JP7177799B2

JP7177799B2 - 電力変換装置

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Publication number: JP7177799B2
Application number: JP2020046104A
Authority: JP
Inventors: 耕哉二俣; 正憲盛
Original assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc
Current assignee: Hokkaido Electric Power Co Inc
Priority date: 2020-03-17
Filing date: 2020-03-17
Publication date: 2022-11-24
Anticipated expiration: 2040-03-17
Also published as: JP2021151005A

Description

この発明は、電力変換装置に関し、例えば、交流系統と直流系統を連系する自励式変換器を有する多極構成の交直変換装置、並びに、交流系統と交流系統を連系する、自励式変換器を有する周波数変換装置及び非同期連系（ＢＴＢ：ＢａｃｋＴｏＢａｃｋ）装置に関する。

図４を参照して、多極構成の電力変換装置において発生する可能性のある事故の一例として、第２極本線に地絡事故が発生した場合について説明する。ここでは、＋極である第１極、及び、－極である第２極の２極構成の例を説明する。また、第１変換所が送電端であり、第２変換所が受電端である場合について説明する。

送電端である非接地端の第１変換所１００には、直流／交流変換器である第１極変換器１１０及び第２極変換器１２０が設けられる。また、受電端である接地端の第２変換所２００には、直流／交流変換器である第１極変換器２１０及び第２極変換器２２０が設けられる。第１変換所１００と第２変換所２００の間は、第１極本線１１、第２極本線１２及び帰線１０で接続される。帰線１０は、接地端の第２変換所２００に設けられた接地点２９０に接続されて、接地される。

第１変換所１００において、第１極本線１１と帰線１０は、第１変換所１００の第１極変換器１１０を介して接続され、第２変換所２００において、第１極本線１１と帰線１０は、第２変換所２００の第１極変換器２１０を介して接続されている。同様に、第１変換所１００において、第２極本線１２と帰線１０は、第１変換所１００の第２極変換器１２０を介して接続され、第２変換所２００において、第２極本線１２と帰線１０は、第２変換所２００の第２極変換器２２０を介して接続されている。

地絡事故が発生する前は、第１極については、第１変換所１００の第１極変換器１１０、第１極本線１１、第２変換所２００の第１極変換器２１０、帰線１０及び第１変換所１００の第１極変換器１１０の順で、電流が流れる（図４中、Ｉで示す）。また、第２極については、第１変換所１００の第２極変換器１２０、帰線１０、第２変換所２００の第２極変換器２２０、第２極本線１２及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の順で、電流が流れる（図４中、ＩＩで示す）。

ここで、第２極本線１２に地絡事故が発生し、直流送電システムの保護装置が地絡事故を検出すると、第１変換所１００の第２極変換器１２０及び第２変換所２００の第２極変換器２２０は速やかに停止する。また、この時、第１の交流母線２１と第１変換所１００の第２極変換器１２０の間に設けられた交流側遮断器と、第２の交流母線２２と第２変換所２００の第２極変換器２２０の間に設けられた交流側遮断器は速やかに開放される。この結果、事故極である第２極本線１２に由来する電流源はなくなる。

しかし、健全な第１極本線１１に由来する電流が、第１変換所１００の第１極変換器１１０、第１極本線１１、第２変換所２００の第１極変換器２１０、帰線１０及び第１変換所１００の第１極変換器１１０の順の第１のルート（Ｉ）の他に、第１変換所１００の第１極変換器１１０、第１極本線１１、第２変換所２００の第１極変換器２１０、接地点２９０、地絡事故点１２ａ、第２極本線１２、第１変換所１００の第２極変換器１２０、及び、第１変換所１００の第１極変換器１１０の順の第２のルート（図４中、Ｉａで示す。）で、流れる。このように、第２のルートにも電流が流れるため、健全極である第１極も
停止する必要がある。

