JP4524666B2

JP4524666B2 - 電力変換装置及び制御方法

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Publication number: JP4524666B2
Application number: JP2005353355A
Authority: JP
Inventors: 宏和鈴木; 達人中島; 純弥菅野
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Current assignee: Tokyo Electric Power Co Inc
Priority date: 2005-12-07
Filing date: 2005-12-07
Publication date: 2010-08-18
Anticipated expiration: 2025-12-07
Also published as: JP2007159312A

Description

本発明は、電力変換装置及び制御方法に関する。

３相電力系統に使用される電力変換器（交直変換器等）は、他励式変換器と自励式変換器とに大別される。他励式変換器は、一線地絡等の非対称事故時において運転継続不能となる場合があり、これにより非対称事故中は安定した電力供給を行えなくなるという欠点がある。一方、自励式変換器は、非対称事故時において送電電力は低下するものの運転継続が可能であり、ある程度の送電安定性を確保することができる。

例えば、特開平０７−２０００８４号公報には、３相電力系統において、１線地絡等の非対称系統事故が発生した場合の電力変換装置の制御方法に関する技術が開示されている。この技術は、３相電力系統の３相交流電圧を実部，虚部に分けて測定し、瞬時対称座標法により正相分の位相を演算することで、３相の内１線が地絡して送電電圧が零になっても精度良く位相を検出し、該位相に基づいて電力変換装置を制御することにより当該電力変換装置を停止させることなく運転を継続可能にするものである。
特開平０７−２０００８４号公報

ところで、上記のような送電電力の低下は最小限に抑えることが望ましいが、一般には自励式変換器は３相変換器であるが故に、３相交流平衡条件（３相電圧または電流の総和は常に零）に制約されるため、非対称事故中に送電可能な有効電力は事故状況（事故点、地絡抵抗等）や系統条件（系統インピーダンス、短絡容量等）に依存してほぼ決まってしまい、積極的に送電電力を確保するには限界があった。また、これら事故状況及び系統条件の変化によって送電電力が変動するため、安定した電力供給を行うことができなかった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであり、非対称事故中において最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明では、電力変換装置に係わる第１の解決手段として、一方の３相電力系統から供給される３相交流電力を独立した第１〜第３の単相交流電力に変換する第１の変圧器と、前記第１〜第３の単相交流電力をそれぞれ独立して直流電力に変換すると共に該直流電力を第４〜第６の単相交流電力に変換する第１〜第３の交流／直流／交流変換手段と、前記第４〜第６の単相交流電力を３相交流電力に変換して他方の３相電力系統に供給する第２の変圧器と、他方の３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する地絡検出手段と、他方の３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する電圧属性検出手段と、前記地絡検出信号に同期して前記電圧属性検出手段から交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し、当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御する制御手段とを具備する、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、前
記制御手段は、一線地絡事故が発生した場合、前記電圧属性検出手段から交流電圧属性として２相の各健全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、各健全相の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるように前記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御する、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段にお
いて、前記制御手段は、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるように前記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御する、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第４の解決手段として、上記第１〜３のいずれかの解決手
段において、前記制御手段は、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御することを特徴とする、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第５の解決手段として、直流電源から供給される直流電力
をそれぞれ独立して第１〜第３の単相交流電力に変換する第１〜第３の直流／交流変換手段と、前記第１〜第３の単相交流電力を３相交流電力に変換して３相電力系統に供給する変圧器と、前記３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する地絡検出手段と、前記３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する電圧属性検出手段と、前記地絡検出信号に同期して前記電圧属性検出手段から交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し、当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第１〜第３の直流／交流変換手段を制御する制御手段とを具備する、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、前
記制御手段は、一線地絡事故が発生した場合、前記電圧属性検出手段から交流電圧属性として２相の各健全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、各健全相の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるように前記第１〜第３の直流／交流変換手段を制御する、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第７の解決手段として、上記第５または６の解決手段にお
いて、前記制御手段は、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるよう
に前記第１〜第３の直流／交流変換手段を制御する、という手段を採用する。

また、電力変換装置に係わる第８の解決手段として、上記第５〜７いずれかの解決手段
において、前記制御手段は、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第１
〜第３の直流／交流変換手段を制御する、という手段を採用する。

