特許 6018934 電力変換装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6018934

(24)【登録日】2016年10月7日

(45)【発行日】2016年11月2日

(54)【発明の名称】電力変換装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20161020BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/12 U

   H02M7/12 H

【請求項の数】24

【全頁数】26

(21)【出願番号】特願2013-11609(P2013-11609)

(22)【出願日】2013年1月25日

(65)【公開番号】特開2014-143864(P2014-143864A)

(43)【公開日】2014年8月7日

【審査請求日】2015年2月24日

(73)【特許権者】

【識別番号】000005108

【氏名又は名称】株式会社日立製作所

(74)【代理人】

【識別番号】100100310

【弁理士】

【氏名又は名称】井上 学

(74)【代理人】

【識別番号】100098660

【弁理士】

【氏名又は名称】戸田 裕二

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】井上 重徳

(72)【発明者】

【氏名】加藤 修治

(72)【発明者】

【氏名】清藤 康弘

(72)【発明者】

【氏名】門脇 慎

(72)【発明者】

【氏名】藤田 裕幸

(72)【発明者】

【氏名】小形 秀紀

【審査官】 鈴木 重幸

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１４−０５７４８８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２３９７２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 実開平０５−０４３７３４（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開昭５６−１６２９７７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−３２７２５１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ １／００− ７／９８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも４つの巻線を三組有する変圧装置と、スイッチング素子とエネルギー貯蔵素子を備えた単位変換器を１つまたは複数直列接続して構成した変換器アーム３つを備えた電力変換装置において、前記４つの巻線は、第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線と第４の巻線として構成され、前記第１の巻線に電源または負荷を接続し、前記変換器アームの各々に前記電源または負荷との間で電力を変換するよう前記いずれかの組の第２の巻線と前記いずれかの組の第３の巻線を直列に接続して回路を構成し、前記第１の巻線と前記第２の巻線の結合係数と、前記第１の巻線と前記第３の巻線との結合係数の大小関係が、前記第４の巻線と前記第２の巻線の結合係数と、前記第４の巻線と前記第３の巻線との結合係数の大小関係と、等しいことを特徴とする電力変換装置。

【請求項2】

少なくとも４つの単相巻線を有する単相変圧器３つと、スイッチング素子とエネルギー貯蔵素子を備えた単位変換器を１つまたは複数直列接続して構成した変換器アーム３つを備えた電力変換装置において、前記単相変圧器３つの第１の単相巻線に電源または負荷を接続し、前記変換器アームの各々に前記電源または負荷との間で電力を変換するよう前記いずれかの第２の単相巻線と前記いずれか第３の単相巻線を直列に接続して回路を構成し、前記第１の単相巻線と前記第２の単相巻線の結合係数と、前記第１の単相巻線と前記第３の巻線との結合係数の大小関係が、前記第４の単相巻線と前記第２の巻単相線の結合係数と、前記第４の単相巻線と前記第３の単相巻線との結合係数の大小関係と、等しいことを特徴とする電力変換装置。

【請求項3】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記第４の巻線に負荷を接続したことを特徴とする電力変換装置。

【請求項4】

請求項２に記載の電力変換装置において、前記第４の単相巻線に負荷を接続したことを特徴とする電力変換装置。

【請求項5】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記４つの巻線が３脚鉄心に巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項6】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記４つの巻線が４脚鉄心に巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項7】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記４つの巻線が５脚鉄心に巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項8】

請求項１、２に記載の電力変換装置において、前記単位変換器が双方向チョッパ回路を用いて構成されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項9】

請求項１、２に記載の電力変換装置において、前記単位変換器がフルブリッジ回路を用いて構成されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項10】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記第２、第３の巻線が千鳥結線を構成していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項11】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記第２、第３の巻線がオープン千鳥結線を構成していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項12】

請求項１に記載の電力変換装置において、前記第２、第３の巻線がダブルスター結線を構成していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項13】

請求項２に記載の電力変換装置において、前記３つの単相変圧器の前記第２、第３の単相巻線が千鳥結線を構成していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項14】

請求項２に記載の電力変換装置において、前記３つの単相変圧器の前記第２、第３の単相巻線がオープン千鳥結線を構成していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項15】

請求項２に記載の電力変換装置において、前記３つの単相変圧器の前記第２、第３の単相巻線がダブルスター結線を構成していることを特徴とする電力変換装置。

【請求項16】

請求項１に記載の電力変換装置において、鉄心脚に近い側から前記第４の巻線の１つの相、前記第１の巻線の１つの相、前記第２の巻線の１つの相、前記第３の巻線の１つの相の順序で巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項17】

請求項１に記載の電力変換装置において、鉄心脚に近い側から前記第４の巻線の１つの相、前記第１の巻線の１つの相、前記第３の巻線の１つの相、前記第２の巻線の１つの相の順序で巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項18】

請求項２に記載の電力変換装置において、鉄心脚に近い側から前記第４の単相巻線、前記第１の単相巻線、前記第２の単相巻線、前記第３の単相巻線の順序で巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項19】

請求項２に記載の電力変換装置において、鉄心脚に近い側から前記第４の単相巻線、前記第１の単相巻線、前記第３の単相巻線、前記第２の単相巻線の順序で巻回されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項20】

請求項１〜１９に記載の電力変換装置において、前記第１〜第４の巻線または単相巻線の組が、少なくとも１つのΔ結線を有することを特徴とする電力変換装置。

【請求項21】

請求項１〜１９に記載の電力変換装置において、前記第１の巻線または単相巻線の組の中性点が接地されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項22】

請求項１〜１９に記載の電力変換装置において、前記第１〜第４の巻線または単相巻線の組が、少なくとも１つのΔ結線を有し、かつ、前記第１の三相巻線または単相巻線の組の中性点が接地されていることを特徴とする電力変換装置。

【請求項23】

請求項１〜２２に記載の電力変換装置において、前記変換器アーム、前記第２の巻線と前記第３の巻線を直列に接続した回路について、前記３つの回路の両端を直流端子となし、前記直流端子の１つを接地したことを特徴とする電力変換装置。

【請求項24】

請求項１〜２２に記載の電力変換装置において、前記変換器アーム、前記第２の巻線と前記第３の巻線を直列に接続した回路について、前記３つの回路の両端を直流端子となし、２つの直流端子の中点を接地したことを特徴とする電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、交流電力を直流電力に、あるいはその逆に変換する電力変換装置及び電力変換システムに係り、特に、１つまたは複数の単位変換器を直列接続して構成したアームを備えて電力変換するのに好適な電力変換装置及び直流送電システムに関する。

【背景技術】

【0002】

交流を直流に或いは直流を交流に電力変換する技術が近年多く用いられている。この種の装置として，単位変換器を利用するものが知られている。単位変換器を複数直列に接続して、各々の単位変換器において、エネルギー貯蔵要素に対して半導体スイッチング素子を動作させることで電力変換動作するものである。高電圧に耐えられる電力変換装置が比較的に容易に得られる。

【0003】

この電力変換装置としては，１つまたは複数の単位変換器の直列回路からなるアームと変圧器巻線との直列回路を複数並列接続した回路構成が知られている。例えば、特開２０１０−２３３４１１号公報に記載されている。

【0004】

前記の回路構成はマルチレベル変換器の一種であり、ＩＧＢＴ （Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ−Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）、ＧＴＯ （Ｇａｔｅ Ｔｕｒｎ−Ｏｆｆ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）、ＧＣＴ （Ｇａｔｅ−Ｃｏｍｍｕｔａｔｅｄ Ｔｈｙｒｉｓｔｏｒ）等、オン・オフ制御可能なパワー半導体デバイスを用いて、前記スイッチング素子の耐圧以上の電圧を出力可能である。

