JP3833389B2 - Ａｃ／ｄｃ間電力変換装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力系統と直流電力系統との間に繋がれるＡＣ／ＤＣ（交流／直流）間電力変換装置の高電圧化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この発明に近い先行技術として１９９７年１月に発行されたＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１に掲載された論文“Ａｐｐｌｙｉｎｇ ＰＷＭ ｔｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＯｖｅｒＣｕｒｒｅｎｔｓ ａｔ Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ Ｆａｕｌｔｓ ｏｆ Ｆｏｒｃｅｄ−Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ ＶＳＣｓ Ｕｓｅｄ ａｓ Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｎｐｅｎｓａｔｏｒｓ”がある。
【０００３】
上記文献に開示された電力変換装置の技術要素の内、この発明に関係する主回路部分を図１３に示す。図１３において、Ｒ，Ｓ，Ｔは交流電力系統へ繋ぐ交流端子、１０ａ，１０ｂは三相変圧器、１ａ，１ｂはそれぞれ三相変圧器１０ａ，１０ｂの各相一次巻線（Ｒａ，Ｓａ，Ｔａ）（Ｒｂ，Ｓｂ，Ｔｂ）からなる一次巻線、２ａ，２ｂはそれぞれ各相二次巻線（Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ）（Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ）からなる二次巻線、３ａ，３ｂはそれぞれ二次巻線２ａ，２ｂに交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され、直流端子Ｐ，Ｎが並列接続された電圧源形の交流直流間電力変換器（以下、三相電力変換器と称する）、４は直流キャパシタである。
【０００４】
上記三相電力変換器３ａ，３ｂの一方は、図１４、図１５に示す如き自己転流式の三相ブリッジ形電力変換器であり、図１４において、５ａ〜５ｆは自己ＯＦＦ形電力半導体素子、６ａ〜６ｆは整流素子である。また、図１５において、５ａ〜５ｌは自己ＯＦＦ形電力半導体素子、６ａ〜６ｌおよび７ａ〜７ｆは整流素子、４ｐ，４ｎは直流キャパシタである。
【０００５】
前記図１３に示す従来の主回路においては、ＹΔ結線された三相変圧器の二次巻線２ａ，２ｂ間位相差３０度に対応して、三相電力変換器３ａ，３ｂも位相差を付けて運転する。また、それぞれの三相電力変換器３ａ，３ｂがパルス幅変調（ＰＷＭ）法で制御されることを前提に詳細な制御法と合わせ同文献に説明されている。この従来の電力変換装置では、一次巻線における高調波を相応に軽減できるが、１２相変換装置になるため（１２ｎ±１）次の高調波が残る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は以上のように構成されているので、交流電力系統に許される高調波含有率に抑えるためには、交流系統側に高調波フィルタが必要となるという課題があった。
【０００７】
また、パルス幅変調式（ＰＷＭ式）電力変換器ではＰＷＭに起因する高調波も発生するという課題があった。これらに対処するには、ＡＣフィルタが必要となり、非常に高価になるだけでなく、ＡＣフィルタのＬ，Ｃを含む交流回路の過渡現象に起因する過電圧や該交流回路の過渡特性に起因する制御不安定などの課題が生じていた。
【０００８】
他方、本件出願人の出願に係る特開平８−３０８２３１号公報に示す如く移相巻線片付き移相変圧器を用いて、相数を増加させれば上記の課題が軽減される。しかし、高電圧の交流系統や高電圧の直流系統に繋がるＤＣ送電の場合、移相巻線片部に雷サージなど高電圧のインパルスが加わるため、この部分の絶縁問題のために変圧器の製作が難しく、高価になるという課題があった。
【０００９】
この発明は、三相交流系統電圧および直流系統電圧の高電圧化が容易、かつ、交流フィルタが軽減し易いＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、複数の三相二次巻線はＹΔ結線された第１グループ二次巻線と上記第１グループ二次巻線に対して位相をシフトさせる移相巻線を持つ第２グループ二次巻線とから成り、上記第１グループ二次巻線に接続される第一電力変換器群の直流端子は上記第２グループ二次巻線に接続される第二電力変換器群の直流端子に対して直列接続され、さらに上記第一電力変換器群を対地直流電圧絶対値が高い方に配置しかつ上記第二電力変換器群を対地直流電圧絶対値が低い方に配置したものである。
【００１１】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の第２グループ二次巻線は、Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線とΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線とからなるものである。
【００１２】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置のΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線は、２種類の電圧を持つ巻線を交互に並べた６辺の巻線からなる環状結線としたものである。
【００１３】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の第２グループ二次巻線は、Ｙ結線に移相巻線を付加した千鳥結線からなるものである。
【００１４】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線の上記移相巻線を中性点側に接続したものである。
【００１５】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の第２グループ二次巻線は、三相二つを一組とした２組以上の移相巻線付き三相二次巻線からなり、１２相の第一電力変換器群と１２相以上の第二電力変換器群と合わせて２４相以上の電力変換器群とするものである。
【００１６】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をそれぞれ上記三相交流電力系統に並列接続したものである。
【００１７】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の変圧器は、その基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組み内で一次巻線が直列接続される組みの巻線窓は互いに隣り合う小巻線窓に配置し、上記互いに隣り含う小巻線窓間を区切るバイパス磁路にギャップを設けたものである。
【００１８】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の変圧器は、その基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組みを成す巻線窓は互いに軸対称な位置に配置するものである。
【００１９】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をさらに直列接続して上記三相交流電力系統に接続するものである。
【００２０】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の一次巻線は、Ｙ接続し、その中性点を接地するものである。
【００２１】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の一次巻線は、Ｙ接続し、その中性点を接地すると共に第１グループの一次巻線を三相交流電力系統に接続する端子側に配置したものである。