これに対し、従来例として、図５に示す、帰線１０と、第１変換所１００の第１極変換器１１０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０との、それぞれの間に、バイパススイッチを設ける技術がある（例えば、特許文献１参照）。第１バイパススイッチ１４１は、第１変換所１００の第１極変換器１１０と帰線１０の間に設けられ、第１変換所１００の第１極変換器１１０と帰線１０の間を開放できる。また、第２バイパススイッチ１４２は、第１変換所１００の第２極変換器１２０と帰線１０の間に設けられ、第１変換所１００の第２極変換器１２０と帰線１０の間を開放できる。

この図５に示す従来例の多極構成の電力変換装置では、第２極本線１２に地絡事故が発生した場合、第２バイパススイッチ１４２を開放できる。第２バイパススイッチ１４２を開放することにより、図４中Ｉａで示す第２ルートの閉回路がなくなる。この結果、第２ルートを通って、健全極の第１極本線１１から接地点２９０に流れた電流が地絡事故の発生箇所を経て第１極に流入することを防ぎ、第１ルートに健全極の電流が全量流れるようにすることができる。このように、多極構成の電力変換装置の１つの極において地絡事故が発生した場合、他の地絡事故が発生していない健全極の停止を回避できる。

特許第５９８５０８９号公報

ここで、多極構成の電力変換装置において１つの極に事故が発生した場合、速やかな、事故の検出及び除去、並びに、事故極の再起動が要求される。

しかしながら、図５を参照して説明した従来例では、事故極の事故除去と運転の再開には，待機時間を含む複数の手順を経る必要があり，電力系統が要求する運転再開時間を満足しない可能性がある。図６を参照して、第２極本線において、落雷などによる一時的事故が発生した場合の、従来例での、運転再開の手順の一例を説明する。図６では横軸に時間を取って示し、縦軸に事故極のバイパススイッチ（ＳＷ）に流れる直流電流を取って示している。また、図６において、事故極由来の直流電流をＩで示し、健全極由来の直流電流をＩＩで示している。

ステップ３１（以下、ステップをＳで表す。）において、第２極本線１２で、地絡事故が発生する。地絡事故が発生すると、Ｓ３２において、地絡事故を検出し、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０が停止し、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の交流側に設けられる交流側遮断器（ＣＢ）が開放される。

その後、Ｓ３３において、事故電流が減衰する。その後、Ｓ３４において、第２バイパススイッチ１４２が開放される。

次に、Ｓ３５において、事故点におけるアーク放電がなくなるまで一定時間待機する。

次に、Ｓ３６において、第２バイパススイッチ１４２を投入する。さらに、Ｓ３７において、事故極の電力変換器である、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の運転を再開して、地絡事故が除去されていることを確認する。

地絡事故が継続している場合は、地絡事故を検出し、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０を停止し、または、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の交流側に設けられる交流側遮断器（ＣＢ）を開放、若しくは、その両方を行った後、Ｓ３３及びＳ３４を行い、運転再開しない。

一方、地絡事故が除去されている場合は、Ｓ３８において、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の交流側に設けられる交流側遮断器を投入する。その後、Ｓ３９において、第２変換所２００の第２極変換器２２０及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の出力が地絡事故の発生前の状態に復帰する。

上述の従来例では、迅速に事故を検出し除去することができるが、運転再開時間のさらなる短縮が求められる。また、電力変換装置が有する開閉器の数は、少ない方が良い。

この発明は、上述の問題点に鑑みてなされたものである。この発明の目的は、電力変換装置において、開閉器の数を従来技術よりも減らすことにある。

上述した目的を達成するために、この発明の電力変換装置は、第１変換所及び第２変換所と、前記第１変換所及び第２変換所を接続する、第１極本線、第２極本線、及び、帰線を備え、前記第１変換所には、直流／交流変換器である第１の第１極変換器及び第１の第２極変換器が設けられ、前記第２変換所には、直流／交流変換器である第２の第１極変換器及び第２の第２極変換器が設けられ、前記第１の第１極変換器の両端には、それぞれ、前記第１極本線と前記帰線が接続され、前記第１の第２極変換器の両端には、それぞれ、前記第２極本線と前記帰線が接続され、前記第２の第１極変換器の両端には、それぞれ、前記第１極本線と前記帰線が接続され、前記第２の第２極変換器の両端には、それぞれ、前記第２極本線と前記帰線が接続され、前記帰線は、前記第１変換所において、第１接地点スイッチを経て第１接地点に接続され、及び、前記第２変換所において、第２接地点に接続されている。

