WO2018168946A1

WO2018168946A1 - 電圧補償装置

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Publication number: WO2018168946A1
Application number: PCT/JP2018/010022
Authority: WO
Inventors: 俊介玉田; 宏餅川; 渡邊　裕治
Original assignee: 株式会社東芝; 東芝エネルギーシステムズ株式会社
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-03-14
Publication date: 2018-09-20
Also published as: JP2018157702A

Abstract

実施形態に係る電圧補償装置は、電圧補償装置は、入力端子と、出力端子と、前記入力端子から直流端子に向かう電流経路を含む電力変換部と、前記一方の入力端子に接続された二次巻線を有する第１変圧器と、前記他方の入力端子に接続された二次巻線を有する第２変圧器と、前記出力端子間に接続されたコンデンサと、前記第１変圧器の二次巻線と前記第１交流入力端子との間に直列に接続されたインダクタと、前記第１変圧器の二次巻線およびインダクタが接続されたノードから前記第１直流出力端子に向かって電流を流す第１整流素子と、前記第２直流端子から前記ノードに向かって電流を流す第２整流素子と、を備える。

Description

電圧補償装置

　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電圧補償装置である。この電圧補償装置は、第１直流端子と、第２直流端子と、第１交流端子と、第２交流端子と、前記第１交流端子から前記第１直流端子に向かう第１電流経路と、前記第２直流端子から前記第２交流端子に向かう第２電流経路と、前記第２交流端子から前記第１直流端子に向かう第３電流経路と、前記第２直流端子から前記第１交流端子に向かう第４電流経路と、を含む電力変換部と、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直流端子と前記第２直流端子との間に接続されたコンデンサと、前記第１変圧器の二次巻線と、前記第１交流端子との間に直列に接続されたインダクタと、前記第１変圧器の二次巻線および第１インダクタが接続されたノードから前記第１直流端子に向かって電流を流す第１整流素子と、前記第２直流端子から前記ノードに向かって電流を流す第２整流素子と、を備える。

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。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。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。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。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１実施形態の変形例に係る電圧補償装置を例示するブロック図である。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。

　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、コンデンサ４０と、フィルタ回路５０と、第１バイパス回路６０と、を含む。電圧補償部１０は、第２バイパス回路７０、電流検出器７５，７６と、制御部８０と、をさらに含む。

　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。

　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に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～２８ａは、ハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチとして直列に接続される。直列に接続されたアームは、３つ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、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓからインダクタ５１ａ～５１ｃへの電流経路をバイパスする第１バイパス回路６０と、第２バイパス回路７０と、を含んでいる。

　第１バイパス回路６０は、二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂと、コンデンサ４０との間に接続されている。第１バイパス回路６０は、インダクタ５１ａ～５１ｃを介する電流経路をバイパスして、コンデンサ４０に電流を流す。

　第１バイパス回路６０は、バイパスダイオード６１～６６を含む。バイパスダイオード６１～６３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。バイパスダイオード６４～６６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。

　バイパスダイオード６１～６６は、たとえば半導体整流素子である。バイパスダイオード６１～６６は、この例では全波整流ブリッジ回路である。全波整流ブリッジ回路は、事故時に二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓに発生する交流電圧を整流して、脈流をコンデンサ４０に供給する。

　第２バイパス回路７０は、端子１２ｂ，１４ｂ間に接続されている。第２バイパス回路７０は、端子１４ｂ，１６ｂ間にも接続されている。第２バイパス回路７０は、制御部８０に接続されている。第２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によって動作する。第２バイパス回路７０は、アクティブなバイパス制御信号Ｓｓが入力された場合に、端子１２ｂ，１４ｂ間を短絡するとともに、端子１４ｂ，１６ｂ間を短絡する。

　第２バイパス回路７０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。

　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、ゲートブロック信号ＧＢを出力する。ゲートブロック信号ＧＢは、第１電力変換器２０および第２電力変換器９０に供給される。ゲートブロック信号ＧＢを受信した第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にかかわらず、スイッチング動作を停止して電力変換動作を停止する。

　制御部８０は、取得した電流データＩＬ１，ＩＬ２がしきい値Ｉｔ１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、第２バイパス回路７０に供給される。第２バイパス回路７０にバイパス制御信号Ｓｓが供給されると、第２バイパス回路７０は、サイリスタ７１，７２および電磁接触器７３，７４をターンオンおよび導通させて、事故時の過大な電流をバイパスする。