一方、制御方法に係わる第１の解決手段として、一方の３相電力系統から供給される３
相交流電力を独立した第１〜第３の単相交流電力に変換する第１の工程と、前記第１〜第３の単相交流電力をそれぞれ独立して直流電力に変換すると共に当該直流電力を第４〜第６の単相交流電力に変換する第２の工程と、前記第４〜第６の単相交流電力を３相交流電力に変換して他方の３相電力系統に供給する第３の工程と、前記他方の３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する第４の工程と、前記他方の３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する第５の工程と、前記地絡検出信号に同期して前記交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第２の工程を制御する第６の工程とを有する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第２の解決手段として、上記第１の解決手段において、一線地絡事故が発生した場合、前記第５の工程で、前記交流電圧属性として２相の各健全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、前記第６の工程では、各健全相の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるように前記第２の工程を制御する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第３の解決手段として、上記第１または２の解決手段において
、前記第６の工程では、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるよう
に前記第２の工程を制御する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第４の解決手段として、上記第１〜３いずれかの解決手段にお
いて、前記第６の工程では、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第２
の工程を制御する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第５の解決手段として、直流電源から供給される直流電力をそ
れぞれ独立して第１〜第３の単相交流電力に変換する第１の工程と、前記第１〜第３の単相交流電力を３相交流電力に変換して３相電力系統に供給する第２の工程と、前記３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する第３の工程と、前記３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する第４の工程と、前記地絡検出信号に同期して交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し、当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第１の工程を制御する第５の工程とを有する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第６の解決手段として、上記第５の解決手段において、一線地絡事故が発生した場合、前記第４の工程で、前記交流電圧属性として２相の各健全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、前記第５の工程では、各健全相の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるように前記第１の工程を制御する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第７の解決手段として、上記第５または６の解決手段において
、前記第５の工程では、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるよう
に前記第１の工程を制御する、という手段を採用する。

また、制御方法に係わる第８の解決手段として、上記第５〜７いずれかの解決手段にお
いて、前記第５の工程では、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第１
の工程を制御する、という手段を採用する。

本発明によれば、一方の３相電力系統の３相交流電力を一度３相交流平衡条件に制約されない３つの単相交流電力に変換し、これらを３つの交流／直流／交流変換手段にてそれぞれ独立に制御して電力変換を行い、第２の変圧器によって再び３相交流電力に変換して他方の３相電力系統に供給する構成となっている。すなわち、一線地絡等の非対称事故が発生した場合でも、健全相に供給する電流をそれぞれ独立に制御することが可能になる。従って、非対称事故中において、健全相の送電電圧の位相と同位相の電流が当該健全相に供給されるように、上記交流／直流／交流変換手段を制御することで、最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。

また、本発明の電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を３つの直流／交流
変換手段にてそれぞれ独立に単相交流電力への変換を行い、変圧器によって３相交流電力に変換して３相電力系統に供給する構成を採用することができる。従って、燃料電池や蓄電池等の直流電源を３相交流電力に変換する電力変換装置として用いることにより、直流電源と３相電力系統とが連系した電力系統において、非対称事故中であっても最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係わる電力変換装置の構成概略図である。なお、図１において、本電力変換装置Ｒは第１の電力系統Ａと第２の電力系統Ｂとを連系しているものである。

電力変換装置Ｒは、例えば系統周波数６０Ｈｚの３相交流電力（つまり第１の電力系統Ａの３相交流電力）を、系統周波数５０Ｈｚの３相交流電力（つまり第２の電力系統Ｂの３相交流電力）に変換するものである。この電力変換装置Ｒは、その構成要素として、第１の変圧器Ｒ１、第１のコンバータ回路Ｒ２、第２のコンバータ回路Ｒ３、第３のコンバータ回路Ｒ４、平滑コンデンサＲ５、Ｒ６、Ｒ７、第１のインバータ回路Ｒ８、第２のインバータ回路Ｒ９、第３のインバータ回路Ｒ１０、第２の変圧器Ｒ１１、第１の零相変流器Ｒ１２、第１の計測用変圧器Ｒ１３、第１の計測用変流器Ｒ１４、第１の電力制御部Ｒ１５、第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６、第２の零相変流器Ｒ１７、第２の計測用変圧器Ｒ１８、第２の計測用変流器Ｒ１９、第２の電力制御部Ｒ２０及び第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１を備えている。

第１の変圧器Ｒ１は、１次側コイルと２次側コイルとがＹ−Δ結線されたものであるが、２次側のΔ結線は、一般的な３相変圧器のように各相のコイルの終端を次の相のコイルの始端に順次接続するような結線はなされておらず、各相のコイルは完全に他相と独立するような結線となっている。すなわち、第１の変圧器Ｒ１は、第１の電力系統Ａから１次側コイルに入力される３相交流電力を、２次側コイルにおいて３相交流平衡条件に制約されることのない独立した３つの単相交流電力に変換するものである。このように、第１の変圧器Ｒ１は、２次側コイルから第１の電力系統Ａの各相（ａ相、ｂ相、ｃ相）の供給電力に対応する第１の単相交流電力Ｐａを第１のコンバータ回路Ｒ２に、第２の単相交流電力Ｐｂを第２のコンバータ回路Ｒ３に、第３の単相交流電力Ｐｃを第３のコンバータ回路Ｒ４にそれぞれ出力する。なお、１次側コイルのＹ結線の中性点は抵抗接地されている。

