JP6240405B2 - 自励式変換器充電方法および電力変換システム - Google Patents

Description

本発明は、自励式変換器の初充電を行う技術に関する。

自励式変換器は、交流系統に連系するための変換用変圧器と、高速に送電方向を変化させる変換器と、直流側に設けられたコンデンサとを有する。この自励式変換器は、系統電圧との位相差および電圧の大きさを変えることで、有効電力、無効電力を制御している。また、自励式変換器は、コンデンサの初充電を必要とする。

初充電のための第１の技術として、直流側に直接充電装置を取り付けて充電する方法が知られている（例えば、特許文献１）。この技術は、変換器を交流系統に連系させるための遮断器を開放しておき、初充電回路を直流側に接続することによりコンデンサを充電し、充電完了後、初充電回路を切り離し、遮断器を投入し、直流系統を交流系統に連系させる。

また、初充電のための第２の技術として、交流系統から抵抗投入によりコンデンサを充電する方法が知られている（例えば、特許文献２）。この技術は、抵抗器を介して変換器を交流系統に接続し、充電後、抵抗器を短絡する。

特開２０１１−１７２３３３号公報 特開平８−１３０８７７号公報

第１の技術は、自励式変換器内に初充電のための電力を供給する回路が必要であるため、自励式変換器の大型化や高コスト化等の問題がある。第２の技術は、系統電圧の高圧化に伴い、大きな抵抗が必要になるため、初充電のための回路の大型化や高コスト化の問題がある。

上記課題を解決するために、本発明の一態様である自励式変換器充電方法は、交流系統から供給される電力を、第１変圧器により降圧し、前記第１変圧器から出力される電力を、抵抗器へ通し、前記抵抗器から出力される電力を、第２変圧器により昇圧し、前記第２変圧器から出力される電力を、自励式変換器の交流側へ入力することにより、前記自励式変換器内のコンデンサを充電する、ことを備える。

本発明の一態様によれば、初充電のための設備の寸法及びコストを低減することができる。

本発明の実施例の電力変換システムの構成を示す。 初充電方法を示す。 電力変換システムの第１状態を示す。 電力変換システムの第２状態を示す。 電力変換システムの第３状態を示す。

以下、本発明の実施例について図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施例の電力変換システムの構成を示す。

この電力変換システムは、直流送電システムの変電所内に設けられており、交流系統１と直流系統３１の間の電力変換を行う。電力変換システムは、甲母線２（第１母線）と、乙母線３（第２母線）とを有する。甲母線２と乙母線３は、２重母線を成す。甲母線２は、交流系統１に連系している。

電力変換システムは更に、所内変圧器４（第１変圧器）と、緊急用電源（ＥＧ）５と、遮断器８と、抵抗７（抵抗器）と、所内変圧器６（第２変圧器）とを有する。甲母線２には、所内変圧器４の一次側（高圧側、入力側）が接続されている。所内変圧器４の二次側（低圧側、出力側）には、緊急用電源５と、遮断器８の一端が接続されている。遮断器８の他端には、抵抗７の一端が接続されている。抵抗の他端には、所内変圧器６の二次側（低圧側、入力側）が接続されている。所内変圧器６の一次側（高圧側、出力側）には、乙母線３が接続されている。

電力変換システムは更に、電力変換システムは更に、遮断器９（第１遮断器：ブスタイ）と、遮断器１０（第２遮断器：ブスタイ）と、遮断器１１と、接続点６１を有する。乙母線３上で、所内変圧器６の一次側には、遮断器９の一端が接続されている。乙母線３上で、遮断器９の他端には、接続点６１が接続されている。接続点６１には、遮断器１１の一端が接続されている。甲母線２と、接続点６１との間には、遮断器１０（ブスタイ）が接続されている。

電力変換システムは更に、自励式変換器２１を有する。遮断器１１の他端には、自励式変換器２１の交流側が接続されている。自励式変換器の直流側には、直流系統３１が接続されている。

自励式変換器２１は、変換用変圧器（変換器用変圧器）１２と、変換器１３と、コンデンサ１４と、電圧測定器１５とを有する。遮断器１１の他端には、変換用変圧器１２の一次側（高圧側、入力側）が接続されている。変換用変圧器１２の二次側（低圧側、出力側）には、変換器１３の交流側が接続されている。変換器１３の直流側には、コンデンサ１４と、電圧測定器１５と、直流系統３１とが並列に接続されている。変換器１３は、スイッチング素子としてＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いることにより、高速に送電方向を変化させる。電圧測定器１５は、コンデンサ１４の両端の電圧を測定することにより、コンデンサ１４の充電状態を監視する。なお、自励式変換器２１は、変換器１３とコンデンサ１４と電圧測定器１５との組を、複数有していても良い。

