JP7309100B1 - 電力変換装置 - Google Patents
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Abstract
Description
[電力変換装置の全体構成]
図1は、実施の形態1に係る電力変換装置1の概略構成図である。図1を参照して、電力変換装置1は、互いにカスケードに接続された複数の変換器セル7を含むモジュラーマルチレベル変換器によって構成されている。電力変換装置1は、直流回路14と交流回路12との間で電力変換を行なう。電力変換装置1は、電力変換器2と、上位制御装置3とを含む。
交流電圧検出器10は、交流回路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。以下の説明では、Vacu、Vacv、および、Vacwを総称してVacとも記載する。
図2は、図1の各レグ回路を構成するサブモジュールの一例を示す回路図である。図1に示す変換器セル7は、ハーフブリッジ型の変換回路20HBと、蓄電素子としての蓄電素子24と、電圧検出器25と、個別制御部27とを含む。変換回路20HBをブリッジ回路20HBとも称する。
図3は、制御装置のハードウェア構成例を示すブロック図である。図3には、コンピュータによって上位制御装置3を構成する例が示される。さらに、図3には、コンピュータ(すなわち、制御指令生成部19)と各変換器セル7との間を、中継装置18を介して接続する例が示されている。
以下、上記の構成の電力変換器において、各変換器セルに設けられた蓄電素子の過電圧に対する基本的対処方針について説明する。具体的には、以下の(1)~(3)の場合について対処する必要がある。
この場合、電力系統側から電力変換器2へ流れ込む電流によってアーム全体で各変換器セルの蓄電素子24の電圧が上昇して過電圧になる虞がある。蓄電素子24の電圧にスイッチング素子22のスイッチングによるサージ電圧を加えた合成電圧が、スイッチング素子22および蓄電素子24などの素子の耐圧を超えると、当該素子は破壊される虞がある。また、上記の合成電圧が素子耐圧を超えるとスイッチング素子22のスイッチングが再開できないので、放電によって蓄電素子24の電圧が低下するまで電力変換器2の運転を再開できず、長時間の停止となって運転継続性が悪化する。したがって、合成電圧が上記の限界値に達する前に、電力変換器2を構成する全ての変換器セル7をゲートブロックすることにより流入電流を抑制する必要がある。
各変換器セル7の個別制御部27は、種々の方法で変換器セル7の故障を監視している。たとえば、個別制御部27は、蓄電素子24の電圧が過電圧(OV)または不足電圧(UV)になっているか否かを監視する。また、個別制御部27は、上位制御装置3から定期的に制御指令28を受信しているか否かを監視する。多くの故障の発生の有無は、蓄電素子24の電圧異常によって識別できる。
上記(1)で説明したように、電力系統で事故が生じた場合にはゲートブロックによって電力変換器2への電流の流れ込みを抑制する。しかしながら、過酷事故の場合には、ゲートブロックしていたとしても電力変換器2にさらに電流が流れ込み各蓄電素子24の電圧がさらに上昇する。この結果、スイッチング素子22がスイッチングしていなくても、キャパシタ電圧が、スイッチング素子22、蓄電素子24、およびブスバーの耐圧を超えると絶縁破壊する虞がある。そこで、変換器セルの破損による他の変換器セルの波及故障を防ぐため、耐圧に達した変換器セル7に対してバイパススイッチBPSを投入する。
以下、図4~図12を参照して、本実施形態における蓄電素子の過電圧保護について具体的に説明する。
図12は、図4~図11で説明した過電圧を判定するための各閾値電圧の高低関係と各閾値電圧に応じた保護動作とその目的とを表形式でまとめた図である。
以下、図4を参照して説明した電圧指令値Vrefに関して、その生成方法について簡単に説明する。
Izu=(Ipu+Ipn)/2-Idc/3 …(1)
によって計算できる。
以下、高電圧直流送電(HVDC)システムを例に挙げて、電力変換装置1の起動手順および停止手順について説明する。
上記のとおり実施の形態1の電力変換装置1によれば、電力変換器2を構成する各変換器セル7の蓄電素子24の過電圧は、以下の3つの場合に分けて対処される。すなわち、(1)交流系統または直流系統において事故または擾乱が発生した場合、(2)単一の変換器セル7の故障によって単一の蓄電素子が過電圧となった場合、(3)電力系統の過酷事故時において、ゲートブロック状態であっても各変換器セルの蓄電素子に電圧上昇が生じた場合の3つの場合である。
実施の形態2では、系統擾乱時および系統事故時に上位制御装置3がゲートブロック信号を各変換器セル7に送信するか否かの判定基準の変形例について説明する。
Claims (14)
- カスケード接続された複数の変換器セルを含むアーム回路を備える電力変換器と、
前記電力変換器を制御する上位制御装置とを備え、
前記複数の変換器セルの各々は、
第1の入出力端子および第2の入出力端子と、
複数の半導体スイッチング素子を含むブリッジ回路と、
前記ブリッジ回路を介して前記第1の入出力端子および前記第2の入出力端子に接続される蓄電素子と、
前記第1の入出力端子と前記第2の入出力端子との間を接続するバイパススイッチと、
前記上位制御装置と信号線を介して接続された個別制御部とを含み、
前記個別制御部は、
前記上位制御装置から前記バイパススイッチの投入待機指令を受信していない場合には、前記蓄電素子の電圧が第1の過電圧閾値を超えているときに前記バイパススイッチを投入し、
前記バイパススイッチの前記投入待機指令を受信した場合には、前記複数の半導体スイッチング素子をオフにするゲートブロックを行い、前記第1の過電圧閾値に代えて、前記蓄電素子の電圧が前記第1の過電圧閾値よりも高い第2の過電圧閾値を超えているときに、前記バイパススイッチを投入し、前記蓄電素子の電圧が前記第2の過電圧閾値を超えた以外の事由では前記バイパススイッチを投入しないように構成される、電力変換装置。 - 前記電力変換器は、交流回路と直流回路との間で電力変換を行い、
