電流が制限値を越えないように抑制する。
また、順変換器、第１及び第２の逆変換器を各々異なる固定の制御角によって起動し、その後、第１及び第２の逆変換器の制御角を一致させることによって逆変換器側交流電圧を立ち上げ、順変換器の交流電圧を一定に制御する。
また、順変換器を交流電圧一定制御の制御角、第１及び第２の逆変換器を一致した固定の制御角で起動し、順変換器の交流電圧を一定に制御する。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図面を用いて説明する。
図１は、本発明の一実施形態によるコンデンサ転流形変換器を逆変換器側に適用した直流送電設備の制御装置を示す。本実施形態の直流送電設備は、交流系統１１の交流電力を交流母線１２、遮断器１４、変換用変圧器１５ａ、１５ｂを介して順変換器１７ａ、１７ｂでスイッチングすることにより、直流電力に変換し、変換した直流電力を直流送電線３０ａ、３０ｂを使って逆変換器側へ送電し、逆変換器２７ａ、２７ｂでスイッチングすることによって再び交流電力に変換し、電力用コンデンサ２６ａ、２６ｂ、変換用変圧器２５ａ、２５ｂ、遮断器２４、交流母線２２を介して交流系統２１へ変換した交流電力を供給する。交流系統１１は、発電機などの交流電力を供給される側の系統であり、交流系統２１は、離島などの負荷地で交流電力を供給する側の系統である。１８、２８は、電流を平滑するための直流リアクトルである。順変換器１７ａ、１７ｂ及び逆変換器２７ａ、２７ｂの各々には、他励式変換器を構成するサイリスタひとつのみを示しているが、実際には、３相分ブリッジ回路としてサイリスタ６個を配置する。それぞれのサイリスタには、制御パネルを入力するための制御装置１００と２００が接続される。また、制御に用いる信号検出器として、逆変換器側の交流電圧Ｖａｃを検出するための交流電圧検出器２３、直流電流Ｉｄｃを検出するための直流電流検出器１９が取り付けられている。
【０００７】
制御装置１００は、逆変換器側の交流電圧Ｖａｃの実効値変換回路１０５、伝送異常検出回路１０６、交流電圧を一定に保つ交流電圧制御回路１０１、変換器に流れる過電流を抑制する過電流抑制回路１０２、１０１と１０２の一方の出力を選択する選択回路１０３、制御角αｒから制御パルスを作成する位相制御回路１０４を備える。通常運転時には、交流電圧制御回路１０１が選択回路１０３で選択され、順変換器で逆変換器側の交流電圧Ｖａｃを一定に制御する。位相制御回路１０４では、制御角αｒに基づいて制御パルスが作られ、順変換器１７ａ、１７ｂのサイリスタへ導かれる。位相制御回路１０４は、交流系統１１の電圧位相に同期するように動作する。なお、逆変換器側の交流電圧Ｖａｃは、交流電圧検出器２３と制御装置１００との間に地理的距離があるために伝送線３１を介して制御装置１００に取り込まれる。
一方、制御装置２００は、第１の逆変換器２７ａと第２の逆変換器２７ｂの制御角αｉａ、αｉｂを調整する制御角調整回路２０１、逆変換器側の交流電圧Ｖａｃの実効値変換回路２０５、過電圧を抑制する過電圧抑制回路２０２、制御角αｉから制御パルスを作成する位相制御回路２０４を備える。通常運転時には、制御角調整回路２０１で一致した制御角αｉａとαｉｂが出力される。位相制御回路２０４では、一致した制御角αｉａとαｉｂに基づいて制御パルスが作られ、順変換器１７ａ、１７ｂのサイリスタへ導かれる。位相制御回路２０４は、前記の位相制御回路１０４のように交流系統に同期するための電源があれば、位相制御回路１０４と同じ動作を行うが、ここでは、交流系統２１を離島などの負荷地と想定しているために位相制御回路２０４が同期するための電源がない。従って、ここでの位相制御回路２０４は、自ら発振する位相と周波数を基に制御パルスを作成する。