　なお、ゲートブロック信号ＧＢは、他の条件において生成されるようにしてもよい。たとえば、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、他のしきい値Ｉｔ２を超えた場合にゲートブロック信号ＧＢを出力するようにしてもよい。たとえば、他のしきい値Ｉｔ２は、しきい値Ｉｔ１よりも低い値である。つまり、電圧補償装置１は、より低い電流値によって、直列変圧器１１，１３，１５に過大電流が流れたものと判断し、動作を実質的に停止する。その後、さらに大きい電流が検出された場合に、制御部８０は、バイパス制御信号Ｓｓを出力して事故時の過大電流から電圧補償部１０を保護する。

　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、以下説明する構成によって、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。

　正常な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。

　本実施形態の電圧補償装置１は、このようにして電力系統の電圧を相ごとに補償することができる。

　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～図４は、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５および図６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、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２０は、ゲートブロック信号ＧＢを受信し、スイッチング素子２３ａ～２８ａは動作を停止する。第１電力変換器２０は、電力変換動作を停止する。なお、このとき、第２電力変換器９０もゲートブロック信号ＧＢを受信し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、第１バイパス回路６０に流れる。この例では、電流Ｉｉｎｃは、バイパスダイオード６３のアノード端子に入力され、カソード端子を介して、コンデンサ４０に流入する。電流Ｉｉｎｃは、コンデンサ４０を充電して、バイパスダイオード６４，６５のアノード端子に流入し、カソード端子および直列変圧器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。

　バイパスダイオード６４とバイパスダイオード６５とに分流する電流の割合は、直列変圧器１１，１３の二次巻線を含む電流経路のインピーダンスによって決定される。

　事故電流発生の初期においては、上述のように電流Ｉｉｎｃは流れる。そのため、フィルタ回路５０のインダクタ５１ａ～５１ｃには、電流Ｉｉｎｃは流れない。また、第１電力変換器２０のダイオード２３ｂ～２８ｂもバイパスダイオード６３～６５によってバイパスされるので、電流は流れない。

　第１バイパス回路６０に電流Ｉｉｎｃが流れている間には、制御部８０は、第２バイパス回路７０にバイパス制御信号Ｓｓを供給している。しかし、第２バイパス回路７０のサイリスタ７１，７２および電磁接触器７３，７４のターンオンおよび導通の遅れ時間のため、これらは非導通であり第２バイパス回路７０には、電流は流れない。

　図３に示すように、第２バイパス回路７０がバイパス制御信号Ｓｓを受信した後、サイリスタ７１，７２のターンオン時間が経過すると、サイリスタ７１，７２はターンオンする。ターンオン時間は、たとえば数μｓ～数１０μｓ程度である。サイリスタ７１，７２のターンオンの後には、電流Ｉｉｎｃは、サイリスタ７１，７２を介して流れる。サイリスタ７１，７２のオン電圧は、第１バイパス回路６０を介するコンデンサ４０の電圧よりも低いため、電流Ｉｉｎｃは、ほとんど第２バイパス回路７０を流れる。

　図４に示すように、第２バイパス回路７０がバイパス制御信号Ｓｓを受信した後、電磁接触器７３，７４の導通遅れ時間が経過すると、電磁接触器７３，７４は導通する。導通遅れ時間は、たとえば数１０ｍｓ～数１００ｍｓである。電磁接触器７３，７４が導通した後には、電流Ｉｉｎｃは電磁接触器７３，７４を介して流れる。電磁接触器７３，７４の導通時の電圧は、サイリスタ７１，７２のオン電圧よりも低いので、電流Ｉｉｎｃは、ほとんど電磁接触器７３，７４を流れる。

　このようにして、本実施形態の電圧補償装置１は、事故時の過大な電流を長時間にわたってバイパスすることができる。

　図示しないが、電力系統の異常を監視する変電所によって、異常が生じた配電系統は、遮断され、その後他の変電所からの配電系統が電圧補償装置１を介して需要者の系統に接続される。

　電圧補償装置１は、過大電流に対する保護状態が解除され、再起動される。

　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５に示すように、第１バイパス回路６０を含んでいない。そのため、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２２０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。