電力変換システムは更に、制御装置４１を有する。制御装置４１は、電圧測定器１５により測定された電圧に関する情報を表示し、オペレータからの入力に基づいて遮断器８、９、１０、１１へ開閉の指示を送る。

所内変圧器４は、交流系統１に連系している甲母線２の系統電圧を所内電圧へ降圧する。所内電圧は、変電所内で用いられる電圧であり、系統電圧より低い。所内変圧器６は、所内電圧を系統電圧へ昇圧する。なお、所内変圧器６は、所内電圧を、系統電圧を含む所定の電圧範囲の電圧へ昇圧する。所定の電圧範囲は例えば、系統電圧の上限値及び下限値により規定される。以下の説明において、緊急用電源５、遮断器８、抵抗７の区間を所内配線と呼ぶ。所内配線の電圧は、所内電圧になる。抵抗７を用いる抵抗投入により、突入電流を回避することができる。

緊急用電源５は、交流系統１の事故等により、交流系統１から所内配線へ電力が供給されなくなった場合に、所内電圧を有する電力を所内配線へ供給する。緊急用電源５は例えば、充電池を有する。この場合、通常時に交流系統１から所内変圧器４を介して緊急用電源５へ供給される電力により、緊急用電源５内の充電池が充電される。

図２は、初充電方法を示す。

まず、直流送電システムは、コンデンサ１４を充電するための初充電モードになる。制御装置４１は、オペレータからの指示に応じて、遮断器８、９、１１を投入（「入」状態に）する（Ｓ２０）。これにより、電力変換システムは、第１状態になり、コンデンサ１４が充電される（Ｓ２１）。

図３は、電力変換システムの第１状態を示す。

第１状態において、甲母線２及び所内配線は、交流系統１に連系している。遮断器９、１１が投入されていることにより、自励式変換器２１は、所内配線に接続されている。矢印５１は、第１状態における潮流を示す。この図における遮断器８、９、１０、１１は、開閉状態を示す。所内変圧器４は、甲母線２からの系統電圧を所内電圧へ降圧する。所内変圧器４から出力された電力は、遮断器８を通り、抵抗７を通り、所内変圧器６へ入力される。所内変圧器６は、抵抗７からの所内電圧を系統電圧へ昇圧する。所内変圧器６から出力された電力は、乙母線３上の遮断器９を通り、遮断器１１を通り、自励式変換器２１へ入力される。自励式変換器２１へ入力された電力は、変換用変圧器１２を介して全ての変換器１３に付属しているコンデンサ１４を充電する。これにより、所内配線からの電力を用いてコンデンサ１４を充電することができる。

その後、制御装置４１は、電圧測定器１５により測定された電圧に基づいて、全てのコンデンサ１４の充電が完了したと判定した場合に、その完了を示す情報を表示する（Ｓ２２）。例えば、制御装置４１は、全ての電圧測定器１５により測定された電圧が所定の電圧閾値以上になった場合に、全てのコンデンサ１４の充電が完了したと判定する。

その後、制御装置４１は、オペレータからの指示に応じて、遮断器９、１１を開放（「切」状態に）する（Ｓ２３）。これにより、乙母線３における所内変圧器６と、遮断器１０、１１との間が切り離される。更に、自励式変換器２１の交流側が乙母線３から切り離される。なお、制御装置４１は、全てのコンデンサ１４の充電が完了したと判定した場合に、遮断器９、１１を開放しても良い。

その後、制御装置４１は、オペレータからの指示に応じて、遮断器１０を投入する（Ｓ２４）。これにより、電力変換システムは、第２状態になる。

図４は、電力変換システムの第２状態を示す。

第２状態において、遮断器９、１１が開放されているため、自励式変換器２１は、所内系統に連系していない。甲母線２と乙母線３が遮断器１０を介して接続され、乙母線３が交流系統１に連系する。

その後、制御装置４１は、オペレータからの指示に応じて、遮断器１１を投入する（Ｓ２５）。これにより、電力変換システムは、第３状態になる。直流送電システムは、正規運転モードになり（Ｓ２６）、制御装置４１は、変換器１３を起動する。

図５は、電力変換システムの第３状態を示す。

第３状態において、自励式変換器２１の交流側が乙母線３に接続され、交流系統１に連系する。矢印５３は、第３状態における潮流を示す。正規運転モードにおいて、自励式変換器２１は、交流系統１からの交流電力を直流電力へ変換し、直流電力を直流系統３１へ供給する。これにより、自励式変換器２１は、コンデンサ１４の充電の完了後に、所内配線からの電力に代えて、交流系統１からの電力を受けることができる。以上が初充電方法である。

