JP4011534B2 - 多重変換器で構成される直流送電設備及びその運転方法 - Google Patents

Description

本発明は多重変換器を含む直流送電設備及びその運転方法に関するものである。

絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（以下ＩＧＢＴと略称する）のような自己消弧素子で構成される自励式交直変換器は、有効電力と無効電力を独立に、かつ、高速に制御できる。また、自励式交直変換器の転流動作が交流系統の電圧の大きさや波形歪等に影響されないので、直流送電設備や非同期連系装置、特に弱い交流系統に接続される直流送電や非同期連系装置への適用が進められている。

しかし、その適用に当たり自励式交直変換器の損失低減や、コンパクト化が必要である。自励式交直変換器のスイッチング損失を少なくするためには、パルス数を少なくする必要があるが、パルス数を少なくすると交流系統へ流出する高調波電流が増大し、フィルタが必要となる。

少ないパルス数で高調波の発生を少なくするためには、自励式交直変換器を多重接続し、その出力交流電圧の位相を互いにずらすことにより等価的にパルス数を増し、交流系統の電圧波形を正弦波に近似させる方法が考えられている。

多重接続された自励式交直変換器の１つが壊れた場合、通常は直流送電を停止している。しかし、複数台の自励式交直変換器で変換所が構成される場合でも、必ずしも停止することなく、故障した自励式交直変換器をバイパスする回路や切り離す回路を設けることにより運転を継続でき、送電時の信頼度を上げることができる。このような技術は、特許文献１（特開平６−１６５５０６号公報）に記載されている。

特開平６−１６５５０６号公報

自励式交直変換器の１つが壊れた場合にも直流送電を停止することなく運転継続が行え、しかも、変換器の直流電圧指令値の切替えが容易である直流送電設備及びその運転方法を提供することである。

本発明は、直列または並列接続された複数台の自励式交直変換器のうちの１台が故障したとき、故障した自励式交直変換器が直列接続の場合は、その故障した自励式交直変換器をバイパスし、並列接続の場合はその故障した自励式交直変換器を直流系統から切り離し、健全な自励式交直変換器を用いて運転の継続を可能とし、自励式交直変換器のＰＷＭキャリアの位相を健全な自励式交直変換器の個数に応じた位相へ切替えるとともに、自励式交直変換器の直流電圧設定値を切替えることができるようにした多重自励式交直変換器で構成される直流送電設備およびその運転方法を提案するものである。

本発明によれば、多重接続された自励式交直変換器を含む直流送電設備において、自励式交直変換器の１つが壊れた場合にも直流送電を停止することなく運転継続が行え、しかも、変換器への直流電圧指令値の切替えが容易である。

本発明の一実施の形態を、以下図１ないし図４を用いて説明する。図１は、本発明の実施の対象である直流送電設備または非同期連系設備の構成を示している。二つの交流系統１、２は、交流遮断器２１、２２、変換用変圧器３１，３２を介して交流を直流または直流を交流に変換する自励式交直変換器４１，４２へ接続されている。

自励式交直変換器４１は、交流系統１からの交流電力を直流電力へ変換し、自励式交直変換器４２は、その直流電力を交流電力へ変換し、交流系統２へ供給する。この電力変換は逆にすることも可能である。その場合、自励式交直変換器４２は、交流系統２からの交流電力を直流電力へ変換し、自励式交直変換器４１は、その直流電力を交流電力へ変換し、交流系統１へ供給する。

交流系統１，２と変換用変圧器３１，３２の間には送電線のインピーダンス１１、１２が存在する。自励式交直変換器４１、４２は、それぞれ制御装置１１０，１２０により互いに協調して働かせるために信号線１００で繋がれている。

参照符号５１は、設備が直流送電設備を表しているときは、直流送電線と直流リアクトルを合わせたリアクタンスを表し、設備が非同期連系設備を表しているときは単に直流リアクトルを表している。自励式交直変換器４１、４２間を接続する直流母線３８、４０の間には、直流コンデンサ５２，５３が接続されている。本発明は直流送電設備であるか、非同期連系設備であるかは問わず実施可能である。

図２に、自励式交直変換器４１、４２が複数台の自励式交直変換器４１１，４１２，４１３，４１４から構成されている例を示す。直流送電のように直流送電電圧を高くする必要がある場合に採られる例として、４台の自励式交直変換器４１１，４１２，４１３，４１４が直列接続される場合を示している。

この場合、直流送電設備の一方の側は、交流遮断器２１１ないし２１４、変換用変圧器３１１ないし３１４、自励式交直変換器４１１ないし４１４、自励式交直変換器４１１ないし４１４をそれぞれバイパスするバイパススイッチ６１１ないし６１４、直流コンデンサ５２によって構成されている。他方の側の自励式交直変換器４２も同様に構成されている。

