JP7015659B2 - 電圧補償装置 - Google Patents

Description

本発明の実施形態は、電圧補償装置に関する。

電力系統では、変電所からの距離に応じて電力線インピーダンスが増加することから、系統の末端では、その電圧降下により受電電圧が低下する場合がある。電力系統では、変電所からの距離によらず一定の電圧が利用できるようにする必要がある。

電力系統においては、落雷等によって地絡等の事故が発生し、系統に連系する装置に過大な電流が流れる場合があり、このような事故から装置を保護する必要がある。

佐々木 裕治、吉田 隆彦、関 長隆、渡辺 敏之、齊藤 裕治 著、「高速応答を可能にしたＴＶＲとその実証試験」、電気学会論文誌Ｂ,Ｖｏｌ.１２３（２００３）

実施形態は、電力系統に過大な事故電流が流れた場合に、過大電流から保護することを可能にした電圧補償装置を提供する。

実施形態に係る電圧補償装置は、電力系統の電圧を補償する。この電圧補償装置は、第１交流端子から第１直流端子に向かって電流を流す第１ダイオードと、前記第１ダイオードに逆並列に接続された第１スイッチング素子と、第２直流端子から第２交流端子に向かって電流を流す第２ダイオードと、前記第２ダイオードに逆並列に接続された第２スイッチング素子と、前記第２交流端子とから前記第１直流端子に向かって電流を流す第３ダイオードと、前記第３ダイオードに逆並列に接続された第３スイッチング素子と、前記第２直流端子から前記第１交流端子に向かって電流を流す第４ダイオードと、前記第４ダイオードに逆並列に接続された第４スイッチング素子と、を含む電力変換器と、電力系統の第１電力線に直列に接続された一次巻線と前記第１交流端子に接続された二次巻線とを有する第１変圧器と、前記電力系統の第２電力線に直列に接続された一次巻線と前記第２交流端子に接続された二次巻線とを有する第２変圧器と、前記第１電力線の電流値とあらかじめ設定されたしきい値とを比較して、前記電流値が前記しきい値以上の場合に制御信号を出力する制御部と、前記第１変圧器の二次巻線と前記第２変圧器の二次巻線との間に接続され、前記制御信号によって前記二次巻線間を短絡するバイパス回路と、を備える。前記制御部は、前記制御信号にもとづいて、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子を導通させ、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子を遮断する。

第１の実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。 第１の実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。 比較例の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。 第２の実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。 第３の実施形態に係る電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。 第４の実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。 第４の実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。 比較例の実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。 第５の実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

（第１の実施形態）
図１は、本実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。
図１に示すように、本実施形態の電圧補償装置１は、電圧補償部１０と、制御部８０と、を備える。電圧補償部１０は、直列変圧器１１，１３，１５と、第１電力変換器２０と、バイパス回路７０と、を含む。

電圧補償装置１は、電圧補償部１０によって、電力系統に直列に接続される。電力系統は、Ｕ相、Ｖ相およびＷ相からなる三相交流の配電系統である。以下では、電力系統に直列に接続された電圧補償装置１から見て、変電所側を上流、需要者側を下流と呼ぶこととする。電圧補償装置１は、Ｕ相の上流６ａと入力端子２ａで接続され、Ｕ相の下流７ａと出力端子３ａで接続されている。電圧補償装置１は、Ｖ相の上流６ｂと入力端子２ｂで接続され、Ｖ相の下流７ｂと出力端子３ｂで接続されている。電圧補償装置１は、Ｗ相の上流６ｃと入力端子２ｃで接続され、Ｗ相の下流７ｃと出力端子３ｃで接続されている。電圧補償装置１は、電力系統の上流６ａ～６ｃおよび下流７ａ～７ｃの電圧の上昇あるいは低下を検出して、目標値の範囲内となるように電力系統の電圧を補償する。

直列変圧器１１，１３，１５は、一次巻線１１ｐ，１３ｐ，１５ｐと、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓと、をそれぞれ含む。直列変圧器１１の一次巻線１１ｐは、入力端子２ａと出力端子３ａとの間に接続されており、電力系統のＵ相に直列に接続されている。直列変圧器１３の一次巻線１３ｐは、入力端子２ｂと出力端子３ｂとの間に接続されており、電力系統のＶ相に直列に接続されている。直列変圧器１５の一次巻線１５ｐは、入力端子２ｃと出力端子３ｃとの間に接続されており、電力系統のＷ相に直列に接続されている。つまり、３つの直列変圧器１１，１３，１５の一次巻線１１ｐ，１３ｐ,１５ｐは、電力系統の各相に直列に接続されている。

直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、それぞれ一方の端子１２ａ，１４ａ，１６ａで互いに接続され、それぞれの他方の端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、第１電力変換器２０の各交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃに接続されている。つまり、直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、スター結線されて、第１電力変換器２０の出力に接続されている。

二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、スター結線に限らず、デルタ結線としてもよい。スター結線の場合には、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、次のように接続される。すなわち、二次巻線１１ｓの一方の端子１２ａは、二次巻線１３ｓの他方の端子１４ｂに接続される。二次巻線１３ｓの一方の端子１４ａは、二次巻線１５ｓの他方の端子１６ｂに接続される。二次巻線１５ｓの一方の端子１６ａは、二次巻線１１ｓの他方の端子１２ｂに接続される。二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓのそれぞれの他方の端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、フィルタ回路５０を介して、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃにそれぞれ接続される。

