JP7271788B2 - 直流配電システム - Google Patents

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Description

本願は、直流配電システムに関する。
複数の電力系統から供給される電力を複数の直流負荷に配電する直流配電システムが知られている。この直流配電システムは、入力側の交流または直流の電力系統から供給される電力を交流－直流変換機能または直流－直流変換機能を有する電力変換装置を用いて直流電力に変換し、この直流電力を直流負荷が接続された配電線路に配電している。このような直流配電システムにおいて、配電線路で短絡故障が発生した場合、この配電線路を出力経路から電気的に切り離す必要がある。
従来の直流配電システムにおいては、配電線路には断路器が設置されており、電力変換装置には電流共振回路が搭載されている。この直流配電システムにおいては、配電線路で短絡故障が発生した場合、電力変換装置の電流共振回路で電流の零点を作ったのちに配電線路に設置された断路器を作動させて配電線路を出力経路から電気的に切り離している（例えば、特許文献１参照）。
特開２００８－２９０４４号公報
しかしながら、従来の直流配電システムにおいては、電力変換装置の電流共振回路は短絡故障で発生する大きな短絡電流でも通電が可能な容量が必要であり、電流共振回路が大型になるという問題があった。電流共振回路が大型になると電力変換装置の機器コストが上昇する。
本願は、上述の課題を解決するためになされたもので、配電線路で短絡故障が発生した場合にこの配電線路を出力経路から電気的に切り離すことができる直流配電システムにおいて、機器コストの上昇を抑制することを目的とする。
本願の直流配電システムは、複数の電力系統からそれぞれ供給される電力を直流電力に変換して出力する複数の電力変換装置と、複数の電力変換装置から出力される直流電力が流れる１つの直流母線と、直流母線からそれぞれ分岐された複数の配電線路と、複数の電力系統と複数の電力変換装置との間にそれぞれ接続された複数の第１電流遮断部と、複数の電力変換装置と直流母線との間にそれぞれ接続された複数の第２電流遮断部と、複数の配電線路にそれぞれ備えられた複数の第３電流遮断部とを備えている。そして、複数の第３電流遮断部の遮断電流値は、複数の電力変換装置において短絡電流が最も短い時間で電力変換装置の最大許容電流値に到達する電力変換装置の最大許容電流値よりも小さい値に設定されている。
本願の直流配電システムは、複数の第３電流遮断部の遮断電流値は、複数の電力変換装置において短絡電流が最も短い時間で電力変換装置の最大許容電流値に到達する電力変換装置の最大許容電流値よりも小さい値に設定されているので、配電線路で短絡故障が発生した場合にこの配電線路を出力経路から電気的に切り離すことができ、かつ機器コストの上昇を抑制することができる。
実施の形態１に係る直流配電システムの構成図である。 実施の形態１に係る直流配電システムにおける短絡故障の説明図である。 実施の形態２に係る直流配電システムにおける短絡故障の説明図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態３に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態４に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態５に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態６に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態７に係る電力変換装置の構成図である。 実施の形態７に係る電力変換装置の構成図である。
以下、本願を実施するための実施の形態に係る直流配電システムについて、図面を参照して詳細に説明する。なお、各図において同一符号は同一もしくは相当部分を示している。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る直流配電システムの構成図である。本実施の形態においては、２つの電力系統から電力を受電して３つの直流負荷に配電する直流配電システムを例として説明する。図１に示すように、本実施の形態の直流配電システム１０は、複数の電力系統１、２から入力される電力を電力変換装置４１、４２でそれぞれ受電し、複数の直流負荷５１、５２、５３に配電している。なお、本実施の形態の直流配電システムにおいて、電力系統は３つ以上であってもよく、直流負荷も４つ以上であってもよい。
電力変換装置４１の入力側には第１電流遮断部１１が、電力変換装置４１の出力側には第２電流遮断部２１がそれぞれ接続されている。電力変換装置４２の入力側には第１電流遮断部１２が、電力変換装置４２の出力側には第２電流遮断部２２がそれぞれ接続されている。電力変換装置４１の出力は、第２電流遮断部２１を介して直流母線６０に接続されている。電力変換装置４２の出力は、第２電流遮断部２２を介して直流母線６０に接続されている。直流母線６０には、第３電流遮断部３１、３２、３３を介して、直流負荷５１、５２、５３がそれぞれ接続されている。
