JP6110884B2 - 制御回路 - Google Patents

Description

本発明は制御回路に関する。

直流送電方式において、図１ａに示すように、直流送電線１０ａ、１０ｂは、送電網１２と受電網１４とを相互に接続し、２つの電力網１２、１４間の電力伝送を可能にする。障害１６により受電網１４が送電線１０ａ、１０ｂから電力を受信できない場合に、送電網１２は直流送電線１０ａ、１０ｂへの送電を中断することができない。これは、風力タービンなどの発電機は即座に電源オフにできないため、直流送電線１０ａ、１０ｂにエネルギー１８を提供し続けるからである。さらに、受電網１４は、（例えば、電圧が正常値の約１５％に減少する）電圧低下をライドスルーし、障害１６の撤去と同時に送電を再開するようグリッドコードにより要求される。

直流送電線１０ａ、１０ｂへの送電が継続されると、直流送電線１０ａ、１０ｂ内に余剰電力が蓄積され、各電力網１２および１４の送電と受電のバランスに悪影響を及ぼすだけでなく、特に直流送電線１０ａ、１０ｂの静電容量の無制御な充電に起因する高電圧ストレスの結果として、直流送電方式の様々な構成要素に損傷を与える可能性もある。

余剰電力の蓄積を防止するための１つの解決策は、送電網１２の一部を形成する直流リンク用コンデンサやその他のコンデンサに余剰電力を一時的に貯蔵する方法である。しかしながら、送電網１２のエネルギー貯蔵能力が限定的なため、受電網１４が運転状態に戻るまで一時的に貯蔵される有効電力の量は限定される。

余剰電力の蓄積を防止するための別の解決策は、直流送電線１０ａ、１０ｂから余剰電力を迂回させる負荷ダンプ・チョッパ回路２０の使用である。図１ｂは、直流送電線１０ａ、１０ｂ間でスイッチ２４と直列に接続するダンプ抵抗２２を示す。スイッチ２４を閉じると、電流は直流送電線からダンプ抵抗２２を通って流れ、その結果、電力がダンプ抵抗２２を介して散逸する。これにより、負荷ダンプ・チョッパ回路２０を介して直流送電線１０ａ、１０ｂから余剰エネルギーが除去される。

既存のチョッパ回路は、余剰エネルギーを吸収するために、直流送電線間に抵抗を接続する基本的な半導体スイッチを使用する。このタイプのチョッパは、エネルギーの吸収を正確に制御するためにパルス幅変調（ＰＷＭ）方式で動作する、直列接続で同時スイッチングの多数の低圧半導体スイッチを使用する。このようなチョッパ回路スイッチの設計および操作においては、個々の半導体スイッチ間で全体の印加電圧を確実に均等分配するために、大規模な受動素子と複雑な制御方法が要求される。さらに、ＰＷＭ動作は、チョッパ回路および直流送電線内の電圧と電流に非常に高速な変化を引き起こし、これが、望ましくない電気スパイクや高レベルの電磁雑音および干渉につながる。

本発明の一態様に従い提供される制御回路は、
第１および第２送電線にそれぞれ接続する第１および第２端子と、
前記第１および第２端子間に延び、かつ、第３端子により分割される第１および第２伝送路部分を有する伝送路であって、前記第１および第２伝送路部分の一方または両方が、少なくとも１つのモジュールを含み、前記モジュールが少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置を含む伝送路と、
地面または前記第２送電線に接続する補助端子と、
前記第１および第２送電線からエネルギーを除去するエネルギー変換ブロックであって、前記伝送路から分岐するように前記第３端子と前記補助端子の間に延び、かつ、少なくとも１つのエネルギー変換素子を含むエネルギー変換ブロックと、
前記伝送路から各エネルギー貯蔵装置を選択的に取り除く制御装置と、
を含む。

このような制御回路の構成は、例えば、過電圧から送電線を保護し、必要に応じて、低電圧ライドスルーを確保するために、送電線から余剰エネルギーを除去するエネルギー除去装置としての使用が可能である。これは、制御回路にモジュールを含むことにより、送電線から除去される余剰エネルギーに対応するエネルギー変換素子に流れ込む電流量を能動的に変更できるからである。

送電線内のエネルギーレベルを制御するために、制御回路は、通常動作において、送電線が正常状態にある間は、伝送路に電流が流れるのを遮断するためにエネルギー貯蔵装置を伝送路内に挿入するスタンバイ構成を導入するように構成されてもよいし、または、伝送路から１つ以上のエネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、電流が送電線から伝送路を介してエネルギー変換素子に流れ込むようにし、それにより、直流送電線から余剰エネルギーを除去し、エネルギー変換素子を介して消散できるように構成されてもよい。

伝送路からエネルギー貯蔵装置を選択的に取り除く能力は、送電線から制御回路へのエネルギー（すなわち、余剰電力）の高速伝送を可能にし、その結果、送電線内のエネルギーレベルの迅速制御が可能となる。これにより、制御回路は、関連する電気回路網で障害が生じた際、送電線内のエネルギーレベルを制御する要求に対して迅速に対応することができる。

このような制御回路の構成、すなわち、伝送路に対するエネルギー変換ブロックの配置は、制御回路が送電線からのエネルギー除去を要求されていない場合、エネルギー変換ブロック内の電流を遮断するか、または、最小限に抑えることを可能にする。一方、制御回路が送電線からのエネルギー除去を要求されている場合は、第１および第２の伝送路部分の一方または両方が、送電線からのエネルギー除去を可能にするために、電流がエネルギー変換ブロックを介して流れるのを許可するように構成される。

