JP6833151B1

JP6833151B1 - 電力変換システム

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Publication number: JP6833151B1
Application number: JP2020565505A
Authority: JP
Inventors: 文則中村; 亮太大西; 通博田所
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-02-24
Anticipated expiration: 2040-05-21
Also published as: EP4187735A1; EP4156442A1; US20230352942A1; WO2021234919A1; JPWO2021234919A1; EP4156442A4

Abstract

電力変換システム（１０）は、交流系統（１２）と直流線路（１４）との間で電力変換を行なう自励式電力変換器（２）と、交流系統（１２）と自励式電力変換器（２）との間に設けられた交流遮断器（１７）と、直流線路（１４）とグランドとの間、または、交流遮断器（１７）および自励式電力変換器（２）を接続する交流線路とグランドとの間に接続されたアレスタ（４１Ｐ，４１Ｎ）と、制御装置（３）とを備える。制御装置（３）は、直流線路（１４）において地絡事故を検出した場合、自励式電力変換器（２）のスイッチング動作を停止させ、自励式電力変換器（２）のスイッチング動作の停止後に、交流遮断器（１７）を開放する。

Description

本開示は、電力変換システムに関する。

複数の単位変換器がカスケード接続されるモジュラーマルチレベル変換器（以下、ＭＭＣ変換器とも称する。）は、単位変換器の数を増加させることによって、高電圧化に容易に対応することができる。「単位変換器」は、「サブモジュール（sub module）」あるいは「変換器セル」とも称される。ＭＭＣ変換器は、大容量の静止型無効電力補償装置、または高圧直流送電用の電力変換装置として、送配電系統へ広く適用されている。

特開２０１７−１９２１７９号公報（特許文献１）では、事故電流の誤検出を防止するための直流保護継電システムが開示されている。

特開２０１７−１９２１７９号公報

ＭＭＣ方式等の自励式の電力変換器を含む電力変換システムでは、直流線路の片側が接地され、直流線路の他方側が非接地とされる構成を採用するものがある。この構成では、非接地側で地絡が発生すると直流短絡によって電力変換器の各素子に過電流が流れ、各素子が破壊される場合があった。特許文献１では、転流失敗が発生した場合に、アレスタである過電流保護器によって、サイリスタバルブが壊れないように過電流を逃がすことが開示されている。しかしながら、特許文献１では、上記課題に対する解決策を何ら教示または示唆するものではない。

本開示のある局面における目的は、自励式の電力変換器の直流側で地絡事故が発生した際に、当該電力変換器に流れる過電流を防止しつつ直流側の電圧を抑制することが可能な電力変換システムを提供することである。

ある実施の形態に従う電力変換システムは、交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、交流系統と自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器と、直流線路とグランドとの間、または、交流遮断器および自励式電力変換器を接続する交流線路とグランドとの間に接続されたアレスタと、制御装置とを備える。制御装置は、直流線路において地絡事故を検出した場合、自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、交流遮断器を開放する。

他の実施の形態に従う電力変換システムは、交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、直流線路と自励式電力変換器との間に設けられた直流遮断器と、直流線路とグランドとの間、または、直流遮断器および自励式電力変換器を接続する交流線路とグランドとの間に接続されたアレスタと、制御装置とを備える。制御装置は、直流線路において地絡事故を検出した場合、自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、直流遮断器を開放する。

本開示によると、自励式の電力変換器の直流側で地絡事故が発生した際に、当該電力変換器に流れる過電流を防止しつつ直流側の電圧を抑制することができる。

実施の形態１に従う電力変換システムの概略構成図である。サブモジュールの一例を示す回路図である。電力変換システムの第１構成例を説明するための図である。直流電圧の波形の時間変化を示す図である。実施の形態１に従う制御装置の処理手順を示すフローチャートである。電力変換システムの第２構成例を説明するための図である。電力変換システムの第３構成例を説明するための図である。電力変換システムの第４構成例を説明するための図である。電力変換システムの第５構成例を説明するための図である。電力変換システムの第６構成例を説明するための図である。電力変換システムの第７構成例を説明するための図である。電力変換システムの第８構成例を説明するための図である。実施の形態２に従う電力変換システムを説明するための図である。実施の形態２に従う制御装置の処理手順を示すフローチャートである。

以下、図面を参照しつつ、本実施の形態について説明する。以下の説明では、同一の部品には同一の符号を付してある。それらの名称および機能も同じである。したがって、それらについての詳細な説明は繰り返さない。

実施の形態１．
＜システムの全体構成＞
図１は、実施の形態１に従う電力変換システム１０の概略構成図である。図１を参照して、電力変換システム１０は、電力変換器２と、制御装置３と、アレスタ４１Ｐ，４１Ｎ（以下「アレスタ４１」とも総称する。）と、変圧器１３と、交流遮断器１７とを含む。

