JP4542735B2

JP4542735B2 - 電圧源コンバータの付勢装置

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Publication number: JP4542735B2
Application number: JP2001529059A
Authority: JP
Inventors: ラルソン、トマス; トルバルドソン、ブヨルン; アケソン、ボ
Original assignee: エービービーアクチボラゲット
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-09-29
Publication date: 2010-09-15
Anticipated expiration: 2020-09-29
Also published as: US6337802B1; DE60040836D1; SE9903572D0; JP2003511998A; EP1138108B1; WO2001026205A1; SE514817C2; SE9903572L; EP1138108A1

Description

【０００１】
（技術分野）
本発明は、電圧源間コンバータを付勢する付勢装置に関する。このコンバータは、そのＡＣ電圧側がトランスを介して三相電力回路網に接続され、そのＤＣ電圧側がキャパシタ装置に接続される。また、そのトランスは、このトランスが電力回路網に接続される際にコンバータを流れる電流を制限する抵抗装置を有する。
【０００２】
（背景技術）
キャパシタあるいは複数のキャパシタを含むキャパシタ装置は、とりわけＤＣ電圧網で、少ない高調波成分で安定したＤＣ電圧を得るために電力システムで用いられている。このような応用システムの一例は、直流電圧送電のための装置に用いられており、そこでは、ＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換したり、またその反対方向に変換したりするための、いわゆる電圧源間コンバータが用いられている。これらの応用システムでは、そのＤＣ電圧側で、コンバータが幾分延長し分岐したＤＣ電圧電力網に接続されている。応用システムの他の例では、無効電力を補償する装置に用いられ、この種の電圧源コンバータは、そのＡＣ電圧側で電力回路網に接続され、そのＤＣ電圧側でキャパシタ装置のみに接続されている。このような装置では、コンバータは、普通、コンバータ・ステーションを介してＡＣ電圧回路網に接続され、通常は、Ｙ接続二次巻線を有している。
上述の種類の装置が動作しない際には、キャパシタ装置は、放電し、動作復帰の際には、コンバータの制御可能な機能を再び提供するために充電されなければならない。上述の種類のコンバータは、既知の方法では、投入および切断能力を有する。例えば、いわゆるＩＧＢＴ型の電力トランジスタとこれに逆並列接続されたダイオードなどの半導体素子を直列接続し分岐をもつ半導体バルブを含む。キャパシタ装置を所定の電圧レベルまで充電すること、すなわち、コンバータの付勢は、これらのダイオードによってＡＣ電圧回路網の電圧を整流することによって行われる。しかし、全電圧をコンバータに直接印加することは、初期状態にあっては、コンバータに対して大きなサージを与え、この段階にあるキャパシタ装置は、いかなる逆電圧も示さなくなるという結果をもたらす。明らかに、キャパシタ装置の電圧が増加するのに伴って、電流は同時に減少するが、ダイオードで発生する損失電力は、ダイオードに損傷を与えるのに依然として十分な大きさになっている。もちろん、システムの他の装置も、高い電流の影響を受ける。