補助端子を第２送電線に接続する制御回路の構成は、エネルギー変換ブロックを（地面ではなく）第２送電線に接続することを可能にし、これにより、第１および第２送電線の浮遊容量の代わりに、第１および第２送電線を介して大電流を循環することが可能になる。

本発明で言及する「送電線」には、当然のことながら、交流および直流両方の送電線が含まれる。

本発明の実施形態において、第１伝送路部分は、少なくとも１つの第１モジュールを含み、各第１モジュールは少なくとも１つの第１エネルギー貯蔵装置を含む。

少なくとも１つの第１モジュールは、さらに、選択的に各第１エネルギー貯蔵装置を介して電流を導くか、または、迂回させる、少なくとも１つの１次スイッチング素子を含む。このような各第１モジュールの構成は、１次スイッチング素子が、外部電源ではなく、第１モジュール内のエネルギー貯蔵装置を電源にすることを可能にし、その結果、制御回路をさらにコンパクトにできる。

各第１モジュールは、双方向送電能力を有するように、すなわち、各第1モジュールが二方向に電流を伝導できるように、構成されてもよい。一例として、少なくとも１つの第１モジュールは、ゼロまたは正電圧を提供でき、かつ、二方向に電流を伝導可能な第２象限単極モジュールを画成するために、ハーフブリッジ配列でエネルギー貯蔵装置と並列接続する一対の１次スイッチング素子を有してもよい。別の例として、少なくとも１つの第1モジュールは、ゼロ、正、または負電圧を提供でき、かつ、二方向に電流を伝導可能な第４象限双極モジュールを画成するために、第１エネルギー貯蔵装置に並列接続する二対の１次スイッチング素子を有してもよい。

制御回路における双方向送電能力を有するモジュールの使用により、制御回路と、（電力の送信方向が逆になると直流電圧の極性が変化する）他励式コンバータ（ＬＣＣ）を使用した高圧直流送電（ＨＶＤＣ）方式との組み合わせが可能になる。

別の形態として、各第１モジュールは、単方向送電能力を有するように、すなわち、各第１モジュールが一方向にだけ電流を伝導できるように、構成されてもよい。一例として、少なくとも１つの第１モジュールは、第１および第２の直列接続電流制御素子セットを有し、ここで、直列接続電流制御素子の各セットが、各第１エネルギー貯蔵装置を介して選択的に電流を導く能動スイッチング素子と、電流が第１モジュールを介して一方向に流れるのを制限する受動電流抑制素子とを含み、かつ、電流を一方向に伝導する際にゼロ、正、または負電圧を提供できる第２象限双極有理モジュールを画成するために、第１および第２の直列接続電流制御素子セットと第１エネルギー貯蔵装置がフルブリッジ配列で配置される。

このような第１モジュールは、伝送路から各エネルギー貯蔵装置を選択的に除去する信頼性の高い手段を提供する。

本発明の実施形態において、第２伝送路部分は、第２伝送路部分内の電流の流れを選択的に許可または抑止できる、切り替え可能な少なくとも１つの１次スイッチングブロックを含んでもよい。

少なくとも１つの１次スイッチングブロックは、少なくとも１つの２次スイッチング素子を含んでもよい。第２伝送路部分内の２次スイッチング素子の数は、第２伝送路部分の必要電圧定格によって変化する。

少なくとも１つの１次スイッチングブロックは、少なくとも１つの第２エネルギー貯蔵装置を有する少なくとも１つの第２モジュールを含んでもよい。各第２モジュールは、選択的に各第２エネルギー貯蔵装置を介するように電流を導くか、または、迂回させる、少なくとも１つの１次スイッチング素子を含んでもよい。第１モジュールについて上述したように、このような各第２モジュールの構成により、１次スイッチング素子が、外部電源ではなく、各第２モジュール内のエネルギー貯蔵装置を電源とすることが可能になり、その結果、制御回路をさらにコンパクトにできる。

各第２モジュールは、上述した各第１モジュールと同様に、双方向または単方向の送電能力を有するように構成されてもよい。このような各第２モジュールは、各１次スイッチングブロックを切り替えるために、第２伝送路部分から各第２エネルギー貯蔵装置を選択的に除去する確実な手段を提供する。

補助端子が第２送電線に接続する本発明の実施形態において、制御回路は、エネルギー変換ブロックを介して流れる電流量を増加させ、その結果、直流送電線からエネルギーを除去する制御回路の効率を向上させるために、送電線からエネルギーを除去する間、第２伝送路部分を介して流れる電流を遮断するか最小限に抑えるように構成されてもよい。より具体的に言えば、制御装置は、第２伝送路部分を介して流れる電流を遮断または最小限に抑え、それにより、電流が各エネルギー変換素子内に流れ込むように、各１次スイッチングブロックを選択的に切り替えてもよい。

少なくとも１つの１次スイッチングブロックが、少なくとも１つの２次スイッチング素子を含む場合、制御装置は、電流が第２伝送路部分を介して流れるのを遮断し、その結果、電流が各エネルギー変換素子に流れ込むように、各２次スイッチング素子を選択的にオフ状態に切り替えてもよい。

少なくとも１つの１次スイッチングブロックが、少なくとも１つの第２モジュールを含む場合、制御装置は、第２伝送路部分を介して流れる電流を遮断または最小限に抑えて、その結果、電流が各エネルギー変換素子に流れ込むように、第２伝送路部分の各第２モジュール内の各スイッチング素子を選択的に切り替えてもよい。

少なくとも１つの第１モジュールと、少なくとも１つの１次スイッチングブロックを使用する実施形態において、電圧と電流の両方を調節する第１伝送路部分の能力が、ゼロ電圧かつゼロ電流状態の下で、第２伝送路部分の各１次スイッチングブロックのソフトスイッチングを可能にする。

