JP6784850B2 - フレキシブルｄｃ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源系統のフレキシブル送電およびフレキシブル交流電流（ＡＣ）送電の分野に属し、特に、フレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法に関するものである。

フレキシブル直流電流（ＤＣ）送電および新世代のフレキシブルＡＣ送電では、電圧源コンバータを用いる。電圧源コンバータは、有効電力および無効電力を別々に調整して、ＡＣ系統の送電容量を高めることができる。再生可能エネルギー用の発電グリッド、孤立都市への電力供給および通信系統の相互接続などの用途に明白な競争力を有する。パワーエレクトロニクスおよび制御技術の発展に伴い、フレキシブルＤＣ送電系統およびフレキシブルＡＣ送電系統の容量および電圧レベルは、より高くなってきている。

ＤＣ電圧の安定性を維持するために、フレキシブルＤＣ送電は、ＡＣバルブ側で接地またはＤＣ側で接地することによってＤＣ電圧をクランプする必要がある。ＤＣ側の接地方法は、ＤＣ側の単極接地方法、高抵抗であるＤＣ側の高インピーダンス接地などを含む。フレキシブルＤＣ電送電圧レベルが高まってゆくにつれて、適正な双極トポロジーを用いて単一のコンバータ装置サブモジュールの縦続接続数を減らし、大容量の送電力を成し遂げる。双極型フレキシブルＤＣ送電系統の構造では一般的にＤＣ側を接地するが、ＤＣ側の接地により下記の問題が生じる。バルブ側と変換所のブリッジアームが接地されるか短絡されると、ＤＣ側接地系統を伴って閉路が形成される。さらに、ＤＣバイアスが交流電流上に重畳されるため、グリッド側スイッチを流れる電流はゼロクロス点を有さないようになる。これによって、ＡＣスイッチは作動できないため、機械式スイッチおよびコンバータバルブなどの設備に損傷を与え得る。

中国特許出願第２０１５１０９９９６７７．５号は、コンバータバルブの非障害相の下段ブリッジアームを迂回することによって、ＡＣ電流のＤＣバイアスを減少させることを提案している。当該方法は単相地絡に備えるものであり、コンバータバルブサブモジュールは、コンバータバルブが閉じた後に再度作動する。障害の場合には、電流が急激に変化し、閉じた後のコンバータバルブが再び作動する。このために正確な障害診断が必要とされ、バルブ制御系統を迅速かつ確実に働かせることも必要とされる。切換装置の試験には大きな危険性をはらむ。現在では、フレキシブルＤＣ変換所は一般的に、グリッド側にはＡＣスイッチ（ＱＦ１）を備え、バルブ側にはスイッチ（ＱＦ２）を備えていない。スイッチ（ＱＦ２）がバルブ側に設けられている場合でさえ、バルブ側のスイッチは障害相の選択を実行しない。さらに、タイミング協働によるグリッド側スイッチ（ＱＦ１）との協働をしないで、変換所の地絡によりＡＣ電流のゼロクロスがないためにＡＣスイッチが作動できずＡＣスイッチが損傷するという問題を解決する。

従来は、ＡＣ保護における障害相の選択は一般的に、まずは障害相の作動を選択するものであり、非障害相の作動を選択するものではない。これによっては、ＤＣ側の接地による変換所の障害に起因する、ＡＣ電流のゼロクロスがなくスイッチを切断できないという障害を解決することはできない。

ＤＣ側の接地により変換所で非対称性障害が発生したときにＡＣを切断できないという問題に対する確実な解決手法を実現し、機械式スイッチおよび変換所設備の安全性を確保し、スイッチが作動しないことを防ぎ、障害が悪化することを防ぐために、本発明はフレキシブルＤＣ変換所内で相互に協働するグリッド側スイッチ（ＱＦ１）およびバルブ側スイッチ（ＱＦ２）を備える。グリッド側スイッチは、変換所内の地絡を検出した後にバルブ側スイッチと協働して、まずはバルブ側非障害相を作動し、次いでバルブ側分相スイッチによってグリッド側スイッチを作動する。これによって、ＡＣスイッチの安全性を確保しつつも変換所の内部障害を迅速かつ効率的に取り除くことができる。

本発明は、ＤＣ側接地変換所に適する障害スイッチ構造および復旧方法を提供することを目的とする。グリッド側スイッチ（ＱＦ１）に加えて、フレキシブルＤＣ変換所はバルブ側分相スイッチ（ＱＦ２）を備える。グリッド側スイッチおよびバルブ側スイッチは、相互に協働する。保護系統が変換所内で地絡および障害相を検出した後、まずは、バルブ側の非障害相が作動して、次いでグリッド側スイッチが作動する。これによって、ＡＣスイッチの安全性を確保しつつ変換所内の障害を迅速かつ効率的に取り除くことができる。さらに、変換所内の障害を正確に取り除くことができ、変換所の設備の安全な作動を保証することができ、障害の影響が拡大することを防ぐことができる。