電力変換装置４１は、第１電流遮断部１１を介して電力系統１から電力が入力される。さらに電力変換装置４１は、電力系統１から入力された電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換したのちに第２電流遮断部２１を介して直流母線６０に出力する。電力変換装置４２は、第１電流遮断部１２を介して電力系統２から電力が入力される。さらに電力変換装置４２は、電力系統２から入力された電力を異なる電圧レベルの直流電力に変換したのちに第２電流遮断部２２を介して直流母線６０に出力する。直流母線６０に入力された電力は、第３電流遮断部３１、３２、３３を介して直流負荷５１、５２、５３にそれぞれ配電される。
本実施の形態において、電力変換装置４１、４２は、直流－直流電力変換装置または交流－直流電力変換装置である。例えば、電力系統１が直流系統である場合は、電力変換装置４１は直流－直流電力変換装置である。また、電力系統２が交流系統である場合は、電力変換装置４２は交流－直流電力変換装置である。電力変換装置４１、４２は、半導体素子で構成された電力変換装置である。
また、本実施の形態において、第１電流遮断部１１、１２、第２電流遮断部２１、２２および第３電流遮断部３１、３２、３３は、例えば半導体素子を有する半導体遮断器、機械的な接点を開閉することで電流経路を遮断するノーヒューズブレーカー、大電流が流れた際にジュール熱により導体を溶断することで電流経路を遮断するヒューズなどの電流遮断器を用いることができる。直流配電システム１０に要求される電流の遮断時間、遮断する電流の値、コストなどを考慮して適切な遮断器が選択される。
このように構成された直流配電システム１０は、複数の電力系統１、２それぞれから電力を受電し、受電した電力を電力変換装置４１、４２で直流電力に変換した後にこの直流電力を直流負荷５１、５２、５３にそれぞれ配電している。したがって、この直流配電システム１０は、電力系統１、２のいずれか一方の電力系統が停電した場合でも他方の電力系統から電力を受電して直流負荷に電力の配電を継続することが可能である。
次に、本実施の形態の直流配電システム１０において、短絡故障が発生した場合の動作について説明する。
図２は、本実施の形態の直流配電システム１０において、直流負荷が接続された配電線路で短絡故障が発生した場合の説明図である。図２において、実線矢印は、短絡故障７０が発生した箇所を示している。また、２つの破線矢印は、電力系統１から短絡故障７０の発生箇所に向かって流れる短絡電流７１、および電力系統２から短絡故障の発生箇所に向かって流れる短絡電流７２をそれぞれ示している。
図２に示すように、直流配電システム１０において、直流負荷５１が接続された配電線路で短絡故障７０が発生したとする。このとき、電力系統１から流れる短絡電流７１は、第１電流遮断部１１、電力変換装置４１、第２電流遮断部２１、直流母線６０および第３電流遮断部３１を経由して短絡故障７０の発生箇所に流入する。同様に、電力系統２から流れる短絡電流７２は、第１電流遮断部１２、電力変換装置４２、第２電流遮断部２２、直流母線６０および第３電流遮断部３１を経由して短絡故障７０の発生箇所に流入する。したがって、短絡電流７１、７２は、電力変換装置４１、４２および第３電流遮断部３１をそれぞれ通過する。
短絡電流７１は、第１電流遮断部１１、第２電流遮断部２１および第３電流遮断部３１のいずれかの電流遮断部が動作するまで流れることになる。同様に、短絡電流７２は、第１電流遮断部１２、第２電流遮断部２２および第３電流遮断部３１のいずれかの電流遮断部が動作するまで流れることになる。したがって、短絡故障が発生してから短絡電流７１が遮断されるまでの間、電力変換装置４１には短絡電流７１が流れることになる。同様に、短絡故障が発生してから短絡電流７２が遮断されるまでの間、電力変換装置４２には短絡電流７２が流れることになる。
また、短絡電流７１、７２は、電流経路上に存在する寄生インダクタンスおよび寄生抵抗などの寄生インピーダンス、並びに電力変換装置４１、４２の方式に大きく依存する。ただし、一般の直流配電システムにおいては、直流負荷に対して高効率に電力を配電するため、損失の原因となる電流経路の寄生インピーダンスは小さく設計されている。そのため、短絡電流に対する電流経路の寄生インピーダンスの影響はほとんど無視できる。また、電力変換装置には様々な方式があり、電力変換装置内部にインダクタンスを含んだ方式とした場合、短絡電流の大きさは減少することになる。さらに、電力変換装置のインダクタンスの大きさは、電力変換装置の方式によっても異なることから、電力変換装置４１のインダクタンス値と電力変換装置４２のインダクタンス値とは異なっている。したがって、短絡電流７１の電流値と短絡電流７２の電流値とは異なっている。
電力変換装置を構成する半導体素子には、許容可能な通電電流の最大値が存在し、一般にこの許容可能な通電電流の最大値を上回る電流が流れた場合は半導体素子が故障する可能性が高まる。これ以降、電力変換装置の許容可能な通電電流の最大値を最大許容電流値と称する。また、短絡電流７１、７２は、短絡故障が発生してから第１電流遮断部１１、１２、第２電流遮断部２１、２２および第３電流遮断部３１のいずれかの電流遮断部が動作するまでの間は時間の経過に伴って増加する。