補助端子を第２送電線に接続する制御回路の構成およびその運用により、第２伝送路部分は、送電線からエネルギーを除去する間、ゼロまたは略ゼロ電流を伝導する。その結果、第２伝送路部分内において、低電流かつ高電圧の半導体装置の使用が可能になる。

補助端子が地面に接続する本発明の実施形態において、制御回路は、以下に述べるように、電流が伝送路および各エネルギー変換素子を介して流れるように構成されてもよい。

第１および第２伝送路部分のそれぞれが、少なくとも１つのモジュールを有する場合、制御装置は、送電線からエネルギーを除去するために、第１および第２伝送路部分から各エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、各エネルギー変換素子にＡＣ電圧（交流電圧）波形を生成してもよい。

任意で、制御装置は、第１および第２伝送路部分から各エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、第１および第２の各伝送路部分に矩形電圧波形（例えば、１８０°位相シフトした矩形電圧波形）を生成し、それにより、各エネルギー変換素子にＡＣ電圧波形を生成し、送電線からエネルギーを除去してもよい。送電線からエネルギーを除去する間、第１および第２の各伝送路部分でこのような矩形電圧波形を生成することにより、モジュールを介して流れる電流のピーク値を減少させるだけでなく、各伝送路部分の複数のモジュール間のエネルギー均衡を可能にすることが知られている。当然のことながら、制御装置は、送電線からエネルギーを除去する間、第１および第２伝送路部分から各エネルギー貯蔵装置を選択的に除去し、それにより、第１および第２の各伝送路部分に形状の異なる電圧波形を生成してもよい。

エネルギー変換ブロックを使用する本発明の実施形態において、エネルギー変換ブロックは、さらに、各エネルギー変換素子内の電流の流れを選択的に許可または阻止する切替え可能な、少なくとも１つの補助スイッチングブロックを含んでもよい。

このような制御回路において、伝送路からの各エネルギー貯蔵装置の選択的な除去は、送電線からのエネルギー除去を制御するために不可欠なものではない。代わりに、各補助スイッチングブロックのスイッチングが、エネルギー除去モードにおいて、各エネルギー変換ブロック内の電流の流れを制御し、それにより、伝送路からのエネルギー除去を制御する。従って、エネルギー変換ブロック内の少なくとも１つの補助スイッチングブロックの使用は、スタンバイ構成において電流をブロックするために使用することも含め、伝送路の構成の最適化を可能にし、その結果、ハードウェアの接地面積とコストの削減、および制御回路の操作効率の向上を提供する。

少なくとも１つの補助スイッチングブロックが、少なくとも１つの補助スイッチング素子を含んでもよい。

少なくとも１つの補助スイッチングブロックが、少なくとも１つの補助エネルギー貯蔵装置を有する少なくとも１つの補助モジュールを備えてもよい。各補助モジュールが、選択的に各補助エネルギー貯蔵装置を介して電流を導くか、または、各補助エネルギー貯蔵装置を迂回させる、少なくとも１つの補助スイッチング素子を含んでもよい。

このような補助モジュールは、送電線から除去される余剰エネルギーに対応して、各エネルギー変換素子内を流れる電流量を能動的に変更するように制御されてもよい。

任意で、少なくとも１つの補助モジュールは、上述した第１および第２モジュールと同様に、双方向または単方向の電流能力を有するように構成されてもよい。

少なくとも１つの補助スイッチングブロックと、少なくとも１つの第２エネルギー貯蔵装置を使用する本発明の実施形態において、制御装置は、第２伝送路部分から各第２エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して第３端子で電圧を変更することにより、各補助スイッチングブロックを切り替える際に各補助スイッチングブロックのソフトスイッチングを可能にし、その結果、スイッチング損失を最小限に抑えてもよい。

本発明の好適な実施形態を、添付の図面を参照しながら、限定されない実施例として以下に説明する。

直流送電方式の従来例の概略図を示す。 直流送電方式の従来例の概略図を示す。 本発明の第１実施形態に従った制御回路の概略図を示す。 図２の制御回路の動作を示す。 本発明の第２実施形態に従った制御回路の概略図を示す。 本発明の第３実施形態に従った制御回路の概略図を示す。 本発明の第４実施形態に従った制御回路の概略図を示す。 図６の制御回路の動作を示す。 ＭＡＴＬＡＢ（登録商標）Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）シミュレーション用の図６の制御回路のシミュレーションモデルの概略図を示す。 図８のシミュレーションモデルの結果をグラフ形式で示す。 図８のシミュレーションモデルの結果をグラフ形式で示す。 図８のシミュレーションモデルの結果をグラフ形式で示す。 本発明の第５実施形態に従った制御回路の概略図を示す。

本発明の第１実施形態に従った第１制御回路２０を図２に示す。

第１制御回路２０は、第１および第２端子２２、２４を具備する。使用時、第１および第２端子２２、２４は、それぞれ、第１および第２直流送電線２６、２８（それぞれ、＋Ｖｄｃ/２および-Ｖｄｃ/２の電圧を伝送する）に接続される。

第１制御回路２０は、さらに、第１および第２端子２２、２４間に延びる伝送路を具備する。伝送路は、第３端子３４により分割される第１および第２伝送路部分３０、３２を有する。

第１伝送路部分３０は、第１および第３端子２２、３４間に延び、複数の直列接続した第１モジュール３６を有する。各第１モジュール３６は、第１コンデンサの形式のエネルギー貯蔵装置と並列接続する二対の１次スイッチング素子を含む。二対の１次スイッチング素子と第１コンデンサは、ゼロ、負、または正電圧を提供し、かつ、電流を双方向に伝導可能な第４象限双極モジュールを画成するために、フルブリッジ配列で接続する。