【0005】

なお、本明細書では、特許文献１と非特許文献１で開示されている電力変換装置の回路方式をＺＣ−ＭＭＣ （Ｚｅｒｏ−Ｓｅｑｕｅｎｃｅ Ｃａｎｃｅｌｌｉｎｇ Ｍｏｄｕｌａｒ Ｍｕｌｔｉｌｅｖｅｌ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ）と称することにする。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特開２０１０−２３３４１１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

特許文献１には、変圧器の一次巻線に交流系統を接続し、２次巻線と直列に変換器アームを接続した回路構成が示されている（例えば特許文献１の図２１）。

【0008】

本発明の発明者らは、前記ＨＶＤＣにおいて、変圧器巻線の自己・相互インダクタンスの関係に依存して、以下で説明する課題が生じる場合があることを見出した。

【0009】

前記ＨＶＤＣの直流送電線において地絡または短絡事故が発生した場合、変換器アームと変圧器２次巻線に直流事故電流が流れる。

【0010】

一般に、超高圧の交流系統に接続する変圧器では、例えば該交流系統に接続している巻線をＹ結線としその中性点を接地する場合が多いが、直流事故が発生した場合、前記の直流事故電流が変圧器の１次巻線、すなわち交流系統側にも零相直流電流として流出してしまう場合があるという課題がある。

【0011】

前記直流事故電流は、例えば前記変圧器の１次巻線（交流系統側）に接続した遮断器で遮断できるが、前記零相直流電流が重畳することによって遮断器の遮断性能に悪影響を及ぼす等の恐れがある。

【0012】

本発明の目的は、直流送電線の地絡・短絡事故時が発生した場合でも、交流系統側に流出する零相直流電流を低減できる電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

上記目的を達成するために、本発明では、少なくとも４つの巻線を三組有する変圧装置と、スイッチング素子とエネルギー貯蔵素子を備えた単位変換器を１つまたは複数直列接続して構成した変換器アーム３つを備え、前記４つの巻線は、第１の巻線、第２の巻線、第３の巻線と第４の巻線として構成され、前記第１の巻線に電源または負荷を接続し、前記変換器アームの各々に前記電源または負荷との間で電力を変換するよう前記いずれかの組の第２の巻線と前記いずれかの組の第３の巻線を直列に接続して回路を構成し、前記第１の巻線と前記第２の巻線の結合係数と、前記第１の巻線と前記第３の巻線との結合係数の大小関係が、前記第４の巻線と前記第２の巻線の結合係数と、前記第４の巻線と前記第３の巻線との結合係数の大小関係と、等しいように構成した。

【0014】

あるいは、少なくとも４つの単相巻線を有する単相変圧器３つと、スイッチング素子とエネルギー貯蔵素子を備えた単位変換器を１つまたは複数直列接続して構成した変換器アーム３つを備え、前記単相変圧器３つの第１の単相巻線に電源または負荷を接続し、前記変換器アームの各々に前記電源または負荷との間で電力を変換するよう前記いずれかの第２の単相巻線と前記いずれか第３の単相巻線を直列に接続して回路を構成し、前記第１の単相巻線と前記第２の単相巻線の結合係数と、前記第１の単相巻線と前記第３の巻線との結合係数の大小関係が、前記第４の単相巻線と前記第２の巻単相線の結合係数と、前記第４の単相巻線と前記第３の単相巻線との結合係数の大小関係と、等しいように構成した。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、ＨＶＤＣでの直流送電線の地絡・短絡事故時に、交流系統側に流出する零相直流電流を低減できる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明による電力変換装置の第１の形態

【図2】双方向チョッパ回路形単位変換器

【図3】フルブリッジ回路形単位変換器

【図4】実施例１における変圧器巻線回路図

【図5】変圧器巻線配置例その１

【図6】変圧器巻線配置例その２

【図7】変圧器巻線一相分の等価回路

【図8】変圧器巻線配置例その１を用いた場合の概略波形

【図9】変圧器巻線配置例その２を用いた場合の概略波形

【図10】本発明による電力変換装置の第２の形態

【図11】実施例２における変圧器巻線回路図

【図12】本発明による電力変換装置の第３の形態

【図13】実施例３における変圧器巻線回路図

【発明を実施するための形態】

【0017】

本実施例の詳細な説明に先立って、本実施例のポイントを先に説明する。本発明の発明者らは、前記変圧器に３次Δ巻線を追加する構成を考案した。該３次Δ巻線によって補機への電源供給が可能となることに加え、該３次巻線から変換器アームに含まれる単位変換器のコンデンサを充電する等が可能になる。また、３次Δ巻線を追加した変圧器を用いてＺＣ−ＭＭＣを構成し、さらに例えば直流送電線を介して該ＺＣ−ＭＭＣの直流出力端子を、他の交直変換回路の直流出力端子と接続することによって直流送電システム（ＨＶＤＣ）を構成できる。

【実施例1】

【0018】

本発明の第１の実施例について説明する。本実施例は、双方向チョッパ回路を単位変換器とし、前記双方向チョッパ回路を複数直列接続して構成した３つの変換器アームと変圧器の３つの２次巻線をそれぞれ直列接続した回路３つを並列接続し、並列接続点の一方を直流正側端子、他方を直流負側端子とし、前記変圧器の１次巻線を三相電力系統に接続し、前記変圧器の３次巻線をΔ結線した電力変換装置である。

【0019】

また、本実施例は、前記の電力変換装置２つの直流端子どうし、または、前記の電力変換装置１つと他方式の電力変換装置１つの直流端子どうしを、例えば直流送電線を介して接続したＨＶＤＣ、周波数変換装置（ＦＣ）、またはＢＴＢ（Ｂａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋ）システムの構成である。

【0020】

本実施例によれば、前記の直流送電線での地絡・短絡事故発生時に、直流事故電流が交流系統側に零相直流電流として流出することを防止できるという効果が得られる。

【0021】

まず、図１を用いて、実施例１の全体構成を説明する。

【0022】

電力変換装置１０３は変圧器１０４と遮断器１０５を介して交流系統１０１に接続している。交流系統１０１は接地点１０２にて接地されている。また、変圧器１０４の１次巻線のａ、ｂ、ｃ点に交流系統１０１を、２次巻線のｕ、ｖ、ｗ点に変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗの一端を接続しており、３次巻線はΔ結線されている。なお、変圧器１０４の詳細構成については図４〜６を用いて後述する。また、各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗの他端は直流正側端子（Ｐ点）に接続されており、さらに、変圧器２次巻線の中性点は直流負側端子（Ｎ点）に接続されている。

【0023】

すなわち、変圧器２次巻線（図４の４０２）と各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗが直列接続された回路が、Ｐ点とＮ点で並列接続されている構成となっている。

【0024】

直流正側端子（Ｐ点）と直流負側端子（Ｎ点）には直接、あるいは図示されていない直流送電線を介して他端電力変換装置１０９を接続している。ここで、他端電力変換装置１０９は、電力変換装置１０３と同一構成または異なる構成とすることができる。

【0025】

各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗは複数の単位変換器１０７の直列回路である。単位変換器１０７の内部構成については図２、３を用いて後述する。

【0026】

以下、図１中に図示した電圧、電流を定義する。

【0027】

交流系統１０１のa相相電圧をＶＳａ、ｂ相相電圧をＶＳｂ、ｃ相相電圧をＶＳｃと称する。

【0028】

また、変圧器１０４のｕ点とｕ相変換器アーム１０６ｕに流れる電流をＩｕ、変圧器１０４のｖ点とｖ相アーム１０６ｖに流れる電流をＩｖ、変圧器１０４のｗ点とｗ相アーム１０６ｗに流れる電流をＩｗと称する。

