JP6470063B2 - 直流送電装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、交流系統と直流系統とを連系する変換器を有する直流送電装置、断線検出器及び断線検出プログラムに関する。

直流送電は、交流送電と比較して安定度の問題が少ない。また、直流送電は、送電線の熱容量まで電力を送電できる。このため、直流送電は、長距離で大容量の送電に用いられてきた。直流送電を行うためには、直流系統と交流系統との間に、交流と直流とを変換する変換器が必要となる。

従来から用いられてきた変換器は、サイリスタを使用した他励式変換器である。この他励式変換器として、一般的に直流送電に用いられてきた装置は、電流型変換器である。電流型変換器は、大きなインダクタンスを有する平滑リアクトルが直流側に接続されており、運転を継続するためには、電流を流し続けなければならない。

また、交流系統には、系統電圧を調整して系統を安定化させるために、無効電力の供給が必要となる。変換器は、このような無効電力の供給源として機能することができる。但し、他励式変換器は、サイリスタの点弧角のみで制御するため、有効電力の制御しかできない。つまり、他励式変換器の場合、供給する無効電力は、有効電力に応じて自動的に決定される。

一般的に、送電線は、外部環境の影響により断線する場合がある。原因としては、たとえば、送電線に対する倒壊した樹木の接触がある。また、送電線が海底ケーブルの場合、船舶の碇や漁具との接触、サメに噛まれる、海底地震等が考えられる。

従来の他励式変換器の場合、直流送電線の断線事故が生じると、直流送電線には電流が流れなくなる。このため、送電線の電圧も低下し、運転を停止せざるを得ない。このとき、他励式変換器は、有効電力だけでなく、無効電力の出力もゼロとなる。

このような断線を検出する技術として、他励式変換器の電圧、電流特性を利用して、電圧変化率を検出する技術が存在する。この場合、他励式変換器の運転を停止し、送電線の復旧作業が必要となる。このため、再運転するには多大な時間がかかる。

特公昭６３−０６１８５３号公報

上記のように、変換器として、従来の他励式変換器を適用した場合、直流送電線の断線が生じると、運転を停止せざるを得ない。このため、有効電力のみならず、無効電力の供給もできなくなる。すると、無効電力による交流系統の安定化に寄与できず、交流系統の停電を引き起こす可能性がある。

本発明の実施形態は、直流送電線の断線事故が発生した場合であっても、変換器の運転を継続させ、交流系統の安定化を図ることができる直流送電装置、断線検出器及び断線検出プログラムを提供することを目的とする。

上記のような課題を解決するため、実施形態の直流送電装置は、交流系統と連系された直流系統において、直流送電線の両端の電圧値の差が所定の値以上であり、且つ直流送電線の電流値が所定の値以下である場合に、前記直流送電線の断線を検出する断線検出器と、前記交流系統と前記直流系統とを連系し、前記断線検出器が断線を検出した場合に、断線の検出前から前記交流系統へ行っていた無効電力の供給を継続して行う電圧型で自励式の変換器と、電流指令値により前記変換器を制御する制御装置と、を有し、前記直流系統内の断線事故発生前の前記制御装置の電流指令値がゼロであり、前記断線事故が生じた場合に、前記制御装置は、微小な電流指令値に基づいて、前記変換器を制御すること、を特徴とする。

実施形態の直流送電装置を示す結線図 実施形態に用いられる変換器を示す回路図 断線時の電圧値及び電流値の変化を示す説明図 実施形態に用いられる断線検出器を示す制御ブロック線図 他の実施形態を示す結線図 他の実施形態の断線検出器を示す制御ブロック線図 他の実施形態の変換器を示す回路図

［第１の実施形態］
［構成］
本実施形態の構成を、図１及び図２を参照して説明する。
［電力系統］
本実施形態が適用される電力系統は、図１に示すように、交流系統ＡＳ１、交流系統ＡＳ２、直流系統ＤＳ１である。交流系統ＡＳ１、ＡＳ２は、交流電力を供給する電力系統である。交流系統ＡＳ１及び交流系統ＡＳ２は、いずれも送電側、受電側となることができる。交流系統ＡＳ１、ＡＳ２を構成する要素としては、電源、負荷、交流送電線等がある。

例えば、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２を、三相又は単相の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚの電源、負荷及び交流送電線を備える構成とすることができる。交流送電線は、距離の長短や材質等に応じたインピーダンスを有する。また、例えば、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２を、上記のような電源のみにより構成することもできる。

直流系統ＤＳ１は、直流電力を供給する電力系統であり、直流送電線Ｌ等を有する。直流送電線も、距離の長短や材質等に応じた線路抵抗を有する。この直流系統ＤＳ１に、本実施形態の直流送電装置１００が設けられている。