【０００８】
次に、本実施形態の直流送電設備の起動時、及び通常運転時の制御方法について、図２を用いて説明する。波形は、上段より、逆変換器側交流電圧の実効値Ｖａｃｒｍｓ、直流電流Ｉｄｃ、逆変換器の制御角αｉ（第１の逆変換器制御角αｉａ、第２の逆変換器制御角αｉｂ）、順変換器の制御角αｒである。
順変換器１７ａ、１７ｂは、時刻ｔ１以前に遮断器１４によって交流系統１１に接続されているものとし、時刻ｔ１において、順変換器１７ａ、１７ｂと逆変換器２７ａと２７ｂを起動（ゲートデブロック：サイリスタに制御パルスを入力）している。この時、順変換器制御角αｒは、逆変換器２７ａと２７ｂが転流できるように、例えばαｒ＝８７°とする。一方の第１、２の逆変換器制御角αｉａとαｉｂは、第１の逆変換器２７ａが順変換器運転、第２の逆変換器２７ｂが逆変換器運転となるように、例えばαｉａ＝１０°、αｉｂ＝１８０°とする。また、上記の逆変換器制御角αｉａとαｉｂは、逆に第１の逆変換器２７ａが逆変換器運転、第２の逆変換器２７ｂが順変換器運転となるようにしても良い。これにより、負荷側の交流系統２１には、直流電流Ｉｄｃが逆変換器２７ａと２７ｂの間を循環して流れるために電流が流れず、逆変換器側交流電圧Ｖａｃも発生しない（波形は、逆変換器側交流電圧Ｖａｃの実効値Ｖａｃｒｍｓとして示している。）。なお、逆変換器２７ａ、２７ｂは、この時点で遮断器２４によって交流系統２１に接続しても良いし、順変換器１７ａ、１７ｂと同様に時刻ｔ１以前に接続していても良い。
時刻ｔ２において、第１の逆変換器制御角αｉａを時定数を持たせて第２の逆変換器制御角αｉｂに一致させる。これにより、逆変換器２７ａと２７ｂの間を循環していた直流電流Ｉｄｃが交流系統２１に流れ出し、逆変換器側に交流電圧Ｖａｃが立ち上がる。このようして、直流送電設備を起動する。ここでは、第１の逆変換器制御角αｉａを第２の逆変換器制御角αｉｂに一致させているが、制御角αｉａとαｉｂを例えば０°〜１８０°の任意の角度で一致させても上記と同じ効果が得られる。
時刻ｔ３において、順変換器側の交流電圧制御回路１０１を動作させ、逆変換器の交流電圧実効値Ｖａｃｒｍｓと交流電圧設定値Ｖａｃ１ｒｅｆが一致するように制御角αｒを調整して逆変換器側の交流電圧Ｖａｃを一定に制御し、直流送電設備が通常運転に入る。ここで、通常、交流電圧設定値Ｖａｃ１ｒｅｆは、交流母線２２の定格電圧に設定するが、系統の条件によっては高め、もしくは低めに設定しても良い。
このように、本実施形態では、順変換器側で逆変換器側交流電圧を一定に制御し、逆変換器側で第１の逆変換器と第２の逆変換器の逆変換運転の制御角を調整することにより、直流送電設備の電力変換効率を低下することなく、逆変換器側交流電圧を負荷量に応じて一定に保つので、負荷へ安定した電力を供給することができる。
【０００９】
また、本実施形態の直流送電設備の他の起動時の制御方法を図３に示す。順変換器１７ａ、１７ｂ及び逆変換器２７ａ、２７ｂは、時刻ｔ４以前に遮断器１４、２４によって交流系統１１、２１に接続されているものとし、時刻ｔ４において、順変換器は、交流電圧制御回路１０１を動作させて、逆変換器は、制御角αｉａとαｉｂを任意の角度で一致させて起動する。起動後、逆変換器側の交流電圧Ｖａｃは、交流電圧制御回路１０１によって一定に保たれる。
【００１０】
次に、図１に示す過電流抑制回路１０２と過電圧抑制回路２０２の動作について説明する。図４に、過電流抑制回路１０２と過電圧抑制回路２０２の動作特性を示す。横軸は、直流電流Ｉｄｃ、縦軸は、交流電圧Ｖａｃを表わす。