【0029】

さらに、ｕ相アーム１０６ｕに含まれる１つまたは複数の単位変換器１０７の出力電圧の和をｕ相アーム１０６ｕの出力電圧Ｖｕと称する。同様に、ｖ相アーム１０６ｖに含まれる１つまたは複数の単位変換器１０７の出力電圧の和をｖ相アーム１０６ｖの出力電圧Ｖｖ、ｗ相アーム１０４ｗに含まれる１つまたは複数の単位変換器１０７の出力電圧の和をｗ相アーム１０６ｗの出力電圧Ｖｗと称する。

【0030】

直流正側端子（Ｐ点）と直流負側端子（Ｎ点）の間の電圧をＶＤＣと称する。また、電力変換装置１０３から他端電力変換装置１０９に流れる電流を直流電流ＩＤＣと称する。

【0031】

電力変換装置１０３と他端電力変換装置１０９が電力を融通している場合、直流電流ＩＤＣは概ね１／３ずつ変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗに分流し、さらに変圧器２次巻線を零相電流として流れる。

【0032】

さらに、各単位変換器１０７のコンデンサ電圧をＶＣｊｋと称する。ここで、ｊは該単位変換器が属する変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗを表わしており、例えばｊ＝ｕ、ｖ、ｗである。また、ｋは該アーム１０６ｕ、ｖ、ｗ内での番号であり、例えばｋ＝１、２、…、Ｍである。ここで、Ｍはアーム１０６ｕ、ｖ、ｗに含まれる単位変換器１０７の数である。

【0033】

以下、図２、３を用いて単位変換器１０７の内部構成の一例を説明する。単位変換器１０７として、例えば片極性の電圧を出力できる双方向チョッパ回路形単位変換器１０７ｃやフルブリッジ回路形単位変換器１０７ｆを用いることができる。まず、図２を用いて双方向チョッパ回路形単位変換器１０７ｃの回路構成を説明する。

【0034】

上側スイッチング素子２０１Ｈと上側環流ダイオード２０２Ｈが逆並列接続された回路と、下側スイッチング素子２０１Ｌと下側環流ダイオード２０２Ｌが逆並列接続された回路とをａ点で直列接続し、該直列接続された回路をコンデンサ２０３と並列接続している。

【0035】

本明細書では上側スイッチング素子２０１Ｈと下側スイッチング素子２０１Ｌ、および後述の図３で説明するＸ相上側スイッチング素子２０１ＸＨ、Ｘ相下側スイッチング素子２０１ＸＬ、Ｙ相上側スイッチング素子２０１ＹＨ、Ｙ相下側スイッチング素子２０１ＹＬを総称して単にスイッチング素子２０１と称する。

【0036】

なお、図２、３では、スイッチング素子２０１としてＩＧＢＴの記号を描いているが、オン・オフ制御可能なパワー半導体デバイスであれば、ＧＴＯ、ＧＣＴ、ＭＯＳＦＥＴ （Ｍｅｔａｌ−Ｏｘｉｄｅ−Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等、ＩＧＢＴとは異なる種類のスイッチング素子を用いることも可能である。

【0037】

前記のａ点と、コンデンサ２０３の一端（ｎ点）の間の電圧を単位変換器１０７の出力電圧Ｖｊｋと称する。ただし、ｊ＝ｕ、ｖ、ｗ、ｋ＝１、２、…、Ｍであり、Ｍは各変換器アーム１０４Ｕ、Ｖ、Ｗに含まれる単位変換器１０７の数を表わす。

【0038】

以下、双方向チョッパ形単位変換器１０７ｃの出力電圧Ｖｊｋと、スイッチング素子２０１Ｈ、Ｌのオン・オフ状態の関係を説明する。

【0039】

上側スイッチング素子２０１Ｈがオン、下側スイッチング素子２０１Ｌがオフの場合、電流Ｉｊ（ｊ＝ｕ、ｖ、ｗ）に関わらず、出力電圧Ｖｊｋをコンデンサ電圧ＶＣｊｋと概ね等しく制御できる。

【0040】

上側スイッチング素子２０１Ｈがオフ、下側スイッチング素子２０１Ｌがオンの場合、電流Ｉｊに関わらず、出力電圧Ｖｊｋを零と概ね等しく制御できる。

【0041】

以下、直流正側端子（Ｐ点）と直流負側端子（Ｎ点）の間を短絡する直流事故１０８が発生した場合の電流について説明する。

【0042】

直流事故１０８が発生すると、直流電流ＩＤＣが増加する。したがって、各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗと変圧器２次巻線４０２を流れる零相電流も増加する。

【0043】

特開２０１０−２３９７２３にて開示されているように、各単位変換器１０７のスイッチング素子２０１を全てオフすると、コンデンサ２０３（またはコンデンサ３０１）から、直流事故１０８への電流の流出を防止できる。

【0044】

各単位変換器１０７のスイッチング素子を全てオフした後、各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗは、各単位変換器１０７ｃの下側還流ダイオード２０１Ｌが存在するために、半波整流器として動作する。このため、交流系統１０１から直流事故１０８に交流事故電流が流入する。この交流事故電流は、遮断器１０５によって遮断可能であり、交流事故電流が遮断された後、直流側事故電流は減衰する。

【0045】

本発明の発明者らは、前記交流事故電流が流れている期間おいて、前記交流事故電流に加えて、変圧器１０４の各巻線の自己・相互インダクタンスに依存して、零相直流電流が交流系統１０１に流出する場合があることを見出した。この原理と解決方法について、以下で説明する。

【0046】

まず、図４〜６を用いて、変圧器１０４の内部構成の一例を説明する。

【0047】

最初に、図４を用いて、変圧器１０４の各巻線の結線状態の一例について説明する。

【0048】

ａ相鉄心脚４０４ａに、ａ相１次巻線４０１ａ、ａ脚ｕ相２次巻線４０２ａｕ、ａ脚ｗ相２次巻線４０２ａｗ、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓを巻回している。また、ｂ相鉄心脚４０４ｂに、ｂ相１次巻線４０１ｂ、ｂ脚ｖ相２次巻線４０２ｂｖ、ｂ脚ｕ相２次巻線４０２ｂｕ、ｓｔ相３次巻線４０３ｓｔを巻回している。同様に、ｃ相鉄心脚４０４ｃに、ｃ相１次巻線４０１ｃ、ｃ脚ｗ相２次巻線４０２ｃｗ、ｃ脚ｖ相２次巻線４０２ｃｖ、ｓｔ相３次巻線４０３ｔｓを巻回している。

【0049】

すなわち、変圧器１０４は、１次巻線、２つの２次分割巻線、３次巻線という、４つの三相巻線を備えている。

【0050】

また、変圧器１０４の各鉄心脚４０４ａ、ｂ、ｃが独立した磁路を構成し、３つの単相変圧器として構成されている場合、言い換えれば、電力変換装置１０２は、４つの単相巻線を有する３つの単相変圧器を備えていると言える。

【0051】

１次巻線４０１ａ、ｂ、ｃをスター結線しており、ｇ点で接地している。

【0052】

また、２次分割巻線４０２ａｗ、ｂｕ、ｃｖはＮ点でスター結線している。

【0053】

さらに、２次分割巻線４０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗのそれぞれの一端は、ｕ点、ｖ点、ｗ点を介して変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗに接続している。

【0054】

２次分割巻線４０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗの、変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗと反対側の端は、それぞれ２次分割巻線４０２ａｗ、ｂｕ、ｃｖのＮ点とは反対側の端に接続している。

【0055】

言い換えれば、６つの２次分割巻線４０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖは千鳥結線を構成している。本実施例では、６つの２次分割巻線４０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖを総称して単に２次巻線と称する。ここで、２次分割巻線４０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖの巻数は概ね等しい。