【００２２】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の変圧器は、その基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この巻線総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図であり、図において、Ｒ，Ｓ，Ｔは交流電力系統へ繋ぐ交流端子、１０ａ〜１０ｄは三相変圧器、１ａ〜１ｄはそれぞれ三相変圧器１０ａ〜１０ｄの一次巻線（Ｒ，Ｓ、Ｔ各相に対応する一次巻線をそれぞれ含む）、２ａ〜２ｄは二次巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応する二次巻線をそれぞれ含む）、３ａ〜３ｄはそれぞれ二次巻線２ａ〜２ｄに交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され、直流端子Ｐ，Ｎが直並列接続された電圧源形の交流直流間電力変換器（以下、三相電力変換器と称する）、４ａ，４ｂは直流キャパシタ（蓄電手段）である。１ｘ，１ｙは二次巻線の位相が異なる（望ましくは３０度位相が異なる）組（ペア）に対応する一次巻線の組である。２０ａ，２０ｂは上記位相が異なる二つの三相二次巻線とそれらの一次巻線とを一組とする三相変圧器（第一電力変換器群用変圧器および第二電力変換器群用変圧器）である。
【００２４】
三相電力変換器３ａ，３ｂは前記図１４または図１５に示す如き自己転流式の三相電力変換器である。図１５において、５ａ〜５ｌは自己ＯＦＦ形電力半導体素子、６ａ〜６ｌおよび７ａ〜７ｆは整流素子、４ｐ，４ｎはスプリットキャパシタである。このスプリットキャパシタ４ｐ，４ｎは図１と対比した時、直列接続される各組の直流キャパシタ４ａ，４ｂの中が更にｐ，ｎ二つの直列キャパシタから構成されることを意味する。後述の実施の形態でも同様である。
【００２５】
図１５は３レベル三相電力変換器で、電力変換器自体の出力電圧波形が良好になり、一次巻線の組１ｘ，１ｙ（後述１ｚも同様）の内部の接続を並列接続または共通一次巻線にしても電力変換器間に流れる電流の横流が少ないという特徴がある。この並列接続化または共通一次巻線化により変圧器や直流側電圧のバランス特性が良好になる特徴がある。
【００２６】
図１において、第一組の三相変圧器１０ａ，１０ｂの二次巻線２ａ，２ｂはＹΔ結線してあり、Ｙ結線の二次巻線を０度とすると、Δ結線した二次巻線は＋３０度または−３０度位相差がある。これに対して、第二組の三相変圧器１０ｃ，１０ｄの二次巻線２ｃ，２ｄは移相巻線２’ｃ，２’ｄを備え、第一組に対して−１５度または＋１５度の位相差を持たせてある。これらに対応して、三相電力変換器３ａ〜３ｄも上記二次巻線の位相差と同じ位相差を設けて運転制御する。これらの結果、２４相の電力変換装置が実現され、高調波は（２４ｎ±１）次になる。したがって、交流系統側のＡＣフィルタが軽減される。
【００２７】
しかも、直流側の対地電圧絶対値が高電圧になる側（非接地側、ＤＣ送電の主線路側）に繋がる変圧器二次巻線をＹΔ結線にし、移相巻線を設けていない。この二次巻線２ａ，２ｂには、交流電力系統側からの移行サージ電圧が加わると共に、直流送電線が架空送電線の場合直流送電線側からも移行サージが加わる。さらに、運転中の直流電圧も元々高電圧になっており、この直流電圧に商用周波数の電圧が重畳された巻線電位をべースとして、一次二次巻線間静電結合による交流側からの移行サージ電圧が重畳される。
【００２８】
したがって、直流高電圧側の電力変換器に接続される変圧器の絶縁が最も厳しく、製作が難しい。すなわち、直流電位と商用周波数で変化する電圧との合成電圧の上に、上記静電結合で移行してくる移行サージ電圧が重畳される尖頭電圧に対して絶縁上の対策が必要になる。
【００２９】
このため、この発明では製作が難しい移相巻線をこの高電圧側から排除し、移相巻線２’ｃ，２’ｄは直流低電圧側に配置し、直流高電圧側には単純なＹΔ結線を配置している。したがって、最難度の絶縁が必要な直流高電圧側の変圧器は単純なＹΔ結線で対処できる。他方、変圧器において、互いに他の相との間で引き回しが必要な移相巻線は、絶縁が相対的に易しい直流低電圧側に配置され、移相変圧器による多相化およびそのための変圧器の製作が容易になるという効果が得られる。
【００３０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図であり、図において、Ｒ，Ｓ，Ｔは交流電力系統へ繋ぐ交流端子、１０ａ〜１０ｆは三相変圧器、１ａ〜１ｆはそれぞれ三相変圧器１０ａ〜１０ｆの一次巻線（Ｒ，Ｓ、Ｔ各相に対応する一次巻線をそれぞれ含む）、２ａ〜２ｆは二次巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応する二次巻線をそれぞれ含む）、３ａ〜３ｆはそれぞれ二次巻線２ａ〜２ｆに交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され直流端子Ｐ，Ｎが直並列接続された電圧源形の交流直流間電力変換器、４ａ，４ｂ，４ｃは直流キャパシタである。
【００３１】
三相電力変換器３ａ，３ｂは前記図１４または図１５に示す如き自己転流式の三相電力変換器である。１ｘ〜１ｚは二次巻線の位相が異なる（望ましくは３０度位相が異なる）組（ペア）に対応する一次巻線の組である。２０ａは上記位相が異なる二つの三相二次巻線とそれらの一次巻線とを一組とする三相変圧器である。２０ｂ，２０ｃは位相が異なる二つの三相二次巻線とそれらの二次巻線とを１組とするそれぞれ三相変圧器である。
【００３２】
図２において、直流高電圧側の三相電力変換器３ａ，３ｂ用の三相変圧器の二次巻線２ａ，２ｂは前記図１と同様にＹΔ結線してあり、Ｙ結線の二次巻線を０度とすると、Δ結線した二次巻線は＋３０度または−３０度位相差がある。したがって、実施の形態１と同様に最も高い絶縁耐圧が必要な三相変圧器２０ａは絶縁がし易い通常の単純ＹΔ結線で対処できる。
【００３３】
他方、直流電位が中間電位及び低電位に位置する三相変圧器２０ｂ，２０ｃの二次巻線２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆは、ＹΔ結線を基調にしながら移相巻線２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ，２’ｆを付加し、前記ＹΔ結線の三相変圧器２０ａに対して±１０度の位相差を設けてある。これにより、全体で３６相の電力変換器が実現され、高調波は（３６ｎ±１）次になる。
【００３４】
この結果、電力系統側のリアクタンスと変圧器のリーケージリアクタンスとの和を適正にすれば、ＡＣフィルタは不要になる。更に直流低電圧側に１組（三相２台、１２相）増設して、組間位相差を７．５度にし、全体で４８相にすれば、最早ＡＣフィルタの必要性が生じるケースは皆無と言える程度の高調波になる。したがって、交流側でのＡＣフィルタの共振による過電圧障害や制御特性への障害が解消するという効果が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図であり、直流側の正極端子を接地し、負極端子側を高電圧にしたものである。図において、同一符号は同一要素または相当要素を示す。この実施の形態３と前記実施の形態２の図２を組み合わせることにより、バイポーラ（正負２極）のＤＣ送電が実現できる。他の作用効果は前記実施の形態１，実施の形態２と同様である。
【００３６】
実施の形態４．
図４から図６はそれぞれこの発明の実施の形態４によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図である。図４から図６において、同一符号は同一又は相当要素を示す。図４から図６はそれぞれ図１から図３の実施の形態１から実施の形態３において、全ての一次巻線を直列接続した実施の形態を示す。
【００３７】
系統事故時の変圧器の電圧分担バラツキ、このバラツキによる電力変換器電流のバラツキに関しては、一次巻線が直列接続になっているので若干悪条件になる。ただし、この問題に対して、二次巻線に移相巻線を設けて位相差を付け、かつその位相差に対応させて電力変換器の運転位相にも同じ位相差を付けているので、変圧器磁束は一次巻線１ａ〜１ｆまで全て同相になる。即ち、磁気飽和が起きても直列関係にある変圧器で同時に起きる。
【００３８】
したがって、変圧器の磁気飽和のバラツキ（飽和タイミングがずれる）問題およびこれによる電力変換器電流のバラツキと過電流の問題は軽減されている。他方、電流のバラツキや電力変換器間で流れる電流の横流に関しては、全一次巻線が直列接続されているので改善される。また、絶縁上の問題解消や高調波が関与するＡＣフイルタに関しては、前記図１から図３と同様の作用効果がある。
【００３９】
実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態に適した移相巻線付き二次巻線に関する実施の形態５を示す図であり、図７において、２１ｒ，２１ｓ，２１ｔはｒ，ｓ，ｔ各相の主巻線、２２ｒ，２２ｓ，２２ｔはｒ，ｓ，ｔ各相に磁気結合した移相巻線である。図７（ａ），（ｂ）は中性点側に移相巻線２２を配置し、引き回しされる移相巻線およびそのワード線の絶縁が容易になるようしたものである。
【００４０】