通常運転時、その動作点（図中の●）は、順変換器側の交流電圧制御回路１０１の特性を示す交流電圧設定値Ｖａｃ１ｒｅｆの直線上を負荷の大きさや力率に応じて０から直流電流定格値Ｉｄｃ１の間を移動する。
しかし、例えば、負荷量の変動が大きい場合には、変換器に過電流や過電圧が発生することもあり、この場合、設備は、交流系統２１の停電を避けるためにできる限り運転を継続することが望ましい。そこで、過電流抑制回路１０２と過電圧抑制回路２０２によって過電流、過電圧を抑制して運転を継続する手段が有効となる。過電流抑制回路１０２は、直流電流Ｉｄｃが設定値Ｉｄｃ２ｒｅｆを越えると、交流電圧制御モードから選択回路１０３によって切り換えられ、直流電流を抑制する。一方、過電圧抑制回路２０２は、逆変換器側の交流電圧実効値Ｖａｃｒｍｓが設定値Ｖａｃ２ｒｅｆを越えると、即座に逆変換器制御角αｉａとαｉｂの差を大きくして過電圧を抑制する。
なお、図１では、過電圧抑制回路２０２の出力で第２の逆変換器制御角αｉａを操作する例を示しているが、第１の逆変換器制御角αｉｂ、またはαｉａとαｉｂの両方を操作しても良い。
この動作により、過電流や過電圧が発生しても、これらを回避して直流送電設備を継続して安定に運転することができる。
【００１１】
図５は、図１の伝送異常検出回路１０６の動作を説明するブロック図である。逆変換器側の交流電圧Ｖａｃは、伝送線３１、実効値変換回路１０６を介して伝送異常検出回路１０６に取り込まれる。伝送異常検出回路１０６では、メモリ等により構成される前値保持回路１０６ａを備え、伝送異常時には、例えば、伝送異常のリレー信号により伝送異常検出回路１０６の出力を前値保持回路１０６ａの出力信号に切り換える。交流電圧制御回路１０１は、伝送異常の間、前値保持信号によってロックされ、伝送異常が解除された後、正規の交流電圧制御一定を行う。
このように、伝送異常の発生など緊急時においても、これを回避して直流送電設備を継続して安定に運転することができる。
【００１２】
本発明の実施形態として、コンデンサ転流形変換器からなる直流電力を交流電力に変換するための逆変換器が２台から構成される直流送電設備について説明したが、本発明は、この逆変換器が２台以上の複数台から構成される直流送電設備に適用できる。
【００１３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、コンデンサ転流形変換器を用いた直流送電設備を離島送電など短絡容量の小さい交流系統や電源のない交流系統において、順変換器側で逆変換器側交流電圧を一定に制御し、逆変換器側で第１の逆変換器と第２の逆変換器の逆変換運転の制御角を調整することにより、直流送電設備の電力変換効率を低下することなく、逆変換器側交流電圧を負荷量に応じて一定に保つので、負荷へ安定した電力を供給することができる。
また、過電流や過電圧が発生し、あるいは伝送異常などの緊急事態が発生しても、これらを回避して直流送電設備を継続して安定に運転することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態によるコンデンサ転流形変換器を逆変換器側に適用した直流送電設備の制御装置を示すブロック図
【図２】本発明の起動時及び通常運転時の制御方法を説明する図
【図３】本発明の起動時の他の制御方法を説明する図
【図４】本発明の過電流抑制回路と過電圧抑制回路の動作特性を示す図
【図５】本発明の伝送異常検出回路の動作を説明するブロック図
【符号の説明】
