JPWO2019216180A1 - 直流変電システム - Google Patents

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Abstract

本実施形態によれば、直流変電システムは、整流器と、第１電力変換装置と、第２電力変換装置と、制御装置と、を備える。整流器は、交流電源から供給される交流電力を整流し、第１直流電圧を出力する。第１電力変換装置は、整流器に直列接続され、第２直流電圧を出力する。第２電力変換装置は、整流器に並列接続され、整流器から供給される電力を変換して第１電力変換装置に供給する。制御装置は、第１直流電圧と第２直流電圧との加減算電圧が所定電圧となるように第１電力変換装置を制御する。

Description

本発明の実施形態は、直流変電システムに関する。
直流変電システムはダイオード整流器１２による交直変換器が一般的である（図１５、１６）。このダイオード整流器１２の出力容量を補うように電力変換装置１４がダイオード整流器１２に並列接続されている。電力変換装置１４への電力の供給は蓄電池１３（図１５）による場合と、交流電源１０による場合（図１６）とが知られている。また、電力変換装置１４と平滑化コンデンサ１５が並列に接続され、交流電源１０の出力を直流に変換する直流変電システムが知られている（図１７）。
特開２０１７−１４０９０８号公報 特開２０１０−１８３６６３号公報
ところが、ダイオード整流器は安価だが、直流電圧を調整する機能がなく、リアクトルのインピーダンスにより、負荷の増加とともに直流電圧が減少してしまう。また、電力変換装置１４を出力端子に並列接続すると、常に接続端子間の電圧に対応できる電力変換装置１４の容量が必要となり、直流変電システムが大型化してしまう恐れがある。
そこで、発明が解決しようとする課題は、直流電圧を調整する機能を有する、より小型化可能な直流変電システムを提供することである。
本実施形態によれば、直流変電システムは、整流器と、第１電力変換装置と、第２電力変換装置と、制御装置と、を備える。整流器は、交流電源から供給される交流電力を整流し、第１直流電圧を出力する。第１電力変換装置は、整流器に直列接続され、第２直流電圧を出力する。第２電力変換装置は、整流器に並列接続され、整流器から供給される電力を変換して第１電力変換装置に供給する。制御装置は、第１直流電圧と第２直流電圧との加減算電圧が所定電圧となるように第１電力変換装置を制御する。
第１実施形態に係る直流変電システムの構成例を示す図。 電圧指令値と整流器出力電圧と電圧補償指令値の関係を模式的に示す図。 本実施形態に係る直流変電システムの詳細な構成例を示す図。 第１実施形態の変形例１に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第１実施形態の変形例２に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第１実施形態の変形例２に係る制御部の構成を例示したブロック図。 制御部の制御シミュレーションの結果を示す図。 第１実施形態の変形例３に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第１実施形態の変形例４に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第１実施形態の変形例５に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第２実施形態に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第２実施形態に係る直流変電システムの詳細な構成例を示す図。 第２実施形態の変形例１に係る直流変電システムの構成例を示す図。 第２実施形態の変形例２に係る直流変電システムの構成例を示す図。 従来の直流変電システムの構成例を示す図。 交流電源による従来の直流変電システムの構成例を示す図。 平滑化コンデンサが並列に接続され従来の直流変電システムの構成例を示す図。
以下、本発明の実施形態に係る直流変電システムについて、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態は、本発明の実施形態の一例であって、本発明はこれらの実施形態に限定して解釈されるものではない。また、本実施形態で参照する図面において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号又は類似の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する場合がある。また、図面の寸法比率は説明の都合上実際の比率とは異なる場合や、構成の一部が図面から省略される場合がある。
（第１実施形態）
図１は、本実施形態に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図１に示すように、本実施形態に係る直流変電システム１は、直流の電力を給電可能なシステムであり、整流器１２と、電力変換装置１４と、直列補償装置１６と、制御装置１８とを備えて構成されている。図１には、更に正極２ａと、負極２ｂとが図示されている。例えば正極２ａと、負極２ｂにより直流電線路２が構成される。