なお、図７（ａ）は位相を遅らせる接続例を示し、図７（ｂ）は位相を進ませる接続例を示す。さらに、図７（ｃ）は環状接続により、位相を進める場合と位相を遅らせる場合との両方に対応できる接続例を示す。すなわち、ｒ１，ｓ１，ｔ１から端子を出せば位相が進み、ｒ２，ｓ２，ｔ２から端子を出せば位相が遅れる。したがって、製作上の標準化がし易いという効果がある。
【００４１】
実施の形態６．
図８、図９はこの発明の実施に適した変圧器の構造に関する実施の形態６を示す図であり、外鉄形変圧器で作る場合の１相分を示す。図８，図９において、同一符号は同一又は相当要素を示し、８は基本波磁束（主磁東）が通る主鉄心、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅは上記主鉄心８により形成される巻線総窓を小巻線窓１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに区切るバイパス磁路である。即ち、この主鉄心が形作る巻線総窓（小巻線窓１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆの全体を言う）と、この巻線総窓を複数個の小巻線窓に区切るバイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅと、この複数個の小巻線窓に巻き分けられた一次巻線１ａ〜１ｆと二次巻線２ａ〜２ｆ及び二次移相巻線２’ｃ〜２’ｆからなる。
【００４２】
主鉄心８には基本波磁束が通り、基本波磁束が同相となって同一方向に通るよう一次巻線１ａ〜１ｆの接続極性を合わせる。バイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅには電力変換器が発生する高調波磁束のベクトル差および製作バラツキや過渡的不平衡による基本波磁束または過渡的差分磁束が通る。したがって、このバイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅの磁路断面積は主鉄心８の磁路断面積に比べて小さくて済む。
【００４３】
実施の形態６の図８は、図２、図３の実施の形態２，実施の形態３と対応する一次巻線の接続を示し、実施の形態６の図９は図５、図６の実施の形態４と対応する一次巻線１ａ〜１ｆの接続を示す。同様に、内鉄形変圧器でもバイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅで小巻線窓１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに区切る事により主鉄心８を共用して、全体の変圧器を小型にできる。
以上のように、この実施の形態６によれば、変圧器全体を小型にできる効果が得られる。
【００４４】
実施の形態７．
図１０はこの発明による実施の形態７の構成を示す図である。図において、前記図２と同一符合は同一部分又は相当部分を示す。この実施の形態７では、第２グループの二次巻線群２ｃないし２ｆを全てスター結線を基本とする千鳥結線法により移相してある。この実施の形態７は、前述の図７（ａ）（ｂ）に示した実施の形態５を活用したものであるから、原理の説明は省略する。ここでは、任意の角度θだけ移相させる場合に適用出来る事を示す。また、任意の角度θだけ移相させながら、組内で所定の角度、例えば３０度の位相差を持たせ得る。したがって、デルタ結線しなくても実施できる。
【００４５】
これにより、移相巻線２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ，２’ｆを絶縁上低い電位の位置に配置され、絶縁が容易になる効果が得られる。また、移相巻線２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ，２’ｆの電流も主巻線２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの電流も等しいので、コイルの統一が取れ、製造が容易になる効果が得られる。さらに、また線電流を検出すれば二次巻線により磁路に加わる起磁力が計算でき、一次巻線起磁力の計算と併せて鉄心に加わる励磁起磁力が計算できる。この応用として、変圧器の偏磁抑制制御がし易い。特に、線電流は変換器側で検出できるので、電流センサを変圧器側に置く必要が無く、電流センサ出力線の配線が簡単になる。
【００４６】
上記図１０は、第１グループが直流の正極性側にある場合を説明したが、第１グループが直流の負極性側にある場合にも適用できる事は前述実施の形態と同様である。また、この実施の形態は、前述の実施の形態４の図４ないし図６など、一次巻線が全て直列接続される場合においても適用でき、上記この実施の形態４の効果が得られる。
【００４７】
実施の形態８．
図１１はこの発明による実施の形態８の構成を示す図である。図において、前記図８、図９と同一符合は同一部分又は相当部分を示す。この実施の形態８は、組み内で直列接続された一次巻線を並列接続する図１、図２、図３、図１０のごとき実施の形態における、変圧器の構造に関する。
【００４８】
同図において、組み内で一次巻線が直列接続される組みの一次巻線及び二次巻線が互いに隣り合う小巻線窓に巻かれる。この隣り合う小巻線窓を区切るバイパス磁路９ａ，９ｃ，９ｅには小さいギャップ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを設ける。一次巻線が並列接続される組違いの小巻線窓間のバイパス磁路９ｂ，９ｄにはギャップを入れるか否かは自由で製造上の都合により決めても良く、他の理由で決めても良い。たとえば、全てのバイパス磁路に同一ギャップを設けて、バイパス磁路の製造要領を統一しても良い。
【００４９】
上記構造にすることにより、バイパス磁路にギャップがあるバイパス磁路を挟む一次巻線（即ち直列接統される一次巻線）に鎖交する磁束が均一になりやすい。なぜなら、バイパス磁路にギャップがあるため、両一次巻線に鎖交する磁束の差磁束が通る該バイパス磁路の磁気抵抗が大きくなり、差磁束が低減される。即ち、前記直列接続される一次巻線に鎖交する磁束が均一になりやすい。
【００５０】
したがって、電力変換器３が運転していない時に、互いに直列接続された一次巻線の電圧が均一になりやすく、ひいては二次巻線の電圧も均一になりやすい効果が得られる。
【００５１】
実施の形態９．
図１２はこの発明による実施の形態９の構成を示す図である。図において、前記図８、図９と同一符合は同一部分又は相当部分を示す。この実施の形態９は、組み内で一次巻線が直列接続された一次巻線を並列接続する図１、図２、図３、図１０のごとき実施の形態における、変圧器の構造に関する。この実施の形態では、組み内で一次巻線が直列接続される組み（ペア）の一次巻線及び二次巻線が互いに磁気構造上の対称な小巻線窓に巻き回される。主鉄心および小巻線窓が直線的に配置される場合、軸対称な位置に同一組み（ペア）の一次巻線及び二次巻線を巻き回する。
【００５２】
上記構造にすることにより、組み（ペア）内の巻線による起磁力により発生する磁束の磁路から見た磁気パーミアンス（または磁気抵抗）が均一にしやすい。換言すれば、組み（ペア）内の巻線から見た励磁インピーダンスが均一にしやすい。
【００５３】
したがって、電力変換器３が運転していない時に、励磁インピーダンスが均一になり易いので、互いに直列接続された一次巻線の電圧が均一にしやすく、ひいては二次巻線の電圧も均一にしやすい効果が得られる。さらに、この場合、バイパス磁路のギャップが必ずしも必要でないので、同ギャップを無くしても良く、小さくしても良く、他の都合で任意に決めても良い。即ち、バイパス磁路のギャップの設計自由度が増す。例えば、バイパス磁路のギャップを無しにするか、ないしバイパス磁路のギャップを最小化するかすると、組み（ペア）内で等アンペアターン則が成り立ちやすい。換言すれば、一次巻線と二次巻線の電流が等しくなり易い。更に換言すれば、組み（ペア）内での横流が軽減される効果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の三相二次巻線はＹΔ結線された第１グループ二次巻線と上記第１グループ二次巻線に対して位相をシフトさせる移相巻線を持つ第２グループ二次巻線とから成り、上記第１グループ二次巻線に接続される第一電力変換器群の直流端子は上記第２グループ二次巻線に接続される第二電力変換器群の直流端子に対して直列接続され、さらに上記第一電力変換器群を対地直流電圧絶対値が高い方に配置しかつ上記第二電力変換器群を対地直流電圧絶対値が低い方に配置するように構成したので、交流系統電圧および直流系統電圧の高電圧化が容易、かつ、ＡＣフィルタを軽減し易い効果がある。
【００５５】
また、この発明によれば、第２グループ二次巻線はＹ結線に移相巻線を付加した二次巻線とΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線とを備えるように構成したので、良く用いられるＹΔ結線の基調をキープしながら移相を実現できる効果がある。