この発明の電力変換装置によれば、代用を含めて開閉器の数を、従来技術よりも減らすことができる。

この発明の電力変換装置の第１実施例を説明するための模式図である。多極構成の直流／交流変換器を説明するための模式図である。この発明の電力変換装置の第２実施例を説明するための模式図である。多極構成の電力変換装置における事故を説明するための模式図である。多極構成の電力変換装置の従来例を説明するための模式図である。多極構成の電力変換装置の従来例の課題を説明するための模式図である。

以下、図を参照して、この発明の実施の形態について説明するが、各構成要素の形状、大きさ及び配置関係については、この発明が理解できる程度に概略的に示したものに過ぎない。また、以下、この発明の好適な構成例につき説明するが、単なる好適例にすぎない。従って、この発明は以下の実施の形態に限定されるものではなく、この発明の構成の範囲を逸脱せずにこの発明の効果を達成できる多くの変更又は変形を行うことができる。

（第１実施例）
図１及び図２を参照して、この発明の電力変換装置の第１実施例について説明する。ここでは、一例として、交流系統と直流系統を連系する自励式変換器を有する多極構成の交直変換装置の場合を説明する。なお、この発明は、交流系統と交流系統を連系する自励式変換器を有する周波数変換装置及び非同期連系（ＢＴＢ）装置などにも適用できる。また、ここでは、＋極である第１極、及び、－極である第２極の２極構成の例を説明する。

電力変換装置の第１実施例は、第１変換所１００及び第２変換所２００と、第１変換所１００と第２変換所２００を接続する第１極本線１１、第２極本線１２及び帰線１０を備えて構成される。この例では、第１極本線１１は、＋極の直流送電線であり、第２極本線１２は、－極の直流送電線である。

第１変換所１００には、直流／交流変換器である第１極変換器１１０及び第２極変換器１２０が設けられる。また、第２変換所２００には、直流／交流変換器である第１極変換器２１０及び第２極変換器２２０が設けられる。

第１変換所１００の第１極変換器１１０の両端には、第１極本線１１と帰線１０が接続されている。また、第１変換所１００の第２極変換器１２０の両端には、第２極本線１２と帰線１０が接続されている。同様に、第２変換所２００の第１極変換器２１０の両端には、第１極本線１１と帰線１０が接続されている。また、第２変換所２００の第２極変換器２２０の両端には、第２極本線１２と帰線１０が接続されている。

帰線１０は、第１変換所１００において、第１接地点スイッチ１３０を経て第１接地点１９０に接続される。この第１接地点スイッチ１３０は、通常運用時には開放されている。すなわち、通常運用時には、第１変換所１００において帰線１０は接地されていない。また、帰線１０は、第２変換所２００において、第２接地点２９０に接続されて、接地されている。

第１変換所１００の第１極変換器１１０、及び、第１変換所１００の第２極変換器１２０は、変圧器、交流側遮断器（ＣＢ）を経て、第１の交流母線２１に接続されている。また、第２変換所２００の第１極変換器２１０、及び、第２変換所２００の第２極変換器２２０は、変圧器、交流側遮断器を経て、第２の交流母線２２に接続されている。

図２に一例として、第２変換所２００の第１極変換器２１０の構成例を示しているが、第１変換所１００及び第２変換所２００の第１極変換器１１０及び２１０、並びに、第１変換所１００及び第２変換所２００の第２極変換器１２０及び２２０（以下、変換器と総称することもある。）は、２つのスイッチング素子と、２つのダイオードと、コンデンサを備えて構成される。２つのスイッチング素子は、直列に接続されている。２つのダイオードは、２つのスイッチング素子にそれぞれ並列に接続されている。なお、ダイオードの順方向は、スイッチング素子の順方向とは反対向きに接続されている。また、コンデンサは、直列に接続された２つのスイッチング素子と並列に接続されている。