【0056】

なお、図４では、２次分割巻線４０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖの結線として、例えば４０２ａｕと４０２ｂｕが接続している場合を描いているが、２次巻線４０２が図４とは異なる２次分割巻線の組み合わせを用いた千鳥結線となっている場合にも、本発明は適用可能であり、本実施例はこのような場合も含んでいるものとする。

【0057】

３次巻線４０３の各巻線４０３ｒｓ、ｓｔ、ｔｒはΔ結線されている。図４では、ｒ、ｓ、ｔの各点に何も接続していないが、本実施例はｒ、ｓ、ｔ点に補機等の負荷や電源を接続した場合も含んでいるものとする。ｒ、ｓ、ｔ点に負荷を接続した場合、３次巻線４０３をからこれらの負荷に電力を供給できるという効果を得られる。また、ｒ、ｓ、ｔ点に電源を接続した場合、３次巻線４０３から各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗの単位変換器１０７に含まれるコンデンサ２０３（および図３のコンデンサ３０１）を充電できるという効果を得られる。

【0058】

３つの鉄心脚４０４ａ、ｂ、ｃが、３脚鉄心を構成していても、図示していない他の２脚とともに５脚鉄心を構成していても、本発明は適用可能である。また、３つの鉄心脚４０４ａ、ｂ、ｃが独立した磁路を構成し、変圧器１０４が３つの単相変圧器として構成されている場合にも本発明は適用可能である。

【0059】

ここで、本明細書では、変圧器１０４の巻線のうち、交流系統１０１に接続されている巻線を１次巻線と称し、変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗに接続されている巻線を２次巻線、Δ結線されている巻線を３次巻線と称しているが、「１次」、「２次」、「３次」は説明のための便宜的な呼称であって、呼称が異なっていても本発明は適用可能である。

【0060】

次に、図５、６を用いて、各巻線と鉄心脚の配置について説明する。

【0061】

図５、６は、変圧器１０４の一相分の鉄心脚と巻線の配置例の１つを示した概略断面図である。図５と図６では巻線配置が異なる。後述するように、本発明の発明者らは、図５の巻線配置では、前述の直流事故電流の交流系統への零相直流電流として流出するが、図６では流出する電流を低減できることを見出した。

【0062】

図５では、ａ相鉄心脚４０４ａに対して近い側から、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓ、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕ、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗ、ａ相１次巻線４０１ａの順序で配置している。

【0063】

一方、図６では、ａ相鉄心脚４０４ａに対して近い側から、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓ、ａ相１次巻線４０１ａ、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕ、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの順序で配置している。

【0064】

以下、図７を用いて、図５、６の巻線配置で、直流事故電流の交流系統への零相直流電流としての流出の大きさが異なる原理を説明する。

【0065】

図７は、変圧器１０４の一相分の各巻線の自己・相互インダクタンスを用いた等価回路である。

【0066】

なお、Ｌ１をａ相１次巻線４０１ａの自己インダクタンスであるとし、Ｌ２をａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕの自己インダクタンスであるとし、Ｌ３をａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの自己インダクタンスであるとし、Ｌ４をｒｓ相３次巻線４０３ｒｓの自己インダクタンスであるとする。

【0067】

さらに、Ｍ１２（＝Ｍ２１）をａ相１次巻線４０１ａとａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕの相互インダクタンスであるとし、Ｍ１３（＝Ｍ３１）をａ相１次巻線４０１ａとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの相互インダクタンスであるとし、Ｍ１４をａ相１次巻線４０１ａとｒｓ相３次巻線４０３ｒｓの相互インダクタンスであるとし、Ｍ２３（＝Ｍ３２）をａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの相互インダクタンスであるとし、Ｍ２４（＝Ｍ４２）をａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕとｒｓ相３次巻線４０３ｒｓの相互インダクタンスであるとし、Ｍ３４をａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗとｒｓ相３次巻線４０３ｒｓの相互インダクタンスであるとする。

【0068】

Ｌ１を流れる電流をｉ１とし、Ｌ２を流れる電流をｉ２とし、Ｌ３を流れる電流をｉ３とし、Ｌ４を流れる電流をｉ４とする。

【0069】

また、ａ相１次巻線４０１ａに誘起される電圧をｖ１、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕに誘起される電圧をｖ２、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗに誘起される電圧をｖ３、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓに誘起される電圧をｖ４とする。

【0070】

さらに、ｉ１によってＬ２、Ｌ３、Ｌ４に誘起される電圧をそれぞれｖ１２、ｖ１３、ｖ１４とし、ｉ２によってＬ１、Ｌ３、Ｌ４に誘起される電圧をそれぞれｖ２１、ｖ２３、ｖ２４とし、ｉ３によってＬ１、Ｌ２、Ｌ４に誘起される電圧をそれぞれｖ３１、ｖ３２、ｖ３４とし、ｉ４によってＬ１、Ｌ２、Ｌ３に誘起される電圧をそれぞれｖ４１、ｖ４２、ｖ４３とする。

【0071】

なお、外部回路７０１〜７０４は、それぞれａ相１次巻線４０１ａ、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕ、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗ、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓの外部回路を代表して描いたものである。

【0072】

図７の変圧器等価回路において（１）式が成立する。

【0073】

【数1】

【0074】

相互インダクタンスＭ１２（＝Ｍ２１）、Ｍ１３（＝Ｍ３１）、Ｍ１４（＝Ｍ４１）、Ｍ２３（＝Ｍ３２）、Ｍ２４（＝Ｍ４２）、Ｍ３４（＝Ｍ４３）を結合係数を用いて表わせば、（１）式は（２）式〜式（７）で表わすことができる。

【0075】

【数2】

【0076】

【数3】

【0077】

【数4】

【0078】

【数5】

【0079】

【数6】

【0080】

【数7】

【0081】

以下、図１、４、７、（１）〜（７）式を用いて、直流事故１０８が発生した場合に、各巻線に流れる電流について説明する。ただし、変圧器２次側の直流電流は零相成分のみであるとして、各電圧・電流の零相成分のみに着目して説明する。

【0082】

直流事故１０８が発生すると、ＩＤＣが増加し、図４のＮ点からｕ、ｖ、ｗの各点に向かって１／３ずつ２次巻線４０２を流れる直流電流（ＩＤＣ／３）も増加する。

【0083】

図４に示すように、ＩＤＣ／３の方向は、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗとで逆向きとなる。

【0084】

したがって、図７の等価回路では、ｉ２＝−ｉ３＝−ＩＤＣ／３となる。

【0085】

ここで、直流事故１０８が発生した場合の１次巻線４０１と３次巻線４０３に印加される零相電圧について説明する。

【0086】

交流系統１０１の相電圧ＶＳａ、ＶＳｂ、ＶＳｃは零相成分を含まないとすると、１次巻線４０１に印加される零相電圧は概ね零である。したがって、図７においてｖ１は概ね零である。