上述の目的を達成するため、本発明の解決手法は以下の通りに説明される。

フレキシブルＤＣ変換所はそれぞれグリッド側スイッチ（ＱＦ１）およびバルブ側分相スイッチ（ＱＦ２）を用いて構成され、変換所内で障害が発生した場合、まずはバルブ側の非障害相スイッチを作動し、次いでグリッド側スイッチを作動し、変換所内の障害の復旧を実行するフレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法を提供する。障害の復旧方法は具体的に、
１）変換所内で障害が発生すると、保護系統によって障害相および非障害相を認識し、
２）時間ｔ１で非障害相バルブ側スイッチ（ＱＦ２）作動命令を送信し、
３）時間ｔ２でグリッド側スイッチ（ＱＦ１）作動命令を送信し、
４）ｔ１とｔ２の関係はｔ１≦ｔ２であり、
５）グリッド側スイッチ（ＱＦ１）の作動後、時間間隔Δｔをおいてから障害相バルブ側スイッチ（ＱＦ２）作動命令を送信することを含む。

フレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法によれば、さらに保護系統は、障害相またはバルブ側の低電圧過電流を認識する差動保護検出を用いて障害箇所および障害相を判定する。

フレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法によれば、さらにｔ１の値は０秒から１０秒までの範囲であり、ｔ２の値は０秒から１５秒までの範囲であり、時間間隔Δｔは０から∞までの範囲である。

フレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法によれば、構成されたバルブ側スイッチ（ＱＦ２）は分相スイッチである。

フレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法によれば、変換所内の障害箇所は主に、同期電圧Ｕｓ、正極バスバーおよび負極バスバー間における障害のことを指す。

本発明に係る障害のある変換所におけるスイッチ位置および障害箇所の概略図である。 バルブ側に障害が発生したときにグリッド側スイッチのみが作動する場合における障害電流の波形図である。 バルブ側に障害が発生したときにグリッド側スイッチとバルブ側スイッチとが相互に協働して作動する場合における障害電流の波形図である。

本発明の技術的解決手法を、添付図面および具体的な実施形態を参照しながら、以下において詳細に説明する。

本発明は、ＤＣ側接地系統の変換所における障害を検討して、スイッチ構造および障害復旧方法を提供する。コンバータバルブの接地は、図１の接地スイッチＱＳ５を閉じることによって成し遂げてもよい。

一般的には、フレキシブルＤＣ送電変換所は、グリッド側スイッチ（ＱＦ１）を備えるが、バルブ側スイッチ（ＱＦ２）は備えていない。三巻線変圧器を有する変換所がバルブ側スイッチ（ＱＦ２）を備えているのでなければ、変圧器の第３の巻線は変換所の電源用に用いられる。バルブ側スイッチ（ＱＦ２）を構成する目的は、コンバータバルブの保守中に変圧器を動作できるようにすることである。

図１では、グリッド側同期電圧をＵｓ、グリッド側電流をＩＳ、グリッド側スイッチをＱＦ１、バルブ側分相スイッチをＱＦ２、変圧器バルブ側ブッシング電流をＩＶＴ、バイパススイッチをＱＦ３、バルブ側電圧をＵＶ、バルブ側電流をＩＶＣ、ＤＣ母線電流をＩＤＰ、中性母線電流をＩＤＮＥとして示す。

コンバータバルブ極１のＣ相における位置Ｆ１またはＦ２での地絡を例にとった、コンバータバルブ側のＡＣ接続領域のＦ１にて０．０２秒間の障害が発生した後のグリッド側電流およびバルブ側電流が図２に示されている。図２のＩＳ＿Ａ、ＩＳ＿ＢおよびＩＳ＿Ｃは、それぞれグリッド側の三相電流であり、ＩＶＣ＿Ａ、ＩＶＣ＿ＢおよびＩＶＣ＿Ｃは、バルブ側の電流である。図２に示すように、グリッド側にある電流のＡ相およびＢ相にはゼロクロスがない。グリッド側スイッチ（ＱＦ１）のみを備えバルブ側スイッチ（ＱＦ２）を備えていない場合には、スイッチ作動命令は０．０８秒で発せられる。図２に示すように、Ｂ相の電流にはゼロクロスがないため、グリッド側スイッチを入力にしてからスイッチ作動命令を送信するのに約１４０ミリ秒必要である。本工程では、スイッチＱＦ１を強制的に切断するゼロクロス点がないため、スイッチ接点などが損傷し、障害を効率的に復旧することができない。

変換所のバルブ側での障害に関して、非障害相のバルブ側電流にゼロクロス点があることを分析により発見した。一連の計算および分析を経て、バルブ側に分相スイッチＱＦ２が付加されている。変換所内の障害を検出した後、まずは非障害相のバルブ側電流を作動する。非障害相のバルブ側にはゼロクロス点があるため、バルブ側の非障害相を障害位置から分離することができるバルブ側スイッチが対応して作動し、次いで、グリッド側の電流がゼロ点をクロスし、この時にグリッド側スイッチを再作動する。これによって、障害スイッチ装置を損傷させることなく障害の切分けをすることができる。