電力変換システム１０は、例えば、単極構成の直流送電系統の電力を制御するためのシステムである。直流線路１４を構成する正極側の直流線路１４Ｐおよび負極側の直流線路１４Ｎを介して、交流系統１２と他の交流系統間で電力が送受される。交流系統１２および他の交流系統は、３相交流系統である。交流遮断器１７は、交流系統１２と電力変換器２との間に設けられている。

図１において、電力変換システム１０がＨＶＤＣ（High Voltage Direct Current）システムに対応する場合、直流線路１４Ｐ，１４Ｎの長さは、例えば、数十ｋｍ〜数百ｋｍである。電力変換システム１０がＢＴＢ（Back To Back）システムに対応する場合、直流線路１４Ｐ，１４Ｎの長さは、例えば、数ｍ〜数十ｍである。なお、図１では直流系統が２端子の場合を示している。

電力変換器２は、直流線路１４と交流系統１２との間で電力変換を行なう自励式の電力変換器２である。典型的には、電力変換器２は、互いに直列接続された複数のサブモジュール（sub module）（図１中の「ＳＭ」に対応）７を含むＭＭＣ変換方式の電力変換器によって構成される。ただし、電力変換器２は、ＭＭＣ変換方式以外の変換方式であってもよい。電力変換器２は、直流線路１４Ｐ，１４Ｎに接続される。また、電力変換器２は、交流遮断器１７および変圧器１３を介して交流系統１２に接続される。

制御装置３は、電力変換器２の動作、および交流遮断器１７の開閉を制御する。なお、制御装置３における電力変換器２の動作制御機能と、交流遮断器１７の開閉制御機能とは、それぞれ別の装置において実現する構成であってもよい。

変圧器１３は、交流系統１２と交流遮断器１７との間に接続されている。具体的には、変圧器１３の一次側に交流系統１２が接続され、二次側に交流遮断器１７が接続される。

アレスタ４１は、直流線路１４とグランドとの間に接続される。具体的には、アレスタ４１Ｐは、正極側の直流線路１４Ｐとグランドとの間に接続される。アレスタ４１Ｎは、負極側の直流線路１４Ｎとグランドとの間に接続される。詳細は後述するが、アレスタ４１は、直流線路１４の地絡事故に伴って直流線路１４で発生する過電圧を抑制するために設けられている。

＜電力変換器の構成＞
図１を参照して、電力変換器２の構成について説明する。電力変換器２は、正極直流端子（すなわち、高電位側直流端子）Ｎｐと、負極直流端子（すなわち、低電位側直流端子）Ｎｎとの間に互いに並列に接続された複数のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗ（以下、総称する場合または任意のものを示す場合、「レグ回路４」と記載する）を含む。

レグ回路４は、交流を構成する複数相の各々に設けられる。レグ回路４は、交流系統１２と直流線路１４との間に接続され、両系統間で電力変換を行なう。電力変換器２には、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個のレグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗが設けられる。

レグ回路４ｕ，４ｖ，４ｗにそれぞれ設けられた交流入力端子Ｎｕ，Ｎｖ，Ｎｗは、交流遮断器１７および変圧器１３を介して交流系統１２に接続される。図１では、図解を容易にするために、交流入力端子Ｎｖ，Ｎｗと交流遮断器１７との接続は図示されていない。各レグ回路４に共通に接続された正極直流端子Ｎｐおよび負極直流端子Ｎｎは、直流線路１４に接続される。

レグ回路４ｕは、正極直流端子Ｎｐから交流入力端子Ｎｕまでの上アーム５と、負極直流端子Ｎｎから交流入力端子Ｎｕまでの下アーム６とを含む。上アーム５と下アーム６との接続点である交流入力端子Ｎｕが交流遮断器１７と接続される。レグ回路４ｖ，４ｗについても同様の構成を有するので、以下、レグ回路４ｕを代表として説明する。

上アーム５は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ａとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ａは互いに直列接続されている。下アーム６は、カスケード接続された複数のサブモジュール７と、リアクトル８Ｂとを含む。当該複数のサブモジュール７およびリアクトル８Ｂは互いに直列接続されている。

電力変換システム１０には、制御に使用される電気量（例えば、電流、電圧など）を計測する各検出器が設けられている。例えば、各検出器は、交流電圧検出器１８、交流電流検出器１６、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂ、各レグ回路４に設けられたアーム電流検出器９Ａ，９Ｂ等である。これらの検出器によって検出された信号は、制御装置３に入力される。

制御装置３は、これらの検出信号に基づいて各サブモジュール７の運転状態を制御するための運転指令を出力する。運転指令は、Ｕ相上アーム、Ｕ相下アーム、Ｖ相上アーム、Ｖ相下アーム、Ｗ相上アーム、およびＷ相下アームにそれぞれ対応して生成される。また、制御装置３は、各サブモジュール７から各種情報を受信する。各種情報は、サブモジュール７の内部情報であり、サブモジュール７のキャパシタの電圧値、サブモジュール７の状態を示す状態情報等を含む。