【0087】

また、３次巻線４０３はΔ結線されているため、３次巻線４０３に印加される零相電圧は概ね零である。したがて、図７においてｖ４は概ね零である。

【0088】

前述のように、ｉ２＝−ｉ３＝−ＩＤＣ／３とすると、図７および（１）〜（７）式より、ｉ１、ｉ４は（８）、（９）式で表わされる。

【0089】

【数8】

【0090】

【数9】

【0091】

また、（８）、（９）式のそれぞれの第２項中の（ｖ２１＋ｖ３１）と（ｖ２４＋ｖ３４）は（１０）、（１１）式で表わされる。

【0092】

【数10】

【0093】

【数11】

【0094】

（９）、（１０）、（１１）式を（８）式に代入すれば、（１２）式を得る。

【0095】

【数12】

【0096】

ここで、Ｍ１２、Ｍ１３、Ｍ１４、Ｍ２４、Ｍ３４に（２）〜（４）、（６）、（７）式を代入すれば、（１３）式を得る。

【0097】

【数13】

【0098】

すなわちｉ１は（１４）式で表わされる。

【0099】

【数14】

【0100】

ただし、（１３）、（１４）式中のＡ、Ｂは（１５）、（１６）式で表わされる。

【0101】

【数15】

【0102】

【数15】

【0103】

ここで、各結合係数ｋ１２、ｋ１３、ｋ１４、ｋ２４、ｋ３４の組み合わせによって、（１４）〜（１６）式のＡとＢが強め合う場合（Ａ＞０、Ｂ＞０またはＡ＜０、Ｂ＜０）と弱めあう場合（Ａ＞０、Ｂ＜０またはＡ＜０、Ｂ＞０）がある。

【0104】

ｋ１２＞ｋ１３かつ、ｋ２４＞ｋ３４の場合、（１５）、（１６）式の括弧内が共に正となる。これによってＡ＞０、Ｂ＜０となり、ＡとＢは異符号となるためＡ＋Ｂは弱めあう。すなわちｉ１は小さくなる。

【0105】

ｋ１２＜ｋ１３かつ、ｋ２４＜ｋ３４の場合、（１５）、（１６）式の括弧内が共に負となる。これによってＡ＜０、Ｂ＞０となり、ＡとＢは異符号となるためＡ＋Ｂは弱めあう。すなわちｉ１は小さくなる。

【0106】

ｋ１２＞ｋ１３かつ、ｋ２４＜ｋ３４の場合、（１５）式の括弧内が正、（１６）式の括弧内が負となる。これによってＡ＞０、Ｂ＞０となり、ＡとＢは同符号となるためＡ＋Ｂは強め合う。すなわちｉ１は大きくなる。

【0107】

ｋ１２＜ｋ１３かつ、ｋ２４＞ｋ３４の場合、（１５）式の括弧内が負、（１６）式の括弧内が正となる。これによってＡ＜０、Ｂ＜０となり、ＡとＢは同符号となるためＡ＋Ｂは強め合う。すなわちｉ１は大きくなる。

【0108】

以上をまとめると、結合係数ｋ１２、ｋ１３の大小関係が、結合係数ｋ２４、ｋ３４の大小関係と等しい場合、ｉ１は小さくなる。

【0109】

逆に、結合係数ｋ１２、ｋ１３の大小関係が、結合係数ｋ２４、ｋ３４の大小関係と異なる場合、ｉ１は大きくなる。

【0110】

以下、図５、６に示した２つの巻線配置と、以上で説明した結合係数の大小関係の対応を説明する。
前述のように、図５では、ａ相鉄心脚４０４ａに対して近い側から、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓ、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕ、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗ、ａ相１次巻線４０１ａの順序で配置している。

【0111】

図５では、ａ相１次巻線４０１ａに対して、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕがより遠くに、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗがより近くに配置されている。したがって、ａ相１次巻線４０１ａとａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕの結合係数ｋ１２は、ａ相１次巻線４０１ａとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの結合係数ｋ１３より小さい（ｋ１２＜ｋ１３）。

【0112】

また、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓに対して、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕがより近くに、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗがより遠くに配置されている。したがって、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓとａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕの結合係数ｋ２４は、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの結合係数ｋ３４より大きい（ｋ２４＞ｋ３４）。

【0113】

以上から、図５の巻線配置ではｋ１２＜ｋ１３かつｋ２４＞ｋ３４となっているため、（１４）式のＡとＢが共に負となる。したがって、直流事故１０８が発生した場合にＩＤＣが増加し、これに伴って１次巻線４０１を介して大きな零相直流電流が交流系統１０１に流出してしまう。

【0114】

一方、図６では、ａ相１次巻線４０１ａに対して、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕがより近くに、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗがより遠くに配置されている。したがって、ａ相１次巻線４０１ａとａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕの結合係数ｋ１２は、ａ相１次巻線４０１ａとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの結合係数ｋ１３より大きい（ｋ１２＞ｋ１３）。

【0115】

また、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓに対して、ａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕがより近くに、ａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗがより遠くに配置されている。したがって、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓとａ脚ｕ相２次分割巻線４０２ａｕの結合係数ｋ２４は、ｒｓ相３次巻線４０３ｒｓとａ脚ｗ相２次分割巻線４０２ａｗの結合係数ｋ３４より大きい（ｋ２４＞ｋ３４）。

【0116】

以上から、図６の巻線配置ではｋ１２＞ｋ１３かつｋ２４＞ｋ３４となっているため、（１４）式のＡが負、Ｂが正となる。したがって、直流事故１０８が発生した場合にＩＤＣが増加し、これに伴って１次巻線４０１を介して零相直流電流が交流系統１０１に流出することを低減できる。

【0117】

なお、図６において、２次分割巻線４０２ａｕと４０２ａｗの位置を入れ替えても同様の効果が得られる。

【0118】

以上、図６の巻線配置を用いることによって、直流事故１０８の発生時に交流系統１０１に流出する零相直流電流を低減できる原理を説明した。

【0119】

以下、図８、９の概略波形を用いて、図５の巻線構成と図６の巻線構成を用いた場合の影響と効果を説明する。

【0120】

図８は、図５の巻線構成を用いた場合の図１の電力変換装置１０２において、直流事故１０８が発生し、その後、遮断器１０５によって事故電流を遮断するまでの概略波形である。ただし、交流系統１０１として、理想電源を仮定したため、直流事故発生時（時刻Ｔ１＜ｔ＜Ｔ２）においても交流系統１０１の相電圧ＶＳａ、ＶＳｂ、ＶＳｃは変化しない波形を描いた。

【0121】

図８の各波形は、上から交流系統１０１の相電圧ＶＳａ、ＶＳｂ、ＶＳｃ、交流系統１０１に流れる電流ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃ、交流系統に流れる零相電流ＩＳａ＋ＩＳｂ＋ＩＳｃ（＝Ｉｇ）、直流電圧ＶＤＣ、直流電流ＩＤＣの概略波形である。

【0122】

時刻ｔ＝Ｔ１以前では、電力変換装置１０２は交流系統１０１から有効電力を受電し、図示されていない直流送電線を介して他端電力変換装置１０９に直流電力を送電する整流器運転を行っていた。

【0123】

時刻ｔ＝Ｔ１で直流事故１０８が発生すると、直流電圧ＶＤＣが概ね零まで低下し、交流系統１０１から交流事故電流が流入する。したがって、ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃの振幅が増加する。

【0124】

前述のように、各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗは、直流事故発生中には半波整流器として動作し、直流電流ＩＤＣの振幅も増加する。

【0125】

ここで、図５の巻線配置を用いた変圧器１０４では、前述のようにＩＤＣの増加によって、１次巻線４０１ａ、ｂ、ｃに大きな零相直流電流が誘導されるため、零相電流ＩＳａ＋ＩＳｂ＋ＩＳｃが流出してしまう。ＩＳａ＋ＩＳｂ＋ＩＳｃ（＝Ｉｇ）は変圧器１０４の接地点（ｇ点）と交流系統１０１の接地点１０２の間を流れる。この零相電流ＩＳａ＋ＩＳｂ＋ＩＳｃ（＝Ｉｇ）によって、交流系統１０１に流れる電流ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃはオフセットが重畳された波形となるため、遮断器１０５の遮断性能に悪影響を及ぼす恐れがある。

【0126】

時刻ｔ＝Ｔ２で遮断器１０５が三相とも開放し、ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃは零となる。その後、ＩＤＣは減衰する。