なお、ここでは、２つのスイッチング素子が直列に接続されている例を示しているが、これに限定されない。素子の定格電流によっては、それぞれ、複数のスイッチング素子が並列接続されたスイッチング素子回路を、直列に接続する場合もある。その他、素子の定格と、要求される仕様に応じて、変換器を構成することができる。

例えば、第１の交流母線２１を流れる交流電力は、第１変換所１００において直流電力に変換される。変換された直流電力は、第１極本線１１及び第２極本線１２を経て、第２変換所２００に送られる。また、第２変換所２００において第１変換所１００から送られ
た直流電力は、交流電力に変換される。変換された交流電力は、第２の交流母線２２に送られる。このようにして、第１及び第２の交流母線２１及び２２を流れる交流電力は、第１及び第２の変換所１００及び２００を経て送受される。

地絡事故が発生する前は、第１極については、第１変換所１００の第１極変換器１１０、第１極本線１１、第２変換所２００の第１極変換器２１０、帰線１０及び第１変換所１００の第１極変換器１１０の順で、電流が流れる（図１中、Ｉで示す）。また、第２極については、第１変換所１００の第２極変換器１２０、帰線１０、第２変換所２００の第２極変換器２２０、第２極本線１２及び第１変換所１００の第２極変換器１２０の順で、電流が流れる（図１中、ＩＩで示す）。

ここで、第１接地点スイッチ１３０は、帰線用強制消弧装置（ＭＲＴＢ：ＭｅｔａｌｌｉｃＲｅｔｕｒｎＴｒａｎｓｆｅｒＢｒｅａｋｅｒ）と呼ばれる、帰線の事故対応用開閉器として採用されることのある開閉器で代替する。このＭＲＴＢは、帰線１０での地絡事故発生時に強制的に接地して直流電流を大地に流すとともに、当該スイッチを経て大地に流れる直流電流を自励振動させ、強制的に開放して当該スイッチに流れる直流電流を帰線に転流する直流用開閉器である。

電力変換装置の動作の一例として、第２極本線に地絡事故が発生したときの動作を説明する。制御保護装置が、少なくとも、第１極本線１１及び第２極本線１２での地絡事故の有無を監視しているものとする。また、制御保護装置は、電力変換装置が有する各機器の動作を制御、保護および必要な測定を適宜行う。

先ず、Ｓ１において、第２極本線１２で、地絡事故が発生する。地絡事故が発生すると、Ｓ２において、地絡事故が検出され、第１変換所１００の第２極変換器１２０及び第２変換所２００の第２極変換器２２０が停止し、第１変換所１００の第２極変換器１２０及び第２変換所２００の第２極変換器２２０の交流側に設けられる交流側遮断器が開放される。

また、Ｓ２に引き続いて、Ｓ３において、第１接地点スイッチ１３０を投入し、帰線を第１接地点１９０において接地させる。

この場合、健全な第１極本線１１に由来する電流が、第１変換所１００の第１極変換器１１０、第１極本線１１、第２変換所２００の第１極変換器２１０、帰線１０及び第１変換所１００の第１極変換器１１０の順の第１のルートの他に、第１変換所１００の第１極変換器１１０、第１極本線１１、第２変換所２００の第１極変換器２１０、第２接地点２９０、第１接地点１９０、及び、第１変換所１００の第１極変換器１１０の順の第２のルートで、流れる。これにより、従来例のＳ３３の地絡電流の減衰を待つ過程が、この電力変換装置では必要ない。

その後、Ｓ４において、事故点におけるアーク放電がなくなるまで一定時間待機する。

次に、Ｓ５において、事故極の電力変換器である、第１変換所１００及び第２変換所２００の第２極変換器１２０及び２２０を運転して、地絡事故が除去されていることを確認する。