第２伝送路部分３２は、第２および第３端子２４、３４間に延び、複数の直列接続した２次スイッチング素子４０を有する。

各スイッチング素子は、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）方式の半導体素子により構成される。各スイッチング素子はまた、各スイッチング素子と並列に接続する逆並列ダイオードを含む。

第１制御回路２０は、さらに、補助端子４２と、第３および補助端子３４、４２間に伝送路から分岐するように延びるエネルギー変換ブロックとを含む。エネルギー変換ブロックは、第３および補助端子３４、４２間に直列接続されるダンプ抵抗４４を含む。本発明の他の実施形態では、ダンプ抵抗４４が複数のダンプ抵抗に置き換えられることもある。

使用時、補助端子４２は、第２直流送電線２８に接続される。

第１制御回路２０は、さらに、第１伝送路部分３０からの各第１コンデンサの選択的除去を制御する制御装置４６を含む。各第１コンデンサは、以下のように、第１伝送路部分３０から選択的に除去される。

各第４象限双極モジュールの第１コンデンサは、１次スイッチング素子の状態を変化させることにより、選択的に迂回されるか、または、伝送路に挿入される。この構成により、電流が、選択的に第１コンデンサを介するか、または、迂回するため、各第４象限双極モジュールは、ゼロ、負、または正電圧を提供できる。

各第４象限双極モジュール内の二対の１次スイッチング素子が、第４象限双極モジュール内に短絡を形成するように構成される場合、各第４象限双極モジュールの第１コンデンサは迂回される。この構成により、第１伝送路部分３０内の電流が、短絡を通過して第１コンデンサを迂回するため、第４象限双極モジュールはゼロ電圧を提供する（すなわち、第４象限双極モジュールが迂回モードに構成され、その結果、第１伝送路部分３０から除去される）。

各第４象限双極モジュール内の二対の１次スイッチング素子が、第１伝送路部分３０内の電流の第１コンデンサへの流入および流出を許可する構成である場合、各第４象限双極モジュールの第１コンデンサは、第１伝送路部分３０内に挿入される。第１コンデンサは、次に、その貯蔵エネルギーを充電または放電して、非ゼロ電圧を提供する（すなわち、第４象限双極モジュールは、非迂回モードに構成され、その結果、第１伝送路部分３０から除去されない）。第４象限双極モジュールの双方向性は、正電圧または負電圧を提供するために、第１コンデンサを順方向または逆方向で第１伝送路部分３０内に挿入できることを意味する。

それぞれが各自の電圧を提供する複数の第１モジュール３６の第１コンデンサを、第１伝送路部分３０に挿入することにより、個々の第１モジュール３６のそれぞれから得られる電圧よりも高い、複数の第１モジュール３６の総電圧を構築することが可能である。このように、各第１モジュール３６の１次スイッチング素子のスイッチングが、複数の第１モジュール３６に段階的可変電圧源を提供させ、これにより、段階的近似を使用した、複数の第１モジュール３６での電圧波形の生成が可能となる。

本発明の他の実施形態において、各第１モジュールは、双方向電流能力を有するように他の方法で構成されてもよい。例えば、各第1モジュールは、ゼロまたは正電圧を提供し、かつ、電流を双方向に伝導可能な第２象限単極モジュールを画成するために、ハーフブリッジ配列で第１コンデンサと並列接続する一対の１次スイッチング素子を含んでもよい。

制御装置４６はまた、複数の２次スイッチング素子４０のスイッチングも制御する。

直流送電方式の第１制御回路２０の動作について、図３を参照しながら以下に記述する。

第１および第２直流送電線２６、２８は、対応する第１および第２の交流回路網（図示せず）のそれぞれの位相に接続する第１および第２電力変換器４８、５０に相互接続する。電力は第１交流回路網から、対応する電力変換器と第１および第２直流送電線２６、２８を介して、第２交流回路網に送信される。

通常動作において、第１制御回路２０は、各第１モジュールの第１コンデンサが伝送路に接続するスタンバイ構成を採用する。一方、制御装置４６は、各２次スイッチング素子４０をオン状態に切り替えて、電流が第２伝送路部分３２を通過し、その結果、ダンプ抵抗４４を迂回するのを可能にする。言い換えると、第２伝送路部分３２は、回路からダンプ抵抗４４を『省略』し、第１制御回路２０がスタンバイ構成にある間はその状態を維持するように構成される。第２伝送路部分３２をこのような構成にする目的は、ダンプ抵抗４４を介してのエネルギー散逸による電力損失を最小限に抑えることにある。

第１伝送路部分３０の総電圧は、直流送電線２６、２８の電圧であるＶ_ＤＣにほぼ等しい。スタンバイ構成には、伝送路を介して流れるゼロまたは最小電流が存在する。

第２電力変換器５０が、例えば、第２交流回路網内の障害等により、送信電力を受信できない場合、第１交流回路網は、電力伝送がゼロに減少するまで一時的に（風力発電装置では通常１〜２秒間）直流送電線に送電し続けなければならない。これが直流送電線２６、２８内の余剰エネルギーの蓄積を招く。直流送電線２６、２８が過電圧となるのを防ぎ、かつ、必要に応じて電力低下障害のライドスルーを確保するために、直流送電線２６、２８からの余剰エネルギーの除去が必要となる