【００５６】
また、この発明によれば、Δ結線に移相巻線を付加した二次巻線は２種類の電圧を持つ巻線を交互に並べた６辺の巻線からなる環状結線構成としたので、２種類の移相に対してリードの取り方の変形だけで対処できる効果がある。
【００５７】
また、この発明によれば、第２グループ二次巻線はＹ結線に移相巻線を付加した千鳥結線から構成したので、任意の角度だけ移相させる場合に適用することができ、任意の角度だけ移相せさながら、組内で所定の角度の位相差を持たせることができる効果がある。
【００５８】
また、この発明によれば、Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線の上記移相巻線を中性点側に接続するように構成したので、絶縁が容易になるという効果がある。
【００５９】
また、この発明によれば、第２グループ二次巻線は三相二つを一組とした２組以上の移相巻線付き三相二次巻線からなり、１２相の第一電力変換器群と１２相以上の第二電力変換器群と合わせて２４相以上の電力変換器群としたので、ＡＣフイルタの軽減効果が大きいという効果がある。
【００６０】
また、この発明によれば、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をそれぞれ三相交流電力系統に並列接続するように構成したので、組内の電流バラツキを軽減でき、かつ、組間での変圧器電圧分担や磁気飽和タイミングのバラツキによる障害を軽減できる効果がある。
【００６１】
また、この発明によれば、変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組み内で一次巻線が直列接続される組みの巻線窓は互いに隣り合う小巻線窓に配置し、上記互いに隣り含う小巻線窓間を区切るバイパス磁路にギャップを設けて構成したので、一次巻線に鎖交する磁東の差磁束が通る該バイパス磁路の磁気抵抗が大きくなり、差磁束が低減される。したがって、互いに直列接続された一次巻線の電圧が均一になりやすく、ひいては二次巻線の電圧も均一にしやすい効果がある。
【００６２】
また、この発明によれば、変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組みを成す巻線窓は互いに軸対称な位置に配置するように構成したので、組み（ペア）内の巻線による起磁力により発生する磁束の磁路から見た磁気パーミアンス（または磁気抵抗）を均一にしやすい。換言すれば、組み（ペア）内の巻線から見た励磁インピーダンスを均一にしやすいという効果がある。
【００６３】
また、この発明によれば、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をさらに直列接続して三相交流電力系統に接続するように構成したので、全電流のバラツキを軽減でき、かつ、主磁束（基本波磁束）の同相性がキープ出来るので、磁気飽和タイミングのバラツキによる障害も相応に軽減できる効果がある。
【００６４】
また、この発明によれば、直列Ｙ接続された組の一次巻線がさらに並列接続され、その中性点を接地するように構成したので、組内の電流バラツキを軽減でき、かつ、組間での変圧器電圧分担や磁気飽和タイミングのバラツキによる障害を軽減できる効果に加え、超高圧ＡＣ電力系統の絶縁対策にも対応できる効果がある。
【００６５】
また、この発明によれば、一次巻線は全て直列接続してこれらをＹ接続し、その中性点を接地すると共に第１グループの一次巻線を三相交流電力系統に接続する端子側に配置するように構成したので、直流側高電圧かつ交流側高電圧の変圧器が通常ＹΔ結線の二次巻線を持つ変圧器に集約され、絶縁協調が取りやすくなる効果がある。
【００６６】
また、この発明によれば、変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この巻線総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなるように構成したので、変圧器全体を小形にできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図２】 この発明の実施の形態２によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図３】 この発明の実施の形態３によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図４】 この発明の実施の形態４によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による他のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図６】 この発明の実施の形態４による更に他のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図７】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態５による移相巻線付き二次巻線を示す図である。
【図８】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態６による変圧器の構造を示す図である。
【図９】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態６による他の変圧器の構造を示す図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図１１】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態８による変圧器の構造を示す図である。
【図１２】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態９による変圧器の構造を示す図である。
【図１３】 従来のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図１４】 三相電力変換器の回路図である。
【図１５】 自己転流式の三相電力変換器の回路図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｆ 一次巻線、２ａ〜２ｆ 二次巻線、２’ｃ〜２’ｆ 移送巻線、３ａ〜３ｆ 三相電力変換器、４ａ〜４ｃ 直流キャパシタ（蓄電手段）、８ 主鉄心、９ａ〜９ｅ バイパス磁路、１０ａ〜１０ｆ 三相変圧器、１１ａ〜１１ｆ 小巻線窓、２０ａ 三相変圧器（第一電力変換器群用変圧器）、２０ｂ，２０ｃ 三相変圧器（第二電力変換器群用変圧器）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、交流電力系統と直流電力系統との間に繋がれるＡＣ／ＤＣ（交流／直流）間電力変換装置の高電圧化に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この発明に近い先行技術として１９９７年１月に発行されたＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｄｅｌｉｖｅｒｙ，Ｖｏｌ．１２，Ｎｏ．１に掲載された論文“Ａｐｐｌｙｉｎｇ ＰＷＭ ｔｏ Ｃｏｎｔｒｏｌ ＯｖｅｒＣｕｒｒｅｎｔｓ ａｔ Ｕｎｂａｌａｎｃｅｄ Ｆａｕｌｔｓ ｏｆ Ｆｏｒｃｅｄ−Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ ＶＳＣｓ Ｕｓｅｄ ａｓ Ｓｔａｔｉｃ Ｖａｒ Ｃｏｎｐｅｎｓａｔｏｒｓ”がある。
【０００３】
上記文献に開示された電力変換装置の技術要素の内、この発明に関係する主回路部分を図１３に示す。図１３において、Ｒ，Ｓ，Ｔは交流電力系統へ繋ぐ交流端子、１０ａ，１０ｂは三相変圧器、１ａ，１ｂはそれぞれ三相変圧器１０ａ，１０ｂの各相一次巻線（Ｒａ，Ｓａ，Ｔａ）（Ｒｂ，Ｓｂ，Ｔｂ）からなる一次巻線、２ａ，２ｂはそれぞれ各相二次巻線（Ｕａ，Ｖａ，Ｗａ）（Ｕｂ，Ｖｂ，Ｗｂ）からなる二次巻線、３ａ，３ｂはそれぞれ二次巻線２ａ，２ｂに交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され、直流端子Ｐ，Ｎが並列接続された電圧源形の交流直流間電力変換器（以下、三相電力変換器と称する）、４は直流キャパシタである。
【０００４】
上記三相電力変換器３ａ，３ｂの一方は、図１４、図１５に示す如き自己転流式の三相ブリッジ形電力変換器であり、図１４において、５ａ〜５ｆは自己ＯＦＦ形電力半導体素子、６ａ〜６ｆは整流素子である。また、図１５において、５ａ〜５ｌは自己ＯＦＦ形電力半導体素子、６ａ〜６ｌおよび７ａ〜７ｆは整流素子、４ｐ，４ｎは直流キャパシタである。