地絡事故が継続している場合は、運転再開しない。なお、この場合、第１接地点スイッチ１３０を開放し、第２変換所２００のみで接地されている状態に復帰させる。

一方、地絡事故が除去されている場合は、Ｓ６において、第１変換所１００の第２極変
換器１２０及び第２変換所２００の第２極変換器２２０の交流側に設けられる交流側遮断器を動作させる。その後、Ｓ７において、第１変換所１００の第２極変換器１２０及び第２変換所２００の第２極変換器２２０の出力が地絡事故の発生前の状態に復帰する。

その後、Ｓ８において、第１接地点スイッチ１３０が開放され、帰線１０が第１接地点１９０において接地せず、第２接地点２９０においてのみ接地する状態となり、地絡事故の発生前の状態に復帰する。

この第１実施例によれば、第１接地点スイッチ１３０としてＭＲＴＢを用いることで、従来例のバイパススイッチが不要となる。第１実施例におけるＭＲＴＢの投入と、従来例におけるバイパススイッチの投入時間は同程度と考えられるため、従来例におけるＳ３３の事故電流減衰時間及びＳ３４のバイパススイッチ開放時間が不要となる分、運転再開時間を短縮できる。この結果、要求される運転再開時間を満足することができる可能性が高まる。

（第２実施例）
図３を参照して、この発明の多極構成の電力変換装置の第２実施例について説明する。ここでは、＋極である第１極、及び、－極である第２極の２極構成の例を説明する。

図１を参照して説明した第１実施例では、帰線１０は、第１変換所１００において、ＭＲＴＢで代用できる第１接地点スイッチ１３０を経て第１接地点１９０に接続されている。通常、ＭＲＴＢは開放されており、通常運用時には、第１変換所１００において帰線１０は接地されていない。また、帰線１０は、第２変換所２００において、第２接地点２９０に接続されて、接地されている。

これに対し、第２実施例では、第１変換所１００において第１接地点スイッチ１３０を経て、帰線１０が第１接地点１９０に接続され、第２変換所２００において第２接地点スイッチ２３０を経て第２接地点２９０に接続される。第１接地点スイッチ１３０及び第２接地点スイッチ２３０は、ＭＲＴＢで代用することができる。

第１接地点スイッチ１３０が投入されると、第１変換所１００において帰線１０が接地される。一方、第２変換所２００において第２接地点スイッチ２３０が投入されると、第２変換所２００において帰線１０が接地される。通常、第１接地点スイッチ１３０及び第２接地点スイッチ２３０の一方は、投入されている。すなわち、帰線１０は、第１変換所１００及び第２変換所２００の一方で接地される。

これ以外の構成については、第１実施例と同様なので重複する説明を省略する。

例えば、第１変換所１００が送電端、第２変換所２００が受電端の場合には、第１接地点スイッチ１３０を投入状態（入）として、帰線１０の第１変換所１００側を接地端とし、第２接地点スイッチ２３０を開放して、帰線１０の第２変換所２００側を非接地端とする。

この状態で、第１極本線１１または第２極本線１２に地絡事故が発生しても、事故極に由来する電流が健全極に流入することはない。これは、送電端が接地端の場合には、事故極に由来する電流が健全極に流入する事象自体が発生しないためである。

同様に、この状態で、第１変換所１００が受電端、第２変換所２００が送電端に変わった場合には、第２接地点スイッチ２３０を投入した後、第１接地点スイッチ１３０を開放することにより、送電端を接地端とすれば、第１極本線１１または第２極本線に地絡事故
が発生しても、事故極に由来する電流が健全極に流入する事象自体が発生しない。

このように送電端と受電端に応じて接地箇所を入れ換えると、一方の極本線に地絡事故が発生したとき、他方の極本線を通り、接地点に流れる電流が、地絡事故の発生箇所において、事故極の極本線に流入する事象が発生しない。