【0127】

一方、図９は、図６の巻線構成を用いた場合の図１の電力変換装置１０２において、直流事故１０８が発生し、その後、遮断器１０５によって事故電流を遮断するまでの概略波形である。図８と同じく、交流系統１０１として、理想電源を仮定したため、直流事故発生時（時刻Ｔ１＜ｔ＜Ｔ２）においても交流系統１０１の相電圧ＶＳａ、ＶＳｂ、ＶＳｃは変化しない波形を描いた。

【0128】

図９の各波形は、図８と同様に、上から交流系統１０１の相電圧ＶＳａ、ＶＳｂ、ＶＳｃ、交流系統１０１に流れる電流ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃ、交流系統に流れる零相電流ＩＳａ＋ＩＳｂ＋ＩＳｃ（＝Ｉｇ）、直流電圧ＶＤＣ、直流電流ＩＤＣの概略波形である。

【0129】

時刻ｔ＝Ｔ１以前では、電力変換装置１０２は交流系統１０１から有効電力を受電し、図示されていない直流送電線を介して他端電力変換装置１０９に直流電力を送電する整流器運転を行っていた。

【0130】

時刻ｔ＝Ｔ１で直流事故１０８が発生すると、直流電圧ＶＤＣが概ね零まで低下し、交流系統１０１から交流事故電流が流入する。したがって、ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃの振幅が増加する。

【0131】

前述のように、各変換器アーム１０６ｕ、ｖ、ｗは、直流事故発生中には半波整流器として動作し、直流電流ＩＤＣの振幅も増加する。

【0132】

ここで、図６の巻線配置を用いた変圧器１０４では、前述のようにＩＤＣの増加によって、１次巻線４０１ａ、ｂ、ｃに誘導される零相直流電流を低減できるという効果を得られる。したがって、ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃに重畳するオフセットも低減できるため、遮断器１０５の遮断性能を、交流電流のみの場合と大略等しくできるという効果を得られる。

【0133】

時刻ｔ＝Ｔ２で遮断器１０５が三相とも開放し、ＩＳａ、ＩＳｂ、ＩＳｃは零となる。その後、ＩＤＣは減衰する。

【0134】

以上、図８、図９の概略波形を用いて、図６の巻線配置によって、直流事故時の零相直流電流を低減できるという効果を説明した。

【0135】

なお、本実施例では、単位変換器１０７として、双方向チョッパセル形単位変換器１０７ｃを用いた場合について主に説明したが、図４に示すフルブリッジ回路形単位変換器１０４ｆを用いた場合にもＩＤＣが増加するような場合には同様の効果を得られる。

【0136】

また、図２の双方向チョッパセル形単位変換器１０７ｃや、図４のフルブリッジ回路形単位変換器１０４ｆとは異なる方式の単位変換器であっても、本発明は適用可能である。

【0137】

さらに、結合係数の大小関係が前述の条件を満たしていれば、図６に示す巻線配置以外の巻線配置を有する変圧器を用いた場合にも、図６と同様の効果が得られる。

【0138】

実施例１において、直流負側端子（Ｎ点）を接地することができる。この場合、変圧器２次巻線の対地直流電位を概ね零とすることができるという効果が得られる。

【実施例2】

【0139】

本発明の第２の実施例について説明する。

【0140】

本実施例は、双方向チョッパ回路を単位変換器とし、前記双方向チョッパ回路を複数直列接続して構成した３つの変換器アームと変圧器の３つの２次巻線をそれぞれ直列接続した回路３つを並列接続し、並列接続点の一方を直流正側端子、他方を直流負側端子とし、前記変圧器の１次巻線を三相電力系統に接続し、前記変圧器の３次巻線をΔ結線した電力変換装置である。

【0141】

また、本実施例は、前記の電力変換装置２つの直流端子どうし、または、前記の電力変換装置１つと他方式の電力変換装置１つの直流端子どうしを、例えば直流送電線を介して接続したＨＶＤＣ、周波数変換装置（ＦＣ）、またはＢＴＢ（Ｂａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋ）システムの構成である。

【0142】

実施例１との相違点は、変換器アームと変圧器２次巻線を直列接続する位置を変更した点である。

【0143】

本実施例によれば、実施例１と同様に、前記の直流送電線での地絡・短絡事故発生時に、直流事故電流が交流系統側に零相直流電流として流出することを防止できるという効果が得られる。

【0144】

また、本実施例では、電力変換装置の直流正側端子と直流負側端子の中点を接地した場合に、変圧器２次巻線の対地直流電位を概ね零にできるという効果を得られる。

【0145】

まず、図１０を用いて、実施例１の全体構成を説明する。

【0146】

電力変換装置１００１は変圧器１００２と遮断器１００３を介して交流系統１０１に接続している。交流系統１０１は接地点１０２にて接地されている。また、変圧器１００２の１次巻線のａ、ｂ、ｃ点に交流系統１０１を、２次巻線のｕｐ、ｖｐ、ｗｐ点とｕｎ、ｖｎ、ｗｎ点の間に変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗを接続しており、３次巻線はΔ結線されている。なお、変圧器１００２の詳細構成については図１１を用いて後述する。また、各変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗのｕｐ、ｖｐ、ｗｐ点の反対側の端は直流正側端子（Ｐ点）に接続されており、さらに、各変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗのｕｎ、ｖｎ、ｗｎ点の反対側の端は直流負側端子（Ｎ点）に接続されている。

【0147】

すなわち、変圧器２次巻線（図１１の１１０２）と各変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗが直列接続された回路が、Ｐ点とＮ点で並列接続されている構成となっている。

【0148】

直流正側端子（Ｐ点）と直流負側端子（Ｎ点）には直接、あるいは図示されていない直流送電線を介して他端電力変換装置１０９を接続している。ここで、他端電力変換装置１０９は、電力変換装置１００１と同一構成または異なる構成とすることができる。

【0149】

各変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗは複数の単位変換器１０７の直列回路である。単位変換器１０７の内部構成については図２、３に示した通りである。

【0150】

以下、図１１を用いて、変圧器１００２の各巻線の結線状態の一例について説明する。

【0151】

ａ相鉄心脚１１０４ａに、ａ相１次巻線１１０１ａ、ａ脚ｕ相２次巻線１１０２ａｕ、ａ脚ｗ相２次巻線１１０２ａｗ、ｒｓ相３次巻線１１０３ｒｓを巻回している。また、ｂ相鉄心脚１１０４ｂに、ｂ相１次巻線１１０１ｂ、ｂ脚ｖ相２次巻線１１０２ｂｖ、ｂ脚ｕ相２次巻線１１０２ｂｕ、ｓｔ相３次巻線１１０３ｓｔを巻回している。同様に、ｃ相鉄心脚１１０４ｃに、ｃ相１次巻線１１０１ｃ、ｃ脚ｗ相２次巻線１１０２ｃｗ、ｃ脚ｖ相２次巻線１１０２ｃｖ、ｓｔ相３次巻線１１０３ｔｓを巻回している。

【0152】

すなわち、変圧器１００２は、１次巻線、２つの２次分割巻線、３次巻線という、４つの三相巻線を備えている。

【0153】

また、変圧器１００２の各鉄心脚１１０４ａ、ｂ、ｃが独立した磁路を構成し、３つの単相変圧器として構成されている場合、言い換えれば、電力変換装置１００１は、４つの単相巻線を有する３つの単相変圧器を備えていると言える。

【0154】

１次巻線１１０１ａ、ｂ、ｃをスター結線しており、ｇ点で接地している。

【0155】

また、２次分割巻線１１０２ａｗ、ｂｕ、ｃｖのそれぞれの一端は、ｗｎ、ｕｎ、ｖｎを介して変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗに接続している
さらに、２次分割巻線１１０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗのそれぞれの一端は、ｕｐ点、ｖｐ点、ｗｐ点を介して変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗに接続している。