上記の問題を解決するために、従来から様々な解決策がとられてきた。例えば、コンバータトランスとは異なる変圧比をもつ補助トランスを独立した整流器もしくはコンバータを介してＤＣ電圧回路に接続し、これによって初期電流をある程度抑えようとするものがある。しかし、これは、装置に追加すべき機器が増えることになり、装置の構成が複雑化し、コスト高を招くものとなる。電流を抑えるための他の既知の手段としては、回路遮断器の形で実装した切換要素によって、トランスとコンバータの間に暫定的にトランスの相巻線と直列に抵抗が接続されるようにし、その後、なんらかの基準に従って、例えば、一定の時間経過後、これらの抵抗がバイパスされるというものがある。この場合にも、追加の機器が必要となり、これによって装置の構成が複雑化し、コスト高を招くものとなる。
【０００３】
（発明の概要）
本発明の目的は、ＤＣ電圧側でキャパシタ装置に接続され、特に、導入部で記載した応用分野のために、簡単で適切なコストパフォーマンスに優れたシステム設計を提供する電圧源コンバータを付勢する改良された機器を実現することである。
本発明の目的は、この課題を解決するため少数の機器を用いることにより、特に、本発明の目的のために既に設計された機器を用いることによって達成される。
本発明の第１の実施例では、トランスは、その二次側で第１、第２および第３の相巻線を有し、各巻線は、第１および第２の巻線端子を有し、各第１の巻線端子は、共通の中性点に相互接続され、各第２の巻線端子は、コンバータに接続される。抵抗装置は、第２の相巻線の第１の巻線端子に接続された第１の抵抗を含む。本機器は、初期位置では、相巻線中を流れる電流をブロックする目的のため、また、遷移位置では、少なくとも、第１および第２の相巻線とこれらに直列接続した第１の抵抗を含み、コンバータがトランスに接続している際には、コンバータとキャパシタ装置とで閉じる電流路を形成する目的のため、さらに、動作位置では、共通の中性点を形成するために、全ての第１の巻線端子を相互接続する切換装置を含む。
本発明の第２の実施例では、これらに加え、抵抗装置は、第１および第３の相巻線の１つで第１の巻線端子に接続された第２の抵抗を含む。切換装置は、少なくとも２つの相互に同期した三位置接点グループと接点グループを動作させる共通モータ操作駆動機構とを有する切換スイッチを含み、遷移位置では、上述の抵抗と、これらの各々と直列に各抵抗が接続された相巻線とを含む電流路を形成する。この電流路は、コンバータがトランスに接続される時には、コンバータとキャパシタ装置とで閉じられ、これにより、駆動機構は、起動指令に従って連続的な回転運動により自動的に切換スイッチを初期位置から遷移位置を経由して動作位置に移動させる。ここで、切換スイッチは、駆動機構の回転運動によって決められる時間で位置決めされる。
３つの抵抗と３つの回路遮断器を必要とする抵抗と回路遮断器を、電流制限のために使用する従来のものに比べ、本発明によってもたらされる利点の１つは、機器の数を減らせるということである。本発明の第１の実施例は、１つの抵抗と３つの切換器のみを必要とし、また、第２の実施例では、切換手順の適切な制御を含み、わずかに改良された標準的な機器のみで必要な切換動作を行うことができる。
【０００４】
（好適実施例の説明）
図１は、電圧源コンバータＣＯＮＶを示し、その電圧側は、トランスＴと線路回線遮断器ＣＢＮを介して、相ＰＨｕ、ＰＨｖ、ＰＨｗを有する三相電力回路網Ｎに接続されている。このコンバータは、既知の種類のものであり、図に概略を示しただけの２つの半導体バルブの三相群から構成されている。半導体バルブは、従来から知られているように、投入および切断することができる直列接続の半導体要素の分岐から構成されている。例えば、いわゆるＩＧＢＴ型の電力用トランジスタとそれに逆並列接続されたダイオードである。電圧源コンバータは、その機能として、基本的に一定電圧をそのＤＣ電圧側に用い、図示したように、これは、通常、図中のみにてキャパシタＣとして記されたキャパシタ装置をコンバータのＤＣ電圧側に接続することにより実現される。キャパシタ装置Ｃの両端間の電圧をＵｄ、そのＤＣ電圧側でコンバータを流れる電流をＩｄで表す。トランスは、その一次側では、一次巻線ＰＷｕ、ＰＷｖ、ＰＷｗを有するＡ接続三相巻線を含み、その二次側では、第１の相、第２の相および第３の相巻線ＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗを有している。相巻線は、それぞれ第１の巻線端子ｕ１、ｖ１、ｗ１と、第２の巻線端子ｕ２、ｖ２、ｗ２を有している。