第１のコンバータ回路Ｒ２、第２のコンバータ回路Ｒ３及び第３のコンバータ回路Ｒ４は、複数の半導体スイッチング素子、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）のブリッジ回路で構成されており、このＩＧＢＴをＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより各単相交流電力をそれぞれ直流電力に変換するものである。すなわち、第１のコンバータ回路Ｒ２は、第１の変圧器Ｒ１から入力された第１の単相交流電力Ｐａを第１の直流電力Ｐａ１に変換して平滑コンデンサＲ５及び第１のインバータ回路Ｒ８に出力する。同様に、第２のコンバータ回路Ｒ３は、第１の変圧器Ｒ１から入力された第２の単相交流電力Ｐｂを第２の直流電力Ｐｂ１に変換して平滑コンデンサＲ６及び第２のインバータ回路Ｒ９に出力する。また、第３のコンバータ回路Ｒ４は、第１の変圧器Ｒ１から入力された第３の単相交流電力Ｐｃを第３の直流電力Ｐｃ１に変換して平滑コンデンサＲ７及び第３のインバータ回路Ｒ１０に出力する。

平滑コンデンサＲ５、Ｒ６、Ｒ７は、上記第１〜第３の直流電力Ｐａ１〜Ｐｃ１に含まれている交流成分を低減するために設けられているものである。

第１のインバータ回路Ｒ８、第２のインバータ回路Ｒ９、第３のインバータ回路Ｒ１０は、複数のＩＧＢＴのブリッジ回路で構成されており、このＩＧＢＴをＰＷＭ制御することにより上記各直流電力をそれぞれ単相交流電力に変換するものである。すなわち、第１のインバータ回路Ｒ８は、第１のコンバータ回路Ｒ２から入力された第１の直流電力Ｐａ１を第４の単相交流電力Ｐａ２に変換して第２の変圧器Ｒ１１に出力する。同様に、第２のインバータ回路Ｒ９は、第２のコンバータ回路Ｒ３から入力された第２の直流電力Ｐｂ１を第５の単相交流電力Ｐｂ２に変換して第２の変圧器Ｒ１１に出力する。また、第３のインバータ回路Ｒ１０は、第３のコンバータ回路Ｒ４から入力された第３の直流電力Ｐｃ１を第６の単相交流電力Ｐｃ２に変換して第２の変圧器Ｒ１１に出力する。これら第４〜第６の単相交流電力Ｐａ２〜Ｐｃ２は第２の電力系統Ｂの系統周波数（５０Ｈｚ）と同じ周波数に変換されたものである。

第２の変圧器Ｒ１１は、１次側コイルに上記第１の変圧器Ｒ１の２次側コイルと同様、各相のコイルが完全に他相と独立するような結線がなされており、これら各コイルに入力された上記第４〜第６の単相交流電力Ｐａ２〜Ｐｃ２を２次側コイル（Ｙ結線）において３相交流電力に変換して第２の電力系統Ｂに出力する。なお、２次側コイルのＹ結線の中性点は抵抗接地されている。

第１の零相変流器Ｒ１２は、第２の電力系統Ｂの各相に接続されており、当該各相のいずれかに地絡が生じた場合に発生する零相電流を検出することで地絡の発生を検知し、当該地絡の発生を示す地絡検出信号を第１の電力制御部Ｒ１５へ出力する。第１の計測用変圧器（電圧属性検出手段）Ｒ１３は、第２の電力系統Ｂの各相に接続されており、大きな電圧値である各相の送電電圧を計測可能な電圧値に変換するものであり、第１の電力制御部Ｒ１５の要求に応じて、健全相の送電電圧（対地電圧）の実効値及び位相を検出し、これら実効値及び位相を示す電圧属性信号を第１の電力制御部Ｒ１５に出力する。

第１の計測用変流器Ｒ１４は、第２の電力系統Ｂの各相に流れる電流を計測し、当該各相の電流値を示す電流計測信号を第１の電力制御部Ｒ１５に出力する。第１の電力制御部Ｒ１５は、上記第１の零相変流器Ｒ１２から入力される地絡検出信号及び第１の計測用変流器Ｒ１４から入力される電流計測信号に基づいて地絡相を判定し、第１の計測用変圧器Ｒ１３に健全相の送電電圧（対地電圧）の実効値及び位相の検出及び電圧属性信号の出力を要求する。さらに、この第１の電力制御部Ｒ１５は、上記電圧属性信号に基づいて、健全相に所定の送電電圧及び電流が供給されるように、第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６を制御するための地絡時電力制御信号を当該第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６に出力する。なお、第１の電力制御部Ｒ１５は、第２の電力系統Ｂにおいて地絡が発生していない時（第１の零相変流器Ｒ１２から地絡検出信号が入力されない場合）は、通常運転用の通常時電力制御信号を第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６に出力する。

第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６は、上記ＩＧＢＴのゲートのオン／オフを制御するＰＷＭ信号を生成するものであり、第１の電力制御部Ｒ１４から入力される地絡時電力制御信号及び通常時電力制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成して、第１のインバータ回路Ｒ８、第２のインバータ回路Ｒ９及び第３のインバータ回路Ｒ１０に出力する。