　バイパス回路２７０は、バイパス制御信号Ｓｓを受信するが、サイリスタのターンオン時間による遅れのため、電流Ｉｉｎｃ’をバイパスすることができない。

　そのため、二次巻線２１５ｓに誘導された電流Ｉｉｎｃ’は、フィルタ回路のインダクタ２５１ｃおよびダイオード２２５ｂを介してコンデンサ２４０を充電するように流れる。コンデンサ２４０を充電した電流は、ダイオード２２６ｂ，２２７ｂ、インダクタ２５１ａ，２５１ｂおよび直列変圧器２１１，２１３の二次巻線を介して、直列変圧器２１５の二次巻線に戻る。ダイオード２２６ｂ，２２７ｂおよびインダクタ２５１ａ，２５１ｂ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。

　図６に示すように、バイパス回路２７０は、サイリスタ２７１，２７２のターンオン時間の経過後、サイリスタ２７１，２７２をターンオンさせる。また、バイパス回路２７０は、電磁接触器２７３，２７４の導通遅れ時間の経過後、電磁接触器２７３，２７４を導通させる。そのため、電流Ｉｉｎｃ’は、サイリスタ２７１，２７２および電磁接触器２７３，２７４にバイパスされる。

　フィルタ回路２５０のインダクタ２５１ａ～２５１ｃには、バイパス回路２７０が導通する前に電流が流れていたため、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２７０が導通しても、インダクタ２５１ａ～２５１ｃ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２７０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２４０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２４０を充電し続けた場合には、コンデンサ２４０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、第１バイパス回路６０を備えている。第１バイパス回路６０は、直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線から直流リンクであるコンデンサ４０へ、フィルタ回路５０をバイパスするように接続されている。したがって、二次巻線に流れる事故電流に応じて流れる過大電流は、第１バイパス回路６０に流れるので、フィルタ回路５０内のインダクタ５１ａ～５１ｃに電流を流すことを防止する。

　電圧補償装置１は、二次巻線に流れる事故電流に応じて流れる電流をバイパスする第２バイパス回路７０を備えている。第２バイパス回路７０は、サイリスタ７１，７２と、電磁接触器７３，７４と、を含む。事故電流に応じて流れる過大電流は、第１バイパス回路６０に流れた後に、第２バイパス回路７０のサイリスタ７１，７２および電磁接触器７３，７４に流れるので、電圧補償装置１は、過大な電流に対して、より長時間通電することを可能にする。したがって、第１バイパス回路６０のバイパスダイオード６１～６６は、サイリスタ７１，７２がターンオンするまでの短い期間に過大電流を許容することができればよく、小形で低コストのたとえばダイオードブリッジを用いることができる。

　このようにして、電圧補償装置１は、事故状態の解消後、すみやかに再起動することができ、電力系統の可用性を高めることが可能になる。

　（変形例）
　図７は、第１の実施形態の変形例の電圧補償装置を例示するブロック図である。
　上述した実施形態の電圧補償装置１では、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、デルタ結線とすることもできる。
　本変形例の電圧補償装置３０１では、直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの結線以外は、第１の実施形態の電圧補償装置１と同一であり、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。

　図７に示すように、本変形例の電圧補償装置３０１では、電圧補償部３１０の直列変圧器１１の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓの一方の端子１２ａ，１４ａ，１６ａは、巻き始めであり、他方の端子１２ｂ，１４ｂ，１６ｂは、巻き終わりである。一方の端子１２ａは、他方の端子１４ｂと接続され、一方の端子１４ａは、他方の端子１６ｂと接続され、一方の端子１６ａは、他方の端子１２ｂと接続されている。端子１２ａ，１４ｂの接続ノードは、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ｂに接続されている。端子１４ａ，１６ｂの接続ノードは、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ｃに接続されている。端子１６ａ，１２ｂの接続ノードは、第１電力変換器２０の交流出力端子２２ａ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、デルタ結線されて、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。

　第１電力変換器２０の出力にスター結線の直列変圧器を接続した場合には、二次巻線の一方の端子を第１電力変換器２０の出力に接続するので、結線作業が容易になるとの利点がある。その一方で、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。

　第１電力変換器２０の出力にデルタ結線の直列変圧器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。

　本実施形態の電圧補償装置３０１では、第１電力変換器２０の出力に接続された直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓがデルタ結線されているので、電圧歪の少ない高品質の電力の連系が可能になる。