【０００５】
前記図１３に示す従来の主回路においては、ＹΔ結線された三相変圧器の二次巻線２ａ，２ｂ間位相差３０度に対応して、三相電力変換器３ａ，３ｂも位相差を付けて運転する。また、それぞれの三相電力変換器３ａ，３ｂがパルス幅変調（ＰＷＭ）法で制御されることを前提に詳細な制御法と合わせ同文献に説明されている。この従来の電力変換装置では、一次巻線における高調波を相応に軽減できるが、１２相変換装置になるため（１２ｎ±１）次の高調波が残る。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
従来のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は以上のように構成されているので、交流電力系統に許される高調波含有率に抑えるためには、交流系統側に高調波フィルタが必要となるという課題があった。
【０００７】
また、パルス幅変調式（ＰＷＭ式）電力変換器ではＰＷＭに起因する高調波も発生するという課題があった。これらに対処するには、ＡＣフィルタが必要となり、非常に高価になるだけでなく、ＡＣフィルタのＬ，Ｃを含む交流回路の過渡現象に起因する過電圧や該交流回路の過渡特性に起因する制御不安定などの課題が生じていた。
【０００８】
他方、本件出願人の出願に係る特開平８−３０８２３１号公報に示す如く移相巻線片付き移相変圧器を用いて、相数を増加させれば上記の課題が軽減される。しかし、高電圧の交流系統や高電圧の直流系統に繋がるＤＣ送電の場合、移相巻線片部に雷サージなど高電圧のインパルスが加わるため、この部分の絶縁問題のために変圧器の製作が難しく、高価になるという課題があった。
【０００９】
この発明は、三相交流系統電圧および直流系統電圧の高電圧化が容易、かつ、交流フィルタが軽減し易いＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、複数の三相二次巻線はＹΔ結線された第１グループ二次巻線と上記第１グループ二次巻線に対して位相をシフトさせる移相巻線を持つ第２グループ二次巻線とから成り、上記第１グループ二次巻線に接続される第一電力変換器群の直流端子は上記第２グループ二次巻線に接続される第二電力変換器群の直流端子に対して直列接続され、さらに上記第一電力変換器群を対地直流電圧絶対値が高い方に配置しかつ上記第二電力変換器群を対地直流電圧絶対値が低い方に配置したものである。
【００１１】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の第２グループ二次巻線は、Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線とΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線とからなるものである。
【００１２】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置のΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線は、２種類の電圧を持つ巻線を交互に並べた６辺の巻線からなる環状結線としたものである。
【００１３】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の第２グループ二次巻線は、Ｙ結線に移相巻線を付加した千鳥結線からなるものである。
【００１４】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線の上記移相巻線を中性点側に接続したものである。
【００１５】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の第２グループ二次巻線は、三相二つを一組とした２組以上の移相巻線付き三相二次巻線からなり、１２相の第一電力変換器群と１２相以上の第二電力変換器群と合わせて２４相以上の電力変換器群とするものである。
【００１６】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をそれぞれ上記三相交流電力系統に並列接続したものである。
【００１７】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の変圧器は、その基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組み内で一次巻線が直列接続される組みの巻線窓は互いに隣り合う小巻線窓に配置し、上記互いに隣り含う小巻線窓間を区切るバイパス磁路にギャップを設けたものである。
【００１８】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の変圧器は、その基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組みを成す巻線窓は互いに軸対称な位置に配置するものである。
【００１９】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置は、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をさらに直列接続して上記三相交流電力系統に接続するものである。
【００２０】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の一次巻線は、Ｙ接続し、その中性点を接地するものである。
【００２１】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の一次巻線は、Ｙ接続し、その中性点を接地すると共に第１グループの一次巻線を三相交流電力系統に接続する端子側に配置したものである。
【００２２】
また、この発明に係るＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の変圧器は、その基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この巻線総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなるものである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図であり、図において、Ｒ，Ｓ，Ｔは交流電力系統へ繋ぐ交流端子、１０ａ〜１０ｄは三相変圧器、１ａ〜１ｄはそれぞれ三相変圧器１０ａ〜１０ｄの一次巻線（Ｒ，Ｓ、Ｔ各相に対応する一次巻線をそれぞれ含む）、２ａ〜２ｄは二次巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応する二次巻線をそれぞれ含む）、３ａ〜３ｄはそれぞれ二次巻線２ａ〜２ｄに交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され、直流端子Ｐ，Ｎが直並列接続された電圧源形の交流直流間電力変換器（以下、三相電力変換器と称する）、４ａ，４ｂは直流キャパシタ（蓄電手段）である。１ｘ，１ｙは二次巻線の位相が異なる（望ましくは３０度位相が異なる）組（ペア）に対応する一次巻線の組である。２０ａ，２０ｂは上記位相が異なる二つの三相二次巻線とそれらの一次巻線とを一組とする三相変圧器（第一電力変換器群用変圧器および第二電力変換器群用変圧器）である。
【００２４】
三相電力変換器３ａ，３ｂは前記図１４または図１５に示す如き自己転流式の三相電力変換器である。図１５において、５ａ〜５ｌは自己ＯＦＦ形電力半導体素子、６ａ〜６ｌおよび７ａ〜７ｆは整流素子、４ｐ，４ｎはスプリットキャパシタである。このスプリットキャパシタ４ｐ，４ｎは図１と対比した時、直列接続される各組の直流キャパシタ４ａ，４ｂの中が更にｐ，ｎ二つの直列キャパシタから構成されることを意味する。後述の実施の形態でも同様である。
【００２５】
図１５は３レベル三相電力変換器で、電力変換器自体の出力電圧波形が良好になり、一次巻線の組１ｘ，１ｙ（後述１ｚも同様）の内部の接続を並列接続または共通一次巻線にしても電力変換器間に流れる電流の横流が少ないという特徴がある。この並列接続化または共通一次巻線化により変圧器や直流側電圧のバランス特性が良好になる特徴がある。
【００２６】
図１において、第一組の三相変圧器１０ａ，１０ｂの二次巻線２ａ，２ｂはＹΔ結線してあり、Ｙ結線の二次巻線を０度とすると、Δ結線した二次巻線は＋３０度または−３０度位相差がある。これに対して、第二組の三相変圧器１０ｃ，１０ｄの二次巻線２ｃ，２ｄは移相巻線２’ｃ，２’ｄを備え、第一組に対して−１５度または＋１５度の位相差を持たせてある。これらに対応して、三相電力変換器３ａ〜３ｄも上記二次巻線の位相差と同じ位相差を設けて運転制御する。これらの結果、２４相の電力変換装置が実現され、高調波は（２４ｎ±１）次になる。したがって、交流系統側のＡＣフィルタが軽減される。