一方、第２の零相変流器Ｒ１７は、第１の電力系統Ａの各相に接続されており、当該各相のいずれかに地絡が生じた場合に発生する零相電流を検出することで地絡の発生を検知し、当該地絡の発生を示す地絡検出信号を第２の電力制御部Ｒ２０へ出力する。第２の計測用変圧器Ｒ１８は、第１の電力系統Ａの各相に接続されており、大きな電圧値である各相の送電電圧を計測可能な電圧値に変換するものであり、第２の電力制御部Ｒ２０の要求に応じて、健全相の送電電圧（対地電圧）の実効値及び位相を検出し、これら実効値及び位相を示す電圧属性信号を第２の電力制御部Ｒ２０に出力する。

第２の計測用変流器Ｒ１９は、第１の電力系統Ａの各相に流れる電流を計測し、当該各相の電流値を示す電流計測信号を第２の電力制御部Ｒ２０に出力する。第２の電力制御部Ｒ２０は、上記第２の零相変流器Ｒ１７から入力される地絡検出信号及び第２の計測用変流器Ｒ１９から入力される電流計測信号に基づいて地絡相を判定し、第２の計測用変圧器Ｒ１８に健全相の送電電圧（対地電圧）の実効値及び位相の検出及び電圧属性信号の出力を要求する。さらに、この第２の電力制御部Ｒ２０は、上記電圧属性信号に基づいて、健全相に所定の送電電圧及び電流が供給されるように、第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１を制御するための地絡時電力制御信号を当該第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１に出力する。なお、第２の電力制御部Ｒ２０は、第１の電力系統Ａにおいて地絡が発生していない時は、通常運転用の通常時電力制御信号を第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１に出力する。

第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１は、上記ＩＧＢＴのゲートのオン／オフを制御するＰＷＭ信号を生成するものであり、第２の電力制御部Ｒ２０から入力される地絡時電力制御信号及び通常時電力制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成して、第１のコンバータ回路Ｒ２、第２のコンバータ回路Ｒ３及び第３のコンバータ回路Ｒ４に出力する。

上記の構成要素の内、第１のコンバータ回路Ｒ２、平滑コンデンサＲ５及び第１のインバータ回路Ｒ８は単相交流／直流／単相交流変換器を構成しており、また、第２のコンバータ回路Ｒ３、平滑コンデンサＲ６及び第２のインバータ回路Ｒ９も同様に単相交流／直流／単相交流変換器を構成し、第３のコンバータ回路Ｒ４、平滑コンデンサＲ７及び第３のインバータ回路Ｒ１０も同様に単相交流／直流／単相交流変換器を構成している。すなわち、本電力変換装置Ｒは、３つの単相交流／直流／単相交流変換器を備え、第１の変圧器Ｒ１から出力される３つの単相交流電力をそれぞれの単相交流／直流／単相交流変換器を独立に制御することによって電力変換を行っている。これが本電力変換装置Ｒの構成上の最大の特徴である。

次に、上記のような構成の本電力変換装置Ｒの非対称事故時における動作について説明する。なお、以下では、第１の電力系統Ａから第２の電力系統Ｂに電力供給する場合を想定し、非対称事故時として第２の電力系統Ｂのａ相に一線地絡が発生した場合について説明する。

図２は、第１の電力制御部Ｒ１５の動作フローチャート図である。まず、第１の電力制御部Ｒ１５は、第１の零相変流器Ｒ１２から地絡検出信号が入力されたか否かを判定する（ステップＳ１）。このステップＳ１において、「NO」、つまり地絡が発生していない場合、第１の電力制御部Ｒ１５は、通常運転（周波数変換）を行うための通常時電力制御信号を第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６に出力する（ステップＳ２）。第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６は、上記通常時電力制御信号に基づいて生成したＰＷＭ信号を第１のインバータ回路Ｒ８、第２のインバータ回路Ｒ９及び第３のインバータ回路Ｒ１０に出力する。一方、第２の電力制御部Ｒ２０も、通常時電力制御信号を第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１に出力し、当該第２のＰＷＭ信号発生回路Ｒ２１は、上記通常時電力制御信号に基づいて生成したＰＷＭ信号を第１のコンバータ回路Ｒ２、第２のコンバータ回路Ｒ３及び第３のコンバータ回路Ｒ４に出力する。これら各コンバータ回路及びインバータ回路によって上記ＰＷＭ信号に基づく電力変換が行われ、通常運転が行われる。

また、ステップＳ１において、「YES」、つまりａ相に一線地絡が発生した場合、第１の電力制御部Ｒ１５は、第１の計測用変流器Ｒ１４から入力される電流計測信号（各相に流れる電流）から地絡相をａ相と判定する（ステップＳ３）。続いて、第１の電力制御部Ｒ１５は、第１の計測用変圧器Ｒ１３に対し、健全相、つまりｂ相の送電電圧の実効値Ｖ_ｂ及び位相φ_ｂと、ｃ相の送電電圧の実効値Ｖ_ｃ及び位相φ_ｃとを検出し、これら健全相の電圧属性情報を示す電圧属性信号を出力するように要求し、上記健全相の電圧属性情報を取得する（ステップＳ４）。