スター結線で直列変圧器の二次巻線を接続した場合には、結線作業が容易になるとの利点がある。一方、スター結線では、二次巻線の他方の端子を互いに接続して中性点とするが、中性点が他に接続されず、変圧器の非線形性等により電圧歪が発生したときに、電流を他に流すことができないため、電圧歪現象が解消されにくいとの問題を生ずることがある。

デルタ結線で直列変圧器の二次巻線を接続した場合には、各相の二次巻線を互いに接続する等して結線作業が煩雑になる反面、二次巻線内に還流電流を流すことができる。そのため、電圧補償装置３０１は、電圧歪みを発生しにくく、高品質の電力を電力系統に対して連系することができる。

第１電力変換器２０は、高圧直流入力端子２１ａと低圧直流入力端子２１ｂとを含む。高圧直流入力端子２１ａおよび低圧直流入力端子２１ｂには、コンデンサ４０が接続されている。高圧直流入力端子２１ａおよび低圧直流入力端子２１ｂには、第２電力変換器９０を介して直流電圧が供給される。

第１電力変換器２０は、交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃを含む。第１電力変換器２０は、交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃを介して、三相交流電圧を出力する。交流出力端子２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、フィルタ回路５０を介して直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓに接続されている。

第１電力変換器２０は、高圧直流入力端子２１ａと低圧直流入力端子２１ｂとの間に印加された直流電圧を三相交流電圧に変換するインバータ装置である。第１電力変換器２０は、たとえば、６つのスイッチング素子２３ａ～２８ａを含んでいる。スイッチング素子２３ａ～２８ａは、自己消弧形のスイッチング素子であり、たとえばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）等である。スイッチング素子２３ａ～２８ａは、オフした場合には、電流を遮断し、オンした場合に双方向に電流を流すことができる。

スイッチング素子２３ａ～２８ａには、逆並列にダイオード２３ｂ～２８ｂがそれぞれ接続されている。つまりスイッチング素子がＩＧＢＴの場合には、スイッチング素子のエミッタ端子にダイオードのアノード端子が接続されている。スイッチング素子のコレクタ端子にダイオードのカソード端子が接続されている。スイッチング素子がＭＯＳＦＥＴの場合には、ダイオード２３ｂ～２８ｂは、ＭＯＳＦＥＴの構造上内蔵されるダイオードでもよい。

スイッチング素子２３ａ，２６ａは、直列に接続されている。スイッチング素子２４ａ，２７ａは直列に接続されている。スイッチング素子２５ａ，２８ａは、直列に接続されている。これら３つの直列回路は、並列に接続されてインバータ回路を構成する。第１電力変換器２０のインバータ回路は、直流電圧を電力系統の周波数よりも高い周波数の交流電圧に変換することができれば、この回路構成に限定されない。インバータ回路は、たとえばマルチレベルインバータ回路やその変形等であってもよい。ダイオード２３ｂ～２８ｂは、たとえば上下のスイッチング素子のデッドタイム期間中に電流を流すフライホイールダイオードとして機能する。

スイッチング素子２３ａ～２８ａが上述のように接続されているため、ダイオード２３ｂ～２５ｂは、交流出力端子２２ａ～２２ｃから高圧直流入力端子２１ａに電流を流す電流経路となる。ダイオード２６ｂ～２８ｂは、低圧直流入力端子２１ｂから交流出力端子２２ａ～２２ｃに電流を流す電流経路となる。

より詳しくは、ダイオード２３ｂは、交流出力端子２２ａから高圧直流入力端子２１ａに向かって電流を流すように接続されている。ダイオード２４ｂは、交流出力端子２２ｂから高圧直流入力端子２１ａに向かって電流を流すように接続されている。ダイオード２５ｂは、交流出力端子２２ｃから高圧直流入力端子２１ａに向かって電流を流すように接続されている。ダイオード２６ｂは、低圧直流入力端子２１ｂから交流出力端子２２ａに向かって電流を流すように接続されている。ダイオード２７ｂは、低圧直流入力端子２１ｂから交流出力端子２２ｂに向かって電流を流すように接続されている。ダイオード２８ｂは、低圧直流入力端子２１ｂから交流出力端子２２ｃに向かって電流を流すように接続されている。

フィルタ回路５０は、インダクタ５１ａ～５１ｃと、コンデンサ５２ａ～５２ｃと、を含む。インダクタ５１ａは、二次巻線１１ｓの端子１２ｂと交流出力端子２２ａとの間に直列に接続されている。インダクタ５１ｂは、二次巻線１３ｓの端子１４ｂと交流出力端子２２ｂとの間に直列に接続されている。インダクタ５１ｃは、二次巻線１５ｓの端子１６ｂと交流出力端子２２ｃとの間に直列に接続されている。コンデンサ５２ａは、端子１２ｂと端子１４ｂとの間に接続されている。コンデンサ５２ｂは、端子１４ｂと端子１６ｂとの間に接続されている。コンデンサ５２ｃは、端子１６ｂと端子１２ｂとの間に接続されている。つまり、コンデンサ５２ａ～５２ｃは、デルタ結線されている。そして、結線された各ノードは、各端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂに接続されている。

フィルタ回路５０のコンデンサ５２ａ～５２ｃは、デルタ結線の場合に限らず、スター結線されていてもよい。また、フィルタ回路５０は、ＬＣフィルタに限らず、ＬＣＲフィルタ等であってもかまわない。ＬＣＲフィルタの場合には、各端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂとコンデンサ５２ａ～５２ｃとの間に抵抗器が接続される。