［直流送電装置］
直流送電装置１００は、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と直流系統ＤＳ１との連系を行う装置である。直流送電装置１００は、図１に示すように、変換器１Ａ、変換器１Ｂ、制御装置２Ａ、制御装置２Ｂ、電圧検出器３、電流検出器４、断線検出器５を有する。

（変換器）
変換器１Ａ、１Ｂは、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と直流系統ＤＳ１とを連系し、後述する断線検出器５が断線を検出した場合に、断線の検出前から交流系統ＡＳ１、ＡＳ２へ行っていた無効電力の供給を継続して行う電圧型で自励式の変換器である。

変換器１Ａ、１Ｂは、交流電力と直流電力とを相互に変換することにより、系統を連系する装置である。本実施形態の変換器１Ａ、１Ｂは、電圧型の自励式変換器である。電圧型の変換器は、直流側に挿入されたコンデンサを電圧源として、供給する電圧を制御する変換器である。自励式の変換器は、自己消弧型素子のオン、オフのタイミングを調整することにより、有効電力の出力を制御する変換器である。また、自励式変換器は、自己消弧型素子のオン、オフのタイミングを調整することにより、無効電力の出力を制御することもできる。

変換器１Ａは、交流系統ＡＳ１と直流系統ＤＳ１との間に接続されている。変換器１Ｂは、直流系統ＤＳ１と交流系統ＡＳ２との間に接続されている。変換器１Ａ、１Ｂは、順変換器としても逆変換器としても機能する。つまり、直流送電装置１００は、交流系統ＡＳ１と交流系統ＡＳ２との間を双方向に電力を融通することができる。

順変換器は、交流電力を直流電力に変換する変換器である。逆変換器は、直流電力を交流電力に変換する変換器である。例えば、交流系統ＡＳ１を送電側、変換器１Ａを順変換器として機能させる場合、変換器１Ａは、交流系統ＡＳ１からの交流電力を、直流電力に変換して直流系統ＤＳ１に供給する。また、交流系統ＡＳ２を受電側、変換器１Ｂを逆変換器として機能させる場合、変換器１Ｂは、直流系統ＤＳ１からの直流電力を交流電力に変換して、交流系統ＡＳ２に供給する。

このような変換器１Ａ、１Ｂの一例として、三相２レベル変換器１０を、図２を参照して説明する。三相変換器は、直流を三相交流に変換又は三相交流を直流に変換する変換器である。２レベル変換器は、入力された直流電圧のレベルを２分割して出力する変換器である。

三相２レベル変換器は、三相ブリッジ回路１１、コンデンサ１２を有する。三相ブリッジ回路１１は、三相に対応して並列に接続された３つのレグ１３を有する。各レグ１３は、正側と負側に直列に接続された単位アーム１４を有する。

単位アーム１４は、スイッチング素子１４ａ、ダイオード１４ｂを有する。スイッチング素子１４ａは、ＧＴＯ、ＩＧＢＴ、ＩＥＧＴ等の自己消弧型素子である。ダイオード１４ｂは、スイッチング素子１４ａに逆並列に接続されている。ダイオード１４ｂは、印加電圧と逆の電流を流してスイッチング素子１４ａの破壊を防止する還流ダイオードである。なお、図示はしないが、各スイッチング素子１４ａには、自己消弧型素子をオン、オフさせる駆動回路及び電源が接続されている。

並列に接続された各レグ１３の正側と負側の端子は、直流系統Ｄ１に接続される直流端子１５である。各レグ１３における正側と負側の単位アーム１４の中点からは、各相の交流端子１６が引き出されている。

コンデンサ１２は、直流端子１５側に、三相ブリッジ回路１１のレグ１３と並列に接続されている。コンデンサ１２は、蓄積されたエネルギーを電圧として供給する電圧源である。つまり、三相ブリッジ回路１１は、コンデンサ１２の電圧を、自己消弧型素子のオン、オフにより擬似交流電圧にして出力することができる。

（制御装置）
変換器１Ａ、１Ｂには、それぞれ制御装置２Ａ、２Ｂが接続されている。制御装置２Ａ、２Ｂは、変換器１Ａ、１Ｂの運転を制御する装置である。制御装置２Ａ、２Ｂは、制御部２１、切替部２２を有する。制御部２１は、駆動回路による自己消弧型素子のオン、オフのタイミングを制御する処理部である。制御部２１は、変換器１Ａ、変換器１Ｂが相互の要求に応じた電力の出力ができるように、駆動回路に制御指令を出力する。

例えば、変換器１Ａが送電側、変換器１Ｂが受電側である場合、制御装置２Ａの制御部２１は、交流系統ＡＳ１から交流電力を受けた変換器１Ａが、直流電力を定電圧で出力するように、駆動回路を制御する。また、制御装置２Ｂの制御部２１は、変換器１Ｂが交流系統ＡＳ２の要求に応じた有効電力を出力するように、駆動回路を制御する。この場合、制御部２１は、駆動回路を制御することにより、送電側の定電圧よりも受電側の電圧を低く維持させて、変換器１Ｂに必要な電流が直流送電線Ｌの送電側から受電側に流れるように制御する。