整流器１２は、例えばダイオード整流器であり、交流電源１０に接続され、交流を直流に整流する。整流器１２は、整流器出力電圧Ｖ１を出力する。
電力変換装置１４は、整流器１２による直流出力を用いて直列補償装置１６に電力を供給する。例えば、電力変換装置１４は、整流器１２に並列接続され、整流器１２から供給される電力を変換して直列補償装置１６に供給する。なお、本実施形態に係る電力変換装置１４は、整流器１２から電力の供給を受けているが、これに限定されず、他の電源、例えば交流電源から電力の供給を受けてもよい。なお、本実施形態に係る電力変換装置１４が第２電力変換装置に対応する。
直列補償装置１６は、例えばＤＣ／ＤＣ変換器であり、ダイオード整流器１２の正極側のノッドｎ２と正極２ａの間に接続されている。直列補償装置１６は、電力変換装置１４から供給される電力を用いて電圧補償電圧Ｖ２を出力する。なお、本実施形態に係る直列補償装置１６が第１電力変換装置に対応する。
制御装置１８は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成される基板であり、電圧指令値Ｖｓと整流器出力電圧Ｖ１とに基づき、電圧補償指令値Ｖ２ｓを直列補償装置１６に出力する。すなわち、この制御装置１８は、整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償電圧Ｖ２との加算電圧が所定電圧Ｖｓとなるように直列補償装置１６を制御する。また、制御装置１８は、電圧補償電圧Ｖ２が整流器出力電圧Ｖ１以下となるように直列補償装置１６を制御する。これにより、直列補償装置１６の変換する電力が整流器１２の変換する電力以下となる。
図２は、電圧指令値Ｖｓと整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償指令値Ｖ２ｓの関係を模式的に示す図である。縦軸は電圧を示し、横軸は経過時間を示している。この図２に示すように、制御装置１８は、整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償電圧Ｖ２との加算電圧が電圧指令値Ｖｓとなるように直列補償装置１６を制御する。これにより、正極２ａと、負極２ｂとの間の電位をより安定させることが可能となる。整流器１２にダイオード整流器を用いる場合には、高周波電流が流れないため、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ電源対応の安価な汎用整流ダイオードを使用することが可能となる。また、直列補償装置１６が昇圧電圧部だけ出力するので、半導体スイッチング素子などの容量をより小さくすることが可能となる。
図３は、本実施形態に係る直流変電システム１の詳細な構成例を示す図である。図３では、交流リアクトル１１と、整流器１２と、電力変換装置１４と、直列補償装置１６と、コンデンサ２０とを図示している。
交流リアクトル１１は、連系リアクトルや系統インダクタンス、トランスや発電機の漏れインダクタンスを示している。整流器１２は、複数の電力用ダイオード１２２をブリッジ接続して構成されている。
電力変換装置１４は、フルブリッジの共振コンバータであり、ダイオード１４２と、リアクトル１４４と、コンデンサ１４６と、ＤＣ／ＡＣ変換器１４ａと、ＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂと、絶縁トランス１４ｃと、を有している。ダイオード１４２は、一方方向に電力供給するために設けられている。リアクトル１４４と、コンデンサ１４６とはＬＣフィルタを構成し、例えばスイッチング周波数に同期したノイズ成分を低減する。
ＤＣ／ＡＣ変換器１４ａは、フルブリッジ回路を有するＤＣ／ＡＣ変換器である。ＤＣ／ＡＣ変換器１４ａは、４つのスイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４と、共振コンデンサ１４ａ２と、共振リアクトル１４ａ３と、を有している。スイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４は、半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成される。４つのスイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４は、フルブリッジ回路を構成する。絶縁トランス１４ｃの一次側の両端と、４つのスイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４から構成されるフルブリッジ回路の出力との間に、共振コンデンサ１４ａ２と、共振リアクトル１４ａ３と、が挿入されている。なお、共振リアクトルは絶縁トランスの漏れインダクタンスなどを使用してもよい。