ダイオード２３ｂ～２８ｂは、フィルタ回路５０のインダクタ５１ａ～５１ｃと直列に接続されて電流経路を形成し得る。電力系統の事故時等に二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓからインダクタ５１ａ～５１ｃに電流が流れた場合には、その電流は、ダイオード２３ｂ～２８ｂを介して、コンデンサ４０を充電し得る。そこで、本実施形態の電圧補償装置１では、バイパス回路７０を含むとともに、スイッチング素子２３ａ～２８ａによってダイオード２３ｂ～２８ｂとは異なる電流経路を形成する。

バイパス回路７０は、端子１２ｂ，１４ｂに接続され、端子１４ｂ，１６ｂに接続されている。バイパス回路７０は、制御部８０に接続されている。バイパス回路７０は、制御部８０から供給されるバイパス制御信号Ｓｓによって端子１２ｂ，１４ｂ間および１４ｂ，１６ｂ間をそれぞれ短絡する。

バイパス回路７０は、電磁接触器７３，７４を含む。電磁接触器７３は、端子１２ｂ，１４ｂ間に接続されている。電磁接触器７４は、端子１４ｂ，１６ｂ間に接続されている。電磁接触器７３，７４は、バイパス制御信号Ｓｓを入力して導通信号を生成する駆動回路（図示せず）から供給される駆動信号によって導通する。

制御部８０は、電流検出器７５，７６によって検出された電流データＩＬ１，ＩＬ２を入力する。制御部８０は、検出された電流データＩＬ１，ＩＬ２をあらかじめ設定されたしきい値Ｉｔ１と比較して、電流データがしきい値を超えたときに、バイパス制御信号Ｓｓを出力する。バイパス制御信号Ｓｓは、バイパス回路７０に供給される。バイパス回路７０にバイパス制御信号Ｓｓが供給されると、バイパス回路７０は、電磁接触器７３，７４を導通させて、事故時の過大な電流を電磁接触器７３，７４にバイパスする。

制御部８０は、電流検出器７５，７６によって検出された電流データＩＬ１，ＩＬ２がしきい値Ｉｔｈ１を超えたときに、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆを出力する。導通信号Ｓｏｎは、第１電力変換器２０のハイサイド側のスイッチング素子２３ａ～２５ａをオンさせる。遮断信号Ｓｏｆｆは、第１電力変換器２０のローサイド側のスイッチング素子２６ａ～２８ａをオフさせる。導通信号Ｓｏｎがローサイド側のスイッチング素子２６ａ～２８ａをオンさせ、遮断信号Ｓｏｆｆがハイサイド側のスイッチング素子２３ａ～２５ａをオフさせてもよい。

バイパス制御信号Ｓｓ、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆは、電流データＩＬ１，ＩＬ２がしきい値Ｉｔｈを超えたときに生成される図示しない内部制御信号（制御信号）にもとづいて出力される。本実施形態では、たとえば、バイパス制御信号Ｓｓおよび導通信号Ｓｏｎは、同一の信号として出力され、内部制御信号の反転信号として生成出力される。

スイッチング素子２３ａ～２８ａは、電磁接触器７５，７６よりも速くターンオンすることができる。第１電力変換器２０のハイサイド側のスイッチング素子２３ａ～２５ａがオンし、ローサイド側のスイッチング素子２６ａ～２８ａがオフした後に、電磁接触器７３，７４が導通する。ハイサイド側のスイッチング素子２３ａ～２５ａが、バイパス制御信号Ｓｓと同時に供給される導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆによって、事故時の過大な電流のバイパス経路を形成する。スイッチング素子２３ａ～２５ａまたはスイッチング素子２６ａ～２８ａは、少なくとも電磁接触器７３，７４が導通するまでの間、オンして、事故電流を流すことができる。

電圧補償装置１は、上述した保護動作のほか、通常の動作状態において、系統電圧の電圧補償動作を行う。電圧補償部１０は、電力系統の電圧を直列補償する。電圧補償部１０は、第２電力変換器９０と、インダクタ１０１，１０２と、並列変圧器１０３，１０４と、交流電圧検出器１１１～１１４と、直流電圧検出器１１５と、をさらに含む。

第２電力変換器９０は、高圧直流端子９１ａと、低圧直流端子９１ｂと、を含んでいる。高圧直流端子９１ａおよび低圧直流端子９１ｂは、コンデンサ４０に接続されている。第２電力変換器９０は、交流端子９２ａ，９２ｂ，９２ｃを含む。交流端子９２ａ，９２ｂ，９２ｃのいずれか１つ、この例では、交流端子９２ａには、インダクタ１０１の一端が接続されている。この例では、交流端子９２ｃには、インダクタ１０２の一端が接続されている。つまり、第２電力変換器９０は、交流端子９２ａ～９２ｃに入力される交流電力を直流に変換して、直流リンクであるコンデンサ４０に供給するコンバータ装置として動作する。第２電力変換器９０は、コンデンサ４０に有効電力を供給する。第２電力変換器９０は、第１電力変換器２０と同じ回路形式のインバータ回路であってもよいし、異なる回路形式であってもよい。

並列変圧器１０３の一次巻線は、Ｕ相およびＶ相の下流７ａ，７ｂ側の線間に接続されている。並列変圧器１０４の一次巻線は、Ｖ相およびＷ相の下流７ｂ，７ｃ側の線間に接続されている。並列変圧器１０３の二次巻線の一方は、インダクタ１０１の他端に接続され、他方は、第２電力変換器９０の交流端子９２ｂに接続されている。並列変圧器１０４の二次巻線は、インダクタ１０２の他端に接続され、他方は、第２電力変換器９０の交流端子９２ｂに接続されている。つまり、並列変圧器１０３，１０４の二次巻線は、インダクタ１０１，１０２を介して第２電力変換器９０の交流端子９２ａ～９２ｃとＶ結線されている。