制御装置３は、典型的には、ハードウェア構成として、補助変成器、ＡＤ（Analog to Digital）変換部、演算部等を含む。演算部は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＲＡＭ（Random Access Memory）およびＲＯＭ（Read Only Memory）を含む。ＡＤ変換部は、アナログフィルタ、サンプルホールド回路、マルチプレクサ等を含む。制御装置３は、例えば、ディジタル保護制御装置で構成されていてもよい。

図１では図解を容易にするために、各検出器から制御装置３に入力される信号の信号線と、制御装置３および各サブモジュール７間で入出力される信号の信号線とは、一部まとめて記載されているが、実際には検出器ごとおよびサブモジュール７ごとに設けられている。各サブモジュール７と制御装置３との間の信号線は、送信用と受信用とが別個に設けられていてもよい。信号線は、たとえば光ファイバによって構成される。

交流電圧検出器１８は、交流系統１２のＵ相の交流電圧Ｖａｃｕ、Ｖ相の交流電圧Ｖａｃｖ、およびＷ相の交流電圧Ｖａｃｗを検出する。交流電流検出器１６は、交流系統１２のＵ相の交流電流Ｉａｃｕ、Ｖ相の交流電流Ｉａｃｖ、およびＷ相の交流電流Ｉａｃｗを検出する。直流電圧検出器１１Ａは、直流線路１４に接続された正極直流端子Ｎｐの直流電圧Ｖｄｃｐを検出する。直流電圧検出器１１Ｂは、直流線路１４に接続された負極直流端子Ｎｎの直流電圧Ｖｄｃｎを検出する。直流電圧Ｖｄｃｐと直流電圧Ｖｄｃｎとの差を直流電圧Ｖｄｃとする。

Ｕ相用のレグ回路４ｕに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、上アーム５に流れるアーム電流Ｉｐｕおよび下アーム６に流れるアーム電流Ｉｎｕをそれぞれ検出する。同様に、Ｖ相用のレグ回路４ｖに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、アーム電流Ｉｐｖおよびアーム電流Ｉｎｖをそれぞれ検出する。Ｗ相用のレグ回路４ｗに設けられたアーム電流検出器９Ａおよび９Ｂは、アーム電流Ｉｐｗおよびアーム電流Ｉｎｗをそれぞれ検出する。

＜サブモジュールの構成＞
図２は、サブモジュールの一例を示す回路図である。図２（ａ）に示すサブモジュール７は、ハーフブリッジ構成と呼ばれる回路構成を有する。このサブモジュール７は、２つのスイッチング素子３１ｐ、３１ｎを直列接続して形成した直列体と、エネルギー蓄積器としてのコンデンサ３２と、電圧検出器３３とを含む。直列体とコンデンサ３２とは並列接続される。電圧検出器３３は、コンデンサ３２の両端の電圧であるコンデンサ電圧Ｖｃを検出する。

図２（ｂ）に示すサブモジュール７は、フルブリッジ構成と呼ばれる回路構成を有する。このサブモジュール７は、２つのスイッチング素子３１ｐ１，３１ｎ１を直列接続して形成された第１の直列体と、２つのスイッチング素子３１ｐ２，３１ｎ２を直列接続して形成された第２の直列体と、コンデンサ３２と、電圧検出器３３とを含む。第１の直列体と、第２の直列体と、コンデンサ３２とが並列接続される。電圧検出器３３は、コンデンサ電圧Ｖｃを検出する。

図２（ａ）における２つのスイッチング素子３１ｐ、３１ｎと、図２（ｂ）における４つのスイッチング素子３１ｐ１、３１ｎ１、３１ｐ２、３１ｎ２とは、例えば、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）、ＧＣＴ（Gate Commutated Turn-off）サイリスタ、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor）などの自己消弧型の半導体スイッチング素子に還流ダイオード（ＦＷＤ：Freewheeling Diode）が逆並列に接続されて構成される。また、図２（ａ）および図２（ｂ）において、コンデンサ３２には、フィルムコンデンサなどのキャパシタが主に用いられる。

以下の説明では、スイッチング素子３１ｐ，３１ｎ，３１ｐ１，３１ｎ１，３１ｐ２，３１ｎ２をスイッチング素子３１とも総称する。また、スイッチング素子３１内の半導体スイッチング素子のオンオフを、単に「スイッチング素子３１のオンオフ」と記載する。

図２（ａ）を参照して、スイッチング素子３１ｎの両端子を入出力端子Ｐ１，Ｐ２とする。スイッチング素子３１ｐ、３１ｎのスイッチング動作によりコンデンサ３２の両端電圧、および零電圧を出力する。例えば、スイッチング素子３１ｐがオン、かつスイッチング素子３１ｎがオフとなったときに、コンデンサ３２の両端電圧が出力される。スイッチング素子３１ｐがオフ、かつスイッチング素子３１ｎがオンとなったときに、零電圧が出力される。図２（ａ）では、スイッチング素子３１ｎの両端子を入出力端子Ｐ１，Ｐ２としたが、スイッチング素子３１ｐの両端子を入出力端子Ｐ１，Ｐ２としてもよく、その場合には、動作が反転する。