第１交流回路網が、第１電力変換器４８を介して直流送電線への送電を続けられるように、制御装置４６は、各２次スイッチング素子４０を選択的にオフ状態に切り替えて、電流が第２伝送路部分３２を介するのを阻止し、その結果、電流はダンプ抵抗４４に導かれる。一方、制御装置４６は、第１伝送路部分３０から各第１コンデンサを選択的に除去し、直流送電線２６、２８の電圧Ｖ_ＤＣに有限の電圧ステップを加えるか、または、差し引く、電圧波形Ｖ_１を第１伝送路３０に生成する。これにより、電流Ｉ_ｄｕｍｐは、直流送電線２６、２８から第１伝送路部分３０を介してダンプ抵抗４４に流れ込み、その結果、ダンプ抵抗４４を介してエネルギーの散逸が可能となり、直流送電線２６、２８から余剰エネルギーが取り除かれる。

エネルギー除去モードにおいて、第１制御回路２０は、直流送電線２６、２８から相対的に高電流（通常、一単位当たり１．０）を引き込み、直流送電線２６、２８と有効電力を交換する。

このように、第１制御回路２０は、直流送電線２６、２８から余剰エネルギーを除去するエネルギー除去装置として使用可能である。

第１制御回路２０内に複数の第１モジュール３６を備えることにより、ダンプ抵抗４４を介して流れる電流量を能動的に変更する多様な電圧波形の生成が可能となり、直流送電線２６、２８から除去される余剰エネルギーに対応できる。

伝送路から各第1コンデンサを選択的に除去する能力は、直流送電線２６、２８から第１制御回路２０へのエネルギー（余剰電力）の高速伝送を可能にし、その結果、直流送電線２６、２８内のエネルギーレベルを迅速に制御できる。これにより、第１制御回路２０は、関連する電気回路網内で障害が生じた際、直流送電線２６、２８内のエネルギーレベルを制御する要求に対して迅速に対応できる。

さらに、補助端子４２が第２直流送電線２８に接続することにより、ダンプ抵抗４４が（地面ではなく）第２直流送電線２８に接続でき、その結果、高電流が直流送電線２６、２８の浮遊容量ではなく、直流送電線２６、２８を介して循環することが可能となる。

第２伝送路部分３２は、スタンバイ構成かつエネルギー除去モードにおいて、ゼロ電流または略ゼロ電流を伝導する。これにより、第２伝送路部分３２内で低電流高電圧半導体素子の使用が可能になり、その結果、損失、コストおよび接地面積が削減できる。

本発明の第２実施形態に従った第２制御回路１２０を図４に示す。図４に示す第２制御回路１２０の構成および動作は、図２に示す第１制御回路２０と同様であり、類似の機能には同一の参照番号を付してある。

第２制御回路１２０が第１制御回路２０と異なるのは、第２制御回路１２０内において、複数の直列接続した２次スイッチング素子４０が複数の直列接続した第２モジュール６８に置き換えられているところである。各第２モジュール６８は、第２コンデンサの形式のエネルギー貯蔵装置と並列接続する一対の１次スイッチング素子を含む。一対の１次スイッチング素子と第２コンデンサは、ゼロまたは正電圧を提供でき、かつ、電流を双方向に伝導可能な第２象限単極モジュールを画成するために、ハーフブリッジ配列で接続される。

使用に際して、制御装置４６は、第２伝送路部分３２からの各第２コンデンサの選択的除去を制御する。各第２コンデンサは、下に述べるように、第２伝送路部分３２から選択的に除去可能である。

各第２象限単極モジュールの第２コンデンサは、１次スイッチング素子の状態を変化させることにより、選択的に迂回されるか、または、伝送路内に挿入される。これにより、電流は選択的に第２コンデンサを介するか、または、迂回するように導かれるため、各２象限単極モジュールがゼロまたは正電圧を提供する。

各２象限単極モジュール内の一対の１次スイッチング素子が２象限単極モジュール内に短絡を形成するように構成されるとき、各２象限単極モジュールの第２コンデンサは迂回される。これにより、第２伝送路部分３２内の電流が短絡を介して第２コンデンサを迂回するため、第２象限単極モジュールはゼロ電圧を提供する（すなわち、第２象限単極モジュールは迂回モードに設定され、その結果、第２伝送路部分３２から除去される）。

各２象限単極モジュール内の一対の１次スイッチング素子が、第２伝送路部分３２内の電流が第２コンデンサに流入かつ流出できるように構成されるとき、各２象限単極モジュールの第２コンデンサは、第２伝送路部分３２に挿入される。第２コンデンサは、非ゼロ電圧を提供するためにその貯蔵エネルギーを充電または放電する（すなわち、第２象限単極モジュールが非迂回モードに構成され、その結果、第２伝送路部分３２から除去されない）。

複数の第１モジュール３６に関して上述したのと同様に、複数の第２モジュール６８の総電圧を構築することも可能である。

第２制御回路１２０の動作は、第１制御回路２０の動作と類似しているが、以下の点で異なる。すなわち、
直流送電線２６、２８からエネルギーを取り除くとき、制御装置４６は、第２伝送路部分３２の各第２モジュール６８の１次スイッチング素子の状態を選択的に切り替えて、第２伝送路部分３２を介して流れる電流を阻止または最小限に抑え、その結果、電流はダンプ抵抗４４内に導かれる。

好ましくは、第２制御回路１２０は、直流送電線２６、２８からエネルギーを除去する間、第２伝送路部分３２を介して流れる電流がゼロになるように制御される。しかしながら、実際には、一部の電流が第２伝送路部分３２を介して流れて、第２コンデンサの充電および放電を可能にし、ダンプ抵抗４４の所望電圧を達成する。

複数の第２モジュール６８の各々は、複数の第１モジュール３６の各々より低い定格を有する構成が可能であり、これにより、損失、コスト、および接地面積を削減できる。この理由は、第１制御回路２０ついても上述したように、第２伝送路部分３２が、スタンバイ構成かつエネルギー除去モードにおいて、ゼロまたは略ゼロの電流を伝導するからである。