具体的な段階は以下の通りである。

１．グリッド側のスイッチ（ＱＦ１）に加えて、バルブ側分相スイッチ（ＱＦ２）を用いてフレキシブルＤＣ変換所を構成する。

２．変換所の制御および保護系統は、設定値Ｉｄｅｌｔよりも大きなＩＶＴとＩＶＣの間の差動電流（ＩＶＴ−ＩＶＣ）に依拠してもよい。Ｉｄｅｌｔの定格値は１．０ｐｕである。障害位置が変換所のバルブ側にある場合には、障害相であると考えられる。それ以外の相は、非障害相である。

３．障害位置および障害相を検出および特定した後、コンバータバルブ制御保護系統は時間ｔ１の遅延をさせ、無障害相作動命令をバルブ側スイッチ（ＱＦ２）に送信する。ここで、ｔ１は０〜１０秒の範囲内で設定される。

４．変換所の制御および保護系統は、時間ｔ２の遅延をさせ、グリッド側スイッチＱＦ１に送信する。ここで、ｔ１は０〜１５秒の範囲内で設定される。

５．ｔ１とｔ２の関係は、ｔ１≦ｔ２である。

６．グリッド側スイッチを作動した後、時間Δｔの遅延をさせて障害相作動命令をバルブ側スイッチ（ＱＦ２）に送信する。ここで、Δｔは０〜∞秒の範囲内で設定される。

７．上述の段階後、三相のＱＦ１およびＱＦ２スイッチを作動して、スイッチを損傷させずに障害を取り除く。

本発明に係るフレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法によれば、バルブ側で地絡が発生した後における障害復旧波形は図３に示す通りであり、障害が０．０２秒で発生し、そしてバルブ側の非障害相作動命令が０．０６秒で発せられる。グリッド側のスイッチ作動命令は１ミリ秒遅延して送信され、障害はスイッチ命令が送信されてから２０ミリ秒以内に復旧される。障害スイッチの通電不能、スイッチの損傷および障害の復旧不能という問題は生じない。

本発明は、コンバータ側ＡＣ接続領域Ｆ１またはＦ２における単相地絡を例に挙げて実施形態を説明している。しかしながら、本発明は単相地絡に限定されず、ブリッジアーム反応器の接地など変換所内における他の地絡または短絡および他の障害の復旧方法に適用可能である。

前述の実施形態を用いて本発明の技術的思想を説明したが、本発明の保護範囲を制限するものではない。本発明の技術的思想に係る技術手段に基づいてなされたいかなる変形例も、本発明の保護範囲内に含まれるであろう。

Claims (4)

1. フレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法であって、フレキシブルＤＣ変換所のコンバータバルブとグリッド側同期電圧Ｕ _Ｓ との間に、それぞれ直列に接続しているグリッド側スイッチ（ＱＦ１）およびバルブ側スイッチ（ＱＦ２）が設置され、前記コンバータバルブの出力には極母線および中性母線が含まれ、前記変換所内で障害が発生した場合、まずは非障害相バルブ側スイッチを作動し、次いで前記グリッド側スイッチを作動し、前記変換所内の障害の復旧を実行し、該復旧方法は具体的に、
   前記変換所内で障害が発生すると、保護系統によって障害相および非障害相を認識し、
   時間ｔ１で非障害相バルブ側スイッチ（ＱＦ２）作動命令を送信し、時間ｔ２でグリッド側スイッチ（ＱＦ１）作動命令を送信し、ここでｔ１とｔ２の関係はｔ１≦ｔ２であり、
   前記グリッド側スイッチ（ＱＦ１）の作動後、時間間隔Δｔを経てから障害相バルブ側スイッチ（ＱＦ２）作動命令を送信し、
   前記変換所における障害は、グリッド側同期電圧Ｕ _Ｓ と、極母線および中性母線との間にある領域内での地絡障害または短絡障害であることを特徴とする構造および復旧方法。
2. 請求項１に記載のフレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法において、前記障害相は差動保護を用いて検出され、または、前記障害相は前記バルブ側の低電圧過電流に従って判定されることを特徴とする構造および復旧方法。
3. 請求項１に記載のフレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法において、ｔ１の値は０ないし１０秒の範囲にあり、ｔ２の値は０ないし１５秒の範囲にあり、前記時間間隔Δｔは０ないし∞の範囲にあることを特徴とする構造および復旧方法。
4. 請求項１に記載のフレキシブルＤＣ変換所における障害スイッチ構造および復旧方法において、前記バルブ側スイッチ（ＱＦ２）は、分相スイッチを用いることを特徴とする構造および復旧方法。