次に、図２（ｂ）を参照して、スイッチング素子３１ｐ１とスイッチング素子３１ｎ１との中点と、スイッチング素子３１ｐ２とスイッチング素子３１ｎ２との中点とをサブモジュール７の入出力端子Ｐ１，Ｐ２とする。図２（ｂ）に示すサブモジュール７は、スイッチング素子３１ｎ２をオンとし、スイッチング素子３１ｐ２をオフとし、スイッチング素子３１ｐ１，３１ｎ１を交互にオン状態とすることによって、正電圧または零電圧を出力する。また、図２（ｂ）に示すサブモジュール７は、スイッチング素子３１ｎ２をオフし、スイッチング素子３１ｐ２をオンし、スイッチング素子３１ｐ１，３１ｎ１を交互にオン状態にすることによって、零電圧または負電圧を出力することもできる。

以下の説明では、サブモジュール７を図２（ａ）に示すハーフブリッジセルの構成とし、半導体スイッチング素子、およびエネルギー蓄積要素としてのコンデンサを用いた場合を例に説明する。しかし、サブモジュール７を図２（ｂ）に示すフルブリッジ構成としてもよい。また、上記で示した構成以外のサブモジュール、例えば、図２（ｂ）のスイッチング素子３１ｐ２をダイオードのみで置き換えた１．５ハーフブリッジ構成とも呼ばれる回路構成を適用したサブモジュールを用いてもよい。

＜アレスタの機能＞
図３は、電力変換システムの第１構成例を説明するための図である。図３の電力変換システムは、図１の電力変換システム１０の構成に対応している。以下の説明では、図３に示す電力変換システムの第１構成例を便宜上「電力変換システム１０Ａ」とも称する。これは、以下の図６〜図１３においても同様である。図３では、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相にそれぞれ対応して３個の交流遮断器１７ｕ，１７ｖ，１７ｗが記載されている。ただし、図３では、図解の容易化のため、制御装置３、各種の検出器、電力変換器２と制御装置３との間の信号線等は記載されていない。

図４は、直流電圧の波形の時間変化を示す図である。図４を参照して、地絡事故発生前において、正極側の直流線路１４Ｐの直流電圧ＶｄｃｐはＶ１（ただし、Ｖ１＞０）であり、負極側の直流線路１４Ｎの直流電圧Ｖｄｃｎは−Ｖ２（ただし、Ｖ２＞０）となっている。典型的には、Ｖ１＝Ｖ２である。

時刻ｔ１において、正極側の直流線路１４Ｐで地絡事故が発生すると、直流電圧Ｖｄｃｐはゼロになる。図３に示すように、直流線路１４Ｐ、１４Ｎは、それぞれアレスタ４１Ｐ，４１Ｎを介してグランドと接続されているため、直流短絡は回避される。しかし、直流線路１４Ｎ側に全直流電圧が印加されるため、直流電圧Ｖｄｃｎが急激に低下する。本実施の形態ではアレスタ４１Ｎが設けられているため、実線で示すように直流電圧Ｖｄｃｎは、アレスタ４１Ｎにより抑制される。一方、仮に、アレスタ４１Ｎが設けられていない場合には、直流電圧Ｖｄｃｎは、点線で示すように抑制されず、絶縁設計を超える過電圧となってしまう。

このように、アレスタ４１Ｎは、直流線路１４Ｐの地絡事故に伴って直流線路１４Ｎで発生する過電圧を防止する機能を有する。同様に、アレスタ４１Ｐは、直流線路１４Ｎの地絡事故に伴って直流線路１４Ｐで発生する過電圧を防止する機能を有する。なお、例えば、直流線路１４Ｐ，１４Ｎのうちの一方において地絡事故が発生する可能性が極めて低い場合には、当該一方の直流線路１４にはアレスタ４１を接続せず、他方の直流線路１４にのみアレスタ４１を接続する構成であってもよい。

また、例えば、アレスタ４１Ｐの制限電圧は、正極直流端子Ｎｐの定格電圧値（すなわち、直流電圧Ｖｄｃｐの定格電圧値）未満に設定され、アレスタ４１Ｎの制限電圧は、負極直流端子Ｎｎの定格電圧値の絶対値（すなわち、直流電圧Ｖｄｃｐの定格電圧値の絶対値）未満に設定される。

次に、制御装置３は、時刻ｔ１で発生した直流線路１４Ｎの地絡事故を検出して、時刻ｔ２において電力変換器２のスイッチング動作を停止させる。具体的には、制御装置３は、電力変換器２をゲートブロックし、電力変換器２内の各サブモジュール７のスイッチング動作を停止させる。したがって、各サブモジュール７内のダイオードの整流作用により、直流電圧Ｖｄｃｎの絶対値は、時刻ｔ３において、サブモジュール７の還流ダイオード整流電圧まで低下する。続いて、制御装置３は、電力変換器２のスイッチング動作停止後の時刻ｔ４において各交流遮断器１７ｕ，１７ｖ，１７ｗを開放する指令を出力する。時刻ｔ５において、各交流遮断器１７ｕ，１７ｖ，１７ｗが開放され、直流電圧Ｖｄｃｎがゼロになる。