１１、２１…交流系統、１２、２２…交流母線、１４、２４…遮断器、１５ａ、１５ｂ、２５ａ、２５ｂ…変換用変圧器、１７ａ、１７ｂ…順変換器、２７ａ…第１の逆変換器、２７ｂ…第２の逆変換器、１８、２８…直流リアクトル、１９…直流電流検出器、２３…交流電圧検出器、２６ａ、２６ｂ…電力用コンデンサ、３０ａ、３０ｂ…直流送電線、３１…伝送線、１００…順変換器の制御装置、１０１…交流電圧制御回路、１０２…過電流抑制回路、１０３…選択回路、１０４、２０４…位相制御回路、１０５、２０５…実効値変換回路、２００…逆変換器の制御装置、２０１…制御角調整回路、２０２…過電圧抑制回路、１０６…伝送異常検出回路、１０６ａ…前値保持回路

Claims

交流電力を直流電力に変換するための順変換器と、コンデンサ転流形変換器からなる直流電力を交流電力に変換するための逆変換器が少なくとも２台から構成される直流送電設備の制御装置において、
順変換器側には逆変換器側交流電圧を制御する手段と、逆変換器側には２台のうちの第１の逆変換器と第２の逆変換器の制御角を各々に調整する手段と、前記逆変換器の交流電圧を検出する手段と、前記検出した電圧値を順変換器側に送る手段を備え、
順変換器側で逆変換器側交流電圧を一定に制御し、逆変換器側で前記第１の逆変換器と第２の逆変換器を逆変換運転の制御角に調整し、
逆変換器側には前記逆変換器の交流電圧を取り込んで過電圧を抑制する手段を備え、前記過電圧を抑制する手段の出力に基づいて前記第１の逆変換器と第２の逆変換器間の制御角差を持たせ、逆変換器側で電圧が制限値を越えないように抑制する
ことを特徴とする直流送電設備の制御装置。
請求項１において、順変換器側には電流を検出する手段と過電流を抑制する手段を備え、前記順変換器の制御角を制御して順変換器側で電流が制限値を越えないように抑制することを特徴とする直流送電設備の制御装置。
交流電力を直流電力に変換するための順変換器と、コンデンサ転流形変換器からなる直流電力を交流電力に変換するための逆変換器が少なくとも２台から構成される直流送電設備の制御装置において、
順変換器側には逆変換器側交流電圧を制御する手段と、逆変換器側には２台のうちの第１の逆変換器と第２の逆変換器の制御角を各々に調整する手段と、前記逆変換器の交流電圧を検出する手段と、前記検出した電圧値を順変換器側に送る手段を備え、
順変換器側で逆変換器側交流電圧を一定に制御し、逆変換器側で前記第１の逆変換器と第２の逆変換器を逆変換運転の制御角に調整し、
逆変換器側交流電圧の前値保持手段を有する逆変換器側交流電圧の伝送異常を検出する手段を備え、伝送の異常検出時には、伝送異常前の保持された逆変換器側交流電圧値を使って順変換器側で交流電圧制御を行うことを特徴とする直流送電設備の制御装置。
請求項３において、順変換器側には電流を検出する手段と過電流を抑制する手段を備え、前記順変換器の制御角を制御して順変換器側で電流が制限値を越えないように抑制することを特徴とする直流送電設備の制御装置。
交流電力を直流電力に変換するための順変換器と、コンデンサ転流形変換器からなる直流電力を交流電力に変換するための少なくとも２台から構成される第１及び第２の逆変換器を備える直流送電設備であって、前記順変換器、前記第１及び第２の逆変換器を各々異なる固定の制御角によって起動し、その後、前記第１及び第２の逆変換器の制御角を一致させることによって逆変換器側交流電圧を立ち上げ、前記順変換器の交流電圧を一定に制御することを特徴とする直流送電設備の制御方法。
交流電力を直流電力に変換するための順変換器と、コンデンサ転流形変換器からなる直流電力を交流電力に変換するための少なくとも２台から構成される第１及び第２の逆変換器を備える直流送電設備であって、前記順変換器を交流電圧一定制御の制御角、前記第１及び第２の逆変換器を一致した固定の制御角で起動し、前記順変換器の交流電圧を一定に制御することを特徴とする直流送電設備の制御方法。