また、制御装置２Ａ、２Ｂの制御部２１は、変換器１Ａ、変換器１Ｂが、それぞれ交流系統ＡＳ１、交流系統ＡＳ２に応じた必要量の無効電力を出力するように、駆動回路を制御する。これにより、変換器１Ａ、変換器１Ｂは、それぞれ交流系統ＡＳ１、交流系統ＡＳ２へ無効電力を注入し、系統の安定化を図ることができる。必要量とは、中央給電指令所から送られてくる無効電力指令や交流電圧制御で決定される無効電力指令に基づく値である。

切替部２２は、後述する断線検出器５が直流送電線Ｌの断線を検出した場合に、制御部２１による制御を、有効電力及び無効電力を制御する通常時の運転モードから、無効電力のみの出力の制御により運転を継続させる断線時の運転モードに切り替える処理部である。つまり、直流送電線Ｌが断線した場合には、変換器１Ａ、変換器１Ｂによる有効電力の出力はできなくなる。しかし、切替部２２は、変換器１Ａ、１Ｂが無効電力の出力のみで運転を継続するように、制御部２１に駆動回路を制御させる。

（電圧検出器）
電圧検出器３は、直流送電線Ｌの両端の電圧値を検出する装置である。電圧検出器３は、電圧センサ３１、３２を有する。電圧センサ３１、３２は、直流送電線Ｌの両端に設けられている。なお、電圧センサ３１、３２により検出される電圧は、共通の基準電位からの電位である。基準電位は、例えば、接地電位である。

（電流検出器）
電流検出器４は、直流送電線Ｌの電流値を検出する装置である。電流検出器４は、直流送電線Ｌのいずれかに設けられている。

（断線検出器）
断線検出器５は、電圧検出器２により検出された電圧値と電流検出器４により検出された電流値に基いて、直流送電線Ｌの断線を検出する装置である。つまり、断線検出器５は、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と連系された直流系統ＤＳ１において、直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が所定の値以上であり、且つ直流送電線Ｌの電流値が所定の値以下である場合に、直流送電線Ｌの断線を検出する装置である。

この断線検出器５は、制御装置２Ａ、２Ｂに接続され、電圧判定部５１、電流判定部５２、断線判定部５３を有する。電圧判定部５１は、直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が、所定の値以上か否かを判定する処理部である。所定の値は、直流送電線Ｌが正常な時の電位差か否かを区別できるしきい値である。つまり、変換器１Ｂが、正常時に必要な電流を得るために生じさせる送電側と受電側の電位差をしきい値とすると、これを超える電位差が生じている場合には、何らかの異常が生じていると判断できる。なお、正常時にも電位差に変動幅があることを考慮すると、しきい値は、断線等の異常を明らかに識別できる値に設定することが好ましい。

電流判定部５２は、直流送電線Ｌの電流値が、所定の値以下か否かを判定する処理部である。所定の値は、直流送電線Ｌが正常な時の電流値を区別できるしきい値である。直流送電線Ｌが断線した場合には、電流は流れなくなるため、理論的には、しきい値をゼロとしておくことが考えられる。

断線判定部５３は、電圧判定部５１及び電流判定部５２の判定に応じて、直流送電線Ｌの断線を判定する処理部である。つまり、断線判定部５３は、電圧判定部５１が直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が所定の値以上と判定し、且つ電流判定部５２が直流送電線Ｌの電流値が所定の値以下であると判定した場合に、断線と判定する。

［作用］
以上のような本実施形態の作用を説明する。なお、以下の説明では、変換器１Ａが送電側の順変換器、変換器１Ｂが受電側の逆変換器として機能する場合を例とする。

（正常時）
まず、直流送電線Ｌが正常な場合の運転を説明する。変換器１Ａは、交流系統ＡＳ１の交流電力を直流電力に変換して、直流送電線Ｌに供給する。変換器１Ｂは、直流電力を交流電力に変換して、交流系統ＡＳ２に供給する。上記のように、受電側の制御装置２Ｂの制御部２１は、変換器１Ｂの駆動回路を制御することにより、送電側の定電圧よりも受電側の電圧を低くして電位差を生じさせて、必要な電流が得られるようにする。例えば、制御部２１は、電流検出器４により検出される電流値が、必要な電流値である電流指令値と一致するように受電側の電圧を低下させる。

（断線時）
次に、直流送電線Ｌが断線した場合の運転を説明する。直流送電線Ｌに断線が生じると電流が流れないため、変換器１Ｂは必要な電流が得られない。このため、制御装置２Ｂの制御部２１は、送電側の定電圧に対する電位差を拡大させることにより電流を流そうとして、受電側の電圧を低下させる。しかし、直流送電線Ｌが断線している場合には、電流は流れない。このため、制御部２１は、正常時の電位差を超えて、受電側の電圧を低下させることになる。