【0156】

２次分割巻線１１０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗの、変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗと反対側の端は、それぞれ２次分割巻線１１０２ａｗ、ｂｕ、ｃｖの変換器アーム１００４ｗ、ｕ、ｖの反対側の端に接続している。

【0157】

言い換えれば、６つの２次分割巻線１１０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖはオープン千鳥結線を構成している。本実施例では、６つの２次分割巻線１１０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖを総称して単に２次巻線と称する。ここで、２次分割巻線１１０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖの巻数は概ね等しい。

【0158】

なお、図１１では、２次分割巻線１１０２ａｕ、ｂｖ、ｃｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖの結線として、例えば１１０２ａｕと１１０２ｂｕが接続している場合を描いているが、２次巻線１１０２が図１１とは異なる２次分割巻線の組み合わせを用いた千鳥結線となっている場合にも、本発明は適用可能であり、本実施例はこのような場合も含んでいるものとする。

【0159】

３次巻線１１０３の各巻線１１０３ｒｓ、ｓｔ、ｔｒはΔ結線されている。図１１では、ｒ、ｓ、ｔの各点に何も接続していないが、本実施例はｒ、ｓ、ｔ点に補機等の負荷や電源を接続した場合も含んでいるものとする。ｒ、ｓ、ｔ点に負荷を接続した場合、３次巻線４０３をからこれらの負荷に電力を供給できるという効果を得られる。また、ｒ、ｓ、ｔ点に電源を接続した場合、３次巻線４０３から各変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗの単位変換器１０７に含まれるコンデンサ２０３（および図３のコンデンサ３０１）を充電できるという効果を得られる。

【0160】

３つの鉄心脚１１０４ａ、ｂ、ｃが、３脚鉄心を構成していても、図示していない他の２脚とともに５脚鉄心を構成していても、本発明は適用可能である。また、３つの鉄心脚１１０４ａ、ｂ、ｃが独立した磁路を構成し、変圧器１００２が３つの単相変圧器として構成されている場合にも本発明は適用可能である。

【0161】

ここで、本明細書では、変圧器１００２の巻線のうち、交流系統１０１に接続されている巻線を１次巻線と称し、変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗに接続されている巻線を２次巻線、Δ結線されている巻線を３次巻線と称しているが、「１次」、「２次」、「３次」は説明のための便宜的な呼称であって、呼称が異なっていても本発明は適用可能である。

【0162】

本実施例では、実施例１の説明に用いた図５、図６において、各符号を次のように置き換えた巻線配置を用いるものとする。すなわち、４０１ａを１１０１ａに、４０２ａｕを１１０２ａｕに。４０２ａｗを１１０２ａｗに、４０３ｒｓを１１０３ｒｓにそれぞれ置き換えたものとする。

【0163】

各符号を前述のように置き換えた図６の巻線配置を用いると、実施例１と同様に、直流事故１０８が発生した場合に１次巻線１１０１に誘導され、交流系統１０１に流出する零相直流電流を低減できるという効果を得られる。

【0164】

なお、本実施例では、単位変換器１０７として、双方向チョッパセル形単位変換器１０７ｃを用いた場合について主に説明したが、図４に示すフルブリッジ回路形単位変換器１０４ｆを用いた場合にもＩＤＣが増加するような場合には同様の効果を得られる。

【0165】

また、図２の双方向チョッパセル形単位変換器１０７ｃや、図４のフルブリッジ回路形単位変換器１０４ｆとは異なる方式の単位変換器であっても、本発明は適用可能である。

【0166】

さらに、結合係数の大小関係が前述の条件を満たしていれば、図６に示す巻線配置以外の巻線配置を有する変圧器を用いた場合にも、図６と同様の効果が得られる。

【0167】

ここで，本実施例の図６のように，千鳥結線となっている２次巻線４０２を鉄心脚４０４ａ，ｂ，ｃから遠い位置に配置することによって，例えば落雷等によって２つの２次分割巻線の間に生じるサージ電圧に対する絶縁性の確保を容易にできるという効果も得られる。

【実施例3】

【0168】

本発明の第３の実施例について説明する。

【0169】

本実施例は、双方向チョッパ回路を単位変換器とし、前記双方向チョッパ回路を複数直列接続して構成した３つの変換器アームと変圧器の３つの２次巻線をそれぞれ直列接続した回路３つを並列接続し、並列接続点の一方を直流正側端子、他方を直流負側端子とし、前記変圧器の１次巻線を三相電力系統に接続し、前記変圧器の３次巻線をΔ結線した電力変換装置である。

【0170】

また、本実施例は、前記の電力変換装置２つの直流端子どうし、または、前記の電力変換装置１つと他方式の電力変換装置１つの直流端子どうしを、例えば直流送電線を介して接続したＨＶＤＣ、周波数変換装置（ＦＣ）、またはＢＴＢ（Ｂａｃｋ−ｔｏ−Ｂａｃｋ）システムの構成である。

【0171】

実施例２との相違点は、変圧器２次巻線の結線状態を変更した点である。

【0172】

本実施例によれば、実施例１、２と同様に、前記の直流送電線での地絡・短絡事故発生時に、直流事故電流が交流系統側に零相直流電流として流出することを防止できるという効果が得られる。

【0173】

また、本実施例では、実施例２と同様に、電力変換装置の直流正側端子と直流負側端子の中点を接地した場合に、変圧器２次巻線の対地直流電位を概ね零にできるという効果を得られる。

【0174】

まず、図１２を用いて、実施例３の全体構成を説明する。

【0175】

電力変換装置１２０１は変圧器１２０２と遮断器１２０３を介して交流系統１０１に接続している。交流系統１０１は接地点１０２にて接地されている。また、変圧器１２０２の１次巻線のａ、ｂ、ｃ点に交流系統１０１を、２次巻線のｕｐ、ｖｐ、ｗｐ点に正側変換器アーム１２０４ｕｐ、ｖｎ、ｗｎを接続しており、２次巻線のｕｎ、ｖｎ、ｗｎ点に負側変換器アーム１２０４ｕｎ、ｖｎ、ｗｎを接続しており、３次巻線はΔ結線されている。なお、変圧器１２０２の詳細構成については図１３を用いて後述する。また、各正側変換器アーム１２０４ｕｐ、ｖｐ、ｗｐのｕｐ、ｖｐ、ｗｐ点と反対側の端は直流正側端子（Ｐ点）に接続されており、さらに、各負側変換器アーム１２０４のｕｎ、ｖｎ、ｗｎ点と反対側の端は直流負側端子（Ｎ点）に接続されている。

【0176】

すなわち、変圧器２次巻線（図１３の１３０２）と各変換器アーム１００４ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎが直列接続された回路が、Ｐ点とＮ点で並列接続されている構成となっている。

【0177】

直流正側端子（Ｐ点）と直流負側端子（Ｎ点）には直接、あるいは図示されていない直流送電線を介して他端電力変換装置１０９を接続している。ここで、他端電力変換装置１０９は、電力変換装置１２０１と同一構成または異なる構成とすることができる。

【0178】

各変換器アーム１２０４ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎは複数の単位変換器１０７の直列回路である。単位変換器１０７の内部構成については図２、３に示した通りである。