従来の交流系統からコンデンサを充電する技術では、交流系統からの電力を、系統電圧のまま、抵抗及び遮断器を介して、自励式変換器へ入力する。従って、系統電圧による突入電流を回避するための大きい抵抗や、系統電圧に耐え得る遮断器等が必要になり、設備が大型で高コストになる。一方、本実施例の抵抗７及び遮断器８は、系統電圧より低い所内電圧に対応する設備で良いため、従来の設備に比べて寸法やコストを低減することができる。

なお、初充電方法において、制御装置４１は、オペレータからの指示を受けずに、遮断器９、１０、１１を制御しても良い。例えば、制御装置４１は、Ｓ２２において全てのコンデンサ１４の充電が完了したと判定した場合に、Ｓ２３〜Ｓ２６を実行しても良い。

前述の初充電方法によれば、所内変圧器６の一次側が自励式変換器２１の交流側に接続されることにより、コンデンサ１４を充電する初充電モードが実現され、交流系統１が自励式変換器２１の交流側に接続されることにより、変換器１３を動作させる正規運転モードが実現される。このように初充電モードの後に正規運転モードが実現されるように、初充電方法における処理を変更しても良い。例えば、制御装置４１は、充電完了後に、遮断器９を開放し、遮断器１０を投入しても良い。また、電力変換システムは、遮断器８、１１を有していなくても良い。

なお、初充電モードにおいて、抵抗７に並列に遮断器（第３遮断器）を接続し、コンデンサ１４の充電が完了した後、又は抵抗７に電流が流れた後に、その遮断器を投入して抵抗７を短絡しても良い。これにより、突入電流を回避すると共に、その後の電力損失を低減することができる。

交流系統１から電力が供給されない場合の初充電方法について説明する。

交流系統１の事故等により、交流系統１から電力が供給されない場合、電力変換システムは、緊急用電源５からの電力によりコンデンサ１４を充電する。直流送電システムが初充電モードになり、前述の初充電方法により、Ｓ２０、Ｓ２１により、電力変換システムは第１状態になる。第１状態において、所内変圧器４から電力が出力されなくなると、緊急用電源５は電力を出力する。緊急用電源５から出力された電力は、前述の矢印５１で示された経路で、系統電圧に昇圧され、自励式変換器２１へ入力される。これにより、前述の初充電方法と同様、コンデンサ１４が充電される。全てのコンデンサ１４の充電が完了し、且つ交流系統１が復旧すると、Ｓ２２〜Ｓ２６により、直流送電システムは、正規運転モードになる。

従来の交流系統からコンデンサを充電する技術では、系統事故等で交流系統電源が無くなった場合に初充電を行なうことができない。一方、本実施例では、交流系統電源が無くてもコンデンサ１４を充電することができ、変換器１３を起動することが可能となる。これにより、電源の無い負荷系統や、系統事故等により、交流系統電源がない状態での自励式変換器２１の起動（ブラックスタート）を可能にする。

また、交流系統電源の喪失時に、所内電圧を有する電力を出力する緊急用電源５が変電所内に用意されている場合、所内電圧を昇圧してコンデンサ１４の初充電を行うことにより、初充電に緊急用電源５を利用することができる。これにより、初充電専用の電源や、交流系統から電力を供給するための初充電専用の回路を用意する必要がないため、電力変換システムの小型化、低コスト化、及び、装置数低減によるシステム信頼度の向上に寄与することができる。

充電時には、所内配線からの電力を系統電圧へ昇圧して自励式変換器２１へ入力し、充電後には、交流系統１からの電力を系統電圧のままで自励式変換器２１へ入力することにより、自励式変換器２１に電源等の設備を追加することなく、初充電モードと正規運転モードの動作を実行することができる。また、２重母線を用いることにより、充電時には、交流系統１から所内配線への電力の供給と、所内配線から自励式変換器２１への電力の供給を行い、充電後には、交流系統１から所内配線への電力の供給と、交流系統１から自励式変換器２１への電力の供給とを行うことができる。