本発明の第３実施形態に従った第３制御回路２２０を図５に示す。図５に示す第３制御回路２２０は、その構成および動作が図４に示す第２制御回路１２０と類似しており、同様の機能には同一の参照番号を付している。

第３制御回路２２０が第２制御回路１２０と異なるのは、第３制御回路２２０において、各第２モジュール７０が、第２コンデンサの形式のエネルギー貯蔵装置と並列接続する二対の１次スイッチング素子を含む部分である。二対の１次スイッチング素子と第２コンデンサは、ゼロ、負、または正電圧を提供でき、かつ、双方向に電流を伝導可能な第４象限双極モジュールを画成するためにフルブリッジ配列で接続する。

使用中、制御装置４６は、第２伝送路部分３２からの各第２コンデンサの選択的除去を制御する。各第２コンデンサは、第１制御回路２０内の第１伝送路部分３０からの各第１モジュール３６の選択的除去と同様に、第２伝送路部分３２から選択的に除去できる。

第２伝送路部分３２内で第２象限単極モジュールの代わりに第４象限双極モジュールを使用する以外は、第３制御回路２２０の動作は第２制御回路１２０の動作と同様である。

第２伝送路部分３２内で第４象限双極モジュールを使用する有益性は、送信電力の方向が逆転すると直流電圧の極性が変化する他励式コンバータ（ＬＣＣ）使用の高圧直流送電（ＨＶＤＣ）方式と組み合わせて、第３制御回路２２０を使用できる点である。

本発明の第４実施形態に従った第４制御回路３２０を図６に示す。図６に示す第４制御回路３２０の構成と動作は、図５に示す第３制御回路２２０と同様であり、類似する機能には同一の参照番号を付してある。

第４制御回路３２０は、以下の点で第３制御回路２２０と異なる。すなわち、
＊使用中、補助端子４２が第２直流送電線２８の代わりに地面に接続し、かつ、
＊第２伝送路部分３２が、さらに、複数の第２モジュール７０と直列接続する第２誘導子を含む。

図７を参照しながら、直流送電方式における第４制御回路３２０の動作を以下に述べる。

第１および第２直流送電線２６、２８は、第１および第２電力変換器４８、５０と相互接続し、第１および第２電力変換器４８、５０は、対応する第１および第２交流回路網（図示せず）のそれぞれの位相に接続する。電力は、対応する電力変換器と第１および第２直流送電線２６、２８を介して、第１交流回路網から第２交流回路網に伝送される。

通常運転の際、第４制御回路３２０は、第１および第２モジュール７０のコンデンサを伝送路に接続するスタンバイ構成を採用する。一方、第１および第２伝送路部分３０、３２は、第４制御回路３２０がスタンバイ構成であるとき、ダンプ抵抗４４を介して流れる電流を阻止または最低限に抑えるために、ダンプ抵抗４４を渡る電圧をゼロまたは略ゼロに維持し、その結果、ダンプ抵抗４４を介するエネルギーの散逸を最小限に抑えるように構成される。第１および第２伝送路部分３０、３２をこのように構成する目的は、ダンプ抵抗４４を介するエネルギー散逸による電力損失を最小限に抑えることである。

第１伝送路部分３０の総電圧は、直流送電線２６、２８の電圧であるＶ_ＤＣにほぼ等しい。スタンバイ構成において、伝送路を介して流れる電流はゼロまたは最小である。

第２電力変換器５０が、たとえば、第２交流回路網内の障害などにより送信電力を受信できない場合、第１交流回路網は、電力伝送がゼロに減少するまで（風力発電装置で通常１〜２秒間）一時的に直流送電線への送電を続けなければならない。上述したように、これが直流送電線２６、２８内の余剰エネルギーの蓄積に繋がる可能性がある。直流送電線２６、２８を過電圧から保護し、かつ、必要に応じて、低電圧ライドスルーを確保するために、直流送電線２６、２８から余剰エネルギーを除去する必要がある。

第１交流回路網が、第１電力変換器４８を介して直流送電線への送電を続けることができるように、制御装置４６は、第１および第２伝送路部分３０、３２から第１および第２コンデンサのそれぞれを選択的に除去し、第１および第２伝送路部分３０、３２のそれぞれに、直流送電線の電圧（Ｖ_ＤＣ）に有限電圧ステップを加えるかまたは差し引く電圧波形を生成する。第１および第２伝送路部分３０、３２の電圧波形は、ダンプ抵抗４４に交流電圧波形を生成するために形成される。これにより、電流Ｉ_{ＡＣ＿ｄｕｍｐ}／２は、直流送電線２６、２８から第１および第２伝送路部分３０、３２を介して流れ、電流Ｉ_{ＡＣ＿ｄｕｍｐ}はダンプ抵抗４４に流れ込み、その結果、直流送電線２６、２８から余剰エネルギーを除去するために、ダンプ抵抗４４を介するエネルギーの散逸が可能になる。

第４制御回路３２０のシミュレーションモデルがＭＡＴＬＡＢ（登録商標）Ｓｉｍｕｌｉｎｋ（登録商標）を使用して実施されてきた。第１および第２コンデンサのそれぞれが直流電源として形成され、第４制御回路３２０が直流電源と並列接続する、シミュレーションモデル例を図８に示す。

矩形電圧波形要求は、第１および第２伝送路部分３０、３２のそれぞれに対して設定される。第１および第２伝送路部分３０、３２のそれぞれに対する各矩形電圧波形要求の正のピーク値は、Ｖｄｃに設定され、一方、第１および第２伝送路部分３０、３２のそれぞれに対する各矩形電圧波形要求の負のピーク値は、単一サイクルで正味ゼロ・エネルギー交換を達成する目的で、第１および第２コンデンサ内の損失エネルギーを回復するために、比例積分調整装置によって制御される負の電圧値であり、図９ａは複数の第１モジュール３６全ての電力Ｐ_１の変化と、ゼロ平均電力Ｐ_ａｖｇで表される正味ゼロ電力交換をグラフ形式で示している。