ここで、電力変換装置４１の内部のインダクタンスが電力変換装置４２の内部のインダクタンスよりも大きいとする。そうすると、電力変換装置４２を流れる短絡電流７２の方が電力変換装置４１を流れる短絡電流７１よりも早く増加する。そのため、電力変換装置４２を流れる短絡電流７２の方が短絡電流７１よりも最大許容電流値に達する時間が短いことになる。したがって、電力変換装置４２は電力変換装置４１に比べて短絡故障に対する耐量が小さいことになる。
直流配電システムの信頼性を確保するためには、直流配電システムに含まれる電力変換装置の内で最も短絡故障に対する耐量が小さい電力変換装置の最大許容電流値よりも小さい電流値で短絡故障が発生した配電線路を電気的に切り離す必要がある。すなわち、複数の第３電流遮断部３１、３２、３３の遮断電流値は、複数の電力変換装置４１、４２において短絡電流が最も短い時間で電力変換装置の最大許容電流値に到達する電力変換装置の最大許容電流値よりも小さい値に設定されている。
このように構成された直流配電システム１０においては、短絡故障が発生した場合でも電力変換装置４１、４２が故障することなく、短絡故障が発生した配電線路のみを第３電流遮断部で出力経路から切り離し、他の正常な配電線路に配電を継続することが可能となる。また、電力変換装置４１、４２が電流共振回路を備える必要がないので、機器コストの上昇を抑制することができる。
実施の形態２．
実施の形態１においては、第３電流遮断部の遮断電流値の設定について説明した。実施の形態２においては、第２電流遮断部の遮断電流値の設定について説明する。なお、本実施の形態の直流配電システムの構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様である。
図３は、本実施の形態の直流配電システム１０において、直流母線６０で短絡故障が発生した場合の説明図である。このとき、電力系統１から流れる短絡電流７１は、第１電流遮断部１１、電力変換装置４１、第２電流遮断部２１および直流母線６０を経由して短絡故障７０の発生箇所に流入する。同様に、電力系統２から流れる短絡電流７２は、第１電流遮断部１２、電力変換装置４２、第２電流遮断部２２および直流母線６０を経由して短絡故障７０の発生箇所に流入する。したがって、短絡電流７１、７２は、電力変換装置４１、４２をそれぞれ通過する。
短絡電流７１は、第１電流遮断部１１および第２電流遮断部２１のいずれかの電流遮断部が動作するまで流れることになる。同様に、短絡電流７２は、第１電流遮断部１２および第２電流遮断部２２のいずれかの電流遮断部が動作するまで流れることになる。したがって、短絡故障が発生してから短絡電流７１が遮断されるまでの間、電力変換装置４１には短絡電流７１が流れることになる。同様に、短絡故障が発生してから短絡電流７２が遮断されるまでの間、電力変換装置４２には短絡電流７２が流れることになる。
ここで、第２電流遮断部２１、２２によって短絡電流７１、７２を遮断し、電力変換装置４１、４２を保護するためには、第２電流遮断部２１の遮断電流値を電力変換装置４１の最大許容電流値より小さい値に設定する必要がある。同様に、第２電流遮断部２２の遮断電流値を電力変換装置４２の最大許容電流値より小さい値に設定する必要がある。つまり、第２電流遮断部２１、２２の遮断電流値は電力変換装置４１、４２の短絡故障に対する耐量を考慮してそれぞれ個別に設定する必要がある。しかしながら、複数の第２電流遮断部をそれぞれ異なった遮断電流値に設定する場合、直流配電システムを構成する機器の種類が増加することになるため、直流配電システムのコストが上昇する懸念がある。
本実施の形態の直流配電システム１０においては、電力変換装置４１、４２の短絡故障に対する耐量を同じとすることで、第２電流遮断部２１、２２を同じ遮断電流値に設定することが可能となる。その結果、第２電流遮断部２１、２２に用いる機器を共通化することができるため、直流配電システム１０のコストの上昇を抑制することが可能となる。
電力変換装置４１、４２の短絡故障に対する耐量を同じとする方法としては、例えば電力変換装置４１、４２の内でいずれか耐量の低い電力変換装置において内部インダクタンス値を増加させること、または電力変換装置４１、４２を構成する半導体素子に最大許容電流値が大きい半導体素子を使用することなどで可能である。なお、本実施の形態において同じとは、電力変換装置４１、４２を構成する各機器間に存在する個体差に起因する誤差を含むものとする。
このように構成された直流配電システムにおいては、第２電流遮断部に用いる機器を共通化することができるため、コストの上昇を抑制することが可能となる。また、電力変換装置４１、４２の短絡故障に対する耐量を同じとすることで、第３電流遮断部も第２電流遮断部に用いる機器と共通化できるため、コストの上昇をさらに抑制することができる。
実施の形態３．