電流検出器１０５は、交流端子９２ａと並列変圧器１０３の二次巻線との間に直列に接続されている。電流検出器１０６は、交流端子９２ｃと並列変圧器１０４の二次巻線との間に直列に接続されている。電流検出器１０５，１０６は、インダクタ１０１，１０２に流れるそれぞれの交流電流を検出して、電流データＩＬ３，ＩＬ４を出力する。

交流電圧検出器１１１，１１２は、電力系統の上流６ａ～６ｃ側に接続されている。交流電圧検出器１１１は、Ｕ相とＶ相との線間に接続され、ＵＶ間の線間電圧を検出する。交流電圧検出器１１２は、Ｖ相とＷ相との線間に接続され、ＶＷ間の線間電圧を検出する。交流電圧検出器１１３，１１４は、電力系統の下流７ａ～７ｃ側に接続されている。交流電圧検出器１１３は、ｕ相とｖ相との線間に接続され、ｕｖ間の線間電圧を検出する。交流電圧検出器１１４は、ｖ相とｗ相との線間に接続され、ｖｗ間の線間電圧を検出する。交流電圧検出器１１１～１１４は、たとえば計器用変圧器と計器用変圧器の出力を適切な電圧レベルに変換するトランスデューサとを含んでいる。交流電圧検出器１１１～１１４は、直列変圧器１１，１３，１５の一次巻線１１ｐ，１３ｐ，１５ｐの両端の電圧を検出して、計器用変圧器で降圧し、トランスデューサによって制御部８０に入力可能な信号である交流電圧データＶＡＣ１～ＶＡＣ４に変換して出力する。

直流電圧検出器１１５は、コンデンサ４０の両端の直流電圧を検出して、直流電圧データＶＤＣを出力する。

電力系統に異常電流が流れていない通常の動作状態においては、制御部８０は、交流電圧データＶＡＣ１～ＶＡＣ４を入力して、これらから上流側と下流側との電圧差を求める。制御部８０は、あらかじめ設定された上流側と下流側との電圧差の目標値と、測定値とを比較する。制御部８０は、測定値を目標値に応じて、その差分に応じた各相の電圧を直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線に供給する。制御部８０は、測定値が目標値よりも低いときには、電力系統と同相の電圧を出力するように設定する。制御部８０は、測定値が目標値以上のときには、電力系統と逆相の電圧を出力するように設定する。

また、制御部８０は、インダクタ１０１，１０２に流れる電流データＩＬ３，ＩＬ４および直流電圧データＶＤＣにもとづいて、第２電力変換器９０の動作を制御する。

制御部８０は、交流電圧データＶＡＣ１～ＶＡＣ４、電流データＩＬ３，ＩＬ４および直流電圧データＶＤＣにもとづいて、第１電力変換器２０および第２電力変換器９０を適切に動作させるためのゲート駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２をそれぞれ生成する。第１電力変換器２０および第２電力変換器９０は、ゲート駆動信号Ｖｇ１，Ｖｇ２にもとづいて適切な電力変換動作を行う。

なお、上述したバイパス制御信号Ｓｓが出力された場合には、第２電力変換器９０は、ゲートブロック信号ＧＢによって、動作を停止するようにしてもよい。

次に、本実施形態の電圧補償装置１の動作について説明する。
図２は、本実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。
図３は、比較例の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。
図２に示すように、電力系統で地絡等の事故が発生し、大きな事故電流が流れた場合には、電圧補償部１０の直列変圧器１１，１３，１５の一次巻線のうちの少なくとも１つに過大な電流が流れる。事故時の過大な電流は、正常時の数１０倍程度の電流となり得る。二次巻線の１つには、巻き数比に応じて正常時の数１０倍の電流が流れる。

電力系統に流れる線電流は、電流検出器７５，７６によって検出される。検出された電流データＩＬ１，ＩＬ２は制御部８０へ送信される。制御部８０では、電流データＩＬ１，ＩＬ２をしきい値Ｉｔ１と比較し、電流データＩＬ１，ＩＬ２のうち少なくとも一方がしきい値を超えた場合に、制御部８０は、バイパス制御信号Ｓｓ、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆを出力する。

第１電力変換器２０は、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆを受信し、スイッチング素子２３ａ～２５ａをオンさせ、スイッチング素子２６ａ～２８ａをオフさせる。なお、第２電力変換器９０は、これらの信号と同時に出力されるゲートブロック信号ＧＢによって、電力変換動作を停止する。

二次巻線に誘導された事故電流にもとづく電流Ｉｉｎｃは、たとえばハイサイド側のスイッチング素子の１つ（図２ではスイッチング素子２５ａ）に逆方向（ダイオードの順方向）に流れる。電流Ｉｉｎｃは、ハイサイド側の他のスイッチング素子に順方向で流れる。この例では、電流Ｉｉｎｃは、２つのスイッチング素子（図２ではスイッチング素子２３ａ，２４ａ）に分岐して流れる。電流経路は、配線のインピーダンス等も含めて決定されるので、２つのスイッチング素子の逆方向に分岐して流れた後、１つのスイッチング素子の順方向に流れる経路となる場合もある。