　直列変圧器１１，１３，１５の二次巻線１１ｓ，１３ｓ，１５ｓは、以下説明する他の実施形態においても、スター結線またはデルタ結線のいずれかを適用することができる。

　（第２の実施形態）
　図８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。
　上述した実施形態では、事故電流発生時に、コンデンサ４０が事故電流に応じて流れる電流によって充電される。そのため、コンデンサ４０の両端の電圧が過大な電圧に達する場合がある。本実施形態の電圧補償装置では、コンデンサ４０の両端に過大電圧が印加されないように保護する。

　図８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。電圧補償部４１０は、放電回路４６０を含む。放電回路４６０は、抵抗器４６１と、スイッチ素子４６２と、を含む。抵抗器４６１およびスイッチ素子４６２は、直列に接続されており、この直列接続体は、コンデンサ４０の両端に接続されている。スイッチ素子４６２の制御端子は、制御部４８０に接続されている。

　スイッチ素子４６２は、制御部４８０からの信号によってオンする。スイッチ素子４６２がオンすることによって、コンデンサ４０の両端は、抵抗器４６１を介して短絡される。ダイオード４６３は、スイッチ素子４６２がオフして抵抗器４６１を流れる電流が遮断されたときに、配線等を含むインダクタンスによって発生するサージ電圧をクランプして、スイッチ素子４６２を過電圧から保護する。

　スイッチ素子４６２を駆動する放電制御信号Ｓｓ１は、たとえばゲートブロック信号ＧＢと同じ条件で生成される。

　バイパス回路７０は、第１実施形態の場合と同様に、制御部４８０において生成されたバイパス制御信号Ｓｓ２によって制御される。

　本実施形態の電圧補償装置の動作について説明する。
　本実施形態の電圧補償装置４０１では、制御部４８０によって、電流データＩＬ１，ＩＬ２のうち少なくともいずれか１つがしきい値Ｉｔｈを超えた場合に、ゲートブロック信号ＧＢ、放電制御信号Ｓｓ１およびバイパス制御信号Ｓｓ２が生成される。

　第１電力変換器２０および第２電力変換器９０は、ゲートブロック信号ＧＢを受信して、電力変換動作を停止する。

　放電回路４６０は、放電制御信号Ｓｓ１を受信して、スイッチ素子４６２をオンさせる。ここで、事故電流に応じて流れる電流は、フィルタ回路５０のインダクタ５１ａ～５１ｃを介して、第１電力変換器２０に流入する。この電流は、コンデンサ４０を充電するが、オンしたスイッチ素子４６２によって抵抗器４６１に分流される。抵抗器４６１の抵抗値は、適切に設定されているので、コンデンサ４０の両端の電圧は、たとえば定格電圧より高くなることを防止する。

　その後、バイパス制御信号Ｓｓ２を受信しているバイパス回路７０のサイリスタ７１，７２がターンオンし、電流の一部をバイパスする。

　このとき、フィルタ回路５０のインダクタ５１ａ～５１ｃには、それまで流れていた電流に応じたエネルギを放出するように、電流は流れ続ける。放電回路４６０は、コンデンサ４０の両端を抵抗器４６１を介して短絡する。そのため、交流出力端子２２ａ～２２ｃから見た第１電力変換器２０のインピーダンスは、放電回路４６０の動作前よりも低くなる。そのため、インダクタ５１ａ～５１ｃに蓄積されたエネルギは、放電回路４６０がない場合よりも短時間で放電を完了する。インダクタ５１ａ～５１ｃの蓄積エネルギを放出した後には、事故電流に応じて流れる電流は、すべてバイパス回路７０に流れるようになる。

　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では、放電回路４６０を含む電圧補償部４１０を備えている。放電回路４６０は、制御部４８０から出力される放電制御信号Ｓｓ１によって動作する。放電回路４６０は、コンデンサ４０を放電するように接続されている。放電制御信号Ｓｓ１は、過大な電流が流れたことを検出したときに生成されて出力されるので、放電回路４６０は、フィルタ回路５０のインダクタ５１ａ～５１ｃおよび第１電力変換器２０のダイオード２３ｂ～２８ｂを介して流れるコンデンサ４０の充電電流による両端電圧の増大を抑制する。