より詳細には、電力変換装置１４は、入力側の直流端子間に直列接続された第１、第２スイッチング素子１４ａ１１、１４ａ１２と、第１、第２スイッチング素子１４ａ１１、１４ａ１２に対して並列接続された第３、第４スイッチング素子１４ａ１３、１４ａ１４とを有する。また、電力変換装置１４は、第３、第４スイッチング素子１４ａ１３、１４ａ１４の中性点と第１、第２スイッチング素子１４ａ１１、１４ａ１２の中性点との間に接続された１次側コイル、共振リアクトル１４ａ３および共振コンデンサ１４ａ２とを有する。そして、電力変換装置１４は、１次側コイルとトランス１４ｃを構成する２次側コイルと、２次側コイルに接続され、出力側の直流端子間に直列補償装置１６が接続されたＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂとを、有する。
このフルブリッジ回路の左側の上アームのスイッチング素子１４ａ１１と右側の下アームのスイッチング素子１４ａ１４がオン、左側の下アームのスイッチング素子１４ａ１２と右側の上アームのスイッチング素子１４ａ１３がオフ状態にすると、絶縁トランス１４ｃの一次側の両端に正の電圧が印加する。一方で、フルブリッジ回路の左側の下アームのスイッチング素子１４ａ１２と右側の上アームのスイッチング素子１４ａ１３がオン、左側の上アームのスイッチング素子１４ａ１１と右側の下アームのスイッチング素子１４ａ１４がオフ状態にすると、絶縁トランス１４ｃの一次側の両端に負の電圧が印加する。
これらの４つのスイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４のオンオフ動作により共振コンデンサ１４ａ２と、共振リアクトル１４ａ３とによる直列共振回路には正負に行き来する交流電流が流れ、この交流電流により２つのスイッチング素子１４ａ１の組み合わせによるターンオン時にはゼロ電圧スイッチング（Ｚｅｒｏ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を実現する。このように、正負に行き来する交流電流により、フルブリッジ回路に使用されているスイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４のソフトスイッチングを実現している。すなわち、第１乃至第４スイッチング素子１４ａ１１〜１４ａ１４のそれぞれは、半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成され、共振リアクトル１４ａ３および共振コンデンサ１４ａ２の共振によりソフトスイッチングが行われる。
ＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂは、４つのダイオード１４ｂ１を有する。これら４つのダイオード１４ｂ１は、フルブリッジ整流回路を構成している。絶縁トランス１４ｃの二次側からの高周波の交流電圧が、四つのダイオードから構成されるフルブリッジ整流回路により直流電圧に変換される。なお、本実施形態に係るＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂが交直変換部に対応する。なお、電力変換装置１４は、共振型の電力変換回路に限らず、フライバック回路やフォワードコンバータ、プッシュプルコンバータなどでもよい。
直列補償装置１６は、一般的な降圧チョッパで構成され、その出力端はリアクトル１６ａ２を介して直流変電システム１の高圧側の端子２ａと、整流器１２の高圧側の端子とに接続されている。この直列補償装置１６は、２つのスイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２と、リアクトル１６ａ２と、コンデンサ１６ａ３とを有している。スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２は、スイッチング素子１４ａ１１と同等の構成であり、半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成される。半導体スイッチング素子は、例えばシリコン（Ｓｉ）やシリコンカーバイド（ＳｉＣ）を使用したＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴなどである。
より詳細には、直列補償装置１６は、電力変換装置１４の出力端子間に、直列接続された第１、第２スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２を有する。また、直列補償装置１６は、第１、第２スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２の中性点と高圧側の出力端子２ａとの間に接続されたリアクトル１６ａ２と、直列接続された第１、第２スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２と並列に接続されたコンデンサ１６ａ３と、を有する。
スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２による上下アームにＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂの出力端子が接続されている。また、スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２による上下アームの接続点と下アームの間の電圧が電圧補償電圧Ｖ２に相当する。制御装置１８（図１）からの点弧信号を受けて、スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２の点弧タイミングが制御されることにより、電圧補償電圧Ｖ２が調整される。このように、直列補償装置１６の第１、第２スイッチング素子１６ａ１１、１６ａ１２は、制御装置１８によりＰＷＭ制御される。なお、平滑コンデンサ２０は必ずしも必要とせず、電気鉄道の変電システム（き電システム）においては、直列補償装置１６の出力するリプル電圧を許容できれば、省略することも可能である。