ハイサイド側のスイッチング素子２３ａ～２５ａをオフさせ、ローサイド側のスイッチング素子２６ａ～２８ａをオンさせた場合についても同様である。

事故電流発生の初期においては、電流Ｉｉｎｃは、上述の経路で流れる。電力変換器に用いるスイッチング素子は、逆並列に接続されたダイオードに比べて導通時の電圧降下が小さい。そのため、スイッチング素子の方がダイオードよりも大きな電流耐量を有する。また、電流Ｉｉｎｃのリターン経路もスイッチング素子によって形成される。そのため、事故時の電流がコンデンサ４０に流れることがなく、事故電流によってコンデンサ４０に過電圧が印加されることがない。スイッチング素子による事故電流経路形成後、さらに大きな電流容量を有する電磁接触器７３，７４が導通する。スイッチング素子は、電磁接触器が導通するまでの期間、電流Ｉｉｎｃを流し得る電流耐量を有していればよい。

次に、比較例の電圧補償装置の動作について説明する。
比較例の電圧補償装置は、図３に示すように、事故電流によって生じた二次巻線に流れる電流Ｉｉｎｃ'は以下のように流れる。

電力系統に事故電流が流れると、二次巻線には、巻き数比に応じた電流Ｉｉｎｃ'が流れる。電流Ｉｉｎｃ'は、実施形態の電圧補償装置１に場合と同様に、正常時の数１０倍の値を有する。

このときの電流Ｉｉｎｃ'は、電流検出器７５，７６によって検出され、検出された電流データＩＬ１'，ＩＬ２'は、制御部へ送信される。制御部では、電流データＩＬ１'，ＩＬ２'をしきい値Ｉｔ１と比較し、電流データＩＬ１'，ＩＬ２'のうち少なくとも一方がしきい値Ｉｔ１を超えた場合に、制御部は、ゲートブロック信号ＧＢおよびバイパス制御信号Ｓｓを出力する。

第１電力変換器１２０は、ゲートブロック信号ＧＢを受信し、電力変換動作を停止する。

この例では、バイパス回路１７０には、サイリスタを含む双方向スイッチを用いている。サイリスタは、電磁接触器に比べて高速にターンオンすることができるが、数１０μｓ～数１００μｓ程度のターンオン時間を有している。そのため、バイパス回路１７０は、バイパス制御信号Ｓｓを受信した後、少なくともターンオン時間による期間には、電流Ｉｉｎｃ'をバイパスすることができない。

二次巻線１５ｓに誘導された電流Ｉｉｎｃ'は、フィルタ回路のインダクタ５１ｃおよびダイオード２５ｂを介してコンデンサ４０を充電するように流れる。コンデンサ４０を充電した電流は、ダイオード２６ｂ，２７ｂ、インダクタ５１ａ，５１ｂおよび直列変圧器１１，１３の二次巻線を介して、直列変圧器１５の二次巻線に戻る。ダイオード２６ｂ，２７ｂおよびインダクタ５１ａ，５１ｂに分流する電流は、これらを含むインピーダンスに依存して決定される。

フィルタ回路５０のインダクタ５１ａ～５１ｃには、バイパス回路１７０が導通する前に電流が流れているため、流れた電流によって、インダクタ５１ａ～５１ｃには、エネルギが蓄積されている。バイパス回路１７０が導通しても、インダクタ５１ａ～５１ｃは、蓄積されたエネルギを放出するまで電流を流し続ける。したがって、バイパス回路１７０が動作しているにもかかわらず、電流Ｉｉｎｃ'は、ダイオードに流れ続け、コンデンサ４０を充電し続ける。

電流Ｉｉｎｃ'がダイオードの許容電流を超えた場合には、過電流等によりダイオードは破損するおそれがある。ダイオードを介してコンデンサ４０を充電し続けた場合には、コンデンサ４０の両端の電圧が定格電圧を超過して、コンデンサ２４０は過電圧によって破損するおそれがある。

本実施形態の電圧補償装置の作用および効果について説明する。
本実施形態の電圧補償装置１では、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆを第１電力変換器２０に供給する制御部８０を備えている。導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆによって制御されたスイッチング素子は、バイパス回路７０が導通する前に、事故電流による電流を還流することができる。還流電流は、ダイオード２３ｂ～２８ｂや、コンデンサ４０には流れないので、これらを損傷することなく、事故時の過大な電流を処理することができる。その後電流耐量が十分に大きいバイパス回路７０が導通することによって、事故時の電流による破損等を防止することができる。

（第２の実施形態）
図４は、本実施形態の電圧補償装置を例示するブロック図である。
本実施形態では、バイパス回路に双方向サイリスタスイッチを併用する。
図４に示すように、本実施形態の電圧補償装置２０１は、電圧補償部２１０と、制御部８０と、を備える。本実施形態では、電圧補償部２１０のバイパス回路２７０が上述の他の実施形態の場合と相違する。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

図４に示すように、電圧補償部２１０は、バイパス回路２７０を含む。バイパス回路２７０は、サイリスタ７１，７２と、電磁接触器７３，７４と、を含む。サイリスタ７１，７２は、２つのＳＣＲ（Silicon Controlled Rectifier）をそれぞれ含み、２つのＳＣＲは、互いに逆並列に接続されている。つまり、サイリスタ７１，７２では、一方のＳＣＲのアノード端子と他方のＳＣＲのカソード端子とが接続され、一方のＳＣＲのカソード端子と他方のＳＣＲのアノード端子とが接続されている。サイリスタ７１は、端子１２ｂ，１４ｂ間に接続されている。サイリスタ７２は、端子１４ｂ，１６ｂ間に接続されている。

サイリスタ７１，７２は、バイパス制御信号Ｓｓを入力してトリガ電流を生成する駆動回路（図示せず）から供給されるトリガ電流によってターンオンする。サイリスタ７１，７２は、事故時に発生した過大な電流をバイパスして第１電力変換器２０やコンデンサ４０を保護する。