そして、第１の電力制御部Ｒ１５は、上記のように取得したｂ相送電電圧の実効値Ｖ_ｂ及び位相φ_ｂと、ｃ相送電電圧の実効値Ｖ_ｃ及び位相φ_ｃとから下記条件式（１）〜（３）に基づいて、地絡事故中にｂ相に供給すべき電流の実効値Ｉ_ｂ及び位相θ_ｂと、ｃ相に供給すべき電流の実効値Ｉ_ｃ及び位相θ_ｃとを決定する（ステップＳ５）。

つまり、上記条件式（１）〜（３）からわかるように、ｂ相の送電電圧の実効値Ｖ_ｂと電流の実効値Ｉ_ｂとの積が、ｃ相の送電電圧の実効値Ｖ_ｃと電流の実効値Ｉ_ｃとの積と等しくなるように、ｂ相電流の実効値Ｉ_ｂ及びｃ相電流の実効値Ｉ_ｃを決定し、また、ｂ相及びｃ相共に、送電電圧の位相と同相になるように各相電流の位相を決定する。

このように、健全相において、送電電圧の位相と同相になるように各相電流の位相を制御することにより、一線地絡事故中の送電電力を最大限確保することができる。また、一線地絡事故中における健全相の送電電圧は事故条件によってほぼ決まってしまうため、事故前の値から変化する場合があり、その値によっては、ｂ相の送電電力とｃ相の送電電力とに不平衡が生じるため、安定した電力供給を行えなくなる場合もある。従って、上記条件式（１）を適用することによって、ｂ相の送電電力とｃ相の送電電力とに不平衡が生じることを防止することができる。

なお、上記条件式（１）を適用することにより、ｂ相の送電電力とｃ相の送電電力とに不平衡が生じることを防ぐことはできるが、これら２相の健全相から得られるトータルの送電電力はある程度低下してしまう。従って、供給可能な送電電力の最大値を重視する場合、上記条件式（１）は必須でなく、例えば次のような電流制御を行うこともできる。

まず、最も大きな送電電力を確保可能な電流制御方法について説明する。
通常、地絡事故中において過大な電流が流れることを防ぐために、電力変換装置の電流供給能力の１００％以下となるような電流が供給されるように電流リミッタを設けることが一般的である。そこで、この電流供給能力に冗長性を持たせる、すなわち通常運転では電流供給能力の１００％以下の電流を供給し、地絡事故中には１００％より大きな電流を健全相に供給する。なお、この場合、上記条件式（１）は必要なく、条件式（２）及び（３）のみを満足すれば良い。

また、上記の電流制御方法よりは送電電力は小さくなるが、電流供給能力に冗長性を持たせない場合、電流供給能力の１００％の電流を健全相に供給するようにしても良い。この場合も、上記条件式（１）は必要なく、条件式（２）及び（３）のみを満足すれば良い。上記条件式（１）〜（３）を適用した場合、この電流制御方法よりさらに送電電力が小さくなるが、この場合も事故前と同等または可能な限り大きな電流を供給することが望ましい。なお、実運用上は、事故前に各相に供給されていた有効電力に可能な限り近い有効電力を供給するように電流制御を行う。

さて、第１の電力制御部Ｒ１５は、上記のように決定された実効値及び位相を有するｂ相及びｃ相電流が、ｂ相及びｃ相に対応するインバータ回路にて生成されるように地絡時電力制御信号を第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６に出力する（ステップＳ６）。
なお、通常、事故相であるａ相には電流の供給を停止するが、事故前と同様の電流が出力されるように第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６を制御することもできる。このように事故相にも電流を出力することによって、健全な第１の電力系統Ａに悪影響を及ぼすことを防ぐこともできる。この場合、事故相には過大な電流が流れるため、電流リミッタを設ける必要がある。

第１のＰＷＭ信号発生回路Ｒ１６は、上記のような地絡時電力制御信号に基づいてＰＷＭ信号を生成すると共に、当該ＰＷＭ信号を各相に対応する第２の変圧器Ｒ１１の１次側コイルに単相交流電力を供給しているインバータ回路（第１のインバータ回路Ｒ８、第２のインバータ回路Ｒ９及び第３のインバータ回路Ｒ１０）に出力する。これらのインバータ回路は、ＰＷＭ信号に基づいてＩＧＢＴをスイッチングすることにより、上記ステップＳ５で決定された電流を第２の変圧器Ｒ１１を介して第２の電力系統Ｂに供給する。つまり、健全相であるｂ相には、上記条件式（１）及び(２)を満たす実効値及び位相を有するｂ相電流が供給され、ｃ相には上記条件式（１）及び(３)を満たす実効値及び位相を有するｃ相電流が供給される。

以上のように、各条件式（１）〜（３）を満たす電流を健全相に供給することによって、非対称事故中において最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。その原理について以下詳細に説明する。