以上のように、本実施形態によれば、直列補償装置１６の電圧補償電圧Ｖ２をダイオード整流器１２に重畳することが可能となる。これにより、直列補償装置１６の出力電圧を制御することで、直流変電システム１の出力電圧を調整できる。このように、直列補償装置１６が昇圧電圧分だけ直流電圧Ｖ２を出力するので、電力変換装置１４及び直列補償装置１６の容量をより小さくすることが可能となる。
（第１実施形態の変形例１）
第１実施形態の変形例１に係る直流変電システム１は、短絡還流ダイオード２２を設けた点で第１実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。
図４は、第１実施形態の変形例１に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図４に示すように、短絡還流ダイオード２２は、直流変電システム１の直流出力端子２ａ、２ｂとの間に逆並列に接続されている。これにより、直流変電システム１の出力が短絡した場合、接続されている誘導性負荷による短絡還流電流を直列補償装置１６に流さないようにできる。また、直流変電システム１の直流出力に対して並列に接続されているため、ダイオード整流器１２にも短絡還流電流を流さないことが可能となる。
（第１実施形態の変形例２）
第１実施形態の変形例１に係る直流変電システム１は、短絡還流ダイオード２２が直列補償装置１６に逆並列に接続されている点で第１実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。
図５は、第１実施形態の変形例２に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図５に示すように、短絡還流ダイオード２２が直列補償装置１６に並列に接続されているこれにより、直流変電システム１の出力が短絡した場合、接続されている誘導性負荷による短絡還流電流を直列補償装置１６に流さないようにできる。この場合、短絡還流電流がダイオード整流器１２には流れる点で第１実施形態の変形例２に係る直流変電システム１と相違する。また、平滑コンデンサ２０を直列補償装置１６に並列に接続してもよい。
図６は、第１実施形態の変形例２に係る制御装置１８の構成を例示したブロック図である。図６に示すように、制御装置１８は、演算器４０、４２、４６、５０と、ＰＩ制御部４４、４８と、除算器５２と、乗算器５４と、搬送波生成器５６と、比較器５８と、を備えて構成されている。
図６には更に、電圧センサ３０、３４、電流センサ３２が図示されている。電圧センサ３０は、直列補償装置１６の入力電圧Ｖ３０を逆数器５２に出力する。電流センサ３２は、直列補償装置１６のリアクトル電流Ｉ３２を演算器４６に出力する。電圧センサ３４は、直列補償装置１６の出力電圧Ｖ２を演算器４２、４６に出力する。
演算器４０は、直流電圧指令値Ｖｓと、整流器１２の出力電圧Ｖ１との差分値を演算し、電圧補償指令値Ｖ２Ｓを出力する。演算器４２は、電圧補償指令値Ｖ２Ｓと直列補償装置１６の出力電圧Ｖ２との差分値を演算し、演算結果を出力する。
ＰＩ制御部４４は、電圧補償指令値Ｖ２Ｓと直列補償装置１６の出力電圧Ｖ２との差分値を用いたＰＩ制御を行う。演算器４６は、ＰＩ制御部４４のＰＩ制御結果と直列補償装置１６のリアクトル電流Ｉ３２との差分値を演算し、演算結果を出力する。
ＰＩ制御部４８は、ＰＩ制御結果と直列補償装置１６のリアクトル電流Ｉ３２との差分値を用いたＰＩ制御を行う。演算器５０は、ＰＩ制御部４８のＰＩ制御結果と直列補償装置１６の出力電圧Ｖ２を加算し、加算値を出力する。
逆数器５２は、直列補償装置１６の入力電圧Ｖ３０を逆数にして、乗算器５４に出力する。乗算器５４は、ＰＩ制御部４８のＰＩ制御結果と直列補償装置１６の出力電圧Ｖ２との加算値に、入力電圧Ｖ３０の逆数を乗算する。
比較器５８は、搬送波生成器５６の生成した搬送波と、乗算器５４の演算結果を比較して、複数のスイッチング素子１６ａ１のゲート信号、すなわちＰＷＭ制御信号を生成する。なお、実際にはＰＷＭ制御信号の遅延バラつきによる上下アーム短絡を防止するため、上下アームが両方オフする期間を設けるため、デッドタイムを付与する。
図７は、図６で示した制御装置１８の制御シミュレーションの結果を示す図である。図７の（ａ）は、直流変電システム１の出力電圧の時間変化を示し、（ｂ）は、直列補償装置１６の出力電圧の時間変化を示し、（ｃ）は、直列補償装置１６のリアクトル電流と負荷電流の時間変化を示している。図７の（ａ）、（ｂ）の縦軸は電圧であり、（ｃ）の縦軸は電流である。図７の（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の横軸は経過時間である。