電磁接触器７３は、端子１２ｂ，１４ｂ間に接続されている。つまり、電磁接触器７３は、サイリスタ７１と並列に接続されている。電磁接触器７４は、端子１４ｂ，１６ｂ間に接続されている。つまり、電磁接触器７４は、サイリスタ７２と並列に接続されている。

電磁接触器７３，７４は、バイパス制御信号Ｓｓを入力して導通信号を生成する駆動回路（図示せず）から供給される駆動信号によって導通する。

電磁接触器７３，７４は、サイリスタ７１，７２に比べて、導通するまでの遅れ時間が長いが、導通時の直流抵抗値はサイリスタ７１，７２のオン時の抵抗値よりも低い。そのため、電磁接触器７３，７４は、サイリスタ７１，７２よりも大きな電流を長時間にわたって流すことができる。電磁接触器７３，７４は、サイリスタ７１，７２に遅れて導通した後には、サイリスタ７１，７２に流れている電流をバイパスする。

本実施形態の電圧補償装置２０１の効果について説明する。
電磁接触器は、導通するまでの遅れ時間が、半導体スイッチに比べて非常に遅く、数ｍｓ～数１０ｍｓとなる場合がある。サイリスタは、数１０μｓ程度のターンオン時間を有するので、電磁接触器にサイリスタを並列接続することによって、第１電力変換器２０のスイッチング素子に事故電流を還流させている時間を短縮することができる。そのため、スイッチング素子の発熱を抑制することができ、電流耐量を強化できる。

（第３の実施形態）
本実施形態では、ハイサイド側のスイッチング素子またはローサイド側のスイッチング素子のいずれか一方をオンさせ、他方をオフさせる。いずれをオンさせるかについて、そのときの温度が低い方を選択してオンさせ、温度が高い方はオフさせる。つまり、温度が低い方のスイッチング素子をオンして、事故電流に対応する二次側の電流Ｉｉｎｃをバイパスさせる。

図５は、本実施形態に係る電圧補償装置の一部を例示するブロック図である。
図５には、電圧補償装置の電圧補償部３１０のうち第１電力変換器３２０および制御部３８０が示されている。図５に示すように、本実施形態では、電圧補償部３１０の第１電力変換器３２０および制御部３８０が上述した他の実施形態の場合と相違する。同一の構成要素には同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

第１電力変換器３２０は、温度検出器３２１ａ，３２１ｂを含む。温度検出器３２１ａは、ハイサイド側のスイッチング素子のいずれかの近傍に設けられており、スイッチング素子に熱的に結合されている。温度検出器３２１ｂは、ローサイド側のスイッチング素子のいずれかの近傍に設けられており、スイッチング素子に熱的に結合されている。温度検出器３２１ａ，３２１ｂは、熱的に結合されたスイッチング素子の温度を検出し、温度データＴａ，Ｔｂを出力する。温度検出器３２１ａ，３２１ｂの出力は、制御部３８０に供給される。

制御部３８０は、温度検出器３２１ａ，３２１ｂからそれぞれ供給されるスイッチング素子の温度データＴａ，Ｔｂを入力して、いずれが小さい値を有するか比較する。制御部３８０は、温度データＴａ，Ｔｂのうち小さい値を有する方のスイッチング素子に対して、導通信号Ｓｏｎを供給する。制御部３８０は、温度データＴａ，Ｔｂのうち大きい値を有する方のスイッチング素子に対しては、遮断信号Ｓｏｆｆを供給する。導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆは、上述の他の実施形態の場合と同様に、バイパス制御信号Ｓｓの出力とともに出力され、バイパス回路７０が導通する前に、スイッチング素子をオンまたはオフさせる。

本実施形態の電圧補償装置では、温度が低い方のスイッチング素子がオンする。オンしたスイッチング素子は、事故電流の還流経路を形成し、事故電流を還流させる。事故電流が還流することによってスイッチング素子の温度が上昇することが考えられるが、そのような場合であっても、温度上昇を適切な範囲内におさめることができる。したがって、電圧補償装置をより安全に保護することが可能になる。

（第４の実施形態）
本実施形態では、フィルタのインダクタに電流を流すことを防止する第２のバイパス回路を設けている。
図６は、本実施形態に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。
図６に示すように、本実施形態の電圧補償装置４０１は、電圧補償部４１０と、制御部４８０と、を備える。本実施形態では、電圧補償部４１０が第２のバイパス回路４６０を含み、制御部４８０が上述の他の実施形態の場合と相違する。同一の構成要素には、同一の符号を付して詳細な説明を適宜省略する。

電圧補償部４１０は、第２のバイパス回路４６０を含む。第２のバイパス回路４６０は、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの各端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂと、コンデンサ４０と、の間に接続されている。

第２のバイパス回路４６０は、ダイオードブリッジ４６１と、短絡スイッチ４６２と、逆流防止ダイオード４６３と、を含む。

ダイオードブリッジ４６１は、ダイオード４６１ａ～４６１ｆを含む。ダイオード４６１ａ～４６１ｃは、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂから第１電力変換器２０の高圧直流入力端子２１ａに向かって電流を流すように接続されている。ダイオード４６１ｄ～４６１ｆは、低圧直流入力端子２１ｂから端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂに向かって電流を流すように接続されている。ダイオードブリッジ４６１は、電力系統の地絡等の事故時に二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓに誘導される電流を流す経路を提供する。