各第１の巻線端子は、通常の動作状態にあっては、トランスの二次側巻線がＹ接続となるように、各相の巻線を共通の中性点ＮＣＰに相互接続するためのものである。接地抵抗ＥＲは、トランスの二次側での中性点の抵抗接地のために、巻線端子Ｗ１と接地の間に接続される。トランスの二次側巻線は、各二次側巻線端子を介してコンバータに接続される。本発明の第１の実施例では、コンバータを付勢する機器は、第１の抵抗器Ｒｖ、第１の切換器ＣＢ１および２つの切換器ＣＢ１、ＣＢ３を有する切換器に接続されている。抵抗器Ｒｖは、単相回路遮断器として示されている図中で、その端子の１つによって相巻線ＳＷｖの第１の巻線端子ｖ１に接続され、その第２の端子によって第１の切換器ＣＢ１の端子の１つに接続されている。切換器ＣＢ１の第２の端子は、相巻線ＳＷｕの第１の巻線端子に接続されている。２つの単相切換器ＣＢ２およびＣＢ３として示されている図中で、切換装置は、それぞれ第１の巻線端子で接続され、切換器ＣＢ２は、端子ｕ１とｖ１との間に接続され、切換器ＣＢ３は、端子ｖ１とｗ１との間に接続される。線路回線遮断器ＣＢＮ、切換器ＣＢ１および切換装置は、（その概略が図示された）各々が操作ユニットＣＴＲに設けられた操作装置ＭＢＮ，ＭＢ１およびＭＢ２によって制御される。
本発明の実施例での動作モードは、以下のとおりである。始動位置では、線路回線遮断器ＣＢＮと切換器ＣＢ１、ＣＢ２およびＣＢ３は、全て、非導通状態であると仮定する。始動命令Ｓ１によって、線路回線遮断器ＣＢＮは、第１の段階として閉となる。この位置では、以下、初期位置と呼ばれ、相巻線を流れる電流は、切換器ＣＢ１、ＣＢ２およびＣＢ３によって遮断される。
次の段階では、切換器ＣＢ１は、導通状態に移行し、これにより、第１の相巻線ＳＷｕ、第２の相巻線ＳＷｖおよびこれと直列に接続した抵抗器Ｒｖにより電流路が形成され、コンバータがトランスに接続された際に、その電流路は、コンバータとキャパシタ装置を介して閉じる。この位置では、以下、遷移位置と呼ばれ、キャパシタ装置は、その大きさが抵抗器Ｒｖによって制限される電流Ｉｄによって充電される。
次の段階では、切換器ＣＢ２とＣＢ３が導通状態となり、これにより全ての第１の巻線端子は、相互に接続し、以下、動作位置と呼ばれ、共通の中性点を形成する。
本装置、すなわち電力回路網、トランス、抵抗器、コンバータおよびキャパシタ装置の関連データによって、本装置が遷移位置にある状態の期間に、コンバータからキャパシタ装置に流れる電流を計算することができる。従って、本装置が遷移位置にあるべき間の期間は、既知の方法によって設計され、操作ユニットＣＴＲの中に設けられ、図示されない時間制御回路によって制御できるという利点があり、これにより、この期間の後には、コンバータへ過負荷を与えるというリスクなく、本装置が１動作で移行することができるようになる。
複数の実際の応用では、コンバータの過負荷を及ぼさないような抵抗器の抵抗値を選択することにより、キャパシタ装置の公称値に近い電圧値にまで充電に要する時間は、２０ミリ秒から４０ミリ秒の間となることが知られている。従って、この時間は、本装置が遷移位置に留まることができる時間の長さとなる。
【０００５】
それ自体が知られている種類の従来の設計による運転時タップ切換器は、１つの巻線ステージから次のステージに移行するために、通常、５０ミリ秒程度の動作時間を有し、その遷移期間は、電流がその遷移抵抗を流れる間となり、通常、２０ミリ秒から３０ミリ秒となる。これにより、このような運転時タップ切換器は、以下に詳説する簡単な修正によって、本発明の目的を達成する上できわめて有利である。