図７に示すように、直列補償装置１６が動作しない期間は、整流器１２のみの出力電圧が得られている。一方で、直列補償装置１６が動作を開始したタイミングで、直列補償装置１６のリアクトル電流が増加し、負荷電流と一致したところで直列補償装置１６の出力電圧が上昇する。
直列補償装置１６の出力電圧の上昇に伴い直流変電システム１の出力電圧も上昇し、制御目標値になると、定常動作に移行している。このように、図６で示した制御装置１８による直列補償装置１６への制御動作により、直流変電システム１の電圧調整機能が実現可能となっている。
（第１実施形態の変形例３）
第１実施形態の変形例３に係る直流変電システム１は、短絡還流ダイオード２２が２ａ−２ｂ端子に並列に接続されている点と、直列補償装置１６がインターリーブ方式の電力変換装置で構成さている点で第１実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。
図８は、第１実施形態の変形例３に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図８に示すように、直列補償装置１６がインターリーブ方式の電力変換装置で構成されている。すなわち、直列接続された２つのスイッチング素子１６ａ１１、１２が多並列化され、スイッチング素子１６ａ１１、１２による上下アームの接続点と端子２ａの間にリアクトル１６ａ２が並列に接続されている。なお、第１実施形態の変形例３に係る直流変電システム１は３並列であるが、これに限定されず、２並列以上であればよい。
これにより、キャリア位相をずらすことが可能となり、特定の高調波を減少させたり、１素子あたりのスイッチング損失を下げつつ等価キャリア周波数を維持したりすることができる。また、出力のリアクトルを結合することにより、直列補償装置１６の低損失化が可能となり、直列補償装置１６をより小型化することも可能となる。直列補償装置１６は、整流器１２の電圧に出力電圧を重畳するため、一般の直流変電システムよりも出力電圧を小さくできるが、出力電流は維持されるために、小電圧、大電流になりやすい傾向になる。このため、インターリーブ化によるサージ電圧抑制の効果が一般的な電力変換装置と違い相対的に大きくなる。
（第１実施形態の変形例４）
第１実施形態の変形例４に係る直流変電システム１は、直列補償装置１６に通常動作とは逆の電流が流れている場合に、電力変換装置１４と直列補償装置１６との電力変換動作を停止させる点で第１実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。
図９は、第１実施形態の変形例４に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図９に示すように、制御装置１８は、直列補償装置１６の出力電圧Ｖ２に基づき、通常動作とは逆の電流が流れていると推定される場合に、電力変換装置１４と直列補償装置１６との電力変換動作を停止させる。これにより、直流変電システム１への過剰な回生電力により、直列補償装置１６に故障が発生する事態を回避できる。
（第１実施形態の変形例５）
第１実施形態の変形例５に係る直流変電システム１は、ダイオード１４２を除いた点と、電力変換装置１４のＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂを４つのスイッチング素子１５ｂ１で構成した点と、直列補償装置１６をインバータで構成した点とが第１実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。
図１０は、第１実施形態の変形例５に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図１０に示すように、ダイオード１４２を除き、ＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂを４つのスイッチング素子１５ｂ１で構成する点で、第１実施形態のＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂと相違する。
４つのスイッチング素子１５ｂ１は、フルブリッジ回路を構成している。絶縁トランス１４ｃの二次側からの高周波の交流電圧が、四つのダイオードから構成されるフルブリッジ回路により直流電圧に変換される。４つのスイッチング素子１５ｂ１をフルブリッジ回路に構成することにより、電力変換を双方向に行うことが可能である。
また、第１実施形態の変形例５に係る直列補償装置１６を所謂４象限チョッパのインバータとして構成する点で、第１実施形態の直列補償装置１６と相違する。その出力端はリアクトル１６ａ２を介して直流変電システム１の高圧側の端子２ａと、整流器１２の高圧側の端子とに接続されている。
この直列補償装置１６は、４つのスイッチング素子１７ａ１１〜１４と、リアクトル１６ａ２とを有している。すなわち、４つのスイッチング素子１７ａ１１〜１４は、フルブリッジ回路として構成され、電圧を両極性に出力することが可能である。直列補償装置１６は、制御装置１８（図１）からの点弧信号を受けてスイッチング素子７ａ１１〜１４の点弧タイミングを制御されており、これにより電圧補償電圧Ｖ２が調整される。