＜処理手順＞
図５は、実施の形態１に従う制御装置３の処理手順を示すフローチャートである。典型的には、以下の各ステップは、制御装置３の演算部によって実行される。

図５を参照して、制御装置３は、電力変換器２の初期充電（すなわち、各コンデンサ３２の初期充電）が完了すると、運転開始指令を出力して通常制御を行なう（ステップＳ１０）。具体的には、制御装置３は、各レグ回路４に含まれる各サブモジュール７の出力電圧を制御する。

次に、制御装置３は、サブモジュール７に流れる電流に基づいて、直流線路１４で地絡事故が発生したか否かを判定する（ステップＳ１２）。例えば、制御装置３は、アーム電流検出器９Ａ，９Ｂにより検出された各アーム電流Ｉｐｕ，Ｉｐｖ，Ｉｐｗ，Ｉｎｕ，Ｉｎｖ，Ｉｎｗの絶対値の少なくとも１つが閾値Ｔｈ１を超えている場合、あるいは、アーム電流の各相合計値が閾値Ｔｈ２を超えている場合に、直流線路１４の地絡事故が発生したと判定する。なお、アレスタ４１に電流検出器が接続されている場合には、制御装置３は、当該電流検出器により検出された直流電流が閾値Ｔｈ３を超えた場合に、地絡事故が発生したと判定してもよい。また、制御装置３は、直流電圧検出器１１Ａ，１１Ｂにより検出された各直流電圧のいずれかが閾値Ｔｈ４を超えた場合、あるいは、交流電圧検出器１８により検出された各交流電圧のいずれかが閾値Ｔｈ５を超えた場合に地絡事故が発生したと判定してもよい。

地絡事故が発生していない場合（ステップＳ１２においてＮＯ）、制御装置３はステップＳ１０の処理を実行する。地絡事故が発生した場合（ステップＳ１２においてＹＥＳ）、制御装置３は、電力変換器２をゲートブロックする（ステップＳ１４）。具体的には、制御装置３は、各レグ回路４に含まれるすべてのサブモジュール７の各スイッチング素子をオフにする。続いて、制御装置３は、各交流遮断器１７を開放する（ステップＳ１６）。具体的には、制御装置３は、各交流遮断器１７に対して開放指令（例えば、トリップ信号）を出力する。

上記のように、電力変換システム１０Ａによると、直流線路での地絡事故発生時において、直流短絡を回避できるとともに、地絡事故時に発生する直流電圧をアレスタによって抑制できる。そのため、電力変換器２の各素子の破壊を防止できる。

＜電力変換システムの他の構成例＞
電力変換システムの他の構成例について説明する。なお、以下で説明する電力変換システム１０Ｂ〜１０Ｈにおける制御装置３の動作は、図５で説明した動作と同様である。

図６は、電力変換システムの第２構成例を説明するための図である。図６を参照して、電力変換システム１０Ｂは、図５の電力変換システム１０Ａに、抵抗Ｒｐ，Ｒｎを追加した構成を有する。

抵抗Ｒｐは、直流線路１４Ｐに接続される。具体的には、抵抗Ｒｐの高電位側は直流線路１４Ｐに接続され、その低電位側はグランドおよび抵抗Ｒｎに接続される。また、抵抗Ｒｎは、直流線路１４Ｎに接続される。具体的には、抵抗Ｒｎの低電位側は直流線路１４Ｎに接続され、その高電位側はグランドおよび抵抗Ｒｐに接続される。抵抗Ｒｐおよび抵抗Ｒｎの中点は接地されている。典型的には、抵抗Ｒｐの抵抗値と抵抗Ｒｎの抵抗値とは同一であるため、直流線路１４Ｐおよび１４Ｎ間の中間電位が接地されることになる。

電力変換システム１０Ｂによると、電力変換システム１０Ａの利点に加えて、電力変換器２の対地直流電位を確実に固定することができる。これにより、電力変換器２の正極および負極の対地電圧に極端な不平衡が生じないため、不平衡を考慮した過大な絶縁設計を回避できる。

図７は、電力変換システムの第３構成例を説明するための図である。図７を参照して、電力変換システム１０Ｃは、図５の電力変換システム１０Ａに、コンデンサＣｐ，Ｃｎを追加した構成を有する。

コンデンサＣｐは、直流線路１４Ｐに接続される。具体的には、コンデンサＣｐの高電位側は直流線路１４Ｐに接続され、その低電位側はグランドおよびコンデンサＣｎに接続される。また、コンデンサＣｎは、直流線路１４Ｎに接続される。具体的には、コンデンサＣｎの低電位側は直流線路１４Ｎに接続され、その高電位側はグランドおよびコンデンサＣｐに接続される。コンデンサＣｐおよびコンデンサＣｎの中点は接地されている。典型的には、コンデンサＣｐの静電容量とコンデンサＣｎの静電容量とは同一であるため、直流線路１４Ｐおよび１４Ｎ間の中間電位が接地されることになる。