図２は、既知の運転中の三相タップ切換器の概略図である。概略を示しただけの電源トランスの巻線ＳＷｕ、ＳＷｖおよびＳＷｗにそれぞれ直列接続されるように調整巻線ＳＷｕ’、ＳＷｖ’およびＳＷｗ’が設けられている。調整巻線は、それぞれ図中の４、５、６、７で示されるタップポイントを有し、図中では簡単化のため、これらがどの相に属するかを示すインデックスは略してある。ＶとＨで記された選択接点を動かすことにより、調整巻線の電圧の所望の部分を相巻線の電圧に加えることができる。
負荷電流が相巻線を流れる際に、例えば、タップポイント６からタップポイント５に、調整巻線を段階的に切換えることができるように、それぞれ、各相に対応する接点グループＴＣ’ｕ、ＴＣ’ｖ、ＴＣ’ｗを有する操作部ＴＣ’によって切換えを行う。全ての接点グループは、図中の破線で示され、モータ駆動機構Ｍ１’によって共通に同期して操作される。以下、既知の運転中タップ切換器の動作モードを説明するために、ＰＨｕ相のみを考慮する。接点グループＴＣ’ｕは、入力端子ｃと出力端子ｘ、ｙ、ｕおよびｖを有する。全ての入力端子は、相互接続され、相巻線と各々の調整巻線に共通の中性点ＮＣＰ’を形成している。出力端子ｘとｙは、選択接点Ｖに接続され、端子ｘは、直接、端子ｙは、抵抗Ｒｙを介してそれぞれ接続される。出力端子ｕとｖは、選択接点Ｈに接続され、端子ｖは、直接、端子ｕは、抵抗Ｒｕ’を介してそれぞれ接続される。可動接点部ＭＣは、各接点グループと関連して、入力端子を出力端子に接続させるため、以下、詳細に説明する中間位置を除いた、上記の出力端子の２つの間を結合する。
第１の端位置では、タップポイント６が中性点ＮＣＰ’に接続されている時に、可動接点部が端子ｘとｙの間を結合し、これにより、端子ｘと抵抗Ｒｙを流れる電流がバイパスされる。タップポイント５が中性点ＮＣＰ’に接続されるような位置への切換えは、以下のステップで行われる。選択接点Ｈは、タップポイント７からタップポイント５へ移動され、この後、可動接点部は、入力端子のみが出力端子ｙに接続される第１の中間位置に移動される。この中間位置では、相巻線を流れる電流は、抵抗Ｒｙによって制限される。この後、可動接点部は、これが端子ｙとｕを結合する位置を経由して移動し、結果として、相巻線を流れる電流が抵抗Ｒｕ’とともに抵抗Ｒｙを流れて、入力端子のみが出力端子ｕに接続される第２の中間位置に移動される。この第２の中間位置では、相巻線は、抵抗Ｒｕ’によって制限される。最後に、可動接点部は、第２の端位置に移動され、ここで、可動接点部が端子ｕとｖとを結合し、これにより、タップポイント５から流れる電流が端子ｖと抵抗Ｒｕ’をバイパスさせる。
上述の運転中のタップ切換器の操作手順の特徴は、駆動機構への始動命令に従って、駆動機構の回転運動により決定される速度で自動的に行われること、２つの安定した端位置を有すること、さらに、これらは両者ともに同時に入力端子に接続されるような２つの出力端子の結合からなっていることである。
本発明の第２の実施例が図３に示される。ここでは、図面の都合上、相ＰＨｗのみを詳細に示されるが、他の相の少なくとも一方、もしくは、できれば両者ともに同様に配置される。
【０００６】
ここで、図２と図３を直接比較すると、本発明の実施例は、図２に示した従来の設計による運転中のタップ切換器ＴＣ’を用いて実現できる。ここでは、接点ＶとＨを有する選択部およびタップポイント５から７を有する調整巻線が取り除かれ、操作部のみが残っている。さらに、各相に対して、操作部から抵抗Ｒｙが取り除かれている。
図２の入力端子ｃは、図３の入力端子ｃｗに対応し、図２の出力端子ｘは、図３の出力端子１ｗに対応する。一旦、抵抗Ｒｙが取り除かれると、図２の出力端末ｙは、特別な機能を有さなくなる。図２の出力端子ｕは、図３の出力端子２ｗに対応し、一方、図２の出力端子ｖは、図３の出力端子３ｗに対応する。図２の抵抗Ｒｕ’は図３では抵抗Ｒｗに対応する。