より具体的には、制御装置１８は、電圧指令値Ｖｓと整流器出力電圧Ｖ１とに基づき、電圧補償指令値Ｖ２ｓを直列補償装置１６に出力する。すなわち、この制御装置１８は、整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償電圧Ｖ２との加減算電圧が所定電圧Ｖｓとなるように直列補償装置１６を制御する。また、制御装置１８は、電圧補償電圧Ｖ２が整流器出力電圧Ｖ１以下となるように直列補償装置１６を制御する。これにより、直列補償装置１６の変換する電力が整流器１２の変換する電力以下となる。
図２に示すように、制御装置１８は、整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償電圧Ｖ２との加減算電圧が電圧指令値Ｖｓとなるように直列補償装置１６を制御する。これにより、正極２ａと、負極２ｂとの間の電位をより安定させることが可能となる。整流器１２にダイオード整流器を用いる場合には、高周波電流が流れないため、５０Ｈｚ／６０Ｈｚ電源対応の安価な汎用整流ダイオードを使用することが可能となる。また、直列補償装置１６が昇降圧電圧部だけ出力するので、半導体スイッチング素子などの容量をより小さくすることが可能となる。
なお、第１実施形態の変形例３に係る直流変電システム１（図３）に対しても本変形例と同様に、ダイオード１４２を除き、電力変換装置１４のＡＣ／ＤＣ変換器１４ｂを４つのスイッチング素子１５ｂ１で構成し、直列補償装置１６を４つのスイッチング素子１７ａ１１〜１４と、リアクトル１６ａ２とを有するインバータで構成してもよい。この場合にも、制御装置１８は、整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償電圧Ｖ２との加減算電圧が所定電圧Ｖｓとなるように直列補償装置１６を制御することが可能となる。
以上のように、本変形例によれば、整流器出力電圧Ｖ１と電圧補償電圧Ｖ２との加減算電圧が所定電圧Ｖｓとなるように直列補償装置１６を制御することが可能となる。このように、直列補償装置１６が昇降圧電圧分だけ直流電圧Ｖ２を出力するので、電力変換装置１４及び直列補償装置１６の容量をより小さくすることが可能となる。
（第２実施形態）
第１実施形態の変形例４に係る直流変電システム１は、整流器１２の代わりに蓄電装置６２が設けられ、蓄電装置６２と直列補償装置６６とが直列に接続されることで相違する。以下では、第１実施形態と相違する点に関して説明する。
図１１は、第２実施形態に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図１１に示すように、本実施形態に係る直流変電システム１は、例えば直流の電力を電車などに給電可能なシステムであり、充放電装置６０と、蓄電装置６２と、電力変換装置６４と、直列補償装置６６と、制御装置１８と、を備えて構成されている。図１には、更に正極２ａと、負極２ｂとが図示されている。例えば正極２ａと、負極２ｂにより直流電線路２が構成される。例えば架線は正極側電位の電線路であり、レールは負極側電位の電線路である。
充放電装置６０は、交流電源１０に接続され、蓄電装置６２に直流電力を供給する。この充放電装置６０は、例えば双方向電力変換が可能であり、交流と直流とを変換する。これにより、この充放電装置６０は、直流電線路２から供給される回生電力を電源１０側に回生させることが可能となる。なお、本実施形態に係る充放電装置６０は、双方向電力変換が可能であるが、これに限定されず、単方向の充電装置でもよい。単方向の充電装置の場合には、回生電力量が制限される場合がある。
蓄電装置６２は、例えば蓄電池であり、充放電装置６０から供給される電力を蓄電する。蓄電装置６２は、直流出力電力Ｖ３を出力する。なお、蓄電装置は蓄電池に限らず、フライホイールや燃料電池と水素発生装置を組み合わせたエネルギー貯蔵装置などでもよい。
電力変換装置６４は、直列補償装置６６に電力を供給する。電力変換装置６４は、例えば充放電装置６０又は蓄電装置６２の内の少なくとも一方から電力の供給を受ける。この電力変換装置６４は、直流電線路２から供給される回生電力を電源１０側に回生させることが可能である。なお、電力変換装置６４は、高電圧の電力変換装置、又は絶縁型の電力変換装置である。
直列補償装置６６は、例えばＤＣ／ＤＣ変換器であり、蓄電装置６２の正極側のノッドｎ２と正極２ａの間に接続されている。直列補償装置６６は、電力変換装置６４から供給される電力を用いて電圧補償電圧Ｖ２を出力する。この直列補償装置６６は、直流電線路２から供給される回生電力を電源１０側に回生させることが可能である。
制御装置１８は、例えばＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）を含んで構成され、電圧指令値Ｖｓと蓄電装置６２の出力電圧Ｖ３とに基づき、電圧補償指令値Ｖ２ｓを直列補償装置６６に出力する。
このように、蓄電装置６２と直列に接続される直列補償装置６６の電圧を加算もしくは減算することにより、直流変電システム１の出力電圧を調整可能となる。また、本実施形態に係る直流変電システム１は、直流電線路２から供給される回生電力を電源１０側に回生させることが可能である。