前記上位制御装置は、前記電力変換装置の内部又は前記交流回路又は前記直流回路に故障が生じたために前記電力変換器を運転継続できない場合において、いずれかの変換器セルが前記バイパススイッチを投入することがあり得る場合に、前記複数の変換器セルの各々に前記バイパススイッチの前記投入待機指令を送信しかつ前記電力変換器を停止する、請求項1に記載の電力変換装置。 - 前記上位制御装置は、前記電力変換器、前記交流回路、および前記直流回路のいずれかが故障したときの故障電流および故障電圧から推定される故障点および故障の種類に基づいて、いずれかの変換器セルが前記バイパススイッチを投入することになるか否かを判定する、請求項2に記載の電力変換装置。
- 前記変換器セルの故障のために前記バイパススイッチが投入された結果、前記アーム回路に含まれる冗長セルの残数が0未満になった場合に、前記上位制御装置は、前記複数の変換器セルの各々に前記バイパススイッチの前記投入待機指令を送信しかつ前記電力変換器を停止する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記上位制御装置は二重化されており、前記二重化された前記上位制御装置が2系統とも故障した場合に、前記上位制御装置は、前記複数の変換器セルの各々に前記バイパススイッチの前記投入待機指令を送信しかつ前記電力変換器を停止する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 前記上位制御装置と前記複数の変換器セルの各々の前記個別制御部とは、二重化された通信システムで接続されており、
前記複数の変換器セルのうちの第1の変換器セルと前記上位制御装置との間の通信システムが2系統とも故障した場合に、前記上位制御装置は、前記複数の変換器セルの各々に前記バイパススイッチの前記投入待機指令を送信しかつ前記電力変換器を停止し、前記第1の変換器セルは、前記複数の半導体スイッチング素子をオフにするゲートブロックを行う、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記個別制御部は、前記バイパススイッチの前記投入待機指令を受信していない場合に、前記蓄電素子の電圧が前記第1の過電圧閾値を超えた状態が一定時間継続した場合に前記バイパススイッチを投入し、
前記個別制御部は、前記バイパススイッチの前記投入待機指令を受信した場合に、前記蓄電素子の電圧が前記第2の過電圧閾値を超えた状態が一定時間継続した場合に前記バイパススイッチを投入する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記個別制御部は、前記バイパススイッチの前記投入待機指令を受信した場合に、前記蓄電素子の電圧の変化を不揮発性メモリに記録する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。
- 各変換器セルの前記個別制御部は、前記バイパススイッチの前記投入待機指令を受信していない場合において、前記蓄電素子の電圧が前記第1の過電圧閾値を超えたときに前記上位制御装置に重故障信号を送信し、前記バイパススイッチの投入を完了したときに完了通知を送信し、
前記上位制御装置は、前記重故障信号を受信したときに各変換器セルの前記個別制御部にゲートブロック指令を送信し、前記バイパススイッチの投入の前記完了通知を受信したときに各変換器セルの前記個別制御部に前記ゲートブロック指令の解除通知を送信する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 各変換器セルの前記個別制御部は、前記蓄電素子の電圧の計測値を前記上位制御装置に送信し、
前記上位制御装置は、各変換器セルの前記個別制御部から受信した前記蓄電素子の電圧の前記計測値に基づいて、前記電力変換器を構成する変換器セル全体での前記蓄電素子の電圧の大きさの程度を表す評価値を計算し、
前記上位制御装置は、前記評価値が第3の過電圧閾値を超えたときに、各変換器セルの前記個別制御部にゲートブロック指令を送信し、前記ゲートブロック指令を送信してから一定時間経過後に前記ゲートブロック指令の解除通知を送信する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記上位制御装置は、前記評価値が前記第3の過電圧閾値よりも高い第4の過電圧閾値を超えたときに各変換器セルの前記個別制御部に前記ゲートブロック指令を送信した場合には、前記評価値が前記第4の過電圧閾値よりも低い解除閾値未満となるまで前記ゲートブロック指令の解除通知を送信しない、請求項10に記載の電力変換装置。
- 前記上位制御装置は、前記電力変換器に含まれる前記蓄電素子の電圧の平均値を前記評価値として計算するとともに前記蓄電素子の電圧の最大値を計算し、
前記上位制御装置は、前記評価値が前記第3の過電圧閾値を超え、かつ前記最大値と前記平均値との差分が第1の差分閾値以上の場合に、各変換器セルの前記個別制御部に前記ゲートブロック指令を送信せず、
前記上位制御装置は、前記評価値が前記第4の過電圧閾値を超え、かつ前記最大値と前記平均値との差分が第2の差分閾値以上の場合に、各変換器セルの前記個別制御部に前記ゲートブロック指令を送信しない、請求項11に記載の電力変換装置。 - 前記個別制御部は、前記バイパススイッチの前記投入待機指令を受信していない場合において、前記バイパススイッチの投入開始後かつ投入完了前に、前記蓄電素子の電圧が前記第2の過電圧閾値に等しいか又は前記第2の過電圧閾値よりも高い上限値を超えた場合に、システム重故障信号を前記上位制御装置に送信し、
前記上位制御装置は、前記システム重故障信号を受信した場合に、前記電力変換器を停止する、請求項1~3のいずれか1項に記載の電力変換装置。 - 前記個別制御部は、前記バイパススイッチの投入完了後に前記蓄電素子の電圧が低下していることを検知した場合に、前記システム重故障信号を前記上位制御装置に送信する、請求項13に記載の電力変換装置。
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