まず、第２の電力系統Ｂのａ相、ｂ相、ｃ相の送電電圧の瞬時電圧をｖ_ａ、ｖ_ｂ、ｖ_ｃ、瞬時電流をｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃとし、下記（４）〜（９）式のように定義する。

上式（４）〜（９）において、Ｖ_ａ、Ｖ_ｂ、Ｖ_ｃはそれぞれ各相の送電電圧の実効値であり、また、Ｉ_ａ、Ｉ_ｂ、Ｉ_ｃはそれぞれ各相電流の実効値である。一方、図３のベクトル図に示すように、φ_ｂはｖ_ａを基準ベクトルとしたｖ_ｂの位相であり、同様にφ_ｃもｖ_ａを基準ベクトルとしたｖ_ｃの位相である。また、θ_ａ、θ_ｂ、θ_ｃはそれぞれｖ_ａを基準ベクトルとしたｉ_ａ、ｉ_ｂ、ｉ_ｃの位相である。ωは角周波数（２π・ｆ）であり、ｆは第２の電力系統Ｂの系統周波数（５０Ｈｚ）である。また、ｔは時間である。

また、第２の電力系統Ｂの３相交流電力の瞬時電力ｐは下記（１０）式で表される。

ここで、ａ相に地絡が発生した場合を考え、ａ相電流ｉ_ａ＝０とすると、上記（１０）式は下記（１１）式となる。

上記（１１）式に上記（４）〜（９）式を代入すると、下記（１２）式のようになる。

ここで、有効電力は上記（１２）式で表される瞬時電力ｐの平均値である。上記（１２）式において、２ωｔを含む項は平均すると零になるので無視しても良い。従って、瞬時電力ｐの平均値、つまり有効電力を最大にするには、上記（１２）式において、ｃｏｓ（θ_ｂ−φ_ｂ）＝１及びｃｏｓ（θ_ｂ−φ_ｂ）＝１となればよい。これより、健全相のみで有効電力を最大にするための上記条件式（２）、（３）が得られる。すなわち、健全相の送電電圧の位相と同相になるように当該健全相電流の位相を決定することで、最大の有効電力を得ることができる。

また、上述したように、地絡事故中における健全相の送電電圧の実効値は、事故前の値から変化する場合があり、その値によっては、ｂ相の送電電力とｃ相の送電電力とに不平衡が生じるため、安定した電力供給を行えなくなる場合もある。従って、上記条件式（１）を追加することによって、ｂ相に供給される電力とｃ相に供給される電力とに不平衡状態が発生することを防止することもできる。

次に、本実施形態による電力変換装置の制御方法の有効性を検証したシミュレーション結果を示す。このシミュレーションは、従来の電力変換装置、つまり３相交流平衡条件に制約されており、健全相電流の制御は行わず、事故相を含めた各相に電流リミッタを設けただけの電力変換装置を用いた場合の３相電力系統モデルと、本実施形態による電力変換装置Ｒを用いた場合の３相電力系統モデルとについて、それぞれａ相に一線地絡が生じた場合の送電率の変化を検証したものである。ここで、送電率とは３相で１ｐｕ送電時を１００％としたときの送電電力を示している。つまり、一線地絡事故時の最大電力は約６６％となる。

図４は、従来の電力変換装置を用いた場合の送電率の変化を示すものである。この図において、縦軸は送電率、横軸は短絡容量比を示す。また、特性曲線１は事故点率０、特性曲線２は事故点率０．５、特性曲線３は事故点率０．９の場合を示す。ここで、事故点率とは、地絡が生じた位置を示し、値が高いほど電力変換装置から遠方で地絡が生じたことを示している。
この図４に示すように、従来の電力変換装置を用いた場合、短絡容量比が低い値であれば５０％近い送電率を確保することができるが、短絡容量比が高くなるほど送電率は大きく低下してしまう。つまり、短絡容量比の値によって送電率は大きく変動することになり（図４では最大３０％程度変動する）、安定した電力供給が行えなくなることがわかる。また、事故点率によっても、送電率に差が生じることがわかる。

一方、図５は、本実施形態による電力変換装置Ｒを用いた場合の送電率の変化を示すものである。この図において、縦軸は送電率、横軸は短絡容量比を示す。また、特性曲線４は事故点率０、特性曲線５は事故点率０．５、特性曲線６は事故点率０．９の場合を示す。
この図５に示すように、本実施形態による電力変換装置Ｒを用いた場合、短絡容量比が高いほど送電率が高く、短絡容量比が低いほど送電率が低くなる。しかしながら、送電率の最大値は約６５％、つまり２相の健全相で供給可能な送電率の最大値である６６％に限りなく近い値にすることができ、尚且つ送電率の最小値も６０％近い値を確保することができるため、送電率の変動も少ない。また、事故点率の違いによる送電率の差も非常に小さいことがわかる。