なお、本実施形態に係る直流変電システム１は、蓄電装置６２と直列に接続される直列補償装置６６の電圧を加算できるので、出力のピーク電力に合わせた容量は不要である。このため、充放電装置６０、電力変換装置６４、および直列補償装置６６を従来の直流変電システム１の出力容量よりも十分に小さくすることができる。また、蓄電装置６２は、安定的に電力出力が可能であり、契約電力を平均電力程度まで下げることが可能となる。なお、これにより、電力会社との契約も出力のピーク電力に合わせる必要はなく、契約電力を平均電力程度まで下げることが可能であり、系統もしくは発電機容量を最小にすることが可能となる。
図１２は、第２実施形態に係る直流変電システム１の詳細な構成例を示す図である。図１２では、交流リアクトル１１と、充放電装置６０と、蓄電装置６２と、電力変換装置６４と、直列補償装置６６と、コンデンサ２０と、短絡還流ダイオード２２とを図示している。
交流リアクトル１１は、連系リアクトルや系統インダクタンス、トランスや発電機の漏れインダクタンスを示している。充放電装置６０は、電力変換を双方向に行うため、複数のスイッチング素子６０ａ１をフルブリッジに接続して構成されている。
充放電装置６０は、６つのスイッチング素子６０ａ１で構成されている。充放電装置６０は双方向電力変換が可能であるが、単方向の充電装置としてもよい。ただし、その場合は回生電力量が制限される場合がある。
電力変換装置６４は、フルブリッジの共振コンバータであり、リアクトル１４４と、コンデンサ１４６と、ＤＣ／ＡＣ変換器６４ａと、ＡＣ／ＤＣ変換器６４ｂと、絶縁トランス６４ｃと、を有している。６リアクトル１４４と、コンデンサ１４６とはＬＣフィルタを構成し、例えばスィツチング周波数に同期したノイズ成分を低減する。
ＤＣ／ＡＣ変換器６４ａは、フルブリッジと呼ばれるＤＣ／ＡＣ変換器である。ＤＣ／ＡＣ変換器６４ａは、４つのスイッチング素子６４ａ１と、共振コンデンサ６４ａ２と、共振リアクトル６４ａ３と、を有している。６４つのスイッチング素子６４ａ１は、フルブリッジ回路を構成する。絶縁トランス６４ｃの一次側の両端と、４つのスイッチング素子６４ａ１から構成されるフルブリッジ回路の出力との間に、共振コンデンサ６４ａ２と、共振リアクトル６４ａ３と、が挿入されている。動作特性は、図３で説明したＤＣ／ＡＣ変換器１４ａと同等であるので説明を省略する。なお、ＤＣ／ＡＣ変換器６４ａは、フルブリッジに限定されず、ハーフブリッジでもよい。
ＡＣ／ＤＣ変換器６４ｂは、４つのスイッチング素子６４ｂ１を有する。これら４つのスイッチング素子６４ｂ１は、フルブリッジ回路を構成している。絶縁トランス６４ｃの二次側からの高周波の交流電圧が、四つのダイオードから構成されるフルブリッジ回路により直流電圧に変換される。４つのダイスイッチング素子６４ｂ１をフルブリッジ回路に構成することにより、電力変換を双方向に行うことが可能である。
直列補償装置６６は、所謂４象限チョッパとして構成され、その出力はリアクトル６６ａ２を介して直流変電システム１の出力端子２ａ２と、蓄電装置６２の正極側とに接続されている。この直列補償装置６６は、４つのスイッチング素子６６ａ１と、リアクトル６６ａ２と、コンデンサ６６ａ３とを有している。すなわち、４つのスイッチング素子６６ａ１は、フルブリッジ回路として構成され、電圧を両極性に出力することが可能である。直列補償装置６６は、制御装置１８（図１１）からの点弧信号を受けてスイッチング素子６６ａ１の点弧タイミングを制御されており、これにより電圧補償電圧Ｖ２が調整される。
以上のように本実施形態によれば、蓄電装置６２と直列に接続される直列補償装置６６の電圧を加算できるので、直列補償装置６６および電力変換装置６４の容量をより小さくできる。また、蓄電装置６２に蓄積された電力を用いることも可能となり、直流変電システム１の出力のピーク電力に合わせた容量が不要となる。
（第２実施形態の変形例１）
第２実施形態の変形例１に係る直流変電システム１は、コンデンサ２０が直列補償装置６６に並列に接続されている点で第２実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では、第１実施形態と相違する点について説明する。
図１３は、第２実施形態の変形例１に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図１３に示すように、コンデンサ２０が直列補償装置１６に並列に接続されている。これにより、直列補償装置６６の出力を平滑化することが可能である。
（第２実施形態の変形例２）
第２実施形態の変形例２に係る直流変電システム１は、電源７０が太陽光発電（ＰＶ発電）や燃料電池発電（ＦＣ発電）などの直流電源である点で第２実施形態に係る直流変電システム１と相違する。以下では第２実施形態に係る直流変電システム１と相違する点を説明する。
図１４は、第２実施形態の変形例２に係る直流変電システム１の構成例を示す図である。図１４に示すように、充放電装置６０は、２つのスイッチング素子６０ａ１で構成されている。２つのスイッチング素子６０ａ１の接続点は、ＤＣリアクトル６８を介して電源７０に接続されている。
電源７０は、太陽光発電（ＰＶ発電）や燃料電池発電（ＦＣ発電）などの直流電源で構成されている。ただし、太陽光発電（ＰＶ発電）や燃料電池発電（ＦＣ発電）は電力回生ができないため、回生電力量が制限されている。