以上の実施例で説明された技術は、次のように表現することもできる。
（表現１）
交流系統から供給される電力を、第１変圧器により降圧し、
前記第１変圧器から出力される電力を、抵抗器へ通し、
前記抵抗器から出力される電力を、第２変圧器により昇圧し、
前記第２変圧器から出力される電力を、自励式変換器の交流側へ入力することにより、前記自励式変換器内のコンデンサを充電する、
ことを備える自励式変換器充電方法。
（表現２）
前記充電時、前記第２変圧器の出力側と前記自励式変換器の交流側との間を接続することにより、前記第２変圧器から出力される電力を前記自励式変換器の交流側へ入力する、
表現１に記載の自励式変換器充電方法。
（表現３）
前記充電後、前記第２変圧器の出力側と前記自励式変換器の交流側との間を遮断し、前記交流系統と前記自励式変換器の交流側とを接続することにより、前記交流系統から供給される電力を前記自励式変換器の交流側へ入力する、
表現２に記載の自励式変換器充電方法。
（表現４）
前記充電時、前記第２変圧器の出力側と前記自励式変換器との交流側の間に設けられている接続点に対し、前記第２変圧器の出力側と前記接続点との間に設けられている第１遮断器を投入することにより、前記第２変圧器から出力される電力を前記自励式変換器の交流側へ入力する、
表現３に記載の自励式変換器充電方法。
（表現５）
前記充電後、前記第１遮断器を開放し、前記交流系統と前記接続点との間に設けられている第２遮断器を投入することにより、前記交流系統から供給される電力を前記自励式変換器の交流側へ入力する、
表現４に記載の自励式変換器充電方法。
（表現６）
前記充電時、前記交流系統から前記第１変圧器へ電力が供給されない場合、電源装置からの電力を前記抵抗器へ入力し、
前記抵抗器から出力される電力を、前記第２変圧器により昇圧し、
前記第２変圧器から出力される電力を、前記自励式変換器の交流側へ入力する、
表現５に記載の自励式変換器充電方法。
（表現７）
前記第２変圧器の出力側の電圧は、前記交流系統の電圧を含む所定の電圧範囲内である、
表現６に記載の自励式変換器充電方法。
（表現８）
前記第１変圧器の入力側は、第１母線を介して前記交流系統に接続されており、
前記第１遮断器及び前記接続点は、第２母線上に設けられている、
表現７に記載の自励式変換器充電方法。
（表現９）
前記充電時、前記抵抗器と並列に接続されている第３遮断器を開放し、
前記充電後、前記第３遮断器を投入する、
表現７に記載の自励式変換器充電方法。
（表現１０）
交流系統から供給されて第１変圧器により降圧された電力を通す抵抗器と、
コンデンサを含み、前記抵抗器から出力されて第２変圧器により昇圧された電力により前記コンデンサを充電する自励式変換器と、
を備える電力変換システム。

以上の表現において、電源装置は、緊急用電源５等に対応する。

本発明は、以上の実施例に限定されるものでなく、その趣旨から逸脱しない範囲で、他の様々な形に変更することができる。

１：交流系統、 ２：甲母線、 ３：乙母線、 ４：所内変圧器、 ５：緊急用電源、 ６：所内変圧器、 ７：抵抗、 ８、９、１０、１１：遮断器、 １２：変換用変圧器、 １３：変換器、 １４：コンデンサ、 １５：電圧測定器、 ２１：自励式変換器、 ３１：直流系統、 ４１：制御装置、 ６１：接続点

Claims (5)

1. 交流系統から供給される電力を、第１変圧器により降圧し、
   前記第１変圧器から出力される電力を、抵抗器へ通し、
   前記抵抗器から出力される電力を、第２変圧器により昇圧し、
   前記第２変圧器から出力される電力を、自励式変換器の交流側へ入力することにより、前記自励式変換器内のコンデンサを充電し、
   前記充電時、前記第２変圧器の出力側と前記自励式変換器との交流側の間に設けられている接続点に対し、前記第２変圧器の出力側と前記接続点との間に設けられている第１遮断器を投入することにより、前記第２変圧器から出力される電力を前記自励式変換器の交流側へ入力し、
   前記充電後、前記第１遮断器を開放し、前記交流系統と前記接続点との間に設けられている第２遮断器を投入することにより、前記交流系統から供給される電力を前記自励式変換器の交流側へ入力し、
   前記充電時、前記交流系統の電源が喪失して前記第１変圧器から電力が出力されなくなると、電源装置は電力を出力し、前記電源装置からの電力を前記抵抗器へ入力し、前記抵抗器から出力される電力を、前記第２変圧器により昇圧し、前記第２変圧器から出力される電力を、前記自励式変換器の交流側へ入力し、
   前記電源装置は、充電池を有し、
   前記第１変圧器から出力される電力は、前記電源装置に供給されるようになっており、前記充電池は、前記第１変圧器から出力された電力により充電される、
   自励式変換器充電方法。
2. 前記第２変圧器の出力側の電圧は、前記交流系統の電圧を含む所定の電圧範囲内である、
   請求項１に記載の自励式変換器充電方法。
3. 前記第１変圧器の入力側は、第１母線を介して前記交流系統に接続されており、
   前記第１遮断器及び前記接続点は、第２母線上に設けられている、
   請求項２に記載の自励式変換器充電方法。
4. 前記充電時、前記抵抗器と並列に接続されている第３遮断器を開放し、
   前記充電後、前記第３遮断器を投入する、
   請求項２に記載の自励式変換器充電方法。
5. 前記充電時、前記抵抗器と並列に接続されている第３遮断器を開放し、
   前記抵抗器に電流が流れた後に、前記第３遮断器を投入する、
   請求項２に記載の自励式変換器充電方法。

Images