断線検出器５の電圧判定部５１は、電圧検出器３によって検出される送電側の電圧値と受電側の電圧値との差が、所定の値以上となったか否かを判定する。電圧判定部５１が、電圧値の差が所定の値以上となったと判定した場合、電流判定部５２は、電流検出器４によって検出される電流値が、所定の値以下か否かを判定する。電流判定部５２が、電流値が所定の値以下と判定した場合、断線判定部５３は、直流送電線Ｌに断線が発生したと判定する。

上記のように断線検出器５が断線事故を検出すると、変換器１Ａ、１Ｂは、有効電力の出力を停止する。つまり、電圧型の自励式変換器であっても、他励式と同様に、直流送電線Ｌの断線事故が生じると、直流送電線Ｌを流れる電流はゼロとなり、有効電力を送電することはできなくなる。なお、ここでいう有効電力は、送電側の変換器１Ａについては、直流電力に相当する。

しかし、電圧型の変換器は電圧を維持するコンデンサ１２を有している。このため、コンデンサ１２が一定の電圧を保ち続けていれば、運転を継続することができる。したがって、直流送電線Ｌに断線事故が生じて、断線検出器５が断線を検出した場合であっても、変換器１Ａ、１Ｂは運転を続けることができる。

つまり、制御装置２Ａ、２Ｂの切替部２２は、制御部２１の制御を断線時の運転モードに切り替えて、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２への必要量の無効電力の注入を継続させる。このため、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２が不安定となり、停電等に至ることが防止される。特に、直流系統ＤＳ１からの有効電力の送電が停止するため、交流系統ＡＳ２が一時的に不安定になる場合がある。しかし、無効電力の注入によって、交流系統ＡＳ２を安定化させることができる。

以上のような断線事故の検出原理の具体例を、以下に説明する。図３は、断線事故が発生した場合の、直流送電線Ｌから検出される電圧値、電流値である。上段のグラフは、縦軸が電圧値、横軸が時間を示す。下段のグラフは、縦軸が電流値、横軸が時間を示す。白抜き矢印は、断線事故が発生した時点を示す。

Ｖｄｃ１は、直流送電線Ｌの送電側の端部の電圧値である。送電側が変換器１Ａの場合、Ｖｄｃ１は、電圧センサ３１によって検出される。Ｖｄｃ２は、直流送電線Ｌの受電側の端部の電圧値である。受電側が変換器１Ｂの場合、Ｖｄｃ２は、電圧センサ３２によって検出される。ΔＶは、Ｖｄｃ１とＶｄｃ２の電圧値の差である。Ｉｄｃは、直流送電線Ｌを流れている電流値である。Ｉｄｃは、電流検出器４によって検出される。

断線事故が発生していない通常時の運転モードでは、直流送電線Ｌには、直流電流値Ｉｄｃが流れ、変換器１Ｂは、Ｖｄｃ１×Ｉｄｃの有効電力を出力する。このときは、直流送電線Ｌの線路抵抗の総和をＲとすると、（Ｖｄｃ１−Ｖｄｃ２）／Ｒ＝Ｉｄｃが成り立つ。

しかし、断線事故が発生すると、直流電流はゼロまで低下し、変換器１Ｂの有効電力の出力がストップする。一方、直流電圧は、電流を流すことができないことに起因して、上記のように、変換器１Ｂが動作点を移動させるので、電圧値が低下する。すると、（Ｖｄｃ１−Ｖｄｃ２）／ＲはＩｄｃと一致しなくなる。

このため、電圧判定部５１が送電線の両端の電圧値の差ΔＶ＝（Ｖｄｃ１−Ｖｄｃ２）が所定値以上となったと判定し、且つ電流判定部５２が電流値Ｉｄｃが所定値以下となったと判定したことをもって、断線判定部５３は断線事故と判定できる。

なお、事故発生前の制御装置２Ｂの電流指令値がゼロである場合には、断線事故が生じても、直流送電線Ｌの両端の電圧値の差ΔＶが、所定値以上に増加しない場合がある。これを防ぐために、常に微小な電流指令値を与えることもできる。これにより、直流送電線Ｌに断線が発生して電流値Ｉｄｃが流れなくなった場合に、制御部２１により、電流指令値に応じた電流を流すための電圧差を生じさせる制御が行われるので、電圧差ΔＶが所定値以上に増加する。このため、上記のように、断線事故を検出できる。微小な電流指令値としては、例えば、正常な運転時の電流値よりも小さく、断線事故発生時の電流値、例えば、ゼロよりも大きな値とすることが考えられる。