実施の形態３においては、実施の形態１の直流配電システムにおいて、一方の電力系統が三相交流系統であり、他方の電力系統が単相交流系統である場合について説明する。なお、本実施の形態の直流配電システムの構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様であり、電力系統１を三相交流系統とし、電力系統２を単相交流系統とする。
図４は、本実施の形態に係る直流配電システムの電力変換装置４１の構成図である。この電力変換装置４１は、電力系統１の三相交流電力を受電して直流電力に変換する交流－直流電力変換装置である。図４に示すように、本実施の形態の電力変換装置４１は、電力系統１の三相交流電力が入力される交流入力端子４１０と、変圧器４１１と、フィルタ回路４１２と、整流器４１３と、直流電力を出力する直流出力端子４１４とを備えている。
変圧器４１１は１次巻線と２次巻線とを備えている。１次巻線および２次巻線の巻数比は、直流配電システムの直流電圧と１次巻線の交流電圧と２次巻線の交流電圧との関係から決定される。また、変圧器４１１の１次巻線は、電力系統１の電圧が変動した場合に２次巻線の電圧が一定になるようにタップを備えている。整流器４１３は出力電圧制御機能を持たないため、電力系統１の電圧が変動して２次巻線の電圧も変動すると直流配電システムの電圧も変動することになる。仮に、直流配電システムにおける直流電圧が変動して直流負荷の動作電圧範囲外になった場合、直流負荷は動作不可能になる。本実施の形態の電力変換装置４１は、１次巻線にタップを設けているので、２次巻線の電圧は一定に保たれる。そのため、直流配電システム１０の出力は、電力系統１の電圧変動の影響を受けなくなり、直流配電システムの信頼性が向上する。
フィルタ回路４１２は、整流器４１３によって発生する高調波を電力系統１に流入させないために接続されたものであり、必要に応じて接続される。
整流器４１３は、半導体素子である６個のダイオードＤ１１～Ｄ１６を備えている。一般に、図４に示す整流器４１３は、６パルス整流器または単にダイオード整流器とも呼ばれている。さらに、直流出力端子４１４から出力される電圧のリプルを抑制する目的で整流器４１３と直流出力端子４１４との間に直流リアクトルまたはキャパシタが接続されることもある。なお、整流器４１３を複数個並列に接続して、電力変換装置４１の電流容量を増加させることができ、ダイオードＤ１１～Ｄ１６を必要に応じて複数個並列に接続して、電流容量を増加させることもできる。
また、変圧器４１１は、短絡インピーダンスを備えており、短絡故障が発生した場合には、短絡電流を抑制することができる。さらに、この短絡インピーダンスを適切な値に設定することで、短絡電流を半導体素子の最大許容電流値以下に抑制することも可能である。
図５は、本実施の形態に係る直流配電システムの電力変換装置４２の構成図である。この電力変換装置４２は、電力系統２の単相交流電力を受電して直流電力に変換する交流－直流電力変換装置である。図５に示すように、本実施の形態の電力変換装置４２は、電力系統２の単相交流電力が入力される交流入力端子４２０と、変圧器４２１と、フィルタ回路４２２と、整流器４２３と、直流電力を出力する直流出力端子４２４とを備えている。
変圧器４２１は１次巻線と２次巻線とを備えている。１次巻線および２次巻線の巻数比は、直流配電システムの直流電圧と１次巻線の交流電圧と２次巻線の交流電圧との関係から決定される。また、変圧器４２１の１次巻線は、電力系統２の電圧が変動した場合に２次巻線の電圧が一定になるようにタップを備えている。整流器４２３は出力電圧制御機能を持たないため、電力系統２の電圧が変動して２次巻線の電圧も変動すると直流配電システムの電圧も変動することになる。仮に、直流配電システムにおける直流電圧が変動して直流負荷の動作電圧範囲外になった場合、直流負荷は動作不可能になる。本実施の形態の電力変換装置４２は、１次巻線にタップを設けているので、２次巻線の電圧は一定に保たれる。そのため、直流配電システム１０の出力は、電力系統２の電圧変動の影響を受けなくなり、直流配電システムの信頼性が向上する。
フィルタ回路４２２は、整流器４２３によって発生する高調波を電力系統２に流入させないために接続されたものであり、必要に応じて接続される。
整流器４２３は、半導体素子である４個のダイオードＤ２１～Ｄ２４を備えている。一般に、図５に示す整流器４２３は、単相整流器または単にダイオード整流器とも呼ばれている。さらに、直流出力端子４２４から出力される電圧のリプルを抑制する目的で整流器４２３と直流出力端子４２４との間に直流リアクトルまたはキャパシタが接続されることもある。なお、整流器４２３を複数個並列に接続して、電力変換装置４２の電流容量を増加させることができ、ダイオードＤ２１～Ｄ２４を必要に応じて複数個並列に接続して、電流容量を増加させることもできる。
また、変圧器４２１は、短絡インピーダンスを備えており、短絡故障が発生した場合には、短絡電流を抑制することができる。さらに、この短絡インピーダンスを適切な値に設定することで、短絡電流を半導体素子の最大許容電流値以下に抑制することも可能である。