実際には、発生電圧波形の負値により、直流定電流が、第１および第２コンデンサからダンプ抵抗４４へのエネルギー損失を補償するために、第２直流送電線２８から第１直流送電線２６へ伝送路を介して流れる。図９ｂに、第１伝送路部分３０内の瞬間電流Ｉ_１およびゼロ平均電流Ｉ_{１ａｖｅｇ}と、第２伝送路部分３２内の瞬間電流Ｉ_２およびゼロ平均電流Ｉ_{２ａｖｅｇ}とをグラフ形式で示すように、直流定電流は、伝送路を介してダンプ抵抗４４に流れる交流電流を相殺する。

図９ｃは、ダンプ抵抗４４内で散逸する瞬間電力Ｐ_Ｒおよび平均電力Ｐ_Ｒａｖｇをグラフ形式で表す。

第１および第２伝送路部分３０、３２それぞれにおいて、１８０°位相シフト矩形電圧波形を使用することにより、第１および第２コンデンサを介する電流のピーク値を減少させるだけでなく、単一サイクルにおいて、複数の第１モジュール３６および複数の第２モジュール７０のそれぞれの正味ゼロ・エネルギー変換ももたらすことが、シミュレーションモデルから発見された。従って、第１および第２伝送路部分３０、３２のそれぞれにおける１８０°位相シフト矩形電圧波形の使用は、直流送電線２６、２８からエネルギーを除去する間、第４制御回路３２０を安定稼働させる。

本発明の第５実施例に従った第５制御回路４２０を図１０に示す。図１０に示す第５制御回路４２０の構成は、図４に示す第２制御回路１２０に類似しており、同様の機能には同一の参照番号を付してある。

第５制御回路４２０は第２制御回路１２０と以下の点が異なる。すなわち、
・第５制御回路４２０が複数の第１モジュール３６を除外し、
・エネルギー変換ブロックが、さらに、ダンプ抵抗４４に直列接続する複数の直列接続した補助スイッチング素子１００を含む。

直流送電方式における第５制御回路４２０の動作を以下に述べる。

通常稼働の場合、第５制御回路４２０は、各第２コンデンサが伝送路に接続されるスタンバイ構成を使用する。一方、各補助スイッチング素子１００は、エネルギー損失を最小限に抑えるために、ダンプ抵抗４４の電流の流れを抑止するオフ状態に切り替えられる。

直流送電線２６、２８からエネルギーを取り除く場合、各補助スイッチング素子１００はダンプ抵抗４４の電流の流れを許可するオン状態に切り替えられる。この段階で、制御回路４６は、第２伝送路部分から各第２コンデンサを選択的に除去して、第３端子３４の電圧を変更し、それにより、各補助スイッチング素子１００がオン状態に切り替えられる際に各補助スイッチング素子１００のソフトスイッチングを可能にする。

各補助スイッチング素子１００がオン状態に切り替えられると、直流電流が直流送電線２６、２８から伝送路を介してダンプ抵抗４４に流れ込む。これによりダンプ抵抗４４を介してエネルギー散逸がなされ、直流送電線２６、２８から余剰エネルギーが除去される。

直流送電線２６、２８が通常稼働を再開し、第５制御回路４２０が、直流送電線２６、２８からエネルギーを除去する操作を要求されなくなると、各補助スイッチング素子１００は、第５制御回路４２０がスタンバイ構成に再設定される前に、ダンプ抵抗４４内の電流の流れを抑止するためにオフ状態に再度切り替えられる。この段階で、制御装置４６は、第２伝送路部分から各第２コンデンサを選択的に除去して、第３端子３４の電圧を変更し、それにより、各補助スイッチング素子１００がオフ状態に再度切り替えられる際に、各補助スイッチング素子１００のソフトスイッチングを可能にする。

このように、第５制御回路４２０は、また、直流送電線２６、２８からのエネルギー除去が可能な、より簡略な構成を提供する。

第２伝送路３２は、複数の直列接続した補助スイッチング素子１００より低い定格を有するように構成でき、その結果、損失、コストおよび接地面積の削減を提供できる。何故なら、伝送路からの各第２コンデンサの選択的除去は、直流送電線２６、２８からのエネルギー除去を制御するために不可欠なものではないからである。

本発明の他の実施例において、各補助スイッチング素子は、ダンプ抵抗内の電流の流れを制御する補助モジュールと置き換えてもよく、ここで各補助モジュールは少なくとも１つの補助エネルギー貯蔵装置を有する。好ましくは、各補助モジュールが、選択的に（各）補助エネルギー貯蔵装置を介して電流を導くか、または、（各）補助エネルギー貯蔵装置を迂回させる、少なくとも１つの補助スイッチング素子を含む。

各補助モジュールは、双方向電流能力を有するように構成されてもよい。例えば、各補助モジュールは、先の実施形態において上述した伝送路の第１および第２モジュールと同じ方法で、双方向電流能力を有するように構成されてもよい。

さらに任意で、各補助スイッチング素子は、双方向電流能力を有するように構成された補助モジュールに置き換えてもよく、すなわち、各補助モジュールは、一方向だけに電流を導くことができるように構成される。例えば、各補助モジュールは、第１および第２の直列接続電流制御素子セットを含んでもよく、直列接続した電流制御素子の各セットは、各補助エネルギー貯蔵装置を介して選択的に電流を導く能動スイッチング素子と、補助モジュールを介して電流が一方向に流れるのを制限する受動電流抑制素子とを含み、第１および第２の直列接続電流制御素子セットと各補助エネルギー貯蔵装置が、電流を一方向に伝導する間に、ゼロ、正、または、負電圧を提供できる第２象限双極有理モジュールを画成するために、フルブリッジ配列で配置される。