図３の実施例では、駆動機構は、入力端末ｃｗが上述の初期位置で第１の出力端子１ｗに接続され、遷移位置で第２の出力端子２ｗに接続され、動作位置で第２の出力端子と第３の出力端子３ｗに接続され、これらを結合するように連続した回転運動によって接点グループＴＣｗを操作する。回転運動は、モータ駆動装置と、上述した種類の運転中のタップ切替器に従来から用いられている種類の駆動機構とによるモータ駆動である。
初期位置から遷移位置を経由した動作位置への動きは、起動指令Ｓ１によって自動的に行われる。この起動指令Ｓ１は、線路回線遮断器が閉位置にある時に、なんらかの既知の方法で、改良された運転中のタップ切替器の駆動機構Ｍ１への起動指令Ｓ２として送られる。初期位置と動作位置の両者は、切換スイッチのための安定した終端位置であり、これによって駆動機構の回転運動は、上述したように、駆動機構の回転運動によって決まる速度で行われる。これは、遷移位置は、駆動機構によって定められた一定の期間のみ有効であることを意味している。
本発明のこれらの実施例では、上述した方法で、改良された運転中のタップ切換器によって、このタップ切換は、従来の方法で物理的にトランスと統合することを実現している。また、本発明によって電流制限のために用いられる抵抗は、従来の運転中タップ切換器として用いられる遷移抵抗として同一の物理的寸法を有するものでよい。
本発明に特有な応用例では、抵抗の抵抗値は、０．７から７オームの範囲でよく、その範囲において付勢の間に発生するエネルギーは、５０から５００キロジュールの範囲にあればよい。
【０００７】
本発明は、上記の実施例に限定されるものではなく、請求の範囲によって定義された発明に対応して多数の変形が可能である。
従って、例えば、図１を引用して説明した実施例では、本装置が遷移期間にあるべき期間をコンバータを通してキャパシタ装置に流れる電流の検出値あるいは後者のキャパシタ装置の電圧の検出値によって制御し、電流があらかじめ定められた値を下回ったり、電圧があらかじめ定められた値を上回った時に、動作位置への移行が行われるようにすることも可能である。
図３を引用して説明した実施例では、接点グループと切換スイッチの抵抗は、三相の内の２つに設けられていることは、それ自体では十分であるが、これによって、遷移位置では、トランスとコンバータに不平衡な電流を流す結果となる。
もちろん、図１による、切換装置ＣＢ１からＣＢ３の所定の機能は、半導体素子によっても実装することも可能である。
【図面の簡単な説明】
以下の概要図面を参照し、実施例の記述により本発明を説明する。
【図１】本発明の第１の実施例を示す。
【図２】運転中の三相タップ切換器の既知の実施例を示す。
【図３】本発明の第２の実施例を示す。

Claims

電圧源コンバータ（ＣＯＮＶ）を付勢する付勢装置であって、
前記コンバータは、そのＡＣ電圧側でトランス（Ｔ）を介して三相電力回路網（Ｎ）に接続され、そのＤＣ電圧側でキャパシタ装置（Ｃ）に接続され、
前記トランスは、その二次側に第１、第２および第３の相巻線（ＳＷｕ、ＳＷｖ、ＳＷｗ）を有し、それぞれ第１の巻線端子（ｕ１、ｖ１、ｗ１）および第２の巻線端子（ｕ２、ｖ２、ｗ２）を有し、前記トランスが前記電力回線網に接続された時に前記コンバータを流れる電流（Ｉｄ）を制限するために、前記第１の巻線端子は、それぞれ共通中性点（ＮＣＰ）に相互接続され、前記第２の巻線端子は、それぞれ前記トランスに設けられた前記コンバータおよび抵抗装置（Ｒｕ、Ｒｖ、Ｒｗ）に接続され、
前記抵抗装置は、前記第２の相巻線の第１の巻線端子（ｖ１）に接続された第１の抵抗（Ｒｖ）を含み、