このように構成された直流配電システム１０においては、一方の電力系統が三相交流系統であり、他方の電力系統が単相交流系統であった場合において、受電したそれぞれの交流電力を直流電力に変換して直流負荷に配電することができる。
実施の形態４．
実施の形態３においては、電力変換装置４２の整流器が単相整流器である場合を説明した。しかし、一般に単相整流器が出力する高調波成分は６パルス整流器よりも多いため、電力変換装置４２のフィルタ回路４２２は電力変換装置４１のフィルタ回路４１２より大きなものが必要となり、直流配電システムのコストを上昇させる懸念がある。また、単相整流器の出力電圧のリプルは６パルス整流器の出力電圧のリプルより大きいため、出力電圧のリプルを抑制するためのキャパシタの容量をより大きくする必要がある。そのため、直流配電システムのコストの上昇につながる。実施の形態４の直流配電システムは、実施の形態３の直流配電システムにおいて、単相交流電力が入力される電力変換装置４２の整流器を単相ＰＷＭ整流器（単相Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ整流器）としたものである。なお、本実施の形態の直流配電システムの構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様であり、電力系統１を三相交流系統とし、電力系統２を単相交流系統とする。
図６は、本実施の形態に係る直流配電システムの電力変換装置４２の構成図である。この電力変換装置４２は、電力系統２の単相交流電力を受電して直流電力に変換する交流－直流電力変換装置である。図６に示すように、本実施の形態の電力変換装置４２は、電力系統２の単相交流電力が入力される交流入力端子４２０と、変圧器４２１と、フィルタ回路４２２と、整流器４２３と、直流電力を出力する直流出力端子４２４とを備えている。さらに、本実施の形態の電力変換装置４２は、直流出力端子４２４と並列に出力電圧のリプルを抑制するためのキャパシタ４２５が接続されている。変圧器４２１は、実施の形態３の電力変換装置４２と同様であり、フィルタ回路４２２も同様に必要に応じて接続される。
本実施の形態の整流器４２３は、実施の形態３の電力変換装置４２の整流器４２３の４個のダイオードＤ２１～Ｄ２４を４個の半導体スイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４にそれぞれ置き換えたものである。一般に、図６に示す整流器４２３は、単相ＰＷＭ整流器と呼ばれている。半導体スイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４は、例えばダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｌｅｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）などの自己消孤機能を有した半導体スイッチング素子を用いることができ、必要に応じて複数個を並列接続して、電流容量を増加させることも可能である。また、半導体スイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４は、図示しないゲート駆動回路によってオンとオフとが切り替わり、このオンとオフとの切り替わり動作（スイッチング動作）は図示しない制御部から送信される制御信号によって制御される。
本実施の形態の整流器４２３は単相ＰＷＭ整流器で構成されているので、半導体スイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４のスイッチング動作によって出力される高調波成分を抑制することが可能となるためフィルタ回路４２２を小型化することが可能となる。また、半導体スイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４のスイッチング動作をより高周波にすることで、フィルタ回路４２２を小型化することが可能である。さらに、半導体スイッチング素子Ｑ２１～Ｑ２４のスイッチング動作によって出力する直流電圧のリプルを小さくすることが可能となるため、キャパシタ４２５を小型化することが可能となる。
また、電力系統２の単相交流系統の電力品質の要求が厳しく許容できる高調波が小さい場合は、電力系統２の電力が入力される電力変換装置４２は、単相ＰＷＭ整流器を適用する必要がある。
また、本実施の形態の直流配電システムにおいては、単相交流電力が入力される電力変換装置に単相ＰＷＭ整流器を適用しているので、この電力変換装置のフィルタ回路およびキャパシタの小型化が実現できる。その結果、直流配電システムの低コスト化が可能となる。
実施の形態５．
実施の形態４では、単相交流系統に接続される電力変換装置において高調波成分を抑制する方法について説明した。実施の形態５では、三相交流系統に接続される電力変換装置において高調波成分を抑制する方法について説明する。