［効果］
本実施形態の直流送電装置１００は、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と連系された直流系統ＤＳ１における直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が所定の値以上であり、且つ直流送電線Ｌの電流値が所定の値以下である場合に、直流送電線Ｌの断線を検出する断線検出器５を有する。また、直流送電装置１００は、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と直流系統ＤＳ１とを連系し、断線検出器５により断線を検出した場合に、断線前から交流系統ＡＳ１、ＡＳ２へ行っていた無効電力の供給を継続して行う電圧型で自励式の変換器１Ａ、１Ｂを有する。

以上のような本実施形態によれば、直流送電線Ｌの断線事故が発生して、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と直流系統ＤＳ１への有効電力の融通が止まった場合であっても、変換器１Ａ、１Ｂの運転を継続させて、無効電力を交流系統ＡＳ１、ＡＳ２に注入し続けることができる。このため、断線事故が発生しても、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２の安定化を図ることができる。

断線検出器５は、交流系統ＡＳ１、ＡＳ２と直流系統ＤＳ１とを連系する変換器１Ａ、１Ｂを制御する制御装置２Ａ、２Ｂに接続されている。この断線検出器５は、直流系統ＤＳ１における直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が所定の値以上か否かを判定する電圧判定部５１と、直流送電線Ｌの電流値が所定の値以下か否かを判定する電流判定部５２と、電圧判定部５１が電圧値の差が所定の値以上であり、且つ電流判定部５２が電流値が所定の値以下であると判定した場合に、直流送電線Ｌの断線と判定する断線判定部５３とを有する。

このため、制御装置２Ａ、２Ｂにより制御される変換器１Ａ、１Ｂの動作の性質を利用して、直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が大きいにもかかわらず、直流送電線Ｌの電流値が低いことで、直流送電線Ｌの断線を正確に検出できる。

また、電流指令値により変換器１Ａ、１Ｂを制御する制御装置は、断線検出器５による断線が検出された場合に、微小な電流指令値に基いて、変換器１Ａ、１Ｂを制御する。

このため、電流指令値が、断線時の電流値、例えばゼロにはならないので、変換器１Ａ、１Ｂに電圧差を生じさせる制御が機能して、直流送電線Ｌの両端の電圧値の差が所定値以上に増加する。よって、直流送電線Ｌの断線を検出できなくなることを防止できる。

［第２の実施形態］
［構成］
本実施形態は、基本的には、上記の第１の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態は、断線検出器５における電流判定部５２の判定処理が、上記の第１の実施形態と相違する。つまり、電流判定部５２は、直流送電線Ｌの電流値Ｉｄｃが、電圧値の差ΔＶと抵抗Ｒと電流マージンＩｍとの関係で、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなったか否かを判定する。

電流マージンＩｍは、線路抵抗の総和Ｒの推定値、電圧検出器３の検出値、電流検出器４の検出値等に誤差があっても、断線の誤検出を防止する項である。つまり、電流マージンＩｍは、線路抵抗の総和Ｒの推定値、電圧検出器３の検出値、電流検出器４の検出値等に誤差があっても、断線時に、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなる値に設定される。これは、例えば、線路抵抗の総和Ｒの推定値、電圧検出器３の検出値、電流検出器４の検出値の誤差の範囲に基いて、ΔＶ／Ｒに生じる可能性がある変動幅を、補正又は相殺できる値とする。

［作用］
図４は、本実施形態の断線検出器５の一部の構成及び信号の流れを示す制御ブロック線図である。この図４を参照して、本実施形態の断線検出器５による検出処理の詳細を説明する。電圧判定部５１は、電圧センサ３１から入力される電圧値Ｖｄｃ１、電圧センサ３２から入力される電圧値Ｖｄｃ２との差分ΔＶを求める。ここで、図示はしないが、電圧判定部５１は、差分ΔＶが、所定の値以上か否かを判定する。

一方、電流判定部５２は、この差分ΔＶを、直流送電線Ｌの線路抵抗の総和Ｒで除算したΔＶ／Ｒを求め、ΔＶ／Ｒから電流マージンＩｍを減算したΔＶ／Ｒ−Ｉｍを求める。電流判定部５２は、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍと、電流検出器４から入力される電流値Ｉｄｃとを比較して、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃか否かを判定する。

直流送電線Ｌに断線事故が発生すると、直流送電線Ｌの直流電流値Ｉｄｃは、例えばゼロまで低下し、変換器１Ａの有効電力の送電がストップする。すると、電圧判定部５１が差分ΔＶが所定の値以上と判定し、且つ電流判定部５２がΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなったと判定する。これにより、断線判定部５３は断線と判定する。

このように断線が検出された場合にも、制御装置２Ａ、２Ｂは、上記の実施形態と同様に、変換器１Ａ、１Ｂの運転を継続させ、変換器１Ａ、１Ｂは、無効電力を交流系統ＡＳ１、ＡＳ２に注入し続ける。これにより、各交流系統ＡＳ１、ＡＳ２の安定性が維持される。