短絡スイッチ４６２は、ダイオードブリッジ４６１の直流電圧出力端子の両端に接続されている。短絡スイッチ４６２の制御端子は、制御部８０に接続されている。短絡スイッチ４６２は、制御部から供給される信号がハイレベルになったときにオンして、ダイオードブリッジ４６１の直流電圧出力端子の両端を短絡する。短絡スイッチ４６２は、たとえばＩＧＢＴである。

逆流防止ダイオード４６３は、ダイオードブリッジ４６１からコンデンサ４０を充電する電流が流れる向きに接続されている。逆流防止ダイオード４６３は、短絡スイッチ４６２がオンしたときに、コンデンサ４０からダイオードブリッジ４６１の側に電流が逆流しないように設けられている。

制御部４８０は、バイパス制御信号Ｓｓと同時に出力される第２のバイパス制御信号Ｓｓ２を出力する。第２のバイパス信号Ｓｓ２は、短絡スイッチ４６２の制御端子に供給される。バイパス制御信号Ｓｓ２によって短絡スイッチ４６２の制御端子を駆動することができるように、駆動回路を設けてもよい。第２のバイパス制御信号Ｓｓ２は、たとえば制御部４８０内で生成される図示しない内部制御信号と同一論理の信号として出力される。

図７は、本実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。
図７に示すように、電力系統に流れる線電流は、電流検出器７５，７６によって検出される。検出された電流データＩＬ１，ＩＬ２は制御部４８０へ送信される。制御部４８０では、電流データＩＬ１，ＩＬ２をしきい値Ｉｔ１と比較し、電流データＩＬ１，ＩＬ２のうち少なくとも一方がしきい値を超えた場合に、制御部４８０は、バイパス制御信号Ｓｓ、第２のバイパス制御信号Ｓｓ２およびゲートブロック信号ＧＢを出力する。

第２のバイパス回路４６０は、第２のバイパス制御信号Ｓｓ２を受信し、短絡スイッチ４６２をオンさせる。なお、第１電力変換器２０および第２電力変換器９０は、これらの信号と同時に出力されるゲートブロック信号ＧＢによって、電力変換動作を停止する。

二次巻線に誘導された事故電流にもとづく電流Ｉｉｎｃは、たとえばハイサイド側のダイオードの１つ（図７ではダイオード４６１ｃ）に流れる。電流Ｉｉｎｃは、短絡スイッチ４６２に流れ、ローサイド側のダイオード（図７ではダイオード４６１ｄ，４６１ｅ）に分岐して流れる。電流経路は、配線のインピーダンス等も含めて決定される。

本実施形態の電圧補償装置４０１では、事故時の電流は、第２のバイパス回路４６０を流れた後に、バイパス回路７０に流れる。この実施形態では、第１電力変換器２０のいずれの素子にも事故時の電流を流すことがないので、不測の大電流等により故障を生じるおそれを低減することができる。

本実施形態では、制御部４８０が事故電流を検出した場合に、第１電力変換器２０とは別に設けられた第２のバイパス回路に事故電流を還流させる。第２のバイパス回路４６０を構成するダイオード４６１ａ～４６１ｆおよび短絡スイッチ４６２は、発生し得る事故電流に対応するように選定される。したがって、簡素な構成で確実に事故電流をバイパスすることができ、電圧補償装置のより安全な運用を実現することができる。

図８は、比較例の電圧補償装置を例示するブロックである。
比較例の電圧補償装置の電圧補償部は、第２のバイパス回路５６０を含む。この第２のバイパス回路５６０は、ブリッジ回路からなり、ブリッジ回路の出力は、コンデンサ４０の両端に接続されている。

事故時の電流は、バイパス回路１７０が導通するまでは、第２のバイパス回路５６０を経由してコンデンサ４０に流入する。事故時の電流は、フィルタ回路５０のインダクタンスには流れないので、事故時の電流が第１電力変換器２０に流れ続けることはないが、バイパス回路７０が動作するまでの過渡的な状況では、大電流が第２のバイパス回路５６０を介してコンデンサ４０に流入する。そのため、コンデンサ４０の両端の電圧が過電圧状態となる場合がある。

これに対して、本実施形態の電圧補償装置４０１では、第２のバイパス回路４６０には、ダイオードブリッジ４６１に加えて設けられた短絡スイッチ４６２を有する。短絡スイッチ４６２は、制御部４８０が事故電流を検出した場合にターンオンする。そのため、事故電流は短絡スイッチ４６２に流れるので、コンデンサ４０に過電圧が印加されるのを防止することができる。

（第５の実施形態）
本実施形態では、上述した第４の実施形態の場合にさらに、第１の実施形態等の場合において説明したスイッチング素子による事故電流の放電経路を形成することを含む。
図９は、本実施形態の電圧補償装置の動作を説明するためのブロック図である。
図９に示すように、電圧補償部６１０は、第２のバイパス回路４６０を含む。制御部６８０は、バイパス制御信号Ｓｓとともに、第２のバイパス制御信号Ｓｓ２、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆを出力する。バイパス制御信号Ｓｓ、第２のバイパス制御信号Ｓｓ２、導通信号Ｓｏｎおよび遮断信号Ｓｏｆｆは、制御部６８０において、電流データＩＬ１，ＩＬ２がしきい値Ｉｔｈを超えたことによって、生成され、ほぼ同時に出力される。

バイパス制御信号Ｓｓによってバイパス回路７０が導通するまでの期間に、第２のバイパス回路４６０が導通し、ハイサイド側およびローサイド側のスイッチング素子のうちの一方がオンし、他方がオフする。これによって、事故時の電流は、少なくともバイパス回路７０が導通するまでの間、第２のバイパス回路４６０およびスイッチング素子に分流する。