図７は、本実施の形態に係る直流配電システムの電力変換装置４１の構成図である。この電力変換装置４１は、電力系統１の三相交流電力を受電して直流電力に変換する交流－直流電力変換装置である。図７に示すように、本実施の形態の電力変換装置４１は、電力系統１の三相交流電力が入力される交流入力端子４１０と、変圧器４１１と、フィルタ回路４１２と、整流器４１３と、直流電力を出力する直流出力端子４１４とを備えている。なお、本実施の形態の直流配電システムの構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様である。
変圧器４１１は１次巻線と２次巻線と３次巻線とを備えている。変圧器４１１は、１次巻線に入力された三相交流電力を２次巻線および３次巻線にそれぞれ電圧を変換して出力する。
フィルタ回路４１２は、整流器４１３によって発生する高調波を電力系統１に流入させないために接続されたものであり、必要に応じて接続される。
整流器４１３は、半導体素子である１２個のダイオードＤ１１～Ｄ２２を備えている。一般に、図７に示す整流器４１３は、１２パルス整流器または単にダイオード整流器とも呼ばれ、図４に示した６パルス整流器が直列に接続された構成である。図７に示すように、変圧器４１１の２次巻線および３次巻線の出力は、直列に接続された２つの６パルス整流器にそれぞれ入力される。
１２パルス整流器は６パルス整流器に比べて出力する高調波が小さくなる。そのため、本実施の形態の直流配電システムは、実施の形態３の直流配電システムに比べて高調波が小さくなる。したがって、本実施の形態の直流配電システムにおいては、フィルタ回路４１２を小さくすることが可能となり、取り除くことも可能となる。また、電力系統１の三相交流系統の電力品質の要求が厳しく許容できる高調波が小さい場合は、電力系統１の電力が入力される電力変換装置４１は、１２パルス整流器を適用する必要がある。
さらに、本実施の形態の直流配電システムにおいては、変圧器４１１の２次巻線と３次巻線との磁気結合を利用した垂下特性よって短絡故障が発生した際の短絡電流が抑制される。そのため、短絡故障に対する耐性を向上させることができる。なお、整流器４１３を複数個並列に接続して、電力変換装置４１の電流容量を増加させることができ、ダイオードＤ１１～Ｄ２２を必要に応じて複数個並列に接続して、電流容量を増加させることもできる。
実施の形態６．
図８は、実施の形態６に係る直流配電システムの電力変換装置４１の構成図である。この電力変換装置４１は、電力系統１の三相交流電力を受電して直流電力に変換する交流－直流電力変換装置である。図８に示すように、本実施の形態の電力変換装置４１は、電力系統１の三相交流電力が入力される交流入力端子４１０と、変圧器４１１と、フィルタ回路４１２と、整流器４１３と、直流電力を出力する直流出力端子４１４とを備えている。さらに、本実施の形態の電力変換装置４１は、直流出力端子４１４と並列に出力電圧のリプルを抑制するためのキャパシタ４１５が接続されている。変圧器４１１およびフィルタ回路４１２は、実施の形態３の電力変換装置４１と同様である。なお、本実施の形態の直流配電システムの構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様である。
本実施の形態の整流器４１３は、実施の形態３の電力変換装置４１の整流器４１３の６個のダイオードＤ１１～Ｄ１６を６個の半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６にそれぞれ置き換えたものである。一般に、図８に示す整流器４１３は、三相ＰＷＭ整流器と呼ばれている。半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６は、例えばダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどの自己消孤機能を有した半導体スイッチング素子を用いることができ、必要に応じて複数個を並列接続して、電流容量を増加させることも可能である。また、半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６のスイッチング動作は図示しない制御部から送信される制御信号によって制御される。
本実施の形態の整流器４１３は三相ＰＷＭ整流器で構成されているので、半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６のスイッチング動作によって出力される高調波成分を抑制することが可能となるためフィルタ回路４１２を小型化することが可能となる。また、半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６のスイッチング動作をより高周波にすることで、フィルタ回路４１２を小型化することが可能である。さらに、半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１６のスイッチング動作によって出力する直流電圧のリプルを小さくすることが可能となるため、キャパシタ４１５を小型化することが可能となる。
また、電力系統１の三相交流系統の電力品質の要求が厳しく許容できる高調波が小さい場合は、電力系統１の電力が入力される電力変換装置４１は、三相ＰＷＭ整流器を適用する必要がある。