［効果］
本実施形態においては、断線検出器５は、直流送電線Ｌの両端の電圧値の差ΔＶが所定の値以上か否かを判定する電圧判定部５１と、直流送電線Ｌの電流値Iｄｃが、電圧値の差ΔＶと抵抗Ｒと電流マージンＩｍとの関係で、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなったか否かを検出する電流判定部５２とを有する。そして、断線検出器５は、電圧判定部５１が電圧値の差ΔＶが所定の値以上となり、且つ電流判定部５２がΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなった判定した場合に、直流送電線Ｌの断線を判定する断線判定部５３を有する。

このため、線路抵抗の総和Ｒの推定値、電圧検出器３の検出値、電流検出器４の検出値等に誤差があっても、これを考慮した電流マージンＩｍにより、実際の電流の検出値Ｉｄｃと正確に比較できる。このため、断線を正確に検出することができる。

［第３の実施形態］
本実施形態を、図５及び図６を参照して説明する。本実施形態は、基本的には上記の第２の実施形態と同様の構成である。但し、本実施形態の直流送電装置１００が適用される直流系統ＤＳ１、ＤＳ２、ＤＳ３は、図５に示すように、３端子を有する直流送電網を構成している。この直流送電網は、３つの直流送電線１Ｌ〜３Ｌの一端が互いに接続され、それぞれの他端が、変換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃを介して、３つの交流系統ＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３と連系される３端子となっている。各変換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、それぞれ図示しない制御装置によって制御される。制御装置の構成は、上記の実施形態と同様である。

また、本実施形態の電圧検出器３は、直流送電線１Ｌ〜３Ｌの接続端の電圧値を検出する電圧センサ３１、直流送電線１Ｌ〜３Ｌの他端の３端子の電圧値をそれぞれ検出する電圧センサ３０〜３３を有する。また、各直流送電線１Ｌ〜３Ｌには、電流を検出する電流検出器４１〜４３が設けられている。

断線検出器５は、直流送電線１Ｌ〜３Ｌのそれぞれの断線を検出するために、電圧判定部５１Ａ〜５１Ｃ、電流判定部５２Ａ〜５２Ｃ、断線判定部５３Ａ〜５３Ｃを有する。電圧判定部５１Ａ〜５１Ｃ、電流判定部５２Ａ〜５２Ｃ、断線判定部５３Ａ〜５３Ｃの処理は、上記の第２の実施形態と同様である。

断線検出器５は、電圧センサ３０からの電圧値Ｖｄｃ、電圧センサ３１〜３３からの電圧値Ｖｄｃ１〜Ｖｄｃ３、電流検出器４１〜４３からの電流値Ｉｄｃ１〜Ｉｄｃ３に基いて、直流送電線１Ｌ〜３Ｌのそれぞれの断線を検出する。

［作用］
図６は、本実施形態の断線検出器の一部の構成及び信号の流れを示す制御ブロック線図である。この図６を参照して、本実施形態の断線検出器５による検出処理の詳細を説明する。図６の制御ブロック線図を参照して説明する。電圧判定部５１Ａは、電圧センサ３０から入力される電圧値Ｖｄｃ、電圧センサ３１から入力される電圧値Ｖｄｃ１との差分ΔＶを求める。ここで、図示はしないが、電圧判定部５１Ａは、差分ΔＶが所定の値以上か否かを判定する。

一方、電流判定部５２Ａは、この差分ΔＶを、直流送電線Ｌの線路抵抗の総和Ｒで除算したΔＶ／Ｒを求め、ΔＶ／Ｒから電流マージンＩｍを減算したΔＶ／Ｒ−Ｉｍを求める。電流判定部５２Ａは、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍと、電流検出器４１から入力される電流値Ｉｄｃ１とを比較して、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃ１か否かを判定する。

直流送電線１Ｌに断線事故が発生すると、直流送電線１Ｌの直流電流値Ｉｄｃ１はゼロまで低下し、変換器１Ａの有効電力の送電がストップする。すると、電圧判定部５１Ａが差分ΔＶが所定の値以上と判定し、且つ電流判定部５２ＡがΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃ１となったと判定する。これにより、断線判定部５３Ａは断線と判定する。

電圧判定部５１Ｂは、電圧センサ３０から入力される電圧値Ｖｄｃ、電圧センサ３２から入力される電圧値Ｖｄｃ２との差分ΔＶを求める。ここで、図示はしないが、電圧判定部５１Ｂは、差分ΔＶが、所定の値以上か否かを判定する。

一方、電流判定部５２Ｂは、この差分ΔＶを、直流送電線２Ｌの線路抵抗の総和Ｒで除算したΔＶ／Ｒを求め、ΔＶ／Ｒから電流マージンＩｍを減算したΔＶ／Ｒ−Ｉｍを求める。電流判定部５２Ｂは、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍと、電流検出器４２から入力される電流値Ｉｄｃ２とを比較して、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃ２か否かを判定する。