このように、本実施形態による電力変換装置Ｒを用いることによって、一線地絡事故が生じた場合でも、最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことができるという効果が立証された。

以上のように、上記条件式（１）〜（３）を満足するような健全相電流を第２の電力系統Ｂに供給するためには、各健全相について独立に電流制御を行う必要があるが、従来の３相電力変換装置では３相交流平衡条件に制約されてしまうため、上記のような独立制御が困難であった。しかしながら、本電力変換装置Ｒでは、上述したように第１の電力系統Ａの３相交流電力を一度３相交流平衡条件に制約されない３つの単相交流電力に変換し、これらを３つの単相交流／直流／単相交流変換器にてそれぞれ独立に制御して電力変換を行い、第２の変圧器Ｒ１１によって再び３相交流電力に変換して供給する構成となっている。従って、一線地絡等の非対称事故が発生した場合でも、健全相に供給する電流をそれぞれ独立に制御することが可能になり、その結果、上記条件式（１）〜（３）を満足するように健全相電流を制御することで、最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、例えば以下のような変形例が考えられる。

（１）上記実施形態では、ａ相に一線地絡が生じた場合について説明したが、これに限
らず、他の相に一線地絡が生じた場合でも同様の制御を行うことによって、最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。また、一線地絡ではなく、２相に地絡が生じる二線地絡事故が生じた場合であっても、残り１相の健全相において、送電電圧の位相と同相になるように、電流の位相を制御し、さらに可能な限り電流の実効値を高くすることによって、最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。

（２）上記実施形態では、第１の電力系統Ａから第２の電力系統Ｂに電力供給する場合を想定し、第２の電力系統Ｂに非対称事故が発生した場合について説明したが、これに限定されず、第２の電力系統Ｂから第１の電力系統Ａに電力供給し、第１の電力系統Ａに非対称事故が発生した場合であっても、第２の電力制御部２０にて第１の電力系統Ａ側の健全相の電流制御を行うことによって同様の効果を得ることができる。なお、このように第２の電力系統Ｂから第１の電力系統Ａに電力供給する場合、インバータ回路とコンバータ回路との機能が逆転する。

（３）上記実施形態では、本電力変換装置Ｒを周波数変換のために使用していたが、これに限らず、例えば、北海道−本州間のように異なる電力系統間を直流送電によって連系する場合の電力変換装置としても用いることが可能である。

（４）上記実施形態では、２つの３相交流電力系統を連系する電力変換装置について説明したが、これに限定されず、例えば燃料電池や蓄電池等の直流電源を３相交流電力に変換する電力変換装置として構成することもできる。つまり、この電力変換装置は、直流電源から供給される直流電力を各々独立に単相交流電力に変換する３つのインバータ回路と、これら単相交流電力を３相交流電力に変換して３相電力系統に供給する変圧器と、３相電力系統における地絡事故の発生を検出する零相変流器と、３相の送電電圧を測定する計測用変圧器と、３相の送電電流を計測する計測用変流器と、健全相における送電電圧の位相と同位相となるように送電電流の制御を行う電力制御部と、当該電力制御部の制御の下にインバータ回路を制御するＰＷＮ信号発生回路とを備えている。
このように構成された電力変換装置によれば、直流電源と３相電力系統とが連系された電力系統において、非対称事故が発生した場合でも、残りの健全相によって最大限に送電電力を確保し、且つ安定した電力供給を行うことが可能となる。

（５）上記実施形態では、半導体スイッチング素子としてＩＧＢＴを用いたが、これに限らず、他の半導体スイッチング素子を使用しても良い。

本発明の一実施形態に係わる電力変換装置Ｒの構成概略図である。本発明の一実施形態における第１の電力制御部Ｒ１５の動作フローチャート図である。本発明の一実施形態における第１の電力制御部Ｒ１５の動作原理の説明のためのベクトル図である。従来の電力変換装置を用いた場合の送電率変動を示す検証結果である。本発明の一実施形態における電力変換装置Ｒを用いた場合の有効性を示す検証結果である。

符号の説明

Ａ…第１の電力系統、Ｂ…第２の電力系統、Ｒ…電力変換装置、Ｒ１…第１の変圧器、Ｒ２…第１のコンバータ回路、Ｒ３…第２のコンバータ回路、Ｒ４…第３のコンバータ回路、Ｒ５、Ｒ６、Ｒ７…平滑コンデンサ、Ｒ８…第１のインバータ回路、Ｒ９…第２のインバータ回路、Ｒ１０…第３のインバータ回路、Ｒ１１…第２の変圧器、Ｒ１２…第１の零相変流器、Ｒ１３…第１の計測用変圧器、Ｒ１４…第１の計測用変流器、Ｒ１５…第１の電力制御部、Ｒ１６…第１のＰＷＭ信号発生回路、Ｒ１７…第２の零相変流器、Ｒ１８…第２の計測用変圧器、Ｒ１９…第２の計測用変流器、Ｒ２０…第２の電力制御部、Ｒ２１…第２のＰＷＭ信号発生回路