本実施形態では、第２のバイパス回路４６０およびスイッチング素子によって事故時の電流を分流するので、これらの回路の構成素子には、より電流容量の小さいものを用いることができる。したがって、より一層装置の低コスト化、小型化が可能になる。

以上説明した実施形態によれば、電力系統に過大な事故電流が流れた場合に、過大電流から保護することを可能にした電圧補償装置を実現することができる。

以上、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。これら新規な実施形態は、その他のさまざま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ともに、特許請求の範囲に記載された発明およびその等価物の範囲に含まれる。また、前述の各実施形態は、相互に組み合わせて実施することができる。

１ 電圧補償装置、１０ 電圧補償部、１１，１３，１５ 直列変圧器、２０ 第１電力変換器、２１ａ 高圧直流入力端子、２１ｂ 低圧直流入力端子、２２ａ～２２ｃ 交流出力端子、２３ａ～２８ａ スイッチング素子、２３ｂ～２８ｂ ダイオード、４０ コンデンサ、５０ フィルタ回路、５１ａ～５１ｃ インダクタ、７０ バイパス回路、７１，７２ サイリスタ、７３，７４ 電磁接触器、７５，７６ 電流検出器、８０ 制御部、９０ 第２電力変換器、１０５，１０６ 電流検出器、１１１～１１４ 交流電圧検出器、３１０ 電圧補償部、４０１ 電圧補償装置、４１０ 電圧補償部、４６０ 第２のバイパス回路、４６１ ダイオードブリッジ、４６２ 短絡スイッチ、４６３ 逆流防止ダイオード、４８０ 制御部

Claims (5)

1. 電力系統の電圧を補償する電圧補償装置であって、
   第１交流端子から第１直流端子に向かって電流を流す第１ダイオードと、
   前記第１ダイオードに逆並列に接続された第１スイッチング素子と、
   第２直流端子から第２交流端子に向かって電流を流す第２ダイオードと、
   前記第２ダイオードに逆並列に接続された第２スイッチング素子と、
   前記第２交流端子とから前記第１直流端子に向かって電流を流す第３ダイオードと、
   前記第３ダイオードに逆並列に接続された第３スイッチング素子と、
   前記第２直流端子から前記第１交流端子に向かって電流を流す第４ダイオードと、
   前記第４ダイオードに逆並列に接続された第４スイッチング素子と、
   を含む電力変換器と、
   電力系統の第１電力線に直列に接続された一次巻線と前記第１交流端子に接続された二次巻線とを有する第１変圧器と、
   前記電力系統の第２電力線に直列に接続された一次巻線と前記第２交流端子に接続された二次巻線とを有する第２変圧器と、
   前記第１電力線の電流値とあらかじめ設定されたしきい値とを比較して、前記電流値が前記しきい値以上の場合に制御信号を生成する制御部と、
   前記第１変圧器の二次巻線と前記第２変圧器の二次巻線との間に接続され、前記制御信号にもとづいて前記二次巻線間を短絡するバイパス回路と、
   を備え、
   前記制御部は、前記制御信号にもとづいて、前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子を導通させ、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子を遮断する電圧補償装置。
2. 前記バイパス回路は、接触器を含む請求項１記載の電圧補償装置。
3. 前記バイパス回路は、前記接触器に並列に接続されたサイリスタを含む請求項２記載の電圧補償装置。
4. 前記制御部は、
   前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子のうちの少なくとも１つの温度である第１温度、および、前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子のうちの少なくとも１つの温度である第２温度を検出し、
   前記第１温度が前記第２温度よりも低い場合には、前記制御信号にもとづいて前記第１スイッチング素子および前記第３スイッチング素子を導通させ、
   前記第１温度が前記第２温度以上の場合には、前記制御信号にもとづいて前記第２スイッチング素子および前記第４スイッチング素子を導通させる請求項１記載の電圧補償装置。
5. 電力系統の電圧を補償する電圧補償装置であって、
   第１交流端子から第１直流端子に向かって電流を流す第１整流素子と、
   第２直流端子から第２交流端子に向かって電流を流す第２整流素子と、
   前記第２交流端子とから前記第１直流端子に向かって電流を流す第３整流素子と、
   前記第２直流端子から前記第１交流端子に向かって電流を流す第４整流素子と、
   を含む電力変換器と、
   電力系統の第１電力線に直列に接続された一次巻線と、第１インダクタを介して前記第１交流端子に接続された二次巻線とを有する第１変圧器と、
   前記電力系統の第２電力線に直列に接続された一次巻線と、前記第２交流端子に接続された二次巻線とを有する第２変圧器と、
   前記第１電力線の電流値とあらかじめ設定されたしきい値とを比較して、前記電流値が前記しきい値以上の場合に制御信号を生成する制御部と、
   前記第１変圧器の二次巻線と前記第２変圧器の二次巻線との間に接続され、前記制御信号にもとづいて前記二次巻線間を短絡するバイパス回路と、
   を備え、
   前記バイパス回路は、接触器と、前記接触器に並列に接続された自己消弧型スイッチ素子と、を含み、
   前記電力変換器は、
   前記第１整流素子に逆並列に接続された第１スイッチ素子と、
   前記第２整流素子に逆並列に接続された第２スイッチ素子と、
   前記第３整流素子に逆並列に接続された第３スイッチ素子と、
   前記第４整流素子に逆並列に接続された第４スイッチ素子と、
   を含み、
   前記第１スイッチ素子および前記第３スイッチ素子は、前記制御信号にもとづいて導通させ、
   前記第２スイッチ素子および前記第４スイッチ素子は、前記制御信号にもとづいて遮断する電圧補償装置。

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