直流送電線２Ｌに断線事故が発生すると、直流送電線２Ｌの直流電流値Ｉｄｃ２はゼロまで低下し、変換器１Ｂの有効電力の送電がストップする。すると、電圧判定部５１Ｂが差分ΔＶが所定の値以上と判定し、且つ電流判定部５２ＢがΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃ２となったと判定する。これにより、断線判定部５３Ｂは断線と判定する。

電圧判定部５１Ｃは、電圧センサ３０から入力される電圧値Ｖｄｃ、電圧センサ３３から入力される電圧値Ｖｄｃ３との差分ΔＶを求める。ここで、図示はしないが、電圧判定部５１Ｃは、差分ΔＶが、所定の値以上か否かを判定する。

一方、電流判定部５２Ｃは、この差分ΔＶを、直流送電線３Ｌの線路抵抗の総和Ｒで除算したΔＶ／Ｒを求め、ΔＶ／Ｒから電流マージンＩｍを減算したΔＶ／Ｒ−Ｉｍを求める。電流判定部５２Ｃは、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍと、電流検出器４３から入力される電流値Ｉｄｃ３とを比較して、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃ３か否かを判定する。

直流送電線３Ｌに断線事故が発生すると、直流送電線３Ｌの直流電流値Ｉｄｃ３はゼロまで低下し、変換器１Ｃの有効電力の送電がストップする。すると、電圧判定部５１Ｃが差分ΔＶが所定の値以上と判定し、且つ電流判定部５２ＣがΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃ３となったと判定する。これにより、断線判定部５３Ｃは断線と判定する。

このように断線が検出された場合にも、制御装置は、上記の実施形態と同様に、変換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃの運転を継続させ、変換器１Ａ、１Ｂ、１Ｃは、無効電力を交流系統ＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３に注入し続ける。これにより、各交流系統ＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３の安定性が維持される。

［効果］
本実施形態は、直流送電線Ｌ１〜Ｌ３における両端の電圧値の差を検出する電圧検出器３を有する。この電圧検出器３は、直流送電線Ｌ１〜Ｌ３が互いに接続された端子の電圧を検出する電圧センサ３０と、各直流送電線Ｌ１〜Ｌ３の交流系統側の端子の電圧を検出する電圧センサ３２〜３３とを有する。

もし、直流送電線Ｌ１〜Ｌ３のいずれかに断線が生じて、多数の交流系統ＡＳ１、ＡＳ２、ＡＳ３に対する無効電力の供給が停止した場合、波及効果は大きい。しかし、本実施形態では、変換器１Ａ〜１Ｃの停止を防いで、無効電力の供給を継続することができるので、断線の影響の波及を防止できる。また、多数の直流送電線Ｌ１〜Ｌ３について、電圧センサ３０を共有して、断線を検出することができるので、装置を簡略化できる。

なお、３端子の直流送電網としたが、これには限定されず、４端子以上の場合でも同様に適用可能である。このように他端子となる程、断線事故の波及防止効果、装置の簡略化の効果が得られる。

［他の実施形態］
本実施形態は上記の態様に限定されるものではない。
（１）変換器としては、上記の２レベル変換器には限定されない。例えば、図７に示すように、モジュラーマルチレベルコンバータ（以下、ＭＭＣとする）を適用することもできる。ＭＭＣ６０は、三相に対応して並列に接続されたレグ６１を有する。各レグ６１は、正側と負側に直列に接続された単位アーム６２ａ、６２ｂを有する。

単位アーム６２ａ、６２ｂは、単位ユニット６３を多段直列接続することにより構成されている。単位ユニット６３は、チョッパセルと呼ばれる単位変換器である。単位ユニット６３は、スイッチング素子６３ａ、ダイオード６３ｂ、コンデンサ６３ｃを有する。スイッチング素子６３ａは、自己消弧型の半導体素子である。スイッチング素子６３ａは、２個が直列に接続されている。各スイッチング素子６３ａには、自己消弧型素子をオン、オフさせる駆動回路及び電源が接続されている。

ダイオード６３ｂは、還流ダイオードである。２個のダイオード６３ｂが、各スイッチング素子６３ａにそれぞれ逆並列に接続されている。コンデンサ６３ｃは、直列に接続された２個のスイッチング素子６３ａに並列に接続される。

並列に接続された各レグ６１の正側と負側の端子は、直流系統Ｄ１に接続される直流端子１５である。各レグ６１における正側と負側の単位アーム６２ａ、６２ｂは、バッファリアクトル６４を介して接続されている。正側と負側のバッファリアクトル６４の中点からは、変圧器６５を介して、各相の交流端子１６が引き出されている。

ＭＭＣは、チョッパセルの動作タイミングをずらすことで、階段状のマルチレベル波形の出力として、正弦波に近づけることができる。このため、本実施形態における直流送電線の断線時においても、良好な動作波形による無効電力の供給を継続できる。また、２レベル変換器で必要であった交流フィルタ容量を低減若しくは不要とすることができる。さらに、２レベル変換器のような高電圧のコンデンサが不要となる。