直列接続された自励式交直変換器４１１ないし４１４の１つが故障した場合、例えば自励式交直変換器４１１が故障した場合、バイパススイッチ６１１を投入し、交流遮断器２１１を開放する。この操作によって自励式交直変換器４１１が回路から切り離される。

１台の自励式交直変換器４１１がバイパスされることによって、直流電圧が３／４（７５%）に低下するので、運転を継続するためには相手端の制御回路の直流電圧設定値を下げて故障端の電圧に合わせる必要がある。この調整を行わせるための制御ブロックを図３に示す。

図３は、図１に示す直流送電設備の制御装置１１０、または１２０の詳細な構成を説明する制御ブロックである。一般に直流送電設備では電力の潮流方向を双方向に運転することが要求されるので、制御装置１１０，１２０は同じ構成となっており、切替え信号で一方を交流を直流に変換する順変換器として運転し、他方を直流を交流に変換する逆変換器として運転する。

通常、順変換器では直流系統の直流電圧を規定値に保つ制御を行い、逆変換器において負荷に必要な有効電力を指定の値に制御する。したがって、制御回路には直流電圧と有効電力を制御する両方の制御回路が備わっている。

この回路は、有効分と無効分を制御する制御回路１１１、制御回路１１１の指令に応じて自励式交直変換器４１または４２の制御パルスを作るＰＷＭパルス作成回路１１２、ＰＷＭパルス作成時のキャリア信号発生回路１１３とからなっている。

キャリア信号発生回路１１３は、変調波の位相を切替える位相切替え信号ＳＷＢと、通常運転時のキャリア位相を指令するキャリア位相指令値Ｓ１、及び変換器の１台が故障した場合にキャリア位相を指令するキャリア位相指令値Ｓ２を入力として持つ。

故障のない通常運転時のキャリア位相指令値Ｓ１は、自励式変換器が４段の自励式変換器で構成される場合は、交流側で４台の変換器間で高調波を打ち消すために、それぞれの自励式交直変換器４１１ないし４１４は、４５度（１８０／４）になるよう各キャリアの位相を移相する。

一方、１台の変換器が故障した場合は、残りの健全な変換器の位相は、６０度（１８０／３）へキャリアの位相を移相することによって交流側の高調波を３台の変換器間で打ち消させることができる。

ＰＷＭパルス作成回路１１２は、制御回路１１１で作成された制御演算結果に応じた振幅と位相を持った三相正弦波（変調波）と、キャリア信号発生回路１１３で作られた振幅が一定で位相の異なる三角波（キャリアまたは搬送波と呼ぶ）との比較を行い、搬送波が変調波よりも振幅が大きくなったときに変換器にオンパルス、その他のときにオフパルスを出力する。このような装置は、よく知られていることである。

図４に図３の制御回路１１１の詳細ブロック図と、キャリア信号発生回路１１３の詳細ブロック図を示す。直流電圧指令値切替回路１１１１は、故障のない通常運転時の直流電圧指令値Ｖｄ１（Ｖｄ１＝１）、変換器１台の故障時の電圧指令値Ｖｄ２（Ｖｄ２＝０．７５（３／４））を与えておく。１台の変換器の故障が検出されたとき、切替え信号ＳＷＡにより直流電圧設定値をＶｄ１からＶｄ２へ切替える。このように切替信号ＳＷＡによって変換器の直流電圧指令を切替えることが可能であり、タップ切替器のような複雑な機械的電圧調整器を用いることなく、設定値を変更するだけで変換器の数に応じて直流電圧を簡単に変更できる。

自励式交直変換器４１または４２の出力直流電圧を、指令値である直流電圧指令値切替回路１１１１の出力値にフィードバック制御する直流電圧制御回路１１１２、自励式交直変換器４１または４２の有効電力出力を指定の値に制御する有効電力制御回路１１１３、直流電圧制御回路１１１２の出力と有効電力制御回路１１１３の出力のうち、適切な出力を選択する、信号選択回路１１１４を備えている。一般に交流を直流に変換する順変換器では直流電圧制御回路１１１２の出力が選択され、直流を交流に変換する逆変換器では負荷に与える電力を指定の値にするため有効電力制御回路１１１３の出力が選択される。

無効分制御回路(無効電力制御回路または交流電圧制御回路)１１１５は、自励式交直変換器４１または４２の交流側の無効電力または交直連系点(変換用変圧器３１または３２の系統側の電圧を指定の一定値に制御する。