本実施の形態の直流配電システムにおいては、三相交流電力が入力される電力変換装置に三相ＰＷＭ整流器を適用しているので、この電力変換装置のフィルタ回路およびキャパシタの小型化が実現できる。その結果、直流配電システムの低コスト化が可能となる。なお、整流器４１３を複数個並列に接続して、電力変換装置４１の電流容量を増加させることができる。
実施の形態７．
実施の形態３から６の直流配電システムにおいては、交流－直流電力変換装置について説明した。実施の形態７の直流配電システムにおいては、直流－直流電力変換装置について説明する。なお、本実施の形態の直流配電システムの構成は、実施の形態１の直流配電システムの構成と同様である。
図９は、本実施の形態に係る直流配電システムの電力変換装置４１の構成図である。この電力変換装置４１は、電力系統１の直流電力を受電して電圧の異なる直流電力に変換する直流－直流電力変換装置である。図９に示すように、本実施の形態の電力変換装置４１は、電力系統１の直流電力が入力される直流入力端子４１６と、直流入力端子４１６に並列に接続されたキャパシタ４１７と、キャパシタ４１７と並列に接続された２つの半導体スイッチング素子４１８と、直流電力を出力する直流出力端子４１４とを備えている。さらに、電力変換装置４１は、２つの半導体スイッチング素子４１８の中点と直流出力端子との間に接続された直流リアクトル４１９と、直流出力端子４１４に並列に接続されたキャパシタ４１５とを備えている。図９に示す電力変換装置４１は、双方向チョッパとも呼ばれ、直流入力端子４１６と直流出力端子４１４との間で双方向に電力を送電できる電力変換装置である。
２つの半導体スイッチング素子４１８のスイッチング動作は、図示しない制御部から送信される制御信号によって制御される。本実施の形態の電力変換装置４１は、半導体スイッチング素子４１８のスイッチング動作を制御することで直流出力端子４１４から出力される直流電力の電圧を精度よく一定に制御できるため、直流配電システム１０の電力品質を向上させることができる。また、短絡故障が発生した場合、直流リアクトル４１９によって短絡電流が抑制されるため、直流リアクトル４１９のリアクタンス値を適切に設計することで電力変換装置４１の短絡に対する耐量を向上させることが可能となる。なお、２つの半導体スイッチング素子４１８の直列接続を複数個並列に接続して、電力変換装置４１の電流容量を増加させることができる。
図１０は、本実施の形態に係る直流配電システムの別の電力変換装置４１の構成図である。この電力変換装置４１は、電力系統１の直流電力を受電して電圧の異なる直流電力に変換する直流－直流電力変換装置である。
図１０に示すように、本実施の形態の電力変換装置４１は、電力系統１の直流電力が入力される直流入力端子４１６と、直流入力端子４１６に並列に接続されたキャパシタ４１７と、４個の半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４から構成される１次側ブリッジ回路４１３ａと、変圧器４１１と、４個の半導体スイッチング素子Ｑ１５～Ｑ１８から構成される２次側ブリッジ回路４１３ｂと、直流電力を出力する直流出力端子４１４と、直流出力端子４１４に並列に接続されたキャパシタ４１５とを備えている。図１０に示す電力変換装置４１は、双方向絶縁型直流－直流電力変換装置とも呼ばれ、直流入力端子４１６と直流出力端子４１４との間で双方向に電力を送電できる電力変換装置である。
１次側ブリッジ回路４１３ａの半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１４のスイッチング動作、およびは２次側ブリッジ回路４１３ｂの半導体スイッチング素子Ｑ１５～Ｑ１８のスイッチング動作は、図示しない制御部から送信される制御信号によって制御される。本実施の形態の電力変換装置４１は、半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１８のスイッチング動作を制御することで直流出力端子４１４から出力される直流電力の電圧を精度よく一定に制御できるため、直流配電システム１０の電力品質を向上させることができる。また、半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１８のスイッチング動作をより高周波にすることで、変圧器４１１を小型化することが可能である。さらに、変圧器４１１は短絡インピーダンスを備えており、短絡故障が発生した場合には、短絡電流を抑制することができる。さらに、この短絡インピーダンスを適切な値に設定することで、短絡電流を半導体素子の最大許容電流値以下に抑制することも可能である。なお、１次側ブリッジ回路４１３ａおよび２次側ブリッジ回路４１３ｂをそれぞれ複数個並列に接続して、電力変換装置４１の電流容量を増加させることができ、必要に応じて半導体スイッチング素子Ｑ１１～Ｑ１８を複数個並列に接続して、電流容量を増加させることも可能である。