なお、単位アーム６２ａ、６２ｂは、Ｎ個の単位ユニット６３を直列に接続すればよい。上記は、Ｎ＝２の例であるが、Ｎ≧１であればよい。また、変圧器６５のリアクタンス成分を利用して、バッファリアクトル６４を削減する回路構成としてもよい。

（２）制御装置、断線検出器は、ＣＰＵを含むコンピュータを所定のプログラムで制御することによって実現できる。この場合のプログラムは、コンピュータのハードウェアを物理的に活用することで、上記のような各部の処理を実現するものである。ハードウェアで処理する範囲、プログラムを含むソフトウェアで処理する範囲をどのように設定するかは、特定の態様には限定されない。制御装置と断線検出器を共通のコンピュータにより実現することもできる。制御装置を、複数の変換器で共通とすることもできる。図４、図６の制御ブロック線図も一例であり、上記の断線検出器の各部の機能を実現できる構成であればよい。

（３）実施形態に用いられる情報の具体的な内容、値は自由であり、特定の内容、数値には限定されない。実施形態において、しきい値に対する大小判断、一致不一致の判断等において、以上、以下として値を含めるように判断するか、より大きい、上回る、より小さい、下回る、未満として値を含めないように判断するかも自由である。

（４）本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ 変換器
Ｌ、１Ｌ、２Ｌ、３Ｌ 直流送電線
２Ａ、２Ｂ 制御装置
３ 電圧検出器
４、４１〜４３ 電流検出器
５ 断線検出器
１０ 三相２レベル変換器
１１ 三相ブリッジ回路
１２ コンデンサ
１３、６１ レグ
１４、６２、６２ａ、６２ｂ 単位アーム
１４ａ、６３ａ スイッチング素子
１４ｂ、６３ｂ ダイオード
１５ 直流端子
１６ 交流端子
２１ 制御部
２２ 切替部
３０〜３３ 電圧センサ
４１〜４３ 電流検出器
５１、５１Ａ〜５１Ｃ 電圧判定部
５２、５２Ａ〜５２Ｃ 電流判定部
５３、５３Ａ〜５３Ｃ 断線判定部
６３ 単位ユニット
６３ｃ コンデンサ
６４ バッファリアクトル
６５ 変圧器
１００ 直流送電装置
ＡＳ１〜ＡＳ３ 交流系統
ＤＳ１〜ＤＳ３ 直流系統

Claims (6)

1. 交流系統と連系された直流系統において、直流送電線の両端の電圧値の差が所定の値以上であり、且つ直流送電線の電流値が所定の値以下である場合に、前記直流送電線の断線を検出する断線検出器と、
   前記交流系統と前記直流系統とを連系し、前記断線検出器が断線を検出した場合に、断線の検出前から前記交流系統へ行っていた無効電力の供給を継続して行う電圧型で自励式の変換器と、
   電流指令値により前記変換器を制御する制御装置と、
   を有し、
   前記直流系統内の断線事故発生前の前記制御装置の電流指令値がゼロであり、前記断線事故が生じた場合に、
   前記制御装置は、微小な電流指令値に基づいて、前記変換器を制御すること、
   を特徴とする直流送電装置。
2. 前記断線検出器には、前記制御装置が接続され、
   前記制御装置は、前記断線検出器が断線を検出した場合に、微小な電流指令値に基いて、前記変換器を制御することを特徴とする請求項１記載の直流送電装置。
3. 前記断線検出器は、
   前記直流送電線の両端の電圧値の差ΔＶが、所定の値以上か否かを判定する電圧判定部と、
   前記直流送電線の電流値Iｄｃが、前記電圧値の差ΔＶと抵抗Ｒと電流マージンＩｍとの関係で、ΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなったか否かを検出する電流判定部と、
   前記電圧判定部が電圧値の差ΔＶが所定の値以上となったと判定し、且つ前記電流判定部がΔＶ／Ｒ−Ｉｍ＞Ｉｄｃとなった判定した場合に、前記直流送電線の断線を判定する断線判定部と、
   を有することを特徴とする請求項１又は請求項２記載の直流送電装置。
4. 前記直流送電線の両端の電圧値の差を検出する電圧検出器と、
   前記直流送電線の電流値を検出する電流検出器と、
   を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の直流送電装置。
5. 前記電圧検出器は、
   ３つ以上の前記直流送電線が互いに接続された端子の電圧を検出する第１の電圧センサと、
   前記各直流送電線の交流系統側の端子の電圧を検出する第２の電圧センサと、
   を有することを特徴とする請求項４に記載の直流送電装置。
6. 前記変換器は、自己消弧型素子及びコンデンサを有する単位変換器を、多数直列に接続したアームを有するモジュラーマルチレベル変換器であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の直流送電装置。

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