電力変換システム１０Ｃによると、電力変換システム１０Ａの利点に加えて、電力変換器２の対地直流電位を確実に固定することができる。

図８は、電力変換システムの第４構成例を説明するための図である。図８を参照して、電力変換システム１０Ｄは、図５の電力変換システム１０Ａにおいて、電力変換器２の交流側の線路を接地したものである。

具体的には、交流遮断器１７および電力変換器２を接続する交流線路の各相（例えば、Ｕ相、Ｖ相、Ｗ相）がインピーダンス回路を介してグランドに接続される。具体的には、交流線路の各相は、リアクトル８１および抵抗Ｒｘの直列回路を介して接地されている。電力変換システム１０Ｄによると、電力変換システム１０Ａの利点に加えて、電力変換器２の対地直流電位を確実に固定することができる。

図９は、電力変換システムの第５構成例を説明するための図である。図９を参照して、電力変換システム１０Ｅは、図５の電力変換システム１０Ａにおいて、変圧器１３の二次側が接地される構成である。

具体的には、電力変換システム１０Ｅにおける変圧器１３の二次巻線はＹ結線されている。変圧器１３の二次側の中性点６２は、リアクトル８２を介して接地されている。なお、変圧器１３の一次巻線はＹ結線で構成されていてもよいし、Δ結線で構成されていてもよい。電力変換システム１０Ｅによると、電力変換システム１０Ａの利点に加えて、電力変換器２の対地直流電位を確実に固定することができる。

図１０は、電力変換システムの第６構成例を説明するための図である。図１０を参照して、電力変換システム１０Ｆは、図５の電力変換システム１０Ａにおいて、変圧器１３の位置を変更したものである。

具体的には、電力変換システム１０Ｆでは、変圧器１３は、交流遮断器１７と電力変換器２との間に接続されている。すなわち、変圧器１３の一次側に交流遮断器１７が接続され、二次側に電力変換器２が接続される。電力変換システム１０Ｆは、電力変換システム１０Ａと同様の利点を有する。

なお、電力変換システム１０Ｂ〜１０Ｅにおいても、図１０の電力変換システム１０Ｆのように、変圧器１３が交流遮断器１７と電力変換器２との間に接続されていてもよい。

図１１は、電力変換システムの第７構成例を説明するための図である。図１１を参照して、電力変換システム１０Ｇでは、各レグ回路４の上アーム５および下アーム６が、電力変換システム１０Ａのようにリアクトルに接続されるのではなく、リアクトル相当のインピーダンスを有する変圧器１３Ａを介して交流遮断器１７と接続されている。電力変換システム１０Ｇは、電力変換システム１０Ａと同様の利点を有する。

図１２は、電力変換システムの第８構成例を説明するための図である。図１２を参照して、電力変換システム１０Ｈでは、図３の電力変換システム１０Ａのようにアレスタ４１を直流線路１４に接続する代わりに、交流線路にアレスタ４１が接続されている。

具体的には、アレスタ４１ｕは、交流線路のＵ相とグランドとの間に接続される。アレスタ４１ｖは、交流線路のＶ相とグランドとの間に接続される。アレスタ４１ｗは、交流線路のＷ相とグランドとの間に接続される。

例えば、直流線路１４Ｐにおいて地絡事故が発生すると、地絡側の直流線路１４Ｐの電位の変動と同時に、交流側の電位も変動する。交流側（すなわち、交流線路）に接続された各アレスタ４１ｕ，４１ｖ，４１ｗにより、交流側電位を一定範囲内に抑制することで、間接的に、非地絡側の直流線路１４Ｎの電位変動幅を抑制できる。これにより、図４で説明したように、直流線路１４Ｎの直流電圧Ｖｄｃｎの過電圧を防止することができる。

このように、各アレスタ４１ｕ，４１ｖ，４１ｗは、一方の直流線路１４の地絡事故に伴って他方の直流線路１４で発生する過電圧を防止する機能を有する。各アレスタ４１ｕ，４１ｖ，４１ｗは、非地絡側の直流線路１４で発生する電圧が絶縁設計を超える過電圧とならないように設計される。電力変換システム１０Ｈによると、電力変換システム１０Ａと同様の利点を有する。

実施の形態２．
実施の形態１では、直流線路１４での地絡事故発生時に電力変換器２をゲートブロックしてから交流遮断器１７を開放する構成について説明した。実施の形態２では、地絡事故発生時に電力変換器２をゲートブロックしてから直流遮断器を開放する構成について説明する。