【００２７】
しかも、直流側の対地電圧絶対値が高電圧になる側（非接地側、ＤＣ送電の主線路側）に繋がる変圧器二次巻線をＹΔ結線にし、移相巻線を設けていない。この二次巻線２ａ，２ｂには、交流電力系統側からの移行サージ電圧が加わると共に、直流送電線が架空送電線の場合直流送電線側からも移行サージが加わる。さらに、運転中の直流電圧も元々高電圧になっており、この直流電圧に商用周波数の電圧が重畳された巻線電位をべースとして、一次二次巻線間静電結合による交流側からの移行サージ電圧が重畳される。
【００２８】
したがって、直流高電圧側の電力変換器に接続される変圧器の絶縁が最も厳しく、製作が難しい。すなわち、直流電位と商用周波数で変化する電圧との合成電圧の上に、上記静電結合で移行してくる移行サージ電圧が重畳される尖頭電圧に対して絶縁上の対策が必要になる。
【００２９】
このため、この発明では製作が難しい移相巻線をこの高電圧側から排除し、移相巻線２’ｃ，２’ｄは直流低電圧側に配置し、直流高電圧側には単純なＹΔ結線を配置している。したがって、最難度の絶縁が必要な直流高電圧側の変圧器は単純なＹΔ結線で対処できる。他方、変圧器において、互いに他の相との間で引き回しが必要な移相巻線は、絶縁が相対的に易しい直流低電圧側に配置され、移相変圧器による多相化およびそのための変圧器の製作が容易になるという効果が得られる。
【００３０】
実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図であり、図において、Ｒ，Ｓ，Ｔは交流電力系統へ繋ぐ交流端子、１０ａ〜１０ｆは三相変圧器、１ａ〜１ｆはそれぞれ三相変圧器１０ａ〜１０ｆの一次巻線（Ｒ，Ｓ、Ｔ各相に対応する一次巻線をそれぞれ含む）、２ａ〜２ｆは二次巻線（Ｕ，Ｖ，Ｗ各相に対応する二次巻線をそれぞれ含む）、３ａ〜３ｆはそれぞれ二次巻線２ａ〜２ｆに交流端子Ｕ，Ｖ，Ｗが接続され直流端子Ｐ，Ｎが直並列接続された電圧源形の交流直流間電力変換器、４ａ，４ｂ，４ｃは直流キャパシタである。
【００３１】
三相電力変換器３ａ，３ｂは前記図１４または図１５に示す如き自己転流式の三相電力変換器である。１ｘ〜１ｚは二次巻線の位相が異なる（望ましくは３０度位相が異なる）組（ペア）に対応する一次巻線の組である。２０ａは上記位相が異なる二つの三相二次巻線とそれらの一次巻線とを一組とする三相変圧器である。２０ｂ，２０ｃは位相が異なる二つの三相二次巻線とそれらの二次巻線とを１組とするそれぞれ三相変圧器である。
【００３２】
図２において、直流高電圧側の三相電力変換器３ａ，３ｂ用の三相変圧器の二次巻線２ａ，２ｂは前記図１と同様にＹΔ結線してあり、Ｙ結線の二次巻線を０度とすると、Δ結線した二次巻線は＋３０度または−３０度位相差がある。したがって、実施の形態１と同様に最も高い絶縁耐圧が必要な三相変圧器２０ａは絶縁がし易い通常の単純ＹΔ結線で対処できる。
【００３３】
他方、直流電位が中間電位及び低電位に位置する三相変圧器２０ｂ，２０ｃの二次巻線２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆは、ＹΔ結線を基調にしながら移相巻線２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ，２’ｆを付加し、前記ＹΔ結線の三相変圧器２０ａに対して±１０度の位相差を設けてある。これにより、全体で３６相の電力変換器が実現され、高調波は（３６ｎ±１）次になる。
【００３４】
この結果、電力系統側のリアクタンスと変圧器のリーケージリアクタンスとの和を適正にすれば、ＡＣフィルタは不要になる。更に直流低電圧側に１組（三相２台、１２相）増設して、組間位相差を７．５度にし、全体で４８相にすれば、最早ＡＣフィルタの必要性が生じるケースは皆無と言える程度の高調波になる。したがって、交流側でのＡＣフィルタの共振による過電圧障害や制御特性への障害が解消するという効果が得られる。
【００３５】
実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図であり、直流側の正極端子を接地し、負極端子側を高電圧にしたものである。図において、同一符号は同一要素または相当要素を示す。この実施の形態３と前記実施の形態２の図２を組み合わせることにより、バイポーラ（正負２極）のＤＣ送電が実現できる。他の作用効果は前記実施の形態１，実施の形態２と同様である。
【００３６】
実施の形態４．
図４から図６はそれぞれこの発明の実施の形態４によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置の主回路構成図である。図４から図６において、同一符号は同一又は相当要素を示す。図４から図６はそれぞれ図１から図３の実施の形態１から実施の形態３において、全ての一次巻線を直列接続した実施の形態を示す。
【００３７】
系統事故時の変圧器の電圧分担バラツキ、このバラツキによる電力変換器電流のバラツキに関しては、一次巻線が直列接続になっているので若干悪条件になる。ただし、この問題に対して、二次巻線に移相巻線を設けて位相差を付け、かつその位相差に対応させて電力変換器の運転位相にも同じ位相差を付けているので、変圧器磁束は一次巻線１ａ〜１ｆまで全て同相になる。即ち、磁気飽和が起きても直列関係にある変圧器で同時に起きる。
【００３８】
したがって、変圧器の磁気飽和のバラツキ（飽和タイミングがずれる）問題およびこれによる電力変換器電流のバラツキと過電流の問題は軽減されている。他方、電流のバラツキや電力変換器間で流れる電流の横流に関しては、全一次巻線が直列接続されているので改善される。また、絶縁上の問題解消や高調波が関与するＡＣフイルタに関しては、前記図１から図３と同様の作用効果がある。
【００３９】
実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態に適した移相巻線付き二次巻線に関する実施の形態５を示す図であり、図７において、２１ｒ，２１ｓ，２１ｔはｒ，ｓ，ｔ各相の主巻線、２２ｒ，２２ｓ，２２ｔはｒ，ｓ，ｔ各相に磁気結合した移相巻線である。図７（ａ），（ｂ）は中性点側に移相巻線２２を配置し、引き回しされる移相巻線およびそのワード線の絶縁が容易になるようしたものである。
【００４０】
なお、図７（ａ）は位相を遅らせる接続例を示し、図７（ｂ）は位相を進ませる接続例を示す。さらに、図７（ｃ）は環状接続により、位相を進める場合と位相を遅らせる場合との両方に対応できる接続例を示す。すなわち、ｒ１，ｓ１，ｔ１から端子を出せば位相が進み、ｒ２，ｓ２，ｔ２から端子を出せば位相が遅れる。したがって、製作上の標準化がし易いという効果がある。
【００４１】
実施の形態６．
図８、図９はこの発明の実施に適した変圧器の構造に関する実施の形態６を示す図であり、外鉄形変圧器で作る場合の１相分を示す。図８，図９において、同一符号は同一又は相当要素を示し、８は基本波磁束（主磁東）が通る主鉄心、９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅは上記主鉄心８により形成される巻線総窓を小巻線窓１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに区切るバイパス磁路である。即ち、この主鉄心が形作る巻線総窓（小巻線窓１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆの全体を言う）と、この巻線総窓を複数個の小巻線窓に区切るバイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅと、この複数個の小巻線窓に巻き分けられた一次巻線１ａ〜１ｆと二次巻線２ａ〜２ｆ及び二次移相巻線２’ｃ〜２’ｆからなる。
【００４２】
主鉄心８には基本波磁束が通り、基本波磁束が同相となって同一方向に通るよう一次巻線１ａ〜１ｆの接続極性を合わせる。バイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅには電力変換器が発生する高調波磁束のベクトル差および製作バラツキや過渡的不平衡による基本波磁束または過渡的差分磁束が通る。したがって、このバイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅの磁路断面積は主鉄心８の磁路断面積に比べて小さくて済む。
【００４３】