非干渉電流制御回路１１１６は、選択回路１１１４の出力である有効分電力制御回路１１３の出力(有効分電流指令値)と無効分制御回路１１１８の出力(無効分電流指令値)を入力とし、交流電流をｄｑ変換して得られた有効分電流と無効分電流をそれぞれの指令値になるよう非干渉制御する。

変調波作成回路１１１７は、非干渉電流制御回路１１１６の出力を逆ｄｑ変換し、更に２軸／３軸変換して、自励式交直変換器４１または４２が出力すべき交流電圧波形に比例した変調波波形を出力する。

ＰＷＭパルス作成回路１１２は、変調波とキャリア波を比較し、自励式交直変換器４１または４２をオン・オフするパルスＰ１、Ｐ２，………Ｐｎを作成する。キャリア波作成回路１１３は、切替回路１１３１とキャリア波発生回路１１３２からなる。参照符号Ｓ１、Ｓ２は、それぞれ通常時および故障時のキャリアの位相信号指令である。

自励式交直変換器４１または４２が図２に示すように４段構成からなる場合、Ｓ１＝（０、４５、９０及び１３５度）の指令値であり、１段が故障した場合は故障検出指令ＳＷＢによって故障時の位相指令値Ｓ２＝(０、６０、及び１２０度)に切り替わる。

キャリア波発生回路１１３２では、位相指令値に従った位相を持ったキャリアが通常時は４つのキャリア波、１台故障時は３つのキャリア波が出力され、ＰＷＭパルス作成回路１１２で前述の三相変調波と比較されパルスが作られる。

ここで、各段の出力直流電圧を定常的にも過渡的にも常に均等電圧に制御することが、変換器の合理的設計上必要となる。このための直流電圧均等分担制御回路として、特許出願０１−２１７６９５に明らかにされているように、この実施例に書かれた回路を図３の制御回路に付加することにより各段の直流電圧の分担を均等にできる。

以上の回路構成により、多重接続された自励式交直変換器から構成される直流送電設備において、自励式交直変換器の１台が壊れた場合にも直流送電を停止することなく運転継続が行えるので送電信頼度を上げることができる。

図５は、本発明の他の実施の形態を示す図で、自励式交直変換器４１、４２が複数台の自励式交直変換器で構成される場合、非同期連系設備の場合のように直流送電電圧を必ずしも高くする必要がなく、変換容量を大きくしたいときに用いられる構成例である。

複数台の自励式交直変換器が交流側で並列接続され、直流側で並列接続される。前述と同様に交流遮断器２１１ないし２１４、変換用変圧器３１１ないし３１４、自励式交直変換器４１１ないし４１４、自励式交直変換器を直流系統から切離す切離しスイッチ７１１ないし７１４とから構成される。

自励式交直変換器７１１ないし７１４の１つが故障した場合、例えば自励式交直変換器４１１が故障した場合、切離しスイッチ７１１で直流系統から切離し、交流遮断器２１１を開放する。変換器１台が切離されてもこの場合、自励式交直変換器は直流側で並列接続されているので、直流電圧は故障前と変わらず、制御回路の直流電圧設定値を変える必要はない。

この場合の制御回路のブロック図も前述の図３と同じ回路を使用でき、この場合の直流電圧の指令値を切替える必要はなく、キャリア位相のみを切替えれば良い。複数台の自励式交直変換器の１台が故障した場合、故障検出により故障の自励式交直変換器の切離しスイッチで自励式交直変換器を切離し、制御回路ではキャリア位相を健全な自励式交直変換器の個数に応じた位相に切替える。

この操作により、前述同様に多重接続された自励式交直変換器から構成される直流送電設備において、自励式交直変換器の１1台が壊れた場合にも直流送電を停止することなく運転継続が行えるので送電信頼度を上げることができる。

図６に本発明の運転方法を単相の自励式交直変換器が複数台、直並列接続して構成されるチェインリンクコンバータからなる場合に適用した実施例を示す。図６はチェインリンクコンバータを直流送電に適用する場合を示し、単相の自励式交直変換器６台が交流側と直流側で直列接続されて、これが三相構成されている。

図に従って説明すると、単相の変換用変圧器３０１から３０６、交流遮断器８０１から８０６、単相の自励式交直変換器４０１から４０６、単相の自励式交直変換器をバイパスするバイパススイッチ９０１から９０６を備えている。単相の変換用変圧器３０１から３０６，交流遮断器８０１から８０６，単相の自励式交直変換器４０１から４０６，バイパススイッチ９０１から９０６からなる構成がＶ相、Ｗ相にも備えられ、直流側で並列接続される。

制御回路は図３と同様であるが、この場合、単相の自励式交直変換器が６台から構成されるので、直流電圧の切替えは１ｐｕ(定格値)から５／６ｐｕへの切替え、キャリア周波数が、１８０／６即ち、０、３０、６０、９０，１２０，及び１５０度、から１８０／５、即ち、０、３６、７２，１０８，及び１４４度へ切替えられる。