このように、第２実施形態の変形例２に係る直流変電システム１は、自然エネルギーを用いて発電する太陽光発電（ＰＶ発電）などの発電装置から供給される電力を変換する充放電装置６０を設けることにより、電力系統からの電力の供給を受けずとも直流電力を供給することが可能となる。
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、その他の様々な形態で実施す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。これらの実施形態やその変形例は、発明の範囲や要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (10)

  1. 交流電源から供給される交流電力を整流し、第１直流電圧を出力する整流器と、
    前記整流器に直列接続され、第２直流電圧を出力する第１電力変換装置と、
    前記整流器に並列接続され、前記整流器から供給される電力を変換して前記第１電力変換装置に供給する第２電力変換装置と、
    前記第１直流電圧と前記第２直流電圧との加減算電圧が所定電圧となるように前記第１電力変換装置を制御する制御装置と、
    を備える、直流変電システム。
  2. 前記第２直流電圧は前記第１直流電圧以下である、請求項１に記載の直流変電システム。
  3. 前記整流器は、ダイオード整流器である、請求項１又は２に記載の直流変電システム。
  4. 前記第１電力変換装置の高圧側端子と前記整流器の低圧側の端子の間に逆並列に接続されたダイオードを、
    更に備える請求項１乃至３のいずれか一項に記載の直流変電システム。
  5. 第１電力変換装置は、
    前記第２電力変換装置の端子間に、直列接続された第１、第２スイッチング素子と、
    前記第１、第２スイッチング素子の中性点と高圧側の出力端子との間に接続されたリアクトルと、
    前記直列接続された第１、第２スイッチング素子と並列に接続されたコンデンサと、
    を有し、
    前記第１、第２スイッチング素子のそれぞれは、半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成され、
    前記制御装置は、前記第１、第２スイッチング素子にＰＷＭ制御を行う請求項１乃至４のいずれか一項に記載の直流変電システム。
  6. 前記第１電力変換装置は、
    前記第２電力変換装置の出力端子間に、直列に接続された２つのスイッチング素子を並列に複数接続して構成され、
    前記制御装置は、所定の高調波を小さくするように、各列の前記スイッチング素子を所定のタイミングでオンするインターリーブ制御を行う、請求項１乃至４のいずれか一項に記載の直流変電システム。
  7. 前記制御装置は、前記第１電力変換装置に逆電流が流れた場合に、前記第１電力変換装置及び前記第２電力変換装置の動作を停止させる、請求項１乃至６のいずれか一項に記載の直流変電システム。
  8. 交流電源に接続され、双方向電力変換が可能である充放電装置と、
    前記充放電装置に並列接続され、第１直流電圧を出力する蓄電池と、
    前記蓄電池に直列接続され、第２直流電圧を出力する回生可能な第１電力変換装置と、
    前記充放電装置に並列接続され、前記充放電装置から供給される電力を変換して前記第１電力変換装置に供給する回生可能な第２電力変換装置と、
    前記第１直流電圧と第２直流電圧との加算電圧が所定電圧となるように前記第１電力変換装置を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記第２直流電圧は前記第１直流電圧以下である、直流変電システム。
  9. 直流電源に接続され、双方向電力変換が可能である充放電装置と、
    前記充放電装置に並列接続され、第１直流電圧を出力する蓄電池と、
    前記蓄電池に直列接続され、第２直流電圧を出力する回生可能な第１電力変換装置と、
    前記第３電力変換装置に並列接続され、前記第３電力変換装置から供給される電力を変換して前記第１電力変換装置に供給する回生可能な第２電力変換装置と、
    前記第１直流電圧と第２直流電圧との加算電圧が所定電圧となるように前記第１電力変換装置を制御する制御装置と、
    を備え、
    前記第２直流電圧は前記第１直流電圧以下である、直流変電システム。
  10. 前記第２電力変換装置は、
    入力側の直流端子間に直列接続された第１、第２スイッチング素子と、
    前記第１、第２スイッチング素子に対して並列接続された第３、第４スイッチング素子と、
    前記第３、第４スイッチング素子の中性点と前記第１、第２スイッチング素子の中性点との間に接続された１次側コイル、共振リアクトルおよび共振コンデンサと、
    前記１次側コイルと絶縁トランスを構成する２次側コイルと、
    前記２次側コイルに接続され、出力側の直流端子間に前記第１電力変換装置が接続され交直変換部と
    を有し、
    前記第１乃至第４スイッチング素子のそれぞれは、半導体スイッチング素子及び逆並列ダイオードから構成され、前記共振リアクトルおよび前記共振コンデンサの共振によりソフトスイッチングが行われる、請求項１乃至９のいずれか一項に記載の直流変電システム。
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