図１３は、実施の形態２に従う電力変換システム１０Ｉを説明するための図である。図１３を参照して、電力変換システム１０Ｉは、図３の電力変換システム１０Ａにおける直流線路１４Ｐ，１４Ｎに、それぞれ直流遮断器４５Ｐ，４５Ｎ（以下、「直流遮断器４５」とも総称する。）を接続した構成を有する。具体的には、直流遮断器４５Ｐは、直流線路１４Ｐと電力変換器２との間に設けられる。直流遮断器４５Ｎは、直流線路１４Ｎと電力変換器２との間に設けられる。

電力変換システム１０Ｉにおけるアレスタ４１Ｐ，４１Ｎの機能は、上述した機能と同様である。ここで、直流線路１４Ｐにおいて地絡事故が発生した場合の動作について説明する。制御装置３は、直流線路１４Ｐの地絡事故の検出後、電力変換器２をゲートブロックする。続いて、制御装置３は、各直流遮断器４５Ｐ，４５Ｎを開放する指令を出力すると、各直流遮断器４５Ｐ，４５Ｎが開放される。このとき、直流遮断器４５よりも直流線路１４側の直流電圧はゼロとなる。また、直流遮断器４５Ｐよりも電力変換器２側の直流電圧（すなわち、直流電圧Ｖｄｃｐ）、および直流遮断器４５Ｎよりも電力変換器２側の直流電圧（すなわち、直流電圧Ｖｄｃｎ）は、サブモジュール７の還流ダイオード整流電圧に基づく電圧となる。

図１４は、実施の形態２に従う制御装置３の処理手順を示すフローチャートである。典型的には、以下の各ステップは、制御装置３の演算部によって実行される。

図１４を参照して、ステップＳ１０〜ステップＳ１４の各処理は、図５の各処理と同様であるため、その詳細な説明は繰り返さない。

制御装置３は、電力変換器２をゲートブロック（ステップＳ１４）した後、直流遮断器４５Ｐ，４５Ｎを開放する（ステップＳ５０）。制御装置３は、地絡事故が除去されたか否かを判断する（ステップＳ５２）。例えば、制御装置３は、直流遮断器４５Ｐよりも直流線路１４Ｐ側の直流電圧が閾値Ｔｈ６以上である場合には、地絡事故が除去されたと判断する。なお、直流線路１４Ｐ側の直流電圧は、専用の直流電圧検出器により検出され、当該検出された信号は制御装置３に入力される。

地絡事故が除去された場合（ステップＳ５２においてＹＥＳ）、制御装置３は、直流遮断器４５Ｐ，４５Ｎを投入（すなわち、閉路）する（ステップＳ５４）。続いて、制御装置３は、電力変換器２をデブロックする（ステップＳ５６）。これにより、電力変換器２は通常制御に復帰する。一方、地絡事故が除去されない場合（ステップＳ５２においてＮＯ）、制御装置３は、各交流遮断器１７を開放する（ステップＳ６０）。この場合には、地絡事故が永久事故である可能性が高いため、系統運用者等により地絡事故が除去された後、交流遮断器１７および直流遮断器４５の投入、電力変換器２のデブロックが適切な手順により行われる。その後、制御装置３は電力変換器２を通常制御する。

上記において、ステップＳ５４，Ｓ５６は順序が逆であってもよい。すなわち、制御装置３は、電力変換器２をデブロックしてから、直流遮断器４５Ｐ，４５Ｎを投入する構成であってもよい。

実施の形態２の電力変換システム１０Ｉによると、電力変換システム１０Ａの利点に加えて、地絡事故が一過性の事故である場合には、交流遮断器１７を開放することなく直流遮断器４５の開閉により電力変換器２の再起動が可能となる。そのため、地絡事故除去後において電力変換器２を高速に復帰させることができる。

その他の実施の形態．
（１）上述した実施の形態において、図６〜図１１の電力変換システム１０Ｂ〜１０Ｇでは、直流線路１４にアレスタ４１が接続されていたが、当該構成に限られない。例えば、電力変換システム１０Ｂ〜１０Ｇにおいて、図１２の電力変換システム１０Ｈのように、電力変換器２および交流遮断器１７を接続する交流線路にアレスタ４１を接続する構成であってもよい。なお、電力変換システム１０Ｆのように、電力変換器２と交流遮断器１７との間に変圧器１３が接続される場合には、アレスタ４１は、変圧器１３と電力変換器２との間の交流線路に接続されていてもよいし、変圧器１３と交流遮断器１７との間の交流線路に接続されていてもよい。また、電力変換システム１０Ｇの場合には、変圧器１３Ａと交流遮断器１７との間の交流線路にアレスタ４１を接続すればよい。

（２）上述した実施の形態２に従う電力変換システム１０Ｉでは、図３の電力変換システム１０Ａにおける直流線路１４に直流遮断器４５を接続した構成について説明したが、当該構成に限られない。例えば、図６〜図１２の電力変換システム１０Ｂ〜１０Ｈにおいて、図１３の電力変換システム１０Ｉのように、直流線路１４と電力変換器２との間に直流遮断器４５を接続する構成であってもよい。