動作は図２の場合と同様で、複数台の単相自励式交直変換器の１台が故障した場合、故障検出により故障の単相自励式交直変換器のバイパススイッチで自励式交直変換器をバイパスし、交流遮断器を開く。

同時に他の相の該当する位置にある単相自励式交直変換器も同様にバイパスし、交流遮断器を開く。制御回路ではキャリア位相を健全な自励式交直変換器の個数に応じた位相に切替える。この操作により、前述同様に多重接続された単相自励式交直変換器から構成される直流送電設備において、単相自励式交直変換器の１つが壊れた場合にも直流送電を停止することなく運転継続が行えるので送電信頼度を上げることができる。

以上の説明では、単相自励式交直変換器が交流側及び直流側で直列接続された場合について述べたが、図５と同様に単相自励式交直変換器６台が直流側で並列接続されて構成される場合も、前述の図５及び図６で述べたと同様な操作により運転継続できることは明らかである。

本発明の対象とする直流送電設備または非同期連系設備の構成を示す図である。 ４台の自励式交直変換器が交流側で並列接続され、直流側で直列接続されて構成される場合の本発明の実施例である。 本発明の直流送電設備の制御装置である。 制御ブロックの詳細を示すブロックダイアグラムである。 ４台の自励式交直変換器が交流側で並列接続され、直流側で並列接続されて構成される場合の本発明の実施例である。 本発明をチエインリンクコンバータからなる変換器に適用した場合の実施例である。

符号の説明

１、２…交流系統、１１、１２…送電線のインピーダンス、２１、２２…交流遮断器、３１、３２…変換用変圧器、４１，４２…自励式交直変換器、１１０，１２０…制御装置、５１…直流送電線のリアクタンス、５２，５３…直流コンデンサ、２１１〜２１４…交流遮断器、３１１〜３１４…変換用変圧器、４１１〜４１４…自励式交直変換器、６１１〜６１４…バイパススイッチ、１１１…有効分と無効分を制御する制御回路、１１２…ＰＷＭパルス作成回路、１１３…キャリア信号発生回路、１１１１…直流電圧指令値切替回路、Ｖｄ１…通常運転時の直流電圧指令値（Ｖｄ１＝１）、Ｖｄ２…変換器１台故障時の電圧指令値（Ｖｄ２＝０．７５（３／４））、ＳＷＡ…直流電圧指令値切替え信号、１１１２…直流電圧制御回路、１１１３…有効電力制御回路、１１１４…信号選択回路、１１１５…無効分制御回路(無効電力制御回路または交流電圧制御回路)、１１１６…非干渉電流制御回路、１１１７…変調波作成回路、１１３１…切替回路、１１３２…キャリア波発生回路１１３２、Ｓ１…通常時のキャリア位相信号指令、Ｓ２…故障時のキャリア位相指令値、ＳＷＢ…位相切替え信号、７１１〜７１４…切離しスイッチ、３０１〜３０６…単相の変換用変圧器、８０１〜８０６…交流遮断器、４０１〜４０６…単相の自励式交直変換器、９０１〜９０６…バイパススイッチ。

Claims (2)

1. 直列または並列接続された複数台の自励式交直変換器のうちの1台が故障したとき、故障した自励式交直変換器が直列接続の場合は、その故障した自励式交直変換器をバイパスし、並列接続の場合は、その故障した自励式交直変換器を直流系統から切り離し、健全な自励式交直変換器を用いて運転の継続を可能とし、自励式交直変換器のパルス幅変調（以下PWMと略称する）キャリアの位相を健全な自励式交直変換器の個数に応じた位相へ切替えるとともに、自励式交直変換器の直流電圧設定値を故障発生側の直流電圧値に合わせて切替えることを特徴とする多重自励式交直変換器で構成される直流送電設備の運転方法。
2. 直列または並列接続された複数台の自励式交直変換器と、前記自励式交直変換器のうちの1台が故障したとき、故障した自励式交直変換器が直列接続の場合は、その故障した自励式交直変換器をバイパスし、並列接続の場合は、その故障した自励式交直変換器を直流系統から切り離し、健全な自励式交直変換器を用いて運転の継続を可能とするバイパススイッチ、または開閉器及び遮断器と、前記自励式交直変換器のPWMキャリアの位相を健全な自励式交直変換器の個数に応じた位相に切替える位相切替器と、前記自励式交直変換器の直流電圧設定値を故障発生側の直流電圧値に合わせて切替える直流電圧切替器を備えることを特徴とする多重自励式交直変換器で構成される直流送電設備。

Images