上述した、第１実施例及び第２実施例では、多極構成の電力変換装置として２極の場合を説明したが、３極以上の構成にすることもできる。例えば、３極構成にする場合を説明する。３極構成の場合、第３極は、極性切換機能により、＋極及び－極の双方を取りうる。

第１実施例において、３極構成にする場合は、第１変換所及び第２変換所に、第３極変換器を設ければよい。その他の構成は、図１を参照して説明した第１実施例と同様にすることができる。従来例では、極数に応じた数のバイパススイッチが必要となるが、第１実施例では、多極構成になった場合でも、非接地端を一時的に接地端にする一台のＭＲＴＢで代用できる接地点スイッチがあればよい。４極以上の場合も同様である。

第２実施例において、３極構成にする場合は、第１変換所及び第２変換所に、第３極変換器を設ければよい。その他の構成は、図３を参照して説明した第２実施例と同様にすることができる。３極構成においても、送電端を接地端とし、受電端を非接地端とすることで、事故極に由来する電流が健全極に流入することはない。４極以上の場合も同様である。

１０帰線
１１第１極本線
１２第２極本線
１００第１変換所
１１０、２１０第１極変換器
１２０、２２０第２極変換器
１３０、２３０接地点スイッチ
１９０、２９０接地点
２００第２変換所

Claims

第１変換所及び第２変換所と、
前記第１変換所及び前記第２変換所を接続する、第１極本線、第２極本線、及び、帰線を備え、
前記第１変換所には、直流／交流変換器である第１の第１極変換器及び第１の第２極変換器が設けられ、
前記第２変換所には、直流／交流変換器である第２の第１極変換器及び第２の第２極変換器が設けられ、
前記第１の第１極変換器には、前記第１極本線と前記帰線が接続され、
前記第１の第２極変換器には、前記第２極本線と前記帰線が接続され、
前記第２の第１極変換器には、前記第１極本線と前記帰線が接続され、
前記第２の第２極変換器には、前記第２極本線と前記帰線が接続され、
前記帰線は、前記第１変換所において、第１接地点スイッチを経て第１接地点に接続され、及び、前記第２変換所において、第２接地点スイッチを経て第２接地点に接続され、
前記第１の第１極変換器、及び、前記第１の第２極変換器は、変圧器、交流側遮断器を経て、第１の交流母線に接続され、
前記第２の第１極変換器、及び、前記第２の第２極変換器は、変圧器、交流側遮断器を経て、第２の交流母線に接続され、
前記第１変換所が送電端であり、前記第２変換所が受電端である場合には、前記第１接地点スイッチが投入状態であり、前記第２接地点スイッチが開放状態であり、
前記第１変換所が受電端であり、前記第２変換所が送電端である場合には、前記第１接地点スイッチが開放状態であり、前記第２接地点スイッチが投入状態である
電力変換装置。
前記第１変換所が送電端であり、前記第２変換所が受電端である状態から、前記第１変換所が受電端であり、前記第２変換所が送電端である状態に変わった場合には、
前記第２接地点スイッチが投入された後、前記第１接地点スイッチが開放される
請求項１に記載の電力変換装置。
前記第１接地点スイッチ及び第２接地点スイッチは、強制的に接地して直流電流を大地に流すとともに、当該スイッチを経て大地に流れる直流電流を自励振動させ、強制的に開放して当該スイッチに流れる直流電流を転流する直流用開閉器である
請求項１又は２に記載の電力変換装置。
前記第１の第１極変換器、前記第１の第２極変換器、前記第２の第１極変換器及び前記
第２の第２極変換器は、それぞれ、
直列に接続された２つのスイッチング素子と、
前記２つのスイッチング素子に、それぞれ並列に接続されていて、順方向が、前記スイッチング素子の順方向とは反対向きに接続されている２つのダイオードと、
前記直列に接続された２つのスイッチング素子と並列に接続されているコンデンサと
を備えて構成されている請求項１～３のいずれか一項に記載の電力変換装置。