（３）上述の実施の形態として例示した構成は、本開示の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本開示の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能である。また、上述した実施の形態において、他の実施の形態で説明した処理および構成を適宜採用して実施する場合であってもよい。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本開示の範囲は、上記した説明ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

２電力変換器、３制御装置、４ｕ，４ｖ，４ｗレグ回路、５上アーム、６下アーム、７サブモジュール、８Ａ，８Ｂ，８１，８２リアクトル、９Ａ，９Ｂ検出器、１０，１０Ａ〜１０Ｉ電力変換システム、１１Ａ，１１Ｂ直流電圧検出器、１２交流系統、１３，１３Ａ変圧器、１４直流線路、１６交流電流検出器、１７交流遮断器、１８交流電圧検出器、３１ｎ，３１ｎ２，３１ｎ１，３１ｐ２，３１ｐ，３１ｐ１スイッチング素子、３２，Ｃｎ，Ｃｐコンデンサ、３３電圧検出器、４１Ｎ，４１Ｐ，４１ｕ，４１ｖ，４１ｗアレスタ、４５Ｎ，４５Ｐ直流遮断器。

Claims

交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、
前記交流系統と前記自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器と、
前記直流線路とグランドとの間、または、前記交流遮断器および前記自励式電力変換器を接続する交流線路と前記グランドとの間に接続されたアレスタと、
制御装置とを備え、
前記自励式電力変換器の前記直流線路側には直流遮断器が設けられておらず、
前記制御装置は、
前記直流線路において地絡事故を検出した場合、前記自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、
前記自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、前記交流遮断器を開放する、電力変換システム。
交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、
前記直流線路と前記自励式電力変換器との間に設けられた直流遮断器と、
前記直流線路とグランドとの間、または、前記直流遮断器および前記自励式電力変換器を接続する交流線路と前記グランドとの間に接続されたアレスタと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記直流線路において地絡事故を検出した場合、前記自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、
前記自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、前記直流遮断器を開放する、電力変換システム。
交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、
前記交流系統と前記自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器と、
前記直流線路とグランドとの間、または、前記交流遮断器および前記自励式電力変換器を接続する交流線路と前記グランドとの間に接続されたアレスタと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記直流線路において地絡事故を検出した場合、前記自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、
前記自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、前記交流遮断器を開放し、
前記直流線路の正極側には第１抵抗が接続され、前記直流線路の負極側には第２抵抗が接続されており、
前記第１抵抗および前記第２抵抗の中点は接地されている、電力変換システム。
交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、
前記交流系統と前記自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器と、
前記直流線路とグランドとの間、または、前記交流遮断器および前記自励式電力変換器を接続する交流線路と前記グランドとの間に接続されたアレスタと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記直流線路において地絡事故を検出した場合、前記自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、
前記自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、前記交流遮断器を開放し、
前記直流線路の正極側には第１コンデンサが接続され、前記直流線路の負極側には第２コンデンサが接続されており、
前記第１コンデンサおよび前記第２コンデンサの中点は接地されている、電力変換システム。
交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、
前記交流系統と前記自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器と、
前記直流線路とグランドとの間、または、前記交流遮断器および前記自励式電力変換器を接続する交流線路と前記グランドとの間に接続されたアレスタと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記直流線路において地絡事故を検出した場合、前記自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、
前記自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、前記交流遮断器を開放し、
前記交流線路は、リアクトルおよび抵抗の直列回路を介して接地されている、電力変換システム。
交流系統と直流線路との間で電力変換を行なう自励式電力変換器と、
前記交流系統と前記自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器と、
前記直流線路とグランドとの間、または、前記交流遮断器および前記自励式電力変換器を接続する交流線路と前記グランドとの間に接続されたアレスタと、
制御装置とを備え、
前記制御装置は、
前記直流線路において地絡事故を検出した場合、前記自励式電力変換器のスイッチング動作を停止させ、
前記自励式電力変換器のスイッチング動作の停止後に、前記交流遮断器を開放し、
変圧器をさらに備え、
前記変圧器は、一次側が前記交流系統に接続され、かつ二次側が前記交流遮断器に接続されるか、または、一次側が前記交流遮断器に接続され、かつ二次側が前記自励式電力変換器に接続されており、
前記変圧器の二次側の中性点は、リアクトルを介して接地されている、電力変換システム。
変圧器と、
前記交流系統と前記自励式電力変換器との間に設けられた交流遮断器とをさらに備え、
前記変圧器は、一次側が前記交流系統に接続され、かつ二次側が前記交流遮断器に接続されるか、または、一次側が前記交流遮断器に接続され、かつ二次側が前記自励式電力変換器に接続されており、
前記変圧器の二次側の中性点は、リアクトルを介して接地されている、請求項２に記載の電力変換システム。
前記自励式電力変換器は、モジュラーマルチレベル変換方式の電力変換器である、請求項１〜請求項７のいずれか１項に記載の電力変換システム。