　本実施形態の電圧補償装置４０１では、第１電力変換器２０のダイオード２３ｂ～２８ｂに事故電流に応じて流れる電流が流れるが、コンデンサ４０の両端に接続された放電回路４６０によって低インピーダンスになる。そのため、電流の継続は短時間ですみ、ダイオード２３ｂ～２８ｂの電流容量を増大させることなく、事故電流の保護を行うことができる。

　したがって、本実施形態の電圧補償装置４０１では、コンデンサ４０の充電電流による両端電圧の増大が抑制されるので、コンデンサ４０は、より小さい静電容量を有し、より低い電圧定格有するものを用いることができる。電圧補償装置４０１の専有面積やコストの低減等に寄与することができる。

　本実施形態の放電回路４６０は、第１の実施形態およびその変形例の電圧補償装置にも適用することができる。放電回路４６０を第１の実施形態およびその変形例の電圧補償装置にも適用することによって、コンデンサ４０への充電電流を低減し、合せてコンデンサ４０両端の電圧上昇を抑制することができるので、より効果的に事故時の保護動作を行うことができる。

　上述した各実施形態や各変形例において、制御部８０，４８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）やＭＰＵ（Micro-Processing Unit）等のプログラムを逐次実行するデバイスを含んでもよい。制御部８０，４８０を構成する各部、各演算器等は、プログラムを構成する１つあるいは複数のステップを実行することによって実現されていてもよい。

　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、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。

Claims

　電力系統の電圧を補償する電圧補償装置であって、
　第１直流端子と、第２直流端子と、第１交流端子と、第２交流端子と、
　前記第１交流端子から前記第１直流端子に向かう第１電流経路と、
　前記第２直流端子から前記第２交流端子に向かう第２電流経路と、
　前記第２交流端子から前記第１直流端子に向かう第３電流経路と、
　前記第２直流端子から前記第１交流端子に向かう第４電流経路と、
　を含む電力変換部と、
　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直流端子と前記第２直流端子との間に接続されたコンデンサと、
　前記第１変圧器の二次巻線と、前記第１交流端子との間に直列に接続されたインダクタと、
　前記第１変圧器の二次巻線および第１インダクタが接続されたノードから前記第１直流端子に向かって電流を流す第１整流素子と、
　前記第２直流端子から前記ノードに向かって電流を流す第２整流素子と、
　を備えた電力補償装置。
　前記第１電力線に流れる電流を検出する電流検出器と、
　前記電流検出器によって検出された電流値と、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、
　をさらに備えた請求項１記載の電圧補償装置。
　前記バイパス回路は、サイリスタを含む請求項２記載の電圧補償装置。
　前記バイパス回路は、電磁接触器を含む請求項２記載の電圧補償装置。
　前記バイパス回路は、電磁接触器を含む請求項３記載の電圧補償装置。
　前記制御信号にもとづいて前記コンデンサを放電させる放電回路をさらに備えた請求項２記載の電圧補償装置。
　前記制御信号にもとづいて前記コンデンサを放電させる放電回路をさらに備えた請求項３記載の電圧補償装置。
　前記制御信号にもとづいて前記コンデンサを放電させる放電回路をさらに備えた請求項４記載の電圧補償装置。
　前記制御信号にもとづいて前記コンデンサを放電させる放電回路をさらに備えた請求項５記載の電圧補償装置。
　電力系統の電圧を補償する電圧補償装置であって、
　第１交流入力端子と、第２交流入力端子と、第１直流出力端子と、第２直流出力端子と、
　前記第１交流入力端子から前記第１直流出力端子に向かう第１電流経路と、
　前記第２交流入力端子から前記第２直流出力端子に向かう第２電流経路と、
　前記第２交流入力端子から前記第１直流出力端子に向かう第３電流経路と、
　前記第１交流入力端子から前記第２直流出力端子に向かう第４電流経路と、
　を含む電力変換部と、
　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交流入力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交流入力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直流出力端子と前記第２直流出力端子との間に接続されたコンデンサと、
　前記第１変圧器の二次巻線と、前記第１交流入力端子との間に直列に接続されたインダクタと、
前記第１電力線に流れる電流を検出する電流検出器と、
　前記電流検出された電流値と、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、
　前記制御信号にもとづいて前記コンデンサを放電させる放電回路と、
　を備えた電圧補償装置。