Claims

一方の３相電力系統から供給される３相交流電力を独立した第１〜第３の単相交流電力に変換する第１の変圧器と、
前記第１〜第３の単相交流電力をそれぞれ独立して直流電力に変換すると共に該直流電力を第４〜第６の単相交流電力に変換する第１〜第３の交流／直流／交流変換手段と、
前記第４〜第６の単相交流電力を３相交流電力に変換して他方の３相電力系統に供給する第２の変圧器と、
他方の３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する地絡検
出手段と、
他方の３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する電圧属性検出手段と、
前記地絡検出信号に同期して前記電圧属性検出手段から交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し、当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする電力変換装置。
前記制御手段は、一線地絡事故が発生した場合、前記電圧属性検出手段から交流電圧属
性として２相の各健全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、各健全相
の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健
全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及
び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるよ
うに前記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御することを特徴とする請求項１記
載の電力変換装置。
前記制御手段は、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるように前
記第１〜第３の交流／直流／交流変換手段を制御することを特徴とする請求項１または２
記載の電力変換装置。
前記制御手段は、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第１〜第３の
交流／直流／交流変換手段を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の
電力変換装置。
直流電源から供給される直流電力をそれぞれ独立して第１〜第３の単相交流電力に変換
する第１〜第３の直流／交流変換手段と、
前記第１〜第３の単相交流電力を３相交流電力に変換して３相電力系統に供給する変圧器と、
前記３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する地絡検出
手段と、
前記３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する電圧属性検出手段と、
前記地絡検出信号に同期して前記電圧属性検出手段から交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し、当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第１〜第３の直流／交流変換手段を制御する制御手段と
を具備することを特徴とする電力変換装置。
前記制御手段は、一線地絡事故が発生した場合、前記電圧属性検出手段から交流電圧属
性として２相の各健全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、各健全相
の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健
全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及
び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるよ
うに前記第１〜第３の直流／交流変換手段を制御することを特徴とする請求項５記載の電
力変換装置。
前記制御手段は、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるように前
記第１〜第３の直流／交流変換手段を制御することを特徴とする請求項５または６記載の
電力変換装置。
前記制御手段は、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第１〜第３の
直流／交流変換手段を制御することを特徴とする請求項５〜７のいずれかに記載の電力変
換装置。
一方の３相電力系統から供給される３相交流電力を独立した第１〜第３の単相交流電力に変換する第１の工程と、
前記第１〜第３の単相交流電力をそれぞれ独立して直流電力に変換すると共に当該直流電力を第４〜第６の単相交流電力に変換する第２の工程と、
前記第４〜第６の単相交流電力を３相交流電力に変換して他方の３相電力系統に供給する第３の工程と、
前記他方の３相電力系統における地絡事故の発生を検出して地絡検出信号を出力する第
４の工程と、
前記他方の３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する第５の工程と、
前記地絡検出信号に同期して前記交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第２の工程を制御する第６の工程と
を有することを特徴とする制御方法。
一線地絡事故が発生した場合、前記第５の工程で、前記交流電圧属性として２相の各健
全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、前記第６の工程では、各健全
相の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の
健全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧
及び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給される
ように前記第２の工程を制御することを特徴とする請求項９記載の制御方法。
前記第６の工程では、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるよう
に前記第２の工程を制御することを特徴とする請求項９または１０記載の制御方法。
前記第６の工程では、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第２の工
程を制御することを特徴とする請求項９〜１１のいずれかに記載の制御方法。
直流電源から供給される直流電力をそれぞれ独立して第１〜第３の単相交流電力に変換
する第１の工程と、
前記第１〜第３の単相交流電力を３相交流電力に変換して３相電力系統に供給する第２の工程と、
前記３相電力系統における地絡事故の発生を検出して、地絡検出信号を出力する第３の
工程と、
前記３相電力系統における健全相の交流電圧属性を検出する第４の工程と、
前記地絡検出信号に同期して交流電圧属性として健全相の送電電圧の位相を取得し、当該送電電圧の位相と同位相の電流が健全相に供給されるように前記第１の工程を制御する第５の工程と
を有することを特徴とする制御方法。
一線地絡事故が発生した場合、前記第４の工程で、前記交流電圧属性として２相の各健
全相についてそれぞれ送電電圧の実効値及び位相を取得し、前記第５の工程では、各健全相の送電電圧の位相と同位相の電流が各健全相にそれぞれ供給されるように、且つ２相の健全相の内、一方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積と、他方の健全相の送電電圧及び電流の実効値の積とが等しくなるような実効値を有する電流が各健全相に供給されるように前記第１の工程を制御することを特徴とする請求項１３記載の制御方法。
前記第５の工程では、事故前より大きな実効値を有する電流が健全相に供給されるよう
に前記第１の工程を制御することを特徴とする請求項１３または１４記載の制御方法。
前記第５の工程では、事故相には事故前と同等の電流が供給されるように前記第１の工
程を制御することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載の制御方法。