本願は、様々な例示的な実施の形態が記載されているが、１つまたは複数の実施の形態に記載された様々な特徴、態様、および機能は特定の実施の形態の適用に限られるのではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態に適用可能である。
したがって、例示されていない無数の変形例が、本願に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも１つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも１つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
１、２ 電力系統、１０ 直流配電システム、１１、１２ 第１電流遮断部、２１、２２ 第２電流遮断部、３１、３２、３３ 第３電流遮断部、４１、４２ 電力変換装置、５１、５２、５３ 直流負荷、６０ 直流母線、７０ 短絡故障、７１、７２ 短絡電流、４１０、４２０ 交流入力端子、４１１、４２１ 変圧器、４１２、４２２ フィルタ回路、４１３、４２３ 整流器、４１４、４２４ 直流出力端子、４１７、４１５，４２５ キャパシタ、４１３ａ １次側ブリッジ回路、４１３ｂ ２次側ブリッジ回路、４１６ 直流入力端子、４１８ 半導体スイッチング素子、４１９ 直流リアクトル。

Claims (8)

  1. 複数の電力系統からそれぞれ供給される電力を直流電力に変換して出力する複数の電力変換装置と、
    複数の前記電力変換装置から出力される前記直流電力が流れる１つの直流母線と、
    前記直流母線からそれぞれ分岐された複数の配電線路と、
    複数の前記電力系統と複数の前記電力変換装置との間にそれぞれ接続された複数の第１電流遮断部と、
    複数の前記電力変換装置と前記直流母線との間にそれぞれ接続された複数の第２電流遮断部と、
    複数の前記配電線路にそれぞれ備えられた複数の第３電流遮断部とを備えた直流配電システムであって、
    複数の前記第３電流遮断部の遮断電流値は、複数の前記電力変換装置において短絡電流が最も短い時間で前記電力変換装置の最大許容電流値に到達する前記電力変換装置の前記最大許容電流値よりも小さい値に設定されていることを特徴とする直流配電システム。
  2. 前記第２電流遮断部の遮断電流値は、前記第２電流遮断部が接続された前記電力変換装置の前記最大許容電流値よりも小さいことを特徴とする請求項１に記載の直流配電システム。
  3. 複数の前記電力変換装置の前記最大許容電流値が同じであることを特徴とする請求項１または２に記載の直流配電システム。
  4. 複数の前記電力変換装置から出力される高調波は、前記電力変換装置に前記電力を供給する前記電力系統に定められた高調波の許容範囲内であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の直流配電システム。
  5. 複数の前記電力変換装置の少なくとも１つは、交流入力端子、前記交流入力端子に入力側が接続された変圧器、前記変圧器の出力側に接続されたフィルタ回路、前記フィルタ回路に入力側が接続されたダイオード整流器、および前記ダイオード整流器の出力側に接続された直流出力端子を備えた交流－直流電力変換装置であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流配電システム。
  6. 複数の前記電力変換装置の少なくとも１つは、交流入力端子、前記交流入力端子に入力側が接続された変圧器、前記変圧器の出力側に接続されたフィルタ回路、前記フィルタ回路に入力側が接続されたＰＷＭ整流器、および前記ＰＷＭ整流器の出力側に接続された直流出力端子を備えた交流－直流電力変換装置であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流配電システム。
  7. 複数の前記電力変換装置の少なくとも１つは、直流入力端子、前記直流入力端子に並列に接続された第１キャパシタ、前記第１キャパシタと並列に接続された２つの半導体スイッチング素子、前記２つの半導体スイッチング素子の中点に接続された直流出力端子、前記２つの半導体スイッチング素子の中点と前記直流出力端子との間に接続された直流リアクトル、および前記直流出力端子に並列に接続された第２キャパシタを備えた直流－直流電力変換装置であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流配電システム。
  8. 複数の前記電力変換装置の少なくとも１つは、直流入力端子、前記直流入力端子に並列に接続された第１キャパシタ、前記第１キャパシタと並列に接続された１次側ブリッジ回路、直流出力端子、前記直流出力端子に並列に接続された第２キャパシタ、前記第２キャパシタと並列に接続された２次側ブリッジ回路、および前記１次側ブリッジ回路と前記２次側ブリッジ回路との間に接続された変圧器を備えた直流－直流電力変換装置であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の直流配電システム。
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