実施の形態６の図８は、図２、図３の実施の形態２，実施の形態３と対応する一次巻線の接続を示し、実施の形態６の図９は図５、図６の実施の形態４と対応する一次巻線１ａ〜１ｆの接続を示す。同様に、内鉄形変圧器でもバイパス磁路９ａ，９ｂ，９ｃ，９ｄ，９ｅで小巻線窓１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，１１ｆに区切る事により主鉄心８を共用して、全体の変圧器を小型にできる。
以上のように、この実施の形態６によれば、変圧器全体を小型にできる効果が得られる。
【００４４】
実施の形態７．
図１０はこの発明による実施の形態７の構成を示す図である。図において、前記図２と同一符合は同一部分又は相当部分を示す。この実施の形態７では、第２グループの二次巻線群２ｃないし２ｆを全てスター結線を基本とする千鳥結線法により移相してある。この実施の形態７は、前述の図７（ａ）（ｂ）に示した実施の形態５を活用したものであるから、原理の説明は省略する。ここでは、任意の角度θだけ移相させる場合に適用出来る事を示す。また、任意の角度θだけ移相させながら、組内で所定の角度、例えば３０度の位相差を持たせ得る。したがって、デルタ結線しなくても実施できる。
【００４５】
これにより、移相巻線２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ，２’ｆを絶縁上低い電位の位置に配置され、絶縁が容易になる効果が得られる。また、移相巻線２’ｃ，２’ｄ，２’ｅ，２’ｆの電流も主巻線２ｃ，２ｄ，２ｅ，２ｆの電流も等しいので、コイルの統一が取れ、製造が容易になる効果が得られる。さらに、また線電流を検出すれば二次巻線により磁路に加わる起磁力が計算でき、一次巻線起磁力の計算と併せて鉄心に加わる励磁起磁力が計算できる。この応用として、変圧器の偏磁抑制制御がし易い。特に、線電流は変換器側で検出できるので、電流センサを変圧器側に置く必要が無く、電流センサ出力線の配線が簡単になる。
【００４６】
上記図１０は、第１グループが直流の正極性側にある場合を説明したが、第１グループが直流の負極性側にある場合にも適用できる事は前述実施の形態と同様である。また、この実施の形態は、前述の実施の形態４の図４ないし図６など、一次巻線が全て直列接続される場合においても適用でき、上記この実施の形態４の効果が得られる。
【００４７】
実施の形態８．
図１１はこの発明による実施の形態８の構成を示す図である。図において、前記図８、図９と同一符合は同一部分又は相当部分を示す。この実施の形態８は、組み内で直列接続された一次巻線を並列接続する図１、図２、図３、図１０のごとき実施の形態における、変圧器の構造に関する。
【００４８】
同図において、組み内で一次巻線が直列接続される組みの一次巻線及び二次巻線が互いに隣り合う小巻線窓に巻かれる。この隣り合う小巻線窓を区切るバイパス磁路９ａ，９ｃ，９ｅには小さいギャップ１２ａ、１２ｂ、１２ｃを設ける。一次巻線が並列接続される組違いの小巻線窓間のバイパス磁路９ｂ，９ｄにはギャップを入れるか否かは自由で製造上の都合により決めても良く、他の理由で決めても良い。たとえば、全てのバイパス磁路に同一ギャップを設けて、バイパス磁路の製造要領を統一しても良い。
【００４９】
上記構造にすることにより、バイパス磁路にギャップがあるバイパス磁路を挟む一次巻線（即ち直列接統される一次巻線）に鎖交する磁束が均一になりやすい。なぜなら、バイパス磁路にギャップがあるため、両一次巻線に鎖交する磁束の差磁束が通る該バイパス磁路の磁気抵抗が大きくなり、差磁束が低減される。即ち、前記直列接続される一次巻線に鎖交する磁束が均一になりやすい。
【００５０】
したがって、電力変換器３が運転していない時に、互いに直列接続された一次巻線の電圧が均一になりやすく、ひいては二次巻線の電圧も均一になりやすい効果が得られる。
【００５１】
実施の形態９．
図１２はこの発明による実施の形態９の構成を示す図である。図において、前記図８、図９と同一符合は同一部分又は相当部分を示す。この実施の形態９は、組み内で一次巻線が直列接続された一次巻線を並列接続する図１、図２、図３、図１０のごとき実施の形態における、変圧器の構造に関する。この実施の形態では、組み内で一次巻線が直列接続される組み（ペア）の一次巻線及び二次巻線が互いに磁気構造上の対称な小巻線窓に巻き回される。主鉄心および小巻線窓が直線的に配置される場合、軸対称な位置に同一組み（ペア）の一次巻線及び二次巻線を巻き回する。
【００５２】
上記構造にすることにより、組み（ペア）内の巻線による起磁力により発生する磁束の磁路から見た磁気パーミアンス（または磁気抵抗）が均一にしやすい。換言すれば、組み（ペア）内の巻線から見た励磁インピーダンスが均一にしやすい。
【００５３】
したがって、電力変換器３が運転していない時に、励磁インピーダンスが均一になり易いので、互いに直列接続された一次巻線の電圧が均一にしやすく、ひいては二次巻線の電圧も均一にしやすい効果が得られる。さらに、この場合、バイパス磁路のギャップが必ずしも必要でないので、同ギャップを無くしても良く、小さくしても良く、他の都合で任意に決めても良い。即ち、バイパス磁路のギャップの設計自由度が増す。例えば、バイパス磁路のギャップを無しにするか、ないしバイパス磁路のギャップを最小化するかすると、組み（ペア）内で等アンペアターン則が成り立ちやすい。換言すれば、一次巻線と二次巻線の電流が等しくなり易い。更に換言すれば、組み（ペア）内での横流が軽減される効果が得られる。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、複数の三相二次巻線はＹΔ結線された第１グループ二次巻線と上記第１グループ二次巻線に対して位相をシフトさせる移相巻線を持つ第２グループ二次巻線とから成り、上記第１グループ二次巻線に接続される第一電力変換器群の直流端子は上記第２グループ二次巻線に接続される第二電力変換器群の直流端子に対して直列接続され、さらに上記第一電力変換器群を対地直流電圧絶対値が高い方に配置しかつ上記第二電力変換器群を対地直流電圧絶対値が低い方に配置するように構成したので、交流系統電圧および直流系統電圧の高電圧化が容易、かつ、ＡＣフィルタを軽減し易い効果がある。
【００５５】
また、この発明によれば、第２グループ二次巻線はＹ結線に移相巻線を付加した二次巻線とΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線とを備えるように構成したので、良く用いられるＹΔ結線の基調をキープしながら移相を実現できる効果がある。
【００５６】
また、この発明によれば、Δ結線に移相巻線を付加した二次巻線は２種類の電圧を持つ巻線を交互に並べた６辺の巻線からなる環状結線構成としたので、２種類の移相に対してリードの取り方の変形だけで対処できる効果がある。
【００５７】
また、この発明によれば、第２グループ二次巻線はＹ結線に移相巻線を付加した千鳥結線から構成したので、任意の角度だけ移相させる場合に適用することができ、任意の角度だけ移相せさながら、組内で所定の角度の位相差を持たせることができる効果がある。
【００５８】
また、この発明によれば、Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線の上記移相巻線を中性点側に接続するように構成したので、絶縁が容易になるという効果がある。
【００５９】
また、この発明によれば、第２グループ二次巻線は三相二つを一組とした２組以上の移相巻線付き三相二次巻線からなり、１２相の第一電力変換器群と１２相以上の第二電力変換器群と合わせて２４相以上の電力変換器群としたので、ＡＣフイルタの軽減効果が大きいという効果がある。
【００６０】
また、この発明によれば、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をそれぞれ三相交流電力系統に並列接続するように構成したので、組内の電流バラツキを軽減でき、かつ、組間での変圧器電圧分担や磁気飽和タイミングのバラツキによる障害を軽減できる効果がある。
【００６１】
また、この発明によれば、変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組み内で一次巻線が直列接続される組みの巻線窓は互いに隣り合う小巻線窓に配置し、上記互いに隣り含う小巻線窓間を区切るバイパス磁路にギャップを設けて構成したので、一次巻線に鎖交する磁東の差磁束が通る該バイパス磁路の磁気抵抗が大きくなり、差磁束が低減される。したがって、互いに直列接続された一次巻線の電圧が均一になりやすく、ひいては二次巻線の電圧も均一にしやすい効果がある。
【００６２】
また、この発明によれば、変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組みを成す巻線窓は互いに軸対称な位置に配置するように構成したので、組み（ペア）内の巻線による起磁力により発生する磁束の磁路から見た磁気パーミアンス（または磁気抵抗）を均一にしやすい。換言すれば、組み（ペア）内の巻線から見た励磁インピーダンスを均一にしやすいという効果がある。