前記付勢装置は、切換装置（ＣＢ１、ＣＢ２、ＣＢ３、ＴＣａ）を含み、初期位置では、前記相巻線の電流を制限し、遷移位置では、少なくとも前記第１の相巻線（ＳＷｕ）および第２の相巻線（ＳＷｖ）と、前記相巻線と直列接続された前記第１の抵抗とからなる電流路を形成し、前記電流路は、前記コンバータが前記トランスと接続される時に、前記コンバータと前記キャパシタ装置で閉じられ、動作位置では、共通中性点を形成するために、全ての第１の巻線端子が相互接続されることを特徴とする付勢装置。
請求項１記載の付勢装置において、前記切換装置は、初期位置では非導通状態にあり、遷移位置では導通状態にある第１の切換器（ＣＢ１）と、初期位置および遷移位置では非導通状態にあり、動作位置では導通状態にある第２および第３の切換器（ＣＢ２、ＣＢ３）を含むことを特徴とする付勢装置。
請求項１又は２記載の付勢装置において、前記切換装置は、初期位置および遷移位置では各々非導通状態にあり、動作位置では各々、導通状態にある２つの切換器（Ｃ１、Ｃ２）を含むことを特徴とする付勢装置。
請求項１記載の付勢装置において、
前記抵抗装置は、さらに、第１の相巻線（ＳＷｕ）および第２の相巻線（ＳＷｗ）のうちの一方の第１の巻線端子（ｕ１、ｗ１）に接続された第２の抵抗（Ｒｕ、Ｒｗ）を含み、
前記切換装置は、少なくとも２つの相互に同期する三位置接点グループ（ＴＣｕ、ＴＣｖ、ＴＣｗ）と、前記接点グループを動作させる共通モータ操作駆動機構（Ｍ１）を有する切換スイッチ（ＴＯ）を含み、抵抗とこの抵抗にそれぞれ直列接続された相巻線とを含む遷移位置での電流路を形成し、該電流路は、前記コンバータが前記トランスと接続される時に、前記コンバータと前記キャパシタ装置を経て閉じ、
前記駆動機構は、起動命令（Ｓ２）に従い、連続的な回転運動によって自動的に前記切換スイッチを初期位置から遷移位置を経由して動作位置に移動させ、切換スイッチは、前記駆動機構の回転運動によって決められる時間に位置決めされることを特徴とする付勢装置。
請求項４記載の付勢装置において、
前記抵抗装置は、さらに、第３の抵抗（Ｒｗ、Ｒｕ）を含み、前記抵抗は、それぞれ相巻線の第１の巻線端子に接続され、
前記切換スイッチは、他の接点グループと同期した追加の三位置接点グループ（ＴＣｕ、ＴＣｖ、ＴＣｗ）を含み、前記抵抗とこの抵抗にそれぞれ直列接続された相巻線とを含む遷移位置での電流路を形成し、該電流路は、前記コンバータが前記トランスと接続される時に、前記コンバータと前記キャパシタ装置を経て閉じることを特徴とする付勢装置。
請求項４または５に記載の付勢装置において、
前記接点グループは、それぞれ入力端子（ｃｕ、ｃｖ、ｃｗ）、第１の出力端子（１ｕ、１ｖ、１ｗ）、第２の出力端子（２ｕ、２ｖ、２ｗ）および第３の出力端子（３ｕ、３ｖ、３ｗ）を含み、
前記入力端子は、共通中性点を形成するために相互接続され、前記第２の出力端子は、それぞれ各前記抵抗に接続され、前記第３の出力端子は、前記相巻線の各第１の巻線端子に接続され、前記入力端子は、それぞれ初期位置では各第１の出力端子に接続され、遷移位置では各第２の出力端子に接続され、動作位置では各第３の出力端子（３ｕ、３ｖ、３ｗ）に接続されることを特徴とする付勢装置。
請求項６記載の付勢装置において、
前記接点グループは、それぞれ各前記入力端子を前記出力端子に相互接続するための前記駆動機構により駆動される可動接点部（ＭＣ）を含み、前記接点部は、動作位置において各前記第２および第３の出力端子（２ｕ、２ｖ、２ｗおよび３ｕ、３ｖ、３ｗ）を結合されることを特徴とする付勢装置。
電圧源コンバータを三相ＡＣ電力回路網に接続するトランス装置であって、そのＤＣ電圧側の前記コンバータは、前記キャパシタ装置に接続され、前記請求項による前記コンバータを付勢する付勢装置を含むことを特徴とするトランス装置。
電圧源コンバータを三相ＡＣ電力回路網に接続するトランス装置であって、そのＤＣ電圧側の前記コンバータは、前記キャパシタ装置に接続され、前記請求項４から７のいずれかの請求項のよる前記コンバータを付勢する付勢装置を含み、前記コンバータを付勢する付勢装置は、負荷時タップ切換器の駆動機構を含むことを特徴とするトランス装置。