【0179】

以下、図１３を用いて、変圧器１２０２の各巻線の結線状態の一例について説明する。

【0180】

ａ相鉄心脚１３０４ａに、ａ相１次巻線１３０１ａ、ｕ相正側２次巻線１３０２ｕｐ、ｕ相負側２次巻線１３０２ｕｎ、ｒｓ相３次巻線１３０３ｒｓを巻回している。また、ｂ相鉄心脚１３０４ｂに、ｂ相１次巻線１３０１ｂ、ｖ相正側２次巻線１３０２ｖｐ、ｖ相負側２次巻線１１０２ｖｎ、ｓｔ相３次巻線１３０３ｓｔを巻回している。同様に、ｃ相鉄心脚１３０４ｃに、ｃ相１次巻線１３０１ｃ、ｗ相正側２次巻線１３０２ｗｐ、ｗ相負側２次巻線１３０２ｗｎ、ｓｔ相３次巻線１３０３ｔｓを巻回している。

【0181】

すなわち、変圧器１２０２は、１次巻線、正側２次巻線、負側２次巻線、３次巻線という、４つの三相巻線を備えている。

【0182】

また、変圧器１２０２の各鉄心脚１３０４ａ、ｂ、ｃが独立した磁路を構成し、３つの単相変圧器として構成されている場合、言い換えれば、電力変換装置１２０１は、４つの単相巻線を有する３つの単相変圧器を備えていると言える。

【0183】

１次巻線１３０１ａ、ｂ、ｃをスター結線しており、ｇ点で接地している。

【0184】

また、２次分割巻線１３０２ｕｎ、ｖｎ、ｗｎのそれぞれの一端は、ｗｎ、ｕｎ、ｖｎを介して負側変換器アーム１２０４ｕｎ、ｖｎ、ｗｎに接続している
さらに、２次分割巻線１３０２ｕｐ、ｂｐ、ｗｐのそれぞれの一端は、ｕｐ点、ｖｐ点、ｗｐ点を介して正側変換器アーム１２０４ｕ、ｖ、ｗに接続している。

【0185】

２次分割巻線１３０２ｕｐ、ｖｐ、ｗｐの、正側変換器アーム１２０４ｕｐ、ｖｐ、ｗｐと反対側の端は、それぞれ２次分割巻線１３０２ｕｎ、ｖｎ、ｗｎの負側変換器アーム１２０４ｕｎ、ｖｎ、ｗｎの反対側の端に接続している。

【0186】

言い換えれば、６つの２次分割巻線１３０２ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎはダブルスター結線を構成している。本実施例では、６つの２次分割巻線１３０２ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎを総称して単に２次巻線と称する。ここで、２次分割巻線１３０２ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎの巻数は概ね等しい。

【0187】

なお、図１３では、２次分割巻線１３０２ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎの結線として、例えば４０２ａｕと４０２ｂｕが接続している場合を描いているが、２次巻線１３０２が図１３とは異なる２次分割巻線の組み合わせを用いたダブルスター結線となっている場合にも、本発明は適用可能であり、本実施例はこのような場合も含んでいるものとする。

【0188】

３次巻線１３０３の各巻線１３０３ｒｓ、ｓｔ、ｔｒはΔ結線されている。図１３では、ｒ、ｓ、ｔの各点に何も接続していないが、本実施例はｒ、ｓ、ｔ点に補機等の負荷や電源を接続した場合も含んでいるものとする。ｒ、ｓ、ｔ点に負荷を接続した場合、３次巻線４０３をからこれらの負荷に電力を供給できるという効果を得られる。また、ｒ、ｓ、ｔ点に電源を接続した場合、３次巻線４０３から各変換器アーム１２０４ｕｐ、ｖｐ、ｗ
ｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎの単位変換器１０７に含まれるコンデンサ２０３（および図３のコンデンサ３０１）を充電できるという効果を得られる。

【0189】

３つの鉄心脚１３０４ａ、ｂ、ｃが、３脚鉄心を構成していても、図示していない他の２脚とともに５脚鉄心を構成していても、本発明は適用可能である。また、３つの鉄心脚１３０４ａ、ｂ、ｃが独立した磁路を構成し、変圧器１２０２が３つの単相変圧器として構成されている場合にも本発明は適用可能である。

【0190】

ここで、本明細書では、変圧器１２０３の巻線のうち、交流系統１０１に接続されている巻線を１次巻線と称し、変換器アーム１００４ｕ、ｖ、ｗに接続されている巻線を２次巻線、Δ結線されている巻線を３次巻線と称しているが、「１次」、「２次」、「３次」は説明のための便宜的な呼称であって、呼称が異なっていても本発明は適用可能である。

【0191】

本実施例では、実施例１の説明に用いた図５、図６において、各符号を次のように置き換えた巻線配置を用いるものとする。すなわち、４０１ａを１３０１ａに、４０２ａｕを１３０２ａｕに。４０２ａｗを１３０２ａｗに、４０３ｒｓを１３０３ｒｓにそれぞれ置き換えたものとする。

【0192】

各符号を前述のように置き換えた図６の巻線配置を用いると、実施例１、２と同様に、直流事故１０８が発生した場合に１次巻線１３０１に誘導され、交流系統１０１に流出する零相直流電流を低減できるという効果を得られる。

【0193】

なお、本実施例では、単位変換器１０７として、双方向チョッパセル形単位変換器１０７ｃを用いた場合について主に説明したが、図４に示すフルブリッジ回路形単位変換器１０４ｆを用いた場合にもＩＤＣが増加するような場合には同様の効果を得られる。

【0194】

また、図２の双方向チョッパセル形単位変換器１０７ｃや、図４のフルブリッジ回路形単位変換器１０４ｆとは異なる方式の単位変換器であっても、本発明は適用可能である。

【0195】

さらに、結合係数の大小関係が前述の条件を満たしていれば、図６に示す巻線配置以外の巻線配置を有する変圧器を用いた場合にも、図６と同様の効果が得られる。

【符号の説明】

【0196】

１０１・・・交流系統
１０２・・・接地点
１０３・・・電力変換装置
１０４・・・変圧器
１０５・・・遮断器
１０６ｕ、ｖ、ｗ・・・変換器アーム
１０７・・・単位変換器
１０７ｃ・・・双方向チョッパ回路形単位変換器
１０７ｆ・・・フルブリッジ回路形単位変換器
１０８・・・直流事故
１０９・・・他端電力変換装置
２０１Ｈ、Ｌ、ＸＨ、ＸＬ、ＹＨ、ＹＬ・・・スイッチング素子
２０２Ｈ、Ｌ、ＸＨ、ＸＬ、ＹＨ、ＹＬ・・・環流ダイオード
２０３、３０１・・・コンデンサ
４０１ａ、ｂ、ｃ・・・１次巻線
４０２ａｕ、ｂｖ、ｖｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖ・・・２次巻線
４０３ｒｓ、ｓｔ、ｔｒ・・・３次巻線
４０４ａ、ｂ、ｃ・・・鉄心脚
７０１、７０２、７０３、７０４・・・各巻線の外部回路
１００１・・・電力変換装置
１００２・・・変圧器
１００３・・・遮断器
１００４ｕ、ｖ、ｗ・・・変換器アーム
１１０１ａ、ｂ、ｃ・・・１次巻線
１１０２ａｕ、ｂｖ、ｖｗ、ａｗ、ｂｕ、ｃｖ・・・２次巻線
１１０３ｒｓ、ｓｔ、ｔｒ・・・３次巻線
１１０４ａ、ｂ、ｃ・・・鉄心脚
１２０１・・・電力変換装置
１２０２・・・変圧器
１２０３・・・遮断器
１２０４ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ・・・正側変換器アーム
１２０４ｕｎ、ｖｎ、ｗｎ・・・負側変換器アーム
１３０１ａ、ｂ、ｃ・・・１次巻線
１３０２ｕｐ、ｖｐ、ｗｐ、ｕｎ、ｖｎ、ｗｎ・・・２次巻線
１３０３ｒｓ、ｓｔ、ｔｒ・・・３次巻線
１３０４ａ、ｂ、ｃ・・・鉄心脚

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】