【００６３】
また、この発明によれば、二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をさらに直列接続して三相交流電力系統に接続するように構成したので、全電流のバラツキを軽減でき、かつ、主磁束（基本波磁束）の同相性がキープ出来るので、磁気飽和タイミングのバラツキによる障害も相応に軽減できる効果がある。
【００６４】
また、この発明によれば、直列Ｙ接続された組の一次巻線がさらに並列接続され、その中性点を接地するように構成したので、組内の電流バラツキを軽減でき、かつ、組間での変圧器電圧分担や磁気飽和タイミングのバラツキによる障害を軽減できる効果に加え、超高圧ＡＣ電力系統の絶縁対策にも対応できる効果がある。
【００６５】
また、この発明によれば、一次巻線は全て直列接続してこれらをＹ接続し、その中性点を接地すると共に第１グループの一次巻線を三相交流電力系統に接続する端子側に配置するように構成したので、直流側高電圧かつ交流側高電圧の変圧器が通常ＹΔ結線の二次巻線を持つ変圧器に集約され、絶縁協調が取りやすくなる効果がある。
【００６６】
また、この発明によれば、変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この巻線総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなるように構成したので、変圧器全体を小形にできる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 この発明の実施の形態１によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図２】 この発明の実施の形態２によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図３】 この発明の実施の形態３によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図４】 この発明の実施の形態４によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図５】 この発明の実施の形態４による他のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図６】 この発明の実施の形態４による更に他のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図７】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態５による移相巻線付き二次巻線を示す図である。
【図８】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態６による変圧器の構造を示す図である。
【図９】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態６による他の変圧器の構造を示す図である。
【図１０】 この発明の実施の形態７によるＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図１１】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態８による変圧器の構造を示す図である。
【図１２】 この発明のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置に適した実施の形態９による変圧器の構造を示す図である。
【図１３】 従来のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置を示す回路図である。
【図１４】 三相電力変換器の回路図である。
【図１５】 自己転流式の三相電力変換器の回路図である。
【符号の説明】
１ａ〜１ｆ 一次巻線、２ａ〜２ｆ 二次巻線、２’ｃ〜２’ｆ 移送巻線、３ａ〜３ｆ 三相電力変換器、４ａ〜４ｃ 直流キャパシタ（蓄電手段）、８ 主鉄心、９ａ〜９ｅ バイパス磁路、１０ａ〜１０ｆ 三相変圧器、１１ａ〜１１ｆ 小巻線窓、２０ａ 三相変圧器（第一電力変換器群用変圧器）、２０ｂ，２０ｃ 三相変圧器（第二電力変換器群用変圧器）。
Claims (13)
- 三相交流電力系続に三相一次巻線が接続される変圧器と、この変圧器の複数の三相二次巻線のそれぞれにそれぞれの三相交流端子が接続されかつ少なくとも直流端子を持つ複数の電圧形の電力変換器と、上記直流端子に接続される蓄電手段とを備えたＡＣ／ＤＣ間電力変換装置において、上記複数の三相二次巻線はＹΔ結線された第１グループ二次巻線と上記第１グループ二次巻線に対して位相をシフトさせる移相巻線を持つ第２グループ二次巻線とから成り、上記第１グループ二次巻線に接続される第一電力変換器群の直流端子は上記第２グループ二次巻線に接続される第二電力変換器群の直流端子に対して直列接続され、さらに上記第一電力変換器群を対地直流電圧絶対値が高い方に配置しかつ上記第二電力変換器群を対地直流電圧絶対値が低い方に配置したことを特徴とするＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 第２グループ二次巻線はＹ結線に移相巻線を付加した二次巻線とΔ結線に移相巻線を付加した二次巻線とからなることを特徴とする請求項１記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- Δ結線に移相巻線を付加した二次巻線は２種類の電圧を持つ巻線を交互に並べた６辺の巻線からなる環状結線としたことを特徴とする請求項２記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 第２グループ二次巻線はＹ結線に移相巻線を付加した千鳥結線からなることを特徴とする請求項１記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- Ｙ結線に移相巻線を付加した二次巻線の上記移相巻線を中性点側に接続したことを特徴とする請求項２または請求項４記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 第２グループ二次巻線は三相二つを一組とした１組以上の移相巻線付き三相二次巻線からなり、１２相の第一電力変換器群と１２相以上の第二電力変換器群と合わせて２４相以上の電力変換器群とすることを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をそれぞれ上記三相交流電力系統に並列接続したことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組み内で一次巻線が直列接続される組みの巻線窓は互いに隣り合う小巻線窓に配置し、上記互いに隣り含う小巻線窓間を区切るバイパス磁路にギャップを設けることを特徴とする請求項７記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなり、上記組みを成す巻線窓は互いに軸対称な位置に配置することを特徴とする請求項７記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 二つの三相二次巻線を組とし、組内の二次巻線に結合する一次巻線は組毎に該組内で直列接続し、組内が直列接続された各組の一次巻線をさらに直列接続して上記三相交流電力系統に接続することを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 一次巻線はＹ接続し、その中性点を接地することを特徴とする請求項９記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 一次巻線はＹ接続し、その中性点を接地すると共に第１グループの一次巻線を三相交流電力系統に接続する端子側に配置したことを特徴とする請求項１０記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
- 変圧器はその基本波磁束が通る主鉄心と、この主鉄心により形成される巻線総窓と、この総窓を複数個の小巻線窓に区切り主鉄心の磁路断面積より断面積が小さいバイパス磁路と、これら複数個の小巻線窓に巻き分けられた上記一次巻線及び二次巻線からなることを特徴とする請求項１から請求項１２のうちのいずれか１項記載のＡＣ／ＤＣ間電力変換装置。
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