本発明の（図示されない）他の実施態様において、１つ以上のスイッチング素子が、例えば、ゲートターンオフサイリスタ（ＧＴＯ）、電界効果トランジスタ、ＩＥＧＴ（Ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｇａｔｅ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ゲート転流型サイリスタ（ＩＧＣＴ）、またはその他の自励半導体装置などの異なるスイッチング装置であってもよい。どれを使用する場合も、スイッチング装置は逆並列ダイオードにより並列に接続される。

本発明の（図示されない）その他の実施形態において、各モジュール内のコンデンサは、例えば、燃料電池、電池、または、電圧を提供するために電気エネルギーを蓄積しかつ放出できるその他のエネルギー貯蔵装置などの異なるエネルギー貯蔵装置と置き換えてもよい。

Claims (18)

1. 第１および第２送電線にそれぞれ接続する第１および第２端子と、
   前記第１および第２端子間に延び、第３端子によって分割される第１および第２伝送路部分を有する伝送路であって、前記第１および第２伝送路部分の一方または両方が、少なくとも１つのモジュールを含み、かつ、前記モジュールが少なくとも１つのエネルギー貯蔵装置を含む、伝送路と、
   地面または前記第２送電線に接続する補助端子と、
   前記送電線からエネルギーを除去するためのエネルギー変換ブロックであって、前記第３および補助端子間に前記伝送路から分岐するように延び、かつ、少なくとも１つのエネルギー変換素子を含む、エネルギー変換ブロックと、
   前記伝送路から前記エネルギー貯蔵装置を選択的に除去する制御装置と、
   を備える制御回路。
2. 前記制御装置が、前記伝送路から前記エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、電流を前記送電線から前記伝送路を介して前記エネルギー変換素子に流し入れ、それにより、前記送電線からエネルギーを除去する、請求項１に記載の制御回路。
3. 前記第１伝送路部分が少なくとも１つの第１モジュールを含み、かつ、前記第１モジュールが少なくとも１つの第１エネルギー貯蔵装置を含む、請求項１または２に記載の制御回路。
4. 前記第１モジュールが、選択的に電流に前記第１エネルギー貯蔵装置を介させるか、または迂回させる少なくとも１つの１次スイッチング素子を含む、請求項３に記載の制御回路。
5. 前記第２伝送路部分が、前記第２伝送路部分内の電流の流れを選択的に許可または抑止する切替えが可能な少なくとも１つの１次スイッチングブロックを含む、請求項４に記載の制御回路。
6. 前記１次スイッチングブロックが、少なくとも１つの２次スイッチング素子を含む、請求項５に記載の制御回路。
7. 前記１次スイッチングブロックが、少なくとも１つの第２モジュールを含み、前記第２モジュールが、少なくとも１つの第２エネルギー貯蔵装置を含む、請求項６に記載の制御回路。
8. 前記第２モジュールが、選択的に電流に前記第２エネルギー貯蔵装置を介させるか、または迂回させる少なくとも１つの１次スイッチング素子を含む、請求項７に記載の制御回路。
9. 前記制御装置が、前記第２伝送路部分内の電流を遮断または最小限に抑えるように前記１次スイッチングブロックを選択的に切り替え、その結果、電流を前記エネルギー変換素子内に導く、請求項７または８に記載の制御回路。
10. 前記制御装置が、前記第２伝送路部分内の電流を遮断するために、前記２次スイッチング素子を選択的にオフ状態に切り替え、もって、電流を前記エネルギー変換素子内に導く、請求項９に記載の制御回路。
11. 前記制御装置が、前記第２伝送路部分内の電流を遮断または最小限に抑えるために、前記第２モジュール内の前記１次スイッチング素子を選択的に切り替え、もって、電流を前記エネルギー変換素子内に導く、請求項９に記載の制御回路。
12. 前記制御装置が、前記第１および第２伝送路部分から各エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、前記エネルギー変換素子に交流電圧波形を生成し、もって、前記送電線からエネルギーを除去する、請求項７または８に記載の制御回路。
13. 前記制御装置が、前記第１および第２伝送路部分から各エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、前記第１および第２伝送路部分のそれぞれに矩形電圧波形を生成し、もって、前記エネルギー変換素子に交流電圧波形を生成して、前記送電線からエネルギーを除去する、請求項１２に記載の制御回路。
14. 前記エネルギー変換ブロックが、前記エネルギー変換素子内の電流の流れを選択的に許可または抑止する切替えが可能な少なくとも１つの補助スイッチングブロックをさらに含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の制御回路。
15. 前記補助スイッチングブロックが、少なくとも１つの補助スイッチング素子を含む、請求項１４に記載の制御回路。
16. 前記補助スイッチングブロックが、少なくとも１つの補助モジュールを含み、前記補助モジュールが、少なくとも１つの補助エネルギー貯蔵装置を含む、請求項１４または１５に記載の制御回路。
17. 前記補助モジュールが、選択的に電流に前記補助エネルギー貯蔵装置を介させるか、または迂回させる少なくとも１つの補助スイッチング素子を含む、請求項１６に記載の制御回路。
18. 前記制御装置が、前記第２伝送路部分から各第２エネルギー貯蔵装置を選択的に除去して、前記第３端子で電圧を変更し、それにより、前記補助スイッチングブロックが切替えられる際に、前記補助スイッチングブロックのソフトスイッチングを可能にする、請求項１４から１７のいずれか一項に記載の制御回路。
    

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